JP7374998B2 - 電源装置とこの電源装置を備える電動車両及び蓄電装置、電源装置用締結部材 - Google Patents
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Description
また、本明細書において、上下方向は、図に示す方向であって、図1及び図2に示す二次電池セルにおいて、外装缶の缶底を下側とし、封口板を上側とする方向とする。
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を積層した電池積層体10と、この電池積層体10の積層方向の両端面を覆う一対のエンドプレート3と、エンドプレート3同士を締結する複数の締結部材4とを備える。
二次電池セル1は、幅広面である主面の外形を四角形とする角形電池であって、幅よりも厚さを薄くしている。さらに、二次電池セル1は、充放電できる二次電池であって、リチウムイオン二次電池としている。ただ、本発明は、二次電池セルを角形電池には特定せず、またリチウムイオン二次電池にも特定しない。二次電池セルには、充電できる全ての電池、たとえばリチウムイオン二次電池以外の非水系電解液二次電池やニッケル水素二次電池セルなども使用できる。
二次電池セル1は、天面である封口板1bを端子面1Xとして、この端子面1Xの両端部に正負の電極端子2を固定している。電極端子2は、突出部を円柱状としている。ただ、突出部は、必ずしも円柱状とする必要はなく、多角柱状又は楕円柱状とすることもできる。
複数の二次電池セル1は、各二次電池セル1の厚さ方向が積層方向となるように積層されて電池積層体10を構成している。電池積層体10は、正負の電極端子2を設けている端子面1X、図2においては封口板1bが同一平面となるように、複数の二次電池セル1を積層している。
バスバーは、金属板を裁断、加工して所定の形状に製造される。バスバーを構成する金属板には、電気抵抗が小さく、軽量である金属、例えばアルミニウム板や銅板、あるいはこれらの合金が使用できる。ただ、バスバーの金属板は、電気抵抗が小さくて軽量である他の金属やこれらの合金も使用できる。
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10の両端に配置されると共に、電池積層体10の両側面10aに沿って配置される左右一対の締結部材4を介して締結される。エンドプレート3の外形は、二次電池セル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、両側の外周面に締結部材4を固定して、電池積層体10の膨化を抑制する四角形の板材である。このエンドプレート3は、全体をアルミニウムやアルミニウム合金、SUS、鉄等の金属製としている。ただし、エンドプレートは、図示しないが、プラスチックに金属板を積層する構造とし、あるいはまた、全体を補強繊維を埋設している繊維強化樹脂成形板としてもよい。
締結部材4は、両端を電池積層体10の両端面に配置された一対のエンドプレート3に固定している。締結部材4は、電池積層体10の対向する側面10aにそれぞれ配置されており、一対の締結部材4でもって電池積層体10を積層方向に締結している。図1~図3に示す締結部材4は、電池積層体10の側面10aに沿う平板状であって、1枚の板材で一体的に形成されている。締結部材4は、好ましくは金属板であって、強い引張力に耐える金属板が使用される。締結部材4には、鋼板や鉄、鉄合金、SUS、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属板が使用できる。金属板である締結部材4は、1枚の金属板を裁断して製造される。これにより、特定の形状の締結部材4を簡単かつ容易に製造することができる。ただ、締結部材4は、金属板に限らず、炭素繊維等の補強繊維をプラスチックに埋設している繊維強化樹脂成形板としてもよい。以下、締結部材4を鋼板である金属板とする例を示す。
端部締結部4Xは、締結部材4を構成する板材の両端部に配置されており、エンドプレート3に固定するための強度を有している。図2に示す端部締結部4Xは、詳細には後述するが、エンドプレート3に固定するための係止ブロック5が固定されている。係止ブロック5は、エンドプレート3の外周面に設けた嵌合部3aに案内されて固定される。ただ、端部締結部は、必ずしも係止ブロックを必要とせず、端部締結部をエンドプレートに対して、ボルト止めや溶接等により直接固定することもできる。
中間連結部4Yは、電池積層体10の側面10aに沿って延長された板状であって、図3に示す正面視において、波形に形成された複数列の連結バー6を備えている。図に示す中間連結部4Yは、互いに上下対称な波形に形成された第一連結バー6Xと第二連結バー6Yとからなる一対の連結バー6で構成されている。図に示す中間連結部4Yは、第一連結バー6Xを、電池積層体10の側面10aの上部領域に対向して配置される上部連結バー6Aとし、第二連結バー6Yを、電池積層体10の側面10aの下部領域に対向して配置される下部連結バー6Bとしている。電池積層体10の側面10aの上下に配置される上部連結バー6Aと下部連結バー6Bは、電池積層体10の側面10aの中心線Mであって、高さ方向の中心を通る中心線Mを対称の軸として上下対称となる形状に形成されている。上部連結バー6Aである第一連結バー6Xは、両端に位置する一対の端部締結部4Xの上部同士を連結し、下部連結バー6Bである第二連結バー6Yは、両端に位置する一対の端部締結部4Xの下部同士を連結している。
図5と図6に示す締結部材14は、両端に配置された端部締結部14X同士の間を連結する中間連結部14Yが、互いに上下対称な波形に形成された第一連結バー16Xと第二連結バー16Yとを備えており、第一連結バー16Xと第二連結バー16Yの両端を端部締結部14Xに連結している。図の中間連結部14Yは、第一連結バー16Xと第二連結バー16Yとを2枚の板材で構成しており、その中間部において第一連結バー16Xと第二連結バー16Yの一部を互いに積層している。
係止ブロック5は、図2に示すように、所定の厚さを有する板状ないし角柱状の金属製としている。図に示す係止ブロック5は、締結部材4よりも肉厚に形成された板状であって、締結部材4の長手方向の両端部であって端部締結部4Xの内側面に接合して固定されている。係止ブロック5は、端部締結部4Xの内側面に固定された状態で、エンドプレート3の外周面に向かって突出している。締結部材4の両端部に固定される一対の係止ブロック5は、エンドプレート3の外側面に設けた嵌合部3aに案内されて、ストッパ部3bに係止できる大きさと形状としている。この係止ブロック5は、締結部材4をエンドプレート3に連結する状態では、嵌合部3aに案内されてストッパ部3bに係止され、締結部材4を電池積層体10の両側の定位置に配置する。
以上の係止ブロック5は、図2の分解斜視図に示すように、係止ブロック5をエンドプレート3の嵌合部3aに案内してストッパ部3bに係止されるとともに、複数のボルト9を介してエンドプレート3の外周面に固定される。図2に示す締結部材4と係止ブロック5は、エンドプレート3を締結した状態で係止ブロック5を嵌合部3aにボルト9で固定するために、ボルト9を挿通する貫通孔4c、5cを設けている。ボルト9は、締結部材4と係止ブロック5を貫通して、エンドプレート3の雌ねじ穴3cにねじ込まれて、係止ブロック5をエンドプレート3に固定する。この固定構造の電源装置100は、係止ブロック5を確実にエンドプレート3に固定しながら、ボルト9とストッパ部3bとの両方で係止ブロック5の位置ずれを確実に阻止できる。それは、ボルト9が係止ブロック5を嵌合部3aの底面に押し付けて固定して、ストッパ部3bで確実に位置ずれを阻止できると共に、ボルト9の軸力によっても位置ずれを阻止できるからである。
また、締結部材4と電池積層体10の間には、図示しないが、絶縁シートが介在される。絶縁シートは絶縁性を備える材質、例えば樹脂などで構成され、金属製の締結部材4と二次電池セル1との間を絶縁することができる。このように、締結部材4と電池積層体10とを絶縁シートで絶縁することにより、二次電池セル1と締結部材4の意図しない導通を回避することができる。
(1)所定の個数の二次電池セル1を、間に絶縁スペーサ11を介在させる状態で、二次電池セル1の厚さ方向に積層して電池積層体10とする。
(2)電池積層体10の両端にエンドプレート3を配置し、一対のエンドプレート3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3でもって、電池積層体10を所定の圧力で加圧し、二次電池セル1を圧縮して加圧状態に保持する。
(3)電池積層体10をエンドプレート3で加圧する状態で、一対のエンドプレート3に締結部材4を連結して固定する。締結部材4は、両端部の係止ブロック5が一対のエンドプレート3の嵌合部3aに案内されるように配置されると共に、係止ブロック5を貫通するボルト8をエンドプレート3の雌ねじ穴3cにねじ込んで固定される。固定後、加圧状態は開放される。これにより、締結部材4に作用する引張力により、係止ブロック5はエンドプレート3のストッパ部3bに係止された状態に保持される。
(4)電池積層体10の両側部において、互いに隣接する二次電池セル1の対向する電極端子2同士をバスバー(図示せず)で連結する。バスバーは、電極端子2に固定されて、電池セル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2に溶接され、あるいはネジ止めされて電極端子2に固定される。
さらに、図9に示す電源装置200は、さらに多数の二次電池セル1を積層してなる電池積層体20を備えており、電池積層体20の両端面に配置された一対のエンドプレート3を、前述の実施形態の締結部材4よりも長く形成された締結部材24で連結している。図に示す電源装置200は、前述の電源装置100の2倍の数の二次電池セル1を積層して電池積層体20としている。さらに、図に示す電池積層体20は、積層される複数の二次電池セル1の積層方向の中間部に中間プレート23を積層している。さらに、電池積層体20の両側には、側面20aに対向する姿勢で締結部材24を配置している。この締結部材24は、電池積層体20の全長とほぼ等しい全長を有しており、すなわち、前述の実施形態の電源装置100に使用した締結部材4の全長のおよそ2倍の長さの締結部材24を備えている。この締結部材24は、中間プレート23に連結される中間締結部24Zを中間部に備えている。図に示す締結部材24は、両端の端部締結部24Xと中間締結部24Zとの間にそれぞれ中間連結部24Yを備えており、各中間連結部2Yを独立して電池積層体20の積層方向に延伸できるようにしている。この構造の電源装置200は、多数の二次電池セル1が積層された電池積層体20を一対の締結部材24で締結する構造としながら、電池積層体20の中間部分に積層された中間プレート23を、締結部材24の中間部に設けた中間締結部24Zに連結することで、中間プレート23の両側に積層される二次電池セル1の膨張による変形を、締結部材24の両側に設けた中間連結部24Yにおいて吸収できる構造としている。この形状の締結部材24も、前述の締結部材4と同様に各中間連結部24を構成する波形の連結バー6により、二次電池セル1の積層方向に対する延伸性を実現している。
図10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100と、電源装置100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。車両HVは、電源装置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、電源装置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、電源装置100の電池を充電する。なお、車両HVは、図10に示すように、電源装置100を充電するための充電プラグ98を備えてもよい。この充電プラグ98を外部電源と接続することで、電源装置100を充電できる。
また、図11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100と、この電源装置100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、電源装置100の電池を充電する。また車両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電源装置100を充電できる。
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装置の電源として使用することもできる。図12は、電源装置100の電池を太陽電池82で充電して蓄電する蓄電装置を示す。
Claims (20)
- 外装缶を角型とした複数の二次電池セルを積層した電池積層体と、
前記電池積層体の積層方向の両端面を覆う一対のエンドプレートと、
前記電池積層体の対向する側面にそれぞれ配置されて、前記エンドプレート同士を締結する複数の締結部材と、
を備える電源装置であって、
前記複数の締結部材の各々は、
長手方向の両端でそれぞれ前記エンドプレートと固定される端部締結部と、
前記端部締結部同士の間を連結する中間連結部と
を有し、
前記中間連結部が、
前記電池積層体の側面に沿って延長された板状であって、前記締結部材の正面視において波形に形成された複数列の連結バーを備えており、
前記二次電池セルの膨張時において、前記連結バーを前記電池積層体の側面に沿う面内で弾性変形させて、前記中間連結部が前記二次電池セルの積層方向に延伸されるようにしてなることを特徴とする電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
前記中間連結部が、互いに上下対称な波形に形成された第一連結バーと第二連結バーとを備え、
前記第一連結バーと前記第二連結バーの両端が前記端部締結部に連結されてなる電源装置。 - 請求項2に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーが、前記電池積層体の側面の上部領域に対向して配置されて、
前記第二連結バーが、前記電池積層体の側面の下部領域に対向して配置されてなる電源装置。 - 請求項3に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーの波形の下端部と、前記第二連結バーの波形の上端部が、一体連結部で一体的に連結されて、前記中間連結部を1枚の板材で形成してなる電源装置。 - 請求項4に記載の電源装置であって
前記中間連結部が、対向する前記第一連結バーと前記第二連結バーとを複数の前記一体連結部で連結して閉ループ状の変形延伸部を形成してなる電源装置。 - 請求項5に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーは、その両端部が前記端部締結部の上端部に連結されて、
前記第二連結バーは、その両端部が前記端部締結部の下端部に連結されており、
前記変形延伸部の両側に、前記一体連結部で連結された前記第一連結バー及び前記第二連結バーの端部と前記端部締結部とで形成された連結保持部を備える電源装置。 - 請求項5または6に記載の電源装置であって
前記連結バーが三角波の波形で、前記変形延伸部が正面視ひし形状である電源装置。 - 請求項2に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーと前記第二連結バーが2枚の板材で構成されると共に、
該第一連結バーと該第二連結バーの一部が互いに積層されてなる電源装置。 - 請求項8に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーと前記第二連結バーが、正面視において、複数の交差部で互いに交差する姿勢で積層されてなる電源装置。 - 請求項9に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーは、正面視を中央凹形状として、その両端が前記端部締結部の上端部に連結されて、中間部が前記電池積層体の側面の下部領域に対向して配置されており、
前記第二連結バーは、正面視を中央凸形状として、その両端が前記端部締結部の下端部に連結されて、中間部が前記電池積層体の側面の上部領域に対向して配置されており、
前記第一連結バーと前記第二連結バーが、積層部において一対の前記交差部で交差されると共に、一対の前記交差部の間に中間隙間が形成されてなる電源装置。 - 請求項9または10に記載の電源装置であって、
前記第一連結バーと前記第二連結バーで形成される複数の前記交差部において、
前記第一連結バーの外側に前記第二連結バーが積層される交差部と、
前記第一連結バーの内側に前記第二連結バーが積層される交差部と
を交互に設けてなる電源装置。 - 請求項10に記載の電源装置であって
前記連結バーが三角波の波形で、前記中間隙間が正面視ひし形状である電源装置。 - 請求項7または12に記載の電源装置であって、
前記中間連結部が、正面視において、パンタグラフ状に形成されてなる電源装置。 - 請求項1ないし6、及び8~11のいずれか一項に記載の電源装置であって、
前記連結バーの形状が、三角波、正弦波、台形波のいずれか、またはこれらの一部を連結した波形である電源装置。 - 請求項1ないし14のいずれか一項に記載の電源装置であって、
前記連結バーの幅(d)が、前記電池積層体の側面の高さ(h)の1/5~1/3である電源装置。 - 請求項1ないし15のいずれか一項に記載の電源装置であって、
前記締結部材は、さらに、前記端部締結部に固定される係止ブロックを備えており、
前記エンドプレートは、前記係止ブロックが案内される嵌合部を外周面に有し、さらに、前記嵌合部の前記電池積層体側には、前記係止ブロックと当接するストッパ部を設けており、
前記係止ブロックが前記ストッパ部に係止されて、前記エンドプレートを前記締結部材で締結してなることを特徴とする電源装置。 - 請求項1ないし16のいずれかに記載される電源装置であって、
前記電池積層体が、複数の前記二次電池セルの積層方向の中間部に、中間プレートを積層しており、
前記締結部材が、両端に設けた前記端部締結部の中間に、前記中間プレートに連結される中間締結部を有しており、
前記端部締結部と前記中間締結部の間に前記中間連結部を設けてなる電源装置。 - 請求項1ないし17のいずれか一項に記載の電源装置を備える電動車両であって、
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
を備えることを特徴とする電動車両。 - 請求項1ないし17のいずれか一項に記載の電源装置を備える蓄電装置であって、
前記電源装置と、
該電源装置への充放電を制御する電源コントローラと
を備え、
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、該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。 - 外装缶を角型とした複数の二次電池セルを積層した電池積層体の両端面を覆う一対のエンドプレート同士を締結するための電源装置用締結部材であって、
長手方向の両端でそれぞれ前記エンドプレートと固定される端部締結部と、
前記端部締結部同士の間を連結する中間連結部と
を有し、
前記中間連結部が、
前記電池積層体の側面に沿って延長された板状であって、正面視において互いに上下対称な波形に形成された第一連結バーと第二連結バーとを備え、
前記第一連結バーと前記第二連結バーの両端が前記端部締結部に連結されてなる電源装置用締結部材。
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