JP2022030073A - リチウムイオン電池モジュールおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単電池間に電気的配線を接続することなく、複数の単電池から出力される光信号の衝突の回避を図るリチウムイオン電池モジュールを提供する。【解決手段】単電池と、単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、光信号を受光する単電池受光部と、発光部の発光を制御する制御部と、を有する単電池ユニットと、単電池ユニットを複数積層した組電池と、組電池から出力される光信号を受信する組電池受光部と、組電池を収容する外装体と、を備え、制御部は、複数の単電池ユニットのうち他の単電池ユニットからの光信号を単電池受光部において受光すると、所定時間、発光部から光信号を出力しないように制御することを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、リチウムイオン電池モジュールおよびその制御方法に関する。

従来、電気自動車およびハイブリッド電気自動車等の電源携帯型電子機器の電源としてリチウムイオン電池の単電池を複数個積層した組電池が用いられている。このような組電池を充電する場合、過充電状態になる単電池が存在することがないように充電管理を行う必要がある。

このような充電装置として、特許文献１のように、単電池それぞれとデータ処理部が電気的に導線を介して接続され、単電池それぞれの端子間電圧をデータ処理によって充電制御を行うことが記載されている。

国際公開第２００９／１１９０７５号

しかしながら、特許文献１のような構成では、単電池それぞれと金属の配線（電圧検出線）で電気的に接続されている。このように金属の配線で接続する構成とすると、単電池の積層数に応じて配線数も増加するため、重量増加の問題が生じることとなる。また、単電池それぞれと接続される配線数が増加すると、当該配線を引き回すためのスペースも必要となる。さらに、単電池それぞれと配線が電気的に接続されていると、単電池間の短絡のリスクがある、及び、配線の手間が煩雑となる、等の問題がある。

このような問題を解決することを意図して、本発明の発明者らは、組電池に含まれる単電池それぞれに、単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、単電池それぞれから出力される光信号をまとめて受信する受光部とを備える構成を見出した。当該発明者らが見出した構成によれば、受光部で受信した光信号を解析（例えば、受光部に接続したデータ処理部（電池状態解析器）で解析）することにより、従来のように単電池それぞれと配線接続することによる、単電池間の短絡のリスクがある、及び、配線の手間が煩雑となる等の問題を解消することができ、組電池の状態を管理することが可能となる。

しかしながら、本発明者らが見出した構成では、組電池に含まれる複数の単電池それぞれから光信号が出力され、当該それぞれの光信号をまとめて受光部で受信する構成となっているため、当該受光部において受信した複数の光信号が衝突する恐れがある。

よって、本発明は、複数の単電池間に電気的配線を接続することなく、複数の単電池から出力される光信号の衝突の回避を図るリチウムイオン電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一形態は、単電池と、単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、光信号を受光する単電池受光部と、発光部の発光を制御する制御部と、を有する単電池ユニットと、単電池ユニットを複数積層した組電池と、組電池から出力される光信号を受信する組電池受光部と、組電池を収容する外装体と、を備え、制御部は、複数の単電池ユニットのうち他の単電池ユニットからの光信号を単電池受光部において受光すると、所定時間、発光部から光信号を出力しないように制御することを特徴とするリチウムイオン電池モジュールを提供することである。

本発明によれば、リチウムイオン電池モジュールのそれぞれの単電池から出力される信号の衝突を回避することができる。

本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールを構成する単電池の斜視図である。 （ａ）は、図１のＩＩａ－ＩＩａ断面図であり、（ｂ）は図１のＩＩｂ－ＩＩｂ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールを構成する発光部および単電池受光部の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの模式的に示す一部切り欠き斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの回路構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの模式的拡大断面図である。 （ａ）～（ｅ）は、それぞれ、単電池の電圧が異なるときの光信号パターンを示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの制御に関するフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールを模式的に示す一部切り欠き斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの回路構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの模式的拡大断面図である。

（第１実施形態）

以下、添付図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールを構成する単電池の斜視図である。また、図２（ａ）は、図１のＩＩａ－ＩＩａ断面図であり、（ｂ）は図１のＩＩｂ－ＩＩｂ断面図である。リチウムイオン電池モジュール１には、単電池１０と、発光部２２ａおよび単電池受光部２２ｂとを有する発受光部２０と、とから構成される単電池ユニット３０を複数積層された組電池５０（図４参照）と、組電池受光部８０（図５参照）と、光導波路６０（図４参照）と、および外装体７０（図４参照）を備えている。

図２（ｂ）に示すように、単電池１０は、下から順に正極集電体１７と、正極活物質層１５と、セパレータ１４と、負極活物質層１６と、負極集電体１９とを積層したものである。また、単電池１０は、略矩形平板状の正極集電体１７の表面に正極活物質層１５が形成された正極１２と、同様に略矩形平板状の負極集電体１９の表面に負極活物質層１６が形成された負極１３とが、同様に略平板状のセパレータ１４を介して積層されて形成されている。さらに、本実施形態の単電池１０には、後述する発受光部２０が枠部材１８の側面に露出するように枠部材１８内に埋め込まれている。

単電池１０は、正極集電体１７と負極集電体１９との間に環状の枠部材１８を配置している。枠部材１８は、正極集電体１７及び負極集電体１９の間にセパレータ１４の周縁部を固定し、かつ正極活物質層１５、セパレータ１４および負極活物質層１６を封止している。

正極集電体１７および負極集電体１９は、枠部材１８により所定間隔をもって対向するように配置されている。また、セパレータ１４と正極活物質層１５および負極活物質層１６は、枠部材１８により所定間隔をもって対向するように配置されている。

正極集電体１７とセパレータ１４との間の間隔は、リチウムイオン電池の活物質層の厚みに応じて調整されている。負極集電体１９とセパレータ１４との間隔もまた、リチウムイオン電池の活物質層の厚みに応じて調整されている。これら正極集電体１７、負極集電体１９およびセパレータ１４の位置関係は、必要な間隔が得られるように定められている。

正極活物質層１５には、正極活物質が含まれている。本実施形態の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｛遷移金属が１種である複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＡｌＭｎＯ₄、ＬｉＭｎＯ₂及びＬｉＭｎ₂Ｏ₄等）、遷移金属元素が２種である複合酸化物（例えばＬｉＦｅＭｎＯ₄、ＬｉＮｉ₁－ｘＣｏｘＯ₂、ＬｉＭｎ₁－ｙＣｏｙＯ₂、ＬｉＮｉ₁／₃Ｃｏ₁／₃Ａｌ₁／₃Ｏ₂及びＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.15Ａｌ_0.05Ｏ₂）及び金属元素が３種類以上である複合酸化物［例えばＬｉＭａＭ’ｂＭ’’ｃＯ₂（Ｍ、Ｍ’及びＭ’’はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満たす。例えばＬｉＮｉ₁／₃Ｍｎ₁／₃Ｃｏ₁／₃Ｏ₂）等］等｝、リチウム含有遷移金属リン酸塩（例えばＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＣｏＰＯ₄、ＬｉＭｎＰＯ₄及びＬｉＮｉＰＯ₄）、遷移金属酸化物（例えばＭｎＯ₂及びＶ₂Ｏ₅）、遷移金属硫化物（例えばＭｏＳ₂及びＴｉＳ₂）及び導電性高分子（例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ－ｐ－フェニレン及びポリビニルカルバゾール）等が挙げられ、２種以上を併用してもよい。なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。

正極活物質は、導電助剤および被覆用樹脂で被覆された被覆正極活物質であることが好ましい。これにより、正極活物質の周囲が、被覆用樹脂で被覆されているため、電極の体積変化が緩和され、電極の膨張を抑制することができる。

導電助剤は、例えば、金属系導電助剤［アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅及びチタン等]、炭素系導電助剤［グラファイト及びカーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック及びサーマルランプブラック等）等］、及びこれらの混合物等が挙げられる。

これらの導電助剤は１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物として用いられてもよい。なかでも、電気的安定性の観点から、より好ましくはアルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、炭素系導電助剤及びこれらの混合物であり、さらに好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及び炭素系導電助剤であり、特に好ましくは炭素系導電助剤である。また、これらの導電助剤としては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料をめっき等でコーティングしたものでもよい。

導電助剤の形状は、粒子状に限られず、粒子状以外の形態であってもよく、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等、いわゆるフィラー系導電助剤などの形態であってもよい。

被覆用樹脂と導電助剤の比率は特に限定されるものではないが、電池の内部抵抗等の観点から、重量比率で被覆用樹脂（樹脂固形分重量）：導電助剤が１：０．０１～１：５０であることが好ましく、１：０．２～１：３．０であることがより好ましい。

また、正極活物質層は、被覆正極活物質に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを用いることができる。

正極活物質層は、正極活物質を含み、正極活物質同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。ここで、非結着体とは、正極活物質が結着剤（バインダともいう）により位置を固定されておらず、正極活物質同士及び正極活物質と集電体が不可逆的に固定されていないことを意味する。

正極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、１５０～６００μｍであることが好ましく、２００～４５０μｍであることがより好ましい。

負極物質層には負極活物質が含まれる。負極活物質は、例えば、公知のリチウムイオン電溶負極活物質が使用でき、炭素系材料［黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、樹脂焼成体（例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等）、コークス類（例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等）及び炭素繊維等］、珪素系材料［珪素、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、珪素－炭素複合体（炭素粒子の表面を珪素及び／又は炭化珪素で被覆したもの、珪素粒子又は酸化珪素粒子の表面を炭素及び／又は炭化珪素で被覆したもの並びに炭化珪素等）及び珪素合金（珪素－アルミニウム合金、珪素－リチウム合金、珪素－ニッケル合金、珪素－鉄合金、珪素－チタン合金、珪素－マンガン合金、珪素－銅合金及び珪素－スズ合金等）等］、導電性高分子（例えばポリアセチレン及びポリピロール等）、金属（スズ、アルミニウム、ジルコニウム及びチタン等）、金属酸化物（チタン酸化物及びリチウム・チタン酸化物等）及び金属合金（例えばリチウム－スズ合金、リチウム－アルミニウム合金及びリチウム－アルミニウム－マンガン合金等）等及びこれらと炭素系材料との混合物等が挙げられる。

また、負極活物質は、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆用樹脂で被覆された被覆負極活物質であってもよい。導電助剤及び被覆用樹脂としては、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆用樹脂を好適に用いることができる。

また、負極活物質層は、被覆負極活物質に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

負極活物質層は、正極活物質層と同様に、負極活物質同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。また、正極活物質層と同様に、粘着性樹脂が含まれていてもよい。負極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、１５０～６００μｍであることが好ましく、２００～４５０μｍであることがより好ましい。

正極集電体及び負極集電体（以下まとめて単に集電体ともいう）を構成する材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、焼成炭素、導電性高分子材料、導電性ガラス等が挙げられる。これらの材料のうち、軽量化、耐食性、高導電性の観点から、正極集電体としてはアルミニウムであることが好ましく、負極集電体としては銅であることが好ましい。

また、集電体は、導電性高分子材料からなる樹脂集電体であることが好ましい。集電体の形状は特に限定されず、上記の材料からなるシート状の集電体、及び、上記の材料で構成された微粒子からなる堆積層であってもよい。集電体の厚さは、特に限定されないが、５０～５００μｍであることが好ましい。

樹脂集電体を構成する導電性高分子材料としては例えば、導電性高分子や、樹脂に必要に応じて導電剤を添加したものを用いることができる。導電性高分子材料を構成する導電剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

導電性高分子材料を構成する樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。また、本実施形態の導電性高分材料を構成する樹脂は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）及びポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリメチルペンテン（ＰＭＰ）である。

セパレータとしては、例えば、ポリエチレン又はポリプロピレン製の多孔性フィルム、多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンとの積層フィルム、合成繊維（ポリエステル繊維及びアラミド繊維等）又はガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用のセパレータが挙げられる。

正極活物質層及び負極活物質層には電解液が含まれる。電解液としては、公知のリチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する公知の電解液を使用することができる。

電解質としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆及びＬｉＣｌＯ₄等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂及びＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはイミド系電解質［ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂及びＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂等］及びＬｉＰＦ₆である。

非水溶媒としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。

電解液の電解質濃度は、１～５ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、１．５～４ｍｏｌ／Ｌであることがより好ましく、２～３ｍｏｌ／Ｌであることがさらに好ましい。なお、電解液の電解質濃度は、リチウムイオン電池用電極又はリチウムイオン電池を構成する電解液を、溶媒などを用いずに抽出して、その濃度を測定することで確認することができる。

次に、図３は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールを構成する発光部および単電池受光部の斜視図である。本実施形態の発受光部２０は、配線基板２１と、発光部２２ａと、単電池受光部２２ｂと、制御部２３ａ、２３ｂ（以下、２３ともいう）とを備えている。図２（ｂ）に示すように、発受光部２０は、単電池１０の端部に露出するように、正極集電体１７と負極集電体１９との間に配置されている。また、発受光部２０は、配線基板２１の両端部を内側に折り曲げ、それらによって形成される空間を絶縁樹脂２６が制御部２３ａ、２３ｂを覆うように形成されている。また、発受光部２０は、配線基板２１の端部の測定端子２４と、測定端子２４に対向する位置に測定端子２５とを設けている。これにより、発受光部２０は、単電池１０における正極集電体１７と負極集電体１９の間の電圧を測定することができる。

制御部２３は、光信号の発光、光信号のパターンの制御等の発受光部２０における制御を行う。また、制御部２３は、単電池の電圧に基づいて、光信号パターンに変換し、これを発光部２２ａに転送する。さらに、制御部２３は、複数の単電池ユニット３０のうち他の単電池ユニットからの光信号を単電池受光部２２ｂが受光すると、所定時間、発光部２２ａから光信号を出力しないように制御する。これにより、複数の単電池ユニット３０からの光信号を１つにすることができ、混信することを防ぐことができる。また、制御部２３は、例えば、ＩＣ、ＬＳＩ等の任意の半導体を用いる。本実施形態では、制御部２３ａ、２３ｂを２つ実装しているが、これに限られることなく、１つでもよく、３つ以上でもよい。

発光部２２ａは、単電池１０の電圧を測定して、測定した電圧に応じた光信号パターンの光信号を出力する。これによって、単電池の電圧を検出して光信号の形で単電池の外部に無線出力することができる。また、電圧に応じた光信号パターンの例としては、電圧測定端子により測定された電圧が高いほど、パルス間隔を狭くして発光のＯＮ／ＯＦＦが切り替わるパターンや、単位時間当たりの発光時間が長くなるパターン等がある。

単電池受光部２２ｂは、複数の単電池ユニット３０のうち他の単電池ユニット３０からの光信号が、リチウムイオン電池モジュール１のうちの一部材に反射した光信号を受光する。これにより、制御部２３は、発光部２２ａから出力される光信号を出力しないように制御し、複数の単電池ユニット３０から出力される光信号を１つにすることができる。また、本実施形態では、上述した一部材は、例えば、光導波路６０であるが、これに限られることなく、外装体または外装体の内側に光信号を反射する部材を用いてもよい。

単電池１０の外部に出力された光信号パターンは、単電池の外部に設けられ、単電池とは絶縁状態にある組電池受光部８０（図４参照）により受信される。組電池受光部８０は受光素子８１を備える。受光素子８１によって受信した光信号を電気信号に逆変換する。これにより、単電池１０内の状態を示す電気信号を得ることができる。また、後述するが、複数の単電池ユニット３０のうち他の単電池ユニット３０からの光信号を単電池受光部２２ｂが受光すると、受光した単電池ユニット３０は、所定時間、発光部２２ａから光信号を出力しないように制御する。これにより、組電池受光部８０は、受光する光信号を１つとし、複数の光信号を受光して混信することを回避することができる。本実施形態では、発光部２２ａは、例えば、発光ダイオード等であり、単電池受光部２２ｂおよび組電池受光部８０は、フォトトランジスタ等である。

発受光部２０は、単電池１０の負極集電体１９及び正極集電体１７と電気的に接続されており、リチウムイオン電池からの電力供給を受けることができる。発受光部２０が、負極集電体１９及び正極集電体１７と電気的に接続されていると、リチウムイオン電池からの電力供給を受けて発光部２２ａを発光させることができる。発光部２２ａを発光させるための電源及び配線を設ける必要が無いため簡便な構成とすることができる。

また、発受光部２０が、負極集電体１９及び正極集電体１７と電気的に接続される場合、負極集電体１９及び正極集電体１７は、樹脂集電体であり、負極集電体１９及び正極集電体１７が発受光部２０の電極に直接結合して電気的に接続されていることが好ましい。

樹脂集電体を使用する場合、樹脂集電体と発光部の電極を接触させ、樹脂集電体を加熱して樹脂を軟化させることにより、樹脂集電体と発光部の電極を直接結合させることができる。また、異方性導電膜（ＡＣＦ）等の導電性を有する他の接合材（その他の接合剤として、例えば、導電性ペースト、導電性接着剤など、導電性がある機能、または非加熱若しくは非常に短時間加熱で接合する機能、を有していれば、任意の接合剤を適用することができる）を集電体と発受光部２０の間に介して電気的な接続を行うこともできる。

図４は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの模式的に示す一部切り欠き斜視図である。リチウムイオン電池モジュール１は、組電池５０と、光導波路６０と、外装体７０と、組電池受光部８０とを備えている。

組電池５０は、単電池ユニット３０が複数積層されている。本実施形態では、５つの単電池ユニット３０を積層しており、隣り合う単電池ユニット３０の負極集電体１９を上面と、正極集電体１７の下面が隣接するように積層されている。この場合、単電池ユニット３０は、直列接続されている。組電池５０の外表面には、各単電池ユニット３０の発受光部２０が一列に並んでおり、この一列に並んだ発受光部２０を覆うように光導波路６０が設けられている。

光導波路６０は、発光部２２ａからの出力される光信号を導入している。詳細には、光導波路６０は、その数が発光部２２ａ（発光部からの光信号）の数より少なく、複数の単電池ユニット３０それぞれから出力される光信号を共通して伝送する光路である。光導波路６０の一端（信号出力部）に組電池受光部８０が設置され、共通の光路を介して伝送された複数の光信号は、組電池受光部８０で受信されるように構成されている。

組電池５０と組電池受光部８０とは、電気的に絶縁されている。これにより、従来のように単電池それぞれと金属の配線を介して接続することなく、組電池の状態を管理することができる。また、組電池受光部８０は、組電池５０の複数の単電池ユニット３０から生じる光信号を受信する。また、組電池受光部８０には、後述する電池状態解析器９０が電気的に接続されており、電池状態解析器９０において、受信した光信号の解析が行われ、組電池に含まれる単電池の特性が解析される。

外装体７０は、組電池５０と光導波路６０とを収容している。また、本実施形態では、外装体７０の部材として、高分子金属複合フィルム等を用いているが、これに限られることはない。さらに、外装体７０は、光導波路６０の一端が外装体７０の外に出るように収容している。これにより、組電池５０の各単電池ユニット３０からの光信号が光導波路６０に導入され、組電池受光部８０に光信号を受光することができる。

組電池５０の最上面の負極集電体１９の上に導電性シートが設けられ、導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５９となる。また、組電池５０の最下面の正極集電体１７の上には導電性シートが設けられ、導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５７となる。導電性シートとしては導電性を有する材料であれば特に限定されず、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、樹脂集電体として記載した材料を適宜選択して用いることができる。

このように、組電池受光部８０と発光部２２ａは電気的に接続されておらず、光信号によって組電池受光部８０と発光部２２ａとの間の情報伝達がされる。

本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールにおいて、受光部と組電池が電気的に接続されておらず、これによって生じ得る複数の光信号による混信を制御について、説明する。

図５は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの回路構成を示すブロック図である。リチウムイオン電池モジュール１は、機器本体１００と上述した引出配線５９および引出配線５７を介して接続されている。また、機器本体１００は、組電池５０を電源とした機器の動作が行われる。リチウムイオン電池モジュールは、複数の単電池ユニット３０のうち、それぞれ、発光部２２ａにおいて、単電池１０の特性を測定して特性に基づいて光信号を生じ、光導波路６０内に光信号が導入される。光導波路６０から導出される光信号は、光導波路６０と対向する単電池受光部２２ｂおよび組電池受光部８０によって受光される。詳細については、後述するが、本実施形態のリチウムイオン電池モジュールでは、制御部２３ａ、２３ｂは、光導波路６０内において反射した光信号を単電池受光部２２ｂが受光したときに、所定時間、当該単電池ユニット３０の発光部２２ａから光信号を出力しないように制御する。これによって、組電池受光部８０は、１つの単電池ユニットから光導波路内に出力された光信号を受光することができる。このように、単電池受光部２２ｂの光信号の受光を契機として、制御部２３ａ、２３ｂが光信号の出力を制御することにより、複数の単電池ユニット３０から出力される光信号の衝突を回避することができる。

組電池受光部８０は、受信した光信号を電気的に接続された電池状態解析器９０に送り、電池状態解析器９０によって光信号の解析が行われる。そして、電池状態解析器９０は、光信号を生じた単電池ユニットの単電池の温度や電圧などの特性を解析する。これにより、単電池の温度や電圧を把握することができる。

次に、本発明の複数の単電池ユニット３０の発光部２２ａから生じた光信号が、他の単電池ユニット３０で受光した際の動作について図６を用いて説明する。図６は、本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの模式的拡大断面図である。複数の単電池ユニット３０が積層され、各単電池ユニット３０の発受光部２０を覆うように光導波路６０が配置され、これらを外装体７０に収容している。

各単電池ユニット３０の発光部２２ａから出力された光信号Ｌは、光導波路６０によって反射し、他の単電池ユニット３０の単電池受光部２２ｂによって受信される。そして、他の単電池ユニット３０は、発光部２２ａから生じる光信号を、所定時間、生じないようにする。これにより、発光部２２ａから生じた光信号が、他の発光部からの光信号と衝突することなく、組電池受光部８０に受信することができる。

所定時間は、単電池ユニット３０の発光部２２ａが、組電池受光部８０に、後述する、光信号パターンを受信することが可能な時間であればよい。

なお、当該単電池ユニットの発光部２２ａから生じた光信号Ｌが、当該単電池ユニットの単電池受光部２２ｂによって受信しても、光信号を認識するため、当該単電池ユニットの発光部２２ａからは光信号が生じるものである。

単電池ユニット３０の単電池の特性に基づいて生じる光信号パターンについて説明する。

図７（ａ）～（ｅ）は、それぞれ、単電池の電圧が異なるときの光信号パターンを示す模式図である。これらの光信号パターンを得るために、発光部には単電池の正極集電体と負極集電体の間の電圧を測定する電圧測定端子と、単電池の温度を測定する温度測定端子が設けられている。制御部により発光部を所定の光信号パターンで発光させる制御が行われる。

図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）及び図７（ｅ）は、それぞれ、単電池の電圧が異なるときの光信号パターンの例を示す模式図である。図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）及び図７（ｅ）は、それぞれ、単電池電圧が４－４．５Ｖ、３．５－４Ｖ、３－３．５Ｖ、２．５－３Ｖ、２－２．５Ｖの場合の光信号パターンを示している。これらのパターンは所定時間内に信号のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルスパターンであり、所定時間は１００ｓ（１００秒）としている。
所定時間は特に限定されるものではなく任意の時間とすることができる。

これらの例では１回の発光時間は同じで、電圧が高いほど発光ＯＮ／ＯＦＦの繰り返し回数が多い光信号パターンとしているが、電圧と光信号パターンの形状が対応していればどのような光信号パターンであっても構わない。例えば、発光ＯＮ／ＯＦＦの回数は同じで電圧が高いほど１回の発光時間が長くなるような光信号パターンであってもよい。また、所定時間内における１回の発光時間はすべて同じである必要はない。また、電圧０．５Ｖ刻みで光信号パターンの形状が異なるようにしているが、電圧の刻み幅は特に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュール１の各々の単電池ユニット３０と組電池受光部８０との情報伝達のための制御方法について図８を用いて説明する。

リチウムイオン電池モジュール１において、情報伝達のための制御が開始されると、まず、各々の単電池ユニット３０の発光部２２ａは、ランダムに選ばれた所定の周期ｔ１の間、例えば５秒、発光せずに待機する（Ｓ７０１）。周期ｔ１は制御部２３内に保存されている分布１から選択される。そして、待機している間に、他の単電池ユニット３０の光信号を受光すると、単電池ユニット３０の単電池受光部２２ｂは制御部２３によって待機するように制御されるため、さらにｔ３秒、例えば５秒待機し（Ｓ７０６）、再びステップＳ７０１へ戻る。一方、ステップＳ７０１において待機後、各々の単電池ユニット３０は、パルス信号を発光部２２ａから発光し（Ｓ７０２）、ランダムな周期ｔ２の間、例えば０．１秒、発光せずに待機する（Ｓ７０３）。周期ｔ２は、周期ｔ１と同様に、制御部２３内に保存されている分布２から選択される。このとき、各々の単電池ユニット３０のうち最初に発光した単電池ユニット３０以外の単電池ユニット３０は、最初に発光した単電池ユニット３０からの光信号を単電池受光部２２ｂで受光すると、所定時間、発光部２２ａから光信号を生じなくなる。すなわち、光導波路６０内において反射した光信号を単電池受光部２２ｂが受光したときに、所定時間、発光部２２ａから光信号を出力しない。そして、ステップＳ７０２において、最初に発光した単電池ユニット３０のパルス信号は、各々の単電池ユニット３０の単電池受光部２２ｂと組電池受光部８０によって、受光される。なお、ステップＳ７０２およびステップＳ７０３は、Ｎ回繰り返してもよく、上述したステップＳ７０１の周期ｔ１とステップＳ７０６のｔ３が、ｔ１＋ｔ３＞Ｎが成り立つまで繰り返してもよい。そして、ステップＳ７０３において待機後、最初に発光した単電池ユニット３０は、組電池受光部８０に対して、図７において上述したデータ送信パターンの光信号を送信する（Ｓ７０４）。そして、最初に発光した単電池ユニット３０は、光信号の送信を終えるとｔ４秒、例えば１０秒待機し（Ｓ７０５）、ステップＳ７０１へ戻る。なお、ステップＳ７０５において、待機時間ｔ４秒は、１０秒としたが、単電池ユニット３０の積層数が多くなるにつれて待機時間ｔ４は長くなるようにしてもよい。
（第２実施形態）

次に、本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールについて説明する。第１実施形態では、第１実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの基本的な構造とともに、単電池ユニットの発光部２２ａから生じる光信号を光導波路に導入し、組電池受光部で受光する構成を例示した。しかし、本発明の技術思想に即したものであれば、光導波路がないものを採用できる。なお、第１実施形態と同様の部分については、説明を割愛する。

図９は、本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールを模式的に示す一部切抜き斜視図である。また、図１０は、本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの回路構成を示すブロック図である。第２実施形態のリチウムイオン電池モジュール１では、組電池５０と、組電池受光部８０とが外装体７０に収容されている。

組電池受光部８０には電池状態解析器９０が例えば配線を介して電気的に接続されている。電池状態解析器９０は、外装体７０の外部に配置され、組電池受光部８０からの電気信号が電池状態解析器９０に出力される。

単電池ユニット３０の制御部２３ａ、２３ｂは、外装体７０内において、反射された光信号Ｌを単電池受光部２２ｂが受光したときに、所定時間、発光部２２ａから光信号を出力しないように制御をする。これにより、組電池受光部８０は、１つの単電池ユニット３０から外装体内に出力された光信号を受光することができる。

外装体７０は、発光部２２ａから出力される光信号を反射する部材を有している。本実施形態の外装体７０は、例えば、光信号を反射する部材として、金属缶ケース、高分子金属複合フィルム等を用いる。これにより、外装体７０は、発光部２２ａから出力された光信号Ｌを反射することができる。

なお、本実施形態では、外装体７０に光信号を反射する部材としたが、これに限られることなく、外装体の７０と組電池との間に光信号を反射する部材を有するようにしてもよい。

次に、本発明の複数の単電池ユニット３０の発光部２２ａから出力された光信号が、他の単電池ユニット３０で受光したときの動作の一例について図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の第２実施形態に係るリチウムイオン電池モジュールの模式的拡大断面図である。複数の単電池ユニット３０が積層され、各単電池ユニット３０の発受光部２０と、組電池受光部８０とが外装体７０に収容されている。

各単電池ユニット３０の発光部２２ａは、外装体７０に向かって光信号Ｌを出力する。そして、光信号Ｌは、外装体７０に反射し、他の単電池ユニット３０の単電池受光部２２ｂによって受光される。このとき、他の単電池ユニット３０の制御部２３ａ、２３ｂは、発光部２２ａから出力する光信号Ｌを、所定時間、出力しないようにする。これにより、他の単電池ユニット３０の発光部２２ａからの光信号Ｌとの衝突することなく、１つの単電池ユニット３０の発光部２２ａから出力される光信号Ｌを組電池受光部８０が受光することができる。

本実施形態の所定時間は、単電池ユニット３０の発光部２２ａの光信号Ｌが、組電池受光部８０に、光信号パターンを受光することが可能な時間であればよい。

なお、他の単電池ユニット３０の単電池受光部２２ｂによって受光するたびに、所定の待機時間をある分布の中から無作為に選ぶようにし、当該単電池ユニットの発光部２２ａから生じた光信号Ｌが、当該単電池ユニットの単電池受光部２２ｂによって受信しても、光信号を認識するため、当該単電池ユニットの発光部２２ａからは光信号が生じるものである。

以上のように、各々の単電池ユニットの発光部および単電池受光部を制御することで、複数の単電池間に電気的配線を接続することなく、各々の単電池ユニット３０の信号の衝突を回避し、組電池受光部８０に光信号を受光することができる。

上述した実施形態では、光導光路で各単電池ユニットの発受光部を覆うような構成を用いたが、他の実施形態として、光導光路で各単電池ユニットの発受光部を覆わず、外装体に光信号を反射させ、反射させた光信号を光導光路に導入させる構成などでもよい。

以上説明したように、本実施形態のリチウムイオン電池モジュールの一態様は、単電池と、前記単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、前記光信号を受光する単電池受光部と、前記発光部の発光を制御する制御部と、を有する単電池ユニットと、前記単電池ユニットを複数積層した組電池と、前記組電池から出力される前記光信号を受信する組電池受光部と、前記組電池を収容する外装体と、を備え、前記制御部は、複数の前記単電池ユニットのうち他の前記単電池ユニットからの前記光信号を前記単電池受光部において受光すると、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しないように制御する。

上記一態様では、前記単電池受光部は、複数の前記単電池ユニットのうち他の前記単電池ユニットからの前記光信号が、前記リチウムイオン電池モジュールのうちの一部材に反射した光信号を受光してもよい。

上記一態様では、前記発光部から出力される光信号が導入される光導波路を更に備え、前記制御部は、前記光導波路内において反射した光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しないように制御してもよい。

上記一態様では、前記光導波路は、複数の前記単電池ユニットそれぞれから出力される光信号を共通して伝送する光路であり、前記共通の光路を介して伝送された複数の光信号は、前記共通の光路の信号出力部に設置した前記組電池受光部で受信するように構成してもよい。

上記一態様では、前記外装体は、前記光信号を反射する部材を有し、前記制御部は、前記外装体内において反射した光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しないように制御してもよい。

上記一態様では、前記組電池と前記組電池受光部とは電気的に絶縁されてもよい。

上記一態様では、前記発光部は、前記単電池の電圧を測定して、測定した電圧に応じた光信号パターンを出力してもよい。

上記一態様では、前記組電池受光部は、前記発光部から受信した前記光信号を解析する解析器と電気的に接続されてもよい。

また以上説明したように、本実施形態のリチウムイオン電池モジュールの制御方法の一態様は、単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、前記光信号を受光する単電池受光部と、を備える単電池ユニットを複数積層された組電池と、組電池受光部を備えたリチウムイオン電池モジュールの制御方法であって、各々の前記単電池ユニットは、他の前記単電池ユニットからの前記光信号を前記単電池受光部で受光すると、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しない非発光工程と、前記非発光工程において、他の前記単電池ユニットから前記光信号を受光していない前記単電池ユニットの前記発光部から前記光信号を出力するように発光する発光工程と、前記光信号を前記組電池受光部に受光する受光工程と、前記組電池受光部において、複数の前記光信号の受光を判定する判定工程と、を有する。

上記一態様に係る制御方法では、前記発光部から出力される光信号が導入される光導波路を更に備えるリチウムイオン電池モジュールの制御方法であって、前記光導波路内において反射した前記光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しない非発光工程、をさらに有してもよい。

上記一態様に係る制御方法では、前記発光部から出力される光信号を反射する部材を有する外装体を更に備えるリチウムイオン電池モジュールの制御方法であって、前記外装体内において反射した前記光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しない非発光工程、をさらに有してもよい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態で説明したフローチャート、シーケンス、実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成要素の一部または全部を置換して若しくは構成要素を追加して、組み合わせることが可能である。

１ リチウムイオン電池モジュール
１０ 単電池
２２ａ 発光部
２２ｂ 単電池受光部
２３ａ、２３ｂ 制御部
３０ 単電池ユニット
５０ 組電池
７０ 外装体
８０ 組電池受光部

Claims (11)

1. 単電池と、前記単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、前記光信号を受光する単電池受光部と、前記発光部の発光を制御する制御部と、を有する単電池ユニットと、
   前記単電池ユニットを複数積層した組電池と、
   前記組電池から出力される前記光信号を受信する組電池受光部と、
   前記組電池を収容する外装体と、
   を備え、前記制御部は、複数の前記単電池ユニットのうち他の前記単電池ユニットからの前記光信号を前記単電池受光部において受光すると、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しないように制御することを特徴とするリチウムイオン電池モジュール。
2. 前記単電池受光部は、複数の前記単電池ユニットのうち他の前記単電池ユニットからの前記光信号が、前記リチウムイオン電池モジュールのうちの一部材に反射した光信号を受光する、ことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池モジュール。
3. 前記発光部から出力される光信号が導入される光導波路を更に備え、
   前記制御部は、前記光導波路内において反射した光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しないように制御する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池モジュール。
4. 前記光導波路は、複数の前記単電池ユニットそれぞれから出力される光信号を共通して伝送する光路であり、
   前記共通の光路を介して伝送された複数の光信号は、前記共通の光路の信号出力部に設置した前記組電池受光部で受信するように構成されている、
   請求項３に記載のリチウムイオン電池モジュール。
5. 前記外装体は、前記光信号を反射する部材を有し、
   前記制御部は、前記外装体内において反射した光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しないように制御する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池モジュール。
6. 前記組電池と前記組電池受光部とは電気的に絶縁されている、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池モジュール。
7. 前記発光部は、前記単電池の電圧を測定して、測定した電圧に応じた光信号パターンを出力することを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池モジュール。
8. 前記組電池受光部は、前記発光部から受信した前記光信号を解析する解析器と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池モジュール。
9. 単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、前記光信号を受光する単電池受光部と、を備える単電池ユニットを複数積層された組電池と、組電池受光部を備えたリチウムイオン電池モジュールの制御方法であって、
   各々の前記単電池ユニットは、他の前記単電池ユニットからの前記光信号を前記単電池受光部で受光すると、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しない非発光工程と、
   前記非発光工程において、他の前記単電池ユニットから前記光信号を受光していない前記単電池ユニットの前記発光部から前記光信号を出力するように発光する発光工程と、
   前記光信号を前記組電池受光部に受光する受光工程と、
   前記組電池受光部において、複数の前記光信号の受光を判定する判定工程と、
   を有することを特徴とするリチウムイオン電池モジュールの制御方法。
10. 前記発光部から出力される光信号が導入される光導波路を更に備えるリチウムイオン電池モジュールの制御方法であって、
    前記光導波路内において反射した前記光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しない非発光工程、をさらに有することを特徴とする請求項９に記載のリチウムイオン電池モジュールの制御方法。
11. 前記発光部から出力される光信号を反射する部材を有する外装体を更に備えるリチウムイオン電池モジュールの制御方法であって、
    前記外装体内において反射した前記光信号を前記単電池受光部が受光したときに、所定時間、前記発光部から前記光信号を出力しない非発光工程、をさらに有することを特徴とする請求項９に記載のリチウムイオン電池モジュールの制御方法。

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