电源装置和电动车辆的制作方法

1.本发明涉及一种层叠多个单体电池而成的电源装置以及搭载该电源装置的电动车辆。


背景技术：

2.层叠多个单体电池而成的电源装置适合于向搭载于电动车辆来使车辆行驶的马达供给电力的电源、太阳能电池等使用自然能量、深夜电力来充电的电源以及停电的备用电源。该构造的电源装置是在层叠的单体电池之间夹着隔板而形成的。隔板用于隔绝单体电池之间的热传导，来抑制单体电池的热失控的诱发。由于正极与负极在内部短路从而发生的内部短路、处理不当等发生单体电池的热失控。当单体电池热失控时会产生大量的热，因此若隔板的隔热性不足，则在相邻的单体电池诱发热失控。若诱发了单体电池的热失控，则电源装置整体释放出极大的热能量从而妨碍作为装置而言的安全性。为了防止该不良影响，开发了一种使用硅气凝胶的具有隔热特性的隔板。该隔板是将具有0.02w/m
·
k的极低的热导率的硅气凝胶充填于纤维片的间隙而成的，从而实现优异的隔热特性，但是存在以下缺点：若在来自外部的压力下硅气凝胶被破坏，则隔热特性降低。
3.层叠单体电池而成的电源装置在被充放电的状态下，单体电池膨胀，隔板被以强压力推压，这种状态成为破坏硅气凝胶从而使隔热特性降低的原因。在将多个单体电池以夹着隔板的方式层叠而成的电源装置中，为了阻止由于单体电池膨胀引起的位置偏移，将层叠的单体电池固定为加压状态。为了实现这点，电源装置在层叠多个单体电池而成的电池模块的两个端面配置一对端板，并通过绑带将一对端板连结。绑带和端板以相当强的压力将单体电池保持为加压状态，从而防止由单体电池的相对移动、振动导致的误动作。因此，例如，在层叠将层叠面的面积设为约100平方厘米的单体电池而成的电源装置中，以数顿的强力推压端板并通过绑带将其固定。开发了一种夹在加压状态的单体电池之间来抑制隔热特性降低的构造的隔板(参照专利文献1)。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2018
‑
204708号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的问题
8.专利文献1的隔板具有包括纤维片和硅气凝胶的复合层，将纤维片以折回方式进行层叠而设为多层构造，来防止被加压而导致硅气凝胶破坏。这种构造的隔板由于以折回的方式进行层叠，因此具有整体变厚的缺点，并且具有以下缺点：内部构造在纤维片的折回部与层叠部不均匀，从而难以使与单体电池之间的推压面上的压力差均匀。当隔板变厚时，层叠单体电池而成的电池模块变长、变大，无法对单体电池的推压面均等地进行加压和支承的隔板给单体电池的电极带来不良影响。并且，由纤维片与硅气凝胶的复合层构成的隔
板无法吸收单体电池的膨胀，因此当单体电池膨胀时，单体电池的压力急剧升高，对端板、绑带作用极强的力。因此，端板和绑带被要求极强韧的材质及构造，导致电源装置变重、变大，材料成本升高。
9.本发明是以消除以上缺点为目的而开发的，因此本发明的目的之一在于提供如下一种技术：能够通过由隔板吸收单体电池的膨胀，来抑制由于单体电池的膨胀而导致的隔板的隔热特性降低，并且能够使单体电池的推压面的压力均等化，来还抑制单体电池膨胀而过大的力作用于端板、绑带。
10.用于解决问题的方案
11.本发明的某个方式所涉及的电源装置具备：电池模块10，其是将多个单体电池1以夹着隔板2的方式沿厚度方向层叠而成的；配置于电池模块10的两个端面的一对端板3；以及绑带4，其连结于一对端板3，借助端板3将电池模块10固定为加压状态。隔板2具备：由纤维片和硅气凝胶构成的隔热片5；以及层叠于隔热片5的表面的橡胶状弹性片6。
12.本发明的某个方式所涉及的电动车辆具备：上述电源装置100；被电源装置100供给电力的行使用的马达93；车辆主体91，其搭载电源装置100和马达93；以及车轮97，其通过马达93而被驱动，来使车辆主体91行驶。
13.发明的效果
14.以上的电源装置具有以下特征：能够由隔板吸收单体电池的膨胀，来抑制由于单体电池的膨胀而导致的隔板的隔热特性降低，并且能够使单体电池的推压面的压力均等化，来还抑制单体电池膨胀而过大的应力作用于端板和绑带。
附图说明
15.图1是本发明的一个实施方式所涉及的电源装置的立体图。
16.图2是图1所示的电源装置的垂直截面图。
17.图3是图1所示的电源装置的水平截面图。
18.图4是隔板的主要部分放大截面图。
19.图5是示出隔板的另一例的局部放大截面图。
20.图6是示出将电源装置搭载于通过发动机和马达行驶的混合动力车辆中的例子的框图。
21.图7是示出将电源装置搭载于仅通过马达行驶的电动汽车中的例子的框图。
具体实施方式
22.下面，基于附图来详细说明本发明。此外，在下面的说明中，根据需要而使用了表示特定的方向、位置的用语(例如“上”、“下”以及包括这些用语的其它用语)，但是这些用语的使用是为了易于参照附图理解发明，本发明的技术范围不受这些用语的含义的限制。另外，多个附图中示出的相同符号的部分表示相同或等同的部分或构件。
23.并且，下面示出的实施方式用于示出本发明的技术思想的具体例，并不是将本发明限定于以下内容。另外，只要没有特定的记载，则下面记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等并不意味着将本发明的范围仅限定于此，其意图在于进行例示。另外，在一个实施方式、实施例中说明的内容还能够适用于其它实施方式、实施例。另外，为了使说明
明确，附图所示的构件的大小、位置关系等有时被夸张地示出。
24.本发明的第一实施方式的电源装置具备：电池模块，其是将多个单体电池以夹着隔板的方式沿厚度方向层叠而成的；配置于电池模块的两个端面的一对端板；以及绑带，其连结于一对端板，借助端板将电池模块固定为加压状态。隔板是在由纤维片和硅气凝胶构成的隔热片的表面层叠橡胶状弹性片而成的。
25.关于以上的电源装置，在单体电池之间的隔板设置有会因单体电池的膨胀而变形的橡胶状弹性片，因此当单体电池膨胀时，橡胶状弹性片被加压从而变薄。因此，能够抑制单体电池膨胀而单体电池与隔板之间的面压力变高。由纤维片和硅气凝胶构成的隔热片示出极优异的隔热特性，但是若硅气凝胶由于强的压缩应力而被破坏，则隔热特性降低。橡胶状弹性片在面压力下变薄从而能够抑制隔板的面压力上升的构造防止由于单体电池膨胀而导致的硅气凝胶的破坏，从而维持隔板的优异的隔热特性。维持优异的隔热特性的隔板长期间防止在相邻的单体电池之间诱发热失控，从而长期间保障电源装置的安全性。
26.并且，以上的电源装置在隔热片的表面层叠当被加压时以变薄的方式发生弹性变形的橡胶状弹性片，来抑制面压力的上升。这使得不需要设为使隔热片为复杂的构造来抑制面压力的上升的特殊构造，而是当压力增强时，橡胶状弹性片以变薄的方式发生变形来消除面压力的局部失衡，从而抑制单体电池与隔板之间的面压力局部地失衡。能够减少面压力的失衡具有如下效果：能够防止将正极、负极以及绝缘层层叠多层而成的电池的内部短路，从而提高安全性。
27.并且，以上的电源装置通过隔板的橡胶状弹性片来抑制由于单体电池的膨胀而导致的面压力上升，因此能够防止单体电池膨胀而过大的应力作用于端板、绑带。能够减少最大应力的端板和绑带能够变薄并轻量化。另外，由单体电池之间的隔板吸收单体电池的膨胀的电源装置还能够抑制单体电池膨胀而相对位置发生偏移。这使得还能够防止单体电池的电连接部的不良影响。这是因为，在被层叠的单体电池中，以将金属板的母线固定于电极端子的方式进行电连接，但是当单体电池发生相对位置偏移时，对母线和电极端子作用不合理的应力而成为故障的原因。
28.关于本发明的第二实施方式的电源装置，将隔板设为在隔热片的两面层叠橡胶状弹性片而成的构造。该电源装置能够由隔板的两面吸收单体电池的膨胀，因此具有能够在隔热片的表面层叠薄的橡胶状弹性片、并且均等地吸收单体电池的两个面的膨胀的特征。
29.关于本发明的第三实施方式的电源装置，将隔板设为仅在隔热片的单面层叠橡胶状弹性片而成的构造。该电源装置能够使隔板薄，从而降低制造成本，并且能够通过层叠于隔热片的单面的橡胶状弹性片来吸收层叠于隔板的两面的单体电池的膨胀。
30.关于本发明的第四实施方式的电源装置，将橡胶状弹性片设为合成橡胶片。并且，关于本发明的第五实施方式的电源装置，将橡胶状弹性片的合成橡胶设为异戊二烯橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、丁二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯橡胶、乙丙橡胶、苯乙烯乙酸乙烯酯共聚物橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸橡胶、氟橡胶、表氯醇橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、热可塑性烯烃橡胶、三元乙丙橡胶、丁基橡胶以及聚醚橡胶中的任一种。
31.橡胶状弹性片的苯乙烯乙酸乙烯酯共聚物橡胶能够将耐热温度提高至200℃，丙烯酸橡胶能够将耐热温度提高至180℃，氟橡胶能够将耐热温度提高至300℃，硅橡胶能够将耐热温度提高至280℃。
32.关于本发明的第六实施方式的电源装置，将橡胶状弹性片的厚度设为0.2mm以上且2mm以下。
33.关于本发明的第七实施方式的电源装置，使隔热片比橡胶状弹性片厚，从而提高隔板的隔热特性，有效地抑制单体电池的热失控的诱发。
34.关于本发明的第八实施方式的电源装置，将隔热片设为0.5mm以上且2mm以下。
35.关于本发明的第九实施方式的电源装置，将层叠于单体电池之间的隔板全部设为在隔热片的表面层叠橡胶状弹性片而成的构造。关于该电源装置，隔板全部是在隔热片的表面层叠橡胶状弹性片而成的，因此具有以下特征：能够通过橡胶状弹性片均等地吸收全部单体电池的膨胀，来有效地抑制单体电池与隔板之间的面压力上升。
36.(实施方式1)
37.图1的立体图、图2的垂直截面图以及图3的水平截面图所示的电源装置100具备：电池模块10，其是将多个单体电池1以夹着隔板2的方式沿厚度方向层叠而成的；配置于电池模块10的两个端面的一对端板3；绑带4，其将一对端板3连结，借助端板3将电池模块10固定为加压状态。
38.(电池模块10)
39.电池模块10的单体电池1是外形为四边形的角形单体电池，在上表面的两端部以向上方向突出的方式设置正负的一对电极端子12。在电极端子12之间设置有安全阀(未图示)。安全阀在单体电池1的内压上升至规定值以上时打开，来释放出内部的气体。安全阀防止单体电池1的内压上升。
40.(单体电池1)
41.单体电池1是锂离子二次电池。将单体电池1设为锂离子二次电池的电源装置100具有能够使与容量及重量相对应的充电容量大的特长。但是，还能够将单体电池1设为锂离子二次电池以外的非水电解液二次电池等其它能够充电的所有电池。
42.(端板3、绑带4)
43.端板3是被电池模块10推压也不变形的、具有与单体电池1的外形几乎相同的外形的金属板，在端板3的两侧缘连结有绑带4。绑带4在加压状态下连结层叠有端板3的单体电池1，以规定的压力将电池模块10固定为加压状态。
44.(隔板2)
45.隔板2被夹在层叠的单体电池1之间，使相邻的单体电池1绝缘，并且阻断电池之间的热传导，并且吸收单体电池1的膨胀。电池模块10是在相邻的单体电池1的电极端子12固定母线(未图示)来将单体电池1串联或并联连接而成的。关于串联连接的单体电池1，由于在电池盒产生电位差，因此以使用隔板2进行绝缘的方式进行层叠。关于并联连接的单体电池1，在电池盒不产生电位差，但是为了防止热失控的诱发而以使用隔板2进行隔热的方式进行层叠。
46.如图4的放大截面图所示，隔板2是在隔热片5的表面层叠橡胶状弹性片6而成的。隔热片5由纤维片和极小的硅气凝胶构成。橡胶状弹性片6是被加压从而以变薄的方式发生弹性变形的片。橡胶状弹性片6在加压力下其厚度弹性地变化来吸收单体电池1的膨胀和收缩，以防止隔热片5的劣化。关于硅气凝胶的隔热片5，若脆弱的硅气凝胶被压缩从而被破坏，则隔热特性降低。橡胶状弹性片6降低单体电池1膨胀时的硅气凝胶的压缩应力来防止
其被破坏，使隔热片5长期间维持优异的隔热特性，防止单体电池1之间的热失控的诱发。
47.(隔热片5)
48.隔热片5由纤维片和硅气凝胶构成，该隔热片5是在纤维片的纤维间隙充填具有纳米尺寸的多孔质构造的硅气凝胶而成的。该隔热片5是将硅气凝胶的凝胶原料浸渍于纤维来制造的。通过以下方式制造：在将硅气凝胶浸渍于纤维片之后，层叠纤维，使凝胶原料发生反应来形成湿凝胶，进一步将湿凝胶表面疏水化后进行热风干燥。纤维片的纤维是聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。但是，纤维片的纤维还能够使用实施过阻燃处理的酸化丙烯酸纤维、玻璃棉等无机纤维。
49.优选将隔热片5的纤维片的纤维径设为0.1μm～30μm。使纤维片的纤维径比30μm细，从而使由纤维造成的热传导减小，能够提高隔热片5的隔热特性。硅气凝胶是由二氧化硅(sio2)的骨架和90％～98％的空气构成的微粒子，是2nm～20nm的球状体耦合而得到的簇构造，在由簇形成的骨架之间具有100nm以下的细小孔，从而形成了三维的细小的多孔性构造。
50.由纤维片和硅气凝胶构成的隔热片5薄且示出优异的隔热特性。考虑单体电池1热失控而发热产生的能量，来将该隔热片5设定为能够阻止单体电池1的热失控的诱发的厚度。当单体电池1的充电容量增大时，单体电池1热失控而发热产生的能量增大。因而，考虑单体电池1的充电容量，来将隔热片5的厚度设定为最佳值。例如，在将充电容量被设为5ah～20ah的锂离子二次电池作为单体电池1的电源装置中，将隔热片5的厚度设为0.5mm～2mm，最佳的是设为约1mm～1.5mm。但是，在本实施方式的电源装置中，不将隔热片5的厚度特定于以上范围，而是考虑由纤维片和硅气凝胶带来的热失控的隔热特性以及为了防止单体电池1的热失控的诱发而要求的隔热特性，来将隔热片5的厚度设定为最佳值。
51.(橡胶状弹性片6)
52.如图4所示，隔板2是在隔热片5的两面层叠橡胶状弹性片6而成的。橡胶状弹性片6能够调整硬度来将因单体电池1的加压而导致的变形量设定为最佳值。关于橡胶状弹性片6的硬度，考虑单体电池1的压力来设定为最佳值，但是优选设为10度以上且80度以下，更优选设为10度以上且70度以下。若橡胶状弹性片6的硬度过低，则导致隔板2被单体电池1压薄并压碎。因而，考虑单体电池1对隔板2加压的压力来将橡胶状弹性片6的硬度设定为最佳值。
53.橡胶状弹性片6是具有在加压的压力下发生变形的弹性的片，使其厚度弹性地变形来均等地吸收单体电池1的膨胀。橡胶状弹性片6例如能够设为硅橡胶、聚氨酯橡胶等合成橡胶片。并且，橡胶状弹性片6的合成橡胶能够设为异戊二烯橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、丁二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、丁腈橡胶、聚异丁烯橡胶、乙丙橡胶、苯乙烯乙酸乙烯酯共聚物橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸橡胶、氟橡胶、表氯醇橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、热可塑性烯烃橡胶、三元乙丙橡胶、丁基橡胶以及聚醚橡胶中的任一种。另外，在由聚氨酯橡胶构成橡胶状弹性片6的情况下，特别优选的是使用热可塑性聚氨酯橡胶、发泡聚氨酯橡胶。在由发泡聚氨酯橡胶构成橡胶状弹性片6的情况下，发泡聚氨酯橡胶的物理性质优选的是：密度为150kg/m3～750kg/m3，厚度为0.5mm～6.0mm，压缩永久变形为20％以下。此外，此处提到的压缩永久变形能够通过以下方法求出。使作为测定对象的发泡聚氨酯橡胶在100℃的环境温度下压缩50％。使压缩的状态维持22小时。之后，释放压缩状态，测定发泡聚氨酯橡胶的厚
度。通过比较试验前后的厚度，来求出压缩永久变形。
54.由于隔板2层叠于各个单体电池1之间，因此厚的隔板2使电池模块10变大。由于要使电池模块10小型化，因此要求隔板2尽可能薄。在电源装置中，与容积相对应的充电容量是极重要的特性。关于电源装置100，为了使电池模块10小型化并使充电容量增大，要求隔板2具有使橡胶状弹性片6和隔热片5薄并且阻止单体电池1的热失控的诱发的特性。将橡胶状弹性片6设为例如0.2mm以上且2mm以下，更优选设为0.3mm～1mm以下，来抑制由于单体电池1的膨胀而导致的压缩应力的增加。并且，橡胶状弹性片6优选比隔热片5薄，来降低单体电池1膨胀时的硅气凝胶的压缩应力。
55.关于以上的电源装置100，优选将隔板2全部设为在隔热片5的两面层叠橡胶状弹性片6而成的构造，但是未必必需将隔板2全部设为在隔热片5的两面层叠橡胶状弹性片6而成的构造。隔板2能够如图5所示那样在隔热片5的单面层叠橡胶状弹性片6。另外，电源装置不需要将隔板全部设为隔热片与橡胶状弹性片层叠的构造，还能够设为仅包括隔热片的隔板、以及形成为隔热片与橡胶状弹性片层叠的构造的隔板同时存在。
56.橡胶状弹性片6和隔热片5借助粘接层、粘合层接合并层叠于固定位置。此外，橡胶状弹性片6和隔热片5也可以是通过双色成型等加工方法来一体成型的结构，未必必需借助粘接层、粘合层来接合。隔板2和单体电池1也借助粘接剂、粘合层接合并配置于固定位置。但是，隔板2还能够配置于电池保持件(未图示)的固定位置，该电池保持件用于通过嵌合构造将单体电池1配置在固定位置。
57.在以上的电源装置100中，将单体电池1设为充电容量被设为6ah～10ah的角形单体电池，将隔板2的隔热片5设为由纤维片和硅气凝胶构成的厚度为1mm的“松下制的nasbis(注册商标)”，将层叠于隔热片5的两面的橡胶状弹性片6设为厚度为0.5mm的聚氨酯橡胶片，能够强制性地使特定的单体电池1热失控，防止对相邻的单体电池1诱发热失控。
58.以上的电源装置能够被用作向用于使电动车辆行驶的马达供给电力的车辆用的电源。作为搭载电源装置的电动车辆，能够利用通过发动机和马达这双方行驶的混合动力汽车、插入式混合动力汽车、或者仅通过马达行驶的电动汽车等电动车辆，电源装置被用作这些车辆的电源。此外，设为以下例子进行说明：构筑了将多个上述的电源装置串联、并联连接并且附加有必要的控制电路而得到的大容量、高输出的电源装置100，以获得用于驱动车辆的电力。
59.(混合动力车用电源装置)
60.图6示出将电源装置搭载于通过发动机和马达这双方行驶的混合动力汽车中的例子。该图所示的搭载了电源装置的车辆hv具备车辆主体91、用于使该车辆主体91行驶的发动机96和行驶用的马达93、通过这些发动机96和行驶用的马达93而被驱动的车轮97、用于向马达93供给电力的电源装置100、以及用于对电源装置100的电池进行充电的发电机94。电源装置100经由dc/ac逆变器95来与马达93及发电机94连接。车辆hv一边针对电源装置100的电池进行充放电，一边通过马达93和发动机96这双方来行驶。马达93在发动机效率低的区域、例如在加速时、低速行驶时被驱动来使车辆行驶。马达93被电源装置100供给电力从而进行驱动。发电机94通过发动机96而被驱动，或者通过对车辆踩踏制动器时的再生制动而被驱动，对电源装置100的电池进行充电。此外，如图6所示，车辆hv也可以具备用于对电源装置100进行充电的充电插头98。通过将该充电插头98与外部电源连接，能够对电源装
置100进行充电。
61.(电动汽车用电源装置)
62.另外，图7示出将电源装置搭载于仅通过马达行驶的电动汽车中的例子。该图所示的搭载了电源装置的车辆ev具备车辆主体91、用于使该车辆主体91行驶的行驶用的马达93、通过该马达93而被驱动的车轮97、用于向该马达93供给电力的电源装置100、以及用于对该电源装置100的电池进行充电的发电机94。电源装置100经由dc/ac逆变器95来与马达93及发电机94连接。马达93被电源装置100供给电力从而进行驱动。发电机94通过使车辆ev再生制动时的能量而被驱动，对电源装置100的电池进行充电。另外，车辆ev具备充电插头98，能够将该充电插头98与外部电源连接来对电源装置100进行充电。
63.并且，本发明不将电源装置的用途特定于用于使车辆行驶的马达的电源。实施方式所涉及的电源装置还能够被用作利用通过太阳能发电、风力发电等进行发电而产生的电力对电池进行充电并蓄电的蓄电装置的电源。
64.并且，电源装置还能够被用作利用夜间的深夜电力来对电池进行充电并蓄电的蓄电装置的电源。通过深夜电力进行充电的电源装置使用是发电所的剩余电力的深夜电力来充电，在电力负荷增大的白天输出电力，能够将白天的峰值电力限制得小。并且，电源装置还能够被用作利用太阳能电池的输出和深夜电力双方来进行充电的电源。该电源装置能够高效地利用由太阳能电池发电产生的电力和深夜电力双方，一边考虑天气、功耗一边高效地蓄电。
65.以上这样的蓄电装置能够被适当地利用于能够搭载于计算机服务器的支架的备用电源装置、移动电话等的无线基站用的备用电源装置、家庭内或工厂用的蓄电用电源、路灯的电源等与太阳能电池组合的蓄电装置、信号灯、道路用的交通显示器等的备用电源等用途。
66.产业上的可利用性
67.本发明所涉及的电源装置能够被适当地用作用于驱动混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车、电动摩托车等电动车辆的马达的电源等所使用的大电流用的电源。例如列举能够在ev行驶模式与hev行驶模式之间切换的插入式混合动力电动汽车、混合动力式电动汽车、电动汽车等的电源装置。另外，还能够被适当地利用于能够搭载于计算机服务器的支架的备用电源装置、移动电话等的无线基站用的备用电源装置、家庭内、工厂用的蓄电用电源、路灯的电源等与太阳能电池组合的蓄电装置、信号灯等的备用电源等用途。
68.附图标记说明
69.100：电源装置；1：单体电池；2：隔板；3：端板；4：绑带；5：隔热片；6：橡胶状弹性片；10：电池模块；12：电极端子；91：车辆主体；93：马达；94：发电机；95：dc/ac逆变器；96：发动机；97：车轮；98：充电插头；hv、ev：车辆。