(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリチウムイオン電池を直列または並列に接続して構成するリチウムイオン電池モジュールと、
前記リチウムイオン電池モジュールの電圧と温度を計測する計測手段と、
前記リチウムイオン電池モジュールの電圧から充電状態を検出する充電状態検出手段と、
前記リチウムイオン電池の充電状態と温度に対する電池抵抗相関関係を予め計測して記憶する記憶手段と、
前記計測手段により計測した電圧と温度に基づいて、前記リチウムイオン電池モジュールの充放電前の標準電池抵抗を算出する抵抗算出手段と、
前記記憶手段の電池抵抗相関関係の中から、前記リチウムイオン電池モジュールの電圧と温度の値に対応する初期電池抵抗を検索する抵抗検索手段と、
前記抵抗算出手段で算出した標準電池抵抗と、前記抵抗検索手段で検索した初期電池抵抗との比率を算出する比率算出手段と、
前記リチウムイオン電池を充電するときに、前記抵抗検索手段で検索した初期電池抵抗と、前記比率算出手段で算出した比率との積から推定される推定電池抵抗に応じて充電電流を決定する充放電制御手段とを有することを特徴とする二次電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の二次電池システムにおいて、
前記充放電制御手段は、前記リチウムイオン電池を充電しているときに、前記計測手段により計測した電圧が所定の閾値を超えた場合、充電を停止することを特徴とする二次電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の二次電池システムにおいて、
前記充放電制御手段は、前記リチウムイオン電池の充電を停止した後、前記充電状態検出手段で検出した充電状態が閾値以下である場合、前記リチウムイオン電池の充電を再開することを特徴とする二次電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の二次電池システムにおいて、
前記充放電制御手段は、前記リチウムイオン電池の充電を再開するとき、再度前記推定電池抵抗を推定して充電電流を決定することを特徴とする二次電池システム。
【請求項５】
請求項２記載の二次電池システムにおいて、
前記充放電制御手段は、前記リチウムイオン電池の充電を停止した後、前記充電状態検出手段で再度検出した充電状態が閾値を超えた場合、前記リチウムイオン電池の充電を終了とすることを特徴とする二次電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の二次電池システムであって、
前記抵抗算出手段は、リチウムイオン電池の劣化を進行させない条件で標準電池抵抗を算出することを特徴とする二次電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の二次電池システムであって、
前記抵抗算出手段は、定期的に標準電池抵抗を算出することを特徴とする二次電池システム。
【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に代表される非水系二次電池を用いた電池システム、及びこれを搭載してなる電池搭載機器，車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車，電気自動車などの車両やノート型パソコン，デジタルカメラなどのポータブル電子機器の駆動用電源に、リチウムイオン電池が利用されている。
【０００３】
このようなリチウムイオン電池を用いた電池システムでは充放電サイクルによって電池の電池容量の低下及び電池内部抵抗が増大する劣化現象が知られている。このような劣化現象は、大電流大容量な充放電サイクルの場合に生じやすい。劣化現象として例えば、正極、もしくは負極材料へのリチウムイオンを挿入可能な容量が低下し、電池性能が低下してしまうなどが考えられる。そのため、リチウムイオン電池の充放電制御は電池の充電状態（State of Charge：ＳＯＣ）が所定の範囲内で行われるように制御しており、特許文献１では、リチウムイオン電池の電圧が最大許容電圧を上回れば過充電と判定し、最小許容電圧を下回れば過放電と判定し、充電もしくは放電を停止するような制御装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５２０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような充放電制御では、リチウムイオン電池が低温時もしくは低ＳＯＣ時に電池内部抵抗が上昇するため、充電時には過電圧によって瞬間的に最大許容電圧を大幅に超えてしまい、放電時には最小許容電圧を大幅に下回ってしまう可能性があり、リチウムイオン電池に対してこのような状態が続くと電池性能が急激に低下してしまう。
【０００６】
さらに、リチウムイオン電池の温度を検出して充電、及び放電電流値と電圧値の上限及び下限の制限値を設定するのみでは、制限値よりも高い最大許容電圧まで充電することはできず、また、そのような制御方法ではリチウムイオン電池が低ＳＯＣもしくは低温時に、瞬間的に最大許容電圧を超えてしまい、電池性能を急激に低下させる可能性がある。
【０００７】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、リチウムイオン電池への充電電流値及び充電時間を適切に制御することにより、電池容量の低下及び電池内部抵抗の上昇を抑制する二次電池システム、および二次電池システムを搭載した電池搭載機器、および車両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】
【０００８】
リチウムイオン電池モジュールのＳＯＣ、温度に応じてリチウムイオン電池モジュールの電池抵抗を推定し、その推定電池抵抗に基づき充電電流を適切に設定する。
【発明の効果】
【０００９】
リチウムイオン電池モジュールを充電する場合、リチウムイオン電池モジュールのＳＯＣ、温度に応じてリチウムイオン電池モジュールの電池抵抗を推定し、充電電流を適切に設定することで、過電圧によって瞬間的に最大許容電圧を超えることがないので、リチウムイオン電池の長寿命化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】円筒形の非水系二次電池の一部切欠斜視図である。
【図２】二次電池システムの概略構成図である。
【図３】二次電池システムのシステムフロー図である。
【図４】非水系二次電池の電池抵抗相関表である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に本実施形態について、図面を参照しつつ説明する。二次電池システムを搭載した電池搭載機器、および車両を提供することを目的とする。
【００１２】
図１は本発明の非水系二次電池（以下、単に電池，リチウムイオン電池とも表記する）を示している。複合リチウム酸化物を活物質とする正極板１１とリチウムイオンを保持する材料を活物質とする負極板１２とをセパレータ１３を介して渦巻き状に捲回した電極捲回群２２を作製した後、電極捲回群２２を底の有る円筒形の電池缶２６の内部に収容する。電極捲回群２２の下部より導出した負極タブ２４を電池缶２６の底部に溶接し、次いで電極捲回群２２の上部より導出した正極タブ２３を電池蓋２５に溶接する。電池缶２６には所定の電解液を注入し、電池缶２６の開口部に絶縁性ガスケット（図示せず）を周辺取り付けた電池蓋２５を取り付けて、かしめる構成にしている。ここで捲回軸２１側を内周側３１とし、その外側を外周部３２とする。
【００１３】
正極板１１に塗布された正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム及びその変性体（コバルト酸リチウムにアルミニウムやマグネシウムを固溶させたものなど）、ニッケル酸リチウム及びその変性体（一部ニッケルをコバルト置換させたもの）、マンガン酸リチウム及びその変性体、およびこれらの複合酸化物（ニッケル，コバルト，マンガン）が挙げることができる。
【００１４】
このとき導電剤としては、例えば、アセチレンブラック，ケッチェンブラック，チャンネルブラック，ファーネスブラック，ランプブラック，サーマルブラックなどのカーボンブラックや各種グラファイトを単独、あるいは組み合わせて用いることができる。
【００１５】
正極用結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ），ポリフッ化ビニリデンの変性体，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），アクリレート単位を有するゴム粒子結着剤などを用いることができ、この際に反応性官能基を導入したアクリレートモノマー、またはアクリレートオリゴマーを結着剤中に混入させることも可能である。
【００１６】
次に、負極板１２に塗布された負極活物質としては、各種天然黒鉛，人造黒鉛，シリサイドなどのシリコン系複合材料、及び各種金属塑性材料を用いることができる。
【００１７】
負極用結着剤としては、ＰＶｄＦおよびその変性体をはじめ各種バインダーを用いることができるが、リチウムイオンを受入れ性向上の観点から、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子（ＳＢＲ）およびその変性体に、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）をはじめとするセルロース系樹脂などを併用、もしくは少量添加するのがより好ましい。
【００１８】
このとき導電剤としては、例えば、アセチレンブラック，ケッチェンブラック，チャンネルブラック，ファーネスブラック，ランプブラック，サーマルブラックなどのカーボンブラックや各種グラファイトを単独、あるいは組み合わせて用いることができる。
【００１９】
セパレータについては、リチウムイオン二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば、特に限定されないが、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムを単一あるいは複合して用いるのが一般的であり、また態様として好ましい。このセパレータの厚みに限定されないが、１０〜４０μｍが好ましい。
【００２０】
電解液については、電解質塩としてＬｉＰＦ6及びＬｉＢＦ4などの各種リチウム化合物を用いることができる。また溶媒としてエチレンカーボネート（ＥＣ），ジメチルカーボネート（ＤＭＣ），ジエチルカーボネート（ＤＥＣ），メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）を単独もしくは組み合わせて用いることができる。また、正極電極及び負極電極上に良好な皮膜を形成させ、過充放電時の安定性を保証するために、ビニレンカーボネート（ＶＣ）やシクロヘキルベンゼン（ＣＨＢ）およびその変性体を用いることが好ましい。
【００２１】
本発明における電極捲回群の形状は必ずしも真円筒形である必要はなく、捲回群断面が楕円である長円筒形や捲回断面が長方形のような角柱の様な形状でもよい。代表的な使用形態としては、筒状で底のある電池缶に電極捲回群と電解液を充填し、電極板から電流を取り出すタブがキャップと電池缶に溶接された状態で封じられている形態が好ましいが、特にこの形態に限定されない。
【００２２】
また電極捲回群を充填する電池缶は、特に限定されるものではないが、耐腐食のために鉄にメッキを施した電池缶，ステンレス鋼製電池缶など、強度，耐腐食性，加工性に優れるものが好ましい。また、アルミニウム合金や各種エンジニアリングプラスティックを使用して軽量化をはかることも可能であり、各種エンジニアリングプラスティックと金属との併用も可能である。
【００２３】
次に、図２に二次電池システムを示す。リチウムイオン電池モジュール４１は上記で説明した電池を複数直列，並列、もしくは直並列に組み合わせている。このリチウムイオン電池モジュール電池４１の状態を検出するために、制御装置（全体コントローラ）６１を備える。この制御装置６１はリチウムイオン電池モジュール４１の電池電圧、充放電電流、電池表面温度を検出する電池状態検出手段（測定手段）４２を有し、また、検出値から電気抵抗，累積充放電電気量，累積運転時間を計算している。リチウムイオン電池モジュール４１の電池抵抗Ｚは、リチウムイオン電池モジュール４１の端子電圧Ｖ、開放電圧をＶ0、電流をＩとすると、（１）式のように表現することができる。（１）式では放電側を＋とする。さらに、（１）式から、（２）式が得られ、電池抵抗Ｚを算出することができる。
【００２４】
Ｖ＝Ｖ0−Ｉ×Ｚ              …（１）
Ｚ＝（Ｖ0−Ｖ）／Ｉ          …（２）
さらにリチウムイオン電池モジュール４１と電力スイッチング素子４３を直列に組み合わせ、リチウムイオン電池モジュール４１の電池状態検出手段４２から得られた検出値と電気負荷７１の要求電力量に応じて制御装置６１では、電力スイッチング素子４３へ制御信号送信手段４４を介して制御信号を送信する。
【００２５】
制御装置６１はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを有し、所定のプログラムによって作動するマイクロコンピュータを含んでいる。そして電池状態検出手段４２から得られた検出値を基にリチウムイオン電池モジュール４１の充放電制御を行う。
【００２６】
電池状態検出手段４２として、電圧検出手段では、リチウムイオン電池モジュールの電圧を検出する。検出する電池電圧はリチウムイオン電池モジュール４１を構成する一つの電池もしくは、電池を複数個直列に接続した電池群、及び電池を複数個直並列に接続した組電池の電圧が考えられるが、測定する電池電圧は特に限定されるものではない。
【００２７】
次に電流検出手段では、充放電電流の値を検出する。検出方法としては、検流計，シャント抵抗を用いた検流、及びクランプメータなどが考えられるが、これに限定されるものではなく、電流値を検出する手段であれば、如何なる手段も用いることができる。
【００２８】
次に温度検出手段では、リチウムイオン電池モジュール４１の温度を検出する。温度を検出する手段は、熱電対，サーミスタ等が考えられるが、特に限定されるものではない。また、温度を検出する箇所は電池表面，電池内部，リチウムイオン電池が収められている筺体の表面温度、及びリチウムイオン電池モジュール４１の周囲環境温度が考えられる。
【００２９】
電力スイッチング素子４３として、半導体スイッチ，機械スイッチ、また電力変換機器としてインバータ，ＤＣ−ＤＣコンバータなどが挙げられるが、リチウムイオン電池モジュール４１から充放電する際、電流値を制御することが可能な素子であれば、これらに限定されるものではない。
【００３０】
電力変換機器５１としてリチウムイオン電池から得られる直流電流を負荷に応じて交流電流に変換する機器であり、通常、インバータを用いることが好ましい。また電力変換機器５１に並列にコンデンサ５２を接続することで、電力変換機器５１に瞬間的に電力供給が０になった場合、コンデンサ５２から放電することで、安定な電力を電力変換機器５１に供給することができる。
【００３１】
電気負荷７１は、例えば自動車であれば、ヒータ，電動ブレーキ，電動パワーステアリング，電動モータであってよい。
【００３２】
次に制御装置６１の充放電制御方法について説明する。図３は本実施形態に係る二次電池システムのフロー図である。
【００３３】
まず、スタート段階Ｓ００１でリチウムイオン電池モジュール４１に充電を開始する命令を制御装置６１から充電するリチウムイオン電池モジュール４１に信号を送る。
【００３４】
Ｓ００２段階において、リチウムイオン電池モジュール４１の電池抵抗Ｒを推定する。推定方法の詳細はＳ１０１で説明する。
【００３５】
Ｓ１０１では、充電する直前の電池抵抗Ｒを推定する。推定方法として、まずリチウムイオン電池モジュール４１のメンテナンス等で定期的に標準状態における電池抵抗Ｒ′を算出する。算出方法を（２）式に示す。標準状態は特に限定しないが、例えばＳＯＣ５０％，温度３０℃などリチウムイオン電池の劣化を極力進行させない条件が望ましい。
【００３６】
次に、制御装置６１は予め記憶している初期電池抵抗相関表（図４）から標準状態と同じＳＯＣ及び温度の条件で算出した標準状態における初期の電池抵抗Ｒ0′を検索する。そしてこの二つの抵抗から比率αを（３）式から算出する。
【００３７】
α＝（Ｒ′／Ｒ0′）            …（３）
次に、図２の電池状態検出手段４２からリチウムイオン電池モジュール４１の端子間電圧Ｖ，電池温度Ｔを検出し、リチウムイオン電池モジュール４１の端子間電圧からＳ０１１でＳＯＣを演算する。そして、図４の初期電池抵抗相関表から現在のＳＯＣ及び電池温度に対応した初期電池抵抗Ｒ0を検索する。
【００３８】
そして、現在のリチウムイオン電池モジュール４１の電池抵抗Ｒを（４）式から推定する。
【００３９】
Ｒ＝α×Ｒ0                    …（４）
Ｓ００３段階において、設定する充電電流Ｉは、リチウムイオン電池モジュール４１の端子間電圧Ｖ，最大許容電圧Ｖk，推定した電池抵抗Ｒとすると、（５）式となる。なおσは調整値であり、例えば、電池間のバラツキ（標準偏差など）などが考えられるが、特に限定されるものではない。充電電流Ｉを設定後、Ｓ００４段階へ移行する。
【００４０】
Ｉ≦（Ｖk−Ｖ）／（σ×Ｒ）  …（５）
Ｓ００４段階において、リチウムイオン電池モジュール４１を充電する。そして、リチウムイオン電池モジュール４１の端子間電圧が最大許容電圧Ｖkに到達した場合、充電を停止し、充電停止の信号と制御装置６１に送信し、Ｓ００５段階へ移行する。また、リチウムイオン電池モジュール４１の端子間電圧Ｖが最大許容電圧Ｖkより低い場合は充電を継続する。
【００４１】
Ｓ００５段階において、リチウムイオン電池モジュール４１のＳＯＣを再演算する。そして演算したＳＯＣが予め設定した基準ＳＯＣkを超えた場合、Ｓ００６段階へ移行し、充電を終了する。また、演算したＳＯＣが予め設定した基準ＳＯＣk以下であれば、Ｓ１０１へ移行し、リチウムイオン電池モジュール４１の電池抵抗Ｒを再算出する。
【００４２】
以上のように、本実施形態によれば、リチウムイオン電池モジュール４１に対して、リチウムイオン電池モジュール４１の電池状態を電池状態検出手段４２で検出し、検出した値、及び初期電池抵抗相関表からリチウムイオン電池モジュール４１の電池抵抗Ｒを推定し、充電電流Ｉを設定するように制御することで、過電圧によって最大許容電圧に到達することなく、リチウムイオン電池モジュール４１を充電することが可能となるため、リチウムイオン電池の電池容量低下及び電池抵抗上昇を抑制し、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００４３】
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨に逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できる。
【００４４】
例えば、本実施形態では、電池を捲回形のリチウムイオン電池としたが、複数の正極板と、複数の負極板とをセパレータを介して交互に積層してなる積層型のリチウムイオン電池に適用しても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１１  正極板
１２  負極板
１３  セパレータ
１４  集電体
１５  電極合剤層
２１  捲回軸
２２  電極捲回群
２３  正極タブ
２４  負極タブ
２５  電池蓋
２６  電池缶
３１  内周側
３２  外周側
４１  リチウムイオン電池モジュール
４２  電池状態検出手段
４３  電力スイッチング素子
４４  信号送信手段
５１  電力変換機器
５２  コンデンサ
６１  制御装置
７１  電気負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005337842.tif 000004
【図４】
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