JP2023077742A - 二次電池および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温でも効率的に充電する二次電池を提供する。【解決手段】二次電池は、充電器を接続可能な正極端子１ａ及び負極端子１ｂと、正極端子と負極端子との間で直列に接続された複数のセルＣ１～Ｃｎと、充電器又はセルから給電されセルを加温するヒータＨ１～Ｈｎと、セル毎の電圧と、充電時にセルに流れる充電電流と、加温時にヒータに流れるヒータ電流とを計測する計測部２０と、プロセッサ３０とを具備する。プロセッサは、セル毎の電圧に基づいてセル間の電位差の最大値を計算し、最大値が既定の閾値を超えるとヒータをオンし、ヒータがオンの状態でヒータ電流が充電電流以上である場合に充電を継続する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、二次電池および制御方法に関する。

二次電池としてのリチウムイオン電池は、車両、船舶、鉄道車両などで広く用いられ、旧来の鉛バッテリーにとって代わろうとしている。例えば、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）を負極に使用した、次世代型のリチウムイオン電池が知られている。様々な利用シーンを想定して、低温でも充放電可能なバッテリパックが提供されている。この種の二次電池は、ヒータを有し、電池セルをヒータで加温して内部抵抗値を下げることで過放電・過充電を防止するようにしている。

特開２０２１－７２９４号公報 特許第６３３１６９７号公報 特許第６１９１０４２号公報

ヒータをオンしても温度が上がるには時間がかかるので、それだけ、充電には時間がかかることになる。加えて、セルは個体差や温度のわずかなばらつきにより内部抵抗が変化する。セル間の電圧を揃えてバランスを保った状態で充電するには、充電電流を小さくせざるを得ず、結果として充電時間が長くなってしまう。高速充電のため充電電流を大きくすると、セル間の電圧のバランスを取るためにセルに並列に接続されるバランサ回路が動作する。充放電の容量を増大させるためにはバランサ回路を動作させ、セル電圧が過充電電圧、過放電電圧を超えるまでの時間を延ばすことが必要だからである。

バランサ回路が動作するとセル間に容量差がもたらされ、セルが室温に達した場合、あるいは電流が小さくなった際に、バランサ回路を使用したセルとそうでないセルとの間に電圧差が発生する。これは、安定した室温であってもバランサ回路が動作してしまう原因になり、熱を発生させてセルの寿命を縮めてしまう。低温時におけるバランサ回路の動作を抑制し、効率的に充電することのできる技術が要望されている。

そこで、目的は、低温でも効率的に充電することの可能な二次電池および制御方法を提供することにある。

実施形態によれば、二次電池は、充電器を接続可能な正極端子および負極端子と、正極端子と負極端子との間で直列に接続された複数のセルと、充電器またはセルから給電されセルを加温するヒータと、セルごとの電圧と、充電時にセルに流れる充電電流と、加温時にヒータに流れるヒータ電流とを計測する計測部と、プロセッサとを具備する。プロセッサは、セルごとの電圧に基づいてセル間の電位差の最大値を計算する。また、プロセッサは、最大値が既定の閾値を超えるとヒータをオンする。また、プロセッサは、ヒータがオンの状態でヒータ電流が充電電流以上である場合に充電を継続する。

図１は、実施形態に係わる二次電池の適用例を示す模式図である。 図２は、二次電池１００に充電器５０を接続した状態を示す図である。 図３は、実施形態に係わる二次電池の一例を示すブロック図である。 図４は、ヒータの取り付け例を示す図である。 図５は、二次電池１００の通常の運用モードにおけるプロセッサ３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図６は、二次電池１００の低温充電モードにおけるプロセッサ３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図７は、充電時における充電率とセル電圧との関係を示すグラフである。

（構成）
図１は、実施形態に係わる二次電池（バッテリパック）の適用例を示す模式図である。実施形態では、二次電池として、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池を想定する。
実施形態において、二次電池１００は、内燃機関（エンジン）により駆動力を得る車両２００に搭載される。車両２００のハンドルの近傍に設置されたキースイッチ（イグニッションスイッチ（ＩＧＮ））３００が操作されると、二次電池１００の電力が車両２００のスタータに供給され、エンジンが始動される。その際、キースイッチ３００から接点信号（スタータ情報）が、インタフェース４００を介して二次電池１００に供給される。

すなわち実施形態に係わる二次電池１００は、その外装面に正極端子１ａと、負極端子１ｂと、外部からの信号を取得するための外部制御端子１ｃとを備える。外部制御端子１ｃを介して信号を与えることで、二次電池１００の動作を制御することが可能である。

図２は、二次電池１００に充電器５０を接続した状態を示す図である。正極端子１ａと負極端子１ｂとに外部から充電器５０を接続して、二次電池１００を充電することができる。充電器５０としては、リチウムイオン電池や鉛蓄電池を充電可能な一般的なタイプを使用できる。好ましくは、定電圧制御機能・定電流制御機能を備えた充電器５０が用いられる。

図３は、実施形態に係わる二次電池の一例を示すブロック図である。二次電池１００は、正極端子１ａと負極端子１ｂとの間で直列に接続された複数のセルＣ１～Ｃｎと、各セルを加温するヒータＨ１～Ｈｎと、計測部２０と、プロセッサ（ＢＭＵ：Battery Management Unit）３０と、主回路スイッチ４０と、ヒータ制御スイッチ６０とを備える。ここで、セルＣ１～Ｃｎは、例えば、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池である。

計測部２０は、電池モジュール１０のセルＣ１～Ｃｎごとに、電圧、電流、あるいは温度などの電池情報を計測する。計測された電池情報はプロセッサ３０に転送されるとともに、メモリ（図示せず）に記憶される。また、計測部２０は、二次電池１００が充電器５０に接続されている状態での充電電流と、加温時にヒータＨ１～Ｈｎに流れるヒータ電流とを計測する。これらの計測値はプロセッサ３０に転送され、メモリ（図示せず）に記憶される。

プロセッサ３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの、演算機能を有する半導体チップであり、二次電池１００を統括的に制御する。また、プロセッサ３０は、計測部２０から得られた情報をもとに、主回路スイッチ４０、およびヒータ制御スイッチ６０のオン／オフを制御する。

主回路スイッチ４０は、放電制御スイッチ４１、および充電制御スイッチ４２の、２方向の半導体スイッチを備える。放電制御スイッチ４１、および充電制御スイッチ４２はそれぞれ独立にオン／オフ制御をすることができる。例えば、セルの過充電時には充電制御スイッチ４２をオープンとし放電制御スイッチ４１をクローズとすることで、充電方向の電流を停止し、放電電流のみを流す制御ができる。

ヒータ制御スイッチ６０は、ヒータＨ１～Ｈｎに通電し、セルＣ１～Ｃｎを加温するして低温時の充放電性能を改善する。ヒータＨ１～Ｈｎはセルの負極および負極端子１ｂに接続され、セルからの電力で発熱できるほか、充電器５０の電力によっても発熱することができる。

図４に示されるように、ヒータＨ（Ｈ１～Ｈｎ）は、セルＣ（Ｃ１～Ｃｎ）ごとに、例えば広い方の側面の一方に取り付けられる。ヒータＨは、電池モジュール１０から電力を供給されて発熱する。主回路スイッチ４０は、各ヒータＨを個別にオン／オフするための、複数のスイッチを備える。プロセッサ３０により各スイッチが制御されて、セルを個別に温めることが可能である。

プロセッサ３０は、ヒータＨの電源投入に関する制御を行う。また、プロセッサ３０は、計測部２０で計測された電池情報をもとに、電池容量を推定する。ヒータＨは、電池モジュール１０の温度が既定の閾値未満にまで低下すると起動され、セルを加温して、充放電性能を改善する。

プロセッサ３０は、セルＣごとの電圧に基づいて、セル間の電位差の最大値を計算する。また、プロセッサ３０は、セル間電位差の最大値が予め定められた閾値を超えると、ヒータ制御スイッチ６０をオンしてヒータＨを起動する。また、プロセッサ３０は、ヒータＨがオンの状態でヒータ電流が充電電流以上である場合に、充電器５０による充電を継続する。

（作用）
次に、上記構成における作用を説明する。
図５は、二次電池１００の通常の運用モードにおけるプロセッサ３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。図５において、外部制御端子１ｃ（図１）から制御信号を受信したり、プロセッサ３０の電源が入ったりすると、バッテリ（二次電池）を接続する条件が満たされ（ステップＳ１でＹｅｓ）、プロセッサによる自己診断が開始される。異常が無ければ（ステップＳ２でＹｅｓ）、プロセッサ３０は主回路スイッチ４０をクローズにし（ステップＳ３）、運用モードに入る（ステップＳ４）。

その後、運用モード中に、二次電池１００に異常が生じたり、外部からの信号停止、プロセッサ３０の電源オフ等の、バッテリをオープンとする条件になると（ステップＳ５でＹｅｓ）、プロセッサ３０は、主回路スイッチ４０をオープンにする（ステップＳ６）。

図６は、二次電池１００の低温充電モードにおけるプロセッサ３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。図６の手順は、図５の運用モード（ステップＳ４）において実行される。図６において、プロセッサ３０は、計測部２０からセル温度を取得し、予め定められた閾値温度Ｔよりもセル温度が低いならば（ステップＳ１１でＹｅｓ）、低温充電モードに移行して、ステップＳ１２以降の手順を実行する。セル温度が十分に高ければ図６の手順から抜けて、通常の運用モードが継続される。

低温充電モードでは、プロセッサ３０は、受電電流の有無を確認し（ステップＳ１２）、充電電流が流れていなければ（ステップＳ１２でＮｏ）、低温充電モードを抜ける。計測部２０に繋がれた電流センサ（図示せず）の値により外部からの充電電流を受けている場合（ステップＳ１２でＹｅｓ）には、セルＣ１～Ｃｎが充電され、それに伴ってセル電圧が上昇する。

図７は、充電時における充電率とセル電圧との関係を示すグラフである。図７に示すように、充電末期に近づくとセルの抵抗値が急激に上昇する。この特性はセルごとにセンシティブであることから、セル間の電圧差（最大セル電圧―最小セル電圧）は、充電末期に使づくにつれ拡大する。これは、セル間のわずかな温度の差やセルの容量ばらつきにより、抵抗値の上昇カーブもばらつきが発生するためである。

図６に戻って説明を続ける。プロセッサ３０は、セルＣ１～Ｃｎのセル電圧を計測部２０から取得し、セル電圧の最大値（最大セル電圧）と最小値（最小セル電圧）との差分を計算し、セル間の電位差の最大値を求める。そしてプロセッサ３０は、セル間の電位差の最大値が、予め定められた閾値Ｖを超えると（ステップＳ１３でＹｅｓ）、ヒータ制御スイッチ６０をオンしてヒータＨ１～Ｈｎを起動する（ステップＳ１４）。なお閾値Ｖは、セルバランス回路が起動しない限度の値に設定するのが好ましい。

一方、ステップＳ１３において、セル間の電位差の最大値が閾値Ｖを超えない限り（ステップＳ１３でＮｏ）、処理手順はステップＳ１２に戻る。これにより低温での充電が継続される。図７を参照すると、充電の開始から凡そ７０％の充電率に至るまで、ヒータを起動することなく低温での充電が継続される。この間、セル間のバランスは保たれているのでセルバランス回路が別途起動することもなく、セルの劣化などの弊害を生じることも避けられる。

充電率が高まってくるとセル間のバランスが崩れやすくなる。実施形態では、この段階に至ってヒータＨを起動し、電流をヒータＨにも流す。この状態においてプロセッサ３０は、ヒータ電流データと充電電流データとを計測部２０から取得し、ヒータ電流の値と充電電流の値とを比較する（ステップＳ１５）。ヒータ電流の値が充電電流の値をよりも小さいならば（ステップＳ１５でＹｅｓ）、充電器５０によるセルＣ１～Ｃｎへの充電が継続されることになり、セル間の電位差がさらに広がってしまう。つまりヒータＨを加熱するよりもセルＣを充電するほうに電流が流れ、セル間の電位差が拡大する方向に作用してしまう。よって、プロセッサ３０は、充電制御スイッチ４２をオープンとし（ステップＳ１６）、放電許可状態とする。

一方、ヒータ電流の値が充電電流の値を超えている（ステップＳ１５でＮｏ）ならば、セルＣからもヒータ電流が供給される。つまり充電を抑止する方向の作用が働く。このため、充電制御スイッチ４２をクローズとしたまま、充電が継続される。

一方、セル温度が既定の閾値温度Ｔを超えたならば（ステップＳ１７でＹｅｓ）、プロセッサ３０は、主回路スイッチ４０の充電制御スイッチ４２をクローズとし（ステップＳ１８）、ヒータ制御スイッチ６０をオフしてヒータを停止する（ステップＳ１９）。その後、通常モードに移って、セルが加温された状態の通常モードにおける充電が再開される。

（効果）
以上述べたように実施形態では、セルＣ１～Ｃｎが低温であっても充電を開始する。その間、それぞれのセルＣ１～Ｃｎのセル電圧をモニタし、電位差の最大値が閾値Ｖを超えるまで充電を継続する。これにより初期加温の必要が無く、その分、充電時間を短縮することができる。既存の技術では、先ず加温ありきであったので、その分の時間が必要になる。実施形態ではその分の時間を不要にできるので、低温での充電時間を大幅に短縮することができる。

一方、充電が進んでセル間電位差の最大値が閾値Ｖを超えると、この段階で初めてヒータＨを起動してセルを加温する。実施形態ではその間も、ヒータ電流と充電電流とをモニタし、ヒータ電流が充電電流以上の状態において充電を継続する。これによりセル間のバランスを崩すことなく充電を継続することができる。

つまり実施形態では、セル電圧、充電電流、ヒータ電流を計測し、その値に基づいて、よりインテリジェントに充電制御を行う。つまり、低温充電可能なリチウムイオン電池において、充電と加温のタイミングを効果的に制御し、セル電圧のばらつきに基づいてヒータ制御を行うようにした。これにより、ＳｏＣ（State of Charge）などの計算を要することなく、また、不必要なセルバランスを除いたかたちでの加温を実施することができる。

これらのことから実施形態によれば、低温でも効率的に充電することの可能な二次電池および制御方法を提供することが可能になる。ひいては、簡単な構造で、幅広い温度範囲、長寿命化を図った二次電池を実現することができる。

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ａ…正極端子１ｂ…負極端子１ｃ…外部制御端子１０…電池モジュール２０…計測部３０…プロセッサ４０…主回路スイッチ４１…放電制御スイッチ４２…充電制御スイッチ５０…充電器６０…ヒータ制御スイッチ１００…二次電池２００…車両３００…キースイッチ４００…インタフェースＣ１～Ｃｎ…セルＨ１～Ｈｎ…ヒータ。

Claims (4)

1. 充電器を接続可能な正極端子および負極端子と、
   前記正極端子と負極端子との間で直列に接続された複数のセルと、
   前記充電器または前記セルから給電され前記セルを加温するヒータと、
   前記セルごとの電圧と、充電時に前記セルに流れる充電電流と、加温時にヒータに流れるヒータ電流とを計測する計測部と、
   プロセッサとを具備し、
   前記プロセッサは、
   前記セルごとの電圧に基づいて前記セル間の電位差の最大値を計算し、
   前記最大値が既定の閾値を超えると前記ヒータをオンし、
   前記ヒータがオンの状態で前記ヒータ電流が前記充電電流以上である場合に充電を継続する、二次電池。
2. 前記計測部は、前記セルごとの温度をさらに計測し、
   前記プロセッサは、前記温度の計測値が既定の温度を超えた場合に、前記ヒータをオフする、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記セルは、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池である、請求項１または２のいずれかに記載の二次電池。
4. 充電器を接続可能な正極端子および負極端子と、前記正極端子と負極端子との間で直列に接続された複数のセルと、前記充電器または前記セルから給電され前記セルを加温するヒータと、前記セルごとの電圧と、充電時に前記セルに流れる充電電流と、加温時にヒータに流れるヒータ電流とを計測する計測部と、プロセッサとを具備する二次電池を制御する方法であって、
   前記プロセッサが、前記セルごとの電圧に基づいて前記セル間の電位差の最大値を計算し、
   前記プロセッサが、前記最大値が既定の閾値を超えると前記ヒータをオンし、
   前記プロセッサが、前記ヒータがオンの状態で前記ヒータ電流が前記充電電流以上である場合に充電を継続する、制御方法。

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