(57)【要約】【課題】インピーダンスを制御可能な電池システムを提供する。【解決手段】電池システムは、全個体電池と、全個体電池を温調する温調装置とを備える。全固体電池のインピーダンス特性は、温度によって変化する。具体的には、温度が高いほど全固体電池のインピーダンスは低くなり、温度が低いほど全固体電池のインピーダンスは高くなる。したがって、温調装置による温調により、全固体電池のインピーダンスを制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質を有する全個体電池と、
前記全個体電池を温調する温調装置と
を備える電池システム。
【請求項２】
前記全固体電池に要求されるインピーダンスに基づいて、前記温調装置を制御する制御装置をさらに備える
請求項１に記載の電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記全固体電池の運用モードに基づいて、前記温調装置を制御する
請求項２に記載の電池システム。
【請求項４】
前記運用モードは、充放電モードおよび保存モードを含み、
前記制御装置は、
前記運用モードが前記充放電モードである場合に、前記温調装置に前記全固体電池を第１の温度で温調させ、
前記運用モードが前記保存モードである場合に、前記温調装置に前記全固体電池を第１の温度より低い第３の温度で温調させる
請求項３に記載の電池システム。
【請求項５】
前記全固体電池は、複数の電池セルを備え、
前記温調装置は、前記複数の電池セルのそれぞれを温調する請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電池システム。
【請求項６】
前記温調装置は、前記複数の電池セルのうち相対的に容量が大きい電池セルの温度が、相対的に容量が小さい電池セルの温度より高くなるように、前記複数の電池セルのそれぞれを温調する
請求項５に記載の電池システム。
【請求項７】
前記温調装置は、前記複数の電池セルどうしのインピーダンスの差が小さくなるように、前記複数の電池セルのそれぞれを温調する
請求項５に記載の電池システム。
【請求項８】
固体電解質を有する全個体電池の温調方法であって、
前記全固体電池に要求されるインピーダンスに基づいて、前記全固体電池を温調するステップ
を有する温調方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池システムおよびその温調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池としてリチウムイオン電池が知られている。とりわけ液系のリチウムイオン電池は使用温度範囲が設定される。リチウムイオン電池を、使用温度範囲を超える温度で充放電するとリチウムイオン電池の劣化が促進され、また内部短絡が生じる懸念が増大する。そのため、リチウムイオン電池を用いた電池システムでは、温度が使用温度範囲（例えば１０〜４０℃）に収まるように、温調システム等により温度調整を行うことが多い。リチウムイオン電池の使用温度範囲は、一般的に有機溶媒系電解液材料の融点や蒸気圧などにより決定される。非特許文献１〜３は、リチウムイオン電池の使用温度範囲を開示した文献の例である。
【０００３】
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についての研究が進められている。全固体電池は、高温環境下でも伝導性が高く、使用温度範囲がリチウムイオン電池より広い（例えば、−１００℃〜２００℃）。そのため、リチウムイオン電池のように、劣化等の防止を目的とした温度制御を行う必要性は低い。非特許文献４〜７は、全固体電池の使用温度範囲を開示した文献の例である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】電池総合カタログ、日立マクセル株式会社  エナジー事業本部、２０１５年、８月作成、インターネット＜ＵＲＬ：http://biz.maxell.com/ja/rechargeable_batteries/pdf/PrismaticLi-ion1508j.pdf＞
【非特許文献２】井口  隆明、外５名、“ハイブリッド自動車用リチウムイオン電池EH5”、GS Yuasa Technical Report、2014年12月  第11巻  第2号、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.gs-yuasa.com/en/technic/vol11_2/pdf/011_02_024.pdf＞
【非特許文献３】取扱説明書  リチウムイオンバッテリー、パナソニック株式会社  オートモーティブシステムズ社、2011年、インターネット＜ＵＲＬ：http://car.panasonic.jp/support/manual/g_navi/data/pd7d/pd7d.pdf＞
【非特許文献４】Ilike Technologies  プレスリリース、“−40〜150℃の温度範囲に対応した全固体電池、IoT機器や車載センサー向け”、ITmedia Inc.、2017年5月17日、インターネット＜ＵＲＬ：http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1705/17/news029.html＞
【非特許文献５】古川  一夫、“リチウムイオン電池の3倍以上の出力特性をもつ全固体電池を開発”、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、2016年3月22日、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100537.html＞
【非特許文献６】新着情報、“耐久性と安全性を向上させた全固体リチウムイオン二次電池を開発〜低温から高温まで動作可能かつ長寿命〜”、日立造船株式会社、2016年2月18日、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.hitachizosen.co.jp/news/2016/02/002027.html＞
【非特許文献７】日立製作所、“150度の高温で利用可能な全固体リチウム二次電池、基礎技術を開発”、ITmedia Inc.、2015年11月16日、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1511/16/news030.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、二次電池の運用において、電池セルのインピーダンスを制御したいという要望がある。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インピーダンスを制御可能な電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、電池システムは、固体電解質を有する全個体電池と、前記全個体電池を温調する温調装置とを備える。全固体電池のインピーダンス特性は、温度によって変化する。具体的には、温度が高いほど全固体電池のインピーダンスは低くなり、温度が低いほど全固体電池のインピーダンスは高くなる。したがって、第１の態様に係る電池システムによれば、温調装置による温調により、前記全固体電池のインピーダンスを制御することができる。
【０００７】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係る電池システムが、前記全固体電池に要求されるインピーダンスに基づいて、前記温調装置を制御する制御装置をさらに備えるものであってよい。
【０００８】
本発明の第３の態様によれば、第２の態様に係る電池システムにおいて、前記制御装置は、前記全固体電池の充放電モードに基づいて、前記温調装置を制御するものであってよい。
【０００９】
本発明の第４の態様によれば、第３の態様に係る電池システムにおいて、前記充放電モードは、急速充放電モード、低レートモード、及び保存モードのいずれかであり、前記制御装置は、前記充放電モードが前記急速充放電モードである場合に、前記温調装置に前記全固体電池を第１の温度で温調させ、前記充放電モードが前記低レートモードである場合に、前記温調装置に前記全固体電池を前記第１の温度より低い第２の温度で温調させ、前記充放電モードが前記保存モードである場合に、前記温調装置に前記全固体電池を第２の温度より低い第３の温度で温調させるものであってよい。
このような構成によれば、第４の態様に係る電池システムは、全固体電池を充放電するときに全固体電池のインピーダンスを低下させることで、急速な充放電を実現することができ、全固体電池を保存するときに全固体電池のインピーダンスを増加させることで、自然放電を防止することができる。
【００１０】
本発明の第５の態様によれば、第１から第４の何れかの態様に係る電池システムが、前記全固体電池は、複数の電池セルを備え、前記温調装置は、前記複数の電池セルのそれぞれを温調するものであってよい。
【００１１】
本発明の第６の態様によれば、第５の態様に係る電池システムにおいて、前記温調装置は、前記複数の電池セルのうち相対的に容量が小さい電池セルの温度が、相対的に容量が大きい電池セルの温度より高くなるように、前記複数の電池セルのそれぞれを温調するものであってもよい。
このような構成によれば、第６の態様に係る電池システムは、他の電池セルと比較して容量が低くなってしまった電池セルのインピーダンスを増加させることで、他の電池セルより早くＳＯＣが運用範囲充電の上限または下限に到達することを防止し、電池システム全体としてのアベイラビリティを向上させることができる。
【００１２】
本発明の第７の態様によれば、第５の態様に係る電池システムにおいて、前記温調装置は、前記複数の電池セルどうしのインピーダンスの差が小さくなるように、前記複数の電池セルのそれぞれを温調するものであってよい。
このような構成によれば、第７の態様に係る電池システムは、インピーダンスがばらついた複数の電池セルのインピーダンスの均一化を図ることができる。
【００１３】
本発明の第８の態様によれば、温調方法は、固体電解質を有する全個体電池の温調方法であって、前記全固体電池に要求されるインピーダンスに基づいて、前記全固体電池を温調するステップを有する。
【発明の効果】
【００１４】
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、電池システムは、電池セルのインピーダンスを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態に係る電池システムの構成を示す図である。
【図４】第２実施形態の電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】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】
【００１６】
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。各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。
【００１７】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る電池システムの構成を示す図である。
第１実施形態に係る電池システム１Ａは、図１に示すように、直列に接続した複数の電池セル１１を備え、運用モードに応じて複数の電池セルを制御する。
【００１８】
第１実施形態に係る電池システム１Ａの運用モードは、“高速充放電モード”、“低レートモード”、“保存モード”を含む。
高速充放電モードとは、各電池セル１１のインピーダンスを低減させて電流が流れやすくすることにより、高速な充放電を実現するモードである。
保存モードとは、各電池セル１１のインピーダンスを増大させることにより、自己放電及び界面副反応を抑制して、電池の劣化を防止するモードである。つまり、保存モードにおける電池セル１１のインピーダンスは、高速充放電モードにおける電池セル１１のインピーダンスより高い。
低レートモードとは、各電池セル１１のインピーダンスを高速充放電モード以下、かつ保存モード以上にして、低速で充放電を行うモードである。
つまり、運用モードは、電池システムに要求されるインピーダンスを表す。
【００１９】
第１実施形態の電池システム１Ａは、図１に示すように、直列に接続した複数の電池セル１１、加熱装置１２、セルインピーダンス監視装置１３、温度監視装置１４、および制御装置１５を備える。なお、同図においては、電池システム１Ａが２つの電池セル１１を備える例が示されているが、個数は単なる例示である。
【００２０】
加熱装置１２は、制御装置１５の指示に従って、当該加熱装置１２が取り付けられた電池セル１１を加熱する。加熱装置１２は、温調装置（Temperature varying device）の一例である。なお、電池セル１１と加熱装置１２のセットは、それぞれ断熱材１６で覆われており、電池セル１１間での熱の移動が防がれている。
【００２１】
セルインピーダンス監視装置１３は、各電池セル１１のインピーダンスを監視する。セルインピーダンス監視装置１３は、例えば電池セル１１に流れる電流と電池セル１１の電圧とに基づいて電池セル１１のインピーダンスを算出してもよいし、既知のＳＯＣ（State of Charge）とインピーダンスの関係に基づいて、電池セル１１のＳＯＣからインピーダンスを特定してもよい。
【００２２】
温度監視装置１４は、各電池セル１１の温度を監視する。温度監視装置１４としては、熱電対などの接触式温度計測センサや、電池容器外部から非接触で温度計測が可能な赤外線センサなどが採用できる。また、電池セル１１の内部において正極と電解質と負極とを直列積層する積層体集電部に温度計測部を設けて、電池セル１１の内部の温度を計測するようにしてもよい。
【００２３】
制御装置１５は、セルインピーダンス監視装置１３が計測した各セルのインピーダンス、温度監視装置１４が計測した温度、および利用者によって設定された運用モードに基づいて、加熱装置１２に加熱指示を出力する。
【００２４】
図示しないが、通電系統としては、電池を充放電するための充放電系統と、電池を温調するための温調系統（加熱装置１２等への系統）を有しており、制御装置１５は、加熱装置１３による加熱指示として、温調系統への通電量を調整している。
【００２５】
なお、図１に示した構成において、セルインピーダンス監視装置１３及び温度監視装置１４は、セル監視ユニット（ＣＭＵ：Cell Monitoring Unit）によって実現されてもよい。また、制御装置１５は、バッテリ管理ユニット（ＢＭＵ：Battery Management Unit）によって実現されてもよい。
【００２６】
図２は、第１実施形態の電池システムの動作を示すフローチャートである。
次に、図２を参照して制御手順について説明する。各電池セル１１の温度を変化させると、電解質のイオン電導度が変化するために、各電池セル１１のセルインピーダンスが変化する。この原理を利用して、電池システム１Ａは、運用モードに応じて適切にセルインピーダンスを変化させる。
【００２７】
まず、制御装置１５は、利用者から運用モードの入力を受け付ける（Ｓ１０）。運用モードの入力は、例えば利用者が有する端末から運用モードの指示を受信することでなされる。制御装置１５は、入力された運用モードに基づいて、各電池セル１１の目標温度および目標インピーダンスを特定する（Ｓ１１）。
【００２８】
セルインピーダンス監視装置１３は、電池セル１１のインピーダンスの値を監視する（Ｓ１２）。制御装置１５は、電池セル１１のインピーダンスの値がステップＳ１１で特定した目標インピーダンスと所定の誤差範囲以内で同一であるか否かを判定する（Ｓ１３）。誤差範囲以内で同一であるとは、計測されたインピーダンスの値と目標インピーダンスとの差が所定の閾値以内であることと等価である。電池セル１１のインピーダンスの値が目標インピーダンスと異なる場合（Ｓ１３：ＮＯ）、制御装置１５は、計測されたインピーダンス値に基づいて、加熱装置１２に出力する加熱指示を変更する（Ｓ１４）。例えば、制御装置１５は、計測されたインピーダンス値が目標インピーダンスより低い場合、温度を増加させる加熱指示を出力する。例えば、制御装置１５は、計測されたインピーダンス値が目標インピーダンスより高い場合、より低い温度での加熱指示を出力し、または加熱を停止する加熱停止指示を出力する。そして、ステップＳ１２に戻り、インピーダンスの監視及び判定を継続する。
【００２９】
一方、電池セル１１のインピーダンスの値が目標インピーダンスと誤差範囲以内で同一である場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、制御装置１５は、同じ温度での加熱指示の出力を継続する。なお、制御装置１５は、印加電流ジュール熱による自己発熱もあるので、その分も含めて温度制御を行う。
【００３０】
このように、電池セル１１のインピーダンスは、何らかの外部環境や内部環境の影響により逐次変化するので、制御装置１５は、インピーダンスを常に監視し、フィードバック制御を行う。
また、運用モードが保存モードである場合には、制御装置１５は、各電池セル１１の加熱を行わず、自然冷却させることにより、インピーダンスを増大させ、自己放電や界面副反応を抑制して電池劣化を防止する。つまり、保存モードの目標温度は常温または常温より低い温度に設定される。
【００３１】
電池システム１Ａは、以上の制御を各電池セル１１について行うが、電池システム１Ａ全体のアベイラビリティの向上のために、各電池セル１１の目標温度が異なっていてもよい。各電池セル１１の容量にばらつきが生じた場合に、各電池セル１１のインピーダンスを一致させると、容量の小さい電池セル１１のＳＯＣは、他の電池セル１１と比較して早く運用範囲の上限または下限に達する。そのため、容量の小さい電池セル１１の目標温度を他の電池セル１１の目標温度より低くすることで、容量の小さい電池セル１１からの放電を抑制し、電池システム１Ａ全体として各電池セル１１のＳＯＣをそろえる（セルバランスを取る）ことができる。
また、各電池セル１１の特性のばらつきにより、同じ目標インピーダンスにおいても、各電池セル１１によって目標温度は異なることがある。
【００３２】
以上のような第１実施形態の電池システム１Ａによれば、全固体電池の広い動作温度範囲という特性のもとで、各電池セル１１の温度を変化させてそれらのインピーダンスを変化させることができるので、電池システム１Ａを所望の動作モード（急速充放電モード、低レートモード、保存モード等）で、電池セル１１のインピーダンスを所望のインピーダンスに制御することができる。
【００３３】
なお、上述の実施形態においては、加熱装置１２が各電池セル１１に設けられ、制御装置１５が電池セル１１ごとにインピーダンスを調整するが、これに限られない。例えば、複数の電池セル１１を直列に接続し、全体として各モードに設定するという意味においては、全体として調整できれば、制御装置１５は、複数の電池セル１１の雰囲気温度を変化させることでインピーダンスを調整し、各モードを実現してもよい。他方、当該実施形態のように制御装置１５が電池セル１１ごとにインピーダンスを調整することで、上述したように各電池セル１１のセルバランスを取り、電池システム１Ａ全体のアベイラビリティを向上させることができる。
【００３４】
［第２実施形態］
図３は、第２実施形態に係る電池システムの構成を示す図である。
第２実施形態に係る電池システム１Ｂは、図３に示すように、並列に接続した複数の電池セル１１を備え、特性のばらつきに応じて複数の電池セル１１を制御する。
【００３５】
第２実施形態の電池システム１Ｂは、図３に示すように、並列に接続した複数の電池セル１１、加熱装置１２、セルインピーダンス監視装置１３、温度監視装置１４、および制御装置１５を備える。なお、同図においては、電池システム１Ａが３つの電池セル１１を備える例が示されているが、個数は単なる例示である。
【００３６】
図４は、第２実施形態の電池システムの動作を示すフローチャートである。
そこで、図４を参照して制御手順について説明する。
各セルインピーダンス監視装置１３は、各電池セル１１のインピーダンスを監視する（Ｓ２１）。制御装置１５は、各電池セル１１のインピーダンスが一定の誤差範囲内において同一であるか否かを判定する（Ｓ２２）。
【００３７】
各電池セル１１のインピーダンスが同一でない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、制御装置１５は、計測されたインピーダンス値に基づいて、加熱装置１２に出力する加熱指示を変更する（Ｓ２３）。例えば、制御装置１５は、相対的にインピーダンス値が低い電池セル１１に係る加熱装置１２に、温度を増加させる加熱指示を出力する。また例えば、制御装置１５は、相対的にインピーダンス値が高い電池セル１１に係る加熱装置１２に、より低い温度での加熱指示を出力し、または加熱を停止する加熱停止指示を出力する。そして、ステップＳ２１に戻り、インピーダンスの監視及び判定を継続する。
一方、各電池セル１１のインピーダンスが同一であると判定された場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、制御装置１５は、同じ温度での加熱指示の出力を継続する。
【００３８】
なお、以上の説明では、各電池セル１１のインピーダンスを同一にすることまでのことを説明したが、すべての電池セル１１のインピーダンスを同一にするまでもなく、インピーダンスが比較的大きくなってしまった電池セル１１について加熱するようにすれば、インピーダンスの増大による容量低下を改善できる。
【００３９】
また、以上の説明では、並列回路としてのセル単位でインピーダンスを調整したが、これに限られることはなく、組電池単位でもよい。
【００４０】
以上のような第２実施形態の電池システム１Ｂによれば、並列に接続された複数の電池セル１１において、経年変化や何らかの理由でインピーダンスが高くなって容量が十分ではなくなってしまった電池セル１１が生じた場合に、加熱によりインピーダンスを低くして容量を回復できる。
【００４１】
さらに、電池システム１Ｂは、複数の電池セル１１のインピーダンスを同一に調整することにより、複数の電池セル１１に供給される電流量を一定に制御できる。加えて、インピーダンスの差異による電池セル１１間での還流を防止することができる。
【００４２】
なお、上述の第１実施形態及び第２実施形態においては、それぞれ電池セル１１を直列に、または並列に接続して電池システムとしたが、これ限られることはなく、本発明の実施形態にかかる電池システムとしては、それらの複合形態、すなわち直列かつ並列に接続された電池ユニット等にも適用できる。
また、以上の各実施形態の電池システム１Ａ、１Ｂとして採用できる電池としては全固体電池全般であるが、その中でも、温度コントロール範囲を広くとることができる無機固体電解質を用いた全固体電池が好ましい。さらに、無機固体電解質の中では、広い熱安定性（加熱範囲としては８００℃程度まで安定）を有する酸化物系固体電解質を用いた全固体電池が好ましい。
【００４３】
また、以上の各実施形態に係る電池システム１Ａ、１Ｂにおいては、温調装置として加熱装置１２を備えるが、これに限られない。例えば、電池システム１Ａ、１Ｂが備える温調装置は、ペルチェ素子などの冷却装置であってもよいし、加熱および冷却の切り替えが可能な調温装置であってもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
図５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。
上記実施形態に係る図示しない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】
【００４６】
１Ａ、１Ｂ  電池システム
１１  電池セル
１２  加熱装置
１３  セルインピーダンス監視装置
１４  温度監視装置
１５  制御装置
【図１】
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【図２】
2019106321.tif 000004
【図３】
2019106321.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019106321.tif 000007