(57)【要約】【課題】リチウムイオン二次電池を構成するセル電池の劣化の状況を簡単な構成で簡便に判定する。【解決手段】電池モジュール２０ａ〜２０ｃを構成する複数の電池セル１０からなるリチウムイオン二次電池１に、電池セル１０と電気的性能等が同等の小型セル電池（ミニセル電池）１３ａ〜１３ｃを配置する。そして、小型セル電池１３ａ〜１３ｃの動作、特性等を監視し、その監視結果をもとに電池モジュール内の電池セル１０の劣化を先行して判定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルを電気的に接続してなる複数の電池モジュールで構成されるリチウムイオン二次電池であって、
前記複数の電池セルの劣化の状況を判断するためのモニター用セル電池を配置したことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
【請求項２】
連続して並置あるいは積層された前記複数の電池セルの中心部に位置する電池セル間に前記モニター用セル電池を配置したことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項３】
前記複数の電池モジュールの外装面近傍に前記モニター用セル電池を配置したことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項４】
前記モニター用セル電池は前記複数の電池セルよりも外観寸法が小さく、かつ、電池の内部構成および電池容量が該複数の電池セルと同等であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項５】
前記モニター用セル電池は、前記複数の電池セルと電気的に接続され該複数の電池セルと同時に使用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項６】
複数の電池セルを電気的に接続してなる複数の電池モジュールで構成されるリチウムイオン二次電池を備える蓄電システムであって、
前記リチウムイオン二次電池に配置されたモニター用セル電池の動作状態を監視する監視部と、
前記監視部の監視結果をもとに前記複数の電池セルの劣化の状況を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。
【請求項７】
前記判定手段は、前記モニター用セル電池の動作状態と、あらかじめ想定した前記複数の電池セルの劣化パターンとを対比して該電池セルの劣化の発生を予測することを特徴とする請求項６に記載の蓄電システム。
【請求項８】
前記モニター用セル電池の前記配置位置と配置個数は可変であることを特徴とする請求項６に記載の蓄電システム。
【請求項９】
さらに、前記複数の電池セルの劣化の状況に対応した所定の警報を発する手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電池モジュールを構成する電池セルの劣化判定のための手段を備えるリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池等の二次電池は、複数個の単電池（セル電池ともいう）を連結して電池モジュールを構成し、さらに電池モジュールを複数個接続して組電池とすることで、高出力と高容量を得ている。
【０００３】
一方、リチウムイオン電池は、充放電サイクルを繰り返すことで徐々に劣化する。セル電池に劣化が生じた場合、検知された不具合に応じて、電池モジュール全体を交換したり、あるいは劣化したセル電池を個別に交換する等により、電池モジュールとしての性能を維持する必要がある。そのため、従来より、監視ユニットによってセル電池や電池モジュールの状態を監視した結果をもとに、セル電池、電池モジュールの異常の状況を判断している。
【０００４】
例えば、特許文献１は、蓄電モジュール等の蓄電手段の状態を、電圧センサ、電流センサ等で検知して、取得したデータ（過去の蓄積データ）をもとに蓄電手段等の故障の有無を判定し、故障部品のみの交換を可能にする蓄電システムの故障形態判定装置を開示している。
【０００５】
特許文献２には、リチウムイオン電池等の二次電池の劣化状態を判別するため、圧力センサにより二次電池の内部圧力を検出し、その内部圧力の変動に起因する二次電池の容量劣化を算出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−５９３５８号公報
【特許文献２】特開２０１３−９２３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来より、電池モジュール、セル電池の内部温度（電池の温度上昇）、電圧、電流等を測定した結果をもとに異常の有無を判定する場合、各モジュール単位、あるいはセル単位に温度、圧力等のセンサを設けている。
【０００８】
上述した特許文献１の装置では、各蓄電モジュールのすべてのセルにおいて電圧センサが電気的に接続され、バッテリパックにおけるすべてのセルの開放電圧、セル電圧の最大値およびセル電圧の最小値を検出し、それらのセルの開放電圧のデータ、電圧差のデータをもとにセルの劣化（故障）を判定している。同様に特許文献２においても、リチウムイオン電池等の二次電池の劣化状態を判別するための圧力センサを、複数の単電池（二次電池）それぞれに設けている。
【０００９】
このように、すべての電池モジュール、あるいはセル電池にセンサを設けると、蓄電システム（二次電池システム）を構成する電池モジュールあるいはセル電池の数が多くなるにつれてセンサの数も多くなり、セル等の劣化監視のための装置構成が複雑化、肥大化し、故障判定装置のコストアップにつながるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リチウムイオン二次電池を構成するセル電池の劣化の判定を簡単な構成で、かつ簡便に行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち本発明は、複数の電池セルを電気的に接続してなる複数の電池モジュールで構成されるリチウムイオン二次電池であって、前記複数の電池セルの劣化の状況を判断するためのモニター用セル電池を配置したことを特徴とする。
【００１２】
例えば、連続して並置あるいは積層された前記複数の電池セルの中心部に位置する電池セル間に前記モニター用セル電池を配置したことを特徴とする。例えば、前記複数の電池モジュールの外装面近傍に前記モニター用セル電池を配置したことを特徴とする。また、例えば前記モニター用セル電池は、前記複数の電池セルよりも外観寸法が小さく、かつ、電池の内部構成および電池容量が該複数の電池セルと同等であることを特徴とする。さらに例えば、前記モニター用セル電池は、前記複数の電池セルと電気的に接続され該複数の電池セルと同時に使用されることを特徴とする。
【００１３】
前記モニター用セル電池は、他の複数の電池モジュールと同等の動作履歴を持つため、複数の電池セルを電気的に接続してなる複数の電池モジュールで構成されるリチウムイオン二次電池（組電池）に、前記複数の電池セルの劣化の状況を判断するためのモニター用セル電池を配置したことを特徴とする。ここで動作履歴とは、後述する充放電履歴、熱、湿度等を含む環境履歴などである。
【００１４】
前記モニター用セル電池を有しているので、例えば、複数の電池モジュールで構成されるリチウムイオン二次電池（組電池）が稼働中で正確に測定できない内容であっても、当該モニター用セル電池を一旦切り離して劣化状況を調査することで、組電池全体の最新の状況を推定することが可能となる。
【００１５】
上述した課題を解決する一手段として、本発明は、複数の電池セルを電気的に接続してなる複数の電池モジュールで構成されるリチウムイオン二次電池を備える蓄電システムであって、前記リチウムイオン二次電池に配置されたモニター用セル電池の動作状態を監視する監視部と、前記監視部の監視結果をもとに前記複数の電池セルの劣化の状況を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
例えば、前記判定手段は、前記モニター用セル電池の動作状態と、あらかじめ想定した前記複数の電池セルの劣化パターンとを対比して該電池セルの劣化の発生を予測することを特徴とする。例えば、前記モニター用セル電池の前記配置位置と配置個数は可変であることを特徴とする。また、例えば、さらに、前記複数の電池セルの劣化の状況に対応した所定の警報を発する手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、リチウムイオン二次電池の電池セルの劣化を簡易な構成で迅速に判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観斜視図である。
【図２】本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を含んで構成される蓄電システムのブロック図である。
【図３】図２に示す蓄電システムにおける電池セルの劣化判定処理を時系列で示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外観斜視図であり、ここでは、収容ケースの外壁の一部を破断してその内部を示している。図１のリチウムイオン二次電池１は、複数の電池セル（二次電池）１０を接続してモジュール化した電池モジュール２０ａ〜２０ｃをさらに接続して二次電池モジュール（組電池、あるいは電池パックともいう）３０とし、それらを収容ケース５内に配置して構成される。これによりリチウムイオン二次電池１は、必要な電力を外部の負荷に供給する電池パックとして機能する。
【００２０】
リチウムイオン二次電池の劣化を判定する場合、充放電サイクルにおけるリチウムイオン電池の電池容量、充放電効率の低下等を測定したり、あるいは電池内部での劣化部位の特定、および劣化要因を解明することが重要となるが、このような測定等をリチウムイオン二次電池を構成するすべての電池セルについて行うことは、劣化の判断に時間とコストを要し、劣化判断の迅速性を確保できない。
【００２１】
そこで、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、電池モジュール内の電池セルの劣化を判定するセンサとして機能する３個の小型のセル電池（ミニセル電池）１３ａ〜１３ｃを、リチウムイオン二次電池１の収容ケース５内の所定位置に配置して、これらの小型セル電池によって電池セルの劣化の代替評価を行う。
【００２２】
例えば、リチウムイオン二次電池１の設置環境等により、外部からの振動の影響を受けやすい箇所として、電池モジュールの外装面近傍であって収容ケース５の内壁側の２箇所に小型セル電池（ＳＣＢ１）１３ａと小型セル電池（ＳＣＢ３）１３ｃを配置して、リチウムイオン二次電池１に印加される振動による電池特性の変化を検知する。すなわち、小型セル電池ＳＣＢ１，３は、リチウムイオン二次電池の収容ケース５内の空き空間（デッドスペース）に配置されている。
【００２３】
電池セル１０からの発熱によるリチウムイオン二次電池１の収容ケース５内の温度上昇、電池セル１０の膨張等の印加圧力による電池特性の劣化を検知するため、例えば、電池モジュール２０ｂにおいて連続して並置あるいは積層された複数の電池セルの中央部に位置するセル電池１０ａ，１０ｂ（図２を参照）間に小型セル電池（ＳＣＢ２）１３ｂを配置する。
【００２４】
収容ケース５内での小型セル電池（ＳＣＢ１〜ＳＣＢ３）の配置位置および設置個数は上記に限定されず、リチウムイオン二次電池１の設置環境、使用条件等に応じて適宜、設置位置の移動、設置個数の増減等が可能な構成としてもよい。また、電池モジュール２０ａ〜２０ｃ単位で配置してもよい。
【００２５】
リチウムイオン二次電池１は、収容ケース５と係合しながら組電池３０の上部全体を覆うケースカバー３を備える。さらにケースカバー３の上面には、外部上方に突出して設けられた正極端子１５と負極端子１７が配置されている。
【００２６】
図２は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を含んで構成される蓄電システムのブロック図である。図２の蓄電システム５０は、不図示の外部負荷に対する電力供給源として機能するリチウムイオン二次電池１と、蓄電システム５０の全体を管理、制御するとともに、不図示の充電回路および放電回路を制御する電池管理ユニット（ＢＭＵ）４０とを備える。
【００２７】
リチウムイオン二次電池１の電池モジュール２０ａ〜２０ｃを構成する複数の電池セル１０は、電気的に直列接続された複数のリチウムイオン電池である。ここでは、各々が、直列に接続した９個の電池セル１０からなる３個の電池モジュール２０ａ〜２０ｃをさらに並列接続した、９直列３並列モジュールを構成している。これらのリチウムイオン電池は、例えばシート積層型リチウムイオン二次電池（フィルム型リチウムイオン単電池（薄型セル））であるが、リチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されず、円筒型、角型、コイン型等であってもよい。
【００２８】
電池管理ユニット（ＢＭＵ）４０は、充放電制御部３３に加えて、リチウムイオン二次電池１の劣化判定センサとして機能する小型セル電池１３ａ〜１３ｃを監視する監視部３５、監視部３５での監視結果をもとにリチウムイオン二次電池１の劣化を判定する劣化判定部４１、判定結果を蓄電システム５０の外部に出力する出力部４５を備える。
【００２９】
記憶部４３には、例えば充放電制御部３３の制御プログラム、劣化判定部４１の動作プログラム等が格納されるとともに、電池セルの劣化の状況を予測、判断するための検知データ、モニタリング履歴等が蓄積される。
【００３０】
出力部４５と接続された表示部（例えば、液晶表示器等）を設け、劣化状態にある電池セルを含む電池モジュール、あるいは電池セルの劣化の到来が予測される電池モジュールを、あらかじめそれらの電池モジュールに付与した管理番号等により可視表示するようにしてもよい。こうすることで、蓄電システムの管理者あるいは保守要員は、劣化している電池セルを含む電池モジュールの交換等、蓄電システムの機能を維持するための対処が必要と認識できる。
【００３１】
リチウムイオン二次電池１において、小型セル電池１３ａは他の電池セル１０と直列に接続されて電池モジュール２０ａを構成し、同様に小型セル電池１３ｂは電池モジュール２０ｂを構成し、小型セル電池１３ｃは電池モジュール２０ｃを構成する。すなわち、小型セル電池１３ａ〜１３ｃは、蓄電システム５０において他の電池セル１０と同時に使用され、所定の出力電圧を維持するための電池セルとして充放電に供される。
【００３２】
ここで小型セル電池１３ａ〜１３ｃは、例えば、他の電池セル１０よりも外観寸法（サイズ、形状）が小さく、他の電池セル１０と同一あるいは類似の積層構造、電気的容量を有するコイン型リチウム電池（例えば、ＣＲ２０２５，ＣＲ２０３２等）である。これにより、収容ケース５内に複数の電池セル１０とともに小型セル電池１３ａ〜１３ｃを設置しても、他の電池セル１０の動作等の妨げとならず、しかも、小型セル電池１３ａ〜１３ｃと他の電池セル１０の温度環境、負荷環境等が同等になり、小型セル電池１３ａ〜１３ｃの負荷履歴、劣化状況をもって、他の電池セル１０の劣化状況を近似して判断（代替評価）できる。
【００３３】
モニター用セル電池の容量は、他の電池セルの容量を１００とした場合、例えば、０．１／１００〜１０／１００であることが好ましい。より好ましくは、０．１／１００〜１／１００であり、さらに好ましくは、０．１／１００〜０．５／１００である。
【００３４】
図２に示す蓄電システム（９直列３並列モジュール構成）の例では、小型セル電池１３ａ〜１３ｃそれぞれが電池モジュール２０ａ〜２０ｃに配置された構成としているが、これに限定されない。例えば、９直列３並列を超えるようなモジュール数が多い構成等において、電池モジュール対応には小型セル電池を配置せず、モジュール構成に応じて適宜、小型セル電池を配置する位置および配置数を決める。
【００３５】
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を含んで構成された蓄電システムにおける電池セル（リチウムイオン二次電池）の劣化判断方法について説明する。
【００３６】
蓄電システムにおける電池モジュール等の劣化の状況の判定方法として、すべて電池セルのセル内部の温度（電池の温度上昇）、電圧、電流等を測定した結果をもとに異常の有無を判定する方法が一般的であるが、本実施形態に係る蓄電システムでは、複数の電池セルで構成されるリチウムイオン二次電池に配置した小型の電池セルの動作モニター結果をもとに、電池セルの劣化状況を判定する。
【００３７】
図３は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を含んで構成される蓄電システムにおける電池セルの劣化判定処理を時系列で示すフローチャートである。電池管理ユニット（ＢＭＵ）４０の監視部３５は、図３のステップＳ１１において、信号線２５ａ〜２５ｃを介して、監視データとして、モニター用の電池である小型セル電池１３ａ〜１３ｃの電池特性、例えば電圧の変化、電圧のばらつき、放電電流、満充電時の容量、残存容量等を取得する。そして、続くステップＳ１３で、上記ステップＳ１１で取得した監視データを記憶部４３に格納する。
【００３８】
ステップＳ１５において、劣化判定部４１によって、記憶部４３に格納された監視データをモニター電池毎に所定の閾値と比較するとともに、あらかじめ記憶部４３に格納されている小型セル電池の電池特性についての過去の監視データ、あらかじめ想定した劣化モード等と対比する。モニター電池（小型セル電池）の電池特性には、放電電流の変化に伴う充電率ＳＯＣ（State of Charge）、充放電履歴等の情報を含めてもよい。
【００３９】
続くステップＳ１７では、ステップＳ１５における対比結果より、電気的特性においてモニター電池に劣化の傾向があるか否かを判断する。例えば、劣化判定部４１は、モニター電池の充放電効率の低下の状況、最大出入力電流の低下の状況、充放電履歴等から、電池特性の劣化の状況を判断する。
【００４０】
ステップＳ１７においてモニター電池の電池特性に劣化の傾向があると判断された場合には、ステップＳ１９において所定時間の経過を待つ。これは、ステップＳ１７，Ｓ１９の処理において、所定時間の経過後においてもモニター電池の電池特性劣化の傾向が継続しているか否かを判断し、一過性の電池特性の劣化を排除するためである。
【００４１】
ステップＳ１９において、モニター電池の電池特性劣化の傾向が、所定時間の経過後も継続していると判断された場合、ステップＳ２１において、そのモニター電池に劣化が生じていると判断する。
【００４２】
劣化判定部４１はステップＳ２５において、上記ステップＳ２１での判定結果を出力部４５に送信する。具体的には、劣化を示しているモニター電池（小型セル電池）の識別データ（例えば、ＳＣＢ１〜ＳＣＢ３等の電池固有の符号）と、そのモニター電池が配置された電池モジュールの識別符号、あるいは、そのモニター電池の近傍に位置する電池モジュールの識別符号を出力部４５に送信する。
【００４３】
上述したように、モニター電池としての小型セル電池１３ａ〜１３ｃは、他の電池セル１０と同一あるいは類似の積層構造、電気的容量を有することから、小型セル電池１３ａ〜１３ｃの劣化状況等がそのまま、その小型セル電池が配置された電池モジュール、あるいはその小型セル電池の近傍に位置する電池モジュールを構成する電池セルの劣化状況を示していると判断できる。
【００４４】
その結果、例えば小型セル電池（ＳＣＢ１）１３ａ、あるいは小型セル電池（ＳＣＢ３）１３ｃが劣化を示していると判断された場合、出力部４５からの情報をもとに、少なくとも小型セル電池（ＳＣＢ１，ＳＣＢ３）の近傍にある電池モジュールを構成する電池セルにも、外部振動の影響を受けて劣化が生じている可能性があると判断できる。
【００４５】
小型セル電池（ＳＣＢ２）１３ｂが劣化状態にある場合には、少なくとも、その小型セル電池（ＳＣＢ２）が配置された電池モジュール内の電池セルに発熱による温度上昇、膨張による圧力変化により劣化が生じている可能性があると判断できる。
【００４６】
以上説明したように、複数の電池セルからなる電池モジュールにより構成されるリチウムイオン二次電池において、それらの電池セルと電気的性能等が同等の小型セル電池（ミニセル電池）を配置する。その結果、配置した小型セル電池の動作、特性等を監視することで、その監視結果をもとに電池モジュール内の電池セルの劣化を先行して判定することができる。
【００４７】
電池モジュールを構成するすべての電池セルに対応させず、電池モジュール内の電池セルの劣化を判定可能な範囲に限定した位置と数の小型セル電池を設置することで、電池セルの劣化判定構成が簡略化でき、劣化判定に要する費用も削減できる。加えて、電池モジュール単位に小型セル電池を配置することで、電池モジュールごとに電池セルの容量管理、電池交換が可能となる。
【００４８】
本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。上述した実施形態では、モニター用の小型セル電池（ＳＣＢ１〜ＳＣＢ３）が、電池モジュール内で他の電池セルと接続されてモジュールを構成し、他の電池セルと同時に稼動する構成としたが、これに限定されない。例えば、電池特性の劣化判断の精度を上げるため、電池特性の計測時、解析時に小型セル電池（ＳＣＢ１〜ＳＣＢ３）を他の電池セルの充放電系統から切り離す機構を設けてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  リチウムイオン二次電池
３  ケースカバー
５  収容ケース
１０  電池セル（二次電池）
１３ａ〜１３ｃ  小型セル電池（ＳＣＢ１〜ＳＣＢ３）
１５  正極端子
１７  負極端子
２０ａ〜２０ｃ  電池モジュール
２５ａ〜２５ｄｃ  信号線
３０  二次電池モジュール（組電池、電池パック）
３３  充放電制御部
３５  監視部
４０  電池管理ユニット（ＢＭＵ）
４１  劣化判定部
４３  記憶部
４５  出力部
５０  蓄電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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