(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚の固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、
前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、
前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池を並列に接続する配線と、
前記配線によって接続された各々の前記単電池を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記単電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記単電池を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする組電池。
【請求項２】
１枚の固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、
前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、
前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池を並列に接続する配線と、
前記配線によって接続された各々の前記単電池を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記単電池の電流を測定する電流測定手段と、
前記電流測定手段により測定された電流が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記単電池を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする組電池。
【請求項３】
１枚の固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、
前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、
前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池を並列に接続する配線と、
前記配線によって接続された各々の前記単電池を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記単電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段により測定された電圧が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記単電池を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする組電池。
【請求項４】
１枚の固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、
前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、
前記固体電解質膜が複数枚積層されることにより、前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池が直列に接続された電池列を並列に接続する配線と、
前記配線によって接続された各々の前記電池列を前記配線から切り離す制御手段と、を有することを特徴とする組電池。
【請求項５】
前記制御手段は、前記電池列の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記電池列を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする請求項４記載の組電池。
【請求項６】
前記制御手段は、前記電池列の電流を測定する電流測定手段と、
前記電流測定手段により測定された電流が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記電池列を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする請求項４記載の組電池。
【請求項７】
前記制御手段は、前記電池列の電圧を測定する電流測定手段と、
電圧測定手段により測定された電圧が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記電池列を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする請求項４記載の組電池。
【請求項８】
前記正極および前記負極は、インクジェット方式により少なくとも正極活物質を含む正極インク、少なくとも負極活物質を含む負極インクが固体電解質膜にそれぞれ印刷されて形成されたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリット自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）の導入が強く所望されており、これらのモータ駆動用電池の開発が行われている。これらのモータ駆動用電池としては、繰り返し充電可能な二次電池が使用される。ＥＶ、ＨＥＶ、ＦＣＶは、高出力および高エネルギー密度を必要とするため、単一の大型電池で対応することは事実上不可能である。そこで、複数個の電池を直列および並列に接続することによって、一つの電池ユニットとして利用している。このような電池ユニットを組電池と称し、またこの組電池に使用されている一つひとつの電池を単電池と称している。
【０００３】
このような組電池にあっては、複数の単電池を並列および直列に接続することから、そのなかの一つの電池が不具合を生じた場合に、組電池全てが使用できなくなるという問題があった。
【０００４】
このような問題に対応するために、たとえば、並列接続と直列接続の接続形態を見直し、一つの単電池が不具合を起こした場合でも組電池全体としては使用可能なようにする技術が考えられている。
【０００５】
たとえば、そのような技術の一つとして、まず、単電池を直列接続を含まないように並列に接続した並列接続組を形成し、この並列接続組単位をさらに直列に接続した形態の組電池の技術がある（たとえば、特許文献１参照）。この技術に寄れば、一つひとつの単電池は必ず少なくとも一つの対になる単電池が並列に接続されているため、その内の一つが不具合を生じたとしても並列に接続されているもう一方の単電池を介して充放電が行われるため、組電池全体としては利用可能な状態が維持できるとされている。
【特許文献１】特開平８−２４１７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の組電池では、一つひとつ別々に製造された単電池を並列に接続しているため、どうしても並列に接続された単電池同士の特性に違いがあり、並列接続の一方の電池に充放電時の負荷が大きくかかり、一方の単電池の充放電サイクル寿命が極端に低下するおそれがある。このため、事前に並列に接続する単電池同士の特性を調べて合わせ込みが必要となり、製造コストが嵩むという問題がある。
【０００７】
また、並列接続の一方の単電池が不具合を起こし非導通の状態となった場合は、組電池としての使用は可能であるものの、逆に、一方の単電池が短絡するような不具合では、短絡した単電池を通して正常な単電池をバイパスするような電流が流れるため、組電池全体としての電圧低下のおそれもある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、複数の単電池の並列接続を有する組電池において、いずれかの単電池に不具合が発生した場合でも正常に動作している単電池に過大な負荷を生じさせることなく、組電池としての性能を維持し利用することができる組電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、１枚の固体電解質膜と、前記固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池を並列に接続する配線と、前記配線によって接続された各々の前記単電池を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記単電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記単電池を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする組電池である。
また、上記目的を達成するための本発明は、１枚の固体電解質膜と、前記固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池を並列に接続する配線と、前記配線によって接続された各々の前記単電池を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記単電池の電流を測定する電流測定手段と、前記電流測定手段により測定された電流が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記単電池を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする組電池である。
また、上記目的を達成するための本発明は、１枚の固体電解質膜と、前記固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池を並列に接続する配線と、前記配線によって接続された各々の前記単電池を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記単電池の電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧が所定値以上の場合に、所定値以上となった前記単電池を前記配線から電気的に切り離す切り離し手段と、を有することを特徴とする組電池である。
【００１０】
また上記目的を達成するための本発明は、１枚の固体電解質膜の第１面に設けられた複数の正極と、前記固体電解質膜の第２面の前記正極と対向する位置に設けられた負極と、前記固体電解質膜が複数枚積層されることにより、前記正極、前記負極、および前記固体電解質膜の前記正極と前記負極によって挟持された部分からなる単電池が直列に接続された電池列を並列に接続する配線と、前記配線によって接続された各々の前記電池列を前記配線から電気的に切り離す制御手段と、を有することを特徴とする組電池である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の組電池は、１枚の固体電解質に複数の正極と負極を形成し、一つひとつの正極と負極、およびその間に挟まれた固体電解質膜によって単電池を構成して、各単電池を並列に接続したので、並列接続される単電池は、１枚の固体電解質膜からなるため、同一固体電解質上の単電池における特性のばらつきが非常に少なく各単電池ごとの負荷の程度が同じになり、並列接続されている単電池の寿命を長くすることができる。また、制御手段を設けて各単電池を並列に接続した配線から切り離すことが出来るようにしたので、単電池のいずれかに不具合が起きたときには、その不具合のある単電池を電気的に切り離すことができるので、他の並列に接続されている単電池に対して悪影響を及ぼすことがない。
【００１２】
また、本発明の組電池は、１枚の固体電解質に複数の正極と負極を形成し、一つひとつの正極と負極、およびその間に挟まれた固体電解質膜によって単電池を構成して、この点電池が直列に接続されるように複数の固体電解質を積層し、それによって構成された各電池列を並列に接続したので、並列接続される電池列は、１枚の固体電解質膜からなる単電池が積層されたものであるから、並列に接続された状態で各電池列間における特性のばらつきが非常に少なく、各電池列ごとの負荷の程度が同じになり、並列接続されている電池列における各単電池の寿命を長くすることができる。また、制御手段を設けて各電池列を並列に接続した配線から切り離すことができるようにしたので、単電池のいずれかに不具合が起きたときには、その不具合のある単電池を含む電池列を電気的に切り離すことができるので、他の並列に接続されている電池列に対して悪影響を及ぼすことがない
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明による組電池の分解斜視図であり、図２は、図１中における矢印Ａ方向に沿う１列分の構成の概略を示す分解斜視図である。
【００１５】
この組電池は、電池集合体１が複数積層されており、その両側を集電電極板２および３により挟持し、正極側の集電電極板２にはそれぞれ制御手段４が設けられている。
【００１６】
１つの電池集合体１は、１枚の固体電解質膜１１の第１面にそれぞれ分離して設けられた複数の正極１２と、同じ固体電解質膜１１の第２面の各正極１２と対向する位置にそれぞれ分離して設けられた負極１３とを有する。これにより１枚の固体電解質膜１１を電解質として、それを挟むように設けられた一つひとつの正極１２と負極１３により複数の電池が形成されることになる。そしてこの複数の電池一つひとつが組電池を構成する単電池となる。
【００１７】
そして、１枚の固体電解質膜１１の正極１２と次の層の負極１３が接触するように固体電解質膜１１を複数積層することで、各単電池同士が直列に接続された電池列が形成され、さらにこの電池列を挟むようにして設けられている集電電極板２および３上に、各電池列を並列に接続するための配線２３および３３が形成されている。
【００１８】
これにより、複数の単電池が直列に接続された電池列がさらに並列に接続された組電池が構成される。なお、この組電池は、後述するように電解質としてリチウムイオンを用いた、いわゆる固定高分子電解質によるリチウムイオン二次電池である。
【００１９】
以下さらに、この組電池の各構成部材について詳細に説明する。
【００２０】
まず、固体電解質膜１１は、実質的に溶媒を含まない固体型ポリマー電解質である。このような固体電解質膜１１としては、ポリマーの主成分として粘着力のあるポリマー電解質を使用する。
【００２１】
これには、たとえば、ポリエチレンオキシド、プロピレンオキシド等のポリアルキネンオキシド、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、ポリアクリロニトリル等のアクリロニトリル系ポリマー、架橋ポリエーテル等がある。固体電解質膜１１はこれらの高分子を主成分として膜状（薄板状を含む）に成形したものである。
【００２２】
これらの高分子物質のなかでも、架橋ポリエーテルが特に好ましい。架橋ポリエーテルとしては、たとえば、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４５，１５２１−１５２７（１９９８）に記載されているようなポリエチレンオキシド（ＰＥ）およびポリプロピレンオキシド（ＰＯ）系高分子であり、特にポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドとのランダムコポリマーをトリオールで架橋し、さらに不飽和脂肪酸でエステル化し、これをアルコシキ化したものが好ましい。このようなポリエーテルトリオールから得られるものとしては、部分メチル化ポリエーテルアクリレートがある。
【００２３】
このような分子内に炭素−炭素二重結合を持った原料モノマーを用いて合成した高分子は、ＬｉＢＦ４などのリチウム塩をよく溶解できるうえに、加熱乾燥して十分に溶媒を除去した後でも、粘着性が強く、弾力に富んでいるので、薄膜状に形成することが可能である。
【００２４】
固体電解質膜１１の形成には、重合開始剤、および溶媒が混合されて、膜状にして加熱重合されることにより成形される。このとき、溶媒は完全除去されて固体電解質膜１１となる。なお、固体電解質膜１１には、さらにリチウム塩などが含まれていてもよい。
【００２５】
このような固体電解質膜１１に形成される正極１２および負極１３は、インクジェットプリンタを用いて印刷により形成されている（詳細後述）。正極１２には正極活物質を含み、負極１３には負極活物質を含む。
【００２６】
正極活物質としては、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物やＬｉＮｉＯ２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。
【００２７】
負極活物質としては、結晶性炭素材や非結晶性炭素材が挙げられる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。
【００２８】
正極活物質あるいは負極活物質を電極（正極および負極、以下同様）として固体電解質膜１１上に配置するためには、それぞれ正極活物質あるいは負極活物質を含むスラリーを調整して、インクジェットプリンタによって印刷することにより行われる。なお、正極１２および負極１３には、活物質の他に、導電材、リチウム塩などが含まれうる。また、正極１２には、イオン伝導性を向上させるために、高分子電解質が分散していてもよい。これらの配合量については、特に限定されない。既に得られている知見に基づいて、配合量を決定すればよい。
【００２９】
ここで電池集合体１の製造方法について説明する。
【００３０】
本実施形態では、電池集合体１の電極をインクジェット方式によって形成している。
【００３１】
このため、インクジェット方式による印刷に先立ち、正極１２となる正極インク、負極１３となる負極インクを準備する。
【００３２】
正極インク中に含有される成分としては、少なくとも正極活物質が含有され、その他に、導電材、高分子電解質原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーなどの高分子電解質原料とベンジルジメチルケタールなどの重合開始剤を含有して、正極層を印刷した後、重合させて電極層のイオン伝導性を向上させてもよい。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。
【００３３】
正極インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。ただし、正極インクの粘度は、インクジェット方式が適用できる程度に低くあるべきである。粘度を低く保つ方法としては、溶媒の配合量を増加させる方法、および、正極インクの温度を上昇させる方法が挙げられる。ただし、溶媒の配合量を増加させすぎると、電極層における単位体積辺りの活物質量が減少するので、溶媒の配合量は最低限に抑えるとよい。高分子電解質原料やその他の化合物を、粘度が低くなるように改良してもよい。
【００３４】
負極インク中に含有される成分としては、少なくとも負極活物質が含有され、その他に、導電材、高分子電解質原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。
【００３５】
エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーなどの高分子電解質原料とベンジルジメチルケタールなどの重合開始剤を含有して、負極層を印刷した後、重合させて電極層のイオン伝導性を向上させてもよい。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。
【００３６】
負極インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されないが、正極インクと同様に、インクジェット方式として使用できる程度の粘土に調整する。
【００３７】
インクジェット装置に供給される各インクの粘度は、インクジェット装置で使用できる程度であれば特に限定されないが、好ましくは０．１〜５０ｃＰ程度である。
【００３８】
電極の形成は、インクジェット方式により、基材となる上述した固体電解質膜１１にインクを噴出させて形成する。電極を形成する際には、電極のパターンをあらかじめ決定しておく。
【００３９】
電極のパターンは、コンピュータ上において作成された像に基づいて、電極が形成されるようにしておくと作業性に優れる。コンピュータを用いたパターン決定および電極層の作製は、一般に広く知られている、コンピュータおよびプリンタを用いた画像作成およびプリントアウトの作業と同様である。したがって、この分野において発達した知見を援用できる点で、本発明は工業的生産の実現が、比較的容易であるといえる。
【００４０】
ここで用いられる電極パターンは、正極１２および負極１３が対向して同じ位置となるようにした複数の正方形形状である。
【００４１】
インクジェット装置に正極スラリーを供給して、電極インクを、多数の粒子として噴出させて、あらかじめ設計したパターンに従って、粒子を固体電解質膜１１に付着させる。インクジェット装置が採用するインク噴出機構は、ピエゾ方式、サーマルインクジェット方式、バブルジェット（登録商標）方式のいずれでもよい。好ましくは、圧電素子の体積変化によりインク粒子を噴出させる、ピエゾ方式が用いられる。
【００４２】
インクジェット装置より噴出される粒子の体積は、好ましくは、１〜１００ピコリットルの範囲である。噴出される粒子の体積が少なすぎると、振動低減が不充分になる虞がある。一方、噴出される粒子の体積が多すぎても、振動低減が不充分になる虞がある。インクジェット装置を用いて噴出される粒子の体積は、略同一であり、製造される電極は、非常に均一性が高い。
【００４３】
インクジェット装置によって１回粒子を付着させただけでは、電極の膜厚が不充分な場合には、同一の箇所に２回以上粒子を付着させて、電極層の厚さを増加させてもよい。「同一の箇所」とは、１回目のインクジェット装置による印刷によって電極層が形成された部位と、同じ部位を意味する。つまり、同一の材料による重ね塗りである。このような手法を用いて、均一な厚さの電極の層を積層することにより、電極の厚みを増加させうる。インクジェット方式で電極を形成する場合には、形成される電極層の均一性が非常に高いため、何回も積層させた場合であっても、高い均一性が維持される。
【００４４】
電極の形成は、上記の通りインクジェット方式により、正極１２または負極１３のうちいずれか一方（どちらが先でもよい）を固体電解質膜１１の一方の面に形成した後、乾燥させて溶媒を十分に蒸発させて除去する。その後、同じようにして、固体電解質膜１１の他方の面に、負極１３または正極１２のいずれか先に形成していない方の電極を形成する。
【００４５】
なお、電極内に、高分子電解質原料を配合している場合には、重合により高分子電解質を形成させるために、重合処理を施してもよい。これには、たとえば、あらかじめ光重合開始剤を加えた電極スラリーを調整しておいて、インクジェット方式によりパターンを印刷後、乾燥前に、紫外線などを照射して、重合を開始させる。その後十分に乾燥させることで、電極が完成する。
【００４６】
このようにして形成される電極は、電極面の平均厚さが、５〜３００μｍである。これは、インクジェット方式を用いて電極面を作製することによって、このような平均厚さを有し、かつ、平坦な電極が作製されうる。
【００４７】
しかも、このような平均厚みを有しながら、できあがった電極面は非常に平坦であり、電極面の最大厚さが、電極面の最小厚さの１０５％以下である。このような平坦度を有していると、発熱のムラが生じにくく、電池寿命が長くなる。また、厚さの分布に起因する共振によって引き起こされる電池の亀裂や破断も抑制される。
【００４８】
電極の面積は特に限定されないが、後述するように１枚の固体電解質膜１１の面積とその上に形成する電極数に応じて決められる。
【００４９】
また、このように１枚の固体電解質膜１１上に形成された複数の単電池は、互いに隣接する電極間、またはある正極に対向する位置以外の位置にある負極（およびその逆の場合）とは、イオンの伝導がないため１枚の固体電解質膜上であってもそれぞれの単電池は電気的に独立して機能する。これは、イオンの通り道として正極と負極が相対する部分にのみイオンが流れそれ以外の方向へは流れないためである。
【００５０】
なお、固体電解質膜１１を形成する際に、電極面の電極形成個数に合わせた網目状のイオン絶縁性材料のシートを用意し、該網目内に固体電解質を充填するようにして固体電解質膜１１を形成すれば、網目間のイオン移動が遮断されるのでより確実にイオンの通り道を規定することができる。
【００５１】
次に、集電電極板は、正極側の集電電極板２と負極側の集電電極板３であり、いずれも基本構造は、絶縁基板２１、３１の第１面に各電極（正極１２または負極１３）と同じ位置となるようにそれぞれ分離して複数設けられた集電電極２２、３３が形成されている。そして、絶縁基板２１の第２面には、各集電電極２２を絶縁基板２１に設けられたビアホール（不図示）を介して各集電電極２２と接続された配線２３および３３が形成されている。
【００５２】
配線２２および２３は、本実施形態においては、図示するように、電池列が４列並列に接続され、それらがさらに並列に接続されるように配線されている。
【００５３】
また、正極側の集電電極板２にのみ、一つひとつの集電電極２２上にそれぞれ配線２３との間に制御手段４が設けられている。
【００５４】
このような集電電極板２および３によって複数の電池集合体１を挟持することで、一つの組電池となっている。なお、集電電極板２および３には、配線端に組電池としての組電池電極２５が設けられている（なお図１では見えないが負極側の集電電極板には、同様に組電池としての組電池電極が設けられている）。
【００５５】
集電電極板２および３を構成する絶縁基板２１および３１は、たとえば、プリント配線基板として用いられるエポキシ樹脂やフェノール樹脂、ＡＢＳ樹脂などが用いられる。また、集電電極２２、３２および配線２３、３３は、銅箔またはアルミニウム箔などが絶縁基板２１、３１上にプリント配線技術によって形成されたものである。
【００５６】
次に、制御手段４は、その制御手段が接続されている電池列の温度を検出する温度検出手段としての機能と、その制御手段が制御する電池列を他の電池列から切り離す切り離し手段として機能するものである。具体的には、これら温度検出手段および切り離し手段の機能を兼ね備えた温度ヒューズを用いることができる。
【００５７】
図３は、温度ヒューズを含むこの組電池の等価回路図である。
【００５８】
図示するように、この組電池は、１枚の固体電解質膜１１に形成された正極１２と負極１３よりなる単電池５１が直列に接続されて電池列５２を構成し、その電池列５２がさらに複数個並列に接続されている。そして、制御手段（ここでは温度ヒューズ４１）が電池列５２の一つひとつに設けられている。
【００５９】
次に、本実施形態の組電池の作用を説明する。
【００６０】
上述のように構成された組電池は、複数の単電池の一つひとつが同じ固体電解質膜に、しかも同一の工程で電極が形成されることにより製造されている。このため、並列接続された状態となる単電池同士の特性差がきわめて少なく、並列接続されたいずれか一方の単電池または電池列の充放電サイクル寿命が劣化するのを防止することができる。
【００６１】
そしてこの組電池は、一つひとつの電池列に制御手段４として温度ヒューズ４１が設けられている。この温度ヒューズ４１は、設定されている温度以上になったときに回路を遮断する。
【００６２】
このため、一つひとつの電池列５２がこの温度ヒューズ４１で設定されている温度以上になった場合に、その電池列５２のみが複数並列に接続された組電池の回路から切り離されることになる。そして、温度ヒューズは温度が下がっても復帰することはないので、それ以後不具合の発生した電池列５２は回路から切り離されたままとなる。
【００６３】
組電池において、一つひとつの電池列５２の温度が高くなる場合というのは、たとえは、電池列５２のなかのいずれか一つの単電池５１に過充電や過放電が起きた場合、単電池５１内における内部抵抗が増大した場合、単電池５１内での短絡による電流増加の場合などが考えられる。このような場合に、その電池列５２の温度が他の電池列よりも急速に高くなる。そして、温度ヒューズ４１の回路遮断温度を超えたときに、そのような不具合の発生した電池列５２が回路から切り離される。
【００６４】
温度ヒューズ４１の回路遮断温度は、これら不具合発生時の温度とする必要がある。このため温度ヒューズ４１の回路遮断温度は、実際には、積層される電池集合体１の積層数、電極の面積、固体電解質層の厚さ、この組電池を収納するパッケージの構造、冷却機構など様々な条件により異なるので、適宜それらに合わせて不具合発生時に回路を遮断できる温度を設定することになる。
【００６５】
このように温度ヒューズ４１を用いたことで、回路から遮断された電池列５２はそれ以後充放電が行われなくなり、他の電池列に対して影響することがなくなる。これは、つまり、並列に接続された電池列のなかでいずれか一つでも不具合のある単電池が発生した場合には、その電池列ごと並列に接続する配線から切り離されることになる。したがって、不具合の状況が、たとえば、導通不良などの内部抵抗の増加時はもとより、短絡などが発生した場合でも並列に接続されている他の電池列をバイパスするような電流が流れることはなく、他の正常な電池列によって、組電池としての特性を維持することができる。
【００６６】
ここで、このようにして回路から遮断される電池列の数について説明する。
【００６７】
まず、本組電池が実際に製造される際に、その製造過程で起こりうる単電池単位での不良数を考える。工程上の不良は、金属粒子や微少なゴミなど汚染粒子によって発生することが多い。したがって、仮に汚染粒子の個数が同じであれば、１枚の電池集合体上における電極の数を増やすこと（分割数を多くすること）で、単電池として不良となる部分の面積を減らすことができる。
【００６８】
たとえば、電池集合体１の積層数が１００層で１枚の電池集合体１内部における不良単電池の発生率を３％とすると、電池集合体１枚当たりの電極分割数を４０分割にすれば、組電池全体の不良発生率は３／４０＝０．０７５となるので７．５％の不良率となる。
【００６９】
したがって、この不良率を下げるために、電極の分割数を多くすればよい。たとえば、電池集合体１の積層数が１００層の場合における組電池全体における内部の単電池の不良発生率を７％以下に抑えたければ、分割数を１００分割、５％以下に抑えたければ、分割数を１４０分割、３％以下に抑えたければ、分割数を２３４分割、２％以下に抑えたければ、分割数を３５０分割とすればよいことになる。
【００７０】
そして、この内部の単電池のける不良発生率を小さくすることで、不良発生時に正常に動作する単電池数が多くなり、また分割数を多くすることで、不良となる単電池によって構成される電極面積は小さくなるので、相対的に、正常に動作している部分の単電池による電極面積が多くなって、組電池全体として動作する電池の総容量を大きくすることができる。
【００７１】
（第２の実施形態）
前述した第１の実施形態では、温度ヒューズを用いて温度を検出することにより、異常のある電池列を切り離すようにしているが、本第２の実施形態は、制御手段として、温度ヒューズに代えて、電流の大きさによって作用する通常のヒューズを用いたものである。この通常のヒューズが電流測定手段および切り離し手段となる。なお、組電池の構成は温度ヒューズの代わりに通常のヒューズを設けただけで、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００７２】
図４は、この通常のヒューズ４２を設けた場合の組電池の等価回路図である。
【００７３】
このように通常のヒューズ４２を一つひとつの電池列５２に設けることで、各電池列５２に所定値以上の電流が流れた場合に回路からその電池列５２が切り離される。そして、ヒューズ４２は復帰することはないので、それ以後不具合の発生した電池列５２は回路から切り離されたままとなる。これにより、電池列５２のいずれかに、所定値を超えるような電流が流れた場合、その電池列は回路から切り離されて、以後充放電が行われなくなり、他の電池列に対して影響することがなく、組電池としての特性を維持することができる。
【００７４】
なお、ヒューズが切れる所定値は、積層される電池集合体１の積層数、電極の面積、固体電解質層の厚さなど様々な条件により、直列に接続されている電池列を通常の場合に流れる電流値が異なるので、適宜、不具合発生を判断できるような値、たとえば正常状態における電流の上限値がこの所定値となるヒューズを選択して使用することが好ましい。
【００７５】
（第３の実施形態）
本第３の実施形態は、制御手段として、電圧測定手段である電圧計と各電池列に設けられたスイッチを制御する切り離し手段となる制御回路を設けたものである。なお、組電池の構成は、制御手段の構成が異なるのみで、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００７６】
図５は、この電圧計および制御回路を設けた場合の組電池の等価回路図である。
【００７７】
この組電池では、電圧計６１および制御回路６２はいずれも組電池全体に少なくとも一つ設けられている。また、各電池列５２には各電池列５２を並列に接続する配線との間に制御回路６２によってオン／オフが制御されるスイッチ６３が設けられている。
【００７８】
電圧計６１は、回路全体の電圧が計測される位置に設けられている。
【００７９】
スイッチ６３としては、制御回路からの指令によりオン／オフするものであれば特に限定されない。
【００８０】
制御回路６２は、スイッチ６３のオン／オフを制御すると共に、記憶手段であるメモリ６７を内蔵しており、後述する動作によって電圧計の値から不具合のある電池列を回路から切り離す。記憶手段としては、不揮発性のメモリが好ましい。
【００８１】
この制御回路６２の動作は、全てのスイッチ６３に対して順次１つのスイッチ６３のみをオンにし、他のスイッチ６３はオフの状態にして、そのときの電圧計６１の値を、電池列５２ごとにメモリ６７に記録する。これにより、各電池列の電圧値が個別に測定されることになる。
【００８２】
そして、記録された各電池列５２の電圧値のなかで、あらかじめ決められた所定範囲外のとなるような電圧値の電池列につながるスイッチ６３をオフにして電気的に切り離し、所定範囲内の電圧値を記録した他の電池列につながるスイッチ６３をオンにする。
【００８３】
これにより、制御回路６２が、メモリ６７を参照することによって、電圧異常のあった電池列５２を回路から切り離すことになるので、切り離された電池列５２には充放電が行われなくなり、他の電池列に対して影響することがなく、組電池としての特性を維持することができる。
【００８４】
なお、所定範囲の電圧値は、積層される電池集合体１の積層数、電極の面積、固体電解質層の厚さなど様々な条件により、直列に接続されている電池列によって発生する電圧値が異なるので、適宜、不具合発生を判断できるような値、たとえば正常状態における電圧値の範囲をこの所定範囲として設定することが好ましい。
【００８５】
また、電圧の測定方法としては正極側の集電電極板２と負極側の集電電極板３に電圧測定用の配線を備えるとともに、該正極側の集電電極板２と負極側の集電電極板３の配線を各集電電極板のコネクタに集約し、該集約されたコネクタをハーネスなどで接続して電圧検出用の配線を形成し、該配線中に電圧検出手段を各々配置するようにしてもよい。
【００８６】
（第４の実施形態）
本第４の実施形態は、制御手段として、電圧測定手段である電圧計と電流測定手段である電流計と、各電池列に設けられたスイッチを制御する切り離し手段となる制御回路を設けたものである。なお、組電池の構成は、制御手段の構成が異なるのみで、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００８７】
図６は、この電圧計、電流計、および制御回路を設けた場合の組電池の等価回路図である。
【００８８】
この組電池では、電圧計７１と電流計７３および制御回路７２はいずれも組電池全体に少なくとも一つ設けられている。また、各電池列５２には各電池列５２を並列に接続する配線との間に制御回路７２によってオン／オフが制御されるスイッチ６３が設けられている。
【００８９】
電圧計７１は、回路全体の電圧が計測される位置に設けられている。
【００９０】
電流計７３は、回路全体の電流が計測される位置に設けられている。
【００９１】
制御回路７２は、スイッチのオン／オフを制御すると共に、記憶手段であるメモリ７７を内蔵しており、後述する動作によって電圧計７１および電流計７３の値から不具合のある電池列を回路から切り離す。記憶手段としては、不揮発性のメモリが好ましい。
【００９２】
この制御回路７２の動作は、全てのスイッチ６３に対して順次１つのスイッチ６３のみをオンにし、他のスイッチ６３はオフの状態にしてそのときの電圧計７１および電流計７３の値を、電池列５２ごとにメモリ７７に記録する。これにより、各電池列の電圧値および電流値が個別に測定されることになる。
【００９３】
そして、記録された各電池列５２の電圧値のなかで、あらかじめ決められた所定範囲の電圧値外となるような電圧値の電池列、およびあらかじめ決められた所定範囲の電流値外となるような電流値の電池列につながるスイッチ６３をオフにして電気的に切り離し、所定範囲内の電圧値および電流値を記録した他の電池列につながるスイッチ６３をオンにする。
【００９４】
これにより、制御回路７２が、メモリ７７を参照することによって、電圧異常および／または電流異常のあった電池列を回路から切り離すことになるので、切り離された電池列には充放電が行われなくなり、他の電池列に対して影響することがなく、組電池としての特性を維持することができる。
【００９５】
なお、所定範囲の電圧値および電流値は、積層される電池集合体１の積層数、電極の面積、固体電解質層の厚さなど様々な条件により、直列に接続されている電池列によって発生する電圧値および電流値が異なるので、適宜、不具合発生を判断することのできるような値、たとえば正常状態における電圧値および電流値の範囲をこの所定範囲として設定することが好ましい。
【００９６】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００９７】
たとえば、上述した実施形態における組電池の構成は、複数の電池集合体を積層して複数の単電池が直列に接続された電池列を構成し、それをさらに並列に接続する形態としたが、これに変えて、１枚の電池集合体のみを用いて、その上に形成されている単電池を互いに並列に接続した組電池であってもよい。また、このような１枚の電池集合体（すなわち複数の単電池が並列に接続された組電池）をさらに直列に接続した形態であってもよい。これらの場合であっても、上述した実施形態と同様に、単電池同士の特性ばらつきがほとんどないため並列接続時の充放電サイクル寿命の劣化はほとんどなく、かつ、制御手段を同じように設けることで、不具合の起きた単電池を回路から切り離して他の単電池への影響を無くすることができる。
【００９８】
また、上述した第３および第４の実施形態では、図示（図５および図６）する場合には、複数の電池列に対して電圧計、電流計、および制御回路を一つとして示したが、これは、組電池全体としては必ずしも一つである必要はなく、一つの組電池のなかで、複数の電池列を一組としてそれらに対して一つの電圧計、電流計、および制御回路を用い、組電池全体としては、複数の電圧計、電流計、および制御回路が存在するようにしてもよい。
【００９９】
さらに、上述した実施形態では、制御手段を正極側の集電電極板に設けたが、これは当然、負極側に設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明の組電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電力を駆動源であるモータの電力として用いる車両の電池として好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明による組電池の分解斜視図である。
【図２】図１中における矢印Ａで示す方向の１列分を概念的に示した分解斜視図である。
【図３】第１の実施形態における組電池の等価回路図である。
【図４】第２の実施形態における組電池の等価回路図である。
【図５】第３の実施形態における組電池の等価回路図である。
【図６】第４の実施形態における組電池の等価回路図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１…電池集合体、
２…正極側の集電電極板、
３…負極側の集電電極板、
４…制御手段、
１１…固体電解質膜、
１２…正極、
１３…負極、
２１、３１…絶縁基板、
２２、３２…集電電極、
２３、３３…配線、
２５…組電池電極、
４１…温度ヒューズ、
４２…ヒューズ、
５１…単電池、
５２…電池列、
６１、７１…電圧計、
６２、７２…制御回路、
６３…スイッチ、
７６、７７…メモリ。
【図１】
0004720083.tif 000002
【図２】
0004720083.tif 000003
【図３】
0004720083.tif 000004
【図４】
0004720083.tif 000005
【図５】
0004720083.tif 000006
【図６】
0004720083.tif 000007