JP2007012584A - 組電池およびこれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】バランス回路によるコストの増大を低減できる組電池を提供する。
【解決手段】組電池１００は、充放電可能な単電池を複数個直列接続してできたバイポーラ電池１０を、複数個並列接続した組電池１００であって、バイポーラ電池１０の直列接続において同じ順位に接続されている単電池層１５に対して共通に並列接続され、バイポーラ電池１０に含まれる単電池層１５間の電位差を調整するバランス回路７１を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の電池ユニットを接続した組電池およびこれを搭載した車両に関し、特に単電池間の電位差を調整するバランス回路を有する組電池およびこれを搭載した車両に関する。

近年、各種電源として、軽量化および薄型化の要請を満たす扁平型の二次電池（以下、扁平型電池という）が注目されている。扁平型電池は、発電要素と、電極タブと、ラミネートフィルムとを含む。発電要素は、正極活物質層、電解質層および負極活物質層からなる単電池層が、集電体と交互に複数積層されてなる。電極タブは、発電要素に接続されており、発電要素の電流を導く。ラミネートフィルムは、２枚用意され、発電要素を挟み込んで密閉する。ここで、電極タブの一部は、ラミネートフィルム外部に引き出され、扁平型電池の電極として機能する（たとえば、特許文献１参照）。

このような扁平型電池を、高出力を必要とする電気自動車やハイブリッド自動車などに適用する場合、複数の単電池層を直列接続して発電要素を構成し、全体の出力を向上する。さらに、上記扁平型電池を並列接続することによって、電池容量を高めて持続力を向上する。

複数の単電池層を直列接続してできた扁平型電池は、単電池層ごとにバランス回路が接続される。バランス回路は、各単電池層からラミネートフィルム外部に引き出された接続端子を介して、各単電池層に接続される。バランス回路は、直列接続された単電池層同士の電圧の差異に従って、適宜高い電圧の単電池層を放電して、単電池層間の電圧のバラツキを防止する。
特開２００３−２２９１１７号公報

しかし、上記のように扁平型電池を並列接続した場合、単電池層ごとにバランス回路を接続する必要がある。すなわち、単電池層の個数分のバランス回路が必要になってしまう。このため、バランス回路が多く、コストが高くなるという問題がある。

また、扁平型電池に限らず、複数の単電池を直列接続して電池ユニットを構成し、さらに電池ユニットを並列接続した場合にも、単電池ごとに電圧をそろえるために、バランス回路が必要である。したがって、同様に、コストが増大するという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、バランス回路によるコストの増大を低減できる組電池を提供することを目的とする。

本発明の組電池は、充放電可能な単電池を複数個直列接続してできた電池ユニットを、複数個並列接続した組電池であって、前記電池ユニットの直列接続において同じ順位に接続されている前記単電池に対して共通に並列接続され、前記電池ユニットに含まれる前記単電池間の電位差を調整するバランス回路を有する。

本発明の組電池によれば、直列接続において同じ順位にある単電池に共通のバランス回
路を設けているので、同じ順位にある単電池ごとにバランス回路を設けなくても、バランス回路を各電池ユニットで共有でき、電池ユニットに含まれる単電池間の電位差を調整できる。バランス回路を共有できる分、バランス回路の数を低減でき、組電池のコストを低減できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１はバランス回路を適用した組電池を示す斜視図、図２は図１の２−２線に沿って示すバイポーラ電池の一部断面図、図３は電圧調整装置の概略構成図、図４はバランス回路を示す回路図である。なお、以下では、４個のバイポーラ電池を有する組電池を例示する。

図１に示すように、組電池１００は、複数のバイポーラ電池１０（電池ユニット）および電圧調整装置６０を有する。

バイポーラ電池１０の内部の構成は図２に示す通りである。

バイポーラ電池１０は、両端部以外の集電体１１の両面中央に正極活物質層１２と負極活物質層１３が形成されており、この集電体１１の正極活物質層１２と負極活物質層１３との間にセパレータ１４を挟んで単電池層１５を構成し、この単電池層１５が同じ順番で複数積層された構造を持つ。集電体１１の片面に正極活物質層１２が形成され、他面に負極活物質層１３が形成されたものをバイポーラ電極１６という。なお、両端部にある集電体１１は、このバイポーラ電池１０全体の電極３０ａ、ｂと接続される。

ここで、セパレータ１４は、たとえば、ポリエステル系樹脂、アラミド系樹脂およびポリオレフィン系樹脂からなる群から、単独もしくは複合で選ばれてなる樹脂で形成されたポリマー骨格である。セパレータ１４は、数重量％〜９８重量％程度電解液を含むゲル電解質または液体電解質を保持することにより、電解質層を構成する。また、セパレータ１４は、自身が固体電解質により形成されることにより、電解質を保持することもできる。

以上のように、セパレータ１４とバイポーラ電極１６とが交互に積層され、電池要素２０が形成されている。

電池要素２０には、電流を引き出すための電極タブ３０ａ、ｂが接続されている。正極タブ３０ａは、電池要素２０の正極側に接続され、負極タブ３０ｂは、負極側に接続される。電極タブ３０ａ、ｂは、図１に示すように、外装４０の対向する辺から引き出されている。

また、電池要素２０の各集電体１１には、それぞれ接続端子５０が接続されている。各接続端子５０は、互いに接触しないように、位置をずらして集電体に取り付けられる。この結果、図１に示すように、接続端子５０は、外装４０の辺に沿って並んで引き出される。

外装４０は、２枚のラミネートシート４１により形成されている。ラミネートシート４１は、アルミニウム層の両面が樹脂層で被覆された三層構造を有する。少なくとも一方のラミネートシート４１は、電池要素２０を内包する空間を設けるために、中高状に加工されている。ラミネートシート４１の縁は、熱融着等により接着される。これにより、外装４０内部に、電池要素２０が密閉される。

上記バイポーラ電池１０は、バスバー２５を介して電気的に並列接続されている。

電圧調整装置６０は、図１に示すように、配線６１を介して、バイポーラ電池１０の各接続端子５０と接続されている。図１では、配線６１を一部省略して示しているが、実際は、接続端子５０の数だけ配線６１が設けられている。

電圧調整装置６０の本体７０は、図３に示すように、単電池層１５間の電圧を調整するバランス回路７１と、該バランス回路７１の周囲に設けられる抵抗７２とを有する。電圧調整装置６０は、上述の接続端子５０および配線６１を介して、単電池層１５の直列接続として示される各バイポーラ電池１０中の単電池層１５と並列になるように接続される。

バランス回路７１は、バイポーラ電池１０と並列接続される。ここで、バランス回路７１は、バイポーラ電池１０内で直列接続されている単電池層１５のうち、同じ順位に接続されている単電池層１５、たとえば、上から第１層目の４個の単電池層１５に対して共通に並列接続される。

バランス回路７１は、たとえば、図４に示すような回路である。バランス回路７１は、充電時には、単電池層１５が所定電圧以上、たとえば、３．６Ｖ以上になったら、該単電池層１５を迂回して電流が通るようにし、バイポーラ電池１０に含まれる単電池層１５間の電位差を調整する。また、充電時以外では、他の単電池層１５よりも高い電圧の単電池層１５を放電させ、直列接続された単電池層１５間の電圧が揃える。

抵抗７２は、バランス回路７１と各単電池層１５との導電経路上に設けられている。抵抗７２は、バランス回路７１を通る電流を制限する。

次に、電圧調整装置６０の作用について説明する。説明の容易のために、図３中点線Ｒで囲まれる領域内のバランス回路７１および抵抗７２、すなわち、直列接続の同じ順位の単電池層１５に接続されるバランス回路７１および抵抗７２に注目して、電圧調整装置６０の作用を説明する。

図５は、図３の点線で示す部分を抽出して示す回路図である。

図５では、全抵抗７２の抵抗値は１２５Ωであり、バランス回路７１は単電池層１５の電圧が３．６Ｖ以上になったら電流を迂回させるものとする。また、図中左端の単電池層１５Ａにおいて微小短絡が発生して、容量１Ａｈ当たり０．８ｍＡの自己放電が発生しているものとする。

バランス回路７１は、各単電池層１５と並列に接続されているので、充電時に電圧が３．６Ｖ以上になった単電池層１５を迂回させるように、電流を流す。このように、バランス回路７１を設けることによって、各単電池層１５が過充電されることを防止できる。

また、単電池層１５Ａが容量１Ａｈ当たり０．８ｍＡずつ自己放電しているので、充電後しばらくすると、他の単電池層１５と電位差が生じる。所定の電位差になると、自己放電している単電池層１５Ａ以外の単電池層１５から単電池層１５Ａに電流が流れ、単電池層１５Ａが充電される。ここで、単電池層１５間の充電が開始される所定の電位差は、バランス回路７１周囲の抵抗７２の抵抗値によって変わる。図５に示す例の場合、抵抗７２を１２５Ωとしているので、電位差が０．２Ｖになったら、単電池層１５間の充電が開始される。

単電池層１５間の充電が始まると、各単電池から容量１Ａｈ当たり０．２ｍＡずつ、単
電池層１５Ａに電流が送られ、計０．６ｍＡの電流により単電池層１５Ａが充電される。したがって、本来なら単電池層１５Ａが０．８ｍＡずつ放電するところが、０．２ｍＡの放電に抑えられる。

電圧調整装置６０により組電池１００全体において、どのように電圧のバランスが取られるかを、図６および図７を参照してさらに詳細に説明する。

図６は電圧調整装置を適用した組電池の回路図、図７は組電池内における時間と電圧の関係を示す図である。

図６において、一つの単電池層１５Ａが微小短絡により自己放電している。単電池層１５Ａと同じバイポーラ電池１０に含まれる単電池層１５群をグループＢとする。単電池層１５Ａと同じ順位に接続され他のバイポーラ電池１０に含まれる単電池層１５群をグループＣとする。その他の単電池層１５群をグループＤとする。

組電池１００全体について充電を行って放置する。しばらくすると、単電池層１５Ａの自己放電により、単電池層１５ＡおよびグループＢ全体と、グループＣ、Ｄ全体とに０．２Ｖの電位差が生じる。その後の各グループの電圧の変位は、図７に示す通りである。

単電池層１５ＡおよびグループＢ全体と、グループＣ、Ｄ全体とに電位差があるので、電圧調整装置６０の配線６１を介して、グループＣ、Ｄから、単電池層１５ＡおよびグループＢに電流が流れる。この結果、単電池層１５ＡおよびグループＢの各単電池層１５が充電される。

単電池層１５Ａは、自己放電による電圧低下の割合が緩和され、緩やかに電圧が低下する。一方、グループＢの電圧は増加する。そして、単電池層１５Ａと、グループＢとの間の電位差が拡大していく。

単電池層１５ＡとグループＢとの電位差が拡大すると、単電池層１５ＡおよびグループＢと、グループＣ、Ｄとの全体としてみた電位差が釣り合う（時間ｔ１）。釣り合うと、グループＣ、Ｄからの充電は停止する。

この時点で、単電池層１５Ａは、グループＣ、Ｄからの充電がなくなるので、自己放電が低減されなくなる。しかし、単電池層１５ＡとグループＣとでは、大きな電位差がある。したがって、図５により説明した作用により、グループＣから単電池層１５Ａへの充電が始まる。これにより、単電池層１５Ａの放電が継続して低減される。

図６に示す例では、単電池層１５Ａの放電が、自己放電の約１／４に低減される。単電池層１５Ａへの充電のために、グループＣの電圧も単電池層１５Ａと同様に低下する。この電圧の低下に従って、バランス回路７１は、グループＢ、Ｄの電圧を低下させて、単電池層１５間の電圧を調整する。すなわち、単電池層１５Ａの電圧の低下が自己放電による場合の１／４なので、同じ放電電流でバランス回路７１によりグループＢ、Ｄの各単電池層１５が放電される。

従来のように、各単電池層１５に単純にバランス回路７１を取り付けた場合、バランス回路７１により単電池層１５Ａの自己放電と同様に他の単電池層１５も放電されてしまう。これに対し、上記電圧調整装置６０を適用した場合では、単電池層１５Ａの自己放電および他の単電池層１５の放電が従来の１／４で済む。したがって、組電池１００として使用できる電圧範囲を逸脱し、故障に至るまでの時間を、従来の４倍にできる。

以上のように、バランス回路７１と抵抗７２を組み合わせた電圧調整装置６０を適用することによって、次の効果が得られる。

バランス回路７１を、異なるバイポーラ電池１０の同じ順位にある単電池層１５同士に共通に設けているので、従来のように単電池層１５ごとにバランス回路７１を取り付ける場合に比べて、バランス回路７１の数を低減できる。したがって、組電池１００の製造コストを低減できる。

また、バランス回路７１の周囲に抵抗７２を設けているので、バランス回路７１に流れる電流が制限され、バランス回路７１が破壊されることを防止できる。

また、抵抗７２を設けたことにより、単電池層１５間に所定の電位差が生じると、単電池層１５間で自己放電している単電池層１５Ａに充電が開始される。したがって、自己放電している単電池層１５Ａを他の単電池層１５により充電できるので、単電池層１５Ａの放電を低減できる。一つの単電池層１５でも、容量の所定割合以上の電力を失うと、組電池１００全体として使用できなくなってしまう。しかし、電圧調整装置６０の適用により、放電を小さくできるので、結果として、一つの単電池層１５に微小短絡が発生しても、故障に至るまでの時間が長くなる。また、故障検出後に充電することによって、故障検出から電池使用不可になるまでの時間が長くなり、故障後もある程度の時間だけ使用可能にできる。

なお、上記実施形態では、電圧調整装置６０に設けられる抵抗７２の値を１２５Ωとしたが、これに限定されない。次の条件を満たす値であれば、抵抗値はいかなる値でもよい。

第１の条件は、抵抗値の下限値である。抵抗値の下限値は、バランス回路７１に流入する電流を制限してバランス回路７１を保護するために必要な値以上である。たとえば、容量１Ａｈ当たり導電率０．１Ｓ以上の抵抗７２であることが好ましい。

第２の条件は、抵抗値の上限値である。抵抗７２の抵抗値によって、単電池層１５間の充電が開始される際の電位差が異なる。上記例では、単電池層１５Ａと他の単電池層１５との電位差が０．２Ｖになったら、単電池層１５Ａが充電されるように、抵抗７２の抵抗値を設定している。しかし、少なくとも、０．３Ｖ以上の電位差になったら、充電されるようにすればよい。電位差があまりに大きくなってから、単電池層１５間の充電が開始されるのでは、ある単電池層１５がすぐに使用不能となってしまうからである。これでは、単電池層１５間の充電の意味がなくなってしまう。したがって、約３ヶ月で自己放電により最大容量の５０％を失う程度にバランスをとることを考慮する。すると、抵抗値は、容量１Ａｈ当たり導電率０．０００１Ｓ以下であることが好ましい。

まとめると、抵抗７２の抵抗値は、０．１Ｓ〜０．０００１Ｓであることが好ましい。

（変形例１）
次に、上記実施形態の変形例を説明する。

上記実施形態では、複数のバイポーラ電池１０を横に並べて、並列接続する場合について説明した。しかし、複数のバイポーラ電池１０をセパレータ１４とバイポーラ電極１６との積層方向に積層し、並列接続させることもできる。この場合にも、電圧調整装置６０を適用できる。

図８は２つのバイポーラ電池を積層して並列接続した組電池を示す斜視図、図９は図８
の９−９線に沿って示す組電池の断面図、図１０は組電池の側面図である。

図８に示す変形例１の組電池８０では、２つのバイポーラ電池１０が積層された状態で並列接続されている。組電池８０は、図９に示すように、積層の両最外層に接触する正極板８１と、積層の中心に配置される負極板８２とを有する。

２つのバイポーラ電池１０は、負極板８２に対して対称に配置される。すなわち、いずれのバイポーラ電池１０も、負極板８２から正極板８１に向かって、集電体１１、負極活物質層１３、セパレータ１４および正極活物質層１２が順に積層されている。

各バイポーラ電極１６には、図８および図１０に示すように、同じ側に接続端子８４が取り付けられている。接続端子８４は、たとえば、集電体１１の一部を突出させて集電体１１と一体に形成されている。または、接続端子８４は、集電体１１と正極活物質層１２または負極活物質層１３との間に一部が挟まれて固定されてもよい。

同じバイポーラ電池１０内において、各接続端子８４は、積層方向に直交する平面で見て異なる位置に取り付けられている。しかし、負極板８２上下の異なるバイポーラ電池１０間では、直列接続において同じ順位に配置される単電池層１５同士をバランス回路７１に並列接続する接続端子８４は、積層方向に直交する平面で見て同じ位置に取り付けられている。たとえば、図１０に示すように、負極板８２に最も近い単電池層１５、すなわち、直列接続で一番下位に接続された単電池層１５Ｂに注目する。単電池層１５Ｂの負極活物質層１３側に接続される接続端子８４Ａは、積層方向に直交する平面で見て同じ位置で延びる。また、単電池層１５Ｂの正極活物質層１２側に接続される接続端子８４Ｂは、積層方向に直交する平面で見て同じ位置で延びる。接続端子８４Ｃ同士も同じ位置、接続端子８４Ｄ同士も同じ位置に取り付けられている。

図１０に点線で示すように、接続端子８４Ａ同士、接続端子８４Ｂ同士、接続端子８４Ｃ同士、接続端子８４Ｄ同士を接続し、その間に、バランス回路７１を接続することによって、同じ順位の単電池層１５に共通のバランス回路７１が並列接続される。なお、抵抗７２の図示は省略している。

このような変形例１の組電池によれば、上記実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。

同じ順位の単電池層１５には積層方向に直交する平面で見て同じ位置に接続端子８４が取り付けられるので、バランス回路７１の並列接続が容易に実行できる。ここで、バランス回路７１は、スポット溶接、超音波溶接、はんだなどにより接続される。

また、変形例の組電池８０では、バイポーラ電池１０同士を積層し、並列接続するので、組電池の小型化が図れる。

なお、接続端子８４は、図１０に仮想線の交点で示す各バイポーラ電池１０の中心に対して点対称に位置することが好ましい。このように、接続端子８４が接続される位置を規則的に決めておけば、図９に示すように負極板８２の上下にバイポーラ電池１０を配置する場合でも、接続端子８４が接続されたバイポーラ電極１６の積層順序に気を付ければ、接続端子８４を簡単に位置合わせできる。

（変形例２）
さらに、上記実施形態の変形例を説明する。

上記実施形態では、複数の単電池層１５を直列接続したバイポーラ電池１０をさらに並列接続する場合について説明した。しかし、電圧調整装置６０は、他の形態にも適用できる。たとえば、電圧調整装置６０は、単電池層１５を含むバイポーラ電池１０と、単電池層１５とは異なり独立した単電池を複数直列接続してなる直列接続電池群（電池ユニット）とを複数並列接続した組電池にも適用できる。

図１１は、バイポーラ電池と直列接続電池群とを並列接続した組電池を示す図である。

変形例２では、異なる種類の電池であるバイポーラ電池と直列接続電池群とを並列接続した組電池９０に、電圧調整装置６０を適用している。

ここで、図１１に示すバイポーラ電池１０は、内部で３つの単電池層１５が直列接続されて構成されているものとする。また、バイポーラ電池１０内の最下層の単電池層１５の負極に接続された接続端子５０は図１１中最も下側に引き出されている。最下層の単電池層１５の正極および真ん中の単電池層の負極に接続された接続端子５０は、図１１中、下から二番目に引き出されている。このように、図１１では、下層の電極から順に接続端子５０が接続され、図１１中下側から順に引き出されているものとする。

直列接続電池群９１は、複数の独立した電池９２を直列接続して構成される。各電池９２は、バイポーラ電池１０内の直列接続において同じ順位に位置する単電池層１５と略同じ電圧となるように製造されている。

変形例２では、図１１に示すように、バイポーラ電池１０および直列接続電池群９１中の直列接続において同じ順位の単電池層１５および電池９１がバランス回路７１と並列に接続される。

以上のように、異なる種類の電池、すなわち、バイポーラ電池１０および直列接続電池群９１に対しても、電圧調整装置６０を適用できる。この場合、少ないバランス回路７１により、各単電池層１５および電池９２の電圧のバランスを取り、かつ、一部の単電池層１５および電池９２が微小短絡しても、他の電池１５、９２から充電して故障までの時間を延長できる。

上記実施形態の組電池８０、９０、１００は、車両に搭載して、駆動用電源として用いることができる。組電池８０、９０、１００をモータ用電源として用いる車両としては、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車など、車輪をモータによって駆動している自動車である。

参考までに、図１２に、組電池１００を搭載する自動車１１０の概略図を示す。自動車に搭載される組電池１００は、上記説明した特性を有する。このため、組電池１００を搭載してなる自動車は、バランス回路が少ないことから製造コストを低減できる。

バランス回路を適用した組電池を示す斜視図である。 図１の２−２線に沿って示すバイポーラ電池の一部断面図である。 電圧調整装置の概略構成図である。 バランス回路を示す回路図である。 図３の点線で示す部分を抽出して示す回路図である。 電圧調整装置を適用した組電池の回路図である。 組電池内における時間と電圧の関係を示す図である。 ２つのバイポーラ電池を積層して並列接続した組電池を示す斜視図である。 図８の９−９線に沿って示す組電池の断面図である。 組電池の側面図である。 バイポーラ電池と直列接続電池群とを並列接続した組電池を示す図である。 組電池を搭載する自動車の概略図である。

符号の説明

１０…バイポーラ電池、
１１…集電体、
１２…正極活物質層、
１３…負極活物質層、
１４…セパレータ、
１５、１５Ａ…単電池層、
１６…バイポーラ電極、
２０…電池要素、
３０ａ…正極タブ、
３０ｂ…負極タブ、
４０…外装、
５０、８４…接続端子、
６０…電圧調整装置、
６１…配線、
７０…本体、
７１…バランス回路、
７２…抵抗、
８０、９０、１００…組電池、
９２…電池、
１１０…自動車。

Claims (7)

1. 充放電可能な単電池を複数個直列接続してできた電池ユニットを、複数個並列接続した組電池であって、
   前記電池ユニットの直列接続において同じ順位に接続されている前記単電池に対して共通に並列接続され、前記電池ユニットに含まれる同じ順位の前記単電池間の電位差を調整するバランス回路を有する組電池。
2. 前記バランス回路と前記単電池とを並列接続する導電経路上に設けられた抵抗をさらに有し、
   前記抵抗は、前記バランス回路が破壊される電流値以上の電流が前記バランス回路に流れ込むことを防止できるだけの抵抗値を少なくとも有する請求項１に記載の組電池。
3. 前記抵抗は、同じ順位の前記単電池間の電位差が０．３Ｖとなったら電流が流れる抵抗値以下の抵抗を有する請求項２に記載の組電池。
4. 前記電池ユニットとして、
   少なくとも一つのバイポーラ電池と、
   当該バイポーラ電池に並列接続される、他のバイポーラ電池あるいは直列接続電池群またはこれらの組み合わせと、
   を含み、
   前記バイポーラ電池は、集電体の一方の面に正極活物質層が形成され他方の面に負極活物質層が形成されたバイポーラ電極と、電解質層とを交互に積層してなり、前記正極活物質層、前記電解質層および前記負極活物質層から前記単電池が構成され、
   前記直列接続電池群は、独立して構成される複数の単電池が直列接続されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の組電池。
5. 前記電池ユニットは、全て前記バイポーラ電池であり、
   前記バイポーラ電池同士は、前記バイポーラ電極および前記電解質層の積層方向に積層されており、
   前記バイポーラ電池の各前記バイポーラ電極には、各順位の前記単電池と前記バランス回路とを並列接続するための接続端子が取り付けられており、
   前記バイポーラ電池の同じ順位の前記単電池を前記バランス回路に並列接続するための前記接続端子は、前記積層方向に直交する平面で見て同じ位置に取り付けられている請求項４に記載の組電池。
6. 前記バイポーラ電池において、複数の前記接続端子は、各前記バイポーラ電極に対して同じ側に取り付けられており、積層の中心に対して点対象に位置する請求項５に記載の組電池。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の組電池を駆動用電源として搭載してなる車両。

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