(57)【要約】【課題】長寿命化と信頼性向上とを図るバッテリーシステムの提供。【解決手段】本発明のバッテリーシステムは、一対の拘束部材と、前記拘束部材の間に複数配置される電池セルと、前記電池セルにかかる拘束圧を制御するための圧力調整部と、前記電池セルの劣化度を算出する劣化度算出手段と、を有し、前記圧力調整部は、前記電池セルの前記劣化度に基づいて前記電池セルにかかる圧力が一定となるように前記拘束圧を調整することを特徴とする。【選択図】図２
2020145063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の拘束部材と、
前記拘束部材の間に複数配置される電池セルと、
前記電池セルにかかる拘束圧を制御するための圧力調整部と、
前記電池セルの劣化度を算出する劣化度算出手段と、
を有し、
前記圧力調整部は、前記電池セルの前記劣化度に基づいて前記電池セルにかかる圧力が一定となるように前記拘束圧を調整することを特徴とするバッテリーシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のバッテリーシステムであって、
前記圧力調整部は、前記電池セルの内圧が高まると前記拘束圧を緩めるように調整することを特徴とするバッテリーシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のバッテリーシステムであって、
前記電池セルの充電深度を算出する深度算出手段を有し、
前記圧力調整部は、前記充電深度に基づいて、前記充電深度が高い時には前記拘束圧を低下させ、前記充電深度が低いときには前記拘束圧を高めることを特徴とするバッテリーシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のバッテリーシステムであって、
前記劣化度算出手段は、前記劣化度を前記電池セルの充電サイクルにおける微小時間の電荷量変化：ｄＱ、微小時間の電圧変化：ｄＶとしたとき、ｄＱ／ｄＶを劣化度として算出することを特徴とするバッテリーシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１つに記載のバッテリーシステムであって、
前記劣化度が基準値から逸脱したときには前記拘束圧を緩めることを特徴とするバッテリーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車をはじめとする車両には、近年、車両の電気的な駆動力として、あるいはその他電子機器の電源として、リチウムイオン電池等のバッテリーシステムが搭載されている。
このようなリチウムイオン電池においては、充電時には電極が膨張し、放電時には電極が収縮する。さらに、バッテリーの劣化によって膨張が生じることが知られており、また膨張によりバッテリーの内圧が上昇することでバッテリー性能に影響があることが知られている。
こうした膨張による影響を低減するために、例えば電池セルを拘束することで拘束圧を負荷として加えることで膨張を抑制するような構成が知られている（例えば特許文献１〜３等参照）が、単に膨張を抑制するように圧力をかけるだけでは、却って電池内の圧力が増大してしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９６２３０号公報
【特許文献２】特開２００７−１６５６９８号公報
【特許文献３】特開２０１０−４０３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、バッテリーシステムの長寿命化と信頼性向上とを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明にかかるバッテリーシステムは、一対の拘束部材と、前記拘束部材の間に複数配置される電池セルと、前記電池セルにかかる拘束圧を制御するための圧力調整部と、前記電池セルの劣化度を算出する劣化度算出手段と、を有し、前記圧力調整部は、前記電池セルの前記劣化度に基づいて前記電池セルにかかる圧力が一定となるように前記拘束圧を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のバッテリーシステムによれば、長寿命化と信頼性向上につながり、電池性能を最大限に引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態としての車両のバッテリーシステムの構成例を示す図である。
【図２】図１に示したバッテリーシステムの電池モジュールの構成例を示す図である。
【図３】図２に示した電池セルのＳＯＨと厚みの変遷の一例を示す図である。
【図４】図２に示した電池セルのＳＯＣと厚みの変遷の一例を示す図である。
【図５】図２に示した電池セルの構成例を示す断面図である。
【図６】図２に示した圧力調整部の動作の一例を示す図である。
【図７】圧力調整部の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態として、電池モジュールが複数連結されて形成されたバッテリーシステム１００について説明する。
【０００９】
バッテリーシステム１００は、図１に示すように、１つ以上の電池モジュール１０によって構成される電池パックであり、本実施形態では特に複数の電池モジュール１０を連結した態様について説明する。また、本実施形態では図１に示した拘束圧Ｐの方向からも明らかなように、電池モジュール１０を圧力を加える方向に並べて連結する態様について述べるが、その他平置き、縦置き等の置き方を限定するものではない。
【００１０】
電池モジュール１０は、図２に示すように、一対の拘束部材たる拘束冶具１１と、拘束冶具１１の間に複数配置される電池セル１２と、電池セル１２にかかる拘束圧を制御するための圧力調整部１３と、を有している。
また、圧力調整部１３は、電池セル１２の劣化度を算出する劣化度算出手段２１と、深度算出手段２２と、を備えた制御部２０と、拘束冶具１１及び電池セル１２を加圧するための加圧手段として油圧機２３と、を有している。
なお、図２においては視認性向上のため一対の拘束冶具１１及び電池セル１２の間隔を広げて表示しているが、実際には一対の拘束冶具１１が拘束圧Ｐによって上下方向に押圧された状態で固定されており、かかる間隔は電池モジュール１０の設計値に応じて変化する。
【００１１】
拘束冶具１１は、本実施形態では一対の平行平板状の部材であって、電池セル１２の４隅を貫くように起立したガイドシャフト１４によって互いに連結されている。
電池セル１２は、図５に示すように、正極層１と、負極層３と、正極層１と負極層３とに挟まれた電解質層２と、正極層１よりも外側に配置された正極集電体４と、負極層３よりも外側に配置された負極集電体５と、が積層一体に形成された固体電池である。
本実施形態では、かかる固体電池の１つ１つを電池セル１２、電池セル１２が複数重ねられてガイドシャフト１４と拘束冶具１１とによって固定された組電池を電池モジュール１０として表現するが、かかる構成に限定されるものではない。
また、本実施形態ではリチウムイオン電池を想定して説明を行うが、電池セル１２は充電可能な固体電池であれば良く、正極層１や負極層３の材質は適宜変更して良い。
電解質層２は固体でなくても良く、電解液とセパレータを用いたリチウムイオン電池であっても良いため、図５は一例に過ぎない。また、かかる電池の充放電時の具体的な反応工程等については、本発明と直接的な関係が薄いため説明を省略する。
【００１２】
電池モジュール１０は、電池セル１２と拘束冶具１１との間に電池セル１２にかかる内部圧力を測定し、電圧に変換する役割を担うロードセル１６と、電極への面圧を均一にするための電極圧力板１５と、を有している。
ロードセル１６は、例えば圧力を電圧として出力する圧電素子であって、電池セル１２の厚みが増大したときにかかる厚みの増大を内圧として検知する圧力検知手段である。また、かかるロードセル１６は、冷却機構を有していてもよく、あるいは電池セル１２との間に冷却板その他の冷却機構を設置しても良い。
【００１３】
劣化度算出手段２１は、劣化度としてＳＯＨ（Ｓｔａｔｅｓ  Ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ）値を算出するための演算手段である。本実施形態においてはＳＯＨ値は、電池セル１２の現在の充電サイクルにおける微小時間の電荷量変化：ｄＱ、微小時間の電圧変化：ｄＶとしたとき、ｄＱ／ｄＶを計算することでＳＯＨ値を算出する。
かかるＳＯＨ値は、電池セル１２の劣化度を示す指標であり、図３において、ＳＯＨ値が１００％のときには劣化が少ない状態、ＳＯＨ値が下がるにつれて劣化が進行している状態を表している。また、図３の縦軸は、拘束圧Ｐをかけない状態における電池セル１２の厚みを表しており、ＳＯＨ値が下がるにつれて電池セル１２の厚みが増大することが明らかである。
【００１４】
深度算出手段２２は、電池セル１２の放電時における電圧に基づいて充電深度としてのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｓ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）値を算出するための演算手段である。
深度算出手段２２は、電池セル１２の放電時の電圧と電流を検知して、現在の電池セル１２の放電容量Ｃ’と、満充電状態における放電容量Ｃとを用いてＣ’／Ｃ×１００によって充電深度を算出する。
あるいは、予め電池セル１２のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を測定しておき、現在の電池セル１２の電圧を測定することで、ＳＯＣの概算を行う方法を用いても良い。
なお、本実施形態においては、図４に示すように、ＳＯＣ値が１００％付近で使用するような場合の方が電池セル１２の厚みが増大しやすい傾向があることがわかっている。
【００１５】
制御部２０は、かかる劣化度算出手段２１と深度算出手段２２とを用いて得られたＳＯＨ値とＳＯＣ値とに基づいて、油圧機２３によって加圧するための拘束圧Ｐを算出する。油圧機２３は、算出された拘束圧Ｐをロードセルに加えることで電池セル１２を加圧する。なおこのとき、正常の範囲内においては、制御部２０が与える拘束圧Ｐは０にならず、常に一定の圧力が電池セル１２にかかるようになっていることが好ましい。与える圧力値は、０．１〜１Ｐａ等、適宜電池設計に従って好適な圧力として良いが、電池セル１２が圧力依存性を有するため、かかる数値に限定されるものではない。
また、本実施形態では、制御部２０がＳＯＨ値とＳＯＣ値との両方に基づいて拘束圧Ｐを算出しているが、ＳＯＨ値とＳＯＣ値とのうち、少なくともＳＯＨ値を参照して拘束圧Ｐを算出しても良い。
【００１６】
さて、従来のリチウムイオン電池においては、充電時に電極が膨張し、放電時に電極が収縮する傾向が知られている。また、電池の劣化に伴って、負極表面に被膜が形成されて電極の厚みが増加したり、電解液分解によるガス発生等による電池の膨張が知られている。
このような電池の膨張によってセパレータの破損や内部短絡等、様々な問題が生じるため、電池の膨張を防ぐために外部から圧力をかけて膨張を抑える構成が知られている。
しかしながら、特にリチウムイオン電池において、電池セルの性能は圧力依存性を有する、すなわち内部圧力と外部圧力との和によって電池の性能が変化してしまうことが明らかとなってきた。
【００１７】
そこで本実施形態においては、制御部２０は、初期状態においては電池セル１２に油圧機２３を介して所定の初期拘束圧を加える。制御部２０は、電池セル１２の膨張により内圧が上昇すると、電池セル１２にかかる圧力を一定とすべく、拘束圧Ｐを緩めるように、電池セル１２にかかる圧力を制御する。言い換えれば、内圧と拘束圧Ｐとの和が初期拘束圧から大きく逸脱しないように、圧力を制御する。
まず、劣化度算出手段２１は、電池セル１２の現在の充電サイクルにおける微小時間の電荷量変化：ｄＱ、微小時間の電圧変化：ｄＶとしたときのｄＱ／ｄＶより、ＳＯＨ値を算出する（ステップＳ１０１）。
【００１８】
ステップＳ１０１においては、例えば電池セル１２の製造時において電圧ＶとｄＱ／ｄＶとの間の対応関係を充放電サイクルを繰り返しながら微分曲線Ｖ−ｄＱ／ｄＶとして記憶しておき、電池セル１２の充放電時に得られたｄＱ／ｄＶが特定の微分値Ｐ０となった時点における電圧Ｖを算出する。
このように微分曲線Ｖ−ｄＱ／ｄＶに対する特定の微分値Ｐ０（例えばＰ０＝６０等）に対応する電圧Ｖが分かっているときには、電池セル１２の充放電サイクルにおいてｄＱ／ｄＶを測定し、かつ電圧Ｖを測定することで、ｄＱ／ｄＶの数値と電圧Ｖとの組み合わせからＳＯＨ値が明らかとなる。
なお、ここで述べたＳＯＨ値の導出は例示に過ぎず、その他ＳＯＨ値は電池セル１２の劣化度を算出する上で好適な方法をとるのでも構わない。
【００１９】
また、深度算出手段２２は、電池セル１２の放電時の電圧および電流から、充電深度たるＳＯＣ値を算出する（ステップＳ１０２）。
制御部２０は、かかるステップＳ１０２において算出されたＳＯＣ値と、ステップＳ１０１において算出されたＳＯＨ値とを用いて、加圧するための拘束圧Ｐを決定する（ステップＳ１０３）。
制御部２０は、予め図３のようにＳＯＨ値と電池セル１２の厚みとの関係をプロットした図を記憶しておくことで、現充放電サイクル時点で算出されたＳＯＨ値によって、拘束冶具１１が無い場合に電池セル１２がどの程度の膨張を生じるかがわかる。
従って、制御部２０は、算出されたＳＯＨ値によって厚みから内圧を推定することで、拘束圧Ｐを決定できる。
具体的には、電池セル１２の内圧と拘束圧Ｐとの和が一定の範囲内に収まるように、拘束圧Ｐを算出する。従って、ＳＯＨ値が高く出荷時の状態に近い（劣化の少ない）電池セル１２の拘束圧Ｐは高く、ＳＯＨ値が低く劣化の大きい電池セル１２においては拘束圧Ｐを低くするように油圧機２３が制御される。
【００２０】
ここで電池セル１２のＳＯＨ値は、図３に示したように充放電サイクルの回数に応じて凡その傾向が明らかとなっている。そこで、図６に示すように、制御部２０は、ステップＳ１０１において算出されたＳＯＨ値が適切な範囲内にあるかどうかを判別しても良い（ステップＳ１０４）。
仮にＳＯＨ値が高いときには、内圧から予測される電池セル１２の膨張の度合いが予め測定されていた基準値よりも大きく逸脱することになるので、、制御部２０は、電池セル１２の異常であると判断して拘束圧Ｐを緩めることが望ましい（ステップＳ１０５）。
このようにＳＯＨ値が、予想される数値とは異なる異常値を返すような場合としては、例えば初期不良や短絡等によって異常な膨張が生じている場合が挙げられる。また本実施形態では、ステップＳ１０４においてＳＯＨ値と内圧とを比較して異常を検知するとしたが、その他、電極圧力板１５を持たない構成においては充放電サイクルの回数を参照しても良い。
【００２１】
なお、図４からも明らかなように、かかるＳＯＨ値と電池セル１２の厚みとの間の関係は、利用される充電深度帯すなわちＳＯＣ値によっても異なる。
そのため、本実施形態においては、制御部２０は、算出されたＳＯＣ値とＳＯＨ値とに基づいて厚みから内圧を推定することで、拘束圧Ｐを決定することが望ましいが、ＳＯＨ値のみに基づいて拘束圧Ｐを決定しても良い。
【００２２】
油圧機２３は、ステップＳ１０３において算出された拘束圧Ｐに従って電池モジュール１０を加圧する（ステップＳ１０６）。
【００２３】
また、本実施形態においては、制御部２０は、電池セル１２の内圧が高まると予測されるときには拘束圧Ｐを緩めるように調整する。
かかる構成によれば、電池セル１２の劣化時や充放電時にかかる圧力の変動を抑制できて、組電池の長寿命化と信頼性向上に寄与する。
【００２４】
また、本実施形態では、電池モジュール１０は、電池セル１２のＳＯＣ値を算出する深度算出手段２２を有し、制御部２０は、算出されたＳＯＣ値に基づいて、充電深度が高い時には拘束圧Ｐを低下させ、充電深度が低いときには拘束圧Ｐを高めるように拘束圧Ｐの制御を行う。
かかる構成によれば、電池セル１２のＳＯＣ値によって変動する電池セル１２の厚み分の圧力変動を抑制して、組電池の長寿命化と信頼性向上に寄与する。
【００２５】
また、本実施形態では劣化度算出手段２１は、ＳＯＨ値を電池セル１２の充電サイクルにおける微小時間の電荷量変化：ｄＱ、微小時間の電圧変化：ｄＶとしたとき、ｄＱ／ｄＶを劣化度として算出する。
かかる構成により、電池セル１２のＳＯＣ値によって変動する電池セル１２の厚み分の圧力変動を抑制して、組電池の長寿命化と信頼性向上に寄与する。
【００２６】
また、本実施形態では制御部２０は、ＳＯＨ値が基準値から逸脱したときには拘束圧Ｐを緩めるように圧力の制御を行う。
かかる構成によれば、ＳＯＨ値が高く劣化の度合いが低いにも関わらず膨張が大きいときにも拘束圧Ｐが緩まるから、電池セル１２の劣化のみならず異常が生じているときにも安全性の向上に寄与する。
【００２７】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００２８】
例えば、図２に示した電池モジュール１０においては、油圧機２３を用いた加圧方法について述べたが、図７に示すように、エアー、電池、ばね等の収縮膨張する圧力調整部として膨張体２５を有しても良い。
【００２９】
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３０】
１０…組電池（電池モジュール）、１１…拘束部材、１２…電池セル、２０…圧力調整部（制御部）、２１…劣化度算出手段、２２…深度算出手段、２３…圧力調整部（油圧機）、１００…バッテリーシステム、ｄＱ…電荷量変化、ｄＶ…電圧変化、Ｐ…拘束圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020145063.tif 000008
【図７】
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