(57)【要約】  【課題】エネルギー密度を高くしながら、ＳＯＣの演算・検出が容易で、高精度とすることができる。  【解決手段】電池ＢＴ1〜ＢＴn-1と電池ＢＴnの直列接続により組電池１が構成される。電池ＢＴ1〜ＢＴn-1のそれぞれの放電曲線がほぼ平坦な特性を示し、電池ＢＴnの放電曲線が傾斜特性を示す。組電池１のＳＯＣ或いはＤＯＤは、電池コントロールユニット３によって電池ＢＴnの電池電圧から検出される。電池ＢＴnの放電曲線が傾斜特性を示すので、電池電圧を容易、且つ高精度に検出することができる。電池ＢＴ1〜ＢＴn-1は、エネルギー密度が高いので、組電池１全体のエネルギー密度を高くすることができ、小型化、軽量化が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ないし複数の第１の単電池と１ないし複数の第２の単電池とが直列接続され、
上記第１の単電池の放電曲線がほぼ平坦な特性を示し、上記第２の単電池の放電曲線が傾斜特性を示す組電池。
【請求項２】
上記第１の単電池がグラファイト系の負極材料を使用するものであり、上記第２の単電池がハードカーボン系の負極材料を使用するものである請求項１記載の組電池。
【請求項３】
上記第１の単電池と上記第２の単電池とは、互いにほぼ等しい放電容量を持つように構成されている請求項１記載の組電池。
【請求項４】
１ないし複数の第１の単電池と１ないし複数の第２の単電池とが直列接続され、
上記第１の単電池の放電曲線がほぼ平坦な特性を示し、上記第２の単電池の放電曲線が傾斜特性を示す組電池を制御する組電池の制御方法において、
上記第２の単電池の端子電圧からＳＯＣまたはＤＯＤを検出する組電池の制御方法。
【請求項５】
上記第１の単電池がグラファイト系の負極材料を使用するものであり、上記第２の単電池がハードカーボン系の負極材料を使用するものである請求項４記載の組電池。
【請求項６】
上記第１の単電池と上記第２の単電池とは、互いにほぼ等しい放電容量を持つように構成されている請求項４記載の組電池の制御方法。
【請求項７】
請求項１に記載された組電池を駆動用電源として搭載したことを特徴とする電気自動車。
【請求項８】
請求項１に記載された組電池を用いた電力貯蔵システム。
【請求項９】
請求項１に記載された組電池を用いた駆動用電源として電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非水電解液二次電池例えば車載用リチウムイオン二次電池に適用される組電池および組電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では、電子機器の電源として軽量で高容量の二次電池の単電池を複数個用いた組電池が使用されている。電子機器のみならず、石油以外への燃料の置き換え、並びに二酸化炭素の削減を目的として、電動自転車、電動バイク、フォークリフト等の産業用機器に対しても駆動電源として電池が使用されている。さらに、ＥＶ（(Electric Vehicle)電気自動車）、ＨＥＶ（(Hybrid Electric Vehicle)ハイブリッド車）、ＰＨＥＶ（(Plug-in Hybrid Electric vehicle)等の車両用駆動電源としても軽量で高容量の二次電池の単電池を複数個用いた組電池が使用されている。ＰＨＥＶは、ハイブリッド車の二次電池を家庭用電源で充電し、一定距離を電気自動車として走行できる車両である。特に、小型、軽量で、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池（以下、単にリチウムイオン電池と称する）が車載用電池として好適である。
【０００３】
リチウムイオン二次電池の負極として使用される材料として、例えばグラファイト系と、ハードカーボン系とが知られている。グラファイト系負極のリチウムイオン電池は、放電曲線が比較的平坦である。ハードカーボン系負極のリチウムイオン二次電池は、放電曲線が右下がりの傾斜を有する。
【０００４】
従来、例えば特許文献１には、水溶液系二次電池と、この水溶液系二次電池よりも一つあたりの電池容量が小さい非水系二次電池とを直列接続した組電池が記載されている。この構成の組電池は、水溶液系二次電池の過充電を防止し、充電終了時の充電深度を増大させる目的で、異種電池を組み合わせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−００４３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電池を車載用として使用する場合には、充分な電池の性能を発揮させ、安全を確保するために、管理が必要とされている。例えば充電時には、充電容量を確保したり、事故を防止するために、充電管理が必要とされる。充分な性能を発揮させるための放電管理としては、ＳＯＣ(State Of Charge)またはＤＯＤ(Depth Of Discharge)を検出する必要があり
、さらに、安全を確保するために、電圧、電流、温度を監視する必要がある。例えば電池の性能を最大限発揮させるために、残存容量を推定することがなされる。
【０００７】
残存容量の推定方法の一つは、電池に対する入出力電流を符号付きで一定期間積算し、電池容量（Ａｈ）を％表示として計算する方法である。しかしながら、急激な負荷変動、測定精度誤差、自己放電により入出力電流の測定誤差が発生する。一方、リチウムイオン電池の場合、ＳＯＣまたはＤＯＤの開路電圧ＯＣＶ(Open Circuit Voltage)に対して依存度が大きいので、無負荷時（または負荷が非常に少ない状態）のＯＣＶ対容量特性で補正を行ったり、残存容量を推定することができる。ＯＣＶ対容量特性は、放電曲線に対応している。
【０００８】
放電曲線からＳＯＣ例えば残存容量を検出する場合には、右下がりの傾斜を有する放電曲線の方が平坦な放電曲線に比して検出が容易で、検出の精度が高くなる。しかしながら、放電曲線が傾斜を有するハードカーボン系負極のリチウムイオン二次電池は、容量が低下する問題がある。さらに、ハードカーボン系負極のリチウムイオン二次電池は、重量エネルギー密度および体積エネルギー密度がグラファイト系負極のリチウムイオン電池に比して小さく、しかも、コストが高い。したがって、ハードカーボン系負極のリチウムイオン電池のみによって組電池を構成した場合、形状が大型化し、重量が増大し、コストが高くなる問題が生じる。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、大型化を防止しつつ、重量エネルギー密度および体積エネルギー密度が高い組電池および組電池の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、この発明は、１ないし複数の第１の単電池と１ないし複数の第２の単電池とが直列接続され、
第１の単電池の放電曲線がほぼ平坦な特性を示し、第２の単電池の放電曲線が傾斜特性を示す組電池である。
【００１１】
この発明は、１ないし複数の第１の単電池と１ないし複数の第２の単電池とが直列接続され、
第１の単電池の放電曲線がほぼ平坦な特性を示し、第２の単電池の放電曲線が傾斜特性を示す組電池を制御する組電池の制御方法において、
第２の単電池の端子電圧からＳＯＣまたはＤＯＤを検出する組電池の制御方法である。
【００１２】
好ましい態様は、以下の通りである。
第１の単電池がグラファイト系の負極材料を使用するものであり、第２の単電池がハードカーボン系の負極材料を使用するものである。
第１の単電池と第２の単電池とは、互いにほぼ等しい放電容量を持つように構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、放電曲線がほぼ平坦な特性を示す第１の単電池を使用することによって、容量の低下を防止することができ、重量エネルギー密度および体積エネルギー密度が高い組電池を実現できる。したがって、組電池の重量を軽くすることができると共に、形状を小さくすることができる。一方、この発明では、放電曲線が傾斜特性を示す第２の単電池を使用することによって、ＳＯＣの検出が容易となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１の実施の形態のブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態に使用した電池の放電曲線を示すグラフである。
【図３】この発明の第２の電池として使用できる正極材料の一例を説明するための放電曲線を示すグラフである。
【図４】正極材料の他の例を説明するための放電曲線を示すグラフである。
【図５】この発明の第１の電池として使用できる正極材料の一例を説明するための放電曲線を示すグラフである。
【図６】この発明の第２の電池として使用できる負極材料の一例を説明するための放電曲線を示すグラフである。
【図７】この発明の第２の電池として使用できる負極材料の他の例を説明するための放電曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．第１の実施の形態＞
＜２．変形例＞
なお、以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
【００１６】
＜１．第１の実施の形態＞
「組電池と制御部」
図１は、この発明による組電池の第１の実施の形態を示す。ここで、組電池は、複数の単電池例えばリチウムイオン電池を直列接続した構成の電池を意味する。複数の組電池と、各組電池に対して設けられる組電池コントロールユニットを互いに接続し、さらに、組電池コントロールユニットに対して電池管理ユニットを接続することによって、電池パックが構成される。
【００１７】
ｎ個の電池ＢＴ1〜ＢＴnが直列接続されて組電池１が構成される。電池ＢＴ1〜ＢＴn-1のそれぞれが放電曲線がほぼ平坦な特性を有する第１の単電池である。１個の電池ＢＴn
が放電曲線が傾斜特性を示す第２の単電池である。例えば図２において、参照符号２１がリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ4）を正極として用い、グラファイトを負極に用いた単
電池（以下、電池と適宜称する）の放電曲線である。放電曲線２１は、ほぼ平坦である。電池ＢＴ1〜ＢＴn-1のそれぞれがこのような放電曲線２１を有する。
【００１８】
参照符号２２は、同じ材料の正極と、ハードカーボンを負極に用いた電池の放電曲線である。電池ＢＴnの放電曲線２２がこのような傾斜特性を示す。放電曲線２１および２２
は、ＣＣ（定電流）−ＣＶ（定電圧）によって電池を充電した後に、所定値の定電流で所定の電圧まで放電させたときの容量対電圧の変化を示す。放電曲線２１および２２は、室温例えば２３°Ｃにおいて測定されたものである。
【００１９】
この発明の第１の実施の形態において、第２の単電池が示す傾斜特性を定義すると以下の通りである。
ＳＯＣが２０％〜８０％の領域において、
ΔＶ／ΔＳＯＣ％＞５０ｍＶ／１０％
但し、ΔＶは、電池電圧の変化量であり、ΔＳＯＣは、ＳＯＣの変化量である。
【００２０】
電池ＢＴ1〜ＢＴn-1のそれぞれの容量と、電池ＢＴnの容量とが同一となるように設定
される。電池ＢＴ1〜ＢＴn-1と、電池ＢＴnとを同一の大きさとすると、電池ＢＴnの容量が電池ＢＴ1〜ＢＴn-1の容量に比して７０〜８０％となる。言い換えると、２種類の電池の容量を同じにすると、電池ＢＴnの大きさが電池ＢＴ1〜ＢＴn-1の大きさより３０％程
度大きくなる。したがって、組電池１を組み立てる場合に、電池ＢＴ1〜ＢＴn-1の直列接続に対して最後に、電池ＢＴnを組み付けることが好ましい。または、電池ＢＴnを最初に組み付けて、その後に電池ＢＴ1〜ＢＴn-1を組み付けるようにしても良い。
【００２１】
さらに、電池ＢＴ1〜ＢＴn-1に比して電池ＢＴnのコストが高いものとなる。したがっ
て、電池パックを小さくして、重量を軽くするには、組電池を構成するｎ個の電池の内で、第１の電池の個数に比して第２の電池の個数を少なくするようになされる。第１の実施の形態では、ｎ−１個の第１の電池ＢＴ1〜ＢＴn-1と、１個の第２の電池ＢＴnとが使用
されている。但し、この数は、一例であり、それぞれの個数は、任意に選定できる。なお、第１の電池と第２の電池のそれぞれの電極材料としては、後述するように、他の種類のものを使用できる。
【００２２】
第１の電池の直列接続ＢＴ1〜ＢＴn-1に対して、電池コントロールユニット２が設けられ、第２の電池ＢＴnに対して電池コントロールユニット３が設けられる。電池コントロ
ールユニット２に対しては、電池ＢＴ1〜ＢＴn-1のそれぞれの両端の電圧が供給される。電池コントロールユニット３に対しては、電池ＢＴnの両端の電圧が供給される。これら
の電池コントロールユニット２および３の出力情報と組電池１の全体の両端の電圧が電池管理ユニット４に供給される。出力情報は、デジタル信号伝送用のバスを介して伝送される。
【００２３】
電池管理ユニット４の出力信号が駆動コントロールユニット５に対して供給される。この発明の第１の実施の形態による組電池１は、ＥＶ（電気自動車）或いはＨＥＶ（ハイブリッド車）の駆動源として使用できる。駆動コントロールユニット５に対してインバータ（図示せず）およびモータ（図示せず）が接続され、モータによってエンジンが回転される。さらに、駆動コントロールユニット５に対して表示部が接続され、例えば残りの走行可能な距離の表示がなされる。なお、図１では、一つの組電池が示されているが、ＥＶ或いはＨＥＶの駆動源として使用する場合には、多数の組電池が直列接続される。
【００２４】
電池コントロールユニット２は、電池ＢＴ1〜ＢＴn-1のそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、それぞれの温度を検出し、温度を制御する温度検出および温度制御部と、互いの電圧のバランスを調整する接続するバランス調整部とを有する。電池コントロールユニット３は、電池ＢＴnの電圧を検出する電圧検出部と、温度を検出する温度検出および温
度制御部と、ＳＯＣ演算部とを有する。若し、第２の電池として複数の電池を使用する場合には、電池コントロールユニット３もバランス調整部を有する。
【００２５】
温度検出および制御部は、各電池の温度検出結果から温度制御用の制御信号を形成し、温度制御信号を上位の電池管理ユニット４に供給し、電池管理ユニット４が冷却ファンのＯＮ／ＯＦＦを制御し、例えば電池温度が５０°Ｃ以下となるように制御される。さらに、過負荷による異常温度上昇の場合には、電池の充電／放電を制限するようになされる。さらに、電池温度が所定の温度例えば１０°Ｃ以下の場合には、予め電池温度によって定めた充電電流により充電することによって、リチウム析出などが防止され、劣化が防止される。
【００２６】
電圧検出部は、各電池の電圧を検出する。バランス調整部は、検出された電圧のバラツキが所定の許容範囲例えば５０ｍＶより小であるか否かが判定され、許容範囲を超える電池に関して、並列接続されたＦＥＴ(Field Effect Transistor)をＯＮにして微小電流の
放電を行う。この放電動作は、充放電休止時になされる。放電動作によって、電池の電圧のバラツキが許容範囲内に収まるようになされる。バランス調整によって、電池パックとして使用できる電力量を大きくし、電池パックの寿命を長くすることができる。
【００２７】
ＳＯＣ演算部は、充放電休止時に、予め記憶されている放電曲線のＯＣＶと、電池ＢＴnの電圧とを比較することによって、電池ＢＴnのＳＯＣを検出する。この場合、温度補正がなされる。電池ＢＴnのＳＯＣは、組電池１のＳＯＣに対応している。さらに、充放電
時の電圧上昇または電圧低下による電圧変化分と、電池を流れる電流とから電池の内部抵抗を検出し、内部抵抗の変化の程度から予め記憶されている劣化係数によって、放電曲線のＯＣＶを補正し、電池の劣化に応じたＳＯＣを演算することも可能である。検出されたＳＯＣ、温度、劣化状態から充放電可能電力を求めることができる。
【００２８】
電池管理ユニット４は、下位の電池コントロールユニット２および３からの情報を受け取って組電池１の充放電等を制御する制御情報を生成する。電池管理ユニット４からの情報が供給される駆動コントロールユニット５に対して、表示部等の電子機器、モータ等の駆動系が接続されている。
【００２９】
上述したこの発明の第１の実施の形態では、放電曲線が傾斜特性を示す電池ＢＴnの電
圧からＳＯＣを検出または演算するので、組電池１のＳＯＣ（或いはＤＯＤ）を容易且つ高精度に検出することができる。さらに、比較的平坦な放電曲線を有する電池ＢＴ1〜Ｂ
Ｔn-1と組み合わせることによって、エネルギー密度が高く、充放電制御が容易な組電池
１を実現することができる。
【００３０】
このように構成した組電池は、例えばノート型パソコン、携帯電話、コードレスフォン子機、ビデオムービー、液晶テレビ、電気シェーバー、携帯ラジオ、ヘッドホンステレオ、バックアップ電源、メモリーカード等の電子機器、ペースメーカー、補聴器等の医療機器、電動工具、電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）の駆動用電源（他の動力源との組み合わせ用いる場合も含む）、電力貯蔵用電源などに使用することが出来る。
【００３１】
「組電池の電極材料」
上述した説明では、正極：ＬｉＦｅＰＯ4、負極：グラファイトの電池ＢＴ1〜ＢＴn-1
の放電曲線２１と、正極：ＬｉＦｅＰＯ4、負極：ハードカーボンの電池ＢＴnの放電曲線２２とについて述べた。放電曲線２２と同様の傾斜特性を示す電池として、図３に示すように、正極：Ｎｉ系（ＮＣＡ）、負極：グラファイトの電池を使用できる。ＮＣＡは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌの固溶体である。かかる電池は、第２の電池として使用することができる。
【００３２】
参考例として、正極：Ｃｏ（ＬｉＣｏＯ2）、負極：グラファイトの電池の放電曲線を
図４に示す。この電池の場合では、ＳＯＣが５０％以上の深い放電の領域では、放電曲線がほぼ平坦となり、その電池電圧からＳＯＣを検出することが困難であり、第２の電池として使用することが困難である。さらに、対極Ｌｉ金属としたときのＬｉＦｅＰＯ4の電
極電位を示す。２３が充電電位であり、２４が放電電位である。この場合では、放電曲線がほぼ平坦であり、電池電圧からＳＯＣを検出することが困難である。
【００３３】
負極材料について説明する。図６に示すように、対極をＬｉ金属としたときの黒鉛の充放電曲線３１が平坦であるのに対して、対極をＬｉ金属としたときのハードカーボンの充放電曲線３２が傾斜特性を示すので、かかる電池を第２の電池として使用できる。さらに、図７に示すように、対極をＬｉ金属としたときのＳｎ金属の電池の放電曲線４１が傾斜特性を示す。参照符号４２が充電曲線を示す。
【００３４】
上述したように、この発明は、放電曲線がほぼ平坦な特性を示す第１の単電池と、放電曲線が傾斜特性を示す第２の単電池とを直列接続して組電池を構成する。したがって、組電池のエネルギー密度を高くしながら、組電池の充放電状態を示すＳＯＣ（またはＤＯＤ）の検出或いは演算が容易、且つ高精度とできる。
【００３５】
＜２．変形例＞
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばＳｉ系金属・合金或いはこれらの金属とグラファイトの混合物を負極として使用した電池の放電曲線も傾斜特性を示し、第２の電池として用いることが可能である。またチタン酸リチウムは平坦な特性を示し、平坦な特性を示す正極活物質と組み合わせることで第１の電池として用いることが可能である。以上様々な活物質を例示したがこれらに限定されるものではなく、負極あるいは正極の活物質のどちらか一方が傾斜特性を示す場合、それらの活物質により作製した電池は傾斜特性を示し第２の電池として用いることが可能であり、どちらもが平坦な特性を示す場合、それらの活物質により作製した電池は平坦な特性を示し第１の電池として用いることが可能である。さらに、第２の単電池を２個以上直列に接続しても良い。さらに、組電池としては、直列接続（または並列接続）した複数の電池を並列（または直列）に接続する構成も可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１・・・組電池
２，３・・・電池コントロールユニット
４・・・電池管理ユニット
ＢＴ1〜ＢＴn-1：第１の単電池
ＢＴn・・・第２の単電池
【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】
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【図７】
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