JP3858986B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は２種類以上の電池を接続して構成した電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力密度型の電池と高エネルギー型の電池とを並列に接続して構成した電源装置が特開平１１−３３２０２３に開示されており、このような電源装置では高出力特性を長時間維持することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池には望ましい使用温度範囲が決まっているのが普通であり、電池の種類によってその温度範囲が異なるが、上記の従来技術では電池の使用温度に着目した組み合わせについて検討がなされていなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明では、固体電解質のみを使用した全固体リチウム電池と電解液を使用した電解液リチウム電池とを並列に接続した電源装置において、前記両電池を近接配置し、前記両電池の温度を平均化したような温度となる位置に温度センサを配置し、前記全固体リチウム電池に対し並列で前記電解液リチウム電池に対し直列となる位置に電力制御手段を設け、前記温度センサにより検出される温度が所定値以上となったとき前記電力制御手段を介して前記電解液リチウム電池の入出力電力を制限すると共に、前記所定値として、前記電解液リチウム電池の容量劣化が急激に進行する温度と前記全固体リチウム電池の出力特性が十分なレベルに達する温度との間の温度に対応する値を用いる。
【０００５】
全固体電池は、電解液を持たないため高温耐久性に優れているが、固体電解質の抵抗が大きいため特に低温での出力特性（最大放電電力や最大充電電力）が悪い。一方、電解液電池は、内部抵抗が小さいため出力特性に優れており、低温でも良好な出力特性を得ることができるが、電解液を使用しているため高温耐久性が悪い。これらの電池を並列に接続する第１の発明によれば、全固体電池の出力特性が悪い低温条件では電解液電池が主に使用されるので良好な出力特性が得られ、全固体電池が良好な出力特性を発揮する高温条件では電解液電池の負担が低下するので劣化の進行を遅くすることができる。
【０００６】
さらに、電力制御手段を電解液電池に対して直列に配置すれば、上記の効果をより確実に得ることが可能となる。例えば、電解液電池の温度に応じて電解液電池の電力を制御するように、より具体的には電解液電池の温度が高くなるほど電解液電池の電力が小さくなるようにすれば、電解液電池が高温となったとき電解液電池の負担を確実に低下させることができる。また、全固体電池の温度に応じて電解液電池の電力を制御するように、より具体的には全固体電池の温度が低くなるほど電解液電池の電力が大きくなるようにすれば、全固体電池が低温となったとき電解液電池の良好な出力特性を確実に利用することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電源装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に本発明の前提となる第１の参考例を示す。全固体リチウム電池ＳＢと電解液リチウム電池ＬＢとを並列に接続して電源装置１を構成してある。全固体リチウム電池ＳＢは、例えばＰＥＯ（ポリエチレンオキサイド）にリチウム塩を溶かしてなる高分子固体電解質のみを使用した電池である。電解液リチウム電池ＬＢは、例えばＰＣ（プロピレンカーボネート）にリチウム塩を溶かしてなる電解液を使用した電池である。
【０００８】
比較例１として全固体リチウム電池ＳＢのみを並列接続した電源装置を、比較例２として電解液リチウム電池ＬＢのみを並列接続した電源装置をそれぞれ用意し、これらを前記第１参考例と比較した結果を図２と図３に示す。
【０００９】
図２は比較的高温な条件（６０℃）における寿命特性を示す図である。何れの電源装置も充放電を繰り返すうちに放電容量が低下していくが、電解液リチウム電池ＬＢのみを使用した比較例２の容量低下が大きいのに対し、第１参考例では全固体リチウム電池ＳＢのみを使用した比較例１に近い寿命特性が得られている。これは、高温条件では全固体リチウム電池ＳＢの出力が十分に得られるために電解液リチウム電池ＬＢの負担が低下し、電解液リチウム電池ＬＢの劣化の進行が抑制されるためである。
【００１０】
図３は広範な温度条件（−４０℃〜４０℃）における出力特性を示す図である。何れの電源装置も温度が低くなるほど放電容量が低下していくが、全固体リチウム電池ＳＢのみを使用した比較例１の容量低下が大きいのに対し、第１参考例では電解液リチウム電池ＬＢのみを使用した比較例２とほぼ同等の出力特性が得られている。これは、全固体リチウム電池ＳＢが有効に働かない低温条件では負荷の大部分を電解液リチウム電池ＬＢが負担することになるため、内部発熱による電解液リチウム電池ＬＢの内部温度上昇が大きくなり、比較例２の電解液リチウム電池ＬＢよりも電池１つ当たりの出力特性が高くなるためである。
【００１１】
このように、全固体リチウム電池ＳＢと電解液リチウム電池ＬＢを並列に接続することにより、全温度領域においてそれぞれを単独に用いたものとほぼ同等の性能（寿命特性と出力特性）が得られることがわかる。
【００１２】
図４は本発明の第２の参考例を示す図である。全固体リチウム電池ＳＢと電解液リチウム電池ＬＢとを並列に接続してある点は第１参考例と同様であり、さらに、全固体リチウム電池ＳＢに対し並列で電解液リチウム電池ＬＢに対し直列となる位置に電力制御手段２を設けてある。この電力制御手段２はリレーあるいは可変抵抗器であり、コントローラ３からの制御信号に応じて電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を制御する。コントローラ３は、電解液リチウム電池ＬＢに近接して配置された温度センサ４の出力信号に基づいて電力制御手段２に対する制御信号を生成する。なお、温度センサ４は電解液リチウム電池ＬＢの温度と相関のある信号を出力すれば良いので、必ずしも電解液リチウム電池ＬＢに密接させる必要はない。
【００１３】
図５に電解液リチウム電池ＬＢの電池温度と容量劣化率の関係を示す。電解液リチウム電池ＬＢは、温度がある温度（Ｔ１）以上になると急激に容量劣化が進行する特性をもっている。このため、コントローラ３は温度センサ４の出力信号が温度Ｔ１相当の値以上となったとき電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を制限する。すなわち、電力制御手段２をリレーで構成する場合はリレーを非接続状態とする制御信号を送り、電力制御手段２を可変抵抗器で構成する場合は可変抵抗器の抵抗値を大きくする制御信号を送る。特に、可変抵抗器を用いる場合、Ｔ１以上となる温度範囲で徐々に抵抗値を上昇させる（図６）ようにすれば、劣化の進行度合いを一定の範囲に抑えつつ電解液リチウム電池ＬＢをぎりぎりまで活用することが可能となる。
【００１４】
以上のような電力制御を行うことにより、高温時の劣化特性が第１参考例よりも改善され、図７に示すように全固体リチウム電池ＳＢのみを使用した比較例１と同じ高温耐久性が得られる。なお、電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力が制限されている状態では負荷の大部分を全固体リチウム電池ＳＢが負担することになるため、内部発熱による全固体リチウム電池ＳＢ内部温度上昇が大きくなり、比較例１の全固体リチウム電池ＳＢよりも電池１つ当たりの出力特性が高くなる。また、全固体リチウム電池ＳＢの劣化特性に対する電流値の影響は小さいため、全固体リチウム電池ＳＢの負担が大きくなっても高温耐久性はほとんど低下しない。
【００１５】
図８は第２参考例の変形例を示す図であり、この第２参考例では電力制御手段としてＰＴＣ素子を使用する。ＰＴＣ素子は、温度に応じて抵抗値が変化する素子であり、図９に示すようにある温度を超えると急激に抵抗値が大きくなる特性をもっている。電解液リチウム電池ＬＢの温度が伝わる場所にこのＰＴＣ素子を配置し、電解液リチウム電池ＬＢの温度がＴ１以上となるときＰＴＣ素子の抵抗値が大きくなるようにＰＴＣ素子の特性を設定する。ＰＴＣ素子を利用すれば温度センサとコントローラを使用することなく前述の電力制御を行うことができる。なお、ＰＴＣ素子としては内部抵抗の小さいポリマーＰＴＣ素子を使用することが望ましい。
【００１６】
図１０は本発明の第３の参考例を示す図である。全固体リチウム電池ＳＢの温度と相関のある信号を出力可能な位置に温度センサ４を配置する点以外は図４に示す第２参考例と同じ構成となっている。すなわち、この第３参考例では全固体リチウム電池ＳＢの温度に応じて電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を制御する。例えば、全固体リチウム電池ＳＢの出力特性が十分なレベルに達する温度をＴ２としたとき、コントローラ３は温度センサ４の出力信号が温度Ｔ２相当の値以上となったとき電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を制限する。このような電力制御を行うことにより、全固体リチウム電池ＳＢだけでは十分な出力特性が得られない低温条件のとき確実に電解液リチウム電池ＬＢの補助が得られる。
【００１７】
なお、電力制御手段２としてはリレーあるいは可変抵抗器が使用可能であり、また、ＰＴＣ素子を利用して温度センサとコントローラを省略することも可能である。
【００１８】
図１１は本発明の第１の実施形態を示す図である。この実施形態では、全固体リチウム電池ＳＢと電解液リチウム電池ＬＢとを近接配置（例えば単一のケーシング内に両電池を収納）するとともに、両電池の温度を平均化したような温度となる位置に温度センサ４を配置している。この場合、温度センサ４の出力信号が所定値以上となったとき電解液リチウム電池ＬＢの入出力電力を制限する。ここで使用する所定値としては、電解液リチウム電池ＬＢの容量劣化が急激に進行する温度Ｔ１と全固体リチウム電池ＳＢの出力特性が十分なレベルに達する温度Ｔ２との間の温度に対応する値を用いればよい。通常はＴ１＞Ｔ２であり、前記の所定温度をＴ１に近づけて設定するほど電解液リチウム電池ＬＢを活用する機会が増加し、Ｔ２に近づけて設定するほど電解液リチウム電池ＬＢの劣化抑制効果が大きくなる。
【００１９】
なお、電力制御手段２としてはリレーあるいは可変抵抗器が使用可能であり、また、ＰＴＣ素子を利用して温度センサとコントローラを省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例の概略構成図。
【図２】高温寿命特性の特性線図。
【図３】出力特性の特性線図。
【図４】 本発明の第２の参考例の概略構成図。
【図５】電解液電池の温度劣化特性の特性線図。
【図６】可変抵抗器の温度抵抗値特性の特性線図。
【図７】高温寿命特性の特性線図。
【図８】 第２の参考例の変形例の概略構成図。
【図９】ＰＴＣ素子の温度抵抗値特性の特性線図。
【図１０】 本発明の第３の参考例の概略構成図。
【図１１】 本発明の第１の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１ 電源装置
２ 電力制御手段
３ コントローラ
４ 温度センサ
ＳＢ 全固体電池（リチウム電池）
ＳＬ 電解液電池（リチウム電池）

Claims (7)

  1. 固体電解質のみを使用した全固体リチウム電池と電解液を使用した電解液リチウム電池とを並列に接続した電源装置において、
    前記両電池を近接配置し、
    前記両電池の温度を平均化したような温度となる位置に温度センサを配置し、
    前記全固体リチウム電池に対し並列で前記電解液リチウム電池に対し直列となる位置に電力制御手段を設け、
    前記温度センサにより検出される温度が所定値以上となったとき前記電力制御手段を介して前記電解液リチウム電池の入出力電力を制限すると共に、
    前記所定値として、前記電解液リチウム電池の容量劣化が急激に進行する温度と前記全固体リチウム電池の出力特性が十分なレベルに達する温度との間の温度に対応する値を用いる
    ことを特徴とする電源装置。
  2. 前記電力制御手段は、前記温度センサにより検出される温度に応じて電解液リチウム電池の電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記温度センサにより検出される温度が高くなるほど電解液リチウム電池の電力を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
  4. 前記電力制御手段をリレーで構成したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  5. 前記電力制御手段を可変抵抗器で構成したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  6. 前記電力制御手段をＰＴＣ素子で構成したことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  7. 前記ＰＴＣ素子がポリマーＰＴＣ素子であることを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
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