(57)【要約】【課題】デンドライトによるリチウム二次電池の性能低下を防止することができる電源システムを提供する。【解決手段】本発明の電源システム１００は、リチウム二次電池１０，１１および電位調整手段２０，７０を有する。リチウム二次電池１０，１１は、リチウムを含む正極を備えている。電位調整手段２０，７０は、リチウム二次電池１０，１１の負極の電位を上昇させることによって、リチウム二次電池１０，１１の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムを含む正極を備えたリチウム二次電池と、
前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、当該リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する電位調整手段と、を有することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記電位調整手段は、前記リチウム二次電池を放電させることにより、前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させる放電抵抗器を含むことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記電位調整手段は、前記リチウム二次電池に逆電圧を印加することにより、前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させる外部電源を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記リチウム二次電池の負極は、耐酸化性物質から形成される集電板を有することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項５】
前記集電板は、ステンレス鋼またはチタンから形成されることを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
【請求項６】
前記集電板の表面は、酸化膜、窒化膜、またはフッ化膜によって覆われていることを特徴とする請求項５に記載の電源システム。
【請求項７】
前記リチウム二次電池の負極の電位を検出する電位検出手段と、
前記電位検出手段で検出される電位に基づいて、前記電位調整手段を制御する制御手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項８】
前記リチウム二次電池には、当該リチウム二次電池の負極の電位を測定するための参照極が設けられており、
前記電位検出手段は、前記リチウム二次電池の負極と前記参照極との電位差を、当該リチウム二次電池の負極の電位として検出する電圧センサを含むことを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記電位検出手段で検出される電位が予め設定されるデンドライト溶解電位を維持するように、前記電位調整手段を制御することを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
【請求項１０】
前記リチウム二次電池は、複数の単電池から構成される組電池であって、
前記電源システムは、前記複数の単電池それぞれの充電量を検出する充電量検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記複数の単電池のうち、充電量の最も多い単電池の負極の電位に基づいて、前記電位調整手段を制御することを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電源システムを駆動用電源として搭載したことを特徴とする車両。
【請求項１２】
リチウムを含む正極を備えたリチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、前記リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去することを特徴とする電源システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池を電源として用いた電源システムおよびこれを搭載した車両ならびに電源システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車（ＥＶ）およびハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のモータ駆動用電源として、リチウム二次電池の開発が盛んである。
【０００３】
リチウム二次電池に関する技術としては、二次電池の耐久性向上の要求から、下記の特許文献１に示すようなリチウム二次電池の充電方法が提案されている。特許文献１に開示されている充電方法は、オンとオフとを交互に繰り返すパルス電流を供給することによりリチウム二次電池を充電するものである。このような構成の充電方法によれば、リチウム二次電池の性能低下を引き起こすリチウムのデンドライが、充電時にリチウム二次電池の負極に析出することを抑制することができる。
【特許文献１】特開平７−２６３０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記充電方法では、デンドライトの析出を抑制することができるものの、デンドライトは経時的に析出し、いずれはリチウム二次電池の性能低下を引き起こすという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、デンドライトによるリチウム二次電池の性能低下を防止することができる電源システムおよび電源システムの制御方法を提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、上記電源システムを搭載した車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００８】
本発明の電源システムは、リチウム二次電池および電位調整手段を有する。前記リチウム二次電池は、リチウムを含む正極を備えている。前記電位調整手段は、前記リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、当該リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。
【０００９】
本発明の電源システムの制御方法は、リチウムを含む正極を備えたリチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、前記リチウム二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。
【００１０】
本発明の車両は、上記電源システムを駆動用電源として搭載している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電源システムおよび電源システムの制御方法によれば、リチウム二次電池の負極の電位が上昇されることによってリチウムのデンドライトが溶解除去されるため、デンドライトの析出によるリチウム二次電池の性能低下が防止される。したがって、リチウム二次電池の耐久性を向上することができる。
【００１２】
本発明の車両によれば、リチウム二次電池の性能が長期間維持されるため、車両の信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態では、本発明を電気自動車のモータ駆動用の電源システムに適用した場合を例にとって説明する。図中、同様の部材には、同一の符号を用いた。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態の電源システムは、リチウム二次電池の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超えた場合に、リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトを溶解除去するものである。
【００１５】
図１に示すとおり、本実施の形態の電源システム１００は、組電池１０、外部電源２０、電圧センサ３０、温度センサ４０、および電源制御装置５０を備える。組電池１０は、インバータ６０を介してモータ７０に接続されており、電源制御装置５０は、車内ネットワークを通じて車両制御装置８０に接続されている。
【００１６】
組電池１０は、モータ７０に電力を供給するものである。組電池１０は、繰り返し充放電可能なリチウム二次電池であって、リチウムを含む正極を備えたリチウム単電池（以下、電池セルと称する）１１が複数直列に接続されて構成される。組電池１０を構成する電池セル１１についての詳細な説明については後述する。
【００１７】
外部電源２０は、電位調整手段として、組電池１０に逆電圧を印加することにより、組電池１０の負極の電位を上昇させるものである。外部電源２０は、その負極端子が組電池１０の正極端子に接続され、その正極端子が組電池１０の負極端子に接続される。本実施の形態の外部電源２０は、直流電源および可変抵抗器を含む可変電源であって、電源制御装置５０により制御される。あるいは、本実施の形態と異なり、外部電源２０は、組電池１０にパルス電圧（パルス電流）を印加するパルス電源を有してもよい。
【００１８】
電圧センサ３０は、組電池１０の電圧を検出するものである。電圧センサ３０は、組電池１０と並列に接続されており、組電池１０の充電量（ＳＯＣ）として組電池１０の開放電圧を検出する。電圧センサ３０は、電源制御装置５０と電気的に接続されており、検出された電圧信号は電源制御装置５０に送信される。
【００１９】
温度センサ４０は、組電池１０の温度を検出するものである。温度センサ４０は、組電池１０内部に設けられ、組電池１０が使用される環境の温度として組電池１０内部の温度を検出する。温度センサ４０は、電源制御装置５０と電気的に接続されており、検出された温度信号は電源制御装置５０に送信される。
【００２０】
電源制御装置５０は、制御手段として、電圧センサ３０および温度センサ４０によって検出される信号を処理し、外部電源２０およびモータ７０を制御するものである。電源制御装置５０は、インバータ６０と組電池１０とを接続する強電ハーネスに設けられた強電スイッチを制御するとともに、車両制御装置８０を介して、モータ７０に接続されるインバータ６０に制御信号を出力することができる。
【００２１】
電源制御装置５０は、たとえば、一般的なコンピュータであって、ＣＰＵ５１およびメモリ５２を有する。ＣＰＵ５１は、外部電源２０およびモータ７０の動作を制御する制御部、および、リチウムのデンドライトの析出量を算出する析出量算出部として機能する。メモリ５２は、格納手段として、組電池１０の充放電履歴情報、および、組電池１０の開放電圧と充電量との関係を示す開放電圧−充電量データを格納している。
【００２２】
次に、図２および図３を参照しつつ、本実施の形態の組電池１０を構成している電池セル１１について詳細に説明する。
【００２３】
図２は、図１に示す電源システムにおける組電池を構成する電池セルの構造を説明するための断面図であり、図３は、図２に示す電池セルの部分拡大図である。
【００２４】
図２に示すとおり、本実施の形態の電池セル１１は、ラミネートフィルムよりなる外装材１２に、電池要素（発電要素）および参照極１３が収納された構成を有している。また、本実施の形態の電池セル１１には、電池セル１１の負極の電位を検出する電位検出手段としての第１セル電圧センサ３１が接続されている。
【００２５】
電池要素は、リチウムイオンを吸蔵および放出する正極活物質および負極活物質を含み、正極と負極の間の電解質（非水電解液）をリチウムイオンが移動することによって充放電するものである。電池要素は、正極集電体１４ａの両面（電池要素の最下層および最上層用は片面）に正極活物質層１４ｂが形成された正極１４と、電解質層１５と、負極集電体１６ａの両面に負極活物質層１６ｂが形成された負極１６とが複数積層されて構成される。正極集電体１４ａおよび負極集電体１６ａは延長されて、外装材１２から導出する正極タブ１７および負極タブ１８にそれぞれ取り付けられている。
【００２６】
参照極１３は、電池セル１１の負極の電位を測定するためのものである。参照極１３は、たとえば、金属リチウムから形成され、電解質層１５をなすセパレータの端部に設けられている。参照極１３には、外装材１２の外部まで導出されるリード線（不図示）が取り付けられており、リード線は、第１セル電圧センサ３１に接続されている。なお、本実施の形態とは異なり、参照極１３は、電池セル１１内部に１個だけ設けられてもよく、この場合、参照極１３は、負極近傍に設けられることが好ましい。
【００２７】
また、図３に示すとおり、本実施の形態の負極集電体１６ａは、ステンレス鋼およびチタンなどの耐酸化性金属板材から形成されており、その表面は、酸化膜、窒化膜、またはフッ化膜などの表面処理膜１６ｃによって覆われている。このような表面処理膜１６ｃは、スパッタ法、イオンビーム法、および化学蒸着法などの乾式成膜法によって、負極集電体１６ａの電子伝導性を失わせない程度の厚さに形成される。負極集電体１６ａの両面には、たとえば、グラファイトカーボンおよびハードカーボンなどの炭素材料からなる負極活物質が塗布される。なお、正極集電体１４ａ、正極活物質層１４ｂ、電解質層１５、および負極活物質層１６ｂ自体は、リチウム二次電池に用いられる一般的な物質から構成されるものであるため、詳細な説明は省略する。
【００２８】
以上のとおり構成される本実施の形態の電源システム１００では、電池セル１１の負極に析出するリチウムのデンドライトの析出量が許容量を超えた場合、電池セル１１の負極１６の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトが溶解除去される。以下、図４〜図７を参照しつつ、本実施の形態の電源システムの制御方法について詳細に説明する。
【００２９】
図４は、図１に示す電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。なお、以下のフローチャートでは、組電池１０を充電する前に、電池セル１１の負極に析出しているリチウムのデンドライトを溶解除去する場合を例にとって説明する。
【００３０】
図４に示すとおり、本実施の形態における電源システムの制御方法では、まず、デンドライトの析出量が算出される（ステップＳ１０１）。本実施の形態では、組電池１０が充放電された履歴を示す充放電履歴情報に基づいて、ＣＰＵ５１が組電池１０の内部に析出されるデンドライトの析出量の推定値を算出する。
【００３１】
次に、デンドライトの析出量が許容値以上か否かが判断される（ステップＳ１０２）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が、ステップＳ１０１に示す処理で算出されたデンドライトの析出量と予め設定される許容値とを比較して、析出量が許容値以上か否かを判断する。ここで、許容値は、たとえば、０．３（ｍｇ）であり、デンドライトが電池セル１１の性能低下を引き起こさないように、電池セル１１に用いられている物質および電池セル１１の寸法などに応じて設定される。
【００３２】
デンドライトの析出量が許容値未満の場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、デンドライトが電池セル１１の性能低下を引き起こす可能性は低いとして、デンドライトを溶解除去することなく、ステップＳ１０６以下に示す充電処理に移行する。一方、デンドライトの析出量が許容値以上の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、組電池１０の充電量が検出される（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、電圧センサ３０によって検出される組電池１０の開放電圧から、ＣＰＵ５１が組電池１０の充電量を算出する。より具体的には、メモリ５２に格納されている開放電圧−充電量データに基づいて、ＣＰＵ５１が組電池１０の充電量を算出する。
【００３３】
次に、検出された組電池１０の充電量が第１設定値以上か否かが判断される（ステップＳ１０４）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が、ステップＳ１０３に示す処理で算出された充電量と第１設定値とを比較して、充電量が第１設定値以上か否かを判断する。ここで、第１設定値は、たとえば、６０％であり、後続するデンドライト溶解処理で消費される電力が大きくなり過ぎないように、電池セル１１に用いられている物質などに応じて設定される。
【００３４】
組電池１０の充電量が第１設定値以上の場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、後続するデンドライト溶解処理で消費される電力が大き過ぎて効率的ではないとして、デンドライトを溶解除去することなく、ステップＳ１０６以下に示す充電処理に移行する。一方、組電池１０の充電量が第１設定値未満の場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、組電池１０に析出したデンドライトが溶解除去される（ステップＳ１０５）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が外部電源２０またはモータ７０の動作を制御して、電池セル１１の負極の電位を上昇させることにより、負極に析出したデンドライトを溶解除去する。ステップＳ１０５に示すデンドライト溶解処理の詳細については後述する。
【００３５】
次に、組電池１０の充電が開始される（ステップＳ１０６）。そして、組電池１０の充電が完了するまで充電が継続され（ステップＳ１０７，Ｓ１０８）、処理が終了される。なお、ステップＳ１０６〜Ｓ１０８に示す処理は、一般的なリチウム二次電池の充電処理であるため、詳細な説明は省略する。
【００３６】
以上のとおり、図４のフローチャートに示す処理によれば、組電池１０を構成する電池セル１１の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超える場合、電池セル１１の負極の電位が上昇されることによって、析出したデンドライトが溶解除去される。その結果、電池セル１１の負極に析出したリチウムのデンドライトに起因する電池セル１１の性能低下が防止される。以下、図５および図６を参照しつつ、リチウムのデンドライトを溶解除去するデンドライト溶解処理について詳細に説明する。
【００３７】
図５は、図４のステップＳ１０５に示すデンドライト溶解処理を説明するためのフローチャートである。本実施の形態では、電池セル１１に外部から逆電圧を印加することによって、または、電池セル１１を放電させることによって、電池セル１１の負極の電位を上昇させ、負極に析出しているリチウムのデンドライトを溶解除去する。
【００３８】
図５に示すとおり、本実施の形態のデンドライト溶解処理では、まず、組電池１０の充電量が第２設定値未満か否かが判断される（ステップＳ２０１）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が、図４のステップＳ１０３に示す充電量検出処理で検出された組電池１０の充電量と第２設定値とを比較して、充電量が第２設定値未満か否かを判断する。ここで、第２設定値は、たとえば、１０％であり、モータ７０によって消費可能な電力などに応じて設定される。
【００３９】
組電池１０の充電量が第２設定値以上の場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、デンドライトを溶解除去するために、外部電源２０から組電池１０に逆電圧が印加される（ステップＳ２０２）。本実施の形態では、電源制御装置５０が外部電源２０に指令信号を出力して、外部電源２０から組電池１０に逆電圧を印加する。外部電源２０から逆電圧が印加されることにより、電池セル１１の負極１６の電位は強制的に上昇される。電池セル１１の負極の電位が上昇されることにより、負極に析出しているデンドライトが溶解される。
【００４０】
次に、電池セル１１の負極の電位が検出される（ステップＳ２０３）。本実施の形態では、第１セル電圧センサ３１によって、一の電池セル１１の内部に設けられた参照極１３と負極１６との電位差が負極の電位として検出される。
【００４１】
そして、検出された負極の電位が予め設定されるデンドライト溶解電位以上か否かが判断される（ステップＳ２０４）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が、ステップＳ２０３に示す処理で検出された負極の電位とデンドライト溶解電位とを比較して、負極の電位がデンドライト溶解電位以上か否かを判断する。ここで、デンドライト溶解電位は、たとえば、２Ｖであって、デンドライトを効果的に溶解除去することができる電位である。デンドライト溶解電位は、電池セル１１に用いられている物質に応じて設定される。
【００４２】
負極の電位がデンドライト溶解電位未満の場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、負極の電位がデンドライト溶解電位に到達するまで、外部電源２０から印加される逆電圧の大きさが増加される。一方、負極の電位がデンドライト溶解電位以上の場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、外部電源２０から印加される逆電圧の大きさが維持される（ステップＳ２０５）。
【００４３】
次に、所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ２０６）。所定時間が経過していない場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、所定時間が経過するまで、外部電源２０から印加される逆電圧の大きさが維持される。一方、所定時間が経過した場合（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、外部電源２０からの逆電圧の印加が停止され（ステップＳ２０７）、処理が終了される。
【００４４】
以上のとおり、ステップＳ２０２〜Ｓ２０７に示す処理によれば、外部電源２０から組電池１０に逆電圧が印加されることによって、電池セル１１の負極の電位が強制的に上昇される。電池セル１１の負極１６の電位が上昇されることにより、電池セル１１の負極１６に析出しているデンドライトが溶解除去される。
【００４５】
一方、ステップＳ２０１に示す充電量判断処理において、組電池１０の充電量が第２設定値未満の場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、デンドライトを溶解除去するために、組電池１０の放電が開始される（ステップＳ２０８）。本実施の形態では、電源制御装置５０がインバータ６０に指令信号を出力してモータ７０を駆動させることにより、組電池１０を放電させる。電位調整手段としてのモータ７０によって電流を取り出されることにより、電池セル１１の負極の電位は上昇される。電池セル１１の負極の電位が上昇されることにより、負極に析出しているデンドライトが溶解される。
【００４６】
次に、電池セル１１の負極の電位が検出される（ステップＳ２０９）。本実施の形態では、第１セル電圧センサ３１によって、一の電池セル１１の内部に設けられた参照極１３と負極１６との電位差が負極の電位として検出される。
【００４７】
そして、検出された負極の電位が予め設定されるデンドライト溶解電位以上か否かが判断される（ステップＳ２１０）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が、ステップＳ２０９に示す処理で検出された負極の電位とデンドライト溶解電位とを比較して、負極の電位がデンドライト溶解電位以上か否かを判断する。ここで、デンドライト溶解電位は、たとえば、２Ｖであって、デンドライトを効果的に溶解除去することができる電位である。デンドライト溶解電位は、電池セル１１に用いられている物質に応じて設定される。
【００４８】
負極の電位がデンドライト溶解電位未満の場合（ステップＳ２１０：ＮＯ）、負極の電位がデンドライト溶解電位に到達するまで、たとえば、モータ７０の回転数を増加することにより、組電池１０から取り出される電流が増加される。一方、負極の電位がデンドライト溶解電位以上の場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、たとえば、モータ７０の回転数を維持することにより、組電池１０から取り出される電流が維持される（ステップＳ２１１）。
【００４９】
次に、所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ２１２）。所定時間が経過していない場合（ステップＳ２１２：ＮＯ）、所定時間が経過するまで、組電池１０から取り出される電流の大きさが維持される。一方、所定時間が経過した場合（ステップＳ２１２：ＹＥＳ）、モータ７０の停止によって放電が停止され（ステップＳ２１３）、処理が終了される。
【００５０】
以上のとおり、ステップＳ２０８〜Ｓ２１３に示す処理によれば、組電池１０を放電させることによって電池セル１１の負極の電位が上昇される。電池セル１１の負極１６の電位が上昇されることにより、電池セル１１の負極１６に析出しているデンドライトが溶解除去される。
【００５１】
図６は、上述したデンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電極電位および電池電圧の変化を説明するための図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、デンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電極電位の変化を模式的に示す図であり、図６（Ｃ）は、デンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電池電圧の変化を模式的に示す図である。
【００５２】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すとおり、本実施の形態のデンドライト溶解処理では、電池セル１１に逆電圧を印加することにより、または、電池セル１１を放電させることにより、電池セル１１の負極１６の電位がデンドライト溶解電位近傍まで上昇される。また、図６（Ｃ）に示すとおり、本実施の形態のデンドライト溶解処理では、電池セル１１の正極と負極の電位差である電池電圧は、転極するように減少する。
【００５３】
以上のとおり、図５のフローチャートに示すデンドライト溶解処理によれば、組電池１０の充電量に応じて外部電源２０またはモータ７０の動作が制御され、予め設定されるデンドライト溶解電位まで、電池セル１１の負極の電位が上昇される。その結果、電池セル１１の負極に析出しているリチウムのデンドライトが溶解除去される。
【００５４】
なお、上述したデンドライト溶解処理では、組電池１０の充電量に応じて、組電池１０に逆電圧を印加する処理と組電池１０を放電させる処理とが使い分けられた。しかしながら、組電池１０の充電量に関わらず、組電池１０に逆電圧を印加する処理および組電池１０を放電させる処理の一方の処理のみによってデンドライトを溶解除去してもよい。また、組電池１０を放電させる放電抵抗器は、モータ７０に限定されるものではなく、別途に放電抵抗器が設けられてもよい。
【００５５】
さらに、上述したデンドライト溶解処理では、一の電池セル１１の負極の電位をモニタリングしつつ、電池セル１１の負極の電位を上昇させた。しかしながら、電池セル１１の負極の電位を必ずしもモニタリングする必要はなく、予め設定した逆電圧を組電池１０に印加してもよい。あるいは、予め設定した電流値（レート値）で組電池１０が放電するように、強電ハーネスに設けられた電流センサ９０で電流値をモニタリングしつつ、モータ７０の動作を制御してもよい。
【００５６】
次に、本実施の形態の電源システム１００における作用効果を説明する。
【００５７】
図７は、本実施の形態の電源システムによるリチウム二次電池の耐久性向上効果を説明するための図である。具体的には、図７は、リチウム二次電池の負極に析出するデンドライトの経時的な析出量を模式的に示したものである。なお、図７では、一般的な電源システムを用いた場合を比較例として示している。図７中の破線は、比較例におけるデンドライトの析出量の経時的な変化を表しており、実線は、本実施の形態におけるデンドライトの析出量の経時的な変化を表している。
【００５８】
比較例では、リチウムのデンドライトが溶解除去されることなく、リチウム二次電池の充放電が繰り返される。リチウム二次電池の充放電にともなって、樹枝状の析出物であるデンドライトは、リチウム二次電池の負極表面の凹凸部または負極の端部に析出・成長する。このようなデンドライトは、電解質層をなすセパレータを貫通して、リチウム二次電池の正極および負極間に内部短絡を引き起こす可能性がある。したがって、一般的な電源システムでは、リチウム二次電池の充放電が繰り返されることによりデンドライトが負極に析出し、リチウム二次電池の性能低下が引き起こされる可能性がある。
【００５９】
一方、本実施の形態では、許容量以上のデンドライトが析出した場合、リチウム二次電池の負極の電位を上昇させることによって、析出したデンドライトが溶解除去される。したがって、充放電が繰り返されても、デンドライトの析出量は許容量未満に維持され、リチウム二次電池の性能低下は防止される。その結果、リチウム二次電池の耐久性が向上する。
【００６０】
次に、図８を参照しつつ、本実施の形態の電源システムが搭載された車両を説明する。
【００６１】
図８は、本実施の形態の電源システムを駆動用電源として搭載した電気自動車を示す図である。本実施の形態の電源システム１００は、自動車および電車などの車両に搭載され、モータなどの電気機器の駆動用電源として使用されることができる。
【００６２】
図８に示すとおり、本実施の形態の電源システム１００を搭載した電気自動車２００では、組電池１０から電力を供給されるモータ７０によって駆動輪が回転し、電気自動車２００が走行する。本実施の形態の電気自動車２００は、組電池１０の性能が長期間維持されるため、車両２００の信頼性が向上する。
【００６３】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００６４】
（ａ）本実施の形態の電源システムは、リチウムを含む正極を備えた電池セルと、電池セルの負極の電位を上昇させることによって、当該電池セルの負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する外部電源およびモータと、を有する。したがって、電池セルの負極の電位が上昇されることによってリチウムのデンドライトが溶解除去されるため、デンドライトの析出による電池セルの性能低下が防止される。その結果、電池セルの耐久性を向上することができる。
【００６５】
（ｂ）モータは、電池セルを放電させることにより、電池セルの負極の電位を上昇させる。したがって、別途に外部電源などを設けることなく、電池セルの負極の電位を上昇させることができる。
【００６６】
（ｃ）外部電源は、電池セルに逆電圧を印加することにより、電池セルの負極の電位を上昇させる。したがって、モータに負荷をかけることなく、電池セルの負極の電位を上昇させることができる。
【００６７】
（ｄ）電池セルの負極は、耐酸化性物質から形成される負極集電体を有する。したがって、負極の電位の上昇による負極集電体の腐食が抑制される。その結果、電池セルの耐久性が向上する。また、一般的な銅箔などの負極集電体と比較して、負極集電体の腐食により負極集電体を構成する金属イオンが電解液中に溶出して二次電池の性能低下を引き起こしてしまう現象が防止される。
【００６８】
（ｅ）負極集電体は、ステンレス鋼またはチタンから形成される。したがって、負極集電体の耐酸化性を向上することができる。
【００６９】
（ｆ）負極集電体の表面は、酸化膜、窒化膜、またはフッ化膜によって覆われている。したがって、負極の電位の上昇による負極集電体の腐食がより確実に抑制される。
【００７０】
（ｇ）本実施の形態の電源システムは、電池セルの負極の電位を検出する第１セル電圧センサと、第１セル電圧センサで検出される電位に基づいて、外部電源またはモータを制御する電源制御装置と、をさらに有する。したがって、電池セルの負極の電位を精度よく制御することができる。
【００７１】
（ｈ）電池セルには、当該電池セルの負極の電位を測定するための参照極が設けられており、第１セル電圧センサは、電池セルの負極と参照極との電位差を、当該電池セルの負極の電位として検出する。したがって、電池セルの負極の電位を精度よく検出することができる。
【００７２】
（ｉ）電源制御装置は、第１セル電圧センサで検出される電位が予め設定されるデンドライト溶解電位を維持するように、外部電源またはモータを制御する。したがって、デンドライトを効率よく除去することができる。また、電池セルの負極の電位が過度に上昇することを防止することができる。
【００７３】
（ｊ）本実施の形態の車両は、上記電源システムを駆動用電源として搭載している。したがって、複数の電池セルから構成される組電池の性能が長期間維持されるため、車両の信頼性が向上する。
【００７４】
（ｋ）本実施の形態における電源システムの制御方法は、リチウムを含む正極を備えた電池セルの負極の電位を上昇させることによって、電池セルの負極に析出するリチウムのデンドライトを溶解除去する。したがって、電池セルの負極の電位が上昇されることによってリチウムのデンドライトが溶解除去されるため、デンドライトの析出による電池セルの性能低下が防止される。その結果、電池セルの耐久性を向上することができる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、組電池を構成する複数の電池セルのうち予め設定された一の電池セルの負極の電位に基づいて、電源制御装置が外部電源またはモータを制御した。本実施の形態では、複数の電池セルのうち最も充電量（ＳＯＣ）の多い一の電池セルに基づいて、電源制御装置が外部電源またはモータを制御する。
【００７６】
図９は、本発明の第２の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【００７７】
図９に示すとおり、本実施の形態の電源システム１００は、組電池１０、外部電源２０、電圧センサ３０、温度センサ４０、電源制御装置５０、および第２セル電圧センサ３２を備える。組電池１０は、インバータ６０を介してモータ７０に接続されており、電源制御装置５０は、車内ネットワークを通じて車両制御装置８０に接続されている。なお、複数の第２セル電圧センサ３２が設けられている点、および電源制御装置５０が第２セル電圧センサ３２からの信号を処理する点を除いては、本実施の形態における電源システムの構成は第１の実施の形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００７８】
第２セル電圧センサ３２は、充電量検出手段として、電池セル１１の充電量を検出するものである。第２セル電圧センサ３２は、組電池１０を構成する複数の電池セル１１のそれぞれに設けられており、電池セル１１の充電量として電池セル１１の電池電圧を検出する。複数の第２セル電圧センサ３２は、それぞれ電源制御装置５０と電気的に接続されており、検出された電圧信号は電源制御装置５０に送信される。
【００７９】
電源制御装置５０は、複数の第２セル電圧センサ３２からの信号を処理して外部電源２０またはモータ７０を制御するものである。電源制御装置５０は、第２セル電圧センサ３２によって取得される複数の電池セル１１の充電量から、最も多い充電量を有する一の電池セル１１を選択し、充電量が最も多い一の電池セル１１の負極の電位に基づいて、外部電源２０またはモータ７０を制御する。
【００８０】
図１０は、図９に示す電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。図１０に示すとおり、本実施の形態における電源システムの制御方法では、まず、デンドライトの析出量が算出され、デンドライトの析出量が許容値以上か否かが判断される（ステップＳ３０１，Ｓ３０２）。デンドライトの析出量が許容値未満の場合（ステップＳ３０２：ＮＯ）、デンドライトを溶解除去することなく、ステップＳ３０８以下に示す充電処理に移行する。一方、デンドライトの析出量が許容値以上の場合（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、組電池１０の充電量が検出される（ステップＳ３０３）。
【００８１】
次に、検出された組電池１０の充電量が第１設定値以上か否かが判断される（ステップＳ３０４）。組電池１０の充電量が第１設定値以上の場合（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）、デンドライトを溶解除去することなく、ステップＳ３０８以下に示す充電処理に移行する。一方、組電池１０の充電量が第１設定値未満の場合（ステップＳ３０４：ＮＯ）、電池セル１１の充電量が検出される（ステップＳ３０５）。本実施の形態では、複数の第２セル電圧センサ３２によって、複数の電池セル１１の電池電圧が電池セル１１の充電量として検出される。
【００８２】
次に、複数の電池セル１１のなかから最も多い充電量を有する電池セル１１が選択される（ステップＳ３０６）。本実施の形態では、ＣＰＵ５１が、ステップＳ３０５に示す処理で取得された複数の電池電圧のなかから、最も高い電池電圧を有する電池セル１１を最も充電量の多い電池セル１１として選択する。
【００８３】
次に、選択された電池セル１１の負極の電位を基準として、デンドライトが溶解除去される（ステップＳ３０７）。なお、選択された電池セル１１の負極の電位を基準として、電源制御装置５０が外部電源２０またはモータ７０を制御する点を除いては、ステップＳ３０７に示すデンドライト溶解処理は、第１の実施の形態の場合と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８４】
次に、組電池１０の充電が開始される（ステップＳ３０８）。そして、組電池１０の充電が完了するまで充電が継続され（ステップＳ３０９，Ｓ３１０）、処理が終了される。
【００８５】
以上のとおり、図１０のフローチャートに示す処理によれば、電池セル１１の負極に析出するデンドライトの析出量が許容量を超える場合、最も多い充電量を有する一の電池セル１１が選択される。そして、選択された電池セル１１の負極の電位に基づいて、各電池セル１１の負極の電位が上昇されることによって、デンドライトが溶解除去される。その結果、電池セル１１の負極に析出したリチウムのデンドライトに起因する電池セル１１の性能低下が防止される。
【００８６】
図１１は、図９に示す電源システムによる作用効果を説明するための図である。図１１中の実線は、最も多い充電量（すなわち、最も大きな電池電圧）の電池セルの電池電圧を表しており、破線および一点鎖線は、その他の電池セルの電池電圧を表している。
【００８７】
図１１に示すとおり、組電池１０を構成する複数の電池セル１１は、充電量（すなわち、電池電圧）にバラツキが存在する。したがって、最も多い充電量を有する電池セルの負極の電位がデンドライト溶解電位よりも高くなるように外部電源２０またはモータ７０を制御することによって、すべての電池セル１１の負極の電位をデンドライト溶解電位以上にすることができる。その結果、すべての電池セル１１のデンドライトを確実に溶解除去することができる。
【００８８】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態における効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００８９】
（ｌ）本実施の形態の電源システムは、複数の電池セルそれぞれの充電量を検出する第２セル電圧センサをさらに有し、電源制御装置は、複数の電池セルのうち、充電量の最も多い電池セルの負極の電位に基づいて、外部電源またはモータを制御する。したがって、すべての電池セルの負極の電位をデンドライト溶解電位よりも高くすることができるため、すべての電池セルに対してデンドライトを確実に溶解除去することができる。
【００９０】
以上のとおり、第１および第２の実施の形態において、本発明の電源システム、電源システムの制御方法、および車両を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【００９１】
たとえば、第１および第２の実施の形態では、第１セル電圧センサによって検出される参照極と負極との電位差を、電池セルの負極の電位として用いた。しかしながら、電池セルの負極の電位は、電流センサによって検出される電流値から演算されてもよい。
【００９２】
また、第１および第２の実施の形態では、デンドライトの析出量が許容量を超えた場合に、デンドライトが溶解除去された。しかしながら、デンドライトを溶解除去するタイミングは、デンドライトの析出量が許容量を超えた場合に限定されるものではなく、たとえば、電気自動車の電源停止直前でもよい。あるいは、電気自動車のメンテナンス時にデンドライト溶解処理が実行されてもよく、定期的にデンドライト溶解処理が実行されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電源システムにおける組電池を構成する電池セルの構造を説明するための断面図である。
【図３】図２に示す電池セルの部分拡大図である。
【図４】図１に示す電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４のステップＳ１０５に示すデンドライト溶解処理を説明するためのフローチャートである。
【図６】図５のデンドライト溶解処理におけるリチウム二次電池の電極電位および電池電圧の変化を説明するための図である。
【図７】図１に示す電源システムによる作用効果を説明するための図である。
【図８】図１に示す電源システムが搭載された電気自動車を説明するための図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における電源システムの概略構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示す電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図９に示す電源システムによる作用効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０  組電池（リチウム二次電池）、
１１  電池セル（リチウム二次電池）、
１３  参照極、
１４  正極、
１６  負極、
１６ａ  負極集電体（集電板）、
１６ｃ  表面処理膜、
２０  外部電源（電位調整手段）、
３０  電圧センサ、
３１  第１セル電圧センサ（電位検出手段）、
３２  第２セル電圧センサ（充電量検出手段）、
４０  温度センサ、
５０  電源制御装置（制御手段）、
７０  モータ（電位調整手段）、
１００  電源システム、
２００  電気自動車（車両）。
【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】
2009199934.tif 000009
【図８】
2009199934.tif 000010
【図９】
2009199934.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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