JP2010231926A - 単電池ユニット及び組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】可能な限り少ない数及び種類の単電池によって多様なエネルギ容量の組電池を構成することが可能な単電池ユニットを提供する。
【解決手段】
単電池ユニット２０Ｆは、第１の薄型単電池１０と、第１の薄型単電池１０と実質的に同一形状の電極板１０１，１０３を有し、電極板１０１,１０３の積層数が異なり、電極板１０１，１０３の直列接続の数が第１の薄型単電池１０と同一であり、電極板１０１，１０３の並列接続の数が第１の薄型単電池１０と異なる第２の薄型単電池１１と、を有し、第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１を並列接続して単電池群２１Ｆ,２２Ｆを形成し、さらに負荷の要求電圧に応じて１または複数の単電池群２１Ｆ,２２Ｆを直列接続して構成されている。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、複数の薄型単電池を電気的に接続した単電池ユニット、及びその単電池ユニットを用いた組電池に関するものである。

同一容量のセルを直列ないし並列に接続してセルユニットを形成し、そのセルユニットを集積して、所望の電圧及び容量を得る電池装置が知られている（たとえば、特許文献１及び２参照）。

特開平６−１８１０５９号公報 特開２００６−９２８８４号公報

組電池を構成するセル（単電池）の直列接続の数は、負荷（モータやインバータ等）の要求電圧によって一義的に決定される。そのため、エネルギ容量の異なる組電池を実現するためには、当該直列接続数を維持したままで並列接続の数を調整することで対応せざるを得ず、セルの数が極めて多くなり、しかもエネルギ容量のバリエーション数はその整数倍に制限されてしまう。

本発明が解決しようとする課題は、可能な限り少ない数や種類の単電池によって多様なエネルギ容量の組電池を構成することが可能な単電池ユニット及びその単電池ユニットを用いた組電池を提供することである。

本発明では、単電池ユニットが、第１の薄型単電池と、電極板の並列接続の数が第１の薄型単電池と異なる第２の薄型単電池と、を有し、第１の薄型単電池と第２の薄型単電池を並列接続する。

本発明によれば、エネルギ容量の異なる第１及び第２の薄型単電池を並列接続することで、エネルギ容量のバリエーションを増やすことができるので、可能な限り少ない数や種類の単電池によって多様なエネルギ容量の組電池を構成することができる。

図１は、本発明の実施形態における第１の薄型単電池を示す平面図である。 図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。 図３は、図１に示す第１の薄型単電池の回路図である。 図４は、本発明の実施形態における第２の薄型単電池を示す断面図である。 図５は、図４に示す第２の薄型単電池の回路図である。 図６は、本発明の実施形態における第１の薄型単電池と第２の薄型単電池を並列接続した回路図である。 図７は、本発明の実施形態における第１〜第４の単電池ユニットを示す回路図である。 図８は、本発明の実施形態における第５〜第９の単電池ユニットを示す回路図である。 図９は、第１の薄型単電池のエネルギ容量に対する第２の薄型単電池のエネルギ容量の比率と組電池のエネルギ容量との関係を示すグラフである。 図１０は、本発明の実施形態における単電池ユニットの構造の一例を示す断面図である。 図１１は、本発明の実施形態における単電池ユニットを用いて構成される組電池の一例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態における組電池は、電気自動車やハイブリット自動車等のエネルギ供給源として、所望の総電圧及びエネルギ容量が得られるように、複数の単電池ユニットを電気的に接続して構成されている。さらに、それぞれの単電池ユニットは、エネルギ容量の異なる２種類の薄型単電池１０,１１を組み合わせて構成されている。

先ず、第１の薄型単電池１０の構成を説明する。図１は本発明の実施形態における第１の薄型単電池を示す平面図であり、図２は図１のII−II線に沿った断面図、図３は図１に示す第１の薄型単電池の回路図である。

第１の薄型単電池１０は、シート状のリチウムイオン二次電池である。この第１の薄型単電池１０は、図１〜図３に示すように、６枚の正極板１０１と、１１枚のセパレータ１０２と、６枚の負極板１０３と、正極端子１０４と、負極端子１０５と、上部外装部材１０６と、下部外装部材１０７と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば１０ｍｍ以下の総厚を有している。本実施形態では、このうちの正極板１０１、セパレータ１０２、負極板１０３及び電解質を特に発電要素１０８と称する。

発電要素１０８の正極板１０１は、図２に示すように、正極端子１０４まで延びている正極側集電体１０１ａと、この正極側集電体１０１ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層１０１ｂ,１０１ｃと、を有している。

正極側集電体１０１ａは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

正極層１０１ｂ,１０１ｃは、正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤と、を混合したものを、正極側集電体１０１ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、又は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等を挙げることができる。

発電要素１０８の負極板１０３は、負極端子１０５まで延びている負極側集電体１０３ａと、この負極側集電体１０３ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層１０３ｂ,１０３ｃと、を有している。

負極側集電体１０３ａは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成されている。

負極層１０３ｂ,１０３ｃは、上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体１０３ａの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。負極活物質としては、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等を挙げることができる。

特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いる急激な出力低下がないので有利である。

発電要素１０８のセパレータ１０２は、正極板１０１と負極板１０３との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０２は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィンから構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。

なお、本発明におけるセパレータ１０２は、ポリオレフィン等の単層膜のみに限定されず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることもできる。このように、セパレータ１０２を複層化することで、過電流の防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持（剛性向上）機能等の諸機能を付与することができる。

以上の発電要素１０８は、セパレータ１０２を介して正極板１０１と負極板１０３とが厚み方向（図２におけるＺ方向）に交互に積層されて構成されている。そして、６枚の正極板１０１は、正極側集電体１０１ａを介して、金属箔製の正極端子１０４にそれぞれ接続される一方で、６枚の負極板１０３は、負極側集電体１０３ａを介して、同様に金属箔製の負極端子１０５にそれぞれ接続されている。

本実施形態では、図３に示すように、６枚の正極板１０１が並列接続されていると共に、６枚の負極板１０３が並列接続されており、電極板１０１,１０３の直列接続数がゼロ、並列接続数が５となっている。なお、図３の電気回路図においては、直流起電力を示す記号は、一対の電極板１０１，１０３を表現している。また、薄型単電池における電極板の直列接続数及び並列接続数は、上記の数に特に限定されず、所望の電圧やエネルギ容量に応じて設定される。

正極端子１０４も負極端子１０５も電気化学的に安定した金属材料であれば、特に限定されないが、正極端子１０４としては、上述の正極側集電体１０１ａと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることができる。また、負極端子１０５としては、上述の負極側集電体１０３ａと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることができる。また、本実施形態では、電極板１０１,１０３の集電体１０１ａ,１０３ａを構成する金属箔自体を電極端子１０４,１０５まで延長することにより、電極板１０１,１０３を電極端子１０４,１０５に直接接続しているが、電極板１０１,１０３の集電体１０１ａ,１０３ａと、電極端子１０４,１０５とを、集電体１０１ａ,１０３ａを構成する金属箔とは別の材料や部品により接続しても良い。

発電要素１０８は、図２に示すようなカップ状に成型された外装部材１０６,１０７との間に収容されている。また、上部外装部材１０６と下部外装部材１０７は、それぞれ対向する外縁部分を貼り合わせて、発電要素１０８を封止している。本実施形態における上部外装部材１０６及び下部外装部材１０７は何れも、特に図示しないが、内側樹脂層、金属層、及び、外側樹脂層から成るラミネートフィルムで構成されている。

このラミネートフィルムの内側樹脂層は、例えば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた樹脂フィルムで構成されている。金属層は、例えばアルミニウム等の金属箔で構成されている。外側樹脂層は、例えば、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている。

なお、第１の薄型単電池１０内部の封止性を維持するために、ポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させても良い。このシールフィルムは、正極端子１０４及び負極端子１０５の何れにおいても、外装部材１０６,１０７の内側樹脂層を構成する合成樹脂材料と同系統のもので構成することが熱融着性の観点から好ましい。

これらの外装部材１０６,１０７によって、上述した発電要素１０８と電極端子１０４,１０５の一部を包み込み、当該外装部材１０６,１０７により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウムやホウフッ化リチウム、六フッ化リン酸リチウム等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、当該空間を真空状態とした後に、外装部材１０６,１０７の外周部分を熱プレスにより熱融着して封止する。これにより、発電要素１０８及び電極端子１０４,１０５の一部は、外装部材１０６,１０７に収容される。

有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート（ＰＣ）やエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を挙げることができる。なお、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン（γ−ＢＬ）やジエトシキエタン（ＤＥＥ）等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることもできる。

次に、第２の薄型単電池１１について説明する。図４は本発明の実施形態における第２の薄型単電池を示す断面図、図５は図４に示す第２の薄型単電池の回路図である。

第２の薄型単電池１１は、第１の薄型単電池１０と同じくシート状のリチウムイオン二次電池である。第１の薄型単電池１０と同一の部材には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

第２の薄型単電池１１は、第１の薄型単電池１０と比べて、電極板１０１,１０３の積層数と、電極端子１１４,１１５の厚さ（図４におけるＺ方向）が相違している。

図４及び図５に示すように、第２の薄型単電池１１では、４枚の正極板１０１と、７枚のセパレータ１０２と、４枚の負極板１０３とが積層されて、発電要素１１８が構成されている。すなわち、第１の薄型単電池１０では正極板１０１及び負極板１０３が６枚ずつ積層されているのに対し、第２の薄型単電池１１では正極板１０１及び負極板１０３は４枚ずつ積層されている。

本実施形態では、第２の薄型単電池１１の正極板１０１は、第１の薄型単電池１０と同一のものを用いている。すなわち、第２の薄型単電池１１の正極板１０１の正極層１０１ｂ,１０１ｃの組成は、第１の薄型単電池１０の正極板１０１の正極層１０１ｂ,１０１ｃの組成と同一である。また、第２の薄型単電池１１の正極板１０１の正極層１０１ｂ,１０１ｃの寸法（厚さを含む。）は、第１の薄型単電池１０の正極板１０１の正極層１０１ｂ,１０１ｃの寸法と実質的に同一である。

同様に、本実施形態では、第２の薄型単電池１１の負極板１０３は、第１の薄型単電池１０と同一のものを用いている。すなわち、第２の薄型単電池１１の負極板１０３の負極層１０３ｂ,１０３ｃの組成は、第１の薄型単電池１０の負極板１０３の負極層１０３ｂ,１０３ｃの組成と同一である。また、第２の薄型単電池１１の負極板１０３の負極層１０３ｂ,１０３ｃの寸法（厚さを含む。）は、第１の薄型単電池１０の負極板１０３の負極層１０３ｂ,１０３ｃの寸法と実質的に同一である。

本実施形態では、第１及び第２の薄型単電池１０，１１において、正極板１０１の正極層１０１ｂ，１０１ｃの組成及び厚さを同一にすると共に、負極板１０３の負極層１０３ｂ，１０３ｃの組成及び厚さを同一とすることで、それぞれの電極板１０１，１０３における内部抵抗を同一とすることができる。これにより、第１及び第２の薄型単電池１０，１１をエネルギ容量に応じて均等に充放電することができるので、それぞれの薄型単電池１０，１１のエネルギ容量を有効活用すると共に劣化の偏りを抑制することができる。

また、第１及び第２の薄型単電池１０，１１において同一の電極板１０１，１０３を用いることで、電極板の製造設備の共用化が可能となり生産性の向上を図ることができる。さらに、第１及び第２の薄型単電池１０，１１は、同一の電極板１０１，１０３を用いているので、厚さを除いては同一の外形寸法を有している。そのため、単電池ユニットを構成する際に容易に隣接して配置することができ、省スペース化を図ることができる。

図５に示すように、第２の薄型単電池１１では、４枚の正極板１０１が並列接続されていると共に、４枚の負極板１０３が並列接続されており、電極板１０１,１０３の直列接続数がゼロで、並列接続数が３となっている。なお、図５の電気回路図においては、図３と同様に、直流起電力を示す記号は、一対の電極板１０１，１０３を表現している。

本実施形態では、後述するように、単電池群を構成する際に、第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１とを並列接続するために、直列接続数を同一として電圧を揃える一方で、並列接続数を異ならせることでエネルギ容量のバリエーションを増やしている。

因みに、電極板が同一である場合、薄型単電池のエネルギ容量は電極板１０１，１０３の積層数に依存する。本実施形態では、上述の通り、第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１が同一の電極板１０１，１０３を用いており、第２の薄型単電池１１の方が電極板１０１，１０３の積層数が少なくなっているので、第２の薄型単電池１１は、第１の薄型単電池１０よりもエネルギ容量が小さくなっている。

また、本実施形態では、電極板１０１，１０３の積層数が多いほど（すなわち電極層の総面積が多いほど）、電極端子の断面積を大きくしている。具体的には、図２及び図４に示すように、第２の薄型単電池１１の正極板１１４は、第１の薄型単電池１０の正極板１０４よりも薄くなっていると共に、第２の薄型単電池１１の負極板１１５についても、第１の薄型単電池１０の負極板１０５よりも薄くなっている。

ここで、図６を参照しながら、電極板１０１，１０３の積層数に応じて電極板の断面積を大きくする理由について説明する。

図６は本実施形態における第１の薄型単電池と第２の薄型単電池とを並列接続した回路図である。なお、図６の電気回路図においては、図３及び図５と同様に、直流起電力を示す記号は、一対の電極板１０１，１０３を表現している。

図６に示すように、第１の薄型単電池１０の全体の電気抵抗Ｒ_Ａは、下記の（１）式で表すことができる。但し、下記（１）式において、ｒ_ａ１は正極端子１０４の電気抵抗であり、ｒ_ａ２は負極端子１０５の電気抵抗であり、ｒ_Ａは発電要素１０８の電気抵抗である。

また、第２の薄型単電池１１の全体の電気抵抗Ｒ_Ｂは、下記の（２）式で表すことができる。但し、下記の（２）式において、ｒ_ｂ１は正極端子１１４の電気抵抗であり、ｒ_ｂ２は負極端子１１５の電気抵抗であり、ｒ_Ｂは発電要素１１８の電気抵抗である。

ここで、上述のとおり、第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１とで同一の電極板１０１，１０３を用いているので、いずれの電極板１０１，１０３においても電気抵抗が同一となっている。従って、第１の薄型単電池１０における電気抵抗ｒ_Ａ、及び第２の薄型単電池１１における電気抵抗ｒ_Ｂは、それぞれ下記の（３）式及び（４）式で表すことができる。但し、下記の（３）式及び（４）式において、ｒ’は一対の電極板１０１，１０３の電気抵抗である。

上記の（１）式に（３）式を代入すると共に、正極端子１０４の電気抵抗ｒ_ａ１と負極端子１０５の電気抵抗ｒ_ａ２を同一の電気抵抗ｒ_ａとみなすと、第１の薄型単電池１０の全体電気抵抗Ｒ_Ａは、下記の（５）式のようになる。

同様に、上記の（２）式に（４）式を代入すると共に、正極端子１１４の電気抵抗ｒ_ｂ１と負極端子１１５の電気抵抗ｒ_ｂ２を同一の電気抵抗ｒ_ｂとみなすと、第２の薄型単電池１１の全体電気抵抗Ｒ_Ｂは、下記の（６）式のようになる。

ところで、エネルギ容量の異なる第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１とを並列接続した場合、それぞれの電極板１０１，１０３に流れる電流を同一（ｉ_Ａ＝ｉ_Ｂ）とすることで、薄型単電池の劣化のバラツキを抑制することができる。このためには、図６に示すように、第１の薄型単電池１０に流れる電流Ｉ_Ａが６組の電極板１０１，１０３に分流している（Ｉ_Ａ＝ｉ_Ａ＋ｉ_Ａ＋ｉ_Ａ＋ｉ_Ａ＋ｉ_Ａ＋ｉ_Ａ＝６ｉ_Ａ）のに対し、第２の薄型単電池１１に流れる電流Ｉ_Ｂは４組の電極板１０１，１０３に分流している（Ｉ_Ｂ＝ｉ_Ｂ＋ｉ_Ｂ＋ｉ_Ｂ＋ｉ_Ｂ＝４ｉ_Ｂ）ので、第１薄型単電池１０の電流Ｉ_Ａを、第２の薄型単電池１１の電流Ｉ_Ｂよりも大きく（Ｉ_Ａ＞Ｉ_Ｂ）する必要がある。そして、第１の薄型単電池１０の全体電気抵抗Ｒ_Ａを第２の薄型単電池１１の全体電気抵抗Ｒ_Ｂよりも小さく（Ｒ_Ａ＜Ｒ_Ｂ）することで、第１の薄型単電池１０の電流Ｉ_Ａを第２の薄型単電池１１の電流Ｉ_Ｂよりも大きく（Ｉ_Ａ＞Ｉ_Ｂ）することができるが、上記の（５）式及び（６）式において、電極板１０１，１０３の電気抵抗ｒ’は第１及び第２の薄型単電池１０，１１で共通であるので、電極端子の電気抵抗ｒ_ａ，ｒ_ｂに差をつける必要がある。

ここで、本実施形態では、第１の薄型単電池１０の正極端子１０４を第２の薄型単電池１１の正極端子１１４よりも厚くすると共に、第１の薄型単電池１０の負極端子１０５を第２の薄型単電池１１の負極端子１１５よりも厚くして、電極端子の断面積を変えることで、電極端子の電気抵抗ｒ_ａ，ｒ_ｂに差をつけている。

以上のように、本実施形態では、電極板１０１，１０３の積層数に応じて、電極端子を厚くしてその断面積を大きくすることで、薄型単電池１０，１１の劣化のバラツキを抑制することができる。また、電極端子の断面積が同一である場合と比較して、電極板１０１，１０３の積層数の多い第１の薄型単電池１０における電極端子１０４，１０５の加熱を抑えることができる。

以上に説明した２種類の薄型単電池１０，１１を組み合わせることで、種々のエネルギ容量の単電池ユニットを構成することができる。以下に、第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１とを用いて構成することのできる９種類の単電池ユニットのバリエーションについて説明する。

図７及び図８は本実施形態における第１〜第９の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｉを示す回路図、図９は本実施形態における第１の薄型単電池のエネルギ容量に対する第２の薄型単電池のエネルギ容量の比率と単電池ユニットのエネルギ容量との関係を示すグラフである。なお、図７及び図８においては、直流起電力の記号は、図３、図５及び図６と異なり、それぞれ薄型単電池を表現している。また、直流起電力の記号の添字Ａは、その直流起電力が第１の薄型単電池１０であることを示しており、添字Ｂは、その直流起電力が第２の薄型単電池１１であることを示している。

図７（ａ）は、第１の単電池ユニット２０Ａを示す回路図である。この第１の単電池ユニット２０Ａでは、先ず、３つの第１の薄型単電池１０を並列接続することで第１の単電池群２１Ａを構成し、同様に３つの第１の薄型単電池１０を並列接続することで第２の単電池群２２Ａを構成している。そして、第１の単電池群２１Ａと第２の単電池群２２Ａを直列接続することで、第１の単電池ユニット２０Ａが構成されている。図９に示すように、この第１の単電池ユニット２０Ａを用いて構成される組電池は、９種のバリエーションの中でエネルギ容量が最大となっている。

図７（ｂ）は、第２の単電池ユニット２０Ｂを示す回路図である。この第２の単電池ユニット２０Ｂでは、２つの第１の薄型単電池１０と１つの第２の薄型単電池１１とを並列接続することで第１の単電池群２１Ｂを構成し、同様に２つの第１の薄型単電池１０と１つの第２の薄型単電池１１とを並列接続することで第２の単電池群２２Ｂを構成している。そして、これらの単電池２１Ｂ，２１Ｂを直列接続することで、第２の単電池ユニット２０Ｂが構成されている。図９に示すように、この第２の単電池ユニット２０Ｂを用いて構成される組電池は、９種類のバリエーションの中でエネルギ容量が２番目に大きくなっている。

図７（ｃ）は、第３の単電池ユニット２０Ｃを示す回路図である。この第３の単電池ユニット２０Ｃでは、１つの第１の薄型単電池１０と２つの第２の薄型単電池１１とを並列接続することで第１の単電池群２１Ｃを構成し、同様に１つの第１の薄型単電池１０と２つの第２の薄型単電池１１とを並列接続することで第２の単電池群２２Ｃを構成している。そして、これらの単電池群２１Ｃ，２２Ｃを直列接続することで、第３の単電池ユニット２０Ｃが構成されている。図９に示すように、この第３の単電池ユニット２０Ｃを用いて構成される組電池は、９種類のバリエーションの中で第２の単電池ユニット２０Ｂに次いでエネルギ容量が大きくなっている。

図７（ｄ）は、第４の単電池ユニット２０Ｄを示す回路図である。この第４の単電池ユニット２０Ｄでは、３つの第２の薄型単電池１１を並列接続することで第１の単電池群２１Ｄを構成し、同様に３つの第２の薄型単電池１１を並列接続することで第２の単電池群２２Ｄを構成している。そして、これらの単電池群２１Ｄ，２２Ｄを直列接続することで、第４の単電池ユニット２０Ｄが構成されている。図９に示すように、この第４の単電池ユニット２０Ｄを用いて構成される組電池は、薄型単電池１０，１１のエネルギ容量比率が１：０．６０の場合を除いて、９種類のバリエーションの中で第３の単電池ユニット２０Ｃに次いでエネルギ容量が大きくなっている。

図８（ａ）は、第５の単電池ユニット２０Ｅを示す回路図である。この第５の単電池ユニット２０Ｅでは、２つの第１の薄型単電池１０が並列接続することで第１の単電池群２１Ｅを構成し、同様に２つの第１の薄型単電池１０を並列接続することで第２の単電池群２２Ｅを構成している。そして、これらの単電池群２１Ｅ，２２Ｅを直列接続することで、第５の単電池ユニット２０Ｅが構成されている。図９に示すように、この第５の単電池ユニット２０Ｅを用いて構成される組電池は、薄型単電池１０，１１のエネルギ容量比率が１：０．６０の場合を除いて、９種類のバリエーションの中で第４の単電池ユニット２０Ｄに次いでエネルギ容量が大きくなっている。

図８（ｂ）は、第６の単電池ユニット２０Ｆを示す回路図である。この第６の単電池ユニット２０Ｆでは、１つの第１の薄型単電池１０と１つの第２の薄型単電池１１とを並列接続することで第１の単電池群２１Ｆを構成し、１つの第１の薄型単電池１０と１つの第２の薄型単電池１１とを並列接続することで第２の単電池群２２Ｆを構成している。そして、これらの単電池群２１Ｆ，２２Ｆを直列接続することで、第６の単電池ユニット２０Ｆが構成されている。図９に示すように、この第６の単電池ユニット２０Ｆを用いて構成される組電池は、９種類のバリエーションの中で、第５の単電池ユニット２０Ｅに次いだエネルギ容量となっている。

図８（ｃ）は、第７の単電池ユニット２０Ｇを示す回路図である。この第７の単電池ユニット２０Ｇでは、２つの第２の薄型単電池１０を並列接続することで第１の単電池群２１Ｇを構成し、同様に２つの第２の薄型単電池１０を並列接続することで第２の単電池群２２Ｇを構成している。そして、これらの単電池群２１Ｇ，２２Ｇを直列接続することで、第７の単電池ユニット２０Ｇが構成されている。図９に示すように、この第７の単電池ユニット２０Ｇを用いて構成される組電池は、９種類のバリエーションの中で、第６の単電池ユニット２０Ｆに次いだエネルギ容量となっている。

図８（ｄ）は、第８の単電池ユニット２０Ｈを示す回路図である。この第８の単電池ユニット２０Ｈは、４つの第１の薄型単電池１０を直列接続することで構成されている。図９に示すように、この第８の単電池ユニット２０Ｈは、９種類のバリエーションの中で、第７の単電池ユニット２０Ｇに次いだエネルギ容量となっている。なお、この第８の単電池ユニット２０Ｈを用いて構成される組電池は、上述の第１〜第７の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｇよりも電圧が高くなっている。

図８（ｅ）は、第９の単電池ユニット２０Ｉを示す回路図である。この第９の単電池ユニット２０Ｉは、４つの第２の薄型単電池１１を直列接続することで構成されている。図９に示すように、この第９の単電池ユニット２０Ｉを用いて構成される組電池は、９種類のバリエーションの中でエネルギ容量が最小となっている。なお、この第９の単電池ユニット２０Ｉを用いて構成される組電池は、第８の単電池ユニット２０Ｈと同様に、上述の第１〜第７の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｇよりも電圧が高くなっている。

ここで、単電池ユニットの具体的な構造と、複数の単電池ユニットを組み合わせることで構成される組電池について、第６の単電池ユニット２０Ｆを例にとって説明する。図１０は本実施形態における第６の単電池ユニット２０Ｆの構造を示す断面図、図１１は本実施形態において第６の単電池ユニット２０Ｆを用いて構成される組電池の回路図である。

図９に示すように、第６の単電池ユニット２０Ｆは、２つの第１の薄型単電池１０と、２つの薄型単電池１１と、ケース２０１と、スペーサ２０２と、外部出力端子２０３と、を有している。第１の薄型単電池１０と第２の薄型単電池１１は、交互に積層されてケース２０１内に収容されている。ケース２０１としては、例えば、一方の面が開口した箱形状をなすロアケースと、その開口を閉じる蓋体をなすアッパーケースと、を有し、ロアケース及びアッパーケースの外周縁を巻き締めしたものを例示することができる。第１及び第２の薄型単電池１０，１１の電極端子は、スペーサ２０２内に配置されたバスバ等を介して、外部出力端子２０３に電気的に接続されている。

この第６の単電池ユニット２０Ｆを用いて電気自動車やハイブリッド自動車等のための組電池を構成する場合には、図１１に示すように、４８個の第６の単電池ユニット２０Ｆを直列接続することで、車輌一台分の組電池が構成される。特に図示しないが、第１〜第５及び第７の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｅ，２０Ｇを用いて組電池を構成する場合にも、４８個の単電池ユニットを直列接続することで、車輌一台分の組電池を構成することができる。一方、第８及び第９の単電池ユニット２０Ｈ，２０Ｉを用いて組電池を構成する場合には、２４個の単電池ユニットを直列接続することで、車輌一台分の組電池を構成することができる。なお、組電池における単電池ユニットの直列接続の数は、走行用モータ等の要求電圧に応じて適宜設定される。

以上のように、本実施形態では、エネルギ容量の異なる２つの薄型単電池１０，１１を組み合わせることで、エネルギ容量の異なる９種類の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｉを構成することができるが、第１〜第８の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｉをそれぞれ用いた組電池は、それぞれのエネルギ容量の差が均等であるほど、効果的な組電池のバリエーションを得ることができる。これに対し、図９に示すように、本実施形態では、第１の薄型単電池１０のエネルギ容量に対する第２の薄型単電池１１のエネルギ容量の比率を０．６〜０．８倍の範囲内とすることで、第１〜第９の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｉを用いて構成される組電池のエネルギ容量の間隔を比較的均等にすることができる。特に、第１の薄型単電池１０のエネルギ容量に対する第２の薄型単電池１１のエネルギ容量の比率を０．６７倍とすることで、第１〜第９の単電池ユニット２０Ａ〜２０Ｉを用いて構成される組電池のエネルギ容量の間隔をほぼ均等とすることができ、効果的な組電池のラインナップを得ることができる。

以上のように、本実施形態では、第１の薄型単電池１０と、電極板１０１，１０３の並列接続の数が当該第１の薄型単電池１０と異なる第２の薄型単電池１１と、を並列接続して単電池群を構成し、さらに負荷（モータやインバータ等）の要求電圧に応じて複数の単電池群を直列接続することで単電池ユニットを構成する。なお、負荷の要求電圧に応じて単独の単電池群で単電池ユニットを構成してもよい。

これに対し、エネルギ容量の異なる薄型単電池を多数用いて組電池を構成したり、薄型単電池自体のエネルギ容量を小さくして並列接続数を増減することで、要求されるエネルギ容量を満足する組電池を構成することもできる。

しかしながら、前者の場合には、薄型単電池の品種数が多くなることに伴って、設計変更や生産設備の変更、管理コストや工数の増加を招来する。また、エネルギ容量の異なる薄型単電池を多数接続すると、エネルギ容量の変化の差によって低エネルギ容量の使用範囲に制限されたり、さらにはバラツキによる過充放電のおそれが生じる。一方、後者の場合には、薄型単電池の数が膨大となる。

これに対し、本実施形態では、エネルギ容量の異なる第１及び第２の薄型単電池を並列接続することで、エネルギ容量のバリエーションを増やすことができるので、可能な限り少ない数や種類の薄型単電池によって多様なエネルギ容量の組電池を構成することができる。

また、本実施形態では、第１及び第２の薄型単電池１０，１１を並列接続した単電池群を直列接続することで、単電池ユニットを構成しているので、それぞれの単電池群のエネルギ容量を等価となりバラツキ（過充放電）を抑制することができる。すなわち、バラツキが従来と同様であるので、特別な過充放電などが不要で制御性が損なわれることはない。

さらに、エネルギ容量の異なる第１及び第２の薄型単電池１０，１１を製造に当たり、同一の電極板１０１，１０３の並列接続数を変えることで厚みのみを異ならせているので、生産性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、同一の単電池ユニットを直列接続することで組電池を構成するので、複数の異なる単電池ユニットを組み合わせて組電池を構成する場合と比較して、組電池内における単電池ユニットの寸法を統一することができるので、単電池ユニットの配置が容易になると共に、単電池ユニット間の配線の簡素化を図ることができる。

１０…第１の薄型単電池
１０１…正極板
１０１ａ…正極側集電体
１０１ｂ，１０１ｃ…正極層
１０２…セパレータ
１０３…負極板
１０３ａ…負極側集電体
１０３ｂ，１０３ｃ…負極層
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…上部外装部材
１０７…下部外装部材
１０８…発電要素
１１…第２の薄型単電池
１１４…正極端子
１１５…負極端子
１１８…発電要素
２０Ａ〜２０Ｉ…単電池ユニット
２０１…ケース
２０２…スペーサ
２０３…外部出力端子
２１Ａ〜２１Ｉ…第１の単電池群
２２Ａ〜２１Ｉ…第２の単電池群

Claims (5)

1. 複数の電極板をセパレータを介して積層し、前記電極板同士を直列又は並列に接続した発電要素を外装部材に収容した複数の薄型単電池を備えた単電池ユニットであって、
   複数の前記薄型単電池は、
   第１の薄型単電池と、
   前記第１の薄型単電池と実質的に同一形状の電極板を有し、前記電極板の積層数が前記第１の薄型単電池と異なり、前記電極板の直列接続の数が前記第１の薄型単電池と同一であり、前記電極板の並列接続の数が前記第１の薄型単電池と異なる第２の薄型単電池と、を含み、
   前記第１の薄型単電池と前記第２の薄型単電池を並列接続して単電池群を形成し、さらに１または複数の前記単電池群を直列接続した単電池ユニット。
2. 請求項１記載の単電池ユニットであって、
   前記第１の薄型単電池の電極板の電極層の厚さは、前記第２の薄型単電池の電極板の電極層の厚さと実質的に同一であることを特徴とする単電池ユニット。
3. 請求項１又は２に記載の単電池ユニットであって、
   前記薄型単電池は、複数の前記電極板と電気的に接続され、前記外装部材から導出している電極端子を有し、
   前記電極端子の断面積は、前記電極板の積層数が多いほど大きくなっていることを特徴とする単電池ユニット。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の単電池ユニットであって、
   前記第２の薄型単電池のエネルギ容量は、前記第１の薄型単電池のエネルギ容量に対して０．６〜０．８倍の範囲内であることを特徴とする単電池ユニット。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の複数の単電池ユニットを電気的に接続したことを特徴とする組電池。

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