(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体の一方の面に正極活物質層を他方の面に負極活物質層を形成した双極型電極と、その内部をイオンが移動する電解質層とを、隣り合う当該双極型電極の正極活物質層と負極活物質層とが当該電解質層を介して向き合うように積層することにより複数の単電池層が積層された発電要素を有し、
前記複数の各集電体は一方と他方の２つの短辺側と２つの長辺側とを有する扁平な長方形状であり、
スイッチング手段及び放電用抵抗の直列接続の両端に、スイッチング手段を閉成したとき放電電流が流れ出す側の第１放電用端子と前記放電電流が流れてくる側の第２放電用端子とで構成される一対の放電用端子を有する放電回路を複数備え、
前記複数の集電体の前記一方の短辺側の各周縁部に対して前記積層する方向に前記第１放電用端子と前記第２放電用端子とが交互に配置されるように、同じく前記複数の集電体の前記他方の短辺側の各周縁部に対して前記積層する方向に前記第１放電用端子と前記第２放電用端子とが交互に配置されるように、前記放電回路を順に取り付けると共に、
１つの集電体の面上において前記一方の短辺側の周縁部に前記第２放電用端子が取り付けられるとき、前記他方の短辺側の周縁部に前記第１放電用端子が取り付けられることを特徴とする双極型二次電池。
【請求項２】
１つの集電体の面上において前記第１放電用端子と前記第２放電用端子とを点対称の位置の周縁部かつ前記短辺側の周縁部に取り付けることを特徴とする請求項１に記載の双極型二次電池。
【請求項３】
前記単電池層の放電時に前記集電体の面内の電流の流れる方向の抵抗値が前記放電用抵抗の抵抗値と比較して少なくとも１桁以上高いことを特徴とする請求項１または２に記載の双極型二次電池。
【請求項４】
前記第１または第２の放電用端子の取り付けられる短辺側の周縁部に良導体を配置し、この良導体に前記第１または第２の放電用端子を取り付けることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の双極型電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は双極型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の二次電池を時分割で充放電するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２０３６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、複数の単電池層を積層した双極型二次電池を車両に搭載して使用する場合、電池の自己放電によって生じた単電池層の間の電圧バラツキを解消するため、各集電体に電位を検出するための電圧検出用端子を設け、この電圧検出用端子により検出される各集電体の電位から各単電池層の電圧を算出し、この算出した各単電池層の電圧が均一化するように電圧検出用端子から流すバランス電流（放電電流）を制御する必要がある。このバランス電流の制御はできるだけ短い時間で終了できることが好ましい。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の技術のように、複数の二次電池を時分割で放電するのでは、時間がかかってしまう。
【０００６】
そこで本発明は、複数の単電池層を一度に放電させ得る双極型二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の双極型二次電池は集電体の一方の面に正極活物質層を他方の面に負極活物質層を形成した双極型電極と、その内部をイオンが移動する電解質層とを、隣り合う当該双極型電極の正極活物質層と負極活物質層とが当該電解質層を介して向き合うように積層することにより複数の単電池層が積層された発電要素を有している。そして、前記複数の各集電体は一方と他方の２つの短辺側と２つの長辺側とを有する扁平な長方形状であり、スイッチング手段及び放電用抵抗の直列接続の両端に、スイッチング手段を閉成したとき放電電流が流れ出す側の第１放電用端子と前記放電電流が流れてくる側の第２放電用端子とで構成される一対の放電用端子を有する放電回路を複数備え、前記複数の集電体の前記一方の短辺側の各周縁部に対して前記積層する方向に前記第１放電用端子と前記第２放電用端子とが交互に配置されるように、同じく前記複数の集電体の前記他方の短辺側の各周縁部に対して前記積層する方向に前記第１放電用端子と前記第２放電用端子とが交互に配置されるように、前記放電回路を順に取り付けている。さらに、１つの集電体の面上において前記一方の短辺側の周縁部に前記第２放電用端子が取り付けられるとき、前記他方の短辺側の周縁部に前記第１放電用端子が取り付けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、隣り合う独立した放電回路の間に高抵抗の集電体及び高抵抗の電極活物質層が介装された回路が構成される。このため、隣り合うスイッチング手段を共に閉成しても高抵抗の集電体や高抵抗の電極活物質層を大電流が流れることがないので、複数の単電池層から一度に放電させることができ、電圧バランス制御を終了するまでの時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態の電圧バランス制御回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態の電圧バランス制御回路図である。
【図３】第１実施形態の集電体及び負極活物質層の部分の概略平面図を縦に並べた図である。
【図４】第１実施形態の電圧バランス制御回路図である。
【図５】比較例１の電圧バランス制御回路図である。
【図６】比較例１の電圧バランス制御回路図である。
【図７】比較例１の電圧バランス制御回路図である。
【図８】比較例１の電圧バランス制御回路図である。
【図９】比較例２の電圧バランス制御回路図である。
【図１０】第２実施形態の電圧バランス制御回路図である。
【図１１】第２実施形態の集電体及び負極活物質層の部分の概略平面図を縦に並べた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面に基づいて実施形態を説明する。以下の図面では、発明の理解を容易にするため、積層型電池を構成する要素などの各層の厚さや形状を誇張して示しているところがある。
【００１１】
図１は本発明の第１実施形態のスタック１について電圧バランス制御を行わせるための電気回路図（以下単に「電圧バランス制御回路図」という。）を示している。ここで、電圧バランス制御とは、後述するように放電によって４つの各単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧を均一化する制御のことである。図示しないが、４つのスタック１を積層した状態で金属製の箱に収納して１つのモジュールを構成し、複数のモジュールからなる組電池より、双極型二次電池を構成している。このように、スタック１は双極型二次電池を構成する一単位である。この双極型二次電池は車両に搭載されて使用される。図１にはスタック１の概略縦断面図を示しており、上方が鉛直上方、下方が鉛直下方であるとする。
【００１２】
スタック１は後述するように樹脂−金属複合ラミネートフィルムを外装材として被覆され、その内部に発電要素２を収納している。発電要素２は、集電体の一方の面に正極活物質層を他方の面に負極活物質層を形成した双極型電極と、その内部をイオンが移動する電解質とを、隣り合う当該双極型電極の正極活物質層と負極活物質層とが当該電解質を介して向き合うように積層することにより複数の単電池層を積層したものである。以下、発電要素２について概説する。
【００１３】
短辺側と長辺側とを有する扁平な長方形状の集電体４は、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂で形成されている。集電体４は、樹脂に限らず金属で形成されていてもよい。ただし、ここでの集電体４としては、集電体の面内の電流の流れる方向の内部抵抗が相対的に大きく（例えば抵抗率が０．０１Ωｃｍ以上）、単電池層の放電時に正極活物質層や負極活物質層と接する部位に一定でない電位分布が生ずるものを用いている。電流の流れる方向の抵抗が相対的に大きい金属としては、例えばニクロムの入った合金、ステンレス（ＳＵＳ）を挙げることができる。
【００１４】
スタック１は、図１において水平方向に置かれた集電体４の鉛直下面に正極活物質層５（正極）が、集電体４の鉛直上面に負極活物質層６（負極）がそれぞれ形成された双極型電極３を５つ（複数）有している。なお、負極活物質層６のほうが正極活物質層５より表面積が広くされている。各双極型電極３は、鉛直方向に電解質層７を介して積層されて（直列に接続されて）１つのスタック１を形成している。
【００１５】
ここで、上下方向に隣り合う２つの双極型電極をそれぞれ上段双極型電極、下段双極型電極としたとき、下段双極型電極の上面に位置する負極活物質層６と、上段双極型電極の下面に位置する正極活物質層５とが電解質層７を介して互いに向き合うように、下段、上段の各双極型電極が配置されている。
【００１６】
正極、負極の２つの電極活物質層５、６の水平方向の外周は、集電体４の水平方向の外周よりも一回り狭く形成されている。この２つの電極活物質層５、６の設けられていない集電体４の周縁部（水平方向の全周）に、所定幅を有するシール材１１を挟むことで、正極活物質層５と負極活物質層６とを絶縁すると共に、図１で上下方向に対向する２つの電極活物質層５、６の間に所定の空間８が生じるようにしている。また、シール材１１は、２つの各活物質層５、６の水平方向の端部よりも余裕を持って外側に配置されている。
【００１７】
上記の空間８には、液体状またはゲル状の電解質９が充填されることで、電解質層７を形成している。
【００１８】
電解質９が充填されている空間８には、多孔質膜で形成されるセパレータ１２が設けられ、このセパレータ１２によっても対向する２つの電極活物質層５、６が電気的に接触するのが防止されている。電解質９はこのセパレータ１２を通過し得る。
【００１９】
発電要素２の積層方向の両端に位置する集電体には発電要素２を充放電させるための強電タブ１６、１７が接続される。すなわち、最上段の負極活物質層６に一方の強電タブ１６が、最下段の正極活物質層５に他方の強電タブ１７がそれぞれ接続される。双極型二次電池の充電後にプラス端子として機能するのが一方の強電タブ１６、充電後にマイナス端子として機能するのが他方の強電タブ１７である。
【００２０】
電解質層７を挟んだ正極活物質層５及び負極活物質層６から一つの単電池層１５（単電池）を構成している。したがって、スタック１は、４つの単電池層１５を直列に接続した構成ともなっている。以下、この４つの単電池層を、図２に示したように鉛直上方より第１単電池層１５ａ、第２単電池層１５ｂ、第３単電池層１５ｃ、第４単電池層１５ｄとして区別する。なお、図２は図１と同じ第１実施形態のスタック１の概略縦断面図である。
【００２１】
図示しないが、強電タブ１６、１７を含む発電要素２の全体は樹脂−金属複合ラミネートフィルムを外装材として用いて、その周辺部を熱融着にて接合することにより、発電要素２を収納し真空にして密封している。樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外には、強電タブ１６、１７と後述する５つの放電用端子２１ａ〜２１ｅ及び５つの電圧検出用端子２７ａ〜２７ｅが出されている。
【００２２】
単電池層１５を直列に接続した数は図１、図２では４つであるが、単電池層１５を直列に接続する数や後述するスタックを直列に接続する数は実際には所望する電圧に応じて調節すればよい。
【００２３】
直列に接続する４つの単電池層１５ａ〜１５ｄで負担する各電圧が同じでないと、スタック１全体として所望の電池電圧が得られないため、本実施形態では、４つの単電池層１５ａ〜１５ｄの各電圧が一致するように各集電体４ａ〜４ｅからのバランス電流（放電電流）を制御する。ここで、バランス電流とは、複数（ここでは４つ）の単電池層１５ａ〜１５ｄを対象として、４つの各単電池層１５ａ〜１５ｄの間の電圧を均一化するために放電させる電流のことである。また、バランス電流の制御は、「電圧バランス制御」とも言われる。すなわち、電圧バランス制御とは、複数（ここでは４つ）の単電池層１５ａ〜１５ｄを対象として、この４つの各単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧を放電によって均一化する制御のことである。以下、バランス電流、電圧バランス制御という用語を適宜使用する。
【００２４】
さて、車両に搭載されたスタック１に対しては充放電が行われるが、４つの単電池層１５ａ〜１５ｄの自己放電によって生じた単電池層の間の電圧バラツキを解消するため電圧バランス制御はできるだけ短い時間に終了できることが好ましい。
【００２５】
しかしながら、後述する比較例１のような構成の場合には時分割で少なくとも２段階の放電を行う必要があり、電圧バランス制御の終了までに時間がかかっていた。
【００２６】
そこで第１実施形態では、各単電池層１５ａ〜１５ｄに対してスイッチング手段及び放電抵抗を連結した放電回路を独立に接続する。
【００２７】
以下、具体的に説明する。電圧バランス回路２０は、図２に示したように第１単電池層１５ａ用の放電回路２０ａ、第２単電池層１５ｂ用の放電回路２０ｂ、第３単電池層１５ｃ用の放電回路２０ｃ、第４単電池層１５ｄ用の放電回路２０ｄからなっている。ここで、４つの放電回路を第１放電回路２０ａ、第２放電回路２０ｂ、第３放電回路２０ｃ、第４放電回路２０ｄとして区別する。
【００２８】
４つの各放電回路２０ａ〜２０ｄの構成は同じである。まず、第１放電回路２０ａは、図２に示したように、２つの放電用端子３１ａ、３１ｂ、２つの放電用配線３２ａ、３２ｂ、１つの放電用抵抗２４ａ、１つのスイッチング手段２５ａからなっている。詳細には、第１単電池層１５ａから放電電流（バランス電流）を流すため、集電体４ａ、４ｂの周縁部の所定の箇所（図２では右端）に一対の放電用端子３１ａ、３１ｂを接着する等の方法を用いて取り付け、上記樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外部に取り出す。そして、一対の放電用端子３１ａ、３１ｂに放電用配線３２ａ、３２ｂの一端（左端）を接続し、放電用配線３２ａ、３２ｂの他端（右端）は常開のスイッチング手段２５ａ（例えばリレー等）に接続する。放電用配線３２ｂには放電用抵抗２４ａを介装する。
【００２９】
同様に、第２単電池層１５ｂから放電電流（バランス電流）を流すため、集電体４ｂ、４ｃの周縁部の所定の箇所（図２では左端）に一対の放電用端子３１ｃ、３１ｄを接着する等の方法を用いて取り付け、上記樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外部に取り出す。そして、一対の放電用端子３１ｃ、３１ｄに放電用配線３２ｃ、３２ｄの一端（右端）を接続し、放電用配線３２ｃ、３２ｄの他端（左端）は常開のスイッチング手段２５ｂ（例えばリレー等）に接続する。放電用配線３２ｄには放電用抵抗２４ｂを介装する。
【００３０】
同様に、第３単電池層１５ｃから放電電流（バランス電流）を流すため、集電体４ｃ、４ｄの周縁部の所定の箇所（図２では右端）に一対の放電用端子３１ｅ、３１ｆを接着する等の方法を用いて取り付け、上記樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外部に取り出す。そして、一対の放電用端子３１ｅ、３１ｆに放電用配線３２ｅ、３２ｆの一端（左端）を接続し、放電用配線３２ｅ、３２ｆの他端（右端）は常開のスイッチング手段２５ｃ（例えばリレー等）に接続する。放電用配線３２ｆには放電用抵抗２４ｃを介装する。
【００３１】
同様に、第４単電池層１５ｄから放電電流（バランス電流）を流すため、集電体４ｄ、４ｅの周縁部の所定の箇所（図２では左端）に一対の放電用端子３１ｇ、３１ｈを接着する等の方法を用いて取り付け、上記樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外部に取り出す。そして、一対の放電用端子３１ｇ、３１ｈに放電用配線３２ｇ、３２ｈの一端（右端）を接続し、放電用配線３２ｇ、３２ｈの他端（左端）は常開のスイッチング手段２５ｄ（例えばリレー等）に接続する。放電用配線３２ｈには放電用抵抗２４ｄを介装する。
【００３２】
ここで、５つの集電体を第１集電体４ａ、第２集電体４ｂ、第３集電体４ｃ、第４集電体４ｄ、第５集電体４ｅとして、８つの放電用端子を第１放電用端子３１ａ、第２放電用端子３１ｂ、第３放電用端子３１ｃ、第４放電用端子３１ｄ、第５放電用端子３１ｅ、第６放電用端子３１ｆ、第７放電用端子３１ｇ、第８放電用端子３１ｈとして、８つの放電用配線を第１放電用配線３２ａ、第２放電用配線３２ｂ、第３放電用配線３２ｃ、第４放電用配線３２ｄ、第５放電用配線３２ｅ、第６放電用配線３２ｆ、第７放電用配線３２ｇ、第８放電用配線３２ｈとして、４つの放電用抵抗を第１放電用抵抗２４ａ、第２放電用抵抗２４ｂ、第３放電用抵抗２４ｃ、第４放電用抵抗２４ｄとして、４つのスイッチング手段を第１スイッチング手段２５ａ、第２スイッチング手段２５ｂ、第３スイッチング手段２５ｃ、第４スイッチング手段２５ｄとして区別する。
【００３３】
このように、各単電池層１５ａ〜１５ｄに対しスイッチング手段及び放電抵抗を連結（直列接続）した放電回路２０ａ〜２０ｄが独立に接続されると、第１放電回路２０ａは第１単電池層１５ａの放電時にのみ、第２放電回路２０ｂは第２単電池層１５ｂの放電時にのみ、第３放電回路２０ｃは第３単電池層１５ｃの放電時にのみ、第４放電回路２０ｄは第４単電池層１５ｄの放電時にのみ用いられる。また、第１、第３、第５、第７の放電用端子３１ａ、３１ｃ、３１ｅ、３１ｇは放電電流が流れ出す側の端子となる。一方、第２、第４、第６、第８の放電用端子３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、３１ｈは放電電流が流れてくる側の端子となる。
【００３４】
このようにして４つの放電回路２０ａ〜２０ｄからなる電圧バランス回路２０が構成されるが、４つの各放電回路２０ａ〜２０ｄのスイッチング手段２５ａ〜２５ｄの開閉は制御回路２９により制御する。
【００３５】
一方、４つの単電池層１５ａ〜１５ｄの各電圧を測定するため、第１、第３、第５、第７の４つの放電用配線３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇからそれぞれ電圧検出用配線２８ａ、２８ｃ、２８ｂ、２８ｄを分岐し、分岐した電圧検出用配線２８ａ〜２８ｄを制御回路２９と接続する。また、第５集電体４ｅの周縁部の所定の箇所（図２では右端）に電圧検出用端子３１ｉを接着する等の方法を用いて取り付け、上記樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外部に取り出す。そして、電圧検出用端子３１ｉに電圧検出用配線２８ｅの一端（左端）を接続し、他端（右端）を制御回路２９と接続する。ここで、５つの電圧検出用配線を第１電圧検出用配線２８ａ、第２電圧検出用配線２８ｂ、第３電圧検出用配線２８ｃ、第４電圧検出用配線２８ｄ、第５電圧検出用配線２８ｅとして区別する。
【００３６】
なお、各放電回路２０ａ〜２０ｄに用いる部品は、４つの各単電池層１５ａ〜１５ｄで同じ仕様とする。具体的には、８つの各放電用端子３１ａ〜３１ｈ及び１つの電圧検出用端子３１ｉは全て同じ仕様、４つの各スイッチング手段２５ａ〜２５ｄも全て同じ仕様とする。８つの各放電用配線３２ａ〜３２ｈは全て同じ材質、同じ長さとし、４つの各放電用抵抗２４ａ〜２４ｄの抵抗値は全て同じとする。同様に、５つの各電圧検出用配線２８ａ〜２８ｅは全て同じ仕様とする。
【００３７】
第２〜第４の３つの集電体４ｂ〜４ｄには、図３に示したように２つの放電用端子を取り付けるが、１つの集電体に取り付ける２つの放電用端子の位置関係は同じである。ここで、図３は５つの各集電体４ａ〜４ｅ及び各集電体４ａ〜４ｅの鉛直上方に形成される負極活物質層６の部分の概略平面図を縦に並べたものである。
【００３８】
図３において、短辺側（図３で左右にある辺の側）と長辺側（図３で上下にある辺の側）とを有する扁平な長方形状の各集電体４ａ〜４ｅには、周縁部に所定幅の熱融着部を残して、負極活物質層６が形成されている。このため負極活物質層６も扁平な長方形状となっている。この短辺側と長辺側とを有する扁平な長方形状の第２〜第４の集電体４ｂ〜４ｄの面上において、第２、第３の放電用端子３１ｂ、３１ｃを、第４、第５の放電用端子３１ｄ、３１ｅを、第６、第７の放電用端子３１ｆ、３１ｇを点対称の位置の周縁部かつ短辺側の周縁部に取り付けている。すなわち、負極活物質層６の４つある隅の一つ、図３で右下にある隅の近くの集電体周縁部に、第２、第５、第６の放電用端子３１ｂ、３１ｅ、３１ｆを負極活物質層６の長辺方向（図３で左右方向）に取り付けている。一方、負極活物質層６の４つある隅の一つ、図３で左上にある隅の近くの集電体周縁部に、第３、第４、第７の放電用端子３１ｃ、３１ｄ、３１ｇを負極活物質層６の長辺方向（図３で左右方向）に取り付けている。これによって、一方の放電用端子３１ｂ、３１ｅ、３１ｆと、他方の放電用端子３１ｃ、３１ｄ、３１ｇとが互いに離れた位置の集電体周縁部に設けられることとなる。
【００３９】
同様にして、第５集電体４ｅの面上において、電圧検出用端子３１ｉと第８放電用端子３１ｈとを点対称の位置の周縁部かつ短辺側の周縁部に取り付けている。すなわち、負極活物質層６の４つある隅の一つ、図３で右下にある隅の近くの集電体周縁部に、電圧検出用端子３１ｉを負極活物質層６の長辺方向（図３で左右方向）に取り付けている。一方、負極活物質層６の４つある隅の一つ、図３で左上にある隅の近くの集電体周縁部に、第８放電用端子３１ｈを負極活物質層６の長辺方向（図３で左右方向）に取り付けている。これによって、電圧検出用端子３１ｉと第８放電用端子３１ｈが互いに離れた位置の集電体周縁部に設けられることとなる。
【００４０】
図２に戻り、第１放電用端子３１ａにより検出される第１集電体４ａの電位を第１電位Ｖ１、第３放電用端子３１ｃにより検出される第２集電体４ｂの電位を第２電位Ｖ２、第５放電用端子３１ｅにより検出される第３集電体４ｃの電位を第３電位Ｖ３、第７放電用端子３１ｇにより検出される第４集電体４ｄの電位を第４電位Ｖ４、電圧検出用端子３１ｉにより検出される第５集電体４ｅの電位を第５電位Ｖ５とすると、第１単電池層１５ａの電圧ΔＶ１は、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２の電位差で、第２単電池層１５ｂの電圧ΔＶ２は、第２電位Ｖ２と第３電位Ｖ３の電位差で、第３単電池層１５ｃの電圧ΔＶ３は、第３電位Ｖ３と第４電位Ｖ４の電位差で、第４単電池層１５ｄの電圧ΔＶ４は、第４電位Ｖ４と第５電位Ｖ５の電位差で表すことができる。
【００４１】
４つの各放電用端子３１ａ、３１ｃ、３１ｅ、３１ｇ及び１つの電圧検出用端子３１ｉからの電位Ｖ１〜Ｖ５を入力する制御回路２９では、これら５つの電位Ｖ１〜Ｖ５に基づき上記のようにして４つの各単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧ΔＶ１〜ΔＶ４を算出する。そして、４つの各単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧ΔＶ１〜ΔＶ４が均一化するように、４つのスイッチング手段２５ａ〜２５ｄを開閉制御することによって放電用抵抗２４ａ〜２４ｄにバランス電流（放電電流）を流す。詳細には、４つの単電池層１５ａ〜１５ｄのうち最低の電圧を有する単電池層の電圧を目標電圧とし、残りの単電池層を放電させて電圧を低下させることにより、４つ全ての単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧を目標電圧へと均一化する。
【００４２】
次に、４つの単電池層１５ａ〜１５ｄを対象とするこの電圧バランス制御を具体的に説明する。今仮に、第３単電池層１５ｃの電圧ΔＶ３だけが残り第１、第２、第４の３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４より低かったとする。このときには、第３単電池層１５ｃの電圧を目標電圧ΔＶｍ（＝ΔＶ３）とし、残り３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が目標電圧ΔＶｍと一致するまで残り３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄから放電させる必要がある。
【００４３】
この要求に応じるには、本実施形態では、図４に示したように、第１、第２、第４のスイッチング手段２５ａ、２５ｂ、２５ｄを共に閉成し、第１、第２、第４の３つの放電用抵抗２４ａ、２４ｂ、２４ｄに図示の向きのバランス電流（放電電流）を一度に流せばよい。これによって、第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２及び第４電位Ｖ４が低下するが、この低下する電位は、５つの電圧検出用配線２８ａ〜２８ｅを介してモニターしている。従って、モニターしている電位より算出される第１、第２、第４の単電池層の電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が低下し目標電圧ΔＶｍと等しくなったタイミングで放電を中止する。すなわち、残り３つの単電池層の電圧が目標電圧と等しくなったタイミングで第１、第２、第４のスイッチング手段２５ａ、２５ｂ、２５ｄをともに開成し、放電（電圧バランス制御）を中止する。
【００４４】
第１実施形態との比較のため、図５に比較例１の電圧バランス制御回路図を示す。図５において第１実施形態の図２と同一部分には同一番号を付している。比較例１は従来装置に相当するものである。
【００４５】
比較例１では図５に示したように各単電池層１５ａ〜１５ｄから放電電流（バランス電流）を流すため、各集電体４ａ〜４ｅの周縁部の所定の箇所（図５では右端）に放電用端子２１ａ〜２１ｅを接着する等の方法を用いて取り付け、上記樹脂−金属複合ラミネートフィルムの外部に取り出している。そして、各放電用端子２１ａ〜２１ｅに放電用配線２２ａ〜２２ｅの一端（左端）を接続する。ここで、５つの放電用端子を第１放電用端子２１ａ、第２放電用端子２１ｂ、第３放電用端子２１ｃ、第４放電用端子２１ｄ、第５放電用端子２１ｅとして、５つの放電用配線を第１放電用配線２２ａ、第２放電用配線２２ｂ、第３放電用配線２２ｃ、第４放電用配線２２ｄ、第５放電用配線２２ｅとして区別する。
【００４６】
第１放電用配線２２ａの他端（右端）と第２放電用配線２２ｂの他端（右端）を第１スイッチング手段２５ａに、第２放電用配線２２ｂの他端（右端）と第３放電用配線２２ｃの他端（右端）を第２スイッチング手段２５ｂに、第３放電用配線２２ｃの他端（右端）と第４放電用配線２２ｄの他端（右端）を第３スイッチング手段２５ｃに、第４放電用配線２２ｄの他端（右端）と第５放電用配線２２ｅの他端（右端）を第４スイッチング手段２５ｄに接続する。５つの各放電用配線２２ａ〜２２ｅにはそれぞれ放電用抵抗２４ａ〜２４ｅを介装する。このようにして比較例１の電圧バランス回路２０が構成されるが、電圧バランス回路２０のスイッチング手段２５ａ〜２５ｄの開閉は制御回路２９により制御する。
【００４７】
一方、４つの単電池層１５ａ〜１５ｄの各電圧を検出するため、放電用配線２２ａ〜２２ｅから電圧検出用配線２８ａ〜２８ｅをそれぞれ分岐し、５つの電圧検出用配線２８ａ〜２８ｅの他端（左端）を制御回路２９に接続する。ここで、５つの電圧検出用配線を第１電圧検出用配線２８ａ、第２電圧検出用配線２８ｂ、第３電圧検出用配線２８ｃ、第４電圧検出用配線２８ｄ、第５電圧検出用配線２８ｅとして区別する。
【００４８】
比較例１の電圧バランス制御を具体的に説明する。比較例１において第１実施形態と同じ事態が生じているものとする（第１実施形態と同じケース）。すなわち、この第３単電池層１５ｃの電圧ΔＶ３だけが残り第１、第２、第４の３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４より低かったとする。このときには、第３単電池層１５ｃの電圧を目標電圧ΔＶｍ（＝ΔＶ３）とし、残り３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が目標電圧ΔＶｍと一致するまで残り３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄから放電させなければならない。
【００４９】
この要求に応じるには、比較例１では、隣り合う単電池層を一度に放電させることがないように、時分割でずらして放電させる必要がある。このケースでは、隣り合う第１単電池層１５ａと第２単電池層１５ｂとを一度に放電させることができないため、まず第１段階として第２単電池層１５ｂと第４単電池層１５ｄを放電させるべく図６に示したように、第２、第４のスイッチング手段２５ｂ、２５ｄを予め定めてある一定期間だけ共に閉成する。第２スイッチング手段２５ｂの閉成によって第２、第３の放電用抵抗２４ｂ、２４ｃに図示の向きのバランス電流（放電電流）を、第４スイッチング手段２５ｄの閉成によって第４、第５の放電用抵抗２４ｄ、２４ｅに図示の向きのバランス電流（放電電流）を流して第２電位Ｖ２と第４電位Ｖ４を下げる。次に、第２、第４のスイッチング手段２５ｂ、２５ｄを元に戻し（開成し）た後に、第２段階として第１単電池層１５ａを放電させるべく図７に示したように第１スイッチング手段２５ａを予め定めてある一定期間だけ閉成する。これによって第１、第２の放電用抵抗２４ａ、２４ｂに図示の向きのバランス電流（放電電流）を流して第１電位Ｖ１を下げる。この後には、第１スイッチング手段２５ａを元に戻す（開成する）。このように隣り合う単電池層を放電させる必要がある場合には時分割で２段階の放電を実行することにより、残り３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４を下げて均一化する。
【００５０】
ここで、比較例１において、隣り合う単電池層を一度に放電させることがないように時分割でずらして放電させる理由を図８を参照して説明する。上記ケースのように、第３単電池層１５ｃの電圧ΔＶ３だけが残り３つの単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４より低かったとした場合には、第１、第２、第４の３つのスイッチング手段２５ａ、２５ｂ、２５ｄを一度に閉成すればよいはずである。
【００５１】
しかしながら、隣り合う第１、第２の単電池層１５ａ、１５ｂを一度に放電させるため第１、第２のスイッチング手段２５ａ、２５ｂを共に閉成したのでは、図８に示したように第１、第３の放電用抵抗２４ａ、２４ｃに想定外の大きな電流が流れてしまう。具体的に説明する。例えば、第１集電体４ａと第２集電体４ｂの間の電位差と、第２集電体４ｂと第３集電体４ｃの間の電位差とが等しいと仮定する。このとき、第１スイッチング手段２５ａの閉成によって第１集電体４ａと第２集電体４ｂの間の電位差（電圧）に応じた第１の電流（電流値をＩ１とする。）が第１、第２の放電用抵抗２４ａ、２４ｂを図示矢印（実線参照）の向きに流れる。同様に、第２スイッチング手段２５ｂの閉成によって第２集電体４ｂと第３集電体４ｃの間の電位差（電圧）に応じた第２の電流（電流値をＩ２とすると、Ｉ２＝Ｉ１である。）が第２、第３の放電用抵抗２４ｂ、２４ｃを図示矢印（実線参照）の向きに流れる。放電電流の流れはこれにとどまらず、第１、第２のスイッチング手段２５ａ、２５ｂの閉成によって第１集電体４ａと第３集電体４ｃの間の電位差（電圧）に応じた第３の電流（電流値をＩ３とすると、Ｉ３＝２×Ｉ１＝２×Ｉ２となる。）が第１、第３の放電用抵抗２４ａ、２４ｃを図示矢印（実線参照）の向きに流れる。このとき、第１放電用抵抗２４ａに流れる合計の電流値は、Ｉ１＋Ｉ３＝Ｉ１＋２×Ｉ１＝３×Ｉ１となり、当初予定していた電流値Ｉ１の３倍もの電流が流れてしまう。同様に、第３放電用抵抗２４ｃに流れる合計の電流値は、Ｉ２＋Ｉ３＝Ｉ２＋２×Ｉ２＝３×Ｉ２となり、当初予定していた電流値Ｉ２の３倍の電流が流れる。
【００５２】
このように放電用抵抗に想定外の大きな電流が流れるのであれば、この想定外の大きな電流に対応して抵抗値の大きな放電用抵抗２４ａ〜２４ｅを採用すればよいとも考えられるが、そうなると、放電用抵抗２４ａ〜２４ｅに要するコストが上昇してしまう。そこで、比較例１では、電圧バランス回路２０を図５に示した構成のままとし、隣り合う単電池層を一度に放電させることがないように、図６、図７のように時分割で２段階の放電を行わせることにより、想定外の大きな電流が放電用抵抗を流れることを防止しつつ、電圧バランス回路２０のコストが上昇しないようにしたのである。
【００５３】
しかしながら、比較例１では、時分割で２段階の放電を行って電圧バランス制御を終了させるのであるから、１段階の放電で電圧バランス制御を終了させる場合よりも２倍の時間が必要となる。すなわち、電圧バランス制御の終了までに時間が長くかかるという問題がある。
【００５４】
比較例１のこの問題を解決するため考えられた比較例２の電圧バランス制御回路図を図９に示す。図９において比較例１の図５と同一部分には同一番号を付している。
【００５５】
比較例２は、放電用抵抗２４ａ〜２４ｅに流れる電流値を可変制御することによって、複数の単電池層の放電を一度に行い得るように構成したものである。すなわち、図９に示したようにスイッチング手段に代えて、制御回路２９からの信号により制御されるトランジスタ２９ａ〜２９ｄを配置している。また、放電用抵抗２４ａ〜２４ｄに電圧検出用抵抗３０ａ〜３０ｅを直列に接続している。制御回路２９では、電圧検出用抵抗３０ａ〜３０ｅによって各集電体１５ａ〜１５ｅの電位を検出し、この電位した電位から各単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧を算出し、各単電池層１５ａ〜１５ｄの電圧が均一化するようにトランジスタ２９ａ〜２９ｄを用いて各放電用抵抗２４ａ〜２４ｅを流れる放電電流を同時に制御する。
【００５６】
比較例２によれば、上記ケースの場合に第１、第２、第４の単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄから一度に放電電流を流すことができるので、電圧バランス制御の終了までに時間が長くかかるということはない。しかしながら、比較例２では、制御回路２９から各トランジスタ２９ａ〜２９ｄに信号を出力しない無負荷時に各トランジスタ２９ａ〜２９ｄを暗電流が流れる。この暗電流は微小ではあっても各単電池層１５ａ〜１５ｄから流れてくる電流であるので、暗電流が流れるに任せていると、不必要に各単電池層１５ａ〜１５ｄの有する電気容量が消費されてしまう。そこで、各トランジスタ２９ａ〜２９ｄに暗電流が流れないようにするには、各トランジスタ２９ａ〜２９ｄと直列に常開のリレーを接続することが別途必要となる。
【００５７】
さて、比較例１で放電用抵抗を想定外の大きな電流が流れてしまう原因は、隣り合う単電池層の間で、放電用抵抗や放電用配線などの部品を共用することになっているためである。例えば、図６、図７に示したように第２放電用抵抗２４ｂは、第１単電池層１５ａの放電にも、また第２単電池層１５ｂの放電にも用いられている。また、第２放電用配線２２ｂには、第１単電池層１５ａの放電時には右から左に向けて電流が流れ、第２単電池層１５ｂの放電時には左から右に向けて電流が流れる。
【００５８】
そこで第１実施形態は、隣り合う単電池層の間で放電用抵抗や放電用配線などの部品を共用することがないように、言い換えると各単電池層毎に放電回路を独立に接続することとしたものである。ここで「独立に接続する」とは隣り合う単電池層の間で放電用抵抗や放電用配線などの部品を共用しない、という意味である。すなわち、第１放電回路２０ａを構成している各部品は第１単電池層１５ａの放電のためだけに、第２放電回路２０ｂを構成している各部品は第２単電池層１５ｂの放電のためだけに、第３放電回路２０ｃを構成している各部品は第３単電池層１５ｃの放電のためだけに、第４放電回路２０ｄを構成している各部品は第４単電池層１５ｄの放電のためだけに用いられる。
【００５９】
この結果、第１実施形態においては、比較例２のようにトランジスタのような高価な部品を用いなくとも、複数の単電池層１５ａ〜１５ｄから一度に放電を行わせることができることになった。
【００６０】
その一方で、第２放電用端子３１ｂと第３放電用端子３１ｃの間は第２集電体４ｂ及び電極活物質層５、６を介して、第４放電用端子３１ｄと第５放電用端子３１ｅの間は第３集電体４ｃ及び電極活物質層５、６を介して、第６放電用端子３１ｆと第７放電用端子３１ｇの間は第４集電体４ｄ及び電極活物質層５、６を介して電気的に接続されている。このため、第２、第３、第４の集電体４ｂ、４ｃ、４ｄの面内及び電極活物質層５、６の面内の電流の流れる方向の抵抗値が放電用抵抗２４ａ〜２４ｄの抵抗値と同程度であるとすると、上記のケースでは、電圧バランス制御時に、第１放電用抵抗２４ａを流れた後の電流が第２集電体４ｂ及び正極活物質層５を通過して第２放電用抵抗２４ｂをも流れる事態が考えられる。このとき流れる電流は、もともと第２単電池層１５ｂから出た放電電流でなく、第２放電用抵抗２４ｂを流れる放電電流を増加させてしまうこととなる。
【００６１】
しかしながら、実際には、第２、第３、第４の集電体４ｂ、４ｃ、４ｄの面内及び電極活物質層５、６の面内の電流の流れる方向の抵抗値は放電用抵抗２４ａ〜２４ｄの抵抗値と比較して少なくとも１桁以上高くなっている。つまり、第２放電用端子３１ｂと第３放電用端子３１ｃの間、第４放電用端子３１ｄと第５放電用端子３１ｅの間、第６放電用端子３１ｆと第７放電用端子３１ｇの間には放電用抵抗２４ａ〜２４ｄの抵抗値よりも大きな高抵抗体（集電体４ｂ、４ｃ、４ｄ及び電極活物質層５、６）が介在する。このため、上記ケースで図４に示したように、第１、第２、第４の単電池層１５ａ、１５ｂ、１５ｄから放電させる場合に、第１放電用抵抗２４ａを流れた後の放電電流がさらに第２集電体４ｂや正極活物質層５を介して第２放電用抵抗２４ｂを流れる（第２放電用抵抗２４ｂを流れる放電電流が増加する）ことはない。言い換えると、第１単電池層１５ａを放電させるときには、第１単電池層１５ａから流れ出す放電電流は第１単電池層１５ａに対して専用に設けられている第１放電用抵抗２４ａを流れるのみで、第１単電池層１５ａと隣り合う第２単電池層１５ｂに対して専用に設けられている第２放電用抵抗２４ｂまでをも流れることはないのである。
【００６２】
ここで、第１実施形態の作用効果を説明する。
【００６３】
第１実施形態では、集電体４の一方の面に正極活物質層５を他方の面に負極活物質層６を形成した双極型電極３と、その内部をイオンが移動する電解質層７とを、隣り合う当該双極型電極３の正極活物質層５と負極活物質層６とが当該電解質層７を介して向き合うように積層することにより複数の単電池層１５ａ〜１５ｄが積層された発電要素２を有し、各単電池層１５ａ〜１５ｄに対してスイッチング手段２５ａ〜２５ｄ及び放電抵抗２４ａ〜２４ｄを連結（直列接続）した放電回路２０ａ〜２０ｄを独立に接続する。第１実施形態によれば、隣り合う独立した放電回路２０ａ〜２０ｄの間に高抵抗の集電体４ｂ、４ｃ、４ｄ及び高抵抗の電極活物質層（５、６）が介装された回路が構成される。このため、隣り合うスイッチング手段２５ａ〜２５ｄを共に閉成しても高抵抗の集電体４ｂ、４ｃ、４ｄや高抵抗の電極活物質層（５、６）を大電流が流れることがないので、複数の単電池層１５ａ〜１５ｄから一度に放電させることができ、電圧バランス制御を終了するまでの時間を短縮できる。
【００６４】
第１実施形態では、１つの集電体の面上において放電電流が流れ出す側の放電用端子３１ａ、３１ｃ、３１ｅ、３１ｇと放電電流が流れてくる側の放電用端子３１ｂ、３１ｄ、３１ｆ、３１ｈとを点対称の位置の周縁部かつ短辺側の周縁部に取り付けるようにしている。第１実施形態によれば、放電電流が流れ出す側の放電用端子と放電電流が流れてくる側の放電用端子との取り付け位置が互いに離れているので、放電電流が流れ出す側の放電用端子と放電電流が流れてくる側の放電用端子との間の集電体及び電極活物質層がより高抵抗化し、隣り合うスイッチング手段を共に閉成した際の放電電流の増加を防止できる。
【００６５】
第１実施形態によれば、単電池層１５ａ〜１５ｄの放電時（電圧バランス制御時）に集電体４ａ〜４ｅの面内の電流の流れる方向の抵抗値は放電用抵抗２４ａ〜２４ｄの抵抗値と比較して少なくとも１桁以上高くなるようにしているので、集電体４ａ〜４ｅがさらに高抵抗化し、隣り合うスイッチング手段を共に閉成した際の放電電流の増加を防止できる。
【００６６】
図１０は第２実施形態の電圧バランス制御回路図で、第１実施形態の図２と同一部分には同一番号を付している。図１１は第２実施形態の集電体及び負極活物質層の部分の概略平面図を縦に並べた図で、第１実施形態の図３と同一部分には同一番号を付している。
【００６７】
第１実施形態は、図３に示したように、短辺側と長辺側とを有する扁平な長方形状の集電体４ａ〜４ｅの面上において短辺側の周縁部に８つの放電用端子３１ａ〜３１ｈを取り付けたものであった。第２実施形態は、図１１に示したように、この各放電用端子３１ａ〜３１ｈの取り付けられる短辺側の周縁部に所定の幅で金属板などからなる良導体４１ａ〜４１ｈを配置したものである。
【００６８】
面内の電流の流れる方向の内部抵抗が相対的に大きい（例えば抵抗率が０．０１Ωｃｍ以上）集電体４ａ〜４ｅの周縁部に放電用端子３１ａ〜３１ｈを取り付け、この放電用端子３１ａ〜３１ｈから放電させたとき、正極活物質層５や負極活物質層６と接する部位の集電体全体に一定でない電位分布が生じる。放電用端子に近い部位ほど放電用端子より遠い部位よりも相対的に多くの放電電流が流れるため、放電用端子に近い部位の電位の低下が放電用端子より遠い部位よりも相対的に大きくなる。
【００６９】
これに対して、第２実施形態では、放電用端子３１ａ〜３１ｈの取り付けられる短辺側の周縁部に所定の幅で金属板などからなる良導体４１ａ〜４１ｈを配置することで、放電用端子３１ａ〜３１ｈに向かって放電電流が集中するのではなく、幅のある良導体４１ａ〜４１ｈに向かって放電電流が均等に流れる。すなわち、集電体の面内を放電電流が一箇所に集中して流れることがないので、良導体４１ａ〜４１ｈを配置していない集電体の場合と比較して、電圧バランス制御時に生じる集電体の電位分布を緩和できることとなる。
【００７０】
なお、電圧検出用端子３１ｉの取り付けられる第５集電体４１ａの短辺側の周縁部には良導体を設けていない。これは、集電体の面内に電位分布が生じるのは集電体から放電させるためであるところ、電圧検出用端子３１ｉを介して放電させることがないので、電圧検出用端子３１ｉの近傍の集電体の面内に電位分布が生じることはない。よって、良導体を設ける必要がないためである。
【００７１】
第２実施形態によれば、放電用端子３１ａ〜３１ｈの取り付けられる短辺側の周縁部に良導体４１ａ〜４１ｈを配置し、この良導体４１ａ〜４１ｈに放電用端子３１ａ〜３１ｈを取り付けるので、放電用端子を短辺側の周縁部にそのまま取り付けた場合と比較して集電体１５ａ〜１５ｄの面内の電圧分布を緩和できる。
【００７２】
実施形態では、放電用抵抗２４ａ〜２４ｄを一方の放電用配線３２ｂ、３２ｄ、３２ｆ、３２ｈに介装する場合で説明したが、他方の放電用配線３２ａ、３２ｃ、３２ｅ、３２ｇに放電用抵抗２４ａ〜２４ｄを介装してもかまわない。
【００７３】
実施形態では、集電体は短辺側と長辺側とを有する扁平な長方形状である場合で説明したが、４つの同じ長さの辺を有する扁平な正方形状である場合にも本発明の適用がある。
【符号の説明】
【００７４】
１  スタック（双極型二次電池）
２  電池要素
３  双極型電極
４  集電体
５  正極活物質層
６  負極活物質層
７  電解質層
１５  単電池層
２０、電圧バランス回路
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ  放電回路
２４ａ〜２４ｄ  放電用抵抗
２５ａ〜２５ｄ  スイッチング手段
３１ａ〜３１ｈ  放電用端子
３２ａ〜３２ｈ  放電用配線
２９  制御回路
【図１】
0005664032.tif 000002
【図２】
0005664032.tif 000003
【図３】
0005664032.tif 000004
【図４】
0005664032.tif 000005
【図５】
0005664032.tif 000006
【図６】
0005664032.tif 000007
【図７】
0005664032.tif 000008
【図８】
0005664032.tif 000009
【図９】
0005664032.tif 000010
【図１０】
0005664032.tif 000011
【図１１】
0005664032.tif 000012