(57)【要約】 【課題】二次電池のＳＯＣ演算の精度を向上する二次電池装置の制御方法および二次電池装置を提供する。【解決手段】チタン酸リチウムを負極活物質として用いた非水電解質二次電池１０を少なくとも１つ含む組電池ＢＴと、組電池ＢＴと負荷又は電源との間に接続された主回路に所定の周波数の交流電圧・電流を印加する交流発振源ＳＳと、非水電解質二次電池１０の電池電圧を検出する監視回路ＶＴＭと、主回路の電流を検出する電流検出回路２００と、電池電圧と主回路の電流との値を受信し、受信した値に基づいて交流発振源ＳＳから出力された交流電圧・電流に対する電池のインピーダンスＺを演算し、演算したインピーダンスＺに基づいて非水電解質二次電池１０のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部２０２と、を備えたことを特徴とする二次電池装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸リチウムを負極活物質として用いた非水電解質二次電池を少なくとも１つ含む組電池と、
前記組電池と負荷又は電源との間に接続された主回路に所定の周波数の交流電圧・電流を印加する交流発振源と、
前記非水電解質二次電池の電池電圧を検出する監視回路と、
前記主回路の電流を検出する電流検出回路と、
前記電池電圧と前記主回路の電流との値を受信し、受信した値に基づいて前記交流発振源から出力された交流電圧・電流に対する前記電池のインピーダンスを演算し、演算したインピーダンスに基づいて前記非水電解質二次電池のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、を備えたことを特徴とする二次電池装置。
【請求項２】
前記非水電解質二次電池の正極は、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、および、コバルト酸リチウムの少なくともいずれかを正極活物質として用いていることを特徴とする請求項１記載の二次電池装置。
【請求項３】
前記ＳＯＣ演算部は、演算したインピーダンスに基づく前記非水電解質二次電池のＳＯＣの値が２以上あるときに、前記電池電圧を用いて前記非水電解質二次電池のＳＯＣの値を選択することを特徴とする請求項１記載の二次電池装置。
【請求項４】
チタン酸リチウムを負極活物質として用いた非水電解質二次電池を少なくとも１つ含む組電池と、負荷又は電源との間を接続した主回路に所定の周波数の交流電圧・電流を印加し、
前記非水電解質二次電池の電池電圧を検出するとともに、前記主回路の電流を検出し、
前記電池電圧と前記主回路の電流との値を受信し、受信した値に基づいて前記交流発振源から出力された交流電圧・電流に対する前記電池のインピーダンスを演算し、
演算したインピーダンスに基づいて前記非水電解質二次電池のＳＯＣを演算することを特徴とする二次電池装置の制御方法。
【請求項５】
演算したインピーダンスに基づく前記非水電解質二次電池のＳＯＣの値が２以上あるときに、前記電池電圧を用いて前記非水電解質二次電池のＳＯＣの値を選択することを特徴とする請求項４記載の二次電池装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、二次電池装置の制御方法および二次電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車（ＥＶ：electric vehicle）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ：hybrid electric vehicle）、電動バイク、フォークリフトなどに用いられる大型及び大容量電源として、エネルギー密度の高い非水電解質二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池）が注目されている。非水電解質二次電池は、長寿命化や安全性などに配慮しながら、大型化及び大容量化のための開発が行われている。大容量電源としては、駆動電力を大きくするため、直列および並列に接続した多数個の二次電池を収納した組電池が開発されている。
【０００３】
二次電池が様々な機器に搭載される場合、二次電池の充電量（ＳＯＣ：state of charge）を演算して二次電池の制御を行う。例えば電気自動車では、二次電池のＳＯＣにより充電スタンドまで走行可能か否かを判断する。また、例えばハイブリッド自動車では、二次電池のＳＯＣにより次のタイミングで充電するか、現状で温存するかを判断する。また、二次電池は過充電や過放電にほり寿命が低下するため、二次電池のＳＯＣにより充電および放電の動作を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９０４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年では寿命、急速充電特性に着目して二次電池の開発がなされている。二次電池の電極材料として複数種類の選択肢があるが、電極材料により二次電池の電極電位はＳＯＣの広い範囲でほぼ一定に保たれる。この特性は二次電池の出力容量特性として良好である一方で、二次電池の電極電圧に基づいてＳＯＣを演算することを困難にしている。
【０００６】
本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、二次電池のＳＯＣ演算の精度を向上する二次電池装置の制御方法および二次電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、チタン酸リチウムを負極活物質として用いた非水電解質二次電池を少なくとも１つ含む組電池と、前記組電池と負荷又は電源との間に接続された主回路に所定の周波数の交流電圧・電流を印加する交流発振源と、前記非水電解質二次電池の電池電圧を検出する監視回路と、前記主回路の電流を検出する電流検出回路と、前記電池電圧と前記主回路の電流との値を受信し、受信した値に基づいて前記交流発振源から出力された交流電圧・電流に対する前記電池のインピーダンスを演算し、演算したインピーダンスに基づいて前記非水電解質二次電池のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、を備えたことを特徴とする二次電池装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、非水電解質二次電池の一例を概略的に示す図である。
【図２】図２は、密閉型二次電池の部分断面の一例を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、非水電解質二次電池のＳＯＣに対する電池電圧特性の一例、および、ＳＯＣに対する電池の交流インピーダンス特性の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、非水電解質二次電池のＳＯＣに対する正極電位、負極電位の一例、および、ＳＯＣに対する負極の交流インピーダンス特性の一例を示す図である。
【図４】図４は、実施形態の二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。
【図５】図５は、本実施形態の二次電池装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の制御方法および二次電池装置について図面を参照して説明する。  
図１は、非水電解質二次電池の一例を概略的に示す図である。図２は、非水電解質二次電池の部分断面の一例を示す図である。
【００１０】
図１および図２に示すように、密閉型二次電池は、例えば、リチウムイオン電池等の薄型の非水電解質二次電池１０として構成されている。二次電池１０は、偏平な矩形箱状の外装容器１２と、外装容器１２内に非水電解液１４と共に収納された電極体１６と、を備えている。
【００１１】
非水電解液１４には炭酸プロピレンや炭酸エチレン、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート類、及びγブチロラクトン等のラクトン類、及びその他のニトリル類を用いることができる。電解質にはＬｉＰＦ６（六フッ化リン酸リチウム）やＬｉＢＦ４（四フッ化ほう酸リチウム）を用いることができる。
【００１２】
このほか固体電解質等、リチウムイオンを輸送できる電解質、電解液を用いることができる。
【００１３】
外装容器１２は、上端が開口した容器本体１２ａと、容器本体１２ａに溶接され容器本体の開口を閉塞した矩形板状の蓋体１２ｂとを有し、気密に形成されている。容器本体１２ａは、開口に対向する底壁と、開口と底壁との間に延びるとともに互いに対向する２つの主壁と、２つの主壁間に延びる２つの側壁とを備える。電極体１６は、例えば、正極板および負極板をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回し、更に、径方向に圧縮することにより、偏平な矩形状に形成されている。
【００１４】
外装容器１２、及び集電体、および導電材としてはアルミニウムやアルミニウム合金等を用いることができる。
【００１５】
本実施形態では、正極電極として、ＬｉＮｉ０．３３Ｃｏ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２を用いた正極活物質を、さらにカーボンブラック、ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビリニデン）と重量比１００：５：５で混合して、アルミニウム箔に両面塗布したものを用いた。なお、正極活物質は上記の材料に限定されるものではない。正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎＯ２（マンガン酸リチウム）、ＬｉＦｅＰＯ４（リン酸鉄リチウム）、ＬｉＣｏＯ２（コバルト酸リチウム）、ＬｉＮｉＯ２（ニッケル酸リチウム）等を用いることができる。
【００１６】
また、負極電極として、スピネル型チタン酸リチウムを用いた負極活物質を、さらにグラファイト、ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビリニデン）と重量比１００：５：５で混合して、アルミニウム箔に両面塗布したものを用いた。なお、負極活物質は上記の材料に限定されるものではない。
【００１７】
正極および負極それぞれの塗付量は１００ｇ／ｍ２とし、正極電極は略５ｃｍの幅で略１００ｃｍの長さを塗布し、負極電極は略６ｃｍの幅で略１１０ｃｍの幅を塗布した。セパレータは例えばポリエチレン製であって、厚さが３０ｕｍ、略７ｃｍの幅で略２００ｃｍの長さである。
【００１８】
正極端子２０ｐおよび負極端子２０ｍは、蓋体１２ｂの長手方向両端部にそれぞれ設けられ、蓋体１２ｂから突出している。正極端子２０ｐおよび負極端子２０ｍは、電極体１６の正極および負極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１９】
負極端子２０ｍは、図２に示すように、蓋体１２ｂを貫通して延びている。負極端子２０ｍと蓋体１２ｂとの間には、合成樹脂、ガラス等の絶縁体からなるシール材、例えば、ガスケット１８が設けられている。ガスケット１８は、負極端子２０ｍと外装容器１２との間を気密にシールしているとともに、電気的に絶縁している。
【００２０】
図１および図２に示すように、蓋体１２ｂには、外装容器１２内へ非水電解液１４を注入するための注液孔３４が形成され、外装容器内に連通している。注液孔３４は、例えば、円形に形成されている。注液孔３４は、蓋体１２ｂに固定された封止栓（図示せず）により封止されている。蓋体１２ｂの中央部には、圧力開放弁３２が配置されている。なお、圧力開放弁３２は、例えば蓋体１２ｂの板厚を部分的に薄くした薄肉部により構成してもよい。外装容器１２の内圧がある一定以上に高まると、圧力開放弁３２が開放され、内圧を下げて外装容器の破裂等の不具合を防止する。
【００２１】
図３Ａは、上記二次電池１０のＳＯＣに対する電圧の一例と、ＳＯＣに対する交流インピーダンスの一例を示す図である。なお、図３Ａでは、二次電池１０の電圧の特性を実線で示し、交流インピーダンスを破線で示している。
【００２２】
図３Ｂは、図３Ａで示した電池のリチウム基準での正極と負極の電位の例、及び正極、負極の交流インピーダンス例である。
【００２３】
図３Ａで示される電池電圧は、図３Ｂで示される正極電位と負極電位の差で説明される。また図３Ａで示される電池の交流インピーダンスは、図３Ｂで示される正極・負極のインピーダンスの合算で示される。
【００２４】
二次電池１０の電池電圧はＳＯＣが小さいときに低く、ＳＯＣが大きくなると高くなる。特に、二次電池１０の図３Ｂで示される負極電位はＳＯＣの広い範囲でほぼ一定（略１．５５Ｖ）に保たれるため、電池電圧の変化は実質、正極電位の変化に依拠することとなる。この際、二次電池１０の正極に例えばＬｉＭｎ２Ｏ４を選択した場合、正極電位がＳＯＣの広い範囲でほぼ一定（略４．０５Ｖ）に保たれる。したがって、二次電池１０の正極電位と負極電位とがほぼ一定の範囲がひろくなるため、電圧変化の小さなＳＯＣの範囲において、二次電池１０の電池電圧に基づいてＳＯＣを判断することは困難である。
【００２５】
なお、二次電池のＳＯＣに対する電極電位の特性は、電極材料により異なる特性となる。例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４（マンガン酸リチウム）や、ＬｉＦｅＰＯ４（リン酸鉄リチウム）を正極の材料に用いた場合には、電極電位が略一定となるＳＯＣの範囲が広く、ＬｉＮｉＯ２（ニッケル酸リチウム）を電極材料に用いた場合には、電極電位が略一定となるＳＯＣの範囲が比較的狭くなり、ＬｉＣｏＯ２（コバルト酸リチウム）は両者の中間である。したがって、正極材料としてＬｉＭｎ２Ｏ４（マンガン酸リチウム）や、ＬｉＦｅＰＯ４（リン酸鉄リチウム）を用いた場合には、二次電池１０の電圧に基づくＳＯＣを判断することはより困難である。さらに、このときの二次電池１０の電圧は開放電圧であるため、二次電池１０が充電あるいは放電を行っているときには二次電池１０の電圧を得ることができず正確にＳＯＣを演算することが困難である。
【００２６】
なお、電流積算によりＳＯＣを演算する方法や直流電圧に対する二次電池１０の抵抗に基づいてＳＯＣを演算する方法提案されている。しかしながら、電流積算に基づいてＳＯＣを演算するときには二次電池の劣化による容量の変化を考慮する必要があるため精度を向上させることが困難である。直流電圧に対する二次電池１０の抵抗に基づいてＳＯＣを演算するときには、二次電池１０を充電あるいは放電する必要があるため、単独での仕様は困難である。
【００２７】
一方、図３Ｂに示すように二次電池１０の負極は、ＳＯＣが０％から大きくなるに従って交流インピーダンスが小さくなり、ＳＯＣが１００％に近付くと再びインピーダンスが大きくなる。この交流インピーダンスは、例えば１００Ｈｚ乃至１０ｋＨｚの高周波で抵抗値を測定することにより得ることができる。この交流インピーダンスの変化は、チタン酸リチウムがリチウムの脱挿入に従って、電子構造の変化に伴い電子導電性が変化するために起こる現象である。
【００２８】
これに比べて、図３Ｂに示すように二次電池１０の正極は、交流インピーダンスのSOCによる変化が負極に対して小さい。
【００２９】
このため、図３Ａに示すように、二次電池１０のインピーダンスは、ＳＯＣに対して略一定となることなく変化することから、この傾向に基づいてＳＯＣを判断することが可能である。さらに、二次電池１０に高周波を印加する場合、二次電池１０が放電あるいは充電しているときでも、重畳することが可能である。
【００３０】
図４は、実施形態の二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。  
本実施形態の二次電池装置は、組電池ＢＴと、組電池監視回路ＶＴＭと、電池管理部（ＢＭＵ：battery management unit）ＣＴＲと、交流発振源ＳＳと、を備えている。
【００３１】
組電池ＢＴは、複数の二次電池１０を直列および並列に接続して構成されている。組電池ＢＴは、開閉器Ｓ２を介して負荷又は電源と接続される。開閉器Ｓ２は、組電池ＢＴと負荷又は電源との間を接続する主回路に設けられている。
【００３２】
組電池監視回路ＶＴＭは、複数の二次電池１０それぞれの電池電圧を測定するとともに、複数の二次電池１０の近傍の温度を少なくとも１カ所で測定する。組電池監視回路ＶＴＭは図示しない通信手段を備え、通信手段を介して測定した電池電圧と温度との値を電池管理部ＣＴＲへ出力する。
【００３３】
交流発振源ＳＳは、所定の周波数の交流電圧・電流を組電池ＢＴの主回路へ印加する。交流発振源ＳＳは例えば電池管理部ＣＴＲからの制御信号によりその動作を制御され、例えば１００Ｈｚ乃至１０ｋＨｚの高周波の交流電圧・電流を主回路へ印加する。交流発振源ＳＳから印加された交流電圧・電流は、組電池ＢＴの放電電圧あるいは充電電圧に重畳される。
【００３４】
交流発振源ＳＳと主回路とは開閉器Ｓ１を介して接続されている。開閉器Ｓ１は例えばコンタクタ等の電気的に動作する開閉器であって、電池管理部ＣＴＲからの制御信号に基づいて開閉動作を行い、交流発振源ＳＳと主回路との電気的接続を切り替える。なお、交流発振源ＳＳは負荷又は電源と並列に主回路に接続されるため、開閉器Ｓ１が閉じているときには交流発振源ＳＳに直流が印加されることとなる。このため、交流発振源ＳＳの回路が直流電圧のために破壊されることが無いようにコンデンサを挿入する等、高耐圧にすることが望ましい。
【００３５】
電池管理部ＣＴＲは、メモリＭと、ＭＰＵ１００と、電流検出部２００と、組電池監視回路ＶＴＭの通信手段と接続されたインタフェース回路（図示せず）と、を備えている。
【００３６】
メモリＭは、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）である。メモリＭには、例えばＭＰＵ１００の動作を規定するプログラムが記録されている。
【００３７】
電池管理部ＣＴＲには、図示しないコネクタを介して、電源電圧および外部充電器信号が、外部電源（図示せず）および外部充電器（図示せず）から供給されている。また、電池管理部ＣＴＲは、図示しない通信手段を介して、上位制御手段との間で信号の送信および受信を行っている。
【００３８】
電池管理部ＣＴＲのインタフェース回路は、コネクタを介して組電池監視回路ＶＴＭから、二次電池１０の電圧値、組電池の温度値等のデータを受信する。なお、組電池監視回路ＶＴＭと電池管理部ＣＴＲとでは、グランド電位が異なるため、絶縁通信を行なっている。
【００３９】
インタフェース回路は、二次電池セルの電圧値、組電池の温度値等のデータを例えばＩ２Ｃ通信によりＭＰＵ１００に供給する。組電池監視回路ＶＴＭには、インタフェース回路から、クロック信号、その他のデータ信号等が供給される。
【００４０】
電流検出部２００には、組電池ＢＴの負極端子と負荷又は電源とを接続する主回路が経由している。電流検出部２００は、主回路に流れる電流を検出してＭＰＵ１００へ出力する。
【００４１】
ＭＰＵ１００は、二次電池１０のＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部２０２を備え、インタフェース回路を介して受信した電圧および温度の値と電流検出部２００から受信した電流の値とから演算したＳＯＣを、上位制御装置へ出力する。ＭＰＵ１００は、上位制御装置から受信した制御信号に従って、組電池監視回路ＶＴＭおよび交流発振源ＳＳの動作を制御する。
【００４２】
なお、図４では、ＳＯＣ演算部２０２はＭＰＵ１００に内蔵されているが、ＳＯＣ演算部２０２はＭＰＵ１００の外に設けられてもよく、電池管理部ＢＭＵの外部に接続した周波数特性分析器（ＦＲＡ）であってもよい。
【００４３】
以下、ＭＰＵ１００のＳＯＣ演算部２０２において二次電池１０のＳＯＣを演算する動作の一例について説明する。
【００４４】
図５は、本実施形態の二次電池装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。本実施形態の二次電池装置では、以下のように周期的に二次電池１０のＳＯＣを演算している。
【００４５】
まず、ＳＯＣ演算部２０２は開閉器Ｓ１および交流発振源ＳＳへ制御信号を出力し、交流発振源ＳＳから主回路へ１００Ｈｚ乃至１０ｋＨの交流電圧・電流を重畳する（ステップＳＴ１）。このとき、交流発振源ＳＳから出力する交流電圧・電流の周波数は直流成分と分離可能な周波数であれば選択可能であるが、周波数を低くするほどＳＯＣの演算に要する時間が長くなるため、ＳＯＣ演算に要する時間や周波数に対する電極のインピーダンス特性等を考慮して適宜設定することが望ましい。
【００４６】
続いて、ＳＯＣ演算部２０２は、組電池監視回路ＶＴＭおよび電流検出部２００から二次電池１０それぞれの電池電圧、および主回路の電流を受信する（ステップＳＴ２）。
【００４７】
ＳＯＣ演算部２０２は、フーリエ変換等により、受信した電池電圧、および、電流の値から重畳された交流電圧・電流に対する変動分を演算し、重畳した交流電圧・電流に対する電池電圧Ｖと、交流電圧・電流に対する電流Ｉとから、電池のインピーダンスＺ（＝Ｖ／Ｉ）を演算する（ステップＳＴ３）。
【００４８】
続いて、ＳＯＣ演算部２０２は、予め測定した二次電池１０のＳＯＣに対するインピーダンスのテーブル等に基づいて、演算したインピーダンスＺに対応するＳＯＣを取得する（ステップＳＴ４）。なお、二次電池１０のＳＯＣに対するインピーダンスのテーブル等は、例えばメモリＭに予め格納されていてもよく、例えば二次電池装置に接続されたメモリ等から適宜読みだされてもよい。
【００４９】
ここで、ＳＯＣ演算部２０２は、演算したインピーダンスＺに対応するＳＯＣが一意に求められるか否か判断する（ステップＳＴ５）。すなわち、例えば図３Ａに示すように二次電池１０のＳＯＣに対するインピーダンスＺの特性が変化する場合、１つのインピーダンスＺの値に対してＳＯＣの値が２つ求められることがある。
【００５０】
そこで、例えば１つのインピーダンスＺの値に対してＳＯＣの値が複数求められる場合には、組電池監視回路ＶＴＭから受信した電池電圧を用いて、いずれの値であるか判断する（ステップＳＴ６）。例えば、ＳＯＣ演算部２０２は、インピーダンスＺの値に対する２つのＳＯＣがあるときに、電池電圧の値から求めたＳＯＣに近い方を二次電池１０のＳＯＣとする。
【００５１】
なお、二次電池１０は完放電（ＳＯＣ＝０％）および満充電（ＳＯＣ＝１００％）の近傍を除くＳＯＣの範囲で使用されることがある。この場合に、１つのインピーダンスＺに対するＳＯＣが常に一意に決定されるときには、ステップＳＴ５およびステップＳＴ６は省略可能である。
【００５２】
ステップＳＴ５において１つのインピーダンスＺに対するＳＯＣが一意に求めた後、および、ステップＳＴ６にて１つのＳＯＣを求めた後、ＳＯＣ演算部２０２は、演算したＳＯＣを上位制御装置へ出力する（ステップＳＴ７）。
【００５３】
上記のように、二次電池１０の特性を利用してＳＯＣを演算することにより、二次電池１０のＳＯＣをより正確に求めることができる。すなわち、本実施形態によれば、二次電池のＳＯＣ演算の精度を向上する二次電池装置の制御方法および二次電池装置を提供することができる。
【００５４】
なお、上記実施形態では、二次電池装置は交流発振源ＳＳを有していたが、組電池ＢＴに接続される負荷又は電源からは、ノイズとして高周波の電圧が印加される場合には、ノイズ成分に対する電池電圧および電流からインピーダンスを演算し、演算したインピーダンスに基づいて二次電池１０のＳＯＣを演算することにより、交流発振源ＳＳを省略することもできる。その場合であっても上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
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。
【符号の説明】
【００５６】
ＢＴ…組電池、ＶＴＭ…組電池監視回路、ＣＴＲ…電池管理部、ＳＳ…交流発振源、Ｓ１…開閉器、Ｍ…メモリ、１０…二次電池（非水電解質二次電池）、１４…非水電解液、１６…電極体、２０ｐ…正極端子、２０ｍ…負極端子、１００…ＭＰＵ、２００…電流検出部、２０２…ＳＯＣ演算部。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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