JP6977354B2 - 温度調整装置及び二次電池システム - Google Patents

Description

本発明は、温度調整装置及び二次電池システムに関する。

従来、二次電池において、充電に要した電力量に対する放電可能な電力量の比率である電気エネルギー効率を高めて、エネルギーロスを低減することが試みられている。そして、二次電池の放電では、高温時には低温時に比べて内部抵抗が低くいことが知られている。例えば、特許文献１には、リチウムイオン二次電池の温度に基づいて、リチウムイオン二次電池の内部抵抗を推定する方法が開示されている。かかる方法により、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が高いと推定された場合には、放電時にリチウムイオン二次電池を加熱して内部抵抗を低下させて、電気エネルギー効率を高める方法が考えられる。

特開２０１４−１０７０３２号公報

しかしながら、かかる方法によれば、放電時のエネルギーロスは低減できるが、リチウムイオン二次電池全体を加熱するためのエネルギーが必要となり、却ってエネルギーのロスを招く。さらに、リチウムイオン二次電池全体が加熱されることにより、比較的耐熱性の低い電解液や負極の劣化を招くおそれもある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、電気エネルギー効率を高めるとともに、電解液や負極の劣化を抑制することができる温度調整装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、リチウムイオン二次電池（７０）の温度調整を行う温度調整装置（１）であって、
上記リチウムイオン二次電池の正極（７１）を加熱するための正極加熱部（１０）と、
上記正極の温度を検出する温度検出部（２０）と、
該温度検出部により検出された上記正極の温度と、予め設定された基準温度とを比較する比較部（５０）と、
該比較部の比較結果に基づいて、上記正極加熱部の動作を制御する加熱制御部（６０）と、
上記正極の劣化度を検出する劣化度検出部（３０）と、
上記正極の劣化度に対応した複数の上記基準温度が予め記憶された基準温度記憶部（４０）と、
該基準温度記憶部から、上記劣化度検出部により検出された上記正極の劣化度に対応する基準温度を抽出する基準温度抽出部（４１）と、
を備え、
上記比較部は、上記基準温度抽出部によって抽出された基準温度と、上記温度検出部により検出された上記正極の温度とを比較する、温度調整装置にある。

リチウムイオン二次電池の放電の内部抵抗は、高温時に低下することが知られているが、本願発明者らは鋭意検討の結果、正極の電気抵抗が放電時の内部抵抗の律速となっていることを見い出した。そして、上記温度調整装置においては、正極加熱部により、リチウムイオン二次電池の正極を加熱することができる。これにより、正極を選択的に加熱することで、正極を昇温させて放電時の内部抵抗を効率的に低下させることができるとともに、従来はリチウムイオン二次電池の電解液や負極を加熱するのに消費されていたエネルギーが不要となるため、リチウムイオン二次電池の放電時の電気エネルギー効率を向上することができる。

以上のごとく、本発明によれば、電気エネルギー効率を高めるとともに、電解液や負極の劣化を抑制することができる温度調整装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、温度調整装置及び二次電池システムの構成を表すブロック図。 実施形態１における、温度調整装置及び二次電池システムを表す概念図。 実施形態１における、温度調整装置及び二次電池システムの使用対応を説明するためのフロー図。 図４（ａ）は比較例１、図４（ｂ）は比較例２、図４（ｃ）は実施例１における、二次電池の電気エネルギー効率を表した模式図。 変形形態１における、温度調整装置及び二次電池システムを表す概念図。

（実施形態１）
温度調整装置の実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態の温度調整装置１は、図１に示すように、リチウムイオン二次電池である二次電池７０の温度調整を行う温度調整装置１であって、二次電池７０の正極７１を加熱するための正極加熱部１０を有する。

図２に示すように、本実施形態では、温度調整装置１は二次電池７０に取り付けられて二次電池システム１００を構成している。本実施形態における二次電池７０は、ラミネートセル型となっている。二次電池７０の正極７１及び負極７２にはそれぞれ、負荷２００から引き出されたリード線２０１が接続されている。正極７１を構成する材料は、スピネル型であるマンガン酸リチウムLiMn₂O₄、オリビン型であるリン酸鉄リチウムLiFePO₄、層状三元系のLiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂とすることができる。負極７２の形成材料は、例えば、黒鉛、ハードカーボンなどとすることができる。

本実施形態では、図１に示すように、温度調整装置１は、正極加熱部１０とともに、温度検出部２０、劣化度検出部３０、基準温度記憶部４０、基準温度抽出部４１、比較部５０及び加熱制御部６０を備える。正極加熱部１０は、正極７１の温度を上昇させるものであれば良く、例えば、通電により発熱するヒータなどの発熱体や、加熱された気体を生成するものとすることができる。本実施形態では、図２に示すように、正極加熱部１０は、通電により発熱するセラミックヒータであって、正極７１に直接取り付けられている。これにより、正極加熱部１０で発生した熱が正極７１に直接伝達される。なお、正極加熱部１０は、加熱部用リード線１１を介して負荷２００から引き出された負荷用リード線２０１に接続されて電力が供給されている。

図１に示すように、温度検出部２０は二次電池７０に接続されている。温度検出部２０は温度センサからなり、二次電池の正極７１の温度を検出するように構成されている。温度検出部２０による温度の検出は常時行ってもよいし、必要に応じて検出するようにしてもよい。なお、温度検出部２０によって検出された正極温度を、図示しない正極温度格納部に格納し、必要に応じて所定時点の正極温度を取り出すことができるようにしてもよい。

図１に示すように、劣化度検出部３０は、二次電池７０に接続されて、正極７１の劣化度を検出するように構成されている。正極７１の劣化度の検出方法は特に限定されず、公知の方法を採用することができる。例えば、測定用の二次電池７０を用いて加速劣化試験を行って分解調査して得られた実測定値を基に、二次電池７０の内部抵抗と使用履歴と正極の劣化度との関係式を用意しておき、該関係式を用いて現在の内部抵抗及び使用履歴から正極７１の劣化度を検出することができる。なお、劣化度検出部３０によって検出された正極７１の劣化度を、図示しない劣化度格納部に格納し、必要に応じて所定時点での正極７１の劣化度を取り出すことができるようにしてもよい。

図１に示すように、基準温度記憶部４０は、劣化度検出部３０に接続されている。基準温度記憶部４０は書き換え可能な不揮発性のメモリからなり、予め所定の基準温度が記憶されている。本実施形態では、基準温度記憶部４０には、複数の基準温度が記憶されており、それぞれの基準温度は、正極７１の劣化度に対応付けられている。

図１に示すように、基準温度抽出部４１は劣化度検出部３０に接続されている。基準温度抽出部４１は、基準温度記憶部４０から、劣化度検出部３０によって検出された正極７１の劣化度に対応付けられた基準温度を抽出する。

図１に示すように、比較部５０は、温度検出部２０と基準温度抽出部４１とに接続されている。比較部５０は、温度検出部２０により検出された正極７１の温度と、基準温度抽出部４１により抽出された基準温度とを比較する。なお、比較部５０による比較結果を、図示しない比較結果格納部に格納し、必要に応じて所定時点での比較結果を取り出すことができるようにしてもよい。

図１に示すように、加熱制御部６０は、比較部５０に接続されている。加熱制御部６０は、比較部５０の比較結果に基づいて、正極加熱部１０の動作を制御する。例えば、比較部５０による比較結果が、正極７１の温度が基準温度よりも低いことを示すものである場合には、正極加熱部１０を作動させて正極７１を加熱するようにすることができる。一方、比較部５０による比較結果が、正極７１の温度が基準温度よりも低くないことを示すものである場合には、正極加熱部１０を停止させて正極７１を加熱しないようにすることができる。また、本実施形態では、加熱制御部６０は、二次電池７０が充電状態の場合には、正極加熱部１０を停止させて正極７１を加熱しないようにし、二次電池７０が放電状態の場合には、正極加熱部１０を作動させて正極７１を加熱するようにすることができる。

正極加熱部１０は正極７１を加熱することから、仮に正極加熱部１０から発生される熱の一部が負極７２に流れたとしても、正極７１における熱量増加量が、負極７２における熱量増加量よりも大きくなるように構成されている。

本実施形態では、二次電池７０の充電状態と放電状態との切替は、図１に示すように、二次電池７０に接続された充電/放電制御部８０により行われる。充電/放電制御部８０は、二次電池７０を電源として搭載する装置からの要求に応じて二次電池７０の充電／放電状態を切り替えるように構成されている。

次に、温度調整装置１及び二次電池システム１００の使用態様について、図３のフロー図を用いて説明する。

二次電池システム１００では、まず、図３に示すステップＳ１において、次に行う操作が二次電池７０の充電であるか否かを図示しない判定部によって判定する。ステップＳ１において、次に行う操作が二次電池７０の充電であると判定された場合は、ステップＳ１のＹｅｓに進み、ステップＳ２において、加熱制御部６０により正極加熱部１０の動作を停止させて加熱制御を停止する。その後、ステップＳ３に進み、充電/放電制御部８０により二次電池７０の充電を開始し、ステップＳ１に戻る。

一方、図３に示すステップＳ１において、次に行う操作が二次電池７０の充電でないと判定された場合はステップＳ１のＮｏに進み、ステップＳ４において、劣化度検出部３０によって正極７１の劣化度を検出する。次に、ステップＳ５において、劣化度検出部３０により検出された正極７１の劣化度に基づいて、図示しない推定部により二次電池７０における放電レートを推定する。さらに、劣化度検出部３０により検出された正極７１の劣化度に基づいて、基準温度抽出部４１により基準温度記憶部４０から基準温度を抽出する。

次に、図３に示すステップＳ６に進み、温度検出部２０によって、正極７１の温度を検出する。その後、図３に示すステップＳ７において、比較部５０により正極温度と基準温度とを比較し、正極温度が基準温度以下であるか否か判定する。正極温度が基準温度以下であると判定された場合は、ステップＳ７のＹｅｓに進み、ステップＳ８において、加熱制御部６０により、正極加熱部１０を作動させて、正極７１の加熱を開始する。そして、ステップＳ９において、充電/放電制御部８０により二次電池７０の放電を開始し、ステップＳ１に戻る。

一方、図３に示すステップＳ７において、正極温度が基準温度以下でないと判定された場合は、ステップＳ７のＮｏに進み、ステップＳ９において、充電/放電制御部８０により二次電池７０の放電を開始し、ステップＳ１に戻る。

次に、本実施形態の温度調整装置１における作用効果について、詳述する。
温度調整装置１においては、正極加熱部１０により、二次電池７０の正極７１を加熱することができる。これにより、正極７１を選択的に加熱することで、正極７１を昇温させて放電時の内部抵抗を効率的に低下させることができる、これとともに、二次電池７０全体を加熱した場合には二次電池７０の電解液や負極７２の昇温にエネルギーが消費されるが、かかるエネルギーが不要となるため、二次電池７０の放電時の電気エネルギー効率を向上することができる。また、二次電池７０の電解液や負極７２が積極的には加熱されないため、電解液や負極７２の劣化を抑制することができる。

すなわち、放電時に二次電池７０を何ら加熱しない比較例１の場合には、図４（ａ）に示すように、放電時の電圧低下によって放電可能な電力量Ｗｈ１が減少し、充電された電力量Ｗｈ０のうち、放電として利用不可能な電力量Ｗｈ２が大きくなっている。また、放電時に二次電池７０の全体を加熱した比較例２の場合には、図４（ｂ）に示すように、放電時の電圧低下が緩和されるため、図４（ａ）に示す比較例１の場合に比べて放電可能な電力量Ｗｈ１が増大するが、二次電池７０の全体を加熱するのにエネルギーを要するため、放電として利用不可能な電力量Ｗｈ２は依然として大きい。これらに比べて、放電時に正極７１を加熱した実施例１の場合には、図４（ｃ）に示すように、放電時の電圧低下が緩和されて放電可能な電力量Ｗｈ１が増大するとともに、図４（ｂ）に示す比較例２の場合に比べて二次電池７０の電解液や負極７２を加熱するのに消費されていたエネルギーが不要となるため、放電として利用不可能な電力量Ｗｈ２を低減することができる。その結果、実施例１では、比較例２の場合に比べて、放電可能な電力量Ｗｈ１をさらに増大して、二次電池７０の放電時の電気エネルギー効率を一層向上させることができる。

また、本実施形態では、正極加熱部１０は、二次電池７０の放電時に正極７１を加熱するように構成されている。これにより、充電時には正極７１を加熱しないようにすることができ、不要な電力消費を防止できる。さらに、加熱による正極７１の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、正極加熱部１０は、二次電池７０の正極７１における熱量増加量が、二次電池７０の負極７２における熱量増加量よりも大きくなるように、正極７１を加熱するように構成されている。これにより、正極加熱部１０から発せられる熱によって負極７２の劣化が促進されることを抑制できる。

また、本実施形態では、正極加熱部１０は、発熱体によって正極７１を加熱するように構成されている。これによって、正極７１を効率的に加熱することができる。なお、発熱体に替えて、図５に示す変形形態１のように、正極加熱部１０が加熱された気体ＨＧを吐出するように構成されており、当該気体ＨＧによって正極７１を加熱するようにしてもよい。この場合は、一つの正極加熱部１０により複数の二次電池７０の正極７１を一括して加熱することが可能となるため、複数の正極７１を効率的に加熱しやすくなる。その結果、複数の二次電池７０における放電時の電気エネルギー効率を向上することができる。

また、本実施形態では、正極加熱部１０は、正極７１に直接取り付けられるように構成されている。これにより、正極加熱部１０で生じた熱を効率的に正極７１に伝達することができるため、効率的に正極７１を加熱しやすくなり、二次電池７０の放電時の電気エネルギー効率を一層向上することができる。

また、本実施形態では、温度調整装置１は、正極７１の温度を検出する温度検出部２０と、温度検出部２０により検出された正極７１の温度と、予め設定された基準温度とを比較する比較部５０と、比較部５０の比較結果に基づいて、正極加熱部１０の動作を制御する加熱制御部６０とを備える。これにより、正極７１の温度を勘案して必要に応じて正極７１を加熱することにより、一層効率的に正極７１を加熱して、二次電池７０の放電時の電気エネルギー効率を一層向上することができる。

また、本実施形態では、温度調整装置１は、正極７１の劣化度を検出する劣化度検出部３０と、正極７１の劣化度に対応した複数の基準温度が予め記憶された基準温度記憶部４０と、基準温度記憶部４０から、劣化度検出部３０により検出された正極７１の劣化度に対応する基準温度を抽出する基準温度抽出部４１とを備える。そして、比較部５０は、基準温度抽出部４１によって抽出された基準温度と温度検出部２０により検出された正極７１の温度とを比較するように構成されている。放電時の正極７１における電気抵抗は正極７１の劣化度によって変化するため、正極７１の劣化度に応じて正極加熱部１０による加熱を制御することにより、二次電池７０の放電時の電気エネルギー効率をより一層向上することができる。

また、本実施形態では、二次電池システム１００が温度調整装置１と、温度調整装置１によって温度調整されるリチウムイオン二次電池７０とを含み、リチウムイオン二次電池７０における正極７１の材料が、スピネル型、オリビン型及び層状三元系型のいずれかとしている。これにより、正極加熱部１０による正極７１の加熱によって奏される正極７１の電気抵抗低下の効果が得られやすいため、電気エネルギー効率の高い二次電池システム１００とすることができる。

（評価試験）
本実施形態の温度調整装置１についての評価試験を行った。
試験例の構成は、二次電池７０として、正極７１の形成材料をLiNi_0.5Mn_1.5O₄とし、負極７２の形成材料として黒鉛を用いたラミネートセル型のリチウムイオン二次電池を用いた。そして、正極７１には５０μｍのアルミニウム合金製の集電体を接続した。そして、当該集電体に、本実施形態の温度調整装置１における正極加熱部１０としてのヒータを直接接続するとともに、温度検出部２０としての熱電対を直接接続した。温度検出部２０により、集電体の温度を測定し、これを正極温度とした。なお、測定電流レートは３Ｃとした。

上記試験例において、正極温度を変化させたときの電気エネルギー効率を算出した。電気エネルギー効率は、二次電池７０において、充電時に入力された全電力量である入力電力量を入力Ｗｈとし、放電時に出力された全電力量である出力電力量を出力Ｗｈとして、入力Ｗｈ／出力Ｗｈ×１００の算出式より算出した。算出結果を表１に示す。

表１に示すように、正極温度が−１０℃のときは電気エネルギー効率は３５％と低い値であったが、正極加熱部１０によって正極７１が加熱されると、正極温度が上昇するにつれて電気エネルギー効率も向上し、正極温度が６０℃のときには電気エネルギー効率は９８％と非常に高い値を示した。かかる結果から、温度調整装置１によって二次電池７０における電気エネルギー効率を高めることができることが確認された。

以上のごとく、本実施形態によれば、電気エネルギー効率を高めるとともに、電解液や負極の劣化を抑制することがきる、温度調整装置１を提供することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。二次電池７０はラミネートセル型に限らず、他の形態の二次電池とすることができる。

１ 温度調整装置
１０ 正極加熱部
２０ 温度検出部
３０ 劣化度検出部
４０ 基準温度記憶部
４１ 基準温度抽出部
５０ 比較部
６０ 加熱制御部
７０ 二次電池
７１ 正極
７２ 負極
１００ 二次電池システム

Claims (6)

1. リチウムイオン二次電池（７０）の温度調整を行う温度調整装置（１）であって、
   上記リチウムイオン二次電池の正極（７１）を加熱するための正極加熱部（１０）と、
   上記正極の温度を検出する温度検出部（２０）と、
   該温度検出部により検出された上記正極の温度と、予め設定された基準温度とを比較する比較部（５０）と、
   該比較部の比較結果に基づいて、上記正極加熱部の動作を制御する加熱制御部（６０）と、
   上記正極の劣化度を検出する劣化度検出部（３０）と、
   上記正極の劣化度に対応した複数の上記基準温度が予め記憶された基準温度記憶部（４０）と、
   該基準温度記憶部から、上記劣化度検出部により検出された上記正極の劣化度に対応する基準温度を抽出する基準温度抽出部（４１）と、
   を備え、
   上記比較部は、上記基準温度抽出部によって抽出された基準温度と、上記温度検出部により検出された上記正極の温度とを比較する、温度調整装置。
2. 上記正極加熱部は、上記リチウムイオン二次電池の放電時に上記正極を加熱するように構成されている、請求項１に記載の温度調整装置。
3. 上記正極加熱部は、上記リチウムイオン二次電池の正極における熱量増加量が、上記リチウムイオン二次電池の負極（７２）における熱量増加量よりも大きくなるように、上記正極を加熱するように構成されている、請求項１又は２に記載の温度調整装置。
4. 上記正極加熱部は、発熱体又は加熱された気体によって上記正極を加熱するように構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度調整装置。
5. 上記正極加熱部は、上記正極に直接取り付けられるように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度調整装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度調整装置と、該温度調整装置によって温度調整されるリチウムイオン二次電池（７０）とを含む、二次電池システム（１００）であって、
   上記リチウムイオン二次電池における正極の材料が、スピネル型、オリビン型及び層状三元系のいずれかである、二次電池システム。

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