JP7215582B2 - 電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システム - Google Patents

電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システム Download PDF

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Description

本発明は、例えばリチウムイオン二次電池に適用される電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システムに関する。
近年では、リチウムイオン電池などの二次電池の用途が、太陽電池、風力発電などの新エネルギーシステムと組み合わせた電力貯蔵用蓄電装置、自動車用蓄電池等に急速に拡大している。これらの用途に供するために、複数の単位電池(単電池やセルとも称される。以下の説明では、単に電池と適宜称する)を直列又は並列に接続した電池パックが使用される。
リチウムイオン二次電池の場合、過充電、過放電などによって異常発熱し、可燃性ガスが発生したり、電池の発火の危険性がある。かかる問題に対処するために、例えば特許文献1には、可燃性ガスが燃焼して損傷を防止するために、筐体と電池の間の空間を不燃性の充填部材で埋めるようにした電池パックが記載されている。
また、特許文献2には、過充電や過放電により電池に異常発熱が生じた場合に、急激に電池温度が上昇してしまうことを抑制するために、加熱分解によってCO2ガスを発生する潜熱蓄熱材を電池に対して取り付けることが記載されている。
特開2008-117756号公報 特開2013-178909号公報
特許文献1に記載のものは、充填部材の形態でパック内に配置されるため、充填ムラや気泡が混入した場合などは、電池セルに接していない部分が存在してしまうことがあり、効果的に機能しない場合がある。また、充填部材に何を用いるかにもよるが、強度が不足している場合は電池をより強固に保持できない。さらに、絶縁でない部材の場合は電池間の絶縁が保てずケース間でのリーク電流が流れてしまうおそれがある。さらに、断熱性の材料となるため通常使用時の放熱ができなくなり、パック内に熱がこもり大電流での使用時間が限られてしまうことなどが想定される。
特許文献2に記載のものでは、充填材をパックしたシートを電池側面や天面など部分的に電池セルに張り付けているため、いずれかの電池が発火した場合、パック内では炎や高温ガスが不規則に対流するため、健全な電池セルはどの部分からアタックされるかが分からない状況となり電池を効果的に保護ができない。また、シート状に充填剤をパックすることで様々な内容物を封入できるが、袋の外装シートを介しているので熱の伝わりが悪い。さらに、製造工程が品質管理面含めると複雑となり、高コストとなってしまう問題がある。
したがって、本発明の目的は、これらの問題点を解消することができる電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置及び電力システムを提供することにある。
本発明は、電極体と、
電極体を収容する外装部材と、
外装部材の少なくとも一部は絶縁部材で被覆されており、絶縁部材は多層構造を有し、
外装部材と接する側を内層、反対側を外層としたとき、絶縁部材の最内層が高温時に不燃性ガスを発生する不燃性ガス発生部材で構成され、最外層が絶縁樹脂層で構成された電池である。
電池の絶縁と効果的な不燃性ガス発生の機能を両立させることができる。
また、本発明は、複数の上述した電池がケース内にセル間保持部材を介して収納され、
セル間保持部材が高温時に不燃性ガスを発生する部材で、且つ発泡体として成形されている電池パックである。
電池セルの外装ケースを絶縁する目的で用いられる絶縁部材を高温時に不燃性ガスを発生し熱伝導しにくい材料とすることで、電池パック内において、いずれかの電池が発熱して温度上昇する際に熱分解して不燃性ガスを発生し、パック内酸素濃度を低減することができ窒息消火の効果が期待できる。また電池が発火した場合でも隣接する電池の絶縁部材からも不燃性ガスが発生し、次の電池の発火を食い止めることができる。
また、本発明は、複数の上述した電池と、
複数の電池が収容される外装ケースと、
複数の電池を保持するセル間保持部材とを有し、
セル間保持部材は発泡樹脂を含み、高温時に不燃性ガスを発生する物質をさらに含む電池パックである。
本発明では、電池の上下を強固な保持部材で保持することで、振動や落下衝撃等に強い電池パックとすることができ、また、通常高負荷運転で温度上昇した電池の熱を保持部材を介してケースに放熱することができる。
本発明は、上述した電池から電力の供給を受ける電子機器である。
本発明は、上述した電池と、電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置とを有する電動車両である。
本発明は、上述した電池を有し、電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置である。
本発明は、上述した電池から電力の供給を受ける電力システムである。
少なくとも一つの実施形態によれば、一つの電池が発火しても他の電池へ延焼しない安全な電池パックを提供することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。
図1は、本発明を適用できるリチウムイオン二次電池の一例の断面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態の説明に使用する斜視図である。 図3A及び図3Bは、本発明の第1の実施形態に使用する絶縁部材の説明に使用する斜視図及び一部拡大断面図である。 図4は、本発明の第1の実施形態の一部拡大断面図である。 図5は、絶縁部材の他の例の説明に使用する斜視図である。 図6は、絶縁部材のさらに他の例の説明に使用する斜視図である。 図7A及び図7Bは、絶縁部材のさらに他の例の説明に使用する斜視図である。 図8は、本発明を電池パックに対して適用した第2の実施形態の説明に使用する斜視図である。 図9は、セル間発泡保持部材の斜視図である。 図10は、本発明を電池パックに対して適用した第3の実施形態の説明に使用する斜視図である。 図11A及び図11Bは、上部用保持部材及び下部用保持部材の説明に使用する斜視図である。 図12は、本発明の応用例としての電池パックの説明に使用する接続図である。 図13は、本発明の応用例としての電動工具の説明に使用する接続図である。 図14は、本発明の応用例としての無人航空機の説明に使用する接続図である。 図15は、無人航空機の構成を示す正面図である。 図16は、バッテリ部の構成の一例および他の例の説明に用いる略線図である。 図17は、本発明の応用例としての住宅用の蓄電システムの説明に使用する接続図である。 図18は、本発明の応用例としての電動車両の説明に使用する接続図である。
以下、本発明について図面を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また例示した効果と異なる効果が存在することを否定するものではない。
まず、本発明の第1の実施形態について説明する。本発明を適用することが可能な電池、例えば円筒型リチウムイオン二次電池について説明する。
本発明の第1の実施形態では、一例として円筒型の非水電解質二次電池(以下、「非水電解質電池」または単に「電池」という)について、図1を参照しながら説明する。
図1に示すように、この電池1は、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、巻回電極体20および一対の絶縁板12、13が収納されたものである。このような電池缶11を用いた電池構造は、円筒型と呼ばれている。
電池缶11は、例えば、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有しており、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)またはそれらの合金などにより構成されている。なお、電池缶11が鉄により構成される場合には、例えば、電池缶の11の表面にニッケル(Ni)などが鍍金されていてもよい。一対の絶縁板12、13は、巻回電極体20を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC素子)16がガスケット17を介してかしめられており、その電池缶11は、密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15および熱感抵抗素子16は、電池蓋14の内側に設けられている。
安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されている。この安全弁機構15では、内部短絡、または外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との間の電気的接続を切断するようになっている。
熱感抵抗素子16は、温度の上昇に応じて抵抗が増大する(電流を制限する)ことにより、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。
巻回電極体20は、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層および巻回されたものである。この巻回電極体20の中心には、センターピン24が挿入されていてもよい。
巻回電極体20の正極21には正極リード25が接続されており、負極22には負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
正極リード25は、例えば、薄板状の導電部材であり、例えば、アルミニウムなどにより構成されている。負極リード26は、例えば、薄板状の導電部材であり、銅(Cu)、ニッケルまたはステンレス(SUS)などにより構成されている。
正極21は、例えば、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。なお、正極21は、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bが設けられた領域を有していてもよい。
正極集電体21Aとしては、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔、またはステンレス箔などの金属箔を用いることができる。
正極活物質層21Bは、正極活物質を含む。正極活物質層21Bは、必要に応じて、導電剤、結着剤などの他の材料を含んでいてもよい。
負極22は、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、負極22は、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bが設けられた領域を有していてもよい。負極集電体22Aとしては、例えば、銅箔などの金属箔を用いることができる。
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡(ショート)を防止しながらリチウムイオンを通過させるものである。
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。電解液は、例えば、電解質塩と、この電解質塩を溶解する非水溶媒とを含む非水電解液である。非水電解液は、必要に応じて添加剤などを含んでいてもよい。
上述した非水電解質電池では、充電時において、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
上述した円筒型リチウムイオン二次電池1の外装部材としての電池缶11を絶縁するために、図2に示すように、電池1が絶縁部材(絶縁チューブ)30によって被覆される。例えば絶縁部材30は、熱収縮材からなり、電池1が円筒状に成型された絶縁部材30内に挿入され、次に加熱されることによって絶縁部材30が収縮して電池1を保持する。
本発明の第1の実施形態では、絶縁部材30が加熱されることによって不燃性ガスを発生する不燃性ガス発生材料を含む。すなわち、絶縁部材30は、温度上昇する際に熱分解して不燃性ガスを発生し、パック内酸素濃度を低減することができる。したがって、電池1が高温となった場合に、不燃性ガスが発生して電池1の周辺の酸素濃度を低下させることができ、電池1の発火を抑えることできる。さらに、発火した場合に窒息消火を行なうことができる。さらに、隣接する他の電池に設けられた絶縁部材からも不燃性ガスが発生することにより周囲の電池への類焼を食い止めることができる。
絶縁部材30の一例を図3Aに示し、その一部拡大断面図を図3Bに示す。この例では、絶縁部材30がフィルム状の絶縁樹脂層(絶縁シート)30A及び不燃性ガス発生部材30Bの2層構造とされている。例えば絶縁樹脂層30Aに対して不燃性ガス発生部材30Bを塗布し、乾燥させることによって絶縁部材30が作製される。不燃性ガス発生部材30Bが電池1の外装部材の電池缶11と接するようになされる。絶縁樹脂層30Aによって個々の電池セルの絶縁効果を生じさせ、不燃性ガス発生部材30Bによって発火防止並びに消火のための不燃性ガスを発生させることができる。図4は、絶縁部材30で電池1を被覆した電池の一部の横断面を拡大して示す。
絶縁樹脂層30Aの絶縁収縮材料として、次のようなものを使用できる。
PVC(ポリ塩化ビニル),PET(ポリエチレンテレフタレート),ポリオレフィン,PTFE(テフロン(登録商標)),シリコーン
不燃性ガス発生部材30Bが発生する不燃性ガスは、次のようなものである。
2O,CO,CO2,N2,NO,NO2
不燃性ガス発生部材30Bは不燃性ガス発生物質を含み一例は次のようなものである。
2,NO,NO2 を発生させる物質:メラミン樹脂,窒素含有フェノール樹脂,窒素含有エポキシ樹脂
CO,CO2を発生させる物質
酢酸ナトリウム,酢酸カリウム、炭酸水素ナトリウム,炭酸水素マグネシウム,炭酸水素カルシウム,炭酸水素カリウム
2Oを発生させ、かつ導電性を有する物質
水酸化マグネシウム,水酸化ナトリウム,水酸化カルシウム
不燃性ガス発生部材30Bを塗布する際に用いる結着材として、次のようなものを使用できる。
ポリエステル樹脂,ポリオレフィン樹脂,エポキシ樹脂,フェノール樹脂,PVA(ポリビニルアルコール),EVA(エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂),PVDF(ポリフッ化ビニリデン),アクリル,ポリウレタン。以上のような結着剤を用いることにより絶縁部材30が熱収縮した際にも不燃性ガス発生部材30Bの剥離等なく電池外装部材に密着させることができる。
上述した本発明の第1の実施形態は、次のような作用効果を奏する。
第1に、異常時発熱した電池内部からの熱が電池缶11を介して最初に不燃性ガス発生部材30Bに伝搬され、熱分解によって不燃性ガスを発生させ、異常発熱した電池周辺の酸素濃度を低減させ窒息消火させることができる。
第2に、発火電池に隣接する電池においても、熱伝導によって伝搬される熱や発火した炎によって加熱されることで、不燃性ガスを電池表面周辺に発生させて次の電池への誘爆を防止する。
第3に、電池外装に絶縁部材30があることで、組み立て時やパック変形時に電位をもった電池セル外装部材間の接触が起こった場合でも短絡しないように安全に取り扱えるようにできる。
次に、絶縁部材の他の例(絶縁部材31)について説明する。図5に示すように、絶縁部材31は、外層が絶縁樹脂層31Aとされ、内層を高温時に不燃性ガスを発生させる不燃性ガス発生部材31Bとした2層構造とされている。絶縁樹脂層31A内に融点の高い格子上のフレーム31Cが入っていることを特徴としている。
すなわち、絶縁樹脂層31A内に融点が高いPEEK材やフェノール樹脂、カーボンファイバーなどで格子状や編み目メッシュ状などに成型したフレーム31Cを絶縁樹脂層31A内に組み込む。絶縁樹脂層31Aとして使用される塩ビやPETなどの材料の融点が100~130°C辺りであり、電池異常時の自己発熱によって電池の表面温度は、300°C~500°C程度まで上昇することから、フレーム31Cが組み込まれていないと、早い段階で絶縁樹脂層31Aが形状を保てなくなる可能性がある。
しかしながら、絶縁樹脂層31Aの材料に比して融点が高い材料からなるフレーム31Cが存在するので、絶縁樹脂層31Aの形状を保つことができる。したがって、外層の絶縁樹脂層31Aが溶融した場合においても、高融点材料のフレーム31Cが形状を保持することで、電池が発火するまでの高温域においても安定して不燃性ガス発生部材31Bを電池表面に留めておくことができる。
次に、絶縁部材のさらに他の例(絶縁部材32)について説明する。図6に示すように、小さな開口例えば円形の穴が多数形成されている絶縁樹脂層32Aが使用される。絶縁樹脂層32Aに対して不燃性ガス発生部材32Bが塗布されている。すなわち、電池1を絶縁被覆している絶縁部材32が、内装を高温時に不燃性ガスを発生させる不燃性ガス発生部材32Bとし、外層を絶縁樹脂層32Aの2層フィルムで構成されており、絶縁シート32Aが穴空き形状とされている。
前述した絶縁部材30の構成では、図7Aに示すように、外層の絶縁樹脂層30Aが密閉されたシートとなっているため、内層の不燃性ガス発生部材30Bから不燃性ガスを発生させても、上下の開口部からしか放出することができない。これに対して、絶縁部材32の場合では、外層の絶縁樹脂層32Aを穴空き形状としているので、不燃性ガス発生部材30Bが表面に点在して現れ、上下の開口部と周面の穴を通じて不燃性ガスが全方位に発散される。したがって、複数の電池1をパック構造としてケース内に収納している場合に、ケース内に不燃性ガスを均一に拡散させることができる。
次に本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、複数の電池を直列及び/又は並列に接続して外装ケース内に制御回路と共に収容した電池パックである。一例として4本の電池を有する電池パックに本発明を適用した例について説明する。
図8において2点鎖線で示す外装ケース40内に4本の電池1a,1b,1c,1dが並べられた状態で収納される。電池1a~1dは、上述した絶縁部材30、31又は32によって電池缶11が被覆されたものである。図8の例では、各電池が絶縁部材30a、30b、30c及び30dによって被覆されている。
外装ケース40内では、隣り合う電池の正負の向きが逆とされている。そして、セル間接続タブ41aによって、電池1a及び1bが直列接続され、セル間接続タブ41bによって、電池1b及び1cが直列接続され、セル間接続タブ41cによって、電池1c及び1dが直列接続される。なお、複数の電池の接続方法としては、直列に限らず並列であってもよく、また、直並列であってもよい。
隣接する電池間に、セル間発泡保持部材42a、42b及び42cが介在される。すなわち、電池1a及び1bの間にセル間発泡保持部材42aが介在され、電池1b及び1cの間にセル間発泡保持部材42bが介在され、電池1c及び1dの間にセル間発泡保持部材42cが介在されている。
図9は、セル間発泡保持部材42aの斜視図である。セル間発泡保持部材42aは、角柱状で側面に電池の周面にならった凹曲面を有しており、他のセル間発泡保持部材42b、42c及び42dもセル間発泡保持部材42aと同様の形状を有する。セル間発泡保持部材42aは、例えば以下のようなものを用いることができる。
・ポリオール、ポリイソシアネート、水を混合撹拌させて、ウレタン重合する際に水とイソシアネートの化学反応によってCO2を発生させ発泡させるポリレタンフォーム。
・樹脂発泡ビーズ原料を金型内に充填し、高温の水蒸気で発泡させ、成形された発泡体。
・樹脂成型時に溶解した原料樹脂に高圧で臨界状態としたN2やCO2を混入し、金型内で常圧で吐出する際に発泡させるMucell発泡成形により成形された発泡体。
さらにこれらの成形時に不燃性ガス発生物質を混ぜ込むことにより形成される。
さらに、外装ケース40内には、保護回路などの回路が実装されたプリント回路基板43が収納されている。そして、外装ケース40から外部接続用端子44a及び44bが導出されている。
かかる本発明の第2の実施形態は、絶縁部材が有する不燃性ガス発生物質の量は、パック内容積が大きい場合は、酸素濃度を低減させる量としては不足している。セル間発泡保持部材42a、42b、42cを電池間に介在させているので、次のような効果がある。
第1に、異常時発熱した電池からの伝熱をセル間に配置された発泡断熱材としてのセル間発泡保持部材42a~42cによって隣接セルへ伝えないよう遮熱することができる。
第2に、発熱した電池と接触しているセル間発泡保持部材42a~42cの表面が直接加熱されるため、不燃性ガスを補填してパック内へ放出させるため、より効果的に不燃性ガス雰囲気を作り出すことができる。
このように、隣接セルへの伝熱を阻害し、また、パック内雰囲気の酸素濃度低減を実現することで、パック内電池の誘爆を防止することができる。
次に本発明の第3の実施形態について、図10を参照して説明する。第3の実施形態は、第2の実施形態をさらに改良したものである。第2の実施形態と対応する構成部分には、同一の参照符号を付す。セル間接続タブ41a、41b及び41cによって4本の電池が直列接続されている。また、各電池は、絶縁部材30、31又は32によって電池缶11が被覆されたものである。隣接する電池間に、高温時に熱分解して不燃性ガスを発生する発泡体で構成されているセル間発泡保持部材42a、42b及び42cが介在される。さらに、外装ケース40内には、プリント回路基板43が収納され、外装ケース40から外部接続用端子44a及び44bが導出されている。
各電池の安全弁側の上部端部にキャップ状の上部用保持部材45a、45b、45c及び45dが被せられている。また、各電池の下部端部にキャップ状の下部用保持部材46a、46b、46c及び46dが被せられている。これらの上部用保持部材45a~45d及び下部用保持部材46a~46dは、電池の外装部材11および絶縁部材30と強固に連結保持されている。図11Aは、上部用保持部材45aを示す斜視図である。他の上部用保持部材45b、45c及び45dも、上部用保持部材45aと同様の形状である。図11Bは、下部用保持部材46aを示す斜視図である。他の下部用保持部材46b、46c及び46dも、下部用保持部材46aと同様の形状である。
上部用保持部材45a~45d、及び下部用保持部材46a~46dは、熱伝導率の高い強固な材料からなるものである。カーボンファイバー入り樹脂やフェノール樹脂、金属などの高強度で熱伝導率の高い部材(高熱伝導率材料)からなるものである。熱伝導率は3.0~200 W/m・Kであることが好ましい。上部用保持部材45a~45d、及び下部用保持部材46a~46dは、セル間接続タブを配置するための切欠き47が形成されている。さらに、上部用保持部材45a~45dは、外装ケース40の外へ炎、ガスなどを放出するために、穴48を有する構造とされている。
本発明の第3の実施形態は、外装ケース40内に収納された複数の電池の上下端を保持するように、熱伝導率の高い強固な保持部材(上部用保持部材45a~45d、及び下部用保持部材46a~46d)を配置している。
かかる第3の実施形態は、電池を強固に保持固定できるため、振動、衝撃などに強い電池パックが構成できる。また、上部用保持部材45a~45d、及び下部用保持部材46a~46dの熱伝導により、電池からの発熱を効果的に外装ケース40の外へ放熱できるため、通常使用時の冷却や異常時の放熱を効果的に行うことができる。さらに、上部用保持部材45a~45dには穴48が設けられており、異常となった電池から噴出する高温のガスや炎を外装ケースの外へ効率的に放出することができる。
このように、第3の実施形態は、通常使用時の電池冷却に加え、振動落下衝撃などの機械負荷に強い信頼性の高い電池パックとなり、かつ異常時に発火した電池の影響を最小とすることで、通常使用時も信頼性の高い誘爆しない安全な電池パックである。
本発明は、上述した本発明の実施形態に限定されるものでは無く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、本発明は、円筒型二次電池に限らず、ラミネートフィルム型の電池に対しても適用できる。ラミネートフィルム型の電池は、外装部材の内部に、巻回電極体が収納されたものである。外装部材は、フィルム状の部材である。外装部材は、例えば、融着層、金属層および表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムである。例えば表面保護層の代わりに、絶縁樹脂層及び不燃性ガス発生部材が積層された2層フィルムを使用するようになされる。又は表面保護層の上から2層フィルムを被せる。
例えば、上述の実施形態及び実施例において挙げた数値、構造、形状、材料、原料、製造プロセス等はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料、原料、製造プロセス等を用いてもよい。
以下、本発明の応用例について説明する。
「電池パックの例」
図12は、本発明の実施形態に係る電池(以下、二次電池と適宜称する)を電池パック330に適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パック300は、組電池301、外装、充電制御スイッチ302aと、放電制御スイッチ303a、を備えるスイッチ部304、電流検出抵抗307、温度検出素子308、制御部310を備えている。
また、電池パック300は、正極端子321および負極端子322を備え、充電時には正極端子321および負極端子322がそれぞれ充電器の正極端子、負極端子に接続され、充電が行われる。また、電子機器使用時には、正極端子321および負極端子322がそれぞれ電子機器の正極端子、負極端子に接続され、放電が行われる。
組電池301は、複数の二次電池301aを直列および/または並列に接続してなる。この二次電池301aは本発明の二次電池である。なお、図12では、6つの二次電池301aが、2並列3直列(2P3S)に接続された場合が例として示されているが、その他、n並列m直列 (n,mは整数)のように、どのような接続方法でもよい。
スイッチ部304は、充電制御スイッチ302aおよびダイオード302b、ならびに放電制御スイッチ303aおよびダイオード303bを備え、制御部310によって制御される。ダイオード302bは、正極端子321から組電池301の方向に流れる充電電流に対して逆方向で、負極端子322から組電池301の方向に流れる放電電流に対して順方向の極性を有する。ダイオード303bは、充電電流に対して順方向で、放電電流に対して逆方向の極性を有する。尚、例では+側にスイッチ部304を設けているが、-側に設けても良い。
充電制御スイッチ302aは、電池電圧が過充電検出電圧となった場合にOFFされて、組電池301の電流経路に充電電流が流れないように充放電制御部によって制御される。充電制御スイッチ302aのOFF後は、ダイオード302bを介することによって放電のみが可能となる。また、充電時に大電流が流れた場合にOFFされて、組電池301の電流経路に流れる充電電流を遮断するように、制御部310によって制御される。
放電制御スイッチ303aは、電池電圧が過放電検出電圧となった場合にOFFされて、組電池301の電流経路に放電電流が流れないように制御部310によって制御される。放電制御スイッチ303aのOFF後は、ダイオード303bを介することによって充電のみが可能となる。また、放電時に大電流が流れた場合にOFFされて、組電池301の電流経路に流れる放電電流を遮断するように、制御部310によって制御される。
温度検出素子308は例えばサーミスタであり、組電池301の近傍に設けられ、組電池301の温度を測定して測定温度を制御部310に供給する。電圧検出部311は、組電池301およびそれを構成する各二次電池301aの電圧を測定し、この測定電圧をA/D変換して、制御部310に供給する。電流測定部313は、電流検出抵抗307を用いて電流を測定し、この測定電流を制御部310に供給する。
スイッチ制御部314は、電圧検出部311および電流測定部313から入力された電圧および電流を基に、スイッチ部304の充電制御スイッチ302aおよび放電制御スイッチ303aを制御する。スイッチ制御部314は、二次電池301aのいずれかの電圧が過充電検出電圧もしくは過放電検出電圧以下になったとき、また、大電流が急激に流れたときに、スイッチ部304に制御信号を送ることにより、過充電および過放電、過電流充放電を防止する。
ここで、例えば、二次電池がリチウムイオン二次電池の場合、過充電検出電圧が例えば4.20V±0.05Vと定められ、過放電検出電圧が例えば2.4V±0.1Vと定められる。
充放電スイッチは、例えばMOSFETなどの半導体スイッチを使用できる。この場合MOSFETの寄生ダイオードがダイオード302bおよび303bとして機能する。充放電スイッチとして、Pチャンネル型FETを使用した場合は、スイッチ制御部314は、充電制御スイッチ302aおよび放電制御スイッチ303aのそれぞれのゲートに対して、制御信号DOおよびCOをそれぞれ供給する。充電制御スイッチ302aおよび放電制御スイッチ303aはPチャンネル型である場合、ソース電位より所定値以上低いゲート電位によってONする。すなわち、通常の充電および放電動作では、制御信号COおよびDOをローレベルとし、充電制御スイッチ302aおよび放電制御スイッチ303aをON状態とする。
そして、例えば過充電もしくは過放電の際には、制御信号COおよびDOをハイレベルとし、充電制御スイッチ302aおよび放電制御スイッチ303aをOFF状態とする。
メモリ317は、RAMやROMからなり例えば不揮発性メモリであるEPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)などからなる。メモリ317では、制御部310で演算された数値や、製造工程の段階で測定された各二次電池301aの初期状態における電池の内部抵抗値などが予め記憶され、また適宜、書き換えも可能である。また、二次電池301aの満充電容量を記憶させておくことで、制御部310とともに例えば残容量を算出することができる。
温度検出部318では、温度検出素子308を用いて温度を測定し、異常発熱時に充放電制御を行ったり、残容量の算出における補正を行ったりする。
「蓄電システムなどの例」
上述した本発明の実施形態に係る電池は、例えば電子機器や電動車両、電動式航空機、蓄電装置などの機器に搭載または電力を供給するために使用することができる。
電子機器として、例えばノート型パソコン、スマートフォン、タブレット端末、PDA(携帯情報端末)、携帯電話、ウェアラブル端末、コードレスフォン子機、ビデオムービー、デジタルスチルカメラ、電子書籍、電子辞書、音楽プレイヤー、ラジオ、ヘッドホン、ゲーム機、ナビゲーションシステム、メモリーカード、ペースメーカー、補聴器、電動工具、電気シェーバー、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、電子レンジ、食器洗い器、洗濯機、乾燥器、照明機器、玩具、医療機器、ロボット、ロードコンディショナー、信号機などが挙げられる。
また、電動車両としては鉄道車両、ゴルフカート、電動カート、電気自動車(ハイブリッド自動車を含む)などが挙げられ、これらの駆動用電源または補助用電源として用いられる。蓄電装置としては、住宅をはじめとする建築物用または発電設備用の電力貯蔵用電源などが挙げられる。
以下では、上述した適用例のうち、上述した本発明の電池を適用した蓄電装置を用いた蓄電システムの具体例を説明する。
「電動工具の一例」
図13を参照して、本発明が適用可能な電動工具例えば電動ドライバの一例について概略的に説明する。電動ドライバ431は、本体内にDCモータ等のモータ433が収納されている。モータ433の回転がシャフト434に伝達され、シャフト434によって被対象物にねじが打ち込まれる。電動ドライバ431には、ユーザが操作するトリガースイッチ432が設けられている。
電動ドライバ431の把手の下部筐体内に、電池パック430及びモータ制御部435が収納されている。電池パック430として電池パック300を使用することができる。モータ制御部435は、モータ433を制御する。モータ433以外の電動ドライバ431の各部が、モータ制御部435によって制御されてもよい。図示しないが電池パック430と電動ドライバ431はそれぞれに設けられた係合部材によって係合されている。後述するように、電池パック430及びモータ制御部435のそれぞれにマイクロコンピュータが備えられている。電池パック430からモータ制御部435に対して電池電源が供給されると共に、両者のマイクロコンピュータ間で電池パック430の情報が通信される。
電池パック430は、例えば、電動ドライバ431に対して着脱自在とされる。電池パック430は、電動ドライバ431に内蔵されていてもよい。電池パック430は、充電時には充電装置に装着される。なお、電池パック430が電動ドライバ431に装着されているときに、電池パック430の一部が電動ドライバ431の外部に露出し、露出部分をユーザが視認できるようにしてもよい。例えば、電池パック430の露出部分にLEDが設けられ、LEDの発光及び消灯をユーザが確認できるようにしてもよい。
モータ制御部435は、例えば、モータ433の回転/停止、並びに回転方向を制御する。さらに、過放電時に負荷への電源供給を遮断する。トリガースイッチ432は、例えば、モータ433とモータ制御部435の間に挿入され、ユーザがトリガースイッチ432を押し込むと、モータ433に電源が供給され、モータ433が回転する。ユーザがトリガースイッチ432を戻すと、モータ433の回転が停止する。
「無人航空機」
本発明を電動式航空機用の電源に適用した例について、図14から図16を参照して説明する。本発明は、無人航空機(所謂ドローン)の電源に対して適用できる。図14は、無人航空機の平面図であり、図15は、無人航空機の正面図である。中心部としての円筒状又は角筒状の胴体部441と、胴体部441の上部に固定された支持軸442a~442fとから機体が構成される。一例として、胴体部441が6角筒状とされ、胴体部441の中心から6本の支持軸442a~442fが等角間隔で放射状に延びるようになされている。胴体部441及び支持軸442a~442fは、軽量で強度の高い材料から構成されている。
さらに、胴体部441及び支持軸442a~442fからなる機体は、その重心が支持軸442a~442fの中心を通る鉛直線上にくるように、各構成部品の形状、配置等が設計される。さらに、この鉛直線上に重心がくるように、回路ユニット445及びバッテリ部446が取り付けられる。
支持軸442a~442fの先端部には、回転翼の駆動源としてのモータ443a~443fがそれぞれ取り付けられている。モータ443a~443fの回転軸に回転翼444a~444fが取り付けられている。各モータを制御するためのモータ制御回路を含む回路ユニット445は支持軸442a~442fが交わる中心部に取り付けられている。
さらに、胴体部441の下側の位置に動力源としてのバッテリ部446が配置されている。バッテリ部446は、180度の対向間隔を有するモータ及び回転翼の対に対して電力を供給するように3個の電池パックを有している。各電池パックは、例えばリチウムイオン二次電池と充放電を制御するバッテリ制御回路とを有する。電池パックとして電池パック300を使用することができる。モータ443a及び回転翼444aと、モータ443d及び回転翼444dとが対を構成する。同様に、(モータ443b,回転翼444b)と(モータ443e,回転翼444e)とが対を構成し、(モータ443c,回転翼444c)と(モータ443f,回転翼444f)とが対を構成する。これらの対と電池パックとが等しい数とされている。
バッテリ部446は、胴体部441の例えば内部に着脱自在に取り付けられている。バッテリ部446は、図16に示すように、機体の重心位置である中心に対して対称の形状を有すると共に、中心開口447を有するような配置、外形を有する。図16Aは、平面形状が中心開口447の周囲に正六角形となるような中空状のケース448を設け、ケース448内に電池パックを収納する例である。図16Bに示すように、分離したケース448a及び448b内に電池パックを収納してもよい。
バッテリ部446の重心と機体の重心とを一致させることによって、重心の安定性が増加する。さらに、中心開口447を有するので、飛行時に中心開口447を風が通り抜けることで、風などの影響を軽減することが可能となる。その結果、姿勢制御が容易となり、飛行時間を長くすることができ、さらにバッテリの温度上昇も抑制することができる。
「住宅における蓄電システム」
本発明の電池を用いた蓄電装置を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図17を参照して説明する。例えば住宅501用の蓄電システム500においては、火力発電502a、原子力発電502b、水力発電502cなどの集中型電力系統502から電力網509、情報網512、スマートメータ507、パワーハブ508などを介し、電力が蓄電装置503に供給される。これと共に、家庭内の発電装置504などの独立電源から電力が蓄電装置503に供給される。蓄電装置503に供給された電力が蓄電される。蓄電装置503を使用して、住宅501で使用する電力が給電される。住宅501に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
住宅501には、発電装置504、電力消費装置505、蓄電装置503、各装置を制御する制御装置510、スマートメータ507、各種情報を取得するセンサ511が設けられている。各装置は、電力網509及び情報網512によって接続されている。発電装置504として、太陽電池、燃料電池などが利用され、発電した電力が電力消費装置505及び/又は蓄電装置503に供給される。電力消費装置505は、冷蔵庫505a、空調装置であるエアコン505b、テレビジョン受信機であるテレビ505c、バス(風呂)505dなどである。さらに、電力消費装置505には、電動車両506が含まれる。電動車両506は、電気自動車506a、ハイブリッドカー506b、電気バイク506cである。
蓄電装置503に対して、本発明の電池パック300が適用される。スマートメータ507は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網509は、直流給電、交流給電、非接触給電の何れか一つ又は複数を組み合わせても良い。
各種のセンサ511は、例えば人感センサ、照度センサ、物体検知センサ、消費電力センサ、振動センサ、接触センサ、温度センサ、赤外線センサなどである。各種のセンサ511により取得された情報は、制御装置510に送信される。センサ511からの情報によって、気象の状態、人の状態などが把握されて電力消費装置505を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置510は、住宅501に関する情報を、インターネットを介して外部の電力会社などに送信することができる。
パワーハブ508によって、電力線の分岐、直流交流変換などの処理がなされる。制御装置510と接続される情報網512の通信方式としては、UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter:非同期シリアル通信用送受信回路)などの通信インターフェースを使う方法、 Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi-Fiなどの無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Bluetooth(登録商標)方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.15.4の物理層を使用するもので ある。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network)又はW(Wireless)P ANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
制御装置510は、外部のサーバ513と接続されている。このサーバ513は、住宅501、電力会社、サービスプロバイダーの何れかによって管理されていても良い。サーバ513が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置(たとえばテレビジョン受信機)から送受信しても良いが、家庭外の装置(たとえば、携帯電話機など)から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistants)などに、表示されても良い。
各部を制御する制御装置510は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)などで構成され、この例では、蓄電装置503に 格納されている。制御装置510は、蓄電装置503、家庭内の発電装置504、電力消費装置505、各種のセンサ511、サーバ513と情報網512により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能などを備えていても良い。
以上のように、電力が火力発電502a、原子力発電502b、水力発電502cなどの集中型電力系統502のみならず、家庭内の発電装置504(太陽光発電、風力発電)の発電電力を蓄電装置503に蓄えることができる。したがって、家庭内の発電装置504の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、又は、必要なだけ放電したりするといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置503に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置503に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置503によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。
なお、この例では、制御装置510が蓄電装置503内に格納される例を説明したが、スマートメータ507内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、蓄電システム500は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。
「車両用蓄電システム」
本発明を電動車両用の蓄電システムに適用した例について、図18を参照して説明する。図18に、本発明が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
このハイブリッド車両600には、エンジン601、発電機602、電力駆動力変換装置603、駆動輪604a、駆動輪604b、車輪605a、車輪605b、バッテリ608、車両制御装置609、各種センサ610、充電口611が搭載されている。バッテリ608に対して、上述した本発明の電池パック300が適用される。
ハイブリッド車両600は、電力駆動力変換装置603を動力源として走行する。電力駆動力変換装置603の一例は、モータである。バッテリ608の電力によって電力駆動力変換装置603が作動し、この電力駆動力変換装置603の回転力が駆動輪604a、604bに伝達される。なお、必要な個所に直流-交流(DC-AC)あるいは逆変換(AC-DC変換)を用いることによって、電力駆動力変換装置603が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ610は、車両制御装置609を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度(スロットル開度)を制御したりする。各種センサ610には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
エンジン601の回転力は発電機602に伝えられ、その回転力によって発電機602により生成された電力をバッテリ608に蓄積することが可能である。
図示しない制動機構によりハイブリッド車両600が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置603に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置603により生成された回生電力がバッテリ608に蓄積される。
バッテリ608は、ハイブリッド車両600の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口611を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。
図示しないが、二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていても良い。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残量に関する情報に基づき、電池残量表示を行う情報処理装置などがある。
なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、或いはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、モータで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモータの出力がいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータ走行という3つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本発明は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本発明は有効に適用可能である。
1・・・電池、11・・・電池缶、20・・・巻回電極体、30・・・絶縁部材、30A・・・絶縁樹脂層、30B・・・不燃性ガス発生部材、31・・・絶縁部材、
32・・・絶縁部材、42a~42c・・・セル間発泡保持部材、
45a~45d・・・上部用保持部材、46a~46d・・・下部用保持部材

Claims (16)

  1. 電極体と、
    前記電極体を収容する外装部材と、
    前記外装部材の少なくとも一部は絶縁部材で被覆されており、前記絶縁部材は多層構造を有し、
    前記外装部材と接する側を内層、反対側を外層としたとき、前記絶縁部材の最内層が高温時に不燃性ガスを発生する不燃性ガス発生部材で構成され、最外層が絶縁樹脂層で構成された電池。
  2. 前記絶縁樹脂層は、ポリ塩化ビニル,ポリエチレンテレフタレート,ポリオレフィンPTFE,シリコーンのうち少なくとも1つを含む請求項1に記載の電池。
  3. 前記不燃性ガス発生部材は不燃性ガス発生物質と結着剤を有する請求項1に記載の電池。
  4. 前記結着剤はポリエステル樹脂,ポリオレフィン樹脂,エポキシ樹脂,フェノール樹脂,ポリビニルアルコール,エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂,ポリフッ化ビニリデン,アクリル,ポリウレタンのうち少なくとも1つを含む請求項3に記載の電池。
  5. 前記不燃性ガス発生物質はメラミン樹脂、窒素含有フェノール樹脂、窒素含有エポキシ樹脂、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸水素カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムのうち少なくとも1つを含む請求項3に記載の電池。
  6. 前記絶縁部材は前記不燃性ガス発生部材と前記絶縁樹脂層の間に、前記絶縁樹脂層よりも融点が高い材料で構成された格子状の樹脂部材を有する請求項1に記載の電池。
  7. 前記絶縁部材は前記絶縁樹脂層に少なくとも1つ以上の穴が形成されている請求項1に記載の電池。
  8. 複数の請求項1に記載の電池と、
    前記複数の電池が収容される外装ケースと、
    前記複数の電池を保持するセル間保持部材とを有し、
    前記セル間保持部材は発泡樹脂を含み、高温時に不燃性ガスを発生する物質をさらに含む電池パック。
  9. 前記電池を保持する保持部材を有し、前記保持部材は前記電池の上端部と下端部に設けられ、
    前記電池の安全弁側に設けられた前記保持部材には貫通穴が形成されている請求項8に記載の電池パック。
  10. 前記保持部材は高熱伝導率材料を含む請求項9に記載の電池パック。
  11. 請求項1に記載の電池から電力の供給を受ける電子機器。
  12. 請求項1に記載の電池と、
    前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
    前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
    を有する電動車両。
  13. 請求項1に記載の電池を有し、前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
  14. 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を有し、
    前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う請求項13に記載の蓄電装置。
  15. 請求項1に記載の電池から電力の供給を受ける電力システム。
  16. 発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される請求項15に記載の電力システム。
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