JP2004063397A - Battery, battery pack, and vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇温機能を有する電池および組電池、ならびにこれらを搭載した車両に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度および高出力密度を達成することができるリチウムイオン二次電池に注目が集まっている。
【0003】
また、電池の構造についても種々の提案がされている。たとえば、液体の電解質に代えて固体高分子電解質を用いた電池が提案されている。固体高分子電解質を用いた電池は、液体の電解質を用いた電池と比べて、大電流を流して高温となった場合であっても電解質からのガス放出および電解質の成分分離が少ない。したがって、固体高分子電解質型の電池は、大電流および高温に対する許容性が高いという長所を有する。
【0004】
さらに、特開2000−100471号公報に開示されているとおり、バイポーラ電池と呼ばれる電池が提案されている。バイポーラ電池は、集電体と呼ばれる板状導電体の一の面に正極活物質を配置するとともに他の面に負極活物質を配置したバイポーラ電極を複数有しており、その隣接するバイポーラ電極の間に挟まれる電解質層を有する。
【0005】
以上のとおり、種々の電池が提案されているが、これらの電池を電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の電源として使用するためには、自動車が使用され得る寒冷地への対応を考慮する必要がある。電池は化学反応を用いているため、低温になると内部抵抗値が高くなり、出力が低下するという問題点が生じるおそれがある。特に、電解質として固体高分子電解質を使用した電池は、液体の電解質を使用した電池と比べて、電解質中のイオンの移動度が低いため、低温時における出力の低下の影響を強く受ける。この問題を解決するために、従来は、電池の外部にヒータを設け、低温時には、外部電源(たとえば、発電機)からヒータへ電流を供給し、電池を加熱する技術が提案されている。
【0006】
しかしながら、この技術によれば、電池の外部に置かれたヒータによって電池を加熱するので、電池の温度を適温まで昇温するのに時間がかかるといった問題がある。また、外部電源を必要とするため、発電機などの外部電源を有しない状況下では適用できないといった問題がある。また、外部電源の設置スペースが必要となるとともに、外部電源と電池とを接続するための比較的複雑な回路が必要になるといった問題がある。
【0007】
以上の問題は、自動車の場合に限られず、低温において使用される機器に使用される電池のすべてに共通する問題である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、迅速に電池温度を昇温することができる電池、複数の電池を接続した組電池、および低温時の始動性の高い車両を提供することである。また、外部電源を必要とすることなく、電池温度を適温とすることができる電池、組電池を提供することも本発明の目的である。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
(1)本発明の電池は、正極端子および負極端子を有する電池であって、当該電池の温度を計測する計測部と、前記計測部による計測結果に基づいて、前記正極端子および前記負極端子間を短絡する短絡状態と当該端子間を開放する開放状態とを切り替えるスイッチ部と、を有することを特徴とする。
(2)本発明の電池は、正極端子および負極端子を有する電池であって、当該電池の内部に設けられたヒータと、当該電池の温度を計測する計測部と、前記計測部による計測結果に基づいて、前記正極端子および前記負極端子間に前記ヒータを電気的に接続した状態と接続していない状態とを切り替えるスイッチ部と、を有することを特徴とする。
(3)本発明の組電池は、上記のいずれかに記載の電池を複数個にわたって接続することによって構成されている。
(4)本発明の車両は、上記のいずれかに記載の電池または組電池を電源として備える。
【0010】
【発明の効果】
本発明の電池によれば、迅速に電池の単電池層内部から加熱することができるので電池温度を迅速に適温まで昇温することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の一実施形態である電池を模式的に示す斜視図である。電池10は、正極外部端子(正極端子)111および負極外部端子(負極端子)112が突出した電池本体100と、これらの両端子111および112間を短絡するための短絡回路200とを備える。短絡回路200は、好ましくは、電池本体100に付属されており、保護カバー210によって覆われている。保護カバー210は、外部からの衝撃から短絡回路200を守る。ここで、短絡とは、電位差のある2本の線路が抵抗またはインピーダンスの比較的小さい導体で直接結ばれた状態であり、電動機などの負荷を通じて接続される状態は含まれない。
【0012】
短絡回路200は、温度センサ220、制御素子230、リレー部240、抵抗素子250を含む。温度センサ(計測部)220は、たとえば、熱電対であり、電池本体100の温度を計測するセンサである。制御素子230は、温度センサ220による計測結果に基づいて、リレー部240を駆動する回路である。リレー部240は、両端子111、112間を短絡する状態と開放する状態とを切り替えるためのリレーである。制御素子230とリレー素子240は、温度の計測結果に基づいて、両端子111、112間を短絡する状態(以下「短絡状態という」と両端子間111、112間を開放する状態(以下「開放状態」という)とを切り替えるスイッチ部として機能する。
【0013】
また、抵抗素子250は、リレー部240と直列に接続されている。したがって、上記の短絡状態では、両端子間111、112は、抵抗素子250を介して短絡される。すなわち、この抵抗素子250は、リレー部240によって両端子111、112間が短絡された場合に両端子111、112間に流れる電流(以下、「短絡電流」という)の値を調整するための調整抵抗として機能する。
【0014】
次に、上記の電池本体の構成を説明する。図2は、図1の電池10を矢印A方向から見た状態を示す断面図である。なお、図2において、電池本体100に付属した短絡回路200については、模式的に示している。電池本体100の表面は、フィルムシート130で覆われている。フィルムシート130としては、たとえば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属層とポリプロピレンフィルム等の絶縁体層とが積層された積層フィルムが用いられる
電池本体100は、その内部に、正極活物質層121、電解質層122、および負極活物質層123をこの並び順で含んでいる。本実施の形態では、電解質層122は、実質的に溶液を含まない固体高分子電解質で構成されている。換言すれば、本実施の形態の電池10は、固体電解質型の電池である。なお、電解質層122が固体電解質で構成されている電池は、大電流および高温への許容性が高い。したがって、短絡回路200によって両端子111、112間に比較的大きな電流を流すことに対する許容度が高い。
【0015】
正極活物質層121、電解質層122、および負極活物質層123の一組が、一つの単電池層140を形成する。ここで、単電池層とは、起電力を発生するために必要な最小限の構成単位をいう。図2に示される電池本体では、5個の単電池層140a〜140eが直列に配置されている。
【0016】
より具体的には、図2に示される電池10は、いわゆるバイポーラ電池である。したがって、電池本体100は、図3に示されるとおり、正極活物質層121、集電体124、負極活物質層123がこの並び順で積層されてなるバイポーラ電極150を複数備えるとともに、隣接するバイポーラ電極150間に挟まれた電解質層122を有する。このように複数のバイポーラ電極150と電解質層122とを交互に配列することによって、上述したとおり、直列に接続された複数の単電池層140a〜140eが形成される。
【0017】
図2に示される構造は、たとえば、バイポーラ電極150の両面に電解質の膜を塗布した後、電解質の膜が塗布された複数のバイポーラ電極を積層することによって生産できる。特に、正極活物質層121と負極活物質層123とが電解質の膜を挟んで対向するように複数のバイポーラ電極は積層される。この場合、張り合わされた上記の電解質の膜が、電解質層122に対応する。
【0018】
図3に示される集電体124は、金属の板状体であり、たとえば、ステンレス箔である。もちろん、焦電体124として、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、およびこれらの合金などの他物質を用いてもよい。さらに、集電体124の表面は、アルミニウムなどによって被覆されていてもよい。
【0019】
正極活物質層121は、集電体124の一の面上に形成されている。より具体的には、正極活物質層121は、正極活物質、導電助剤、固体高分子電解質、支持塩、粘度調整溶媒、重合開始材を所定の比率で混同して作成された正極用スラリーを集電体124の一の面に塗布し、熱重合または光重合により硬化させて形成されたものである。
【0020】
ここで、正極活物質は、LiMn2O4などのLi・Mn系複合酸化物である。ただし、本実施の形態と異なり、その他の遷移金属とリチウムとの複合酸化物を使用してもよい。たとえば、正極活物質として、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、LiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、LiFeO2などのLi・Fe系複合酸化物などを用いてもよい。また、導電助剤は、活物質粒子間の電子伝導性を高めるために働くものである。導電助剤は、たとえば、アセチレンブラックである。なお、導電助剤として、アセチレンブラックに代えて、カーボンブラック、またはグラファイトを用いてもよい。正極活物質層121に含まれる固体高分子電解質は、活物質層内でのイオン伝導性やイオン拡散性を高めるために働くものである。固体高分子電解質は、イオン伝導性を有する高分子であればよく、特に限定されるものではない。イオン伝導性を有する高分子としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが該当する。
【0021】
支持塩(リチウム塩)としては、LiN(SO2C2F5)2を用いることができる。しかしながら、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、またはこれらの混合物を用いてもよい。粘度調整剤は、スラリーを形成する際の粘度を調整するための溶媒であり、本実施の形態では、N−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」という)が用いられている。しかしながら、他の粘度調整剤を用いてもよい。重合開始剤は、熱重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリルが用いられる。しかしながら、光重合により正極活物質層121を硬化させる場合には、ベンジルジメチルケタールなどの光重合開始剤が用いられる。
【0022】
一方、負極活物質層123は、負極活物質、導電助剤、固体高分子電解質、支持塩、粘土調整溶媒、重合開始材を所定の比率で混同して作成された負極用スラリーを集電体124の他の面(正極スラリーを塗布した面と反対側の面)に塗布し、熱重合または光重合により硬化させて形成されたものである。
【0023】
負極活物質層123の構成は、使用する負極活物質の種類を除いて、基本的に上記の正極活物質層と同様であるので、詳しい説明を省略する。好ましくは、負極活物質は、Li4Ti5O12などのチタンとリチウムとの複合酸化物である。しかしながら、負極活物質として、その他の遷移金属とリチウムとの複合酸化物を使用してもよい。
【0024】
次に電解質層122について説明する。電解質層122は、上記のバイポーラ電極150の両面に形成されており、イオン伝導性を有する高分子から構成される層である。本実施の形態では、電解質層122は、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、または、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が用いられる。電解質層122中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。また、重合によって電解質層122を硬化させるために重合開始剤が添加されている。たとえば、重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルなどの熱重合開始剤や、ベンジルジメチルケタールなどの光重合開始剤が用いられる。
【0025】
次に、以上のとおり構成される電池10の等価電気回路を説明する。図4は、図1に示される電池10の等価電気回路を示す図である。なお、上述した各単電池層140a〜140eは、それぞれ起電力を発生する要素であるとともに、内部抵抗を含む。したがって、各単電池層140は、一組の直流電源141と電気抵抗142とに相当する。たとえば、上記の図2に示される電池10は、直列接続された5個の単電池層140a〜140eを含む。この5個の単電池層140a〜140eは、直流電源141と電気抵抗142との組を5組直列に接続した構成に対応する。この構成の両端部が、正極外部端子111および負極外部端子112として伸張されており、この正極外部端子111および負極外部端子112間には、リレー部240と電気抵抗142とが直列接続されている。
【0026】
より具体的には、リレー部240の一端が、正極外部端子111または負極外部端子112の一方の端子(図中では、端子112)に接続されている。リレー部240の他端が抵抗素子250の一端に接続されている。そして、抵抗素子250の他端は、正極外部端子111または負極外部端子112のどちらか残った端子(図中では、端子111)に接続されている。この結果、端子112、リレー部240、電気抵抗142、および他の端子111による回路ループが構成される。
【0027】
また、制御素子230は、両端子111および112に接続されており、電池本体111から電力の供給を受けている。この制御素子230には、温度センサ220が接続されており、制御素子230は、温度センサ220による電池本体100の温度の温度計測結果を受け取る。温度センサ220が熱電対である場合には、制御素子230は、温度計測結果を電圧として受け取る。また、制御素子230は、上記のリレー部240の制御端子に接続されている。制御素子230は、温度センサ220からの温度計測結果に基づいて、所定の信号をリレー部240の制御端子へ供給する。リレー部240は、短絡状態と開放状態とを切り替える。
【0028】
以上のように構成される本実施の形態の電池10は、次のように動作する。図5は、本実施の形態の電池の動作を示すフローチャートである。
【0029】
まず、最初に、温度センサ220は、電池本体100の所定部分の温度の計測を開始する(ステップS100)。たとえば、電池10が電源として用いられる機器(たとえば、自動車)の始動が指示されるのと連動して、温度の計測を開始してもよい。電池温度の計測結果は、制御素子230へ伝えられる。なお、温度センサ220が熱電対である場合には、電池温度の計測結果は電圧として得られる。
【0030】
制御素子230は、温度センサ220によって計測された電池温度が所定の第1温度(第1しきい値)未満であるか否かを判断する(ステップS101)。温度センサ220が熱電対である場合には、計測された電池温度に対応する電圧と、第1しきい値に対応する参照電圧とが比較される。比較の結果、温度センサ220によって計測された電池温度が所定の第1温度(第1しきい値)以上である場合には(ステップS101:NO)、電池温度が十分に高いので電池10を加熱する必要がない。したがって、処理が終了する。一方、温度センサ220によって計測された電池温度が所定の第1温度(第1しきい値)未満である場合には(ステップS101:YES)、電池温度を昇温させる必要があるので、ステップS102の処理に移行する。たとえば、基準となる第1温度は、−40〜−10℃程度の範囲内のいずれかの温度であり、より好適には、−30℃程度である。しかしながら、第1温度は、この値に限られず、電池10の性能および仕様によって適宜に決定される。
【0031】
次にステップS102では、電池温度を昇温させるための処理として、制御素子230は、信号をリレー部240へ出力する。この結果、リレー部240は、正極外部端子111と負極外部端子112間を短絡させる。このように、ステップS101およびステップS102における機能は、温度計測結果に基づいて、両端子111、112間を短絡する状態と開放する状態とを切り替えるスイッチ部に相当する。以上のとおり、両端子111、112間および電池100の内部を通って短絡電流が流れる。電池100の内部には、図4に示されるとおり、内部抵抗(図4の電気抵抗142に相当)が存在するため、ジュール熱が発生し、電池100は、内部から加熱される。なお、短絡状態では、両端子111、112間は、抵抗素子250を介して短絡される。そして、短絡電流は、抵抗素子250の抵抗値の値に応じて異なる。ここで、短絡電流は、電池の仕様および要求によっても異なり、事前に設定される。また、短絡電流は、電池10の内部抵抗にも依存する。特に、上述のとおり、電池10の内部抵抗の値は、電池10が低温であるほど高くなる。
【0032】
このように、種々の条件によって、短絡電流の値は異なるが、たとえば、数十C(1Cは、満充電時の電池が有する容量を1時間で放電するように使用する際の電流値)程度の大電流を流すことができる。また、図2および図3を用いて説明したとおり、電池10の電解質層が固体電解質層である場合には、液体の電解質を用いる電池に比べて、短絡電流の値を比較的大きく設定することができる。したがって、好適に、電池10の温度を昇温することができる。
【0033】
次に、制御素子230は、温度センサ220によって計測された電池温度が所定の第2温度(第2しきい値)以上となったか否かを判断する(ステップS103)。温度センサ220が熱電対である場合には、計測された電池温度に対応する電圧と、第2しきい値に対応する参照電圧とが比較される。比較の結果、温度センサ220によって計測された電池温度が所定の第2温度(第1しきい値)未満である場合には(ステップS103:NO)、ステップS102のおける昇温処理を継続し、温度センサ220によって計測された電池温度が所定の第2温度(第1しきい値)以上である場合には(ステップS103:YES)、ステップS104の処理へ移行する。なお、基準となる第2温度は、たとえば、0〜50℃程度である。しかしながら、第2温度は、この値に限られず、電池10の性能および仕様によって適宜に決定される。また、図2および図3を用いて説明したとおり、電池10の電解質層が固体電解質層である場合には、液体の電解質を用いる電池に比べて、第2温度を高く設定することができる。また、本実施の形態と異なり、第2温度と比較することなく、所定の時間が経過した際に自動的に両端子111、112間を開放するように構成することもできる。
【0034】
ステップS104では、電池温度が十分に昇温した場合の処理として、制御部230は、リレー部240への信号出力を停止し、この結果、リレー部240は、開状態に戻る。この結果、リレー部240は、正極外部端子111と負極外部端子112間の短絡を終了し、両端子111および112間を開放状態に切り替える。
【0035】
以上のとおり、本実施の形態の電池によれば、以下の効果を奏する。
(イ)発電機や別途設けられた電池などの外部電源を必要とすることなく、電池本体100自らが有するエネルギーを利用して昇温が実行される。したがって、外部電源を用いることができない環境化でも、電池本体100の温度を適温に昇温し、電池の能力が発揮される。
(ロ)外部電源を必要としないため、外部電源の設置場所が不要である。
(ハ)電池本体100自体が有する内部抵抗に起因するジュール熱により電池本体100内部から加熱することができる。したがって、電池本体100の外部から加熱する場合に比べて、昇温効率が高く、短時間で適温に到達する。
(二)また、外部電源や外部の電池との間で電流のやり取りをすることによって、電池内部から加熱する場合と比べても、効率よく電池本体100の温度を昇温することができる。
(ホ)また、電解質層122が固体高分子電解質からなる電池の場合には、ガスの噴出や電解質の分離などが少なく、大電流および高温への許容性が高いため、本実施の形態のような短絡電流を用いた電池の昇温技術に対する適応が高い。
(へ)特に、バイポーラ電池の場合には、複数の単電池層140が直列接続されている構成を持つことから、エネルギー出力が高く、このエネルギーを電池温度の昇温に利用することができる。また、多くのバイポーラ電池には、固体高分子電解質が使われるため、上記(ホ)と同様の効果を有する。
(ト)正極外部端子111および負極外部端子112間を短絡した際に両端子111、112間に電気的に接続される調整用の電気抵抗142を有するので、電池10の仕様に合わせて短絡電流を設定することができる。
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、電池の有するエネルギーを用いるとともに電池の内部抵抗に起因するジュール熱を利用することによって、電池温度を昇温する場合を説明した。第2の実施の形態の電池は、電池自身の有するエネルギーを用いる点は、第1の実施の形態の電池と同様であるが、電池内部に埋め込まれたヒータによって電池温度を昇温する点で第1の実施の形態の電池と異なる。なお、以下の説明で、第1の実施の形態の場合と同様の部材には、同じ部材番号を用いる。
【0036】
図6は、本実施の形態の電池の断面図である。図6に示されるとおり、電池10の基本構成は、第1の実施の形態の場合と略同様である。すなわち、電池10は、正極活物質層121、電解質層122、および負極活物質層123をこの並び順で含んでなる単電池層140を有している。より具体的には、電池10は、正極活物質層121、集電体124、および負極物質層123が、この並び順で積層されてなるバイポーラ電極150を複数備えるとともに、隣接するバイポーラ電極150間に挟まれた電解質層122を有するバイポーラ電池である。そして、この電解質層122は、固体高分子電解質層である。
【0037】
本実施の形態の特徴は、ヒータ部300が、電池本体100の内部、すなわち、正極活物質層121、電解質層122、および負極活物質のいずれかの場所に設けられている点である。より好適には、図6に示されるとおり、ヒータ部300は、電解質層122の内部に埋設されていることが特徴である。
【0038】
図7は、一つの電解質層122内のヒータ部300を模式的に示す図である。電解質層122が複数設けられた電池10の場合には、各電解質層122内に、ヒータ部300が埋設されている。ヒータ部300は、たとえば、ニッケルクロム合金などの金属からなる線状または箔状の電気抵抗である。たとえば、図7に示されるとおり、電解質層122の層内の全体を加熱するような形状に金属線を加工する。そして、この金属線を硬化前の電解質層122の内部に配置した後に、電解質層122を重合により硬化させる。この結果、ヒータ部300が埋設された電解質層122が構成される。また、上述したとおり、電解質の膜を表面に塗布した複数のバイポーラ電極130を相互に重ね合わせることによって、バイポーラ電極と電解質層122との積層構造を製造することもできるが、この場合には、バイポーラ電極130同士を重ね合わせる際に金属線を挟み込むことによって、ヒータ部300が埋設された電解質層122を構成することができる。
【0039】
以上のとおり構成される各ヒータ部300とリレー部240とは、正極外部端子111および負極外部端子112の間に直列接続される。より具体的には、リレー部240の一端が、正極外部端子111または負極外部端子112の一方の端子(図中では、端子112)に接続されており、リレー部240の他端が各ヒータ部300の一端に接続されている。そして、各ヒータ部300の他端が残った端子(図中では、端子111)に接続されている。この結果、端子112、リレー部240、各ヒータ部300、および他の端子111による回路ループが構成される。
【0040】
また、温度センサ220からの電池温度の温度検出結果に基づいて制御素子230がリレー部240へ信号を出力する。この結果、リレー部240は、検出された電池温度に基づいて、両端子111、112間にヒータ部300を電気的に接続した状態と接続していない状態とを切り替える。なお、必要に応じて、電流を調整するための他の電気抵抗素子がこのヒータ部300に直列接続されていてもよい。
【0041】
なお、本実施の形態における電池10の動作は、第1の実施の形態において説明した図5に示される動作と同様である。したがって、詳しい説明は省略する。簡単に説明すれば、温度センサ220によって計測された電池温度が第1温度よりも低い場合に、リレー部240は、電池温度が第2温度になるまで両端子111および112間にヒータ部300を電気的に接続する。したがって、電流は、正極外部端子111からヒータ部300を通じて負極外部端子112へと流れる。この結果、ヒータ300がジュール熱を発生し、電池100は、内部で発生したジュール熱によって加熱される。そして、温度センサ220によって計測された電池温度が第2温度以上となった場合に、リレー部240は開状態となり、両端子111、112間を開放する。
【0042】
以上のとおり、第2の実施の形態を説明したが、本発明は、この場合に限られない。たとえば、ヒータ300が正極活物質層121および負極活物質層123に接触しないように被覆することも可能である。
【0043】
以上のとおり、本実施の形態の電池によれば、以下の効果を有する。
(チ)電池10の内部、すなわち正極活物質層121、電解質層122、負極活物質層123のいずれかの部分にヒータ部300(ヒータ抵抗)を設けたので、このヒータ部によって電池10の内部から加熱することができ、昇温効果が高い。
(リ)ヒータ部300を電池本体100の外部に取り付ける必要がなくなり、小型化できる。
(ヌ)ヒータ部300を正極外部端子111および負極外部端子112間に接続することによって、電池本体100の内部抵抗によるジュール熱とともに、ヒータ部300によるジュール熱によって電池10を内部から加熱することができる。
(ル)ヒータ部300を固体高分子電解質層122内に埋設する場合には、固体高分子電解質の硬化前にヒータ部300を埋設し、固体高分子電解質を重合させることによってヒータ部300を一定の位置に固定することできる。したがって、固定手段の構成が簡単になる。
(第3の実施の形態)
次に、上記第1または第2の実施の形態で説明した電池10を複数個にわたって電気的に接続した組電池を説明する。
【0044】
図8は、本実施の形態の組電池を示す図である。電気10を複数接続することによって組電池400が構成される。なお、複数の電池10は、直列接続および/または並列接続されている。この結果、所望の出力電圧および容量を達成できる組電池400が構成できる。なお、組電池400を構成する場合には、上述した温度センサ220および/または制御素子230は、各電池10に別個に設けられる必要はなく、組電池400の何れかの部分に設けられていれば足りる。
【0045】
図9は、上記第1または第2の実施の形態で説明した電池10、あるいは上記の組電池400を電源として用いる電気自動車(EV)の外形を示す図である。図9に示される例では、電気自動車500の運転席座席下方に、組電池400が搭載されている。電気自動車500は、この組電池400を電源として、図示していない電動機を回転させて走行する。電気自動車500は、寒冷地での動作が保証されている必要があり、たとえば、−30℃程度の低温環境下での始動が求められている。
【0046】
電動機を回転させる前の状態では、組電池400は気温に応じて冷却されており、低温環境下では、内部抵抗の値が高くなっているため、十分な始動性が得られないおそれがある。したがって、ユーザが運転席内部のスイッチを操作し、自動車を始動させる場合、まず、組電池400の温度が計測され、その温度が第1温度未満である場合には、リレー部240は、開放状態から短絡状態へと切り替える。この結果、電池100の内部抵抗に起因するジュール熱および/または電池100の電解質層122内に設けられたヒータ部300に起因するジュール熱が発生し、組電池400は、その内部から加熱される。その後、組電池400の温度が第2温度に達するのを待って、リレー部240は、電池100の端子間を開放状態に切り替える。たとえば、数10C程度の電流を数秒間にわたって流すことによって、組電池400を構成する各電池100が均等に加熱され、組電池400の温度は、素早く昇温される。この結果、低温環境であっても、短時間に電気自動車500を始動させることができ、始動性が高まる。なお、電気自動車500に代えて、ハイブリッド電気自動車などの他種類の車両に本発明を適用することは、もちろんである。
【0047】
以上のとおり、本発明の電気自動車500によれば、低温環境に置かれていた場合であっても、十分な出力が可能な状態に早急になる。
【0048】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明は、この場合に限られず、発明の技術思想の範囲内で、種々の変形、追加、省略が可能である。
【0049】
たとえば、上記の説明では、固体高分子電解質型の電池に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は、この場合に限られない。確かに、大電流および高温への許容性の観点からは、固体高分子電解質型の電池を用いる方が好ましいが、上記の第2温度の設定値や調整用の抵抗素子250の値を適切に設定することによって、液体電解質型またはゲル電解質型の電池へも本発明を適用することができる。また、電池本体の温度が高くなり、内部抵抗値が低くなることにともなって予想以上の過電流が流れることを防止すべく、過電流が流れた場合に、適宜に回路を切断する遮断回路を付加してもよい。
【0050】
また、上記の説明では、電池本体100内部で複数の単電池層140が直列に接続されているバイポーラ型電池に本発明を適用した場合を説明したが、他の種類の電池に適用できることは、もちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態における電池を模式的に示す斜視図である。
【図2】図1の電池を模式的に示す断面図である。
【図3】図1の電池が備えるバイポーラ電極の構造を示す図である。
【図4】図1の電池の等価電気回路図である。
【図5】図1の電池の動作を示すフローチャートである。
【図6】第2の実施の形態における電池を模式的に示す断面図である。
【図7】図6の電池が備える電解質層の構造を示す図である。
【図8】図1または図2の電池から構成された組電池を示す図である。
【図9】図8の組電池を備える車両を示す図である。
【符号の説明】
100…電池本体、
111…正極外部端子、
112…負極外部端子、
121…正極活物質層、
122…電解質層、
123…負極活物質層、
124…集電体、
140…単電池層、
150…バイポーラ電極
200…短絡回路、
220…温度センサ、
230…制御素子、
240…リレー部、
250…抵抗素子、
300…ヒータ部、
400…組電池、
500…電気自動車。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery and a battery pack having a temperature raising function, and a vehicle equipped with the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, reduction of carbon dioxide emission has been urgently required for environmental protection. The automobile industry is expected to reduce carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and is keen to develop secondary batteries for motor drives, which are key to their practical use. Is being done. As a secondary battery, attention has been focused on a lithium ion secondary battery that can achieve high energy density and high output density.
[0003]
Various proposals have also been made regarding the structure of the battery. For example, a battery using a solid polymer electrolyte instead of a liquid electrolyte has been proposed. A battery using a solid polymer electrolyte is less likely to release gas from the electrolyte and separate components of the electrolyte, even when a high current is applied and the temperature rises, as compared to a battery using a liquid electrolyte. Therefore, the solid polymer electrolyte type battery has an advantage of high tolerance to a large current and a high temperature.
[0004]
Further, as disclosed in JP-A-2000-100471, a battery called a bipolar battery has been proposed. A bipolar battery has a plurality of bipolar electrodes in which a positive electrode active material is arranged on one surface of a plate-shaped conductor called a current collector and a negative electrode active material is arranged on the other surface. It has an electrolyte layer sandwiched between.
[0005]
As described above, various batteries have been proposed. However, in order to use these batteries as a power source for an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV), it is necessary to cope with cold regions where vehicles can be used. It needs to be considered. Since the battery uses a chemical reaction, there is a possibility that at low temperatures, the internal resistance increases and the output decreases. In particular, a battery using a solid polymer electrolyte as an electrolyte has a lower ion mobility in the electrolyte than a battery using a liquid electrolyte, and thus is strongly affected by a decrease in output at low temperatures. In order to solve this problem, conventionally, a technique has been proposed in which a heater is provided outside the battery, and when the temperature is low, current is supplied from an external power supply (for example, a generator) to the heater to heat the battery.
[0006]
However, according to this technique, since the battery is heated by a heater placed outside the battery, there is a problem that it takes time to raise the temperature of the battery to an appropriate temperature. Further, since an external power supply is required, there is a problem that the method cannot be applied in a situation without an external power supply such as a generator. Further, there is a problem that a space for installing an external power supply is required and a relatively complicated circuit for connecting the external power supply and the battery is required.
[0007]
The above problem is not limited to the case of a car, but is a problem common to all batteries used in equipment used at low temperatures.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above problems. Therefore, an object of the present invention is to provide a battery capable of rapidly raising the battery temperature, an assembled battery in which a plurality of batteries are connected, and a vehicle with high startability at low temperatures. Another object of the present invention is to provide a battery and an assembled battery that can maintain the battery temperature at an appropriate temperature without requiring an external power supply.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above object of the present invention is achieved by the following means.
(1) The battery of the present invention is a battery having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and includes a measuring unit for measuring the temperature of the battery, and a battery between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal based on a measurement result by the measuring unit. And a switch unit for switching between a short-circuit state in which the terminals are short-circuited and an open state in which the terminals are opened.
(2) The battery of the present invention is a battery having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and includes a heater provided inside the battery, a measuring unit for measuring the temperature of the battery, and a measurement result by the measuring unit. And a switch unit for switching between a state in which the heater is electrically connected and a state in which the heater is not connected between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal.
(3) The assembled battery of the present invention is configured by connecting a plurality of the batteries described in any of the above.
(4) The vehicle of the present invention includes any one of the batteries or the assembled battery described above as a power source.
[0010]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the battery of this invention, since it can heat quickly from the inside of the unit cell layer of a battery, the battery temperature can be quickly raised to an appropriate temperature.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a battery according to one embodiment of the present invention. The
[0012]
The
[0013]
The
[0014]
Next, the configuration of the battery body will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state of the
The battery
[0015]
One set of the positive electrode
[0016]
More specifically, the
[0017]
The structure shown in FIG. 2 can be produced, for example, by applying an electrolyte film on both surfaces of
[0018]
The
[0019]
The positive electrode
[0020]
Here, the positive electrode active material is LiMn. 2 O 4 And the like. However, different from this embodiment, a composite oxide of another transition metal and lithium may be used. For example, as a positive electrode active material, LiCoO 2 Li-Co based composite oxides such as LiNiO 2 Li-Ni-based composite oxides such as LiFeO 2 Li.Fe-based composite oxides such as these may be used. In addition, the conductive additive works to enhance the electron conductivity between the active material particles. The conductive assistant is, for example, acetylene black. Note that carbon black or graphite may be used instead of acetylene black as the conductive additive. The solid polymer electrolyte contained in the positive electrode
[0021]
As a supporting salt (lithium salt), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 Can be used. However, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 Or a mixture thereof. The viscosity adjuster is a solvent for adjusting the viscosity when forming the slurry, and in the present embodiment, N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter, referred to as “NMP”) is used. However, other viscosity modifiers may be used. As the polymerization initiator, azobisisobutyronitrile, which is a thermal polymerization initiator, is used. However, when the positive electrode
[0022]
On the other hand, the negative electrode
[0023]
The configuration of the negative electrode
[0024]
Next, the
[0025]
Next, an equivalent electric circuit of the
[0026]
More specifically, one end of the
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
First, the
[0030]
The
[0031]
Next, in step S102, the
[0032]
As described above, the value of the short-circuit current is different depending on various conditions. Large current can flow. In addition, as described with reference to FIGS. 2 and 3, when the electrolyte layer of the
[0033]
Next, the
[0034]
In step S104, as a process when the battery temperature has sufficiently risen,
[0035]
As described above, according to the battery of the present embodiment, the following effects can be obtained.
(A) The temperature is raised by using the energy of the
(B) Since an external power supply is not required, an installation place for the external power supply is unnecessary.
(C) The
(2) In addition, by exchanging current with an external power supply or an external battery, the temperature of the battery
(E) Further, in the case of a battery in which the
(F) In particular, a bipolar battery has a configuration in which a plurality of unit cell layers 140 are connected in series, so that the energy output is high, and this energy can be used for raising the battery temperature. Further, many bipolar batteries use a solid polymer electrolyte, and thus have the same effect as (e).
(G) When the
(Second embodiment)
In the first embodiment, the case where the battery temperature is raised by using the energy of the battery and utilizing the Joule heat caused by the internal resistance of the battery has been described. The battery of the second embodiment uses the same energy as the battery itself, but is similar to the battery of the first embodiment except that the battery temperature is increased by a heater embedded inside the battery. This is different from the battery of the first embodiment. In the following description, the same members as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
[0036]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the battery of the present embodiment. As shown in FIG. 6, the basic configuration of the
[0037]
A feature of the present embodiment is that the
[0038]
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating the
[0039]
Each
[0040]
Further,
[0041]
The operation of
[0042]
As described above, the second embodiment has been described, but the present invention is not limited to this case. For example, the
[0043]
As described above, the battery according to the present embodiment has the following effects.
(H) Since the heater section 300 (heater resistance) is provided inside the
(Re) It is not necessary to attach the
(V) By connecting the
(V) When the
(Third embodiment)
Next, an assembled battery in which a plurality of the
[0044]
FIG. 8 is a diagram showing the battery pack of the present embodiment. The
[0045]
FIG. 9 is a diagram illustrating an external shape of an electric vehicle (EV) using the
[0046]
Before the electric motor is rotated, the
[0047]
As described above, according to the
[0048]
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this case, and various modifications, additions, and omissions are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
[0049]
For example, in the above description, the case where the present invention is applied to a solid polymer electrolyte type battery has been described, but the present invention is not limited to this case. Certainly, it is preferable to use a solid polymer electrolyte type battery from the viewpoint of acceptability to a large current and a high temperature. However, the set value of the second temperature and the value of the
[0050]
Further, in the above description, the case where the present invention is applied to the bipolar battery in which the plurality of unit cell layers 140 are connected in series inside the battery
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a battery according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the battery of FIG.
FIG. 3 is a view showing a structure of a bipolar electrode provided in the battery of FIG. 1;
FIG. 4 is an equivalent electric circuit diagram of the battery of FIG.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the battery of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a battery according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a structure of an electrolyte layer provided in the battery of FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an assembled battery composed of the batteries of FIG. 1 or FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a vehicle including the battery pack of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
100 ... battery body,
111 ... Positive electrode external terminal,
112 ... negative electrode external terminal
121 ... Positive electrode active material layer,
122 ... electrolyte layer,
123 ... negative electrode active material layer,
124 ... current collector,
140 ... cell layer,
150 ... Bipolar electrode
200 ... short circuit,
220 ... temperature sensor,
230 ... control element,
240 ... relay part,
250 ... resistance element,
300: heater part,
400 ... battery pack,
500 ... Electric vehicle.
Claims (11)
当該電池の温度を計測する計測部と、
前記計測部による計測結果に基づいて、前記正極端子および前記負極端子間を短絡する短絡状態と当該端子間を開放する開放状態とを切り替えるスイッチ部と、を有することを特徴とする電池。A battery having a positive terminal and a negative terminal,
A measuring unit for measuring the temperature of the battery,
A battery comprising: a switch unit that switches between a short-circuit state in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are short-circuited and an open state in which the terminals are opened based on a measurement result by the measurement unit.
前記短絡状態では、前記正極端子および前記負極端子間が前記電気抵抗部を介して短絡されることを特徴とする請求項1に記載の電池。An electrical resistance unit connected in series with the switch unit between the positive terminal and the negative terminal,
2. The battery according to claim 1, wherein in the short-circuit state, the positive terminal and the negative terminal are short-circuited via the electric resistance unit. 3.
当該電池の内部に設けられたヒータと、
当該電池の温度を計測する計測部と、
前記計測部による計測結果に基づいて、前記正極端子および前記負極端子間に前記ヒータを電気的に接続した状態と接続していない状態とを切り替えるスイッチ部と、を有することを特徴とする電池。A battery having a positive terminal and a negative terminal,
A heater provided inside the battery;
A measuring unit for measuring the temperature of the battery,
A battery comprising: a switch unit that switches between a state in which the heater is electrically connected and a state in which the heater is not connected between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal based on a measurement result by the measurement unit.
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