(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池のセルが複数個直列に接続された組電池の制御装置であって、
セルの失活状態を検出する失活検出手段と、
前記失活検出手段により失活状態が検出されたセルに対し、前記負極集電体の銅が溶出と析出を繰り返す振幅と、前記負極集電体の銅の溶出と析出反応が追従する周波数の交流電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のリチウムイオン電池の制御装置において、
前記失活検出手段は、セルの端子電圧が所定値以下になったら失活状態と判定することを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載のリチウムイオン電池の制御装置において、
セルの内部抵抗を検出する抵抗検出手段を備え、
前記失活検出手段は、セルの端子電圧が所定値以下になり、且つセルの内部抵抗が所定値を超えたら失活状態と判定することを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池では、セルが失活すると、失活セルの負極から銅が析出し、正極まで延びて正負極が短絡する、いわゆるデンドライトが発生する。このとき、銅の析出状態によってはデンドライトの抵抗が大きいことがあり、そのまま電池に電流を流すとそのセルが発熱する。
【０００３】
失活セルの両端電圧は０Ｖまたはその近傍まで低下するので、セルの失活状態を検出することは容易であるが、多数のセルが直列に接続された組電池の中から、１個の失活セルを交換したり、失活セルの両端をジャンパーで短絡する保守作業は容易ではない。
【０００４】
本発明の目的は、煩雑は保守作業をせずに組電池の中の失活セルを完全に短絡することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）  請求項１の発明は、負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池のセルが複数個直列に接続された組電池の制御装置であって、セルの失活状態を検出する失活検出手段と、失活検出手段により失活状態が検出されたセルに対し、負極集電体の銅が溶出と析出を繰り返す振幅と、負極集電体の銅の溶出と析出反応が追従する周波数の交流電圧を印加する電圧印加手段とを備える。
（２）  請求項２のリチウムイオン電池の制御装置は、失活検出手段によって、セルの端子電圧が所定値以下になったら失活状態と判定するようにしたものである。
（３）  請求項３のリチウムイオン電池の制御装置は、セルの内部抵抗を検出する抵抗検出手段を備え、失活検出手段によって、セルの端子電圧が所定値以下になり、且つセルの内部抵抗が所定値を超えたら失活状態と判定するようにしたものである。
【０００６】
【発明の効果】
（１）  請求項１の発明によれば、負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池のセルが複数個直列に接続された組電池に対して、セルの失活状態を検出し、失活状態が検出されたセルに対し、負極集電体の銅が溶出と析出を繰り返す振幅と、負極集電体の銅の溶出と析出反応が追従する周波数の交流電圧を印加するようにしたので、失活セルの正負極間のデンドライト生成が促進され、外部ジャンパーによる短絡作業をしなくても、失活セルを短絡することができる。
（２）  請求項２の発明によれば、セルの端子電圧が所定値以下になったら失活状態と判定し、失活が検出されたセルに交流電圧を印加するようにしたので、請求項１の上記効果と同様な効果が得られる。
（３）  請求項３の発明によれば、セルの端子電圧が所定値以下になり、且つセルの内部抵抗が所定値を超えたら失活状態と判定し、失活が検出されたセルに交流電圧を印加するようにしたので、請求項１の上記効果に加え、すでに処理が行われたセルに対しても、処理結果が不十分でデンドライトの生成が充分でなく、内部抵抗が大きい場合は再度処理が行われることになり、失活セルの正負電極間を完全に短絡することができる、という効果が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、一実施の形態のリチウムイオン電池の基本的な断面構造を示す。
リチウムイオン電池１は、正極２と負極３、およびそれらを分離するセパレータ４から構成される。正極２は、アルミニウムなどの集電体２ａにコバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムなどの活物質２ｂが塗布されている。また、負極３は、銅箔の集電体３ａにコークス系やグラファイト系の炭素材料が塗布されている。
【０００８】
図２は、リチウムイオン電池における放電電気量に対する正極と負極の電位の変化を示す図であり、溶液中のリチウムの電位を基準にして表したものである。リチウムイオン電池では、放電電気量が増加するにしたがって正極電位が低下し、負極電位が上昇する。正極電位と負極電位との差が電池セルの端子電圧であるから、放電するにつれて主に負極電位が上昇し、その結果、端子電圧が低下して最後には０ｖになる。
【０００９】
電池セルに逆電圧を印加するなどして強制的に放電させると、端子電圧が低下する。端子電圧がおよそ０.８ｖ以下になって負極電位が銅溶出電位（図中のハッチング領域）になると、負極集電体３ａからの銅の溶出が始まる。この状態において電池セルに順電圧を印加して端子電圧を上げると、負極電位は低下するが、いったん溶液中に溶出した銅は元に戻らず、溶液中に析出してデンドライトが成長する。これを繰り返すと、図３に示すようにデンドライト５により正極２と負極３が短絡され、デンドライト５の数量も次第に増加してついには正負極が完全に短絡する。
【００１０】
負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池のこのような性質を利用すれば、失活したセルにデンドライトを強制的に生成させることができ、失活セルの正極と負極をジャンパーにより短絡する保守作業をしなくても、失活セルを完全に短絡させることができる。
【００１１】
そこで、この実施の形態では、負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池に対して、セルの失活を検出し、失活セルが検出されたら電池に交流電圧を印加することによって、負極集電体からの銅の溶出、析出を促進する。
【００１２】
図４は一実施の形態の構成を示す図である。
組電池１０は、図１に示すような負極集電体に銅を用いたリチウムイオン電池のセルがｎ個直列に接続されている。各セルＣ1〜Ｃnには、端子電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）ｖcn（ｎ＝１，２，・・）を検出するための電圧センサーＶ1〜Ｖnが接続される。また、組電池１０と直列に充放電電流ｉを検出するための電流センサーＩが接続される。さらに、各セルＣ1〜Ｃnの両端はコントローラー１１へ接続される。
【００１３】
コントローラー１１は、マイクロコンピューターとその周辺部品や交流発振器と増幅器などを内蔵しており、各セルＣ1〜Ｃnの失活検出を行うとともに、失活したセルに対して交流電圧を印加して短絡させる。
【００１４】
ここで、失活セルに印加する交流電圧の周波数は銅の溶出と析出反応が追従する周波数であればよく、例えば１０kHzとする。また、交流電圧の振幅は図２に示すように銅の溶出と析出が発生する程度の電圧とすればよい。さらに、失活セルに対する交流電圧の印加は、組電池１０の休止中に行ってもよいし、通常の充放電中に重畳して行ってもよい。
【００１５】
失活セルの検出は、セル電圧ｖcnが判定基準値ｖo以下に低下したら失活状態と判断する。リチウムイオン電池は通常、セル電圧ＶCnが４.２〜２.５ｖの範囲で使用されるので、上記判定基準値を例えば１ｖとする。
【００１６】
また、電圧センサーＶ1〜Ｖnにより検出したセル電圧ｖcnと、電流センサーＩにより検出した充放電電流ｉとによりセルの内部抵抗ｒcnを演算し（ｖcn／ｉ）、内部抵抗ｒcnが判定基準値ｒoを超えたら失活状態と判断するようにしてもよい。
【００１７】
図５は失活セルの処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。
ステップ１において、セル電圧ｖcnが上記基準値ｖo以下かどうかを確認し、基準値ｖo以下であれば失活セルと判断してステップ２へ進み、そうでなければステップ５へ進む。セルＣnの失活が検出されたときは、ステップ２でセル番号ｎがメモリに記憶されているかどうか、すなわちすでに処理済みのセルかどうかを確認する。処理済みのセルであればステップ５へ進み、未処理のセルであればステップ３へ進む。
【００１８】
ステップ３において、新たに失活が検出されたセルの両端に交流電圧を所定時間印加する。例えば図４に示すセルＣ3の失活が新たに検出された場合には、コントローラー１１の端子Ｔ3−Ｔ4から交流電圧を出力し、セルＣ3の両端に印加する。これにより、セルＣ3の正負極間のデンドライトの生成が促進され、正負極間が短絡する。次に、ステップ４で今回処理したセルの番号をメモりに記憶し、続くステップ５でセル番号ｎを次のセルにしてステップ１へ戻り、上記処理を繰り返す。
【００１９】
このように、セル電圧を判定基準値と比較して失活状態を検出し、失活セルが検出されたらそのセルの両端に交流電圧を印加するようにしたので、失活セルの正負極間のデンドライト生成が促進され、外部ジャンパーによる短絡作業をしなくても、失活セルを短絡することができる。
【００２０】
図６は失活セルの処理の変形例を示すフローチャートである。この変形例では、セル電圧ｖcnと内部抵抗ｒcnによりセルの失活を検出する。
ステップ１１において、セル電圧ｖcnが上記基準値ｖo以下かどうかを確認し、基準値ｖo以下であれば失活セルと判断してステップ１２へ進み、そうでなければステップ１４へ進む。
【００２１】
ステップ１２では、失活セルＣnのセル電圧ｖcnと組電池１０の充放電電流ｉとにより失活セルＣnの内部抵抗ｒcnを算出し、その内部抵抗ｒcnが上記基準値ｒoを超えるか否かを判定する。内部抵抗ｒcnが基準値ｒoを超える場合はステップ１３へ進み、そうでなければステップ１４へ進む。
【００２２】
ステップ１３において、失活が検出されたセルの両端に交流電圧を所定時間印加する。続くステップ１４で、セル番号ｎを次のセルにしてステップ１１へ戻り、上記処理を繰り返す。
【００２３】
この変形例によれば、セル電圧が失活判定基準値以下で、且つ内部抵抗が基準値を超えるセルに対して交流電圧を印加するようにしたので、すでに処理が行われたセルに対しても、処理結果が不十分でデンドライトの生成が充分でなく、内部抵抗が大きい場合は再度処理が行われることになり、失活セルの正負電極間を完全に短絡することができる。
【００２４】
以上の一実施の形態の構成において、電圧センサーＶ1〜Ｖn、電流センサーＩおよびコントローラー１１が失活検出手段および抵抗検出手段を、コントローラー１１が電圧印加手段をそれぞれ構成する。
【００２５】
なお、本発明は負極集電体に銅を用いるリチウムイオン電池に適用され、負極集電体以外の正極集電体、正極活物質、負極活物質およびセパレーターの材料は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施の形態のリチウムイオン電池の基本的な断面構造を示す図である。
【図２】  リチウムイオン電池における放電電気量に対する正極と負極の電位の変化を示す図である。
【図３】  リチウムイオン電池のデンドライトの生成状態を示す図である。
【図４】  一実施の形態の構成を示す図である。
【図５】  一実施の形態の失活セル処理を示すフローチャートである。
【図６】  失活セル処理の変形例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  リチウムイオン電池
２  正極
２ａ  正極集電体
２ｂ  正極活物質
３  負極
３ａ  負極集電体
３ｂ  負極活物質
４  セパレーター
５  デンドライト
１０  組電池
１１  コントローラー
Ｖ1〜Ｖn  電圧センサー
Ｉ  電流センサー
【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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