JP2014112463A - パック電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の二次電池を並列に接続したパック電池において、高容量で且つ高出力特性の優れたものを得る。
【解決手段】パック電池１，２は、電池Ａを複数個（３個）直列に接続した電池グループ１０と、電池Ｂを複数個（３個）直列に接続した電池グループ２０とを配列して互いに並列に接続してなる電池群に、保護回路３０及びコネクタ３１が接続されて構成されている。
電池Ａ及び電池Ｂは、共に、リチウムイオン電池であって電池サイズも同一であるが、電池Ｂと比べて電池Ａは、発電素体の平均動作電圧が高く、且つ内部抵抗が低く設定されている。
【選択図】図１
【解決手段】パック電池１，２は、電池Ａを複数個（３個）直列に接続した電池グループ１０と、電池Ｂを複数個（３個）直列に接続した電池グループ２０とを配列して互いに並列に接続してなる電池群に、保護回路３０及びコネクタ３１が接続されて構成されている。
電池Ａ及び電池Ｂは、共に、リチウムイオン電池であって電池サイズも同一であるが、電池Ｂと比べて電池Ａは、発電素体の平均動作電圧が高く、且つ内部抵抗が低く設定されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、複数の電池を備えるパック電池に関する。
パック電池は、電動工具、電動アシスト自転車、電動バイク、さらにはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＰＥＶ）などの動力源としても広い範囲で使用されている。
これらのパック電池は、複数の二次電池をブロック状に配列した電池群に、リード板及び回路基板を装着し、外装ケース内に収容して構成されている。そして、電池群を構成する複数の二次電池は、直列及び並列に接続されている。
これらのパック電池は、複数の二次電池をブロック状に配列した電池群に、リード板及び回路基板を装着し、外装ケース内に収容して構成されている。そして、電池群を構成する複数の二次電池は、直列及び並列に接続されている。
各二次電池は、外装缶内に、正極板と負極板がセパレータを介して対向配置されてなる発電素体が収納され、その開口部が封口されて構成されている。
二次電池の種類としては、比較的出力の高い二次電池であるリチウムイオン電池あるいはアルカリ二次電池が多く用いられている。
そして、並列に接続される複数の二次電池は、基本的に、容量、内部抵抗及び平均動作電圧などの電池特性が同じものが用いられている。
二次電池の種類としては、比較的出力の高い二次電池であるリチウムイオン電池あるいはアルカリ二次電池が多く用いられている。
そして、並列に接続される複数の二次電池は、基本的に、容量、内部抵抗及び平均動作電圧などの電池特性が同じものが用いられている。
このようなパック電池において、高容量で且つ高出力を得ることが要求されることも多い。特に、電気自動車などでは、走行距離が長く、高出力で走行できることが求められるので、それを駆動するパック電池においても、高容量であり且つ高出力特性に優れることが求められる。
また、パック電池を低温下で高出力放電すると、放電初期において電圧ドロップが発生しやすいので、この放電初期における電圧ドロップを抑えることも求められる。
また、パック電池を低温下で高出力放電すると、放電初期において電圧ドロップが発生しやすいので、この放電初期における電圧ドロップを抑えることも求められる。
そこで、パック電池の容量と高出力特性を良好にするために、二次電池自体の容量と高出力特性を良好にするための開発もなされているが、二次電池の容量と高出力特性を共に高くするにも制約があり、一方の特性をさらに高めるようとすると、他方の特性が損なわれる傾向にある。
例えば、同じサイズのリチウムイオン電池において、高容量にするために発電素体を構成する極板の厚みを大きく設定すると、高出力駆動時における発熱が大きくなってサイクル寿命が短くなったり、放電初期における電圧ドロップが大きくなりやすい。一方、高出力駆動に適するよう、内部抵抗を低くするために、発電素体を構成する極板の厚みを小さく設定すると、電池容量は低下しやすい。
例えば、同じサイズのリチウムイオン電池において、高容量にするために発電素体を構成する極板の厚みを大きく設定すると、高出力駆動時における発熱が大きくなってサイクル寿命が短くなったり、放電初期における電圧ドロップが大きくなりやすい。一方、高出力駆動に適するよう、内部抵抗を低くするために、発電素体を構成する極板の厚みを小さく設定すると、電池容量は低下しやすい。
本発明は、上記課題に鑑み、複数の二次電池を並列に接続したパック電池において、高容量で且つ高出力特性の優れたものを得ることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、第１電池グループ及び第２電池グループが並列接続された電池群を備え、第１電池グループ及び第２電池グループを、同じ種類の二次電池で構成し、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池を、平均動作電圧が高く且つ内部抵抗が小さくなるように設定した。
一般的に二次電池は、発電素体の種類によって、リチウムイオン電池（リチウムポリマー電池を含む）、ニッケル水素電池、ニカド電池、鉛蓄電池といった種類に分けられているが、上記「同じ種類の二次電池」は、その種類が互いに同じである二次電池を指す。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池及び第２電池グループに属する二次電池の種類は、共にリチウムイオン電池であることが好ましく、この場合、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池として、発電素体を構成する正極板（正極活物質）の作動電位が高いものを用いることによって、発電素体の平均動作電圧を高く設定することができる。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池及び第２電池グループに属する二次電池の種類は、共にリチウムイオン電池であることが好ましく、この場合、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池として、発電素体を構成する正極板（正極活物質）の作動電位が高いものを用いることによって、発電素体の平均動作電圧を高く設定することができる。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池を、発電素体を構成する正極板と負極板の対向面積が大きくなるように設定することによって、電池の内部抵抗を小さくすることができる。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池の数と、第２電池グループに属する二次電池の数を同じにして、各グループに属する二次電池同士を直列接続することも好ましい。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池の数と、第２電池グループに属する二次電池の数を同じにして、各グループに属する二次電池同士を直列接続することも好ましい。
第１電池グループ及び第２電池グループを、電池群がブロック状になるように配列し、第１電池グループがその中央部に偏在させることも好ましい。
上記本発明に係るパック電池においては、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池は、発電素体の平均動作電圧が高く且つ内部抵抗が小さいので、大電流で充放電するときに、内部抵抗の小さい第２電池グループを電流が多く流れる。従って、第１電池グループに属する二次電池と同じ二次電池だけで構成したパック電池と比べると、発熱が少ないので、サイクル寿命が向上する。
また、二次電池を低抵抗となるように設計すると電池容量は低下しやすいので、本発明のパック電池は、第１電池グループに属する二次電池だけで構成したパック電池と比べると全体の容量が低下する傾向にあるが、第２電池グループに属する二次電池だけで構成したパック電池と比べると全体の容量を大きくできる。
また、本発明のパック電池に含まれる第２電池グループに属する二次電池は、第１電池グループに属する二次電池と比べて発電素体の平均動作電圧が高いので、第１電池グループに属する二次電池だけで構成したパック電池と比べると放電初期における電圧ドロップが抑えられる。
また、本発明のパック電池に含まれる第２電池グループに属する二次電池は、第１電池グループに属する二次電池と比べて発電素体の平均動作電圧が高いので、第１電池グループに属する二次電池だけで構成したパック電池と比べると放電初期における電圧ドロップが抑えられる。
以上のように、本発明のパック電池によれば、高容量で且つ高出力に適したものが得られ、放電初期における電圧ドロップも抑えることができる。すなわち、高出力と高容量をバランスよく得ることができる。
なお、一般的に作動電圧の違う電池を並列接続するとアンバランスによる支障が生じやすいが、本発明のパック電池では、両電池グループに用いられている二次電池の種類が同じなので、第１電池グループに属する二次電池と第２電池グループに属する二次電池の電圧差はわずかであり、並列接続しても特に支障はない。
なお、一般的に作動電圧の違う電池を並列接続するとアンバランスによる支障が生じやすいが、本発明のパック電池では、両電池グループに用いられている二次電池の種類が同じなので、第１電池グループに属する二次電池と第２電池グループに属する二次電池の電圧差はわずかであり、並列接続しても特に支障はない。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池及び第２電池グループに属する二次電池の種類としては、リチウムイオン電池をはじめとして、ニッケル水素電池、ニカド電池が挙げられるが、特に、リチウムイオン電池（リチウムポリマー電池を含む）を用いることによって、高エネルギー密度のパック電池を得ることができる。
この場合、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池は、発電素体を構成する正極活物質の作動電位が高いものを用いることによって、発電素体の平均動作電圧を高くすることができる。
この場合、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池は、発電素体を構成する正極活物質の作動電位が高いものを用いることによって、発電素体の平均動作電圧を高くすることができる。
また、第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池を、発電素体を構成する正極板と負極板の対向面積が大きくなるよう設定することによって、電池の内部抵抗を小さくすることができる。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池の数と、第２電池グループに属する二次電池の数を同じにして、各グループに属する二次電池同士を直列接続することも、高出力を得る上で好ましい。
上記本発明のパック電池において、第１電池グループに属する二次電池の数と、第２電池グループに属する二次電池の数を同じにして、各グループに属する二次電池同士を直列接続することも、高出力を得る上で好ましい。
第１電池グループ及び第２電池グループは、電池群がブロック状になるように配列することがパック電池のスペース効率をよくする上で好ましいが、このとき、第１電池グループをその中央部に偏在させることによって、高出力時の電池温度上昇を抑えることができる。
以下、本発明の構成及び作用効果について、実施形態に基づいて説明する。
図１（ａ），（ｂ）は、実施形態にかかるパック電池１，２の構成を示す図である。
パック電池１，２は、作動電圧、内部抵抗、容量などの特性が互いに異なる電池Ａと電池Ｂとを組み合わせて並列接続した電池群を備えている。
電池Ａ及び電池Ｂは、共に、リチウムイオン電池であって電池サイズも同一であるが、電池Ｂと比べて電池Ａは、発電素体の平均動作電圧が高く、且つ内部抵抗が低く設定されている。
図１（ａ），（ｂ）は、実施形態にかかるパック電池１，２の構成を示す図である。
パック電池１，２は、作動電圧、内部抵抗、容量などの特性が互いに異なる電池Ａと電池Ｂとを組み合わせて並列接続した電池群を備えている。
電池Ａ及び電池Ｂは、共に、リチウムイオン電池であって電池サイズも同一であるが、電池Ｂと比べて電池Ａは、発電素体の平均動作電圧が高く、且つ内部抵抗が低く設定されている。
そして、パック電池１，２は、電池Ａを複数個（３個）直列に接続した電池グループ１０と、電池Ｂを複数個（３個）直列に接続した電池グループ２０とを、並列に接続してなる電池群に、保護回路３０及びコネクタ３１が接続されて構成されている。
図１（ａ）に示すパック電池１では、１つの電池グループ１０と、３つの電池グループ２０とが、並列に接続されている。一方図１（ｂ）に示すパック電池２では、３つの電池グループ１０と、１つの電池グループ２０とが、並列に接続されている。
図１（ａ）に示すパック電池１では、１つの電池グループ１０と、３つの電池グループ２０とが、並列に接続されている。一方図１（ｂ）に示すパック電池２では、３つの電池グループ１０と、１つの電池グループ２０とが、並列に接続されている。
電池グループ１０及び電池グループ２０の配列の仕方については、電池群がブロック状となるよう配列することがスペース効率の上で好ましい。例えば、図１に示すように行列状に配列してもよいし、行列状に配列したものを複数積み重ねるように配列してもよい。
保護回路３０には、過充電、過放電、過電流などから電池を保護する回路が設けられている。
保護回路３０には、過充電、過放電、過電流などから電池を保護する回路が設けられている。
コネクタ３１は、充電器或いは外部負荷と接続したり分離したりするための外部端子である。
充電器については、従来から一般的に用いられているリチウムイオン電池用の充電器を用いて充電することができる。
[電池Ａ，電池Ｂの構成の具体例]
電池Ａ：
電池Ａは、出力：５．６Ｗｈ、容量：１．５Ａｈ、ＡＣ抵抗：約１５ｍΩであって、以下のように作製することができる。
充電器については、従来から一般的に用いられているリチウムイオン電池用の充電器を用いて充電することができる。
[電池Ａ，電池Ｂの構成の具体例]
電池Ａ：
電池Ａは、出力：５．６Ｗｈ、容量：１．５Ａｈ、ＡＣ抵抗：約１５ｍΩであって、以下のように作製することができる。
正極板：ＬｉＮｉ0.33Ｃｏ0.34Ｍｎ0.33Ｏ2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを正極活物質ａとし、スピネル型マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）を正極活物質ｂとした。
正極活物質ａと正極活物質ｂとを、質量比率が正極活物質ａ：正極活物質ｂ＝８０：２０となるように混合して、正極活物質とした。
正極活物質ａと正極活物質ｂとを、質量比率が正極活物質ａ：正極活物質ｂ＝８０：２０となるように混合して、正極活物質とした。
正極活物質が９４重量部、導電剤としての炭素粉末が３重量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）粉末が３重量部となるよう混合し、これをＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液と混合して正極合剤スラリーを調製した。
このスラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム製の正極芯体の両面にドクターブレード法により塗布し、その後圧縮ローラーを用いて圧縮することで、正極板を作製した。
このスラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム製の正極芯体の両面にドクターブレード法により塗布し、その後圧縮ローラーを用いて圧縮することで、正極板を作製した。
正極板の厚みは約９０μｍとした。
負極板：負極活物質としての黒鉛９７．５質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）１．０質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）１．５質量部と、適量の水とを混合して、負極合剤スラリーを調製した。
このスラリーを厚さ１０μｍの銅製の負極芯体の両面にドクターブレード法により塗布し、その後、乾燥機中を通過させて乾燥することにより、負極芯体の両面に負極活物質層を形成した。次いで圧縮ローラーを用いて圧縮することによって負極板を作成した。
負極板：負極活物質としての黒鉛９７．５質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）１．０質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）１．５質量部と、適量の水とを混合して、負極合剤スラリーを調製した。
このスラリーを厚さ１０μｍの銅製の負極芯体の両面にドクターブレード法により塗布し、その後、乾燥機中を通過させて乾燥することにより、負極芯体の両面に負極活物質層を形成した。次いで圧縮ローラーを用いて圧縮することによって負極板を作成した。
負極板の厚みは、約８０μｍとした。
非水電解液：エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）を、体積比で３５：２０：４５（２５℃）となるように混合した混合溶媒に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を３．０質量％となるように添加し、さらに、電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて、非水電解液とした。
非水電解液：エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）を、体積比で３５：２０：４５（２５℃）となるように混合した混合溶媒に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を３．０質量％となるように添加し、さらに、電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて、非水電解液とした。
電池の作製：上記のようにして得られた正極板及び負極板を、ポリプロピレン製微多孔膜からなるセパレータを介して巻回して巻回電極体を作製し、円筒形の電池外装缶内に巻回電極体と上記の非水電解液を封入して、円筒形非水電解質二次電池を作製した。
円筒形非水電解質二次電池のサイズは、高さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍであり、設計容量は１５００ｍＡｈであり、正負極板の対向面サイズは、長さ約７９０ｍｍ×幅約５６ｍｍ ＝ 約４４２ｃｍ2である。
円筒形非水電解質二次電池のサイズは、高さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍであり、設計容量は１５００ｍＡｈであり、正負極板の対向面サイズは、長さ約７９０ｍｍ×幅約５６ｍｍ ＝ 約４４２ｃｍ2である。
電池Ｂ：
電池Ｂは、出力：９．８Ｗｈ、容量：２．６５Ａｈ、ＡＣ抵抗：約４０ｍΩであって、以下のように作製できる。
正極板：ＬｉＮｉ0.33Ｃｏ0.34Ｍｎ0.33Ｏ2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを正極活物質ａとし、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）を正極活物質ｃとした。
電池Ｂは、出力：９．８Ｗｈ、容量：２．６５Ａｈ、ＡＣ抵抗：約４０ｍΩであって、以下のように作製できる。
正極板：ＬｉＮｉ0.33Ｃｏ0.34Ｍｎ0.33Ｏ2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを正極活物質ａとし、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）を正極活物質ｃとした。
正極活物質ａと正極活物質ｃとを、質量比率が正極活物質ａ：正極活物質ｃ＝１０：９０となるように混合して、正極活物質とした。
正極活物質が９４重量部、導電剤としての炭素粉末が３重量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）粉末が３重量部となるよう混合し、これをＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液と混合して正極合剤スラリーを調製した。
正極活物質が９４重量部、導電剤としての炭素粉末が３重量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）粉末が３重量部となるよう混合し、これをＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液と混合して正極合剤スラリーを調製した。
このスラリーを厚さ２０μｍのアルミニウム製の正極芯体の両面にドクターブレード法で塗布し、その後圧縮ローラーで圧縮することにより、正極板を作製した。
正極板厚みは約１４５μｍとした。
負極板：負極活物質としての黒鉛９５質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）２質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）３質量部と、適量の水とを混合して負極合剤スラリーを調製した。
正極板厚みは約１４５μｍとした。
負極板：負極活物質としての黒鉛９５質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）２質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）３質量部と、適量の水とを混合して負極合剤スラリーを調製した。
このスラリーを、厚さ１２μｍの銅製の負極芯体の両面にドクターブレード法で塗布し、その後、乾燥機中を通過させて乾燥することにより、負極芯体の両面に負極活物質層を形成した。次いで圧縮ローラーを用いて圧縮することによって負極板を作成した。
負極板の厚みは約１５０μｍとした。
非水電解液：フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）とを、体積比で２０：５：７５（２５℃）となるように混合した混合溶媒に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を０．５質量％となるように添加し、さらに、電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を、１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて、非水電解液とした。
負極板の厚みは約１５０μｍとした。
非水電解液：フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）とを、体積比で２０：５：７５（２５℃）となるように混合した混合溶媒に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を０．５質量％となるように添加し、さらに、電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を、１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解させて、非水電解液とした。
電池の作製：上記のようにして得られた正極板及び負極板を、ポリプロピレン製微多孔膜からなるセパレータを介して巻回して巻回電極体を作製し、円筒形の電池外装缶内に巻回電極体と上記の非水電解液を封入して、円筒形非水電解質二次電池を作製した。
得られた円筒形非水電解質二次電池のサイズは、高さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍであり、設計容量は２６５０ｍＡｈであり、正負極板の対向面サイズは、長さ約６３０ｍｍ×幅約５７ｍｍ＝ 約３６０ｃｍ2である。
得られた円筒形非水電解質二次電池のサイズは、高さ６５ｍｍ、直径１８ｍｍであり、設計容量は２６５０ｍＡｈであり、正負極板の対向面サイズは、長さ約６３０ｍｍ×幅約５７ｍｍ＝ 約３６０ｃｍ2である。
以上のように、電池Ａと電池Ｂは、サイズは同じであるが、電池Ａは電池Ｂと比べて、正負極板が薄長であり、正負極の対向面積が大きく設定されている。それに伴って、電池Ａの内部抵抗（ＡＣ抵抗約１５ｍΩ）が、電池Ｂの内部抵抗（ＡＣ抵抗約４０ｍΩ）よりも小さくなっている。
また、各電池の平均動作電圧（Ｖ）を、出力（Ｗｈ）／容量（Ａｈ）で計算すると、電池Ａの平均動作電圧（５．６÷１．５＝３．７３Ｖ）の方が、電池Ｂの平均動作電圧（９．８÷２．６５＝３．７０Ｖ）よりも高い。
また、各電池の平均動作電圧（Ｖ）を、出力（Ｗｈ）／容量（Ａｈ）で計算すると、電池Ａの平均動作電圧（５．６÷１．５＝３．７３Ｖ）の方が、電池Ｂの平均動作電圧（９．８÷２．６５＝３．７０Ｖ）よりも高い。
これは、主に、電池Ａの正極板に用いられている正極活物質の作動電位が、電池Ｂの正極板に用いられている正極活物質の作動電位よりも高いためである。
なお、上記の例では、電池Ａの正極活物質として、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムと、スピネル型マンガン酸リチウムとを組み合わせて用い、電池Ｂの正極活物質として、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムとを組み合わせて用いたが、この他にＬｉＮｉＯ2なども組み合わせて用いてもよく、一般にリチウムイオン電池に用いられている正極活物質から選択して組み合わせて用いることができる。
なお、上記の例では、電池Ａの正極活物質として、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムと、スピネル型マンガン酸リチウムとを組み合わせて用い、電池Ｂの正極活物質として、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムとを組み合わせて用いたが、この他にＬｉＮｉＯ2なども組み合わせて用いてもよく、一般にリチウムイオン電池に用いられている正極活物質から選択して組み合わせて用いることができる。
[パック電池１，２による効果]
上記のパック電池１，２において、電池グループ２０に属する電池Ｂと比べて、電池グループ１０に属する電池Ａは、内部抵抗が小さいので、電池グループ１０の割合が多くなるにつれてパック電池の内部抵抗は小さくなる。従って、パック電池の電池群を電池Ｂだけで構成した場合と比べると、パック電池１，２は、高出力時における発熱が少なくなり、サイクル寿命が向上する。
上記のパック電池１，２において、電池グループ２０に属する電池Ｂと比べて、電池グループ１０に属する電池Ａは、内部抵抗が小さいので、電池グループ１０の割合が多くなるにつれてパック電池の内部抵抗は小さくなる。従って、パック電池の電池群を電池Ｂだけで構成した場合と比べると、パック電池１，２は、高出力時における発熱が少なくなり、サイクル寿命が向上する。
一方、電池Ａは電池Ｂと比べて電池容量が小さいので、電池Ｂからなる電池グループ２０を４つ並列接続した場合と比べると、パック電池１，２の容量は小さいが、パック電池の電池群を電池Ａからなる電池グループ１０を４つ並列接続した場合と比べると、パック電池１，２の容量は大きくなる。
また、電池Ｂからなる電池グループ２０だけを並列接続したパック電池においては、低温下にて大電流で放電したときに放電初期における電圧ドロップが生じやすいが、パック電池１，２においては、電池Ｂよりも平均動作電圧が高い電池Ａからなる電池グループ１０が並列接続されているので、放電初期における電圧ドロップが抑えられる。
また、電池Ｂからなる電池グループ２０だけを並列接続したパック電池においては、低温下にて大電流で放電したときに放電初期における電圧ドロップが生じやすいが、パック電池１，２においては、電池Ｂよりも平均動作電圧が高い電池Ａからなる電池グループ１０が並列接続されているので、放電初期における電圧ドロップが抑えられる。
以上のように、パック電池１，２によれば、高容量で且つ高出力に適したものとし、放電初期における電圧ドロップも抑えることができる。
次に、パック電池１とパック電池２とを比べると、パック電池１では電池Ａで構成された電池グループ１０の数と電池Ｂで構成された電池グループ２０の数の比率が１：３であり、パック電池２では電池グループ１０の数と電池グループ２０の数の比率が３：１である。従って、電池容量についてはパック電池２よりパック電池１の方が大きくなり、高出力特性についてはパック電池１よりパック電池２の方が高くなる。
次に、パック電池１とパック電池２とを比べると、パック電池１では電池Ａで構成された電池グループ１０の数と電池Ｂで構成された電池グループ２０の数の比率が１：３であり、パック電池２では電池グループ１０の数と電池グループ２０の数の比率が３：１である。従って、電池容量についてはパック電池２よりパック電池１の方が大きくなり、高出力特性についてはパック電池１よりパック電池２の方が高くなる。
このように、並列に接続する電池グループ１０の数と電池グループ２０の数の比率を変えることによって、電池容量と高出力特性とのいずれに重点を置くかを調整することもできる。
なお、一般的に、電圧などの特性が異なる電池を並列に接続すると、アンバランスによる支障が生じやすいと考えられているが、パック電池１，２では、用いられている電池Ａの電圧と電池Ｂの電圧は差がわずかであって、特に支障はない。
なお、一般的に、電圧などの特性が異なる電池を並列に接続すると、アンバランスによる支障が生じやすいと考えられているが、パック電池１，２では、用いられている電池Ａの電圧と電池Ｂの電圧は差がわずかであって、特に支障はない。
電池Ａ及び電池Ｂを用いて、４本の電池を並べて配置し、互いに並列に接続して、実施例及び比較例にかかるパック電池を構成した。そして、各パック電池について充放電試験などを行った。
図２（ａ）〜（ｄ）は、実施例１，２及び比較例１，２にかかるパック電池を示す図である。
図２（ａ）〜（ｄ）は、実施例１，２及び比較例１，２にかかるパック電池を示す図である。
（ａ）の実施例１及び（ｂ）の実施例２は、いずれも３個の電池Ｂと１個の電池Ａを配列して並列に接続したものであるが、実施例１では電池Ａを端の位置に配置し、実施例２では電池Ａを中央位置に配置している。
一方、（ｃ）の比較例１は電池Ｂを４個配列して並列に接続したもの、（ｄ）の比較例２は電池Ａを４個配列して並列に接続したものである。
一方、（ｃ）の比較例１は電池Ｂを４個配列して並列に接続したもの、（ｄ）の比較例２は電池Ａを４個配列して並列に接続したものである。
実施例１，２と比較例１，２とで、パック電池の内部抵抗及び容量を比較すると、比較例１、実施例１，２、比較例２の順に、内部抵抗は小さくなり、容量は大きくなる。
電池Ａの内部抵抗１５ｍΩ、容量１．５Ａｈ、電池Ｂの内部抵抗４０ｍΩ、２．６５Ａｈ、パック電池に流れる電流を１０Ａとして計算すると、実施例１，２、比較例１，２の内部抵抗、内部抵抗損失、容量は、表１に示す通りである。
電池Ａの内部抵抗１５ｍΩ、容量１．５Ａｈ、電池Ｂの内部抵抗４０ｍΩ、２．６５Ａｈ、パック電池に流れる電流を１０Ａとして計算すると、実施例１，２、比較例１，２の内部抵抗、内部抵抗損失、容量は、表１に示す通りである。
（実験１）高電流放電試験
実施例１、比較例１，２のパック電池について、高電流で放電試験を行った。
充電は、２５℃、４．２Ｖで一定の電流（０．５Ｃ）で行い、充電電流が１／５０Ｃまで低下した時点で充電を停止した。
放電は、−１０℃，０℃，１０℃，４０℃の各温度の環境下で、一定の電流（１０Ａ）で行い、電圧が２．７５Ｖまで低下したときに放電を停止した。そしてこの放電時における電圧の変化を測定した。
実施例１、比較例１，２のパック電池について、高電流で放電試験を行った。
充電は、２５℃、４．２Ｖで一定の電流（０．５Ｃ）で行い、充電電流が１／５０Ｃまで低下した時点で充電を停止した。
放電は、−１０℃，０℃，１０℃，４０℃の各温度の環境下で、一定の電流（１０Ａ）で行い、電圧が２．７５Ｖまで低下したときに放電を停止した。そしてこの放電時における電圧の変化を測定した。
図３は、実施例１及び比較例１，２について、放電時における放電量と電圧との関係を示す特性図であって、−１０℃の低温で放電したときのものである。
図３に示される放電曲線の形状において、比較例１では、放電量が少ないとき、すなわち放電初期において電圧ドロップが見られる。このように電圧ドロップが生じると、保護回路３０が誤動作する原因にもなり得るが、実施例１，比較例２では、放電初期における電圧ドロップは見られず、電圧は漸次低下している。
図３に示される放電曲線の形状において、比較例１では、放電量が少ないとき、すなわち放電初期において電圧ドロップが見られる。このように電圧ドロップが生じると、保護回路３０が誤動作する原因にもなり得るが、実施例１，比較例２では、放電初期における電圧ドロップは見られず、電圧は漸次低下している。
一方、パック電池の放電容量については、実施例１は、比較例１よりも劣るが、比較例２よりも優れていることが、図３からもわかる。
（実験２）高電流放電時の温度測定
実施例１及び比較例１について、上記のように充放電を行いながら、電池温度の変化を測定した。電池温度の測定については、図２（ａ），（ｂ）に示すように４つの各電池の温度ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔ4を測定した。
（実験２）高電流放電時の温度測定
実施例１及び比較例１について、上記のように充放電を行いながら、電池温度の変化を測定した。電池温度の測定については、図２（ａ），（ｂ）に示すように４つの各電池の温度ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔ4を測定した。
図４は、実施例１及び比較例１について、放電時における放電量と電圧との関係、並びに電池温度変化を示す特性図であって、−１０℃で放電したときのものである。
なお、図４に示す温度は、温度ｔ1〜ｔ4の平均である。
図４に示されるように、実施例１は比較例１と比べて、温度上昇が少ない。これは、実施例１の方が高出力時における発熱が少ないことを示している。
なお、図４に示す温度は、温度ｔ1〜ｔ4の平均である。
図４に示されるように、実施例１は比較例１と比べて、温度上昇が少ない。これは、実施例１の方が高出力時における発熱が少ないことを示している。
これは、上述したように実施例１の方が、比較例１と比べて内部抵抗が小さいためと考えられる。
以上の結果から、実施例１のパック電池によれば、放電容量を確保しながら高出力時における発熱を抑えることができ、放電初期の電圧低下も抑えられることがわかる。
（実験３）充放電サイクル試験
実施例１及び比較例１，２のパック電池について、充放電サイクル試験を行った。
以上の結果から、実施例１のパック電池によれば、放電容量を確保しながら高出力時における発熱を抑えることができ、放電初期の電圧低下も抑えられることがわかる。
（実験３）充放電サイクル試験
実施例１及び比較例１，２のパック電池について、充放電サイクル試験を行った。
充電は、２５℃、４．２Ｖで一定の電流（２．５Ａ）で行い、充電電流が１００ｍＡまで低下した時点で充電を停止した。
放電は、２５℃で、一定の電流（５．０Ａ）で行い、電圧が２．５Ｖまで低下したときに放電を停止した。
上記の充放電を１サイクルとして、放電容量を測定しながら充放電を繰り返した。
放電は、２５℃で、一定の電流（５．０Ａ）で行い、電圧が２．５Ｖまで低下したときに放電を停止した。
上記の充放電を１サイクルとして、放電容量を測定しながら充放電を繰り返した。
図５は、充放電サイクル試験の結果を示すもので、サイクル数と放電容量との関係を示す特性図である。
図５からわかるように、実施例１は、比較例２よりもサイクル寿命が短いが、比較例１と比べると、サイクル寿命は長くなっている。
放電容量が初期の放電容量の６０％に低下するサイクル数をサイクル寿命とすると、サイクル寿命は比較例１では１２４０サイクル、実施例１では１５３０サイクル、実施例２では１７００サイクルであって、比較例１のサイクル寿命と比べて、実施例１ではサイクル寿命が２３％増加、比較例２では３７％増加している。
図５からわかるように、実施例１は、比較例２よりもサイクル寿命が短いが、比較例１と比べると、サイクル寿命は長くなっている。
放電容量が初期の放電容量の６０％に低下するサイクル数をサイクル寿命とすると、サイクル寿命は比較例１では１２４０サイクル、実施例１では１５３０サイクル、実施例２では１７００サイクルであって、比較例１のサイクル寿命と比べて、実施例１ではサイクル寿命が２３％増加、比較例２では３７％増加している。
このように実施例１が比較例１と比べてサイクル寿命が長いのも、上記のように実施例１の方が高出力時における発熱が少ないためと考えられる。
（実験４）実施例１と実施例２について高電流放電時の温度測定
図２（ａ）に示す実施例１と図２（ｂ）に示す実施例２にかかるパック電池について、上記実験２と同様に充放電を行いながら、電池温度の変化を測定した。
（実験４）実施例１と実施例２について高電流放電時の温度測定
図２（ａ）に示す実施例１と図２（ｂ）に示す実施例２にかかるパック電池について、上記実験２と同様に充放電を行いながら、電池温度の変化を測定した。
ただし、放電は、２５℃の環境下で、一定の電流（２０Ａ）で行い、電圧が２．７５Ｖまで低下したときに放電を停止した。また、電池の温度測定は、図２（ａ），（ｂ）において符号Ｔで示す位置（４つの電池が配列された電池群の中央位置）で行った。
図６は、実施例１及び実施例２について、高電流放電時における放電量と電圧との関係を示す特性図、並びに電池温度の変化を示す特性図である。
図６は、実施例１及び実施例２について、高電流放電時における放電量と電圧との関係を示す特性図、並びに電池温度の変化を示す特性図である。
図６の結果から、放電量と電圧との関係については、実施例１と実施例２との間に差はほとんどみられないが、電池温度については実施例１よりも実施例２の方が低くなっていることがわかる。
実施例１と実施例２は、パック電池の内部抵抗は同等なので、全体の発熱量はほぼ同等と考えられるが、上記図６の結果では実施例２の方が電池群の中央部分の温度上昇が少ないことから、低抵抗の電池Ａを電池群の中央位置に配置する方が、温度上昇を低減することができ、サイクル特性を向上させる上で好ましいと考えられる。
実施例１と実施例２は、パック電池の内部抵抗は同等なので、全体の発熱量はほぼ同等と考えられるが、上記図６の結果では実施例２の方が電池群の中央部分の温度上昇が少ないことから、低抵抗の電池Ａを電池群の中央位置に配置する方が、温度上昇を低減することができ、サイクル特性を向上させる上で好ましいと考えられる。
このことから、電池グループＡをブロック状の電池群の中央領域に偏在させることによって、高出力時の温度上昇を低減することができると考えられる。
この理由は、電池Ａ及び電池Ｂに流れる電流に差があまりない場合、電池Ａの発熱量は、電池Ｂに比べて小さくなる。このような電池Ａをパック電池の中央に配置させた場合、両側の発熱量の大きな電池Ｂの発熱を吸収するような形でパック電池全体を均熱化することができる。これに対して、電池Ａをパック電池の端に配置させた場合、電池Ｂからの発熱を電池Ａで十分に吸収することができず、パック電池の全体の均熱化が図れず、パック電池全体の温度が上昇すると考えられる。
この理由は、電池Ａ及び電池Ｂに流れる電流に差があまりない場合、電池Ａの発熱量は、電池Ｂに比べて小さくなる。このような電池Ａをパック電池の中央に配置させた場合、両側の発熱量の大きな電池Ｂの発熱を吸収するような形でパック電池全体を均熱化することができる。これに対して、電池Ａをパック電池の端に配置させた場合、電池Ｂからの発熱を電池Ａで十分に吸収することができず、パック電池の全体の均熱化が図れず、パック電池全体の温度が上昇すると考えられる。
また、電池Ａに流れる電流が非常に大きい場合、電池Ａのほうが電池Ｂに対して発熱量が大きくなることがある。この場合でも、電池Ａをパック電池の中央に配置させることにより、電池Ａの両側に電池Ｂが隣接するため放熱性が向上して、パック電池全体の均熱効果が高くなり、温度上昇を抑制することができる。これに対して、電池Ａがパック電池の端に配置している場合、電池Ａに隣接する電池Ｂが片側だけなので放熱性が低下し、パック電池全体を均熱化できず温度が上昇すると考えられる。
（変形例など）
パック電池１及びパック電池２においては、３つの二次電池を直列に接続した電池ブロックを４つ並列接続して電池群を構成しているが、４つの二次電池を並列に接続した並列ブロックを３つ直列に接続しても、同様のパック電池を構成することができ、同様の効果を奏する。
パック電池１及びパック電池２においては、３つの二次電池を直列に接続した電池ブロックを４つ並列接続して電池群を構成しているが、４つの二次電池を並列に接続した並列ブロックを３つ直列に接続しても、同様のパック電池を構成することができ、同様の効果を奏する。
また、パック電池１及びパック電池２においては、平均動作電圧及び内部抵抗が異なる２つの電池グループ１０，２０を組み合わせて並列接続したが、平均動作電圧及び内部抵抗が異なる３つ以上の電池グループを組み合わせて並列接続することによってパック電池を構成することもできる。
上記実施形態においては、電池Ｂと比べて電池Ａにおいて、正極板と負極板の対向面積を広く設定することによって内部低抵を低くしたが、用いる活物質の種類によっても極板の抵抗が変わるので、より低抵抗となる活物質を選択して用いることによって電池の内部抵抗を低く設定することもできる。
上記実施形態においては、電池Ｂと比べて電池Ａにおいて、正極板と負極板の対向面積を広く設定することによって内部低抵を低くしたが、用いる活物質の種類によっても極板の抵抗が変わるので、より低抵抗となる活物質を選択して用いることによって電池の内部抵抗を低く設定することもできる。
上記パック電池１，２においては、電池Ａ、電池Ｂともに電池の種類がリチウムイオン電池であったが、本発明のパック電池は、必ずしもリチウムイオン電池に限られず、例えば、作動電位が異なる電極活物質を用いたニッケル水素電池を組み合わせたパック電池、あるいは作動電位が異なる電極活物質を用いたニカド電池を組み合わせたパック電池にも適用できる。
本発明にかかるパック電池は、高出力と高容量をバランスよく得ることができるので、電動工具、電動アシスト自転車、電動バイク、ＨＥＶやＰＥＶなどの動力源として適している。
１，２ パック電池
１０，２０ 電池グループ
３０ 保護回路
３１ コネクタ
１０，２０ 電池グループ
３０ 保護回路
３１ コネクタ
Claims (5)
- 第１電池グループ及び第２電池グループが並列接続された電池群を備えるパック電池であって、
前記第１電池グループ及び第２電池グループは、同じ種類の二次電池によって構成され、
第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池は、
平均動作電圧が高く且つ電池の内部抵抗が小さく設定されていることを特徴とするパック電池。 - 第１電池グループに属する二次電池及び第２電池グループに属する二次電池の種類は、
共にリチウムイオン電池であり、
第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池は、
正極板を構成する正極活物質の作動電位が高いことを特徴とする請求項１記載のパック電池。 - 第１電池グループに属する二次電池と比べて、第２電池グループに属する二次電池は、
発電素体を構成する正極板と負極板の対向面積が大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のパック電池。 - 各第１電池グループに属する二次電池の数と、各第２電池グループに属する二次電池の数が同じで、各グループ内で二次電池同士が直列接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のパック電池。
- 第１電池グループ及び第２電池グループは、電池群がブロック状になるように配列され、
第１電池グループがその中央部に偏在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のパック電池。
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