JP2005149951A - 短絡制御素子、バイポーラ電池、組電池、電池モジュール、および、これらを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 単電池に異常が生じても装置の性能低下を防止でき、かつ装置の構成を複雑化しない短絡制御素子を提供する。
【解決手段】 単電池の正極端子１００および負極端子１０２間に配置され、該単電池の短絡を制御する短絡制御素子であって、所定範囲外の電圧により単電池を短絡させる第１素子１を有し、該第１素子１は、記正極端子１００側に配置され、導電性を有する弁金属で形成される第１導電層１０と、第１導電層１０上に設けられ、導電性を有する第２導電層１４と、第１導電層および第２導電層が接触しないように、負極端子１０２側の第１導電層１０の表面に形成され、所定範囲外の電圧により破壊される絶縁性の酸化被膜層１１と、を含むことを特徴とする短絡制御素子。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池の短絡を制御する短絡制御素子、該保護素子を含む単電池、該単電池を複数接続した組電池、該組電池を複数接続した電池モジュール、該単電池、組電池、電池モジュールを搭載した車両に関する。

複数の単電池を直列接続した従来の電池モジュールでは、単電池の一つに不良が生じた場合、内部抵抗が上昇し、単電池の充電状態が異常になる。この場合、安定した充放電ができず、モジュール全体が利用できなくなってしまう。

これを防止するために、電池の前後に切り替えスイッチを設けて、異常が生じた単電池を電池モジュールから電気的に切り離し、不足電圧を昇圧回路により補う発明がある（特許文献１参照）。

しかし、この発明では、昇圧回路が必要になるので、モジュールインピーダンスが大きくなって、その結果電流値が小さくなり、モジュール性能の低下につながるという問題がある。また、上記発明では、各単電池の電圧を監視し、必要に応じて、単電池の切り離しを行うために、複雑な回路が必要になり、制御も複雑になってしまう。これでは、コストが増大してしまう。
特開平６−２８３２１０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、単電池に異常が生じても装置の性能低下を防止でき、かつ装置の構成を複雑化しない短絡制御素子、該保護素子を含むバイポーラ電池、組電池、電池モジュール、および、これらを搭載した車両を提供することを目的とする。

（１）単電池の正極端子および負極端子間に配置され、該単電池の短絡を制御する短絡制御素子であって、所定範囲外の電圧により前記単電池を短絡させる第１素子を有し、該第１素子は、前記正極端子側に配置され、導電性を有する弁金属で形成される第１導電層と、前記第１導電層上に設けられ、導電性を有する第２導電層と、前記第１導電層および前記第２導電層が接触しないように、前記負極端子側の前記第１導電層の表面に形成され、所定範囲外の電圧により破壊される絶縁性の酸化被膜層と、を含むことを特徴とする短絡制御素子。

（２）請求項１〜請求項２０のいずれか一項に記載の複数の短絡制御素子と、前記短絡制御素子ごとに並列に接続される複数の単電池層と、前記短絡制御素子および前記単電池層を内包する外装と、を有し、前記複数の単電池層は、直列接続されていることを特徴とするバイポーラ電池。

（３）請求項１〜請求項２０のいずれか一項に記載の短絡制御素子が単電池ごとに並列に接続され、該単電池が複数接続されてなることを特徴とする組電池。

（４）請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の組電池を、並列および／または直列に複数接続してなることを特徴とする電池モジュール。

（５） 車両用電源として、請求項２１に記載のバイポーラ電池、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の組電池、または請求項２６に記載の電池モジュールを搭載したことを特徴とする車両。

（１）短絡制御素子の第１素子は、所定範囲外の電圧により容易に破壊される酸化被膜層を有するので、電圧が所定値以上または以下になると、単電池が外部短絡される。このとき、電流は、単電池の正極端子から短絡制御素子を介して負極端子に通り抜ける。

したがって、たとえば、本発明の短絡制御素子を有する複数の単電池を接続して組電池を構成し、単電池の一つの電圧が所定値以上に上昇した場合、該単電池が短絡制御素子により短絡させられる。異常が生じた単電池を避けて、電流が流れる。この結果、組電池は、異常を生じた単電池により悪影響を受けずに、電池特性が安定化される。さらに、単電池の正負極間に短絡制御素子を設けるだけなので、特別な制御装置等が必要なく構成が容易であり、コストの低減を図れる。

また、組電池内の単電池の一つに微小短絡が生じ、これにより過放電が起こって電圧が異常に低下した場合にも、該単電池が短絡制御素子により短絡させられる。この結果、組電池は、異常を生じた単電池により悪影響を受けずに、電池特性が安定化される。

（２）短絡制御素子がバイポーラ電池内の単電池層に接続されているので、単電池層の一つに異常が生じた場合に、該単電池層だけを短絡させ、他の単電池層に悪影響を与えることを防止できる。

（３）単電池ごとに並列に短絡制御素子が接続されているので、単電池層の一つに異常が生じた場合に、該単電池層だけを短絡させ、他の単電池層に悪影響を与えることを防止できる。

（４）短絡制御素子を有する組電池が複数接続されているので、信頼性が高く、構造が簡単な電池モジュールを提供できる。

（５）短絡制御素子を有する組電池または電池モジュールを搭載しているので、信頼性が高く、安定した車両用電源を有する車両が得られる。

本発明は、単電池の正極端子および負極端子間に配置され、該単電池の短絡を制御する短絡制御素子である。本発明の短絡制御素子は、単電池の短絡を制御するために、図１に示す第１素子および図２に示す第２素子の少なくとも一方を含む。

＜第１素子＞
図１は第１素子の断面図である。

図１に示すように、第１素子１は、電池の正極端子側に配置される第１導電層１０と、第１導電層１０上に設けられ、導電性を有する金属で形成されている第２導電層１４と、第１導電層１０および第２導電層１４が接触しないように、電池の負極端子側の第１導電層１０の表面に形成される酸化被膜層１１と、酸化被膜層１１および第２導電層１４間に配置される集電材料層１２とを含む。

第１導電層１０は、導電性を有する弁金属から形成されている。弁金属としては、たとえば、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）の少なくとも１種以上を含むものを用いることが好ましい。これらの弁金属は、酸化被膜が陽極酸化により容易に形成でき、かつ形成される酸化被膜の絶縁性が高いからである。なお、酸化被膜の絶縁性が低い場合には、自己放電を起こしやすく、単電池に適用するのに適当ではない。

一般に電池を過放電状態にした場合、作動電圧から０Ｖ以下の任意の電圧まで、電圧が急激に下降する。タンタル、ニオブの酸化被膜は、逆電圧に極めて弱く−１〜０Ｖ程度で破壊される。したがって、過放電になったときに、単電池を短絡させて過放電を検知するためには、タンタル、ニオブを弁金属として第１導電層１０に適用することが好ましい。

酸化被膜層１１は、第１導電層１０の弁金属の表面を陽極酸化することにより形成され、絶縁性を有する。陽極酸化は、弁金属を電解液中に漬け、陽極で通電して酸化させる手法である。この手法によれば、表面の酸化被膜の欠陥部に電流が流れて、欠陥部が酸化膜で修復される。欠陥部がなくなるので、形成する酸化被膜層１１は、絶縁破壊される電圧（耐電圧）が厚さに常に一定の割合で比例する。したがって、酸化被膜層１１の厚さを調整することにより、容易に酸化被膜層１１の耐電圧を高精度に調整できる。陽極酸化以外の方法で酸化被膜を形成する場合、微小な欠陥の発生を防止できないため、本発明では陽極酸化で得られた酸化被膜層１１を用いている。

Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３のような酸化被膜は、上述の通り、被膜の厚さ（ｎｍ）と耐電圧（Ｖ）とが比例関係にある。この関係は、具体的には、１．０〜１．５ｎｍ／Ｖ程度である。単電池の作動電圧が１〜１０Ｖ程度である場合、酸化被膜層１１は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さであることが好ましい。

第１素子１は、酸化被膜層１１が厚すぎると過充電状態においても素子が作動せず、薄すぎると通常の動作範囲内の電圧で短絡してしまい、有効に作動させることができない。このため、上記のように、単電池の正常作動範囲が１〜１０Ｖである場合には、酸化被膜層１１の厚さを１〜１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。

集電材料層１２は、電子導電性またはイオン導電性の集電材料から形成されている。集電材料としては、たとえば、金属ペースト、カーボンペースト、グラファイトペースト、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、または、それらの誘導体、β−ＭｎＯ_２、テトラチアフルバレン、テトラシアノキノジメタンあるいはそれらの混合物を含む。

集電材料層１２は、酸化被膜層１１上に第２導電層１４載置する際の衝撃による酸化被膜層１１の破壊を防止するために、酸化被膜層１１および第２導電層１４間に介在されている。

＜短絡制御素子３＞
次に、上記第１素子１を含む短絡制御素子３を単電池に適用した場合について説明する。

図２は、単電池に第１素子からなる短絡制御素子を適用した様子を示す断面図である。なお、図２では、単電池の本体は省略して、正極端子１００および負極端子１０２のみを示している。

単電池に適用される場合、第１素子１は、絶縁性の外装１０４で保護された状態で、正極端子１００および負極端子１０２間に配置される。外装１０４を設けるのは、第１素子１の酸化被膜層１１の破壊以外の理由で、単電池が短絡することを防止するためである。

ここで、単電池の正極端子１００および負極端子１０２間の電圧が所定の範囲外（たとえば、上記例では、１〜１０Ｖの範囲外）になると、酸化被膜層１１が破壊される。この破壊により、第１導電層１０と第２導電層１４とが、集電材料層１２を介して電気的に接続される。第１素子１が導通状態となるので、単電池の正極端子１００および負極端子１０２間にバイパス通路が形成されることになる。

以上のように、第１素子１を組み込んだ短絡制御素子３では、所定範囲外の電圧により容易に破壊される酸化被膜層を有するので、電圧が所定値以上または以下になると、単電池が外部短絡される。このとき、電流は、単電池の正極端子から短絡制御素子３を介して負極端子に通り抜ける。

したがって、たとえば、単電池が壊れて、電圧が正常作業範囲以上に上昇または以下に下降し、装置に悪影響を与えるような場合でも、単電池が短絡制御素子３により短絡させられることにより、該単電池による装置への悪影響を防止できる。さらに、単電池の正負極間に短絡制御素子３を設けるだけなので、特別な制御装置等が必要なく構成が容易であり、コストの低減を図れる。

＜第２素子＞
図３は第２素子の断面図である。

図３に示すように、第２素子２は、前記単電池の正極端子側に配置される第３導電層２０と、単電池の負極端子側に配置される第４導電層２２と、第３導電層２０および第４導電層２２間に配置される第５導電層２４と、第５導電層２４が第３導電層２０および第４導電層２２の少なくとも一方とは接触しないように、第３導電層２０および第４導電層２２間に配置される絶縁性の絶縁層２６とを含む。

第３導電層２０および第４導電層２２は、ともに導電性を有する金属から形成されている。

第５導電層２４は、第３導電層または第４導電層の少なくとも一方に接近する方向の力が働くばね構造を有する。図３に示す、第５導電層２４は、後述する絶縁層２６の溶融前には、該絶縁層２６により、第４導電層２２に接触できないように、弾性力が規制されている。図３では、金属薄板を折り曲げてばね構造を形成している例を示しているが、これに限定されない。金属薄板をたわませたり、微小なばねを作成したりして、第５導電層２４としてもよい。

また、第５導電層２４は、第３導電層２０または第４導電層２２の少なくとも一方に接触する形状を記憶している形状記憶合金により形成されていてもよい。形状記憶合金としては、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ｔｉ−Ｐｄ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ、Ａｕ−Ｃｄ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｔｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｐｄ等が挙げられる。

絶縁層２６は、所定温度以上に加熱されると溶融するように、熱可塑性樹脂によりフィルム状に形成されている。ここで、熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、エチレン−不飽和カルボン酸共重合物、スチレン系ブロック共重合物（ＳＢＣ）、ポリアミド、ポリアクリル、ポリウレタンおよびポリエステルから選ばれる少なくとも１種の樹脂を用いたものである。これらの樹脂を用いれば、安価に絶縁層２６を作成できる。絶縁層２６がフィルム状であるので、加熱により容易に破壊される絶縁層２６を形成できる。また、熱可塑性樹脂は、薄膜にも加工しやすく、取り扱いが容易である。

絶縁層２６は、多孔質材により形成されていることが好ましい。多孔質の絶縁材料を用いることによって、溶融した絶縁層２６の逃げ場ができ、確実に短絡を起こすことができる。

絶縁層２６は、上記熱可塑性樹脂を、融点が６０℃〜１５０℃の範囲となるように、組み合わせて形成されることが好ましい。一般的な非水電解質電池は、室温付近で作動するので、室温から大きく離れた温度に融点温度を設定することにより、絶縁層２６を単電池の不良時に確実に溶融させることができる。一方、融点温度を高く設定しすぎると、単電池に不良が生じているのに、絶縁層２６が溶融せずに、第２素子２を作動できなくなってしまうので、１５０℃以上に設定することは好ましくない。

また、絶縁層２６は、図示しないが、粉末状の導電性物質、絶縁性物質でカプセル化された導電性物質、または、薄膜状に形成された導電性物質を含むことが好ましい。これらの導電性物質を含めることによって、絶縁層２６が溶融すると、より確実に第３導電層２０および第４導電層２２間が、第５導電層２４を介して電気的に接続される。なお、絶縁層２６は、導電性物質が微小であったり、または絶縁性物質でカプセル化されたりしているので、溶融前には、当然電流を通さない。

＜短絡制御素子４＞
次に、上記第２素子２および第１素子１を含む短絡制御素子４を単電池に適用した場合について説明する。

図４は単電池に第１素子および第２素子からなる短絡制御素子を適用した様子を示す断面図、図５は単電池に異常が生じたときの短絡制御素子の様子を示す断面図、図６は図５に続く短絡制御素子の様子を示す断面図である。なお、図４〜図６では、単電池の本体は省略して、正極端子１００および負極端子１０２のみを示している。

図４では、既述の第１素子１と第２素子２とを組み合わせてなる短絡制御素子４を、単電池に適用した様子を示している。第１素子１と第２素子２とは、第２素子２の第３導電層２０および第５導電層２４をコ字状にし、また、第１素子１の第２導電層１４と第２素子２の第４導電層２２とを共通化することによって、第１素子１と第２素子２とは並列接続されている。短絡制御素子４は、各層の端部が露出しているところを絶縁性の外装１０４により保護されている。

このように、第１素子１と第２素子２とを含む短絡制御素子４は、適用される単電池の正極端子１００および負極端子１０２間の電圧が所定の範囲外になると、最初に、図５に示すように、酸化被膜層１１が破壊され、第１導電層１０と集電材料層１２とが接触する。この結果、正極端子１００から第３導電層２０、第１導電層１０、集電材料層１２、第２導電層１４を介して、負極端子１０２に電流が流れる。単電池が短絡する。

ここで、所定範囲外の電圧によって酸化被膜層１１の一部しか破壊されない場合、短絡制御素子４の抵抗が大きく、このため短絡制御素子４が発熱する。該発熱により、短絡制御素子４の絶縁層２６が加熱される。絶縁層２６は、所定温度まで加熱されると、溶融し始める。

絶縁層２６が溶融すると、第５導電層２４が絶縁層２６により姿勢が規制されなくなり、図６に示すように、第３導電層２０と第５導電層２４とが接触する。この結果、正極端子１００から第３導電層２０、第５導電層２４、第２導電層１４（第４導電層２２）を介して、負極端子１０２に電流が流れる。単電池が完全に短絡する。

以上のように、第１素子１および第２素子２を組み合わせた短絡制御素子４によれば、所定範囲外の電圧の印加により第１素子１が単電池の短絡を引き起こす。ここで、酸化被膜層１１の破壊が十分ではない場合には、内部抵抗による発熱により第２素子２の絶縁層２６が溶融され、第２素子２が単電池の完全な短絡を引き起こす。したがって、短絡制御素子４によれば、異常が生じた単電池を、２段階に分けて完全に短絡させることができる。

第１素子１だけでは、異常が生じた単電池が短絡するものの、必ずしも抵抗値が小さいとは限らないため、比較的抵抗が高い状態で短絡した場合、電池の充放電を行なう際に流れる電流を全て流せなくなり、異常が生じた単電池にも電流が流れてしまう可能性がある。この場合、該異常単電池が過充電状態になり、危険な状態になる可能性がある。しかし、第２素子２を加えた短絡制御素子４であれば、第２素子２の短絡により、短絡制御素子４の抵抗を非常に小さくでき、装置に悪影響を及ぼすことがない。

なお、図４では、第１素子１に第２素子２を組み合わせて、短絡制御素子４として単電池に適用する例を示している。しかし、第２素子２だけを含む短絡制御素子でも適用できる。この場合、過充電または過放電になった単電池の発熱により、第２素子２の絶縁層２６が溶融して、第５導電層２４を介して第３導電層２０および第４導電層２２間が電気的に接続される。これにより、不良が生じた単電池が外部短絡状態にされる。

次に、上述の短絡制御素子３、４を、単電池を用いた装置に適用する例について説明する。

＜適用例１＞
図７は、短絡制御素子を適用した装置のブロック図である。

適用例１の装置５は、単電池５０と、負荷（たとえば、モータ）５１と、充電電源５２と、電圧検出器５３と、電流制御装置５４と、電池コントローラ５５とを有する。

単電池５０には、上述の短絡制御素子４が並列に接続されており、同一の外装に内包されている。短絡制御素子４には、抵抗５８が直列接続されている。

単電池５０は、スイッチ５６を介してモータ５１に、スイッチ５７を介して充電電源５２に接続されている。スイッチ５６、５７は、電池コントローラ５５により制御されている。単電池５０の放電の際には、スイッチ５６が閉じられ、スイッチ５７が開かれて、モータ５１に電流が供給される。単電池５０の充電の際には、スイッチ５６が開かれ、スイッチ５７が閉じられて、充電電源５２から単電池５０に電流が供給される。

単電池５０には、電圧検出器５３が並列に接続されている。電池コントローラ５５は、電圧検出器５３の検出結果に基づいて、各部に供給される電流を調節する。

このような構成の装置を繰り返し使用することにより、単電池５０の充放電が繰り返されると、次第に、単電池５０の内部抵抗が向上し過充電になることや、過放電になることがある。過充電により高電圧になったり、過放電により逆電圧になったりすると、上述の短絡制御素子４の機能により単電池５０が短絡させられる。

したがって、たとえば、モータ５１に異常な負担がかかるようなことがない。このように、装置に本発明の短絡制御素子４を組み込むことによって、異常が生じた単電池５０が他の構成に悪影響を与えることを防止できる。

また、適用例１では、同一外装に、単電池５０および短絡制御素子４を内包しているので、単電池５０および短絡制御素子４を接続するための配線が外装外部に出ることがなく、装置の構成を簡略化できる。

さらに、短絡制御素子４に抵抗５８が直列接続されているので、過充電により短絡制御素子４が作動し単電池５０が短絡状態になっても、蓄えられたエネルギーが短い時間で一気に放出されない。したがって、ジュール熱で異常に発熱することを防止でき、かつ比較的速く放電できる。抵抗５８は、たとえば、短絡制御素子４が単電池５０を短絡させない電圧の時に、１００ｍＡ〜１０Ａ程度の電流が流れるような抵抗値（たとえば、１００ｍΩ〜１００Ω）を有することが好ましい。

＜適用例２＞
図８は、短絡制御素子を適用した装置のブロック図、図９はバイポーラ電池の内部構造を示す断面図である。図７と同様の構成には、同様の参照番号を付して、その説明は省略する。

適用例２の装置６は、図７に示す装置５の単電池５０に代えて、バイポーラ電池６０が取り付けられており、またバイポーラ電池６０内の単電池層６０ａの一つの電圧を検出する電圧検出器６１を有する。

バイポーラ電池６０は、内部で複数の単電池層６０ａが直列接続されている。単電池層６０ａは、図９に示すように、負極活物質層６２、電解質層６３、正極活物質層６４からなる。単電池層６０ａ間には集電体６５が挟まれて、単電池層６０同士が直列接続されている。集電体６５間には、複数の短絡制御素子４が配置されている。これにより、各単電池層６０ａに、短絡制御素子４が並列接続されている。

積層の最外層の集電体６５は、それぞれ、バイポーラ電池６０のケーシング外部に引き出され、正極端子６５ａ、負極端子６５ｂとして利用される。

また、最下層から２番目の集電体６５には、電圧検出用の検出線６６が取り付けられており、該検出線６６もバイポーラ電池６０のケーシング外部に引き出されている。検出線６６は、電圧検出器６１に接続されている。このように、検出線６６を引き出すことによって、バイポーラ電池６０内の一つの単電池層６０ａの電圧を検出している。

装置６は、図７に示す装置５と同様に、バイポーラ電池６０の充放電により動作する。充放電により、単電池層６０ａのいずれかに異常が生じると、短絡制御素子４が作動して、異常が生じている単電池層６０ａを短絡させる。単電池層６０ａに異常が生じるたびに、短絡制御素子４により該単電池層６０ａが短絡されていく。

装置６では、バイポーラ電池６０全体の電圧を電圧検出器５３で検出し、一つの単電池層６０ａの電圧を電圧検出器６１で検出している。電池コントローラ５５は、バイポーラ電池６０全体の電圧を、一つの単電池層６０ａの電圧により除算することにより、いくつの単電池層６０ａが短絡状態ではなく、正常に動作しているかが計算できる。

この計算に基づいて、たとえば、電池コントローラ５５は、図示しない表示装置にバイポーラ電池６０の交換時期であることを表示することができる。交換時期を表示するタイミングとしては、たとえば、予め余分に接続されている単電池層６０ａの個数以上の単電池層６０ａが短絡状態になったときが考えられる。また、上記計算に基づいて、バイポーラ電池６０の交換時期を予測することもできる。

以上のように、短絡制御素子４は、複数の単電池層６０ａが直列接続されたバイポーラ電池６０にも適用できる。短絡制御素子４は、バイポーラ電池６０のケーシング内に設けるだけで、自動的に、不良が生じた単電池層６０ａが短絡させられるので、各単電池層６０ａの電圧を検出し容量の不均一を監視するために各単電池層６０ａから不必要に多くの電圧検出線を引き出す必要がない。バイポーラ電池６０の構成を簡易化することができる。

＜適用例３＞
図１０は、短絡制御素子を適用した装置のブロック図である。図７または図８と同様の構成には、同様の参照番号を付して、その説明は省略する。

適用例３の装置７では、複数の単電池７０を直列接続して組電池を構成している。装置６のバイポーラ電池６０が、組電池に置き換わった点、すなわち、バイポーラ電池６０内の単電池層６０ａが、単電池７０に置き換わった点で、装置６と装置７とは、構成を異にする。なお、単電池７０は、一層構造の単電池であっても、また、バイポーラ電池６０のように多層構造の単電池であってもよい。

上記組電池を構成する単電池７０の一つの電圧が所定値以上に上昇した場合、該単電池７０が短絡制御素子４により短絡させられる。異常が生じた単電池７０を避けて、電流が流れる。この結果、組電池は、異常を生じた単電池により悪影響を受けずに、電池特性が安定化される。さらに、単電池７０の正負極間に短絡制御素子を設けるだけなので、特別な制御装置等が必要なく構成が容易であり、コストの低減を図れる。

また、組電池内の単電池７０の一つに微小短絡が生じ、これにより過放電が起こって電圧が異常に低下した場合にも、該単電池７０が短絡制御素子４により短絡させられる。この結果、組電池は、異常を生じた単電池７０により悪影響を受けずに、電池特性が安定化される。

また、直列接続される単電池層６０ａの数は、装置７の作動に必要な電圧が得られる直列接続数よりも、１個以上および該直列接続数の３０％以下の個数分だけ、余分に直列接続されている。一般的に、二次電池の満充電の電圧と放電時の電圧は、３０％程度異なる。したがって、本来必要な単電池７０の数の３０％までなら、最大出力電圧より大きくなって充放電できないといったことが生じずに、単電池７０を余分に直列接続できる。

このように単電池７０を余分に接続して冗長性を持たせることによって、異常が生じて短絡制御素子４によりいくつかの単電池７０が短絡状態にされたとしても、装置７の作動に必要な電圧が得られる。単電池７０に異常が生じた後でも装置７の作動に必要な電圧が得られるので、信頼性を向上できる。

信頼性について、具体的には、たとえば、単電池を冗長性なしで１００個直列に接続した場合、単電池１つ当りの不良率が１０００ｐｐｍの場合、組電池全体の不良率は９．１％となる。しかし、単電池を一つ余分に加えて、１０１個直列に接続すると、不良率は、０．９０％に下がる。さらに、１０５個直列に接続すると、０．０００８２％＝８．２ｐｐｍとなり極めて高い信頼性が得られることが計算上分かる。ただし、上述の通り、必要な電圧を３０％以上超えないことに留意する。

なお、図示していないが、上記の短絡制御素子４を各単電池に適用した組電池を複数組み合わせて、電池モジュールとすることもできる。このような電池モジュールによれば、構成が簡単でかつ、信頼性が高い電池が得られる。組電池を直列接続して電池モジュールとすれば、必要な電圧を得るために複数の組電池を用意するので、一つ一つの組電池の電圧が小さくなり、その取り扱いを容易にすることができる。また、組電池を並列接続して電池モジュールとすれば、信頼性を向上できる。

＜適用例４＞
図１１は、単電池の断面図である。

図７または図１０に示すような装置５または装置７に適用する単電池として、図１１に示すような単電池８０が考えられる。

単電池８０においては、集電体８５を挟む単電池層８０ａは、積層方向に上下対称に負極活物質層８２、電解質層８３、正極活物質層８４が積層されている。このように、積層された単電池層８０ａは、相互に電気的に並列接続されるものとなる。ここで、単電池８０内には、短絡制御素子４が設けられている。

したがって、並列接続される単電池層８０ａの全てに不良が生じたときには、短絡制御素子４が作動し、単電池８０が短絡させられる。

このように、一つの単電池として内部の単電池層８０ａが並列接続しているものにも、本発明の短絡制御素子は適用可能である。

なお、上記適用例１〜４では、短絡制御素子４を用いているが、短絡制御素子３を用いてもよいことは言うまでもない。

また、上記適用例１〜４では、第１素子１および第２素子２を一つずつ含む短絡制御素子４を用いた場合について説明したが、これに限定されない。第１素子１および第２素子２を複数含む短絡制御素子とすることもできる。これにより、第１素子１または第２素子２の一つに不良があっても、他の第１素子１または第２素子２により、不良が生じた単電池を確実かつ安全に短絡させることができる。

さらに、短絡制御素子に第１素子１および第２素子２を複数含める場合、第１素子１については酸化被膜層１１が異なる電圧により破壊され、第２素子２については、絶縁層２６が異なる温度により溶融されるように、設定できる。このように、短絡制御素子が単電池の短絡のために作動する設定をそれぞれ異ならせることによって、たとえば、過充電の場合に作動する素子と、過放電の場合に作動する素子といったように、作動範囲を異ならせることができる。これによって、より確実かつ適切に、短絡制御素子を作動させることができるようになる。

以上のような本発明の短絡制御素子を適用した単電池、組電池、電池モジュールは、駆動用電源として、電気自動車や、ハイブリッド電気自動車、燃料電池車に適用されることができる。短絡制御素子を用いることによって、単電池、組電池、電池モジュールは、構成が従来に比して格段に簡易化され、また安価に提供される。加えて、信頼性の高い電池を得ることができる。

次に、本発明の短絡制御素子を用いた電池（実施例１）を、それを用いなかった電池（比較例１）と比較する実験の結果について説明する。

（実施例１）
短絡制御素子を用いた方では、１６００ｍＡｈの缶型リチウムイオン電池（充電時４．２Ｖ、放電時３Ｖ）を２０個直列接続した電池モジュールを２０個用意した。各リチウムイオン電池には、短絡制御素子４を取り付けた。

短絡制御素子４の第１素子１については、弁金属としてタンタル金属（第１導電層）を用い、０．５重量％のリン酸電解液を用いて５．５Ｖで陽極酸化処理を行ない、タンタル金属上に酸化被膜層を形成した。さらに、この上にカーボンペーストを塗布し、電池の負極側端子に接続する端子用の箔（第２導電層）を接続した。なお、別途の試験により、酸化被膜層が４．５Ｖで絶縁破壊することを確認した。また、逆電圧では−０．７Ｖで絶縁破壊することも確認した。

さらに、第２素子２として、ポリエチレン多孔膜３０μｍ（絶縁層）と、折り曲げて板バネとして作動するチタン箔（第５導電層）を積層し、これを第１導電層１０に重ねた。これらの素子は電池外部で端子を引き出して接続した。

この後６０Ｖ−７５Ｖで１００回サイクルを行なった。この際の各モジュールの電池異常の有無を確認した。

（比較例１）
一方、短絡制御素子を用いない比較例１では、缶型リチウムイオン電池（充電時４．２Ｖ、放電時３Ｖ）を２０個直列接続した電池モジュールを２０個用意した。

上記短絡制御素子４を設けた電池モジュールと、短絡制御素子を用いない電池モジュールの充放電を、６０Ｖ〜７５Ｖで１００回サイクルを行なった。そして、この際の各モジュールの電池異常の有無を確認した。

（結果）
実施例１の方では、電池モジュールに異常は見られなかった。また、全部で４００個ある単電池のうち、４個については、取り付けられた短絡制御素子が作動して、短絡していた。漏液および発煙は、全くなかった。

一方、比較例１の方では、２つの電池モジュールに異常が見られた。具体的には、２つの電池モジュールに、それぞれ１箇所の漏液が確認された。また、発煙はなかった。

以上の実施例１および比較例１の比較結果から分かるように、本発明の短絡制御素子を適用することによって、単電池に異常が生じても短絡制御素子により解決され、電池モジュールには異常が生じない。したがって、漏液などがない。一方で、短絡制御素子がなければ、モジュールに異常が生じてしまうことが分かる。

次に、本発明の短絡制御素子を用いたバイポーラ電池（実施例２）を、それを用いなかったバイポーラ電池（比較例２）と比較する実験の結果について説明する。

（実施例２）
短絡制御素子を用いた方では、１６００ｍＡｈのバイポーラ構造リチウムイオン電池（内部に２０層の単電池層を含み、充電時８４Ｖ、放電時６０Ｖ）の各層間に、短絡制御素子４を設置した。

このバイポーラ電池は、正極側にある１層目から電圧測定用の端子を取り出しておき、この電圧で、電池全体の電圧を割ることにより、正常動作している電池の個数を算出した。このバイポーラ構造電池を２０個用意し、それらの充放電を６０Ｖ〜７５Ｖで１００回サイクル行なった。この際の各バイポーラ構造電池の異常の有無を確認した。

（比較例２）
一方、短絡制御素子を用いない比較例２では、１６００ｍＡｈのバイポーラ構造リチウムイオン電池（内部に２０層の単電池層を含み、充電時８４Ｖ、放電時６０Ｖ）を２０個用意し、それらの充放電を６０Ｖ〜７５Ｖで１００回サイクル行なった。この際の各バイポーラ構造電池の異常の有無を確認した。

（結果）
実施例２の方では、バイポーラ電池に異常は見られなかった。また、全部で４００個ある単電池層のうち、６個については、取り付けられた短絡制御素子が作動して、短絡していた。漏液および発煙は、全くなかった。

一方、比較例１の方では、４つのバイポーラ電池に異常が見られた。具体的には、４つの電池モジュールに、それぞれ１箇所の漏液が確認された。さらに、漏液したうちの１つは、発煙もした。

以上の実施例２および比較例２の比較結果から分かるように、本発明の短絡制御素子を適用することによって、単電池層に異常が生じても短絡制御素子により解決され、バイポーラ電池には異常が生じない。したがって、漏液などがない。一方で、短絡制御素子がなければ、バイポーラ電池に異常が生じてしまうことが分かる。

第１素子の断面図である。 単電池に第１素子からなる短絡制御素子を適用した様子を示す断面図である。 第２素子の断面図である。 単電池に第１素子および第２素子からなる短絡制御素子を適用した様子を示す断面図である。 単電池に異常が生じたときの短絡制御素子の様子を示す断面図である。 図５に続く短絡制御素子の様子を示す断面図である。 短絡制御素子を適用した装置のブロック図である。 短絡制御素子を適用した装置のブロック図である。 バイポーラ電池の内部構造を示す断面図である。 短絡制御素子を適用した装置のブロック図である。 単電池の断面図である。

符号の説明

１…第１素子、
２…第２素子、
３、４…短絡制御素子、
５、６、７…装置、
１０…第１導電層、
１１…酸化被膜層、
１２…集電材料層、
１４…第２導電層、
２０…第３導電層、
２２…第４導電層、
２４…第５導電層、
２６…絶縁層、
５０…単電池、
６０…バイポーラ電池、
６０ａ…単電池層、
１００…正極端子、
１０２…負極端子。

Claims (27)

1. 単電池の正極端子および負極端子間に配置され、該単電池の短絡を制御する短絡制御素子であって、
   所定範囲外の電圧により前記単電池を短絡させる第１素子を有し、該第１素子は、
   前記正極端子側に配置され、導電性を有する弁金属で形成される第１導電層と、
   前記第１導電層上に設けられ、導電性を有する第２導電層と、
   前記第１導電層および前記第２導電層が接触しないように、前記負極端子側の前記第１導電層の表面に形成され、所定範囲外の電圧により破壊される絶縁性の酸化被膜層と、
   を含むことを特徴とする短絡制御素子。
2. 前記単電池の前記正極端子側に配置され、導電性を有する第３導電層と、
   前記単電池の前記負極端子側に配置され、導電性を有する第４導電層と、
   前記第３導電層および前記第４導電層間に配置される第５導電層と、
   前記第５導電層が前記第３導電層および前記第４導電層の少なくとも一方とは接触しないように、前記第３導電層および前記第４導電層間に配置され、所定温度以上に加熱されると溶融する絶縁性の絶縁層と、
   を含む第２素子を有し、
   該第２素子は、前記第１素子と、電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の短絡制御素子。
3. 前記弁金属は、タンタル、ニオブ、アルミニウムの少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の短絡制御素子。
4. 前記酸化被膜層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の短絡制御素子。
5. 前記酸化被膜層は、前記弁金属の表面を陽極酸化することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の短絡制御素子。
6. 前記酸化被膜層および前記第２導電層間に、電子導電性またはイオン導電性の集電材料からなる集電材料層が配置され、
   前記集電材料は、金属ペースト、カーボンペースト、グラファイトペースト、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、または、それらの誘導体、β−ＭｎＯ_２、テトラチアフルバレン、テトラシアノキノジメタンあるいはそれらの混合物を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の短絡制御素子。
7. 前記絶縁層は、フィルム状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
8. 前記絶縁層は、熱可塑性樹脂により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
9. 前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、エチレン−不飽和カルボン酸共重合物、スチレン系ブロック共重合物（ＳＢＣ）、ポリアミド、ポリアクリル、ポリウレタンおよびポリエステルから選ばれる少なくとも１種の樹脂を用いたことを特徴とする請求項８に記載の短絡制御素子。
10. 前記絶縁層は、多孔質材により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
11. 前記絶縁層は、融点が６０℃〜１５０℃の範囲の材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
12. 前記絶縁層は、粉末状の導電性物質、絶縁性物質でカプセル化された導電性物質、または、薄膜状に形成された導電性物質を含むことを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
13. 前記第５導電層は、第３導電層または第４導電層の少なくとも一方に接近する方向の力が働くばね構造を有することを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
14. 前記第５導電層は、形状記憶合金により形成されており、第３導電層または第４導電層の少なくとも一方に接触する形状を記憶していることを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
15. 前記単電池のケーシング内に組み込まれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の短絡制御素子。
16. 前記第１素子は、複数組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の短絡制御素子。
17. 複数の前記第１素子は、前記酸化被膜層が異なる電圧により破壊されることを特徴とする請求項１６に記載の短絡制御素子。
18. 前記第１素子および前記第２素子は、少なくとも一方が複数組み込まれていることを特徴とする請求項２に記載の短絡制御素子。
19. 複数の前記第１素子は、前記酸化被膜層が異なる電圧により破壊され、
    複数の前記第２素子は、前記絶縁層が異なる温度により溶融されることを特徴とする請求項１７に記載の短絡制御素子。
20. 抵抗が直列接続され、
    前記単電池に並列に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の短絡制御素子。
21. 請求項１〜請求項２０のいずれか一項に記載の複数の短絡制御素子と、
    前記短絡制御素子ごとに並列に接続される複数の単電池層と、
    前記短絡制御素子および前記単電池層を内包する外装と、
    を有し、前記複数の単電池層は、直列接続されていることを特徴とするバイポーラ電池。
22. 請求項２２に記載のバイポーラ電池を複数接続してなることを特徴とする組電池。
23. 請求項１〜請求項２０のいずれか一項に記載の短絡制御素子が単電池ごとに並列に接続され、該単電池が複数接続されてなることを特徴とする組電池。
24. 前記単電池は、作動に必要な電圧が得られる直列接続数よりも、１個以上および該直列接続数の３０％以下の個数分だけ、余分に直列接続されていることを特徴とする請求項２３に記載の組電池。
25. 複数の前記単電池のうちの、少なくとも１個は、外部の電圧検出手段により電圧が検出されていることを特徴とする請求項２３に記載の組電池。
26. 請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の組電池を、並列および／または直列に複数接続してなることを特徴とする電池モジュール。
27. 車両用電源として、請求項２１に記載のバイポーラ電池、請求項２２〜２５のいずれか一項に記載の組電池、または請求項２６に記載の電池モジュールを搭載したことを特徴とする車両。

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