JP6235251B2 - 二次電池システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池システムに関する。

自動車等の移動体に搭載されるリチウムイオン二次電池は、長期間にわたり安定した性能が発揮できることが望まれる。しかし、リチウムイオン二次電池はその使用方法や保存方法によって、電池容量が劣化し、電池の寿命が短くなることがある。

特許文献１には、正極材料にマンガン酸リチウムを用いたマンガン系のリチウムイオン二次電池を、特定のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）で保存して電池容量の劣化を抑制する発明が開示されている。

特開２０１２−１４３１５１号公報

リチウムイオン二次電池の電池容量の劣化は正極に起因するものだけでなく、負極に起因するものもある。正極だけでなく負極の劣化も抑制して、電池を長寿命化する必要がある。

本発明の第１の態様による二次電池システムは、単一もしくは複数の組電池の充放電を制御する二次電池システムであって、組電池の負極活物質は、ＳＯＣに対する電位が略一定である安定相として、第１電位安定相と、第１電位安定相よりもＳＯＣが低い第２電位安定相とを有する材料であり、組電池の将来の使用の状況に基づいて、少なくとも組電池が非使用状況の間は、組電池のＳＯＣが第２電位安定相の範囲内の値となるように組電池を少なくとも放電制御するＳＯＣ制御装置と、組電池のＳＯＣに対する電位の変化量が最も大きいＳＯＣを基準ＳＯＣとして算出する基準決定装置とを備え、ＳＯＣ制御装置は、基準決定装置が算出した基準ＳＯＣおよび組電池のＳＯＣに基づき組電池を放電制御する。

本発明によれば、二次電池システムが有する二次電池の長寿命化を実現することができる。

本発明の二次電池システムで用いられる二次電池の一部切欠図。 本発明の二次電池システムで用いられる二次電池のＳＯＣに対する、正極と負極の電位、及び、電池電圧を示した図。 本発明の二次電池システムで用いられる二次電池の正極と負極の電位、及び、電池電圧の微分曲線を示した図。 貯蔵ＳＯＣに対する電池容量維持率を示した図。 本発明の二次電池システムの概略構成図。 本発明の二次電池システムの概略構成図。 第１実施形態におけるシステムフロー図。 第１実施形態におけるシステムフロー図。 組電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）と電池電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）の関係を示した図。（ＳＯＣ−Ｖ曲線） 組電池の放電微分曲線を示した図。（ＳＯＣ−ｄＶ／ｄＱ曲線） 第２実施形態におけるシステムフロー図。 本発明の二次電池システムにカーナビゲーションシステム等を付加したシステムの概略構成図。 第３実施形態におけるシステムフロー図。 本発明の二次電池システムにＥＭＳ等を付加したシステムの概略構成図。 第４実施形態におけるシステムフロー図。 第４実施形態における充電方法の一例を示した図。

――第１実施形態――
図１は、本発明の二次電池システムに用いられる円筒形リチウムイオン二次電池１０（以下、単に電池１０とも表記する）を示している。電池１０の電池容器２６には、複合リチウム酸化物を活物質とする正極板１１とリチウムイオンを保持する材料を活物質とする負極板１２とをセパレータ１３を介して、渦巻き状に捲回し作製された電極捲回群２２が、所定の電解液とともに収容されている。

正極板１１に塗布された正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム及びその変性体（コバルト酸リチウムにアルミニウムやマグネシウムを固溶させたものなど）、ニッケル酸リチウム及びその変性体（一部ニッケルをコバルト置換させたもの）、マンガン酸リチウム及びその変性体、及びこれらの複合酸化物（ニッケル、コバルト、マンガン）を挙げることができる。またオリビン系化合物やスピネル型リチウムマンガン化合物を単独で、もしくは、それらを組み合わせて用いることができる。

正極用導電材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどカーボンブラックや各種グラファイトを単独で、あるいは組み合わせて用いることができる。

正極用結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデンの変性体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），アクリレート単位を有するゴム粒子結着剤などを用いることができ、この際に反応性官能基を導入したアクリルモノレートモノマー、またはアクリレートオリゴマーを結着剤中に混入させることも可能である。

負極板１２に塗布された負極活物質としては、各種天然黒鉛、人造黒鉛、シリサイドなどのシリコン系複合材料、各種金属塑性材料を用いたり、上記天然黒鉛、上記人造黒鉛、上記シリコン系複合材料、及び上記各種金属塑性材料に非晶質炭素（難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素）を混合した材料を用いたりすることができる。また、ハードカーボンと各種天然黒鉛を混合して負極活物質とすることもできる。

負極用結着剤としては、ＰＶＤＦ及びその変性体をはじめ各種バインダーを用いることができるが、リチウムイオンの受け入れ性向上の観点から、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）及びその変性体に、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）をはじめとするセルロース系樹脂などを併用、もしくは少量添加するのがより好ましい。

このとき負極用導電材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどカーボンブラックや各種グラファイトを単独、あるいは組み合わせて用いることができる。

セパレータについては、リチウムイオン二次電池の使用範囲内に耐えうる組成であれば、特に限定されないが、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系の微多孔フィルムを単層あるいは複合して用いるのが一般的であり、好ましい。このセパレータの厚みは特に限定されないが、１０〜４０μｍが好ましい。

電解液に関しては、電解質塩として、ＬｉＰＦ_６及びＬｉＢＦ_４などの各種リチウム化合物を用いることができる。また、溶媒としてエチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）を単独もしくは組み合わせて用いることができる。また、正極電極及び負極電極上に良好な被膜を形成させ、過充放電時の安定性を保証するためにビニレンカーボネート（ＶＣ）やシクロヘキルベンゼン（ＣＨＢ）およびその変性体を用いることが好ましい。

本実施形態における電極捲回群の形状は、断面が真円である真円筒形状、断面が楕円である長円筒形状、あるいは、断面が長方形である角柱形状でも良い。

また、電極捲回群を充填する電池容器は、特に限定されるものではないが、耐腐食のために鉄にメッキを施した電池容器、ステンレス鋼製電池容器など、強度、耐腐食性、加工性に優れるものが好ましい。また、アルミニウム合金や各種エンジニアリングプラスチックと金属の併用も可能である。

図２は、本発明の二次電池システムに用いられる電池１０における、正極電位、負極電位、及び、それらの電位差である電池電圧のＳＯＣに対する依存性を示した曲線である。図３は、図２に示した曲線に対応する放電微分曲線（ＳＯＣ−ｄＶ／ｄＱ）であり、これらは、図２に示した曲線のＳＯＣに対する変化率を表す。電池１０の電極材料としては、正極活物質は層状Ｍｎ酸リチウムを用い、導電材はカーボンブラック、結着剤にはポリフッ化ビニリデンを用いた。負極活物質には天然黒鉛を用い、結着剤にはスチレン−ブタジエン共重合体（バインダ樹脂）とカルボキシメチルセルロースを９８：１：１の割合で混合した材料を用いた。電池１０は、サイズが直径１８ｍｍ、長さ６５ｍｍである、円筒形電池を用いた。

図３に示した負極電位の微分曲線は、ＳＯＣ２と付したＳＯＣ値におけるピークの両側にそれぞれ、ゼロに近い値を示す領域を有する。これらのゼロに近い値を示す領域は、負極電位の変化率がほぼゼロに等しい領域であり、図２に示した負極電位曲線では、平坦部（プラトー）となっている。ここで、ＳＯＣ２よりも高い平坦部を第１平坦部とし、第１平坦部に位置するＳＯＣ値をＳＯＣ１とし、ＳＯＣ２よりも低い平坦部を第２平坦部とし、第２平坦部に位置するＳＯＣ値をＳＯＣ３とする。なお、後述するように、ＳＯＣ２のことを基準ＳＯＣと呼ぶ。

また、第１平坦部に示される状態（第１電位安定相）と、第２平坦部に示される状態（第２電位安定相）とでは、リチウムイオンの負極活物質への取り込まれ方が異なる。そのため、リチウムイオンの取り込まれ方を変化させることで、第１電位安定相から基準ＳＯＣ（ＳＯＣ２）を超えて第２電位安定相に移行する。

図３の正極電位の微分曲線は、ゼロではない値を常に示している。このことから、図２の正極電位曲線では、単調に変化、すなわち、ＳＯＣの減少に対して単調に減少していることが分かる。

電池電圧は、正極電位と負極電位の差である。また、電池電圧の微分曲線は、正極電位の微分曲線と負極電位の微分曲線の差である。図３において、負極電位の微分曲線にはピークが見られ、正極電位の微分曲線にはそれが見られないことから、電池電圧の微分曲線で見られるピークは、負極電位に由来するものと考えられる。図２において、負極電位曲線に存在する第１及び第２平坦部と、単調に変化する正極電位曲線により、第１及び第２平坦部のＳＯＣ領域では、電池電圧曲線は、主に正極由来の振る舞いをする。

図４は、貯蔵ＳＯＣを、上述したＳＯＣ１、ＳＯＣ２、または、ＳＯＣ３とし、貯蔵温度を５０℃として、８０日間貯蔵した場合の電池容量維持率を示したものである。ここで、電池容量維持率とは、所定期間貯蔵試験した後の電池容量を、初期の電池容量で割った値のことであり、これは、電池容量がどのくらい劣化したかを示す。

ＳＯＣ２やＳＯＣ３で貯蔵した場合は９２％程度の容量維持率を示したが、ＳＯＣ１で貯蔵した場合は９０％程度の容量維持率を示した。このことから、ＳＯＣ２以下の貯蔵ＳＯＣで貯蔵すれば、容量維持率が低下しにくくなる、すなわち、電池容量が劣化しにくくなることが分かる。このように、ＳＯＣ２は、電池容量が劣化しにくくなるかどうかの基準となるＳＯＣと言えるので、ＳＯＣ２を「基準ＳＯＣ」と呼ぶことにする。

以上より、本実施形態の発明の二次電池システムに用いられる電池１０において、電池容量を劣化させないためには、基準ＳＯＣ（ＳＯＣ２）以下で貯蔵する必要があることが分かる。

図５は本実施形態の二次電池システムのシステムブロック図である。蓄電装置は、Ｎ個（特に、断りがなければ、Ｎは、１以上の整数）の二次電池モジュール５０−１〜５０−Ｎを並列接続し、一つのバッテリーコントローラ５２でＮ個の二次電池モジュール５０−１〜５０−Ｎの充放電を制御するように構成されている。二次電池モジュール５０−１〜５０−Ｎの各々は、組電池４１と、組電池４１の電圧を検出する電圧検出器４２と、組電池４１の電流を検出する電流検出器４３と、組電池４１の温度を検出する温度検出器４４と、組電池４１を構成する複数の単電池１０の充放電をそれぞれ独立して行うためのスイッチ装置４５と、組電池４１の充放電をそれぞれ制御するセルコントローラ５１とを備えている。

組電池４１は、図１に示した単電池１０を複数個、直列接続して構成されているものとするが、直並列接続した組電池、並列接続した組電池でもよい。また、Ｎ個の組電池４１を直列接続して二次電池モジュールを構成した場合、最高電位となる組電池４１の正極と、最低電位となる組電池４１の負極がインバータを介して電動モータなどの負荷に接続される。

電流検出器４３は、組電池４３を構成する単電池１０それぞれの電流を検出する。電流検出器４３は、検流計、シャント抵抗を使用したもの、あるいはクランプメータを使用できるが、これらに限定されない。
温度検出器４４は、組電池４１の温度を検出する。温度検出器４４は、たとえば、熱電対、サーミスタを使用できるが、これらに限定されない。温度検出器４４は、組電池４１の表面温度、内部温度、組電池を収容する筐体の表面温度、あるいは組電池４１の周辺の温度を測定することにより、組電池温度として使用することができる。

セルコントローラ５１とバッテリーコントローラ５２（２つ合わせて、ＳＯＣ制御装置と呼ぶ。以下、同様。）は、ともに、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺回路を有する。バッテリーコントローラ５２に付されている矢印は、組電池４１の将来の使用の状況を判別する判別部を有する上位コントローラ（不図示）からの指令を、バッテリーコントローラ５２が受けることを意味する。セルコントローラ５１は、バッテリーコントローラ５２からの指令に従って、所定のプログラムにより、単電池１０の充放電制御、たとえば、バランシング制御を行い、各単電池１０のＳＯＣを所定の値に制御する。したがって、組電池４１のＳＯＣは、組電池４１を構成する複数個の単電池１０のＳＯＣと等価と考えてよい。すなわち、図２，図３の特性は単電池１０の特性であるが、組電池４１の特性も等価と考えられる。

本実施形態の二次電池システムは、図１に示した組電池４１のＳＯＣを基準ＳＯＣ２より小さい値として貯蔵することにより、貯蔵時の電池容量の劣化を抑制するものである。
セルコントローラ５１は、各組電池４１の充放電電圧、充放電電流を電圧検出器４２および電流検出器４３で検出して、各組電池４１のＳＯＣを演算し、蓄電装置を使用していないとき、たとえば、貯蔵するようなときには、組電池４１、ひいては各単電池１０のＳＯＣを基準ＳＯＣ２より小さい値に制御する。
セルコントローラ５１は、累積充放電電気量も演算するとともに、温度検出器４４で検出した単電池表面温度の信号を読み取る。

バッテリーコントローラ５２にはタイマーが内蔵されており、組電池４１の充放電に関する時間、たとえば、放電を開始してからの時間を計測する。

図５に示したバッテリーコントローラ５２の構成とその動作を、図６のシステムブロック図を用いて示す。セルコントローラ５１から組電池４１の電圧、電流、温度、上記充放電に関する時間、及び電流と時間から計算される容量のデータをバッテリーコントローラ５２のデータ記録部５２１に送信する。データ記録部５２１で受信したデータをもとに電池状態演算部５２２でデータを演算する。電池状態検知部５２３では、電池状態演算部５２２で演算した結果から電池状態を検知する。検知した結果に応じて電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）判定を行い、ＳＯＣ判定結果をセルコントローラ５１に送信する。セルコントローラ５１はＳＯＣ判定結果に応じてスイッチ４５を制御し、充放電電流値を制御する。

図７に示す本発明の実施形態に係る二次電池システムのフロー図を用いて、バッテリーコントローラ５２の放電制御方法について説明する。まず、一定時間放電されていない期間が発生した場合、セルコントローラ５１からバッテリーコントローラ５２に信号を発信する。（ステップＳ００１）

ステップＳ００２にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２は、電圧検出器４２により検出した電池電圧Ｖ、電流検出器４３により検出した放電電流Ｉ、温度検出器４４により検出した電池温度Ｔのデータに基づいて、組電池４１のＳＯＣを算出する。

ステップＳ００３にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、電池状態演算部５２２で算出した組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣを比較し、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣより低ければ、Ｙｅｓと判定し、ステップＳ００６へ移行する。組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ以上であれば、Ｎｏと判定し、ステップＳ００４へ移行する。

ステップＳ００４にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣの差から、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ未満となる容量値を算出し、セルコントローラ５１に算出した容量値を送信する。

ステップＳ００５にて、セルコントローラ５１は、電池状態検知部５２３から送信された容量値に基づいて、組電池４１を放電する。当該放電容量は、電池システムの温度制御をしている補機類、もしくは別のバッテリー（エンジン始動用の鉛電池など）へ放電する。放電完了後、ステップＳ００２へ移行し、組電池４１のＳＯＣを算出して、ステップＳ００３へ移行後、再度、判定する。

ステップＳ００６にて、組電池４１のＳＯＣの値をバッテリーコントローラ５２内のデータ記録部５２１へ送信し、ステップＳ００７へ移行する。

ステップＳ００７にて、バッテリーコントローラ５２の制御を終了する。

図８はＳＯＣ判定に必要な基準ＳＯＣの算出方法するシステムフロー図である。基準ＳＯＣは、経年劣化等によって組電池４１内の電池１０の電池容量が減少した場合、選定し直す必要がある。以下では、基準ＳＯＣを再度選定する場合のセルコントローラ５１及びバッテリーコントローラ５２の制御方法について説明する。

ステップＳ０２１では、二次電池システムのメンテナンスなど、基準ＳＯＣを選定してからある一定期間経過した場合、もしくは外部から基準ＳＯＣを再度選定する命令が送られてきた場合、バッテリーコントローラ５２は、基準ＳＯＣの再選定処理を開始する。

ステップＳ０２２では、バッテリーコントローラ５２からセルコントローラ５１に組電池４１をＳＯＣ１００％まで充電し、ＳＯＣ０％まで放電する命令を送信する。セルコントローラ５１は、組電池４１の電圧、温度に基づいて、充電電流、放電電流の値を算出し、求めた充電電流でＳＯＣ１００％まで組電池４１を充電し、その後、求めた放電電流でＳＯＣ０％まで組電池４１を放電する。この放電時に電圧、電流を測定して、図９に示すようなＳＯＣと電池電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）の関係性（ＳＯＣ−Ｖ曲線）を得る。この時、放電電流は通常の値より低い値が好ましい。具体的には０．１Ｃ以下が好ましく、更に好ましくは０．０５Ｃ以下が好ましい。

また、組電池４１の放電時に特性の基準ＳＯＣ付近、具体的に±４％のＳＯＣ範囲のみを上述したような低い放電電流値で放電する制御方法も好適な例として挙げられる。そして、得られたＳＯＣ−Ｖ曲線をバッテリーコントローラ５２内のデータ記録部５２１に保存する。

続いて、ステップＳ０２３にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２は、図９に示すＳＯＣ−Ｖ曲線から、図１０に示すような放電微分曲線（ＳＯＣ−ｄＶ／ｄＱ）を算出する。ステップＳ０２４にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２でＳＯＣに対するｄＶ／ｄＱ曲線のピーク形状とｄＶ／ｄＱ曲線がピーク値を示すＳＯＣを算出する。このＳＯＣを基準ＳＯＣとする。
ステップＳ０２５にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２からｄＶ／ｄＱのピーク形状と基準ＳＯＣをバッテリーコントローラ５２内のデータ記録部５２１に送信して保存する。ステップＳ０２６にて基準ＳＯＣの再選定を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、Ｎ個の二次電池モジュール５０−１〜５０−Ｎを並列に接続した二次電池システムにおいて、それぞれの二次電池モジュールのセルコントローラ５１で組電池４１の状態を検出し、その組電池４１の充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を基準ＳＯＣと比較し、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣよりも高ければ、組電池４１を基準ＳＯＣ未満に放電することで、電池１０の電池容量劣化を抑制し、長寿命な二次電池システムを提供することができる。

第１実施形態において、判別部（不図示）を上位コントローラ（不図示）が有するようにしたが、バッテリーコントローラ５２が判別部を有してもよい。

――第２実施形態――
第２実施形態の二次電池システムは、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電気自動車に搭載されるものである。第２実施形態において、図５に示す二次電池モジュールは複数である。即ち、二次電池モジュール５０−１〜５０−Ｎにおいて、Ｎは、２以上の整数である。図１１は、第２実施形態の二次電池システムのバッテリーコントローラ５２が行う充放電制御の処理手順を示す。図５に示す二次電池モジュールが常に複数であることと、図１１の充放電制御処理と以外は第１実施形態と同様であり、説明は省略する。

充電、もしくは放電されていない期間が所定期間以上継続した場合、セルコントローラ５１からバッテリーコントローラ５２に信号を発信する。この場合、道路の渋滞や信号待ちなど、数秒〜数分の停止時の場合は、本信号は発信されない。エンジンストップした状態で、自動車のドアが施錠された場合にセルコントローラ５１からバッテリーコントローラ５２に信号を発信する。（ステップＳ０４１）

ステップＳ０４２にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２は電圧検出器４２により検出した電池電圧Ｖ、電流検出器４３により検出した放電電流Ｉ、温度検出器４４により電池温度Ｔの各データに基づいて、各組電池４１のＳＯＣを算出する。

ステップＳ０４３にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は電池状態演算部５２２で算出した全ての組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣを比較し、全ての組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣより低ければ、Ｙｅｓと判定し、ステップＳ０４７へ移行する。全ての組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣより小さいことが否定されると、ステップＳ０４４へ移行する。

ステップＳ０４４にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、各組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣの差から、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ未満である目標ＳＯＣとなる放電容量値を算出し、さらに、基準ＳＯＣより低いＳＯＣの組電池４１が、目標ＳＯＣとなる充電容量値を算出し、各セルコントローラ５１に算出した放電容量値、もしくは充電容量値を送信する。

ステップＳ０４５にて、セルコントローラ５１は、電池状態検知部５２３から送信された放電容量値、及び充電容量値に基づいて、組電池４１を放電もしくは充電する。この時、基準ＳＯＣより高いＳＯＣの組電池から、基準ＳＯＣより低いＳＯＣへ放電する。

ステップＳ０４６にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、全ての組電池４１の放電すべき放電容量値と、全ての組電池４１の充電可能な充電容量値との差を算出し、上記放電容量値から充電容量値を差し引いた値が正の場合、電池容量に余剰分が発生していることになる。この場合、電池システムの温度制御を行っている補機類、もしくは別のバッテリー（エンジン始動用の鉛電池など）へ余剰分を放電する。

放電完了後、Ｓ０４２へ移行し、各組電池４１のＳＯＣを算出して、Ｓ０４３へ移行後、再度、判定する。ステップＳ０４７にて、各組電池のＳＯＣの値をバッテリーコントローラ５２内のデータ記録部５２１へ送信し、ステップＳ０４８へ移行する。ステップＳ０４８にて、バッテリーコントローラ５２の制御を終了する。

以上のように、第２実施形態によれば、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、及び電気自動車など、本発明による二次電池システムを搭載可能な移動体システム（車両）において、バッテリーコントーラ５１で組電池４１の状態を検出し、その組電池４１の充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を基準ＳＯＣと比較し、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣよりも高ければ、組電池４１を基準ＳＯＣ未満の目標ＳＯＣまで放電することで、電池１０の電池容量劣化を抑制し、長寿命な二次電池システムを提供することができる。

――第３実施形態――
第３実施形態の二次電池システムは、カーナビゲーションシステムを搭載したハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電気自動車に搭載されるものである。

カーナビゲーションシステムに設定された目的地に車両が到着した場合、その目的地で車両（移動体システム）を停止するのが一般的である。車両が停止しているという状態においては、一般的に二次電池システム内の電池の充電状態がそのまま維持されるので、停止時のＳＯＣが基準ＳＯＣよりも高い場合は、電池容量劣化を招くことになる。詳細は以下に示すが、本実施形態の発明は、このような状況で電池容量が劣化するのを防ぐことができる。

以下、図１２及び図１３を用いて、第３実施形態の二次電池システムにおける処理手順を説明する。
図１２は、図５に示した二次電池システムに、上位コントローラ５３及びカーナビゲーションシステム５４を付加したシステムの概略構成図である。バッテリーコントローラ５２に上位コントローラ５３が接続され、さらに、上位コントローラ５３にカーナビゲーションシステム５４が接続されている。上位コントローラ５３は、組電池４１の将来の使用の状況を判別する判別部（不図示）を有している。

図１３は、第３実施形態の二次電池システムのバッテリーコントローラ５２が行う充放電制御の処理手順を示す。図１３の充放電制御処理以外は第１実施形態と同様であり、説明は省略する。ステップＳ０５１では、カーナビゲーションシステム５４に予め設定された目的地に車両が近付いた場合、カーナビゲーションシステム５４から上位コントローラ５３へ位置情報を送信し、上位コントローラ５３の判別部が近い将来において組電池４１を使用しなくなると判別し、組電池４１の充放電に関する指令をバッテリーコントローラ５２に送信する。

ステップＳ０５２にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２は電圧検出器４２により検出した電池電圧Ｖ、電流検出器４３により検出した放電電流Ｉ、温度検出器４４により検出した電池温度Ｔの各データに基づいて、各組電池４１のＳＯＣを算出する。

ステップＳ０５３にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は電池状態演算部５２２で算出した全ての組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣを比較し、全ての組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣより低ければ、Ｙｅｓと判定し、ステップＳ０４７へ移行する。全ての組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣより小さいことが否定されると、Ｎｏと判定し、ステップＳ０５４へ移行する。

ステップＳ０５４にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、各組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣの差から、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ未満である目標ＳＯＣとなる放電容量値を算出し、各セルコントローラ５１に算出した放電容量値を送信する。

ステップＳ０５５にて、セルコントローラ５１は、電池状態検知部５２３から送信された放電容量値に基づいて、組電池４１を放電する。放電完了後、ステップＳ０５２へ移行し、各組電池４１のＳＯＣを算出して、ステップＳ０５３へ移行後、再度、判定する。ステップＳ０５３が肯定されると、ステップＳ０５６にて、各組電池のＳＯＣの値をバッテリーコントローラ５２内のデータ記録部５２１へ送信し、ステップＳ０５７へ移行する。ステップＳ０５７にて、バッテリーコントローラ５２の制御を終了する。

以上のように、第３実施形態によれば、本発明による二次電池システムを搭載したハイブリッド電気自動車やプラグインハイブリッド自動車、及び電気自動車などにカーナビゲーションシステムなどの車載情報システムを搭載した移動体システムにおいて、車両が目的地に近づいたとき、バッテリーコントーラ５１で組電池４１の状態を検出し、その組電池４１のＳＯＣを基準ＳＯＣと比較し、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣよりも高ければ、組電池４１を基準ＳＯＣ未満の目標ＳＯＣまで放電することで、電池１０の電池容量劣化を抑制し、長寿命な二次電池システムを提供することができる。

すなわち、第３実施形態においては、車両が目的地に近づいたときに、いずれかの組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ以上と判断した場合、バッテリーコントローラ５１はセルコントローラ５２に対して組電池４１のＳＯＣを基準ＳＯＣ未満の目標ＳＯＣにすべく放電制御を指令する。この指令によりセルコントローラ５２は、組電池４１を構成する単電池１０のうち、基準ＳＯＣ以上の単電池１０を放電制御する。

車両が目的地に到着するまでに組電池４１の全てが基準ＳＯＣ未満になっていない場合、車両が停止されても組電池４１の放電制御を続行させてもよい。しかし、組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣ未満の目標ＳＯＣとの乖離が大きいときは、車両停止にも拘わらず放電制御が長時間続行される可能性がある。したがって、基準ＳＯＣを超えた組電池４１が存在するか否かを判定するタイミングとして、目的地まで走行する間に基準ＳＯＣまで低減できるか否かも考慮する必要がある。

第３実施形態において、判別部（不図示）を上位コントローラ５３が有するようにしたが、バッテリーコントローラ５２が判別部を有してもよい。

――第４実施形態――
第４実施形態は、ハイブリッド電気自動車やプラグインハイブリッド自動車、及び電気自動車などの移動体システムに搭載した二次電池システムをホームエネルギーマネジメントシステム（ＨＥＭＳ：Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）などのエネルギー管理システム（ＥＭＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）と協働させるようにしたものである。この二次電池システムのバッテリーコントローラ５２の充放電制御方法について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成は、説明を省略する。

第４実施形態の二次電池システムの給電部にはＥＭＳの充電プラグが差し込まれ、二次電池システムのＳＯＣはＥＭＳにより制御される。そして、ＥＭＳに予め設定した電力使用スケジュールに基づいて、二次電池システムが充放電制御される。

以下、図１４〜１６を用いて、第４実施形態に関して説明する。
図１４は、図５に示した二次電池システムに、上位コントローラ５３及びＥＭＳ５５を付加したシステムの概略構成図である。バッテリーコントローラ５２に上位コントローラ５３が接続され、さらに、上位コントローラ５３にＥＭＳ５５が接続されている。上位コントローラ５３は、組電池４１の将来の使用の状況を判別する判別部（不図示）を有している。

図１５は、本実施形態における二次電池システムのフロー図である。図１６は、本実施形態における二次電池の充電方法の一例を従来の充電方法とともに示した図であり、図１５のステップＳ０６３、Ｓ０６６、Ｓ０６７、Ｓ０６８の流れに相当するものである。

図１６を用いて、本発明の概略を説明する。図１６に示したグラフにおいて、横軸である時間軸には期間１〜３までの期間が示されており、縦軸であるＳＯＣ軸には、基準ＳＯＣと、あらかじめ定められた上限ＳＯＣが示されている。

期間１においては、基準ＳＯＣまでは、同一電気量で充電する。基準ＳＯＣになると、充電を一度停止する。そして、あらかじめ定められた予定時刻よりも所定時間前になると、上限ＳＯＣまで充電をする。従来は上限ＳＯＣまでＳＯＣを増大させるように充電する。

第４実施形態のような充電方法をとることで、従来の充電方法と比較して、基準ＳＯＣよりも高いＳＯＣに維持されている時間が短くなるので、電池容量劣化を防ぐことができる。

図１６に示した充電特性で第４実施形態の二次電池システムを充電する処理手順について、図１５を参照して説明する。
図１５の処理は、ＥＭＳ５５の充電プラグが二次電池システムの充電部に差し込まれると、ＥＭＳ５５から上位コントローラ５３に車両の使用予定が送信され、その車両の使用予定をもとに上位コントローラ５３の判別部（不図示）が二次電池システムの将来の使用状況を把握し、上位コントローラ５３からバッテリーコントローラ５１にエネルギーマネジメント指令信号が送信される（ステップＳ０６１）。

ステップＳ０６２にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態演算部５２２は電圧検出器４２により検出した電池電圧Ｖ、電流検出器４３により検出した放電電流Ｉ、温度検出器４４により検出した電池温度Ｔの各データに基づいて、各組電池４１のＳＯＣを算出する。

ステップＳ０６３にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は電池状態演算部５２２で算出した全ての組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣを比較し、全ての組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣより低ければ、Ｙｅｓと判定し、ステップＳ０６６へ移行する。全ての組電池４１のうち、いずれかひとつの組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ以上であれば、Ｎｏと判定し、ステップＳ０６４へ移行する。

ステップＳ０６４にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、各組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣの差から、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣ未満である目標ＳＯＣとなる放電容量値を算出し、各セルコントローラ５１に算出した放電容量値を送信する。

ステップＳ０６５にて、セルコントローラ５１は、電池状態検知部５２３から送信された放電容量値に基づいて、組電池４１を放電する。この時、放電した電気の給電先として、ＥＭＳ接続先の電源、ＥＭＳに接続された家庭用の蓄電池などがエネルギー効率の観点から好ましい。放電容量値まで放電が完了したらステップＳ０６８へ移行する。

ステップＳ０６６にて、バッテリーコントローラ５２内の電池状態検知部５２３は、各組電池４１のＳＯＣと基準ＳＯＣの差から、組電池４１のＳＯＣが基準ＳＯＣとなる充電容量値を算出し、各セルコントローラ５１に算出した充電容量値を送信する。

ステップＳ０６７にて、セルコントローラ５１は、電池状態検知部５２３から送信された充電容量値に基づいて、組電池４１を充電する。送信された充電容量値まで充電が完了したらステップＳ０６８へ移行する。

ステップＳ０６８にて、ＥＭＳにユーザーなどから、次に移動体システム使用する日時が入力されていた場合、使用予定日時が近づいてきたら、ＥＭＳからバッテリーコントローラ５２に信号を送信し、組電池４１を予め定められた上限ＳＯＣまでの必要充電量を算出し、各セルコントローラ５１に充電容量値を送信する。各セルコントローラ５１は送信された充電容量値に基づいて各組電池４１を充電する。充電容量値まで充電が完了したらステップＳ０６９に移行して終了する。

第４実施形態の二次電池システムが搭載される車両の使用予定は、ＨＥＭＳなどに代表されるＥＭＳのスケジューラに設定される。また、車両に搭載した二次電池システムの組電池４１は、車両が車庫に駐車している間に充電されるが、次回の車両使用予定時刻が近づくまでは、組電池４１のＳＯＣを基準ＳＯＣ未満としておき、使用予定時刻の所定時間前、すなわち、基準ＳＯＣから満充電するに必要な時間前に充電を開始する。これにより、上述したように、組電池４１の劣化を抑制できる。

――第４実施形態の変形例――
第４実施形態の変形例となる充放電制御を図１６に示す。二次電池システムが搭載された移動体がＥＭＳ５５に接続された際、第４実施形態における組電池４１のＳＯＣは、基準ＳＯＣ以下である。一方、第４実施形態の変形例における組電池４１のＳＯＣは、基準ＳＯＣ以上である。

第４実施形態の変形例において、二次電池システムが搭載された移動体がＥＭＳ５５に接続されると、基準ＳＯＣ以上になっている組電池４１のＳＯＣを、基準ＳＯＣになるようにバッテリーコントローラ５２が放電制御する。基準ＳＯＣとなった後は、第４実施形態と同様の充電制御を行う。よって、第４実施形態とその変形例との差異は、期間１のみである。

第４実施形態及びその変形例において、判別部（不図示）を上位コントローラ５３が有するようにしたが、バッテリーコントローラ５２が判別部を有してもよい。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨に逸脱しない範囲で、適宜変更、または、組み合わせて適用できる。例えば、電池を捲回形のリチウムイオン二次電池としたが、複数の正極板と、複数の負極板とをセパレータを介して交互に積層してなる積層型のリチウムイオン二次電池に適用しても良い。

１０…電池
１１…正極板
１２…負極板
１３…セパレータ
２２…電極捲回群
２６…電池容器
４１…組電池
４２…電圧検出部
４３…電流検出部
４４…温度検出部
５１…セルコントローラ
５２…バッテリーコントローラ
５３…上位コントローラ
５４…カーナビゲーションシステム
５５…ＥＭＳ

Claims (6)

1. 単一もしくは複数の組電池の充放電を制御する二次電池システムにおいて、
   前記組電池の負極活物質は、ＳＯＣに対する電位が略一定である安定相として、第１電位安定相と、前記第１電位安定相よりも前記ＳＯＣが低い第２電位安定相とを有する材料であり、
   前記組電池の将来の使用の状況に基づいて、少なくとも前記組電池が非使用状況の間は、前記組電池のＳＯＣが前記第２電位安定相の範囲内の値となるように前記組電池を少なくとも放電制御するＳＯＣ制御装置と、
   前記組電池の前記ＳＯＣに対する前記電位の変化量が最も大きい前記ＳＯＣを基準ＳＯＣとして算出する基準決定装置とを備え、
   前記ＳＯＣ制御装置は、前記基準決定装置が算出した前記基準ＳＯＣおよび前記組電池のＳＯＣに基づき前記組電池を放電制御する二次電池システム。
2. 請求項１に記載の二次電池システムにおいて、
   前記ＳＯＣ制御装置は、
   前記組電池が複数の場合、前記第１電位安定相にある前記組電池から、前記第２電位安定相にある前記組電池へ放電する二次電池システム。
3. 請求項１に記載の二次電池システムにおいて、
   前記ＳＯＣ制御装置は、
   前記組電池が負荷に電力を放電しているとき、前記組電池が将来非使用状況になることを判別すると、
   前記組電池のＳＯＣが前記第２電位安定相の範囲内の値となるように前記組電池を放電制御する二次電池システム。
4. 請求項３に記載の二次電池システムにおいて、
   前記組電池が移動体の移動力を発生する負荷との間で電力を充放電する移動体システムに使用される場合、
   前記ＳＯＣ制御装置は、
   前記移動体が目的地に近づいたことを判定する信号を受信すると前記組電池が将来非使用状況になると判別し、
   前記移動体が前記目的地に到着したときに、前記組電池のＳＯＣが前記第２電位安定相の範囲内の値となるように前記組電池を放電制御する二次電池システム。
5. 請求項１に記載の二次電池システムにおいて、
   前記ＳＯＣ制御装置は、
   非使用中の前記組電池が将来使用状況になることを判別すると、前記組電池を充電する際、前記使用状況になる時刻より所定時間前の最終充電開始時刻までは、前記ＳＯＣが前記第２電位安定相の範囲内の値となるように前記組電池を充放電制御し、前記最終充電開始時刻になると、前記ＳＯＣが前記第１電位安定相の範囲内の値となるまで充電制御する二次電池システム。
6. 請求項５に記載の二次電池システムにおいて、
   前記組電池が、エネルギー管理システムに接続されて電力が充電される移動体システムに使用される場合、
   前記ＳＯＣ制御装置は、
   前記エネルギー管理システムから受信した前記移動体システムの将来の使用開始の情報を受信すると、
   前記組電池を充電する際、前記使用開始の時刻より所定時間前の最終充電開始時刻までは、前記ＳＯＣが前記第２電位安定相の範囲内の値となるように前記組電池を充放電制御し、前記最終充電開始時刻になると、前記ＳＯＣが前記第１電位安定相の範囲内の値となるまで充電制御する二次電池システム。

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