JP2007220372A - Battery, battery system, packed battery and vehicle using the same batteries - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery capable of lowering a parasitic inductance. <P>SOLUTION: In a power generator element 10 laminating many bipolar electrodes, positive electrodes are formed on one side of a current collector; negative electrodes are formed on the other side; and many electrolyte layers alternately has a positive electrode side terminal electrode connected with a positive electrode side current collector electrode 11, and a negative electrode side terminal electrode connected with a negative electrode side current collector electrode 12. The current flows in the opposite direction at the positive electrode side current collector electrode 11, and the negative electrode side current collector electrode 12. Such an opposite direction current flowing through the positive electrode side current collector electrode 11 and the negative electrode side current collector electrode 12 cancels magnetic fields, thereby making it possible to lower the inductance when a battery itself is seen as a current path through which a current is flowing. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、バイポーラ電池、電池システム、組電池、およびそれらの電池を搭載した車両に関する。   The present invention relates to a bipolar battery, a battery system, an assembled battery, and a vehicle equipped with these batteries.

電気自動車やハイブリッド自動車には、電池のほかに、必要な電圧や電流量を調整するために、インバータが備えられている(たとえば下記特許文献1参照)。
特開2005−057928号公報
In addition to batteries, electric vehicles and hybrid vehicles are equipped with inverters in order to adjust the necessary voltage and current amount (see, for example, Patent Document 1 below).
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-057928

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の場合、大きな出力の電池を搭載するため電池自体が大きくなり、その影響でインバータなどの制御回路に至までの電流経路が長くなる傾向にある。このため、電池を含めた電流経路全体のインダクタンスも大きく、エネルギーロスの原因となることがわかってきた。   By the way, in the case of a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle, a battery with a large output is mounted, so that the battery itself becomes large, and the current path to a control circuit such as an inverter tends to be long due to the influence. For this reason, it has been found that the inductance of the entire current path including the battery is large and causes energy loss.

そこで本発明の目的は、負荷が接続された電池の電流経路におけるインダクタンスを小さくしてエネルギーロスを低くすることのできる電池を提供することであり、また、このような電池を用いた電池システム、および組電池を提供することである。また、本発明は、これらエネルギーロスの少ない電池、電池システム、および組電池を適用した電動の車両を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a battery that can reduce the energy loss by reducing the inductance in the current path of the battery to which the load is connected, and a battery system using such a battery, And providing a battery pack. Moreover, this invention is providing the electric vehicle which applied the battery, battery system, and assembled battery with few these energy losses.

上記目的を達成するための本発明は、正極と負極間に電解質層を介在させて構成される単電池を複数積層した発電要素と、前記発電要素の終端電極に電気的に接続された集電構造体と、前記集電構造体に流れる電流の方向と逆方向に電流が流れるように配置された逆電流経路と、を有すること特徴とする電池である。   In order to achieve the above object, the present invention provides a power generation element in which a plurality of unit cells configured by interposing an electrolyte layer between a positive electrode and a negative electrode, and a current collector electrically connected to a termination electrode of the power generation element A battery comprising: a structure; and a reverse current path disposed so that a current flows in a direction opposite to a direction of a current flowing through the current collecting structure.

また上記目的を達成するための本発明は、前記電池と、前記電池と接続される交流負荷とを有し、前記電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さT、前記第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離D、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大入力電圧Vinの関係が、下記(1)式
T×D×f×I×π×μ<Vin/4 …(1)
を満たすことを特徴とする電池システムである。
Moreover, this invention for achieving the said objective has the said battery and the alternating current load connected with the said battery, The length T of the total electric current path between the said battery and the said alternating current load, the said 1st The relationship between the distance D between the current collector structure and the second current collector structure, the frequency f of the AC load, the maximum AC current Imax of the AC load, and the maximum input voltage Vin of the load is as follows (1 ) Formula T × D × f × I × π × μ 0 <Vin / 4 (1)
A battery system characterized by satisfying

また上記目的を達成するための本発明は、前記電池と、前記電池と接続される交流負荷とを有し、前記第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離D、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大動作電圧Vの関係が、下記(2)式
D×f×Imax×π<V/(4×10−6) …(2)
を満たすことを特徴とする電池システムである。
Moreover, this invention for achieving the said objective has the said battery and the alternating current load connected with the said battery, and is the distance D between the said 1st current collection structure and the said 2nd current collection structure. The relationship between the frequency f of the AC load, the maximum AC current Imax of the AC load, and the maximum operating voltage V of the load is expressed by the following equation (2): D × f × Imax × π <V / (4 × 10 −6 (2)
A battery system characterized by satisfying

また上記目的を達成するための本発明は、前記電池が複数電気的に接続されていることを特徴とする組電池である。   In order to achieve the above object, the present invention is an assembled battery in which a plurality of the batteries are electrically connected.

また上記目的を達成するための本発明は、前記組電池と、前記組電池と接続される交流負荷とを有し、前記組電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さL、前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離Dの和Ds、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大入力電圧Vinの関係が、下記(3)式
L×Ds×f×Imax×π×μ<Vin/4 …(3)
を満たすことを特徴とする電池システムである。
Moreover, this invention for achieving the said objective has the said assembled battery and the alternating current load connected with the said assembled battery, The length L of the total electric current path between the said assembled battery and the said alternating current load, Sum Ds of distances D between the first current collecting structure and the second current collecting structure of each battery constituting the assembled battery, frequency f of AC load, maximum AC current Imax of AC load And the maximum input voltage Vin of the load is expressed by the following equation (3): L × Ds × f × Imax × π × μ 0 <Vin / 4 (3)
A battery system characterized by satisfying

また上記目的を達成するための本発明は、前記組電池と、前記組電池と接続される交流負荷とを有し、前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離Dの和Ds、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大動作電圧Vの関係が、下記(4)式
Ds×f×Imax×π<V/(4×10−6) …(4)
を満たすことを特徴とする電池システムである。
Moreover, this invention for achieving the said objective has the said 1st current collection structure of each said battery which has the said assembled battery and the alternating current load connected with the said assembled battery, and comprises the said assembled battery, The relationship between the sum Ds of the distances D between the second current collecting structures, the frequency f of the AC load, the maximum AC current Imax of the AC load, and the maximum operating voltage V of the load is expressed by the following equation (4) Ds × f × Imax × π <V / (4 × 10 −6 ) (4)
A battery system characterized by satisfying

さらに上記目的を達成するための本発明は、前記電池、前記組電池、および前記電池システムのうち、いずれかを搭載したことを特徴とする車両である。   Furthermore, the present invention for achieving the above object is a vehicle on which any one of the battery, the assembled battery, and the battery system is mounted.

本発明によれば、発電要素に接続されている集電構造体に流れる電流と逆方向に電流を流す逆電流経路を備えているので、集電構造体に流れる電流によって生じる電磁誘導を逆電流経路に流れる逆方向電流により磁界キャンセルさせることができ、それにより電池の寄生インダクタンスを低下させることができる。   According to the present invention, since the reverse current path for flowing the current in the direction opposite to the current flowing in the current collecting structure connected to the power generation element is provided, the electromagnetic induction caused by the current flowing in the current collecting structure is reversed. The magnetic field can be canceled by the reverse current flowing through the path, thereby reducing the parasitic inductance of the battery.

以下、図面を参照して本発明に係るバイポーラ電池、組電池およびそれらの電池を搭載した車両の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態で参照する図面では、バイポーラ電池など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。   Hereinafter, embodiments of a bipolar battery, an assembled battery, and a vehicle equipped with such a battery according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings referred to in the following embodiments, the thickness and shape of each layer constituting a bipolar battery are exaggerated, but this is done to facilitate understanding of the contents of the invention. Yes, it is not consistent with the thickness and shape of each layer of an actual bipolar battery.

(実施形態1)
図1は本発明を適用した実施形態1のバイポーラ電池の内部構成を説明するための概略斜視図である。図2はバイポーラ電池の全体構成を説明するための断面図であり、図3は図2中の矢印a方向から見た側面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining an internal configuration of a bipolar battery according to Embodiment 1 to which the present invention is applied. FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the bipolar battery, and FIG. 3 is a side view seen from the direction of arrow a in FIG.

まず、図1を参照すると、バイポーラ電池1の内部構成は、電力を取り出すための正極側集電電極11(第1の集電電極)および負極側集電電極12(第2の集電電極)が発電要素10の終端電極に接続されている。正極側集電電極11および負極側集電電極12は、互いに平行に設けられている。正極側集電電極11および負極側集電電極12は、互いに本発明における集電構造体または逆電流経路となる。すなわち、正極側集電電極11を集電構造体とみれば負極側集電電極12は逆電流経路となり、逆に正極側集電電極11を逆電流経路とみれば負極側集電電極12は集電構造体となる。   First, referring to FIG. 1, the internal configuration of the bipolar battery 1 includes a positive current collecting electrode 11 (first current collecting electrode) and a negative current collecting electrode 12 (second current collecting electrode) for taking out electric power. Is connected to the terminal electrode of the power generation element 10. The positive electrode side collecting electrode 11 and the negative electrode side collecting electrode 12 are provided in parallel to each other. The positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12 serve as a current collecting structure or a reverse current path in the present invention. That is, if the positive current collecting electrode 11 is regarded as a current collecting structure, the negative current collecting electrode 12 becomes a reverse current path, and conversely if the positive current collecting electrode 11 is regarded as a reverse current path, the negative current collecting electrode 12 is It becomes a current collecting structure.

正極側集電電極11および負極側集電電極12は、同じ大きさである。正極側集電電極11および負極側集電電極12は、たとえば、ステンレス板、銅板、アルミニウム板など、金属板によって形成されることが好ましい。   The positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12 have the same size. The positive electrode side collecting electrode 11 and the negative electrode side collecting electrode 12 are preferably formed of a metal plate such as a stainless plate, a copper plate, or an aluminum plate.

正極側集電電極11および負極側集電電極12は、正極タブ110および負極タブ120が接続されている。正極タブ110および負極タブ120は、交流負荷(詳細後述)とこのバイポーラ電池1とを電気的に接続するためのバスバーやリード線などが接続される。   A positive electrode tab 110 and a negative electrode tab 120 are connected to the positive electrode side collecting electrode 11 and the negative electrode side collecting electrode 12. The positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 are connected to bus bars, lead wires, and the like for electrically connecting an alternating current load (described later in detail) and the bipolar battery 1.

正極タブ110および負極タブ120は、両方ともバイポーラ電池1の一側から突出するように設けられている。これにより、バイポーラ電池1に負荷を接続したとき、正極側集電電極11および負極側集電電極12に互いに逆方向に電流が流れるようになる。   Both the positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 are provided so as to protrude from one side of the bipolar battery 1. As a result, when a load is connected to the bipolar battery 1, current flows through the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12 in opposite directions.

正極タブ110および負極タブ120は、正極側集電電極11および負極側集電電極12と同じ部材から形成されたものであってもよいし、別部材を一体化させたものでもよい。別部材とした場合は、たとえば、ステンレス板、銅板、アルミニウム板など金属板を、正極側集電電極11および負極側集電電極12に接続したものとなる。この接続は、たとえば、超音波接合、溶接、ハンダ付けなどが利用される。   The positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 may be formed from the same member as the positive electrode side collecting electrode 11 and the negative electrode side collecting electrode 12, or may be formed by integrating different members. When it is set as a separate member, for example, a metal plate such as a stainless steel plate, a copper plate, or an aluminum plate is connected to the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12. For this connection, for example, ultrasonic bonding, welding, soldering, or the like is used.

このバイポーラ電池1の発電要素10、正極側集電電極11および負極側集電電極12などは、図2に示すように、ケース30に収納されている。   As shown in FIG. 2, the power generation element 10, the positive current collecting electrode 11, the negative current collecting electrode 12, and the like of the bipolar battery 1 are housed in a case 30.

ケース30は、金属製で上側31と下側32からなる分離型のものである。ケース30の上側31および下側32は、たとえば、発電要素10と接触しない位置でねじ止め(不図示)により接合されて全体が密閉されている。使用するねじは、絶縁ねじが好ましいが、これに限るものではない。そのほか、ねじ止め以外にも上側31と下側32を接着剤により接着したり、超音波接合、溶接、ハンダ付け、かしめ結合などを利用してもよい。   The case 30 is made of metal and is a separated type composed of an upper side 31 and a lower side 32. For example, the upper side 31 and the lower side 32 of the case 30 are joined together by screwing (not shown) at a position where they do not come into contact with the power generation element 10 and are entirely sealed. The screw to be used is preferably an insulating screw, but is not limited thereto. In addition, other than screwing, the upper side 31 and the lower side 32 may be bonded with an adhesive, or ultrasonic bonding, welding, soldering, caulking, or the like may be used.

ケース30の内側には絶縁材33が設けられている。絶縁材33は正極側集電電極11および負極側集電電極12に接触している。   An insulating material 33 is provided inside the case 30. The insulating material 33 is in contact with the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12.

この絶縁材33によって、ケース30(金属製)と正極側集電電極11および負極側集電電極12との絶縁が保たれる。絶縁材33の耐圧は、このバイポーラ電池1に接続される負荷(機器)の動作電圧の1.5倍以上であることが好ましい。この程度の耐圧があれば、たとえば車両用の二次電池として十分である。もちろんそれ以上に高い耐圧であってもかまわないので耐圧の上限については特に限定されない。したがって、絶縁材33の厚みや素材の構成などによって、動作電圧の1.5倍以上が得られえるようにすればよい。このような耐圧の絶縁材を介して金属ケースと近接して集電電極を配置することで、バイポーラ電池1として面方向の電流経路で発生した磁場を打ち消す方向で金属ケースに電流が流れ、その部分の寄生インダクタンスを抑えることができる。   By this insulating material 33, the insulation between the case 30 (made of metal) and the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12 is maintained. The withstand voltage of the insulating material 33 is preferably 1.5 times or more the operating voltage of the load (device) connected to the bipolar battery 1. Such a breakdown voltage is sufficient as a secondary battery for a vehicle, for example. Needless to say, the upper limit of the withstand voltage is not particularly limited because a higher withstand voltage may be used. Therefore, what is necessary is just to be able to obtain 1.5 times or more of operating voltage by the thickness of the insulating material 33, the structure of a raw material, etc. FIG. By arranging the collector electrode in close proximity to the metal case through such a withstand voltage insulating material, a current flows in the metal case in the direction of canceling out the magnetic field generated in the plane current path as the bipolar battery 1, The parasitic inductance of the part can be suppressed.

ケース30の一側には、開口部34が設けられていて、正極タブ110および負極タブ120が引き出されている。この開口部34は正極タブ110および負極タブ120が引き出された状態で絶縁材33およびゴム製のガスケット35によって密封されている。このゴム製のガスケット35により開口部34を密閉することで、ケース内への水分の侵入を防止している。なお、ガスケット35は、ゴム製に代えて、たとえば、シリコーンゴムなどその他の水密性のある弾性材を用いてもよい。また、ガスケット35と、その周りの絶縁材33とは接着剤によって接着してもよいし、ガスケットとして用いるゴム材などの弾性力によって水密性を保つようにしてもよい。   An opening 34 is provided on one side of the case 30, and the positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 are drawn out. The opening 34 is sealed with an insulating material 33 and a rubber gasket 35 in a state where the positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 are pulled out. The opening 34 is sealed with the rubber gasket 35, thereby preventing moisture from entering the case. The gasket 35 may be made of other watertight elastic material such as silicone rubber instead of rubber. In addition, the gasket 35 and the surrounding insulating material 33 may be adhered by an adhesive, or water tightness may be maintained by an elastic force of a rubber material used as a gasket.

図4は発電要素10を説明するための要部断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part for explaining the power generation element 10.

このバイポーラ電池1における発電要素10は、複数のバイポーラ電極20を、電解質層24を介して積層した構造である。   The power generation element 10 in the bipolar battery 1 has a structure in which a plurality of bipolar electrodes 20 are stacked via an electrolyte layer 24.

バイポーラ電極20は、集電体21の一方の面に正極22が形成され、他方の面に負極23が形成されている。   The bipolar electrode 20 has a positive electrode 22 formed on one surface of a current collector 21 and a negative electrode 23 formed on the other surface.

このようなバイポーラ電極20は、たとえば、スラリー塗布法や印刷法など種々の積層法を用いて形成することができる。   Such a bipolar electrode 20 can be formed using, for example, various lamination methods such as a slurry coating method and a printing method.

ここでは一例としてスラリー塗布法を用いたバイポーラ電極20の形成方法を説明する。   Here, as an example, a method for forming the bipolar electrode 20 using a slurry coating method will be described.

スラリー塗布法は、まず、集電体21の片面に正極スラリーを塗布し、乾燥させて正極22を形成する。集電体21は、たとえばステンレス鋼箔(SUS箔)、銅箔、アルミニウム箔などを用いることができる。正極スラリーは、たとえば、LiMn等の正極活物質に、アセチレンブラック等の導電助剤、PVDF等のバインダー、およびNMP等のスラリー粘度調整溶媒を混合したものを用いる。 In the slurry application method, first, positive electrode slurry is applied to one side of the current collector 21 and dried to form the positive electrode 22. As the current collector 21, for example, a stainless steel foil (SUS foil), a copper foil, an aluminum foil, or the like can be used. As the positive electrode slurry, for example, a mixture of a positive electrode active material such as LiMn 2 O 4 and a conductive auxiliary agent such as acetylene black, a binder such as PVDF, and a slurry viscosity adjusting solvent such as NMP is used.

次に、正極22を形成した集電体21の反対面に負極スラリーを塗布し、乾燥させて負極23を形成する。負極スラリーには、ハードカーボン等の負極活物質、PCDF等のバインダー、およびNMP等のスラリー粘度調整溶媒を混合したものを用いる。   Next, a negative electrode slurry is applied to the opposite surface of the current collector 21 on which the positive electrode 22 is formed, and dried to form the negative electrode 23. As the negative electrode slurry, a mixture of a negative electrode active material such as hard carbon, a binder such as PCDF, and a slurry viscosity adjusting solvent such as NMP is used.

このようにして、集電体21の両面に正極22と負極23とがそれぞれ形成されることにより、バイポーラ電極20が形成される。   In this manner, the bipolar electrode 20 is formed by forming the positive electrode 22 and the negative electrode 23 on both surfaces of the current collector 21.

このようにして形成されたバイポーラ電極20を発電要素10として組み立てるには、形成後のバイポーラ電極20を所定の大きさに切り、さらに周辺部の正極22および負極23を削り取って、シール層25を形成するために集電体21表面を露出させる。   In order to assemble the bipolar electrode 20 formed in this way as the power generation element 10, the formed bipolar electrode 20 is cut to a predetermined size, and the positive electrode 22 and the negative electrode 23 in the peripheral part are further scraped off to form the seal layer 25. The surface of the current collector 21 is exposed for formation.

次に、PP製等の微多孔膜や不織布のセパレータなどを用い、このセパレータの外周部四辺の外辺から所定の部分の両面に、所定の高さのシリコーンゴムなどを配置してシール層25を形成する。   Next, using a microporous film made of PP or the like, a separator made of nonwoven fabric, and the like, a seal layer 25 is formed by disposing silicone rubber or the like having a predetermined height on both surfaces of a predetermined portion from the outer side of the outer periphery of the separator. Form.

そして、上記セパレータのシール層25の内側に、電解質層24となるプレゲル溶液を浸漬させて、不活性雰囲気下で熱重合させることにより、セパレータの中央部にゲル電解質層24を保持させる。プレゲル溶液には、たとえば、ポリマー(ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドの共重合体)、EC+DMC(1:3)、1.0MLi(CSON、重合開始剤(BDK)を混合したものを用いる。 And the pregel solution used as the electrolyte layer 24 is immersed inside the sealing layer 25 of the said separator, and the gel electrolyte layer 24 is hold | maintained in the center part of a separator by making it heat-polymerize in inert atmosphere. For example, a polymer (copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide), EC + DMC (1: 3), 1.0 MLi (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, and a polymerization initiator (BDK) were mixed in the pregel solution. Use things.

発電要素10は、正極22と負極23とが電解質層24を挟んで対向するように積層する。これにより、一つの電解質層24を挟んだ正極22と負極23が単電池28を構成することになる。そして複数の単電池28が積層されて発電要素10が構成されることになる。   The power generation element 10 is laminated so that the positive electrode 22 and the negative electrode 23 face each other with the electrolyte layer 24 interposed therebetween. As a result, the positive electrode 22 and the negative electrode 23 sandwiching one electrolyte layer 24 constitute a unit cell 28. A plurality of unit cells 28 are stacked to constitute the power generation element 10.

発電要素10の終端電極は、バイポーラ電極20と同じ集電体21を用いているが、バイポーラ電極20とは異なり、一方の面にのみ正極22または負極23が形成されている。すなわち、正極側終端は集電体21の片面にのみ正極22が形成されており、負極側終端は集電体21の片側にのみ負極23が形成されている。なお、正極22および負極23は、バイポーラ電極の正極22および負極23と同じように、それぞれの集電体21に形成されている。   The terminal electrode of the power generation element 10 uses the same current collector 21 as the bipolar electrode 20, but unlike the bipolar electrode 20, the positive electrode 22 or the negative electrode 23 is formed only on one surface. That is, the positive electrode side terminal is formed with the positive electrode 22 only on one side of the current collector 21, and the negative electrode side terminal is formed with the negative electrode 23 only on one side of the current collector 21. The positive electrode 22 and the negative electrode 23 are formed on the respective current collectors 21 in the same manner as the positive electrode 22 and the negative electrode 23 of the bipolar electrode.

発電要素10の正極側終端電極には正極側集電電極11が接続され、負極側終端電極には負極側集電電極12が接続される。この接続は、たとえば、超音波接合による接合、導電性接着剤による接着などによって行われる。また、ケース30によって発電要素10、正極側集電電極11、および負極側集電電極12の全体が圧迫されることにより、各終端電極に正極側集電電極11および負極側集電電極12が電気的に接続されるようにしてもよい。   A positive electrode side collector electrode 11 is connected to the positive electrode side termination electrode of the power generation element 10, and a negative electrode side collector electrode 12 is connected to the negative electrode side termination electrode. This connection is performed by, for example, bonding by ultrasonic bonding, adhesion by a conductive adhesive, or the like. Further, the case 30 presses the entire power generation element 10, the positive current collecting electrode 11, and the negative current collecting electrode 12, so that the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12 are attached to each terminal electrode. You may make it electrically connect.

電解質層24は、ゲル溶解質により形成されていることが好ましい。電解質層24としてゲル電解質を用いることにより、漏液を防止することが可能となり、また双電極型二次電池に特有の問題である液絡を防ぎ、信頼性の高い積層型電池を実現することができる。   The electrolyte layer 24 is preferably formed of a gel solute. By using a gel electrolyte as the electrolyte layer 24, it is possible to prevent leakage, and to prevent a liquid junction, which is a problem peculiar to a dual electrode type secondary battery, to realize a highly reliable stacked battery. Can do.

ここで、全固体高分子電解質と高分子ゲル電解質との違いについて説明する。PEO(ポリエチレンオキシド)などの全固体高分子電解質に、通常、リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものが高分子ゲル電解質である。また、PVDF、PANおよびPMMAなどのように、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものも高分子ゲル電解質に該当する。高分子ゲル電解質を構成するポリマーと電解液との比率は幅広く、ポリマー100%を全固体高分子電解質とし、電解液100%を液体電解質とすると、その中間体はすべて高分子ゲル電解質にあたる。他方、全固体型電解質は、高分子あるいは無機固体などのLiイオン伝導性をもつ電解質のすべてが該当する。本発明において、固体型電解質という場合は、高分子ゲル電解質と全固体高分子電解質、無機固体電解質のすべてを含むものとする。   Here, the difference between the all solid polymer electrolyte and the polymer gel electrolyte will be described. A polymer gel electrolyte is an all-solid polymer electrolyte such as PEO (polyethylene oxide) containing an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery. Moreover, what hold | maintained electrolyte solution in polymer frame | skeleton which does not have lithium ion conductivity like PVDF, PAN, and PMMA also corresponds to a polymer gel electrolyte. The ratio of the polymer and the electrolyte constituting the polymer gel electrolyte is wide. When 100% of the polymer is an all-solid polymer electrolyte and 100% of the electrolyte is a liquid electrolyte, all of the intermediates correspond to the polymer gel electrolyte. On the other hand, the all solid electrolytes include all electrolytes having Li ion conductivity such as polymers or inorganic solids. In the present invention, the solid electrolyte includes all of polymer gel electrolyte, all solid polymer electrolyte, and inorganic solid electrolyte.

また、上記正極活物質にはリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質にはカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いることが好ましく、これにより容量および出力特性に優れたバイポーラ電池を実現することができる。   In addition, it is preferable to use a lithium-transition metal composite oxide for the positive electrode active material and a carbon or lithium-transition metal composite oxide for the negative electrode active material, so that a bipolar battery excellent in capacity and output characteristics can be obtained. Can be realized.

このようにして形成される発電要素10は、複数の単電池28が直列に接続されたものとなる。したがって、正極タブ110と負極タブ120との間には単電池28の積層数倍の電圧が現れる。   The power generation element 10 formed in this way is obtained by connecting a plurality of single cells 28 in series. Therefore, a voltage that is several times as many as the number of stacked unit cells 28 appears between the positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120.

なお、図示する場合には、7層の単電池を示したが、当然に、この単電池の層数は、このような数に限定されるものではない。   In addition, in the case of illustration, although the cell of 7 layers was shown, naturally the number of layers of this cell is not limited to such a number.

発電要素10は、上記のように正極側集電電極11および負極側集電電極12を接合した後、それらの周囲を絶縁材33で覆い、正極タブ110および負極タブ120をケース30の一側部から一方向外方へと引き出した状態で金属製のケース30内に収納する。   In the power generation element 10, the positive electrode side collecting electrode 11 and the negative electrode side collecting electrode 12 are joined as described above, and then the periphery thereof is covered with the insulating material 33, and the positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 are disposed on one side of the case 30. It is housed in a metal case 30 in a state where it is pulled out outward in one direction.

以下、上述のように構成されたバイポーラ電池1の作用を説明する。   Hereinafter, the operation of the bipolar battery 1 configured as described above will be described.

本実施形態1のバイポーラ電池1は、図1に示したように、発電要素10の終端電極に、正極側集電電極11および負極側集電電極12を同じ大きさで平行に設けている。そして、正極側集電電極11および負極側集電電極12にそれぞれ接続された正極タブ110および負極タブ120をケースの一側から引き出した構成としている。   As shown in FIG. 1, the bipolar battery 1 of Embodiment 1 has a positive electrode side collecting electrode 11 and a negative electrode side collecting electrode 12 provided in parallel at the terminal electrode of the power generation element 10 with the same size. The positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 connected to the positive electrode side collecting electrode 11 and the negative electrode side collecting electrode 12 are drawn from one side of the case.

これにより、バイポーラ電池1に負荷を接続した場合、流れる電流の経路は、平行に設けられた正極側集電電極11および負極側集電電極12によって、同じ大きさの電流を互いに逆方向に流す電流経路XおよびYができることになる(図1参照)。このため正極側集電電極11を電流経路Xと、負極側集電電極12を逆電流経路Yとしたとき、両者の電流経路には同じ電流量の電流が互いに逆方向に流れることになる。これにより、それぞれに流れる電流によって生じる電磁誘導は磁界キャンセルされて、寄生インダクタンスを小さくすることができる。   As a result, when a load is connected to the bipolar battery 1, the current flowing through the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12 provided in parallel is caused to flow the same current in opposite directions. Current paths X and Y can be formed (see FIG. 1). For this reason, when the positive current collecting electrode 11 is the current path X and the negative current collecting electrode 12 is the reverse current path Y, currents of the same amount of current flow through the current paths in opposite directions. As a result, the electromagnetic induction caused by the respective currents is canceled by the magnetic field, and the parasitic inductance can be reduced.

図5は、このような互いに逆方向に電流を流すための電流経路をもたない場合の電池(比較例と称する)の例を説明するための図面であり、(A)はこの比較例の電池の内部構成を示す概略斜視図、(B)はこの比較例の電池の外装材を熱溶着した状態での一方のタブ側側面図である。なお、比較例の電池においても本発明のバイポーラ電池1と同様の部材については同じ符号を付し説明を省略する。   FIG. 5 is a drawing for explaining an example of a battery (referred to as a comparative example) in the case where there is no current path for passing currents in opposite directions, and FIG. The schematic perspective view which shows the internal structure of a battery, (B) is one tab side side view in the state which heat-welded the exterior | packing material of the battery of this comparative example. In addition, also in the battery of a comparative example, the same code | symbol is attached | subjected about the member similar to the bipolar battery 1 of this invention, and description is abbreviate | omitted.

図5(A)および(B)に示した比較例の電池100は、発電要素10をラミネートフィルムなどの外装材150により覆っている。ラミネートフィルムは、金属箔と合成樹脂膜を複数重ねたものであり、柔軟性を有する。この外装材150の周囲は熱融着されている。   In the battery 100 of the comparative example shown in FIGS. 5A and 5B, the power generation element 10 is covered with an exterior material 150 such as a laminate film. The laminate film is a laminate of a plurality of metal foils and synthetic resin films, and has flexibility. The periphery of the exterior material 150 is heat-sealed.

発電要素10は、その終端電極に正極側集電電極160と負極側集電電極(図5(A)において発電要素10を挟んで正極側集電電極160の反対側に位置する)が接続されている。正極側集電電極160と負極側集電電極には、それぞれ正極タブ110および負極タブ120が一体的に設けられており、外装材150の両側から引き出した状態で、発電要素10などが密封されている。   The power generation element 10 has a positive electrode side collector electrode 160 and a negative electrode side current collector electrode (positioned on the opposite side of the positive electrode side current collector electrode 160 across the power generator element 10 in FIG. 5A) connected to the terminal electrode. ing. A positive electrode tab 110 and a negative electrode tab 120 are integrally provided on the positive electrode side collecting electrode 160 and the negative electrode side collecting electrode, respectively, and the power generation element 10 and the like are sealed in a state of being pulled out from both sides of the exterior material 150. ing.

このため、この比較例の電池100は、負荷に接続されると、正極タブ110から正極側集電電極160、発電要素10、負極側集電電極を通り負極タブ120に至る経路で電流が流れることになる。したがって、この電流経路のすべてが寄生インダクタンスをもつことになる。   For this reason, when the battery 100 of this comparative example is connected to a load, a current flows through a path from the positive electrode tab 110 to the negative electrode tab 120 through the positive electrode side collector electrode 160, the power generation element 10, and the negative electrode side collector electrode. It will be. Therefore, all of this current path has a parasitic inductance.

本実施形態1のバイポーラ電池1は、このような比較例の電池100と比較して平行に走る電流経路XとYによる磁界キャンセルがある分、寄生インダクタンスが少なくなり、その分交流負荷が接続された場合には、エネルギーロスが小さくなる。   In the bipolar battery 1 of the first embodiment, the parasitic inductance is reduced by the amount of magnetic field cancellation caused by the current paths X and Y running in parallel as compared with the battery 100 of the comparative example, and an AC load is connected accordingly. In this case, energy loss is reduced.

なお、本実施形態1のバイポーラ電池1は金属ケースを用いているが、これに代えて、比較例の電池と同様にラミネートフィルムで密封した電池としてもよい。ただし、ラミネートフィルムで密封する場合は、電池の一側から引き出した正極タブ110および負極タブ120が接触して短絡しないように注意する必要がある。特に、ガスケットや絶縁材などは、ラミネートフィルムを熱溶着する際に、その熱で溶けない材質のものを用いる必要がある。   In addition, although the bipolar battery 1 of this Embodiment 1 uses the metal case, it may replace with this and may be a battery sealed with a laminate film similarly to the battery of the comparative example. However, when sealing with a laminate film, care must be taken so that the positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 drawn out from one side of the battery do not come into contact with each other. In particular, it is necessary to use a gasket, an insulating material, or the like that is not meltable by heat when the laminate film is heat-welded.

次に、本実施形態1のバイポーラ電池1に負荷を接続した場合の作用を説明する。   Next, an operation when a load is connected to the bipolar battery 1 of Embodiment 1 will be described.

図6は交流負荷の接続例を示す図面であり、(A)は直流電源と高周波負荷との接続例を示す模式図であり、(B)は二次電池とインバータと負荷機器との接続例を示す模式図である。図7は負荷電流の時間における変化を示す説明図である。図8は本発明によるバイポーラ電池、電界コンデンサ、比較例の電池、およびフィルムコンデンサの周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。図9はアルミ電界コンデンサの構造を示す模式図である。   FIG. 6 is a drawing showing an example of connection of an AC load, (A) is a schematic diagram showing an example of connection between a DC power source and a high-frequency load, and (B) is an example of connection between a secondary battery, an inverter and a load device. It is a schematic diagram which shows. FIG. 7 is an explanatory diagram showing changes in load current over time. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the frequency and impedance of a bipolar battery, an electric field capacitor, a comparative battery, and a film capacitor according to the present invention. FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of an aluminum electric field capacitor.

なお、ここで高周波とは、一般的に用いられているものと同様に数十kHz以上の周波数をいう。ただし、本発明はこのような高周波を扱うものに限定されるものではない。   Here, the high frequency means a frequency of several tens of kHz or more, as is generally used. However, the present invention is not limited to those handling such high frequencies.

図6(A)に示すように、一般的に、高周波負荷520を直流電源510で動作させる場合、直流電源510に高周波電源530が接続されている。高周波電源503の中には、高周波成分におけるリップルを低減させるために、コンデンサなどが入れられている。   As shown in FIG. 6A, generally, when the high frequency load 520 is operated by the DC power source 510, the DC power source 510 is connected to the high frequency power source 530. In the high frequency power supply 503, a capacitor or the like is inserted in order to reduce ripples in the high frequency component.

直流電源として二次電池540を用いた場合、図6(B)に示すように、二次電池540にインバータ500を接続して交流を作り出すが、その際回路にリップルを抑えるためのコンデンサ560が挿入される。なお、図6(B)は高周波負荷として、モータ550を接続した例である。   When a secondary battery 540 is used as a DC power source, as shown in FIG. 6B, an inverter 500 is connected to the secondary battery 540 to create an AC. At that time, a capacitor 560 for suppressing ripples is provided in the circuit. Inserted. FIG. 6B shows an example in which a motor 550 is connected as a high frequency load.

このような高周波負荷を接続した場合、負荷電流は、図7に示すように、時間経過に伴って徐々に上昇し、その後徐々に低下するような傾向を示す。   When such a high-frequency load is connected, the load current tends to gradually increase with time and gradually decrease as shown in FIG.

たとえば、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載されるインバータの場合、そのスイッチング周波数は最大で50kHz程度である。したがって、最大50kHz程度までの高周波成分の交流電流を高周波電源として受け持つ必要がある。   For example, in the case of an inverter mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle, the switching frequency is about 50 kHz at the maximum. Therefore, it is necessary to handle an alternating current of high frequency components up to about 50 kHz as a high frequency power source.

具体的には、たとえば100A程度の交流成分に対して、20V程度のリップル電圧が許容される場合、高周波電源の50kHzでのインピーダンスは0.2Ω程度以下が要求されている。   Specifically, for example, when a ripple voltage of about 20 V is allowed for an AC component of about 100 A, the impedance of the high-frequency power source at 50 kHz is required to be about 0.2Ω or less.

図8に示した周波数とインピーダンスの関係を見ると、50kHz付近で、0.2Ω程度以下程度のインピーダンスを確保できるものは、電解コンデンサであることがわかる。したがって、従来からリップルを吸収するために用いるコンデンサには電解コンデンサが多く用いられている。なお、図8において、比較例の二次電池とは、上述した比較例の二次電池と同様である。   From the relationship between the frequency and the impedance shown in FIG. 8, it can be seen that an electrolytic capacitor can ensure an impedance of about 0.2Ω or less near 50 kHz. Therefore, many electrolytic capacitors are conventionally used as capacitors used to absorb ripples. In FIG. 8, the secondary battery of the comparative example is the same as the secondary battery of the comparative example described above.

ここで、互いに逆向きに電流が流れる平行導線における単位長さ当たりの自己インダクタンスは、下記(1)式で表される。   Here, the self-inductance per unit length in parallel conductors in which current flows in opposite directions is expressed by the following equation (1).

Figure 2007220372
Figure 2007220372

(1)式において、aは導線の半径、dは平行導線の間隔、μは真空の透磁率(1.256×10−6N/A)、πは円周率である。 In the formula (1), a is the radius of the conducting wire, d is the interval between the parallel conducting wires, μ 0 is the vacuum permeability (1.256 × 10 −6 N / A 2 ), and π is the circumference.

(1)式からわかるとおり、平行導線の間隔dが大きいほど電流経路の単位長さあたりのインダクタンスは大きくなる。また、導線の長さが長いほど電流経路のインダクタンスは大きくなる。   As can be seen from the equation (1), the inductance per unit length of the current path increases as the distance d between the parallel conductors increases. Further, the longer the length of the conducting wire, the larger the inductance of the current path.

一方、図9に示すように、アルミ電界コンデンサ600は、機能的にはコンデンサである素子610とそこから平行に延びたリード線602からなる。素子610は並行平板である。   On the other hand, as shown in FIG. 9, the aluminum electric field capacitor 600 is functionally composed of an element 610 which is a capacitor and a lead wire 602 extending in parallel therewith. The element 610 is a parallel plate.

このようなアルミ電界コンデンサ600のインダクタンス成分は、素子部610では大面積の平行平板のインダクタンスであり、通常交流電源として使用されている周波数帯(1〜数十kHz程度)では非常に低い。一方、リード線620は、たとえば、間隔3cm、長さ1cm、半径1mmの平行導線と仮定すると、インダクタンスは10−8H程度である。したがって、アルミ電界コンデンサ600のインダクタンス成分は、リード線620のインダクタンス成分が主であり、電界コンデンサ600の高周波でのインピーダンスは、このリード線620のインダクタンスで規定されることになる。 The inductance component of the aluminum electric field capacitor 600 is an inductance of a large parallel plate in the element unit 610, and is very low in a frequency band (about 1 to several tens kHz) that is usually used as an AC power source. On the other hand, assuming that the lead wire 620 is, for example, a parallel conducting wire having an interval of 3 cm, a length of 1 cm, and a radius of 1 mm, the inductance is about 10 −8 H. Therefore, the inductance component of the aluminum electric field capacitor 600 is mainly the inductance component of the lead wire 620, and the impedance of the electric field capacitor 600 at a high frequency is defined by the inductance of the lead wire 620.

なお、図8には、参考のためにフィルムコンデンサの周波数に対するインピーダンスも示したが、図からわかるように、フィルムコンデンサは通常に使用されている交流周波数帯域(1〜数十kHz程度)におけるインピーダンスが電解コンデンサと比較して桁違いに高い。   In addition, although the impedance with respect to the frequency of a film capacitor is also shown in FIG. 8 for reference, as can be seen from the figure, the film capacitor has an impedance in an AC frequency band (about 1 to several tens kHz) that is normally used. Is an order of magnitude higher than electrolytic capacitors.

次に、平板状導体のインダクタンスについて説明する。   Next, the inductance of the flat conductor will be described.

図10は平板状導体のインダクタンスについて説明する説明図である。   FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the inductance of the flat conductor.

まず、図10(A)を参照して、平板状導体を流れる電流により生じる磁場は、下記(2)式によって表すことができる。   First, referring to FIG. 10A, the magnetic field generated by the current flowing through the flat conductor can be expressed by the following equation (2).

Figure 2007220372
Figure 2007220372

式中、Bは磁束密度、μは真空の透磁率、Hは磁界、Φは磁束、jは面電流密度をあらわす。 In the equation, B represents magnetic flux density, μ 0 represents vacuum permeability, H represents magnetic field, Φ represents magnetic flux, and j represents surface current density.

図10(B)を参照して、対向した二枚の平板状導体を逆向きに流れる電流により生じる磁場、平板状導体間を貫く磁束より単位長さ当たりのインダクタンスは、下記(3)〜(5)式により表される。   Referring to FIG. 10 (B), the inductance per unit length from the magnetic field generated by the current flowing in the opposite direction through the two opposing flat conductors and the magnetic flux penetrating between the flat conductors is the following (3) to ( 5) It is expressed by the formula.

Figure 2007220372
Figure 2007220372

式中、wは平行状導体の平面内での電流と垂直方向の長さをあらわす。   In the formula, w represents the current in the plane of the parallel conductor and the length in the vertical direction.

これらの式から、バイポーラ電池1の出力端子(正極タブおよび負極タブ間)で生じるインダクタンスに関して、アルミ電界コンデンサと同等のインダクタンスである10−8Hを実現するためには、長さ(m)×厚み(m)<2×10−2を満たすようにすればよい。寄生インダクタンスにより発生するリップル電圧は、2πf・μ・d・T・Iであり、通常許容されるリップル電圧は、負荷機器の動作電圧1/2以下であるため、2πf・μ・d・l・I<V/2を満たすようにdとTを適切に設定すればよい。なお、ここでTは電流経路の長さである。 From these formulas, in order to realize 10 −8 H, which is equivalent to the aluminum electric field capacitor, with respect to the inductance generated at the output terminal (between the positive electrode tab and the negative electrode tab) of the bipolar battery 1, length (m) × The thickness (m) <2 × 10 −2 may be satisfied. The ripple voltage generated by the parasitic inductance is 2πf · μ 0 · d · T · I, and the normally allowed ripple voltage is less than or equal to 1/2 the operating voltage of the load device, so 2πf · μ 0 · d · d and T may be set appropriately so as to satisfy l · I <V / 2. Here, T is the length of the current path.

ここで、電池の電圧は、図11に示すように、断面積に比例する。また、電池の内部抵抗は面積に反比例し、厚みの増加とともに増加する。したがって、長さを厚みよりも5倍以上の比率にすることが望ましい。   Here, the voltage of the battery is proportional to the cross-sectional area as shown in FIG. Further, the internal resistance of the battery is inversely proportional to the area, and increases as the thickness increases. Therefore, it is desirable that the length is a ratio of 5 times or more than the thickness.

バイポーラ電池の内部を流れる通電パスの寄生インダクタンスは、約1mにつき1μHであるので、たとえば、HEV用に最適な例としては厚み10mm、長さ300mmとすればインダクタンスは4×10−9Hとなる。 Since the parasitic inductance of the energizing path flowing inside the bipolar battery is about 1 μH per 1 m, for example, as an optimum example for HEV, if the thickness is 10 mm and the length is 300 mm, the inductance becomes 4 × 10 −9 H. .

すなわち、本実施形態1のバイポーラ電池1に高周波負荷を接続した場合、正極側集電電極11と負極側集電電極12の電流経路方向の長さTと、正極側集電電極11および負極側集電電極12間の距離Dと、真空の透磁率と、高周波負荷の最大周波数fと、最大交流電流Imaxと、円周率との積が、高周波負荷の最大入力電圧Vinの1/4以下であることが好ましい。すなわち、T×D×f×I×π×μ<Vin/4となることが好ましい。 That is, when a high-frequency load is connected to the bipolar battery 1 of the first embodiment, the length T in the current path direction of the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12, and the positive current collecting electrode 11 and the negative current side The product of the distance D between the collecting electrodes 12, the vacuum permeability, the maximum frequency f of the high frequency load, the maximum alternating current Imax, and the circumference is ¼ or less of the maximum input voltage Vin of the high frequency load. It is preferable that That is, it is preferable that T × D × f × I × π × μ 0 <Vin / 4.

これは、正極側集電電極11および負極側集電電極12の大きさによる電流経路の寄生インダクタンスを小さくするためであり、高周波用に用いる電池の長さと厚みを適切に設計することにより、モータ等の負荷機器の動作に支障のないリップル電圧を補償することができる。   This is to reduce the parasitic inductance of the current path due to the size of the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12, and by appropriately designing the length and thickness of the battery used for high frequency, It is possible to compensate for a ripple voltage that does not hinder the operation of the load device.

また、正極側集電電極11および負極側集電電極12間の距離Dと、最大交流電流Imaxと、最大周波数fと、円周率との積が、負荷機器の最大動作電圧Vの1/(4×10−6)以下であることが好ましい。すなわち、D×f×Imax×π<V/(4×10−6)であることが好ましい。これにより、高周波用の電池の厚み方向に流れる電流による寄生インダクタンスによるリップル電圧をモータ等の負荷機器の動作に支障のないレベルに抑えることができる。 In addition, the product of the distance D between the positive current collecting electrode 11 and the negative current collecting electrode 12, the maximum alternating current Imax, the maximum frequency f, and the circumferential ratio is 1 / of the maximum operating voltage V of the load device. It is preferably (4 × 10 −6 ) or less. That is, it is preferable that D × f × Imax × π <V / (4 × 10 −6 ). Thereby, the ripple voltage due to the parasitic inductance caused by the current flowing in the thickness direction of the high-frequency battery can be suppressed to a level that does not hinder the operation of the load device such as the motor.

図12は、上述した本実施形態によるバイポーラ電池を使用した電池システムのレイアウトを説明するブロック図である。   FIG. 12 is a block diagram for explaining the layout of the battery system using the bipolar battery according to the present embodiment described above.

図示するような電池システムは、たとえば、電気自動車やハイブリッド自動車などに使用することができる。   The battery system as shown can be used for an electric vehicle, a hybrid vehicle, and the like, for example.

この電池システムは、直流電源となるバイポーラ電池1がインバータ500に接続されている。なお、図では、一つの電池(バイポーラ電池1)を示したが、実際に電気自動車やハイブリッド自動車などに使用される際には、バイポーラ電池1が複数接続された組電池(詳細後述)として使用される場合が多い。   In this battery system, a bipolar battery 1 serving as a DC power source is connected to an inverter 500. In the figure, one battery (bipolar battery 1) is shown. However, when actually used in an electric vehicle or a hybrid vehicle, it is used as an assembled battery (detailed later) in which a plurality of bipolar batteries 1 are connected. Often done.

電気自動車やハイブリッド自動車などに使用される電池システムでは、電池の大きさのため電池自体の電流経路もインダクタンスを増加させる原因となっていた。   In a battery system used for an electric vehicle, a hybrid vehicle, and the like, the current path of the battery itself has also increased inductance due to the size of the battery.

たとえば、図12に示した電池システムにおいて、従来の二次電池を使用した場合、従来の二次電池一つの長さ方向のインダクタンスは5×10−8H程度である。この従来の二次電池が50個直列に接続された場合、電池システムの配線の長さ4m、間隔5cm、電線半径1mmとすると、電流経路全体のインダクタンスは10−5H程度になる。 For example, in the battery system shown in FIG. 12, when a conventional secondary battery is used, the inductance in the length direction of one conventional secondary battery is about 5 × 10 −8 H. When 50 conventional secondary batteries are connected in series, the inductance of the entire current path is about 10 −5 H when the wiring length of the battery system is 4 m, the interval is 5 cm, and the wire radius is 1 mm.

これに対して、本実施形態におけるバイポーラ電池1を用いた場合、そのインダクタンスが1個当たり、4×10−9Hとすれば50個直列に接続すると、図12に示した電池システム全体では、全電流経路のインダクタンスは約1×10−8Hとなる。 On the other hand, when the bipolar battery 1 in the present embodiment is used, if the inductance is 4 × 10 −9 H per piece, and 50 pieces are connected in series, the entire battery system shown in FIG. The inductance of all current paths is about 1 × 10 −8 H.

図8より1MHzで0.1Ω、ωLがインピーダンス(抵抗)です。ω=2πf。したがって、電池システムに用いる電池の電流経路としてのインダクタンスを十分に低く抑えることが可能となる。   From Fig. 8, 0.1Ω at 1MHz and ωL is impedance (resistance). ω = 2πf. Therefore, the inductance as the current path of the battery used in the battery system can be suppressed sufficiently low.

以上のように、本実施形態1によれば、正極側集電電極11側に流れる電流と逆方向に電流が流れるようにした負極側集電電極12を設けることで、互いに逆方向に流れる電流によって磁界がキャンセルされ、寄生インダクタンスを小さくすることができる。したがって、これまで電池の大きさに基づいて必要となっていた電流経路の長さを大幅に短くすることができる。また、電池形状が扁平型(薄型)であり、対向する集電構造体が平板であるので、電流経路に発生していた寄生インダクタンスをキャンセルし高周波インピーダンスを低下させることができる。   As described above, according to the first embodiment, by providing the negative current collecting electrode 12 in which the current flows in the opposite direction to the current flowing in the positive current collecting electrode 11, the currents flowing in the opposite directions to each other are provided. The magnetic field is canceled by this, and the parasitic inductance can be reduced. Therefore, the length of the current path that has been required based on the size of the battery can be significantly reduced. Further, since the battery shape is a flat type (thin) and the current collecting structure facing each other is a flat plate, the parasitic inductance generated in the current path can be canceled and the high frequency impedance can be reduced.

これによりバイポーラ電池1にインバータや、レーザー発振機等の高周波負荷を接続した電池システムとした場合、従来の電界コンデンサと同程度のインダクタンスとすることが可能であるため、電解コンデンサを省略してバイポーラ電池1を設置するのみでも、リップル電流を抑えることが可能となる。このため、電界コンデンサを設置しなくてすむ分、設置スペースと重量の削減が可能となる。また、バイポーラ電池1単独で寄生インダクタンスを少なくしているので、低コストで小さく軽い高周波用のバイポーラ電池を供給することができる。   As a result, in the case of a battery system in which a high-frequency load such as an inverter or a laser oscillator is connected to the bipolar battery 1, it is possible to achieve an inductance equivalent to that of a conventional electric field capacitor. Ripple current can be suppressed only by installing the battery 1. For this reason, it is possible to reduce the installation space and weight by eliminating the need to install an electric field capacitor. Moreover, since the parasitic inductance is reduced by the bipolar battery 1 alone, it is possible to supply a low-cost, small and light high-frequency bipolar battery.

(実施形態2)
図13は、実施形態2のバイポーラ電池の構成を説明するための断面図である。なお、図において実施形態1と同様の機能構成を有する部材に付いては同じ符号を付しそれらの説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the bipolar battery according to the second embodiment. In the figure, members having the same functional configuration as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

このバイポーラ電池2は、実施形態1のバイポーラ電池1と同様に、長方形状の扁平型電池である。   This bipolar battery 2 is a rectangular flat battery, like the bipolar battery 1 of the first embodiment.

その構成は、発電要素10の終端電極の一方(ここでは正極側終端)に、正極側集電電極11を設けられている。発電要素10の終端電極の他方(負極側終端)には負極側集電電極12が接続され、さらに負極側集電電極12から連なり負極側集電電極12と逆方向に電流が流れる導電性部材15が接続されている。負極側集電電極12と導電性部材15は同一部材からなる一体のものであってもよいし、別部材を接続して一体化させたものであってもよい。   In the configuration, the positive electrode side collector electrode 11 is provided on one of the terminal electrodes of the power generation element 10 (here, the positive electrode side terminal). The negative electrode side collector electrode 12 is connected to the other end electrode (the negative electrode side end) of the power generation element 10, and is further connected to the negative electrode side current collector electrode 12, so that a current flows in a direction opposite to the negative electrode side current collector electrode 12. 15 is connected. The negative electrode side collecting electrode 12 and the conductive member 15 may be integrated with the same member, or may be integrated by connecting different members.

実施形態1と同様に、ケース30の一側には、開口部34が設けられていて、正極側集電電極11に接続された正極タブ110と、導電性部材15に接続された負極タブ120が引き出されている。正極タブ110および負極タブ120はガスケット35により開口部34を密閉する形で指示されている。ケース30は、絶縁材33によって正極側集電電極11、負極側集電電極12および導電性部材15と絶縁されている。また、負極側集電電極12と導電性部材15の平行となっている部分の間も絶縁材33によって絶縁されている
このように、負極側集電電極12に対して、同じ大きさの電流を逆方向に流す導電性部材15を設けたことで、負極側集電電極12の電流経路おける電磁誘導を、導電性部材15による逆電流経路によって磁界キャンセルがおこる。このため、負極側集電電極12側の寄生インダクタンスを小さくすることができる。
Similar to the first embodiment, an opening 34 is provided on one side of the case 30, and the positive electrode tab 110 connected to the positive current collecting electrode 11 and the negative electrode tab 120 connected to the conductive member 15. Has been pulled out. The positive electrode tab 110 and the negative electrode tab 120 are instructed to seal the opening 34 by the gasket 35. The case 30 is insulated from the positive current collecting electrode 11, the negative current collecting electrode 12, and the conductive member 15 by an insulating material 33. Further, the parallel portion of the negative electrode side collecting electrode 12 and the conductive member 15 is also insulated by the insulating material 33. Thus, the same current as that of the negative electrode side collecting electrode 12 is obtained. By providing the conductive member 15 that flows in the reverse direction, electromagnetic induction in the current path of the negative current collecting electrode 12 is canceled by the reverse current path by the conductive member 15. For this reason, the parasitic inductance on the negative electrode side collecting electrode 12 side can be reduced.

図14は、本実施形態2のバイポーラ電池2とインバータ500を組み合わせた電池システムの配置例を示す図面である。   FIG. 14 is a diagram illustrating an arrangement example of a battery system in which the bipolar battery 2 and the inverter 500 according to the second embodiment are combined.

図示するように、バイポーラ電池2とインバータ500を結ぶ電流経路のうち、Y1とY2を結ぶ電流経路は、負極側集電電極12に平行に設けた導電性部材15の電流経路Zによって次回キャンセルされることになる。したがって、この電池システムにおける寄生インダクタンスはおおよそバイポーラ電池2とインバータ500を結ぶ電流経路Xの部分のみということになる。   As shown in the figure, among the current paths connecting the bipolar battery 2 and the inverter 500, the current path connecting Y1 and Y2 is canceled next time by the current path Z of the conductive member 15 provided in parallel to the negative current collecting electrode 12. Will be. Therefore, the parasitic inductance in this battery system is approximately only the portion of the current path X connecting the bipolar battery 2 and the inverter 500.

(実施形態3)
本実施形態3は、実施形態1または実施形態2によるバイポーラ電池を複数組み合わせた組電池である。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 is an assembled battery in which a plurality of bipolar batteries according to Embodiment 1 or Embodiment 2 are combined.

図15は本実施形態3における組電池300の構成を説明する図で、電極タブ側の側面図である。   FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of the assembled battery 300 according to the third embodiment and is a side view on the electrode tab side.

この組電池300は、図示するように、実施形態1または実施形態2によるバイポーラ電池1または10を複数積層して、電極タブ110および120をバスバー310によりに接続している。複数のバイポーラ電池1または10は直列に接続している。   In this assembled battery 300, as shown in the figure, a plurality of bipolar batteries 1 or 10 according to the first or second embodiment are stacked, and electrode tabs 110 and 120 are connected to each other by a bus bar 310. A plurality of bipolar batteries 1 or 10 are connected in series.

このように複数のバイポーラ電池1または10を直列に接続した組電池300は、高容量、高出力を得ることができる。   Thus, the assembled battery 300 in which the plurality of bipolar batteries 1 or 10 are connected in series can obtain a high capacity and a high output.

図16は、この組電池300を電気自動車などの車両に搭載した例を示す図面である。   FIG. 16 is a diagram showing an example in which the assembled battery 300 is mounted on a vehicle such as an electric vehicle.

電気自動車400に組電池300を搭載するには、たとえば電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載することが好ましい。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。特に、本発明を適用した組電池300では、大きな電解コンデンサが不要となるため、車両内の空間をより多く利用することが可能となる。もちろん、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。   In order to mount the assembled battery 300 on the electric vehicle 400, for example, it is preferable to mount it under the seat in the center of the vehicle body of the electric vehicle 400. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. In particular, the assembled battery 300 to which the present invention is applied eliminates the need for a large electrolytic capacitor, so that more space in the vehicle can be used. Of course, the place where the assembled battery 300 is mounted is not limited to under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle.

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。   The electric vehicle 400 using the assembled battery 300 as described above has high durability and can provide sufficient output even when used for a long period of time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and driving performance.

本発明は、バイポーラ電池に限らず、交流負荷(特に高周波負荷)が接続される二次電池に好適である。   The present invention is suitable not only for a bipolar battery but also for a secondary battery to which an AC load (particularly a high frequency load) is connected.

本発明を適用した実施形態1のバイポーラ電池の内部構成を説明するための概略斜視図である。It is a schematic perspective view for demonstrating the internal structure of the bipolar battery of Embodiment 1 to which this invention is applied. バイポーラ電池の全体構成を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the whole structure of a bipolar battery. 図2中の矢印a方向から見た側面図である。It is the side view seen from the arrow a direction in FIG. 発電要素を説明するための要部断面図である。It is principal part sectional drawing for demonstrating an electric power generation element. 互いに逆方向に電流を流すための電流経路をもたない場合の電池の例を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the example of a battery in case it does not have the current pathway for flowing an electric current in a mutually reverse direction. 交流負荷の接続例を示す図面である。It is drawing which shows the example of a connection of alternating current load. 負荷電流の時間における変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change in the time of load current. 本発明によるバイポーラ電池、電界コンデンサ、比較例の電池、およびフィルムコンデンサの周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the frequency and impedance of the bipolar battery by this invention, an electric field capacitor, the battery of a comparative example, and a film capacitor. アルミ電界コンデンサの構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of an aluminum electric field capacitor. 平板状導体のインダクタンスについて説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the inductance of a flat conductor. 電池の断面積と電圧との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the cross-sectional area of a battery, and a voltage. 本実施形態によるバイポーラ電池を使用した電池システムのレイアウトを説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the layout of the battery system using the bipolar battery by this embodiment. 本発明を適用した実施形態2のバイポーラ電池の構成を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the bipolar battery of Embodiment 2 to which this invention is applied. 実施形態2のバイポーラ電池とインバータを組み合わせた電池システムの配置例を示す図面である。It is drawing which shows the example of arrangement | positioning of the battery system which combined the bipolar battery and inverter of Embodiment 2. FIG. 本発明を適用した実施形態3の組電池の構成を説明する図面である。It is drawing explaining the structure of the assembled battery of Embodiment 3 to which this invention is applied. 組電池が車両に搭載された状態を示す図面である。It is drawing which shows the state by which the assembled battery was mounted in the vehicle.

符号の説明Explanation of symbols

1、2…バイポーラ電池、
10…発電要素、
20…バイポーラ電極、
21…集電体、
22…正極層、
23…負極層、
24…電解質層、
30…ケース、
33…絶縁材、
300…組電池、
400…電気自動車、
500…インバータ、
520…高周波負荷。
1, 2, ... bipolar battery,
10 ... Power generation element,
20: Bipolar electrode,
21 ... current collector,
22 ... positive electrode layer,
23 ... negative electrode layer,
24 ... electrolyte layer,
30 ... case,
33. Insulating material,
300 ... assembled battery,
400 ... Electric car,
500 ... Inverter,
520: High frequency load.

Claims (13)

正極と負極間に電解質層を介在させて構成される単電池を複数積層した発電要素と、
前記発電要素の終端電極に電気的に接続された集電構造体と、
前記集電構造体に流れる電流の方向と逆方向に電流が流れるように配置された逆電流経路と、
を有すること特徴とする電池。
A power generation element in which a plurality of unit cells configured by interposing an electrolyte layer between a positive electrode and a negative electrode are laminated;
A current collecting structure electrically connected to a terminal electrode of the power generating element;
A reverse current path arranged so that a current flows in a direction opposite to the direction of the current flowing through the current collecting structure;
A battery comprising:
前記集電構造体は、前記発電要素の一方の終端電極に接続された第1の集電電極であり、
前記逆電流経路は、前記発電要素の他方の終端電極に接続された第2の集電電極であることを特徴とする請求項1記載の電池。
The current collecting structure is a first current collecting electrode connected to one terminal electrode of the power generation element;
The battery according to claim 1, wherein the reverse current path is a second current collecting electrode connected to the other terminal electrode of the power generating element.
前記第1の集電電極および前記第2の集電電極は、平板で同じ大きさであることを特徴とする請求項2記載の電池。   The battery according to claim 2, wherein the first current collecting electrode and the second current collecting electrode are flat and have the same size. 前記発電要素、前記第1の集電電極、および前記第2の集電電極は、水分を遮断するケース内に収納され、
前記ケースの一側から前記第1の集電電極および前記第2の集電電極と電気的に接続された電極タブが引き出されていることを特徴とする請求項2または3記載の電池。
The power generation element, the first current collecting electrode, and the second current collecting electrode are housed in a case that blocks moisture,
4. The battery according to claim 2, wherein an electrode tab electrically connected to the first current collecting electrode and the second current collecting electrode is drawn out from one side of the case.
前記ケースは導電性を有し、前記第1の集電電極および前記第2の集電電極は前記ケースと絶縁材を介して配置されていることを特徴とする請求項4記載の電池。   The battery according to claim 4, wherein the case has conductivity, and the first current collecting electrode and the second current collecting electrode are disposed via the case and an insulating material. 前記絶縁材の耐圧は、接続される負荷の動作電圧の1.5倍以上あることを特徴とする請求項5に記載の電池。   The battery according to claim 5, wherein the withstand voltage of the insulating material is 1.5 times or more of an operating voltage of a connected load. 前記発電要素は、
集電体の第1面に前記正極が形成され前記第1面と対向する第2面に前記負極が形成されたバイポーラ電極を有し、
前記電解質層を介在させて前記正極と前記負極が対向するように前記バイポーラ電極を複数配置して積層したものであること特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の電池。
The power generation element is:
A bipolar electrode in which the positive electrode is formed on a first surface of a current collector and the negative electrode is formed on a second surface opposite to the first surface;
The battery according to claim 1, wherein a plurality of the bipolar electrodes are arranged and laminated so that the positive electrode and the negative electrode face each other with the electrolyte layer interposed therebetween.
請求項1〜7のいずれか一つに記載の電池と、
前記電池と接続される交流負荷とを有し、
前記電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さT、前記第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離D、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大入力電圧Vinの関係が、下記(1)式を満たすことを特徴とする電池システム。
T×D×f×I×π×μ<Vin/4 …(1)
The battery according to any one of claims 1 to 7,
An AC load connected to the battery,
Total current path length T between the battery and the AC load, a distance D between the first current collecting structure and the second current collecting structure, a frequency f of the AC load, the AC load The maximum alternating current Imax and the maximum input voltage Vin of the load satisfy the following expression (1).
T × D × f × I × π × μ 0 <Vin / 4 (1)
請求項1〜7のいずれか一つに記載の電池と、
前記電池と接続される交流負荷とを有し、
前記第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離D、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大動作電圧Vの関係が、下記(2)式を満たすことを特徴とする電池システム。
D×f×Imax×π<V/(4×10−6) …(2)
The battery according to any one of claims 1 to 7,
An AC load connected to the battery,
The relationship among the distance D between the first current collecting structure and the second current collecting structure, the frequency f of the AC load, the maximum AC current Imax of the AC load, and the maximum operating voltage V of the load is The battery system characterized by satisfying the following formula (2).
D × f × Imax × π <V / (4 × 10 −6 ) (2)
請求項1〜7のいずれか一つに記載の電池が複数電気的に接続されていることを特徴とする組電池。   A battery pack according to any one of claims 1 to 7, wherein a plurality of batteries are electrically connected. 請求項10記載の組電池と、
前記組電池と接続される交流負荷とを有し、
前記組電池と前記交流負荷との間の総電流経路の長さL、前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離Dの和Ds、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大入力電圧Vinの関係が、下記(3)式を満たすことを特徴とする電池システム。
L×Ds×f×Imax×π×μ<Vin/4 …(3)
The assembled battery according to claim 10;
An AC load connected to the assembled battery,
Length L of the total current path between the assembled battery and the AC load, and a distance D between the first current collecting structure and the second current collecting structure of each battery constituting the assembled battery Of the alternating load, the maximum alternating current Imax of the alternating load, and the maximum input voltage Vin of the load satisfy the following expression (3).
L × Ds × f × Imax × π × μ 0 <Vin / 4 (3)
請求項10記載の組電池と、
前記組電池と接続される交流負荷とを有し、
前記組電池を構成するそれぞれの前記電池の第1の集電構造体および前記第2の集電構造体間の距離Dの和Ds、前記交流負荷の周波数f、前記交流負荷の最大交流電流Imax、および前記負荷の最大動作電圧Vの関係が、下記(4)式を満たすことを特徴とする電池システム。
Ds×f×Imax×π<V/(4×10−6) …(4)
The assembled battery according to claim 10;
An AC load connected to the assembled battery,
Sum Ds of distances D between the first current collecting structure and the second current collecting structure of each battery constituting the assembled battery, frequency f of AC load, maximum AC current Imax of AC load , And the maximum operating voltage V of the load satisfies the following formula (4).
Ds × f × Imax × π <V / (4 × 10 −6 ) (4)
請求項1〜7のいずれか一つに記載の電池、請求項10に記載の組電池、請求項8、9、11、および12のいずれか一つに記載の電池システムのうち、いずれかを搭載したことを特徴とする車両。   Any one of the battery according to any one of claims 1 to 7, the assembled battery according to claim 10, and the battery system according to any one of claims 8, 9, 11, and 12. A vehicle characterized by being mounted.
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