WO2017150012A1

WO2017150012A1 - バッテリシステム及びバッテリシステムを備える電動車両

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Publication number: WO2017150012A1
Application number: PCT/JP2017/002431
Authority: WO
Inventors: 謙司本好; 誠人西川
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2017-09-08
Also published as: US20190044200A1; JPWO2017150012A1; US10950904B2; CN108701790A; CN108701790B

Abstract

簡単な構造で熱交換器に循環させる冷却液の漏れ等に起因する浸水による弊害を抑制するために、バッテリシステムは、複数の電池ユニット（２）が直列に接続された直列ユニットと、電池ユニット（２）と熱結合されて内部に冷却液が循環される熱交換器（３）と、直列ユニット（２０）および熱交換器（３）を収納する外装ケース（９）とを備える。電池ユニット（２）は、複数の電池セルが積層されて、両端にプラス側出力端子とマイナス側出力端子とを有する。直列ユニットのプラス出力側の端部に配置される電池ユニット（２）は、プラス側出力端子が配置されたプラス出力側端部が外装ケース（９）の底板（９Ａ）から離間する傾斜姿勢で配置されており、直列ユニットのマイナス出力側の端部に配置される電池ユニット（２）は、マイナス側出力端子が配置されたマイナス出力側端部が外装ケース（９）の底板（９Ａ）から離間する傾斜姿勢で配置されている。

Description

バッテリシステム及びバッテリシステムを備える電動車両

　本発明は、複数の電池セルからなる電池ユニットを外装ケースに収納し、冷却機構を用いて電池ユニットを冷却するバッテリシステム及びバッテリシステムを備える電動車両に関する。

　ハイブリッドカーや電気自動車等の車両に搭載されるような大電力のバッテリシステムは、充放電の電流が大きく、また種々の外的条件で使用されることから、電池ユニットを構成する電池セルの温度が上昇することがある。電池セルの温度上昇は、電池セルの寿命を低下させる原因となる。電池セルの温度上昇を抑制するための冷却機構を備えたバッテリシステムが開発されている。（特許文献１参照）

　特許文献１に記載するバッテリシステムは、複数の電池セルを含む電池ユニットと、電池ユニットを収納する外装ケースと、冷却パイプを有する冷却プレートと、を備えている。電池ユニットは、冷却プレートと熱結合状態に配置されており、電池ユニットを構成する複数の電池セルの熱が冷却プレートに伝熱するようになっている。冷却プレートは、冷却パイプ内を循環する冷媒を介して強制的に冷却される。冷媒としては、水や不凍液など、種々の冷却水を利用することができる。以上の構成により、電池セルの温度上昇を抑制するための冷却機構を備えたバッテリシステムが提供される。

特開２０１２－９４３７６号公報

　バッテリシステムは、種々の外的条件で使用されることから、外装ケースの内部に水が浸入することがある。また、上述のような冷却機構を備えるバッテリシステムの場合、密閉性の高い外装ケースを用いたとしても、冷却機構に起因する結露水や冷却水の漏れなどによって、外装ケース内に水が貯まることがある。電池ユニットの底部が水に浸漬される状態となると、水を介して電位差のある電池セル間で短絡が生じることがある。ここで、短絡する電池セル間の電位差が大きいと、大きなショート電流が流れて、電池内部で発火し、あるいは冷却水が電気分解されて水素ガスが発生する等の弊害が生じる虞がある。

　本発明は、斯かる状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一は、簡単な構造としながら、外装ケース内への浸水による弊害を抑制することができる技術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

　本発明のある態様のバッテリシステムは、複数の電池ユニット２が直列に接続されてなる直列ユニット２０と、複数の電池ユニット２のうちの少なくとも一つと熱結合状態に配置されて、内部に冷却液が循環される熱交換器３と、直列ユニット２０および熱交換器３を収納する外装ケース９とを備えている。各々の電池ユニット２は、両端にプラス側出力端子１５Ａとマイナス側出力端子１５Ｂとを有するとともに、プラス側出力端子１５Ａからマイナス側出力端子１５Ｂに向けて積層される複数の電池セル１を含んでいる。直列ユニット２０のプラス出力側の端部に配置される電池ユニット２は、プラス側出力端子１５Ａが配置されたプラス出力側端部２５が外装ケース９の底板９Ａから離間する傾斜姿勢で配置されており、直列ユニット２０のマイナス出力側の端部に配置される電池ユニット２は、マイナス側出力端子１５Ｂが配置されたマイナス出力側端部２６が外装ケース９の底板９Ａから離間する傾斜姿勢で配置されている。

　上記構成により、外装ケースに収納されて直列に接続される複数の電池ユニットの両端に位置する電池ユニットを、プラス出力側端部とマイナス出力側端部が外装ケースの底板から離間する上り勾配の傾斜姿勢とすることで、浸水時における電池ユニット間の電圧差を小さくして、浸水による弊害を抑制できる特徴がある。

　本発明のある態様の電動車両は、以上のバッテリシステム１００を備えており、このバッテリシステム１００から車両を走行させるモータ９３に電力を供給して走行するようにしている。

　上記構成により、バッテリシステムを備える車両は、バッテリシステムを簡単な構造としながら、熱交換器に循環させる冷却液の漏れ等に起因する浸水による弊害を抑制でき、車両を安全に走行できる。

本発明の一実施形態にかかるバッテリシステムの概略水平断面図である。図１に示すバッテリシステムのＩＩ－ＩＩ線断面図である。図１に示すバッテリシステムのＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。電池ユニットの一例を示す斜視図である。図４に示す電池ユニットの分解斜視図である。図１に示すバッテリシステムの電池ユニットと熱交換器の積層構造を示す概略分解斜視図である。図１に示すバッテリシステムの接続状態と浸水状態を示す概略平面図である。図２に示すバッテリシステムの浸水状態を示す概略断面図である。本発明の他の実施形態にかかるバッテリシステムの概略水平断面図である。図９に示すバッテリシステムのＸ－Ｘ線断面図である。図９に示すバッテリシステムのＸＩ－ＸＩ線断面図である。図９に示すバッテリシステムの接続状態と浸水状態を示す概略平面図である。図１０に示すバッテリシステムの浸水状態を示す概略断面図である。本発明の他の実施形態にかかるバッテリシステムの概略水平断面図である。図９に示すバッテリシステムのＸＶ－ＸＶ線断面図である。図１４に示すバッテリシステムの電池ユニットと熱交換器の積層構造を示す概略斜視図である。図１４に示すバッテリシステムの接続状態と浸水状態を示す概略平面図である。図１５に示すバッテリシステムの浸水状態を示す概略断面図である。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。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明は以下のものに特定されない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一若しくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

（実施例１）
　図１ないし図３のバッテリシステム１００は、複数の電池セル１を備える複数の電池ユニット２と、この電池ユニット２に熱結合状態に配置されて、冷却液の冷却機構３５に連結されて冷却機構３５から内部に循環される冷却液で冷却される熱交換器３と、これらの電池ユニット２と熱交換器３を収納する外装ケース９とを備えている。

（電池ユニット２）
　電池ユニット２は、図４と図５に示すように、複数の電池セル１を積層してなる電池積層体７の両端面にエンドプレート４を配置して、一対のエンドプレート４を連結具５で連結している。連結具５は、両端をエンドプレート４に固定して、積層している電池セル１を押圧状態に固定している。図の電池セル１は角形電池である。電池積層体７は、間に絶縁材のセパレータ６を挟んで角形電池の電池セル１を厚さ方向に積層している。なお、図１～図３においては、電池ユニット２をわかりやすくするために、エンドプレート４を省略している。

　電池ユニット２は、積層している複数の電池セル１を直列に接続して出力電圧を高くして出力を大きくしている。電池ユニット２は、積層している電池セル１の電極端子１１にバスバー１２を固定して、バスバー１２でもって複数の電池セル１を直列に接続し、あるいは複数の電池セル１を並列に接続したものを直列に接続している。したがって、本明細書において、複数の電池セルを直列に接続するとは、複数の電池セルを多直列に接続する状態だけでなく、複数の電池セルを多直多並に接続する状態も含むものとする。電池ユニット２は、複数の電池セル１を多直多並に接続することで充放電の電流を大きくできる。

　電池ユニット２は、両端の出力電圧が所望の電圧となるように、積層される電池セル１の個数と接続状態が決定される。

（電池セル１）
　電池セル１は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池セルは、リチウムイオン二次電池には特定されず、ニッケル水素電池などの充電できる全ての電池とすることができる。電池セル１は、正負の電極板を積層している電極体（図示せず）を外装缶に収納して電解液を充填して気密に密閉している。外装缶は、開口部を封口板で気密に閉塞している。外装缶は、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属板を深絞り加工したもので、封口板は正負の電極端子１１を絶縁して固定している。金属製の外装缶は熱伝導がよく、電池ユニット２の底面２Ａ又は側面２Ｂを熱結合面として熱交換器３の表面に熱結合状態に固定している。

（セパレータ６）
　セパレータ６は、プラスチック等の絶縁材で成形しており、互いに積層される電池セル１同士を絶縁状態に積層している。このセパレータ６は、各々の電池セル１の間に挟着されて、隣接する電池セル１を絶縁する。

（電池ブロック１０）
　バッテリシステムは、電池ユニット２の底面２Ａ又は側面２Ｂに熱交換器３を配置して、熱交換器３で電池ユニット２の電池セル１を冷却する。したがって、バッテリシステムは、電池ユニット２に熱結合状態で熱交換器３を連結して電池ブロック１０とし、この電池ブロック１０を外装ケース９に収納している。図６に示す電池ブロック１０は、図４に示す姿勢の電池ユニット２の側面２Ｂに熱交換器を配置している。この電池ブロック１０は、２列に配置する電池ユニットの側面の間に垂直姿勢の熱交換器を配置し、この熱交換器の両面に電池ユニットを熱結合状態で配置している。

　ただ、電池ブロックは、図示しないが、電池ユニット２を図４に示す姿勢から横倒しの姿勢として、底面２Ａに熱交換器３を配置することもできる。この電池ブロック１０は、２列に配置する電池ユニット２の対向する底面２Ａの間に、垂直姿勢の熱交換器３を配置して、熱交換器３の両面に電池ユニット２を熱結合状態で配置する。さらに、電池ブロックは、電池ユニット２を図４に示す姿勢として、電池ユニット２の底面２Ａに熱交換器を配置することもできる。この電池ブロックは、詳細には後述するが、熱交換器３の上面に電池ユニット２を配置して熱結合状態で連結する。

　電池ブロック１０は、これを収納する外装ケース９の大きさや形状、また外装ケース９に収納される電池ユニット２の個数等を考慮して、熱交換器３と電池ユニット２の配置や電池ユニット２の姿勢等が決定される。さらに、電池ブロック１０の形態により、電池ユニット２を構成する複数の電池セル１の個数や配列も変更される。例えば、図６に示すように、端子面を水平とする姿勢で熱交換器に熱結合される電池ユニットにおいては、全ての電池セル１を直列に接続する場合には、電池ユニット２を構成する電池セル１の個数を奇数個とし（図６参照）、多直多並に接続する場合には、電池ユニット２を構成する電池セル１の個数を奇数の倍数とすることで、電池ユニット２の正負の出力端子の位置を平面視において点対称の位置とすることができる。このように、両端の出力端子が点対称の位置に配置される電池ユニット２は、図１に示すように、複数の電池ユニットを平行な姿勢で並べて直列に接続する際には、直列接続する部分の長さを短くできるので好都合である。

　また、端子面を垂直姿勢とする横倒しの姿勢で配置される電池ユニットにおいては、全ての電池セル１を直列に接続する場合には、構成する電池セル１の個数を偶数個とし、多直多並に接続する場合には、構成する電池セル１の個数を偶数の倍数とすることで、電池ユニット２の正負の出力端子の位置を上下の同じ側（例えば上側）に配置することができる。これにより、電池ユニット２の出力端子を外装ケースの底板から離間させた位置に配置することが可能となる。ただ、電池ユニットは、積層する電池セルの個数や接続構造を、必ずしも以上の構造に限定しない。

（直列ユニット２０）
　さらに、バッテリシステムは、複数の電池ユニット２を直列に接続して直列ユニット２０を構成している。複数の電池ユニット２は、正負の出力端子１５が接続部材１３で接続されて、互いに直列に接続される。このような接続部材１３として、金属板やリード線が使用できる。バッテリシステムは、複数の電池ユニット２を直列に接続することで、出力電圧を高くして出力を大きくできる。

　図１と図６に示すように、２個の電池ユニット２を連結してなる電池ブロック１０は、熱交換器３の両側に配置された２個の電池ユニット２を正負の出力側が逆向きとなる姿勢で配置すると共に、一端に位置する正負の出力端子１５を接続部材１３で接続して、他端にプラス側出力端子１５Ａとマイナス側出力端子１５Ｂとを配置している。さらに、図１のバッテリシステム１００は、複数の電池ブロック１０を直列に接続して直列ユニット２０としている。複数の電池ブロック１０は、隣接する電池ブロック１０の対向する正負の出力端子１５同士を接続部材１３で連結して直列に接続している。図１に示すバッテリシステムは、４個の電池ブロック１０を２行２列に配置すると共に、これ等の電池ブロック１０を互いに直列に接続して８個の電池ユニット２を直列に接続している。

　さらに、直列ユニット２０は、複数の電池ユニット２が直列に接続された複数の分割ユニット２１に分割している。図に示す直列ユニット２０は、左右２列に配置される４個ずつの分割ユニット２１に分割している。図１に示す直列ユニット２０は、８個の電池ユニット２を直列に接続するために、４個の電池ブロック１０で構成される８個の電池ユニット２の正負の出力端子１５を所定の状態で接続している。図７は、８個の電池ユニット２がマイナス側総出力端子２４からプラス側総出力端子２３に向かって順に直列に接続された状態を電池ユニット２の中央部に付した（Ｂ１）～（Ｂ８）の符号で表している。この図に示すように、８個の電池ユニット２は、各列に配置された４個の電池ユニット２を正負の出力側が逆向きとなる姿勢で配置すると共に、対向する出力端子１５を接続部材１３で接続して、４個の電池ユニット２を直列に接続している。さらに、左右に配置された分割ユニット２１同士を図１において中央部の下端に配置した接続部材１３で連結して全ての電池ユニット２を直列に接続している。

　ここで、図７に示すように、複数の電池ユニット２を直列に接続する構造では、両端に配置される電池ユニット２間の電圧差が、中間に配置される電池ユニット２間の電圧差よりも大きくなる。正確には、直列ユニット２０の両端に配置される電池ユニット２であって、プラス側に配置される電池ユニット（Ｂ８）のプラス出力側の電池セル１と、マイナス側に配置される電池ユニット（Ｂ１）のマイナス出力側の電池セル１との間の電圧差が最も大きくなる。このような直列ユニット２０は、仮に全ての電池ユニット２が浸水する状態となって、直列ユニット２０の両端の電池セル１間で短絡が生じると、大きなショート電流が流れるおそれがある。

　このような問題点を解消するために、本発明のバッテリシステムは、外装ケース９に収納される電池ユニット２を特定の傾斜姿勢で配置することで、浸水時における浸水箇所での最大電圧差を小さくして、大きな電圧差のある電池ユニット２間における短絡を抑制している。図１～図３に示すバッテリシステム１００は、直列ユニット２０のプラス出力側に配置される電池ユニット２とマイナス出力側に配置される電池ユニット２とを傾斜姿勢で配置している。

　直列ユニット２０のプラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ８）は、少なくともプラス出力側端部２５が外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢として配置されている。図１～図３に示すバッテリシステム１００は、直列ユニット２０のプラス出力側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ７）を連結して電池ブロック１０を構成しているので、この電池ブロック１０の片側の側部であるプラス側の電池ユニット（Ｂ８）全体が他方の電池ユニット（Ｂ７）に対して上昇位置となる傾斜姿勢として配置している。これにより、プラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ８）は、プラス出力側端部２５となる電池セル１を含む電池ユニット全体が外装ケース９の底板９Ａから離間された傾斜姿勢で配置される。

　同様に、直列ユニット２０のマイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ１）は、少なくともマイナス出力側端部２６が外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢として配置されている。図１～図３に示すバッテリシステムは、直列ユニット２０のマイナス出力側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ１，Ｂ２）を連結して電池ブロック１０を構成しているので、この電池ブロック１０の片側の側部であるマイナス側の電池ユニット（Ｂ１）が他方の電池ユニット（Ｂ２）に対して上り勾配となる傾斜姿勢として配置している。これにより、マイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ１）は、マイナス出力側端部２６となる電池セル１を含む電池ユニット全体が外装ケース９の底板９Ａから離間された傾斜姿勢で配置される。

　さらに、図に示す直列ユニット２０は、４個の電池ユニット２で形成される各分割ユニット２１についても、分割ユニット２１のプラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ８，Ｂ４）とマイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ１，Ｂ５）とを、前述の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ１）と同様の傾斜姿勢で配置している。すなわち、図１において、左右２列に配置される各分割ユニット２１は、図において上下に位置する２本の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ５，Ｂ１，Ｂ４）が、中央部に位置する２本の電池ユニット（Ｂ７，Ｂ６，Ｂ２，Ｂ３）に対して上り勾配となる傾斜姿勢として上下の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ５，Ｂ１，Ｂ４）を外装ケース９の底板９Ａから離間させている。すなわち、図に示す直列ユニット２０は直列に接続される８個の電池ユニット２の内、両端に位置する１番目と８番目の電池ユニット（Ｂ１，Ｂ８）と、中間に位置する４番目と５番目の電池ユニット（Ｂ４，Ｂ５）が外装ケース９の底板９Ａから離間される傾斜姿勢で配置されている。

　複数の電池ユニット２をこのような姿勢で配置するバッテリシステム１００は、図８で示すように、外装ケース９の底部に浸水する状態では、図７のハッチングで示すように、前後方向の中央部に沿って左右方向に伸びる領域において電池ユニット２が浸水する。この場合、図７で示すように、各電池ユニット２の出力電圧をＥ（Ｖ）とする場合、８個の電池ユニット２を直列接続する状態では全体の電圧が８Ｅ（Ｖ）となるが、図７においてハッチングで示す領域における最大電圧差は７Ｅ－Ｅ＝６Ｅ（Ｖ）となり、直列ユニット２０全体の最大電圧差８Ｅ（Ｖ）に比較して浸水時の最大電圧差を小さくできる。

　さらに、複数の電池ユニット２を直列に接続してなる直列ユニット２０は、中間に保護素子として電流遮断素子１６を配置している。電流遮断素子１６は、回路に大きな電流が流れたときに電流を遮断して電池を保護する素子であって、ヒューズやリレーが使用できる。図に示すバッテリシステム１００は、直列接続される電池ユニット２同士の間に電流遮断素子１６を接続している。さらに、図２と図３に示すバッテリシステム２００は、電流遮断素子１６を収納してなる収納ボックス１７を外装ケース９の内部であって、傾斜姿勢にある電池ユニット２と、外装ケース９の天板９Ｂとの間にできる隙間に配置している。この構造は、外装ケース９内にできるデッドスペースを有効に利用して電流遮断素子１６を配置できる。とくに、電流遮断素子１６を収納してなる収納ボックス１７を電池ユニット２の上方に配置するので、保護素子である電流遮断素子１６をより安全な場所に配置できる。

（熱交換器３）
　熱交換器３は、各々の電池セル１の熱結合面に熱結合状態で連結されて各電池セル１を冷却する。熱交換器３は、冷却液を循環させる循環路となる冷却パイプ３１と、この冷却パイプ３１を内蔵する冷却プレート３０とを備えており、冷却パイプ３１の内部に循環される冷却液で冷却される。図６の熱交換器３は、アルミニウム製の冷却プレート３０にステンレス製の冷却パイプ３１を埋設している。冷却パイプ３１は両端部を冷却プレート３０から突出させて、内部に冷却液を流動させる連結端部３２としている。

　図６に示す熱交換器３は、一対の連結端部３２を冷却プレート３０の端面から水平方向に突出させている。ただ、熱交換器３は、電池ブロック１０を構成する電池ユニット２との連結構造や、後述する電池ブロック１０の配置によって、一対の連結端部３２が冷却プレート３０から突出する方向を種々に変更することもできる。熱交換器は、例えば、一対の連結端部３２を冷却プレート３０から下方に突出させることもできる。

　以上の熱交換器３は、冷却パイプ３１に循環される冷却液で冷却プレート３０が冷却される。冷却プレート３０は電池ユニット２に熱結合状態に配置されて電池セル１を冷却する。このように、冷却液を循環させる冷却パイプ３１を内蔵する熱交換器３は、内部での液漏れを確実に阻止できる。また、冷却パイプ３１を冷却プレート３０に埋設している熱交換器３は、冷却パイプ３１と冷却プレート３０とが熱伝導に優れ、冷却パイプ３１に循環される冷却液で効率よく冷却プレート３０を冷却して、電池セル１を効率よく冷却できる。また、金属を板状に成形している冷却プレート３０は熱容量が大きく、電池セル１の発熱を効率よく吸収して電池セル１の温度上昇を制限できる。また、冷却液の循環を停止した後も、電池セル１を冷却することができる。ただ、本発明は、熱交換器の構造を以上の構造には特定しない。熱交換器は、たとえば、金属板の表面に冷却パイプを固定する構造、あるいは２枚の金属板の間に冷却パイプを配置する構造など、冷却液を循環して表面を冷却できる全ての構造とすることができる。

　熱交換器３は、冷却プレート３０を電池ユニット２の電池セル１に熱結合状態として外装ケース９内に配置している。外装ケース９内に配置される複数の熱交換器３は、図１ないし図３に示すように、クーラントパイプ３３を介して冷却機構３５に連結される。クーラントパイプ３３は金属パイプである。ただ、クーラントパイプは、必ずしも金属パイプとする必要はなく、ゴム状弾性体のホース等、冷却液を循環できる全てのものが使用できる。したがって、この明細書において「パイプ」はホースを含む広い意味に使用する。

（冷却機構３５）
　冷却機構３５は、クーラントパイプ３３を介して熱交換器３に冷却液を循環して冷却する。冷却機構３５は、図１に示すように、冷却液を冷却する熱交換器３６と、この熱交換器３６で冷却された冷却液を循環する循環ポンプ３７と、電池ユニット２の電池温度を検出して循環ポンプ３７の運転をコントロールする制御回路３８とを備える。この冷却機構３５は、制御回路３８が温度センサ３９で電池温度を検出して循環ポンプ３７の運転を制御して、熱交換器３の冷却状態をコントロールする。電池温度が設定温度よりも高くなると、制御回路３８は循環ポンプ３７を運転する。循環ポンプ３７が運転されると、冷却液が熱交換器３に循環されてこれを冷却する。電池温度が設定温度よりも低くなると、制御回路３８は循環ポンプ３７の運転を停止する。この状態で冷却液は熱交換器３に循環されず、熱交換器３は強制的に冷却されない状態となる。制御回路３８は、循環ポンプ３７を運転する設定温度を記憶しており、この設定温度で循環ポンプ３７の運転をコントロールして、電池温度を設定範囲に制御する。

（外装ケース９）
　外装ケース９は、底面に配置される底板９Ａと、上面に配置される天板９Ｂと、底板９Ａ及び天板９Ｂの周囲に沿う周壁９Ｃとを有する略箱形であって、内部に電池ブロック１０の収納スペースを形成している。外装ケース９は、底板９Ａと周壁９Ｃとからなる容器状の本体ケースの上方開口を天板９Ｂを備える蓋ケースで閉塞して、内部を閉塞された空間としている。この外装ケース９は、好ましくは、内部に外気を換気させない密閉構造とする。この外装ケース９は、外気が侵入して、熱交換器３の表面に結露することがない。このため、熱交換器３表面の結露水を少なく、あるいはほとんど皆無にできる。さらに、外装ケース９は、熱交換器３に循環する冷却液が内部に漏れても、これを外部に漏らさない水密構造に密閉している。漏れた冷却液を外部に漏らさないバッテリシステムは、車両の室内に配置できる。また、外部から水が浸入しないので、車両の外部に配置することもできる。

（実施形態２）
　さらに、バッテリシステムは、図９～図１１に示すように、外装ケース９に収納される電池ユニット２を特定の傾斜姿勢で配置することもできる。これらの図に示すバッテリシステム２００は、前述のバッテリシステム１００と同様の接続状態で、４個の電池ブロック１０を配置するが、各電池ブロック１０の傾斜姿勢を前述の実施例とは異なる姿勢としている。このバッテリシステム２００は、各電池ブロック１０を、前後左右に傾斜させることで、正負の出力側端部を含む３つの隅部を上昇させて外装ケース９の底板９Ａから離間させている。

　図９～図１２に示すように、直列ユニット２０のプラス出力側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ７）を備える電池ブロック１０は、平面視（図９参照）において右上と左下と左上の３つの隅部を右下の隅部に対して持ち上げる傾斜姿勢として、プラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ８）の両端と、他方の電池ユニット（Ｂ７）のプラス側出力端子１５Ａを含む３つの隅部を外装ケース９の底板９Ａから離間させている。この電池ブロック１０は、他方の電池ユニット（Ｂ７）のマイナス側出力端子１５Ｂを外装ケース９の底板９Ａに接近させており、この隅部から他の隅部に向かって上り勾配の傾斜姿勢で配置されている。

　同様に、直列ユニット２０のマイナス出力側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ１，Ｂ２）を備える電池ブロック１０は、平面視（図９参照）において左上と右下と右上の３つの隅部を左下の隅部に対して持ち上げる傾斜姿勢として、マイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ１）の両端と、他方の電池ユニット（Ｂ２）のマイナス側出力端子１５Ｂを含む３つの隅部を外装ケース９の底板９Ａから離間させている。この電池ブロック１０は、他方の電池ユニット（Ｂ２）のプラス側出力端子１５Ａを外装ケース９の底板９Ａに接近させており、この隅部から他の隅部に向かって上り勾配の傾斜姿勢で配置されている。

　さらに、図に示す直列ユニット２０は、４個の電池ユニット２で形成される各分割ユニット２１についても、分割ユニット２１のプラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ８，Ｂ４）とマイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ１，Ｂ５）とを、前述の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ１）と同様の傾斜姿勢で配置している。すなわち、図９において、左列に配置される分割ユニット２１のマイナス側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ６，Ｂ５）を備える電池ブロック１０は、平面視（図９参照）において右下と左上と左下の３つの隅部を右上の隅部に対して持ち上げる傾斜姿勢として、マイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ５）の両端と、他方の電池ユニット（Ｂ６）のマイナス側出力端子１５Ｂを含む３つの隅部を外装ケース９の底板９Ａから離間させている。この電池ブロック１０は、他方の電池ユニット（Ｂ６）のプラス側出力端子１５Ａを外装ケース９の底板９Ａに接近させており、この隅部から他の隅部に向かって上り勾配の傾斜姿勢で配置されている。

　また、図９において、右列に配置される分割ユニット２１のプラス側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ３，Ｂ４）を備える電池ブロック１０は、平面視（図９参照）において左下と右上と右下の３つの隅部を左上の隅部に対して持ち上げる傾斜姿勢として、プラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ４）の両端と、他方の電池ユニット（Ｂ３）のプラス側出力端子１５Ａを含む３つの隅部を外装ケース９の底板９Ａから離間させている。この電池ブロック１０は、他方の電池ユニット（Ｂ３）のマイナス側出力端子１５Ｂを外装ケース９の底板９Ａに接近させており、この隅部から他の隅部に向かって上り勾配の傾斜姿勢で配置されている。

　複数の電池ユニット２をこのような姿勢で配置するバッテリシステム２００は、図１３で示すように、外装ケース９の底部に浸水する状態では、図１２のハッチングで示すように、底板中心部分から前後左右に伸びる領域において電池ユニット２が浸水する。例えば、図１２で左上に位置する２個の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ７）を備える電池ブロック１０においては、図のハッチングで示す領域であって、右下のコーナー部をひとつの角とする三角形状の領域が浸水する。図１２で示すように、各電池ユニット２の出力電圧をＥ（Ｖ）とする場合、８個の電池ユニット２を直列接続する状態では全体の電圧が８Ｅ（Ｖ）となるが、図１２においてハッチングで示す領域における最大電圧差は４Ｅ～５Ｅ（Ｖ）となり、直列ユニット２０全体の最大電圧差８Ｅ（Ｖ）に比較して浸水時の最大電圧差を小さくできる。

　また、この電池ブロックは、さらに浸水が進むと、図のハッチングで示す浸水領域が矢印で示す方向に広がっていく。すなわち、図１２で左上に位置する２個の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ７）を備える電池ブロック１０においては、電圧が高くなる方向に浸水が進み、右上に位置する２個の電池ユニット（Ｂ１，Ｂ２）を備える電池ブロック１０においては、電圧が低くなる方向に浸水が進むことになる。このため、浸水時においては、最大電圧差が経時的に大きくなり、これにより大きな電圧差による急激な短絡を有効に防止できる。

（実施形態３）
　さらに、バッテリシステムは、図１４～図１６に示す構造とすることもできる。図に示すバッテリシステムは、外装ケースに収納される４個の電池ブロックを以上の実施例と異なる構造としている。この電池ブロック１０は、図１６に示すように、熱交換器３の上面に２個の電池ユニット２を並べており、電池ユニット２の底面２Ａに熱交換器３に熱結合状態で配置している。さらに、バッテリシステム３００は、４個の電池ブロックを直列に接続して、８個の電池ユニット２が直列に接続された直列ユニット２０を形成している。

　さらに、直列ユニット２０は、複数の電池ユニット２が直列に接続された複数の分割ユニット２１に分割している。図に示す直列ユニット２０は、２個の電池ユニット２を備える各電池ブロック１０をひとつの分割ユニット２１として、４個の分割ユニット２１に分割している。この直列ユニット２０も、４個の電池ブロック１０で構成される８個の電池ユニット２を前述のバッテリシステムと同様に正負の出力端子１５を所定の状態で接続している。この接続状態を図１７に示している。この図においても８個の電池ユニット２がマイナス側総出力端子２４からプラス側総出力端子２３に向かって順に直列に接続された状態を電池ユニット２の中央部に示した（Ｂ１）～（Ｂ８）の符号で表している。８個の電池ユニット２は、２個の電池ユニット２を正負の出力側が逆向きとなる姿勢で配置して電池ブロック１０とすると共に、４個の電池ブロック１０を対向する出力端子１５で連結して、全ての電池ユニット２を直列に接続している。

　直列ユニット２０のプラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ８）は、プラス出力側端部２５が外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢として配置されている。図１～図３に示すバッテリシステム３００は、直列ユニット２０のプラス出力側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ７）を並設して電池ブロック１０を構成しているので、プラス側の電池ユニット（Ｂ８）のプラス出力側端部２５が外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢で電池ブロック１０を配置すると、並設された電池ユニット（Ｂ７）もマイナス出力側端部２６が、外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢で配置される。すなわち、この電池ブロック１０は、分割ユニット２１の両端に配置されるプラス出力側端部２５とマイナス出力側端部２６の両方を有する片側の側部を上昇させる傾斜姿勢で電池ブロック１０を配置している。

　同様に、直列ユニット２０のマイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ１）は、マイナス出力側端部２６が外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢として配置されている。図１～図３に示すバッテリシステム３００は、直列ユニット２０のマイナス出力側に配置される２個の電池ユニット（Ｂ１，Ｂ２）を並設して電池ブロック１０を構成しているので、マイナス側の電池ユニット（Ｂ１）のマイナス出力側端部２６が外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢で電池ブロック１０を配置すると、並設された電池ユニット（Ｂ２）もプラス出力側端部２５が、外装ケース９の底板９Ａから離間するような傾斜姿勢で配置される。すなわち、この電池ブロック１０は、分割ユニット２１の両端に配置されるプラス出力側端部２５とマイナス出力側端部２６の両方を有する片側の側部を上昇させる傾斜姿勢で電池ブロック１０を配置している。

　さらに、図に示す直列ユニット２０は、２個の電池ユニット（Ｂ３，Ｂ４）（Ｂ５，Ｂ６）で形成される各分割ユニット２１についても、分割ユニット２１のプラス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ６，Ｂ４）とマイナス出力側に配置される電池ユニット（Ｂ３，Ｂ５）とを、前述の電池ユニット（Ｂ８，Ｂ７）（Ｂ１，Ｂ２）と同様の傾斜姿勢で配置している。すなわち、図１において、２行２列に配置される４個の電池ブロック１０は、図において左右の中間部に位置する端部が、左右の両端に位置する端部に対して上り勾配となる傾斜姿勢として、全ての電池ユニット２の中間部に位置する端部を外装ケース９の底板９Ａから離間させている。

　さらに、図１４と図１５に示すバッテリシステム３００は、外装ケース９が底部を複数の区画室１９に区画する区画壁１８を備えている。図１５に示す外装ケース９は、左右に配置された電池ブロック１０の間に位置して、底板９Ａから上方に突出する区画壁１８を設けている。この外装ケース９は、区画壁１８で区画された区画室１９にそれぞれ２個ずつの分割ユニット２１を配置している。このバッテリシステム３００は、外装ケース９の底部に貯溜される冷却液が、区画壁１８によって左右の区画室１９間で遮断される。このため、左右の区画室１９間における短絡を確実に防止できる。

　以上のバッテリシステム３００は、図１８に示すように、外装ケース９の底部に浸水する状態では、図１７のハッチングで示すように、左右の両端部に沿って前後方向に伸びる領域において電池ユニット２が浸水する。この場合、図１７で示すように、各電池ユニット２の出力電圧をＥ（Ｖ）とする場合、８個の電池ユニット２を直列接続する状態では全体の電圧が８Ｅ（Ｖ）となるが、図に示すバッテリシステム３００は、区画壁１８により底部を２つの区画室１９に区画しているので、各区画室１９における４個の電池ユニット２による電圧は４Ｅ（Ｖ）となる。このとき、図１７においてハッチングで示す領域における最大電圧差は２Ｅ（Ｖ）程度となり、区画室１９内での最大電圧差４Ｅ（Ｖ）に比較して浸水時の最大電圧差を約半分にできる。

　このようにバッテリシステムは、外装ケース９に区画壁１８を設けて底部に貯溜される冷却液を分断することで、隣接する区画室１９間での最大電圧差を小さくすることが可能となる。なお、前述の実施例のバッテリシステムにおいても、外装ケースに区画壁を設けることで、さらに、最大電圧差を小さくして、各区画室に配置された分割ユニット間での短絡をさらに効果的に防止できる。例えば、図７に示すバッテリシステムでは、最大電圧差が６Ｅ（Ｖ）であるが、このバッテリシステムにおいても、外装ケースに区画壁を設けて直列ユニットをプラス側とマイナス側とに２分割することで、各区画室内に配置される複数の電池ユニット間での最大電圧差を２Ｅ（Ｖ）にでき、各区画室における全体の最大電圧差４Ｅ（Ｖ）に比較して浸水時の最大電圧差を半分にできる。

　さらに、図１５に示すバッテリシステム３００は、中央部側の端部が持ち上げられる傾斜姿勢で配置された電池ユニット２と外装ケース９の底板９Ａとの間に形成される隙間にクーラントパイプ３３を配置している。このクーラントパイプ３３は、例えば、熱交換器３の下面に突出する連結端（図示せず）を介して連結することができる。このように、傾斜姿勢で配置される電池ユニット２の下側であって外装ケース９の底板９Ａとの間にできる隙間にクーラントパイプ３３を配置する構造は、外装ケース９内にできるデッドスペースを有効に利用してクーラントパイプ３３を省スペースに配置できる。

　以上のバッテリシステムは、ハイブリッドカーや電気自動車などの電動車両に搭載されて走行モータに電力を供給する電源、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの発電電力を蓄電する電源、あるいは深夜電力を蓄電する電源など、種々の用途に使用され、とくに大電力、大電流の用途に好適な電源として使用される。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など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１９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１００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ＨＶ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。

（電気自動車用バッテリシステム）
　また、図２０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の電池を充電する。

　本発明のバッテリシステムは、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、電気自動車等の自動車を駆動するモータの電源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装置、携帯電話等の無線基地局用のバックアップ電源装置、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、２００、３００…バッテリシステム、１…電池セル、２…電池ユニット、２Ａ…底面、２Ｂ…側面、３…熱交換器、４…エンドプレート、５…連結具、６…セパレータ、７…電池積層体、９…外装ケース、９Ａ…底板、９Ｂ…天板、９Ｃ…周壁、１０…電池ブロック、１１…電極端子、１２…バスバー、１３…接続部材、１５…出力端子、１５Ａ…プラス側出力端子、１５Ｂ…マイナス側出力端子、１６…電流遮断素子、１７…収納ボックス、１８…区画壁、１９…区画室、２０…直列ユニット、２１…分割ユニット、２３…プラス側総出力端子、２４…マイナス側総出力端子、２５…プラス出力側端部、２６…マイナス出力側端部、３０…冷却プレート、３１…冷却パイプ、３２…連結端部、３３…クーラントパイプ、３５…冷却機構、３６…熱交換機、３７…循環ポンプ、３８…制御回路、３９…温度センサ、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、ＨＶ…車両、ＥＶ…車両

Claims

　複数の電池ユニットが直列に接続されてなる直列ユニットであって、各々の電池ユニットが、前記各々の電池ユニットの両端にプラス側出力端子とマイナス側出力端子とを有するとともに、前記プラス側出力端子から前記マイナス側出力端子に向けて積層される複数の電池セルを含んでいる、当該直列ユニットと、
　前記複数の電池ユニットのうちの少なくとも一つと熱結合状態に配置されて、内部に冷却液が循環される熱交換器と、
　前記直列ユニットおよび前記熱交換器を収納する外装ケースと、を備え、
　前記直列ユニットのプラス出力側の端部に配置される電池ユニットは、前記プラス側出力端子が配置されたプラス出力側端部が前記外装ケースの底板から離間する傾斜姿勢で配置されており、
　前記直列ユニットのマイナス出力側の端部に配置される電池ユニットは、前記マイナス側出力端子が配置されたマイナス出力側端部が前記外装ケースの底板から離間する傾斜姿勢で配置されるバッテリシステム。
　請求項１に記載のバッテリシステムであって、
　前記直列ユニットのプラス出力側の端部に配置される電池ユニットは、前記プラス側出力端子が配置されたプラス出力側端部が前記外装ケースの底板から離間し、前記マイナス側出力端子が配置されたマイナス出力側端部が前記外装ケースの底板と近接する傾斜姿勢で配置されており、
　前記直列ユニットのマイナス出力側の端部に配置される電池ユニットは、前記マイナス側出力端子が配置されたマイナス出力側端部が前記外装ケースの底板から離間し、前記マイナス側出力端子が配置されたプラス出力側端部が前記外装ケースの底板と近接する傾斜姿勢で配置されるバッテリシステム。
　請求項１または２に記載のバッテリシステムであって、
　前記直列ユニットは、直列に接続される複数の分割ユニットを含んでおり、
　各々の分割ユニットは、前記複数の電池ユニットのうち前記電池セルの積層方向に対して垂直な方向に沿って隣接して配置され、直列に接続される少なくとも２つ以上の電池ユニットからなり、
　前記複数の分割ユニットのうちプラス出力側の端部に配置される分割ユニットは、前記分割ユニットのプラス出力側に配置される電池ユニットが、少なくともプラス出力側端部を前記外装ケースの底板から離間させる傾斜姿勢で配置されると共に、前記分割ユニットのマイナス出力側に配置される電池ユニットが、少なくともマイナス出力側端部を前記外装ケースの底板から離間させる傾斜姿勢で配置されており、
　前記複数の分割ユニットのうちマイナス出力側の端部に配置される分割ユニットは、前記分割ユニットのマイナス出力側に配置される電池ユニットが、少なくともマイナス出力側端部を前記外装ケースの底板から離間させる傾斜姿勢で配置されると共に、前記分割ユニットのプラス出力側に配置される電池ユニットが、少なくともプラス出力側端部を前記外装ケースの底板から離間させる傾斜姿勢で配置されてなるバッテリシステム。
　請求項３に記載のバッテリシステムであって、
　前記外装ケースは、底部を複数の区画室に区画する区画壁を備えると共に、前記区画壁で区画された前記区画室に前記分割ユニットを配置しており、
　前記外装ケースの底部に貯溜される冷却液を、前記区画壁が前記区画室間で遮断してなるバッテリシステム。
　請求項１から４のいずれか一に記載のバッテリシステムであって、
　前記熱交換器が冷却プレートで、前記冷却プレートの表面に沿って前記電池ユニットを配置して、前記複数の電池セルを前記冷却プレートに熱結合させてなるバッテリシステム
　請求項５に記載のバッテリシステムであって、
　前記冷却プレートの両面に前記電池ユニットを配置して電池ブロックを構成すると共に、複数の前記電池ブロックを前記外装ケースに収納してなるバッテリシステム。
　請求項５に記載のバッテリシステムであって、
　前記冷却プレートの上面に前記電池ユニットを配置して電池ブロックを構成すると共に、複数の前記電池ブロックを前記外装ケースに収納してなるバッテリシステム。
　請求項７に記載のバッテリシステムであって、
　前記冷却プレートの上面に前記電池ユニットを複数列に配置して電池ブロックを構成してなるバッテリシステム。
　請求項６から８のいずれか一に記載のバッテリシステムであって、
　前記複数の電池ブロックが、片側の側部を上昇させる傾斜姿勢で配置されてなるバッテリシステム。
　請求項９に記載のバッテリシステムであって、
　前記電池ブロックは、２つの電池ユニットを平行な姿勢で並べており、
　一方の電池ユニット全体が他方の電池ユニットに対して上昇位置となる傾斜姿勢で配置されてなるバッテリシステム。
　請求項６または８に記載のバッテリシステムであって、
　前記複数の電池ブロックが、平面視における３つの隅部を上昇させる傾斜姿勢で配置されてなるバッテリシステム。
　請求項１から１１のいずれか一に記載のバッテリシステムであって、
　前記熱交換器と前記冷却機構とを連結するクーラントパイプを備え、
　前記クーラントパイプを、傾斜姿勢で配置された前記電池ユニットと前記底板との間に形成される隙間に配置してなるバッテリシステム
　請求項１から１１のいずれか一に記載のバッテリシステムであって、
　前記直列ユニットの中間に電流遮断素子を配置しており、前記電流遮断素子を傾斜姿勢で配置された前記電池ユニットと前記外装ケースの天板との間に形成される隙間に配置してなるバッテリシステム。
　請求項１ないし１３のいずれか一に記載されるバッテリシステムを備える電動車両であって、
　前記バッテリシステムが車両を走行させるモータに電力を供給するようにしてなる電動車両。