JP7350701B2 - 制御システム - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、制御システム関する。
近年、スマートフォン、車両、定置用電源装置、ロボット及びドローン等の電池搭載機器に、蓄電池が搭載される。前述のように電池搭載機器に搭載される蓄電池として、活物質となる材料が互いに対して異なる2種類以上の電池を組み合わせて形成されるものがある。例えば、ある蓄電池は、チタン酸化物を負極活物質として備える電池、及び、炭素質物を負極活物質として備える電池を組み合わせて形成される。また、前述のように2種類以上の電池から形成される蓄電池の充電及び放電を制御する制御システムが、開発されている。
前述のような蓄電池及び制御システムでは、低温環境において蓄電池を使用する際に、簡便な構成で、蓄電池を形成する電池のそれぞれが適切に使用されることが求められている。
特開2000-231911号公報 特開2013-143185号公報
本発明が解決しようとする課題は、低温環境において蓄電池を使用する際に、簡便な構成で蓄電池の電池のそれぞれを適切に使用可能にする制御システム提供することである。
実施形態によれば、制御システムは、蓄電池及び充放電制御装置を具備し、充放電制御装置は、蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラを備える。蓄電池は、1つ以上の第1の電池と、1つ以上の第2の電池と、を具備する。第1の電池は、炭素質物を負極活物質として含。第2の電池は、炭素質物の作動電位より作動電位が高い活物質であるチタン含有酸化物を負極活物質として含む。蓄電池では、2の電池によって、第1の電池の外周側が囲まれる。充放電制御装置のコントローラは、蓄電池の温度が温度閾値未満であることに基づいて、第1の電池の充電及び放電を停止させる。コントローラは、蓄電池の使用開始から蓄電池の温度が温度閾値未満であるか否かの初回の判定までの間は、第2の電池のみを充電又は放電させるとともに、第1の電池の充電及び放電を停止させる。
図1は、実施形態に係る蓄電池を備える制御システムを示す概略図である。 図2Aは、実施形態に係る蓄電池における電池の配置の一例を示す概略図である。 図2Bは、実施形態に係る蓄電池における電池の配置の図2Aとは別の一例を示す概略図である。 図2Cは、実施形態に係る蓄電池における電池の配置の図2A及び図2Bとは別の一例を示す概略図である。 図2Dは、実施形態に係る蓄電池における電池の配置の図2A~図2Cとは別の一例を示す概略図である。 図2Eは、実施形態に係る蓄電池における電池の配置の図2A~図2Dとは別の一例を示す概略図である。 図2Fは、実施形態に係る蓄電池における電池の配置の図2A~図2Eとは別の一例を示す概略図である。 図3は、実施形態に係る蓄電池の使用において、充放電制御装置のコントローラによって行われる処理の一例を示すフローチャートである。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
(実施形態)
図1は、実施形態に係る制御システムの一例として第1の実施形態に係る制御システム1を示す。図1に示すように、制御システム1は、蓄電池2及び充放電制御装置3を備える。蓄電池2は、電池搭載機器5に搭載される。電池搭載機器5としては、スマートフォン、車両、定置用電源装置、ロボット及びドローン等が挙げられ、電池搭載機器5となる車両としては、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車及び電動バイク等が、挙げられる。また、蓄電池2が搭載されるロボットとしては、工場等で使用される無人搬送車(AGV:Automated Guided Vehicle)等の搬送ロボットが挙げられる。
本実施形態では、蓄電池2は、電池(第1の電池)Aを1つ以上備えるとともに、電池(第2の電池)Bを1つ以上備える。図1の一例では、蓄電池2は、複数の電池A及び複数の電池Bを備える。また、図1の一例の蓄電池2では、複数の電池Aの全てから電池モジュール(第1の電池モジュール)Xが形成され、電池モジュールXでは、複数の電池Aが電気的に直列に接続される。そして、蓄電池2では、複数の電池Bの全てから電池モジュール(第2の電池モジュール)Yが形成され、電池モジュールYでは、複数の電池Bが電気的に直列に接続される。蓄電池2の使用開始時では、複数の電池Aにおいて、容量、サイズ及び重量等が互いに対して同一及び略同一である。そして、蓄電池2の使用開始時では、複数の電池Bにおいて、容量、サイズ及び重量等が互いに対して同一及び略同一である。
電池A,Bのそれぞれは、単セル(単電池)であってもよく、複数の単セルが電気的に接続されたセルブロックであってもよい。電池A,Bのそれぞれが複数の単セルから形成されるセルブロックである場合、電池A,Bのそれぞれにおいて、複数の単セルは、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよい。また、電池A,Bのそれぞれにおいて、複数の単セルが電気的に直列に接続される直列接続構造、及び、複数の単セルが電気的に並列に接続される並列接続構造の両方が形成されてもよい。
単セルは、例えば、リチウムイオン二次電池を形成する電池セルである。単セルは、電極群を備え、電極群は、正極及び負極を備える。電極群では、正極と負極との間にセパレータが介在する。セパレータは、電気的絶縁性を有する材料から形成され、正極を負極に対して電気的に絶縁する。セパレータは、電極と別に設けられてもよく、電極と一体に設けられてもよい。ある一例では、セパレータとして、合成樹脂製の多孔質フィルム及び不織布等が用いられる。また、別のある一例では、活物質含有層上に有機繊維を直接体積させた電極一体型セパレータ等が用いられる。
正極は、正極集電箔等の正極集電体と、正極集電体の表面に担持される正極活物質含有層と、を備える。正極集電体は、これらに限定されるものではないが、例えば、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔等であり、厚さが10μm~20μm程度である。正極活物質含有層は、正極活物質を備え、結着剤及び導電剤を任意に含んでもよい。正極活物質としては、これらに限定されるものではないが、リチウムイオンを吸蔵放出できる酸化物、硫化物及びポリマー等が挙げられる。正極活物質は、例えば、二酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物、硫酸鉄、及びバナジウム酸化物からなる群から選択される少なくとも1つを含む。また、正極集電体は、正極活物質含有層が未担持の部分として、正極集電タブを備える。
負極は、負極集電箔等の負極集電体と、負極集電体の表面に担持される負極活物質含有層と、を備える。負極集電体は、これらに限定されるものではないが、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔又は銅箔等であり、厚さが10μm~20μm程度である。電池(第1の電池)Aを形成する単セルでは、銅箔が負極集電体として用いられることが好ましく、電池(第2の電池)Bを形成する単セルでは、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が負極集電体として用いられることが好ましい。負極活物質含有層は、負極活物質を備え、結着剤及び導電剤を任意に含んでもよい。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオンを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物及び炭素質物等が挙げられる。負極活物質となる金属酸化物としては、チタン含有酸化物が挙げられる。そして、負極活物質となるチタン含有酸化物には、例えば、チタン酸化物、リチウムチタン含有複合酸化物、ニオブチタン含有複合酸化物及びナトリウムニオブチタン含有複合酸化物が、含まれる。また、負極活物質となる炭素質物としては、グラファイト等が挙げられる。負極集電体は、負極活物質含有層が未担持の部分として、負極集電タブを備える。
ここで、電池(第1の電池)Aを形成する単セルでは、第1の活物質が負極活物質として用いられ、電池(第2の電池)Bを形成する単セルでは、第1の活物質より作動電位が高い第2の活物質が負極活物質として用いられる。例えば、第2の活物質の作動電位の最低値は、第1の活物質の作動電位の最低値よりも高い。ある一例では、第1の活物質として、作動電位が0.4V(vs.Li/Li+)未満の活物質が用いられ、第2の活物質として、作動電位が0.4V(vs.Li/Li+)以上の活物質が用いられる。この場合、第1の活物質として、例えば、炭素質物のいずれかの種類が用いられ、第2の活物質として、例えば、チタン含有酸化物のいずれかの種類が用いられる。第1の活物質の作動電位が第2の活物質の作動電位より低いため、負極活物質の種類以外の条件が互いに対して同一であるならば、電池Aを形成する単セルの負極電位は、電池Bを形成する単セルの負極電位より低い。
電極群では、例えば、正極活物質含有層と負極活物質含有層との間でセパレータが挟まれた状態で、正極、負極及びセパレータが捲回軸を中心として捲回され、電極群は捲回構造を有する。別のある一例では、電極群は、複数の正極及び複数の負極が交互に積層されるスタック構造を有し、正極と負極との間にはセパレータが設けられる。
また、単セルでは、電極群に、電解液が保持(含浸)される。電解液は、電解質を有機溶媒に溶解させた非水電解液であってもよく、電解質を水系溶媒に溶解させた水溶液等の水系電解液であってもよい。また、電解液の代わりに、電解液と高分子材料とを複合化させたゲル状電解質が用いられてもよい。また、電解液の代わりに、又は、電解液に加えて、固体電解質が用いられてもよい。固体電解質が電解質として用いられる場合、電極群において、セパレータの代わりに固体電解質を、正極と負極との間に介在させてもよい。この場合、固体電解質により、正極が負極に対して電気的に絶縁される。
また、単セルでは、電極群が外装部材の内部に収納される。外装部材としては、ラミネートフィルム製の袋状容器及び金属製容器のいずれかを用いることができる。ラミネートフィルムとしては、例えば、多層フィルムが用いられ、多層フィルムは、複数の樹脂層と、樹脂層同士の間に配置される金属層とを含む。ラミネートフィルムの厚さは、0.5mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。金属製容器は、例えば、アルミニウム、亜鉛、チタン及び鉄から成る群から選択される少なくとも1種の金属、又は、これらの金属の合金により形成されることが、好ましい。金属製容器の肉厚は、0.5mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。
また、単セルは、一対の電極端子を備える。電極端子の一方が、正極集電タブに電気的に接続される正極端子であり、電極端子の正極端子とは別の一方が、負極集電タブに電気的に接続される負極端子である。電極端子は、外装部材の内部に形成される内部端子であってよく、外装部材の外表面に形成される外部端子であってもよい。電極端子は、導電材料から形成され、アルミニウム、亜鉛、チタン及び鉄からなる群より選択される少なくとも1種の金属、又は、これらの金属の合金により形成されていることが好ましい。
前述のように電池A,Bのそれぞれが形成されるため、電池A,Bでは、負極活物質が互いに対して異なる。すなわち、電池Aでは、炭素質物等の作動電位が比較的低い第1の活物質が負極活物質として用いられ、電池Bでは、チタン含有酸化物等の作動電位が第1の活物質より高い第2の活物質が負極活物質として用いられる。前述のように電池A,Bでは負極活物質が互いに対して異なるため、電池(第1の電池)Aは、例えば低温環境において急速に充電すると、負極にリチウム金属等が析出し易い。一方、電池(第2の電池)Bは、例えば低温環境において充電しても、負極にリチウム金属等が析出しない。また、電池Aは、電池Bに比べて容量が大きい。このため、低温環境からある程度温度が上昇した環境での使用等では、電池Aは、電池Bに比べて、長時間継続して放電可能となる。一方、電池Bは、電池Aに比べて大電流で放電可能であり、電池Aに比べて出力特性が高い。特に低温環境での使用において、電池A,Bの出力特性の差は、顕著である。
図1に示すように、制御システム1には、電源及び負荷(符号6で示す)が設けられる。電源は、蓄電池2(電池A,B)に電力を供給可能であり、蓄電池2は、電源等から電力が供給されることにより、充電される。負荷には、蓄電池2(電池A,B)から電力を供給可能であり、蓄電池2は、負荷等に電力を供給することにより、放電する。電源としては、蓄電池2とは別の電池、及び、発電機等が挙げられる。負荷としては、電動機及びライト等が挙げられる。ある一例では、負荷の代わりに、又は、負荷に加えて、蓄電池2から電力が供給される蓄電器が設けられてもよい。この場合、蓄電池2は、蓄電器に電力を供給することにより、放電する。そして、蓄電器は、蓄電池2から供給された電力を蓄電可能である。また、別のある一例では、電動発電機が設けられてもよい。この場合、蓄電池2から電動発電機に電力を供給可能であるとともに、電動発電機から蓄電池2へ電力を供給可能である。すなわち、電動発電機は、電源及び負荷の両方として機能する。なお、図1では、電源及び負荷は、電池搭載機器5に搭載されているが、これに限るものではない。蓄電池2は、電池搭載機器5の外部の負荷に電力を供給可能であってもよく、電池搭載機器5の外部の電源から蓄電池2に電力を供給可能であってもよい。
充放電制御装置3は、蓄電池2の充電及び放電を制御する。充放電制御装置3は、コントローラ10を備える。図1の一例では、充放電制御装置3は、電池搭載機器5に搭載され、電池搭載機器5において処理装置(コンピュータ)を構成する。充放電制御装置3のコントローラ10は、プロセッサ及び記憶媒体を備える。プロセッサは、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、マイコン、FPGA(Field Programmable Gate Array)及びDSP(Digital Signal Processor)等のいずれかを含む。記憶媒体には、メモリ等の主記憶装置に加え、補助記憶装置が含まれ得る。記憶媒体としては、磁気ディスク、光ディスク(CD-ROM、CD-R、DVD等)、光磁気ディスク(MO等)、及び、半導体メモリ等が挙げられる。コントローラ10では、プロセッサ及び記憶媒体のそれぞれは、1つであってもよく、複数であってもよい。コントローラ10では、プロセッサは、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、処理を行う。また、コントローラ10のプロセッサによって実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークを介して接続されたコンピュータ(サーバ)、又は、クラウド環境のサーバ等に格納されてもよい。この場合、プロセッサは、ネットワーク経由でプログラムをダウンロードする。
また、充放電制御装置3は、電池搭載機器5の外部に設けられてもよい。この場合、充放電制御装置3は、例えば、電池搭載機器5の外部のサーバであり、電池搭載機器5に搭載される処理装置(コンピュータ)とネットワークを介して通信可能である。この場合も、充放電制御装置3のコントローラ10は、プロセッサ及び記憶媒体を備える。また、充放電制御装置3のコントローラ10の処理は、電池搭載機器5に搭載される処理装置及び電池搭載機器5の外部のサーバ(処理装置)が協働して行ってもよい。この場合、例えば、電池搭載機器5の外部のサーバ等がマスターの制御装置となり、電池搭載機器5に搭載される処理装置等がスレーブの制御装置となる。別のある一例では、充放電制御装置3のコントローラ10の処理が、クラウド環境に構成されるクラウドサーバによって行われてもよい。ここで、クラウド環境のインフラは、仮想CPU等の仮想プロセッサ及びクラウドメモリによって、構成される。このため、クラウドサーバがコントローラ10として機能する場合、仮想プロセッサによって処理が行われ、クラウドメモリに処理に必要なデータ等が記憶される。また、コントローラ10の処理は、電池搭載機器5に搭載される処理装置及びクラウドサーバが協働して行ってもよい。この場合、電池搭載機器5に搭載される処理装置(コンピュータ)は、クラウドサーバと通信可能である。
制御システム1には、駆動回路11が設けられる。コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、蓄電池2から負荷への電力供給、及び、電源から蓄電池2への電力供給を制御する。すなわち、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、蓄電池2(電池A,B)の充電及び放電を制御する。駆動回路11は、蓄電池2からの電力の出力、及び、蓄電池2への電力の入力を切替えるリレー回路を備える。また、駆動回路11は、変換回路を備え、変換回路は、電源からの電力を蓄電池2に供給される直流電力に変換する。また、変換回路は、蓄電池2からの直流電力を負荷に供給される電力に変換する。変換回路は、変圧回路、DC/AC変換回路、及び、AC/DC変圧回路等を含むことができる。また、変換回路は、電池Aに適した電圧の直流電力と電池Bに適した電圧の直流電力との間の変換を行うDC/DC変換回路(DC/DCコンバータ)を含むことができる。
本実施形態では、駆動回路11の駆動が制御されることにより、複数の電池A(電池モジュールX)へ入力される電流、及び、複数の電池A(電池モジュールX)からの出力等が制御される。そして、駆動回路11の駆動が制御されることにより、複数の電池B(電池モジュールY)へ入力される電流、及び、複数の電池B(電池モジュールY)からの出力等が制御される。また、本実施形態では、駆動回路11の駆動が制御されることにより、電池モジュールXは、複数の電池Aの全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、複数の電池Aの全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに、切替わり可能である。そして、駆動回路11の駆動が制御されることにより、電池モジュールYは、複数の電池Bの全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、複数の電池Bの全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに、切替わり可能である。
電池モジュールXの充電において、電池(第1の電池)Aの電圧が、電池Aに課せられる電圧範囲の上限値を超えない状態に、制御される。電池モジュールXの放電において、電池Aが、電池Aに課せられる電圧範囲の下限値未満に低下しない状態に、制御される。ある一例では、電池Aの1つ以上の電圧が、電池Aの電圧範囲の下限値まで低下したことに基づいて、電池モジュールXからの放電が終了される。この場合、電池Aの電圧範囲の下限値が、放電カットオフ電圧値VAoffとなる。別のある一例では、放電カットオフ電圧値VAoffは、電池Aの電圧範囲の下限値より高い値に設定されてもよい。この場合、電池Aの電圧範囲の下限値より高い放電カットオフ電圧値VAoffまで電池Aの1つ以上の電圧が低下したことに基づいて、電池モジュールXからの放電が終了される。
また、電池モジュールYの充電において、電池(第2の電池)Bの電圧が、電池Bに課せられる電圧範囲の上限値を超えない状態に、制御される。電池モジュールYの放電において、電池Bが、電池Bに課せられる電圧範囲の下限値未満に低下しない状態に、制御される。ある一例では、電池Bの1つ以上の電圧が、電池Bの電圧範囲の下限値まで低下したことに基づいて、電池モジュールYからの放電が終了される。この場合、電池Bの電圧範囲の下限値が、放電カットオフ電圧値VBoffとなる。別のある一例では、放電カットオフ電圧値VBoffは、電池Bの電圧範囲の下限値より高い値に設定されてもよい。この場合、電池Bの電圧範囲の下限値より高い放電カットオフ電圧値VBoffまで電池Bの1つ以上の電圧が低下したことに基づいて、電池モジュールYからの放電が終了される。
また、前述のように電池A,Bでは負極活物質が互いに対して異なるため、電池Aの放電カットオフ電圧VAoffの設定値は、電池Bの放電カットオフ電圧VBoffの設定値よりも低い。なお、後述する蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であっても、放電カットオフ電圧値VAoffまで電池Aの1つ以上の電圧が低下したことに基づいて、電池モジュールXからの放電が終了される。また、後述する蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であっても、放電カットオフ電圧値VBoffまで電池Bの1つ以上の電圧が低下したことに基づいて、電池モジュールYからの放電が終了される。
制御システム1には、計測回路12が設けられる。計測回路12によって、蓄電池2に関連するパラメータが検出及び計測される。計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、電池モジュールX(複数の電池A)に流れる電流、電池モジュールY(複数の電池A)に流れる電流、電池A,Bのそれぞれの電圧及び電池モジュールX,Yのそれぞれの電圧等のいずれかを計測する。
また、計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、蓄電池2の温度Tを計測する。計測回路12は、温度を計測する温度センサを1つ以上備える。計測回路12は、温度センサを用いて、蓄電池2の1箇所以上で温度を計測する。計測回路12は、蓄電池2の1箇所における温度の計測値、蓄電池2の複数箇所における温度の計測値の中で最も低い最低値、及び、蓄電池2の複数箇所における温度の計測値の平均値又は中間値のいずれか1つを、蓄電池2の温度Tとする。蓄電池2では、少なくとも電池(第1の電池)Aが配置される領域の温度が計測されることが好ましい。蓄電池2では、電池(第1の電池)Aが配置される領域の温度に加えて、電池(第2の電池)Bが配置される領域の温度が計測されてもよい。また、蓄電池2では、電池(第1の電池)Aが配置される領域の温度分布が計測されてもよく、電池(第2の電池)Bが配置される領域の温度分布が計測されてもよい。さらに、蓄電池2では、電池(第1の電池)Aが配置される領域の温度分布及び/又は電池(第2の電池)Bが配置される領域の温度分布を、予測してもよい。蓄電池2において温度分布が計測又は予測される場合も、計測回路12は温度センサを用いて計測する場合と同様にして、蓄電池2の温度Tを設定する。
蓄電池2では、電池(第1の電池)Aが配置される領域は、第1の温度の領域である。また、蓄電池2では、電池(第2の電池)Bが配置される領域は、第2の温度の領域である。ある一例では、電池Aでは、炭素質物等の作動電位が比較的低い第1の活物質が負極活物質として用いられ、電池Bでは、チタン含有酸化物等の作動電位が第1の活物質より高い第2の活物質が負極活物質として用いられる。前述のように、低温環境において蓄電池2が使用される場合、電池Bは、電池Aと比べて特に出力特性が高い。そのため、電池Bは、蓄電池2において比較的温度が低い領域に配置され、電池Aは、蓄電池2において比較的温度が高い領域に配置される。すなわち、電池Bが配置される領域の温度(第2の温度)は、電池Aが配置される領域の温度(第1の温度)よりも低い。
コントローラ10は、温度Tを含む蓄電池2に関連するパラメータの計測結果を取得する。温度T等の蓄電池2に関連するパラメータの計測は、所定のタイミングで定期的に行われる。このため、コントローラ10は、温度T等のパラメータの計測結果を、定期的に取得する。そして、コントローラ10は、温度Tを含む蓄電池2に関連するパラメータの計測結果に基づいて、蓄電池2の充電及び放電を制御する。また、コントローラ10の記憶媒体又はクラウドメモリ等には、蓄電池2の温度Tに関する温度閾値Tthが記憶されている。コントローラ10は、温度T及び温度閾値Tthに基づいて、駆動回路11の駆動を制御し、蓄電池2の充電及び放電を制御する。ここで、温度閾値Tthは、0℃以上の温度値であることが好ましい。
また、制御システム1では、ユーザインタフェース15が電池搭載機器5に搭載される。ユーザインタフェース15では、電池搭載機器5のユーザ等によって操作等が入力される操作装置として機能するとともに、電池搭載機器5のユーザ等に情報を告知する告知装置としても機能する。ユーザインタフェース15は、操作装置として、ボタン、ダイヤル及びタッチパネル等のいずれかを備え、コントローラ10は、ユーザインタフェース15で入力された操作指令等に基づいて、処理を行う。また、コントローラ10は、ユーザインタフェース15を介して、情報等を告知させる。ユーザインタフェース15では、画面表示及び音声等のいずれかによって、情報が告知される。
図2A~図2Fは、蓄電池2における電池A,Bの配置を示す。図2A~図2Fに示すように、蓄電池2では、電池A,Bは、第1の方向(矢印X1及び矢印X2で示す方向)、第1の方向に交差する第2の方向(矢印Y1及び矢印Y2で示す方向)、第1の方向及び第2の方向の両方に交差する第3の方向(矢印Z1及び矢印Z2で示す方向)の少なくとも1つに沿って空間に配置される。また、図2A~図2Fにおいて、電池Aには、斜線のハッチングが付されている。
図2Aの一例では、電池A,Bが、第1の方向及び第2の方向の両方に沿って配置される。電池A及び電池Bは、第3の方向について、1層(1段)のみ配置される。すなわち、電池A,Bは、第3の方向について、互いに対して重ねられていない。本例では、電池A及び/又は電池Bが、第1の方向について4つ配置され、第2の方向について4つ配置される。すなわち、蓄電池2において、電池A及び電池Bの総数は16個である。電池Bは、第1の方向について電池Aに対して外側に配置される。また、電池Bは、第2の方向について電池Aに対して外側に配置される。これにより、蓄電池2において、すべての電池Bは、すべての電池Aに対して、蓄電池2の外周側(第1の方向及び第2の方向の両方について外側)に配置される。そのため、本例では、蓄電池2の外周側の部位に電池Bが12個配置されるとともに、蓄電池2の内周側の部位(第1の方向及び第2の方向の両方について内側の部位)に電池Aが4個配置される。
図2Bの一例及び図2Cの一例でも、図2Aの一例と同様に、電池A,Bが、第1の方向及び第2の方向のいずれかに沿って配置され、第3の方向について1層のみ配置される。図2Bの一例では、すべての電池Bは、すべての電池Aに対して蓄電池2の外周側に配置される。ただし、蓄電池2では、第2の方向の一方側(矢印Y1で示す方向側)の部位で、電池Bが電池Aに対して外側に配置されていない。すなわち、電池Aの一部は、蓄電池2の外周側から囲まれてはいない。本例では、電池Bが8個配置され、電池Aが4個配置される。図2Cの一例でも、電池Aの一部は、蓄電池2の外周側から囲まれていない。そして、蓄電池2では、第2の方向について図2Bの一例とは反対側(矢印Y2で示す方向側)の部位で、電池Bが電池Aに対して外側に配置されていない。本例では、蓄電池2において、電池Aが8個配置され、電池Bが12個配置される。
図2Dの一例では、電池A,Bが、第1の方向及び第2の方向のいずれかに沿って配置され、第3の方向について1層のみ配置される。本例では、電池A及び/又は電池Bが、第1の方向について5個配置され、第2の方向について5個配置される。すなわち、蓄電池2において、電池A及び電池Bの総数は25個である。電池Aは、少なくとも1つの電池Bに対して、蓄電池2の内周側に配置される。また、電池Aは、互いに対して隣接して配置されない。すなわち、電池Bが、ある電池Aと別の電池Aとの間に配置される。そのため、電池Bの一部は、蓄電池2の外周側の部位に配置され、電池Aの一部は蓄電池2の内周側の部位に配置される。本例では、蓄電池2において、電池Aが5個配置され、電池Bが20個配置される。
図2Eの一例及び図2Fの一例では、電池A,Bが、第1の方向、第2の方向及び第3の方向のいずれかに沿って配置される。図2Eの一例では、電池A,Bの一部は、第3の方向について、互いに対して重ねられる。本例の蓄電池2では、第2の方向の一方側(矢印Y1側)の部位において、第3の方向について2層配置される。蓄電池2において、すべての電池Bは、すべての電池Aに対して、蓄電池2の外周側に配置される。そのため、本例では、蓄電池2の外周側の部位に電池Bが12個配置されるとともに、蓄電池2の内周側の部位に電池Aが6個配置される。図2Fの一例では、電池Bが、第1の方向について電池Aに対して外側に配置される。電池Bは、第2の方向について互いに対して隣接し、電池Bは、第2の方向について互いに対して隣接する。また、電池Bが、第3の方向について互いに対して重ねられる。ただし、電池Aは、第3の方向について、互いに対して重ねられていない。すなわち、電池Aは、第3の方向について1層目にのみ配置される。本例では、電池Aが8個配置され、電池Bが16個配置される。なお、蓄電池2における電池A,Bの配置は前述した一例に限るものではなく、蓄電池2において適宜の位置に電池A,Bを配置可能である。
図2A~図2Fの一例のいずれにおいても、電池Aと電池Bとの間に形成される隙間は、電池A同士及び電池B同士の間に形成される隙間よりも、狭いことが好ましい。すなわち、異なる負極活物質を含む電池の間に形成される隙間が、同じ負極活物質を含む電池同士の間に形成される隙間よりも、狭いことが好ましい。また、電池Aと電池Bとの間に形成される隙間に、空気よりも熱伝導率が高い部材が設けられ、電池A同士の間に形成される隙間、及び、電池B同士の間に形成される隙間には、前述の部材が配置されないことが好ましい。ある一例では、電池Aと電池Bとの間に形成される隙間に、金属板が配置される。
図3は、蓄電池2の使用においてコントローラ10によって行われる処理の一例を示す。図3に示すように、S101において蓄電池2の使用が開始されたと判断した場合は(S101-Yes)、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bのみを充電又は放電させ(S102)、電池(第1の電池)Aを充電及び放電が停止された状態で維持する(S103)。これにより、電池モジュールYでのみ電力の入力又は出力が行われ、電池モジュールXでは電力の入力及び出力は停止される。そして、電池モジュールYでは、複数の電池Bの全てにおいて充電又は放電が行われている状態になり、電池モジュールXでは、複数の電池Aの全てにおいて充電及び放電が停止された状態になる。
そして、コントローラ10は、前述した蓄電池2の温度Tを取得する(S104)。コントローラ10は、取得した温度Tが温度閾値Tth以上であるか否かを判定する(S105)。温度Tが温度閾値Tth未満である場合は(S105-No)、コントローラ10は、S102の処理と同様に、電池B(電池モジュールY)のみを充電又は放電させ(S106)、S103の処理と同様に、電池A(電池モジュールX)の充電及び放電を停止させる(S107)。これにより、蓄電池2の使用開始時及び使用開始直後と同様に、電池モジュールYでのみ電力の入力又は出力が行われ、電池モジュールXでは電力の入力及び出力は停止される。S110において、蓄電池2の使用を終了しないと判断した場合は(S110-No)、処理はS104に戻る。そして、コントローラ10は、S104以降の処理を順次に実行する。
S105において、温度Tが温度閾値Tth以上である場合は(S105-Yes)、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bを充電又は放電させる(S108)。また、電池(第2の電池)Bに加えて、電池(第1の電池)Aを充電又は放電させる(S109)。これにより、電池モジュールX,Yの両方で、電力の入力又は出力が行われる。そして、電池モジュールXでは、複数の電池Aの全てにおいて充電又は放電が行われている状態になり、電池モジュールYでは、複数の電池Bの全てにおいて充電及び放電が行われている状態になる。そして、S110において、蓄電池2の使用を終了しないと判断した場合は(S110-No)、処理はS104に戻る。そして、コントローラ10は、S104以降の処理を順次に実行する。
本実施形態では、電池(第1の電池)Aは、第1の活物質を負極活物質として含み、第1の温度の領域に配置される。電池(第2の電池)Bは、第2の活物質を負極活物質として含み、第2の温度領域に配置される。第2の活物質の作動電位は、第1の活物質の作動電位より高い。第2の温度は、第1の温度より低い。このため、蓄電池2では、第2の電池が、第1の電池よりも温度が低い領域において使用される。したがって、蓄電池2を低温環境で使用する際に、電池A及び電池Bの適切な使用温度が確保される。よって、低温環境において蓄電池2を使用する際に、簡便な構成で蓄電池2を形成する電池A,Bのそれぞれを適切な使用温度で使用可能になる。また、蓄電池2おいて電池A,Bが適切な使用温度で使用可能になるため、電池A,Bと別にヒーターなどの加温機構を蓄電池2に設ける必要がない。
本実施形態では、蓄電池2において、少なくとも1つの電池(第2の電池)Bが、電池(第1の電池)Aに対して外周側に配置される。このため、低温環境において蓄電池2を使用する場合、電池Bが低温である外部環境に近い位置に配置され、電池Aは低温である外部環境から比較的離れた位置に配置される。よって、電池Bの配置される領域(第2の温度の領域)に比べ、電池Aが配置される領域(第1の温度の領域)では、外部環境へ熱が放熱されにくく、温度が低くなりにくい。これにより、蓄電池2において電池A,Bのそれぞれを適切な使用温度において使用することができる。
本実施形態では、蓄電池2において、電池(第1の電池)Aと電池(第2の電池)Bとの間に形成される隙間は、電池A同士及び電池B同士の間に形成される隙間よりも、狭いことが好ましい。これにより、蓄電池2の使用時において、電池Aと電池Bとの間では、熱がより効率的に伝導される。よって、電池Aは、電池Bにより、効率的に温められる。また、本実施形態では、蓄電池2において、電池Aと電池Bとの間に形成される隙間に、空気よりも熱伝導率が高い部材が設けられることが好ましい。これにより、蓄電池2の使用時において、電池Aと電池Bとの間では、熱がさらに効率的に伝導される。よって、電池Aは、電池Bにより、さらに効率的に温められる。
本実施形態では、前述のような処理が行われるため、コントローラ10は、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満であることに基づいて、電池(第1の電池)Aの充電及び放電を停止させる。このため、低温環境で蓄電池2を充電又は放電している状態では、電池A(電池モジュールX)における電力の入力及び出力は、停止される。したがって、低温環境で蓄電池2を充電又は放電している状態では、電池Aのそれぞれが充電されない。これにより、低温環境での急速充電において負極にリチウム金属等が析出し易い電池Aの充電及び放電停止され、蓄電池2の充電及び放電が適切に制御される。
本実施形態では、コントローラ10は、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であることに基づいて、電池(第1の電池)Aを充電又は放電させる。このため、低温環境からある程度温度が上昇した環境で蓄電池2が使用されている状態では、電池Aのそれぞれから電力が出力される。これにより、電池Aが適切な使用温度で使用される状態に、蓄電池2の充電及び放電が制御される。
本実施形態では、コントローラ10は、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満である場合は、電池(第2の電池)Bを充電又は放電させる。このため、低温環境で蓄電池2を充電又は放電している状態では、電池B(電池モジュールY)において電力が入力又は出力される。電池Bのそれぞれは、低温環境においても、大電流を出力可能であり、大電流で放電可能である。また、電池Bのそれぞれは、低温環境においても、大電流を入力可能であり、大電流で充電可能である。したがって、低温環境で蓄電池2が使用される状態でも、蓄電池2における入力特性及び出力特性が確保される。
本実施形態では、蓄電池2の使用開始から温度閾値Tthに基づく初回の判定までは、コントローラ10は、電池(第1の電池)Aの充電及び放電を停止させる。実際に、前述のような充放電制御が行われる蓄電池2は、使用開始時及び使用開始直後の温度は低温である。このため、使用開始時及び使用開始直後において電池Aの充電及び放電が停止されることにより、電池Aは適切な使用温度の範囲外では使用されない。これにより、低温環境等での蓄電池2の充電及び放電において、蓄電池2を形成する電池A,Bのそれぞれをより適切に使用することができる。
(変形例)
ある変形例では、温度が温度閾値Tth以上である場合において(S105-Yes)、コントローラ10は、S108及びS109の処理の代わりに、電池(第1の電池)Aの充電又は放電を行い、電池(第2の電池)Bの充電又は放電を停止させてもよい。この場合、電池Bは、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満の場合に、充電又は放電される。本変形例でも、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満であることに基づいて、電池Aの充電及び放電が停止され、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であることに基づいて、電池Aが充電又は放電される。このため、本変形例でも、第1の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
また、ある変形例では、コントローラ10によって、複数の電池Aは、互いに対して独立して充電及び放電が制御され、複数の電池Bは、互いに対して独立して充電及び放電が制御されてもよい。このため、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、複数の電池Aの一部のみを充電又は放電させ、複数の電池Aの残りの一部の充電及び放電を停止させることが可能である。同様に、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、複数の電池Bの一部のみを充電又は放電させ、複数の電池Bの残りの一部の充電及び放電を停止させることが可能である。この場合、計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、電池Aのそれぞれの温度を計測する。コントローラ10は、電池Aのそれぞれの温度及び前述の温度閾値Tthに基づいて、駆動回路11の駆動を制御し、蓄電池2の充電及び放電を制御する。すなわち、温度が温度閾値Tth未満である電池Aでは、充電及び放電が停止され、温度が温度閾値Tth以上である電池Aは、充電又は放電される。このため、本変形例でも、第1の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
前述の実施形態によれば、蓄電池は、1つ以上の第1の電池と、1つ以上の第2の電池と、を具備する。第1の電池は、第1の活物質を負極活物質として含み、第1の温度の領域に配置される。第2の電池は、第1の活物質の作動電位より作動電位が高い第2の活物質を負極活物質として含み、第1の温度より低い第2の温度の領域に配置される。これにより、低温環境において蓄電池を使用する際に、簡便な構成で蓄電池を形成する電池のそれぞれを適切に使用可能にする蓄電池及び制御システムが提供される。
前述の少なくとも一つの実施形態は、制御システムは、前述の蓄電池と、充放電制御装置と、を備える。充放電制御装置は、蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラを備える。コントローラは、1つ以上の第2の電池について、温度が温度閾値未満であることに基づいて、充電及び放電を停止させる。そして、1つ以上の第2の電池について、温度が温度閾値以上であることに基づいて、充電又は放電させる。これにより、低温環境において蓄電池を使用する際に、簡便な構成で蓄電池の電池のそれぞれを適切に使用可能にする蓄電池及び制御システムが提供される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下、付記を記載する。
[1]第1の活物質を負極活物質として含み、第1の温度の領域に配置される1つ以上の第1の電池と、
前記第1の活物質の作動電位より作動電位が高い第2の活物質を負極活物質として含み、前記第1の温度より低い第2の温度の領域に配置される1つ以上の第2の電池と、
を具備する、蓄電池。
[2][1]に記載の蓄電池と、
前記蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラを備える充放電制御装置と、
を具備する制御システム。
[3]前記コントローラは、前記蓄電池の温度が温度閾値未満であることに基づいて、前記第1の電池の充電及び放電を停止させる、
[2]に記載の制御システム。
[4]前記コントローラは、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合は、前記第2の電池のみを充電又は放電させるとともに、前記第1の電池の充電及び放電を停止させ、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上である場合は、前記第1の電池及び前記第2の電池を充電又は放電させる、
[3]に記載の制御システム。
[5]前記蓄電池には、前記第1の電池が複数設けられ、
複数の前記第1の電池は、全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに切り替わり可能であり、
前記コントローラは、前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合には、複数の前記第1の電池の全てにおいて充電及び放電を停止させる、
[3]又は[4]に記載の制御システム。
[6]前記蓄電池には、前記第2の電池が複数設けられ、
複数の前記第2の電池は、全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに切り替え可能であり、
前記コントローラは、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合は、複数の前記第2の電池の全てにおいて充電又は放電させるとともに、複数の前記第1の電池の全てにおいて充電及び放電を停止させ、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上である場合は、複数の前記第1の電池の全て及び複数の前記第2の電池の全てを充電又は放電させる、
[5]に記載の制御システム。
[7]前記コントローラは、前記蓄電池の1箇所における温度の計測値、前記蓄電池の複数個所における温度の計測値の中で最も低い最低値、及び、前記蓄電池の複数個所における温度の計測値を平均した平均値のいずれか1つを、前記蓄電池の前記温度として取得することをさらに具備する、
[3]~[6]のいずれか1項に記載の制御システム。
[8]前記蓄電池が搭載される電池搭載機器をさらに具備する、
[2]~[7]のいずれか1項に記載の制御システム。
1…制御システム、2…蓄電池、3…充放電制御装置、5…電池搭載機器、10…コントローラ、A…電池(第1の電池)、B…電池(第2の電池)、X…電池モジュール(第1の電池モジュール)、Y…電池モジュール(第2の電池モジュール)。

Claims (6)

  1. 蓄電池と、
    前記蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラを備える充放電制御装置と、
    を具備し、
    前記蓄電池は、炭素質物を負極活物質として含1つ以上の第1の電池と、前記炭素質物の作動電位より作動電位が高い活物質であるチタン含有酸化物を負極活物質として含む1つ以上の第2の電池と、を備え、
    前記蓄電池では、前記第2の電池によって、前記第1の電池の外周側が囲まれ、
    前記充放電制御装置の前記コントローラは、前記蓄電池の温度が温度閾値未満であることに基づいて、前記第1の電池の充電及び放電を停止させ、
    前記コントローラは、前記蓄電池の使用開始から前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満であるか否かの初回の判定までの間は、前記第2の電池のみを充電又は放電させるとともに、前記第1の電池の充電及び放電を停止させる、
    制御システム。
  2. 前記コントローラは、
    前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合は、前記第2の電池のみを充電又は放電させるとともに、前記第1の電池の充電及び放電を停止させ、
    前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上である場合は、前記第1の電池及び前記第2の電池を充電又は放電させる、
    請求項1に記載の制御システム。
  3. 前記蓄電池には、前記第1の電池が複数設けられ、
    複数の前記第1の電池は、全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに切り替わり可能であり、
    前記コントローラは、前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合には、複数の前記第1の電池の全てにおいて充電及び放電を停止させる、
    請求項1又は2に記載の制御システム。
  4. 前記蓄電池には、前記第2の電池が複数設けられ、
    複数の前記第2の電池は、全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに切り替え可能であり、
    前記コントローラは、
    前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合は、複数の前記第2の電池の全てにおいて充電又は放電させるとともに、複数の前記第1の電池の全てにおいて充電及び放電を停止させ、
    前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上である場合は、複数の前記第1の電池の全て及び複数の前記第2の電池の全てを充電又は放電させる、
    請求項3に記載の制御システム。
  5. 前記コントローラは、前記蓄電池の1箇所における温度の計測値、前記蓄電池の複数個所における温度の計測値の中で最も低い最低値、及び、前記蓄電池の複数個所における温度の計測値を平均した平均値のいずれか1つを、前記蓄電池の前記温度として取得することをさらに具備する、
    請求項1~4のいずれか1項に記載の制御システム。
  6. 前記蓄電池が搭載される電池搭載機器をさらに具備する、
    請求項1~5のいずれか1項に記載の制御システム。
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