JP7131444B2 - 二次電池システム - Google Patents

Description

本開示は、二次電池システムに関し、より特定的には、リチウムイオン二次電池の劣化を抑制するための充電技術に関する。

近年、リチウムイオン二次電池からなる組電池が搭載された車両（ハイブリッド車、電気自動車など）の普及が進んでいる。リチウムイオン二次電池の性能を十分に発揮させることを目的に、リチウムイオン二次電池の劣化を抑制するための技術が提案されている。

たとえば、特開２０１６－１２３２５１号公報（特許文献１）によれば、黒鉛負極のリチウムイオンの拡散係数は、０％以上４０％未満のＳＯＣ（State Of Charge）領域で最大値を示し、４０％以上６０％以下のＳＯＣ領域で最小値を示し、ＳＯＣが６０％を超えるＳＯＣ領域では最大値と最小値との中間値を示す。このため、特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池の充電方法では、ＳＯＣ領域毎に充電電流を増減させる（たとえば特許文献１の表１および表２参照）。これにより、充電によるリチウムイオン二次電池の発熱を最小限にすることができる。その結果、リチウムイオン二次電池の劣化（充放電サイクル特性等の電池特性の低下）を抑制することができる。

特開２０１６－１２３２５１号公報 特開２０１７－１７５７５８号公報

一般に、リチウムイオン二次電池において大電流での充電（いわゆるハイレート充電）が行なわれると、電解液中のリチウム塩の濃度（以下、「塩濃度」とも略す）に偏りが生じ得ることが知られている。塩濃度に偏りが生じると、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が増加することにより電池特性が低下し得る。一般に、このような劣化は「ハイレート劣化」とも称される。

本発明者は、たとえばソフトカーボンを含む負極を採用したリチウムイオン二次電池では、ハイレート劣化の生じやすさがＳＯＣに依存することを見出した。特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池の充電方法には、ハイレート劣化の生じやすさのＳＯＣ依存性が特に考慮されていない点において改善の余地がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、リチウムイオン二次電池のハイレート劣化を適切に抑制することである。

本開示のある局面に従う二次電池システムは、バッテリと、バッテリの温度を調整するように構成された温度調整装置と、温度調整装置を制御する制御装置とを備える。バッテリは、バッテリのＳＯＣが所定領域に含まれる場合に、バッテリのＳＯＣが所定領域に含まれる場合と比べて膨張する。制御装置は、バッテリの充電中に、バッテリのＳＯＣが所定領域に含まれる場合には、バッテリのＳＯＣが所定領域に含まれない場合と比べて、バッテリの温度が高くなるように温度調整装置を制御する。

バッテリのハイレート充電が行われると、電極体内部の電解液中に塩濃度分布の偏りが生じ、バッテリの内部抵抗が上昇する。詳細は後述するが、バッテリの温度が高くなるほど電解液中の塩の拡散が促進されるので、電解液中の塩濃度分布の偏りが緩和されやすくなる。その結果、バッテリの内部抵抗の上昇が抑制される。したがって、上記構成によれば、バッテリのハイレート劣化を適切に抑制することができる。

本開示によれば、リチウムイオン二次電池のハイレート劣化を適切に抑制することができる。

本開示の実施の形態に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。 車両および充電器の構成を概略的に示すブロック図である。 二次電池システムの構成をより詳細に示す図である。 セル間の面圧のＳＯＣ依存性を示す図である。 実施の形態１における温度調整制御を説明するためのフローチャートである。 本開示の実施の形態２に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。 実施の形態２における温度調整制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本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。

［実施の形態］
＜充電システムの全体構成＞
図１は、本開示の実施の形態１に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、充電システム１００は、車両１と、充電器５とを備える。図１には、車両１と充電器５とが充電ケーブル６により電気的に接続され、充電器５から車両１へ電力を供給する外部充電制御時の状況が示されている。

車両１は、たとえば電気自動車である。ただし、車両１は、外部充電が可能に構成された車両であれば、たとえばプラグインハイブリッド車であってもよい。充電器５は、ユーザの家庭等に設けられた専用の充電器であってもよいし、公共の充電スタンド（充電ステーションとも呼ばれる）に設けられた充電器であってよい。

図２は、車両１および充電器５の構成を概略的に示すブロック図である。図２を参照して、充電器５は、直流（ＤＣ：Direct Current）充電器であって、系統電源７からの供給電力（交流電力）を、車両１に搭載されたバッテリ２１の充電電力（直流電力）に変換する。充電器５は、電力線ＡＣＬと、ＡＣ／ＤＣ変換器５１と、電圧センサ５２と、給電線ＰＬ０，ＮＬ０と、制御回路５０とを含む。

電力線ＡＣＬは、系統電源７に電気的に接続されている。電力線ＡＣＬは、系統電源７からの交流電力をＡＣ／ＤＣ変換器５１へ伝送する。

ＡＣ／ＤＣ変換器５１は、電力線ＡＣＬ上の交流電力を、車両１に搭載されたバッテリ２１を充電するための直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣ変換器５１による電力変換は、力率改善のためのＡＣ／ＤＣ変換と、電圧レベル調整のためのＤＣ／ＤＣ変換との組み合わせによって実行されてもよい。ＡＣ／ＤＣ変換器５１から出力された直流電力は、正極側の給電線ＰＬ０および負極側の給電線ＮＬ０によって供給される。

電圧センサ５２は、給電線ＰＬ０と給電線ＮＬ０との間に電気的に接続されている。電圧センサ５２は、給電線ＰＬ０と給電線ＮＬ０との間の電圧を検出し、その検出結果を制御回路５０に出力する。

制御回路５０は、ＣＰＵと、メモリと、入出力ポート（いずれも図示せず）とを含んで構成されている。制御回路５０は、電圧センサ５２により検出された電圧、車両１からの信号、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、ＡＣ／ＤＣ変換器５１による電力変換動作を制御する。

車両１は、インレット１１と、充電線ＰＬ１，ＮＬ１と、電圧センサ１２１と、電流センサ１２２と、充電リレー１３１，１３２と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）１４１，１４２と、電力線ＰＬ２，ＮＬ２と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１６と、モータジェネレータ１７と、動力伝達ギヤ１８と、駆動輪１９と、二次電池システム２とを備える。二次電池システム２は、バッテリ２１と、電圧センサ２２１と、電流センサ２２２と、温度センサ２２３と、ヒーター２３と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０とを備える。

インレット（充電ポート）１１は、嵌合等の機械的な連結を伴って充電ケーブル６のコネクタ６１を挿入することが可能に構成されている。コネクタ６１の挿入に伴い、給電線ＰＬ０とインレット１１の正極側の接点との間の電気的な接続が確保されるとともに、給電線ＮＬ０とインレット１１の負極側の接点との間の電気的な接続が確保される。また、インレット１１とコネクタ６１とが充電ケーブル６により接続されることで、車両１のＥＣＵ２０と充電器５の制御回路５０とがＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信規格に従う通信により、信号、指令、メッセージまたはデータ等の各種情報を相互に送受信することが可能になる。

電圧センサ１２１は、充電リレー１３１，１３２よりもインレット１１側において、充電線ＰＬ１と充電線ＮＬ１との間に電気的に接続されている。電圧センサ１２１は、充電線ＰＬ１と充電線ＮＬ１との間の直流電圧を検出し、その検出結果をＥＣＵ２０に出力する。電流センサ１２２は、充電線ＰＬ１に設けられている。電流センサ１２２は、充電線ＰＬ１を流れる電流を検出し、その検出結果をＥＣＵ２０に出力する。ＥＣＵ２０は、電圧センサ１２１および電流センサ１２２による検出結果に基づき、充電器５からの供給電力（バッテリ２１の充電量）を算出することもできる。

充電リレー１３１は充電線ＰＬ１に接続され、充電リレー１３２は充電線ＮＬ１に接続されている。充電リレー１３１，１３２の閉成／開放は、ＥＣＵ２０からの指令に応じて制御される。充電リレー１３１，１３２が閉成され、かつＳＭＲ１４１，１４２が閉成されると、インレット１１とバッテリ２１との間での電力伝送が可能な状態となる。

バッテリ２１は、複数のセル３を含んで構成された組電池である。バッテリ２１は、車両１の駆動力を発生させるための電力を供給する。また、バッテリ２１は、モータジェネレータ１７により発電された電力を蓄える。

バッテリ２１の正極は、ＳＭＲ１４１を経由してノードＮＤ１に電気的に接続されている。ノードＮＤ１は、充電線ＰＬ１および電力線ＰＬ２に電気的に接続されている。同様に、バッテリ２１の負極は、ＳＭＲ１４２を経由してノードＮＤ２に電気的に接続されている。ノードＮＤ２は、充電線ＮＬ１および電力線ＮＬ２に電気的に接続されている。ＳＭＲ１４１，１４２の閉成／開放は、ＥＣＵ２０からの指令に応じて制御される。

電圧センサ２２１は、バッテリ２１の電圧を検出する。電流センサ２２２は、バッテリ２１に入出力される電流を検出する。温度センサ２２３は、バッテリ２１の温度ＴＢを検出する。各センサは、その検出結果をＥＣＵ２０に出力する。ＥＣＵ２０は、電圧センサ２２１および／または電流センサ２２２による検出結果に基づいて、バッテリ２１のＳＯＣを推定することができる。

ヒーター２３は、たとえば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient)）ヒーター等の電気式の加熱装置であって、ＥＣＵ２０による制御に従ってバッテリ２１を昇温する。なお、ヒーター２３は、本開示に係る「温度調整装置」の一例に相当する。

ＰＣＵ１６は、電力線ＰＬ２，ＮＬ２とモータジェネレータ１７との間に電気的に接続されている。ＰＣＵ１６は、コンバータおよびインバータ（いずれも図示せず）を含んで構成され、ＥＣＵ２０からの指令に従ってモータジェネレータ１７を駆動する。

モータジェネレータ１７は、交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。モータジェネレータ１７の出力トルクは、動力伝達ギヤ１８を通じて駆動輪１９に伝達され、車両１を走行させる。また、モータジェネレータ１７は、車両１の制動動作時には、駆動輪１９の回転力によって発電することができる。モータジェネレータ１７による発電電力は、ＰＣＵ１６によってバッテリ２１の充電電力に変換される。

ＥＣＵ２０は、制御回路５０と同様に、ＣＰＵ２０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリ２０２と、入出力ポート２０３とを含んで構成されている。ＥＣＵ２０は、各センサ等からの信号に応じて、車両１が所望の状態となるように機器類を制御する。なお、ＥＣＵ２０は、機能毎に複数のＥＣＵに分割して構成されていてもよい。

実施の形態１においてＥＣＵ２０により実行される主要な制御として、充電器５から供給される電力により車載のバッテリ２１を充電する「外部充電制御」と、ヒーター２３によりバッテリ２１を昇温する「電池温度制御」とが挙げられる。本実施の形態では、電池温度制御は外部充電制御中に実行される。電池温度制御については後に詳細に説明する。

＜セル構成＞
図３は、各セル３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３は、その内部を透視して示されている。セル３は、略直方体形状の電池ケース４１を有する。電池ケース４１の上面は蓋体４２によって封じられている。正極端子４３および負極端子４４の各々の一方端は、蓋体４２から外部に突出している。正極端子４３および負極端子４４の他方端は、電池ケース４１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。

電池ケース４１の内部には電極体４５が収容されている。電極体４５は、正極４６と負極４７とがセパレータ４８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４６、負極４７およびセパレータ４８等に保持されている。

負極４７にはソフトカーボン（易黒鉛化炭素）が用いられる。正極４６、セパレータ４８および電解液の材料としては、従来公知の各種材料を用いることができる。一例として、正極４６には、コバルト酸リチウムまたはマンガン酸リチウムが用いられる。セパレータ４８にはポリオレフィンが用いられる。電解液は、有機溶媒と、リチウムイオンと、添加剤とを含む。なお、電極体４５を捲回体にすることは必須ではなく、電極体４５は捲回されていない積層体であってもよい。

＜ハイレート劣化のＳＯＣ依存性＞
本発明者は、バッテリ２１におけるハイレートの生じやすさのＳＯＣ依存性を調査するため、以下のような測定を実施した。バッテリ２１と同型のバッテリを準備し、隣接する２つのセル間に面圧センサ（図示せず）を設置した。そして、これらのセルのＳＯＣを様々な値に調整し、定常状態としてからセル間の面圧を測定した。

図４は、セル間の面圧のＳＯＣ依存性を示す図である。図４において、横軸は、バッテリ２１のＳＯＣを表す。縦軸は、セル間の面圧［単位：Ｐａ（＝Ｎ／ｍ^２）］を表す。

図４に示す例では、２０％以下の低ＳＯＣ領域または６０％以上の高ＳＯＣ領域では、２０％超かつ６０％未満の中間ＳＯＣ領域と比べて、セル間の面圧が大きい。セル間の面圧が大きいということは、各セルの体積が大きいことを意味する。つまり、低ＳＯＣ領域または高ＳＯＣ領域では、中間ＳＯＣ領域と比べて、充電中でなくても各セルが膨張している。

バッテリ２１のハイレート充電を行うと、電極体４５が膨張する。しかし、バッテリ２１の低ＳＯＣ領域または高ＳＯＣ領域では、中間ＳＯＣ領域と比べて、ハイレート充電の開始前から各セル３が膨張しているため、ハイレート充電に伴って電極体４５が膨張する余地が小さい。電極体４５の膨張が妨げられると、ハイレート充電に伴って電極体４５の内部の電解液中に塩濃度分布の偏りが生じやすくなり、それによりバッテリ２１の内部抵抗Ｒが上昇しやすくなる。すなわち、バッテリ２１のハイレート劣化が生じやすくなる。そのため、図５に示す測定結果は、低ＳＯＣ領域または高ＳＯＣ領域では、中間ＳＯＣ領域と比べて、ハイレート劣化に対するバッテリ２１の耐性が低いことを意味している。よって、以下では、ＳＯＣが２０％以下の低ＳＯＣ領域とＳＯＣが６０％以上の高ＳＯＣ領域とを「耐性低下領域」とも記載する。なお、耐性低下領域は本開示に係る「所定領域」に相当する。

実施の形態１においては、図４に示すようにハイレート劣化の進行のしやすさがＳＯＣ依存性を示すことに鑑み、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域に含まれる場合と、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域に含まれない場合とで、ヒーター２３によるバッテリ２１の加熱態様を異ならせる。より具体的には、実施の形態１では、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域に含まる場合には、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域に含まれない場合と比べて、ヒーター２３を制御することでバッテリ２１の温度ＴＢを上昇させる。

物質は一般に温度が高いほど拡散しやすくなるので、バッテリ２１の温度ＴＢを上昇させると電解液中の塩が拡散しやすくなる。これにより、電解液中の塩濃度分布の偏りが緩和（最終的には解消）される。その結果、バッテリ２１の内部抵抗Ｒの上昇が抑制される。つまり、バッテリ２１のハイレート劣化を抑制することが可能になる。

＜温度調整制御フロー＞
図５は、実施の形態１における温度調整制御を説明するためのフローチャートである。図５および後述する図７に示すフローチャートに含まれる処理は、車両１の外部充電制御中に所定の制御周期が経過する度にメインルーチン（図示せず）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ＥＣＵ２０によるソフトウェア処理によって実現されるが、ＥＣＵ２０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。

図５を参照して、Ｓ１１において、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１のＳＯＣを推定する。ＳＯＣ推定には、ＯＣＶ－ＳＯＣカーブを参照する手法または電流積算法などの各種公知の手法を用いることができる。

Ｓ１２において、ＥＣＵ２０は、Ｓ１１にて推定されたバッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内であるかどうかを判定する。バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内である場合、すなわち、バッテリ２１のＳＯＣが２０％以下または６０％以上である場合（Ｓ１２においてＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は、処理をＳ１３に進める。

Ｓ１３において、ＥＣＵ２０は、ヒーター２３を制御することによってバッテリ２１を加熱する。これにより、バッテリ２１が昇温する。

これに対し、Ｓ１２においてバッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域外である場合、すなわち、バッテリ２１のＳＯＣが２０％超かつ６０％未満である場合（Ｓ１２においてＮＯ）には、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１を加熱することなく処理を進める（Ｓ１４）。Ｓ１３，Ｓ１４の処理が終了するとメインルーチンに処理が戻され、次の制御周期が来ると一連の処理が再び実行される。

なお、図５では、Ｓ１４においてバッテリ２１を加熱しない例を説明したが、これは、バッテリ２１の加熱禁止を意味するものではない。バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内である場合にもバッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域外である場合にもバッテリ２１を加熱するものの、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域外である場合には、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内である場合と比べて、バッテリ２１の加熱量が小さくなるようにヒーター２３を制御してもよい。

以上のように、実施の形態１においては、ハイレート劣化の進行のしやすさがＳＯＣ依存性を有することを考慮し、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内である場合のバッテリ２１の加熱量を、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域外である場合のバッテリ２１の加熱量よりも大きくする。バッテリ２１を昇温させることで電解液中の塩の拡散が促進されるので、塩濃度分布の偏りが解消されやすくなる。その結果、実施の形態１によれば、バッテリ２１の内部抵抗Ｒの上昇を抑制することができる。言い換えると、バッテリ２１のハイレート劣化を適切に抑制することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１ではバッテリ２１を加熱する構成について説明したが、バッテリ２１の冷却を制御してもよい。

図６は、本開示の実施の形態２に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。図６を参照して、充電システム２００の二次電池システム２Ａは、ヒーター２３に代えて冷却装置２４を備える点において、実施の形態１における二次電池システム２（図２参照）と異なる。

冷却装置２４は、空冷式または液冷式の冷却装置であって、ＥＣＵ２０による制御に従ってバッテリ２１を冷却する。冷却装置２４は、本開示に係る「温度調整装置」の他の一例に相当する。

図７は、実施の形態２における温度調整制御を説明するためのフローチャートである。図７を参照して、まず、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１のＳＯＣを推定する（Ｓ１）。そして、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内であるかどうかを判定する（Ｓ２２）。Ｓ２１，Ｓ２２の処理は、実施の形態１におけるＳ１１，Ｓ１２の処理（図５参照）とそれぞれ同様である。

バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域外である場合（Ｓ２２においてＮＯ）、ＥＣＵ２０は、処理をＳ２４に進める。Ｓ２４において、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１の冷却するように冷却装置２４を制御する。

これに対し、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内である場合（Ｓ２２においてＹＥＳ）には、ＥＣＵ２０は、処理をＳ２３に進める。Ｓ２３において、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１を冷却しないように冷却装置２４を制御する。すなわち、ＥＣＵ２０は、バッテリ２１を冷却中である場合には冷却装置２４にバッテリ２１の冷却を停止させ、すでにバッテリ２１の冷却が停止している場合には冷却装置２４にその状態を維持させる。

以上のように、実施の形態２においてもハイレート劣化の進行のしやすさがＳＯＣ依存性を有することを考慮し、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域内である場合のバッテリ２１の冷却量を、バッテリ２１のＳＯＣが耐性低下領域外である場合のバッテリ２１の冷却量よりも小さくする。バッテリ２１の冷却を抑制することで電解液中の塩の拡散が妨げられにくくなるので、塩濃度分布の偏りの解消が阻害されにくくなる。その結果、実施の形態２によれば、バッテリ２１の内部抵抗Ｒの上昇を抑制することができる。

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。

１００，２００ 充電システム、１ 車両、１１ インレット、１２ ＡＣ／ＤＣ変換器、１２１ 電圧センサ、１２２ 電流センサ、１３１，１３２ ＳＭＲ、１４１，１４２ 充電リレー、１５ ＰＣＵ、１６ モータジェネレータ、１７ 動力伝達ギヤ、１８ 駆動輪、２，２Ａ 二次電池システム、２０ ＥＣＵ、２０１ ＣＰＵ、２０２ メモリ、２０３ 入出力ポート、２１ バッテリ、２２１ 電圧センサ、２２２ 電流センサ、２２３ 温度センサ、２３ ヒーター、２４ 冷却装置、３ セル、４１ 電池ケース、４２ 蓋体、４３ 正極端子、４４ 負極端子、４５ 電極体、４６ 正極、４７ 負極、４８ セパレータ、５ 充電器、５０ 制御回路、５１ ＡＣ／ＤＣ変換器、５２ 電圧センサ、６ 充電ケーブル、６１ コネクタ、７ 系統電源、ＡＣＬ，ＮＬ２，ＰＬ２ 電力線、ＮＤ１，ＮＤ２ ノード、ＮＬ０，ＰＬ０ 給電線、ＮＬ１，ＰＬ１ 充電線。

Claims (1)

1. バッテリと、
   前記バッテリの温度を調整するように構成された温度調整装置と、
   前記温度調整装置を制御する制御装置とを備え、
   前記バッテリは、前記バッテリのＳＯＣが所定領域に含まれる場合に、前記バッテリのＳＯＣが前記所定領域に含まれない場合と比べて膨張し、
   前記制御装置は、前記バッテリの充電中に、前記バッテリのＳＯＣが前記所定領域に含まれる場合には、前記バッテリのＳＯＣが前記所定領域に含まれない場合と比べて、前記バッテリの温度が高くなるように前記温度調整装置を制御する、二次電池システム。

Images