JP6057174B2

JP6057174B2 - 電池システム、車両及び二次電池の制御方法

Info

Publication number: JP6057174B2
Application number: JP2013083331A
Authority: JP
Inventors: 裕輝井口; 崇礼副島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: JP2014207107A

Description

本発明は、電池システム、車両及び二次電池の制御方法に関する。

リチウム（イオン）二次電池等の二次電池の抵抗上昇を引き起こす要因としては種々の要素が挙げられ、特に、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等の車両駆動電源（車載電源）に用いられるリチウム二次電池では、主に材料劣化とハイレート劣化による抵抗上昇を抑制するための研究開発が活発に行われている。これらの劣化要因のうち、材料劣化は、使用する電極、電解液等の材料自体の劣化に起因して運転時間の経過とともに二次電池の抵抗が増加していく現象である。一方、ハイレート劣化は、主として電解液中の塩濃度のムラ（偏り）によって抵抗増加が生起される現象であって、二次電池の充放電の条件によっては生じたり生じなかったりする傾向にある（例えば、充放電電流が比較的大きい急速充放電の場合に生じ易い。）。

このように、ハイレート劣化は、二次電池に使用する部材や材料固有の物性及び特性に因るのみならず、二次電池及びそれが搭載された車両の運転条件や環境条件にも依存する複合的且つ複雑な事象であることから、ハイレート劣化を抑制するためには、二次電池の負荷状態及び運転条件を制御することが極めて重要となる。

そこで、二次電池におけるこのようなハイレート劣化を抑制するために、電極体内のリチウムイオン濃度の偏りに着目し、そのリチウムイオン濃度の偏りから二次電池におけるハイレート放電値の劣化に関する評価値（劣化評価値）を算出し、さらに、その劣化評価値に基づいて、二次電池の充放電制御を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。またその他の関連技術として、充放電履歴から急速充電の可否を判断する二次電池の充放電制御方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００９−１２３４３５号公報特開２０１２−０９０４８０号公報

しかしながら、上記方法を用いても、二次電池の急速充電に起因するハイレート劣化の抵抗上昇の対策としては、まだ不十分であり、さらなる対策が望まれている。

そこで、本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、二次電池の急速充電に起因するハイレート劣化を十分に抑制することができる電池システム、車両及び二次電池の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、一方向に積層された複数の二次電池と、前記二次電池の充電を制御する制御装置と、前記二次電池の表面面圧を測定する面圧センサと、を有し、前記面圧センサは、隣り合う二次電池の間に設けられ、前記二次電池における正極及び負極のある両端部の間の中央部の表面面圧を測定可能であり、前記制御装置は、前記面圧センサにより測定された充電時の前記二次電池の中央部の表面面圧に、通電時間に応じた補正面圧を加えた制御面圧を算出し、当該制御面圧が所定の閾値を超えた場合に前記二次電池の充電を制限する、電池システムである。

本発明によれば、充電時に、ハイレート劣化と相関がある二次電池の表面面圧を測定し、その二次電池の表面面圧の測定値を、通電時間に応じて定まる補正面圧を加えて補正し、当該制御面圧が閾値を超えた場合に二次電池の充電を制限できるので、二次電池の急速充電に起因するハイレートの劣化を十分且つ確実に抑制することができる。その結果、ハイレート劣化による二次電池の抵抗上昇を抑制でき、二次電池の性能を長期に亘って良好に維持することができる。

別の観点による本発明は、上記電池システムを有し、二次電池を駆動用電源として使用する、車両である。

別の観点による本発明は、一方向に積層された複数の二次電池の充電時に、隣り合う二次電池の間に設けられた面圧センサにより二次電池における正極及び負極のある両端部の間の中央部の表面面圧を測定する工程と、前記測定された充電時の二次電池の中央部の表面面圧に、通電時間に応じた補正面圧を加えて制御面圧を算出する工程と、前記制御面圧が所定の閾値を超えた場合に前記二次電池の充電を制限する工程と、を有する、二次電池の制御方法である。

本発明によれば、二次電池の急速充電に起因するハイレート劣化を十分に抑制することができる。

電池システムが搭載された車両を示す模式図である。電池システムの積層されたリチウム二次電池の構成を概略的に示す斜視図である。リチウム二次電池の構成の概略を示す斜視図である。リチウム二次電池のＡ−Ａ断面図である。リチウム二次電池の制御方法の一例を示すフロー図である。制御面圧Ｐ１、表面面圧Ｐ２、補正面圧Ｐ３の関係を示すグラフである。充電過多ハイレートサイクルの説明図である。リチウム二次電池の表面電圧分布を示すグラフである。充電制御ある場合とない場合の抵抗増加率を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本実施形態の電池システム及びこれが搭載された車両を示す模式図であり、図２は、積層された二次電池の斜視図であり、図３は、本実施形態の電池システムにおける二次電池の構成を概略的に示す斜視図であり、図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すように、電池システム１は、例えば自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車などの車両１００に搭載されている。電池システム１は、車両１００の駆動電源として機能するリチウム二次電池２と、リチウム二次電池２に電気的に接続され、リチウム二次電池２を制御する制御装置３と、リチウム二次電池２の表面面圧を測定する面圧センサ４を備えている。

リチウム二次電池２は、例えば図２に示すように一方向に複数積層されている。図３及び図４に記載のとおり、各リチウム二次電池２は、略角筒状（直方体形状）をなす電池ケース１０の内部に、電極体２３を備えている。電極体２３は、電解質が含浸されたセパレータ２０を挟んで正極シート２１と負極シート２２が積層され、それらを捲回して構成されている。電極体２３は、側面方向から押しつぶした形の扁平形状を有している。

電池ケース１０の上部開口部は、蓋体２５によって閉塞されている。また、蓋体２５には、外部接続用の正極端子３０と負極端子３１が設けられている。正極端子３０と負極端子３１は、上端側の一部が蓋体２５の表面から外部に突設されており、それぞれの下端部が、図４に示すように電池ケース１０の内部において、内部正極端子３２と内部負極端子３３に接続されている。内部正極端子３２と内部負極端子３３は、それぞれ電極体２０の正極シート２１、負極シート２２に電気的に接続されている。

セパレータ２０は、例えば樹脂製の多孔性（微多孔質樹脂）を有し、その空孔内に電解質（非水電解液）を含浸させることにより、正極及び負極間に伝導パス（導電経路）を形成している。セパレータ２０の樹脂の種類としては、例えば、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン等のポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。セパレータ２０は、単層のもの（単層体）、２層或いは３層以上の積層体のいずれであっても、好適に用いることができる。

面圧センサ４は、図３に示すように電池ケース１０の幅広面４０に設置され、幅広面４０の全面の面圧（面圧分布）を測定できる。面圧センサ４は、例えばリチウム二次電池２の幅広面４０の面圧を幅方向Ｗの各領域（端部４０ａ、中央部４０ｂ、端部４０ｃ）毎に測定できる。面圧センサ４は、図２に示すように一方向に積層された隣接するリチウム二次電池２の間に設けられている。面圧センサ４には、例えばタクタイルセンサが用いられる。

制御装置３は、リチウム二次電池２への電流入力及びリチウム二次電池２からの電流出力を制御する機能を有するものであり、演算装置、記憶装置、入出力インターフェイス等（いずれも図示せず）を備えている。面圧センサ４の測定結果は、制御装置３に出力される。制御装置３は、面圧センサ４により測定された充電時のリチウム二次電池２の表面面圧に、通電時間に応じて定まる補正面圧を加えた制御面圧を算出し、当該制御面圧が所定の閾値を超えた場合にリチウム二次電池２の充電を制限できる。

次に、以上のように構成された電池システム１のリチウム二次電池２の制御方法について説明する。図５は、リチウム二次電池２の制御方法の一例を示すフロー図である。なお、以下に記載する各処理は、制御装置３からの指令信号に基づいて実施され、各種の演算は制御装置３において行われる。

リチウム二次電池２で充電が行われる際には、処理フローがスタートされると、先ず充電が急速充電であるか否か確認される（ステップＳ１）。急速充電であるか否かは、例えば予め設定されている充電速度の閾値によって判断される。急速充電でない場合には、スタートに戻される。

急速充電である場合、急速充填が開始され（ステップＳ２）、その後、充電によりハイレート劣化が生じるか否かの指標となるリチウム二次電池２の表面面圧に関する制御面圧（ハイレート面圧）Ｐ１が算出される。

制御面圧Ｐ１を算出するために、先ず、面圧センサ４によりリチウム二次電池２の表面面圧Ｐ２が測定される。このとき、表面面圧Ｐ２として、リチウム二次電池２の中央部４０ｂの測定値を用いてもよい。また、表面面圧Ｐ２として、実測値を用いてもよいし、実測値から充電開始前の初期面圧を引いたものを用いてもよい。次に、充電開始からの通電時間（充電時間）Ｔが確認される（ステップＳ３）。次に、その通電時間Ｔに応じて定められる補正面圧Ｐ３が算出される（ステップＳ４）。補正面圧Ｐ３は、図６に示すように通電時間Ｔが長くなるほど大きくなるものであり、例えば充電開始時の面圧Ｐ０とそこからの任意の時間の面圧から回帰直線の傾きａを算出し、式Ｙ＝ａＴ＋Ｐ０によって求められる。この場合、例えば前記任意の時間は、０〜２０ｓｅｃでもよい。

次に、面圧センサ４により測定されたリチウム二次電池２の表面面圧Ｐ２に、算出された上記補正面圧Ｐ３が加えられ、制御面圧Ｐ１が算出される。

続いて、制御面圧Ｐ１と予め設定されている閾値Ｄとが比較される（ステップＳ５）。この閾値Ｄは、リチウム二次電池２の性能等を考慮し、予め行われた実験等により求められたものを使用してもよい。そして、制御面圧Ｐ１が閾値Ｄを超えている場合には、リチウム二次電池２への電流入力（Win）を制限し（ステップＳ６）、制御面圧Ｐ１が閾値Ｄ以下である場合には、リチウム二次電池２への電流入力（Win）を制限しない（ステップＳ７）。

リチウム二次電池２の電流入力を制限した後、或いは電流入力を制限しなかった後、充電終了か否かが判断され（ステップＳ８）、充電終了の判断が行われると、この処理フローが終了される。また、充電終了の判断が行われないと、制御面圧Ｐ１を算出するための通電時間Ｔを確認するステップＳ３に戻される。なお、このときの電流入力の制限には、電流入力量を減らす場合、電流入力を止める場合が含まれる。

本実施の形態によれば、急速充電時に、面圧センサ４によりリチウム二次電池２の表面面圧Ｐ２を測定し、その表面面圧Ｐ２の測定値を、通電時間Ｔに応じて定まる補正面圧Ｐ３を加えて補正し、当該制御面圧Ｐ１が閾値Ｄを超えた場合にリチウム二次電池２の充電を制限している。これは、発明者らにより、急速充電時の二次電池の抵抗増加を招くハイレート劣化と、二次電池の表面面圧に相関があり、さらに、面圧センサで測定された二次電池の表面面圧Ｐ２を、通電時間に応じた補正面圧Ｐ３で補正した制御面圧Ｐ１が、ハイレート劣化が生じるか否かのより正確な指標となることが見出されたことによる。よって、本実施の形態によれば、リチウム二次電池２の急速充電に起因する抵抗増加（ハイレートの劣化）が生じる前に充電を制限できるので、ハイレートの劣化を十分且つ確実に抑制できる。よって、リチウム二次電池２の性能を長期に亘って良好に維持することができる。

また、本実施の形態によれば、リチウム二次電池２の中央部４０ｂの表面面圧Ｐ２に補正面圧Ｐ３を加えて制御面圧Ｐ１を算出しているので、リチウム二次電池２の制御面圧Ｐ１をより正確に算出することができる。

本実施の形態では、特にリチウム二次電池２を車両１００の駆動用電源として使用しているので、急速充電が連続して多数回行われる車両１００の運転制御において、ハイレート劣化を十分且つ確実に抑制できる。

ここで、実際に充電過多によるハイレート劣化を生じる連続ハイレート充放電を行い、本実施の形態にかかるリチウム二次電池２の制御を実行する場合と実行しない場合との抵抗増加率の差を検証する。図７は、リチウム二次電池２における充電過多によるハイレート劣化を意図的に生じさせるための連続ハイレート充放電運転の単位サイクル（充電過多ハイレートサイクル）の一例を示す。この充電過多ハイレートサイクルでは、放電レート１２（Ｃ）×１０（ｓｅｃ）のレートで充電を行った後、４（Ｃ）×７５（ｓｅｃ）のレートで放電を行う。このサイクル条件における１２（Ｃ）充電は、例えば５（Ａ・ｈ）のリチウム二次電池２の場合、６０(Ａ)のハイレート充放電に相当する。なお、この充電耐久試験は、例えば、ＳＯＣ（State Of Charge）＝３０％〜８０％、電池温度＝２５℃、サイクル数＝１００００サイクルの条件下で実施する。

図８には、充電過多時に、面圧センサ４で測定されたリチウム二次電池２の各部分の表面電圧（表面電圧分布）の一例を示す。図８のように例えば中央部４０ｂの領域に複数の測定点がある場合には、中央部４０ｂの表面電圧Ｐ２として、複数の測定点の値の平均値を取ってもよい。

図９には、本実施の形態の制御面圧Ｐ１による充電制御を行った場合と行わない場合の抵抗増加率を示す。充電制御を行った場合、抵抗増加率が、２０００サイクルの時点で標準値の１３５％を超えることがなく、充電制御を行わない場合には、抵抗増加率が１３５％を超える結果となった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態では、面圧センサ４により測定されるリチウム二次電池２の表面面圧Ｐ２として、中央部４０ｂの表面面圧を用いてもよいし、リチウム二次電池２の他の表面部分、例えば端部４０ａ、４０ｃの表面面圧を用いてもよい。また、リチウム二次電池２の表面全体の面圧、例えば平均値等をとって表面面圧Ｐ２としてもよい。以上の実施の形態では、二次電池がリチウム二次電池２であったが、他の種の二次電池にも本発明は適用できる。さらにリチウム二次電池２が車両１００の駆動用電源であったが、車両１００以外の他の用途の場合にも本発明は適用できる。

本発明は、二次電池の急速充電に起因するハイレート劣化を十分に抑制する際に有用である。

１電池システム
２リチウム二次電池
３制御装置
４面圧センサ
１００車両
Ｐ１表面面圧
Ｐ２補正面圧
Ｐ３制御面圧

Claims

一方向に積層された複数の二次電池と、
前記二次電池の充電を制御する制御装置と、
前記二次電池の表面面圧を測定する面圧センサと、を有し、
前記面圧センサは、隣り合う二次電池の間に設けられ、前記二次電池における正極及び負極のある両端部の間の中央部の表面面圧を測定可能であり、
前記制御装置は、前記面圧センサにより測定された充電時の前記二次電池の中央部の表面面圧に、通電時間に応じた補正面圧を加えた制御面圧を算出し、当該制御面圧が所定の閾値を超えた場合に前記二次電池の充電を制限する、電池システム。
請求項１に記載の電池システムを有し、二次電池を駆動用電源として使用する、車両。
一方向に積層された複数の二次電池の充電時に、隣り合う二次電池の間に設けられた面圧センサにより二次電池における正極及び負極のある両端部の間の中央部の表面面圧を測定する工程と、
前記測定された充電時の二次電池の中央部の表面面圧に、通電時間に応じた補正面圧を加えて制御面圧を算出する工程と、
前記制御面圧が所定の閾値を超えた場合に前記二次電池の充電を制限する工程と、を有する、二次電池の制御方法。