JP2008282633A - 電池一体化回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト低減、軽量化、小型化、高性能化を可能とする電池一体化回路装置を提供する。
【解決手段】負極集電体５０２と正極集電体５０１をそれぞれ積層端に有する積層型電池と５００、積層型電池の正極集電体または負極集電体のいずれか一方の集電体上に、異なる電導型を有する有機半導体の積層により回路が形成された有機半導体層５１０−５９０と、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電池一体化回路装置に係り、より詳細には、積層型電池の正極集電体または負極集電体のいずれか一方の集電体上に有機半導体を積層して回路を形成することにより、電池と回路を一体化し、製造コスト低減及び装置の軽量化、小型化、高性能化を可能とする電池一体化回路装置に関する。

積層型二次電池は、複数の二次電池（一つの電池を単電池と称する。）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ことに加え、単電池が直列接続された構造であるため大出力が可能であるといった優れた特性があり、ハイブリッド自動車の駆動用電源として使用されている。

しかし、自動車の駆動システムである電池、３相インバータ、モータといった要素はそれぞれ別体で作製されるため、これらの要素を結合するためには強電ハーネス等の外付け配線が必要となり、自動車の製造コストの低減および装置の軽量化、小型化を困難なものとしている。

また、上述した自動車の駆動システムである電池、３相インバータといった要素を結合するためには、それぞれの要素の形状の差異を吸収するためにある程度の長さを有する外付け配線が必要とされるため、外付け配線の配線抵抗による電力の損失が生じるとともに、外付け配線の寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが必要となり、さらに製造コストの低減を困難なものとしている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、積層型二次電池の正極集電体または負極集電体のいずれか一方の集電体上に直接有機半導体を積層することによって自動車の駆動システムの要素である３相インバータ回路を形成し、製造コストの低減及び装置の軽量化を可能とする電池一体化回路装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る電池一体化回路装置は、負極集電体と正極集電体をそれぞれ積層端に有する積層型電池と、前記積層型電池の正極集電体または負極集電体のいずれか一方の集電体上に、異なる電導型を有する有機半導体の積層により回路が形成された有機半導体層と、を有することを特徴とする。

本発明に係る電池一体化回路装置によれば、自動車の駆動システムの要素である３相インバータを、積層型二次電池と一体化した有機半導体により形成するため、３相インバータをディスクリート実装する必要がなく、電池と３相インバータを結合するための外付け配線も必要がないため、製造コストの低減効果を有する。

また、電池と３相インバータを結合するための外付け配線が不要なため、外付け配線の配線抵抗による電力損失が発生することがない。

また、外付け配線の寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが不要となるため、さらなる製造コストの低減効果を有する。

また、３相インバータは、積層型二次電池の正極集電体上に有機半導体の塗布若しくはインクジェット工程により積層することにより形成することができることから積層型二次電池の製造工程との整合性が非常に高く、連続的に製造可能なため、工程に要する時間を短縮化でき、このことにより製造コストの低減効果を有する。

さらに、３相インバータのディスクリート実装をせず、積層型二次電池と一体化した有機半導体の積層構造によりに形成するため、装置の軽量化、小型化を可能とする効果を有する。

以下、図面を用いて本発明に係る電池一体化回路装置について詳細に説明する。なお、以下本発明の実施の形態の説明において参照する図面においては、有機半導体層の構成要素の形状、寸法を誇張しているが、これは発明の理解を容易にするためである。また、「上」と表現する記載は、直上を意味するのみならず、何らかの層等を介して上に存在する場合をも含むものである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電池一体化回路装置の全体を概略的に示したものである。図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る電池一体化回路装置は、積層型の双極型電池１００と有機半導体層１３０が一体化されて形成される。ここで、図１においては、簡略化のため、双極型電池の単電池の積層構造は省略し、正極集電体１１０と負極集電体１２０のみを示した。半導体層１３０は、積層型の双極型電池構造の一方の積層端である正極集電体１１０上に異なる電導型を有する複数の有機半導体（例えば、Ｎ型半導体特性を有する有機半導体とＰ型半導体特性を有する有機半導体）を積層することにより平型のスイッチ回路を構成している。スイッチ回路は、後述するように、積層型の双極型電池１００の正極集電体と装置の高電圧側電源電極との間に直列接続されることにより、アクチュエータに異常が発生し、電源供給を停止する必要が生じた場合にスイッチ回路を瞬時にオフするといった機能を有し得る。有機半導体層１３０の積層構造は、塗布又はインクジェット等のプロセスを用いて複数の有機半導体を積層させることにより形成することができる。有機半導体の材料は特に限定されないが、例えば、Ｎ型の有機半導体としてはフタロシアニン系が、Ｐ型の有機半導体としてはペンタセンが用いられうる。このような塗布又はインクジェットを用いて有機半導体層を製造するプロセスは、積層型の双極型電池を製造するプロセスとの整合性が非常に高く、これら２つのプロセスは連続的に製造可能であるため、工程に要する時間を短縮化でき、結果として製造コストを低減することが可能となる。

ここで、図１においては、積層型電池の一方の集積端である正極集電体上に有機半導体層が形成されているが、本発明はこれに限られず、積層型電池の他方の集積端である負極集電体上に有機半導体層が形成されてもよい。

本発明の第１実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、スイッチ回路を積層型二次電池と一体化した有機半導体により形成するため、スイッチ回路をディスクリート実装する必要がなく、電池とスイッチ回路を接続するための外付け配線も必要がないため、製造コストの低減が可能となる。また、電池とスイッチ回路を接続するための外付け配線が不要なため、外付け配線の配線抵抗による電力損失が発生することがない。また、外付け配線の寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが不要となるため、さらに製造コストの低減が可能となる。また、スイッチ回路のディスクリート実装が不要であるため、装置の軽量化、小型化を可能とする効果を有する。

図２は、図１における積層型の双極型電池１００の断面構造を示したものである。図２に示すように、積層型の双極型電池は、一の集電体２１０の一表面に形成された正極活物質層２３０とイオン伝導層２５０と他の集電体２００の一表面に形成された負極活物質層２４０からなる単電池２６０を複数積層した構造を有する。積層型の双極型電池構造の一の積層端には正極集電体２１０が形成され、正極集電体２１０は積層型の双極型電池の正極の出力端子として機能する。また、積層型の双極型電池構造の他の積層端には負極集電体２２０が形成され、積層型の双極型電池の負極の出力端子として機能する。積層型二次電池は、薄型、軽量で放熱性が良好であることに加え、単電池が直列接続された構造であるため大出力が可能であるといった優れた特性を有する。

以下、単電池２６０を構成する要素について説明する。

［正極活物質層］
正極活物質層２３０は正極活物質を含み、正極活物質としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、ＰｂＯ_２、ＡｇＯまたはＮｉＯＯＨなどを用いることができる。

リチウムと遷移金属との複合酸化物としては、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物、ＬｉＣｏＯ_２などのＬｉ−Ｃｏ系複合酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物、ＬｉＦｅＯ_２などのＬｉ−Ｆｅ系複合酸化物、ＬｉＦｅＰＯ_４などのリチウムと遷移金属とのリン酸化合物、またはリチウムと遷移金属との硫酸化合物などが挙げられる。前記遷移金属酸化物としてはＶ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２、Ｖ_２ＭｏＯ_８、またはＭｏＯ_３などが挙げられる。前記遷移金属硫化物としてはＴｉＳ_２またはＭｏＳ_２などが挙げられる。

［負極活物質層］
負極活物質層２４０は負極活物質を含み、負極活物質としてはＴｉＯ、Ｔｉ_２Ｏ_３ＴｉＯ_２またはＳｎＯ_２などの金属酸化物、Ｌｉ_４／３Ｔｉ_５／３Ｏ_４、またはＬｉ_７ＭｎＮなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Ｌｉ−Ｐｂ系合金、Ｌｉ−Ａｌ系合金、Ｌｉ、およびＣからなる群より選択される少なくとも１種などが挙げられる。

［イオン伝導層］
イオン伝導層２５０は、全固体高分子からなるセパレータに電解質をしみ込ませることによって形成され、正極活物質層と負極活物質層とを電気的に絶縁するとともに、放電時には負極活物質層から正極活物質層に流れるイオンを通過させ、充電時には正極活物質層から負極活物質層に流れるイオンを通過させる。セパレータは特に限定されないが、ポリプロピレン、またはポリオレフィンなどが挙げられる。これらは不織布または微多孔膜などの電解液を通過させる形状で用いられ得る。

イオン伝導層はその態様により電解液からなるもの、ゲル電解質からなるもの、または真性ポリマー電解質からなるものに分類することができる。

電解液は液状の電解質であり、電解液としては、非水溶媒に支持塩を溶解させたものを用いることができる。

前記非水溶媒としては特に限定されないが、プロピレンカーボネート（以下、「ＰＣ」とも記載する）、またはエチレンカーボネート（以下、「ＥＣ」とも記載する）などの環状カーボネート類；ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、またはジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類；テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン、または１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテルなどのエーテル類；γ−ブチロラクトンなどのラクトン類；アセトニトリルなどのニトリル類；プロピオン酸メチルなどのエステル類；ジメチルホルムアミドなどのアミド類；酢酸メチル、ギ酸メチルなどのエステル類；スルホラン；ジメチルスルホキシド；および３−メチル−１，３−オキサゾリジン−２−オンからなる群より選択される少なくとも１種が挙げられる。

支持塩としては特に限定されないが、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、Ｌｉ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２Ｎ、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、およびＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２からなる群より選択される少なくとも１種が挙げられる。電解液は目的に応じて他の添加剤を含み得る。

ゲル電解質は、化学結合、結晶化または分子の絡み合いなどの分子鎖間の相互作用によって三次元的な網目構造を構成したポリマー骨格に電解液を保持させたゲル状の電解質である。

骨格となるポリマーとしては、ポリマー状の電解質を用いてもよいし、イオン伝導性を有さないポリマーを用いてもよい。ポリマー状の電解質としては真性ポリマー電解質が挙げられる。イオン伝導性を有さないポリマーとしては特に限定されないが、ＰＶＤＦ、ポリビニルクロライド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、これらの共重合体、またはこれらのアロイなどが挙げられる。

真性ポリマー電解質を構成するポリマーとしては特に限定されないが、ポリエチレンオキシド、またはポリプロピレンオキシドなどが挙げられる。

また、イオン電導性を向上させるために、支持塩を真性ポリマー電解質に添加したものをイオン伝導層としてもよいし、カルボキシル基、リン酸基、スルフォン酸基、シロキシルアミン基などのイオン性解離基を真性ポリマー電解質に導入したものをイオン伝導層としてもよい。

［集電体］
集電体２００、２１０、２２０の材質は、特に限定されないが、ニッケル、ステンレス、鉄、チタン、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、および銅からなる群より選択される少なくとも１種が挙げられ、より好ましくはニッケルまたはステンレスであり、さらに好ましくはステンレスである。

集電体は単層構造で用いてもよいし、異なる種類の層で構成された多層構造で用いてもよいし、これらで被覆されたクラッド材を用いてもよい。

図３は、本発明の第１実施形態に係る電池一体化回路装置において、有機半導体層として形成されるスイッチ回路３００を示したものである。スイッチ回路３００は、積層型の双極型電池３１０の正極集電体と電池一体化回路モジュールの高電位側電源電極ＶＤＤとの間に直列接続され、例えば、電池の負荷要素であるアクチュエータに異常が発生し、電源供給を停止する必要が生じた場合にスイッチ回路を瞬時にオフするといった機能を有する。スイッチ回路３００がオンしている間は、高電位側電源電極ＶＤＤからアクチュエータへ供給される電源電流はすべてスイッチ回路３００を通して供給されるため、スイッチ回路３００は、アクチュエータへ供給される電流の最大値Ｉ_ｍａｘを瞬時に供給できる性能を要し、かつ、高い信頼性が必要とされる。本発明の第１実施形態に係る電池一体化回路装置においては、スイッチ回路を駆動するための制御回路３２０は外付けの回路を実装することにより構成するが、有機半導体層によって構成されることもできる。また、スイッチ回路は、積層型の双極型電池３１０の負極集電体と電池一体化回路モジュールの低電位側電源電極ＶＳＳとの間に直列接続されてもよい。

図４は前記スイッチ回路の例として、縦型スイッチであるＳＩＴ（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の構造を示したものである。ＳＩＴスイッチを成す有機半導体層は、平面状のソース電極４００とドレイン電極４２０との間に円筒状のゲート電極４１０が形成されるという構造を有する。積層型の双極型電池の正極集電体から供給された電源電流は、ＳＩＴスイッチのドレイン電極からソース電極に向かうドレイン電流４３０としてＳＩＴスイッチを流れる。ＳＩＴスイッチは、ゲート電極４１０に印加されるゲート電圧によりドレイン電流４３０をオン、オフ制御する。これにより、ＳＩＴスイッチに接続されたアクチュエータへの電源供給を制御することができる。ここで、有機半導体層として形成され得るスイッチはＳＩＴスイッチに限定されず、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチ、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチであってもよい。

以上説明してきたように、本発明の第１実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、従来ディスクリート実装していたスイッチ回路といった回路部品を積層型二次電池と一体化した有機半導体の積層により形成するため、電池と回路を接続するための外付け配線が不要となり、製造コストを低減することができる。また、電池と回路を接続するための外付け配線が不要となるため、外付け配線の配線抵抗による電力損失が発生することがない。また、外付け配線の寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが不要となるため、さらに製造コストを低減することができる。また、回路は、積層型二次電池の正極集電体上に有機半導体を塗布若しくはインクジェット工程により有機半導体の積層構造により形成されるため積層型二次電池の製造工程との整合性が非常に高く、連続的に製造可能なため、工程に要する時間を短縮化でき、これにより製造コストを低減することができる。さらに、回路部品をディスクリート実装しないので、装置の軽量化、小型化の効果を有する。

本発明の第２実施形態に係る電池一体化回路装置は、図３に示すスイッチ回路３００を構成する有機半導体からなるトランジスタ素子において、スイッチに流れる電流の最大値Ｉ_ｍａｘ（Ａ）を、スイッチにおいて電流が流れる部分の面積である有効面積Ｓｏ（ｃｍ^２）によって除して定まる電流密度の最大値が１００（Ａ／ｃｍ^２）であるとするものである。ここで、有効面積とは、スイッチ回路を構成するトランジスタ素子において電流が流れる部分の面積をいう。

電流密度の最大値が１００（Ａ／ｃｍ^２）である有効面積を有するスイッチが形成できるように積層型の双極型電池を設計することにより、本発明に係る電池一体化回路装置からは瞬時かつ急峻な電流供給をすることが可能になる。例えば、電池一体化回路装置に要求される電流を１００Ａとすると、電流密度を１００（Ａ／ｃｍ^２）にするためには必要なスイッチの有効面積Ｓｏは１（ｃｍ^２）となる。有機半導体の積層方向は、原則として、積層型の双極型電池の正極集電体の表面に垂直方向となるため、スイッチ回路を流れる電流の方向は有機半導体の積層方向と一致させることができる。そうすると、スイッチ回路を構成する有機半導体全体の面積に占める有効面積Ｓｏの割合は、有機半導体の表面積を利用して大きくすることができるため、スイッチ回路は、スイッチ回路を構成する有機半導体全体の面積に応じた電流を供給することができる。例えば、積層型の双極型電池のエネルギー密度を０．３（ｍＡｈｒ／ｃｍ^２）とすると、放電レート１０Ｃでは約０．０１秒電流を流し続けることができる。

また、本発明の第２実施形態に係る電池一体化回路装置において必要とされる大きさの有効面積Ｓｏをスイッチ回路が有する場合、すなわち、単位電流密度（Ａ／ｃｍ^２）の下での有効面積Ｓｏ（ｃｍ^２）と前記電流の最大値Ｉ_ｍａｘ（Ａ）との関係が、Ｓｏ≧Ｉ_ｍａｘ／１００となるような十分な大きな面積をスイッチ回路が有する場合においては、その面積の大きさに起因して、あたかもスイッチング回路の出力に並列に容量が付加されているのと同等な効果を生じる。すなわち、電池一体化回路装置に要求される電流が急峻に立ち上がった場合においても、前記容量にチャージされている電荷によって積層型の双極型電池の能力を超える電流を補償し得るという新たな効果が生じる。従って、積層型の双極型電池の負荷が、複数の電力変換機などのパワーエレクトロニクス要素部品等であって、パワーエレクトロニクス要素部品間での急峻なエネルギーのやり取りに対応する必要がある場合であっても、そのために新たに外付け容量を実装する必要がなくなる。

本発明の第２実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、第１実施形態と同様に、スイッチ回路を積層型二次電池と一体化した有機半導体の積層により形成するため、回路部品をディスクリート実装する必要がなく、電池とスイッチ回路を接続するための外付けケーブルも必要ないため、製造コストの低減効果及び装置の軽量化、小型化効果を有する。また、電池とスイッチ回路を結合するための外付けケーブルが不要なため、外付け配線の配線抵抗による電力損失が発生することがない。また、外付け配線の寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが不要となるため、さらに製造コストを低減することができる。また、回路は、積層型二次電池の正極集電体上に有機半導体を塗布若しくはインクジェット工程により形成されることから積層型二次電池の製造工程との整合性が非常に高く、連続的に製造可能なため、工程に要する時間を短縮化でき、これにより、製造コストを低減することができる。また、本発明の第２実施形態に係る電池一体化回路装置は薄い平板形状を有するため、放熱性に優れており、スイッチ回路を構成する素子や積層型の双極型電池が発熱した場合の冷却が容易になり、冷却機構を簡素化することにより製造コストを低減することができる。

さらに、本発明の第２実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、スイッチ回路に流れる電流密度が１００（Ａ／ｃｍ^２）以下となるため、瞬時かつ急峻な電流供給をすることが可能である。また、有機半導体層によるスイッチ回路の大面積化に起因して、あたかもスイッチング回路の出力に並列に容量が付加されているのと同等な効果を生じ、前記容量にチャージされている電荷によって積層型の双極型電池の能力を超える電流を補償し得るため、外付け容量を実装する必要がなくなるという効果を有する。

本発明の第３実施形態に係る電池一体化回路装置は、図３に示すスイッチ回路３００を構成する有機半導体からなるトランジスタ素子において、電流が流れる部分の面積である単位電流密度（Ａ／ｃｍ^２）の下での有効面積Ｓｏ（ｃｍ^２）と前記電流の最大値Ｉ_ｍａｘ（Ａ）との関係を、Ｓｏ≧Ｉ_ｍａｘ／１０とするものである。本発明の第２実施形態との違いは、有機半導体層の電流密度を１０（Ａ／ｃｍ^２）以下とすることができるので、大電流による有機半導体の温度上昇を抑えることが可能となり、スイッチ回路を構成する素子の熱的破壊を防止することが可能となる。また、有効面積Ｓｏを大面積とすることで、有機半導体の物性に起因するスイッチ回路の規格化オン抵抗ＲＳｐ（面積で規格化されたオン抵抗）の高さをカバーしてスイッチ回路全体として大電流を駆動することが可能となる。すなわち、有機半導体のＲＳｐはシリコン半導体に対し１０００倍程度高いが、シリコン半導体のパワー素子の電流密度が数１００Ａ／ｃｍ^２であることを考慮すると、大面積化による放熱性の向上を加味すれば、有機半導体層により形成するスイッチ回路に流れる電流の電流密度を二桁低い数Ａ／ｃｍ^２とすることでシリコン半導体のパワー素子と同等性能のスイッチングが可能になる。

本発明の第３実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、第２実施形態と同様に、スイッチ回路を積層型二次電池と一体化した有機半導体により形成するため、回路部品をディスクリート実装する必要がなく、電池とスイッチ回路を結合するための外付けケーブルも必要ないため、製造コスト低減効果および装置の軽量化、小型化効果を有する。また、電池とスイッチ回路を接続するための外付けケーブルが不要なため、外付けケーブルによる電力損失が発生することがない。また、外付けケーブルの寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが不要となるため、さらに製造コストを低減することができる。また、スイッチ回路は、積層型二次電池の正極集電体上に有機半導体を塗布若しくはインクジェット工程により形成されることから積層型二次電池の製造工程との整合性が非常に高く、連続的に製造可能なため、工程に要する時間を短縮化でき、これにより製造コストを低減することができる。また、本発明に係る電池一体化回路装置は、薄い平板形状を有するため放熱性に優れており、スイッチング回路を構成する素子や積層型の双極型電池が発熱した場合の冷却が容易になり、冷却機構を簡素化し製造コストを低減できるという効果を有する。また、有機半導体層によるスイッチ回路の大面積化に起因して、あたかもスイッチング回路の出力に並列に容量が付加されているのと同等な効果を生じ、前記容量にチャージされている電荷によって積層型の双極型電池の能力を超える電流を補償し得るため、外付け容量を実装する必要がなくなる。

さらに、本発明の第３実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、有機半導体層の電流密度を１０（Ａ／ｃｍ^２）以下とするため、瞬時かつ急峻な電流供給をすることが可能であることのみならず、大電流による有機半導体の温度上昇を抑えることが可能となり、スイッチ回路を構成する素子の熱的破壊を防止することが可能となる。また、有効面積Ｓｏを大面積化することにより、有機半導体の物性に起因するスイッチ回路の規格化オン抵抗の高さをカバーして、シリコン半導体のパワー素子と同等のスイッチング特性の実現が可能となる。また、従来必要であった電池―スイッチ回路間の強電ケーブルが不要となるため、装置全体としての重量、コストの大幅な削減が可能である。

図５は、本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置の全体を概略的に示したものである。本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置においては、積層型の双極型電池の正極集電体上に、直流／交流変換を行う３相交流モータ駆動用３相インバータ回路が有機物半導体の積層により形成される。これにより、自動車の駆動システムである電池、３相インバータ、モータのうち電池と３相インバータの一体化を可能とするものである。

ここで、３相インバータ回路について説明する。図６は、３相インバータ回路を説明するための説明図である。３相インバータ回路６００には、積層型の双極型電池６３０の正極集電体からなる正極出力端子６６０と負極集電体からなる負極出力端子６７０からそれぞれ正極電位と負極電位が入力される。３相インバータ回路６００は、Ｕ層上スイッチ６１１、Ｖ層上スイッチ６１２、Ｗ層上スイッチ６１３の３つのスイッチを有する上アーム（第１アーム）６１０と、Ｕ層下スイッチ６２１、Ｖ層下スイッチ６２２、Ｗ層下スイッチ６２３の３つのスイッチを有する下アーム（第２アーム）６２０とから成り、計６つのスイッチは制御回路６５０（本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置においては外付け回路により構成する。）の制御信号により、それぞれオン／オフ制御されることにより直流／交流変換がなされる。Ｕ層上スイッチとＵ層下スイッチの接続点、Ｖ層上スイッチとＶ層下スイッチの接続点、Ｗ層上スイッチとＷ層下スイッチの接続点がそれぞれＵ相出力端子、Ｖ相出力端子、Ｗ相出力端子となり、外部の３相交流モータ６４０に出力され、３相交流モータ６４０を駆動する。本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置においては、積層型の双極型電池６３０と３相インバータ回路６００を一体として形成するものである。

図５に示すように、積層型の双極型電池５００の正極集電体５０１の上面上に３相インバータの上アームを構成する３つのスイッチ、すなわち、Ｕ層上スイッチ５１０、Ｖ層上スイッチ５２０、Ｗ層上スイッチ５３０が、それぞれ有機半導体の積層による３つの有機半導体層（以下、第１有機半導体層という。）として横方向に隣接して形成される。前記３つの第１有機半導体層は、正極集電体５０１の上面と直接密着することにより正極５０１と電気的に接続され得る。ただし、電気的により良好な接合性を得ることを目的としてバッファ層を介して接続されてもよい。前記３つの第１有機半導体層は、絶縁性を有する層（図示せず。）を間に設けることにより、互いに電気的に絶縁され得る。第１有機半導体層を成すＵ層上スイッチ５１０、Ｖ層上スイッチ５２０、Ｗ層上スイッチ５３０の上にはそれぞれ３相インバータの出力端子であるＵ層出力端子５４０、Ｖ層出力端子５５０、Ｗ層出力端子５６０が形成される。前記３つの出力端子は、絶縁性を有する層（図示せず。）を間に設けることにより、互いに電気的に絶縁され得る。そして、Ｕ層出力端子５４０、Ｖ層出力端子５５０、Ｗ層出力端子５６０の上には、それぞれ３相インバータの下アームを構成する３つのスイッチ、すなわち、Ｕ層下スイッチ５７０、Ｖ層下スイッチ５８０、Ｗ層下スイッチ５９０が、それぞれ有機半導体の積層による３つの有機半導体層（以下、第２有機半導体層という。）として横方向に隣接して形成される。前記３つの第２有機半導体層は、絶縁性を有する層（図示せず。）を間に設けることにより、互いに電気的に絶縁され得る。３相インバータの下アームを構成する３つのスイッチの上には、第２負極集電体５０５が形成され、３相インバータの下アームを構成する３つのスイッチと電気的に接続される。また、第２負極集電体５０５は、外部配線等により積層型の双極型電池の負極集電体である第１負極集電体５０２と電気的に接続される。３相インバータの出力端子であるＵ層出力端子５４０はＵ層上スイッチ及びＵ層下スイッチと、Ｖ層出力端子５５０はＶ層上スイッチ及びＶ層下スイッチと、Ｗ層出力端子５６０はＷ層上スイッチ及びＷ層下スイッチとそれぞれ接触することにより電気的に接続され得るが、電気的により良好な接合性を得ることなどを目的としてバッファ層を介して接続されてもよい。また、３相インバータの出力端子であるＵ層出力端子５４０、Ｖ層出力端子５５０、Ｗ層出力端子５６０は、モータと接続するための結線を容易にするために外側に突き出すようなタブを有する形状を有してもよい。

本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置においては、第１有機半導体層と、第２有機半導体層に、それぞれフライホイールダイオードが有機半導体の積層により形成された有機半導体層をさらに含んでもよい。フライホイールダイオードは、一般的に、モータを止めた瞬間に発生する高電圧を、フライホイールダイオードを通して受け流すことにより、３相インバータを成すスイッチ素子等を保護するために通常用いられるものであって、３相インバータを成す６つのスイッチと並列接続される。

本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、第１実施形態と同様に、３相インバータ回路を積層型二次電池と一体化した有機半導体の積層により形成するため、回路部品をディスクリート実装する必要がなく、電池とスイッチ回路を結合するための外付けケーブルも必要ないため、製造コスト低減効果および装置の軽量化、小型化効果を有する。また、電池とスイッチ回路を結合するための外付けケーブルが不要なため、外付けケーブルの抵抗による電力損失が発生することがない。また、外付け配線の寄生インダクタンスに起因するノイズをバイパスするためのコンデンサーが不要となるため、さらに製造コストを低減することができる。また、３相インバータ回路は、積層型二次電池の正極集電体上に有機半導体を塗布若しくはインクジェット工程により形成されることから積層型二次電池の製造工程との整合性が非常に高く、連続的に製造可能なため、工程に要する時間を短縮化でき、これにより製造コストを低減することができる。また、本発明に係る電池一体化回路装置は、薄い平板形状を有するため放熱性に優れており、３相インバータ回路を構成する素子や積層型の双極型電池が発熱した場合の冷却が容易になり、冷却機構を簡素化し製造コストを低減できる。

さらに、本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、３相インバータ回路を成す６つのスイッチをコンパクトに積層でき、効率的な配置が可能になるため、装置の大きさをさらに削減することができる。また、３相インバータ回路と積層型の双極型電池との平面的な直接の接続が可能となるため、電極の取り出しが省略できるという効果を有する。

また、本発明の第４実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、フライホイールダイオードを有機半導体層にさらに含めることにより、３相インバータを成す６つのスイッチとこれにそれぞれ並列接続される６つのライホイールダイオードをコンパクトかつ効率的に配置できることから、素子間の寄生インダクタンスを低減でき、モータの安定的な回生動作が可能となる。また、回生動作時に十分に低損失な電流パスを確保できるという効果をも有する。

図７は、本発明の第５実施形態に係る電池一体化回路装置を概略的に示したものである。本発明の第５実施形態に係る電池一体化回路装置においては、積層型の双極型電池７００の正極集電体７０１上に、３相インバータ回路を成す第１有機半導体層を有することに加え、前記第１半導体層には、前記３相インバータ回路の上アームを成す３つのスイッチ７１０、７２０、７３０をそれぞれ駆動するための駆動回路７１１、７２１、７３１をも含ませるものである。図７に示すように、Ｕ層上スイッチ７１０、Ｖ層上スイッチ７２０、Ｗ層上スイッチ７３０に加え、Ｕ層上スイッチ駆動回路７１１、Ｖ層上スイッチ駆動回路７２１、Ｗ層上スイッチ駆動回路７３１も横方向に隣接し、かつ互いに絶縁されるように形成されて第１半導体層を成している。また、第４実施形態と同様に、第１半導体層には、フライホイールダイオードが有機半導体により形成された有機半導体層をさらに含み得る。フライホイールダイオードは、上アームを成す３つのスイッチにそれぞれ並列に接続される。上アームを成す３つのスイッチにそれぞれ並列に接続される３つのフライホイールダイオードを、Ｕ層上ダイオード７１２、Ｖ層上ダイオード７２２、Ｗ層上ダイオード７３２として図７に示した。第１有機半導体層上には、３相インバータの出力端子であるＵ層出力端子、Ｖ層出力端子、Ｗ層出力端子が形成され、さらにその上には第２有機半導体、第２負極集電体が形成されるが、本発明第４実施形態と同様であるため、説明は省略する（図７においても図示せず。）。本発明の第５実施形態に係る電池一体化回路装置においては、図６における積層型の双極型電池６３０、３相インバータ回路６００、及び３相インバータ制御回路６５０を一体として形成するものである。

本発明の第５実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、第４実施形態についての説明において既に記載した効果に加え、以下の効果を有する。すなわち、３相インバータ駆動回路を安くコンパクトに形成可能であるとともに、３相インバータを構成するパワー素子の直近に３相インバータ駆動回路を配置できるので、配線の寄生インダクタンスや寄生容量、寄生抵抗を非常に小さくすることができ、装置性能の向上に寄与するといった効果を有する。

本発明の第４実施形態及び第５実施形態に係る電池一体化回路装置において、有機半導体の積層により形成される３相インバータを成す６つのスイッチは、有機半導体の積層方向に電流を流すパワースイッチである。従って、積層型の双極型電池の出力電圧が直接スイッチに印加されることとなるため、スイッチを構成する素子の耐圧を考慮する必要がある。そこで、有機半導体が絶縁破壊しないようにするために、積層型の双極型電池の出力電圧をＶ_ｂ（Ｖ）、３相インバータを成す有機半導体の材料で決まる臨界電界をＥ_ｃｒ（Ｖ/ｍ）とするとき、有機半導体層の厚みＤ（ｍ）をＤ≧Ｖ_ｂ／Ｅ_ｃｒとして、３相インバータを成す有機半導体層を形成し得る。こうすることにより、積層型の双極型電池の出力電圧がいかなる値である場合も有機半導体層が破壊しない安全な構造とすることができ、積層型の双極型電池の出力電圧に応じた冗長性の少ない構成が可能となる。

図８は、本発明の第６実施形態に係る電池一体化回路装置を説明するために、電池一体化回路装置の構成を概略的に示したものである。積層型の双極型電池８００の正極集電体８０１の上には上アームを構成する３つのスイッチ、Ｕ層上スイッチ８１０、Ｖ層上スイッチ８２０、Ｗ層上スイッチ８３０が形成され、Ｕ層上スイッチ８１０、Ｖ層上スイッチ８２０、Ｗ層上スイッチ８３０の上にはそれぞれ３相インバータの出力端子であるＵ層出力端子８４０、Ｖ層出力端子８５０、Ｗ層出力端子８６０が形成され、Ｕ層出力端子８４０、Ｖ層出力端子８５０、Ｗ層出力端子８６０の上には３相インバータの下アームを構成する３つのスイッチ、すなわち、Ｕ層下スイッチ８７０、Ｖ層下スイッチ８８０、Ｗ層下スイッチ８９０を成す第２有機半導体層が形成される。本発明の第６実施形態に係る電池一体化回路装置においては、上アームを形成するスイッチはＰ型の有機半導体から成り、下アームを形成するスイッチはＮ型の有機半導体から成るとするものである。

本発明の第６実施形態に係る電池一体化回路装置によれば、第４実施形態が有する効果に加え、有機半導体においては比較的移動度の大きいＰ型素子と、標準的なＮ型素子の組み合わせから成る相補型構成を、有機半導体を塗布若しくはインクジェットのプロセスを用いることにより同一プロセスで実現できる。また、３相インバータが相補型構造を有するため駆動回路を簡素化することができるため、駆動が容易になるという効果を有する。

図９は、本発明の第７実施形態に係る電池一体化回路装置の構成を概略的に示したものである。積層型の双極型電池９００の正極集電体９０１の上には上アームを構成する３つのスイッチ、Ｕ層上スイッチ９１０、Ｖ層上スイッチ９２０、Ｗ層上スイッチ９３０が形成され、Ｕ層上スイッチ９１０、Ｖ層上スイッチ９２０、Ｗ層上スイッチ９３０の上にはそれぞれ３相インバータの出力端子であるＵ層出力端子９４０、Ｖ層出力端子９５０、Ｗ層出力端子９６０が形成され、Ｕ層出力端子９４０、Ｖ層出力端子９５０、Ｗ層出力端子９６０の上には３相インバータの下アームを構成する３つのスイッチ、すなわち、Ｕ層下スイッチ９７０、Ｖ層下スイッチ９８０、Ｗ層下スイッチ９９０を成す第２有機半導体層が形成される。本発明の第７実施形態においては、積層型の双極型電池９００の負極集電体９０２が装置の外周部を通って下側アームを成すスイッチ９７０、９８０、９９０と接続される。このような構造とすることにより、本発明の第７実施形態においては、第４実施形態が有する効果に加え、積層型の双極型電池９００の正極集電体からなる正極電位の取り出しが不要となり、装置の外周部に高電圧である正極集電体が露出しないことからより安全な構造を提供することができるとともに、放熱系との接続が容易になるという効果を有する。

以上、本発明に係る電池一体化回路装置について、実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者により特許請求の範囲に記載された本発明の思想と精神を離れることなく、修正または変更され得る。

本発明に係る電池一体化回路装置は、主としてハイブリッド自動車の駆動システムの用途として利用することができる。

本発明に係る電池一体化回路装置の第１実施形態の概略図を示した図である。 積層型の双極型電池の断面構造を示した図である。 本発明に係る電池一体化回路装置の構成要素である有機半導体層として形成される回路の例としてのスイッチ回路を示した図である。 ＳＩＴスイッチの構造を示した図である。 本発明に係る電池一体化回路装置の第４実施形態の概略図である。 ３相インバータ回路の説明図である。 本発明に係る電池一体化回路装置の第５実施形態の概略図である。 本発明に係る電池一体化回路装置の第６実施形態を説明するための構成図である。 本発明に係る電池一体化回路装置の第７実施形態の概略図である。

符号の説明

１００、５００、６３０、７００、８００、９００ 積層型の双極型電池、
１１０、５０１、７０１、８０１、９０１ 正極集電体、
１２０、２２０、９０２ 負極集電体、
１３０ 有機半導体層、
２００、２１０ 集電体、
２３０ 正極活物質層、
２４０ 負極活物質層、
２５０ イオン伝導層、
２６０ 単電池、
３００ スイッチ回路、
３１０ 積層型の双極型電池、
３２０ 制御回路、
４００ ソース電極、
４１０ ゲート電極、
４２０ ドレイン電極、
４３０ ドレイン電流、
５０２ 第１負極集電体、
５０５ 第２負極集電体、
５１０、６１１、７１０、８１０、９１０ Ｕ層上スイッチ、
５２０、６１２、７２０、８２０、９２０ Ｖ層上スイッチ、
５３０、６１３、７３０、８３０、９３０ Ｗ層上スイッチ、
５４０、８４０、９４０ Ｕ層出力端子、
５５０、８５０、９５０ Ｖ層出力端子、
５６０、８６０、９６０ Ｗ層出力端子、
５７０、６２１、８７０、９７０ Ｕ層下スイッチ、
５８０、６２２、８８０、９８０ Ｖ層下スイッチ、
５９０、６２３、８９０、９９０ Ｗ層下スイッチ、
６００ ３相インバータ回路、
６１０ 上アーム（第１アーム）、
６２０ 下アーム（第２アーム）、
６４０ ３相交流モータ、
６５０ 制御回路、
６６０ 正極出力端子、
６７０ 負極出力端子、
７１１ Ｕ層上スイッチ駆動回路、
７１２ Ｕ層上ダイオード、
７２１ Ｖ層上スイッチ駆動回路、
７２２ Ｖ層上ダイオード、
７３１ Ｗ層上スイッチ駆動回路、
７３２ Ｗ層上ダイオード。

Claims (11)

1. 負極集電体と正極集電体をそれぞれ積層端に有する積層型電池と、
   前記積層型電池の正極集電体または負極集電体のいずれか一方の集電体上に、異なる電導型を有する有機半導体の積層により回路が形成された有機半導体層と、
   を有することを特徴とする電池一体化回路装置。
2. 前記回路はスイッチを構成し、
   前記スイッチに流れる電流の最大値Ｉ_ｍａｘ（Ａ）を前記スイッチにおいて電流が流れる部分の面積である有効面積Ｓｏ（ｃｍ^２）によって除して定まる電流密度の最大値が１００（Ａ／ｃｍ^２）以下であることを特徴とする請求項１に記載の電池一体化回路装置。
3. 前記回路はスイッチを構成し、
   前記スイッチに流れる電流の最大値Ｉ_ｍａｘ（Ａ）を前記スイッチにおいて電流が流れる部分の面積である有効面積Ｓｏ（ｃｍ^２）によって除して定まる電流密度の最大値が１０（Ａ／ｃｍ^２）以下であることを特徴とする請求項１に記載の電池一体化回路装置。
4. 前記回路は３相インバータを構成する複数のスイッチ群を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電池一体化回路装置。
5. 前記複数のスイッチ群は、第１アームを構成する３つのスイッチと、第２アームを構成する３つのスイッチと、前記第１アームを構成するスイッチと前記第２アームを構成するスイッチの接続点を構成する３つの出力端子とを備え、
   前記有機半導体層は、前記積層型電池の前記正極集電体上に形成され前記第１アームを構成する３つのスイッチをそれぞれ構成する３つの第１有機半導体層と、前記第１有機半導体層上に形成され前記３相インバータの３つの出力端子をそれぞれ構成する３つの層と、前記出力端子を構成する３つの層上に形成され前記第２アームを構成する３つのスイッチをそれぞれ構成する３つの第２有機半導体層と、からなり、
   前記３つの第１有機半導体層は、前記正極集電体と接触することにより前記正極をなす集電体と電気的に接続されるとともに、それぞれ互いに絶縁されて横方向に隣接し、
   前記３つの第２有機半導体層は、前記負極集電体と電気的に接続されるとともに、それぞれ互いに絶縁されて横方向に隣接し、
   前記３つの第１有機半導体層と前記３つの第２有機半導体層は、それぞれ前記３相インバータの３つの出力端子をそれぞれ構成する３つの層を介して電気的に接続されていること特徴とする請求項４に記載の電池一体化回路装置。
6. さらに、前記第１有機半導体層は、前記第１アームを構成する３つのスイッチにそれぞれ並列接続される３つのダイオードを構成する３つの有機半導体層を含み、
   さらに、前記第２有機半導体層は、前記第２アームを構成する３つのスイッチにそれぞれ並列接続される３つのダイオードを構成する３つの有機半導体層を含むことを特徴とする請求項５に記載の電池一体化回路装置。
7. さらに、前記第１有機半導体層は、前記第１アームを構成する３つのスイッチのゲートにそれぞれ接続される３つの駆動回路を構成する３つの有機半導体層を含み、
   前記第２有機半導体層は、前記第２アームを構成する３つのスイッチのゲートにそれぞれ接続される３つの駆動回路を構成する３つの有機半導体層を含むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の電池一体化回路装置。
8. 前記第１アームを構成する３つのスイッチと、前記第２アームを構成する３つのスイッチはそれぞれのスイッチを構成する有機半導体の積層方向に電流を流すパワースイッチであり、前記積層型電池の出力電圧Ｖ_ｂ（Ｖ）と有機半導体の材料で決まる臨界電界Ｅ_ｃｒ（Ｖ/ｍ）と前記スイッチを構成する有機半導体の厚さＤ（ｍ）との関係はＤ≧Ｖ_ｂ／Ｅ_ｃｒであることを特徴とする請求項５−７に記載の電池一体化回路装置。
9. 前記第１アームを構成する３つのスイッチはＰ型であり、前記第２アームを構成する３つのスイッチはＮ型であることを特徴とする請求項５−８に記載の電池一体化回路装置。
10. 前記負極集電体は一体形状を有し、前記積層型電池の外周部を通して前記第２有機半導体層と接続されることを特徴とする請求項１−９に記載の電池一体化回路装置。
11. 前記積層型電池は双極型電池であることを特徴とする請求項１−１０に記載の電池一体化回路装置。

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