JP2019050151A - 電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
また、正極と負極の電位が高すぎたり低すぎたりしないように、使用する電圧範囲を常に制限をする場合、電池の容量、及び入出力の性能を十分に引き出せない課題がある。
また、別の方法として、電池内に第三の参照極を設置して、正極と負極の電位を測定して制御する手法が提案されているが、電池内に正極、負極とは別に参照電極を設置する必要があり、電池の体格とコストが上昇しやすい。さらに、電極の電位をセンシングするための信号線、計測処理も増えるため、電源システムの製造コストが上昇する課題がある。
上記二次電池は、金属原子が脱挿入される活物質(40)をそれぞれ有する、正電極(4P)と負電極(4N)との一対の電極(4)を備え、上記正電極の電位(EP)と上記負電極の電位(EN)との差を出力電圧(V)として出力するよう構成され、
上記電極は、上記二次電池の容量(Q)に対する上記出力電圧の変化量(ΔV/ΔQ)が特異的に変化する特異点(A)を有し、
上記制御部は、
上記二次電池の上記容量を変化させ、上記出力電圧の変化を測定することにより、上記特異点が現れる上記容量である特異点容量(a,b)を検出する検出部(31)と、
上記二次電池が劣化したときに、上記電極の電位が予め定められた範囲(ETH1〜ETH2)を超えないように、劣化後における上記特異点容量の検出値を用いて、上記容量の上限値(QH)と下限値(QL)との少なくとも一方を算出し、設定する算出設定部(32)とを備える、電源システムにある。
そのため、二次電池の劣化が進行することを効果的に抑制できる。すなわち、上記電源システムにおける上記電極は、上記特異点を有する。そして、この特異点が現れる容量である特異点容量を検出できるようにしてある。特異点容量は、電極が劣化すると、値が変化する(図1参照)。そのため、この特異点容量を、電極の劣化度を表す指標として用いることができる。したがって、この特異点容量を用いれば、電極の劣化度に合せて、二次電池の容量の上限値と、下限値とを最適な値に設定することができる。そのため、劣化した電極の電位が所定範囲を超えることを抑制でき、二次電池の劣化が進行することを抑制できる。
なお、上記二次電池の「容量」とは、二次電池の充電容量又は放電容量を意味する。また、上記特異点の位置は、充電量又は放電量によって表すことができる。指標としては、充電容量、放電容量、充電率(SOC)、放電深度(DOD)、電圧を用いることができる。また、上記二次電池の容量の上限値は、電池に蓄えられた容量の上限値を意味し、容量の下限値は、電池に蓄えられた容量の上限値を意味する。同様に指標としては、充電容量、放電容量、充電率(SOC)、放電深度(DOD)、電圧を用いることができる。
上記電源システムに係る実施形態について、図1〜図7を参照して説明する。図4に示すごとく、本形態の電源システム1は、二次電池2と、該二次電池2の充放電を制御する制御部3とを備える。
図6、図7に示すごとく、二次電池2は、正電極4Pと負電極4Nとの一対の電極4を備える。これらの電極4P,4Nは、金属原子(本形態ではリチウム原子)が脱挿入される活物質40をそれぞれ有する。二次電池2は、正電極4Pの電位EPと、負電極4Nの電位ENとの差を出力電圧Vとして出力するよう構成されている。
QH2=(b2−a2)/(b1−a1)×(QH1−b1)+b2 ・・・(1)
QL2=(b2−a2)/(b1−a1)×(QL1−a1)+a2 ・・・(2)
(b−a):(QH−b)
すなわち、下記式が成立すると考えられる。
(b1−a1):(QH1−b1)=(b2−a2):(QH2−b2)
この式から、上記式(1)を導くことができる。
(QL−a):(b−a)
すなわち、下記式が成立すると考えられる。
(QL1−a1):(b1−a1)=(QL2−a2):(b2−a2)
この式から、上記式(2)を導くことができる。
Q=ΣIt
また、本形態では上述したように、正電極4Pに特異点AM,ALを形成してある。これらの特異点AM,ALでは、上記変化量ΔV/ΔQが急峻になる。制御部3は、変化量ΔV/ΔQが予め定められた値よりも大きくなったときの容量Qを特異点容量a,bとして検出する。
そのため、二次電池2の劣化が進行することを効果的に抑制できる。すなわち、本形態の電極4は特異点Aを有する。制御部3は、この特異点Aが現れる容量Qである特異点容量a,bを検出する。特異点容量a,bは、電極4が劣化すると、値が変化する(図1参照)。そのため、この特異点容量a,bを、電極4の劣化度を表す指標として用いることができる。したがって、この特異点容量a,bを用いれば、電極4の劣化度に合せて、容量Qの上限値QHと、下限値QLとを最適な値に設定することができる。そのため、劣化した電極4の電位Eが所定範囲ETH1〜ETH2を超えることを抑制でき、二次電池2の劣化が進行することを抑制できる。
この場合には、特異点Aを容易に検出できる。そのため、この特異点Aが現れる容量Q(特異点容量a,b)を容易に検出できる。
中央特異点AMは、2つの非特異領域Bの間に存在しているため、検出しやすい。したがって、劣化速度が速い高劣化電極4Fに中央特異点AMを形成しておけば、この高劣化電極4Fの劣化を検出しやすくなり、上記上限値QH及び下限値QLを最適な値に設定しやすくなる。
このようにすると、正電極4Pの中央特異点AMを検出しやすくなる。
このようにすると、劣化後の上記上限値QH2及び下限値QL2を正確に算出することができる。
このようにすると、上記差ΔQが上記値ΔQTH以上小さくなった場合、すなわち二次電池2の劣化がある程度進行した場合のみ、上限値QHと下限値QLの算出を行わせることができる。そのため、上限値QHと下限値QLの算出を頻繁に行わずにすみ、制御部3の負担を低減できる。
二次電池2の容量Qが上限値QH又は下限値QLに達したか否かを検出することは比較的困難であるが、出力電圧Vを測定することは容易である。そのため、出力電圧Vを用いれば、二次電池2の容量Qの制御を容易に行うことができる。
リチウムイオン二次電池は、正電極4Pの電位EPが高すぎたり低すぎたりすると、電解液21が分解しやすい。そのため、正電極4Pに中央特異点AMを形成し、この中央特異点AMを利用して、正電位EPを所定範囲ETH1〜ETH2内に制御するようにした効果は大きい。
本形態は、二次電池2の構成を変更した例である。本形態では、複数の電極材料を混合して、正電極4Pを構成している。より詳しくは、LiMn2O4とLiCoO2とを混合して正電極4Pを構成している。また、負電極4Nは、実施形態1と同様に、Li4Ti5O12によって形成している。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、二次電池2の構成を変更した例である。本形態では、マンガン酸リチウムの一部を他元素で置換したLixMn2-zMezO4(z=0〜0.5、MeはLi又は遷移金属、x=0〜2)を含有する電極材料を用いて、正電極4Pを構成している。また、チタン酸リチウムLiyTi5O12を含有する電極材料を用いて、負電極4Nを構成している。
上記他元素置換したマンガン酸リチウムは、充放電状態によりLixMn2-zMezO4のLi量xが変わるため、xが0〜2の範囲の材料を使用することができる。同様にチタン酸リチウム(LiyTi5O12)はyが4〜7の範囲の材料を使用することができる。
マンガン酸リチウムの一部を他元素で置換したLixMn2-zMezO4を用いると、寿命の長い正電極4Pを形成することができる。また、負極4NはLiyTi5O12を用いる以外に、TiO2(B)、H2Ti22O25を用いても良い。これらの負極材料は、重量当たりの容量がLiyTi5O12よりも大きく、電位勾配を平坦にしやすい。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、制御部3のフローチャートを変更した例である。図9に示すごとく、本形態の制御部3は、まずステップS11を行う。ここでは、前回、上限値QH及び下限値QLを変更してから所定期間(例えば1日)経過したか否かを判断する。ここでYesと判断した場合は、ステップS12に移る。ステップS12では、二次電池2を充放電し、ΔV/ΔQを算出する。その後、ステップS13に移り、劣化後の特異点容量a2,b2を検出する。
そのため、特異点容量a2,b2を頻繁に検出しなくてすみ、制御部3の負担を低減できる。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、二次電池2の構造を変更した例である。図10に示すごとく、本形態では、負電極4Nの方が正電極4Pよりも速く劣化する。すなわち、負電極4Nを、高劣化電極4Fとしてある。また、負電極4Nに、中央特異点AMと、低側特異点ALとを形成してある。これらの特異点AM,ALでは、上記変化量ΔV/ΔQが高くなる。制御部3は、この変化量ΔV/ΔQを測定することにより、特異点AM,ALが現れる特異点容量a,bを検出する。また、上記式(1)(2)を用いて、劣化後における上記上限値QH2及び下限値QL2を算出する。
負電極4Nの電位(負電位EN)は、低くなりすぎると、リチウムが析出したり、電解液21の還元分解や一度形成されたカーボン表面の皮膜(SEI)が分解したりする問題が生じやすい。また、負電位ENは、高くなりすぎると、電解液21が酸化分解する可能性が考えられる。そのため、負電極4Nに上記特異点AM,ALを形成し、これらを用いて、負電位ENが所定範囲ETH1〜ETH2を超えないように、上記上限値QH2及び下限値QL2を設定することによる効果は大きい。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
本形態は、劣化後における容量Qの上限値QH2と下限値QL2との算出方法を変更した例である。図13に示すごとく、本形態の正電極4P及び負電極4Nは、上記上限値QHおよび下限値QL付近に特異点Aを有する。また、2つの特異点Aの間は、電位勾配が所定値よりも小さい非特異領域Bとなっている。本形態では、正電極4Pの、上限値QH付近に形成された特異点AHを用いて、劣化後の上限値QH2及び下限値QL2を算出する。
その他、実施形態1と同様の構成および作用効果を備える。
2 二次電池
3 制御部
31 検出部
32 算出設定部
4 電極
4P 正電極
4N 負電極
40 活物質
Claims (10)
- 二次電池(2)と、該二次電池の充放電を制御する制御部(3)とを備える電源システム(1)であって、
上記二次電池は、金属原子が脱挿入される活物質(40)をそれぞれ有する、正電極(4P)と負電極(4N)との一対の電極(4)を備え、上記正電極の電位(EP)と上記負電極の電位(EN)との差を出力電圧(V)として出力するよう構成され、
上記電極は、上記二次電池の容量(Q)に対する上記出力電圧の変化量(ΔV/ΔQ)が特異的に変化する特異点(A)を有し、
上記制御部は、
上記二次電池の上記容量を変化させ、上記出力電圧の変化を測定することにより、上記特異点が現れる上記容量である特異点容量(a,b)を検出する検出部(31)と、
上記二次電池が劣化したときに、上記電極の電位が予め定められた範囲(ETH1〜ETH2)を超えないように、劣化後における上記特異点容量の検出値を用いて、上記容量の上限値(QH)と下限値(QL)との少なくとも一方を算出し、設定する算出設定部(32)とを備える、電源システム。 - 上記制御部は、上記二次電池の容量に対する上記出力電圧の変化量が、予め定められた値よりも高い状態を、上記特異点と判断するよう構成されている、請求項1に記載の電源システム。
- 上記一対の電極のうち一方の電極は、他方の上記電極よりも劣化速度が速い高劣化電極(4F)であり、該高劣化電極は、上記変化量が予め定められた値よりも小さい2つの非特異領域(B)の間に存在する上記特異点である中央特異点(AM)を有する、請求項2に記載の電源システム。
- 上記高劣化電極は、上記中央特異点と、該中央特異点よりも上記容量が低いときに現れる上記特異点である低側特異点(AL)とを有し、上記制御部は、上記二次電池が劣化する前における、上記低側特異点に対応する上記特異点容量a1と、上記中央特異点に対応する上記特異点容量b1と、上記上限値QH1及び上記下限値QL1と、劣化後における、上記低側特異点に対応する上記特異点容量a2と、上記中央特異点に対応する上記特異点容量b2とを用いて、下記式から、劣化後における、上記上限値QH2と上記下限値QL2とを算出するよう構成されている、請求項3に記載の電源システム。
QH2=(b2−a2)/(b1−a1)×(QH1−b1)+b2
QL2=(b2−a2)/(b1−a1)×(QL1−a1)+a2 - 上記制御部は、上記中央特異点に対応する上記特異点容量(b)と、上記低側特異点に対応する上記特異点容量(a)との差(ΔQ)を算出し、前回、上記上限値及び上記下限値を算出したときと比較して、上記差が予め定められた値(ΔQTH)以上小さくなった場合に、再び上記上限値及び上記下限値を算出するよう構成されている、請求項4に記載の電源システム。
- 上記制御部は、上記上限値及び上記下限値を算出した後、上記出力電圧が、上記上限値に対応する第1電圧(VH2)と、上記下限値に対応する第2電圧(VL2)との間になるように、上記二次電池の充放電を制御するよう構成されている、請求項4又は5に記載の電源システム。
- 複数種類の電極材料を混合することにより、上記高劣化電極を形成してある、請求項3〜6のいずれか一項に記載の電源システム。
- 上記二次電池はリチウムイオン二次電池である、請求項3〜7のいずれか一項に記載の電源システム。
- 上記高劣化電極は上記正電極であり、該正電極はLixMn2-zMezO4(z=0〜0.5、MeはLi又は遷移金属、x=0〜2)を含有し、上記負電極はLiyTi5O12(y=4〜7)を含有する、請求項8に記載の電源システム。
- 上記高劣化電極は上記負電極であり、該負極はグラファイトを含有する、請求項8に記載の電源システム。
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