电源装置和具有该电源装置的电动车辆以及蓄电装置的制作方法

1.本发明涉及层叠多个电池单体而成的电源装置和具有该电源装置的电动车辆以及蓄电装置。


背景技术：

2.层叠多个电池单体而成的电源装置适合于向搭载于电动车辆而使车辆行驶的电动机供给电力的电源、利用太阳能电池等的自然能源、深夜电力进行充电的电源、停电时的备用电源。该构造的电源装置在层叠的电池单体之间夹着隔板。在隔着隔板层叠多个电池单体而成的电源装置中，为了阻止由电池单体的膨胀引起的位置偏移，将层叠起来的电池单体固定为加压状态。为了实现上述目的，在电源装置中，在层叠多个电池单体而成的电池块的两端面配置有一对端板，并利用束紧条对一对端板进行连结(参照专利文献1)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2018-204708号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的问题
7.在电源装置中，层叠多个电池单体而做成电池块，在电池块的两端面配置有一对端板，自两端面以相当强的压力保持为加压状态并利用束紧条进行连结。在电源装置中，在强力地加压的状态下将电池单体固定从而防止电池单体的相对移动、振动引起的故障。对于该电源装置，例如，在使用层叠面的面积设为约100cm2的电池单体的装置中，会以数吨的较强的力按压端板并利用束紧条进行固定。在该构造的电源装置中，为了利用隔板使相邻地层叠的电池单体绝缘而对隔板使用硬质塑料的板材。硬质塑料的隔板在电池单体的内压上升而膨胀的状态下无法吸收电池单体的膨胀，在该状态下电池单体和隔板之间的表面压力会急剧升高，会对端板、束紧条作用极强的力。因此，对端板和束紧条要求极为强韧的材质和形状，存在电源装置变重、变大且材料成本升高的弊端。并且，整体未均匀地膨胀而是不均匀地膨胀的电池单体还存在如下弊端：其表面压力分布变得不均匀，这会对电极等造成不良影响。
8.本发明是以消除以上的缺点为目的而开发的，本发明的目的之一在于提供一种能够利用隔板来轻松地吸收电池单体的膨胀，并且能够在使电池单体的表面压力分布均匀化的同时吸收膨胀的技术。
9.用于解决问题的方案
10.本发明的一个方案的电源装置具有隔着隔板沿厚度方向层叠多个电池单体而成的电池块、配置于电池块的两端面的一对端板、以及与一对端板连结并借助端板将电池块固定为加压状态的束紧条。隔板的表面或隔板整体为由具有连续气泡的塑料发泡体构成的弹性板。
11.本发明的一个方案的电动车辆具有：上述电源装置；行驶用的电动机，自电源装置向该行驶用的电动机供给电力；车辆主体，其搭载电源装置和电动机；以及车轮，其由电动机驱动而使车辆主体行驶。
12.本发明的一个方案的蓄电装置具有：上述电源装置；以及电源控制器，其对向电源装置的充放电进行控制，利用电源控制器能够利用来自外部的电力向电池单体充电，并且利用该电源控制器进行控制从而对电池单体进行充电。
13.发明的效果
14.在以上的电源装置中，能够利用隔板来轻松地吸收电池单体的膨胀，并且能够在使电池单体的表面压力分布均匀化的同时吸收膨胀。
附图说明
15.图1是本发明的一实施方式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剖视图。
17.图3是图1所示的电源装置的水平剖视图。
18.图4是表示电池单体和隔板的层叠状态的局部放大示意剖视图。
19.图5是表示图4的电池单体发生了膨胀的状态的示意剖视图。
20.图6是表示隔板的其他一个例子的局部放大示意剖视图。
21.图7是表示隔板的其他一个例子的局部放大示意剖视图。
22.图8是表示在利用发动机和电动机行驶的混合动力车搭载电源装置的例子的框图。
23.图9是表示在仅利用电动机行驶的电动汽车搭载电源装置的例子的框图。
24.图10是表示应用于蓄电用的电源装置的例子的框图。
具体实施方式
25.以下，基于附图详细地说明本发明。此外，在以下的说明中，根据需要会使用表示特定的方向、位置的用语(例如“上”、“下”以及包含这些用语的其他用语)，但这些用语的使用是为了易于参照附图理解发明，本发明的保护范围不受这些用语的意思的限制。另外，在多个附图中示出的相同的附图标记的部分表示相同或者等同的部分或构件。
26.再者，以下所示的实施方式是表示本发明的技术思想的具体例的实施方式，并非将本发明限定于以下的实施方式。另外，对于以下记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特定的记载，就并非旨在将本发明的范围仅限定于此，而是意在进行例示。另外，在一个实施方式、实施例中说明的内容也能够应用于其他实施方式、实施例。另外，为了明确说明，存在对附图所示的构件的大小、位置关系等进行夸张的情况。
27.本发明的第1实施方式的电源装置具有隔着隔板沿厚度方向层叠多个电池单体而成的电池块、配置于电池块的两端面的一对端板、以及与一对端板连结并借助端板将电池块固定为加压状态的束紧条。隔板的表面或隔板整体为由具有连续气泡的塑料发泡体构成的弹性板。
28.在以上的电源装置中，隔板设为由连续气泡的塑料发泡体构成的能弹性变形的弹性隔板，因此，弹性板会吸收电池单体的膨胀。因此，能够抑制在电池单体的内压上升而膨
胀的状态下电池单体与隔板之间的表面压力升高的情况。在该电源装置中，由于隔板的弹性板设为连续气泡的塑料发泡体，因此能够使电池单体表面的表面压力分布均匀化而防止压力局部地升高的弊端。其原因在于，在连续气泡的塑料发泡体中，被按压而压扁的气泡内的空气会经由连续的气泡而向周围流动，从而成为易于变形的状态。
29.独立气泡的塑料发泡体的弹性板也能弹性变形，因此能够用于吸收电池单体的膨胀的隔板，但由于该弹性板的隔板的气泡是独立的，因此在被电池单体按压而使气泡被压扁时，气泡的内压会上升而妨碍弹性变形。因而，独立气泡的塑料发泡体的隔板存在如下弊端：无法均匀地吸收电池单体的局部的膨胀，电池单体表面的表面压力分布会变得不均匀而对内置于电池的电极层造成不良影响。在以上的电源装置中，将具有连续气泡的塑料发泡体的弹性板作为隔板，从而消除以上的弊端，实现能够使电池单体的表面压力分布均匀化的优点。
30.另外，在以上的电源装置中，由于能利用隔板的弹性板来抑制由电池单体的膨胀引起的表面压力的上升，因此能够防止电池单体膨胀而对端板、束紧条作用过大的应力。能够减小最大应力的端板和束紧条能够较薄而轻量化。另外，在利用电池单体之间的隔板来吸收电池单体的膨胀的电源装置中，还能够抑制因电池单体膨胀而导致相对位置偏移的情况。这也能够防止电池单体的电连接部的弊端。这是因为，在层叠的电池单体中，金属板的汇流条固定于电极端子而进行电连接，但若电池单体相对地位置偏移，则会对汇流条和电极端子作用不合理的应力从而导致故障。
31.在本发明的第2实施方式的电源装置中，具有连续气泡的弹性板在表面具有不发泡层。
32.在本发明的第3实施方式的电源装置中，具有连续气泡的弹性板的表面为暴露有被裁切的气泡的发泡层。
33.在本发明的第4实施方式的电源装置中，弹性板为聚氨酯泡沫。
34.在本发明的第5实施方式的电源装置中，隔板整体为弹性板。
35.在本发明的第6实施方式的电源装置中，隔板为弹性板与隔热层的层叠构造。
36.在本发明的第7实施方式的电源装置中，弹性板的厚度为0.2mm以上且7mm以下。
37.(实施方式1)
38.图1的立体图、图2的垂直剖视图以及图3的水平剖视图所示的电源装置100具有隔着隔板2沿厚度方向层叠多个电池单体1而成的电池块10、配置于电池块10的两端面的一对端板3、以及将一对端板3连结并借助端板3将电池块10固定为加压状态的束紧条4。
39.(电池块10)
40.电池块10是隔着隔板2沿厚度方向层叠多个电池单体1而成的，多个电池单体1是外形设为四边形的方形电池单体。多个电池单体1以上表面处于同一平面的方式层叠而构成电池块10。
41.(电池单体1)
42.如图1所示，正负一对电极端子13向上方突出地设于电池单体1的上表面的两端部。在电极端子13之间设有安全阀14。安全阀14在电池单体1的内压上升至预定值以上时开阀而释放内部的气体。安全阀14能防止电池单体1的内压上升。
43.电池单体1是锂离子二次电池。在将电池单体1设为锂离子二次电池的电源装置
100中，具有能够使相对于容量和重量而言的充电容量较大的优点。不过，电池单体1能够设为锂离子二次电池以外的非水系电解液二次电池等其他能够充电的所有电池。
44.(端板3、束紧条4)
45.端板3是被电池块10按压而不变形并且与电池单体1的外形大致相等的外形的金属板，在其两侧缘连结有束紧条4。束紧条4将与端板3层叠的电池单体1以加压状态连结，并以预定压力将电池块10固定为加压状态。
46.(隔板2)
47.对于隔板2，其被夹在层叠的电池单体1之间，吸收电池单体1的因内压上升而引起的膨胀，并且使相邻的电池单体1绝缘，此外阻断电池间的热传导。在电池块10中，在相邻的电池单体1的电极端子13固定有汇流条(未图示)，从而将电池单体1串联或并联地连接。在串联地连接的电池单体1中，由于会在电池壳体产生电位差，因此利用隔板2能绝缘地进行层叠。在并联地连接的电池单体1中，虽然在电池壳体不会产生电位差，但为了防止热失控的引起，利用隔板2能隔热地进行层叠。
48.图4的局部放大示意剖视图所示的隔板2是吸收电池单体1的膨胀的弹性板5。该图的隔板2整体设为弹性板5。对该隔板2而言，由于能够加厚弹性板5，因此能够更有效地吸收电池单体1的膨胀。此外，在以下所示的图4～图7中，为了易于理解弹性板5的特征，夸大地图示了隔板2相对于电池单体1的厚度、电池单体1膨胀时的变形的情形、弹性板5的截面构造等。
49.弹性板5是被膨胀的电池单体1按压而弹性变形的板材，是具有连续气泡的塑料发泡体的弹性材料。具有连续气泡的塑料发泡体与不发泡的橡胶状弹性体、独立气泡的塑料发泡体相比变形量很大，能够有效地吸收电池单体1的膨胀。其原因在于，在连续气泡的发泡体被电池单体1按压时，气泡内的空气会经由连续的气泡而被挤出，因此能够变形至气泡完全被压扁的状态。由连续气泡的塑料发泡体的弹性板5构成的隔板2具有如下优点：能够利用孔隙率来调整变形量，能够通过增大孔隙率而增大变形量。
50.与此相对地，由独立气泡的发泡体构成的隔板即使被电池单体按压，气泡内的空气也不会被挤出，在气泡内气压会升高而阻止气泡的变形，并且气泡内的压力会随着气泡被压扁为较小而急剧上升，从而阻止气泡的变形。因而，该隔板的按压状态下的变形量较小。另外，独立气泡的发泡体的隔板无法通过提高孔隙率来增大变形量。其原因在于，气泡不会被压扁而是会阻止变形。不发泡的橡胶状弹性体与独立气泡的塑料发泡体相比更难以增大变形率。其原因在于，由于其是通过使自身的体积减小或者使按压部分向其他部分移动而变形，因此按压状态下的位移量被限制为较小。
51.由具有连续气泡的塑料发泡体的弹性板5构成的隔板2对膨胀的电池单体1的位移的吸收量较大，该物理性质在隔板2中是特别重要的特性。其原因在于，在按压状态下的变形量较大的隔板2的情况下，在电池单体1膨胀时，如图5所示，该隔板2会形成沿着电池单体1的表面的曲面而追随膨胀地变形，缓和在按压面产生的压力分布，能够抑制电池单体表面的局部的压力上升。在无法充分缓和电池单体表面的压力分布的隔板2的情况下，电池单体内的压力差会变大，内压会局部地升高。该状态在多用于这种电源装置的锂离子电池等中特别有害。其原因在于，在锂离子电池的内压局部地升高的区域中，在电极表面析出锂的倾向变大，妨碍安全性。
52.图4的局部放大图所示的隔板2的弹性板5在具有连续气泡的塑料发泡体的表面设有不发泡层5b。在该隔板2被电池单体1夹着的状态下，表面的不发泡层5b与电池单体1的表面进行面接触。该隔板2在不发泡层5b沿着电池单体1的表面紧密贴合的状态下通过发泡层5a的弹性变形来吸收电池单体1的膨胀。因此，如图5所示，该隔板2的不发泡层5b变形为沿着膨胀的电池单体1的表面的曲面状，并且发泡层5a变形为追随电池单体1的膨胀的形状，从而能够吸收电池单体1的膨胀。
53.图6的局部放大示意剖视图所示的隔板2的弹性板5的具有连续气泡的塑料发泡体的表面设为暴露有被裁切的气泡的发泡层5c，利用连续的气泡在表面设有许多凹凸。该隔板2的连续的许多气泡能吸收附着于电池单体1的表面的凝结水，从而能够抑制由凝结水引起的漏电、绝缘电阻的降低。由于电源装置在各种温度环境下使用，因此有时温度环境会变化而在表面附着凝结水。附着于电池单体1的表面的凝结水会向下流到通电部的表面而导致漏电，或者减小通电部的绝缘电阻。在表面暴露有连续气泡的隔板2能吸收凝结水而防止凝结水的弊端。而且，在表面暴露有连续气泡并且弹性变形而紧密贴合于电池单体1的表面的隔板2能够使吸收的凝结水向内部转移，因此具有能够增多凝结水的吸收量而有效地防止由凝结水引起的弊端的优点。
54.以上的隔板2整体设为弹性板5。但是，也能够如图7的局部放大示意剖视图所示将隔板2设为弹性板5与隔热层6的层叠构造。该隔板2设为利用层叠于两面的弹性板5夹着中间的隔热层6的层叠构造，能够利用隔热层6来减少相邻的电池单体1之间的热传导。对于隔热层6，能够使用耐热特性比弹性板5优异的所有的层，例如微细的许多独立气泡的塑料发泡体等。
55.隔板2的弹性板5被调整为被膨胀的电池单体1加压而变形从而吸收膨胀的弹性和厚度。弹性板5的由电池单体1的膨胀引起的变形量能够通过发泡的塑料的种类和表观密度来调整，表观密度能够通过发泡率来调整。对于隔板2的弹性板5，例如将表观密度设为150kg/m3以上且750kg/m3以下，优选为200kg/m3以上且500kg/m3以下，将厚度设为0.2mm以上且7mm以下，优选为1mm以上且5mm以下。弹性板5的塑料发泡体适合为聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫的隔板2具有优异的温度特性，例如，在100℃的条件下，经过22小时压缩至50％，能够使压缩永久变形为20％以下。
56.对于由表观密度为240kg/m3的聚氨酯泡沫的弹性板5构成的隔板2，其厚度设为2mm，能吸收电池单体的1.5mm的膨胀并复原。该隔板2能变形至使整体的厚度被压扁为1/4的状态而吸收电池单体1的膨胀。并且，对于由表观密度为320kg/m3的聚氨酯泡沫的弹性板5构成的隔板2，其厚度设为3mm，能够吸收电池单体的1.8mm的膨胀，此外，其厚度设为4mm，能够吸收电池单体的2.4mm的膨胀。聚氨酯泡沫的弹性板5在温度为80℃以下的状态下实现以上的特性。
57.以上的电源装置能够用作向使电动车辆行驶的电动机供给电力的车辆用的电源。作为搭载电源装置的电动车辆，能够使用利用发动机和电动机这两者行驶的混合动力汽车、插电式混合动力汽车、或者仅利用电动机行驶的电动汽车等电动车辆，以上的电源装置能用作上述车辆的电源。此外，对构筑了电源装置100的例子进行说明，该电源装置100是为了获得驱动车辆的电力而将上述的电源装置串联、并联地连接许多个并且还附加了必要的控制电路而得到的大容量、高输出的电源装置。
58.(混合动力车用电源装置)
59.图8示出了在利用发动机和电动机这两者行驶的混合动力汽车搭载电源装置的例子。该图所示的搭载有电源装置的车辆hv具有车辆主体91、使该车辆主体91行驶的发动机96和行驶用的电动机93、由这些发动机96和行驶用的电动机93驱动的车轮97、向电动机93供给电力的电源装置100、以及对电源装置100的电池进行充电的发电机94。电源装置100借助dc/ac逆变器95连接于电动机93和发电机94。在对电源装置100的电池进行充放电的同时，车辆hv利用电动机93和发动机96这两者而行驶。电动机93在发动机效率较差的区域例如加速时、低速行驶时被驱动而使车辆行驶。自电源装置100向电动机93供给电力而驱动电动机93。发电机94由发动机96驱动，或者由对车辆施加制动时的再生制动驱动，从而对电源装置100的电池进行充电。此外，如图8所示，车辆hv也可以具有用于对电源装置100进行充电的充电插头98。能够通过将该充电插头98与外部电源连接从而对电源装置100进行充电。
60.(电动汽车用电源装置)
61.另外，图9示出了在仅利用电动机行驶的电动汽车搭载电源装置的例子。该图所示的搭载有电源装置的车辆ev具有车辆主体91、使该车辆主体91行驶的行驶用的电动机93、由该电动机93驱动的车轮97、向该电动机93供给电力的电源装置100、以及对该电源装置100的电池进行充电的发电机94。电源装置100借助dc/ac逆变器95连接于电动机93和发电机94。自电源装置100向电动机93供给电力而驱动电动机93。发电机94由对车辆ev进行再生制动时的能量驱动，对电源装置100的电池进行充电。另外，车辆ev具有充电插头98，能够将该充电插头98与外部电源连接而对电源装置100进行充电。
62.(蓄电装置用的电源装置)
63.再者，本发明不将电源装置的用途限定为使车辆行驶的电动机的电源。实施方式的电源装置也能够用作利用由太阳能发电、风力发电等产生的电力对电池进行充电并蓄电的蓄电装置的电源。图10示出了利用太阳能电池82对电源装置100的电池进行充电并蓄电的蓄电装置。
64.图10所示的蓄电装置利用由配置于住宅、工厂等建筑物81的屋顶、屋顶平台等的太阳能电池82产生的电力对电源装置100的电池进行充电。在该蓄电装置中，在将太阳能电池82作为充电用电源并利用充电电路83对电源装置100的电池进行了充电之后，借助dc/ac逆变器85向负载86供给电力。因此，该蓄电装置具有充电模式和放电模式。在图中所示的蓄电装置中，将dc/ac逆变器85和充电电路83分别借助放电开关87和充电开关84而与电源装置100连接。放电开关87和充电开关84的接通/断开由蓄电装置的电源控制器88进行切换。在充电模式中，电源控制器88将充电开关84切换为接通，将放电开关87切换为断开，允许自充电电路83向电源装置100进行充电。另外，当充电完成而成为满电状态时，或者在已充电预定值以上的容量的状态下，电源控制器88使充电开关84断开并使放电开关87接通从而切换到放电模式，允许自电源装置100向负载86进行放电。另外，也能够根据需要，将充电开关84设为接通并将放电开关87设为接通，同时进行向负载86的电力供给和向电源装置100的充电。
65.再者，虽未图示，但电源装置也能够用作利用夜间的深夜电力对电池进行充电并蓄电的蓄电装置的电源。由深夜电力充电的电源装置能够利用发电站的剩余电力即深夜电力进行充电，并在电力负载较大的昼间输出电力，将昼间的峰值电力限制为较小。再者，电
源装置也能够用作利用太阳能电池的输出和深夜电力这两者进行充电的电源。该电源装置能够有效地利用由太阳能电池产生的电力和深夜电力这两者，能够在考虑天气、消耗电力的同时高效地蓄电。
66.以上那样的蓄电装置能够较佳地用于能够搭载于计算机服务器的机架的备用电源装置、手机等无线基站用的备用电源装置、家庭内用或工厂用的蓄电用电源、路灯的电源等、与太阳能电池组合而成的蓄电装置、信号设备、道路用的交通显示器等的备用电源等用途。
67.产业上的可利用性
68.本发明的电源装置能够恰当地用作对混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车、电动摩托车等电动车辆进行驱动的电动机的电源等所使用的大电流用的电源。例如，可以举出能够切换ev行驶模式和hev行驶模式的插电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，也能够恰当地用于能够搭载于计算机服务器的机架的备用电源装置、手机等无线基站用的备用电源装置、家庭内用、工厂用的蓄电用电源、路灯的电源等、与太阳能电池组合而成的蓄电装置、信号设备等的备用电源等用途。
69.附图标记说明
70.100、电源装置；1、电池单体；2、隔板；3、端板；4、束紧条；5、弹性板；5a、发泡层；5b、不发泡层；5c、暴露有气泡的发泡层；6、隔热层；10、电池块；13、电极端子；14、安全阀；81、建筑物；82、太阳能电池；83、充电电路；84、充电开关；85、dc/ac逆变器；86、负载；87、放电开关；88、电源控制器；91、车辆主体；93、电动机；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。