JP2006079987A - Hybrid battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、異なるタイプの電池を電気的に接続して構成されるハイブリッド電池システムに関する。 The present invention relates to a hybrid battery system configured by electrically connecting different types of batteries.
単一のタイプの電池を複数用い、これら複数の電池を電気的に直列接続や並列接続して構成した組電池が従来から知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an assembled battery in which a plurality of single type batteries are used and these batteries are electrically connected in series or in parallel is known.
このような構成の組電池に対して、優れた大電流特性が要求されると共に大きなエネルギ容量が要求される場合には、例えば、大電流で充放電可能な高出力型電池を、所望のエネルギ容量に応じた数だけ並列接続する等により対処する必要があるため、当該組電池のサイズが必然的に大きくなるという問題があった。 When an assembled battery having such a configuration requires an excellent large current characteristic and a large energy capacity, for example, a high-power battery that can be charged and discharged with a large current is supplied with a desired energy. There is a problem that the size of the assembled battery inevitably increases because it is necessary to cope with the number of connections according to the capacity in parallel.
本発明は、大電流特性に優れていると共に十分に大きなエネルギ容量を確保しつつも小型なハイブリッド電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、高出力型電池と高容量型電池とを備え、前記高出力型電池は、前記高容量型電池より相対的に大きな電流で充放電可能であり、前記高容量型電池は、前記高出力型電池より相対的に大きなエネルギ容量を有し、前記高出力型電池と前記高容量型電池とが電気的に並列接続されたハイブリッド電池システムが提供される。
An object of the present invention is to provide a small hybrid battery system that is excellent in large current characteristics and secures a sufficiently large energy capacity.
In order to achieve the above object, according to the present invention, a high-power battery and a high-capacity battery are provided, and the high-power battery can be charged and discharged with a relatively larger current than the high-capacity battery. The high-capacity battery has a relatively larger energy capacity than the high-power battery, and a hybrid battery system in which the high-power battery and the high-capacity battery are electrically connected in parallel is provided. Is done.
本発明では、高出力型電池と高容量型電池とを電気的に並列接続してハイブリッド電池システム(組電池)を構成することにより、高出力型電池により大電流充放電に対応する一方で、高容量型電池により十分に大きなエネルギ容量を確保することが出来るので、当該システムの小型化を図ることが可能となる。 In the present invention, a high-power battery and a high-capacity battery are electrically connected in parallel to constitute a hybrid battery system (assembled battery). Since a sufficiently large energy capacity can be secured by the high capacity battery, the system can be downsized.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態に係る二次電池の全体を示す平面図、図2は図1のII-II線に沿った断面図である。 FIG. 1 is a plan view showing an entire secondary battery according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
先ず、本発明の実施形態における二次電池10について説明すると、図1及び図2は一つの二次電池10(単位電池、素電池)を示し、この二次電池10を複数接続することにより、後述するハイブリッド電池システムが構成される。
First, the
本実施形態におけるこの二次電池10には、高出力型電池10aと高容量型電池10bとの両方が含まれる。高出力型電池10aは、高容量型電池10bより相対的に大きな電流で充放電することが可能であり、大電流特性に優れた電池である。これに対し、高容量型電池10bは、高出力型電池10aより相対的に大きなエネルギ容量を有しており、高エネルギ容量の電池である。なお、以下に説明では、高出力型電池10a及び高容量型電池10bの共通箇所に関してはこれらを区別しないで単に二次電池10として説明し、特に高出力型電池10a及び高容量型電池10bの相違点のみに関してこれらを区別して説明する。
The
この二次電池10は、積層可能な平板状のリチウムイオン二次電池であり、図1及び図2に示すように、3枚の正極板101と、5枚のセパレータ102と、3枚の負極板103と、正極端子104と、負極端子105と、上部外装部材106と、下部外装部材107と、特に図示しない電解質と、から構成されており、例えば10mm以下の総厚を有する。このうちの正極板101、セパレータ102、負極板103及び電解質を特に発電要素108と称する。二次電池10を総厚10mm以下の平板状の薄型電池とすることにより、セパレータ102の薄膜化が促進されるので高出力化が可能になると共に、放熱面積が向上して温度上昇が抑制されるので熱性能の向上を図ることが出来る。
The
発電要素108を構成する正極板101は、正極端子104まで延びている正極側集電体101aと、正極側集電体101aの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層101b、101cと、を有している。
The
この正極板101の正極側集電体101aは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
The positive electrode side
正極板101の正極層101b、101cは、例えば、LiNiO2等のリチウム・ニッケル系複合酸化物、LiMn2O4等のリチウム・マンガン系複合酸化物、又は、LiCoO2等のリチウム・コバルト系複合酸化物等や、カルコゲン(S、Se、Te)化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の結着剤と、を混合させたものを、正極側集電体101aの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
The
特に本実施形態では、高出力型電池10aには、正極活物質としてリチウム・マンガン系複合酸化物が用いられている。これに対し、高容量型電池10bには、正極活物質としてリチウム・ニッケル系複合酸化物が用いられている。
In particular, in the present embodiment, a lithium-manganese composite oxide is used as the positive electrode active material in the high-
一般的に、リチウム・マンガン系複合酸化物に比べてリチウム・ニッケル複合酸化物の方が熱に対する安定性に優れている。また、本実施形態では、後述するように、高出力型電池10a及び高容量型電池10bを用いてハイブリッド電池システム1を構成した場合に、高容量型電池10bの方が冷却条件の悪い位置に配置される。そのため、本実施形態では、高容量型電池10bの正極活物質としてリチウム・ニッケル複合酸化物を用いている。
Generally, lithium-nickel composite oxides are more stable against heat than lithium-manganese composite oxides. In the present embodiment, as will be described later, when the
発電要素108を構成する負極板103は、負極端子105まで延びている負極側集電体103aと、当該負極側集電体103aの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層103b、103cと、を有している。
The
この負極板103の負極側集電体103aは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の電気化学的に安定した金属箔である。
The negative electrode side
負極板103の負極層103b、103cは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛(グラファイト)等のような上記の正極活物質のリチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、有機物焼成体の前駆体材料としてのスチレンブタジエンゴム樹脂粉末の水性ディスパージョンを混合し、乾燥させた後に粉砕することで、炭素粒子表面に炭化したスチレンブタジエンゴムを担持させたものを主材料とし、これにアクリル樹脂エマルジョン等の結着剤をさらに混合し、この混合物を負極側集電体103aの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧縮することにより形成されている。
The
特に本実施形態では、高出力型電池10aには、負極活物質としてハードカーボンが用いられている。これに対し、高容量型電池10bには、負極活物質としてグラファイトが用いられている。
In particular, in the present embodiment, hard carbon is used as the negative electrode active material in the high-
これにより、後述するように高出力型電池10a及び高容量型電池10bを用いてハイブリッド電池システム1を構成した際に、高出力型電池10a及び高容量型電池10bの何れにも負極活物質としてハードカーボンを用いた場合と比較して、ハイブリッド電池システム1の出力特性が良くなる。これは、図3に示すように、一般的にグラファイトはハードカーボンに対して優れた出力特性を有しており、何れの電池10a、10bにも負極活物質としてハードカーボンを用いた場合には、ハイブリッド電池システム全体としての出力特性が図3のハードカーボンの曲線(破線)に実質的に一致するのに対し、本実施形態では、グラファイトの存在によりハイブリッド電池システム1全体としての出力特性が向上するためである。
As a result, as described later, when the
なお、高出力型電池10a及び高容量型電池10bの何れにも負極活物質としてグラファイトを用いることも考えられるが、グラファイトはハードカーボンと比較して高出力化が出来ないため、ハイブリッド電池システムとしての高出力化が図れない。
Although it is conceivable to use graphite as a negative electrode active material for both the high-
また、本実施形態のように、高出力型電池10aにハードカーボンのような電位に傾きを持つ負極活物質を用い、高容量型電池10bにグラファイトのような平坦な電位を持つ負極活物質を用いることにより、大電流から微弱電流までの幅広い範囲での出力可能になると共に、ハイブリッド電池システム1内の均等化を迅速に行うことが可能となる。
Further, as in this embodiment, a negative electrode active material having a gradient in potential such as hard carbon is used for the high-
因みに、電極板101、103を相対的に薄くすることにより高出力化を図ることが出来、電極板101、103を相対的に厚くすることにより高容量化を図ることが出来る。従って、上記のような電極活物質による差別化に加えて、高出力型電池10aの電極板101、103を相対的に薄くし、高容量型電池10bの電極板101、103を相対的に厚くすることにより高出力・高容量の差別化を図っても良い。
Incidentally, the output can be increased by making the
発電要素108のセパレータ102は、上述した正極板101と負極板103との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ102は、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって層の空孔が閉塞され電流を遮断する機能をも有する。
The
なお、本発明のセパレータ102は、ポリオレフィン等の単層膜のみに限られず、ポリプロピレン膜をポリエチレン膜でサンドイッチした三層構造や、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものを用いることも出来る。このようにセパレータ102を複層化することで、過電流防止機能、電解質保持機能及びセパレータの形状維持(剛性向上)機能等の諸機能を付与することが出来る。
The
以上の発電要素108は、セパレータ102を介して正極板101と負極板103とが交互に積層されている。そして、3枚の正極板101は、正極側集電体101aを介して、金属箔製の正極端子104にそれぞれ接続される一方で、3枚の負極板103は、負極側集電体103aを介して、同様に金属箔製の負極端子105にそれぞれ接続されている。
In the
なお、発電要素108の正極板101、セパレータ102、及び、負極板103は、本発明では上記の枚数に何ら限定されず、例えば、1枚の正極板101、3枚のセパレータ102、及び、1枚の負極板103でも発電要素108を構成することが出来、必要に応じて正極板、セパレータ及び負極板の枚数を選択して構成することが出来る。
In addition, the
正極端子104も負極端子105も電気化学的に安定した金属材料であれば特に限定されないが、正極端子104としては、上述の正極側集電体101aと同様に、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、又は、ニッケル箔等を挙げることが出来る。また、負極端子105としては、上述の負極側集電体103aと同様に、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることが出来る。
The
発電要素108は、上部外装部材106及び下部外装部材107に収容されて封止されている。本実施形態における上部外装部材106及び下部外装部材107は、何れも特に図示しないが、二次電池10の内側から外側に向かって、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等の耐電解液及び熱融着性に優れた樹脂フィルムから構成されている内側層と、例えば、アルミニウム等の金属箔から構成されている中間層と、例えば、ポリアミド系樹脂やポリエステル系樹脂等の電気絶縁性に優れた樹脂フィルムで構成されている外側層と、の三層構造から成る樹脂−金属箔膜ラミネート材で構成されている。
The
これらの外装部材106、107によって、上述の発電要素108、正極端子104の一部及び負極端子105の一部を包み込み、当該外装部材106、107により形成される空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム(LiClO4)やホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩を溶質とした液体電解質を注入しながら、外装部材106、107により形成される空間を吸引して真空状態として、外装部材106、107を、その外周縁に沿って熱プレスにより熱融着して封止する。
These
有機液体溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等のエステル系溶媒を挙げることが出来るが、本発明の有機液体溶媒はこれに限定されることなく、エステル系溶媒に、γ−ブチラクトン(γ−BL)、ジエトシキエタン(DEE)等のエーテル系溶媒その他の混合、調合した有機液体溶媒を用いることも出来る。 Examples of the organic liquid solvent include ester solvents such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC). Without being limited thereto, an ether solvent such as γ-butylactone (γ-BL), dietoshikiethane (DEE), or other mixed or prepared organic liquid solvent can be used as the ester solvent.
以上に説明した高出力型電池10a及び高容量型電池10bを用いた本発明の第1実施形態に係るハイブリッド電池システム1について以下に説明する。
The
図4は本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す回路構成図である。 FIG. 4 is a circuit configuration diagram showing the hybrid battery system according to the embodiment of the present invention.
本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム1は、図4に示すように、複数の高出力型電池10aを電気的に直列接続した高出力型電池群20aと、複数の高容量型電池10bを電気的に直列接続した高出力型電池群20bと、を備えており、これら高出力型電池群20aと高容量型電池群20bとが電気的に並列接続されている。何れの電池群20a、20bにおいても、構成する電池10a、10bの数は、所望の電圧に応じて設定される。
As shown in FIG. 4, the
このハイブリッド電池システム1では、負荷50により高出力の充放電が要求された場合には、高出力型電池群20aにより短期的に対処する。また、負荷50から要求される出力が比較的小さい場合であって、高出力型電池群20aに余剰のエネルギが蓄積されている場合には、高出力型電池群20aから高容量型電池群20bに電気エネルギが移動する。これに対し、負荷50から要求される出力が比較的小さい場合であって、高出力型電池群20aの電気エネルギが減少している場合には、高容量型電池群20bから高出力型電池群20aに電気エネルギが移動する。即ち、電気エネルギが余剰に蓄積されている電池群20a又は20bにより、電気エネルギが減少している電池群20b又は20aを充電することが可能となっており、常に負荷50の断続的な充放電出力要求に対処することが可能となっている。
In the
図5(A)は本発明の第1実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す概略斜視図、図5(B)は図5(A)に示すハイブリッド電池システムにおける電池レイアウトを示す模式図である。なお、図5(A)にて筐体30は透視図により表現されている。
FIG. 5A is a schematic perspective view showing the hybrid battery system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a schematic diagram showing a battery layout in the hybrid battery system shown in FIG. In FIG. 5A, the
本発明の第1実施形態に係るハイブリッド電池システム1では、図5(A)に示すように、並列接続された高出力型電池群20a及び高容量型電池群20bが、筐体30の内部に収容されている。この筐体30の一方の端面には、冷却装置40からの冷却風を当該筐体30内に供給するための供給口31が形成されている。この冷却装置40としては例えばファン等を挙げることが出来る。また、ハイブリッド電池システム1を電気自動車に用いるような場合には、冷却装置40を専用に設けずに冷媒として走行風を利用しても良い。
In the
本実施形態に係るハイブリッド電池システム1では、図5(A)に示すように、
2列4段に積層された8個の高出力型電池10aが、その電極端子104、105同士を直接接合して直列接続されることにより高出力型電池群20aが構成されている。同様に、2列4段に積層された8個の高容量型電池10bが、その電極端子104、105を直接接合して直列接続されることにより高容量型電池群20bが構成されている。これらの電池群20a、20bは、図5(B)に示すように、筐体30に形成された供給口31に向かって上流側に高出力型電池群20aが配置され、当該供給口31に向かって下流側に高容量型電池群20bが配置されている。
In the
The eight high-
そして、冷却装置40から供給口31を介して筐体30内部に冷却風が供給されると、先ず、高出力型電池群20aと筐体30の内壁面との間を当該冷却風が通過し、次いで、高容量型電池群20bと筐体30の内壁面との間を当該冷却風が通過することが可能となっている。
When cooling air is supplied from the cooling
このように、冷却条件が良好な風上に高出力型電池10aを配置するレイアウトを採用することにより、高容量型電池10bより相対的に発熱が大きな高出力型電池10aを効率的に冷却することが出来る。
In this way, by adopting a layout in which the high-
図6(A)は本発明の第2実施形態に係るハイブリッド電池システムを示す概略斜視図、図6(B)は図6(A)に示すハイブリッド電池システムにおける電池レイアウトを示す模式図である。なお、図6(A)にて筐体30は透視図により表現されている。
6A is a schematic perspective view showing a hybrid battery system according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a schematic view showing a battery layout in the hybrid battery system shown in FIG. 6A. In FIG. 6A, the
本発明の第2実施形態に係るハイブリッド電池システム1’では、図6(A)に示すように、第1実施形態と同様に、並列接続された高出力型電池群20a及び高容量型電池群20bが、冷却装置40からの冷却風を供給可能な供給口31が形成された筐体30の内部に収容されている。
In the
本実施形態に係るハイブリッド電池システム1’では、図6(A)に示すように、4列2段(図6(A)において最上段及び最下段)に積層された8個の高出力型電池10aが、その電極端子104、105をバスバ15に接合して直列接続されることにより高出力型電池群20aが構成されている。同様に、4列2段(図6(A)において中2段)に積層された8個の高容量型電池10bが、その電極端子104、105をバスバ15に接合して直列接続されることにより、高容量型電池群20bが構成されている。これらの電池群20a、20bは、図6(B)に示すように、高容量型電池群20bを高出力型電池群20aの間に挟み込み、しかもその高出力型電池20aによる高容量型電池20bの挟み込み方向(図6(A)における矢印Y方向)が、冷却装置40による冷媒の供給方向(図6(A)における矢印X方向)に対して実質的に直交するように配置されている。
In the
そして、冷却装置40から供給口31を介して筐体30の内部に冷却風が供給されると、当該冷却風は、特に、最上段及び最下段に積層された高出力型電池群20aと筐体30の内壁面との間を通過することが可能となっている。
Then, when cooling air is supplied from the cooling
このように、冷却風に直接触れ易く冷却条件が良好な位置に高出力型電池20aを配置するレイアウトを採用することにより、高容量型電池10bより相対的に発熱が大きな高出力型電池10aを効率に冷却することが出来る。
As described above, by adopting a layout in which the high-
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
1、1’…ハイブリッド電池システム
10…二次電池
10a…高出力型電池
10b…高容量型電池
101…正極板
102…セパレータ
103…負極板
104…正極端子
105…負極端子
106…上部外装部材
107…下部外装部材
108…発電要素
15…バスバ
20a…高出力型電池群
20b…高容量型電池群
30…筐体
31…供給口
40…冷却装置
50…負荷
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記高出力型電池は、前記高容量型電池より相対的に大きな電流で充放電可能であり、
前記高容量型電池は、前記高出力型電池より相対的に大きなエネルギ容量を有し、
前記高出力型電池と前記高容量型電池とが電気的に並列接続されたハイブリッド電池システム。 A high-power battery and a high-capacity battery
The high-power battery can be charged / discharged with a relatively larger current than the high-capacity battery,
The high capacity battery has a relatively large energy capacity than the high power battery,
A hybrid battery system in which the high-power battery and the high-capacity battery are electrically connected in parallel.
前記高容量型電池は、負極活物質としてグラファイトを用いた請求項1記載のハイブリッド電池システム。 The high power battery uses hard carbon as a negative electrode active material,
The hybrid battery system according to claim 1, wherein the high-capacity battery uses graphite as a negative electrode active material.
前記高出力型電池を前記冷媒が供給される供給口に向かって上流側に配置し、
前記高容量型電池を前記供給口に向かって下流側に配置した請求項1又は2記載のハイブリッド電池システム。 A cooling means capable of supplying a refrigerant to the high-power battery and the high-capacity battery;
The high-power battery is disposed upstream toward the supply port to which the refrigerant is supplied;
The hybrid battery system according to claim 1 or 2, wherein the high-capacity battery is disposed on the downstream side toward the supply port.
前記高出力型電池及び前記高容量型電池に対して冷媒を供給可能な冷却手段と、をさらに備え、
前記高出力型電池及び前記高容量型電池は、前記高容量型電池を前記複数の高出力型電池の間に挟み込み、且つ、当該挟み込み方向が前記冷媒の供給方向に対して実質的に直交するように配置されている請求項1又は2記載のハイブリッド電池システム。 A plurality of the high power batteries;
A cooling means capable of supplying a refrigerant to the high-power battery and the high-capacity battery;
The high-power battery and the high-capacity battery include the high-capacity battery sandwiched between the plurality of high-power batteries, and the sandwiching direction is substantially orthogonal to the refrigerant supply direction. The hybrid battery system according to claim 1 or 2, arranged in such a manner.
前記高容量型電池は、正極活物質としてリチウム・ニッケル系複合酸化物を用いた請求項1〜4の何れかに記載のハイブリッド電池システム。
The high-power battery uses a lithium-manganese composite oxide as a positive electrode active material,
The hybrid battery system according to claim 1, wherein the high-capacity battery uses a lithium / nickel composite oxide as a positive electrode active material.
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