(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の充電方法であって、
充電開始から前記電池の負極の電位が析出電位よりも高い第１の閾値になるまで第１の一定電流値であり、前記電池の負極の電位が前記第１の閾値以下になると、前記電池の負極の電位が前記第１の閾値と同じ値で保たれるように、前記第１の一定電流値よりも小さい電流となる第１の電流指令値と、
充電開始から前記電池の電圧が第２の閾値になるまで第２の一定電流値であり、前記電池の電圧が前記第２の閾値以上になると、前記電池の電圧が前記第２の閾値と同じ値に保たれるように、前記第２の一定電流値から徐々に小さい電流となる第２の電流指令値とを参照し、
前記第１の電流指令値、並びに、前記第２の電流指令値のうちの小さい方を用いて前記電池を充電する
ことを特徴とする充電方法。
【請求項２】
請求項１に記載の充電方法であって、
前記第１の一定電流値と前記第２の一定電流値は同じ値であり
充電開始から前記電池の電圧が前記第２の閾値になるまで前記第２の一定電流値で前記電池を充電し、
前記電池の電圧が前記第２の閾値になる前に、前記電池の負極の電位が前記第１の閾値以下になると、前記電池の負極の電池が前記第１の閾値と同じ値で保たれるように、前記第２の一定電流値よりも小さい電流となる第１の電流指令値を用いて前記電池を充電する
ことを特徴とする充電方法。
【請求項３】
請求項１に記載の充電方法であって、
前記電池の温度が低くなるほど前記第１の閾値を高くし、前記電池の温度が高くなるほど前記第１の閾値を低くする
ことを特徴とする充電方法。
【請求項４】
電池の負極の電位を検出する電圧検出部と、
充電開始から前記電池の負極の電位が析出電位よりも高い第１の閾値になるまで第１の一定電流値であり、前記電池の負極の電位が前記第１の閾値以下になると、前記電池の負極の電位が前記第１の閾値と同じ値で保たれるように、前記第１の一定電流値よりも小さい電流となる第１の電流指令値と、充電開始から前記電池の電圧が第２の閾値になるまで第２の一定電流値であり、前記電池の電圧が前記第２の閾値以上になると、前記電池の電圧が前記第２の閾値と同じ値に保たれるように、前記第２の一定電流値から徐々に小さい電流となる第２の電流指令値とを参照し、前記第１の電流指令値、及び、前記第２の電流指令値のうちの小さい方を用いて前記電池を充電させる制御部と、
を備えることを特徴とする電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池を充電する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池を充電する際、そのリチウムイオン電池に流れる充電電流が大きいと、負極の電位が低下し、負極にリチウム析出が起こることがある。特に、リチウムイオン電池の高容量化のために電極の目付を大きくすると、電極の抵抗成分が大きくなり電極の電位が下がり易くなり、リチウム析出が起こり易くなる。
【０００３】
そこで、リチウムイオン電池を充電する際、リチウムイオン電池の電圧をリチウム析出が起こり難いように制御することが考えられる。
しかしながら、リチウムイオン電池の電圧を監視していても、正極側の抵抗成分と負極側の抵抗成分のバランスによってはリチウム析出が起こり易くなる可能性がある。
【０００４】
そこで、リチウムイオン電池を充電する際、リチウムイオン電池に流れる充電電流をリチウム析出が起こり難いように制御することが考えられる。例えば、特許文献１〜３参照。
【０００５】
しかしながら、リチウム析出が起こり難いように充電電流を制御すると、電池を所望の充電状態にするための定電流定電圧充電制御を行うときよりもリチウムイオン電池の電流量［Ａｈ］が大きくなり過ぎてリチウムイオン電池の電圧が予め決められた電圧を上回ってしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２７６９７２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１８９００号公報
【特許文献３】特開２００６−３４５６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、リチウムイオン電池を充電する際、リチウム析出を抑制しつつ、電池が所望の充電状態になるときの電池の電圧が予め決められた電圧を上回らないようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のリチウムイオン電池の充電方法は、負極の電位が析出電位を下回らないように求められる電流指令値、及び、定電流定電圧充電制御により求められる電流指令値のうちの小さい方を用いて電池を充電する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、リチウムイオン電池を充電する際、リチウム析出を抑制しつつ、電池が所望の充電状態になるときの電池の電圧が予め決められた電圧を上回らないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の電池パックの一例を示す図である。
【図２】実施形態のリチウムイオン電池の一例を示す図である。
【図３】制御部の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】負極電位、電池電圧、及び電流指令値の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、実施形態の電池パックの一例を示す図である。
図１に示す電池パック１は、例えば、フォークリフトやプラグインハイブリッド車などの車両に搭載され、リチウムイオン電池１１と、電圧検出部１２と、温度検出部１３と、制御部１４とを備える。リチウムイオン電池１１は、商用電源などの電源２から充電器３を介して供給される電力により充電される。なお、充電器３は、例えば、ＡＣ／ＤＣインバータやＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、車両に搭載されていてもよいし、車両の外部に設けられていてもよい。
【００１２】
電圧検出部１２は、リチウムイオン電池１１の電圧を検出する。
温度検出部１３は、例えば、サーミスタにより構成され、リチウムイオン電池１１の温度やリチウムイオン電池１１の周辺温度を検出する。
【００１３】
制御部１４は、電圧検出部１２により検出される電圧や温度検出部１３により検出される温度に基づいて電流指令値を求め、その求めた電流指令値を用いてリチウムイオン電池１１を充電させる。例えば、制御部１４は、求めた電流指令値を充電器３へ送る。充電器３は、制御部１４から受け取った電流指令値に応じた充電電流がリチウムイオン電池１１へ流れるように、出力電力を制御する。
【００１４】
図２（ａ）はリチウムイオン電池１１を横から見たときのそのリチウムイオン電池１１を模式的に示す図であり、図２（ｂ）はリチウムイオン電池１１の内部を斜め上から見たときのそのリチウムイオン電池１１の内部を模式的に示す図である。
【００１５】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、リチウムイオン電池１１は、ケース３１と、正極３２と、負極３３と、正極３２と負極３３との間に設けられるセパレータ３４と、負極３３の表面付近に設けられる参照部３５（例えば、リチウム金属やリン酸鉄リチウム）を含む参照極３６と、電解液３７とを備える。なお、正極３２、負極３３、及びセパレータ３４からなる積層体をさらに複数積層してケース３１内に収容されてもよい。
【００１６】
正極３２は、正極金属箔３２１（例えば、アルミニウム）と、正極金属箔３２１の両側にそれぞれ設けられる正極活物質３２２（例えば、コバルト酸リチウム）とを備える。
負極３３は、負極金属箔３３１（例えば、銅）と、負極金属箔３３１の両側にそれぞれ設けられる負極活物質３３２（例えば、カーボン）とを備える。
【００１７】
図１に示す電圧検出部１２は、参照極３６の電位と負極３３の電位とから求められるリチウム金属に対する電位である負極電位Ｖｎを検出するとともに、負極３３の電位と正極３２の電位との電位差である電池電圧Ｖｓを検出する。例えば、参照部３５にリチウム金属を用いた場合は、参照極３６の電位と負極３３の電位との差を負極電位Ｖｎとする。また、参照部３５にリン酸鉄リチウムを用いた場合は、参照極３６の電位と負極３３の電位とから求められる電位をリチウム金属に対する電位に置き換え、その置き換えた電位を負極電池Ｖｎとする。
【００１８】
図３は、図１に示す制御部１４の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部１４は、負極電位Ｖｎが析出電位を下回らないように電流指令値Ｉｎ（第１の電流指令値）を求めるとともに、リチウムイオン電池１１を所望の充電状態にするための定電流定電圧充電制御における電流指令値Ｉｓ（第２の電流指令値）を求める（Ｓ１）。
【００１９】
例えば、制御部１４は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、リチウムイオン電池１１の充電開始から負極電位Ｖｎが閾値Ｖｔｈ１以下になるまでの間（Ｔｓ−Ｔ１期間）、予め決められた一定値Ｉｃ１を電流指令値Ｉｎとして求め、負極電位Ｖｎが閾値Ｖｔｈ１以下になると、負極電位Ｖｎが閾値Ｖｔｈ１とほぼ同じ値で保たれるように、電流指令値Ｉｎを下げる。なお、閾値Ｖｔｈ１は、析出電位（負極３３にリチウム析出が起こり易くなるときの負極電位Ｖｎ）よりも高い値とする。例えば、図４（ａ）に示す例において析出電位は、ゼロに相当し、例えば、参照極３６の参照部３５をリチウム金属により構成する場合のその参照部３５の電位とする。なお、析出電位は、ゼロ付近、すなわち、リチウム金属の電位付近であってもよい。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す電流指令値Ｉｎを用いてリチウムイオン電池１１が充電される場合では、負極電位Ｖｎが析出電位を下回らないようにすることができるため、リチウム析出を抑制することができる。
【００２０】
また、例えば、制御部１４は、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、リチウムイオン電池１１の充電開始から電池電圧Ｖｓが閾値Ｖｔｈ２以上になるまでの間（Ｔｓ−Ｔ２期間）、予め決められた一定値Ｉｃ２を電流指令値Ｉｓとして求める定電流充電制御を行い、電池電圧Ｖｓが閾値Ｖｔｈ２以上になってからリチウムイオン電池１１が所望の充電状態になるまでの間（Ｔ２−Ｔｅ期間）、電池電圧Ｖｓが閾値Ｖｔｈ２とほぼ同じ値に保たれるように、電流指令値Ｉｓを徐々に小さくしていく定電圧充電制御を行う。例えば、制御部１４は、定電圧充電制御時において、電池電圧Ｖｓが予め決められた終了電圧になるとともにリチウムイオン電池３に流れる充電電流が予め決められた終了電流になると、リチウムイオン電池３が所望の充電状態になったと、又は、リチウムイオン電池１１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が所望のＳＯＣになったと判断する。また、図４の例では、一定値Ｉｃ１と一定値Ｉｃ２とを互いに同じ値に設定しているが、異なる値に設定してもよい。図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示す電流指令値Ｉｓを用いてリチウムイオン電池１１が充電される場合では、リチウムイオン電池１１が所望の充電状態になるときの電池電圧Ｖｓを予め決められた電圧（閾値Ｖｔｈ２）とほぼ同じ値にすることができる。
【００２１】
次に、図３に示すフローチャートにおいて、制御部１４は、電流指令値Ｉｎが電流指令値Ｉｓよりも小さいと判断すると（Ｓ２：Ｙｅｓ）、電流指令値Ｉｎを用いてリチウムイオン電池１１を充電させ（Ｓ３）、電流指令値Ｉｓが電流指令値Ｉｎよりも小さいと判断すると（Ｓ２：Ｎｏ）、電流指令値Ｉｓを用いてリチウムイオン電池１１を充電させる（Ｓ４）。なお、電流指令値Ｉｎと電流指令値Ｉｓが互いに同じ値である場合、制御部１４は、どちらか一方の電流指令値を用いる。
【００２２】
例えば、制御部１４は、図４（ｅ）に示すように、Ｔｓ−Ｔ１期間、電流指令値Ｉｎと電流指令値Ｉｓが互いに同じ値であるため、リチウムイオン電池１１を充電させるための電流指令値Ｉとして電流指令値Ｉｎを選択し、Ｔ１−Ｔ３期間、電流指令値Ｉｎが電流指令値Ｉｓよりも小さいため、電流指令値Ｉとして電流指令値Ｉｎを選択し、Ｔ３−Ｔｅ期間、電流指令値Ｉｓが電流指令値Ｉｎよりも小さいため、電流指令値Ｉとして電流指令値Ｉｓを選択する。なお、Ｔｓ−Ｔ３期間＞Ｔｓ−Ｔ２期間である。
【００２３】
このように、実施形態の充電器１では、負極電位Ｖｎが析出電位を下回らないように求められる電流指令値Ｉｎ、並びに、定電流定電圧充電制御により求められる電流指令値Ｉｓのうちの小さい方を用いてリチウムイオン電池１１を充電するため、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン電池１１が所望の充電状態になるときの電池電圧Ｖｓが予め決められた電圧を上回らないようにすることができる。
【００２４】
また、実施形態の充電器１では、Ｔｓ−Ｔ１期間において電流指令値Ｉｎを電流指令値Ｉｓと同じ値にしているため、Ｔｓ−Ｔ１期間において電流指令値Ｉｎを電流指令値Ｉｓよりも小さくする場合に比べて、Ｔｓ−Ｔ１期間においてリチウムイオン電池１１に流れる充電電流が小さくならないようにすることができるため、充電開始から充電終了までにかかる充電時間が増大することを抑えることができる。
【００２５】
なお、リチウムイオン電池１１の温度が低くなる程、リチウムイオン電池１１の電極の抵抗成分が大きくなり電極の電位が下がりリチウム析出が起こり易くなるため、例えば、制御部１４は、温度検出部１２により検出されるリチウムイオン電池１１の温度が低くなる程、閾値Ｖｔｈ１を高くし、リチウムイオン電池１１の温度が高くなる程、閾値Ｖｔｈ１を低くするように構成してもよい。これにより、リチウムイオン電池１１の温度変化に応じて閾値Ｖｔｈ１を適正値に設定することができるため、リチウム析出をより精度良く抑制することができる。
【００２６】
また、上記実施形態のリチウムイオン電池１１は、積層型のリチウムイオン電池を採用しているが、捲回型のリチウムイオン電池を採用してもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  電池パック
２  電源
３  充電器
１１  リチウムイオン電池
１２  電圧検出部
１３  温度検出部
１４  制御部
３１  ケース
３２  正極
３３  負極
３４  セパレータ
３５  参照部
３６  参照極
３７  電解液
３２１  正極金属箔
３２２  正極活物質
３３１  負極金属箔
３３２  負極活物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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