JP5779528B2 - リチウムイオン二次電池システムおよびリチウムイオン二次電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
正極は、正極活物質、電子導電性材料及びバインダ樹脂から構成される正極合剤層2が正極集電体1であるアルミニウム箔上に塗布されることにより形成される。また、電子抵抗の低減のため更に正極合剤層2に導電剤を加えても良い。
負極は、負極活物質、電子導電性材料及びバインダ樹脂から構成される負極合剤層5が負極集電体4上に塗布されることにより形成される。
次に電解液について説明する。電解液は、溶媒と、添加剤と、電解質から構成される。
リチウムイオン二次電池に係るセパレータ7としては、公知のリチウムイオン二次電池に使用されているセパレータを用いることができる。例えば、セパレータ7としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布などが挙げられる。電池の高容量化の観点からは、セパレータの厚みは、20μm以下とすることが好ましく、18μm以下とすることがより好ましい。このような厚みのセパレータ7を用いることで、電池の体積あたりの容量を大きくすることができる。しかし、セパレータ7を薄くしすぎると、取り扱い性が損なわれたり、正負極間の隔離が不十分となって短絡が生じ易くなったりするため、厚みの下限は10μmであることが好ましい。
次に、図2に二次電池システムを示す。リチウムイオン二次電池モジュール21は図1のリチウムイオン二次電池100(単電池)を複数直列、並列、もしくは直並列を組み合わせている。このリチウムイオン二次電池モジュール21を複数、並列に接続して組電池を構成する。
最初に、リチウムイオン二次電池の充放電を開始する命令をバッテリコントローラ26から充放電するリチウムイオン二次電池モジュール21に信号を送信し、充放電を開始し、ステップ302に進む。
バッテリコントローラ26からの信号を受信したリチウムイオン二次電池モジュール21は、例えば、放電開始後、電圧測定部22、電流測定部23、温度測定部24、時間測定部25により、放電電流I、放電時間(放電開始からの経過時間)t、電池電圧V、及び電池温度Tを計測して、電池電圧V、放電電流I、電池温度T、放電時間tをバッテリコントローラ26へ送信する。バッテリコントローラ26中のSOC検出部27は、これら四つのパラメータ(V、I、T、t)から電池の充電状態(SOC)を算出し、ステップ303に進む。
バッテリコントローラ26は、所定時間t毎に、電流測定部23で検知された放電電流Iを積算して、リチウムイオン二次電池モジュール21の充電電気量または放電電気量を算出し、算出された充電電気量または放電電気量からリチウムイオン二次電池モジュール21の蓄電量Qを推定し、ステップ304に進む。
バッテリコントローラ26中のdV/dQ算出部29は、例えば、リチウムイオン二次電池モジュール21の放電時に、所定時間t毎に、電池電圧Vと充電状態(SOC)と蓄電量Qを取得しつつ、所定時間t毎の電池電圧Vの変化量dVと蓄電量Qの変化量dQとを算出し、これらに基づいて、所定時間t毎のdV/dQの値を算出し、Q−dV/dQ曲線を算出し、ステップ305に進む。Q−dV/dQ曲線はバッテリコントローラ26のRAMに記録させておく。
リチウムイオン二次電池モジュール21の充放電サイクルを行う電池電圧V範囲もしくはSOC範囲をバッテリコントローラ26から特徴点比較部30に入力され、ステップ306に進む。
バッテリコントローラ26中の特徴点比較部30において、入力された電池電圧VもしくはSOCと、算出されたQ−dV/dQ曲線上の特徴点の電池電圧VもしくはSOCとを比較する。ここで、特徴点比較部30において電池電圧VもしくはSOC(始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCもしくは終端SOC)がQ−dV/dQ曲線上の特徴点であると検知または推定された場合には、ステップ305に戻る。ステップ305に戻った際、電池電圧VもしくはSOCがQ−dV/dQ曲線上の特徴点を含まないように変更・設定して電池電圧VもしくはSOC範囲を特徴点比較部30に再入力する。換言すれば、電池電圧VもしくはSOCがQ−dV/dQ曲線上の特徴点を避けるように変更・設定して電池電圧VもしくはSOC範囲を特徴点比較部30に再入力する。電池電圧VもしくはSOCがQ−dV/dQ曲線上の特徴点を含まない場合には、ステップ307に進む。Q−dV/dQ曲線上の特徴点が複数存在する場合、電池電圧VもしくはSOCがQ−dV/dQ曲線上の特徴点の全てを避けるように変更・設定してもよいし、Q−dV/dQ曲線上の特徴点の少なくとも一つを避けるように変更・設定してもよい。電池容量低下の観点から、Q−dV/dQ曲線上の特徴点が複数存在する場合、電池電圧VもしくはSOCがQ−dV/dQ曲線上の特徴点の全てを避けるように変更・設定することが望ましい。
充放電サイクル電圧が決定され、サイクル電圧範囲もしくはSOC範囲が決定される。
最初に、リチウムイオン二次電池の放電を開始する命令をバッテリコントローラ26から充放電するリチウムイオン二次電池モジュール21に信号を送信しサイクルを開始し、ステップ402に進む。
バッテリコントローラ26からの信号を受信したリチウムイオン二次電池モジュール21は、例えば、放電開始後、電圧測定部22、電流測定部23、温度測定部24、時間測定部25により、放電電流I及び、放電時間(放電開始からの経過時間)t、電池電圧V、電池温度Tを計測して、バッテリコントローラ26へ電池電圧V、放電電流I、電池温度T、放電時間tを送信する。バッテリコントローラ26中のSOC検出部27は、これら四つのパラメータ(V、I、T、t)から電池の充電状態(SOC)を算出し、ステップ403に進む。
バッテリコントローラ26は、所定時間t毎に、電流測定部23で検知された放電電流Iを積算して、リチウムイオン二次電池モジュール21の充電電気量または放電電気量を算出し、算出された充電電気量または放電電気量からリチウムイオン二次電池モジュール21の蓄電量Qを推定し、ステップ404に進む。
バッテリコントローラ26中のdV/dQ算出部29は、例えば、リチウムイオン二次電池モジュール21の放電時に、所定時間t毎に、電池電圧Vと充電状態(SOC)と蓄電量Qを取得しつつ、所定時間t毎の電池電圧Vの変化量dVと蓄電量Qの変化量dQとを算出し、これらに基づいて、所定時間t毎のdV/dQの値を算出し、Q−dV/dQ曲線を算出し、ステップ405に進む。Q−dV/dQ曲線はバッテリコントローラ26のRAMに記録させておく。
バッテリコントローラ26中の特徴点比較部30において、リチウムイオン二次電池モジュール21の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCもしくは終端SOCと、算出されたQ−dV/dQ曲線上の特徴点の電池電圧VもしくはSOCと、を比較する。換言すれば、リチウムイオン二次電池モジュール21の充放電サイクルの上限電池電圧、下限電池電圧、上限SOCもしくは下限SOCと、算出されたQ−dV/dQ曲線上の特徴点の電池電圧VもしくはSOCと、を比較する。特徴点比較部30において、始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCもしくは終端SOCが、算出されたQ−dV/dQ曲線上の特徴点の電池電圧VもしくはSOCであると検知または推定された場合にはステップ406に進み、そうでなければステップ407に進む。
始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCもしくは終端SOCの範囲をQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点を含まない範囲に変更・設定し、ステップ407に進む。
ステップ406を経ずにステップ405からステップ407に進んだ場合は、初期の充放電サイクルを再開する。ステップ406で始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCもしくは終端SOCの範囲が変更された場合は、変更された状態で充放電サイクルを再開する。
以上のように、本実施形態によれば、リチウムイオン二次電池モジュール21において、バッテリコントローラ26を有し、バッテリコントローラ26でリチウムイオン二次電池21の蓄電量Q、電池電圧Vの変化量dVと蓄電量Qの変化量dQで表されるdV/dQの値からQ−dV/dQ曲線を算出し、そのリチウムイオン二次電池の状態に応じて、正極、もしくは負極活物質の相変化するQ−dV/dQ曲線上の特徴点を含まない電池電圧V、もしくは充電状態(SOC)で充放電サイクルを制御することにより、良好なサイクル特性を有する長寿命な二次電池システムを提供することができる。本発明の一実施形態を適用する上で、正極活物質もしくは負極活物質の内少なくとも一方(正極活物質のみ、負極活物質のみ、正極活物質および負極活物質の両方)が充放電により相変化を伴えばよい。正極と負極の劣化を考慮すると、負極の劣化が主で電池容量、DCRが変化することが多いため、充放電により相変化を伴う負極活物質を有するリチウムイオン二次電池に本発明の一実施形態を適用することが効果的である。
実施例1と同様な18650型電池を用いた。本発明の効果を検証するために実施した充放電サイクル範囲(2)とQ−dV/dQ曲線、負極のQ−dV/dQ曲線の関係を図7に示す。負極のQ−dV/dQ曲線上のピークを充放電サイクル終端SOCとして含むように充放電サイクルを行った。充放電サイクルSOC範囲(1)と(2)はほぼ同じである。
実施例2と同様な18650型電池を用いた。本発明の効果を検証するために実施した充放電サイクル範囲(4)とQ−dV/dQ曲線、正極のQ−dV/dQ曲線の関係を図8に示す。正極のQ−dV/dQ曲線上のピークを充放電サイクルSOC終端として含むように充放電サイクルを行った。充放電サイクルSOC範囲(3)と(4)はほぼ同じである。
実施例3と同様な18650型電池を用いた。本発明の効果を検証するために実施した充放電サイクル範囲(6)とQ−dV/dQ曲線、負極のQ−dV/dQ曲線の関係を図9に示す。充放電サイクル範囲(6)では、負極dV/dQのSOC終端を図9の中央に位置するピークにしている。負極のQ−dV/dQ曲線上のピークを充放電サイクルSOC終端として含むように充放電サイクルを行った。充放電サイクルSOC範囲(5)と(6)はほぼ同じである。
2 正極合剤層
3 正極
4 負極集電体
5 負極合剤層
6 負極
7 セパレータ
8 正極リード
9 負極リード
10 正極絶縁材
11 負極絶縁材
12 正極電池蓋
13 負極電池缶
14 ガスケット
21 リチウムイオン二次電池モジュール
22 電圧測定部
23 電流測定部
24 温度測定部
25 時間測定部
26 バッテリコントローラ
27 SOC検出部
28 充放電制御部
29 dV/dQ算出部
30 特徴点比較部
31 電気負荷
100 リチウムイオン二次電池
Claims (5)
- リチウムイオン二次電池を備えるリチウムイオン二次電池システムであって、
前記リチウムイオン二次電池は、
リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極と、
リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む負極と、を有し、
前記正極活物質または前記負極活物質は、前記リチウムイオン二次電池の充放電により相変化し、
前記リチウムイオン二次電池システムは、
前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記リチウムイオン二次電池の充電状態(SOC)を検出するSOC検出手段と、
前記リチウムイオン二次電池の充放電時に、前記リチウムイオン二次電池の蓄電量Qが変化した時の、前記蓄電量Qの変化量dQに対する前記リチウムイオン二次電池の電池電圧Vの変化量dVの割合であるdV/dQの値を算出するdV/dQ算出部と、
前記蓄電量Qの値と前記dV/dQの値との関係を表すQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点と前記リチウムイオン二次電池の電池電圧またはSOCとの関係を比較する特徴点比較部と、を備え、
前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCがQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点であると検知または推定された場合、前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCをQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点を避けた電池電圧またはSOCに設定するリチウムイオン二次電池システム。 - 請求項1において、
前記負極活物質は、前記リチウムイオン二次電池の充放電により相変化し、
前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCが、Q−dV/dQ曲線上に現れる前記負極活物質に起因する特徴点であると検知または推定された場合、前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCを前記負極活物質に起因するQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点を避けた電池電圧またはSOCに設定するリチウムイオン二次電池システム。 - 請求項1において、
前記正極活物質は、前記リチウムイオン二次電池の充放電により相変化し、
前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCが、Q−dV/dQ曲線上に現れる前記正極活物質に起因する特徴点であると検知または推定された場合、前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCをQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点を避けた電池電圧またはSOCに設定するリチウムイオン二次電池システム。 - 請求項1において、
前記負極活物質は、前記リチウムイオン二次電池の充放電により相変化し、
前記正極活物質は、前記リチウムイオン二次電池の充放電により相変化し、
前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCが、Q−dV/dQ曲線上に現れる前記負極活物質に起因する特徴点であると検知または推定された場合、前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCをQ−dV/dQ曲線上に現れる前記負極活物質に起因する特徴点を避けた電池電圧またはSOCに設定し、
前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCが、Q−dV/dQ曲線上に現れる前記正極活物質に起因する特徴点であると検知または推定された場合、前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCをQ−dV/dQ曲線上に現れる前記正極活物質に起因する特徴点を避けた電池電圧またはSOCに設定するリチウムイオン二次電池システム。 - リチウムイオン二次電池を備えるリチウムイオン二次電池システムの制御方法であって、
前記リチウムイオン二次電池は、
リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極と、
リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む負極と、を有し、
前記正極活物質または前記負極活物質は、前記リチウムイオン二次電池の充放電により相変化し、
前記リチウムイオン二次電池システムは、
前記リチウムイオン二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記リチウムイオン二次電池の充電状態(SOC)を検出するSOC検出手段と、
前記リチウムイオン二次電池の充放電時に、前記リチウムイオン二次電池の蓄電量Qが変化した時の、前記蓄電量Qの変化量dQに対する前記リチウムイオン二次電池の電池電圧Vの変化量dVの割合であるdV/dQの値を算出するdV/dQ算出部と、
前記蓄電量Qの値と前記dV/dQの値との関係を表すQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点と前記リチウムイオン二次電池の電池電圧またはSOCとの関係を比較する特徴点比較部と、を備え、
前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCがQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点であると検知または推定された場合、前記リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの始端電池電圧、終端電池電圧、始端SOCまたは終端SOCをQ−dV/dQ曲線上に現れる特徴点を避けた電池電圧またはSOCに設定するリチウムイオン二次電池システムの制御方法。
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