JP4788311B2

JP4788311B2 - 組電池

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Publication number: JP4788311B2
Application number: JP2005337231A
Authority: JP
Inventors: 哲鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: JP2007141768A

Description

本発明は、複数の二次電池を備える組電池、特に、外径の異なる２種類の円柱状をなす二次電池が複数、その径方向（軸線方向に直交する方向）に並んで配置されてなる組電池に関する。

近年、外径の異なる２種類の円柱状をなす二次電池を複数、その径方向（軸線方向に直交する方向）に並べて配置してなる組電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３５５８６１号公報

特許文献１では、円柱状をなす複数の二次電池が、収容容器内に所定の間隔をおいて配置されてなる第１の電池群と、円柱状をなす複数の二次電池であって、第１の電池群を構成する二次電池よりも小径の二次電池が、第１の電池群を構成する二次電池の隙間に配置されてなる第２の電池群とを備える電池モジュール（組電池）が提案されている。このように、第１電池群を構成する二次電池を配置したときに必然的に形成される隙間に、小径の二次電池を配置することで、電池モジュールの大きさを変えることなく、単位体積当たりのエネルギー密度を向上させることができると記載されている。

ところで、特許文献１では、第１の電池群の充放電を制御する第１の電気制御系統と、第２の電池群の充放電を制御する第２の電気制御系統との２つの制御系統により、組電池の充放電を制御するようにしている。ところが、充放電の制御を簡略化するために、１つの制御系統で組電池全体の充放電を制御することが要求されることがある。

しかしながら、特許文献１では、第１の電池群を構成する二次電池（第１二次電池とする）に比べて、第２の電池群を構成する二次電池（第２二次電池とする）を小径としていることから、第１二次電池に比べて第２二次電池の電池容量が小さくなっている。このため、第１二次電池と第２二次電池とを直列に接続して、１つの制御系統で安全に充放電を制御するには、電池容量の小さい第２二次電池に充放電の電荷量を合わせなければならいので、エネルギー効率が大きく低下してしまう問題があった。なお、電池容量の大きな第１二次電池に入出力電荷量を合わせることは、電池容量の小さな第２二次電池に過充電・過放電が繰り返されることとなり、非常に危険となる。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、スペース効率が良好で、且つ、１つの制御系統で充放電を行うことが可能な組電池を提供することを目的とする。

その解決手段は、円柱状をなす複数の第１二次電池と、上記第１二次電池よりも小径の円柱状をなす複数の第２二次電池と、を備え、上記第１二次電池の径方向に互いに隣り合う上記第１二次電池同士の間隙に、上記第２二次電池が位置するように、上記第１二次電池と上記第２二次電池とが、それらの軸線を互いに平行としつつ配置されてなる組電池であって、上記第２二次電池は、上記第１二次電池よりも軸線方向に長く、上記第１二次電池と電池容量を等しくされてなり、上記組電池は、上記第２二次電池がその軸線方向に配置された数よりも、多数の上記第１二次電池がその軸線方向に並んで配列されてなり、上記複数の第１二次電池と上記複数の第２二次電池とが、いずれも、電気的に直列に接続されてなる組電池である。

本発明の組電池では、第１二次電池の径方向に互いに隣り合う第１二次電池同士の間隙に、第１二次電池よりも小径の第２二次電池が位置するように、第１二次電池と第２二次電池とが、それらの軸線を互いに平行としつつ配置されている。このように外径の異なる２種類の二次電池を組み合わせて配列することにより、スペース効率が良好となる。

しかも、本発明の組電池では、小径の第２二次電池が、第１二次電池よりも軸線方向に長くなっている。これにより、第１二次電池と第２二次電池との電池容量が等しくされている。このため、第１二次電池と第２二次電池とを、安全に、電気的に直列に接続することができ、１つの制御系統で充放電を行うことが可能となる。

ところで、軸線方向長さの異なる２種類の二次電池を、軸線方向に１つずつ配列した場合には、軸線方向長さの短い第１二次電池の軸線方向にスペースが空いてしまい、スペース効率が低下してしまう。これに対し、本発明の組電池では、第２二次電池がその軸線方向に配置された数よりも、多数の第１二次電池がその軸線方向に並んで配列されている。このように、第１二次電池と第２二次電池とについて、軸線方向に配列する数を調整することにより、スペース効率を良好にすることができる。

例えば、第２二次電池の軸線方向長さが、第１二次電池の軸線方向長さの２倍である場合には、第２二次電池を軸線方向に１つ配置するのに対し、第１二次電池を軸線方向に２つ並べて配置するのが好ましい。このように配列することで、二次電池の径方向のみならず、軸線方向についてもスペースの無駄がなくなるので、スペース効率が良好な組電池となる。
従って、本発明の組電池は、スペース効率が良好で、且つ、１つの制御系統で充放電を行うことが可能な組電池となる。

なお、第２二次電池がその軸線方向に配置される数は、１つでも良いし、複数であっても良い。
また、第１二次電池及び第２二次電池としては、円柱状をなす二次電池であれば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池など、いずれの二次電池をも用いることができる。

さらに、上記の組電池であって、複数の前記第１二次電池が、その軸線方向に並ぶ第１電池列の長さと、１または複数の前記第２二次電池が、その軸線方向に並ぶ第２電池列の長さとが等しくされてなる組電池とすると良い。

本発明の組電池では、第１電池列の長さと第２電池列の長さとが等しくされている。これにより、軸線方向についてスペースの無駄がなくなるので、スペース効率がさらに良好となる。

他の解決手段は、上記いずれかの組電池と、上記組電池の充放電を制御する制御手段と、を備える電池システムである。

この電池システムは、上記いずれかの組電池を備えている。このため、組電池のスペース効率が良好で、且つ、１つの制御手段（制御系統）により組電池の充放電を行うことができる。

次に、本発明の実施例１，２について、図面を参照しつつ説明する。
（実施例１）
図１は、本実施例１にかかる組電池１００における各二次電池（第１二次電池１１０及び第２二次電池１２０）の配置を示す説明図である。本実施例１の組電池１００は、図１に示すように、複数の第１二次電池１１０と、複数の第２二次電池１２０とを備えている。この組電池１００は、収容ケース１０の内部に収容されている。

第１二次電池１１０は、図２に示すように、円柱状（外径寸法Ｄ１）をなしている。この第１二次電池１１０は、円筒形状の電池ケース１１１と、電池ケース１１１の一方端側（図２において左端側）に位置する正極端子１１２と、他方端側（図２において右端側）に位置する負極端子１１３とを有している。また、図示していないが、電池ケース１１１の内部には、帯状の正極、負極、及びセパレータを捲回してなる捲回体と、電解液とが収容されている。

第２二次電池１２０は、図３に示すように、第１二次電池１１０よりも小径の円柱状（外径寸法Ｄ２）をなしている。この第２二次電池１２０は、円筒形状の電池ケース１２１と、電池ケース１２１の一方端側（図３において左端側）に位置する負極端子１２３と、他方端側（図３において右端側）に位置する正極端子１２２とを有している。また、図示していないが、電池ケース１２１の内部には、帯状の正極、負極、及びセパレータを捲回してなる捲回体が収容されている。

なお、本実施例１では、第２二次電池１２０の電池容量を、第１二次電池１１０の電池容量と等しく（具体的には、３〜１５Ａｈ）している。また、第２二次電池１２０の軸線Ｃ２に沿う方向（図３において左右方向）の長さＬ２（以下、単に軸線方向長さＬ２ともいう）を、第１二次電池１１０の軸線Ｃ１に沿う方向（図２において左右方向）の長さＬ１（以下、単に軸線方向長さＬ１ともいう）の２倍としている。

本実施例１では、このような第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを、以下のように組み合わせて組電池１００を構成している。
具体的には、図１に示すように、複数の第１二次電池１１０を、収容ケース１０の内部に、互いの軸線Ｃ１を平行としつつ、径方向（図１において紙面に沿う方向）に間隙を空けて格子状に配列している。さらに、複数の第２二次電池１２０を、それらの軸線Ｃ２を第１二次電池１１０の軸線Ｃ１と互いに平行としつつ、径方向（詳細には、図１において水平方向に対し４５度傾いた方向）に互いに隣り合う第１二次電池１１０の間隙に配置している。

このように、本実施例１では、第１二次電池１１０（外径寸法Ｄ１）を配列したときに必然的に生じる間隙に、第１二次電池１１０よりも小径（外径寸法Ｄ２）の第２二次電池１２０を配置している。このため、本実施例１の組電池１００は、第１二次電池１１０のみを上述のように配列した組電池に比べて、スペース効率が良好になる。換言すれば、第２二次電池１２０を加えた分、組電池の単位体積当たりのエネルギー密度を向上させることができる。
なお、本実施例１では、第１二次電池１１０及び第２二次電池１２０の冷却性を良好とするために、第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを、径方向に間隙を空けて配列している。

さらに、本実施例１の組電池１００では、第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを、電気的に直列に接続している。具体的には、図４に示すように、２つの第１二次電池１１０を軸線方向（図４において左右方向）に並べ、一方の第１二次電池１１０（図４において右側に位置する第１二次電池１１０）の正極端子１１２と、他方の第１二次電池１１０（図４において左側に位置する第１二次電池１１０）の負極端子１１３とを接続して、第１電池列１０１を形成している。さらに、図５に示すように、このように形成した複数の第１電池列１０１と、複数の第２二次電池１２０（本実施例１では、１つの第２二次電池１２０により第２電池列１０２が形成されている）とを、導電部材６０を介して接続している。このようにして、組電池１００を構成する全ての第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを、電気的に直列に接続している。

ところで、本実施例１では、前述のように、第１二次電池１１０の電池容量と、第２二次電池１２０の電池容量とを等しくしている。このため、第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを、安全に、電気的に直列に接続することができ、その上、１つの制御系統で組電池１００の充放電を行うことが可能となる（図５参照）。

さらに、本実施例１の組電池１００では、前述のように、第２二次電池１２０の軸線方向長さＬ２を、第１二次電池１１０の軸線方向長さＬ１の２倍としている。このため、図４に示すように、第１電池列１０１（２つの第１二次電池１１０を直列に接続した電池列）の軸線方向長さと、第２電池列１０２（第２二次電池１２０に一致する）の軸線方向長さとが、共に同一のＬ２となる。これにより、軸線方向についてスペースの無駄がなくなるので、スペース効率が極めて良好となる。

次に、本実施例１の電池システム２００について説明する。
図５に示すように、本実施例１の電池システム２００は、上述の組電池１００と、組電池１００の充放電を制御する制御部２１０（制御手段）とを備えている。さらに、制御部２１０は、モータ３０に接続されている。これにより、組電池１００からモータ３０（負荷）への給電（放電）、及びモータ３０（発電機）から組電池１００への充電を、適切に行うことができる。

特に、本実施例１の電池システム２００では、組電池１００を構成する第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを、いずれも直列に接続している。これにより、１つの制御部２１０（制御手段）により、組電池１００全体の充放電を制御することができる。
このため、例えば、第１二次電池のみを直列に接続し、これとは別系統で第２二次電池のみを直列に接続した、２つの制御系統（制御部）を備える電池システム（例えば、特許文献１に開示されている電池システム）に場合に比べて、充放電制御が簡略化できると共に、出力特性も良好になる。また、第１二次電池１１０と第２二次電池１２０とを同時に使用できるので、各二次電池（第１二次電池１１０及び第２二次電池１２０）の利用効率も高くなる。

（実施例２）
本実施例２の組電池３００は、実施例１の組電池１００と比較して、第１二次電池と第２二次電池の寸法及び電池容量、第１電池列をなす第１二次電池の数が異なり、その他についてはほぼ同様である。
図６は、本実施２にかかる組電池３００の各二次電池（第１二次電池３１０及び第２二次電池３２０）の配置を示す説明図である。本実施例２の組電池３００は、図６に示すように、複数の第１二次電池３１０と、複数の第２二次電池３２０とを備えている。この組電池３００は、収容ケース２０の内部に収容されている。

第１二次電池３１０は、図７に示すように、円柱状（外径寸法Ｄ３）をなしている。この第１二次電池３１０は、円筒形状の電池ケース３１１と、電池ケース３１１の一方端側（図７において左端側）に位置する正極端子３１２と、他方端側（図７において右端側）に位置する負極端子３１３とを有している。また、図示していないが、電池ケース３１１の内部には、帯状の正極、負極、及びセパレータを捲回してなる捲回体と、電解液とが収容されている。

第２二次電池３２０は、図８に示すように、第１二次電池３１０よりも小径の円柱状（外径寸法Ｄ４）をなしている。この第２二次電池３２０は、円筒形状の電池ケース３２１と、電池ケース３２１の一方端側（図８において左端側）に位置する負極端子３２３と、他方端側（図８において右端側）に位置する正極端子３２２とを有している。また、図示していないが、電池ケース３２１の内部には、帯状の正極、負極、及びセパレータを捲回してなる捲回体が収容されている。

なお、本実施例２では、第２二次電池３２０の電池容量を、第１二次電池３１０の電池容量と等しく（具体的には、３〜１５Ａｈ）している。また、第２二次電池３２０の軸線Ｃ４に沿う方向（図８において左右方向）の長さＬ４（以下、単に軸線方向長さＬ４ともいう）を、第１二次電池３１０の軸線Ｃ３に沿う方向（図７において左右方向）の長さＬ３（以下、単に軸線方向長さＬ３ともいう）の６倍としている。

本実施例１では、このような第１二次電池３１０と第２二次電池３２０とを、以下のように組み合わせて組電池３００を構成している。
具体的には、図６に示すように、複数の第１二次電池３１０を、収容ケース２０の内部に、互いの軸線Ｃ３を平行としつつ、径方向（図６において紙面に沿う方向）に隣り合う第１二次電池３１０と接触させて格子状に配列している。さらに、複数の第２二次電池１２０を、それらの軸線Ｃ４を第１二次電池３１０の軸線Ｃ３と互いに平行としつつ、径方向（詳細には、図６において水平方向に対し４５度傾いた方向）に互いに隣り合う第１二次電池３１０の間隙に配置している。

このように、本実施例１では、複数の第１二次電池３１０（外径寸法Ｄ３）を接触させて配列すると共に、このときに必然的に生じる間隙に、第１二次電池３１０よりも小径（外径寸法Ｄ４）の第２二次電池３２０を配置している。このため、本実施例１の組電池３００は、実施例１の組電池１００よりも、さらにスペース効率が良好になり、組電池の単位体積当たりのエネルギー密度が向上する。

さらに、本実施例２の組電池３００でも、実施例１と同様に、第１二次電池３１０と第２二次電池３２０とを、電気的に直列に接続している。具体的には、図９に示すように、６つの第１二次電池１１０を軸線方向（図９において左右方向）に並べ、軸線方向に隣り合う第１二次電池３１０の正極端子１１２と負極端子１１３とを接続して、第１電池列３０１を形成している。さらに、図１０に示すように、このように形成した複数の第１電池列３０１と、複数の第２二次電池３２０（本実施例２では、１つの第２二次電池１２０により第２電池列３０２が形成されている）とを、導電部材７０を介して接続している。このようにして、組電池３００を構成する全ての第１二次電池３１０と第２二次電池３２０とを、電気的に直列に接続している。

ところで、本実施例２でも、実施例１と同様に、第１二次電池３１０の電池容量と、第２二次電池３２０の電池容量とを等しくしている。このため、実施例１と同様に、第１二次電池３１０と第２二次電池３２０とを、安全に、電気的に直列に接続することができ、その上、１つの制御系統で組電池３００の充放電を行うことが可能となる（図１０参照）。

さらに、本実施例２の組電池３００では、前述のように、第２二次電池３２０の軸線方向長さＬ４を、第１二次電池３１０の軸線方向長さＬ３の６倍としている。このため、図９に示すように、第１電池列３０１（６つの第１二次電池３１０を直列に接続した電池列）の軸線方向長さと、第２電池列３０２（第２二次電池３２０に一致する）の軸線方向長さとが、共に同一のＬ４となる。これにより、軸線方向についてスペースの無駄がなくなるので、スペース効率が極めて良好となる。

次に、本実施例２の電池システム４００について説明する。
図１０に示すように、本実施例２の電池システム４００は、上述の組電池３００と、組電池３００の充放電を制御する制御部４１０（制御手段）とを備えている。さらに、制御部４１０は、モータ５０に接続されている。これにより、組電池３００からモータ５０（負荷）への給電（放電）、及びモータ５０（発電機）から組電池３００への充電を、適切に行うことができる。

特に、本実施例２の電池システム２００では、実施例１と同様に、組電池３００を構成する第１二次電池３１０と第２二次電池３２０とを、いずれも直列に接続している。これにより、１つの制御部４１０（制御手段）により、組電池３００全体の充放電を制御することができる。
このため、例えば、第１二次電池のみを直列に接続し、これとは別系統で第２二次電池のみを直列に接続した、２つの制御系統（制御部）を備える電池システム（例えば、特許文献１に開示されている電池システム）に場合に比べて、充放電制御が簡略化できると共に、出力特性も良好になる。

以上において、本発明を実施例１，２に即して説明したが、本発明は上記実施例等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、実施例１，２の組電池１００，３００では、１つの第２二次電池１２０，３２０で第２電池列１０２，３０２を形成したが、第１電池列１０１，３０１のように、複数の第２二次電池を軸線方向に並べて第２電池列を形成するようにしても良い。例えば、第２二次電池を軸線方向に２つ並べて第２電池列を形成すると共に、第１二次電池を軸線方向に３つ並べて第１電池列を形成するようにしても良い。但し、１つの制御系統（制御手段）で組電池の充放電を適切に制御するためには、第１二次電池と第２二次電池の電池容量を等しくする必要がある。さらに、軸線方向のスペースの無駄が無く、スペース効率を高めるために、第１電池列の長さと第２電池列の長さが等しくなるように、第１二次電池及び第２二次電池の長さを選択するのが好ましい。

実施例１にかかる組電池１００の各二次電池（第１二次電池１１０及び第２二次電池１２０）の配置を示す説明図である。実施例１にかかる第１二次電池１１０の側面図である。実施例１にかかる第２二次電池１２０の側面図である。実施例１にかかる組電池１００の側面図である。実施例１にかかる電池システム２００の構成を示す図である。実施例２にかかる組電池３００の各二次電池（第１二次電池３１０及び第２二次電池３２０）の配置を示す説明図である。実施例２にかかる第１二次電池３１０の側面図である。実施例２にかかる第２二次電池３２０の側面図である。実施例２にかかる組電池３００の側面図である。実施例２にかかる電池システム４００の構成を示す図である。

符号の説明

１００，３００組電池
１０１，３０１第１電池列
１０２，３０２第２電池列
１１０，３１０第１二次電池
１２０，３２０第２二次電池
２００，４００電池システム

Claims

円柱状をなす複数の第１二次電池と、
上記第１二次電池よりも小径の円柱状をなす複数の第２二次電池と、を備え、
上記第１二次電池の径方向に互いに隣り合う上記第１二次電池同士の間隙に、上記第２二次電池が位置するように、上記第１二次電池と上記第２二次電池とが、それらの軸線を互いに平行としつつ配置されてなる
組電池であって、
上記第２二次電池は、
上記第１二次電池よりも軸線方向に長く、
上記第１二次電池と電池容量を等しくされてなり、
上記組電池は、
上記第２二次電池がその軸線方向に配置された数よりも、多数の上記第１二次電池がその軸線方向に並んで配列されてなり、
上記複数の第１二次電池と上記複数の第２二次電池とが、いずれも、電気的に直列に接続されてなる
組電池。
請求項１に記載の組電池であって、
複数の前記第１二次電池が、その軸線方向に並ぶ第１電池列の長さと、
１または複数の前記第２二次電池が、その軸線方向に並ぶ第２電池列の長さとが等しくされてなる
組電池。