JP2013118090A - Battery state monitoring device and battery state monitoring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池状態監視装置及び電池状態の監視方法に関するものである。 The present invention relates to a battery state monitoring device and a battery state monitoring method.
電解液中でセパレータを介して積層される複数の電極と、前記複数の電極と電気的に絶縁され、前記電極の積層方向における当該電極の投影面内に配置され、発電要素の最上層で、片面に負極活物質層が形成された負極集電体の上部に配置される参照極と、を有する電気化学セルが知られている(特許文献1)。 A plurality of electrodes laminated via separators in the electrolyte, and electrically insulated from the plurality of electrodes, arranged in the projection plane of the electrodes in the lamination direction of the electrodes, An electrochemical cell having a reference electrode disposed on an upper part of a negative electrode current collector having a negative electrode active material layer formed on one side is known (Patent Document 1).
しかしながら、従来の参照極は、負極電極層の絶縁層側の電位を測定する構成であるため、負極電極層のセパレータ側の電位を正確に把握することができないという問題があった。例えばリチウムイオン電池では、負極電極層のセパレータ側が局所的に過充電状態となり、リチウム金属が析出するため、負極電極層のセパレータ側の電位を把握することが、二次電池の過充電状態を把握するためには不可欠である。 However, since the conventional reference electrode is configured to measure the potential on the insulating layer side of the negative electrode layer, there is a problem that the potential on the separator side of the negative electrode layer cannot be accurately grasped. For example, in a lithium ion battery, the separator side of the negative electrode layer is locally overcharged, and lithium metal is deposited. Therefore, grasping the potential on the separator side of the negative electrode layer can grasp the overcharge state of the secondary battery. It is essential to do.
本発明が解決しようとする課題は、二次電池の充電状態を把握することができる電池状態監視装置及び方法を提供する。 The problem to be solved by the present invention is to provide a battery state monitoring apparatus and method capable of grasping the state of charge of a secondary battery.
本発明は、参照極を、絶縁部材を介して負極板に設け、二次電池の充電停止後の、当該参照極による測定電位の時間あたりの変化量に基づいて、二次電池の充電状態を監視することによって上記課題を解決する。 The present invention provides a reference electrode on the negative electrode plate via an insulating member, and determines the state of charge of the secondary battery based on the amount of change in the measured potential per time by the reference electrode after the charge of the secondary battery is stopped. The above problem is solved by monitoring.
本発明によれば、参照極により負極電極層の集電体側の電位を経時的に測定することで、負極電極層のセパレータ側の電位を推定した上で、二次電池の充電状態が監視されるため、二次電池の充電状態を把握することができる。 According to the present invention, by measuring the potential on the current collector side of the negative electrode layer with the reference electrode over time, the charge state of the secondary battery is monitored after estimating the potential on the separator side of the negative electrode layer. Therefore, the state of charge of the secondary battery can be grasped.
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.
《第1実施形態》
図1は、本発明の実施形態に係る電池状態監視装置のブロック図を示す。なお、図1では、本発明の電池状態監視装置に含まれる二次電池を断面図で表す。本例の電池状態監視装置は、例えばリチウムイオン二次電池である非水電解質二次電池1と、電圧計2と、制御部3とを備えている。本例の二次電池1は、積層タイプの薄型二次電池であり、図1に示すように、3枚の正極板11と、6枚のセパレータ12と、3枚の負極板13と、正極タブ14と、負極タブ15と、外装部材16と、参照極17と、参照極タブ19と、特に図示しない電解液とから構成されている。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 shows a block diagram of a battery state monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention. In addition, in FIG. 1, the secondary battery contained in the battery state monitoring apparatus of this invention is represented with sectional drawing. The battery state monitoring device of this example includes a non-aqueous electrolyte
このうちの正極板11、セパレータ12、負極板13及び電解質が発電要素18を構成し、また、正極板11、負極板13が電極板を構成する。
Among these, the
発電要素18を構成する正極板11は、正極集電体11aと、正極集電体11aの一部の両主面にそれぞれ形成された正極層11b,11cとを有する。正極板11の正極層11b,11cは、正極板11、セパレータ12及び負極板13を積層して発電要素18を構成する際に、正極板11においてセパレータ12に実質的に重なる部分に形成されている。複数の正極板11のうち、発電要素18の積層構造の最外層に配置される正極板11は、正極集電体11aの一方の片主面に形成された正極層11cを有し、正極集電体11aの他方の片主面には正極層11bが形成されていない。
The
正極板11の正極集電体11aは、たと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から構成されている。また、正極板11の正極層11b,11cは、たとえば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、又は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)等のリチウム複合酸化物や、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接着剤と、溶剤とを混合したものを、正極集電体11aの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延することにより形成されている。
The positive
発電要素18を構成する負極板13は、負極集電体13aと、当該負極集電体13aの一部の両主面にそれぞれ形成された負極層13b,13cとを有する。なお、負極板13の負極層13b,13cは、正極板11、セパレータ12及び負極板13を積層して発電要素18を構成する際に、負極板13においてセパレータ12に実質的に重なる部分に形成されている。また、複数の負極板13のうち、発電要素18の積層構造の最外層に配置される負極板13は、負極集電体13aの一方の片主面に形成された負極層13bを有し、負極集電体13aの他方の片主面には負極層13cが形成されていない。
The
負極板13の負極集電体13aは、たとえばニッケル箔、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から構成されている。また、負極板13の負極層13b,13cは、たとえば非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等のような、リチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、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、この混合物を負極集電体13aの一部の両主面に塗布し、乾燥及び圧延させることにより形成されている。
The negative
特に、負極活物質として非晶質炭素や難黒鉛化炭素を用いると、充放電時における電位の平坦特性に乏しく放電量に伴って出力電圧も低下するので、通信機器や事務機器の電源には不向きであるが、電気自動車の電源として用いると急激な出力低下がないので有利である。 In particular, when amorphous carbon or non-graphitizable carbon is used as the negative electrode active material, the flatness of the potential during charge / discharge is poor and the output voltage decreases with the amount of discharge. Although unsuitable, it is advantageous when used as a power source for an electric vehicle because there is no sudden drop in output.
発電要素18のセパレータ12は、上述した正極板11と負極板13との短絡を防止すると同時に、電解液を保持する機能を備えている。このセパレータ12は、たとえばポリエチレン(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、本例に係るセパレータ12は、ポリオレフィン等の単層膜にのみ限られず、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膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。このようにセパレータ12を複層化することで、過電流の防止機能、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できる。
The
以上の発電要素18は、セパレータ12を介して正極板11と負極板13とが交互に積層されてなる。そして、3枚の正極板11のうち、最外層の正極板11は、正極集電体11aを介して、金属箔製の正極タブ14に接続される。また、3枚の負極板13のうち最外層の負極板13は、負極集電体13aを介して、同様に金属箔製の負極タブ15に接続されている。
The power generation element 18 is formed by alternately stacking the
なお、発電要素18の正極板11、セパレータ12、及び負極板13は、上記の枚数に何ら限定されず、たとえば1枚の正極板11、3枚のセパレータ12、及び1枚の負極板13でも発電要素18を構成することができ、必要に応じて正極板11、セパレータ12及び負極板13の枚数を選択して構成することができる。
In addition, the
正極タブ14も負極タブ15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、正極タブ14としては、上述の正極集電体11aと同様に、たとえば厚さ0.2mm程度のアルミニウム箔、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できる。また、負極タブ15としては、上述の負極集電体13aと同様に、たとえば厚さ0.2mm程度のニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等を挙げることができる。
The
参照極17は、発電要素18の積層構造のうち最外層に配置される負極板13のさらに外側に、セパレータ15を介して設けられている。参照極17は、最外層に配置される負極板13の負極集電体13aの両主面のうち、負極層13bが形成された主面と反対側の主面側に、セパレータ15を介して設けられている。参照極17は、負極集電体13aの電位を測定するための電極である。参照極17は、正確に電位を測定するよう、参照極17の抵抗を低減させるために、好ましくは、負極集電体13aと同形状に形成されるとよい。参照極17は、ニッケルなどの金属基板に、当該金属基板とは異なる金属である、リチウム、スズ、銀、白金、チタン酸リチウムなどの金属を表面電極としてコーティングすることで形成される。参照極17はキャスト、電析などの方法で形成される。参照極17には参照極タブ19が接続され、参照極タブ19は外部に導出されている。
The
上述したセパレータ12、参照極17及び発電要素18は、外装部材16に収容されて封止されている。特に図示はしないが、本例の外装部材16は、二次電池1の内側から外側に向かって、たとえばポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又は、アイオノマー等の耐電解液性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、たと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、たとえばポリアミド系樹脂又は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、の三層構造とされている。
The
したがって、外装部材16は何れも、たとえばアルミニウム箔等金属箔の一方の面(薄型電池1の内側面)をポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又はアイオノマー等の樹脂でラミネートし、他方の面(薄型電池1の外側面)をポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネート材等の可撓性を有する材料で形成されている。
Accordingly, in each of the
このように、外装部材16が樹脂層に加えて金属層を具備することにより、外装部材自体の強度向上を図ることが可能となる。また、外装部材16の内側層を、たとえばポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、又はアイオノマー等の樹脂で構成することにより、電極タブ14、15及び参照極タブ19との良好な融着性を確保することが可能となる。
As described above, when the
なお、図1に示すように、封止された外装部材16の一方の端部から電極タブ14、15及び参照極タブ19が導出されているが、タブの厚さ分だけ外装部材16の融着部に隙間が生じるので、薄型電池1内部の封止性を維持するために、タブと外装部材16とが接触する部分に、たとえばポリエチレンやポリプロピレン等から構成されたシールフィルムを介在させてもよい。
As shown in FIG. 1, the
外装部材16によって、上述したセパレータ14、参照極17及び発電要素18と、正極タブ14の一部、負極タブ15の一部及び参照極タブ19の一部を包み込み、外装部材16により形成される内部空間に、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウムや六フッ化リン酸リチウム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16により形成される空間を吸引して真空状態とした後に、外装部材16の外周縁を熱プレスにより熱融着して封止する。
The
有機液体溶媒として、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)やメチルエチルカーボネート等のエステル系溶媒を挙げることができるが、本例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−ブチロラクトン(γ−BL)、ジエトシキエタン(DEE)等のエーテル系溶媒その他を混合、調合した有機液体溶媒を用いることもできる。 Examples of the organic liquid solvent include ester solvents such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate, but the organic liquid solvent in this example is limited to this. It is also possible to use an organic liquid solvent prepared by mixing and preparing an ether solvent such as γ-butyrolactone (γ-BL) or dietoxyethane (DEE) in the ester solvent.
電圧計2は、負極タブ15及び参照極タブ19に接続され負極の電位を測定する。充電装置3は、図示しない充電回路、充電制御部31及び電池状態監視部32等を有し、正極タブ14、負極タブ15及び電圧計2に接続されている。充電装置3は、図示しない電源からの電力を、充電制御部31の制御に基づいて、充電回路で充電に適した電力に変換して正極タブ14及び負極タブ15の間に出力し、二次電池1を充電する。また充電装置3は、二次電池1の充電制御中に、電池状態監視部32の制御に基づいて、電圧計2の測定電位を用いて、二次電池1の充電状態を監視している。
The
次に、本例の電池状態監視装置の制御内容について説明する。まず充電制御について説明する。充電制御部31は、電池状態監視部32により監視された二次電池1の充電状態に応じて、二次電池1の充電電流を設定し、二次電池1を充電する。ユーザの操作などにより充電開始が指示されると、充電制御部31は、予め設定されている充電電流で二次電池1の充電を開始する。
Next, the control content of the battery state monitoring apparatus of this example will be described. First, charge control will be described. The charging
電池状態監視部32は、充電中、二次電池1が過充電に達したか否かを判断しており、充電制御部31は二次電池1が過充電に達したと判断された場合には、二次電池1への充電電流の出力を停止し、充電を終了させる。また、充電制御部31は、充電制御中、所定の時間毎に充電を一時的に停止させ、電池状態監視部32は充電停止中に二次電池1の充電状態を監視する。そして、充電停止中、電池状態監視部32により、二次電池1が過充電の状態ではないと判定された場合には、充電制御部31は充電を再開し、充電電流を再び二次電池1に出力する。一方、充電停止中、電池状態監視部32により、二次電池1が過充電の状態であると判定された場合には、充電制御部31は充電を終了させる。
The battery
次に、電池状態の監視制御について説明する。電池状態監視部32は、二次電池1の充電制御中、参照極17により測定される測定電位を、電圧計2を介して、所定の周期で検出する。そして、電池状態監視部32は、二次電池1の充電中、言い換えると、充電装置3から二次電池1に電流が流れている場合に、周期的に測定される測定電位に基づいて、二次電池1が過充電であるか否かを判定する。また、電池状態監視部32は、充電制御中であり、一時的に充電を停止させている時に、言い換えると、充電装置3から二次電池1への充電電流を一時的に流していない時に、周期的に測定される測定電位に基づいて、二次電池1が過充電であるか否かを判定する。
Next, battery state monitoring control will be described. The battery
ここで、二次電池1の充電状態を監視するために用いられる、参照極17の測定電位について、説明する。図1に示すように、参照極17は、セパレータ12を介して、負極集電体13aに設けられているため、負極層13bの集電体13a側の電位を測定する。負極層13bの電位は、負極集電体13a側とセパレータ12側とで異なっており、セパレータ12側の電位の方が負極集電体13a側の電位より低い。リチウムイオン電池である二次電池1において、二次電池1が過充電状態になると、負極層13bのセパレータ側が負極集電体13a側と比較して、局所的に過充電状態になり易い。そのため、二次電池1の充電状態を正確に把握するためには、負極層13bのセパレータ側の電位を把握する必要がある。
Here, the measured potential of the
負極層13aのセパレータ側と、負極層13aの集電体13a側との間には、負極層13bの厚み方向の抵抗成分がある。そのため、電池状態監視部32は、二次電池1の充電中に、二次電池1が過充電になったことを判定するための電位の閾値を、負極層13aのセパレータ側の電位に基づいて、予め設定する。例えば、負極層13aの厚さと負極層の厚さ方向の抵抗値を予め測定し、負極層13aを流れる充電電流が面方向で均一であるとすれば、負極層13aの厚さ方向の抵抗及び充電電流から、負極層13aの厚さ方向における電圧上昇分を把握することができる。すなわち、負極層13aのセパレータ側が過充電状態になった場合の、負極層13aのセパレータ側の電位に対して、負極層13aの厚さ方向の抵抗分、高くした電位を電位閾値として設定する。
There is a resistance component in the thickness direction of the
そして、電池状態監視部32は、バッテリ1の充電中に、参照極17の測定電位と、上記の電位閾値とを比較し、測定電位が電位閾値より低くなった場合に、二次電池1が過充電である、と判定する。これにより、本例は、負極層13aの負極集電体13a側の測定電位から、負極層13aのセパレータ側の電位を推定した上で、二次電池1の充電状態を監視している。
Then, the battery
また、本例では、二次電池1の充電状態の監視の精度を高めるために、二次電池1の充電を一時的に中断させて、充電の停止後の、参照極17の測定電位の変化速度から二次電池1の充電状態を監視する。
Further, in this example, in order to improve the accuracy of monitoring the charging state of the
ここで、充電停止後の測定電位の特性について、図2及び図3を用いて説明する。図2は充電停止後の測定電位の時間特性を示すグラフであり、図3は充電中及び充電停止後の、負極層13bにおけるリチウムイオンの濃度分布及び負極電位の変化を説明するための模式図である。
Here, the characteristics of the measured potential after charging is stopped will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a graph showing the time characteristics of the measured potential after stopping charging, and FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the change in lithium ion concentration distribution and the negative electrode potential in the
図2に示すように、停止直後、オーム損による過電圧の影響がなくなることで、充電停止後の二次電池1の負極電位はわずかに上昇し、その後、緩やかに下降する。充電停止後の負極電位の下降は、負極層13a、13cの厚さ方向におけるリチウムイオン濃度が緩和されることによって起こる。
As shown in FIG. 2, immediately after the stop, the influence of the overvoltage due to the ohmic loss is eliminated, so that the negative electrode potential of the
次に、リチウムイオンの濃度分布と負極電位の変化について、図3を用いて説明する。なお図3において、図3(a)は充電中の、リチウムイオン濃度及び負極電位を示しており、充電停止後の経時的な推移を、図3(b)、図3(c)及び図3(d)の順番で示している。また、図3(a)〜(d)は、最外層に配置されている負極板13と、当該負極板の内側に配置されているセパレータ11の断面図の一部を模式化して表している。さらに図3の縦軸は、負極電位及びリチウムイオンの濃度の大きさを示しており、図の白丸はリチウムイオン濃度を、黒丸は負極電位を示している。
Next, changes in the lithium ion concentration distribution and the negative electrode potential will be described with reference to FIG. In FIG. 3, FIG. 3 (a) shows the lithium ion concentration and the negative electrode potential during charging, and the changes over time after charging is stopped are shown in FIG. 3 (b), FIG. 3 (c) and FIG. It is shown in the order of (d). 3A to 3D schematically show a part of a cross-sectional view of the
図3(a)に示すように、充電中、リチウムイオンは、セパレータ12を通り、負極層13bのセパレータ側に偏って反応するため、負極層13bのセパレータ12側のリチウムイオン濃度は、集電体13a側と比較して高くなり、負極層13bのセパレータ12側の負極電位は、集電体13a側と比較して低くなる。かかる状態で、充電を停止させると、負極層13bにおける電位分布を緩和するように、リチウムイオンが負極層13b内を移動するため、図3(b)及び図3(c)に示すように、経時的に、負極層13bのセパレータ12側のリチウムイオン濃度と集電体13a側のリチウムイオン濃度との差が小さくなり、負極層13bのセパレータ12側の電位と集電体13a側の電位との電位差が小さくなる。そして、最終的には、図3(d)に示すように、負極層13bのセパレータ12側のリチウムイオン濃度と集電体13a側のリチウムイオン濃度との差、及び、負極層13bのセパレータ12側の電位と集電体13a側の電位との電位差がなくなり、電極層13bにおけるリチウムイオン濃度分布及び電位分布が安定する。
As shown in FIG. 3 (a), during charging, lithium ions pass through the
すなわち、負極層13bの集電体13a側の電位に着目すると、当該電位は充停止後に低下していることが分かる。そして、上記の通り、参照極17は、負極層13bの集電体13a側の電位を測定しているため、参照極17の測定電位は、充電停止後、低下することになる。また、二次電池1の充電状態が過充電に近づくほど、負極層13bのセパレータ12側のリチウムイオン濃度は、集電体13a側に対して、高くなるため、負極層13bのセパレータ12側の電位は低くなる。そして、二次電池1の充電状態が過充電になった状態で、充電を停止させると、負極層13bのセパレータ側の電位は、より低い状態から安定化に向かうため、電位の変化の速度が、過充電でない状態における電位の変化の速度と比較して早くなる。すなわち、二次電池1の充電状態が過充電に近づくと、充電停止後における、参照極17の測定電位の単位時間あたりの変化量が高くなる。
That is, when attention is paid to the potential of the
本例では、電池状態監視部32は、充電制御部31により一時的に充電を停止させた後に、周期的に測定される参照極17の測定電位から、測定周期毎に測定電位の変化量を演算し、測定電位の単位時間あたりの変化量を演算する。測定電位の単位時間あたりの変化量は、充電停止後に、低下する測定電位の低下速度に相当する。
単位時間あたりの測定電位の変化量(v)は、測定周期間における測定電位の変化量をΔV、測定周期をΔtとすると、以下の式(1)で演算される。
The change amount (v) of the measurement potential per unit time is calculated by the following equation (1), where ΔV is the change amount of the measurement potential between the measurement periods and Δt is the measurement period.
また、電池状態監視部32には、二次電池1が過充電になったこと示す、測定電位の単位時間あたりの変化量の閾値が変化量閾値として予め設定されている。変化量閾値は、好ましくは100μV/秒、より好ましくは20μV/秒以上にするとよい。そして、電池状態監視部32は、演算された、単位時間あたりの測定電位の変化量と、変化量閾値とを比較し、単位時間あたりの測定電位の変化量が当該変化量閾値より高くなった場合に、二次電池1が過充電である、と判定する。これにより、本例は、充電停止後の、負極層13aの負極集電体13a側の測定電位の変化量から、負極層13aのセパレータ側の電位を推定した上で二次電池1の充電状態を監視している。
In the battery
充電停止後の、参照極17の測定電位の変化量に基づき二次電池の充電状態を監視する制御は、二次電池1の充電中に所定の周期で充電を中断させて行う制御である。そのため、二次電池1の充電中、参照極17の測定電位が電位閾値より低い場合であっても、電池状態監視部32は、二次電池の1の充電停止後の、測定電圧の単位時間あたりの変化量が閾値変化量より高くなった場合には、二次電池1は過充電であると、判定する。これにより、本例は、参照極17の測定電位に基づき、負極層13bのセパレータ12側の電位を、複数の方法で推定し、二次電池1の充電状態を監視するため、二次電池1の充電状態の監視の精度を高めることができる。
The control for monitoring the charging state of the secondary battery based on the amount of change in the measured potential of the
次に、図4を用いて、本例の充電装置3における制御手順を説明する。図4は、充電装置3の制御手順を示すフローチャートである。ステップS1にて、充電制御部31は、予め設定されている電流を充電電流に設定し、ステップS2にて、設定された充電電流で二次電池1を充電する。ステップS3にて、電池状態監視部32は、電圧計の検出電圧から、参照極17の測定電位を所定の周期で計測する。
Next, the control procedure in the charging device 3 of this example will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a control procedure of the charging device 3. In step S1, the charging
ステップS4にて、電池状態監視部32は、計測された測定電位と、電位閾値とを比較する。測定電位が電位閾値より低い場合には、ステップS7に遷り、電池状態監視部32は、二次電池1の充電状態が過充電である、と判定する(ステップS7)。一方、測定電位が電位閾値以上である場合には、ステップS5にて、充電制御部31は所定の周期で、二次電池1の充電を停止させる。ステップS6にて、電池状態監視部32は、ステップS3で測定した測定電位を用いて、充電停止後の、測定電位の単位時間あたりの変化量を演算し、変化量閾値と比較する。
In step S4, the battery
測定電位の単位時間あたりの変化量が変化量閾値以下である場合には、電池状態監視部32は、二次電池1の充電状態は過充電ではない、と判定し、ステップS2に戻り、充電を再開させる。一方、測定電位の単位時間あたりの変化量が変化量閾値より高い場合には、ステップS7に遷り、電池状態監視部32は、二次電池1の充電状態が過充電である、と判定する(ステップS7)。
If the change amount of the measured potential per unit time is equal to or less than the change amount threshold value, the battery
そして、ステップS7の後、ステップS8にて、充電制御部31は、二次電池1に流れる充電電流をゼロにして、二次電池1の充電を終了させ、本例の制御を終了させる。
Then, after step S7, in step S8, the charging
上記のように、本例は、参照極17を、セパレータ12を介して負極板13に設け、二次電池の充電停止後の、参照極17で測定される測定電位の時間あたりの変化量に基づいて、二次電池の充電状態を監視する。これにより、参照極17の測定電位を経時的に測定することで、負極板13において、局所的に過充電になり易い部分の電位を推定することができ、二次電池1の充電状態を正確に把握することができる。
As described above, in this example, the
また本例は、参照極17を、負極層13bが形成された集電体13aの主面と反対の主面側に設け、負極層13bの集電体13a側の電位を測定する。これにより、参照極17が、負極層13bで過放電状態になり易いセパレータ12側の電位とは異なる電位を測定する場合であっても、セパレータ12側の電位が推定されるため、二次電池1の充電状態を正確に把握することができる。
In this example, the
また本例は、二次電位1の充電停止後に低下する測定電位から測定電位の時間あたりの変化量を演算し、時間あたりの変化量が変化量閾値より高い場合に、二次電池1が過充電であると判定する。これにより、充電停止後の、負極層13bの電位分の経時的な変化に基づいて、負極層13bのセパレータ12側の電位が推定されるため、局所的に過充電になり易い部分の電位の推定精度を高めることができ、その結果として、二次電池1の充電状態を正確に把握することができ、充電時の金属の析出を抑制することができる。
Also, in this example, when the amount of change in the measured potential per time is calculated from the measured potential that decreases after the
また本例は、測定電位が電位閾値より高い状態で二次電池1の充電を停止し、充電停止後に低下する測定電位から測定電位の時間あたりの変化量を演算し、時間あたりの変化量が変化量閾値より高い場合に、二次電池1が過充電であると判定する。これにより、充電中に推定される負極層13bのセパレータ12側の電位では、二次電池1が過充電の状態であることを検出できない場合でも、充電停止後の測定電位の変化量を用いることで、当該過充電の状態を検出することができるため、二次電池1の充電状態を正確に把握することができ、充電時の金属の析出を抑制することができる。また、本例は、参照極17の測定電位に基づき、負極層13bのセパレータ12側の電位を、複数の方法で推定し、二次電池1の充電状態を監視するため、二次電池1の充電状態の監視の精度を高めることができる。
Further, in this example, the charging of the
また本例は、変化量閾値を好ましくは20μV/秒以上に設定する。また本例は、電位閾値を好ましくは0.5V以下に設定する。これにより、充電時のリチウム金属の析出を抑制することができる。 In this example, the change amount threshold is preferably set to 20 μV / second or more. In this example, the potential threshold is preferably set to 0.5 V or less. Thereby, precipitation of lithium metal at the time of charge can be suppressed.
また本例において、参照極17は、金属基板と、当該金属基板の表面を前記金属基板と異なる金属で覆う電極とを有している。これにより、参照極17を薄くすることができるため、電池の安全性を向上させることができる。
In this example, the
なお、本例において、充電制御部31は、充電電流を段階的に下げ、最も低い充電電流が設定されている時に、電池状態監視部32により二次電池1が過充電であると判定された場合に、充電を終了させるよう制御してもよい。充電制御部31には、予め多段階の充電電流値が設定されており、充電開始時には、最も高い充電電流を設定し、二次電池1が満充電に近づくにつれて、徐々に低い充電電流を設定する。以下、図5を用いて、本発明の変形例における、本例の充電装置3の制御手順を説明する。図5は、本発明の変形例に係る充電装置3の制御手順を示すフローチャートである。ステップS1からステップS7までの制御内容は、図4に示すステップS1からステップS7までの制御内容と同じであるため、説明を省略する。
In this example, the charging
ステップS7にて、電池状態監視部32により二次電池1が過充電であると判定されと、ステップS101にて、充電制御部31は、設定されている電流が最も低い充電電流であるか否かを判定する。設定されている充電電流が最低充電電流である場合には、ステップS102にて、充電制御部31は、二次電池1に流れる充電電流をゼロにして、二次電池1の充電を終了させ、本例の制御を終了させる。一方、設定されている充電電流が最低充電電流ではない場合には、ステップS103にて、充電制御部31は、設定されていた充電電流に対して1段階低い充電電流を再設定し、ステップS2に遷り、充電を再開する。
In step S7, when the battery
上記のように、本例は、電池状態監視部32により二次電池1が過充電であると判定された場合には、充電電流を過充電と判定される前の充電電流より低くして、二次電池1を充電する。これにより、充電時の金属の析出を抑制することができる。
As described above, in the present example, when the battery
なお、本例において、参照極17は、セパレータ12を介して負極集電体13aに設けたが、参照極17を絶縁部材で覆い負極集電体13aに設けてもよい。
In this example, the
上記の電池状態監視部32が本発明の「電池状態監視手段」に相当し、セパレータ12が「絶縁部材」に、負極層13b、13cが「負極電極層」に、充電制御部31が「充電制御手段」に相当する。
The battery
1…二次電池
11…正極板
11a…正極集電体
11b…正極層
11c…正極層
12…セパレータ
13…負極板
13a…負極集電体
13b…負極層
13c…負極層
14…正極タブ
15…負極タブ
16…外装部材
17…参照極
18…発電要素
19…参照極タブ
2…電圧計
3…制御部
31…充電制御部
32…電池状態監視部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記二次電池の充電状態を監視する電池状態監視手段とを備え、
前記参照極は、
絶縁部材を介して、前記負極板に設けられ、
前記電池状態監視手段は、
前記二次電池の充電停止後の、前記参照極で測定される測定電位の時間あたりの変化量に基づいて、前記二次電池の充電状態を監視する
ことを特徴とする電池状態監視装置。 A secondary battery that seals a positive electrode plate and a negative electrode plate provided via a separator, a reference electrode, and an electrolyte solution inside the exterior member;
Battery state monitoring means for monitoring the state of charge of the secondary battery,
The reference electrode is
Provided on the negative electrode plate via an insulating member;
The battery state monitoring means includes
A battery state monitoring device that monitors the state of charge of the secondary battery based on the amount of change per hour of the measured potential measured at the reference electrode after the charge of the secondary battery is stopped.
負極集電体及び前記負極集電体の主面に形成された負極電極層を有し、
前記参照極は、
前記負極電極層が形成された前記負極集電体の主面と反対の主面側に設けられ、
前記負極集電体側の前記負極電極層の電位を測定する
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態監視装置。 The negative electrode plate is:
A negative electrode current collector and a negative electrode layer formed on a main surface of the negative electrode current collector;
The reference electrode is
Provided on the main surface side opposite to the main surface of the negative electrode current collector on which the negative electrode layer is formed;
The battery state monitoring device according to claim 1, wherein a potential of the negative electrode layer on the negative electrode current collector side is measured.
前記二次電池の充電停止後に低下する前記測定電位から前記時間あたりの変化量を演算し、
前記時間あたりの変化量が前記二次電池の過充電を示す変化量閾値より高い場合に、前記二次電池が過充電であると判定する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の電池状態監視装置。 The battery state monitoring means includes
Calculate the amount of change per time from the measured potential that decreases after the secondary battery stops charging,
3. The battery state according to claim 1, wherein when the amount of change per time is higher than a change amount threshold value indicating overcharge of the secondary battery, the secondary battery is determined to be overcharged. Monitoring device.
充電中、前記測定電位が前記二次電池の過充電を示す電位閾値より低い場合に、前記二次電池が過充電であると判定し、
前記測定電位が前記電位閾値より高い状態で前記二次電池の充電を停止した後に低下する前記変化量が、前記二次電池の過充電を示す変化量閾値より高い場合に、前記二次電池が過充電であると判定する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の電池状態監視装置。 The battery state monitoring means includes
During charging, when the measured potential is lower than a potential threshold indicating overcharge of the secondary battery, it is determined that the secondary battery is overcharged,
When the amount of change that decreases after stopping the charging of the secondary battery in a state where the measured potential is higher than the potential threshold is higher than a change amount threshold that indicates overcharging of the secondary battery, the secondary battery 3. The battery state monitoring apparatus according to claim 1, wherein it is determined that the battery is overcharged.
前記充電制御手段は、
前記電池状態監視手段により前記二次電池が過充電であると判定された場合には、前記二次電池の充電電流を過充電と判定される前の充電電流より低くして、前記二次電池を充電する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池状態監視装置。 Charging control means for controlling charging of the secondary battery,
The charge control means includes
When the secondary battery is determined to be overcharged by the battery state monitoring means, the secondary battery is made to have a charging current lower than that before the secondary battery is determined to be overcharged. The battery state monitoring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the battery state monitoring device is charged.
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の電池状態監視装置。 The battery state according to claim 1, wherein the reference electrode includes a metal substrate and an electrode that covers a surface of the metal substrate with a metal different from the metal substrate. Monitoring device.
前記二次電池の充電を一時的に停止させる充電停止ステップと、
前記充電停止ステップによる前記二次電池の充電停止後に、前記参照極で測定される測定電位の時間あたりの変化量を演算し、前記変化量に基づいて前記二次電池の充電状態を監視するステップとを含む充電状態の監視方法。 A method for monitoring a charged state of a secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode plate provided via a separator, a reference electrode provided on the negative electrode plate via an insulating member, and an electrolyte solution are sealed inside an exterior member. Because
A charge stopping step for temporarily stopping charging of the secondary battery;
After charging of the secondary battery is stopped by the charging stop step, calculating a change amount per time of the measured potential measured at the reference electrode, and monitoring a charging state of the secondary battery based on the change amount And a charging state monitoring method.
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