JP2004039523A

JP2004039523A - 電源装置

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Publication number: JP2004039523A
Application number: JP2002197113A
Authority: JP
Inventors: Yuji Tanjo; 丹上　雄児
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP4075487B2

Abstract

【課題】電池寿命の増加が可能な電源装置を提供する。
【解決手段】比較的低温側から良好な出力特性が得られる低温型の電解液リチウム電池ＬＢと比較的高温側で良好な出力特性が得られる高温型の全固体リチウム電池ＳＢとを並列に接続し、前記電解液リチウム電池ＬＢに流れる電流を用いて前記全固体リチウム電池ＳＢを加熱するようにした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種類の異なる電池を並列に接続して構成した電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
種類の異なる電池を並列に接続して構成した電源装置としては、特開平１１−３３２０２３に開示されたものが知られている。
【０００３】
この電源装置では、高出力密度型の電池と高エネルギー型の電池とを並列に接続しており、高出力特性を長時間維持することが可能となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に高出力密度型電池の出力特性は比較的低温側でも良好であり、高エネルギー型電池は低温側での出力特性が特に悪い。また、高出力密度型電池は高エネルギー型電池よりも寿命特性で劣る場合が多い。
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術では、出力密度特性とエネルギー特性のみに着目して電池を組み合わせており、電池の温度特性と寿命特性は考慮されていないものであった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、電池寿命の増加が可能な電源装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、比較的低温側から良好な出力特性が得られる低温型電池と比較的高温側で良好な出力特性が得られる高温型電池とを並列に接続し、前記低温型電池に流れる電流を用いて前記高温型電池を加熱するようにした。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、低温型電池と高温型電池とを並列に接続し、低温型電池に流れている電流を用いて高温型電池を加熱するので、短時間で高温型電池の出力特性を向上できる。
【０００９】
しかも、しかも、高温型電池を加熱することにより、寿命特性が優れている高温型電池の作動範囲を拡大して寿命特性が相対的に低い低温型電池の作動を抑制し、電源装置全体の寿命特性を向上できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電源装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１、２は、本発明の電源装置の第１実施形態を示し、図１は電源装置の概略構成図、図２は電源装置の具体的構成を示す斜視図である。
【００１２】
前記電源装置１は、高温型電池としての全固体リチウム電池ＳＢと低温型電池としての電解液リチウム電池ＬＢとを並列に接続して構成する。
【００１３】
前記全固体リチウム電池ＳＢは、例えば、ＰＥＯ（ポリエチレンオキサイド）にリチウム塩を溶かしてなる高分子固体電解質のみを使用した電池である。この全固体リチウム電池ＳＢは、低温では十分な出力特性が得られないが、高温では十分な出力特性が得られる高温型電池であり、しかも、寿命特性が優れている。
【００１４】
前記電解液リチウム電池ＬＢは、例えば、ＰＣ（プロピレンカーボネート）にリチウム塩を溶かしてなる電解液を使用した電池である。電解液リチウム電池ＬＢは、高温では十分な出力特性が得られないが、低温では十分な出力特性を得られる低温型電池であり、全固体リチウム電池ＳＢよりも寿命特性が劣る。
【００１５】
前記２種類の電池ＳＢ、ＬＢは、いずれもシート型電池であり、厚み方向に積層されて互いに密着している。即ち、２枚の全固体リチウム電池ＳＢを２枚の電解液リチウム電池ＬＢで挟み込むようにしている。
【００１６】
図２に示すように、シート型電池は、ラミネート式とも称され、板状にした電池要素（電池本体）を２枚のラミネートフィルム１０、１１の間に挟み、周囲を溶着して密封したものであり、正極および負極の端子１２、１３はラミネートフィルム１０、１１の間から外部へ引き出される。このようなシート型電池を厚み方向に積層して電池同士の接触面積を非常に大きくしている。
【００１７】
以上の構成の電源装置においては、車両の始動時等の低温の条件で使用した場合、低温型である電解液リチウム電池ＬＢの負荷分担が大きくなり、電解液リチウム電池ＬＢに大きな電流が流れる。この電流による内部発熱で電解液リチウム電池ＬＢの温度が上昇し、この熱が隣り合って接触している全固体リチウム電池ＳＢに伝わり全固体リチウム電池ＳＢの温度を上昇させる。このため、２種類の電池を単に並列接続しただけで熱の移動がない電源装置と比較した場合、この電源装置１は低温時の放電容量特性が良好となる。特に、シート型電池を厚み方向に積層して２種類の電池を接触させているので、伝熱面積が大きくなり、電解液リチウム電池ＬＢから全固体リチウム電池ＳＢへ効率よく熱を伝えることができる。
【００１８】
また、電源装置１は、高温では、低温型の電解液リチウム電池ＬＢに代わり、寿命特性の優れた高温型の全固体リチウム電池ＳＢが電源装置の放電容量特性を良好とする。
【００１９】
以上説明した本実施形態においては、以下に記載した効果を奏することができる。
【００２０】
（ア）低温型電池としての電解液リチウム電池ＬＢと高温型電池としての全固体リチウム電池ＳＢとを並列に接続し、低温型の電解液リチウム電池ＬＢに流れている電流を用いて高温型の全固体リチウム電池ＳＢを加熱するので、短時間で高温型の全固体リチウム電池ＳＢの出力特性を向上できる。
【００２１】
（イ）しかも、高温型の全固体リチウム電池ＳＢの加熱により、寿命特性が優れている高温型の全固体リチウム電池ＳＢの作動範囲を拡大して寿命特性が相対的に低い低温型の電解液リチウム電池ＬＢの作動を抑制し、電源装置１全体の寿命特性を向上できる。
【００２２】
（ウ）また、高温型の全固体リチウム電池ＳＢと低温型の電解液リチウム電池ＬＢとを積層等によって接触させる等、隣接させているので、特に低温時に、電解液リチウム電池ＬＢの熱が全固体リチウム電池ＳＢに移り、短時間で全固体リチウム電池ＳＢを昇温させることが可能である。
【００２３】
（エ）高温型の全固体リチウム電池ＳＢは、電源装置１として積層される電池間に挟んで内側に配置するため、全固体リチウム電池ＳＢの加熱が容易となり、より一層短時間で電池の出力特性が向上する。
【００２４】
（オ）高温型の全固体リチウム電池ＳＢおよび低温型の電解液リチウム電池ＬＢは、セルの外包体がラミネートフィルム１０、１１なので、外部との熱のやり取りが容易となり、全固体リチウム電池ＳＢを早期に加熱することが可能となる。
【００２５】
（カ）高温型電池および低温型電池が、全固体および電解液を用いたリチウム電池ＳＢ、ＬＢであることで、上記した効果の有効性が向上する。
【００２６】
図３は、本発明の電源装置の第２の実施形態を示す概略構成図を示し、全固体リチウム電池ＳＢを低温時に加熱するに際して、電解液リチウム電池ＬＢの内部発熱によるものに代えて加熱手段により加熱するようにしたものである。
【００２７】
図３において、全固体リチウム電池ＳＢと電解液リチウム電池ＬＢとは、第１実施形態と同様に、並列に接続されている。電解液リチウム電池ＬＢは、電力制御手段２、および、ヒータ５を直列接続して備え、これら電力制御手段２およびヒータ５は、全固体リチウム電池ＳＢに対しては並列に位置する。前記ヒータ５は全固体リチウム電池ＳＢに接触させて配置している。
【００２８】
前記電力制御手段２は、電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力をオンオフするリレー、あるいは、入出力電力を調整する可変抵抗器により構成している。電力制御手段２は、電源装置１を制御するコントローラ３からの制御信号に応じて電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を制御する。ヒータ５は直列に接続されている電力制御手段２により制御される電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力に応じて加熱作動する。
【００２９】
前記コントローラ３は、全固体リチウム電池ＳＢに近接して配置された温度センサ４の出力信号に基づいて電力制御手段２に対する制御信号を生成する。具体的には、全固体リチウム電池ＳＢの温度が低い場合に、リレーを接続状態とする制御信号を送ったり可変抵抗器の抵抗値を小さくする制御信号を送ったりして、電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を使用する、若しくは、増加させるよう電力制御手段２を制御する。前記温度センサ４は、全固体リチウム電池ＳＢの温度を測定してコントローラ３に入力する。温度センサ４は全固体リチウム電池ＳＢの温度と相関のある信号を出力すればよく、必ずしも全固体リチウム電池ＳＢに密接させて配置する必要はない。
【００３０】
以上の構成になる電源装置１においては、車両の始動時等の低温の条件で使用した場合、コントローラ３は温度センサ４により全固体リチウム電池ＳＢの温度が低いことを判定して、電解液リチウム電池ＬＢを使用するよう電力制御手段２を制御する。即ち、コントローラ３は、リレーを接続状態とする制御信号を送ったり可変抵抗器の抵抗値を小さくする制御信号を送ったりする。これにより、全固体リチウム電池ＳＢだけでは十分な出力特性が得られない温度以下のときにおいても、電源装置１の出力特性を十分に確保することができる。
【００３１】
上記の作動により、電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力は、ヒータ５にも通電されて加熱され、全固体リチウム電池ＳＢの温度を上昇させる。この作動が継続されると、雰囲気温度が低い場合でも、全固体リチウム電池ＳＢの温度が十分な出力特性が得られる温度条件に達し、温度センサ４により検出され、コントローラ３に入力される。コントローラ３は電力制御手段２を制御して電解液リチウム電池ＬＢの使用を制限し、全固体リチウム電池ＳＢの入出力電力を負荷に供給する。
【００３２】
また、全固体リチウム電池ＳＢだけで十分な出力特性が得られる温度条件では、前記と同様に、電解液リチウム電池ＬＢの使用を制限し、全固体リチウム電池ＳＢよりも寿命特性が劣る電解液リチウム電池ＬＢの使用時間をできるだけ抑制する。
【００３３】
前記電解液リチウム電池ＬＢとヒータ５とは、使用すべき条件が、全固体リチウム電池ＳＢが作動温度以下の場合であるので、単一の電力制御手段２を共通に使用することができる。
【００３４】
図４は、第２実施形態の電源装置の変形例を示し、加熱手段としてＰＴＣ素子を用いた電源装置である。
【００３５】
ＰＴＣ素子Ｐは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を主成分とした半導体セラミックスであり、材料組成を調整することで任意にキュリー温度（電気抵抗が急変する温度）を設定できる。
【００３６】
ＰＴＣ素子Ｐは、電解液リチウム電池ＬＢに対し直列に接続され、全固体リチウム電池ＳＢに隣接配置し、全固体リチウム電池ＳＢだけでは十分な出力特性が得られなくなる温度にＰＴＣ素子のキュリー温度を一致させてある。
【００３７】
従って、全固体リチウム電池ＳＢだけでは十分な出力特性が得られない低温時はＰＴＣ素子Ｐの抵抗が小さくなって電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力が使用され、高温時はＰＴＣ素子Ｐの抵抗が大きくなって電解液リチウム電池ＬＢの使用が制限される。
【００３８】
また、低温時に電解液リチウム電池ＬＢが使用される場合、ＰＴＣ素子Ｐの抵抗によってＰＴＣ素子Ｐ自体が発熱し、この熱によって全固体リチウム電池ＳＢを加熱する。
【００３９】
以上のように、ＰＴＣ素子Ｐは、図３に示す電源装置１の電力制御手段２、温度センサ４、コントローラ３、および、ヒータ５の各機能を兼備えている。
【００４０】
本実施形態においては、第１実施形態における（ア）、（イ）、（オ）、（カ）の効果に加えて以下に記載する効果を奏することができる。
【００４１】
（キ）低温型の電解液リチウム電池ＬＢは、高温型の全固体リチウム電池ＳＢを加熱する加熱手段としてのヒータ５若しくは半導体セラミックＰＴＣ素子Ｐを直列に接続して備えるため、低温時に電解液リチウム電池ＬＢを使用中に全固体リチウム電池ＳＢの加熱ができ、短時間で出力特性を向上できる。
【００４２】
（ク）図３の電源装置１では、低温型の電解液リチウム電池ＬＢは直列にその入出力電力を制御する電力制御手段２を備えているため、全固体リチウム電池ＳＢが暖まった時に電解液リチウム電池ＬＢの電力を制限することができ、電解液リチウム電池ＬＢの寿命を増加させることができる。
【００４３】
（ケ）図３の電源装置１では、低温型電池は前記加熱手段と直列にその入出力電力を制御する電力制御手段２を備えているため、全固体リチウム電池ＳＢが暖まった時に電解液リチウム電池ＬＢの電力を制限することができ、電解液リチウム電池ＬＢの寿命を増加させることができる。また無駄な加熱を防ぎ、エネルギー効率を向上することが可能となる。
【００４４】
（コ）図４の電源装置１では、加熱手段を温度が高くなると抵抗が大きくなる素子、例えば、ＰＴＣ素子Ｐで形成したため、電解液リチウム電池ＬＢの電力制御と全固体リチウム電池ＳＢの加熱の各機能を兼ね備え、構造を簡単化できる。
【００４５】
（サ）図４の電源装置１のＰＴＣ素子ＰがセラミックＰＴＣ素子であることにより、ＰＴＣ素子Ｐの発熱が大きく、全固体リチウム電池ＳＢの加熱が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す電源装置の概略構成図。
【図２】同じく電源装置の具体的構成を示す斜視図。
【図３】本発明の第２実施形態を示す電源装置の概略構成図。
【図４】第２実施形態の変形例の電源装置の概略構成図。
【符号の説明】
ＳＢ　高温型電池としての全固体リチウム電池
ＬＢ　低温型電池としての電解液リチウム電池
Ｐ　ＰＴＣ素子としてのセラミックＰＴＣ素子
１　電源装置
２　電力制御手段
３　コントローラ
４　温度センサ
５　加熱手段としてのヒータ
１０，１１　ラミネートフィルム

Claims

比較的低温側から良好な出力特性が得られる低温型電池と比較的高温側で良好な出力特性が得られる高温型電池とを並列に接続するとともに、前記低温型電池に流れる電流を用いて前記高温型電池を加熱するようにしたことを特徴とする電源装置。
前記高温型電池と低温型電池とは、隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記高温型電池は、電源装置として積層される電池間に挟んで内側に配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。
前記低温型電池は、直列にその入出力電力を制御する電力制御手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の電源装置。
前記低温型電池は、高温型電池を加熱する加熱手段を直列に接続して備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記低温型電池は、前記加熱手段と直列にその入出力電力を制御する電力制御手段を設けたことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
前記加熱手段は、温度が高くなると抵抗が大きくなる素子を用いることを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
前記温度が高くなると抵抗が大きくなる素子は、セラミックＰＴＣ素子であることを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
前記高温型電池および低温型電池は、ラミネートフィルムによりセルが外包されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一つに記載の電源装置。
前記高温型電池および低温型電池は、リチウム電池であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の電源装置。