WO2021199492A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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奈央 古上
和博 原塚
浩司 藤永
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三洋電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power supply device in which a large number of battery cells are stacked, and an electric vehicle and a power storage device provided with this power supply device.
  • a power supply that stacks a large number of battery cells is a power supply that is mounted on an electric vehicle and supplies power to the motor that runs the vehicle, a power supply that is charged with natural energy such as solar cells or midnight power, and a backup in the event of a power outage. Suitable for power supply.
  • a separator is sandwiched between the stacked battery cells.
  • the stacked battery cells are fixed in a pressurized state in order to prevent misalignment due to expansion of the battery cells.
  • a pair of end plates are arranged on both end surfaces of a battery block in which a large number of battery cells are stacked, and the pair of end plates are connected by a bind bar.
  • a plurality of battery cells are stacked to form a battery block, and a pair of end plates are arranged on both end faces of the battery block, held in a pressurized state with considerably strong pressure from both end faces, and connected by a bind bar.
  • the power supply device is fixed in a state where the battery cell is strongly pressurized to prevent malfunction due to relative movement or vibration of the battery cell.
  • the end plate is pressed with a strong force of several tons and fixed with a bind bar.
  • a hard plastic plate is used for the separator in order to insulate the battery cells stacked adjacent to each other with the separator.
  • the hard plastic separator cannot absorb the expansion of the battery cell in a state where the internal pressure of the battery cell rises and expands, and in this state, the surface pressure between the battery cell and the separator rises sharply, and the end plate and the bind Extremely strong force acts on the bar. Therefore, the end plate and the bind bar are required to have an extremely tough material and shape, which has an adverse effect that the power supply device becomes heavy and large, and the material cost increases. Further, the battery cell that expands non-uniformly without expanding uniformly has a non-uniform surface pressure distribution, which has an adverse effect on the electrodes and the like.
  • the present invention has been developed for the purpose of eliminating the above drawbacks, and one of the purposes of the present invention is to absorb the expansion of the battery cell reasonably with a separator and to equalize the surface pressure distribution of the battery cell.
  • the purpose is to provide a technology that can absorb expansion.
  • a power supply device includes a battery block in which a plurality of battery cells are laminated in the thickness direction with a separator sandwiched between them, a pair of end plates arranged on both end surfaces of the battery block, and a pair of end plates. It is provided with a bind bar that is connected to the end plate and fixes the battery block in a pressurized state via the end plate.
  • the surface or the entire separator is an elastic plate made of a plastic foam having open cells.
  • An electric vehicle includes the power supply device, a traveling motor to which electric power is supplied from the power supply device, a vehicle body including the power supply device and the motor, and a vehicle body driven by the motor. It is equipped with wheels to run.
  • the power storage device includes the power supply device and a power supply controller that controls charging / discharging to the power supply device, and enables the battery cell to be charged by electric power from the outside by the power supply controller. At the same time, the battery cell is controlled to be charged.
  • the above power supply device can absorb the expansion of the battery cell reasonably with the separator, and further absorb the expansion while equalizing the surface pressure distribution of the battery cell.
  • FIG. It is a perspective view of the power supply device which concerns on one Embodiment of this invention. It is a vertical cross-sectional view of the power supply device shown in FIG. It is a horizontal cross-sectional view of the power supply device shown in FIG. It is a partially enlarged schematic cross-sectional view which shows the laminated state of a battery cell and a separator. It is a schematic cross-sectional view which shows the expanded state of the battery cell of FIG. It is a partially enlarged schematic cross-sectional view which shows another example of a separator. It is a partially enlarged schematic cross-sectional view which shows another example of a separator. It is a block diagram which shows an example which mounts a power supply device in a hybrid vehicle which runs by an engine and a motor. It is a block diagram which shows the example which mounts the power-source device on the electric vehicle which runs only by a motor. It is a block diagram which shows the example which applies to the power supply device for electricity storage.
  • the power supply device includes a battery block in which a plurality of battery cells are laminated in the thickness direction with a separator sandwiched between them, and a pair of end plates arranged on both end surfaces of the battery block. It is provided with a bind bar that is connected to a pair of end plates and fixes the battery block in a pressurized state via the end plates.
  • the surface or the entire separator is an elastic plate made of a plastic foam having open cells.
  • the separator is an elastic separator made of a plastic foam of open cells that elastically deforms
  • the elastic plate absorbs the expansion of the battery cell. Therefore, it is possible to suppress an increase in the surface pressure between the battery cell and the separator in a state where the internal pressure of the battery cell rises and expands.
  • the elastic plate of the separator is made of open-cell plastic foam, it is possible to equalize the surface pressure distribution on the surface of the battery cell and prevent the harmful effect of locally increasing the pressure. This is because the plastic foam of open cells is in a state where the air in the bubbles that are pressed and crushed flows to the surroundings through the continuous bubbles and is easily deformed.
  • the elastic plate of the plastic foam of closed cells also elastically deforms, it can be used as a separator that absorbs the expansion of the battery cell, but since the bubbles are independent, the separator of this elastic plate is pressed by the battery cell and pushes the bubbles. When crushed, the internal pressure of the bubbles rises and hinders elastic deformation. Therefore, the closed-cell plastic foam separator cannot absorb the local expansion of the battery cell evenly, and the surface pressure distribution on the surface of the battery cell becomes non-uniform, which adversely affects the electrode layer built in the battery. There are harmful effects.
  • the above power supply device uses an elastic plate of plastic foam having open cells as a separator to eliminate the above-mentioned adverse effects and realize a feature that the surface pressure distribution of the battery cell can be equalized.
  • the elastic plate of the separator suppresses the increase in surface pressure due to the expansion of the battery cell, so that the battery cell expands and excessive stress acts on the end plate and the bind bar. Can be prevented. End plates and bind bars that can reduce maximum stress can be made thinner and lighter.
  • the power supply device that absorbs the expansion of the battery cell by the separator between the battery cells can suppress the expansion of the battery cell and the relative position shift. This can also prevent the harmful effects of the electrical connection portion of the battery cell.
  • the stacked battery cells are electrically connected by fixing the bus bar of a metal plate to the electrode terminals, but if the battery cells are relatively misaligned, excessive stress acts on the bus bar and the electrode terminals, causing a failure. Because it becomes.
  • an elastic plate having open cells has a non-foaming layer on the surface.
  • the surface of the elastic plate having open cells is a foam layer in which the cut bubbles are exposed.
  • the elastic plate is made of urethane foam.
  • the entire separator is an elastic plate.
  • the power supply device has a separator having a laminated structure of an elastic plate and a heat insulating layer.
  • the thickness of the elastic plate is 0.2 mm or more and 7 mm or less.
  • the power supply device 100 shown in the perspective view of FIG. 1, the vertical sectional view of FIG. 2, and the horizontal sectional view of FIG. 3 includes a battery block 10 in which a plurality of battery cells 1 are laminated in the thickness direction with a separator 2 interposed therebetween.
  • the battery block 10 is formed by stacking a plurality of battery cells 1 which are square battery cells having a quadrangular outer shape in the thickness direction with the separator 2 interposed therebetween.
  • the plurality of battery cells 1 are stacked so that the upper surfaces are flush with each other to form the battery block 10.
  • the battery cell 1 As shown in FIG. 1, the battery cell 1 is provided with a pair of positive and negative electrode terminals 13 projecting upward at both ends of the upper surface. A safety valve 14 is provided between the electrode terminals 13. The safety valve 14 opens when the internal pressure of the battery cell 1 rises above a predetermined value to release the gas inside. The safety valve 14 prevents the internal pressure of the battery cell 1 from rising.
  • Battery cell 1 is a lithium ion secondary battery.
  • the power supply device 100 in which the battery cell 1 is a lithium ion secondary battery has a feature that the charge capacity with respect to the capacity and weight can be increased.
  • the battery cell 1 can be any other rechargeable battery such as a non-aqueous electrolyte secondary battery other than the lithium ion secondary battery.
  • End plate 3 is a metal plate having an outer shape substantially equal to the outer shape of the battery cell 1 that is not deformed by being pressed by the battery block 10, and bind bars 4 are connected to both side edges.
  • the bind bar 4 connects the battery cells 1 in which the end plates 3 are laminated in a pressurized state, and fixes the battery block 10 in the pressurized state at a predetermined pressure.
  • the separator 2 is sandwiched between the stacked battery cells 1 to absorb the expansion of the battery cells 1 due to the increase in internal pressure, further insulates the adjacent battery cells 1, and further blocks heat conduction between the batteries.
  • a bus bar (not shown) is fixed to an electrode terminal 13 of an adjacent battery cell 1, and the battery cells 1 are connected in series or in parallel. Since a potential difference is generated in the battery case, the battery cells 1 connected in series are insulated by the separator 2 and laminated. The battery cells 1 connected in parallel do not generate a potential difference in the battery case, but are insulated and laminated with a separator 2 in order to prevent the induction of thermal runaway.
  • the separator 2 shown in the partially enlarged schematic cross-sectional view of FIG. 4 is an elastic plate 5 that absorbs the expansion of the battery cell 1.
  • the separator 2 in this figure is entirely an elastic plate 5. Since the elastic plate 5 can be made thicker, the separator 2 can more effectively absorb the expansion of the battery cell 1.
  • FIGS. 4 to 7 shown below in order to make the characteristics of the elastic plate 5 easy to understand, the thickness of the separator 2 with respect to the battery cell 1, the state of deformation of the battery cell 1 during expansion, and the elastic plate 5 The cross-sectional structure and the like are exaggerated and shown.
  • the elastic plate 5 is a plate material that is elastically deformed by being pushed by the expanding battery cell 1, and is an elastic material of a plastic foam having open cells.
  • the plastic foam having open cells has an extremely large amount of deformation as compared with a non-foamed rubber-like elastic body or a closed-cell plastic foam, and can effectively absorb the expansion of the battery cell 1. This is because when the foam of open cells is pressed against the battery cell 1, the air in the bubbles is pushed out through the continuous bubbles, so that the bubbles can be deformed to a state of being completely crushed.
  • the separator 2 made of an elastic plate 5 made of an open-cell plastic foam has a feature that the amount of deformation can be adjusted by the porosity, and the amount of deformation can be increased by increasing the porosity.
  • the air inside the bubbles is not pushed out even when pressed by the battery cell, the air pressure inside the bubbles increases to prevent the deformation of the bubbles, and the pressure inside the bubbles further. Prevents the deformation of the bubble by rapidly rising as the bubble is crushed into small pieces. Therefore, the amount of deformation of this separator in the pressed state is small.
  • the closed cell foam separator cannot increase the porosity and the amount of deformation. This is because the bubbles are not crushed and the deformation is prevented. It is difficult for the non-foamed rubber-like elastic body to have a higher deformation rate than the closed-cell plastic foam. This is because the volume of itself is reduced, or the pressed portion moves to another portion and is deformed, so that the amount of displacement in the pressed state is limited to a small extent.
  • the separator 2 made of a plastic foam elastic plate 5 having open cells absorbs a large amount of displacement of the expanding battery cell 1, and this physical property is a particularly important characteristic of the separator 2. That is, the separator 2, which has a large amount of deformation in the pressed state, deforms when the battery cell 1 expands, following the expansion while forming a curved surface along the surface of the battery cell 1, as shown in FIG. This is because the pressure distribution generated on the pressing surface can be relaxed and the local pressure rise on the surface of the battery cell can be suppressed. In the separator 2 in which the pressure distribution on the surface of the battery cell cannot be sufficiently relaxed, the pressure difference in the battery cell becomes large and the internal pressure becomes locally high.
  • This condition is particularly harmful in lithium-ion batteries and the like, which are often used in this type of power supply device. This is because the lithium ion battery has a strong tendency for lithium to be deposited on the electrode surface in the region where the internal pressure is locally high, which hinders the safety.
  • the elastic plate 5 of the separator 2 shown in the partially enlarged view of FIG. 4 is provided with a non-foaming layer 5B on the surface of a plastic foam having open cells.
  • the non-foamed layer 5B on the surface of the separator 2 comes into surface contact with the surface of the battery cell 1 while being sandwiched between the battery cells 1.
  • the separator 2 absorbs the expansion of the battery cell 1 by elastic deformation of the foam layer 5A in a state where the non-foaming layer 5B is in close contact with the surface of the battery cell 1. Therefore, as shown in FIG.
  • the separator 2 is deformed into a curved surface along the surface of the battery cell 1 in which the non-foaming layer 5B expands, while the foaming layer 5A is deformed into a shape that follows the expansion of the battery cell 1.
  • the expansion of the battery cell 1 can be absorbed.
  • the elastic plate 5 of the separator 2 shown in the partially enlarged schematic cross-sectional view of FIG. 6 has innumerable irregularities on the surface due to continuous bubbles as a foam layer 5C in which the bubbles cut from the surface of the plastic foam having open cells are exposed. Is provided.
  • the separator 2 can absorb the dew condensation water adhering to the surface of the battery cell 1 by innumerable continuous bubbles, and can suppress electric leakage and a decrease in insulation resistance due to the dew condensation water. Since the power supply device is used in various temperature environments, the temperature environment may change and dew condensation water may adhere to the surface.
  • Condensed water adhering to the surface of the battery cell 1 flows down to the surface of the energized portion and causes electric leakage, or reduces the insulation resistance of the energized portion.
  • the separator 2 in which the open cells are exposed on the surface absorbs the condensed water to prevent the harmful effect of the condensed water. Further, since the separator 2 in which open cells are exposed on the surface and elastically deforms and adheres to the surface of the battery cell 1 can transfer the absorbed dew condensation water to the inside, the amount of dew condensation water absorbed is increased and the dew condensation water is used. It has the advantage of being able to effectively prevent harmful effects.
  • the above separator 2 has an elastic plate 5 as a whole. However, as shown in the partially enlarged schematic cross-sectional view of FIG. 7, the separator 2 may have a laminated structure of the elastic plate 5 and the heat insulating layer 6.
  • the separator 2 has a laminated structure in which an intermediate heat insulating layer 6 is sandwiched between elastic plates 5 laminated on both sides, and the heat insulating layer 6 can reduce heat conduction between adjacent battery cells 1.
  • the heat insulating layer 6 all layers having better heat resistance than the elastic plate 5, for example, a plastic foam having innumerable fine closed cells can be used.
  • the elastic plate 5 of the separator 2 is adjusted to have elasticity and thickness to absorb the expansion by being pressurized by the expanding battery cell 1 and deformed.
  • the amount of deformation of the elastic plate 5 due to expansion of the battery cell 1 can be adjusted by the type of plastic to be foamed and the apparent density, and the apparent density can be adjusted by the foaming rate.
  • the elastic plate 5 of the separator 2 has, for example, an apparent density of 150 kg / m 3 or more and 750 kg / m 3 or less, preferably 200 kg / m 3 or more and 500 kg / m 3 or less, and a thickness of 0.2 mm. It is 7 mm or less, preferably 1 mm or more and 5 mm or less.
  • Urethane foam is suitable for the plastic foam of the elastic plate 5.
  • the urethane foam separator 2 has excellent temperature characteristics, and can be compressed to 50% for 22 hours at 100 ° C. to reduce the compression set to 20% or less.
  • the separator 2 made of an elastic plate 5 made of urethane foam having an apparent density of 240 kg / m 3 has a thickness of 2 mm and absorbs and restores an expansion of 1.5 mm of a battery cell.
  • the separator 2 is deformed to a state where the entire thickness is crushed to 1/4 to absorb the expansion of the battery cell 1.
  • the separator 2 made of the elastic plate 5 made of urethane foam having an apparent density of 320 kg / m 3 can absorb the expansion of 1.8 mm of the battery cell when the thickness is 3 mm, and further, the thickness of the battery cell 2 is set to 4 mm. It can absorb the expansion of .4 mm.
  • the urethane foam elastic plate 5 realizes the above characteristics at a temperature of 80 ° C. or lower.
  • the above power supply device can be used as a power source for a vehicle that supplies electric power to a motor that runs an electric vehicle.
  • an electric vehicle equipped with a power supply device an electric vehicle such as a hybrid vehicle or a plug-in hybrid vehicle that runs on both an engine and a motor, or an electric vehicle that runs only on a motor can be used, and is used as a power source for these vehicles.
  • NS an electric vehicle
  • a large number of the above-mentioned power supply devices are connected in series or in parallel, and a large-capacity, high-output power supply device 100 to which a necessary control circuit is added will be described as an example. ..
  • FIG. 8 shows an example in which a power supply device is mounted on a hybrid vehicle that runs on both an engine and a motor.
  • the vehicle HV equipped with the power supply device shown in this figure includes a vehicle main body 91, an engine 96 for running the vehicle main body 91, a running motor 93, and wheels driven by these engines 96 and a running motor 93. It includes 97, a power supply device 100 that supplies power to the motor 93, and a generator 94 that charges the battery of the power supply device 100.
  • the power supply device 100 is connected to the motor 93 and the generator 94 via the DC / AC inverter 95.
  • the vehicle HV runs on both the motor 93 and the engine 96 while charging and discharging the battery of the power supply device 100.
  • the motor 93 is driven to drive the vehicle in a region where the engine efficiency is low, for example, when accelerating or traveling at a low speed.
  • the motor 93 is driven by being supplied with electric power from the power supply device 100.
  • the generator 94 is driven by the engine 96 or by regenerative braking when braking the vehicle to charge the battery of the power supply device 100.
  • the vehicle HV may be provided with a charging plug 98 for charging the power supply device 100. By connecting the charging plug 98 to an external power source, the power supply device 100 can be charged.
  • FIG. 9 shows an example in which a power supply device is mounted on an electric vehicle traveling only by a motor.
  • the vehicle EV equipped with the power supply device shown in this figure supplies electric power to the vehicle main body 91, the traveling motor 93 for running the vehicle main body 91, the wheels 97 driven by the motor 93, and the motor 93.
  • a power supply device 100 for charging the power supply device 100 and a generator 94 for charging the battery of the power supply device 100 are provided.
  • the power supply device 100 is connected to the motor 93 and the generator 94 via the DC / AC inverter 95.
  • the motor 93 is driven by being supplied with electric power from the power supply device 100.
  • the generator 94 is driven by the energy used for regenerative braking of the vehicle EV to charge the battery of the power supply device 100. Further, the vehicle EV is provided with a charging plug 98, and the charging plug 98 can be connected to an external power source to charge the power supply device 100.
  • the present invention does not specify the use of the power supply device as a power source for a motor that runs a vehicle.
  • the power supply device according to the embodiment can also be used as a power source for a power storage device that charges and stores a battery with electric power generated by solar power generation, wind power generation, or the like.
  • FIG. 10 shows a power storage device in which the battery of the power supply device 100 is charged by the solar cell 82 to store electricity.
  • the power storage device shown in FIG. 10 charges the battery of the power supply device 100 with the electric power generated by the solar cells 82 arranged on the roof or roof of a building 81 such as a house or factory.
  • This power storage device uses the solar cell 82 as a power source for charging, charges the battery of the power supply device 100 with the charging circuit 83, and then supplies power to the load 86 via the DC / AC inverter 85. Therefore, this power storage device has a charge mode and a discharge mode.
  • the DC / AC inverter 85 and the charging circuit 83 are connected to the power supply device 100 via the discharge switch 87 and the charging switch 84, respectively.
  • the ON / OFF of the discharge switch 87 and the charge switch 84 is switched by the power controller 88 of the power storage device.
  • the power controller 88 switches the charging switch 84 to ON and the discharge switch 87 to OFF to allow the charging circuit 83 to charge the power supply device 100.
  • the power controller 88 turns off the charging switch 84 and turns on the discharge switch 87 to switch to the discharge mode, and the power supply device 100 Allows discharge from to load 86.
  • the charge switch 84 can be turned on and the discharge switch 87 can be turned on to supply power to the load 86 and charge the power supply device 100 at the same time.
  • the power supply device can also be used as a power source for a power storage device that charges and stores batteries using midnight power at night.
  • a power supply device charged with midnight power can be charged with midnight power, which is surplus power of a power plant, and output power in the daytime when the power load is large, so that the peak power in the daytime can be limited to a small value.
  • the power supply can also be used as a power source for charging with both solar cell output and midnight power. This power supply device can effectively utilize both the power generated by the solar cell and the midnight power, and can efficiently store electricity while considering the weather and power consumption.
  • the above-mentioned power storage devices include a backup power supply device that can be mounted in a computer server rack, a backup power supply device for a wireless base station such as a mobile phone, a power storage power supply for home or factory use, a power supply for street lights, and the like. It can be suitably used for power storage devices combined with solar cells, backup power sources for traffic lights and road traffic indicators, and the like.
  • the power supply device can be suitably used as a power source for a large current used for a power source of a motor for driving an electric vehicle such as a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, an electric vehicle, or an electric motorcycle.
  • a power supply device for a plug-in type hybrid electric vehicle, a hybrid type electric vehicle, an electric vehicle, or the like that can switch between an EV driving mode and a HEV driving mode can be mentioned.
  • a backup power supply that can be mounted in a computer server rack, a backup power supply for wireless base stations such as mobile phones, a power storage device for home use and factories, a power supply for street lights, etc. , Can also be used as appropriate for backup power supplies such as traffic lights.

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Abstract

電源装置は、複数の電池セル（１）をセパレータ（２）を挟んで厚さ方向に積層してなる電池ブロック（１０）と、電池ブロック（１０）の両端面に配置してなる一対のエンドプレート（３）と、一対のエンドプレート（３）に連結されて、エンドプレート（３）を介して電池ブロック（１０）を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。セパレータ（２）は、表面又は全体を、連続気泡を有するプラスチック発泡体からなる弾性板（５）としている。

Description

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
　本発明は、多数の電池セルを積層している電源装置と、この電源装置を備える電動車両及び蓄電装置に関する。
　多数の電池セルを積層している電源装置は、電動車両に搭載されて車両を走行させるモータに電力を供給する電源、太陽電池等の自然エネルギーや深夜電力で充電される電源、停電時のバックアップ電源に適している。この構造の電源装置は、積層している電池セルの間にセパレータを挟着している。多数の電池セルをセパレータを挟んで積層している電源装置は、電池セルの膨張による位置ずれを阻止するために、積層した電池セルを加圧状態に固定している。このことを実現するために、電源装置は、多数の電池セルを積層している電池ブロックの両端面には一対のエンドプレートを配置して、一対のエンドプレートをバインドバーで連結している。（特許文献１参照）
特開２０１８－２０４７０８号公報
　電源装置は、複数の電池セルを積層して電池ブロックとし、電池ブロックの両端面に一対のエンドプレートを配置して、両端面から相当に強い圧力で加圧状態に保持してバインドバーで連結している。電源装置は、電池セルを強く加圧する状態で固定して電池セルの相対移動や振動による誤動作を防止している。この電源装置は、たとえば、積層面の面積を約１００ｃｍ２とする電池セルを使用する装置において、エンドプレートを数トンもの強い力で押圧してバインドバーで固定している。この構造の電源装置は、隣接して積層される電池セルをセパレータで絶縁するために、セパレータには硬質プラスチックの板材が使用される。硬質プラスチックのセパレータは、電池セルの内圧が上昇して膨張する状態で、電池セルの膨張を吸収できず、この状態で電池セルとセパレータとの面圧が急激に高くなって、エンドプレートやバインドバーに極めて強い力が作用する。このため、エンドプレートとバインドバーには、極めて強靭な材質と形状が要求されて、電源装置が重く、大きくなると共に、材料コストが高くなる弊害がある。さらに、全体が均一に膨張することなく不均一に膨張する電池セルは面圧分布が不均一になって、このことが電極等に悪影響を与える弊害もある。
　本発明は、以上の欠点を解消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、電池セルの膨張をセパレータで無理なく吸収し、さらに電池セルの面圧分布を均等化しながら膨張を吸収できる技術を提供することにある。
　本発明のある態様に係る電源装置は、複数の電池セルをセパレータを挟んで厚さ方向に積層してなる電池ブロックと、電池ブロックの両端面に配置してなる一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートに連結されて、エンドプレートを介して電池ブロックを加圧状態に固定してなるバインドバーとを備えている。セパレータは、表面又は全体を、連続気泡を有するプラスチック発泡体からなる弾性板としている。
　本発明のある態様に係る電動車両は、上記電源装置と、電源装置から電力供給される走行用のモータと、電源装置及びモータを搭載してなる車両本体と、モータで駆動されて車両本体を走行させる車輪とを備えている。
　本発明のある態様に係る蓄電装置は、上記電源装置と、電源装置への充放電を制御する電源コントローラと備えて、電源コントローラでもって、外部からの電力により電池セルへの充電を可能とすると共に、電池セルに対し充電を行うよう制御している。
　以上の電源装置は、電池セルの膨張をセパレータで無理なく吸収し、さらに電池セルの面圧分布を均等化しながら膨張を吸収できる。
本発明の一実施形態に係る電源装置の斜視図である。 図１に示す電源装置の垂直断面図である。 図１に示す電源装置の水平断面図である。 電池セルとセパレータの積層状態を示す一部拡大模式断面図である。 図４の電池セルが膨張した状態を示す模式断面図である。 セパレータの他の一例を示す一部拡大模式断面図である。 セパレータの他の一例を示す一部拡大模式断面図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド車に電源装置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電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 蓄電用の電源装置に適用する例を示すブロック図である。
　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。
　本発明の第１の実施形態の電源装置は、複数の電池セルをセパレータを挟んで厚さ方向に積層してなる電池ブロックと、電池ブロックの両端面に配置してなる一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートに連結されて、エンドプレートを介して電池ブロックを加圧状態に固定してなるバインドバーとを備えている。セパレータは、表面又は全体を、連続気泡を有するプラスチック発泡体からなる弾性板としている。
　以上の電源装置は、セパレータを連続気泡のプラスチック発泡体からなる弾性変形する弾性セパレータとするので、電池セルの膨張を弾性板が吸収する。このため、電池セルの内圧が上昇して膨張する状態で、電池セルとセパレータとの面圧が高くなるのを抑制できる。この電源装置は、セパレータの弾性板を、連続気泡のプラスチック発泡体とするので、電池セル表面の面圧分布を均等化して局所的に圧力が高くなる弊害を防止できる。それは、連続気泡のプラスチック発泡体は、押圧されて押し潰された気泡内の空気が連続する気泡を通じて周囲に流動して変形し易い状態となるからである。
　独立気泡のプラスチック発泡体の弾性板も弾性変形するので、電池セルの膨張を吸収するセパレータに使用できるが、この弾性板のセパレータは、気泡が独立するので、電池セルに押圧されて気泡が押し潰されると、気泡の内圧が上昇して弾性変形を阻害する。したがって、独立気泡のプラスチック発泡体のセパレータは、電池セルの局所的な膨張を均等に吸収できず、電池セル表面の面圧分布が不均一となって電池に内蔵される電極層に悪影響を与える弊害がある。以上の電源装置は、連続気泡を有するプラスチック発泡体の弾性板をセパレータとすることで、以上の弊害を解消して、電池セルの面圧分布を均等化できる特長を実現する。
　さらにまた、以上の電源装置は、セパレータの弾性板で、電池セルの膨張による面圧の上昇を抑制するので、電池セルが膨張して、エンドプレートやバインドバーに過大な応力が作用するのを防止できる。最大応力を減少できるエンドプレートとバインドバーは、薄くして軽量化できる。また、電池セルの間のセパレータで電池セルの膨張を吸収する電源装置は、電池セルが膨張して相対位置がずれるのも抑制できる。このことは、電池セルの電気接続部の弊害も防止できる。積層された電池セルは、金属板のバスバーを電極端子に固定して電気接続しているが、電池セルが相対的に位置ずれすると、バスバーと電極端子に無理な応力が作用して故障の原因となるからである。
　本発明の第２の実施形態の電源装置は、連続気泡を有する弾性板が、表面に非発泡層を有している。
　本発明の第３の実施形態の電源装置は、連続気泡を有する弾性板の表面を、裁断された気泡が露出する発泡層としている。
　本発明の第４の実施形態の電源装置は、弾性板をウレタンフォームとしている。
　本発明の第５の実施形態の電源装置は、セパレータ全体を弾性板としている。
　本発明の第６の実施形態の電源装置は、セパレータを、弾性板と断熱層との積層構造としている。
　本発明の第７の実施形態の電源装置は、弾性板の厚さを、０．２ｍｍ以上であって７ｍｍ以下としている。
（実施の形態１）
　図１の斜視図と図２の垂直断面図と図３の水平断面図に示す電源装置１００は、複数の電池セル１をセパレータ２を挟んで厚さ方向に積層している電池ブロック１０と、電池ブロック１０の両端面に配置している一対のエンドプレート３と、一対のエンドプレート３を連結してエンドプレート３を介して電池ブロック１０を加圧状態に固定しているバインドバー４とを備える。
（電池ブロック１０）
　電池ブロック１０は、外形を四角形とする角形電池セルである複数の電池セル１をセパレータ２を挟んで厚さ方向に積層している。複数の電池セル１は、上面が同一平面となるように積層されて電池ブロック１０を構成している。
（電池セル１）
　電池セル１は、図１に示すように、上面の両端部に正負一対の電極端子１３を上方向に突出して設けている。電極端子１３の間には安全弁１４を設けている。安全弁１４は、電池セル１の内圧が所定値以上に上昇した際に開弁して、内部のガスを放出する。安全弁１４は、電池セル１の内圧上昇を防止する。
　電池セル１は、リチウムイオン二次電池である。電池セル１をリチウムイオン二次電池とする電源装置１００は、容量と重量に対する充電容量を大きくできる特長がある。ただし、電池セル１は、リチウムイオン二次電池以外の非水系電解液二次電池等、他の充電できる全ての電池とすることができる。
（エンドプレート３、バインドバー４）
　エンドプレート３は、電池ブロック１０に押圧されて変形しない、電池セル１の外形にほぼ等しい外形の金属板で、両側縁にバインドバー４を連結している。バインドバー４は、エンドプレート３が積層している電池セル１を加圧状態で連結して、電池ブロック１０を所定の圧力で加圧状態に固定している。
（セパレータ２）
　セパレータ２は、積層している電池セル１の間に挟まれて、内圧上昇による電池セル１の膨張を吸収し、さらに隣接する電池セル１を絶縁し、さらに電池間における熱伝導を遮断する。電池ブロック１０は、隣接する電池セル１の電極端子１３にバスバー（図示せず）を固定して、電池セル１を直列又は並列に接続している。直列に接続される電池セル１は、電池ケースに電位差が発生するので、セパレータ２で絶縁して積層している。並列に接続される電池セル１は、電池ケースに電位差は発生しないが、熱暴走の誘発を防止するために、セパレータ２で断熱して積層する。
　図４の一部拡大模式断面図に示すセパレータ２は、電池セル１の膨張を吸収する弾性板５である。この図のセパレータ２は、全体を弾性板５としている。このセパレータ２は、弾性板５を厚くできるので、電池セル１の膨張をより効果的に吸収できる。なお、以下に示す図４～図７においては、弾性板５の特徴をわかりやすくするために、電池セル１に対するセパレータ２の厚さや、電池セル１の膨張時における変形の様子、弾性板５の断面構造等を誇張して図示している。
　弾性板５は、膨張する電池セル１に押されて弾性変形する板材であって、連続気泡を有するプラスチック発泡体の弾性材である。連続気泡のあるプラスチック発泡体は、非発泡のゴム状弾性体や独立気泡のプラスチック発泡体に比較して変形量が極めて大きく、電池セル１の膨張を効果的に吸収できる。それは連続気泡の発泡体は、電池セル１に押圧されると、気泡内の空気が連続する気泡を介して押し出されるので、気泡が完全に押し潰される状態まで変形できるからである。連続気泡のプラスチック発泡体の弾性板５からなるセパレータ２は、気孔率で変形量を調整でき、気孔率を大きくして変形量を大きくできる特長がある。
　これに対して、独立気泡の発泡体からなるセパレータは、電池セルに押圧されても気泡内の空気は押し出されず、気泡内で空気圧が高くなって気泡の変形を阻止し、さらに気泡内の圧力は、気泡が小さく押し潰されるに従って急激に上昇して気泡の変形を阻止する。したがって、このセパレータは押圧状態における変形量が少なくなる。また、独立気泡の発泡体のセパレータは、気孔率を高くして変形量を大きくできない。気泡が押し潰されずに変形を阻止するからである。非発泡のゴム状弾性体は、独立気泡のプラスチック発泡体よりもさらに変形率を大きくするのが難しい。それ自体の体積が減少し、あるいは押圧部分が他の部分に移動して変形するので、押圧状態における変位量が小さく制限されるからである。
　連続気泡を有するプラスチック発泡体の弾性板５からなるセパレータ２は、膨張する電池セル１の変位の吸収量が大きいが、この物性は、セパレータ２において特に大切な特性である。それは、押圧状態における変形量の大きいセパレータ２は、電池セル１の膨張時において、図５に示すように、電池セル１の表面に沿う曲面を形成しながらの膨張に追従して変形して、押圧面に生じる圧力分布を緩和して、電池セル表面の局所的な圧力上昇を抑制できるからである。電池セル表面の圧力分布を十分に緩和できないセパレータ２は、電池セル内の圧力差が大きくなって局所的に内圧が高くなる。この状態は、この種の電源装置に多用されているリチウムイオン電池などにおいては特に有害である。それは、リチウムイオン電池は、局所的に内圧が高くなる領域では電極表面にリチウムが析出する傾向が強くなって、安全性を阻害するからである。
　図４の一部拡大図に示すセパレータ２の弾性板５は、連続気泡を有するプラスチック発泡体の表面に非発泡層５Ｂを設けている。このセパレータ２は、電池セル１に挟まれた状態で、表面の非発泡層５Ｂが電池セル１の表面に面接触する。このセパレータ２は、非発泡層５Ｂが電池セル１の表面に沿って密着する状態で、電池セル１の膨張を発泡層５Ａの弾性変形で吸収する。したがって、このセパレータ２は、図５に示すように、非発泡層５Ｂが膨張する電池セル１の表面に沿う曲面状に変形しながら、発泡層５Ａが電池セル１の膨張に追従する形状に変形して電池セル１の膨張を吸収できる。
　図６の一部拡大模式断面図に示すセパレータ２の弾性板５は、連続気泡を有するプラスチック発泡体の表面を裁断された気泡が露出する発泡層５Ｃとして、連続する気泡によって表面に無数の凹凸を設けている。このセパレータ２は、連続する無数の気泡が電池セル１の表面に付着する結露水を吸収して、結露水による漏電や絶縁抵抗の低下を抑制できる。電源装置は、種々の温度環境で使用されるので、温度環境が変化して表面に結露水が付着することがある。電池セル１の表面に付着する結露水は、通電部の表面に流れ落ちて漏電の原因となり、あるいは通電部の絶縁抵抗を小さくする。連続気泡が表面に露出するセパレータ２は、結露水を吸収して結露水の弊害を防止する。さらに、表面に連続気泡が露出し、弾性変形して電池セル１の表面に密着するセパレータ２は、吸収する結露水を内部に移行できるので、結露水の吸収量を多くして、結露水による弊害を効果的に防止できる特長がある。
　以上のセパレータ２は、全体を弾性板５としている。ただ、セパレータ２は、図７の一部拡大模式断面図に示すように、弾性板５と断熱層６との積層構造とすることもできる。このセパレータ２は、両面に積層している弾性板５で中間の断熱層６を挟む積層構造として、断熱層６でもって隣接する電池セル１間の熱伝導を少なくできる。断熱層６は、弾性板５よりも耐熱特性の優れた全ての層、たとえば微細な無数の独立気泡のプラスチック発泡体等が使用できる。
　セパレータ２の弾性板５は、膨張する電池セル１に加圧されて変形して膨張を吸収する弾性と厚さに調整される。弾性板５の電池セル１の膨張による変形量は、発泡するプラスチックの種類と見かけ密度で調整でき、見かけ密度は発泡率で調整できる。セパレータ２の弾性板５は、例えば、見かけ密度を１５０ｋｇ／ｍ３以上であって７５０ｋｇ／ｍ３以下、好ましくは２００ｋｇ／ｍ３以上であって５００ｋｇ／ｍ３以下とし、厚さを０．２ｍｍ以上であって７ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以上であって５ｍｍ以下とする。弾性板５のプラスチック発泡体は、ウレタンフォームが適している。ウレタンフォームのセパレータ２は、優れた温度特性を有し、たとえば、１００℃において、２２時間にわたって５０％に圧縮して、圧縮永久ひずみを２０％以下にできる。
　見かけ密度を２４０ｋｇ／ｍ３とするウレタンフォームの弾性板５からなるセパレータ２は、厚さを２ｍｍとして、電池セルの１．５ｍｍの膨張を吸収して復元する。このセパレータ２は、全体の厚さが１／４に押し潰される状態まで変形して電池セル１の膨張を吸収する。さらに、見かけ密度を３２０ｋｇ／ｍ３とするウレタンフォームの弾性板５からなるセパレータ２は、厚さを３ｍｍとして電池セルの１．８ｍｍの膨張を吸収でき、さらに厚さを４ｍｍとして電池セルの２．４ｍｍの膨張を吸収できる。ウレタンフォームの弾性板５は、温度を８０℃以下の状態で以上の特性を実現する。
　以上の電源装置は、電動車両を走行させるモータに電力を供給する車両用の電源として利用できる。電源装置を搭載する電動車両としては、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等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。なお、車両を駆動する電力を得るために、上述した電源装置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１００を構築した例として説明する。
（ハイブリッド車用電源装置）
　図８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８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。
（電気自動車用電源装置）
　また、図９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。
（蓄電装置用の電源装置）
　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１０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。
　図１０に示す蓄電装置は、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。この蓄電装置は、太陽電池８２を充電用電源として充電回路８３で電源装置１００の電池を充電した後、ＤＣ／ＡＣインバータ８５を介して負荷８６に電力を供給する。このため、この蓄電装置は、充電モードと放電モードを備えている。図に示す蓄電装置は、ＤＣ／ＡＣインバータ８５と充電回路８３を、それぞれ放電スイッチ８７と充電スイッチ８４を介して電源装置１００と接続している。放電スイッチ８７と充電スイッチ８４のＯＮ／ＯＦＦは、蓄電装置の電源コントローラ８８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８８は充電スイッチ８４をＯＮに、放電スイッチ８７をＯＦＦに切り替えて、充電回路８３から電源装置１００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、電源コントローラ８８は充電スイッチ８４をＯＦＦに、放電スイッチ８７をＯＮにして放電モードに切り替え、電源装置１００から負荷８６への放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチ８４をＯＮに、放電スイッチ８７をＯＮにして、負荷８６への電力供給と、電源装置１００への充電を同時に行うこともできる。
　さらに、電源装置は、図示しないが、夜間の深夜電力を利用して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。深夜電力で充電される電源装置は、発電所の余剰電力である深夜電力で充電して、電力負荷の大きくなる昼間に電力を出力して、昼間のピーク電力を小さく制限することができる。さらに、電源装置は、太陽電池の出力と深夜電力の両方で充電する電源としても使用できる。この電源装置は、太陽電池で発電される電力と深夜電力の両方を有効に利用して、天候や消費電力を考慮しながら効率よく蓄電できる。
　以上のような蓄電装置は、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、家庭内用または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、信号機や道路用の交通表示器などのバックアップ電源用などの用途に好適に利用できる。
　本発明に係る電源装置は、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、電気自動車、電動オートバイ等の電動車両を駆動するモータの電源用等に使用される大電流用の電源として好適に利用できる。例えば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、電気自動車等の電源装置が挙げられる。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…電源装置
１…電池セル
２…セパレータ
３…エンドプレート
４…バインドバー
５…弾性板
５Ａ…発泡層
５Ｂ…非発泡層
５Ｃ…気泡が露出する発泡層
６…断熱層
１０…電池ブロック
１３…電極端子
１４…安全弁
８１…建物
８２…太陽電池
８３…充電回路
８４…充電スイッチ
８５…ＤＣ／ＡＣインバータ
８６…負荷
８７…放電スイッチ
８８…電源コントローラ
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、ＥＶ…車両

Claims (9)

  1. 　複数の電池セルをセパレータを挟んで厚さ方向に積層してなる電池ブロックと、
    　前記電池ブロックの両端面に配置してなる一対のエンドプレートと、
    　前記一対のエンドプレートに連結されて、前記エンドプレートを介して前記電池ブロックを加圧状態に固定してなるバインドバーと、
    　を備える電源装置であって、
    　前記セパレータが、
    　　表面又は全体を、連続気泡を有するプラスチック発泡体からなる弾性板とすることを特徴とする電源装置。
  2. 　請求項１に記載する電源装置であって、
    　連続気泡を有する前記弾性板が、
    　　表面に非発泡層を有することを特徴とする電源装置。
  3. 　請求項１に記載する電源装置であって、
    　連続気泡を有する前記弾性板の表面が、
    　　裁断された気泡が露出する発泡層であるあることを特徴とする電源装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれかに記載する電源装置であって、
    　前記弾性板が、
    　　ウレタンフォームであることを特徴とする電源装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載する電源装置であって、
    　　前記セパレータ全体が弾性板であることを特徴とする電源装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれかに記載する電源装置であって、
    　前記セパレータが、
    　　前記弾性板と断熱層との積層構造であることを特徴とする電源装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれかに記載する電源装置であって、
    　前記弾性板の厚さが、
    　　０．２ｍｍ以上であって７ｍｍ以下であることを特徴とする電源装置。
  8. 　請求項１ないし７のいずれかに記載する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。
  9. 　請求項１ないし７のいずれかに記載する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。
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