JP7286668B2 - バッテリシステムとバッテリシステムを備える車両及び蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、多数の電池セルを積層してなるバッテリシステムと、このバッテリシステムを備える車両及び蓄電装置に関する。

典型的なバッテリシステムは、複数の角形電池セルからなる電池積層体と、電池積層体の両端面に配置される一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを連結するバインドバーとを備えている（特許文献１参照）。このバッテリシステムは、電池積層体をエンドプレートとバインドバーにより拘束することで、電池積層体を構成する角形電池セルの膨張を抑制することができるようになっている。
一方で、近年、体積あたりのエネルギー密度や重量あたりのエネルギー密度の高いバッテリシステムが求められており、バッテリシステムを構成する角形電池セルも、体積あたりのエネルギー密度や重量あたりのエネルギー密度の高い電池を採用することが望まれている。

国際公開第２０１２／０５７３２２号 特開２０１４－２３２６６４号公報 特開２０１３－０２０８５５号公報

角形電池セルは、体積あたりのエネルギー密度や重量あたりのエネルギー密度を高くしようとすると、充放電や劣化に伴う寸法変化が大きくなる傾向がある。充放電や劣化に伴う寸法変化が大きい角形電池セルの膨張を抑制するためには、比較的大きな力で角形電池セルを拘束する必要がある。このため、この種のバッテリシステムにでは、エンドプレートに作用するセル反力が大きくなり、エンドプレートが変形する虞がある。曲げ剛性が充分でないエンドプレートが強いセル反力で押圧されて変形すると、積層している複数の角形電池セルの相対位置を変化させる原因となる。電池セルの相対的な移動は、金属板などのバスバーと電極端子との接続部分を損傷する原因となる。

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、本発明の目的の一は、エンドプレートを簡単な構造としながら優れた曲げ剛性を実現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、複数の角形電池セルを積層している電池積層体と、前記電池積層体の両端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を連結して前記電池積層体を積層方向に加圧状態に固定してなるバインドバーとを備えている。前記エンドプレートは、両面に配置してなる板材と、前記板材の間に積層してなる板状ブロックとを備え、前記板材は、外面に配置してなる外板材と、内面に配置してなる内板材とを備え、前記板状ブロックは、両側に分割して配置されてなる両側ブロックと、前記両側ブロックの間のテーパー溝に配設されてなる中間ブロックとからなり、前記テーパー溝は、前記エンドプレートの外側から内側に向かって次第に横幅が広くなるテーパー状で、前記中間ブロックが、前記テーパー溝の対向面に摺動自在に密接して配置され、前記板材の内面に前記両側ブロックが固定され、前記電池積層体に押圧される中間ブロックが前記テーパー溝に圧入されて、前記両側ブロックを介して前記外板材と内板材とに引張応力を作用させる構造としている。

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。

以上のバッテリシステムは、エンドプレートを軽量化しながら優れた曲げ剛性を実現できる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムのエンドプレートが、加圧状態に固定している電池積層体の膨張による内面の強い押圧力を、エンドプレートの両面に積層している板材の引張応力に変換するからである。

本発明の一実施形態に係るバッテリシステムを示す斜視図である。 図１に示すバッテリシステムの分解斜視図である。 図１に示すバッテリシステムの水平断面図である。 図３に示すバッテリシステムの拡大断面図であって、エンドプレートに電池積層体の押圧力が作用する状態を示す図である。 エンジンとモータ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。

まず、本発明の一つの着目点について説明する。多数の角形電池セルを備えるバッテリシステムは、複数の角形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、一対のエンドプレートをバインドバーで連結して、電池積層体を積層方向に加圧する状態で固定される。このバッテリシステムは、一対のエンドプレートで電池積層体の両端を加圧状態に固定するので、エンドプレートに充分な強度が要求される。エンドプレートは、充放電される角形電池セルが膨張して内面からセル反力を受ける。エンドプレートは、膨張する電池積層体で内面から押圧されるので、電池積層体の面積と、電池積層体が押圧する圧力との積に比例するセル反力を受ける。そのため、充放電等に伴う寸法変化の大きい角形電池は、その膨張量に応じた大きさのセル反力がエンドプレートに作用することになる。

特に、車両の走行モータに電力を供給する大容量、大出力のバッテリシステムは、電池セルを極めて強い圧力で固定している。このバッテリシステムは、電池積層体の両端面に配置するエンドプレートをプレス機で強く加圧し、加圧状態に保持しながら一対のエンドプレートにバインドバーを固定している。さらに、このバッテリシステムは、充放電して電池セルが膨張すると、エンドプレートに作用する押圧力が数トンと極めて高くなることがある。積層している電池セルを数トンの押圧力で加圧するエンドプレートは、極めて強い曲げ剛性が要求される。

曲げ剛性が充分でないエンドプレートは、強いセル反力で押圧されると変形する。変形するエンドプレートは、加圧状態に固定している角形電池セルの相対位置を変化させる原因となる。角形電池セルは、厚い金属板のバスバーを電極端子に固定して、バスバーを介して直列や並列に接続しているので、相対位置にずれが生じると、電極端子とバスバーとの接続部分に無理な歪み力が作用する。歪み力は電極端子とバスバーとの接続部分を損傷し、また、電極端子と角形電池セルの外装ケースとの接続部を損傷する原因となる。

エンドプレートの曲げ剛性を高くするために、種々の構造のエンドプレートが開発されている。特許文献２のエンドプレートは、金属薄板と異形断面金属板とを交互に積層してある。異形断面金属板は、たとえばハニカム構造として曲げ剛性を強くしている。このエンドプレートは、優れた曲げ剛性の異形断面金属板と金属薄板とを交互に積層して全体の曲げ剛性を向上している。このエンドプレートは、異形断面金属板で曲げ剛性を高くできるが、全体の構造が複雑で製造コストが高くなる欠点がある。さらに、特許文献３のエンドプレートは、金属板の外側面に縦横に伸びる補強リブを一体的に設けて補強している。このエンドプレートは外側面に設けた補強リブによって厚くなり、さらに重くなる欠点がある。

以上のように、エンドプレートは軽量化と高い強度が要求されるが、軽量化と強度は互いに相反する特性であって両方を実現することは極めて難しい。以上の実情に鑑みて、エンドプレートを簡単な構造としながら優れた曲げ剛性を実現できる構造を検討することが重要である。

本発明のある態様のバッテリシステムは、以下の構成により特定されてもよい。バッテリシステムは、複数の角形電池セル１を積層している電池積層体２と、電池積層体２の両端に配置してなる一対のエンドプレート３と、エンドプレート３を連結して電池積層体２を積層方向に加圧状態に固定してなるバインドバー４とを備えている。エンドプレート３は、両面に配置してなる板材５と、板材５の間に積層してなる板状ブロック６とを備えている。板材５は、外面に配置してなる外板材５Ａと、内面に配置してなる内板材５Ｂとを備えている。板状ブロック６は、両側に分割して配置されてなる両側ブロック７と、両側ブロック７の間のテーパー溝９に配設されてなる中間ブロック８とからなり、テーパー溝９は、エンドプレート３の外側から内側に向かって次第に横幅が広くなるテーパー状としている。エンドプレート３は、中間ブロック８が、テーパー溝９の対向面９Ａに摺動自在に密接して配置され、板材５の内面に両側ブロック７が固定され、電池積層体２に押圧される中間ブロック８がテーパー溝９に圧入されて、両側ブロック７を介して外板材５Ａと内板材５Ｂとに引張応力を作用させる構造としている。

以上のバッテリシステムのエンドプレートは、加圧状態に固定している電池積層体の膨張による押圧力を、エンドプレートの両面に積層している板材の引張応力に変換するので、優れた曲げ剛性を実現できる特徴がある。電池積層体の両端に配置されて、電池積層体を加圧状態で固定するエンドプレートは、電池積層体の膨張による強い力で内面から押圧されると湾曲する。湾曲したエンドプレートは、外側の表面部分には引張力が、内側の表面部分には圧縮力が作用し、中央部分は、伸縮しないので引張力も圧縮力も作用しない状態となる。厚いエンドプレートは、湾曲すると外面と内面の伸びが大きくなって外面の引張応力と内面の圧縮応力は強くなるが、伸縮しない中央部分は、引張応力と圧縮応力が小さくなる。このため、エンドプレートの厚さ方向の中央部においては、剛性を実現するための作用が弱く、充分な剛性を実現するためには、エンドプレートを相当に厚くする必要があって重くなる。

以上のバッテリシステムのエンドプレートは、内板材と外板材とからなる一対の板材を表面に積層して、内板材と外板材との間には板状ブロックを配置している。板状ブロックは、両側に両側ブロックを配置して、両側ブロックの間にはテーパー溝を設けて、このテーパー溝に中間ブロックを配置している。外板材と内板材は両側ブロックの表面に固定され、テーパー溝は、エンドプレートの外側から内側に向かって次第に横幅が広くなるテーパー状としている。中間ブロックはテーパー溝の対向面に摺動自在に密接して配置されている。内板材を介して電池積層体に押圧される中間ブロックは、テーパー溝に圧入される。中間ブロックがテーパー溝に押圧されると、両側の両側ブロックは互いに離れる方向に移動される。一対の両側ブロックが離れる方向に移動すると、両面に固定している外板材と内板材には引張応力が作用する。以上のエンドプレートは、電池積層体が内面を押圧すると、外板材と内板材の両方に引張応力が作用するので、一対の板材でもってエンドプレートの曲げ剛性を高くできる特徴がある。とくに、一対の板材で充分な曲げ剛性を実現できるエンドプレートは、両面の板材には強い引張応力の金属板などを使用し、板状ブロックには軽い金属ブロックやプラスチック等を使用することで、軽量化しながら充分な曲げ剛性を実現できる特徴がある。

エンドプレートは、外板材５Ａの内面と中間ブロック８との間に隙間３１を設けてもよい。上記構成によると、テーパー溝にスムーズに中間ブロックを圧入して、電池積層体の押圧力を効率よく板材の引張応力に変換できる特徴がある。

また、エンドプレート３は、テーパー溝９の傾斜角（α）を５度以上とすることが好ましい。さらに、エンドプレート３は、テーパー溝９の傾斜角（α）を４５度以下とすることが好ましい。

さらに、エンドプレート３は、板状ブロック６を板材５よりも厚くすることが好ましい。上記構成によると、電池積層体の押圧力を効率よく板材の引張応力に変換して、エンドプレートの曲げ剛性をより向上できる特徴がある。それは、厚い板状ブロックはテーパー溝の傾斜角（α）を小さくして、テーパー溝と中間ブロックとの摩擦抵抗を小さくでき、中間ブロックをスムーズにテーパー溝に圧入して、板材に引張応力を作用させて曲げ剛性を強くできるからである。また、厚い板状ブロックは、テーパー溝の開口幅の差を大きくできるので、エンドプレートが湾曲する状態で中間ブロックをテーパー溝に深く圧入させて、内板材の伸び量を大きくできる。内板材は伸び量が大きくなると引張応力が増加する。このことから、湾曲して中間ブロックがテーパー溝に深く圧入されるエンドプレートは、僅かな湾曲で内板材の引張応力が大きくなるので、内板材の引張応力でエンドプレートの曲げ剛性をより強くできる。

さらに、エンドプレート３は、板材５と両側ブロック７を金属製として、板材５と両側ブロック７を溶接して固定してもよい。上記構成によると、両側ブロックと板材とを簡単かつ容易に、しかも強固に固定できるので、エンドプレートの内面に作用する電池積層体の押圧力を、安定して板材の引張応力で支持して、エンドプレートの曲げ剛性を高くできる特徴がある。

バッテリシステムは、バインドバー４を板状ブロック６に固定してもよい。また、バッテリシステムは、エンドプレート３の両側ブロック７に、上下方向に貫通して固定穴３２を設けてもよい。

さらに、バッテリシステムは、テーパー溝９の内板材５Ｂ側の開口幅（Ｗ）を、エンドプレート３の全幅（Ｈ）の３０％以上とすることが好ましい。上記構成によると、電池積層体の押圧力を効率よく板材の引張応力に変換して、曲げ剛性を強くできる特徴がある。それは、中間ブロックの内面側の横幅を広くすることで、電池積層体が広い面積で中間ブロックを押圧して、テーパー溝に圧入できるからである。

さらに、バッテリシステムは、角形電池セル１を、非水系電解液二次電池としてもよい。

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３は、本発明の一実施形態のバッテリシステムとして、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、電気自動車など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、車両を走行させるバッテリシステム１００を例示している。これらの図に示すバッテリシステム１００は、複数の角形電池セル１を積層している電池積層体２と、この電池積層体２の両端に配置している一対のエンドプレート３と、両端をエンドプレート３に固定して、電池積層体２を加圧状態に固定するバインドバー４とを備えている。このバッテリシステム１００は、図１と図２に示すように、角形電池セル１を多数積層して電池積層体２とし、電池積層体２を積層方向の両端面からエンドプレート３で挟み、両端のエンドプレート３をバインドバー４で連結して電池積層体２を加圧状態に固定して全体形状を細長い箱形としている。

（角形電池セル１）
角形電池セル１は、図に示すように、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。角形電池セル１は、リチウムイオン二次電池などの非水系電解液二次電池である。角形電池セル１をリチウムイオン二次電池とするバッテリシステム１００は、容積と重量に対する充放電容量を大きくできる。ただし、角形電池セル１は、リチウムイオン電池には特定されず、充電できる全ての電池、たとえばニッケル水素電池なども使用できる。

角形電池セル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を固定している。さらに、封口板は、正負の電極端子の間に、ガス排出弁の開口部を設けている。ガス排出弁は、角形電池セル１の内圧が設定値よりも高くなると開弁して、外装缶や封口板が破損するのを防止する。

（電池積層体２）
複数の角形電池セル１は、各角形電池セル１の厚み方向が積層方向となるように積層されて電池積層体２を構成している。角形電池セル１は、正負の電極端子１３を設けている端子面を同一平面に配置して、複数の角形電池セル１を積層して電池積層体２としている。電池積層体２は、隣接する角形電池セル１の正負の電極端子１３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角形電池セル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、１８個の角形電池セル１を直列に接続している。ただ、本発明は、電池積層体２を構成する角形電池セル１の個数とその接続状態を特定しない。

（セパレータ１５）
電池積層体２は、図２に示すように、積層している角形電池セル１の間、及び両端の角形電池セル１とエンドプレート３との間にセパレータ１５を配置している。このセパレータ１５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１５は、角形電池セル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１５を互いに隣接する角形電池セル１の間に積層して、隣接する角形電池セル１同士を絶縁している。なお、セパレータとして、隣接する角形電池セル１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角形電池セル１を冷却することもできる。また、角形電池セル１は、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角形電池セル１の電極部分を除く外装缶の表面を熱溶着させてもよい。

（エンドプレート３）
エンドプレート３は、電池積層体２の両端に配置されて、電池積層体２を両端から挟着している。電池積層体２の両端に配置される一対のエンドプレート３は、電池積層体２の両側面に沿って配置されるバインドバー４が連結されて締結される。電池積層体２の両端に配置される一対のエンドプレート３は、バインドバー４が連結されて電池積層体２を加圧状態に保持するので、角形電池セル１の膨張によってセル反力を受ける。本発明のバッテリシステムは、セル反力に耐える曲げ剛性を実現するために、エンドプレート３を独特の構成としている。

エンドプレート３は、図２ないし図４に示すように、両面に配置している板材５と、板材５の間に積層してなる板状ブロック６とを備える。板材５は外面に積層している外板材５Ａと、内面に積層している内板材５Ｂとからなる。外板材５Ａと内板材５Ｂは、好ましくは金属板で製作される。金属板の板材５には、高張力鋼が適している。高張力鋼は、他の金属板に比較して引張強度が大きいので、薄く、軽量化しながら優れた引張強度を実現する。板材５の厚さと材質は、エンドプレート３に要求される曲げ剛性を考慮して最適値に設定される。たとえば、車両の走行モータに電力を供給するバッテリシステムの板材５は、厚さを２ｍｍ～３ｍｍとする高張力鋼の金属板を使用する。ただ、本発明は板材５を高張力鋼などの金属板に特定するものでなく、たとえば、カーボン繊維強化プラスチック板などの優れた引張強度の板材５も使用できる。エンドプレート３に要求される剛性は、角形電池セル１の物性、たとえば充放電される電池セルの膨張状態等を考慮して最適値に設定されるので、電池セルの物性を考慮し、さらに板材５の材質なども考慮して、板材５の厚さは最適値に設定される。

板状ブロック６は、エンドプレート３の両側に分割して配置している両側ブロック７と、両側ブロック７の間のテーパー溝９に配置している中間ブロック８とからなる。両側ブロック７は外側と内側の両面に板材５を固定している。板材５と両側ブロック７を金属性とするエンドプレート３は、板材５と両側ブロック７を溶接して固定している。この構造は、両側ブロック７と板材５とを簡単かつ容易に、しかも強固に固定できる。金属製の板材５と両側ブロック７は、例えば、互いに接合される領域において、複数箇所をスポット溶接して溶着することができる。ただし、板材５と両側ブロック７は接着剤を介して固定することも、ネジ止めにより固定することも、係止構造で固定することも、あるいはこれらを組み合わせて固定することもできる。両側ブロック７は、外面に外板材５Ａを、内面に内板材５Ｂを固定している。

板状ブロック６は板材５よりも厚い板状である。この板状ブロック６は、両側ブロック７の間に設けているテーパー溝９に中間ブロック８を配置している。板状ブロック６のテーパー溝９は、エンドプレート３の外側から内側に向かって、言い換えると、外板材５Ａと対向する外面から内板材５Ｂと対向する内面に向かって次第に横幅を広くするテーパー状である。このテーパー溝９は、テーパー状の対向面９Ａに摺動自在に密接して中間ブロック８が配置されている。中間ブロック８は、水平断面形状を等脚台形状として、その両側面をテーパー溝９の対向面９Ａに沿うテーパー状の傾斜面８Ａとしている。中間ブロック８の両側の傾斜面８Ａとテーパー溝９の対向面９Ａは、互いにスムーズに摺動できる平滑な摺動面としている。

以上のエンドプレート３は、図４に示すように、内面側に電池積層体２からの押圧力が作用すると、内板材５Ｂが電池積層体２に押圧され、内板材５Ｂを介して中間ブロック８が外側に押圧される。外側に押圧される中間ブロック８は、テーパー溝９に押し込まれて、一対の両側ブロック７を互いに離れる方向に拡開する。拡開される両側ブロック７に固定している内板材５Ｂと外板材５Ａは、中間ブロック８によって引張方向に付勢されて引張応力が作用する。

以上のエンドプレート３は、電池積層体２の押圧力によって外板材５Ａと内板材５Ｂの両方に引張応力が作用する。このエンドプレート３は、電池積層体２に押圧されて発生する変形を、外板材５Ａと内板材５Ｂの両方の板材５の引張応力で制限する。両面の板材５でエンドプレート３の曲げが制限されるので、引張強度に優れた板材５を使用して、エンドプレート３の変形を防止できる。板状ブロック６は、両側ブロック７を拡開して、エンドプレート３の曲げ応力を両面の板材５に引張応力に変換する部材として作用する。したがって、板状ブロック６には、板材５に比較して低強度のアルミニウムや硬質プラスチック等の軽い材質が使用できる。このように、板状ブロック６に軽い材質を使用し、板状ブロック６の両面に金属板である板材５を積層する構造のエンドプレート３は、全体を軽量にしながら優れた曲げ剛性を実現できる。

エンドプレート３は、板状ブロック６を板材５よりも厚く、その厚さを、５ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以上としている。厚い板状ブロック６は、テーパー溝９の対向面９Ａと中間ブロック８の傾斜面８Ａとの接触面積を広くできるので、互いに連結される両側ブロック７と中間ブロック８で形成される板状ブロック６を安定して板状に保持できる特徴がある。また、厚い板状ブロック６は、テーパー溝９の開口幅の差を大きくできるので、エンドプレート３が電池積層体２に押圧されて曲げ応力が作用する状態で、中間ブロック８をテーパー溝９に深く圧入させて、内板材５Ｂの伸び量を大きくできる。内板材５Ｂは伸び量が大きくなると引張応力が増加する。このため、曲げ応力が作用して中間ブロック８がテーパー溝９に深く圧入されるエンドプレート３は、わずかな湾曲であっても内板材５Ｂの引張応力が大きくなるので、内板材５Ｂの引張応力によりエンドプレート３の曲げ剛性をより強くできる。

さらに、厚い板状ブロック６は、テーパー溝９の傾斜角（α）を小さくして、テーパー溝９と中間ブロック８との摩擦抵抗を小さくできる。ここで、テーパー溝９の傾斜角（α）とは、エンドプレート３の水平断面視において、テーパー溝９の対向面９Ａが角形電池セル１の積層方向（電池積層体の長手方向）となす角を意味するものとする。エンドプレート３は、テーパー溝９の傾斜角（α）を小さくすると、テーパー溝９と中間ブロック８との摩擦抵抗を小さくできるので、中間ブロック８をテーパー溝９に対して圧入しやすくなるが、中間ブロック８の圧入量に対して一対の両側ブロック７が互いに離れる方向に拡開される量が小さくなる。これに対して、テーパー溝９の傾斜角（α）を大きくすると、テーパー溝９に圧入される中間ブロック８の圧入量に対する一対の両側ブロック７の拡開量が大きくなるが、テーパー溝９と中間ブロック８との摩擦抵抗が大きくなって、中間ブロック８をテーパー溝９に対して圧入するのが難くなる。したがって、エンドプレート３は、これらのことを考慮してテーパー溝９の傾斜角（α）を最適な角度に決定する。エンドプレート３は、テーパー溝９の傾斜角（α）を５度～４５度、好ましくは１０度～４５度とする。

さらにまた、エンドプレート３は、テーパー溝９の内板材５Ｂ側の開口幅（Ｗ）を広くすることで、電池積層体２が広い面積で中間ブロック８を押圧することができ、中間ブロック８をテーパー溝９に効果的に圧入できる。したがって、エンドプレート３は、両側ブロック７と板材５との接触面積を確保して確実に固定できる範囲内において、テーパー溝９の開口幅（Ｗ）を広くすることができる。テーパー溝９の内板材５Ｂ側の開口幅（Ｗ）は、例えば、エンドプレート３の全幅（Ｈ）の３０％以上とすることができる。図に示すエンドプレート３は、テーパー溝９の内板材５Ｂ側の開口幅（Ｗ）を、エンドプレート３の全幅（Ｈ）の約４０％としている。これにより、電池積層体２の押圧力を効率よく板材５の引張応力に変換して、曲げ剛性を強くできる。

さらに、図４に示すエンドプレート３は、外板材５Ａの内面と中間ブロック８との間に隙間３１を設けている。このエンドプレート３は、中間ブロック８と外板材５Ａとの間に隙間３１を設けることで、中間ブロック８の先端面８Ｂを外板材５Ａに対して非接触状態に配置している。この構造によると、テーパー溝９に圧入される中間ブロック８の先端面８Ｂが外板材５Ａに当接するのを防止して、中間ブロック８をテーパー溝９に対してスムーズに圧入できる。また、外板材５Ａを中間ブロック８に対して非接触状態で配置することで、電池積層体２の押圧力が外板材５Ａに直接作用するのを防止できる。すなわち、中間ブロック８が外板材５Ａの中央部を押圧して、外板材５Ａに曲げ応力が生じるのを抑制できる。

また、エンドプレート３の上下方向の高さについては、図１に示すように、角形電池セル１の高さよりも多少低くしており、角形電池セル１の上端部及び下端部と対向する部分にはエンドプレート３が対向しないようにしている。これにより、セル反力により押圧されるエンドプレート３の反作用により、角形電池セル１の封口板側の上端部や外装缶の底部と対向する部分が強く押圧されるのを防止している。角形電池セル１の外装缶の開口部を閉塞する封口板と外装缶との接合部や外装缶の底部が損傷するのを防止するためである。

さらにまた、図に示すエンドプレート３は、両側ブロック７に、上下方向に貫通して固定穴３２を設けている。このバッテリシステム１００は、両側ブロック７に設けた固定穴３２に挿通される固定ボルト（図示せず）を介してベースプレート（図示せず）に固定することができる。この構造は、バッテリシステムをベースプレートに強固に固定できる特徴がある。また、両側ブロック７に固定穴３２を開口することで、エンドプレート３の重量を軽くできる。

以上のエンドプレート３は、図２に示すように、電池積層体２の両端に配置されて、電池積層体２の両側に配置される一対のバインドバー４が連結される。エンドプレート３は、バインドバー４の端部が固定される。バインドバー４は、止ネジ１０を介してエンドプレート３の板状ブロック６に固定される。図のバッテリシステム１００は、バインドバー４をエンドプレート３の両側ブロック７の両側面に止ネジ１０を介して固定しているが、バインドバー４の端部を折曲して折曲片を設けて、この折曲片をエンドプレート３に固定することもできる。止ネジ１０でバインドバー４を固定するエンドプレート３は、止ネジ１０をねじ込む雌ネジ孔３３を両側ブロック７の側面に設けている。エンドプレート３は、バインドバー４を貫通する止ネジ１０が両側ブロック７の雌ネジ孔３３にねじ込まれてバインドバー４が連結される。

（バインドバー４）
電池積層体２の側面は、一対のバインドバー４でそれぞれ被覆されて、電池積層体２の各側面においてエンドプレート３同士をバインドバー４でそれぞれ締結している。バインドバー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、両端がエンドプレート３の両側ブロック７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。バインドバー４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。バインドバー４は、端部をエンドプレート３に固定して、一対のエンドプレート３で電池積層体２を加圧状態に固定する。バインドバー４は、一対のエンドプレート３を所定の寸法に固定して、その間に積層される角形電池セル１を所定の加圧状態に固定する。角形電池セル１の膨張圧力でバインドバー４が伸びると、角形電池セル１の膨張を阻止できない。したがって、バインドバー４には、角形電池セル１の膨張圧に耐える強度の金属板、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、バインドバー４は、金属板を溝形に加工することもできる。この形状のバインドバー４は、曲げ強度を強くできるので、幅を狭くしながら、積層する角形電池セル１をしっかりと所定の圧縮状態に固定できる特長がある。

図のバインドバー４は、電池積層体２の側面をほぼ被覆する大きさに形成したバインドバー主面４１を有している。このバインドバー主面４１は、電池積層体２の積層方向において端縁まで平板状に形成される。バインドバー４は、止ネジ１０を挿通するための貫通穴をバインドバー主面４１の両端部に設けて止め穴４ａとしている。バインドバー主面４１は、電池積層体２と、その両端に配置されるエンドプレート３のほぼ全体を被覆する大きさの矩形状としている。図１に示すバインドバー主面４１は、電池積層体２の側面のほぼ全面を隙間なく被覆している。ただ、バインドバー主面は、１以上の開口部を設けて、電池積層体２の側面の一部を表出させることもできる。バインドバー主面に開口部を形成することで、電池積層体２を表出させて空冷したり、冷却気体を供給することができる。なお、冷却気体をバインドバー主面に開口部から供給する必要がない場合であっても、バインドバー主面に開口部を形成してもよい。この構成により、バインドバー４の軽量化を図ることができる。

さらに、図のバインドバー４は、バインドバー主面４１の両端部を除く中間部分の上端部に沿って、電池積層体２の上面を保持する上面側折曲部４２を設けると共に、中間部分の下端部に沿って、電池積層体２の下面を保持する下面側折曲部４３を備えている。

（バッテリシステムを備える車両）
以上のバッテリシステムは、車両を走行させるモータに電力を供給する電源に最適である。バッテリシステムを備える車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、あるいはモータのみで走行する電気自動車等が利用でき、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。

（ハイブリッド車用バッテリシステム）
図５は、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１００を備える車両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の電池セルを充電する発電機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９１と、エンジン９６又はモータ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。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の電池セル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。また、図に示す車両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バッテリシステム１００を充電できる。

（電気自動車用バッテリシステム）
また、図６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１００を備える車両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の電池セルを充電する発電機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。バッテリシステム１００、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の電池セルを充電する。また、図に示す車両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バッテリシステム１００を充電できる。

（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７に示す。なお、図７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７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７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…バッテリシステム、１…角形電池セル、２…電池積層体、３…エンドプレート、４…バインドバー、４ａ…止め穴、５…板材、５Ａ…外板材、５Ｂ…内板材、６…板状ブロック、７…両側ブロック、８…中間ブロック、８Ａ…傾斜面、８Ｂ…先端面、９…テーパー溝、９Ａ…対向面、１０…止ネジ、１３…電極端子、１５…セパレータ、３１…隙間、３２…固定穴、３３…雌ネジ孔、４１…バインドバー主面、４２…上面側折曲部、４３…下面側折曲部、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、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…車両、ＥＶ…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 (12)

1. 複数の角形電池セルを積層している電池積層体と、
   前記電池積層体の両端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を連結して前記電池積層体を積層方向に加圧状態に固定してなるバインドバーと、を備えるバッテリシステムであって、
   前記エンドプレートが、
   両面に配置してなる板材と、
   前記板材の間に積層してなる板状ブロックとを備え、
   前記板材は、外面に配置してなる外板材と、内面に配置してなる内板材とを備え、
   前記板状ブロックは、
   両側に分割して配置されてなる両側ブロックと、
   前記両側ブロックの間のテーパー溝に配設されてなる中間ブロックとからなり、
   前記テーパー溝は、前記エンドプレートの外側から内側に向かって次第に横幅が広くなるテーパー状で、
   前記中間ブロックが、前記テーパー溝の対向面に摺動自在に密接して配置され、
   前記板材の内面に前記両側ブロックが固定され、
   前記電池積層体に押圧される中間ブロックが前記テーパー溝に圧入されて、前記両側ブロックを介して前記外板材と内板材とに引張応力を作用させる構造としてなることを特徴とするバッテリシステム。
2. 請求項１に記載するバッテリシステムであって、
   前記外板材の内面と前記中間ブロックとの間に隙間を設けてなることを特徴とするバッテリシステム。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載するバッテリシステムであって、
   前記テーパー溝の傾斜角（α）が５度以上であることを特徴とするバッテリシステム。
4. 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であって、
   前記テーパー溝の傾斜角（α）が４５度以下であることを特徴とするバッテリシステム。
5. 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であって、
   前記板状ブロックが前記板材よりも厚いことを特徴とするバッテリシステム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載するバッテリシステムであって、
   前記板材と前記両側ブロックが金属製で、前記板材と前記両側ブロックが溶接して固定されてなることを特徴とするバッテリシステム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載するバッテリシステムであって、
   前記バインドバーが前記板状ブロックに固定されてなることを特徴とするバッテリシステム。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載するバッテリシステムであって、
   前記両側ブロックに、上下方向に貫通して固定穴を設けてなることを特徴とするバッテリシステム。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載するバッテリシステムであって、
   前記テーパー溝の前記内板材側の開口幅（Ｗ）が、前記エンドプレートの全幅（Ｈ）の３０％以上であることを特徴とするバッテリシステム。
10. 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であって、
    前記角形電池セルが非水系電解液二次電池であることを特徴とするバッテリシステム。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載するバッテリシステムを備える車両であって、
    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、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車両。
12. 請求項１ないし１０のいずれかに記載するバッテリシステムを備え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とを備えており、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セルへの充電を可能とすると共に、該角形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バッテリシステムを備える蓄電装置。

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