JP6037166B2 - 二次電池の制御方法および二次電池の制御装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の断面図である。図2は当該リチウムイオン二次電池100に内装される捲回電極体200を示す図である。
電池ケース300は、この実施形態では、ケース本体320と、封口板(蓋体)340とによって構成されている。ケース本体320は、一端(電池100の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)の部材である。また、封口板340は、ケース本体320の開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる。
捲回電極体200は、図2に示すように、帯状(長尺シート状)の正極(正極シート220)と、該正極シート220と同様の帯状の負極(負極シート240)と、計二枚の帯状のセパレータ(セパレータ262,264)とを備えている。
正極シート220は、帯状の正極集電箔221と正極活物質層223とを備えている。正極集電箔221には、例えば、正極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、正極集電箔221として、厚さが凡そ15μmの帯状のアルミニウム箔が用いられている。正極集電箔221の幅方向片側の縁部に沿って未塗工部222が設定されている。図示例では、正極活物質層223は、正極集電箔221に設定された未塗工部222を除いて、正極集電箔221の両面に保持されている。ここでは、正極活物質層223は、正極活物質粒子、導電材、バインダなどを含む正極合剤を正極集電箔221に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。
負極シート240は、帯状の負極集電箔241と負極活物質層243とを備えている。負極集電箔241には、例えば、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、負極集電箔241には、厚さが凡そ10μmの帯状の銅箔が用いられている。負極集電箔241の幅方向片側には、縁部に沿って未塗工部242が設定されている。負極活物質層243は、負極集電箔241に設定された未塗工部242を除いて、負極集電箔241の両面に保持されている。ここで、負極活物質層243は、負極活物質粒子、増粘剤、バインダなどを含む負極合剤を負極集電箔241に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さにプレスすることによって形成されている。
セパレータ262、264は、図2に示すように、正極シート220と負極シート240とを隔てる部材である。この例では、セパレータ262、264は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ262、264には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2に示すように、負極活物質層243の幅b1は、正極活物質層223の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ262、264の幅c1、c2は、負極活物質層243の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。
電解液(非水電解液)としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば質量比1:1)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
この実施形態では、捲回電極体200は、図2に示すように、捲回軸WLに直交する一の方向において扁平に押し曲げられている。図2に示す例では、正極集電箔221の未塗工部222と負極集電箔241の未塗工部242は、それぞれセパレータ262、264の両側においてらせん状に露出している。この実施形態では、図1に示すように、未塗工部222(242)の中間部分は、寄せ集められ、電池ケース300の内部に配置された電極端子420、440(内部端子)の集電タブ420a、440aに溶接されている。電解液は、捲回軸WLの軸方向から捲回電極体200の内部に浸入しうる。
図3は、かかるリチウムイオン二次電池100の充電時の状態を模式的に示している。充電時、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、図3に示すように、スイッチ292によって充電器290に接続されたような状態になる。この際、充電器290の作用によって、正極シート220と負極シート240との間に、電圧が印加され、正極活物質層223中の正極活物質からリチウムイオン(Li)が電解液280に放出され、正極活物質層223から電荷が放出される。放出された電荷は、正極集電箔221に送られ、充電器290を通じて負極シート240に送られる。また、負極シート240では電荷が蓄えられるとともに、電解液280中のリチウムイオン(Li)が、負極活物質層243中の負極活物質に吸収され、かつ、貯蔵される。これにより、負極シート240と正極シート220との電位差が生じる。
図4は、かかるリチウムイオン二次電池100の放電時の状態を模式的に示している。放電時、リチウムイオン二次電池100の電極端子420、440(図1参照)は、図4に示すように、スイッチ292によって抵抗294に接続されたような状態になる。この際、負極シート240と正極シート220との電位差によって、抵抗294を通じて負極シート240から正極シート220に電荷が送られるとともに、負極活物質層243に貯蔵されたリチウムイオンが電解液280に放出される。また、正極では、正極活物質層223中の正極活物質に電解液280中のリチウムイオンが取り込まれる。
ところで、かかるリチウムイオン二次電池100は、例えば、プラグインハイブリッド車を含むハイブリッド車や、電気自動車、燃料電池車において、車輪を駆動させる電気モーターの動力源としての蓄電池システムに用いられる。かかる車両用途では、車の発進時や加速時において高い出力が要求されうる。また、減速時に得られる回生エネルギを効率よく活用するため、急速充電に対する要求もある。
図5は、本発明の一実施形態に係る二次電池の制御方法およびこれを具現化する二次電池の制御装置20の構成例を示している。ここで、図5はリチウムイオン二次電池100の外観斜視図を示している。ここでは、本発明の一実施形態に係る二次電池の制御方法について、単電池に対する制御を説明し、その後、車載用組電池への適用を説明する。
面圧センサー22は、リチウムイオン二次電池100の電池ケース300に取り付けられている。この実施形態では、電池ケース300は扁平な直方体形状であり、いわゆる角型の電池を構成している。面圧センサー22は、かかる電池ケース300の最も広い面300Aの中央部に取り付けられている。ここで、かかる角型の電池ケース300の肉厚は、凡そ均一である。電池ケース300の最も広い面300Aの中央部は、電池ケース300の内圧に応じて撓む量が大きく、面圧センサー22を取り付ける部位として好適である。
ヒーター24は、リチウムイオン二次電池100を温める装置である。ここで、ヒーター24は、例えば、リチウムイオン二次電池100に熱風を当てる温風機でもよい。この場合、熱風の吹き出し口24aがリチウムイオン二次電池100に向けられているとよい。また、リチウムイオン二次電池100に当てる熱風の温度を調整できる温度調整機構を備えているとよい。ヒーター24は、例えば、リチウムイオン二次電池100を18℃から27℃の予め定められた温度(例えば、25℃)になるように温める機能を備えているとよい。なお、ヒーター24は、リチウムイオン二次電池100を温められる装置であればよく、リチウムイオン二次電池100に向けて熱風を当てる装置に限らない。例えば、ヒーター24は、リチウムイオン二次電池100の周囲に配置した電熱線に通電してリチウムイオン二次電池100の温度を高くする装置が採用されてもよい。
コントローラー26は、面圧センサー22とヒーター24とに電気的に接続されている。ここでは、コントローラー26は、面圧センサー22によって取得された電池ケース300に作用する内部圧力に基づいてヒーター24を制御する装置である。ここで、コントローラー26は、ECU(Electronic Control Unit)とも称されうる電気制御ユニットによって構成されており、電気的な記憶装置と、CPUとも称される電気的な演算装置とを備えている。コントローラー26による制御は、予め設定されたプログラムを実行することによって実現される。
二次電池の制御装置20は、第1記憶部41と第2記憶部42とを備えている。第1記憶部41は、予め定められたタイミングで面圧センサー22を基に取得された基準面圧Paを記憶する。第2記憶部42は、面圧センサー22を基に始動後に測定された使用中の面圧Pbを記憶する。この実施形態では、第1記憶部41、第2記憶部42は、コントローラー26の記憶装置に設けられている。
ここで、基準面圧Paは、充放電の始動前、始動時または始動後の予め定められたタイミングで取得される面圧である。当該基準面圧Paは、例えば、リチウムイオン二次電池100の充放電制御がスタートするタイミングで取得されるとよい。
さらに、本発明者が得た知見によれば、リチウムイオン二次電池100の基準面圧Paは、温度や充電容量によって変動する。ここで、「充電容量」は、二次電池の充電状態、即ち電池の残容量をいい、SOC(State
Of Charge)とも称される。「充電容量」は、充放電可能な二次電池の満充電状態における容量に対する割合で評価することができる。
ここで、使用中の面圧Pbは、リチウムイオン二次電池100が充放電され、実質的にリチウムイオン二次電池100が機能している状態で、面圧センサー22によって取得される面圧である。この実施形態では、コントローラー26は、予め定められた時間毎に使用中の面圧Pbを取得して第2記憶部42に記憶する。つまり、使用中の面圧Pbは、予め定められた時間毎に面圧センサー22から取得される。例えば、0.1秒毎に使用中の面圧Pbを取得してもよい。また、1秒毎に使用中の面圧Pbを取得してもよい。このように使用中の面圧Pbを取得するタイミングは任意に設定することができる。
使用中の面圧Pbを取得する間隔は、例えば、車載用のリチウムイオン二次電池100では、0.1秒から5秒程度の間隔が適当である。つまり、使用中の面圧Pbを、0.1秒から5秒程度の間隔で取得することによって、ハイレート劣化に伴うリチウムイオン二次電池100の内部圧力の変動を適切に検知することができる。使用中の面圧Pbを取得する間隔が短くなり過ぎると、データ量が多くなり演算負荷が大きくなる。これに対して、使用中の面圧Pbを取得する間隔が長くなり過ぎると、リチウムイオン二次電池100のハイレート劣化を見落としたり、検出が遅れたりする可能性がある。使用中の面圧Pbを取得する間隔は、用途に応じて任意に適当な間隔に設定するとよい。例えば、車載用の電池では、加減速が激しい市街地や、ほぼ一定の速度で走行できる高速道などによって、使用中の面圧Pbの取得する間隔を変えてもよく、モード設定などで、任意に変更してもよい。
コントローラー26は、第1記憶部41に記憶された基準面圧Paと第2記憶部42に記憶された使用中の面圧Pbとに基づいてヒーター24を制御する。例えば、コントローラー26は、使用中の面圧Pbが基準面圧Paよりも大きい場合に、リチウムイオン二次電池100の温度が上がるようにヒーター24を制御してもよい。
二次電池の制御装置20は、図5に示すように、第3記憶部43と演算部51とを備えている。第3記憶部43は、使用中の面圧Pbが基準面圧Paよりも大きい場合に、基準面圧Paと使用中の面圧Pbとの差分ΔPbを記憶する記憶部である。演算部51は、予め定められた単位時間ΔTに記憶された差分ΔPbの総和Hを算出する。そして、コントローラー26は、総和Hが予め定められた閾値Xよりも大きい場合に、二次電池の温度が上がるようにヒーターを制御する。この実施形態では、第3記憶部43は、コントローラー26の記憶装置に設けられており、演算部51の演算は、プログラムによって具現化されており、コントローラー26の演算装置によって実行される。
図10は、二次電池の制御フローを示すフローチャートである。ここでは、フローの開始において基準面圧Paは既に設定されているものとする。
ここで差分ΔPbの総和Hに対して設定される閾値Xを説明する。閾値Xは、予めベンチ試験を行ない、上記の差分ΔPbの総和Hと、抵抗増加率(ハイレート充放電後の抵抗増加率)を基に寿命を推定した結果を得る。図11は、差分ΔPbの総和Hと、寿命(推定値)との相関関係の例を示している。当該相関関係を基に、任意に設定される寿命目標から閾値Xを得るとよい。このように、閾値Xは、予め行われる試験を基に適当な値を任意に定めることができる。なお、閾値Xは、任意に適当な値を設定できる。閾値Xを定めるのに予め行われる試験も任意の条件を設定できる。
次に、ここでリチウムイオン二次電池100を複数組み合わせた車載用の組電池を説明する。
以上のとおり、ここで提案される二次電池の制御方法は、予め定められたタイミングで測定された二次電池の電池ケースの基準面圧Paを取得するステップAと、二次電池の使用中の面圧Pbを取得するステップB(S101)と、基準面圧Paと使用中の面圧Pbとに基づいて当該二次電池を温める要否を判定するステップC(S106)とを含んでいるとよい。なお、カッコ内の符号は、図10のフローチャートにおける対応するステップを示している。
20 二次電池の制御装置
22 面圧センサー
24 ヒーター
24a 吹き出し口
26 コントローラー
31 温度センサー
32 電圧計
41 第1記憶部
42 第2記憶部
43 第3記憶部
51 演算部
100 リチウムイオン二次電池(二次電池)
200 捲回電極体
220 正極シート
221 正極集電箔
222 未塗工部
223 正極活物質層
240 負極シート
241 負極集電箔
242 未塗工部
243 負極活物質層
262,264 セパレータ
280 電解液
290 充電器
292 スイッチ
294 抵抗
300 電池ケース
300A 電池ケース300の最も広い面
320 ケース本体
340 封口板
350 注液口
352 封止材
360 安全弁
400 拘束部材
401 スペーサ
402 エンドプレート
403 拘束バンド
410 バスバー
420 正極端子
440 負極端子
1000 車両駆動用電池(組電池)
WL 捲回軸
Claims (18)
- 予め定められたタイミングで測定された二次電池の電池ケースの基準面圧Paを取得するステップAと、
前記二次電池の使用中の面圧Pbを取得するステップBと、
前記基準面圧Paと前記使用中の面圧Pbとに基づいて当該二次電池を温める要否を判定するステップCと
を含む、
二次電池の制御方法。 - 前記ステップCは、
前記使用中の面圧Pbが前記基準面圧Paよりも大きい場合に、当該二次電池を温める要否を要とする、
請求項1に記載された二次電池の制御方法。 - 前記ステップBは、予め定められた時間毎に前記使用中の面圧Pbを取得する、請求項1または2に記載された二次電池の制御方法。
- 前記ステップCは、
前記使用中の面圧Pbが前記基準面圧Paよりも大きい場合に、前記基準面圧Paと前記使用中の面圧Pbとの差分ΔPbを記憶するステップC1と、
予め定められた単位時間に記憶された差分ΔPbの総和Hを算出するステップC2と、
前記総和Hが予め定められた閾値Xよりも大きい場合に、前記二次電池を温める要否を要とするステップC3と
を含む、
請求項3に記載された二次電池の制御方法。 - 前記ステップC2の前記予め定められた単位時間は5分以上30分以下である、請求項4に記載された二次電池の制御方法。
- 前記二次電池は、電池ケースの膨張を抑える拘束部材を備えている、請求項1から5までの何れか一項に記載された二次電池の制御方法。
- 前記電池ケースは扁平な直方体形状であり、該電池ケースの最も広い面の中央部に面圧センサーが取り付けられている、請求項1から6までの何れか一項に記載された二次電池
の制御方法。 - 基準面圧Paは、充放電の始動前、始動時または始動後の予め定められたタイミングで取得される面圧である、請求項1から7までの何れか一項に記載された二次電池の制御方法。
- 前記二次電池は車載されており、車のエンジンが始動した時に前記基準面圧Paが取得される、請求項8に記載された二次電池の制御方法。
- 二次電池の電池ケースに取り付けられた面圧センサーと、
前記二次電池を温めるヒーターと、
予め定められたタイミングで前記面圧センサーを基に取得された基準面圧Paを記憶する第1記憶部と、
前記面圧センサーを基に始動後に測定された使用中の面圧Pbを記憶する第2記憶部と、
前記第1記憶部に記憶された基準面圧Paと前記第2記憶部に記憶された使用中の面圧Pbとに基づいて前記ヒーターを制御するコントローラーと
を備えている、二次電池の制御装置。 - 前記コントローラーは、前記使用中の面圧Pbが前記基準面圧Paよりも大きい場合に、前記二次電池の温度が上がるように前記ヒーターを制御する、請求項10に記載された二次電池の制御装置。
- 前記第2記憶部は、予め定められた時間毎に前記使用中の面圧Pbを記憶する、請求項10または11に記載された二次電池の制御装置。
- 前記使用中の面圧Pbが前記基準面圧Paよりも大きい場合に、前記基準面圧Paと前記使用中の面圧Pbとの差分ΔPbを記憶する第3記憶部と、
予め定められた単位時間に記憶された前記差分ΔPbの総和Hを算出する演算部と
を備え、
前記コントローラーは、
前記総和Hが予め定められた閾値Xよりも大きい場合に、前記二次電池の温度が上がるように前記ヒーターを制御する、請求項12に記載された二次電池の制御装置。 - 前記演算部は、前記予め定められた単位時間が3分以上60分以下である、請求項13に記載された二次電池の制御装置。
- 前記二次電池の基準温度を検出する温度センサーと、
前記二次電池の充電状態を検知する充電状態検知部と
を備え、
前記コントローラーは、前記面圧センサーによる検出値と、前記基準温度と、前記充電状態とに基づいて前記基準面圧Paを求める、請求項10から13までの何れか一項に記載された二次電池の制御装置。 - 前記二次電池は、電池ケースの膨張を抑える拘束部材を備えている、請求項10から15までの何れか一項に記載された二次電池の制御装置。
- 前記電池ケースは扁平な直方体形状であり、
前記面圧センサーは、該電池ケースの最も広い面の中央部に取り付けられている、請求項10から16までの何れか一項に記載された二次電池の制御装置。 - 前記ヒーターは、前記二次電池を18℃から27℃の予め定められた温度になるように温める、請求項10から17までの何れか一項に記載された二次電池の制御装置。
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