電源装置
【課題】隣接する電池セルを絶縁すると共に、効率よく電池セルの膨張を抑制する。
【解決手段】扁平な直方体形状の外装缶２２を有し、外装缶２２の幅広面２４を対向させて配設される複数の電池セルと、各電池セルの間に配設されるセパレータ３と、電池セルを加圧した状態で、電池セル及びセパレータ３を締結する締結具とを備え、外装缶２２の幅広面２４は、幅広面２４の周縁に位置する稜線部２４ａと、幅広面２４の中央に位置する中央部２４ｂとを含み、セパレータ３は、隣接する電池セルを絶縁する絶縁部３１と、幅広面２４の中央部２４ｂと対応する位置に形成され、中央部２４ｂを押圧する押圧部３２とを有する。
【解決手段】扁平な直方体形状の外装缶２２を有し、外装缶２２の幅広面２４を対向させて配設される複数の電池セルと、各電池セルの間に配設されるセパレータ３と、電池セルを加圧した状態で、電池セル及びセパレータ３を締結する締結具とを備え、外装缶２２の幅広面２４は、幅広面２４の周縁に位置する稜線部２４ａと、幅広面２４の中央に位置する中央部２４ｂとを含み、セパレータ３は、隣接する電池セルを絶縁する絶縁部３１と、幅広面２４の中央部２４ｂと対応する位置に形成され、中央部２４ｂを押圧する押圧部３２とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルを備えた電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドカーや電気自動車、大型の蓄電装置等に使用される電源装置は、高電圧出力であることや高電流容量であることが求められる。この種の電源装置として、複数の電池セルを積層して形成される電源装置があり、電池セルを直列に接続することで電源装置の出力電圧を高く、並列に接続することで電源装置の電流容量を大きくすることができる。電源装置を構成する電池セルとしては、繰り返し充放電ができるように、二次電池が使用される。
【０００３】
二次電池は、充放電を繰り返すことにより電池セルが膨張し、膨張に伴う電池性能（入出力特性）の劣化が生じる。そのため、複数の電池セルを積層して構成される電源装置において、電池セルを加圧した状態で締結することで電池セルの膨張を防止し、膨張に伴う電池性能の劣化を抑制する締結具を備えた電源装置がある。
【０００４】
この種の電源装置としては、例えば、電池セルとして、直方体形状の外装缶を有する角形電池と角形電池を保持するセパレータとを交互に積層して形成される電池ブロックと、電池ブロックの両端に配設される一対のエンドプレートと、エンドプレートに架設され、積層されている角形電池を積層方向に加圧した状態で締結するバインドバーとを備えた電源装置が知られている（特許文献１）。この構成によると、バインドバーを介して電池ブロックを締結することで、各角形電池の外装缶は、隣接するセパレータに押圧され、外装缶の膨張が抑制されるようになっている。具体的には、エンドプレートに架設されたバインドバーによって、角形電池の寸法が制限されているので、充放電を繰り返すことで、外装缶内の内圧が上昇しても、セパレータが外装缶の幅広面を押圧して、外装缶の膨張が阻止される。
【０００５】
一方、電池性能の劣化は、電池セルの寿命（経年変化による内部抵抗の増加等）にも影響される。具体的には、電池セルは、高温度下での使用により電池セルの寿命が低下する。そのため、特許文献１の電源装置は、上述した構成に加えて、外装缶を金属で形成し、電池セルの放熱性能を高めると共に、電池ブロックの下部に当接する冷却プレートを介して、各電池セルを冷却できるように構成している。
【０００６】
金属製の外装缶を用いた場合、隣接する電池セルの外装缶に電位差が生じるため、隣接する電池セル同士を絶縁する必要がある。また冷却プレート等の冷却機構を備えた電源装置では、周囲との温度差により、結露水が外装缶等に付着するおそれがあるため、隣接する電池セル同士を絶縁する必要がある。特許文献１の電源装置では、絶縁性のセパレータを隣接する電池セルの間に配置することにより、隣接する電池セルを絶縁している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−３４７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の電源装置において、セパレータは、隣接する電池セルを絶縁すると共に、バインドバーを介して、電池セルの外装缶を押圧して、外装缶の膨張を防止するように構成されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の構成では、セパレータは、外装缶の幅広面を均一に押圧する構成であり、膨張による角形電池の電池性能の劣化を効率よく抑制するためのセパレータの最適な形状については充分な検討がなされておらず、角形電池の膨張を効率よく防止することが望まれていた。
【００１０】
本願発明は、斯かる問題を解決するためになされたものであり、複数の電池セルを積層して形成される電源装置において、電池性能の劣化を抑制することができる電源装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
扁平な直方体形状の外装缶を有し、該外装缶の幅広面を対向させて配設される複数の電池セルと、各電池セルの間に配設されるセパレータと、前記電池セルを加圧した状態で、前記電池セル及び前記セパレータを締結する締結具とを備え、前記外装缶の幅広面は、幅広面の周縁に位置する稜線部と、幅広面の中央に位置する中央部とを含み、前記セパレータは、隣接する前記電池セルを絶縁する絶縁部と、前記幅広面の中央部と対応する位置に形成され、前記中央部を押圧する押圧部とを有する。
【００１２】
前記外装缶は、上面を開口した有底の収納ケースであり、前記電池セルは、前記外装缶内に配設される電極体と、前記外装缶の開口を閉塞する封口体と、該封口体に立設され、前記電極体と電気的に接続される出力端子とを有し、前記セパレータは、前記封口体の近傍に位置する前記稜線部と前記絶縁部との間に空隙を設けるように構成されることが好ましい。
【００１３】
前記絶縁部は、前記外装缶の前記封口体側の端面よりも上方に延設されることが好ましい。
【００１４】
前記電池セルは、前記外装缶内の内圧が高くなった際に、前記出力端子と前記電極体とを電気的に遮断する電流遮断機構を有し、該電流遮断機構は、前記封口体近傍に配置されることが好ましい。
【００１５】
前記押圧部は、前記押圧部の中央に位置する頂点部と、頂点部の周縁に位置する周縁部とを有すると共に、前記頂点部から上側に位置する前記周縁部にかけて形成される第一の傾斜面と、前記頂点部から下側に位置する前記周縁部にかけて形成される第二の傾斜面とを有することが好ましい。
【００１６】
前記第一の傾斜面が、前記第二の傾斜面より、緩やかな勾配となるように形成されることが好ましい。
【００１７】
前記電極体は、正極及び負極の積層体を巻取体に巻装して形成されると共に、前記巻取体の軸方向を前記外装缶の左右側面方向に向けて、前記外装缶内に配設され、前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有し、さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面と勾配が等しくなるように形成されることが好ましい。
【００１８】
前記電流遮断機構は、前記出力端子の一方に設けられ、前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有すると共に、前記第三の傾斜面は、前記電流遮断機構と近接する位置に形成され、さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面よりも、急勾配となるように形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の構成によると、隣接する電池セルを絶縁すると共に、膨張しやすい外装缶の中央部を押圧することができるため、効率よく電池セルの膨張を抑制することができる等の効果を奏する。
【００２０】
請求項２の構成によると、空隙を設けることで、封口体近傍に位置する稜線部を押圧することなく、絶縁することができ、例えば、封口体と外装缶の接合部分が破損することを防止できる等の効果を奏する。
【００２１】
請求項３の構成によると、隣接する電池セルの出力端子の間に絶縁部を位置させることができ、例えば、結露などによる短絡を防止することができる等の効果を奏する。
【００２２】
請求項４によると、外装缶の内圧に応じて作動する電流遮断機構を押圧部による負荷がかかりにくい封口体近傍に設けることで、電流遮断機構の誤作動を防止することができる等の効果を奏する。
【００２３】
請求項５によると、押圧部が頂点部から周縁部にかけて傾斜が形成されるため、締結具による締結力に応じて、押圧部と外装缶の幅広面の接触面積を緩やかに変化させることができる等の効果を奏する。
【００２４】
請求項６によると、主に底面側の幅広面を押圧することができ、封口体等にかかる負荷を低減できる等の効果を奏する。
【００２５】
請求項７によると、電極体の軸方向において幅広面を均等に押圧することができる等の効果を奏する。
【００２６】
請求項８によると、電流遮断機構に近接する第三の傾斜面を、第四の傾斜面よりも急勾配とすることで、電流遮断機構にかかる負荷を低減することができ、電流遮断機構の誤作動を防止することができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態における電源装置１の斜視図である。
【図２】同角形電池２の斜視図である。
【図３】同角形電池２の垂直縦断面図である。
【図４】同角形電池２の垂直横断面図である。
【図５】同電流遮断機構７の構造を示すための断面図である。
【図６】同電流遮断機構７が作動した際のダイアフラムの様子を示す断面図である。
【図７】本発明おけるセパレータ３Ａの形状を示す断面図である。
【図８】同セパレータ３Ａの形状を示す上面図である。
【図９】同セパレータ３Ｂの形状を示す断面図である。
【図１０】同セパレータ３Ｃの形状を示す断面図である。
【図１１】同セパレータ３Ｄの形状を示す断面図である。
【図１２】同セパレータ３Ｅの形状を示す上面図である。
【図１３】同セパレータ３Ｆの形状を示す上面図である。
【図１４】同絶縁部と押圧部とを一体成型されたセパレータ３（３Ａ）の断面図である。
【図１５】平板状のセパレータを用いて押圧した際の押圧力と角形電池２のセル幅との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施形態のセパレータを用いて押圧した際の押圧力と角形電池２のセル幅との関係を示すグラフである。
【図１７】他の実施形態におけるセパレータの形状を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態について図１乃至図１４に基づいて、以下に詳述する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態における電源装置１の斜視図である。図１に示すように、電源装置１は、角形電池２と絶縁性のセパレータ３とを交互に積層して形成される電池ブロック４と、電池ブロック４の両端に配設されるエンドプレート５と、エンドプレート５に架設され、電池ブロック４を積層方向に加圧した状態で締結する締結具として、バインドバー６とを備えている。
【００３０】
電池ブロック４を構成する角形電池２は、出力端子２１が電池ブロック４の上面に並ぶように積層され、隣接している角形電池２同士は、バスバー８を介して接続される。角形電池２は直列に接続され、電源装置１の出力電圧を大きくしている。電池ブロック４の両端に配設されているエンドプレート５は、外形が角形電池２の外形とほぼ等しい直方体形状で、アルミニウムやアルミニウム合金等の比較的高い強度を有する金属や硬質のプラスチック等で形成されている。エンドプレート５の四隅には、上下に並設される一対のバインドバー６をネジ止め固定するためのネジ穴が形成されており、バインドバー６を架設できるようになっている。
【００３１】
尚、上記実施形態では、各角形電池２は直列に接続されているが、並列に接続してもよい。角形電池２を並列に接続することで、電源装置１の電流容量を大きくすることができる。また、目的の出力電圧や電流容量に応じて、並列接続や直列接続を組み合わせて電池ブロック４を構成することもできる。
【００３２】
図２乃至図４は、角形電池２の構成を示す図である。図２乃至図４に示すように、角形電池２は、上面を開口した扁平な直方体形状に形成される外装缶２２と、外装缶２２の開口を閉塞する封口体２３と、封口体２３から立設される出力端子２１とを有する電池セルで、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。外装缶２２は、熱伝導性に優れた金属で形成されており、角形電池２の冷却性を向上させるようになっている。熱伝導性に優れた金属としては、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等がある。外装缶２２は、セパレータ３と対向する幅広面２４を有しており、バインドバー６により締結されることで、この幅広面２４がセパレータ３によって押圧されるようになっている。外装缶２２の幅広面２４は、幅広面２４の周縁に位置する稜線部２４ａと、中央に位置する中央部２４ｂとで構成されている。この構成の角形電池２は、充放電を繰り返すことで外装缶２２の内圧が上昇した際に、特に外装缶２２の中央部２４ｂが膨張する。
【００３３】
図３及び図４の断面図に示すように、外装缶２２内には、正極２５１と負極２５２の間に絶縁シート２５３を介在させた積層体を巻装して形成される電極体２５と、図示しない電解液が封入されている。二つの出力端子２１は、それぞれ、電極集電部材２６を介して、正極２５１または負極２５２に電気的に接続され、電流遮断機構７が、正極２５１と、正極２５１に接続されている出力端子２１との間に設けられている。電流遮断機構７は、電池セルの内圧、即ち外装缶２２の内圧が設定圧力よりも高くなると電流を遮断するように構成されている。
【００３４】
図５乃至図６は、電流遮断機構７の具体的な構成を示す断面図である。電流遮断機構７は、出力端子２１と正極２５１とを電気的に接続する導通部７１を有しており、封口体２３の近傍に設けられている。この導通部７１は、正極２５１と電気的に接続される接続金属７１ａと、外装缶２２の内圧に応じて変形する金属製のダイアフラム７１ｂとで構成される。ダイアフラム７１ｂは、封口体２３に固定された出力端子２１の下端に外周を当接させて、この当接部分を溶接することで、出力端子２１とダイアフラム７１ｂとを電気的に接続している。ダイアフラム７１ｂ及び接続金属７１ａは、プラスチック等の絶縁材で形成されるインナーケース７２に収納される。
【００３５】
インナーケース７２は、ダイアフラム７１ｂの上面を気密に密閉している。ダイアフラム７１ｂの上面側を気密に密閉することで、ダイアフラム７１ｂの上面側には外装缶２２の内圧が作用しないように構成される。ダイアフラム７１ｂの下面側には、外装缶２２の内圧が作用し、内圧によってダイアフラム７１ｂを上方へ押し上げる力が働く。このダイアフラム７１ｂを押し上げる力は、外装缶２２の内圧に比例して大きくなる。外装缶２２の内圧が充分小さい場合には、ダイアフラム７１ｂを押し上げる力も小さく、ダイアフラム７１ｂの上面側の密閉空気によって、ダイアフラム７１ｂの変形を阻止される。外装缶２２の内圧が上昇してダイアフラム７１ｂを押し上げる力がある一定値を越えた場合には、ダイアフラム７１ｂの変形を阻止できなくなり、図６に示すように変形する。図６の状態のダイアフラム７１ｂは、接続金属７１ａから離間した状態となり、出力端子２１と正極２５１とが電気的に遮断される。ダイアフラム７１ｂが変形する内圧は、ダイアフラム７１ｂの材厚や形状によって設定することができる。図６に示すように変形したダイアフラム７１ｂは、外力が働かない限りこの形状に保持されるため、一度、電流遮断機構７が作動すると、その後も出力端子２１と正極２５１とは、電気的に遮断される状態が維持される。
【００３６】
この構成により、外装缶２２の内圧が異常に上昇した場合等には、電源装置１が接続される負荷、例えば車両用モータ等から、角形電池２を電気的に遮断することができる。尚、上記実施形態において、電流遮断機構７は、正極２５１側に設けられているが、負極２５２側に設ける構成としても良い。
【００３７】
図７乃至図１３は、セパレータ３の形状を示すための断面図である。図７に示すように、隣接する角形電池２の間には、セパレータ３が設けられており、このセパレータ３は、隣接する角形電池２を絶縁するための絶縁部３１と、外装缶２２の幅広面２４の中央部２４ｂと対向する位置に押圧部３２とを有している。具体的には、押圧部３２は、外装缶２２内に封入される電極体２５対応する位置に形成され、幅広面２４の電流遮断機構７より下方に位置する部分を押圧するように構成されることが好ましい。
【００３８】
尚、上述したエンドプレート５を金属で形成した場合、エンドプレート５と角形電池２との間にもセパレータ３が配設される。この電池ブロック２の端部に配設されるセパレータ３は、角形電池２と対向する面は一面だけであり、押圧部３２も角形電池２と対向する面に形成される。また、端部のセパレータ３は、エンドプレート５を保持するように、エンドプレート５と嵌合するような形状とすることもできる。このように形成することで、電池ブロック２をバインドバー６で締結する際、エンドプレート５の位置ずれを防止することができる。
【００３９】
図７に示されるセパレータ３（３Ａ）において、押圧部３２は、絶縁部３１よりも外装缶２２の幅広面２４に向かって突出した形状に形成されている。図７及び図８に示すように、外装缶２２の稜線部２４ａ近傍においては、絶縁部３１と外装缶２２の稜線部２４ａとの間に空隙を設けるように、押圧部３２に対して段差が設けられている。尚、必ずしも絶縁部３１と外装缶２２との間に空隙を設ける必要はないが、少なくとも封口体２３近傍に位置する稜線部２４ａと、セパレータ３Ａの絶縁部３１との間に空隙を設けることが好ましい。
【００４０】
角形電池２の外装缶２２は、上述の通り、特に幅広面２４の中央部２４ｂが膨張し、幅広面２４の稜線部２４ａはそれほど膨張しない。このような構成において、外装缶２２の稜線部２４ａを押圧しても、ほとんど膨張しない部分を押圧することになるため、効率よく外装缶２２の膨張を抑止できない。また、外装缶２２の稜線部２４ａ、特に封口体２３の近傍に位置する稜線部２４ａに過度な力がかかると、封口体２３と外装缶２２の溶接部分に亀裂が入ったり、溶接が剥がれたりするおそれがある。
【００４１】
上記実施形態では、バインドバー６で締結した際に、セパレータ３Ａの押圧部３２が、外装缶２２の幅広面２４の中央部分を主に押圧するように構成されているので、膨張の変化が大きい幅広面２４の中央部２４ｂを押圧することができ、効率よく外装缶２２の膨張を抑制できる。加えて、この構成では、封口体２３等に負荷がかかりにくくなっているので、封口体２３と外装缶２２の溶接部分に亀裂が入ったり、溶接が剥がれたりすることを防止でき、より安全な電源装置を提供することができる。
【００４２】
図９に示すセパレータ３（３Ｂ）は、絶縁部３１が封口体２３近傍の外装缶２２端面より上方へ突出するように延設されている。上述した通り、電源装置１に冷却機構を備えた場合、周囲との温度差によって、外装缶２２の表面に結露水が付着することがある。特に、外装缶２２を金属で形成した場合、この結露水の付着は顕著となる。図９に示すセパレータ３Ｂは、隣接する角形電池２の出力端子２１の間に、絶縁部３１が位置するように構成されているため、例えば、外装缶２２に結露水が付着しても、結露水を介して隣接する角形電池２が接触することはなく、隣接する角形電池２の短絡を防止できるようになっている。従って、図９に示すセパレータ３Ｂを備えた電源装置１は、セパレータを角形電池２の膨張を効率よく防止できる形状としながら、絶縁層３１により、結露水による短絡を防止することができる。
【００４３】
図１０乃至図１３は、さらに効率よく外装缶２２の幅広面２４を押圧する押圧部３２の形状を説明するためのものである。図１０乃至図１３のセパレータ３において、押圧部３２は、中央に位置する頂点部３２ａと、周縁に位置する周縁部３２ｂを有しており、頂点部３２ａから周縁部３２ｂにかけてなだらかに傾斜した傾斜面３３が形成されている。この構成によると、締結される力に応じて、セパレータ３の押圧部３２と、外装缶２２の幅広面２４との接触面積を変化させることができる。具体的には、外装缶２２がほとんど膨張していない場合、セパレータ３の押圧部３２は、主に頂点部３２ａと幅広面２４とが接触し、外装缶２２が大きく膨張した場合、セパレータ３の押圧部３２は、頂点部３２ａと周縁部３２ｂとで幅広面２４を押圧するようになっている。この時、押圧部３２と外装缶２２の幅広面２４との接触面積は、傾斜面３３の勾配に応じて変化する。例えば、傾斜面３３の勾配が緩やかとなるように押圧部３２を形成した場合、締結力の変化に対して、接触面積は急激に変化する。また、傾斜面３３を急勾配となるように形成した場合、締結力に変化に対して、押圧部３２と幅広面２４との接触面積は緩やかに変化する。
【００４４】
図１０のセパレータ３（３Ｃ）において、押圧部３２は、頂点部３２ａから出力端子２１側に位置する周縁部３２ｂにかけて形成される第一の傾斜面３３ａと、頂点部３２ａから底面側に位置する周縁部３２ｂにかけて形成される第二の傾斜面３３ｂとを有している。この構成によると、上述した通り、傾斜面３３の勾配に応じて、押圧部３２と幅広面２４との接触面積を変化させることができるので、出力端子２１側に位置する周縁部３２ｂと、底面側に位置する周縁部３２ｂにかかる負荷を低減させることができる。
【００４５】
また、傾斜面３３ａ及び傾斜面３３ｂは、図１１に示すように、傾斜面３３ａと傾斜面３３ｂとで勾配を異ならせるように形成することもできる。図１１に示されるセパレータ３（３Ｄ）は、第一の傾斜面３３ａよりも第二の傾斜面３３ｂのほうが、傾斜が緩やかとなるように形成されているため、接触面積の増減が底面側に偏って変化する。換言すると、図１１に示されるセパレータ３Ｄは、外装缶２２の幅広面２４の底面側を主に押圧するように構成される。この構成によると、外装缶２２の出力端子２１側に位置する封口体２３にかかる負荷を低減することができる。
【００４６】
さらに、上記実施形態では、電流遮断機構７は封口体２３近傍に設けられているため、電流遮断機構７にかかる負荷を低減させることができる。特に、上記実施形態で説明した電流遮断機構７は、外装缶２２の内圧に応じてダイアフラム７１ｂが変形して出力端子２１と電極体２５との電気的接続を遮断する構成であるため、外力（例えば、押圧部が外装缶を押圧する押圧力等）がダイアフラム７１ｂにかかると、ダイアフラム７１ｂが変形するおそれがある。具体的には、外装缶２２の内圧がそれほど高くないにもかかわらず、ダイアフラム７１ｂが変形して、電流が遮断されたり、出力端子２１と電極体２５との電気的接続が遮断された状態の電流遮断機構７に加わる外力によって、ダイアフラム７１ｂが変形し、再び出力端子２１と電極体２５とが接続されたりするおそれがある。図１１に示されるセパレータ３Ｄの構成によると、電流遮断機構７にかかる負荷を低減できるので、電流遮断機構７の誤作動を防止するという効果も期待できる。
【００４７】
図１２に示されるセパレータ３（３Ｅ）は、頂点部３２ａから左右両側方に位置する周縁部３２ｂにかけて、第三の傾斜面３３ｃと第四の傾斜面３３ｄとが形成されており、電流遮断機構７の近傍に位置する斜面が第三の傾斜面３３ｃとする。図１２に示すセパレータ３Ｅは、第三の傾斜面３３ｃと第四の傾斜面３３ｄとは同じ勾配となるように形成されている。セパレータ３Ｅは、水平方向において、左右対称に形成されるため、外装缶２２の幅広面２４を水平方向において均等に押圧するように構成することができる。図４等に示されるように、電極体２５は、電極体２５の軸方向を外装缶２２の水平方向へ向けて、外装缶２２内に封入されているため、外装缶２２が均等に押圧されるように構成することで、外装缶２２内に封入されている電極体２５に偏った負荷がかかること等を防止することができる。
【００４８】
図１３に示されるセパレータ３（３Ｆ）は、第三の傾斜面３３ｃが、第四の傾斜面３３ｄよりも急勾配となるように形成されている。上述の通り、傾斜面３３の勾配を異ならせることで、外装缶２２の幅広面２４を押圧する力を偏らせることができる。図１３に示す実施形態では、電流遮断機構７の近傍に位置する第三の傾斜面３３ｃを急勾配に形成することで、電流遮断機構７にかかる負荷をさらに低減するように構成することができる。
【００４９】
尚、図１０乃至図１３に様々な形状のセパレータ３を例示したが、それぞれ組み合わせることが可能である。また、図１０乃至図１３に示した実施形態において、セパレータ３は、絶縁部３１と押圧部３２とが別部品で構成されているが、図１４に例示するように、一体成型としてもよい。この構成では、絶縁部３１及び押圧部３２は絶縁材で成形される。絶縁材としては、比較的強度が高い絶縁性樹脂を用いることが好ましい。絶縁部３１と押圧部３２とが一体成型される構成とした場合、セパレータ３の生産性を高めることができる。
【００５０】
さらに、上記実施形態において、傾斜面３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）の傾斜は、必ずしも一定の傾斜角度を持った勾配とする必要はなく、頂点部３２ａから離れるにつれて、連続的に傾斜角度が変化するように、即ち、押圧部３２の断面形状が円弧状となるように構成しても良い。
【００５１】
また、図８乃至図１４に示すセパレータ３において、絶縁部３１の周縁部２４ａと対向する部分は、幅広面２４と平行となる平坦な面に形成されているが、図１７に例示するように、絶縁部３１の周縁部２４ａと対向する部分を、押圧部３２の傾斜面３３に沿って傾斜した形状としても良い。セパレータ３は、生産性やコストの観点から、図１４に示すように絶縁性の樹脂を用いて絶縁部３１と押圧部３２を一体成型することがあるが、このような場合、セパレータ３の形状が複雑になると、セパレータ３を成形するための金型も複雑になり、コストが増大するおそれがある。上述した構成によると、絶縁部３１の周縁部２４ａと対向する部分は、押圧部３２の傾斜面３３に沿うように傾斜した形状となるため、セパレータ３の形状が比較的簡単な形状となり、コストの増加を抑制することができる。
【００５２】
ここで、セパレータ３の形状とバインドバー６による締結力の変化について詳述する。具体的には、セパレータで外装缶２２を押圧する場合における押圧力とセル幅の関係について、一般的に知られている平板状のセパレータと、図１１に示した実施形態におけるセパレータ３Ｄとの比較を行う。
【００５３】
図１５乃至図１６は本発明の発明者が行ったシミュレーションの結果を表すグラフで、膨張した際の外装缶２２の形状と、外装缶２２の変形に対する強度をインプットして、剛体の変形についてシミュレートしたものである。外装缶２２の形状は、厳密に説明すると、外装缶２２の開口部分から容易に電極体２５を挿入できるようにするため、封口体２３で閉塞する上面開口に近づくにつれて広がるように幅広面２４が傾いている。このような形状であるため、外装缶２２の幅寸法は、封口体側と底面側とで値が異なるが、以下の説明では、外装缶２２の中央部分の幅寸法をセル幅として規定する。
【００５４】
図１５は、一般的な平板状のセパレータで角形電池２を押圧した際のセル幅と押圧力Ｆ（上記実施形態におけるバインドバー６の締結力）との関係を示すグラフである。具体的には、幅２７ｍｍの外装缶２２が２８．５ｍｍ程度まで膨張した角形電池２について検証されたものであり、縦軸を押圧力、横軸をセル幅としてプロットしている。図１５から明らかなように、セル幅を元の寸法（図１５では２７ｍｍ）よりも縮小させように、外装缶２２をセパレータで押圧すると、必要となる押圧力が急激に上昇する。
【００５５】
膨張した外装缶２２は、主に外装缶２２の幅広面２４が膨出する形状となっており、膨張している外装缶を押圧する場合、外装缶２２の膨出している一部分のみがセパレータによって押圧される。一方、元の寸法まで押圧された角形電池２の外装缶２２は、膨張していない外装缶２２の外形と同形状、あるいはほぼ同形状となっている。そのため、この状態の外装缶２２をさらに押圧してセル幅を縮小させる場合、外装缶２２の膨出している一部分のみを押圧する場合と比較して、セパレータと外装缶２２の接触する面積が変化し、外装缶２２の寸法を縮小するために必要となる押圧力が急激に上昇する。
【００５６】
加えて、前述の通り、外装缶２２の形状は、封口体２３側に広がるように幅広面２４が傾斜しているため、元の寸法まで押圧された角形電池２の外装缶２２をさらに平板状のセパレータで押圧する場合、平板状のセパレータは、外装缶２２の封口体２３側の稜線部２４ａと当接する。この当接部分は、外装缶２２の稜線部２４ａの近傍で、外装缶２２の変形しにくい部分に相当するため、セパレータと外装缶２２の稜線部２４ａが当接した状態から、さらに外装缶２２の寸法を縮小する場合には、必要となる押圧力が急激に上昇する。
【００５７】
図１６は、上記実施形態におけるセパレータ３Ｄで角形電池２を押圧した際のセル幅と押圧力Ｆとの関係を示すグラフである。具体的には、図１５と同様に、幅２７ｍｍの外装缶２２が２８．５ｍｍ程度まで膨張した角形電池について検証されたものであり、縦軸を押圧力、横軸をセル幅としてプロットしている。図１６に示されるように、上述した実施形態のセパレータ３Ｄで膨張した外装缶２２を押圧する場合には、一般的なセパレータを用いた図１５の結果とは異なり、セル幅が２７ｍｍ（元の寸法）より縮小される状態となっても、押圧力は急激に変化しない。これは、セパレータの形状をセパレータ３Ｄのようにすることで、セル幅が変化しても、外装缶２２とセパレータ３Ｄとの接触する面積があまり変化しないように構成することができるためである。
【００５８】
上述の通り、セパレータ３は、稜線部２４ａと絶縁部３１の間に空隙を設けているため、外装缶２２のセル幅に依らず、稜線部２４ａ近傍がセパレータ３と当接しないように構成することができる。また、押圧部３２に傾斜面を設けることで、セパレータ３と外装缶２２の幅広面２４との接触面積が緩やかに変化するように構成することができる。
【００５９】
一方、外装缶は、製造時に寸法がばらつき、この寸法誤差を完全に無くすことはできない。外装缶２２に寸法誤差が生じた場合において、外装缶２２のセル幅と押圧力Ｆとの関係は、図１５及び図１６において、グラフを左右に平行移動したものに相当する。例示的には、この外装缶２２の寸法誤差は、２７ｍｍの外装缶２２に対して、０．１ｍｍ程度のオーダーとなる。上記実施形態の電源装置１において、角形電池２が拘束されない場合、積層されている角形電池２の脱落や、バスバー８にかかる負荷の増大など、さまざまな問題が生じる。そのため、上記実施形態のような電源装置１において、角形電池２が拘束されないという状態はさけなければならず、バインドバー６は、誤差がまったくない場合の最適値（図１５及び図１６において、セル幅を２７ｍｍとする際に必要となる押圧力）よりも、多少大きな力で拘束できるように構成する必要がある。
【００６０】
上述の通り、平板状のセパレータで外装缶２２を押圧する場合、外装缶２２のセル幅に応じて、押圧力Ｆが大きく変化するため、外装缶２２の寸法誤差の影響を受けやすい。これに対し、上記実施形態のセパレータ３の構成では、押圧力Ｆが急激に変化することはないので、積層される角形電池２の寸法公差による影響を、一般的な平板状のセパレータで押圧する構成と比較して少なくすることができる。そのため、バインドバー６にかかる負荷のばらつきを小さくすることができるので、バインドバー６の剛性を必要以上に高める必要はなく、例えば、バインドバー６の厚さを薄くして、電源装置１を小型化することもできる。
【００６１】
而して、直方体形状の外装缶２２を有する角形電池２と、押圧部３２を有するセパレータ３とを交互に積層させて、電池ブロック４を形成する。電池ブロック４の積層方向両端にエンドプレート５を配設した後、エンドプレート５にバインドバー６を架設する。具体的には、治具を用いて、電池ブロック４を積層方向に加圧し、バインドバー６をエンドプレート５にネジ止め固定する。このようにバインドバー６が架設された電池ブロック４は、治具を取り外しても、バインドバー６により、積層方向に加圧された状態で締結される。締結された電池ブロック４は、電池ブロック４の寸法が規制され、電池ブロック４を構成する角形電池２の膨張の状態に応じて、締結力が変化する。
【００６２】
以上の電源装置１は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータのみで走駆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、またはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両があり、これらの車両の電源として使用される。
【００６３】
また、車両用の電源装置のほかに、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。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、電源装置に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 電源装置
２ 角形電池
２１ 出力端子
２２ 外装缶
２３ 封口体
２４ 幅広面
２４ａ 稜線部
２４ｂ 中央部
２５ 電極体
２５１ 正極
２５２ 負極
２５３ 絶縁シート
２６ 電極集電部材
３ セパレータ
３１ 絶縁部
３２ 押圧部
３２ａ 頂点部
３２ｂ 周縁部
３３ 傾斜面
３３ａ 第一の傾斜面
３３ｂ 第二の傾斜面
３３ｃ 第三の傾斜面
３３ｄ 第四の傾斜面
４ 電池ブロック
５ エンドプレート
６ バインドバー
７ 電流遮断機構
７１ 導通部
７１ａ 接続金属
７１ｂ ダイアフラム
７２ インナーケース
８ バスバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルを備えた電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドカーや電気自動車、大型の蓄電装置等に使用される電源装置は、高電圧出力であることや高電流容量であることが求められる。この種の電源装置として、複数の電池セルを積層して形成される電源装置があり、電池セルを直列に接続することで電源装置の出力電圧を高く、並列に接続することで電源装置の電流容量を大きくすることができる。電源装置を構成する電池セルとしては、繰り返し充放電ができるように、二次電池が使用される。
【０００３】
二次電池は、充放電を繰り返すことにより電池セルが膨張し、膨張に伴う電池性能（入出力特性）の劣化が生じる。そのため、複数の電池セルを積層して構成される電源装置において、電池セルを加圧した状態で締結することで電池セルの膨張を防止し、膨張に伴う電池性能の劣化を抑制する締結具を備えた電源装置がある。
【０００４】
この種の電源装置としては、例えば、電池セルとして、直方体形状の外装缶を有する角形電池と角形電池を保持するセパレータとを交互に積層して形成される電池ブロックと、電池ブロックの両端に配設される一対のエンドプレートと、エンドプレートに架設され、積層されている角形電池を積層方向に加圧した状態で締結するバインドバーとを備えた電源装置が知られている（特許文献１）。この構成によると、バインドバーを介して電池ブロックを締結することで、各角形電池の外装缶は、隣接するセパレータに押圧され、外装缶の膨張が抑制されるようになっている。具体的には、エンドプレートに架設されたバインドバーによって、角形電池の寸法が制限されているので、充放電を繰り返すことで、外装缶内の内圧が上昇しても、セパレータが外装缶の幅広面を押圧して、外装缶の膨張が阻止される。
【０００５】
一方、電池性能の劣化は、電池セルの寿命（経年変化による内部抵抗の増加等）にも影響される。具体的には、電池セルは、高温度下での使用により電池セルの寿命が低下する。そのため、特許文献１の電源装置は、上述した構成に加えて、外装缶を金属で形成し、電池セルの放熱性能を高めると共に、電池ブロックの下部に当接する冷却プレートを介して、各電池セルを冷却できるように構成している。
【０００６】
金属製の外装缶を用いた場合、隣接する電池セルの外装缶に電位差が生じるため、隣接する電池セル同士を絶縁する必要がある。また冷却プレート等の冷却機構を備えた電源装置では、周囲との温度差により、結露水が外装缶等に付着するおそれがあるため、隣接する電池セル同士を絶縁する必要がある。特許文献１の電源装置では、絶縁性のセパレータを隣接する電池セルの間に配置することにより、隣接する電池セルを絶縁している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−３４７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の電源装置において、セパレータは、隣接する電池セルを絶縁すると共に、バインドバーを介して、電池セルの外装缶を押圧して、外装缶の膨張を防止するように構成されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の構成では、セパレータは、外装缶の幅広面を均一に押圧する構成であり、膨張による角形電池の電池性能の劣化を効率よく抑制するためのセパレータの最適な形状については充分な検討がなされておらず、角形電池の膨張を効率よく防止することが望まれていた。
【００１０】
本願発明は、斯かる問題を解決するためになされたものであり、複数の電池セルを積層して形成される電源装置において、電池性能の劣化を抑制することができる電源装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
扁平な直方体形状の外装缶を有し、該外装缶の幅広面を対向させて配設される複数の電池セルと、各電池セルの間に配設されるセパレータと、前記電池セルを加圧した状態で、前記電池セル及び前記セパレータを締結する締結具とを備え、前記外装缶の幅広面は、幅広面の周縁に位置する稜線部と、幅広面の中央に位置する中央部とを含み、前記セパレータは、隣接する前記電池セルを絶縁する絶縁部と、前記幅広面の中央部と対応する位置に形成され、前記中央部を押圧する押圧部とを有する。
【００１２】
前記外装缶は、上面を開口した有底の収納ケースであり、前記電池セルは、前記外装缶内に配設される電極体と、前記外装缶の開口を閉塞する封口体と、該封口体に立設され、前記電極体と電気的に接続される出力端子とを有し、前記セパレータは、前記封口体の近傍に位置する前記稜線部と前記絶縁部との間に空隙を設けるように構成されることが好ましい。
【００１３】
前記絶縁部は、前記外装缶の前記封口体側の端面よりも上方に延設されることが好ましい。
【００１４】
前記電池セルは、前記外装缶内の内圧が高くなった際に、前記出力端子と前記電極体とを電気的に遮断する電流遮断機構を有し、該電流遮断機構は、前記封口体近傍に配置されることが好ましい。
【００１５】
前記押圧部は、前記押圧部の中央に位置する頂点部と、頂点部の周縁に位置する周縁部とを有すると共に、前記頂点部から上側に位置する前記周縁部にかけて形成される第一の傾斜面と、前記頂点部から下側に位置する前記周縁部にかけて形成される第二の傾斜面とを有することが好ましい。
【００１６】
前記第一の傾斜面が、前記第二の傾斜面より、緩やかな勾配となるように形成されることが好ましい。
【００１７】
前記電極体は、正極及び負極の積層体を巻取体に巻装して形成されると共に、前記巻取体の軸方向を前記外装缶の左右側面方向に向けて、前記外装缶内に配設され、前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有し、さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面と勾配が等しくなるように形成されることが好ましい。
【００１８】
前記電流遮断機構は、前記出力端子の一方に設けられ、前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有すると共に、前記第三の傾斜面は、前記電流遮断機構と近接する位置に形成され、さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面よりも、急勾配となるように形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の構成によると、隣接する電池セルを絶縁すると共に、膨張しやすい外装缶の中央部を押圧することができるため、効率よく電池セルの膨張を抑制することができる等の効果を奏する。
【００２０】
請求項２の構成によると、空隙を設けることで、封口体近傍に位置する稜線部を押圧することなく、絶縁することができ、例えば、封口体と外装缶の接合部分が破損することを防止できる等の効果を奏する。
【００２１】
請求項３の構成によると、隣接する電池セルの出力端子の間に絶縁部を位置させることができ、例えば、結露などによる短絡を防止することができる等の効果を奏する。
【００２２】
請求項４によると、外装缶の内圧に応じて作動する電流遮断機構を押圧部による負荷がかかりにくい封口体近傍に設けることで、電流遮断機構の誤作動を防止することができる等の効果を奏する。
【００２３】
請求項５によると、押圧部が頂点部から周縁部にかけて傾斜が形成されるため、締結具による締結力に応じて、押圧部と外装缶の幅広面の接触面積を緩やかに変化させることができる等の効果を奏する。
【００２４】
請求項６によると、主に底面側の幅広面を押圧することができ、封口体等にかかる負荷を低減できる等の効果を奏する。
【００２５】
請求項７によると、電極体の軸方向において幅広面を均等に押圧することができる等の効果を奏する。
【００２６】
請求項８によると、電流遮断機構に近接する第三の傾斜面を、第四の傾斜面よりも急勾配とすることで、電流遮断機構にかかる負荷を低減することができ、電流遮断機構の誤作動を防止することができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態における電源装置１の斜視図である。
【図２】同角形電池２の斜視図である。
【図３】同角形電池２の垂直縦断面図である。
【図４】同角形電池２の垂直横断面図である。
【図５】同電流遮断機構７の構造を示すための断面図である。
【図６】同電流遮断機構７が作動した際のダイアフラムの様子を示す断面図である。
【図７】本発明おけるセパレータ３Ａの形状を示す断面図である。
【図８】同セパレータ３Ａの形状を示す上面図である。
【図９】同セパレータ３Ｂの形状を示す断面図である。
【図１０】同セパレータ３Ｃの形状を示す断面図である。
【図１１】同セパレータ３Ｄの形状を示す断面図である。
【図１２】同セパレータ３Ｅの形状を示す上面図である。
【図１３】同セパレータ３Ｆの形状を示す上面図である。
【図１４】同絶縁部と押圧部とを一体成型されたセパレータ３（３Ａ）の断面図である。
【図１５】平板状のセパレータを用いて押圧した際の押圧力と角形電池２のセル幅との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施形態のセパレータを用いて押圧した際の押圧力と角形電池２のセル幅との関係を示すグラフである。
【図１７】他の実施形態におけるセパレータの形状を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態について図１乃至図１４に基づいて、以下に詳述する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態における電源装置１の斜視図である。図１に示すように、電源装置１は、角形電池２と絶縁性のセパレータ３とを交互に積層して形成される電池ブロック４と、電池ブロック４の両端に配設されるエンドプレート５と、エンドプレート５に架設され、電池ブロック４を積層方向に加圧した状態で締結する締結具として、バインドバー６とを備えている。
【００３０】
電池ブロック４を構成する角形電池２は、出力端子２１が電池ブロック４の上面に並ぶように積層され、隣接している角形電池２同士は、バスバー８を介して接続される。角形電池２は直列に接続され、電源装置１の出力電圧を大きくしている。電池ブロック４の両端に配設されているエンドプレート５は、外形が角形電池２の外形とほぼ等しい直方体形状で、アルミニウムやアルミニウム合金等の比較的高い強度を有する金属や硬質のプラスチック等で形成されている。エンドプレート５の四隅には、上下に並設される一対のバインドバー６をネジ止め固定するためのネジ穴が形成されており、バインドバー６を架設できるようになっている。
【００３１】
尚、上記実施形態では、各角形電池２は直列に接続されているが、並列に接続してもよい。角形電池２を並列に接続することで、電源装置１の電流容量を大きくすることができる。また、目的の出力電圧や電流容量に応じて、並列接続や直列接続を組み合わせて電池ブロック４を構成することもできる。
【００３２】
図２乃至図４は、角形電池２の構成を示す図である。図２乃至図４に示すように、角形電池２は、上面を開口した扁平な直方体形状に形成される外装缶２２と、外装缶２２の開口を閉塞する封口体２３と、封口体２３から立設される出力端子２１とを有する電池セルで、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池である。外装缶２２は、熱伝導性に優れた金属で形成されており、角形電池２の冷却性を向上させるようになっている。熱伝導性に優れた金属としては、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金等がある。外装缶２２は、セパレータ３と対向する幅広面２４を有しており、バインドバー６により締結されることで、この幅広面２４がセパレータ３によって押圧されるようになっている。外装缶２２の幅広面２４は、幅広面２４の周縁に位置する稜線部２４ａと、中央に位置する中央部２４ｂとで構成されている。この構成の角形電池２は、充放電を繰り返すことで外装缶２２の内圧が上昇した際に、特に外装缶２２の中央部２４ｂが膨張する。
【００３３】
図３及び図４の断面図に示すように、外装缶２２内には、正極２５１と負極２５２の間に絶縁シート２５３を介在させた積層体を巻装して形成される電極体２５と、図示しない電解液が封入されている。二つの出力端子２１は、それぞれ、電極集電部材２６を介して、正極２５１または負極２５２に電気的に接続され、電流遮断機構７が、正極２５１と、正極２５１に接続されている出力端子２１との間に設けられている。電流遮断機構７は、電池セルの内圧、即ち外装缶２２の内圧が設定圧力よりも高くなると電流を遮断するように構成されている。
【００３４】
図５乃至図６は、電流遮断機構７の具体的な構成を示す断面図である。電流遮断機構７は、出力端子２１と正極２５１とを電気的に接続する導通部７１を有しており、封口体２３の近傍に設けられている。この導通部７１は、正極２５１と電気的に接続される接続金属７１ａと、外装缶２２の内圧に応じて変形する金属製のダイアフラム７１ｂとで構成される。ダイアフラム７１ｂは、封口体２３に固定された出力端子２１の下端に外周を当接させて、この当接部分を溶接することで、出力端子２１とダイアフラム７１ｂとを電気的に接続している。ダイアフラム７１ｂ及び接続金属７１ａは、プラスチック等の絶縁材で形成されるインナーケース７２に収納される。
【００３５】
インナーケース７２は、ダイアフラム７１ｂの上面を気密に密閉している。ダイアフラム７１ｂの上面側を気密に密閉することで、ダイアフラム７１ｂの上面側には外装缶２２の内圧が作用しないように構成される。ダイアフラム７１ｂの下面側には、外装缶２２の内圧が作用し、内圧によってダイアフラム７１ｂを上方へ押し上げる力が働く。このダイアフラム７１ｂを押し上げる力は、外装缶２２の内圧に比例して大きくなる。外装缶２２の内圧が充分小さい場合には、ダイアフラム７１ｂを押し上げる力も小さく、ダイアフラム７１ｂの上面側の密閉空気によって、ダイアフラム７１ｂの変形を阻止される。外装缶２２の内圧が上昇してダイアフラム７１ｂを押し上げる力がある一定値を越えた場合には、ダイアフラム７１ｂの変形を阻止できなくなり、図６に示すように変形する。図６の状態のダイアフラム７１ｂは、接続金属７１ａから離間した状態となり、出力端子２１と正極２５１とが電気的に遮断される。ダイアフラム７１ｂが変形する内圧は、ダイアフラム７１ｂの材厚や形状によって設定することができる。図６に示すように変形したダイアフラム７１ｂは、外力が働かない限りこの形状に保持されるため、一度、電流遮断機構７が作動すると、その後も出力端子２１と正極２５１とは、電気的に遮断される状態が維持される。
【００３６】
この構成により、外装缶２２の内圧が異常に上昇した場合等には、電源装置１が接続される負荷、例えば車両用モータ等から、角形電池２を電気的に遮断することができる。尚、上記実施形態において、電流遮断機構７は、正極２５１側に設けられているが、負極２５２側に設ける構成としても良い。
【００３７】
図７乃至図１３は、セパレータ３の形状を示すための断面図である。図７に示すように、隣接する角形電池２の間には、セパレータ３が設けられており、このセパレータ３は、隣接する角形電池２を絶縁するための絶縁部３１と、外装缶２２の幅広面２４の中央部２４ｂと対向する位置に押圧部３２とを有している。具体的には、押圧部３２は、外装缶２２内に封入される電極体２５対応する位置に形成され、幅広面２４の電流遮断機構７より下方に位置する部分を押圧するように構成されることが好ましい。
【００３８】
尚、上述したエンドプレート５を金属で形成した場合、エンドプレート５と角形電池２との間にもセパレータ３が配設される。この電池ブロック２の端部に配設されるセパレータ３は、角形電池２と対向する面は一面だけであり、押圧部３２も角形電池２と対向する面に形成される。また、端部のセパレータ３は、エンドプレート５を保持するように、エンドプレート５と嵌合するような形状とすることもできる。このように形成することで、電池ブロック２をバインドバー６で締結する際、エンドプレート５の位置ずれを防止することができる。
【００３９】
図７に示されるセパレータ３（３Ａ）において、押圧部３２は、絶縁部３１よりも外装缶２２の幅広面２４に向かって突出した形状に形成されている。図７及び図８に示すように、外装缶２２の稜線部２４ａ近傍においては、絶縁部３１と外装缶２２の稜線部２４ａとの間に空隙を設けるように、押圧部３２に対して段差が設けられている。尚、必ずしも絶縁部３１と外装缶２２との間に空隙を設ける必要はないが、少なくとも封口体２３近傍に位置する稜線部２４ａと、セパレータ３Ａの絶縁部３１との間に空隙を設けることが好ましい。
【００４０】
角形電池２の外装缶２２は、上述の通り、特に幅広面２４の中央部２４ｂが膨張し、幅広面２４の稜線部２４ａはそれほど膨張しない。このような構成において、外装缶２２の稜線部２４ａを押圧しても、ほとんど膨張しない部分を押圧することになるため、効率よく外装缶２２の膨張を抑止できない。また、外装缶２２の稜線部２４ａ、特に封口体２３の近傍に位置する稜線部２４ａに過度な力がかかると、封口体２３と外装缶２２の溶接部分に亀裂が入ったり、溶接が剥がれたりするおそれがある。
【００４１】
上記実施形態では、バインドバー６で締結した際に、セパレータ３Ａの押圧部３２が、外装缶２２の幅広面２４の中央部分を主に押圧するように構成されているので、膨張の変化が大きい幅広面２４の中央部２４ｂを押圧することができ、効率よく外装缶２２の膨張を抑制できる。加えて、この構成では、封口体２３等に負荷がかかりにくくなっているので、封口体２３と外装缶２２の溶接部分に亀裂が入ったり、溶接が剥がれたりすることを防止でき、より安全な電源装置を提供することができる。
【００４２】
図９に示すセパレータ３（３Ｂ）は、絶縁部３１が封口体２３近傍の外装缶２２端面より上方へ突出するように延設されている。上述した通り、電源装置１に冷却機構を備えた場合、周囲との温度差によって、外装缶２２の表面に結露水が付着することがある。特に、外装缶２２を金属で形成した場合、この結露水の付着は顕著となる。図９に示すセパレータ３Ｂは、隣接する角形電池２の出力端子２１の間に、絶縁部３１が位置するように構成されているため、例えば、外装缶２２に結露水が付着しても、結露水を介して隣接する角形電池２が接触することはなく、隣接する角形電池２の短絡を防止できるようになっている。従って、図９に示すセパレータ３Ｂを備えた電源装置１は、セパレータを角形電池２の膨張を効率よく防止できる形状としながら、絶縁層３１により、結露水による短絡を防止することができる。
【００４３】
図１０乃至図１３は、さらに効率よく外装缶２２の幅広面２４を押圧する押圧部３２の形状を説明するためのものである。図１０乃至図１３のセパレータ３において、押圧部３２は、中央に位置する頂点部３２ａと、周縁に位置する周縁部３２ｂを有しており、頂点部３２ａから周縁部３２ｂにかけてなだらかに傾斜した傾斜面３３が形成されている。この構成によると、締結される力に応じて、セパレータ３の押圧部３２と、外装缶２２の幅広面２４との接触面積を変化させることができる。具体的には、外装缶２２がほとんど膨張していない場合、セパレータ３の押圧部３２は、主に頂点部３２ａと幅広面２４とが接触し、外装缶２２が大きく膨張した場合、セパレータ３の押圧部３２は、頂点部３２ａと周縁部３２ｂとで幅広面２４を押圧するようになっている。この時、押圧部３２と外装缶２２の幅広面２４との接触面積は、傾斜面３３の勾配に応じて変化する。例えば、傾斜面３３の勾配が緩やかとなるように押圧部３２を形成した場合、締結力の変化に対して、接触面積は急激に変化する。また、傾斜面３３を急勾配となるように形成した場合、締結力に変化に対して、押圧部３２と幅広面２４との接触面積は緩やかに変化する。
【００４４】
図１０のセパレータ３（３Ｃ）において、押圧部３２は、頂点部３２ａから出力端子２１側に位置する周縁部３２ｂにかけて形成される第一の傾斜面３３ａと、頂点部３２ａから底面側に位置する周縁部３２ｂにかけて形成される第二の傾斜面３３ｂとを有している。この構成によると、上述した通り、傾斜面３３の勾配に応じて、押圧部３２と幅広面２４との接触面積を変化させることができるので、出力端子２１側に位置する周縁部３２ｂと、底面側に位置する周縁部３２ｂにかかる負荷を低減させることができる。
【００４５】
また、傾斜面３３ａ及び傾斜面３３ｂは、図１１に示すように、傾斜面３３ａと傾斜面３３ｂとで勾配を異ならせるように形成することもできる。図１１に示されるセパレータ３（３Ｄ）は、第一の傾斜面３３ａよりも第二の傾斜面３３ｂのほうが、傾斜が緩やかとなるように形成されているため、接触面積の増減が底面側に偏って変化する。換言すると、図１１に示されるセパレータ３Ｄは、外装缶２２の幅広面２４の底面側を主に押圧するように構成される。この構成によると、外装缶２２の出力端子２１側に位置する封口体２３にかかる負荷を低減することができる。
【００４６】
さらに、上記実施形態では、電流遮断機構７は封口体２３近傍に設けられているため、電流遮断機構７にかかる負荷を低減させることができる。特に、上記実施形態で説明した電流遮断機構７は、外装缶２２の内圧に応じてダイアフラム７１ｂが変形して出力端子２１と電極体２５との電気的接続を遮断する構成であるため、外力（例えば、押圧部が外装缶を押圧する押圧力等）がダイアフラム７１ｂにかかると、ダイアフラム７１ｂが変形するおそれがある。具体的には、外装缶２２の内圧がそれほど高くないにもかかわらず、ダイアフラム７１ｂが変形して、電流が遮断されたり、出力端子２１と電極体２５との電気的接続が遮断された状態の電流遮断機構７に加わる外力によって、ダイアフラム７１ｂが変形し、再び出力端子２１と電極体２５とが接続されたりするおそれがある。図１１に示されるセパレータ３Ｄの構成によると、電流遮断機構７にかかる負荷を低減できるので、電流遮断機構７の誤作動を防止するという効果も期待できる。
【００４７】
図１２に示されるセパレータ３（３Ｅ）は、頂点部３２ａから左右両側方に位置する周縁部３２ｂにかけて、第三の傾斜面３３ｃと第四の傾斜面３３ｄとが形成されており、電流遮断機構７の近傍に位置する斜面が第三の傾斜面３３ｃとする。図１２に示すセパレータ３Ｅは、第三の傾斜面３３ｃと第四の傾斜面３３ｄとは同じ勾配となるように形成されている。セパレータ３Ｅは、水平方向において、左右対称に形成されるため、外装缶２２の幅広面２４を水平方向において均等に押圧するように構成することができる。図４等に示されるように、電極体２５は、電極体２５の軸方向を外装缶２２の水平方向へ向けて、外装缶２２内に封入されているため、外装缶２２が均等に押圧されるように構成することで、外装缶２２内に封入されている電極体２５に偏った負荷がかかること等を防止することができる。
【００４８】
図１３に示されるセパレータ３（３Ｆ）は、第三の傾斜面３３ｃが、第四の傾斜面３３ｄよりも急勾配となるように形成されている。上述の通り、傾斜面３３の勾配を異ならせることで、外装缶２２の幅広面２４を押圧する力を偏らせることができる。図１３に示す実施形態では、電流遮断機構７の近傍に位置する第三の傾斜面３３ｃを急勾配に形成することで、電流遮断機構７にかかる負荷をさらに低減するように構成することができる。
【００４９】
尚、図１０乃至図１３に様々な形状のセパレータ３を例示したが、それぞれ組み合わせることが可能である。また、図１０乃至図１３に示した実施形態において、セパレータ３は、絶縁部３１と押圧部３２とが別部品で構成されているが、図１４に例示するように、一体成型としてもよい。この構成では、絶縁部３１及び押圧部３２は絶縁材で成形される。絶縁材としては、比較的強度が高い絶縁性樹脂を用いることが好ましい。絶縁部３１と押圧部３２とが一体成型される構成とした場合、セパレータ３の生産性を高めることができる。
【００５０】
さらに、上記実施形態において、傾斜面３３（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ）の傾斜は、必ずしも一定の傾斜角度を持った勾配とする必要はなく、頂点部３２ａから離れるにつれて、連続的に傾斜角度が変化するように、即ち、押圧部３２の断面形状が円弧状となるように構成しても良い。
【００５１】
また、図８乃至図１４に示すセパレータ３において、絶縁部３１の周縁部２４ａと対向する部分は、幅広面２４と平行となる平坦な面に形成されているが、図１７に例示するように、絶縁部３１の周縁部２４ａと対向する部分を、押圧部３２の傾斜面３３に沿って傾斜した形状としても良い。セパレータ３は、生産性やコストの観点から、図１４に示すように絶縁性の樹脂を用いて絶縁部３１と押圧部３２を一体成型することがあるが、このような場合、セパレータ３の形状が複雑になると、セパレータ３を成形するための金型も複雑になり、コストが増大するおそれがある。上述した構成によると、絶縁部３１の周縁部２４ａと対向する部分は、押圧部３２の傾斜面３３に沿うように傾斜した形状となるため、セパレータ３の形状が比較的簡単な形状となり、コストの増加を抑制することができる。
【００５２】
ここで、セパレータ３の形状とバインドバー６による締結力の変化について詳述する。具体的には、セパレータで外装缶２２を押圧する場合における押圧力とセル幅の関係について、一般的に知られている平板状のセパレータと、図１１に示した実施形態におけるセパレータ３Ｄとの比較を行う。
【００５３】
図１５乃至図１６は本発明の発明者が行ったシミュレーションの結果を表すグラフで、膨張した際の外装缶２２の形状と、外装缶２２の変形に対する強度をインプットして、剛体の変形についてシミュレートしたものである。外装缶２２の形状は、厳密に説明すると、外装缶２２の開口部分から容易に電極体２５を挿入できるようにするため、封口体２３で閉塞する上面開口に近づくにつれて広がるように幅広面２４が傾いている。このような形状であるため、外装缶２２の幅寸法は、封口体側と底面側とで値が異なるが、以下の説明では、外装缶２２の中央部分の幅寸法をセル幅として規定する。
【００５４】
図１５は、一般的な平板状のセパレータで角形電池２を押圧した際のセル幅と押圧力Ｆ（上記実施形態におけるバインドバー６の締結力）との関係を示すグラフである。具体的には、幅２７ｍｍの外装缶２２が２８．５ｍｍ程度まで膨張した角形電池２について検証されたものであり、縦軸を押圧力、横軸をセル幅としてプロットしている。図１５から明らかなように、セル幅を元の寸法（図１５では２７ｍｍ）よりも縮小させように、外装缶２２をセパレータで押圧すると、必要となる押圧力が急激に上昇する。
【００５５】
膨張した外装缶２２は、主に外装缶２２の幅広面２４が膨出する形状となっており、膨張している外装缶を押圧する場合、外装缶２２の膨出している一部分のみがセパレータによって押圧される。一方、元の寸法まで押圧された角形電池２の外装缶２２は、膨張していない外装缶２２の外形と同形状、あるいはほぼ同形状となっている。そのため、この状態の外装缶２２をさらに押圧してセル幅を縮小させる場合、外装缶２２の膨出している一部分のみを押圧する場合と比較して、セパレータと外装缶２２の接触する面積が変化し、外装缶２２の寸法を縮小するために必要となる押圧力が急激に上昇する。
【００５６】
加えて、前述の通り、外装缶２２の形状は、封口体２３側に広がるように幅広面２４が傾斜しているため、元の寸法まで押圧された角形電池２の外装缶２２をさらに平板状のセパレータで押圧する場合、平板状のセパレータは、外装缶２２の封口体２３側の稜線部２４ａと当接する。この当接部分は、外装缶２２の稜線部２４ａの近傍で、外装缶２２の変形しにくい部分に相当するため、セパレータと外装缶２２の稜線部２４ａが当接した状態から、さらに外装缶２２の寸法を縮小する場合には、必要となる押圧力が急激に上昇する。
【００５７】
図１６は、上記実施形態におけるセパレータ３Ｄで角形電池２を押圧した際のセル幅と押圧力Ｆとの関係を示すグラフである。具体的には、図１５と同様に、幅２７ｍｍの外装缶２２が２８．５ｍｍ程度まで膨張した角形電池について検証されたものであり、縦軸を押圧力、横軸をセル幅としてプロットしている。図１６に示されるように、上述した実施形態のセパレータ３Ｄで膨張した外装缶２２を押圧する場合には、一般的なセパレータを用いた図１５の結果とは異なり、セル幅が２７ｍｍ（元の寸法）より縮小される状態となっても、押圧力は急激に変化しない。これは、セパレータの形状をセパレータ３Ｄのようにすることで、セル幅が変化しても、外装缶２２とセパレータ３Ｄとの接触する面積があまり変化しないように構成することができるためである。
【００５８】
上述の通り、セパレータ３は、稜線部２４ａと絶縁部３１の間に空隙を設けているため、外装缶２２のセル幅に依らず、稜線部２４ａ近傍がセパレータ３と当接しないように構成することができる。また、押圧部３２に傾斜面を設けることで、セパレータ３と外装缶２２の幅広面２４との接触面積が緩やかに変化するように構成することができる。
【００５９】
一方、外装缶は、製造時に寸法がばらつき、この寸法誤差を完全に無くすことはできない。外装缶２２に寸法誤差が生じた場合において、外装缶２２のセル幅と押圧力Ｆとの関係は、図１５及び図１６において、グラフを左右に平行移動したものに相当する。例示的には、この外装缶２２の寸法誤差は、２７ｍｍの外装缶２２に対して、０．１ｍｍ程度のオーダーとなる。上記実施形態の電源装置１において、角形電池２が拘束されない場合、積層されている角形電池２の脱落や、バスバー８にかかる負荷の増大など、さまざまな問題が生じる。そのため、上記実施形態のような電源装置１において、角形電池２が拘束されないという状態はさけなければならず、バインドバー６は、誤差がまったくない場合の最適値（図１５及び図１６において、セル幅を２７ｍｍとする際に必要となる押圧力）よりも、多少大きな力で拘束できるように構成する必要がある。
【００６０】
上述の通り、平板状のセパレータで外装缶２２を押圧する場合、外装缶２２のセル幅に応じて、押圧力Ｆが大きく変化するため、外装缶２２の寸法誤差の影響を受けやすい。これに対し、上記実施形態のセパレータ３の構成では、押圧力Ｆが急激に変化することはないので、積層される角形電池２の寸法公差による影響を、一般的な平板状のセパレータで押圧する構成と比較して少なくすることができる。そのため、バインドバー６にかかる負荷のばらつきを小さくすることができるので、バインドバー６の剛性を必要以上に高める必要はなく、例えば、バインドバー６の厚さを薄くして、電源装置１を小型化することもできる。
【００６１】
而して、直方体形状の外装缶２２を有する角形電池２と、押圧部３２を有するセパレータ３とを交互に積層させて、電池ブロック４を形成する。電池ブロック４の積層方向両端にエンドプレート５を配設した後、エンドプレート５にバインドバー６を架設する。具体的には、治具を用いて、電池ブロック４を積層方向に加圧し、バインドバー６をエンドプレート５にネジ止め固定する。このようにバインドバー６が架設された電池ブロック４は、治具を取り外しても、バインドバー６により、積層方向に加圧された状態で締結される。締結された電池ブロック４は、電池ブロック４の寸法が規制され、電池ブロック４を構成する角形電池２の膨張の状態に応じて、締結力が変化する。
【００６２】
以上の電源装置１は、車載用の電源として利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータのみで走駆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、またはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両があり、これらの車両の電源として使用される。
【００６３】
また、車両用の電源装置のほかに、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。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、電源装置に広く利用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 電源装置
２ 角形電池
２１ 出力端子
２２ 外装缶
２３ 封口体
２４ 幅広面
２４ａ 稜線部
２４ｂ 中央部
２５ 電極体
２５１ 正極
２５２ 負極
２５３ 絶縁シート
２６ 電極集電部材
３ セパレータ
３１ 絶縁部
３２ 押圧部
３２ａ 頂点部
３２ｂ 周縁部
３３ 傾斜面
３３ａ 第一の傾斜面
３３ｂ 第二の傾斜面
３３ｃ 第三の傾斜面
３３ｄ 第四の傾斜面
４ 電池ブロック
５ エンドプレート
６ バインドバー
７ 電流遮断機構
７１ 導通部
７１ａ 接続金属
７１ｂ ダイアフラム
７２ インナーケース
８ バスバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平な直方体形状の外装缶を有し、該外装缶の幅広面を対向させて配設される複数の電池セルと、各電池セルの間に配設されるセパレータと、前記電池セルを加圧した状態で、前記電池セル及び前記セパレータを締結する締結具とを備え、
前記外装缶の幅広面は、幅広面の周縁に位置する稜線部と、幅広面の中央に位置する中央部とを含み、
前記セパレータは、隣接する前記電池セルを絶縁する絶縁部と、前記幅広面の中央部と対応する位置に形成され、前記中央部を押圧する押圧部とを有する電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の電源装置において、
前記外装缶は、上面を開口した有底の収納ケースであり、
前記電池セルは、前記外装缶内に配設される電極体と、前記外装缶の開口を閉塞する封口体と、該封口体に立設され、前記電極体と電気的に接続される出力端子とを有し、
前記セパレータは、前記封口体の近傍に位置する前記稜線部と前記絶縁部との間に空隙を設けるように構成される電源装置。
【請求項３】
請求項２記載の電源装置において、
前記絶縁部は、前記外装缶の前記封口体側の端面よりも上方に延設される電源装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電源装置において、前記電池セルは、前記外装缶内の内圧が高くなった際に、前記出力端子と前記電極体とを電気的に遮断する電流遮断機構を有し、該電流遮断機構は、前記封口体近傍に配置される電源装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電源装置において、
前記押圧部は、前記押圧部の中央に位置する頂点部と、頂点部の周縁に位置する周縁部とを有すると共に、
前記頂点部から上側に位置する前記周縁部にかけて形成される第一の傾斜面と、前記頂点部から下側に位置する前記周縁部にかけて形成される第二の傾斜面とを有する電源装置。
【請求項６】
請求項５記載の電源装置において、前記第一の傾斜面が、前記第二の傾斜面より、緩やかな勾配となるように形成される電源装置。
【請求項７】
請求項５記載の電源装置において、
前記電極体は、正極及び負極の積層体を巻取体に巻装して形成されると共に、前記巻取体の軸方向を、幅広面と平行で、且つ前記外装缶の左右側面方向に向けて、前記外装缶内に配設され、
前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有し、
さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面と勾配が等しくなるように形成される電源装置。
【請求項８】
請求項５記載の電源装置において、
前記電流遮断機構は、前記出力端子の一方に設けられ、
前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有すると共に、
前記第三の傾斜面は、前記電流遮断機構と近接する位置に形成され、
さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面よりも、急勾配となるように形成される電源装置。
【請求項１】
扁平な直方体形状の外装缶を有し、該外装缶の幅広面を対向させて配設される複数の電池セルと、各電池セルの間に配設されるセパレータと、前記電池セルを加圧した状態で、前記電池セル及び前記セパレータを締結する締結具とを備え、
前記外装缶の幅広面は、幅広面の周縁に位置する稜線部と、幅広面の中央に位置する中央部とを含み、
前記セパレータは、隣接する前記電池セルを絶縁する絶縁部と、前記幅広面の中央部と対応する位置に形成され、前記中央部を押圧する押圧部とを有する電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の電源装置において、
前記外装缶は、上面を開口した有底の収納ケースであり、
前記電池セルは、前記外装缶内に配設される電極体と、前記外装缶の開口を閉塞する封口体と、該封口体に立設され、前記電極体と電気的に接続される出力端子とを有し、
前記セパレータは、前記封口体の近傍に位置する前記稜線部と前記絶縁部との間に空隙を設けるように構成される電源装置。
【請求項３】
請求項２記載の電源装置において、
前記絶縁部は、前記外装缶の前記封口体側の端面よりも上方に延設される電源装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電源装置において、前記電池セルは、前記外装缶内の内圧が高くなった際に、前記出力端子と前記電極体とを電気的に遮断する電流遮断機構を有し、該電流遮断機構は、前記封口体近傍に配置される電源装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電源装置において、
前記押圧部は、前記押圧部の中央に位置する頂点部と、頂点部の周縁に位置する周縁部とを有すると共に、
前記頂点部から上側に位置する前記周縁部にかけて形成される第一の傾斜面と、前記頂点部から下側に位置する前記周縁部にかけて形成される第二の傾斜面とを有する電源装置。
【請求項６】
請求項５記載の電源装置において、前記第一の傾斜面が、前記第二の傾斜面より、緩やかな勾配となるように形成される電源装置。
【請求項７】
請求項５記載の電源装置において、
前記電極体は、正極及び負極の積層体を巻取体に巻装して形成されると共に、前記巻取体の軸方向を、幅広面と平行で、且つ前記外装缶の左右側面方向に向けて、前記外装缶内に配設され、
前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有し、
さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面と勾配が等しくなるように形成される電源装置。
【請求項８】
請求項５記載の電源装置において、
前記電流遮断機構は、前記出力端子の一方に設けられ、
前記押圧部は、前記頂点部から側方に位置する前記周縁部にかけて形成される第三の傾斜面及び第四の傾斜面とを有すると共に、
前記第三の傾斜面は、前記電流遮断機構と近接する位置に形成され、
さらに、前記押圧部は、前記第三の傾斜面が、前記第四の傾斜面よりも、急勾配となるように形成される電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−９７８８８（Ｐ２０１３−９７８８８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７００６（Ｐ２０１１−２３７００６）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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