JP2015220098A - 二次電池充放電制御システム - Google Patents

二次電池充放電制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】サイクル特性に優れた二次電池充放電制御システムを提供することを目的とする。【解決手段】電気エネルギーを貯蔵放電するための二次電池モジュールと、前記二次電モジュールの放電電圧または放電電流を測定する計測装置と、前記計測装置の計測値に基づいて充放電極性の反転タイミングを判断する判定回路と、前記判定回路の判定結果に基づいて充放電極性を反転する充電切替装置および放電切替装置を有していることを特徴とする二次電池充放電制御システム。【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池充放電制御システムに関する。
リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等と比較して、軽量かつ高容量であるため、電子機器用電源として広く利用されている。さらに近年の電子機器の小型化、高機能化に伴い、リチウムイオン二次電池への更なる高容量化と共にサイクル特性の向上が求められている。
リチウムイオン二次電池は、正極と負極の間をリチウムイオンが移動して吸蔵、脱離反応が行われることで充電や放電が可能となる。しかしながら、満充電や過充電による構成材料特性の劣化が原因でサイクル特性が悪化して、繰り返し充電後の電池容量が減少するという課題があった。
上述した課題を解決するために、特許文献1及び特許文献2が提案されている。
特開2008−103281号公報 特開2011−146202号公報
特許文献1では、ガラスとガラスセラミックを混合した固体電解質を使用することによりサイクル特性を改善することが示されている。しかしながら、二次電池モジュールの充放電時極性が固定されているため、過充電による電池特性の劣化が片側の電極に偏るなどの課題は解決されていなかった。
また特許文献2においては、二次電池モジュールを逆方向してさらに並列構成にするなどして無極性かつ双方向充電が可能とする技術が提案されている。しかしながら、充電時には構成する二次電池モジュールの50%にしか充電されないため、原理的に電池容量が半分となってしまう欠点があった。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、サイクル特性に優れた二次電池充放電制御システムを提供することを目的とする。
本発明者らは、二次電池モジュールを交互に極性を反転させて充放電を行うことを特徴とする二次電池充放電制御システムによって、優れたサイクル特性が得られることを見出した。本発明によれば、以下の二次電池充放電制御システムが提供される。
本発明にかかる二次電池充放電制御システムは、電気エネルギーを貯蔵放電するための二次電池モジュールと、前記二次電池モジュールの放電電圧または放電電流を測定する計測装置と、前記計測装置の計測値に基づいて充放電極性の反転タイミングを判断する判定回路と、前記判定回路の判定結果に基づいて充放電極性を反転する充電切替装置および放電切替装置を有していることを特徴とする。
一回の充放電ごとに交互に二次電池モジュール極性を反転させて充放電を行うことで、正極活物質または負極活物質の一方のみの極端な劣化を抑制して、結果として二次電池モジュールのサイクル特性が改善される。
本発明によれば、前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有していることを特徴としている請求項1記載の二次電池充放電制御システムを提供することが出来る。
正極活物質、負極活物質の両方にリチウムイオンが存在するため無極性に近くなり、効果的に二次電池モジュールのサイクル特性が改善される。
本発明によれば、前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有している同一組成の材料で構成されていることを特徴としている請求項2記載の二次電池充放電制御システムを提供することが出来る。
正極活物質、負極活物質が同一組成の材料であることから、最も効果的に二次電池モジュールのサイクル特性が改善される。
本発明によれば、優れたサイクル特性を有する二次電池充放電制御システムを提供することができる。
図1は二次電池充放電制御システムの全体構成図である。 図2は二次電池充放電制御システムの充放電電位タイミングチャートである。 図3は二次電池充放電制御システムの充放電制御フローチャートである。 図4は二次電池充放電制御システムの判定回路フローチャートである。 図5は二次電池充放電制御システムの計測装置である。 図6は二次電池充放電制御システムの充電切替回路である。 図7は二次電池充放電制御システムの放電切替回路である。 図8はリチウムイオン二次電池の構成図である。
図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
<二次電池充放電制御システムの全体構成>
二次電池充放電制御システムの全体構成図を図1に示す。
二次電池充放電制御システム100は、二次電池モジュール101と、放電電圧または放電電流を計測する計測装置102と、計測装置の計測値に基づいて極性反転を判定する判定回路103と、判定回路の判定結果に基づいて充放電回路を切り替える充電切替装置104、および放電切替装置105によって構成される。
二次電池モジュール101は、電源106から充電切替装置104を経由して充電される。充電された二次電池モジュール101は、放電切替装置105を経由して外部の負荷107に接続される。また二次電池モジュール101には、二次電池モジュール放電電圧または放電電流を測定する計測装置102、および放電完了を判定する判定回路103が接続される。
判定回路103で判定された結果を基づいて、充電切替装置104および放電切替装置105にて充電時の極性および放電時の極性を反転する。
<二次電池充放電制御システムの充放電タイミングチャート>
二次電池充放電制御システム100の充放電タイミングチャートを図2に示す。
従来の充放電制御システムにおいては、充放電電位201で示されるように、充放電時の極性は常に同じである。例えば、初回充電時に正の電位V1(V)まで充電した場合、2回目以降も同極性の正の電位方向に充放電を行う。
それに対して、本発明の充放電制御システム100においては、本発明の充放電電位202で示されるように、交互に極性を反転させて二次電池モジュール101に充放電が行われる。ここで、二次電池モジュール101から負荷107に供給される電気エネルギーの極性は、放電切替装置105で極性を整えて出力される。そのため負荷107側の使い勝手は一切変更する必要が無い。
本発明によれば、充放電の極性を交互に反転させることで、二次電池モジュール101内の正極活物質801または負極活物質803の一方のみの極端な劣化を抑制できる。結果としてサイクル特性を改善して信頼性の高いリチウムイオン二次電池800を得ることが出来る。
<二次電池充放電制御システムの充放電制御フローチャート>
二次電池充放電制御システム100の充放電制御フローチャート300を図3に示す。本説明では、一例として電圧検出の例を説明するが、電流検出またはその両方の検出方法を組み合わせることも可能である。
1.電源106から二次電池モジュール101に充電回路1(符号601)で充電。
2.充電完了後に放電回路1(符号701)で放電。
3.判定回路103を用いて放電電圧が基準電圧に達したことを判定。
4.判定結果に基づいて、充電回路2(符号602)、放電回路2(符号702)に切替。
5.充電完了後に放電回路2(符号702)で放電。
6.判定回路103を用いて放電電圧が基準電圧に達したことを判定。
7.判定結果に基づいて、充電回路1(符号601)、放電回路1(符号701)に切替。
8.以下、1〜7を繰り返す。
<二次電池充放電制御システムの判定回路フローチャート>
判定回路103は、計測装置102によって計測された計測値に基づいて、放電電圧または放電電流があらかじめ設定した基準電圧または基準電流に達したことをもって放電完了と判定する。
二次電池充放電制御システムの判定回路フローチャート400を図4に示す。本説明では、一例として電圧検出の例を説明するが、電流検出またはその両方の検出方法を組み合わせることも可能である。
1.計測装置102で、基準電圧設定、放電電圧の測定、測定値を判定回路103
に出力。
2.計測装置102からの出力信号を判定回路103に入力。
3.放電電圧が基準電圧以下に達したかを判定回路103で判定。
4.基準電圧以下に達した場合、判定値を充電切替装置104および放電切替装置105に出力。
5.出力値に基づいて、充電切替装置104および放電切替装置105で極性を反転。
<二次電池充放電制御システムの計測装置>
二次電池充放電制御システム100の計測装置構成図500を図5に示す。
計測装置500の入力端子503は、二次電池モジュール101の出力側の放電電圧または放電電流、またはその両方を計測するために配置される。放電電圧を計測する電圧計501は、並列回路を構成するように配置される。また放電電流を計測する電流計502は、直列回路を構成するように配置される。電流および電圧が測定可能であれば、いかなる計測方式の計測装置を用いても良い。計測装置500で計測された電圧または電流またはその両方の値に基づく信号は、計測装置500の出力端子504を経由して判定回路103に出力される。
<二次電池充放電制御システムの充電切替回路>
二次電池充放電制御システム100の充電切替装置600を図6に示す。
充電切替装置600は、充電回路1(符号601)、充電回路2(符号602)、切替スイッチ1(符号603)および切替スイッチ2(符号604)から構成される。電源106と二次電池モジュール入力用端子605は、充電回路1(符号601)または充電回路2(符号602)と、切替スイッチ1(符号603)または切替スイッチ2(符号604)を経由して接続される。
判定回路103の判定結果に基づいて電源106と二次電池モジュール101を接続する極性を切り替える。極性の切替は充電切替装置600内の切替スイッチ1(符号603)および切替スイッチ2(符号604)を切り替えることで達成される。
判定回路103からの出力信号による極性切替の方式は特に限定されるものでは無い。機械方式、リレー方式と機械方式の組み合わせ、電子制御回路と機械方式の組み合わせなどが用いられる。
充電回路1(符号601)および充電回路2(符号602)には、必要に応じて充電電圧を調整する機構を内蔵することが出来る。
<二次電池充放電制御システムの放電切替回路>
二次電池充放電制御システム100の放電切替装置700を図7に示す。
放電切替装置700は、放電回路1(符号701)、放電回路2(符号702)、切替スイッチ3(符号703)および切替スイッチ4(符号704)から構成される。二次電池モジュール出力用端子705と負荷107は、放電回路1(符号701)または放電回路2(符号702)と、切替スイッチ3(符号703)または切替スイッチ4(符号704)を経由して接続される。
判定回路103の判定結果に基づいて二次電池モジュール101と負荷106を接続する極性を切り替える。極性の切替は放電切替装置700内の切替スイッチ3(符号703)および切替スイッチ4(符号704)を切り替えることで達成される。
判定回路からの出力による極性切替の方式は特に限定されるものでは無いことは充電切替回路と同様である。
放電回路1(符号701)および放電回路2(符号702)には、必要に応じて放電電圧を調整する機構が内蔵することが出来る。また基準電圧以下に達した際に、電池容量がほぼゼロとなるよう強制放電する機構を有することが好ましい。
<二次電池モジュールの構成>
二次電池モジュール101は、少なくとも一つ以上の二次電池で構成され、二次電池は直列または並列または直列および並列に接続されている。二次電池は正極活物質801、負極活物質803および固体電解質802の組み合わせを単位として、1組で構成する単層構成や、単層構成を複数回積層した多層構成のいずれの形態でも良い。また二次電池としては、エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池を用いることが好ましい。
<リチウムイオン二次電池の構成>
リチウムイオン二次電池800の代表的構成を図8に示す。
リチウムイオン二次電池800は正極活物質801、負極活物質803、固体電解質802によって構成される。正極と負極の間をリチウムイオンが移動して吸蔵、脱離反応が行われることで充電や放電が可能となる。
<固体電解質の機能、組成>
固体電解質802は正極と負極の間でリチウムイオンを輸送する機能を担う。電子は伝導しないが、リチウムイオンは伝導する材料であることが好ましい。
本発明において、固体電解質802は、Li3+x1ix11−x1(0.4≦x1≦0.6)、Li1+x2Alx2Ti2−x2(PO(0≦x2≦0.5)、リン酸ゲルマニウムリチウム(LiGe(PO)、LiO−V−SiO、LiO−P−Bよりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
<正極活物質および負極活物質の機能、組成>
正極活物質801および負極活物質803は、リチウムイオン二次電池800の正極およびに用いられ、リチウムイオンを吸蔵脱離可能な材料であることが好ましい。
本発明において、正極活物質801および負極活物質803は、リチウムマンガン複合酸化物LiMnx3Ma1−x3(0.8≦x3≦1、Ma=Co、Ni)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNix4Coy4Mnz4(x4+y4+z4=1、0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMbPO(ただし、Mbは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又)、リン酸バナジウムリチウム(Li(PO又はLiVOPO)、Li過剰系固溶体正極LiMnO−LiMcO(Mc=Mn、Co、Ni)、チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNix5Coy5Alz5(0.9<a<1.3、0.9<x5+y5+z5<1.1)で表される複合金属酸化物のいずれかであることが好ましい。
100 二次電池充放電制御システム
101 二次電池モジュール
102、500 計測装置
103 判定回路
104、600 充電切替装置
105、700 放電切替装置
106 電源
107 負荷
200 従来方式と本発明の充放電タイミングチャート比較図
201 従来方式の充放電電位
202 本発明の充放電電位
300 充放電制御フローチャート
400 判定回路フローチャート
403 判定回路構成
501 電圧計
502 電流計
503 入力端子
504 出力端子
601 充電回路1
602 充電回路2
603 切替スイッチ1
604 切替スイッチ2
605 二次電池モジュール入力用端子
701 放電回路1
702 放電回路2
703 切替スイッチ3
704 切替スイッチ4
705 二次電池モジュール出力用端子
800 リチウムイオン二次電池の構成図
801 正極活物質
802 固体電解質
803 負極活物質

Claims (3)

  1. 電気エネルギーを貯蔵放電するための二次電池モジュールと、前記二次電モジュールの放電電圧または放電電流を測定する計測装置と、前記計測装置の計測値に基づいて充放電極性の反転タイミングを判断する判定回路と、前記判定回路の判定結果に基づいて充放電極性を反転する充電切替装置および放電切替装置を有していることを特徴とする二次電池充放電制御システム。
  2. 前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有していることを特徴としている請求項1記載の二次電池充放電制御システム。
  3. 前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有している同一組成の材料で構成されていることを特徴としている請求項2記載の二次電池充放電制御システム。
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