JP2003059541A

JP2003059541A - 組電池、組電池構造体、組電池または組電池構造体を備えた車両、及び組電池又は組電池構造体の制御方法

Info

Publication number: JP2003059541A
Application number: JP2001244416A
Authority: JP
Inventors: Takanori Ito; 孝憲伊藤; Hideaki Horie; 英明堀江
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】組電池を構成する1個以上の電池からなる電
池列が、他の電池列と比較して内部抵抗が高くなった場
合、すなわち電池が発熱しやすくなった場合でもその内
部抵抗が高くなった電池の熱劣化を促進させない組電池
を提供すること。【解決手段】単電池をx個と1つの電流値計測手段を直
列に接続した電池列と、該電池列をy列並列に接続した
電池群（ここでx≧1、y≧2の自然数）と、前記電流値計
測手段からの電流値計測信号に基づいて電流値を検知、
比較し、前記比較結果に基づいて充放電開始または停止
を制御するコントローラ１４とから構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数個の二次電池
を組み合わせてなる組電池、特に小型の電池を組み合わ
せて電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車
等のモータ駆動用電池、又は蓄電用として使用される組
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護運動の高まりを背景とし
て、二酸化炭素排出規制が切に望まれる中、自動車業界
ではガソリン車等の化石燃料を使用する自動車に替え
て、電気自動車(以下EVと記載する)、ハイブリッド自動
車(以下HEVと記載する)、燃料電池自動車（以下FCVと記
載する）の導入を促進すべく、これらの実用化の鍵を握
るモータ駆動用電池の開発が鋭意行われている。この用
途には、繰り返し充電が可能な二次電池が使用される。

【０００３】EV、HEV、FCVのモータ駆動のような高出力
及び高エネルギー密度が要求される用途では、単一の大
型電池は事実上作れず、複数個の電池を直列に接続して
構成した組電池を使用することがこれまで一般的であっ
た。しかし、この方法では単位電池の容量を非常に大き
くする必要があり、専用の製造ラインを設けて生産する
必要があった。また特に大容量が必要とされるEV用電池
等では、1個の電池が非常に重くなり取り扱いが困難で
ある。

【０００４】そこで、取り扱いの容易な小型の電池を多
数接続して、EV、HEV、FC用途に供することが考えられ
ている。また、高出力、高エネルギー密度であるリチウ
ムイオン二次電池を自動車用組電池として充放電に使用
する場合、単電池を複数個並列に接続したグループを直
列に接続した組電池を用い、全体として高電圧を得るよ
うに考えられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
組電池において、いずれかの1個以上のセルの内部抵抗
が高くなった場合、放電容量、出力が著しく低下する。
この問題に対して特開平8-241705は単電池の直列部分を
含まない、単電池の並列接続組の複数を直列接続したこ
とによって、全品正常品で構成されている組電池の充放
電サイクル寿命に出来るだけ接近した組電池を提案して
いる。しかし、この組電池は充放電方法によっては、充
放電中に内部抵抗が高いなどの異常電池の温度上昇によ
り電池の劣化を促進させる場合がある。また、電流値が
大きくなることで電池が発熱し、この発熱によって電池
の劣化を促進させることがあり、この現象は、負極にグ
ラファイトを用いることで更に顕著な現象となる。

【０００６】本発明は上記従来の問題点に着目されたも
のであって、その目的は組電池を構成する1個以上の電
池からなる電池列が、他の電池列と比較して内部抵抗が
高くなった場合、すなわち電池が発熱しやすくなった場
合でもその内部抵抗が高くなった電池の熱劣化を促進さ
せない組電池を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、上記の目的を達成するた
めに鋭意検討した結果、単電池をx個と1つの電流値計測
手段を直列に接続した電池列と、該電池列をy列並列に
接続した電池群（ここでx≧1、y≧2の自然数）と、前記
計測手段からの電流値計測信号に基づいて電流値を検
知、比較する検知比較手段と、前記比較結果に基づいて
充放電開始または停止を制御する充放電制御手段からな
ることを特徴とする組電池を用い、前記電池列の各々の
電流値のうち、放電初期で最も高電流が流れた列と最も
低電流が流れた列の最大差が単電池の初期放電での1C電
流の3%以上差があった場合に、放電初期で最も高電流が
流れた列と最も定電流が流れた列の電流値が等しくなっ
た場合、放電を停止させ、充電に切り替えることによっ
て、充放電サイクル寿命低下を抑制することを見出し
た。

【０００８】

【発明の作用】請求項１ないし４記載の発明にあって
は、充放電を制御することにより、ある電池に大電流が
流れるのを防ぎ、劣化の促進を抑えることが出来る。ま
た、この組電池は、電気自動車、ハイブリット自動車、
燃料電池自動車の電源として、又は自動車用12V,42Vバ
ッテリーとして用いることにより、信頼性の高い電気自
動車、ハイブリット自動車、燃料電池自動車、一般自動
車を提供できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本実施の形態に使用される
サブモジュール構造体を表す概略図である。本組電池を
サブモジュールとして直列及び／又は並列に接続し、設
置し、さらには前記サブモジュールが各々着脱可能であ
ることで要求特性、仕様に合わせて出力等を設計できる
ものである。

【００１０】実施の形態の組電池は、二次電池単電池を
複数直列に接続した電池列を並列に接続することによっ
て大出力及び大容量を実現しながら、この組電池の劣化
を促進させるような過剰な電流が流れるのを抑止するこ
とで電池の発熱を抑え、発熱によって起こる電池の劣化
を抑制して十分な充放電サイクル寿命を得られるものと
なる。

【００１１】この組電池の好適な使用方法として、前記
電池列の各々の電流値のうち、放電初期で最も高電流が
流れた列と最も低電流が流れた列の最大差が単電池の初
期放電での1C電流の3%以上差があった場合に、放電初期
で最も高電流が流れた列と最も定電流が流れた列の電流
値が等しくなった場合、放電を停止させ、充電に切り替
える方法があり、充放電サイクル寿命低下を抑制するこ
とが可能となる。

【００１２】なお放電初期とは放電開始から３秒以内を
言い、1C電流とは定電流放電で1時間で電池が満充電か
ら空になる電流値を言い、1Ahの容量の電池なら1Cは1A
である。

【００１３】例えば組電池を構成するある単電池が使用
中に他と比較して内部抵抗が高くなった場合、電流値を
モニターし、最も内部抵抗が高い電池と最も内部抵抗が
低い電池の電流が一致した際に放電を停止し、充電する
ことによって、内部抵抗の高い電池の温度が上がらず劣
化の促進を防止できるというものである。

【００１４】図２はHEVに実施の形態の組電池を搭載し
た例を示す。特に大容量、大出力が要求され、かつ充放
電を繰り返すHEV,FCV用組電池、自動車用12V,42Vバッテ
リーとして好適に使用できる。

【００１５】（実施例）以下、本発明における組電池の
実施形態について実施例をもとに説明するが、本発明は
実施例に限定されるものではない。

【００１６】図３はリチウムイオン電池を２直列に接続
し、そのグループを３並列に接続した組電池を示す。1
〜6はリチウムイオン二次電池、7〜9は電流を計測する
電流計、10は正極、11は負極である。尚、この組電池は
ｍ直列とｎ並列との組み合わせ（ｍ≧１，ｎ≧１）の構
成でも可能である。実施例においては1〜5に正常品、6
に正常品の2倍の内部抵抗を有する電池とした。また、
各電池列に電流計7,8,9を直列に接続する。電流計7,8,9
はシャント抵抗、また非接触のホール素子でも可能であ
る。充電は上限電圧8.4V、放電は6の電池の電流値と他
のいずれかのセルの電流値が同じになった際に充電に移
る。

【００１７】図４は実施の形態の充放電制御を表すフロ
ーチャートである。ステップ１０１では、満充電状態で
放電を開始する。ステップ１０２では、放電を開始す
る。ステップ１０３では、各電池列の電流値を測定す
る。ステップ１０４では、各電池列の電流値が容量の３
％以上の差があるかどうかを判断し、差があればステッ
プ１０２へ戻り、放電を継続し、差がなければステップ
１０５へ進む。ステップ１０５では、初期に最も高い電
流値を示した電流計の電流値と、初期に最も低い電流値
を示した電流計の電流値が同じかどうかを判断し、同じ
であればステップ１０６へ進み、同じでなければステッ
プ１０２へ戻り、放電を継続する。ステップ１０６で
は、放電を停止する。ステップ１０７では、充電を開始
する。尚、ステップ１０３，１０４が特許請求の範囲に
記載の検知比較手段に相当し、ステップ１０５が充放電
制御手段に相当する。

【００１８】ここで、充放電は放電を開始して放電初期
に最も電流値が高い電池列と、放電初期に最も電流値が
低い電池列の電流値が一致し、放電を停止して充電を開
始し、満充電になって再び放電を開始するまでを１サイ
クルとしている。

【００１９】ここで使用するLiMn₂O₄系リチウムイオン
二次電池の実施例について説明する。正極は基本的には
LiMn₂O₄であるが、Li欠損タイプ又はLi過剰タイプであ
ってもよい。また、Mnの一部はMnを除く遷移金属元素及
び他の金属元素の中から選ばれた少なくとも1種以上か
らなる金属元素で置換されていても良い。また、O欠損
タイプ又はO過剰タイプでもよい。また、Oの一部をS,F,
Clなどの元素の中から選ばれた少なくとも1種からなる
元素で置換されていても良い。

【００２０】負極としては、通常の非水電解質二次電池
に用いられる材料がいずれも使用可能であり、例えば、
金属リチウムやリチウム合金等のリチウム系金属、SnSi
O₃等の金属酸化物、LiCoN₂等の金属窒化物及び炭素材料
などを用いることができる。なお、本発明においてはリ
チウムイオンをドープかつ脱ドープし得る炭素質材料を
負極活物質として、具体的にはコークス、天然黒鉛、人
造黒鉛及び難黒鉛化炭素などの炭素材料を好適に用いる
ことができる。

【００２１】電解液としては、各種リチウム塩を電解質
とし、これらを有機溶媒などの非水溶媒に溶解したもの
使用できる。この場合、電解質としては、LiClO₄、LiAs
F₆、LiPF₆、LiBF₆、LiCF₃SO₃、Li(CF₃SO₂)₂Nなど従来公
知のものが挙げられる。また、有機溶媒としては、特に
限定されないが、カーボネート類、ラクトン類及びエー
テル類などが挙げられ、例えば、エチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、
ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,
2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラ
ヒドロフラン、1,3−ジオキソラン及びγ―ブチロラク
トンなどの溶媒を単独又は2種以上を混合して用いるこ
とができる。なお、これらの非水溶媒や有機溶媒に溶解
される電解質の濃度は、0.5〜2.0モル/リットルにする
ことが好ましい。

【００２２】また、本発明のリチウム二次電池において
は、上記電解液以外の他の電解媒体を用いることも可能
であり、例えば、上記電解質を高分子マトリックスに均
一分散させた固体若しくは粘稠体、又はこれらに非水溶
媒を含浸させたものももちいることができる。この場
合、高分子マトリックスとしては、例えば、ポリエチレ
ンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニ
トリル及びポリフッ化ビニリデンなどを用いることがで
きる。

【００２３】更に、本発明のリチウム二次電池において
は、正極と負極の短絡防止のためのセパレーターをも設
けることができる。かかるセパレーターとしては、ポリ
エチレン及びセルロースなどの高分子材料の多孔性シー
トや、不織布が用いられる。

【００２４】（実施例１）図３の組電池の構成で6の電
池のみ内部抵抗が1〜5の2倍の電池とされている。3Aで
充放電サイクル試験を行った結果、放電容量が2サイク
ル目の90%に低下し始めたサイクル数は328であった。

【００２５】（実施例２）図３の組電池の構成で6の電
池のみ内部抵抗が1〜5の2倍の電池とされている。30Aで
充放電サイクル試験を行った結果、放電容量が2サイク
ル目の90%に低下し始めたサイクル数は310であった。

【００２６】（比較例１）図３の組電池の構成で6の電
池のみ内部抵抗が1〜5の2倍の電池とされている。3Aで
上限電圧8.4V、下限電圧5V間充放電サイクル試験を行っ
た結果、放電容量が2サイクル目の90%に低下し始めたサ
イクル数は52であった。

【００２７】（比較例２）図３の組電池の構成で6の電
池のみ内部抵抗が1〜5の2倍の電池とされている。30Aで
上限電圧8.4V、下限電圧5V間充放電サイクル試験を行っ
た結果、放電容量が2サイクル目の90%に低下し始めたサ
イクル数は41であった。

【００２８】（比較例３）図３の組電池の構成で全ての
電池が正常品とされている。3Aで上限電圧8.4V、下限電
圧5V間充放電サイクル試験を行った結果、放電容量が2
サイクル目の90%に低下し始めたサイクル数は341であっ
た。

【００２９】（比較例４）図３の組電池の構成で全ての
電池が正常品とされている。30Aで上限電圧8.4V、下限
電圧5V間充放電サイクル試験を行った結果、放電容量が
2サイクル目の90%に低下し始めたサイクル数は322であ
った。

【表1】この表から明らかなように、3A（1C相当）、30A（10C相
当）においても実施例による組電池の制御は、比較例と
比べて充放電サイクル寿命が優れていることがわかる。

【００３０】図５にHEVあるいはFCVを例に制御方法を説
明する。図５は2直列に接続し、そのグループを3並列に
接続した組電池となっているが、ｍ直列とｎ並列との組
み合わせ（ｍ≧１、ｎ≧２）の構成でも可能である。7
〜9は電流計で電流を測定する電流計であり、12は発電
機であり、例えばオルタネーターや燃料電池などであ
る。13はモータであり、14は負極とコントローラになっ
ている。コントローラの場所は限られるものではない。
放電初期で電流値の違いを検知し、最も大きな電流と最
も小さな電流が流れた列の電流値が同じになったら放電
を止め、発電機から充電を行う。これにより、信頼性の
高いHEVあるいはFCVを提供することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とによって、組電池を構成する1個以上の電池の内部抵
抗が高くなった場合、充放電サイクルによって、その電
池の劣化促進を抑えて組電池の充放電サイクル寿命低減
を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態の組電池構造体を表す概略図であ
る。

【図２】実施の形態の組電池を搭載したハイブリッド車
両を表す概略図である。

【図３】実施例の組電池を表す概略図である。

【図４】実施例１，２及び比較例１〜４の充放電実験に
用いる充放電制御を表すフローチャートである。

【図５】実施の形態の組電池をHEVあるいはFCVに適用し
た場合のシステム図である。

【符号の説明】 1〜6 リチウムイオン二次電池 7〜9 電流計 10 正極 11 負極 12 発電機 13 駆動用モータ 14 コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 2/10 Ｈ０１Ｍ 10/48 Ｐ 10/48 Ｂ６０Ｋ 9/00 ＺＨＶＣＦターム(参考） 3D035 AA06 BA01 5H030 AA01 AS08 BB01 DD06 FF42 5H040 AA36 AS07 AY08 5H115 PA00 PA15 PC06 PG04 PI14 PI18 PI29 PO11 PU01 PU21 SE06 TI06 TU17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単電池をx個と1つの電流値計測手段を直
列に接続した電池列と、該電池列をy列並列に接続した電池群（ここでx≧1、y≧
2の自然数）と、前記計測手段からの電流値計測信号に基づいて電流値を
検知、比較する検知比較手段と、前記比較結果に基づいて充放電開始または停止を制御す
る充放電制御手段からなることを特徴とする組電池。
【請求項２】請求項１に記載の組電池をサブモジュー
ルとして、該サブモジュールが直列および/又は並列に
接続されて設置されることを特徴とする組電池構造体。
【請求項３】請求項２に記載の組電池構造体におい
て、前記サブモジュールを、各々脱着可能としたことを特徴
とする組電池構造体。
【請求項４】電気自動車、ハイブリッド自動車、又は
燃料電池自動車において、前記各車両を、請求項１ないし３いずれか1つに記載の
組電池または組電池構造体を備えた車両としたことを特
徴とする組電池又は組電池構造体を備えた車両。
【請求項５】請求項１ないし４いずれか１つに記載の
組電池又は組電池構造体の制御方法であって、放電初期で、最も高電流が流れた列と最も低電流が流れ
た列の最大差が単電池の初期放電での1C電流の3%以上差
があった場合に、放電初期で、最も高電流が流れた列と
最も定電流が流れた列の電流値が等しくなった場合、放
電を停止させ、充電に切り替えることを特徴とする組電
池または組電池構造体の制御方法。