JP4363092B2 - 組電池用電池セルユニット、電池セルユニットを用いた組電池および電池セルユニットの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池用電池セルユニット、電池セルユニットを用いた組電池および電池セルユニットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車に使用される動力用組電池では、複数個の単位二次電池セル（以下、単に電池セルと呼ぶ）を直列に接続して高電圧を得ている。このような組電池を充電する場合に、各電池セルの内部インピーダンスや容量のばらつきによって、各電池セルの充電電圧にばらつきが生じる。直列に接続された各電池セルには同一の充電電流が流れ、一部の電池セルが過充電状態になる。
【０００３】
組電池を構成する各電池セルの充電電圧のばらつきを抑制する方法として、シャントレギュレーターと呼ばれる方法が知られている。この方法は、組電池を構成する各電池セルと並列にトランジスターを接続して充電電流をトランジスターへバイパス可能にし、各電池セルの充電時のセル電圧を検出し、セル電圧が他の電池セルよりも高くなったらトランジスターへバイパス電流を流し、電池セルへの充電電流を絞って過充電を防止するものである。
【０００４】
また、組電池を構成する各電池セルの充電電圧のばらつきを補正する方法として、特許文献１に開示された方法が知られている。この方法では、組電池を構成する各電池セルの両端にそれぞれコイルとスイッチの直列回路を接続しており、各スイッチを同期を取りながら開閉させると、コイルの電磁結合によって電圧の高い電池セルから電圧の低い電池セルへ電力が流れ、各電池セルの電圧が等しくなってばらつきが補正される。
【０００５】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】
特開２００１−３３９８６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の組電池用電池セルの電圧のばらつきを抑制または補正する方法には、次のような問題がある。
【０００７】
上述した前者の電圧ばらつき抑制方法では、電池セルをバイパスしてトランジスターへ充電電流を流すので、バイパス用トランジスターによる損失が発生して充電効率が悪くなる。
【０００８】
また、上述した後者の電圧ばらつき補正方法では、各コイルを電磁結合するためのトランスが必要となり、装置が大型になってしまう。特に、高電圧、高電流の組電池では数百個の電池セルを直並列に接続するので、大型のトランスが必要になる上に、各電池セルからトランスコイルへの配線が多くなるので製造工数が増大し、さらに多くのスイッチを用いるので装置の信頼性が低下する。
【０００９】
本発明は、電圧のばらつきを補正する組電池用電池セルユニット、組電池およびその製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コイルとスイッチの直列回路を電池セルに並列に接続した並列回路を設け、電池セルを被う外装体の表面にコイルを設置するとともに、並列回路を外装体から突出した電極端子へ接続して組電池用電池セルユニットを構成し、これらの組電池用電池セルユニットを複数個、間隔をあけて配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、トランスとその配線工数を不用にし、充電効率と信頼性の高い組電池を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
《第１の実施の形態》
図１は、第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。組電池用電池セルユニット１は、単体の電池セルと後述するコイルおよびスイッチから構成される回路を扁平形状の外装体で被ったものである。電池セルユニット１の外装体は金属薄膜を用いたラミネート構造になっており、外装体の表と裏の扁平面１１にはコイル１２のパターンが形成されている。また、外装体の上部には２個の電極端子１３が設けられている。
【００１３】
図２は、図１に示す組電池用電池セルユニット１を複数個用いて構成した組電池を電極端子側から見た図である。この組電池は、扁平型の電池セルユニット１を複数個、外装体のコイル１２を設置した扁平面１１が対向し、且つ各コイル１２間が絶縁されるように間隔を開けて一列に並べたものである。この状態では、各電池セルユニット１の外装体扁平面１１に形成されたコイル１２が互いに向かい合う。ハーネス２１は隣接する電池セルユニット１の正極と負極を接続する配線材であり、このハーネス２１により各電池セルユニット１を直列に接続する。
【００１４】
図３は、図１に示す扁平型電池セルユニット１を４個、図２に示すように外装体のコイル１２を設置した扁平面１１が対向し、且つ各コイル１２間が絶縁されるように１列に並べた組電池の回路図である。各電池セルユニット１ａ〜１ｄは、１個の電池セル３１ａ〜３１ｄと、２組のコイルとスイッチの直列回路（３４ａ＋３２ａ）と（３５ａ＋３３ａ）、（３４ｂ＋３２ｂ）と（３５ｂ＋３３ｂ）、（３４ｃ＋３２ｃ）と（３５ｃ＋３３ｃ）、（３４ｄ＋３２ｄ）と（３５ｄ＋３３ｄ）を内蔵している。
【００１５】
各電池セルユニット１ａ〜１ｄにおいて、コイルとスイッチの２組の直列回路はそれぞれ電池セルへ並列に接続されて並列回路を構成しており、その並列回路は上述した電極端子１３に接続されている。さらに、隣接する電池セルユニット１ａ〜１ｄの正極と負極がハーネス２１により接続され、４個の電池セルユニット１ａ〜１ｄは直列に接続されている。
【００１６】
４個の電池セルユニット１ａ〜１ｄは一列に並べて配置されているので、隣接する電池セルユニットのコイルが互いに対向する。電池セルユニット１ａのコイル３５ａと電池セルユニット１ｂのコイル３２ｂとが対向し、電池セルユニット１ｂのコイル３５ｂと電池セルユニット１ｃのコイル３４ｃとが対向する。また、電池セルユニット１ｃのコイル３５ｃと電池セルユニット１ｄのコイル３４ｄとが対向する。
【００１７】
図３により、電池セル間の電圧のばらつきを補正して平均化させる動作を説明する。今、電池セル３１ｂの電圧が電池セル３１ｃの電圧よりも高いものと仮定する。このとき、スイッチ３３ｂと３２ｃを同期させて開閉させると、対向するコイル３５ｂと３４ｃの電磁結合によって、電池３１ｂの電圧がコイル３４ｃに誘起されるとともに、電池３１ｃの電圧がコイル３５ｂに誘起される。コイル３５ｂの両端に誘起した電圧は電池３１ｂの電圧よりも低いため、電池３１ｂからコイル３５ｂへ放電電流が流れる。一方、コイル３４ｃの両端に誘起した電圧は電池３１ｃの電圧よりも高いため、コイル３４ｃから電池３１ｃへ充電電流が流れる。スイッチ３３ｂと３２ｃのオンとオフが繰り返されると、電池セル３１ｂから放電された電力が電池セル３１ｃへ充電され、電池セル３１ｂの電圧と電池セル３１ｃの電圧が同一値に近づいていき、電圧のばらつきが解消される。
【００１８】
組電池を構成するすべての電池セル３１ａ〜３１ｄにおいて、電池セル３１ｂと３１ｃの間で行った電圧のばらつき補正と同様な補正が行われ、組電池を構成するすべての電池セル３１ａ〜３１ｄで電圧が平均化される。
【００１９】
組電池用電池セルユニットは図１に示すような扁平型の外装体に限定されるものではなく、例えば図４に示すような四角柱の形状のパッケージとしてもよい。図４に示す四角柱の組電池用電池セルユニット４において、外装体の側面４１にはコイル４２が設置され、外装体上部には電極端子４３が設けられている。この電池セルユニット４を複数個、図５に示すように電池セルユニット４のコイル４２を設置した四角柱の側面４１がそれぞれ対向し、且つ各コイル４２間が絶縁されるように配置し、組電池を構成する。隣接する電池セルユニット４の正極と負極はハーネス５１により接続され、複数の電池セルユニット４が直列に接続される。
【００２０】
図６は、図５に示す組電池の回路図である。各電池セルユニット４は、スイッチ６１とコイル６２の直列回路が４組と、１個の電池セル６３を内蔵している。各電池セルユニット４の四角柱の側面４１に設けられたコイル４２は互いに対向し、対向するコイル４２どうしの電磁結合によって上述したように電力の授受が行われ、組電池を構成する全ての電池セル６３の電圧ばらつきを補正することができる。
【００２１】
組電池用電池セルユニットの形状は、扁平型、四角柱型以外にも、図７に示すような三角柱や、図８に示す六角柱としてもよい。図７は、三角柱の組電池用電池セルユニットを複数個、コイルを設置した三角柱の側面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置した組電池である。また、図８は、六角柱の組電池用電池セルユニットを複数個、コイルを設置した六角柱の側面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置した組電池である。
【００２２】
組電池を構成する各電池セルユニットにおいて、電圧のばらつきを補正して各電池セルの電圧を平均化するために、上述したように対向するコイルと直列に接続されるスイッチを同期して開閉させ、対向するコイル間の電磁結合によって電力の授受を行う第１の実施の形態では、制御回路によりスイッチの開閉を制御する。なお、制御回路は各電池セルユニットに内蔵し、制御回路の電源は各電池セルから供給する。
【００２３】
スイッチの開閉動作は常時、継続的に行うことができる。しかし、そうすると電圧のばらつきが小さい場合にもスイッチを介してコイルに電流を流すことになり、スイッチとコイルにおける損失が発生して無駄な電力を消費することになる。そこでこの第１の実施の形態では、各電池セルの電圧のばらつきがある許容範囲を満たさなくなったときだけ、スイッチを開閉して電圧の平均化を行い、損失の発生を防ぐ。
【００２４】
なお、各電池セルにおける電圧のばらつきは、電池セルの両端電圧を検出する電圧検出回路、または各電池セルの温度を検出する温度検出回路を制御回路に設け、それらの電圧検出回路または温度検出回路において各電池セル間の電圧差や温度差が検出された場合のみ、スイッチを開閉させて電圧の平均化を行い、電圧の平均化がなされたらスイッチの開閉を停止する。つまり、電圧の平均化が必要なときだけ補正動作を実行させることし、無駄な電力消費を抑制する。
【００２５】
電圧検出回路により検出された電池セルの電圧、または温度検出回路により検出された電池セルの温度は、制御回路内の通信回路を介して外部の充放電制御回路へ送信される。充放電制御回路では、隣接電池セルユニット間の電池セルの電圧差または温度差を判断し、電圧差または温度差の大きい隣接電池セルユニットの制御回路へスイッチの開閉指令を送信する。スイッチの開閉指令を受信した隣接電池セルユニットは対向するコイルと直列に接続されているスイッチの開閉動作を行い、上述したように電圧のばらつきを補正する。
【００２６】
制御回路と充放電制御回路との間の情報の授受を無線で行うようにすれば、制御回路と充放電制御回路との間の配線をなくすことができる。具体的には、アンテナを内蔵して通信を行うための半導体チップ、すなわちＲＦチップを各電池セルユニットのパッケージに実装する。
【００２７】
《第２の実施の形態》
図９は第２の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。第２の実施の形態の組電池用電池セルユニット９は、図１に示す第１の実施の形態の電池セルユニット１に、外装体扁平面１１のコイル１２の中心にコア材９１を付加したものである。このコア材９１を付加したことによって以下のような効果がある。
【００２８】
図１０(ａ)は、図１に示す第１の実施の形態の電池セルユニット１を２個、コイル１２が対向するように配置したときのコイル１２の磁束の方向を示す図である。また、図１０(ｂ)は、図９に示す第２の実施の形態の電池セルユニット９を２個、コイル１２が対向するように配置したときのコイル１２の磁束の方向を示す図である。ここで、電池セルユニット１、９の配置間隔ｄは、例えば電池セルユニット１，９の冷却のために必要な隙間である。電池セルは使用状態によっては高温になることがあるが、電池セルが高温になると電池の寿命が短くなり、望ましくない。そのため、電池セルを冷却する必要がある。電池セルユニット１，９間に冷却用の間隔ｄをあけて配置することによって、例えば空冷によって組電池を冷却する場合の空気の通り道を確保することができる。
【００２９】
ところが、図１０(ａ)に示すように電池セルユニット１を間隔をあけて配置すると、対向するコイル１２どうしの電磁誘導により電力の授受を行うときに、コイル１２から発せられた磁束の漏れが起こりやすくなり、電力の伝達効率が低下する。これに対し図１０(ｂ)に示す第２の実施の形態の電池セルユニット９は、間隔をあけて配置しても、コイル１２から発せられた磁束がコア材９１により形成される磁路を通るようになり、(ａ)に示す第１の実施の形態の電池セルユニット１の場合よりも磁束の漏れが減少し、電力の伝達効率が高くなる。
【００３０】
ここで、コア材９１の厚みは、２個の電池セルユニット９を向かい合わせに配置したときに、２個の電池セルユニット９のコア材９１の厚みの合計が、２個の電池セルユニット９の間隔ｄと等しくなるようにする。そうすると、２個の電池セルユニット９のコア材９１どうしが密着し、コイル１２の磁束の漏れを防止することができる。また、冷却のために必要な電池セルユニット９の配置間隔ｄに合わせて電池セルユニット９のコア材９１の厚みを決定することによって、コア材９１を隣接する電池セルユニット９の間のスペーサーとして用いることができ、コア材９１の厚みにより電池セルユニット９の配置間隔を正確に保つことができる。
【００３１】
また、電池セルユニット９の外装体扁平面１１のコイル１２の中心にコア材９１を配置することによって、電池セルユニット９を並べて配置する際にコア材９１を位置合わせの基準として用いることができる。隣接する電池セルユニット９のコイル１２の間で電磁結合により電力の授受を行う場合に、対向するコイル１２どうしの相対的な位置が重要になる。対向するコイル１２どうしの電磁結合が最も強くなる、すなわち相互インダクダンスが最も大きくなるように配置する必要がある。そのためには、例えば対向するコイル１２の中心どうしを正確に合わせるという、精度の高い位置合わせが必要となるが、コイル１２のパターンが非常に細かい場合やコイル１２自体が小さい場合には、位置合わせが困難になる。
【００３２】
外装体扁平面１１のコイル１２の中心にコア材９１を配置した電池セルユニット９では、コア材９１を用いて対向するコイル１２どうしの位置を合わせることができる。ただし、そのためにはコイル１２の中心位置にコア材９１を正確に埋め込まなければならない。そこで、電池セルユニット９の製造に際して、電池セルユニット９にコア材９１を設けた後に、コア材９１の位置を基準にしてコイル１２を形成する工程とする。そうすれば、複数の電池セルユニット９を並べて組電池を製作する際に、コア材９１どうしの位置を合わせることによって、対向するコイル１２の相互インダクダンスが最大になるような位置にコイル１２のパターンを対向させることができる。
【００３３】
《発明の第３の実施の形態》
上述した第２の実施の形態では、隣接する電池セルユニット９の両方にコア材９１を設置する例を示したが、例えば図１１に示すように、片方の電池セルユニット１１０ａ側には所定の厚みのコア材１１１をコイル１２の中心に設置するとともに、それに隣接する電池セルユニット１１０ｂ側にはコア材１１１を通す孔１１２をコイル１２の中心に形成するようにしてもよい。これらの電池セルユニット１１０ａ、１１０ｂの製造工程では、各電池セルユニット１１０ａおよび１１０ｂの外装体扁平面１１にコア材１１１と孔１１２をそれぞれ形成した後に、コア材１１１と孔１１２を中心にしてコイル１２のパターンを形成する。これにより、上述した第２の実施の形態の効果と同様な効果が得られ、コア材１１１を孔１１２に通すことによって、隣接する電池セルユニット１１０ａ、１１０ｂのコイル１２のパターンがより正確に対向する。
【００３４】
《第４の実施の形態》
図１２は複数の組電池用電池セルユニットで構成した第４の実施の形態の組電池を示す。複数個の組電池用電池セルユニット１２０を並べて組電池を構成する場合に、電池セルユニット１２０をケース１２１に収納して配置する。ケース１２１内には、複数個の扁平型の電池セルユニット１２０が冷却用の間隔をあけて扁平面を対向させて並べられている。
【００３５】
この第４の実施の形態では、電池セルユニット１２０をケース１２１に差し込んで、その内部に配置する。そのとき、電池セルユニット１２０に形成されたコア材１２２を、位置合わせ用部材およびスペーサとして用いる。それにより、隣接する電池セルユニット１２０の相対的な位置が適切な位置、すなわち、隣接する電池セルユニット１２０のコイル１２のパターンが正確に対向し、対向するコイル１２間の相互インダクダンスが最大となる位置になる。
【００３６】
図１３および図１４は、図１２に示す第４の実施の形態の組電池に用いる電池セルユニットを示す。図１３に示す電池セルユニット１３０には、固定用爪１３４が形成されている。また、電池セルユニット１３０のコイル１３１の中心位置にコア材１３２が形成されており、電池セルユニット１３０をケース１２１の内部に挿入し、隣接する電池セルユニット１３０のコア材１３２どうしの位置を合わせてから、固定用爪１３４で電子セルユニット１３０どうしを完全に固定する。これにより、電池セルユニット１３０の相対位置が適切なものとなる。
【００３７】
また、図１４に示す電池セルユニット１４０は、コア材１４２どうしが嵌めあい構造になっており、ケース内部に電池セルユニット１４０を挿入すると、コア材１４２どうしが嵌めあい、そのまま電池セルユニット１４０どうしの相対的な位置が正しく固定される。
【００３８】
このように、上述した実施の形態では、コイルとスイッチの直列回路を電池セルに並列に接続した並列回路を外装体で被い、外装体の表面にコイルを設置するとともに、並列回路を外装体から突出した電極端子へ接続し、電池セルユニットを構成した。これにより、上記実施の形態の電池セルユニットを用いて組電池を構成する場合に、外装体表面のコイルが対向するように電池セルユニットを配置すれば、対向するコイルどうしの電磁結合によって電力の受給が可能になり、従来の装置のようにトランスを用いる必要がなく、電池セルユニットとトランスとの間の配線も不用になる。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、組電池用電池セルユニットを複数個、間隔をあけて配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、対向するコイルどうしの電磁結合によって電力の受給が可能になり、従来の装置のようなトランスを用いずに各電池セルの電圧のばらつきを補正することができる。
【００４０】
上述した実施の形態では、電池セルユニットの外装体をラミネート構造にし、ラミネート構造を構成する金属薄膜の一部にコイルのパターンを形成するようにしたので、電力受給用コイルを外装体表面に容易に形成または設置することができ、電池セルユニットの製造工数を低減することができる。
【００４１】
上述した実施の形態では、電池セルユニットにスイッチの開閉を制御する制御回路を内蔵したので、この電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成する場合に、外部に設置する充放電制御回路を簡略にし、電池セルユニットと充放電制御回路との間の配線数を少なくし、配線工数を低減することができる。また、電池セルユニットに内蔵する制御回路の電源は電池セルから供給を受けるようにしたので、他に電源を用意する必要がなく、組電池の構成を簡素化できる。
【００４２】
上述した実施の形態では、電池セルユニットに内蔵する制御回路に、電池セルユニットの外部に設置される充放電制御回路との間で無線通信を行う通信回路を備えるようにしたので、制御信号用配線を減らすことができ、組電池の小型化と信頼性の向上を図ることができる。また、電池セルユニットに内蔵する制御回路に電池セルの電圧を検出する電圧検出回路を備え、通信回路を介して電池セルの検出電圧を外部の充放電制御回路へ送信するようにしたので、充放電制御回路で各電池セルの端子電圧を集中管理し、各電池セル間の電圧のばらつきを容易に検出することができる。さらに、電池セルユニットに内蔵する制御回路に電池セルの温度を検出する温度検出回路を備え、通信回路を介して電池セルの検出温度を外部の充放電制御回路へ送信するようにしたので、充放電制御回路で各電池セルの温度差を集中管理し、各電池セル間の電圧のばらつきを容易に検出することができる。
【００４３】
上述した実施の形態では、コイルとスイッチの直列回路を複数組、電池セルへそれぞれ並列に接続して並列回路を構成するとともに、外装体の複数の面にそれぞれ電力受給用のコイルを設置して電池セルユニットを構成し、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイル設置面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、小形の組電池を柔軟な形状に形成することができる。
【００４４】
上述した実施の形態では、コイルとスイッチの直列回路を２組、電池セルへそれぞれ並列に接続して並列回路を構成し、外装体を扁平形状に形成して表と裏の扁平面にそれぞれコイルを設置して電池セルユニットを構成し、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、複数の電池セルを直列に接続した高電圧の組電池を小形に構成することができる。
【００４５】
上述した実施の形態では、外装体を角柱形状に形成し、角柱の側面にそれぞれコイルを設置して電池セルユニットを構成し、この電池セルユニットを複数個、コイルを設置した角柱の側面がそれぞれ対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、電池セルユニットをマトリクス状に配置して小形の組電池を構成することができる。
【００４６】
上述した実施の形態では、外装体が扁平形状の電池セルユニットに、外装体の扁平面に設置するコイルの中心にコア材を設置し、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、対向するコイル間の磁気的な結合を強めることができ、対向するコイルの電磁誘導作用により電力の受給を行う時に漏洩磁束を低減し、電力受給時の損失を減らすことができる。また、電池セルユニットを並べて組電池を構成する際に、コア材の位置を基準にして隣接する電池セルユニットの位置合わせを行うと、対向するコイルどうしを正確に向かい合わせることができ、相互インダクダンスが最大となって電力受給時の効率を向上させることができる。
【００４７】
上述した実施の形態では、扁平形状の電池セルユニットに設置するコア材の厚みを、組電池を構成する場合の電池セルユニット間の間隔に等しくし、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、コア材が電池セルユニット間のスペーサーとして機能し、例えば電池セルに冷却風を流すための隙間を確保することができる。
【００４８】
上述した実施の形態では、外装体の扁平面に設置するコイルの中心に外装体を貫通する所定長さのコア材を設けた第１の組電池用電池セルユニットと、外装体の扁平面に設置するコイルの中心に外装体を貫通してコア材を通す孔を設けた第２の組電池用電池セルユニットとを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、対向するコイルが正しく向かい合うように隣接する電池セルユニットを並べることができ、相互インダクダンスが最大となって電力受給時の効率を向上させることができる。
【００４９】
上述した実施の形態では、外装体の扁平面にコア材を設置した後に、コア材の位置を基準にしてコイルを設置する製造方法とした。また、外装体の扁平面にコア材を通すための孔を設けた後に、孔の位置を基準にしてコイルを設置する製造方法とした。これにより、コア材または孔を中心にしてコイルが精度よく設置されるので、組電池を構成するときにコア材どうしを正確に位置合わせする簡単な手順で、またはコア材を孔にはめ込むだけで、対向するコイルを正しく向かい合わせることができ、相互インダクダンスが最大となって電力受給時の効率を向上させることができる。
【００５０】
上述した実施の形態では、各電池セルユニットの充放電を制御する充放電制御回路を組電池に備え、この充放電制御回路によって、各電池セルユニットから通信回路を介して入手した電池セルの検出電圧または検出温度に基づいて、隣接する電池セルユニットの電池セルの電圧差または温度差が所定値以上の場合に、それらの電池セルユニットのスイッチを同期して開閉させ、電圧のばらつきを補正するようにしたので、電池セル間の電圧差または温度差が小さいときにはスイッチおよびコイルによる損失が発生せず、無駄な電力損失を防止できる。
【００５１】
本願発明は、複数個の電池セルを直並列に接続して組電池を構成するあらゆる電源に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図２】 第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した例を示す図である。
【図３】 第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した場合の回路図である。
【図４】 第１の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図５】 第１の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した例を示す図である。
【図６】 第１の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した場合の回路図である。
【図７】 第１の実施の形態の他の変形例の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【図８】 第１の実施の形態の他の変形例の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【図９】 第２の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図１０】 第１の実施の形態と第２の実施の形態の組電池用電池セルユニットのコイルの磁束方向を示す図である。
【図１１】 第３の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図１２】 第４の実施の形態の組電池用電池セルユニットをケースに収めて組電池を構成した例を示す図である。
【図１３】 第４の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【図１４】 第４の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ〜１ｄ 組電池用電池セルユニット
１１ 外装体表面
１２ コイル
１３ 電極端子
２１ ハーネス
３１ａ〜３１ｄ 電池セル
３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄ スイッチ
３４ａ〜３４ｄ、３５ａ〜３５ｄ コイル
４１ 外装体表面
４２ コイル
４３ 電極端子
５１ ハーネス
６１ スイッチ
６２ コイル
６３ 電池セル
９１ コア材
１１０ａ、１１０ｂ 組電池用電池セルユニット
１１１ コア材
１１２ 孔
１２０ 組電池用電池セルユニット
１２１ ケース
１２２ コア材
１２３ 電極端子
１３０ 組電池用電池セルユニット
１３１ コイル
１３２ コア材
１３３ 電極端子
１４０ 組電池用電池セルユニット
１４１ コイル
１４２ コア材
１４３ 電極端子
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池用電池セルユニット、電池セルユニットを用いた組電池および電池セルユニットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車に使用される動力用組電池では、複数個の単位二次電池セル（以下、単に電池セルと呼ぶ）を直列に接続して高電圧を得ている。このような組電池を充電する場合に、各電池セルの内部インピーダンスや容量のばらつきによって、各電池セルの充電電圧にばらつきが生じる。直列に接続された各電池セルには同一の充電電流が流れ、一部の電池セルが過充電状態になる。
【０００３】
組電池を構成する各電池セルの充電電圧のばらつきを抑制する方法として、シャントレギュレーターと呼ばれる方法が知られている。この方法は、組電池を構成する各電池セルと並列にトランジスターを接続して充電電流をトランジスターへバイパス可能にし、各電池セルの充電時のセル電圧を検出し、セル電圧が他の電池セルよりも高くなったらトランジスターへバイパス電流を流し、電池セルへの充電電流を絞って過充電を防止するものである。
【０００４】
また、組電池を構成する各電池セルの充電電圧のばらつきを補正する方法として、特許文献１に開示された方法が知られている。この方法では、組電池を構成する各電池セルの両端にそれぞれコイルとスイッチの直列回路を接続しており、各スイッチを同期を取りながら開閉させると、コイルの電磁結合によって電圧の高い電池セルから電圧の低い電池セルへ電力が流れ、各電池セルの電圧が等しくなってばらつきが補正される。
【０００５】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】
特開２００１−３３９８６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の組電池用電池セルの電圧のばらつきを抑制または補正する方法には、次のような問題がある。
【０００７】
上述した前者の電圧ばらつき抑制方法では、電池セルをバイパスしてトランジスターへ充電電流を流すので、バイパス用トランジスターによる損失が発生して充電効率が悪くなる。
【０００８】
また、上述した後者の電圧ばらつき補正方法では、各コイルを電磁結合するためのトランスが必要となり、装置が大型になってしまう。特に、高電圧、高電流の組電池では数百個の電池セルを直並列に接続するので、大型のトランスが必要になる上に、各電池セルからトランスコイルへの配線が多くなるので製造工数が増大し、さらに多くのスイッチを用いるので装置の信頼性が低下する。
【０００９】
本発明は、電圧のばらつきを補正する組電池用電池セルユニット、組電池およびその製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コイルとスイッチの直列回路を電池セルに並列に接続した並列回路を設け、電池セルを被う外装体の表面にコイルを設置するとともに、並列回路を外装体から突出した電極端子へ接続して組電池用電池セルユニットを構成し、これらの組電池用電池セルユニットを複数個、間隔をあけて配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、トランスとその配線工数を不用にし、充電効率と信頼性の高い組電池を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
《第１の実施の形態》
図１は、第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。組電池用電池セルユニット１は、単体の電池セルと後述するコイルおよびスイッチから構成される回路を扁平形状の外装体で被ったものである。電池セルユニット１の外装体は金属薄膜を用いたラミネート構造になっており、外装体の表と裏の扁平面１１にはコイル１２のパターンが形成されている。また、外装体の上部には２個の電極端子１３が設けられている。
【００１３】
図２は、図１に示す組電池用電池セルユニット１を複数個用いて構成した組電池を電極端子側から見た図である。この組電池は、扁平型の電池セルユニット１を複数個、外装体のコイル１２を設置した扁平面１１が対向し、且つ各コイル１２間が絶縁されるように間隔を開けて一列に並べたものである。この状態では、各電池セルユニット１の外装体扁平面１１に形成されたコイル１２が互いに向かい合う。ハーネス２１は隣接する電池セルユニット１の正極と負極を接続する配線材であり、このハーネス２１により各電池セルユニット１を直列に接続する。
【００１４】
図３は、図１に示す扁平型電池セルユニット１を４個、図２に示すように外装体のコイル１２を設置した扁平面１１が対向し、且つ各コイル１２間が絶縁されるように１列に並べた組電池の回路図である。各電池セルユニット１ａ〜１ｄは、１個の電池セル３１ａ〜３１ｄと、２組のコイルとスイッチの直列回路（３４ａ＋３２ａ）と（３５ａ＋３３ａ）、（３４ｂ＋３２ｂ）と（３５ｂ＋３３ｂ）、（３４ｃ＋３２ｃ）と（３５ｃ＋３３ｃ）、（３４ｄ＋３２ｄ）と（３５ｄ＋３３ｄ）を内蔵している。
【００１５】
各電池セルユニット１ａ〜１ｄにおいて、コイルとスイッチの２組の直列回路はそれぞれ電池セルへ並列に接続されて並列回路を構成しており、その並列回路は上述した電極端子１３に接続されている。さらに、隣接する電池セルユニット１ａ〜１ｄの正極と負極がハーネス２１により接続され、４個の電池セルユニット１ａ〜１ｄは直列に接続されている。
【００１６】
４個の電池セルユニット１ａ〜１ｄは一列に並べて配置されているので、隣接する電池セルユニットのコイルが互いに対向する。電池セルユニット１ａのコイル３５ａと電池セルユニット１ｂのコイル３２ｂとが対向し、電池セルユニット１ｂのコイル３５ｂと電池セルユニット１ｃのコイル３４ｃとが対向する。また、電池セルユニット１ｃのコイル３５ｃと電池セルユニット１ｄのコイル３４ｄとが対向する。
【００１７】
図３により、電池セル間の電圧のばらつきを補正して平均化させる動作を説明する。今、電池セル３１ｂの電圧が電池セル３１ｃの電圧よりも高いものと仮定する。このとき、スイッチ３３ｂと３２ｃを同期させて開閉させると、対向するコイル３５ｂと３４ｃの電磁結合によって、電池３１ｂの電圧がコイル３４ｃに誘起されるとともに、電池３１ｃの電圧がコイル３５ｂに誘起される。コイル３５ｂの両端に誘起した電圧は電池３１ｂの電圧よりも低いため、電池３１ｂからコイル３５ｂへ放電電流が流れる。一方、コイル３４ｃの両端に誘起した電圧は電池３１ｃの電圧よりも高いため、コイル３４ｃから電池３１ｃへ充電電流が流れる。スイッチ３３ｂと３２ｃのオンとオフが繰り返されると、電池セル３１ｂから放電された電力が電池セル３１ｃへ充電され、電池セル３１ｂの電圧と電池セル３１ｃの電圧が同一値に近づいていき、電圧のばらつきが解消される。
【００１８】
組電池を構成するすべての電池セル３１ａ〜３１ｄにおいて、電池セル３１ｂと３１ｃの間で行った電圧のばらつき補正と同様な補正が行われ、組電池を構成するすべての電池セル３１ａ〜３１ｄで電圧が平均化される。
【００１９】
組電池用電池セルユニットは図１に示すような扁平型の外装体に限定されるものではなく、例えば図４に示すような四角柱の形状のパッケージとしてもよい。図４に示す四角柱の組電池用電池セルユニット４において、外装体の側面４１にはコイル４２が設置され、外装体上部には電極端子４３が設けられている。この電池セルユニット４を複数個、図５に示すように電池セルユニット４のコイル４２を設置した四角柱の側面４１がそれぞれ対向し、且つ各コイル４２間が絶縁されるように配置し、組電池を構成する。隣接する電池セルユニット４の正極と負極はハーネス５１により接続され、複数の電池セルユニット４が直列に接続される。
【００２０】
図６は、図５に示す組電池の回路図である。各電池セルユニット４は、スイッチ６１とコイル６２の直列回路が４組と、１個の電池セル６３を内蔵している。各電池セルユニット４の四角柱の側面４１に設けられたコイル４２は互いに対向し、対向するコイル４２どうしの電磁結合によって上述したように電力の授受が行われ、組電池を構成する全ての電池セル６３の電圧ばらつきを補正することができる。
【００２１】
組電池用電池セルユニットの形状は、扁平型、四角柱型以外にも、図７に示すような三角柱や、図８に示す六角柱としてもよい。図７は、三角柱の組電池用電池セルユニットを複数個、コイルを設置した三角柱の側面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置した組電池である。また、図８は、六角柱の組電池用電池セルユニットを複数個、コイルを設置した六角柱の側面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置した組電池である。
【００２２】
組電池を構成する各電池セルユニットにおいて、電圧のばらつきを補正して各電池セルの電圧を平均化するために、上述したように対向するコイルと直列に接続されるスイッチを同期して開閉させ、対向するコイル間の電磁結合によって電力の授受を行う第１の実施の形態では、制御回路によりスイッチの開閉を制御する。なお、制御回路は各電池セルユニットに内蔵し、制御回路の電源は各電池セルから供給する。
【００２３】
スイッチの開閉動作は常時、継続的に行うことができる。しかし、そうすると電圧のばらつきが小さい場合にもスイッチを介してコイルに電流を流すことになり、スイッチとコイルにおける損失が発生して無駄な電力を消費することになる。そこでこの第１の実施の形態では、各電池セルの電圧のばらつきがある許容範囲を満たさなくなったときだけ、スイッチを開閉して電圧の平均化を行い、損失の発生を防ぐ。
【００２４】
なお、各電池セルにおける電圧のばらつきは、電池セルの両端電圧を検出する電圧検出回路、または各電池セルの温度を検出する温度検出回路を制御回路に設け、それらの電圧検出回路または温度検出回路において各電池セル間の電圧差や温度差が検出された場合のみ、スイッチを開閉させて電圧の平均化を行い、電圧の平均化がなされたらスイッチの開閉を停止する。つまり、電圧の平均化が必要なときだけ補正動作を実行させることし、無駄な電力消費を抑制する。
【００２５】
電圧検出回路により検出された電池セルの電圧、または温度検出回路により検出された電池セルの温度は、制御回路内の通信回路を介して外部の充放電制御回路へ送信される。充放電制御回路では、隣接電池セルユニット間の電池セルの電圧差または温度差を判断し、電圧差または温度差の大きい隣接電池セルユニットの制御回路へスイッチの開閉指令を送信する。スイッチの開閉指令を受信した隣接電池セルユニットは対向するコイルと直列に接続されているスイッチの開閉動作を行い、上述したように電圧のばらつきを補正する。
【００２６】
制御回路と充放電制御回路との間の情報の授受を無線で行うようにすれば、制御回路と充放電制御回路との間の配線をなくすことができる。具体的には、アンテナを内蔵して通信を行うための半導体チップ、すなわちＲＦチップを各電池セルユニットのパッケージに実装する。
【００２７】
《第２の実施の形態》
図９は第２の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。第２の実施の形態の組電池用電池セルユニット９は、図１に示す第１の実施の形態の電池セルユニット１に、外装体扁平面１１のコイル１２の中心にコア材９１を付加したものである。このコア材９１を付加したことによって以下のような効果がある。
【００２８】
図１０(ａ)は、図１に示す第１の実施の形態の電池セルユニット１を２個、コイル１２が対向するように配置したときのコイル１２の磁束の方向を示す図である。また、図１０(ｂ)は、図９に示す第２の実施の形態の電池セルユニット９を２個、コイル１２が対向するように配置したときのコイル１２の磁束の方向を示す図である。ここで、電池セルユニット１、９の配置間隔ｄは、例えば電池セルユニット１，９の冷却のために必要な隙間である。電池セルは使用状態によっては高温になることがあるが、電池セルが高温になると電池の寿命が短くなり、望ましくない。そのため、電池セルを冷却する必要がある。電池セルユニット１，９間に冷却用の間隔ｄをあけて配置することによって、例えば空冷によって組電池を冷却する場合の空気の通り道を確保することができる。
【００２９】
ところが、図１０(ａ)に示すように電池セルユニット１を間隔をあけて配置すると、対向するコイル１２どうしの電磁誘導により電力の授受を行うときに、コイル１２から発せられた磁束の漏れが起こりやすくなり、電力の伝達効率が低下する。これに対し図１０(ｂ)に示す第２の実施の形態の電池セルユニット９は、間隔をあけて配置しても、コイル１２から発せられた磁束がコア材９１により形成される磁路を通るようになり、(ａ)に示す第１の実施の形態の電池セルユニット１の場合よりも磁束の漏れが減少し、電力の伝達効率が高くなる。
【００３０】
ここで、コア材９１の厚みは、２個の電池セルユニット９を向かい合わせに配置したときに、２個の電池セルユニット９のコア材９１の厚みの合計が、２個の電池セルユニット９の間隔ｄと等しくなるようにする。そうすると、２個の電池セルユニット９のコア材９１どうしが密着し、コイル１２の磁束の漏れを防止することができる。また、冷却のために必要な電池セルユニット９の配置間隔ｄに合わせて電池セルユニット９のコア材９１の厚みを決定することによって、コア材９１を隣接する電池セルユニット９の間のスペーサーとして用いることができ、コア材９１の厚みにより電池セルユニット９の配置間隔を正確に保つことができる。
【００３１】
また、電池セルユニット９の外装体扁平面１１のコイル１２の中心にコア材９１を配置することによって、電池セルユニット９を並べて配置する際にコア材９１を位置合わせの基準として用いることができる。隣接する電池セルユニット９のコイル１２の間で電磁結合により電力の授受を行う場合に、対向するコイル１２どうしの相対的な位置が重要になる。対向するコイル１２どうしの電磁結合が最も強くなる、すなわち相互インダクダンスが最も大きくなるように配置する必要がある。そのためには、例えば対向するコイル１２の中心どうしを正確に合わせるという、精度の高い位置合わせが必要となるが、コイル１２のパターンが非常に細かい場合やコイル１２自体が小さい場合には、位置合わせが困難になる。
【００３２】
外装体扁平面１１のコイル１２の中心にコア材９１を配置した電池セルユニット９では、コア材９１を用いて対向するコイル１２どうしの位置を合わせることができる。ただし、そのためにはコイル１２の中心位置にコア材９１を正確に埋め込まなければならない。そこで、電池セルユニット９の製造に際して、電池セルユニット９にコア材９１を設けた後に、コア材９１の位置を基準にしてコイル１２を形成する工程とする。そうすれば、複数の電池セルユニット９を並べて組電池を製作する際に、コア材９１どうしの位置を合わせることによって、対向するコイル１２の相互インダクダンスが最大になるような位置にコイル１２のパターンを対向させることができる。
【００３３】
《発明の第３の実施の形態》
上述した第２の実施の形態では、隣接する電池セルユニット９の両方にコア材９１を設置する例を示したが、例えば図１１に示すように、片方の電池セルユニット１１０ａ側には所定の厚みのコア材１１１をコイル１２の中心に設置するとともに、それに隣接する電池セルユニット１１０ｂ側にはコア材１１１を通す孔１１２をコイル１２の中心に形成するようにしてもよい。これらの電池セルユニット１１０ａ、１１０ｂの製造工程では、各電池セルユニット１１０ａおよび１１０ｂの外装体扁平面１１にコア材１１１と孔１１２をそれぞれ形成した後に、コア材１１１と孔１１２を中心にしてコイル１２のパターンを形成する。これにより、上述した第２の実施の形態の効果と同様な効果が得られ、コア材１１１を孔１１２に通すことによって、隣接する電池セルユニット１１０ａ、１１０ｂのコイル１２のパターンがより正確に対向する。
【００３４】
《第４の実施の形態》
図１２は複数の組電池用電池セルユニットで構成した第４の実施の形態の組電池を示す。複数個の組電池用電池セルユニット１２０を並べて組電池を構成する場合に、電池セルユニット１２０をケース１２１に収納して配置する。ケース１２１内には、複数個の扁平型の電池セルユニット１２０が冷却用の間隔をあけて扁平面を対向させて並べられている。
【００３５】
この第４の実施の形態では、電池セルユニット１２０をケース１２１に差し込んで、その内部に配置する。そのとき、電池セルユニット１２０に形成されたコア材１２２を、位置合わせ用部材およびスペーサとして用いる。それにより、隣接する電池セルユニット１２０の相対的な位置が適切な位置、すなわち、隣接する電池セルユニット１２０のコイル１２のパターンが正確に対向し、対向するコイル１２間の相互インダクダンスが最大となる位置になる。
【００３６】
図１３および図１４は、図１２に示す第４の実施の形態の組電池に用いる電池セルユニットを示す。図１３に示す電池セルユニット１３０には、固定用爪１３４が形成されている。また、電池セルユニット１３０のコイル１３１の中心位置にコア材１３２が形成されており、電池セルユニット１３０をケース１２１の内部に挿入し、隣接する電池セルユニット１３０のコア材１３２どうしの位置を合わせてから、固定用爪１３４で電子セルユニット１３０どうしを完全に固定する。これにより、電池セルユニット１３０の相対位置が適切なものとなる。
【００３７】
また、図１４に示す電池セルユニット１４０は、コア材１４２どうしが嵌めあい構造になっており、ケース内部に電池セルユニット１４０を挿入すると、コア材１４２どうしが嵌めあい、そのまま電池セルユニット１４０どうしの相対的な位置が正しく固定される。
【００３８】
このように、上述した実施の形態では、コイルとスイッチの直列回路を電池セルに並列に接続した並列回路を外装体で被い、外装体の表面にコイルを設置するとともに、並列回路を外装体から突出した電極端子へ接続し、電池セルユニットを構成した。これにより、上記実施の形態の電池セルユニットを用いて組電池を構成する場合に、外装体表面のコイルが対向するように電池セルユニットを配置すれば、対向するコイルどうしの電磁結合によって電力の受給が可能になり、従来の装置のようにトランスを用いる必要がなく、電池セルユニットとトランスとの間の配線も不用になる。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、組電池用電池セルユニットを複数個、間隔をあけて配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、対向するコイルどうしの電磁結合によって電力の受給が可能になり、従来の装置のようなトランスを用いずに各電池セルの電圧のばらつきを補正することができる。
【００４０】
上述した実施の形態では、電池セルユニットの外装体をラミネート構造にし、ラミネート構造を構成する金属薄膜の一部にコイルのパターンを形成するようにしたので、電力受給用コイルを外装体表面に容易に形成または設置することができ、電池セルユニットの製造工数を低減することができる。
【００４１】
上述した実施の形態では、電池セルユニットにスイッチの開閉を制御する制御回路を内蔵したので、この電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成する場合に、外部に設置する充放電制御回路を簡略にし、電池セルユニットと充放電制御回路との間の配線数を少なくし、配線工数を低減することができる。また、電池セルユニットに内蔵する制御回路の電源は電池セルから供給を受けるようにしたので、他に電源を用意する必要がなく、組電池の構成を簡素化できる。
【００４２】
上述した実施の形態では、電池セルユニットに内蔵する制御回路に、電池セルユニットの外部に設置される充放電制御回路との間で無線通信を行う通信回路を備えるようにしたので、制御信号用配線を減らすことができ、組電池の小型化と信頼性の向上を図ることができる。また、電池セルユニットに内蔵する制御回路に電池セルの電圧を検出する電圧検出回路を備え、通信回路を介して電池セルの検出電圧を外部の充放電制御回路へ送信するようにしたので、充放電制御回路で各電池セルの端子電圧を集中管理し、各電池セル間の電圧のばらつきを容易に検出することができる。さらに、電池セルユニットに内蔵する制御回路に電池セルの温度を検出する温度検出回路を備え、通信回路を介して電池セルの検出温度を外部の充放電制御回路へ送信するようにしたので、充放電制御回路で各電池セルの温度差を集中管理し、各電池セル間の電圧のばらつきを容易に検出することができる。
【００４３】
上述した実施の形態では、コイルとスイッチの直列回路を複数組、電池セルへそれぞれ並列に接続して並列回路を構成するとともに、外装体の複数の面にそれぞれ電力受給用のコイルを設置して電池セルユニットを構成し、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイル設置面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、小形の組電池を柔軟な形状に形成することができる。
【００４４】
上述した実施の形態では、コイルとスイッチの直列回路を２組、電池セルへそれぞれ並列に接続して並列回路を構成し、外装体を扁平形状に形成して表と裏の扁平面にそれぞれコイルを設置して電池セルユニットを構成し、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、複数の電池セルを直列に接続した高電圧の組電池を小形に構成することができる。
【００４５】
上述した実施の形態では、外装体を角柱形状に形成し、角柱の側面にそれぞれコイルを設置して電池セルユニットを構成し、この電池セルユニットを複数個、コイルを設置した角柱の側面がそれぞれ対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように配置するとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、電池セルユニットをマトリクス状に配置して小形の組電池を構成することができる。
【００４６】
上述した実施の形態では、外装体が扁平形状の電池セルユニットに、外装体の扁平面に設置するコイルの中心にコア材を設置し、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、対向するコイル間の磁気的な結合を強めることができ、対向するコイルの電磁誘導作用により電力の受給を行う時に漏洩磁束を低減し、電力受給時の損失を減らすことができる。また、電池セルユニットを並べて組電池を構成する際に、コア材の位置を基準にして隣接する電池セルユニットの位置合わせを行うと、対向するコイルどうしを正確に向かい合わせることができ、相互インダクダンスが最大となって電力受給時の効率を向上させることができる。
【００４７】
上述した実施の形態では、扁平形状の電池セルユニットに設置するコア材の厚みを、組電池を構成する場合の電池セルユニット間の間隔に等しくし、この電池セルユニットを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、コア材が電池セルユニット間のスペーサーとして機能し、例えば電池セルに冷却風を流すための隙間を確保することができる。
【００４８】
上述した実施の形態では、外装体の扁平面に設置するコイルの中心に外装体を貫通する所定長さのコア材を設けた第１の組電池用電池セルユニットと、外装体の扁平面に設置するコイルの中心に外装体を貫通してコア材を通す孔を設けた第２の組電池用電池セルユニットとを複数個、外装体のコイルを設置した扁平面が対向し、且つ各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正するようにしたので、対向するコイルが正しく向かい合うように隣接する電池セルユニットを並べることができ、相互インダクダンスが最大となって電力受給時の効率を向上させることができる。
【００４９】
上述した実施の形態では、外装体の扁平面にコア材を設置した後に、コア材の位置を基準にしてコイルを設置する製造方法とした。また、外装体の扁平面にコア材を通すための孔を設けた後に、孔の位置を基準にしてコイルを設置する製造方法とした。これにより、コア材または孔を中心にしてコイルが精度よく設置されるので、組電池を構成するときにコア材どうしを正確に位置合わせする簡単な手順で、またはコア材を孔にはめ込むだけで、対向するコイルを正しく向かい合わせることができ、相互インダクダンスが最大となって電力受給時の効率を向上させることができる。
【００５０】
上述した実施の形態では、各電池セルユニットの充放電を制御する充放電制御回路を組電池に備え、この充放電制御回路によって、各電池セルユニットから通信回路を介して入手した電池セルの検出電圧または検出温度に基づいて、隣接する電池セルユニットの電池セルの電圧差または温度差が所定値以上の場合に、それらの電池セルユニットのスイッチを同期して開閉させ、電圧のばらつきを補正するようにしたので、電池セル間の電圧差または温度差が小さいときにはスイッチおよびコイルによる損失が発生せず、無駄な電力損失を防止できる。
【００５１】
本願発明は、複数個の電池セルを直並列に接続して組電池を構成するあらゆる電源に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図２】 第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した例を示す図である。
【図３】 第１の実施の形態の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した場合の回路図である。
【図４】 第１の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図５】 第１の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した例を示す図である。
【図６】 第１の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを複数個用いて組電池を構成した場合の回路図である。
【図７】 第１の実施の形態の他の変形例の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【図８】 第１の実施の形態の他の変形例の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【図９】 第２の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図１０】 第１の実施の形態と第２の実施の形態の組電池用電池セルユニットのコイルの磁束方向を示す図である。
【図１１】 第３の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す斜視図である。
【図１２】 第４の実施の形態の組電池用電池セルユニットをケースに収めて組電池を構成した例を示す図である。
【図１３】 第４の実施の形態の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【図１４】 第４の実施の形態の変形例の組電池用電池セルユニットを示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ〜１ｄ 組電池用電池セルユニット
１１ 外装体表面
１２ コイル
１３ 電極端子
２１ ハーネス
３１ａ〜３１ｄ 電池セル
３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄ スイッチ
３４ａ〜３４ｄ、３５ａ〜３５ｄ コイル
４１ 外装体表面
４２ コイル
４３ 電極端子
５１ ハーネス
６１ スイッチ
６２ コイル
６３ 電池セル
９１ コア材
１１０ａ、１１０ｂ 組電池用電池セルユニット
１１１ コア材
１１２ 孔
１２０ 組電池用電池セルユニット
１２１ ケース
１２２ コア材
１２３ 電極端子
１３０ 組電池用電池セルユニット
１３１ コイル
１３２ コア材
１３３ 電極端子
１４０ 組電池用電池セルユニット
１４１ コイル
１４２ コア材
１４３ 電極端子
Claims (23)
- コイルとスイッチの直列回路、及び電池セルを並列に接続した並列回路を備え、
前記コイルは、前記電池セルを被う外装体の表面に設置され、
前記並列回路は、前記外装体から突出した電極端子へ接続されていることを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記外装体をラミネート構造にしたことを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - コイルとスイッチの直列回路、及び電池セルを並列に接続した並列回路を備え、
前記コイルは、前記電池セルを被うラミネート構造の外装体の金属薄膜の一部に形成されたコイルパターンであり、
前記並列回路は、前記外装体から突出した電極端子へ接続されていることを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１〜３のいずれかの項に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記スイッチの開閉を制御する制御回路を備えることを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項４に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記制御回路は、前記電池セルから電源の供給を受けて動作することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項４または請求項５に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記制御回路は、電池セルユニットの外部に設置される充放電制御回路との間で無線通信を行う通信回路を備えることを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項６に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記制御回路は、前記電池セルの電圧を検出する電圧検出回路を備え、前記通信回路を介して前記電池セルの検出電圧を前記充放電制御回路へ送信することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項６に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記制御回路は、前記電池セルの温度を検出する温度検出回路を備え、前記通信回路を介して前記電池セルの検出温度を前記充放電制御回路へ送信することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１〜８のいずれかの項に記載の組電池用電池セルユニットを複数個、間隔をあけて配置するとともに、前記電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、前記スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正することを特徴とする組電池。
- 請求項１〜８のいずれかの項に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
コイルとスイッチの直列回路を複数組、前記電池セルへそれぞれ並列に接続して並列回路を構成するとともに、前記外装体の複数の面にそれぞれ前記コイルを設置することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１０に記載の組電池用電池セルユニットを複数個、前記外装体のコイル設置面が対向し、且つ前記各コイル間が絶縁されるように配置するとともに、前記電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、前記スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正することを特徴とする組電池。
- 請求項１０に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
コイルとスイッチの直列回路を２組、前記電池セルへそれぞれ並列に接続して並列回路を構成し、前記外装体を扁平形状に形成して表と裏の扁平面にそれぞれ前記コイルを設置することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１２に記載の組電池用電池セルユニットを複数個、前記外装体の前記コイルを設置した扁平面が対向し、且つ前記各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、前記電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、前記スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正することを特徴とする組電池。
- 請求項１０に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記外装体を角柱形状に形成し、角柱の側面にそれぞれコイルを設置することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１４に記載の組電池用電池セルユニットを複数個、前記コイルを設置した角柱の側面がそれぞれ対向し、且つ前記各コイル間が絶縁されるように配置するとともに、前記電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、前記スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正することを特徴とする組電池。
- 請求項１２に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記外装体の扁平面に設置するコイルの中心にコア材を設置することを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１６に記載の組電池用電池セルユニットにおいて、
前記コア材の厚みを、組電池を構成する場合の電池セルユニット間の間隔に等しくすることを特徴とする組電池用電池セルユニット。 - 請求項１６または請求項１７に記載の組電池用電池セルユニットを複数個、前記外装体の前記コイルを設置した扁平面が対向し、且つ前記各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、前記電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、前記スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正することを特徴とする組電池。
- 請求項１２に記載の組電池用電池セルユニットを複数個用いて構成した組電池であって、前記外装体の扁平面に設置するコイルの中心に所定長さのコア材を設けた第１の組電池用電池セルユニットと、前記外装体の扁平面に設置するコイルの中心に前記コア材を通す孔を設けた第２の組電池用電池セルユニットとを複数個、前記外装体の前記コイルを設置した扁平面が対向し、且つ前記各コイル間が絶縁されるように一列に並べるとともに、前記電極端子により各電池セルユニットを直列に接続し、前記スイッチを開閉させて各電池セルユニット間の電圧差を補正することを特徴とする組電池。
- 請求項１６に記載の組電池用電池セルユニットまたは請求項１９に記載の第１の組電池用電池セルユニットを製造する製造方法であって、
前記外装体の扁平面に前記コア材を設置した後に、前記コア材の位置を基準にして前記コイルを設置することを特徴とする組電池用電池セルユニットの製造方法。 - 請求項１９に記載の第２の組電池用電池セルユニットを製造する製造方法であって、
前記外装体の扁平面に前記コア材を通すための孔を設けた後に、前記孔の位置を基準にして前記コイルを設置することを特徴とする組電池用電池セルユニットの製造方法。 - 請求項９、１１、１３、１５、１８、１９のいずれかの項に記載の組電池において、
前記各電池セルユニットの充放電を制御する充放電制御回路を備え、
前記充放電制御回路は、前記各電池セルユニットから前記通信回路を介して入手した前記電池セルの検出電圧に基づいて、隣接する電池セルユニットの前記電池セルの電圧差が所定値以上の場合に、それらの電池セルユニットの前記スイッチを同期して開閉させ、電圧のばらつきを補正することを特徴とする組電池。 - 請求項９、１１、１３、１５、１８、１９のいずれかの項に記載の組電池において、
前記各電池セルユニットの充放電を制御する充放電制御回路を備え、
前記充放電制御回路は、前記各電池セルユニットから前記通信回路を介して入手した前記電池セルの検出温度に基づいて、隣接する電池セルユニットの前記電池セルの温度差が所定値以上の場合に、それらの電池セルユニットの前記スイッチを同期して開閉させ、電圧のばらつきを補正することを特徴とする組電池。
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