JP2015056352A - 電池装置およびこれを備える駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負極における正極と対向していない未対向部表面にリチウムが析出するおそれがあることを検出可能とする。【解決手段】電池セルの負極における正極と対向する対向部の面圧Ｐ１とバッテリの蓄電割合ＳＯＣとバッテリ（各電池セル）の電池温度Ｔｂとに基づいて、リチウムが析出し得る未対向部の蓄電割合Ｓ２より小さな蓄電割合に対応する未対向部の面圧を閾値Ｐｒｅｆ２に設定し（Ｓ１００〜Ｓ１４０）、未対向部の面圧Ｐ２が閾値Ｐｒｅｆ２より大きいときに、未対向部の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加していると判定する（Ｓ１５０，Ｓ１６０）。これにより、リチウムが析出するおそれがあることを検出することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、電池装置およびこれを備える駆動装置に関する。

従来、この種の電池装置としては、正極と負極との間にセパレータを介在させて積層した積層型電極群を含むリチウムイオン二次電池と、二次電池の厚さを検出する検出手段と、二次電池のサイクル回数を検出するサイクル数検出手段とを備え、検出された二次電池の厚さと検出された二次電池のサイクル回数とに応じて二次電池の交換時期やサイクル劣化の有無を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１０／０６４３９２号

正極と負極とがセパレータを介して積層されて捲回されると共に負極が正極と対向する対向部および正極と対向しない未対向部を有する電池セルを複数有するリチウムイオン二次電池では、充放電が繰り返し行なわれると、負極の未対向部表面にリチウムが析出する場合がある。リチウムが析出すると、二次電池の容量低下を招いてしまうことから、リチウムが析出する前に、未対向部表面にリチウムが析出するおそれがあることを検出可能とするよう要請されている。

本発明の電池装置およびこれを備える駆動装置は、正極と負極とがセパレータを介して積層されて捲回されると共に負極が正極と対向する対向部および正極と対向しない未対向部を有する電池セルを複数有するリチウムイオン二次電池を備えるものにおいて、未対向部表面にリチウムが析出するおそれがあることを検出可能とすることを主目的とする。

本発明の電池装置およびこれを備える駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電池装置は、
正極と負極とがセパレータを介して積層されて捲回されると共に前記負極が前記正極と対向する対向部および該正極と対向しない未対向部を有する電池セルを複数有するリチウムイオン二次電池を備える電池装置であって、
前記複数の電池セルのうち少なくとも１つに設けられて該電池セルの前記未対向部の面圧を検出する面圧検出手段と、
前記電池セルの温度を検出する温度検出手段と、
前記検出された面圧と前記検出された温度とに基づいて前記未対向部の蓄電割合が増加しているか否かを判定する判定手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の電池装置では、複数の電池セルのうち少なくとも１つに設けられた面圧センサにより検出された電池セルの未対向部の面圧と、温度センサにより検出された電池セルの温度と、に基づいて未対向部の蓄電割合が増加しているか否かを判定する。本発明者らは、実験や解析などにより、未対向部の蓄電割合が大きく電池セルの温度が高いほど未対向部の面圧が大きくなることを見出した。また、リチウムイオン二次電池の充放電が繰り返し行なわれると、未対向部の蓄電割合が大きくなってこれに応じて未対向部の面圧が大きくなり、未対向部の蓄電割合が所定割合より大きくなると、面圧が所定割合に対応する所定面圧より大きくなって未対向部表面にリチウムが析出し得ることを見出した。したがって、検出した電池セルの温度に対して、未対向部の面圧が所定面圧より低い面圧閾値より大きくなったときに、未対向部の蓄電割合が増加している（面圧閾値に対応する蓄電割合閾値より大きくなっている）と判定することにより、未対向部表面にリチウムが析出するおそれがあることを検出することができる。

本発明の駆動装置は、上述の本発明の電池装置、即ち、正極と負極とがセパレータを介して積層されて捲回されると共に前記負極が前記正極と対向する対向部および該正極と対向しない未対向部を有する電池セルを複数有するリチウムイオン二次電池を備える電池装置であって、前記複数の電池セルのうち少なくとも１つに設けられて該電池セルの前記未対向部の面圧を検出する面圧検出手段と、前記電池セルの温度を検出する温度検出手段と、前記検出された面圧と前記検出された温度とに基づいて前記未対向部の蓄電割合が増加しているか否かを判定する判定手段と、を備える電池装置と、前記二次電池と電力をやりとりするモータと、を備える駆動装置であって、前記未対向部の蓄電割合の増加が判定されたときには、前記モータの駆動を禁止するまたは前記リチウムイオン二次電池から放電が行なわれるよう前記モータを制御する制御手段、を備えることを要旨とする。

この本発明の駆動装置では、上述の本発明の電池装置を備えるから、本発明の電池装置が備える効果、具体的には、未対向部表面にリチウムが析出するおそれがあることを検出することができる効果を奏することができる。そして、未対向部の蓄電割合の増加が判定されたときに、モータの駆動を禁止するかリチウムイオン二次電池から放電が行なわれるようモータを制御することにより、未対向部の蓄電割合が上述の所定割合より大きくなるのを抑制して、未対向部表面にリチウムが析出するのを抑制することができる。

本発明の一実施例としての電池装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の電子制御ユニット５０により実行される未対向部蓄電割合増加判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 基準面圧設定用マップの一例を示す説明図である。 基準面圧設定用マップを補正する様子を示す説明図である。 電池温度Ｔｂと閾値Ｐｒｅｆ２との関係を設定する様子を示す説明図である。 面圧センサ４９ｄによる電池セル３０の幅方向の各位置の圧力の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電池装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動装置２０は、電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載され、図示するように、走行用の動力を出力可能なモータ２２と、モータ２２を駆動するためのインバータ２４と、インバータ２４を介してモータ２２と電力をやりとりするバッテリ２６と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。

バッテリ２６は、複数の電池セル３０が直列接続されたリチウムイオン二次電池として構成されている。電池セル３０は、直方体状のケース３１と、正極（正極シート）３５と負極（負極シート）３８とがセパレータ４３を介して積層された積層体３４が捲回されて構成されると共にケース３１に収容される電極体３２と、ケース３１内で正極３５に接続されると共にケース３１外に突出する正極集電端子４７と、ケース３１内で負極３８に接続されると共にケース３１外に突出する負極集電端子４８と、を備える。なお、正極３５と負極３８との間は、電解質（非水電解液）で満たされている。

電極体３２は、積層体３４が図示しない軸心の周囲に筒状に捲回されて更に押しつぶされて偏平状に形成されている。この電極体３２は、開口端部（捲回方向に垂直な方向の端部）がケース３１の側面（図中左右側の面）３１ａに対向するようケース３１内に配置されている。

正極３５は、長尺シート状に形成され、正極集電体（例えばアルミニウムなど）の表面に正極活物質（充電に伴ってリチウムイオンを放出すると共に放電に伴って吸蔵する物質、例えばコバルトリチウム複合酸化物など）が塗布された正極塗工部３６を有する。この正極３５は、正極集電体における正極活物質が塗布されていない図示しない正極非塗工部で正極集電端子４７と接続されている。

負極３８は、長尺シート状に形成され、負極集電体（例えば銅など）の表面に負極活物質（充電に伴ってリチウムイオンを吸蔵すると共に放電に伴って放出する物質、例えば黒鉛など）が塗布された負極塗工部３９を有する。負極塗工部３９は、正極塗工部３６の幅より大きな幅に形成されており、正極３５の正極塗工部３６と対向する対向部４０と、正極塗工部３６と対向しない未対向部４１と、を備える。この負極３８は、負極集電体における負極活物質が塗布されていない図示しない負極非塗工部で負極集電端子４８と接続されている。

セパレータ４３は、樹脂からなる多孔性シート（微多孔質樹脂シート）などによって長尺シート状に形成されており、正極３５と負極３８とに介在し、正極３５の正極塗工部３６および負極３８の負極塗工部３９と接するよう配置されている。このセパレータ４３は、正極３５と負極３８とが短絡しないように、正極塗工部３６や負極塗工部３９の幅より大きな幅に形成されている。このセパレータ４３に形成された空孔内に電解質（非水電解液）を含浸させることにより、正極３５と負極３８との間に導電経路が形成される。

電子制御ユニット５０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０には、モータ２２のロータの回転位置を検出する回転位置検出センサからのモータ２２のロータの回転位置θｍや、モータ２２の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサからの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ２６の電圧，電流，温度を検出する電圧センサ４９ａ，電流センサ４９ｂ，温度センサ４９ｃからの端子間電圧Ｖｂ，充放電電流Ｉｂ，電池温度Ｔｂ，バッテリ２６の少なくとも１つの電池セル３０の幅広面（図中手前側または奥側の面）３１ｂに取り付けられた面圧センサ４９ｄからの対向部４０，未対向部４１の面圧Ｐ１，Ｐ２などが入力ポートを介して入力されている。なお、実施例では、温度センサ４９ｃにより検出された電池温度Ｔｂを、バッテリ２６の温度としてだけでなく、各電池セル３０の温度としても用いるものとした。電子制御ユニット５０からは、インバータ２４のスイッチング素子へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。また、電子制御ユニット５０は、電流センサからの放電電流Ｉｂの積算値に基づいてそのときのバッテリ２６から放電可能な電力の容量の全容量に対する割合である蓄電割合ＳＯＣを演算している。

なお、実施例では、バッテリ２６と面圧センサ４９ｄと温度センサ４９ｃと電子制御ユニット５０とが本発明の「電池装置」に相当し、これらとモータ２２とが本発明の「駆動装置」に相当する。

次に、こうして構成された実施例の駆動装置２０の動作、特に、バッテリ２６の電池セル３０の負極３８の負極塗工部３９の未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加しているか否かを判定する際の動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット５０により実行される未対向部蓄電割合増加判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、駆動装置２０（車両）のシステム起動時に実行される。

未対向部蓄電割合増加判定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、温度センサ４９ｃからのバッテリ２６（各電池セル３０）の電池温度Ｔｂやバッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣ，電池セル３０の負極３８の負極塗工部３９の対向部４０の面圧Ｐ１，負極塗工部３９の未対向部４１の面圧Ｐ２などのデータを入力する（ステップＳ１００）。ここで、バッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣは、電流センサ４９ｂからの放電電流Ｉｂの積算値に基づいて演算された値を入力するものとした。また、対向部４０の面圧Ｐ１や未対向部４１の面圧Ｐ２は、面圧センサ４９により検出された値を入力するものとした。

こうしてデータを入力すると、入力した電池温度Ｔｂと蓄電割合ＳＯＣとに基づいて基準面圧Ｐｒｅｆ１を設定する（ステップＳ１１０）。ここで、基準面圧Ｐｒｅｆ１は、実施例では、電池温度Ｔｂと蓄電割合ＳＯＣと基準面圧Ｐｒｅｆ１との関係を予め定めて基準面圧設定用マップとして図示しないＲＯＭに記憶しておき、電池温度Ｔｂと蓄電割合ＳＯＣとが与えられると記憶したマップから対応する基準面圧Ｐｒｅｆ１を導出して設定するものとした。基準面圧設定用マップの一例を図３に示す。図３では、電池温度Ｔｂと蓄電割合ＳＯＣと基準面圧Ｐｒｅｆ１との関係を斜線を付した曲面で示した。図３の例では、基準面圧Ｐｒｅｆ１は、電池温度Ｔｂが高いほど大きくなり且つ蓄電割合ＳＯＣが大きいほど大きくなる傾向に設定される。この傾向は、本発明者らが実験や解析などによって見出したものである。

続いて、入力した面圧Ｐ１を基準面圧Ｐｒｅｆ１とを比較し（ステップＳ１２０）、面圧Ｐ１が基準面圧Ｐ１と異なるときには、面圧Ｐ１と基準面圧Ｐｒｅｆ１とが等しくなるよう基準面圧設定用マップを補正する（ステップＳ１３０）。この様子を図４に示す。図４中、上側，下側のマップは、それぞれ、補正前，補正後の電池温度Ｔｂと蓄電割合ＳＯＣと基準面圧Ｐｒｅｆ１との関係を示す。図４の例では、補正前の曲面を上側（同一の電池温度Ｔｂおよび蓄電割合ＳＯＣに対して基準面圧Ｐｒｅｆ１が大きくなる側）に平行移動させて、面圧Ｐ１と基準面圧Ｐｒｅｆ１とが等しくなるようにするものとした。こうした補正を行なうのは、電池セル３０の経年変化などにより、電池セル３０内で拘束荷重抜けやガス発生による荷重増加が生じている可能性があるためである。なお、ステップＳ１２０で面圧Ｐ１と基準面圧Ｐｒｅｆ１とが等しいときには、基準面圧設定用マップの補正を行なわない。

次に、電池温度Ｔｂに基づいて、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加しているか否かを判定するのに用いる閾値Ｐｒｅｆ２を設定し（ステップＳ１４０）、入力した未対向部４１の面圧Ｐ２を閾値Ｐｒｅｆ２と比較し（ステップＳ１５０）、未対向部４１の面圧Ｐ２が閾値Ｐｅｒｆ２以下のときには、そのまま本ルーチンを終了し、未対向部４１の面圧Ｐ２が閾値Ｐｒｅｆ２より大きいときには、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加していると判定して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。

ここで、閾値Ｐｒｅｆ２は、実施例では、電池温度Ｔｂと閾値Ｐｒｅｆ２との関係に電池温度Ｔｂを適用して設定するものとした。図５は、電池温度Ｔｂと閾値Ｐｒｅｆ２との関係を設定する様子を示す説明図である。電池温度Ｔｂと閾値Ｐｒｅｆ２との関係は、図５に示すように、基準面圧設定用マップ（補正しないときには図３のマップ，補正したときには図４の下側のマップ）の横軸を「バッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣ」から「未対向部４１の蓄電割合Ｓ２」に置き換えると共に縦軸を「基準面圧Ｐｒｅｆ１」から「閾値Ｐｒｅｆ２」に置き換えて、斜線を付した曲面における蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓｒｅｆのときの曲線（図中太線参照）を抽出する、ことによって設定するものとした。ここで、閾値Ｓｒｅｆは、未対向部４１表面にリチウムが析出し得る未対向部４１の蓄電割合Ｓ２としての所定割合Ｓｄ（例えば８５％や９０％など）より若干（例えば５％や１０％など）小さい未対向部４１の蓄電割合Ｓ２を用いるものとした。図５の傾向（図３や図４と同一の傾向）から、閾値Ｐｒｅｆ２は、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が所定割合Ｓｄのときの値（以下、所定面圧Ｐｄという）より小さくなる。

図６は、面圧センサ４９ｄによる電池セル３０の幅方向（図１中左右方向）の各位置の圧力の一例を示す説明図である。図６（ａ）は、出荷直後など未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が増加していないとき即ち未対向部４１の面圧Ｐ２が閾値Ｐｒｅｆ２以下のときの様子（実験や解析などの結果）の一例を示し、図６（ｂ）は、バッテリ２６の充放電の繰り返しによって未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加したとき即ち未対向部４１の面圧Ｐ２が閾値Ｐｒｅｆ２より大きくなったときの様子（実験や解析などの結果）の一例を示す。図６から解るように、本発明者らは、実験や解析などにより、バッテリ２６の充放電が繰り返し行なわれると、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が大きくなってこれに応じて未対向部４１の面圧Ｐ２が大きくなり、蓄電割合Ｓ２が閾値Ｓｒｅｆより大きな所定割合Ｓｄより大きくなると、面圧Ｐ２が所定面圧Ｐｄより大きくなって未対向部４１表面にリチウムが析出し得ることを見出した。したがって、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加している（閾値Ｓｒｅｆより大きくなっている）ときには、何らかの対処を行なわないと、未対向部４１表面にリチウムが析出するおそれがあると考えられる。実施例では、未対向部４１の蓄電割割合Ｓ２の増加（閾値Ｓｒｅｆより大きくなること）を検出することにより、未対向部４１表面にリチウムが析出することによって電池セル３０の劣化が促進されるおそれがあることを検出することができる。

このようにして、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が増加している（閾値Ｓｒｅｆより大きくなっている）と判定したときには、実施例では、モータ２２の駆動を禁止するか、バッテリ２６から放電が行なわれるようモータ２２を制御するものとした。前者は、バッテリ２６が充放電されないことにより、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２（面圧Ｐ１）と対向部４０との蓄電割合Ｓ２（面圧Ｐ２）とが平準化されることにより、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が低くなるようにするためである。後者は、バッテリ２６（電池セル３０）から放電が行なわれることにより、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２（および対向部４０の蓄電割合Ｓ１）が低くなるようにするためである。これらの処理により、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が所定割合Ｓｄより大きくなるのを抑制して、リチウムが析出するのを抑制することができる。この結果、電池セル３０（バッテリ２６）の劣化が促進されるのを抑制することができる。

以上説明した実施例の駆動装置２０が備える電池装置によれば、対向部４０の面圧Ｐ１とバッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣとバッテリ２６（各電池セル３０）の電池温度Ｔｂとに基づいて、リチウムが析出し得る未対向部４１の蓄電割合Ｓ２より小さな蓄電割合に対応する未対向部４１の面圧を閾値Ｐｒｅｆ２に設定し、未対向部４１の面圧Ｐ２がこの閾値Ｐｒｅｆ２より大きいときに、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加していると判定するから、未対向部４１表面にリチウムが析出するおそれがあることを検出することができる。

また、実施例の駆動装置２０によれば、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が（局所的に）増加していると判定したときには、モータ２２の駆動を禁止するか、バッテリ２６から放電が行なわれるようモータ２２を制御するから、未対向部４１の蓄電割合Ｓ２が所定割合Ｓｄより大きくなるのを抑制して、リチウムが析出するのを抑制することができる。この結果、電池セル３０（バッテリ２６）の劣化が促進されるのを抑制することができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、正極塗工部３６をを備える正極（正極シート）３５が「正極」に相当し、対向部４０と未対向部４１とを有する負極塗工部３９を備える負極（負極シート）３６が「負極」に相当し、電池セル３０が「電池セル」に相当し、バッテリ２６が「リチウムイオン二次電池」に相当し、面圧センサ４９ｄが「面圧検出手段」に相当し、温度センサ４９ｃが「温度検出手段」に相当し、電子制御ユニット５０が「判定手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電池装置の製造産業などに利用可能である。

２０ 駆動装置、２２ モータ、２４ インバータ、２６ バッテリ、３０ 電池セル、３１ ケース、３１ａ 側面、３１ｂ 幅広面、３２ 電極体、３４ 積層体、３５ 正極、３６ 正極塗工部、３８ 負極、３９ 負極塗工部、４０ 対向部、４１ 未対向部、４３ セパレータ、４７ 正極集電端子、４８ 負極集電端子、４９ 面圧センサ、４９ａ 電圧センサ、４９ｂ 電流センサ、４９ｃ 温度センサ、４９ｄ 面圧センサ、５０ 電子制御ユニット。

Claims (2)

1. 正極と負極とがセパレータを介して積層されて捲回されると共に前記負極が前記正極と対向する対向部および該正極と対向しない未対向部を有する電池セルを複数有するリチウムイオン二次電池を備える電池装置であって、
   前記複数の電池セルのうち少なくとも１つに設けられて該電池セルの前記未対向部の面圧を検出する面圧検出手段と、
   前記電池セルの温度を検出する温度検出手段と、
   前記検出された面圧と前記検出された温度とに基づいて前記未対向部の蓄電割合が増加しているか否かを判定する判定手段と、
   を備える電池装置。
2. 請求項１記載の電池装置と、前記二次電池と電力をやりとりするモータと、を備える駆動装置であって、
   前記未対向部の蓄電割合の増加が判定されたときには、前記モータの駆動を禁止するまたは前記リチウムイオン二次電池から放電が行なわれるよう前記モータを制御する制御手段、
   を備える駆動装置。

Images