(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含み、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が前記特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が前記特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有する電池（１０、２０）と、
通常充電電流を流すことによって前記電池に電力を供給し前記電池を充電する主電源（１１、１２、２１、２２）と、
前記通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって前記電池に電力を供給し前記電池を充電する、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源（２３０）を備えた補助電源（１３、２３）と、
前記電池の残存容量が前記特性変化閾値未満の場合、前記補助電源を制御して前記補助電源から前記電池に電力を供給し、前記電池の残存容量が少なくとも前記特性変化閾値になるまで前記電池を充電する制御部（１４、２４）と、
を有する充電装置。
【請求項２】
前記電池は、前記特性変化閾値が２０％以下の所定値である請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記鉛蓄電池を備えた前記補助電源（１３）は、充放電可能であり、残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、電力が供給され充電される請求項１又は２に記載の充電装置。
【請求項４】
前記主電源（１１、１２）は、前記補助電源の残存容量が前記補助電源充電閾値未満の場合、前記補助電源に電力を供給し前記補助電源を充電する請求項３に記載の充電装置。
【請求項５】
前記商用電源を備えた前記補助電源（２３）は、前記商用電源から供給される交流を直流に変換して前記電池に電力を供給し、前記電池を充電する電力変換回路（２３１）を備えている請求項１又は２に記載の充電装置。
【請求項６】
前記補助電源は、前記電池より抵抗が小さい請求項１〜５のいずれか１項に記載の充電装置。
【請求項７】
層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含み、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が前記特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が前記特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有し、主電源から通常充電電流を流すことによって電力が供給され充電される電池の充電方法であって、
前記電池の残存容量が前記特性変化閾値未満の場合、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源（２３０）を備えた、前記主電源とは別の補助電源から前記通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって前記電池に電力を供給し、前記電池の残存容量が少なくとも前記特性変化閾値になるまで前記電池を充電する充電方法。
【請求項８】
前記補助電源（２３）は、前記商用電源から供給される交流を直流に変換して前記電池に電力を供給し前記電池を充電する請求項７に記載の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の充電装置及び電池の充電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両の普及に伴い、車両を駆動するための２次電池の需要が拡大している。これらの電動車両では燃費や搭載性の向上のため、２次電池の高容量化や小型化が期待されており、２次電池の性能向上が求められている。２次電池の中でも非水電解質２次電池、特にリチウムイオン電池は、高容量化が可能であることから、種々の電動車両の駆動用電源として利用が進められている。
【０００３】
非水電解質２次電池は、一般に、正極活物質に代表される正極材料を有する正極活物質層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極活物質を有する負極活物質層を負極集電体の表面に形成した負極とが、非水電解質を介して接続され、ケースに収納される構成を有している。非水電解質２次電池の代表例であるリチウムイオン電池では、正極材料としてリチウムの複合酸化物が用いられている。例えば、特許文献１〜６に、正極材料して用いることができるリチウムの複合酸化物が記載されている。
【０００４】
特許文献１には、ＬｉｘＣｏＭＯ２と、ＬｉＮｉＭｎＭＯ２とを混合して正極活物質とすることが記載されている。ここで、Ｍは所定の元素である。この正極活物質は、放電時の平均電圧の高い活物質と、高い熱的安定性を持つ活物質とを有している。
【０００５】
特許文献２には、ＬｉＮｉＭｎＴｉＯ２の層状岩塩型構造の結晶層を含む正極活物質が記載されている。この正極活物質は、Ｔｉを含むことで、Ｔｉを含まない場合と比べて高い充放電容量を得ることができる。
【０００６】
特許文献３には、ＬｉｘＭｎＭＯ４と、ＬｉＮｉＭＯ２とを混合して正極活物質とすることが記載されている。ここで、Ｍは所定の元素である。この正極活物質を用いることで、高温保存後の電池性能に優れたものとすることができる。
【０００７】
特許文献４には、層状の多結晶構造のＬｉＭｎＭＯ２におけるＬｉの一部が欠損した正極活物質が記載されている。ここで、Ｍは所定の元素である。この正極活物質は、結晶中の歪みや化学結合の安定化され、充放電時のサイクル安定性、耐久安定性等を向上させることができる。
【０００８】
特許文献５には、ＬｉＣｏＯ２においてＬｉ及びＣｏの一部がそれぞれ所定の元素Ｍに置換された正極活物質が記載されている。この正極活物質は、ＬｉとＣｏのそれぞれが元素Ｍに置換されたことで、リチウムの層とコバルトの層の結合力が強化され、層間の歪みや結晶格子の膨張が抑えられ、充放電時のサイクル安定性、耐久安定性等を向上させることができる。
【０００９】
特許文献６には、ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ２と、Ｌｉ２ＭＯ３とを混合して正極活物質とすることが記載されている。ここで、Ｍは所定の元素である。この正極活物質は、電池容量と安全性に優れた効果を発揮する活物質と、サイクル特性と貯蔵特性とに効果を発揮する活物質とを有している。しかし、これらの正極活物質では、いずれも充放電時の結晶構造の崩壊が充分に抑制できず、非水電解質２次電池の容量の低下を招くという問題があった。
【００１０】
また、非特許文献１には、安全性に関しては、Ｔｉを含有した正極、つまり、ＬｉＮｉＭｎＴｉＯ２とする技術が記載されている。ただし、この非特許文献１に記載のようにＴｉの添加では、安全性の圧倒的な向上が得られないことが記載されている。
【００１１】
非特許文献２には、安全性と結晶の高安定化を両立するための別の試みとしては、酸素との結合力の強いＳｉを遷移金属と同量含有した正極、つまりＬｉ２ＭｎＳｉＯ４とする技術が記載されている。しかし、この正極においては、遷移金属は４配位の配位構造をとることで、充電時に構造が不安定化し、やはり充分な耐久性を有する正極を構成することはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−１８８７０３号公報
【特許文献２】特開２００８−１２７２３３号公報
【特許文献３】特開２００１−３４５１０１号公報
【特許文献４】特開２００１−２５０５５１号公報
【特許文献５】特許第３７８２０５８号公報
【特許文献６】特開２００６−２０２７０２号公報
【非特許文献１】「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５−ｘＴｉｘＯ２  ｂｙ  ａｎ  Ｅｍｕｌｓｉｏｎ  Ｄｒｙｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｔｉ  ｏｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、２００５年、第１７巻、Ｐ２４２７−２４３５
【非特許文献２】「Ｌｉ２ＭＳｉＯ４（Ｍ＝Ｆｅ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｍｎ）ｃａｔｈｏｄｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、２００８年、第１８４巻、Ｐ４６２−Ｐ４６８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明者らは、正極材料の構造に着目し、遷移金属の局所構造として６配位の構造を持ち、かつ、酸素と強く結合する元素を多量に含む正極材料とすることで、上記課題を解決できることを見出した。この新規正極材料は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−εで表されるリチウム遷移金属酸化物を含んでいる。ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化する。しかし、新規正極材料の電気化学的特性の調査を進める中で、新規正極材料は残存容量が低下すると、充電時の電池の抵抗が著しく上昇する特徴を見出した。
【００１４】
このような特性を有する理由としては、鋭意検討の結果、残存容量が特性変化閾値未満の領域においては、新規のリチウム拡散経路を確保するためにＳｎやＧｅといった酸素との強固な共有結合に基づく強固な層状岩塩型結晶内における物質移動が必要であるのに対し、残存容量が特性変化閾値以上の領域においては、すでに拡散経路が形成されており、さらなる物質移動が必要ないためである考えられる。なお、本発明において、以下では残存容量は電池としての残存容量を意味する。そして、この残存容量が低い場合に、抵抗が高いという特性を有する。そして、上記の通り、この高抵抗はリチウム拡散経路を形成する過程における正極材料の構造変化に由来するものと考察している。初回充放電時、正極活物質に生じる不可逆容量も併せて見出している。上記した残存容量は、上記した正極活物質化学式におけるリチウム脱離量とは必ずしも一致しない。一定の不可逆容量を生じる初回充放電後においても、リチウム量が多く含まれた状態では、上記の通り、電池の出力時には新規のリチウム拡散経路を形成、確保するために高抵抗となること、つまり、高抵抗、低抵抗の閾値を有することを見出している。
【００１５】
ところで、ハイブリッド車や電気自動車には、車両を駆動するための駆動力を発生するモータが搭載されている。また、モータに電力を供給するリチウムイオン電池が搭載されている。モータに車両を駆動するための駆動力を発生させる場合、リチウムイオン電池からモータに電力を供給する。一方、モータが回生状態になると、モータが発生する電力をリチウムイオン電池に供給し、リチウムイオン電池を充電する。これにより、回生状態になったモータが発生する電力を有効に利用することができる。その結果、ハイブリッド車や電気自動車の効率を向上させることができる。
【００１６】
このようなハイブリッド車や電気自動車に前述した新規正極材料で構成された電池を適用した場合、残存容量が低下すると、回生状態になったモータから新規正極材料で構成された電池に電力を供給する際に抵抗上昇によって発熱量や消費電力が増加し、寿命が短くなることや、回生電力を充分に利用できないことが懸念される。また、電気自動車やプラグインハイブリッド車のような、外部の商用電源から充電される場合においても、残存容量が低下すると抵抗上昇によって充電時の発熱量や消費電力の増加が懸念される。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、充電時における電池の温度上昇や消費電力の増加を抑えつつ、新規正極材料で構成された電池に電力を供給することができる充電装置及び充電方法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】
【００１８】
上記目的を達成するためになされた第１の発明は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含み、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有する電池と、通常充電電流を流すことによって電池に電力を供給し電池を充電する主電源と、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池に電力を供給し電池を充電する、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源（２３０）を備えた補助電源と、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、補助電源を制御して補助電源から電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する制御部と、を有する。
【００１９】
この構成によれば、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、補助電源から電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する。そのため、電池の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、主電源から電池に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく主電源から電池に電力を供給することができる。しかも、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になり、抵抗が大きくなっても、電池の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。
【００２０】
上記目的を達成するためになされた第２の発明は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含み、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有し、主電源から通常充電電流を流すことによって電力が供給され充電される電池の充電方法であって、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、鉛蓄電池又は交流を出力する商用電源（２３０）を備えた、主電源とは別の電源から通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する。
【００２１】
この方法によれば、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、主電源とは別の電源から電池に電力を供給し、電池の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池を充電する。そのため、電池の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、主電源から電池に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく主電源から電池に電力を供給することができる。しかも、電池の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になって抵抗が大きくなっても、電池の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態における充電装置の回路図である。
【図２】図１における電池を構成するリチウムイオン電池の斜視図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。
【図４】図１における電池の残存容量に対する抵抗の特性を示すグラフである。
【図５】図４における特性変化閾値周辺の特性を示すグラフである。
【図６】図１における充電装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図７】図１における充電装置の動作を説明するための第１の回路図である。
【図８】図１における充電装置の動作を説明するための第２の回路図である。
【図９】図１における充電装置の動作を説明するための第３の回路図である。
【図１０】第２実施形態における充電装置の回路図である。
【図１１】図１０における充電装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１２】図１０における充電装置の動作を説明するための第１の回路図である。
【図１３】図１０における充電装置の動作を説明するための第２の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る充電装置を、車両に搭載される充電装置に適用した例を示す。
【００２４】
（第１実施形態）
まず、図１〜図５を参照して第１実施形態の充電装置の構成について説明する。
【００２５】
図１に示す充電装置１は、車両に搭載された電池１０を充電する装置である。充電装置１は、電池１０と、電力変換回路１１と、モータ１２と、補助電源１３と、制御回路１４とを備えている。ここで、電力変換回路１１及びモータ１２が、本発明の主電源に相当する。また、制御回路１４が、本発明の制御部に相当する。
【００２６】
電池１０は、電力変換回路１１を介してモータ１２に電力を供給する充放電可能な２次電池である。電池１０は、図２及び図３に示すリチウムイオン電池１００を複数接続して構成されている。
【００２７】
リチウムイオン電池１００は、正極１００ａと、負極１００ｂと、非水電解質１００ｃと、セパレータ１００ｄと、ケース１００ｅとを備えている。
【００２８】
正極１００ａは、正極集電体１００ｆと、正極活物質層１００ｇとを備えている。
【００２９】
正極集電体１００ｆは、アルミニウム等の金属からなる薄い板状の部材である。
【００３０】
正極活物質層１００ｇは、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な酸化物からなり、正極集電体１００ｆの表面に形成されている。正極活物質層１００ｇを形成する酸化物は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。正極活物質層１００ｇは、前述した酸化物を、導電材及び結着材等とともに溶媒中で混合し、正極集電体１００ｆの表面に塗布、乾燥して形成されている。導電材は、例えば、炭素材料や導電性高分子材料である。炭素材料は、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等である。また、導電性高分子材料は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセンである。結着材は、例えば、高分子材料である。高分子材料は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、アクリル系バインダである。溶媒は、例えば、水、Ｎメチル−２−ピロリドンである。
【００３１】
負極１００ｂは、負極集電体１００ｈと、負極活物質層１００ｉとを備えている。
【００３２】
負極集電体１００ｈは、Ｃｕ等の金属からなる薄い板状の部材である。
【００３３】
負極活物質層１００ｉは、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な化合物からなり、負極集電体１００ｈの表面に形成されている。負極活物質層１００ｉを形成する化合物は、例えば、リチウム箔等の金属材料、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｃｕ等を含有する合金系材料、グラファイト、コークス等の炭素系材料、チタン酸化物である。負極活物質層１００ｉは、負極活物質層１００ｉを形成する前述した化合物を、正極１００ａと同様の導電材及び結着材等とともに、正極１００ａと同様の溶媒中で混合し、負極集電体１００ｈの表面に塗布、乾燥して形成されている。
【００３４】
非水電解質１００ｃは、正極１００ａと負極１００ｂの間におけるイオン等の荷電担体の移動を可能にするものである。
【００３５】
セパレータ１００ｄは、正極１００ａと負極１００ｂの間における荷電担体の移動を可能にしながら、正極１００ａと負極１００ｂを絶縁する薄い板状の部材である。セパレータ１００ｄは、例えば、多孔質合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子やセルロース、ガラス繊維からなる多孔質膜、不織布である。セパレータ１００ｄは、その構成要素としてセラミックスを含んでいてもよい。
【００３６】
ケース１００ｅは、正極１００ａ、負極１００ｂ、セパレータ１００ｄ及び非水電解質１００ｃを収容する部材である。ケース１００ｅは、例えば、ラミネートフィルムによって形成されている。ケース１００ｅは、正極端子１００ｊと、負極端子１００ｋとを備えている。正極端子１００ｊ及び負極端子１００ｋは、一端部をケース１００ｅの内部空間に突出させるとともに、他端部をケース１００ｅの外部に突出させた状態でケース１００ｅに固定されている。
【００３７】
正極１００ａと負極１００ｂは、交互に積層されている。セパレータ１００ｄは、正極１００ａと負極１００ｂの間に設けられている。正極１００ａ、負極１００ｂ及びセパレータ１００ｄは、ケース１００ｅの内部空間に収容されている。正極１００ａの端部は正極端子１００ｊに、負極１００ｂの端部は負極端子１００ｋにそれぞれ接続されている。非水電解質１００ｃは、正極１００ａ、負極１００ｂ及びセパレータ１００ｄとともに、ケース１００ｅの内部空間に収容されている。
【００３８】
電池１０は、正極活物質層１００ｇを形成する酸化物が、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。その結果、このような物質を含んでいない場合に比べ、安全性が高く、さらに体積当たりの容量を大きくすることができる。また、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有するようになる。ここで、特性変化閾値は、電池１０の残存容量に対する抵抗の特性を示すグラフにおいて、抵抗の値が変化する境界を示す残存容量である。例えば、図４及び図５に示すように、特性変化閾値２％を境界として、残存容量が２％未満の場合における電池１０の抵抗が２％以上の場合における抵抗より大きくなる。さらに、残存容量が０％の場合における電池１０の抵抗が２％以上の場合における抵抗の５倍以上になる。
【００３９】
電池１０がこのような特性を有する理由としては、鋭意検討の結果、残存容量が特性変化閾値未満の領域においては、新規のリチウム拡散経路を確保するためにＳｎやＧｅと酸素の共有結合に基づく強固な層状岩塩型結晶内を変形させる際にＳｎやＧｅ等の重元素を含めた物質移動が必要であるのに対し、残存容量が特性変化閾値以上の領域においては、すでに拡散経路が形成されており、さらなる物質移動が必要ないためである考えられる。
【００４０】
図１示す電力変換回路１１は、制御回路１４によって制御され、電池１０から供給される直流を３相交流に変換してモータ１２に供給することで、モータ１２に車両を駆動するための駆動力を発生させる回路である。また、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して電池１０及び補助電源１３に供給することで、電池１０及び補助電源１３を充電する回路でもある。電力変換回路１１は、電池１０、モータ１２及び補助電源１３にそれぞれ接続されている。また、制御回路１４に接続されている。
【００４１】
モータ１２は、３相交流が供給されることで車両を駆動するための駆動力を発生する機器である。また、回生状態になると３相交流を発生する機器でもある。モータ１２は、電力変換回路１１に接続されている。
【００４２】
補助電源１３は、制御回路１４によって制御され、電池１０に電力を供給して電池１０を充電する充放電可能な電源である。補助電源１３は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びキャパシタの少なくともいずれかを有している。補助電源１３は、電池１０に電力供給できるように、電池１０より抵抗が小さく設定されている。
【００４３】
制御回路１４は、電池１０及び補助電源１３から得られる情報に基づいてこれらの残存容量を推定するとともに、推定したこれらの残存容量に基づいて電力変換回路１１及び補助電源１３を制御する回路である。モータ１２に車両を駆動するための駆動力を発生させる場合、制御回路１４は、電力変換回路１１を制御し、電池１０から供給される直流を３相交流に変換してモータ１２に供給する。
【００４４】
電池１０を充電する場合において、電池１０の残存容量が特性変化閾値以上の場合、制御回路１４は、電力変換回路１１を制御し、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して電池１０に電力を供給し、電池１０を充電する。その際、通常充電電流を流すことによって電池１０に電力を供給する。通常充電電流は、回生状態において電池１０に供給することができる電流値に応じて決まり、電池１０の残存容量が特性変化閾値以上における電池１０の抵抗に基づいて設定されている。これに対して、電池１０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、制御回路１４は、補助電源１３を制御して補助電源１３から電池１０に電力を供給し、電池１０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池１０を充電する。その際、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池１０に電力を供給する。予備充電電流は、電池１０残存容量が特性変化閾値未満の場合における電池１０の抵抗に基づいて設定されている。また、補助電源１３の残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、制御回路１４は、電力変換回路１１を制御し、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して補助電源１３に電力を供給し、補助電源１３を充電する。ここで、補助電源充電閾値は、補助電源１３から電池１０に電力を供給して電池１０を充電する場合に、最低限必要とされる補助電源１３の残存容量を示すものである。
【００４５】
次に、図１、図６〜図９を参照して第１実施形態の充電装置の動作について説明する。
【００４６】
図６に示すように、ステップＳ１００において、図１に示す制御回路１４は、電池１０から得られる情報に基づいて電池１０の残存容量を推定する。そして、ステップＳ１０１において、推定した電池１０の残存容量が特性変化閾値以上であるか否かを判定する。
【００４７】
推定した電池１０の残存容量が特性変化閾値未満であると判定した場合、特性変化閾値以上の場合に比べ、電池１０の抵抗が大きくなっている。そのため、電池１０の残存容量を特性変化閾値以上にして、抵抗を小さくする必要がある。そこで、ステップＳ１０２において、制御回路１４は、電池１０を予備充電する。具体的には、補助電源１３を制御し、図７に示すように、補助電源１３から電池１０に、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池１０に電力を供給し、電池１０を充電する。これにより、充電時における電池１０の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。そして、図６に示すように、推定した電池１０の残存容量が特性変化閾値以上になるまで電池１０の予備充電が繰り返される。つまり、電池１０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池１０の予備充電が繰り返される。これにより、電池１０の抵抗を小さくすることができる。
【００４８】
一方、推定した電池１０の残存容量が特性変化閾値以上であると判定した場合、電池１０の抵抗は小さい。そのため、前述したような電池１０を予備充電する必要はない。
【００４９】
その後、ステップＳ１０３において、制御回路１４は、補助電源１３から得られる情報に基づいて補助電源１３の残存容量を推定する。そして、ステップＳ１０４において、推定した補助電源１３の残存容量が補助電源充電閾値以上であるか否かを判定する。
【００５０】
推定した補助電源１３の残存容量が補助電源充電閾値以上であると判定した場合、電池１０を予備充電するための充分な電力が補助電源１３に確保されており、補助電源１３を充電する必要がない。そのため、ステップＳ１０５において、制御回路１４は、電池１０を通常充電する。具体的には、任意のタイミングで発生する回生状態のときに、電力変換回路１１を制御し、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して電池１０に電力を供給し電池１０を充電する。より具体的には、電力変換回路１１を制御し、図８に示すように、電力変換回路１１から電池１０に通常充電電流を流すことによって電池１０に電力を供給し、電池１０を充電する。
【００５１】
一方、図６に示すように、推定した補助電源１３の残存容量が補助電源充電閾値未満であると判定した場合、電池１０を予備充電するための充分な電力が補助電源１３に確保されておらず、補助電源１３を充電する必要がある。そのため、ステップＳ１０６において、制御回路１４は、電池１０を通常充電するとともに、補助電源１３も充電する。具体的には、任意のタイミングで発生する回生状態のときに電力変換回路１１を制御し、図９に示すように、電池１０を通常充電する。また、電力変換回路１１を制御し、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して補助電源１３に電力を供給し、補助電源１３も充電する。これにより、回生状態になったモータ１２が発生する電力を有効に利用して、電池１０の予備充電のための電力を確保することができる。
【００５２】
次に、第１実施形態の充電装置の効果について説明する。
【００５３】
第１実施形態によれば、充電装置１は、電池１０と、電力変換回路１１と、モータ１２と、補助電源１３と、制御回路１４とを備えている。電池１０は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。その結果、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有することになる。制御回路１４は、電力変換回路１１を制御し、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して電池１０に電力を供給し、電池１０を充電する。そして、制御回路１４は、電池１０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、補助電源１３を制御して補助電源１３から電池１０に電力を供給し、電池１０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池１０を充電する。つまり、充電方法としては、電池１０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、回生状態になったモータ１２、及び、制御回路１４によって制御される電力変換回路１１ではなく、それらとは別の、制御回路１４によって制御される補助電源１３から通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池１０に電力を供給する。そして、電池１０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池１０を充電する。そのため、電池１０の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、回生状態になったモータ１２から電力変換回路１１を介して電池１０に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく回生状態になったモータ１２から電力変換回路１１を介して電池１０に電力を供給することができる。しかも、電池１０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池１０を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になり、抵抗が大きくなっても、電池１０の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。従って、電池１０の寿命が短くなってしまうような事態を抑えることができる。
【００５４】
補助電源１３は、電池１０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、予備充電することによって電池１０を充電する。第１実施形態によれば、電池１０の特性変化閾値は２％であり、非常に小さい。そのため、電池１０の残存容量が２％未満になるまで予備充電する必要がない。従って、予備充電から予備充電までの間隔を長くすることができる。つまり、予備充電の回数を抑えることができる。その結果、頻繁に予備充電するような事態を抑えることができる。
【００５５】
第１実施形態によれば、補助電源１３は、充放電可能である。そして、残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、電力が供給され充電される。そのため、予備充電するための充分な電力を確実に確保することができる。従って、必要に応じて電池１０を確実に予備充電することができる。
【００５６】
第１実施形態によれば、補助電源１３の残存容量が補助電源充電閾値未満の場合、制御回路１４は、電力変換回路１１を制御し、回生状態になったモータ１２が発生する３相交流を直流に変換して補助電源１３に電力を供給し、補助電源１３を充電する。そのため、補助電源１３を確実に充電することができる。しかも、回生状態になったモータ１２が発生する電力を利用して補助電源１３を充電する。そのため、充電装置１の効率を向上させることができる。
【００５７】
第１実施形態によれば、補助電源１３は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びキャパシタの少なくともいずれかを有している。そのため、予備充電するための電力を確実に確保しておくことができる。
【００５８】
第１実施形態によれば、補助電源１３は、電池１０より抵抗が小さくなるように設定されている。そのため、予備充電する際、及び、補助電源１３を充電する際の補助電源１３の損失を抑えることができる。
【００５９】
なお、第１実施形態では、電池１０の特性変化閾値が２％である例を挙げているが、これに限られるものではない。電池１０の特性変化閾値は、１０％以下の所定値であってもよいし、１５％以下の所定値であってもよい。２０％以下の所定値であれば、実用の範囲内において、頻繁に予備充電するような事態を抑えることができる。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の充電装置について説明する。第２実施形態の充電装置は、第１実施形態の充電装置が充放電可能な補助電源からリチウムイオン電池に電力を供給するのに対して、商用電源と電力変換回路とを備えた補助電源からリチウムイオン電池に電力を供給するようにしたものである。そのため、第１実施形態の充電装置と異なり、補助電源に、充電することはできない。
【００６１】
まず、図１０を参照して第２実施形態の充電装置の構成について説明する。
【００６２】
図１０に示すように、充電装置２は、電池２０と、電力変換回路２１と、モータ２２と、補助電源２３と、制御回路２４とを備えている。
【００６３】
電池２０、電力変換回路２１及びモータ２２は、第１実施形態の電池１０、電力変換回路１１及びモータ１２と同一のものであり、同様に構成されている。
【００６４】
補助電源２３は、制御回路２４によって制御され、電池２０に電力を供給して電池２０を充電する電源である。第１実施形態の補助電源１３と異なり、充電することはできない。電池２０に電力を供給する機能のみを有するものである。補助電源２３は、電池２０に電力供給できるように、電池２０より抵抗が小さく設定されている。補助電源２３は、商用電源２３０と、電力変換回路２３１とを備えている。
【００６５】
商用電源２３０は、家屋等に設けられている交流を出力する電源である。電力変換回路２３１は、制御回路２４によって制御され、商用電源２３０から供給される交流を直流に変換して電池２０に供給し、電池２０を充電する回路である。電力変換回路２３１は、商用電源２３０及び電池２０にそれぞれ接続されている。また、制御回路２４に接続されている。
【００６６】
制御回路２４は、電池２０から得られる情報に基づいて電池２０の残存容量を推定するとともに、推定した電池２０の残存容量に基づいて電力変換回路２１及び補助電源２３を制御する回路である。モータ２２に車両を駆動するための駆動力を発生させる場合、制御回路２４は、電力変換回路２１を制御し、電池２０から供給される直流を３相交流に変換してモータ２２に供給する。
【００６７】
電池２０を充電する場合において、電池２０の残存容量が特性変化閾値以上の場合、制御回路２４は、電力変換回路２１を制御し、回生状態になったモータ２２が発生する３相交流を直流に変換して電池２０に電力を供給し、電池２０を充電する。その際、通常充電電流を流すことによって電池２０に電力を供給する。通常充電電流は、回生状態において電池２０に供給することができる電流値に応じて決まり、電池２０の残存容量が特性変化閾値以上における電池２０の抵抗に基づいて設定されている。これに対して、電池２０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、制御回路２４は、電力変換回路２３１を制御し、商用電源２３０から供給される交流を直流に変換して電池２０に電力を供給し、電池２０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池２０を充電する。その際、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池２０に電力を供給する。予備充電電流は、電池２０残存容量が特性変化閾値未満の場合における電池２０の抵抗に基づいて設定されている。予備充電が実施された後、補助電源23から通常充電電流で充電を継続してもよい。予備充電が実施された後、補助電源２３から通常充電電流で充電を継続してもよい。
【００６８】
次に、図１０〜図１３を参照して第２実施形態の充電装置の動作について説明する。
【００６９】
図１１に示すように、ステップＳ２００において、図１０に示す制御回路２４は、電池２０から得られる情報に基づいて電池２０の残存容量を推定する。そして、ステップＳ２０１において、推定した電池２０の残存容量が特性変化閾値以上であるか否かを判定する。
【００７０】
推定した電池２０の残存容量が特性変化閾値未満であると判定した場合、特性変化閾値以上の場合に比べ、電池２０の抵抗が大きくなっている。そのため、電池２０の残存容量を特性変化閾値以上にして、抵抗を小さくする必要がある。そこで、ステップＳ２０２において、制御回路２４は、電池２０を予備充電する。具体的には、電力変換回路２３１を制御し、商用電源２３０から供給される交流を直流に変換して電池２０に電力を供給し電池２０を充電する。より具体的には、電力変換回路２３１を制御し、図１２に示すように、電力変換回路２３１から電池２０に通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池２０に電力を供給し、電池２０を充電する。これにより、充電時における電池２０の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。そして、図１１に示すように、推定した電池２０の残存容量が特性変化閾値以上になるまで電池２０の予備充電が繰り返される。つまり、電池２０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池２０の予備充電が繰り返される。これにより、電池２０の抵抗を小さくすることができる。
【００７１】
一方、推定した電池２０の残存容量が特性変化閾値以上であると判定した場合、電池２０の抵抗は小さい。そのため、前述したような電池２０を予備充電する必要はない。そこで、ステップＳ２０３において、制御回路２４は、電池２０を通常充電する。具体的には、任意のタイミングで発生する回生状態のときに、電力変換回路２１を制御し、回生状態になったモータ２２が発生する３相交流を直流に変換して電池２０に電力を供給し電池２０を充電する。より具体的には、電力変換回路２１を制御し、図１３に示すように、電力変換回路２１から電池２０に通常充電電流を流すことによって電池２０に電力を供給し電池２０を充電する。また、補助電源２３から予備充電電流で特性閾値以上に充電した後、補助電源２３から通常充電電流で充電を継続してもよい。
【００７２】
次に、第２実施形態の充電装置の効果について説明する。
【００７３】
第２実施形態によれば、充電装置２は、電池２０と、電力変換回路２１と、モータ２２と、補助電源２３と、制御回路２４とを備えている。電池２０は、層状岩塩型結晶構造を有しており、遷移金属が６配位の局所構造を備え、化学式Ｌｉ２−ｘＮｉαＭ１βＭ２γＯ４−ε（ここで、０．５０＜α≦１．３３、０≦β＜０．６７、０≦γ≦１．３３、Ｍ１は、Ｃｏ、Ａｌ、Ｇａの少なくとも一種、Ｍ２は、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂの少なくとも一種、リチウムイオンを吸蔵、放出することにより、０≦ｘ≦２の範囲を可逆的に変化するもの）で表されるリチウム遷移金属酸化物を正極活物質として含んでいる。その結果、残存容量が特性変化閾値未満の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗より大きく、かつ、残存容量が０％の場合における抵抗が特性変化閾値以上の場合における抵抗の２倍以上になる特性を有することになる。制御回路２４は、電力変換回路２１を制御し、回生状態になったモータ２２が発生する３相交流を直流に変換して電池２０に電力を供給し電池２０を充電する。そして、制御回路２４は、電池２０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、電力変換回路２３１を制御して商用電源２３０から電力変換回路２３１を介して電池２０に電力を供給し、電池２０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池２０を充電する。つまり、充電方法としては、電池２０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、回生状態になったモータ２２、及び、制御回路２４によって制御される電力変換回路２１ではなく、それらとは別の、制御回路２４によって制御される電力変換回路２３１を介して商用電源２３０から通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池２０に電力を供給する。そして、電池２０の残存容量が少なくとも特性変化閾値になるまで電池２０を充電する。そのため、電池２０の残存容量が特性変化閾値未満の状態、つまり、抵抗が大きい状態で、回生状態になったモータ２２から電力変換回路２１を介して電池２０に電力を供給するような事態をなくすことができる。従って、電流を小さくすることなく回生状態になったモータ２２から電力変換回路２１を介して電池２０に電力を供給することができる。しかも、電池２０の残存容量が特性変化閾値未満の場合、通常充電電流より小さい予備充電電流を流すことによって電池２０を充電する。そのため、残存容量が特性変化閾値未満になり、抵抗が大きくなっても、電池２０の温度上昇や消費電力の増加を抑えることができる。従って、電池２０の寿命が短くなってしまうような事態を抑えることができる。
【００７４】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同一構成を有することにより、その同一構成に対応した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、第２実施形態では、補助電源２３が、商用電源２３０と、電力変換回路２３１とを備えている例を挙げているが、これに限られるものではない。補助電源２３は、オルタネータを有していてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１・・・充電装置、１０・・・電池、１００・・・リチウムイオン電池、１００ａ・・・正極、１００ｇ・・・正極活物質層、１１・・・電力変換回路、１２・・・モータ、１３・・・電源、１４・・・制御回路
【図１】
0006520624.tif 000002
【図２】
0006520624.tif 000003
【図３】
0006520624.tif 000004
【図４】
0006520624.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006520624.tif 000007
【図７】
0006520624.tif 000008
【図８】
0006520624.tif 000009
【図９】
0006520624.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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