(57)【要約】【課題】サイクル特性に優れた二次電池充放電制御システムを提供することを目的とする。【解決手段】電気エネルギーを貯蔵放電するための二次電池モジュールと、前記二次電モジュールの放電電圧または放電電流を測定する計測装置と、前記計測装置の計測値に基づいて充放電極性の反転タイミングを判断する判定回路と、前記判定回路の判定結果に基づいて充放電極性を反転する充電切替装置および放電切替装置を有していることを特徴とする二次電池充放電制御システム。【選択図】図１
2015220098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを貯蔵放電するための二次電池モジュールと、前記二次電モジュールの放電電圧または放電電流を測定する計測装置と、前記計測装置の計測値に基づいて充放電極性の反転タイミングを判断する判定回路と、前記判定回路の判定結果に基づいて充放電極性を反転する充電切替装置および放電切替装置を有していることを特徴とする二次電池充放電制御システム。
【請求項２】
前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有していることを特徴としている請求項１記載の二次電池充放電制御システム。
【請求項３】
前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有している同一組成の材料で構成されていることを特徴としている請求項２記載の二次電池充放電制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池充放電制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等と比較して、軽量かつ高容量であるため、電子機器用電源として広く利用されている。さらに近年の電子機器の小型化、高機能化に伴い、リチウムイオン二次電池への更なる高容量化と共にサイクル特性の向上が求められている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池は、正極と負極の間をリチウムイオンが移動して吸蔵、脱離反応が行われることで充電や放電が可能となる。しかしながら、満充電や過充電による構成材料特性の劣化が原因でサイクル特性が悪化して、繰り返し充電後の電池容量が減少するという課題があった。
【０００４】
上述した課題を解決するために、特許文献１及び特許文献２が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０３２８１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４６２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、ガラスとガラスセラミックを混合した固体電解質を使用することによりサイクル特性を改善することが示されている。しかしながら、二次電池モジュールの充放電時極性が固定されているため、過充電による電池特性の劣化が片側の電極に偏るなどの課題は解決されていなかった。
【０００７】
また特許文献２においては、二次電池モジュールを逆方向してさらに並列構成にするなどして無極性かつ双方向充電が可能とする技術が提案されている。しかしながら、充電時には構成する二次電池モジュールの５０％にしか充電されないため、原理的に電池容量が半分となってしまう欠点があった。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、サイクル特性に優れた二次電池充放電制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、二次電池モジュールを交互に極性を反転させて充放電を行うことを特徴とする二次電池充放電制御システムによって、優れたサイクル特性が得られることを見出した。本発明によれば、以下の二次電池充放電制御システムが提供される。
【００１０】
本発明にかかる二次電池充放電制御システムは、電気エネルギーを貯蔵放電するための二次電池モジュールと、前記二次電池モジュールの放電電圧または放電電流を測定する計測装置と、前記計測装置の計測値に基づいて充放電極性の反転タイミングを判断する判定回路と、前記判定回路の判定結果に基づいて充放電極性を反転する充電切替装置および放電切替装置を有していることを特徴とする。
【００１１】
一回の充放電ごとに交互に二次電池モジュール極性を反転させて充放電を行うことで、正極活物質または負極活物質の一方のみの極端な劣化を抑制して、結果として二次電池モジュールのサイクル特性が改善される。
【００１２】
本発明によれば、前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有していることを特徴としている請求項１記載の二次電池充放電制御システムを提供することが出来る。
【００１３】
正極活物質、負極活物質の両方にリチウムイオンが存在するため無極性に近くなり、効果的に二次電池モジュールのサイクル特性が改善される。        
【００１４】
本発明によれば、前記二次電池モジュールは、正極活物質と負極活物質と固体電解質からなる全固体型二次電池で構成され、前記正極活物質および前記負極活物質はリチウム元素を含有している同一組成の材料で構成されていることを特徴としている請求項２記載の二次電池充放電制御システムを提供することが出来る。    
【００１５】
正極活物質、負極活物質が同一組成の材料であることから、最も効果的に二次電池モジュールのサイクル特性が改善される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、優れたサイクル特性を有する二次電池充放電制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は二次電池充放電制御システムの全体構成図である。
【図２】図２は二次電池充放電制御システムの充放電電位タイミングチャートである。
【図３】図３は二次電池充放電制御システムの充放電制御フローチャートである。
【図４】図４は二次電池充放電制御システムの判定回路フローチャートである。
【図５】図５は二次電池充放電制御システムの計測装置である。
【図６】図６は二次電池充放電制御システムの充電切替回路である。
【図７】図７は二次電池充放電制御システムの放電切替回路である。
【図８】図８はリチウムイオン二次電池の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【００１９】
＜二次電池充放電制御システムの全体構成＞
二次電池充放電制御システムの全体構成図を図１に示す。
二次電池充放電制御システム１００は、二次電池モジュール１０１と、放電電圧または放電電流を計測する計測装置１０２と、計測装置の計測値に基づいて極性反転を判定する判定回路１０３と、判定回路の判定結果に基づいて充放電回路を切り替える充電切替装置１０４、および放電切替装置１０５によって構成される。
二次電池モジュール１０１は、電源１０６から充電切替装置１０４を経由して充電される。充電された二次電池モジュール１０１は、放電切替装置１０５を経由して外部の負荷１０７に接続される。また二次電池モジュール１０１には、二次電池モジュール放電電圧または放電電流を測定する計測装置１０２、および放電完了を判定する判定回路１０３が接続される。
判定回路１０３で判定された結果を基づいて、充電切替装置１０４および放電切替装置１０５にて充電時の極性および放電時の極性を反転する。
【００２０】
＜二次電池充放電制御システムの充放電タイミングチャート＞
二次電池充放電制御システム１００の充放電タイミングチャートを図２に示す。
従来の充放電制御システムにおいては、充放電電位２０１で示されるように、充放電時の極性は常に同じである。例えば、初回充電時に正の電位Ｖ１（Ｖ）まで充電した場合、２回目以降も同極性の正の電位方向に充放電を行う。
それに対して、本発明の充放電制御システム１００においては、本発明の充放電電位２０２で示されるように、交互に極性を反転させて二次電池モジュール１０１に充放電が行われる。ここで、二次電池モジュール１０１から負荷１０７に供給される電気エネルギーの極性は、放電切替装置１０５で極性を整えて出力される。そのため負荷１０７側の使い勝手は一切変更する必要が無い。
本発明によれば、充放電の極性を交互に反転させることで、二次電池モジュール１０１内の正極活物質８０１または負極活物質８０３の一方のみの極端な劣化を抑制できる。結果としてサイクル特性を改善して信頼性の高いリチウムイオン二次電池８００を得ることが出来る。
【００２１】
＜二次電池充放電制御システムの充放電制御フローチャート＞
二次電池充放電制御システム１００の充放電制御フローチャート３００を図３に示す。本説明では、一例として電圧検出の例を説明するが、電流検出またはその両方の検出方法を組み合わせることも可能である。
１．電源１０６から二次電池モジュール１０１に充電回路１（符号６０１）で充電。
２．充電完了後に放電回路１（符号７０１）で放電。
３．判定回路１０３を用いて放電電圧が基準電圧に達したことを判定。
４．判定結果に基づいて、充電回路２（符号６０２）、放電回路２（符号７０２）に切替。
５．充電完了後に放電回路２（符号７０２）で放電。
６．判定回路１０３を用いて放電電圧が基準電圧に達したことを判定。
７．判定結果に基づいて、充電回路１（符号６０１）、放電回路１（符号７０１）に切替。
８．以下、１〜７を繰り返す。
【００２２】
＜二次電池充放電制御システムの判定回路フローチャート＞
判定回路１０３は、計測装置１０２によって計測された計測値に基づいて、放電電圧または放電電流があらかじめ設定した基準電圧または基準電流に達したことをもって放電完了と判定する。
二次電池充放電制御システムの判定回路フローチャート４００を図４に示す。本説明では、一例として電圧検出の例を説明するが、電流検出またはその両方の検出方法を組み合わせることも可能である。
１．計測装置１０２で、基準電圧設定、放電電圧の測定、測定値を判定回路１０３
に出力。
２．計測装置１０２からの出力信号を判定回路１０３に入力。
３．放電電圧が基準電圧以下に達したかを判定回路１０３で判定。
４．基準電圧以下に達した場合、判定値を充電切替装置１０４および放電切替装置１０５に出力。
５．出力値に基づいて、充電切替装置１０４および放電切替装置１０５で極性を反転。
【００２３】
＜二次電池充放電制御システムの計測装置＞
二次電池充放電制御システム１００の計測装置構成図５００を図５に示す。
計測装置５００の入力端子５０３は、二次電池モジュール１０１の出力側の放電電圧または放電電流、またはその両方を計測するために配置される。放電電圧を計測する電圧計５０１は、並列回路を構成するように配置される。また放電電流を計測する電流計５０２は、直列回路を構成するように配置される。電流および電圧が測定可能であれば、いかなる計測方式の計測装置を用いても良い。計測装置５００で計測された電圧または電流またはその両方の値に基づく信号は、計測装置５００の出力端子５０４を経由して判定回路１０３に出力される。
【００２４】
＜二次電池充放電制御システムの充電切替回路＞
二次電池充放電制御システム１００の充電切替装置６００を図６に示す。
充電切替装置６００は、充電回路１（符号６０１）、充電回路２（符号６０２）、切替スイッチ１（符号６０３）および切替スイッチ２（符号６０４）から構成される。電源１０６と二次電池モジュール入力用端子６０５は、充電回路１（符号６０１）または充電回路２（符号６０２）と、切替スイッチ１（符号６０３）または切替スイッチ２（符号６０４）を経由して接続される。
判定回路１０３の判定結果に基づいて電源１０６と二次電池モジュール１０１を接続する極性を切り替える。極性の切替は充電切替装置６００内の切替スイッチ１（符号６０３）および切替スイッチ２（符号６０４）を切り替えることで達成される。
判定回路１０３からの出力信号による極性切替の方式は特に限定されるものでは無い。機械方式、リレー方式と機械方式の組み合わせ、電子制御回路と機械方式の組み合わせなどが用いられる。
充電回路１（符号６０１）および充電回路２（符号６０２）には、必要に応じて充電電圧を調整する機構を内蔵することが出来る。
【００２５】
＜二次電池充放電制御システムの放電切替回路＞
二次電池充放電制御システム１００の放電切替装置７００を図７に示す。
放電切替装置７００は、放電回路１（符号７０１）、放電回路２（符号７０２）、切替スイッチ３（符号７０３）および切替スイッチ４（符号７０４）から構成される。二次電池モジュール出力用端子７０５と負荷１０７は、放電回路１（符号７０１）または放電回路２（符号７０２）と、切替スイッチ３（符号７０３）または切替スイッチ４（符号７０４）を経由して接続される。
判定回路１０３の判定結果に基づいて二次電池モジュール１０１と負荷１０６を接続する極性を切り替える。極性の切替は放電切替装置７００内の切替スイッチ３（符号７０３）および切替スイッチ４（符号７０４）を切り替えることで達成される。
判定回路からの出力による極性切替の方式は特に限定されるものでは無いことは充電切替回路と同様である。
放電回路１（符号７０１）および放電回路２（符号７０２）には、必要に応じて放電電圧を調整する機構が内蔵することが出来る。また基準電圧以下に達した際に、電池容量がほぼゼロとなるよう強制放電する機構を有することが好ましい。
【００２６】
＜二次電池モジュールの構成＞
二次電池モジュール１０１は、少なくとも一つ以上の二次電池で構成され、二次電池は直列または並列または直列および並列に接続されている。二次電池は正極活物質８０１、負極活物質８０３および固体電解質８０２の組み合わせを単位として、１組で構成する単層構成や、単層構成を複数回積層した多層構成のいずれの形態でも良い。また二次電池としては、エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池を用いることが好ましい。
【００２７】
＜リチウムイオン二次電池の構成＞
リチウムイオン二次電池８００の代表的構成を図８に示す。
リチウムイオン二次電池８００は正極活物質８０１、負極活物質８０３、固体電解質８０２によって構成される。正極と負極の間をリチウムイオンが移動して吸蔵、脱離反応が行われることで充電や放電が可能となる。
【００２８】
＜固体電解質の機能、組成＞
固体電解質８０２は正極と負極の間でリチウムイオンを輸送する機能を担う。電子は伝導しないが、リチウムイオンは伝導する材料であることが好ましい。
本発明において、固体電解質８０２は、Ｌｉ３＋ｘ１Ｓｉｘ１Ｐ１−ｘ１Ｏ４（０．４≦ｘ１≦０．６）、Ｌｉ１＋ｘ２Ａｌｘ２Ｔｉ２−ｘ２（ＰＯ４）３（０≦ｘ２≦０．５）、リン酸ゲルマニウムリチウム（ＬｉＧｅ２（ＰＯ４）３）、Ｌｉ２Ｏ−Ｖ２Ｏ５−ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３よりなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００２９】
＜正極活物質および負極活物質の機能、組成＞
正極活物質８０１および負極活物質８０３は、リチウムイオン二次電池８００の正極およびに用いられ、リチウムイオンを吸蔵脱離可能な材料であることが好ましい。
本発明において、正極活物質８０１および負極活物質８０３は、リチウムマンガン複合酸化物Ｌｉ２Ｍｎｘ３Ｍａ１−ｘ３Ｏ３（０．８≦ｘ３≦１、Ｍａ＝Ｃｏ、Ｎｉ）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムマンガンスピネル（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、及び、一般式：ＬｉＮｉｘ４Ｃｏｙ４Ｍｎｚ４Ｏ２（ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１）で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物（ＬｉＶ２Ｏ５）、オリビン型ＬｉＭｂＰＯ４（ただし、Ｍｂは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒより選ばれる１種類以上の元素又）、リン酸バナジウムリチウム（Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３又はＬｉＶＯＰＯ４）、Ｌｉ過剰系固溶体正極Ｌｉ２ＭｎＯ３−ＬｉＭｃＯ２（Ｍｃ＝Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、ＬｉａＮｉｘ５Ｃｏｙ５Ａｌｚ５Ｏ２（０．９＜ａ＜１．３、０．９＜ｘ５＋ｙ５＋ｚ５＜１．１）で表される複合金属酸化物のいずれかであることが好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１００             二次電池充放電制御システム
１０１             二次電池モジュール
１０２、５００     計測装置
１０３             判定回路
１０４、６００     充電切替装置
１０５、７００     放電切替装置
１０６             電源
１０７             負荷
２００             従来方式と本発明の充放電タイミングチャート比較図
２０１             従来方式の充放電電位
２０２             本発明の充放電電位
３００             充放電制御フローチャート
４００             判定回路フローチャート
４０３             判定回路構成
５０１             電圧計
５０２             電流計
５０３             入力端子
５０４             出力端子
６０１             充電回路１
６０２             充電回路２
６０３             切替スイッチ１
６０４             切替スイッチ２
６０５             二次電池モジュール入力用端子
７０１             放電回路１
７０２             放電回路２
７０３             切替スイッチ３
７０４             切替スイッチ４
７０５             二次電池モジュール出力用端子
８００             リチウムイオン二次電池の構成図
８０１             正極活物質
８０２             固体電解質
８０３             負極活物質
【図１】
2015220098.tif 000003
【図２】
2015220098.tif 000004
【図３】
2015220098.tif 000005
【図４】
2015220098.tif 000006
【図５】
2015220098.tif 000007
【図６】
2015220098.tif 000008
【図７】
2015220098.tif 000009
【図８】
2015220098.tif 000010