JP7146744B2 - 電源装置及びこれを備える車両、蓄電装置並びに電源装置用セパレータ - Google Patents
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Description
本発明の実施形態1に係る電源装置100の斜視図を図1に、その分解斜視図を図2に、それぞれ示す。これらの図に示す電源装置100は、複数の二次電池セル1を積層している電池積層体2と、この電池積層体2の両端に配置された一対のエンドプレート3と、一対のエンドプレート3に両端が連結されて、電池積層体2を締結する一対の締結部材4とを備えている。さらに、電源装置100は、締結部材4が、電池積層体2の側面に沿って配置される本体部40と、この本体部40の両端で折曲されて、エンドプレート3の外側面に固定される固定部41とを備えている。
二次電池セル1は、図2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電池で、厚さ方向に積層されて電池積層体2としている。二次電池セル1はリチウムイオン二次電池である。ただし、二次電池セルは、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等、充電できる全ての二次電池とすることもできる。二次電池セル1は、密閉構造の外装缶に正負の電極板を電解液と共に収容している。外装缶は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属板を角形にプレス成形され、開口部を封口板で気密に密閉している。封口板は、外装缶と同じアルミニウムやアルミニウム合金で、両端部に正負の電極端子11を固定している。さらに、封口板は、正負の電極端子11の間に、ガス排出弁15を設けている。
電池積層体2は、図2に示すように、積層している二次電池セル1の間にセパレータ12を挟着している。図のセパレータ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ている。図に示すセパレータ12は、二次電池セル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を互いに隣接する二次電池セル1の間に積層して、隣接する二次電池セル1同士を絶縁している。なお、セパレータ12とは別に、隣接する二次電池セル1間に第二スペーサを配置しても良い。二次電池セル1とスペーサの間に冷却気体の流路が形成される形状のスペーサを用いることで、二次電池セル1を冷却することができる。また、二次電池セル1の表面を絶縁材で被覆することもできる。例えばPET樹脂等のシュリンクチューブで二次電池セルの電極部分を除く外装缶の表面を熱溶着させてもよい。
電池積層体2は、隣接する二次電池セル1の正負の電極端子11に金属製のバスバー(図示せず)が接続されて、バスバーでもって複数の二次電池セル1を直列又は並列に、あるいは直列と並列に接続される。図に示す電池積層体2は、12個の二次電池セル1を直列に接続している。ただ、本発明は、電池積層体を構成する二次電池セル1の個数とその接続状態を特定しない。
電池積層体2は、両端面に端面スペーサ13を挟んでエンドプレート3を配置している。端面スペーサ13は、図2に示すように、電池積層体2とエンドプレート3との間に配置されてエンドプレート3を電池積層体2から絶縁する。端面スペーサ13は、上述したセパレータ12と同様の材質で構成することができる。図に示す端面スペーサ13は、二次電池セル1の対向面全体をカバーできる大きさのプレート部13Xを備えており、このプレート部13Xを電池積層体2の両端に配置された二次電池セル1とエンドプレート3との間に積層している。
エンドプレート3は、図1と図2に示すように、電池積層体2の両端に配置されると共に、電池積層体2の両側面に沿って配置される締結部材4を介して締結される。エンドプレート3は、電池積層体2の二次電池セル1の積層方向における両端であって、端面スペーサ13の外側に配置されて電池積層体2を両端から挟着している。エンドプレート3は、アルミニウム合金製としている。アルミニウム合金としては、Al-Cu-Mg系、Al-Cu-Ni-Mg系、Al-Cu-Si系、Al-Si-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Cu-Mg系、Al-Si-Cu-Ni-Mg系等が利用できる。このアルミニウム合金製のエンドプレート3は、熱処理型合金である。またアルミニウム合金製のエンドプレート3は、後述する通りダイキャストで成型される。またアルミニウム合金製のエンドプレート3は、後述する通り、溶体化処理、焼入れ及び時効熱処理等を含む熱処理によって調質されることが好ましい。
図2のエンドプレート3は、両側に沿って3個ずつ、全体で6個の第一貫通孔33を設けている。このエンドプレート3は、外周面に配置される固定部41を貫通する留め具19が第一貫通孔33に挿入される。第一貫通孔33に挿入された留め具19は、第一貫通孔33に固定されて固定部41を定位置に固定する。
(留め具19)
締結部材4は、図1と図2に示すように、電池積層体2の積層方向に延長されており、両端が電池積層体2の両端面に配置されたエンドプレート3に固定されて、このエンドプレート3を介して電池積層体2を積層方向に締結している。締結部材4は、電池積層体2の側面に沿う所定の幅と所定の厚さを有する金属板で、電池積層体2の両側面に対向して配置されている。この締結部材4には、鉄などの金属板、好ましくは、鋼板が使用できる。金属板からなる締結部材4は、プレス成形等により折曲加工されて所定の形状に形成される。
セパレータ12の斜視図を図3に示す。このセパレータ12は、断熱性を高めた材質で構成される。セパレータ12を構成する材質は、絶縁性を有する材質で構成することが好ましい。また、セパレータ12を構成する材質は、可撓性を有する材質で構成することが好ましい。すなわち、可撓性を有する材質で構成されるセパレータ12は、二次電池セルが膨張してセパレータ12が押圧された際に変形して、該変形を吸収すると共に、応力が低減されたときには元の形態に戻ろうとする復元性を有する。これにより、二次電池セルの膨張時の変形を許容しつつ、電池積層体の締結力を維持できる。なお、二次電池セルは、電池の異常状態に加え、通常の充放電によっても膨張や収縮をする。上記構成のセパレータを用いることで、膨張時には二次電池セルの変形分を吸収してストレスを緩和することができる。その一方で、膨張が収まった際に隙間が生じてしまうと、電池積層体2を締結する締結部材4の締結力が相対的に弱まり、振動等によりがたつきが生じたり、締結部材4等が摩耗や破損したりする要因となる。そこで、元の厚さに復元することで緩みを抑え、安定的な保持力を発揮する。またその一方で、電池セル膨張時の変形が大きすぎると、セパレータが薄くなって断熱性能が低下する。本実施形態では、二次電池セルで押圧された際の厚さが、0.50mm以上、好ましくは0.65mm以上となるように設計している。これにより、二次電池セルの膨張時にも断熱性を維持することができる。好ましくは、セパレータのヤング率を108~109N/m2とする。
図5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に電力を供給する電源装置1000と、電源装置1000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。電源装置1000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1000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1000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1000の電池を充電する。
また図6に、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に電力を供給する電源装置1000と、この電源装置1000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、電源装置1000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1000の電池を充電する。
さらに、この電源装置は、移動体用の動力源としてのみならず、載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7に示す。この図に示す電源装置1000は、複数の電池パック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。各電池パック81は、複数の二次電池セルが直列及び/又は並列に接続されている。各電池パック81は、電源コントローラ84により制御される。この電源装置1000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。このため電源装置1000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を介して電源装置1000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、電源装置1000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から電源装置1000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、電源装置1000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、電源装置1000への充電を同時に行うこともできる。
Claims (8)
- 互いに隣接して配置された複数の二次電池セルと、
前記隣接する二次電池セル同士の間に、それぞれ介在されるセパレータと、を備える電源装置であって、
各セパレータは、前記二次電池セルで押圧されて変形すると共に、元の形態に戻ろうとする復元性と、断熱性とを有する可撓性部材で構成されてなり、
前記セパレータが、無機材料の耐熱性繊維で構成されてなる電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
各セパレータは、メッシュ状に構成され、メッシュの空隙に存在する空気により断熱性の類焼防止層を形成してなる電源装置。 - 請求項1又は2に記載の電源装置であって、
前記セパレータが、シート状に形成され、前記二次電池セルで押圧された際の厚さが、0.50mm以上となるよう構成されてなる電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
前記セパレータが、表面を絶縁材で被覆した金属結晶繊維で構成されてなる電源装置。 - 請求項1~4のいずれか一項に記載の電源装置であって、
車両の駆動用の電源装置である電源装置。 - 請求項1~5のいずれか一に記載の電源装置を備えてなる車両であって、
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車両。 - 請求項1~5のいずれか一に記載の電源装置を備えてなる蓄電装置であって、
前記電源装置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二次電池セルへの充電を可
能とすると共に、前記二次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。 - 互いに隣接して配置された複数の二次電池セル同士の間に介在させるためのセパレータであって、
前記二次電池セルで押圧されて変形すると共に、元の形態に戻ろうとする復元性と、断熱性とを有する可撓性部材で構成され、無機材料の耐熱性繊維で構成されてなるセパレータ。
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