JP2023115510A

JP2023115510A - 二次電池

Info

Publication number: JP2023115510A
Application number: JP2022017758A
Authority: JP
Inventors: 直剛吉田; Naotake Yoshida
Original assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Current assignee: Prime Planet Energy and Solutions Inc
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2023-08-21

Abstract

【課題】小型化が図られ、かつ、フレキシブルなシステム構成を実現し得る二次電池を提供する。【解決手段】二次電池は、本体および封口板を有する外装缶と、外装缶に収納された第１電極体および第２電極体と、第１電極体および第２電極体に各々接続され、第１電極体および第２電極体の状況を各々検出する第１検出ユニットおよび第２検出ユニットとを備える。第１電極体および第２電極体は、封口板に対向する正極集電部および負極集電部を各々有する。第１電極体と第２電極体とは電気的に直列接続される。第１検出ユニットおよび第２検出ユニットは、外装缶の内部に設けられ、外装缶の外部に位置する制御部と無線通信することが可能である。【選択図】図７

Description

本技術は、二次電池に関する。

国際公開第２０１３／１３７４５１号（特許文献１）には、電圧検出回路を外装缶内に配置した二次電池が開示されている。

特開２０１８－４９７１９号公報（特許文献２）には、外装缶内に複数の電極体を配置し、複数の電極体を直列に接続した二次電池が開示されている。

国際公開第２０１３／１３７４５１号特開２０１８－４９７１９号公報

フレキシブルなシステム構成の実現という観点からは、従来の二次電池には依然として改善の余地がある。たとえば、システム全体として３００Ａｈの容量が求められるとき、２００Ａｈの容量の二次電池しか準備できない場合、エネルギー量が不足（２００Ａｈ×１＝２００Ａｈ）または過剰（２００Ａｈ×２＝４００Ａｈ）の状態となる。

別の観点では、システム全体の小型化のために、二次電池を小型化することも求められる。

本技術の目的は、小型化が図られ、かつ、フレキシブルなシステム構成を実現し得る二次電池を提供することにある。

本技術に係る二次電池は、本体および封口板を有する外装缶と、外装缶に収納された第１電極体および第２電極体と、第１電極体および第２電極体に各々接続され、第１電極体および第２電極体の状況を各々検出する第１検出ユニットおよび第２検出ユニットとを備える。第１電極体および第２電極体は、封口板に対向する正極集電部および負極集電部を各々有する。第１電極体と第２電極体とは電気的に直列接続される。第１検出ユニットおよび第２検出ユニットは、外装缶の内部に設けられ、外装缶の外部に位置する制御部と無線通信することが可能である。

本技術によれば、第１電極体と第２電極体とを電気的に直列に接続することにより、高電圧の電池セルを得ることができる。ここで、第１電極体および第２電極体の正極集電部および負極集電部がいずれも封口板に対向するように設けられているため、第１電極体と第２電極体とを直列接続するための構造を簡素化し、二次電池の大型化を抑制することができる。また、第１検出ユニットおよび第２検出ユニットにより第１電極体および第２電極体の状況を各々検出することができるので、システム全体として動作を最適化しやすい。さらに、上記二次電池を並列に接続することにより、所望の電流容量を得ることも可能である。以上の結果として、システム全体の大型化を抑制しながら、所望の電圧および電流容量を得ることができる。すなわち、フレキシブルなシステム構成を実現することができる。

電池セルおよびそれを収納するケース部材を示す斜視図である。電池セルを示す斜視図である。電池セルをＹ軸方向から見た断面図である。電極体の構成の一例を示す概略図である。電池セルと検出ユニットとの電気的接続を示す回路図である。検出ユニットの具体例を示す機能ブロック図である。電池セル内における電極体および検出ユニットの配置を示す模式図である。

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。

また、本明細書において幾何学的な文言および位置・方向関係を表す文言、たとえば「平行」、「直交」、「斜め４５°」、「同軸」、「沿って」などの文言が用いられる場合、それらの文言は、製造誤差ないし若干の変動を許容する。本明細書において「上側」、「下側」などの相対的な位置関係を表す文言が用いられる場合、それらの文言は、１つの状態における相対的な位置関係を示すものとして用いられるものであり、各機構の設置方向（たとえば機構全体を上下反転させる等）により、相対的な位置関係は反転ないし任意の角度に回動し得る。

本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池およびナトリウムイオン電池などの他の電池を含み得る。

本明細書において、「電池セル」は必ずしも角型のものに限定されず、円筒型、パウチ型、ブレード型など、他の形状のセルも含み得る。「電池セル」は、ハイブリッド車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、および電気自動車（ＢＥＶ：Battery Electric Vehicle）などに搭載可能である。ただし、「電池セル」の用途は、車載用に限定されるものではない。

図１は、電池セル１００およびそれを収納するケース部材２００を示す斜視図である。図１においては、図示の便宜上、ケース部材２００の蓋部分を示していない。

図１に示すように、ケース部材２００は、内部空間２１０を有する。内部空間２１０には、Ｙ軸方向（第１の方向）に積層された複数の電池セル１００の積層体（組電池）が収納される。組電池は、Ｘ軸方向（第２の方向）に三列並ぶように設けられる。

ケース部材２００は、電池セル１００の積層体を直接支持するもの（Ｃｅｌｌ－ｔｏ－Ｐａｃｋ構造）であってもよいし、複数の電池セル１００を含む電池モジュールを収納するもの（Ｃｅｌｌ－Ｍｏｄｕｌｅ－Ｐａｃｋ構造）であってもよい。

図２は、電池セル１００を示す斜視図である。図２に示すように、電池セル１００は、角型形状を有する。電池セル１００は、電極端子１１０と、筐体１２０（外装缶）とを有する。すなわち、電池セル１００は角型二次電池セルである。

電極端子１１０は、筐体１２０上に形成されている。電極端子１１０は、Ｙ軸方向（第１の方向）に直交するＸ軸方向（第２の方向）に沿って並ぶ正極端子１１１および負極端子１１２を有する。正極端子１１１および負極端子１１２は、Ｘ軸方向において、互いに離れて設けられている。

筐体１２０は、直方体形状を有し、電池セル１００の外観をなす。筐体１２０は、図示しない電極体および電解液を収容するケース本体１２０Ａと、ケース本体１２０Ａの開口を封止する封口板１２０Ｂとを含む。封口板１２０Ｂは、溶接によりケース本体１２０Ａに接合される。

筐体１２０は、上面１２１と、下面１２２と、第１側面１２３と、第２側面１２４と、２つの第３側面１２５とを有する。筐体１２０には、ガス排出弁１２６が設けられている。

上面１２１は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に直交するＺ軸方向（第３の方向）に直交する平面である。上面１２１には、電極端子１１０が配置されている。下面１２２は、Ｚ軸方向に沿って上面１２１に対向している。

第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に直交する平面からなる。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、筐体１２０が有する複数の側面のうちで最も大きい面積を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、矩形形状を有する。第１側面１２３および第２側面１２４の各側面は、Ｙ軸方向に見て、Ｘ軸方向が長手方向となり、Ｚ軸方向が短手方向となる矩形形状を有する。

複数の電池セル１００は、Ｙ軸方向に隣り合う電池セル１００，１００の間において、第１側面１２３どうし、第２側面１２４どうしが向かい合わせとなるように積層されている。これにより、複数の電池セル１００が積層されるＹ軸方向において、正極端子１１１と負極端子１１２とが、交互に並んでいる。

ガス排出弁１２６は、上面１２１に設けられている。ガス排出弁１２６は、電池セル１００の温度が上昇し（熱暴走）、筐体１２０の内部で発生したガスにより筐体１２０の内圧が所定値以上となった場合に、そのガスを筐体１２０の外部に排出する。

図３は、電極体の構成の一例を示す概略図である。図３に示すように、電池セル１００において、筐体１２０の内部には、電極体１３０と、集電部材１４０と、電解液（不図示）とが収納される。集電部材１４０は、正極集電部材１４１と、負極集電部材１４２とを含む。

電極端子１１０は、樹脂製の絶縁部材１５０を介して封口板１２０Ｂに固定されている。絶縁部材１５０は、正極側の絶縁部材１５１と、負極側の絶縁部材１５２とを含む。

集電部材１４０を介して電極端子１１０と電極体１３０とが電気的に接続される。具体的には、電極体１３０は、正極集電部材１４１によって正極端子１１１に接続される。電極体１３０は、負極集電部材１４２によって負極端子１１２に接続される。図３の例において、正極集電部材１４１および負極集電部材１４２は電極体１３０に対してＸ軸方向の両側に分かれて形成されているが、集電部材１４０の配置はこれに限定されない。たとえば正極集電部材１４１および負極集電部材１４２は、Ｚ軸方向において電極体１３０の封口板１２０Ｂ側（図３中の上側）に配置されてもよい。いずれにしても、正極集電部材１４１および負極集電部材１４２は、封口板１２０Ｂに対向するように配置されている。

図４は、電極体１３０の構成の一例を示す概略図である。図５に示す例において、電極体１３０は巻回型である。電極体１３０は、正極１３１、負極１３２、およびセパレータ１３３を含む。正極１３１、負極１３２、およびセパレータ１３３は、いずれも帯状のシートである。電極体１３０は複数枚のセパレータ１３３を含んでいてもよい。正極１３１と負極１３２との間にセパレータ１３３が挟まれる。正極１３１、負極１３２、およびセパレータ１３３の積層体が渦巻状に巻回されることにより電極体１３０が形成される。電極体１３０は、巻回後に扁平状に成形されていてもよい。なお巻回型は一例である。電極体１３０は、たとえば積層型（スタック型）であってもよい。

正極１３１は、正極基材１３１Ａと正極活物質層１３１Ｂとを含む。正極基材１３１Ａは導電性シートである。正極基材１３１Ａは、たとえばアルミニウム合金箔などであってもよい。正極基材１３１Ａは、たとえば１０μｍから３０μｍ程度の厚さを有していてもよい。正極活物質層１３１Ｂは、正極基材１３１Ａの表面に配置されている。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば正極基材１３１Ａの片面のみに配置されていてもよい。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば正極基材１３１Ａの表裏両面に配置されていてもよい。正極１３１の幅方向（Ｘ軸方向）において、一方の端部に正極基材１３１Ａが露出していてもよい。正極基材１３１Ａが露出した部分には、正極集電部材１４１が接合される。

たとえば、正極活物質層１３１Ｂと正極基材１３１Ａとの間に中間層（不図示）が形成されていてもよい。本明細書においては、中間層がある場合も、正極活物質層１３１Ｂが正極基材１３１Ａの表面に配置されているとみなされる。中間層は、正極活物質層１３１Ｂと比べて薄くてもよい。中間層は、たとえば０．１μｍから１０μｍ程度の厚さを有していてもよい。中間層は、たとえば導電材、絶縁材などを含んでいてもよい。

正極活物質層１３１Ｂは、たとえば１０μｍから２００μｍ程度の厚さを有していてもよい。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば１３０μｍから１１３０μｍ程度の厚さを有していてもよい。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば１３０μｍから１００μｍ程度の厚さを有していてもよい。

正極活物質層１３１Ｂは正極活物質を含む。正極活物質は粒子群である。正極活物質層１３１Ｂは、正極活物質を含む限り、追加の成分をさらに含んでいてもよい。正極活物質層１３１Ｂは正極活物質に加えて、たとえば導電材およびバインダなどを含んでいてもよい。導電材は、任意の成分を含み得る。導電材は、たとえば、カーボンブラック、黒鉛、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）およびグラフェンフレークからなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。導電材の配合量は、１００質量部の正極活物質に対して、たとえば０．１質量部から１０質量部程度であってもよい。バインダは、任意の成分を含み得る。バインダは、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリ(ビニリデンフルオリド－ｃｏ－ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）およびポリアクリル酸（ＰＡＡ）からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。バインダの配合量は、１００質量部の正極活物質に対して、たとえば０．１質量部から１０質量部程度であってもよい。

正極活物質層１３１Ｂは高密度を有し得る。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば３．６ｇ／ｃｍ³から３．９ｇ／ｃｍ³程度の密度を有していてもよい。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば３．６５ｇ／ｃｍ³から３．８１ｇ／ｃｍ³程度の密度を有していてもよい。正極活物質層１３１Ｂは、たとえば３．７０ｇ／ｃｍ³から３．８１ｇ／ｃｍ³程度の密度を有していてもよい。本明細書において、活物質層の密度は、見かけ密度を示す。

負極１３２は、たとえば負極基材１３２Ａと負極活物質層１３２Ｂとを含んでいてもよい。負極基材１３２Ａは導電性シートである。負極基材１３２Ａは、たとえば銅合金箔などであってもよい。負極基材１３２Ａは、たとえば５μｍから３０μｍ程度の厚さを有していてもよい。負極活物質層１３２Ｂは、負極基材１３２Ａの表面に配置されていてもよい。負極活物質層１３２Ｂは、たとえば負極基材１３２Ａの片面のみに配置されていてもよい。負極活物質層１３２Ｂは、たとえば負極基材１３２Ａの表裏両面に配置されていてもよい。負極１３２の幅方向（Ｘ軸方向）において、一方の端部に負極基材１３２Ａが露出していてもよい。負極基材１３２Ａが露出した部分には、負極集電部材１４２が接合される。

負極活物質層１３２Ｂは、たとえば１０μｍから２００μｍ程度の厚さを有していてもよい。負極活物質層１３２Ｂは負極活物質を含む。負極活物質は任意の成分を含み得る。負極活物質は、たとえば黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、錫基合金、およびリチウムチタン複合酸化物からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

負極活物質層１３２Ｂは負極活物質に加えて、たとえばバインダなどをさらに含んでいてもよい。負極活物質層１３２Ｂは、たとえば質量分率で、９５％から９９．５％程度の負極活物質と、残部のバインダとを含んでいてもよい。バインダは任意の成分を含み得る。バインダは、たとえばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

セパレータ１３３の少なくとも一部は、正極１３１と負極１３２との間に介在している。セパレータ１３３は、正極１３１と負極１３２とを分離している。セパレータ１３３は、たとえば１０μｍから３０μｍ程度の厚さを有していてもよい。

セパレータ１３３は多孔質シートである。電解液はセパレータ１３３を透過する。セパレータ１３３は、たとえば２００ｓ／１００ｍＬから４００ｓ／１００ｍＬ程度の透気度を有していてもよい。本明細書における「透気度」は、「ＪＩＳＰ８１１７：２００９」に規定される「透気抵抗度（ＡｉｒＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）」を示す。透気度はガーレー試験法により測定される。

セパレータ１３３は電気絶縁性である。セパレータ１３３は、たとえばポリオレフィン系樹脂などを含んでいてもよい。セパレータ１３３は、たとえば、実質的にポリオレフィン系樹脂からなっていてもよい。ポリオレフィン系樹脂は、たとえばポリエチレン（ＰＥ）およびポリプロピレン（ＰＰ）からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。セパレータ１３３は、たとえば単層構造を有していてもよい。セパレータ１３３は、たとえば、実質的にＰＥ層からなっていてもよい。セパレータ１３３は、たとえば多層構造を有していてもよい。セパレータ１３３は、たとえばＰＰ層とＰＥ層とＰＰ層とがこの順に積層されることにより形成されていてもよい。セパレータ１３３の表面に、たとえば耐熱層などが形成されていてもよい。

電解液は溶媒と支持電解質とを含む。溶媒は非プロトン性である。溶媒は任意の成分を含み得る。溶媒は、たとえば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ）、メチルホルメート（ＭＦ）、メチルアセテート（ＭＡ）、メチルプロピオネート（ＭＰ）、およびγ－ブチロラクトン（ＧＢＬ）からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

支持電解質は溶媒に溶解している。支持電解質は、たとえば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、およびＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。支持電解質は、たとえば０．５ｍоｌ／Ｌから２．０ｍоｌ／Ｌ程度のモル濃度を有していてもよい。支持電解質は、たとえば０．８ｍоｌ／Ｌから１．２ｍоｌ／Ｌ程度のモル濃度を有していてもよい。

電解液は、溶媒および支持電解質に加えて、任意の添加剤をさらに含んでいてもよい。たとえば電解液は、質量分率で、０．０１％から５％程度の添加剤を含んでいてもよい。添加剤は、たとえば、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ジフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＯ₂Ｆ₂）、フルオロスルホン酸リチウム（ＦＳＯ₃Ｌｉ）、およびリチウムビスオキサラトボラート（ＬｉＢＯＢ）からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

図３に示すように、電池セル１００は、検出ユニット３００をさらに備える。検出ユニット３００の少なくとも一部は、筐体１２０の内側に配置されている。検出ユニット３００は、アンテナ部３１０および回路基板３２０を含む。

図３に示すように、回路基板３２０は、封口板１２０Ｂの内面側に位置している。具体的には、回路基板３２０は、封口板１２０Ｂの内面に貼り付けられている。回路基板３２０は、電池セル１００の状態を検出する回路を有する。回路基板３２０においては、絶縁機能を有するプリント基板上に、Ｓｉなどの半導体に形成された集積回路および電子部品が実装されている。本実施の形態においては、プリント基板上にアンテナパターンが形成されている。

電池セル１００の状態には、電池セル１００の電圧、内部温度および内部圧力の少なくとも１つの状態が含まれる。すなわち、検出ユニット３００は、電池セル１００の電圧、ならびに、電池セル１００の内部温度および電池セル１００の内部圧力の少なくとも１つの状態を検出可能である。

アンテナ部３１０は、回路基板３２０上に設けられている。アンテナ部３１０は、無線通信する。本実施の形態においては、アンテナ部３１０は、筐体１２０の内側に配置されている。アンテナ部３１０が筐体１２０の内側に配置されている場合においても、正極端子１１１および負極端子１１２の周囲に配置されている絶縁部材１５１，１５２を通じてアンテナ部３１０は電波を送受信可能である。アンテナ部３１０は、たとえば、ＩＳＯ／ＩＥＣ１８０９２またはＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３などに準拠する近距離無線通信を行う際、電磁波を送受信するものであってもよい。なお、アンテナ部３１０は、筐体１２０の外側に引き出されていてもよい。

本実施の形態において、近距離無線通信は、非接触で信号を伝送するブルートゥース（登録商標）を採用しているが、ブルートゥースに限られず、ＮＦＣ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）の規格の通信が採用されてもよい。ＮＦＣの規格に準拠した通信デバイスは、たとえば、乗車カードおよび電子マネーなどの非接触ＩＣカード、または、携帯電話およびスマートフォンなどの小型モバイル機器に組み込まれるものであって、非接触で信号を伝送するものである。

複数の電池セル１００の各々のアンテナ部３１０は、電池セル１００の外部に配置された監視ユニットであるバッテリ管理システム（ＢＭＳ）と電気的に接続された無線通信部と無線通信可能に構成されている。バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、セル管理コントローラ（ＣＭＣ）およびバッテリ管理コントローラ（ＢＭＣ）を含む。バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、バッテリーシステム内または車両などに搭載されている。なお、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、ＣＡＮ（Controller Area Network）プロトコルに準拠した通信によってバッテリ用ＥＣＵ（Electronic Control Unit）と各種信号を送受信する。検出ユニット３００は、アンテナ部３１０の相方向通信によって、ネットワークを通じて利用可能なクラウドと接続されていてもよい。

図５は、電池セルと検出ユニットとの電気的接続を示す回路図である。図５に示すように、検出ユニット３００は、給電線Ｌ１に接続されている。

給電線Ｌ１は、正極集電部材１４１および負極集電部材１４２の各々に接続されている。ただし、給電線Ｌ１は、正極集電部材１４１および負極集電部材１４２の一方にのみ接続されていてもよい。このように、検出ユニット３００は、集電部に電気的に接続されて給電される。

図６は、検出ユニットの具体例を示す機能ブロック図である。図６に示すように、検出ユニット３００は、マイコン３３０を含む。マイコン３３０は、回路基板３２０に実装されている。マイコン３３０は、電源制御部３３１、ＣＰＵ３３２、クロック制御部３３３、電圧センサ３３４、アナログデジタルコンバータ３３５、温度センサ３３６、周辺機能部３３７、無線通信機能部３３８、プログラム用メモリ３３９、ＲＡＭ３４０、不揮発性メモリ３４１およびプログラム書き換え制御部３４２を含む。

マイコン３３０は、２つの電源端子Ｔ１、アンテナ端子Ｔ２および２つのセンサ端子Ｔ３をさらに含む。一方の電源端子Ｔ１は、給電線Ｌ１によって正極端子１１１と電気的に接続されている。正極端子１１１に接続された給電線Ｌ１には、過電流対策用のヒューズ３７１が設けられている。他方の電源端子Ｔ１は、給電線Ｌ１によって負極端子１１２と電気的に接続されている。正極端子１１１に接続された給電線Ｌ１と、負極端子１１２に接続された給電線Ｌ１との間に、過電圧およびノイズ対策用の電源入力保護部品３７０が接続されている。

アンテナ端子Ｔ２は、アンテナ部３１０と接続されている。アンテナ部３１０は、たとえば、回路基板３２０上にミアンダ状に形成されたパターンアンテナである。なお、アンテナ部３１０の形状および種類は適宜設定される。

一方のセンサ端子Ｔ３は、圧力センサ３５０と接続されている。圧力センサ３５０は、電池セル１００の内部に配置されて電池セル１００の内部圧力を計測する。他方のセンサ端子Ｔ３は、電圧センサ３６０と接続されている。電圧センサ３６０は、電池セル１００の内部に配置され、筐体１２０に電気的に接続されて筐体１２０の電位を計測する。

電源制御部３３１は、電池セル１００から給電された電力からマイコン３３０の動作用電力を生成する。また、電源制御部３３１は、マイコン３３０の動作モードを制御する。さらに、電源制御部３３１は、リセット信号を生成することができる。

ＣＰＵ３３２は、各種制御および演算を行なう。クロック制御部３３３は、内蔵発振にて動作クロックをおよび通信クロックを生成するとともに、動作クロックをおよび通信クロックを制御する。

電圧センサ３３４は、一方の電源端子Ｔ１と他方の電源端子Ｔ１との間の電位差を検出することにより、電池セル１００の電圧を計測する。なお、電圧センサ３３４は、アナログ信号である電位差の検出値をデジタル信号である電圧のパラメータ値に変換して出力する。

アナログデジタルコンバータ３３５は、圧力センサ３５０および電圧センサ３６０の各々から入力されたアナログ信号の検出値をデジタル信号であるパラメータ値に変換して出力する。

温度センサ３３６は、マイコン３３０に内蔵されており、電池セル１００の内部の温度を計測する。周辺機能部３３７は、タイマなどのプログラム動作に必要なマイコン３３０の周辺機能をつかさどる。

無線通信機能部３３８は、送受信可能なＲＦ（Radio Frequency)トランシーバ回路を有している。記憶部であるプログラム用メモリ３３９は、マイコン３３０の動作用のプログラムを記憶する書き換え可能な不揮発性メモリである。ＲＡＭ３４０は、プログラムおよびデータを一時的に記憶するワークメモリである。

不揮発性メモリ３４１は、電池セル１００の固有データおよび計測履歴データなどを記憶する。プログラム書き換え制御部３４２は、無線通信経由で、プログラム用メモリ３３９に記憶されているプログラムの書き換えまたはデバッグを行なう。

マイコン３３０は、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）と電気的に接続された無線通信部から送信された命令信号に基づいて、電池セル１００の状態の検出、および、内蔵機能の制御をすることが可能である。

電池セル１００の状態の検出対象として、電圧センサ３３４が検出する電池セル１００の電圧、電圧センサ３６０が検出する筐体１２０の電位、温度センサ３３６が検出する電池セル１００の内部の温度、および、圧力センサ３５０が検出する電池セル１００の内部圧力が含まれる。

マイコン３３０が各種処理を実行することにより、電池セル１００の状態情報が、Ａ／Ｄ変換されるとともに各種信号処理が実行されて、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）に送信される。また、各種計測値および計測履歴は、不揮発性メモリ３４１に記憶される。

なお、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、複数の電池セル１００から受信した検出電圧にばらつきがある場合は、各電池セル１００の電圧を均等化させるセルバランスを行なう命令信号を発信する。具体的には、電圧値の高い電池セル１００に、マイコン３３０を動作させる、または、無線通信させる命令信号を送信する。命令信号を受信した電池セル１００のマイコン３３０が動作するまたは無線通信することによって電力が消費されることにより、組電池内の複数の電池セル１００の電圧が均等化される。本実施の形態においては、マイコン３３０自体または無線通信機能部３３８が、蓄電セルの電圧を均等化するセルバランス部となる。

検出ユニット３００が筐体１２０の内部に配置されていることにより、無線通信する検出ユニット３００を備える電池セル１００の占有スペースの大型化を抑制することができる。

検出ユニット３００が集電部に電気的に接続されて給電されていることにより、検出ユニット３００に給電する電源を別途配置する必要がないため、無線通信する検出ユニット３００を備える電池セル１００の占有スペースの大型化を抑制することができる。

正極集電部材１４１と負極集電部材１４２との間に接続された電圧センサ３３４によって電池セル１００の電圧を計測することにより、筐体１２０内に複数の電極体１３０が収納される場合でも、電池セル１００の電圧を高精度に計測することができる。

電池セル１００の内部に配置された圧力センサ３５０によって、電池セル１００の内部の圧力を計測することにより、電池セル１００の内部の圧力を高精度に計測することができる。

電池セル１００の内部に配置された温度センサ３３６によって、電池セル１００の内部の温度を計測することにより、電極体１３０に近い位置で温度を計測することができる。したがって、電池セル１００の内部の温度を高精度に計測することができる。なお、回路基板３２０に樹脂でコーティングまたはポッティングの絶縁処理を施してもよい。この絶縁処理によって、金属片などによる電池セル１００の内部短絡を防止することができる。

図７は、電池セル１００内における電極体１３０および検出ユニット３００の配置を示す模式図である。なお、図７は模式的なブロック図であり、図７上において電極端子１１０（正極端子１１１および負極端子１１２）、電極体１３０（第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄ）、ならびに集電部材１４０（第１集電部材１４０Ａないし第４集電部材１４０Ｄ）が並ぶ方向は電池セル１００における実際の配置方向とは必ずしも一致しない。

図７に示すように、本実施の形態に係る電池セル１００において、筐体１２０に収納された電極体１３０は、第１電極体１３０Ａ、第２電極体１３０Ｂ、第３電極体１３０Ｃ、および第４電極体１３０Ｄを含む。第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄは、図４に例示した電極体１３０の構造を各々有する。第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄは、筐体１２０内においてＹ軸方向に並ぶように配置される。

第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄは、図示しない絶縁部材により互いに絶縁されている。第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄは、第１集電部材１４０Ａ、第２集電部材１４０Ｂ、第３集電部材１４０Ｃ、および第４集電部材１４０Ｄを各々含む。

第１集電部材１４０Ａないし第４集電部材１４０Ｄは、図３に例示した集電部材１４０の構造を各々有する。第１集電部材１４０Ａは、第１正極集電部材１４１Ａおよび第１負極集電部材１４２Ａを含む。第２集電部材１４０Ｂは、第２正極集電部材１４１Ｂおよび第２負極集電部材１４２Ｂを含む。第３集電部材１４０Ｃは、第３正極集電部材１４１Ｃおよび第３負極集電部材１４２Ｃを含む。第４集電部材１４０Ｄは、第４正極集電部材１４１Ｄおよび第４負極集電部材１４２Ｄを含む。第１正極集電部材１４１Ａないし第４正極集電部材１４１Ｄおよび第１負極集電部材１４２Ａないし第４負極集電部材１４２Ｄは、いずれも封口板１２０Ｂに対向するように配置される。

また、検出ユニット３００は、第１検出ユニット３００Ａ、第２検出ユニット３００Ｂ、第３検出ユニット３００Ｃ、および第４検出ユニット３００Ｄを含む。第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄは、筐体１２０の内部に設けられる。

第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄは、図５，図６に例示した構造を各々有する。すなわち、第１検出ユニット３００Ａは、第１正極集電部材１４１Ａおよび第１負極集電部材１４２Ａの間に接続される。第２検出ユニット３００Ｂは、第２正極集電部材１４１Ｂおよび第２負極集電部材１４２Ｂの間に接続される。第３検出ユニット３００Ｃは、第３正極集電部材１４１Ｃおよび第３負極集電部材１４２Ｃの間に接続される。第４検出ユニット３００Ｄは、第４正極集電部材１４１Ｄおよび第４負極集電部材１４２Ｄの間に接続される。第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄは、上述した各機構により、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの状況（電圧、温度等）を各々検出し得る。

図７に示すように、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄは、電気的に直列接続される。第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄは、筐体１２０の外部に位置するバッテリ管理システム（ＢＭＳ）と各々無線通信することが可能である。

図７に示す例では、第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄは、封口板１２０Ｂに取り付けられている。ただし、第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄは、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄに各々取り付けられてもよい。

図７に示す例では、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの４つの電極体、および第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄの４つの検出ユニットが設けられているが、電極体および検出ユニットの数は４つに限定されない。

一例として、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄは、４．２Ｖの出力電圧を各々有し、５０Ａｈの容量を各々有する。これにより、電池セル１００全体として、１６Ｖ以上の出力電圧、および５０Ａｈの容量を実現することができる。ただし、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの出力電圧および容量は、上記の値に限定されるものではない。

典型的には、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの出力電圧および容量は、互いに略同じである。ただし、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの出力電圧および容量が互いに異なっていてもよい。

本実施の形態に係る二次電池よれば、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄを電気的に直列に接続することにより、高電圧の電池セル１００を得ることができる。ここで、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの正極集電部材１４１および負極集電部材１４２がいずれも封口板１２０Ｂに対向するように設けられているため、第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄを直列接続するための構造を簡素化し、電池セル１００の大型化を抑制することができる。

また、第１検出ユニット３００Ａないし第４検出ユニット３００Ｄにより第１電極体１３０Ａないし第４電極体１３０Ｄの状況を各々検出することができるので、システム全体として動作を最適化しやすい。さらに、電池セル１００を並列に接続することにより、所望の電流容量を得ることも可能である。以上の結果として、システム全体の大型化を抑制しながら、所望の電圧および電流容量を得ることができる。すなわち、フレキシブルなシステム構成を実現することができる。

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００電池セル、１１０電極端子、１１１正極端子、１１２負極端子、１２０筐体、１２０Ａケース本体、１２０Ｂ封口板、１２１上面、１２２下面、１２３第１側面、１２４第２側面、１２５第３側面、１２６ガス排出弁、１３０電極体、１３０Ａ第１電極体、１３０Ｂ第２電極体、１３０Ｃ第３電極体、１３０Ｄ第４電極体、１３１正極、１３１Ａ正極基材、１３１Ｂ正極活物質層、１３２負極、１３２Ａ負極基材、１３２Ｂ負極活物質層、１３３セパレータ、１４０集電部材、１４０Ａ第１集電部材、１４０Ｂ第２集電部材、１４０Ｃ第３集電部材、１４０Ｄ第４集電部材、１４１正極集電部材、１４１Ａ第１正極集電部材、１４１Ｂ第２正極集電部材、１４１Ｃ第３正極集電部材、１４１Ｄ第４正極集電部材、１４２負極集電部材、１４２Ａ第１負極集電部材、１４２Ｂ第２負極集電部材、１４２Ｃ第３負極集電部材、１４２Ｄ第４負極集電部材、１５０，１５１，１５２絶縁部材、２００ケース部材、２１０内部空間、３００検出ユニット、３００Ａ第１検出ユニット、３００Ｂ第２検出ユニット、３００Ｃ第３検出ユニット、３００Ｄ第４検出ユニット、３１０アンテナ部、３２０回路基板、３３０マイコン、３３１電源制御部、３３３クロック制御部、３３４電圧センサ、３３５アナログデジタルコンバータ、３３６温度センサ、３３７周辺機能部、３３８無線通信機能部、３３９プログラム用メモリ、３４０ＲＡＭ、３４１不揮発性メモリ、３４２プログラム書き換え制御部、３５０圧力センサ、３６０電圧センサ、３７０電源入力保護部品、３７１ヒューズ。

Claims

本体および封口板を有する外装缶と、
前記外装缶に収納された第１電極体および第２電極体と、
前記第１電極体および前記第２電極体に各々接続され、前記第１電極体および前記第２電極体の状況を各々検出する第１検出ユニットおよび第２検出ユニットとを備え、
前記第１電極体および前記第２電極体は、前記封口板に対向する正極集電部および負極集電部を各々有し、
前記第１電極体と前記第２電極体とは電気的に直列接続され、
前記第１検出ユニットおよび前記第２検出ユニットは、前記外装缶の内部に設けられ、前記外装缶の外部に位置する制御部と無線通信することが可能である、二次電池。
前記第１検出ユニットおよび前記第２検出ユニットは、前記第１電極体および前記第２電極体の電圧または温度を各々検出可能である、請求項１に記載の二次電池。
前記第１電極体および前記第２電極体は巻回型の電極体である、請求項１または請求項２に記載の二次電池。
前記第１電極体および前記第２電極体は積層型の電極体である、請求項１または請求項２に記載の二次電池。
前記第１検出ユニットおよび前記第２検出ユニットは、前記封口板に取り付けられる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。
前記第１検出ユニットおよび前記第２検出ユニットは、前記第１電極体および前記第２電極体に各々取り付けられる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の二次電池。
前記二次電池は角型二次電池セルである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の二次電池。