JP5482903B2 - 双極型電池 - Google Patents

Description

この発明は双極型電池の集電体に取り付ける電圧検出用端子と放電用端子の配置に関する。

双極型電池は、一般に層状の集電体と、集電体の一面に配置された正極活物質層と、集電体のもう一面に配置された負極活物質層とからなる複数の双極型電極と、内部をイオンが移動する複数の電解質層とを、正極活物質層と負極活物質層が電解質層を挟んで対峙する状態で積層することで構成される。

積層された状態では、電解質層を挟んで対峙する正極活物質層と負極活物質層とが単位セルを構成する。双極型電池はこれらの単位セルを直列に接続した状態で用いられる。

単位セルには製造過程の要因による内部抵抗や容量等のばらつきが存在する。単位セルが分担する電圧にばらつきが存在すると、電圧が大きい単位セルから劣化が進行し、結果として双極型電池全体の寿命が短くなってしまう。

双極型電池全体の寿命を伸ばすには、したがって、各単位セルの電圧を測定し、測定した電圧に基づき各単位セルの電圧を調整することが好ましい。

日本国特許庁が２００５年に発行した特開２００５−２３５４２８号は、双極型電池の各単位セルの電圧を測定するべく、各単位セルの集電体に電圧検出用端子を取り付け、単位セルごとに電圧を取り出して計測することを教えている。

計測した電圧に基づき、各単位セルの電圧を調整するためには、各集電体が個別に放電を行う必要がある。このような放電制御を電圧バランス制御と称する。

放電用端子と電圧検出用端子とでは求められる特性が異なる。放電用端子は多くの放電電流を流すことのできる位置に設けることが望ましい。一方、電圧の計測に関しては大量の放電電流が流れる部位は電圧の変動が激しく、この部位で電圧を計測することは計測精度上好ましくない。したがって、電圧検出用端子を用いて放電を行うことは電圧バランス制御の精度を低下させる要因となる。

この発明の目的は、したがって、集電体の電圧計測に関する要求と、集電体からの放電に関する要求とをともに満足させることである。

以上の目的を達成するために、この発明は、層状の集電体と、集電体の一面に配置された正極活物質層と、集電体のもう一面に配置された負極活物質層とからなる複数の双極型電極と、内部をイオンが移動する複数の電解質層とを、正極活物質層と負極活物質層が電解質層を挟んで対峙する状態で積層した双極型電池に適用される。

集電体は周縁部に接続された電圧検出用端子と放電用端子とを備える。電圧検出用端子と放電用端子は次のように配置される。すなわち、集電体の図心と電圧検出用端子とを結ぶ第１の直線を引く。そして、第１の直線に直交する第２の直線の両側に別れて電圧検出用端子と放電用端子を配置する。

この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。なお、添付された図面は説明の都合上の理由から、双極型電池を構成する各層の厚さや形状に関する誇張を含む。

ＦＩＧ．１はこの発明の第１の実施形態による双極型電池の電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧＳ．２Ａと２Ｂは双極型電池の、集電体と正極活物質層の概略平面図、及び放電時の集電体内部の電圧変化を示すダイアグラムである。 ＦＩＧ．３はこの発明の第１の実施形態による電圧バランス制御の第１段階における双極型電池の電流の流れを説明する電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧ．４はこの発明の第１の実施形態による電圧バランス制御の第２段階における双極型電池の電流の流れを説明する電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧ．５は比較例＃１による双極型電池の電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧＳ．６Ａと６Ｂは比較例＃１による双極型電池の、集電体と正極活物質層の概略平面図、及び放電時の集電体内部の電圧変化を示すダイアグラムである。 ＦＩＧ．７は比較例＃２による双極型電池の電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧＳ．８Ａと８Ｂは比較例＃２による双極型電池の、集電体と正極活物質層の概略平面図、及び放電時の集電体内部の電圧変化を示すダイアグラムである。 ＦＩＧＳ．９Ａと９Ｂは比較例＃２による放電制御を説明するタイミングチャートである。 ＦＩＧ．１０はこの発明の第２の実施形態による双極型電池の電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧＳ．１１Ａと１１Ｂは、この発明の第２の実施形態による双極型電池の、集電体と正極活物質層の概略平面図、及び放電時の集電体内部の電圧変化を示すダイアグラムである。 ＦＩＧ．１２はこの発明の第３の実施形態による双極型電池の電圧バランス制御回路図である。 ＦＩＧＳ．１３Ａと１３Ｂは、この発明の第３の実施形態による双極型電池の、集電体と正極活物質層の概略平面図、及び放電時の集電体内部の電圧変化を示すダイアグラムである。 ＦＩＧ．１４はこの発明の第４の実施形態による双極型電池の集電体及び正極活物質層の概略平面図である。 ＦＩＧ．１５はこの発明の第５の実施形態による双極型電池の集電体及び正極活物質層の概略平面図である。 ＦＩＧＳ．１６Ａと１６Ｂは、この発明の第６の実施形態による双極型電池の、集電体と正極活物質層の概略平面図、及び放電時の集電体内部の電圧変化を示すダイアグラムである。

図面のＦＩＧ．１を参照すると、この発明の第１の実施形態による双極型電池２はセパレータ１２を介して積層された層状の５個の集電体４ａ−４ｅを備える。各集電体４ａ−４ｅの一方の面には正極活物質層５が形成され、もう一方の面には負極活物質層６が形成される。集電体４ａ−４ｅと正極活物質層５と負極活物質層６とが双極型電極３を構成する。双極型電池２はしたがって、５個の双極型電極３を備える。

負極活物質層６は正極活物質層５より表面積が広く設定される。双極型電極３は電解質層７を介して鉛直方向に積層される。

図において上下方向に隣り合う２つの双極型電極３を、説明上ここでは上段双極型電極及び下段双極型電極と称する。下段双極型電極の上面に位置する負極活物質層６と、上段双極型電極の下面に位置する正極活物質層５とが電解質層７を介して対峙するように、上段双極型電極と下段双極型電極とが配置される。

ＦＩＧ．２Ａを参照すると、正極活物質層５と負極活物質層６の面積は、集電体４ａ−４ｅの水平方向の面積よりも小さく設定される。つまり、積層方向から眺めた集電体４ａ−４ｅの周縁領域には正極活物質層５と負極活物質層６は設けられない。

再びＦＩＧ．１を参照すると、積層方向に関して隣接する２個の集電体４ａ−４ｅの周縁領域の間に所定幅のシール部材１１が挟持される。シール部材１１は正極活物質層５と負極活物質層６とを相互に絶縁するとともに、図の上下方向に対峙する正極活物質層５と負極活物質層６の間に所定の空間８を確保する。シール部材１１は、正極活物質層５と負極活物質層６の水平方向の外周のさらに外側に配置される。

空間８には液体状またはゲル状の電解質９が充填される。また、正極活物質層５及び負極活物質層６と略平行に空間８を横断して電解質９を通過させることのできる多孔質膜で形成されたセパレータ１２が設けられる。セパレータ１２は対向する２つの電極活物質層５と６の電気的接触を阻止する役割を備える。電解質層７は空間８に充填された電解質９とセパレータ１２によって構成される。

最上段の負極活物質層６に強電タブ１６が、最下段の正極活物質層５に強電タブ１７がそれぞれ接続される。充電状態の双極型電池２において、強電タブ１６はプラス端子として機能し、強電タブ１７はマイナス端子として機能する。

電解質層７と、電解質層７の両側の正極活物質層５及び負極活物質層６とで、一個の単位セル１５ａ−１５ｄが構成される。双極型電池２はこのようにして直列に接続された４個の単位セル１５ａ−１５ｄで構成される。なお、単位セルの数や双極型電池２を直列に接続する数は所望する電圧に応じて調節可能である。

４個の双極型電池２を積層し、金属製の箱に収納することで、１個の双極型電池モジュールが構成される。さらに複数のモジュールによって双極型電池アッセンブリが構成される。

再びＦＩＧ．２Ａを参照すると、集電体４ａ−４ｅは短辺と長辺とを有する長方形をなす。集電体４ａ−４ｅは導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーを添加した樹脂で構成される。集電体４ａ−４ｅは、樹脂に限らず金属で構成することも可能である。

集電体４ａ−４ｅの材料としては、電流の流れる方向の抵抗率が０．０１オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）以上と相対的に大きく、単位セル１５ａ−１５ｅの放電時に正極活物質層５や負極活物質層６と接する部位に一定でない電圧分布が生ずるものが好ましい。電流の流れる方向の抵抗が相対的に大きい金属として、ニクロムの入った合金やステンレス鋼を挙げることができる。

双極型電池２には電圧バランス制御を行うための電気回路が接続される。ここで、電圧バランス制御は、集電体４ａ−４ｅからの個別の放電によって４つの単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を均一化するための制御を言う。

集電体４ａの周縁部には放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａが装着される。集電体４ｂの周縁部には放電用端子２１ｂと電圧検出用端子２７ｂが装着される。集電体４ｃの周縁部には放電用端子２１ｃと電圧検出用端子２７ｃが装着される。集電体４ｄの周縁部には放電用端子２１ｄと電圧検出用端子２７ｄが装着される。集電体４ｅの周縁部には放電用端子２１ｅと電圧検出用端子２７ｅが装着される。

ＦＩＧ．１は双極型電池２の概略縦断面図を示しており、図の上方が鉛直上方、下方が鉛直下方にそれぞれ該当する。

双極型電池２は、樹脂と金属からなる複合ラミネートフィルムの外装材に被覆される。外装材の周縁部は熱融着にて接合され、双極型電池２は真空状態で密封される。強電タブ１６と１７、放電用端子２１ａ−２１ｅ、及び電圧検出用端子２７ａ−２７ｅは外装材の外側に突出する。

直列に接続する４つの単位セル１５ａ−１５ｄで負担する電圧が同じでないと、双極型電池２全体として所望の電池電圧が得られない。この双極型電池２では、４つの単位セル１５ａ−１５ｄの各電圧が一致するように各集電体４ａ−４ｅから放電されるバランス電流を制御する。ここで、バランス電流とは、４個の単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を均一化するために放電させる電流を意味する。バランス電流の制御は、「電圧バランス制御」とも言われる。電圧バランス制御は、４個の単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を放電によって均一化する制御を意味する。ここではバランス電流及び電圧バランス制御という用語を以上の定義のもとで使用する。

さて、電圧検出用端子を、バランス電流を流す放電用端子と兼用すると、バランス電流の流れる方向の抵抗が相対的に大きい樹脂や金属を集電体として用いた場合に、放電時に最も多くのバランス電流が流れる部位で電圧を検出することになる。電圧を安定して検出するにはバランス電流が相対的に流れない部位で検出を行う方が良い。多くのバランス電流が流れる部位で電圧を検出すると電圧が大きく変動しやすい。検出する電圧が変動すると、単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を一致させるためのバランス電流制御が難しくなる。

この実施形態による双極型電池２においては、各集電体４ａ−４ｅの面上において単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を検出するための電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと単位セル１５ａ−１５ｄから放電を行わせるための放電用端子２１ａ−２１ｅとを集電体４ａ−４ｅの互いに離れた周縁部に設ける。

再びＦＩＧ．２Ａを参照して、集電体４ａを例にとって具体的に説明する。集電体４ａの一方の面には周縁部に所定幅の熱融着部を残して、正極活物質層５が形成される。図はＦＩＧ．１の下方から集電体４ａを眺めた平面図に相当する。なお、放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａは負極活物質層６の形成される面に接続される。これらの端子の電圧は負の値で表される。

まず、集電体４ａの平面上に電圧検出用端子２７ａと集電体４ａの図心Ｏａとを結ぶ第１の直線Ｄａ１を引く。そして、放電用端子２１ａを第１の直線Ｄａ１と図心Ｏａにおいて直交する第２の直線Ｄａ２を挟んで電圧検出用端子２７ａと反対側に配置する。このように、電圧検出用端子２７ａと放電用端子２１ａを第２の直線Ｄａ２を両側に分けて配置することがこの発明による双極型電池２の要件である。

好ましくは、長方形の集電体４ａの２本の対角線で集電体４の平面形状を４個の領域に分割した場合に、隣接しない２つの領域の一方に電圧検出用端子２７ａを、もう一方に放電用端子２１ａを配置する。さらに好ましくは、これらの領域は対角線の交角が鋭角をなす領域とする。具体的には長方形の集電体４ａの短辺の一方に電圧検出用端子２７ａ、もう一辺に放電用端子２１ａを配置する。さらに好ましくは、電圧検出用端子２７ａと放電用端子２１ａを１５０度以上２１０度未満の角度間隔で配置する。

集電体４ｂ−４ｅにも、電圧検出用端子２７ｂ−２７ｅと放電用端子２１ｂ−２１ｅを同様に配置する。

再びＦＩＧ．１を参照すると、電圧バランス回路２０は、５個の放電用端子２１ａ−２１ｅに接続される、５個の放電用配線２２ａ−２２ｅと、５個の固定抵抗２４ａ−２４ｅと、４個のスイッチ２５ａ−２５ｄを備える。

４つの単位セル１５ａ−１５ｄからそれぞれ放電を行うために、５個の集電体４ａ−４ｅの周縁部の前述の条件を満たす所定箇所に放電用端子２１ａ−２１ｅが接着などの方法で接続される。放電用端子２１ａ−２１ｅは前述のように樹脂と金属の複合ラミネートフィルムの外側に取り出される。５つの放電用端子２１ａ−２１ｅに電圧バランス回路２０の５つの放電用配線２２ａ−２２ｅの一端がそれぞれ接続される。

すなわち、放電用端子２１ａには放電用配線２２ａの一端が接続される。放電用端子２１ｂには放電用配線２２ｂの一端が接続される。放電用端子２１ｃには放電用配線２２ｃの一端が接続される。放電用端子２１ｄには放電用配線２２ｄの一端が接続される。放電用端子２１ｅには放電用配線２２ｅの一端が接続される。

放電用配線２２ａのもう一端と、放電用配線２２ｂのもう一端はスイッチ２５ａに接続される。放電用配線２２ｂのもう一端と放電用配線２２ｃのもう一端はスイッチ２５ｂに接続される。放電用配線２２ｃのもう一端と放電用配線２２ｄのもう一端はスイッチ２５ｃに接続される。放電用配線２２ｄのもう一端と放電用配線２２ｅのもう一端はスイッチ２５ｄに接続される。

４個のスイッチ２５ａ−２５ｄは常開のスイッチである。スイッチ２５ａ−２５ｄのＯＮ／ＯＦＦ操作は制御回路２９により制御される。

５個の集電体４ａ−４ｅに設けた電圧検出用端子２７ａ−２７ｅは電圧検出用配線２８ａ−２８ｅを介して制御回路２９に接続される。

電圧バランス回路２０に用いる部品は４個の単位セル１５ａ−１５ｄで同じ仕様とする。すなわち、放電用端子２１ａ−２１ｅは同一仕様で作成される。スイッチ２５ａ−２５ｄも同一仕様とする。放電用配線２２ａ−２２ｅは全て同じ材質で構成され、同じ長さとする。５個の固定抵抗２４ａ−２４ｅの抵抗値は全て同じである。電圧検出用端子２７ａ−２７ｅも同一仕様とする。電圧検出用配線２８ａ−２８ｅも同一仕様とする。

再びＦＩＧ．２Ａを参照すると、集電体４ａの一方の面には周縁部に所定幅の熱融着部を残して、正極活物質層５が形成される。図は下方から集電体４ａを眺めた平面図に相当する。なお、放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａは負極活物質層６の形成される面に接続される。これらの端子の電圧は負の値で表される。しかしながら、負の値は扱いにくいので、ここでは放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａが正極活物質層５の形成される面に接続される場合を例に取って各部の電圧の変化を説明する。

下方から集電体４ａを眺めた状態で、放電用端子２１ａは図の右下の隅部近くに、電圧検出用端子２７ａは図の左上の隅部近くに配置される。単位セル１５ａからの放電時には、正極活物質層５の全域から放電電流が放電用端子２１ａに向かって流れる。したがって、放電用端子２１ａに近い領域ほど多くの放電電流が流れる。放電電流が多く流れるということは、電圧が大きく降下することを意味する。そのため、大量の放電電流が流れる部位では、電圧を精度良く検出できない。逆に、放電電流の流れが少ないほど、電圧降下が小さいことを意味する。放電電流の流れが少ない部位では電圧を精度よく検出できる。したがって、電圧検出用端子２７ａは、放電電流が最も流れない位置、つまり放電用端子２１ａから最も遠い部位である図の左上の隅部近くに相当する集電体４ａの周縁部に接続される。

ＦＩＧ．２Ｂは、放電用端子２１ａからの単位セル１５ａの放電時における、ＦＩＧ．２Ａに示す電圧検出用端子２７ａと放電用端子２１ａとを結ぶ一点鎖線に沿った集電体４ａ内の電圧の変化を示す。正極活物質層５の図中左側の縁に位置する点Ａの電圧をハイ側電圧Ｖｈｉ、正極活物質層５の図中右側の縁に位置する点Ｂの電圧をロー側電圧Ｖｌｏとする。点Ａから点Ｂに向けて、集電体４ａ内の電圧はハイ側電圧Ｖｈｉよりロー側電圧Ｖｌｏへと低下する。この図では、点Ａから点Ｂまでの電圧の変化を直線で近似している。

点Ｂの図中右側には正極活物質層５がないので、放電電流は集電体４ａのみを流れる。集電体４ａは良導体の金属より内部抵抗が大きいため、この内部抵抗に応じた電圧降下が生じる。さらに、集電体４ａと放電用端子２１ａとの間には接触抵抗があるので、この接触抵抗に応じた電圧降下が生じる。つまり、点Ｂの付近では電圧が大きく降下する。この結果、第１放電用端子２１ａの電圧Ｖｆは、点Ｂのロー側電圧Ｖｌｏよりこれら２種類の電圧降下分を差し引いた電圧まで低下する。

一方、点Ａから電圧検出用端子２７ａの右端までの間には正極活物質層５が存在せず、かつ放電電流もほとんど流れないので、電圧降下が生じない。従って、電圧検出用端子２７ａの電圧は点Ａのハイ側電圧Ｖｈｉにほぼ等しい。

以上は放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａが正極活物質層５の形成される面に接続される場合についての説明である。

以上の説明を踏まえて、ＦＩＧ．１に示すように、放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａが負極活物質層６の形成される面に接続される場合について改めて説明する。

この場合にはＦＩＧ．２Ｂにおいて、縦軸の電圧を負の値と見なせば良い。すなわち縦軸の大と記された向きに負の電圧値が大きくなる。電流は放電用端子２１ａから電圧検出用端子２７ａに向かって流れる。ここでは、放電用端子２１ａの電圧Ｖａから、放電用端子２１ａと集電体４ａとの間の接触抵抗による電圧降下と、集電体４ａの内部抵抗による電圧降下によって、点Ｂでは電圧が負の電圧Ｖｌｏまで低下する。点Ｂと点Ａの間は主に負極活物質層６を経由して電流が流れ、その間はほぼ直線的に電圧が降下する。点Ａと電圧検出用端子２７ａの間には負極活物質層６が存在せず、電流もほとんど流れないので電圧降下が生じない。したがって、電圧検出用端子２７ａの電圧は点Ａの電圧Ｖｈｉにほぼ等しい。ただし、電圧Ｖｈｉは負の電圧である。

集電体４ａの電圧としては、ハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏとの平均値Ｖａｖ（＝（Ｖｈｉ＋Ｖｌｏ）／２）を採用することができる。ただし、この実施形態による電圧バランス回路２０は、集電体４ａ−４ｅのいずれについてもロー側電圧Ｖｌｏを検出していない。集電体４ａ−４ｅの各々において平均値Ｖａｖより見かけ上大きなハイ側電圧Ｖｈｉを、ＦＩＧ．１に示す電圧Ｖ１−Ｖ５として検出しているだけである。

放電時の集電体４ａ−４ｅの電圧に関して高い検出精度を要求されない場合には、電圧Ｖ１−Ｖ５を集電体４ａ−４ｅの電圧代表値と見なして放電制御を行っても構わない。高い検出精度が要求される場合には、集電体４ａのハイ側電圧Ｖｈｉ（Ｖ１）と放電先の集電体４ｂのハイ側電圧Ｖｈｉ（Ｖ２）と、集電体４ａの電圧平均値Ｖａｖとの関係を予めマップに格納しておき、電圧Ｖ１とＶ２から、マップを参照して平均値Ｖａｖを求めることが望ましい。マップはマッチングにより作成する。集電体４ｂ−４ｅの電圧についても同様である。

再びＦＩＧ．１を参照すると、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅの検出電圧Ｖ１−Ｖ５は電圧検出用配線２８ａ−２８ｅを介して制御回路２９に入力される。制御回路２９は中央演算装置 （ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ （ＲＯＭ） 、ランダムアクセスメモリ （ＲＡＭ） 及び入出力インタフェース （Ｉ／Ｏ インタフェース） を備えたマイクロコンピュータで構成される。制御回路２９を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

制御回路２９は検出した５つの電圧Ｖ１−Ｖ５に基づき４個の単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４を算出する。

制御回路２９は４個の単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４が全て同じ値となるように、４個のスイッチ２５ａ−２５ｄを開閉制御する。その結果、電圧の高い単位セル１５ａ−１５ｄから対応する固定抵抗２４ａ−２４ｅにバランス電流が放電される。具体的には、４個の単位セル１５ａ−１５ｄのうち最低の電圧を有する単位セルの電圧を目標電圧とし、残りの単位セルを放電させて電圧を目標電圧へと低下させることで、全ての単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を目標電圧に一致させる。

仮に、単位セル１５ｃの電圧ΔＶ３が他の３つの単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４より低かったとする。この場合には、第３単位セル１５ｃの電圧ΔＶ３を目標電圧ΔＶｍに設定する。他の３つの単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が目標電圧ΔＶｍと一致するまで他の３つの単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄから放電させる。

ＦＩＧ．３を参照すると、制御回路２９は、第１段階として第２スイッチ２５ｂと第４スイッチ２５ｄを所定期間ＯＮにする。これにより固定抵抗２４ｂ−２４ｅに図の矢印の向きのバランス電流が流れる。その結果、単位セル１５ｂの電圧Ｖ２と単位セル１５ｄの電圧Ｖ４が低下する。所定期間の経過後、制御回路２９は第２スイッチ２５ｂと第４スイッチ２５ｄをＯＦＦに戻す。

ＦＩＧ．４を参照すると、制御回路２９は第２段階として第１スイッチ２５ａを所定期間ＯＮにする。これにより固定抵抗２４ａと２４ｂに図示の向きのバランス電流が流れる。その結果、単位セル１５ａの電圧Ｖ１が低下する。所定期間の経過後、制御回路２９は、第１スイッチ２５ａをＯＦＦに戻す。

このように２段階の処理を実行することで、他の３つの単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４をそれぞれ低下させ、最終的に目標電圧ΔＶｍと等しくする。

以上は、放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａが集電体４ａ−４ｅの正極活物質層５の形成面に接続されている場合の説明である。放電用端子２１ａと電圧検出用端子２７ａが集電体４ａ−４ｅの負極活物質層６の形成面に接続されている場合も、制御回路２９によるスイッチ２５ａ−２５ｄの制御は同じであるが、ＦＩＧＳ．３と４の矢印に示す電流の流れが逆になる。

ＦＩＧ．５を参照して、この発明によらない比較例＃１を説明する。

比較例＃１による双極型電池２は５個の放電用端子２１ａ−２１ｅが電圧検出用端子を兼ねている。具体的には、放電用端子２１ａ−２１ｅに接続された５本の放電用配線２２ａ−２２ｅから電圧検出用配線４１ａ−４１ｅを分岐し、電圧検出用配線４１ａ−４１ｅを制御回路２９に接続している。双極型電池２の他の構成はこの発明の第１の実施形態による双極型電池２と同一である。

放電用端子２１ａ−２１ｅは集電体４ａ−４ｅの負極活物質層６の形成面に接続される。しかしながら、説明の都合上、比較例＃１についても、放電用端子２１ａ−２１ｅを集電体４ａ−４ｅの正極活物質層５の形成面に接続した場合について説明する。

ＦＩＧＳ．６Ａと６Ｂを参照すると、比較例＃１に関しても、放電用端子２１ａ（２１ｂ−２１ｅ）からの単位セル１５ａ（１５ｂ−１５ｄ）の放電による集電体４ａ（４ｂ−４ｅ）内部の電圧降下はこの発明の第１の実施形態による双極型電池２と同一である。

しかしながら、前述のように、放電用端子２１ａ−２１ｅから放電を行うことで、放電用端子２１ａ−２１ｅは集電体４ａ−４ｅのうちでバランス電流が最大となる。ここで検出される電圧Ｖｆは、したがって、大きく変動する。放電用端子２１ａ−２１ｅが電圧検出用端子を兼ねると、電圧Ｖｆの検出精度を十分に確保することが難しくなり、結果として単位セル１５ａ−１５ｄの電圧を同じ値に一致させる電圧バランス制御の精度確保にも支障が生じる。

ＦＩＧ．７を参照して、この発明によらない比較例＃２を説明する。

比較例＃２は電圧バランス回路２０の構成が比較例＃１と異なる。双極型電池２の構成は比較例＃１の双極型電池２と同一である。

比較例＃２では、放電用配線２２ａ−２２ｅからの電圧検出用配線４１ａ−４１ｅの分岐点にスイッチ４３ａ−４３ｅを配置している。スイッチ４３ａ−４３ｅはそれぞれ制御回路２９と信号回路で接続される。スイッチ４３ａ−４３ｅは制御回路２９からの信号に応じて放電用配線２２ａ−２２ｅを固定抵抗２４ａ−２４ｅに接続する放電ポジションと、放電用配線２２ａ−２２ｅを電圧検出用配線４１ａ−４１ｅに接続する電圧検出ポジションとを備える。

この実施形態による双極型電池２も、第１の実施形態と同様に５個の双極型電極３を電解質層７を介して積層することで構成される。

ＦＩＧＳ．９Ａと９Ｂを参照すると、比較例＃２においては、制御回路２９がスイッチ４３ａ−４３ｅのすべてまたは一部の操作により、集電体４ａ−４ｅの放電と電圧検出とを時間分割により交互に実行する。スイッチ４３ａ−４３ｅの初期状態は電圧検出ポジションとする。

制御回路２９は時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５にスイッチ４３ａ−４３ｅのいずれかを電圧検出ポジションから放電ポジションに切り換える。時刻ｔ２とｔ４にはすべてのスイッチ４３ａ−４３ｅが電圧検出ポジションとなるように、放電ポジションにあったスイッチを電圧検出ポジションに切り換える。

その結果、時刻ｔ１−ｔ２，時刻ｔ３−ｔ４，及び時刻ｔ５−ｔ６には、スイッチ４３ａ−４３ｅの少なくとも一部が放電ポジションに保持される。これらの期間を放電期間と称する。時刻ｔ０−ｔ１，時刻ｔ２−ｔ３、及び時刻ｔ４−ｔ５には、スイッチ４３ａ−４３ｅのすべてが電圧検出ポジションに保持される。これらの期間を電圧検出期間と称する。電圧検出期間は単位セル１５ａ−１５ｄの放電後に電圧Ｖ１−Ｖ５が安定するまでの期間に相当する。制御回路２９は特定の集電体４ａ（４ｂ−４ｅ）からの放電を放電期間に行い、電圧検出期間にすべての集電体４ａ−４ｅの電圧Ｖ１−Ｖ５を検出し、単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４を算出する。

仮に単位セル１５ｃの電圧ΔＶ３だけが他の３個の単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４より低い場合を考える。この場合に、制御回路２９は電圧ΔＶ３を目標電圧ΔＶｍとして、他の３個の単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄに電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が目標電圧ΔＶｍと一致するまで放電を行わせる。

制御回路２９が実行する電圧検出と放電パターンを説明する。

まず、制御回路２９は時刻ｔ０−ｔ１の電圧検出期間に集電体４ａ−４ｅの電圧Ｖ１−Ｖ５を検出し、４個の単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４を算出する。その結果、仮に単位セル１５ｃの電圧ΔＶ３が他の単位セル１５ａ，１５ｂ，１５ｃの電圧ΔＶ１．ΔＶ２，ΔＶ４より低いとする。

制御回路２９は、第１の実施形態についてＦＩＧＳ．３と４で説明したのと同様に、ある放電期間においては、スイッチ２５ｂと２５ｄを放電ポジションに、他のスイッチ２５ａと２５ｄを電圧検出ボジションに保持することで、第１段階の放電を行ない、単位セル１５ｂの電圧Ｖ２と単位セル１５ｄの電圧Ｖ４を低下させる。次の放電期間においては、スイッチ２５ａを放電ポジションに保持し、他のスイッチ２５ｂ−２５ｄを電圧検出ポジションに保持することで、第２段階の放電を行ない、単位セル１５ａの電圧Ｖ１を低下させる。

これらの処理の後、制御回路２９は再び電圧検出期間に電圧Ｖ１−Ｖ５の検出と、単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４の算出とを行って、単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が目標電圧ΔＶｍに一致したかどうかを判定する。

単位セル１５ａ−１５ｄからの放電は通常は過放電を避けつつ行われるので、第１段階と第２段階からなる放電処理を一度のみ行っても、電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４が依然として目標電圧ΔＶｍを上回っている可能性がある。制御回路２９は、電圧Ｖ１−Ｖ５に基づく電圧ΔＶ１−ΔＶ４の算出と、第１段階と第２段階からなる放電処理とを繰り返し行うことで最終的にすべての電圧ΔＶ１−ΔＶ４を目標電圧ΔＶｍに一致させる。

比較例＃２においては、スイッチ４３ａ−４３ｄの切り換えにより、集電体４ａ−４ｅの電圧の検出は比較例＃１より安定して行なうことができる。２段階の放電を停止した時点から正極活物質層５の全体が平衡状態の電圧に落ち着くまで、すなわちＦＩＧ．９Ａの時刻ｔ２−ｔ３と時刻ｔ４−ｔ５に相当する電圧検出期間に１０−３０分といった長い時間を必要としてしまう。また、前述のように一度の放電で４個の単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４を均一化することはできず、何度も放電を繰り返す必要がある。

ＦＩＧＳ．８Ａと８Ｂを参照して、比較例＃２の単位セル１５ａが放電を停止した後に集電体４ａに生じる電圧の変化を説明する。

ここでも、説明の都合上、放電用端子２１ａ−２１ｅは集電体４ａ−４ｅの負極活物質層６の形成面ではなく、正極活物質層５の形成面に接続されていると仮定する。

ＦＩＧ．８Ｂの実線は、放電用端子２１ａからの単位セル１５ａの放電時にＦＩＧ．８Ａの一点鎖線に沿った集電体４ａの各部の電圧の変化を示す。放電時の電圧降下は、正極活物質層５内のリチウムイオンの移動による電圧降下分と、放電電流が流れることによる電圧降下分ΔＶとからなる。単位セル１５ａが放電を停止すると、放電電流の流れによる電圧降下分ΔＶは一瞬で消滅する。したがって、ＦＩＧ．８Ｂにおいて、集電体４ａの各部の電圧特性は放電停止とともに、図の実線から破線へと変化する。放電電流が多く流れるほど電圧降下が大きいので、単位セル１５ａが放電を停止すると、放電用端子２１ａに近い部位ほど電圧は上方へ大きく変化する。

この後、正極活物質層５の全体が例えば１０−３０分といった時間をかけて平衡状態に向かう。平衡状態に到達した状態では、正極活物質層５の全域が一定の電圧に落ちつく。ＦＩＧ．８Ｂの二点鎖線はこの平衡状態を示す。平衡状態での電圧Ｖｅｑは、放電時における点Ａのハイ側電圧Ｖｈｉと点Ｂのロー側電圧Ｖｌｏとの平均値Ｖａｖ（＝（Ｖｈｉ＋Ｖｌｏ）／２）に放電電流の流れによる電圧降下分ΔＶを加えた値となる。

このように、比較例＃２では、単位セル１５ａ、１５ｂ、１５ｄの電圧ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ４を目標電圧ΔＶｍ、すなわち単位セル１５ｃの電圧ΔＶ３、に一致させるのに長時間を要する。

一方、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては、放電用端子２１ａ−２１ｅと電圧検出用端子２７ａ−２７ｅとを同一の集電体４ａ−４ｅ上に互いに独立して接続している。また、集電体４ａ−４ｅの図心を通り電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと集電体４ａ−４ｅの図心Ｏａ−Ｏｅとを結ぶ第１の直線Ｄａ１に直交する第２の直線Ｄａ２を挟んで電圧検出用端子２７ａ−２７ｅの反対側に、放電用端子２１ａ−２１ｅを配置している。

その結果、集電体４ａ−４ｅの面内の電圧分布の影響や集電体４ａ−４ｅと放電用端子２１ａ−２１ｅとの間の接触抵抗による電圧降下の影響を被らない集電体４ａ−４ｅの部位で集電体４ａ−４ｅの電圧Ｖ１−Ｖ５を検出することができる。したがって、単位セル１５ａ−１５ｄの電圧ΔＶ１−ΔＶ４を精度良く算出できる。電圧ΔＶ１−ΔＶ４に基づき行われる単位セル１５ａ−１５ｄの電圧バランス制御も精度良く行うことができる。つまり、集電体４ａ−４ｅの電圧計測に関する要求と、集電体４ａ−４ｅからの放電に関する要求とをともに満足させることができる。その結果、双極型電池２の利用可能な電圧範囲を拡大することができる。

さらに、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては、図心Ｏａ−Ｏｅで交わる２本の直線で集電体の平面形状を４個の領域に分割した場合に、隣接しない２つの領域の一方に電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが、もう一方に放電用端子２１ａ−２１ｅが配置されている。これにより電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが集電体４ａ−４ｅの放電に伴う電圧変化の影響を受けにくくすることができる。

さらに、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては、隣接しない２つの領域を２本の直線の交角が鋭角をなす領域としている。これにより電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが集電体４ａ−４ｅの放電に伴う電圧変化の影響を受けにくくすることができる。

さらに、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては、集電体４ａ−４ｅの平面形状は長方形とし、図心Ｏａ−Ｏｅで交わる２本の直線を長方形の対角線としている。これにより、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと放電用端子２１ａ−２１ｅの距離を大きく取ることが可能となり、集電体４ａ−４ｅの放電に伴う電圧変化の影響をより受けにくくすることができる。

さらに、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと放電用端子２１ａ−２１ｅとを１５０−２１０度の角度間隔で配置している。これにより、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと放電用端子２１ａ−２１ｅの距離を大きく取ることが可能となり、集電体４ａ−４ｅの放電に伴う電圧変化の影響をより受けにくくすることができる。

したがって、この発明の第１の実施形態による双極型電池２においては正確な電圧バランス制御を行うことができ、結果として双極型電池２の寿命を延ばすことができる。

ＦＩＧ．１０を参照して、この発明の第２の実施形態による双極型電池２を説明する。

第１の実施形態による双極型電池２は、１個の集電体４ａ−４ｅに１個の放電用端子２１ａ−２１ｅと１個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅを接続していたが、この実施例による双極型電池２は、１個の集電体４ａ−４ｅに１個の放電用端子２１ａ−２１ｅと２個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅとを接続する。

集電体４ａ−４ｅに接続される放電用端子２１ａ−２１ｅと、２個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅのうちの第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅは第１の実施形態と同じ位置に配置される。

２個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅのうちの第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅは点Ｂの近傍において集電体４ａ−４ｅに接続される。なお、放電用端子２１ａ−２１ｅと２個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅはともに、集電体４ａ−４ｅの負極活物質層６の形成面に接続される。

第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅは独立した配線５２ａ−５２ｅを介して制御回路２９に接続される。

双極型電池２と電圧バランス回路２０のその他の構成は、第１の実施形態と同一である。なお、ＦＩＧ．１０には、５個の集電体４ａ−４ｅの平面形状が示されているが、この実施形態による双極型電池２も、第１の実施形態と同様にセパレータ１２を介して積層された５個の、集電体４ａ−４ｅを含む双極型電極３で構成される。

ＦＩＧ．１１Ａを参照すると、この実施形態による双極型電池２においては、第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが検出する電圧をハイ側電圧Ｖｈｉとし、第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅが検出する電圧をロー側電圧Ｖｌｏとする。これらの平均値Ｖａｖ（＝（Ｖｈｉ＋Ｖｌｏ）／２）を各集電体４ａ−４ｅの電圧として採用する。

比較例＃２に関して説明したように、ハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏの平均値Ｖａｖと、放電停止後の平衡状態における平衡電圧Ｖｅｑとの間には放電電流が流れることによる電圧降下分ΔＶに相当する差異が存在する。そこで、電圧降下分ΔＶを予め求めておき、ハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏの平均値Ｖａｖに電圧降下分ΔＶを加算した値を、各集電体４ａ−４ｅの検出電圧として採用することも好ましい。

なお、以下の説明も、説明を分かりやすくするために、放電用端子２１ａ−２１ｅと２個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅがともに、集電体４ａ−４ｅの正極活物質層５の形成面に接続されているとの想定に基づき行なう。

ＦＩＧ．１１Ｂの実線は、放電用端子２１ａからの単位セル１５ａの放電時の、ＦＩＧ．１１Ａの一点鎖線に沿った集電体４ａの各部の電圧の変化を示す。この図において、ハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏを結ぶ直線は単位セル１５ａの放電時に集電体４ａと正極活物質層５を流れる電流値を表す。単位セル１５ａの放電時に集電体４ａ内を流れる電流は環境条件の影響を受ける。例えば、気温が高いほど単位セル１５ａの放電時に集電体４ａ内を流れる電流値が大きくなるとすると、気温が高いほどハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏを結ぶ直線の傾きが大きくなる。

放電用端子２１ａ−２１ｅに向けて低下する電圧分布が集電体４ａ−４ｅのすべてに存在する場合に、環境条件によって直線の傾きが変化することがある。この実施形態においては、ハイ側電圧Ｖｈｉを第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅで検出し、ロー側電圧Ｖｌｏを電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅで検出する。したがって、ハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏを結ぶ直線の傾きが変化しても、２箇所で電圧を検出し、２か所の電圧ＶｈｉとＶｌｏを結ぶ直線から集電体４ａ−４ｅの面内の電圧分布を推定するので、単位セル１５ａ−１５ｄの放電時に放電用端子２１ａ−２１ｄに向けて低くなる電圧分布を精度よく推定することができる。

この実施形態には、さらに次のようなメリットがある。すなわち、ＦＩＧ．１１Ｂにおいて、放電時の電流値、つまり図の直線の傾きが同じ場合でも、ハイ側電圧Ｖｈｉが低いと、図の破線に示したようにロー側電圧Ｖｌｏが放電用端子２１ａの近傍でゼロを下回ることがある。その結果、放電用端子２１ａの近傍で局所的な過放電が生じる。放電電流値が大き過ぎることで、すなわち図の直線の傾きが大きすぎることで、ロー側電圧Ｖｌｏが放電用端子２１ａの近傍でゼロを下回ることもある。この場合も、放電用端子２１ａの近傍で局所的に過放電が生じる。

電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅが点Ｂの近傍で集電体４ａに接続されていなければ、放電用端子２１ａの近傍で局所的に生じる過放電は見過ごされてしまう。しかしながら、電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅがロー側電圧Ｖｌｏを検出することで、ロー側電圧Ｖｌｏがゼロに近づいているかどうかを判定することができる。その結果、バランス電流を小さくして、ロー側電圧Ｖｌｏがゼロを下回らないようにすることができる。

なお、単位セル１５ａ−１５ｄのバランス電流を小さくするには、例えばＦＩＧ．１０に示す固定抵抗２４ａ−２４ｅに代えて可変抵抗を設け、制御回路２９からの信号により可変抵抗の値を増大できるように構成すればよい。

このように、この発明の第２実施形態によっても、電圧Ｖ１−Ｖ５の検出精度に関して、第１の実施形態と同様の好ましい効果を得ることができる。さらに、放電用端子２１ａ−２１ｅの近傍に第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅを設けたことで、放電時の集電体４ａ−４ｅの電圧検出精度が向上するとともに、放電用端子２１ａ−２１ｅの近傍で局所的な過放電に陥るのを防止でき、双極型電池２の電池寿命の向上に関してより好ましい効果が得られる。

ＦＩＧ．１２を参照してこの発明の第３の実施形態を説明する。

この図にもＦＩＧ．１０と同様に、５個の集電体４ａ−４ｅの平面形状が示されているが、この実施形態による双極型電池２も、第１の実施形態と同様にセパレータ１２を介して積層された、５個の集電体４ａ−４ｅを含む双極型電極３で構成される。

第１の実施形態による双極型電池２は、１個の集電体４ａ−４ｅに１個の放電用端子２１ａ−２１ｅと１個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅを接続していたが、この実施例による双極型電池２は、１個の集電体４ａ−４ｅに２個の放電用端子２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅと１個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅとを接続する。

集電体４ａ−４ｅに接続される、２個の放電用端子２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅのうちの第１の放電用端子２１ａ−２１ｅは、第１の実施形態と同じ位置に配置される。

２個の放電用端子２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅのうちの第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅは点Ａの近傍において集電体４ａ−４ｅに接続される。すなわち、２個の放電用端子２１ａ−２１ｅと２１ａａ−２１ｅｅはほぼ点対称をなす。

一方、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅは、長方形の平面形状の集電体４ａ−４ｅの一方の長辺の中間位置の近傍で、集電体４ａ−４ｅに接続される。

ＦＩＧ．１３Ａを参照して、集電体４ａにおける放電用端子２１ａ．２１ａａと電圧検出用端子２７ａとの位置関係を説明する。まず集電体４ａの図心Ｏａを通り電圧検出用端子２７ａと集電体４ａの図心Ｏａとを結ぶ第１の直線Ｄａ１を引く。第２の放電用端子２１ａａは第１の直線Ｄａ１と図心Ｏａにおいて直交する第２の直線Ｄａ２を挟んで電圧検出用端子２７ａと反対側に配置される。一方、第１の放電用端子２１ａは第２の直線Ｄａ２に関して、電圧検出用端子２７ａと同じ側に配置される。

他の集電体４ｂ−４ｄについても、２個の放電用端子２１ｂ−２１ｅ，２１ｂｂ−２１ｅｅと電圧検出用端子２７ｂ−２７ｅとが、集電体４ａのケースと同じ配置のもとで接続される。

以上の配置により、この実施形態においては、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅとが、この発明による双極型電池２の要件を満たす。

なお、２個の放電用端子２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅと電圧検出用端子２７ａ−２７ｅはともに、集電体４ａ−４ｅの負極活物質層６の形成面に接続される。

ここでも、説明を分かりやすくするために、以下の説明は２つの放電用端子２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅと電圧検出用端子２７ａ−２７ｅがともに、集電体４ａ−４ｅの正極活物質層５の形成面に接続されているとの想定に基づき行なう。

この実施形態においては、第１の放電用端子２１ａ−２１ｅに接続される第１の実施形態と同様の第１の電圧バランス回路２０に加えて、第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅに接続される第２の電圧バランス回路２０ａが設けられる。

第２の電子バランス回路２０ａは次のように構成される。

すなわち、第２の電子バランス回路２０ａは５個の第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅに接続される、第２の放電用配線２２ａａ−２２ｅｅと、第２の固定抵抗２４ａａ−２４ｅｅと、第２のスイッチ２５ａａ−２５ｄｄとを備える。

第２の放電用配線２２ａａ−２２ｅｅの一端は５個の第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅにそれぞれ接続される。

すなわち、第２の放電用端子２１ａａには第２の放電用配線２２ａａの一端が接続される。第２の放電用端子２１ｂｂには第２の放電用配線２２ｂｂの一端が接続される。第２の放電用端子２１ｃｃには第２の放電用配線２２ｃｃの一端が接続される。第２の放電用端子２１ｄｄには第２の放電用配線２２ｄｄの一端が接続される。第２の放電用端子２１ｅｅには第２の放電用配線２２ｅｅの一端が接続される。

第２の放電用配線２２ａａのもう一端と、第２の放電用配線２２ｂｂのもう一端はスイッチ２５ａａに接続される。第２の放電用配線２２ｂｂのもう一端と第２の放電用配線２２ｃｃのもう一端は第２のスイッチ２５ｂｂに接続される。第２の放電用配線２２ｃｃのもう一端と第２の放電用配線２２ｄｄのもう一端は第２のスイッチ２５ｃｃに接続される。第２の放電用配線２２ｄｄのもう一端と第２の放電用配線２２ｅｅのもう一端は第２のスイッチ２５ｄｄに接続される。

４個の第２のスイッチ２５ａａ−２５ｄｄは常開のスイッチである。第２のスイッチ２５ａａ−２５ｄｄのＯＮ／ＯＦＦ操作は、第１のスイッチ２５ａ−２５ｄのＯＮ／ＯＦＦ操作とともに制御回路２９により制御される。

制御回路２９は、第１のスイッチ２５ａと第２のスイッチ２５ａａを同時に切り換える。具体的には、第１スイッチ２５ａをＯＦＦからＯＮに切り換えるのと同時に、第２のスイッチ２５ａａをＯＦＦからＯＮに切り換える。また、第１のスイッチ２５ｂと第２のスイッチ２５ｂｂについても同様に操作する。第１のスイッチ２５ｃと第２のスイッチ２５ｃｃについても同様に操作する。第１のスイッチ２５ｄと第２のスイッチ２５ｄｄについても同様に操作する。

なお、２つの電圧バランス回路２０と２０ａに用いる部品は、４個の単位セル１５ａ−１５ｄに関して同一仕様とする。具体的には、１０個の放電用端子２１ａ−２１ｅと２１ａａ−２１ｅｅは同一仕様とする。８個のスイッチ２５ａ−２５ｄと２５ａａ−２５ｄｄも全て同一仕様とする。１０本の放電用配線２２ａ−２２ｅと２２ａａ−２２ｅｅも同一仕様とする。１０個の固定抵抗２４ａ−２４ｅと２４ａａ−２４ｅｅの抵抗値も全て同じとする。５個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと５個の電圧検出用配線２８ａ−２８ｅも同一仕様とする。

この実施形態では、２つの電圧バランス回路２０と２１を設けたので、電圧バランス制御時には第１実施形態の双極型電池２と比べて約２倍のバランス電流の放電が可能となる。言い換えれば電圧バランス制御の所要時間を約半分に短縮できる。

電圧検出用端子２７ａ−２７ｅを、長方形の平面形状の集電体４ａ−４ｅの一方の長辺の中間位置の近傍で、集電体４ａ−４ｅに接続するのは、この位置が第１の放電用端子２１ａ−２１ｅ及び第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅのいずれからも最も遠くに位置しており、放電電流が最も流れない位置、つまり電圧が安定する位置に相当するからである。

ＦＩＧ．１３Ｂを参照すると、この図の実線は単位セル１５ａの放電時のＦＩＧ．１３Ａの一点鎖線に沿った集電体４ａの各部の電圧の特性を示す。この双極型電池２においては、矩形の集電体４ａ−４ｅの２つの短辺の各々に接続された第１の放電用端子２１ａ−２１ｅと第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅから放電を行うので、集電体４ａ−４ｅの内部の電圧分布は、ＦＩＧ．１３Ａの一点鎖線の中間点に相当する点Ｃで最も高いＶｐｅを示し、点Ｃから緑雨側の点Ａと点Ｂに向けて電圧が降下する山型の電圧分布を示す。したがって、この双極型電池２においては、点Ａと点Ｂの間の電圧分布の上下の幅が、第１の実施形態による双極型電池２の場合の略１／２となる。

第１の放電用端子２１ａ−２１ｅから放電されるバランス電流と、第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅから放電されるバランス電流は等しいので、電圧の分布特性は図に示すように左右対称となる。直線の傾きの絶対値は集電体４ａ−４ｅの１箇所のみから放電の行う第１の実施形態による双極型電池２と同じである。結果として、ピーク電圧Ｖｐｅとロー側電圧Ｖｌｏとの電圧差は、ＦＩＧ．２Ｂに示す第１の実施形態におけるハイ側電圧Ｖｈｉとロー側電圧Ｖｌｏの電圧差のちょうど半分となる。言い換えると、ピーク電圧Ｖｐｅは第１実施形態の平均値Ｖａｖに等しい。

この実施形態では、集電体４ａ−４ｅの電圧は、ピーク電圧Ｖｐｅとロー側電圧Ｖｌｏとの平均値Ｖａｖ２（＝（Ｖｐｅ＋Ｖｌｏ）／２）に相当する。ただし、この実施形態もロー側電圧Ｖｌｏを検出する電圧検出用端子を備えていない。電圧検出用端子２７ａ−２７ｅがピーク電圧Ｖｐｅを検出するのみである。

したがって、平均電圧Ｖａｖ２より見かけ上大きなピーク電圧Ｖｐｅを、放電時の集電体４ａ−４ｅの電圧代表値として用いることになる。高い検出精度を要求されない場合にはピーク電圧Ｖｐｅに基づき放電制御を行っても構わない。高い検出精度が要求される場合には、集電体４ａのピーク電圧Ｖｐｅと平均値Ｖａｖ２との差をあらかじめマッチングにより定めておき、各電圧検出用端子２７ａ−２７ｅにより検出されるピーク電圧Ｖｐｅよりこの予め定めてある差を差し引いた値を各集電体４ａ−４ｅの検出電圧として用いればよい。具体的には、集電体４ａのピーク電圧Ｖｐｅと放電先の集電体４ｂのピーク電圧Ｖｐｅと、集電体４ａの電圧平均値Ｖａｖとの関係を予めマップに格納しておき、集電体４ａと４ｂのピーク電圧Ｖｐｅから、マップを参照して平均値Ｖａｖを求めることが望ましい。マップはマッチングにより作成する。

この実施形態による双極型電池２において、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅは集電体４ａ−４ｅの中央に位置する点Ｃから離れている。そのため、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが検出する電圧と点Ｃにおける電圧との間には、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと点Ｃの距離に応じた電圧降下が介在する。この電圧降下分をあらかじめ調べておき、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが検出するピーク電圧Ｖｐｅに電圧降下分を加えれば、点Ｃのピーク電圧を精度良く求めることができる。

この双極型電池２において、放電を停止した時点以降に集電体４ａ−４ｅの内部に生じる電圧の変化は、集電体４ａを例に取ると次のように説明される。

すなわち、放電を停止すると、放電電流の流れによる電圧降下分ΔＶは一瞬で消滅する。したがって、ＦＩＧ．１３Ｂにおいて、集電体４ａの各部の電圧特性は放電停止とともに、図の実線から破線へと変化する。放電電流が多く流れるほど電圧降下が大きいので、単位セル１５ａが放電を停止すると、第１の放電用端子２１ａと第２の放電用端子２１ａａに近い部位ほど電圧は上方へ大きく変化する。

その後は、正極活物質層５全体が例えば１０−３０分といった時間をかけて平衡状態へと向かう。平衡状態に到達すると、集電体４の電圧は正極活物質層５の全域で平衡電圧Ｖｅｑに落ちつく。この平衡状態はＦＩＧ．１３Ｂの２点鎖線に示される。平衡電圧Ｖｅｑは、ピーク電圧Ｖｐｅとロー側電圧Ｖｌｏとの平均値Ｖａｖ２（＝（Ｖｐｅ＋Ｖｌｏ）／２）に放電電流の流れによる電圧降下分ΔＶを加えた値となる。また、電圧分布に傾きを生じていた状態、すなわち図の実線の状態から、図の２点鎖線に示す平衡状態に至る時間が「電圧分布が解消するまでの時間」である。この実施形態では、第１の放電用端子２１ａ−２１ｅに加えて第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅを設けたことで、放電時の集電体４ａ−４ｅ内の電圧差は第１の実施形態による双極型電池２の約半分になる。その結果、電圧分布が解消するまでの時間もこの実施形態による双極型電池２によれば、第１の実施形態による双極型電池２の約半分になる。このように集電体４ａ−４ｅ内の電圧分布の格差を小さくすることは、過放電の機会を減少させ、電池寿命の向上に寄与する。

ＦＩＧ．１４を参照してこの発明の第４の実施形態を説明する。

この実施形態による双極型電池２は、集電体４ａに３個の放電用端子２１ａ，２１ａａ，２１ａａａと、１個の電圧検出用端子２７ａとを備えている。具体的には、第３の実施形態の集電体４ａにさらに、第３の放電用端子２１ａａａを追加したものに相当する。

第３の放電用端子２１ａａａは、長方形の平面形状の集電体４ａの電圧検出用端子２７ａを接続していないもう一方の長辺の中間位置の近傍で、集電体４ａに接続される。

他の集電体４ｂ−４ｅも第３の放電用端子２１ａａａと同様に配置された第３の放電用端子２１ｂｂｂ−２１ｅｅｅを備える。

この実施形態において、この発明による双極型電池２の要件を満たすのは、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと、第２の放電用端子２１ａａ−２１ｅｅ及び第３の放電用端子２１ａａａ−２１ｅｅｅとの位置関係である。

また、第３の放電用端子２１ａａａ−２１ｅｅｅのために、第１及び第２の電圧バランス回路２０，２０ａと同様に構成された第３の電圧バランス回路を設ける。

この実施形態によれば、３つの電圧バランス回路を設けることで、電圧バランス制御時において第１実施形態の双極型電池２と比べて約３倍のバランス電流を放電することが可能となり、電圧バランス制御の所要時間を第１の実施形態による双極型電池２の約１／３に短縮できる。また、放電時の集電体４ａ−４ｅ内の電圧格差も第１の実施形態による双極型電池２と比べて大幅に小さく抑えられる。

ＦＩＧ．１５を参照して、この発明の第５の実施形態を説明する。

この実施形態では、第４の実施形態による双極型電池２の集電体４ａ−４ｅにさらに第４の放電用端子２１ａａａａを追加している。

この実施形態による双極型電池２においては、第３の実施形態における電圧検出用端子２７ａの位置で、第４の放電用端子２１ａａａａを集電体４ａに接続し、電圧検出用端子２７ａを第４の放電用端子２１ａａａａを接続する集電体４ａの端部に移動している。この配置により、電圧検出用端子２７ａを放電用端子２１ａ，２１ａａ，２１ａａａ，２１ａａａａのいずれからも離れた位置に設けている。

他の集電体４ｂ−４ｅも第４の放電用端子２１ａａａａと同様に配置された第４の放電用端子２１ｂｂｂｂ−２１ｅｅｅｅを備える。

この実施形態においては、この発明による双極型電池２の要件を満たすのは、電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと、第１の放電用端子２１ａ−２１ｅ及び第３の放電用端子２１ａａａ−２１ｅｅｅとの位置関係である。

また、第４の放電用端子２１ａａａａ−２１ｅｅｅｅのために、第１及び第２のバランス回路２０，２０ａと同様に構成された第４のバランス回路を設ける。

この実施形態によれば、４つの電圧バランス回路を設けることで、電圧バランス制御時において第１実施形態の双極型電池２と比べて約４倍のバランス電流を放電することが可能となり、電圧バランス制御の所要時間を第１の実施形態による双極型電池２の約１／４に短縮できる。また、放電時の集電体４ａ−４ｅ内の電圧格差も第４の実施形態による双極型電池２よりもさらに小さく抑えられる。

ＦＩＧＳ．１６Ａと１６Ｂを参照して、この発明の第６の実施形態を説明する。

この実施形態による双極型電池２は、集電体４ａ−４ｅの各々に３個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅ，２７ａａａ−２７ｅｅｅと、１個の放電用端子２１ａ−２１ｅとを備えている。

３個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅ，２７ａａａ−２７ｅｅｅと、１個の放電用端子２１ａ−２１ｅは集電体４ａ−４ｅの負極活物質層６の形成面に接続される。しかし、以下の説明は、他の実施形態と同様に、これらがともに集電体４ａ−４ｅの正極活物質層５の形成面に接続されているとの想定に基づいている。

集電体４ａ−４ｅにおける、第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと放電用端子２１ａ−２１ｅの配置は、第１の実施形態による双極型電池２と同じである。

第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅは、点Ｂの近傍で集電体４ａ−４ｅに接続される。第３の電圧検出用端子２７ａａａ−２７ｅｅｅは、長方形の平面形状の集電体４ａ−４ｅの一方の長辺の中間位置の近傍で集電体４ａ−４ｅに接続される。

この実施形態において、この発明による双極型電池２の要件を満たすのは、第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅと放電用端子２１ａ−２１ｅとの位置関係である。

電圧検出用端子２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅ，２７ａａａ−２７ｅｅｅはそれぞれ専用の配線を介して制御回路２９に接続される。

第１−第５の実施形態は、１個の集電体４ａ−４ｅに１個の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅのみを接続し、放電時における集電体４ａ−４ｅ内部の電圧変化を直線と見なしていた。しかしながら、ＦＩＧ．１６Ｂの実線や破線に示すように集電体４ａ−４ｅ内部の電圧は曲線状に変化することがある。

集電体４ａの内部の電圧が、図の実線のように点Ａから点Ｂに至る上向きに膨らんだ曲線に沿った変化を示す場合に、中間位置の電圧を中間電圧値Ｖｍｉｌとすると、中間電圧値Ｖｍｉｌは平均値Ｖａｖより大きな値となる。こうしたケースで、集電体４ａの内部の電圧が点Ａのハイ側電圧値Ｖｈｉと点Ｂのロー側電圧地Ｖｌｏとを結ぶ直線で表されると仮定すると、集電体４ａの電圧推定に関して中間電圧値Ｖｍｉｌと平均値Ｖａｖとの差に相当する誤差が生じ、結果として集電体４ａ−４ｅの電圧算出精度が低下する。逆に集電体４ａの内部の電圧が、図の破線のように点Ａから点Ｂに至る下向きに膨らんだ曲線に沿った変化を示す場合に、点Ａと点Ｂの中間位置の電圧を中間電圧値Ｖｍｉ２とすると、中間電圧値Ｖｍｉ２は平均値Ｖａｖより小さな値となる。こうしたケースで集電体４ａの内部の電圧が点Ａのハイ側電圧値Ｖｈｉと点Ｂのロー側電圧地Ｖｌｏとを結ぶ直線で表されると仮定すると、集電体４ａの電圧推定に関して中間電圧値Ｖｍｉ２と平均値Ｖａｖとの差に相当する誤差が生じ、結果としてこの場合も集電体４ａ−４ｅの電圧算出精度が低下する。

この実施形態においては、点Ａの近傍に第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅを配置し、点Ｂの近傍に第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅを配置し、第３の電圧検出用端子２７ａａａ−２７ｅｅｅを、集電体４ａ−４ｅの長方形の一方の長辺の中間位置に配置している。第３の電圧検出用端子２７ａａａ−２７ｅｅｅにより、したがって、ＦＩＧ．１６Ａの点Ａと点Ｂを結ぶ直線の中間部の中管電圧値Ｖｍｉ１やＶｍｉ２を検出することができる。

制御回路２９は、したがって、第１の電圧検出用端子２７ａ−２７ｅが検出するハイ側電圧Ｖｈｉと、第２の電圧検出用端子２７ａａ−２７ｅｅが検出するロー側電圧Ｖｌｏと、第３の電圧検出用端子２７ａａａ−２７ｅｅｅが検出する中間電圧値Ｖｍｉ１（Ｖｍｉ２）とを用いて、集電体４ａ−４ｅ内部の電圧分布をより正確に推定することができる。

以上の説明に関して２０１０年９月１日を出願日とする日本国における特願２０１０−１９５７９２号、の内容をここに引用により合体する。

以上、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、以上説明した実施形態においては、集電体４ａ−４ｅの平面形状を扁平な長方形としたが、集電体４ａ−４ｅの平面形状はこれに限定されず、正方形や円形を含むいかなる形状であっても良い。

以上のようにこの発明による双極型電池は電圧計測に関する要求と、集電体からの放電に関する要求とを満足させることができる。したがって、電気自動車などに搭載される双極型電池に適用することで、電池寿命が伸びるなどの好ましい効果を期待できる。

この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。

Claims (8)

1. 層状の集電体（４ａ−４ｅ）と、集電体（４ａ−４ｅ）の一面に配置された正極活物質層（５）と、集電体（４ａ−４ｅ）のもう一面に配置された負極活物質層（６）とからなる複数の双極型電極（３）と、内部をイオンが移動する複数の電解質層（７）とを、正極活物質層（５）と負極活物質層（６）が電解質層（７）を挟んで対峙する状態で積層し、
   集電体（４ａ−４ｅ）は周縁部に接続された電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ，２７ａａ−２７ｅｅ，２７ａａａ−２７ｅｅｅ）と放電用端子（２１ａ−２１ｅ）とを備え、
   集電体（４ａ−４ｅ）の図心と電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ）とを結ぶ第１の直線（Ｄａ１）に直交する第２の直線（Ｄａ２）の両側に別れて、電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ）と放電用端子（２１ａ−２１ｅ）とを配置した双極型電池（２）。
2. 図心で交わる２本の直線で集電体（４ａ−４ｅ）の平面形状を４個の領域に分割した場合に、隣接しない２つの領域の一方に電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ）が、もう一方に放電用端子（２１ａ−２１ｅ）が配置された請求項１の双極型電池。
3. 隣接しない２つの領域は２本の直線の交角が鋭角をなす領域である請求項２の双極型電池（２）。
4. 集電体（４ａ−４ｅ）の平面形状は長方形であり、図心で交わる２本の直線は長方形の対角線である請求項２または３の双極型電池（２）。
5. 同一の集電体（４ａ−４ｅ）において、電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ）と放電用端子（２１ａ−２１ｅ）は１５０度から２１０度の角度間隔で配置される請求項１から４のいずれかの双極型電池。
6. 集電体（４ａ−４ｅ）は放電用端子（２１ａ−２１ｅ）の近傍において集電体（４ａ−４ｅ）の周縁部に接続された別の電圧検出用端子（２７ａａ−２７ｅｅ）を備える、請求項１から５のいずれかの双極型電池。
7. 集電体（４ａ−４ｅ）は一対の放電用端子（２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅ）と電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ）とを備え、
   第２の直線（Ｄａ２）の両側に、電圧検出用端子（２７ａ−２７ｅ）と、前記一対の放電用端子（２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅ）の一方とを配置した請求項１から５のいずれかの双極型電池（２）。
8. 一対の放電用端子（２１ａ−２１ｅ，２１ａａ−２１ｅｅ）の各々に接続される放電回路（２０，２０ａ）をさらに備える請求項７の双極型電池（２）。

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