JP2007220372A - 電池、電池システム、組電池、およびこれらを用いた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】寄生インダクタンスを小さくすることができる電池を提供する。
【解決手段】集電体の一方の面に正極が形成されその他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極と電解質層と交互に複数積層して発電要素１０の正極側終端電極には正極側集電電極１１が接続され、負極側終端電極には負極側集電電極１２接続し、正極側集電電極１１と負極側集電電極１２の電流が互いに逆方向へ流れるようにした。これにより正極側集電電極１１と負極側集電電極１２に流れる逆方向の電流によって磁界がキャンセルされて電池自身を電流が流れる電流経路と見たときそのインダクタンスを小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイポーラ電池、電池システム、組電池、およびそれらの電池を搭載した車両に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車には、電池のほかに、必要な電圧や電流量を調整するために、インバータが備えられている（たとえば下記特許文献１参照）。
特開２００５−０５７９２８号公報

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の場合、大きな出力の電池を搭載するため電池自体が大きくなり、その影響でインバータなどの制御回路に至までの電流経路が長くなる傾向にある。このため、電池を含めた電流経路全体のインダクタンスも大きく、エネルギーロスの原因となることがわかってきた。

そこで本発明の目的は、負荷が接続された電池の電流経路におけるインダクタンスを小さくしてエネルギーロスを低くすることのできる電池を提供することであり、また、このような電池を用いた電池システム、および組電池を提供することである。また、本発明は、これらエネルギーロスの少ない電池、電池システム、および組電池を適用した電動の車両を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、正極と負極間に電解質層を介在させて構成される単電池を複数積層した発電要素と、前記発電要素の終端電極に電気的に接続された集電構造体と、前記集電構造体に流れる電流の方向と逆方向に電流が流れるように配置された逆電流経路と、を有すること特徴とする電池である。

また上記目的を達成するための本発明は、前記電池と、前記電池と接続される交流負荷とを有し、前記電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さＴ、前記第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大入力電圧Ｖｉｎの関係が、下記（１）式
Ｔ×Ｄ×ｆ×Ｉ×π×μ_０＜Ｖｉｎ／４ …（１）
を満たすことを特徴とする電池システムである。

また上記目的を達成するための本発明は、前記電池と、前記電池と接続される交流負荷とを有し、前記第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大動作電圧Ｖの関係が、下記（２）式
Ｄ×ｆ×Ｉｍａｘ×π＜Ｖ／（４×１０^−６） …（２）
を満たすことを特徴とする電池システムである。

また上記目的を達成するための本発明は、前記電池が複数電気的に接続されていることを特徴とする組電池である。

また上記目的を達成するための本発明は、前記組電池と、前記組電池と接続される交流負荷とを有し、前記組電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さＬ、前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄの和Ｄｓ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大入力電圧Ｖｉｎの関係が、下記（３）式
Ｌ×Ｄｓ×ｆ×Ｉｍａｘ×π×μ_０＜Ｖｉｎ／４ …（３）
を満たすことを特徴とする電池システムである。

また上記目的を達成するための本発明は、前記組電池と、前記組電池と接続される交流負荷とを有し、前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄの和Ｄｓ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大動作電圧Ｖの関係が、下記（４）式
Ｄｓ×ｆ×Ｉｍａｘ×π＜Ｖ／（４×１０^−６） …（４）
を満たすことを特徴とする電池システムである。

さらに上記目的を達成するための本発明は、前記電池、前記組電池、および前記電池システムのうち、いずれかを搭載したことを特徴とする車両である。

本発明によれば、発電要素に接続されている集電構造体に流れる電流と逆方向に電流を流す逆電流経路を備えているので、集電構造体に流れる電流によって生じる電磁誘導を逆電流経路に流れる逆方向電流により磁界キャンセルさせることができ、それにより電池の寄生インダクタンスを低下させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係るバイポーラ電池、組電池およびそれらの電池を搭載した車両の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態で参照する図面では、バイポーラ電池などを構成する各層の厚みや形状を誇張して描いているが、これは発明の内容の理解を容易にするために行っているものであり、実際のバイポーラ電池の各層の厚みや形状と整合しているものではない。

（実施形態１）
図１は本発明を適用した実施形態１のバイポーラ電池の内部構成を説明するための概略斜視図である。図２はバイポーラ電池の全体構成を説明するための断面図であり、図３は図２中の矢印ａ方向から見た側面図である。

まず、図１を参照すると、バイポーラ電池１の内部構成は、電力を取り出すための正極側集電電極１１（第１の集電電極）および負極側集電電極１２（第２の集電電極）が発電要素１０の終端電極に接続されている。正極側集電電極１１および負極側集電電極１２は、互いに平行に設けられている。正極側集電電極１１および負極側集電電極１２は、互いに本発明における集電構造体または逆電流経路となる。すなわち、正極側集電電極１１を集電構造体とみれば負極側集電電極１２は逆電流経路となり、逆に正極側集電電極１１を逆電流経路とみれば負極側集電電極１２は集電構造体となる。

正極側集電電極１１および負極側集電電極１２は、同じ大きさである。正極側集電電極１１および負極側集電電極１２は、たとえば、ステンレス板、銅板、アルミニウム板など、金属板によって形成されることが好ましい。

正極側集電電極１１および負極側集電電極１２は、正極タブ１１０および負極タブ１２０が接続されている。正極タブ１１０および負極タブ１２０は、交流負荷（詳細後述）とこのバイポーラ電池１とを電気的に接続するためのバスバーやリード線などが接続される。

正極タブ１１０および負極タブ１２０は、両方ともバイポーラ電池１の一側から突出するように設けられている。これにより、バイポーラ電池１に負荷を接続したとき、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２に互いに逆方向に電流が流れるようになる。

正極タブ１１０および負極タブ１２０は、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２と同じ部材から形成されたものであってもよいし、別部材を一体化させたものでもよい。別部材とした場合は、たとえば、ステンレス板、銅板、アルミニウム板など金属板を、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２に接続したものとなる。この接続は、たとえば、超音波接合、溶接、ハンダ付けなどが利用される。

このバイポーラ電池１の発電要素１０、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２などは、図２に示すように、ケース３０に収納されている。

ケース３０は、金属製で上側３１と下側３２からなる分離型のものである。ケース３０の上側３１および下側３２は、たとえば、発電要素１０と接触しない位置でねじ止め（不図示）により接合されて全体が密閉されている。使用するねじは、絶縁ねじが好ましいが、これに限るものではない。そのほか、ねじ止め以外にも上側３１と下側３２を接着剤により接着したり、超音波接合、溶接、ハンダ付け、かしめ結合などを利用してもよい。

ケース３０の内側には絶縁材３３が設けられている。絶縁材３３は正極側集電電極１１および負極側集電電極１２に接触している。

この絶縁材３３によって、ケース３０（金属製）と正極側集電電極１１および負極側集電電極１２との絶縁が保たれる。絶縁材３３の耐圧は、このバイポーラ電池１に接続される負荷（機器）の動作電圧の１．５倍以上であることが好ましい。この程度の耐圧があれば、たとえば車両用の二次電池として十分である。もちろんそれ以上に高い耐圧であってもかまわないので耐圧の上限については特に限定されない。したがって、絶縁材３３の厚みや素材の構成などによって、動作電圧の１．５倍以上が得られえるようにすればよい。このような耐圧の絶縁材を介して金属ケースと近接して集電電極を配置することで、バイポーラ電池１として面方向の電流経路で発生した磁場を打ち消す方向で金属ケースに電流が流れ、その部分の寄生インダクタンスを抑えることができる。

ケース３０の一側には、開口部３４が設けられていて、正極タブ１１０および負極タブ１２０が引き出されている。この開口部３４は正極タブ１１０および負極タブ１２０が引き出された状態で絶縁材３３およびゴム製のガスケット３５によって密封されている。このゴム製のガスケット３５により開口部３４を密閉することで、ケース内への水分の侵入を防止している。なお、ガスケット３５は、ゴム製に代えて、たとえば、シリコーンゴムなどその他の水密性のある弾性材を用いてもよい。また、ガスケット３５と、その周りの絶縁材３３とは接着剤によって接着してもよいし、ガスケットとして用いるゴム材などの弾性力によって水密性を保つようにしてもよい。

図４は発電要素１０を説明するための要部断面図である。

このバイポーラ電池１における発電要素１０は、複数のバイポーラ電極２０を、電解質層２４を介して積層した構造である。

バイポーラ電極２０は、集電体２１の一方の面に正極２２が形成され、他方の面に負極２３が形成されている。

このようなバイポーラ電極２０は、たとえば、スラリー塗布法や印刷法など種々の積層法を用いて形成することができる。

ここでは一例としてスラリー塗布法を用いたバイポーラ電極２０の形成方法を説明する。

スラリー塗布法は、まず、集電体２１の片面に正極スラリーを塗布し、乾燥させて正極２２を形成する。集電体２１は、たとえばステンレス鋼箔（ＳＵＳ箔）、銅箔、アルミニウム箔などを用いることができる。正極スラリーは、たとえば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等の正極活物質に、アセチレンブラック等の導電助剤、ＰＶＤＦ等のバインダー、およびＮＭＰ等のスラリー粘度調整溶媒を混合したものを用いる。

次に、正極２２を形成した集電体２１の反対面に負極スラリーを塗布し、乾燥させて負極２３を形成する。負極スラリーには、ハードカーボン等の負極活物質、ＰＣＤＦ等のバインダー、およびＮＭＰ等のスラリー粘度調整溶媒を混合したものを用いる。

このようにして、集電体２１の両面に正極２２と負極２３とがそれぞれ形成されることにより、バイポーラ電極２０が形成される。

このようにして形成されたバイポーラ電極２０を発電要素１０として組み立てるには、形成後のバイポーラ電極２０を所定の大きさに切り、さらに周辺部の正極２２および負極２３を削り取って、シール層２５を形成するために集電体２１表面を露出させる。

次に、ＰＰ製等の微多孔膜や不織布のセパレータなどを用い、このセパレータの外周部四辺の外辺から所定の部分の両面に、所定の高さのシリコーンゴムなどを配置してシール層２５を形成する。

そして、上記セパレータのシール層２５の内側に、電解質層２４となるプレゲル溶液を浸漬させて、不活性雰囲気下で熱重合させることにより、セパレータの中央部にゲル電解質層２４を保持させる。プレゲル溶液には、たとえば、ポリマー（ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体）、ＥＣ＋ＤＭＣ（１：３）、１．０ＭＬｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、重合開始剤（ＢＤＫ）を混合したものを用いる。

発電要素１０は、正極２２と負極２３とが電解質層２４を挟んで対向するように積層する。これにより、一つの電解質層２４を挟んだ正極２２と負極２３が単電池２８を構成することになる。そして複数の単電池２８が積層されて発電要素１０が構成されることになる。

発電要素１０の終端電極は、バイポーラ電極２０と同じ集電体２１を用いているが、バイポーラ電極２０とは異なり、一方の面にのみ正極２２または負極２３が形成されている。すなわち、正極側終端は集電体２１の片面にのみ正極２２が形成されており、負極側終端は集電体２１の片側にのみ負極２３が形成されている。なお、正極２２および負極２３は、バイポーラ電極の正極２２および負極２３と同じように、それぞれの集電体２１に形成されている。

発電要素１０の正極側終端電極には正極側集電電極１１が接続され、負極側終端電極には負極側集電電極１２が接続される。この接続は、たとえば、超音波接合による接合、導電性接着剤による接着などによって行われる。また、ケース３０によって発電要素１０、正極側集電電極１１、および負極側集電電極１２の全体が圧迫されることにより、各終端電極に正極側集電電極１１および負極側集電電極１２が電気的に接続されるようにしてもよい。

電解質層２４は、ゲル溶解質により形成されていることが好ましい。電解質層２４としてゲル電解質を用いることにより、漏液を防止することが可能となり、また双電極型二次電池に特有の問題である液絡を防ぎ、信頼性の高い積層型電池を実現することができる。

ここで、全固体高分子電解質と高分子ゲル電解質との違いについて説明する。ＰＥＯ（ポリエチレンオキシド）などの全固体高分子電解質に、通常、リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものが高分子ゲル電解質である。また、ＰＶＤＦ、ＰＡＮおよびＰＭＭＡなどのように、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものも高分子ゲル電解質に該当する。高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率は幅広く、ポリマー１００％を全固体高分子電解質とし、電解液１００％を液体電解質とすると、その中間体はすべて高分子ゲル電解質にあたる。他方、全固体型電解質は、高分子あるいは無機固体などのＬｉイオン伝導性をもつ電解質のすべてが該当する。本発明において、固体型電解質という場合は、高分子ゲル電解質と全固体高分子電解質、無機固体電解質のすべてを含むものとする。

また、上記正極活物質にはリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質にはカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いることが好ましく、これにより容量および出力特性に優れたバイポーラ電池を実現することができる。

このようにして形成される発電要素１０は、複数の単電池２８が直列に接続されたものとなる。したがって、正極タブ１１０と負極タブ１２０との間には単電池２８の積層数倍の電圧が現れる。

なお、図示する場合には、７層の単電池を示したが、当然に、この単電池の層数は、このような数に限定されるものではない。

発電要素１０は、上記のように正極側集電電極１１および負極側集電電極１２を接合した後、それらの周囲を絶縁材３３で覆い、正極タブ１１０および負極タブ１２０をケース３０の一側部から一方向外方へと引き出した状態で金属製のケース３０内に収納する。

以下、上述のように構成されたバイポーラ電池１の作用を説明する。

本実施形態１のバイポーラ電池１は、図１に示したように、発電要素１０の終端電極に、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２を同じ大きさで平行に設けている。そして、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２にそれぞれ接続された正極タブ１１０および負極タブ１２０をケースの一側から引き出した構成としている。

これにより、バイポーラ電池１に負荷を接続した場合、流れる電流の経路は、平行に設けられた正極側集電電極１１および負極側集電電極１２によって、同じ大きさの電流を互いに逆方向に流す電流経路ＸおよびＹができることになる（図１参照）。このため正極側集電電極１１を電流経路Ｘと、負極側集電電極１２を逆電流経路Ｙとしたとき、両者の電流経路には同じ電流量の電流が互いに逆方向に流れることになる。これにより、それぞれに流れる電流によって生じる電磁誘導は磁界キャンセルされて、寄生インダクタンスを小さくすることができる。

図５は、このような互いに逆方向に電流を流すための電流経路をもたない場合の電池（比較例と称する）の例を説明するための図面であり、（Ａ）はこの比較例の電池の内部構成を示す概略斜視図、（Ｂ）はこの比較例の電池の外装材を熱溶着した状態での一方のタブ側側面図である。なお、比較例の電池においても本発明のバイポーラ電池１と同様の部材については同じ符号を付し説明を省略する。

図５（Ａ）および（Ｂ）に示した比較例の電池１００は、発電要素１０をラミネートフィルムなどの外装材１５０により覆っている。ラミネートフィルムは、金属箔と合成樹脂膜を複数重ねたものであり、柔軟性を有する。この外装材１５０の周囲は熱融着されている。

発電要素１０は、その終端電極に正極側集電電極１６０と負極側集電電極（図５（Ａ）において発電要素１０を挟んで正極側集電電極１６０の反対側に位置する）が接続されている。正極側集電電極１６０と負極側集電電極には、それぞれ正極タブ１１０および負極タブ１２０が一体的に設けられており、外装材１５０の両側から引き出した状態で、発電要素１０などが密封されている。

このため、この比較例の電池１００は、負荷に接続されると、正極タブ１１０から正極側集電電極１６０、発電要素１０、負極側集電電極を通り負極タブ１２０に至る経路で電流が流れることになる。したがって、この電流経路のすべてが寄生インダクタンスをもつことになる。

本実施形態１のバイポーラ電池１は、このような比較例の電池１００と比較して平行に走る電流経路ＸとＹによる磁界キャンセルがある分、寄生インダクタンスが少なくなり、その分交流負荷が接続された場合には、エネルギーロスが小さくなる。

なお、本実施形態１のバイポーラ電池１は金属ケースを用いているが、これに代えて、比較例の電池と同様にラミネートフィルムで密封した電池としてもよい。ただし、ラミネートフィルムで密封する場合は、電池の一側から引き出した正極タブ１１０および負極タブ１２０が接触して短絡しないように注意する必要がある。特に、ガスケットや絶縁材などは、ラミネートフィルムを熱溶着する際に、その熱で溶けない材質のものを用いる必要がある。

次に、本実施形態１のバイポーラ電池１に負荷を接続した場合の作用を説明する。

図６は交流負荷の接続例を示す図面であり、（Ａ）は直流電源と高周波負荷との接続例を示す模式図であり、（Ｂ）は二次電池とインバータと負荷機器との接続例を示す模式図である。図７は負荷電流の時間における変化を示す説明図である。図８は本発明によるバイポーラ電池、電界コンデンサ、比較例の電池、およびフィルムコンデンサの周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。図９はアルミ電界コンデンサの構造を示す模式図である。

なお、ここで高周波とは、一般的に用いられているものと同様に数十ｋＨｚ以上の周波数をいう。ただし、本発明はこのような高周波を扱うものに限定されるものではない。

図６（Ａ）に示すように、一般的に、高周波負荷５２０を直流電源５１０で動作させる場合、直流電源５１０に高周波電源５３０が接続されている。高周波電源５０３の中には、高周波成分におけるリップルを低減させるために、コンデンサなどが入れられている。

直流電源として二次電池５４０を用いた場合、図６（Ｂ）に示すように、二次電池５４０にインバータ５００を接続して交流を作り出すが、その際回路にリップルを抑えるためのコンデンサ５６０が挿入される。なお、図６（Ｂ）は高周波負荷として、モータ５５０を接続した例である。

このような高周波負荷を接続した場合、負荷電流は、図７に示すように、時間経過に伴って徐々に上昇し、その後徐々に低下するような傾向を示す。

たとえば、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載されるインバータの場合、そのスイッチング周波数は最大で５０ｋＨｚ程度である。したがって、最大５０ｋＨｚ程度までの高周波成分の交流電流を高周波電源として受け持つ必要がある。

具体的には、たとえば１００Ａ程度の交流成分に対して、２０Ｖ程度のリップル電圧が許容される場合、高周波電源の５０ｋＨｚでのインピーダンスは０．２Ω程度以下が要求されている。

図８に示した周波数とインピーダンスの関係を見ると、５０ｋＨｚ付近で、０．２Ω程度以下程度のインピーダンスを確保できるものは、電解コンデンサであることがわかる。したがって、従来からリップルを吸収するために用いるコンデンサには電解コンデンサが多く用いられている。なお、図８において、比較例の二次電池とは、上述した比較例の二次電池と同様である。

ここで、互いに逆向きに電流が流れる平行導線における単位長さ当たりの自己インダクタンスは、下記（１）式で表される。

（１）式において、ａは導線の半径、ｄは平行導線の間隔、μ_０は真空の透磁率（１．２５６×１０^−６Ｎ／Ａ^２）、πは円周率である。

（１）式からわかるとおり、平行導線の間隔ｄが大きいほど電流経路の単位長さあたりのインダクタンスは大きくなる。また、導線の長さが長いほど電流経路のインダクタンスは大きくなる。

一方、図９に示すように、アルミ電界コンデンサ６００は、機能的にはコンデンサである素子６１０とそこから平行に延びたリード線６０２からなる。素子６１０は並行平板である。

このようなアルミ電界コンデンサ６００のインダクタンス成分は、素子部６１０では大面積の平行平板のインダクタンスであり、通常交流電源として使用されている周波数帯（１〜数十ｋＨｚ程度）では非常に低い。一方、リード線６２０は、たとえば、間隔３ｃｍ、長さ１ｃｍ、半径１ｍｍの平行導線と仮定すると、インダクタンスは１０^−８Ｈ程度である。したがって、アルミ電界コンデンサ６００のインダクタンス成分は、リード線６２０のインダクタンス成分が主であり、電界コンデンサ６００の高周波でのインピーダンスは、このリード線６２０のインダクタンスで規定されることになる。

なお、図８には、参考のためにフィルムコンデンサの周波数に対するインピーダンスも示したが、図からわかるように、フィルムコンデンサは通常に使用されている交流周波数帯域（１〜数十ｋＨｚ程度）におけるインピーダンスが電解コンデンサと比較して桁違いに高い。

次に、平板状導体のインダクタンスについて説明する。

図１０は平板状導体のインダクタンスについて説明する説明図である。

まず、図１０（Ａ）を参照して、平板状導体を流れる電流により生じる磁場は、下記（２）式によって表すことができる。

式中、Ｂは磁束密度、μ_０は真空の透磁率、Ｈは磁界、Φは磁束、ｊは面電流密度をあらわす。

図１０（Ｂ）を参照して、対向した二枚の平板状導体を逆向きに流れる電流により生じる磁場、平板状導体間を貫く磁束より単位長さ当たりのインダクタンスは、下記（３）〜（５）式により表される。

式中、ｗは平行状導体の平面内での電流と垂直方向の長さをあらわす。

これらの式から、バイポーラ電池１の出力端子（正極タブおよび負極タブ間）で生じるインダクタンスに関して、アルミ電界コンデンサと同等のインダクタンスである１０^−８Ｈを実現するためには、長さ（ｍ）×厚み（ｍ）＜２×１０^−２を満たすようにすればよい。寄生インダクタンスにより発生するリップル電圧は、２πｆ・μ_０・ｄ・Ｔ・Ｉであり、通常許容されるリップル電圧は、負荷機器の動作電圧１／２以下であるため、２πｆ・μ_０・ｄ・ｌ・Ｉ＜Ｖ／２を満たすようにｄとＴを適切に設定すればよい。なお、ここでＴは電流経路の長さである。

ここで、電池の電圧は、図１１に示すように、断面積に比例する。また、電池の内部抵抗は面積に反比例し、厚みの増加とともに増加する。したがって、長さを厚みよりも５倍以上の比率にすることが望ましい。

バイポーラ電池の内部を流れる通電パスの寄生インダクタンスは、約１ｍにつき１μＨであるので、たとえば、ＨＥＶ用に最適な例としては厚み１０ｍｍ、長さ３００ｍｍとすればインダクタンスは４×１０^−９Ｈとなる。

すなわち、本実施形態１のバイポーラ電池１に高周波負荷を接続した場合、正極側集電電極１１と負極側集電電極１２の電流経路方向の長さＴと、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２間の距離Ｄと、真空の透磁率と、高周波負荷の最大周波数ｆと、最大交流電流Ｉｍａｘと、円周率との積が、高周波負荷の最大入力電圧Ｖｉｎの１／４以下であることが好ましい。すなわち、Ｔ×Ｄ×ｆ×Ｉ×π×μ_０＜Ｖｉｎ／４となることが好ましい。

これは、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２の大きさによる電流経路の寄生インダクタンスを小さくするためであり、高周波用に用いる電池の長さと厚みを適切に設計することにより、モータ等の負荷機器の動作に支障のないリップル電圧を補償することができる。

また、正極側集電電極１１および負極側集電電極１２間の距離Ｄと、最大交流電流Ｉｍａｘと、最大周波数ｆと、円周率との積が、負荷機器の最大動作電圧Ｖの１／（４×１０^−６）以下であることが好ましい。すなわち、Ｄ×ｆ×Ｉｍａｘ×π＜Ｖ／（４×１０^−６）であることが好ましい。これにより、高周波用の電池の厚み方向に流れる電流による寄生インダクタンスによるリップル電圧をモータ等の負荷機器の動作に支障のないレベルに抑えることができる。

図１２は、上述した本実施形態によるバイポーラ電池を使用した電池システムのレイアウトを説明するブロック図である。

図示するような電池システムは、たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車などに使用することができる。

この電池システムは、直流電源となるバイポーラ電池１がインバータ５００に接続されている。なお、図では、一つの電池（バイポーラ電池１）を示したが、実際に電気自動車やハイブリッド自動車などに使用される際には、バイポーラ電池１が複数接続された組電池（詳細後述）として使用される場合が多い。

電気自動車やハイブリッド自動車などに使用される電池システムでは、電池の大きさのため電池自体の電流経路もインダクタンスを増加させる原因となっていた。

たとえば、図１２に示した電池システムにおいて、従来の二次電池を使用した場合、従来の二次電池一つの長さ方向のインダクタンスは５×１０^−８Ｈ程度である。この従来の二次電池が５０個直列に接続された場合、電池システムの配線の長さ４ｍ、間隔５ｃｍ、電線半径１ｍｍとすると、電流経路全体のインダクタンスは１０^−５Ｈ程度になる。

これに対して、本実施形態におけるバイポーラ電池１を用いた場合、そのインダクタンスが１個当たり、４×１０^−９Ｈとすれば５０個直列に接続すると、図１２に示した電池システム全体では、全電流経路のインダクタンスは約１×１０^−８Ｈとなる。

図８より１ＭＨｚで０．１Ω、ωＬがインピーダンス（抵抗）です。ω＝２πｆ。したがって、電池システムに用いる電池の電流経路としてのインダクタンスを十分に低く抑えることが可能となる。

以上のように、本実施形態１によれば、正極側集電電極１１側に流れる電流と逆方向に電流が流れるようにした負極側集電電極１２を設けることで、互いに逆方向に流れる電流によって磁界がキャンセルされ、寄生インダクタンスを小さくすることができる。したがって、これまで電池の大きさに基づいて必要となっていた電流経路の長さを大幅に短くすることができる。また、電池形状が扁平型（薄型）であり、対向する集電構造体が平板であるので、電流経路に発生していた寄生インダクタンスをキャンセルし高周波インピーダンスを低下させることができる。

これによりバイポーラ電池１にインバータや、レーザー発振機等の高周波負荷を接続した電池システムとした場合、従来の電界コンデンサと同程度のインダクタンスとすることが可能であるため、電解コンデンサを省略してバイポーラ電池１を設置するのみでも、リップル電流を抑えることが可能となる。このため、電界コンデンサを設置しなくてすむ分、設置スペースと重量の削減が可能となる。また、バイポーラ電池１単独で寄生インダクタンスを少なくしているので、低コストで小さく軽い高周波用のバイポーラ電池を供給することができる。

（実施形態２）
図１３は、実施形態２のバイポーラ電池の構成を説明するための断面図である。なお、図において実施形態１と同様の機能構成を有する部材に付いては同じ符号を付しそれらの説明は省略する。

このバイポーラ電池２は、実施形態１のバイポーラ電池１と同様に、長方形状の扁平型電池である。

その構成は、発電要素１０の終端電極の一方（ここでは正極側終端）に、正極側集電電極１１を設けられている。発電要素１０の終端電極の他方（負極側終端）には負極側集電電極１２が接続され、さらに負極側集電電極１２から連なり負極側集電電極１２と逆方向に電流が流れる導電性部材１５が接続されている。負極側集電電極１２と導電性部材１５は同一部材からなる一体のものであってもよいし、別部材を接続して一体化させたものであってもよい。

実施形態１と同様に、ケース３０の一側には、開口部３４が設けられていて、正極側集電電極１１に接続された正極タブ１１０と、導電性部材１５に接続された負極タブ１２０が引き出されている。正極タブ１１０および負極タブ１２０はガスケット３５により開口部３４を密閉する形で指示されている。ケース３０は、絶縁材３３によって正極側集電電極１１、負極側集電電極１２および導電性部材１５と絶縁されている。また、負極側集電電極１２と導電性部材１５の平行となっている部分の間も絶縁材３３によって絶縁されている
このように、負極側集電電極１２に対して、同じ大きさの電流を逆方向に流す導電性部材１５を設けたことで、負極側集電電極１２の電流経路おける電磁誘導を、導電性部材１５による逆電流経路によって磁界キャンセルがおこる。このため、負極側集電電極１２側の寄生インダクタンスを小さくすることができる。

図１４は、本実施形態２のバイポーラ電池２とインバータ５００を組み合わせた電池システムの配置例を示す図面である。

図示するように、バイポーラ電池２とインバータ５００を結ぶ電流経路のうち、Ｙ１とＹ２を結ぶ電流経路は、負極側集電電極１２に平行に設けた導電性部材１５の電流経路Ｚによって次回キャンセルされることになる。したがって、この電池システムにおける寄生インダクタンスはおおよそバイポーラ電池２とインバータ５００を結ぶ電流経路Ｘの部分のみということになる。

（実施形態３）
本実施形態３は、実施形態１または実施形態２によるバイポーラ電池を複数組み合わせた組電池である。

図１５は本実施形態３における組電池３００の構成を説明する図で、電極タブ側の側面図である。

この組電池３００は、図示するように、実施形態１または実施形態２によるバイポーラ電池１または１０を複数積層して、電極タブ１１０および１２０をバスバー３１０によりに接続している。複数のバイポーラ電池１または１０は直列に接続している。

このように複数のバイポーラ電池１または１０を直列に接続した組電池３００は、高容量、高出力を得ることができる。

図１６は、この組電池３００を電気自動車などの車両に搭載した例を示す図面である。

電気自動車４００に組電池３００を搭載するには、たとえば電気自動車４００の車体中央部の座席下に搭載することが好ましい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。特に、本発明を適用した組電池３００では、大きな電解コンデンサが不要となるため、車両内の空間をより多く利用することが可能となる。もちろん、組電池３００を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。

以上のような組電池３００を用いた電気自動車４００は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。

本発明は、バイポーラ電池に限らず、交流負荷（特に高周波負荷）が接続される二次電池に好適である。

本発明を適用した実施形態１のバイポーラ電池の内部構成を説明するための概略斜視図である。 バイポーラ電池の全体構成を説明するための断面図である。 図２中の矢印ａ方向から見た側面図である。 発電要素を説明するための要部断面図である。 互いに逆方向に電流を流すための電流経路をもたない場合の電池の例を説明するための図面である。 交流負荷の接続例を示す図面である。 負荷電流の時間における変化を示す説明図である。 本発明によるバイポーラ電池、電界コンデンサ、比較例の電池、およびフィルムコンデンサの周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 アルミ電界コンデンサの構造を示す模式図である。 平板状導体のインダクタンスについて説明する説明図である。 電池の断面積と電圧との関係を示す説明図である。 本実施形態によるバイポーラ電池を使用した電池システムのレイアウトを説明するブロック図である。 本発明を適用した実施形態２のバイポーラ電池の構成を説明するための断面図である。 実施形態２のバイポーラ電池とインバータを組み合わせた電池システムの配置例を示す図面である。 本発明を適用した実施形態３の組電池の構成を説明する図面である。 組電池が車両に搭載された状態を示す図面である。

符号の説明

１、２…バイポーラ電池、
１０…発電要素、
２０…バイポーラ電極、
２１…集電体、
２２…正極層、
２３…負極層、
２４…電解質層、
３０…ケース、
３３…絶縁材、
３００…組電池、
４００…電気自動車、
５００…インバータ、
５２０…高周波負荷。

Claims (13)

1. 正極と負極間に電解質層を介在させて構成される単電池を複数積層した発電要素と、
   前記発電要素の終端電極に電気的に接続された集電構造体と、
   前記集電構造体に流れる電流の方向と逆方向に電流が流れるように配置された逆電流経路と、
   を有すること特徴とする電池。
2. 前記集電構造体は、前記発電要素の一方の終端電極に接続された第１の集電電極であり、
   前記逆電流経路は、前記発電要素の他方の終端電極に接続された第２の集電電極であることを特徴とする請求項１記載の電池。
3. 前記第１の集電電極および前記第２の集電電極は、平板で同じ大きさであることを特徴とする請求項２記載の電池。
4. 前記発電要素、前記第１の集電電極、および前記第２の集電電極は、水分を遮断するケース内に収納され、
   前記ケースの一側から前記第１の集電電極および前記第２の集電電極と電気的に接続された電極タブが引き出されていることを特徴とする請求項２または３記載の電池。
5. 前記ケースは導電性を有し、前記第１の集電電極および前記第２の集電電極は前記ケースと絶縁材を介して配置されていることを特徴とする請求項４記載の電池。
6. 前記絶縁材の耐圧は、接続される負荷の動作電圧の１．５倍以上あることを特徴とする請求項５に記載の電池。
7. 前記発電要素は、
   集電体の第１面に前記正極が形成され前記第１面と対向する第２面に前記負極が形成されたバイポーラ電極を有し、
   前記電解質層を介在させて前記正極と前記負極が対向するように前記バイポーラ電極を複数配置して積層したものであること特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電池。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の電池と、
   前記電池と接続される交流負荷とを有し、
   前記電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さＴ、前記第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大入力電圧Ｖｉｎの関係が、下記（１）式を満たすことを特徴とする電池システム。
   Ｔ×Ｄ×ｆ×Ｉ×π×μ_０＜Ｖｉｎ／４ …（１）
9. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の電池と、
   前記電池と接続される交流負荷とを有し、
   前記第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大動作電圧Ｖの関係が、下記（２）式を満たすことを特徴とする電池システム。
   Ｄ×ｆ×Ｉｍａｘ×π＜Ｖ／（４×１０^−６） …（２）
10. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の電池が複数電気的に接続されていることを特徴とする組電池。
11. 請求項１０記載の組電池と、
    前記組電池と接続される交流負荷とを有し、
    前記組電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さＬ、前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄの和Ｄｓ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大入力電圧Ｖｉｎの関係が、下記（３）式を満たすことを特徴とする電池システム。
    Ｌ×Ｄｓ×ｆ×Ｉｍａｘ×π×μ_０＜Ｖｉｎ／４ …（３）
12. 請求項１０記載の組電池と、
    前記組電池と接続される交流負荷とを有し、
    前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第１の集電構造体および前記第２の集電構造体間の距離Ｄの和Ｄｓ、前記交流負荷の周波数ｆ、前記交流負荷の最大交流電流Ｉｍａｘ、および前記負荷の最大動作電圧Ｖの関係が、下記（４）式を満たすことを特徴とする電池システム。
    Ｄｓ×ｆ×Ｉｍａｘ×π＜Ｖ／（４×１０^−６） …（４）
13. 請求項１〜７のいずれか一つに記載の電池、請求項１０に記載の組電池、請求項８、９、１１、および１２のいずれか一つに記載の電池システムのうち、いずれかを搭載したことを特徴とする車両。

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