JP7509014B2

JP7509014B2 - 二次電池システム

Info

Publication number: JP7509014B2
Application number: JP2020201298A
Authority: JP
Inventors: 大栗田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2024-07-02
Anticipated expiration: 2040-12-03

Description

本発明は、互いに並列接続される複数の二次電池を備える二次電池システムに関する。

二次電池システムとして、互いに並列接続される複数の二次電池の充電中において、各二次電池それぞれに流れる電流が互いに等しくなるように、各二次電池のそれぞれの温度を調整するものがある。この二次電池システムによれば、各二次電池の充電中において、各二次電池に流れる電流のばらつきを抑えることができるため、各二次電池に流れる電流のうちの一部の電流が定格電流以下に制限されることで各二次電池全体に流れる電流が減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。関連する技術として、特許文献１がある。

ところで、二次電池の充電方法として、二次電池の電圧が終止電圧に上昇するまで二次電池に一定の電流を流した後、二次電池の電圧を終止電圧に保ちつつ二次電池に流れる電流を終止電流まで徐々に下げるものがある。

しかしながら、上記二次電池システムでは、このように終止電圧や終止電流を用いて各二次電池を充電する場合で、かつ、各二次電池の温度のばらつきが比較的大きい場合において、一部の二次電池の温度が他の二次電池の温度に比べて高く一部の二次電池の内部抵抗が他の二次電池の内部抵抗に比べて低いと、各二次電池の全体の電圧を終止電圧に保っているときに一部の二次電池に流れる電流が他の二次電池に流れる電流に比べて大きくなり、充電終了時の一部の二次電池が過充電状態になり劣化するおそれがある。また、上記二次電池システムでは、終止電圧や終止電流を用いて各二次電池を充電する場合で、かつ、各二次電池の温度のばらつきが比較的大きい場合において、一部の二次電池の温度が他の二次電池の温度に比べて低く一部の二次電池の内部抵抗が他の二次電池の内部抵抗に比べて高いと、各二次電池の全体の電圧を終止電圧に保っているときに一部の二次電池に流れる電流が他の二次電池に流れる電流に比べて小さくなり、充電終了時の一部の二次電池の充電量が目標の充電量まで充電されないおそれがある。

国際公開第２０１７／２０３９８５号

本発明の一側面に係る目的は、互いに並列接続される複数の二次電池を備える二次電池システムにおいて、充電時間が増大することや一部の二次電池が劣化することを抑えつつ、一部の二次電池の充電量が目標の充電量まで充電されないことを抑えることである。

本発明に係る一つの形態である二次電池システムは、互いに並列接続される複数の二次電池と、前記複数の二次電池それぞれを加熱または冷却する複数の温度調整部と、前記複数の温度調整部の動作を制御する制御部とを備える。

前記制御部は、前記複数の二次電池の充電中、前記複数の二次電池の全体の充電量が閾値以下である場合、または、前記充電量が前記閾値より大きい場合で、かつ、前記複数の二次電池それぞれの温度が所定温度範囲内である場合、前記複数の二次電池それぞれに流れる電流が互いに等しくなるように前記複数の温度調整部の動作を制御し、前記複数の二次電池の充電中、前記充電量が前記閾値より大きい場合で、かつ、前記複数の二次電池それぞれの温度の少なくとも１つの温度が前記所定温度範囲外である場合、前記複数の二次電池それぞれの温度が前記所定温度範囲内に収まるように前記複数の温度調整部の動作を制御する。

これにより、充電量が閾値以下である場合、または、充電量が閾値より大きい場合で、かつ、各温度が所定温度範囲内である場合、各二次電池に流れる電流のばらつきを抑えることができるため、各二次電池に流れる電流のうちの一部の電流が他の電流に比べて小さくなることで各二次電池全体に流れる電流が減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。また、充電量が閾値より大きい場合で、かつ、少なくとも１つの温度が所定温度範囲外である場合、各二次電池それぞれに流れる電流を所定電流範囲内に収めることができるため、充電終了時の一部の二次電池が過充電状態になり劣化することを抑えることができるとともに、充電終了時の一部の二次電池の充電量が目標の充電量まで充電されないことを抑えることができる。

また、前記制御部は、前記複数の二次電池の充電中、前記複数の二次電池に流れる全体の電流を一定に保った後、前記複数の二次電池の全体の電圧を一定に保って充電するように構成してもよい。これにより、各二次電池の充電状態が満充電状態に近づいた状態で各二次電池の全体の電圧を正確に制御することができる。

本発明によれば、互いに並列接続される複数の二次電池を備える二次電池システムにおいて、充電時間が増大すること、一部の二次電池が劣化すること、及び一部の二次電池の充電量が目標の充電量まで充電されないことを抑えることができる。

実施形態の二次電池システムの一例を示す図である。充電中の二次電池の電圧と二次電池に流れる電流の一例を示す図である。制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、実施形態の二次電池システムの一例を示す図である。

図１に示す二次電池システム１は、フォークリフトや電気自動車などの車両Ｖｅに搭載される。

また、二次電池システム１は、二次電池Ｂ１、Ｂ２と、温度検出部２１、２２と、温度調整部３１、３２と、電圧検出部４と、電流検出部５１、５２と、制御部６とを備える。

なお、二次電池Ｂ１、Ｂ２を特に区別しない場合、単に、二次電池Ｂとする。また、二次電池システム１に備えられる二次電池Ｂの数は２つに限らず、３つ以上でもよい。

また、温度検出部２１、２２を特に区別しない場合、単に、温度検出部２とする。また、二次電池システム１に備えられる温度検出部２の数は２つに限らず、二次電池Ｂと同じ数であれば３つ以上でもよい。

また、温度調整部３１、３２を特に区別しない場合、単に、温度調整部３とする。また、二次電池システム１に備えられる温度調整部３の数は２つに限らず、二次電池Ｂと同じ数であれば３つ以上でもよい。

また、電流検出部５１、５２を特に区別しない場合、単に、電流検出部５とする。また、二次電池システム１に備えられる電流検出部５の数は２つに限らず、二次電池Ｂと同じ数であれば３つ以上でもよい。

二次電池Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池などの１つ以上の充放電可能な電池により構成される。また、二次電池Ｂ１、Ｂ２は互いに並列接続されている。また、二次電池Ｂ１、Ｂ２は、走行用モータなどの負荷Ｌｏに電力を供給する。また、二次電池Ｂ１、Ｂ２は、車両Ｖｅの外部に設けられる不図示の充電器から供給される電力により充電される。

温度検出部２１、２２は、それぞれ、サーミスタなどにより構成される。温度検出２１は、二次電池Ｂ１の温度Ｔ１を検出し、その検出した温度Ｔ１を制御部６に送る。また、温度検出部２２は、二次電池Ｂ２の温度Ｔ２を検出し、その検出した温度Ｔ２を制御部６に送る。

温度調整部３１、３２は、それぞれ、ヒータやファンなどにより構成される。温度調整部３１は、二次電池Ｂ１をヒータにより温めることにより二次電池Ｂ１の温度Ｔ１を上昇させ、二次電池Ｂ１をファンにより冷やすことにより二次電池Ｂ１の温度Ｔ１を低下させる。また、温度調整部３２は、二次電池Ｂ２をヒータにより温めることにより二次電池Ｂ２の温度Ｔ２を上昇させ、二次電池Ｂ２をファンにより冷やすことにより二次電池Ｂ２の温度Ｔ２を低下させる。

電圧検出部４は、電圧計などにより構成される。また、電圧検出部４は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖを検出し、その検出した電圧Ｖを制御部６に送る。

電流検出部５１、５２は、それぞれ、電流計などにより構成される。電流検出部５１は、二次電池Ｂ１に流れる電流Ｉ１を検出し、その検出した電流Ｉ１を制御部６に送る。また、電流検出部５２は、二次電池Ｂ２に流れる電流Ｉ２を検出し、その検出した電流Ｉ２を制御部６に送る。

制御部６は、マイクロコンピュータなどにより構成され、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖと、二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉとを用いて、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電制御を行う。なお、制御部６は、電流Ｉ１と電流Ｉ２との合計を二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉとする。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、それぞれ、充電中の二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖ及び二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉの一例を示す図である。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電圧または電流を示している。また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す実線は二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖを示し、破線は二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉを示している。

例えば、図２（ａ）に示すように、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが終止電圧ＶＴに上昇するまで二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉを一定電流Ｉｃに保ち、その後、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖを終止電圧ＶＴに一定に保ちつつ二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉを終止電流ＩＴまで徐々に下げる。以下、この充電方法を、定電流定電圧充電方法という。これにより、各二次電池の充電状態が満充電状態に近づいた状態で各二次電池の全体の電圧を正確に制御することができる。

または、図２（ｂ）に示すように、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが終止電圧ＶＴに上昇するまで二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉを一定電流Ｉｃ１に保った後、一時的に電流Ｉをゼロにし、次に、電圧Ｖが終止電圧ＶＴに上昇するまで電流Ｉを一定電流Ｉｃ２に保った後、一時的に電流Ｉをゼロにし、次に、電圧Ｖが終止電圧ＶＴに上昇するまで電流Ｉを一定電流Ｉｃ３に保った後、一時的に電流Ｉをゼロにし、最後に、電流Ｉを終止電流ＩＴに一時的に保った後、電流Ｉをゼロにする。なお、一定電流Ｉｃ１＞一定電流Ｉｃ２＞一定電流Ｉ３とする。すなわち、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが終止電圧ＶＴに上昇するまで二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる全体の電流Ｉを一定電流Ｉｃに保った後、一時的に電流Ｉをゼロにすることを繰り返すとともに、一定電流Ｉｃを終止電流ＩＴまで徐々に小さくする。以下、この充電方法を、定電流多段充電方法という。

また、図１に示す制御部６は、温度Ｔ１、Ｔ２と、電圧Ｖと、電流Ｉ１、Ｉ２とを用いて、温度調整部３１、３２の動作を制御する。

図３は、温度調整部３１、３２の動作制御を行う際の制御部６の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電を開始すると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電量として二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖを取得する（ステップＳ２）。例えば、制御部６は、二次電池システム１の外部（例えば、車両Ｖｅの走行を制御する不図示の走行制御部）から送られてくる充電開始指示を受け取ると、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電を開始する。

次に、制御部６は、充電量が閾値以下である場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、電流Ｉ１、Ｉ２を取得し（ステップＳ４）、電流Ｉ１、Ｉ２が互いに等しくなるように温度調整部３１、３２のそれぞれの動作を制御する（ステップＳ５）。例えば、制御部６は、電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ以下である場合で、かつ、電流Ｉ１が電流Ｉ２より小さい場合、電流Ｉ２が電流Ｉ１まで小さくなるように、温度調整部３２により二次電池Ｂ２の温度Ｔ２を低下させる。または、制御部６は、電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ以下である場合で、かつ、電流Ｉ１が電流Ｉ２より小さい場合、電流Ｉ１が電流Ｉ２まで大きくなるように、温度調整部３１により二次電池Ｂ１の温度Ｔ１を上昇させる。なお、閾値Ｖｔｈは、ユーザなどにより任意に設定される、終止電圧ＶＴ以下の電圧である。

また、制御部６は、充電量が閾値より大きい場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、温度Ｔ１、Ｔ２を取得し（ステップＳ６）、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内である場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、電流Ｉ１、Ｉ２を取得し（ステップＳ４）、電流Ｉ１、Ｉ２が互いに等しくなるように温度調整部３１、３２の動作を制御する（ステップＳ５）。なお、所定温度範囲は、例えば、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが一定電圧（終止電圧ＶＴなど）に保たれているときで、かつ、二次電池Ｂ１、Ｂ２それぞれに流れる電流Ｉ１、Ｉ２が所定電流範囲内に収まっているときの二次電池Ｂ１、Ｂ２それぞれの温度の最小値から最大値までの範囲とする。また、所定電流範囲は、二次電池Ｂを劣化させることなく、目標充電時間内で二次電池Ｂの充電量を目標の充電量まで充電する場合において、二次電池Ｂに流れる電流の最小値から最大値までの範囲とする。

また、制御部６は、充電量が閾値より大きい場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、温度Ｔ１、Ｔ２を取得し（ステップＳ６）、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲外である場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内に収まるように温度調整部３１、３２の動作を制御する（ステップＳ８）。例えば、制御部６は、温度Ｔ１が所定温度範囲内であり、温度Ｔ２が所定温度範囲の最大値より大きい場合、温度Ｔ２が所定温度範囲内に収まるように、温度調整部３２により二次電池Ｂ２の温度を低下させる。また、制御部６は、温度Ｔ１が所定温度範囲の最小値より小さく、温度Ｔ２が所定温度範囲内である場合、温度Ｔ１が所定範囲内に収まるように、温度調整部３１により二次電池Ｂ１の温度を上昇させる。なお、温度Ｔ１、Ｔ２のうちの少なくとも１つの温度が所定温度範囲外である場合、閾値Ｖｔｈが大きくなるほど、電流Ｉ１、Ｉ２のばらつきを抑える期間が、温度Ｔ１、Ｔ２を所定温度範囲内に収める期間に比べて増加する。また、温度Ｔ１、Ｔ２のうちの少なくとも１つの温度が所定温度範囲外である場合、閾値Ｖｔｈが小さくなるほど、温度Ｔ１、Ｔ２を所定温度範囲内に収める期間が、電流Ｉ１、Ｉ２のばらつきを抑える期間に比べて増加する。

そして、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電が終了していない場合（ステップＳ９：Ｎｏ）、ステップＳ２の処理に戻り、再度、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電量を取得し、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電が終了すると（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、温度調整部３１、３２の動作制御処理を終了する。

なお、ステップＳ２において、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電量として二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電率を取得するように構成してもよい。このように構成する場合、二次電池Ｂ１の満充電容量に対する現在の充電容量の割合を示す充電率と、二次電池Ｂ２の満充電容量に対する現在の充電容量の割合を示す充電率との合計を、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電率とする。または、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖに対応する充電率を、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電率とする。

ここで、図２（ａ）に示すように、定電流定電圧充電方法により二次電池Ｂ１、Ｂ２を充電する場合を想定する。

この場合、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ以下になる期間ａ１において、電流Ｉ１、Ｉ２が互いに等しくなるように温度調整部３１、３２の動作を制御する。これにより、期間ａ１において、電流Ｉ１、Ｉ２のうちの一部の電流が他の電流に比べて小さくなることで二次電池Ｂ１、Ｂ２全体に流れる電流Ｉが減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。

また、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈより大きくなる期間ａ２において、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内である場合、電流Ｉ１、Ｉ２が互いに等しくなるように温度調整部３１、３２の動作を制御する。これにより、期間ａ２において、電流Ｉ１、Ｉ２のうちの一部の電流が他の電流に比べて小さくなることで二次電池Ｂ１、Ｂ２全体に流れる電流Ｉが減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。また、期間ａ２において、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内であり、電流Ｉ１、Ｉ２が所定電流範囲内に収まっているため、二次電池Ｂ１、Ｂ２を劣化させないようにすることができるとともに、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電量を目標の充電量まで充電させることができる。

また、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈより大きくなる期間ａ２において、温度Ｔ１、Ｔ２の少なくとも１つが所定温度範囲外である場合、温度Ｔ１、Ｔ２がそれぞれ所定温度範囲内になるように温度調整部３１、３２の動作を制御する。これにより、期間ａ３において、電流Ｉ１、Ｉ２を所定電流範囲内に収めることができるため、二次電池Ｂ１、Ｂ２を劣化させないようにすることができるとともに、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電量を目標の充電量まで充電させることができる。

また、図２（ｂ）に示すように、定電流多段充電方法により二次電池Ｂ１、Ｂ２を充電する場合を想定する。

この場合、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ以下である期間ｂ１及び期間ｂ３において、電流Ｉ１、Ｉ２が互いに等しくなるように温度調整部３１、３２の動作を制御する。これにより、期間ｂ１及び期間ｂ３において、電流Ｉ１、Ｉ２のうちの一部の電流が他の電流に比べて小さくなることで二次電池Ｂ１、Ｂ２全体に流れる電流Ｉが減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。

また、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈより大きい期間ｂ２及び期間ｂ４において、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内である場合、電流Ｉ１、Ｉ２が互いに等しくなるように温度調整部３１、３２の動作を制御する。これにより、期間ｂ２及び期間ｂ４において、電流Ｉ１、Ｉ２のうちの一部の電流が他の電流に比べて小さくなることで二次電池Ｂ１、Ｂ２全体に流れる電流Ｉが減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。また、期間ｂ２及び期間ｂ４において、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内であり、電流Ｉ１、Ｉ２が所定電流範囲内に収まっているため、二次電池Ｂ１、Ｂ２を劣化させないようにすることができるとともに、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電量を目標の充電量まで充電させることができる。

また、制御部６は、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の電圧Ｖが閾値Ｖｔｈより大きい期間ｂ２及び期間ｂ４において、温度Ｔ１、Ｔ２の少なくとも１つが所定温度範囲外である場合、温度Ｔ１、Ｔ２がそれぞれ所定温度範囲内になるように温度調整部３１、３２の動作を制御する。これにより、期間ｂ２及び期間ｂ４において、電流Ｉ１、Ｉ２を所定電流範囲内に収めることができるため、二次電池Ｂ１、Ｂ２を劣化させないようにすることができるとともに、二次電池Ｂ１、Ｂ２の充電量を目標の充電量まで充電させることができる。

このように実施形態の二次電池システム１では、二次電池Ｂ１、Ｂ２の全体の充電量が閾値以下である場合、または、充電量が閾値より大きい場合で、かつ、温度Ｔ１、Ｔ２が所定温度範囲内である場合、二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる電流Ｉ１、Ｉ２のばらつきを抑えることができるため、二次電池Ｂ１、Ｂ２に流れる電流Ｉ１、Ｉ２のうちの一部の電流が他の電流に比べて小さくなることで二次電池Ｂ１、Ｂ２全体に流れる電流Ｉが減少することを抑えることができ、充電時間が増大することを抑えることができる。

また、実施形態の二次電池システム１では、充電量が閾値より大きい場合で、かつ、温度Ｔ１、Ｔ２のうちの少なくとも１つの温度が所定温度範囲外である場合、二次電池Ｂ１、Ｂ２それぞれに流れる電流Ｉ１、Ｉ２を所定電流範囲内に収めることができるため、充電終了時の一部の二次電池Ｂが過充電状態になり劣化することを抑えることができるとともに、充電終了時の一部の二次電池Ｂの充電量が目標の充電量まで充電されないことを抑えることができる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１二次電池システム
２１、２２温度検出部
３１、３２温度調整部
４電圧検出部
５１、５２電流検出部
６制御部

Claims

互いに並列接続される複数の二次電池と、
前記複数の二次電池それぞれを加熱または冷却する複数の温度調整部と、
前記複数の温度調整部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記複数の二次電池の充電中、前記複数の二次電池の全体の充電量が閾値以下である場合、または、前記充電量が前記閾値より大きい場合で、かつ、前記複数の二次電池それぞれの温度が所定温度範囲内である場合、前記複数の二次電池それぞれに流れる電流が互いに等しくなるように前記複数の温度調整部の動作を制御し、
前記複数の二次電池の充電中、前記充電量が前記閾値より大きい場合で、かつ、前記複数の二次電池それぞれの温度の少なくとも１つの温度が前記所定温度範囲外である場合、前記複数の二次電池それぞれの温度が前記所定温度範囲内に収まるように前記複数の温度調整部の動作を制御する
ことを特徴とする二次電池システム。
前記制御部は、前記複数の二次電池の充電中、前記複数の二次電池に流れる全体の電流を一定に保った後、前記複数の二次電池の全体の電圧を一定に保って充電する
ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池システム。