JP2021151169A - Secondary battery device and control method for secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、二次電池装置および二次電池の制御方法に関する。 The present disclosure relates to a secondary battery device and a method for controlling a secondary battery.
従来から蓄電システムに関する発明が知られている(下記特許文献1を参照)。特許文献1の蓄電システムは、複数の蓄電装置を備える(同文献、要約、第0020段落、請求項1等)。複数の蓄電装置のいずれか一つ以上の蓄電装置は、セル、正負極電位測定手段、および動的寿命コントローラを備える。セルは、正極および負極を備える二次電池である。
Inventions relating to power storage systems have been conventionally known (see
正負極電位測定手段は、セルの正極電位および負極電位を測定し、データベースサーバにセルの正極電位および負極電位の電位情報が伝送される。データベースサーバにおいて、セルの電位情報に基づき、セルの運用条件の変化に対応したセルの寿命予測関係が構築される。動的寿命コントローラは、セルの寿命予測関係に基づくセルの想定寿命に合わせて、複数の蓄電装置を制御する。 The positive / negative electrode potential measuring means measures the positive electrode potential and the negative electrode potential of the cell, and the potential information of the positive electrode potential and the negative electrode potential of the cell is transmitted to the database server. In the database server, a cell life prediction relationship corresponding to changes in cell operating conditions is constructed based on the cell potential information. The dynamic life controller controls a plurality of power storage devices according to the estimated life of the cell based on the cell life prediction relationship.
この発明により、二次電池を使用した蓄電システムにおいて、二次電池の劣化状態を正確に把握し、想定されている蓄電システムの寿命と二次電池の寿命とを近付けることができる(同文献、第0021段落)。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, in a power storage system using a secondary battery, it is possible to accurately grasp the deterioration state of the secondary battery and bring the expected life of the power storage system closer to the life of the secondary battery (the same document, the same document). 0021).
さらに、この蓄電システムは、セルの内部にLiイオン供給制御手段が備えられる構成を含む(同文献、実施例3、図5、請求項5等)。この場合、蓄電装置は、コントローラ伝送手段を備える。コントローラ伝送手段は、動的寿命コントローラからの信号に基づき、セルの正極または負極にLiイオンを供給する信号をLiイオン供給制御手段に伝送し、その信号に基づき、正極または負極にLiイオンが供給される。
Further, this power storage system includes a configuration in which a Li ion supply control means is provided inside the cell (the same document, Example 3, FIG. 5,
より具体的には、セルの正極または負極にLiイオンを供給するLiイオン供給源を兼ねた第3電極が設けられている(同文献、第0054段落、図5)。このLiイオン供給源を兼ねた第3電極は、通常は第3電極として作用し、正負極の電位を測定する手段として用いられる(同文献、第0055段落)。 More specifically, a third electrode that also serves as a Li ion supply source for supplying Li ions to the positive electrode or the negative electrode of the cell is provided (the same document, paragraph 0054, FIG. 5). The third electrode, which also serves as a Li ion supply source, usually acts as a third electrode and is used as a means for measuring the potential of the positive and negative electrodes (paragraph 0055 of the same document).
このような構成により、想定以上に容量維持率が低下しても、セルの特性上の寿命と想定交換寿命を近付ける、望ましくは一致させることができる。また、想定よりきつい運用をされてしまって、セルの劣化が想定以上に進行してしまった場合でも、容量維持率を回復させて、想定寿命まで回復させることができる(同文献、第0059段落、図9等)。 With such a configuration, even if the capacity retention rate is lower than expected, the life due to the characteristics of the cell and the assumed replacement life can be brought close to each other, and preferably they can be matched. In addition, even if the cell is operated harder than expected and the deterioration of the cell progresses more than expected, the capacity retention rate can be recovered and the life can be recovered to the expected life (paragraph 0059 of the same document). , Fig. 9 etc.).
前記従来の蓄電システムは、前述のリチウムイオン供給源を兼ねた第3電極から正極または負極へのリチウムイオンの供給が過剰になり、第3電極による正負極の電位測定機能を喪失するおそれがある。 In the conventional power storage system, the supply of lithium ions from the third electrode, which also serves as the lithium ion supply source, to the positive electrode or the negative electrode becomes excessive, and the potential measurement function of the positive electrode and the negative electrode by the third electrode may be lost. ..
本開示は、正電極および負電極の電位を測定するための第3電極が、正電極および負電極へのリチウムイオンの供給源を兼ねる二次電池において、第3電極による電位測定機能の喪失を防止することが可能な二次電池装置および二次電池の制御方法を提供する。 In the present disclosure, in a secondary battery in which the third electrode for measuring the potentials of the positive electrode and the negative electrode also serves as a supply source of lithium ions to the positive electrode and the negative electrode, the loss of the potential measurement function by the third electrode is eliminated. A secondary battery device that can be prevented and a method for controlling the secondary battery are provided.
本開示の一態様は、正電極、負電極、および第3電極を有する二次電池と、該二次電池に接続された制御回路と、該制御回路を制御する制御部と、を備えた二次電池装置であって、前記制御部は、前記正電極と前記負電極との間の正負極間電圧、前記第3電極と前記正電極との間の第3正極間電圧、前記第3電極と前記負電極との間の第3負極間電圧の少なくとも一つに基づいて、前記制御回路において、前記正電極と前記負電極と前記第3電極との間に電流を流さない第1モードと、前記負電極から前記第3電極へ電流を流す第2モードと、前記正電極から前記第3電極へ電流を流す第3モードと、前記第3電極から前記正電極または前記負電極へ電流を流す第4モードとを切り替えることを特徴とする二次電池装置である。 One aspect of the present disclosure includes a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a third electrode, a control circuit connected to the secondary battery, and a control unit for controlling the control circuit. In the next battery device, the control unit includes a positive / negative electrode voltage between the positive electrode and the negative electrode, a third positive electrode voltage between the third electrode and the positive electrode, and the third electrode. A first mode in which no current flows between the positive electrode, the negative electrode, and the third electrode in the control circuit based on at least one of the voltage between the positive electrode and the third negative electrode. A second mode in which a current is passed from the negative electrode to the third electrode, a third mode in which a current is passed from the positive electrode to the third electrode, and a current is passed from the third electrode to the positive electrode or the negative electrode. It is a secondary battery device characterized by switching between a fourth mode of flowing.
本開示の上記一態様によれば、正電極および負電極の電位を測定するための第3電極が、正電極および負電極へのリチウムイオンの供給源を兼ねる二次電池において、第3電極による電位測定機能の喪失を防止することが可能な二次電池装置を提供することができる。 According to the above aspect of the present disclosure, in a secondary battery in which the third electrode for measuring the potentials of the positive electrode and the negative electrode also serves as a supply source of lithium ions to the positive electrode and the negative electrode, the third electrode is used. It is possible to provide a secondary battery device capable of preventing loss of the potential measurement function.
以下、図面を参照して本開示の二次電池装置および二次電池の制御方法の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the secondary battery device and the control method for the secondary battery of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1は、本開示の二次電池装置の一実施形態を示すブロック図である。本実施形態の二次電池装置1は、たとえば、単電池群2と、一対の外部端子3P,3Nと、電流センサ4と、温度センサ5と、電池管理部6と、状態演算部7と、情報入力端子8と、情報出力端子9と、を備えている。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the secondary battery device of the present disclosure. The
単電池群2は、たとえば、直列に接続された複数の単電池21によって構成されている。単電池21は、特に限定はされないが、たとえば、角形のリチウムイオン二次電池である。なお、図示を省略するが、二次電池装置1は、たとえば、複数の単電池群2を備えてもよい。複数の単電池群2は、たとえば、直列または並列に接続される。また、直列に接続された複数の単電池群2を、並列に接続してもよい。
The
一対の外部端子3P,3Nは、一方の外部端子3Pが電力配線を介して単電池群2の正極端子に接続され、他方の外部端子3Nが電力配線を介して単電池群2の負極端子に接続されている。図示を省略するが、一対の外部端子3P,3Nは、たとえば、電力配線を介してモータなどの外部の負荷に接続される。
In the pair of
電流センサ4は、たとえば、単電池群2と外部端子3Pとの間の電力配線に接続され、単電池群2を流れる電流を測定する。温度センサ5は、たとえば、単電池群2を構成する複数の単電池21のうちの少なくとも一つに取り付けられ、単電池群2の温度を測定する。
The
電池管理部6および状態演算部7は、たとえば、CPUなどの処理装置、RAMやROMなどの記憶装置、タイマ、および信号入出力部などを備えたマイクロコントローラまたはファームウェアである。電池管理部6および状態演算部7は、たとえば、記憶装置に記憶されたプログラムを処理装置によって実行することで、以下に説明する様々な機能を実現する。
The
電池管理部6は、たとえば、単電池群2を構成する個々の単電池21の電圧を測定する電圧センサとしての機能と、個々の単電池21の間の電圧を均一化する機能と、を有している。状態演算部7は、たとえば、信号入出力部を介して、電流センサ4、温度センサ5、および電池管理部6に接続されている。状態演算部7は、たとえば、単電池群2の状態、すなわち、電池状態を演算する機能を有している。
The
状態演算部7が演算する単電池群2の電池状態は、たとえば、単電池群2の充電状態(SOC)、劣化状態(SOH)、入出力可能な最大電力または最大電流、異常の有無、特性パラメータ、履歴情報などを含む。また、状態演算部7は、たとえば、電流センサ4から取得した電流値と、電池管理部6から取得した個々の単電池21の電圧とを乗じることで、単電池群2の出力電力および入力電力を算出する機能を有する。
The battery state of the
状態演算部7は、たとえば、算出した単電池群2の電池状態を含む情報を、情報出力端子9を介して、図示を省略する外部の制御装置へ出力する。また、状態演算部7は、たとえば、各種の演算に用いる情報を、情報入力端子8を介して、図示を省略する外部の制御装置から取得する。
The state calculation unit 7 outputs, for example, the calculated information including the battery state of the
図2は、図1の二次電池装置1を構成する単電池21の一例を示すブロック図である。より具体的には、図2に示す単電池21は、図1の二次電池装置1の単電池群2を構成する複数の単電池21の一つである。単電池21は、たとえば、前述のように、リチウムイオン二次電池である。すなわち、二次電池装置1は、たとえば、二次電池として、複数の単電池21を備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of a
単電池21は、たとえば、正電極211と、負電極212と、第3電極213と、を備えている。正電極211、負電極212、および第3電極213は、たとえば、電解液に浸漬された状態で密封された電池容器214の内部に収容され、電池容器214との間に図示を省略する絶縁シートが配置され、電池容器214に対して電気的に絶縁されている。単電池21は、巻回電極型でもよく、積層電極型でもよい。
The
正電極211は、たとえば、集電体と、集電体の表面に形成された合剤層とを備えている。正電極211の集電体としては、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属箔を用いることができる。正電極211の合剤層は、たとえば、Ni、Co、Mnを含む遷移金属をMとして、組成式:LiMO2で表される正極材料を含む。また、正極材料として、たとえば、一部を金属元素で置換またはドープしたリチウムマンガン複合酸化物、層状結晶構造を有するコバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、これらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム‐金属複合酸化物などを用いることができる。
The
負電極212は、たとえば、集電体と、集電体の表面に形成された合剤層とを備えている。負電極212の集電体としては、たとえば、銅または銅合金の金属箔を用いることができる。負電極212の合剤層は、たとえば、リチウムイオンを挿入脱離可能な天然黒鉛、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料、SiやSnなどの化合物(たとえば、SiO、TiSi2など)、またはこれらの複合材料を含む。
The
第3電極213は、たとえば、集電体と、集電体の表面に形成された合剤層とを備えている。第3電極213は、たとえば、正電極211と同一の構成を備えることができる。すなわち、第3電極213は、たとえば、集電体と、集電体の表面に形成された合剤層とを備えている。第3電極213の集電体としては、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金の金属箔を用いることができる。また、第3電極213の合剤層は、たとえば、Ni、Co、Mnを含む遷移金属をMとして、組成式:LiMO2で表される正極材料を含む。なお、第3電極213の合剤層に含まれる正極材料は、たとえば、Niを80%以上含むことができる。
The
第3電極213は、たとえば、正電極211の電位および第3電極213の電位を測定するための基準電極として使用することができる。すなわち、第3電極213と正電極211との間の電圧である第3正極間電圧Vtpを測定することで、正電極211の電位を測定することができる。また、第3電極213と負電極212との間の電圧である第3負極間電圧Vtnを測定することで、負電極212の電位を測定することができる。また、詳細については後述するが、第3電極213は、正電極211または負電極212にリチウムイオンを供給するリチウムイオン供給源として使用することができる。
The
巻回電極型の単電池21は、たとえば、長尺帯状の正電極211と、長尺帯状の負電極212とを、長尺帯状のセパレータを介して巻回した巻回電極群を備えている。セパレータは、たとえば、電気絶縁性を有する多孔質のシートである。巻回電極型の単電池21において、第3電極213は、たとえば、巻回電極群の内側の空洞部分に配置してもよく、巻回電極群の外側で巻回電極群と電池容器214との間に配置してもよい。
The wound
積層電極型の単電池21は、たとえば、シート状の正電極211と、シート状の負電極212とが、シート状のセパレータを介して、交互に複数層にわたって積層された構成を有する。積層電極型の単電池21において、第3電極213は、たとえば、正電極211と負電極212との間、または正電極211と負電極212の積層体の外側に、セパレータを介して配置することができる。
The laminated
正電極211、負電極212および第3電極213に含浸される電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。
As the electrolytic solution impregnated in the
図2に示すように、個々の単電池21は、制御回路10に接続されている。より具体的には、正電極211の集電体が正極集電板または正極リードを介して単電池21の正極外部端子に接続され、単電池21の正極外部端子に制御回路10が接続されることで、正電極211が制御回路10に接続されている。また、負電極212の集電体が負極集電板または負極リードを介して単電池21の負極外部端子に接続され、単電池21の負極外部端子に制御回路10が接続されることで、負電極212が制御回路10に接続されている。
As shown in FIG. 2, each
同様に、第3電極213の集電体が第3集電板または第3リードを介して単電池21の第3外部端子に接続され、単電池21の第3外部端子に制御回路10が接続されることで、第3電極213が制御回路10に接続されている。すなわち、単電池21は、正極外部端子と負極外部端子と第3外部端子の3つの外部端子を備え、各外部端子が制御回路10に接続されている。制御回路10は、たとえば、図1に示す電池管理部6の一部である。
Similarly, the current collector of the
図3は、図2の単電池21に接続された制御回路10の一例を示す回路図である。制御回路10は、たとえば、単電池21の正極外部端子、負極外部端子、および第3外部端子のそれぞれに接続された配線を介して、正電極211、負電極212および第3電極213に接続される。また、制御回路10は、信号配線を介して、制御部11に接続されている。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the
制御回路10は、たとえば、電池管理部6を構成する回路基板の上に、各々の単電池21に対して設けられた電子回路である。制御回路10は、たとえば、電圧計101,102と、電力供給部103と、スイッチ104,105と、電流計106とを備えている。
The
電圧計101は、たとえば、単電池21の正電極211と負電極212との間の電圧である正負極間電圧Vpnを測定し、測定結果を制御部11へ出力する。電圧計102は、たとえば、第3電極213と正電極211との間の電圧である第3正極間電圧Vtpを測定し、測定結果を制御部11へ出力する。また、電圧計102は、たとえば、第3電極213と負電極212との間の電圧である第3負極間電圧Vtnを測定し、測定結果を制御部11へ出力する。
The
電力供給部103は、たとえば、外部の電源に接続され、制御部11から入力される制御信号に応じて、電流を流す方向を切り替える。電流計106は、第3電極213から正電極211または負電極212へ流れる電流の電流値Itと、正電極211または負電極212から第3電極213へ流れる電流の電流値Itを測定して制御部11へ出力する。
The
スイッチ104は、たとえば、制御部11から入力される制御信号に応じて、第3電極213と電力供給部103とを接続した状態と、第3電極213と電力供給部103との接続を切断した状態とを切り替える。スイッチ105は、たとえば、制御部11から入力される制御信号に応じて、正電極211と第3電極213とを接続した状態と、負電極212と第3電極213とを接続した状態とを切り替える。
The
制御部11は、たとえば、図1に示す電池管理部6または状態演算部7の一部である。制御部11は、たとえば、複数の制御回路10に接続される。なお、各々の制御回路10に対して、それぞれ制御部11を設けてもよい。制御部11は、たとえば、処理装置111と、記憶装置112と、タイマ113と、入出力部114とを有している。
The
処理装置111は、たとえば中央処理装置(CPU)を含む。記憶装置112は、たとえば、RAMやROMを含み、処理装置111が実行する制御プログラムが記憶されている。タイマ113は、たとえば、時刻や経過時間を測定する。入出力部114は、たとえば、処理装置111、記憶装置112、およびタイマ113に接続されている。これにより、処理装置111、記憶装置112、およびタイマ113は、入出力部114を介して情報通信可能に接続されている。
The
また、入出力部114は、たとえば、電圧計101,102、電力供給部103、スイッチ104,105、および電流計106を含む制御回路10の各部に対して、信号配線を介して接続されている。このような構成により、制御部11は、たとえば、記憶装置112に記憶された制御プラグラムを処理装置111によって実行し、制御回路10の各部から取得した情報に基づいて制御回路10の各部を制御することができる。
Further, the input /
より具体的には、制御部11は、たとえば、制御回路10から取得した正負極間電圧Vpn、第3正極間電圧Vtp、および第3負極間電圧Vtnに基づいて、制御回路10の電力供給部103、スイッチ104,105を制御する。また、制御部11は、たとえば、制御回路10から取得した正負極間電圧Vpn、第3正極間電圧Vtp、第3負極間電圧Vtn、および電流値Itに基づいて、制御回路10の電力供給部103、スイッチ104,105を制御してもよい。
More specifically, the
図4は、図3の制御部11の動作の一例を説明するフロー図である。図5Aおよび図5Bは、図2の単電池21の放電特性の一例を示すグラフである。図5Aおよび図5Bの各グラフにおいて、横軸は放電容量[Ah]であり、縦軸は電位[V]である。図5Aのグラフは、単電池21において、負電極212のリチウムイオンが失活する前の放電特性を示している。図5Bのグラフは、単電池21において、負電極212のリチウムイオンの一部が失活した後の放電特性を示している。
FIG. 4 is a flow chart illustrating an example of the operation of the
二次電池装置1の使用開始時において、単電池21は、たとえば、図5Aに示すような放電特性を示す。単電池21は、たとえば、正負極間電圧Vpnが、充電終止電圧Vcから放電終止電圧Vdまでの範囲で使用される。
At the start of use of the
単電池21の充電終止電圧Vcは、たとえば、正電極211の充電可能な最大電圧よりも低い正電極211の充電終止電圧Vpcに基づいて決定される。この充電終止電圧Vpcの正電極211の容量は、充電可能な最大電圧の正電極211の容量よりも、所定の容量δpだけ小さくなっている。また、正電極211の充電終止電圧Vpcに対応する、充電終止電圧Vncの負電極212の放電容量は、充電可能な最大電圧の負電極212の容量よりも、所定の容量δnだけ小さくなっている。
The end-of-charge voltage Vc of the
また、単電池21の放電終止電圧Vdは、たとえば、負電極212の電位が急激に増加する前の放電終止電圧Vndに基づいて決定される。このように、単電池21の正負極間電圧Vpnの範囲を、充電終止電圧Vcから放電終止電圧Vdまでとすることで、単電池21を安全に長期間にわたって使用することができる。二次電池装置1の使用開始時において、制御部11は、図4に示すように、まず、制御回路10の制御モードMを第1モードに切り替える処理P1を実行する。
Further, the discharge end voltage Vd of the
処理P1において、制御部11は、たとえば、制御回路10のスイッチ104へ制御信号を出力して、第3電極213と電力供給部103との接続を切断して、第3電極213と電圧計102とを接続するようにスイッチ104を切り替える。また、制御部11は、たとえば、制御回路10のスイッチ105へ制御信号を出力して、負電極212と電圧計102とを接続するように、スイッチ105を切り替える。
In process P1, the
この制御回路10の第1モードでは、制御回路10において、正電極211と負電極212と第3電極213との間に電流が流れない。そのため、図1に示す二次電池装置1において、単電池21は、通常の動作を行う。すなわち、単電池群2を構成する複数の単電池21は、電池管理部6および状態演算部7の制御の下で充電と放電を行う。
In the first mode of the
次に、制御部11は、電圧計102から入力された第3負極間電圧Vtnに基づいて、第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn1よりも低下したか否かを判定する処理P2を実行する。第3電極213と負電極212との間の電圧である第3負極間電圧Vtnの閾値Vtn1は、たとえば、前述の負電極212の放電終止電圧Vndに基づいてあらかじめ設定され、制御部11の記憶装置112に記憶されている。
Next, the
この処理P2において、制御部11は、第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn1よりも低下していない(NO)と判定すると、たとえば、制御回路10のスイッチ105へ制御信号を出力して、次の処理P3を実行する。スイッチ105は、制御部11から入力された制御信号に基づいて、たとえば、負電極212と電圧計102との間の接続を切断して、正電極211と電圧計102とを接続する状態に切り替わる。
In this process P2, when the
処理P3において、制御部11は、電圧計102から入力された第3電極213と正電極211との間の電圧である第3正極間電圧Vtpに基づいて、第3正極間電圧Vtpが閾値Vtp1よりも低下していないか否かを判定する。この閾値Vtp1は、たとえば、図5Aに示す単電池21の放電特性において、第3正極間電圧Vtpが急激に低下する電圧に基づいてあらかじめ設定され、制御部11の記憶装置112に記憶されている。
In the process P3, the
処理P3において、制御部11は、第3正極間電圧Vtpが閾値Vtp1よりも低下していない(NO)と判定すると、前述の処理P1,P2を繰り返す。処理P1から処理P3までを繰り返しながら、二次電池装置1が単電池群2の充放電を繰り返し行うと、時間の経過とともに、たとえば、単電池21の負電極212の表面上の副反応によるリチウムイオンの失活が発生する。
When the
その結果、図5Aに矢印A1で示すように、負電極212の放電容量が減少し、図5Bに矢印A2,A3で示すように、負電極212の放電特性を示す第3負極間電圧Vtnの曲線が左側へシフトする。そのため、単電池21の正負極間電圧Vpnも、同様に左側へシフトする。
As a result, as shown by arrow A1 in FIG. 5A, the discharge capacity of the
その結果、単電池21は、正負極間電圧Vpnが、充電終止電圧Vcから放電終止電圧Vdまでの範囲で使用されていても、放電容量が減少する。また、図5Bに示すように、正電極211の充電終止電圧Vpcに対応する充電終止電圧Vncの負電極212の放電容量と、充電可能な最大電圧の負電極212の容量との差である容量δnは、図5Aに示す単電池21の使用開始時と比較して、より拡大する。
As a result, the discharge capacity of the
このような状態になる前に、図4に示す処理P2において、制御部11は、第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn1よりも低下している(YES)と判定する。すると、制御部11は、制御回路10の制御モードMを、負電極212から第3電極213へ電流を流す第2モードへ切り替える処理P4を実行する。
Before such a state occurs, in the process P2 shown in FIG. 4, the
処理P4において、制御部11は、たとえば、制御回路10のスイッチ104へ制御信号を出力して、第3電極213と電力供給部103とを接続して、第3電極213と電圧計102との接続を切断するようにスイッチ104を切り替える。また、制御部11は、たとえば、制御回路10のスイッチ105へ制御信号を出力して、負電極212と電力供給部103とを接続するように、スイッチ105を切り替える。また、制御部11は、電力供給部103に制御信号を出力して、電力供給部103によって負電極212から第3電極213へ電流を流す。
In process P4, for example, the
この処理P4により、第3電極213から負電極212へリチウムイオンが移動し、負電極212の表面で失活したリチウムイオンが補われる。次に、制御部11は、たとえば、第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn2以上になったか否かを判定する処理P5を実行する。閾値Vtn2は、たとえば、前述の負電極212の放電終止電圧Vndに基づいてあらかじめ設定され、制御部11の記憶装置112に記憶されている。
By this treatment P4, lithium ions move from the
この処理P5において、制御部11は、制御回路10を第2モードから第1モードに切り替え、負電極212を電圧計102に接続して、電圧計102から第3負極間電圧Vtnを取得する。この処理P5において、制御部11は、第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn2以上ではない(NO)と判定すると、制御回路10の制御モードMを、第1モードから第2モードに切り替える。
In this process P5, the
次に、制御部11は、第3電極213の容量Qtを算出して推定する処理P6を実行する。処理P6において、制御部11は、たとえば、電流計106から出力された電流値Itと、タイマ113によって計測した経過時間とに基づいて第3電極213の容量Qtの積算値を算出する。
Next, the
次に、制御部11は、第3電極213の容量Qtが閾値Qt1より多いか否かを判定する処理P7を実行する。この閾値Qt1は、たとえば、第3電極213がリチウムイオンを供給可能で、かつ正電極211および負電極212の電位を測定する電極としての機能を維持可能な範囲の容量を、事前に実験などによって求め、その容量に基づいて設定することができる。また、閾値Qt1は、あらかじめ制御部11の記憶装置112に記憶させておくことができる。
Next, the
処理P7において、制御部11は、第3電極213の容量Qtが閾値Qt1よりも多くない(NO)と判定すると、制御回路10の制御モードMを第2モードから第1モードに切り替えて、前述の処理P5を実行する。このように、制御部11が処理P5から処理P7までを繰り返している間に、負電極212から第3電極213へ電流が流れ、第3電極213から負電極212へリチウムイオンが移動し、負電極212の表面で失活したリチウムイオンが補われる。
In the process P7, when the
その結果、負電極212の放電特性は、図5Bに示す状態から右側へシフトして、たとえば、図5Aに示す状態になる。これにより、単電池21の容量維持率を回復させることができる。すると、前述の処理P5において、制御部11は、第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn2以上である(YES)と判定し、図4に示す処理を終了する。その後、制御部11は、図4に示す処理を再び開始する。
As a result, the discharge characteristic of the
また、第3電極213から負電極212へ移動させるリチウムイオンが過剰になると、正電極211および負電極212の電位を測定する基準電極としての第3電極213の機能が失われるおそれがある。そのため、制御部11は、前述の処理P7において、第3電極213の容量Qtが閾値Qt1よりも多い(YES)と判定すると、制御回路10の制御モードMを、第3電極213から正電極211または負電極212へ電流を流す第4モードに切り替える処理P8を実行する。
Further, if the amount of lithium ions transferred from the
より具体的には、処理P8において、制御部11は、たとえば、電力供給部103へ制御信号を出力して、第3電極213から負電極212へ電流を流す。または、処理P8において、制御部11は、たとえば、スイッチ105へ制御信号を出力して、負電極212と電力供給部103との間の接続を切断し、正電極211と電力供給部103とを接続するようにスイッチ105を切り替えるとともに、電力供給部103へ制御信号を出力して、第3電極213から正電極211へ電流を流す。
More specifically, in the process P8, the
その結果、負電極212または正電極211から第3電極213へリチウムイオンが移動し、正電極211および負電極212の電位を測定する基準電極としての第3電極213の機能を維持することが可能になる。処理P8の終了後、制御部11は、図4に示す処理を終了する。その後、制御部11は、図4に示す処理を再び開始する。
As a result, lithium ions move from the
また、前述の処理P3において、制御部11は、第3正極間電圧Vtpが閾値Vtp1よりも低下している(YES)と判定すると、制御部11は、制御回路10の制御モードMを、正電極211から第3電極213へ電流を流す第3モードへ切り替える処理P9を実行する。
Further, in the above-described process P3, when the
処理P9において、制御部11は、たとえば、制御回路10のスイッチ104へ制御信号を出力して、第3電極213と電力供給部103とを接続して、第3電極213と電圧計102との接続を切断するようにスイッチ104を切り替える。また、制御部11は、たとえば、制御回路10のスイッチ105へ制御信号を出力して、正電極211と電力供給部103とを接続するように、スイッチ105を切り替える。また、制御部11は、電力供給部103に制御信号を出力して、電力供給部103によって正電極211から第3電極213へ電流を流す。
In process P9, the
この処理P9により、第3電極213から正電極211へリチウムイオンが移動し、正電極211にリチウムイオンが補充される。次に、制御部11は、たとえば、第3正極間電圧Vtpが閾値Vtp2以上になったか否かを判定する処理P10を実行する。閾値Vtp2は、たとえば、前述の正電極211の放電終止電圧Vpdに基づいてあらかじめ設定され、制御部11の記憶装置112に記憶されている。
By this process P9, lithium ions move from the
この処理P10において、制御部11は、制御回路10を第3モードから第1モードに切り替え、正電極211を電圧計102に接続して、電圧計102から第3正極間電圧Vtpを取得する。この処理P10において、制御部11は、第3正極間電圧Vtpが閾値Vtn2以上ではない(NO)と判定すると、制御回路10の制御モードMを、第1モードから第3モードに切り替える。
In this process P10, the
次に、制御部11は、第3電極213の容量Qtを算出して推定する処理P11を実行する。処理P11において、制御部11は、たとえば、電流計106から出力された電流値Itと、タイマ113によって計測した経過時間とに基づいて第3電極213の容量Qtの積算値を算出する。
Next, the
次に、制御部11は、第3電極213の容量Qtが閾値Qt1より多いか否かを判定する処理P12を実行する。この閾値Qt1は、たとえば、前述の処理P7における閾値Qt1と同一である。
Next, the
処理P12において、制御部11は、第3電極213の容量Qtが閾値Qt1よりも多くない(NO)と判定すると、前述の処理P10を実行する。このように、制御部11が処理P10から処理P12までを繰り返している間に、正電極211から第3電極213へ電流が流れ、第3電極213から正電極211へリチウムイオンが移動し、正電極211にリチウムイオンが補充される。
In the process P12, when the
また、第3電極213から正電極211へ移動させるリチウムイオンが過剰になると、正電極211および負電極212の電位を測定する基準電極としての第3電極213の機能が失われるおそれがある。そのため、制御部11は、前述の処理P12において、第3電極213の容量Qtが閾値Qt1よりも多い(YES)と判定すると、制御回路10の制御モードMを、第3電極213から正電極211または負電極212へ電流を流す第4モードに切り替える処理P13を実行する。
Further, if the amount of lithium ions transferred from the
より具体的には、処理P13において、制御部11は、たとえば、電力供給部103へ制御信号を出力して、第3電極213から正電極211へ電流を流す。または、処理P13において、制御部11は、たとえば、スイッチ105へ制御信号を出力して、正電極211と電力供給部103との間の接続を切断し、負電極212と電力供給部103とを接続するようにスイッチ105を切り替えるとともに、電力供給部103へ制御信号を出力して、第3電極213から負電極212へ電流を流す。
More specifically, in the process P13, the
その結果、正電極211または負電極212から第3電極213へリチウムイオンが移動し、正電極211および負電極212の電位を測定する基準電極としての第3電極213の機能を維持することが可能になる。処理P13の終了後、制御部11は、図4に示す処理を終了する。その後、制御部11は、図4に示す処理を再び開始する。
As a result, lithium ions move from the
以上のように、本実施形態の二次電池装置1は、正電極211、負電極212、および第3電極213を有する二次電池である単電池21と、その単電池21に接続された制御回路10と、その制御回路10を制御する制御部11と、を備えている。制御部11は、正電極211と負電極212との間の正負極間電圧Vpn、第3電極213と正電極211との間の第3正極間電圧Vtp、第3電極213と負電極212との間の第3負極間電圧Vtnの少なくとも一つに基づいて、制御回路10において、第1モードと第2モードと第3モードと第4モードとを切り替える。第1モードは、正電極211と負電極212と第3電極との間に電流を流さないモードである。第2モードは、負電極212から第3電極213へ電流を流すモードである。第3モードは、正電極211から第3電極213へ電流を流すモードである。第4モードは、第3電極213から正電極211または負電極212へ電流を流すモードである。
As described above, the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、正電極211および負電極212の電位を測定するための第3電極213が正電極211および負電極212へのリチウムイオンの供給源を兼ねる単電池21において、第3電極213による電位測定機能の喪失を防止することが可能になる。すなわち、本実施形態の二次電池装置1は、制御回路10によって制御回路10を第2モードまたは第3モードに切り替えることで、第3電極213から負電極212または正電極211へリチウムイオンを供給することができる。また、第3電極213から負電極212または正電極211へのリチウムイオンの供給が想定よりも多くなった場合に、制御部11によって制御回路10を第4モードへ切り替えることで、負電極212または正電極211から第3電極213へリチウムイオンを戻すことができる。
With such a configuration, in the
すなわち、本実施形態の二次電池の制御方法は、正電極211、負電極212、および第3電極213を有する二次電池としての単電池21の制御方法である。本実施形態の二次電池の制御方法は、正電極211と負電極212との間の正負極間電圧Vpn、第3電極213と正電極211との間の第3正極間電圧Vtp、第3電極213と負電極212との間の第3負極間電圧Vtnの少なくとも一つに基づいて、第1モードと第2モードと第3モードと第4モードとを切り替える。第1モードは、正電極211と負電極212と第3電極との間に電流を流さないモードである。第2モードは、負電極212から第3電極213へ電流を流すモードである。第3モードは、正電極211から第3電極213へ電流を流すモードである。第4モードは、第3電極213から正電極211または負電極212へ電流を流すモードである。
That is, the method for controlling the secondary battery of the present embodiment is a method for controlling the
このような構成により、本実施形態の二次電池の制御方法は、前述の二次電池装置1と同様の効果を奏することができる。したがって、本実施形態によれば、第3電極213が正電極211および負電極212へのリチウムイオンの供給源を兼ねる単電池21において、第3電極213による電位測定機能の喪失を防止することが可能な二次電池装置1および二次電池の制御方法を提供することができる。
With such a configuration, the method for controlling the secondary battery of the present embodiment can achieve the same effect as that of the above-mentioned
また、本実施形態の二次電池装置1において、制御部11は、二次電池である単電池21の放電時に制御回路10の第1モードで第3負極間電圧Vtnが閾値Vtn1より低下した場合に、制御回路10を第1モードから第2モードへ切り替える。
Further, in the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、図5Bに示すように、負電極212の放電特性を示す第3負極間電圧Vtnの曲線が左側へシフトした場合に、第3電極213から負電極212へリチウムイオンを移動させ、負電極212の表面で失活したリチウムイオンを補うことができる。その結果、図5Bに示すように左側へシフトした負電極212の放電特性を右側へシフトさせ、図5Aに示す状態またはそれに近い状態に回復させることができる。
With such a configuration, as shown in FIG. 5B, the
また、本実施形態の二次電池装置1は、図1に示すように、二次電池である単電池21の放電時の電流値を測定する電流計としての電流センサ4をさらに備えている。この場合、制御部11は、前述の処理P2に代えて、次のような処理を実行してもよい。制御部11は、制御回路10の第1モードで単電池21の放電時の電流値に基づいて負電極212の容量を推定する。そして、制御部11は、負電極212の容量に対する第3負極間電圧Vtnの変化の割合が閾値を超えた場合に、制御回路10を第1モードから第2モードへ切り替える処理P4を実行する。
Further, as shown in FIG. 1, the
このような構成により、二次電池装置1は、図5Aおよび図5Bに示す第3負極間電圧Vtnの傾きが、所定の閾値を超えた場合に、制御回路10を第1モードから第2モードへ切り替える処理P4を実行することができる。これにより、前述の実施形態における二次電池装置1と同様の効果を奏することができるだけでなく、負電極212の状態をより正確に把握することが可能になる。
With such a configuration, the
また、本実施形態の二次電池装置1において、制御部11は、二次電池である単電池21の放電時に制御回路10の第1モードで第3正極間電圧Vtpが閾値より低下した場合に、制御回路10を第1モードから第3モードへ切り替える。
Further, in the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、図5Aおよび図5Bに示すように、正電極211の放電特性を示す第3正極間電圧Vtpの曲線が左側へシフトした場合に、第3電極213から正電極211へリチウムイオンを移動させ、正電極211にリチウムイオンを補充することができる。その結果、左側へシフトした正電極211の放電特性を右側へシフトさせ、図5Aに示す状態またはそれに近い状態に回復させることができる。
With such a configuration, in the
また、本実施形態の二次電池装置1は、前述のように、二次電池である単電池21の放電時の電流値を測定する電流計としての電流センサ4をさらに備えている。この場合、制御部11は、前述の処理P3に代えて次のような処理を実行してもよい。制御部11は、制御回路10の第1モードで単電池21の放電時の電流値に基づいて正電極211の容量を推定する。そして、制御部11は、正電極211の容量に対する第3正極間電圧Vtpの変化の割合が閾値を超えた場合に、制御回路10を第1モードから第3モードへ切り替える処理P9を実行する。
Further, as described above, the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、図5Aおよび図5Bに示す第3正極間電圧Vtpの傾きが、所定の閾値を超えた場合に、制御回路10を第1モードから第3モードへ切り替える処理P9を実行することができる。これにより、前述の実施形態における二次電池装置1と同様の効果を奏することができるだけでなく、正電極211の状態をより正確に把握することが可能になる。
With such a configuration, the
また、本実施形態の二次電池装置1において、制御回路10は、第3電極213に流れる電流の電流値Itの測定結果を制御部11へ出力する。制御部11は、制御回路10の第2モードまたは第3モードで電流値Itに基づいて第3電極213の容量Qtを算出し、容量Qtが閾値Qt1を超えた場合に、制御回路10を第4モードへ切り替える。
Further, in the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、第3電極213から正電極211または負電極212へリチウムイオンが過剰に移動することが防止される。したがって、第3電極213による正電極211および負電極212の電位測定機能の喪失を防止することができる。
With such a configuration, the
また、本実施形態の二次電池装置1において、二次電池としての単電池21は、リチウムイオン二次電池である。また、第3電極213は、集電体と、その集電体に形成された合剤層とを備えている。第3電極213の合剤層は、Ni、Co、Mnを含む遷移金属をMとして、組成式:LiMO2で表される正極材料を含む。
Further, in the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、第3電極213から正電極211および負電極212へリチウムイオンを供給することができるだけでなく、正電極211および負電極212から第3電極213へリチウムイオンを戻すことが可能になる。
With such a configuration, the
また、本実施形態の二次電池装置1において、第3電極213の合剤層に含まれる正極材料は、Niを80%以上含むことができる。
Further, in the
このような構成により、本実施形態の二次電池装置1は、第3電極213の正極材料に含まれるNiが80%未満である場合と比較して、第3電極213から正電極211または負電極212へ供給可能なリチウムイオンを増加させることができる。
With such a configuration, in the
以上、図面を用いて本開示に係る二次電池装置および二次電池の制御方法の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。 Although the embodiments of the secondary battery device and the control method for the secondary battery according to the present disclosure have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and the present disclosure is not limited to this embodiment. Any design changes, etc. that do not deviate from the gist are included in this disclosure.
1 二次電池装置
4 電流センサ(電流計)
10 制御回路
11 制御部
21 単電池(二次電池)
211 正電極
212 負電極
213 第3電極
It 電流値
Qt 容量
Qt1 閾値
Vpn 正負極間電圧
Vtn 第3負極間電圧
Vtn1 閾値
Vtp 第3正極間電圧
Vtp1 閾値
1
10
211
Claims (9)
前記制御部は、前記正電極と前記負電極との間の正負極間電圧、前記第3電極と前記正電極との間の第3正極間電圧、前記第3電極と前記負電極との間の第3負極間電圧の少なくとも一つに基づいて、前記制御回路において、前記正電極と前記負電極と前記第3電極との間に電流を流さない第1モードと、前記負電極から前記第3電極へ電流を流す第2モードと、前記正電極から前記第3電極へ電流を流す第3モードと、前記第3電極から前記正電極または前記負電極へ電流を流す第4モードとを切り替えることを特徴とする二次電池装置。 A secondary battery device including a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a third electrode, a control circuit connected to the secondary battery, and a control unit for controlling the control circuit.
The control unit includes a voltage between the positive and negative electrodes between the positive electrode and the negative electrode, a voltage between the third positive electrode between the third electrode and the positive electrode, and a voltage between the third electrode and the negative electrode. In the control circuit, a first mode in which no current flows between the positive electrode, the negative electrode, and the third electrode, and the first mode from the negative electrode to the third electrode, based on at least one of the third negative electrode voltages of the above. The second mode in which a current is passed through the three electrodes, the third mode in which a current is passed from the positive electrode to the third electrode, and the fourth mode in which a current is passed from the third electrode to the positive electrode or the negative electrode are switched. A secondary battery device characterized by the fact that.
前記制御部は、前記第1モードで前記電流値に基づいて前記負電極の容量を推定し、前記容量に対する前記第3負極間電圧の変化の割合が閾値を超えた場合に、前記制御回路を前記第1モードから前記第2モードへ切り替えることを特徴とする請求項1に記載の二次電池装置。 An ammeter for measuring the current value at the time of discharging the secondary battery is further provided.
The control unit estimates the capacitance of the negative electrode based on the current value in the first mode, and when the ratio of the change in the voltage between the third negative electrodes to the capacitance exceeds the threshold value, the control circuit is used. The secondary battery device according to claim 1, wherein the mode is switched from the first mode to the second mode.
前記制御部は、前記第1モードで前記電流値に基づいて前記正電極の容量を推定し、前記容量に対する前記第3正極間電圧の変化の割合が閾値を超えた場合に、前記制御回路を前記第1モードから前記第3モードへ切り替えることを特徴とする請求項1に記載の二次電池装置。 An ammeter for measuring the current value at the time of discharging the secondary battery is further provided.
The control unit estimates the capacitance of the positive electrode based on the current value in the first mode, and when the ratio of the change in the voltage between the third positive electrodes to the capacitance exceeds the threshold value, the control circuit is used. The secondary battery device according to claim 1, wherein the mode is switched from the first mode to the third mode.
前記制御部は、前記制御回路の前記第2モードまたは前記第3モードで前記電流値に基づいて前記第3電極の容量を算出し、前記容量が閾値を超えた場合に、前記制御回路を前記第4モードへ切り替えることを特徴とする請求項1に記載の二次電池装置。 The control circuit outputs the measurement result of the current value of the current flowing through the third electrode to the control unit.
The control unit calculates the capacitance of the third electrode based on the current value in the second mode or the third mode of the control circuit, and when the capacitance exceeds the threshold value, the control circuit is used. The secondary battery device according to claim 1, wherein the secondary battery device is switched to the fourth mode.
前記第3電極は、集電体と、該集電体に形成された合剤層とを備え、
前記合剤層は、Ni、Co、Mnを含む遷移金属をMとして、組成式:LiMO2で表される正極材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池装置。 The secondary battery is a lithium ion secondary battery.
The third electrode includes a current collector and a mixture layer formed on the current collector.
The secondary battery device according to claim 1, wherein the mixture layer contains a positive electrode material represented by a composition formula: LiMO 2 , with a transition metal containing Ni, Co, and Mn as M.
前記正電極と前記負電極との間の正負極間電圧、前記第3電極と前記正電極との間の第3正極間電圧、前記第3電極と前記負電極との間の第3負極間電圧の少なくとも一つに基づいて、前記正電極と前記負電極と前記第3電極との間に電流を流さない第1モードと、前記負電極から前記第3電極へ電流を流す第2モードと、前記正電極から前記第3電極へ電流を流す第3モードと、前記第3電極から前記正電極または前記負電極へ電流を流す第4モードとを切り替えることを特徴とする二次電池の制御方法。 A method for controlling a secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and a third electrode.
The voltage between the positive and negative electrodes between the positive electrode and the negative electrode, the voltage between the third positive electrode between the third electrode and the positive electrode, and the third negative electrode between the third electrode and the negative electrode. A first mode in which no current flows between the positive electrode, the negative electrode, and the third electrode based on at least one of the voltages, and a second mode in which a current flows from the negative electrode to the third electrode. Control of the secondary battery, which comprises switching between a third mode in which a current flows from the positive electrode to the third electrode and a fourth mode in which a current flows from the third electrode to the positive electrode or the negative electrode. Method.
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