JP6313233B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

なお、本明細書において「蓄電素子」とは、繰り返し充電と放電が可能な電池一般をいう。一般に、「二次電池」と称される電池は、本明細書における「蓄電素子」に含まれる。また、「二次電池」には、「リチウムイオン二次電池」や「リチウム二次電池」と称される二次電池が含まれる。ここで、「リチウムイオン二次電池」は、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。

例えば、特開２０１４−１７０７４号公報には、二次電池以外の補助蓄電手段をさらに設けて二次電池の負極において反応関与物質が析出した場合に、補助蓄電手段に対して、二次電池から放電させることが提案されている。かかる構成によれば、二次電池に蓄えられた電力を無駄にすることなく、二次電池の負極電位を上昇させることができ、二次電池の負極において析出した反応関与物質を速やかに溶解させることができる。

また、特開２００９−１９９９３４号公報には、リチウムデンドライトの析出量が許容量以上であると判断された場合に、電池のＳＯＣを検出し、ＳＯＣが設定値以上であった場合に、デンドライトの溶解処理（すなわち、放電）を行うことが提案されている。

また、特開２０１３−１１０８８５号公報には、負極にリチウムが析出する電圧を超える充電があった場合に、析出したリチウムが不活性化する前に放電を行うことが提案されている。

特開２０１４−１７０７４号公報 特開２００９―１９９９３４号公報 特開２０１３―１１０８８５号公報

ところで、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウムの析出が微量であれば、放電処理前に溶解することもある。また、リチウムの析出を電位のみで判断し、放電処理を行うシステムでは、リチウムの析出が微量であっても放電処理が行われることになる。このため、本来の使用において、放電処理が必要でない状況で放電が行われる場合がある。

ここで提案される蓄電装置は、直列に接続された複数の蓄電素子と、各蓄電素子に印加された電圧を検知する電圧センサと、各蓄電素子に流れた電流を検知する電流センサと、制御装置とを備えている。制御装置は、電圧センサによって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いか否かを判定する判定部と、制御部とを備えている。制御部は、判定部において、電圧センサによって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いと判定された場合に、電流センサによって検知された電流値に基づいて、当該高い電圧が検知された蓄電素子に充電された、単位時間当たりの充電量を取得する。そして、取得された充電量が予め定められた閾値よりも高い場合に、当該高い電圧が検知された蓄電素子を放電する放電処理を行う。

また、他の形態として、制御部は、判定部において、電圧センサによって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いと判定された場合に、電流センサによって検知された電流値に基づいて、当該高いと判定された蓄電素子に充電された充電量を、当該高いと判定された時から積算して積算充電量を取得する。そして、取得された積算充電量が予め定められた閾値よりも高い場合に、当該高い電圧が検知された蓄電素子を放電する放電処理を行う。

この場合、放電処理は、直列に接続された複数の蓄電素子から放電を行う処理であってもよい。また、蓄電装置は、複数の蓄電素子の電位差を小さくする均等化処理を行う均等化回路を備えていてもよい。この場合、制御部は、高い電圧が検知された蓄電素子を放電する放電処理に代えて、均等化回路に均等化処理を実行させてもよい。

上記の蓄電装置は、蓄電素子において、析出しうる反応関与物質（リチウムイオン二次電池では、リチウム）が再イオン化することを具現化するのに、蓄電素子に対して必要以上に放電処理が行われるのを防止できる。

図１は、蓄電装置１００の構成図である。 図２は、この実施形態における均等化回路モジュール１４１の構成図である。 図３は、１つの実施形態における制御装置１８０のフローチャートである。 図４は、設定される閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）を示す図である。 図５は、かかる他の形態の制御フローを示すフローチャートである。 図６は、他の形態の制御フローにおいて設定される閾値Ａｈｏ（Ｔ）を示す図である。

以下、ここで提案される蓄電装置について一実施形態を説明する。

図１は、蓄電装置１００の構成図である。
蓄電装置１００は、図１に示すように、電池パック１２０と、均等化回路１４０と、電圧センサ１６０と、電流センサ１７０と、制御装置１８０とを備えている。

《電池パック１２０》
電池パック１２０は、直列に接続された複数の蓄電素子１２１を備えている。ここで、蓄電素子１２１は、例えば、リチウムイオン二次電池のような二次電池である。なお、電池パック１２０は、直列に接続された複数の蓄電素子１２１からなる組電池であり、ここで提案される蓄電装置１００の１つの要素になる。この電池パック１２０は、さらに複数、直列または並列に組み合わせて、より大型の電池パックを構成することができる。また大型の電池パックを組む場合、制御装置１８０は、他の電池パックと共用してもよい。

《均等化回路１４０》
均等化回路１４０は、複数の蓄電素子１２１の電位差を小さくする均等化処理を行う回路である。この実施形態では、均等化回路１４０は、図１に示すように、複数の均等化回路モジュール１４１を備えている。各均等化回路モジュール１４１は、複数の蓄電素子１２１の各蓄電素子１２１に並列に接続されている。図２は、この実施形態における均等化回路モジュール１４１の構成図である。均等化回路モジュール１４１は、図２に示すように、コイル１４６と、スイッチ１４７が直列に配置されている。そして、この均等化回路１４０では、図１に示すように、複数の蓄電素子１２１の各蓄電素子１２１に並列に接続された均等化回路モジュール１４１が互いに直列に接続されている。ここで、スイッチ１４７は、複数の蓄電素子１２１の各蓄電素子１２１に並列に接続された均等化回路モジュール１４１への通電（ＯＮ）と、切断（ＯＦＦ）とを切り替える。

全ての均等化回路モジュール１４１のスイッチ１４７がＯＮになると、電池パック１２０の複数の蓄電素子１２１の各蓄電素子１２１が、それぞれコイル１４６と並列に接続され、さらに各コイル１４６が直列に接続される。このように接続された状態では、コイル１４６の作用によって、複数の蓄電素子１２１の電位差が小さくなる均等化処理が行われる。ここでの均等化処理は、コイル１４６の作用によって、開回路電圧が高い蓄電素子１２１から放電され、他の蓄電素子１２１が充電される。

《電圧センサ１６０》
電圧センサ１６０は、複数の蓄電素子１２１の各蓄電素子１２１に印加された電圧を検知するセンサである。電圧センサ１６０は、制御装置１８０に接続されており、検知された電圧情報が制御装置１８０に伝達される。この実施形態では、電圧センサ１６０は、複数の電圧測定モジュール１６１を備えており、各電圧測定モジュール１６１が、複数の蓄電素子１２１の各蓄電素子１２１に並列に接続されている。各電圧測定モジュール１６１は、並列に接続された各蓄電素子１２１の電圧を検知する。各電圧測定モジュール１６１によって検知された電圧は、電気信号として制御装置１８０に送られる。

《電流センサ１７０》
電流センサ１７０は、各蓄電素子に流れた電流を検知するセンサである。電流センサ１７０は、制御装置１８０に接続されており、検知された電流の情報が制御装置１８０に伝達される。この実施形態では、電流センサ１７０は、直列に接続された複数の蓄電素子１２１（電池パック１２０）の入出力端子１３１、１３２のうち、一方の端子１３２と複数の蓄電素子１２１とを繋ぐ電流経路に直列に接続されている。なお、電流センサ１７０は、この形態に限定されない。電流センサ１７０は、例えば、各蓄電素子１２１の電流経路にそれぞれ設けられて、各蓄電素子１２１に流れる電流を検出するものでもよい。

《制御装置１８０》
制御装置１８０は、判定部１８１と、制御部１８２とを備えている。

《判定部１８１》
判定部１８１は、電圧センサ１６０によって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いか否かを判定する。この実施形態では、電圧測定モジュール１６１によって検知された各蓄電素子１２１（ｉ）の電圧（Ｖｉ）が、それぞれ予め定められた電圧値（Ｖｏ）（例えば、４．５Ｖ）よりも高い｛Ｖ（ｉ）＞Ｖｏ｝か否かを判定する。

《制御部１８２》
次に、制御部１８２を説明する。蓄電装置１００の制御部１８２には、いくつかの実施の形態がある。図３は、１つの実施形態における制御装置１８０のフローチャートである。

この実施形態では、制御部１８２は、以下の処理を行う。
制御装置１８０は、図３に示すように、電圧センサ１６０の電圧測定モジュール１６１によって検知される各蓄電素子１２１の電圧値を記憶している（Ｓ１）。また、電流センサ１７０によって検知される電流値を記憶している（Ｓ１）。

１．判定部１８１（Ｓ２）において、電圧センサ１６０の電圧測定モジュール１６１によって検知された電圧（Ｖｉ）が、予め定められた電圧値（Ｖｏ）よりも高い（Ｖｉ＞Ｖｏ）と判定された場合（「ＹＥＳ」）に、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）について、電流センサ１７０によって検知された電流値に基づいて、単位時間当たりに充電された充電量（ΔＡｈｉ（Ｔ））を取得する。ここで単位時間は、予め定められた時間である。

２．の処理では、まず、｛Ｖ（ｉ）＞Ｖｏ｝と判定された蓄電素子１２１（ｉ）について、取得された単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも高い｛（ΔＡｈｉ／ΔＴ）＞（ΔＡｈｏ／ΔＴ）｝か否かを判定する（Ｓ３）。そして、高い｛（ΔＡｈｉ／ΔＴ）＞（ΔＡｈｏ／ΔＴ）｝と判定された場合に、当該高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）を放電する放電処理を行う（Ｓ５）。

ここで、添え字ｉは、複数の蓄電素子１２１を区別するために添えている。ｎ個の蓄電素子１２１を備えている場合には、蓄電素子１２１（ｉ）は、そのうちの１つの蓄電素子１２１を示している。ここでは、電圧測定モジュール１６１は、各蓄電素子１２１の電圧を検知する。高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）は、複数の蓄電素子１２１のうち、電圧センサ１６０の電圧測定モジュール１６１によって検知された電圧（Ｖ（ｉ））が、予め定められた電圧値（Ｖｏ）よりも高い｛Ｖ（ｉ）＞Ｖｏ｝と判定された蓄電素子１２１である。

判定部１８１では、例えば、予め定められた電圧値（Ｖｏ）として、４．５Ｖが設定されていると、４．５Ｖよりも大きい電圧が印加された蓄電素子１２１が、当該制御部１８２で処理対象となる蓄電素子１２１（ｉ）となる。ここで、複数の蓄電素子１２１の電圧が、閾値となる電圧値（Ｖｏ）よりも大きくなった場合には、制御部１８２は、閾値となる電圧値（Ｖｏ）よりも大きい電圧が検知された複数の蓄電素子１２１を制御対象とするとよい。

２．の処理で、「Ｔ」は、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）の基準となる時間である。蓄電素子１２１（ｉ）において単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）は、電流値が変動すれば、時間が経過するとともに変動する。これに対して、閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）は、例えば、図４に示すように、時間の経過に対して一定に設定するとよい。なお、閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）は、時間の経過に対して変動するものとしたり、温度や、電池パック１２０の経年での使用状況を勘案して、例えば、所定の係数を掛けたり、予め用意されたマップを参照するなどして、適宜変動するものとしてもよい。

図４では、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が、予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも小さい範囲にハッチングが付されている。２．の処理において、制御部１８２は、当該ハッチングが付されていない範囲（すなわち、取得された単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも高い｛（ΔＡｈｉ／ΔＴ）＞（ΔＡｈｏ／ΔＴ）｝と判定された場合）に、蓄電素子１２１（ｉ）を放電する放電処理をする（Ｓ５）。

つまり、蓄電素子１２１（ｉ）の電圧Ｖ（ｉ）が、予め定められた電圧値（Ｖｏ）よりも高い（Ｖｉ＞Ｖｏ）と判定された場合でも、直ぐに放電処理が行われる訳ではない。その後、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも高い場合に、放電処理が行われる。その後、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも低い場合には、放電処理は行われない。

つまり、蓄電素子１２１が、リチウムイオン二次電池である場合には、過充電状態で析出したリチウム金属）は、電解液と反応し、不活性な被膜を形成しうる。不活性な被膜が形成されると析出したリチウムは再イオン化されないため、不活性な被膜が形成される前に、放電処理を行い再イオン化する必要がある。しかし、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が小さいときには、放電処理を実施しなくても、析出したリチウムが再イオン化する。このため、ここで提案される制御部１８２では、予め定められた電圧値（Ｖｏ）よりも高い（Ｖｉ＞Ｖｏ）と判定された場合でも、直ぐに放電処理を行わず、その後の単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）をモニタリングし、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも高い場合に放電処理を実施するものである。これにより、析出したリチウムが再イオン化することを具現化するのに、必要以上に放電処理が行われるのを防止できる。

《放電処理》
ここで、放電処理（Ｓ５）は、当該蓄電素子１２１（ｉ）を放電する処理であればよく、種々の対応をとることができる。例えば、図示は省略するが、各蓄電素子１２１に個別に補助蓄電池に接続されており、当該補助蓄電池への接続を切り替えるスイッチを備えていてもよい。この場合には、制御装置１８０は、放電処理として、当該補助蓄電池への接続を切り替えるスイッチをＯＮにして、蓄電素子１２１（ｉ）から補助蓄電池への放電（当該補助蓄電池の充電）を行うようにし、放電される電気を補助蓄電池に蓄えてもよい。

また、放電処理は、直列に接続された複数の蓄電素子１２１から放電を行う処理であってもよい。つまり、電池パック１２０全体として、放電を行ってもよい。かかる放電による場合も、判定部１８１において高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）からの放電が行え、当該電池の過充電状態が緩和される。蓄電素子１２１（ｉ）が、リチウムイオン二次電池である場合には、過充電状態で負極にリチウムが析出している場合であっても析出したリチウムを溶出させ、析出したリチウムが不活性化するのを防止することができる。

なお、このような放電処理（Ｓ５）での放電条件は、例えば、判定部１８１（Ｓ２）において、電圧センサ１６０の電圧測定モジュール１６１によって検知された電圧（Ｖｉ）が、予め定められた電圧値（Ｖｏ）よりも高い（Ｖｉ＞Ｖｏ）と判定されてから、放電処理が行われるまでに、当該蓄電素子１２１（ｉ）に充電された充電量を積算した積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））を基に、当該蓄電素子１２１（ｉ）、あるいは、電池パック１２０が放電すべき放電量を求め、これに応じて放電条件を設定するとよい（Ｓ４）。

次に、放電処理の他の形態を説明する。

《均等化処理（Ｓ４Ａ）》
この場合、複数の蓄電素子１２１の電位差を小さくする均等化処理を行う均等化回路１４０を用いる。この場合、制御部１８２は、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）を放電する放電処理に代えて、あるいは、当該放電処理の一形態として、均等化回路１４０に均等化処理を実行させる。

つまり、均等化回路１４０によって、複数の蓄電素子１２１の電位差を小さくする均等化処理を行う。この場合、制御部１８２において放電処理が行われる状況では、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）は、開回路電圧が、他の蓄電素子１２１よりも高くなっているはずである。このため、均等化処理が実行されると、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）と、他の蓄電素子１２１との間で電位差が小さくなる。つまり、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）では、放電処理が行われたのと同等の効果が得られる。すなわち、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）では、過充電状態で負極にリチウムが析出している場合であっても析出したリチウムを溶出させ、析出したリチウムが不活性化するのを防止することができる。

次に、制御部１８２において、放電処理を行う条件について他の形態を説明する。図５は、かかる他の形態の制御フローを示すフローチャートである。ここでは、フローチャート中の処理ステップＳ１と判定ステップＳ２は、既に説明した図３の形態での処理ステップＳ１と判定ステップＳ２と同じであるから説明を省略する。

放電処理を行う条件は、上述した形態、つまり、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）の単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が、予め定められた閾値（ΔＡｈｏ／ΔＴ）よりも高い｛（ΔＡｈｉ／ΔＴ）＞（ΔＡｈｏ／ΔＴ）｝場合に限定されない。

例えば、制御部１８２は、判定部１８１において、電圧センサ１６０（ここでは、電圧測定モジュール１６１）によって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いと判定された場合に、電流センサ１７０によって検知された電流値に基づいて、当該高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）に充電された充電量（Ａｈｉ）を、当該高いと判定された時から積算して積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））を取得する。そして、取得された積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））が予め定められた閾値（Ａｈｏ（Ｔ））よりも高い場合に、当該高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）を放電する放電処理を行う（Ｓ４、Ｓ５）。

ここでの放電処理は、上述したように均等化回路１４０による均等化処理でもよい。

積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））は、例えば、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）を、判定部１８１で高いと判定された時から積算Σ（ΔＡｈｉ／ΔＴ）して求めるとよい。この場合、積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））は、予め期間を決めて積算するとよい。そして、当該積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））に対して、閾値（Ａｈｏ（Ｔ））を定めてもよい。

また、積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））は、例えば、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）に対して、予め定められた電圧値（Ｖｘ）（例えば、４．１Ｖ）よりも高いときの単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）のみを積算してもよい。この場合、図６は、かかる積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））に対して予め定められた閾値（Ａｈｏ（Ｔ））の一例を示している。かかる積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））に対して予め定められた閾値（Ａｈｏ（Ｔ））は、図６に示すように、時間の経過に対して、閾値となる積算充電量（Ａｈ）が小さくなるように設定しておいてもよい。

つまり、この場合、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）に対して、予め定められた電圧値（Ｖｘ）（例えば、４．１Ｖ）よりも高いときの単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）のみを積算する。このため、積算期間に対して、積算充電量（Ａｈｉ（Ｔ））が小さい場合には、高い電圧が検知された蓄電素子１２１（ｉ）に対して、単位時間当たりの充電量（ΔＡｈｉ／ΔＴ）が小さかったことになり、過充電状態が悪化していなかったり、過充電の状態が維持されていなかったりする。このように、時間の経過に対して閾値となる積算充電量（Ａｈ）が小さくなるような時間関数（Ａｈｏ（Ｔ））によって閾値を設定することによって、必要以上に放電処理が実行されるのが防止される。

なお、この場合も、閾値（Ａｈｏ（Ｔ））は、時間の経過に対して変動するものとしたり、温度や、電池パック１２０の経年での使用状況を勘案して、例えば、所定の係数を掛けたり、予め用意されたマップを参照するなどして、適宜変動するものとしてもよい。

以上、ここで提案される蓄電装置の実施の形態を説明したが、本発明に係る蓄電装置は、上述した実施の形態に限定されない。

１００ 蓄電装置
１２０ 電池パック
１２１ 蓄電素子
１４０ 均等化回路
１４１ 均等化回路モジュール
１４６ コイル
１４７ スイッチ
１６０ 電圧センサ
１６１ 電圧測定モジュール
１７０ 電流センサ
１８０ 制御装置
１８１ 判定部
１８２ 制御部

Claims (4)

1. 直列に接続された複数の蓄電素子と、
   前記各蓄電素子に印加された電圧を検知する電圧センサと、
   前記各蓄電素子に流れた電流を検知する電流センサと、
   制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記電圧センサによって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いか否かを判定する判定部と、
   制御部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記判定部において、前記電圧センサによって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いと判定された場合に、
   前記電流センサによって検知された電流値に基づいて、当該高い電圧が検知された蓄電素子に充電された、単位時間当たりの充電量を取得し、
   取得された前記充電量が予め定められた閾値よりも高い場合に、当該高い電圧が検知された蓄電素子を放電する放電処理を行う、
   蓄電装置。
2. 直列に接続された複数の蓄電素子と、
   前記各蓄電素子に印加された電圧を検知する電圧センサと、
   前記各蓄電素子に流れた電流を検知する電流センサと、
   制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記電圧センサによって検知された電圧値が、予め定められた電圧値よりも高いか否かを判定する判定部と、
   制御部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記判定部において、前記電圧センサによって検知された電圧が、予め定められた電圧値よりも高いと判定された場合に、
   前記電流センサによって検知された電流値に基づいて、当該高いと判定された蓄電素子に充電された充電量を、当該高いと判定された時から積算して積算充電量を取得し、
   取得された前記積算充電量が予め定められた閾値よりも高い場合に、当該高い電圧が検知された蓄電素子を放電する放電処理を行う
   蓄電装置。
3. 前記放電処理は、前記直列に接続された複数の蓄電素子から放電を行う処理である、請求項１または２に記載された蓄電装置。
4. 前記複数の蓄電素子の電位差を小さくする均等化処理を行う均等化回路を備え、
   前記制御部は、
   前記高い電圧が検知された蓄電素子を放電する前記放電処理に代えて、前記均等化回路に前記均等化処理を実行させる、請求項１または２に記載された蓄電装置。

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