JP2021180063A - バッテリシステムとバッテリシステムを備える電動車両及び蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品コストを低コスト化しながら軽量化して、電池セルを強い圧力で加圧して保持する。【解決手段】バッテリシステムは、複数の角形の電池セル１を積層してなる電池積層体２と、電池積層体２を電池セル１の積層方向に結束して、各々の電池セル１を加圧状態に固定している結束材３とを備えている。結束材３は可撓性のあるループ状の紐材３０である。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の角形の電池セルを積層して電池積層体とし、この電池積層体を加圧状態に押圧して固定しているバッテリシステムとバッテリシステムを備える電動車両及び蓄電装置に関する。

多数の角形電池を積層して電池積層体とし、この電池積層体の両端面に一対のエンドプレートを配置し、エンドプレートをバインドバーで連結して、積層している角形電池を加圧状態に固定するバッテリシステムは開発されている。（特許文献１参照）

このバッテリシステムは、電池セルを相当の圧力で加圧して固定する必要がある。電池セルの加圧力が弱いと振動などで角形電池が相対的に移動して種々の弊害の原因となる。また、充放電して角形電池が膨れるのを防止するためにも、相当な押圧力で角形電池を加圧して固定する必要がある。この構造のバッテリシステムは、各角形電池を加圧状態で固定するために、電池積層体の両端面にエンドプレートを配置して、一対のエンドプレートをプレス機で加圧し、この状態で一対のエンドプレートにバインドバーを連結している。バインドバーで連結されたエンドプレートは、一定の間隔に保持されて、各角形電池を所定の圧力で加圧状態に固定する。

特開２０１１−６０６２３号公報

以上のバッテリシステムは、電池セルを相当な圧力で加圧して固定するので、バインドバーには相当に強い引張力が作用する。たとえば、電動車両を走行させるモータに電力を供給するバッテリシステムにあっては、バインドバーに数トンもの引張力が作用する。強い引張力に耐えるために、バインドバーには高張力鋼や厚い金属板が使用されるので、バインドバーの部品コストが高く、さらに重くなる弊害があった。

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ある。本発明の重要な目的は、部品コストを低コスト化しながら軽量化して、電池セルを強い圧力で加圧して保持できる技術を提供することにある。

本発明のある態様のバッテリシステムは、複数の角形の電池セルを積層してなる電池積層体と、電池積層体を電池セルの積層方向に結束して、各々の電池セルを加圧状態に固定している結束材とを備え、結束材は可撓性のあるループ状の紐材である。

さらに、以上の態様の構成要素を備えたバッテリシステムを備える電動車両は、前記バッテリシステムと、該バッテリシステムから電力供給される走行用のモータと、該バッテリシステム及び前記モータを搭載してなる車両本体と、該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ている。

さらに、以上の態様の構成要素を備えたバッテリシステムを備える蓄電装置は、前記バッテリシステムと、該バッテリシステムへの充放電を制御する電源コントローラを備え、前記電源コントローラが外部からの電力による前記角形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している。

上記構成によれば、複数の角形の電池セルを積層してなる電池積層体を、可撓性のあるループ状の紐材である結束材で電池セルの積層方向に結束して、各々の電池セルを加圧状態に固定するので、部品コストを低減しながら軽量化でき、さらに電池セルを強い圧力で加圧状態に固定できる。

本発明の実施形態１に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 本発明の実施形態２に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 本発明の実施形態３に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 本発明の実施形態４に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 本発明の実施形態５に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 本発明の実施形態６に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 図１に示すバッテリシステムの製造工程を示す分解斜視図である。 図４に示すバッテリシステムの製造工程を示す分解斜視図である。 結束材の一例を示す断面斜視図である。 本発明の実施形態７に係るバッテリシステムの概略斜視図である。 図４に示すバッテリシステムのエンドプレートと結束材の連結構造を示す水平断面図である。 図４に示すバッテリシステムのエンドプレートと結束材の連結構造を示す垂直断面図である。 バンドホルダーの斜視図である。 エンドプレートと結束材の連結構造の他の一例を示す水平断面図である。 図５に示すバッテリシステムのエンドプレートと結束材の連結構造を示す水平断面図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッドカーにバッテリシステム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バッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。 蓄電装置にバッテリシステムを使用する例を示すブロック図である。

本発明のある態様に係るバッテリシステムは、複数の角形の電池セルを積層してなる電池積層体と、電池積層体を電池セルの積層方向に結束して、各々の電池セルを加圧状態に固定している結束材とを備え、結束材は可撓性のあるループ状の紐材である。

以上のバッテリシステムは、部品コストを低減しながら軽量化でき、さらに電池セルを強い圧力で加圧状態に固定できる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムが、高張力鋼や厚い金属板を使用していた従来のバインドバーを使用することなく、電池積層体を結束材で結束し、さらにこの結束材を可撓性のあるループ状に紐材とするからである。可撓性のあるループ状の紐材は、従来のバインドバーのようにエンドプレートに連結する連結部がなく、ループの内側に電池積層体を配置することで、紐材に引張力が作用する状態で電池セルを加圧状態に固定できる。連結部のない可撓性があって連続するループ状の紐材は、連結部による局部的な強度低下がなく、長手方向に作用する強い引張応力で電池セルを加圧状態に固定できる特徴がある。さらに、紐材は高張力鋼や金属板に比較して軽くて引張応力が強く、電池セルを強い圧力で加圧して固定できる特徴がある。

本発明は、バッテリシステムとバッテリシステムを備える電動車両及び蓄電装置を以下に限定するものではないが、以下の構成とすることができる。
バッテリシステムは、電池積層体の積層方向の両端部にエンドプレートを配置して、エンドプレートを結束材の内側に配置し、結束材でもって、エンドプレートを介して電池積層体を加圧状態に固定してもよい。この構成によると、エンドプレートで電池積層体の両端面を均一に加圧して、電池セルを平面状に保持して加圧できる。

また、バッテリシステムは、電池積層体の両端に配置するエンドプレートの外側面に突出部を設け、この突出部の両側に結束材を配置する構造としてもよい。この構成によると、エンドプレートの突出部を押圧して電池積層体を加圧状態として、ループ状の結束材の内側に両端にエンドプレートを配置している電池積層体を配置して、結束材で電池積層体を加圧状態に固定できる。

結束材は、好ましくは、少なくとも表面を絶縁材としてなる紐材とする。この構成によると、結束材による電池セルの短絡を防止して、電池セルを加圧状態に固定できる。

また、結束材は、プラスチック又はゴム状弾性体からなる成形材に高張力繊維を埋設してなる繊維強化ベルトの紐材としてもよい。この構成によると、結束材をさらに軽量化しながら、電池セルを強い圧力で加圧して固定できる。それは、繊維強化ベルトが高張力繊維で補強されて極めて引張強度を強くして軽量化できるからである。軽い繊維強化ベルトの引張強度を強くできることは、繋ぎ目のない連続するループ状の紐材で電池積層体を結束する独特の構造との相乗効果により、バッテリシステムを著しく軽量化して、電池セルを強い圧力で加圧して固定できる特長を実現する。

さらに、結束材は、高張力繊維を撚り合わせた複数の芯線を長手方向に埋設してなる繊維強化ベルトの紐材としてもよい。この構成によると、結束材の引張強度を、横方向よりも縦方向に強い繊維強化ベルトとすることができる。

さらに、繊維強化ベルトは、好ましくは、芯線をエンドレスなループ状として縦方向に埋設してなる繊維強化ベルトとする。この繊維強化ベルトは、高張力繊維をループ状に伸びて縦方向に埋設する構造とすることで、結束材をより軽量化して電池セルを強い圧力で加圧して固定できる特長を実現できる。

さらに、結束材は、複数の高張力繊維を撚り合わせた芯線を束ねてなる紐材としてもよい。

さらに、バッテリシステムは、結束材を、高張力繊維を撚り合わせた芯線からなる紐材とし、この紐材を電池積層体に、電池セルを加圧する方向に巻き付けて、電池セルを加圧状態に固定してもよい。この構成によると、結束材をより軽量化しながら、電池セルを強い圧力で加圧して固定できる。

さらに、バッテリシステムは、電池積層体の上下面に結束材を配置して、電池積層体を結束してもよい。さらにまた、バッテリシステムは、電池積層体の両側面に結束材を配置して、電池積層体を結束してもよい。

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。

図１〜図６に示すバッテリシステムは、複数の角形の電池セル１を積層している電池積層体２を紐材３０の結束材３で結束している。結束材３はエンドレスの紐材３０で、エンドレスでループ状の内側に電池積層体２を配置して、結束材３で電池セル１を加圧状態に固定している。図１〜図３のバッテリシステム１００、２００、３００は、電池積層体２をエンドレスな結束材３の内側に配置して、電池セル１を加圧状態に固定している。図４〜図６のバッテリシステム４００、５００、６００は、電池積層体２の両端面に板状のエンドプレート４を配置して、エンドプレート４と電池積層体２の両方をループ状でエンドレスな結束材３の内側に配置している。電池積層体２の両端面にエンドプレート４を配置するバッテリシステム４００、５００、６００は、エンドプレート４を介して電池セル１を加圧状態に固定できる。

図１と図４のバッテリシステム１００、４００は、結束材３を電池積層体２の上下面に配置し、図２と図５のバッテリシステム２００、５００は、結束材３を電池積層体２の両側面に配置し、図３と図６のバッテリシステム３００、６００は、結束材３を電池積層体２の上下面と両側面とに配置して、電池積層体２を結束材３で結束している。以上のバッテリシステムは、複数列の、図においては２本の結束材３を平行に並べて、電池積層体２を加圧状態に固定している。複数列の結束材３で電池積層体２を結束するバッテリシステムは、多数列の結束材３で電池セル１を結束することで、エンドプレート４や電池セル１の変形を防止しながら、強い圧力で加圧して固定できる特長がある。とくに、図１〜図３に示すように、電池積層体２の両端面にエンドプレートを配置することなく、結束材３が直接に電池積層体２を結束するバッテリシステム１００、２００、３００は、結束材３の本数を多くして、多数列の結束材３で電池積層体２を結束して電池セル１の変形を防止しながら、加圧状態に固定できる。

（電池セル１）
電池セル１は、図１〜図６に示すように、厚さに比べて幅が広い、言い換えると幅よりも薄い角形の電池で、厚さ方向に積層されて電池積層体２としている。電池セル１は、電池ケースを金属ケースとする非水系電解液電池である。非水系電解液電池である電池セル１は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池セルは、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の二次電池とすることもできる。図の電池セル１は、幅の広い両側の主面を四角形とする角形電池で、主面を対向するように積層して電池積層体２としている。

電池セル１は、外形を角形とする金属製の電池ケースに、電極体（図示せず）を収納して電解液を充填している。金属ケースからなる電池ケースは、アルミニウムやアルミニウム合金で製造することができる。電池ケースは、底を閉塞する筒状に金属板をプレス加工している外装缶と、この外装缶の開口部を気密に閉塞している封口板とを備えている。封口板は平面状の金属板で、その外形を外装缶の開口部の形状としている。この封口板はレーザー溶接して外装缶の外周縁に固定されて外装缶の開口部を気密に閉塞している。外装缶に固定される封口板は、その両端部に正負の電極端子１３を固定している。さらに電池セル１は、封口板の中央部、又は外装缶の底面にガス排出口１２を設けている。ガス排出口１２には、所定の内圧で開弁する排出弁１１を設けている。

互いに積層される複数の電池セル１は、正負の電極端子１３を接続して互いに直列及び／又は並列に接続される。バッテリシステムは、隣接する電池セル１の正負の電極端子１３を、バスバー（図示せず）を介して互いに直列及び／又は並列に接続する。バッテリシステムは、隣接する電池セル１を互いに直列に接続して、出力電圧を高くして出力を大きくでき、隣接する電池セルを並列に接続して、充放電の電流を大きくできる。

（電池積層体２）
電池積層体２は、セパレータ（図示せず）を介して複数本の電池セル１を絶縁して積層している。セパレータはプラスチック等の絶縁材で成形して製作される。セパレータで絶縁して積層される電池セル１は、外装缶をアルミニウムなどの金属製にできる。ただ、電池積層体２は、必ずしも電池セル１の間にセパレータを介在させる必要はない。例えば、電池セルの外装缶を絶縁材で成形し、あるいは電池セルの外装缶の外周を絶縁シートや絶縁塗料等で被覆する等の方法で、互いに隣接する電池セル同士を絶縁することによって、セパレータを不要とできるからである。

図１〜図３のバッテリシステム１００、２００、３００は、図７に示すように、複数の電池セル１を積層してなる電池積層体２をプレス機（図示せず）で両端から加圧して、電池セル１を積層方向に加圧する状態に保持し、この状態で電池積層体２の外周に沿ってループ状の結束材３を装着して、結束材３の内側に電池積層体２を配置する。図７は、図１に示すバッテリシステム１００の製造工程であって、電池積層体２に対して両側から結束材３を装着して、結束材３を電池積層体２の上下面に配置する状態を示している。バッテリシステム１００は、ループ状の結束材３の内側に電池積層体２がセットされた後、プレス機の加圧状態が解除される。この状態でループ状の結束材３の内側にセットされた電池積層体２は、結束材３により各々の電池セル１が加圧状態に固定される。

図２に示すバッテリシステム２００は、電池積層体２をプレス機で両端から加圧する状態で、電池積層体２の上下からループ状の結束材３を装着して、結束材３を電池積層体２の両側面に配置する。また、図３に示すバッテリシステム３００は、電池積層体２をプレス機で両端から加圧する状態で、電池積層体２の両側から結束材３を装着した後、上下から結束材３を装着して、結束材３を電池積層体２の上下面と両側面とに配置する。ただ、バッテリシステムは、電池積層体をプレス機で両端から加圧する状態で、電池積層体の上下から結束材を装着した後、両側から結束材を装着して、結束材を電池積層体の両側面と上下面とに配置することもできる。図３のバッテリシステム３００は、電池積層体２の両側面に配置される結束材３と上下面に配置される結束材３とが、電池積層体２の両端面において交差する状態で積層されてさらに強固に結束される。

（エンドプレート４）
エンドプレート４は、結束材３の内側に挿入されて、電池積層体２を両端面から加圧して、電池セル１を積層方向に加圧する。エンドプレート４の外形は、電池セル１の外形にほぼ等しく、あるいはこれよりもわずかに大きく、電池積層体２を加圧状態で定位置に配置して変形しない四角形の板状である。このエンドプレート４は、結束材３の内側にあって、電池セル１の表面に面接触状態に密着し、電池セル１を均一な圧力で加圧状態に固定する。

さらに、図４〜図６に示すエンドプレート４は、電池積層体２と対向する面と反対側の外側面に突出部４Ａ、４Ｂを設けており、この突出部４Ａ、４Ｂの両側に結束材３を配置する構造としている。このエンドプレート４は、突出部４Ａ、４Ｂを押圧して電池積層体２を加圧状態としながら、突出部４Ａ、４Ｂの両側にループ状の結束材３を装着できる。図４に示すエンドプレート４は、外側面の左右の中間部に上下に伸びる突出部４Ａを設けており、この突出部４Ａの左右の両側に結束材３を配置している。このエンドプレート４は、突出部４Ａの両側縁に沿って結束材３を配置することで、電池積層体２及びエンドプレート４の両側部に配置される結束材３を位置決めしながら定位置に配置できる。

また、図５及び図６に示すエンドプレート４は、外側面の外周部を除く中央部に、正面視を四角形状とする突出部４Ｂを設けている。このエンドプレート４は、図５に示すように、突出部４Ｂの上下の両側にループ状の結束材３を位置決めしながら配置し、あるいは、図６に示すように、突出部４Ｂの上下と左右にループ状の結束材３を位置決めしながら配置できる。とくに、図６に示すように、突出部４Ｂの上下左右の端縁に沿って配置される結束材３は、エンドプレート４の外側面上において、交差する状態で積層されて強固に結束される。

図４〜図６のバッテリシステム４００、５００、６００は、図８に示すように、電池積層体２の両端部にエンドプレート４を配置し、両端のエンドプレート４の突出部４Ａ、４Ｂをプレス機（図示せず）で加圧して、電池セル１を積層方向に加圧する状態に保持し、この状態で電池積層体２とエンドプレート４の上下面に沿って、あるいは、両側面に沿ってループ状の結束材３を装着して、結束材３の内側に電池積層体２とエンドプレート４とを配置する。バッテリシステム４００、５００、６００は、ループ状の結束材３の内側に電池積層体２とエンドプレート４がセットされた後、プレス機の加圧状態が解除される。この状態でループ状の結束材３の内側にセットされた電池積層体２は、結束材３により各々の電池セル１が加圧状態に固定される。

（結束材３）
結束材３は、図７と図８に示すように、エンドレスでループ状の紐材３０である。この結束材３は、表面又は全体を絶縁材とする紐材３０が適している。絶縁材の紐材３０は、電池セル１の導電部に接触して短絡電流が流れないので、結束位置の制約が少なく、結束に最適な位置に配置して、電池セル１を加圧状態に固定できる特長がある。ただし、結束材には、カーボン繊維のように導電性の紐材も使用できる。導電性の紐材は、電池積層体との間に絶縁層を設けて電池セルから絶縁して電池積層体を結束する。

絶縁材の結束材３は、図９の一部拡大断面図に示すように、高張力繊維を撚り合わせた複数の芯線３３をゴム状弾性体や可撓性のあるプラスチック等の成形材３２に埋設している繊維強化ベルト３１の紐材３０である。ただし、絶縁材の結束材には、高張力繊維を撚り合わせた線材からなる紐材、あるいは、高張力繊維を撚り合わせた複数の線材を束ねた紐材も使用できる。繊維強化ベルト３１は、埋設する高張力繊維の芯線３３を多くして引張強度を強くでき、高張力繊維を撚り合わせた線材の紐材は、撚り合わせる高張力繊維の本数を多くして引張強度を強くでき、さらに高張力繊維を撚り合わせた複数の線材を束ねた紐材は、束ねる線材の本数を多くして、より引張強度を強くできる。

紐材３０の高張力繊維には、「アラミド繊維」として商標登録されている芳香族ポリアミド繊維が適している。アラミド繊維（登録商標）は、引張り破断強度が鋼棒の数倍も強いので、アラミド繊維（登録商標）で補強している繊維強化ベルト３１や高張力繊維を撚り合わせた線材からなる紐材は、軽量化しながら引張強度を極めて強くできる。ただ、高張力繊維には、アラミド繊維（登録商標）が適しているが、アラミド繊維（登録商標）に代わって、ポリイミド繊維、ＰＢＯ繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアリリート繊維、フッ素繊維、ＰＰＳ繊維等の有機繊維が使用できる。さらに、高張力繊維や集合繊維には、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維も使用できる。細い無機繊維は可撓性があるので、これを撚り合わせた芯線として成形材に埋設して繊維強化ベルトとし、また、細い無機繊維を撚り合わせた線材を紐材とし、さらにこの線材を束ねて紐材として使用できる。

繊維強化ベルト３１の成形材３２は、エンジンのタイミングベルトに使用している水素添加ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）等のゴム状弾性体が適しているが、ポリイミドやポリアミド等のエンジニアリングプラスチック等の耐熱特性に優れたプラスチックも使用できる。

繊維強化ベルト３１は、図９に示すように、高張力繊維を撚り合わせた複数の芯線３３を成形材３２にインサート成形して製造される。複数の芯線３３は、エンドレスなループ状で、互いに平行な姿勢で長手方向に伸びる姿勢で成形材３２に埋設される。エンドレスでループ状である複数の芯線３３が平行姿勢に埋設されたループ状の繊維強化ベルト３１は、シームレスな複数の芯線３３が埋設されて引張強度が著しく増強される。したがって、エンジンのタイミングベルトと同様に、水素添加ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）に、アラミド繊維（登録商標）を撚り合わせた複数の芯線３３を平行姿勢に埋設する繊維強化ベルト３１は、高張力鋼に匹敵する引張破壊強度を実現して軽量化できる。

繊維強化ベルト３１は、高張力繊維を撚り合わせた複数の芯線３３を埋設して引張強度を強くできるが、高張力繊維を撚り合わせることなく多数の高張力繊維を平行姿勢に埋設して、引張強度を強くすることもできる。この繊維強化ベルトは、１本の長い高張力繊維をループ状に巻回し、高張力繊維を平行姿勢として成形材に埋設して製造される。この繊維強化ベルトは、高張力繊維の両端を連結し、あるいは連結することなく成形材に埋設して製造できる。高張力繊維をループ状に巻回して成形材に埋設する繊維強化ベルトは、ループ状に巻回する回数に比例して、高張力繊維に作用する引張力が低下する、すなわち、高張力繊維を１０００回巻回して埋設する繊維強化ベルトは、１本の高張力繊維を埋設するベルトに比較して、高張力繊維に作用する引張力は１／１０００に低下するので、高張力繊維の端部を成形材に埋設して位置ずれすることがなく、必ずしも連結することなく、繊維強化ベルトとして強い引張強度を実現する。

繊維強化ベルト３１は、高張力繊維を長手方向に伸びる姿勢で埋設して引張強度を特に強くできるが、繊維強化ベルトは、所定の長さの高張力繊維を立体的に方向性なく集合する状態で成形材に埋設することもできる。また、繊維強化ベルトは、成形材に埋設する高張力繊維を、方向性なく埋設することなく、横方向よりも縦方向に伸びるように埋設して、横方向よりも縦方向の引張強度を強くすることができる。

さらに、成形材に高張力繊維を埋設することなく、高張力繊維を撚り合わせた線材からなる紐材の結束材、または、高張力繊維を撚り合わせた複数の線材を束ねた紐材からなる結束材は、高張力繊維によって優れた引張破壊強度を実現するので、エンドレスなループ状とすることなく、図１０に示すように、電池積層体２の表面に電池セル１を加圧する方向に巻き付けて、電池セル１を加圧状態に固定できる。この紐材３０Ｘは、電池積層体２に巻回する回数を多くして、電池セル１を強い圧力で加圧して固定できる。たとえば、１本の紐材３０Ｘを電池積層体２に巻回するバッテリシステム７００は、紐材３０Ｘを巻回する回数に比例して電池セル１の押圧力を強くできるので、巻回する回数を多くすることで、１本の紐材３０Ｘに作用する引張力を増加することなく、電池セル１の押圧力を強くできる。電池積層体２に巻回される紐材３０Ｘは、端部を連結する必要があるが、この連結強度を強くすることなく、電池セル１の押圧力を強くできる特長がある。電池積層体２に巻回される紐材３０Ｘの両端は、図１０に示すようにスリーブ等の連結部材３６を介して連結され、あるいは、接着剤で連結することができる。

図１１と図１２はエンドプレート４の定位置に結束材３を配置する構造を示している。図１１と図１２は、図４に示すバッテリシステム４００のエンドプレート４と結束材３との連結構造を示す水平断面図及び垂直断面図である。これらの図に示すバッテリシステム４００は、電池積層体２の両側部であって、上下面に２列の結束材３を装着している。したがって、一対のエンドプレート４は、外側面の両側部であって、中央部に設けた突出部４Ａの両側にループ状の結束材３を配置している。図４、図８、図１１、及び図１２に示すバッテリシステム４００は、エンドプレート４の外側面に配置される２列の結束材３を、バンドホルダー５と固定ボルト６とを介してエンドプレート４の定位置に配置している。

（バンドホルダー５）
バンドホルダー５は、繊維強化ベルト３１である結束材３を位置決めしながらエンドプレート４の定位置に配置する。図４と図１１に示すバンドホルダー５は、エンドプレート４の外側面であって、突出部４Ａの両側に配置されており、エンドプレート４の外側面に沿って上下に延長して配置される繊維強化ベルト３１の内側に配置されて、繊維強化ベルト３１をエンドプレート４の定位置に配置する構造としている。図８と図１３に示すバンドホルダー５は、帯状の繊維強化ベルト３１の両側に沿って伸びる一対の側壁５２を底板５１の両側に設けており、対向する側壁５２の間に、繊維強化ベルト３１である結束材３を案内する位置決め溝５３を設けている。図に示すバンドホルダー５は、側壁５２の高さを繊維強化ベルト３１の厚さとほぼ等しくしており、位置決め溝５３に案内される繊維強化ベルト３１がバンドホルダー５から外れるのを防止している。さらに、バンドホルダー５は、エンドプレート４のコーナー部で湾曲される繊維強化ベルト３１の急激な湾曲を抑制するために、位置決め溝５３の底面を形成する底板５１の両端部に湾曲面５４を設けている。図１２のバンドホルダー５は、エンドプレート４の上下幅とほぼ等しい全長を有しており、上下方向に配置される底板５１の両端部に、繊維強化ベルト３１を所定の曲率半径で湾曲させる湾曲面５４を設けている。バンドホルダー５は、例えば、結束材３による加圧に耐える強度を有するプラスチックで成形することができる。

以上のバンドホルダー５は、図８に示すように、電池積層体２の両端に積層されたエンドプレート４をプレス機（図示せず）で加圧する状態において、電池積層体２とエンドプレート４の外周に沿って装着される結束材３の内側に配置された状態でエンドプレート４の定位置に配置される。さらに、図１１と図１２に示すバッテリシステム４００は、エンドプレート４の外側面に配置されるバンドホルダー５とエンドプレート４との間に、結束材３による電池積層体２の加圧状態を調整するスペーサ７を挿入している。このスペーサ７は金属プレートで、エンドプレート４の外側面とバンドホルダー５との間に挿入することで、電池積層体２を加圧する結束材３の張力を調整する。すなわち、エンドプレート４とバンドホルダー５との間に挿入するスペーサ７の厚さや枚数を調整することにより、各々のバッテリシステムにおける電池積層体２の加圧状態が均一になるように微調整して、電池セル１や結束材３の公差による圧力差を解消する。このように結束材の内側にスペーサ７を挿入する構造は、簡単かつ容易に電池積層体２の加圧状態を微調整できる。

エンドプレート４の定位置に配置されたバンドホルダー５は、これを貫通する固定ボルト６を介してエンドプレート４に固定される。したがって、バンドホルダー５と繊維強化ベルト３１には固定ボルト６を貫通させる貫通孔５５、３５が設けられ、エンドプレート４には固定ボルト６をねじ込むためのねじ孔４ａが設けられる。また、スペーサ７にも、貫通孔７ａが設けられる。ここで、貫通孔３５を有する繊維強化ベルト３１は、図示しないが、所定の内径を有する金属管やプラスチック管を成形材に埋設することにより、成形材に埋設される高張力繊維を切断することなく貫通孔を設けることができる。以上のように、結束材３やバンドホルダー５を、これを貫通する固定ボルト６でエンドプレート４に直接固定する構造は、確実に、しかも強固に結束材３をエンドプレート４の定位置に固定できる特長がある。

さらに、エンドプレート４は、図１４に示す構造で結束材３を定位置に配置することもできる。図のエンドプレート４は、前述のように、バンドホルダー５とスペーサ７を介して繊維強化ベルト３１である結束材３をエンドプレート４の外側面に配置するが、この繊維強化ベルト３１は、固定ボルト６で直接にエンドプレート４には固定しない。このエンドプレート４は、突出部４Ａの両側に配置されるバンドホルダー５の外側に、バンドホルダー５の移動を阻止する固定ブロック４１を固定している。この固定ブロック４１は、これを貫通する固定ボルト６を、エンドプレート４に設けたねじ孔４ｂにねじ込むことによりエンドプレート４に固定されて、バンドホルダー５を定位置に固定する。この構成によると、バンドホルダー５の位置決め溝５３に嵌入された繊維強化ベルト３１は、エンドプレート４から外れることなく、紐材３０の長手方向に対して多少の自由度を有する状態でエンドプレート４の定位置に配置される

さらに、バッテリシステムは、電池積層体２やエンドプレート４の外周に沿って装着される結束材３の内側であって、とくに、電池セル１やエンドプレート４のコーナー部、例えば、上下の端面と積層面との境界部分や左右の側面と積層面との境界部分であるコーナー部と対向する位置に緩衝部材を配置することもできる。図５に示すバッテリシステム５００は、図１５の水平断面図に示すように、エンドプレート４の両側縁のコーナー部において、繊維強化ベルト３１の内側に横断面形状がＬ字状となるように折曲ないし湾曲された緩衝部材８を介在させている。このように、エンドプレート４のコーナー部に緩衝部材８を配置することで、コーナー部で湾曲される繊維強化ベルト３１の曲率半径を大きくして、急激な湾曲を抑制して繊維強化ベルト３１にかかる負荷を低減できる。また、図示しないが、図１〜図３に示すバッテリシステムにおいては、電池セル１のコーナー部と繊維強化ベルト３１との間に緩衝部材を介在させてもよい。

図１〜図３のバッテリシステムは、以下の工程で組み立てられる。
（１）所定の個数の電池セル１を、間にセパレータ（図示せず）を介在させる状態で、電池セル１の厚さ方向に積層して電池積層体２とする。このとき、互いに積層される複数の電池セル１は、封口板を上面とし、同一平面に配置して積層する。
（２）図７に示すように、電池積層体２を両端からプレス機（図示せず）で押圧して、電池積層体２を所定の圧力で加圧し、電池セル１を圧縮して加圧状態に保持する。
（３）電池積層体２を加圧する状態で、電池積層体２の外周面に沿ってループ状の結束材３を装着し、加圧された状態の電池積層体２をループ状の結束材３の内側に配置する。
このとき、電池積層体２の両端に配置された電池セル１と結束材３との間にスペーサ７を配置して電池セル１の加圧状態を調整することもできる。
（４）さらに、この状態で、プレス機による電池積層体２のプレス状態を解除して、電池積層体２を結束材３で電池セル１の積層方向に結束して、各々の電池セル１を所定の加圧状態に固定する。

また、図４〜図６のバッテリシステムは、以下の工程で組み立てられる。
（１）所定の個数の電池セル１を、間にセパレータ（図示せず）を介在させる状態で、電池セル１の厚さ方向に積層して電池積層体２とする。このとき、互いに積層される複数の電池セル１は、封口板を上面とし、同一平面に配置して積層する。
（２）電池積層体２の両端にエンドプレート４を配置し、一対のエンドプレート４の突出部４Ａ、４Ｂを両側からプレス機（図示せず）で押圧して、エンドプレート４でもって、電池積層体２を所定の圧力で加圧し、電池セル１を圧縮して加圧状態に保持する。
（３）電池積層体２をエンドプレート４で加圧する状態で、電池積層体２とエンドプレート４の外周面に沿ってループ状の結束材３を装着し、加圧された状態の電池積層体２とエンドプレート４をループ状の結束材３の内側に配置する。
このとき、結束材３の内側にバンドホルダー５を配置して結束材をエンドプレートの定位置に配置することもできる。また、エンドプレート４の外側面と結束材３との間にスペーサ７を配置して電池セル１の加圧状態を調整することもできる。
（４）さらに、この状態で、プレス機によるエンドプレート４のプレス状態を解除して、電池積層体２とエンドプレート４を結束材３で電池セル１の積層方向に結束して、各々の電池セル１を所定の加圧状態に固定する。

以上のバッテリシステムは、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に最適である。バッテリシステム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、これらの電動車両の電源として使用される。

（ハイブリッド車用バッテリシステム）
図１６に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車にバッテリシステムを搭載する例を示す。この図に示すバッテリシステムを搭載した車両ＨＶは、車両本体９０と、車両本体９０を走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給するバッテリシステム１００と、バッテリシステム１００の電池を充電する発電機９４と、モータ９３とエンジン９６で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。バッテリシステム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、バッテリシステム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、バッテリシステム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、バッテリシステム１００の電池を充電する。

（電気自動車用バッテリシステム）
また、図１７に、モータのみで走行する電気自動車にバッテリシステムを搭載する例を示す。この図に示すバッテリシステムを搭載した車両ＥＶは、車両本体９０と、車両本体９０を走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給するバッテリシステム１００と、このバッテリシステム１００の電池を充電する発電機９４、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。モータ９３は、バッテリシステム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、バッテリシステム１００の電池を充電する。

（蓄電用バッテリシステム）
さらに、本発明はバッテリシステムの用途を電動車両に搭載するバッテリシステムには特定せず、たとえば、太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーを蓄電する蓄電装置用のバッテリシステムとして使用でき、また深夜電力を蓄電する蓄電装置用のバッテリシステムのように、大電力を蓄電する全ての用途に使用できる。例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図１８に示す。なお、図１８に示す蓄電装置としての使用例では、所望の電力を得るために、上述したバッテリシステム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、高出力の蓄電装置８０を構築した例として説明する。

図１８に示す蓄電装置８０は、複数のバッテリシステム１００をユニット状に接続して電源ユニット８２を構成している。各バッテリシステム１００は、複数の電池セルが直列及び／又は並列に接続されている。各バッテリシステム１００は、電源コントローラ８４により制御される。この蓄電装置８０は、電源ユニット８２を充電用電源ＣＰで充電した後、負荷ＬＤを駆動する。このため蓄電装置８０は、充電モードと放電モードを備える。負荷ＬＤと充電用電源ＣＰはそれぞれ、放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳを介して蓄電装置８０と接続されている。放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳのＯＮ／ＯＦＦは、蓄電装置８０の電源コントローラ８４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８４は充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＦＦに切り替えて、充電用電源ＣＰから蓄電装置８０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負荷ＬＤからの要求に応じて、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＦＦに、放電スイッチＤＳをＯＮにして放電モードに切り替え、蓄電装置８０から負荷ＬＤへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＮにして、負荷ＬＤの電力供給と、蓄電装置８０への充電を同時に行うこともできる。

蓄電装置８０で駆動される負荷ＬＤは、放電スイッチＤＳを介して蓄電装置８０と接続されている。蓄電装置８０の放電モードにおいては、電源コントローラ８４が放電スイッチＤＳをＯＮに切り替えて、負荷ＬＤに接続し、蓄電装置８０からの電力で負荷ＬＤを駆動する。放電スイッチＤＳはＦＥＴ等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチＤＳのＯＮ／ＯＦＦは、蓄電装置８０の電源コントローラ８４によって制御される。また電源コントローラ８４は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図１８の例では、ＵＡＲＴやＲＳ−２３２Ｃ等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器ＨＴと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。

各バッテリシステム１００は、信号端子と電源端子を備える。信号端子は、入出力端子ＤＩと、異常出力端子ＤＡと、接続端子ＤＯとを含む。入出力端子ＤＩは、他のバッテリシステム１００や電源コントローラ８４からの信号を入出力するための端子であり、接続端子ＤＯは他のバッテリシステム１００に対して信号を入出力するための端子である。また異常出力端子ＤＡは、バッテリシステム１００の異常を外部に出力するための端子である。さらに電源端子は、バッテリシステム１００同士を直列、並列に接続するための端子である。また電源ユニット８２は、並列接続スイッチ８５を介して出力ラインＯＬに接続されて互いに並列に接続されている。

本発明に係るバッテリシステムとこれを備える電動車両及び蓄電装置は、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、電気自動車等のバッテリシステムとして好適に利用できる。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、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源、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、２００、３００、４００、５００、６００、７００…バッテリシステム
１…電池セル
２…電池積層体
３…結束材
４…エンドプレート
４Ａ、４Ｂ…突出部
４ａ、４ｂ…ねじ孔
５…バンドホルダー
６…固定ボルト
７…スペーサ
７ａ…貫通孔
８…緩衝部材
１１…排出弁
１２…ガス排出口
１３…電極端子
３０、３０Ｘ…紐材
３１…繊維強化ベルト
３２…成形材
３３…芯線
３５…貫通孔
３６…連結部材
４１…固定ブロック
５１…底板
５２…側板
５３…位置決め溝
５４…湾曲面
５５…貫通孔
８０…蓄電装置
８２…電源ユニット
８４…電源コントローラ
８５…並列接続スイッチ
９０…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
ＥＶ…車両
ＨＶ…車両
ＬＤ…負荷
ＣＰ…充電用電源
ＤＳ…放電スイッチ
ＣＳ…充電スイッチ
ＯＬ…出力ライン
ＨＴ…ホスト機器
ＤＩ…入出力端子
ＤＡ…異常出力端子
ＤＯ…接続端子

Claims (13)

1. 複数の角形の電池セルを積層してなる電池積層体と、
   前記電池積層体を電池セルの積層方向に結束して、各々の前記電池セルを加圧状態に固定してなる結束材とを備え、
   前記結束材が可撓性のあるエンドレスなループ状の紐材であることを特徴とするバッテリシステム。
2. 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を備え、
   前記エンドプレートが前記結束材の内側に配置され、前記結束材が、前記エンドプレートを介して前記電池積層体を加圧状態に固定してなることを特徴とする請求項１に記載するバッテリシステム。
3. 前記エンドプレートが突出部を有し、前記突出部の両側に前記結束材が配置されてなることを特徴とする請求項２に記載されるバッテリシステム。
4. 前記結束材が、少なくとも表面を絶縁材としてなる紐材であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載するバッテリシステム。
5. 前記結束材が、プラスチック又はゴム状弾性体からなる成形材に高張力繊維を埋設してなる繊維強化ベルトの紐材であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載するバッテリシステム。
6. 前記結束材が、高張力繊維を撚り合わせた複数の芯線を長手方向に埋設してなる繊維強化ベルトの紐材であることを特徴とする請求項５に記載されるバッテリシステム。
7. 前記繊維強化ベルトが、芯線をエンドレスなループ状として縦方向に埋設してなる繊維強化ベルトであることを特徴とする請求項６に記載するバッテリシステム。
8. 前記結束材が、高張力繊維を撚り合わせた芯線を束ねてなる紐材であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載するバッテリシステム。
9. 前記結束材が高張力繊維を撚り合わせた芯線からなる紐材で、前記紐材が前記電池セルを加圧する方向に前記電池積層体に巻き付けられて、前記電池セルを加圧状態に固定してなることを特長とする請求項１ないし４のいずれかに記載するバッテリシステム。
10. 前記結束材が、前記電池積層体の上下面に配置されて、前記電池積層体を結束してなることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載するバッテリシステム。
11. 前記結束材が、前記電池積層体の両側面に配置されて、前記電池積層体を結束してなることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載するバッテリシステム。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一つに記載のバッテリシステムを備える電動車両であって、
    前記バッテリシステムと、該バッテリシステムから電力供給される走行用のモータと、該バッテリシステム及び前記モータを搭載してなる車両本体と、該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バッテリシステムを備える電動車両。
13. 請求項１から１１のいずれか一つに記載のバッテリシステムを備えてなる蓄電装置であって、
    前記バッテリシステムと、該バッテリシステムへの充放電を制御する電源コントローラを備えており、
    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、前記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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