(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極および負極を有する電極群と、
前記電極群を収納する電池ケースと、
前記電池ケース内に設置された参照極と、電池ケース内に設置された電圧センサと、電池ケース内に設置された外部発信装置と、を有する二次電池であって、
前記参照極と、前記電圧センサと、前記外部発信装置とは前記電池ケース内で配線により接続され、
前記電圧センサにより前記正極および前記参照極の電位差ΔＶＰ、前記負極および前記
参照極の電位差ΔＶＮが検出され、
前記電圧センサで検出された前記電位差ΔＶＰおよび前記電位差ΔＶＮが前記外部発信
装置を介して前記電池ケースの外部に光無線で発信され、
前記外部発信装置はＬＥＤライトであり、
前記二次電池は、負極端子、電池蓋、およびガスケットを有し、
前記ガスケットにより前記負極端子および前記電池蓋が絶縁され、
前記ＬＥＤライトは、前記ガスケット付近に形成される二次電池。
【請求項２】
請求項１において、
前記二次電池に電解液が含まれ、
前記参照極、前記電圧センサ、前記外部発信装置が樹脂でコーティングされている二次
電池。
【請求項３】
請求項１において、
前記ＬＥＤライトは、前記電池蓋に貼り付けられる二次電池。
【請求項４】
請求項１乃至３にいずれかの二次電池を備えた二次電池システムであって、
前記電池ケースの外部に光無線で発信された前記電位差ΔＶＰおよび前記電位差ΔＶＮを
傍受する受信器と、
前記二次電池への電流量を制御する電子制御ユニットと、を有し、
前記電位差ΔＶＮが所定値以下である場合、または、前記電位差ΔＶＰが所定値以上で
ある場合、前記電子制御ユニットは前記二次電池への充電量を制御する二次電池システム。
【請求項５】
正極および負極を有する電極群と、
前記電極群を収納する電池ケースと、
前記電池ケース内に設置された参照極と、電圧センサと、外部発信装置と、を有する二
次電池、を有する二次電池システムの制御方法であって、
前記電圧センサにより前記正極および前記参照極の電位差ΔＶＰ、前記負極および前記
参照極の電位差ΔＶＮが検出され、
前記電圧センサで検出された前記電位差ΔＶＰおよび前記電位差ΔＶＮが前記外部発信
装置を介して前記電池ケースの外部に光無線で発信され、
前記二次電池システムは、前記電池ケースの外部に光無線で発信された前記電位差ΔＶＰ
および前記電位差ΔＶＮを傍受する受信器と、
前記二次電池への電流量を制御する電子制御ユニットと、を有し、
前記電位差ΔＶＮが所定値以下である場合、または、前記電位差ΔＶＰが所定値以上で
ある場合、前記電子制御ユニットは前記二次電池への充電量を制御し、
前記外部発信装置はＬＥＤライトであり、
前記二次電池は、負極端子、電池蓋、およびガスケットを有し、
前記ガスケットにより前記負極端子および前記電池蓋が絶縁され、
前記ＬＥＤライトは、前記ガスケット付近に形成される二次電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池、二次電池システム、それらの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池などの二次電池は充放電を繰り返すことで性能が劣化し寿命が縮まるが、適切に制御することによって長寿命化が可能である。その一つの手段として、電池内部に参照極を設置することで各電極の劣化状態を検知し、リチウムイオン二次電池を制御する方法が、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７６９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、電池内部に設置された参照極の情報を外部に出力するために、参照極測定用端子を追加せねばならず、このため、継手部材が追加されることによって接続部位が増加するため、電解液漏れの可能性が上昇する結果、安全性に問題があった。本発明は、電池電極の状態検知機能を有した二次電池、その二次電池を有する電池システムにおいて、安全性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。  
正極および負極を有する電極群と、電極群を収納する電池ケースと、電池ケース内に設置された参照極と、電圧センサと、外部発信装置と、を有する二次電池であって、電圧センサにより正極および参照極の電位差ΔＶＰ、負極および参照極の電位差ΔＶＮが検出され、電圧センサで検出された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮが外部発信装置を介して電池ケースの外部に無線で発信される二次電池。
【０００６】
上記において、二次電池に電解液が含まれ、参照極、電圧センサ、外部発信装置が樹脂でコーティングされている二次電池。
【０００７】
上記において、電圧センサで検出された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮが外部発信装置を介して電池ケースの外部に光無線で発信される二次電池。
【０００８】
上記において、外部発信装置はＬＥＤライトであり、リチウムイオン二次電池は、負極端子、電池蓋、およびガスケットを有し、ガスケットにより負極端子および電池蓋が絶縁され、ＬＥＤライトは、ガスケット付近に形成される二次電池。
【０００９】
上記において、ＬＥＤライトは、電池蓋に貼り付けられる二次電池。
【００１０】
上記において、外部発信装置は圧電スピーカーであり、電圧センサで検出された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮが外部発信装置を介して電池ケースの外部に音波無線で発信され、圧電スピーカーは電池ケースに貼り付けられる二次電池。
【００１１】
上記において、電圧センサで検出された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮが外部発信装置を介して電池ケースの外部に電磁波で発信され、電池ケースは樹脂で形成される二次電池。
【００１２】
上記の二次電池を備えた二次電池システムであって、電池ケースの外部に無線で発信された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮを傍受する受信器と、二次電池への電流量を制御する電子制御ユニットと、を有し、電位差ΔＶＮが所定値以下である場合、または、電位差ΔＶＰが所定値以上である場合、電子制御ユニットは二次電池への充電量を制御する二次電池システム。
【００１３】
正極および負極を有する電極群と、電極群を収納する電池ケースと、電池ケース内に設置された参照極と、電圧センサと、外部発信装置と、を有する二次電池、を有する二次電池システムの制御方法であって、電圧センサにより正極および参照極の電位差ΔＶＰ、負極および参照極の電位差ΔＶＮが検出され、電圧センサで検出された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮが外部発信装置を介して電池ケースの外部に無線で発信され、二次電池システムは、電池ケースの外部に無線で発信された電位差ΔＶＰおよび電位差ΔＶＮを傍受する受信器と、二次電池への電流量を制御する電子制御ユニットと、を有し、電位差ΔＶＮが所定値以下である場合、または、電位差ΔＶＰが所定値以上である場合、電子制御ユニットは二次電池への充電量を制御する二次電池システムの制御方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、電池電極の状態検知機能を有した二次電池、その二次電池を有する電池システムにおいて、安全性を向上させることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態における構成を示すリチウムイオン二次電池の概略図である。
【図２】リチウムイオン二次電池内部のマイコンの概略図である。
【図３（Ａ）】リチウムイオン二次電池内部の電子回路において、電解液防食策の一つの概略図である。
【図３（Ｂ）】リチウムイオン二次電池内部の電子回路において、電解液防食策の一つの概略図である。
【図４（Ａ）】外部発信装置が圧電スピーカーの時のリチウムイオン二次電池の概略図である。
【図４（Ｂ）】外部発信装置がＬＥＤライトの時のリチウムイオン二次電池の概略図である。
【図４（Ｃ）】外部発信装置がＬＥＤライトの時のリチウムイオン二次電池の端子付近の拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態における構成を示すリチウムイオン二次電池を有する電池システムの回路図である。
【図６】図５の電池システムにおいて、リチウムイオン二次電池を制御するためのフローチャートである。
【図７】図５の電池システムにおいて、リチウムイオン二次電池を制御するためのフローチャートである。
【図８】図５の電池システムにおいて、リチウムイオン二次電池を制御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】
【００１６】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態における構成を示すリチウムイオン二次電池の概略図である。以下では、二次電池としてリチウムイオン二次電池について説明する。
【００１８】
正極４、セパレータ６、負極５が順に積層された単セルと、参照極７が電池ケース１１内に設置され構成されている。正極端子２、負極端子３はそれぞれ正極タブ、負極タブにより正極４、負極５と通電しており、リチウムイオン二次電池１は正極端子２、負極端子３を介して外部回路により充放電される。
【００１９】
単セル部分は正極４、セパレータ６、負極５、セパレータ６を交互に重ね合わせて捲回した構成となっている。電池の形状は、捲回円筒型、偏平長円形型、捲回角型、積層型などがあり、いずれの形状を選択してもよい。参照極７はセパレータに使用されるポリオレフィン系の空隙を持たない樹脂シートで覆われており、正極４、負極５のいずれとも電気導電性は持たない。
【００２０】
図１に示したリチウムイオン二次電池１の正極４は、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能なリチウム含有酸化物からなる正極活物質を含んでいる。正極活物質として、たとえば、ニッケル酸リチウムＬｉＮｉＯ2や、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ2、マンガン酸リチウムＬｉＭｎ2Ｏ4などが挙げられる。正極４中の正極活物質は、充電過程においてリチウムイオンが脱離し、放電過程において、負極５中の負極活物質から脱離したリチウムイオンが挿入される。
【００２１】
負極５は、リチウムイオンを可逆的に挿入脱離可能な炭素材料からなる負極活物質を含んでいる。負極活物質として、天然黒鉛や、天然黒鉛に乾式のＣＶＤ法もしくは湿式のスプレイ法によって被膜を形成した複合炭素質材料、エポキシやフェノール等の樹脂材料もしくは石油や石炭から得られるピッチ系材料を原料として焼成により製造される人造黒鉛、シリコン（Ｓｉ）、シリコンを混合した黒鉛、難黒鉛化炭素材などを用いることができる。負極活物質として上記の材料が一種単独または二種以上含まれていてもよい。負極５中の負極活物質は、充電過程において、正極４中の正極活物質から脱離したリチウムイオンが挿入され、放電過程においてリチウムイオンが脱離する。
【００２２】
正極４と負極５との間には、例えばポリプロピレン製のセパレータ６を用いる。セパレータ６としてポリプロピレン以外にも、ポリエチレンなどのポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布などを用いることができる。セパレータ６の厚みは、２０μｍ以下とすることが好ましく、１８μｍ以下とすることがより好ましい。このような厚みのセパレータ６を用いることで、電池の体積あたりの容量を大きくすることができる。しかし、セパレータ６を薄くしすぎると、取り扱い性が損なわれたり、正極４と負極５と間の隔離が不十分となって短絡が生じ易くなったりするため、セパレータ６の厚みの下限は１０μｍであることが好ましい。
【００２３】
正極４、セパレータ６、負極５、セパレータ６の順で重ね合わせ、これを捲回して電極群となっている。さらに、セパレータ６で覆われた電極群の正極４と負極５に接するように参照極７は設置されている。これが電池ケース１１に収納・挿入されている。参照極７は電解液と接触し、正極４および負極５とは非接触に配設される。この参照極７は、金属リチウムが有する基準電位に対する正極４および負極５の電位を検出するための参照電極として用いられる。
【００２４】
電解質である電解液として、例えば体積比が１：１のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを１mol／ｌ溶解させた非水溶液が、電池ケース１１に注入されている。
【００２５】
リチウム塩としては、特に限定はないが、無機リチウム塩では、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＩ、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等、また、有機リチウム塩では、ＬｉＢ[ＯＣＯＣＦ3]4、ＬｉＢ[ＯＣＯＣＦ2ＣＦ3]4、ＬｉＰＦ4(ＣＦ3)2、ＬｉＮ(ＳＯ2ＣＦ3)2、ＬｉＮ(ＳＯ2ＣＦ2ＣＦ3)2等を用いることができる。
【００２６】
溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート等の非プロトン性有機系溶媒、あるいはこれらの２種以上の混合有機化合物の溶媒が用いられている。リチウムイオン二次電池は、充放電サイクル中の放電特性、低温時および大電流放電時の放電特性が良好であること、長期保存、あるいは長期高温保存したときの容量保存特性が良好であること等が望まれ、これらを満足する有機電解液が要求されている。上記の諸要求を満たすためには、１種類の化合物のみからなる溶媒を用いるのでは困難であり、２種以上の化合物を混合して溶媒として用いる必要がある。
【００２７】
具体的には、リチウム塩の解離度を向上し、イオン伝導性を向上させる、例えば、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）などが挙げられる。これらのうち誘電率が最も高くリチウム塩の解離度を向上でき、高イオン伝導な電解液を提供できるＥＣが好ましい。ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、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）等を用いることができる。
【００２８】
電解質として電解液以外に固体高分子電解質（ポリマー電解質）を用いる場合には、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリメタクリル酸メチル、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド等のイオン伝導性ポリマーを電解質に用いることができる。これらの固体高分子電解質を用いた場合、セパレータ６を省略することができる利点がある。
【００２９】
電池ケース１１内には、電圧センサ８、マイコン９、外部発信装置１０が備え付けられており、電池内部において電圧センサ８によって正極４と参照極７との電位差ΔＶＰ、負極５と参照極７との電位差ΔＶＮを検出し、その情報が外部発信装置１０が有する無線通信機能により外部に発信される。電圧センサ８、マイコン９、外部発信装置１０は、電池ケース１１外部に設けられた電子制御ユニットとの接続端子を有していない。これにより、継手部材が追加されることによって接続部位が増加し、電解液漏れの可能性が上昇することを抑制できる。
【００３０】
電圧センサ８は正極４と参照極７との電位差ΔＶＰ、負極５と参照極７との電位差ΔＶＮを検出するものであり、正極４、負極５、参照極７と配線で接続されている。
【００３１】
外部発信装置１０の通信手段として、電磁波による通信が代表的だが、他に光、音波を用いた通信を用いることもできる。それぞれの通信手段には特徴があり、電圧センサ８、マイコン９、外部発信装置１０の適切な配置場所はそれぞれ異なる。この点の詳細については後述する。
【００３２】
図２にマイコン９内の簡単な概略図を示す。マイコン９は電圧センサ８、外部発信装置１０と配線で接続されており、マイコン９内部は、Ａ／Ｄコンバータ１２、FlashRom１３、ＩＣ１４から構成されている。電圧センサ８により検出された正極４と参照極７との電位差ΔＶＰ、負極５と参照極７との電位差ΔＶＮは、Ａ／Ｄコンバータ１２によりアナログ信号からデジタル信号に変換され、FlashRom１３に記録される。また、そのFlashRom１３に伝送されてくるデジタルデータは随時外部発信装置１０に転送され、外部発信装置１０から外部にデジタルデータが送信される。これらの一連の操作は、ＩＣ１４によって制御される。
【００３３】
リチウムイオン二次電池１は非水電解液が注入されるため、電圧センサ８、マイコン９、外部発信装置１０を含む電子回路を設置するには、防食加工が必要である。防食加工を施さずに、電子回路を非水電解液に接触させると、電解液によって電子回路が誤動作するだけでなく、電流の流れる導電配線の発熱により、電解液が着火するおそれがある。その防食加工として、図３（Ａ）のように電子回路の表面を絶縁性及び電解液に対して耐薬品性に優れた樹脂皮膜でコーティング１５を形成することが挙げられる。コーティング１５に用いられる表面被覆加工用の樹脂には、ポリパラキシレン樹脂、フッ素樹脂などが挙げられるが、電解液の副生成物であるフッ酸への耐薬性が強いことから、フッ素樹脂を用いることが一番望ましい。
【００３４】
また、図３（Ｂ）のように電圧センサ８、マイコン９などの主軸な電子回路などをポリカーボネートなどの樹脂製の箱１６の中に組み込み、配線や外部発信装置１０のみを樹脂コーティングしてもよい。樹脂製の箱１６を用いることで、電子回路全体にコーティング１５を形成するよりも低コスト化が可能である。
【００３５】
電極群に電圧センサ８以外の機器と接続することで、電位差情報以外の電極情報も外部に発信可能である。例えば、電極群の外周側と内周側に熱電対を接続し、その情報をマイコン９に伝送することで、外部発信装置１０を介して電極の各部分別温度情報を外部に発信することが可能である。また、面厚センサを電極群の各部分に接続し、その情報をマイコン９に伝送することで、外部発信装置１０を介して電極の各部分別温度情報を外部に発信することも可能である。
【００３６】
外部発信装置１０の代表例としては、通信手段に電磁波を用いる無線発信装置が挙げられる。Ａ／Ｄコンバータ１２により変換されたデジタル情報を無線発信装置が発する電磁波に載せて電池外部に送信する。これらの一連の操作は、ＩＣ１４によって制御される。
【００３７】
通信手段に電磁波を用いる場合、リチウムイオン二次電池１の電池ケース１１が金属製であれば、電磁波が金属製のケースに遮蔽され、デジタル信号を外部に送信できない可能性があるため、電池ケース１１はポリカーボネートなどの樹脂製であることが望ましい。
【００３８】
電池ケース１１が、ポリカーボネートなどの樹脂製である場合、外部発信装置１０の配置場所は電池ケース１１内で空間がある部分であれば、どこに配置しても問題ないが、受信する電磁波の強度を減少させないために、電池ケース１１に密接させて配置するのが望ましい。電池ケース１１に密接させて配置する場合、電池ケース１１に取り付けるか否かは、特に問わないが、安定性を考慮すると電池ケース１１に取り付けてしまう方が望ましい。電圧センサ８、マイコン９の配置場所についても特に問わないが、安定性を考慮すると電圧センサ８、マイコン９においても、電池ケース１１に取り付けてしまう方が望ましい。
【００３９】
次に、外部発信装置１０に、通信手段に音波を用いる無線発信装置を用いた場合を説明する。図４（Ａ）にその概略図を示す。
【００４０】
通信手段に音波を用いる場合、圧電素子を利用した圧電スピーカーを用いることで可能になる。音波の波長は問わず、低波長でも超音波を用いても良い。圧電素子は、圧電体を２枚の電極で挟んだ素子を基本とした構造を持つ。圧電体の材質として、チタン酸バリウムなどのペロブスカイト構造を持つセラミックスやロッシェル塩（酒石酸カリウムナトリウム）などがよく用いられているが、ロッシェル塩を用いた圧電素子における感度が非常に高く、出力電圧がとても小さいことから、ロッシェル塩を圧電体に用いた圧電スピーカーが望ましい。
【００４１】
通信手段に音波を用いる場合は、電池ケース１１の材質は問わず、金属製、樹脂製のどちらにおいても使用可能である。
【００４２】
圧電スピーカー１７の配置場所は電池ケース１１内で空間がある部分であれば、どこに配置しても問題ないが、受信する電磁波の強度を減少させないために、電池ケース１１に密接させて配置するのが望ましい。電池ケース１１に密接させて配置する場合、電池ケース１１に取り付けるか否かは、特に問わないが、安定性を考慮すると電池ケース１１に取り付けてしまう方が望ましい。電圧センサ８、マイコン９の配置場所についても特に問わないが、安定性を考慮すると電圧センサ８、マイコン９においても、電池ケース１１に取り付けてしまう方が望ましい。
【００４３】
取得した電極のデータは、Ａ／Ｄコンバータ１２により変換され、デジタル情報を圧電スピーカー１７が発する音波に載せてリチウムイオン二次電池１の外部に送信する。これらの一連の操作は、ＩＣ１４によって制御される。
【００４４】
次に、外部発信装置１０に、通信手段に光を用いる無線発信装置を用いた場合を説明する。図４（Ｂ）にその概略図を示す。
【００４５】
通信手段に光を用いる場合、外部発信装置１０にＬＥＤライトや有機ＥＬ、レーザーなどを用いた可視光による光無線通信や、外部発信装置１０に赤外線デバイスを用いた赤外線による光無線通信により外部に情報を送信する。通信手段に可視光、赤外線のどちらを用いても良いが、可視光通信において、伝送速度が高速であることから、ＬＥＤライトなどを用いた可視光通信であることが望ましい。
【００４６】
通信手段に光を用いる場合、電池ケース１１の材質は問わず、金属製、樹脂製のどちらにおいても使用可能である。ＬＥＤライトを用いる場合、ＬＥＤライトの配置場所は端子付近の絶縁用に用いられているガスケット付近が良い。
【００４７】
図４（Ｃ）は例として負極端子３付近にＬＥＤライト１８を配置した時の図を示している。図４（Ｃ）では、負極端子３、ガスケット１９、電池蓋２０、絶縁板２１、端子板２２までがカシメられた構造を持つ。負極端子３と端子板２２は通電しており、端子板２２を負極タブ２３と接着させることで、負極端子３と負極５間を通電させている。ガスケット１９は負極端子３と電池蓋２０間の絶縁と電池を密封する役割、絶縁板２１は電池蓋２０と端子板２２間を絶縁する役割を持つ。
【００４８】
ＬＥＤライト１８の配置場所がガスケット１９付近とする理由として、電池ケース１１は金属製、樹脂製にかかわらず、ＬＥＤライト１８の光を透過することができないが、ガスケット１９には光を透過する透明な素材が存在するためである。ガスケット１９は光を透過させるため、透明の素材、例えば、フッ素樹脂ＰＦＡなどを用いることが望まれる。
【００４９】
ＬＥＤライト１８の詳細な配置場所は、ＬＥＤライト１８が発信する光がガスケット１９を透過できる場所ならどこでもよい。その取り付け手法として、例えば、ガスケット１９の中に埋め込む、電池蓋２０の表面に貼り付けるなどが挙げられるが、組立工程を考慮すると電池蓋２０に貼り付ける方が容易であるため、より望ましい。
【００５０】
電池構造にもよるが、負極端子３付近ではなく、正極端子２付近にＬＥＤライト１８を配置しても良い。負極端子３および正極端子２の両方にＬＥＤライト１８を配置しても良い。
【００５１】
電圧センサ８、マイコン９の配置場所についても特に問わないが、安定性を考慮すると電圧センサ８、マイコン９において、電池ケース１１に取り付けてしまう方が望ましい。
【００５２】
取得した電極のデータは、Ａ／Ｄコンバータ１２により変換されたデジタル情報をＬＥＤライト１８が発する光に載せて電池外部に送信する。これらの一連の操作は、ＩＣ１４によって制御される。
【００５３】
電極情報を外部に送信する方法として、ＰＬＣ通信や、交流信号にデジタル信号を付加して外部に伝達する手法もある。
【００５４】
次に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池１、またこのリチウムイオン二次電池１を利用した電池システムを説明する。ここで電池システムとは、リチウムイオン二次電池１を含む複数のリチウムイオン二次電池を直列または並列に接続した組電池を指すものである。本発明の一実施形態として、リチウムイオン二次電池１を含む複数のリチウムイオン二次電池を直列に接続したシステムを説明する。
【００５５】
図５は、本発明のリチウムイオン二次電池１の一実施例の充放電制御方式の基本構成を示すブロック図である。図５は、正極４に接続された正極端子２、負極５に接続された負極端子３を有するリチウムイオン二次電池１と、リチウムイオン二次電池１内部から送信されたデジタルデータを傍受する受信器２４、リチウムイオン二次電池１への電流量を制御する電子制御ユニット２５、電子制御ユニット２５の動力源である電源回路２６から構成されている。電子制御ユニット２５は、受信器２４から転送された電極情報を解析し、電極状態が設定された条件を満たしたかどうかを判定する判定部２７と、受信した電極情報を記憶するFlashRom１３、判定部２７により送信される信号により、リチウムイオン二次電池１への電流量を制御する制御部２８から構成されている。また、電子制御ユニット２５内の制御部２８から、リチウムイオン二次電池１を補充電するための回路も組み込まれている。
【００５６】
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池１は、内部の電圧センサ８、マイコン９、外部発信装置１０を含む電子機器の電源を、リチウムイオン二次電池１の電極群から得ているため、リチウムイオン二次電池１は外部発信装置１０を設置していないリチウムイオン二次電池と比較して、容量が余計に減少する可能性がある。そのため、電子制御ユニット２５から、リチウムイオン二次電池１を上記の電子機器が使用する電気量だけ補充電する必要がある。
【００５７】
電圧センサ８、マイコン９、外部発信装置１０が消費する電気量は、機器使用時間に比例する。単位時間毎の消費電気量は、上記の外部発信装置１０を有しないリチウムイオン二次電池と外部発信装置１０を有するリチウムイオン二次電池の容量差から見積もることが可能である。制御部２８と外部発信装置１０を有するリチウムイオン二次電池１間の電気回路を通して、電子制御ユニット２５より補充電される。
【００５８】
次に、図６は図５の本発明の一実施形態に係る電池システムにおいて、リチウムイオン二次電池１の劣化抑制に関する制御構造を説明するためのフローチャートである。なお、この制御フローチャートに示される処理は、一定時間ごとにメインルーチンから呼出されて実行される。
【００５９】
リチウムイオン二次電池の原理は、電解質中のリチウムイオンが電極活物質に挿入脱離することによって、充放電反応が進行する。リチウムイオン二次電池は、過充電を行うと、正極４において、活物質内のリチウムが過剰に脱離し、結晶構造が不安定となり劣化が生じ、電池性能が低下する可能性がある。また、負極５においては０Ｖ以下となった場合、リチウム金属がデンドライト析出し、電池が短絡する危険性がある。また、負極５に利用する材料によっては、一定の電圧以下となることで結晶構造が崩壊し、電池寿命が減少する可能性がある。
【００６０】
そこで、図６のフローチャートにおいて、金属リチウムが有する基準電位に対する負極５の電位を、負極５と参照極７との電位差ΔＶＮを検出することによって測定し、電位差ΔＶＮ≦０のときは電位差ΔＶＮ＞０となるように、負極５の電位が参照極７の電位よりも高くなるように、リチウムイオン二次電池１への充電量を抑制することとしている。
【００６１】
また、図６のフローチャートにおいて、正極４の結晶構造崩壊を防止可能な正極４の最大の電位Ａをあらかじめ規定し、正極４と参照極７の電位との電位差を示す規定値Ａが正極４と参照極７との電位差ΔＶＰ以上となったきは、電位差ΔＶＰが規定値Ａよりも小さくなるように、リチウムイオン二次電池１の充電量を抑制することとしている。また、負極５においても、上記の負極材料を利用する場合は、あらかじめ測定により得られている負極材料の結晶構造が崩壊する電位Ｂを規定し、負極５と参照極７との電位差ΔＶＰが正極４と参照極７の電位との電位差を示す規定値Ｂ以下になった時は、電位差ΔＶＰが規定値Ｂよりも大きくなるように、リチウムイオン二次電池１の充電量を抑制することとしている。
【００６２】
リチウムイオン二次電池１内の外部発信装置１０より発信された電極情報は、受信器２４を介して、電子制御ユニット２５へ出力される。電子制御ユニット２５内において解析された電極情報において、リチウムイオン二次電池１が充電されており、かつ、正極４と参照極７との電位差ΔＶＰ、負極５と参照極７との電位差ΔＶＮが後述の条件を満たすことで、電子制御ユニット２５内の判定部２７から制御部２８に指令を出し、リチウムイオン二次電池への充電量を制御させる。
【００６３】
図６の制御フローチャートを、図５を参照しながら説明する。
【００６４】
＜ステップＳ１＞
初めに、判定部２７において、リチウムイオン二次電池１が充電中であるか否かを判定する。非充電中と判定すると（ステップＳ１においてＮＯ）、ステップＳ６へ処理を移行する。ステップＳ１においてリチウムイオン二次電池１が充電中であると判定されると（ステップＳ１においてＹＥＳ）、ステップＳ２へ処理を移行する。
【００６５】
＜ステップＳ２＞
判定部２７は、正極４と参照極７との電位差ΔＶＰおよび負極５と参照極７との電位差ΔＶＮを検出する。
【００６６】
＜ステップＳ３＞
その次に、まず、判定部２７は、電位差ΔＶＮが０、もしくは規定値Ｂよりも大きいか否かを判定する。すなわち、金属リチウムが有する基準電位よりも負極５の電位の方が高いか否かが判定される。そして、電位差ΔＶＮが０以下であると判定されると（ステップＳ３においてＮＯ）、ステップＳ５へ処理を移行する。ステップＳ３において電位差ΔＶＮが０よりも大きいと判定されると、もしくは規定値Ｂ（規定値が０の場合は０）よりも大きいと判定されると（ステップＳ３においてＹＥＳ）、ステップＳ４へ処理を移行する。
【００６７】
＜ステップＳ４＞
判定部２７は、電位差ΔＶＰが規定値Ａよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ４）。そして、電位差ΔＶＰが規定値Ａ以上であると判定されると（ステップＳ４においてＮＯ）、ステップＳ５へ処理を移行する。一方、ステップＳ４において電位差ΔＶＰが規定値Ａよりも小さいと判定されると（ステップＳ４においてＹＥＳ）、ステップＳ６へ処理を移行する。
【００６８】
＜ステップＳ５＞
負極５において金属リチウムが析出するのを防止することを目的として、判定部２７は制御部２８に指令を出し、リチウムイオン二次電池１への充電量を制御させる。また、正極４が結晶崩壊するのを防止することを目的として、判定部２７は制御部２８に指令を出し、リチウムイオン二次電池１への充電量を抑制する。
【００６９】
以上のように、この実施の形態においては、金属リチウムからなる参照極７が設けられ、正極４と参照極７との電位差ΔＶＰおよび負極５と参照極７との電位差ΔＶＮが検出される。そして、電位差ΔＶＮが負のとき、または電位差ΔＶＰが規定値Ａ以上のとき、リチウムイオン二次電池１への充電量が抑制される。
【００７０】
したがって、本発明の一実施形態によれば、リチウムイオン二次電池１において、参照極測定用の端子を追加することなく（継手部分を増加させることなく）、負極５における金属リチウムの析出および正極４の結晶崩壊を防止することができる。その結果、参照極７を用いた電池電極の状態検知機能を有したリチウムイオン二次電池、その二次電池を有する電池システムにおいて、安全性を向上させることができる。
【００７１】
図６のフローチャート以外の構成として、図７のフローチャートのように電位差ΔＶＮのみを考慮する構成や、図８のフローチャートのように電位差ΔＶＰのみを考慮する構成も挙げられる。
【００７２】
今回の発明である電池電極の状態検知機能を有したリチウムイオン二次電池、その二次電池を有する電池システムは、プラグインハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる車載用蓄電システム、また、発電により生み出された電力を一時的に保管するための定置用蓄電システムに応用することが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  リチウムイオン二次電池
２  正極端子
３  負極端子
４  正極
５  負極
６  セパレータ
７  参照極
８  電圧センサ
９  マイコン
１０  外部発信装置
１１  電池ケース
１２  Ａ／Ｄコンバータ
１３  FlashRom
１４  ＩＣ
１５  コーティング
１６  樹脂製の箱
１７  圧電スピーカー  
１８  ＬＥＤライト
１９  ガスケット  
２０  電池蓋
２１  絶縁板  
２２  端子板
２３  負極タブ
２４  受信器
２５  電子制御ユニット
２６  電源回路
２７  判定部
２８  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
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【図４（Ｃ）】
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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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