(57)【要約】【課題】電気自動車などの電源として用いられる大電流充放電に適した扁平形二次電池モジュールの安全性を向上させる。【解決手段】積層された複数個の単電池と、電流遮断部とを含み、前記電流遮断部は、前記電流遮断部に隣接する隣接単電池の膨張力を利用して電路を遮断する電路遮断機構を有し、前記単電池が扁平形である扁平形二次電池モジュールにおいて、それぞれの前記単電池に並列接続され、かつ、バイパス抵抗部及びスイッチ部を有するバイパス回路と、バイパス制御出力部を有する充放電制御部とが設置され、前記スイッチ部は、前記バイパス制御出力部に接続され、前記充放電制御部は、それぞれの前記単電池の端子電圧を検出する単電池電圧検出部を有し、前記バイパス制御出力部は、前記スイッチ部の開閉を制御し、前記隣接単電池の残存容量を他の前記単電池の残存容量より多く保つように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数個の単電池と、電流遮断部とを含み、前記電流遮断部は、前記電流遮断部に隣接する隣接単電池の膨張力を利用して電路を遮断する電路遮断機構を有し、前記単電池が扁平形である扁平形二次電池モジュールであって、それぞれの前記単電池に並列接続され、かつ、バイパス抵抗部及びスイッチ部を有するバイパス回路と、バイパス制御出力部を有する充放電制御部とが設置され、前記スイッチ部は、前記バイパス制御出力部に接続され、前記充放電制御部は、それぞれの前記単電池の端子電圧を検出する単電池電圧検出部を有し、前記バイパス制御出力部は、前記スイッチ部の開閉を制御し、前記隣接単電池の残存容量を他の前記単電池の残存容量より多く保つように制御することを特徴とする扁平形二次電池モジュール。
【請求項２】
前記電路遮断機構が、前記隣接単電池の膨張力を利用して機械的に前記電路を破断することを特徴とする請求項１記載の扁平形二次電池モジュール。
【請求項３】
前記隣接単電池の残存容量を他の前記単電池の残存容量より３〜９％多く保つように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の扁平形二次電池モジュール。
【請求項４】
前記単電池の間に空気流路を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の扁平形二次電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、扁平形二次電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車やハイブリッド車などの電源として用いる大電流充放電用途の二次電池には、いわゆる円筒密閉形の単電池を多数個（例えば４０〜１００個）直列に接続したモジュールが用いられ、単電池に内蔵された電極群は、耐振性を向上させるため、空芯ではなく、樹脂などで作られた捲芯に電極とセパレータを巻き付けて構成されている。
【０００３】
大電流による充放電に耐えるためには、集電構造に特段の工夫が要求される。
【０００４】
特許文献１及び特許文献２には、電極の長辺端部に多数のタブ（リード片）を設け、これらのタブを集電部材に超音波溶接などの手段により接合した円筒形の二次電池が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、可撓性部材を電池容器とした単一電池または可撓性部材を電池容器とし積層状態で直列ないし直並列に接続された複数個の単電池を有する二次電池モジュールにおいて、貫通穴が形成され前記単一電池または前記複数個の単電池のうち一側に配設された単電池に対峙するように配置された第１の接続部材と、前記単一電池または前記一側に配設された単電池と前記第１の接続部材との間に配置され前記第１の接続部材に形成された貫通穴を貫通可能な突出部を有する押しゴマと、前記第１の接続部材の前記押しゴマと反対側に前記第１の接続部材と対峙するように配置され前記第１の接続部材との接合部を有する第２の接続部材とを備え、前記第１および第２の接続部材のいずれか一方が前記単一電池または前記一側に配設された単電池に接続されており、かつ、いずれか他方が外部出力端子に接続されており、前記単一電池または前記複数個の単電池のいずれかが膨張したときに、前記押しゴマの突出部が前記第１の接続部材に形成された貫通穴を貫通して前記接合部が破断することを特徴とする二次電池モジュールが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、複数個の二次電池が直列に接続された電池群を制御する電池群制御装置において、前記電池群制御装置の起動時に、前記二次電池の各々の無負荷電圧を測定する無負荷電圧測定手段と、容量調整用の抵抗及びスイッチを有し、前記二次電池の各々に並列に接続され、前記二次電池の各々に流れる充放電電流をバイパスさせるバイパス回路と、前記二次電池の各々の残存容量が略均等となるように、前記二次電池の各々に流れる充放電電流をバイパスさせるための時間を算出し、該算出した時間に応じて対応するバイパス回路のスイッチをオン状態に制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記無負荷電圧測定手段で測定された二次電池の各々の無負荷電圧を残存容量に変換して該変換した残存容量の平均値を算出し、前記変換した残存容量と前記算出した残存容量の平均値との差が予め設定された設定値を越える二次電池について、前記電池群の充放電時に、前記残存容量と前記残存容量の平均値との差分の電気量に相当する時間、対応するバイパス回路のスイッチをオン状態に制御して該二次電池に流れる充放電電流をバイパスさせることを特徴とする電池群制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３１２５３７号公報
【特許文献２】特開平１１−３１２５１０号公報
【特許文献３】特開２００８−１５３２０３号公報
【特許文献４】特開２００７−２４４１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
円筒形電池は複数個並べたときに空間占有率が低く、体積効率に劣るため、扁平形の容器を用いた、いわゆる扁平形電池が提案されており、同体積の円筒形電池に比べて表面積が大きくなるため、放熱性能にも優れるという副次的効果も得られる。
【０００９】
従来の円筒密閉形電池においては、万一、充電装置の故障や誤用などのために過充電状態となった場合に備え、過充電時のガス発生による内圧上昇を利用して、電池内部に設けた脆弱な部分を破断させることによって爆発に至る前に電流を遮断する機構の組込みが容易であった。
【００１０】
しかし、ラミネート電池や扁平形金属容器を用いたいわゆる扁平形電池は、その薄さが災いし、このような電流遮断機構を個々の単電池に内蔵させることが困難である。このため、万一、過充電状態となった場合、電流を遮断することができず、ついには発火や爆発に至るという問題があった。
【００１１】
一方、扁平形容器は、内圧が上昇すると、円筒形容器に比べて扁平の側面が大きく膨張するという特徴がある。
【００１２】
そこで、発明者は、既に、モジュールの端部に位置する単電池に隣接して、過充電によって単電池の内圧が上昇して容器が膨張したときに、その膨張力を利用して電路を遮断する機構を提案している（特許文献３）。
【００１３】
ところが、単電池の容量は、製造上ある程度のばらつきが避けられない。このため、容量が比較的大きな単電池が電流遮断機構に隣接して配置された場合、直列に接続されて同一の電流値で充放電されても、他の単電池より過充電になりにくいことになる。
【００１４】
そこで、特許文献３においては、電流遮断機構に隣接する単電池の容量を、他の単電池の容量より３％〜９％小さくするという方法を提案した。しかしながら、予めわずかに容量の異なる２種類の単電池を作り分けて組込むという方法は、製造面から見れば煩わしく、望ましい解決手段とは言い難いものであった。
【００１５】
本発明の目的は、電気自動車などの電源として用いられる大電流充放電に適した扁平形二次電池モジュールの安全性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の扁平形二次電池モジュールは、積層された複数個の単電池と、電流遮断部とを含み、前記電流遮断部は、前記電流遮断部に隣接する隣接単電池の膨張力を利用して電路を遮断する電路遮断機構を有し、前記単電池が扁平形である扁平形二次電池モジュールであって、それぞれの前記単電池に並列接続され、かつ、バイパス抵抗部及びスイッチ部を有するバイパス回路と、バイパス制御出力部を有する充放電制御部とが設置され、前記スイッチ部は、前記バイパス制御出力部に接続され、前記充放電制御部は、それぞれの前記単電池の端子電圧を検出する単電池電圧検出部を有し、前記バイパス制御出力部は、前記スイッチ部の開閉を制御し、前記隣接単電池の残存容量を他の前記単電池の残存容量より多く保つように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、大電流充放電に適した扁平形二次電池モジュールの安全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による実施例である二次電池モジュールを示す模式構成図である。
【図２】本発明に係る単電池のバイパス回路を示す模式構成図である。
【図３】本発明に係る充放電制御装置を含む二次電池システムを示す模式構成図である。
【図４】本発明による他の実施例である二次電池モジュールを示す模式構成図である。
【図５】本発明による他の実施例である二次電池モジュールを示す模式構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、扁平形の二次電池で構成されたモジュールに関するものであり、特に、ハイブリッド車や電気自動車の電源に適した大容量の扁平形二次電池モジュールに関するものである。
【００２０】
本発明の扁平形二次電池モジュールにおいては、単一の容量の単電池を用いる。しかし、電池は、残存容量によって端子電圧が異なることを利用して、システム起動時に各単電池の無負荷電圧を測定する。ここで、残存容量は、電池の充填状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を表す量であり、これが多いほど電池の充電が進行していることを示す。
【００２１】
システムには予め求められた端子電圧と残存容量との変換テーブルあるいは変換式を記憶しておくことができるため、これによって、各単電池の無負荷電圧から、それぞれの残存容量を知ることができる。これを基に、電流遮断機構（電流遮断部とも呼ぶ。）に隣接する単電池（以下、隣接単電池と呼ぶこともある。）の残存容量を、他の単電池の残存容量より多くなるように、各単電池に設けられたバイパス回路をＯＮにする時間を算出し、調整動作を行う。
【００２２】
その結果、電流遮断機構に隣接する単電池は、他の単電池よりわずかながら高い充電状態に保たれることとなる。
【００２３】
隣接単電池の残存容量は、他の前記単電池の残存容量より３〜９％多く保つように制御されることが望ましい。
【００２４】
単電池容器がアルミニウム合金などで形成されている場合、相隣る単電池の間に空気流路を設けることが望ましい。
【００２５】
本発明によれば、単電池の容量にわずかなばらつきがあっても、これを補うことができる。すなわち、万一、充電装置の故障などでモジュールの充電状態が継続した場合には、電流遮断機構に隣接する単電池が最初に過充電状態となり、内部で発生するガスの圧力で容器が膨張し、電流遮断機構（電流遮断部）が作動して確実に電路を遮断させることが可能となる。
【００２６】
なお、電路を遮断する方式としては、電流遮断部に隣接する隣接単電池の膨張力を利用して機械的に電路を破断する方式が望ましい。この方式を、電路を遮断する機構（電路遮断機構）と呼ぶこともできる。
【００２７】
以下、本発明について実施例を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
１．単電池の作製
正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物、負極活物質として炭素粒子を用いる、いわゆるリチウム二次電池を作製した。正極及び負極を、セパレータを介して捲回し、アルミニウム箔を中間層として含むラミネートフィルムを用いた扁平形容器に収容した後、電解液を注入し、単電池とした。単電池の設計容量は１０Ａｈである。
【００２９】
２．モジュールの作製
図１は、本発明による実施例である二次電池モジュールを示す模式構成図である。
【００３０】
本図においては、単電池１を８個重ねて直列に接続して電池群を形成し、これをアルミニウム合金製のモジュールフレーム２に収容してある。また、モジュールフレーム２の内部であって、電池群の一端を構成する単電池１に隣接する部位に電流遮断部１１を設置してある。電流遮断部１１は、押しゴマ４及び狭隘部６を有する導電板５並びに突起部８を設けた固定板７を含む。固定板７は、モジュールフレーム２の内壁に固定されている。電池群の一端を構成する単電池１には、受圧板３が付設してある。
【００３１】
電池群からは、正極端子９及び負極端子１０がモジュールフレーム２の外部に引き出されている。
【００３２】
電池群が膨張した際には、受圧板３によって押しゴマ４が押され、狭隘部６において導電板５が破断される。これにより、電池群への電流の供給が遮断される。
【００３３】
図２は、本発明に係る単電池のバイパス回路を示す模式構成図である。
【００３４】
本図においては、単電池２１の両極端子２８、２９は、リード線１０１（ビニル被覆電線）によりバイパス回路２２に接続してある。バイパス回路２２は、充放電制御部２５に接続してある。
【００３５】
バイパス回路２２は、バイパス抵抗部２３及びスイッチ部２４を有し、バイパス抵抗部２３とスイッチ部２４とは直列に接続されている。バイパス回路２２のスイッチ部２４としては、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）を用いている。
【００３６】
ここで、１個の単電池２１に対して１個のバイパス回路２２を集積回路（ＩＣ）等としてまとめて設置してもよいし、複数個の単電池２１に対応する複数個のバイパス回路２２を１個の集積回路（ＩＣ）等としてまとめて設置してもよい。また、複数個の単電池２１を直列接続した電池群に対して複数個のバイパス回路２２及び充放電制御部２５を１個の集積回路（ＩＣ）等としてまとめて設置してもよい。
【００３７】
バイパス回路２２は、充放電制御部２５のＡ／Ｄ変換部２７に接続してある。また、バイパス回路２２のスイッチ部２４は、充放電制御部２５のバイパス制御出力部２６に接続してある。バイパス制御出力部２６は、バイパス抵抗の開閉を制御する。
【００３８】
また、充放電制御部２５は、それぞれの単電池２１の端子電圧を検出する単電池電圧検出部を有する。
【００３９】
３．充放電制御装置の作製
図３は、本発明に係る充放電制御部を含む二次電池システムを示す模式構成図である。
【００４０】
本図において、二次電池システム３４は、８個の単電池２１で構成される電池群と、それぞれの単電池２１に並列に接続されたバイパス回路２２と、充放電制御部２５とを含む。電池群の一端には、電流遮断部３３が接続してあり、電池群の両端には、正極端子３１及び負極端子３２が設けてある。
【００４１】
充放電制御部２５は、システム起動時にそれぞれの単電池２１の端子電圧を計測し、予め算出され、記録されている端子電圧と残存容量との相関関係を表す変換テーブルに基づいて、単電池２１の端子電圧を残存容量に換算する。
【００４２】
電池群の両端に位置する単電池２１を隣接単電池と呼ぶ。隣接単電池に接続されたバイパス制御出力部２６（図２参照）からの信号により、隣接単電池の残存容量を、他の単電池２１より多く保つように制御している。
【００４３】
本実施例において、単電池は、充電状態３０〜７０％の範囲で端子電圧約０．０１Ｖが、残存容量で１％に相当する。
【００４４】
本実施例においては、単電池２１の設計容量を１０Ａｈとしている。この設計容量の１％は０．１Ａｈに相当する。
【００４５】
電流遮断部３３に隣接する単電池２１の充電状態を、その他の単電池の充電状態より３〜９％高く保つために必要とされるそれぞれの単電池２１の所要放電量は、上記の相関関係から容易に計算することができる。
【００４６】
本実施例において、充電状態３０〜７０％の範囲における単電池２１の平均端子電圧は３．６Ｖであり、それぞれの単電池２１に接続されたバイパス抵抗を５６Ωとしてあるため、１％相当の電気量０．１Ａｈを放電させるには、バイパス回路２２をおよそ９３分間ＯＮとすればよいことになる。
【００４７】
図１に示す二次電池モジュールを５種類、２０台作製し、過充電状態としたときの電流遮断機構の作用効果を調べた。
【００４８】
電流遮断機構に隣接する単電池以外は１０±０．０５Ａｈのものを選別して使用し、電流遮断機構に隣接した単電池のみ、捲回時に電極の長さを少しずつ長くして、容量を１０Ａｈから１１．２Ａｈまで変化させた。
【００４９】
このようにして得られたモジュールを１Ｃで充放電し、隣接単電池の残存容量が、その他の単電池の残存容量より３〜９％大きな値となるよう調節してから約１時間静置し、次いで、１Ｃでの連続充電に投入した。結果は表１に示す通りである。ここで、１Ｃとは、１時間率充放電電流値（単位はＡ）であり、本実施例においては１０Ａである。
【００５０】
【表１】
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表中、○は電流遮断機構により安全に電流を遮断できたことを示し、×は電流遮断機構が作動する前にいずれかの単電池が破裂または発火に至ったことを示している。
【００５１】
残存容量の差が９％であれば、電流遮断機構に隣接する単電池の容量が、その他の単電池より１．２Ａｈすなわち１２％大きくても、発火に至る前に電流遮断機構が作動して電路が遮断され、安全に停止させることができた。隣接単電池とその他の単電池の容量との差が０．４Ａｈすなわち４％であれば、残存容量の差を３％としても安全に停止させることができた。
【００５２】
実際の単電池の製造時における容量のばらつきは、せいぜい±３％程度であるため、本実施例の構成によれば、十分な安全性を確保することができる。
【００５３】
残存容量の差を１２％より大きくすると、電流遮断機構に隣接した単電池の寿命が損なわれるため望ましくない。
【００５４】
図１の二次電池モジュールにおいては、電流遮断部１１が電池群の一端に組込まれているが、より確実な作動を得るためには、図４に示すように、電池群の両端に電流遮断部１１を組込むことが望ましい。いずれか一方でも電流遮断部１１が作動すれば、充放電電流が遮断されるため、作動がより確実となり、安全性を一層向上させることができる。
【００５５】
一般に、円筒形電池の場合、全ての単電池に電流遮断部を組込んでいる。これに対して、本発明に係る扁平形二次電池モジュールの場合、３個以上の単電池を直列に接続してモジュールを形成すれば、電流遮断部を両端に組込んだとしても、電流遮断部の数が、全ての単電池に電流遮断部を組込んでいる円筒形電池の場合に比べて少なくてすみ、コスト低減の効果も得られる。
【００５６】
図１及び図４においては、ラミネート電池を例として示したが、アルミニウム合金などの金属製容器を用いる扁平形電池の場合も、内圧が上昇すると、側壁の平面部分が円筒形電池の場合より大きく膨張するため、金属製容器の扁平形二次電池モジュールにも、本発明を全く同様に適用することができる。
【００５７】
図５は、アルミニウム合金などの金属製容器を用いた扁平形二次電池モジュールを示す模式構成図である。
【００５８】
本実施例においては、それぞれの単電池１の間に幅２ｍｍの空気流路５１を設けてある。これは、発熱する単電池１を冷却するためのものである。この場合、モジュールフレーム２は空気ダクトとして機能し、ファンなどによりモジュールフレーム２に送風することによって空気流路５１に空気を流通させ、強制対流伝熱により単電池１を冷却するようになっている。
【００５９】
本実施例の場合、モジュールの両端部以外に設置された単電池１が膨張したとしても、膨張した単電池１の形状変化によってモジュールの両端部に設置された単電池１（隣接単電池）が電流遮断部１１の方向に押し出されるという作用に至るまでに時間差が生じ、膨張した単電池１が破裂する前に電流遮断部１１を作動させることが困難となる場合がある。
【００６０】
このため、モジュールの両端部に設置された単電池１（隣接単電池）が最初に膨張するように残存容量を制御する必要がある。この制御、すなわち隣接単電池の残存容量が他の単電池１よりも多くなるように維持する制御を、図３に示すバイパス回路２２及び充放電制御部２５を用いて行うことにより、扁平形二次電池モジュールの充電操作を安全に停止させることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：単電池、２：モジュールフレーム、３：受圧板、４：押しゴマ、５：導電板、６：狭隘部、７：固定板、８：突起部、９：正極端子、１０：負極端子、１１：電流遮断部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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