JP4915480B2 - リチウムイオン二次電池の充電保持方法、電池システム、車両及び電池搭載機器 - Google Patents

リチウムイオン二次電池の充電保持方法、電池システム、車両及び電池搭載機器 Download PDF

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Description

本発明は、二相共存型の正極活物質を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池の充電保持方法、このようなリチウムイオン二次電池を備える電池システム、この電池システムを搭載した車両及び電池搭載機器に関する。
近年、携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカムコーダなどのポータブル電子機器やハイブリッド電気自動車等の車両の普及により、これらの駆動用電源に用いられるリチウムイオン二次電池(以下、単に電池ともいう)の需要は増大している。
このような電池のうち、LiFePO4など、二相共存型の正極活物質を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池が種々提案されている(特許文献1,2参照)。
特開2006−012613号公報 特開2002−280080号公報
なお、この二相共存型の正極活物質とは、例えば、LiFePO4など、Liイオンが挿入されたLiを含む化合物であって、これを第一相とし、充電により、この第一相の化合物からLiイオンを放出(脱離)させた場合に残る化合物(例えば、FePO4)を第二相としたとき、これら第一相及び第二相が、1つの正極活物質粒子内で安定して共存可能な性質を有する物質である。
この二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子は、電池が完全放電の状態では、全体が第一相となり、逆に満充電の状態では、全体が第二相となる。また、電池を充電すると、正極活物質粒子は、その径方向外側からLiイオンを放出して、徐々に第一相から第二相に相転移するため、充電途中では、正極活物質粒子のうち、少なくとも外周部は、第二相となっている。また逆に、電池を放電させると、正極活物質粒子の径方向外側からLiイオンが挿入されて、徐々に第二相から第一相に相転移を起こすため、放電途中では、正極活物質粒子のうち少なくとも外周部は、第一相になっている。
ところで、本発明者らの研究によれば、二相共存型の正極活物質を正電極板に用いた電池において、充電した後に、その充電状態(SOC)を保持したままとすると、電池の容量の低下が生じやすいことが判ってきた。その原因としては、正極活物質が第二相の状態になっていると、化合物中の金属イオン(例えば、FePO4のFe)が電解液中に溶出してしまう場合があり、この溶出により正極活物質(例えば、FePO4、及び、これにLiを挿入してできるLiFePO4)の量が減少する、或いは溶出した金属イオンにより正極又は負極の劣化が引き起こされるためであると考えられた。従って、電池を充電して、この電池の正極活物質粒子の外周部が第二相となった状態で長時間、電解液中に保持しておくと、金属イオンの溶出により、電池の容量低下が進行する虞がある。
一方で、正極活物質が第一相の状態となっている場合には、これに含まれる金属イオンが電解液中に溶出し難いことも判ってきた。
本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであって、電池の容量低下を抑制できるリチウムイオン二次電池の充電保持方法を提供することを目的とする。さらには、電池の容量低下を抑制可能な電池システム、この電池システムを搭載した車両及び電池搭載機器を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池を、充電して保持するリチウムイオン二次電池の充電保持方法であって、上記リチウムイオン二次電池を充電して、そのSOC(充電状態)を、100%以下で目標SOCよりも高い超過SOCにする超過充電ステップと、上記超過充電ステップの後に、上記リチウムイオン二次電池を放電させて、そのSOCを上記目標SOCにする戻し放電ステップと、上記リチウムイオン二次電池のSOCを上記目標SOCに保持する保持ステップと、を備えるリチウムイオン二次電池の充電保持方法である。
上述の電池の充電保持方法では、電池を充電して、一旦、超過SOCとするので、この状態では、正極活物質粒子の外周には、第二相が形成された状態となっている。しかしながら、さらにその後に、戻し放電ステップで放電して、電池のSOCを目標SOCにする。この状態では、正極活物質粒子は、その最外周に、電解液中に溶出し難い第一相からなる層が形成された状態となっている。かくして、正極活物質粒子(第二相)からの金属イオンの溶出を防止し、電池の容量低下を抑制した電池の充電保持方法とすることができる。
なお、前述したように、この二相共存型の正極活物質とは、LiFePO4など、Liイオンが挿入されたLiを含む化合物であって、これを第一相とし、充電により、この第一相の化合物からLiイオンを放出させた場合に残る化合物(例えば、FePO4)を第二相としたとき、これら第一相及び第二相が、1つの正極活物質粒子内で安定して共存可能な性質を有する物質である。
また、二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子は、前述した性質を有している。即ち、電池が完全放電の状態では、全体が第一相となり、逆に、満充電の状態では、全体が第二相となる。また、電池を充電すると、正極活物質粒子は、その径方向外側からLiイオンが放出して、徐々に第一相から第二相に相転移を起こすため、充電途中では、正極活物質粒子のうち少なくとも外周部は、第二相となる。また逆に、電池を放電させると、正極活物質粒子の径方向外側からLiイオンが挿入されて、徐々に第二相から第一相に相転移を起こすため、放電途中では、正極活物質粒子のうち少なくとも外周部は第一相となる。
さらに、上述のリチウムイオン二次電池の充電保持方法であって、前記超過充電ステップにおいて、前記超過SOCを、前記目標SOCよりも2%以上大きくするリチウムイオン二次電池の充電保持方法とすると良い。
発明者らの研究により、戻し放電ステップで、SOC差2%分以上の放電を行えば、電池の容量低下を確実に抑制できることが判ってきた。この放電により、各々の正極活物質粒子の最外周に、第一相からなる層を確実に形成できるためであると考えられる。
この知見に基づいて、上述のリチウムイオン二次電池の充電保持方法では、超過充電ステップにおいて、超過SOCを、目標SOCよりも2%以上大きくしている。これにより、この電池の容量低下を確実に抑制することができる。
さらに、上述のいずれかのリチウムイオン二次電池の充電保持方法であって、前記リチウムイオン二次電池を、現在のSOCよりも高い前記目標SOCで、1時間以上保持することが見込まれるか否かを予測する保持予測ステップと、上記保持予測ステップにおいて、上記目標SOCで1時間以上保持することが見込まれた場合に、前記超過充電ステップ、前記戻し放電ステップ、及び、前記保持ステップの実行を選択する選択ステップと、を備えるリチウムイオン二次電池の充電保持方法とすると良い。
上述のリチウムイオン二次電池の充電保持方法では、上述の保持予測ステップと選択ステップとを備える。このため、電池の容量低下が生じやすい、充電後に1時間以上の長時間にわたって電池を保持する場合でも、電池の容量低下を確実に抑制することができる。
或いは、本発明の他の態様は、二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池と、上記リチウムイオン二次電池の充放電を制御する充放電制御手段と、を備える電池システムであって、上記充放電制御手段は、上記リチウムイオン二次電池を充電して、そのSOC(充電状態)を、100%以下で目標SOCよりも高い超過SOCにする超過充電手段と、上記超過充電手段の後に、上記リチウムイオン二次電池を放電させて、そのSOCを上記目標SOCにする戻し放電手段と、上記リチウムイオン二次電池のSOCを上記目標SOCに保持する保持手段と、を含む電池システムである。
上述の電池システムでは、充放電制御手段は、上述の超過充電手段、戻し放電手段、保持手段を含む。そのため、電池を充電した後に保持するにあたり、電池のSOCを一旦、超過SOCとした後に、この電池を放電させて、電池のSOCを目標SOCにした後に、電池を保持する。電池をこのようにして充電した場合、正極活物質粒子の最外周には、電解液中に金属イオンが溶出し難い第一相からなる層が形成される。かくして、電池を充電して保持するにあたり、正極活物質粒子(第二相)からの金属イオンの溶出を防止し、電池の容量低下を抑制可能とすることができる。
さらに、上述の電池システムであって、前記超過充電手段は、前記超過SOCを、前記目標SOCよりも2%以上大きくする電池システムとすると良い。
発明者らの研究により、戻し放電ステップで、SOC差2%分以上の放電を行えば、電池の容量低下を確実に抑制できることが判ってきた。この放電により、各々の正極活物質粒子の最外周に、第一相からなる層を確実に形成できるためであると考えられる。
この知見に基づいて、上述の電池システムでは、超過充電手段は、超過SOCを、目標SOCよりも2%以上大きくする。これにより、この電池の容量低下を確実に抑制することができる。
さらに、上述のいずれかの電池システムであって、前記充放電制御手段は、前記リチウムイオン二次電池を、現在のSOCよりも高い前記目標SOCで、1時間以上保持することが見込まれるか否かを予測する保持予測手段と、上記保持予測手段において、上記目標SOCで1時間以上保持することが見込まれた場合に、前記超過充電手段、前記戻し放電手段、及び、前記保持手段の実行を選択する選択手段と、を含む電池システムとすると良い。
上述の電池システムでは、充放電制御手段は、上述の保持予測手段と選択手段とを含む。このため、電池を充電後に、1時間以上の長時間にわたって保持する場合に、電池の容量低下が生じやすい電池の容量低下を確実に抑制することができる。
或いは、本発明の他の態様は、前述のいずれかの電池システムを搭載した外部充電可能型の車両である。
上述の車両では、前述の電池システムを搭載しているので、電池の容量低下を確実に抑制した車両とすることができる。
なお、外部充電可能型の車両としては、例えば、自身の外部に設置された家庭用電源のコンセントにプラグを差し込んで二次電池を充電するプラグインハイブリッド電気自動車、及び、プラグイン電気自動車の他に、外部に設置された急速充電器(外部電源装置)を用いて充電する電気自動車等が挙げられる。
或いは、本発明の他の態様は、前述のいずれかの電池システムを搭載した電池搭載機器である。
上述の電池搭載機器では、前述の電池システムを搭載しているので、電池の容量低下を確実に抑制した電池搭載機器とすることができる。
なお、電池搭載機器としては、電池を搭載しこれをエネルギー源の少なくとも1つとして利用する機器であれば良く、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話、電池駆動の電動工具、無停電電源装置など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器が挙げられる。
或いは、本発明の他の態様は、Liイオンが挿入された第一相とLiイオンが脱離した第二相とが共存しうる、二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池と、上記リチウムイオン二次電池の充放電を制御する充放電制御手段と、を備える電池システムであって、上記リチウムイオン二次電池を、目標SOCで、1時間以上保持することが見込まれるか否かを予測するSOC保持予測手段と、上記SOC保持予測手段で、1時間以上保持することが見込まれる場合に、上記リチウムイオン二次電池のSOCを、上記目標SOCとすると共に、上記正極活物質粒子の最外周を、上記第一相とする第一相化手段と、上記リチウムイオン二次電池の上記SOCを上記目標SOCに保持する保持手段と、を備える電池システムである。
上述の電池システムでは、上述のSOC保持予測手段と、このSOC保持予測手段で、1時間以上保持することが見込まれる場合に、電池のSOCを、目標SOCとし、かつ、正極活物質粒子の最外周を、第一相とする第一相化手段と、電池のSOCを目標SOCに保持に保持する保持手段とを備える。このため、電池を目標SOCで保持するにあたり、正極活物質粒子(第二相)から金属イオンが電解液中に溶出するのを防止して、電池の容量低下を適切に抑制することができる。
実施形態1,3にかかる車両の斜視図である。 実施形態1,3の次回使用時期設定機の斜視図である。 実施形態1,2,3の電池の透過斜視図である。 実施形態1,2,3の正電極板の斜視図である。 実施形態1,2,3の正電極板の部分拡大端面図(図4のA部)である。 実施形態1,2,3の正極活物質粒子の説明図であり、(a)は電池が完全放電の状態、(b)は電池を充電している途中の状態である。 実施形態1,2,3の正極活物質粒子の説明図であり、(a)は電池が満充電の状態、(b)は電池を放電させている途中の状態である。 実施形態1の電池の充電保持方法のフローチャートである。 実施形態1,2,3の正極活物質粒子の説明図であり、(a)は電池が超過充電状態、(b)は電池が目標充電状態である。 実施形態2にかかるノートPCの斜視図である。 実施形態2の電池の充電保持方法のフローチャートである。 実施形態3の電池のフローチャートである。 実施形態3の電池のフローチャートである。 実施形態3の電池のフローチャートである。
(実施形態1)
次に、本発明の実施形態1について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態1にかかる車両1について説明する。図1に車両1の斜視図を示す。
この車両1は、組電池10をなす、複数のリチウムイオン二次電池101(以下、電池101とも言う)、プラグインハイブリッド自動車制御装置(以下、PHV制御装置とも言う)20、及び、運転手が次回、この車両1の使用を開始する時期を設定可能な次回使用時期設定機30を有する。また、これらの他に、フロントモータ41、リアモータ42、エンジン50、ケーブル60、インバータ71、コンバータ72、車体90、及び、プラグ81Pを先端に配置したプラグ付ケーブル81を有するプラグインハイブリッド電気自動車である。
なお、この車両1は、上述の組電池10、PHV制御装置20、次回使用時期設定機30、コンバータ72及びプラグ付ケーブル81(プラグ81P)で構成する電池システムM1を搭載している。
この車両1は、車両の作動中においては、電気自動車と同様にして、フロントモータ41及びリアモータ42を用いて走行することができるほか、ハイブリッド電気自動車と同様にして、エンジン50、フロントモータ41及びリアモータ42を併用して走行することができる。一方、車両1の作動を終了した後には、電池システムM1を用いて、電気自動車と同様にして、車両1の外部に設置した外部電源XVに、プラグ付ケーブル81のプラグ81Pを挿入して、組電池10中の複数の電池101,101に充電することができる。
車両1のPHV制御装置20は、図示しないCPU、ROM及びRAMを有し、所定のプログラムによって作動するマイクロコンピュータを含んでいる。そして、このPHV制御装置20は、次回使用時期設定機30、フロントモータ41、リアモータ42、エンジン50、インバータ71及びコンバータ72とそれぞれ通信可能となっており、各部の状況に応じて様々な制御を行う。例えば、プラグ付ケーブル81(プラグ81P)を通じて、外部電源XVから組電池10(電池101)に充電する場合の充電制御や、組電池10(電池101)を放電させる場合の放電制御を行う。
また、矩形箱形の次回使用時期設定機30は、図2に示すように、その側面の1つをなすパネル部32に、複数の配列したボタンを含む操作ボタン部36、現在の時刻を表示する現在時刻表示部33、及び、次回の使用開始時刻を表示する次回使用時刻表示部34を有する。また、自身の外部に延び、PHV制御装置20と接続する接続ケーブル31の他に、次回使用時期設定機30の動作用電源としての内蔵電池(図示しない)を有する。なお、パネル部32は車両1の車室内に露出しており、使用者(例えば、運転手等)がこの次回使用時期設定機30の操作や表示確認を容易に行うことができる。
このうち、現在時刻表示部33は、次回使用時期設定機30内に含む、図示しない内蔵時計の現時刻CL0(年(西暦),月,日,時,分)を表示する。
また、次回使用時刻表示部34は、運転手が操作ボタン部36を用いて入力し設定した、車両1を次回に使用する次回使用時刻CL1(年(西暦),月,日,時,分)を表示する。
また、組電池10は、その内部に、後述する正電極板130を発電要素120に用いた捲回形の電池101を100個収容している。この電池101は、図3に示すように、発電要素120及び電解液160を矩形箱状の電池ケース110に収容している。
なお、この電池ケース110のうち、図3中、上方を向くケース表面112aから、正電極板130と接続する正極集電部材171の先端の正極端子部171Aが、図3中、上方に突出している。また、負電極板140と接続する負極集電部材172の先端の負極端子部172Aが、図3中、上方に突出している。このため、電池101では、これら正極端子部171A及び負極端子部172Aを通じて、発電要素120に電気エネルギを出し入れできる。
また、電池ケース110と、正極端子部171A及び負極端子部172Aとの間には、それぞれ樹脂製の絶縁部材175が介在して、両者を絶縁している。また、矩形板状の安全弁177がケース表面112a側に封着されている。
また、電解液160は、EC(エチレンカーボネート)、EMC(エチルメチルカーボネート)及びDMC(ジメチルカーボネート)を調整した混合有機溶媒に、溶質としてLiPF6を添加した有機電解液である。
また、発電要素120は、帯状の正電極板130及び負電極板140が、多孔質のポリプロピレン/ポリエチレン複合体膜からなる帯状のセパレータ150を介して扁平形状に捲回されてなる。なお、この発電要素120の正電極板130及び負電極板140はそれぞれ、クランク状に屈曲した板状の正極集電部材171又は負極集電部材172と接合されている。
発電要素120のうち負電極板140は、銅からなる帯状の負極箔(図示しない)と、この負極箔の両主面上に積層された2つの負極活物質層(図示しない)とを有している。このうち、負極活物質層には、それぞれ図示しない天然黒鉛系炭素材料、結着剤及び増粘剤が含まれる。
また、正電極板130は、図4に示すように、アルミニウムからなる帯状の正極箔131と、この正極箔131の両主面上に積層された2つの正極活物質層132,132とを有している。このうち、正極活物質層132は、LiFePO4からなる二相共存型の正極活物質PMからなる正極活物質粒子135、ポリフッ化ビニリデンからなる結着剤137、及び、アセチレンブラックからなる導電助材138を混練し塗工したものである(図5参照)。
このうち、正極活物質粒子135について、図6,7を参照しつつ説明する。
この正極活物質粒子135は、電池101が完全放電の状態では、正極活物質粒子135全体が、Liイオンが挿入されたLiを含む化合物(本実施形態1ではLiFePO4)からなる第一相PM1となっている(図6(a)参照)。また、このような電池101を充電していくと、正極活物質粒子135では、その径方向外側からLiイオンが脱離して、徐々に第一相PM1から第二相PM2に相転移を起こす。なお、第二相PM2は、Liイオンを脱離させた場合に残る化合物(本実施形態1ではFePO4)である。
このため、充電途中では、正極活物質粒子135のうち少なくとも最外周部135Eは、第二相PM2となっている(図6(b)参照)。
逆に、電池101が満充電の状態では、正極活物質粒子135全体が、第二相PM2となっている(図7(a)参照)。また、このような電池101を放電させていくと、正極活物質粒子135は、その径方向外側からLiイオンが挿入されて、徐々に第二相PM2から第一相PM1に相転移を起こす。
このため、放電途中では、正極活物質粒子135のうち少なくとも最外周部135Eは、第1相PM1となっている(図7(b)参照)。
ところで、本発明者らの研究によれば、上述の正極活物質粒子135を正電極板130に用いた電池101において、充電した後、この電池101の充電状態(SOC)を保持したままにすると、電池101の容量の低下が生じやすいことが判ってきた。
その原因としては、正極活物質PMが第二相PM2の状態になっていると、化合物を構成する金属イオン(本実施形態1ではFe)が電解液160中に溶出してしまう場合があり、この溶出により正極活物質PMの量が減少してしまう、或いは溶出した金属イオンにより、正電極板130又は負電極板140の劣化が引き起こされるためであると考えられる。従って、電池101を充電して、上述した図6(b)のように、この電池101の正極活物質粒子135の外周部135Eが第二相PM2となった状態で、長時間にわたって電解液160中に保持しておくと、第二相PM2から金属イオンが電解液160中に溶出して、電池101の容量低下が進行してしまう。
一方で、正極活物質PMが第一相PM1の状態となっている場合には、これに含まれる金属イオンが電解液160中に溶出し難いことも判ってきた。
そこで、正極活物質粒子135を用いる電池101を目標とする目標充電状態SC3にする際には、まず目標充電状態SC3よりも高い超過充電状態SC2にまで電池101を充電して、その後、目標充電状態SC3になるよう電池101を放電させる。これにより、正極活物質粒子135の最外周部135Eに、電解液160中に溶出し難い第一相PM1からなる層が形成された状態となる。
まず、電池101(正極活物質粒子135)の特性を把握するため、充電パターンと、電池101の電池容量の低下率の関係について検証した。
まず、電池101を11個用意する(充電パターンに応じて、実施例1〜9及び比較例1,2とする)。いずれも、製造された後、未使用の電池である。
これら実施例1〜9及び比較例1,2の各電池について、容量試験を実施した。具体的には、実施例1〜9及び比較例1,2の各電池に、4.1Vまで一定の電流値(0.2C)で充電する定電流充電を行った。そして、この4.1Vに到達したら、その電圧を維持しつつ電流値を0.02Cまで徐々に小さくしながら充電する定電圧充電に切り換えて、各電池を充電した。その後、各電池を、0.2Cの電流値で3.0Vまで放電させた。
上述の充電及び放電を3回繰り返し、3回の放電時の容量の平均を、実施例1〜9及び比較例1,2の各電池の初期の電池容量とした。
次に、実施例1〜9及び比較例1,2の各電池について、45℃の環境下で30日間の保存試験を行った。
具体的には、実施例1〜9の各電池について、一旦SOCが超過充電状態SC2になるまで充電した後に、放電させてSOCを目標充電状態SC3とし、その後、室温が45℃の恒温槽(図示しない)内に収容して30日間連続して保持した。つまり、充電後に若干放電させる充電パターンで充電を行ってから各電池を保持した。
さらに具体的には、実施例1〜4の各電池では、超過充電状態SC2をそれぞれSOC91%、SOC93%、SOC95%及びSOC100%に設定した。なお、これら各電池の目標充電状態SC3は、いずれもSOC90%に設定した。
同様に、実施例5〜9の各電池では、超過充電状態SC2をそれぞれSOC81%、SOC83%、SOC85%、SOC90%及びSOC100%に設定した。なお、これら各電池の目標充電状態SC3は、SOC80%に設定した。
比較のため、充電してSOCを90%(比較例1)及び80%(比較例2)とした電池についても、同様に、充電後恒温槽内で保持した。なお、この場合、超過充電状態SC2が目標充電状態SC3と等しいと考えて表1に記載してある。
上述の保存試験の後、実施例1〜9及び比較例1,2の各電池について、保存試験前と同様の容量試験を再度実施した。そして、実施例1〜9及び比較例1,2の各電池について、保存試験後の電池容量の、初期の電池容量に対する低下率を算出した(表1参照)。
Figure 0004915480
表1から、各電池のうち、充電後に放電を行わなかった比較例1では、電池容量の低下率が20%、比較例2では、18%であったことが判る。これに対し、充電後に放電を行った実施例1〜4及び実施例5〜9では、これらよりも低下率が小さくなっている。このことから、一旦、目標充電状態SC3よりも高い超過充電状態SC2にまで充電した後に、目標充電状態SC3となるまで放電させると、電池容量の低下を抑制できることが判る。
さらに、超過充電状態SC2を目標充電状態SC3よりも3%以上大きくした実施例2〜4及び実施例6〜9の各電池では、電池容量の低下率を実施例1或いは実施例5よりも小さくできる。このことから、超過充電状態SC2を目標充電状態SC3よりも3%以上大きくすると、電池容量の低下率をさらに小さくできることが判る。
以上の結果に基づいて、本実施形態1の電池システムM1を用いた充電保持方法について、図8のフローチャートを参照しつつ説明する。
まず、車両1の作動を終了(キーオフ)させると(ステップS1)、PHV制御装置20のCPU(図示しない)は、次回使用時期設定機30を起動させる(ステップS2)。この次回使用時期設定機30の起動により、使用者(例えば、運転手等)が、車両1の次回使用時刻CL1をその次回使用時期設定機30に入力できるようになる。
ステップS3では、使用者により、次回使用時刻CL1が次回使用時期設定機30に入力されたか否かを判別する。
ここで、NO、即ち次回使用時刻CL1が次回使用時期設定機30に入力されていない場合、ステップS3を繰り返す。一方、YES、即ち次回使用時期設定機30に入力された場合には、ステップS4に進む。
ステップS4では、車両1のプラグ81Pが外部電源XVに挿入されたか否かを判別する。
ここで、NO、即ちプラグ81Pが外部電源XVに挿入されていない場合、ステップS4を繰り返す。一方、YES、即ちプラグ81Pが外部電源XVに挿入された場合には、ステップS5に進む。
次いで、ステップS5では、次回使用時刻CL1まで電池101のSOCを目標充電状態SC3(本実施形態1では、SOC90%)に保持する保持時間THを算出する。
具体的には、まず、PHV制御装置20が、現状の現充電状態SC1(例えば、SOC50%)から充電を行い、目標充電状態SC3(例えば、SOC93%)にするまでの充電時間を算出する。そして、次回使用時期設定機30の現時刻CL0から次回使用時刻CL1になるまでの時間から、上述の充電時間を引いて保持時間THを算出する。
なお、電池101のSOCは、これまでに電池101に対して行われた充電時及び放電時の電流積算値に基づいて随時算出されている。
ステップS5で算出した保持時間THが、1時間以上であるか否かを判別する(ステップS6)。
ここで、NO、即ち第1時間T1が1時間未満の場合、ステップS9に進む。一方、YES、即ち第1時間T1が1時間以上の場合には、SOCを目標充電状態SC3に保持される時間が、正極活物質PMをなす金属イオンの溶出が進行してしまう程の長時間になると考えられるので、ステップS7進む(ステップS7,S8,S10の実行を選択する)。
ステップS7では、現充電状態SC1である電池101において、SOCが超過充電状態SC2(例えば、SOC93%)になるまで電池101を充電する。具体的には、超過充電状態SC2に相当する電流積算値まで一定の電流値で充電する定電流充電を行う。
上述のようにしてSOCが所定の超過充電状態SC2になったら、外部電源XVによる充電を終了する。
続いてステップS8では、SOCが目標充電状態SC3(SOC90%)になるまで電池101を放電させる。具体的には、SOCが超過充電状態SC2にある電池101を、目標充電状態SC3に相当する電流積算値まで一定の電流値で放電させる。このときの、電池101を放電させた電荷は、外部電源XVに戻す。或いは、電装機器のメンテナンスに用いられる。
このようにして放電させた後、ステップS10に進む。
一方、ステップS9では、SOCが目標充電状態SC3になるまで電池101を充電する。具体的には、目標充電状態SC3に相当する電流積算値まで一定の電流値で充電する定電流充電を行う。
上述のようにしてSOCが目標充電状態SC3になったら、ステップS10に進む。
このステップS10では、次に使用を開始するまでSOCを目標充電状態SC3に保持する。
なお、ステップS7及びステップS8を実行した前後における、正極活物質粒子135の状態を、図9を参照して説明する。
電池101を、ステップS7で超過充電状態SC2(例えば、SOC93%)まで充電すると、正極活物質粒子135は、図9(a)に示すように、その外周部分(図9中、中心部分を除くほぼ全体)が第二相PM2となる。
さらに、ステップS8で、電池101を目標充電状態SC3(例えば、SOC90%)まで放電させると、正極活物質粒子135は、図9(b)に示すように、正極活物質粒子135の最外周部135Eにある第一相PM1と、最外周部135Eの内側にある第二相PM2とが共存した状態となる。このように、ステップS8を終えると、正極活物質粒子135の最外周部135Eが第一相PM1で構成されるので、この正極活物質粒子135を、保持時間THが1時間以上の長時間にわたって電解液160中に保持しても、第一相PM1に含まれる金属イオンが電解液160中に溶出し難い。このため、電池容量の低下を抑制できる。
なお、本実施形態1では、ステップS5が保持予測ステップに、ステップS6が選択ステップに、ステップS7が超過充電ステップに、ステップS8が放電ステップに、ステップS10が保持ステップに、それぞれ対応する。
また、PHV制御装置20が充放電制御手段に、各ステップを実行しているPHV制御装置20(これに含まれるマイクロコンピュータ)が超過充電手段、戻し放電手段、保持手段、保持予測手段、及び選択手段に、それぞれ該当する。
また、PHV制御装置20(これに含まれるマイクロコンピュータ)がSOC保持予測手段及び第一相化手段に、それぞれ該当する。
以上より、本実施形態1の電池101の充電保持方法では、ステップS7において、電池101を充電して、一旦、超過充電状態SC2とした後に、ステップS8の戻し放電ステップで放電して、電池101のSOCを目標充電状態SC3にする。この状態(目標充電状態SC3)では、正極活物質粒子135の最外周部135Eが、電解液160中に金属イオンが溶出し難い第一相PM1となるので(図9(b)参照)、正極活物質粒子135(第二相PM2)からの金属イオンの溶出を防止できる。かくして、電池101の容量低下を抑制した電池101の充電保持方法とすることができる。
また、本実施形態1の電池101の充電保持方法では、ステップS7(超過充電ステップ)において、超過充電状態SC2を、目標充電状態SC3よりも2%以上大きくしている(本実施形態1では3%)。これにより、この電池101の容量低下を確実に抑制することができる。
また、本実施形態1の電池101の充電保持方法では、ステップS5(保持予測ステップ)とステップS6(選択ステップ)とを備える。このため、電池101の容量低下が生じやすい充電後の電池101を、1時間以上の長時間にわたって保持する場合に、電池101の容量低下を確実に抑制することができる。
また、本実施形態1にかかる電池システムM1では、超過充電手段(ステップS7を実行するPHV制御装置20)と、戻し放電手段(ステップS8を実行するPHV制御装置20)と、保持手段(ステップS10を実行するPHV制御装置20)とを備える。そのため、電池101を充電した後に保持するにあたり、電池101のSOCを一旦、超過充電状態SC2とした後に、この電池101を放電させて、SOCを目標充電状態SC3にした後に、電池101を保持することができる。かくして、電池101の容量低下を抑制することができる。
また、本実施形態1にかかる電池システムM1では、保持予測手段(ステップS5を実行するPHV制御装置20)と、選択手段(ステップS6を実行するPHV制御装置20)とを備える。このため、電池101を充電後に、1時間以上の長時間にわたって保持する場合に、電池101の容量低下が生じやすい電池101の容量低下を確実に抑制することができる。
また、本実施形態1にかかる電池システムM1では、SOC保持予測手段(ステップS5を実行するPHV制御装置20)を備える。また、このSOC保持予測手段で、1時間以上保持することが見込まれる場合に、電池101のSOCを目標充電状態SC3とし、かつ、正極活物質粒子135の最外周部135Eを、第一相PM1とする第一相化手段(ステップS8を実行するPHV制御装置20)を備える。さらに、SOCを目標充電状態SC3に保持する保持手段(ステップS10を実行するPHV制御装置20)を備える。このため、電池101を目標充電状態SC3で保持するにあたり、正極活物質粒子135(第二相PM2)から金属イオンが電解液160中に溶出するのを防止して、電池101の容量低下を適切に抑制することができる。
また、本実施形態1にかかる車両1では、前述の電池システムM1を搭載しているので、電池101の容量低下を確実に抑制した車両1とすることができる。
(実施形態2)
次に、本発明の実施形態2について、図3〜7,9〜11を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態2にかかるノート型パーソナルコンピュータ(以下、ノートPCともいう)200について説明する。図10にノートPC200の斜視図を示す。
このノートPC200は、実施形態1と同様の電池101、及び、この電池101の充放電を制御する電池制御装置220を有する。また、これらの他に、ケーブル231の先端にプラグ232を、ケーブル231の中間にコンバータ233をそれぞれ配置したAC電源アダプタ230と、電池制御装置220や電池101を冷却する空冷の冷却ファン240とを備える。
なお、このノートPC200は、上述の電池101、電池制御装置220、及び、AC電源アダプタ230(ケーブル231,プラグ232,コンバータ233)で構成する電池システムM2を搭載している。
このうち、AC電源アダプタ230は、ノートPC200の外部に設置した外部電源XVに、プラグ232を挿入して、電池101に充電することができる。また、電池制御装置220にも電力を供給することができる。
また、電池制御装置220は、図示しないCPU、ROM及びRAMを有し、所定のプログラムによって作動するマイクロコンピュータを含んでいる。そして、ノートPC200内の各部の状況に応じて様々な電池101の制御を行う。例えば、AC電源アダプタ230を通じて、外部電源XVから電池101に充電する場合の充電制御や、電池101を放電させる場合の放電制御を行う。
また、電池101は、前述した実施形態1と同様であるので、詳述を省略する。
次に、本実施形態2の電池システムM2を用いた充電保持方法について、図11のフローチャートを参照しつつ説明する。
まず、ノートPC200の作動を終了させる(ステップS21)。そして、ステップS22では、AC電源アダプタ230のプラグ232が外部電源XVに挿入されているか否かを判別する。
ここで、NO、即ちプラグ232が外部電源XVに挿入されていない場合、ステップS22を繰り返す。一方、YES、即ちプラグ232が外部電源XVに挿入された場合には、ステップS23に進む。
次いで、ステップS23では、現充電状態SC1である電池101において、SOCが超過充電状態SC2(例えば、SOC93%)になるまで電池101を充電する。このようにしてSOCが超過充電状態SC2になったら、外部電源XVによる充電を終了する。
続いてステップS24では、SOCが目標充電状態SC3(SOC90%)になるまで電池101を放電させて、ステップS25に進む。
次いで、ステップS25では、SOCを目標充電状態SC3に保持する。
そして、例えば、ノートPC200の作動が開始した場合には、図11のフローチャートに示す処理(充電保持)を終了する。
また、本実施形態2にかかるノートPC200では、前述の電池システムM2を搭載しているので、電池101の容量低下を確実に抑制したノートPC200とすることができる。
(実施形態3)
次に、本発明の実施形態3について、図1〜7,9,12〜14を参照しつつ説明する。
本実施形態3の車両301では、実施形態1で示した充電保持方法に加えて、車両使用中において、電池の出力特性を良好にすることができる充放電制御方法を有する点が、前述の実施形態1と異なり、それ以外は同様である。
そこで、実施形態1と異なる点を中心に説明し、同様の部分の説明は省略又は簡略化する。なお、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。
まず、本実施形態3にかかる車両301について説明する。図1に車両301の斜視図を示す。
この車両301は、実施形態1と同様に、複数の電池101,101、PHV制御装置20及び次回使用時期設定機30を有する。また、実施形態1と同様、フロントモータ41、リアモータ42、エンジン50、ケーブル60、インバータ71、コンバータ72、車体90、及び、プラグ81Pを先端に配置したプラグ付ケーブル81を有するプラグインハイブリッド電気自動車である。
なお、この車両301は、上述の組電池10(電池101)、PHV制御装置20、次回使用時期設定機30、コンバータ72、プラグ付ケーブル81(プラグ81P)に加え、エンジン50、フロントモータ41、リアモータ42、ケーブル60及びインバータ71で構成する電池システムM3を搭載している。
ところで、本発明者らの研究により、前述の正極活物質粒子135を正電極板130に用いた電池101では、放電が行われた後、第1基準値(電池101のSOCをSOC5%分増加させるために必要な電気量の値)以上の充電量で充電を行うことで、充電を行わない場合に比して、次回の放電時における電池101の出力特性(放電特性)を向上させることができることが判ってきた。
ただし、上述のような出力特性を向上させる効果があるのは、充電を開始する直前の電池101のSOCが、SOC5〜90%の範囲内である必要があることも判ってきた。
また、充電量を第2基準値(電池101のSOCをSOC15%分増加させるために必要な電気量の値)より大きくしても、電池101のエネルギー効率(充電効率)が低下してしまうことも判ってきた。
以上の知見に基づいて、上述の電池システムM3を用いた充放電方法及び充電保持方法について、図12〜14のフローチャートを参照しつつ説明する。
まず、ステップS31では、車両301が作動中であるか否かを判別する。具体的には、この車両301がキーオン状態で起動しているかどうかをPHV制御装置20が判断する。
ここで、YES、即ち車両301は作動中である場合、ステップS40の充放電制御サブルーチンS40に進む。一方、NO、即ち車両301は作動中でない場合には、ステップS50の充電保持サブルーチンS50に進む。
ステップS40の充放電制御サブルーチンS40では、図13に示すように、まず、電池101の放電を開始させる(ステップS41)。その後、ステップS42に進み、各々の電池101,101の放電を終了させる。
なお、ステップS42における電池101のSOCは、これまでに電池101に対して行われた充電時及び放電時の電流積算値に基づいて算出する。
次いで、ステップS43では、電池101のSOCが、SOC5%以上90%以内であるか否かを判別する。
ここで、NO、即ち電池101のSOCがSOC5%以上90%以内でない場合、充電を行うことなく、メインルーチンのステップS31に戻る。一方、YES、即ちSOCがSOC5%以上90%以内である場合には、ステップS44に進み、電池101への充電を開始させる。具体的には、エンジン50を始動させて、このエンジン50の稼働によりフロントモータ41で発生した電力を電池101に供給して、電池101を充電する。
次いで、ステップS45に進み、充電電流積算値Qの積算を開始する。この充電電流積算値Qは、充電を開始した時点から電池101に供給された電気量の合計値を表す。その後、ステップS46に進み、第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値であるか否かを判別する。
ここで、NO、即ち第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値でない場合、ステップS46に戻り、繰り返す。一方、YES、即ち第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値である場合には、ステップS47に進み、電池101への充電を終了する。
その後、ステップS48では、充電電流積算値Qをクリア(充電電流積算値Qの値を0に戻す)して、メインルーチンのステップS31に戻る。
ステップS50の充電保持サブルーチンS50は、図14に示すように、前述の実施形態1のステップS2〜ステップS10と同様であるので、説明を省略する。
以上のように、本実施形態3にかかる車両301の電池システムM3では、その制御フロー(図12)中に充放電制御サブルーチンS40及び充電保持サブルーチンS50を備える。
このうち、充放電制御サブルーチンS40では、ステップS41で電池101を放電させ、その後に、ステップS44,S45で、電池101に対し、第1基準値以上第2基準値以下の電気量を充電する。従って、電池101に優れた出力特性を発揮させうる電池システムM3とすることができる。
また、充電保持サブルーチンS50では、ステップS7で、電池101を充電して、この電池101のSOCを、一旦、超過充電状態SC2とした後に、ステップS8の戻し放電ステップで放電し、SOCを目標充電状態SC3にする。従って、電池101の容量低下を抑制した電池システムM3とすることができる。
以上において、本発明を実施形態1,2,3に即して説明したが、本発明は上記した実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態1等の電池101では、正電極板に、LiFePO4からなる正極活物質を有する。しかし、正電極板に、二層共存型の正極活物質を有していれば良く、このような正極活物質としては、例えば、LiMPO4(Mは、Feのほか、Mn,Cr,Co,Cu,Ni,V,Mo,Ti,Zn,Al,Ga,Mg,B,Nbの少なくとも1種以上を含む)で表されるリチウム複合酸化物が挙げられる。
また実施形態3では、電池101への充電の際、エンジン50の稼働によって、電池101の充電電流積算値Qが、第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値になるまで行った。しかし、例えば、エンジン50以外の回生ブレーキや、補機バッテリ等によって、電池101の充電電流積算値Qが、第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値になるまで行っても良い。また、例えば、回生ブレーキや、補機バッテリ等によって、そのときの電池101の充電電流積算値Qが、第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値を満たさない場合には、例えば、エンジン50の稼動によって、第1基準値≦充電電流積算値Q≦第2基準値になるまで、さらに電池101を充電しても良い。
1,301 車両
20 PHV制御装置(充放電制御手段,超過充電手段,戻し放電手段,保持手段,保持予測手段,選択手段,SOC保持予測手段,第一相化手段)
101 電池(リチウムイオン二次電池)
130 正電極板
135 正極活物質粒子
135E 最外周部((正極活物質粒子の)最外周)
200 ノートPC(電池搭載機器)
M1,M2,M3 電池システム
PM 正極活物質
PM1 第一相
PM2 第二相
SC1 現充電状態(現在のSOC)
SC2 超過充電状態(超過SOC)
SC3 目標充電状態(目標SOC)

Claims (9)

  1. 二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池を、充電して保持するリチウムイオン二次電池の充電保持方法であって、
    上記リチウムイオン二次電池を充電して、そのSOC(充電状態)を、100%以下で目標SOCよりも高い超過SOCにする超過充電ステップと、
    上記超過充電ステップの後に、上記リチウムイオン二次電池を放電させて、そのSOCを上記目標SOCにする戻し放電ステップと、
    上記リチウムイオン二次電池のSOCを上記目標SOCに保持する保持ステップと、を備える
    リチウムイオン二次電池の充電保持方法。
  2. 請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の充電保持方法であって、
    前記超過充電ステップにおいて、
    前記超過SOCを、前記目標SOCよりも2%以上大きくする
    リチウムイオン二次電池の充電保持方法。
  3. 請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池の充電保持方法であって、
    前記リチウムイオン二次電池を、現在のSOCよりも高い前記目標SOCで、1時間以上保持することが見込まれるか否かを予測する保持予測ステップと、
    上記保持予測ステップにおいて、上記目標SOCで1時間以上保持することが見込まれた場合に、前記超過充電ステップ、前記戻し放電ステップ、及び、前記保持ステップの実行を選択する選択ステップと、を備える
    リチウムイオン二次電池の充電保持方法。
  4. 二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池と、
    上記リチウムイオン二次電池の充放電を制御する充放電制御手段と、を備える
    電池システムであって、
    上記充放電制御手段は、
    上記リチウムイオン二次電池を充電して、そのSOC(充電状態)を、100%以下で目標SOCよりも高い超過SOCにする超過充電手段と、
    上記超過充電手段の後に、上記リチウムイオン二次電池を放電させて、そのSOCを上記目標SOCにする戻し放電手段と、
    上記リチウムイオン二次電池のSOCを上記目標SOCに保持する保持手段と、を含む
    電池システム。
  5. 請求項4に記載の電池システムであって、
    前記超過充電手段は、
    前記超過SOCを、前記目標SOCよりも2%以上大きくする
    電池システム。
  6. 請求項4又は請求項5に記載の電池システムであって、
    前記充放電制御手段は、
    前記リチウムイオン二次電池を、現在のSOCよりも高い前記目標SOCで、1時間以上保持することが見込まれるか否かを予測する保持予測手段と、
    上記保持予測手段において、上記目標SOCで1時間以上保持することが見込まれた場合に、前記超過充電手段、前記戻し放電手段、及び、前記保持手段の実行を選択する選択手段と、を含む
    電池システム。
  7. 請求項4〜請求項6のいずれか一項に記載の電池システムを搭載した外部充電可能型の車両。
  8. 請求項4〜請求項6のいずれか一項に記載の電池システムを搭載した電池搭載機器。
  9. Liイオンが挿入された第一相とLiイオンが脱離した第二相とが共存しうる、二相共存型の正極活物質からなる正極活物質粒子を正電極板に用いたリチウムイオン二次電池と、
    上記リチウムイオン二次電池の充放電を制御する充放電制御手段と、を備える
    電池システムであって、
    上記リチウムイオン二次電池を、目標SOCで、1時間以上保持することが見込まれるか否かを予測するSOC保持予測手段と、
    上記SOC保持予測手段で、1時間以上保持することが見込まれる場合に、上記リチウムイオン二次電池のSOCを、上記目標SOCとすると共に、上記正極活物質粒子の最外周を、上記第一相とする第一相化手段と、
    上記リチウムイオン二次電池の上記SOCを上記目標SOCに保持する保持手段と、を備える
    電池システム。
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