特許 7491903 電源装置と電動車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-20

(45)【発行日】2024-05-28

(54)【発明の名称】電源装置と電動車両

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/658 20140101AFI20240521BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20240521BHJP

   H01M 50/293 20210101ALI20240521BHJP

   H01M 50/249 20210101ALI20240521BHJP

   H01M 50/262 20210101ALI20240521BHJP

   H01M 50/209 20210101ALI20240521BHJP

【ＦＩ】

H01M10/658

H01M10/647

H01M50/293

H01M50/249

H01M50/262 E

H01M50/209

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021508755

(86)(22)【出願日】2019-12-20

(86)【国際出願番号】 JP2019050063

(87)【国際公開番号】W WO2020194938

(87)【国際公開日】2020-10-01

【審査請求日】2022-11-07

(31)【優先権主張番号】P 2019060105

(32)【優先日】2019-03-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001889

【氏名又は名称】三洋電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003225

【氏名又は名称】弁理士法人豊栖特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】古上 奈央

(72)【発明者】

【氏名】原塚 和博

【審査官】大濱 伸也

(56)【参考文献】

【文献】中国実用新案第２０６０５９４８４（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特開２０１８－２０４７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１１００５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／３３５３９８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／６２５

Ｈ０１Ｍ １０／６４７

Ｈ０１Ｍ １０／６５８

Ｈ０１Ｍ ５０／２９３

Ｈ０１Ｍ ５０／２４９

Ｈ０１Ｍ ５０／２６２

Ｈ０１Ｍ ５０／２０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
繊維シートとシリカエアロゲルからなる断熱シートと、
前記断熱シートの表面に積層してなるゴム状弾性シートを備え、
前記セパレータが、
前記ゴム状弾性シートを積層してなる積層領域と、
前記ゴム状弾性シートが積層されない非積層領域とを設けており、
前記セパレータが、前記断熱シートの外周部を前記積層領域として、前記断熱シートの中央部を前記非積層領域としており、
前記非積層領域を前記積層領域よりも薄く形成してなることを特徴とする電源装置。

【請求項2】

請求項１に記載する電源装置であって、
前記セパレータが、
前記断熱シートの両面に前記ゴム状弾性シートを積層してなることを特徴とする電源装置。

【請求項3】

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、
繊維シートとシリカエアロゲルからなる断熱シートと、
前記断熱シートの表面に積層してなるゴム状弾性シートを備え、
前記セパレータが、
前記ゴム状弾性シートを積層してなる積層領域と、
前記ゴム状弾性シートが積層されない非積層領域とを設けてなり、
前記セパレータが、
前記断熱シートの片面のみに前記ゴム状弾性シートを積層してなることを特徴とする電源装置。

【請求項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、
前記電池セルが角形電池セルで、
前記セパレータが、
前記断熱シートの外周部を前記積層領域として、
前記断熱シートの中央部を前記非積層領域としてなることを特徴とする電源装置。

【請求項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、
前記セパレータの前記ゴム状弾性シートが、
非発泡のゴム状弾性体、又は独立気泡の発泡体であることを特徴とする電源装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか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。

【請求項7】

請求項６に記載する電源装置であって、
前記ゴム状弾性シートの合成ゴムが、
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であることを特徴とする電源装置。

【請求項8】

請求項１ないし７のいずれかに記載する電源装置であって、
前記ゴム状弾性シートの厚さが、
０．２ｍｍ以上であって２ｍｍ以下であることを特徴とする電源装置。

【請求項9】

請求項８に記載する電源装置であって、
前記断熱シートが、
前記ゴム状弾性シートよりも厚いことを特徴とする電源装置。

【請求項10】

請求項１ないし９のいずれかに記載する電源装置であって、
前記断熱シートの厚さが０．５ｍｍ以上であって２ｍｍ以下であることを特徴とする電源装置。

【請求項11】

請求項１ないし１０のいずれかに記載する電源装置であって、
前記電池セルの間に積層されてなる全ての前記セパレータが、
前記断熱シートの表面に前記ゴム状弾性シートを積層してなることを特徴とする電源装置。

【請求項12】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多数の電池セルを積層している電源装置と、この電源装置を搭載する電動車両に関する。

【背景技術】

【0002】

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すると、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、シリカエアロゲルを使用する断熱特性のセパレータが開発されている。このセパレータは、熱伝導率が０．０２Ｗ／ｍ・Ｋと極めて低いシリカエアロゲルを繊維シートの繊維隙間に充填したもので、優れた断熱特性を実現するが、外部からの圧力でシリカエアロゲルが破壊されると断熱特性が低下する欠点がある。

【0003】

電池セルを積層している電源装置は、充放電される状態で電池セルが膨張してセパレータが強い圧力で押圧されるが、この状態は、シリカエアロゲルを破壊して断熱特性を低下させる原因となる。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、電池セルの膨張での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。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。このため、たとえば、積層面の面積を約１００平方センチとする電池セルを積層する電源装置においては、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。加圧状態の電池セルに挟まれて、断熱特性の低下を抑制する構造のセパレータが開発されている。（特許文献１参照）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－２０４７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のセパレータは、繊維シートとシリカエアロゲルを含む複合層を有し、繊維シートを折り返して積層して多層構造として、加圧されてシリカエアロゲルの破壊を防止している。この構造のセパレータは、折り返して、積層しているので、全体が厚くなる欠点があり、さらに、繊維シートの折り返し部と積層部とで内部構造が不均一となって、電池セルとの押圧面での圧力差を均一化するのが難しい欠点がある。セパレータが厚くなると、電池セルを積層している電池ブロックが長く大きくなり、電池セルの押圧面を均等に加圧して支持できないセパレータは電池セルの電極に悪影響を与える。さらに、繊維シートとシリカエアロゲルの複合層からなるセパレータは電池セルの膨張を吸収できないので、電池セルが膨張すると電池セルの圧力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は、極めて強靭な材質と構造が要求されて、電源装置が重く、大きく、材料コストが高くなる。

【0006】

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ことで、電池セルの膨張によるセパレータの断熱特性の低下を抑制し、さらに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力が作用するのを減少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】

【0007】

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。セパレータ２は、繊維シートとシリカエアロゲルからなる断熱シート５と、断熱シート５の表面に積層してなるゴム状弾性シート６とを備えている。さらに、セパレータ２は、ゴム状弾性シート６を積層してなる積層領域２Ａと、ゴム状弾性シート６が積層されない非積層領域２Ｂとを設けている。

【0008】

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。

【発明の効果】

【0009】

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て、電池セルの膨張によるセパレータの断熱特性の低下を防止すると共に、さらに電池セルが膨張してエンドプレートとバインドバーに過大な応力が作用するのを減少できる特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る電源装置の斜視図である。

【図2】図１に示す電源装置の垂直断面図である。

【図3】図１に示す電源装置の水平断面図である。

【図4】セパレータの斜視図である。

【図5】セパレータの要部拡大断面図である。

【図6】セパレータの他の一例を示す一部拡大断面図である。

【図7】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。

【図8】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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

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る。セパレータは、繊維シートとシリカエアロゲルからなる断熱シートの表面にゴム状弾性シートを積層している。さらに、セパレータは、断熱シートの全面にはゴム状弾性シートを積層することなく、ゴム状弾性シートを積層している積層領域と、ゴム状弾性シートが積層されない非積層領域とに区画している。

【0013】

以上の電源装置は、電池セルの間に積層しているセパレータが、断熱シートの表面に、加圧されると薄く変形するゴム状弾性シートを設けているので、電池セルが膨張してゴム状弾性シートを加圧するとセパレータが薄くなる。このため、電池セルが膨張して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。繊維シートとシリカエアロゲルからなる断熱シートは、微細な無機粒のシリカエアロゲルの極めて低い熱伝導率によって、優れた断熱特性を示すが、無機流体のシリカエアロゲルを繊維隙間に充填しているので加圧されても厚さは変形しない。この断熱シートが電池セルの強い圧力で加圧されて圧縮応力が強くなると、無機粒のシリカエアロゲルは破壊されて断熱特性が低下する。シリカエアロゲルは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の骨格と、９０％～９８％の空気で構成された微粒子で、強い圧縮応力が作用すると破壊されて熱伝導率が低下する。断熱シートの表面に積層しているゴム状弾性シートは、電池セルの圧力で薄く変形するので、電池セルが膨張して増加するシリカエアロゲルの圧縮応力を減少する。このため、膨張する電池セルが断熱シートを加圧してシリカエアロゲルを破壊するのを抑制して、断熱シートの優れた断熱特性を維持する。電池セルが膨張する状態においても、優れた断熱特性を維持するセパレータは、長期間にわたって隣接する電池セルを優れた断熱状態に保持して、電池セルの熱暴走が隣に誘発されるのを防止して、電源装置の安全性を長期間にわたって保障する。

【0014】

さらに、以上の電源装置は、電池セルが膨張する状態においては、断熱シートに積層しているゴム状弾性シートが薄く変形して、断熱シートの内部応力を減少させるので、断熱シート自体を圧力で変形する特別な構造とする必要がない。このため、圧力で押し潰されない断熱シートを使用しながら、シリカエアロゲルの破壊による断熱特性の低下を抑制できる。

【0015】

さらに、以上の特徴に加えて、以上の電源装置は、セパレータに設けているゴム状弾性シートが、電池セルの膨張によって薄くなるので、電池セルが膨張して圧力が上昇するのを抑制できる。したがって、電池セルが膨張して、エンドプレートやバインドバーの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、電池セルの膨張でゴム状弾性シートが薄く変形するので、電池セルが膨張して相対位置がずれるのも抑制できる。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。ゴム状弾性シートが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。

【0016】

さらにまた、以上の電源装置は、セパレータの全面にゴム状弾性シートを積層することなく、積層領域にのみゴム状弾性シートが積層されて、非積層領域にはゴム状弾性シートが積層されない。この構造は、ゴム状弾性シートが電池セル表面の全面に密着しないので、電池セルが非積層領域に膨張して、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、積層領域と非積層領域の両方の押圧力の加算値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、非積層領域で圧力を減少できる電源装置は、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体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。

【0017】

さらに、以上の電源装置は、セパレータに非積層領域を設けることで、電池セル膨張時のエンドプレートとバインドバーの最大応力を減少できることに加えて、積層領域と非積層領域との境界部における電池セルの圧力変化を緩和する。電池セルが膨張して、電池セルの損傷を阻止することは、電源装置において高い安全性を確保することから極めて大切な特性である。積層領域と非積層領域を設けたセパレータは、積層領域と非積層領域との境界部で厚さに段差ができる。このセパレータは、積層領域で電池セル表面を強く加圧し、非積層領域では圧力が低下して、積層領域と非積層領域との境界部分で圧力が急変する。この状態は、電池内部の電極に機械的負荷を与える。電池の電極は、局部的な機械的負荷で正負の電極が局部的に損傷して、内部ショートの原因となる。電池の内部ショートは、過大なショート電流を流して熱暴走の原因となり、さらに電池セルが熱暴走すると、過大な熱エネルギーが発生して安全性を阻害する。

【0018】

以上の電源装置は、図５の拡大断面図に示すように、電池セル１が膨張して積層領域２Ａの圧力が高くなると、ここに積層しているゴム状弾性シート６が薄く圧縮されて、積層領域２Ａから非積層領域２Ｂに向かって移動する。ゴム状弾性シート６は、圧縮されてほとんど体積が変化しない非圧縮性があるので、積層領域２Ａのゴム状弾性シート６が薄く圧縮されると、積層領域２Ａからはみ出して非積層領域２Ｂに向かって移動する。非積層領域に移動するゴム状弾性シートは積層領域と非積層領域との境界部分における圧力の変化を緩和する。電池セルが膨張して、積層領域と非積層領域との境界部で電池セル表面の圧力変化を緩和できる電源装置は、電池セルの電極の機械的負荷を減少して電極の損傷を防止し、電極が損傷されて発生する電池の熱暴走を防止して安全性を著しく向上できる特徴を実現する。

【0019】

本発明の第２の実施形態の電源装置は、電池セルを角形電池セルとして、セパレータは、断熱シートの外周部を積層領域として、断熱シートの中央部を非積層領域としている。この電源装置は、電池セルを角形電池セルとして、電池セルの圧力を非積層領域で減少でき、また電池セルがセパレータを加圧して、外周部と内側との境界部において電極に機械的負荷を与えるのを減少できる。また、角形電池セルの中央部に非積層領域を設けて、この部分での圧力を低くして、エンドプレートとバスバーに作用する応力を小さくできる。

【0020】

本発明の第３の実施形態の電源装置は、断熱シートの両面にゴム状弾性シートを積層して、セパレータの両面で電池セルの膨張を吸収し、断熱シートの表面には薄いゴム状弾性シートを積層して、電池セル両面の圧力を均等化して、高い安全性を実現することができる。

【0021】

本発明の第４の実施形態の電源装置は、セパレータを、断熱シートの片面のみにゴム状弾性シートを積層する構造としている。この電源装置は、セパレータを薄くして、製造コストを低減しながら、セパレータの両面に積層される電池セルの膨張を、断熱シートの片面に積層したゴム状弾性シートで吸収できる。

【0022】

本発明の第５の実施形態の電源装置は、セパレータのゴム状弾性シートを、非発泡のゴム状弾性体、又は独立気泡の発泡体とすることができる。この電源装置は、ゴム状弾性シートを非発泡のゴム状弾性体、または独立気泡の発泡体とするので、圧縮されてほとんど体積が変化しない非圧縮性に優れるので、電池セル膨張時に圧縮されて、積層領域から非積層領域に効率よく移動して、積層領域と非積層領域との圧力変化をより効果的に緩和し、電池セル電極の機械的負荷に起因する熱暴走を防止して安全性をさらに高くできる特徴がある。

【0023】

本発明の第６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。さらに、本発明の第７の実施形態の電源装置は、合成ゴムを、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としている。
ゴム状弾性シートのエチレン酢酸ビニル共重合体ゴムは耐熱温度を２００℃に、アクリルゴムは耐熱温度を１８０℃に、フッ素ゴムは耐熱温度を３００℃に、シリコーンゴムは耐熱温度を２８０℃と高くできる。

【0024】

本発明の第８の実施形態の電源装置は、ゴム状弾性シートの厚さを、０．２ｍｍ以上であって２ｍｍ以下としている。さらに、本発明の第９の実施形態の電源装置は、断熱シートをゴム状弾性シートよりも厚くしている。この電源装置は、厚い断熱シートでセパレータの断熱特性を向上して、電池セルの熱暴走の誘発を効果的に抑制できる。

【0025】

本発明の第１０の実施形態の電源装置は、断熱シートの厚さを０．５ｍｍ以上であって２ｍｍ以下としている。

【0026】

本発明の第１１の実施形態の電源装置は、電池セルの間に積層している全てのセパレータを、断熱シートの表面にゴム状弾性シートを積層している。以上の電源装置は、全てのセパレータが断熱シートの表面にゴム状弾性シートを積層しているので、全ての電池セルの圧力を均等化できる。

【0027】

（実施の形態１）
以下、さらに具体的な電源装置と電動車両を詳述する。
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。

【0028】

（電池ブロック１０）
電池ブロック１０の電池セル１は、外形を四角形とする角形電池セルで、上面の両端部に正負一対の電極端子１２を上方向に突出して設けている。電極端子１２間には安全弁（図示せず）を設けている。安全弁は、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。安全弁は、電池セル１の内圧上昇を防止する。

【0029】

（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。

【0030】

（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。

【0031】

（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、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し、さらに、電池セル１の膨張を吸収する。電池ブロック１０は、隣接する電池セル１の電極端子１２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で絶縁して積層する。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。

【0032】

セパレータ２は、図４に示すように、断熱シート５の表面にゴム状弾性シート６を積層している。断熱シート５は、繊維シートとシリカエアロゲルからなる。断熱シート５は、繊維の隙間に熱伝導率の極めて小さいシリカエアロゲルを充填している。ゴム状弾性シート６は加圧されて薄く弾性変形するシートである。ゴム状弾性シート６は、加圧力で厚さが弾性的に変化して、電池セル１の膨張と収縮を吸収して、断熱シート５の劣化を防止する。シリカエアロゲルの断熱シート５は、脆弱なシリカエアロゲルが圧縮されて破壊されると断熱特性が低下する。ゴム状弾性シート６は、電池セル１の膨張時におけるシリカエアロゲルの圧縮応力を減少して破壊を防止し、長期間にわたって断熱シート５の優れた断熱特性を保障して、電池セル１の熱暴走と熱暴走の誘発を防止する。

【0033】

（断熱シート５）
断熱シート５は、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る。この断熱シート５は、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。

【0034】

断熱シート５の繊維シートは、好ましくは繊維径を０．１～３０μｍとする。繊維シートの繊維径を３０μｍより細くし、繊維による熱伝導を小さくして、断熱シート５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。

【0035】

繊維シートとシリカエアロゲルからなる断熱シート５は、薄くて優れた断熱特性を示す。この断熱シート５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、断熱シート５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、断熱シート５の厚さを０．５ｍｍ～２ｍｍ、最適には約１ｍｍ～１．５ｍｍとする。ただし、本発明は弾性シートの厚さを以上の範囲に特定するものでなく、断熱シート５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１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。

【0036】

（ゴム状弾性シート６）
セパレータ２は、図４に示すように、断熱シート５の表面にゴム状弾性シート６を積層している。厚いセパレータ２は、各々の電池セル１の間に積層されて電池ブロック１０を大きくする。電池ブロック１０は小形化が要求されるので、セパレータ２はできる限り薄くして断熱特性が要求される。電源装置１００において、容積に対して充電容量を大きくすることが要求されるからである。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には、ゴム状弾性シート６と断熱シート５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、ゴム状弾性シート６は、たとえば０．２ｍｍ以上であって２ｍｍ以下、さらに好ましくは０．３ｍｍ～１ｍｍ以下として、電池セル１の膨張による圧縮応力の増加を抑制する。さらに、ゴム状弾性シート６は、好ましくは断熱シート５よりも薄くしながら、電池セル１の膨張時の圧縮応力を低下させる。

【0037】

ゴム状弾性シート６は、非発泡のゴム状弾性体、又は独立気泡の発泡ゴムである。このゴム状弾性シート６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。ゴム状弾性シート６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。ゴム状弾性シート６を発泡ウレタンゴムで構成する場合、発泡ウレタンゴムの物性は、密度が１５０～７５０ｋｇ／ｍ^３、厚みが０．５～６．０ｍｍ、圧縮永久ひずみが２０％以下であることが好ましい。なお、ここでいう圧縮永久ひずみは、以下の方法によって求めることができる。測定対象の発泡ウレタンゴムを環境温度１００℃で、５０％圧縮させる。圧縮させた状態を２２時間維持する。その後、圧縮状態を開放して、発泡ウレタンゴムの厚さを測定する。試験前後の厚さを比較することで、圧縮永久ひずみを求める。

【0038】

セパレータ２は、図４と図５に示すように、断熱シート５の全面にはゴム状弾性シート６を積層していない。セパレータ２は、積層領域２Ａと非積層領域２Ｂとに区画して、積層領域２Ａにのみゴム状弾性シート６を積層して、非積層領域２Ｂにはゴム状弾性シート６を積層していない。図１～図３に示す電源装置１００は、電池セル１を角形電池セルとして、セパレータ２は、図４に示すように、断熱シート５の外周部を積層領域２Ａとして、断熱シート５の中央部を非積層領域２Ｂとしている。この構造のセパレータ２は、角形電池セル１の中央部の膨張を非積層領域２Ｂで吸収する。セパレータ２は、角形電池セルの中央部を広い面積で非積層領域２Ｂとして、電池セル１の膨張を効率よく吸収できる。角形電池セルの外周部の積層領域２Ａに設けたゴム状弾性シート６は、図５の拡大断面図に示すように、膨張した電池セル１に加圧されて薄く圧縮される。圧縮されたゴム状弾性シート６は、ゴムの非圧縮性によって、積層領域２Ａから押し出されて非積層領域２Ｂに移動する。非積層領域２Ｂに移動されたゴム状弾性シート６は、非積層領域２Ｂの内部に移動するに従って薄くなって、積層領域２Ａと非積層領域２Ｂとの境界部分における圧力変化を緩和する。非積層領域２Ｂに移動して次第に薄くなるゴム状弾性シート６は、電池セル１の表面の形状が階段状に変化するのも緩和する。積層領域２Ａと非積層領域２Ｂとの境界部で電池セル１の表面の形状と圧力の変化を緩和して、電極の機械的負荷を減少し、機械的負荷による電極の損傷を防止して、電池の熱暴走を防止して安全性を向上する。なお、図５に示すセパレータ２は、断熱シート５の両面に積層されるゴム状弾性シート６が同一の形状となっているが、必ずしも同じ形状である必要はなく、セル特性・反力特性に応じて相互に異なる形状としてもよい。

【0039】

以上の電源装置１００は、好ましくは全てのセパレータ２を、断熱シート５の両面にゴム状弾性シート６を積層する構造とするが、必ずしも全てのセパレータ２を、断熱シート５の両面にゴム状弾性シート６を積層する構造とする必要はない。セパレータ２は、図６に示すように、断熱シート５の片面にゴム状弾性シート６を積層することができる。また、電源装置は、全てのセパレータを断熱シートとゴム状弾性シートの積層構造とする必要はなく、断熱シートのみのセパレータと、断熱シートとゴム状弾性シートの積層構造のセパレータとを混在して設けることもできる。

【0040】

ゴム状弾性シート６と断熱シート５は、接着層や粘着層を介して接合して定位置に積層される。なお、ゴム状弾性シート６と断熱シート５は、二色成型などの工法により、一体成型される構成であってもよく、必ずしも、接着層や粘着層を介して接合される必要はない。セパレータ２と電池セル１も接着剤や粘着層を介して接合されて定位置に配置される。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。

【0041】

以上の電源装置１００は、電池セル１を充電容量を６Ａｈ～１０Ａｈとする角形電池セルとし、セパレータ２の断熱シート５を、繊維シートにシリカエアロゲルを充填している厚さが１ｍｍである「パナソニック製のＮＡＳＢＩＳ（登録商標）」とし、断熱シート５の両面に積層しているゴム状弾性シート６を厚さが０．５ｍｍのウレタンゴムシートとして、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。

【0042】

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。

【0043】

（ハイブリッド車用電源装置）
図７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７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。

【0044】

（電気自動車用電源装置）
また、図８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。

【0045】

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。

【0046】

さらに、電源装置は、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。

【0047】

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。

【産業上の利用可能性】

【0048】

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。

【符号の説明】

【0049】

１００…電源装置、１…電池セル、２…セパレータ、２Ａ…積層領域、２Ｂ…非積層領域、３…エンドプレート、４…バインドバー、５…断熱シート、６…ゴム状弾性シート、１０…電池ブロック、１２…電極端子、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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】