(57)【要約】  本発明の実施形態は、マルチセルバッテリを制御する方法及びシステムを提供する。本発明の一実施形態において、２極ウエハセルの積層体は、直列に連結されることができる。各セルは、圧力に応答して膨脹可能な領域を有することができる。この領域は、少なくとも１つの隣接セルの対応する領域と整列されることができる。本発明は、また、２極ウエハセルの積層体内のセルで発生された圧力によって生成された力に応答するトリガー機構をさらに含む。
2007509467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学バッテリにおいて、
直列連結された２極ウエハセルの積層体であって、各セルは、少なくとも１つの隣接セルの対応する領域と整列された、圧力に応答して膨張可能な領域を有する２極ウエハセルの積層体と、
前記２極ウエハセルの積層体内のセルで発生された圧力によって生成された力に応答するトリガー機構と、を備える電気化学バッテリ。
【請求項２】
前記トリガー機構は、前記２極ウエハセルの積層体の端部にあるセルに結合されている、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項３】
前記力は、前記２極セルの積層体内の１つより多いセルで発生された圧力によって生成される、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項４】
各セルは、セルエンベロープを含み、
前記圧力に応答して膨脹可能な前記領域は、前記２極セルの積層体内の各セルに設けられた前記セルエンベロープの延長部を備える、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項５】
前記圧力に応答して膨脹可能な前記領域は、前記２極ウエハセルの積層体内の各セルに偏倚コーナーを備える、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項６】
各セルは、隣接セルの対応する領域と整列された、圧力に応答して膨脹可能な複数の領域を含む、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項７】
前記トリガー機構は、セルで発生された圧力に応じた単純な動きを再現するように調整できるたわみバネ定数を有する金属箔片と
前記金属箔片に動作可能に結合されたマイクロスイッチと、を備える、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項８】
前記トリガー機構は、接合されたひずみゲージを含む金属片を備える、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項９】
固定片と、
前記固定片及び前記金属片に連結され、前記２極ウエハセルの積層体を固定するタイロッドと、をさらに備える、請求項８に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１０】
前記ひずみゲージに電源を供給し、前記ひずみゲージのたわみに応じた出力信号を発生させ、バッテリの圧力を用いてバッテリの充電及び放電を制御する回路をさらに備える、請求項８に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１１】
前記回路は、前記ひずみゲージに電源を供給するバッテリ電圧から作動させる定電圧電源と、
前記ひずみゲージからの信号出力を増大させる増幅器と、
前記ひずみゲージの出力電圧を監視する電圧比較器と、
前記ひずみゲージの出力電圧が予め決められたレベルに到達する場合、前記比較器に連結されてバッテリの充電または放電を中断させるスイッチと、
を備える、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１２】
前記スイッチは、継電器である、請求項１１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１３】
前記スイッチは、固体スイッチである、請求項１１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１４】
前記スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である、請求項１１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１５】
バッテリの充電及び放電を終了させるための手段をさらに備える、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１６】
前記トリガー機構は、前記セル圧力が予め決められたレベルに減少されるまでバッテリの充電または放電を中断させる、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１７】
前記トリガー機構は、バッテリの充電効率及び熱的安定性が最適化されるように充電及び放電の速度を予め決められたレベルに減少させる、請求項１に記載の電気化学バッテリ。
【請求項１８】
電気化学バッテリにおいて、
ウエハセルの積層体と、
前記セルの積層体に結合された膨脹可能なブラダーであって、前記ウエハセルの積層体内のセルで発生された圧力によって生成された力が前記膨脹可能なブラダーに伝達され、この力は、前記膨脹可能なブラダーがバッテリの充電または放電を制御するのに用いられる膨脹可能なブラダーと、を備える電気化学バッテリ。
【請求項１９】
直列連結された２極ウエハセルの積層体を制御する方法において、前記方法は、
前記２極セルの積層体内のセルで発生された圧力によって生成された力を検知し、
この検知された力をトリガー機構に伝達し、
前記トリガー機構の出力に応答して前記セルの充電を終了させる、２極ウエハセルの積層体を制御する方法。
【請求項２０】
前記トリガー機構の出力に応答して前記セルの放電を終了させる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記圧力は、圧力に応答して膨脹可能な前記セルの領域で検知される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
各セルの圧力に応答して膨脹可能な領域を、少なくとも１つの隣接セルの対応する領域と整列させることをさらに備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記セルで発生された圧力によって生成された前記力を前記セルの積層体内の各セルに設けられた前記セルの延長部で検知することをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
バッテリを制御するためのシステムであって、前記システムは、
セルに設けられた延長部タブを含む２極ウエハセルと、
前記延長部タブに連結されたたわみ片であって、前記たわみ片は、前記セルで発生された圧力によって生成された力による前記延長部タブの膨脹に応答してたわむたわみ片と
前記たわみ片に連結されたトリガー機構と、を備えるシステム。
【請求項２５】
前記トリガー機構は、前記たわみ片のたわみに応答し、バッテリの充電及び放電の少なくとも１つを制御する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
直列に連結され、積層されている複数の２極ウエハセルであって、前記複数のセルの各セルの延長部が互いに整列されており、前記複数のセルの任意のセルで発生された圧力によって生成された力によって前記たわみ片をたわませることのできる複数の２極ウエハセルをさらに備える、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記トリガー機構に電源を供給する電源であって、前記電源は、前記バッテリから電源が供給される電源をさらに備える、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
入力を有する増幅器をさらに備え、前記トリガー機構は前記たわみ片のたわみに応答してトリガー信号を増幅器の入力に出力し、前記増幅器は、増幅されたトリガー信号を出力する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記増幅器及び前記バッテリに連結され、前記増幅されたトリガー信号に応答して前記バッテリの充電を終了させるスイッチをさらに備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記増幅器及び前記バッテリに連結され、前記増幅されたトリガー信号に応答し、前記バッテリの放電を終了させるスイッチをさらに備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記トリガー機構は、マイクロスイッチである、請求項２４に記載のシステム。
【請求項３２】
前記トリガー機構は、固体スイッチである、請求項２４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリに関する。特に本発明の実施形態は、電気化学ウエハセルの積層体の充電及び／または放電を制御する方法及び装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
水系充電式バッテリは、活性電極がフル充電された後、充電が完了したとき、及び過充電される間、ガスを発生させる。セル及びバッテリが密封されている構成においては、セルの破裂や損傷を引き起こし得る過度な圧力がセル内に蓄積されないように充電速度を制御する必要がある。例えば、ニッケル、ニッケルカドミウム、ニッケル亜鉛、ニッケル鉄及びニッケル金属水素化物型のアルカリ充電式バッテリは、セルに超過量の負の陽極材料を入れたセルを用いてもよい。このような構成において、充電が終わり負極で水素が発生し始める前に、ニッケル電極の表面で酸素ガスが発生され得る。
【０００３】
ニッケル電極の充電反応は、以下のようである。
【０００４】
【数１】
2007509467.tif 000003
【０００５】
酸素発生反応は、以下のようである。
【０００６】
【数２】
2007509467.tif 000004
【０００７】
水素化物電極の充電反応は、以下のようである。
【０００８】
【数３】
2007509467.tif 000005
【０００９】
制限された電解質セルの設計において、過充電時に発生された酸素は、過度な圧力がセル内に蓄積されることを回避しながら負極の表面で再結合されることができる。
【００１０】
水素化物電極における酸素の再結合反応は、以下のようである。
【００１１】
【数４】
2007509467.tif 000006
【００１２】
この再結合速度は、密封セル内での物質移動または反応速度に基づく。例えば、再結合速度は、負極上における酸素の触媒作用及び負極の表面へ酸素が接近する経路に依存する。また、この再結合速度は、圧力及び／または温度に依存する。典型的なセルにおいて、定常状態の再結合速度は、５〜１０時間の充電速度に制限されることもある。また、過充電再結合プロセスは、セル内に熱を発生させ、セル材料に損傷を与えるか熱散逸を引き起こし得る。
【００１３】
従って、過度な内部圧力の生成から損傷を防止し及び／または過度な加熱を防止するように、バッテリの充電を制御及び制限するための多くの技術が開発された。充電を制御するのに用いられる技法としては、例えば、温度、温度の変化速度及び／またはセル電圧、セル電圧の変化速度及び／または圧力、圧力の変化速度、及び／またはこれらの組み合わせを監視及び制御することが挙げられる。これらの技法は、それぞれのセルでは正確であり得る。また、これら前記方法は、いずれも各セルごとに個別的な機構を用い、円筒状及び角柱状のパッケージングされたセルを対象とする。しかし、典型的に複数のセルで構成されるバッテリにおいては、充電制御がさらに困難になる。例えば、各セルに充電制御機構を含めるのがさらに複雑で高コストになることもある。
【００１４】
製造上の困難により、セルごとのセル特性が多少変わることもあり、セルが同一の容量を有さない場合もあり得る。従って、直列連結されたセル群の電圧及び／または温度を監視することだけでは、常に、それぞれのセルレベルで望ましい程度の正確度で充電を制御することができない場合もある。大規模の直列連結されたバッテリにおいては、充電が終わった時点で単一セルレベルで発生できる少量の電圧及び／または温度変化を監視することは非常に困難であろう。従って、この場合、生産時において非常に高い再生産性が要求され、また、大部分の場合において、適切に機能する充電制御技法を採用するために、マルチセルバッテリの製造時、類似する容量を有するセルを予めテストし、一致させる必要がある。場合によっては、マルチセルバッテリが満足に動作できるようにするために、個別セルに対する制御、監視及びバイパス処理が実施される。
【００１５】
また、マルチセルバッテリがフル放電されると、個別セルでガスが発生し、セル間の容量の差の結果として、セル反転が起きることもある。従来、バッテリの端子電圧を用いて放電を停止させることができたが、この方法は限界があり、直列連結された複数のセルにおいては、正確性が欠ける可能性もある。セル圧力を用い、セルレベルにおける充電及び過放電を制限することもできる。製造上の困難の結果として、理想的なシステムは個別セルそれぞれの圧力を監視し、それを用い、バッテリの充電及び放電を制限する。しかし、このような方法においては、マルチセルバッテリ内の個別セルそれぞれの圧力を監視及び制御しているが、これは、複雑で高コストがかかり、大部分のバッテリ応用分野においては実用的でないこともある。
【００１６】
バッテリの充電及び／または放電制御と関連する前述の方法は、多数のセルを用いるバッテリに多大複雑性及び／またはコストを生じることになる。
【発明の開示】
【００１７】
従って、マルチセルバッテリの充電を制御する、簡単で信頼できる技術が要求される。また、放電時、過度なセル圧力が蓄積され、セル反転が行われる前に、バッテリの放電を停止させる、簡単で信頼できる技術が要求される。
【００１８】
添付した図面には、本発明の実施形態が例示のために非制限的に例示されており、各図面における同一の参照符号は同一の部材を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態は、マルチセルバッテリの充電及び／または放電を制御する方法及び装置を提供する。一実施例において、本発明は、マルチセルバッテリの充電及び／または放電が終わった時点で発生され得る圧力を監視及び／または用いてもよく、バッテリの充電及び／または放電を制御する。前記マルチセルバッテリは、バッテリ動作中のセルの過度な過圧力を回避し、及び／または電荷入力を最適化するために直列連結された複数の充電式セルを含むこともできる。
【００２０】
本発明の実施形態において、個々の２極ウエハセルは、ウエハセル内にガス圧力が発生される場合に、圧力感知機構をトリガーする力を与えることのできる、例えば、圧力タブ領域などとともに構成されることができる。前記圧力タブ領域は、ウエハセル内の圧力に応答して膨張可能で、力を発生できる領域であり得る。この例において、複数のセルが直列に積層でき、圧力タブ領域を利用して整列されることもできる。この場合、各セルの圧力タブ領域が互いの上に整列することによって、いずれかの個別セルで発生された力が前記積層体において、前記タブを介して圧力トリガー機構に伝達されることができる。従って、充電及び／または放電の結果としていずれかの個別セルで発生された圧力によって前記圧力タブ領域を膨脹させ、及び／またはタブ領域に力を生じさせる圧力が生じ、これが前記トリガー機構に伝達される。前記トリガー機構は、前記積層ウエハセルの充電及び／または放電を終了してもよい。
【００２１】
本発明の実施形態は、圧力感知フレキシブルタブ領域を有してもよい積層ウエハセル組立体にも適用される。前記タブ領域は、圧力に応答して膨張する材料で構成される。前記圧力感知フレキシブルタブ領域は、個別セル内で発生されたガスによって加圧された場合に膨脹され、力を生じることができる。この力は、調整されたメカニズムを作動させ、充電及び／または放電制御のための信号を発生させる。
【００２２】
本発明の実施形態において、セルの積層体から発生された圧力信号は、充電及び／または放電を終了させ、及び／または充電及び／または放電速度をより低いレベルに減らすために用いられることができる。これによって、電荷受容性及び熱的考察に関して最適の充電プロファイルをプログラムできるようになる。従って、最初にセル内に圧力が発生される前までは、非常に高い充電速度が許容され、その後は、最適の電荷受容性及び効率のために低い充電速度で及び／または断続的に、追加の電荷を入力するようにプログラムしてもよい。
【００２３】
本発明の実施形態の下記の説明は、当業者が本発明を実施できるようにするための詳細な構造を提供しているが、本発明は、本明細書に提供された特定製品またはデザインに限定されない。下記に説明された本発明の実施形態は、ある特定の代表実施形態がどのように具現できるかを示す観点から、本発明を説明したものであり、その材料や装置及び工程段階は、単に例示のための一例であると理解すべきである。特に、本発明を本明細書で具体的に言及している方法、材料、条件、工程パラメータ、装置などに制限しようとする意図ではない。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態によって構成された単一電気化学ウエハセル１００の分解図を示す。本発明の一実施形態によると、複数のウエハセル１００が積層され、マルチセルバッテリを形成することもできると理解される。このウエハセル１００は、外側の薄板状の正の接触面１０１、正極１５１、セパレータ層１１０、１１１、負極１５２及び外側の薄板状の負の接触面１０２を含むことができる。外側の正の接触面１０１は、薄いプラスチックフィルム１０４と正の金属箔の集電器１１７が接合された積層を含むことができる。外側の負の接触面１０２は、薄いプラスチックフィルム１０５と負の金属箔の集電器１１８が接合された積層を含むことができる。
【００２５】
本発明の実施形態において、薄いプラスチックフィルムの層１０４および１０５は、それぞれ金属箔１１７および１１８の境界部を囲むように大きなサイズで構成することもできる。この外側プラスチック積層１０４および１０５にそれぞれタブ延長部１３０および１３１をさらに設けることもできる。このタブ延長部１３０及び／または１３１は、セルの積層体内の各セルに設けることができるセルエンベロープの延長部であることができる。図１に示された複数の層は組み立てられることができるが、プラスチックフィルム１０４および１０５の境界部が熱融着され、セル１００の密封された区画に形成されることができる。例えば、電極１５１および１５２及びセパレータ１１０および１１１の厚さを合わせた厚さのプラスチックスペーサ１３５がセル１００のタブ延長部１３０、１３１に挿入され、タブ１３０、１３１からなるタブ領域及びセル１００が均一の厚さを得るようにする。
【００２６】
密封された個別セル１００は、該当セルの上面から注入口を介して電解液で満たされた真空状態になった後、パッチでシールされる。本発明の実施形態において、マルチセル積層体は、同一セル１００を用いて組み立てられることができ、各セルの延長された圧力タブ１３０、１３１及びコンタクトが整列されるように互いの上に積層される。
【００２７】
図２は、本発明の実施形態による積層マルチセル電気化学バッテリ２００を例示している。図示されたように、複数のセル２１０は直列連結され、互いのセルの上に積層される。この積層マルチセルバッテリ２００は、１個、２個、５個、１０個、１９個以上のセルのような任意の数のセルを含むことができる。これら複数のセル２１０は、互いに接触できるセル圧力タブ延長部２１５を含むことができる。本発明の前記実施形態において、金属固定片２６１及びたわみ片２６０は、圧力タブ延長部２１５を介して２つのネジ式タイロッド２２０および２２１によって固定されることができる。たわみ片２６０の上には、図２に示されたようにマイクロスイッチのような電気スイッチ２５０が若干のギャップを置いて固定されることができる。
【００２８】
本発明の実施形態において、スイッチ２５０は、例えば、金属箔片２６０の動きに基づいて起動されることができる。例えば、過充電及び／または放電の結果として、セル２１０の積層体内の任意のセルで発生されたガスは、該当セルの延長部２１５の圧力タブ領域を膨脹させ、たわみ片２６０をたわませてスイッチ２５０を起動させる。
【００２９】
本発明の実施形態において、複数のセル内の各セルは、該当セルの内側に圧力が蓄積される結果として膨脹される領域を含むことができる。隣接する各セルの該当の領域は、一列に整列されることができる。１つのセル内の圧の結果として膨脹によって発生された力が隣接セルに伝達され、たわみ片２６０及び／またはスイッチ２５０のようなトリガー機構にまで到達することができる。
【００３０】
本発明の実施形態は、直列連結された一連のセルを制御することによって、バッテリが複雑になることを減らし、バッテリ制御における追加負担とコストを削減する。本発明の実施形態は、２極ウエハセルバッテリ積層体の設計概念に適用されることができる。本発明は、バッテリの性能に悪影響を与えず、セルにおけるより広い製造公差を許容することができる。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態による方法のフローチャートである。本発明の実施形態において、マルチセルバッテリ２００は、ボックス３０５に示したように、充電及び／または放電されることができる。積層体２００内のあるセルが、過充電されるかまたは過放電されたためにガスを発生させると、対応する圧力タブに膨張力が発生し、ボックス３２０及び３２５に示したように、圧力タブ領域の厚さを増大させる。どのセルでもガスが発生しなければ、ボックス３２０及び３０５に示したように、充電及び／または放電されている積層体２００内の複数のセル２１０の監視を続ける。
【００３２】
ボックス３３０に示したように、圧力タブ領域の厚さの増大によって、または、タブ２１５のうち１つにおける圧力タブの膨脹によって隣接するタブに力が加えられることもある。ボックス３３５に示したように、膨脹されたタブによって隣接するタブに加えられた力は、結局、金属片２６０に力を加えるようになり、これによって、たわみ片２６０にたわみが生じる。ボックス３４０に示したように、片２６０がたわむことによって、スイッチのコンタクトが閉状態になる。コンタクトの閉状態は、ボックス３４５のように、充電装置（省略）に信号を提供し、充電を停止させるか、または、その電力を用いる装備に信号を提供し、バッテリの放電を止めることができる。たわみ片２６０は、スイッチのコンタクトを開放することによって、充電及び／または放電を止めるように構成してもよい。
【００３３】
本発明の実施形態において、バッテリ２００がアイドルモードに入ると、ボックス３５０に示したように、セル内で発生されたガスがセル内で内部的な再結合反応によって除々に再結合され、圧力が減少されるようになる。圧力が減少されると、対応するタブ領域が収縮され、金属箔片が弛緩する。その結果として、ボックス３５５及び３６０に示したように、スイッチが開放され、信号が伝達されてバッテリ積層体２００の充電及び／または放電が続くようになる。充電モードにおいて、バッテリ積層体２００は、バッテリ積層体２００内の、あるセル内の圧力生成及び再結合に応じてオンオフする電荷入力サイクルによって少量の充電パルスの受信を続けることができる。放電モードにおいて、バッテリ積層体２００は、バッテリ積層体２００内のあるセル内の圧力の生成及び再結合に応じてオンオフする電荷出力サイクルによって放電を続けることができる。
【００３４】
図４は、本発明の実施形態によって設計された、充電されている単一セル電気化学バッテリの電圧対時間のグラフ４００を示す。このグラフ４００は、圧力タブ制御スイッチを含んでよい単一セルの充電及び／または放電試験結果を示している。本明細書に記載のように、単一セルは、例えば、図１に示されたような単一ウエハセル１００を用いて構成されることができる。積層ウエハセルの詳細は、米国特許公報第６，５０３，６５８号、第５，３９３，６１７号及び第５，５５２，２４３号に見出されており、これらの全ては、本明細書に参照として組み込まれる。
【００３５】
本発明の実施形態において、マルチセルバッテリまたは積層ウエハセルは、例えば、米国特許公報第６，５０３，６５８号に記載されたように、正及び負極が結合された圧延プラスチック、セパレータ、及び箔状のプラスチックフィルムが積層された面シートを含むことができる。この例において、有効な電極領域は、６．８×７．４インチであってもよく、負極の容量を２５％程度増やしたとき、正極の理論的な容量は６．８アンペアであってもよい。この例において、セルの外側プラスチックフィルム層は、０．６２５×０．６２５インチの正方形の圧力延長部を含むことができる。このような圧力延長部の間には、例えば、０．０４０インチ厚のプラスチックフィラースペーサが挿入されることもできる。このフィラーの厚さは、電極厚さにセパレータの厚さを合わせた厚さと同一であり得る。セルは、その境界部に沿って熱溶着されることもでき、その内部には、電解質が満たされ、集電用シートとともにフレーム状アセンブリに組み立てられることができる。例えば、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社（Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ，ＮＪ所在）で製造したばね機構を備えた商用マイクロスイッチは、セルの圧力タブ延長部を横切って固定されることができる。
【００３６】
圧力感知タブの有効面積は、約０．５×０．５インチ、すなわち０．２５平方インチであってもよい。ばね装着されたスイッチ機構は、セル内に１０ＰＳＩのガス圧が発生されると（圧力タブによって発生される力が２．５ポンドに等しい）、マイクロスイッチがオフ位置にトリガーされるように調整されることができる。前記例において、前記積層体は１アンペアで約８．５時間の間、４１０（図４に示す）で圧力スイッチが閉じる時点まで充電され、このとき、充電器は８．５時間の間の充電とバランスを取るために、０．２５アンペアのレベルに低減される。充電が終わった後、放電が開始され、放電時には４２０において終点電圧が０．９ボルトになる条件、または、３．５時間の期間が満了する条件のうちいずれか１つの条件が先に成り立つまで放電電流を２アンペアの定電流にする。本発明の実施形態によると、図４のグラフに示されたように、４３０のサイクル２４及び４５０のサイクル９８におけるセル積層体の電圧特性及び圧力トリップポイントは、安定した性能を表し、圧力感知タブ機構のセル充電制御能力を証明する。
【００３７】
図５は、本発明の実施形態による積層マルチセルバッテリの充電プロファイルを例示したグラフ５００である。マルチセルバッテリは、例えば、図２に示された積層バッテリ２００と同一であるか、他のタイプのマルチセル構成であってもよい。グラフ５００に示されたように、積層マルチセルアセンブリは、例えば、３アンペアの定電流で充電された後、５１０に示したように、２８ボルトの定電圧であってもよい。積層マルチセルバッテリは、５３０に示すようにマルチセル積層体内の少なくとも１つのセルで発生された圧力によって圧力スイッチ機構がトリップまたは起動されるまで引き続き充電される。スイッチ機構がトリップされると、５３０に示すマルチセル積層体への電荷移動が止められる。
【００３８】
図６は、本発明の実施形態による積層マルチセルバッテリの放電特性を例示したグラフ６００である。示されたように、積層マルチセルバッテリは、約２８ボルトまで充電される。マルチセルバッテリは、６３０に示したように、例えば、約２アンペアの放電電流で終点電圧が約２０ボルトになるまで放電され、このとき、ある１つのセルに蓄積された圧力によってスイッチ機構がトリップされ、マルチセルバッテリの放電が止められる。
【００３９】
図７は、本発明の実施形態による積層マルチセル電気化学バッテリ７００を例示している。示されたように、複数のセル７１０は直列連結され、互いのセルの上に積層される。積層マルチセルバッテリ７００は、１個、２個、５個、１０個、１９個以上のセルのような任意の数のセルを含むことができる。これら複数のセル７１０は、互いに接触してよいセル圧力タブ延長部７１５を含むことができる。本発明の本実施形態において、金属箔固定片７６１及びたわみ片７６０は、圧力タブ延長部７１５を介して２つのねじ式タイロッド７２０および７２１によって固定されることができる。たわみ片は、金属箔などで構成であってもよい。本発明の実施形態において、バッテリの充電の終了及び／または放電の終了を知らせる信号を生じるためにひずみゲージ７５０が用いられる。
【００４０】
本発明の実施形態において、ひずみゲージ７５０は、たわみ片７６０に接合または結合されることができる。いずれの場合でも、ある１つのセル７１０で蓄積された圧力によって対応する圧力タブ延長部が膨脹またはたわまされ、これはまた、片７６０をたわませるようにする。その結果としての圧力タブ延長部及びたわみ片７６０のたわみは、ひずみゲージの抵抗などの特性を変化させる。ひずみゲージ７５０における変化に起因した出力信号を用い、バッテリの充電及び／または放電を止めることもできる。１つのセルまたはセルのグループに圧力感知領域を複数個設け、この圧力感知領域が隣接セルの圧力感知領域と整列されるようにし、これら領域を監視することによって、１つ以上のセルにおける圧力の変化を測定するようにすることもできる。
【００４１】
図８は、ひずみゲージとともに用いられており、積層マルチセルバッテリの充電及び／または放電を制御する制御回路８００のブロック図を示している。この回路８００は、マルチセルバッテリ８１０から補助電力を受信することができる電源８７０を示している。電源８７０は、ひずみゲージ８６０に、例えば、５ボルトの安定化された電圧を提供することができる。示されたように、ひずみゲージ８６０は、ホイートストンタイプブリッジまたは他のタイプの回路であり得る。入力電力がホイートストンブリッジの脚に供給されると、出力信号はひずみゲージ８６０の抵抗変化及び／またはたわみに応じて変化することができる。
【００４２】
例えば、たわみ片７６０の特性が変わると、ホイートストンブリッジの抵抗またはホイートストンブリッジの他の脚における電圧もまた変わるようになる。その度数は、ホイートストンブリッジの他の脚で測定され、増幅器８３０に入力される。増幅器８３０で出力された増幅された測定値は、比較器８４０に入力される。比較器８４０は、例えば、測定された抵抗値または電圧値を予め決められた値と比較することができる。予め決められた値は、セル内部の圧力に応じて充電及び／または放電の終了を決定することができる。従って、ひずみゲージのたわみをこの予め決められた値と比較して、マルチセルバッテリの充電及び／または放電を終了するかどうかを決めることができる。比較器８４０の出力を用い、スイッチ８２０を制御することもできるが、例えば、スイッチが開放された場合、積層マルチセルバッテリ８１０の充電及び／または放電を終了させることができる。積層マルチセルバッテリの充電及び／または放電を終了させるための手段は、スイッチ、継電器、固体スイッチ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタ及び／または任意の他のタイプのスイッチ、トリガー機構またはコンタクトであってもよい。
【００４３】
図９は、本発明の実施形態によるマルチセルバッテリに対して実施された試験結果を示したグラフ９００である。この例において、試験用のマルチセルバッテリとして、１９個のセルが１つの積層体を成し、各セルごとにひずみゲージを備えている４層の積層体からなるマルチセルバッテリが用いられ、各セルの圧力タブでそのひずみレベルを測定して表している。このグラフ９００は、測定されたひずみレベルに基づき、電荷入力がスイチングされることによるバッテリの電圧特性を示している。この例において、各圧力タブは、例えば、フル充電及び／または放電時にセル内に圧力が蓄積されるとき、タブで発生されるひずみまたは力を測定するひずみゲージ制御機構に連結されてもよい。バッテリ充電時、圧力タブに閾値のひずみまたは力が検知されると、スイッチが開放され、バッテリの充電が止まるようにする。放電時には、個別セルにおけるセル反転が起きると、セルのタブ領域のガス圧力によってひずみゲージがたわみ、これはまた、スイッチを開放させ、放電を停止させる。もし、圧力タブで閾値のひずみが検知される場合には、スイッチが開放され、バッテリの放電が終了する。
【００４４】
図９に示されたように、曲線９４０、９４６、９５０および９６０は、マルチセルバッテリの各積層体に付着されたひずみゲージによって測定したひずみを表すことができる。グラフ９００に示したように、出力ひずみ信号は、ミリボルト（ｍＶ）範囲で測定される。曲線９１０は、例えば、ひずみゲージ制御機構から発生された出力ひずみ信号に基づいて電荷入力がスイッチングオン／オフされることによるバッテリの電圧特性を示している。ピーク点９６０〜９６３で表したように、圧力タブ上でピーク値のひずみが検知されると、対応する電圧スパイク点９２０〜９２３で表したように、各マルチセル積層体の充電が中断される。従って、例えば、セル圧力タブからの圧力信号を用い、マルチセルバッテリの充電を中断するのに用いることができる。グラフ９００に示されたように、セルの圧力が減るのを待ってから充電を再開することができる。
【００４５】
また、グラフ９００に示されたように、個別セルにおけるセル反転に起因してバッテリ放電が終わった時点でガスが発生すると、ピーク点９８０に表したように測定されたひずみ値がその閾値レベルまで達するようになる。９２９に表したように電圧が上昇すると、マルチセルバッテリの放電が終了することができる。
【００４６】
図１０は、本発明の実施形態によるグラフ１０００である。このグラフ１０００は、本発明の実施形態による１０個のセルのバッテリ積層体の圧力特性と各セルのセル電圧を示している。マルチセル（１０−セル）バッテリ積層体の各セルは、各セルの間に電圧測定用プローブを内挿して組み立てた圧力タブ延長部を含むことができる。例えば、各電極は、約９×７インチであり、５Ａｈの公称容量を有することができる。電圧測定用プローブは、診断目的に充電及び／または放電時の個別セルの電圧を監視して放電の完了及び／または個別セルのセル反転を表すことができる。
【００４７】
マルチセル積層体は、ひずみゲージ機構またはマイクロスイッチのような他のタイプの機構を含むことができる。個別セルの電圧を監視して前記１０−セル積層体をある充電／放電プロファイルに従わせることもできる。また、この例において、ひずみゲージからの出力信号を監視し、その出力信号を各セルで発生された圧力の形に変換することもできる。グラフ１０００に示されたように、ひずみゲージは、充電時及び放電が終わった時点で発生された圧力に応答するようにすることもできる。ここにおいては、１０１０で表したように、例えば、３番セルの容量は制限されており、−０．４ボルトまで至り、放電の反転に入る。これは、ある１つのセルが反転されると、ひずみゲージで信号が発生され、これを用いて放電を終了させることができることを表す。
【００４８】
図１１は、本発明の実施形態によって構成された単一電気化学ウエハセル１１００の分解図である。示されたように、ウエハセル１１００は、圧力感知タブ領域１１８１を備えた負のセルカバー１１１０及び圧力感知タブ領域１１８０を有することのできる正のセルカバー１１１１を含むことができる。ウエハセル１１００は、また負集電器１１２２及び正集電器１１２１を含むことができる。負集電器１１２２と正集電器１１２１との間には、負極１１４０と正極１１４１が挟まれる。負極１１４０と正極１１４１は、セパレータ１１５１および１１５２によって互いに分離されている。
【００４９】
図１１に示されたように、例えば、各電極１１４０および１１４１のコーナー部の小部分が除去されることもできる。セパレータ１１５１および１１５２は、例えば、不織布である多孔性プラスチックやその他の材料で作られることができる。例えば、セルのコーナー部は、セルの圧力を感知する領域として利用されることもできる。各セル１１００の圧力感知領域は、２極セルの積層体内の各セルの偏倚コーナー部であり得る。このような構成によって圧力制御機能のための領域をより少なく利用した、より効率的な構造を得られる。コーナー部のタブ１１８０および１１８１のための制御機構は、上記のように関連電子回路を備えたひずみゲージまたはマイクロスイッチであり得る。ここにおいて、セル内の他の領域が圧力感知領域として利用されることもできる。例えば、セルの中央部に口を設け、セルまたはセル内の圧力を測定することもできる。また、前述のように、１つのセルまたはセルのグループに圧力感知領域を複数個設け、この圧力感知領域が隣接セルの圧力感知領域と整列されるようにし、これら領域を監視することによって、１つまたはそれ以上のセルにおける圧力の変化を測定するようにすることもできる。
【００５０】
図１２は、本発明の実施形態によるグラフ１２００である。このグラフ１２００は、充電及び／または放電時のマルチセル積層体、例えば、３０−セルバッテリ積層体内のセルの電圧特性を示している。３０−セル積層体内の各セルは、図１１に示されたセル１１００と同一の構成を有することができる。曲線１２０２は、その電圧特性を表したものである。この例において、マルチセル積層体内の各セルは、各セルごとに圧力の変化を感知するための偏倚コーナー部を含むことができる。前記グラフ１２００は、また充電及び放電時のひずみゲージの出力信号１２０６（ミリボルト単位）を示している。曲線１２０４は、バッテリ温度を表し、曲線１２０８に表したように、ひずみゲージの出力信号は、充電を中断させるのに用いられることができる。この例において、３０−セルバッテリ内の各セルは、６×１２インチの公称容量が１５Ａｈである活性電極を含むことができる。個別セルは、それぞれ一連の面シート及び電極とともに組み立てられ、例えば、図１１に示されたように、偏倚コーナー部を含むことができる。電極領域で除去された三角形部またはコーナー部の各辺の長さは０．７５インチであり、これは約０．２８平方インチの領域に表現されることができる。
【００５１】
本発明の実施形態において、例えば、一部領域が切り取られた電極の各セルの間のコーナー部にプラスチックスペーサを設け、このプラスチックスペーサとともに３０個のセルを組み立てることによって、積層体が均一な厚さを有するようにすることもできる。前記セルは、バッテリハウジング内に組み立てられ、ひずみゲージの接合されたたわみ片を圧力を感知するセルのコーナー部の底部に設けるか、セル積層体の上部に配置されたばね装着マイクロスイッチを圧力感知コーナー部に設けて、これらをハウジング内に内蔵することもできる。本発明の実施形態において、バッテリに対して充電及び／放電試験を実施した結果は、図１２に示されたようである。このような結果は、例えば、コーナー部の圧力感知タブ領域または偏倚コーナー部の制御によって、例えば３０個のセル積層体が、マイクロスイッチまたはひずみゲージエレメントによってバッテリ充電制御のために起動できることを表す。
【００５２】
図１３は、本発明の実施形態によるバッテリパッケージ１３００の分解図である。この例において、バッテリパッケージ１３００は、上蓋１３０２、ハウジング１３１９及び下蓋１３２０を含むことができる。上蓋１３０２、下蓋１３２０及びハウジング１３１９は、アルミニウムまたはその他の任意の材料で構成されることができる。バッテリパッケージ１３００は、例えば、１つの積層体が１９個のセルで構成された４個の積層体のバッテリ１３０８、１３１０、１３１２、１３１５を含むことができる。ここにおいて、各バッテリには、任意の数のセルが含まれることができ、バッテリパッケージには、任意の数のバッテリが含まれることができる。この例において、各セル積層体１３０８、１３１０、１３１２および１３１５は、そのタブ延長部に圧力スイッチ機構を含むことができる。例えば、セル積層体１３０８上には、圧力スイッチ機構１３３０が示されており、これは、セル１３０８のタブ延長部に含まれている。ここにおいて、前述のように、セル積層体は、偏倚コーナータイプになっていることもできる。また、１つまたはそれ以上のセル積層体１３０８、１３１０、１３１２および１３１５がひずみゲージを含み、関連の延長部タブ及び／または関連の偏倚コーナー部に対して圧力を測定するようにすることもできる。
【００５３】
本発明の実施形態において、セル積層体１３０８、１３１０、１３１２および１３１５は、ガスが満たされたブラダー１３０３および１３１６とともにバッテリハウジング１３１９内に組み立てられることができ、このとき、ブラダー１３０３、１３１６は、ハウジングの両端に位置する。ブラダー１３０３および１３１６は、膨脹可能なブラダーであるか他のタイプのブラダーであってもよい。セル積層体１３０８、１３１０、１３１２および１３１５のいずれか一側にはヒータ１３０５が配置されることができる。セル積層体１３０８、１３１０、１３１２および１３１５は、適切なスイッチ構成を用い、各個々の積層体への電荷入力を制御する各スイッチ機構（例えば、スイッチ１３３０）に同様に電気配線されることができる。本発明の実施形態において、積層体（１３０８、１３１０、１３１２および１３１５）内のセルで発生された圧力によって生成された力は、膨脹可能なブラダー１３０３及び／または１３１６に伝えられれば、この力は膨脹可能なブラダーがバッテリの充電または放電を制御するのに用いられることができる。
【００５４】
図１４は、本発明の実施形態によるグラフ１４００である。このグラフ１４００は、バッテリ（例えば、バッテリ１３００）の充電及び／または放電プロファイルを試験した場合のバッテリの電圧、電流、温度及びブラダー圧力を示したものである。例えば、曲線１４０２は電圧特性を、曲線１４０３は電流特性を、曲線１４０５は温度特性を、曲線１４０９は圧力特性を表すことができる。グラフ１４００に示されたように、例えば、マルチセルバッテリ１３００内の積層体が圧力終点信号に達し、開回路状態に切替えられると、充電電圧１４０２及び充電電流１４０３は１４３０で表したように、約１０，０００秒の充電時点で充電が終了することを表す。この例において、バッテリ１３００が充電に関する閾値点に到逹すると、バッテリに設けられた負荷によってバッテリ１３００が徐々に放電される。図１４は、例えば、４個の平行する積層体を有するバッテリ１４００の電荷入力を独立に制御できる充電制御機構の能力を例示している。
【００５５】
本発明の実施形態は、例えば、充電及び／または放電が終わった時点で、セル内にガス圧力を発生させる、水系及び／または非水系バッテリシステムに適用されることができる。本明細書で言及した例は、ニッケル金属水素化物を用いたセルを参照して説明したが、本発明は、その他にニッケルカドミウム、ニッケル亜鉛、ニッケル鉄などのニッケルタイプのバッテリ、及び／または電気化学的または熱的効果に起因し、充電及び／または放電が終了した時点で、セルでガス圧力を発生させる他のタイプのバッテリにも適用されることができる。
【００５６】
マルチセルバッテリに用いられるセルの製造上のばらつきによって、セルが同時にフル充電状態及び／またはフル放電状態に到達しないこともあり得る。本発明の実施形態は、直列に配列可能なマルチセルバッテリ内の一グループのセルのうち１つのセルで発生された圧力が充電及び／または放電時予め決められた圧力点に到達するようにすることによって、マルチセルバッテリ内の一群のセルを制御することができる。また、老化及び／または温度変動の結果として動作中に個別セルの特性に変化が生じても、本発明は制限セルがバッテリの充電及び／または放電を制御することが常に可能である。本発明の実施形態は、セル及び／またはバッテリ故障を引き起こせる個別セルにおける過度な圧力の発生を回避することができる。
【００５７】
本発明の実施形態は、個別セルレベルで圧力を監視及び／または用い、マルチセルバッテリを制御する信頼できる技術を提供することができる。本発明の実施形態は、マルチセルウエハバッテリの充電及び放電を制御する方法及び装置を提案している。提案された技術及びデザインは、一般的な円筒状及び角柱状のバッテリパッケージングにも適用されることができ、特に、２極ウエハセル、２極バッテリデザインに有効に用いられることができる。
【００５８】
本発明の複数の実施形態を本明細書に具体的に例示及び／または説明した。しかし、本発明の変形例及び修正例は、本発明の精神及び範囲を逸脱せず、上述の教示及び添付された請求の範囲内に含まれることと理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態によるセルの分解図である。
【図２】本発明の実施形態によるウエハセルの積層体の例示図である。
【図３】本発明の実施形態による方法のフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態によって構成された単一セルの充電及び／または放電試験の結果を例示している図である。
【図５】本発明の実施形態による積層マルチセルバッテリの充電プロファイルを例示している図である。
【図６】本発明の実施形態による積層マルチセルバッテリの放電プロファイルを例示している図である。
【図７】本発明の実施形態によるウエハセルの積層体を例示している図である。
【図８】本発明の実施形態による制御回路のブロック図である。
【図９】本発明の実施形態によって構成されたマルチセルバッテリに対して実施された試験結果を示したグラフである。
【図１０】本発明の実施形態によって構成されたマルチセルバッテリに対して実施された試験結果を示したグラフである。
【図１１】本発明の実施形態によって構成されたセルの分解図である。
【図１２】本発明の実施形態によって構成されたマルチセルバッテリに対して実施された試験結果を示したグラフである。
【図１３】本発明の実施形態によるマルチセルバッテリシステムの分解図である。
【図１４】本発明の実施形態によって構成されたマルチセルバッテリに対して実施された試験結果を示したグラフである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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