JP2022015513A - 電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】通常時には専らサイクル寿命に優れる電池群を使用し、かつ、その電池群の残量低下時には他方の電池群へ電力供給源をスムーズに移行でき、モジュール全体の寿命を向上できる電池モジュールを提供する。
【解決手段】電池モジュール１０は、電池セル１１ａを直列に接続してなる高出力型電池群１１と、電池セル１２ａを直列に接続してなる高エネルギー型電池群１２とが並列に接続され、電池セル１１ａは、電池セル１２ａに対して、正極活物質または負極活物質の少なくともいずれか一方の組成が異なり、かつ、電池セル１２ａよりも充放電のサイクル寿命が長い電池セルであり、下記の式（１）を満たすように設定される。
Ｖ_１－Ｒ_１×Ｉ_ｍａｘ＝Ｖ_２・・・（１）
Ｖ_１：第１の電池セル群の放電末期の開放電圧
Ｖ_２：第２の電池セル群の放電初期の開放電圧
Ｒ_１：第１の電池セル群の放電末期の内部抵抗
Ｉ_ｍａｘ：電池モジュールの最大電流
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力型電池および高エネルギー型電池を有する電池モジュールに関し、特に、電気自動車に使用される電気モジュールに関する。

従来、電池モジュールから供給される電力によって駆動する電気自動車が知られている。電気自動車では航続距離が重要であり、航続距離を延ばすために、エネルギー密度の高い電池が求められている。具体的には、エネルギー密度の向上のために、三元系（ＮＣＭ）やニッケル系（ＮＣＡ）と呼ばれる正極材を用いたリチウム二次電池が提案されている。一般に、電気自動車には１０年以上の寿命が求められる。しかし、ＮＣＭやＮＣＡを用いたリチウム二次電池のサイクル寿命は高々３０００回程度であり、これら電池を搭載した電気自動車を毎日利用すると、約８年で電池寿命に到達することになる。このため、電気自動車に使用される電池の寿命性能は、いまだ十分とは言えない。

また、電気自動車では利用中に電池残量がなくなった場合に、すぐに容量を回復できるよう、急速充電性能も重要となる。急速充電とは、例えば１５分～３０分で電池容量を６０％～８０％程度まで回復できる充電方式である。このような急速充電は、電池内部の発熱を引き起こし、また負極表面へのリチウム電析を促進することで、電池寿命をさらに低下させるおそれがある。

一方で、正極材にリチウムリン酸鉄（ＬＦＰ）を用いたリチウム二次電池が提案されている（例えば、特許文献１）。リチウムリン酸鉄は安定した結晶構造を有するなどの理由から寿命性能に優れ、そのサイクル寿命は１００００回以上である。また、材料表面に炭素などの導電材を被覆することで導電性が向上し、急速充電性能を向上させることも可能である。特許文献１では、粒子を炭素材で被覆したリチウムリン酸鉄を正極材としたリチウム二次電池を用いることで、５０ＩｔＡ以上での急速充電を可能としている。しかし、リチウムリン酸鉄は、ＮＣＭやＮＣＡと比較して、平均酸化還元電位や単位重量当たりの容量が低いことからエネルギー密度が低い。

近年、電気自動車向けの電池システムとして、高出力型電池と高容量型（高エネルギー型）電池を並列に接続して、電気自動車の出力要求とエネルギー要求を同時に満たす電池システムを構築する提案がされている。

一般に、特性の異なる２種類の電池を並列接続する場合、その電流分配は２つの電池の内部抵抗と開放電圧によって自律的に決まる。そのため、所望の電流分配になるように動作させるには、コンバータやリレースイッチなどの追加部品を設置して制御するか、若しくは２つの電池の内部抵抗や開放電圧などの特性を所定の関係に定める必要がある。前者の方法では、追加部品によって電池システムのエネルギー密度が低下するおそれがある。そのため、後者の方法によって、追加部品を最小にしつつ、電池システムの充放電動作を設計することが望ましい。

例えば、特許文献２の電池システムでは、リレースイッチを設けて、高出力型電池と高エネルギー型電池の充放電の切り替えを行っている。さらに、高出力型電池と高エネルギー型電池の間の電圧関係を規定することで、電気的に並列に接続したときに高出力型電池から高エネルギー型電池に循環電流が流れることを抑制している。具体的には、高エネルギー型電池の開放電圧の下限値を、高出力型電池の開放電圧の上限値よりも高く設定した構成が開示されている。

特開２０１５－２１５９７７号公報 特開２０１２－２３４７００号公報

ところで、高出力型電池と高容量型電池を有する電池システムにおいて、高出力型電池の寿命特性を最大限活用するためには、通常時に専ら高出力型電池を使用し、これの電池残量が低下した場合に高エネルギー型電池を使用することが望ましいと考えられる。しかし、上記特許文献２の電池システムは、むしろ高容量型電池を通常時に使用する構成となっている。

また、２つの電池の充放電を切り替える際には、車両などが出力不足を起こさないようにするため、電力供給源の移行はスムーズに行う必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、特性が異なる２つの電池群を有する電池モジュールにおいて、通常時には専らサイクル寿命に優れる電池群を使用し、かつ、その電池群の残量低下時には他方の電池群へ電力供給源をスムーズに移行でき、モジュール全体の寿命を向上できる電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の電池モジュールは、第１の電池セルを直列または並列に接続してなる第１の電池セル群と、第２の電池セルを直列または並列に接続してなる第２の電池セル群とが並列に接続された電池モジュールであって、上記第１の電池セルは、上記第２の電池セルに対して、正極活物質または負極活物質の少なくともいずれか一方の組成が異なり、かつ、上記第２の電池セルよりも充放電のサイクル寿命が長い電池セルであり、上記第１の電池セル群の電圧、内部抵抗、および上記第２の電池セル群の電圧が、下記の式（１）を満たすように設定されることを特徴とする。
Ｖ_１－Ｒ_１×Ｉ_ｍａｘ＝Ｖ_２・・・（１）
Ｖ_１：第１の電池セル群の放電末期の開放電圧
Ｖ_２：第２の電池セル群の放電初期の開放電圧
Ｒ_１：第１の電池セル群の放電末期の内部抵抗
Ｉ_ｍａｘ：電池モジュールの最大電流

本発明において、充放電のサイクル寿命は、例えば、その電池セルの充電可能容量がそのバッテリの初期容量に対して所定割合に低下するまでに必要となる繰り返しの充放電回数として表すことができる。

上記第１の電池セルは、上記正極活物質がリチウムリン酸鉄であるリチウム二次電池であり、上記第２の電池セルは、上記正極活物質がリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物またはリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物であるリチウム二次電池であることを特徴とする。

上記第１の電池セル群は、上記第１の電池セルを直列に４個接続してなり、上記第２の電池セル群は、上記第２の電池セルを直列に３個接続してなることを特徴とする。

上記第１の電池セルの放電電圧範囲が２．７Ｖ～３．７Ｖであり、上記第２の電池セルの放電電圧範囲が３．０Ｖ～４．２Ｖであることを特徴とする。

上記電池モジュールは、上記第１の電池セル群と上記第２の電池セル群との間に、上記第１の電池セル群から上記第２の電池セル群へ電流が流れることを防止するダイオードを有することを特徴とする。

上記電池モジュールは、充電時に上記第２の電池セル群に流入する充電電流を制限する電流制限回路を有することを特徴とする。

並列接続された上記第１の電池セル群側の経路および上記第２の電池セル群側の経路に、所定条件下で通電を停止する保護回路がそれぞれ設けられていることを特徴とする。

上記第１の電池セルは、金属箔表面に上記正極活物質を含む正極材料層が形成された正極と、金属箔表面に上記負極活物質を含む負極材料層が形成された負極と、上記正極および上記負極の間に介在するセパレータと、有機電解液とを有し、上記金属箔は、該金属箔を貫通し、かつ少なくとも一方の箔面側に突出部を有する複数の貫通孔を有する金属箔であり、上記セパレータは、親水基を表面に有する繊維状不織布であることを特徴とする。

上記第１の電池セルおよび上記第２の電池セルは、ドイツ自動車工業会のＰＨＥＶ２規格に準拠した形状であり、上記電池モジュールがＤＩＮ規格に収まるように、上記第１の電池セルおよび上記第２の電池セルが配列していることを特徴とする。

本発明の電池モジュールは、充放電の寿命サイクルが第２の電池セルよりも長い第１の電池セルを有する第１の電池セル群と、第２の電池セルを有する第２の電池セル群とが並列に接続された構成において、上記の式（１）を満たすように設定されている。そのため、ほとんどのＳＯＣ領域で、第１の電池セル群の開放電圧が第２の電池セル群の開放電圧よりも高くなっており、寿命サイクルに優れる第１の電池セル群の充放電が優先して行われる。さらに、第１の電池セル群の放電末期に電圧ドロップが生じた場合でも、第１の電池セル群から放電されるため、第２の電池セル群の充放電の頻度を極力抑えることができる。そのため、通常時には専らサイクル寿命に優れる第１の電池群を使用でき、第２の電池群の充放電に伴う劣化が抑制されることから、モジュール全体の寿命を向上することができる。

第１の電池セルは、ＬＦＰを正極材に用いる長寿命・高出力型リチウム二次電池であり、第２の電池セルは、ＮＣＭやＮＣＡを正極材に用いる高エネルギー型リチウム二次電池であるので、電気自動車などの航続距離を担保しつつ、寿命性能と急速充電性能を向上することができる。

電池モジュールは、第１の電池セル群と第２の電池セル群との間にダイオードを有するので、第１の電池セル群の放電時に、第２の電池セル群へ循環電流が流れることを防止できる。

電池モジュールは、充電時に第２の電池セル群に流入する充電電流を制限する電流制限回路を有するので、充電時に第２の電池セル群に大電流が流入することに起因する劣化などの不具合を抑制できる。

並列接続された第１の電池セル群側の経路および第２の電池セル群側の経路に、所定条件下で通電を停止する保護回路がそれぞれ設けられているので、電池モジュールの安全性を向上できる。

本発明の電池モジュールの一実施形態の回路構成を示す図である。 式（１）の関係を模式的に示す図である。 高出力型電池群と高エネルギー型電池群のＯＣＶの関係を示す図である。 本発明の電池モジュールの放電期間のＳＯＣの推移を示す図である。 本発明の電池モジュールの充電期間のＳＯＣの推移を示す図である。 本発明の電池モジュールの電池セルの配置状態を示す図である。 本発明の電池モジュールの他の実施形態の概略図である。

本発明の電池モジュールの一実施形態の回路構成を図１に基づいて説明する。図１に示す電池モジュール１０は、例えば電気自動車（ＥＶ）に搭載され、該車両のパワートレインに電力を供給する電力供給源として使用される。あるいは、電池モジュール１０は、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）に搭載されてもよく、エンジンスタートストップ用１２Ｖ電源として搭載されてもよい。

図１に示すように、電池モジュール１０は、高出力型電池群１１と高エネルギー型電池群１２とが、回路部品を介して電気的に並列に接続された２電源システムである。電池モジュール１０の放電時には、高出力型電池群１１の正極ラインＬ１および高エネルギー型電池群１２の正極ラインＬ２から共通の正極ラインＬ０を通じてモータジェネレータなどの電気負荷（図示省略）に電力が供給される。なお、正極ラインＬ２上には、高エネルギー型電池群用の充電回路１３と、ダイオード１７が直列に接続されている。

高出力型電池群１１は、直列に接続された複数（例えば４個）の電池セル１１ａを有し、高エネルギー型電池群１２は、直列に接続された複数（例えば３個）の電池セル１２ａを有している。図１において、高出力型電池群１１が「第１の電池セル群」に相当し、電池セル１１ａが「第１の電池セル」に相当する。また、高エネルギー型電池群１２が「第２の電池セル群」に相当し、電池セル１２ａが「第２の電池セル」に相当する。

電池セル１１ａおよび電池セル１２ａは互いに異なる特性を有している。具体的には、電池セル１１ａは、電池セル１２ａよりも充放電のサイクル寿命が長く、電池セル１２ａよりも大きな電流で充放電が可能である。つまり、電池セル１１ａは、電池セル１２ａに比べて、サイクル寿命と出力特性が高い電池セルである。一方、電池セル１２ａは、電池セル１１ａよりもエネルギー密度が大きく、かつ、容量が大きい電池セルである。

電池セル１１ａ、１２ａは、例えばリチウム二次電池であり、正極、負極、有機電解液、およびセパレータを含んで構成される。正極は、金属箔と、金属箔の片面または両面に担持され、正極活物質、導電剤、および結着剤を含む正極材料層とを有する。また、負極は、金属箔と、金属箔の片面または両面に担持され、負極活物質、導電剤、および結着剤を含む負極材料層とを有する。なお、以下では、電池セル１１ａおよび電池セル１２ａがリチウム二次電池として説明する。

電池セル１１ａおよび電池セル１２ａは、正極活物質および負極活物質の少なくともいずれか一方の組成が異なっている。電池セル１１ａは、少なくとも電池セル１２ａよりもサイクル寿命が長い電池セルであればよく、この関係を満たすように正極活物質および負極活物質が適宜選択される。なお、サイクル寿命が長いとは、単位重量当たりの累積放電容量が大きいということができる。この場合、単位重量当たりの累積放電容量とは、サイクル寿命到達（容量が初期値に対して一定割合まで低下すること）までの累積放電容量を電池セルの重量で除算することによって計算される。

正極活物質としては、例えば、リチウムリン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ_４、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムリン酸コバルト（ＬｉＣｏＰＯ_４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、リチウムリン酸マンガン（ＬｉＭｎＰＯ_４）、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物（ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_ｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、以下「ＮＣＭ」ともいう）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_ｙＡｌ_ｚＯ_２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、以下「ＮＣＡ」ともいう）などが挙げられる。

負極活物質としては、例えば、黒鉛粒子、難黒鉛化性カーボン（ハードカーボン）粒子、易黒鉛化性カーボン（ソフトカーボン）粒子、およびこれらの組み合わせなどが挙げられる。また、負極活物質として、シリコンまたは酸化シリコンを含む物質を用いてもよい。

導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、炭素繊維、黒鉛などが挙げられる。また、結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などが挙げられる。

電池セル１１ａは、正極活物質がリチウムリン酸鉄であるリチウム二次電池（本明細書において「ＬＦＰ電池」ともいう）が好ましい。リチウムリン酸鉄は、導電性を高めるため、炭素材料で被覆されていることが好ましい。また、平均粒径は、例えば０．５μｍ～２μｍである。

ＬＦＰ電池において、集電体となる金属箔には、当該箔を貫通し、かつ少なくとも一方の箔面側に突出部を有する複数の貫通孔を有する金属箔を使用することが好ましい。この孔周囲の突出部により正極材料層へのアンカー効果を生みだし、集電体表面に形成する正極材料層の保持能力が向上し、剥離を防止することができる。その結果、より多くの活物質を電池内に収納することが可能である。貫通孔の箔断面形状は、多角錐、円柱状、円錐状、または、これら形状の組み合わせなどいずれの形状でも使用可能である。加工速度や加工治具の加工ショットライフ、さらには突出孔先端部の加工後の箔の切り粉や剥離粉の発生可能性から、円錐状がより好ましい。

有機電解液は、有機溶媒に支持電解質が溶解されている。有機溶媒としては複数の炭酸エステルを混合した混合炭酸エステルであることが好ましい。炭酸エステル類としては、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、炭酸メチルエチル（ＭＥＣ）が挙げられる。好ましくは、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、および炭酸メチルエチル（ＭＥＣ）の３成分からなる混合炭酸エステルが挙げられる。

上記の支持電解質は、ＬｉＰＦ_６およびリチウムビスフロロスルホン酸イミド（ＬｉＦＳＩ）が混合された混合電解質が好ましい。ＬｉＰＦ_６およびＬｉＦＳＩの配合比率は、ＬｉＰＦ_６１に対して、ＬｉＦＳＩが０．２～０．６であることがより好ましい。また、支持電解質総濃度は１．０～１．３ｍｏｌとすることが好ましい。

また、ＬＦＰ電池のセパレータは２００℃以上の耐熱性を有し、表面に、－ＯＨ基、－ＣＯＯＨ基などの親水基を有することが好ましい。具体的には、セパレータとして、セルロース不織布セパレータが使用される。これにより、保液性向上によって寿命が向上し、多孔度向上によって、入出力向上を図ることができる。

上記のように、特定の正極活物質や負極活物質、特定の金属箔、特定の有機電解液、および特定のセパレータを組み合わせるなどして電池セル１１ａの出力性能を向上させることで、電池モジュールの発熱量が減少し、冷却システムを簡素化することができる。例えば、液冷式ではなく、空冷式の冷却システムを採用できる。もしくは十分に発熱量を減らせることができれば、冷却システムを不要にできる。

電池セル１２ａは、正極活物質がＮＣＭまたはＮＣＡであるリチウム二次電池が好ましい。リチウム金属酸化物がＮｉを含有することで、容量密度が高まり、二次電池を高容量化できる。また、Ｃｏなどを含有することで、充放電過程での結晶構造変化が抑えられ、安定なサイクル特性を得ることができる。

また、正極活物質のリチウム金属酸化物がＮｉを含有する場合、リチウム以外の金属の全元素数を１００ｍｏｌ％としたとき、Ｎｉの割合は５０ｍｏｌ％以上であることが好ましい。本明細書において、Ｎｉの割合が５０ｍｏｌ％以上のリチウム二次電池を「ハイニッケル電池」という。ハイニッケル電池として、具体的には、ＬｉＮｉ_０．５Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．３Ｏ_２（ＮＣＭ５２３）、ＬｉＮｉ_０．６Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．２Ｏ_２（ＮＣＭ６２２）、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２（ＮＣＭ８１１）、ＬｉＮｉ_０．８２Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２（ＬＮＯ）などが挙げられる。

図１において、並列接続された高出力型電池群１１側の経路および高エネルギー型電池群１２側の経路には、所定条件下で通電を遮断する保護回路１４、１５がそれぞれ設けられている。保護回路１４は、高出力型電池群１１の各セルの状態（例えば、電圧、温度）を監視し、その状態を外部に通知する。異常値（例えば、過電圧、異常な温度上昇）を検出した場合、もしくは外部から命令を受け取った場合には通電を遮断して、高出力型電池群１１を保護する。保護回路１４は、外部信号により電流を遮断する手段を有してもよく、セルバランス手段を有していてもよい。

なお、保護回路１５は、高エネルギー型電池群１２の各セルの状態（例えば、電圧、温度）を監視し、所定条件下で通電を遮断するものであり、保護回路１４と同様の構成を採用できる。

図１に示すように、電池モジュール１０は、高出力型電池群１１と高エネルギー型電池群１２との間にダイオード１７を有する。具体的には、正極ラインＬ２において、ダイオード１７は、電気負荷側をカソードに、高エネルギー型電池群側をアノードにして接続されている。後述するように、高出力型電池群１１の放電電圧は、高エネルギー型電池群１２の放電電圧よりも高く設定されている。そのため、高出力型電池群１１の放電中に高エネルギー型電池群１２へ電流（循環電流）が流れることを、ダイオード１７によって防止している。なお、正極ラインＬ１には、同様のダイオードは設けられていない。

また、正極ラインＬ０上には、ダイオード１７を迂回するようにして高エネルギー型電池群１２に接続された高エネルギー型電池群用の充電ラインＬ３が設けられている。具体的には、充電ラインＬ３は、接続点Ｎ１よりも電気負荷側の正極ラインＬ０と、正極ラインＬ２上の充電回路１３およびダイオード１７の間の接続点Ｎ２とを接続するように設けられている。また、充電ラインＬ３には、定電流回路１８とダイオード１６が設けられている。定電流回路１８およびダイオード１６は、充電電流に対してそれぞれ順方向になるように直列に接続されている。定電流回路１８は電流量を一定にする機能を有するものであり、例えば定電流ダイオードなどを用いることができる。

後述するように、高エネルギー型電池群１２に充電する際には、充電ラインＬ３を通って充電が行われる。充電回路１３は、高エネルギー型電池群１２への充電電流を制御する回路であり、その構成は特に限定されない。例えば、高エネルギー型電池群１２の充電率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を監視し、ＳＯＣが所定未満の場合は、高エネルギー型電池群１２への充電を許容し、所定以上の場合は充電を禁止する構成とすることができる。

高エネルギー型電池群１２または高出力型電池群１１のＳＯＣを検知する方法としては、例えば、電池群の充放電電流を積算する方法、あるいは、電池群のＯＣＶを測定する方法、あるいは、これらを組み合わせる方法がある。ＯＣＶおよびＳＯＣは対応関係にあるため、予め準備したマップを用いることにより、ＯＣＶからＳＯＣを特定することができる。充電回路１３は、電流センサや電圧センサを適宜備えていてもよい。

ここで、高出力型電池群の電池セルの一例であるＬＦＰ電池と、高エネルギー型電池群の電池セルの一例であるハイニッケル電池のそれぞれの特性を表１に示す。ハイニッケル電池として、具体的にはＮＣＭ６２２を示している。

表１に示すように、ＬＦＰ電池は、ハイニッケル電池に比べて、大きい電流で充放電が可能であり、高い急速充電性能を有している。例えば、ハイニッケル電池に比べて３倍以上の充電電流を許容することができる。また、ＬＦＰ電池は、充放電のサイクル寿命に比べて３倍以上長くなっている。なお、表１のサイクル寿命は、充電可能容量が、初期容量の８０％に到達するまでの繰り返し充放電回数を示している。一方、ハイニッケル電池は、ＬＦＰ電池に比べて、容量が大きく、かつ、重量エネルギー密度が２倍程度高くなっている。

次に、高出力型電池群および高エネルギー型電池群の放電電圧および充電電流の具体例を表２に示す。

表２に示す高出力型電池群は、表１のＬＦＰ電池を４個直列に接続した組電池であり、表２に示す高エネルギー型電池群は、表１のハイニッケル電池を３個直列に接続した組電池である。表２に示すように、高出力型電池群の放電電圧範囲（１０．８Ｖ～１４．８Ｖ）は、高エネルギー型電池群の放電電圧範囲（９．０Ｖ～１２．６Ｖ）よりも高く設定されており、高出力型電池群から優先的に放電が行われる構成になっている。なお、電池群の放電電圧範囲は、各電池群において直列接続される電池セルの個数を変更することなどで調整できる。

また、高出力型電池群および高エネルギー型電池群は、外部電源からの電力を受けて、または車両減速時などに生じる回生エネルギーを受けて充電される。高エネルギー型電池群は、上述した定電流回路によって充電電流が制限されるため、その充電電流は、高出力型電池群の充電電流よりも低くなっている。一方、高出力型電池群は、大電流による急速充電が可能である。

このように、図１および表１～２で示す電池モジュール１０においては、高出力型電池群１１が優先的に充放電に寄与する構成になっている。一方、放電が長時間行われると、高出力型電池群１１の充電率（ＳＯＣ）が低下し、電圧が低下するため、高エネルギー型電池群１２の寄与率が上昇していく。本発明では、高出力型電池群１１が放電末期に至るまで、高出力型電池群１１を優先的に使用するため、高出力型電池群１１の電圧、内部抵抗、および高エネルギー型電池群１２の電圧を、下記の式（１）を満たすように設定している。
Ｖ_１－Ｒ_１×Ｉ_ｍａｘ＝Ｖ_２・・・（１）
Ｖ_１：第１の電池セル群の放電末期の開放電圧
Ｖ_２：第２の電池セル群の放電初期の開放電圧
Ｒ_１：高出力型電池群の放電末期の内部抵抗（ＤＣＲ）
Ｉ_ｍａｘ：電池モジュールの最大電流

上記式（１）の関係を図２に示す。図２において、Ｖ１は高出力型電池群の放電末期における開放電圧であり、Ｖ２は高エネルギー型電池群の放電初期における開放電圧である。ここで、放電末期とは、ＳＯＣが０％～２０％程度、好ましくは１０％～２０％の充電率を意味する。放電初期とは、ＳＯＣが８０％～１００％程度、好ましくは８５％～９５％の充電率を意味する。

高出力型電池群が放電末期であり、かつ、高エネルギー型電池群が放電初期の状態においても、高出力型電池群を主として放電に寄与させるためには、この状態で電池モジュールが最大出力を出す際にも、高出力型電池群の開放電圧が高エネルギー型電池群の開放電圧を下回らなければよい。そのため、上記の式（１）によれば、最大出力時において高出力型電池群で電圧ドロップが生じた場合でも、その電圧が高エネルギー型電池群の放電初期における開放電圧（Ｖ２）と等しいため、高出力型電池群から優先的に電力が供給される。また、この際の高出力型電池群の内部抵抗は、例えば電気自動車における加速時間を想定したものであり、２～１０秒後の直流抵抗（ＤＣＲ）と見積もることができる。ＤＣＲは、パルス放電試験などによって予め測定できる。電池モジュールの最大放電電流は、例えば、表２の仕様の場合は、６００Ａである。

図３は、高出力型電池群と高エネルギー型電池群の開放電圧（ＯＣＶ）の関係を示す図である。いずれの電池群も放電が継続されると、充電状態が低下し、それに伴って電圧が低下する。図３に示すように、高出力型電池群のＯＣＶは、ほぼすべてのＳＯＣ領域で高エネルギー型電池群よりも高くなっている。このため、実際に、高エネルギー型電池群が放電に寄与するのは、高出力型電池群のＳＯＣが下限値に達した場合や、高出力型電池群が低ＳＯＣ領域（ＳＯＣ：０％～１０％程度）で、かつ、大出力が発生し電圧ドロップが大きくなった場合に限られると考えられる。

ここで、図３を参照して上記の式（１）について説明すると、高出力型電池群の放電末期であるＡ領域のいずれかのＯＣＶ（式（１）中のＶ_１）が、高エネルギー型電池群の放電初期であるＢ領域のいずれかのＯＣＶ（式（１）中のＶ_２）に対して、「Ｒ_１×Ｉ_ｍａｘ」に相当する電圧分高いという関係になる。例えば、「Ｒ_１×Ｉ_ｍａｘ」が０．５Ｖの電圧に相当するとすると、高出力型電池群のＳＯＣ約１５％のＯＣＶ（１３．０Ｖ）と、高エネルギー型電池群のＳＯＣ約９５％のＯＣＶ（１２．５Ｖ）との間で上記の式（１）が成立する。なお、この場合のＲ_１は、ＳＯＣ約１５％時の高出力型電池群の内部抵抗であり、Ｉ_ｍａｘは、電池モジュールの仕様から定まる値である。

次に、本発明の電池モジュールの放電動作について、図４を用いて説明する。図４は、放電期間（一例）における各電池群のＳＯＣの推移を示すグラフである。放電開始の時点ｔ_０において、高出力型電池群１１および高エネルギー型電池群１２は、それぞれＳＯＣの上限値（１００％）まで充電されている。上述したように、高出力型電池群１１のＯＣＶは、ほぼすべてのＳＯＣ領域で高エネルギー型電池群１２よりも高くなっている。そのため、高出力型電池群１１のＳＯＣが下限値に到達するまで、基本的には高出力型電池群１１から放電が行われる。そして、高出力型電池群１１のＳＯＣが下限値（例えば０％）に到達すると、高エネルギー型電池群１２の放電が開始される（ｔ_１）。その後は、高エネルギー型電池群１２のみから放電が行われる。

また、高出力型電池群１１の放電末期において電圧ドロップが発生した場合でも、上記の式（１）を満たすため、高出力型電池群１１からの放電が優先される。なお、図４に示す例では、高出力型電池群１１および高エネルギー型電池群１２のいずれか一方から放電が行われているが、例えば、高出力型電池群１１が低ＳＯＣ領域（ＳＯＣ：０％～１０％程度）で、かつ、大出力が発生し電圧ドロップが大きくなった場合には、高出力型電池群１１および高エネルギー型電池群１２の両方から放電が行われる。

続いて、充電動作について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、充電期間（一例）における各電池群のＳＯＣの推移を示すグラフであり、図５（ｂ）は、充電期間のうち、ｔ_２からｔ_３までの間の充電電流の流れを示す回路構成図である。なお、図５では、図４に示すｔ_２の時点から外部電源を用いて満充電になるまで充電した例を示している。

図５（ｂ）に示すように、充電電流は正極ラインＬ０で分岐して、高出力型電池群１１および高エネルギー型電池群１２にそれぞれ流入する。高エネルギー型電池群１２に流入する充電電流は、充電ラインＬ３上の定電流回路１８によって制限を受ける。そのため、図５（ａ）のグラフにおいて、高エネルギー型電池群１２のＳＯＣは比較的緩やかに上昇する。一方、高出力型電池群１１は、大きな電流での急速充電が可能であるので、そのＳＯＣは速やかに上昇する。高出力型電池群１１のＳＯＣが上限値（１００％）に到達しても（ｔ_３）、高エネルギー型電池群１２の充電はそのまま継続される。その後、高エネルギー型電池群１２のＳＯＣが上限値（１００％）に到達して、充電が完了する（ｔ_４）。

一方、高出力型電池群１１のみが放電した状態（例えば、図４に示すｔ_０～ｔ_１の状態）では、充電は高出力型電池群１１に対してのみ行われる。この場合、充電回路１３によって、高エネルギー型電池群１２への充電電流が制限もしくは遮断される。

上記の図１～図５の構成では、高出力型電池群１１の開放電圧を、上記の式（１）の関係を満たすように高エネルギー型電池群１２の開放電圧よりも高く設定することで、高出力型電池群１１を優先して放電させる構成としている。これにより、優れたサイクル寿命を有する高出力型電池群１１を積極的に使用する一方で、高エネルギー型電池群を極力使用しないことでその劣化を防止することができる。その結果、２種の電池群の混在モジュールにおいて、高出力型電池群の優れた寿命特性を最大限に発揮させることができ、モジュール全体の寿命を向上できる。

また、図１～図５の構成では、通常動作時における電力供給源の切り替えにおいて、一般的な充放電制御に用いられるスイッチ制御が行われていない。具体的には、図１に示すように、高出力型電池群１１の正極ラインＬ１および高エネルギー型電池群１２の正極ラインＬ２にそれぞれ、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能なスイッチが設けられていない。そのため、電力供給源の切り替えの際に、スイッチの切り替えを行う必要がなく、少ない追加部品でスムーズに安定した電力供給を行うことができる。なお、保護回路１４および保護回路１５には電流を遮断する機能があり、スイッチ制御で行われる場合もあるが、これはあくまでも電池モジュールが異常を検知した場合の緊急措置である。すなわち、通常動作時とは異なる状況ではスイッチ制御が行われてもよい。

図６には、電池モジュールの各電池セルの配置状態を示す。図６に示す各電池セル１１ａ、１２ａは角型であり、ドイツ自動車工業会（ＶＤＡ）のＰＨＥＶ２規格（Ｗ１４８ｍｍ×Ｄ２６．５ｍｍ×Ｈ９０ｍｍ）に準拠している。各電池１１ａ、１２ａの上面には、プラス端子Ｐとマイナス端子Ｎがそれぞれ設けられている。図６に示すように、電池セル１１ａ、１２ａは厚み方向に７個並べられており、各電池群１１、１２において、プラス端子Ｐとマイナス端子Ｎが厚み方向に交互に位置するように配置されている。図６に示す電池モジュールの各電池セル全体の外形寸法は、Ｗ１４８ｍｍ×Ｄ１８５．５ｍｍ×Ｈ９０ｍｍであり、ＥＮ－ＬＮ２以下の類似した形状にすることができる。そのため、電気自動車用パックの構成モジュールとして好適である。

また、電池セルの配置状態は、図６の構成に限らず、各電池群の電池セルの個数などによって適宜変更される。例えば、図７（ａ）に示すように、電池モジュール２０において、高エネルギー型電池群２２を３直列２並列、高出力型電池群２１を４直列１並列とした場合には、計１０個の電池セルを厚み方向に並べた構成になる。この構成では、電池モジュールをＥＮ－ＬＮ４以下の類似した形状にでき、電気自動車用パックの構成モジュールとして好適である。また、他の構成としては、図７（ｂ）に示すように、電池モジュール３０において、高出力型電池群３１を４直列２並列、高エネルギー型電池群３２を３直列１並列とした場合には、計１１個の電池セルを厚み方向に並べた構成になる。この構成では、電池モジュールをＥＮ－ＬＮ５以下の類似した形状にでき、電気自動車用パックの構成モジュールとして好適である。なお、図７では、電池セル群以外の構成は省略しているが、電池セル群以外の構成については図１に示す構成を適宜採用できる。

なお、図６では、電池セルの形状を角型としたが、これに限定されず、円筒状やラミネートタイプなど様々な形状に適用できる。

本発明は、さらに、上述した本発明の電池モジュールを直列にまたは並列に接続された電池パックである。

本発明の電池モジュールは、通常時には専らサイクル寿命に優れる高出力型電池群を使用し、かつ、その電池群の残量低下時には高エネルギー型電池群へ電力供給源をスムーズに移行でき、モジュール全体の寿命を向上できるので、ＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＥＶ用の駆動電源として特に有用である。

１０ 電池モジュール
１１ 高出力型電池群
１１ａ 電池セル
１２ 高エネルギー型電池群
１２ａ 電池セル
１３ 充電回路
１４ 保護回路
１５ 保護回路
１６ ダイオード
１７ ダイオード
１８ 定電流回路
２０ 電池モジュール
２１ 高出力型電池群
２２ 高エネルギー型電池群
３０ 電池モジュール
３１ 高出力型電池群
３２ 高エネルギー型電池群

Claims (9)

1. 第１の電池セルを直列または並列に接続してなる第１の電池セル群と、第２の電池セルを直列または並列に接続してなる第２の電池セル群とが並列に接続された電池モジュールであって、
   前記第１の電池セルは、前記第２の電池セルに対して、正極活物質または負極活物質の少なくともいずれか一方の組成が異なり、かつ、前記第２の電池セルよりも充放電のサイクル寿命が長い電池セルであり、
   前記第１の電池セル群の電圧、内部抵抗、および前記第２の電池セル群の電圧が、下記の式（１）を満たすように設定されることを特徴とする電池モジュール。
   Ｖ_１－Ｒ_１×Ｉ_ｍａｘ＝Ｖ_２・・・（１）
   Ｖ_１：第１の電池セル群の放電末期の開放電圧
   Ｖ_２：第２の電池セル群の放電初期の開放電圧
   Ｒ_１：第１の電池セル群の放電末期の内部抵抗
   Ｉ_ｍａｘ：電池モジュールの最大電流
2. 前記第１の電池セルは、前記正極活物質がリチウムリン酸鉄であるリチウム二次電池であり、前記第２の電池セルは、前記正極活物質がリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物またはリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物であるリチウム二次電池であることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
3. 前記第１の電池セル群は、前記第１の電池セルを直列に４個接続してなり、前記第２の電池セル群は、前記第２の電池セルを直列に３個接続してなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電池モジュール。
4. 前記第１の電池セルの放電電圧範囲が２．７Ｖ～３．７Ｖであり、前記第２の電池セルの放電電圧範囲が３．０Ｖ～４．２Ｖであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の電池モジュール。
5. 前記電池モジュールは、前記第１の電池セル群と前記第２の電池セル群との間に、前記第１の電池セル群から前記第２の電池セル群へ電流が流れることを防止するダイオードを有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の電池モジュール。
6. 前記電池モジュールは、充電時に前記第２の電池セル群に流入する充電電流を制限する電流制限回路を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の電池モジュール。
7. 並列接続された前記第１の電池セル群側の経路および前記第２の電池セル群側の経路に、所定条件下で通電を停止する保護回路がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項記載の電池モジュール。
8. 前記第１の電池セルは、金属箔表面に前記正極活物質を含む正極材料層が形成された正極と、金属箔表面に前記負極活物質を含む負極材料層が形成された負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、有機電解液とを有し、
   前記金属箔は、該金属箔を貫通し、かつ少なくとも一方の箔面側に突出部を有する複数の貫通孔を有する金属箔であり、
   前記セパレータは、親水基を表面に有する繊維状不織布であることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項記載の電池モジュール。
9. 前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルは、ドイツ自動車工業会のＰＨＥＶ２規格に準拠した形状であり、
   前記電池モジュールがＤＩＮ規格に収まるように、前記第１の電池セルおよび前記第２の電池セルが配列していることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項記載の電池モジュール。

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