JP2002141032A - 組電池 - Google Patents
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Abstract
る回路にセンサー及びコントローラー等を増設する必要
がなく部品点数を削減でき、且つ単電池に内部短絡等の
問題があっても他の単電池に影響を与えずに使用できる
組電池を提供すること。 【解決手段】 通常使用電圧がx[V]、過充電状態電
圧がy[V]である電池をy/(y−x)個以上400
/x個以下直列に接続した電池群を有し、この直列電池
群を複数且つ並列に接続して成る組電池である。LiM
n2O4系リチウムイオン電池を4個以上直列に接続し
た電池群を有し、この直列電池群を複数且つ並列に接続
して成る組電池である。
Description
み合わせて成る組電池に係り、特に小型の二次電池を組
み合わせ電気自動車等のモータ駆動用電池として好適に
使用できる組電池に関する。
て、二酸化炭素排出規制が切に望まれる中、自動車業界
ではガソリン車等の化石燃料を使用する自動車に替え
て、電気自動車(EV)やハイブリッド(HEV)の導
入を促進すべく、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動
用電池の開発が鋭意行われている。この電池としては、
繰り返し充電が可能な二次電池が使用される。EV、H
EVのモータ駆動のような高出力及び高エネルギー密度
が要求される用途では、単一の大型電池は事実上作れ
ず、複数個の電池を直列に接続して構成した組電池を使
用することがこれまで一般的であった。
常に大きくする必要があり、専用の製造ラインを設けて
生産する必要があった。また、特に大容量が必要とされ
るEV用電池等では、1個の電池が非常に重くなり取り
扱いが困難であった。
数接続して、EV、HEV用途に供することが考えられ
ている。また、高出力、高エネルギー密度であるLiM
n2O4系リチウムイオン二次電池を自動車用組電池と
して充放電に使用する場合、単電池を複数個並列に接続
した電池群(グループ)を直列に接続した組電池を用
い、全体として400Vの電圧を得ることが考えられて
いる。
直列に接続した組電池においては、いずれかの単電池が
内部短絡した場合、組電池全体が使用不可能となりEV
/HEVが走行不可能となる可能性がある。そのため、
従来のEV/HEV車両に搭載の組電池には各単電池に
セルコントローラーを付け単電池の状態をモニターしな
ければならず、コスト的に好ましくないという課題があ
った。また、本質的に単電池1個に問題があったところ
で回避は不可能であった。
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、大出力及び大容量を実現し、組電池を構成する回路
にセンサー及びコントローラー等を増設する必要がなく
部品点数を削減でき、且つ単電池に内部短絡等の問題が
あっても他の単電池に影響を与えずに使用できる組電池
を提供することにある。
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、単電池の通常使用
電圧と過充電状態電圧の差を利用して、複数直列に接続
した電池群(グループ)を複数並列に接続して組み合わ
せること、LiMn2O4系リチウムイオン電池を4個
以上用いることにより、上記課題が解決できることを見
出し、本発明を解決するに至った。
x[V]、過充電状態電圧がy[V]である電池をy/
(y−x)個以上400/x個以下直列に接続した電池
群を有し、この直列電池群を複数且つ並列に接続して成
ることを特徴とする。
系リチウムイオン電池を4個以上直列に接続した電池群
を有し、この直列電池群を複数且つ並列に接続して成る
ことを特徴とする。
直列電池群が、各直列電池群ごとに脱着できるサブモジ
ュール構造であることを特徴とする。
池(電池単位)を従来よりも多く用いた。これより、単
電池の内部短絡などによって電池の内部抵抗が限りなく
0に近づいた場合には、この電池を含む電池群が他の電
池群の電圧と等しくなるよう電流が流れるが、当該電池
群に含まれる内部短絡した電池以外の電池は過充電状態
にならず、一時的に継続して使用できる。
に説明する。本発明の組電池は、通常使用電圧がx
[V]、過充電状態電圧がy[V]である電池をy/
(y−x)個以上400/x個以下直列に接続した電池
群を有し、この直列電池群を複数且つ並列に接続して成
る。ここで、「通常使用電圧」とは通常使用している電
圧であり、また、「過充電状態電圧」とは過充電により
電圧が上昇するような電圧をいう。
は、通常使用電圧x[V]、過充電状態電圧y[V]、
N直列にした電池群をM(2〜10)並列にした組電池
を考えるとき、単電池1個が短絡し、抵抗が0になった
場合に、その単電池を有する電池群(グループ)の他の
電池が過充電状態にならない条件は、次式1 y×(N−1)≧x×N …(1) で表される。式1において、左辺は短絡した単電池を有
する電池群の電圧を示し、右辺はその他の電池群の電圧
を示している。このとき、その他の電池群の電圧は、短
絡した単電池を有する電池群の他の電池が過充電状態に
なるときの総電圧を超えてはならない。
Nに注目すると、次式2 N≧y/(y−x) …(2) で表すことができる。但し、本発明の組電池において、
実際に実験したところ、式2で計算した値より1又は2
小さくても過充電状態にならないことがわかった。この
原因としては放電電圧、充電電圧と充電率(%)の関係
を式2が考慮していないためと考えられる。しかし、放
電電圧及び充電電圧と充電率(%)との関係は複雑であ
り、単電池の種類によっても変わってくるので、N、x
及びyの厳密な一般式を求めることは困難である。本発
明では、上記電池をy/(y−x)個以上400/x個
以下直列に接続した電池群を有し、この直列電池群を複
数且つ並列に接続した。当該電池群に含まれる内部短絡
した電池以外の電池は過充電状態にならない。代表的に
は、例えば、電気自動車を想定するときの上限は、安全
を考慮すると400[V](LiMn2O4系リチウム
イオン二次電池で96個)であることが望ましい。ま
た、人間への安全を考慮すると60[V](LiMn2
O4系リチウムイオン二次電池で14個)を上限とする
ことがより望ましい。また、電池を増やすと内部抵抗が
大きくなるために、できるだけ少ないほうがよい。な
お、上記電池がy/(y−x)個未満であるときは、短
絡した場合、他の電池が使用不可能となり、400/x
個を超えるときは車載には向いていない。また、上記電
池としては、リチウムイオン電池(LiMn2O4やL
iNiO 2など)、Ni−H電池及び鉛蓄電池などを例
示することができる。
る。かかる組電池は、LiMn2O4系リチウムイオン
電池を4個以上直列に接続した電池群を有し、この直列
電池群を複数且つ並列に接続して成る。このような構成
の組電池とすることで、1つの単電池が短絡しても、他
の電池は使用可能となる。なお、リチウムイオン電池が
4個未満のときは、短絡した電池群を有する他の電池が
過充電状態となる。
iMn2O4であるが、Li欠損タイプ又はLi過剰タ
イプのリチウムイオン系電池であってもよい。また、M
nの一部は、Mnを除く遷移金属元素及び/又は他の金
属元素の任意の組合せにかかる金属元素で置換されてい
てもよい。更に、上記リチウムイオン系電池は、酸素
(O)欠損タイプ又はO過剰タイプでもよい。更にま
た、Oの一部は、硫黄(S)、フッ素(F)又は塩素
(Cl)、及びこれらの任意の組合せに係る元素などで
置換されていてもよい。
質二次電池に用いられる材料がいずれも使用可能であ
り、例えば、金属リチウムやリチウム合金等のリチウム
系金属、SnSiO3等の金属酸化物、LiCoN2等
の金属窒化物及び炭素材料などを用いることができる。
なお、炭素材料としては、コークス、天然黒鉛、人造黒
鉛及び難黒鉛化炭素などを好適に用いることができる。
電解質とし、これらを有機溶媒などの非水溶媒に溶解し
たもの使用できる。上記リチウム塩としては、具体的に
は、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiB
F6、LiCF3SO3及びLi(CF3SO2)2N
など、従来公知のものが挙げられる。また、上記有機溶
媒としては、特に限定されないが、カーボネート類、ラ
クトン類及びエーテル類などが挙げられ、例えば、エチ
レンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチル
カーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカ
ーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエ
トキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソ
ラン及びγ―ブチロラクトンなどの溶媒を単独又は2種
以上を混合して使用できる。なお、これらの非水溶媒や
有機溶媒に溶解される電解質の濃度は、0.5〜2.0
モル/リットルにすることが望ましい。
いることも可能であり、例えば、上記電解質を高分子マ
トリックスに均一分散させた固体若しくは粘稠体、又は
これらに非水溶媒を含浸させたものを使用できる。この
場合、高分子マトリックスとしては、例えば、ポリエチ
レンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロ
ニトリル及びポリフッ化ビニリデンなどを用いることが
できる。
負極の短絡防止のためのセパレーターを設けることがで
きる。かかるセパレーターとしては、ポリエチレン及び
セルロースなどの高分子材料の多孔性シートや、不織布
などを使用できる。
列に接続した電池群を有し、この直列電池群を複数且つ
並列に接続して成る。このような構成とすることで、繰
返し充電して使用でき、また、高出力及び高エネルギー
密度を達成できるので有効である。
列電池群が、各直列電池群ごとに脱着できるサブモジュ
ール構造であることが好ましい。また、従来各単電池に
セルコントローラー(電圧計)をつけいていたが、この
ように接続することにより、直列電池群1つにセルコン
トローラーをつけるだけでよく、コスト的にも向上す
る。サブモジュール構造とすることで、電池に損傷が生
じたときなどは、直列電池群ごとに取り外し容易に交換
・修理できるので有効である。
動車又はハイブリッド電気自動車に好適に用いることが
できる。本発明の組電池は、繰返し充電して使用でき、
高出力及び高エネルギー密度を達成できるからである。
により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に
限定されるものではない。
すような電池を直列につないだ電池群を並列につなぐ回
路を用いた。A列の単電池1個を短絡させ、最悪の状態
を想定して抵抗を0としたため、B列の電池がN個のと
き、A列はN−1個となっている。各単電池に電圧計を
並列に接続して電圧を10Hzで平衡電圧になるまでモ
ニターした。以下の実施例及び比較例に示すように、リ
チウムイオン電池(正極:LiMn2O4又はLiNi
O2、負極:カーボン)、Ni−H電池、鉛蓄電池を用
いて測定した。
池] (実施例1)正極LiMn2O4、負極カーボンのリチ
ウムイオン二次電池を測定に用い、N=4で2並列の場
合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.98±0.01
Vであった。本例の結果を表1及び図2に示す。
ーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=5
で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.8
3±0.01Vであった。本例の結果を表1及び図2に
示す。
ーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=6
で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.7
1±0.01Vであった。本例の結果を表1及び図2に
示す。
ーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=1
4で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.
29±0.01Vであった。本例の結果を表1及び図2
に示す。
ーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=3
で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均5.2
0±0.01Vであった。本例の結果を表1及び図2に
示す。
内である、正極LiMn2O4、負極カーボンのリチウ
ムイオン二次電池において4直列以上の電池群を2並列
に接続した組電池では、単電池の1個が短絡してその電
池が抵抗0となっても、他の電池が過充電状態にはなら
ないことがわかる。
ムイオン二次電池を測定に用い、N=7で2並列の場
合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.44±0.01
Vであった。本例の結果を表2及び図3に示す。
ボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=8で
2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.39
±0.01Vであった。本例の結果を表2及び図3に示
す。
ボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=9で
2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.35
±0.01Vであった。本例の結果を表2及び図3に示
す。
ボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=14
で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.2
8±0.01Vであった。本例の結果を表2及び図3に
示す。
ボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=6で
2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.51
±0.01Vであった。本例の結果を表2及び図3に示
す。
内である、正極LiNiO2、負極カーボンのリチウム
イオン二次電池において7直列以上の電池群を2並列に
接続した組電池では、単電池の1個が短絡してその電池
が抵抗0となっても、他の電池が過充電状態にはならな
いことがわかる。
2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均1.51
±0.01Vであった。本例の結果を表3及び図4に示
す。
用い、N=4で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧
は平均1.39±0.01Vであった。本例の結果を表
3及び図4に示す。
用い、N=5で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧
は平均1.34±0.01Vであった。本例の結果を表
3及び図4に示す。
い、N=2で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は
平均1.68±0.01Vであった。本例の結果を表3
及び図4に示す。
内であるNi−H二次電池において3直列以上の電池群
を2並列に接続した組電池では、単電池の1個が短絡し
てその電池が抵抗0となっても、他の電池が過充電状態
にはならないことがわかる。
の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均2.33±0.
01Vであった。本例の結果を表4及び図5に示す。
=5で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
2.25±0.01Vであった。本例の結果を表4及び
図5に示す。
=6で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
2.20±0.01Vであった。本例の結果を表4及び
図5に示す。
3で2並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均2.
50±0.01Vであった。本例の結果を表4及び図5
に示す。
内である鉛蓄電池において4直列以上の電池群を2並列
に接続した組電池では、単電池の1個が短絡してその電
池が抵抗0となっても、他の電池が過充電状態にはなら
ないことがわかる。
池(5並列、10並列)] (実施例15)正極LiMn2O4、負極カーボンのリ
チウムイオン二次電池を測定に用い、N=4で5並列の
場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.98±0.0
1Vであった。本例の結果を表5及び図6に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
5で5並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.
87±0.01Vであった。本例の結果を表5及び図6
に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
6で5並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均4.
78±0.01Vであった。本例の結果を表5及び図6
に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
14で5並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
4.37±0.01Vであった。本例の結果を表5及び
図6に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
4で10並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
4.98±0.01Vであった。本例の結果を表5及び
図6に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
5で10並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
4.88±0.01Vであった。本例の結果を表5及び
図6に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
6で10並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
4.79±0.01Vであった。本例の結果を表5及び
図6に示す。
カーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=
14で10並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均
4.38±0.01Vであった。本例の結果を表5及び
図6に示す。
ーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=3
で5並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均5.3
1±0.01Vであった。本例の結果を表5及び図6に
示す。
ーボンのリチウムイオン二次電池を測定に用い、N=3
で5並列の場合、A列の単電池の平衡電圧は平均5.3
9±0.01Vであった。本例の結果を表5及び図6に
示す。
内である、正極LiMn2O4、負極カーボンのリチウ
ムイオン二次電池において4直列以上の電池群を2〜1
0並列に接続した組電池では、単電池1個短絡してその
電池が抵抗0となっても、他の電池が過充電状態にはな
らないことがわかる。
明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能であ
る。例えば、代表的に、組電池を構成する単電池は4〜
8個使用し、電池群は2〜10個使用することが望まし
い。また、組電池の形状は、平板型、円筒型、角型及び
ラミネートなどにすることが可能である。更に、本発明
の組電池は、他の二次電池、一次電池、燃料電池及び太
陽電池などと組み合わせた混成電池として使用すること
もできる。
ば、単電池の通常使用電圧と過充電状態電圧の差を利用
して、複数直列に接続した電池群(グループ)を複数並
列に接続して組み合わせること、LiMn2O4系リチ
ウムイオン電池を4個以上用いることとしたため、大出
力及び大容量を実現し、組電池を構成する回路にセンサ
ー及びコントローラー等を増設する必要がなく部品点数
を削減でき、且つ単電池に内部短絡等の問題があっても
他の単電池に影響を与えずに使用できる組電池を提供す
ることができる。
る。
けるA列電池の平衡電圧とB列の個数の関係を示す図で
ある。
るA列電池の平衡電圧とB列の個数の関係を示す図であ
る。
列の個数の関係を示す図である。
個数の関係を示す図である。
るA列電池の平衡電圧とB列の個数及び並列の数(2〜
10)の関係を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 通常使用電圧がx[V]、過充電状態電
圧がy[V]である電池をy/(y−x)個以上400
/x個以下直列に接続した電池群を有し、この直列電池
群を複数且つ並列に接続して成ることを特徴とする組電
池。 - 【請求項2】 LiMn2O4系リチウムイオン電池を
4個以上直列に接続した電池群を有し、この直列電池群
を複数且つ並列に接続して成ることを特徴とする組電
池。 - 【請求項3】 上記直列電池群が、各直列電池群ごとに
脱着できるサブモジュール構造であることを特徴とする
請求項1又は2記載の組電池。 - 【請求項4】 電気自動車又はハイブリッド電気自動車
に用いられることを特徴とする請求項1〜3のいずれか
1つの項に記載の組電池。
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