JP2018147742A - 電池制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムの析出抑制【解決手段】電池制御装置１０は、電池の内圧を検知する第１検知部１１と、電池に流れた電流値を検知する第２検知部１２と、電池を拘束する拘束荷重を検知する第３検知部１３と、ガス量算出部１４と、上限電流値算出部１５とを備えている。ガス量算出部１４は、第１検知部１１で検知された内圧と、電池に電流が流れた際に第２検知部１２で検知された電流値と、第３検知部１３で検知された拘束荷重の変化速度とに基づいて、電極体内に滞留するガス量の推定値を算出する。上限電流値算出部１５は、ガス量算出部１４によって算出されたガス量の推定値に基づいて上限電流値を算出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電池制御装置に関する。

特開２０１６−０９３０６６号公報には、二次電池の状態をモニタリングし、二次電池の状態の履歴に基づいて電池ケース内でのガス発生量に相関した係数を取得し、当該係数と履歴とから二次電池の劣化量を算出することが開示されている。

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。

特開２０１６−０９３０６６号公報 特開２０１４−１４３１３８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の一部は、電池ケース内の電極体内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場合がある。これに対して電極体内にどの程度ガスが滞留しているかを推定する手段は確立されていない。

ここで提案される電池制御装置は、電池の内圧を検知する第１検知部と、電池に流れた電流値を検知する第２検知部と、電池を拘束する拘束荷重を検知する第３検知部と、ガス量算出部と、上限電流値算出部とを備えている。
ガス量算出部は、第１検知部で検知された内圧と、電池に電流が流れた際に第２検知部で検知された電流値と、第３検知部で検知された拘束荷重の変化速度とに基づいて、電極体内に滞留するガス量の推定値を算出する。
上限電流値算出部は、ガス量算出部によって算出されたガス量の推定値に基づいて上限電流値を算出する。
かかる電池制御装置によれば、電極体内にどの程度のガスが滞留しているかが推定され、それに基づいて適切に上限電流値が設定される。これにより、リチウムが析出するのが抑制される。

図１は、ここで提案される電池制御装置を模式的に示す模式図である。 図２は、電池内の総ガス量と圧力センサの圧力との関係が示されたグラフである。 図３は、電極体内に滞留しているガス量の比率を導出するための算出マップの一例である。 図４は、電極体内に滞留しているガス量とリチウムが析出しない電流値との相関関係が示されたグラフである。 図５は、電池制御装置１０の制御による効果を示すグラフである。

以下、ここで提案される電池制御装置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装置１０を模式的に示す模式図である。
図１に示す例では、電池制御装置１０によって制御される電池は、例えば、組電池として構成された複数の単電池４１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。

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。

この実施形態では、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。特に言及されない限りにおいて電池の構造は限定されない。

この実施形態では、複数の単電池４１は、拘束部材４３によって拘束されている。拘束部材４３は、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、複数の単電池４１がスペーサ４３ｃを挟んで並べられている。このように、図１に示す例では、複数の単電池４１の正極端子４１ａおよび負極端子４１ｂがバスバー４２によって並列または直列に接続されている。なお、図１では、単電池４１は３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。単電池４１には、電池制御装置１０が取り付けられている。ここで、単電池４１は、適宜に「電池」と称されうる。

ここで、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。

電池４１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）に滞留する場合がある。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。なお、ガスが電極体から排出されると、正極と負極の間隔が適切な状態になる。このため、ガスが発生しても電極体の外に排出されていれば、電極表面にリチウムが析出する事象は抑制されうる。

本発明者は、このような知見を基に図１に示す電池制御装置１０を提案する。
電池制御装置１０は、図１に示すように、第１検知部１１と、第２検知部１２と、第３検知部１３と、ガス量算出部１４と、上限電流値算出部１５とを備えている。

ここで、電池制御装置１０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。電池制御装置１０の各処理は、予め定められたプログラムよって実行される処理モジュールとして具現化される。電池制御装置１０による各機能は、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との協働によって適宜に具現化されうる。

ここで、第１検知部１１は、電池４１の内圧を検知する処理部である。この実施形態では、電池４１には、内圧を検知するための圧力センサ１１ａが取り付けられている。圧力センサ１１ａは、例えば、電池４１の電池ケース４１ｃに取り付けられているとよい。第１検知部１１は、かかる圧力センサ１１ａから得られた検知信号を基に電池４１の内圧を検知する。

第２検知部１２は、電池４１に流れた電流値を検知する処理部である。この実施形態では、電池４１には、電流が流れる経路に電流センサ１２ａが取り付けられている。第２検知部１２は、かかる電流センサ１２ａから得られた検知信号を基に電池４１に流れる電流値を検知する。

第３検知部１３は、電池４１を拘束する拘束荷重を検知する処理部である。この実施形態では、電池４１に取り付けられたスペーサ４３ｃとエンドプレート４３ａとの間に荷重センサ１３ａが取り付けられている。第３検知部１３は、かかる荷重センサ１３ａに基づいて電池４１を拘束する拘束荷重を検知する。

ガス量算出部１４は、電極体内に滞留するガス量の推定値を算出する処理部である。
ガス量算出部１４は、第１検知部１１で検知された内圧と、電池４１に電流が流れた際に第３検知部１３で検知された電流値と第２検知部１２で検知された拘束荷重の変化速度とに基づいて、電極体内に滞留するガス量の推定値を算出する。

図２は、電池内の総ガス量と圧力センサの圧力との関係が示されたグラフである。
本発明者の知見では、同じ規格の電池４１であれば、電池ケース４１ｃ内の圧力が高ければ高いほど、電池内の総ガス量が高い。このため第１検知部１１で検知された内圧に基づいて、電池４１内の総ガス量が推定される。

また、電池４１に電流が流れると、電極体が膨張あるいは収縮する。例えば、充電時には、負極活物質粒子にリチウムイオンが吸蔵される。このため、電極体は微妙に膨張する傾向がある。また、放電時には、負極活物質粒子に貯えられたリチウムイオンが電解液中に放出される。このため、電極体は微妙に収縮する傾向がある。このため、電池４１に充電電流が流れたり、放電電流が流れたりすると、電極体が膨張と収縮する。この際、電池４１を拘束している拘束部材４３に作用している拘束荷重が増減する。

電池４１に電流が流れることによって拘束荷重が変化するが、本発明者の知見では、電極体内に滞留しているガスが多いと拘束荷重の変化が遅れて表れる。電極体内に滞留しているガスが多ければ多いほど、拘束荷重が変化する速度が遅くなる。このような事象は、電極体内に滞留しているガスが拘束荷重に対してクッションのように振る舞うことに起因すると、本発明者は考えている。例えば、充電電流が流れると、電極体に含まれる負極活物質粒子が膨張する。電極体内にガスが滞留していると、当該ガスの作用によって充電電流が流れてから拘束荷重が増加するまでに時間が掛かる。電極体内に滞留しているガスが少ないと、充電電流が流れてから拘束荷重が増加するまでの時間が短い。

本発明者の知見では、拘束荷重の単位時間当たりの変化量（ここでは、適宜に「荷重変化速度」と称される。）と、電池ケース４１ｃ内の総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率には、相関関係がある。また、拘束荷重の単位時間当たりの変化量は、電流値の大きさと相関関係がある。かかる知見を基に、本発明者は、電流値と、拘束荷重の単位時間当たりの変化量（荷重変化速度）とに基づいて、電池ケース４１ｃ内の総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率を導き出すことを考えた。

図３は、電極体内に滞留しているガス量の比率を導出するための算出マップの一例である。図３に示す例では、縦軸に電流が印加された直後における拘束荷重の一秒当たりの変化量（Δ荷重／sec）が荷重変化速度として取られている。横軸に電流値が取られている。算出マップの各マスには、電池ケース４１ｃ内の総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率が記録されているとよい。ここで、総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率は、予め試験を行うことによって得るとよい。本発明者の知見によれば、縦軸の荷重変化速度が遅ければ遅いほど、総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率は大きくなる傾向がある。このため、例えば、図３に示すマップにおいて、電流値が大きく荷重変化速度が遅いとガス量の比率は大きい値になる。電流値が大きくても荷重変化速度が速いとガス量の比率は小さい値になる。このようなマップが予め用意されていることによって、電流値と荷重変化速度との関係から、総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率が推定されうる。

この実施形態では、ガス量算出部１４では、図２に示すように、内圧と総ガス量との相関関係が予め用意されている。さらに、図３に示すように、荷重変化速度と電流値とに基づいて総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率を導出するための導出マップが予め用意されている。ガス量算出部１４は、第１検知部１１によって検知された電池ケース４１ｃの内圧と、電池４１に電流が流れた際に第２検知部１２で検知された電流値と、第３検知部１３で検知された拘束荷重の変化速度（荷重変化速度）とに基づいて、電極体内に滞留するガス量の推定値を算出する。

この実施形態では、第１検知部１１によって検知された電池ケース４１ｃの内圧に基づいて、図２に示された内圧と総ガス量との相関関係から、電池ケース４１ｃ内の総ガス量が導出される。
次に、電池４１に電流が流れた際に第２検知部１２で検知された電流値と、第３検知部１３で検知された拘束荷重の変化速度（荷重変化速度）とに基づいて、図３の導出マップから総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率が導出される。
次に、導出された電池ケース４１ｃ内の総ガス量と、総ガス量に対する電極体内に滞留しているガス量の比率とに基づいて、電極体内に滞留しているガス量が導出される。

上限電流値算出部１５は、ガス量算出部１４によって算出されたガス量の推定値に基づいて上限電流値を算出する処理部である。本発明者の知見では、上述のように電極体内に滞留しているガス量が多くなればなるほど、リチウムが析出されやすい。リチウムは、充電時に電流値が大きくなればなるほど析出しやすい。このため、電極体内に滞留しているガス量に応じて、充電時の上限電流値を制限するとよい。上限電流値算出部１５は、かかる上限電流値を算出する処理部である。

ここでは、試験などを通じて、制御対象となる電池について、電極体内に滞留しているガス量に応じて、リチウムが析出しない電流値を調べる。そして、電極体内に滞留しているガス量と、リチウムが析出しない電流値との相関関係を得るとよい。図４は、電極体内に滞留しているガス量とリチウムが析出しない電流値との相関関係が示されたグラフである。図４では、リチウムが析出しない電流値は、ここでは、充電時にリチウムが析出しない上限電流値を意味する。図４では、リチウムが析出しない電流値は、電極体内にガスが滞留していない場合に充電時にリチウムが析出しない上限電流値を１００として、その１００分率で示されている。

図４によれば、電極体内に滞留しているガス量が判れば、リチウムが析出しない電流値が導出される。上限電流値算出部１５では、制御対象となる電池について、図４に示されるような、電極体内に滞留しているガス量とリチウムが析出しない電流値との相関関係が予め用意されているとよい。そして、ガス量算出部１４で算出されたガス量の推定値に基づいて、上限電流値が算出されるとよい。この電池制御装置１０では、さらに、上限電流値算出部１５で算出された上限電流値に応じて充電時の上限電流が制限されるように、充電時の電流値が制御されるとよい。

図５は、電池制御装置１０の制御による効果を示すグラフである。図５に示すグラフにおいて、本発明者は、ハイブリッド車や電気自動車のような電動車両に搭載された電池について走行時に生じうる充放電を想定した予め定められた充放電パターンによって、充電と放電を繰り返す試験を行った。実線Ａでは、電池制御装置１０による電流値を制限する制御が行われた場合のリチウムの析出量が示されている。つまり、上限電流値算出部１５で算出された上限電流値に応じて定められた、充電時の上限電流値に基づいて、充電時の電流値が適宜に制御された場合のリチウムの析出量が示されている。破線Ｂでは、電池制御装置１０による制御がされない場合のリチウムの析出量が示されている。図５に示されているように、電池制御装置１０による制御が実行される場合には、リチウムの析出が抑えられうる。つまり、電池制御装置１０による制御が実行される場合には、電池の走行耐久性能が良くなる。

以上、ここで提案される電池制御装置１０について説明したが、電池制御装置１０は、かかる形態に限定されない。

例えば、電池制御装置１０によって制御される電池について、図１に示すように、単電池４１が組み合わされた組電池４０が例示している。この実施形態では、各単電池４１が、同一規格の電池であり、概ね同一の条件で充電および放電が成されることから、電池ケース４１ｃ内の総ガス量および電極体内に滞留しているガス量が概ね同じものと推定される。このため、また、上述した実施形態では、組電池４０のうち１つの単電池４１に取り付けられた圧力センサ１１ａに基づいて内圧が検知されている。そして、組電池４０のうち拘束部材４３に取り付けられた荷重センサ１３ａに基づいて拘束荷重が得られている。

電池制御装置１０に利用される各センサの配置は、これに限定されない。図示は省略するが、組電池４０である場合に、内圧を検知するための圧力センサ１１ａと、拘束荷重を検知するための荷重センサ１３ａとは、単電池４１毎に取り付けられていてもよい。この場合、電池制御装置１０は、単電池４１毎に電極体内に滞留しているガス量の推定値が得られるように構成されていてもよい。この場合、電池制御装置１０は、電極体内に滞留しているガス量の推定値が最も大きい単電池４１に合せて、組電池４０に対して充電時の上限電流値を定めても良い。

また、電池制御装置１０は、組電池４０に対して単電池４１毎に充電時の電流値が制御できるように構成されていてもよい。この場合には、電池制御装置１０は、電極体内に滞留しているガス量の推定値を得るとともに、充電時の上限電流値を得る。そして、電池制御装置１０は、単電池４１毎に充電時の上限電流値に基づいて充電時の電流値を制御するように構成されていてもよい。このように、電池制御装置１０によって制御される電池は、組電池として組まれた電池に限定されない。

以上、ここで提案される電池制御装置について、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装置の実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ 電池制御装置
１１ 第１検知部
１１ａ 圧力センサ
１２ 第２検知部
１２ａ 電流センサ
１３ 第３検知部
１３ａ 荷重センサ
１４ ガス量算出部
１５ 上限電流値算出部
４０ 組電池
４１ 単電池（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
４３ｃ スペーサ

Claims (1)

1. 電池の内圧を検知する第１検知部と、
   前記電池に流れた電流値を検知する第２検知部と、
   前記電池を拘束する拘束荷重を検知する第３検知部と、
   前記第１検知部で検知された内圧と、前記電池に電流が流れた際に前記第２検知部で検知された電流値と、前記第３検知部で検知された拘束荷重の変化速度とに基づいて、電極体内に滞留するガス量の推定値を算出するガス量算出部と、
   前記ガス量算出部によって算出されたガス量の推定値に基づいて上限電流値を算出する上限電流値算出部と
   を備えた、電池制御装置。

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