JP2021026875A - 電源装置とこの電源装置を備える電動車両及び蓄電装置 - Google Patents

電源装置とこの電源装置を備える電動車両及び蓄電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】バインドバー2の重量増加を抑制しながら、電池積層体の曲げモーメントに対する変形を少なくして電池セル1の上下方向の位置ずれを抑制する。【解決手段】電源装置は、複数の角形の電池セル1を積層している電池積層体10の積層方向の両端部にエンドプレート4を配置して、両面のエンドプレート4をバインドバー2で固定して、バインドバー2は、両端部をエンドプレート4に固定しているバインドバー2と、バインドバー2の表面に固定しているトラスメンバー5又はアーチメンバー6とを備える。【選択図】図2

Description

本発明は、複数の角形電池セルを積層している電源装置とこの電源装置を備える電動車両及び蓄電装置に関する。
二次電池を用いた電源装置が車両の駆動用電源等の用途で利用されている。このような電源装置は、複数枚の電池セルを積層している電池積層体の両端面にエンドプレートを配置し、エンドプレートを左右のバインドバーで締結する構成が一般に採用されている(特許文献1参照)。このような電源装置において、出力を向上させるためには、電池セルの数を増やすことが挙げられる。
しかしながら、上記のようなエンドプレートとバインドバーを用いた構成においては、電池セルの数が増加すると、電池積層体が長くなって曲げモーメントが強くなるので、これに応じて相応の剛性アップが要求される。電池セルの荷重に対する曲げモーメントに耐えるように、バインドバーの剛性を上げる必要が生じ、このためバインドバーを構成する金属板を厚くしたり、より強固な材質を使用する等の対策が必要となり、重量が重くなったりコストが高くなるという問題が生じる。また、電池セル数が増すにつれて、中央に位置する電池セルの位置ずれがより大きくなるという懸念も生じる。
国際公開第2012/131837号
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の目的の一は、バインドバーの重量増加を抑制しながら、曲げモーメントに対する変形を少なくして電池セルの上下方向の位置ずれを抑制する技術を提供することにある。
本発明のある態様にかかる電源装置は、複数の角形の電池セル1を積層してなる電池積層体10と、電池積層体10の積層方向の両端部に配置してなる一対のエンドプレート4と、エンドプレート4に固定してなるバインドバー2とを備える。バインドバー2は、両端部をエンドプレート4に固定している本体プレート20と、本体プレート20の表面に固定されているトラスメンバー5又はアーチメンバー6とを備える。
本発明のある態様に係る電動車両は、上記電源装置100と、電源装置100から電力供給される走行用のモータ93と、電源装置100及びモータ93を搭載してなる車両本体91と、モータ93で駆動されて車両本体91を走行させる車輪97とを備えている。
本発明のある態様に係る蓄電装置は、上記電源装置100と、電源装置100への充放電を制御する電源コントローラ88と備えて、電源コントローラ88でもって、外部からの電力により電池セル1への充電を可能とすると共に、電池セル1に対し充電を行うよう制御している。
以上の電源装置は、バインドバーの重量増加を抑制しながら、曲げモーメントに対する変形を少なくして、電池セルの上下方向の位置ずれを防止する。
本発明の一実施形態に係る電源装置の斜視図である。 図1の電源装置の分解斜視図である。 図1の電源装置のバインドバーの模式正面図である。 X字状のトラス構造のトラスメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 ワーレントラス構造のトラスメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 プラットトラス構造のトラスメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 ハウトラス構造のトラスメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 Kトラス構造のトラスメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 フィンクトラス構造のトラスメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 アーチメンバーを備えるバインドバーの模式正面図である。 トラスメンバー及びアーチメンバーの一例を示す断面斜視図である。 トラスメンバー及びアーチメンバーの他の一例を示す断面斜視図である。 トラスメンバー及びアーチメンバーの他の一例を示す断面斜視図である。 中間プレートの斜視図である。 図1に示す電源装置のXV−XV線断面図である。 図6に示す中間プレートの環状リブと絶縁プレートの連結状態を示す拡大断面図である。 中間プレートの他の一例の環状リブと絶縁プレートの連結状態を示す拡大断面図である。 中間プレートとバインドバーの連結構造を示す分解断面図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 蓄電用の電源装置に適用する例を示すブロック図である。
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語)を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。
さらに以下に示す実施形態は、本発明の技術思想の具体例を示すものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
本発明の第1の実施態様の電源装置は、複数の角形の電池セルを積層してなる電池積層体と、電池積層体の積層方向の両端部に配置してなる一対のエンドプレートと、エンドプレートに固定してなるバインドバーとを備える電源装置であって、バインドバーが、両端部をエンドプレートに固定してなる本体プレートと、本体プレートの表面に固定されてなるトラスメンバー又はアーチメンバーとを備えている。
以上の電源装置は、バインドバーの重量増加を抑制しながら、曲げモーメントに対する変形を少なくして電池セルの上下方向の位置ずれを抑制できる。とくに、多数の電池セルを積層して電池積層体が長くなる電源装置においても、電池セルの重量でバインドバーが変形して電池セルが位置ずれするのを防止できる特長がある。とくに、以上の電源装置は、車両に搭載されて走行モータに電力を供給する大出力の電源装置においても、振動や衝撃で電池セルが位置ずれするのを抑制できる特長がある。
さらに、以上の電源装置は、電池セルの位置ずれを抑制するために、バインドバーを厚くて重い板材とすることなく、表面に細長いトラスメンバーやアーチメンバーを固定して曲げモーメントに対する変位を抑制するので、バインドバーの重量増加を抑制して電池セルの位置ずれを抑制でき、さらに、バインドバーの表面に、トラスメンバーやアーチメンバーを固定して電池セルの荷重による曲げを抑制するので、バインドバーを複雑な形状に加工する必要もなく、表面にトラスメンバーやアーチメンバーを溶接して簡単に多量生産できる特長も実現する。
本発明の第2の実施態様の電源装置は、トラスメンバーが、本体プレートの下縁に沿って固定してなる下弦と、本体プレートの上縁に沿って固定している上弦と、上弦と下弦とに両端部を固定してなる傾斜弦とを備えている。
本発明の第3の実施態様の電源装置は、トラスメンバーが、本体プレートの上下両側に両端部を固定してなる複数の垂直弦を備え、隣接して配置している垂直弦の間に傾斜弦を配置している。
本発明の第4の実施態様の電源装置は、アーチメンバーが、両端部を本体プレートの下縁に固定して、中央部を上縁に固定している。
本発明の第5の実施態様の電源装置は、本体プレートが高張力鋼である。
本発明の第6の実施態様の電源装置は、トラスメンバーとアーチメンバーが高張力鋼である。
本発明の第7の実施態様の電源装置は、トラスメンバーとアーチメンバーが、横断面形状を溝型とする金属板である。
本発明の第8の実施態様の電源装置は、トラスメンバーとアーチメンバーが金属パイプである。
本発明の第9の実施態様の電源装置は、トラスメンバーとアーチメンバーが金属ロッドである。
本発明の第10の実施態様の電源装置は、トラスメンバーとアーチメンバーが、本体プレートの表面に溶接されている。
本発明の第11の実施態様の電源装置は、トラスメンバーとアーチメンバーが、両端部を本体プレートに固定している。
本発明の第12の実施態様の電源装置は、本体プレートが、外周部を除く領域に開口部を備えている。
(実施の形態1)
本発明の一実施形態に係る電源装置100を、図1と図2に示す。これらの図に示す電源装置100は、車載用の電源装置の例を示している。具体的には、この電源装置100は、主としてハイブリッド車や電気自動車等の電動車両に搭載されて、車両の走行モータに電力を供給して、車両を走行させる電源に使用される。ただ、本発明の電源装置は、ハイブリッド車や電気自動車以外の電動車両に使用でき、また電動車両以外の大出力が要求される無停電電源などの用途にも使用できる。
(電源装置100)
図1と図2に示す電源装置100は、電池セル1を複数枚積層した電池積層体10と、この電池積層体10の積層方向の両端部に配置してなる一対のエンドプレート4と、エンドプレート4に固定してなるバインドバー2とを備える。電池セル1は、外形を幅よりも厚さを薄くした板状としており、主面を矩形状として、複数枚を積層している。また、電池セル1同士の間をセパレータ12などの絶縁材で絶縁している。さらに電池積層体10の中間には、中間プレート3を積層している。さらにまた、電池セル1をセパレータ12を介して交互に積層した状態で、電池積層体10の両側の端面をエンドプレート4で覆っている。この一対のエンドプレート4同士を、バインドバー2で固定して、エンドプレート4同士の間で電池積層体10を狭持する。
(電池セル1)
電池セル1は、その外形を構成する外装缶を、幅よりも厚さを薄くした角形としている。外装缶は上方を開口した有底筒状に形成され、開口部分を封口板で閉塞している。外装缶には、電極組立体が収納される。封口板には正負の電極端子と、この電極端子の間にガス排出弁を設けている。電池セルは、外装缶の表面を熱収縮チューブなどの絶縁膜(図示せず)で被覆している。封口板の表面は、電極端子や排出弁を設けているので、絶縁膜では被覆されず露出している。電池セル1同士は、バスバー13等で電気的に接続される。バスバー13は、金属板を折曲して形成される。
隣接する電池セル1同士の間には、樹脂製のセパレータ12等の絶縁部材が介在されて、これらの間を絶縁する。表面を絶縁膜で被覆している電池セルは、セパレータを介することなく積層することもできる。
(セパレータ12)
セパレータ12は、図2の分解斜視図に示すように、隣接する電池セル1の、対向する主面同士の間に介在されてこれらを絶縁する。また、セパレータ12は、両端の電池セル1とエンドプレート4との間、及び、中間の電池セル1と中間プレート3との間にも配置される。このセパレータ12は、絶縁材で薄いプレート状またはシート状に製作される。図に示すセパレータ12は、電池セル1の対向面とほぼ等しい大きさのプレート状としており、このセパレータ12を互いに隣接する電池セル1の間に積層して、隣接する電池セル1同士を絶縁している。なお、セパレータとして、隣接する電池セルの間に冷却気体の流路を形成する形状のセパレータを使用し、この流路に冷却気体を強制送風して電池セルを冷却することもできる。
セパレータ12の材質は、絶縁性とする。例えばプラスチック等の樹脂製とすることで、軽量で安価に構成できる。また硬質の部材とする他、可撓性を有する部材としてもよい。特に、冷却隙間を設けない形態のセパレータ12は、シート状等の可撓性のある薄い材質とすることができる。シート状として片面に接着面を塗布したセパレータを使用すれば、電池セル1の主面や側面の一部といった絶縁が必要な領域に貼付することが容易となる。加えて、シート状とすることでセパレータの薄型化が容易となり、電池積層体10の厚さや重量が増すことも抑制できる。
(エンドプレート4)
電池セル1とセパレータ12とを交互に積層した電池積層体10の両端面には一対のエンドプレート4を配置して、一対のエンドプレート4で電池積層体10を締結している。エンドプレート4は、十分な強度を発揮する材質、例えば金属製とする。ただ、エンドプレートは、材質を樹脂製とすることや、さらに、この樹脂製のエンドプレートを金属製の材質からなる部材で補強して構成することもできる。図2の例では、エンドプレート4を、1枚の金属板で構成している。
(バインドバー2)
バインドバー2は、両端部をエンドプレート4に固定している本体プレート20の表面に、トラスメンバー5又はアーチメンバー6を固定している。図1〜図9に示すバインドバー2は、本体プレート20の表面にトラスメンバー5を固定しており、図10のバインドバー2は、表面にアーチメンバー6を固定している。
本体プレート20は、図1と図2に示すように、両端にエンドプレート4が積層された電池積層体10の両側面に配置されて、端部を一対のエンドプレート4に固定されている。この本体プレート20は、電池積層体10の電池積層方向に延長された板状に形成される。具体的には、本体プレート20は、電池積層体10の側面を覆う平板状の締結主面25と、その端縁を折曲した折曲片として、第一折曲片21、第二折曲片22、第三折曲片23、第四折曲片24を有する。第一折曲片21は、締結主面25の長手方向に沿った端縁の内の一方、ここでは上端側を折曲した上端折曲片である。また、第二折曲片22は、締結主面25の長手方向に沿った他方側の端縁、ここでは下端側を折曲した下端折曲片である。さらに、第三折曲片23は、締結主面25の長手方向と交差する端縁、ここでは前方側を部分的に折曲したエンドプレート固定片である。最後に、第四折曲片24は、締結主面25の長手方向と交差する端縁の内、後方側を部分的に折曲したエンドプレート固定片である。このように本体プレート20の各端縁を折曲したことで、長手方向に沿う断面形状と、長手方向と交差する断面形状のいずれも、コ字状として、剛性を高めることが可能となる。
また、本体プレート20は、エンドプレート固定片でもってエンドプレート4にねじ止めなどにより固定される。また、上端折曲片で電池積層体10の上面の隅部を、下端折曲片で電池積層体10の下面の隅部を、それぞれ部分的に被覆して強度を増す。なお、下端折曲片を用いて、電源装置100を設置場所、例えば車両内部に螺合等により固定することもできる。
以上の本体プレート20は、金属板を折曲加工して製造される。また、本体プレート20は、長期にわたって電池積層体10を狭持するよう、十分な強度を備える必要がある。このため、剛性及び熱伝導に優れた高張力鋼、一般鋼、ステンレス、アルミ合金、マグネシウム合金等あるいはその組み合わせが利用できる。図2の例では、例えば、Fe系の金属よりなる金属板を用いている。
なお、本体プレートは、他の形状とすることもできる。例えば、帯状に延長された金属板の両端を断面視コ字状に折曲した形状としてもよい。また、本体プレートを設ける位置は、電池積層体の側面とする他、上下面とすることもできる。また、本体プレートをエンドプレートに固定する構造も、ねじ止めに限らず、リベットやかしめ、溶接、接着等、既知の固定構造が適宜利用できる。
さらに、本体プレート20は、図3の鎖線で示すように、締結主面25の外周部を除く領域に開口部20aを設けることもできる。トラスメンバー5やアーチメンバー6を固定している本体プレート20は、好ましくは、トラスメンバー5やアーチメンバー6が配置されない領域に開口部20aを設けることができる。さらに、本体プレートは、図示しないが、複数の開口部を設けて軽量化することもできる。また、開口部のある本体プレートは、開口部を通過する空気を、電池積層体の電池セル間に強制送風して電池セルを冷却することができる。
本体プレート20は、中間プレート3と連結するための中間プレート固定部27としてねじ穴を開口している。
金属製の本体プレート20は、電池セル1の外装缶の短絡を防止するため、本体プレート20と電池積層体10との間に絶縁構造を設けることもできる。図2の例では、金属製の本体プレート20と電池積層体10との間に、絶縁材9を介在させている。絶縁材9は、絶縁性の部材、例えば樹脂シートや紙等で構成される。また、絶縁材9の形状は、本体プレート20とほぼ同様の形状として、電池積層体10の側面が本体プレート20と触れないようにする。図2の例では、絶縁材9は、本体プレート20の内側面の略全体を被覆するシート状に形成している。
図3〜図9に示すバインドバー2は、電池セル1の積層方向、すなわち長手方向の曲げモーメントに対する強度を向上するために、本体プレート20の表面にトラスメンバー5を固定している。図10のバインドバー2は、本体プレート20の表面にアーチメンバー6を固定している。トラスメンバー5とアーチメンバー6は、好ましくは本体プレート20と同じ材質、例えば両方を高張力鋼として、熱膨張を等しくする。このバインドバー2は、温度変化による歪みを抑制できる。ただ、トラスメンバー5及びアーチメンバー6と本体プレート20は、必ずしも同じ金属製とする必要はなく、たとえば、トラスメンバー5及びアーチメンバー6を本体プレート20よりも熱膨張の小さい、あるいは大きい金属製とすることもできる。
本体プレート20の表面に固定しているトラスメンバー5及びアーチメンバー6は、電池積層体中央部の上下方向の変位を少なくする。多数の電池セルを積層して全長が長くなる電源装置100は、積層している電池セル1の荷重で中央部が垂れ下がる方向に変形し、あるいは、振動を受ける環境で使用される場合には、積層方向に長い電池積層体が上下方向に振動を受けると上方にも変位する。以下のトラスメンバー5及びアーチメンバー6は、中央部が上下方向に変動するのを抑制する。
トラスメンバー5及びアーチメンバー6は、引張応力と圧縮応力でバインドバー2の変位を抑制するので、長手方向に受ける応力に対して十分な強度の細長い棒材が使用される。図11ないし図13は、トラスメンバー5及びアーチメンバー6の断面斜視図を示す。図11のトラスメンバー5及びアーチメンバー6は、金属板51を溝型にプレス加工したもので、両側にフランジ部51Aを設けている。このトラスメンバー5及びアーチメンバー6は、フランジ部51Aを溶接して本体プレート20に固定できる。図12のトラスメンバー5及びアーチメンバー6は四角形の金属パイプ52で、両側を本体プレート20に溶着している。金属パイプ52のトラスメンバー5及びアーチメンバー6は、両側を確実に本体プレート20に溶接して固定できる。図13のトラスメンバー5及びアーチメンバー6は、金属ロッド53で、両側を溶接して本体プレート20に固定している。
図3のトラスメンバー5は、本体プレート20の下縁に沿って固定している下弦55と、下弦55に両端部を固定している2本の傾斜弦57とを備える。下弦55と2本の傾斜弦57は三角形に配置されて、2本の傾斜弦57は、上端部を本体プレート20の中央の上端縁部に、下端部を下弦55の両端に固定している。電池積層体10の中央部に中間プレート3を積層している電源装置100は、傾斜弦57の上端部を中間プレート3に固定して、電池積層体10の中央部が上下方向に変形するのを効果的に抑制できる。この構造の電源装置100は、傾斜弦57と本体プレート20を貫通する止ネジ14Aを中間プレート3にネジ止めして、バインドバー2の中央部を確実に中間プレート3に固定できる。
図3のトラスメンバー5は、本体プレート20の中央部に下向きに作用する荷重Fを、図の矢印で示すように、下弦55の引張応力Tと、傾斜弦57の圧縮応力Pで支持する。下弦55の引張応力Tと傾斜弦57の圧縮応力Pは、下弦55と傾斜弦57の角度(θ)により変化する。引張応力Tと傾斜弦57の圧縮応力Pは、下弦55と傾斜弦57の角度(θ)と荷重Fを用いて以下のように表せる。
P=F/2sinθ
T=F/2tanθ
ここで、図3において、矢印Rは、下弦55の両端の連結点にはたらく上向きの反力Rを示しており、R=F/2となる。なお、この反力Rは、下弦55の両端の連結点における引張応力Tと圧縮応力Pの合力と等しくなる。一例として、下弦55と傾斜弦57の角度(θ)を30度とするトラスメンバー5は、下弦55の引張応力Tが荷重Fの86%になり、傾斜弦57の圧縮応力Pは荷重Fに等しくなる。下弦55と傾斜弦57は、この応力に耐えて弾性変形し、さらに、この応力での変位が設定値よりも小さくなる強度の棒材を使用する。
トラスメンバー5は、長手方向に作用する引張応力Tと圧縮応力Pでバインドバー2の変形を抑制する。したがって、トラスメンバー5である下弦55と傾斜弦57は、少なくとも端部を本体プレート20に固定して、バインドバー2の変位を抑制する。トラスメンバー5は、好ましくは本体プレート20に溶接して固定される。ただし、トラスメンバー5と本体プレート20の固定方法を溶接に特定する必要はなく、たとえば、図示しないが、接着やネジ止めなどで固定することもできる。トラスメンバー5は、両端部を本体プレート20に固定するが、全体を本体プレート20に固定し、あるいは複数カ所を本体プレート20に固定することもできる。
トラスメンバー5は、図3に示す形状に特定されず、図4〜図9に示す以下の構造でバインドバー2の曲げを抑制することもできる。図4のトラスメンバー5は、本体プレート20の上縁に上弦56を、下縁に下弦55を固定すると共に、傾斜弦57をクロスするX字状として、クロスする傾斜弦57A、57Bの各上端を上弦56の一端と上弦56の中間部(中間プレート3)に固定し、クロスする傾斜弦57B、57Aの各下端を下弦55の一端と下弦55の中間部(中間プレート3)に固定している。このバインドバー2は、電池積層体10の中央部、中間プレート3のある電池積層体10は中間プレート3に固定して、電池積層体10の中間部が上下方向に変形するのを抑制できる。このトラスメンバー5は、バインドバー2の中間部に下向きに荷重が作用する状態において、下弦55と2本の傾斜弦57Bで形成される三角形の頂点に下向きに作用する荷重Fに対しては、下弦55に引張応力Tが、傾斜弦57Bには圧縮応力Pが作用し、上弦56と2本の傾斜弦57Aで形成される上下反転された三角形の頂点に下向きに作用する荷重Fに対しては、上弦55に圧縮応力Tが、傾斜弦57Aには引張応力Pが作用してバインドバー2の曲げを抑制する。また、図4において、矢印Rは、下弦55及び上弦56の両端の連結点にはたらく上向きの反力Rを示しており、R=F/2となる。なお、この反力Rは、下弦55の両端の連結点においては、引張応力Tと圧縮応力Pの合力と等しくなり、上弦56の両端の連結点においては、引張応力Pと圧縮応力Tの合力と等しくなる。
図5のトラスメンバー5は、トラス構造をワーレントラスとするもので、上弦56と下弦55と傾斜弦57とからなり、複数の傾斜弦57の端部を上弦56と下弦55に固定してジグザグ状に配置し、上弦56と傾斜弦57と下弦55とで長手方向に、交互に上下反転する状態に三角形を並べる形状とする。図6のトラスメンバー5は、トラス構造をプラットトラスとし、図7のトラスメンバー5はハウトラスとするもので、下弦55と上弦56に一定の間隔で垂直弦58を固定し、上弦56と下弦55と垂直弦58とで区画する四角形に対角線状に傾斜弦57を固定している。図6のプラットトラスは、中央部の垂直弦58の下端と下弦55との連結点に傾斜弦57A、57Bの下端を連結して、中央部の傾斜弦57A、57BをV字状に配置して本体プレート20に固定し、中央部の傾斜弦57A、57Bの両側の傾斜弦57A、57Bを中央部の傾斜弦57A、57Bと同じ方向に傾斜する姿勢としている。図7のハウトラスは、中央部の垂直弦58の上端と上弦56との連結点に傾斜弦57A、57Bの上端を連結して、中央部の傾斜弦57A、57Bを逆V字状に配置して本体プレート20に固定し、中央部の傾斜弦57A、57Bの両側の傾斜弦57A、57Bを中央部の傾斜弦57A、57Bと同じ方向に傾斜するように本体プレート20に固定している。さらに、図8のトラスメンバー5は、トラス構造をKトラスとするもので、上弦56と下弦55と垂直弦58とで囲まれる四角形の内側に、3組の三角形を設けるように、2本の傾斜弦57の一端を垂直弦58の中央部に固定して、他端を対向する四角形の隅部に固定している。このトラス構造は、四角形の内部に3組の三角形を配置するので、バインドバー2の曲げモーメントに対する変形をより少なくできる。さらに、図9のトラスメンバー5は、トラス構造をフィンクトラスとするもので、図1のトラス構造を構成している各々のメイン傾斜弦57Xに、3本のサブ傾斜弦57Yを連結し、全体で8本の傾斜弦57を固定している。メイン傾斜弦57Xと下弦55とで形成される三角形の内部を、サブ傾斜弦57Yで7組の三角形に区画して、バインドバー2の曲げモーメントに対する変位をより少なくしている。
さらに、図10のバインドバー2は、アーチメンバー6を本体プレート20の表面に固定している。この図のバインドバー2は、2本のアーチメンバー6を本体プレート20に上下反転する姿勢で本体プレート20に固定している。ひとつのアーチメンバー6Xは中央部を本体プレート20の上縁の中央部に固定して、両端部を本体プレート20の下縁両端部に固定し、他方のアーチメンバー6Yは、中央部を本体プレート20の下縁の中央部に固定し、両端部を本体プレート20の上縁両端部に固定している。中央部を本体プレート20の上縁に固定しているアーチメンバー6Xは、電池積層体10の中央部における下方向への変形を圧縮応力で抑制する。また、中央部を本体プレート20の下縁に固定しているアーチメンバー6Yは、電池積層体10の中央部における上方向への変形を圧縮応力で抑制する。電池積層体10は、電池セル1の自重で中央部が下がる方向に荷重を受け、上下振動を受ける環境で使用される電源装置では、上下振動する状態で、中央部が上下に移動する振動力が作用する。したがって、2本のアーチメンバー6X、6Yを上下反転して本体プレート20に固定するバインドバー2は、中央部の上下方向の変位を少なくして電池セル1を定位置に配置できる。
(中間プレート3)
図1及び図2の電源装置100は、電池積層体10の中間部分に、中間プレート3を介在させている。図の電池積層体10は中央に1枚の中間プレート3を設けているが、長い電池積層体は中間に複数の中間プレートを設けることもでき、電池積層体の長さによっては中間プレートを使用しない場合もある。中間プレート3は、バインドバー2の長手方向の中間に固定されている。このためバインドバー2は、長手方向の中間において中間プレート3と固定するための中間プレート固定部27を有している。一方、中間プレート3は、図14及び図15に示すように、中間プレート固定部27と固定される金属カラー31を固定している。このように本実施形態では、電池積層体10の中間部分を中間プレート3でもって補強したことで、電池セル1の積層数が増えた場合でも剛性を維持できる利点が得られる。なお、電池積層体の剛性が充分な場合、上述したように中間プレートを使用しないことも可能である。
本実施形態において、バインドバー2の中間部分に中間プレート3を設けており、さらに一対のバインドバー2のそれぞれと固定している。いいかえると、一対のバインドバー2は中間プレート3を介して、中間部分で互いに固定されている。この結果、電源装置100の長手方向の一方の側面から応力が加えられても、一対のバインドバー2でもって応力を受けることができるため、中間プレートのない構成と比べ、バインドバーの剛性を増す必要性をなくすことができ、より薄いバインドバーを用いて、低コスト化や軽量化を図ることが可能となる。
さらに、電池セル同士の厚さのばらつきを中間プレート3でもって抑制する効果も得られる。図2に示すように中間に中間プレート3を配置することで、中間プレート3の一方の面と一方のエンドプレート4及び中間プレート3の他方の面と他方のエンドプレート4のそれぞれの間で、電池積層体10を二分してそれぞれ狭持できるため、二分された電池積層体10の積層数を半減できる分、電池セル1及びセパレータ12の厚さのばらつきの累積誤差を低減して、バインドバー2での締結を行い易くできる。いいかると、電源装置間でバインドバーの締結状態のばらつきを抑制することができ、各電源装置の締結状態を一定に維持して信頼性を向上できることができる。
バインドバー2に中間プレート3を配置する位置は、好ましくはバインドバー2の長手方向のほぼ中央とする。ただし、いずれか一方に若干偏心した位置に中間プレートを配置、固定することを妨げない。特に積層する電池セルの数が偶数の場合は、中央に中間プレートを配置することが可能であるが、奇数となる場合は、中間に中間プレートを配置することが困難となる。このような態様においても、本発明を好適に利用できる。
中間プレート3の斜視図を図14に示す。中間プレート3は、好ましくは絶縁性のプラスチック製とする。ただし、中間プレートは全体をプラスチック製とすることなく、たとえば、図示しないが、四角形の両側部分と上下部分、すなわち外周部と、両面をプラスチック製として他の部分を金属製とすることもできる。この中間プレートは、金属板をプラスチックにインサート成形して製造して、表面をプラスチックで絶縁する構造にできる。以上の中間プレート3は、両面に積層される電池セル1と確実に絶縁することができる。中間プレートを成形する樹脂材料としては、例えば結晶ポリマー(LCP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリカーボネート等が使用できる。
(金属カラー31)
中間プレート3は、バインドバー2を固定するために両側に金属カラー31を固定している。金属カラー31は、好ましくは中間プレート3にインサート成形して固定される。図15の断面図に示す金属カラー31は、中間プレート3に強固に固定するために、外周面にはリング状の溝部31bを設けている。金属カラーは、図示しないが、外周面に多数の突起を設けることもできる。インサート成形して固定された金属カラー31は、中間プレート3の正確な位置に強固に固定される。ただ、金属カラーは接着し、あるいは圧入して中間プレートに固定することもできる。プラスチック製の中間プレート3に金属カラー31をインサート成形して固定するハイブリット構造は、中間プレート3を軽量で成型が容易な樹脂性としつつ、強度や耐久性が求められるバインドバー2との固定部分を金属製として、信頼性を増すことが可能となる。以上の中間プレート3はプラスチック製で、金属カラー31をインサート成形して固定しているが、金属カラーは中間プレートと一体構造とすることもできる。この中間プレートは一部を金属製として金属カラーと一体構造とし、金属製の中間プレートの表面をプラスチック等で絶縁する構造とする。この中間プレートは、金属カラーと一体構造に成形する部分をアルミダイキャスト製として、表面をプラスチック等で絶縁する構造で実現できる。
中間プレート3は、両側面の複数カ所に金属カラー31を固定して、バインドバー2を確実に固定する。図14と図15の中間プレート3は、上下と中央部の3カ所に金属カラー31を固定している。中間プレート3に固定される金属カラー31の個数は特定されるものでないが、上下とその中間に固定されて、バインドバー2を確実に固定できる。
金属カラー31は、中間プレート3の側面から突出して固定されて先端を平面状としている。さらに、金属カラー31は中央部に雌ネジ孔31aを設けている。雌ネジ孔31aは、バインドバー2を貫通する止ネジ14Aがねじ込まれて、バインドバー2を中間プレート3に連結する。金属カラー31は、金属製のバインドバー2を介してグランドラインに電気接続される。バインドバー2が、電源装置を設置するベース、車両にあってはシャシーに接続されるからである。グランドラインに電気接続される金属カラー31は、結露水などを介して電池セル1の電極端子やバスバーに接続されると絶縁抵抗が低下する。導電性の結露水が金属カラー31をグランドラインに電気接続するからである。
また、左右の金属カラー31は、中間プレート3の両側面にそれぞれ、同一直線上に設けられている。ここで、金属カラーは、中間プレートを貫通するように構成することもでき、これによって強度を向上できる。ただ、この場合は、中間プレートの幅に相当する長い金属筒を用意する必要があり、金属部材が多くなる分だけ、重量が重くなり、また部品コストも高騰する。そこで、図15の構成では、金属カラー31を中間プレート3の両側面にそれぞれ、別部材として配置し、左右の金属カラー31を同一直線上に配置している。
(環状リブ32)
電源装置100は、温度などの外的条件が温度が変化する環境で使用されるので、表面に接触する空気が冷却されて過飽和な状態となると、空気中の水蒸気が液化して表面に結露水として付着する。結露水による金属カラー31の絶縁抵抗の低下を防止するために、中間プレート3は、金属カラー31の周囲を囲む環状リブ32を側面に一体的に成形して設けている。以上の中間プレート3は、全体をプラスチック製としているので、全体をプラスチック成形体30で構成している。環状リブ32は、プラスチック成形体30で一体的に成形して設けられる。全体をプラスチック成形体30とする中間プレート3は、環状リブ32の内側に金属カラー31を配置して、金属カラー31の周囲を環状リブ32で絶縁している。以上の中間プレート3は、全体をプラスチック成形体30で構成するが、中間プレートは必ずしも全体をプラスチック成形体とすることなく、たとえば、芯材を金属プレートとして、表面をプラスチック成形体とすることもできる。この中間プレートは、金属プレートをインサート成形して、プラスチック成形体に埋設する構造に製造される。環状リブ32はプラスチック成形体30に一体的に成形されるので、一部をプラスチック成形体30とする中間プレート3は、少なくとも両側部分をプラスチック成形体30で構成して環状リブ32を一体構造に成形する。
(絶縁プレート15)
環状リブ32は、開口縁に絶縁プレート15が密着する状態に固定されて、絶縁プレート15で開口部が閉塞される。絶縁プレート15は、外側表面に配置されるバインドバー2で環状リブ32に押圧されて隙間なく密着する。図16の環状リブ32は、先端縁を次第に薄く尖らせて、押圧される絶縁プレート15で押し潰されて、より確実に隙間なく密着する。図17の環状リブ32は、開口縁を絶縁プレート15の内面に設けた嵌合溝15bに嵌合構造で案内して、絶縁プレート15に隙間なく密着する。絶縁プレート15は、これを貫通する止ネジ14Aを介して環状リブ32の開口縁に密着される。止ネジ14Aは、バインドバー2を中間プレート3に連結する固定具14である。絶縁プレート15は、固定具14の止ネジ14Aの貫通穴15aを設けて、ここに止ネジ14Aを挿通している。貫通穴15aの内径は、好ましくは止ネジ14Aの外径にほぼ等しくし、あるいはわずかに小さくして、止ネジ14Aを隙間なく挿入できる形状とする。止ネジ14Aの外径よりもわずかに小さい貫通穴15aは、挿入される止ネジ14Aで拡開されて止ネジ14Aの表面に密着する。この構造は、絶縁プレート15が環状リブ32の開口部を水密に密閉して、金属カラー31を理想的な状態で絶縁できる。ただ、貫通穴15aは、止ネジ14Aの外径よりも大きくして、止ネジ14Aを挿入する状態で隙間ができる構造とすることもできる。この絶縁プレート15は、環状リブ32の開口部を水密には密閉しないが、環状リブ32と絶縁プレート15が金属カラー31の外側を被覆して、沿面距離を長くして絶縁抵抗の低下を抑制する。
環状リブ32の開口部を閉塞する絶縁プレート15は、図18に示すように、固定具14を介して中間プレート3に連結される。図に示す絶縁プレート15は、中間プレート3の側面と対向する板状に形成されており、中間プレート3の側面に設けた3つの環状リブ32を同時に閉塞する大きさと形状としている。この絶縁プレート15は、例えば、バインドバー2の内側面に連結される絶縁材9の中央部の定位置に固定することにより、バインドバー2に連結される絶縁材9を介してバインドバー2の内側面の定位置に配置される。この絶縁プレート15は、バインドバー2に設けた貫通孔である中間プレート固定部27と絶縁材9に設けた貫通孔9bとを貫通する止ネジ14Aが、貫通孔15aに挿通されて金属カラー31にねじ込まれることで、環状リブ32の開口縁を押圧する状態で密着して環状リブ32の開口部を閉塞する。
以上の構造は、絶縁プレート15と絶縁材9とを別部材とすることで、絶縁プレート15を最適な材質や形状としながら安価に多量生産することができる。また、絶縁プレートを別部材とすることで、その扱いを簡単にして製造効率を向上できる。ただ、絶縁プレートは、絶縁材と一体構造とすることもできる。この絶縁プレートは、プレート状またはシート状に製造される絶縁材の一部として一体的に製造される。この絶縁プレートも、絶縁材がバインドバーの定位置に連結される状態で、中間プレートの側面に対して定位置に配置されて、環状リブの開口部を閉塞する。さらに、絶縁プレートは、各々の環状リブに対向する複数枚の板材として絶縁材の内面に固定することもできる。
(中間プレート固定部27)
バインドバー2は、長手方向の中間において中間プレート3の金属カラー31と固定するための中間プレート固定部27を設けている。ここで、図16及び図17に示すように、中間プレート3とバインドバー2とを固定する固定具14の方向は、バインドバー2の主面に対して略垂直となるようにしている。このようにバインドバー2の延在方向に対して垂直な方向に軸力が働くように固定具14を設けたことで、バインドバー2にかかる負荷を低減することできる。さらに、図15及び図18に示すバインドバー2は、本体プレート20に貫通孔を設けて中間プレート固定部27とする一方で、本体プレート20に固定したトラスメンバー5にも貫通孔を設けて中間プレート固定部27としている。
(締結部材側第二固定部28)
さらに、バインドバー2を中間プレート3に固定する固定構造は、複数設けることもできる。例えば第一折曲片21の中間に、締結部材側第二固定部28を設けてもよい。図2及び図15に示すバインドバー2は、締結部材側第二固定部28として、第一折曲片21の中央から突出させた第一折曲片ねじ穴を形成している。このように、中間プレート固定部27と交差する部位に締結部材側第二固定部28を設けたことで、互いに交差する位置にてバインドバー2と中間プレート3とを固定することができ、異なる方向からのより強固な固定構造が実現される。また、中間プレート3の上面において、第一折曲片ねじ穴と対向する部位には、ブラケット側第二固定部38として、ブラケット側第二ねじ穴が開口されている。これにより、電池積層体10の上面から、ねじを第一折曲片ねじ穴とブラケット側第二ねじ穴に挿通して螺合できる。
(締結部材側第三固定部29)
さらに、バインドバー2と中間プレート3との固定構造は、3以上設けてもよい。例えば図15の例では、締結部材側第三固定部29として、第二折曲片22の中間にも、第二折曲片ねじ穴を形成している。同様に、中間プレート3にも、締結部材側第三固定部29と対応する位置にブラケット側第三固定部39として、ブラケット側第三ねじ穴を設けている。
また、図14に示す中間プレート3は、中間部分を開口させて樹脂使用量を低減している。また、中間プレートの両面に通気隙間を有するセパレータを配置する場合は、セパレータの形状、例えば冷却隙間の凹凸などと合致する形状に形成する。
なお、図2の例では、電池セル1の側面にセパレータ12を被覆した状態で、中間プレート3と接合している。言い換えると、電池セル1と中間プレート3との間にはセパレータ12が介在されている。ただ、中間プレートに接する電池セルに関しては、セパレータを省略することもできる。この場合は、中間プレートの側面で電池セルの表面を被覆できるよう、上述した冷却隙間等を中間プレートの表面に形成してもよい。
以上の電源装置は、電動車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源として利用できる。電源装置を搭載する電動車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。なお、車両を駆動する電力を得るために、上述した電源装置を直列や並列に多数接続して、さらに必要な制御回路を付加した大容量、高出力の電源装置を構築して搭載することもできる。
(ハイブリッド車用電源装置)
図19は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両HVは、車両本体91と、この車両本体91を走行させるエンジン96及び走行用のモータ93と、これらのエンジン96及び走行用のモータ93で駆動される車輪97と、モータ93に電力を供給する電源装置100と、電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。電源装置100は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。車両HVは、電源装置100の電池を充放電しながらモータ93とエンジン96の両方で走行する。モータ93は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ93は、電源装置100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、エンジン96で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置100の電池を充電する。なお、車両HVは、図に示すように、電源装置100を充電するための充電プラグ98を備えてもよい。この充電プラグ98を外部電源と接続することで、電源装置100を充電できる。
(電気自動車用電源装置)
また、図20は、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両EVは、車両本体91と、この車両本体91を走行させる走行用のモータ93と、このモータ93で駆動される車輪97と、このモータ93に電力を供給する電源装置100と、この電源装置100の電池を充電する発電機94とを備えている。電源装置100は、DC/ACインバータ95を介してモータ93と発電機94に接続している。モータ93は、電源装置100から電力が供給されて駆動する。発電機94は、車両EVを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置100の電池を充電する。また車両EVは充電プラグ98を備えており、この充電プラグ98を外部電源と接続して電源装置100を充電できる。
(蓄電装置用の電源装置)
さらに、本発明は、電源装置の用途を、車両を走行させるモータの電源には特定しない。実施形態に係る電源装置は、太陽光発電や風力発電等で発電された電力で電池を充電して蓄電する蓄電装置の電源として使用することもできる。図21は、電源装置100の電池を太陽電池82で充電して蓄電する蓄電装置を示す。
図21に示す蓄電装置は、家屋や工場等の建物81の屋根や屋上等に配置された太陽電池82で発電される電力で電源装置100の電池を充電する。この蓄電装置は、太陽電池82を充電用電源として充電回路83で電源装置100の電池を充電した後、DC/ACインバータ85を介して負荷86に電力を供給する。このため、この蓄電装置は、充電モードと放電モードを備えている。図に示す蓄電装置は、DC/ACインバータ85と充電回路83を、それぞれ放電スイッチ87と充電スイッチ84を介して電源装置100と接続している。放電スイッチ87と充電スイッチ84のON/OFFは、蓄電装置の電源コントローラ88によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ88は充電スイッチ84をONに、放電スイッチ87をOFFに切り替えて、充電回路83から電源装置100への充電を許可する。また、充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で、電源コントローラ88は充電スイッチ84をOFFに、放電スイッチ87をONにして放電モードに切り替え、電源装置100から負荷86への放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチ84をONに、放電スイッチ87をONにして、負荷86への電力供給と、電源装置100への充電を同時に行うこともできる。
さらに、電源装置は、図示しないが、夜間の深夜電力を利用して電池を充電して蓄電する蓄電装置の電源として使用することもできる。深夜電力で充電される電源装置は、発電所の余剰電力である深夜電力で充電して、電力負荷の大きくなる昼間に電力を出力して、昼間のピーク電力を小さく制限することができる。さらに、電源装置は、太陽電池の出力と深夜電力の両方で充電する電源としても使用できる。この電源装置は、太陽電池で発電される電力と深夜電力の両方を有効に利用して、天候や消費電力を考慮しながら効率よく蓄電できる。
以上のような蓄電装置は、コンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用または工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機や道路用の交通表示器などのバックアップ電源用などの用途に好適に利用できる。
本発明に係る電源装置とこの電源装置を備える電動車両及び蓄電装置は、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、電気自動車、電動オートバイ等の電動車両を駆動するモータの電源用等に使用される大電流用の電源として好適に利用できる。例えばEV走行モードとHEV走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置が挙げられる。またコンピュータサーバのラックに搭載可能なバックアップ電源装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、家庭内用、工場用の蓄電用電源、街路灯の電源等、太陽電池と組み合わせた蓄電装置、信号機等のバックアップ電源用等の用途にも適宜利用できる。
100…電源装置
1…電池セル
2…バインドバー
3…中間プレート
4…エンドプレート
5…トラスメンバー
6、6X、6Y…アーチメンバー
9…絶縁材
9b…貫通孔
10…電池積層体
12…セパレータ
13…バスバー
14…固定具
14A…止ネジ
15…絶縁プレート
15a…貫通穴
15b…嵌合溝
20…本体プレート
20a…開口部
21…第一折曲片
22…第二折曲片
23…第三折曲片
24…第四折曲片
25…締結主面
27…中間プレート固定部
28…締結部材側第二固定部
29…締結部材側第三固定部
30…プラスチック成形体
31…金属カラー
31a…雌ネジ孔
31b…溝部
32…環状リブ
38…ブラケット側第二固定部
39…ブラケット側第三固定部
51…金属板
51A…フランジ部
52…金属パイプ
53…金属ロッド
55…下弦
56…上弦
57、57A、57B…傾斜弦
57X…メイン傾斜弦
57Y…サブ傾斜弦
58…垂直弦
81…建物
82…太陽電池
83…充電回路
84…充電スイッチ
85…DC/ACインバータ
86…負荷
87…放電スイッチ
88…電源コントローラ
91…車両本体
93…モータ
94…発電機
95…DC/ACインバータ
96…エンジン
97…車輪
98…充電プラグ
HV、EV…車両

Claims (14)

  1. 複数の角形の電池セルを積層してなる電池積層体と、
    前記電池積層体の積層方向の両端部に配置してなる一対のエンドプレートと、
    前記エンドプレートに固定してなるバインドバーとを備える電源装置であって、
    前記バインドバーが、
    両端部を前記エンドプレートに固定してなる本体プレートと、
    前記本体プレートの表面に固定されてなるトラスメンバー又はアーチメンバーとを備えることを特徴とする電源装置。
  2. 請求項1に記載する電源装置であって、
    前記トラスメンバーが、
    前記本体プレートの下縁に沿って固定してなる下弦と、
    前記本体プレートの上縁に沿って固定している上弦と、
    前記上弦と前記下弦とに両端部を固定してなる傾斜弦とを備えることを特徴とする電源装置。
  3. 請求項2に記載する電源装置であって、
    前記トラスメンバーが、
    前記本体プレートの上下両側に両端部を固定してなる複数の垂直弦を備え、
    隣接して配置している前記垂直弦の間に前記傾斜弦を配置してなることを特徴とする電源装置。
  4. 請求項1に記載される電源装置であって、
    前記アーチメンバーが、
    両端部を前記本体プレートの下縁に固定して、
    中央部を上縁に固定してなることを特徴とする電源装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載される電源装置であって、
    前記本体プレートが高張力鋼であることを特徴とする電源装置。
  6. 請求項5に記載される電源装置であって、
    前記トラスメンバー又は前記アーチメンバーが高張力鋼であることを特徴とする電源装置。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載される電源装置であって、
    前記トラスメンバーとアーチメンバーが、
    横断面形状を溝型とする金属板であることを特徴とする電源装置。
  8. 請求項1ないし6のいずれかに記載される電源装置であって、
    前記トラスメンバーと前記アーチメンバーが金属パイプであることを特徴とする電源装置。
  9. 請求項1ないし6のいずれかに記載される電源装置であって、
    前記トラスメンバーと前記アーチメンバーが金属ロッドであることを特徴とする電源装置。
  10. 請求項1ないし9のいずれかに記載される電源装置であって、
    前記トラスメンバーと前記アーチメンバーが、
    前記本体プレートの表面に溶接されてなることを特徴とする電源装置。
  11. 請求項1ないし10いずれかに記載される電源装置であって、
    前記トラスメンバーと前記アーチメンバーが、
    両端部を前記本体プレートに固定してなることを特徴とする電源装置。
  12. 請求項1ないし11いずれかに記載される電源装置であって、
    前記本体プレートが、
    外周部を除く領域に開口部を設けてなることを特徴とする電源装置。
  13. 請求項1ないし12のいずれかに記載の電源装置を備える電動車両であって、
    前記電源装置と、
    該電源装置から電力供給される走行用のモータと、
    前記電源装置及び前記モータを搭載してなる車両本体と、
    前記モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪と
    を備えることを特徴とする電動車両。
  14. 請求項1ないし12のいずれかに記載の電源装置を備える蓄電装置であって、
    前記電源装置と、
    該電源装置への充放電を制御する電源コントローラと
    を備え、
    前記電源コントローラでもって、外部からの電力により前記電池セルへの充電を可能とすると共に、該電池セルに対し充電を行うよう制御することを特徴とする蓄電装置。
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