JP7325413B2 - 電源装置及びこれを備える車両 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態1に係る電源装置を、図1~図5に示す。これらの図において、図1は電源装置100の斜視図、図2は図1の電源装置100から上カバー51を外した状態の斜視図、図3は図2から主経路カバー55を外した斜視図、図4Aは図3の電源装置100の(主経路カバー55を外した状態の)平面図、図4Bは図4Aの電源装置の主経路と副経路を示す模式図、図5は図1の電源装置100の分解斜視図を、それぞれ示している。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5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1aに正負の電極板を電解液と共に収容している。外装缶1a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1bで気密に密閉している。封口板1bは、外装缶1a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1b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5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、図示はしないが、セパレータ12は、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としてもよい。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1a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16が接続されて、バスバー16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5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。
エンドプレート3は、図1~図5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。
締結部材4は、図1~図5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。
電源装置100は、図5に示すように電池積層体2の上面を覆うカバー部50を備えている。カバー部50は、その内部に、ガス排出弁15から排出されるガスを、カバー部50の外部に排出するためのガス案内経路60を区画している。このようにカバー部50は、ガス排出用のガスダクトを兼用しており、従来のようにガスダクトを別途用意してホルダと配管する手間を省力化でき、構成の簡素化や軽量化、コスト削減において有利となる。このカバー部50は、ホルダ部56と、主経路カバー55と、上カバー51を備えている。
ホルダ部56は、図5に示すようにバスバー16を保持するバスバー保持部57を上面に形成している。各バスバー保持部57にそれぞれバスバー16を配置した状態で、ホルダ部56を電池積層体2の上面に載置することで、各バスバー16を二次電池セルに対して位置決め状態とすることができる。一方でホルダ部56は、ガス案内経路60を区画するように直立させた壁部58を有している。このように、ガス案内経路60を画定するカバー部50を、バスバー16を保持するバスバーホルダに兼用することで、さらに構成を簡素化できる。
ホルダ部56は、ガス案内経路60を区画するように直立させた壁部58を有している。また壁部58で区画されたガス案内経路60の上方を開放している。ホルダ部56の上面をカバー部50で被覆することで、ガス案内経路60の上方が閉塞される。またホルダ部56は、ガス案内経路60として、主経路61と副経路62を壁部58でもって画定している。
主経路61は、積層された各二次電池セル1のガス排出弁15と面するように、直線状に形成される。電池積層体2は、角型の二次電池セル1を複数、各々のガス排出弁15を設けた面が同一平面上となる姿勢で、複数枚積層している。また各二次電池セル1の封口板1bのほぼ中央に、ガス排出弁15が配置されている。このため、図4A等に示すように、矩形状に延長されたホルダ部56の、短手方向のほぼ中央に主経路61が配置することで、各ガス排出弁15を開弁時に主経路61と連通させることができる。また主経路61は、副経路62に連通され、副経路62を介して排出口63に連通される。排出口63は、カバー部50から外部にガスを排出するための開口である。
一方副経路62は、主経路61と略平行に一以上設けられる。カバー部50の中央に配置された主経路61の両側に、副経路62がそれぞれ一以上配置される。図4Bの例では、主経路61の上下に、2つの副経路62である第一副経路62A、第二副経路62Bがそれぞれ設けられている。このように、ガス案内経路60に副経路62を含めることで、主経路61単独の場合よりも経路長を長くして、ガスの勢いを抑制することが可能となる。特に、電源装置の上部の限られたスペースを効果的に活用して、ガス案内経路60の経路長を長くすることができるという点に技術的な意義がある。
主経路61は、二次電池セル1の積層方向に延長された細長い形状に形成されている。この主経路61の上方は、主経路カバー55で被覆されている。主経路カバー55は、好ましくは金属板で構成される。
図1に示す電源装置100は、上面に上カバー51を配置している。上カバー51は、絶縁性に優れた材質、例えば樹脂製とする。図1の電源装置100から、上カバー51を外した状態の斜視図である図2に示すように、金属製の主経路カバー55を中央に配置している。さらに図2から主経路カバー55を外した状態を示す図3の斜視図、及び図3から主経路カバー55を外した図4Aの平面図に示すように、カバー部50はホルダ部56と主経路カバー55と上カバー51とで、ガス案内経路60を画定している。
ガス案内経路60は、金属及び耐熱樹脂で構成され、ガスダクトとして機能する。図2に示すように、ガス案内経路60の上面は金属製の主経路カバー55で被覆される。これによって、図7に示すようにガス排出弁15から排出された高温高圧のガスを、十分な強度で受けることが可能となる。またガス案内経路60の側面も、金属で構成されている。
ガス案内経路60は、カバー部50の平面視において、ガスの少なくとも一部の進行方向を折曲させる一以上の水平ガス流折曲部64を備えている。これにより、二次電池セル1のガス排出弁から排出されるガスは、ガス排出弁15から排出されたガスが、ガス案内経路60を通じてカバー部50の外部に排出されるまでの間に、ガスの進行方向が折曲されるようになっている。そのため、直進性の違いにより、ガス排出弁15の破片や二次電池セルの内容物といったガス以外の固体や液体を水平ガス流折曲部64の手前でせき止めることができる。
さらにガス案内経路60は、垂直ガス流折曲部65を有している。垂直ガス流折曲部65は、カバー部50の垂直断面視において、ガスの少なくとも一部の進行方向を折曲させる。このように、水平ガス流折曲部64に加えて垂直ガス流折曲部65でもって更にガス排出弁15の破片や二次電池セルの内容物といったガス以外の固体や液体の外部への流出を抑制できる。
水平ガス流折曲部64は、主経路61を画定する壁部58に形成される。図4A、図4B等の例では、水平ガス流折曲部64は壁部58に形成された複数の開口である。水平ガス流折曲部64の開口でもって主経路61と副経路62は連通される。
上述の通りカバー部50は、上カバー51を備えている。上カバー51は図1及び図2に示すように、主経路カバー55の上面を含めたガス案内経路60の上方を覆う。このようにすることで、カバー部50でガス排出用のガスダクトを兼用できる。さらに上カバー51は、その底面側に垂直ガス流折曲部65を設けている。この垂直ガス流折曲部65は、副経路62内に配置されている。垂直ガス流折曲部65は、図8の断面図に示すように、上カバー51の底面側に形成されている。また垂直ガス流折曲部65の端縁と、ガス案内経路60の床面との間に隙間を形成している。このようにすることで、ガス案内経路60の上方から下方に向かって突出させた垂直ガス流折曲部65でもって、ガス案内経路60を高さ方向に変化させることが可能となり、立体的に折曲させたガス案内経路60を画成することで、限られたスペースを有効に活用することができる。
上述の通り、カバー部50は、ガス排出弁15からガス案内経路60に案内されたガスを、電源装置100の外部に排出するための排出口63を形成している。この排出口63は、二次電池セル1の積層方向と交差する方向に形成されている。
上カバー51は、その両端をホルダ部56に固定されている。ホルダ部56は、その両側に係止フック59を設けている。一方で上カバー51は、係止フック59を係止する係止穴52を形成している。図2に示すように、ホルダ部56の上面で、壁部58により画定されたガス案内経路60は、上方を開放している。このホルダ部56の上面を閉塞するように、上カバー51は係止構造によってホルダ部56の上面に固定される。また、ガス排出時にガスの圧力で上カバー51が多少膨らんでも、上カバー51が外れないように構成している。この様子を、図10の断面図に示す。
またガス排出を検出するための温度ヒューズ71を、ガス案内経路60内に配置することもできる。このようにすることで、ガス案内経路60に案内された高圧ガスでもって温度ヒューズ71を作動させてガスの排出を検出することが可能となる。
図4A~図7の電源装置100において、何れかの二次電池セル1のガス排出弁15が開弁してガスが排出された状態を考える。二次電池セル1から排気されたガスは、図7の垂直断面図に示すように、二次電池セル1の上面に設けられたガス案内経路60の主経路61で受ける。ガス案内経路60の天面は、金属製の主経路カバー55で構成されており、さらにその上面を上カバー51で被覆していることから、ガス圧に十分に対抗できる。ガス排出弁15から上方に勢いよく排出されたガスは、主経路カバー55の広い面積で受けて相当の圧力を失う。またこの際にガスの熱も金属製の主経路カバー55や側面で吸収されて、ガス温度を低下させる。
このようにしてガスが主経路61に案内されると、このガスを主経路61内で分散させて、副経路62に排出する。この際、主経路61内に屈曲させた経路を形成することで、ガスを蛇行させるなどして、ガスに含まれる火花が電源装置の外部に排出されないようにしている。
加えて、ガス案内経路に、ガス流の勢いを抑制する障害物を配置してもよい。例えば図11に示す実施形態2に係る電源装置200の例では、主経路61内に障害物として、メッシュ体68を配置している。メッシュ体68の斜視図を図12Aに、側面図を図12Bに、正面図を図12Cに、それぞれ示す。このメッシュ体68は、金属板に多数の穴69を形成した金属連続メッシュである。また、金属板は図12Bの側面図に示すように、断面をジグザグ状に形成してしる。このようなメッシュ体68を主経路61内に固定することで、ガスに含まれる火花をメッシュ体68の穴69でトラップして、火花が主経路から漏れる事態を回避できる。加えて、金属製のメッシュ体68に高温のガスを透過させることで、熱を奪ってガスの温度を低下させる効果も得られる。
図13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1000と、電源装置1000の電池を充電する発電機94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14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1000と、この電源装置1000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、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システムの電源として使用することもできる。図15は、電源装置1000の電池を太陽電池で充電して蓄電する蓄電システムを示す。この図に示す蓄電システムは、図に示すように、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。さらに、この蓄電システムは、電源装置100に蓄電した電力を、DC/ACインバータ85を介して負荷83に供給する。
Claims (16)
- 内部のガスを排出するためのガス排出弁を有する複数の二次電池セルと、
前記複数の二次電池セルを積層した電池積層体の一面に配置され、前記複数の二次電池セルの前記ガス排出弁を覆うカバー部と、を備える電源装置であって、
前記カバー部は、その内部に、前記ガス排出弁から排出されるガスを、前記カバー部の外部に排出するためのガス案内経路を区画しており、
前記ガス案内経路は前記カバー部の平面視において、ガスの少なくとも一部の進行方向を折曲させる一以上の水平ガス流折曲部と、前記カバー部の垂直断面視において、ガスの少なくとも一部の進行方向を折曲させる垂直ガス流折曲部と、前記複数の二次電池セルの各ガス排出弁と面する直線状の主経路と、前記主経路に隣接して配置される少なくとも一つの第一副経路と、を含んでおり、
前記主経路と前記少なくとも一つの第一副経路は、前記水平ガス流折曲部を介して、連結されている電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
前記水平ガス流折曲部が、前記主経路を規定する壁面に形成された開口である電源装置。 - 請求項2に記載の電源装置であって、
前記主経路に形成された水平ガス流折曲部の開口面積の総和を、前記主経路の断面積よりも大きくしてなる電源装置。 - 請求項2又は3に記載の電源装置であって、
前記ガス案内経路は、さらに、前記少なくとも一つの第一副経路に隣接して配置される少なくとも一つの第二副経路を含んでおり、
前記第一副経路と前記第二副経路とは、前記垂直ガス流折曲部を介して連結されている電源装置。 - 請求項4に記載の電源装置であって、
前記垂直ガス流折曲部は、前記第一副経路を規定する壁面に形成された開口であり、該垂直ガス流折曲部の開口面積の総和を、前記第一副経路の断面積よりも大きくしてなる電源装置。 - 請求項4又は5に記載の電源装置であって、さらに、
前記主経路の上方を覆う金属製の主経路カバーを備えてなる電源装置。 - 請求項6に記載の電源装置であって、
前記カバー部は、前記主経路カバーの上面を含む前記ガス案内経路の上方を覆う上カバーを備える電源装置。 - 請求項7に記載の電源装置であって、
前記垂直ガス流折曲部は、前記上カバーの底面側に形成されており、
前記垂直ガス流折曲部の端縁と、前記ガス案内経路の床面との間に隙間を形成してなる電源装置。 - 請求項7又は8に記載の電源装置であって、さらに、
前記複数の二次電池セルの電極端子を接続する金属製のバスバーを備え、
前記カバー部は、前記バスバーを保持するホルダ部を有し、
前記ホルダ部は、前記ガス案内経路を区画するように直立させた壁部を有してなる電源装置。 - 請求項9に記載の電源装置であって、
前記ホルダ部は、前記上カバーを係止する係止フックを備えており、
前記ホルダ部の上面で、前記壁部により画定された前記ガス案内経路は、上方を開放しており、前記係止フックで前記上カバーを係止することで、前記ガス案内経路の上方を前記上カバーで閉塞しており、
前記係止フックは、前記二次電池セルの積層方向に平行な前記ホルダ部の両側の側面領域において、上方に爪状に形成された爪部を突出させると共に、該爪部が有する傾斜面を前記ホルダ部の外側に向かって末広がりとなるよう形成し、かつ該爪部の傾斜面から鋭角に連続した係止面を形成し、
前記上カバーは、前記係止フックと対応する側面側に、該係止フックの爪部を挿入する係止穴を開口しており、
前記係止フックを前記係止穴に挿入すると共に、該係止穴の開口端縁の内、前記上カバーの外側に位置する領域に、前記爪部の係止面を当接させて、前記上カバーを前記ホルダ部に係止してなる電源装置。 - 請求項1~10のいずれか一項に記載の電源装置であって、
前記水平ガス流折曲部は、ガスの少なくとも一部の進行方向を、区画された前記ガス案内経路の異なる領域において、部分的に相対的に逆方向とさせるよう構成してなる電源装置。 - 内部のガスを排出するためのガス排出弁を有する複数の二次電池セルと、
前記複数の二次電池セルを積層した電池積層体の一面に配置され、前記複数の二次電池セルの前記ガス排出弁を覆うカバー部と、を備える電源装置であって、
前記カバー部は、その内部に、前記ガス排出弁から排出されるガスを、前記カバー部の外部に排出するためのガス案内経路を区画しており、
前記ガス案内経路は前記カバー部の平面視において、ガスの少なくとも一部の進行方向を折曲させる一以上の水平ガス流折曲部を含んでおり、
前記ガス案内経路は、前記二次電池セルの積層方向における両端に端面壁を配置してなる電源装置。 - 請求項12に記載の電源装置であって、
前記カバー部は、前記ガス排出弁から前記ガス案内経路に案内されたガスを、電源装置の外部に排出するための排出口を形成しており、
前記電池積層体は、複数の二次電池セルを積層しており、前記排出口は、前記二次電池セルの積層方向と交差する方向に形成されてなる電源装置。 - 請求項13に記載の電源装置であって、さらに、
前記複数の二次電池セルの電極端子を接続する金属製のバスバーを備え、
前記バスバーは、前記ガス案内経路内の内、前記排出口の手前側に配置されてなる電源装置。 - 請求項1~14のいずれか一項に記載の電源装置であって、さらに、
前記ガス案内経路内に配置された、ガス排出を検出するための温度ヒューズを備えてなる電源装置。 - 請求項1~15のいずれか一に記載の電源装置を備える車両であって、
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。
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