JP5382496B2 - 電池ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電池ユニットに関し、特に固体電池の充電・放電状態を検知可能な電池ユニットに関する。

従来、電池としては、たとえば、特開２００４−２６５６８５号公報に記載された全固体型電池がある。

この特開２００４−２６５６８５号公報においては、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスを製造するにあたり、出発原料として、結晶粒子径が１４０ｎｍ以下の硫化リチウムを含む原料を用いている。そして、この原料をメカニカルミリングによりガラス化させる。

そして、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスをガラス転移温度以上で焼成して、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスセラミックスを製造している。

そして、電池の残存容量を測定可能な電池としては、たとえば、特開２００５−２８５６４７号公報に記載された電池は、リチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池に重ねた圧力センサと、リチウムイオン二次電池及び圧力センサを、これらを重ねた方向の両側から挟む挟持部材とを備えている。

そして、リチウムイオンイオン二次電池が充電・放電によって膨張収縮すると、これに対応して、圧力センサにかかる力が変化して、リチウムイオン二次電池の体積の変化を圧力センサの出力値として、検出する。

特開２００６−１２７６１号公報に記載された２次電池の状態推定システムにおいて、二次電池セル各々は、筐体内に格納された正極および負極を含む。

そして、温度センサが、拘束板の間に配置され、二次電池セルと一体的に拘束されている。この温度センサは、少なくとも１個の二次電池セルに対して、正極および負極の温度を検知可能なように配置されている。ＥＣＵ（Electronic Control Unit）は、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮して、圧力センサからの圧力検出値および温度センサからの温度検出値に基づいて、二次電池の充電状態（ＳＯＣ：State of Chrge）を算出する。

特開２００６−２６９３４５号公報に記載された過電圧検出装置は、厚さ方向に積層され、リチウムイオン二次電池から構成されたラミネート外装電池と、このラミネート外装電池の積層体において、隣接するラミネート外装電池間の積層面に挿入された圧力センサとを備えている。

そして、積層面に作用する面圧（接触圧）を計測し検出された接触圧がしきい値を超えているか否かにより、ラミネート外装電池で過電圧が発生しているか否かを判定する。

特開２００５−２８５６４７および特開２００１−１７６５４４号公報に記載されたナトリウム・硫黄２次電池は、ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質と、正極室内に収容され、硫黄または多硫化ナトリウムにより形成された正極活物質と、負極室内に収容され、ナトリウムによって形成された負極活物質と、負極容器内に存在する溶融ナトリウム量を計測する手段とを備える。そして、充放電の際に正極室内へナトリウムイオンが流入出するために起こるナトリウム量及び液面の変化を測定し、ナトリウムの変化量から電池の放電深度を求めている。具体的には、負極容器内に電子伝導回路を形成し、その電子抵抗の変化により液面の変化を求めたり、負極容器内の圧力変化を測定してナトリウム量の変化を求めたりしている。
特開２００４−２６５６８５号公報 特開２００６−１２７６１号公報 特開２００６−２６９３４５号公報 特開２００１−１７６５４４号公報 特開２００５−２８５６４７号公報

特開２００４−２６５６８５号公報に記載された電池は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは結晶化された粉体であるため加圧成形性に乏しいという問題があった。

特開２００５−２８５６４７号公報に記載された電池においては、負極活物質、正極活物質および導電助剤が粒子状となっており、各粒子間には隙間がある。このため、電池が充電されたり放電することで、電池が膨張収縮した際に、リチウムイオン二次電池の負極活物質の粒子と正極活物質の粒子と導電助剤の粒子とが再配列する。

このため、リチウムイオン二次電池の充電状態と、リチウムイオン二次電池の体積変化との間に正確な相関関係を見出すことができず、特開２００４−２６５６８５号公報に記載された電池においては、リチウムイオン二次電池の充電状態を正確に把握することができないという問題があった。

特開２００６−１２７６１号公報に記載の２次電池の状態推定システムおよび特開２００６−２６９３４５号公報に記載された過電圧検出装置においても、２次電池の充電状態と、２次電池の体積との間に正確な相関関係がなく、圧力センサからの出力に基づいて、二次電池の残存容量を正確に算出することができないという問題がある。

特開２００５−２８５６４７号公報および特開２００１−１７６５４４号公報に記載された電池の放電深度を測定する方法は、固体電池に適用することができないという問題があった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、成形性に優れた合材層および固体電池を備えた電池ユニットにおいて、正確な充電状態を把握することができる電池ユニットを提供することである。

本発明に係る電池ユニットは、固体電池と、固体電池を収容する収容ケースと、収容ケース上に設けられた荷重センサと、収容ケースおよび荷重センサを挟み込む挟持部材とを備える。そして、固体電池は、硫化物ガラスを硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第１合材層と、硫化物ガラスを硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第２合材層と、第１合材層および第２合材層の間に位置し、硫化物ガラスを硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスを含む固体電解質層とを含む。

好ましくは、上記荷重センサは、収容ケースの外表面のうち、第１合材層、第２合材層および固体電解質層の積層方向に位置する部分に設けられる。

好ましくは、上記電池ユニットの充電状態に対する荷重センサの出力を測定して得られた出力基準データが予め格納された制御部をさらに備える。そして、上記制御部は、荷重センサからの出力と出力基準データとに基づいて、固体電池の充電状態を検出する。

好ましくは、上記固体電池の温度を測定可能な温度センサをさらに備える。そして、上記制御部には、固体電池の温度によって収容ケースと荷重センサとの間に生じる熱荷重を測定して得られた温度荷重データが予め格納され、制御部は、荷重センサからの出力、温度センサからの出力、出力基準データおよび温度荷重データとに基づいて、固体電池の充電状態を検出する。

好ましくは、上記固体電池の電圧を測定可能な電圧センサをさらに備え、制御部には、固体電池の充電完了時の電圧センサの出力を測定して得られた充電電圧データと、充電完了時の荷重センサの出力を測定して得られた充電荷重データとが予め格納される。そして、上記制御部は、電圧センサからの出力と充電電圧データとに基づいて、固体電池の充電完了時を検知し、制御部は、充電完了時における荷重センサの出力と、充電荷重データとに基づいて、固体電池の劣化状態を検知する。

本発明に係る電池ユニットは、固体電池の正確な充電状態を把握することができる。

本実施の形態に係るバッテリユニット４００およびこのバッテリユニット４００備えた車両について、図１から図６を用いて説明する。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るバッテリユニット４００およびこのバッテリユニット４００を備えたハイブリッド車両について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係るバッテリユニット４００等を搭載したハイブリッド車両は、エンジン１００と、発電機２００と、ＰＣＵ（Power Control Unit）３００と、バッテリユニット４００、モータ２５０と、これらの全てに接続されたハイブリッドＥＣＵ（Electronic ControlUnit）６００とを含む。本発明の実施の形態に係る制御装置は、ハイブリッドＥＣＵ６００により実現される。

エンジン１００が発生する動力は、動力分配機構７００により、２経路に分割される。一方は減速機８００を介して車輪９００を駆動する経路である。もう一方は、発電機２００を駆動させて発電する経路である。

発電機２００は、動力分配機構７００により分配されたエンジン１００の動力により発電するが、発電機２００により発電された電力は、車両の運転状態や、バッテリユニット４００のＳＯＣ（State Of Charge）の状態に応じて使い分けられる。たとえば、通常走行時や急加速時では、発電機２００により発電された電力はそのままモータ２５０を駆動させる電力となる。一方、バッテリユニット４００のＳＯＣが予め定められた値よりも低い場合、発電機２００により発電された電力は、ＰＣＵ３００のインバータ３０２により交流から直流に変換され、コンバータ３０４により電圧が調整された後、バッテリユニット４００に蓄えられる。

モータ２５０は、バッテリユニット４００に蓄えられた電力および発電機２００により発電された電力の少なくともいずれか一方の電力により駆動する。モータ２５０の駆動力は、減速機８００を介して車輪９００に伝えられる。これにより、モータ２５０はエンジン１００をアシストしたり、モータ２５０からの駆動力により車両を走行させたりする。

一方、ハイブリッド車両が回生制動時には、減速機８００を介して車輪９００によりモータ２５０が駆動され、モータ２５０が発電機として作動させられる。これによりモータ２５０は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作用することになる。モータ２５０により発電された電力は、インバータ３０２を介してバッテリユニット４００に蓄えられる。

ハイブリッドＥＣＵ６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６０２と、メモリ
６０４と、カウンタ６０６とを含む。ＣＰＵ６０２は、車両の運転状態や、アクセル開度、ブレーキペダルの踏み量、シフトポジション、バッテリユニット４００のＳＯＣ、メモリ６０４に保存されたマップおよびプログラム等に基づいて演算処理を行なう。これにより、ハイブリッドＥＣＵ６００は、車両が所望の運転状態となるように、車両に搭載された機器類を制御することになる。

図２は、バッテリユニット４００の断面図である。この図２に示すように、バッテリユニット４００は、組電池４０１と、組電池４０１を収容する収容ケース３５０と、収容ケース３５０に設けられた荷重センサ６１５と、荷重センサ６１５および収容ケース３５０とを挟持する挟持部材３４０とを備えている。

さらに、バッテリユニット４００は、単位電池４０２の電圧を測定可能な電圧センサ４５０と、収容ケース３５０または組電池４０１の温度を測定可能なバッテリ温度センサ６１４とを備えている。

組電池４０１は、たとえば、複数の単位電池４０２を積層することで構成されている。
収容ケース３５０は、天板部３５３と、天板部３５３の外周縁部から垂下する側面部３５５と、側面部３５５の下端部に連設された底面部３５４とを備えている。

そして、天板部３５３の内表面と組電池４０１の上面とは、接触しており、組電池４０１は、底面部３５４上に搭載されている。ここで、上記のように単位電池４０２は、底面部３５４から順次積層されており、組電池４０１の上端部は、天板部３５３に接触している。このように、収容ケース３５０のうち、組電池４０１に対して、単位電池４０２の積層方向に位置する部分は、組電池４０１と接触している。なお、この図２に示す例においては、収容ケース３５０の側面部３５５の内表面と、組電池４０１の周面とは、互いに離間しているが、これに限られない。組電池４０１の周面と、収容ケース３５０の側面部３５５とが互いに接触していてもよい。収容ケース３５０には、組電池４０１の端子部３５１，３５２が引き出される開口部が形成されている。

荷重センサ６１５は、収容ケース３５０の天板部３５３上に装着されており、挟持部材３４０は、収容ケース３５０と荷重センサ６１５とを挟持している。具体的には、挟持部材３４０は、荷重センサ６１５に対して、天板部３５３と反対側に配置された天板部３４１と、収容ケース３５０の底面部３５４に対して組電池４０１と反対側に配置された底面部３４２とを備えている。

そして、挟持部材３４０は、柱部３４３，３４４を含み、天板部３４１と底面部３４２とは、柱部３４３，３４４によって互いに近接するように付勢されている。これにより、、荷重センサ６１５および収容ケース３５０は、天板部３４１と底面部３４２とによって挟持されている。

さらに、挟持部材３４０の天板部３４１および底面部３４２が、収容ケース３５０のうち、天板部３５３と底面部３５４とを押圧することで、単位電池４０２同士が良好に接触し、単位電池４０２間の接触抵抗が低減されている。

ここで、荷重センサ６１５は、天板部３５３に装着されているが、これに限られない。荷重センサ６１５は、収容ケース３５０の外表面のうち、組電池４０１に対して単位電池（固体電池）４０２の積層方法に位置する部分に設けられておればよい。

図３は、この発明の実施の形態の単位電池４０２の断面図である。図３を参照して、単位電池４０２は、正極集電体４１０と、正極集電体４１０に接触する正極合材層５００と、正極合材層５００に接触する固体電解質層４３０と、固体電解質層４３０に接触する負極合材層５３０と、負極合材層５３０に接触する負極集電体４２０とを有する。正極集電体４１０および負極集電体４２０は、それぞれアルミニウムや銅などの金属で構成される。このように、単位電池４０２は、正極集電体４１０と、正極合材層５００と、固体電解質層４３０と、負極合材層５３０と、負極集電体４２０とを順次積層することで構成されている。

なお、正極集電体４１０や正極合材層５００等の積層方向と同じ方向に、各単位電池４０２が積層されて、組電池４０１が構成されている。

正極合材層５００は、正極活物質５１０と、正極活物質５１０に隣接するように配置される導電助材５２０と、正極活物質５１０および導電助材５２０を取囲むガラスセラミックス４３２とを有する。なお、正極活物質５１０および導電助材５２０の周囲に硫化物ガラス４３１があってもよい。このガラスセラミックス４３２は硫化物ガラスを焼成して得られるものであり、硫化物ガラスよりも高いリチウムイオン伝導性を有する。

硫化物ガラス４３１は、たとえばガラス形成材であるＳｉＳ₂、五硫化リン（Ｐ₂Ｓ₅）およびＰ₂Ｓ₃などと、ガラス修飾材である硫化リチウム（Ｌｉ₂Ｓ）を混合し加熱溶融した後、急冷することによって得られる。また、上記の硫化物ガラス４３１を構成する硫化リチウム（Ｌｉ₂Ｓ）は、いかなる製造方法により製造されたものでもよく、工業的に生産され、販売されるものであれば特に限定なく使用することができる。

また、硫化リチウムの粒径は特に限定されるものではない。また、硫化物ガラス４３１として、出発原料として硫化リチウムと、五硫化リンの混合物、もしくは五硫化リンのかわりに単体リンおよび単体硫黄を用いた混合物をメカニカルミリングによりガラス化させることで製造してもよい。

正極活物質５１０としては、たとえばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）を用いることができる。また、導電助材５２０としては、たとえば黒鉛を用いることができる。

正極合材層５００と負極合材層５３０との間に形成された固体電解質層４３０は、固体電解質としてのガラスセラミックス４３２により構成される。なお、正極活物質５１０内に、硫化物ガラス４３１が残留していてもよい。

負極合材層５３０は、負極活物質５４０と、負極活物質５４０を取囲むガラスセラミックス４３２とを有する。なお、負極活物質５４０の周囲に硫化物ガラス４３１が残留していてもよい。なお、正極活物質５１０または負極活物質５４０は、α−Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂、ＬｉＣｏＯ₂、およびＬｉＮｉ_0.5Ｍｎ_0.5Ｏ₂からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む。

正極合材層５００には導電助材５２０が設けられているが、この導電助材５２０は必ずしも設けられる必要はない。また、負極合材層５３０には導電助材が設けられていないが、負極合材層５３０に導電助材が設けられていてもよい。

次に、図３で示す電池の製造方法について説明する。図４および図５は、図３で示す単位電池４０２の製造方法を説明するための図である。まず、図４を参照して、原料物質として、正極活物質５１０、負極活物質５４０と、硫化物ガラス４３１および導電助材５２０を準備する。

図５を参照して、正極活物質５１０、導電助材５２０および硫化物ガラス４３１を混合して加圧成形することにより正極合材層５００を形成する。また、負極活物質５４０と硫化物ガラス４３１を混合して加圧形成することにより負極合材層５３０を形成する。正極合材層５００と負極合材層５３０との間に硫化物ガラス４３１を充填する。そして、正極合材層５００、固体電解質層４３０および負極合材層５３０を焼成することにより、硫化物ガラス４３１に超イオン伝導結晶を析出させ、ガラスセラミックスを構成する。

具体的には、硫化物ガラスは、たとえばモル比が８０対２０のＬｉ₂ＳとＰ₂Ｓ₅の混合粉末を遊星ボールミルにて２０時間処理（メカニカルミリング）することによって得た。

正極合材はＬｉＣｏＯ₂と硫化物ガラスと導電助材（黒鉛）を重量比で４０対６０対４
で混合することによって得た。また負極合材は黒鉛と硫化物ガラスを重量比１対１で混合することによって得た。

加圧成形可能な直径１０ｍｍの円形型に負極合材、硫化物ガラス、正極合材の順に投入し、投入後４００ＭＰａで加圧することによって円形ペレットを得た。

上記で得られた円形ペレットを硫化物ガラスのガラス転移点付近（約２００℃）で数時間焼成することで、ガラスセラミックスを得た。

この際、硫化物ガラスを残留させるときには、事前に得ておいた該当温度のおける硫化物ガラスの反応進行速度に応じて保持時間を調整する。硫化物ガラスイオンのイオン伝導度にもよるが、たとえば、硫化物ガラスの残留量を３０％とすることが考えられる。

ここで、上記のように構成された単位電池４０２および組電池４０１が充電されたり、単位電池４０２および組電池４０１が放電することで、単位電池４０２および組電池４０１の体積が変動するメカニズムについて説明する。ＬｉＣｏＯ₂は、層状に形成されたＣｏ−Ｏ層１７０と、各Ｃｏ−Ｏ層１７０間に位置するＬｉとを備えている。ここで、Ｌｉは、電荷を放出して、Ｌｉ^＋になり易く、Ｃｏ−Ｏ層１７０は、負の電荷を有しやすい。

そして、たとえば、単位電池４０２（組電池４０１）が充電されると、Ｌｉ^＋は、正極活物質５１０内から負極集電体４２０側に向けて移動する。

このように、充電が行われるにつれて、正極活物質５１０の粒子が膨張する。
このように、正極活物質５１０が大きくなると、各単位電池４０２の厚みも厚くなる。ここで、単位電池４０２内における正極合材層５００、固体電解質層４３０および負極合材層５３０等の積層方向と、各単位電池４０２の積層方向とは、一致している。このため、各単位電池４０２の厚みが厚くなることで、組電池４０１は、単位電池４０２の積層方向に厚くなる。

図１において、組電池４０１が単位電池４０２の積層方向に厚くなると、組電池４０１は、収容ケース３５０の天板部３５３および底面部３５４を押圧する。この際、挟持部材３４０は、荷重センサ６１５を介して、収容ケース３５０の天板部３５３および底面部３５４を挟持している。このため、組電池４０１および収容ケース３５０が単位電池４０２の積層方向に膨らむことで、挟持部材３４０の天板部３４１と、収容ケース３５０の天板部３５３との間に配置された荷重センサ６１５に加えられる荷重が大きくなる。

そして、組電池４０１が放電すると、正極活物質５１０の粒径が小さくなる。これに伴い、単位電池４０２の積層方向の組電池４０１の厚みが小さくなる。このため、荷重センサ６１５に加えられる荷重も小さくなる。

ここで、各単位電池４０２内において、正極活物質５１０および負極合材層５３０の周囲は、ガラスセラミックス４３２によって覆われており、固体電解質層４３０も、ガラスセラミックス４３２で構成されている。このガラスセラミックス４３２は、粒状となっておらず、略一体なものとなっている。このように、正極活物質５１０および負極合材層５３０は、流動性のないガラスセラミックス内に埋設されている。

このため、正極合材層５００の厚みが変動した際に、負極合材層５３０および固体電解質層４３０内で粒状物が再配列等することが抑制され、充電や放電による正極活物質５１０の粒径の変化量は、単位電池４０２および組電池４０１の厚みの変化量に正確に反映される。

このため、荷重センサ６１５に加えられる荷重を検知することで、組電池４０１の充電状態を正確に把握することができる。なお、ガラスセラミックス４３２は、広い温度範囲で膨張特性が小さく、耐熱衝撃性においても優れている。ガラスセラミックス４３２は、マイクロクラック等の欠陥が進行しがたく、欠陥が生じにくい材料である。このため、充電や放電によって、正極活物質５１０の厚みが変動したとしても、ガラスセラミックス４３２は、損傷し難くなっている。

なお、正極活物質層としての正極合材層および負極活物質層としての負極合材層５３０内に硫化物ガラス４３１を残留させた場合には、正極活物質５１０の膨張および収縮を吸収し、イオン伝導経路の破壊の防止を図ることができ、寿命特性の向上を図ることができる。但し、組電池４０１の充電状態を正確に把握するために、残留させる硫化物ガラス４３１は、硫化物ガラス４３１の３０％以下程度であることが好ましい。

図６は、充電および放電時における電圧センサ４５０の出力および荷重センサ６１５の出力を示すグラフである。この図６に示すグラフの横軸は、時間（Ｔ）を示し、右側の縦軸は、電圧（Ｖ）を示し、左側の縦軸は、荷重（Ｎ）を示す。また、グラフＬ１は、荷重センサ６１５の結果を示し、グラフＬ２は、電圧センサ４５０の出力を示す。この図６において、時間０〜Ｔ１の間と、時間Ｔ２〜Ｔ３の間においては、充電が行われ、時間Ｔ１〜Ｔ２の間および時間Ｔ３〜Ｔ４の間においては、放電が行われている。なお、初期状態（Ｔ＝０）の時には、組電池４０１の放電が完了した状態となっている。

この図６に示すように、組電池４０１が充電されると、グラフＬ１に示されるように、組電池４０１の電圧が上昇することが分かる。そして、組電池４０１が放電した状態から組電池４０１が充電され始めると、組電池４０１の出力電圧は直ぐに所定電圧に回復することが分かる。その後、組電池４０１の充電が完了する直前となると、組電池４０１の出力電圧は上昇し、所定のピーク値に達することが分かる。たとえば、一回目の充電完了時の時間Ｔ１における組電池４０１の電圧Ｖ１と、二回目の充電完了時の時間Ｔ２における組電池４０１の電圧Ｖ２とは、略等しくなっている。

グラフＬ１に示されるように、組電池４０１が充電され始めると、荷重センサ６１５に加えられる荷重が、充電時間に略比例して、大きくなることが分かる。さらに、組電池４０１が放電し始めると、荷重センサ６１５に加えられる荷重が放電時間に比例して小さくなることが分かる。

そして、一回目の充電期間０〜Ｔ１におけるグラフＬ１の傾斜状態と、二回目における充電期間Ｔ２〜Ｔ３におけるグラフＬ１の傾斜状態とは略一致している。また、一回目の放電期間Ｔ１〜Ｔ２におけるグラフＬ１の傾斜状態と、二回目における放電期間Ｔ３〜Ｔ４の傾斜状態とは略一致している。なお、一回目の充電完了時（Ｔ１）の出力荷重Ｎ１と、二回目の充電完了時（Ｔ３）の出力荷重Ｎ３とは、略一致しており、出力荷重Ｎ３は、出力荷重Ｎ１の５％前後の範囲内に位置している。

さらに、初期状態における荷重センサ６１５の出力荷重Ｎ０と、一回目の放電完了時（Ｔ２）の出力荷重Ｎ２と、二回目（Ｔ４）の出力荷重Ｎ４とは、略一致しており、出力荷重Ｎ２および出力荷重Ｎ４は、いずれも、出力荷重Ｎ０の前後５％以内に位置している。

このため、荷重センサ６１５の出力を検知することで、組電池４０１の充電状態を正確に把握することができることが分かる。

図６に示されたグラフから、下記式（１）に示すような単位電池４０２の電圧Ｖと、荷重センサ６１５の出力荷重Ｎとの関係式を算出する。
Ｖ（単位電池４０２の電圧）＝Ｆ（Ｎ）・・・（１）
そして、図１に示すメモリ６０４には、上記式（１）に対応する電圧算出データやプログラムが格納されている。なお、上記関係式（１）は、近似式であってもよい。

図２において、バッテリユニット４００は、組電池４０１の温度を測定可能なバッテリ温度センサ６１４を備えている。

そして、メモリ６０４には、組電池４０１の温度と、荷重センサ６１５に加えられる荷重と特性について予め格納されている。

具体的には、組電池４０１の温度を順次変化させ、荷重センサ６１５に加えられる荷重をセンシングし、組電池４０１の温度（Ｋ）と、荷重センサ６１５の出力荷重（Ｎ）との相関関係をする。実際には、温度（Ｋ）と出力荷重（Ｎ）とは、たとえば、出力荷重ＮＴ（熱応力による荷重センサ６１５の出力荷重）＝Ａ×Ｋ（バッテリ温度センサ６１４の出力温度）（Ａは定数）等の一次式で示すことができた。

そして、メモリ６０４には、組電池４０１の温度（Ｋ）と荷重センサ６１５の出力荷重（Ｎ）との関係を示す温度荷重算出データやプログラムが格納されている。

ここで、組電池４０１が長期間使用されると、単位電池４０２内のガラスセラミックス４３２に亀裂等の欠陥が生じる。ガラスセラミックス４３２に欠陥が生じると、Ｌｉ^＋がガラスセラミックス４３２内を通り難くなる。この結果、充電時における組電池４０１の電池容量が小さくなる。

さらに、ガラスセラミックス４３２に亀裂等が生じ、ガラスセラミックス４３２が粒状となると、充電や放電によって生じる正極活物質５１０の粒径の変化が、粒状となったガラスセラミックス４３２の再配列によって吸収される。この結果、単位電池４０２の積層方向の組電池４０１の厚みの変化が小さくなる。

したがって、組電池４０１が劣化すると、組電池４０１の出力電圧が低くなり、充電時間が長くなると共に、荷重センサ６１５からの出力荷重が小さくなる。

そこで、組電池４０１についてサイクル試験を行うと、サイクル試験後の組電池４０１の放電時の出力荷重は、組電池４０１の初期状態の出力荷重Ｎ０に対して、５％減少していた。また、サイクル試験後の充電状態における組電池４０１の出力荷重は、初期状態の組電池４０１の充電状態における出力荷重Ｎ３に対して、約２０％減少していた。

サイクル試験後の組電池４０１の電池容量の減少率は、出力荷重の減少率に略一致することが分かった。さらに、組電池４０１が劣化すると、初期状態の組電池４０１と比較して、充電完了時の出力電圧が低くなり、また、出力荷重の振幅の幅が小さくなることが分かった。

そして、メモリ６０４には、組電池４０１の出力荷重（Ｎ）の振幅の閾値と、出力荷重（Ｎ）の平均値の閾値と、充電完了時の出力荷重の閾値とが、劣化状態算出データとして格納されている。

ここで、車両の走行時において、ＣＰＵ６０２は、バッテリ温度センサ６１４からの出力温度（Ｋ）と、メモリ６０４に格納された温度荷重算出データとから熱応力に基づく、出力荷重（ＮＴ）を算出する。

ＣＰＵ６０２は、荷重センサ６１５から出力された出力荷重（Ｎ）から上記算出された熱応力に基づく出力荷重（ＮＴ）を引いた荷重（Ｎ−ＮＴ）と、メモリ６０４に格納された電圧算出データとに基づいて、組電池４０１の第１充電状態を把握する。

そして、たとえば、運転手によってブレーキペダルが踏み込まれると、モータ２５０が発電機として駆動する回生制動と、ブレーキ機構による制動動作によって、車輪の回転が抑制される。

この際、算出した組電池４０１の充電状態に基づいて、モータ２５０の回生制動の割合と、ブレーキ機構による制動の割合とを決定する。

また、アクセルペダルが踏み込まれたときには、メモリ６０４は、アクセル開角と、組電池４０１の充電状態とを把握した上で、モータ２５０とエンジン１００への動力の分担量を決定する。

さらに、ＣＰＵ６０２は、出力荷重から熱応力に基づく出力荷重（ＮＴ）を引いた荷重（Ｎ−ＮＴ）の値を、メモリ６０４に出力して、メモリ６０４に蓄積すると共に、熱応力に基づく出力荷重（ＮＴ）を引いた荷重（Ｎ−ＮＴ）の平均値および振幅を算出する。

そして、ＣＰＵ６０２は、メモリ６０４内に格納された出力荷重（Ｎ）の振幅の閾値の範囲内に、荷重（Ｎ−ＮＴ）の振幅が入っているか否かを判断する。そして、ＣＰＵ６０２は、荷重（Ｎ−ＮＴ）の振幅が、格納された閾値の範囲内にないと判断すると、運転席のメータパネル等に設けられた表示部に、バッテリが劣化している旨の表示する。

また、充電完了時における荷重（Ｎ−ＮＴ）がメモリ６０４内に格納された閾値の範囲内か否かを判断する。

そして、ＣＰＵ６０２が、充電完了時の荷重（Ｎ−ＮＴ）が所定の閾値の範囲内にないと判断すると、表示部にバッテリが劣化している旨の表示を行う。

さらに、ＣＰＵ６０２は、荷重（Ｎ−ＮＴ）の平均値が、メモリ６０４に格納された閾値の範囲内か否かを判断する。そして、ＣＰＵ６０２は、閾値の範囲内にないと判断すると、表示部に、バッテリが劣化している旨の表示を行う。

なお、本実施の形態においては、ハイブリッド車両に搭載されたバッテリユニット４００について説明したが、これに限られない。たとえば、プラグイン車両や電気自動車等にも適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、ハイブリッド車両等に搭載されるバッテリユニットに好適である。

ハイブリッド車両の構成を示す模式図である。 バッテリユニットの断面図である。 この発明の実施の形態の単位電池の断面図である。 図３で示す単位電池の製造方法を説明するための図である。 図３で示す単位電池の製造方法を説明するための図である。 充電および放電時における電圧センサの出力および荷重センサの出力を示すグラフである。

符号の説明

１００ エンジン、３４０ 挟持部材、３５０ 収容ケース、４００ バッテリユニット、４０１ 組電池、４０２ 単位電池、４１０ 正極集電体、４２０ 負極集電体、４３０ 固体電解質層、４３１ 硫化物ガラス、４３２ ガラスセラミックス、４５０ 電圧センサ、５００ 正極合材層、５１０ 正極活物質、５２０ 導電助材、５３０ 負極合材層、５４０ 負極活物質。

Claims (5)

1. 硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第１合材層と、
   硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第２合材層と、
   前記第１合材層および前記第２合材層の間に位置し、硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスを含む固体電解質層とを含む固体電池と、
   前記固体電池を収容する収容ケースと、
   前記収容ケース上に設けられた荷重センサと、
   前記収容ケースおよび前記荷重センサを挟み込む挟持部材と、
   を備え
   前記第１合材層では、前記正極活物質は、一体的に形成された前記ガラスセラミック内に埋設され、
   前記第２合材層では、前記負極活物質は、一体的に形成された前記ガラスセラミック内に埋設され、
   前記固体電解質層の前記ガラスセラミックは、一体的に形成された、電池ユニット。
2. 電池ユニットであって、
   硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第１合材層と、
   硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第２合材層と、
   前記第１合材層および前記第２合材層の間に位置し、硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスを含む固体電解質層とを含む固体電池と、
   前記固体電池を収容する収容ケースと、
   前記収容ケース上に設けられた荷重センサと、
   前記収容ケースおよび前記荷重センサを挟み込む挟持部材と、
   前記電池ユニットの充電状態に対する前記荷重センサの出力を測定して得られた出力基準データが予め格納された制御部とを備え、
   前記制御部は、前記荷重センサからの出力と前記出力基準データとに基づいて、前記固体電池の充電状態を検出する、電池ユニット。
3. 前記荷重センサは、前記収容ケースの外表面のうち、前記第１合材層、前記第２合材層および前記固体電解質層の積層方向に位置する部分に設けられた、請求項１または２に記載の電池ユニット。
4. 前記固体電池の温度を測定可能な温度センサをさらに備え、
   前記制御部には、前記固体電池の温度によって前記収容ケースと前記荷重センサとの間に生じる熱荷重を測定して得られた温度荷重データが予め格納され、
   前記制御部は、前記荷重センサからの出力、前記温度センサからの出力、前記出力基準データおよび前記温度荷重データとに基づいて、前記固体電池の充電状態を検出する、請求項２に記載の電池ユニット。
5. 前記固体電池の電圧を測定可能な電圧センサをさらに備え、
   前記制御部には、前記固体電池の充電完了時の前記電圧センサの出力を測定して得られた充電電圧データと、充電完了時の前記荷重センサの出力を測定して得られた充電荷重データとが予め格納され、
   前記制御部は、前記電圧センサからの出力と前記充電電圧データとに基づいて、前記固体電池の充電完了時を検知し、
   前記制御部は、充電完了時における前記荷重センサの出力と、前記充電荷重データとに基づいて、前記固体電池の劣化状態を検知する、請求項２または請求項４に記載の電池ユニット。

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