JP2018137099A - 電池制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムの析出抑制【解決手段】電池制御システム１０は、押圧部材１１と、圧変動機構１２と、検知部１３と、演算部１４と、ガス抜き処理部１５とを備えている。検知部１３は、電池の温度と電圧を検知する処理部である。演算部１４は、検知部１３で検知された温度と電圧に基づいて、予め定められたマップに記録された、温度と電圧とガス発生量との関係に基づいて、当該電池４０のガス発生量の積算値を得る処理部である。ガス抜き処理部１５は、演算部１４で得られたガス発生量の積算値が予め定められた閾値以上である場合に、圧変動機構１２を操作して、押圧部材１１が電池ケース４１ｃに押し当てられる押圧力を繰り返し増減させるように設定されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、電池制御システムに関する。

特開２０１４−１４３１３８号公報には、電池内部への水分透過を要因とする電池劣化を考慮し、非水二次電池を適切に保護する電池システムに関する発明が開示されている。
この公報で提案される電池システムは、非水二次電池の入力を許容する最大の電流値である許容入力電流値を、非水二次電池の劣化状態に応じて低下させながら非水二次電池の入力を制御するコントローラを有している。コントローラは、非水二次電池の充放電履歴に基づく第１劣化度と、非水二次電池内部への水分透過履歴に基づく第２劣化度とに応じて、許容入力電流値を低下させるときの低下率を変更する。この公報では、非水二次電池内部への水分透過を考慮して電池劣化に応じた許容入力電流値の低下率を変更しているので、過充電を抑制し、非水二次電池を適切に保護することができる、とされている。

特開２０１５−１４１７９０号公報では、電池内圧および時間量の割合が内圧ダメージ量として算出されている。そして、算出した内圧ダメージ量を積算して得られた積算ダメージ量が規定値以上である場合に、電池が劣化していると判断されている。

特開２０１３−２５１０６０号公報には、電池システムに関する発明が開示されている。この公報で提案される電池システムは、所定方向に並んで配置された複数の二次電池と、所定方向において複数の二次電池を挟んで、各二次電池に拘束荷重を与える拘束機構と、各二次電池の電流および電圧から各二次電池の抵抗を算出するコントローラと、を有している。そして、コントローラによって、複数の二次電池において、抵抗の差が発生しているとき、抵抗が低い側の二次電池に対する拘束荷重が低下していると判別されている。また、リチウムイオン二次電池について、拘束荷重とリチウムの析出とに相関関係があることが開示されている。

特開２０１３−１６１５４３号公報には、電池の使用容量の増加に対する電池容量の減少の程度の変化が大きい場合に、電池の拘束力を増加させる電池の制御方法が開示されている。電池容量を回復させることが可能とされている。

特開２０１４−１４３１３８号公報 特開２０１５−１４１７９０号公報 特開２０１３−２５１０６０号公報 特開２０１３−１６１５４３号公報

ところで、本発明者の知見では、リチウムイオン二次電池などでは、充放電において、電池ケース内でガスが発生しうる。電池ケース内で発生するガスは、電池ケース内の電極体に滞留する場合がある。ガスが電極体に滞留すると、リチウムが析出しやすくなる事象がある。

ここで提案される電池制御システムは、押圧部材と、圧変動機構と、検知部と、演算部と、ガス抜き処理部とを備えている。押圧部材は、電池ケースに押して当てられた部材である。圧変動機構は、押圧部材が電池ケースに押し当てられる押圧力を変動させる機構である。検知部は、電池の温度と電圧を検知する処理部である。演算部は、検知部で検知された温度と電圧に基づいて、予め定められたマップに記録された、温度と電圧とガス発生量との関係に基づいて、当該電池のガス発生量の積算値を得る処理部である。ガス抜き処理部は、演算部で得られたガス発生量の積算値が予め定められた閾値以上である場合に、圧変動機構を操作して、押圧部材が電池ケースに押し当てられる押圧力を繰り返し増減させるように設定されている。この電池制御システムによれば、リチウムが析出しやすくなる事象が抑制される。

図１は、ここで提案される電池制御システム１０を模式的に示す模式図である。 図２は、電池制御システム１０のフローチャートの一例である。 図３は、充電電流の上限を制限する処理Ｓ４で用意される制御マップの一例を示すグラフである。

以下、ここで提案される電池制御システムの一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。

図１は、ここで提案される電池制御システム１０を模式的に示す模式図である。図１に示す例では、電池制御システム１０が採用される電池４０は、例えば、複数の単電池４１が組み合わされた組電池である。単電池４１の電池ケース４１ｃ内には、図示は省略するが、電極体および電解質（電解液）が収容されている。ここで、電極体は、正極シートと、負極シートとを、樹脂製の多孔質膜からなるセパレータを介在させて積層し、かつ、捲回した捲回電極体でありうる。なお、ここでは、電池４０は、組電池として例示されているが、電池制御システム１０が採用される電池４０は単電池でもよい。

ここで、正極シートは、例えば、集電箔に正極活物質を含む正極活物質層が形成されたシートである。負極シートは、例えば、集電箔に負極活物質を含む負極活物質層が形成されたシートである。セパレータは、例えば、所要の耐熱性を有する電解質が通過しうる多孔質の樹脂シートである。電解質には、例えば、有機溶媒にリチウム塩が溶解した電解液が用いられる。

正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。正極活物質は、リチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。
負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。負極活物質は、天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。
電解液には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒にＬｉＰＦ_６を含有させた非水電解液などが挙げられる。

電池ケース４１ｃには、上面が開放された扁平な角型のケース本体と、当該ケース本体の上面を塞ぐ蓋体とで構成された、いわゆる角型の電池ケースが採用されている。
かかる単電池４１の構造は、例えば、上述した特許文献３などにおいて開示されている。ここで提案される電池制御システム１０では、特に言及されない限りにおいて電池の構造は、特に限定されない。図１に示す例では、電池４０は、組電池であり、複数の単電池４１の正極端子４１ａおよび負極端子４１ｂが並列または直列にバスバー４２によって接続されている。なお、図１では、単電池４１は２つしか図示されていないが、組電池４０としては、より多くの単電池４１が組み合わされているとよい。

例えば、リチウムイオン二次電池では、充電の条件によっては、電極表面にリチウムが析出する場合がある。電極上にリチウムが析出すると、電池反応に寄与するリチウムイオンが減少するため、電池容量が劣化する原因となりうる。また、リチウムが析出するのを抑制するためには、充電時の電流値を低く抑えるとよい。しかし、充電時の電流値を低く抑えると、例えば、ハイブリッド車両などの車両用の電池として用いられている場合には、車両の燃費性能が低下する要因となる。

また、電池４０は、充電が進むと電圧が高くなる傾向がある。充電が進み電圧が所定の電圧よりも高くなると、いわゆる過充電の状態となる。過充電状態になると、電解液が分解されてガスが発生するなどの事象が生じうる。本発明者の観察によれば、リチウムイオン二次電池は使用される際に、温度が高ければ高いほど、また、電圧が高ければ高いほど、電解液が分解されやすい状態となり、電極体内でガスが発生しやすい状況になる。例えば、比較的高い温度環境で、予め定められた上限電圧を超えて充電される場合などでは、電極体内にガスが発生しやすい。発生したガスの一部は、電極体内（正極と負極の間）に滞留する。電池は、充電時に電圧が高くなるが、本発明者の知見では、温度が同じであれば、かかる充電時の最大電圧が高ければ高いほど、ガス発生量が多くなる傾向がある。

本発明者は、電極表面にリチウムが析出する事象について、電極体内にガスが滞留している場合にリチウムが析出しやすいとの知見を得た。つまり、電極体内にガスが滞留している状況では、例えば、正極と負極の間隔が広くなる傾向がある。そして、正極と負極の間隔が広くなると、電極表面などにリチウムが析出しやすくなる。

本発明者は、このような知見を基に図１に示す電池制御システム１０を提案する。
電池制御システム１０では、例えば、制御対象となる電池４０に関し、温度と電圧とで規定される使用環境において単位時間の使用で電極体に滞留するガス発生量の関係を調べ、温度と電圧とガス発生量との相関関係を得る。かかる相関関係は、予め行った試験やシュミュレーションによって得られる。そして、当該相関関係に基づいて、温度と電圧とガス発生量との関係を記録した制御マップを作成する。制御対象となる電池４０について、使用時に温度と電圧を記録する。当該マップを基に、単位時間毎のガス発生量を推定することができる。さらに、使用期間におけるガス発生量を積算する。積算されたガス発生量は、ここでは、適宜に「ガス発生量の積算値」と称される。ここで、マップの構成例としては、表１に示すように、縦軸に温度、横軸に電圧を取った行列に、温度と電圧とガス発生量との関係を記録するとよい。

ガス発生量の積算値が、予め定められた閾値以上になった場合に、ガス発生量の積算値に応じて充電電流の上限値を制限する。例えば、リチウムが析出しない程度に充電電流の上限値を設定するとよい。さらに、電極体内に滞留したガスを抜くための処理を実施する。ここで、ガスを抜く処理としては、例えば、電池の拘束圧を繰り返し増減するとよい。これによって、拘束圧を繰り返し増減することで、電極体の内部で圧力が変動し、それに合せてガスが電極体から排出される。電極体から滞留するガスが排出されると、電極体内でリチウムが析出されにくくなる。このため、充電電流の上限値の制限を緩和できる。充電電流の上限値の制限が緩和されると、それだけ電池を活用することができる。このため、例えば、電池４０が、ハイブリッド車両などの車両用の電池として用いられている場合には、充電電流の上限値を制限されると、車両の燃費性能が悪くなりうる。これに対して、充電電流の上限値の制限が緩和されると、車両の燃費性能が良くなることが期待できる。ただし、上述のように充電電流の上限値が制限されることで、電池の長寿命化が図られうる。

ここで提案される電池制御システム１０は、図１に示すように、押圧部材１１と、圧変動機構１２と、検知部１３と、演算部１４と、ガス抜き処理部１５とを備えている。電池制御システム１０は、電池４０を拘束する装置に設けられている。電池制御システム１０は、図１に示すように、制御装置２０を備えている。ここで、制御装置２０は、典型的にはコンピュータであり、記憶装置（メモリなど）と、演算装置（ＣＰＵなど）とを備えている。電池制御システム１０の各機能は、物理的な構成要素と、予め定められたプログラムに沿って行われた演算結果に基づく制御装置２０の制御との協働によって適宜に具現化されうる。

押圧部材１１は、電池ケース４１ｃに押して当てられた部材である。この実施形態では、図１に示すように、押圧部材１１は、圧変動機構１２に設けられている。圧変動機構１２は、押圧部材１１が電池ケースに押し当てられる押圧力を変動させるアクチュエータを備えた機構である。この実施形態では、圧変動機構１２は、押圧部材１１を保持する油圧ケース１２ａを備えている。油圧ケース１２ａは、対向する両側面が開口しており、当該開口に押圧部材１１が装着されている。油圧ケース１２ａには、油を供給する流路１２ｂに接続されている。また、流路１２ｂは、流路１２ｂに供給される油の量を制御する油圧回路１２ｃに接続されている。油圧回路１２ｃは、制御装置２０によって制御される。

この実施形態では、電池４０を拘束する拘束部材４３として、一対のエンドプレート４３ａと拘束ベルト４３ｂとを備えている。一対のエンドプレート４３ａは、対向するように置かれ、拘束ベルト４３ｂによって保持されている。そして拘束ベルト４３ｂによって間隔が定められた一対のエンドプレート４３ａの間に、単電池４１が並べられている。単電池４１の間および単電池４１とエンドプレート４３ａとの間には、圧変動機構１２が配置されている。圧変動機構１２は、上述のように両側に押圧部材１１を備えている。押圧部材１１は、隣接する単電池４１の電池ケース４１ｃの側面またはエンドプレート４３ａに押し当てられている。

油圧ケース１２ａ内の油圧を高くなると押圧部材１１は油圧ケース１２ａから押し出される。油圧ケース１２ａ内の油圧が高くされたり緩められたりすることによって、押圧部材１１が電池ケース４１ｃに押し当てられる押圧力が増減する。ここで、押圧部材１１および圧変動機構１２の一例を示すが、押圧部材１１および圧変動機構１２は、押圧部材１１が電池ケースに押し当てられ、かつ、その押圧力を変動させる所要の機能を奏する構造を備えているとよく、かかる形態に限定されない。

例えば、圧変動機構１２は、単電池４１毎に、押圧部材１１によって作用する押圧力が変動するように構成されていてもよい。例えば、圧変動機構１２は、油圧ケース１２ａに装着された２つの押圧部材１１のうち、一方の押圧部材１１を固定するロック構造を備えていてもよい。これにより、油圧ケース１２ａ内の油圧を変動させることによって、２つの押圧部材１１のうち一方の押圧部材１１のみを作動させてもよい。かかるロック構造を備えていることによって、図１の例では、組電池４０のうち、単電池４１毎に押圧力を変動させることができる。また、かかるロック構造を動作させるアクチュエータは、例えば、制御装置２０によって操作されるように構成されうる。

検知部１３は、電池４０の温度と電圧を検知する処理モジュールである。電池４０の温度と電圧は、例えば、温度センサ１３ａと、電圧センサ１３ｂとによって検知される。検知部１３は、制御装置２０において具現化されており、温度センサ１３ａと、電圧センサ１３ｂとによって得られた検知信号を基に、電池４０の温度と電圧を検知する。

温度センサ１３ａは、電池ケース４１ｃの予め定められた位置に取り付けられている。この実施形態では、温度センサ１３ａは、各単電池４１にそれぞれ取り付けられている。電圧センサ１３ｂは、この実施形態では、単電池４１の正極端子と負極端子の間に取り付けられている。なお、この実施形態では、温度センサ１３ａおよび電圧センサ１３ｂは、単電池４１毎に取り付けられた形態が例示されている。電池４０が組電池である場合には、組電池単位で、１つの温度センサ１３ａと１つの電圧センサ１３ｂを設けてもよい。この場合、電圧センサ１３ｂは、組電池全体の電圧を測定するセンサとしてもよい。

演算部１４は、検知部１３で検知された温度と電圧に基づいて、予め定められたマップに記録された、温度と電圧とガス発生量との関係に基づいて、当該電池４０のガス発生量の積算値ＧＳを得る処理モジュールである。

ここで、マップについては、表１に例示されている。このようなマップを基に、温度と電圧とで規定される使用環境において単位時間の使用で電極体に滞留するガス発生量が推定できる。そして、当該マップを基に、単位時間毎のガス発生量を推定し、使用期間におけるガス発生量を積算するとよい。この実施形態では、単電池４１毎にガス発生量の積算値を得ている。なお、上述のように、単電池４１毎にガス発生量の積算値を得ても良いし、組電池４０を一体としてガス発生量の積算値を得てもよい。

ガス抜き処理部１５は、圧変動機構１２を操作して、押圧部材１１が電池ケース４１ｃに押し当てられる押圧力を繰り返し増減させる処理モジュールである。ガス抜き処理部１５は、演算部１４で得られたガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上である場合に、押圧力を繰り返し増減させるように設定されている。

電池４０が組電池である場合、ガス抜き処理部１５の処理は、例えば、単電池４１毎にガス発生量の積算値を得て、ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上である単電池４１について、押圧力を繰り返し増減させてもよい。
また、単電池４１毎にガス発生量の積算値を得て、単電池４１毎に、ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上であるか否かを判定してもよい。そして、組電池４０のうち１つでもガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上である単電池４１がある場合に、組電池４０の全ての単電池４１において、押圧力を繰り返し増減させてもよい。
また、組電池４０を一体としてガス発生量の積算値が得られる場合には、例えば、組電池４０を一体として得られたガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上であるか否かを判定してもよい。そして、組電池４０を一体として得られたガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上である場合に、組電池４０の全ての単電池４１において、押圧力を繰り返し増減させるとよい。

図２は、電池制御システム１０のフローチャートの一例である。
電池制御システム１０は、図２に示すように、電池４０の温度と電圧を検知する（Ｓ１）。次に、検知された電池４０の温度と電圧に基づいて、ガス発生量の積算値ＧＳを算出する（Ｓ２）。ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上か否かを判定する（Ｓ３）。ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上でない場合（ＮＯ）には、電池４０の温度と電圧を検知する処理Ｓ１に戻るとよい。このフローチャートでは、ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上である場合（ＹＥＳ）には、充電電流の上限が制限される（Ｓ４）。ここで、図１の形態では、処理Ｓ１は、上述した温度センサ１３ａ、電圧センサ１３ｂおよび検知部１３によって具現化されうる。処理Ｓ２は、上述した演算部１４の処理によって具現化されうる。

図３は、充電電流の上限を制限する処理Ｓ４で用意される制御マップの一例を示すグラフである。充電電流の上限を制限する処理Ｓ４では、例えば、図３に示すグラフのように、ガス発生量の積算値ＧＳに対して、許容電流（％）を定めた制御マップを予め用意しておく。そして、ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上である場合には、当該制御マップに応じて充電電流の上限を定めるとよい。ここで、図３のグラフでは、横軸にガス発生量の積算値ＧＳが取られており、縦軸に許容電流（％）が示されている。許容電流は、制限前の充電電流の上限を１００として百分率で示されている。図３のグラフでは、ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔを超えると超えた量に応じて、充電電流の上限が低くなるように設定されている。なお、図３に示すグラフは一例であり、充電電流の上限を制限する処理Ｓ４で用意される制御マップは、図３のようなグラフに限定されない。

次に、押圧部材１１を操作して押圧力を増減する処理が施される（Ｓ５）。これによって、電池４０の電極体内に滞留したガスを電極体の外に排出することができる。この処理Ｓ５によって、リチウムの析出が抑制されうる。このため、当該処理Ｓ５の後で、処理Ｓ４での充電電流の制限を緩和するとよい（Ｓ６）。その後、当該押圧部材１１を操作して押圧力を増減する処理Ｓ５が施された電池４０について、ガス発生量の積算値ＧＳをリセットし、電池４０の温度と電圧を検知する処理Ｓ１に戻すとよい（Ｓ７）。

ここで、押圧力を増減する処理Ｓ５は、図１の形態では、上述したガス抜き処理部１５の処理によって具現化される。ガス抜き処理部１５の処理では、例えば、油圧回路１２ｃを制御して、圧変動機構１２を操作し、押圧部材１１によって電池４０に作用する押圧力が増減されるとよい。電池４０が組電池である場合には、上述のように、単電池４１毎の処理としてもよいし、組電池４０全体の処理としてもよい。なお、ハイブリッド車両などの車両用の電池として用いられている場合には、例えば、走行中に、ガス発生量の積算値ＧＳが予め定められた閾値Ｔ以上となる場合がある。この場合でも、走行中は充電電流の上限が制限することに留める（Ｓ４）。そして、例えば、ギヤがパーキングに入り、予め定められた時間が経過して停車が確認された状態で、押圧力を増減する処理Ｓ５が実行されるとよい。

充電電流の制限を緩和する処理（Ｓ６）では、例えば、充電電流の上限を制限する処理Ｓ４を解除してもよい。また、充電電流の上限を制限する制御を残しつつ、制限する電流量を小さくしてもよい。また、ガス発生量の積算値ＧＳをリセットする処理Ｓ７では、ガス発生量の積算値ＧＳをゼロにしてもよいし、あるいは、ガス発生量の積算値ＧＳを予め定められた割合で減らしてもよい。つまり、押圧力を増減する処理Ｓ５でも、電池４０の電極体内にガスが残留する場合がある。このため、その割合を考慮して、ガス発生量の積算値ＧＳをリセットする処理Ｓ７では、ガス発生量の積算値ＧＳを予め定められた割合で減らしてもよい。

以上、ここで提案される電池制御システムについて、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた電池制御システムの実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ 電池制御システム
１１ 押圧部材
１２ 圧変動機構
１２ａ 油圧ケース
１２ｂ 流路
１２ｃ 油圧回路
１３ 検知部
１３ａ 温度センサ
１３ｂ 電圧センサ
１４ 演算部
１５ ガス抜き処理部
２０ 制御装置
４０ 組電池（電池）
４１ 単電池
４１ａ 正極端子
４１ｂ 負極端子
４１ｃ 電池ケース
４２ バスバー
４３ 拘束部材
４３ａ エンドプレート
４３ｂ 拘束ベルト

Claims (1)

1. 電池ケースに押して当てられた押圧部材と、
   前記押圧部材が電池ケースに押し当てられる押圧力を変動させる圧変動機構と、
   電池の温度と電圧を検知する検知部と、
   前記検知部で検知された温度と電圧に基づいて、予め定められたマップに記録された、温度と電圧とガス発生量との関係に基づいて、当該電池のガス発生量の積算値を得る演算部と、
   前記演算部で得られた前記ガス発生量の積算値が予め定められた閾値以上である場合に、前記圧変動機構を操作して、前記押圧部材が電池ケースに押し当てられる押圧力を繰り返し増減させるように設定されたガス抜き処理部と
   を備えた、
   電池制御システム。

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