JP7102051B2 - リチウムイオン電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、組電池およびリチウムイオン電池モジュールに関する。

電気自動車及びハイブリッド電気自動車等の電源及び携帯型電子機器の電源としてリチウムイオン電池の単電池を複数個積層した組電池が用いられている（特許文献１）。組電池を充電する場合には、過充電状態になる単電池が存在することがないように充電管理を行う必要がある。

特許文献１には、単電池それぞれの端子間電圧を監視して充電制御を行うことが開示されている。

国際公開第２００９／１１９０７５号 特開２０１７－０５４７０３号公報 特開平１０－２５５８０５公報

特許文献１には、電池パック内の組電池を充電する充電装置が開示されており、充電装置の充電制御部は、電池パックの電圧監視部に接続され、充電中に測定した端子間電圧値が所定の電圧値に達したときに、充電電流値を下げるように制御している。

電池パックの電圧監視部は、単電池ごとの端子間電圧を測定するために、単電池それぞれと金属の配線（電圧検出線）により電気的に接続されている。単電池それぞれと配線で電気的に接続されていると、単電池間の短絡のリスクがあり、加えて、配線の手間が煩雑となる、等の問題が生じ得る。

このような問題を解決することを意図して、本発明の発明者らは、電気的配線を用いない構成、具体的には、組電池に含まれる単電池それぞれに、単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、各発光部から出力される光信号をまとめて受信する受光部と、を備える構成を見出した。当該発明者らが見出した構成によれば、受光部で受信した光信号を解析（例えば、受光部に接続したデータ処理部で解析）することにより、従来のように単電池それぞれと配線接続することによる、単電池間の短絡のリスクを回避することができる。加えて、配線の手間が軽減され、組電池の製造コストを低減することができる。

しかしながら、本発明者らが見出した構成では、各単電池に備えられた発光部から出力される光信号の共通の光路を提供する光導波路を設け、当該光導波路の一端から導入し、他端から出射する複数の光信号をまとめて受光部で受信する構成となっている。この構成では、複数の光信号が衝突した状態で受光部において受信することがある。複数の光信号が衝突していると、受信した光信号がいずれの特性を示しているかを決定又は推定することが困難であり、改善する必要があった。

本発明は、電気的配線の接続を不要としながら組電池の状態を管理できる構成であって、複数の発光部からの光信号が伝送される導光路において当該複数の光信号が衝突していたとしても、特定の光信号がいずれの単電池の特性を示しているのか識別することができる技術を提供することを目的とする。

本発明のリチウムイオン電池モジュールは、順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と、電解質と、を含む単電池が複数個接続されてなる組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールであって、各々前記単電池に設けられた、対応する単電池の特性を表す特性信号を受信し、当該単電池の識別子と前記特性信号とを符号化した制御信号を出力するように構成された制御部、および前記制御信号に応じた光信号を出力する発光部と、複数の前記発光部から出力される光信号の共通の光路を提供する光導波路とを備え、前記制御部は、前記対応する単電池の前記特性を表す前記特性信号を出力する測定回路を含み、前記測定回路は、同じ単電池の正極集電体と負極集電体の間の電圧を測定する電圧測定端子に接続され、前記制御部は、所定の電圧に達してから予め定めた周期毎に前記発光部から前記光信号を発光させるように制御信号を出力することを特徴とする。

本発明によると、電気的配線の接続を不要としながら組電池の状態を管理でき、発光部から出力される光信号に基づいて、いずれの単電池の特性を示しているのか識別することができる。

図１は、単電池ユニットの例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。 図２は、発光部の例を模式的に示す斜視図である。 図３は、組電池の一例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。 図４は、図３に示す組電池のＡ－Ａ線断面図である。 図５は、組電池に繰り返し充放電を行った際の、組電池を構成する単電池毎の電圧を模式的に示すグラフである。 図６は、リチウムイオン電池モジュールの一例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。 図７は、リチウムイオン電池モジュールにかかる光通信システムの機能ブロック図である。

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本明細書において、リチウムイオン電池と記載する場合、リチウムイオン二次電池も含む概念とする。

［第１実施形態：組電池］
第１実施形態の組電池は、順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と電解液とを含む単電池と、上記単電池を電源として発光する発光部と、を備える単電池ユニットが、複数個接続されてなり、上記発光部の発光は、上記単電池の電圧に応じて電力消費量が変化するように制御される。

第１実施形態の組電池は、従来の組電池の次のような問題を解決することを目的とする。詳述すると、従来の組電池（特許文献１）では、組電池に含まれる複数の単電池の性能が若干異なり、端子間電圧値が単電池毎に異なることがある。

特許文献１に記載された組電池に対して定電流充電を行うとした場合に、充電前の単電池の端子間電圧値が異なる場合を考える。例えば単電池Ａの充電前電圧値が２．５Ｖ、単電池Ｂの充電前電圧値が２．０Ｖであったとする。単電池Ａ及び単電池Ｂを含む組電池を端子間電圧値が４．０Ｖになるまで充電する場合、単電池Ａ及び単電池Ｂの電圧値がともに上昇して、単電池Ａの電圧値が４．０Ｖになった時点で充電を停止する。この場合単電池Ｂの電圧値は３．５Ｖであり、さらに４．０Ｖまで充電をする余地があるが、これ以上充電すると単電池Ａが過充電となるために、それ以上の充電を行うことはできない。

また、このようにして充電した、単電池Ａの放電前電圧値が４．０Ｖ、単電池Ｂの放電前電圧値が３．５Ｖである組電池からの放電を行うことを考える。単電池Ａ及び単電池Ｂを含む組電池を端子間電圧値が２．０Ｖになるまで充電する場合、単電池Ａ及び単電池Ｂの電圧値がともに低下して、単電池Ｂの電圧値が２．０Ｖになった時点で放電を停止する。この場合単電池Ａの電圧値は２．５Ｖであり、さらに２．０Ｖまで放電をする余地があるが、単電池Ｂからの放電ができないため組電池全体としての所望の電圧値が得られないので、それ以上の放電を行うことはできない。

このように、特許文献１に記載された組電池を構成する複数の単電池の端子間電圧値が異なる場合には、充電及び放電が不充分となり、組電池が本来有する電池容量を発揮させることができない。そのため、複数の単電池の端子間電圧値の差を修正して、組電池が本来有する電池容量を発揮させることのできる組電池が求められている。

以上のような従来の組電池の問題を解決することを目的として、第１実施形態の組電池は、複数の単電池の端子間電圧値の差を修正して、組電池が本来有する電池容量を発揮させることのできる技術を提供する。

第１実施形態の組電池は、単電池ユニットが複数個接続されてなり、単電池ユニットは単電池と発光部を備えている。単電池ユニットは組電池内で直列に接続されていることが好ましい。まず、単電池及び発光部を備える単電池ユニットについて説明する。

図１は、単電池ユニットの例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。

図１にはリチウムイオン電池である単電池１０と発光部２０を備える単電池ユニット３０を示している。単電池１０は、略矩形平板状の正極集電体１７の表面に正極活物質層１５が形成された正極１２と、同様に略矩形平板状の負極集電体１９の表面に負極活物質層１６が形成された負極１３とが、同様に略平板状のセパレータ１４を介して積層されて構成され、全体として略矩形平板状に形成されている。この正極と負極とがリチウムイオン電池の正極及び負極として機能する。

単電池１０は、正極集電体１７及び負極集電体１９の間に配置されて正極集電体１７及び負極集電体１９の間にセパレータ１４の周縁部を固定し、かつ正極活物質層１５、セパレータ１４及び負極活物質層１６を封止する、環状の枠部材１８を有する。

正極集電体１７及び負極集電体１９は、枠部材１８により所定間隔をもって対向するように位置決めされているとともに、セパレータ１４と正極活物質層１５及び負極活物質層１６も枠部材１８により所定間隔をもって対向するように位置決めされている。

正極集電体１７とセパレータ１４との間の間隔、及び、負極集電体１９とセパレータ１４との間の間隔はリチウムイオン電池の容量に応じて調整され、これら正極集電体１７、負極集電体１９及びセパレータ１４の位置関係は必要な間隔が得られるように定められている。

以下に、単電池を構成する各構成要素の好ましい態様について説明する。正極活物質層には正極活物質が含まれる。正極活物質としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物｛遷移金属が１種である複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＡｌＭｎＯ₄、ＬｉＭｎＯ₂及びＬｉＭｎ₂Ｏ₄等）、遷移金属元素が２種である複合酸化物（例えばＬｉＦｅＭｎＯ₄、ＬｉＮｉ_1-xＣｏ_xＯ₂、ＬｉＭｎ_1-yＣｏ_yＯ₂、ＬｉＮｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ａｌ_1/3Ｏ₂及びＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.15Ａｌ_0.05Ｏ₂）及び金属元素が３種類以上である複合酸化物［例えばＬｉＭ_aＭ’_bＭ’’_cＯ₂（Ｍ、Ｍ’及びＭ’’はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満たす。例えばＬｉＮｉ_1/3Ｍｎ_1/3Ｃｏ_1/3Ｏ₂）等］、リチウム含有遷移金属リン酸塩（例えばＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＣｏＰＯ₄、ＬｉＭｎＰＯ₄及びＬｉＮｉＰＯ₄）、遷移金属酸化物（例えばＭｎＯ₂及びＶ₂Ｏ₅）、遷移金属硫化物（例えばＭｏＳ₂及びＴｉＳ₂）及び導電性高分子（例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ－ｐ－フェニレン及びポリビニルカルバゾール）等が挙げられ、２種以上を併用してもよい。なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。

正極活物質は、導電助剤及び被覆用樹脂で被覆された被覆正極活物質であることが好ましい。正極活物質の周囲が被覆用樹脂で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨張を抑制することができる。

導電助剤としては、金属系導電助剤［アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅及びチタン等]、炭素系導電助剤［グラファイト及びカーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック及びサーマルランプブラック等）等］、及びこれらの混合物等が挙げられる。これらの導電助剤は１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物として用いられてもよい。なかでも、電気的安定性の観点から、より好ましくはアルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、炭素系導電助剤及びこれらの混合物であり、さらに好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及び炭素系導電助剤であり、特に好ましくは炭素系導電助剤である。また、これらの導電助剤としては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料［好ましくは、上記した導電助剤のうち金属のもの］をめっき等でコーティングしたものでもよい。

導電助剤の形状（形態）は、粒子形態に限られず、粒子形態以外の形態であってもよく、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等、いわゆるフィラー系導電助剤として実用化されている形態であってもよい。

被覆用樹脂と導電助剤の比率は特に限定されるものではないが、電池の内部抵抗等の観点から、重量比率で被覆用樹脂（樹脂固形分重量）：導電助剤が１：０．０１～１：５０であることが好ましく、１：０．２～１：３．０であることがより好ましい。

被覆用樹脂としては、例えば、特許文献２に、非水系二次電池活物質被覆用樹脂として記載されたものを好適に用いることができる。

また、正極活物質層は、被覆正極活物質に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

正極活物質層は、正極活物質を含み、正極活物質同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。ここで、非結着体とは、正極活物質が結着剤（バインダともいう）により位置を固定されておらず、正極活物質同士及び正極活物質と集電体が不可逆的に固定されていないことを意味する。

正極活物質層には、粘着性樹脂が含まれていてもよい。粘着性樹脂としては、例えば、特許文献２に記載された非水系二次電池活物質被覆用樹脂に少量の有機溶剤を混合してそのガラス転移温度を室温以下に調整したもの、及び、例えば、特許文献３に粘着剤として記載されたもの等を好適に用いることができる。なお、粘着性樹脂は、溶媒成分を揮発させて乾燥させても固体化せずに粘着性（水、溶剤、熱などを使用せずに僅かな圧力を加えることで接着する性質）を有する樹脂を意味する。一方、結着材として用いられる溶液乾燥型の電極バインダーは、溶媒成分を揮発させることで乾燥、固体化して活物質同士を強固に接着固定するものを意味する。従って、溶液乾燥型の電極バインダー（結着材）と粘着性樹脂とは異なる材料である。

正極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、１５０～６００μｍであることが好ましく、２００～４５０μｍであることがより好ましい。

負極活物質層には負極活物質が含まれる。負極活物質としては、公知のリチウムイオン電池用負極活物質が使用でき、炭素系材料［黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、樹脂焼成体（例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等）、コークス類（例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等）及び炭素繊維等］、珪素系材料［珪素、酸化珪素（ＳｉＯ_x）、珪素－炭素複合体（炭素粒子の表面を珪素及び／又は炭化珪素で被覆したもの、珪素粒子又は酸化珪素粒子の表面を炭素及び／又は炭化珪素で被覆したもの並びに炭化珪素等）及び珪素合金（珪素－アルミニウム合金、珪素－リチウム合金、珪素－ニッケル合金、珪素－鉄合金、珪素－チタン合金、珪素－マンガン合金、珪素－銅合金及び珪素－スズ合金等）等］、導電性高分子（例えばポリアセチレン及びポリピロール等）、金属（スズ、アルミニウム、ジルコニウム及びチタン等）、金属酸化物（チタン酸化物及びリチウム・チタン酸化物等）及び金属合金（例えばリチウム－スズ合金、リチウム－アルミニウム合金及びリチウム－アルミニウム－マンガン合金等）等及びこれらと炭素系材料との混合物等が挙げられる。

また、負極活物質は、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆用樹脂で被覆された被覆負極活物質であってもよい。導電助剤及び被覆用樹脂としては、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆用樹脂を好適に用いることができる。

また、負極活物質層は、被覆負極活物質に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

負極活物質層は、正極活物質層と同様に、負極活物質同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。また、正極活物質層と同様に、粘着性樹脂が含まれていてもよい。

負極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、１５０～６００μｍであることが好ましく、２００～４５０μｍであることがより好ましい。

正極集電体及び負極集電体（以下まとめて単に集電体ともいう）を構成する材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、焼成炭素、導電性高分子材料、導電性ガラス等が挙げられる。これらの材料のうち、軽量化、耐食性、高導電性の観点から、正極集電体としてはアルミニウムであることが好ましく、負極集電体としては銅であることが好ましい。

また、集電体は、導電性高分子材料からなる樹脂集電体であることが好ましい。集電体の形状は特に限定されず、上記の材料からなるシート状の集電体、及び、上記の材料で構成された微粒子からなる堆積層であってもよい。集電体の厚さは、特に限定されないが、５０～５００μｍであることが好ましい。

樹脂集電体を構成する導電性高分子材料としては例えば、導電性高分子や、樹脂に必要に応じて導電剤を添加したものを用いることができる。導電性高分子材料を構成する導電剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

導電性高分子材料を構成する樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。電気的安定性の観点から、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）及びポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリメチルペンテン（ＰＭＰ）である。

セパレータとしては、ポリエチレン又はポリプロピレン製の多孔性フィルム、多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンとの積層フィルム、合成繊維（ポリエステル繊維及びアラミド繊維等）又はガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用のセパレータが挙げられる。

正極活物質層及び負極活物質層には電解液が含まれる。電解液としては、公知のリチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する公知の電解液を使用することができる。

電解質としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆及びＬｉＣｌＯ₄等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂及びＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはイミド系電解質［ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂及びＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂等］及びＬｉＰＦ₆である。

非水溶媒としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。

電解液の電解質濃度は、１～５ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、１．５～４ｍｏｌ／Ｌであることがより好ましく、２～３ｍｏｌ／Ｌであることがさらに好ましい。電解液の電解質濃度が１ｍｏｌ／Ｌ未満であると、電池の充分な入出力特性が得られないことがあり、５ｍｏｌ／Ｌを超えると、電解質が析出してしまうことがある。なお、電解液の電解質濃度は、リチウムイオン電池用電極又はリチウムイオン電池を構成する電解液を、溶媒などを用いずに抽出して、その濃度を測定することで確認することができる。

続いて発光部について説明する。図２は、発光部の例を模式的に示す斜視図である。図２に示す発光部２０は、その内部又は表面に配線を有する配線基板２１と、配線基板２１に実装された発光素子２２、制御素子２３ａ、２３ｂを備える。また、配線基板の端部には電圧測定端子２４、２５が設けられている。電圧測定端子２４、２５は単電池に接続した際に一方の電圧測定端子が正極集電体に接触し、他方の電圧測定端子が負極集電体に接触する位置に設けられている。すなわち、電圧測定端子２４、２５はそれぞれ単電池の正極集電体と負極集電体の間の電圧を測定する電圧測定端子となる。

電圧測定端子２４及び２５は制御素子２３ａ、２３ｂと電気的に接続されており、制御素子２３ａ、２３ｂは発光素子２２と電気的に接続されている。発光部２０の発光は、単電池の電圧に応じて電力消費量が変化するように制御される。具体的な発光の制御については後述する。

なお、配線基板２１の、発光素子２２の裏側にあたる面に、測定端子（図示略）が設けられてもよい。この測定端子は、単電池の温度を測定するための温度センサと接続して、温度測定端子として利用したり、ひずみゲージ、圧電素子等と接続して単電池の物理的変化を測定する端子として利用することができる。この測定端子も制御素子２３ａ、２３ｂと電気的に接続されており、制御素子２３ａ、２３ｂは発光素子２２と電気的に接続されている。発光部２０の発光は、例えば、単電池の温度に応じて電力消費量が変化するように制御される。

発光部を構成する配線基板としてはリジッド基板又はフレキシブル基板を使用することができる。図２に示すような配線基板の形状とする場合はフレキシブル基板とすることが好ましい。制御素子としてはＩＣ、ＬＳＩ等の任意の半導体素子を使用することができる。また、図２には制御素子を２つ実装した例を示しているが、制御素子の数は限定されるものではなく、１つでもよく、３つ以上であってもよい。発光素子としてはＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子等の、電気信号を光信号に変換することのできる素子を使用することができ、ＬＥＤ素子であることが好ましい。なお、発光部において配線基板を有することは必須ではなく、制御素子及び発光素子が基板を介さずに結線されることにより発光部を構成していてもよい。

発光部は、単電池の負極集電体及び正極集電体と電気的に接続されており、リチウムイオン電池からの電力供給を受けることができるようになっている。発光部が負極集電体及び正極集電体と電気的に接続されていると、リチウムイオン電池からの電力供給を受けて発光素子を発光させることができる。図２には電力供給を受けるための電極は図示していないが、電圧測定端子とは別の電極を発光部に設けておくことが好ましい。

また、負極集電体及び正極集電体は樹脂集電体であることが好ましく、負極集電体及び正極集電体が発光部の電極に直接結合して電気的に接続されていることが好ましい。樹脂集電体を使用する場合、樹脂集電体と発光部の電極を接触させ、樹脂集電体を加熱して樹脂を軟化させることにより、樹脂集電体と発光部の電極を直接結合させることができる。また、半田等の導電性を有する他の接合材を集電体と発光部の間に介して電気的な接続を行うこともできる。

本発明の組電池は、ここまで説明したような単電池ユニットが複数個接続されてなる。図３は、組電池の一例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。図３には組電池の構成を説明するために外装体の一部を除去して示している。図３には、組電池５０に外装体７０が設けられた形態を示している。組電池５０は、単電池ユニット３０が複数個接続されてなる。図３には、図１に示す単電池ユニット３０が５つ積層された組電池５０を示している。組電池５０では、隣り合う単電池１０の負極集電体１９の上面と正極集電体１７の下面が隣接するように積層されている。この場合、単電池ユニット３０は複数個直列接続されている。

組電池５０の外表面（側面）には各単電池ユニット３０が備える発光部２０が一列に並んでいる。図３には発光部２０が一列に並んでいる形態を示しているが、異なる単電池ユニット間における発光部の位置関係は限定されるものではなく、単電池ユニットの異なる側面に発光部が設けられていてもよいし、同じ側面においてその位置がずれていてもよい。

組電池５０は外装体７０に収容されている。外装体としては、金属缶ケース、高分子金属複合フィルム等を使用することができる。

組電池５０の最上面の負極集電体１９の上には導電性シートが設けられ、導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５９となる。また、組電池５０の最下面の正極集電体１７の上には導電性シートが設けられ、導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５７となる。導電性シートとしては導電性を有する材料であれば特に限定されず、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、樹脂集電体として記載した材料を適宜選択して用いることができる。引出配線を用いて、組電池への充電及び組電池からの放電を行うことができる。

図４は、図３に示す組電池のＡ－Ａ線断面図である。図４には組電池５０を収容する外装体７０も示している。単電池ユニット３０が備える発光部２０は、単電池の電圧に応じて発光するが、この光は単電池の電力消費のために発光するものであるので、光は外装体７０の中でとどまり、外装体の外に出ることはない。図４には外装体７０内で発光部２０が発光してその光が外装体の外に出ない様子を示している。

第１実施形態の組電池における発光の制御について説明する。以下、充電電圧が４．０Ｖになるまで充電し、放電電圧が２．５Ｖになるまで放電する繰り返し充放電を行う場合を例にして本発明の効果を説明する。図５は、組電池に繰り返し充放電を行った際の、組電池を構成する単電池毎の電圧を模式的に示すグラフである。図５には、単電池１、単電池２、単電池３及び単電池４の４つの単電池における電圧変化を示している。これら４つの単電池は、初期状態の電圧に差があり、単電池１の電圧が最も高く約３．０Ｖ、単電池４の電圧が最も低く約２．６Ｖとなっている。単電池間の電圧差は約０．４Ｖである。単電池２と単電池３の電圧はそれぞれ、単電池１の電圧と単電池４の電圧の間である。この地点がＡ地点である。

組電池の充電の際は、各単電池の電圧を測定する。充電が進むにつれて各単電池の電圧は上昇していく。そして、最も電圧値が高い単電池（この場合は単電池１）の電圧が４．０Ｖになった時点で充電を停止する。この地点がＢ地点である。

続いて、放電を行う。放電が進むにつれて各単電池の電圧は低下していく。そして、最も電圧値が低い単電池（この場合は単電池４）の電圧が２．５Ｖになった時点で放電を停止する。この地点がＣ地点である。

Ａ地点からＢ地点までの充電過程、及び、Ｂ地点からＣ地点までの放電過程において、各単電池ユニットが備える発光部が発光する。発光部の発光が、単電池の電圧に応じて電力消費量が変化するように制御される。好ましくは、単電池の電圧が高い場合に電力消費量が多くなるように制御される。電力消費量を多くするためには、単電池の電圧が高い場合に発光時間が長くなるようにしてもよく、単電池の電圧が高い場合に発光強度が強くなるようにしてもよい。単電池の電圧が高い場合に発光時間が長くなるようにする場合、単位時間（例えば１００ｓ（１００秒））のサイクルの中で、単電池の電圧が高い場合は１ｓ発光し、電圧が中程度の場合は０．５ｓ発光し、電圧が低い場合は０．１ｓ発光する、といった制御が考えられる。また、単位時間のサイクル中に、所定の時間幅のパルスを複数発光させ、単位時間当たりのパルス数を変えるようにするなど、測定された電圧に応じて所定のパターンを発光するようにしてもよい。これらの段階は特に限定されるものではない。

充電の際に発光部を発光させることで、充電を行いつつ発光部を発光させて電力消費をすることになる。単電池の電圧が高い場合に電力消費量が多くなるように発光部の発光を制御すると、充電時に電圧が上昇する傾きが単電池毎に異なるようになる。単電池の電圧が高く発光部の発光による電力消費量が多い単電池１は単電池の電力消費量が多いため充電時の電圧上昇の傾きが相対的に小さくなる。一方、単電池の電圧が低く発光部の発光による電力消費量が少ない単電池４は単電池の電力消費量が少ないため充電時の電圧上昇の傾きが相対的に大きくなる。単電池１の電圧が４．０Ｖとなり、充電を停止した時点（Ｂ地点）では、単電池４の電圧が３．６５Ｖとなる。すなわち、単電池間の電圧差が０．３５Ｖとなる。初期状態で単電池間の電圧差は０．４Ｖであったので、１回の充電により最も電圧の高い単電池と最も電圧の低い電圧差が０．０５Ｖ縮まったことになる。このようにすると充電開始から充電停止に至る間で最も電圧の高い単電池と最も電圧の低い電圧差が縮まることになる。

放電の際に発光部を発光させることで、本来の放電に伴う電力消費に加えて発光部の発光に伴う電力消費が加わるので、単電池自体の電力消費量が多くなる。ここで、単電池の電圧が高い場合に電力消費量が多くなるように発光部の発光を制御すると、単電池の電圧が高い単電池の電力消費量が相対的に多く、単電池の電圧が低い単電池の電力消費量が相対的に少なくなるので、放電時に電圧が低下する傾きが単電池毎に異なるようになる。単電池の電圧が高く発光部の発光による電力消費量が多い単電池１は単電池の電力消費量が多いため放電時の電圧低下の傾きが相対的に大きくなる。一方、単電池の電圧が低く発光部の発光による電力消費量が少ない単電池４は単電池の電力消費量が少ないため放電時の電圧低下の傾きが相対的に小さくなる。単電池４の電圧が２．５Ｖとなり、放電を停止した時点（Ｃ地点）では、単電池１の電圧が２．８Ｖとなる。すなわち、単電池間の電圧差が０．３Ｖとなる。充電終了時で単電池間の電圧差は０．３５Ｖであったので、１回の放電により最も電圧の高い単電池と最も電圧の低い電圧差が０．０５Ｖ縮まったことになる。

上記例では１回の充放電で最も電圧の高い単電池と最も電圧の低い電圧差が０．０５Ｖ＋０．０５Ｖ＝０．１Ｖ縮まったことになる。以後、同様にしてＤ地点までの充電－Ｅ地点までの放電・・・というようにして充放電を繰り返すことにより、最も電圧の高い単電池と最も電圧の低い電圧差が縮まっていく。その結果、組電池を構成する複数の単電池の端子間電圧値の差が修正されて、組電池が本来有する電池容量を発揮することができるようになる。

各単電池の電圧測定端子により測定された電圧と発光部の発光による消費電流量の関係について、電圧測定端子により測定された電圧と発光部の発光による消費電流量の関係が段階的に定められていてもよい。例えば、上記例において、消費電流量を、電圧が３．０Ｖ以上のときは２０ｍＡ、２．５Ｖ～３．０Ｖのときは１０ｍＡ、とするような方法が挙げられる。

また、電圧測定端子により測定された電圧と発光部の発光による消費電流量の関係が連続的に定められていてもよい。例えば、電圧と消費電流量の間に、（消費電流量）＝ｋ（比例定数）×Ｖ（単電池の電圧）のような比例式を設定しておき、単電池の電圧の変化に応じて消費電流量が変化するようにしてもよい。

図５に示した例では充電過程及び放電過程の両方において発光部を発光させているが、充電過程又は放電過程の一方のみにおいて発光部を発光させてもよい。また、１回の充電過程又は放電過程における発光部の発光による電力消費量について、充電開始時又は放電開始時の単電池の電圧の差又は上下関係に応じて電力消費量を定めて、当該充電過程又は放電過程が終了するまでは発光部による電力消費量を一定にするようにしてもよい。

［第２の実施形態：リチウムイオン電池モジュール］
図６は、リチウムイオン電池モジュールの一例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。リチウムイオン電池モジュール１は、積層された複数の単電池ユニット３０を有する。また、リチウムイオン電池１は、発光部２０の発光面に隣接または近接して配置された光導波路６０を有する。さらに、リチウムイオン電池モジュール１は、複数の単電池ユニット３０および光導波路６０を収容する外装体７０を有する。第１の実施形態では、発光部を電力消費のために用いたが、第２の実施形態では、発光部をリチウムイオン電池モジュールの外部との通信にも用いる。第２の実施形態では、それぞれの機能を併用してもよいし、それぞれ単独で用いてもよい。

積層された複数の単電池ユニット３０は組電池５０を構成している。図６は、５つの単電池ユニット３０を積層した形態を示しているが、単電池の積層数は５より多くても、または５より少なくてもよい。一実装例では、単電池ユニット３０の積層数は２０以上であり得る。各単電池ユニット３０、および組電池５０の構成は、第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。

光導波路６０は、複数の単電池ユニット３０の発光部２０から出力される光信号の共通の光路を提供する。図２に示すように、単電池の積層方向に延伸した光導波路６０は、発光部２０の発光面に隣接または近接して配置される。光導波路６０は、発光部２０からの光信号を受光するのに十分な幅（単電池の積層方向に直交する方向の長さ）を有する導光板としてもよい。光導波路６０を導光板で構成する場合、光導波路６０の幅方向寸法を発光部２０の発光面の最大寸法（発光面が円形の場合は直径、矩形の場合は対角線）よりも大きくするとよい。

光導波路６０として導光板を用いる場合、複数の発光部２０の発光面（各々が積層された複数の単電池に対応する）のすべてを覆うように光導波路６０を配置することができる。また、発光部２０の発光方向（発光面の鉛直方向に一致する場合および発光面の鉛直方向にから傾斜している場合を含む）を覆うように光導波路６０を配置することができる。

また、光導波路６０としての導光板に対する発光部２０からの光信号の結合効率を高めるために、レンズなどの追加部品を用いてもよく、集光加工を施した導光板を用いてもよい。さらに、単電池の積層方向に直交する方向に延伸した光導波路６０を用いることも可能である。この場合、光導波路６０としての導光板は、複数の発光部２０の発光面のすべてを覆うことが可能で、光出力部に向かうテーパー形状とすることにより、先細りの光出力部から出力される光信号を受光部８０で受信することができる。

光導波路６０は、光ファイバとしてもよく、例えば、複数の心線を束ねたテープ型ファイバを用いてもよい。また、受光部８０が外装体７０の内部に配置されている場合には、発光部２０の発光方向と外装体７０の内面との間に空間を設け、受光部８０との間に空間光学系を構成してもよい。このとき、発光部２０からの光信号の結合効率を高めるために、外装体７０の内部に反射板などの追加部品を用いてもよく、外装体７０の内面を反射面として加工してもよい。

１つの光導波路６０に隣接または近接して配置された２０個以上の単電池ユニット３０の各々に備えられた発光部２０からの発光は、光学的に光導波路６０に結合され、光出力部から出射される。本実施形態において、光導波路６０の一部は、外装体７０から引き出されて、各々の発光部２０から入射し伝搬した光信号が出射する光出力部となっている。光出力部から出射した光信号は、受光部８０により受信される。

外装体の外に出た光導波路の一端から出射された光信号は、受光部８０により受信される。受光部８０は受光素子８１を備えており、受光素子８１によって光信号を電気信号に逆変換することにより、組電池５０に含まれる単電池ユニット３０内の状態を示す電気信号を得ることができる。受光素子８１としてはＬＥＤ素子、フォトトランジスタ等を使用することができ、ＬＥＤ素子が好ましい。発光素子であるＬＥＤ素子を受光素子として用いて受光部８０を構成してもよい。

なお、光出力部を含む光導波路６０の全体が外装体７０の内部に収容されている場合には、光出力部から出射した光信号は、外装体７０の内部に配置された受光部８０により受信される。

組電池と離間して配置される受光部８０と光導波路６０との間は、電気的に接続されておらず、光信号によって受光部８０と光導波路６０の間の情報伝達がされる。すなわち、受光部８０と組電池５０とが電気的に絶縁されていることを意味している。

外装体７０は、組電池５０と、光導波路６０および引出配線５７、５９の少なくとも一部を収容する。外装体７０は、金属缶ケースまたは高分子金属複合フィルムを用いて構成することができる。外装体７０は、内部の減圧を保つように封止される。

発光部２０の制御素子２３ａ、２３ｂは、対応する単電池１０の特性を測定し、測定された特性を表す特性信号を生成する測定回路として機能するように構成されている。例えば、電圧測定端子２４，２５に入力される電圧に対応するバイナリー信号を特性信号として生成する。特性信号は、電圧範囲と対応する信号パターンを定義した、ルックアップテーブルを使って、電圧測定端子に入力された電圧をバイナリー信号に変換して生成することができる。また、電圧測定端子に入力された電圧を、アナログ／デジタル変換により８ビット（または１６ビット）バイナリー信号に変換して生成してもよい。

同様に、制御素子２３ａ、２３ｂの測定回路は、上述した測定端子に接続された温度センサの出力をバイナリー信号に変換したり、ひずみゲージ、圧電素子等の出力をバイナリー信号に変換することができる。

制御素子２３ａ、２３ｂは、所定の期間毎に特性信号を符号化した制御信号を出力する制御回路として機能するように構成されている。所定のパターンに符号化された制御信号は、発光部２０に供給され、制御信号に応じた光信号が、光導波路６０に出力される。また、制御素子２３ａ、２３ｂは、特性信号と共に対応する単電池ユニット３０に、固有の識別子を符号化して制御信号に付加して出力する。対応する単電池ユニット３０の特性信号と共に識別子が符号化された制御信号に基づいて光信号が出力されるので、受信側において、いずれの単電池の状態情報であるかを識別することができる。

図７は、リチウムイオン電池モジュールにかかる光通信システムの機能ブロック図である。受光部８０には、状態決定部１０２および状態推定部１０４を含む信号処理装置１００が接続されている。受光部８０が光導波路６０から受光した光信号を電気信号に変換し、信号処理装置１００は、後述する追加情報と合わせて、複数の単電池の状態を決定または推定するように構成されている。

リチウムイオン電池１モジュールは、引出配線５７と引出配線５９とに接続された、組電池の入出力電圧を測定するための電圧計１２０を備える。また、リチウムイオン電池１モジュールは、引出配線５７に接続された、組電池の入出力電流を測定するための電流計１１０を備える。電圧計１２０から取得される入出力電圧情報および電流計１１０から取得される入出力電流情報は、追加情報として複数の単電池の状態を決定または推定する際に用いることができる。

信号処理装置１００は、複数の単電池の状態を決定または推定する際に時系列や事前知識を用いることもできる。時系列は、状態決定部１０２により決定された状態を時間順に記録した情報テーブルとすることができる。事前知識は、事前に設定した単電池の特性（電圧や温度などの内部状態）と測定回路９０が出力する特性信号の長さとの対応関係を示す情報テーブルや、単電池の特性（電圧や温度などの内部状態）の状態遷移を示す情報とすることができる。時系列や事前知識は、コンピュータが読取可能な記録媒体に記録された情報とすることができる。信号処理装置１００は、メモリおよびプロセッサと、プロセッサを状態決定部１０２および状態推定部１０４として機能させるプログラムを記録したコンピュータが読取可能な記憶媒体とを備えたコンピューティング装置としてもよい。コンピュータが読取可能な記憶媒体は、プログラムの他に、上述した事前知識を示す情報を記録していてもよい。

次に、リチウムイオン電池モジュールの外部との通信について説明する。複数の発光部２０と受光部８０との間の通信方式は、任意の方式を適用することができる。複数の発光部２０が光導波路６０を共通の光路として使用するので、受光部８０において、どの単電池１０の発光部２０から発光された信号かを識別する必要がある。

各発光部２０の制御素子２３ａ、２３ｂに発振回路を搭載し、周期的に発光するようにするともに、複数の発光部２０が同時に発光しないように、衝突防止の機能を付加することが考えられる。また、各発光部２０の発光素子２２の波長を変えて、波長多重通信とすることもできる。さらに、発光部２０の発光素子２２を受光素子として機能させ、受光部８０にも発光素子を備えることにより、受光部８０からのリクエスト信号に応じて、発光部２０が発光するようにしてもよい。

また、制御回路は、測定回路によって測定された特性信号を、様々な形式の制御信号として出力することができる。上述したように、アナログ／デジタル変換により、電圧値そのものをバイナリー信号として出力することができる。一方、組電池５０に含まれる単電池３０の数が多くなれば、１つの単電池の特性を示す情報量を少なくして、効率よく信号処理装置１００に出力できることが望ましい。

第１に、情報量を圧縮する場合を述べる。上述したように、ルックアップテーブルを使って、電圧値そのもののバイナリー信号を、ビット数の少ないバイナリー信号に変換したり、丸めたり、上位桁を省略してビット数を削減したバイナリー信号を生成してもよい。また、所定の範囲の電圧値を、まとめて１つのバイナリー信号に変換してもよい。具体例として、２．０Ｖから２．５Ｖまでを整数値の「１」、２．５Ｖから３．０Ｖまでを整数値の「２」というように、区間ごとに整数値を当てはめ、バイナリー信号に変換して、所定のパターンの制御信号とすることができる。

第２に、時間軸で情報を間引く場合を述べる。制御回路は、常時単電池１０の電圧値を取得するのではなく、例えば、１時間ごと、１２時間ごと、または１日おきなど、所定の周期で制御信号を出力するようにする。また、充電過程においては、充電を開始してから所定の電圧を超えた時点、例えば２．０Ｖを超えた時点で制御信号を出力し、その後、予め定めた周期、例えば１０～５００秒ごとに制御信号を出力してもよい。放電過程においては、単電池１０への充電を停止してから、すなわち最も電圧値が高い地点から電圧が低下してから、予め定めた周期ごとに制御信号を出力するようにしてもよい。すなわち、充電過程および／または放電過程において、所定の電圧に達してから、予め定めた周期ごとに制御信号を出力するようにしてもよい。

さらに、上記の第１の方法と第２の方法とを組み合わせて、制御信号を出力することもできる。例えば、１または複数の閾値を設定し、測定した電圧値が閾値を超えたとき、または閾値を下回ったときのみ、所定のパターンの制御信号を出力するようにしてもよい。具体例として、２．０Ｖから４．５Ｖまで０．５Ｖごとに閾値を設け、それぞれの閾値を超えたときに＋１～＋６の整数値を、閾値を下回ったときに－１～－６の整数値を、変化のない場合に０を当てはめ、計１３の整数値をバイナリー信号に変換して、所定のパターンの制御信号とすることができる。

制御回路は、測定回路によって測定された温度センサからの特性信号、ひずみゲージ、圧電素子等からの特性信号も、同様にして、１つの単電池の特性を示す情報量を少なくして、効率よく信号処理装置１００に出力することができる。

制御素子２３ａ、２３ｂと発光部２０とによる外部との通信は、上述したように、単電池の定常状態を監視するだけでなく、異常状態の監視にも用いることができる。例えば、温度センサから取得した単電池の温度が所定の値、例えば、単電池の温度が異常に上昇して枠部材１８の一部が溶解するような温度に達したときに、測定回路は異常状態に対応する特性信号を出力する。制御回路は、上述した所定のパターンの制御信号と異なり、例えば、発光部２０が常時ＯＮの光信号を発光するように制御信号を出力することもできる。異常状態の単電池の発光部２０が、常時ＯＮすることで、共通の光路である光導波路を適用した通信であっても、単電池の異常状態を検知し易くすることができる。

同様に、制御回路は、電圧測定端子からの特性信号、ひずみゲージ、圧電素子からの特性信号が、所定の異常値を超えたときに、所定のパターンの制御信号、所定の周期の制御信号とは無関係に、異常状態に対応する特性信号、例えば、発光部２０が常時ＯＮの光信号を発光するように制御信号を出力する。共通の光路である光導波路を適用した通信であっても、複数の単電池のうち、いずれかの単電池に異常が生じたときに、組電池の異常として検知することができ、即座にリチウムイオン電池モジュールの異常の有無を検知することができる。

第１の実施形態では、発光部２０を電力消費のために用いたが、この機能と併用する場合、測定された電圧に応じて決められた第１の実施形態の所定のパターンと、第２の実施形態で生成するバイナリー信号の所定のパターンとを、識別可能に定義すればよい。第２の実施形態では、単電池ユニット３０ごとに固有の識別子を付加するので、受光部８０は、識別子の有無により、電力消費のための発光か、特性信号を含む発光かを区別するようにしてもよい。

なお、第２の実施形態では、単電池１０の特性として電圧測定端子２４，２５に入力される電圧を例に説明したが、正極集電体および負極集電体の表面または単電池の表面に接して設けられた１つ以上の温度測定素子により、温度による特性を測定してもよい。

本発明の組電池は、複数の単電池の端子間電圧値の差を修正して、組電池が本来有する電池容量を発揮させることができる。そのため、電気自動車及びハイブリッド電気自動車等の電源及び携帯型電子機器の電源として使用することに適している。

１０ 単電池
１２ 正極
１３ 負極
１４ セパレータ
１５ 正極活物質層
１６ 負極活物質層
１７ 正極集電体
１８ 枠部材
１９ 負極集電体
２０ 発光部
２１ 配線基板
２２ 発光素子
２３ａ、２３ｂ 制御素子
２４、２５ 測定端子
３０ 単電池ユニット
５０ 組電池
５７、５９ 引出配線
６０ 光導波路
７０ 外装体
８０ 受光部
８１ 受光素子
１００ 信号処理装置
１０２ 状態決定部
１０４ 状態推定部
１１０ 電流計
１２０ 電圧計

Claims (8)

1. 順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と、電解質と、を含む単電池が複数個接続されてなる組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールであって、
   各々前記単電池に設けられた、対応する単電池の特性を表す特性信号を受信し、当該単電池の識別子と前記特性信号とを符号化した制御信号を出力するように構成された制御部、および前記制御信号に応じた光信号を出力する発光部と、
   複数の前記発光部から出力される光信号の共通の光路を提供する光導波路と
   を備え、
   前記制御部は、前記対応する単電池の前記特性を表す前記特性信号を出力する測定回路を含み、
   前記測定回路は、同じ単電池の正極集電体と負極集電体の間の電圧を測定する電圧測定端子に接続され、
   前記制御部は、所定の電圧に達してから予め定めた周期毎に前記発光部から前記光信号を発光させるように制御信号を出力する 、リチウムイオン電池モジュール。
2. 前記制御部は、前記電圧測定端子により測定された電圧に応じて前記発光部から所定のパターンの光信号を発光させるように制御信号を出力する、請求項１に記載のリチウムイオン電池モジュール。
3. 前記制御部は、前記電圧測定端子により測定された電圧が所定の閾値に達したときに前記発光部から前記光信号を発光させるように制御信号を出力する、請求項１に記載のリチウムイオン電池モジュール。
4. 前記測定回路は、同じ単電池の温度を測定する温度測定端子に接続され、
   前記制御部は、前記測定された温度が所定の値に達したときに前記発光部から前記光信号を発光させるように制御信号を出力する、請求項１に記載のリチウムイオン電池モジュール。
5. 前記測定回路は、同じ単電池の温度を測定する温度測定端子に接続され、
   前記制御部は、前記発光部から所定の周期の光信号を発光させるように制御信号を出力すると共に、前記電圧又は前記温度の測定値が所定の値を超えたときに、前記所定の周期とは無関係に、異常状態に対応する光信号を発光させるように制御信号を出力する、請求項１に記載のリチウムイオン電池モジュール。
6. 前記制御部は、前記単電池の電圧に応じて電力消費量が変化するように前記発光部を発光させるように制御信号を出力する、請求項１に記載のリチウムイオン電池モジュール。
7. 前記組電池及び前記光導波路の少なくとも一部を収容する外装体と、
   前記外装体の内部又は外部において、前記組電池と離間して配置される受光部とを備え、
   前記受光部と前記組電池とは電気的に絶縁されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池モジュール。
8. 前記光信号を受信して電気信号に変換する受光部と、
   前記変換された電気信号を処理して前記複数の単電池のそれぞれの状態を決定または推定するように構成された信号処理部と
   をさらに備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池モジュール。

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