JP4539173B2 - インバータ装置、およびそれを用いた駆動システム - Google Patents

インバータ装置、およびそれを用いた駆動システム Download PDF

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Description

本発明は、インバータ装置、およびそれを用いた駆動システムに関する。
近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリット自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）の導入が強く所望されており、これらのモータ駆動用電池として、様々な二次電池の開発が行われている。
これらのモータ駆動用電池である二次電池からモータに供給される電力は、そのままの形で供給されるものは少なく、通常は、交流モータを駆動するために交流に変換され、また昇圧によって電圧が調整されなどして供給されている。このため、二次電池からの直流はインバータ装置により交流に変換して使用している。
従来、このようなインバータ装置は、スイッチング素子により二次電池からの直流をチョッピングして交流に変換するが、その際に発生するリップル電流を抑えるために、平滑コンデンサやキャパシタなどを利用している（特許文献１、特許文献２など参照）。
特開２００３−００９５４１号公報 特開２００３−２５５０１２号公報
しかしながら、このような従来のインバータ装置は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリット自動車（ＨＥＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）などの電動車両を駆動するモータへの電力を供給するものであるため、平滑化手段として使用されている平滑コンデンサやキャパシタなどに比較的大きな容積が必要となっている。このため、車両内での各種部品の配置や装備品の配置に制約を来す原因となり、平滑化手段の小型化が求められている。
そこで本発明の目的は、小型化したインバータ装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、小型化したインバータ装置を用いてモータなどの負荷を駆動するための駆動システムを提供することである。
上記目的を達成するための本発明は、直流をスイッチングして交流に変換するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列または直列に接続され、前記スイッチング素子からの電流を平滑化する二次電池と、を有し、前記平滑化する二次電池は、一方の面に正極が形成されると共に他方の面に負極が形成されている集電体を用いて、前記正極と前記負極の間に電解質層を挟んで前記集電体を積層したバイポーラ型二次電池であることを特徴とするインバータ装置である。
また上記目的を達成するための本発明は、直流をスイッチングして交流に変換するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列または直列に接続され、前記スイッチング素子からの電流を平滑化する二次電池と、を有し、前記平滑化する二次電池は、一方の面に正極が形成されると共に他方の面に負極が形成されている集電体を用いて、前記正極と前記負極の間に電解質層を挟んで前記集電体を積層したバイポーラ型二次電池であるインバータ装置を備え、直流を前記インバータ装置により交流に変換し、負荷に供給することを特徴とする駆動システムである。
本発明のインバータ装置によれば、バイポーラ型二次電池をスイッチング素子からの電流を平滑化するために用いたことで、従来の平滑化手段であるコンデンサやキャパシタなどと比較して、大幅にその設置容積を減らすことが可能となる。特に、この平滑化手段として用いるバイポーラ型二次電池としてその電極にインクジェット方式により形成された電極を用いることで、内部抵抗を減らして、平滑化手段としてより一層適したものとなる。
また、このようなインバータ装置を用いた駆動システムによれば、従来、平滑化手段としてコンデンサやキャパシタが閉めていた容積を低減されるため、駆動システム全体の設置容積を大幅に減らすことができる。これは、特に、自動車などの車両においては、この駆動システムによって、車両の軽量化や、他の部品レイアウトの自由度を高くすることができるようになる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、インクジェット方式により電極を形成したバイポーラ型二次電池をインバータ回路の平滑化手段として用いたインバータ装置である。
図１は、第１の実施形態によるインバータ装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、このインバータ装置を電動車両の駆動システムに用いた場合の回路図である。
インバータ装置１１は、インバータ回路を構成するスイッチング素子を収納するケース１２と、このケース１２の少なくとも一面に取り付けられたバイポーラ型二次電池１３からなる。
駆動システム全体としての回路構成は、図２に示すように、大別して、電源である電池部分１、インバータ部分２、および負荷であるモータ部分３からなる。このうち本実施形態ではインバータ部分２がインバータ装置１１により構成されている。
電池部分１は、二次電池１５である。そしてこの二次電池１５に対して、インバータ装置１１が並列に接続されて、インバータ装置１１から負荷であるモータのコイル１６に交流が供給される構成となっている。
インバータ装置１１は、周知のとおり、二次電池１５などの直流電源からの電流をオンオフの繰り返しにより交流に変換するための複数のスイッチング素子１４と、電流を平滑化するための平滑化手段からなる。スイッチング素子１４は、たとえば、複数のサイリスタ、トランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などからなる。また、複数のスイッチング素子からなるインバータ回路の構成も周知のものであるので説明を省略する。
スイッチング素子１４から取り出された交流（ここでは３相交流）は交流モータのコイル１６に供給されている。
なお、ここでは、インバータ装置１１から取り出された交流を直接モータ３へ供給するようにしているが、これに代えて、インバータ装置１１からの交流を一旦昇圧回路（不図示）を用いて昇圧するようにしても良い。
インバータ装置１１には、平滑化手段が備えられており、ここでは平滑化手段としてバイポーラ型二次電池１３を用いている。
バイポーラ型二次電池１３は、図３に示すように、集電体１０４上に、活物質を含む電極層１０２が電極として設けられている。集電体１０４と電極層１０２とが積層されている部位として定義される電極面の平均厚さが５〜３００μｍ、電極面の最大厚さが電極面の最小厚さの１０５％以下である電極である。そして、この電極層１０２は、インクジェット方式により形成されている。
すなわち、このインバータ装置１１は、直流を交流に変換するためのスイッチング素子１４と、スイッチング素子１４からの電流を平滑化するためにインクジェット方式により形成された電極を有するバイポーラ型二次電池を備えている。
なお、図３は、発明の理解のために誇張されている。これはたとえば、インクジェット方式によって噴出された粒子が付着することによって電極層１０２が形成されたことを示すために、電極層１０２が多数の粒子から構成されているかのように図示されているが、電極層１０２は、肉眼で見た場合には１つの層として確認される。
電極は、外装材中に封止され、正極タブおよび負極タブが外装材の外部に引き出される。集電体１０４上に電極層１０２を積層させる際には、タブを集電体１０４に接合させるために、集電体１０４上には、電極層１０２が積層されない部分１０６（以下、「未塗布部分」とも記載）が設けられてもよい。未塗布部分は、タブの接合以外の目的で存在していてもよいが、未塗布部分が多くなると、電池のエネルギー密度の低下を招来する。このため、タブが接合される部分以外には、極力未塗布部分を設けないことが好ましい。ただし、製造上、不可避的に生じる未塗布部分が生じることを禁止する趣旨ではない。
従来、電極層を形成するためには、ロール型塗布機などのコーターが用いられていた。しかしながら、従来知られているコーターを用いて、一定以上の薄さおよび均一性を有する電極層を形成することは不可能であった。薄さについて説明すれば、塗布機によって電極層を形成する際には、形成される塗膜にある程度の厚みがないと、膜が形成されない部分が生じてしまう。均一性について説明すれば、塗布機によって電極層を形成する際には、塗膜の端部において、膜厚が厚くなる傾向がある。つまり、塗膜が形成される部位と塗膜が形成されない部位との界面において、塗膜が厚くなる傾向がある。
そこで、本実施形態におけるバイポーラ型二次電池においては、電極層の薄型化および均一化という従来達成できなかった要件を、インクジェット方式を採用することによって達成したものである。インクジェット方式とは、液体のインクをノズルから噴出させて、インクを対象物に付着させる印刷方式を意味する。インクジェット方式は、インクを噴出させる方式によって、ピエゾ方式、サーマルインクジェット方式、バブルジェット（登録商標）方式に分類される。
ピエゾ方式は、インクを溜めるインク室の底に配置された、電流が流れることによって変形するピエゾ素子の変形によって、インクをノズルから噴出させる方式である。サーマルインクジェット方式は、発熱ヒーターによって、インクを加熱し、インクが気化する際の水蒸気爆発のエネルギーでインクを噴出させる方式である。バブルジェット（登録商標）方式も、サーマルインクジェット方式と同様、インクが気化する際の水蒸気爆発のエネルギーでインクを噴出させる方式である。サーマルインクジェット方式とバブルジェット（登録商標）方式とは、加熱する部位が異なるが、基本的な原理は同じである。
インクジェット方式を用いて電極層を形成するには、電極層を形成するためのインクを準備する。正極層を製造するのであれば、正極層の構成要素を含む正極インクを調製する。負極層を製造するのであれば、負極層の構成要素を含む負極インクを調製する。たとえば、正極インクには、正極活物質が少なくとも含まれる。正極インクには、他にも、導電材、リチウム塩、溶媒などが含まれうる。正極のイオン伝導性を向上させるために、重合によって高分子電解質となる高分子電解質原料および重合開始剤が、正極インク中に含まれてもよい。なお、インクジェット方式を用いて、電極層を形成する方法については、後で、詳述する。
次に、電極層を形成する基材を準備する。基材は、電池において電極層に隣接する部材、たとえば、集電体や固体高分子電解質膜が用いられる。集電体の一般的な厚みは、５〜２０μｍである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。電極インクを印刷可能なインクジェット装置に基材を供給する。そして、基材に対して、インクジェット方式により電極インクを噴出させ、基材に付着させる。インクジェット装置のノズルから噴出されるインクの量は、非常に微量であり、しかも、略等体積の量を噴出させることが可能である。したがって、電極インクの付着によって形成される電極層は、非常に薄く、かつ、均一である。また、インクジェット方式を用いれば、電極層の厚さや形状が、精密に制御されうる。従来の塗布機を用いて電極層を形成する場合には、複雑な形状の電極層を形成することは困難である。一方、インクジェット方式を用いれば、コンピュータ上で所定のパターンをデザインし、それを単に印刷するだけで、所望の形状の電極層が形成される。厚さに関しても、１回の印刷では電極層の厚さが不足する場合には、同一面に対して、２回以上印刷を繰り返せばよい。つまり、同じインクを、同一の基材に重ねて印刷する。それにより、所望の厚さを有する電極層が形成される。
電極層の厚さは、特に限定されない。一般的には、正極層の厚みは１〜１００μｍ、負極層の厚みは１〜１４０μｍ程度である。
このように電極層は、インクジェット方式を用いて形成されうるが、インクジェット方式については、特に限定されない。したがって使用するインクに応じて必要な改良を施してもよい。インクジェット方式は、現在において、非常に広く知られた技術であり、インクジェット方式についての詳細な説明は省略する。
次に、このインクジェット方式による電極の製造方法について説明する。
まず、インクジェット方式によって電極層を形成される基材を準備する。基材としては、集電体または高分子電解質膜が用いられうる。基材を単独でインクジェット装置に供給することが困難な場合には、基材を紙などの媒体に貼り付けて、これをインクジェット装置に供給する方式を用いればよい。
インクジェット方式による印刷に先立ち、正極インク、負極インクを準備する。高分子電解質膜もインクジェット方式によって作製する場合には、電解質インクも準備する。
正極インク中に含有される成分としては、正極活物質、導電材、高分子電解質原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。少なくとも正極活物質が含有される。エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーなどの高分子電解質原料とベンジルジメチルケタールなどの重合開始剤を含有して、正極層を印刷した後、重合させて電極層のイオン伝導性を向上させてもよい。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。
正極インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。ただし、正極インクの粘度は、インクジェット方式が適用できる程度に低くあるべきである。粘度を低く保つ方法としては、溶媒の配合量を増加させる方法、および、正極インクの温度を上昇させる方法が挙げられる。ただし、溶媒の配合量を増加させすぎると、電極層における単位体積辺りの活物質量が減少するので、溶媒の配合量は最低限に抑えるとよい。高分子電解質原料やその他の化合物を、粘度が低くなるように改良してもよい。
負極インク中に含有される成分としては、負極活物質、導電材、高分子電解質原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。少なくとも負極活物質が含有される。エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーなどの高分子電解質原料とベンジルジメチルケタールなどの重合開始剤を含有して、負極層を印刷した後、重合させて電極層のイオン伝導性を向上させてもよい。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。
負極インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。配合比についての説明は、正極インクについてしたとおりであるので、ここでは説明を省略する。
電解質インク中に含有される成分としては、高分子電解質原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。少なくとも高分子電解質原料が含有される。高分子電解質原料としては、インクジェット後の重合により、高分子電解質層を形成しうる化合物であれば、特に限定されない。たとえば、エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーが挙げられる。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。
電解質インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。配合比についての説明は、正極インクについてしたとおりであるので、ここでは説明を省略する。電解質インクにおいては、高分子電解質原料が比較的多く含まれるが、高分子電解質原料はインクの粘度を向上させやすいので、留意するべきである。なお、電解質インクは、作製される電池に含まれる電解質が液体であるような場合には、必要ないことは勿論である。
インクジェット装置に供給される各インクの粘度は、特に限定されないが、好ましくは０．１〜５０ｃＰ程度である。
インクジェット方式により、基材にインクを噴出させて、電極層を形成する。電極層を形成する際には、電極層のパターンを予め決定しておく。コンピュータ上において作成された像に基づいて、電極層が形成されるようにしておくと、作業性に優れる。コンピュータを用いたパターン決定および電極層の作製は、一般に広く知られている、コンピュータおよびプリンタを用いた画像作成およびプリントアウトの作業と同様である。したがって、この分野において発達した知見を援用できる点で、本発明は工業的生産の実現が、比較的容易であるといえる。
インクジェット装置に集電体を供給して、活物質を含む液体である電極インクを、多数の粒子として噴出させて、予め設計したパターンに従って、粒子を基材に付着させる。インクジェット装置が採用するインク噴出機構は、ピエゾ方式、サーマルインクジェット方式、バブルジェット（登録商標）方式のいずれでもよい。好ましくは、圧電素子の体積変化によりインク粒子を噴出させる、ピエゾ方式が用いられる。
インクジェット装置より噴出される粒子の体積は、好ましくは、１〜１００ピコリットルの範囲である。噴出される粒子の体積が少なすぎると、振動低減が不充分になる虞がある。一方、噴出される粒子の体積が多すぎても、振動低減が不充分になる虞がある。インクジェット装置を用いて噴出される粒子の体積は、ほぼ同一であり、製造される電極および電池は、非常に均一性が高い。
インクジェット装置によって１回粒子を付着させただけでは、電極層の膜厚が不充分な場合には、同一の箇所に２回以上粒子を付着させて、電極層の厚さを増加させてもよい。「同一の箇所」とは、１回目のインクジェット装置による印刷によって電極層が形成された部位と、同じ部位を意味する。つまり、同一の材料による重ね塗りである。このような手法を用いて、均一な厚さの電極層を積層することにより、電極の厚みを増加させうる。インクジェット方式で電極層を形成する場合には、形成される電極層の均一性が非常に高いため、何回も積層させた場合であっても、高い均一性が維持される。
電極層が形成された後は、乾燥により溶媒が除去される。高分子電解質原料を配合しているのであれば、重合により高分子電解質を形成させるために、重合処理を施してもよい。たとえば、光重合開始剤を加えた場合には、たとえば、紫外線を照射して、重合を開始させる。これにより電極が完成する。
本発明の電極の製造方法が適用される工程は、最終的に製造される電池に応じて異なる。たとえば、正極および負極中に液体の電解質を介在させ、それらを外装材中に封止してなる、リチウムイオン電池を作製する場合には、正極および負極のそれぞれを、本発明に従って製造し、それらを用いて電池を組み立てればよい。全固体バイポーラ型二次電池を作製する場合には、集電体を基材として、正極層、高分子電解質膜、および負極層を順番にインクジェット方式で作製し、集電体を積層させる。必要に応じて、この作業を繰り返せることにより、何層にも積層した全固体バイポーラ型二次電池が完成する。この場合には、正極層、高分子電解質膜、および負極層の作成に、本発明が用いられる。
なお、工業的な生産過程においては、生産性を向上させるために、最終的な電池のサイズよりも大きい電極を作製し、これを所定の大きさにカットする工程を採用してもよい。
本発明の第４は、電池の製造方法を提供する。すなわち、本発明の第４は、負極活物質を含む液体を多数の粒子として噴出させるインクジェット方式を用いて、負極層を形成する工程と、正極活物質を含む液体を多数の粒子として噴出させるインクジェット方式を用いて、正極層を形成する工程と、を含む電池の製造方法である。
正極層および負極層が、インクジェット方式を用いて作製されているのであれば、作業順序については、特に限定されない。正極層が形成された後に、負極層が形成されてもよいし、負極層が形成された後に、正極層が形成されてもよい。それぞれが、全く別個に形成され、電池を組み立てた段階で、それぞれが電解質を介して対向するようにしてもよい。
本発明の電池の製造方法は、さらに、重合開始剤と重合開始剤によって誘起される重合反応によって高分子電解質を形成する高分子電解質原料とを含む液体を、多数の粒子として噴出させるインクジェット方式を用いて、高分子電解質膜を形成する工程を含んでもよい。重合開始剤や高分子電解質原料については、既に説明したので、ここでは説明を省略する。
ここで、このようなインクジェット方式により形成した電極によってもたらされる主な効果について説明する。
まず、この電極は、電極層が積層された電極面の膜厚が、非常に均一である。このため、電極面からの発熱が均一になり、局所的な劣化が抑制される。したがって、このような電極を用いたバイポーラ型二次電池は、振動に対する耐久性が高い。振動に対する耐久性が高いため、本発明の電極を有する電池は、振動が加えられやすい用途、たとえば、車両に好適に適用されうる。振動に対する耐久性は、膜の均一性およびインクジェット方式で作製される電極層のミクロ構造に起因していると推測される。膜の均一性が高いと、厚さの分布に起因する共振が減少されうる。
また、図４に示すように、インクジェット方式で作製される電極層は、付着した電極インクによって形成された多数のドット２０２から構成される。ドット２０２は、隣接するドット２０２との界面において、表面張力で接合した構造になる。かようなミクロ構造は、ドット２０２がマス、表面張力で接合する部分２０４がバネとして作用し、「マスバネモデル」として図示されたような作用を有する。振動に対する耐久性は、図示したマスバネモデルのような作用により、もたらされていると推測される。
次に、このようなインクジェット方式により形成した電極の厚さおよび平坦度について説明する。
インクジェット方式により形成した電極は、電極面の平均厚さが、５〜３００μｍである。インクジェット方式を用いて電極面を作製することによって、このような平均厚さを有し、かつ、平坦な電極が作製されうる。ここで、電極面とは、集電体と電極層とが積層されている部位として定義される。図３においては、集電体１０４上に電極層１０２が形成されている部分が、電極面に相当する。電極層が集電体の両面に形成されている場合には、１層の集電体と２層の電極層とを合わせた厚さが、電極面の厚さに相当する。集電体の一方に電極層が形成された電極においては、好ましくは、電極面の平均厚さは６〜１２０μｍである。集電体の両面に電極層が形成された電極においては、好ましくは電極面の平均厚さは７〜３００μｍである。
電極面の面積は特に限定されないが、一般には、電極面の面積が広くなるほど、電極面の均一性を保つことが困難となる。この観点からは、電極面の面積が５０ｃｍ２以上である場合に、本発明は特に有益である。
しかも、このような平均厚みを有しながら、非常に平坦であり、電極面の最大厚さが、電極面の最小厚さの１０５％以下である。このような平坦度を有していると、発熱のムラが生じにくく、電池寿命が長くなる。また、厚さの分布に起因する共振によって引き起こされる電池の亀裂や破断も抑制される。
なお、電極および電池の厚さは、マイクロメータを用いて測定されうる。測定手順の一例を示せば、電極面の平均厚さ測定に当たっては、まず、測定される領域を３×３の９つの領域に分割する。そして、各領域内の任意の３点の厚さを測定し、その平均をその領域の厚さとする。全ての領域について厚さを測定し、それらの平均を算出する。この作業を１０回以上行い、その平均を電極面の平均厚さとする。なお、本願においては、この作業を繰り返す数を、「繰り返し数Ｎ」とする。
電極面の最大厚さおよび電極面の最小厚さは、前記領域の厚さが、最大である領域および最小である領域の厚さとして測定される。
電極層が集電体上に積層されていない部分である、未塗工部から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さは、未塗工部近傍の領域を、未塗工部からの距離が等しくなるように３つに分割する。図３のような実施形態においては、電極層１０２と未塗工部１０４との界面から１０ｍｍ以内の電極層領域を、各領域の一辺が前記界面となるように、３つに分割する。それぞれの領域について、各領域内の任意の３点の厚さを測定し、その平均をその領域の厚さとする。全ての領域について厚さを測定し、それらの平均を算出する。この作業を１０回以上行い、その平均を未塗工部から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さとする。
電極層を形成した後に所定の大きさに電極を調整する際には、電極層がカットされるが、カット部近傍の厚さが薄くなりがちである。そこで、電極の均一性のバロメータとして、カット部近傍の厚さを測定してもよい。その場合には、カット部から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さが、未塗工部から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さと同様にして測定される。
好ましくは、電極層が集電体上に積層されていない部位から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さが、その他の部位における前記電極面の平均厚さの１０４％以下である。電極層が集電体上に積層されていない部位とは、図３における未塗布部分１０６などのように、電極層が形成されていない領域を意味する。集電体上に形成される電極層は、未塗布部位近傍が厚くなる傾向がある。電極層が集電体上に積層されていない未塗布部位には、タブが形成されがちであるが、この部分が厚いと、電池に加えられる振動により共振が生じ、タブと集電体とが断裂する可能性が高まる。
また好ましくは、電極層の平均厚さ（Ａ）に対する、電極層の厚さの標準偏差（σ）の比（σ／Ａ）が、３％以下である。既に、厚さの分布と発熱のムラとの関係については説明したが、具体的には、このような値を満足する程度の平坦度を電極が有していると、発熱のムラが生じにくい。また、厚さの分布により生じる共振が生じにくい。これらの理由により、電池の寿命が長くなる。
電極は、正極であっても、負極であってもよい。好ましくは、既に説明したように、電極層は、活物質を含む液体を多数の粒子として噴出させて、所定の基材に付着させるインクジェット方式によって形成される。所定の基材は、製造工程によって異なる。集電体上に電極層を作製する場合には、基材は集電体である。電解質として固体高分子電解質を用いる場合には、電極層は固体高分子電解質上に作製され、その後、集電体が配置されてもよい。
集電体、活物質など、電極を構成する材料は、本願においては特に限定されない。公知の材料が用いられうる。新たに開発された材料が用いられてもよい。たとえば、リチウム電池用の電極である場合には、正極活物質としては、ＬｉＭｎ２Ｏ４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物やＬｉＮｉＯ２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。負極活物質としては、結晶性炭素材や非結晶性炭素材が挙げられる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。
電極層の構成は、用途に応じて適宜選択すればよく、特に限定されない。たとえば、正極は、少なくとも正極活物質が正極層中に含まれる。その他にも、導電材、リチウム塩などが含まれうる。正極のイオン伝導性を向上させるために、高分子電解質が分散していてもよい。これらの配合量については、特に限定されない。既に得られている知見に基づいて、配合量を決定すればよい。
インクジェット方式を用いて電極層を形成すると、上記説明したように、薄く、かつ均一な電極層が製造されうる。
インクジェット方式を用いて電極層を形成する場合における製造方法としての利点は、作業性の向上が挙げられる。ロール型塗工機など、塗工機を用いて電極層を形成する従来の方法は、正極および負極ごとに別々の塗工機が存在することが必須であり、製造ラインが大掛かりになり、電極の製造時間も長かった。本発明のインクジェット方式を用いて電極層を形成する方法であれば、単一のインクジェットラインで正極層および負極層、場合によっては高分子電解質膜が作製されうる。また、従来の方法と異なり、精密なパターンの電極層を作製しうる。しかも、コンピュータ上で設計変更が自由に行われうる。したがって、一台のインクジェットラインで、複数種の電極層や高分子電解質膜が作製されうる。
図５は、バイポーラ型二次電池の断面構造を示す概略断面図である。
バイポーラ型二次電池は、上記のようにインクジェット方式により集電体１０４上に形成された電極（正極１０２ａおよび負極１０２ｂ）の間に電解質層１１１を挟んで積層することにより二次電池としたものである。正極１０２ａおよび負極１０２ｂについては既に説明したとおりである。
電解質層１１１としては、固体高分子電解質膜が好ましい。固体高分子電解質膜としては、ポリマーの主成分として粘着力のあるポリマー電解質を使用する。
これには、たとえば、ポリエチレンオキシド、プロピレンオキシド等のポリアルキネンオキシド、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、ポリアクリロニトリル等のアクリロニトリル系ポリマー、架橋ポリエーテル等がある。固体高分子電解質膜はこれらの高分子を主成分として膜状（薄板状を含む）に成形したものである。
これらの高分子物質のなかでも、架橋ポリエーテルが特に好ましい。架橋ポリエーテルとしては、たとえば、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４５，１５２１−１５２７（１９９８）に記載されているようなポリエチレンオキシド（ＰＥ）およびポリプロピレンオキシド（ＰＯ）系高分子であり、特にポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドとのランダムコポリマーをトリオールで架橋し、さらに不飽和脂肪酸でエステル化し、これをアルコシキ化したものが好ましい。このようなポリエーテルトリオールから得られるものとしては、部分メチル化ポリエーテルアクリレートがある。
このような分子内に炭素−炭素二重結合を持った原料モノマーを用いて合成した高分子は、ＬｉＢＦ４などのリチウム塩をよく溶解できるうえに、加熱乾燥して十分に溶媒を除去した後でも、粘着性が強く、弾力に富んでいるので、薄膜状に形成することが可能である。
固体高分子電解質膜の形成には、重合開始剤、および溶媒が混合されて、膜状にして加熱重合されることにより成形される。このとき、溶媒は完全除去されて固体電解質膜１１となる。なお、固体電解質膜１１には、さらにリチウム塩などが含まれていてもよい。
なお、電極は、集電体上に形成する代わりに、このような固体高分子電解質膜をシート状に形成して、その上にインクジェット方式により電極を形成して、集電体を間に挟んで積層することで二次電池を形成するようにしても良い。
このようにインクジェット方式により電極を形成することで、電極が薄く、かつ均一に平坦化させることができるため、インバータ装置における平滑化手段、すなわち、従来の平滑コンデンサの代わりにこのバイポーラ型二次電池を使用することが可能となる。
ここで、図２に示したインバータ装置１１における平滑化手段として求められる従来の平滑コンデンサの条件を、抵抗値９６ｍΩ、電極体積１０２６ｃｍ、電気容量０．１６Ｗｈとした場合、同等の特性を得るための電池は、たとえば、同程度の抵抗、及び出力を得るために、バイポーラ型二次電池を１００層程度積層する必要があり、かつ１セルあたり１ｍΩ程度とする必要がある。このためには、たとえば、集電体の厚さを２μｍ、正極層の厚さを２μｍ、固体電解質層の厚さを２μｍ、負極層の厚さを２μｍとして、１セルの厚さを８μｍにすると、１ｍΩ／１セル程度となる。そしてこれを１００層積層することで、電池の体積１００ｃｍ３の大きさのものを作れば、抵抗値９６ｍΩ（１ｍΩ／１セル）、出力３６０［Ｖ］、電池容量１４Ｗｈのものが得られる。
したがって、バイポーラ型二次電池の抵抗値は従来のコンデンサの場合と同等に小さくすることができ、かつ小型で、十分な電力容量を得ることができるため、平滑化手段として使用することができる。しかも、その大きさは従来の平滑コンデンサを用いた場合の約１０分の１以下の体積にまで小さくすることが可能となる。
なお、インクジェット方式によりって形成する正極および負極の厚さは、好ましくは、２〜５μｍ程度である。これは、１セル当たりの抵抗値は１ｍΩであることが望ましく、出力増大を鑑みると層の厚さは薄いほど好ましいからであり、電極の短絡を防ぐための最低値として２μｍとしており、この場合、電極面は５０ｃｍ２程度となりスペース、ハンドリング上も好ましい値となる。また、多少の抵抗値の上昇、および電極面の拡大が許される場合、短絡防止の安全率を高めるために５μｍ程度とするのも効果的である。同様に電解質層についても、２〜５μｍとなすのが好ましい。
また、正極１０２ａ、集電体１０４、および負極１０２ｂからなるバイポーラ電極と、電解質層１１１の積層数は、１０〜１００層とすることが好ましい。これは、たとえば２００〔Ｖ〕〜４００〔Ｖ〕の自動車等の駆動モータの場合、１層当たりの出力電圧を１．５〜４．２［Ｖ］とした場合１００層の積層が必要であり、また、モータの駆動電圧が低い場合では１０層程度でも足りるからである。
以上のように、本第１の実施形態によれば、インバータ装置自体を小型化し、インバータ装置としてスイッチング素子をケース内に収納してそれにこの平滑化手段となるバイポーラ型二次電池を積層して一体化することが可能となり、たとえば、電気自動車などに内蔵する場合に、平滑化手段として用いられていた容積を低減することができ、車両内の部品レイアウトにおける自由度を高くすることができる。また、設置容量が減るばかりではなく、従来のコンデンサなどによる重量が低減されるため、車両重量の低減効果もある。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、インバータ装置の平滑化手段であるバイポーラ型二次電池をそのまま電源として使用した駆動システムである。
図６は、第２の実施形態における駆動システムの回路図である。基本的な構成は、第１の実施の形態と同様であり、電池部分１、インバータ部分２、およびモータ部分３からなる。
そして本第２の実施形態においては、モータを駆動するための電源である電池と平滑化手段を一つのバイポーラ型二次電池２３によって構成している。なお、図示においては電源電池と平滑化手段をそれぞれ電池記号と電気容量記号により示したが、これはそれらの機能を示したもので、一つのバイポーラ型二次電池である。
ここで用いているバイポーラ型二次電池２３は、前述した第１の実施形態同様に、インクジェット方式によって電極を形成したものであり、詳細な説明は省略する。
用いるバイポーラ型二次電池２３としては、第１の実施形態同様に、インクジェット方式によって形成する正極および負極の厚さは、好ましくは、２〜５μｍ程度、電解質層１１１の厚さは、好ましくは、２〜５μｍ程度、また、正極、電解質層および負極からなる層の積層数は、１０〜１００層とすることが好ましい。
一例として、前述の第１の実施形態と同様に、集電体の厚さが２μｍ、正極層の厚さが２μｍ、固体電解質層の厚さが２μｍ、負極層の厚さが２μｍとして、１セルの厚さが８μｍであるとすると、これを１００層積層することで、電池の体積１００ｃｍ３（電極面積５０ｃｍ２）の大きさのものを作れば、抵抗値９６ｍΩ（１ｍΩ／１セル）、電池容量１４Ｗｈのものが得られので、これを二次電池としての電力容量を、電気自動車に用いられる７０Ｗｈねらいとしたければ、この容積１００ｃｍ３のバイポーラ型二次電池を５個分接続することで得ることができる。したがって、５００ｃｍ３程度の容積があれば、従来の二次電池と平滑コンデンサの両方の役割を果たすバイポーラ型二次電池を組み込むことが可能となる。これは、従来の電気自動車用の二次電池１個分の容積とほぼ同じであり、平滑コンデンサ分の容積がそのまま空くことになって、駆動システムとしての車両内における占有率を少なくすることができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、一つひとつのスイッチング素子にバイポーラ型二次電池を設けた平滑化手段一体型のスイッチング素子からなるインバータ装置である。
図７は、このインバータ装置の外観構成を示す概略斜視図であり、図８は、インバータ装置の回路図であり、図９は、スイッチング素子としてサイリスタを用いた場合の回路図である。
このインバータ装置３１は、基板３０１上にバイポーラ型二次電池３０２が設置され、さらにバイポーラ型二次電池３０２上にスイッチング素子３０３が設けられている。バイポーラ型二次電池３０２の正極とスイッチング素子３０３の一方の電極は直接接続されており、バイポーラ型二次電池３０２の負極およびスイッチング素子３０３の他方の電極から導電リード３０４および３０５が引き出されている。
ここで用いられているバイポーラ型二次電池は、第１の実施形態と同様に、インクジェット方式によって電極を形成したバイポーラ型二次電池であるので、詳細な説明は省略する。
バイポーラ型二次電池３０２の大きさは、たとえば、３０ｋｗ程度の出力ねらいとした場合、電極の各層を３μｍ程度（１セル当たり１μｍ）の５０ｃｍ×５０ｃｍの面積の電極を設けた集電体を１００層程度積層することで、３〜５Ｌの大きさになる。また、そのときの内部抵抗は約０．５Ω程度である。
スイッチング素子の位例としては、図９に示すように、たとえばサイリスタ３０３ａであるが、この他にも、トランジスタなど通常インバータ装置に用いるスイッチング素子を用いることが可能である。
図１０は、このような平滑化手段をスイッチング素子と一体化したインバータ装置３１を用いた駆動システムの回路図である。図１０（ａ）は、負荷として一つのコイルが接続された状態を示す図であり、図１０（ｂ）は、負荷として三相交流モータが接続された例を示す図面である。なお、図１０（ｂ）においては、３相交流モータの一つのコイルに対して並列に２つのインバータ装置３１を接続した状態を示したが、３相交流モータの他の２つのコイルにもそれぞれ同様にインバータ装置３１が接続されており、これら他の２つのコイルに接続されているインバータ装置３１については図示省略した。
図示するように、この駆動システムでは、負荷に対して互いに電流の流れる向きが逆となるように、インバータ装置３１を接続し、スイッチング素子３０３によって互いの電流が交互に負荷に対して流れるようにスイッチングすることで負荷３１０に対して交流を流すようにしている。そして流れる交流は、インバータ装置３１のバイポーラ型二次電池によって平滑化される。したがって、３相交流モータを負荷とする場合いは、３相の各コイルに対して、それぞれインバータ装置３１が接続されることになる。
このような駆動システムを電気自動車に用いるとすれば、上記の３０ｋＷのバイポーラ型二次電池を２個使用すればよい。
このように、スイッチング素子とバイポーラ型二次電池からなる平滑化手段を一体化することで、スイッチング素子と平滑化手段をつなぐ配線距離をほぼ０にすることができるため、駆動システム全体の内部抵抗を減らし、エネルギーの損失を減らすことができる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、前述した第３の実施形態における駆動システムにさらに外部に電源を設けた駆動システムである。
図１１は、第４の実施形態における駆動システムの回路図であり、図１２は、このシステム構成の具体例としてスイッチング素子にサイリスタを設けた場合の回路図である。
なお、図１２は、スイッチング素子の具体例を示すためのものであるので、本実施の形態の説明は、図１１を参照して行うこととする。
本第４の実施の形態は、図示するように、第３の実施形態における平滑化手段をスイッチング素子に一体化したインバータ装置３１のバイポーラ型二次電池３０２に対して電力を供給するための外部電源４０１を設け、外部からバイポーラ型二次電池３０２に充電することができるようにしている。なお、ここで用いている外部電源は、直流電源である。
これにより、バイポーラ型二次電池３０２のみをモータなどの負荷を動作させるための電源として活用し、電力が足りなくなったときには外部電源４０１から充電する。
この外部電源４０１とバイポーラ型二次電池３０２は、スイッチ手段４０２を介して接続されており、バイポーラ型二次電池３０２の電力が低下したときに、スイッチ手段４０２がオンとなってバイポーラ型二次電池３０２へ充電されるようにしている。なお、スイッチ手段４０２としては、たとえば、バイポーラ型二次電池３０２の電圧を測定して、所定値以下となった場合に、外部電源４０１とバイポーラ型二次電池３０２の間を導通させる制御回路であっても良い。
このように、インバータ装置３１の外部に電源を設けておいて、インバータ装置３１内のバイポーラ型二次電池３０２に充電できるようにすることで、インバータ装置３１内のバイポーラ型二次電池３０２は、モータなどの負荷を駆動するために最低限必要な電力容量を持てばよいことになる。したがって、インバータ装置３１をより小さなものにすることが可能となり、たとえば、モータケース内に内蔵するようにしても良い。この場合、負荷であるモータとそれに電力を供給するバイポーラ型二次電池との距離が短くなるので配線の引き回しによる電力ロスを低減することが可能となる。
特に、電池自動車などの場合、発進や加速時に大きな電力を必要とし、逆に一定速度では大きな電力を必要としないため、たとえば、モータ内にバイポーラ型二次電池を設けた場合には、一定速度のときには外部電源からの電力を使用して、発進や加速時にのみモータ内に設けたバイポーラ型二次電池の電力を使用するようにすることで、電力ロスが非常に少なく大きなエネルギーを一時的に得ることができる。これは発進や加速時に一時的に使用される電力は大きな電圧を必要とするものの長い時間の電力を供給する必要がないため、小型で容量の少ない電池でよいので、このような使用方法に適したものとなる。
なお、図１２に、本第４の実施形態の具体例として、スイッチング素子にサイリスタ３０３ａを用いた回路を示したが、これはあくまで具体例の一つであって、本発明はスイッチング素子にサイリスタを用いる場合に限定されるものではなく、たとえば、トランジスタ、ＩＧＢＴなどインバータ装置に通常用いられているスイッチング素子を利用することができる。
なお、図示する場合には、３相交流モータの一つのコイルに対して並列に２つのインバータ装置３１を接続した状態を示したが、３相交流モータの他の２つのコイルにもそれぞれ同様にインバータ装置５１が接続されており、これら他の２つのコイルに接続されているインバータ装置３１については図示省略した。
また、図１１および図１２ともに、外部電源を各バイポーラ型二次電池に対して一つずつ接続した構成として描いているが、実際の構成においては、各バイポーラ型二次電池に対して外部からの電力が供給されればよいため、必ずしも２個の外部電源が必要となるものではなく、たとえば、一つの外部電源から、各バイポーラ型二次電池に対して電力を供給して、バイポーラ型二次電池を充電できるようにしてもよい。
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、インバータ装置の一つひとつのスイッチング素子に対して並列にバイポーラ型二次電池を接続したインバータ装置である。
図１３は、このインバータ装置の外観構成を示す概略斜視図であり、図１４は、このインバータ装置を含む駆動システムの回路図である。なお、図１４においては、インバータ装置のスイッチング素子としてサイリスタを使用した場合を示している。
このインバータ装置は、基板５０１上にバイポーラ型二次電池５０２とバイポーラ型二次電池５０２が設けられ、これらが配線５０４によって並列に接続されている。ここで用いているバイポーラ型二次電池５０２は、前述した第１の実施形態と同様に、インクジェット方式により電極を形成したバイポーラ型二次電池であるので、詳細な説明は省略する。
駆動システムとしての構成は、図１４に示すように、負荷である３相交流モータのそれぞれのコイルに対してこのインバータ装置５１を並列に２つ接続したものである。なお、図示する場合には、３相交流モータの一つのコイルに対して並列に２つのインバータ装置５１を接続した状態を示したが、３相交流モータの他の２つのコイルにもそれぞれ同様にインバータ装置５１が接続されており、これら他の２つのコイルに接続されているインバータ装置５１については図示省略した。
図示するように、この駆動システムでは、負荷に対して互いに電流の流れる向きが逆となるように、２つのインバータ装置５１を接続している。そして、スイッチング素子５０３と平滑化手段となるバイポーラ型二次電池５０２が並列に接続されている。
これにより、バイポーラ型二次電池は、平滑化手段であると共に、負荷であるモータを動作させるための電源として機能し、さらに、モータからの回生エネルギーを蓄えることができるようになる。
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、前述した第５の実施形態における駆動システムにさらに外部に電源を設けた駆動システムである。
図１５は、第６の実施形態における駆動システムの回路図である。
図示するように、インバータ装置５１を構成するバイポーラ型二次電池５０２に対して外部電源６０１を設けることで、外部から充電することができる。なお、スイッチング素子（図示サイリスタ）５０２とバイポーラ型二次電池５０２が並列に接続されているため、充電中に外部電源６０１からの電流がスイッチング素子５０２を流れないように、外部電源６０１からの充電中にのみインバータ装置としての回路を遮断するスイッチ６０２と、外部電源からの電流をバイポーラ型二次電池に接続するためのスイッチ６０３が設けられている。
このように、インバータ装置５１の外部に電源を設けておいて、インバータ装置５１内のバイポーラ型二次電池５０２に充電できるようにすることで、インバータ装置５１内のバイポーラ型二次電池５０２は、モータなどの負荷を駆動するために最低限必要な電力容量を持てばよいことになる。したがって、インバータ装置５１をより小さなものにすることが可能となり、たとえば、モータケース内に内蔵するようにしても良い。この場合、負荷であるモータとそれに電力を供給するバイポーラ型二次電池との距離が短くなるので配線の引き回しによる電力ロスを低減することが可能となる。これは、また、回生エネルギーをバイポーラ型二次電池によって回収する場合のエネルギーロスを減らすことにもなる。
また、第４の実施の形態同様に、モータケース内にインバータ装置を内蔵することで、たとえば電池自動車などの場合に、発進や加速時などに大きな電力をエネルギーロスを少なくしてモータに供給することができ、さらには、減速時の回生エネルギーの効率的な利用が可能となる。
以上、本発明による最良の形態を説明したが、本発明は、当然にこれらの実施形態に限定されるものではない。たとえば、平滑化手段としてバイポーラ型二次電池を用いているがこれに限定される必要はなく、インクジェット方式によって形成された電極を持つ二次電池であれば用いることができる。また、その他にも様々な改変が可能であることはいうまでもない。
本発明のインバータ装置および駆動システムは、電気自動車、ハイブリッド自動車などの駆動源としてモータを用いる車両のインバータ装置およびこれを用いた駆動システムとして好適である。
第１の実施形態によるインバータ装置の概略構成を示す斜視図である。 上記インバータ装置を電動車両の駆動システムに用いた場合の回路図である。 集電体上の電極層を示す平面図である。 インクジェット方式で作製される電極層の作用を説明するための図面である。 バイポーラ型二次電池の断面構造を示す概略断面図である。 第２の実施形態における駆動システムの回路図である。 第３の実施形態におけるインバータ装置の外観構成を示す概略斜視図である。 上記インバータ装置の回路図である。 スイッチング素子としてサイリスタを用いた場合の回路図である。 上記インバータ装置を含む駆動システムの回路図である。 第４の実施形態における駆動システムの回路図である。 スイッチング素子にサイリスタを設けた場合の駆動システムの回路図である。 第５の実施形態におけるインバータ装置の外観構成を示す概略斜視図である。 上記インバータ装置を含む駆動システムの回路図である。 第６の実施形態における駆動システムの回路図である。
符号の説明
１…電池、
２…インバータ、
３…モータ、
１１、３１、５１…インバータ装置、
１３、２３、３０２、５０２…バイポーラ型二次電池、
１４、３０３、５０３…スイッチング素子、
１０２…電極層、
１０２ａ…正極、
１０２ｂ…負極、
１０４…集電体、
１１１…電解質層、
４０１、６０１…外部電源。

Claims (7)

  1. 直流をスイッチングして交流に変換するスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に並列または直列に接続され、前記スイッチング素子からの電流を平滑化する二次電池と、
    を有し、
    前記平滑化する二次電池は、一方の面に正極が形成されると共に他方の面に負極が形成されている集電体を用いて、前記正極と前記負極の間に電解質層を挟んで前記集電体を積層したバイポーラ型二次電池であることを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記バイポーラ型二次電池は、インクジェット方式により形成された電極を有することを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
  3. 前記バイポーラ型二次電池は、
    前記電極として、厚さ２〜５μｍ正極と、厚さ２〜５μｍの負極と、を有し、
    前記正極および前記負極の間に挟まれた厚さ２〜５μｍ電解質層を有し、
    前記正極、前記電解質層、および前記負極からなる層が１０〜１００層積層されてなることを特徴とする請求項２記載のインバータ装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載されたインバータ装置を備え、直流を前記インバータ装置により交流に変換し、負荷に供給することを特徴とする駆動システム。
  5. 前記インバータ装置に用いられている前記バイポーラ型二次電池は、前記直流を供給するための電源であることを特徴とする請求項４記載の駆動システム。
  6. 前記バイポーラ型二次電池には、さらに前記バイポーラ型二次電池を充電するための外部電源が接続されていることを特徴とする請求項５記載の駆動システム。
  7. 前記バイポーラ型二次電池とは別に、前記直流を供給するための電源となる二次電池が駆動システム内に設けられていることを特徴とする特徴とする請求項４記載の駆動システム。
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