JP2020017509A - 二次電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】急速充電を行おうとすると、二次電池の温度が急速に上昇するという問題が発してしまい、この問題を解決する手段が求められている。寒冷地における二次電池の放電特性を制御する手段も同時に求められている。【解決手段】ペルチエ素子１やスターリング冷凍機による冷却機構とヒーター２による加熱機構と二次電池の温度をモニターするための温度計と二次電池の温度を制御するための温度コントローラを組み合わせた二次電池システムにより、充電時における二次電池の温度上昇を抑制する。【効果】寒冷地においてヒーターによる加熱機構で二次電池の温度を適切な温度に保持し、安定した放電特性を確保する。電気自動車の充電時に搭載する二次電池の直流インピーダンスあるいは交流インピーダンスを、内蔵の不揮発性メモリに記録し、劣化した二次電池の使用を中止することが可能になり、電気自動車の安全性を飛躍的に向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチエ素子やスターリング冷凍機による冷却機構とヒーターによる加熱機構と二次電池の温度をモニターするための温度計と二次電池の温度を制御するための温度コントローラを組み合わせた二次電池システムを開発することで、充電時における二次電池の温度上昇を抑制することが可能になることで、急速充電を可能にするとともに、寒冷地においてはヒーターによる加熱機構で二次電池の温度を適切な温度に保持する事で、安定した放電特性を確保する事が可能になった。また、電気自動車の充電時に搭載する二次電池の直流インピーダンスあるいは交流インピーダンスを内蔵の不揮発性メモリに記録することで、二次電池の劣化傾向を診断する事が可能になり、劣化した時点で、劣化した二次電池の使用を中止することが可能になり、電気自動車の安全性を飛躍的に向上させることができる。環境温度に依存せずに二次電池の温度を任意の温度に制御することで、充電時、放電時にそれぞれ望ましい特性を発現するスマートバッテリーを提供するものでる。

従来、二次電池には、電池本体の温度を任意に制御する機構が搭載されておらず、急速充電時の二次電池の温度上昇の防止や急速放電時の放電特性の向上を実現することができなかった。
特開２０１５−２２０９４９号公報 特開２０１８−１０７００３号公報

従来、二次電池には、電池本体の温度を任意に制御する機構が搭載されておらず、急速充電時の二次電池の温度上昇の防止や急速放電時の放電特性の向上を実現することができないという課題があった。

本発明は、以上に説明した問題点を解決するためになされたものである。その目的は、電気自動車用の二次電池の特性を従来よりも飛躍的に向上させることである。

本発明は、ペルチエ素子による冷却機構とヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とペルチェ素子とヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池において、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できるようにする事で、二次電池システムの充電特性と放電特性を飛躍的に改善するものである。また、スターリング冷凍機による冷却機構とヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とスターリング冷凍機とヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池において、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できるようにする事で、二次電池システムの充電特性と放電特性を同様に飛躍的に改善することができる。

本発明によれば、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できるようにする事で、二次電池システムの充電特性と放電特性を飛躍的に改善するものである。二次電池システムの性能をモーターの駆動性能に合わせて、制御することができるので、電気自動車の走行性能を飛躍的に向上させることができる。また、本発明は、二次電池システムに人工知能による劣化診断システムを搭載していて、充電開始前に、不揮発性メモリに記録した過去の測定インピーダンス値と測定したインピーダンス値を比較することで、充電に適合しないと判断しない場合には、充電を行わいないで欠陥二次電池として、二次電池システムから自動的に切り離す機能を備えていることで、急速充電時の安全性を飛躍的に改善するものである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す図である。リチウムイオン電池の場合、充電中はリチウムイオンは、電解液中を正極４から負極３に向かって移動する。そして、放電中は、リチウムイオンは、電解液中を負極３から正極４に向かって移動する。急速充電中には、リチウムイオンが負極に移動する過程で発熱してリチウムイオン電池の温度が上昇する。温度上昇を抑制することが安全性を向上する上で重要である。本発明の二次電池システムではリチウムイオン電池に張り付けたペルチエ素子１で冷却することで急速充電中の二次電池の温度上昇を抑制することができる構造を採用している。
また、二次電池の温度がマイナス３０℃以下であるなど、極端に低い場合には、急速放電時に十分な出力特性を実現することができない。この場合には二次電池の表面に張り付けた薄膜ヒーター２で加熱することで、十分な出力が得られる温度に二次電池を制御することで、放電特性を改善することができる。

図２は、全固体二次電池にペルチエ素子１による冷却機構と薄膜ヒーター２による加熱機構とを備えている二次電池システムの概念図である。全固体二次電池の場合は、リチウムイオン二次電池より、固体電解質８により構成されていることから、充放電特性が優れていることから、リチウムイオン二次電池ほど温度を正確に制御する必要はないが、急速充放電特性の向上及び安全性の向上のためには、極めて有効である。リチウムイオン電池、全固体電池、ナトリウムイオン電池などの２次電池は、構成する材料設計が異なることから、充放電特性も異なっている。全固体電池の材料構成は、例えば特許文献、特開２０１７−１２６５５２に開示されている。本発明の二次電池システムは、使用する二次電池の種類に最適な温度コントルールができるように人工知能で制御されている。

図３は、冷却機構にスターリング冷凍機１０を使用した二次電池システムの概略図である。スターリング冷凍機１０によって冷却した銅板を二次電池に張り付ける構造を採用することで、効率的に２次電池を冷却することができる。二次電池の温度を上昇させる場合には銅板をヒーター２で加熱することで二次電池の温度を上昇させることができる。

図４は、本発明の二次電池システムが平板型の二次電池ユニットを５層積層した例を示したものである。図５は、本発明の二次電池システムが二次電池ユニットと送風機１２を組み合わせたものである場合の例を示したものである。図６は、二次電池１１を５個、直列に接続したユニットを２個並列に接続することで、電池容量を増大した例を模式的に示したものである。
図７は、平板型の二次電池１１を５層、積層して、直列に接続した例を示したものである。

図８は、本発明の二次電池ユニットがカートリッジ式になっており、回路ボード１３に差し込む方式を採用することで、劣化した二次電池１１の交換を容易にした構成を示したものである。
図９は、カートリッジ式の二次電池システムが空気あるいは液体の循環装置１４の中に配置されることで、二次電池ユニットの温度を正確に充電モード、放電モードの各モードに最適な温度に設定することを可能にしたものである。図１０は、二次電池ユニットの隙間に空気を送りこむ送風機１２を設置することで、空気循環式の温度調節器１５が適切に動作することを可能にしたものである。

図１１は、本発明の二次電池システムを電気自動車に搭載した場合の構成を模式的に示したものである。二次電池システムの制御部とインバーター及び電気モーターは、統合コントロールユニットにより制御されることを示したものである。
図１２は、本発明の二次電池システムのシステム構成を示したものである。各電池ユニットの直流インピーダンスあるいは交流インピーダンスは、急速充電前に計測して、過去の測定値を比較することで、劣化判定を行い、正常と判断された電池ユニットのみに急速充電が行われる。二次電池システムの駆動用の電力は、補助２次電池から供給される電力でまかなわれる。
図１３は、本発明の二次電池システムのシステム構成を示したものである。システムの構成は図１２のシステム構成と同じであるが、二次電池システムを駆動するための電力が内燃機関を持つ発電機により生成された電力でまかなわれる方式になっている。内燃機関から供給される電力は、二次電池システムの駆動だけではなくて、非常時には２次電池の充電にも使用できる構成になっており、航続距離の長い電気自動車への搭載が期待される。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更実施が可能である。

本発明の二次電池システムの断面図である。 本発明の二次電池システムの断面図である。 本発明のスターリング冷凍機の搭載した二次電池システムの断面図である。 本発明の平板型二次電池を縦方向に５層積層した二次電池システムの図面である。 本発明の送風機を備えた積層型二次電池システムの図面である。 本発明の５個の二次電地を直列に接続したユニットを２ユニット並列接続した概略図面である。 本発明の平板型二次電池を５層積層した場合の二次電池システムの図面である。 本発明のカートリッジ式の二次電池ユニットを回路ボードに装着した二次電池システムの図面である。 本発明の二次電池システムが空気あるいは液体の循環機構を備えている場合の二次電池システムの図面である。 本発明の二次電池システムが空気送風機を備えている場合の二次電池システムの図面である。 本発明の二次電池システムを電気自動車に搭載した場合の構成を示したものである。 本発明の二次電池システムのシステム構成を示したものである。 本発明の二次電池システムの駆動に発電機を使用する場合のシステム構成を示したものである。

１ペルチエ素子
２ヒーター
３負極
４正極
５セパレーター
６電解液
７筐体
８固体電解質
９銅製の熱伝導板
１０スターリング冷凍機
１１二次電池
１２二次電池の温度を均一にするための送風機
１３カートリッジ式の二次電池ユニットを差し込むための回路ボード
１４二次電池の温度を均一に保持するための空気あるいは液体の循環装置
１５二次電池の温度を均一に保持するための空気循環装置

Claims (18)

1. ペルチエ素子による冷却機構とヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とペルチェ素子とヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池において、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御することで二次電池の充放電特性を人工知能により正確に制御できる事を特徴とする二次電池システム。
2. スターリング冷凍機による冷却機構とヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とスターリング冷凍機とヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池において、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できる事で、二次電池の充放電特性を人工知能により正確に制御できる事を特徴とする二次電池システム。
3. 請求項１、請求項２に記載の二次電池システムにおいて、充電時に測定した直流インピーダンスあるいは交流インピーダンスの値を記憶する不揮発性メモリを内蔵していて、二次電池の劣化診断を行える機能を備えている事を特徴とする二次電池システム。
4. 請求項３に記載の二次電池システムに人工知能による劣化診断システムを搭載していて、充電開始前に、不揮発性メモリに記録した過去の測定インピーダンス値と測定したインピーダンス値を比較することで、充電に適合しないと判断しない場合には、充電を行わいないで欠陥二次電池として、二次電池システムから自動的に切り離す機能を備えることを特徴とする二次電池システム
5. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４に記載の二次電池システムにおいて、温度制御をする二次電池の形状が平面型であることを特徴とする二次電池システム。
6. 請求項５に記載の二次電池システムにおいて、平面型の二次電池を積層する構造を採用していて、二次電池と二次電池の間にペルチエ素子が放熱した熱やヒーターが発熱した熱を効率的に排気するための空気あるいは液体が循環するための０．５ｍｍ以上の隙間が設けられている事を特徴とする二次電池システム。
7. 請求項５に記載の二次電池システムがペルチエ素子が放熱した熱やヒーターが発熱した熱を効率的に排気するための空気排気機構あるいは液体循環機構を備えていることを特徴とする二次電池システム。
8. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４ 請求項５に記載の二次電池システムにおいて、二次電池の周囲を熱伝導の良い銅板やアルミニウム板で被覆して、その上にペルチエ素子あるいはスターリング冷凍機とヒーターを張り付けて温度制御する構造を保有することを特徴とする二次電池システム。
9. 請求項７に記載の二次電池システムにおいて、二次電池の周囲を被覆する銅板やアルミニウム板と二次電池との間と、銅板やアルミニウム板とペルチエ素子あるいはスターリング冷凍機や薄膜ヒータとの間を熱伝導性の良い異方性導電膜で、接続する事を特徴とする二次電池システム。
10. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８ 請求項９に記載の二次電池システムにおいて、搭載される二次電池の種類が、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、全固体二次電池のいずれかである事を特徴とする二次電池システム。
11. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９ 請求項１０に記載の二次電池システムにおいて、複数の二次電池を１個の温度コントローラで制御する構成を有する事を特徴とする二次電池システム。
12. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０ 請求項１１に記載の二次電池システムにおいて１個の不揮発性メモリに複数の二次電池の充電時の直流インピーダンスを記憶させて、２次電池の劣化診断を統合的に行う機能を備えている事を特徴する二次電池システム。
13. 請求項１、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１ 請求項１２に記載の二次電池システムにおいて、二次電池ユニットが、カートリッジ式になっており、二次電池の電極やペルチエ素子やヒータの電極をボードに差し込む方式を採用しており、不良な二次電池を容易に交換可能な構造を採用している事を特徴とする二次電池システム。
14. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２ 請求項１３の二次電池システムにおいて二次電池の温度制御や充放電や劣化診断等の動作を統合的にコントロールするコントロールユニットを含むことを特徴とする二次電池システム。
15. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３ 請求項１４に記載の二次電池システムにおいて二次電池の温度を−２０℃から８０℃の範囲、より望ましくは１０℃から５０℃の範囲に収まるように温度制御できる機能を備えている事を特徴とする二次電池システム。
16. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４ 請求項１５に記載の二次電池システムにおいて、電気自動車のモーターの駆動用の二次電池と二次電池の温度制御等や劣化診断等の動作を統合的にコントロールするコントロールユニットを駆動するための二次電池の電力を供給するための二次電池とを両方、備えている事を特徴とする二次電池システム。
17. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５に記載の二次電池システムにおいて、二次電池システムを駆動するための電力を小型のエンジン等の内燃機関で発電して供給する機構を備えている事を特徴とする二次電池システム。
18. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５、請求項１６ 請求項１７に記載の二次電池システムを搭載することを特徴とする電気自動車。