JP6165620B2 - 二次電池モジュールおよび二次電池監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池の残寿命を算出する二次電池監視装置、およびその二次電池監視装置を備える二次電池モジュールに関する。

二次電池を電源とする装置、例えば、二次電池を車両走行モータの電源として用いる電動車両においては、二次電池の劣化状態を正確に把握し、電池劣化による障害が生じる前に二次電池を交換するなどの処置を施すことが重要である。二次電池の劣化状態を検知する装置として、例えば、特許文献１に記載されているような装置が知られている。特許文献１には、残寿命を算出する方法として、平方根式γ＝１＋ｋ√Ｎを用いる方法が記載されている。なお、Ｎは運用日数であり、ｋは劣化加速係数である。

特開２０１２−３７３３７号公報

しかしながら、負極電極に非晶質系炭素を用いた二次電池においては、運用期間での温度と充電率（ＳＯＣ）とによって劣化率が変化するため、予め決定された一定の残寿命算出式では精度良く残寿命を算出できないという課題があった。

本発明に係る二次電池モジュールは、負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池と、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記二次電池に流れる電流を測定する電流測定部と、前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、前記二次電池の使用時間を測定するタイマーと、前記電圧測定部で測定された電圧および前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記二次電池の充電状態（SOC）を算出するＳＯＣ演算部と、係数Ａを含む次式（２）で表される劣化率ｙ(ｔ)の推定式が予め記憶されている記憶部と、前記二次電池の使用期間にわたって取得された前記温度および前記充電状態（SOC）に基づいて劣化進行度合いに関係する前記係数Ａを決定し、該係数Ａを用いた式（２）と予め決められた寿命時劣化率とに基づいて寿命時間を算出し、該寿命時間と前記タイマーで測定された使用時間とに基づいて前記二次電池の残寿命を算出する残寿命演算部と、を備えることを特徴とする。
ｙ(ｔ)＝Ａ×ｙ1(ｔ)＋（１−Ａ）×ｙ2(ｔ) …（２）
なお、式（２）において、ｔは前記二次電池の使用時間、ｙ1(ｔ)は使用時間ｔの対数から求めた劣化率、ｙ2(ｔ)は使用時間ｔの平方根から求めた劣化率である。
本発明に係る電池監視装置は、負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池の電池状態を監視する二次電池監視装置であって、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記二次電池に流れる電流を測定する電流測定部と、前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、前記二次電池の使用時間を測定するタイマーと、前記電圧測定部で測定された電圧および前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記二次電池の充電状態（SOC）を算出するＳＯＣ演算部と、係数Ａを含む次式（２）で表される劣化率ｙ(ｔ)の推定式が予め記憶されている記憶部と、前記二次電池の使用期間にわたって取得された前記温度および前記充電状態（SOC）に基づいて劣化進行度合いに関係する前記係数Ａを決定し、該係数Ａを用いた式（２）と予め決められた寿命時劣化率とに基づいて寿命時間を算出し、該寿命時間と前記タイマーで測定された使用時間とに基づいて前記二次電池の残寿命を算出する残寿命演算部と、を備えることを特徴とする。
ｙ(ｔ)＝Ａ×ｙ1(ｔ)＋（１−Ａ）×ｙ2(ｔ) …（２）
なお、式（２）において、ｔは前記二次電池の使用時間、ｙ1(ｔ)は使用時間ｔの対数から求めた劣化率、ｙ2(ｔ)は使用時間ｔの平方根から求めた劣化率である。

本発明によれば、負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池の残寿命算出精度を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施の形態の二次電池モジュールを示すブロック図である。 図２は、使用状況が異なる場合の推定劣化率ｙ(ｔ)を示す図である。 図３は、係数Ａのテーブルの一例を示す図である。 図４は、残寿命算出を説明する図である。 図５は、二次電池２の外観斜視図である。 図６は、二次電池２の分解斜視図である。 図７は、捲回電極群１３を示す図である。 図８は、残寿命算出を説明するフローチャートである。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態の二次電池モジュール１を示すブロック図である。二次電池モジュール１は、二次電池２、電圧測定部３、電流測定部４、温度測定部５、タイマー６、演算部７および記憶部８を備えている。

二次電池２は、複数のセル１００を直列または並列に接続することで構成され、図１に示す例では、複数のセル１００が直列接続されている。セル１００には、正極にマンガン系材料が、負極に非晶質系炭素材料がそれぞれ用いられている。セル１００の詳細構造は後述する。例えば、二次電池２が９６個のセルを直列に接続して構成されている場合は、二次電池２の定格容量は、例えば５．０Ａｈ、定格電圧は３．６Ｖとなる。

電圧測定部３は、二次電池２の電圧を測定し、その測定値に応じた電圧を電圧測定信号として出力する。電流測定部４は、二次電池２に入出力される電流を測定し、その測定値に応じた電圧を電流測定信号として出力する。温度測定部５は、二次電池２の温度を測定し、その測定値に応じた電圧を温度測定信号として出力する。また、時間を測定するタイマー６は二次電池の使用時間を測定し、その測定値に応じた電圧を使用時間測定信号として出力する。電圧測定部３、電流測定部４、温度測定部５およびタイマー６からそれぞれ出力された各測定信号は、演算部７にそれぞれ入力される。

演算部７は、測定された電流値及び電圧値から二次電池２の充電率（ＳＯＣ）を算出する。充電率（ＳＯＣ）は、例えば、電流値Ｉを用いて次式（１）により算出される。充電率算出は繰り返し行われ、式（１）におけるSOC0は前回の処理で算出された充電率（ＳＯＣ）を表しており、SOC1は今回算出される充電率（ＳＯＣ）を表している。式（１）では、前回の演算処理と今回の演算処理との間に流れ込んだ電流量（Ａｈ）が電池容量の何パーセントであるか（すなわちＳＯＣ変化量）を計算し、前回のSOC0にそれを加えることにより今回のSOC1としている。なお、式（１）において、ｔ１，ｔ０は秒で表される。
SOC1＝｛（ｔ１−ｔ０）×Ｉ｝÷（電池容量）×１００＋SOC0 …（１）

式（１）では、計測された電流値Ｉから充電率（ＳＯＣ）を算出しているが、開放電圧値（ＯＣＶ）とＳＯＣとの関係を表すＯＶＣ−ＳＯＣマップから求めることもできる。この場合、充放電時の端子電圧と電流をサンプリングし、サンプリングデータを直線回帰して電圧―電流特性を求め、その回帰直線の電圧軸切片から開放電圧（ＯＣＶ）を求めることができる。そして、演算部７は、後述するように、計測された電池温度Ｔと算出された充電率（ＳＯＣ）と記憶部８に記憶されている係数Ａ設定テーブルとから係数Ａを決定し、その決定された係数Ａを用いて残寿命を推定する。推定された残寿命は演算部７から上位のコントローラ（不図示）に出力される。

なお、計測された電流値Ｉから充電率（ＳＯＣ）を算出する場合であっても、充放電停止時には開放電圧が計測可能なので、電流積算により算出されていた充電率ＳＯＣを、ＯＶＣ−ＳＯＣマップとから得られるＳＯＣで置き換えてから電流積算を再開するようにしても良い。そのような処理を行うことで、電流積算誤差の累積をリセットすることが出来る。

（残寿命算出方法の説明）
残寿命の推定は一般に電池の劣化率に基づいて行われるが、その場合、電池使用時間と劣化率との関係式、すなわち使用時間から劣化率を推定する式（以下では、劣化率推定式と呼ぶことにする）を用いて残寿命を推定する。そのため、この劣化率推定式による推定精度が残寿命推定精度に影響する。

本実施の形態では、劣化率推定式の推定精度を向上させるために、以下のようなことを考慮した。第一のポイントは、電池モジュールに設けられている二次電池の特性により適した劣化率推定式を選定することである。第二のポイントは、二次電池の使用状況に応じて劣化率推定式を修正するようにしたことである。

まず、第一のポイントについて説明する。本実施形態におけるセル１００は負極電極に非晶質系炭素が使用されている。そして、負極電極に非晶質系炭素を用いた二次電池の寿命特性（劣化率の変化の仕方）は、負極電極に黒鉛系の材料を使用している二次電池の寿命特性と異なっている。非晶質系炭素を用いた場合には、例えば、使用初期におけるに劣化の進行が、黒鉛系に比べて大きいことである。

そこで、本実施の形態では、推定劣化率ｙ(ｔ)を、使用時間ｔ（ｈ）の対数から求めた劣化率ｙ1(ｔ)と使用時間ｔの平方根から求めた劣化率ｙ2(ｔ)とを用いて、次式（２）のように表すようにした。対数を用いた劣化率ｙ1(ｔ)は、上述した初期における劣化率の上昇を表すものとして導入したものである。一方、平方根を用いた劣化率ｙ2(ｔ)は、使用期間の晩期における劣化率変化を表すものとして導入したものである。係数Ａによって、劣化率ｙ1(ｔ)およびｙ2(ｔ)の寄与率を調整するようにした。
ｙ(ｔ)＝Ａ×ｙ1(ｔ)＋（１−Ａ）×ｙ2(ｔ) …（２）

使用開始時における式（２）のｙ1(ｔ)およびｙ2(ｔ)、Ａの決め方としては、例えば、所定の使用条件で二次電池２を使用して、劣化率の実験データ（ｔ，ｙ）をｔ＝０から使用に耐えうる劣化率の上限値（以下では、保証劣化率または寿命時劣化率と呼ぶ）となる使用時間ｔ１の間で複数取得し、（ｔ，ｙ）平面上の実験データと式（２）で表される曲線（ｔ，ｙ(ｔ)）とがフィッティングするようにｙ1(ｔ)およびｙ2(ｔ)、Ａを設定する。例えば、次式（３）のように、劣化率ｙ1(ｔ)＝｛ａ×ｌｎ（ｔ＋ｂ）＋ｃ｝、および、劣化率ｙ2(ｔ)＝（ｄ＋ｅ×√ｔ）と設定し、実験データにフィッティングするようにパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，Ａを決定する。式（３）は一例であって、例えば、パラメータｃやｄを省略するようにしても良い。また、実験データ取得時の使用条件によっても推定劣化率ｙ(ｔ)の表し方は異なる。
ｙ(ｔ)＝Ａ×｛ａ×ｌｎ（ｔ＋ｂ）＋ｃ｝＋（１−Ａ）×（ｄ＋ｅ×√ｔ）…（３）

次に、第二のポイントについて説明する。二次電池の劣化は、図２に示すように、同じ使用時間であっても、劣化しやすい使い方をした場合（ラインＬ１のｙ１）と、劣化しにくい使い方をした場合（ラインＬ２のｙ２）とによって異なる。すなわち、それまでの使用状況に応じて劣化進行の度合いが異なる。その結果、ラインＬ２の場合には使用時間ｔ１２で保証劣化率に達するが、ラインＬ１の場合にはそれよりも短い使用時間ｔ１１において保証劣化率に達することになる。そのため、使用状況に応じて、推定劣化率ｙ(ｔ)の式を修正する必要がある。本実施の形態では、式（２）の係数Ａを電池使用状況に応じて変化させることで、推定劣化率ｙ(ｔ)を調整するようにした。

二次電池の一般的な特性として、電池温度Ｔと充電率（ＳＯＣ）とによって劣化率の進行の度合いが異なる。定性的には、充電率（ＳＯＣ）が大きい状態で使用を続けると劣化が速くなる傾向がある。また、電池温度Ｔに関しては、２５℃〜３５℃程度で使用するのが好ましく、その温度範囲より高くても、逆に、低くても劣化進行が速くなる。本実施の形態では、電池温度Ｔの範囲、かつ、充電率の範囲に応じて式（２）の係数Ａを設定するようにした。

図３は、係数Ａ設定テーブルの一例を示したものである。図３に示す例では、電池温度Ｔの範囲を３つの範囲（２５℃未満、２５℃以上３５℃未満、３５℃以上６０℃未満）に分けると共に、充電率（ＳＯＣ）を３つの範囲（３０％未満、３０％以上５０％未満、５０％以上８０％未満）に分け、電池温度Ｔと充電率（ＳＯＣ）とを組み合わせた９つの条件に対して、それぞれ係数Ａを設定した。

このテーブルは次のように利用する。まず、使用開始時から現時点までにおいて、電池温度Ｔが図３に示す３つの温度範囲となっていた累積時間をそれぞれ計算する。そして、その内で最も累積時間の長い領域を、その時点における係数Ａ設定テーブルの温度とする。同様に、使用開始時から現時点までにおいて、充電率（ＳＯＣ）が図３に示す３つの充電率範囲となっていた累積時間を計算する。そして、その内で最も累積時間の長い領域を、その時点における係数Ａ設定テーブルの充電率とする。例えば、累積時間の最も長い温度範囲が２５℃以上３５℃未満で、累積時間の最も長い充電率範囲が５０％以上８０％未満の場合には、係数Ａを０．４に設定する。なお、ここでは、累積時間を用いたが、使用開始時から現時点まで平均温度、平均充電率を用いても良い。

図３のテーブルからも分かるように、電池温度が２５℃以上３５℃未満で、充電率（ＳＯＣ）が３０％未満、または３０％以上５０％未満の場合に、係数Ａ（＝０．６７）は最も大きく、温度範囲がそれよりも高い場合および低い場合、または、充電率がそれよりも大きい５０％以上８０％未満の範囲では、係数Ａは０．６７よりも小さくなる。係数Ａが大きい場合は、式（２）において劣化率ｙ1(ｔ)の寄与がより大きくなり、劣化進行が抑えられた推定劣化率ｙ(ｔ)が得られる。一方、係数Ａが小さい場合には式（２）において劣化率ｙ2(ｔ)の寄与がより大きくなり、劣化がより進んだ状態の推定劣化率ｙ(ｔ)が得られる。

このようにして、使用開始から現時点までの使用状況を反映した推定劣化率ｙ(ｔ)が得られる。次いで、図４に示すように、この推定劣化率ｙ(ｔ)に基づいて残寿命を計算する。すなわち、式（２）の推定劣化率ｙ(ｔ)に二次電池２の性能を保証する保障劣化率ｙLを代入し、その保障劣化率ｙLに対応する使用時間（すなわち寿命時間）ｔLを算出する。そして、算出された寿命時間ｔLとタイマー６により計時されている使用開始時から現時点までの使用時間ｔとの差分（ｔL−ｔ）を、残寿命ΔｔL（＝ｔL−ｔ）とする。

図８は、残寿命算出処理、および算出された残寿命を用いた電池制御の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１では、電流、電圧および温度の測定を行う。ステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得された電圧値および電流値に基づいて充電率（ＳＯＣ）を算出する。ステップＳ１３では、図３の各温度範囲における累積時間および各充電率範囲における累積時間を更新する。例えば、ステップＳ１１で得られた温度が含まれる温度範囲の累積時間、および、ステップＳ１２で算出された充電率（ＳＯＣ）が含まれる充電率範囲の累積時間のそれぞれに、図８の処理のインターバル時間Δｔを加算する。ステップＳ１４では、ステップＳ１２で更新された累積時間と図３のテーブルとに基づいて、係数Ａを決定する。

ステップＳ１５では、ステップＳ１４で決定された係数Ａを用いて、推定劣化率ｙ(ｔ)の式（２）を再設定する。ステップＳ１６では、タイマー６から現在までの使用時間ｔを取得する。ステップＳ１７では、記憶部８に予め記憶されている保証劣化率とステップＳ１５で再設定された推定劣化率ｙ(ｔ)とに基づいて寿命時間ｔLを算出し、その寿命時間ｔLとステップＳ１６で取得した使用時間ｔとから残寿命ΔｔL（＝ｔL−ｔ）を算出する。

ステップＳ１８では、ステップＳ１７で算出された残寿命ΔｔLと公称の保証時間までの残時間とを比較し、ΔｔL≧残時間か否かを判定する。ステップＳ１８でＹＥＳ（残寿命ΔｔL≧残時間）と判定されると、一連の処理を終了する。一方、ステップＳ１８でＮＯ（残寿命ΔｔL＜残時間）と判定されると、ステップＳ１９へ進み、充電制御時のＳＯＣ上限値を、予め設定されているＳＯＣ上限値よりも低く設定した後、一連の処理を終了する。ステップＳ１９の処理を行うことにより、これ以後の二次電池２の充電率（ＳＯＣ）の使用範囲が低めに設定される。その結果、二次電池２の劣化進行の度合いが小さくなり、残寿命ΔｔLの改善を図ることができる。

以上説明したように、本実施の形態の二次電池モジュール１は、負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池２の残寿命をより正確に推定することができるものであって、電圧測定部３で測定された電圧および電流測定部４で測定された電流に基づいて、二次電池２の充電状態（SOC）を算出する演算部７と、上述した係数Ａを含む式（２）で表される推定劣化率ｙ(ｔ)の推定式が予め記憶されている記憶部８とを備える。そして、演算部７は、二次電池２の使用期間にわたって取得された電池温度Ｔおよび充電状態（SOC）に基づいて係数Ａを決定し、該係数Ａを用いた式（２）と予め決められた寿命時劣化率とに基づいて図４に示すように寿命時間ｔLを算出し、該寿命時間ｔLとタイマー６で測定された使用時間ｔとに基づいて二次電池２の残寿命ΔｔL＝ｔL−ｔを算出する。

上述した式（２）では、推定劣化率ｙ(ｔ)を、対数式を用いた劣化率ｙ1(ｔ)と平方根式を用いた劣化率ｙ2(ｔ)との和として表現し、それらの重み付けを、二次電池２の使用期間にわたって取得された電池温度Ｔおよび充電状態（SOC）に基づいて決定された劣化進行度合いを示す係数Ａで行うようにした。このように、負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池２の初期的な劣化進行状況をより適切に表す対数式の劣化率ｙ1(ｔ)を加味することで、二次電池２に関する推定劣化率ｙ(ｔ)をより正確に表現することができる。

さらに、上述のような係数Ａによる重み付けを行うことにより、二次電池２の使用履歴が推定劣化率ｙ(ｔ)の式に反映され、二次電池２の使用実態に応じたより正確な推定劣化率ｙ(ｔ)が得られる。その結果、推定劣化率ｙ(ｔ)の式に基づいて算出される寿命時間ｔLの推定精度が向上し、より正確な残寿命ΔｔLを算出することができる。

式（２）の係数Ａの設定方法としては、例えば、複数の温度範囲と複数の充電状態範囲とに応じた係数Ａが設定されているテーブル（図３参照）を使用し、該テーブルの複数の温度範囲における使用累積時間と複数の充電状態範囲における使用累積時間とを算出し、使用累積時間の最も多い温度範囲および充電状態範囲における係数Ａを用いるようにしても良い。

（第１の変形例）
上述した実施の形態の第１の変形例について説明する。上述した実施の形態では、式（２）で表される推定劣化率ｙ(ｔ)は、所定の使用条件の下で得られた実験データに基づいて予め設定されたものであり、係数Ａは実験データに基づく初期値Ａ0に設定される。上述した実施の形態では、運用時の実際の使用状況によって係数Ａを調整することで、より精度の高い推定劣化率ｙ(ｔ)を求め、残寿命の推定精度を向上させるようにした。

しかしながら、式（２）の劣化率ｙ1(ｔ)，ｙ2(ｔ)そのもの、すなわち式（３）のパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの値は、実験データに基づく初期値のままとされていた。そこで、第１の変形例では、後述のように使用開始後に算出される劣化率データに基づいてパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの補正を行うことにより、すなわち、式（３）で表される推定劣化率ｙ(ｔ)が実際の劣化状態に近づくようにパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ（すなわち、推定劣化率曲線）のフィッティングを行うことで、推定劣化率ｙ(ｔ)の精度をより高め、残寿命算出精度のさらなる向上を図るようにした。

パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを補正するための上述したフィッティング処理は常に行う必要はなく、例えば、所定使用時間間隔で行う。それにより、係数Ａによる推定劣化率の調整に加えて、劣化率ｙ1(ｔ)，ｙ2(ｔ)の調整も行うことができ、より実際の電池状態に近い推定劣化率ｙ(ｔ)を得ることができ、残寿命算出精度の向上が図られる。

本実施の形態における劣化率は二次電池の内部抵抗の上昇の度合いを表すものであり、電池新品時の劣化率は１で、劣化の進行に伴って劣化率は大きくなる。一般に、電池の劣化状態を表すものとしてＳＯＨ(State of health）と呼ばれているものがあるが、例えば、次式（４）のように表される。この場合、ＳＯＨは電池新品時には１で劣化の進行につれて値が小さくなり、本実施の形態の劣化率は、１／ＳＯＨに相当するものである。
ＳＯＨ＝（劣化時内部抵抗）／（新品時内部抵抗） …（４）

二次電池は、劣化の進行とともに内部抵抗が増加するため、その内部抵抗を検出することでその劣化状態（二次電池の劣化率）を検出することができる。二次電池の内部抵抗の検出の仕方は種々のものが知られており、例えば、充放電時の端子電圧と電流をサンプリングし、サンプリングデータを直線回帰して電圧―電流特性を求め、その傾きから内部抵抗を算出することができる。式（４）における新品時内部抵抗は、電池温度Ｔと充電率（ＳＯＣ）とに対応付けられたテーブルとして記憶部８に予め記憶されており、ＳＯＨ算出時の電池温度Ｔおよび充電率（ＳＯＣ）とに基づいてテーブルから検索される。

（第２の変形例）
次いで、本実施の形態の第２の変形例について説明する。上述した実施の形態では、使用開始から現時点までの使用時間としてタイマーの計時を用いたが、第１の変形例のように現時点の劣化率が算出された場合には、その算出した劣化率を式（３）の推定劣化率ｙ(ｔ)に代入して算出される使用時間ｔ１を、タイマー６の計時の代わりに用いることもできる。そして、ΔｔL＝ｔL−ｔ１のように残寿命時間ΔｔLを算出する。この場合、上述したフィッティング処理は行っても行わなくてもどちらでも良いが、フィッティング処理を行うことにより残寿命推定精度をより向上させることができる。

（二次電池２の構成）
次に、セル１００の詳細構造について説明する。図５〜７は、セル１００の一例を示す図である。図５はセル１００の外観斜視図、図６は二次電池２の分解斜視図、図７は捲回電極群１３を示す図である。

図５に示すセル１００は扁平捲回形二次電池であって、セル１００は、電池容器として電池缶５０および蓋（電池蓋）１６を備える。図６に示すように、電池缶５０は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広の側面５０ｂと相対的に面積の小さい一対の対向する幅の狭い側面５０ｃとを有している。これらの側面５０ｂ、５０ｃは底面５０ｄから立ち上がるように形成され、角筒状の側面を構成している。底面５０ｄと対向する部分は開口部５０ａになっている。電池缶５０内には、図７に示す捲回電極群１３が収納され、電池缶５０の開口部５０ａが電池蓋１６によって封止されている。略矩形平板状の電池蓋１６を略矩形状の開口部５０ａに溶接することで、開口部５０ａを塞がれ、電池缶５０が封止される。

図５に示すように、電池蓋１６には、正極外部端子１４と、負極外部端子１２とが設けられている。正極外部端子１４と負極外部端子１２を介して捲回電極群１３に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋１６には、ガス排出弁１０が一体的に設けられている。電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁１０が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、セル１００の安全性が確保される。

図６に示すように、電池缶５０内には、絶縁保護フィルム２０を介して捲回電極群１３が収容されている。捲回電極群１３は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲部と、これら一対の湾曲部の間に連続して形成される平面部とを有している。捲回電極群１３は、捲回軸方向が電池缶５０の横幅方向に沿うように、一方の湾曲部側から電池缶５０内に挿入され、他方の湾曲部側が上部開口側に配置される。

捲回電極群１３の正極箔露出部３４ｃは、正極集電板（集電端子）４４を介して電池蓋１６に設けられた正極外部端子１４と電気的に接続されている。また、捲回電極群１３の負極箔露出部３２ｃは、負極集電板（集電端子）２４を介して電池蓋１６に設けられた負極外部端子１２と電気的に接続されている。これにより、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回電極群１３から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回電極群１３へ外部発電電力が供給され充電される。

正極集電板４４と負極集電板２４、及び、正極外部端子１４と負極外部端子１２を、それぞれ電池蓋１６から電気的に絶縁するために、ガスケット１５および絶縁板１７が電池蓋１６に設けられている。また、注液孔９から電池缶５０内に電解液を注入した後、電池蓋１６に注液栓１１をレーザ溶接により接合して注液孔９を封止し、セル１００の電池容器を密閉する。

ここで、正極外部端子１４および正極集電板４４の形成素材としては、例えばアルミニ
ウム合金が挙げられ、負極外部端子１２および負極集電板２４の形成素材としては、例え
ば銅合金が挙げられる。また、絶縁板１７およびガスケット１５の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。

また、電池蓋１６には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔９が穿設されており、この注液孔９は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓１１によって封止される。ここで、電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。

正極外部端子１４、負極外部端子１２は、バスバー等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋１６から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋１６の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋１６と平行になる構成を有している。

正極接続部１４aは正極外部端子１４の下面から突出し、先端が電池蓋１６の正極側貫通孔４６に挿入可能な円柱形状を有している。同様に、負極接続部１２aは、負極外部端子１２の下面から突出して先端が電池蓋１６の負極側貫通孔２６に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部１４aは、電池蓋１６を貫通して正極集電板４４の正極集電板基部４１よりも電池缶５０の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子１４と正極集電板４４とを電池蓋１６に一体に固定している。同様に、負極接続部１２aは、電池蓋１６を貫通して負極集電板２４の負極集電板基部２１よりも電池缶５０の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子１４と正極集電板４４を電池蓋１６に一体に固定している。正極外部端子１４および負極外部端子１２と電池蓋１６との間には、ガスケット１５が介在されており、正極集電板４４および負極集電板２４と電池蓋１６との間には、絶縁板１７が介在されている。

正極集電板４４に設けられた矩形板状の正極集電板基部４１は、電池蓋１６の下面に対向して配置される。正極集電板基部４１には、電池缶５０の幅広面に沿って底面側に向かって延びた正極側接続端部４２が形成されている。正極側接続端部４２は、捲回電極群１３の正極箔露出部３４ｃに対向して重ね合わされた状態で接続される。同様に、負極集電板２４に設けられた矩形板状の負極集電板基部２１は、電池蓋１６の下面に対向して配置され、電池缶５０の幅広面に沿って底面側に向かって延びた負極側接続端部２２が形成されている。負極側接続端部２２は、捲回電極群１３の負極箔露出部３２ｃに対向して重ね合わされた状態で接続される。

捲回電極群１３の扁平面に沿う方向でかつ捲回電極群１３の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として、捲回電極群１３の周囲に絶縁保護フィルム２０が巻き付けられている。絶縁保護フィルム２０は、例えばＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回電極群１３の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。

図７は捲回電極群１３を示す図である。捲回電極群１３は、セパレータ３３、３５を介して積層された負極電極３２および正極電極３４を偏平状に捲回することによって構成されている。セパレータ３３、３５は、正極電極３４と負極電極３２との間を絶縁する役割を有している。捲回電極群１３は、最外周の電極が負極電極３２であり、さらにその外側にセパレータ３５が捲回される。負極電極３２の負極合剤層３２ｂが塗布された部分の幅寸法（すなわち、捲回電極群１３の軸方向寸法）は、正極電極３４の正極合剤層３４ｂが塗布された部分の幅寸法よりも大きく設定されている。このように設定することで、正極合剤層３４ｂが塗布された部分は、必ず負極合剤層３２ｂが塗布された部分に挟まれるように構成されている。

正極電極３４は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を有するものであり、図６に示すように、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部３４ｃが設けられている。負極電極３２は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を有するものであり、負極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部３２ｃが設けられている。正極箔露出部３４ｃおよび負極箔露出部３２ｃは、電極箔の金属面が露出した領域である。正極電極３４および負極電極３２は、正極箔露出部３４ｃと負極箔露出部３２ｃとが捲回軸方向の一方側と他方側の位置に振り分けて配置されるように、捲回される。

正極箔露出部３４ｃは、一対の湾曲部との間の平面部分で束ねられて溶接等により互いに接続される。負極箔露出部３２ｃも正極箔露出部３４ｃと同様に、一対の湾曲部の間の平面部分で束ねられて溶接等により互いに接続される。尚、セパレータ３３、３５の幅方向寸法は負極合剤層３２ｂが塗布された部分の幅方向寸法よりも大きく設定されているが、セパレータ３３、３５は、正極箔露出部３４ｃおよび負極箔露出部３２ｃの両端部の金属箔面が露出するように捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

負極電極３２に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に溶接部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極３２を得た。

なお、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ_２等）、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

一方、正極電極３４に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に溶接部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極３４を得た。

また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムや、これらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

さらにまた、本実施形態では、正極電極、負極電極における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。また、軸芯としては、例えば、正極箔、負極箔、セパレータのいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成したものを用いることができる。

上述した実施形態および変形例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態および変形例での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１…二次電池モジュール、２…二次電池、３…電圧測定部、４…電流測定部、５…温度測定部、６…タイマー、７…演算部、８…記憶部、１００…セル

Claims (5)

1. 負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池と、
   前記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
   前記二次電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
   前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、
   前記二次電池の使用時間を測定するタイマーと、
   前記電圧測定部で測定された電圧および前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記二次電池の充電状態（SOC）を算出するＳＯＣ演算部と、
   係数Ａを含む次式（１）で表される劣化率ｙ(ｔ)の推定式が予め記憶されている記憶部と、
   前記二次電池の使用期間にわたって取得された前記温度および前記充電状態（SOC）に基づいて劣化進行度合いに関係する前記係数Ａを決定し、該係数Ａを用いた式（１）と予め決められた寿命時劣化率とに基づいて寿命時間を算出し、該寿命時間と前記タイマーで測定された使用時間とに基づいて前記二次電池の残寿命を算出する残寿命演算部と、を備える二次電池モジュール。
   ｙ(ｔ)＝Ａ×ｙ1(ｔ)＋（１−Ａ）×ｙ2(ｔ) …（１）
   なお、式（１）において、ｔは前記二次電池の使用時間、ｙ1(ｔ)は使用時間ｔの対数から求めた劣化率、ｙ2(ｔ)は使用時間ｔの平方根から求めた劣化率である。
2. 請求項１に記載の二次電池モジュールにおいて、
   複数の温度範囲と複数の充電状態範囲とに応じた前記係数Ａが設定されているテーブルをさらに備え、
   前記残寿命演算部は、前記複数の温度範囲における使用累積時間と前記複数の充電状態範囲における使用累積時間とを算出し、使用累積時間の最も多い温度範囲および充電状態範囲における前記係数Ａを前記テーブルから決定することを特徴とする二次電池モジュール。
3. 請求項２に記載の二次電池モジュールにおいて、
   前記ｙ1(ｔ)はｙ1(ｔ)＝ａ×ｌｎ（ｔ＋ｂ）＋ｃと表され、かつ、前記ｙ2(ｔ)はｙ2(ｔ)＝（ｄ＋ｅ×√ｔ）と表され、
   前記二次電池の使用期間において前記電圧測定部で測定された電圧と前記電流測定部で測定された電流とに基づいて、前記二次電池の劣化率を算出する劣化率演算部と、
   前記劣化率演算部で算出された劣化率に基づいて前記パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを算出し、前記ｙ1(ｔ)および前記ｙ2(ｔ)の各パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを、算出された前記パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを用いて再設定する推定式補正部と、をさらに備えたことを特徴とする二次電池モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の二次電池モジュールにおいて、
   前記残寿命演算部で算出された残寿命が、予め設定された所定寿命から算出される残寿命よりも短い場合に、前記二次電池を充電する際のＳＯＣ上限値を、予め設定されているＳＯＣ上限値よりも低く設定することを特徴とする二次電池モジュール。
5. 負極活物質に非晶質炭素を含む二次電池の電池状態を監視する二次電池監視装置であって、
   前記二次電池の電圧を測定する電圧測定部と、
   前記二次電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
   前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、
   前記二次電池の使用時間を測定するタイマーと、
   前記電圧測定部で測定された電圧および前記電流測定部で測定された電流に基づいて、前記二次電池の充電状態（SOC）を算出するＳＯＣ演算部と、
   係数Ａを含む次式（２）で表される劣化率ｙ(ｔ)の推定式が予め記憶されている記憶部と、
   前記二次電池の使用期間にわたって取得された前記温度および前記充電状態（SOC）に基づいて劣化進行度合いに関係する前記係数Ａを決定し、該係数Ａを用いた式（２）と予め決められた寿命時劣化率とに基づいて寿命時間を算出し、該寿命時間と前記タイマーで測定された使用時間とに基づいて前記二次電池の残寿命を算出する残寿命演算部と、を備える二次電池監視装置。
   ｙ(ｔ)＝Ａ×ｙ1(ｔ)＋（１−Ａ）×ｙ2(ｔ) …（２）
   なお、式（２）において、ｔは前記二次電池の使用時間、ｙ1(ｔ)は使用時間ｔの対数から求めた劣化率、ｙ2(ｔ)は使用時間ｔの平方根から求めた劣化率である。
   

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