JP2007048746A - バイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】容量バランスを自動調整する充電回路が内蔵されたバイポーラ電池を提供する。
【解決手段】集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極２００と、バイポーラ電極２００相互間でイオン交換を行う電解質層２０８とを交互に複数積層して発電要素１６０を形成するバイポーラ電池であって、正極層２００、負極層２００、または電解質層２０８の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接するバイポーラ電極２００同士に電気的に導通されて充電回路２１０の２次側要素４１０が形成され、２次側要素４１０の近傍には、これに交流磁場を付与する１次側要素５１０が具備されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、容量バランスを自動的にとることができる充電回路を内蔵したバイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両に関する。

バイポーラ電池は、下記特許文献１及び２にも記載されているように、複数のバイポーラ電極を積層して構成した電池であり、薄型、軽量で放熱性が良好であるなど、種々の優れた特性を備えている。

バイポーラ電池を車両の動力源として使用する場合には、信頼性と安定性が要求される。バイポーラ電池を構成する複数の単電池（バイポーラ電極間で１つの単電池が形成される）がそれぞれ同一の充電量でない場合には、要求されている出力性能および容量性能を発揮できない。したがって、単電池それぞれの容量は常に均一にしておく必要がある。そのため、単電池ごとに電圧検出線（単電池の電圧を検出するために用いられる）及びバイパス線（単電池をバイパスするために用いられる）を接続し、その電圧接続線から検出される電圧に応じてバイパス線の接続を制御しそれぞれの単電池の充放電を個別に制御できるようにしている。
特開２０００−１９５４９５号公報 特開２０００−１０６２２０号公報

ところが、電圧検出線とバイパス線は、バイポーラ電極間に設けられた絶縁層から引き出さなければならないためその引き出しに工数がかかるのと、外装材のシール部分の密閉性を確保しなければならないという点においてその省略が望まれていた。

本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、電圧検出線やバイパス線を用いることなく、最適な容量バランスをとることができる充電回路が内蔵されたバイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るバイポーラ電池は、集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極と、当該バイポーラ電極相互間でイオン交換を行う電解質層とを交互に複数積層してなるバイポーラ電池において、前記正極層、負極層、または前記電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極同士と電気的に導通された充電回路の２次側要素が形成され、該２次側要素の近傍には、これに交流磁場を付与する１次側要素が具備されていることを特徴とする。

本発明に係るバイポーラ電池においては、充電回路の２次側要素がバイポーラ電極の正極層または負極層、または電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に形成されているので、１次側要素から交流磁場を付与することにより、電圧検出線およびバイパス線を外部に引き出すことなく、非接触で単電池それぞれを一定の電圧まで充電でき、最適な容量バランスをとることができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る他のバイポーラ電池は、集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極と、当該バイポーラ電極相互間でイオン交換を行う電解質層とを交互に複数積層して発電要素を形成するバイポーラ電池において、前記正極層、負極層、または前記電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極との間で電圧のバランスを図るバランス手段を設け、前記バランス手段の近傍には、前記バランス手段との間で前記電圧のバランスを図るための通信を行なう通信手段が具備されていることを特徴とする。

本発明に係る他のバイポーラ電池においては、隣接するバイポーラ電極間で構成される電池の電圧のバランスを図るバランス手段がバイポーラ電極の正極層または負極層、または電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に形成されているので、通信手段からの信号によって、電池間の電圧のバランスを容易に図ることができるようになり、電圧検出線およびバイパス線を外部に引き出すことなく、非接触で単電池それぞれを一定の電圧まで充電でき、最適な容量バランスをとることができる。

以上のように構成された本発明に係るバイポーラ電池によれば、集電体の正極層、負極層、または電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極間に形成される単電池に充電する充電回路の２次側要素が設けられているので、該２次側要素の近傍に具備された１次側要素から交流磁場を付与することにより、電圧検出線及びバイパス線をバイポーラ電池外に引き出さなくとも、非接触で各単電池の容量バランスをとることができるようになり、製造工数および製造コストの低減、並びにバイポーラ電池の信頼性の向上を図ることができる。

また、以上のように構成された本発明に係る他のバイポーラ電池によれば、集電体の正極層、負極層、または電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極との間の電圧のバランスを図るバランス手段が設けられているので、バランス手段の近傍に具備された通信手段からの信号によって、電圧検出線及びバイパス線をバイポーラ電池外に引き出さなくとも、非接触で各単電池の容量バランスをとることができるようになり、製造工数および製造コストの低減、並びにバイポーラ電池の信頼性の向上を図ることができる。

以下に、本発明に係るバイポーラ電池、組電池及びそれらの電池を搭載した車両の実施形態を、「実施形態１」と「実施形態２」に分けて、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で引用する図面では、バイポーラ電池を構成する各層の厚みや形状を誇張して描いているが、これは発明の内容の理解を容易にするために行っているものであり、実際のバイポーラ電池の各層の厚みや形状と整合しているものではない。
「実施形態１」
図１は本実施の形態に係るバイポーラ電池の外観図である。バイポーラ電池１００は、図に示すように長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ１２０Ａ、負極タブ１２０Ｂが引き出されている。発電要素１６０はバイポーラ電池１００の外装材（たとえばラミネートフィルム）１８０によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素１６０は正極タブ１２０Ａ及び負極タブ１２０Ｂを引き出した状態で密封されている。

図２及び図３はバイポーラ電池１００内部の概略構成図、図４はバイポーラ電池１００の発電要素に内蔵される充電回路の２次側要素を示す要部平面図である。バイポーラ電池１００は、インクジェット方式等の印刷法および真空蒸着等の蒸着法などの種々の積層法を用いて形成することができるが、本実施の形態ではインクジェット方式を用いて説明する。すなわち、本実施の形態に係るバイポーラ電池１００は、インクジェットプリンタを用いて画像を印刷するのと同様に、複数のノズルからそれぞれの層の形成に必要な材料を選択的に吐出させ、１層ずつ絵を描くようにして下の層から順番に層を形成していくことによって作成したものである。また、バイポーラ電池１００は後述する充電回路２１０を構成する整流回路４１０および２次側コイル４１１を有しているが、この整流回路４１１および２次側コイル４１２もインクジェット方式で描かれる。

図２はバイポーラ電池１００の内部構造を説明するための分解斜視図である。この図では、説明の便宜上各層を分解しているが、本実施の形態では上記のようにインクジェット方式で層を下から上に順番に描いていくので、実際には層を分解することはできない。

本実施の形態においては、発電要素１６０を、インクジェット方式で層ごとに所定の付着パターンを重ね塗りすることによって形成する。つまり、本実施の形態では図２に示すように基材２００に第１層目から第５層目に示す付着パターンをインクジェットプリンタでカラー画像を形成するときのように順番に重ね塗りして単電池１５０を形成し、この単電池１５０を繰り返し７回積層させるように形成して図３に示すような発電要素１６０を形成している。

すなわち、図２に示す基材としての導電材２００上には、図示してあるとおり、その中央部分に負極活物質２０２を印刷すると共に、その一部に導電材２０４、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。導電材２００のどの部分に負極活物質２０２、導電材２０４Ａ、絶縁材２０６などの材料を印刷するのかといった付着パターンは層ごとにあらかじめ設定しておき、材料の噴射を制御するプリンタはこの付着パターンに応じて導電材や絶縁材をそれぞれの領域において選択的に噴射する。

第１層目の印刷が終了すると、第２層目の印刷が開始される。第１層の上には、その中央部分にリチウムイオンの交換を行う電解質層としてのイオン伝導材２０８を印刷すると共に、その一部に導電材２０４Ｂ、２０４Ｃ、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。本実施の形態では、第２層の同一平面内に導電材２０４Ｂ及び２０４Ｃに挟まれるように充電回路２１０を形成している。充電回路２１０は単電池１５０毎に個別に充電を行うものであり、図４に示してあるとおり、この充電回路２１０の２次側要素（出力側要素）４１０である整流回路４１１および２次側コイル（出力側コイル）４１２を形成している。充電回路２１０の具体的構造などは図４以降の図面に基づいて後で説明する。

第２層目の印刷が終了すると、第３層目の印刷が開始される。第２層の上には、その中央部分にバイポーラ電極の正極層を形成する正極活物質２１２を印刷すると共に、その一部に導電材２０４Ｄ、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。

第３層目の印刷が終了すると第４層目の印刷が開始される。第３層の上にはその全面に集電体となる導電材２１４を印刷する。

第４層目の印刷が終了すると第５層目の印刷が開始される。第４層の上には第５層目の印刷が行われるが、第５層目の印刷は上記の第１層目の印刷と同一である。つまり、第４層の上には、その中央部分にバイポーラ電極の負極層を形成する負極活物質２０２を印刷すると共に、その一部に導電材２０４Ａ、その外周部分に絶縁材２０６を印刷する。

なお、導電材２００と第４層の導電材２１４およびその間の層が単電池１５０となり、第３層から第５層がバイポーラ電極２２０となる。

上記のような印刷を合計７回繰り返し行って、図２に示すような発電要素１６０が形成される。発電要素１６０の最下層の基材である導電材２００は負極タブ１２０Ｂに接続され、その最上層の基材である導電材２００は正極タブ１２０Ａに接続される。発電要素１６０は単電池１５０が７個直列に接続されたものとなるので、正極タブ１２０Ａと負極タブ１２０Ｂとの間には単電池１５０の７倍の電圧が現れる。

なお、本実施の形態では充電回路２１０の２次側要素４１０をイオン伝導材２０８が印刷される層と同一の平面に設けたが、負極活物質２０２又は正極活物質２１２が印刷される層と同一の平面に設けても良い。

次に、上記図４および図５〜図８を用いて、充電回路の具体的構成について説明する。図５は図４のａ−ａ線断面図である。また、図６は充電回路を備えたバイポーラ電池の外観図、図７は充電回路の全体構成の概略図である。さらに、図８は単電池が備える充電回路の電気回路図である。

図４および図７に示してあるとおり、上記発電要素１６０の各単電池１５０には、充電回路２１０の２次側要素（出力側要素）４１０である整流回路４１１および２次側コイル４１２が設けられ、２次側コイル４１２は整流回路４１１を介して隣接するバイポーラ電極２２０同士に接続されている。また、発電要素１６０の外部には、上記２次側コイル４１２に交流磁場を与える１次側要素（入力側要素）５１０が備えられている。１次側要素５１０は、上記２次側コイル４１２の積層方向に磁気的に結合された１次側コイル５１２と、該１次側コイル５１２に交流電圧を付与する電源コントローラ（バッテリコントローラ）５１１と、を備えている。

すなわち、図８に示してあるとおり、本実施の形態の充電回路２１０の２次側要素４１０は、４個のダイオード４２１、４２２、４２３、４２４でブリッジが組まれた全波整流回路４１１を備えており、この整流回路４１１は隣接するバイポーラ電極２２０同士（正極層と負極層）に電気的に接続されている。また、この整流回路４１１を介して、隣接するバイポーラ電極２２０同士に２次側コイル４１２が接続されている。他方、本実施の形態の充電回路２１０の１次側要素５１０は、上記２次側コイル４１２に対して、その積層方向に磁気的に結合する１次側コイル５１２と、該１次側コイル５１２に接続されて交流電圧を付与する電源コントローラ５１１と、を備えている。

ここで「全波整流回路」とは、交流の全サイクルを利用するものであり、整流回路に１個のダイオードを用いたのでは交流の正弦波電圧のプラス側またはマイナス側のいずれかしか使用できないが、４個のダイオードでブリッジを組むことにより全波整流を行うことができる。

上記整流回路４１１は、アセン系、チオフェン系、フェニレン系、ビニレン系、金属置換フタロシアニン、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＮＱ、ＰＴＣＤＡ、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＩ、ＮＴＣＤＩ、Ｃ６０およびＣ７０のいずれかの有機半導体層を含むダイオードでブリッジを組むことにより構成され、有機半導体層を用いて整流回路４１１を形成することにより、薄く、小さい整流回路の形成を実現することができる。また、この整流回路４１１は、有機半導体と金属とを積層して成るショットキダイオード層を含んで構成することが好ましく、ショットキダイオード層で整流回路４１１を構成することにより、より単純な構成となり、低コスト化を実現することができる。

このような充電回路２１０では、電源コントローラ５１１から１次側コイル５１２に交流電圧を加えると、２次側コイル４１２にその巻線比に応じて変圧された交流電圧が生じ、整流回路４１１によって直流電圧に整流されて上記単電池１５０に充電されることになる。

すなわち、充電回路２１０は、イオン伝導材２０８、負極活物質２０２又は正極活物質２１２が印刷される層と同一の平面に、発電要素１６０の積層体の一部として整流回路４１１および２次側コイル４１２を形成すると共に、該２次側コイル４１２に交流磁場を与える１次側コイル５１２および電源コントローラ５１１を備えている。したがって、２次側要素４１０に１次側要素５１０から交流磁場を与えることによって、隣接するバイポーラ電極２２０間に形成される単電池１５０は個別に任意の電圧で充電される。このように、充電回路２１０の２次側要素４１０を発電要素１６０に内蔵させ、非接触の１次側要素５１０を具備することによって、単電池１５０の電圧を検出するための電圧検出線および単電池１５０をバイパスさせるためのバイパス線をバイポーラ電池１００の内部から外部に引き出す必要がなくなり、外装材１８０のシール性が向上して信頼性が向上する。もちろん、電圧検出線およびバイパス線を設けなくて済む分部品点数が削減されて、組立工数の低減と製造コストの低減を図ることができる。さらに、各電圧検出線および各バイパス線をバイポーラ電池１００の内外において絶縁する処理も不要となるので、内部短絡などの故障の恐れがなくなり、絶縁性の確保の面でも信頼性が向上する。さらには、バイポーラ電池１００の外部に容量バランス調整回路を別体で設ける必要もなくなるので、バイポーラ電池１００の設置面積の縮小化を図ることもできる。

また、整流回路４１１と単電池１５０との間には、単電池１５０を充電する時に流れる電流で発光する発光素子４３０を備え、この発光素子４３０の近傍にはその発光に感応する光センサ５３０が設けられている。この光センサ５３０の設置場所は発光素子の発光が検知可能な部位であればよい。本実施の形態では、発光素子４３０はインクジェット方式により発光層として形成が可能なエレクトロルミネッセンス素子（ＥＬ素子）を採用し、光センサ５３０にはＣＣＤを採用しており、該光センサ５３０は電源コントローラ５１１に接続されている。

このように整流回路４１１と単電池１５０との間に発光素子４３０としてＥＬ発光層を有し、上記発電要素１６０の外部に当該発光層４３０からの光に感応する光センサ５３０が設けられているので、ＣＣＤにより単電池１５０の発光素子毎の光を検知することにより、単電池１５０の電圧異常を把握することができ、単電池１５０を過放電から保護することができる。また、本実施の形態では、上記発光層４３０は単電池毎に備えられ、上記光センサ５３０は発光層４３０に対応する数以上に備えられている。このように単電池毎に充電されていることを確認することができるので、電源コントローラ５１１により交流磁場の大きさを変化させて発光層４３０が光って充電が開始された磁場の大きさから各単電池１５０の最小電圧を知ることができ、各単電池１５０の電圧を測定し、また電圧異常を把握することができる。

さらに、上記電源コントローラ５１１には、充電電圧を高精度化するための発生電圧モニター５４０が接続されている。この発生電圧モニター５４０は、上記充電回路２１０の２次側要素４１０と同一の回路により構成され、２次側コイル５４２、整流回路および発光素子（発光層）５４３を備えている。そして、発生電圧モニター５４０の２次側コイル５４２は、上記１次側要素５１０の１次側コイル５１２に対して、上記２次側要素４１０の２次側コイル４１２と反対側に位置し、積層方向に磁気的に結合している。このように、単電池毎に充電している電圧を各回路の２次側要素４１０と同一の回路で構成された発生電圧モニター５４０によってモニターリングすることにより、各単電池１５０の電圧をより高精度に検出することができる。なお、上記発生電圧モニター５４０の２次側コイル５４２の近傍にも、不図示の光センサ（ＣＣＤ）が備えられている。

すなわち、電源コントローラ５１１は１０Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度の周波数の交流電圧を１次側コイル５１２に印加し、交流電圧を変化させながら発光素子４３０の光を、ＣＣＤ５３０を介してモニターリングし、発光素子４３０が光り始めたときの交流電圧、および発生電圧モニター５４０の電圧測定結果から、各単電池１５０の電圧を測定する。次に、電圧のばらつきを判定して、ばらつきが閾値以上の場合は、各単電池１５０の電圧測定結果における最大電圧以上の交流電圧を１次側コイル５１２に印加して、各単電池１５０をそれぞれ充電する。ここで、各２次側コイル４１２に発生する交流電圧は、コイルの巻き線比で定まるため、各コイル４１２の巻き線比を同一に設定しておくことにより、単電池毎に揃った交流電圧が得られる。また、整流回路（ダイオードブリッジ）４１１による電圧降下は、使用している半導体のバンドギャップで定まるため、本実施の形態によれば、単電池毎に非常に揃った充電電圧を得ることができる。

バイポーラ電極２２０、イオン導電材２０８および充電回路２１０の２次側要素４１０は、外装材としてのラミネートフィルム（光反射性の）１８０で覆われて密封され、図１に示したように、正極タブ１２０Ａおよび負極タブ１２０Ｂを引き出した状態でラミネートフィルム１８０の外周部分が熱融着される。さらに、図６に示してあるとおり、上記電源コントローラ５１１以外の発電要素１６０、光センサ（ＣＣＤ）５３０などの各要素は、箱体状のケーシング６００内に収納される。

そして、上記発電要素１６０から引き出された正極タブ１２０Ａと負極タブ１２０Ｂとは、不図示の電圧測定回路を介して電源コントローラ５１１に接続され、バイポーラ電池１００の総電圧を測定可能に構成されている。このように全ての単電池１５０を直列接続したバイポーラ電池１００の総電圧をモニターリングして、この総電圧と、上記光センサ５３０で発光素子４３０の光を検出することにより測定した各単電池１５０の電圧の合算値と、を照合することにより、上記電圧測定回路の異常を検出することができる。

図８に示したような全波整流回路は、図２および図４に示したようにイオン導電材２０８が印刷されたイオン導電層２０８と同一平面内に形成されているが、この整流回路４１１もやはり積層技術を用いて形成する。整流回路４１１の具体的な層構造を、図５を用いて説明する。なお、積層技術には様々なものが存在するが、本実施の形態ではインクジェット方式を用いて形成している。

図５に示すように、導電材（集電体）２６０の上に負極層２６１、絶縁・シール材２６２、２６３、絶縁材２６４、Ａｕ２６５、２６６を所定のパターンにしたがって噴射するＡｕ２６５、２６６の厚みが確保できたら、Ａｕ２６５、２６６の上にＰ型半導体２６７、２６８を噴射し、さらにＰ型半導体２６７、２６８の厚みが確保できたら、Ｐ型半導体２６７、２６８の上にＡｌ２６９、２７０を噴射する。Ａｌ２６９、２７０の厚みが確保できたら、さらにＡｕ２７１、２７２を噴射する。Ａｕ２７１、２７２が所定の厚みになる前に、絶縁・シール材２６３が所定の厚みに達したら、この絶縁・シール材２６３とともに導電材２７３を所定のパターンにしたがって噴射する。Ａｕ２７１、２７２の厚みが確保できたら、Ａｕ２７１、２７２の上にＰ型半導体２７４、２７５を照射する。Ｐ型半導体２７４、２７５が所定の厚みになる前に、負極層２６１の上に電解質層２７６を噴射する。Ｐ型半導体２７４、２７５の厚みが確保できたら、Ｐ型半導体２７４、２７５の上にＡｌ２７７、２７８を噴射する。電解質層２７６が所定の厚みになる前に、Ａｌ２７７、２７８および絶縁材２６４が所定の厚みに達したら、これらＡｌ２７７、２７８および絶縁材２６４の上にＡｕ２７９を噴射する。Ａｕ２７９が所定の厚みになる前に、電解質層２７６の厚みが所定の厚みに達したら、電解質層２７６の上に正極層２８０を噴射する。Ａｕ２７９の厚みが確保できたら、Ａｕ２７９の上にＰ型伝導材料（正孔伝導材料）２８１を噴射する。Ｐ型伝導材料２８１の厚みが確保できたら、Ｐ型伝導材料２８１の上にＥＬ（エレクトロルミネセンス）材料２８２噴射する。ＥＬ材料２８２の厚みが確保できたら、Ｎ型伝導材料（電子伝導材料）２８３を噴射する。正極層２８０、絶縁・シール材２６２、２６３およびＮ型伝導材料２８３が全て所定の厚みに達したら、最後に導電材（集電体）２８４を噴射して、単電池、充電回路の２次側要素および発光層を形成する。

図５において、Ａｕ、Ｐ型半導体およびＡｌを１組とする積層体がショットキダイオード層であり、本実施の形態では、上下左右に４組のショットキダイオード層によってダイオードブリッジが形成されている。ＡｌとＰ型半導体との接合部がショットキ接合部であり、Ｐ型半導体とＡｕとの接合部がオーミック接合部である。ショットキダイオード層は、金属（Ａｌ）と半導体との接触により整流効果をもち、順方向電圧が低いという特性を有する。

ここで、全波整流用のダイオードに、金属と半導体のショットキ障壁を利用したショットキダイオードを採用したが、これに限定されるものではなく、Ｐ型半導体とＮ型半導体との接合を利用したＰＮダイオードや、Ｐ型半導体、真性半導体およびＮ型半導体の順で積層したＰＩＮダイオードなどを用いてもよく、その他の形式のダイオードを使用してもよい。図５において、２次側コイルは金属から成る導電材２７３で示したが、導電性有機物により形成してもよい。

また、図５において、Ｐ型伝導材料２８３、ＥＬ材料２８２およびＮ型伝導材料２８１を１組とする積層体がＥＬ発光層、すなわち発光素子４３０である。ＥＬ材料２８２は、少なくとも有機発光層を有し、その他に正孔輸送層、電子注入層および電子輸送層などを備えていてもよい。

以上のように構成した本実施の形態のバイポーラ電池１００によれば、単電池１５０を積層して直列接続されたバイポーラ電池１００の各層に、２次側コイル４１２、整流回路４１１および発光素子４３０を有する充電回路２１０の２次側要素４１０を備えることにより、１次側要素５１０の１次側コイル５１２から２次側コイル４１２に交流磁場を付与することによって、各単電池１５０を所定の電圧に充電して電圧を揃えることができる。この充電回路２１０の回路構成が簡素で済み、直列電池の各端子を外部に引き回す必要が無いため、電圧バランスを揃えるための絶縁電圧測定回路を省略し、電池保護回路のコストを大幅に低減でき、製造工数および製造コストの低減、並びにバイポーラ電池の信頼性の向上を図ることができる。また、充電中に光る発光素子４３０を備えているので、交流磁場の大きさを変化させて充電が開始された磁場の大きさから、各単電池の最小電圧を知ることができ、単電池１５０の電圧異常を知ることができる。また、ＣＣＤ５３０により各単電池１５０の発光素子毎の光を検知することにより、単電池毎の電圧異常を知ることができる。
「実施形態２」
本実施の形態は、単に一次コイルから充電を行なうことができるようにした実施形態１とは異なり、通信手段によって単電池１５０の充放電をさらにきめ細かく制御できるようにしたものである。

図９は、本実施の形態に係るバイポーラ電池の概略構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態に係るバイポーラ電池の外観は実施形態１の場合と同様に、図１に示したような長方形状の扁平な形状を有している。

図９に示すように、バイポーラ電池１００は、複数の単電池１５０が直列に接続されて構成されている。バイポーラ電池１００を構成する全ての単電池１５０にはバランス手段として機能する電池保護ＩＣ７００が並列に取り付けられている。電池保護ＩＣ７００は、単電池１５０間の電圧のバランスを図る機能を有しているものであり、外部からの指示により単電池１５０を充電させたり、放電させたりする機能を有している。

バイポーラ電池１００は、その正極タブ１２０Ａと負極タブ１２０Ｂ（図１参照）がリレーボックス７１０に接続され、リレーボックス７１０はバイポーラ電池１００を、外部の回路（図９ではインバータ）に接続したり、外部の回路から切り離したりする。

リレーボックス７１０に接続されているインバータ７２０は、バイポーラ電池１００の電圧を上位コントローラとして機能するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）の動作に必要な大きさの電圧に変換して供給するものであり、直流の場合と交流の場合とがある。

ＥＣＵ７３０は単電池１５０の合計電圧であるバイポーラ電池１００の電圧が入力され、常にこの電圧を監視している。また、ＥＣＵ７３０には通信部７４０が接続されており、通信部７４０にはアンテナ７５０またはコイル７６０の少なくともいずれか一方が接続されている。アンテナ７５０またはコイル７６０は電池保護ＩＣの近傍に配置される。なお、通信部７４０、アンテナ７５０によって通信手段が構成される。

電池保護ＩＣ７００は単電池１５０の電圧を検出し、その検出した電圧をアンテナ７５０、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に知らせることができるようになっている。したがって、ＥＣＵ７３０は、どの単電池１５０の電圧が基準電圧よりも高く、どの単電池１５０の電圧が基準電圧よりも低いのかを個別的に知ることができる。ＥＣＵ７３０は、検出された各単電池の電圧から、個々の単電池１５０に対して個別的に充電または放電を指示することができる。電池保護ＩＣ７００は、ＥＣＵ７３０からの指示を受けて、単電池１５０を充電させ、または放電させる。

図１０はアンテナを介して通信を行なうタイプの電池保護ＩＣ７００の取り付け位置の説明に供する図である。

単電池１５０を構成する要素を透視してみると、図１０に示すように、一番下にセパレータ７７０が配置され、その上に、片面ずつ正極材料と負極材料が塗布された集電箔７７２（バイポーラ電極）が配置されている。集電箔７７２には電力を外部に取り出すためのタブ（図示せず）が取り付けられる。本実施の形態では電池保護ＩＣ７００はセパレータ７７０と同一平面７８０の位置に取り付けている。電池保護ＩＣ７００は、セパレータ７７０以外にも、バイポーラ電極を形成する正極材料または負極材料と同一平面に取り付けることができる。

図１１は、図１０の同一平面７８０の部分の拡大図である。電池保護ＩＣ７００が配置される部分のセパレータ７７０は上下の集電箔７７２が直接電池保護ＩＣ７００の電極パッド（後述する）を挟み込むことができるように一部切り欠かれており、その切り欠かかれた部分にセンサ基板７７４が配置される。センサ基板７７４には電池保護ＩＣ７００が埋め込まれており、センサ基板７７４の表裏面には、隣接する集電箔７７２と接触される電極パッド７７６が取り付けられている。

したがって、バイポーラ電極を積層していくことによって、単電池が構成される部分に電池保護ＩＣ７００が自動的に介在されていくことになる。

また、センサ基板７７４には、単電池の電流が流れる方向と直交するようにアンテナ７７８が設けられ、このアンテナ７７８によって単電池１５０の電圧がアンテナ７５０を介して通信部７４０に通信される。単電池の電流が流れる方向と直交するようにアンテナ７７８を設けるのは、アンテナ７７８に入るノイズを軽減するためである。また、アンテナ７７８は、バイポーラ電池１００の外装材の外側に出しており、アンテナ７７８に入る信号の減衰を防止している。

図１２はトランスを介して通信および単電池１５の充電を行なうタイプの電池保護ＩＣ７００の取り付け位置の説明に供する図１０の同一平面７８０の部分の拡大図である。

このタイプのものも図１１に示したタイプのものと同様に、電池保護ＩＣ７００が配置される部分のセパレータ７７０は上下の集電箔７７２が直接電池保護ＩＣ７００の電極パッド７７６を挟み込むことができるように一部切り欠かれており、その切り欠かかれた部分にセンサ基板７７４が配置される。センサ基板７７４には電池保護ＩＣ７００が埋め込まれており、センサ基板７７４の表裏面には、隣接する集電箔７７２と接触される電極パッド７７６が取り付けられている。センサ基板７７４には、実施形態１で説明したような形態のコイル７９０が形成されており、図９に示した外部のコイル７６０との間でトランスのように働き、コイル７６０に交流電流を流すことによって単電池１５０の充電が可能になる。

図１３は図１２の側面図である。コイル７９０は上側の基板７７４Ａと下側の基板７７４Ｂとによって挟み込まれるように支持されている。電池保護ＩＣ７００は上側の基板７７４Ａ側に埋め込まれ、コイル７９０の一端は電池保護ＩＣ７００に接続されている。また、電池保護ＩＣ７００の電極パッド７７６には、下側の基板７７４Ｂを貫通して設けられた導電材料パターン２９２が接続されている。

したがって、バイポーラ電極を積層していくことによって、単電池が構成される部分に電池保護ＩＣ７００が自動的に介在され、同時に単電池の充電を司るトランスも形成されていくことになる。

図１４及び図１５は、電池保護ＩＣ７００の具体的な構成を示した図である。

図１４に示す電池保護ＩＣ７００は以下のように構成されている。

集電箔７７２Ａ上の全面にプラスチック層８００が形成されており、プラスチック層８００の一部が切り欠かれて、プラスチック基板８００上に導電層８０２が形成されている。この導電層８０２は電池保護ＩＣ７００のアンテナ７７８として機能する。導電層８０２を取り囲むように保護絶縁層８０４が形成されており、プラスチック層８００の切り欠きに対応する部分が切り欠かれて導電材８０６が埋め込まれている。保護絶縁膜８０４の切り欠き部分には、数μｍ程度の厚みをもって形成されたＩＣチップ７００Ａが取り付けられている。さらに、保護絶縁層８０４の上にはＩＣチップ７００Ａの対応位置が切り欠かれたセパレータ層８０８が形成され、セパレータ層８０８の切り欠き部分には導電性接着剤８１０が流し込まれている。そして、セパレータ層８０８と導電性接着剤８１０には密着するように集電箔７７２Ｂが配置される。

したがって、ＩＣチップ７００Ａは導電性接着剤８１０によって保護絶縁膜８０４に堅固に固定され、同時にＩＣチップ７００Ａの両面が導電性接着剤８１０および導電材８０６を介して集電箔７７２Ａと集電箔７７２Ｂとに電気的に接続される。

集電箔７７２Ａと集電箔７７２Ｂとの間は、部品としての強度を保たなければならないため、最低でも２５μｍ程度の厚みを確保する必要がある。したがって、各層の厚みは、それらの層の厚みの和が集電箔間の距離２５μｍ以上となることを考慮して決める。

図１５に示す電池保護ＩＣ７００は以下のように構成されている。

集電箔７７２Ａ上の全面にプラスチック層８００が形成されており、プラスチック層８００の一部が切り欠かれて、プラスチック基板８００上に導電層８０２が形成されている。この導電層８０２は電池保護ＩＣ７００のアンテナ７７８として機能する。導電層８０２を取り囲むように保護絶縁層８０４が形成されており、プラスチック層８００の切り欠きに対応する部分が切り欠かれて導電材８０６が埋め込まれている。保護絶縁膜８０４の切り欠き部分には、数μｍ程度の厚みをもって形成されたＩＣチップ７００Ａが取り付けられている。そして、セパレータ層８０８と導電性接着剤８１０には密着するように集電箔７７２Ｂが配置される。

この構成の場合も、各層の厚みは、それらの層の厚みの和が集電箔間の距離２５μｍ以上となることを考慮して決める。

図１６は放電機能を有している電池保護ＩＣ７００の制御系の構成を示すブロック図である。

ＩＣチップ７００Ａ（図１４および図１５参照）は、電圧検出手段として機能するＡ/Ｄ変換部８５０、基準電圧記憶部８５２、放電器８５４、ＩＤ記憶部８５６、ＩＤ照合部８５８、通信部８６０を備えている。Ａ/Ｄ変換部８５０、基準電圧記憶部８５２、放電器８５４には電極パッド７７６が接続されている。電極パッド７７６は単電池１５０を構成する集電箔７７２Ａと７７２Ｂとの間に接続されているため、Ａ/Ｄ変換部８５０は、単電池の電圧をデジタルデータに変換して通信部８６０に送ることができる。基準電圧記憶部８５２は、単電池１５０の基準となる電圧を記憶している部分であって、この電圧は放電器８５４が単電池１５０の放電を行う際に参照される。放電器８５４は、抵抗器とトランジスタとから構成され、通信部８６０から送られてくる放電指令に基づいてトランジスタをＯＮし、抵抗器で消費されるジュール熱で単電池１５０の放電を行なって単電池１５０の電圧を調整する。

ＩＤ記憶部８５６は単電池ごとの固有のＩＤを記憶している。ＩＤ照合部８５６は、アンテナ７７８を介して通信部８６０に入力された情報（ＩＤ＋充放電に関する情報）を、自分（単電池）に対する指示であるのか、自分に対する指示でないのかを判別するものである。通信部８６０は自分に対する指示であると、ＩＤ照合部８５６が判別した場合にのみ放電器８５４に放電の指示をする。

電極パッド７７６を介して検出された単電池１５０の電圧は、通信部８６０によりアンテナ７７８に向けて送信される。アンテナ７５０はこの送信された単電池の電圧を受信し、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する。アンテナ７５０は、図９に示したように、バイポーラ電池１００を構成する全ての単電池の電圧を受信することができるようになっており、ＥＣＵ７３０は、各単電池１５０の電圧をリアルタイムで把握できるようになっている。

図１７は、ＥＣＵ７３０の動作と電池保護ＩＣの動作を示したフローチャートである。図の左側がＥＣＵ７３０の動作を示したフローチャート、右側が電池保護ＩＣの動作を示すフローチャートである。

以下に、両フローチャートの処理を、実際に行われる手順に従って説明する。

まず、ＥＣＵ７３０から電圧測定の開始指示が出されると、ＩＤが００にセットされ（Ｓ１）、このＩＤに電圧送信指示が付加された情報が、通信部７４０、アンテナ７５０を介して、全ての電池保護ＩＣ７００が有するアンテナ７７８に向けて送信される（Ｓ２）。アンテナ７７８が何らかの情報を受信したときには、全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は割り込み処理を開始する。全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は、アンテナ７７８を介して入力したＥＣＵ７３０からのＩＤを照合部８５８に出力する。そして、照合部８５８はこのＩＤをＩＤ記憶部８５６に記憶されているＩＤと照合する（Ｓ１００）。照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤであると判別された場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりそのＩＤに付加されている情報が電圧送信であるか否かが判断される（Ｓ１０１）。一方、照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤでないと判断された場合には、割り込み処理を終了する（Ｓ１０２）。

今回送信されてきた情報は電圧送信に関する情報であるので（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりＩＤ００に該当する単電池１５０の電圧を、Ａ/Ｄ変換部８５０が電極パッド７７６を介して測定し(Ｓ１０３)、測定した単電池１５０の電圧を、ＩＤを付して、通信部８６０、アンテナ７７８、アンテナ７５０、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する（Ｓ１０４）。そして、電池保護ＩＣ７００は割り込み処理を終了する（Ｓ１０５）。

ＩＤが００に対応する単電池１５０の電圧が測定されると、その測定された電圧はＥＣＵ７３０が受信して（Ｓ３）、ＥＣＵ７３０が有しているメモリにＩＤと共に格納される(Ｓ４）。

以上までの処理で、１つの単電池１５０の電圧測定の処理が終了する。次に、ＥＣＵ７３０は、ＩＤがバイポーラ電池１００を構成する単電池の最後(単電池の積層順に付されている)のものであるか否かを判断する（Ｓ５）。ＩＤが最後のものでなければ（Ｓ５：ＮＯ）、ＥＣＵ７３０は、ＩＤの値を１だけインクリメントして（Ｓ６）、次の単電池の電圧を上記と同様の手順を経て取得する。

ＥＣＵ７３０は、バイポーラ電池１００を構成する全ての単電池の電圧の取得が終了したら(Ｓ５：ＹＥＳ）、取得した全ての単電池の電圧の分散、平均、最大、最小を計算する(Ｓ７）。次に、ＥＣＵ７３０は、各単電池１５０が、測定された最小電圧になるまでに必要な放電時間を計算する（Ｓ８）。ＥＣＵ７３０は、放電が必要な単電池のＩＤを選択し、そのＩＤに放電指示を付加した情報を、通信部７４０、アンテナ７５０を介して、全ての電池保護ＩＣ７００が有するアンテナ７７８に向けて送信する（Ｓ９）。

前述のように、アンテナ７７８が何らかの情報を受信したときには、全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は割り込み処理を開始する。全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は、アンテナ７７８を介して入力したＥＣＵ７３０からのＩＤを照合部８５８に出力する。そして、照合部８５８はこのＩＤをＩＤ記憶部８５６に記憶されているＩＤと照合する（Ｓ１００）。照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤであると判別された場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりそのＩＤに付加されている情報が電圧送信であるか否かが判断される（Ｓ１０１）。一方、照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤでないと判断された場合には、割り込み処理を終了する（Ｓ１０２）。

今回送信されてきた情報は放電指示に関する情報であるので、ステップＳ１０１ではＮＯと判断され、また、ステップＳ１０６ではＹＥＳと判断され（Ｓ１０６)、該当する電池保護ＩＣ７００がその内部に設けられている放電器８５４をＯＮさせて（Ｓ１０７）、単電池を放電させる。放電器をＯＮさせた旨の情報は、ＩＤを付して、通信部８６０、アンテナ７７８、アンテナ７５０、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する（Ｓ１０８）。そして、電池保護ＩＣ７００は割り込み処理を終了する（Ｓ１０９）。

ＥＣＵ７３０は、該当単電池の放電が開始されたことを知ると、時間カウントを開始して、各単電池に対して計算した放電時間の経過と同時に、放電時間が経過した単電池のＩＤに放電停止指示を付加した情報を、通信部７４０、アンテナ７５０を介して、全ての電池保護ＩＣ７００が有するアンテナ７７８に向けて送信する(Ｓ１０）。

この放電停止指示の送信によって全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は割り込み処理を開始する。全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は、アンテナ７７８を介して入力したＥＣＵ７３０からのＩＤを照合部８５８に出力する。そして、照合部８５８はこのＩＤをＩＤ記憶部８５６に記憶されているＩＤと照合する（Ｓ１００）。照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤであると判別された場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりそのＩＤに付加されている情報が電圧送信であるか否かが判断される（Ｓ１０１）。一方、照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤでないと判断された場合には、割り込み処理を終了する（Ｓ１０２）。今回送信されてきた情報は放電停止指示に関する情報であるので、ステップＳ１０１、ステップ１０６ではＮＯと判断され、また、ステップＳ１１０ではＹＥＳと判断され（Ｓ１１０)、該当する電池保護ＩＣ７００がその内部に設けられている放電器８５４をＯＦＦさせて（Ｓ１１１）、単電池の放電を停止させる。放電器をＯＦＦさせた旨の情報は、ＩＤを付して、通信部８６０、アンテナ７７８、アンテナ７５０、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する（Ｓ１１２）。そして、電池保護ＩＣ７００は割り込み処理を終了する（Ｓ１１３）。一方、自分に対するＩＤであるのに、電圧送信、放電、放電停止のいずれの指示でもなかった場合には（Ｓ１１３：ＮＯ）、指定された処理を該当する電池保護ＩＣ７００にさせた後(Ｓ１１４）、割り込み処理を終了する（Ｓ１１５）。

ＥＣＵ７３０は、放電をさせるべき全ての単電池についての放電が終了すると、電圧測定指示の処理を終了する。

図１８は充電機能を有している電池保護ＩＣ７００の制御系の構成を示すブロック図である。

このブロック図において、図１６のブロック図と異なるのは、アンテナ７７８、アンテナ７５０がトランス７７９、７５１に置き換わっていることと、放電手段として機能する放電器８５４が充電手段として機能する充電器８５３に置き換わっていることと、整流手段として機能する全波整流部８６２が充電器８５３に接続されていることだけである。トランス７７９、７５１は、コイルが巻かれて構成されているものであるが、実質的には、トランス７７９、トランス７５１の両方で１つのトランスを構成する。その他のＡ/Ｄ変換部８５０、基準電圧記憶部８５２、ＩＤ記憶部８５６、ＩＤ照合部８５８、通信部８６０、電極パッド７７６、トランス７７８、トランス７５０、通信部７４０の機能は、図１６に記載したものと全く同一であるので、ここでのこれらの説明は省略する。

全波整流部８６２は、トランス７７８で発生した交流電流を直流電流に変換する機能を有するものであり、直流に変換された電流は充電器８５３に提供され、単電池１５０を充電する。

図１９は、ＥＣＵ７３０の動作と電池保護ＩＣの動作を示したフローチャートである。図の左側がＥＣＵ７３０の動作を示したフローチャート、右側が電池保護ＩＣの動作を示すフローチャートである。

以下に、両フローチャートの処理を、実際に行われる手順に従って説明する。

まず、ＥＣＵ７３０から電圧測定の開始指示が出されると、ＩＤが００にセットされ（Ｓ２０）、このＩＤに電圧送信指示が付加された情報が、通信部７４０、トランス７５１を介して、全ての電池保護ＩＣ７００が有するトランス７７９に向けて送信される（Ｓ２１）。

トランス７７９が何らかの情報を受信したときには、全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は割り込み処理を開始する。全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は、トランス７７９を介して入力したＥＣＵ７３０からのＩＤを照合部８５８に出力する。そして、照合部８５８はこのＩＤをＩＤ記憶部８５６に記憶されているＩＤと照合する（Ｓ２００）。照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤであると判別された場合には（Ｓ２００：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりそのＩＤに付加されている情報が電圧送信であるか否かが判断される（Ｓ２０１）。一方、照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤでないと判断された場合には、割り込み処理を終了する（Ｓ２０２）。

今回送信されてきた情報は電圧送信に関する情報であるので（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりＩＤ００に該当する単電池１５０の電圧を、Ａ/Ｄ変換部８５０が電極パッド７７６を介して測定し(Ｓ２０３)、測定した単電池１５０の電圧を、ＩＤを付して、通信部８６０、トランス７７９、トランス７５１、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する（Ｓ２０４）。そして、電池保護ＩＣ７００は割り込み処理を終了する（Ｓ２０５）。

ＩＤが００に対応する単電池１５０の電圧が測定されると、その測定された電圧はＥＣＵ７３０が受信して（Ｓ２３）、ＥＣＵ７３０が有しているメモリにＩＤと共に格納される(Ｓ２４）。

以上までの処理で、１つの単電池１５０の電圧測定の処理が終了する。次に、ＥＣＵ７３０は、ＩＤがバイポーラ電池１００を構成する単電池の最後(単電池の積層順に付されている)のものであるか否かを判断する（Ｓ２５）。ＩＤが最後のものでなければ（Ｓ２５：ＮＯ）、ＥＣＵ７３０は、ＩＤの値を１だけインクリメントして（Ｓ２６）、次の単電池の電圧を上記と同様の手順を経て取得する。

ＥＣＵ７３０は、バイポーラ電池１００を構成する全ての単電池の電圧の取得が終了したら(Ｓ２５：ＹＥＳ）、取得した全ての単電池の電圧の分散、平均、最大、最小を計算する(Ｓ２７）。次に、ＥＣＵ７３０は、各単電池１５０が、測定された最大電圧になるまでに必要な充電時間を計算する（Ｓ２８）。ＥＣＵ７３０は、充電が必要な単電池のＩＤを選択し、そのＩＤに充電指示を付加した情報を、通信部７４０、トランス７５１を介して、全ての電池保護ＩＣ７００が有するトランス７７９に向けて送信する（Ｓ２９）。

前述のように、トランス７７９が何らかの情報を受信したときには、全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は割り込み処理を開始する。全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は、トランス７７９を介して入力したＥＣＵ７３０からのＩＤを照合部８５８に出力する。そして、照合部８５８はこのＩＤをＩＤ記憶部８５６に記憶されているＩＤと照合する（Ｓ２００）。照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤであると判別された場合には（Ｓ２００：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりそのＩＤに付加されている情報が電圧送信であるか否かが判断される（Ｓ２０１）。一方、照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤでないと判断された場合には、割り込み処理を終了する（Ｓ２０２）。

今回送信されてきた情報は充電指示に関する情報であるので、ステップＳ２０１ではＮＯと判断され、また、ステップＳ２０６ではＹＥＳと判断され（Ｓ２０６)、該当する電池保護ＩＣ７００がその内部に有している全波整流部８６２で整流した直流電流を、充電器８５３をＯＮさせることによって単電池に提供し（Ｓ２０７）、単電池を充電させる。充電器をＯＮさせた旨の情報は、ＩＤを付して、通信部８６０、トランス７７９、トランス７５１、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する（Ｓ２０８）。そして、電池保護ＩＣ７００は割り込み処理を終了する（Ｓ２０９）。

ＥＣＵ７３０は、該当単電池の充電が開始されたことを知ると、時間カウントを開始して、各単電池に対して計算した充電時間の経過と同時に、充電時間が経過した単電池のＩＤに充電停止指示を付加した情報を、通信部７４０、トランス７５１を介して、全ての電池保護ＩＣ７００が有するトランス７７９に向けて送信する(Ｓ３０）。

この充電停止指示の送信によって全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は割り込み処理を開始する。全ての電池保護ＩＣ７００の通信部８６０は、トランス７７９を介して入力したＥＣＵ７３０からのＩＤを照合部８５８に出力する。そして、照合部８５８はこのＩＤをＩＤ記憶部８５６に記憶されているＩＤと照合する（Ｓ２００）。照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤであると判別された場合には（Ｓ２００：ＹＥＳ）、該当する電池保護ＩＣ７００によりそのＩＤに付加されている情報が電圧送信であるか否かが判断される（Ｓ２０１）。一方、照合の結果、自分のＩＤと同一のＩＤでないと判断された場合には、割り込み処理を終了する（Ｓ２０２）。今回送信されてきた情報は充電停止指示に関する情報であるので、ステップＳ２０１、ステップ２０６ではＮＯと判断され、また、ステップＳ２１０ではＹＥＳと判断され（Ｓ２１０)、該当する電池保護ＩＣ７００がその内部に設けられている充電器８５３をＯＦＦさせて（Ｓ２１１）、単電池の充電を停止させる。充電器をＯＦＦさせた旨の情報は、ＩＤを付して、通信部８６０、トランス７７９、トランス７５１、通信部７４０を介してＥＣＵ７３０に送信する（Ｓ２１２）。そして、電池保護ＩＣ７００は割り込み処理を終了する（Ｓ２１３）。一方、自分に対するＩＤであるのに、電圧送信、充電、充電停止のいずれの指示でもなかった場合には（Ｓ２１３：ＮＯ）、指定された処理を該当する電池保護ＩＣ７００にさせた後(Ｓ２１４）、割り込み処理を終了する（Ｓ２１５）。

以上のように、本実施形態では、バイポーラ電池１００を構成する各単電池の電圧を検出し、単電池の中でも最低の電圧を有している単電池の電圧に他の単電池の電圧を合わせる場合には、最低の電圧よりも高い電圧を有している単電池を放電させることによって電圧の均一化を図り、一方、単電池の中でも最高の電圧を有している単電池の電圧に他の単電池の電圧を合わせる場合には、最高の電圧よりも低い電圧を有している単電池を充電させることによって電圧の均一化を図っている。本実施の形態では、以上のように、最低または最高の電圧に全ての単電池の電圧を合わせる場合について説明したが、基準電圧を決めておき、全ての単電池の電圧をその基準電圧になるように、個々の単電池を充電又は放電させるようにすることも可能である。

以上説明してきたバイポーラ電池は、複数、直列に又は並列に接続して組電池モジュール２５０（図２０参照）を形成し、この組電池モジュール２５０をさらに複数、直列に又は並列に接続して組電池３００を形成することもできる。図２０は、組電池３００の平面図（図Ａ）、正面図（図Ｂ）、側面図（図Ｃ）を示しているが、作成した組電池モジュール２５０は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、組電池モジュール２５０は接続治具３１０を用いて複数段積層される。何個のバイポーラ電池１１０を接続して組電池モジュール２５０を作成するか、また、何段の組電池モジュール２５０を積層して組電池３００を作成するかは、搭載される車両（電気自動車）の電池容量や出力に応じて決めればよい。なお、充電器８５３、放電器８５４のそれぞれが充放電制御手段として機能し、アンテナ７７８、７５０およびトランス７７９、７５１は送受信手段として機能する。

このように、組電池モジュール２５０を複数直並列接続されてなる組電池３００は、高容量、高出力を得ることができ、一つ一つの組電池モジュール２５０の信頼性が高いことから、組電池３００としての長期的な信頼性の維持が可能である。また一部の組電池モジュール２５０が故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能になる。

組電池３００の場合、多数のバイポーラ電池１００が直列接続されているので、一つのバイポーラ電池１００の微小短絡などによる自己放電が加速すると充電状態のバランスが崩れてしまう。最悪の場合、充電状態０％のバイポーラ電池と１００％のバイポーラ電池とが直列に接続されている状態であれば、充電すれば片方のバイポーラ電池が過充電、放電すれば片方のバイポーラ電池が過放電になるため、電流を流せなくなる。本発明に係るバイポーラ電池は、隣接するバイポーラ電極２００間に形成される単電池１５０に充電する充電回路２１０を備えているので、単電池毎に充放電容量のバランスがとられており、組電池としての信頼性と耐久性を向上させることができる。電池の外からエネルギーを供給して構成される定置型充電回路の最小構成を備えているので、組電池の小型化を図ることもできる。

組電池３００を、電気自動車４００に搭載するには、図２１に示したように、電気自動車４００の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池３００を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池３００を用いた電気自動車４００は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。

なお、本発明では、組電池３００だけではなく、使用用途によっては、組電池モジュール２５０のみを搭載するようにしてもよいし、これら組電池３００と組電池モジュール２５０を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池または組電池モジュールを搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッドカーが好ましいが、これらに制限されるものではない。

本発明によれば、電圧検出線及びバイパス線を外部に引き出すことなく、単電池それぞれの電圧に基づいて最適な容量バランスを確保することができるので、バイポーラ電池の量産化と信頼性向上に大いに役立つ。

本実施形態に係るバイポーラ電池の外観図である。 バイポーラ電池内部の概略構成図である。 バイポーラ電池内部の概略構成図である。 バイポーラ電池に内蔵される充電回路の２次側要素の概略図である。 図４のａ−ａ線断面図である。 充電回路を備えたバイポーラ電池の外観図である。 充電回路の全体構成の概略図である。 単電池に備えた充電回路の電気回路図である。 本実施の形態に係るバイポーラ電池の概略構成を示すブロック図である。 アンテナを介して通信を行なうタイプの電池保護ＩＣの取り付け位置の説明に供する図である。 図１０の一部の部分拡大図である。 トランスを介して通信および単電池の充電を行なうタイプの電池保護ＩＣの取り付け位置の説明に供する一部の部分の拡大図である。 図１２に示した部分の側面図である。 電池保護ＩＣの具体的な構成を示した図である。 電池保護ＩＣの具体的な構成を示した図である。 放電機能を有している電池保護ＩＣの制御系の構成を示すブロック図である。 ＥＣＵの動作と電池保護ＩＣの動作を示したフローチャートである。 充電機能を有している電池保護ＩＣの制御系の構成を示すブロック図である。 ＥＣＵの動作と電池保護ＩＣの動作を示したフローチャートである。 組電池の概略構成図である。 組電池が車両に搭載された状態を示す図である。

符号の説明

１００ バイポーラ電池、
１２０Ａ 正極タブ、
１２０Ｂ 負極タブ、
１５０ 単電池、
１６０ 発電要素、
１８０ ラミネートフィルム、
２００ 導電材、
２０２ 負極活物質、
２０４Ａ〜２０４Ｄ 導電材、
２０６ 絶縁材、
２０８ イオン伝導材、
２１０ 充電回路、
２１２ 正極活物質、
２１４ 導電材、
２２０ バイポーラ電極、
２５０ 組電池モジュール、
２６０ 導電材（集電体）、
２６１ 負極層、
２６２、２６３ 絶縁・シール材、
２６４ 絶縁材、
２６５、２６６ Ａｕ、
２６７、２６８ Ｐ型半導体、
２６９、２７０ Ａｌ、
２７１、２７２ Ａｕ、
２７３ 導電材、
２７４、２７５ Ｐ型半導体、
２７６ 電解質層、
２７７、２７８ Ａｌ、
２７９ Ａｕ、
２８１ Ｐ型伝導材料、
２８２ ＥＬ材料、
２８３ Ｎ型伝導材料、
２８４ 導電材（集電体）
３００ 組電池、
３１０ 接続治具、
４００ 電気自動車、
４１０ ２次側要素（出力側要素）、
４１１ 整流回路（ダイオードブリッジ）、
４１２ ２次側コイル、
４２１、４２２、４２３、４２４ ダイオード、
４３０ 発光素子（発光層）、
５１０ １次側要素（入力側要素）、
５１１ 電源コントローラ（バッテリコントローラ）、
５１２ １次側コイル、
５３０ 光センサ（ＣＣＤ）、
５４０ 発生電圧モニター、
５４２ ２次側コイル、
５４３ 発光素子（発光層）、
７００ 電池保護ＩＣ、
７００Ａ ＩＣチップ、
７３０ ＥＣＵ、
７４０ 通信部、
７５０、７７８ アンテナ
８５３ 充電器、
８５４ 放電器、
７５１、７７９ トランス、
７９０ コイル。

Claims (20)

1. 集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極と、当該バイポーラ電極相互間でイオン交換を行う電解質層とを交互に複数積層して発電要素を形成するバイポーラ電池において、
   前記正極層、負極層、または前記電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極同士と電気的に導通された充電回路の２次側要素が形成され、該２次側要素の近傍には、これに交流磁場を付与する１次側要素が具備されていることを特徴とするバイポーラ電池。
2. 前記充電回路の前記２次側要素は、隣接するバイポーラ電極同士に電気的に接続された整流回路と、該整流回路を介して前記バイポーラ電極同士に接続された２次側コイルと、を備え、前記１次側要素は、前記２次側コイルの積層方向に磁気的に結合された１次側コイルと、該１次側コイルに交流電圧を付与する電源コントローラと、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ電池。
3. 前記整流回路は、アセン系、チオフェン系、フェニレン系、ビニレン系、金属置換フタロシアニン、ＰＥＤＯＴ、ＴＣＮＱ、ＰＴＣＤＡ、ＮＴＣＤＡ、ＰＴＣＤＩ、ＮＴＣＤＩ、Ｃ６０およびＣ７０のいずれかの有機半導体層を含むことを特徴とする請求項２に記載のバイポーラ電池。
4. 前記整流回路は、前記有機半導体と金属とを積層して成るショットキダイオード層を含むことを特徴とする請求項３に記載のバイポーラ電池。
5. 前記整流回路は発光層を含み、その近傍には当該発光層からの光に感応する光センサが設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のバイポーラ電池。
6. 前記発光層は隣接するバイポーラ電極間に形成される単電池毎に備えられ、前記光センサは前記発光層に対応する数以上に備えられていることを特徴とする請求項５に記載のバイポーラ電池。
7. 前記電源コントローラには、前記充電回路の２次側要素と同一の回路を有する発生電圧モニターが備えられていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のバイポーラ電池。
8. 前記発電要素の最下層および最上層に位置する電極は、電圧測定回路を介して前記電源コントローラに接続されていることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載のバイポーラ電池。
9. 前記バイポーラ電極、前記電解質層および前記充電回路の２次側要素は、外装材によって覆われて密封されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のバイポーラ電池。
10. 集電体の一方の面には正極層が形成されその他方の面には負極層が形成されたバイポーラ電極と、当該バイポーラ電極相互間でイオン交換を行う電解質層とを交互に複数積層して発電要素を形成するバイポーラ電池において、
    前記正極層、負極層、または前記電解質層の内の少なくとも１つの層の同一平面内に、隣接する前記バイポーラ電極との間で電圧のバランスを図るバランス手段を設け、前記バランス手段の近傍には、前記バランス手段との間で前記電圧のバランスを図るための通信を行なう通信手段が具備されていることを特徴とするバイポーラ電池。
11. 前記バランス手段は、
    前記隣接するバイポーラ電極との間の電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記隣接するバイポーラ電極との間の充電または放電の少なくともいずれか一方を制御する充放電制御手段と、
    検出した電圧を前記通信手段に送信する一方、充電または放電を制御するための信号を受信する送受信手段と、
    を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のバイポーラ電池。
12. 前記電圧検出手段は前記正極層と負極層に接続され、前記電圧検出手段によって検出された電圧は、前記送受信手段及び前記通信手段を介して、前記発電要素の充放電状態を管理する上位コントローラに送られるように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のバイポーラ電池。
13. 前記送受信手段は、前記バイポーラ電極間に配置されて積層された複数のコイルを備え、
    前記通信手段は、前記送受信手段を構成する複数のコイルに対しそれぞれのコイルが対応するように積層され、前記送受信手段との間で、電磁的に結合したトランスとして機能するように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のバイポーラ電池。
14. 前記通信手段は、前記発電要素への通電方向に対して直交するように配置されたアンテナとして機能し、前記アンテナは、前記発電要素の集電体外側に設けられていることを特徴とする請求項１３に記載のバイポーラ電池。
15. 前記充放電制御手段は、前記トランスとして機能するコイルから送られる交流電気エネルギーを直流電気エネルギーに変換する整流手段と、正極と負極とに接続され変換された直流電気エネルギーにより充電を行なう充電手段とを備えていることを特徴とする請求項１１に記載のバイポーラ電池。
16. 前記充放電制御手段は、正極と負極とに接続され放電を行なう放電手段を備えていることを特徴とする請求項１１に記載のバイポーラ電池。
17. 前記充放電検出手段は、各コイルに割り当てられている識別子を記憶する識別子記憶手段を備え、前記通信手段から送信されてくる信号の識別子を識別子記憶手段に記憶されている識別子と照合することによって、対応するコイルを介しての充電または放電を制御することを特徴とする請求項１１に記載のバイポーラ電池。
18. 前記発電要素の最下層および最上層に位置する電極は、前記外装材の外側に取り出され、前記電源コントローラに接続されていることを特徴とする請求項１０に記載のバイポーラ電池。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載のバイポーラ電池が複数接続されて構成されることを特徴とする組電池。
20. 請求項１〜１８のいずれかに記載のバイポーラ電池、または請求項１９に記載の組電池を電源として搭載したことを特徴とする車両。

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