JP6177776B2 - バッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の角形電池をセパレータを介して積層状態に固定しているバッテリシステムに関し、とくに、角形電池を所定の圧力で押圧して積層状態に固定してなるバッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置に関する。
複数の角形電池を積層してい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、容積効率が高く、容積に対する充放電の容量を大きくできる。このバッテリシステムは、角形電池の間にセパレータを挟んで、角形電池とセパレータとを積層して、積層状態に固定している。
特開2010−287530号公報
複数の角形電池とセパレータとを交互に積層して積層状態に固定しているバッテリシステムは、両側から所定の圧力で押圧して、押圧状態に固定して、セパレータと角形電池とを密着している。特許文献1のバッテリシステムは、角形電池よりも小さい外形のセパレータを挟んで、積層状態に固定している。このバッテリシステムは、角形電池の電極体が膨張すると、セパレータに密接する領域と密接しない領域との境界で外装缶が変形したり損傷する欠点がある。電極体の膨張は、角形電池の充電状態で発生し、また充放電が繰り返されて経時的に発生する。電極体が膨張して、外装缶が局部的に変形する弊害は、セパレータの外形を角形電池と同じ形状として解消できる。しかしながら、この構造のバッテリシステムは、セパレータが外装缶の幅広平面の全体を押圧するので、組み立て工程において、角形電池が両面から加圧される状態で、角形電池の外装缶と封口板との溶接部などがセパレータに加圧されて損傷するおそれがある。組み立て工程において、角形電池を加圧する圧力を弱くして、すなわち、角形電池とセパレータとの電池積層体を加圧状態で固定する加圧力を弱くして、封口板と外装缶との溶接部の損傷を少なくできるが、この状態では、角形電池の膨張を阻止できなくなる欠点がある。
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、角形電池の外装缶の損傷を防止しながら、角形電池の膨張を確実に安定して阻止できるバッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
本発明のバッテリシステムは、芯体31の表面に活物質32を付着してなる正極11Aと負極11Bを、絶縁層11Cを介して積層又は巻回してなる電極体11を角形の外装缶12に収納して気密に密閉してなる複数の角形電池1と、角形電池1の間に配設してなるセパレータ2と、角形電池1とセパレータ2とを交互に積層してなる電池積層体9を積層方向の両端から所定の圧力で押圧して加圧状態に固定してなる固定部材3とを備える。角形電池1の外装缶12は、内面を電極体11の活物質塗布領域11Xに接触してなる活物質接触領域12Xと、内面を電極体11の活物質塗布領域11Xに接触させない活物質非接触領域12Yとを有している。セパレータ2は、固定部材3が電池積層体9を押圧状態に固定する状態で、外装缶12の活物質接触領域12Xを活物質非接触領域12Yよりも強く押圧する活物質押圧部2Xを有している。バッテリシステムは、セパレータ2の活物質押圧部2Xが外装缶12の活物質接触領域12Xを活物質非接触領域12Yよりも強く押圧する状態で電池積層体9が加圧状態に固定されている。
以上のバッテリシステムは、角形電池の外装缶の損傷を防止しながら、角形電池の膨張を確実に安定して阻止できる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムが、従来のようにセパレータでもって角形電池の全面を均一に押圧するのではなく、また、電極体の一部を押圧して加圧状態に固定するのでもなく、セパレータに、外装缶の活物質接触領域を活物質非接触領域よりも強く押圧する活物質押圧部を設け、この活物質押圧部でもって外装缶の活物質接触領域を活物質非接触領域よりも強く押圧するからである。角形電池は、充放電が繰り返されて電極体が膨張するが、電極体全体が膨張するのではなく、電極体に付着している活物質が膨張する。以上のバッテリシステムは、電極体の活物質塗布領域と接触する外装缶の活物質接触領域を、セパレータに設けた活物質押圧部で押圧して、積層状態に固定する。セパレータの活物質押圧部が外装缶の活物質接触領域を押圧して、加圧積層状態に固定されるバッテリシステムは、活物質が膨張すると、電極体の活物質塗布領と接触する外装缶の活物質接触領域はセパレータで強く押圧されるが、活物質塗布領域に接触しない外装缶の活物質非接触領域は、セパレータを介して強く押圧されることがない。また、セパレータの活物質押圧部が外装缶の活物質接触領域を強く押圧するバッテリシステムは、変形しやすい外装缶の封口部である上縁部等がセパレータで強く加圧されて変形し、あるいは損傷することがない。外装缶の上縁部などは活物質塗布領域に接触しない領域となるからである。
以上のバッテリシステムは、組み立て工程において、角形電池とセパレータとを交互に積層し、これを両端から加圧して加圧状態に固定する状態においても、外装缶の弱い部分が強く押圧されることがなく、組み立て工程における外装缶の損傷を防止しながら、使用状態においては、電極体の膨張、とくに電極体の活物質塗布領域の膨張を確実に阻止できる特徴がある。
本発明のバッテリシステムは、角形電池1が、正極11Aと負極11Bとを巻回して所定の厚さの板状にプレスしてなる電極体11を備え、この電極体11が活物質塗布領域11Xと芯体露出領域11Yとを有し、セパレータ2が、活物質塗布領域11Xと接触する外装缶12の活物質接触領域12Xを活物質押圧部2Xで押圧することができる。
以上のバッテリシステムは、芯体露出領域と接触する外装缶の活物質非接触領域をセパレータで強く押圧することがなく、セパレータの活物質押圧部が活物質接触領域を強く押圧することで、巻回してなる電極体の活物質塗布領域の膨張を確実に阻止できる特徴がある。
本発明のバッテリシステムは、角形電池1の外装缶12が、対向する両面を四角形の幅広平面12Aとすると共に、電極体11が、正極11Aと負極11Bとを巻回して所定の厚さにプレスされて、対向面を平面状として、両側に芯体露出領域11Yを設けることができる。さらに、バッテリシステムは、電極体11の対向する平面を外装缶12の幅広平面12Aの内側に配置して、芯体露出領域11Yを外装缶12の幅広平面12Aの両側部に配置して、幅広平面12Aの両側部を活物質非接触領域12Yとし、電極体11の活物質塗布領域11Xを外装缶12の中央部に配置して、幅広平面12Aの中央部を活物質接触領域12Xとしており、セパレータ2の活物質押圧部2Xが、幅広平面12A中央部の活物質接触領域12Xを押圧することができる。
以上のバッテリシステムは、膨張しない芯体露出領域と対向する外装缶両側の活物質非接触領域をセパレータで強く押圧することなく、セパレータの活物質押圧部が外装缶の活物質接触領域を強く押圧して、電極体の活物質塗布領域の膨張を確実に阻止できる特徴がある。
本発明のバッテリシステムは、角形電池1が、外装缶12の開口部を封口板13で気密に密閉し、電極体11が封口板13から離れて外装缶12の内部に配置されて、外装缶12の幅広平面12Aの封口板13に沿う上縁部を活物質非接触領域12Yとすることができる。
以上のバッテリシステムは、電極体の活物質塗布領域を強く押圧して、その膨張を確実に阻止しながら、外装缶の幅広平面の封口板に沿う上縁部がセパレータに強く押圧されて損傷するのを確実に防止できる。
本発明のバッテリシステムは、角形電池1を非水系電解液電池とすることができる。
以上のバッテリシステムは、角形電池を非水系電解液電池として容積に対する充放電容量を大きくしながら、活物質の膨張による弊害を防止できる。
本発明のバッテリシステムは、角形電池1をリチウムイオン電池とすることができる。
以上のバッテリシステムは、角形電池をリチウムイオン電池として容積に対する充放電容量を大きくしながら、活物質の膨張による弊害を防止できる。
本発明のバッテリシステムは、セパレータ2が、角形電池1を内側にセットして定位置に配置するガイド壁22を外周に有し、このガイド壁22の内側に角形電池1をセットして、複数の角形電池1とセパレータ2とを積層することができる。
以上のバッテリシステムは、外装缶の活物質非接触領域の変形や損傷を防止して、活物質の膨張による弊害を防止しながら、セパレータでもって角形電池を定位置に配置できる特徴がある。
本発明のバッテリシステムは、セパレータ2が、角形電池1の四隅部を案内するガイド壁22を四隅部に備えると共に、外装缶12が、幅広平面12Aの両側に活物質非接触領域12Yを設けて、さらに、セパレータ2が、外装缶12の両側に設けてなる活物質非接触領域12Yと対向する部分に切り欠き凹部29を備えることができる。
以上のバッテリシステムは、セパレータの活物質押圧部でもって、活物質の膨張を防止し、かつセパレータでもって、角形電池を定位置に配置しながら、セパレータが、外装缶両側の活物質非接触領域を強く押して変形したり損傷させる弊害を確実に防止できる。
本発明のバッテリシステムは、角形電池1が、外装缶12の幅広平面12Aの両側部と上下部とに活物質非接触領域12Yを設けて、セパレータ2が、幅広平面12Aの上下部と対向する部分に非押圧部2Yを設けて、活物質押圧部2Xを非押圧部2Yよりも突出させることができる。
以上のバッテリシステムは、セパレータの活物質押圧部が活物質の膨張を阻止しながら、外装缶の上下部に設けている活物質非接触領域の変形や損傷を防止できる。
本発明のバッテリシステムは、セパレータ2の活物質押圧部2Xを、非押圧部2Yよりも0.1mm〜0.5mm突出させることができる。
以上のバッテリシステムは、非押圧部よりも突出する活物質押圧部が、電極体の活物質の膨張を確実に阻止できる特徴がある。
本発明のバッテリシステムは、セパレータ2の活物質押圧部2Xが中央部を高く突出させることができる。
以上のバッテリシステムは、高く突出する活物質押圧部の中央部でもって、外装缶を損傷することなく、活物質の膨張をより好ましい状態で阻止できる特徴がある。
本発明の車両は、上記のいずれかのバッテリシステム100と、このバッテリシステム100から電力供給される走行用のモータ93と、バッテリシステム100及びモータ93を搭載してなる車両本体90と、モータ93で駆動されて車両本体90を走行させる車輪97とを備えることを特徴とする。
本発明の蓄電装置によれば、上記のいずれかのバッテリシステム100を備えると共に、バッテリシステム100への充放電を制御する電源コントローラ84を備えている。この電源コントローラ84は、外部からの電力により角形電池への充電を可能とすると共に、角形電池に対し充電を行うよう制御することができる。
本発明の一実施の形態にかかるバッテリシステムの斜視図である。 図1に示すバッテリシステムの分解斜視図である。 角形電池とセパレータの積層構造を示す分解斜視図である。 角形電池の内部構造を示す概略垂直縦断面図である。 角形電池の内部構造を示す概略垂直横断面図である。 電極体の製造工程を示す分解斜視図である。 電極体の製造工程を示す斜視図である。 角形電池の製造工程を示す分解斜視図である。 図4に示す角形電池の正面図である。 セパレータの正面図である。 角形電池とセパレータの積層構造を示す垂直断面図である。 図11に示す角形電池とセパレータの分解断面図である。 図11に示すセパレータの要部拡大断面図である。 角形電池とセパレータの積層構造を示す水平断面図である。 図14に示す角形電池とセパレータの分解断面図である。 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。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのバッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置を例示するものであって、本発明はバッテリシステム及びバッテリシステムを備える車両並びに蓄電装置を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
図1〜図3のバッテリシステムは、角形電池1とセパレータ2とを交互に積層している電池積層体9と、この電池積層体9を積層方向の両端から所定の圧力で押圧して加圧状態に固定している固定部材3とを備える。図のバッテリシステムは、固定部材3として、電池積層体9の両端にエンドプレート4を配置すると共に、一対のエンドプレート4を連結具5で連結して、各角形電池1とセパレータ2とを加圧状態に固定している。
(角形電池1)
角形電池1は、図4〜図8に示すように、芯体31の表面に活物質32を付着している正極11Aと負極11Bを、絶縁層11Cを介して積層又は巻回して電極体11とし、この電極体11を角形の外装缶12に収納して、外装缶12の開口部を封口板13で気密に密閉している。さらに、外装缶12には電解液(図示せず)も充填される。電解液は、封口板13を外装缶12に溶接して固定した後、封口板13に設けた注入穴33から充填される。注入穴33は、電解液を充填した後、気密に閉塞される。ただ、角形電池は、外装缶に電解液を充填した後、外装缶の開口部を封口板で密閉することもできる。
角形電池1は、充電できる電池であって、非水系電解液電池のリチウムイオン電池が適している。角形電池1をリチウムイオン電池とするバッテリシステムは、電池積層体9の容積と重量に対する充電容量を大きくできる。ただ、本発明は、角形電池を非水系電解液電池のリチウムイオン電池には特定せず、リチウムイオン電池でない非水系電解液電池や、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など充電できる全ての二次電池とすることができる。
図3〜図5は、角形電池1のリチウムイオン電池を示している。これらの図の角形電池1は、外装缶12の開口部に封口板13を溶接して、封口板13で外装缶12の開口部を気密に密閉している。外装缶12は、底を閉塞して、図において上方を開口している筒状で、対向する両面を四角形の幅広平面12Aとしている。この形状の外装缶12は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属板をプレス加工して製作される。
封口板13は、正負の電極端子15を絶縁して両端部に固定している。正負の電極端子15は、集電体14を介して外装缶12の内部に配置する電極体11の正極11Aと負極11Bの芯体31に接続される。さらに、封口板13は、内圧が設定圧力まで上昇すると開弁する安全弁34を設けている。封口板13は、その外形を、外装缶12の開口部の内形にほぼ等しくして、外装缶12の開口部に挿入され、外装缶12との境界にレーザー光線を照射して、外装缶12の開口部を気密に密閉する。なお、図3に示す角形電池1は、封口板13の上面に端子ホルダ16を介して出力端子17を配置している。出力端子17は、接続リード18を介して電極端子15に電気接続している。端子ホルダ16は、傾斜面を有する略三角柱状で、出力端子17が固定された接続リード18を電極端子15の定位置に配置している。図に示す出力端子17は止ネジで、この止ネジのネジ部を接続リード18に貫通させて、端子ホルダ16の傾斜面から傾斜姿勢で突出させている。端子ホルダ16は、プラスチックなどの絶縁性部材で構成されており、出力端子17の突出部分を除く周囲を絶縁している。
(電極体11)
電極体11は、図6と図7に示すように、正極11Aと負極11Bとを絶縁層11Cを挟んで渦巻き状に巻回した後、2枚のプレス板(図示せず)で挟むように加圧して、所定の厚さにプレスして対向面を平面状とする板状としている。板状にプレスされた電極体11は、その厚さを外装缶12の幅狭面12Bの内幅にほぼ等しくして、外装缶12の内部に挿入される。角形電池1は、板状の電極体11を外装缶12に挿入し、外装缶12に封口板13を溶接して固定した後、封口板13に設けた注入穴33から電解液30を充填し、その後、注入穴33を気密に密閉して製作される。また、角形電池1は、図示しないが、金属製の外装缶12の内面と電極体11との間に絶縁材を設けて、電極体11の導電部や集電体14が外装缶12に接触しない構造としている。この絶縁材は、電極体の電極に積層している絶縁層とし、あるいは外装缶の内面に積層された絶縁カバーとし、あるいは外装缶の内面にコーティングしている絶縁層で実現できる。
図6の電極体11に使用される正極11Aと負極11Bは、細長い帯状の芯体31の片側に、活物質32が塗布されない芯体露出部31yを設けて、片側部を除く領域に活物質32を塗布している。芯体31は、導電性のある金属箔である。正極11Aと負極11Bは、芯体露出部31yを互いに反対側に配置し、かつ活物質32を塗布している領域を対向させ、なおかつ、活物質32の塗布している領域には、絶縁層11Cの微多孔膜を積層して、図7に示すように、渦巻き状に巻回される。巻回された電極体11は、その後、所定の厚さの板状にプレスされる。この状態で製作される電極体11は、両側部を芯体露出領域11Yとして、芯体露出領域11Yの間に活物質塗布領域11Xができる。電極体11の両側の芯体露出領域11Yは、一方に正極11Aの芯体31を露出させて、他方に負極11Bの芯体31を露出させる。正極11Aの芯体露出部31yは、絶縁層11Cを介することなく互いに積層されて、正極側の集電体14に接続され、負極11Bの芯体露出部31yも絶縁層11Cを介することなく積層されて、負極側の集電体14に接続される。正極側の集電体14と、負極側の集電体14は、封口板13に固定している正極の電極端子15と負極の電極端子15に溶接などの方法で接続される。
以上の電極体11は、両側の芯体露出領域11Yを外装缶12の両側、すなわち、幅広平面12Aの両側に配置するように、外装缶12に挿入される。電極体11を外装缶12に挿入して、封口板13は外装缶12の開口部に配置される。封口板13が集電体14を介して電極体11に連結されるからである。この状態で、電極体11は、封口板13の内面から離れて配置されるので、電極体11と封口板13との間には所定の隙間が設けられる。外装缶12の開口部に配置された封口板13は、レーザー溶接などの方法で外装缶12の開口部に溶接される。その後、封口板13の注入穴33から外装缶12に電解液が充填されて、注入穴33は気密に閉塞される。
以上の角形電池1は、図5と図9に示すように、外装缶12の幅広平面12Aの両側部と上下部とを、電極体11の活物質塗布領域11Xに接触しない活物質非接触領域12Yとし、幅広平面12Aの両側部と上下部を除く領域を、電極体11の活物質塗布領域11Xに接触する活物質接触領域12Xとする。外装缶12の幅広平面12Aの両側部は、電極体11の芯体露出領域11Yと対向して、活物質塗布領域11Xに接触しない活物質非接触領域12Yとなり、幅広平面12Aの上部は、その内面に電極体11がなく、また電極体11が巻回された湾曲部となって活物質塗布領域11Xに接触せず、幅広平面12Aの下部は、電極体11が巻回さた湾曲部となって、活物質塗布領域11Xに接触しない活物質非接触領域12Yとなる。
(セパレータ)
角形電池1の間に挟着されるセパレータ2は、絶縁性のプラスチックを成形して製作される。図10の正面図に示すセパレータ2は、外形を角形電池1の外形にほぼ等しい四角形として、四隅のコーナー部には、角形電池1を内側に入れて定位置に配置するガイド壁22を設けている。ガイド壁22はL字状で内側に角形電池1のコーナー部を配置して、角形電池1を定位置に配置する。
さらに、図10のセパレータ2は、両側部と上下部を除く中央部(図においてクロスハッチングで表示)に、外装缶12の活物質接触領域12Xを活物質非接触領域12Yよりも強く押圧する活物質押圧部2Xを設けている。活物質押圧部2Xが、外装缶12の活物質接触領域12Xを活物質非接触領域12Yよりも強く押圧する状態で、電池積層体9は固定部材3で加圧状態に固定される。
図9の角形電池1は、幅広平面12Aの両側部と上下部とを、電極体11の活物質塗布領域11Xに接触しない活物質非接触領域12Yとするので、図10〜図13のセパレータ2は、両側部と上下部を除く領域に活物質押圧部2Xを設けて、両側部と上下部には、外装缶12の幅広平面12Aを強く押圧しない非押圧部2Yを設けている。図14と図15のセパレータ2は、外装缶12の幅広平面12Aの両側部にある活物質非接触領域12Yと対向する部分に切り欠き凹部29を設けて非押圧部2Yとし、外装缶12の幅広平面12Aの上下部と対向する領域は、活物質押圧部2Xよりも低くして非押圧部2Yとしている。非押圧部2Yの切り欠き凹部29と活物質押圧部2Xとの境界線は、電極体11の活物質塗布領域11Xと芯体露出領域11Yの境界線に位置して、活物質押圧部2Xが外装缶12の活物質接触領域12Xを押圧する。
セパレータ2は、図13の拡大断面図に示すように、活物質押圧部2Xを、上下部に設けた非押圧部2Yよりも突出させて、外装缶12の活物質接触領域12Xを強く押圧する。活物質押圧部2Xは、たとえば、非押圧部2Yよりも0.2mm突出して、外装缶12の活物質塗布領域11Xを強く押圧する。ただ、活物質押圧部2Xは、非押圧部2Yよりも0.1mm以上であって、0.5mm以下に突出させて、外装缶12の活物質塗布領域11Xを強く押圧することもできる。セパレータ2は、角形電池1の間に挟着されて、外装缶12の活物質接触領域12Xを押圧する。したがって、セパレータ2は、両面に突出する活物質押圧部2Xを設けて、両面に積層される角形電池1の活物質接触領域12Xを押圧する。セパレータ2は、両面の同じ位置に活物質押圧部2Xを設けているので、活物質押圧部2Xを設けた部分は、非押圧部2Yよりも厚くなる。
図10〜図13に示すセパレータ2は、両面に積層される角形電池1との間に、複数列の冷却隙間6を設けている。このセパレータ2は、冷却機構(図示せず)でもって、冷却隙間6に冷却空気を強制送風して角形電池1を強制冷却することができる。両面に冷却隙間6を設けるために、図11〜図13に示すセパレータ2は、両面に交互に複数列の冷却溝21を設けて、冷却溝21の底板28を反対側の角形電池1の外装缶12に密着させている。このセパレータ2は、冷却溝21の両側にある対向壁27の高さが、活物質押圧部2Xの実質的な厚さ(D)となる。したがって、このセパレータ2は、対向壁の高さで、活物質押圧部2Xの実質的な厚さ(D)を調整して、非押圧部2Yからの突出量をコントロールする。以上のセパレータ2は、冷却隙間6に冷却空気を強制送風して、角形電池1を強制冷却するが、セパレータは、必ずしも冷却隙間を設ける必要はなく、活物質押圧部を平面状ないしほぼ平面状として、外装缶の活物質接触領域を押圧することもできる。さらに、セパレータは、活物質押圧部の中央部を高く突出させて、外装缶の活物質接触領域の中央部をより強く押圧することができる。
(固定部材3)
複数の角形電池1とセパレータ2とを積層してなる電池積層体9は、固定部材3を介して積層方向に締結されている。図1と図2に示す固定部材3は、電池積層体9の両端面に配置されたエンドプレート4と、このエンドプレート4に端部を連結して積層状態の角形電池1を加圧状態に固定してなる連結具5とからなる。電池積層体9は、その両端面に配置される一対のエンドプレート4が連結具5で連結されて、積層状態の角形電池1を幅広平面12Aと直交する方向に加圧して固定される。ただ、固定部材は、必ずしもエンドプレートと連結具とに特定しない。固定部材は、電池積層体を積層方向に締結できる他の全ての構造が使用できる。
(エンドプレート4)
エンドプレート4は、図2に示すように、電池積層体9の両端に配置されている。エンドプレート4は、角形電池1の外形とほぼ同じ形状と寸法の四角形とし、積層している電池積層体9を両端面から挟着している。エンドプレート4は、硬質のプラスチックで製作され、あるいはアルミニウムやその合金などの金属で製作される。プラスチック製のエンドプレート4は、直接に角形電池1に積層され、金属製のエンドプレートは、絶縁材を介して角形電池1に積層される。
(連結具5)
連結具5は、電池積層体9の両端面に配置されたエンドプレート4に固定されて、このエンドプレート4を介して電池積層体9を積層方向に締結する。図1と図2の連結具5は、電池積層体9の積層方向に延長されており、両端が一対のエンドプレート4に固定されて、電池積層体9を積層方向に締結している。図に示す連結具5は、電池積層体9の両側面に対向して配置されている。このように、連結具5を電池積層体9の両側面に配置して締結する構造は、複数の角形電池をより確実に積層方向に締結できる。ただ、連結具は、必ずしも電池積層体の両側面に配置する必要はない。連結具は、電池積層体の両側面に加えて上面や底面に配置することも、両側面に配置することなく、上面や底面にのみ配置することもできる。
連結具5は、所定の厚さの金属板を所定の幅に加工して製作される。連結具5は、端部をエンドプレート4に連結して、一対のエンドプレート4を連結して、その間に角形電池1を圧縮状態に保持する。連結具5は、一対のエンドプレート4を所定の寸法に固定して、その間に積層される角形電池1を所定の圧縮状態に固定する。角形電池1の膨張圧力で連結具5が伸びると、角形電池1の膨張を阻止できない。したがって、連結具5には、角形電池1の膨張圧で伸びない強度の金属板、たとえばSUS304等のステンレス板や鋼板等の金属板を十分な強度を有する幅と厚さに加工して製作される。さらに、連結具は、金属板を溝形に加工することもできる。この形状の連結具は、曲げ強度を強くできるので、幅を狭くしながら、積層する角形電池をしっかりと所定の圧縮状態に固定できる特長がある。連結具5は、端部に折曲部5Aを設けて、折曲部5Aをエンドプレート4に連結する。折曲部5Aは、止ネジ19の貫通孔を設けて、ここに挿入される止ネジ19を介してエンドプレート4に固定される。
以上のバッテリシステムは、以下の工程で組み立てられる。
(1)複数の角形電池1の間にセパレータ2を挟んで電池積層体9とする。
(2)電池積層体9の両端にエンドプレート4を配置し、エンドプレート4を介して電池積層体9を所定の圧力で加圧して加圧状態に保持する。
この状態において、セパレータ2は、活物質押圧部2Xでもって、角形電池1外装缶12の活物質接触領域12Xを活物質非接触領域12Yよりも強く押圧する。すなわち、活物質非接触領域12Yを強く押圧することなく、外装缶12の活物質接触領域12Xは所定の圧力で加圧される。
(3)電池積層体9をエンドプレート4で加圧する状態で、一対のエンドプレート4を連結具5で連結して、角形電池1とセパレータ2とを加圧状態に固定する。
この状態においても、セパレータ2の活物質押圧部2Xは、角形電池1外装缶12の活物質接触領域12Xを強く加圧する。活物質押圧部2Xに加圧されない外装缶12の活物質非接触領域12Yは、強く加圧されることなく、角形電池1は積層状態に固定される。
(4)電池積層体9を加圧状態として、角形電池1の電極端子15にバスバーが接続される。バスバーは、角形電池1を直列に接続し、あるいは直列と並列に接続する。バスバーは、電極端子15に接続された出力端子17にネジ止めされ、あるいは、電極端子15に直接溶接されて接続される。
以上の状態で組み立てられたバッテリシステムは、使用状態において、電極体11の活物質32が膨張して、電極体11の活物質塗布領域11Xが膨張しても、活物質塗布領域11Xが接触する外装缶12の活物質接触領域12Xをセパレータ2の活物質押圧部2Xで押圧して、活物質塗布領域11Xの膨張を阻止できる。とくに、外装缶12の活物質接触領域12Xを、活物質非接触領域12Yよりも強く加圧しているので、電極体11の活物質塗布領域11Xの膨張をセパレータ2の活物質押圧部2Xで効果的に阻止しながら、外装缶12の損傷しやすい上下部や両側部を損傷することなく、電極体11の活物質塗布領域11Xの膨張を確実に阻止できる。
以上のバッテリシステムは、車載用の電源として利用できる。バッテリシステムを搭載する車両としては、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。
(ハイブリッド自動車用バッテリシステム)
図16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HV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の角形電池を充電する発電機94と、エンジン96、モータ93、バッテリシステム100、及び発電機94を搭載してなる車両本体90と、エンジン96又はモータ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。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の角形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の角形電池を充電する。
(電気自動車用バッテリシステム)
また、図17は、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EV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の角形電池を充電する発電機94と、モータ93、バッテリシステム100、及び発電機94を搭載してなる車両本体90と、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。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。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の角形電池を充電する。
(蓄電装置用バッテリシステム)
さらに、このバッテリシステムは、移動体用の動力源としてのみならず、定置型の蓄電用設備としても利用できる。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。この図に示すバッテリシステム100は、複数の電池ブロック81をユニット状に接続して電池ユニット82を構成している。各電池ブロック81は、複数の角形電池1が直列及び/又は並列に接続されている。各電池ブロック81は、電源コントローラ84により制御される。このバッテリシステム100は、電池ユニット82を充電用電源CPで充電した後、負荷LDを駆動する。このためバッテリシステム100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を介してバッテリシステム100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、バッテリシステム100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からバッテリシステム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、バッテリシステム100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、バッテリシステム100への充電を同時に行うこともできる。
バッテリシステム100で駆動される負荷LDは、放電スイッチDSを介してバッテリシステム100と接続されている。バッテリシステム100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、バッテリシステム100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、バッテリシステム100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。
各電池ブロック81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、他の電池ブロック81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は他の電池ブロック81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、電池ブロック81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、電池ブロック81同士を直列、並列に接続するための端子である。また電池ユニット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。
本発明のバッテリシステムは、大電流や充放電の繰り返しで経時的に発生する角形電池の電極体の膨張による弊害と、外装缶の損傷や変形を防止して安定に長期間使用できることから、長寿命特性が大切な、電動車両の走行用バッテリ、自然エネルギーや深夜電力の蓄電用バッテリなどに最適に使用される。
100…電源装置
1…角形電池
2…セパレータ 2X…活物質押圧部
2Y…非押圧部
3…固定部材
4…エンドプレート
5…連結具 5A…折曲部
6…冷却隙間
9…電池積層体
11…電極体 11A…正極
・BR>@ 11B…負極
11C…絶縁層
11X…活物質塗布領域
11Y…芯体露出領域
12…外装缶 12A…幅広平面
12B…幅狭面
12X…活物質接触領域
12Y…活物質非接触領域
13…封口板
14…集電体
15…電極端子
16…端子ホルダ
17…出力端子
18…接続リード
19…止ネジ
21…冷却溝
22…ガイド壁
27…対向壁
28…底板
29…切り欠き凹部
31…芯体 31y…芯体露出部
32…活物質
33…注入穴
34…安全弁
81…電池ブロック
82…電池ユニット
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. 芯体の表面に活物質を付着してなる正極と負極を、絶縁層を介して積層又は巻回してなる電極体を角形の外装缶に収納して気密に密閉してなる複数の角形電池と、前記角形電池の間に配設してなるセパレータと、前記角形電池と前記セパレータとを交互に積層してなる電池積層体を積層方向の両端から所定の圧力で押圧して加圧状態に固定してなる固定部材とを備えるバッテリシステムであって、
    前記角形電池の外装缶は、内面を電極体の活物質塗布領域に接触してなる四角形形状の活物質接触領域と、内面を電極体の活物質塗布領域に接触させない活物質非接触領域とを有しており
    前記セパレータ、前記固定部材が電池積層体を押圧状態に固定する状態で、前記外装缶の活物質接触領域を活物質非接触領域よりも強く押圧する活物質押圧部を有しており
    前記活物質押圧部は、前記外装缶の前記活物質接触領域の内側に位置するとともに、前記外装缶の前記活物質接触領域の境界線上の領域に当接する当接部を含んでおり、
    前記当接部は、前記活物質接触領域を規定する四辺の境界線のそれぞれに対して少なくとも一部が実質的に一致する稜線を有しており、
    この活物質押圧部が前記外装缶の活物質接触領域を活物質非接触領域よりも強く押圧する状態で前記電池積層体が加圧状態に固定されてなるバッテリシステム。
  2. 前記角形電池が、正極と負極とを巻回して所定の厚さの板状にプレスしてなる電極体を備え、この電極体が活物質塗布領域と芯体露出領域とを有し、前記セパレータが、活物質塗布領域と接触する外装缶の活物質接触領域を活物質押圧部で押圧するようにしてなる請求項1に記載されるバッテリシステム。
  3. 前記角形電池の外装缶が、対向する両面を四角形の幅広平面としており、
    前記電極体は、正極と負極とを巻回して所定の厚さにプレスされて、対向面を平面状として、両側に芯体露出領域を設けており、
    前記電極体が、対向する平面を前記外装缶の幅広平面の内側に配置して、芯体露出領域を外装缶の幅広平面の両側部に配置して、幅広平面の両側部を活物質非接触領域とし、電極体の活物質塗布領域を外装缶の中央部に配置して、幅広平面の中央部を活物質接触領域としており、
    前記セパレータの活物質押圧部が、幅広平面中央部の活物質接触領域を押圧するようにしてなる請求項2に記載されるバッテリシステム。
  4. 前記角形電池が、外装缶の開口部を封口板で気密に密閉しており、
    前記電極体が封口板から離れて外装缶の内部に配置されて、外装缶の幅広平面の封口板に沿う上縁部を活物質非接触領域としてなる請求項1から3のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  5. 前記角形電池が非水系電解液電池である請求項1から4のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  6. 前記角形電池がリチウムイオン電池である請求項1から5のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  7. 前記セパレータが、前記角形電池を内側にセットして定位置に配置するガイド壁を外周に有し、このガイド壁の内側に角形電池がセットされて、複数の角形電池とセパレータとを積層してなる請求項1から6のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  8. 前記セパレータが、前記角形電池の四隅部を案内するガイド壁を四隅部に備え、
    前記外装缶は、幅広平面の両側に活物質非接触領域を設けており、
    さらに、前記セパレータは、外装缶の両側に設けてなる活物質非接触領域と対向する部分に切り欠き凹部を設けてなる請求項1から7のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  9. 前記角形電池が、外装缶の幅広平面の両側部と上下部とに活物質非接触領域を設けており、
    前記セパレータが、前記幅広平面の上下部と対向する部分に非押圧部を設けて、活物質押圧部を非押圧部よりも突出させてなる請求項8に記載されるバッテリシステム。
  10. 前記セパレータの活物質押圧部が非押圧部よりも0.1mm〜0.5mm突出してなる請求項1から8のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  11. 前記セパレータの活物質押圧部が中央部を高く突出させてなる請求項1から10のいずれかに記載されるバッテリシステム。
  12. 請求項1から11のいずれかに記載のバッテリシステムを備えてなる車両であって、
    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、前記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、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バッテリシステムを備える車両。
  13. 請求項1から11のいずれか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角形電池への充電を可能とすると共に、前記角形電池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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