JP7202806B2 - Secondary battery system - Google Patents
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Description
本発明は、ペルチエ素子やスターリング冷凍機による冷却機構とヒーターによる加熱機構と二次電池の温度をモニターするための温度計と二次電池の温度を制御するための温度コントローラを組み合わせた二次電池システムを開発することで、充電時における二次電池の温度上昇を抑制することが可能になることで、急速充電を可能にするとともに、寒冷地においてはヒーターによる加熱機構で二次電池の温度を適切な温度に保持する事で、安定した放電特性を確保する事が可能になった。また、電気自動車の充電時に搭載する二次電池の直流インピーダンスあるいは交流インピーダンスを内蔵の不揮発性メモリに記録することで、二次電池の劣化傾向を診断する事が可能になり、劣化した時点で、劣化した二次電池の使用を中止することが可能になり、電気自動車の安全性を飛躍的に向上させることができる。環境温度に依存せずに二次電池の温度を任意の温度に制御することで、充電時、放電時にそれぞれ望ましい特性を発現するスマートバッテリーを提供するものでる。The present invention is a secondary battery that combines a cooling mechanism using a Peltier element or a Stirling refrigerator, a heating mechanism using a heater, a thermometer for monitoring the temperature of the secondary battery, and a temperature controller for controlling the temperature of the secondary battery. By developing the system, it is possible to suppress the temperature rise of the secondary battery during charging, enabling rapid charging, and in cold regions, the temperature of the secondary battery can be reduced by a heating mechanism using a heater. By maintaining an appropriate temperature, it became possible to secure stable discharge characteristics. In addition, by recording the DC impedance or AC impedance of the secondary battery installed when charging the electric vehicle in the built-in non-volatile memory, it is possible to diagnose the deterioration tendency of the secondary battery, and at the time of deterioration, It becomes possible to stop using the deteriorated secondary battery, and the safety of the electric vehicle can be dramatically improved. A smart battery is provided that exhibits desirable characteristics during charging and discharging by controlling the temperature of the secondary battery to an arbitrary temperature without depending on the environmental temperature.
従来、二次電池には、電池本体の温度を任意に制御する機構が搭載されておらず、急速充電時の二次電池の温度上昇の防止や急速放電時の放電特性の向上を実現することができなかった。
従来、二次電池には、電池本体の温度を任意に制御する機構が搭載されておらず、急速充電時の二次電池の温度上昇の防止や急速放電時の放電特性の向上を実現することができないという課題があった。In the past, secondary batteries were not equipped with a mechanism to arbitrarily control the temperature of the battery body. There was a problem that it was not possible to
本発明は、以上に説明した問題点を解決するためになされたものである。その目的は、電気自動車用の二次電池の特性を従来よりも飛躍的に向上させることである。The present invention has been made to solve the problems described above. The purpose is to dramatically improve the characteristics of secondary batteries for electric vehicles.
本発明は、電気自動車に搭載される二次電池システムにおいて、ペルチエ素子による冷却機構とヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とペルチエ素子とヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池を備え、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できるようにする事で、二次電池システムの充電特性と放電特性を飛躍的に改善するものである。また、スターリング冷凍機による冷却機構とヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とスターリング冷凍機とヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池を備え、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できるようにする事で、二次電池システムの充電特性と放電特性を同様に飛躍的に改善することができる。また、充電時に測定した直流インピーダンス又は交流インピーダンスの値を記憶する不揮発性メモリを内蔵し、人工知能により二次電池の劣化判定を行う劣化診断システムと、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御し、前記二次電池の劣化判定を行う人工知能と、を備える。二次電池の表面を銅板で被覆し、該銅板の上にペルチエ素子又はスターリング冷凍機と薄膜ヒーターとを張り付けて温度制御する。 The present invention provides a secondary battery system mounted on an electric vehicle, comprising a cooling mechanism using a Peltier element, a heating mechanism using a heater, a thermometer for measuring temperature, and a controller for controlling outputs of the Peltier element and the heater. The charging and discharging characteristics of the secondary battery system are dramatically improved by providing a secondary battery with a charging method that allows the temperature of the secondary battery to be controlled at an arbitrary temperature during charging and discharging. It is. In addition, it has a rechargeable secondary battery equipped with a cooling mechanism by a Stirling refrigerator, a heating mechanism by a heater, a thermometer for measuring the temperature, and a controller for controlling the output of the Stirling refrigerator and the heater. By making it possible to control the temperature of the secondary battery at any temperature during discharge, it is possible to dramatically improve the charge characteristics and discharge characteristics of the secondary battery system as well. In addition, it has a built-in non-volatile memory that stores the value of DC impedance or AC impedance measured during charging, a deterioration diagnosis system that uses artificial intelligence to determine the deterioration of the secondary battery, and a secondary battery temperature during charging and discharging. and an artificial intelligence that controls the temperature to an arbitrary temperature and determines deterioration of the secondary battery. The surface of the secondary battery is covered with a copper plate, and a Peltier element or a Stirling refrigerator and a thin film heater are attached on the copper plate to control the temperature.
本発明によれば、充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御できるようにする事で、二次電池システムの充電特性と放電特性を飛躍的に改善するものである。二次電池システムの性能をモーターの駆動性能に合わせて、制御することができるので、電気自動車の走行性能を飛躍的に向上させることができる。また、本発明は、二次電池システムに人工知能による劣化診断システムを搭載していて、充電開始前に、不揮発性メモリに記録した過去の測定インピーダンス値と測定したインピーダンス値を比較することで、充電に適合しないと判断しない場合には、充電を行わいないで欠陥二次電池として、二次電池システムから自動的に切り離す機能を備えていることで、急速充電時の安全性を飛躍的に改善するものである。 According to the present invention, the charging and discharging characteristics of a secondary battery system can be dramatically improved by controlling the temperature of the secondary battery during charging and discharging to an arbitrary temperature. Since the performance of the secondary battery system can be controlled in accordance with the driving performance of the motor, the running performance of the electric vehicle can be dramatically improved. In addition, according to the present invention, the secondary battery system is equipped with a deterioration diagnosis system based on artificial intelligence. If it is determined that the battery is not suitable for charging, it will not be charged and will automatically be disconnected from the secondary battery system as a defective secondary battery, dramatically improving safety during quick charging. It is something to do.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態を示す図である。リチウムイオン電池の場合、充電中はリチウムイオンは、電解液中を正極4から負極3に向かって移動する。そして、放電中は、リチウムイオンは、電解液中を負極3から正極4に向かって移動する。急速充電中には、リチウムイオンが負極に移動する過程で発熱してリチウムイオン電池の温度が上昇する。温度上昇を抑制することが安全性を向上する上で重要である。本発明の二次電池システムではリチウムイオン電池に張り付けたペルチエ素子1で冷却することで急速充電中の二次電池の温度上昇を抑制することができる構造を採用している。
また、二次電池の温度がマイナス30℃以下であるなど、極端に低い場合には、急速放電時に十分な出力特性を実現することができない。この場合には二次電池の表面に張り付けた薄膜ヒーター2で加熱することで、十分な出力が得られる温度に二次電池を制御することで、放電特性を改善することができる。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. In the case of a lithium ion battery, lithium ions move through the electrolyte from the
Moreover, when the temperature of the secondary battery is extremely low, such as minus 30° C. or below, sufficient output characteristics cannot be achieved during rapid discharge. In this case, by heating with a
図2は、全固体二次電池にペルチエ素子1による冷却機構と薄膜ヒーター2による加熱機構とを備えている二次電池システムの概念図である。全固体二次電池の場合は、リチウムイオン二次電池より、固体電解質8により構成されていることから、充放電特性が優れていることから、リチウムイオン二次電池ほど温度を正確に制御する必要はないが、急速充放電特性の向上及び安全性の向上のためには、極めて有効である。リチウムイオン電池、全固体電池、ナトリウムイオン電池などの2次電池は、構成する材料設計が異なることから、充放電特性も異なっている。全固体電池の材料構成は、例えば特許文献、特開2017-126552に開示されている。本発明の二次電池システムは、使用する二次電池の種類に最適な温度コントルールができるように人工知能で制御されている。FIG. 2 is a conceptual diagram of a secondary battery system in which an all-solid secondary battery is provided with a cooling mechanism using a
図3は、冷却機構にスターリング冷凍機10を使用した二次電池システムの概略図である。スターリング冷凍機10によって冷却した銅板を二次電池に張り付ける構造を採用することで、効率的に2次電池を冷却することができる。二次電池の温度を上昇させる場合には銅板をヒーター2で加熱することで二次電池の温度を上昇させることができる。FIG. 3 is a schematic diagram of a secondary battery system using a Stirling
図4は、本発明の二次電池システムが平板型の二次電池ユニットを5層積層した例を示したものである。図5は、本発明の二次電池システムが二次電池ユニットと送風機12を組み合わせたものである場合の例を示したものである。図6は、二次電池11を5個、直列に接続したユニットを2個並列に接続することで、電池容量を増大した例を模式的に示したものである。
図7は、平板型の二次電池11を5層、積層して、直列に接続した例を示したものである。FIG. 4 shows an example in which the secondary battery system of the present invention is formed by stacking five flat plate type secondary battery units. FIG. 5 shows an example in which the secondary battery system of the present invention is a combination of a secondary battery unit and a
FIG. 7 shows an example in which five flat
図8は、本発明の二次電池ユニットがカートリッジ式になっており、回路ボード13に差し込む方式を採用することで、劣化した二次電池11の交換を容易にした構成を示したものである。
図9は、カートリッジ式の二次電池システムが空気あるいは液体の循環装置14の中に配置されることで、二次電池ユニットの温度を正確に充電モード、放電モードの各モードに最適な温度に設定することを可能にしたものである。図10は、二次電池ユニットの隙間に空気を送りこむ送風機12を設置することで、空気循環式の温度調節器15が適切に動作することを可能にしたものである。FIG. 8 shows a configuration in which the secondary battery unit of the present invention is of a cartridge type, and adopts a method of inserting it into a
In FIG. 9, the cartridge-type secondary battery system is arranged in the air or
図11は、本発明の二次電池システムを電気自動車に搭載した場合の構成を模式的に示したものである。二次電池システムの制御部とインバーター及び電気モーターは、統合コントロールユニットにより制御されることを示したものである。
図12は、本発明の二次電池システムのシステム構成を示したものである。各電池ユニットの直流インピーダンスあるいは交流インピーダンスは、急速充電前に計測して、過去の測定値を比較することで、劣化判定を行い、正常と判断された電池ユニットのみに急速充電が行われる。二次電池システムの駆動用の電力は、補助2次電池から供給される電力でまかなわれる。
図13は、本発明の二次電池システムのシステム構成を示したものである。システムの構成は図12のシステム構成と同じであるが、二次電池システムを駆動するための電力が内燃機関を持つ発電機により生成された電力でまかなわれる方式になっている。内燃機関から供給される電力は、二次電池システムの駆動だけではなくて、非常時には2次電池の充電にも使用できる構成になっており、航続距離の長い電気自動車への搭載が期待される。FIG. 11 schematically shows the configuration when the secondary battery system of the present invention is mounted on an electric vehicle. The controller, inverter and electric motor of the secondary battery system are controlled by the integrated control unit.
FIG. 12 shows the system configuration of the secondary battery system of the present invention. The DC impedance or AC impedance of each battery unit is measured before rapid charging, and the past measured values are compared to determine deterioration. Only battery units that are determined to be normal are rapidly charged. Power for driving the secondary battery system is covered by power supplied from the auxiliary secondary battery.
FIG. 13 shows the system configuration of the secondary battery system of the present invention. The configuration of the system is the same as the system configuration of FIG. 12, but the power for driving the secondary battery system is provided by the power generated by the generator having the internal combustion engine. The power supplied from the internal combustion engine can be used not only to drive the secondary battery system, but also to charge the secondary battery in an emergency. .
なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更実施が可能である。The above-described embodiments are preferred embodiments of the present invention, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1ペルチエ素子
2ヒーター
3負極
4正極
5セパレーター
6電解液
7筐体
8固体電解質
9銅製の熱伝導板
10スターリング冷凍機
11二次電池
12二次電池の温度を均一にするための送風機
13カートリッジ式の二次電池ユニットを差し込むための回路ボード
14二次電池の温度を均一に保持するための空気あるいは液体の循環装置
15二次電池の温度を均一に保持するための空気循環装置1
Claims (5)
ペルチエ素子またはスターリング冷凍機による冷却機構と薄膜ヒーターによる加熱機構と温度を測定するための温度計とペルチエ素子またはスターリング冷凍機と薄膜ヒーターの出力を制御するコントローラとを備えている充電方式の二次電池と、
充電時に測定した直流インピーダンス又は交流インピーダンスの値を記憶する不揮発性メモリを内蔵し、二次電池の劣化判定を行う劣化診断システムと、
充電時や放電時の二次電池の温度を任意の温度に制御し、前記二次電池の劣化判定を行う人工知能と、を備え、
二次電池の表面を銅板で被覆し、該銅板の上にペルチエ素子又はスターリング冷凍機と薄膜ヒーターとを張り付けて温度制御することを特徴とする二次電池システム。 In the secondary battery system installed in electric vehicles,
A charging-type secondary comprising a cooling mechanism using a Peltier element or Stirling refrigerator, a heating mechanism using a thin film heater, a thermometer for measuring temperature, and a controller for controlling the output of the Peltier element or Stirling refrigerator and thin film heater. a battery ;
A deterioration diagnosis system that incorporates a non-volatile memory that stores the value of DC impedance or AC impedance measured during charging and determines deterioration of the secondary battery;
An artificial intelligence that controls the temperature of the secondary battery during charging and discharging to an arbitrary temperature and determines the deterioration of the secondary battery,
What is claimed is: 1. A secondary battery system comprising a secondary battery whose surface is covered with a copper plate, and a Peltier element or a Stirling refrigerator and a thin-film heater attached to the copper plate for temperature control .
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