WO2021260936A1 - 電池システム、制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施形態に係る電池システム1の概略構成の一例を示すブロック図である。
図2は、2次電池セル10の概略構成の一例を示す図である。図2に示すように、2次電池セル10は、正極11、負極活物質を有しない負極12及び正極11と負極12との間に配置されたセパレータ13等が外装体14内に封止されたパウチセルであり、正極11及び負極12にそれぞれ接続された正極端子15、負極端子16が外装体14の外部に延出して外部回路に接続できるように構成されている。2次電池セル10の上面及び下面は平面であり、その形状は、方形であるが、これに限定されるものではなく、用途等に応じて任意の形状(例えば、円形等)にすることができる。
正極11としては、一般的に2次電池に用いられるものであれば、特に限定されないが、2次電池の用途及びキャリア金属の種類によって、公知の材料を適宜選択することができる。2次電池の安定性及び出力電圧を高める観点から、正極11は、好ましくは正極活物質を有する。
負極12は、負極活物質を有しないものである。負極活物質を有する負極を備える電池は、その負極活物質の存在に起因して、エネルギー密度を高めることが困難である。一方、本実施形態の2次電池セル10は負極活物質を有しない負極12を備えるため、そのような問題が生じない。すなわち2次電池セル10は、金属が負極12の表面に析出し、及び、その析出した金属が溶解することによって充放電が行われるため、エネルギー密度が高い。
セパレータ13は、正極11と負極12を隔離して短絡を防ぎつつ、正極11と負極12との間の電荷キャリアとなる金属イオンのイオン伝導性を確保する部材であり、金属イオンと反応しない部材により構成される。電解液を用いる場合には、セパレータ13は当該電解液を保持する役割も担う。
2次電池セル10は、電解液を有していてもよい。電解液は、セパレータ13に浸漬させる。この電解液は、電解質を溶媒に溶解させて作った、イオン伝導性を有する溶液であり、リチウムイオンの導電経路として作用する。このため、電解液を有することにより、2次電池セル10の内部抵抗が低下し、エネルギー密度及びサイクル特性を向上できる。
外装体14は、2次電池セル10の正極11,負極12、セパレータ13、電解液等を収容して密閉封止するものであり、材料としては、例えば、ラミネートフィルムが用いられる。
正極端子15は、一端が正極11の上面(セパレータ13に対向する面と反対側の面)に接続され、外装体14の外部に延出して、他端が外部回路(図示せず)に接続される。負極端子16は、一端が負極12の下面(セパレータ13に対向する面と反対側の面)に接続され、外装体14の外部に延出して、他端が外部回路(図示せず)に接続される。正極端子15、負極端子16の材料としては、導電性のあるものであれば特に限定されないが、例えば、Al、Ni等が挙げられる。
ここで、図2に示された構成を有する2次電池セル10を製作した上で、充電レート及び放電レートを様々な値に設定して充放電サイクルを繰り返す実験を行った。製作した2次電池セル10の概要は、以下のとおりである。正極には、面積約16cm2、厚さ約75μmのLiNi2-xAlxO2(x=0.01~0.5)を用いた。負極には、面積約25cm2、厚さ約8μmの銅箔(Cu箔)を用いた。セパレータには、PvDFをコートした微多孔性ポリエチレンフィルムを用いた。電解液には、体積比80%のジメトキシエタン(DME)と、体積比20%のフッ素化エーテルとに、1molのLiN(SO2F)2を混合したものを用いた。
図4は、BMS400の機能構成の一例を示すブロック図である。本実施形態に係るBMS400は、上述の実験結果等を踏まえて、例えば、充電制御においては充電レートが低くなるようにスイッチ120等を制御し、放電制御においては放電レートが高くなるようにスイッチ120等を制御することが可能である。
充電状態算出部411は、例えば所定の周期毎に、電流センサ130から取得した電池ユニット110の電流値及び電圧センサ140から取得した電池ユニット110の電圧値に基づいて、2次電池セル10の充電状態を算出し、算出した充電状態を充電制御部430及び/又は放電制御部440等に供給する。ここで、充電状態は、2次電池セル10の充電の状態を示す任意の情報であってよいが、例えば、満充電容量に対する現在の残容量を百分率で示したSOC(State of Charge)を含んでもよい。
設定記憶部420は、BMS400による制御に関する各種の設定事項を記憶する。例えば、設定記憶部420は、2次電池セル10の充電制御の具体的内容を規定した充電計画を記憶する。また、例えば、設定記憶部420は、2次電池セル10の放電制御の具体的内容を規定した放電計画を記憶する。これら充電計画及び放電計画は、それぞれ任意に設定可能であってよい。
充電制御部430は、例えば設定記憶部420に記憶された充電計画に基づいて、充電制御を実行する。充電制御部430は、例えば、第1スイッチ制御部431と、バッファキャパシタ制御部432とを含む。
(充電制御)
図5は、BMS400による充電制御の動作フローの一例を示す図である。当該動作処理は、主に充電制御部430が、設定記憶部412に記憶された充電計画に基づいて実行する。
まず、バッファキャパシタ制御部432は、充電器200の供給電流の電流値を電流センサ201から取得した上で、当該供給電流が充電計画に含まれる第1閾値以上であるか否かを判定する。取得された充電器200の供給電流が第1閾値以上でないと判定された場合(S101;No)、処理はS103に進む。
取得された充電器200の供給電流が第1閾値以上であると判定された場合(S101;Yes)、バッファキャパシタ制御部432は、バッファキャパシタ160に制御信号を供給することにより、当該供給電流を低減させて各電池ユニット110に供給する。
次に、第1スイッチ制御部431は、充電状態算出部411から供給される電池ユニット110の充電状態に基づいて、全ての電池ユニット110が充電済みか否かを判定する。例えば、電池ユニット110の充電状態が所定の閾値(第5閾値)以上である場合、当該電池ユニット110については充電済みであると判定する。当該第5閾値は特に限定されないが、例えば、80%、85%、90%、95%、99%等であってよい。
全ての電池ユニット110が充電済みと判定された場合(S103;Yes)、第1スイッチ制御部431は、電池パック100が含む全てのスイッチ120に対して制御信号を供給することにより、全てのスイッチ120を第2状態に切り替える。これにより、当該全てのスイッチ120が第2状態となり、処理が終了する。
全ての電池ユニット110が充電済みであると判定されなかった場合(S103;No)、第1スイッチ制御部431は、充電計画に基づいて、電池パック100に含まれるスイッチ120のうち、S103で充電状態が所定の閾値(第5閾値)以上であると判定されなかった電池ユニット110に対応するスイッチ120からa個(aは2以上の整数)のスイッチ120を選択する。当該選択の基準は特に限定されないが、例えば、スイッチ120の充電状態、充電計画において予め設定されたスイッチ120の序列等を含んでもよい。
次に、第1スイッチ制御部431は、選択されたa個のスイッチ120を第1状態に切り替え、当該a個のスイッチ120以外のスイッチ120を第2状態に切り替える。これにより、電池パック100に供給される充電電流は、第1状態である当該a個のスイッチ120に供給される。
次に、第1スイッチ制御部431は、所定の第1切替条件が満たされるまで、充電を継続する。所定の第1切替条件が満たされると判定された場合(S107;Yes)、処理はステップS103に戻る。上述したとおり、所定の第1切替条件は、例えば、第1状態にあるスイッチ120に対応付けられた電池ユニット110の充電状態が所定の閾値(第2閾値)以上となったことを含んでもよい。また、所定の第1切替条件は、例えば、第1状態にあるいずれかのスイッチ120が第2状態から第1状態に切り替わってから所定時間が経過したことを含んでもよい。
図6は、BMS400による放電制御の動作フローの一例を示す図である。当該動作処理は、主に放電制御部440が、設定記憶部412に記憶された放電計画に基づいて実行する。
まず、コンバータ制御部442は、負荷300の要求電流の電流値を電流センサ301から取得した上で、当該要求電流が放電計画に含まれる第2閾値以下であるか否かを判定する。取得された負荷300の要求電流が第3閾値以下でないと判定された場合(S201;No)、処理はS203に進む。
取得された負荷300の要求電流が第3閾値以下であると判定された場合(S201;Yes)、コンバータ制御部442は、コンバータ150に制御信号を供給することにより、各電池ユニット110からの放電電流を増加させて負荷300に供給する。
次に、第2スイッチ制御部441は、充電状態算出部411から供給される電池ユニット110の充電状態に基づいて、全ての電池ユニット110が放電済みか否かを判定する。例えば、電池ユニット110の充電状態が所定の閾値(第6閾値)以下である場合、当該電池ユニット110については放電済みであると判定する。当該第6閾値は特に限定されないが、例えば、1%、3%、5%、10%、20%、30%、40%、50%等であってよい。
全ての電池ユニット110が放電済みと判定された場合(S203;Yes)、第2スイッチ制御部441は、電池パック100が含む全てのスイッチ120に対して制御信号を供給することにより、全てのスイッチ120を第2状態に切り替える。これにより、当該全てのスイッチ120が第2状態となり、処理が終了する。
全ての電池ユニット110が放電済みであると判定されなかった場合(S203;No)、第2スイッチ制御部441は、放電計画に基づいて、電池パック100に含まれるスイッチ120のうち、S203で充電状態が所定の閾値(第6閾値)以下であると判定されなかった電池ユニット110に対応するスイッチ120からb個(bはaより小さい整数)のスイッチ120を選択する。当該選択の基準は特に限定されないが、例えば、スイッチ120の充電状態、放電計画において予め設定されたスイッチ120の序列等を含んでもよい。
次に、第2スイッチ制御部441は、選択されたb個のスイッチ120を第1状態に切り替え、当該b個のスイッチ120以外のスイッチ120を第2状態に切り替える。これにより、電池パック100から負荷300に供給される放電電流は、第1状態である当該b個のスイッチ120から供給される。
次に、第2スイッチ制御部441は、所定の第2切替条件が満たされるまで、放電を継続する。所定の第2切替条件が満たされると判定された場合(S207;Yes)、処理はステップS203に戻る。上述したとおり、所定の第2切替条件は、例えば、第1状態にあるスイッチ120に対応付けられた電池ユニット110の充電状態が所定の閾値(第4閾値)以下となったことを含んでもよい。また、所定の第2切替条件は、例えば、第1状態にあるいずれかのスイッチ120が第2状態から第1状態に切り替わってから所定時間が経過したことを含んでもよい。
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施形態のみに限定する趣旨ではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な変形が可能である。
Claims (16)
- 負極に負極活物質を含まない電池セルを少なくとも1つ含み、互いに並列に接続可能に配置された複数の電池ユニットと、
前記複数の電池ユニットの各々に対応付けて設けられ、電池ユニットが充電経路又は放電経路に接続された第1状態と、電池ユニットが充電経路及び放電経路のいずれにも接続されない第2状態との間を切り替え可能な複数のスイッチと、
前記複数のスイッチの切り替えを制御することにより、前記複数の電池ユニットの充電制御を実行する充電制御部と、
前記複数のスイッチの切り替えを制御することにより、前記複数の電池ユニットの放電制御を実行する放電制御部と、
を備える電池システムであって、
前記充電制御部は、前記複数のスイッチのうち選択されたa個(aは2以上の整数)のスイッチを同時に前記第1状態にし、且つ、前記複数のスイッチのうち前記a個のスイッチ以外のスイッチを同時に前記第2状態にする第1スイッチ制御部を含み、
前記放電制御部は、前記複数のスイッチのうち選択されたb個(bはaより小さい整数)のスイッチを同時に前記第1状態にし、且つ前記複数のスイッチのうち前記b個のスイッチ以外のスイッチを同時に前記第2状態にする第2スイッチ制御部を含む、電池システム。 - 前記複数の電池ユニットに対して直列に接続されるバッファキャパシタと、
前記複数の電池ユニットに接続される充電器から供給される供給電流が第1閾値以上である場合、前記供給電流の少なくとも一部を吸収することにより前記複数の電池ユニットに供給される電流を低減させるように前記バッファキャパシタを制御する、バッファキャパシタ制御部と、を更に備える、請求項1に記載の電池システム。 - 前記バッファキャパシタは、前記供給電流を前記第1閾値に低減する、請求項2に記載の電池システム。
- 前記第1スイッチ制御部は、所定の第1切替条件が満たされた場合、前記第1状態にある前記a個のスイッチから選択された1つのスイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替え、且つ、前記第2状態にある前記a個のスイッチ以外の前記スイッチから選択された1つのスイッチを前記第1状態に切り替える、請求項1から3のいずれか一項に記載の電池システム。
- 前記所定の第1切替条件は、前記第1状態にある前記a個のスイッチに対応付けられた少なくともいずれかの電池ユニットの充電状態が第2閾値以上となったことを含む、請求項4に記載の電池システム。
- 前記所定の第1切替条件は、前記第1状態にある前記a個のスイッチの少なくともいずれかが前記第2状態から前記第1状態に切り替わってから所定時間が経過したことを含む、請求項4又は5に記載の電池システム。
- 前記複数の電池ユニットに対して直列に接続されるコンバータと、
前記複数の電池ユニットに接続される負荷の要求電流が第3閾値以下である場合、前記複数の電池ユニット側の電圧を降圧して前記負荷側に印加することにより、前記複数の電池ユニットの放電電流を低減させて前記負荷に供給させるように前記コンバータを制御する、コンバータ制御部と、を更に備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の電池システム。 - 前記コンバータは、前記複数の電池ユニットの放電電流が前記第3閾値となるように、前記複数の電池ユニット側の電圧を降圧して前記負荷側に印加する、請求項7に記載の電池システム。
- 前記第2スイッチ制御部は、所定の第2切替条件が満たされた場合、前記第1状態にある前記b個のスイッチから選択された1つのスイッチを前記第1状態から前記第2状態に切り替え、且つ、前記第2状態にある前記b個のスイッチ以外の前記スイッチから選択された1つのスイッチを前記第1状態に切り替える、請求項1から8のいずれか一項に記載の電池システム。
- 前記所定の第2切替条件は、前記第1状態にある前記b個のスイッチに対応付けられた少なくともいずれかの電池ユニットの充電状態が第4閾値以下となったことを含む、請求項9に記載の電池システム。
- 前記所定の第2切替条件は、前記第1状態にある前記b個のスイッチの少なくともいずれかが前記第2状態から前記第1状態に切り替わってから所定時間が経過したことを含む、請求項9又は10に記載の電池システム。
- 前記複数の電池ユニットの数は、3以上である、請求項1から11のいずれか一項に記載の電池システム。
- 前記複数の電池ユニットの各々は、互いに並列に接続された3個の前記電池セルを含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の電池システム。
- 前記充電制御における各電池セルに対する充電レートに対する、前記放電制御における各電池セルに対する放電レートの割合は、2以上である、請求項1から13のいずれか一項に記載の電池システム。
- 負極に負極活物質を含まない電池セルを少なくとも1つ含み、互いに並列に接続可能に配置された複数の電池ユニットと、
前記複数の電池ユニットの各々に対応付けて設けられ、電池ユニットが充電経路又は放電経路に接続された第1状態と、電池ユニットが充電経路及び放電経路のいずれにも接続されない第2状態との間を切り替え可能な複数のスイッチと、を備える電池システムの制御装置であって、
前記複数のスイッチの切り替えを制御することにより、前記複数の電池ユニットの充電制御を実行する充電制御部と、
前記複数のスイッチの切り替えを制御することにより、前記複数の電池ユニットの放電制御を実行する放電制御部と、を備え、
前記充電制御部は、前記複数のスイッチのうち選択されたa個(aは2以上の整数)のスイッチを同時に前記第1状態にし、且つ、前記複数のスイッチのうち前記a個のスイッチ以外のスイッチを同時に前記第2状態にする第1スイッチ制御部を含み、
前記放電制御部は、前記複数のスイッチのうち選択されたb個(bはaより小さい整数)のスイッチを同時に前記第1状態にし、且つ前記複数のスイッチのうち前記b個のスイッチ以外のスイッチを同時に前記第2状態にする第2スイッチ制御部を含む、制御装置。 - 負極に負極活物質を含まない電池セルを少なくとも1つ含み、互いに並列に接続可能に配置された複数の電池ユニットと、
前記複数の電池ユニットの各々に対応付けて設けられ、電池ユニットが充電経路又は放電経路に接続された第1状態と、電池ユニットが充電経路及び放電経路のいずれにも接続されない第2状態との間を切り替え可能な複数のスイッチと、を備える電池システムの制御方法であって、
前記複数のスイッチの切り替えを制御することにより、前記複数の電池ユニットの充電制御を実行する充電ステップと、
前記複数のスイッチの切り替えを制御することにより、前記複数の電池ユニットの放電制御を実行する放電ステップと、を備え、
前記充電ステップは、前記複数のスイッチのうち選択されたa個(aは2以上の整数)のスイッチを同時に前記第1状態にし、且つ、前記複数のスイッチのうち前記a個のスイッチ以外のスイッチを前記第2状態にする第1スイッチ制御ステップを含み、
前記放電ステップは、前記複数のスイッチのうち選択されたb個(bはaより小さい整数)のスイッチを同時に前記第1状態にし、且つ前記複数のスイッチのうち前記b個のスイッチ以外のスイッチを前記第2状態にする第2スイッチ制御ステップを含む、制御方法。
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