(57)【要約】【課題】いずれかの電池セル内で剥離や破損が生じても、全体として導通が失われない全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットを提供する。【解決手段】電池モジュールは、固体電解質を有する複数の電池セルと、複数の電池セルを互いに並列に接続する接続部とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質を有する複数の電池セルと、
前記複数の電池セルを互いに並列に接続する接続部と
を備える全固体電池モジュール。
【請求項２】
前記複数の電池セルの少なくとも１つに導通異常が発生した場合に、導通異常が発生していない電池セルについて、前記導通異常が発生していないときの充放電電圧範囲である正常時運転許容範囲を超えた電圧範囲である異常時運転許容範囲で充放電を行うように制御する制御部をさらに備える
請求項１に記載の全固体電池モジュール。
【請求項３】
前記複数の電池セルの個数は、前記異常時運転許容範囲において前記複数の電池セルのうち最小運転セル数の電池セルを充放電させるときの前記全固体電池モジュール全体の容量が、前記正常時運転許容範囲において前記複数の電池セルを充放電させるときの前記全固体電池モジュール全体の容量以上となる数である
請求項２に記載の全固体電池モジュール。
【請求項４】
前記導通異常を検出する検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記検出部により前記導通異常が検出された場合に、導通異常が発生していない電池セルについて、前記異常時運転許容範囲で充放電を行うように制御する
請求項２または請求項３に記載の全固体電池モジュール。
【請求項５】
前記検出部は、当該全固体電池モジュールの電圧値に基づいて、前記導通異常を検出する請求項４に記載の全固体電池モジュール。
【請求項６】
前記検出部は、当該全固体電池モジュールの電圧値及び電流値に基づいて、前記導通異常を検出する請求項４に記載の全固体電池モジュール。
【請求項７】
前記検出部は、当該全固体電池モジュールの電流値と、前記複数の電池セルのうち一の電池セルの電流値とに基づいて、前記導通異常を検出する請求項４に記載の全固体電池モジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の全固体電池モジュールが直列に接続された全固体電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今普及しているリチウムイオン電池は、有機電解液を用いている。そのため、リチウムイオン電池は、水系電解液を使用した電池と比べ高い理論起電力を有する活物質を採用することができ、高いエネルギー密度を有する。他方、リチウムイオン電池においては、リチウムデンドライトの成長などによる内部短絡が発生する可能性がある。リチウムは自然発火性を有し、またリチウムイオン電池に用いられる有機電解液は引火性を有することから、リチウムイオン電池を用いて組電池システムを構築する場合には、内部短絡に伴う異常発熱が生じないよう、電池セルの電圧を監視する保護回路をセルごとに設けて異常に至る前に通電を止めるようにしている。
【０００３】
また、並列接続された複数の電池セルの一部において内部短絡が生じると、電池セルの並列度が大きいほど、内部短絡が生じた電池へ多くの電流が流れ、異常が加速する可能性がある。そのため、リチウムイオン電池においては、セル電池の並列接続を避け、直列接続を優先した組電池構成とすることが一般的である。電池セルを直列接続して組電池を構成したリチウムイオン電池は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
一方、硫化物系や酸化物系などのセラミックス固体電解質を用いた全固体電池は、酸化・還元されにくい材料が採用される。これにより、全固体電池は、リチウムイオン電池に対し、さらに高い起電力を有する活物質を採用することが可能であり、高いエネルギー密度を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−７５５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
全固体電池は、固体の電極と固体の電解質とが接合されることによって、導通が確保されている。そのため、接合部位の剥離または破損が生じた場合に、全固体電池の電池セル自体の導通が失われる可能性がある。そのため、全固体電池において、特許文献１に示すように直列優先の組電池を構成する場合、いずれかの電池セルにおいて接合部位の剥離または破損が生じると、組電池全体において充放電ができなくなってしまう可能性がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電池セルにおいて剥離または破損が生じても、全体として導通が失われない全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、全固体電池モジュールは、固体電解質を有する複数の電池セルと、前記複数の電池セルを互いに並列に接続する接続部とを備える。
第１の態様に係る全固体電池モジュールによれば、構成するいずれかの電池セル内で剥離や破損が生じても、全体として導通が失われない。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係る全固体電池モジュールが、前記複数の電池セルの少なくとも１つに導通異常が発生した場合に、導通異常が発生していない電池セルについて、前記導通異常が発生していないときの充放電電圧範囲である正常時運転許容範囲を超えた電圧範囲である異常時運転許容範囲で充放電を行うように制御する制御部をさらに備えるものであってよい。
このような構成によれば、電池セルにおいて導通異常が発生した場合に、導通異常が発生した電池セルの分だけ充放電容量が失われることを防ぐことができる。
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様に係る全固体電池モジュールにおいて、前記複数の電池セルの個数は、前記異常時運転許容範囲において前記複数の電池セルのうち最低運転数の電池セルを充放電させるときの前記全固体電池モジュール全体の容量が、前記正常時運転許容範囲において前記複数の電池セルを充放電させるときの前記全固体電池モジュール全体の容量以上となる数であるものであってよい。
このような構成によれば、全固体電池モジュールは、導通異常が発生した場合にも、導通異常が発生する前の充放電容量を少なくとも確保できる。
【００１０】
本発明の第４の態様によれば、第２または第３の態様に係る全固体電池モジュールが、前記導通異常を検出する検出部をさらに備え、前記制御部は、前記検出部により前記導通異常が検出された場合に、導通異常が発生していない電池セルについて、前記異常時運転許容範囲で充放電を行うように制御するものであってよい。
このような構成によれば、全固体電池モジュールは、導通異常が発生して充放電容量が減少した場合に、即座に自動的に充放電容量を確保するように制御を切り替えることができる。
【００１１】
本発明の第５の態様によれば、第４の態様に係る全固体電池モジュールにおいて、前記検出部は、当該全固体電池モジュールの電圧値に基づいて、前記導通異常を検出するものであってよい。
【００１２】
本発明の第６の態様によれば、第４の態様に係る全固体電池モジュールにおいて、前記検出部は、当該全固体電池モジュールの電圧値及び電流値に基づいて、前記導通異常を検出するものであってよい。
【００１３】
本発明の第７の態様によれば、第４の態様に係る全固体電池モジュールにおいて、前記検出部は、当該全固体電池モジュールの電流値と、前記複数の電池セルのうち一の電池セルの電流値とに基づいて、前記導通異常を検出するものであってよい。
【００１４】
本発明の第８の態様によれば、ことにより構成した全固体電池ユニットは、請求項１乃至７のいずれかに記載の全固体電池モジュールを複数直列に接続する。
【発明の効果】
【００１５】
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、全固体電池ユニットの電池セル内で剥離や破損が生じても、全体として導通が失われない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットの効果を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
【図６】第４実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
【図７】少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図面において同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１８】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットの構成を示す図である。
第１実施形態の電池モジュール１１Ａは、図１に示すように、複数の電池セル１１１を並列接続させて構成されている。すなわち、電池モジュール１１Ａは、複数の電池セル１１１と各電池セルを並列に接続する接続部１２１とを備える。ここで、電池セル１１１は、セラミックス固体電解質を用いた全固体電池であり、セル内部にて、複数の正負極単位が直列に積層されたものでも良い。なお、同図においては、電池モジュール１１Ａが５つの電池セル１１１で構成される例が示されているが、個数は単なる例示である。
【００１９】
また、第１実施形態の電池ユニット１Ａは、同図に示すように、複数の電池モジュール１１Ａを直列接続させて構成されている。なお、同図においては、電池ユニット１Ａが３つの電池モジュール１１Ａで構成される例が示されているが、個数は単なる例示である。
かかる電池ユニット１Ａが、セラミックス固体電解質を用いた全固体電池を用いた組電池システムの中核を構成している。
【００２０】
図２は、第１実施形態に係る全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットの効果を示す図である。
以上のような電池モジュール１１Ａによれば、図２に示すように、電池セル１１１の１つにおいて導通異常が発生した場合にも、各電池モジュール１１Ａ内において電池セル１１１が並列接続されていることで、正常な電池セル１１１による導通が確保される。したがって、電池モジュール１１Ａ単位では通電が可能となり、電路の遮断を回避することができる。
【００２１】
また、以上のような電池ユニット１Ａによれば、電池モジュール１１Ａの電圧は電池セル１１１と同等であるため、このように、電池ユニット１Ａを、複数の電池モジュール１１Ａが直列接続された構成とすることで、組電池システムが必要とする電圧を確保することが可能となる。
【００２２】
なお、電池セル１１１が複数の正負極単位が直列に積層されて構成される場合、セル内部の導通不良の可能性が、単独の正負極単位からなる電池セルに比べ高くなるため、電池モジュール１１Ａおよび電池ユニット１Ａが上記の構成を備えることがより好適である。
【００２３】
全固体電池は、固体電解質を用いているので、有機電解質を使用しているリチウムイオン電池と異なり燃えにくい。また、全固体電池は、プラスチックセパレータを使用しているリチウムイオン電池と比べて高い強度を有している。さらに、全固体電池の破損部は空隙（断線状態）となり、導通に関与しないため、リチウムイオン電池と比較して異常によって内部短絡が生じる可能性は低く、さらに内部短絡が生じたとしても異常発熱や発火が生じる可能性は非常に小さい。
【００２４】
次に、第２〜第４実施形態について説明する。
通常、電池セル１１１は、そのハードウェアとしての機器が有する最大の容量（以下、“最大運転可能容量”と称す）を限度に運転されるのではなく、内部抵抗の安定した範囲の観点、制御の安定性や誤差の観点、さらに劣化や安全性の観点を考慮して、最大運転可能容量のうちの上限および下限に近い部分を除いた範囲（以下、“正常時運転許容範囲”と称す）で運転が制御される。例えば、最大運転可能容量が１００Ａｈである電池セル１１１において、ＳＯＣ１０％以上ＳＯＣ９０％未満の範囲を正常時運転許容範囲とすることで、８０Ａｈの容量で運転が制御されることがある。
【００２５】
一方、第１実施形態のように電池モジュール１１Ａを複数の電池セル１１１で構成しても、いずれかの電池セル１１１の導通異常が発生した場合には、電池モジュール１１Ａ全体の電池容量が減少し、ひいては組電池システムとしての充放電容量が減少することになる。かかる状況において暫定的にでも充放電容量が減少しないことが望まれている。
【００２６】
そこで、第２実施形態以降の実施形態に係る電池モジュール１１Ａは、いずれかの電池セル１１１の導通異常が発生した場合でも、電池モジュール１１Ａ全体の容量が保たれるように、正常時運転許容範囲を超える範囲について暫定的に利用可能とする制御を行う。全固体電池は、リチウムイオン電池と比較して、正常時運転許容範囲を超えて充放電がされたときの劣化および発熱が少ないので、最大運転可能容量まで広げて運用することによるデメリットが少ない。
【００２７】
図３の例を参照して、当該容量確保の制御原理を説明する。図３は、第２実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。ここでは、同図に模式的に示すように、ＳＯＣ１０％以上ＳＯＣ９０％未満の範囲を正常時運転許容範囲とする５つの電池セル１１１を採用しているものとする。各電池セル１１１は、第１実施形態のように並列に接続されるため、電池モジュール１１Ａの容量は、電池セル１１１の公称容量の４倍（８０％×５＝４００％）である。
ここで、例えば、電池セル１１１ａが導通不良で充放電機能が失われたものとする。各電池セル１１１を正常時運転許容範囲に基づいて制御すると、電池モジュール１１Ａの容量は、電池セル１１１の公称容量の３．２倍（８０％×４＝３２０％）にまで低下することになる。ここで、残りの電池セル１１１の運転許容範囲（異常時運転許容範囲）を最大運転可能容量全体の範囲、すなわちＳＯＣ０％以上ＳＯＣ１００％以下の範囲まで広げて制御すると、電池モジュール１１Ａの容量を、暫定的に電池セル１１１の公称容量の４倍（１００％×４＝４００％）とすることができる。
【００２８】
言い換えれば、５つの電池セル１１１ａ〜ｅを並列で動作させている場合、１つの電池セル１１１の最大運転可能容量を１００％とすると、電池モジュール１１Ａ全体の最大運転可能容量は５００％であり、使用可能な容量は４００％となる。そして、１つの電池セル１１１が失われた場合、使用可能な容量は一時的に３２０％となるが、運転許容範囲を最大運転可能容量の全体まで広げることにより、使用可能な容量が４００％となり、導通異常の発生前と同じ容量が確保されることとなる。
【００２９】
このように、１つの電池セル１１１に電通異常が生じることを許容し、かつ各電池セル１１１の正常時運転許容範囲を公称容量の８０％の範囲とする場合、電池モジュール１１Ａは、５つ以上の電池セルを備えるように設計される。つまり、電池モジュール１１Ａの設計者は、電池セル１１１の正常時運転許容範囲と、最小運転セル数とに基づいて、電池モジュール１１Ａを構成する電池セル１１１の個数を決定することができる。最小運転セル数とは、電池モジュール１１Ａの容量が確保される最小限の電池セル１１１の個数をいう。
【００３０】
ここで、一般的な概念まで広げると、電池セル１１１の運転許容範囲を最大運転可能容量の全体まで常に広げる、または広げることができるとは限らないので、広げた後の運転許容範囲を“異常時運転許容範囲”と便宜上定義する。異常時運転許容範囲は、正常時運転許容範囲より広い範囲である。正常時運転許容範囲がＳＯＣ１０％以上ＳＯＣ９０％未満の範囲の場合に、異常時運転許容範囲は例えばＳＯＣ５％以上ＳＯＣ９５％未満の範囲である。
電池モジュール１１Ａは、電池セル１１１の個数ＭがＸ×Ｍ≦Ｙ×ｍを満たすように設計されることで、異常時に電池モジュール１１Ａの容量の低下を防ぐことができる。ここで、Ｘは正常時運転許容範囲に係る容量であり、Ｙは異常時運転許容範囲に係る容量であり、ｍは最小運転セル数である。
例として、正常時運転許容範囲が電池セル１１１の容量の８０％に相当する範囲であって、異常時運転許容範囲が電池セル１１１の容量の９０％に相当する範囲であるものとし、最小運転セル数を８とすると、８０×Ｍ≦９０×８を満たすＭは９以下の値であるため、電通障害の発生前の容量が確保するためには、９個の電池セル１１１が必要となる。
【００３１】
以上の制御原理を前提としたうえで、以下の第２〜第４実施形態は、その制御の方法（特に、導通不良の検出方法）のバリエーションを示す。
【００３２】
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
図４に示すように、第２実施形態における電池モジュール１１Ｂは、第１実施形態に係る構成に加え、電圧計測部１１２、タイマー部１１３、検出部１１４Ｂ、制御部１１５をさらに備える。電池モジュール１１Ｂは、電源１１６に接続される。
【００３３】
ここで、電圧計測部１１２は、電池モジュール１１Ｂの電圧、すなわち複数の電池セル１１１の入力端と出力端との電位差を逐次計測するものである。また、タイマー部１１３は、時間情報を出力するものである。
【００３４】
検出部１１４Ｂは、タイマー部１１３からの時間情報と電圧計測部１１２からの電圧情報とを対で入力し、それらの情報に基づいて、いずれかの電池セル１１１に導通異常が発生したか否かを判定し、その結果を制御部１１５に知らせる。いずれかの電池セル１１１に導通異常が発生した場合には、電池モジュール１１Ｂの電圧の変化率が変わるので、電圧の変化率を監視し、または電池ユニット１Ａを構成する他の電池モジュール１１Ｂに係る電圧の変化率との差を監視することで（この場合、図示していないが、検出部１１４Ｂには、他の電池モジュール１１Ｂの電圧計測部１１２及びタイマー部１１３の情報も入力される）、異常発生を判定できる。
【００３５】
制御部１１５は、導通異常が生じていない場合、正常時運転許容範囲と電池モジュール１１ＢのＳＯＣとに基づいて電源１１６に対する充電指示を生成する。また制御部１１５は、導通異常が生じていない場合、正常時運転許容範囲と電池モジュール１１ＢのＳＯＣとに基づいて電池モジュール１１Ｂの放電指示を生成する。
また、制御部１１５は、導通異常が生じた場合、異常時運転許容範囲と電池モジュール１１ＢのＳＯＣとに基づいて電源１１６に対する充電指示を生成する。また制御部１１５は、導通異常が生じた場合、異常時運転許容範囲と電池モジュール１１ＢのＳＯＣとに基づいて電池モジュール１１Ｂの放電指示を生成する。
【００３６】
電源１１６は、制御部１１５から受信する充電指示に基づいて、複数の電池セルに電流を流す。
なお、図３に示した構成に係る電圧計測部１１２及びタイマー部１１３は、セル監視ユニット（ＣＭＵ：Cell Monitoring Unit）によって実現され、検出部１１４Ｂ及び制御部１１５は、電池管理ユニット（ＢＭＵ：Buttery Management Unit）によって実現されてもよい。
【００３７】
なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、複数の電池モジュール１１Ｂを直列に接続することで、電池ユニットが構成される。このとき、検出部１１４Ｂ及び制御部１１５は、各電池モジュール１１Ｂに共通して設けられたものであってもよい。
以上のように、第２実施形態の全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットによれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加えて、導通異常によりいずれかの電池セル１１１の容量が失われても、電池セル１１１の上限電圧及び下限電圧を変更し、通常は使用されることのない領域（最大で、最大運転可能容量）まで充放電容量を拡張することで、全体として、導通異常前の充放電容量を維持できる。
【００３８】
更に、図３に示すように、その導通異常を検出し、電源に対して、残りの正常な電池セル１１１について、前述のように最大運転可能容量までの所望の範囲まで充放電容量を広げるように制御を行うような具体的な構成を設けることのより、即時に当該導通異常に対処して、電池モジュールの容量低下を抑制し、組電池システムのパフォーマンスが低下しないようにすることができる。
【００３９】
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
第３実施形態に係る電池モジュール１１Ｃは、第２実施形態の電圧計測部１１２及び検出部１１４Ｂに代えて、それぞれ電圧／電流計測部１１７及び検出部１１４Ｃを備えるものであり、他の構成については、第２実施形態と同様である。
【００４０】
ここで、電圧／電流計測部１１７は、電池モジュール１１Ｃの電圧及び電流を逐次計測するものである。検出部１１４Ｃは、電圧／電流計測部１１７からの電圧及び電流の情報を取得し、所定電圧幅（運転上下限電圧など）、言い換えればある下電圧からある上電圧まで充放電される間の電流の積算量に基づいて、いずれかの電池セル１１１に導通異常が発生したか否かを判定し、その結果を制御部１１５に知らせる。導通異常が発生した場合、電池モジュール１１Ｃ全体の容量が低下するため、同じ電圧幅の変化があった場合、導通異常が生じたときの電流の積算値は、導通異常が生じていないときの電流の積算値より少ない。そのため、検出部１１４Ｃは、所定電圧幅における電流の積算量に基づいて、導通異常の異常発生を検出することができる。
【００４１】
なお、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、複数の電池モジュール１１Ｃを直列に接続することで、電池ユニットが構成される。
以上のように、第３実施形態の全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットによれば、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
［第４実施形態］
図６は、第４実施形態に係る全固体電池モジュールの構成を示す図である。
第４実施形態に係る電池モジュール１１Ｄは、第２実施形態の検出部１１４Ｂに代えて、検出部１１４Ｄを備える。また、第４実施形態に係る電池モジュール１１Ｄは、第２実施形態の電圧計測部１１２に代えて、電池モジュール１１Ｄの電流、すなわち複数の電池セル１１１の入力端と出力端との間に流れる電流を計測するモジュール電流計測部１１８と、複数の電池セル１１１のうち１つの電池セル１１１の電流を計測するセル電流計測部１１９とを備えている。その他の構成については、第２実施形態と同様である。
【００４３】
いずれかの電池セル１１１に導通異常が発生すると、電池モジュール１１Ｄ全体の電流と電池セル１１１単体の電流に変化が生じるので、検出部１１４Ｄは、それらを計測することにより、導通異常を検出できる。具体的には、モジュール電流計測部１１８の計測電流が減少し、セル電流計測部１１９の計測電流が減少しない場合、検出部１１４Ｄは、電流を計測している電池セル１１１以外の電池セル１１１のいずれかに導通異常が発生したと判断する。他方、セル電流計測部１１９の計測電流がゼロになった場合には、検出部１１４Ｄは、電流を計測している電池セル１１１に導通異常が発生したと判断する。
【００４４】
なお、第４実施形態においても、第１実施形態と同様に、複数の電池モジュール１１Ｃを直列に接続することで、電池ユニットが構成される。
以上のように、第４実施形態の全固体電池モジュール及び全固体電池ユニットによれば、第２実施形態及び第３実施形態と同様の効果が得られる。加えて、この第４実施形態においては、第２実施形態及び第３実施形態よりも精度よく、かつ短時間で、電池モジュール１１Ｄ内に生じた電池セル１１１の導通異常を検出でき、よって組電池システムを早急に適切な運転条件に導くことが可能となる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００４６】
図７は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ５０は、プロセッサ５１、メインメモリ５２、ストレージ５３、インタフェース５４を備える。
電池モジュールのＢＭＵおよびＣＭＵは、コンピュータ５０に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ５３に記憶されている。プロセッサ５１は、プログラムをストレージ５３から読み出してメインメモリ５２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。
【符号の説明】
【００４７】
１Ａ  電池ユニット
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ  電池モジュール
１１１  電池セル
１１２  電圧計測部
１１３  タイマー部
１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄ  検出部
１１５  制御部
１１６  電源
１１７  電圧／電流計測部
１１８  モジュール電流計測部
１１９  セル電流計測部
１２１  接続部
【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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