DE60314825T2

DE60314825T2 - Batteriestapel mit Anschlussfahnen zur Messung der Einzelzellspannung

Info

Publication number: DE60314825T2
Application number: DE60314825T
Authority: DE
Inventors: Yasunari Yokosuka-shi Hisamitsu; Tatsuhiro Yokosuka-shi Fukuzawa; Kouichi Zushi-shi Nemoto; Yasuhiko Yokosuka-shi Ohsawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2023-07-16
Also published as: US20040038123A1; EP1422769B1; CN1285132C; CN1487612A; JP2004087238A; DE60314825D1; EP1422769A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stapelbatterie und ein zugehöriges Verfahren und insbesondere auf eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren, die eine Spannung für jede Einzelzelle messen können.
In jüngster Zeit wurde eine Reduzierung beim Ausstoß von Kohlendioxid für den Umweltschutz ernsthaft verlangt. Auf dem Automobilsektor wurde eine Reduzierung bei der Emission von Kohlendioxid durch die Einführung von Elektrofahrzeugen (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) dringend erwartet und eine Forschungs- und Entwicklungsarbeit gewissenhaft durchgeführt, um eine Motorantrieb-Sekundärbatterie bereitzustellen, die eine Eigenschaft aufweist, um in eine praktische Verwendung zu gelangen. Bei der Sekundärbatterie wurde das Hauptaugenmerk auf eine Lithiumbatterie (Lithiumionenbatterie) gerichtet, die eine hohe Energiedichte und eine hohe Energieausgabedichte erzielen kann.
Um insbesondere bei der Sekundärbatterie eine hohe Energieabgabe sicherzustellen, um in einem Automobilfahrzeug angewendet zu werden, gab es einen Vorschlag, eine Stapelbatterie vorzusehen, die aus einer Mehrzahl von Sekundärbatterien ausgebildet ist (wobei jede Batterie nachfolgend als eine Einzelzelle bezeichnet wird), die in Reihe geschaltet sind.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-250741 bezieht sich auf einen Widerstand, der sich auf einem technischen Gebiet von einer Batterie unterscheidet, aber einen Aufbau offenbart, bei dem bei einem elektrischen Stapel-Doppelschichtwiderstand, der aus einer Mehrzahl von gestapelten Widerständen zusammengesetzt ist, Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsamen Spannung an jedem der Mehrzahl der Widerstände für die Messung der gemeinsam genutzten Spannungen ausgebildet sind.
WO 00/41253 offenbart einen Batteriestapel, der eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweist, die Lithiumionen-Zellen sein können. Jede Einzelzelle weist einen Anoden-Anschluss und einen Kathoden-Anschluss auf. Die Einzelzellen sind über die Anschlüsse mit einer Platine verbunden. Gemäß der Ausführungsform von 3a und 3b ist eine Anordnung von drei Einzelzellen und gemäß der Ausführungsform von 4a–4c ist eine Anordnung von vier Einzelzellen dargestellt. Die Einzelzellen sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. Die Anschlüsse, die die Einzelzellen verbinden, ragen seitlich heraus und sind geeignet, um die Spannung zwischen den Einzelzellen zu messen.
US-A-6 120 935 offenbart einen Akkumulator, der zumindest zwei geschichtete Elektroden aufweist. Die Ausführungsform von 3–5 zeigt eine Anordnung, bei der drei Einzelzellen unter Verwendung von Anschlüssen und Verbindungskörpern miteinander in Reihe geschaltet sind.
US 2002/012833 A1 offenbart eine Monoblock-Bauform mit einem verbesserten Wärmemanagement und einer verbesserten baulichen Integrität. Diese Referenz lehrt eine Monoblock-Batterie, die Lithiumionen-Zellen verwenden kann. Die Ausführungsform gemäß 4 und 5 zeigt eine Anordnung von 10 Zellen, die durch einen Verbindungs-Abstandshalter verbunden sind. US-B-6 278 2801 offenbart eine Mehrfachzellen-Batterie, die einen Schaltkreis umfasst, die eine Funktion zur Verhinderung einer Überladung einer Einzelzelle aufweist.
Schließlich offenbart EP-A-0 932 240 eine Mehrfachzellen-Fahrzeug-Lithiumbatterie, die auf die Lösung des Problems der Veränderung bei Aufladungen der Batterie abzielt. Zu diesem Zweck schlägt die Referenz vor, die Batteriemodule unter die Sitze eines Fahrzeugs zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach von den vorliegenden Erfindern durchgeführten Studien ist es hierbei für die Stapelbatterie vorteilhaft, den jeweiligen Einzelzellen idealistisch zu ermöglichen, Spannungen gemeinsam zu nutzen, um ein Verhältnis der (Ladespannung)/(Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelzellen) bereitzustellen.
In der gegenwärtigen Praxis tritt jedoch eine Veränderung beim internen Widerstand und der Kapazität für die Einzelzelle auf und daher findet eine Schwankung bei den von den jeweiligen Einzelzellen gemeinsam genutzten Spannungen statt. Als Folge davon geht eine Alterung von der Einzelzelle aus, deren gemeinsam genutzte Spannung hoch ist, und es ist absehbar, dass eine Lebensdauer der Stapelbatterie dazu neigt, durch die Einzelzelle mit einer so hohen gemeinsam genutzten Spannung begrenzt zu werden.
Um ein solches Phänomen zu meistern, ist ein Aufbau erforderlich, um die von den jeweiligen Einzelzellen gemeinsam genutzten Spannungen unbedingt zu steuern/zu regeln, damit alle Einzelzellen die Spannungen einheitlich gemeinsam nutzen können. Zu diesem Zweck ist es notwendig, Elektroden bereitzustellen, um die Spannungen der Einzelzellen eine nach der anderen zu messen.
Wenn man den offenbarten Aufbau in der offen gelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-250741 studiert, gibt es hierin einen großen Unterschied beim Elektrodenkomponentenmaterial, beim Aufladungs- und Entladungsmechanismus und der Kapazität zwischen dem Kondensator und der Batterie und dadurch ist es schwierig, eine Technologie des Kondensators einfach auf die Batterie anzuwenden.
Vor allem bei der Batterie, die aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zusammengesetzt ist, wurde eingesehen, dass eine Möglichkeit besteht, da ein Abstand zwischen den Elektroden für jede Einzelzelle extrem kurz ist und daraus ein kurzer Abstand zwischen benachbarten Elektrodenzungen für eine Messung der gemeinsam genutzten Spannung resultiert, dass ein beidseitiger Kontakt oder eine beidseitige Leitung auftritt. Insbesondere im Falle der Sekundärbatterie wurde eingesehen, dass, da eine elektrische Energie durch eine chemische Reaktion kontinuierlich abgeleitet wird und die Batterie dazu neigt, wenn eine solche Situation zufällig eintritt, die Energieabgabe kontinuierlich bereitzustellen, die sich vom Kurzschluss des Kondensators unterscheidet, nicht nur der kurzgeschlossene Bereich, sondern auch die Batterie als Ganzes nachteilig beeinflusst werden.
Obwohl es denkbar ist, dass eine Oberfläche der Elektrodenzunge für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung mit einem Kontakt-Isolationsschutzfilm beschichtet wird, um diese Mitleidenschaft zu vermeiden, wurde eingesehen, dass nur der Bereich der Elektrodenzunge für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung dick wird, und eine Tendenz besteht, dass eine verminderte Abdichtungseigenschaft und Raumausnutzung eintritt.
In einem Fall, bei dem die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung vorgesehen sind, ist es denkbar, dass ein Abstand zwischen den Zungen zu klein ist, wenn der Spannungsmessungssockel oder die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit auf den Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung platziert werden, woraus eine Tendenz resultiert, dass eine komplizierte Verdrahtungsanordnung beim Spannungsmessungssockel oder der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit entsteht.
Daher wurde die vorliegende Erfindung nach den oben dargelegten Untersuchungen durch die vorliegenden Erfinder ausgeführt und hat zur Aufgabe, eine Stapelbatterie und deren zugehöriges Verfahren bereitzustellen, die eine Spannung für jede Einzelzelle messen können.
Um eine solche Aufgabe zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Stapelbatterie gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren einer Stapelbatterie nach Anspruch 21.
Andere und weitere Merkmale, Vorzüge und Nutzen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung klarer ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
2 ist eine Seitenansicht der bipolaren Stapelbatterie, aus einer durch einen Pfeil A in 1 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
3 ist eine Querschnittsansicht der bipolaren Stapelbatterie an einer Linie X-X von 1 der Ausführungsform;
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau jedes Stromkollektors der Ausführungsform darstellt;
5 ist eine Draufsicht, die die Aufbauten der jeweiligen Stromkollektoren der in 3 der Ausführungsform dargestellten bipolaren Stapelbatterie zeigt;
6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform darstellt;
7 ist eine Seitenansicht der bipolaren Stapelbatterie aus einer durch einen Pfeil B in 6 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
8 ist eine Draufsicht, die die Aufbauten der jeweiligen Stromkollektoren der in 6 der Ausführungsform gezeigten bipolaren Stapelbatterie darstellt;
9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform darstellt;
10A ist eine Seitenansicht der bipolaren Stapelbatterie aus einer durch einen Pfeil C in 9 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
10B ist eine Seitenansicht der bipolaren Stapelbatterie aus einer durch einen Pfeil D in 9 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
11 ist eine Draufsicht, die Aufbauten der jeweiligen Stromkollektoren der in 9 der Ausführungsform gezeigten bipolaren Stapelbatterie darstellt;
12 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer erfindungsgemäßen vierten Ausführungsform darstellt;
13 ist eine Seitenansicht einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil E in 12 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
14 ist ein Schaltplan eines Strom-Bypassschaltkreises der in 13 der Ausführungsform gezeigten Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit;
15 ist ein Schaltplan, der den Strom-Bypassschaltkreis in der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit der Ausführungsform vereinigt;
16 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform darstellt;
17 ist eine Seitenansicht einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil F in 16 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
18 ist eine perspektivische Ansicht, die einen externen Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer erfindungsgemäßen sechsten Ausführungsform darstellt;
19A ist eine Seitenansicht einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil G in 18 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
19B ist eine Seitenansicht einer weiteren Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil H in 18 der Ausführungsform gesehenen Richtung;
20 ist eine perspektivische Ansicht, die einen externen Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie einer erfindungsgemäßen siebten Ausführungsform darstellt;
21 ist eine Querschnittsansicht der bipolaren Stapelbatterie an einer Linie Y-Y von 20 der Ausführungsform;
22 ist eine Draufsicht, die die Aufbauten der in 21 der Ausführungsform gezeigten Stromkollektoren darstellt; und
23 ist eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Fahrzeugs einer erfindungsgemäßen achten Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren jeder erfindungsgemäßen Ausführungsform mit entsprechendem Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Ferner bilden in der Zeichnung eine Achse D1, eine Achse D2 und eine Achse D3 ein rechtwinkliges Koordinatensystem.
(Erste Ausführungsform)
Als erstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform detailliert mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine äußeren Aufbau einer plattenartigen bipolaren Stapelbatterie (die einfach als „Stapelbatterie", bipolare Batterie oder der gleichen bezeichnet werden kann) der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt und 2 ist eine Seitenansicht der Batterie aus einer durch einen Pfeil A in 1 gesehenen Richtung.
Wie in 1 und 2 dargestellt, ist die bipolare Stapelbatterie, obwohl dies später detailliert beschrieben wird, aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zusammengesetzt, die miteinander in Reihe geschaltet und in einer Richtung parallel zur Achse D3 gestapelt sind.
Dann werden Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 mit Stromkollektoren der jeweiligen Einzelzellen verbunden, die die bipolare Batterie 1 bilden, damit die Spannungen der Einzelzellen entsprechend gemessen werden können. Die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 liegen so, um zu verhindern, dass zumindest benachbarte Elektrodenzungen auf der gleichen horizontalen Richtung liegen, und die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung sind insbesondere versetzt (sodass in einem Fall, bei dem die Elektroden zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 gleich groß sind, die Elektrodenzungen in einem gleichweit entfernt versetzt zueinander angeordnet sind) auf einer Seitenwand S der bipolaren Batterie 1 entlang einer Länge davon (in einer parallelen Richtung zur Achse D1) angeordnet, um zu verhindern, dass die Elektrodenzungen einander in einer Stapelrichtung (in einer parallelen Richtung zur Achse D3) der jeweiligen Einzelzellen der bipolaren Batterie 1 überlappen. Insbesondere hinsichtlich der Elektrodenzunge für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 11 ist die Elektrodenzunge 11 üblicherweise von der Elektrodenzunge für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 um ca. eine Breite W versetzt in einer Richtung D1 angeordnet. Außerdem kann die Anzahl der Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung entsprechend in Abhängigkeit von der Anzahl der Stapel der Einzelzellen bestimmt werden.
Ferner sind Hauptstromkreis-Elektrodenzungen 19 und 20 mit den an beiden Enden der bipolaren Batterie angeordneten Stromkollektoren verbunden, die sich aus einem Batteriegehäuse 45 nach außen erstrecken.
3 ist eine schematische Ansicht, die einen inneren Aufbau der bipolaren Batterie 1 in einem Querschnitt an der Linie X-X von 1 darstellt.
Wie in 3 dargestellt, weist die bipolare Batterie 1 eine bipolare Elektrode 30, die aus einer aktiven Materialschicht 32 einer positiven Elektrode, einem Stromkollektor 31 und einer aktiven Materialschicht 33 einer negativen Elektrode zusammengesetzt ist, die in einer solchen Reihenfolge geschichtet sind, und eine feste Polymerelektrolytschicht 40 (die lediglich als eine „feste Elektrolytschicht" oder so ähnlich bezeichnet werden kann) auf, die zwischen der aktiven Materialschicht 32 der positiven Elektrode eines Paars der bipolaren Elektroden 30, 30 und der aktiven Materialschicht 33 der negativen Elektrode des anderen Elektrodenpaars eingeschoben ist. Im Grunde weist jede Einzelzelle U ein Paar von bipolaren Elektroden 30, 30 auf, die aus dem Stromkollektor 31 und der aktiven Materialschicht 32 der positiven Elektrode von einem des bipolaren Elektrodenpaars, dem Stromkollektor 31 und der aktiven Materialschicht 33 der negativen Elektrode des anderen bipolaren Elektrodenpaars und der festen Elektrolytschicht 40 zusammengesetzt ist, das zwischen einer solchen aktiven Materialschicht 32 einer positiven Elektrode und der aktiven Materialschicht 33 der negativen Elektrode eingeschoben ist.
Das heißt, dass die bipolare Batterie 1 so aufgebaut ist, um n-Teile von bipolaren Elektroden 30, die n-Teile von Stromkollektoren 31 umfassen, von denen jeder die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung aufweist, und mit der aktiven Materialschicht 32 der positiven Elektrode und der aktiven Materialschicht 33 der negativen Elektrode ausgebildet ist, und (n + 1)-Teile von festen Elektrolytschichten 40 derart zu umfassen, dass die n-Teile der bipolaren Elektroden 30 und die (n + 1)-Teile der festen Elektrolytschichten 40 abwechselnd in einem Stapel geschichtet sind. Darüber hinaus sind die Stromkollektoren 31, 31 auf den äußersten festen Polymerelektrolytschichten 40, 40 entsprechend geschichtet und zudem sind die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsamen genutzten Spannung auch auf den Stromkollektoren 31, 31 ausgebildet, die entsprechend auf den äußersten Schichten liegen. Außerdem sind die äußersten Stromkollektoren 31, 31 mit den zugehörigen Hauptstromkreis-Elektrodenzungen 19 und 20 verbunden, durch die die Stromkollektoren 31, 31 mit einem externen Schaltkreis (nicht dargestellt) verbunden sind. Hierbei ist nur die aktive Materialschicht der negativen Elektrode 33 auf dem äußersten Stromkollektor 31 ausgebildet, mit dem die Hauptstromkreis-Elektrodenzunge 19 verbunden ist, und nur die aktive Materialschicht der positiven Elektrode 32 auf dem äußersten Stromkollektor 31 ausgebildet, mit dem die Hauptstromkreis-Elektrodenzunge 20 verbunden ist.
Ferner kann die Anzahl n der Teile, das heißt die Anzahl der Stapel der bipolaren Elektroden 30, in Bezug auf die Anzahl der Stapel, die die Einzelzelle U bilden, in Abhängigkeit von einer gewünschten Spannungsausgabe angepasst werden. Wenn eine adäquate Leistungsabgabe selbst bei der Präsenz der plattenartigen bipolaren Batterie 1 mit einer extrem dünn hergestellten Dicke erhöht werden kann, könnte es möglich sein, die Anzahl der Stapel der bipolaren Elektroden in Bezug auf die Anzahl der Stapel zu verringern, die die Einzelzelle U bilden. Obwohl in der Figur n typischerweise gleich 7 gewählt wurde, ist die vorliegende Erfindung ferner natürlich nicht auf eine solche Anzahl beschränkt.
Aufgrund der Notwendigkeit, dass verhindert werden muss, dass die bipolare Batterie 1 einem Einfluss von außen und einer Umgebungsverschlechterung während dem Einsatz der bipolaren Batterie 1 ausgesetzt ist, ist es erwünscht, dass ein gestapelter Körper der plattenartigen Einzelzellen U von einem plattenartigen Batteriegehäuse 45 umgeben ist. Das Batteriegehäuse 45 kann vorzugsweise aus Metall, wie z. B. Aluminium, Edelstahl Nickel und Kupfer ausgebildet sein, und weist eine innere Oberfläche auf, die mit einem Isolierungselement wie z. B. einem Polypropylenfilm beschichtet ist.
Darüber hinaus wird die bipolare Batterie 1 in einer Lithiumionen-Sekundärbatterie eingesetzt, die eine Aufladung und Entladung durch einen Transfer von Lithiumionen erreicht. Wenn es jedoch möglich ist, vorteilhafte Effekte, wie z. B. eine Verbesserung bei der Batterieeigenschaft zu erreichen, ist es nicht störend, dass die bipolare Batterie bei anderen Arten von Batterien eingesetzt wird.
Nachfolgend wird ein Aufbau der bipolaren Batterie 1 beschrieben.
Bipolare Elektrode
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer bipolaren Elektrode in 3 darstellt.
In 4 weist die bipolare Elektrode 30 einen Aufbau, wobei die aktive Materialschicht 32 der positiven Elektrode auf einer Oberfläche des Stromkollektors 31 ausgebildet ist, dessen andere Oberfläche mit der aktiven Materialschicht 33 der positiven Elektrode ausgebildet ist, das heißt, einen Aufbau auf, wobei die aktive Materialschicht 32 der positiven Elektrode, der Stromkollektor 31 und die aktive Materialschicht 33 der negativen Elektrode in dieser Reihenfolge geschichtet sind.
Im Gegensatz zu einer solchen bipolaren Elektrode 30 ist eine Batterie, die aus gewöhnlichen Elektroden zusammengesetzt ist, die keine bipolaren Elektroden sind, so aufgebaut, dass im Falle einer seriellen Verbindung der Einzelzellen der Stromkollektor der positiven Elektrode und der Stromkollektor der negativen Elektrode miteinander über einen Verbindungsbereich (wie z. B. eine Verdrahtung) miteinander verbunden sind. Bei einer solchen Batterie wird der Verbindungswiderstand im Verbindungsbereich erzeugt, der eine Verschlechterung bei der Leistungsabgabe zu verursachen pflegt. Auch im Hinblick auf eine Miniaturisierung eines Batteriemoduls führt eine spezifische Fläche, wie z. B. der Verbindungsbereich, der mit einem Bauteil ohne direkte Assoziation mit einem elektrischen Energieerzeugungsvermögen versehen ist, zu einer Schwierigkeit und ferner zu einem solchen Ausmaß, dass eine Tendenz besteht, dass eine Verschlechterung einer Energiedichte des Batteriemoduls als Ganzes besteht.
Da im Gegensatz dazu bei der bipolaren Elektrode 30 kein Verbindungsbereich zwischen den Elektroden besteht, die gegenseitig in Reihe geschaltet sind, ist es möglich, eine Verschlechterung bei der Leistungsabgabe aufgrund des Widerstands des Verbindungsbereichs zu minimieren. Außerdem kann aufgrund des Fehlens des Verbindungsbereichs eine Miniaturisierung des Batteriemoduls erreicht werden. Ferner ist es bis zu dem Umfang möglich, der aus dem Fehlen des Verbindungsbereichs resultiert, eine Energiedichte des Batteriemoduls als Ganzes zu verbessern.
Die bipolare Batterie 1 kann aus einem festen Polymerelektrolyt ausgebildet sein, der zumindest entweder auf der aktiven Materialschicht 32 der positiven Elektrode oder der aktiven Materialschicht 33 der negativen Elektrode angeordnet ist. Somit wird durch Einfüllen des festen Polymerelektrolyts in einen Zwischenraum zwischen den aktiven Materialien der aktiven Materialschichten ein gleichmäßiger Ionentransfer in der aktiven Materialschicht erreicht, was zu einer Verbesserung einer Leistungsabgabe der bipolaren Batterie als Ganzes führt.
Stromkollektor
5 ist eine Draufsicht, die die Anordnungen von Stromkollektoren 31, die für die bipolare Elektrode 30 der bipolaren Batterie 1 verwendet werden, mit den Stromkollektoren darstellt, die in einer in geeigneter Weise angeordneten angrenzenden Anordnungsbeziehung der Reihe nach vom obersten Stromkollektor 31 gezeigt sind, während die Bezugszeichen 110 bis 118 in einer sequenziellen Reihenfolge für die Stromkollektoren 31 vergeben wurden.
Wie in 5 dargestellt, weisen die Stromkollektoren 31, das heißt die Stromkollektoren 110 bis 118, Elektrodenzungen zur Messung der der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 auf, die an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, um in Bezug zueinander, wie oben zuvor beschrieben, nicht zu überlappen. Darüber hinaus sind die äußersten Stromkollektoren 110 und 118 mit den Hauptstromkreis-Elektrodenzungen 19 bzw. 20 ausgebildet, die sich entgegengesetzt in eine Richtung erstrecken, die unterschiedlich zu der ist, in die sich die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 erstrecken, das heißt, üblicherweise in senkrechte Richtungen, die die Richtungen kreuzen, entlang denen sich die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 erstrecken. Außerdem sind die Stromkollektoren 113 bis 160 mit den Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 13 bis 16 den anderen restlichen Stromkollektoren, mit Ausnahme der Positionen, an denen die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 13 bis 16 ausgebildet sind, strukturell ähnlich, und daher werden die Stromkollektoren 113 bis 116 hier weggelassen.
Beim Schichten der bipolaren Elektroden unter Verwendung dieser Stromkollektoren 110 bis 118 können, wie in 1 und 2 dargestellt, die Positionen der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 entlang einer Länge der Seitenfläche der bipolaren Batterie 1 versetzt zueinander angeordnet werden, um in Bezug zueinander nicht zu überlappen.
Selbst wenn die Einzelzelle U mit der verringerten Dicke vorliegt, besteht demzufolge keine Wahrscheinlichkeit, dass ist vorkommt, dass die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 gegenseitig in Kontakt miteinander gebracht werden, was einen Kurzschluss zur Folge hat. Aufgrund des Vorliegens der Lageanordnung der Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 per se in der oben dargestellten Art und Weise, wird daneben verhindert, dass diese Elemente gegenseitig in Kontakt miteinander gebracht werden und daher besteht keine Notwendigkeit einen Isolierungsfilm für nicht kontaktierende Zwecke auf eine der Oberflächen der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 zu kleben. Dadurch ist es möglich, zu verhindern, dass die Batterie dicker wird.
Aktive Materialschicht der positiven Elektrode
Die aktive Materialschicht 32 der positiven Elektrode kann zusätzlich zum aktiven Material der positiven Elektrode einen festen Polymerelektrolyt umfassen. Zusätzlich zu diesen Elementen können Zusätze Lithiumssalz oder ein die Leitfähigkeit förderndes Mittel zur Erhöhung einer Ionenleitfähigkeit umfassen.
Als positives Elektrodenmaterial können Mischoxide verwendet werden, die aus Übergangsmetallen und Lithium zusammengesetzt sind, und in einer Lösungsmittel-Lithiumionenbatterie eingesetzt werden. Insbesondere enthalten diese Li-Co-Mischoxide, wie z. B. LiCoO₂, Li-Ni-Mischoxide, wie z. B. LiNiO₂, Li-Mn-Mischoxide, wie z. B. LiMn₂O₄ eines Spinelltyps, und Li-Fe-Mischoxide, wie z.B. LiFeO₂. Darüber hinaus können diese Verbindungen ferner Phosphatmischungen, wie z. B. LiFePO₄, das aus Übergangsmetallen und Lithium zusammengesetzt ist, Sulfatmischungen, Übergangsmetalloxide, wie z. B. V₂O₅, MnO₂, TiS₂, MoS₂ und MoO₃, Sulfide, PbO₂, AgO und NiOOH enthalten.
Das aktive Material der positiven Elektrode kann vorzugsweise eine Partikelgröße aufweisen, die kleiner als ein Partikeldurchmesser eines Materials ist, dass in der Lösungsmittel-Lithiumionenbatterie üblicherweise verwendet wird, wobei der Elektrolyt zum Zwecke der Minimierung des Elektrodenwiderstands der bipolaren Batterie Nicht fest ist. Insbesondere kann ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des aktiven Materials der positiven Elektrode in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 μm fallen.
Der enthaltene feste Polymerelektrolyt kann nicht auf bestimmte Polymermaterialien beschränkt werden, sofern das Polymer eine Ionenleitfähigkeit aufweist. Polymer, das die Ionenleitfähigkeit aufweist, kann Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO) und ein Copolymer dieser Materialien enthalten. Ein solches Polyalkenoxid-Polymer kann Lithiumssalze, wie z. B. LiBF₄, LiPF₆, LiN(SO₂CF₃)₂ und LiN(SO₂C₂F₅)₂ lösen. Ferner stellt eine Bildung einer Brückenstruktur eine sehr hohe mechanische Festigkeit bereit. Obwohl ein solcher fester Polymerelektrolyt zumindest entweder in der aktiven Materialschicht der positiven Elektrode oder der aktiven Materialschicht der negativen Elektrode enthalten sein kann, damit die bipolare Batterie eine weiter verbesserte Batterieeigenschaft aufweisen kann, können sowohl die aktive Materialschicht der positiven Elektrode als auch die aktive Materialschicht der negativen Elektrode vorzugsweise einen festen Polymerelektrolyt enthalten.
Als enthaltene Lithiumionensalze können Verbindungen, wie z. B. LiBF₄, LiPF₆, LiN(SO₂CF₃)₂ und LiN(SO₂C₂F₅)₂ oder eine Mischung dieser Verbindungen eingesetzt werden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Verbindungen beschränkt.
Das enthaltene Mittel zur Förderung der Leitfähigkeit kann schwarzes Azetylen, Ruß und Graphit enthalten. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Verbindungen beschränkt.
Ferner wird ein Anteil des aktiven Materials der positiven Elektrode, des festen Polymerelektrolyts, des Lithiumssalzes und des Mittels zur Förderung der Leitfähigkeit unter Berücksichtigung von Einsatzzwecken (mit einer ernsthaften Rücksicht auf die Leistungsabgabe und Energie) bestimmt. Wenn der Anteil des enthaltenen festen Polymerelektrolyts in der aktiven Materialschicht zu klein wird, resultiert daraus eine Verschlechterung einer Batterieleistung. Wenn im Gegensatz dazu der Anteile des festen Polymerelektrolyts im der aktiven Materialschicht zu groß wird, tritt ebenfalls eine Verschlechterung bei einer Energiedichte der Batterie auf. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wird demzufolge die Menge des festen Polymerelektrolyts angemessen bestimmt, um die beabsichtigten Einsatzzwecke zu erfüllen.
Um eine bipolare Batterie herzustellen, die darauf abzielt, eine hohe Priorität bei einer Batterie-Reaktionseigenschaft unter Verwendung des festen Polymerelektrolyts (mit einer Ionenleitfähigkeit: 10^–5 bis 10^–4 S/cm) zu haben, wird der elektronische Leitungswiderstand zwischen den aktiven Materialspartikeln durch Erhöhung der Menge des Mittels für die Förderung der Leitfähigkeit oder Verringerung einer ersichtlichen Dichte des aktiven Materials vorzugsweise auf einem niedrigen Niveau aufrechterhalten. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, dass Abstände vergrößert werden, damit der feste Polymerelektrolyt in diese Abstände eingeführt werden kann, um dadurch den Anteil des enthaltenen festen Polymerelektrolyts zu erhöhen.
Ferner ist eine Dicke der aktiven Materialschicht der positiven Elektrode nicht besonders beschränkt und sollte, wie zuvor mit Bezug auf den Anteil beschrieben, unter Berücksichtigung der Einsatzzwecke (mit der Rücksicht auf die Leistungsabgabe und Energie) und der Ionenleitfähigkeit bestimmt werden. Üblicherweise kann die Dicke der aktiven Materialschicht der positiven Elektrode in einen Bereich von ca. 10 bis 500 μm fallen.
Aktive Materialschicht der negativen Elektrode
Die aktive Materialschicht 33 der negativen Elektrode kann zusätzlich zum aktiven Material der negativen Elektrode einen festen Polymerelektrolyt umfassen. Zusätzlich zu diesen Verbindungen können Lithiumionensalze und ein Mittel zur Förderung der Leitfähigkeit auch enthalten sein, um die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen. Die Elemente mit Ausnahme des Bestandteils des aktiven Materials der negativen Elektrode sind im Gehalt grundsätzlich ähnlich zu denen, die in Verbindung mit dem aktiven Material der positiven Elektrode beschrieben wurden.
Obwohl es möglich ist, die aktiven Materialien der negativen Elektroden einzusetzen, die bei der Lösungsmittel-Lithiumionenbatterie eingesetzt werden, können als aktives Material der negativen Elektrode Metalloxide oder Mischoxide bevorzugt werden, die aus Metallen und Lithium zusammengesetzt sind, wenn der Gesichtspunkt einer Reaktionseigenschaft des festen Polymerelektrolyts besonders zu berücksichtigen ist. Noch vorteilhafterweise kann das aktive Material der negativen Elektrode Übergangsmetalloxide oder Mischoxide enthalten, die aus Übergangsmetallen und Lithium zusammengesetzt sind. Noch vorteilhafterweise kann das aktive Material der negativen Elektrode Titanoxid oder Mischoxide enthalten, die aus Titan und Lithium zusammengesetzt ist.
Darüber hinaus kann als aktives Material der negativen Elektrode zusätzlich zu den oben genannten Verbindungen vorzugsweise auch Kohlenstoff eingesetzt werden. Wenn Kohlenstoff als aktives Material der negativen Elektrode eingesetzt wird, stellt die Einführung von Lithiumionen eine Fähigkeit bereit, eine hohe Batteriespannung zu erzielen, die identisch zu der ist, die das aus Lithium zusammengesetzte aktive Material der negativen Elektrode umfasst. Der eingesetzte Kohlenstoff kann vorzugsweise harten Kohlenstoff umfassen. Da harter Kohlenstoff bewirkt, dass die bipolare Batterie, hinsichtlich der Schwankung in einem geladenen Zustand, eine größere Spannungsschwankung als die aufweist, die Graphit einsetzt, ermöglicht die Spannungsschwankung, dass der geladene Zustand vorausberechnet werden kann. Demzufolge ist es zwecklos, einen Aufwand oder eine Vorrichtung für einen solchen Zweck der Berechnung des geladenen Zustands aus einer elektrischen Variablen bereitzustellen und eine Aufladungs-Steuerung/-Regelung der Einzelzelle und eine Vorrichtung dafür können in einem vereinfachten Aufbau erzielt werden.
Feste Polymerelektrolytschicht
Die feste Polymerelektrolytschicht 40 ist aus einer Schicht hergestellt, die aus einem Polymer mit einer Ionenleitfähigkeit zusammengesetzt ist und es ist keine Beschränkung auf ein bestimmtes Material beabsichtigt, sofern es die Ionenleitfähigkeit vorweist.
Als fester Polymerelektrolyt, kann ein fester Polymerelektrolyt, wie z. B. Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO) und ein Copolymer dieser Verbindungen berücksichtigt werden.
Ferner können in der festen Polymerelektrolytschicht 40 Lithiumssalze enthalten sein, um die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen. Die Lithiumssalze können LiBF₄, LiPF₆, LiN(SO₂CF₃)₂ und LiN(SO₂C₂F₅)₂ oder eine Mischung dieser Verbindungen umfassen. Jedoch sind die Lithiumssalze nicht auf diese Verbindungen beschränkt. Ein Polyalkenoxidpolymer kann Lithiumssalze wie z. B. LiBF₄, LiPF₆, LiN(SO₂CF₃)₂ und LiN(SO₂C₂F₅)₂ lösen. Außerdem stellt die Bildung einer Brückenstruktur eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit bereit.
Obwohl der feste Polymerelektrolyt möglicherweise in der festen Polymerelektrolytschicht, der positiven Elektrode und der aktiven Materialschicht der negativen Elektrode enthalten sein kann, kann ein identischer fester Polymerelektrolyt eingesetzt werden und ein fester Polymerelektrolyt, der für jede Schicht unterschiedlich ist, verwendet werden.
Die Dicke der festen Polymerelektrolytschicht 40 ist nicht besonders beschränkt. Um jedoch eine kompakte bipolare Batterie 1 zu erhalten, ist es für die feste Polymerelektrolytschicht 40 vorteilhaft, eine extrem dünne Dicke bis zu dem Umfang aufzuweisen, um eine Funktion der Elektrolytschicht sicherzustellen. Üblicherweise weist die feste Polymerelektrolytschicht eine Dicke von ca. 5 bis 200 μm auf.
Im Übrigen ist das Polymer für den festen Polymerelektrolyt, das derzeit und vorzugsweise verwendet wird, ein Polymer wie z. B. PEO und PPO. Daher weist der näher an der positiven Elektrode liegende feste Polymerelektrolyt unter einer Hochtemperaturbedingung eine geringere Oxidationsbeständigkeitstendenz auf. Demzufolge wird ein Polymer dieses Typs üblicherweise in der Lösungsmittel-Lithiumionenbatterie verwendet. Wenn das Agens der positiven Elektrode mit einem hohen Oxidations-Reduktionspotenzial eingesetzt wird, ist es für eine Kapazität der negativen Elektrode vorteilhaft, vorzugsweise niedriger als die der positiven Elektrode zu sein, die der negativen Elektrode über die feste Polymerelektrolytschicht gegenüberliegt. Wenn daher die Kapazität der negativen Elektrode geringer als die der gegenüberliegenden positiven Elektrode ist, kann verhindert werden, dass ein positives Elektrodenpotenzial in einem späten Stadium der Aufladung übermäßig ansteigt. Hierbei bezeichnet „die positive Elektrode, die über die feste Polymerelektrolytschicht gegenüberliegt" eine positive Elektrode, die eine Komponente einer identischen Einzelzelle darstellt.
Die Kapazitäten dieser positiven Elektrode und negativen Elektrode können als theoretische Kapazitäten abgeleitet werden, wenn die positive Elektrode und die negative Elektrode auf der Basis einer Fertigungsbedingung hergestellt werden. Es kann natürlich eine Kapazität eines Endprodukts sein, die durch eine Messvorrichtung direkt gemessen wird. Wenn jedoch die Kapazität der negativen Elektrode geringer als die der gegenüberliegenden positiven Elektrode ist, weil das negative Elektrodenpotenzial allzu niedrig wird und die Batterie dazu neigt, eine verschlechterte Haltbarkeit aufzuweisen, muss für eine Aufladungs- und Entladungsspannung gesorgt werden. Insbesondere ist dafür Sorge zu tragen, keine Verschlechterung bei der Haltbarkeit zu verursachen, indem eine durchschnittliche Ladespannung einer Einzelzelle bestimmt wird, die hinsichtlich des Oxidations-Reduktionspotenzials des verwendeten aktiven Materials der positiven Elektrode an einem richtigen Wert liegt.
Darüber hinaus kann die feste Polymerelektrolytschicht 40 auch einen Gel-Polymerelektrolyt enthalten. Der Gel-Polymerelektrolyt kann ein fester Polymerelektrolyt sein, der eine Ionenleitfähigkeit aufweist und eine Elektrolyt-Lösung enthält, die bei der Lithiumionen-Sekundärbatterie verwendet wird, oder kann ferner ein Polymer mit keiner Ionenleitfähigkeit umfassen, bei dem eine ähnliche Elektrolytlösung in einer skelettartigen Struktur des Polymers gebunden ist.
Eine solche Elektrolytlösung (einschließlich Elektrolytsalze und Weichmacher) ist nicht besonders beschränkt und entsprechend können eine Vielzahl von Elektrolytlösungen verwendet werden. Diese umfassen zumindest eine Komponente von Lithiumssalz (als Elektrolytsalz), das aus Salzen anorganischer bzw. organischer Säuren, wie z. B. LiPF₆, LiBF₄, LiC1O₄, LiAsF₆, LiTaF₆, LiAlCl₄ und Li₂B₁₀Cl₁₀ und Salzen anorganischer bzw. organischer Säuren, wie z. B. LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N und Li(C₂F₅SO₂)₂N und einem Weichmacher (der aus einem organischen Lösungsmittel besteht), wie z. B. einem aprotischen Lösungsmittel ausgewählt werden, das zumindest mit einer Komponente oder mehr als zwei Komponenten von Verbindungen gemischt wird, die aus zyklischen Karbonaten, wie z. B. Propylenkarbonat und Ethylenkarbonat, kettigen Karbonaten, wie z. B. Dimethylkarbonat Methyletherkarbonat und Diethylkarbonat, Ethern, wie z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyl-Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, 1-2-Dimethoxiethan und 1,2-Dibutoxiethan, Laktonen, wie z. B. γ-Butytyrolakton, Nitrilen, wie z. B. Azetonitril, Estern, wie z. B. Propionsäuremethyl, Amiden, wie z. B. Dimethylformaldehyd, Methylazetat und Methylformiat ausgewählt werden.
Darüber hinaus kann ein fester Polymerelektrolyt mit einer Ionenleitfähigkeit Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO) und ein Copolymer dieser Verbindungen enthalten.
Ferner kann als Polymer ohne eine Lithiumionenleitfähigkeit zur Verwendung in einem Gel-Polymerelektrolyt Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylchlorid (PVC), Polyacrilnitril (PAN) und Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet werden. Obwohl PAN und PMMA zu einer Familie mit fast keiner Ionenleitfähigkeit gehören und der oben genannte feste Polymerelektrolyt mit der Ionenleitfähigkeit verwendet werden kann, können auch diese Salze im Gel-Polymerelektrolyt verwendet werden.
Da die Stromkollektoren der entsprechenden Einzelzellen, wie oben bei der bipolaren Batterie 1 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform dargelegt, die Elektrodenzungen 10 bis 18 zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung aufweisen, die längs der Seite der bipolaren Batterie 1 an zueinander versetzt angeordneten Positionen ausgebildet sind, um zu verhindern, dass sie bei einem geschichteten Zustand gegenseitig überlappen, können die gemeinsam genutzten Spannungen der jeweiligen Einzelzellen leicht gemessen werden. Da die Elektrodenzungen 10 bis 18 derart angeordnet und geschichtet sind, um in der Längsrichtung der Seitenfläche der bipolaren Batterie 1 versetzt zueinander zu liegen, so dass sie einander an der gleichen Position nicht überlappen, ist es außerdem möglich, das Auftreten eines gegenseitigen, einen Kurzschluss bewirkenden Kontakts zwischen den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung zu verhindern, selbst wenn die Dicke der Einzelzelle dünner ist. Außerdem resultiert daraus, dass eine Oberfläche der Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung nicht mit einer Isolierungsschicht überzogen werden muss, um die Dicke der Einzelzelle dünner machen zu können.
Da die Elektrodenzungen 11 bis 17 ferner längs der Seitenfläche der bipolaren Batterie 1 in gleichem Abstand nebeneinander angeordnet sind, wird zudem ein Aufbau eines Sockels zur Spannungsmessung vereinfacht, der mit den Elektrodenzungen 11 bis 17 verbunden ist, was eine Fertigungsfreundlichkeit ermöglicht.
Da die bipolare Batterie 1 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform einen Elektrolyt einsetzt, der aus einem festen Polymerelektrolyt zusammengesetzt ist, kann darüber hinaus ein Auslaufen der Flüssigkeit zwischen den benachbarten Zellen verhindert werden, ohne spezifische Elemente vorzusehen. Weil die aktive Materialschicht außerdem im Innern den festen Polymerelektrolyt enthält, weist die aktive Materialschicht eine ausgezeichnete Ionenleitfähigkeit auf, damit die bipolare Batterie eine hohe Batteriecharakteristik aufweisen kann.
Wenn fester Kohlenstoff für das negative aktive Material der bipolaren Batterie 1 verwendet wird, kann zudem die Aufladungs-Steuerungs-/-Regelung der Einzelzelle lediglich nach Messung der Spannung erreicht werden und somit kann eine Stapelbatterie mit einem vereinfachten Aufbau und einer hohen Leistungsabgabe erhalten werden.
(Zweite Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform detailliert mit Bezug auf die 6 bis 8 beschrieben.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie der erfindungsgemäßen zweiten Ausführungsform gezeigt, und 7 ist eine Ansicht der bipolaren Batterie aus einer durch einen Pfeil B in 6 der Ausführungsform gesehenen Richtung.
Wie in 6 und 7 dargestellt, unterscheidet sich die bipolare Stapelbatterie 2 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dadurch, dass Stromkollektoren der bipolaren Batterie 2 mit zwei Reihen der Elektrodenzungen 210 bis 218 und 220 bis 228 in gleichem Abstand an versetzt zueinander angeordneten Positionen längs einer Seitenfläche S der bipolaren Batterie 2 in einem gestapelten Zustand in einer zueinander nicht überlappenden Anordnungsbeziehung angeordnet sind, und weist in anderer Hinsicht den gleichen Aufbau wie den der ersten Ausführungsform auf. Daher wird die vorliegende eingereichte Ausführungsform im Hinblick auf einen solchen unterschiedlichen Punkt beschrieben, während ähnliche Punkte in der Beschreibung entsprechend weggelassen oder vereinfacht werden.
8 ist eine Draufsicht, die Aufbauten von entsprechenden, wie die in 5 dargestellten Stromkollektoren zeigt.
Wie in 8 dargestellt, sind die Stromkollektoren 230 bis 238 und 240 bis 248 bei der vorliegenden eingereichten Ausführungsform, im Wesentlichen ähnlich zur ersten Ausführungsform, auch mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 210 bis 218 bzw. 220 bis 228 an unterschiedlichen Positionen ausgebildet. Außerdem sind der Stromkollektor 230 und der Stromkollektor 248 mit Hauptschaltkreis-Elektrodenzungen 19 bzw. 20 ausgebildet, die sich in eine Richtung erstrecken, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung ist, in die sich die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsamen genutzten Spannung erstrecken.
Genauer gesagt weist der Stromkollektor 238, der genau in der Mitte der gestapelten Einzelzellen liegt, d. h. der Stromkollektor 238 mit dem einen Ende, das mit der ausgebildeten Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 218 ausgebildet ist, das entgegengesetzte Ende auf, das mit der Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 220 ausgebildet ist. Selbst wenn die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung in den zwei Reihen angeordnet sind, kann daher ein Abstand (ein Abstand zwischen einem Elektrodenpaar zur Messung der Spannung) zwischen den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, d. h. die allen Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung zugehörigen Abstände, wie z. B. die Abstände zwischen den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 217 und 218 und zwischen den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 220 und 221, konstant gehalten werden. Demzufolge ist es möglich, einen Aufbau eines Sockels zur Spannungsmessung, der mit den Elektrodenzungen 210 bis 218 und 220 bis 228 verbunden ist, zu vereinfachen.
Da die auf halbem Wege angeordneten Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung und die Stromkollektoren sich von den oben dargelegten anderen zugehörigen Bauelementen nur bei den jeweiligen Positionen der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung unterscheiden und diesen Bauelementen zudem im Aufbau ähnlich sind, wird deren Darstellung in der Figur weggelassen.
Da die zwei Reihen der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, die, wie oben bei der bipolaren Batterie 2 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform dargelegt, an gleichen Abständen längs der Batterie-Seitenfläche platziert sind, um einander beim geschichteten Zustand gegenseitig nicht zu überlappen, auf der gleichen Seitenfläche der Batterie angeordnet sind, selbst wenn eine größere Anzahl von Stapeln der Einzelzellen vorliegt, wird es möglich, die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung der gegenseitig benachbarten Einzelzellen zuverlässig davor zu schützen, in Kontakt gebracht und kurzgeschlossen zu werden.
Ferner wird bei den in zwei Reihen angeordneten Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, aufgrund der Existenz der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, die an beiden Enden des im Stapel dazwischen liegenden Stromkollektors angeordnet sind, der Abstand zwischen den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung jederzeit konstant gehalten und daher kann der Sockel zur Spannungsmessung konstruktiv vereinfacht werden.
(Dritte Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform detailliert mit Bezug auf die 9 bis 11 beschrieben.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie der erfindungsgemäßen dritten Ausführungsform zeigt, 10A ist eine Seitenansicht der Batterie aus einer durch einen Pfeil C in 9 der Ausführungsform gesehenen Richtung und 10B ist eine Seitenansicht der Batterie aus einer durch einen Pfeil D in 9 der Ausführungsform gesehenen Richtung.
Wie in den 9 und 10B gezeigt, unterscheidet sich die bipolare Batterie 3 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Stromkollektoren der jeweiligen Einzelzellen mit Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 bis 318 bzw. 320 bis 328 auf den gegenüberliegenden Seitenflächen S, S' der bipolaren Batterie 3 angeordnet sind, um entlang einer Länge von jeder der Seitenflächen S, S' der bipolaren Batterie in einem gestapelten Zustand in einer zueinander nicht überlappenden Anordnungsbeziehung angeordnet zu sein, und weist in anderer Hinsicht den gleichen Aufbau wie den der ersten Ausführungsform auf. Daher wird die vorliegende eingereichte Ausführungsform im Hinblick auf einen solchen unterschiedlichen Punkt beschrieben, während ähnliche Punkte in der Beschreibung entsprechend weggelassen oder vereinfacht werden.
Insbesondere sind die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 bis 318 und 320 bis 328, die an beiden gegenüberliegenden Seitenflächen S, S' der bipolaren Batterie 3 ausgebildet sind, derart angeordnet, dass sie abwechselnd nach links und rechts in einer Reihenfolge herausragen, in der die Einzelzellen gestapelt sind. Das heißt, dass bei einem in der Figur dargestellten Zustand die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310, die an einem ersten Stromkollektor ausgebildet ist, in einer oben erwähnten Reihenfolge nach rechts herausragt, die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 320, die an einem zweiten Stromkollektor ausgebildet ist, nach links herausragt, die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 311, die an einem dritten Stromkollektor ausgebildet ist, nach rechts herausragt und von hier ab die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung auf gleiche Weise und abwechselnd in einer Reihenfolge nach links und rechts herausragen.
11 ist eine Draufsicht, die Aufbauten von entsprechenden, Stromkollektoren wie in 5 darstellt.
Wie in 11 bei der vorliegenden angemeldeten Ausführungsform dargestellt, sind die Stromkollektoren 330 bis 338 und 340 bis 348 außerdem im Wesentlichen wie bei der ersten Ausführungsform mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 bis 318 und 320 bis 328 an unterschiedlichen Positionen ausgebildet.
Damit die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 bis 318 und 320 bis 328 insbesondere abwechselnd nach rechts und links in der Richtung herausragen können, in der die Einzelzellen gestapelt sind, ragt die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 von einem ersten Stromkollektor 330 in der Figur nach rechts heraus, die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 320 ragt von einem zweiten Stromkollektor 341 in der Figur nach links heraus, die Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 311 ragt von einem dritten Stromkollektor 331 in der Figur nach rechts heraus und von hier ab ragen die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung gleichermaßen und abwechselnd nacheinander nach links und nach rechts heraus, wobei der letzte Stromkollektor 348 mit einer Elektrodenzunge zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 328 ausgebildet ist, die in der Figur nach links herausragt. Außerdem sind die Hauptstromkreis-Elektrodenzungen 19 und 20 auf dem ersten Stromkollektor 330 beziehungsweise dem letzten Stromkollektor 348 dementsprechend in Richtungen ausgebildet, die sich von der Richtung unterscheiden, in die sich die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung erstrecken.
Da die auf halbem Wege angeordneten Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung und Stromkollektoren sich von den anderen oben dargelegten zugehörigen Bauelementen nur bei den jeweiligen Positionen der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung unterscheiden und diesen Bauelementen im Aufbau ähnlich sind, wird in der Figur deren Darstellung ferner weggelassen.
Da, wie oben bei der bipolaren Batterie 3 der vorliegenden angemeldeten Ausführungsform dargelegt, die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, die längs der Batterie-Seitenfläche bei einem geschichteten Zustand in einer nicht überlappenden Anordnungsbeziehung in gleichem Abstand versetzt zueinander angeordnet sind, selbst beim Vorliegen einer größeren Anzahl von Stapeln der Einzelzellen an beiden Seitenflächen der Batterie angeordnet sind, wird es möglich, die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung von gegenseitig benachbarten Einzelzellen zuverlässig davor zu schützen, dass sie in Kontakt miteinander gebracht und kurzgeschlossen werden. Hauptsächlich weil die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, die sich von den benachbarten Stromkollektoren erstrecken, konfiguriert sind, um an den beiden gegenseitig einander gegenüberliegenden Batterieseiten herauszuragen, wird es möglich, die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung der gegenseitig benachbarten Stromkollektoren zuverlässig davor zu schützen, kurzgeschlossen zu werden.
(Vierte Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform detailliert mit Bezug auf die 12 bis 15 beschrieben.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie der vorliegenden eingereichten Ausführungsform gezeigt und 13 ist eine Seitenansicht einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil E in 12 der Ausführungsform gesehenen Richtung.
Wie in den 12 und 13 bei der vorliegenden eingereichten Ausführungsform dargestellt, ist die bipolare Batterie 1 der ersten Ausführungsform mit einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 versehen, um die Einzelzellen zu steuern/zu regeln.
Wie in 13 gezeigt, weist die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 einen einheitlichen Aufbau mit einem Sockel auf, der mit Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung 400 bis 408 gemäß den bei der bipolaren Batterie 1 angeordneten Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 versehen ist.
Die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 liegt üblicherweise zwischen den jeweiligen positiven Elektroden und den jeweiligen negativen Elektroden der Mehrzahl der Einzelzellen und weist einen Strom-Bypassschaltkreis auf, der die positive und negative Elektrode verbindet, wenn eine Spannung der Einzelzelle einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, damit ein Strom einen Elektrolyt umgehen kann, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode auftritt.
14 ist ein Schaltplan, der einen Aufbau eines Strom-Bypassschaltkreises zeigt.
Wie in 14 dargestellt, umfasst der Strom-Bypassschaltkreis 50 einen Schaltkreis, bei dem eine Zenerdiode 52 und ein Widerstand 54 zwischen der positiven Elektrode (+) und der negativen Elektrode (–) einer Einzelzelle 55 in Reihe geschaltet sind. Wenn die Zener-Spannung der Zenerdiode 52 überschritten ist, leitet der Strom-Bypassschaltkreis 50 einen Strom um, ohne ihn während der Aufladung durch den Elektrolyt zu leiten.
15 ist ein Schaltkreis, der einen Aufbau darstellt, bei dem ein solcher Strom-Bypassschaltkreis 50 in der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 angeschlossen ist.
Wie in 15 dargestellt, sind die Strom-Bypassschaltkreise 50, von denen jeder aus einer Zenerdiode 52 und einem Widerstand 54 zusammengesetzt ist, entsprechend zwischen den Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung 400 und 401, 401 und 402, und dgl. angeschlossen. Da die Anzahl der Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung nur zur Anschauung dient, und die Schaltkreis-Aufbauten zwischen den Verbindungs-Zungen für die gemeinsame Spannung 403 bis 407 ähnlich den oben beschriebenen sind, wurde die Darstellung dieser Schaltkreis-Aufbauten weggelassen.
Aufgrund der Präsenz der mit der bipolaren Batterie 1 verbundenen Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 sind die Strom-Bypassschaltkreise 50 bei einem solchen Aufbau mit den jeweiligen Einzelzellen der bipolaren Batterie 1 parallel geschaltet.
Während der Aufladung der bipolaren Batterie 1 wird die Zenerdiode 52 zuerst mit der Einzelzelle 55 in einer Richtung verbunden, um eine Leitung der Zenerdiode 52 bezüglich einer Richtung zu blockieren, in der ein Strom auf die Einzelzelle 55 in einem Anfangsstadium, bei dem die Aufladung gestartet wird, angelegt wird, da eine Ladespannung der Einzelzelle 55, die die bipolare Batterie 1 bildet, die Zener-Spannung (eine Spannung, bei der die Zenerdiode 52 des Strom-Bypassschaltkreises 50 leitet) nicht erreicht, fließt fast kein Strom durch den Strom-Bypassschaltkreis 50.
Wenn die Aufladung fortschreitet, erhöht sich eine Spannung an den Anschlüssen der Einzelzellen und wenn eine Spannung die Zener-Spannung überschreitet, leitet die Zenerdiode 52 des Strom-Bypassschaltkreises 50, um den durch die Einzelzelle 55 fließenden Strom umzuleiten. Wenn die Zenerdiode 52 verwendet wird, deren Zener-Spannung 4,0 V beträgt, wird die Aufladung der Einzelzelle 55 zu einem Zeitpunkt beendet, bei dem die Spannung an den Anschlüssen 4,0 V beträgt. Die Einzelzelle 55, deren Spannung an den Anschlüssen die Ladespannung erreicht, beendet ihren Aufladungsmodus automatisch und zu einem Zeitpunkt, bei dem alle Strom-Bypassschaltkreise 50 die Einzelzellen 50 umgehen, wird die Aufladung der bipolaren Batterie 1 beendet.
In einem Zustand, bei dem alle Einzelzellen 55 umgangen werden, fließt also ein elektrischer Strom durch die Strom-Bypassschaltkreise 50, die mit einem Batterie-Ladegerät in Reihe geschaltet sind, wobei der elektrische Strom durch die mit den Zenerdioden 52 in Reihe geschalteten Widerstände 54 begrenzt wird. Folglich weisen die Widerstände 54 Funktionen auf, um einen Anstieg bei einem elektrischen Strom zu unterdrücken, so dass der überschüssige elektrische Strom nicht durch die Strom-Bypassschaltkreise 50 strömt, wenn ein elektrischer Strom die Strom-Bypassschaltkreise 50 umgeht. Ein Widerstandswert des Widerstands 54 wird mit einem Wert ausgewählt, um auszuschließen, dass ein übermäßig großer elektrischer Strom durch den Strom-Bypassschaltkreis 50 fließt.
Aufgrund der Präsenz der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1, die im einheitlichen Aufbau mit dem Sockel ausgebildet ist, der mit den Elektroden-Verbindungsanschlüssen für die gemeinsame genutzte Spannung 400 bis 408 versehen ist, die mit den in der bipolaren Batterie 1 vorgesehenen zugehörigen Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 10 bis 18 verbunden sind, und an der bipolaren Batterie 1 angeschlossen ist, können, wie oben bei der bipolaren Batterie 1 der vorliegenden angemeldeten Ausführungsform dargelegt, die Ladespannungen der jeweiligen Einzelzellen der bipolaren Batterie 1 auf einfache Weise gesteuert/geregelt werden.
Da durch die Bereitstellung der Strom-Bypassschaltkreise 50 in der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 der Strom-Bypassschaltkreis aktiviert werden kann, um die Aufladungsphase zu beenden, wenn die Ladespannung der Einzelzelle den vorgeschriebenen Wert überschreitet, ist es ferner möglich, eine gleichmäßige und optimale Ladeumgebung herzustellen, selbst wenn eine Ungleichmäßigkeit bei der Batterieeigenschaft, wie z. B. bei der Batteriekapazität und dem Innenwiderstand, vorliegt. Aus diesem Grund entsteht in keiner Einzelzelle ein verzögerter Ladezustand und eine gleichmäßige Aufladung kann erreicht werden, woraus eine Batterie mit einer verbesserten Lebensdauer und verbesserten Zuverlässigkeit resultiert. Durch einen Einbau des Strom-Bypassschaltkreises, der auf den Überladungsschutz der Einzelzelle abzielt ist, können die Ladezustände der jeweiligen Einzelzellen bei einem vollständigen Ladezustand gleichmäßig gemacht werden, damit einige der Einzelzellen den Überladungszuständen aufgrund einer Unausgeglichenheit bei den Ladezuständen entgegentreten können.
Obwohl bei der vorliegenden eingereichten Erfindung der Strom-Bypassschaltkreis 50 ferner den Schaltkreis ausweist, worin die Zenerdiode 52 und der Widerstand 54 in Reihe geschaltet sind, kann der Strom-Bypassschaltkreis 50 nur die Zenerdiode umfassen. Da jedoch der Ladestrom der bipolaren Lithiumionen-Sekundärbatterie ansteigt, wenn der Strom-Bypassschaltkreis 50 den elektrischen Strom umleitet, kann es für den Strom-Bypassschaltkreis 50 vorteilhaft sein, den Widerstand 54 aufzuweisen, um den Anstieg beim elektrischen Strom zum Teil zu unterdrücken, um davor zu schützen, dass ein übermäßiger Strom durch den Strom-Bypassschaltkreis 50 fließt.
(Fünfte Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform detailliert mit Bezug auf 16 und 17 beschrieben.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die einen externen Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie der vorliegenden eingereichten Ausführungsform darstellt und 17 ist eine Seitenansicht einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil F in 16 der Ausführungsform gesehenen Richtung.
Wie in 16 bei der vorliegenden eingereichten Ausführungsform dargestellt, ist die bipolare Batterie 2 der fünften Ausführungsform mit einer Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU2 versehen, um die Einzelzellen zu steuern/zu regeln.
Wie in 17 genauer dargestellt, weist die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU2, wie die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit der vierten Ausführungsform, bei der der Sockel im einheitlichen Aufbau ausgebildet ist, zwei Reihen der Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung 500 bis 508 und 510 bis 518 in Übereinstimmung mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 210 bis 218 und 220 bis 228 der bipolaren Batterie 2 auf. Die Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung 500 bis 508 und 510 bis 518 sind mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 210 bis 218 und 220 bis 228 entsprechend verbunden. Obwohl die Darstellung weggelassen wurde, ist wie bei der oben beschriebenen vierten Ausführungsform ein Strom-Bypassschaltkreis, der aus einer Zenerdiode und einem Widerstand zusammengesetzt ist, intern in der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU2 enthalten.
Bei der oben dargelegten bipolaren Batterie 2 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform können die Ladespannungen der jeweiligen Einzelzellen wie bei der vierten Ausführungsform ebenfalls einfach und zuverlässig gesteuert/geregelt werden, die oben in Verbindung mit der bipolaren Batterie 1 beschrieben wurde.
(Sechste Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer erfindungsgemäßen sechsten Ausführungsform detailliert mit Bezug auf die 18 bis 19B beschrieben.
18 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie der vorliegenden eingereichten Ausführungsform zeigt, 19A ist eine Seitenansicht von einem der Sockel der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil G in 18 der Ausführungsform gesehenen Richtung und 19 ist eine Seitenansicht des anderen Sockels der Sockel der Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit aus einer durch einen Pfeil H in 18 gezeigten Richtung.
Wie in 18 dargestellt, weist die vorliegende eingereichte Ausführungsform einen Aufbau auf, bei dem entsprechend mit den Einzelzellen-Steuerungs-/Regelungseinheiten zur Steuerung/Regelung der Einzelzellen verbundene Zungen-Verbindungssockel für die gemeinsam genutzte Spannung SK1 und SK2 an der bipolaren Batterie 3 der dritten Ausführungsform angeschlossen sind. Angesichts der Präsenz der an beiden Seitenflächen der bipolaren Batterie 3 liegenden Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung sind hier die Zungen-Verbindungssockel für die gemeinsam genutzte Spannung nicht in einem einheitlichen Aufbau mit den angeschlossenen Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheiten (nicht dargestellt) ausgebildet. Wenn eine Produktionsfähigkeit von der Größe her besteht, ist es natürlich nicht unzulässig, dass ein einheitlicher Aufbau wie bei den vierten und fünften Ausführungsformen verwendet wird.
Wie in den 19A und 19B genauer dargestellt, weisen in die Zungen-Verbindungssockel für die gemeinsam genutzte Spannung SK1 und SK2 Elektroden-Verbindungssockel für die gemeinsam genutzte Spannung 600 bis 608 bzw. 610 bis 618 auf, die in Verbindung mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 bis 318 und 320 bis 328 der bipolaren Batterie 3 ausgebildet sind. Damit die zugehörigen Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung eine Gruppe für jede Einzelzelle, wie z. B. eine Gruppe der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 und 320, eine Gruppe der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 311 und 320 und dergleichen bilden können, werden die gesammelten Leitungen entsprechend zu den Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheiten geführt. Das heißt, dass die Elektroden Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung 600 bis 610 angeschlossen werden, damit die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 310 und 320 die Spannung einer Einzelzelle messen können, die Elektroden-Verbindungszungen der gemeinsam genutzten Spannung 601 und 611 angeschlossen werden, damit die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung 311 und 321 die Spannung einer weiteren Einzelzelle messen können und außerdem die Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung der auf ähnliche Weise angeschlossen werden, damit die gesammelten Leitungen zu den Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheiten geführt werden können. Die von den Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsam genutzte Spannung gesammelten Leitungen werden mit den Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheiten verbunden, die nicht dargestellt sind, und die Spannung jeder Einzelzelle wird gemessen, wodurch eine Steuerung/Regelung erreicht wird, damit die jeweiligen Einzelzellen mit der gleichen Ladungsmenge aufgeladen werden.
Selbst mit der bipolaren Batterie 3 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform kann, wie oben dargelegt, die Ladespannung der jeweiligen Einzelzellen einfach und zuverlässig, wie bei der in Verbindung mit der bipolaren Batterie 1 beschriebenen vierten Ausführungsform, gesteuert/geregelt werden.
(Siebte Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer erfindungsgemäßen siebten Ausführungsform detailliert mit Bezug auf die 20 bis 22 beschrieben.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die einen äußeren Aufbau einer bipolaren Stapelbatterie der vorliegenden eingereichten Ausführungsform zeigt, 21 ist eine Querschnittsansicht der bipolaren Stapelbatterie längs einer Linie Y-Y von 20 und 22 ist eine Draufsicht, die die Aufbauten der jeweiligen Strom-Kollektoren zeigt.
Wie in 20 dargestellt, weist die bipolare Batterie 7 der vorliegenden eingereichten Ausführungsform einen Aufbau auf, bei dem eine Mehrzahl der mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung versehenen Einzelzellen durch die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung parallel geschaltet ist.
Genauer gesagt weist die bipolare Batterie 7 mehrere bipolare Batterieeinheiten 701 auf, die jeweils den gleichen Aufbau wie den der bipolaren Batterie 1 der ersten Ausführungsform aufweisen, wobei die bipolaren Batterieeinheiten 701 durch die entsprechenden Elektrodenzungen 710 bis 718 für jede Einzelzelle parallel geschaltet sind. Als Folge davon weist die bipolare Batterie 7 einen inneren Aufbau auf, der, wie in 21 typischerweise als zwei bipolare Batterieeinheiten 701, 701 dargestellt, die Form einer Beschaffenheit einnimmt, bei der die bipolaren Elektroden 30 einer bipolaren Batterieeinheit 701 entsprechend an den zugehörigen bipolaren Elektroden 30 einer weiteren bipolaren Batterieeinheit 701 angeschlossen sind. Die bipolare Batterieeinheit 701 weist einen inneren Aufbau auf, der ähnlich dem der ersten, oben mit Bezug auf 3, beschriebenen Ausführungsform ist, wobei n-Teile von bipolaren Elektroden 30, von denen jede einen Stromkollektor 31 umfasst, der mit einer aktiven Materialschicht 32 der positiven Elektrode und einer aktiven Materialschicht 33 der negativen Elektrode beschichtet ist, und (n + 1) Teile einer festen Polymerelektrolytschicht 40 abwechselnd beschichtet sind, wobei die äußersten festen Polymerelektrolytschichten 40 die Stromkollektoren 31, 31 umfassen, auf denen die zugehörigen aktiven Materialschichten 32, 33 entsprechend beschichtet sind.
Ferner weist die an einem Ende der bipolaren Batterie 7 angeordnete bipolare Batterieeinheit 701 Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 710 bis 718 auf, die an der benachbarten bipolaren Batterieeinheit 701 nicht angeschlossen sind, und mit der die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 verbunden ist. Ferner ist die Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheit CU1 im Aufbau ähnlich der der vierten Ausführungsform, die oben beschrieben wurde.
Darüber hinaus sind die in jeder bipolaren Batterieeinheit 701 verwendeten Stromkollektoren so konfiguriert, dass die Stromkollektoren, wie typischerweise als eine bipolare Batterieeinheit 701 in 22 dargestellt, an deren beiden Seiten mit sich entgegengesetzt nach außen erstreckenden Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 710 bis 718 an versetzt zueinander angeordneten Positionen entlang beider Seiten der Stromkollektoren 730 bis 738 ausgebildet sind, die hier gestapelt sind. Folglich sind die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung 710 bis 718, wie bei der bipolaren Batterie 1 ersten Ausführungsform (siehe 2), versetzt voneinander entlang einer Länge der Seitenfläche S der bipolaren Batterieeinheit 701 angeordnet und in einer nicht überlappenden Anordnungsbeziehung in einem gestapelten Zustand gleich weit entfernt positioniert. Ferner wurde die Darstellung der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung auf der anderen Seitenfläche des Endes ganz links in 20 weggelassen.
Wie zuvor bei der vorliegenden eingereichten Ausführungsform dargelegt, kann aufgrund der Präsenz der Batterieeinheiten, von denen jede mit den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung versehen ist und die durch die mehrfachen Teile der Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsamen Spannung parallel geschaltet sind, selbst wenn eine Beschädigung in einer der Einzelzellen aus den bipolaren Batterieeinheiten 701 eintritt und einen unendlichen Innenwiderstand zur Folge hat, ein elektrischer Strom durch die Einzelzelle einer weiteren bipolaren Batterieeinheit 701 fließen, die mit der ausgefallenen Einzelzelle durch die Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung parallel geschaltet ist. Selbst in Gegenwart einer beschädigten Einzelzelle aus den bipolaren Batterieeinheiten 701 kann die Batterie 7 aus diesem Grund kontinuierlich ohne irgendeinen rapiden Leistungsverlust verwendet werden.
(Achte Ausführungsform)
Als nächstes werden eine Stapelbatterie und ihr zugehöriges Verfahren einer erfindungsgemäßen achten Ausführungsform detailliert mit Bezug auf 23 beschrieben.
Wie in 23 dargestellt, enthält ein Fahrzeug der vorliegenden eingereichten Ausführungsform die bipolaren Batterien der ersten bis siebten Ausführungsformen und noch vorteilhafterweise die bipolaren Batterien, die mit den Einzelzellen-Steuerungs-/-Regelungseinheiten gemäß der vierten bis siebten Ausführungsformen als Batteriemodul 800 ausgerüstet sind, der in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs eingebaut ist.
Ein solches Batteriemodul 800 weist eine Mehrzahl von bipolaren Batterien auf, die seriell oder parallel oder in einer Kombination dieser Verbindungen durch die Hauptstromkreis-Elektrodenzungen 19 und 20 angeschlossen sind. Ein solches Batteriemodul 800 kann als primäre Antriebsenergieversorgung des Fahrzeugs 801, wie z. B. einem batteriegetriebenen Elektrofahrzeug oder einem elektrischen Hybridfahrzeug eingesetzt werden. Ein Einbaubereich des Batteriemoduls 800 ist nicht auf den Unterbodenbereich im Fahrzeug beschränkt und das Batteriemodul 800 kann in einem Motorraum oder im Inneren einer Dachinnenverkleidung liegen.
Da ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, die sicher sind und einen günstigen Kraftstoffverbrauch aufweisen, mit der vorliegenden eingereichten oben dargelegten Ausführungsform versehen werden können, und eine geringere Alterung in jeder Einzelzelle der Batterie stattfindet, während die Batterie eine längere Lebensdauer erbringt, wird es möglich, einen Batterie-Austauschzyklus des Fahrzeugs zu erweitern.
Gemäß den Stapelbatterien der jeweiligen oben dargelegten Ausführungsformen entsteht keine Möglichkeit eines gegenseitigen Kontakts zwischen den Elektrodenzungen zur Messung der gemeinsam genutzten Spannung, der zu einen Kurzschluss führt, und die gemeinsam genutzten Spannungen der jeweiligen Einzelzellen können einfach und zuverlässig gemessen werden.
Obwohl die Erfindung zuvor mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Modifikationen und Variationen der oben beschriebenen Ausführungsformen werden dem Durchschnittsfachmann angesichts der Lehre einleuchten. Der Umfang der Erfindung ist mit Bezug auf die anliegenden Ansprüche definiert.

Claims

Stapelbatterie (1, 2, 3, 7), mit: – einer Mehrzahl von Einzelzellen (U), die in einer Stapelrichtung (D3) gestapelt sind, um seriell verbunden zu werden – Hauptstromkreis-Elektrodenzungen (19, 20), die an beiden Enden der Batterie angeordnet sind und sich in eine erste Richtung (D1) entgegengesetzt erstrecken, um mit einem externen Element verbunden zu werden; – Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (10 bis 18, 210 bis 218, 220 bis 228, 310 bis 318, 710 bis 718), die auf der Mehrzahl der Einzelzellen (U) jeweils ausgebildet sind, damit Spannungen der Einzelzellen für die Mehrzahl der Einzelzellen gemessen werden können, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung sich in eine zweite Richtung (D2) erstrecken und angeordnet sind, um zu verhindern, dass zumindest benachbarte Elektrodenzungen in einer ersten Richtung (D1) auf der gleichen horizontalen Position liegen, und an versetzt zueinander angeordneten Positionen auf einer Seitenfläche (S, S') der Stapelbatterie entlang einer Länge davon und entlang der ersten Richtung (D1) angeordnet sind, die die Stapelrichtung (D3) kreuzt, um zu verhindern, dass die Elektrodenzungen einander in der Stapelrichtung überlappen, wobei die erste Richtung (D1), die zweite Richtung (D2) und die Stapelrichtung (D3) ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden.
Stapelbatterie nach Anspruch 1, wobei eine der benachbarten Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (10 bis 18, 210 bis 218, 220 bis 228, 310 bis 318, 710 bis 718) an einer Position liegt, die von der der anderen der benachbarten um einen Wert abweicht, der größer als eine Breite (W) der anderen in der Richtung (D1) ist, die die Stapelrichtung (D3) kreuzt.
Stapelbatterie nach Anspruch 2, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (10 bis 18, 210 bis 218, 220 bis 228, 310 bis 318, 710 bis 718) an abweichenden Positionen gleich weit entfernt angeordnet sind.
Stapelbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (220 bis 228) auf der Seitenfläche (S, S') der Stapelbatterie in einer Mehrzahl von Reihen ausgebildet sind.
Stapelbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (310 bis 318, 710 bis 718) zudem auf der anderen, der Seitenfläche (S) der Stapelbatterie gegenüberliegenden Seitenfläche (S') an abweichenden Positionen in der Richtung (D1) angeordnet sind, die die Stapelrichtung (D3) kreuzt.
Stapelbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die benachbarten Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (710 bis 718) einer Mehrzahl der Stapelbatterien gegenseitig verbunden sind, damit benachbarte der Mehrzahl der Einzelzellen der Mehrzahl der Stapelbatterien (701) entsprechend parallel verbunden werden können.
Stapelbatterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stapelbatterie eine bipolare Elektrode (30) umfasst, die aus einer aktiven Materialschicht (32) einer positiven Elektrode, einem Stromkollektor (31) und einer aktiven Materialschicht (33) einer negativen Elektrode, die in dieser Reihenfolge geschichtet sind, und einer Elektrolytschicht (40) aufgebaut ist, die angrenzend zur bipolaren Elektrode ausgebildet ist.
Stapelbatterie nach Anspruch 7, wobei die Elektrolytschicht (40) eine feste Polymerelektrolytschicht umfasst und zumindest entweder die aktive Materialschicht (32) der positiven Elektrode oder die aktive Materialschicht (33) der negativen Elektrode den festen Polymerelektrolyt beinhaltet, der in der festen Polymerelektrolytschicht enthalten ist.
Stapelbatterie nach Anspruch 7, wobei die Stapelbatterie eine Lithiumionen-Sekundärbatterie umfasst.
Stapelbatterie nach Anspruch 7, wobei das in der aktiven Materialschicht (33) der negativen Elektrode enthaltene aktive Material der negativen Elektrode zumindest entweder ein Metalloxid oder Mischoxide umfasst, die aus Metall und Lithium zusammengesetzt sind.
Stapelbatterie nach Anspruch 7, wobei das in der aktiven Materialschicht (33) der negativen Elektrode enthaltene aktive Material der negativen Elektrode Kohlenstoff umfasst.
Stapelbatterie nach Anspruch 11, wobei der Kohlenstoff fester Kohlenstoff ist.
Stapelbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Einzelzellen-Steuerungs-/Regelungseinheit (CU1, CU2) mit der Mehrzahl der Einzelzellen verbunden ist, um die Ladespannungen der Mehrzahl der Einzelzellen zu steuern/zu regeln.
Stapelbatterie nach Anspruch 13, wobei ein Sockel (SK1, SK2) mit den Elektroden-Verbindungszungen für die gemeinsame Spannung (610 bis 618, 620 bis 628) mit den Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung verbunden ist, damit die Einzelzellen-Steuerungs-/Regelungseinheit damit verbunden werden kann.
Stapelbatterie nach Anspruch 14, wobei die Einzelzellen-Steuerungs-/Regelungseinheit (CU1, CU2) mit dem Sockel in einem einheitlichen Aufbau ausgebildet ist.
Stapelbatterie nach Anspruch 14, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (320 bis 328) zudem auf der anderen der Seitenfläche (S) der Stapelbatterie gegenüberliegenden Seitenfläche (S') in der Richtung (D1), die die Stapelrichtung (D3) kreuzt, an abweichenden Positionen angeordnet sind, und der Sockel (SK1, SK2) mit jeder Reihe der Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (310 bis 318), die an der Seitenfläche der Stapelbatterie angeordnet ist, und einer Reihe der Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (320 bis 328) verbunden ist, die auf der anderen der Seitenfläche der Stapelbatterie gegenüberliegenden Seitenfläche angeordnet ist.
Stapelbatterie nach Anspruch 13, wobei die Einzelzellen-Steuerungs-/Regelungseinheit (CU1, CU2) einen Strom-Bypassschaltkreis (50) umfasst, der eine positive Elektrode und eine negative Elektrode der Einzelzelle (55) elektrisch miteinander verbindet, wenn eine Spannung der Einzelzelle ein vorgegebenes Niveau überschreitet.
Stapelbatterie nach Anspruch 17, wobei der Strom-Bypassschaltkreis (50) ein elektrisches Element (52) umfasst, das in Abhängigkeit von einer Spannung leitet.
Stapelbatterie nach Anspruch 18 wobei der Strom-Bypassschaltkreis (50) ferner ein Widerstandselement (54) umfasst, das mit dem elektrischen Element (52) seriell verbunden ist.
Stapelbatterie nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (10 bis 18, 210 bis 218, 220 bis 228, 310 bis 318, 710 bis 718) diagonal und in gleichem Abstand zueinander auf der Seitenfläche (S, S') der Stapelbatterie angeordnet sind.
Herstellungsverfahren einer Stapelbatterie (1, 2, 3, 7), das aufweist: – Stapeln einer Mehrzahl von Einzelzellen (U) in einer Stapelrichtung (D3), um seriell miteinander verbunden zu werden; – Bereitstellen von Hauptstromkreis-Elektrodenzungen (19, 20) an beiden Enden der Batterie, die sich in eine erste Richtung (D1) entgegengesetzt erstrecken, um mit einem externen Element verbunden zu werden; und – Bereitstellen von Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (10 bis 18, 210 bis 218, 220 bis 228, 310 bis 318, 710 bis 718) entsprechend auf der Mehrzahl der Einzelzellen, damit Spannungen der Einzelzellen für die Mehrzahl der Einzelzellen gemessen werden können, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung sich in eine zweite Richtung (D2) erstrecken und angeordnet sind, um zu verhindern, dass zumindest benachbarte Elektrodenzungen in der ersten Richtung (D1) auf der gleichen horizontalen Position liegen, und an versetzt zueinander angeordneten Positionen auf einer Seitenfläche (S, S') der Stapelbatterie entlang derer Länge und entlang der ersten Richtung (D1) angeordnet sind, die die Stapelrichtung (D3) kreuzt, um zu verhindern, dass die Elektrodenzungen einander in der Stapelrichtung überlappen, wobei die erste Richtung (D1), die zweite Richtung (D2) und die Stapelrichtung (D3) ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Elektrodenzungen für die Messung der gemeinsam genutzten Spannung (10 bis 18, 210 bis 218, 220 bis 228, 310 bis 318, 710 bis 718) diagonal und in gleichem Abstand zueinander auf der Seitenfläche (S, S') der Stapelbatterie angeordnet sind.