(57)【要約】【課題】  より安全に長期間運用できる電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】  上記課題を解決するための電池システムは、複数のリチウムイオン電池を接続して構成される組電池を備える電池システムであって、リチウムイオン電池は、正極と、負極と、正極及び負極の少なくともいずれかのリチウムイオン量を調整する第３電極と、基準電位となる第４電極とを備えることを特徴とする。【選択図】  図1
2016091613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリチウムイオン電池を接続して構成される組電池を備える電池システムであって、
前記リチウムイオン電池は、正極と、負極と、前記正極及び前記負極の少なくともいずれかのリチウムイオン量を調整する第３電極と、基準電位となる第４電極とを備えることを特徴とする電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電池システムであって、
前記第３電極は、前記正極及び前記負極の少なくともいずれかとスイッチを介して接続され、
前記スイッチは、前記第４電極により得られた情報を基に切り替えられることを特徴とする電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電池システムであって、
前記複数のリチウムイオン電池は、直列に接続されていることを特徴とする電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の電池システムであって、
前記組電池は、非通電時において前記複数のリチウムイオン電池の電圧が不均一であって、電池容量の残量のばらつきが閾値を超えた場合に、前記スイッチを切り替えることにより、前記正極又は前記負極と、前記第３電極とを接続することを特徴とする電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記スイッチは、前記第３電極と、前記正極または前記負極のいずれかを選択して接続可能な３点スイッチであることを特徴とする電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記スイッチは、前記正極と、前記第三電極または外部負荷のいずれかを選択して接続可能であることを特徴とする電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記スイッチは、前記負極と、前記第三電極または外部負荷のいずれかを選択して接続可能であることを特徴とする電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
組電池管理装置を備え、
前記組電池管理装置は、前記複数のリチウムイオン電池それぞれの電圧値を検出する電池管理装置と、検出された電圧値に基づき前記組電池の中からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択する電池選択部と、スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部とを備えることを特徴とする電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記組電池管理装置は、前記複数のリチウムイオン電池それぞれの電圧値、電流値を検出する電池管理装置と、検出された電圧値に基づき前記組電池の中からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択する電池選択部と、検出された電圧値、電流値に基づき前記複数のリチウムイオン電池それぞれのＳＯＣを算出する充電状態算出部と、前記充電状態算出部により算出されたＳＯＣに基づいて前記組電池の中からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択する電池選択部と、スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の電池システムであって、
前記電池選択部は、前記充電状態算出部により算出された前記複数のリチウムイオン二次電池のＳＯＣからＳＯＣの基準値を算出し、前記基準値と前記複数のリチウムイオン二次電池のＳＯＣの差からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択することを特徴とする電池システム。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の電池システムであって、
前記電池選択部は、前記充電状態算出部により算出された前記複数のリチウムイオン二次電池のＳＯＣからＳＯＣのメジアン値を算出し、前記メジアン値と前記複数のリチウムイオン二次電池のＳＯＣの差からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択することを特徴とする電池システム。
【請求項１２】
請求項８ないし１０のいずれかに記載の電池システムであって、
前記スイッチ制御部は、前記電池選択部により選択されたリチウムイオン電池について、前記第４電極により得られた情報を基にリチウムイオンの調整量を算出し、算出されたリチウムイオン量から前記スイッチの開閉時間を決定することを特徴とする電池システム。
【請求項１３】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記第３電極は、リチウム含有黒鉛、リチウム含有金属酸化物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする電池システム。
【請求項１４】
請求項９に記載の電池システムであって、
前記リチウム含有金属酸化物は、前記正極または前記負極に用いられた材料であることを特徴とする電池システム。
【請求項１５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記第４電極は、リチウム含有黒鉛、リチウム含有酸化物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする電池システム。
【請求項１６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記第４電極のリチウム含有酸化物は、マンガン酸リチウム、オリビン酸鉄リチウム、チタン酸リチウム、Ｌｉ3Ｖ2（ＰＯ4）3、ＬｉｘＶ2Ｏ5、のいずれかであることを特徴とする電池システム。
【請求項１７】
請求項１ないし４のいずれかに記載の電池システムであって、
前記第３電極と前記第４電極が一つの電極であることを特徴とする電池システム。
【請求項１８】
請求項１に記載の電池システムの容量回復方法であって、
前記複数のリチウムイオン電池それぞれの開回路電圧を測定し、
前記開回路電圧からリチウムイオン電池のＳＯＣを算出し、
前記リチウムイオン電池のＳＯＣからリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択し、
前記第４電極により得られた情報を基にリチウムイオン調整量を算出し、
前記リチウムイオン調整量に基づき前記スイッチの開放時間を決定し、
前記開放時間に基づき前記スイッチの開閉を制御することを特徴とする電池システムの容量回復方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池システム及び容量回復方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化防止の為に、炭酸ガスの大きな排出源となっているガソリンエンジンの自動車については、ハイブリッド電気自動車や電気自動車などへの代替が始まっている。ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に代表される大型二次電池は、高出力、大容量であることが必要である為、それを構成する蓄電池モジュールは、複数の電池セルを直並列接続して構成される。
【０００３】
また、近年、自然エネルギーによる発電や、電力会社で発電された電力以外の電力を利用することに注目が集まっている。しかし、自然エネルギーによる発電は発電量の変動が大きくなる。これは電力系統に対し電圧変動を誘発する原因となりうる。安定した品質の電力を供給するためには電力系統の電圧の変動緩和が必要であり、その変動緩和には蓄電池システムが使用される。
【０００４】
これらの蓄電池システムに二次電池として使用されるリチウムイオン電池は、高電圧充電の防止や過放電による性能低下の防止などの点から適切に使いこなすことが必要となる。この為、蓄電池システムに搭載される蓄電池モジュールには、電池の状態である電圧、電流、温度などを検出する機能を持っている。図１５に代表的なハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールの構成を示す。図１５に示すように、複数の電池セルはセルコントローラと接続され、セルコントローラは、複数の電池セルの状態を検出する。また、複数のセルコントローラはバッテリーコントローラに接続され、バッテリーコントローラは、複数のセルコントローラから複数の電池セルの状態を取得する。さらにバッテリーコントローラは、取得した複数の電池セルの状態から電池容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）や電池劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を演算し、上位のコントローラなどに演算結果を通知する仕組みとなる。大容量電池システムでは、製造時の接続工数や配線量が膨大であり、誤配線やコストの増加の懸念もあることから電池の構成を自由自在に変更しにくい。
【０００５】
電力系統の変動緩和等に使用される大容量の電池システムでは、多直列多並列であり、車両用途とは異なり、数日以上連続で運転される。多直列電池システムでは、直列電池間に残容量のばらつきがあると、動作時の最大電圧、最小電圧に差が生じる。リチウムイオン電池は、特に、最大電圧のずれによって過充電が起こり、最少電圧のずれにより過放電が起きる可能性がある。これらの事象が起きた場合には、電池システムが不安全な状態となり安定した動作が確保されない懸念がある。
【０００６】
大容量電池システムにおいては、バランスをそろえるために電池を個別に交換する場合に、配線量が膨大であるため作業工数が多大となり誤配線等の懸念や、セルそのものには制御用の内部情報が十分ではないために、交換後の制御の安定性を欠く懸念がある。そのため、モジュール単位や直列接続部単位で交換しなければならないので、セル故障時の維持コストが高くなってしまう。したがって、多直列の電池システムでは容量ばらつきを抑制し、電池システムの安定動作を確保するために、個別に各セル電圧をモニタし、通電時に容量をバランスさせた状態で運用することが重要である。
【０００７】
一般にセルのバランスをとる方法としては、市販の小型のリチウム二次電池パックで採用されているような、規定電圧に達した単電池に対して余剰電力を並列バイパス回路で熱消費させて充電状態を均等化する方式が知られている。また、特許文献１、２では、電圧の高いセルだけをバイパス放電回路でのスイッチのオン、オフで内部電圧を一致させる方法が開示されている。特許文献３では、リチウム源を有する第３電極を持ったセルを用いて容量を補充する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２８２１５９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８６０３号公報
【特許文献３】特開２０１３−４５５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
セルのバランスをとる方法としては、前述したように、市販の小型のリチウム二次電池パックで採用されているような、規定電圧に達した単電池に対し、余剰電力を並列バイパス回路で熱消費させて充電状態を均等化する方式が知られている。しかしながら、この方式は満充電に近い状態に充電状態をそろえる必要があり、電力の変動緩和などに適用する際は、この方法を適用するのは難しい。電力の変動緩和に適用する際は、満充電にするために一定の充電電圧で通電し続けるというような使用方法がないことなどから電池への入出力が絶えず変動するため、充電状態だけをそろえるという機会がないためである。
【００１０】
電池の残量（ＳＯＣ）と電圧との関係がはっきりしておらず、ＳＯＣが変化しても電圧がほぼ一定の電池の場合は、特許文献１、２に示されたように、電圧の高いセルだけをバイパス放電回路でのスイッチのオン、オフで内部電圧を一致させる方法では、電圧で残量が決定できないためにかえって容量をアンバランスさせてしまうことにつながる問題がある。バイパス放電回路での放電は、電池の放電量を通常使用する負荷ラインと並列で消費することであるから、セルが繰り返し使用できる期間が短くなるというデメリットもある。
【００１１】
特許文献３では、リチウム源を有する第３電極を持ったセルで容量回復制御をおこなう技術が開示されている。特許文献３のように、リチウム源としてリチウム金属箔を使用した場合、空気中の安定性や法令上の取り扱いを考慮する必要がある。また、特許文献３は劣化が進んだ場合のみにリチウムイオンを外部の電源を通じ補充することにより電池寿命を延ばすことを目的としているものであり、セル間の電圧を必ずしも一致させるものではない。
【００１２】
そこで、本発明は、セル間の電圧をバランシングさせ、より安全に長期間運用できる電池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】
【００１３】
上述した課題を解決するため、本発明に係る電池システムは、複数のリチウムイオン電池を接続して構成される組電池を備える電池システムであって、リチウムイオン電池は、正極と、負極と、正極及び負極の少なくともいずれかのリチウムイオン量を調整する第３電極と、基準電位となる第４電極とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、長期使用が可能な電池システムを提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１に係る電池システムを示す図である。
【図２】実施例２に係る電池システムを示す図である。
【図３】実施例３に係る電池システムを示す図ある。
【図４】第３電極と基準電極を兼ねる場合の電池システムを示す図である。
【図５】電池の容量による動作の違いを示す図である。
【図６】組電池化の構成例を示す図である
【図７】単電池の動作を示す説明図である。
【図８】実施例の４極セルの容量調整方式を示す。
【図９（ａ）】充電時の容量調整原理を示す図である。
【図９（ｂ）】放電時の容量調整原理を示す図である。
【図１０】実施例５に係るリチウムイオン電池を示す図である。
【図１１】実施例５に係るリチウムイオン電池を示す図である。
【図１２】本発明の容量調整のフローチャートの例である。
【図１３】大容量電池システムの構成を示す図である。
【図１４】電池管理装置と電池管理装置間の情報を無線通信により実施する例である。
【図１５】従来の自動車用電池システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
多直列電池システムでは、セルの容量ばらつきにより、動作時の電圧が変動する。図５は、新品セルと、劣化して容量が小さくなったセルを同じ電流で充放電したときの電圧の変動を示したものである。容量が小さくなった劣化品は放電終止時の電圧が新品と比較して低下することが分かる。
【００１７】
図７に複数のセルを直列にしたシステムでセルの容量がばらついたまま充放電した場合における各セル電圧の変動を示す。図７の各グラフにおいて、縦軸は電圧、横軸は時間tである。図７（Ａ）は、互いに直列に接続され、無負荷時の開始電圧ＶOCVが異なる電池ａ１とａ２の動作電圧を示す。直列時に通電される電流は同じであるから、通電時間により電池内で使用される電気量は同じである。そのため、ＶOCVが高い電池ａ１は通常の動作電圧範囲で動作するのに対し、ＶOCVが低い電池ａ２は放電時の電圧が動作下限の電圧の範囲外に達する。その結果、電池ａ２の電圧は、安全に使用できる範囲外となってしまう。電圧が高いということは、その時点に蓄えられている電池容量が大きいということである。各セルで上限と下限の電圧間で利用できる容量が異なるために、ａ１とａ２では容量の小さいａ２が電圧の振れ幅が大きくなる。
【００１８】
図７（Ｂ）は、無負荷時の電圧ＶOCVが同じであるが、容量の異なる電池ｂ１とｂ２の動作電圧を示す図である。無負荷時の電圧ＶOCVが同じでも通常動作の容量の大きい電池ｂ２に対し、容量の小さい電池ｂ１が大電流充電時に安全上許容される電圧ＶHよりも高電圧となり、過充電となってしまう。その結果、安全性が低下する。
【００１９】
また、図７（Ｃ)は、容量の小さい電池Ｃ１が、安全上の上限電圧ＶHと、下限電圧ＶLの両方に達し、過充電と過放電の両方の危険がある場合を模式的に示している。
【００２０】
このように容量をバランスさせて均等化することは、電池システムの安定動作を確保するためには重要である。容量アンバランスは、直列電池内の初期のセルの性能ばらつきに加え、組電池構造による通電時の環境温度の違いに基づく電流集中や、温度が高いセルでの副反応による容量減少、抵抗上昇等の性能変化によっても発生する。
【００２１】
容量のアンバランスを解消し、容量回復による電池システムの長寿命化を図るために、本発明に係る電池システムは、正極と負極と、正極又は負極のリチウムイオン量を調整する第３電極と、基準電位となる第４の電極を備えるリチウム二次電池が複数接続された組電池を備えることを特徴とする。第３電極は、正極及び負極の少なくともいずれかとスイッチを介して接続され、スイッチは、第４電極により得られた情報を基に切り替えられる。
【００２２】
第３電極は、リチウムイオン供給可能な材料を含み、正極及び負極の少なくともいずれかのリチウムイオン量を調整する役割を担う。第４電極は、正極、負極、第３電極の内部電位を測定するための基準電極である。第４電極により得られた情報に基づき、正極、負極の内部電位または内部情報を、制御回路である上位コントローラにて演算し、この情報に基づいてスイッチが開閉される。スイッチは、非通電時において各リチウムイオン電池の電圧が不均一であって、電池容量の残量のばらつきが閾値を超えた場合に、切り替えられ、正極又は負極と、第３電極とが接続される。また、第３の電極と、正極または負極との内部電位差に基づき、通電時間を制御することで、正極、または負極内部のＬｉイオン量を増減でき、電池の容量を調整可能とする。その結果、各電池の容量ばらつきを解消できる。ここで電池容量の残量のばらつきの閾値とは、電池性能や安全性等によって定められる許容範囲である。
【００２３】
具体的には、第３電極は、通常使用時は正極、負極とも絶縁され、リチウムイオンが十分に吸蔵されている材料を含むことが望ましい。第３電極に用いられる材料としては、リチウム含有金属酸化物やリチウム含有黒鉛が挙げられる。リチウム含有金属酸化物は、容量回復極として従来用いられている金属リチウムとは異なり電極の製造が容易であること、デンドライトが析出しにくいという利点がある。また、正極に用いられた材料と同じものを第３電極に用いることによって製造コストを低減できる。
【００２４】
第４電極に用いられる材料として、具体的には、リチウム含有黒鉛、リチウム含有酸化物が挙げられる。さらに、第３電極に用いられる材料を、第４電極に用いることもできる。その結果、製造コストを低減できる。
【００２５】
本願発明の電池システムでは、複数のリチウムイオン電池それぞれの開回路電圧を測定後、測定した開回路電圧からリチウムイオン電池のＳＯＣを算出し、算出したＳＯＣからリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択する。そして第４電極により得られた情報を基にリチウムイオン調整量を算出し、そのリチウムイオン調整量に基づきスイッチの開放時間を決定し、開放時間に基づきスイッチの開閉を制御することにより電池容量を回復することができる。
【００２６】
本発明によれば、多直列多並列の電池セルで構成される電池システムにおいて、セル間の電圧をバランシングさせることができる。また、直列電池システム内での単電池容量の調整が、電池の放電量を減ずることなく実施可能となり、電池容量のばらつきが少ない蓄電池システムが提供できる。さらに、内部基準電極を有する単電池については内部の電極の状態の推定が可能であるため、電池の劣化理由に基づいた電極の容量調整を正極で実施するか、負極で実施するか選択できる。その結果、適切なＬｉイオン量の調整が、外部電源を用いることなく簡便に行える。そのため、組電池全体を交換せずとも、個別に単電池を交換することが可能となる。さらに、交換前の直列電池の放電容量にあわせて適切に交換電池の放電可能容量Ｑを調節することが可能となる。また、電池の交換が容易になり、さまざまな用途に適用可能な汎用性の高い電池システムを実現できる
本発明により、電池内部の劣化を引き起こさない第３極を用いながら、電池間の電圧をバランシングさせ、リチウムイオン二次電池の容量を回復させることができる。その結果長寿命な蓄電システムが実現できる。以下、図面を用いて実施例を説明する。
【実施例１】
【００２７】
実施例１の電池システムの基本構成を図１に示す。組電池１０は、正極、負極、第３電極、第４電極から構成される単電池５を直列に接続したものである。組電池１０の正極はＥ１、負極はＥ２で外部負荷(図示せず)と接続される。第４電極は基準電極電位であり、この電位と、正極、負極、第３電極の３つの電位が、電池管理装置（セルコントローラ）に電圧値として収集される構成である。電池管理装置（図示なし）から、上位の組電池管理装置８（バッテリコントローラ）が各セルの情報を有線または無線の信号９を受け取る。正極、負極、第３電極、第４電極はそれぞれ正極端子１、負極端子２、第３電極端子３、第４電極端子４を備えている。また、正極端子と、第３電極の端子間には、抵抗７を介してスイッチ６が接続されている。本実施例において、スイッチは正極端子と第３電極端子間に配置したが、負極端子と第３電極端子間に配置してもよい。第４電極により得られた情報を基にスイッチを切り替えることにより、第３電極と、正極又は負極とが接続されれば良い。電池管理装置はセルに直接配置され組電池１０の内部にあってもよいし、まとめて組電池１０の外部にあってもよい。
【００２８】
単電池はたとえば、正極活物質がリチウム含有酸化物、負極活物質に難黒鉛化炭素材料で、六フッ化リン酸リチウムを電解質とした有機電解液を使用しているような、電池の残量（ＳＯＣ）が電圧と相関する電池である。
【００２９】
これら複数の単電池５ａから５ｎについて、各電池の電圧ばらつきを測定するために、蓄電システムに通電する前の各電池の開回路電圧を測定する。各電池のＯＣＶは各単電池に設けられた電圧センサ等により測定される。測定したＯＣＶをＳＯＣに換算することにより各セルのＳＯＣを算出し、それぞれの中央値または平均値のＳＯＣavとそのＯＣＶavを算出する。例えば、予め電池のＯＣＶとＳＯＣの関係を電池管理装置に記憶させておき、測定したＯＣＶに対応するＳＯＣを算出することにより、各セルのＳＯＣを算出できる。これらの各セルのＳＯＣと測定された各セルのＯＣＶを、所定値と比較し、ＳＯＣ差ΔＳＯＣまたは比較電圧差ΔＶを計算し、所定値よりも乖離の大きいセルを特定する。この特定されたセルについて、第４の基準電極の電位より正極電位Ｖcath、負極電位Ｖanoを確認し、必要電気量を計算する。正極電位Ｖcathが第３電極電位ＶLiSよりも高い場合に、蓄電池システムを開回路として、特定されたセルのスイッチ６を閉じて、正極と第３電極を短絡させる。組電池管理装置８で計算した電気量を補うことができる所定時間に基づいてスイッチ６を開閉することにより、リチウムイオンを補充できる。正極電位Ｖcathと第３電極ＶLiSとの電位差を利用してリチウムイオンを補充するので、特許文献３で必要だった外部電源が不要となる。更には第４電極により得られた基準電位Ｖrefから正極電位Ｖcathと第３電極ＶLiSをモニタすることで、リチウムイオン移動量も確認できるメリットがある。比較電圧差ΔＶを、通常運転を停止して保守が必要な設定値とした場合は、電池の交換や不具合解析等の保守を実施しなければならない。しかし、これらにより実施例１に係る電池システムにおいては保守による電池交換を回避できる。
【００３０】
また、接続されている抵抗の抵抗値によるが、直列内の電池バランスを取るために通電調整する閾値がΔＶである場合も、接続する抵抗値が小さく、通電可能な電流値が大きいときは短時間で容量を調整することが可能になる。抵抗７は抵抗部品として必ず構成されずともよく、第３電極の内部抵抗が高い場合等は、この内部抵抗だけで代用することができる。
【００３１】
また、電極からリチウムイオン量を減らしたい場合には、正極電位が第３電極の電位よりも低い状態のとき、ある程度蓄電池としては放電してＳＯＣが下がっている状態で、同様のスイッチングを実施することで所望のリチウムイオン量を正極から取り除くことが可能である。
【実施例２】
【００３２】
図２は、実施例２の電池システムの構成を示す図である。図２において、スイッチは、正極端子１または負極端子２を選択して、第３電極端子３と接続可能な３点スイッチとなっている。実施例２に係る電池システムの容量調整方法を説明する。実施例１と同様に、組電池管理装置８で、測定した各セルのＯＣＶ、ＳＯＣを確認し、容量調整のための目標ＳＯＣを決定後する。その後、第４電極の電位から、正極電位Ｖcathだけでなく負極電位Ｖanoも計算する。第３電極と、正極または負極のどちらかを接続し、リチウムイオンを移動させることにより電池容量を調整する。正極電位Ｖcathが第３電極電位ＶLiSよりも高い場合に、蓄電池システムを開回路として、スイッチ６を正極側に閉じて、正極と第３電極を短絡させ、組電池管理装置８で計算した電気量を補うことができる。移動するリチウムイオン量に応じた時間に基づいてスイッチ６を開閉して、リチウムイオンを補充する。負極のリチウムイオン量を減らす場合は、負極電位Ｖanoが電位ＶLiSよりも低いことを確認して、必要電気量から通電時間を計算する。負極端子と第３電極端子のスイッチを計算された通電時間だけ閉じてリチウムイオンを移動させる。第３電極に移動したリチウムイオンは再度、正極に補充することも可能である。このように電極の内部状態に合わせて、どちらで調整するか適切に判定して実行することが可能であるため、短時間での容量調整も可能となる。
【実施例３】
【００３３】
図３は、実施例３の電池システムの構成を示す図である。図３においてスイッチは、正極と、前記第三電極または電池外部負荷のいずれかを選択して接続可能である。つまり、実施例３の電子システムは、正極端子１と、第３電極端子３とを接続するときに、直列に接続された組電池を備える電池システムから、正極端子を電池毎に切り離して、正極端子１と、第３電極端子３を接続できる。パワーラインを切り離して正極又は負極のリチウムイオン量を調整することより、組電池１０が充放電されず、対象セルの正極電圧Ｖcathの変化をより高精度に確認することが可能となり、目的としたバランシング動作以外の漏れ電流が起きる可能性を更に低減できる。実施例３では正極端子と第３電極端子の間にスイッチを設け、正極と第３電極の間でリチウムイオン量を調整する例を示したが、負極と、前記第３電極または電池外部負荷のいずれかを選択して接続可能なスイッチを用いてもよい。この場合、負極と第３電極間でのリチウムイオンの授受で、電池容量を調整することが可能である。
【実施例４】
【００３４】
図４は実施例４に係る電池システムの構成を示す図４である。図４の電池システムでは、電池５の端子は、正極端子１、負極端子２、第３電極３の３つであり、第３電極が、基準電位極である第４電極を兼ねる構成である。つまり、第３電極と第４電極が一つの電極となっている。正極、負極、第３極の電圧が組電池管理装置８（バッテリコントローラ）に電圧信号9（図示せず）として入力される構成である。
【００３５】
第３電極には、リチウムイオンの量にかかわらず、ある構造範囲で電位が一定である電極材料が用いられる。たとえば、スピネル構造の含リチウムイオン酸化物（ＬｉＭｎ2Ｏ4）やオリビン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ4）、チタン酸リチウム（Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12）、Ｌｉ3Ｖ2（ＰＯ4）3、ＬｉｘＶ2Ｏ5などの遷移金属酸化物、あるいは黒鉛にリチウムイオンをプレドープした材料が挙げられる。これらの材料を含む電極ではリチウムイオンを出し入れした場合でも電位がほぼ一定な領域をもち基準電位極としても安定に使用可能である。このとき、基準極の電位が安定するよう、含リチウムイオン材料の特性に合わせて第３電極の容量を十分に大きく設計すると、第３電極で基準電極電位を測定可能となり、製造時の部品点数を削減することが可能になる。
【００３６】
図６は角型電池で複数セルを直列につないだモジュールの例である。図６（Ａ）は、セルが第３電極と基準電位極である第４電極とを備える場合であり、図６の（Ｂ）は、第３電極と基準電位極である第４電極が兼用できるタイプのセルを用いた場合である。モジュールの正極端子はＥ１、負極端子Ｅ２で負荷と接続される。正極と第３電極間に抵抗７を介してスイッチ６があり、組電池管理装置８からの信号で開閉できる。スイッチ６が閉の場合に正極と第３電極間でのリチウムイオンの授受を行う。各電池は、互い違いに配置され、正極と負極がバスバーで接続され、図面には最上位の回路のみの記載となっているが各電池の正極と第３電極間に抵抗７とスイッチ６が配置されており、組電池管理装置８によってセルの選択、容量調整が可能な構造である。
【実施例５】
【００３７】
図８はリチウム電池１１００の正極端子１、負極端子２のいずれかと第３電極端子３を接続する３点スイッチ６を備える電池システムの構成を示す図である。第４電極４の信号を利用して、組電池管理装置８で、スイッチの開閉方向と開閉時間を決定して、第３電極と接続する。組電池の容量を均等化するだけでなく、電池においても劣化して容量が減った場合にも、正極、負極の内部電位をリチウムイオンの授受によって調整できる。その結果、容量を回復させることができ、電池の使用期間を延長できる。
【００３８】
図９（ａ）は、充電時のリチウムイオン電池の正極１、負極２、第３電極３の内部電位を模式的に示す図である。正極電位Ｖcathが貴で、負極電位Ｖanoが卑であり、この電位差で電池電圧Ｖcellが決定する。リチウムイオン電池においては、充電時は、正極が貴、負極が卑の状態で、その電位差が大きくなる。第３電極が正極電位と負極電位の間にあった場合、正極１と第３電極３を接続することで、正極電位Ｖcathと第３電極電位ＶLiS間の電圧（Ｖcath-ＶLiS）間で平衡電位になるようリチウムイオンの授受が起きる。リチウムイオン電池の正極材料が含リチウムイオン材料を使用し、充電時にリチウムイオンが正極から抜けていくタイプの電池の場合、リチウムイオンを正極に補充するためには、Ｖcath＞ＶLiSの状態で接続する必要がある。
【００３９】
図９（ｂ）は放電時のリチウムイオン電池の正極、負極、第３電極の内部電位を模式的に示す図である。放電時は、ＶcathとＶanoの電位差が小さくなり、正極電位Ｖcathが下がるため、第３電極の電位ＶLisがＶcathより高い場合、リチウムイオンの補充はなされず、第３電極にリチウムイオンが移動する。負極が第３電極の電位より低い場合は、常に、第３電極へリチウムイオンが移動することになる。第３電極の電位が負極電位より低い場合は、リチウムイオンの正極への供給は可能であるが、正極電位はできるだけ高い状態であるほうが、リチウム含有正極材料を使用する場合は有効に機能する。
【００４０】
一方、正極活物質が含リチウム材料ではなく、負極が含リチウム材料の場合、放電時にリチウムイオンが正極材料に移動し、充電時に負極に戻る。正極電位Ｖanoが高い状態がよりリチウムイオン量が少ないので、正極容量を増加させるためには第３電極電位ＶLiSにおいて、Ｖcath＞ＶLiS時に調整スイッチ６を切り替えることがより好ましい。
【００４１】
図１０は、単電池内部の模式図である。アルミニウムの集電体に両面塗布した正極板３０１と、銅の集電体に両面塗布した負極板３０２がセパレータ６００を介して、対面して積層されている。電池外装体５００の表面側の負極に対向してセパレータ６００を介し、容量回復極３０３を外装体側に配置した構成である。第４の基準電極は、正極、負極の積層体のほぼ中央部のセパレータ付近に、正極、負極、第３電極と短絡しないよう袋状セパレータで電極を覆った基準電極３０４を配置している（図示せず）。電位の安定性を保つため、外装体内に、セパレータの空隙、電極空隙を十分満たす適正濃度の電解液が含浸、封入されている。ここで、外装体はアルミラミネート、金属缶、その他耐薬品性の材料で、大気と十分隔絶された構造であれば材質を問わない。円筒缶でも正極とセパレータを介して負極を対向させて捲回し、最外周に第３電極を巻き込むことで構成できる。
【００４２】
図１０において、正極端子Ｅ１と第３電極端子Ｅ３間にスイッチＳ１を設け、このスイッチを閉じることで正極板と第３電極間でリチウムイオンの授受ができる。また、負極端子Ｅ２と第３電極端子Ｅ３の間にスイッチＳ２を設け、このスイッチを閉じることで、負極板と第３電極間でリチウムイオンの授受ができる。外装体内部の第３電極は正極、負極と同様に端子Ｅ３にまとめて接続すると、容量調整可能なリチウムイオン量をより増やすことが可能である。さらに、スイッチＳ１、Ｓ２は外装体のどこかの面にまとめ、正極と接続するか、負極と接続するか選択できるようにするか、三点スイッチを用いることで小型化も可能になる。
【００４３】
図１０では、第３電極は、正極、負極にそれぞれ独立に１枚接続可能な例となっているが、この場合には、正極板へリチウムイオンを供給する際の第３電極での電圧と、負極へリチウムイオンを授受するときの第３電極の電圧を別々に設定することができ、特に正極、負極共に調整したい場合に短時間で実施できるメリットがある。
【００４４】
図１１は、本発明の単電池の構成を、角型のセルに適用した場合の積層断面側でない面から内部を模式的に示した例である。正極、負極、セパレータ、第３電極の積層体３００から、正極端子Ｅ１、負極端子Ｅ２、第３電極端子Ｅ３を、基準電極３０４からは基準電極端子Ｅ４を、セルの端面に集中して配列したものである。基準電極３０４は、その他の電極と短絡しないように、セパレータをはさみ、電極群３００に接触しない構成で、できるだけ近接して配置し、広い面積とすると、基準電極の安定性が向上する。
【実施例６】
【００４５】
実施例６では、本願発明の実施形態に係る電池システムの制御方法を説明する。電池システムにおいては、複数の単電池５の電圧ばらつきを評価するために、蓄電システムに通電する前の開回路電圧（ＯＣＶ）を評価しバランシングを行う。本実施例に係る電池システムは、複数のリチウムイオン二次電池を備える組電池と、組電池を管理する組電池管理装置とを備える。組電池管理装置は、各リチウムイオン電池の電圧値、電流値を検出する電池管理装置と、検出された電圧値、電流値に基づき各リチウムイオン電池のＳＯＣ等の電池状態を算出する充電状態算出部と、前記充電状態算出部により算出されたＳＯＣに基づいて前記組電池の中からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択する電池選択部と、スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部とを備える。電池選択部は、例えば、充電状態算出部により算出された各のリチウムイオン二次電池のＳＯＣからＳＯＣのメジアン値を算出し、メジアン値と各リチウムイオン二次電池のＳＯＣの差からリチウムイオン量を調整するリチウムイオン電池を選択する。スイッチ制御部は、電池選択部により選択されたリチウムイオン電池について、第４電極により得られた情報を基に、正極及び負極の状態を判定し、リチウムイオン調整量を算出し、算出されたリチウムイオン量から前記スイッチの開閉時間を決定する。
【００４６】
図１２にバランシング方法の手順を示す。まず、装置起動時あるいは無負荷の状態で、組電池管理装置８の指令により、電池管理装置が各電池５の各電極の電圧、温度情報を取得する（Ｓ５０１）。
【００４７】
次に、この電位と、正極、負極、第３電極の３つの電位が組電池管理装置（セルコントローラ）８に電圧値として収集され電池の開回路電圧（ＯＣＶ）を計算する。ＯＣＶをＳＯＣに換算し、各セルのＳＯＣを算出後、中央値(メジアン値)ＳＯＣmを算出する（Ｓ５０２）。それらの値と各セルのＳＯＣの偏差ΔＳＯＣを計算する。
【００４８】
ステップＳ５０４で偏差が閾値ＳＯＣth1よりも大きい（ΔＳＯＣ＞ＳＯＣth1）の場合は、容量調整不可能なばらつきが生じているとして、セル電圧異常通知の警告表示をし、処理を終了する。
【００４９】
ステップＳ５０４でΔＳＯＣ≦ＳＯＣth1の場合は、次のステップＳ５０５で偏差を閾値ＳＯＣ２と比較、ΔＳＯＣ＞ＳＯＣth2の場合、次のステップＳ５０８に進む。ΔＳＯＣ≦ＳＯＣth2の場合は、容量調整せずとも安全に運転できる範囲であるので、容量調整せずに処理終了とし、充放電準備が完了する。
【００５０】
ＳＯＣth1 ＞ΔＳＯＣ＞ＳＯＣth2のセルは、容量調整の対象になるセルと特定され、ΔＳＯＣから調整必要な容量を算出する（Ｓ５０８）。特定した対象セルの基準電極電位に基づき、正極電位、負極電位、第３電極電位を算出、正極電位と第３電極電位の差から、正極に補充できるリチウムイオン量とそのリチウムイオン量を補充するために必要な時間を計算する。このとき、トータルの通電時間と、部品の発熱抑制のために通電を休止する時間も含めて計算する（Ｓ５０９）。第３電極と正極間のスイッチをステップＳ５０９で計算した所定時間開閉を実施する（Ｓ５１０）。スイッチ開放後（Ｓ５１１）、電池の各電位を再測定し、調整後のＳＯＣと、前回算出のＳＯＣmとの偏差ΔＳＯＣrを計算する（Ｓ５１３）。偏差がＳＯＣth2より大きい場合は、ステップＳ５０８に戻り再度処理を繰り返す。ΔＳＯＣr≦ＳＯＣth2の場合は、バランシング完了として処理を終了し充放電準備が完了する。
【００５１】
また、ＳＯＣとＯＣＶの関係が一次式で相関近似できる場合は、ステップ５０２のＳＯＣ換算をせず、そのまま電圧値を使用して、閾値も電圧で決定することも可能である。なお、本実施例では各リチウムイオン電池のＳＯＣのメジアン値を基準値とし、ＳＯＣの基準値と各リチウムイオン電池のＳＯＣを比較して、容量調整を行うリチウムイオン電池を選択したが、基準値は、メジアン値や中央値に限定されず、適宜設定することができる。
【実施例７】
【００５２】
図１３は本発明を適用する電池システムの例である。電池管理装置１１は、電池の状態を計測する１つまたは複数の計測器（センサー）２０、電池の状態情報を取得し処理する処理部３０、無線回路４０および電波を入出力するアンテナ５０から構成され、処理部３０は、複数の電池セル群１０から電源をもらって動作電圧を生成する電源回路３１と、計測器２０によって計測された情報から、電池セル或いは複数の電池セルの状態を検出する検出回路（Ａ/Ｄ変換器）３２と、検出回路３２によって検出された検出情報に基づいて、電池セル或いは複数の電池セルの状態を診断する処理回路（ＣＰＵ）３３と、個体識別情報及び検出情報或いは診断情報若しくはその両方を記憶する記憶装置（メモリ）３４から構成される。
【００５３】
組電池管理装置８は、無線回路２１０、処理回路（ＣＰＵ）２２０、電池を含む電源回路２３０、記憶装置（メモリ）２４０およびアンテナ２５０から構成される。電源回路２３０については、図１３では電池を内蔵しているが、外部から供給しても構わない。
【００５４】
組電池管理装置８は、一つ以上の電池管理装置１１との通信を行い、電池管理装置１１が検出する電池状態などを取得する。この時の電池管理装置１１と組電池管理装置８間の無線通信は、組電池管理装置８がマスター、電池管理装置１１がスレーブ的な動作を行う。電池管理装置１１は、組電池管理装置８の要求に従い、動作を実施後、必要に応じて組電池管理装置８へ結果を応答する。
【００５５】
ここで、電池の状態を計測する複数のセンサ２０で、正極１、負極２、第３電極３、第４電極４の電圧を計測し、組電池管理装置８で、これらの検出情報を処理し、前出した計算フローに従って、各組電池群１０内の各電池の電圧、容量をバランスさせるためバランシングの要、不要判定と、実行方法の選定、バランシングスイッチ６の開閉時間等の計算を実施し、電池管理装置１１を通じてバランシングを実行する。このとき、センサ２０で、個別セルの温度等の追加情報を取得し、電池の温度特性に適合するバランシング電流とバランシング時間の精度を上げることも可能である。
【実施例８】
【００５６】
図１４は、組電池管理装置８と複数の電池管理装置１１から構成される電池システムにおける通信動作の例を示す図である。
【００５７】
起動時のセル1の電池電圧、電流、電池表面温度、電池内部温度等のセンシング情報を組電池管理装置８から要求し、電池管理装置１１から送信する。センシング情報については、各情報の読み込み指定時間に従い、１０ｍｓ〜６０ｓの一定間隔で受信した命令に従い情報を送信する。充放電開始前は、複数の電池管理装置１１の初期状態の個別情報を読み込み、電池全体にＳＯＣのアンバランスがある場合は、対象電池管理装置９に命令を送信し、受信した電池管理装置１１はセル１０にスイッチで正極または負極と第３電極を接続し、電池セル１が所望の電圧になるまでスイッチ６(図示せず)を開閉する。
【００５８】
容量が増減したことをセルごとに組電池管理装置８に通信し、充放電時のＳＯＣ、ＳＯＨ（ＳＯＨＲ，ＳＯＣＱ）の演算の誤差が拡大しないよう、計算用のパラメータ等も変更し、通電時の制御を安定化する。
【００５９】
以上のように、基準電極と、第３のリチウム供給用電極を含む電池を使用した電池システムで、セル内の容量、セル電圧の均等化を簡易に実行でき、安定な運転を確保し、保守費を抑制して蓄電池システムの稼働寿命を延ばすことが可能になる。
【符号の説明】
【００６０】
１…正極端子、２…負極端子、３…第３のリチウムイオン供給極、４…基準電位極、５…セル、６…スイッチ、７…抵抗、８…組電池管理装置、９…無線または有線の電圧信号、１０…１つまたは複数の電池セル群から構成される組電池、１１…電池管理装置（セルコントローラ）、２０…電池の状態を計測する１つまたは複数の計測器（センサー）、３０…電池の状態情報を取得し処理する処理部(電池制御部)、３１…電源回路、３２…電池セルの状態を検出する検出回路（Ａ/Ｄ変換器）、３３…電池セルの状態を診断する処理回路（ＣＰＵ）、３４…記憶装置（メモリ）、４０…無線回路、５０…アンテナ、６０…電池の状態情報を取得し処理する処理部、６１…電源回路、６２…電池セルの状態を検出する検出回路（Ａ/Ｄ変換器）、６３…電池セルの状態を診断する処理回路（ＣＰＵ）、６４…記憶装置（メモリ）、１００…電池システム、２００…インバータ、２０１…モータ、２０２…上位コントローラ、２１０…無線回路、２２０…処理回路（ＣＰＵ）、２３０…電池を含む電源回路、２４０…記憶装置（メモリ）、２５０…アンテナ、Ｓ２…負極−第３電極スイッチング部位、Ｓ１…正極−第３電極スイッチング部位、３００…極板群、３０１…正極板、３０２…負極板、３０３…第３電極、３０４…第４極基準電位極、Ｅ１…正極端子、Ｅ２…負極端子、Ｅ３…第３電極端子、Ｅ４…第４電極端子、Ｒ１…抵抗、Ｒ２…抵抗、５００…外装体(缶、ラミネート)、６００…セパレータ、１1００…リチウムイオン二次電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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