JP2010251025A - 電池システム及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解液のリチウム塩の濃度の不均一化を抑制し得る電池システムを提供する。また、この電池システムを用いた車両を提供する。
【解決手段】電池システムＳＹは、正極板２１、負極板２２、及びこれらの間に介在するセパレータ２３とを含む発電要素２０、及び、この発電要素２０に含浸され、リチウム塩を含む非水型の電解液３０、を有するリチウムイオン二次電池１と、電解液３０に振動を加える電解液加振手段１８０と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、リチウム塩を含む非水型の電解液を有するリチウムイオン二次電池を有する電池システム、及びこれを搭載した車両に関する。

非水型の電解液を有するリチウムイオン二次電池（以下、単に電池ともいう。）を、ハイレート放電させた場合に、破裂や発火が生じるのを防止するため、過放電防止回路を設けたものが知られている（特許文献１参照）。
このものでは、電池の表面温度を検出する温度検出手段を備えており、この表面温度が所定の式で得られる放電制御温度を超えた場合に、放電の制御を行う放電制御手段を備えている。

特開２００４−９５２８９号公報

ところで、リチウムイオン二次電池にハイレート放電あるいはハイレート充電を繰り返し行わせると、電池の内部抵抗が変化するハイレート劣化を生じることが判ってきた。
また、この原因として、電池完成当初は均一であった電解液のリチウム塩濃度が、ハイレート放電（あるいはハイレート充電）を繰り返すと、徐々に場所的に不均一になる、即ち、場所的に濃度分布が生じるためであることも判ってきた。不均一になると、電解液の濃度が、最適な値からずれるため、内部抵抗の増大など電池性能の低下が生じるものと考えられる。
このようなハイレートの充放電のみならず、電池を使用し続けると、電解液の濃度の不均一が生じ、電池性能の低下が懸念される。

しかしながら、この特許文献１に記載の過放電防止回路では、単に、放電の電流を制限するだけであり、このようなハイレート劣化の進行を遅らせ、あるいは劣化を回復させることはできない。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、電解液のリチウム塩の濃度の不均一化を抑制し得る電池システムを提供すること、また、このような電池システムを用いた車両を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、正極板、負極板、及びこれらの間に介在するセパレータとを含む発電要素、及び、上記発電要素に含浸され、リチウム塩を含む非水型の電解液、を有するリチウムイオン二次電池と、上記電解液に振動を加える電解液加振手段と、を備える電池システムである。

この電池システムでは、電解液に振動を加える電解液加振手段を備えている。このため、電解液に加えた振動により、電解液の流動が促進されるので、電解液のリチウム塩の濃度の不均一化を抑制することができる。

なお、電解液加振手段としては、電池内部に配置され、発電要素を振動させて、これに含浸された電解液を振動させるアクチュエータが挙げられる。また、電池を外部から振動させることにより、電解液を振動させるアクチュエータも挙げられる。

また、電解液の加振は、電池システムの作動中、常時加振するのが好ましい。また、定期的（所定間隔毎）に所定期間加振することもできる。また、ハイレート放電（あるいはハイレート充電）をさせる毎に、その後、所定期間加振することもできる。また、外部電源（例えば家庭用電源：ＡＣ１００Ｖ）を用いて、リチウムイオン二次電池の充電を行う場合には、この外部電源による充電期間中に、加振することもできる。

さらに、上述の電池システムであって、前記電解液加振手段は、前記リチウムイオン二次電池を外部から振動させる外部加振手段である電池システムとすると良い。

本態様の電池システムでは、外部加振手段によって、電池を外部から振動させて電解液に加振する。このため、電池内部に、電解液振動手段を形成する場合に比して、外部振動手段について、大きさの制約や、耐腐食性、絶縁性などを考慮した材質面からの制限などが少なく、容易かつ簡易に構成できる。また、メンテナンスも容易である。

なお、外部加振手段としては、例えば、電池を搭載してこれに振動加えられるように構成した加振機が挙げられる。また、複数の電池で組電池をなしている場合には、外部加振手段は、複数の電池全体を加振するように構成しても良いし、個々の電池を個別に加振するようにしても良い。

また、上述のいずれかに記載の電池システムであって、前記電解液加振手段の駆動を制御する制御手段を備え、上記制御手段は、所定間隔毎に、所定期間に亘り、上記電解液加振手段を駆動させる電池システムとすると良い。

本態様の電池システムでは、制御手段を備え、この制御手段によって、所定間隔毎（定期的）に、所定期間に亘り、電解液加振手段を駆動させる。このため、定期的に電解液に振動が加えられるため、簡易な構成で、電解質のリチウム塩濃度の不均一化を抑制することができる。

あるいは、前述のいずれかに記載の電池システムであって、前記電解液加振手段の駆動を制御する制御手段と、前記リチウムイオン二次電池のハイレート放電またはハイレート充電を検知するハイレート検知手段と、を備え、上記制御手段は、上記ハイレート検知手段でのハイレート放電またはハイレート充電を検知する毎に、所定期間に亘り、上記電解液加振手段を駆動させる電池システムとすると良い。

電解液のリチウム塩濃度に、場所的な不均一が生じる原因の１つに、ハイレート充電あるいはハイレート放電があることが判っている。
本態様の電池システムでは、制御手段及びハイレート検知手段を備え、このハイレート検知手段によって、ハイレート放電あるいはハイレート充電が検知される毎に、制御手段が、所定期間に亘り、電解液加振手段を駆動させる。このため、電解液のリチウム塩濃度に分布が生じやすいハイレート放電等のたびに、電解液に振動を所定期間に亘って加えることができるため、効率的に加振を行って、電解液のリチウム塩濃度の不均一化を抑制することができる。

なお、ハイレート検知手段は、例えば、１０Ｃ以上など所定の大きさ以上の放電電流あるいは充電電流を流す場合に、ハイレート放電であるまたはハイレート充電であると判定するものであり、例えば、流れている電流の大きさを検知して、ハイレートであるか否かを判定するものが挙げられる。

さらに他の解決手段は、上述のいずれかに記載の電池システムを搭載し、前記リチウムイオン二次電池の電気エネルギーを動力源の全部または一部に使用する車両である。

この車両では、電池の電解液が加振されて、そのリチウム塩の濃度の不均一が生じにくい電池システムを搭載している。このため、電解液のリチウム塩濃度の場所的な不均一化に伴う、内部抵抗の増加など電池性能の劣化を抑制し、長期間に亘り、良好な走行性能を得られる車両となし得る。

基礎実験の結果を示すグラフである。 実施形態に係る車両の構成を示す説明図である。 実施形態にかかる組電池の構造を示す説明図である。 加振装置の構成を示す説明図である。 実施形態にかかる電池の構造を示す説明図である。 実施形態にかかり、制御装置による加振装置の駆動の処理フローを示すチャートである。 変形形態にかかり、制御装置による加振装置の駆動の処理フローを示すチャートである。

（実施形態１）
次に、実施形態１について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態１にかかる車両１００について説明する。図２に車両１００の斜視図を示す。
この車両１００は、組電池１２０、制御装置１３０、フロントモータ１４１、リアモータ１４２、エンジン１５０、ケーブル１６０、第１インバータ１７１、第２インバータ１７２、加振装置１８０及び車体１９０を有するハイブリッド電気自動車である。

このうち、図３に示す組電池１２０は、複数のリチウムイオン二次電池１，１を備え、これらが互いに直列に接続されている。この組電池１２０には、各電池１，１の充電状態、温度など各種の状態を監視する電池監視装置１２２を備えている。
また、加振装置１８０は、図４に示すように、台座１８６と、この上に配置された小型の加振用モータ１８１と、このモータ１８１の回転シャフト１８２に取り付けられた楕円形状のカム１８３と、バネ１８４の付勢によりこのカム１８３に圧接され、このカム１８３に摺動して一方向に振動する振動台１８５と、電源装置１８７とからなり、この振動台１８５上に、組電池１２０が搭載されている。このため、モータ１８１を回転させると、カム１８３の回転により、振動台１８５が図中上下方向に振動する。

車両１００の制御装置１３０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを有し、所定のプログラムによって作動するマイクロコンピュータを含んでいる。この制御装置１３０は、車両１００（車体１９０）に搭載された、フロントモータ１４１、リアモータ１４２、エンジン１５０、第１インバータ１７１、第２インバータ１７２及び電池監視装置１２２とそれぞれ通信する。そして、この制御装置１３０は、フロントモータ１４１、リアモータ１４２、エンジン１５０、第１インバータ１７１及び第２インバータ１７２を制御する。
さらに本実施形態では、この制御装置１３０は、加振装置１８０（モータ１８１）の駆動をも制御する。具体的には、モータ１８１の電源装置１８７を制御して、モータ１８１の駆動を制御する。
なお、本実施形態において、電池１、電池監視装置１２２、制御装置１３０、加振装置１８０は、電池システムＳＹを構成している。

複数の電池１，１は、図５に示すように、各々、正極板２１、負極板２２及びセパレータ２３を含む捲回型の発電要素２０と、これに含浸された非水型の電解液３０を有するリチウムイオン二次電池である。発電要素２０は、矩形箱状の電池ケース１０に収容されている。

このうち、発電要素２０は、帯状の正極板２１及び負極板２２が、ポリエチレンからなる帯状のセパレータ２３を介して扁平形状に捲回されている（図５参照）。この発電要素２０は、正極板２１、負極板２２及びセパレータ２３が積層して捲回してなる。図５中、左方に延出する正極板２１の正極リード部２１Ｌには、クランク状に屈曲した板状の正極集電部材７１が接合されている。また、右方に延出する負極板２２の負極リード部２２Ｌには、クランク状に屈曲した板状の負極集電部材７２が接合されている。
正極集電部材７１の先端側（図中、上方）に位置する正極端子部７１Ａは、電池ケース１０から上方に突出している。同じく、負極集電部材７２の先端側（図中、上方）に位置する負極端子部７２Ａも、電池ケース１０から上方に突出している。

電解液３０は、体積比１：１：１のエチレンカーボネート（ＥＣ）トジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とメチルエチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶液に、支持塩のＬｉＰＦ₆を溶解した非水系の電解液であり、リチウム塩濃度は、電池製造当初、最適濃度の１．０mol／Lに調整されている。この電解液３０は、発電要素２０に、具体的には、セパレータ２３が介在する正極板２１と負極板２２との間に含浸されて配置されている。

（基礎実験）
この電池１を用いて、基礎実験として、以下の実験を行った。
電池１を、振動試験器（エミック社製、品番９５１４−Ａ）に搭載し、１５０Ａ、１０秒のハイレート放電と、１０Ａ、１５０秒のハイレートではない充電とを繰り返しながら、振動試験器で加振条件：周波数１０Ｈｚ、加速度６Ｇとして、加振した。これにより、充放電のサイクル数と、電池１の内部抵抗との関係を調査した。なお、比較のため、加振しないで、同一の充放電を繰り返した電池についても、内部抵抗の変化を調査した。

その結果を、図１のグラフに示す。なお、横軸は、放電と充電で１サイクルとしたときの充放電の回数の平方根であり、縦軸は、実験当初の内部抵抗の大きさを１とした場合の、その後の内部抵抗の相対比である。このグラフのうち、破線で示すものが、加振をしない電池１（比較例）の内部抵抗の変化である。一方、実線で示すものが、加振を行った電池１の内部抵抗の変化である。

このグラフによれば、電池１について加振した場合の方が、電池１の内部抵抗が相対的に低くなり、ハイレート劣化による内部抵抗の増加を抑制できることが判る。これは、外部からの加振によって、電解液に振動が加えられ、電解液の流動が促進され、電解液のリチウム塩濃度の不均一化が抑制されたためであると考えられる。
この結果に基づき、本実施形態では、以下のようにして、電池１の電解液３０に、振動を加える。

本実施形態においては、制御装置１３０は、電池監視装置１２２を通じて、組電池１２０（電池１，１）を流れる放電電流ＩＤの大きさを監視している。そして、例えば急加速、急発進した場合など、放電電流ＩＤの大きさが、１０Ｃを越えるハイレート放電となった場合には、ハイレート放電であることを、制御装置１３０に通知（送信）する。制御装置１３０では、この通知を受けるたびに、加振装置１８０を所定期間（本実施形態では１分間）駆動し、組電池１２０（電池１，１）を加振し、これによって、電池１内の電
解液３０を振動させ、そのリチウム塩濃度の不均一化を抑制し、さらには、リチウム塩濃度を均一化させる。

即ち、図６のフォローチャートにおいて、まずステップＳ１で、放電電流ＩＤの大きさを検知する。この大きさが、１０Ｃ以下の場合（ステップＳ２においてＮｏ）には、ステップ１をに戻り、再び放電電流ＩＤの大きさを検知する。

一方、放電電流ＩＤの大きさが、１０Ｃを越えている場合（ステップＳ２において、Ｙｅｓ）には、ステップＳ３に進み、制御装置１３０は、加振装置１８０を駆動させる。具体的には、電源装置１８７から電力を供給させてモータ１８１を駆動し、振動台１８５を振動させる。これにより、組電池１２０（電池１，１）が加振される。そのため、電池１内の電解液３０も振動させられる。
その後、ステップＳ４で、１分間経過したか否かを判断し、１分経過すると、再び、ステップＳ１に戻る。

本実施形態では、このように、電池システムＳＹに加振装置１８０を備えている。このため、電解液３０に加えた振動により、電解液３０の流動が促進されるので、電解液３０のリチウム塩の濃度の不均一化を抑制することができる。
しかも、電池１の外部に配置した加振装置１８０によって、電池１を外部から振動させて電解液３０に加振する。このため、電池１の内部に、電解液を振動させる手段を形成する場合に比して、大きさの制約や、耐腐食性、絶縁性などを考慮した材質面からの制限などが少なく、容易かつ簡易に構成できる。また、メンテナンスも容易である。
さらに、本実施形態では、上述の制御をすることで、電解液３０のリチウム塩濃度が不均一になりやすい、ハイレート放電を行うたびに、電解液３０に振動を所定期間（本変形形態では１分間）に亘って加えることができるため、効率的に加振を行って、電解液３０のリチウム塩濃度の不均一化を抑制することができる。
また、このような電池システムＳＹを搭載した本実施形態の車両１００では、電池１の電解液３０が加振されて、そのリチウム塩の濃度の不均一が生じにくい。このため、電解液３０のリチウム塩濃度の場所的な不均一化に伴う、内部抵抗の増加など電池性能の劣化を抑制し、長期間に亘り、良好な走行性能を得られる車両１００となる。

（変形形態１）
次いで、上述の実施形態の変形形態について、図７を参照して説明する。
本変形形態における電池１，組電池１２０，制御装置１３０、加振装置１８０ほか、車両１００の各構成については、前述した実施形態と同じである。
但し、制御装置１３０における処理フローが異なる。
従って、本変形形態において、電池１、電池監視装置１２２、制御装置１３０、加振装置１８０は、電池システムＳＹ２を構成している。

即ち、本変形形態においては、制御装置１３０は、自身に有するタイマーを用いて、前回の加振装置１８０の駆動から経過した時間を計っている。具体的には、５分経過した場合にか否かを、ステップＳ１１で検知している。此処で、Ｎｏ、つまり、前回の駆動から５分間が未経過の場合には、ステップＳ１１を繰り返す。
一方、Ｙｅｓ、つまり前回の駆動から５分間が経過すると、前述の実施形態と同じく、制御装置１３０は、加振装置１８０を駆動させ、振動台１８４を振動させる。これにより、組電池１２０（電池１，１）が加振され、電池１内の電解液３０も振動させられる。
その後、ステップＳ４で、１分間経過したか否かを判断し、１分経過すると、再び、ステップＳ１１に戻る。

かくして、本変形形態でも、電池システムＳＹ２に加振装置１８０を備えており、電解液３０に加えた振動により、電解液３０の流動を促進して、電解液３０のリチウム塩の濃度の不均一化を抑制することができる。
しかも、電池１の外部に配置した加振装置１８０を用いるので、大きさの制約や、耐腐食性、絶縁性などを考慮した材質面からの制限などが少なく、容易かつ簡易に構成できる。また、メンテナンスも容易である。
さらに、本変形形態では、所定間隔毎（本変形形態では５分毎）に、所定期間（本変形形態では１分間）に亘り、電解液加振手段を駆動させる。このため、定期的に電解液に振動が加えられるため、簡易な構成で、電解質のリチウム塩濃度の不均一化を抑制することができる。
また、このような電池システムＳＹ２を搭載した本実施形態の車両１００では、電池１の電解液３０が加振されて、そのリチウム塩の濃度の不均一が生じにくい。このため、電解液３０のリチウム塩濃度の場所的な不均一化に伴う、内部抵抗の増加など電池性能の劣化を抑制し、長期間に亘り、良好な走行性能を得られる車両１００となる。

以上において、本発明を実施形態及び変形形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、加振装置１８０を駆動する時間（ステップＳ４）の長さを、例えば、２分間など、他の長さとすることもできる。
また、ステップＳ１１の加振装置１８０を間欠駆動する場合の間隔を、例えば、１５分間など、他の長さとすることもできる。

また、前述の実施形態においては、ハイレート放電についてのみ検知するものとしたが、ハイレート充電のみを検知し、その後、電池１の電解液３０に振動を加えるようにしても良い。また、ハイレート放電とハイレート充電の両者を検知し、何れの場合でも、電池１の電解液３０に振動を加えることもできる。

また、実施形態では、加振装置として、図４に構成を有するものを示したが、組電池１２０（電池１，１）に振動を加えられるものであれば良く、電磁石を用いるなど、他の構成の加振装置を用いることもできる。
また、電池１内に、アクチュエータを内蔵させて、このアクチュエータによって、発電要素２０を加振し、電解液３０を振動させても良い。

１ 電池（リチウムイオン二次電池）
１０ 電池ケース
２０ 発電要素
２１ 正極板
２２ 負極板
２３ セパレータ
３０ 電解液
１００ 車両
１２０ 組電池
１２２ 電池監視装置（ハイレート検知手段）
１３０ 制御装置
１８０ 加振装置（電解液加振手段、外部加振手段）
ＳＹ，ＳＹ２ 電池システム

Claims (5)

1. 正極板、負極板、及びこれらの間に介在するセパレータとを含む発電要素、及び、
   上記発電要素に含浸され、リチウム塩を含む非水型の電解液、を有する
   リチウムイオン二次電池と、
   上記電解液に振動を加える電解液加振手段と、を備える
   電池システム。
2. 請求項１に記載の電池システムであって、
   前記電解液加振手段は、
   前記リチウムイオン二次電池を外部から振動させる外部加振手段である
   電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の電池システムであって、
   前記電解液加振手段の駆動を制御する制御手段を備え、
   上記制御手段は、
   所定間隔毎に、所定期間に亘り、上記電解液加振手段を駆動させる
   電池システム。
4. 請求項１または請求項２に記載の電池システムであって、
   前記電解液加振手段の駆動を制御する制御手段と、
   前記リチウムイオン二次電池のハイレート放電またはハイレート充電を検知するハイレート検知手段と、を備え、
   上記制御手段は、
   上記ハイレート検知手段でのハイレート放電またはハイレート充電を検知する毎に、所定期間に亘り、上記電解液加振手段を駆動させる
   電池システム。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電池システムを搭載し、
   前記リチウムイオン二次電池の電気エネルギーを動力源の全部または一部に使用する
   車両。

Images