JP6156218B2 - 電池ユニット - Google Patents
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Description
例えば、電解液消費型の電池では、充放電に伴って電解液(もしくは塩)を消費していくため、電解液(もしくは塩)が切れた時が電池の寿命となる。このような電池では、電解液を多数持っておくことで電解液(もしくは塩)切れを回避することができるが、電池の筐体容積は限られているため、電解液を移動・循環させることで電解液(もしくは塩)を補充する。
また、リチウムイオン二次電池においては、電解液中の電解質(添加剤)は充放電により濃度が減少するため、電解液の継続使用は電池性能の劣化につながる。また、リチウムイオン二次電池の使用過程では、電極などから各種反応物が溶け出すため、状態の良い電解液が適時供給されることが望ましい。
また、上述した従来技術では、電池の近傍にポンプを設置または電池筐体内にポンプを内蔵しなければならず、近年の電池の小型化に対する要請に反するという課題がある。
請求項2の発明にかかる電池ユニットは、前記制御手段は、前記充放電制御中に、前記電池ユニットに対する出力要求値または要求出力値に対応する電流を前記充放電対象単電池から充電または放電させる、ことを特徴とする。
請求項3の発明にかかる電池ユニットは、前記電池ユニットは、単一の筐体内に、複数の領域に分割された正側集電箔および負側集電箔と、前記集電箔に対応して複数の領域に分割された正側電極材および負側電極材と、電解液とが格納されており、分割された前記正側集電箔には1つの領域に1つずつ正側電極端子が、分割された前記負側集電箔には1つの領域に1つずつ負側電極端子が、それぞれ接続されており、前記単電池は、1つの前記正側電極端子と、当該正側電極端子と接続された前記正側集電箔の領域と、当該正側集電箔の領域上の前記正側電極材の領域と、1つの前記負側電極端子と、当該負側電極端子と接続された前記負側集電箔の領域と、当該負側集電箔上の領域上の前記負側電極材の領域と、前記正側電極材の領域と前記負側電極材の領域との間に位置する前記電解液によって構成されている、ことを特徴とする。
請求項4の発明にかかる電池ユニットは、前記制御手段は、前記電池ユニットに対する要求出力が前記充放電対象電池の上限出力以下の場合に前記充放電制御を行い、前記要求出力が前記充放電対象電池の要求出力を超える場合には前記充放電制御を行わない、ことを特徴とする。
請求項5の発明にかかる電池ユニットは、前記電池ユニットは、電力を用いて走行する電動車の駆動用電力を蓄電し、前記電動車は、前記電池ユニットに対して高電圧充電を行う急速充電部と、前記電池ユニットに対して前記急速充電部よりも低電圧で充電を行う普通充電部とを備え、前記制御手段は、前記普通充電部を用いた充電中に前記充放電制御を行い、前記急速充電部を用いた充電中には前記充放電制御を行わない、ことを特徴とする。
請求項2の発明によれば、充放電制御中に、電池ユニットに対する要求入力値または要求出力値に対応する電流を充放電対象単電池から充電または放電させるので、電池ユニットを通常時と同様に使用しながら電解液の循環を行わせることができる。
請求項3の発明によれば、電池ユニットを単一の電池とし、電池内の電極体を分割して電極端子を接続した構成を単電池としたので、単一の電池においても充放電による電解液の循環を行うことができる。
請求項4の発明によれば、電池ユニットに対する要求出力が充放電対象電池の上限出力以下の場合に充放電制御を行い、要求出力が充放電対象電池の上限出力を超える場合には充放電制御を行わない。充放電制御中は、電池ユニット内の一部の単電池しか充放電を行うことができないため、通常の電池ユニットの出力よりも低い出力しか行うことができない。よって、要求出力が充放電対象電池の上限出力を超えるか否かを判定し、要求出力が充放電対象電池の上限出力を超えない場合にのみ充放電制御を行う。これにより、充放電制御に伴って電池ユニットが出力不足に陥るのを回避し、電池ユニットの動作を保証することができる。
請求項5の発明によれば、電池ユニットが電動車の駆動用電力を蓄電する場合に、普通充電中に充放電制御を行い、急速充電中には充放電制御を行わない。充放電制御中は、電池ユニット内の一部の単電池しか充放電を行うことができないため、通常の充電時よりも充電速度が遅くなることが予測される。急速充電時には、ユーザが短時間に充電を完了したいと考えている可能性が高いので、充放電制御を行わずに充電を行い、短時間で充電を完了させることによって、ユーザに違和感や不都合を生じさせることなく充放電制御を行うことができる。
図1は、実施の形態1にかかる電池ユニット10の構成を示す説明図である。
本実施の形態では、電池ユニット10は、複数の単電池S1〜S5を配列して構成される。単電池S1〜S5は、正極および負極を備える電極体110と、電解質を含む電解液112とを備え、単電池S1〜S5の配列順に単電池S1〜S5間を電解液112が移動可能である。また、単電池S1〜S5は、S1,S2,S3,S4,S5の順に配列されている。
電池ユニット10は、単体で電気機器等に電力を供給する電池であってもよいし、複数の電池セルが接続されて構成される組電池内の一電池セルであってもよい。
筐体120は、中央部に電極体110を格納する電極体格納部120Aと、電極体格納部120Aを囲むように形成された電解液循環路120Bとを備える。
電極体格納部120Aと電解液循環路120Bとは、電極体110の幅方向端部付近で接続されている。電極体格納部120Aと電解液循環路120Bとは電解液112で充填されており、電解液112は電極体格納部120Aおよび電解液循環路120B内で移動可能である。
より詳細には、正側集電箔102が5つの領域102A〜102Eに、正側電極材104が5つの領域104A〜104Eに、それぞれ分割されており、それぞれの正側集電箔102A〜102Eには、正側の電極端子Pp1〜Pp5が接続されている。
また、負極についても同様に、負側集電箔106が5つの領域106A〜106Eに、負側電極材108が5つの領域108A〜108Eに、それぞれ分割されており、それぞれの負側集電箔106A〜106Eには、負側の電極端子Pn1〜Pn5が接続されている。
電流計202は、複数設けられた電極端子Pp,Pnに流れる電流をそれぞれ測定する。
電流制御回路204は、スイッチやヒューズ、コンタクタなどで構成される集積回路である。
制御部206は、CPU、制御プログラムなどを格納・記憶するROM、制御プログラムの作動領域としてのRAM、各種データを書き換え可能に保持するEEPROM、周辺回路等とのインターフェースをとるインターフェース部などを含んで構成される。
制御部206は、電池ユニット10の状態を監視して充放電を制御するBMU(Battery Management Unit)などである。
すなわち、制御部206は、それぞれの単電池における充放電をそれぞれ個別に制御する。
このような構成によって、電池ユニット10内では、分割された電極体110によって並列接続された複数の単電池S1〜S5が構成されている。
なお、各単電池S1〜S5間は、例えばセパレータなどで仕切られていてもよい。
よって、正側集電箔102としてはアルミニウム箔が用いられ、正側電極材104としてはコバルト酸リチウムなどが用いられる。また、負側集電箔106としては銅箔が用いられ、負側電極材108としては炭素材料などが用いられる。また、電解液112にはリチウムイオンが含まれている。
電池ユニット10の充電時には、リチウムイオンが正極側から負極側に移動する。また、電池ユニット10の放電時には、リチウムイオンが負極側から正極側に移動する。
すなわち、制御部206は、充放電制御時には、単電池S1〜S5をS1,S2,S3,S4,S5の順、またはS5,S4,S3,S2,S1の順で充電または放電させる。
図2は、充放電制御時における単電池の動作を模式的に示す説明図である。
図2には、3つの単電池S1〜S3のみを図示している。
図2Aでは各単電池S1〜S3が完全放電状態に、図2Dでは各単電池S1〜S3が完全充電状態にある。
図2Aに示す完全放電状態では、各単電池S1〜S3の電極材104,108が収縮しており、正負の電極体110A,110B間に隙間ができている。この隙間には、電解液112によって満たされている。
一方、図2Dに示す完全充電状態では、各単電池S1〜S3の電極材104,108が膨張し、正負の電極体110A,110B間の隙間がなくなっている。よって、電極体110A,110B間には電解液112がほとんどない状態である。
より詳細には、制御部206は、まず単電池S1を充放電対象単電池とし、単電池S1のみを充電する。
この結果、図2Bに示すように、単電池S1の正負の電極材104,108が膨張し、単電池S1の正負の電極体110A,110B間に隙間がほとんどなくなる。これにより、単電池S1の正負の電極体110A,110B間に位置した電解液112が紙面左右方向に移動する。
図1に示すように、電極体110の幅方向端部付近は、電解液循環路120Bに接続されている。このため、図2Aの段階で正負の電極体110A,110B間に位置した電解液112の多くは、電解液循環路120B内へと移動する。
まず、制御部206は、単電池S1を充放電対象単電池とし、単電池S1のみを放電する。
この結果、図2Eに示すように、単電池S1の正負の電極材104,108が収縮し、単電池S1の正負の電極体110A,110B間に隙間が形成される。これにより、単電池S1の正負の電極体110A,110Bの左側(電解液循環路120B)に位置した電解液112が紙面左右方向に移動する。
この結果、単電池S2の正負の電極体110A,110B間には、単電池S1の正負の電極体110A,110B間に位置した電解液112が移動するとともに、単電池S1の正負の電極体110A,110B間には、紙面左側に位置する電解液循環路120Bから新たに電解液112が移動する。
この結果、正負の電極体110A,110B間に、電解液循環路120B内の電解液112が移動する。
なお、図2は紙面左方向から紙面右方向へと電解液112を流したい場合の動作を示しており、これと逆に電解液112を流したい場合には、上記の説明と反対の順番で充放電対象単電池を変更すればよい。
また、通常の電池では、電極体格納部120Aのみが設けられ、この中に電解液112が充填されているが、電池ユニット10では、電極体格納部120Aに加えて電解液循環路120Bが設けられており、電解液循環路120B内にも電解液112が充填されている。
電池ユニット10は、通常の電池と比較して保持する電解液112の量が多く、また、この電解液112を循環して利用することができるため、より長期間性能を維持して使用することができる。
これにより、電池ユニット10の使用中(負荷への電力供給中等)でも充放電制御を行って、電解液112を循環させることができる。
これは、上記充放電制御時には、電池ユニット10内の限られた単電池(充放電対象電池)のみが動作可能であり、充放電対象電池の上限出力を超える出力は行うことができなくなるためである。
なお、複数の単電池を充放電対象電池とする場合、充放電対象電池の上限出力は、上記複数の単電池の上限出力の和になる。
ここで、予め設定される所定出力Wとは、例えば充放電対象電池の上限出力の半値であることが好ましい。これは、電池ユニット10が少なくとも2以上の単電池で構成されることから、電池ユニット10が最も少ない2つの単電池で構成される場合、要求出力が上限出力の半値以下であれば、2つの単電池のうちの1つを充放電制御しても要求出力を満たすことができるからである。
すなわち、これにより、充放電制御に伴って電池ユニットが出力不足に陥るのを回避し、電池ユニット10の動作を保証することができる。
一般的な電動車には、電池ユニット10に対して高電圧充電を行う急速充電部と、電池ユニット10に対して急速充電部よりも低電圧で充電を行う普通充電部とを備えており、急速充電時には普通充電時と比較して短時間に充電が完了する。
ここで、上記充放電制御中は、1個または数個の単電池ごとに充電するため、通常の(充放電制御を行わない)充電時よりも充電時間が長くなることが予測される。急速充電時には、ユーザが短時間に充電を完了したいと考えている可能性が高いので、充放電制御を行わずに充電を行い、短時間で充電を完了させる。一方、普通充電時は、比較的時間に余裕があると考えられるため、充放電制御を行いながら充電を行い、電解液112を循環させる。
このように、普通充電部を用いた充電中にのみ充放電制御を行うことによって、ユーザのニーズに反することなく充放電制御を行うことができる。
図3は、電池ユニット10の他の構成例を示す説明図である。
図3の電池ユニット10では、筐体120には電極体格納部120Aのみが設けられている。電極体格納部120Aの幅方向端部には、外部接続部120Cが設けられており、筐体120外部と電極体格納部120Aとの間を貫通している。
外部接続部120Cには、電解液タンク30につながる外部電解液循環路32が設けられている。電解液タンク30には、未使用の電解液112Aが充填されている。
上述した充放電制御を行うことによって、電池ユニット10内の電解液112を、外部電解液循環路32を介して電解液タンク30に移動させるとともに、電解液タンク30内の未使用電解液112Aを電池ユニット10に供給することが可能となる。
また、単電池の配列上の所定個おきに順次複数の単電池を充放電対象単電池としてもよい。例えば、30個の単電池が並んで電池ユニット10を構成する場合、最初は1個目、11個目、21個目の単電池を充放電対象単電池とし、次に2個目、12個目、22個目の単電池を充放電対象単電池とし、さらに3個目、13個目、23個目の単電池を充放電対象単電池とし・・というように、充放電対象単電池を変更してもよい。
単電池S内では充放電に伴って電極材104,108の膨張収縮が生じる。このため、充電時には電極材104,108の膨張により筐体内に入りきらなくなった電解液112が電極材104,108間外部に押し出され、放電時には電極材104,108の収縮により電極材104,108間に生じる負圧によって電極材104,108間に電解液112が引き込まれる。
電池ユニット10は、ポンプ等の外部機器を用いることなく電解液112を循環させることができ、電池性能の低下を抑制することができる。
また、電池ユニット10は、充放電制御中に、電池ユニット10に対する要求入力値または要求出力値に対応する電流を充放電対象単電池から充電または放電させるので、電池ユニット10を通常時と同様に使用しながら電解液112の循環を行わせることができる。
また、電池ユニット10は、電池ユニット10を単一の電池とし、電池内の電極体110を分割して電極端子Pp,Pnを接続した構成を単電池Sとしたので、単一の電池においても充放電による電解液112の循環を行うことができる。
また、電池ユニット10は、電池ユニット10に対する要求出力が充放電対象電池の上限出力以下の場合に充放電制御を行い、要求出力が充放電対象電池の上限出力を超える場合には充放電制御を行わない。
充放電制御中は、電池ユニット10内の一部の単電池Sしか充放電を行うことができないため、通常の電池ユニット10の出力よりも低い出力しか行うことができない。
よって、要求出力が充放電対象電池の上限出力を超えるか否かを判定し、要求出力が充放電対象電池の上限出力を超えない場合にのみ充放電制御を行う。これにより、充放電制御に伴って電池ユニットが出力不足に陥るのを回避し、電池ユニット10の動作を保証することができる。
また、電池ユニット10は、電池ユニット10が電動車の駆動用電力を蓄電する場合に、普通充電中に充放電制御を行い、急速充電中には充放電制御を行わない。充放電制御中は、電池ユニット10内の一部の単電池Sしか充放電を行うことができないため、通常の充電時よりも充電速度が遅くなることが予測される。急速充電時には、ユーザが短時間に充電を完了したいと考えている可能性が高いので、充放電制御を行わずに充電を行い、短時間で充電を完了させることによって、ユーザに違和感や不都合を生じさせることなく充放電制御を行うことができる。
実施の形態1では、単一の筐体内に格納された電極体を複数に分割して単電池を構成した。
実施の形態2では、複数の電池セルを単電池とし、複数の電池セルで構成される組電池を電池ユニットとする場合について説明する。
なお、以下の説明において、実施の形態1と同様の箇所は同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図4は、実施の形態2にかかる電池ユニット50の構成を示す説明図である。
実施の形態2にかかる電池ユニット50は、複数の角型単電池S(単電池S6〜S10)が隣接して配列されている。
各単電池S6〜S10は、筐体504に格納されており、筐体504の外部には正側および負側の電極端子506,508が設けられている。各電極端子506,508は制御部206に接続されており、制御部206は、それぞれの単電池S6〜S10における充放電をそれぞれ個別に制御可能である。
すなわち、通常の組電池では各電池セルが直列に接続されているが、電池ユニット50の単電池S6〜S10は並列に接続されている。
なお、循環配管40には、図3のように未使用の電解液を蓄積する電解液タンクを設けてもよい。
図6Aは単電池Sの外観、図2Bは単電池Sの内部構成を示している。
本実施の形態では、単電池Sはリチウムイオン二次電池である。
図6Bに示すように、単電池Sは、電極体502と、電極体502を収容する矩形板状の筐体504と、筐体504に設けられた正負の電極506,508とを含んで構成されている。
電極体502には、リチウムイオンを含む電解液が含浸されている。
図7に示すように、電極体502は、正極5022と、負極5024と、2枚のセパレータ5026,5028とで構成されている。
すなわち、単電池Sは、正極5022および負極5024を備える電極体502と、リチウムイオンを含む電解液とを備えている。
正極5022は、図8に示すように、3層構造であり、厚さ方向の中央に位置する正側集電箔5022Aと、その両面に形成された正側電極材5022Bとで構成されている。正側集電箔5022Aは不図示の接続部材を介して筐体504の正側の電極506に接続されている。
正側集電箔5022Aとしてはアルミニウム箔が用いられ、正側電極材5022Bとしてはコバルト酸リチウムなどが用いられる。
負極5024は、図8に示すように、3層構造であり、厚さ方向の中央に位置する負側集電箔5024Aと、その両面に形成された負側電極材5024Bとで構成されている。負側集電箔5024Aは不図示の接続部材を介して筐体504の負側の電極508に接続されている。
負側集電箔5024Aとしては銅箔が用いられ、負側電極材5024Bとしては炭素材料などが用いられる。
電極体502は、正極5022と、負極5024とが、セパレータ5026,5028を介在させて重ね合わされ複数回巻回され、図9に示すように断面が扁平な長円形状を呈している。
具体的には、セパレータ5026と、正極5022と、セパレータ5028と、負極5024とがこの順番で重ね合わされ、セパレータ5026を外側にし、負極5024を内側にして複数回巻回されている。
電極体502は、このような状態で筐体504に格納されている。
また、単電池Sに放電を行わせると、電極体502の電極材5022A,5024Bが収縮して、筐体504内に負圧が生じ、この負圧によって電解液が循環配管40内の電解液が筐体504内に移動する。
また、ポンプ等の外部機器を用いて電解液を循環させる場合と比較して消費電力を低減することができるとともに、外部機器分の容積を低減することができる。
Claims (5)
- 複数の単電池を配列して構成される電池ユニットであって、
それぞれの前記単電池における充放電をそれぞれ個別に制御する制御手段を備え、
前記単電池は、正極および負極を備える電極体と、電解質を含む電解液とを備え、前記単電池の配列順に前記単電池間を前記電解液が移動可能であり、
前記制御手段は、充放電する充放電対象単電池を複数の前記単電池から少なくとも1つ選択し、前記配列順に前記充放電対象単電池を変更する充放電制御を行う、
ことを特徴とする電池ユニット。 - 前記制御手段は、前記充放電制御中に、前記電池ユニットに対する要求入力値または要求出力値に対応する電流を前記充放電対象単電池に充電または放電させる、
ことを特徴とする請求項1記載の電池ユニット。 - 前記電池ユニットは、単一の筐体内に、複数の領域に分割された正側集電箔および負側集電箔と、前記集電箔に対応して複数の領域に分割された正側電極材および負側電極材と、電解液とが格納されており、分割された前記正側集電箔には1つの領域に1つずつ正側電極端子が、分割された前記負側集電箔には1つの領域に1つずつ負側電極端子が、それぞれ接続されており、
前記単電池は、1つの前記正側電極端子と、当該正側電極端子と接続された前記正側集電箔の領域と、当該正側集電箔の領域上の前記正側電極材の領域と、1つの前記負側電極端子と、当該負側電極端子と接続された前記負側集電箔の領域と、当該負側集電箔上の領域上の前記負側電極材の領域と、前記正側電極材の領域と前記負側電極材の領域との間に位置する前記電解液によって構成されている、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電池ユニット。 - 前記制御手段は、前記電池ユニットに対する要求出力が前記充放電対象電池の上限出力以下の場合に前記充放電制御を行い、前記要求出力が前記充放電対象電池の上限出力を超える場合には前記充放電制御を行わない、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の電池ユニット。 - 前記電池ユニットは、電力を用いて走行する電動車の駆動用電力を蓄電し、
前記電動車は、前記電池ユニットに対して高電圧充電を行う急速充電部と、前記電池ユニットに対して前記急速充電部よりも低電圧で充電を行う普通充電部とを備え、
前記制御手段は、前記普通充電部を用いた充電中に前記充放電制御を行い、前記急速充電部を用いた充電中には前記充放電制御を行わない、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の電池ユニット。
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