(57)【要約】【課題】マルチ電池パックを備えた自動車電池システムおよび自動車電池システムの動作方法に関する。【解決手段】本発明にかかるリチウム電池システムは、直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックを含む。前記第１電池パックは、発電機および第２電池パックに連結されており、前記第２電池パックより低い容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する。前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックを含み、
前記第１電池パックは、発電機および第２バッテリパックに連結されており、前記第２バッテリパックより低い容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）を有し、前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含むことを特徴とするリチウム電池システム。
【請求項２】
前記炭素系物質は、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークス、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項３】
前記炭素系物質の平均粒径は、１μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項４】
前記第１電池セルは、正極を含み、
前記正極は、正極活物質を含み、前記正極活物質は、リチウムニッケル系酸化物、リチウムコバルト系酸化物、リチウムニッケルマンガン系酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系酸化物、リチウムリン酸鉄系酸化物、またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項５】
前記正極活物質は、表面積が５００ｍ２／ｇ〜２５００ｍ２／ｇの炭素材料をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のリチウム電池システム。
【請求項６】
前記第１電池セルは、リチウム−イオン電池セルであり、前記第１電池セルの正極は、ニッケル系正極活物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項７】
前記第１電池セルの作動電圧範囲は、
１．５Ｖ〜２Ｖを含む第１拡張範囲と、
２．０Ｖ〜４．２Ｖを含む第１正常範囲と、
４．２Ｖ〜４．５Ｖを含む第１過充電範囲とを含むことを特徴とする請求項６に記載のリチウム電池システム。
【請求項８】
前記第１電池セルは、リチウム−イオン電池セルであり、前記第１電池セルの正極は、リチウムリン酸鉄系正極活物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項９】
前記第１電池セルの作動電圧範囲は、
１．７５Ｖ〜３．８Ｖを含む第２正常範囲と、
３．８Ｖ〜４．５Ｖを含む第２過充電範囲とを含むことを特徴とする請求項８に記載のリチウム電池システム。
【請求項１０】
前記第１電池パックと前記交流発電機との間の電流経路は、前記第２電池パックと前記交流発電機との間の電流経路より短いことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項１１】
前記第１電池パックの内部抵抗は、前記第２電池パックの内部抵抗より小さいことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項１２】
電力を生成する交流発電機と、
前記交流発電機に並列連結されており、直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックと、
前記交流発電機および前記第１電池パックと並列に連結されており、前記第１電池パックの容量よりも大きい容量を有する第２電池パックとを含み、
前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含むことを特徴とする自動車電池システム。
【請求項１３】
前記第２電池パックは、鉛電池パックであることを特徴とする請求項１２に記載の自動車電池システム。
【請求項１４】
前記第１電池パックと前記交流発電機との間の電流経路は、前記第２電池パックと前記交流発電機との間の電流経路より短いことを特徴とする請求項１２に記載の自動車電池システム。
【請求項１５】
前記第１電池パックの内部抵抗は、前記第２電池パックの内部抵抗より小さいことを特徴とする請求項１２に記載の自動車電池システム。
【請求項１６】
車両の交流発電機、スタータおよび負荷に並列連結されているマルチ電池パックを備えた自動車電池システムの動作方法において、
前記車両のクランキング動作時、前記マルチ電池パックから前記スタータに電力が供給される段階と、
前記車両の運行時、前記交流発電機および前記マルチ電池パックのうちの１つから前記負荷に電力が供給される段階と、
前記交流発電機が動作しない駐車時、前記車両に必要な電力が前記マルチ電池パックから供給される段階とを含み、
前記マルチ電池パックは、第１電池パックと、第２電池パックとを含み、
前記第１電池パックは、直列連結された複数の第１電池セルを含み、前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含むことを特徴とする自動車電池システムの動作方法。
【請求項１７】
前記車両の運行時、前記負荷に電力が供給される段階は、
前記交流発電機の出力電力が基準電力以上の時、前記交流発電機の出力電力が前記負荷に供給される段階と、
前記交流発電機の出力電力が基準電力より小さい時、前記マルチ電池パックから前記負荷に必要な電力が供給される段階とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の自動車電池システムの動作方法。
【請求項１８】
前記交流発電機の出力電力が基準電力以上の時、前記交流発電機の出力電力のうち、前記負荷に必要な電力を除いた残りの電力によって前記マルチ電池パックが充電される段階をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の自動車電池システムの動作方法。
【請求項１９】
前記残りの電力による前記マルチ電池パックの充電段階において、前記第１電池パックの充電速度が、前記第２電池パックの充電速度より速いことを特徴とする請求項１８に記載の自動車電池システムの動作方法。
【請求項２０】
前記駐車時、前記車両に必要な電力が前記マルチ電池パックから供給される段階において、前記第１電池パックの放電速度が、前記第２電池パックの放電速度より速いことを特徴とする請求項１６に記載の自動車電池システムの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、マルチ電池パックを備えた自動車電池システムおよび自動車電池システムの動作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、デュアルパックを含む車両は、回生制動時、スイッチング素子を含む電力変換装置を用いてリチウム−イオンバッテリパックに電力を供給する。デュアルパックのうちの１つはリチウム−イオン電池パックであり、他の１つは鉛電池パックであり得る。
【０００３】
回生制動時だけでなく、交流発電機（ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ）が生成する電力のうちの一部をデュアルパックのうちのいずれか１つに格納することもできる。この時も、車両は、スイッチング素子を含む電力変換装置を用いてリチウム−イオン電池パックまたは鉛電池パックに電力を供給する。
【０００４】
リチウム−イオン電池パックが充電され、リチウム−イオン電池パックのＳＯＣ（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）が所定レベル以上になると、電力変換装置のスイッチング素子がターンオフされ、リチウム−イオン電池パックは、車両に含まれている電気負荷に連結され、電力を供給する。
【０００５】
このように電力供給においてスイッチング素子を用いる場合、スイッチング損失（ｌｏｓｓ）が発生し、車両の燃費向上効果を低減させる。
【０００６】
また、従来、リチウム−イオン電池パックの動作電圧範囲が制限的であり、この動作電圧範囲の制限によって回生充電が遮断されることがある。つまり、スイッチング素子を強制的にターンオフさせる。これは、スイッチング素子の破損の原因となり得、これによる電力損失および熱が発生する問題もある。
【０００７】
同時に、車両の駐車中にスイッチング素子の動作を制御することができないため、リチウム−イオン電池パックに格納されたエネルギーを使用することができない問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スイッチング素子を含む電力変換装置なしに、並列連結された少なくとも２つの電池パックを含むマルチ電池パックを備えた自動車電池システムおよび自動車電池システムの動作方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態にかかるリチウム電池システムは、直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックを含む。前記第１電池パックは、発電機および第２バッテリパックに連結されており、前記第２バッテリパックより低い容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する。前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含む。
【００１０】
前記炭素系物質は、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークス、またはこれらの組み合わせであり得る。
【００１１】
前記炭素系物質の平均粒径は、１μｍ〜５０μｍである。
【００１２】
前記第１電池セルは、正極を含み、前記正極は、正極活物質を含み、前記正極活物質は、リチウムニッケル系酸化物、リチウムコバルト系酸化物、リチウムニッケルマンガン系酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系酸化物、リチウムリン酸鉄系酸化物、またはこれらの組み合わせを含むことができる。前記正極活物質は、表面積が５００ｍ２／ｇ〜２５００ｍ２／ｇの炭素材料をさらに含むことができる。
【００１３】
前記第１電池セルは、リチウム−イオン電池セルであり、前記第１電池セルの正極は、ニッケル系正極活物質を含むことができる。
【００１４】
前記第１電池セルの作動電圧範囲は、１．５Ｖ〜２Ｖを含む第１拡張範囲と、２．０Ｖ〜４．２Ｖを含む第１正常範囲と、４．２Ｖ〜４．５Ｖを含む第１過充電範囲とを含む。
【００１５】
前記第１電池セルは、リチウム−イオン電池セルであり、前記第１電池セルの正極は、リチウムリン酸鉄系正極活物質を含むことができる。
【００１６】
前記第１電池セルの作動電圧範囲は、１．７５Ｖ〜３．８Ｖを含む第２正常範囲と、３．８Ｖ〜４．５Ｖを含む第２過充電範囲とを含む。
【００１７】
前記第１電池パックと前記交流発電機との間の電流経路は、前記第２電池パックと前記交流発電機との間の電流経路より短いことを特徴とする。
【００１８】
前記第１電池パックの内部抵抗は、前記第２電池パックの内部抵抗より小さいことを特徴とする。
【００１９】
実施形態にかかる自動車電池システムは、電力を生成する交流発電機と、前記交流発電機に並列連結されており、直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックと、前記交流発電機および前記第１電池パックと並列に連結されており、前記第１電池パックの容量よりも大きい容量を有する第２電池パックとを含む。前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含むことを特徴とする。
【００２０】
前記第２電池パックは、鉛電池パックであり得る。
【００２１】
前記第１電池パックと前記交流発電機との間の電流経路は、前記第２電池パックと前記交流発電機との間の電流経路より短いとよい。
【００２２】
前記第１電池パックの内部抵抗は、前記第２電池パックの内部抵抗より小さいとよい。
【００２３】
実施形態にかかる自動車電池システムの動作方法は、交流発電機、スタータおよび負荷に並列連結されているマルチ電池パックを備えた自動車に適用できる。前記自動車電池システムの動作方法は、前記車両のクランキング動作時、前記マルチ電池パックから前記スタータに電力が供給される段階と、前記車両の運行時、前記交流発電機および前記マルチ電池パックのうちの１つから前記負荷に電力が供給される段階と、前記交流発電機が動作しない駐車時、前記車両に必要な電力が前記マルチ電池パックから供給される段階とを含む。
【００２４】
前記マルチ電池パックは、第１電池パックと、第２電池パックとを含み、前記第１電池パックは、直列連結された複数の第１電池セルを含み、前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含むことを特徴とする。
【００２５】
前記車両の運行時、前記負荷に電力が供給される段階は、前記交流発電機の出力電力が基準電力以上の時、前記交流発電機の出力電力が前記負荷に供給される段階と、前記交流発電機の出力電力が基準電力より小さい時、前記マルチ電池パックから前記負荷に必要な電力が供給される段階とを含む。
【００２６】
前記自動車電池システムの動作方法は、前記交流発電機の出力電力が基準電力以上の時、前記交流発電機の出力電力のうち、前記負荷に必要な電力を除いた残りの電力によって前記マルチ電池パックが充電される段階をさらに含む。
【００２７】
前記残りの電力による前記マルチ電池パックの充電段階において、前記第１電池パックの充電速度が、前記第２電池パックの充電速度より速いとよい。
【００２８】
前記駐車時、前記車両に必要な電力が前記マルチ電池パックから供給される段階において、前記第１電池パックの放電速度が、前記第２電池パックの放電速度より速いとよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の実施形態にかかるマルチ電池パックは、特別な電力変換手段または電力制御手段を備えず、交流発電機によって充電され、負荷に電力を供給することができる。
【００３０】
本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲は、車両で発生する電圧範囲全体をカバーすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態にかかるマルチ電池パックを備えた自動車電池システムを示した図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲と車両で発生する電圧範囲を共に示した図である。
【図３】本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲と車両で発生する電圧範囲を共に示した図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるリチウム二次電池の分解斜視図である。
【図５】本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックの構成を示した図である。
【図６】車両のクランキング動作時におけるマルチ電池パックの電流の流れである。
【図７】車両の運行中における交流発電機の出力電力の一例を示した図である。
【図８】本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックと鉛電池パックの充電特性を示したグラフである。
【図９】本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックと鉛電池パックの放電特性を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって類似の部分については類似の図面符号を付した。
【００３３】
明細書全体において、ある部分が他の部分に「連結」されているとする時、これは、「直接的に連結」されている場合のみならず、その中間に別の素子を挟んで「電気的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
【００３４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態にかかるマルチ電池パックを説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施形態にかかるマルチ電池パックを備えた自動車電池システムを示した図である。
【００３６】
図１において、マルチ電池パック１０は、リチウム−イオン電池パック１００と、鉛電池パック２００とを含む。リチウム−イオン電池パック１００および鉛電池パック２００は、負荷４００および交流発電機３００それぞれに並列連結されており、互いに並列連結されている。図１には、１つのリチウム−イオン電池パック１００と１つの鉛電池パック２００が示されているが、本発明の実施形態がこれに限定されるものではなく、マルチ電池パック１０は、少なくとも１つのリチウム−イオン電池パックと、少なくとも１つの鉛電池パックとを含むことができる。
【００３７】
交流発電機３００は、電力を生成して負荷４００に供給したり、マルチ電池パック１０を充電させる。
【００３８】
負荷４００は、車両（図示せず）に備えられた多様な種類の負荷を含む。負荷４００は、電気的な負荷であって、交流発電機３００およびマルチ電池パック１０のうちの少なくともいずれか１つから電力を受ける。
【００３９】
例えば、鉛電池パック２００の容量は、６０〜１００Ａｈであり、リチウム−イオン電池パック１００の容量は、４〜２０Ａｈであり得る。リチウム−イオン電池パック１００の内部抵抗が鉛電池パック２００に比べて顕著に低いため、負荷４００に必要な初期電力はリチウム−イオン電池パック１００から供給される。ただし、負荷４００が持続的に電力を消費する場合、鉛電池パック２００から電力が供給されるとよい。
【００４０】
図１に示されているように、マルチ電池パック１０と交流発電機３００および負荷４００は、出力ノードＯＵＴＮとグラウンドとの間に並列連結されている。
【００４１】
リチウム−イオン電池パック１００は、複数の直列連結されたリチウム−イオン電池セルを含んでおり、リチウム−イオン電池セルは、非晶質炭素（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎ）または低結晶性炭素（ｌｏｗ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｃａｒｂｏｎ）からなる負極と、ニッケル（Ｎｉ）系またはリチウムリン酸鉄（ＬＦＰ、Ｌｉｔｈｉｕｍ  ｉｒｏｎ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）系からなる正極とを含む。
【００４２】
図２は、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲と車両で発生する電圧範囲を共に示した図である。
【００４３】
図２に示された作動電圧範囲は、非晶質炭素で実現された負極とニッケル系正極を用いたリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲である。以下、車両で発生する電圧範囲をＶＡ１とし、ニッケル系正極を用いたリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲をＶＡ２とする。
【００４４】
具体的には、ＶＡ１は、５つの状態を含み、全体の７．２Ｖ〜１８Ｖの範囲は、５つの状態に応じて区分される。
【００４５】
まず、コールドクランキング（Ｃｏｌｄ  Ｃｒａｎｋｉｎｇ）範囲Ｍ０は、７．２Ｖ〜８．５Ｖであり、低温でのエンジン始動時に発生する電圧範囲である。クランキング（Ｃｒａｎｋｉｎｇ）範囲Ｍ１は、８．５Ｖ〜１２Ｖであり、エンジン始動時に発生する電圧範囲である。
【００４６】
正常電圧範囲Ｍ２は、１２Ｖ〜１４Ｖであり、別の充電がない状態で発生する電圧範囲である。例えば、別の充電がない状態は、交流発電機によってマルチ電池パック１０が充電されない状態である。
【００４７】
充電電圧範囲Ｍ３は、１４Ｖ〜１５．２Ｖであり、充電状態中に発生する電圧範囲である。例えば、交流発電機３００の充電動作が行われる時の電圧範囲である。
【００４８】
そして、過電圧範囲Ｍ４は、１５．２Ｖ〜１８Ｖであり、異常状態で発生する電圧範囲である。例えば、異常状態は、交流発電機３００またはレギュレータ（図示せず）に異常が発生した時を含む。
【００４９】
次に、ＶＡ２は、３つの状態を含み、全体１．５Ｖ〜４．５Ｖの範囲は、３つの状態に応じて区分される。
【００５０】
拡張（ｅｎｈａｎｃｅｄ）範囲Ｃ０は、１．５Ｖ〜２Ｖであり、低温（ｃｏｌｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）時、車両エンジンのクランキングのために、数ｍｓ〜数ｓｅｃの間に制限的に使用される範囲である。
【００５１】
正常範囲Ｃ１は、２．０Ｖ〜４．２Ｖであり、ＳＯＣ０％〜ＳＯＣ１００％の範囲である。
【００５２】
過充電範囲Ｃ２は、４．２Ｖ〜４．５Ｖであり、ＳＯＣ１００％を超える範囲である。
【００５３】
図２において、ＶＡ１の各範囲をＶＡ２に対応させている。図２に示されたＶＡ１とＶＡ２との対応付けは、リチウム−イオン電池パック１００が４個のリチウム−イオン電池セルの直列連結で構成された場合を条件とする。リチウム−イオン電池パック１００は、４個のセルが直列連結されているため、ＶＡ１の各電圧を４で割った値が、リチウム−イオン電池セル１つに対応する電圧となる。
【００５４】
まず、コールドクランキング範囲Ｍ０は、拡張範囲Ｃ０と正常範囲Ｃ１の一部に該当し、クランキング範囲Ｍ１、正常電圧範囲Ｍ２、および充電電圧範囲Ｍ３は、正常範囲Ｃ１に該当し、過電圧範囲Ｍ４は、過充電範囲Ｃ２に該当する。
【００５５】
つまり、車両で発生する電圧の全範囲Ｍ０〜Ｍ４がリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲Ｃ０−Ｃ２によってカバーされる。
【００５６】
図３は、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲と車両で発生する電圧範囲を共に示した図である。
【００５７】
図３に示された作動電圧範囲は、非晶質炭素で実現された負極とリチウムリン酸鉄系正極を用いたリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲である。
【００５８】
図３に示されたリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲も、リチウム−イオン電池パックが４個のリチウム−イオン電池セルの直列連結で構成された場合の電圧範囲である。ＶＡ１は、前記説明と同一であるので、リチウムリン酸鉄系負極を用いたリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲ＶＡ３、ＶＡ１とＶＡ３との間の対応付けだけを説明する。
【００５９】
次に、ＶＡ３は、２つの状態を含み、全体の１．７５Ｖ〜４．５Ｖの範囲は、２つの状態に応じて区分される。
【００６０】
正常範囲Ｃ１０は、１．７５Ｖ〜３．８Ｖであり、ＳＯＣ０％〜ＳＯＣ１００％の範囲である。
【００６１】
過充電範囲Ｃ１１は、３．８Ｖ〜４．５Ｖであり、ＳＯＣ１００％を超える範囲である。
【００６２】
図３において、ＶＡ１の各範囲をＶＡ３に対応させている。図３に示されたＶＡ１とＶＡ３との対応付けは、リチウム−イオン電池パック１００が４個のリチウム−イオン電池セルの直列連結で構成された場合を条件とする。リチウム−イオン電池パック１００は、４個のセルが直列連結されているため、ＶＡ１の各電圧を４で割った値が、リチウム−イオン電池セル１つに対応する電圧となる。
【００６３】
まず、コールドクランキング範囲Ｍ０、クランキング範囲Ｍ１、正常電圧範囲Ｍ２、および充電電圧範囲Ｍ３は、正常範囲Ｃ１０に該当し、過電圧範囲Ｍ４は、過充電範囲Ｃ１１に該当する。
【００６４】
つまり、車両で発生する電圧の全範囲Ｍ０〜Ｍ４がリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲Ｃ１０〜Ｃ１１によってカバーされる。
【００６５】
図２および図３を参照して説明した、車両に発生する電圧範囲およびリチウム−イオン電池セルの電圧範囲は、本発明の実施形態を説明するための一例であって、本発明がこれに限定されるものではない。リチウム−イオン電池セルの負極として非晶質炭素を使用すると、拡張範囲を２Ｖ以下に低下させることができる。コールドクランキング範囲の電圧はリチウム−イオン電池セルによって供給される。通常のグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）を用いた負極を含む電池セルの拡張範囲を２Ｖ以下に低下させることは困難である。したがって、グラファイトを用いた負極を含む電池セルは、コールドクランキング範囲の電圧を供給することができない。
【００６６】
このように、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの作動電圧範囲は、車両で発生する電圧範囲全体をカバーすることができる。
【００６７】
本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの負極を非晶質炭素で製造し、リチウム−イオン電池セルの作動電圧特性を、図２および図３を参照して説明した通りに設定することができる。
【００６８】
具体的には、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池セルの構成は、次の通りである。
【００６９】
図４は、一実施形態にかかるリチウム−イオン電池の分解斜視図である。一実施形態にかかるリチウム−イオン電池は角形のものを例として説明するが、本発明がこれに制限されるわけではなく、リチウムポリマー電池、円筒形電池など、多様な形態の電池に適用可能である。
【００７０】
図４を参照すれば、一実施形態にかかるリチウム−イオン電池は、正極１と負極２との間にセパレータ３を介在して巻き取られた電極アセンブリ４と、前記電極アセンブリ４が内蔵されるケース５とを含むことができる。前記正極１、前記負極２および前記セパレータ３は、電解液（図示せず）に含浸されているとよい。
【００７１】
前記負極２は、集電体と、前記集電体上に形成された負極活物質層とを含み、前記負極活物質層は、負極活物質を含む。
【００７２】
前記負極活物質は、リチウムイオンを可逆的にインターカレーション／デインターカレーション可能な物質を含む。
【００７３】
具体的には、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折（Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＸＲＤ）測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含む。「００２」とは、本発明の属する技術分野におけるミラーインデックスと関連がある。
【００７４】
前記層間距離（ｄ００２）は、具体的には０．３４ｎｍ〜０．４５ｎｍ、０．３４ｎｍ〜０．４０ｎｍ、０．３４ｎｍ〜０．３７ｎｍ、０．３４ｎｍ〜０．３６ｎｍであり得る。前記層間距離が前記範囲を満足する場合、リチウムイオンの挿入および脱離が容易に行われ、優れた高率充放電特性を実現することができる。反面、前記層間距離（ｄ００２）が約０．３４ｎｍ未満の黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）の場合、リチウムイオンを容易に挿入および脱離することができないため、高率充放電特性が劣化する。
【００７５】
前記炭素系物質は、非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）炭素であり得る。前記非晶質炭素は、結晶質炭素の黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）とは異なり、リチウムイオンの挿入および脱離経路が限定されておらず、電極が膨張しにくい特徴があって、高出力特性を発揮することができ、寿命が長く、特に、８００℃以下の熱処理下で高い可逆容量を有することができる。
【００７６】
前記非晶質炭素の例としては、ソフトカーボン（ｓｏｆｔ  ｃａｒｂｏｎ：低温焼成炭素）またはハードカーボン（ｈａｒｄ  ｃａｒｂｏｎ）、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークスなどが挙げられる。
【００７７】
一例として、前記炭素系物質は、ソフトカーボンであり得る。前記ソフトカーボンとは、黒鉛化性カーボンであって、原子配列が層状構造をなしやすいように配列していて、熱処理温度の増加に伴って容易に黒鉛構造に変化するカーボンを意味する。前記ソフトカーボンは、黒鉛に比べて不規則な結晶（ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）を有しているため、イオンの出入りを補助するゲートが多く、ハードカーボンに比べて結晶の不規則な程度が低くて、イオンの拡散が容易である。具体例として、前記炭素系物質は、低結晶性ソフトカーボンであり得る。
【００７８】
前記炭素系物質の平均粒径（Ｄ５０）は、１μｍ〜５０μｍであり得る。具体的には１〜４０μｍ、１〜３０μｍ、１〜２０μｍ、５〜５０μｍ、１０〜５０μｍ、５〜１５μｍ、６〜１２μｍであり得る。この場合、負極組成物内に適当な気孔が存在し、それによって、結晶質の部分間を連結するリチウムイオンの通路または格納の役割を果たす活性部位（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｓｉｔｅ）が多数生成され、接触抵抗が減少し、速い格納特性および低温高出力が可能である。
【００７９】
前記Ｄ５０とは、粒度累積分布曲線（ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ  ｓｉｚｅ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｃｕｒｖｅ）において、体積比で５０％での粒子の大きさを意味する。
【００８０】
前記炭素系物質は、球状、板状形、鱗片状（ｆｌａｋｅ）、繊維状などの多様な形態であり得、一例として、針（ｎｅｅｄｌｅ）形状であり得る。
【００８１】
前記炭素系物質の比表面積は、０．１〜２０ｍ２／ｇであり得、具体的には０．１〜１０ｍ２／ｇ、１〜２０ｍ２／ｇ、１〜１０ｍ２／ｇ、１〜５ｍ２／ｇであり得る。前記炭素系物質の比表面積に関する数値は、ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ−Ｅｍｍｅｔｔ−Ｔｅｌｌｅｒ）方法によって測定された数値である。前記範囲の比表面積を有する炭素系物質を負極活物質として使用する場合、低結晶性の炭素系物質を得ることができ、これによって、優れた高率特性および高率での寿命特性を得ることができる。
【００８２】
前記炭素系物質のタップ密度（ｔａｐ  ｄｅｎｓｉｔｙ）は、０．３０〜１０．００ｇ／ｃｍ３であり得、具体的には０．６０〜１０．００ｇ／ｃｍ３、０．３０〜５．００ｇ／ｃｍ３、０．６０〜５．００ｇ／ｃｍ３であり得る。前記範囲のタップ密度を有する炭素系物質を負極活物質として使用する場合、低結晶性の炭素系物質を得ることができ、これによって、優れた高率特性および高率での寿命特性を得ることができる。
【００８３】
前記負極活物質層は、バインダーをさらに含むことができる。
【００８４】
前記バインダーは、負極活物質粒子を互いに付着させやすくし、また、負極活物質を電流集電体に付着させやすくする役割を果たし、その代表例として、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルクロライド、カルボキシル化されたポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリレーテッドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを使用することができるが、これらに限定されるものではない。
【００８５】
また、前記負極活物質層は、導電材をさらに含むことができる。
【００８６】
前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであって、構成される電池において化学変化を起こさずに電子伝導性材料であればいかなるものでも使用可能であり、その例として、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維などの炭素系物質；銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維などの金属系物質；ポリフェニレン誘導体などの導電性ポリマー；またはこれらの混合物を含む導電性材料を使用することができる。
【００８７】
前記集電体としては、銅箔、ニッケル箔、ステレンス鋼箔、チタン箔、ニッケル発泡体（ｆｏａｍ）、銅発泡体、伝導性金属がコーティングされたポリマー基材、またはこれらの組み合わせを使用することができる。
【００８８】
前記正極１は、電流集電体と、この電流集電体に形成される正極活物質層とを含み、前記正極活物質層は、正極活物質を含む。
【００８９】
前記正極活物質としては、リチウムの可逆的なインターカレーションおよびデインターカレーションが可能な化合物（リチエイテッドインターカレーション化合物）を使用することができる。
【００９０】
具体的には、前記正極活物質は、リチウムニッケル系酸化物、リチウムコバルト系酸化物、リチウムニッケルマンガン系酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系酸化物、リチウムリン酸鉄系酸化物、またはこれらの組み合わせを含むことができる。一例として、前記正極活物質は、リチウムニッケルコバルトマンガン系酸化物またはリチウムリン酸鉄系酸化物であり得る。
【００９１】
つまり、前記正極活物質は、コバルト、マンガン、ニッケル、またはこれらの組み合わせの金属とリチウムとの複合酸化物のうちの１種以上のものを使用することができ、その具体例としては、下記の化学式のうちのいずれか１つで表される化合物を使用することができる。
【００９２】
ＬｉａＡ１−ｂＲｂＤ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８および０≦ｂ≦０．５である）；ＬｉａＥ１−ｂＲｂＯ２−ｃＤｃ（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５および０≦ｃ≦０．０５である）；ＬｉＥ２−ｂＲｂＯ４−ｃＤｃ（式中、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５である）；ＬｉａＮｉ１−ｂ−ｃＣｏｂＲｃＤα（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５および０＜α≦２である）；ＬｉａＮｉ１−ｂ−ｃＣｏｂＲｃＯ２−αＺα（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５および０＜α＜２である）；ＬｉａＮｉ１−ｂ−ｃＣｏｂＲｃＯ２−αＺ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５および０＜α＜２である）；ＬｉａＮｉ１−ｂ−ｃＭｎｂＲｃＤα（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５および０＜α≦２である）；ＬｉａＮｉ１−ｂ−ｃＭｎｂＲｃＯ２−αＺα（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５および０＜α＜２である）；ＬｉａＮｉ１−ｂ−ｃＭｎｂＲｃＯ２−αＺ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．５、０≦ｃ≦０．０５および０＜α＜２である）；ＬｉａＮｉｂＥｃＧｄＯ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．５および０．００１≦ｄ≦０．１である）；ＬｉａＮｉｂＣｏｃＭｎｄＧｅＯ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８、０≦ｂ≦０．９、０≦ｃ≦０．５、０≦ｄ≦０．５および０．００１≦ｅ≦０．１である）；ＬｉａＮｉＧｂＯ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８および０．００１≦ｂ≦０．１である）；ＬｉａＣｏＧｂＯ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８および０．００１≦ｂ≦０．１である）；ＬｉａＭｎＧｂＯ２（式中、０．９０≦ａ≦１．８および０．００１≦ｂ≦０．１である）；ＬｉａＭｎ２ＧｂＯ４（式中、０．９０≦ａ≦１．８および０．００１≦ｂ≦０．１である）；ＱＯ２；ＱＳ２；ＬｉＱＳ２；Ｖ２Ｏ５；ＬｉＶ２Ｏ５；ＬｉＴＯ２；ＬｉＮｉＶＯ４；Ｌｉ（３−ｆ）Ｊ２（ＰＯ４）３（０≦ｆ≦２）；Ｌｉ（３−ｆ）Ｆｅ２（ＰＯ４）３（０≦ｆ≦２）；およびＬｉＦｅＰＯ４。
【００９３】
前記化学式において、Ａは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、またはこれらの組み合わせであり；Ｒは、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｖ、希土類元素、またはこれらの組み合わせであり；Ｄは、Ｏ、Ｆ、Ｓ、Ｐ、またはこれらの組み合わせであり；Ｅは、Ｃｏ、Ｍｎ、またはこれらの組み合わせであり；Ｚは、Ｆ、Ｓ、Ｐ、またはこれらの組み合わせであり；Ｇは、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｓｒ、Ｖ、またはこれらの組み合わせであり；Ｑは、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、またはこれらの組み合わせであり；Ｔは、Ｃｒ、Ｖ、Ｆｅ、Ｓｃ、Ｙ、またはこれらの組み合わせであり；Ｊは、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、またはこれらの組み合わせである。
【００９４】
もちろん、この化合物の表面にコーティング層を有するものも使用することができ、または前記化合物とコーティング層を有する化合物とを混合して使用することもできる。前記コーティング層は、コーティング元素化合物であって、コーティング元素のオキシド、ヒドロキシド、コーティング元素のオキシヒドロキシド、コーティング元素のオキシカーボネートまたはコーティング元素のヒドロキシカーボネートを含むことができる。これらコーティング層をなす化合物は、非晶質または結晶質であり得る。前記コーティング層に含まれるコーティング元素としては、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｋ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂ、Ａｓ、Ｚｒまたはこれらの混合物を使用することができる。コーティング層形成工程は、前記化合物にこれら元素を用いて正極活物質の物性に悪影響を与えない方法（例えば、スプレーコーティング、浸漬法など）でコーティングできればいかなるコーティング方法を用いてもよく、これについては、当該分野に従事する者によく理解できる内容であるので、詳細な説明は省略する。
【００９５】
前記正極活物質は、炭素材料をさらに含むことができる。特に、前記正極活物質は、表面積が５００ｍ２／ｇ〜２５００ｍ２／ｇの炭素材料をさらに含むことができる。この場合、高容量リチウム二次電池の高入出力特性を容易に維持することができる。
【００９６】
前記炭素材料の表面積は、１０００〜２５００ｍ２／ｇであり得、具体的には１２００〜２０００ｍ２／ｇであり得る。前記炭素材料の表面積が前記範囲内の場合、前記正極活物質は、活性化部位（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｓｉｔｅ）が多くなって高入出力が容易となり、それによって、リチウム二次電池の優れた高率寿命特性も得ることができる。
【００９７】
前記炭素材料は、一例として、活性炭であり得る。
【００９８】
前記炭素材料は、前記正極活物質の総量に対して、０．１〜２０重量％、具体的には０．１〜１０重量％、１〜１２重量％、１〜１０重量％、３〜１２重量％、３〜１０重量％含まれるとよい。この場合、高入出力特性をより効果的に維持することができる。
【００９９】
前記炭素材料のベンゼン吸着量は、３８〜８５重量％であり得、具体的には４０〜７５重量％であり得る。前記炭素材料の内部気孔の構造および分布により、吸着量において大きな差があり得、前記範囲のベンゼン吸着量を有する炭素材料が正極活物質に含まれる場合、リチウムイオンの通路または格納の役割を果たすことができる気孔を最適な体積で有するため、高率寿命特性、優れた高率特性および容量維持特性を得ることができる。
【０１００】
前記正極活物質層はまた、バインダーおよび／または導電材をさらに含むことができる。
【０１０１】
前記バインダーは、正極活物質粒子を互いに付着させやすくし、また、正極活物質を電流集電体に付着させやすくする役割を果たす。前記バインダーの例としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリビニルクロライド、カルボキシル化されたポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリレーテッドスチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどがあるが、これらに限定されるものではない。
【０１０２】
前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであって、構成される電池において化学変化を起こさずに電子伝導性材料であればいかなるものでも使用可能であり、その例として、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末、金属繊維などを使用することができ、また、ポリフェニレン誘導体などの導電性材料を１種または１種以上混合して使用することができる。
【０１０３】
前記電流集電体としては、Ａｌを使用することができるが、これに限定されるものではない。
【０１０４】
前記負極および前記正極はそれぞれ、活物質、バインダー、および導電材を溶媒中で混合して活物質組成物を製造し、この組成物を電流集電体に塗布して製造する。このような電極の製造方法は、当該分野で広く知られた内容であるので、本明細書で詳細な説明は省略する。前記溶媒としては、Ｎ−メチルピロリドンなどを使用することができるが、これに限定されるものではない。
【０１０５】
前記電解質は、非水性有機溶媒とリチウム塩を含む。
【０１０６】
前記非水性有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動可能な媒質の役割を果たす。
【０１０７】
前記非水性有機溶媒としては、カーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系または非プロトン性溶媒を使用することができる。前記カーボネート系溶媒としては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジプロピルカーボネート（ＤＰＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）、エチルプロピルカーボネート（ＥＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）などが使用可能であり、前記エステル系溶媒としては、メチルアセテート、エチルアセテート、ｎ−プロピルアセテート、１，１−ジメチルエチルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、デカノリド（ｄｅｃａｎｏｌｉｄｅ）、バレロラクトン、メバロノラクトン（ｍｅｖａｌｏｎｏｌａｃｔｏｎｅ）、カプロラクトン（ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）などが使用可能である。前記エーテル系溶媒としては、ジブチルエーテル、テトラグリム、ジグリム、ジメトキシエタン、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどが使用可能であり、前記ケトン系溶媒としては、シクロヘキサノンなどが使用可能である。また、前記アルコール系溶媒としては、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどが使用可能であり、前記非プロトン性溶媒としては、Ｒ−ＣＮ（Ｒは、Ｃ２〜Ｃ２０の直鎖状、分枝状または環構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含むことができる）などのニトリル類ジメチルホルムアミドなどのアミド類、１，３−ジオキソランなどのジオキソラン類、スルホラン（ｓｕｌｆｏｌａｎｅ）類などが使用可能である。
【０１０８】
前記非水性有機溶媒は、単独または１つ以上を混合して使用することができ、１つ以上を混合して使用する場合の混合割合は、目的の電池性能に応じて適切に調節することができ、これは、当該分野に従事する者には幅広く理解できる。
【０１０９】
また、前記カーボネート系溶媒の場合、環状（ｃｙｃｌｉｃ）カーボネートと鎖状（ｃｈａｉｎ）カーボネートとを混合して使用するのが良い。この場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートは、約１：１〜約１：９の体積比で混合して使用した方が、電解液の性能を優れるようにすることができる。
【０１１０】
前記非水性有機溶媒は、前記カーボネート系溶媒に前記芳香族炭化水素系有機溶媒をさらに含むこともできる。この時、前記カーボネート系溶媒と前記芳香族炭化水素系有機溶媒は、約１：１〜約３０：１の体積比で混合されるとよい。
【０１１１】
前記芳香族炭化水素系有機溶媒は、ベンゼン、フルオロベンゼン、１，２−ジフルオロベンゼン、１，３−ジフルオロベンゼン、１，４−ジフルオロベンゼン、１，２，３−トリフルオロベンゼン、１，２，４−トリフルオロベンゼン、クロロベンゼン、１，２−ジクロロベンゼン、１，３−ジクロロベンゼン、１，４−ジクロロベンゼン、１，２，３−トリクロロベンゼン、１，２，４−トリクロロベンゼン、ヨードベンゼン、１，２−ジヨードベンゼン、１，３−ジヨードベンゼン、１，４−ジヨードベンゼン、１，２，３−トリヨードベンゼン、１，２，４−トリヨードベンゼン、トルエン、フルオロトルエン、１，２−ジフルオロトルエン、１，３−ジフルオロトルエン、１，４−ジフルオロトルエン、１，２，３−トリフルオロトルエン、１，２，４−トリフルオロトルエン、クロロトルエン、１，２−ジクロロトルエン、１，３−ジクロロトルエン、１，４−ジクロロトルエン、１，２，３−トリクロロトルエン、１，２，４−トリクロロトルエン、ヨードトルエン、１，２−ジヨードトルエン、１，３−ジヨードトルエン、１，４−ジヨードトルエン、１，２，３−トリヨードトルエン、１，２，４−トリヨードトルエン、キシレン、またはこれらの組み合わせを使用することができる。
【０１１２】
前記非水性電解質は、電池の寿命を向上させるために、ビニレンカーボネートまたはエチレンカーボネート系化合物をさらに含むこともできる。
【０１１３】
前記エチレンカーボネート系化合物の代表例としては、ジフルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ジクロロエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、ジブロモエチレンカーボネート、ニトロエチレンカーボネート、シアノエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。前記ビニレンカーボネートまたは前記エチレンカーボネート系化合物をさらに使用する場合、その使用量を適切に調節して寿命を向上させることができる。
【０１１４】
前記リチウム塩は、前記非水性有機溶媒に溶解して、電池内でリチウムイオンの供給源として作用して基本的なリチウム二次電池の作動を可能にし、正極と負極との間のリチウムイオンの移動を促進する役割を果たす物質である。前記リチウム塩の代表例としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＮ（ＣｘＦ２ｘ＋１ＳＯ２）（ＣｙＦ２ｙ＋１ＳＯ２）（ここで、ｘおよびｙは自然数である）、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２（リチウムビスオキサレートボレート（ｌｉｔｈｉｕｍ  ｂｉｓ（ｏｘａｌａｔｏ）ｂｏｒａｔｅ；ＬｉＢＯＢ）、またはこれらの組み合わせが挙げられ、これらを支持（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）電解塩として含む。前記リチウム塩の濃度は、０．１〜２．０Ｍの範囲内で使用するのが良い。リチウム塩の濃度が前記範囲に含まれると、電解質が適切な伝導度および粘度を有するため、優れた電解質性能を示すことができ、リチウムイオンが効果的に移動することができる。
【０１１５】
前記セパレータは、負極と正極とを分離し、リチウムイオンの移動通路を提供するもので、リチウム電池において通常使用されるものであればすべて使用可能である。つまり、電解質のイオンの移動に対して低抵抗でかつ電解液含湿能力に優れたものが使用できる。例えば、ガラス繊維、ポリエステル、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはこれらの組み合わせの中から選択されたものであって、不織布または織布の形態でも構わない。例えば、リチウムイオン電池には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのようなポリオレフィン系高分子セパレータが主に使用され、耐熱性または機械的強度確保のためにセラミック成分または高分子物質が含まれているコーティングされたセパレータが使用されてもよく、選択的に単層または多層構造として使用されてもよい。
【０１１６】
以下、図５を参照して、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックの構成を簡単に説明する。
【０１１７】
図５は、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックの構成を示した図である。
【０１１８】
図５に示されているように、リチウム−イオン電池パック１００は、リチウム−イオン電池１１０と、電池管理システム１２０と、リレー１３０と、電流センサ１４０とを含む。
【０１１９】
リチウム−イオン電池１１０は、直列連結された４個のリチウム−イオン電池セルＣＥＬＬ１−ＣＥＬＬ４を含む。リチウム−イオン電池セルの個数は、車両で発生する電圧範囲に応じて適切に選択できる。
【０１２０】
電流センサ１４０は、リチウム−イオン電池１１０から供給される放電電流ＩＤＨ１、またはリチウム−イオン電池１１０に流れる充電電流ＩＣＨ１を測定する。電流センサ１４０は、測定した電流に関する電流情報ＩＳを生成して電池管理システム１２０に伝送する。
【０１２１】
電池管理システム１２０は、リチウム−イオン電池セルＣＥＬＬ１−ＣＥＬＬ４それぞれの正極および負極に連結され、複数のセル電圧ＶＣ１−ＶＣ４およびパック電圧ＶＰＡＣＫを測定し、電流情報ＩＳを受信し、複数のリチウム−イオン電池セルＣＥＬＬ１−ＣＥＬＬ４それぞれのセル温度ＣＴ１−ＣＴ４を測定する。
【０１２２】
電池管理システム１２０は、測定された複数のセル電圧ＶＣ１−ＶＣ４に基づいてセルバランシング動作を制御する。電池管理システム１２０は、測定されたパック電圧ＶＰＡＣＫに基づいて過電圧であるか否かを判断する。同時に、電池管理システム１２０は、パック電圧ＶＰＡＣＫおよび電流情報ＩＳを用いてリチウム−イオン電池１１０のＳＯＣを算出することができる。電池管理システム１２０は、ＳＯＣ算出のために、複数のセル温度ＣＴ１−ＣＴ４のうちの少なくとも１つを利用することができる。
【０１２３】
リレー１３０は、出力ノードＯＵＴＮとリチウム−イオン電池１１０との間に連結されている。リレー１３０は、正常状態ではターンオン状態であり、異常状態が電池管理システム１２０によって感知される時にターンオフされる。
【０１２４】
例えば、異常状態は、パック電圧ＶＰＡＣＫが過電圧であるか、複数のセル電圧ＶＣ１−ＶＣ４のうちの特定のセル電圧が過電圧または低電圧であるか、複数のセル温度ＣＴ１−ＣＴ４のうちの少なくとも１つが所定のしきい値を外れるなどが感知された状態を含む。
【０１２５】
電池管理システム１２０は、異常状態が感知される時、リセット信号ＲＳをリレー１３０に伝達してリレー１３０をターンオフさせる。
【０１２６】
以下、図６〜図９を参照して、車両の運行状態に応じたマルチ電池パックの動作を説明する。
【０１２７】
図６は、車両のクランキング動作時におけるマルチ電池パックの電流の流れである。
【０１２８】
図６に示されているように、クランキング動作に必要な電流はマルチ電池パック１０から供給される。具体的には、リチウム−イオン電池パック１００から放電電流ＩＤＨ１、および鉛電池パック２００から放電電流ＩＤＨ２がスタータ５００に供給される。スタータ５００は、クランキング動作に必要な電力をリチウム−イオン電池パック１００および鉛電池パック２００から受ける。
【０１２９】
図７は、車両の運行中における交流発電機の出力電力の一例を示した図である。
【０１３０】
図７に示されているように、交流発電機３００の出力波形は、所定の基準電力を基準として変動する（ｆｌｕｃｔｕａｔｅ）。
【０１３１】
図７に示された＋領域は、基準電力より交流発電機３００の出力電力ＡＰＷが高い領域であり、−領域は、基準電力より交流発電機３００の出力電力ＡＰＷが低い領域である。
【０１３２】
＋領域の時、交流発電機３００の出力電力ＡＰＷは負荷４００に供給される。交流発電機３００の出力電力ＡＰＷのうち、負荷４００に必要な電力を除いた残りはマルチ電池パック１０に供給され、マルチ電池パック１０が充電される。
【０１３３】
図８は、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックと鉛電池パックの充電特性を示したグラフである。
【０１３４】
図８には、同一の充電条件において、充電時間の経過に伴うリチウム−イオン電池パック１００の充電曲線ＳＯＣ１と鉛電池パック２００の充電曲線ＳＯＣ２が示されている。図８に示されたリチウム−イオン電池パック１００は、ＬＦＰ系リチウム−イオン電池パックである。
【０１３５】
リチウム−イオン電池パック１００は、鉛電池パック２００に比べて小さい容量を有していて、鉛電池パック２００に比べて充電速度が速い。同時に、リチウム−イオン電池パック１００と交流発電機３００との間の配線の長さが、鉛電池パック２００と交流発電機３００との間の配線の長さより短い。すると、配線抵抗の差でリチウム−イオン電池パック１００が鉛電池パック２００に比べて充電速度が速い。図８に示されているように、充電曲線ＳＯＣ１は、充電曲線ＳＯＣ２に比べてその上昇勾配が急である。
【０１３６】
再び図７を参照すれば、交流発電機３００の出力電力ＡＰＷによってマルチ電池パック１０が充電される時、リチウム−イオン電池パック１００が鉛電池パック２００より先に充電される。リチウム−イオン電池パック１００が満充電された後も、出力電力ＡＰＷによる充電が維持されれば、鉛電池パック２００の充電動作が持続できる。
【０１３７】
−領域では、負荷４００に必要な電力がマルチ電池パック１０から供給される。マルチ電池パック１０のうち、リチウム−イオン電池パック１００から負荷４００に電力が供給される。
【０１３８】
車両の運行が停止した駐車時のように、交流発電機３００の動作がない時にも消費電力が発生する。例えば、暗電流（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｃｕｒｒｅｎｔ）による消費電力、駐車中にも動作する車両に装着された電子装備による消費電力などがある。
【０１３９】
車両の駐車時には、マルチ電池パック１０が車両に電力を供給する。
【０１４０】
図９は、本発明の実施形態にかかるリチウム−イオン電池パックと鉛電池パックの放電特性を示したグラフである。
【０１４１】
図９では、駐車開始時点でリチウム−イオン電池パック１００と鉛電池パック２００が満充電されていると仮定する。
【０１４２】
図９に示されているように、駐車開始時点からリチウム−イオン電池パック１００の放電曲線ＳＯＣ３の下降勾配が、鉛電池パック２００の放電曲線ＳＯＣ４の下降勾配より急である。駐車開始時点から放電曲線ＳＯＣ３がＳＯＣ２０％まで減少する時点Ｔ１までの期間の間、放電曲線ＳＯＣ４は徐々に減少する。時点Ｔ１の後には、放電曲線ＳＯＣ４の下降勾配が急である。
【０１４３】
つまり、駐車開始時点から時点Ｔ１までの期間に車両に必要な電力はリチウム−イオン電池パック１００から供給され、時点Ｔ１の後に車両に必要な電力は鉛電池パック２００から供給される。
【０１４４】
このように、本発明の実施形態にかかるマルチ電池パック１０は、特別な電力変換手段または電力制御手段を備えず、交流発電機３００によって充電され、負荷４００に電力を供給することができる。
【０１４５】
これは、リチウム−イオン電池パック１００の容量が、鉛電池パック２００の容量より相対的に小さく、リチウム−イオン電池パック１００と交流発電機３００との間の電流経路が、鉛電池パック２００と交流発電機３００との間の電流経路より小さいからである。
【０１４６】
これに加えて、先に言及したリチウム−イオン電池セルを構成する正極および負極の材料的特性から、上記のような効果が提供可能である。
【０１４７】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、以下の請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
【符号の説明】
【０１４８】
１：正極
２：負極
３：セパレータ
４：電極アセンブリ
１０：マルチ電池パック
１００：リチウム−イオン電池パック
２００：鉛電池パック
３００：交流発電機
４００：負荷
５００：スタータ
ＣＥＬＬ１−ＣＥＬＬ４：リチウム−イオン電池セル
１１０：リチウム−イオン電池
１２０：電池管理システム
１３０：リレー
１４０：電流センサ
【図１】
2020074669.tif 000003
【図２】
2020074669.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月27日(2019.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックを含み、
前記第１電池パックは、交流発電機および第２電池パックに連結されており、前記第２電池パックより低い容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）を有し、前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含み、
前記複数の第１電池セルのそれぞれの作動電圧範囲が、
低温時の車両エンジンのクランキングのためにＳＯＣ（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）が０％から１００％である１．７５Ｖ〜３．８Ｖの第１正常範囲と、
ＳＯＣが１００％を超える３．８Ｖ〜４．５Ｖの第１過充電範囲と、を含むことを特徴とするリチウム電池システム。
【請求項２】
前記炭素系物質は、ソフトカーボン、ハードカーボン、メソフェーズピッチ炭化物、焼成されたコークス、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項３】
前記炭素系物質の平均粒径は、１μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項４】
前記第１電池セルは、正極を含み、
前記正極は、正極活物質を含み、前記正極活物質は、リチウムリン酸鉄系酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項５】
前記正極活物質は、表面積が５００ｍ２／ｇ〜２５００ｍ２／ｇの炭素材料をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のリチウム電池システム。
【請求項６】
前記第１電池パックと前記交流発電機との間の電流経路は、前記第２電池パックと前記交流発電機との間の電流経路より短いことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項７】
前記第１電池パックの内部抵抗は、前記第２電池パックの内部抵抗より小さいことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池システム。
【請求項８】
電力を生成する交流発電機と、
前記交流発電機に並列連結されており、直列連結された複数の第１電池セルを含む第１電池パックと、
前記交流発電機および前記第１電池パックと並列に連結されており、前記第１電池パックの容量よりも大きい容量を有する第２電池パックとを含み、
前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含み、
前記複数の第１電池セルのそれぞれの作動電圧範囲が、
低温時の車両エンジンのクランキングのためにＳＯＣ（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）が０％から１００％である１．７５Ｖ〜３．８Ｖの第１正常範囲と、
ＳＯＣが１００％を超える３．８Ｖ〜４．５Ｖの第１過充電範囲と、を含むことを特徴とする自動車電池システム。
【請求項９】
前記第２電池パックは、鉛電池パックであることを特徴とする請求項８に記載の自動車電池システム。
【請求項１０】
前記第１電池パックと前記交流発電機との間の電流経路は、前記第２電池パックと前記交流発電機との間の電流経路より短いことを特徴とする請求項８に記載の自動車電池システム。
【請求項１１】
前記第１電池パックの内部抵抗は、前記第２電池パックの内部抵抗より小さいことを特徴とする請求項８に記載の自動車電池システム。
【請求項１２】
車両の交流発電機、スタータおよび負荷に並列連結されているマルチ電池パックを備えた自動車電池システムの動作方法において、
前記車両のクランキング動作時、前記マルチ電池パックから前記スタータに電力が供給される段階と、
前記車両の運行時、前記交流発電機および前記マルチ電池パックのうちの１つから前記負荷に電力が供給される段階と、
前記交流発電機が動作しない駐車時、前記車両に必要な電力が前記マルチ電池パックから供給される段階とを含み、
前記マルチ電池パックは、第１電池パックと、第２電池パックとを含み、
前記第１電池パックは、直列連結された複数の第１電池セルを含み、前記第１電池セルの負極は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、ＣｕＫαを用いたＸ線回折測定時、（００２）面の層間距離（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｓｐａｃｉｎｇ、ｄ００２）が０．３４ｎｍ〜０．５０ｎｍの炭素系物質を含み、
前記複数の第１電池セルのそれぞれの作動電圧範囲が、
低温時の車両エンジンのクランキングのためにＳＯＣ（ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）が０％から１００％である１．７５Ｖ〜３．８Ｖの第１正常範囲と、
ＳＯＣが１００％を超える３．８Ｖ〜４．５Ｖの第１過充電範囲と、を含むことを特徴とする自動車電池システムの動作方法。
【請求項１３】
前記車両の運行時、前記負荷に電力が供給される段階は、
前記交流発電機の出力電力が基準電力以上の時、前記交流発電機の出力電力が前記負荷に供給される段階と、
前記交流発電機の出力電力が基準電力より小さい時、前記マルチ電池パックから前記負荷に必要な電力が供給される段階とを含むことを特徴とする請求項１２に記載の自動車電池システムの動作方法。
【請求項１４】
前記交流発電機の出力電力が基準電力以上の時、前記交流発電機の出力電力のうち、前記負荷に必要な電力を除いた残りの電力によって前記マルチ電池パックが充電される段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の自動車電池システムの動作方法。
【請求項１５】
前記残りの電力による前記マルチ電池パックの充電段階において、前記第１電池パックの充電速度が、前記第２電池パックの充電速度より速いことを特徴とする請求項１４に記載の自動車電池システムの動作方法。
【請求項１６】
前記駐車時、前記車両に必要な電力が前記マルチ電池パックから供給される段階において、前記第１電池パックの放電速度が、前記第２電池パックの放電速度より速いことを特徴とする請求項１２に記載の自動車電池システムの動作方法。