JP7600109B2 - 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

Description

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。セパレータは、電池セル間の熱伝導を断熱して、電池セルの熱暴走の誘発を抑制する。電池セルの熱暴走は、正極と負極が内部で短絡して発生する内部ショートや誤った取り扱い等で発生する。電池セルが熱暴走すると大量の熱を発生するので、セパレータの断熱性が充分でないと、隣接する電池セルに熱暴走を誘発する。電池セルの熱暴走が誘発されると、電源装置全体は極めて大きな熱エネルギーを放出して装置としての安全性を阻害する。この弊害を防止するために断熱特性の優れたセパレータを電池セルの間に挟着している電源装置が開発されている。（特許文献１参照）

特開２０１８－２０４７０８号公報

セパレータを挟んで多数の電池を積層している電源装置は、セパレータで電池セル間を絶縁することに加えて、セパレータを介して積層している各々の電池セルを定位置に配置して位置ずれを防止することも大切である。電源装置は、電池セルの膨張や収縮、さらに振動や衝撃も位置ずれの原因となる。使用状態において電池セルの相対的な位置ずれは、隣接する電池セルの電極端子に固定している金属板のバスバーとの接続部が損傷し、あるいはバスバー自体が損傷し、あるいは又振動による誤動作などの弊害となる。

電池セルの位置ずれを阻止するために、電源装置は積層した電池セルを加圧状態に固定している。この電源装置は、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固定している。バインドバーとエンドプレートは、電池セルを相当に強い圧力で加圧状態に保持して、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、電池セルに挟着されるセパレータの面積を約１００平方センチとする装置において、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、内圧が上昇して電池セルが膨張すると、エンドプレートが押圧されてバインドバーとエンドプレートの内部応力を増加させる。バインドバーは、強い引張力が作用する状態でエンドプレートに固定されて、電池セルを加圧状態に固定しているので、内圧上昇で電池セルが膨張するとさらに強い引張力が作用する。この状態でバインドバーが伸びると、電池セルが位置ずれするので、バインドバーには極めて強い引張力に耐える強靱な金属板などを使用する必要があって、厚くて重くなる。

以上の弊害は、電池セルの膨張を吸収する弾力性のあるセパレータを使用して抑制できる。しかしながら、この電源装置は、電池セルの膨張でバインドバーの引張力が増加するのは抑制できるが、電池セルの経時的な疲労によるダメージが大きくなる。電池セルのダメージは、電池ケースの開口部を気密に閉塞している封口板の領域で甚だしい。

本発明は、さらに以上の欠点を解消することを目的に開発されたもので、本発明の目的のひとつは、電池セルの膨張をセパレータで吸収しなから、電池セルの開口部の損傷を防止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。電池セル１は、底を閉塞している電池ケース１１の開口縁に封口板１２を気密に固定している。セパレータ２は、電池ケース１１の対向平面１１Ａに面接触状態に積層してなる積層平面２Ａを有している。積層平面２Ａは、電池セル１の内圧上昇による膨張を変形して吸収する弾性を有し、積層平面２Ａの外周縁部であって電池ケース１１の開口部に沿う上縁部２ａのヤング率と、外周縁部の内側に位置する内部領域２ｂのヤング率とが異なり、上縁部２ａのヤング率を内部領域２ｂよりも高くしている。またセパレータ２が、高剛性シートと、高剛性シートよりもヤング率の小さい低剛性シートからなり、高剛性シートと低剛性シートの両方が、シリカエアロゲルと繊維強化材とのハイブリッド素材で、高剛性シートを上縁部に配置して、低剛性シートを内部領域に配置している。

本明細書において、セパレータの「上縁部」は図において特定する。図１と図２に示す電源装置は、封口板を上に配置する姿勢で電池セルを積層しているので、セパレータの「上縁部」は電池セルの封口板に沿う外周縁となる。したがって、本明細書において、セパレータの上縁部は、電池セルの封口板に沿う外周縁を意味するものとする。

本発明のある態様に係る電動車両は、上記電源装置１００と、電源装置１００から電力供給される走行用のモータ９３と、電源装置１００及びモータ９３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。

本発明のある態様に係る蓄電装置は、上記電源装置１００と、電源装置１００への充放電を制御する電源コントローラ８８と備えて、電源コントローラ８８でもって、外部からの電力により電池セル１への充電を可能とすると共に、電池セル１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吸収しなから、電池セルの開口部の損傷を有効に防止できる。

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。 セパレータと電池セルの分解斜視図である。 セパレータの他の一例を示す拡大断面図である。 セパレータの他の一例を示す拡大断面図である。 セパレータの他の一例を示す斜視図である。 図７に示すセパレータのＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線断面図である。 セパレータの他の一例を示す垂直断面図である。 セパレータの他の一例を示す垂直断面図である。 セパレータの他の一例を示す一部拡大斜視図である。 セパレータの他の一例を示す一部拡大斜視図である。 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いる電池ブロックと、電池ブロックの両端面に配置してい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いるバインドバーとを備えている。電池セルは、底を閉塞している電池ケースの開口縁に気密に封口板を固定している。セパレータは、電池ケースの対向平面に面接触状態に積層してなる積層平面が変形して電池セルの内圧上昇による膨張を吸収する弾性を有し、積層平面の外周縁部であって上縁部のヤング率と、外周縁部の内側に位置する内部領域のヤング率とが異なり、上縁部のヤング率を内部領域よりも高くしている。

以上の電源装置は、セパレータの積層平面の外周縁部であって、電池セルの封口板の外周縁に沿う上縁部のヤング率を高くして高剛性とし、積層平面の内部領域のヤング率を、上縁部よりも小さくして低剛性とするので、電池セルの内圧が上昇して膨張する状態では、上縁部の変形を抑制しながら、積層平面の内部領域の膨張は、低剛性のセパレータを薄く変形させて吸収する。セパレータの積層平面の上縁部は、電池セルの封口板の外周縁に沿う領域に位置する。電池セルは、底を閉塞している筒状の開口部に封口板をレーザー溶接などの方法で気密に固定している。この構造の電池セルは、筒体状の電池ケースの開口縁の封口板を固定している部分が内圧上昇で変形すると、疲労が大きくなって故障の原因となる。積層平面の内部領域は、電池セルの中央部分が突出するように湾曲しても変形を吸収できるので、電池セルの内圧が上昇して膨張する状態で変形しても、疲労のダメージは極めて少ない。したがって、以上の電源装置は、内圧上昇による電池セルの膨張をセパレータが効率よく吸収しながら、電池セルの上縁部の疲労による損傷を防止できる特徴がある。

さらに、以上の特徴に加えて、電源装置は、セパレータでもって電池セルの膨張を吸収するので、内圧が上昇して電池セルが膨張する状態で、エンドプレートやバインドバーに作用する応力が増加するのを抑制して、最大応力を減少できる。このことは、エンドプレートとバインドバーを薄く、軽量化することに効果がある。また、以上の電源装置は、電池セルの膨張をセパレータで吸収するので、電池セルの内圧が上昇して膨張する状態での、各々の電池セルの相対位置のずれも抑制できる。隣接する電池セルの相対的な位置ずれは、電池セルの電極端子に固定している金属板のバスバーと電極端子とを損傷させる原因となる。セパレータが内圧上昇で膨張する電池セルの相対的な位置ずれを阻止できる電源装置は、電池セルの膨張で電極端子とバスバーとの接続部の故障を防止できる。

さらにまた、以上の電源装置は、セパレータの全面を同じヤング率とすることなく、上縁部のヤング率を高くして、内部領域のヤング率を小さくするので、電池セルが積層平面の内部領域で膨張しても、電池セルとセパレータとの圧力上昇を抑制する。電池セルを積層している電池ブロックは、積層平面全面に作用する押圧力がエンドプレートに作用するが、電池セルが膨張する状態で、積層平面の内部領域の圧力を減少できる電源装置は、電池セルが内圧上昇して膨張する状態で、電池ブロックがエンドプレートを押圧する加圧力を低くして、エンドプレートとバスバーに作用する最大応力を減少できる。さらに電池セルがセパレータを応力する全面の押圧力も小さくなって、押圧力の増加で電池セルが位置ずれするのを抑制できる特徴もある。

本発明の第２の実施形態の電源装置は、セパレータを、無機粉末と繊維強化材とのハイブリッド素材としている。また、本発明の第３の実施形態の電源装置は、無機粉末をシリカエアロゲルとしている。

以上のセパレータは、隣接する電池セル間に挟まれて、隣接する電池セルを断熱する。ハイブリッド素材は、熱暴走して高温に発熱した電池セルが隣の電池セルを加熱して熱暴走が誘発されるのを抑制する。さらに、セパレータは、積層される電池セルを絶縁する絶縁シートとしても機能する。

本発明の第４の実施形態の電源装置は、セパレータを、１枚のハイブリッド素材としている。また、本発明の第５の実施形態の電源装置は、ハイブリッド素材が、上縁部のシリカエアロゲルの充填密度を、内部領域よりも高くしている。

本発明の第７の実施形態の電源装置は、低剛性シートよりも高剛性シートのシリカエアロゲルの充填密度を高くしている。

本発明の第８の実施形態の電源装置は、低剛性シートを、ハイブリッド素材と弾性シートとの積層シートとしている。また、本発明の第９の実施形態の電源装置は、弾性シートを、ゴム状弾性シートとしている。さらにまた、本発明の第１０の実施形態の電源装置は、ゴム状弾性シートを、合成ゴムシートとしている。

本発明の第１１の実施形態の電源装置は、セパレータの厚さを、０．５ｍｍ以上であって３ｍｍ以下としている。

（実施の形態１）
以下、さらに具体的な電源装置を詳述する。
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の電池セル１は、図４に示すように、外形を四角形とする角形電池セルで、底を閉塞している電池ケース１１の開口部に封口板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。封口板１２は、両端部に正負一対の電極端子１３を突出して設けている。電極端子１３の間には安全弁１４の開口部１５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）
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、電池ケース１１の対向平面１１Ａに面接触状態に積層されて、電池セル１の内圧上昇による膨張を吸収し、さらに隣接する電池セル１を絶縁し、さらにまた電池セル１間の熱の伝導を断熱する。電池ブロック１０は、隣接する電池セル１の電極端子１３に金属板のバスバー（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１１に電位差が発生するので、セパレータ２で絶縁して積層する。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。

セパレータ２は、全体を無機粉末と繊維強化材とのハイブリッド素材２０とし、あるいはハイブリッド素材２０に弾性シートを積層している。無機粉末は好ましくはシリカエアロゲルである。このハイブリッド素材２０は、繊維の微細な隙間に、熱伝導率の低い微細なシリカエアロゲルを充填している。シリカエアロゲルは担持されて繊維強化材の隙間に配置される。このハイブリッド素材２０は、繊維強化材の繊維シートと、ナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲルとからなり、シリカエアロゲルのゲル原料を、繊維に含浸して製造される。シリカエアロゲルを繊維シートに含浸した後、繊維を積層し、ゲル原料を反応させて湿潤ゲルを形成し、さらに湿潤ゲル表面を疎水化、熱風乾燥して製造される。繊維シートの繊維は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）である。ただ、繊維シートの繊維は、難燃処理を施した酸化アクリル繊維やグラスウールなどの無機繊維も使用できる。

繊維強化材は、好ましくは繊維径を０．１～３０μｍとする。繊維強化材は、繊維径を３０μｍより細くし、繊維による熱伝導を小さくして、ハイブリッド素材２０の断熱特性を向上できる。シリカエアロゲルは、９０％～９８％を空気で構成している無機質の微粒子で、ナノオーダの球状体が結合したクラスタで形成される骨格間に微細孔があって、三次元的な微細な多孔性構造をしている。

シリカエアロゲルと繊維強化材とのハイブリッド素材２０は、薄くて優れた断熱特性を示す。このハイブリッド素材２０からなるセパレータ２は、電池セル１が熱暴走して発熱するエネルギーを考慮して、電池セル１の熱暴走の誘発を阻止できる厚さに設定する。電池セル１が熱暴走して発熱するエネルギーは、電池セル１の充電容量が大きくなると大きくなる。したがって、セパレータ２の厚さは、電池セル１の充電容量を考慮して最適値に設定される。たとえば、充電容量を５Ａｈ～２０Ａｈとするリチウムイオン二次電池を電池セル１とする電源装置は、ハイブリッド素材２０の厚さを０．５ｍｍ～３ｍｍ、最適には約１ｍｍ～２．５ｍｍとする。ただし、本発明はハイブリッド素材２０の厚さを以上の範囲に特定するものでなく、ハイブリッド素材２０の厚さは、繊維シートとシリカエアロゲルからなる熱暴走の断熱特性と、電池セルの熱暴走の誘発を防止するために要求される断熱特性を考慮して最適値に設定される。

セパレータ２のハイブリッド素材２０は、内圧上昇で膨張する電池セル１に加圧されて薄く変形するシートである。セパレータ２は、膨張する電池セル１の加圧力で薄くなり、また膨張していた電池セル１が元の状態に復元する状態では押し潰された状態がもとの状態に復元して、電池セル１の膨張と収縮を吸収する。

１枚のハイブリッド素材２０からなるセパレータ２は、全面が均一に変形する弾性を有するハイブリッド素材ではない。ハイブリッド素材２０のセパレータ２は、隣接する電池セル１の電池ケース１１の開口部に挟着されている上縁部２ａと、電池セル１の積層平面２Ａの内部領域２ｂとはヤング率が異なる。封口板１２に沿う上縁部２ａのヤング率は、電池セル１の上縁部の変形を抑制するために、積層平面２Ａの内部領域２ｂよりも高くしている。セパレータ２は、上縁部２ａを内部領域２ｂよりも高剛性として、内圧が上昇して電池セル１が膨張する状態で、上縁部２ａの変形を内部領域２ｂよりも少なく抑制する。

図４の斜視図は、上縁部２ａを高剛性として、内部領域２ｂを低剛性とするセパレータ２を示している。この図のセパレータ２は、ヤング率の高い高剛性シート２１に複数の貫通穴２３を設けて、貫通穴２３にはヤング率の低い低剛性シート２２を配置している。セパレータ２は、貫通穴２３に配置する低剛性シート２２の外形を、高剛性シート２１の貫通穴２３の内形に等しくしている。このセパレータ２は、高剛性シート２１と低剛性シート２２とを隙間なく配置して、全面を優れた断熱特性にできる。

高剛性シート２１は、内圧が上昇する電池セル１に加圧される状態において、上縁部２ａの変形を抑制できるように、低剛性シート２２よりもヤング率を高くしているが、高剛性シート２１のヤング率は、たとえば、低剛性シート２２の１．５倍以上、好ましくは２倍以上とする。

セパレータ２は、貫通穴２３を設けた領域をヤング率の小さい低剛性領域とするために、セパレータ２の外周縁部を除く領域に貫通穴２３を設けている。外周縁部を除く領域に設けられた貫通穴２３には、低剛性シート２２が配置されるので、セパレータ２は外周縁部を除く領域が、ヤング率の小さい低剛性領域となる。図４のセパレータ２は、外周縁部を除く領域、すなわち外周縁部の内側には、複数の貫通穴２３があって、隣接する貫通穴２３の間や貫通穴２３の周囲には、高剛性シート２１が配置される。したがって、内部領域２ｂを含む外周縁部の内側は、高剛性シート２１と低剛性シート２２とが交互に混在される状態となる。このセパレータ２は、高剛性シート２１と低剛性シート２２とを配置する面積比率を変更して、内部領域２ｂのヤング率を調整できる。セパレータ２は、低剛性シート２２の面積を高剛性シート２１よりも大きくして、外周縁部を除く内部領域２ｂを含む領域の実質的なヤング率を小さくでき、反対に低剛性シート２２の面積を高剛性シート２１よりも小さくして、外周縁部を除く内部領域２ｂを含む領域の実質的なヤング率を高くできる。

図４のセパレータ２は、外周縁部を除く領域に複数の貫通穴２３を設けて、内部領域２ｂのヤング率を上縁部２ａを含む外周縁部よりも低くしているが、セパレータ２は内部領域２ｂにひとつの貫通穴２３を設け、この貫通穴２３に低剛性シート２２を配置する等して、上縁部２ａのヤング率を高く、内部領域２ｂのヤング率を低くすることもできる。

高剛性シート２１に貫通穴２３を設けて、ここに低剛性シート２２を配置するセパレータ２は、高剛性シート２１と低剛性シート２２とを別々に製造できるので、高剛性シート２１と低剛性シート２２のヤング率を大幅に変更しながら、高剛性シート２１と低剛性シート２２を能率よく多量生産できる特徴がある。

シリカエアロゲルと繊維強化材とのハイブリッド素材２０であるセパレータ２は、たとえば、シリカエアロゲルの充填密度でヤング率を調整できるので、高剛性シート２１は低剛性シート２２よりもシリカエアロゲルの充填密度を高くして、ヤング率を高くできる。

以上のセパレータ２は、高剛性シート２１の貫通穴２３に低剛性シート２２を配置して、上縁部２ａを高剛性として内部領域２ｂを低剛性とするが、セパレータ２は、図５に示すように、１枚のハイブリッド素材２０の上縁部２ａを高剛性として、内部領域２ｂを低剛性とすることもできる。この構造を、シリカエアロゲルと繊維強化材とのハイブリッド素材２０で実現するセパレータ２は、上縁部２ａと内部領域２ｂとで、シリカエアロゲルの充填密度を変更して実現できる。上縁部２ａはシリカエアロゲルの充填密度を高くして高剛性とし、内部領域２ｂはシリカエアロゲルの充填密度を低くして低剛性とする。このセパレータ２は、全体を１枚のハイブリッド素材２０とするので、電池セル１の間に積層されて積層平面１１Ａの全面を均一に絶縁して断熱できる。

図６の断面図に示すセパレータ２は、内部領域２ｂの低剛性シート２２を、ハイブリッド素材２０と弾性シート２４との積層シートとしている。弾性シート２４は高剛性シート２１よりもヤング率が小さく、膨張する電池セル１に加圧されて変形しやすいシートである。弾性シート２４は、ゴム状弾性シート２４Ａ又は熱可塑性エラストマーが使用できる。このセパレータ２は、両側の表面層をハイブリッド素材２０の高剛性シート２１として、中間層の外周縁部には、枠状の高剛性シート２１を積層して、枠状の高剛性シート２１の内側には、枠状の高剛性シート２１と同じ厚さの弾性シート２４を積層して、全体を同じ厚さとしている。

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の熱暴走の誘発を阻止することが大切である。このことから、高剛性シート２１に積層される弾性シート２４は、たとえば０．１ｍｍ以上であって１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．２ｍｍ以上であって０．５ｍｍ以下として、電池セル１の内部領域２ｂの膨張を吸収する。ゴム状弾性シート２４Ａは、好ましくはハイブリッド素材２０よりも薄くしながら、電池セル１の内部領域２ｂの膨張を吸収して圧縮応力を低下させる。

図７の斜視図と図８の断面図に示すセパレータ２は、上縁部２ａを含む外周縁部を高剛性として、外周縁部の内側の領域である内部領域２ｂを低剛性としている。これらの図のセパレータ２は、ハイブリッド素材２０である高剛性シート２１の中央部であって、外周縁部を除く領域に貫通穴２３を設けており、この貫通穴２３に弾性シート２４を配置して低剛性領域としている。セパレータ２は、貫通穴２３に配置する弾性シート２４の外形を、高剛性シート２１の貫通穴２３の内形に等しくすると共に、高剛性シート２１と弾性シート２４の厚さをほぼ等しくして、高剛性シート２１と弾性シート２４とを隙間なく配置している。

さらに、図９と図１０の断面図に示すセパレータ２も、図７の斜視図に示すセパレータ２と同様に、上縁部２ａを含む外周縁部を高剛性として、外周縁部の内側の領域である内部領域２ｂを低剛性とするが、これらのセパレータ２は、内部領域２ｂを、ハイブリッド素材２０と弾性シート２４との積層シートとしている。図に示すセパレータ２は、ハイブリッド素材２０である高剛性シート２１の中央部であって、外周縁部を除く内部領域２ｂに凹部２５を設けており、この凹部２５に弾性シート２４を配置して、高剛性シート２１と弾性シート２４の積層シートからなる低剛性シート２２としている。

図９に示すセパレータ２は、高剛性シート２１の一方の面に凹部２５を設けて、この凹部２５に弾性シート２４を配置して２層構造の低剛性シート２２としている。図１０に示すセパレータ２は、高剛性シート２１の両面に凹部２５を設けて、この凹部２５に弾性シート２４を配置して３層構造の低剛性シート２２としている。これらの図に示すセパレータ２は、凹部２５に配置する弾性シート２４の外形を、高剛性シート２１の凹部２５の内形に等しくすると共に、この凹部２５に配置される弾性シート２４の厚さを凹部２５の深さとほぼ等しくして、高剛性シート２１と弾性シート２４とを隙間なく配置している。

さらに、図１１の斜視図と図１２の斜視図に示すセパレータ２は、上縁部２ａを高剛性とする共に、上縁部２ａ以外の領域であって、上縁部よりも下方の領域を内部領域２ｂとして、この内部領域２ｂを低剛性としている。図に示すセパレータは、上縁部２ａにハイブリッド素材２０である高剛性シート２１を配置すると共に、上縁部２ａよりも下方の内部領域２ｂをハイブリッド素材２０と弾性シート２４との積層シートとしている。

図１１に示すセパレータ２は、ハイブリッド素材２０である高剛性シート２１の一方の面において、上縁部よりも下方を段差形状に切除して段差凹部２６を設けており、この段差凹部２６に弾性シート２４を配置して２層構造の低剛性シート２２としている。反対側の面は、高剛性シート２１の平滑面として、対応する電池セルに当接する面としている。また、図１２に示すセパレータ２は、高剛性シート２１の両面において、上縁部２ａよりも下方を段差形状に切除して段差凹部２６を設けており、この段差凹部２５に弾性シート２４を配置して３層構造の低剛性シート２２としている。

以上の構造のセパレータ２も、内部領域２ｂを低剛性として、対向する電池セルの膨張による変形を吸収できる構造としながら、上縁部２ａを高剛性として電池セルの上縁部の変形を抑制する構造としている。

弾性シート２４は、非発泡のゴム状弾性体、発泡ゴム、又は熱可塑性エラストマーである。この弾性シート２４は、圧縮されて体積がほとんど変化しない非圧縮性によって、積層領域で圧縮されたゴムが非積層領域に押し出されて、積層領域と非積層領域との境界部において、形状と圧力の変化を緩和する。弾性シート２４は合成ゴムシートが適している。合成ゴムシートは、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、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、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、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、シリコーンゴムは、優れた断熱特性があるので、熱暴走して熱溶融するまでの時間を長くしてより高い安全性を実現できる。また、ウレタンゴムでゴム状弾性シート６を構成する場合は、特に、熱可塑性ポリウレタンゴム、発泡ポリウレタンゴムを用いることが好ましい。
さらに、熱可塑性エラストマーとしては、熱可塑性ポリエステル、熱可塑性ポリエーテルなどが適している。

図６のセパレータ２は、高剛性シート２１の全面にはゴム状弾性シート２４Ａを積層していない。セパレータ２は、電池セル１の外周縁部を除く領域にゴム状弾性シート２４Ａを積層して、電池セル１の内部領域２ｂの膨張を吸収する。セパレータ２は、電池セル１の内部領域２ｂに広い面積でゴム状弾性シート２４Ａを積層して、電池セル１の膨張を効率よく吸収できる。

セパレータは、外周縁部にゴム状弾性シートに代わって、ヤング率の高い高剛性の枠状のゴム状弾性シートを積層して、枠状のゴム状弾性シートの内側に、ヤング率の低いゴム状弾性シートを積層することもできる。ここで、ヤング率の高い高剛性の枠状弾性シート以外にヤング率の高い樹脂として、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレートなどを使用することもできる。高剛性のゴム状弾性シートは低剛性のゴム状弾性シートよりもヤング率が高く、電池セルの上縁部の変形を抑制する。枠状のゴム状弾性シートは、好ましくは電池セルの内圧上昇ではほとんど変形しないヤング率の高いシートを使用する。
また、高剛性の弾性シートと、低剛性の弾性シートを組み合わせてセパレータとする場合、接着剤、テープなどを用いて貼り合わせる方法、あるいは二色成型により２つのシートを組み合わせる方法がある。

セパレータは、接着層や粘着層を介して電池セルの定位置に積層される。ただ、セパレータ２は、電池セル１を嵌合構造で定位置に配置する電池ホルダー（図示せず）の定位置に配置することもできる。

以上の電源装置１００は、電池セル１の充電容量を６Ａｈ～８０Ａｈとする角形電池セルとし、セパレータ２のハイブリッド素材２０を、シリカエアロゲルと繊維強化材とのハイブリッド素材である「パナソニック製のＮＡＳＢＩＳ（登録商標）」として、特定の電池セル１を強制的に熱暴走させて、隣接する電池セル１への熱暴走の誘発を防止できる。

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、２Ａ…積層平面、２ａ…上縁部、２ｂ…内側領域、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、１１Ａ…対向平面、１２…封口板、１３…電極端子、１４…安全弁、１５…開口部、２０…ハイブリッド素材、２１…高剛性シート、２２…低剛性シート、２３…貫通穴、２４…弾性シート、２４Ａ…ゴム状弾性シート、２５…凹部、２６…段差凹部、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 (7)

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、
   前記電池セルは、
   底を閉塞している電池ケースの開口縁に封口板を気密に固定しており、
   前記セパレータは、
   前記電池ケースの対向平面に面接触状態に積層してなる積層平面を有し、
   該積層平面は前記電池セルの内圧上昇による膨張を変形して吸収する弾性を有し、
   前記積層平面の外周縁部であって、前記電池ケースの開口部に沿う上縁部のヤング率と、
   前記積層平面の外周縁部の内側に位置する内部領域のヤング率とが異なり、
   前記上縁部のヤング率が前記内部領域よりも高く、
   前記セパレータが、
   高剛性シートと、高剛性シートよりもヤング率の小さい低剛性シートからなり、
   前記高剛性シートと前記低剛性シートの両方が、シリカエアロゲルと繊維強化材とのハイブリッド素材で、
   前記高剛性シートが前記上縁部に配置されて、
   前記低剛性シートが前記内部領域に配置されてなることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載される電源装置であって、
   前記低剛性シートが、
   前記ハイブリッド素材と弾性シートとの積層シートであることを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載される電源装置であって、
   前記弾性シートが、ゴム状弾性シートであることを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載される電源装置であって、
   前記ゴム状弾性シートが、
   合成ゴムシートであることを特徴とする電源装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載される電源装置であって、
   前記セパレータの厚さが、
   ０．５ｍｍ以上であって３ｍｍ以下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。
7. 請求項１ないし５のいずれか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電池セルへの充電を可能とすると共に、該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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