WO2021199545A1

WO2021199545A1 - 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

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Publication number: WO2021199545A1
Application number: PCT/JP2020/049215
Authority: WO
Inventors: 奈央古上; 和博原塚; 浩司藤永
Original assignee: 三洋電機株式会社
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-10-07
Also published as: CN115023852A; US20230163402A1; EP4131599A1; JPWO2021199545A1; EP4131599A4

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）はエラストマーで、板状部（２０）の両面を、押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層（２５）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１００ｃｍ^２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、セパレータには板状の絶縁プラスチック板を使用している。プラスチック板のセパレータは、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。

　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吸収す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。セパレータはエラストマーで、板状部の両面を、押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層としている。

　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、セパレータの平行凸条が電池セルの電極層を局所的に押圧して電解液の流動性の低下による電池の劣化を抑制する。

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構造を示す一部拡大断面図である。セパレータの他の一例を示す一部拡大断面図である。セパレータの他の一例を示す一部拡大断面図である。電池セルとセパレータの積層構造を示す分解斜視図である。図７に示す電池セルとセパレータの背面斜視図である。膨張する電池セルの表面が平行凸条に押されて波形に変形する状態を示す要部拡大断面図である。セパレータの他の一例を示す斜視図である。図１０のセパレータの背面斜視図である。他の一例の電池セルとセパレータの積層構造を示す分解斜視図である。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。セパレータはエラストマーで、板状部の両面を、押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層としている。

　以上の電源装置のセパレータは、押圧力に対する厚さの変化量が異なる、すなわち電池セルに押圧されて柔軟に変化する凹凸層と、変化量の少ない凹凸層を両面に設けているので、電池セルの膨張が小さい領域では変形し易い柔軟な凹凸層が膨張を吸収し、電池セルの膨張が大きくなって柔軟な凹凸層が押し潰されて膨張を吸収できない状態では、変形し難い凹凸層が膨張を吸収し、さらに、電池セルの膨張が大きくなって変形し難い凹凸層も押し潰されて膨張を吸収できない状態では、板状部が薄く変形して電池セルの膨張を吸収する。凹凸層が押し潰されてさらに加圧されると、セパレータは板状部が薄く変形して電池セルの膨張を吸収する。エラストマーの板状部は、凹凸層に比較して変形し難く、凹凸層が弾性限界を超えた強い押圧力で弾性変形して電池セルの膨張をさらに吸収する。このため、板状部の両面に、押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層を設けているセパレータは、電池セルの小さい膨張を変形し易い凹凸層が吸収して、それより大きい膨張を変形し難い凹凸層が吸収し、さらに大きい膨張は板状部が薄く押し潰されて吸収する。したがって、以上のセパレータは、発生頻度の高い電池セルの小さい膨張を凹凸層で吸収し、大きな膨張を板状部で吸収し、さらに、電池セルの小さい膨張と大きい膨張との中間の膨張を変形し難い凹凸層で吸収するので、電池セルの小さい膨張から大きい膨張までを理想的な状態で吸収できる特長がある。また、変形し易い凹凸層により、電池セルやセパレータの寸法公差を吸収できるという効果も期待できる。

　さらに、以上の電源装置は、エラストマーの板状部の両面に変形量が異なる凹凸層を設けて、押圧力に対する変形量が異なる三層の弾性変形層が、電池セルの膨張による面圧の上昇を抑制するので、電池セルが膨張を効率よく吸収しながら、エンドプレートやバインドバーに作用する応力を緩和できる。凹凸層は、電池セルの初期の膨張を効率よく吸収できるが、電池セルの膨張が大きくなって弾性限界を超えると弾性変形できなくなってエンドプレートやバインドバーの応力を急激に大きくする原因となるが、凹凸層が弾性限界を超える領域では、エラストマーの板状部が弾性変形してエンドプレートやバインドバーの応力増加を抑制する。したがって、電池セルの膨張を効果的に吸収しながら、エンドプレートやバインドバーに作用する最大応力を抑制できる。エンドプレートとバインドバーに作用する最大応力を抑制できる電源装置は、エンドプレートとバインドバーを薄くして軽量化できる。

　また、両面の凹凸層と板状部からなる三層の弾性変形層が電池セルの膨張を効果的に吸収する電源装置は、電池セルの膨張による電池セルの相対的な位置ずれを防止できる。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、セパレータのエラストマーを合成ゴムとしている。

　本発明の第３の実施形態の電源装置は、エラストマーの合成ゴムを、フッ素ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプロンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ホリイソブチレンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレン酢酸ビニル共重合体ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、熱可塑性オレフィンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ブチルゴム、ポリエーテルゴムの何れかとしている。

　本発明の第４の実施形態の電源装置は、セパレータが、板状部の表面に複数の凸部を設けて凹凸層としている。

　本発明の第５の実施形態の電源装置は、板状部の両面に、形状が異なる凸部を設けて、電池セルの押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層としている。

　本発明の第６の実施形態の電源装置は、板状部の両面に、非圧縮状態において、電池セルとの接触面積が異なる凸部を設けている。

　本発明の第７の実施形態の電源装置は、凹凸層が、電池セルとの接触部から板状部に向かって、板状部表面と平行な面内における断面積が大きくなる凸部を有している。

　本発明の第８の実施形態の電源装置は、凸部が細長い凸条で、板状部の表面に複数列の凸条を設けている。

　本発明の第９の実施形態の電源装置は、複数列の凸条が、互いに平行に配置してなる平行凸条で、凹凸層が、複数列の平行凸条と複数列の平行溝とを交互に配置している。

　以上の電源装置は、セパレータの平行凸条が電池セルの電極層を局所的に押圧して電解液の流動性を改善する。電池セルとの対向面に、平行凸条と平行溝を交互に設けている櫛歯状のセパレータが、電解液の流動性を向上できるのは、平行凸条で押圧される領域では電極が高密度になるが、平行凸条で押圧されない平行溝との対向領域では電極が低密度な状態となって電解液が移動しやすくなるからである。

　本発明の第１０の実施形態の電源装置は、板状部の第１の凹凸層に、横断面形状を方形状とする平行凸条を設けると共に、板状部の第２の凹凸層に、電池セル接続面に向かって次第に横幅が狭くなる平行凸条を設けて、板状部の両面に、押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層を設けている。
　なお、本明細書において、平行凸条の横断面とは、平行凸条の長手方向に直交する切断面における断面を意味するものとする。

　本発明の第１１の実施形態の電源装置は、板状部の第２の凹凸層に、横断面形状を、三角形状、アーチ状、台形状のいずれかとする平行凸条を設けている。

（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４に示すように、底を閉塞している電池ケース１１の内部に電極１５を挿入し、上端開口部に封口板１２をレーザー溶接して気密に固定して、内部を密閉構造としている。さらに、電池ケース１１の内部には、電解液（図示せず）が充填されている。封口板１２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１１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。

　電池セル１に押圧されて弾性変形するセパレータ２は、エラストマーで製作される。セパレータ２のエラストマーは、電池セル１に押圧されて弾性変形するように、硬度をたとえばＡ３０度ないしＡ９０度とするゴム状弾性体である。セパレータ２のエラストマーは、合成ゴムが適している。合成ゴムは、フッ素ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプロンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ホリイソブチレンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレン酢酸ビニル共重合体ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、熱可塑性オレフィンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ブチルゴム、ポリエーテルゴムの何れかが、単独であるいは複数の合成ゴムシートを積層したものが使用できる。とくに、エチレンプロピレンゴム、エチレン酢酸ビニル共重合体ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコンゴムは、優れた断熱特性があるので、電池セル１が高温に温度上昇するまで高い安全性を実現できる。また、エラストマーをウレタンゴムとするセパレータ２は、特に、熱可塑性ポリウレタンゴムや発泡ポリウレタンゴムを用いることが好ましい。

　セパレータ２は、電池セル１の膨張を無理なく吸収して、エンドプレート３やバインドバー４の最大応力を緩和できる。電池セル１の膨張を吸収する理想的なセパレータ２は、電池セル１の小さい膨張を効果的に吸収することに加えて、大きい膨張をも吸収して、エンドプレート３やバインドバー４の最大応力を抑制するものである。この特性を実現するセパレータ２には、電池セル１の内圧が上して押圧力が次第に強くなる過程で、電池セル１の膨張が比較的小さい領域においては速やかに弾性変形して膨張を無理なく吸収できる特性と、さらに、電池セル１の膨張が最大領域となる状態においても、弾性限界を超えることなく変形して膨張を吸収できる特性が要求される。

　エラストマーは弾性変形するので、１枚の板状のセパレータ２として電池セル１の膨張を吸収できる。このセパレータ２は、ヤング率の小さいエラストマーで製作して、電池セル１の小さい膨張を無理なく吸収できる。しかしながら、このセパレータ２は、電池セル１の膨張が最大領域となって、押圧力が強くなると弾性限界を超えて膨張を無理なく吸収できなくなる。セパレータ２の弾性限界の圧力を大きくするために、ヤング率の大きいエラストマーで製作すると、電池セル１の小さい膨張を無理なくスムーズに吸収できなくなる。電池セル１の膨張は、充放電電流などの外的条件で特定されるが、小さい膨張と大きい膨張がランダムに繰り返されるが、小さい膨張は大きい膨張に比較して発生頻度が多く、小さい膨張を無理なくスムーズに吸収できる特性は極めて重要である。発生頻度の高い小さい膨張を無理なく吸収できるヤング率の小さいエラストマーのセパレータ２は、弾性限界が低い値に制限されるので、最大領域の大きい膨張を安定して吸収できなくなる。セパレータ２が電池セル１の最大領域の大きい膨張を吸収できなくなると、電池セル１がセパレータ２を加圧する圧力が増加して、エンドプレート３やバインドバー４の内部応力を著しく増加させる。

　図４～図６に示すセパレータ２は、電池セル１の小さい膨張をスムーズに吸収しながら、弾性限界を大きくして電池セル１の大きい膨張も吸収するために、板状部２０の表面に複数の凸部２３を設けて凹凸層２５としている。これ等の図に示すセパレータ２は、両面に形状が異なる凸部２３を設けて、電池セル１の押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層２５としている。板状部２０の両面に設けている凹凸層２５は、図に示すように、非圧縮状態において、電池セル１との接触面積が異なる凸部２３を設けて、押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層２５としている。

　これ等の図においてセパレータ２は、板状部２０の一方の面（図において左側面）を第１の凹凸層２５Ａ、他方の面（図において右側面）を第２の凹凸層２５Ｂとして、第２の凹凸層２５Ｂを第１の凹凸層２５Ａよりも押圧力に対する変位量を大きく、すなわち電池セル１の小さい膨張を無理なく吸収する構造としている。これ等の図に示すセパレータ２は、第１の凹凸層２５Ａに設けている凸部２３Ａの断面形状を方形状として、第２の凹凸層２５Ｂに設けている凸部２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄは、電池セル１との接触部から板状部２０に向かって、板状部表面と平行な面内における断面積が大きくなる形状としている。図４のセパレータ２は、第２の凹凸層２５Ｂの凸部２３Ｂの断面形状を半円状ないしアーチ状とし、図５のセパレータ２は、第２の凹凸層２５Ｂの凸部２３Ｃの断面形状を三角形状とし、図６のセパレータ２は、第２の凹凸層２５Ｂの凸部２３Ｄの断面形状を台形状として、方形状である第１の凹凸層２５Ａの四角形の凸部２３Ａよりも変形しやすい形状としている。

　図７と図８の斜視図に示すセパレータ２は、凹凸層２５の凸部２３を細長い凸条として、板状部２０の表面に複数列の凸条を設けている。さらに、図のセパレータ２は、凹凸層２５に設けている複数列の凸条を、互いに平行に配置している平行凸条２１として、複数列の平行凸条２１の間に平行溝２２を設けて、平行凸条２１と平行溝２２とを交互に配置している。このセパレータ２は、膨張する電池セル表面を複数列の平行凸条２１が局所的に押圧し、平行凸条２１が弾性変形して電池セル１の膨張を吸収する。セパレータ２は、第１の凹凸層２５Ａと第２の凹凸層２５Ｂに設けている平行凸条２１を、図４ないし図６に示す断面形状として、第１の凹凸層２５Ａと第２の凹凸層２５Ｂとで、電池セル１の押圧力に対する変形量を最適な状態としている。

　セパレータ２は、電池セル１の膨張が小さい領域では、第１の凹凸層２５Ａの平行凸条２１Ａがほとんど変形することなく、第２の凹凸層２５Ｂの平行凸条２１Ｂが弾性変形して電池セル１の膨張を吸収し、電池セル１の膨張が大きくなって、第２の凹凸層２５Ｂの平行凸条２１Ｂがほとんど押し潰される状態になると、第１の凹凸層２５Ａの平行凸条２１Ａが弾性変形して電池セル１の膨張を吸収する。さらに電池セル１の膨張が大きくなって、第１の凹凸層２５Ａの平行凸条２１Ａがほとんど押し潰される状態になると、板状部２０が弾性変形して電池セル１の膨張を吸収する。

　平行凸条２１で押圧される電池セル１は、平行凸条２１で押圧される領域は凹部となり、平行溝２２との対向領域は突出して波形に変形される。図９の要部拡大断面図は、電池セル１の表面が平行凸条２１に押されて波形に変形する状態を誇張して図示している。表面が波形に変形した電池セル１は、電池ケース１１の内部に収納している積層構造の電極１５の表面を波形に変形する。積層構造の電極１５は、複数列の平行凸条２１に押されて凹部となった領域Ａは高密度に、平行溝２２との対向領域である突出する領域Ｂは低密度となるので、低密度な領域Ｂが縞状に発生して、低密度の領域Ｂが電解液の流動性を向上する。さらに、以上のセパレータ２は、電池セル１の膨張をエラストマーの弾性変形で吸収しながら、電極１５には縞状に低密度な領域Ｂを発生させるので、電解液の流動性が低下する電池セル１の膨張時においても、電極１５には縞状に低密度領域Ｂを発生させて電解液の流動性を向上できる特徴がある。

　図７と図８に示す電池セル１は、セパレータ２を積層する電池ケース１１の積層面を四角形とする角形電池で、細長い帯状である正負の電極層１５ａ、１５ｂを巻回して渦巻き状の電極１５とし、渦巻き状の電極１５を平面状にプレスされた板状として電池ケース１１に収納している。電極１５は、細長い帯状である正負の電極層１５ａ、１５ｂを絶縁シート１５ｃを挟んで積層し、これを巻回して渦巻き状の電極１５とし、この渦巻き電極１５を平面状にプレスして角形の電池ケース１１に収納している。エラストマーのセパレータ２は、図に示すように、平行凸条２１と平行溝２２を、帯状である正負の電極層１５ａ、１５ｂの幅方向に伸びる姿勢に配置している。このセパレータ２は、平行凸条２１が、渦巻き電極１５のＵ曲部１５Ａの延在方向と平行に配置されて、電極１５の表面に電極層１５ａ、１５ｂの幅方向に伸びる高密度の領域Ａと低密度の領域Ｂとが縞状に形成されるので、渦巻き状の電極１５に無理なく高密度の領域Ａと低密度の領域Ｂを縞状に設けて電解液の流動性を向上できる。

　平行凸条２１の横幅（Ｗ１）と高さ（ｈ）、及び平行溝２２の開口幅（Ｗ２）は、エラストマーの硬度を考慮して、平行凸条２１が電池ケース１１の表面を押圧して、波形に変形できる寸法に設定される。例えば、エラストマーの硬度をＡ３０度ないしＡ９０度とするセパレータ２は、膨張する電池セル１の金属製の電池ケース１１を押圧して波形に変形できるように、例えば平行凸条２１の底部、すなわち板状部２０との境界領域の横幅（Ｗ１）を１ｍｍ以上であって２０ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上であって１０ｍｍ以下とする。図７と図８のセパレータ２は、変形し易い第２の凹凸層２５Ｂの平行凸条２１Ｂの横幅（Ｗ１）を、変形し難い第１の凹凸層２５Ａの平行凸条２１Ａの横幅（Ｗ１）よりも狭くしている。平行凸条２１の高さ（ｈ）は、たとえば０．１ｍｍ以上であって２ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以上であって１．５ｍｍ以下とし、平行溝２２の開口幅（Ｗ２）を１ｍｍ以上であって２０ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上であって１０ｍｍ以下とし、平行凸条２１の横幅（Ｗ１）と平行溝２２の開口幅（Ｗ２）の比率（Ｗ１／Ｗ２）を０．１以上であって１０以下、好ましくは０．５以上であって２以下とする。

　エラストマーのセパレータ２は、平行凸条２１の高さ（ｈ）を高くして、平行溝２２の開口幅（Ｗ２）を広くすることで、電池ケース１１の膨張をより大きく吸収できる。ただ、平行凸条２１が高すぎるとセパレータが厚くなり、また座屈しやすくなるので、平行凸条２１の高さ（ｈ）は、セパレータ２に許容される厚さと、電池ケース１１を局所的に押圧して波形に変形できることを考慮して以上の範囲に設定される。また、平行溝２２の開口幅（Ｗ２）と、平行凸条２１の横幅（Ｗ１）と平行溝２２の開口幅（Ｗ２）の比率（Ｗ１／Ｗ２）は、電池ケース１１の表面を波形に変形するピッチを特定するので、電池セル１の膨張を複数列の平行凸条２１で支持しながら、電解液の流動性を好ましい状態とすることを考慮して以上の範囲に設定される。たとえば、電池セル１が角形のリチウムイオン電池であって、電池ケース１１が、厚さを０．３ｍｍのアルミニウム板、セパレータ積層面の面積を１００ｃｍ^２、平行凸条２１の横幅（Ｗ１）と平行溝２２の開口幅（Ｗ２）が５ｍｍ、平行凸条２１の高さ（ｈ）が０．５ｍｍ、エラストマーの硬度がＡ６０度、積層する電池セル１の個数が１２個である電源装置１００は、電池セル１が膨張する状態でセパレータ２との対向する表面が波形に変形して、電解液の流動性を向上できる。

　電源装置１００は、電池ブロック１０を小形化して充電容量を大きくするために、セパレータ２を薄くして、電池セル１の膨張を吸収することが大切である。このことから、エラストマーのセパレータ２は、厚さ（ｄ）を、たとえば２ｍｍ以上であって８ｍｍ以下、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上であって５ｍｍ以下とする。

　図７と図８に示すセパレータ２は、電池セル１の横幅方向（図においては水平方向）に伸びる複数列の平行凸条２１の全長を、電池セル１の横幅とほぼ等しくしており、互いに平行な筋状に伸びる複数列の平行凸条２１で電池セル１の対向面を押圧する構造としている。さらに、セパレータ２は、図１０と図１１に示すように、長手方向に伸びる平行凸条２１を複数に分割することもできる。図１０と図１１に示すセパレータ２は、平行凸条２１の中間部に切除部２４を設けて１列の平行凸条２１を複数の凸部２３に分割している。さらに、隣接する平行凸条２１同士においては、各々の凸部２３の配置が、正面視において千鳥形状となるようにしている。すなわち、一方の平行凸条２１に設けた切除部２４と対向する位置に、他方の平行凸条２１の凸部２３が位置するように、隣接する平行凸条２１同士で凸部２３の位置を左右方向にずらしている。図に示すセパレータ２は、互いに隣接する平行凸条２１の凸部２３を千鳥形状とするために、１列おきに平行凸条２１の両端部にも切除部２４を設けている。このように、分割された複数の凸部２３を千鳥形状に配置する構造は、電池セル１から受ける押圧力を均等に分散できる特長がある。ただ、複数に分割される凸部は、縦横に並べて配置することも、ランダムに配置することもできる。以上の形状の平行凸条２１を備えるセパレータ２は、平行凸条２１を分割しない構造のセパレータ２よりも弾性変形し易くして、電池セル１の膨張を効果的に吸収できる特長がある。

　さらに、図１０と図１１に示す形状のセパレータ２は、凸部２３の長さ（Ｌ１）と切除部２４の長さ（Ｌ２）を調整することで、平行凸条２１の弾性変形のし易さを調整できる。例えば、セパレータ２は、凸部２３の長さ（Ｌ１）に対する切除部２４の長さ（Ｌ２）の比率（Ｌ２／Ｌ１）を大きくすることで弾性変形し易くでき、反対に、比率（Ｌ２／Ｌ１）を小さくすることで弾性変形し難くできる。すなわち、セパレータ２は、平行凸条２１を複数に分割することで、平行凸条２１を分割しない構造よりも変形し易くしつつ、比率（Ｌ２／Ｌ１）を調整することで、さらに変形のし易さも調整できる。たとえば、セパレータ２は、図１０と図１１に示すように、第２の凹凸層２５Ｂの比率（Ｌ２／Ｌ１）を第１の凹凸層２５Ａの比率（Ｌ２／Ｌ１）よりも小さくすることで、第２の凹凸層２５Ｂを、さらに変形し易くして、電池セル１の小さい膨張で確実に変形させつつ、第１の凹凸層２５Ａにおいては変形を抑制して、電池セル１の中間の膨張で確実に変形させることができる。さらに、凸部２３の長さ（Ｌ１）に対する切除部２４の長さ（Ｌ２）の比率（Ｌ２／Ｌ１）は、ひとつの面においても、すなわち一方の凹凸層２５においても、領域によって変更することができる。例えば、電池セル１の膨張時に変形量が大きくなる中央部と対向する領域においては、比率（Ｌ２／Ｌ１）を大きくして変形を吸収しやすくし、膨張時の変形量が小さい外周部と対向する領域においては、比率（Ｌ２／Ｌ１）を小さくして変形を抑制することができる。

　以上の電池セル１は、図７と図８に示すように、板状の渦巻き電極１５を、軸方向が電池セル１の幅方向となるように、電池ケース１１に収納している。したがって、セパレータ２は、平行凸条２１及び平行溝２２の延在方向が、電池セル１の幅方向となるように、電池セル１の対向面に積層している。このように、セパレータ２の平行凸条２１及び平行溝２２が、図において水平方向に延在する姿勢となるように積層することで、平行凸条２１及び平行溝２２を渦巻き電極１５の軸方向に対して平行となるように電池セル１の表面に配置できる。これにより、電池セル１の膨張時において、渦巻き電極１５の表面に、電極層１５ａ、１５ｂの幅方向に伸びる高密度領域と低密度領域とを縞状に形成して電解液の流動性を向上できる。

　ただ、電池セル１は、図１２に示すように、板状の渦巻き電極１５を、軸方向が電池セル１の高さ方向であって、電池ケース１１の深さ方向となるように、電池ケース１に収納することもできる。この構造の電池セル１に積層されるセパレータ２は、平行凸条２１及び平行溝２２の延在方向が、電池セル１の高さ方向となるようなるように、電池セル１の対向面に積層する。この構造によると、セパレータ２の平行凸条２１及び平行溝２２が、図において上下方向に延在する姿勢となるように電池セル１に積層することで、平行凸条２１及び平行溝２を渦巻き電極１５の軸方向に対して平行となるように電池セル１の表面に配置できる。これにより、電池セル１の膨張時において、渦巻き電極１５の表面に、電極層１５ａ、１５ｂの幅方向に伸びる高密度領域と低密度領域とを縞状に形成して電解液の流動性を向上できる。

　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１３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１３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１５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１５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
１０…電池ブロック
１１…電池ケース
１２…封口板
１３…電極端子
１４…安全弁
１５…電極
１５Ａ…Ｕ曲部
１５ａ…電極層
１５ｂ…電極層
１５ｃ…絶縁シート
２０…板状部
２１、２１Ａ、２１Ｂ…平行凸条
２２…平行溝
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ…凸部
２４…切除部
２５…凹凸層
２５Ａ…第１の凹凸層
２５Ｂ…第２の凹凸層
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

　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、
　前記セパレータがエラストマーで、
　　板状部の両面を、
　　押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層としてなることを特徴とする電源装置。
　請求項１に記載する電源装置であって、
　前記セパレータのエラストマーが合成ゴムであることを特徴とする電源装置。
　請求項２に記載する電源装置であって、
　前記エラストマーの合成ゴムが、
　フッ素ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプロンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、ホリイソブチレンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレン酢酸ビニル共重合体ゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、熱可塑性オレフィンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ブチルゴム、ポリエーテルゴムの何れかであることを特徴とする電源装置。
　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、
　前記セパレータが、
　　前記板状部の表面に複数の凸部を設けて凹凸層としてなることを特徴とする電源装置。
　請求項４に記載する電源装置であって、
　前記板状部の両面に、形状が異なる凸部を設けて、
　前記電池セルの押圧力に対する厚さの変化量が異なる前記凹凸層としてなることを特徴とする電源装置。
　請求項４又は５に記載する電源装置であって、
　前記板状部の両面に、
　　非圧縮状態において、前記電池セルとの接触面積が異なる前記凸部を設けてなることを特徴とする電源装置。
　請求項４ないし６のいずれかに記載する電源装置であって、
　前記凹凸層が、
　　前記電池セルとの接触部から前記板状部に向かって、
　　前記板状部表面と平行な面内における断面積が大きくなる前記凸部を有することを特徴とする電源装置。
　請求項４ないし７のいずれかに記載する電源装置であって、
　前記凸部が細長い凸条で、
　前記板状部の表面に複数列の前記凸条を設けてなることを特徴とする電源装置。
　請求項８に記載する電源装置であって、
　複数列の前記凸条が、
　　互いに平行に配置してなる平行凸条で、
　前記凹凸層が、
　　複数列の平行凸条と複数列の平行溝とを交互に配置してなることを特徴とする電源装置。
　請求項９に記載する電源装置であって、
　前記板状部の第１の凹凸層に、
　　横断面形状を方形状とする前記平行凸条を設けてなり、
　前記板状部の第２の凹凸層に、
　　電池セル接続面に向かって次第に横幅が狭くなる前記平行凸条を設けて、
　前記板状部の両面に、
　　押圧力に対する厚さの変化量が異なる凹凸層を設けてなることを特徴とする電源装置。
　請求項１０に記載する電源装置であって、
　前記板状部の第２の凹凸層に、
　　横断面形状を、アーチ状、三角形状、台形状のいずれかとする前記平行凸条を設けてなることを特徴とする電源装置。
　請求項１ないし１１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。
　請求項１ないし１１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。