(57)【要約】【課題】大電流特性に優れていると共に十分に大きなエネルギ容量を確保しつつも小型なハイブリッド電池システムを提供する。【解決手段】ハイブリッド電池システム１は、高出力型電池１０ａと高容量型電池１０ｂとを備え、高出力型電池１０ａは、高容量型電池１０ｂより相対的に大きな電流で充放電可能であり、高容量型電池１０ｂは、高出力型電池１０ａより相対的に大きなエネルギ容量を有し、高出力型電池１０ａを複数直列接続した高出力型電池群２０ａと、高容量型電池１０ｂを複数直列接続した高容量型電池群２０ｂと、が電気的に並列接続されている。【選択図】図４
2006079987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力型電池と高容量型電池とを備え、
前記高出力型電池は、前記高容量型電池より相対的に大きな電流で充放電可能であり、
前記高容量型電池は、前記高出力型電池より相対的に大きなエネルギ容量を有し、
前記高出力型電池と前記高容量型電池とが電気的に並列接続されたハイブリッド電池システム。
【請求項２】
前記高出力型電池は、負極活物質としてハードカーボンを用い、
前記高容量型電池は、負極活物質としてグラファイトを用いた請求項１記載のハイブリッド電池システム。
【請求項３】
前記高出力型電池及び前記高容量型電池に対して冷媒を供給可能な冷却手段をさらに備え、
前記高出力型電池を前記冷媒が供給される供給口に向かって上流側に配置し、
前記高容量型電池を前記供給口に向かって下流側に配置した請求項１又は２記載のハイブリッド電池システム。
【請求項４】
複数の前記高出力型電池と、
前記高出力型電池及び前記高容量型電池に対して冷媒を供給可能な冷却手段と、をさらに備え、
前記高出力型電池及び前記高容量型電池は、前記高容量型電池を前記複数の高出力型電池の間に挟み込み、且つ、当該挟み込み方向が前記冷媒の供給方向に対して実質的に直交するように配置されている請求項１又は２記載のハイブリッド電池システム。
【請求項５】
前記高出力型電池は、正極活物質としてリチウム・マンガン系複合酸化物を用い、
前記高容量型電池は、正極活物質としてリチウム・ニッケル系複合酸化物を用いた請求項１〜４の何れかに記載のハイブリッド電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なるタイプの電池を電気的に接続して構成されるハイブリッド電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
単一のタイプの電池を複数用い、これら複数の電池を電気的に直列接続や並列接続して構成した組電池が従来から知られている。
【０００３】
このような構成の組電池に対して、優れた大電流特性が要求されると共に大きなエネルギ容量が要求される場合には、例えば、大電流で充放電可能な高出力型電池を、所望のエネルギ容量に応じた数だけ並列接続する等により対処する必要があるため、当該組電池のサイズが必然的に大きくなるという問題があった。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、大電流特性に優れていると共に十分に大きなエネルギ容量を確保しつつも小型なハイブリッド電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、高出力型電池と高容量型電池とを備え、前記高出力型電池は、前記高容量型電池より相対的に大きな電流で充放電可能であり、前記高容量型電池は、前記高出力型電池より相対的に大きなエネルギ容量を有し、前記高出力型電池と前記高容量型電池とが電気的に並列接続されたハイブリッド電池システムが提供される。
【０００５】
本発明では、高出力型電池と高容量型電池とを電気的に並列接続してハイブリッド電池システム（組電池）を構成することにより、高出力型電池により大電流充放電に対応する一方で、高容量型電池により十分に大きなエネルギ容量を確保することが出来るので、当該システムの小型化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００７】
図１は本発明の実施形態に係る二次電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿った断面図である。
【０００８】
先ず、本発明の実施形態における二次電池１０について説明すると、図１及び図２は一つの二次電池１０（単位電池、素電池）を示し、この二次電池１０を複数接続することにより、後述するハイブリッド電池システムが構成される。
【０００９】
本実施形態におけるこの二次電池１０には、高出力型電池１０ａと高容量型電池１０ｂとの両方が含まれる。高出力型電池１０ａは、高容量型電池１０ｂより相対的に大きな電流で充放電することが可能であり、大電流特性に優れた電池である。これに対し、高容量型電池１０ｂは、高出力型電池１０ａより相対的に大きなエネルギ容量を有しており、高エネルギ容量の電池である。なお、以下に説明では、高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂの共通箇所に関してはこれらを区別しないで単に二次電池１０として説明し、特に高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂの相違点のみに関してこれらを区別して説明する。
【００１０】
この二次電池１０は、積層可能な平板状のリチウムイオン二次電池であり、図１及び図２に示すように、３枚の正極板１０１と、５枚のセパレータ１０２と、３枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば１０ｍｍ以下の総厚を有する。このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。二次電池１０を総厚１０ｍｍ以下の平板状の薄型電池とすることにより、セパレータ１０２の薄膜化が促進されるので高出力化が可能になると共に、放熱面積が向上して温度上昇が抑制されるので熱性能の向上を図ることが出来る。
【００１１】
発電要素１０８を構成する正極板１０１は、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有している。
【００１２】
この正極板１０１の正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００１３】
正極板１０１の正極層１０１ｂ、１０１ｃは、例えば、ＬｉＮｉＯ２等のリチウム・ニッケル系複合酸化物、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム・マンガン系複合酸化物、又は、ＬｉＣｏＯ２等のリチウム・コバルト系複合酸化物等や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の結着剤と、を混合させたものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
【００１４】
特に本実施形態では、高出力型電池１０ａには、正極活物質としてリチウム・マンガン系複合酸化物が用いられている。これに対し、高容量型電池１０ｂには、正極活物質としてリチウム・ニッケル系複合酸化物が用いられている。
【００１５】
一般的に、リチウム・マンガン系複合酸化物に比べてリチウム・ニッケル複合酸化物の方が熱に対する安定性に優れている。また、本実施形態では、後述するように、高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂを用いてハイブリッド電池システム１を構成した場合に、高容量型電池１０ｂの方が冷却条件の悪い位置に配置される。そのため、本実施形態では、高容量型電池１０ｂの正極活物質としてリチウム・ニッケル複合酸化物を用いている。
【００１６】
発電要素１０８を構成する負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、当該負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ、１０３ｃと、を有している。
【００１７】
この負極板１０３の負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
【００１８】
負極板１０３の負極層１０３ｂ、１０３ｃは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛（グラファイト）等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
【００１９】
特に本実施形態では、高出力型電池１０ａには、負極活物質としてハードカーボンが用いられている。これに対し、高容量型電池１０ｂには、負極活物質としてグラファイトが用いられている。
【００２０】
これにより、後述するように高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂを用いてハイブリッド電池システム１を構成した際に、高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂの何れにも負極活物質としてハードカーボンを用いた場合と比較して、ハイブリッド電池システム１の出力特性が良くなる。これは、図３に示すように、一般的にグラファイトはハードカーボンに対して優れた出力特性を有しており、何れの電池１０ａ、１０ｂにも負極活物質としてハードカーボンを用いた場合には、ハイブリッド電池システム全体としての出力特性が図３のハードカーボンの曲線（破線）に実質的に一致するのに対し、本実施形態では、グラファイトの存在によりハイブリッド電池システム１全体としての出力特性が向上するためである。
【００２１】
なお、高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂの何れにも負極活物質としてグラファイトを用いることも考えられるが、グラファイトはハードカーボンと比較して高出力化が出来ないため、ハイブリッド電池システムとしての高出力化が図れない。
【００２２】
また、本実施形態のように、高出力型電池１０ａにハードカーボンのような電位に傾きを持つ負極活物質を用い、高容量型電池１０ｂにグラファイトのような平坦な電位を持つ負極活物質を用いることにより、大電流から微弱電流までの幅広い範囲での出力可能になると共に、ハイブリッド電池システム１内の均等化を迅速に行うことが可能となる。
【００２３】
因みに、電極板１０１、１０３を相対的に薄くすることにより高出力化を図ることが出来、電極板１０１、１０３を相対的に厚くすることにより高容量化を図ることが出来る。従って、上記のような電極活物質による差別化に加えて、高出力型電池１０ａの電極板１０１、１０３を相対的に薄くし、高容量型電池１０ｂの電極板１０１、１０３を相対的に厚くすることにより高出力・高容量の差別化を図っても良い。
【００２４】
発電要素１０８のセパレータ１０２は、上述した正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
【００２５】
なお、本発明のセパレータ１０２は、ポリオレフィン等の単層膜のみに限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータ１０２を複層化することで、過電流防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することが出来る。
【００２６】
以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが交互に積層されている。そして、３枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、３枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。
【００２７】
なお、発電要素１０８の正極板１０１、セパレータ１０２、及び、負極板１０３は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、１枚の正極板１０１、３枚のセパレータ１０２、及び、１枚の負極板１０３でも発電要素１０８を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。
【００２８】
正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。
【００２９】
発電要素１０８は、上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は、何れも特に図示しないが、二次電池１０の内側から外側に向かって、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えば、アルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えば、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属箔膜ラミネート材で構成されている。
【００３０】
これらの外装部材１０６、１０７によって、上述の発電要素１０８、正極端子１０４の一部及び負極端子１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６、１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）やホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材１０６、１０７により形成される空間を吸引して真空状態として、外装部材１０６、１０７を、その外周縁に沿って熱プレスにより熱融着して封止する。
【００３１】
有機液体溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）、ジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他の混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。
【００３２】
以上に説明した高出力型電池１０ａ及び高容量型電池１０ｂを用いた本発明の第１実施形態に係るハイブリッド電池システム１について以下に説明する。
【００３３】
図４は本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す回路構成図である。
【００３４】
本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム１は、図４に示すように、複数の高出力型電池１０ａを電気的に直列接続した高出力型電池群２０ａと、複数の高容量型電池１０ｂを電気的に直列接続した高出力型電池群２０ｂと、を備えており、これら高出力型電池群２０ａと高容量型電池群２０ｂとが電気的に並列接続されている。何れの電池群２０ａ、２０ｂにおいても、構成する電池１０ａ、１０ｂの数は、所望の電圧に応じて設定される。
【００３５】
このハイブリッド電池システム１では、負荷５０により高出力の充放電が要求された場合には、高出力型電池群２０ａにより短期的に対処する。また、負荷５０から要求される出力が比較的小さい場合であって、高出力型電池群２０ａに余剰のエネルギが蓄積されている場合には、高出力型電池群２０ａから高容量型電池群２０ｂに電気エネルギが移動する。これに対し、負荷５０から要求される出力が比較的小さい場合であって、高出力型電池群２０ａの電気エネルギが減少している場合には、高容量型電池群２０ｂから高出力型電池群２０ａに電気エネルギが移動する。即ち、電気エネルギが余剰に蓄積されている電池群２０ａ又は２０ｂにより、電気エネルギが減少している電池群２０ｂ又は２０ａを充電することが可能となっており、常に負荷５０の断続的な充放電出力要求に対処することが可能となっている。
【００３６】
図５（Ａ）は本発明の第１実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す概略斜視図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示すハイブリッド電池システムにおける電池レイアウトを示す模式図である。なお、図５（Ａ）にて筐体３０は透視図により表現されている。
【００３７】
本発明の第１実施形態に係るハイブリッド電池システム１では、図５（Ａ）に示すように、並列接続された高出力型電池群２０ａ及び高容量型電池群２０ｂが、筐体３０の内部に収容されている。この筐体３０の一方の端面には、冷却装置４０からの冷却風を当該筐体３０内に供給するための供給口３１が形成されている。この冷却装置４０としては例えばファン等を挙げることが出来る。また、ハイブリッド電池システム１を電気自動車に用いるような場合には、冷却装置４０を専用に設けずに冷媒として走行風を利用しても良い。
【００３８】
本実施形態に係るハイブリッド電池システム１では、図５（Ａ）に示すように、
２列４段に積層された８個の高出力型電池１０ａが、その電極端子１０４、１０５同士を直接接合して直列接続されることにより高出力型電池群２０ａが構成されている。同様に、２列４段に積層された８個の高容量型電池１０ｂが、その電極端子１０４、１０５を直接接合して直列接続されることにより高容量型電池群２０ｂが構成されている。これらの電池群２０ａ、２０ｂは、図５（Ｂ）に示すように、筐体３０に形成された供給口３１に向かって上流側に高出力型電池群２０ａが配置され、当該供給口３１に向かって下流側に高容量型電池群２０ｂが配置されている。
【００３９】
そして、冷却装置４０から供給口３１を介して筐体３０内部に冷却風が供給されると、先ず、高出力型電池群２０ａと筐体３０の内壁面との間を当該冷却風が通過し、次いで、高容量型電池群２０ｂと筐体３０の内壁面との間を当該冷却風が通過することが可能となっている。
【００４０】
このように、冷却条件が良好な風上に高出力型電池１０ａを配置するレイアウトを採用することにより、高容量型電池１０ｂより相対的に発熱が大きな高出力型電池１０ａを効率的に冷却することが出来る。
【００４１】
図６（Ａ）は本発明の第２実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す概略斜視図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示すハイブリッド電池システムにおける電池レイアウトを示す模式図である。なお、図６（Ａ）にて筐体３０は透視図により表現されている。
【００４２】
本発明の第２実施形態に係るハイブリッド電池システム１’では、図６（Ａ）に示すように、第１実施形態と同様に、並列接続された高出力型電池群２０ａ及び高容量型電池群２０ｂが、冷却装置４０からの冷却風を供給可能な供給口３１が形成された筐体３０の内部に収容されている。
【００４３】
本実施形態に係るハイブリッド電池システム１’では、図６（Ａ）に示すように、４列２段（図６（Ａ）において最上段及び最下段）に積層された８個の高出力型電池１０ａが、その電極端子１０４、１０５をバスバ１５に接合して直列接続されることにより高出力型電池群２０ａが構成されている。同様に、４列２段（図６（Ａ）において中２段）に積層された８個の高容量型電池１０ｂが、その電極端子１０４、１０５をバスバ１５に接合して直列接続されることにより、高容量型電池群２０ｂが構成されている。これらの電池群２０ａ、２０ｂは、図６（Ｂ）に示すように、高容量型電池群２０ｂを高出力型電池群２０ａの間に挟み込み、しかもその高出力型電池２０ａによる高容量型電池２０ｂの挟み込み方向（図６（Ａ）における矢印Ｙ方向）が、冷却装置４０による冷媒の供給方向（図６（Ａ）における矢印Ｘ方向）に対して実質的に直交するように配置されている。
【００４４】
そして、冷却装置４０から供給口３１を介して筐体３０の内部に冷却風が供給されると、当該冷却風は、特に、最上段及び最下段に積層された高出力型電池群２０ａと筐体３０の内壁面との間を通過することが可能となっている。
【００４５】
このように、冷却風に直接触れ易く冷却条件が良好な位置に高出力型電池２０ａを配置するレイアウトを採用することにより、高容量型電池１０ｂより相対的に発熱が大きな高出力型電池１０ａを効率に冷却することが出来る。
【００４６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の全体を示す平面図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図３は、負極活物質としてグラファイトを用いた場合とハードカーボンを用いた場合の出力比較を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す回路構成図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す概略斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すハイブリッド電池システムにおける電池レイアウトを示す模式図である。
【図６】図６（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す概略斜視図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すハイブリッド電池システムにおける電池レイアウトを示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、１’…ハイブリッド電池システム
１０…二次電池
１０ａ…高出力型電池
１０ｂ…高容量型電池
１０１…正極板
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０７…下部外装部材
１０８…発電要素
１５…バスバ
２０ａ…高出力型電池群
２０ｂ…高容量型電池群
３０…筐体
３１…供給口
４０…冷却装置
５０…負荷
【図１】
2006079987.tif 000003
【図２】
2006079987.tif 000004
【図３】
2006079987.tif 000005
【図４】
2006079987.tif 000006
【図５】
2006079987.tif 000007
【図６】
2006079987.tif 000008