JP5693302B2

JP5693302B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP5693302B2
Application number: JP2011051584A
Authority: JP
Inventors: 敏康木薮
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: JP2012190600A

Description

本発明は、電極体及びこの電極体を内包した電池容器を有する二次電池を備えている電池システムに関する。

例えば、リチウムイオン二次電池に代表される二次電池では、二次電池の充放電等を制御するために、この二次電池の充電率（以下、ＳＯＣ（State of Charge）とする）を監視する必要がある。

このＳＯＣを得る方法としては、例えば、以下のような方法がある。

第一方法は、二次電池の端子に流れる電流値を常時検知し、この電流値を積算して、ＳＯＣを求める方法である。

また、第二方法は、例えば、以下の特許文献１に記載されているように、二次電池のＯＣＶ（Open Circuit Voltage）とＳＯＣとの相関性に着目し、ＯＣＶを検知して、このＯＣＶからＳＯＣを求める方法である。ＯＣＶの値は、通電状態では電池インピーダンスによる過電圧により変化するため、この第二方法では、基本的に、二次電池が通電停止状態になっているときに、ＯＣＶを検知し、このＯＣＶから通電停止状態の際のＳＯＣを求めている。さらに、この第二方法では、通電状態の際のＳＯＣを求めるため、通電状態の際の電池インピーダンス及びＯＣＶを検知し、この電池インピーダンスでＯＣＶを補正して、補正後のＯＣＶからＳＯＣを求めている。

特開２００７−２４６７３号公報

しかしながら、第一方法では、二次電池の端子を流れる電流の電流値レンジが、例えば、０．１Ａ以下から１００Ａ以上と広い場合には、レンジの異なる複数の電流計が必要になり、コストが増加するという問題点もある。

また、第二方法でも、通電状態の際のＳＯＣを得るために、ＯＣＶを検知する手段の他に、電池インピーダンスを検知する手段も必要になり、コストが増加するという問題点がある。

そこで、本発明は、通電状態の際のＳＯＣに関しても、簡便な方法でＳＯＣを得て、コストを抑えることができる二次電池システムを提供することを目的とする。

前記問題点を解決するための発明に係る二次電池システムは、
積層された複数の電極体、及び複数の該電極体を内包した電池容器を有する二次電池と、
前記電池容器の歪を検知する歪ゲージと、前記歪ゲージで検知される前記歪と前記二次電池の充電率との関係を示す関係情報が記憶されている記憶部と、前記歪ゲージで検知された前記歪と前記関係情報とを用いて、前記充電率を求める演算部と、を備え、
前記電池容器は、複数の前記電極体が積層されている積層方向を向く積層方向面を有し、前記歪ゲージは、前記歪ゲージが検知する歪検知領域内の歪が大きい部分である、前記積層方向面内の端部に設けられていることを特徴とする。

電池容器の歪と二次電池の充電率とには高い相関性がある。このため、当該二次電池システムでは、歪センサで検知された電池容器の歪から二次電池の充電率を得ることができる。

当該二次電池システムでは、歪の変化が大きい位置の歪を歪センサで検知することになるため、歪の検知精度を高めることができ、結果として、充電率の精度を高めることができる。

本発明では、歪センサで検知された電池容器の歪から二次電池の充電率を得ることができる。このため、本発明によれば、通電状態の際の充電率も得ることができる上に、コストを抑えることができる。

本発明に係る一実施形態における二次電池の斜視図である。本発明に係る一実施形態における電池システムの構成図である。電池の端子間電圧とセルケース（容器）の歪との関係を示すグラフである。図１におけるIＶ−IＶ線断面図である。

以下、本発明に係る電池システムの実施形態について、図面を用いて説明する。

図２に示すように、本実施形態の電池システム１００は、二次電池である複数のリチウムイオン単電池（以下、単に電池とする）１を含む組電池１０１と、各電池１を制御する制御回路１０５と、組電池１０１が電力負荷１１１に供給する電流の値を検知する電流計１０９と、を備えている。この電池システム１００は、例えば、電気自動車に搭載される。この場合、この電池システム１００の電力負荷１１１は、モータ等である。

複数の電池１は、これら電極端子が相互にバスバー等で電気的に接続されて、前述の組電池１０１を構成している。

制御回路１０５は、複数の電池１毎に設けれ、当該電池１の動作状態を監視制御するＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）１０と、各ＣＭＵ１０の動作及び各電池の状態を管理するＢＭＵ（Battery Management Unit）２０とを有している。電池１毎のＣＭＵ１０は、バスによりパラレルにＢＭＵ２０に接続され、このＢＭＵ２０との間でデータの送受信を行う。

なお、ここでは、一つの電池１毎にＣＭＵ１０を設けているが、いくつかの電池１毎にＣＭＵ１０を設けてもよいし、組電池１０１全体で一つのＣＭＵ１０を設けてもよい。また、ここでは、複数のＣＭＵ１０とＢＭＵ２０とをパラレルにバス接続しているが、複数のＣＭＵ１０とＢＭＵ２０とをシリアルにバス接続してもよい。

電池１には、この電池１の状態を検知するための各種センサ９が取り付けられている。本実施形態では、１つの電池１と、この電池１に対する各種センサ９と、この電池１に対するＣＭＵ１０とで、電池モジュール１０８を成している。各種センサ９からの出力は、ＣＭＵ１０に入力する。ＣＭＵ１０は、各種センサ９からの出力データを必要に応じて、ＢＭＵ２０に送信する。

電力負荷１１１には、この電力負荷１１１の動作を制御する負荷制御装置１１２が接続されている。当該電池システム１００が電気自動車に搭載される場合、この負荷制御装置１１２は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ＢＭＵ２０は、この負荷制御装置１１２とバスで接続され、この負荷制御装置１１２との間でデータの送受信を行う。また、負荷制御装置１１２には、電力負荷１１１の制御指示等を行う入力装置１１３や、各電池１に関する情報を出力する出力装置１１４が接続されている。

入力装置１１３は、例えば、電力負荷１１１が設けられている装置の計器パネルのスイッチ類等である。また、出力装置１１４は、電力負荷１１１や各電池１に関する情報等を表示する表示装置、音声出力するスピーカー等である。

電池１は、図１に示すように、複数の正極板（正の電極体）４と、複数の負極板（負の電極体）２と、負極板２を覆うセパレータ３と、電解液と、これらを収納するセルケース６（電池容器）６と、を備えている。この電池１の電解液には、水溶液が使用されず、リチウムイオンの溶存した有機溶剤溶液が使われている。

各電極板２，４は、シート状の集電体に活物質等を塗工して形成したものである。集電体は、矩形シート状の本体と、矩形シート状の部分の縁から延びているタブを有している。活物質は、この集電体の本体に塗工されている。正極板４は、アルミニウム箔等の集電体の本体に正極用の活物質（例えば、マンガン酸リチウム：LiMn2O2や、３元系材料：LiNixCoyMnzO2 (x+y+z=1)等）が塗工された正極板本体４ｂと、この活物質が塗工されていない前述のタブ４ｔとを有している。また、負極板２は、銅箔等の集電体の本体に負極用の活物質（例えば、カーボンや人造黒鉛）が塗工された負極板本体２ｂと、この活物質が塗工されていない前述のタブ２ｔとを有している。

負極板２の負極板本体２ｂは、セパレータ３により完全に覆われ、負極板２のタブ２ｔは、一部がセパレータ３から露出している。セパレータ３は、絶縁性及び耐電解液性を有する樹脂、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン等で形成されている。

複数の正極板４と、それぞれがセパレータ３で覆われている複数の負極板２とは、タブ４ｔ，２ｔが設けられている側が互いに同じ側になるよう、交互に重ね合わされて、電極積層体５を形成している。

セルケース６は、アルミニウム等の金属で形成されている。このセルケース６は、電極積層体５が入る直方体状の収納凹部が形成されているケース本体６ｍと、このケース本体６ｍの開口を塞ぐ蓋６ｎと、を有している。

セルケース６の蓋６ｎには、正負の電極端子７ａ，７ｂが絶縁材を介して固定されている。さらに、この蓋６ｎには、安全弁（不図示）等も固定されている。正負の電極端子７ａ，７ｂは、蓋６ｎを貫通した状態で蓋６ｎに固定され、セルケース６の内側及び外側に突出している。

正極端子７ａには、正極板４のタブ４ｔに接合されたリード８ａがビス（不図示）で接続されている。また、正極端子７ｂには、負極板２のタブ２ｔに接続されたリード８ｂがビス（不図示）で接続されている。

直方体状の収納凹部が形成されているケース本体６ｍを形成する各壁面のうち、このケース本体６ｍに収納されている複数の電極体２，４の積層方向Ｌを向く壁面６ａには、前述の各種センサ９のうちの１つのセンサである歪ゲージ９ａが取り付けられている。

この歪ゲージ９ａは、ＣＭＵ１０と信号線で接続されている。ＣＭＵ１０は、各種演算を行うＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１が実行するプログラムや各種データ等が記憶されているメモリ１２と、外部との間で信号を受送信するためのインタフェース１４ａ，１４ｂと、を有している。メモリ１２内には、歪ゲージ９ａで検出される歪とこの電池１の充電率（以下、ＳＯＣ（State of Charge）とする）との関係を示す関係情報Ｆが記憶されている。

ところで、図３に示すように、電池１の端子間電圧とセルケース６の歪とには、高い相関性がある。具体的には、電池１の端子間電圧が最大のときにはセルケース６の歪が最大になり、電池１の端子間電圧が最大値から低くなれば、これに伴ってセルケース６の歪も小さくなる。また、電池１の端子間電圧と電池１のＳＯＣとの間に高い相関性があることは周知の事実である。従って、電池１のＳＯＣとセルケース６の歪との間にも高い相関性がある。

本実施形態の電池１では、充電中、正極板４からＬｉイオンが離脱し、このＬｉイオンが負極板２に挿入されるため、これら電極板４，２を有して構成されている電極積層体５は膨張、特に、これら電極板４，２の積層方向Ｌに膨張する。逆に、放電中では、電極積層体５は縮小、特に、これら電極板４，２の積層方向Ｌに縮小する。セルケース６は、図４に示すように、この電極積層体５の膨張・縮小に対応して、膨張・縮小する。このように、電池１の充放電により、セルケース６が膨張・縮小するため、前述したように、電池１のＳＯＣとセルケース６の歪との間に高い相関性がある。

そこで、本実施形態では、電池１の充放電によるセルケース６の変形で、セルケース６を形成する各壁面のうちで最も歪が大きくなる壁面６ａ、つまりセルケース６中で積層方向Ｌを向く壁面６ａに歪ゲージ９ａを設け、制御回路１０５のＣＭＵ１０が、この歪ゲージ９ａからの出力、つまりセルケース６の歪からＳＯＣを求めるようにしている。

ＣＭＵ１０のメモリ１２には、前述したように、歪ゲージ９ａで検出される歪とこの電池１のＳＯＣとの関係を示す関係情報Ｆが予め記憶されている。この関係情報Ｆは、例えば、試験によって、実際に電池１を充放電させることで得ることができる。この関係情報Ｆは、電池１のＳＯＣとセルケース６の歪との関係を示す関数の形式の情報でもよいし、電池１のＳＯＣ毎のセルケース６の歪をテーブル形式で示す情報でもよい。ＣＭＵ１０の演算部であるＣＰＵ１１は、この関係情報Ｆと、歪ゲージ９ａで検知された歪とを用いて、ＳＯＣを求める。

ＣＭＵ１０のＣＰＵ１１は、求めたＳＯＣを一端メモリ１２に記憶して、このＳＯＣを必要に応じてＢＭＵ２０に送る。ＣＭＵ１０又はＢＭＵ２０は、このＳＯＣに応じて、電池１の充放電制御等を行う。

以上のように、本実施形態では、セルケース６の歪からＳＯＣを求めているので、電池１が通電状態でも通電停止状態でもＳＯＣを得ることができる。

また、本実施形態では、レンジの異なる複数の電流計や、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）を検知する手段及び電池インピーダンスを検知する手段を設けなくても、歪ゲージ９ａを設けることでＳＯＣを得ることができるので、電池１の製造コストを抑えることができる。

なお、本実施形態では、歪ゲージ９ａでセルケース６の歪を検知しているが、セルケース６の歪を検知することができれば、如何なるセンサを用いてもよく、例えば、図４に示すように、光変位計９ｂを歪センサとして用いてもよい。

光変位計９ｂでセルケース６の歪を検知する場合、セルケース６中で積層方向Ｌを向く壁面６ａのうち、この壁面６ａで、積層方向Ｌに垂直な方向Ｘにおける中央部の変位（歪）を検知できるように、この光変位計９ｂをセットすることが好ましい。これは、この壁面６ａ中で方向Ｘにおける中央部が最も変位（歪）量が大きいからである。

一方、本実施形態では、この壁面６ａ中で方向Ｘにおける端側の部分に歪ゲージ９ａを設けている。歪ゲージ９ａは、歪ゲージ９ａが取り付けられている領域、つまり、限られた歪検知領域Ｄの歪を検知するセンサである。前述したように、セルケース６の壁面ａ中で方向Ｘにおける中央部が最も最も変位（歪）量が大きいものの、この中央部が歪検知領域Ｄである場合、この歪検知領域Ｄ内の歪ε１は小さく、逆に、壁面６ａ中で方向Ｘにおける端側の部分が歪検知領域Ｄである場合、この歪検知領域Ｄ内の歪ε２は大きい。このため、本実施形態では、歪検知領域Ｄ内の歪が大きいセルケース６中の部分、つまり、セルケース６の壁面６ａ中で方向Ｘにおける端側の部分に、歪ゲージ９ａを設けている。

また、本実施形態では、セルケース６中の一箇所の歪のみからＳＯＣを求めているが、セルケース６を温度も検知し、この温度と歪とからＳＯＣを求めてもよいし、セルケース６中の複数箇所の歪からＳＯＣを求めてもよい。

セルケース６の弾性係数は温度により変化するため、セルケース６の温度変化によりセルケース６の歪を変化する。このため、セルケース６の温度を検知する温度計を設けると共に、セルケース６の温度及び歪みとＳＯＣとの関係を示す関係情報Ｆをメモリ１２に記憶しておき、実際に検知されたセルケース６の温度及び歪みと関係情報Ｆとを用いて、ＳＯＣを求めるようにしてもよい。

セルケース６中で予め想定した検知位置の歪を検知するようにしても、同一条件下での検知位置の歪は、セルケース６の製造誤差等により、個々のセルケース６で微妙に異なる。このため、製造誤差等による歪のバラツキを平準化するために、複数の歪センサを設けると共に、セルケース６の検知位置毎の歪みとＳＯＣとの関係を示す関係情報Ｆをメモリ１２に記憶しておき、実際に検知された検知位置毎の歪みと関係情報Ｆとを用いて、ＳＯＣを求めるようにしてもよい。

また、本実施形態では、ＣＭＵ１０がセルケース６の歪からＳＯＣを求めているが、ＢＭＵ２０がセルケース６の歪からＳＯＣを求めるようにしてもよい。

１：電池、２：負極板、３：セパレータ、４：正極板、５：電極積層体、６：セルケース、６ａ：壁面、６ｍ：ケース本体、６ｎ：蓋、９ａ：歪ゲージ、９ｂ：光変位計、１００：電池システム、１０１：組電池、１０５：制御回路

Claims

積層された複数の電極体、及び複数の該電極体を内包した電池容器を有する二次電池と、
前記電池容器の歪を検知する歪ゲージと、
前記歪ゲージで検知される前記歪と前記二次電池の充電率との関係を示す関係情報が記憶されている記憶部と、
前記歪ゲージで検知された前記歪と前記関係情報とを用いて、前記充電率を求める演算部と、
を備え、
前記電池容器は、複数の前記電極体が積層されている積層方向を向く積層方向面を有し、
前記歪ゲージは、前記歪ゲージが検知する歪検知領域内の歪が大きい部分である、前記積層方向面内の端部に設けられている、
ことを特徴とする二次電池システム。