JP3367382B2 - リチウムイオン2次電池 - Google Patents

リチウムイオン2次電池

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明はリチウムイオン2次
電池、特に充放電のタイミングが最適化されたリチウム
イオン2次電池に関する。 【0002】 【従来の技術】一般に、2次電池の劣化を防止するため
には、過充電、過放電を防止する必要がある。図6に
は、ニッケル−水素蓄電池の出力密度と充電状態(St
ateof Charge:SOC)との関係が示され
る。図6において、SOCの低下と共に出力密度も低下
している。なお、図6では、放電終止電圧が8.0V、
9.0V、10.0Vのそれぞれについての出力密度が
示されている。図6からわかるように、ニッケル−水素
蓄電池の使用に適するSOCの範囲には一定の上限、下
限があると考えられ、例えば20%〜80%が好適であ
ると考えられる。この範囲を外れて0%に近い領域及び
100%に近い領域においてはそれぞれ過放電、過充電
によって電池の劣化が生じるおそれがある。 【0003】このような事情はリチウムイオン2次電池
においても同様である。特開平4−331425号公報
には、リチウムイオン2次電池の過充電、過放電を防止
するための装置が開示されている。本従来例では、各リ
チウムイオン2次電池の端子間電圧を監視し、この電圧
に応じて充電及び放電の続行停止を制御することにより
電池の過充電、過放電を防止している。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のリ
チウムイオン2次電池においては、充電用電池及び放電
用電池の区別がなく、充電放電を電池の使用条件の変化
に応じて切り替えていた。従って、例えば電気自動車等
に使用する場合に、回生電力をリチウムイオン2次電池
に受け入れる際に、電池の容量(SOC)が高い場合に
は回生電力を回収できず、これを捨ててしまわなければ
ならなかった。このため回生効率が悪化するという問題
があった。また、このような回生効率の悪化を防止する
ために、無理に回収しようとすると、過充電のおそれが
あった。また、電池の使用条件によっては、SOCの低
くなった状態でもさらに負荷に電力を供給しなければな
らない場合も生じ、これによって過放電となるおそれも
あった。 【0005】さらに、リチウムイオン2次電池等につい
ては、放電の際に発熱するので、これを冷却する必要が
あった。例えば、円筒型電池の場合には各電池缶に隙間
を与え放熱を確保したり、角形電池の場合、電池同士を
離してモジュール化する必要があった。この場合、確保
された隙間に、電池の冷却のための気体あるいは液体を
流す必要があった。このため、余分な電池スペースを確
保する必要があるという問題があった。 【0006】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、過充電、過放電を防止でき、放
熱用の隙間を確保しなくても電池の温度調整をすること
ができるリチウムイオン2次電池を提供することにあ
る。 【0007】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、充電用として使用される電池群と、放電
用として使用される電池群とを含み、これらの電池群の
電池の充電状態が所定範囲を外れた場合に、充電用の電
池群と放電用の電池群とを切り替えるリチウムイオン2
次電池であって、前記充電用の電池群と放電用の電池群
とが交互に配列されていることを特徴とする。 【0008】 【0009】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態(以下
実施形態という)について、図面に基づいて説明する。 【0010】図1には、本発明に係るリチウムイオン2
次電池の構成例が示される。図1において、複数の電池
が直列又は並列又はその両方で接続され、これを電池A
群とする。同様にして、他の複数の電池が直列又は並列
又はその両方で接続され、これを電池B群とする。電池
A群に属する電池と電池B群に属する電池とは、図1に
示されるように、交互に配置されている。このとき、各
電池は密着した状態で配置される。なお、図1において
は、電池A群に属する電池と電池B群に属する電池とが
千鳥状に配置されているが、必ずしもこれに限られるも
のではなく、電池A群、電池B群に属するそれぞれの電
池が互いに隣接するように配置されるものであればよ
い。 【0011】以上のような構成において、例えば、電池
A群を充電用、電池B群を放電用として電気自動車等に
使用する場合、充電用である電池A群は充電状態(SO
C)が20%〜80%の範囲で使用され、放電用である
電池B群はSOC80%〜20%の範囲で使用される。
これにより、例えば電気自動車等においてブレーキ時の
回生エネルギを回収する際に、常に回収先の電池群が確
保されることになり、電池のSOCが高くて回収できな
いということを防止できる。これにより、回生エネルギ
を捨てなければならない状態をなくすことができ、回生
エネルギの回収効率を向上できる。また、放電用の電池
B群には、他の発電源例えば太陽電池や燃料電池等から
充電し、放電用の電池群として常に適切なSOCを保持
することが可能である。なお、走行中に充電用の電池群
がSOC80%に到達したりあるいは放電用の電池群が
SOC20%に低下した場合には、充電用の電池A群と
放電用の電池B群とを電気的に切り替える構成としてお
けば、各電池群のSOCに応じて用途を柔軟に変更する
ことが可能となる。 【0012】電池A群、電池B群のSOCの範囲を20
〜80%とするのは、過充電、過放電を防止するためで
ある。すなわち、SOCが80%を超えた場合には、回
生エネルギが大きいときにこれを充電しきれなくなり、
あるいは無理に回収しようとして過充電となるおそれが
ある。また、SOCが20%より小さい場合には、十分
な放電能力が確保されず、無理に放電させれば過放電と
なるおそれがある。さらに、SOCを低くしすぎると、
負極側の電極材料の表面に発生しているLi2CO3等を
成分とする被膜が消失し、再度充電された時にこの被膜
が形成されるので、その分充放電効率が低下するという
問題がある。また、この場合電解液の分解を伴うためリ
チウムイオンが消費され、電池の劣化が生じるという問
題もある。以上のような理由から各電池群のSOCを2
0〜80%の範囲で管理するのが好適である。 【0013】図2には、放電用として使用される電池群
に対して急速充電を行う動作のフロー図が示される。図
2において、電池A群及び電池B群の電圧が比較され、
電圧の高い方の電池群が放電用として使用される(S
1)。なお、リチウムイオン2次電池の電池特性は、図
3に示されるように、SOCと電池の電圧との間に一定
の関係がある。すなわち、SOCの増加と共に電圧も高
くなる。従って、電池群の電圧をみることによりその電
池群のSOCを知ることができる。本実施形態におい
て、電池A群、電池B群のうち電圧の高い方を放電用の
電池群として使用するのは、その方がSOC80%まで
の充電を短時間で実施することができるからである。 【0014】S1において電池A群の電圧が高い場合に
は、電池A群を充電用の電池群として使用し、電池A群
に対して充電を行う(S2)。また、S1において電池
B群の電圧が高い場合には、電池B群に対して充電を行
う(S3)。 【0015】上記のようにして充電を行い、SOC80
%に相当する充電終止電圧に到達したか否かが判定され
(S4)、充電終止電圧に到達したところで充電動作が
終了する(S5)。 【0016】本実施形態では、電池A群、電池B群のう
ち電圧の高い方を充電して放電用に使用し、なおかつ充
電はSOC80%までであるので、急速充電動作を短時
間で終了させることができる。 【0017】図4には、本発明に係るリチウムイオン2
次電池を電気自動車に使用した場合の、始動時および走
行中における充放電動作のフローが示される。図4にお
いて、始動時に電池A群及び電池B群の電圧が比較さ
れ、電圧の高い電池群を放電用として使用する(S1
1)。 【0018】電池A群の電圧が高い場合には、電池A群
を放電用として使用し(S12)、電池A群のSOCが
20%以上であるか否かが監視される(S13)。電池
A群のSOCが20%以上である場合には、電池B群の
SOCが80%以上であるか否かが監視される(S1
4)。 【0019】S13及びS14において、電池A群のS
OCが20%より小さいかあるいは電池B群のSOCが
80%以上である場合には、電池A群、電池B群を切り
替える(S15)。これは、電池A群のSOCが20%
より低くなった場合には、放電用として十分な放電能力
が確保できず、かつ過放電のおそれがあるからである。
また、電池B群のSOCが80%以上である場合には、
回生エネルギの回収能力が十分でなく、かつ過充電とな
るおそれがあるからである。従って、いずれか一方の条
件が成立した場合には、電池A群、電池B群を切り替
え、充電用及び放電用の電池群を切り替える。 【0020】他方、S11において電池B群の電圧が高
い場合には、電池B群を放電用として使用し(S1
6)、電池B群のSOCが20%以上であるか否かが監
視される(S17)。電池B群のSOCが20%以上で
ある場合には、電池A群のSOCが80%以上であるか
否かが確認される(S18)。 【0021】電池A群を放電用として使用した場合と同
様に、S17、S18において電池B群のSOCが20
%より小さいかあるいは電池A群のSOCが80%以上
となった場合には電池A群、電池B群を切り替える(S
19)。 【0022】以上の動作により、電池A群及び電池B群
のSOCに応じて適宜これらの電池群を充電用及び放電
用として使用し、必要に応じてこれらを切り替えること
ができる。これにより、充電用、放電用として適正なS
OCの電池群が常に確保され、適正な放電能力を確保で
きるとともに、回生電力の回収先を常に確保することが
できる。 【0023】上述したように、図3には、リチウムイオ
ン2次電池の電池特性が示される。図3に示されるよう
に、リチウムイオン2次電池はSOCが0%〜80%で
充電される際に吸熱特性を示し、80%〜100%の充
電及び100%〜0%までの放電時には発熱特性を示
す。従って、図1に示されるように、電池A群、電池B
群をそれぞれ交互にかつ密着した状態で配置しておき、
これらの電池群のSOCを適切な範囲で管理することに
より、充電側の吸熱と放電側の発熱とをバランスさせる
ことができる。これにより、特に冷却装置等を設けなく
ても、電池群の温度を所定レベルに維持することが可能
となる。なお、図3からわかるように、吸熱特性と発熱
特性の境目は、SOC80%の点であるので、これから
も電池群のSOCの管理範囲を80%以下とすることは
重要な意味を有する。 【0024】図5には、図1のように配置した電池群を
使用して、ダイナミックストレス試験すなわち電気自動
車の実車走行を想定した充放電の繰り返し試験の結果が
示される。なお、図5においては、放電側の電池群の電
圧のみが示されているが、充電側の電池も同時に動作さ
せている。 【0025】図5からわかるように、電池群全体の温度
は、おおよそ22℃〜23℃の範囲に保たれている。従
って、図1に示されるような構成によって電池A群、電
池B群を配置しておけば、冷却装置が必要なくなるとい
うことがわかる。これにより、例えば電池間に放熱用の
隙間を設ける必要等がなくなるので、電池をコンパクト
に設計することができる。 【0026】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電池群の充放電の切り替えタイミングを最適化すること
ができ、放電用電池のSOC及び充電用電池のSOCを
それぞれ適切な範囲に維持することができる。この結
果、回生エネルギを無駄にすることがなくなる。また、
充電用電池群と放電用電池群の吸熱特性及び発熱特性を
組み合わせることにより、冷却装置を設けなくても電池
群の温度調整をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明に係るリチウムイオン2次電池の構成
例を示す図である。 【図2】 本発明に係るリチウムイオン2次電池の放電
用の電池群を急速充電する動作のフロー図である。 【図3】 リチウムイオン2次電池の電池特性を示す図
である。 【図4】 本発明に係るリチウムイオン2次電池の通常
使用時における充放電動作のフロー図である。 【図5】 図1に示された実施形態の充放電動作時の電
池群の温度を示す図である。 【図6】 従来におけるニッケル−水素蓄電池の出力密
度とSOCとの関係を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/42 - 10/50 H01M 2/10 H02J 7/00 - 7/12 B60L 11/18 B60R 16/04

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 充電用として使用される電池群と、放電
    用として使用される電池群とを含み、これらの電池群の
    電池の充電状態が所定範囲を外れた場合に、充電用の電
    池群と放電用の電池群とを切り替えるリチウムイオン2
    次電池であって、 前記充電用の電池群と放電用の電池群とが交互に配列さ
    れていることを特徴とするリチウムイオン2次電池。
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