JP6567553B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、充放電を行う電池を備える電池パックの技術に関する。

二次電池は、低温環境下（例えば０℃以下）において、入出力が低下する場合がある。そこで、二次電池の入出力低下を抑制するために、二次電池を温める技術がある。

例えば、特許文献１には、高出力型の第１電池及び高容量型の第２電池と、第２電池より第１電池に近い位置に配置され、発熱するヒータと、を備える電池パックについて開示されている。特許文献１によれば、低温環境下において高出力型の第１電池の出力が低下するときは、ヒータにより高出力型の第１電池を温めるだけで、電池パックの出力低下が抑制されることが示唆されている。

特許第５３９２４０７号公報

しかし、上記特許文献１に開示されている技術では、低温環境下において、高容量型の第２電池の出力は低下するため、電池パックから安定した出力を供給することは困難である。また、第２電池の入力も低下することから電池パックを充電することが困難である。

そこで、本発明の目的は、低温環境下（例えば０℃以下）において、安定した出力を供給することができ、かつ安定した充電が可能である電池パックを提供することである。

本発明に係る電池パックは、第１電池及び前記第１電池の周囲に配置される第２電池を有する電池群と、前記第２電池により形成される前記電池群の外周部側に配置され、前記第１電池から通電されることで発熱するヒータと、を備え、前記第１電池は、所定温度以下の温度領域において前記第２電池より大きな電流で充放電が可能である。

本発明に係る電池パックによれば、低温環境下（例えば０℃以下）において、安定した出力を供給することができ、かつ安定した充電が可能である。

本実施形態の一例である電池パックの模式斜視図である。 （Ａ）は、本実施形態の第１電池及び第２電池の配置状態を示す電池パックの模式斜視図であり、（Ｂ）は、本実施形態の第１電池及び第２電池の配置状態を示す電池パックの模式上面図である。 本実施形態で用いたヒータを駆動させる回路構成を示す模式図である。 本実施形態の他の一例である電池パックの模式斜視図である。 本実施形態の他の一例である電池パックの分解模式斜視図である。 本実施形態の他の一例である電池パックの模式上面図である。

本発明の実施形態について以下に説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。実施形態や実験例の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法や量などは、現物と異なる場合がある。

図１は、本実施形態の一例である電池パックの模式斜視図である。図１に示すように、電池パック１は、複数の単電池１０から構成される電池群１１と、ヒータ１４と、を有する。なお、図１のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに直交する軸である。

ヒータ１４は、後述するように、電池からの通電により発熱するものであれば特に制限されるものではなく、複数の単電池１０から構成される電池群１１の外周に沿って配置されている。

図１に示す複数の単電池１０は、Ｙ−Ｚ平面において並んで配置されている。具体的には、Ｙ方向に並ぶ５つの単電池１０の列と、Ｙ方向に並ぶ４つの単電池１０の列とが、Ｚ方向に沿って交互に並べられ、所謂千鳥状に配置されている。なお、単電池１０の配列や数等は、上記に制限されるものではなく、電池パック１の入出力特性等を考慮して、適宜選択されればよい。

図１に示す単電池１０は、円筒型の電池である。すなわち、単電池１０は、Ｘ方向に延びており、Ｙ−Ｚ平面における単電池１０の断面形状は、円形に形成されている。単電池１０としては、非水電解質二次電池等の二次電池が用いられる。なお、本実施形態では、円筒型の電池を例に説明するが、これに制限されるものではなく、例えば角型の電池を用いてもよい。

単電池１０は、電池ケースと、電池ケースに収容された発電要素とを有する。発電要素は、充放電を行う要素であり、正極板と、負極板と、正極板および負極板の間に配置されたセパレータとを有する。セパレータは、電解液を含んでいる。

Ｘ方向における単電池１０の両端には、正極端子１２および負極端子１３がそれぞれ設けられている。発電要素の正極板は、正極端子１２と電気的に接続されている。正極端子１２は、凸面で構成されている。発電要素の負極板は、負極端子１３と電気的に接続されている。負極端子１３は、平坦な面又は電池の異常時に電池内部の上昇した圧力を電池の外へ逃がすための働きを有する安全弁（刻印）を配置させた面で構成されている。

本実施形態の複数の単電池１０は、第１電池と、第２電池とを有する。第１電池は、所定温度以下の温度領域（以下低温領域と呼ぶ場合がある）において第２電池より大きな電流で充放電を行うことができる電池であり、所謂高出力型電池である。ここで、所定温度以下の温度領域において第２電池より大きな電流で充放電が行うことができるとは、所定温度以下の温度領域では第２電池より高い入出力を有するが、所定温度を超える温度領域では第２電池より低い入出力となる場合と、所定温度以下の温度領域及び所定温度を超える温度領域のいずれの領域でも第２電池より高い入出力を有する場合の両方を含む。所定温度以下の温度領域は、０℃以下の低温領域であることが好ましく、−３０℃以下の低温領域であることがより好ましい。すなわち、第１電池は、０℃以下の低温領域（より好ましくは−３０℃以下の低温領域）において、第２電池より大きな電流で充放電を行うことができる電池であることが好ましい。

第１電池としては、０℃以下の低温領域でも安定した入出力を発揮することができる点から、ニッケルカドミウム電池、又はチタン酸リチウムを含む負極を備える非水電解質二次電池であることが好ましい。

第２電池は、上記で説明した第１電池との入出力関係を満たすものであれば、特に制限されるものではないが、電池パック１の容量を確保する点で、第１電池より大きな充放電容量を有する電池、所謂高容量型電池であることが好ましい。第２電池としては、高容量の点から、グラファイトを含む負極を備える非水電解質二次電池、又はリチウムニッケル複合酸化物を含む正極を備える非水電解質二次電池であることが好ましい。

以下に、第１電池と第２電池の配置について説明する。

図２（Ａ）は、本実施形態の第１電池及び第２電池の配置状態を示す電池パックの模式斜視図であり、図２（Ｂ）は、本実施形態の第１電池及び第２電池の配置状態を示す電池パックの模式上面図であり、Ｘ方向から見た電池パックの図である。図２に示すように、本実施形態では、３個の第１電池１０Ａと１５個の第２電池１０Ｂが用いられている。そして、３個の第１電池１０Ａは複数の単電池１０から構成される電池群１１の中央部に配置され、１５個の第２電池１０Ｂは、中央部に配置された３個の第１電池１０Ａの周囲を囲むように配置されている。

ヒータ１４は、第１電池１０Ａを囲む第２電池１０Ｂにより形成される電池群１１の外周部に沿って配置されている。すなわち、第２電池１０Ｂは、第１電池１０Ａとヒータ１４とで挟まれた状態となっている。

図３は、本実施形態で用いたヒータを駆動させる回路構成を示す模式図である。図３に示すように、ヒータ１４は第１電池１０Ａ（高出力型電池）に接続されており、ヒータ１４と第１電池１０Ａとの間には、スイッチ１６が配置されている。スイッチ１６がオン状態であれば、第１電池１０Ａからの電力がヒータ１４に供給され、ヒータ１４が発熱する。また、スイッチ１６がオフ状態であれば、第１電池１０Ａからの電力がヒータ１４に供給されず、ヒータ１４の発熱が停止する。

本実施形態では、図３に示すＢＭＵ（バッテリーマネジメントユニット）１８により、スイッチ１６のオン／オフの切り替えが行われる。具体的には、以下の方法により行われる。電池パック１の周囲等に配置された温度センサ２０により、電池パックの温度を検出し、その温度データがＢＭＵ１８に送信される。そして、ＢＭＵ１８により、上記温度データが所定値以下であるか否かが判断され、温度データが所定値以下の時には、スイッチ１６がオン状態にされ、温度データが所定値より高い場合には、スイッチ１６がオフ状態にされる。ここで、所定値は、第２電池１０Ｂ（高容量型電池）の入出力が低下する温度に基づいて設定されることが望ましく、例えば、スイッチ１６をオン状態にする所定値とは−３０℃に設定されることが好ましく、０℃に設定されることがより好ましい。一方、スイッチ１６をオフ状態にする所定値とは１０℃に設定されることが好ましく、２０℃に設定されることがより好ましい。

一般的に、電池は温度が低下するほど、入出力が低下する傾向にある。したがって、温度が低下（例えば０℃以下）すると、電池パックから安定した出力が外部負荷に供給されない。そこで、電池パックの外周にヒータを設置して、電池パックを温めることが考えられるが、ヒータからの熱だけでは、ヒータの近傍に配置されている電池（すなわち外側に配置されている電池）は暖められるが、ヒータから遠い位置に配置されている電池（すなわち、内部に配置されている電池）はヒータからの熱が伝わらず、充分に暖められないか又は暖まるまで長い時間を要する。そのため、低温環境下では、電池パックから安定した出力を供給することが困難となる。また、ヒータの熱のみで内部の電池を暖めようとすると、ヒータが大型化し、またそれに伴うヒータの消費電力も高くなる。

本実施形態では、温度が低下し、所定温度以下になると、ＢＭＵ１８によりスイッチ１６がＯＮ状態にされ、第１電池１０Ａからヒータ１４へ通電が行われると、ヒータ１４が発熱する。また、第１電池１０Ａからヒータ１４への通電により、第１電池１０Ａも発熱する。したがって、複数の第２電池１０Ｂのうち外側に配置され第２電池１０Ｂは、ヒータ１４の近傍に配置されているため、ヒータ１４から供給される熱により暖められる。また、複数の第２電池１０Ｂのうち内部に配置されている第２電池１０Ｂは、ヒータ１４から遠い位置にあるが、ヒータ１４に通電することで発熱した第１電池１０Ａの近傍に配置されているため、第１電池１０Ａから供給される熱により暖められる。すなわち、本実施形態では、第２電池１０Ｂが、ヒータ１４により外側から暖められると共に、第１電池１０Ａにより内部からも暖められるため、電池パック全体が効率的に暖められる。その結果、本実施形態の電池パックは、低温環境下（例えば０℃以下）においても、安定した出力を供給することが可能となる。なお、第１電池１０Ａは、第２電池１０Ｂより大きな電流で充放電が行うことができる電池であるため、温度が低下しても、ヒータ１４へ安定した電力の供給が可能である。第１電池１０Ａとしては、放電時にエントロピーが減少する電池系つまり、放電時に発熱反応する電池系を用いることが好ましい。具体的には、放電時に負極側が酸化反応を起こし、発熱する特性を有するニッケルカドミウム電池が好ましく、または、負極材料としてチタン酸リチウムを含む負極、正極材料としてリチウム含有遷移金属酸化物を含む正極を備える非水電解質二次電池が好ましく、上記の正極材料としては放電時に発熱が大きいコバルト酸リチウムを含むことがより好ましい。

本実施形態の複数の第２電池１０Ｂは、直列又は並列に接続されて、外部負荷の電源として使用される。また、本実施形態の複数の第１電池１０Ａはヒータ１４の電源として使用されるものであるが、第１電池１０Ａに余剰電力（ヒータ１４に供給する電力以外の電力）が存在している場合には、その余剰電力を外部負荷に供給してもよい。なお、第１電池１０Ａは、第２電池１０Ｂより大きな電流で充放電が行うことができる電池であるため、温度が低下しても、ヒータ１４又は外部負荷へ安定した電力の供給が可能である。また、ヒータ１４又は外部負荷へ電力を供給した後、低温環境下で電池パックを充電することが必要になることもあるため、ヒータ１４に電力を供給できる程度に第１電池１０Ａの容量を残しておくことで、出力時と同様に低温環境下でも第２電池１０Ｂを暖めることができ、電池パックの充電が可能となる。なお、電池パックは太陽電池等の外部電源と接続することで、電池パックを充電することができる。

本実施形態では、ヒータ１４が第２電池１０Ｂにより形成される電池群１１の外周部の全周に亘って配置されている例を説明したが、第２電池１０Ｂの数や第１電池１０Ａの数や配置等によっては、必ずしも外周部の全周に亘って配置される必要はなく、外周部の一部であってもよい。すなわち、ヒータ１４が第２電池１０Ｂにより形成される電池群１１の外周部側に配置されるとは、外周部の全周に亘って配置される場合に限られず、外周部の一部に配置される場合も含まれる。また、本実施形態では、第２電池１０Ｂが、第１電池１０Ａの全周に配置される例を説明したが、必ずしもこれに制限されるものではなく、第１電池１０Ａの周囲の一部に隣接配置される形態であってもよい。

以下に、本実施形態の変形例を説明する。なお、以下、単電池１０と称する場合には、前述の第１電池１０Ａ（高出力型電池）及び第２電池１０Ｂ（高容量型電池）の両方を表し、複数の単電池１０は、前述したように、第１電池１０Ａの周囲を囲むように第２電池１０Ｂが配置されているものとする。

図４は、本実施形態の他の一例である電池パックの模式斜視図である。図４に示すように、電池パック２は、複数の単電池１０から構成される電池群１１と、複数の単電池１０を保持するホルダ３０と、ヒータ１４と、を有する。ヒータ１４は、ホルダ３０の側面に配置されている。

図４に示す複数の単電池１０は、Ｙ−Ｚ平面において並んで配置されている。具体的には、Ｚ方向に並ぶ５つの単電池１０の列と、Ｚ方向に並ぶ４つの単電池１０の列とが、Ｙ方向に沿って交互に並べられ、所謂千鳥状に配置されている。

ホルダ３０には、ホルダ３０を貫通する開口部が形成されており、この開口部に単電池１０が挿入されている。開口部および単電池１０の間に隙間が形成される場合には、開口部および単電池１０の間に形成された隙間に接着剤を充填することにより、ホルダ３０に単電池１０を固定することができる。接着剤としては、例えば、エポキシ樹脂を用いることができる。

ホルダ３０は、例えば、アルミニウム等の金属製ホルダであることが好ましい。金属製ホルダ３０を用いることで、単電池１０への熱伝導性が向上するため、ヒータ１４からの熱や、第１電池１０Ａからの熱等が、第２電池１０Ｂに伝達されやすくなり、第２電池１０Ｂをより短時間で暖めることが可能となる。また、金属性のホルダを用いることで、ヒータ１４をホルダの側面全周に配置（すなわち第２電池１０Ｂにより形成される電池群１１の外周部の全周に配置）せず、一部の側面に配置するだけでも、第２電池１０Ｂをより効率的に暖めることが可能となる。

図５は、本実施形態の他の一例である電池パックの分解模式斜視図である。図５に示す電池パック３では、単電池１０を保持するホルダ３２が、複数の中空円筒状のパイプ３４が集合したものとなっている。単電池１０は、中空円筒状のパイプ３４の収容部３６に収容される。ヒータは不図示であるが、ホルダ３２の外周に配置される（すなわち、複数の単電池１０から構成される電池群の外周部側に配置される）。このように、複数の中空円筒状のパイプ３４が集合したホルダ３２を用いることにより、ホルダ３２に収容される単電池１０の全体を暖めることが可能となる。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の他の一例である電池パックの模式上面図である。図６（Ａ）に示す電池パックは、３個の第１電池１０Ａを１組とする第１電池組が所定の間隔をあけて２つ設けられ、複数の第２電池１０Ｂが各第１電池組を囲むように配置されている。そして、複数の第２電池１０Ｂにより形成される電池群の外周部側にヒータ１４が配置されている。図６（Ｂ）に示す電池パックは、第１電池１０Ａが所定の間隔をあけて６つ設けられ、複数の第２電池１０Ｂが各第１電池１０Ａを囲むように配置されている。そして、複数の第２電池１０Ｂにより形成される電池群１１の外周部側にヒータ１４が配置されている。また、図６（Ｃ）に示す電池パックは、図６（Ａ）と同様に第１電池１０Ａおよび第２電池１０Ｂが配置されているが、ヒータ１４が第２電池１０Ｂにより形成される電池群１１の外周部側に配置されるだけでなく、２つの第１電池組の間にも配置されている。これらの電池パックはいずれも、第１電池１０Ａからヒータ１４に電力が供給されることで、ヒータ１４が発熱する構成となっている。上記のような構成によっても、第２電池１０Ｂを効率的に暖めることが可能となるため、低温環境下においても、電池パックから安定した出力を供給することができる。また、電池パックの充電も可能となる。なお、これらの形態においても、第１電池１０Ａ及び第２電池１０Ｂを保持するホルダを設置することが好ましい。

１〜３ 電池パック、１０ 単電池、１０Ａ 第１電池、１０Ｂ 第２電池、１１ 電池群、１２ 正極端子、１３ 負極端子、１４ ヒータ、１６ スイッチ、２０ 温度センサ、３０，３２ ホルダ、３４ パイプ、３６ 収容部。

Claims (5)

1. 第１電池及び前記第１電池の周囲に配置される第２電池を有する電池群と、前記第２電池により形成される前記電池群の外周部側に配置され、前記第１電池から通電されることで発熱するヒータと、を備え、
   前記第１電池は、所定温度以下の温度領域において前記第２電池より大きな電流で充放電が可能であることを特徴とする電池パック。
2. 前記第２電池は、前記第１電池と前記ヒータで挟まれていることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
3. 前記第２電池は、第１電池より大きな充放電容量を有することを特徴とする請求項１又は２記載の電池パック。
4. 前記第１電池及び前記第２電池を保持する金属製ホルダを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
5. 前記第１電池はニッケルカドミウム電池、又はチタン酸リチウムを含む負極を備える非水電解質二次電池であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池パック。