JP6760241B2 - Rechargeable battery system - Google Patents
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Description
本開示は、二次電池システムに関し、より特定的には、負極にシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池を備えた二次電池システムに関する。 The present disclosure relates to a secondary battery system, and more specifically to a secondary battery system including a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide in the negative electrode.
近年、リチウムイオン二次電池の組電池が搭載された電動車両(ハイブリッド車、電気自動車など)の普及が進んでいる。一般に、充放電を行なったり時間が経過したりすることでリチウムイオン二次電池は劣化し、リチウムイオン二次電池の満充電容量(以下、「容量」と略す場合がある)が低下する。そうすると、組電池に蓄えられた電力を用いて電動車両が走行可能な距離(いわゆるEV走行可能距離)が短くなってしまう。よって、低下した容量を回復したり容量低下を緩和したりするための技術が提案されている。 In recent years, electric vehicles (hybrid vehicles, electric vehicles, etc.) equipped with a lithium-ion secondary battery assembly battery have become widespread. In general, the lithium ion secondary battery deteriorates due to charging / discharging or the passage of time, and the full charge capacity (hereinafter, may be abbreviated as "capacity") of the lithium ion secondary battery decreases. Then, the distance that the electric vehicle can travel (so-called EV travel distance) using the electric power stored in the assembled battery becomes short. Therefore, a technique for recovering the reduced capacity or alleviating the reduced capacity has been proposed.
多くの組電池は、積層された複数のセルが、その外側から拘束部材により拘束されることで構成されている。この拘束部材による拘束圧の大きさが組電池の劣化の進行度合い(より具体的には、組電池の容量低下量)に影響することが知られている。たとえば特開2013−161543号公報(特許文献1)は、拘束部材による拘束圧の大きさを制御する制御装置および制御方法を開示する。拘束圧の大きさを適切に制御することで、組電池の容量を回復することができる(たとえば特許文献1の図4および図5を参照)。 Many assembled batteries are configured by restricting a plurality of stacked cells from the outside by a restraining member. It is known that the magnitude of the restraining pressure due to the restraining member affects the degree of deterioration of the assembled battery (more specifically, the amount of decrease in the capacity of the assembled battery). For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-161543 (Patent Document 1) discloses a control device and a control method for controlling the magnitude of the restraint pressure by the restraint member. By appropriately controlling the magnitude of the confining pressure, the capacity of the assembled battery can be recovered (see, for example, FIGS. 4 and 5 of Patent Document 1).
従来、リチウムイオン二次電池の典型的な負極活物質は黒鉛(グラファイト)であった。しかし、近年では、シリコン酸化物(SiOx)の負極活物質としての採用が検討されている。シリコン酸化物を採用することで組電池の満充電容量を増加させることができるためである。 Conventionally, the typical negative electrode active material of a lithium ion secondary battery has been graphite. However, in recent years, adoption of silicon oxide (SiOx) as a negative electrode active material has been studied. This is because the full charge capacity of the assembled battery can be increased by adopting the silicon oxide.
負極活物質としてシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池では、拘束圧を増加させるだけでは容量を適切に回復させることができない場合がある。より詳細に説明すると、本発明者らは、後述する評価試験の結果から、リチウムイオン二次電池の負極電位が適切な電位範囲外である場合には、負極電位が当該電位範囲内である場合と比べて、負極材料の劣化または容量回復量の低下が起こり、容量を適切に回復することができないことを見出した。 In a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide as a negative electrode active material, the capacity may not be properly restored only by increasing the restraining pressure. More specifically, the present inventors have found that when the negative electrode potential of the lithium ion secondary battery is outside the appropriate potential range, the negative electrode potential is within the potential range, based on the results of the evaluation test described later. It was found that the negative electrode material deteriorated or the capacity recovery amount decreased, and the capacity could not be recovered appropriately.
特許文献1に開示の制御手法では、負極にシリコン酸化物を含有するか否かが特に記載されておらず、それゆえに負極電位も考慮されていない点において改善の余地が存在する。 In the control method disclosed in Patent Document 1, it is not particularly described whether or not the negative electrode contains a silicon oxide, and therefore, there is room for improvement in that the negative electrode potential is not taken into consideration.
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、負極にシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池の組電池を備えた二次電池システムにおいて、組電池の容量を適切に回復させることが可能な技術を提供することである。 The present disclosure has been made in order to solve the above problems, and an object of the present invention is the capacity of an assembled battery in a secondary battery system including an assembled battery of a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide in the negative electrode. Is to provide a technology that can properly recover the battery.
本開示のある局面に従う二次電池システムは、組電池と、拘束部材と、駆動装置と、制御装置とを備える。組電池は、複数のセルを含む。複数のセルの各々は、負極にシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池である。拘束部材は、組電池を拘束することで組電池に拘束圧を印加するように構成される。駆動装置は、前記拘束部材の拘束圧を調整するように構成される。制御装置は、駆動装置を制御する。制御装置は、組電池の容量が基準値よりも低下した場合に、負極の電位が所定の電位範囲内にあるときには、組電池の容量が基準値よりも高い場合と比べて、拘束圧が増加するように駆動装置を制御する。所定の電位範囲は、金属リチウム電位を基準とした負極の電位が0.3V以上かつ0.9V以下の範囲である。 A secondary battery system according to a certain aspect of the present disclosure includes an assembled battery, a restraining member, a driving device, and a control device. The assembled battery includes a plurality of cells. Each of the plurality of cells is a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide in the negative electrode. The restraint member is configured to apply a restraining pressure to the assembled battery by restraining the assembled battery. The drive device is configured to adjust the restraint pressure of the restraint member. The control device controls the drive device. In the control device, when the capacity of the assembled battery is lower than the reference value, when the potential of the negative electrode is within a predetermined potential range, the confining pressure increases as compared with the case where the capacity of the assembled battery is higher than the reference value. The drive unit is controlled so as to do so. The predetermined potential range is a range in which the potential of the negative electrode based on the metallic lithium potential is 0.3 V or more and 0.9 V or less.
上記構成によれば、負極電位を0.3V以上かつ0.9V以下の特定の電位範囲内に限定することで、拘束圧の増加による組電池の容量回復量を大きくすることができる(詳細は後述)。また、負極電位が当該電位範囲の上限値よりも高い場合に生じる負極材料の劣化(保護層の分解)も抑制することができる。したがって、組電池の容量を適切に回復させることができる。 According to the above configuration, by limiting the negative electrode potential to a specific potential range of 0.3 V or more and 0.9 V or less, the amount of capacity recovery of the assembled battery due to the increase in the confining pressure can be increased (details are described). See below). Further, deterioration of the negative electrode material (decomposition of the protective layer) that occurs when the negative electrode potential is higher than the upper limit value of the potential range can be suppressed. Therefore, the capacity of the assembled battery can be appropriately restored.
本開示によれば、負極にシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池の組電池を備えた二次電池システムにおいて、組電池の容量を適切に回復させることができる。 According to the present disclosure, in a secondary battery system including an assembled battery of a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide in the negative electrode, the capacity of the assembled battery can be appropriately recovered.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
以下では、本実施の形態に係る二次電池システムが電気自動車に搭載された構成を例に説明する。しかし、本実施の形態に係る二次電池システムは、電気自動車に限らず、組電池が搭載される車両全般(ハイブリッド車、燃料電池車など)に適用可能である。また、本実施の形態に係る二次電池システムの用途は車両用に限定されず、定置用であってもよい。 Hereinafter, a configuration in which the secondary battery system according to the present embodiment is mounted on an electric vehicle will be described as an example. However, the secondary battery system according to the present embodiment is applicable not only to electric vehicles but also to all vehicles (hybrid vehicles, fuel cell vehicles, etc.) equipped with assembled batteries. Further, the use of the secondary battery system according to the present embodiment is not limited to that for vehicles, and may be for stationary use.
[実施の形態]
<電気自動車の全体構成>
図1は、本実施の形態に係る二次電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示す図である。図1を参照して、車両1は、電気自動車であって、インレット10と、電力変換装置20と、充電リレー(CHR:Charge Relay)30と、組電池40と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)50と、電力制御装置(PCU:Power Control Unit)60と、モータジェネレータ(MGで示す)70と、駆動輪80と、電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)100とを備える。
[Embodiment]
<Overall configuration of electric vehicle>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a vehicle equipped with a secondary battery system according to the present embodiment. With reference to FIG. 1, the vehicle 1 is an electric vehicle, which includes an
図1には、車両外部の充電装置9から供給される電力により、車両1に搭載された組電池40の充電(いわゆる外部充電)が行なわれる構成が示されている。充電装置9と電力変換装置20とは、充電ケーブル8およびインレット10を介して電気的に接続されている。
FIG. 1 shows a configuration in which the assembled
電力変換装置20は、たとえばAC/DCコンバータ(図示せず)を含んで構成され、充電装置9の系統電源91から供給される交流電力を直流電力に変換して充電リレー30に出力する。
The
充電リレー30は、電力変換装置20と組電池40とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。充電リレー30は、ECU100からの制御信号に応答して開放/閉成される。これにより、電力変換装置20と組電池40との間での電力の供給と遮断とが切り替えられる。
The
組電池40は、各々がリチウムイオン二次電池である複数のセル41(図2および図3参照)を含んで構成される。組電池40は、モータジェネレータ70を駆動するための電力を蓄え、PCU60を通じてモータジェネレータ70へ電力を供給する。また、組電池40は、外部充電時には電力変換装置20を介して供給された電力により充電される。さらに、組電池40は、モータジェネレータ70の発電時にもPCU60を通じて発電電力を受けて充電される。
The assembled
組電池40には監視ユニット401が設けられている。監視ユニット401は、電圧センサと、電流センサと、温度センサ(いずれも図示せず)とを含む。電圧センサは組電池40の電圧VBを検出する。電流センサは組電池40に入出力される電流IBを検出する。温度センサは組電池40の温度TBを検出する。各センサは、その検出結果を示す信号をECU100に出力する。
A
なお、実際には、組電池40に含まれるセル41毎の電圧、あるいは、複数のセル41が並列接続されたブロック(図示せず)毎の電圧が電圧センサにより監視される。温度センサについても同様に、複数のセルまたはブロック毎に設けられる。しかし、本実施の形態では、組電池40に含まれるセル数またはセル間の接続関係は問わない。したがって、以下では説明の簡略化のため、電圧および温度の監視単位として、セルまたはブロックに代えて組電池40を用いて説明する。
Actually, the voltage of each
また、組電池40には、組電池40に拘束圧Pを印加するための拘束部材Bが設けられている。拘束部材Bについては図2にて詳細に説明する。
Further, the assembled
SMR50は、組電池40とPCU60とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。SMR50は、ECU100からの制御信号に応答して開放/閉成される。これにより、組電池40とPCU60との間の導通および遮断が切り替えられる。
The
PCU60は、ECU100からの制御信号に従って、組電池40とモータジェネレータ70との間で双方向の電力変換を実行する。PCU60は、インバータと、インバータに供給される直流電圧を組電池40の出力電圧以上に昇圧するコンバータ(いずれも図示せず)とを含んで構成されている。
The
モータジェネレータ70は、たとえば永久磁石がロータ(図示せず)に埋設された三相交流回転電機である。モータジェネレータ70は、組電池40からの供給電力を用いて駆動軸を回転させる。また、モータジェネレータ70は回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ70によって発電された交流電力は、PCU60により直流電力に変換されて組電池40に充電される。
The
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)101と、メモリ102と、各種信号を入出力するための入出力ポート(図示せず)とを含んで構成されている。ECU100は、各センサからの信号の入力ならびにメモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、制御信号を出力するとともに、車両1が所望の状態となるように各機器を制御する。より具体的には、ECU100は、電力変換装置20およびPCU60を制御することにより組電池40の充放電を制御する。また、ECU100は、電圧VB、電流IBおよび温度TBに基づいて組電池40の容量(満充電容量)を算出する。さらに、本実施の形態においてECU100により実行される主要な制御として、組電池40の容量を回復するための容量回復制御が挙げられる。この制御については後に詳細に説明する。
The
<組電池および拘束部材の構成>
図2は、組電池40および拘束部材Bの構成をより詳細に示す図である。図2を参照して、組電池40は、複数のセル41と、一対のエンドプレート42と、拘束バンド43と、複数のボルト44と、アクチュエータ45と、複数のバスバー46とを含む。
<Structure of assembled battery and restraint member>
FIG. 2 is a diagram showing the configurations of the assembled
図2では、複数のセル41が積層されることより形成された積層体のうち、積層方向(x軸方向)の一方端が部分的に示されている。積層体の一方端および積層方向の他方端にそれぞれ対向するように、一対のエンドプレート42が配置されている。一対のエンドプレート42は、すべてのセル41を挟み込んだ状態で拘束バンド43によって拘束されている。
In FIG. 2, one end of the stacking direction (x-axis direction) of the laminated body formed by stacking the plurality of
また、一対のエンドプレート42は、ボルト44およびナット(図示せず)により互いに締め付けられている。エンドプレート42、拘束バンド43、ボルト44およびナットにより、各セル41には拘束圧P[単位:MPa]が印加されている。
Further, the pair of
アクチュエータ(駆動装置)45は、ECU100からの制御信号に従ってボルト44の締め付け量を制御することにより、拘束圧Pを調整することが可能に構成されている。より詳細には、拘束圧Pは、圧力センサ(図示せず)をセル41間に設置することにより測定可能である。そのため、ボルト44の締め付け量と拘束圧Pとの相関関係を予め求めておくことにより、所望の拘束圧Pを発生させるための締め付け量を算出することができる。
The actuator (driving device) 45 is configured to be able to adjust the restraint pressure P by controlling the tightening amount of the
なお、本実施の形態において、エンドプレート42、拘束バンド43、ボルト44およびナットが本開示に係る「拘束部材」(図2にBで示す)に相当する。また、組電池40、拘束部材B、アクチュエータ45およびECU100が本開示に係る「二次電池システム」(図1にAで示す)に相当する。
In the present embodiment, the
各セル41は、正極端子413および負極端子414(図3参照)を有する。あるセルの正極端子413と隣接するセルの負極端子414とは、バスバー46によって締結されるとともに電気的に接続されている。これにより、複数のセル41が直列に接続されている。ただし、複数のセル41が直列に接続された構成は必須ではない。たとえば複数のセル41が並列接続されてブロックが構成され、そのブロック同士が直列接続されて組電池40が構成されていてもよい。
Each
<セル構成>
図3は、各セル41の構成をより詳細に説明するための図である。図3において、セル41は、その内部を透視して示されている。
<Cell configuration>
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of each
セル41は、略直方体形状の電池ケース411を有する。電池ケース411の上面は蓋体412によって封じられている。正極端子413および負極端子414の各々の一方端は、蓋体412から外部に突出している。正極端子413および負極端子414の他方端は、電池ケース411内部において、内部正極端子および内部負極端子(いずれも図示せず)にそれぞれ接続されている。
The
電池ケース411の内部には電極体415が収容されている。電極体415は、正極416と負極417とがセパレータ418を介して積層され、その積層体が捲回されることにより形成されている。電解液(図示せず)は、正極416、負極417、およびセパレータ418等に保持されている。なお、電極体415として捲回体に代えて積層体を採用することも可能である。
The
<組電池の容量回復制御>
以上のように構成された車両1において、充放電の繰り返しまたは時間の経過に伴い組電池40は劣化し、組電池40の容量が低下する。このような場合に、低下した容量を回復するために、あるいは容量低下を緩和するために、拘束圧Pを増加させることが考えられる(たとえば特許文献1を参照)。この制御を本明細書では「容量回復制御」とも称する。なお、容量回復制御により容量が回復する理由は、拘束圧Pを増加させ、負極内のシリコン酸化物とカーボン材料(グラファイト)との間の距離を短くすることで、正極416と負極417との間に十分な電子パスが確保されるためであると考えられる。
<Battery capacity recovery control>
In the vehicle 1 configured as described above, the assembled
ここで、本発明者らは、負極活物質中にシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池では、拘束圧を増加させるだけでは容量を適切に回復させることができない場合がある点に着目した。より詳細に説明すると、本発明者らは、以下の図4および図5に示す容量回復制御の評価試験の結果から、組電池40(より詳細には各セル41)の負極電位V2が適切な電位範囲R外である場合には、負極電位V2が電位範囲R内である場合と比べて、容量回復量の低下または負極材料の劣化が起こり、容量を適切に回復することができないことを見出した。 Here, the present inventors have focused on the fact that in a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide in the negative electrode active material, the capacity may not be appropriately restored only by increasing the restraining pressure. .. More specifically, the present inventors consider that the negative electrode potential V2 of the assembled battery 40 (more specifically, each cell 41) is appropriate from the results of the capacity recovery control evaluation tests shown in FIGS. 4 and 5 below. It was found that when the negative electrode potential V2 is outside the potential range R, the capacity recovery amount is reduced or the negative electrode material is deteriorated as compared with the case where the negative electrode potential V2 is within the potential range R, and the capacity cannot be recovered appropriately. It was.
そこで、本実施の形態においては、負極電位V2を考慮し、負極電位V2が電位範囲R内にある場合に拘束圧Pを増加させる構成を採用する。以下、様々な条件下における評価試験結果(組電池40の容量維持率の測定結果)について説明する。なお、容量維持率とは、劣化前の容量(初期容量)を基準とした劣化後の容量の比率を意味する。 Therefore, in the present embodiment, the negative electrode potential V2 is taken into consideration, and a configuration is adopted in which the confining pressure P is increased when the negative electrode potential V2 is within the potential range R. Hereinafter, the evaluation test results (measurement results of the capacity retention rate of the assembled battery 40) under various conditions will be described. The capacity retention rate means the ratio of the capacity after deterioration based on the capacity before deterioration (initial capacity).
<評価試験>
評価試験にて使用した正極416、負極417、セパレータ418および電解液の構成について詳細に説明する。
<Evaluation test>
The configurations of the
正極416の正極活物質としては、平均粒子径が10μmのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を使用した。この正極活物質とアセチレンブラックとPVdF(ポリフッ化ビニリデン)との比率が87:10:3になるように調整されたスラリーを準備した。そして、準備したスラリーをアルミニウム箔に塗布した。また、このアルミニウム箔の裏面にもスラリーを塗布することで、両面に電極が塗工された正極板を作製した。
As the positive electrode active material of the
負極417の負極活物質としては、平均粒子径20μmの天然黒鉛と、平均粒子径5μのシリコン酸化物(SiO)との混合物を使用した。結着剤としてはスチレン−ブタジエン共重合体(SBR)を用い、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース(CMC)を用いた。そして、黒鉛:SiO:SBR:CMC=76:20:2:2の比率で混合してスラリーを調整した。なお、分散媒としては水を用いた。正極板と同様に、スラリーを銅箔の両面に塗布することで負極板を作製した。
As the negative electrode active material of the
上記のように作製された正極板20枚と負極板21枚とを間にセパレータを介して積層し、電極体を形成した。さらに、この電極体を内部正極端子および内部負極端子と電気的に接続するとともに、3辺が熱溶着された、上面視で長方形のラミネート袋に封入した。そして、このラミネート袋に電解液を注液した。電解液としては、体積パーセントの比率sがエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DMC):エチルメチルカーボネート(EMC)=3:4:3である溶媒に対して、リチウム塩(LiPF6)が1.0Mとなるように混合したものを用いた。電解液の注液後に、ラミネート袋の4辺のうちの残りの1辺を熱溶着することでラミネート袋を密閉した。これにより、セルが得られた。このセルを金属板(図3には図示しないが、図2に示したエンドプレートに相当)により挟んだ状態にし、その状態を維持することで、セルに拘束圧Pを印加した。 Twenty positive electrode plates and 21 negative electrode plates produced as described above were laminated with a separator in between to form an electrode body. Further, this electrode body was electrically connected to the internal positive electrode terminal and the internal negative electrode terminal, and was sealed in a rectangular laminated bag having three sides heat-welded and viewed from above. Then, the electrolytic solution was poured into this laminated bag. As the electrolytic solution, 1 lithium salt (LiPF 6 ) is used for a solvent having a volume percent ratio s of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DMC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 3: 4: 3. A mixture was used so as to have a ratio of 0.0 M. After injecting the electrolytic solution, the laminated bag was sealed by heat-welding the remaining one of the four sides of the laminated bag. As a result, a cell was obtained. The cell was sandwiched between metal plates (not shown in FIG. 3, but corresponding to the end plate shown in FIG. 2), and the restraining pressure P was applied to the cell by maintaining the state.
拘束圧Pの印加前あるいは拘束圧Pの変更前に、負極電位V2を様々な値(後述するように0.1V〜1.2V)に設定した。なお、予め測定された電圧VBと負極電位V2との対応関係に基づき、電圧VBを調整することで負極電位V2を所望の値に設定することができる。電圧VBの調整は、1/5Cで定電流充電を行ない、その後、電流値が1/20Cに減少するまで定電圧充電を行なうことにより実施した。 Before applying the restraint pressure P or before changing the restraint pressure P, the negative electrode potential V2 was set to various values (0.1 V to 1.2 V as described later). The negative electrode potential V2 can be set to a desired value by adjusting the voltage VB based on the correspondence between the voltage VB measured in advance and the negative electrode potential V2. The adjustment of the voltage VB was carried out by performing constant current charging at 1 / 5C and then performing constant voltage charging until the current value decreased to 1 / 20C.
初回の充電は、定電流/定電圧方式とした。詳細には、正極活物質量から見積もられる容量の1/Cの電流値において、電圧VBが4.2Vに達するまで定電流充電を行なった。その後、電流値が1/20Cに達するまで定電圧充電を行なうことで、セルを満充電状態とした。その後、電圧VBが2.5Vまで低下するまで1/5Cの定電流でセルを放電した。そして、満充電状態から放電された電荷量から初期容量を算出した。 The first charge was a constant current / constant voltage method. Specifically, constant current charging was performed until the voltage VB reached 4.2 V at a current value of 1 / C of the capacity estimated from the amount of positive electrode active material. After that, the cell was fully charged by performing constant voltage charging until the current value reached 1 / 20C. Then, the cell was discharged with a constant current of 1 / 5C until the voltage VB dropped to 2.5V. Then, the initial capacity was calculated from the amount of electric charge discharged from the fully charged state.
セルを25℃環境下の恒温槽(図示せず)に設置し、サイクル試験を行なった。このサイクル試験においては、初期容量の1Cの電流値で、電圧VBが4.2Vから2.5Vに低下するまでセルを放電し、その後、電圧VBが2.5Vから4.2Vに上昇するまでセルを充電した。また、50サイクル毎に、4.2Vと2.5Vとの間で1/5Cの定電流での充放電を行ない、セルの容量を算出した。 The cell was placed in a constant temperature bath (not shown) in a 25 ° C. environment, and a cycle test was performed. In this cycle test, the cell is discharged until the voltage VB drops from 4.2V to 2.5V at the current value of 1C of the initial capacitance, and then until the voltage VB rises from 2.5V to 4.2V. The cell was charged. Further, every 50 cycles, charging / discharging was performed at a constant current of 1 / 5C between 4.2V and 2.5V, and the cell capacity was calculated.
1つの具体例として、負極におけるSiO/(SiO+C(黒鉛))の比率が3%以上かつ40%以下の範囲であり、かつ、負極の電極密度が1.3(g/cc)以上かつ1.7(g/cc)以下である場合、適切な電位範囲Rは、0.3V以上かつ0.9V以下(vs.Li/Li+)の電位範囲である。 As one specific example, the ratio of SiO / (SiO + C (graphite)) in the negative electrode is in the range of 3% or more and 40% or less, and the electrode density of the negative electrode is 1.3 (g / cc) or more and 1. When it is 7 (g / cc) or less, an appropriate potential range R is a potential range of 0.3 V or more and 0.9 V or less (vs. Li / Li + ).
図4は、容量回復制御の評価試験の結果を説明するための図である。図5は、図4に示した評価試験の条件および結果をまとめた図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the result of the evaluation test of the capacity recovery control. FIG. 5 is a diagram summarizing the conditions and results of the evaluation test shown in FIG.
図4には、6つの異なる条件下で実施された評価結果をそれぞれ表す曲線L1〜L6が示されている。図4において、横軸は充放電サイクル数(0サイクル〜350サイクル)を示し、縦軸はセルの容量維持率を示す。図5には、各曲線L1〜L6に対応する条件および結果が示されている。 FIG. 4 shows curves L1 to L6 representing the evaluation results performed under six different conditions, respectively. In FIG. 4, the horizontal axis represents the number of charge / discharge cycles (0 to 350 cycles), and the vertical axis represents the capacity retention rate of the cell. FIG. 5 shows the conditions and results corresponding to the curves L1 to L6.
図5を参照して、曲線L1は、負極電位V2が1.2Vである場合において、拘束圧Pを0.5MPa(メガパスカル),0.6MPa,0.7MPaの順に増加させたときの容量維持率の変化を示す。なお、図4に示すように、最初の100サイクルの期間をT1と記載し、次の150サイクルの期間をT2と記載し、さらにその後の100サイクルの期間をT3と記載している。 With reference to FIG. 5, the curve L1 shows the capacitance when the confining pressure P is increased in the order of 0.5 MPa (megapascal), 0.6 MPa, and 0.7 MPa when the negative electrode potential V2 is 1.2 V. Shows the change in maintenance rate. As shown in FIG. 4, the period of the first 100 cycles is described as T1, the period of the next 150 cycles is described as T2, and the period of the subsequent 100 cycles is described as T3.
曲線L2は、負極電位V2が0.9Vである場合に、期間がT1,T2,T3と経過するに従って、拘束圧Pを0.5MPa,0.6MPa,0.7MPaと増加させたときの容量維持率の変化を示す。 The curve L2 shows the capacitance when the confining pressure P is increased to 0.5 MPa, 0.6 MPa, 0.7 MPa as the period elapses from T1, T2, T3 when the negative electrode potential V2 is 0.9V. Shows the change in maintenance rate.
曲線L3は、負極電位V2が0.6Vである場合に、期間がT1,T2,T3と経過するに従って、拘束圧Pを0.5MPa,0.6MPa,0.7MPaと増加させたときの容量維持率の変化を示す。 The curve L3 shows the capacitance when the restraining pressure P is increased to 0.5 MPa, 0.6 MPa, 0.7 MPa as the period elapses from T1, T2, T3 when the negative electrode potential V2 is 0.6 V. Shows the change in maintenance rate.
曲線L4は、負極電位V2が0.3Vである場合に、期間がT1,T2,T3と経過するに従って、拘束圧Pを0.5MPa,0.6MPa,0.7MPaと増加させたときの容量維持率の変化を示す。 The curve L4 shows the capacitance when the restraint pressure P is increased to 0.5 MPa, 0.6 MPa, and 0.7 MPa as the period elapses from T1, T2, and T3 when the negative electrode potential V2 is 0.3V. Shows the change in maintenance rate.
曲線L5は、負極電位V2が0.1Vである場合に、期間がT1,T2,T3と経過するに従って、拘束圧Pを0.5MPa,0.6MPa,0.7MPaと増加させたときの容量維持率の変化を示す。 The curve L5 shows the capacitance when the restraint pressure P is increased to 0.5 MPa, 0.6 MPa, and 0.7 MPa as the period elapses from T1, T2, and T3 when the negative electrode potential V2 is 0.1 V. Shows the change in maintenance rate.
曲線L6は、比較例として、負極電位V2を特に設定せず、かつ拘束圧Pを0.5MPaで一定に維持された場合の容量維持率の変化を示す。 As a comparative example, the curve L6 shows the change in the capacity retention rate when the negative electrode potential V2 is not particularly set and the confining pressure P is maintained constant at 0.5 MPa.
図4および図5に示すように、曲線L1〜L6のいずれにおいても充放電サイクル数が増加するに従って組電池40の容量維持率は低下する。しかし、曲線L2〜L4では、曲線L6と比べて、容量維持率が高い。つまり、負極電位V2が電位範囲R内である場合(曲線L2〜L4参照)には、比較例(曲線L6参照)と比べて、容量維持率の低下量が小さく、容量維持率の低下が緩和されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the capacity retention rate of the assembled
これに対し、曲線L1,L5においては、曲線L6と比べて、容量維持率が低くなる。つまり、負極電位V2が電位範囲Rの下限値(0.3V)よりも低い場合(曲線L5参照)または負極電位V2が電位範囲Rの上限値(0.9V)よりも高い場合(曲線L1参照)には、比較例と比べて、容量維持率が低くなる。 On the other hand, on the curves L1 and L5, the capacity retention rate is lower than that on the curve L6. That is, when the negative electrode potential V2 is lower than the lower limit value (0.3 V) of the potential range R (see curve L5) or when the negative electrode potential V2 is higher than the upper limit value (0.9 V) of the potential range R (see curve L1). ), The capacity retention rate is lower than that of the comparative example.
このように、負極電位V2を様々な値に設定して評価試験を行なうことにより、適切な電位範囲Rを設定することができる。電位範囲Rの上限値および下限値の設定に際して考慮することが好ましいメカニズムについて以下に説明する。 In this way, an appropriate potential range R can be set by setting the negative electrode potential V2 to various values and performing the evaluation test. The mechanism that should be considered when setting the upper limit value and the lower limit value of the potential range R will be described below.
リチウムの挿入または脱離に伴うシリコン酸化物の体積変化量は、グラファイトの体積変化量よりも大きい。そのため、負極活物質としてシリコン酸化物を採用した場合には、グラファイトを採用した場合と比べて、充放電に伴い、シリコン酸化物とグラファイトとの間(以下、「負極活物質間」とも略す)の空隙の変化量が大きくなる。 The volume change of silicon oxide due to the insertion or desorption of lithium is larger than the volume change of graphite. Therefore, when silicon oxide is used as the negative electrode active material, it is between the silicon oxide and graphite due to charging and discharging (hereinafter, also abbreviated as "negative electrode active material") as compared with the case where graphite is used. The amount of change in the voids of is large.
負極電位V2が電位範囲Rの下限値(0.3V)よりも低い場合、すなわち、セル電圧が比較的高い場合には、ある程度セルが充電され、負極活物質内に挿入されたリチウム量が多い。そのため、負極板が膨張しており、負極活物質間の空隙が狭い。したがって、拘束圧Pの増加前の時点で、ある程度の電流パスが電極間に形成されている。よって、たとえ拘束圧Pを増加させても容量回復の効果(容量低下の緩和量)が小さいと考えられる。 When the negative electrode potential V2 is lower than the lower limit value (0.3V) of the potential range R, that is, when the cell voltage is relatively high, the cell is charged to some extent and the amount of lithium inserted in the negative electrode active material is large. .. Therefore, the negative electrode plate is expanded and the voids between the negative electrode active materials are narrow. Therefore, a certain amount of current path is formed between the electrodes before the restraint pressure P increases. Therefore, even if the restraining pressure P is increased, the effect of capacity recovery (amount of relaxation of capacity decrease) is considered to be small.
また、一般に、負極活物質としてシリコン酸化物(SiOx)を含有するリチウムイオン二次電池の初回充電時には、シリコン酸化物からシリコン(Si)とリチウム含有シリコン酸化物(LiSiO)とが生成される。そして、シリコンを取り囲むようにLiSiOからなる保護層が形成される。負極電位V2が電位範囲Rの上限値(0.9V)よりも高い場合には、保護層であるLiSiOが分解されやすい。そのため、負極材料(負極活物質)の劣化が進行して組電池40の寿命が短くなってしまう。
Further, in general, silicon (Si) and lithium-containing silicon oxide (LiSiO) are generated from the silicon oxide when the lithium ion secondary battery containing the silicon oxide (SiOx) as the negative electrode active material is charged for the first time. Then, a protective layer made of LiSiO is formed so as to surround the silicon. When the negative electrode potential V2 is higher than the upper limit value (0.9V) of the potential range R, LiSiO, which is a protective layer, is easily decomposed. Therefore, the deterioration of the negative electrode material (negative electrode active material) progresses, and the life of the assembled
このように、電位範囲Rは、負極活物質間の空隙が適切に確保されており、かつ、負極活物質中に生成されたLiSiOが分解されにくい状態が実現されるように、実験的に求めることが望ましい。 As described above, the potential range R is experimentally determined so that the voids between the negative electrode active materials are appropriately secured and the LiSiO generated in the negative electrode active material is not easily decomposed. Is desirable.
<容量回復制御フロー>
上述した評価試験結果に基づき、本実施の形態における容量回復制御では、負極電位V2が電位範囲R内である場合に、組電池40の容量低下前と比べて、拘束圧Pを増加させる。その一方で、負極電位V2が電位範囲R外である場合には、負極電位V2が電位範囲R内になるように組電池40の充放電を行ない、その後に拘束圧Pを増加させる。
<Capacity recovery control flow>
Based on the evaluation test results described above, in the capacity recovery control in the present embodiment, when the negative electrode potential V2 is within the potential range R, the restraining pressure P is increased as compared with before the capacity of the assembled
図6は、本実施の形態における容量回復制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定条件が成立する度または所定周期が経過する度にメインルーチンから呼び出されて実行される。また、このフローチャートに含まれる各ステップ(以下「S」と略す)は、基本的にはECU100によるソフトウェア処理によって実現されるが、ECU100内に作製された専用のハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
FIG. 6 is a flowchart for explaining the capacity recovery control in the present embodiment. The process shown in this flowchart is called and executed from the main routine every time a predetermined condition is satisfied or a predetermined cycle elapses. Further, each step (hereinafter abbreviated as "S") included in this flowchart is basically realized by software processing by the
S10において、ECU100は、組電池40の満充電容量Cを算出する。満充電容量Cの算出手法としては公知の各種手法を採用可能である。たとえば、組電池40の充放電前後でSOCを2回推定し、その推定結果であるS1,S2と、充放電電力量ΔAhとを用いることで、下記式(1)に従って満充電容量Cを算出することができる。
In S10, the
C=ΔAh/(S1−S2)×100 ・・・(1)
S20において、ECU100は、S20にて算出された満充電容量Cがしきい値容量TH未満であるか否かを判定する。しきい値容量THとは、満充電容量Cがある程度低下しているため満充電容量Cを回復することが望ましい容量である。しきい値容量THは、事前の実験結果に基づいて予め定められた固定値であってもよいし、車両1の使用態様に応じて適宜定められる可変値であってもよい。満充電容量Cがしきい値容量TH以上である場合(S20においてNO)には、ECU100は、満充電容量Cの回復は特に必要ないとして、以下の処理をスキップして処理をメインルーチンへと戻す。
C = ΔAh / (S1-S2) × 100 ... (1)
In S20, the
満充電容量Cがしきい値容量TH未満である場合(S20においてYES)、ECU100は、処理をS30に進め、組電池40(あるいは代表的ないずれか1つのセル41)の負極電位V2を算出する。負極電位V2は、上述のように、電圧VBと負極電位V2との対応関係を示すマップ(図示せず)をメモリ102に格納しておくことで、電圧VB(監視ユニット401内の電圧センサの検出値)から算出することができる。
When the full charge capacity C is less than the threshold capacity TH (YES in S20), the
S40において、ECU100は、S30にて算出された負極電位V2が電位範囲R内であるか否かを判定する。電位範囲Rとは、金属リチウムの電位を基準として0.3V以上かつ0.9V以内の電位範囲である。
In S40, the
負極電位V2が電位範囲R外である場合(S40においてNO)には、ECU100は、負極電位V2が電位範囲R内となるように組電池40の充放電を制御する(S50)。
When the negative electrode potential V2 is outside the potential range R (NO in S40), the
より詳細には、負極電位V2が電位範囲Rの上限値(0.9V)よりも高い場合には、ECU100は、負極電位V2が電位範囲Rの上限値以下になるように、組電池40を充電する。たとえば、ECU100は、電力変換装置20を制御することにより、充電装置9から供給される電力を用いて組電池40を充電することができる。
More specifically, when the negative electrode potential V2 is higher than the upper limit value (0.9 V) of the potential range R, the
一方、負極電位V2が電位範囲Rの下限値(0.3V)未満である場合には、ECU100は、負極電位V2が電位範囲Rの下限値以上になるように、組電池40に蓄えられた電力を放電させる。たとえば、ECU100は、電力変換装置20を制御することにより、組電池40に蓄えられた電力を充電ケーブル8を介して車両外部の負荷(図示せず)に放電させてもよい。あるいは、ECU100は、車両1が走行中である場合には、PCU60を制御することで組電池40を放電させることも可能である。S50の処理の終了後には処理がS30に戻されるので、負極電位V2が電位範囲R内になるまで組電池40の充放電が適宜行なわれることとなる。
On the other hand, when the negative electrode potential V2 is less than the lower limit value (0.3 V) of the potential range R, the
負極電位V2が電位範囲R内になると(S40においてYES)、ECU100は、処理をS60に進め、拘束圧Pを増加させる。増加後の拘束圧Pは、事前実験に基づいて定められる。増加後の拘束圧Pが小さいと、組電池40の容量回復量を十分に大きくすることができない。その一方で、拘束圧Pの増加量を過度に大きく設定すると、セパレータ418が介在しているものの正極416と負極417との短絡が生じてしまう可能性がある。したがって、増加後の拘束圧Pは、正極416と負極417との短絡を防止することができるとともに、組電池40の容量回復量が必要量に達する値(上述の例では0.6MPaまたは0.7MPa)に設定することが好ましい。これにより、一連の処理が終了し、処理がメインルーチンへと戻される。
When the negative electrode potential V2 is within the potential range R (YES in S40), the
以上のように、本実施の形態によれば、リチウムイオン二次電池の組電池40の容量回復制御において、負極電位V2が特定の電位範囲R内に設定される。これにより、組電池40の容量回復効果を得つつ、LiSiOの分解に伴う負極材料の劣化を抑制することが可能になる。したがって、組電池40の容量を適切に回復させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the negative electrode potential V2 is set within the specific potential range R in the capacity recovery control of the assembled
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered as exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is shown by the scope of claims rather than the description of the embodiment described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
A 二次電池システム、B 拘束部材、1 車両、8 充電ケーブル、9 充電装置、10 インレット、20 電力変換装置、30 充電リレー、40 組電池、41 セル、42 エンドプレート、43 拘束バンド、44 ボルト、45 アクチュエータ、46 バスバー、50 SMR、60 PCU、70 モータジェネレータ、80 駆動輪、100 ECU、101 CPU、102 メモリ、401 監視ユニット、411 電池ケース、412 蓋体、413 正極端子、414 負極端子、415 電極体、416 正極、417 負極、418 セパレータ。 A secondary battery system, B restraint member, 1 vehicle, 8 charging cable, 9 charging device, 10 inlet, 20 power converter, 30 charging relay, 40 sets of batteries, 41 cells, 42 end plate, 43 restraint band, 44 volts , 45 actuators, 46 bus bars, 50 SMRs, 60 PCUs, 70 motor generators, 80 drive wheels, 100 ECUs, 101 CPUs, 102 memories, 401 monitoring units, 411 battery cases, 412 lids, 413 positive terminals, 414 negative terminals, 415 electrode body, 416 positive electrode, 417 negative electrode, 418 separator.
Claims (1)
前記組電池を拘束することで前記組電池に拘束圧を印加するように構成された拘束部材と、
前記拘束部材の拘束圧を調整するように構成された駆動装置と、
前記駆動装置を制御する制御装置とを備え、
前記複数のセルの各々は、負極にシリコン酸化物を含有するリチウムイオン二次電池であり、
前記制御装置は、前記組電池の容量が基準値よりも低下した場合に、前記負極の電位が所定の電位範囲内にあるときには、前記組電池の容量が前記基準値よりも高い場合と比べて、前記拘束圧が増加するように前記駆動装置を制御し、
前記所定の電位範囲は、金属リチウム電位を基準とした前記負極の電位が0.3V以上かつ0.9V以下の範囲である、二次電池システム。 An assembled battery containing multiple cells and
A restraining member configured to apply a restraining pressure to the assembled battery by restraining the assembled battery,
A drive device configured to adjust the restraint pressure of the restraint member, and
A control device for controlling the drive device is provided.
Each of the plurality of cells is a lithium ion secondary battery containing a silicon oxide in the negative electrode.
When the capacity of the assembled battery is lower than the reference value and the potential of the negative electrode is within a predetermined potential range, the control device is compared with the case where the capacity of the assembled battery is higher than the reference value. , The driving device is controlled so that the restraining pressure is increased.
The predetermined potential range is a secondary battery system in which the potential of the negative electrode is 0.3 V or more and 0.9 V or less based on the metallic lithium potential.
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