JP4089157B2

JP4089157B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP4089157B2
Application number: JP2000400268A
Authority: JP
Inventors: 晃二東本; 智博井口; 健介弘中
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002199601A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源システムに係り、特に、直列に接続された複数の二次電池と、該二次電池を１セルずつ制御するセルコントロール回路と、を備えた電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二次電池のみを動力源とする電気自動車、二次電池と内燃機関とを組み合わせたハイブリット自動車、ロードレベリングシステム等の研究、開発が盛んに行われている。このような自動車やシステムには、例えば、マンガン酸リチウム等のリチウムと、豊富で安価なマンガンとを含む複酸化物を正極活物質とする二次電池を多数個接続した電源システムが用いられている。
【０００３】
自動車等を駆動させるには、電源システムとして通常高電圧が必要なため、二次電池を数十個から数百個直列に接続して１モジュールとしている。しかし、電源システム中の二次電池が他の二次電池の電池特性と異なると、その電池特性の異なった二次電池が律速になり、電源システムの特性が低下する。このため、電源システムでは、電池特性の良く似た二次電池を選別して使用したり、電池電圧の監視及び／又は容量を調整するセルコントロールを各二次電池毎に取り付けて制御、保護している。特に、リチウム二次電池では、電圧低下速度が放置等の寿命に影響するので、同じ電圧低下速度の電池を選別し、かつ、セルコントロール等で各二次電池の電池電圧を監視し、各二次電池の容量調整を行って電池電圧が同電圧となるように補正している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二次電池を複数以上直列に接続する場合に、各二次電池の電圧低下速度が大きく異なるときは、電圧バラツキが大きくなり長期放置すると電源システムとして効率よく作動せず、場合によっては特定の二次電池のみが過酷に使用されて発熱したり、当該二次電池の電池寿命ひいては電源システム全体の寿命を短縮させてしまう、という問題がある。この問題を解消するために、一般に電源システムでは電圧低下率、すなわち、内部抵抗のバラツキよって生じる電圧低下速度がほぼ同じ二次電池を選別して使用している。しかし、単に二次電池を選別して使用するのみでは、二次電池の生産上での歩留まりが低下する、という問題を生じる。
【０００５】
本発明は上記事案に鑑みてなされたものであり、放置寿命が長く、かつ、構成する二次電池の歩留まりを向上させることができる電源システムを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、直列に接続された複数の二次電池と、該二次電池を１セルずつ制御するセルコントロール回路と、とを備えた電源システムにおいて、電圧低下率が大きい二次電池は暗電流が小さいセルコントロール回路に接続され、電圧低下率が小さい二次電池は暗電流が大きいセルコントロール回路に接続されていることにより、二次電池の電圧低下率とセルコントロール回路の暗電流による二次電池の電圧低下率とを加算した総電圧低下率のバラツキを各二次電池間で小さくしたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、電圧低下率が大きい二次電池は暗電流が小さいセルコントロール回路に接続し、電圧低下率が小さい二次電池は暗電流が大きいセルコントロール回路に接続することにより、二次電池の電圧低下率とセルコントローラ回路の暗電流による二次電池の電圧低下率とを加算した総電圧低下率のバラツキを各二次電池間で小さくすることができるので、すなわち、電圧低下率をセルコントローラ回路の暗電流による電圧低下率で吸収して各二次電池間の電圧低下率のバラツキを小さくすることができるので、電源システムの放置寿命を長く維持することができると共に、二次電池の歩留まりを向上させることができる。このような電源システムは、二次電池毎に保護制御が必要なリチウム二次電池に好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明が適用される電池モジュールの実施の形態について説明する。なお、本実施形態では、二次電池としての密閉円筒形リチウムイオン二次電池を４８個（本）直列に接続した電池モジュールについて例示する。
【０００９】
（リチウムイオン二次電池の作製）
正極活物質としてマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）粉末８０重量％（以下、ｗｔ％と表記する。）と、導電剤として炭素粉末１５ｗｔ％と、結着剤（バインダ）としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと表記する。）５ｗｔ％と、をＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと表記する。）で溶解し、混練して、スラリ（合剤溶液）を作製した。
【００１０】
図１（Ａ）及び図２に示すように、得られた合剤溶液を、コンマロールを用いてアルミニウム箔３（正極集電体）に塗布し、乾燥させて、正極活物質層とした。電極として必要な長さを連続的に塗工し、アルミニウム箔３に塗布しない未塗工部を表裏一致するように３０ｍｍ残した。次に、この反対側の正極活物質層をカットして正極活物質層１の必要幅を確保した。そして、３０ｍｍ残したアルミニウム箔３側を打ち抜きで切り取り、正極タブ端子８を形成した。この極板を８０°Ｃ〜１２０°Ｃに加熱したロールを有するロールプレス機にて、プレス圧（線圧）０．２〜０．５ｋｇ／ｃｍで２．７ｇ／ｃｍ^３となるまで圧縮して帯状の正極フープを作製した。
【００１１】
次に、負極活物質にリチウムイオンを挿入、脱挿入可能な非晶質炭素粉末を用い、炭素粉末９０ｗｔ％とＰＶＤＦ１０ｗｔ％との混合物にＮＭＰを加え、混練してスラリを得た。このスラリを負極集電体となる銅箔４に塗布し、乾燥させて、負極活物質層とした。図１（Ｂ）及び図２に示すように、正極と同様に、電池電極として必要な長さを連続に塗工し、カットして負極活物質層２の必要幅を確保し、打ち抜きにより負極タブ端子９を形成した。この極板を８０°Ｃ〜１２０°Ｃに加熱したロールを有するロールプレス機にて、プレス圧（線圧）０．２〜０．５ｋｇ／ｃｍで１．０ｇ／ｃｍ^３となるまで圧縮して帯状の負極フープを作製した。
【００１２】
図２に示すように、作製した帯状の正極フープと負極フープとを、正極タブ端子８及び負極タブ端子９が上下方向反対側となるように配置して、帯状のセパレータ５を介して重ねて捲回し、必要な極板長さで正、負極フープを切断した。セパレータ５には、ポリエチレンの微孔多孔性シートを用いた。
【００１３】
また、捲回電極体の正極タブ端子８を正極集電リング１１の周縁に、負極タブ端子９を負極集電リング１２の周縁にそれぞれ抵抗溶接した。正極リード板をそれぞれ正極集電リング１１、電池蓋７に溶接して接続し、負極集電リング１２を支持する断面逆ハット状の導体リングのハット先端部を電池缶６の底面に接合した。エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とを体積比で１：２に混合した溶液に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットル溶解した電解液を注入後、ガスケット１０を介して電池缶６の開口部を電池蓋７で封口して密閉円筒形リチウムイオン二次電池２０を組み立てた。そして、所定電圧及び電流で初充電を行うことにより、リチウムイオン二次電池２０に電池としての機能を付与した。
【００１４】
（セルコントロールの作製）
図３に示すように、本実施形態のセルコントロールは、８直列のリチウムイオン二次電池２０が各々分圧され（分圧１〜分圧８）、各電圧が差動増幅（差動増幅１〜差動増幅８）により分圧比分を増幅して、各電池の検出電圧を得ている。このように分圧を行うのは、８直列ともなるとリチウムイオン二次電池では、電圧が最大３５Ｖ程度まで昇圧されるので、一般に使用される廉価な差動増幅器の耐電圧を越えてしまうため、耐電圧の範囲で差動増幅器を使用するためである。
【００１５】
図４に示すように、各リチウムイオン二次電池２０に対する分圧及び差動増幅の具体的なセルコントロール回路は、４本の分圧抵抗Ｒ１〜Ｒ４、２個の差動増幅器ＩＣ１、ＩＣ２及び差動増幅器ＩＣ１、ＩＣ２に分圧比分を増幅させる４本の抵抗Ｒ５〜Ｒ８で構成されている。この回路で各抵抗の抵抗値の関係は、Ｒ１＝Ｒ３、Ｒ２＝Ｒ４、Ｒ６＝Ｒ７、Ｒ５＝Ｒ８である。ここで、グランド（ＧＮＤ）に対する電圧検出対象電池のプラス端子電圧をＶｐ、マイナス端子電圧をＶｍ、検出電圧（各電池の電圧出力）をＶｏｕｔ、演算増幅器のオフセット電圧をＶｏｆｆとすると、検出電圧Ｖｏｕｔは次式（１）で表すことができる。なお、使用した演算増幅器ＩＣ１、ＩＣ２のオフセット電圧は±１．８Ｖである。
【００１６】
【数１】

【００１７】
図５に示すように、図４に示した抵抗Ｒ１〜Ｒ８及び差動増幅器ＩＣ１、ＩＣ２で構成されるセルコントロール回路の直流抵抗をＲｔ、直流抵抗Ｒｔに流れる暗電流をｉとすると、電池１に流れる暗電流ｉｂ１はｉ１、電池２に流れる暗電流ｉｂ２は（ｉ１＋ｉ２）、同様に、電池７に流れる暗電流ｉｂ７は（ｉ１＋ｉ２＋・・・＋ｉ７）、電池８に流れる暗電流ｉｂ８は（ｉ１＋ｉ２＋・・・＋ｉ８）となる。従って、各電池に流れる暗電流の大きさは異なっており、電池１は暗電流の回路が一つのため電流値が最も小さく、電池の番号が大きくなるにつれて暗電流の流れる回路が増えていくために、電池８では暗電流が最も大きくなる。本例のセルコントロールでは、電池1には６０μＡの暗電流が流れ、電池の番号が大きくなるにつれて暗電流が比例的に増加し、電池８には２７０μＡの暗電流が流れる。
【００１８】
（電池モジュールの組立）
上述したリチウムイオン二次電池２０（以下、セルと略称する。）を４８セル直列に接続し、８セル毎に上記セルコントロール回路３１〜３８（以下、これらセルコントロール回路３１〜３８を総称してセルコントロールという。）を取り付けた。このとき、各８セルにおいて電圧低下率の大きい順に並び換え、セルコントロールに電圧低下率の大きい順に取り付けた。すなわち、８セルのうち最も電圧低下率が大きいセルをセルコントロール回路３１に、次に電圧低下率の大きいセルをセルコントロール回路３２に、という順で、最も電圧低下率の小さいセルをセルコントロール回路３８に接続した。
【００１９】
図６に示すように、電池モジュール１００は、各セルのプラス側にスイッチＳＷの一端が接続されており、スイッチＳＷの他端には各セルの容量を調整するための容量調整用抵抗Ｒの一端が接続されている。容量調整用抵抗Ｒの他端は各セルのマイナス側に接続されている。従って、容量調整用抵抗ＲはスイッチＳＷを介して各セルに並列に接続されている。なお、各セルに並列接続されたスイッチＳＷ、セルコントロール回路３１・・・３８はそれぞれ同一回路構成であり、電池モジュール１００は、図３及び図５に示したセルコントロールを全部で６セット有している。
【００２０】
また、電池モジュール１００は、電池モジュール１００全体を制御するマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）４０を備えている。マイコン４０は、演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び種々の設定値等を格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ、６セットのセルコントロール回路３１〜３８からの検出電圧をＡ／Ｄ変換するＡＤ変換器及び外部との入出力信号のポートとなる入出力インターフェース等を含んで構成されている。
【００２１】
上述したセルコントロール回路３１〜３８はマイコン４０のＡＤ変換入力ポートに接続されている。従って、セルコントロール回路３１〜３８は並列に接続された各セルの両端電圧をマイコン４０に出力し、マイコン４０は入力された各セルの両端電圧をＡＤ変換して各セルの電圧を取り込むことが可能である。また、各スイッチＳＷはマイコン４０の出力ポートに接続されている。マイコン４０から微弱電流の２値ハイレベル信号が出力されたスイッチＳＷはオン状態となり、２値ローレベル信号が出力されたスイッチＳＷはオフ状態となる。従って、各セル間に一定以上の電圧差が生じたときに、各セルの電圧差を小さくするようにスイッチＳＷをオン状態として各セルの電圧のバラツキを小さくすることができる。このような容量調整は、充放電中や充放電休止中に行うことができる。
【００２２】
更に、電池モジュール１００は、４８直列された組電池の充電、放電及び休止状態を検出してマイコン４０に出力する充放電判別部５０を備えている。充放電判別部５０はマイコン４０に接続されており、例えば、シャント（分路）抵抗により組電池を流れる電流方向を検出して、組電池が充電、放電、休止のいずれの状態にあるかをマイコン４０へ出力する。組電池の最上位セル側は充放電判別部５０を介して電池モジュール１００のプラス端子に接続されており、組電池の最下位セル側は電池モジュール１００のマイナス端子に接続されている。これらの端子は充電器又は負荷に接続される。
【００２３】
次に、本実施形態の電池モジュール１００の作用について説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池２０は初充電後２０日程度開放状態で放置すると、電圧低下率が主に２〜５ｍＶ／ｄａｙの範囲のバラツキが生じる。また、電池からセルコントロール回路に暗電流が流れると、電池１の回路では暗電流６０μＡで０．５ｍＶ／ｄａｙの電圧低下を、また電池の番号が大きくなるにつれて暗電流も大きくなり電池８の回路では暗電流２７０μＡで２．５ｍＶ／ｄａｙの電圧低下を起こす。このため、電池1の回路には電圧低下率が４ｍＶ／ｄａｙ付近の電池を接続し、電池８の回路では２ｍＶ／ｄａｙ付近の電池を接続する。これにより、電池自体の内部抵抗による電圧低下とセルコントロールの暗電流による電圧低下とをあわせた電圧低下率が４〜５ｍＶ／ｄａｙとなるので、各リチウムイオン二次電池の電池電圧のバラツキ幅を２ｍＶ／ｄａｙ以下にすることができる。
【００２４】
一方、本実施形態の電池モジュールのように各リチウムイオン二次電池の電圧低下率とセルコントロールの暗電流の組み合わせをせずに、従来のように、単にセルコントロールに電池を取り付けた場合には、電池モジュール中の電圧低下のバラツキが最大で４ｍＶ／ｄａｙとなる。
【００２５】
モジュール中の電圧バラツキ幅が２００ｍＶ以上となったときに、電池モジュールとして放置寿命であるとの基準を設け、放置寿命として１００日を基準にすると、従来のように、セルコントローラと二次電池との組み合わせを考慮しない場合には、電圧低下率のバラツキが極めて小さい電池を選別する必要がある。このような選別を行うと、二次電池の歩留まりは３０％になってしまう。
【００２６】
これに対して、本実施形態の電池モジュールのように二次電池の電圧低下率とセルコントローラの暗電流とを組み合わせると、電圧低下率のバラツキを吸収することができるので、選別による電池の歩留まりが９８％となる。従って、本実施形態の電池モジュールでは、放置寿命を確保することができ、かつ、二次電池の歩留まりを向上させることができる。特に、本実施形態のように、使用される二次電池がリチウム二次電池の場合には、各二次電池間に電圧のバラツキが生じると、特定の律速となった二次電池が高温となり、安全性の面でも考慮するべき事態となるので、各二次電池間のバラツキを吸収可能な電池モジュールは、寿命、歩留まりのみならず、安全面でも信頼性を高めることが可能となる。
【００２７】
なお、本実施形態では１個のマイコン４０のみを使用した例を示したが、例えば、８個のセルコントロール毎にマイコンで制御し、各マイコンを上位マイコンで全体制御するようにしてもよい。この場合に、マイコン及び上位マイコン間を通信（対話）により情報をやりとりするようにすれば、全体の配線の長さを短くすることができ、ノイズを拾うことも少なくなると共に、配線数も少なくすることができる。また、本実施形態では、セルコントロール回路を４８個のセルすべてに接続する例を示したが、スイッチ等により切り換えて、例えば、セル８個単位に順次電圧を検出（監視）するようにしてもよい。更に、本実施形態ではセルコントロールをセル８個単位とした例を示したが、本発明はこれに限られるものではない。
【００２８】
また、本実施形態では、各リチウムイオン二次電池の電圧を検出して、電池間に所定以上の電圧差が生じたときに容量調整を行う監視及び容量調整を例示したが、本発明はこれに限らず、各二次電池を個別に制御し、暗電流が流れる制御回路一般に適用することが可能である。
【００２９】
更に、本実施形態では、マンガン酸リチウムをリチウムマンガン複酸化物として使用した例を示したが、マンガン酸リチウムのほかにＬｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｎ、Ｂ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種類以上の金属でマンガンサイト又はリチウムサイトを置換したリチウムマンガン複合酸化物を用いるようにしてもよい。また、本実施形態では、プレス工程で加熱処理を行う処理方法についてロールを用いて加熱する例を示したが、活物質のバインダを溶融固化することができれば他の方法により加熱するようにしてもよい。
【００３０】
また、本実施形態では、電解液にＥＣとＤＭＣとを混合した溶液にＬｉＰＦ_６で溶解したものを例示したが、他に、電解液の有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ジエタルカーボネート、γ−ブチルラクトン、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、スルホラン、アセトニトリル等の単独もしくはこれらのうち二種類以上の混合溶媒を使用することができ、電解質も、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＬｉＡｓＦ_６等を使用することができる。
【００３１】
更に、炭素材料としては、ピッチコークス、石油コークス、黒鉛、炭素繊維、活性炭等や又はこれらの混合物を使用してもよい。更に、バインダとしては、他にイソブチルアクリルレート、オクチルアクリレート、ノニルアクリレート、ブチルメタクリレート及び２−エチルヘキシルメタクリレート等のアクリル酸及び／又はメタクリル酸のＣ４〜Ｃ１２アルキルエステルとメタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸やアクリルアミド及びメタクリルアミド等のポリアクリル酸等のカルホギシル基又はアミド基の官能基を有する不飽和単量体との共重合体やホリアミドやポリアミドイミドやポリアミドビスマレイミドやポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルなどを挙げることができ、これら単独のほか併用して使用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電圧低下率が大きい二次電池は暗電流が小さいセルコントロール回路に接続し、電圧低下率が小さい二次電池は暗電流が大きいセルコントロール回路に接続することにより、電圧低下率をセルコントローラ回路の暗電流による電圧低下率で吸収して各二次電池間の電圧低下率のバラツキを小さくすることができるので、電源システムの放置寿命を長く維持することができると共に、二次電池の歩留まりを向上させることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電池モジュールに使用される密閉円筒形リチウムイオン二次電池の極板フープの平面図であり、（Ａ）は正極フープ、（Ｂ）は負極フープを示す。
【図２】実施形態の電池モジュールに使用される密閉円筒形リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図３】実施形態の電池モジュールのセルコントロールのブロック図である。
【図４】実施形態の電池モジュールのセルコントロール回路の回路図である。
【図５】実施形態の電池モジュールのセルコントロールの等価直流抵抗、及び、該等価直流抵抗、各二次電池を流れる暗電流を示す等価回路図である。
【図６】実施形態の電池モジュールのブロック図である。
【符号の説明】
３１、３２、・・・、３８セルコントロール
４０マイコン
１００電池モジュール（電源システム）

Claims

直列に接続された複数の二次電池と、該二次電池を１セルずつ制御するセルコントロール回路と、を備えた電源システムにおいて、電圧低下率が大きい二次電池は暗電流が小さいセルコントロール回路に接続され、前記電圧低下率が小さい二次電池は暗電流が大きいセルコントロール回路に接続されていることにより、二次電池の電圧低下率とセルコントロール回路の暗電流による二次電池の電圧低下率とを加算した総電圧低下率のバラツキを各二次電池間で小さくしたことを特徴とする電源システム。
前記二次電池がリチウム二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。