JP6520624B2 - Charging device and charging method - Google Patents
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Description
本発明は、電池の充電装置及び電池の充電方法に関する。 The present invention relates to a battery charging device and a battery charging method.
近年、電動車両の普及に伴い、車両を駆動するための2次電池の需要が拡大している。これらの電動車両では燃費や搭載性の向上のため、2次電池の高容量化や小型化が期待されており、2次電池の性能向上が求められている。2次電池の中でも非水電解質2次電池、特にリチウムイオン電池は、高容量化が可能であることから、種々の電動車両の駆動用電源として利用が進められている。 In recent years, with the spread of electrically powered vehicles, the demand for secondary batteries for driving the vehicles is expanding. In these electric vehicles, in order to improve the fuel efficiency and the mountability, higher capacity and smaller size of the secondary battery are expected, and the performance improvement of the secondary battery is required. Among secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary batteries, particularly lithium ion batteries, can be used for driving various electric vehicles because they can be increased in capacity.
非水電解質2次電池は、一般に、正極活物質に代表される正極材料を有する正極活物質層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極活物質を有する負極活物質層を負極集電体の表面に形成した負極とが、非水電解質を介して接続され、ケースに収納される構成を有している。非水電解質2次電池の代表例であるリチウムイオン電池では、正極材料としてリチウムの複合酸化物が用いられている。例えば、特許文献1〜6に、正極材料して用いることができるリチウムの複合酸化物が記載されている。
Generally, a non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode having a positive electrode active material layer having a positive electrode material represented by a positive electrode active material formed on the surface of a positive electrode current collector, and a negative electrode active material layer having a negative electrode active material. The negative electrode formed on the surface of the current collector is connected via the non-aqueous electrolyte, and is housed in the case. In a lithium ion battery, which is a typical example of a non-aqueous electrolyte secondary battery, a lithium composite oxide is used as a positive electrode material. For example,
特許文献1には、LixCoMO2と、LiNiMnMO2とを混合して正極活物質とすることが記載されている。ここで、Mは所定の元素である。この正極活物質は、放電時の平均電圧の高い活物質と、高い熱的安定性を持つ活物質とを有している。
特許文献2には、LiNiMnTiO2の層状岩塩型構造の結晶層を含む正極活物質が記載されている。この正極活物質は、Tiを含むことで、Tiを含まない場合と比べて高い充放電容量を得ることができる。
特許文献3には、LixMnMO4と、LiNiMO2とを混合して正極活物質とすることが記載されている。ここで、Mは所定の元素である。この正極活物質を用いることで、高温保存後の電池性能に優れたものとすることができる。 Patent Document 3 describes that Li x MnMO 4 and LiNiMO 2 are mixed to form a positive electrode active material. Here, M is a predetermined element. By using this positive electrode active material, the battery performance after high temperature storage can be made excellent.
特許文献4には、層状の多結晶構造のLiMnMO2におけるLiの一部が欠損した正極活物質が記載されている。ここで、Mは所定の元素である。この正極活物質は、結晶中の歪みや化学結合の安定化され、充放電時のサイクル安定性、耐久安定性等を向上させることができる。
特許文献5には、LiCoO2においてLi及びCoの一部がそれぞれ所定の元素Mに置換された正極活物質が記載されている。この正極活物質は、LiとCoのそれぞれが元素Mに置換されたことで、リチウムの層とコバルトの層の結合力が強化され、層間の歪みや結晶格子の膨張が抑えられ、充放電時のサイクル安定性、耐久安定性等を向上させることができる。 Patent Document 5 describes a positive electrode active material in which part of Li and Co in LiCoO 2 is replaced with a predetermined element M, respectively. In this positive electrode active material, when each of Li and Co is substituted by the element M, the bonding strength between the lithium layer and the cobalt layer is strengthened, distortion of the layer and expansion of the crystal lattice are suppressed, and during charge and discharge Cycle stability, durability stability and the like can be improved.
特許文献6には、LiNiMnCoO2と、Li2MO3とを混合して正極活物質とすることが記載されている。ここで、Mは所定の元素である。この正極活物質は、電池容量と安全性に優れた効果を発揮する活物質と、サイクル特性と貯蔵特性とに効果を発揮する活物質とを有している。しかし、これらの正極活物質では、いずれも充放電時の結晶構造の崩壊が充分に抑制できず、非水電解質2次電池の容量の低下を招くという問題があった。
また、非特許文献1には、安全性に関しては、Tiを含有した正極、つまり、LiNiMnTiO2とする技術が記載されている。ただし、この非特許文献1に記載のようにTiの添加では、安全性の圧倒的な向上が得られないことが記載されている。
Further, Non-Patent
非特許文献2には、安全性と結晶の高安定化を両立するための別の試みとしては、酸素との結合力の強いSiを遷移金属と同量含有した正極、つまりLi2MnSiO4とする技術が記載されている。しかし、この正極においては、遷移金属は4配位の配位構造をとることで、充電時に構造が不安定化し、やはり充分な耐久性を有する正極を構成することはできなかった。
In
上記課題を解決するため、本発明者らは、正極材料の構造に着目し、遷移金属の局所構造として6配位の構造を持ち、かつ、酸素と強く結合する元素を多量に含む正極材料とすることで、上記課題を解決できることを見出した。この新規正極材料は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−εで表されるリチウム遷移金属酸化物を含んでいる。ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化する。しかし、新規正極材料の電気化学的特性の調査を進める中で、新規正極材料は残存容量が低下すると、充電時の電池の抵抗が著しく上昇する特徴を見出した。 In order to solve the above problems, the present inventors pay attention to the structure of the positive electrode material, have a six-coordinated structure as a local structure of the transition metal, and contain a large amount of an element strongly binding to oxygen and I found that I could solve the above-mentioned problems. This novel positive electrode material has a layered rock salt type crystal structure, a transition metal having a six-coordinated local structure, and is represented by the chemical formula Li 2-x Ni α M 1 β M 2 γ O 4-ε It contains lithium transition metal oxide. Here, 0.50 <α ≦ 1.33, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ γ ≦ 1.33, M 1 is at least one of Co, Al and Ga, M 2 is Mn, Ge, By inserting and extracting at least one of Sn and Sb and lithium ions, the range of 0 ≦ x ≦ 2 is reversibly changed. However, while investigating the electrochemical characteristics of the novel positive electrode material, the novel positive electrode material was found to have a feature that the resistance of the battery at the time of charging was significantly increased when the residual capacity decreased.
このような特性を有する理由としては、鋭意検討の結果、残存容量が特性変化閾値未満の領域においては、新規のリチウム拡散経路を確保するためにSnやGeといった酸素との強固な共有結合に基づく強固な層状岩塩型結晶内における物質移動が必要であるのに対し、残存容量が特性変化閾値以上の領域においては、すでに拡散経路が形成されており、さらなる物質移動が必要ないためである考えられる。なお、本発明において、以下では残存容量は電池としての残存容量を意味する。そして、この残存容量が低い場合に、抵抗が高いという特性を有する。そして、上記の通り、この高抵抗はリチウム拡散経路を形成する過程における正極材料の構造変化に由来するものと考察している。初回充放電時、正極活物質に生じる不可逆容量も併せて見出している。上記した残存容量は、上記した正極活物質化学式におけるリチウム脱離量とは必ずしも一致しない。一定の不可逆容量を生じる初回充放電後においても、リチウム量が多く含まれた状態では、上記の通り、電池の出力時には新規のリチウム拡散経路を形成、確保するために高抵抗となること、つまり、高抵抗、低抵抗の閾値を有することを見出している。 The reason for having such characteristics is that as a result of intensive studies, in the region where the residual capacity is less than the characteristic change threshold value, based on the strong covalent bond with oxygen such as Sn and Ge in order to secure a new lithium diffusion path. It is considered that the mass transfer in the strong layered rock salt type crystal is necessary, but the diffusion path is already formed in the region where the residual capacity is equal to or more than the characteristic change threshold, and the additional mass transfer is not necessary. . In the present invention, the remaining capacity means the remaining capacity as a battery below. And when this remaining capacity is low, it has the characteristic that resistance is high. And, as described above, it is considered that this high resistance is derived from the structural change of the positive electrode material in the process of forming the lithium diffusion path. The irreversible capacity generated in the positive electrode active material at the time of initial charge and discharge is also found. The above-mentioned remaining capacity does not necessarily coincide with the lithium desorption amount in the above-mentioned chemical formula of the positive electrode active material. Even after the initial charge and discharge that produces a certain irreversible capacity, as described above, when the battery contains a large amount of lithium, high resistance is achieved to form and secure a new lithium diffusion path at the time of battery output, that is, It has been found that it has high resistance, low resistance threshold.
ところで、ハイブリッド車や電気自動車には、車両を駆動するための駆動力を発生するモータが搭載されている。また、モータに電力を供給するリチウムイオン電池が搭載されている。モータに車両を駆動するための駆動力を発生させる場合、リチウムイオン電池からモータに電力を供給する。一方、モータが回生状態になると、モータが発生する電力をリチウムイオン電池に供給し、リチウムイオン電池を充電する。これにより、回生状態になったモータが発生する電力を有効に利用することができる。その結果、ハイブリッド車や電気自動車の効率を向上させることができる。 By the way, a hybrid vehicle or an electric vehicle is equipped with a motor that generates a driving force for driving the vehicle. In addition, a lithium ion battery that supplies power to the motor is mounted. When the motor generates a driving force for driving a vehicle, the lithium ion battery supplies power to the motor. On the other hand, when the motor is in a regenerative state, the electric power generated by the motor is supplied to the lithium ion battery to charge the lithium ion battery. Thereby, the electric power generated by the motor in the regenerative state can be effectively used. As a result, the efficiency of the hybrid vehicle or the electric vehicle can be improved.
このようなハイブリッド車や電気自動車に前述した新規正極材料で構成された電池を適用した場合、残存容量が低下すると、回生状態になったモータから新規正極材料で構成された電池に電力を供給する際に抵抗上昇によって発熱量や消費電力が増加し、寿命が短くなることや、回生電力を充分に利用できないことが懸念される。また、電気自動車やプラグインハイブリッド車のような、外部の商用電源から充電される場合においても、残存容量が低下すると抵抗上昇によって充電時の発熱量や消費電力の増加が懸念される。 When a battery composed of the above-mentioned novel positive electrode material is applied to such a hybrid vehicle or an electric vehicle, when the remaining capacity decreases, electric power is supplied to the battery composed of the new positive electrode material from the motor in a regenerative state. At the time, there is a concern that the heat generation amount and the power consumption increase due to the rise in resistance, the life becomes short, and the regenerative power can not be sufficiently used. In addition, even when charging from an external commercial power source such as an electric car or a plug-in hybrid car, if the remaining capacity decreases, there is a concern that the amount of heat generated during charging and the power consumption will increase due to the increase in resistance.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、充電時における電池の温度上昇や消費電力の増加を抑えつつ、新規正極材料で構成された電池に電力を供給することができる充電装置及び充電方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to supply electric power to a battery composed of a novel positive electrode material while suppressing the temperature rise of the battery and the increase of power consumption at the time of charging. It aims at providing an apparatus and a charge method.
上記目的を達成するためになされた第1の発明は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−ε(ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化するもの)で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含み、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が0%の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の2倍以上になる特性を有する電池と、通常充電電流を流すことによって電池に電力を供給し電池を充電する主電源と、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池に電力を供給し電池を充電する、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源(230)を備えた補助電源と、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、補助電源を制御して補助電源から電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する制御部と、を有する。 The first invention made to achieve the above object has a layered rock salt type crystal structure, and the transition metal has a six-coordinated local structure, and the chemical formula Li 2-x Ni α M 1 β M 2 γ O 4-ε (where, 0.50 <α ≦ 1.33, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ γ ≦ 1.33, M 1 is at least one of Co, Al and Ga, M 2 (A) reversibly changes the range of 0 ≦ x ≦ 2 by occluding and releasing lithium ion and at least one of Mn, Ge, Sn and Sb; If the resistance is higher than the characteristic change threshold when the remaining capacity is less than the characteristic change threshold and the resistance is 0% when the remaining capacity is 0%, the resistance is twice as high as the characteristic change threshold. Battery with the above characteristics and normal charging A main power supply that supplies power to the battery to charge the battery by flowing current, and a lead storage battery or commercial that outputs ac storage battery or AC that supplies power to the battery to charge the battery by flowing a pre-charging current smaller than the normal charging current If the remaining power of the auxiliary power supply provided with the power supply (230) and the battery is less than the characteristic change threshold, the auxiliary power is controlled to supply power to the battery from the auxiliary power supply, and the remaining capacity of the battery becomes at least the characteristic change threshold And a control unit for charging the battery.
この構成によれば、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、補助電源から電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する。そのため、電池の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、主電源から電池に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく主電源から電池に電力を供給することができる。しかも、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になり、抵抗が大きくなっても、電池の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。 According to this configuration, when the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold, power is supplied to the battery from the auxiliary power supply, and the battery is charged until the remaining capacity of the battery reaches at least the characteristic change threshold. Therefore, it is possible to eliminate the situation where power is supplied from the main power source to the battery in a state where the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold value, that is, in a state where the resistance is large. Therefore, power can be supplied to the battery from the main power supply without reducing the current. Moreover, when the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold, the battery is charged by supplying a pre-charging current smaller than the normal charging current. Therefore, even if the remaining capacity becomes less than the characteristic change threshold and the resistance increases, the temperature rise of the battery and the increase in power consumption can be suppressed.
上記目的を達成するためになされた第2の発明は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−ε(ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化するもの)で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含み、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が0%の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の2倍以上になる特性を有し、主電源から通常充電電流を流すことによって電力が供給され充電される電池の充電方法であって、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源(230)を備えた、主電源とは別の電源から通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する。 The second invention made to achieve the above object has a layered rock salt type crystal structure, and the transition metal has a six-coordinated local structure, and the chemical formula Li 2-x Ni α M 1 β M 2 γ O 4-ε (where, 0.50 <α ≦ 1.33, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ γ ≦ 1.33, M 1 is at least one of Co, Al and Ga, M 2 (A) reversibly changes the range of 0 ≦ x ≦ 2 by occluding and releasing lithium ion and at least one of Mn, Ge, Sn and Sb; If the resistance is higher than the characteristic change threshold when the remaining capacity is less than the characteristic change threshold and the resistance is 0% when the remaining capacity is 0%, the resistance is twice as high as the characteristic change threshold. Has the above characteristics, and usually A method of charging a battery to which power is supplied and charged by flowing an electric current, the system comprising a lead storage battery or a commercial power supply (230) for outputting alternating current when the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold. Power is supplied to the battery by supplying a precharging current smaller than the normal charging current from a power supply different from the power supply, and the battery is charged until the remaining capacity of the battery reaches at least a characteristic change threshold.
この方法によれば、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、主電源とは別の電源から電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する。そのため、電池の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、主電源から電池に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく主電源から電池に電力を供給することができる。しかも、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になって抵抗が大きくなっても、電池の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。 According to this method, when the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold, power is supplied to the battery from a power source different from the main power supply, and the battery is charged until the remaining capacity of the battery reaches at least the characteristic change threshold. Therefore, it is possible to eliminate the situation where power is supplied from the main power source to the battery in a state where the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold value, that is, in a state where the resistance is large. Therefore, power can be supplied to the battery from the main power supply without reducing the current. Moreover, when the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold, the battery is charged by supplying a pre-charging current smaller than the normal charging current. Therefore, even if the remaining capacity becomes less than the characteristic change threshold and the resistance increases, the temperature rise of the battery and the increase in power consumption can be suppressed.
次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る充電装置を、車両に搭載される充電装置に適用した例を示す。 Next, the present invention will be described in more detail by way of embodiments. In this embodiment, the example which applied the charging device which concerns on this invention to the charging device mounted in a vehicle is shown.
(第1実施形態)
まず、図1〜図5を参照して第1実施形態の充電装置の構成について説明する。
First Embodiment
First, the configuration of the charging device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
図1に示す充電装置1は、車両に搭載された電池10を充電する装置である。充電装置1は、電池10と、電力変換回路11と、モータ12と、補助電源13と、制御回路14とを備えている。ここで、電力変換回路11及びモータ12が、本発明の主電源に相当する。また、制御回路14が、本発明の制御部に相当する。
The charging
電池10は、電力変換回路11を介してモータ12に電力を供給する充放電可能な2次電池である。電池10は、図2及び図3に示すリチウムイオン電池100を複数接続して構成されている。
The
リチウムイオン電池100は、正極100aと、負極100bと、非水電解質100cと、セパレータ100dと、ケース100eとを備えている。
The
正極100aは、正極集電体100fと、正極活物質層100gとを備えている。
The
正極集電体100fは、アルミニウム等の金属からなる薄い板状の部材である。
The positive electrode
正極活物質層100gは、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な酸化物からなり、正極集電体100fの表面に形成されている。正極活物質層100gを形成する酸化物は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−ε(ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化するもの)で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。正極活物質層100gは、前述した酸化物を、導電材及び結着材等とともに溶媒中で混合し、正極集電体100fの表面に塗布、乾燥して形成されている。導電材は、例えば、炭素材料や導電性高分子材料である。炭素材料は、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等である。また、導電性高分子材料は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセンである。結着材は、例えば、高分子材料である。高分子材料は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、アクリル系バインダである。溶媒は、例えば、水、Nメチル−2−ピロリドンである。
The positive electrode
負極100bは、負極集電体100hと、負極活物質層100iとを備えている。
The
負極集電体100hは、Cu等の金属からなる薄い板状の部材である。
The negative electrode
負極活物質層100iは、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な化合物からなり、負極集電体100hの表面に形成されている。負極活物質層100iを形成する化合物は、例えば、リチウム箔等の金属材料、Si、Sn、Cu等を含有する合金系材料、グラファイト、コークス等の炭素系材料、チタン酸化物である。負極活物質層100iは、負極活物質層100iを形成する前述した化合物を、正極100aと同様の導電材及び結着材等とともに、正極100aと同様の溶媒中で混合し、負極集電体100hの表面に塗布、乾燥して形成されている。
The negative electrode
非水電解質100cは、正極100aと負極100bの間におけるイオン等の荷電担体の移動を可能にするものである。
The
セパレータ100dは、正極100aと負極100bの間における荷電担体の移動を可能にしながら、正極100aと負極100bを絶縁する薄い板状の部材である。セパレータ100dは、例えば、多孔質合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子やセルロース、ガラス繊維からなる多孔質膜、不織布である。セパレータ100dは、その構成要素としてセラミックスを含んでいてもよい。
The
ケース100eは、正極100a、負極100b、セパレータ100d及び非水電解質100cを収容する部材である。ケース100eは、例えば、ラミネートフィルムによって形成されている。ケース100eは、正極端子100jと、負極端子100kとを備えている。正極端子100j及び負極端子100kは、一端部をケース100eの内部空間に突出させるとともに、他端部をケース100eの外部に突出させた状態でケース100eに固定されている。
The
正極100aと負極100bは、交互に積層されている。セパレータ100dは、正極100aと負極100bの間に設けられている。正極100a、負極100b及びセパレータ100dは、ケース100eの内部空間に収容されている。正極100aの端部は正極端子100jに、負極100bの端部は負極端子100kにそれぞれ接続されている。非水電解質100cは、正極100a、負極100b及びセパレータ100dとともに、ケース100eの内部空間に収容されている。
The
電池10は、正極活物質層100gを形成する酸化物が、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−ε(ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化するもの)で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。その結果、このような物質を含んでいない場合に比べ、安全性が高く、さらに体積当たりの容量を大きくすることができる。また、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が0%の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の2倍以上になる特性を有するようになる。ここで、特性変化閾値は、電池10の残存容量に対する抵抗の特性を示すグラフにおいて、抵抗の値が変化する境界を示す残存容量である。例えば、図4及び図5に示すように、特性変化閾値2%を境界として、残存容量が2%未満の場合における電池10の抵抗が2%以上の場合における抵抗より大きくなる。さらに、残存容量が0%の場合における電池10の抵抗が2%以上の場合における抵抗の5倍以上になる。
In the
電池10がこのような特性を有する理由としては、鋭意検討の結果、残存容量が特性変化閾値未満の領域においては、新規のリチウム拡散経路を確保するためにSnやGeと酸素の共有結合に基づく強固な層状岩塩型結晶内を変形させる際にSnやGe等の重元素を含めた物質移動が必要であるのに対し、残存容量が特性変化閾値以上の領域においては、すでに拡散経路が形成されており、さらなる物質移動が必要ないためである考えられる。
The reason why the
図1示す電力変換回路11は、制御回路14によって制御され、電池10から供給される直流を3相交流に変換してモータ12に供給することで、モータ12に車両を駆動するための駆動力を発生させる回路である。また、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して電池10及び補助電源13に供給することで、電池10及び補助電源13を充電する回路でもある。電力変換回路11は、電池10、モータ12及び補助電源13にそれぞれ接続されている。また、制御回路14に接続されている。
The
モータ12は、3相交流が供給されることで車両を駆動するための駆動力を発生する機器である。また、回生状態になると3相交流を発生する機器でもある。モータ12は、電力変換回路11に接続されている。
The
補助電源13は、制御回路14によって制御され、電池10に電力を供給して電池10を充電する充放電可能な電源である。補助電源13は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びキャパシタの少なくともいずれかを有している。補助電源13は、電池10に電力供給できるように、電池10より抵抗が小さく設定されている。
The
制御回路14は、電池10及び補助電源13から得られる情報に基づいてこれらの残存容量を推定するとともに、推定したこれらの残存容量に基づいて電力変換回路11及び補助電源13を制御する回路である。モータ12に車両を駆動するための駆動力を発生させる場合、制御回路14は、電力変換回路11を制御し、電池10から供給される直流を3相交流に変換してモータ12に供給する。
The
電池10を充電する場合において、電池10の残存容量が特性変化閾値以上の場合、制御回路14は、電力変換回路11を制御し、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して電池10に電力を供給し、電池10を充電する。その際、通常充電電流を流すことによって電池10に電力を供給する。通常充電電流は、回生状態において電池10に供給することができる電流値に応じて決まり、電池10の残存容量が特性変化閾値以上における電池10の抵抗に基づいて設定されている。これに対して、電池10の残存容量が特性変化閾値未満の場合、制御回路14は、補助電源13を制御して補助電源13から電池10に電力を供給し、電池10の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池10を充電する。その際、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池10に電力を供給する。予備充電電流は、電池10残存容量が特性変化閾値未満の場合における電池10の抵抗に基づいて設定されている。また、補助電源13の残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、制御回路14は、電力変換回路11を制御し、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して補助電源13に電力を供給し、補助電源13を充電する。ここで、補助電源充電閾値は、補助電源13から電池10に電力を供給して電池10を充電する場合に、最低限必要とされる補助電源13の残存容量を示すものである。
When charging the
次に、図1、図6〜図9を参照して第1実施形態の充電装置の動作について説明する。 Next, the operation of the charging device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 6 to 9.
図6に示すように、ステップS100において、図1に示す制御回路14は、電池10から得られる情報に基づいて電池10の残存容量を推定する。そして、ステップS101において、推定した電池10の残存容量が特性変化閾値以上であるか否かを判定する。
As shown in FIG. 6, in step S100, the
推定した電池10の残存容量が特性変化閾値未満であると判定した場合、特性変化閾値以上の場合に比べ、電池10の抵抗が大きくなっている。そのため、電池10の残存容量を特性変化閾値以上にして、抵抗を小さくする必要がある。そこで、ステップS102において、制御回路14は、電池10を予備充電する。具体的には、補助電源13を制御し、図7に示すように、補助電源13から電池10に、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池10に電力を供給し、電池10を充電する。これにより、充電時における電池10の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。そして、図6に示すように、推定した電池10の残存容量が特性変化閾値以上になるまで電池10の予備充電が繰り返される。つまり、電池10の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池10の予備充電が繰り返される。これにより、電池10の抵抗を小さくすることができる。
When it is determined that the estimated remaining capacity of the
一方、推定した電池10の残存容量が特性変化閾値以上であると判定した場合、電池10の抵抗は小さい。そのため、前述したような電池10を予備充電する必要はない。
On the other hand, when it is determined that the estimated remaining capacity of the
その後、ステップS103において、制御回路14は、補助電源13から得られる情報に基づいて補助電源13の残存容量を推定する。そして、ステップS104において、推定した補助電源13の残存容量が補助電源充電閾値以上であるか否かを判定する。
Thereafter, in step S103, the
推定した補助電源13の残存容量が補助電源充電閾値以上であると判定した場合、電池10を予備充電するための充分な電力が補助電源13に確保されており、補助電源13を充電する必要がない。そのため、ステップS105において、制御回路14は、電池10を通常充電する。具体的には、任意のタイミングで発生する回生状態のときに、電力変換回路11を制御し、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して電池10に電力を供給し電池10を充電する。より具体的には、電力変換回路11を制御し、図8に示すように、電力変換回路11から電池10に通常充電電流を流すことによって電池10に電力を供給し、電池10を充電する。
If it is determined that the estimated remaining capacity of the
一方、図6に示すように、推定した補助電源13の残存容量が補助電源充電閾値未満であると判定した場合、電池10を予備充電するための充分な電力が補助電源13に確保されておらず、補助電源13を充電する必要がある。そのため、ステップS106において、制御回路14は、電池10を通常充電するとともに、補助電源13も充電する。具体的には、任意のタイミングで発生する回生状態のときに電力変換回路11を制御し、図9に示すように、電池10を通常充電する。また、電力変換回路11を制御し、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して補助電源13に電力を供給し、補助電源13も充電する。これにより、回生状態になったモータ12が発生する電力を有効に利用して、電池10の予備充電のための電力を確保することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 6, when it is determined that the estimated remaining capacity of the
次に、第1実施形態の充電装置の効果について説明する。 Next, the effect of the charging device of the first embodiment will be described.
第1実施形態によれば、充電装置1は、電池10と、電力変換回路11と、モータ12と、補助電源13と、制御回路14とを備えている。電池10は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−ε(ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化するもの)で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。その結果、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が0%の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の2倍以上になる特性を有することになる。制御回路14は、電力変換回路11を制御し、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して電池10に電力を供給し、電池10を充電する。そして、制御回路14は、電池10の残存容量が特性変化閾値未満の場合、補助電源13を制御して補助電源13から電池10に電力を供給し、電池10の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池10を充電する。つまり、充電方法としては、電池10の残存容量が特性変化閾値未満の場合、回生状態になったモータ12、及び、制御回路14によって制御される電力変換回路11ではなく、それらとは別の、制御回路14によって制御される補助電源13から通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池10に電力を供給する。そして、電池10の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池10を充電する。そのため、電池10の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、回生状態になったモータ12から電力変換回路11を介して電池10に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく回生状態になったモータ12から電力変換回路11を介して電池10に電力を供給することができる。しかも、電池10の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池10を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になり、抵抗が大きくなっても、電池10の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。従って、電池10の寿命が短くなってしまうような事態を抑えることができる。
According to the first embodiment, the charging
補助電源13は、電池10の残存容量が特性変化閾値未満の場合、予備充電することによって電池10を充電する。第1実施形態によれば、電池10の特性変化閾値は2%であり、非常に小さい。そのため、電池10の残存容量が2%未満になるまで予備充電する必要がない。従って、予備充電から予備充電までの間隔を長くすることができる。つまり、予備充電の回数を抑えることができる。その結果、頻繁に予備充電するような事態を抑えることができる。
The
第1実施形態によれば、補助電源13は、充放電可能である。そして、残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、電力が供給され充電される。そのため、予備充電するための充分な電力を確実に確保することができる。従って、必要に応じて電池10を確実に予備充電することができる。
According to the first embodiment, the
第1実施形態によれば、補助電源13の残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、制御回路14は、電力変換回路11を制御し、回生状態になったモータ12が発生する3相交流を直流に変換して補助電源13に電力を供給し、補助電源13を充電する。そのため、補助電源13を確実に充電することができる。しかも、回生状態になったモータ12が発生する電力を利用して補助電源13を充電する。そのため、充電装置1の効率を向上させることができる。
According to the first embodiment, when the remaining capacity of the
第1実施形態によれば、補助電源13は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びキャパシタの少なくともいずれかを有している。そのため、予備充電するための電力を確実に確保しておくことができる。
According to the first embodiment, the
第1実施形態によれば、補助電源13は、電池10より抵抗が小さくなるように設定されている。そのため、予備充電する際、及び、補助電源13を充電する際の補助電源13の損失を抑えることができる。
According to the first embodiment, the
なお、第1実施形態では、電池10の特性変化閾値が2%である例を挙げているが、これに限られるものではない。電池10の特性変化閾値は、10%以下の所定値であってもよいし、15%以下の所定値であってもよい。20%以下の所定値であれば、実用の範囲内において、頻繁に予備充電するような事態を抑えることができる。
In the first embodiment, an example in which the characteristic change threshold of the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の充電装置について説明する。第2実施形態の充電装置は、第1実施形態の充電装置が充放電可能な補助電源からリチウムイオン電池に電力を供給するのに対して、商用電源と電力変換回路とを備えた補助電源からリチウムイオン電池に電力を供給するようにしたものである。そのため、第1実施形態の充電装置と異なり、補助電源に、充電することはできない。
Second Embodiment
Next, the charging device of the second embodiment will be described. While the charging apparatus of the second embodiment supplies power to the lithium ion battery from the chargeable and dischargeable auxiliary power supply of the first embodiment, the charging apparatus of the second embodiment uses an auxiliary power supply including a commercial power supply and a power conversion circuit. It is intended to supply power to a lithium ion battery. Therefore, unlike the charging device of the first embodiment, the auxiliary power supply can not be charged.
まず、図10を参照して第2実施形態の充電装置の構成について説明する。 First, the configuration of the charging apparatus of the second embodiment will be described with reference to FIG.
図10に示すように、充電装置2は、電池20と、電力変換回路21と、モータ22と、補助電源23と、制御回路24とを備えている。
As shown in FIG. 10, the charging
電池20、電力変換回路21及びモータ22は、第1実施形態の電池10、電力変換回路11及びモータ12と同一のものであり、同様に構成されている。
The
補助電源23は、制御回路24によって制御され、電池20に電力を供給して電池20を充電する電源である。第1実施形態の補助電源13と異なり、充電することはできない。電池20に電力を供給する機能のみを有するものである。補助電源23は、電池20に電力供給できるように、電池20より抵抗が小さく設定されている。補助電源23は、商用電源230と、電力変換回路231とを備えている。
The
商用電源230は、家屋等に設けられている交流を出力する電源である。電力変換回路231は、制御回路24によって制御され、商用電源230から供給される交流を直流に変換して電池20に供給し、電池20を充電する回路である。電力変換回路231は、商用電源230及び電池20にそれぞれ接続されている。また、制御回路24に接続されている。
The
制御回路24は、電池20から得られる情報に基づいて電池20の残存容量を推定するとともに、推定した電池20の残存容量に基づいて電力変換回路21及び補助電源23を制御する回路である。モータ22に車両を駆動するための駆動力を発生させる場合、制御回路24は、電力変換回路21を制御し、電池20から供給される直流を3相交流に変換してモータ22に供給する。
The
電池20を充電する場合において、電池20の残存容量が特性変化閾値以上の場合、制御回路24は、電力変換回路21を制御し、回生状態になったモータ22が発生する3相交流を直流に変換して電池20に電力を供給し、電池20を充電する。その際、通常充電電流を流すことによって電池20に電力を供給する。通常充電電流は、回生状態において電池20に供給することができる電流値に応じて決まり、電池20の残存容量が特性変化閾値以上における電池20の抵抗に基づいて設定されている。これに対して、電池20の残存容量が特性変化閾値未満の場合、制御回路24は、電力変換回路231を制御し、商用電源230から供給される交流を直流に変換して電池20に電力を供給し、電池20の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池20を充電する。その際、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池20に電力を供給する。予備充電電流は、電池20残存容量が特性変化閾値未満の場合における電池20の抵抗に基づいて設定されている。予備充電が実施された後、補助電源23から通常充電電流で充電を継続してもよい。予備充電が実施された後、補助電源23から通常充電電流で充電を継続してもよい。
When charging the
次に、図10〜図13を参照して第2実施形態の充電装置の動作について説明する。 Next, the operation of the charging device of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 10 to 13.
図11に示すように、ステップS200において、図10に示す制御回路24は、電池20から得られる情報に基づいて電池20の残存容量を推定する。そして、ステップS201において、推定した電池20の残存容量が特性変化閾値以上であるか否かを判定する。
As shown in FIG. 11, in step S200, the
推定した電池20の残存容量が特性変化閾値未満であると判定した場合、特性変化閾値以上の場合に比べ、電池20の抵抗が大きくなっている。そのため、電池20の残存容量を特性変化閾値以上にして、抵抗を小さくする必要がある。そこで、ステップS202において、制御回路24は、電池20を予備充電する。具体的には、電力変換回路231を制御し、商用電源230から供給される交流を直流に変換して電池20に電力を供給し電池20を充電する。より具体的には、電力変換回路231を制御し、図12に示すように、電力変換回路231から電池20に通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池20に電力を供給し、電池20を充電する。これにより、充電時における電池20の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。そして、図11に示すように、推定した電池20の残存容量が特性変化閾値以上になるまで電池20の予備充電が繰り返される。つまり、電池20の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池20の予備充電が繰り返される。これにより、電池20の抵抗を小さくすることができる。
When it is determined that the estimated remaining capacity of the
一方、推定した電池20の残存容量が特性変化閾値以上であると判定した場合、電池20の抵抗は小さい。そのため、前述したような電池20を予備充電する必要はない。そこで、ステップS203において、制御回路24は、電池20を通常充電する。具体的には、任意のタイミングで発生する回生状態のときに、電力変換回路21を制御し、回生状態になったモータ22が発生する3相交流を直流に変換して電池20に電力を供給し電池20を充電する。より具体的には、電力変換回路21を制御し、図13に示すように、電力変換回路21から電池20に通常充電電流を流すことによって電池20に電力を供給し電池20を充電する。また、補助電源23から予備充電電流で特性閾値以上に充電した後、補助電源23から通常充電電流で充電を継続してもよい。
On the other hand, when it is determined that the estimated remaining capacity of the
次に、第2実施形態の充電装置の効果について説明する。 Next, the effect of the charging device of the second embodiment will be described.
第2実施形態によれば、充電装置2は、電池20と、電力変換回路21と、モータ22と、補助電源23と、制御回路24とを備えている。電池20は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が6配位の局所構造を備え、化学式Li2−xNiαM1 βM2 γ O4−ε(ここで、0.50<α≦1.33、0≦β<0.67、0≦γ≦1.33、M1は、Co、Al、Gaの少なくとも一種、M2は、Mn、Ge、Sn、Sbの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、0≦x≦2の範囲を可逆的に変化するもの)で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。その結果、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が0%の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の2倍以上になる特性を有することになる。制御回路24は、電力変換回路21を制御し、回生状態になったモータ22が発生する3相交流を直流に変換して電池20に電力を供給し電池20を充電する。そして、制御回路24は、電池20の残存容量が特性変化閾値未満の場合、電力変換回路231を制御して商用電源230から電力変換回路231を介して電池20に電力を供給し、電池20の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池20を充電する。つまり、充電方法としては、電池20の残存容量が特性変化閾値未満の場合、回生状態になったモータ22、及び、制御回路24によって制御される電力変換回路21ではなく、それらとは別の、制御回路24によって制御される電力変換回路231を介して商用電源230から通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池20に電力を供給する。そして、電池20の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池20を充電する。そのため、電池20の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、回生状態になったモータ22から電力変換回路21を介して電池20に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく回生状態になったモータ22から電力変換回路21を介して電池20に電力を供給することができる。しかも、電池20の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池20を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になり、抵抗が大きくなっても、電池20の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。従って、電池20の寿命が短くなってしまうような事態を抑えることができる。
According to the second embodiment, the charging
第2実施形態によれば、第1実施形態と同一構成を有することにより、その同一構成に対応した第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the second embodiment, by having the same configuration as that of the first embodiment, the same effect as that of the first embodiment corresponding to the same configuration can be obtained.
なお、第2実施形態では、補助電源23が、商用電源230と、電力変換回路231とを備えている例を挙げているが、これに限られるものではない。補助電源23は、オルタネータを有していてもよい。
In the second embodiment, the
1・・・充電装置、10・・・電池、100・・・リチウムイオン電池、100a・・・正極、100g・・・正極活物質層、11・・・電力変換回路、12・・・モータ、13・・・電源、14・・・制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
通常充電電流を流すことによって前記電池に電力を供給し前記電池を充電する主電源(11、12、21、22)と、
前記通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって前記電池に電力を供給し前記電池を充電する、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源(230)を備えた補助電源(13、23)と、
前記電池の残存容量が前記特性変化閾値未満の場合、前記補助電源を制御して前記補助電源から前記電池に電力を供給し、前記電池の残存容量が少なくとも前記特性変化閾値になるまで前記電池を充電する制御部(14、24)と、
を有する充電装置。 It has a layered rock salt type crystal structure, a transition metal has a six-coordinated local structure, and the chemical formula Li 2-x Ni α M 1 β M 2 γ O 4-ε (where, 0.50 <α ≦ 1.33, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ γ ≦ 1.33, M 1 is at least one of Co, Al and Ga, M 2 is at least one of Mn, Ge, Sn and Sb, lithium ion Containing a lithium transition metal oxide represented by 0) xx 可逆 2 reversibly by occluding and releasing) as a positive electrode active material, and the remaining capacity is less than the characteristic change threshold value. A battery (10, 20) having a characteristic in which the resistance in the case where the remaining capacity is 0% is larger than the resistance in the case where the characteristic change threshold is equal to or more than twice the resistance in the case where the characteristic change threshold is equal to or more ,
A main power supply (11, 12, 21, 22) for supplying power to the battery by charging a normal charging current to charge the battery;
An auxiliary power supply (13, 23) comprising a lead storage battery or a commercial power supply (230) for outputting alternating current, which supplies power to the battery to charge the battery by supplying a precharging current smaller than the normal charging current;
When the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold, the auxiliary power supply is controlled to supply power from the auxiliary power to the battery, and the battery is operated until the remaining capacity of the battery reaches at least the characteristic change threshold. A control unit (14, 24) to charge;
With a charging device.
前記電池の残存容量が前記特性変化閾値未満の場合、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源(230)を備えた、前記主電源とは別の補助電源から前記通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって前記電池に電力を供給し、前記電池の残存容量が少なくとも前記特性変化閾値になるまで前記電池を充電する充電方法。 It has a layered rock salt type crystal structure, a transition metal has a six-coordinated local structure, and the chemical formula Li 2-x Ni α M 1 β M 2 γ O 4-ε (where, 0.50 <α ≦ 1.33, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ γ ≦ 1.33, M 1 is at least one of Co, Al and Ga, M 2 is at least one of Mn, Ge, Sn and Sb, lithium ion Containing a lithium transition metal oxide represented by 0) xx 可逆 2 reversibly by occluding and releasing) as a positive electrode active material, and the remaining capacity is less than the characteristic change threshold value. Is larger than the resistance at the characteristic change threshold and the resistance at the remaining capacity is 0% is twice or more than the resistance at the characteristic change Power is supplied by passing current A method of charging a battery to be charged,
When the remaining capacity of the battery is less than the characteristic change threshold value, a preliminary charging current smaller than the normal charging current is supplied from an auxiliary power supply provided with a lead storage battery or a commercial power supply (230) outputting AC. A charging method of supplying power to the battery by flowing, and charging the battery until the remaining capacity of the battery reaches at least the characteristic change threshold.
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