(57)【要約】【課題】接続される負荷の暗電流及び出力に応じた適切な量の単電池が接続された組電池を提供する。【解決手段】複数の単電池１０ａ，１０ｂが直列に接続されてなり、複数の負荷２Ａ，２Ｂが接続される組電池１において、当該組電池を構成する単電池群が、単電池の容量が相対的に大きい第１の単電池群１０ａと単電池の容量が相対的に小さい第２の単電池群１０ｂとで構成され、前記複数の負荷のうち暗電流が相対的に大きい負荷２Ｂが第１の単電池群１０ａに接続される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池が直列に接続されてなり、複数の負荷が接続される組電池において、当該組電池は複数の第１の単電池を接続してなる第１の単電池群と前記第１の単電池よりも容量が小さく且つ出力密度が大きい複数の第２の単電池を接続してなる第２の単電池群とを直列に接続して構成され、前記複数の負荷のうち暗電流が相対的に大きい負荷が前記第１の単電池群のみに接続されることを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記複数の負荷のうち暗電流が相対的に小さい負荷が前記第１の単電池群及び前記第２の単電池群の全体に接続されることを特徴とする請求項１記載の組電池。
【請求項３】
前記複数の負荷のうち駆動時の消費電力が相対的に大きい負荷が前記第１の単電池群及び前記第２の単電池群の全体に接続されることを特徴とする請求項１記載の組電池。
【請求項４】
複数の単電池が直列に接続されてなり、複数の負荷が接続される組電池において、当該組電池は複数の第１の単電池を接続してなる第１の単電池群と前記第１の単電池よりも容量が小さく且つ出力密度が大きい複数の第２の単電池を接続してなる第２の単電池群とを直列に接続して構成され、前記複数の負荷のうち常時電力を消費する負荷が前記第１の単電池群のみに接続されることを特徴とする組電池。
【請求項５】
前記複数の負荷のうち選択的に電力を消費する負荷が前記第１の単電池群及び前記第２の単電池群の全体に接続されることを特徴とする請求項４記載の組電池。
【請求項６】
前記第２の単電池群に電池容量を調節する手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の組電池。
【請求項７】
前記第２の単電池群に電池を充電する手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単電池を接続してなる組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
シート状部材から成る外装部材をその外周縁に沿って熱融着して電極板を内部に収容して封止すると共に、その電極板に接続された電極端子が外装部材の外周縁から導出した二次電池が知られている（特許文献１参照）。この種の単電池の出力は電極の総面積に相関し、単電池の容量（満充電容量）は電極間に介装される活物質の量に相関する。
【０００３】
ところで、複数の単電池を接続してなる従来の組電池は、同じ容量の単電池を組み合わせ、この組電池に接続される負荷、たとえば自動車のセルモータや電装品などに流れる暗電流（スイッチＯＦＦ時に流れる電流）の総和に応じて組み合わせる単電池の数量が決定され、またこれらの負荷の最大出力（最大消費電力）に応じて組み合わせる単電池の数量が決定されていた。
【０００４】
したがって、負荷に流れる暗電流の総和を充分に満足できる数量であっても、負荷の最大出力を満足するために、それより多い数量の単電池を組み合わせる必要があった。その結果、組電池が不必要に大型化、重量増及び高コスト化するといった問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５６６５４号公報
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、接続される負荷の暗電流及び出力に応じた適切な量の単電池が接続された組電池を提供することを目的とする。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の組電池は、複数の単電池が直列に接続されてなり、複数の負荷が接続される組電池において、当該組電池は複数の第１の単電池を接続してなる第１の単電池群と前記第１の単電池よりも容量が小さく且つ出力密度が大きい複数の第２の単電池を接続してなる第２の単電池群とを直列に接続して構成され、前記複数の負荷のうち暗電流が相対的に大きい負荷が前記第１の単電池群のみに接続されることを特徴とする。
【０００８】
また、複数の単電池が直列に接続されてなり、複数の負荷が接続される組電池において、当該組電池は複数の第１の単電池を接続してなる第１の単電池群と前記第１の単電池よりも容量が小さく且つ出力密度が大きい複数の第２の単電池を接続してなる第２の単電池群とを直列に接続して構成され、前記複数の負荷のうち常時電力を消費する負荷が前記第１の単電池群のみに接続されることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、単電池群を電池容量が大きく出力密度が小さい群と、電池容量が小さく出力密度が大きい群とに分けて構成し、電池容量が大きく出力密度が小さい群に暗電流が大きい負荷または常時電力を消費する負荷を接続する一方で、暗電流が小さい負荷または常時電力を消費しない負荷を組電池全体に接続する。
【００１０】
すなわち本発明では、接続される負荷の暗電流に応じて電池容量が大きく出力密度が小さい第１の単電池群を構成する一方で、接続される負荷の最大出力に応じて電池容量が小さく出力密度が大きい第２の単電池群を構成する。
【００１１】
電池容量は活物質量に相関し、電池出力は電極総面積に相関することから、電極総面積を等しくして活物質量を減らせば、電池出力が等しく電池容量が小さい電池となり、こうした電池は、電池容量は相対的に小さいが、小型・軽量かつ低コストの電池となる。
【００１２】
そして、接続される負荷の暗電流は第１の単電池群で対応することができ、接続される負荷の最大出力は第１の単電池群および第２の単電池群を含めた組電池伝体で対応することができる。
【発明の実施の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る薄型単電池の全体を示す平面図、図２は図１のII-II線に沿う断面図、図３（Ａ）は本発明の実施形態に係る組電池を示す側面図、図３（Ｂ）は従来の組電池を示す側面図である。
【００１５】
まず、図１及び図２を参照して単電池の構成を説明する。同図は一つの薄型単電池１０（単位電池）を示し、この薄型電池１０を複数積層することにより所望の出力及び容量の組電池が構成される。
【００１６】
本例の薄型単電池１０は、リチウム系の薄型の二次電池であり、同図に示すように、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、から構成されている。このうち、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。
【００１７】
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、この正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ、１０１ｃと、を有する。
【００１８】
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構成されている。
【００１９】
正極層１０１ｂ、１０１ｃは、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接着剤等と、を混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等を挙げることができる。
【００２０】
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、この負極側集電体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。
【００２１】
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構成されている。
【００２２】
負極層１０３ｂ、１０３ｃは、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、乾燥及び圧延することにより形成されている。具体的な負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素又は黒鉛等を挙げることができる。
【００２３】
特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。
【００２４】
発電要素１０８のセパレータ１０２は、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、本発明におけるセパレータは、ポリオレフィン等の単層膜のみに限定されず、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できる。このように、セパレータを複層化することで、過電流の防止機能、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できる。
【００２６】
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、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、負極端子１０５にそれぞれ接続されている。
【００２７】
発電要素を構成する正極板、セパレータ、及び、負極板の枚数は、本発明では上記の数に限定されない。例えば、１枚の正極板、３枚のセパレータ、及び、１枚の負極板でも発電要素を構成することができ、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できる。
【００２８】
特に、単電池１０の出力（ワットＷ＝Ｖ・Ａ）は電極の総面積に相関し、満充電容量（クーロンＱ＝Ａ・ｈ）は活物質量に相関することから、たとえば電極の総面積を等しくし、活物質量を減少させることで、容量は相対的に小さいが出力が等しい単電池１０を得ることができる。この電池１０は活物質量が少ないので、電池の厚さが薄くなり、軽量かつ廉価な電池にすることができる。逆に、活物質量を等しくし、電極の総面積を小さくすることで、出力は小さいが容量が等しい単電池１０を得ることができる。すなわち、活物質量と電極総面積を変えることで、単位体積あたりの出力（出力密度）や容量（容量密度）を変えることができる。
【００２９】
以上の単電池１０において、電極の総面積は等しくする一方で活物質量をたとえば約８分の１にした単電池を作製し、２種類の単電池１０ａ，１０ｂを組み合わせた組電池を構成する。たとえば、電極の大きさは等しく、厚さを約４分の１に薄くし、積層枚数を２分の１にし、活物質量を８分の１にした単電池１０ｂは、電池容量が８分の１になるが、図３（Ａ）に示すように単電池１０ａに比べて厚さｔｂが薄くなり（ｔａ＞ｔｂ）、重量ｗｂも軽量になる（ｗａ＞ｗｂ）。また、活物質量が少なくなるだけコストも安くなる。したがって、同図（Ｂ）に示す単電池１０ａのみを組み合わせた組電池に比べて、出力は等しいにも拘らず、組電池全体の厚さ(大きさ)が薄くなり、軽量かつ廉価となる。相対的に容量が大きい単電池を高容量単電池１０ａ、出力が等しく相対的に容量が小さい単電池、換言すれば相対的に出力密度（体積あたりの出力）が大きい単電池を高出力単電池１０ｂと称する。
【００３０】
次に、２種類の単電池、すなわち高容量単電池１０ａと高出力単電池１０ｂを組み合わせた組電池１を用いた電気回路の実例を説明する。図４〜図７は、それぞれ本発明に係る組電池１を用いた電気回路の実施形態であり、それぞれ３つの単電池１０ａ(本発明の第１の電池群に相当する)と、１つの単電池１０ｂ(本発明の第２の電池群に相当する)の、合計４つの単電池を直列に接続して組電池１が構成されている。なお、組電池１を構成する単電池１０ａ，１０ｂの数量は単なる一例であり任意の数量で構成することができる。
【００３１】
まず、図４に示す例では、組電池１により車両負荷２Ａと車両負荷２Ｂとが駆動される。車両負荷２Ａは、たとえばセルモータや時計のような暗電流が無い、もしくは相対的に小さい負荷であるのに対し、車両負荷２Ｂは、たとえばスイッチオフ時にも電流を消費するＣＰＵを備えた車載電装品やメモリのような暗電流が相対的に大きい負荷である。そして、暗電流が相対的に大きい車両負荷２Ｂは３つの高容量単電池１０ａの両端に接続され、車両負荷２Ａは３つの高容量単電池１０ａと１つの高出力単電池１０ｂを含む組電池１全体に接続されている。
【００３２】
既述したとおり、高容量単電池１０ａは高出力単電池１０ｂに比べて高容量であることから、車両負荷２Ｂの暗電流に対応できる容量となる。一方、車両負荷２Ａは、暗電流は小さいが瞬間的に高出力（大電流）が必要とされる負荷を含むが、本例では出力が等しい４つの単電池１０ａ，１０ｂの両端に接続されているため、必要とされる高出力に対応することができる。
【００３３】
このように、暗電流が大きい負荷２Ｂは高容量単電池１０ａに接続するとともに暗電流が小さく高出力が要求される負荷２Ａは高容量単電池１０ａと高出力単電池１０ｂとを含む組電池１全体に接続するので、負荷２Ｂの暗電流にも負荷２Ａの高出力にも対応することができると同時に、組電池を小型化、軽量化及び低コスト化することができる。
【００３４】
図５に示す例では、図４に示す例に加えて高出力単電池１０ｂに、容量調整回路３が設けられている。この容量調整回路３は、たとえば高出力単電池１０ｂの電圧を検出する電圧検出回路と、高出力単電池１０ｂを放電させる放電回路とを有し、高容量単電池１０ａと等しい残容量（ＳＯＣ）となるように高出力単電池１０ｂの放電を行う。これにより、使用を続けていく間に高容量単電池１０ａの方の残容量（ＳＯＣ）が低下し、高出力単電池１０ｂの残容量（ＳＯＣ）とのばらつきが生じても、この容量調整回路３により容量を等しくできるので、過放電や過充電が防止され、組電池を延命することができる。
【００３５】
図６に示す例では、車両負荷２Ａが常時ＯＮされない、換言すれば、たとえばセルモータのようにある特定の瞬間だけＯＮされる、すなわち選択的に電力を消費する負荷であり、暗電流がゼロの負荷である。したがって、車両負荷２Ａは組電池１の全体に接続されるが、常時ＯＮされないのでスイッチ４が高出力単電池１０ｂと高容量単電池１０ａとの間に設けられ、車両負荷２Ａを作動するときのみスイッチ４がＯＮとなる。
【００３６】
一方、暗電流が相対的に大きい車両負荷２Ｂは、図４及び図５に示す例と同様、３つの高容量単電池１０ａに接続されているので、充分な電流を常時供給することができる。
【００３７】
図７に示す例は、図５に示す容量調整回路３に代えて充電器５が高出力単電池１０ｂに接続されている。この充電器５は、たとえば車両負荷２Ｂにより作動する充電器であって高出力単電池１０ｂの残容量（ＳＯＣ）が低下したときに当該高出力単電池１０ｂを充電する。これにより、使用を続けていく間に高出力単電池１０ｂの方の残容量（ＳＯＣ）が低下し、高容量単電池１０ａの残容量（ＳＯＣ）とのばらつきが生じても、この充電器５により容量を等しくできるので、過放電や過充電が防止され、組電池を延命することができる。
【００３８】
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】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る薄型単電池の全体を示す平面図である。
【図２】図１のII-II線に沿う断面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の実施形態に係る組電池を示す側面図、（Ｂ）は従来の組電池を示す側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る組電池を用いた電気回路の一例である。
【図５】本発明の実施形態に係る組電池を用いた電気回路の他の例である。
【図６】本発明の実施形態に係る組電池を用いた電気回路のさらに他の例である。
【図７】本発明の実施形態に係る組電池を用いた電気回路のさらに他の例である。
【符号の説明】
【００４０】
１…組電池
１０…薄型電池
１０a…高容量単電池
１０ｂ…高出力単電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ、１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ、１０３ｃ…負極層
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
２Ａ，２Ｂ…車両負荷
【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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