JP2009199934A - 電源システムおよびこれを搭載した車両ならびに電源システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】デンドライトによるリチウム二次電池の性能低下を防止することができる電源システムを提供する。
【解決手段】本発明の電源システム100は、リチウム二次電池10,11および電位調整手段20,70を有する。リチウム二次電池10,11は、リチウムを含む正極を備えている。電位調整手段20,70は、リチウム二次電池10,11の負極の電位を上昇させることによって、リチウム二次電池10,11の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の電源システム100は、リチウム二次電池10,11および電位調整手段20,70を有する。リチウム二次電池10,11は、リチウムを含む正極を備えている。電位調整手段20,70は、リチウム二次電池10,11の負極の電位を上昇させることによって、リチウム二次電池10,11の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。
【選択図】図1
Description
本発明は、リチウム二次電池を電源として用いた電源システムおよびこれを搭載した車両ならびに電源システムの制御方法に関する。
近年、電気自動車(EV)およびハイブリッド電気自動車(HEV)のモータ駆動用電源として、リチウム二次電池の開発が盛んである。
リチウム二次電池に関する技術としては、二次電池の耐久性向上の要求から、下記の特許文献1に示すようなリチウム二次電池の充電方法が提案されている。特許文献1に開示されている充電方法は、オンとオフとを交互に繰り返すパルス電流を供給することによりリチウム二次電池を充電するものである。このような構成の充電方法によれば、リチウム二次電池の性能低下を引き起こすリチウムのデンドライが、充電時にリチウム二次電池の負極に析出することを抑制することができる。
特開平7−263031号公報
しかしながら、上記充電方法では、デンドライトの析出を抑制することができるものの、デンドライトは経時的に析出し、いずれはリチウム二次電池の性能低下を引き起こすという問題がある。
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、デンドライトによるリチウム二次電池の性能低下を防止することができる電源システムおよび電源システムの制御方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、上記電源システムを搭載した車両を提供することである。
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
本発明の電源システムは、リチウム二次電池および電位調整手段を有する。前記リチウム二次電池は、リチウムを含む正極を備えている。前記電位調整手段は、前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、当該リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。
本発明の電源システムの制御方法は、リチウムを含む正極を備えたリチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、前記リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。
本発明の車両は、上記電源システムを駆動用電源として搭載している。
本発明の電源システムおよび電源システムの制御方法によれば、リチウム二次電池の負極の電位が上昇されることによってリチウムのデンドライトが溶解除去されるため、デンドライトの析出によるリチウム二次電池の性能低下が防止される。したがって、リチウム二次電池の耐久性を向上することができる。
本発明の車両によれば、リチウム二次電池の性能が長期間維持されるため、車両の信頼性が向上する。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明を電気自動車のモータ駆動用の電源システムに適用した場合を例にとって説明する。図中、同様の部材には、同一の符号を用いた。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の電源システムは、リチウム二次電池の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超えた場合に、リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトを溶解除去するものである。
図1は、本発明の第1の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の電源システムは、リチウム二次電池の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超えた場合に、リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトを溶解除去するものである。
図1に示すとおり、本実施の形態の電源システム100は、組電池10、外部電源20、電圧センサ30、温度センサ40、および電源制御装置50を備える。組電池10は、インバータ60を介してモータ70に接続されており、電源制御装置50は、車内ネットワークを通じて車両制御装置80に接続されている。
組電池10は、モータ70に電力を供給するものである。組電池10は、繰り返し充放電可能なリチウム二次電池であって、リチウムを含む正極を備えたリチウム単電池(以下、電池セルと称する)11が複数直列に接続されて構成される。組電池10を構成する電池セル11についての詳細な説明については後述する。
外部電源20は、電位調整手段として、組電池10に逆電圧を印加することにより、組電池10の負極の電位を上昇させるものである。外部電源20は、その負極端子が組電池10の正極端子に接続され、その正極端子が組電池10の負極端子に接続される。本実施の形態の外部電源20は、直流電源および可変抵抗器を含む可変電源であって、電源制御装置50により制御される。あるいは、本実施の形態と異なり、外部電源20は、組電池10にパルス電圧(パルス電流)を印加するパルス電源を有してもよい。
電圧センサ30は、組電池10の電圧を検出するものである。電圧センサ30は、組電池10と並列に接続されており、組電池10の充電量(SOC)として組電池10の開放電圧を検出する。電圧センサ30は、電源制御装置50と電気的に接続されており、検出された電圧信号は電源制御装置50に送信される。
温度センサ40は、組電池10の温度を検出するものである。温度センサ40は、組電池10内部に設けられ、組電池10が使用される環境の温度として組電池10内部の温度を検出する。温度センサ40は、電源制御装置50と電気的に接続されており、検出された温度信号は電源制御装置50に送信される。
電源制御装置50は、制御手段として、電圧センサ30および温度センサ40によって検出される信号を処理し、外部電源20およびモータ70を制御するものである。電源制御装置50は、インバータ60と組電池10とを接続する強電ハーネスに設けられた強電スイッチを制御するとともに、車両制御装置80を介して、モータ70に接続されるインバータ60に制御信号を出力することができる。
電源制御装置50は、たとえば、一般的なコンピュータであって、CPU51およびメモリ52を有する。CPU51は、外部電源20およびモータ70の動作を制御する制御部、および、リチウムのデンドライトの析出量を算出する析出量算出部として機能する。メモリ52は、格納手段として、組電池10の充放電履歴情報、および、組電池10の開放電圧と充電量との関係を示す開放電圧−充電量データを格納している。
次に、図2および図3を参照しつつ、本実施の形態の組電池10を構成している電池セル11について詳細に説明する。
図2は、図1に示す電源システムにおける組電池を構成する電池セルの構造を説明するための断面図であり、図3は、図2に示す電池セルの部分拡大図である。
図2に示すとおり、本実施の形態の電池セル11は、ラミネートフィルムよりなる外装材12に、電池要素(発電要素)および参照極13が収納された構成を有している。また、本実施の形態の電池セル11には、電池セル11の負極の電位を検出する電位検出手段としての第1セル電圧センサ31が接続されている。
電池要素は、リチウムイオンを吸蔵および放出する正極活物質および負極活物質を含み、正極と負極の間の電解質(非水電解液)をリチウムイオンが移動することによって充放電するものである。電池要素は、正極集電体14aの両面(電池要素の最下層および最上層用は片面)に正極活物質層14bが形成された正極14と、電解質層15と、負極集電体16aの両面に負極活物質層16bが形成された負極16とが複数積層されて構成される。正極集電体14aおよび負極集電体16aは延長されて、外装材12から導出する正極タブ17および負極タブ18にそれぞれ取り付けられている。
参照極13は、電池セル11の負極の電位を測定するためのものである。参照極13は、たとえば、金属リチウムから形成され、電解質層15をなすセパレータの端部に設けられている。参照極13には、外装材12の外部まで導出されるリード線(不図示)が取り付けられており、リード線は、第1セル電圧センサ31に接続されている。なお、本実施の形態とは異なり、参照極13は、電池セル11内部に1個だけ設けられてもよく、この場合、参照極13は、負極近傍に設けられることが好ましい。
また、図3に示すとおり、本実施の形態の負極集電体16aは、ステンレス鋼およびチタンなどの耐酸化性金属板材から形成されており、その表面は、酸化膜、窒化膜、またはフッ化膜などの表面処理膜16cによって覆われている。このような表面処理膜16cは、スパッタ法、イオンビーム法、および化学蒸着法などの乾式成膜法によって、負極集電体16aの電子伝導性を失わせない程度の厚さに形成される。負極集電体16aの両面には、たとえば、グラファイトカーボンおよびハードカーボンなどの炭素材料からなる負極活物質が塗布される。なお、正極集電体14a、正極活物質層14b、電解質層15、および負極活物質層16b自体は、リチウム二次電池に用いられる一般的な物質から構成されるものであるため、詳細な説明は省略する。
以上のとおり構成される本実施の形態の電源システム100では、電池セル11の負極に析出するリチウムのデンドライトの析出量が許容量を超えた場合、電池セル11の負極16の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトが溶解除去される。以下、図4〜図7を参照しつつ、本実施の形態の電源システムの制御方法について詳細に説明する。
図4は、図1に示す電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。なお、以下のフローチャートでは、組電池10を充電する前に、電池セル11の負極に析出しているリチウムのデンドライトを溶解除去する場合を例にとって説明する。
図4に示すとおり、本実施の形態における電源システムの制御方法では、まず、デンドライトの析出量が算出される(ステップS101)。本実施の形態では、組電池10が充放電された履歴を示す充放電履歴情報に基づいて、CPU51が組電池10の内部に析出されるデンドライトの析出量の推定値を算出する。
次に、デンドライトの析出量が許容値以上か否かが判断される(ステップS102)。本実施の形態では、CPU51が、ステップS101に示す処理で算出されたデンドライトの析出量と予め設定される許容値とを比較して、析出量が許容値以上か否かを判断する。ここで、許容値は、たとえば、0.3(mg)であり、デンドライトが電池セル11の性能低下を引き起こさないように、電池セル11に用いられている物質および電池セル11の寸法などに応じて設定される。
デンドライトの析出量が許容値未満の場合(ステップS102:NO)、デンドライトが電池セル11の性能低下を引き起こす可能性は低いとして、デンドライトを溶解除去することなく、ステップS106以下に示す充電処理に移行する。一方、デンドライトの析出量が許容値以上の場合(ステップS102:YES)、組電池10の充電量が検出される(ステップS103)。本実施の形態では、電圧センサ30によって検出される組電池10の開放電圧から、CPU51が組電池10の充電量を算出する。より具体的には、メモリ52に格納されている開放電圧−充電量データに基づいて、CPU51が組電池10の充電量を算出する。
次に、検出された組電池10の充電量が第1設定値以上か否かが判断される(ステップS104)。本実施の形態では、CPU51が、ステップS103に示す処理で算出された充電量と第1設定値とを比較して、充電量が第1設定値以上か否かを判断する。ここで、第1設定値は、たとえば、60%であり、後続するデンドライト溶解処理で消費される電力が大きくなり過ぎないように、電池セル11に用いられている物質などに応じて設定される。
組電池10の充電量が第1設定値以上の場合(ステップS104:YES)、後続するデンドライト溶解処理で消費される電力が大き過ぎて効率的ではないとして、デンドライトを溶解除去することなく、ステップS106以下に示す充電処理に移行する。一方、組電池10の充電量が第1設定値未満の場合(ステップS104:NO)、組電池10に析出したデンドライトが溶解除去される(ステップS105)。本実施の形態では、CPU51が外部電源20またはモータ70の動作を制御して、電池セル11の負極の電位を上昇させることにより、負極に析出したデンドライトを溶解除去する。ステップS105に示すデンドライト溶解処理の詳細については後述する。
次に、組電池10の充電が開始される(ステップS106)。そして、組電池10の充電が完了するまで充電が継続され(ステップS107,S108)、処理が終了される。なお、ステップS106〜S108に示す処理は、一般的なリチウム二次電池の充電処理であるため、詳細な説明は省略する。
以上のとおり、図4のフローチャートに示す処理によれば、組電池10を構成する電池セル11の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超える場合、電池セル11の負極の電位が上昇されることによって、析出したデンドライトが溶解除去される。その結果、電池セル11の負極に析出したリチウムのデンドライトに起因する電池セル11の性能低下が防止される。以下、図5および図6を参照しつつ、リチウムのデンドライトを溶解除去するデンドライト溶解処理について詳細に説明する。
図5は、図4のステップS105に示すデンドライト溶解処理を説明するためのフローチャートである。本実施の形態では、電池セル11に外部から逆電圧を印加することによって、または、電池セル11を放電させることによって、電池セル11の負極の電位を上昇させ、負極に析出しているリチウムのデンドライトを溶解除去する。
図5に示すとおり、本実施の形態のデンドライト溶解処理では、まず、組電池10の充電量が第2設定値未満か否かが判断される(ステップS201)。本実施の形態では、CPU51が、図4のステップS103に示す充電量検出処理で検出された組電池10の充電量と第2設定値とを比較して、充電量が第2設定値未満か否かを判断する。ここで、第2設定値は、たとえば、10%であり、モータ70によって消費可能な電力などに応じて設定される。
組電池10の充電量が第2設定値以上の場合(ステップS201:NO)、デンドライトを溶解除去するために、外部電源20から組電池10に逆電圧が印加される(ステップS202)。本実施の形態では、電源制御装置50が外部電源20に指令信号を出力して、外部電源20から組電池10に逆電圧を印加する。外部電源20から逆電圧が印加されることにより、電池セル11の負極16の電位は強制的に上昇される。電池セル11の負極の電位が上昇されることにより、負極に析出しているデンドライトが溶解される。
次に、電池セル11の負極の電位が検出される(ステップS203)。本実施の形態では、第1セル電圧センサ31によって、一の電池セル11の内部に設けられた参照極13と負極16との電位差が負極の電位として検出される。
そして、検出された負極の電位が予め設定されるデンドライト溶解電位以上か否かが判断される(ステップS204)。本実施の形態では、CPU51が、ステップS203に示す処理で検出された負極の電位とデンドライト溶解電位とを比較して、負極の電位がデンドライト溶解電位以上か否かを判断する。ここで、デンドライト溶解電位は、たとえば、2Vであって、デンドライトを効果的に溶解除去することができる電位である。デンドライト溶解電位は、電池セル11に用いられている物質に応じて設定される。
負極の電位がデンドライト溶解電位未満の場合(ステップS204:NO)、負極の電位がデンドライト溶解電位に到達するまで、外部電源20から印加される逆電圧の大きさが増加される。一方、負極の電位がデンドライト溶解電位以上の場合(ステップS204:YES)、外部電源20から印加される逆電圧の大きさが維持される(ステップS205)。
次に、所定時間が経過したか否かが判断される(ステップS206)。所定時間が経過していない場合(ステップS206:NO)、所定時間が経過するまで、外部電源20から印加される逆電圧の大きさが維持される。一方、所定時間が経過した場合(ステップS206:YES)、外部電源20からの逆電圧の印加が停止され(ステップS207)、処理が終了される。
以上のとおり、ステップS202〜S207に示す処理によれば、外部電源20から組電池10に逆電圧が印加されることによって、電池セル11の負極の電位が強制的に上昇される。電池セル11の負極16の電位が上昇されることにより、電池セル11の負極16に析出しているデンドライトが溶解除去される。
一方、ステップS201に示す充電量判断処理において、組電池10の充電量が第2設定値未満の場合(ステップS201:YES)、デンドライトを溶解除去するために、組電池10の放電が開始される(ステップS208)。本実施の形態では、電源制御装置50がインバータ60に指令信号を出力してモータ70を駆動させることにより、組電池10を放電させる。電位調整手段としてのモータ70によって電流を取り出されることにより、電池セル11の負極の電位は上昇される。電池セル11の負極の電位が上昇されることにより、負極に析出しているデンドライトが溶解される。
次に、電池セル11の負極の電位が検出される(ステップS209)。本実施の形態では、第1セル電圧センサ31によって、一の電池セル11の内部に設けられた参照極13と負極16との電位差が負極の電位として検出される。
そして、検出された負極の電位が予め設定されるデンドライト溶解電位以上か否かが判断される(ステップS210)。本実施の形態では、CPU51が、ステップS209に示す処理で検出された負極の電位とデンドライト溶解電位とを比較して、負極の電位がデンドライト溶解電位以上か否かを判断する。ここで、デンドライト溶解電位は、たとえば、2Vであって、デンドライトを効果的に溶解除去することができる電位である。デンドライト溶解電位は、電池セル11に用いられている物質に応じて設定される。
負極の電位がデンドライト溶解電位未満の場合(ステップS210:NO)、負極の電位がデンドライト溶解電位に到達するまで、たとえば、モータ70の回転数を増加することにより、組電池10から取り出される電流が増加される。一方、負極の電位がデンドライト溶解電位以上の場合(ステップS210:YES)、たとえば、モータ70の回転数を維持することにより、組電池10から取り出される電流が維持される(ステップS211)。
次に、所定時間が経過したか否かが判断される(ステップS212)。所定時間が経過していない場合(ステップS212:NO)、所定時間が経過するまで、組電池10から取り出される電流の大きさが維持される。一方、所定時間が経過した場合(ステップS212:YES)、モータ70の停止によって放電が停止され(ステップS213)、処理が終了される。
以上のとおり、ステップS208〜S213に示す処理によれば、組電池10を放電させることによって電池セル11の負極の電位が上昇される。電池セル11の負極16の電位が上昇されることにより、電池セル11の負極16に析出しているデンドライトが溶解除去される。
図6は、上述したデンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電極電位および電池電圧の変化を説明するための図である。図6(A)および図6(B)は、デンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電極電位の変化を模式的に示す図であり、図6(C)は、デンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電池電圧の変化を模式的に示す図である。
図6(A)および図6(B)に示すとおり、本実施の形態のデンドライト溶解処理では、電池セル11に逆電圧を印加することにより、または、電池セル11を放電させることにより、電池セル11の負極16の電位がデンドライト溶解電位近傍まで上昇される。また、図6(C)に示すとおり、本実施の形態のデンドライト溶解処理では、電池セル11の正極と負極の電位差である電池電圧は、転極するように減少する。
以上のとおり、図5のフローチャートに示すデンドライト溶解処理によれば、組電池10の充電量に応じて外部電源20またはモータ70の動作が制御され、予め設定されるデンドライト溶解電位まで、電池セル11の負極の電位が上昇される。その結果、電池セル11の負極に析出しているリチウムのデンドライトが溶解除去される。
なお、上述したデンドライト溶解処理では、組電池10の充電量に応じて、組電池10に逆電圧を印加する処理と組電池10を放電させる処理とが使い分けられた。しかしながら、組電池10の充電量に関わらず、組電池10に逆電圧を印加する処理および組電池10を放電させる処理の一方の処理のみによってデンドライトを溶解除去してもよい。また、組電池10を放電させる放電抵抗器は、モータ70に限定されるものではなく、別途に放電抵抗器が設けられてもよい。
さらに、上述したデンドライト溶解処理では、一の電池セル11の負極の電位をモニタリングしつつ、電池セル11の負極の電位を上昇させた。しかしながら、電池セル11の負極の電位を必ずしもモニタリングする必要はなく、予め設定した逆電圧を組電池10に印加してもよい。あるいは、予め設定した電流値(レート値)で組電池10が放電するように、強電ハーネスに設けられた電流センサ90で電流値をモニタリングしつつ、モータ70の動作を制御してもよい。
次に、本実施の形態の電源システム100における作用効果を説明する。
図7は、本実施の形態の電源システムによるリチウム二次電池の耐久性向上効果を説明するための図である。具体的には、図7は、リチウム二次電池の負極に析出するデンドライトの経時的な析出量を模式的に示したものである。なお、図7では、一般的な電源システムを用いた場合を比較例として示している。図7中の破線は、比較例におけるデンドライトの析出量の経時的な変化を表しており、実線は、本実施の形態におけるデンドライトの析出量の経時的な変化を表している。
比較例では、リチウムのデンドライトが溶解除去されることなく、リチウム二次電池の充放電が繰り返される。リチウム二次電池の充放電にともなって、樹枝状の析出物であるデンドライトは、リチウム二次電池の負極表面の凹凸部または負極の端部に析出・成長する。このようなデンドライトは、電解質層をなすセパレータを貫通して、リチウム二次電池の正極および負極間に内部短絡を引き起こす可能性がある。したがって、一般的な電源システムでは、リチウム二次電池の充放電が繰り返されることによりデンドライトが負極に析出し、リチウム二次電池の性能低下が引き起こされる可能性がある。
一方、本実施の形態では、許容量以上のデンドライトが析出した場合、リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトが溶解除去される。したがって、充放電が繰り返されても、デンドライトの析出量は許容量未満に維持され、リチウム二次電池の性能低下は防止される。その結果、リチウム二次電池の耐久性が向上する。
次に、図8を参照しつつ、本実施の形態の電源システムが搭載された車両を説明する。
図8は、本実施の形態の電源システムを駆動用電源として搭載した電気自動車を示す図である。本実施の形態の電源システム100は、自動車および電車などの車両に搭載され、モータなどの電気機器の駆動用電源として使用されることができる。
図8に示すとおり、本実施の形態の電源システム100を搭載した電気自動車200では、組電池10から電力を供給されるモータ70によって駆動輪が回転し、電気自動車200が走行する。本実施の形態の電気自動車200は、組電池10の性能が長期間維持されるため、車両200の信頼性が向上する。
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
(a)本実施の形態の電源システムは、リチウムを含む正極を備えた電池セルと、電池セルの負極の電位を上昇させることによって、当該電池セルの負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する外部電源およびモータと、を有する。したがって、電池セルの負極の電位が上昇されることによってリチウムのデンドライトが溶解除去されるため、デンドライトの析出による電池セルの性能低下が防止される。その結果、電池セルの耐久性を向上することができる。
(b)モータは、電池セルを放電させることにより、電池セルの負極の電位を上昇させる。したがって、別途に外部電源などを設けることなく、電池セルの負極の電位を上昇させることができる。
(c)外部電源は、電池セルに逆電圧を印加することにより、電池セルの負極の電位を上昇させる。したがって、モータに負荷をかけることなく、電池セルの負極の電位を上昇させることができる。
(d)電池セルの負極は、耐酸化性物質から形成される負極集電体を有する。したがって、負極の電位の上昇による負極集電体の腐食が抑制される。その結果、電池セルの耐久性が向上する。また、一般的な銅箔などの負極集電体と比較して、負極集電体の腐食により負極集電体を構成する金属イオンが電解液中に溶出して二次電池の性能低下を引き起こしてしまう現象が防止される。
(e)負極集電体は、ステンレス鋼またはチタンから形成される。したがって、負極集電体の耐酸化性を向上することができる。
(f)負極集電体の表面は、酸化膜、窒化膜、またはフッ化膜によって覆われている。したがって、負極の電位の上昇による負極集電体の腐食がより確実に抑制される。
(g)本実施の形態の電源システムは、電池セルの負極の電位を検出する第1セル電圧センサと、第1セル電圧センサで検出される電位に基づいて、外部電源またはモータを制御する電源制御装置と、をさらに有する。したがって、電池セルの負極の電位を精度よく制御することができる。
(h)電池セルには、当該電池セルの負極の電位を測定するための参照極が設けられており、第1セル電圧センサは、電池セルの負極と参照極との電位差を、当該電池セルの負極の電位として検出する。したがって、電池セルの負極の電位を精度よく検出することができる。
(i)電源制御装置は、第1セル電圧センサで検出される電位が予め設定されるデンドライト溶解電位を維持するように、外部電源またはモータを制御する。したがって、デンドライトを効率よく除去することができる。また、電池セルの負極の電位が過度に上昇することを防止することができる。
(j)本実施の形態の車両は、上記電源システムを駆動用電源として搭載している。したがって、複数の電池セルから構成される組電池の性能が長期間維持されるため、車両の信頼性が向上する。
(k)本実施の形態における電源システムの制御方法は、リチウムを含む正極を備えた電池セルの負極の電位を上昇させることによって、電池セルの負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。したがって、電池セルの負極の電位が上昇されることによってリチウムのデンドライトが溶解除去されるため、デンドライトの析出による電池セルの性能低下が防止される。その結果、電池セルの耐久性を向上することができる。
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態では、組電池を構成する複数の電池セルのうち予め設定された一の電池セルの負極の電位に基づいて、電源制御装置が外部電源またはモータを制御した。本実施の形態では、複数の電池セルのうち最も充電量(SOC)の多い一の電池セルに基づいて、電源制御装置が外部電源またはモータを制御する。
第1の実施の形態では、組電池を構成する複数の電池セルのうち予め設定された一の電池セルの負極の電位に基づいて、電源制御装置が外部電源またはモータを制御した。本実施の形態では、複数の電池セルのうち最も充電量(SOC)の多い一の電池セルに基づいて、電源制御装置が外部電源またはモータを制御する。
図9は、本発明の第2の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。
図9に示すとおり、本実施の形態の電源システム100は、組電池10、外部電源20、電圧センサ30、温度センサ40、電源制御装置50、および第2セル電圧センサ32を備える。組電池10は、インバータ60を介してモータ70に接続されており、電源制御装置50は、車内ネットワークを通じて車両制御装置80に接続されている。なお、複数の第2セル電圧センサ32が設けられている点、および電源制御装置50が第2セル電圧センサ32からの信号を処理する点を除いては、本実施の形態における電源システムの構成は第1の実施の形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
第2セル電圧センサ32は、充電量検出手段として、電池セル11の充電量を検出するものである。第2セル電圧センサ32は、組電池10を構成する複数の電池セル11のそれぞれに設けられており、電池セル11の充電量として電池セル11の電池電圧を検出する。複数の第2セル電圧センサ32は、それぞれ電源制御装置50と電気的に接続されており、検出された電圧信号は電源制御装置50に送信される。
電源制御装置50は、複数の第2セル電圧センサ32からの信号を処理して外部電源20またはモータ70を制御するものである。電源制御装置50は、第2セル電圧センサ32によって取得される複数の電池セル11の充電量から、最も多い充電量を有する一の電池セル11を選択し、充電量が最も多い一の電池セル11の負極の電位に基づいて、外部電源20またはモータ70を制御する。
図10は、図9に示す電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。図10に示すとおり、本実施の形態における電源システムの制御方法では、まず、デンドライトの析出量が算出され、デンドライトの析出量が許容値以上か否かが判断される(ステップS301,S302)。デンドライトの析出量が許容値未満の場合(ステップS302:NO)、デンドライトを溶解除去することなく、ステップS308以下に示す充電処理に移行する。一方、デンドライトの析出量が許容値以上の場合(ステップS302:YES)、組電池10の充電量が検出される(ステップS303)。
次に、検出された組電池10の充電量が第1設定値以上か否かが判断される(ステップS304)。組電池10の充電量が第1設定値以上の場合(ステップS304:YES)、デンドライトを溶解除去することなく、ステップS308以下に示す充電処理に移行する。一方、組電池10の充電量が第1設定値未満の場合(ステップS304:NO)、電池セル11の充電量が検出される(ステップS305)。本実施の形態では、複数の第2セル電圧センサ32によって、複数の電池セル11の電池電圧が電池セル11の充電量として検出される。
次に、複数の電池セル11のなかから最も多い充電量を有する電池セル11が選択される(ステップS306)。本実施の形態では、CPU51が、ステップS305に示す処理で取得された複数の電池電圧のなかから、最も高い電池電圧を有する電池セル11を最も充電量の多い電池セル11として選択する。
次に、選択された電池セル11の負極の電位を基準として、デンドライトが溶解除去される(ステップS307)。なお、選択された電池セル11の負極の電位を基準として、電源制御装置50が外部電源20またはモータ70を制御する点を除いては、ステップS307に示すデンドライト溶解処理は、第1の実施の形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
次に、組電池10の充電が開始される(ステップS308)。そして、組電池10の充電が完了するまで充電が継続され(ステップS309,S310)、処理が終了される。
以上のとおり、図10のフローチャートに示す処理によれば、電池セル11の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超える場合、最も多い充電量を有する一の電池セル11が選択される。そして、選択された電池セル11の負極の電位に基づいて、各電池セル11の負極の電位が上昇されることによって、デンドライトが溶解除去される。その結果、電池セル11の負極に析出したリチウムのデンドライトに起因する電池セル11の性能低下が防止される。
図11は、図9に示す電源システムによる作用効果を説明するための図である。図11中の実線は、最も多い充電量(すなわち、最も大きな電池電圧)の電池セルの電池電圧を表しており、破線および一点鎖線は、その他の電池セルの電池電圧を表している。
図11に示すとおり、組電池10を構成する複数の電池セル11は、充電量(すなわち、電池電圧)にバラツキが存在する。したがって、最も多い充電量を有する電池セルの負極の電位がデンドライト溶解電位よりも高くなるように外部電源20またはモータ70を制御することによって、すべての電池セル11の負極の電位をデンドライト溶解電位以上にすることができる。その結果、すべての電池セル11のデンドライトを確実に溶解除去することができる。
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第1の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
(l)本実施の形態の電源システムは、複数の電池セルそれぞれの充電量を検出する第2セル電圧センサをさらに有し、電源制御装置は、複数の電池セルのうち、充電量の最も多い電池セルの負極の電位に基づいて、外部電源またはモータを制御する。したがって、すべての電池セルの負極の電位をデンドライト溶解電位よりも高くすることができるため、すべての電池セルに対してデンドライトを確実に溶解除去することができる。
以上のとおり、第1および第2の実施の形態において、本発明の電源システム、電源システムの制御方法、および車両を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
たとえば、第1および第2の実施の形態では、第1セル電圧センサによって検出される参照極と負極との電位差を、電池セルの負極の電位として用いた。しかしながら、電池セルの負極の電位は、電流センサによって検出される電流値から演算されてもよい。
また、第1および第2の実施の形態では、デンドライトの析出量が許容量を超えた場合に、デンドライトが溶解除去された。しかしながら、デンドライトを溶解除去するタイミングは、デンドライトの析出量が許容量を超えた場合に限定されるものではなく、たとえば、電気自動車の電源停止直前でもよい。あるいは、電気自動車のメンテナンス時にデンドライト溶解処理が実行されてもよく、定期的にデンドライト溶解処理が実行されてもよい。
10 組電池(リチウム二次電池)、
11 電池セル(リチウム二次電池)、
13 参照極、
14 正極、
16 負極、
16a 負極集電体(集電板)、
16c 表面処理膜、
20 外部電源(電位調整手段)、
30 電圧センサ、
31 第1セル電圧センサ(電位検出手段)、
32 第2セル電圧センサ(充電量検出手段)、
40 温度センサ、
50 電源制御装置(制御手段)、
70 モータ(電位調整手段)、
100 電源システム、
200 電気自動車(車両)。
11 電池セル(リチウム二次電池)、
13 参照極、
14 正極、
16 負極、
16a 負極集電体(集電板)、
16c 表面処理膜、
20 外部電源(電位調整手段)、
30 電圧センサ、
31 第1セル電圧センサ(電位検出手段)、
32 第2セル電圧センサ(充電量検出手段)、
40 温度センサ、
50 電源制御装置(制御手段)、
70 モータ(電位調整手段)、
100 電源システム、
200 電気自動車(車両)。
Claims (12)
- リチウムを含む正極を備えたリチウム二次電池と、
前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、当該リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する電位調整手段と、を有することを特徴とする電源システム。 - 前記電位調整手段は、前記リチウム二次電池を放電させることにより、前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させる放電抵抗器を含むことを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記電位調整手段は、前記リチウム二次電池に逆電圧を印加することにより、前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させる外部電源を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の電源システム。
- 前記リチウム二次電池の負極は、耐酸化性物質から形成される集電板を有することを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記集電板は、ステンレス鋼またはチタンから形成されることを特徴とする請求項4に記載の電源システム。
- 前記集電板の表面は、酸化膜、窒化膜、またはフッ化膜によって覆われていることを特徴とする請求項5に記載の電源システム。
- 前記リチウム二次電池の負極の電位を検出する電位検出手段と、
前記電位検出手段で検出される電位に基づいて、前記電位調整手段を制御する制御手段と、をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の電源システム。 - 前記リチウム二次電池には、当該リチウム二次電池の負極の電位を測定するための参照極が設けられており、
前記電位検出手段は、前記リチウム二次電池の負極と前記参照極との電位差を、当該リチウム二次電池の負極の電位として検出する電圧センサを含むことを特徴とする請求項7に記載の電源システム。 - 前記制御手段は、前記電位検出手段で検出される電位が予め設定されるデンドライト溶解電位を維持するように、前記電位調整手段を制御することを特徴とする請求項7に記載の電源システム。
- 前記リチウム二次電池は、複数の単電池から構成される組電池であって、
前記電源システムは、前記複数の単電池それぞれの充電量を検出する充電量検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記複数の単電池のうち、充電量の最も多い単電池の負極の電位に基づいて、前記電位調整手段を制御することを特徴とする請求項7に記載の電源システム。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電源システムを駆動用電源として搭載したことを特徴とする車両。
- リチウムを含む正極を備えたリチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、前記リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去することを特徴とする電源システムの制御方法。
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