リチウムイオン二次電池システム及び充放電制御方法
【課題】負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システムを提供することである。
【解決手段】本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、リチウムイオン二次電池１１と、リチウムイオン二次電池１１の充電および放電を制御する制御部１４と、を備える。制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超える充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給された場合、電池電圧１６が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ電池電圧１６が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間でリチウムイオン二次電池１１の放電を実施する。
【解決手段】本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、リチウムイオン二次電池１１と、リチウムイオン二次電池１１の充電および放電を制御する制御部１４と、を備える。制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超える充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給された場合、電池電圧１６が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ電池電圧１６が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間でリチウムイオン二次電池１１の放電を実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウムイオン二次電池システム、及びリチウムイオン二次電池の充放電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すことにより経時的に負極にリチウムのデンドライトが析出する。このリチウムのデンドライトはリチウムイオン二次電池の容量低下の原因となる。
【０００３】
特許文献１には、デンドライトによるリチウムイオン二次電池の性能低下を防止することができるリチウムイオン二次電池システムに関する技術が開示されている。特許文献１にかかるリチウムイオン二次電池システムは、析出量算出手段および溶解除去手段を有する。析出量算出手段は、リチウムイオン二次電池の充放電にともないリチウムイオン二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトの析出量を算出する。溶解除去手段は、析出量算出手段で算出されたデンドライトの析出量に応じてデンドライトを溶解除去する処理を実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９９９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
背景技術で説明したように、特許文献１に開示されているリチウムイオン二次電池では、負極に析出したリチウムのデンドライトの析出量を算出し、このデンドライトの析出量が許容値以上か否かを判断し、許容値を超えた場合にデンドライトを溶解除去する処理を実施している。
【０００６】
しかしながら、負極に析出したリチウムのデンドライトの表面には時間経過と共に皮膜が形成される。この皮膜はリチウムの溶解除去の妨げとなるため、リチウムの析出量が許容値以上となるまで放置しておくと、負極に析出したリチウムの除去が困難となるという問題があった。
【０００７】
上記課題に鑑み本発明の目的は、負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システム、リチウムイオン二次電池の充放電制御方法、およびリチウムイオン二次電池システムを用い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】
【０００８】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、リチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備えるリチウムイオン二次電池システムであって、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する。
【０００９】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは更に補助電池を備え、前記リチウムイオン二次電池および前記補助電池は所定の負荷に電力を供給可能に構成されており、 前記補助電池は、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記負荷に電力を供給することができる。
【００１０】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムにおいて、前記負荷はモータであり、前記リチウムイオン二次電池を前記モータの回生エネルギーを用いて充電してもよい。
【００１１】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、更に前記リチウムイオン二次電池の放電時に前記リチウムイオン二次電池のエネルギーを熱に変換する抵抗素子を備えていてもよい。
【００１２】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施してもよい。
【００１３】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムにおいて、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の充電電流値をＩ（ｉｎ）、充電時間をｔ（ｉｎ）、放電電流値をＩ（ｏｕｔ）、放電時間をｔ（ｏｕｔ）とした場合、Ｉ（ｏｕｔ）＝Ｉ（ｉｎ）×１／５、ｔ（ｏｕｔ）＝ｔ（ｉｎ）×５の条件で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施してもよい。
【００１４】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法は、リチウムイオン二次電池の電池電圧を監視し、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値と充電時間とを取得し、前記充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する。
【００１５】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法において、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記リチウムイオン二次電池の代わりに補助電池を用いて負荷に電力を供給してもよい。
【００１６】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法において、前記リチウムイオン二次電池の電力を抵抗素子を用いて熱に変換することで前記放電を実施してもよい。
【００１７】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法において、前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施してもよい。
【００１８】
本発明にかかる車両は、車輪を駆動するモータおよびエンジンと、前記モータに電力を供給するリチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備える車両であって、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する。
【００１９】
本発明にかかる車両において、前記エンジンは、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記車輪を駆動してもよい。
【００２０】
本発明にかかる車両において、前記リチウムイオン二次電池を前記モータの回生エネルギーを用いて充電してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システム、リチウムイオン二次電池の充放電制御方法、およびリチウムイオン二次電池システムを用いた車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムを示すブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムの充電時の動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システムを示すブロック図である。
【図５】実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システムの他の構成例を示すブロック図である。
【図７】実施の形態３にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合を示すブロック図である。
【図８】実施の形態３にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムの試験方法を説明するための図である。
【図１０】本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムの試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システム１０は、リチウムイオン二次電池１１、充電部１２、放電部１３、制御部１４、および負荷１５を有する。
【００２４】
リチウムイオン二次電池１１は、負荷１５に電力を供給する。リチウムイオン二次電池１１は、単一のリチウムイオン二次電池でもよく、また複数のリチウムイオン二次電池を電気的に接続することで構成された組電池であってもよい。
【００２５】
リチウムイオン二次電池１１は、正極活物質を担持した正電極板、負極活物質を担持した負電極板、正電極板および負電極板の間に介在するセパレータ、および非水電解液を備える。リチウムイオン二次電池１１は、例えば帯状の正電極板と帯状の負電極板とを帯状のセパレータを介して捲回した捲回状の電極体を備えるものや、複数の正電極板と複数の負電極板とを、セパレータを介して交互に積層した積層状の電極体を備えるものなどが挙げられる。
【００２６】
正極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）およびこれらの混合物等を用いることができる。負極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えば、黒鉛（グラファイト）等からなる粉末状の炭素材料を用いることができる。非水電解液の非水溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等からなる群から選択された一種または二種以上の材料を用いることができる。また、非水電解液の支持塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＩ等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物（リチウム塩）を用いることができる。セパレータとしては、多孔性ポリエチレン膜、多孔性ポリオレフィン膜、および多孔性ポリ塩化ビニル膜等の多孔性ポリマー膜等を用いることができる。
【００２７】
充電部１２は、制御部１４から出力された充電制御信号１８に応じて、リチウムイオン二次電池１１を充電する。充電部１２がリチウムイオン二次電池１１を充電する際は、所定の充電電流１７をリチウムイオン二次電池１１に供給する。充電部１２は、リチウムイオン二次電池１１の充電に必要な電力を外部電源（不図示）から取得してもよく、また、負荷１５がモータである場合はモータから供給される回生エネルギー（回生電流）を用いてもよい。
【００２８】
放電部１３は、制御部１４から出力された放電制御信号１９に応じて、リチウムイオン二次電池１１に蓄積されている電力を放電する処理を実施する。放電部１３は、例えば抵抗素子を備えており、この抵抗素子に電流を流して電力を熱に変換することでリチウムイオン二次電池１１の放電を実施することができる。
【００２９】
制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の充電および放電を制御する。つまり、制御部１４は、充電部１２に充電制御信号１８を供給することでリチウムイオン二次電池１１の充電を制御し、放電部１３に放電制御信号１９を供給することでリチウムイオン二次電池１１の放電を制御する。
【００３０】
制御部１４は、充電部１２から出力された充電電流１７、およびリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６をモニタすることができる。そして、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給された場合、リチウムイオン二次電池１１の放電を実施する。このとき、制御部１４は、電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で放電を実施する。なお、リチウムイオン二次電池１１は、電池電圧が４．１Ｖを超えた場合にリチウムのデンドライトが負極に析出しやすくなる。また、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給される場合とは、例えば充電部１２に電力を供給している外部電源（不図示）からの電力供給量が急激に増加した場合などである。一例を挙げると、例えば充電部１２に供給される電力がモータの回生エネルギーであり、モータに急激に回生ブレーキが働くことで、モータから充電部１２に急激に回生エネルギーが供給されるような場合である。
【００３１】
負荷１５は、リチウムイオン二次電池１１から供給される電力を用いて動作する。負荷１５としては、例えばモータ等の駆動装置や、携帯電話やパーソナルコンピュータ等の電子機器等である。
【００３２】
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
制御部１４はリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６を監視し（ステップＳ１１）、この監視結果に応じて充電部１２に充電制御信号１８を出力する。通常動作時において、制御部１４は、例えば、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が所定の電圧よりも低くなった場合、充電部１２に充電を指示する充電制御信号１８を出力する。このとき、充電部１２は、リチウムイオン二次電池１１に所定の充電電流１７を供給してリチウムイオン二次電池１１を充電する。また、例えば、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が所定の電圧よりも高くなった場合、充電部１２に充電の休止を指示する充電制御信号１８を出力する。このとき、充電部１２は、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する。
【００３４】
また、制御部１４は、異常動作を検知した場合、つまりリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給されたことを検知した場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、充電部１２にリチウムイオン二次電池１１の充電を休止することを指示する充電制御信号１８を出力して、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ１３）。
【００３５】
図３を用いて具体的に説明すると、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給された場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、充電部１２は、タイミングｔ１において、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ１３）。これにより、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧は徐々に低下し、３．７５Ｖ付近で一定となる。
【００３６】
そして、制御部１４は、電池電圧１６が４．１Ｖを超えた際（図３においてハッチング線で示す）の充電電流１７の値Ｉ（ｉｎ）と、充電時間ｔ（ｉｎ）とを取得する（ステップＳ１４）。その後、制御部１４は、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池１１の放電を行なう（ステップＳ１５）。
【００３７】
このとき、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）を小さくするほど、また放電時間ｔ（ｏｕｔ）を大きくするほど、リチウムイオン二次電池１１の電池特性（容量維持率）が向上する。しかし、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）を小さくし、放電時間ｔ（ｏｕｔ）を大きくすると放電に時間がかかる。この点を考慮すると、本実施の形態では、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／５、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×５の条件を満たすように放電することで、最も効果的にリチウムイオン二次電池１１の放電を実施することができる。リチウムイオン二次電池１１の放電処理が終了した後、制御部１４は、再度リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６の監視を開始する（ステップＳ１１）。
【００３８】
背景技術で説明したように、特許文献１に開示されているリチウムイオン二次電池では、負極に析出したリチウムのデンドライトの析出量を算出し、このデンドライトの析出量が許容値以上か否かを判断し、許容値を超えた場合にデンドライトを溶解除去する処理を実施していた。
【００３９】
しかしながら、負極に析出したリチウムのデンドライトの表面には時間経過と共に皮膜等が形成される。この皮膜はリチウムの溶解除去の妨げとなるため、リチウムの析出量が許容値以上となるまで放置しておくと、負極に析出したリチウムの除去が困難となるという問題があった。そして、負極に析出したリチウムは負極における反応に寄与しないため、リチウムイオン二次電池の容量が低下するという問題があった。
【００４０】
これに対して本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムでは、リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超えるような充電電流がリチウムイオン二次電池に供給された場合、リチウムイオン二次電池の放電を実施している。このように、電池電圧が４．１Ｖを超えるような充電電流がリチウムイオン二次電池１１に供給される度に、リチウムイオン二次電池の放電を実施することで、負極に析出したリチウムの表面に皮膜が形成される前に、負極に析出したリチウムを除去することができる。よって、負極に析出したリチウムを確実に除去することができる。
【００４１】
また、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムでは、電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間でリチウムイオン二次電池の放電を実施することで、負極に析出したリチウムの溶解量（除去量）を増加させることができる。
【００４２】
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システムおよびリチウムイオン二次電池の充放電制御方法を提供することができる。
【００４３】
＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システム２０を示すブロック図である。図４に示す本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システム２０は、補助電池２１を有する点が実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と異なる。これ以外は実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００４４】
補助電池２１は、制御部１４から出力された補助電池制御信号２５に応じて、負荷１５に電力を供給する。具体的には、補助電池２１は、リチウムイオン二次電池１１の放電を実施している期間、リチウムイオン二次電池１１の代わりに負荷１５に電力を供給する。補助電池２１は、例えばリチウム電池等の一次電池で構成してもよく、またリチウムイオン二次電池等の二次電池で構成してもよい。
【００４５】
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４６】
制御部１４はリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６を監視している（ステップＳ２１）。そして、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給されたことを検知した場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、充電部１２にリチウムイオン二次電池１１の充電を休止することを指示する充電制御信号１８を出力して、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ２３）。
【００４７】
また、制御部１４は、補助電池２１に対して、負荷１５に電力を供給することを指示する補助電池制御信号２５を出力する。これにより、負荷１５には補助電池２１から電力が供給される（ステップＳ２４）。
【００４８】
制御部１４は、電池電圧１６が４．１Ｖを超えた際の充電電流１７の値Ｉ（ｉｎ）と、充電時間ｔ（ｉｎ）とを取得する（ステップＳ２５）。その後、制御部１４は、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池１１の放電を行なう（ステップＳ２６）。リチウムイオン二次電池１１の放電処理が終了した後、補助電池２１から負荷１５への電力供給を休止し、リチウムイオン二次電池１１から負荷１５への電力供給を再開する（ステップＳ２７）。そして、制御部１４は、再度リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６の監視を開始する（ステップＳ２１）。
【００４９】
以上で説明したように、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システム２０では、リチウムイオン二次電池１１が放電処理中のために負荷１５に電力を供給することができない場合であっても、補助電池２１を用いることで負荷１５に電力を供給することができる。よって、負荷１５への電力供給を継続することができる。
【００５０】
図６は、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムの他の構成例を示すブロック図である。図６に示すリチウムイオン二次電池システム２０'では、放電部１３'が補助電池２１を充電することができるように構成している。つまり、放電部１３'は、リチウムイオン二次電池１１を放電する際の電力を用いて補助電池２１を充電することができる。このように、放電部１３'を用いて補助電池２１を充電することで、エネルギーの無駄を抑制することができる。なお、放電部１３'は抵抗素子を備えていてもよく、補助電池２１が満充電の状態の場合は、抵抗素子を用いてリチウムイオン二次電池１１の放電を実施してもよい。
【００５１】
＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本発明の実施の形態３にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合を示すブロック図である。本実施の形態にかかる車両３０では、負荷としてモータ３２を用いている点、動力制御部３１、エンジン３３、および車輪３４を有する点が、実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と異なる。これ以外は実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００５２】
動力制御部３１は、制御部１４から出力された動力制御信号３５に応じて、モータ３２を用いて車輪３４を駆動する場合、エンジン３３を用いて車輪３４を駆動する場合、またはモータ３２とエンジン３３の両方を用いて車輪３４を駆動する場合を切り替える。
【００５３】
モータ３２は、動力制御部３１から出力されたモータ制御信号に応じて車輪３４を駆動する。また、モータ３２は、モータ３２を回生ブレーキとして用いた場合に生成される回生エネルギー３６を充電部１２に供給する。また、エンジン３３は動力制御部３１から出力されたエンジン制御信号に応じて車輪３４を駆動する。
【００５４】
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合の動作について、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下では、初期状態において、モータ３２を用いて、またはモータ３２とエンジン３３の両方を用いて車輪３４を駆動しているものとする。
【００５５】
制御部１４はリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６を監視している（ステップＳ３１）。そして、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給されたことを検知した場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、充電部１２にリチウムイオン二次電池１１の充電を休止することを指示する充電制御信号１８を出力して、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ３３）。例えば、急ブレーキをかけた際にモータ３２から大きな回生エネルギー３６が充電部１２に供給された場合、充電部１２からリチウムイオン二次電池１１に電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７が供給される。
【００５６】
また、制御部１４は、動力制御部３１に対して、モータ３２の駆動を停止し、エンジン３３のみを用いて車輪３４を駆動するような動力制御信号３５を出力する。これにより、エンジン３３のみを用いて車輪３４が駆動される（ステップＳ３４）。
【００５７】
制御部１４は、電池電圧１６が４．１Ｖを超えた際の充電電流１７の値Ｉ（ｉｎ）と、充電時間ｔ（ｉｎ）とを取得する（ステップＳ３５）。その後、制御部１４は、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池１１の放電を行なう（ステップＳ３６）。リチウムイオン二次電池１１の放電処理が終了した後、リチウムイオン二次電池１１はモータ３２への電力供給を再開し、モータ３２は車輪３４の駆動を再開する（ステップＳ３７）。このとき、動力制御部３１は、モータ３２のみを用いて車輪３４を駆動してもよく、またモータ３２とエンジン３３の両方を用いて車輪３４を駆動してもよい。そして、制御部１４は、再度リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６の監視を開始する（ステップＳ３１）。
【００５８】
以上で説明したように、本実施の形態では、リチウムイオン二次電池１１が放電処理中のためにモータ３２に電力を供給することができない場合であっても、エンジン３３を用いることで車輪３４を駆動することができる。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の実施例について説明する。以下で説明する実施例では、所定の条件で充放電を繰り返した際のリチウムイオン二次電池の容量維持率について説明する。なお、試験には、上記で説明したリチウムイオン二次電池を用いた。
【００６０】
図９は、本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムの試験方法を説明するための図である。本実施例では、下記の３つの条件で充放電試験を実施した。なお、以下に示す試験条件では、充電電流と充電時間との積および放電電流と放電時間との積が同じ値となるように設定した。
【００６１】
（１）リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電した後、５分間休止し、その後、４５Ｃの放電電流で１０秒間放電する処理をそれぞれ３００回繰り返した（サンプルＡ）。なお、リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電する条件は、負極にリチウムのデンドライトが析出する条件である。
（２）リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電した後、５分間休止し、その後、１５Ｃの放電電流で３０秒間放電する処理をそれぞれ３００回繰り返した（サンプルＢ）。
（３）リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電した後、５分間休止し、その後、９Ｃの放電電流で５０秒間放電する処理をそれぞれ３００回繰り返した（サンプルＣ）。
【００６２】
また、容量維持率の測定は次のようにして行なった。充放電試験前の放電容量を放電容量Ａ、充放電試験後の放電容量を放電容量Ｂとして、下記の式を用いて容量維持率を求めた。
容量維持率（％）＝（放電容量Ｂ／放電容量Ａ）×１００
なお、放電容量Ａおよび放電容量Ｂは、次のようにして算出した。まず、２０℃の温度環境下で、各リチウムイオン二次電池について電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２の定電流で、電池電圧が上限電圧値４．２Ｖから下限電圧値３．０Ｖに至るまで放電を行なった。このときの放電電気量（ｍＡｈ）を、各リチウム二次電池内の正極活物質の質量（ｇ）で除して、放電容量Ａおよび放電容量Ｂを算出した。
【００６３】
図１０に、各サンプルの充放電試験後の容量維持率を示す。図１０に示すように、充放電条件が放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）＝４５Ｃ、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）＝１０秒であるサンプルＡでは、容量維持率が９１．４％であった。また、充放電条件が放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／３＝１５Ｃ、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×３＝３０秒であるサンプルＢでは、容量維持率が９７．０％であった。また、充放電条件が放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／５＝９Ｃ、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×５＝５０秒であるサンプルＣでは、容量維持率が９８．６％であった。
【００６４】
よって、図１０に示す試験結果から、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池の放電を行なうことで、容量維持率が向上することがわかった。
【００６５】
更に、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）を小さくするほど、また、放電時間ｔ（ｏｕｔ）を大きくするほど、リチウムイオン二次電池の容量維持率が向上することがわかった。特に、本実施例では、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／５、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×５の条件を満たすように放電することで、容量維持率が最も向上した（サンプルＣ）。
【００６６】
以上、本発明を上記実施形態および実施例に即して説明したが、上記実施形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６７】
１０、２０、２０' リチウムイオン二次電池システム
１１ リチウムイオン二次電池
１２ 充電部
１３ 放電部
１４ 制御部
１５ 負荷
１６ 電池電圧
１７ 充電電流
１８ 充電制御信号
１９ 放電制御信号
２１ 補助電池
２５ 補助電池制御信号
３０ 車両
３１ 動力制御部
３２ モータ
３３ エンジン
３４ 車輪
３５ 動力制御信号
３６ 回生エネルギー
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウムイオン二次電池システム、及びリチウムイオン二次電池の充放電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すことにより経時的に負極にリチウムのデンドライトが析出する。このリチウムのデンドライトはリチウムイオン二次電池の容量低下の原因となる。
【０００３】
特許文献１には、デンドライトによるリチウムイオン二次電池の性能低下を防止することができるリチウムイオン二次電池システムに関する技術が開示されている。特許文献１にかかるリチウムイオン二次電池システムは、析出量算出手段および溶解除去手段を有する。析出量算出手段は、リチウムイオン二次電池の充放電にともないリチウムイオン二次電池の負極に析出するリチウムのデンドライトの析出量を算出する。溶解除去手段は、析出量算出手段で算出されたデンドライトの析出量に応じてデンドライトを溶解除去する処理を実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９９９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
背景技術で説明したように、特許文献１に開示されているリチウムイオン二次電池では、負極に析出したリチウムのデンドライトの析出量を算出し、このデンドライトの析出量が許容値以上か否かを判断し、許容値を超えた場合にデンドライトを溶解除去する処理を実施している。
【０００６】
しかしながら、負極に析出したリチウムのデンドライトの表面には時間経過と共に皮膜が形成される。この皮膜はリチウムの溶解除去の妨げとなるため、リチウムの析出量が許容値以上となるまで放置しておくと、負極に析出したリチウムの除去が困難となるという問題があった。
【０００７】
上記課題に鑑み本発明の目的は、負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システム、リチウムイオン二次電池の充放電制御方法、およびリチウムイオン二次電池システムを用い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】
【０００８】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、リチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備えるリチウムイオン二次電池システムであって、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する。
【０００９】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは更に補助電池を備え、前記リチウムイオン二次電池および前記補助電池は所定の負荷に電力を供給可能に構成されており、 前記補助電池は、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記負荷に電力を供給することができる。
【００１０】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムにおいて、前記負荷はモータであり、前記リチウムイオン二次電池を前記モータの回生エネルギーを用いて充電してもよい。
【００１１】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、更に前記リチウムイオン二次電池の放電時に前記リチウムイオン二次電池のエネルギーを熱に変換する抵抗素子を備えていてもよい。
【００１２】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムは、前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施してもよい。
【００１３】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムにおいて、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の充電電流値をＩ（ｉｎ）、充電時間をｔ（ｉｎ）、放電電流値をＩ（ｏｕｔ）、放電時間をｔ（ｏｕｔ）とした場合、Ｉ（ｏｕｔ）＝Ｉ（ｉｎ）×１／５、ｔ（ｏｕｔ）＝ｔ（ｉｎ）×５の条件で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施してもよい。
【００１４】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法は、リチウムイオン二次電池の電池電圧を監視し、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値と充電時間とを取得し、前記充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する。
【００１５】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法において、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記リチウムイオン二次電池の代わりに補助電池を用いて負荷に電力を供給してもよい。
【００１６】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法において、前記リチウムイオン二次電池の電力を抵抗素子を用いて熱に変換することで前記放電を実施してもよい。
【００１７】
本発明にかかるリチウムイオン二次電池の充放電制御方法において、前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施してもよい。
【００１８】
本発明にかかる車両は、車輪を駆動するモータおよびエンジンと、前記モータに電力を供給するリチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備える車両であって、前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する。
【００１９】
本発明にかかる車両において、前記エンジンは、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記車輪を駆動してもよい。
【００２０】
本発明にかかる車両において、前記リチウムイオン二次電池を前記モータの回生エネルギーを用いて充電してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システム、リチウムイオン二次電池の充放電制御方法、およびリチウムイオン二次電池システムを用いた車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムを示すブロック図である。
【図２】実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムの充電時の動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システムを示すブロック図である。
【図５】実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システムの他の構成例を示すブロック図である。
【図７】実施の形態３にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合を示すブロック図である。
【図８】実施の形態３にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムの試験方法を説明するための図である。
【図１０】本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムの試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システム１０は、リチウムイオン二次電池１１、充電部１２、放電部１３、制御部１４、および負荷１５を有する。
【００２４】
リチウムイオン二次電池１１は、負荷１５に電力を供給する。リチウムイオン二次電池１１は、単一のリチウムイオン二次電池でもよく、また複数のリチウムイオン二次電池を電気的に接続することで構成された組電池であってもよい。
【００２５】
リチウムイオン二次電池１１は、正極活物質を担持した正電極板、負極活物質を担持した負電極板、正電極板および負電極板の間に介在するセパレータ、および非水電解液を備える。リチウムイオン二次電池１１は、例えば帯状の正電極板と帯状の負電極板とを帯状のセパレータを介して捲回した捲回状の電極体を備えるものや、複数の正電極板と複数の負電極板とを、セパレータを介して交互に積層した積層状の電極体を備えるものなどが挙げられる。
【００２６】
正極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）およびこれらの混合物等を用いることができる。負極活物質は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、例えば、黒鉛（グラファイト）等からなる粉末状の炭素材料を用いることができる。非水電解液の非水溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等からなる群から選択された一種または二種以上の材料を用いることができる。また、非水電解液の支持塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＩ等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物（リチウム塩）を用いることができる。セパレータとしては、多孔性ポリエチレン膜、多孔性ポリオレフィン膜、および多孔性ポリ塩化ビニル膜等の多孔性ポリマー膜等を用いることができる。
【００２７】
充電部１２は、制御部１４から出力された充電制御信号１８に応じて、リチウムイオン二次電池１１を充電する。充電部１２がリチウムイオン二次電池１１を充電する際は、所定の充電電流１７をリチウムイオン二次電池１１に供給する。充電部１２は、リチウムイオン二次電池１１の充電に必要な電力を外部電源（不図示）から取得してもよく、また、負荷１５がモータである場合はモータから供給される回生エネルギー（回生電流）を用いてもよい。
【００２８】
放電部１３は、制御部１４から出力された放電制御信号１９に応じて、リチウムイオン二次電池１１に蓄積されている電力を放電する処理を実施する。放電部１３は、例えば抵抗素子を備えており、この抵抗素子に電流を流して電力を熱に変換することでリチウムイオン二次電池１１の放電を実施することができる。
【００２９】
制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の充電および放電を制御する。つまり、制御部１４は、充電部１２に充電制御信号１８を供給することでリチウムイオン二次電池１１の充電を制御し、放電部１３に放電制御信号１９を供給することでリチウムイオン二次電池１１の放電を制御する。
【００３０】
制御部１４は、充電部１２から出力された充電電流１７、およびリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６をモニタすることができる。そして、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給された場合、リチウムイオン二次電池１１の放電を実施する。このとき、制御部１４は、電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で放電を実施する。なお、リチウムイオン二次電池１１は、電池電圧が４．１Ｖを超えた場合にリチウムのデンドライトが負極に析出しやすくなる。また、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給される場合とは、例えば充電部１２に電力を供給している外部電源（不図示）からの電力供給量が急激に増加した場合などである。一例を挙げると、例えば充電部１２に供給される電力がモータの回生エネルギーであり、モータに急激に回生ブレーキが働くことで、モータから充電部１２に急激に回生エネルギーが供給されるような場合である。
【００３１】
負荷１５は、リチウムイオン二次電池１１から供給される電力を用いて動作する。負荷１５としては、例えばモータ等の駆動装置や、携帯電話やパーソナルコンピュータ等の電子機器等である。
【００３２】
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
制御部１４はリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６を監視し（ステップＳ１１）、この監視結果に応じて充電部１２に充電制御信号１８を出力する。通常動作時において、制御部１４は、例えば、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が所定の電圧よりも低くなった場合、充電部１２に充電を指示する充電制御信号１８を出力する。このとき、充電部１２は、リチウムイオン二次電池１１に所定の充電電流１７を供給してリチウムイオン二次電池１１を充電する。また、例えば、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が所定の電圧よりも高くなった場合、充電部１２に充電の休止を指示する充電制御信号１８を出力する。このとき、充電部１２は、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する。
【００３４】
また、制御部１４は、異常動作を検知した場合、つまりリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給されたことを検知した場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、充電部１２にリチウムイオン二次電池１１の充電を休止することを指示する充電制御信号１８を出力して、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ１３）。
【００３５】
図３を用いて具体的に説明すると、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給された場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、充電部１２は、タイミングｔ１において、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ１３）。これにより、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧は徐々に低下し、３．７５Ｖ付近で一定となる。
【００３６】
そして、制御部１４は、電池電圧１６が４．１Ｖを超えた際（図３においてハッチング線で示す）の充電電流１７の値Ｉ（ｉｎ）と、充電時間ｔ（ｉｎ）とを取得する（ステップＳ１４）。その後、制御部１４は、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池１１の放電を行なう（ステップＳ１５）。
【００３７】
このとき、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）を小さくするほど、また放電時間ｔ（ｏｕｔ）を大きくするほど、リチウムイオン二次電池１１の電池特性（容量維持率）が向上する。しかし、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）を小さくし、放電時間ｔ（ｏｕｔ）を大きくすると放電に時間がかかる。この点を考慮すると、本実施の形態では、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／５、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×５の条件を満たすように放電することで、最も効果的にリチウムイオン二次電池１１の放電を実施することができる。リチウムイオン二次電池１１の放電処理が終了した後、制御部１４は、再度リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６の監視を開始する（ステップＳ１１）。
【００３８】
背景技術で説明したように、特許文献１に開示されているリチウムイオン二次電池では、負極に析出したリチウムのデンドライトの析出量を算出し、このデンドライトの析出量が許容値以上か否かを判断し、許容値を超えた場合にデンドライトを溶解除去する処理を実施していた。
【００３９】
しかしながら、負極に析出したリチウムのデンドライトの表面には時間経過と共に皮膜等が形成される。この皮膜はリチウムの溶解除去の妨げとなるため、リチウムの析出量が許容値以上となるまで放置しておくと、負極に析出したリチウムの除去が困難となるという問題があった。そして、負極に析出したリチウムは負極における反応に寄与しないため、リチウムイオン二次電池の容量が低下するという問題があった。
【００４０】
これに対して本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムでは、リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超えるような充電電流がリチウムイオン二次電池に供給された場合、リチウムイオン二次電池の放電を実施している。このように、電池電圧が４．１Ｖを超えるような充電電流がリチウムイオン二次電池１１に供給される度に、リチウムイオン二次電池の放電を実施することで、負極に析出したリチウムの表面に皮膜が形成される前に、負極に析出したリチウムを除去することができる。よって、負極に析出したリチウムを確実に除去することができる。
【００４１】
また、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムでは、電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間でリチウムイオン二次電池の放電を実施することで、負極に析出したリチウムの溶解量（除去量）を増加させることができる。
【００４２】
以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、負極に析出したリチウムを除去し電池特性を向上させることができるリチウムイオン二次電池システムおよびリチウムイオン二次電池の充放電制御方法を提供することができる。
【００４３】
＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２にかかるリチウムイオン二次電池システム２０を示すブロック図である。図４に示す本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システム２０は、補助電池２１を有する点が実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と異なる。これ以外は実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００４４】
補助電池２１は、制御部１４から出力された補助電池制御信号２５に応じて、負荷１５に電力を供給する。具体的には、補助電池２１は、リチウムイオン二次電池１１の放電を実施している期間、リチウムイオン二次電池１１の代わりに負荷１５に電力を供給する。補助電池２１は、例えばリチウム電池等の一次電池で構成してもよく、またリチウムイオン二次電池等の二次電池で構成してもよい。
【００４５】
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムの動作について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４６】
制御部１４はリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６を監視している（ステップＳ２１）。そして、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給されたことを検知した場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、充電部１２にリチウムイオン二次電池１１の充電を休止することを指示する充電制御信号１８を出力して、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ２３）。
【００４７】
また、制御部１４は、補助電池２１に対して、負荷１５に電力を供給することを指示する補助電池制御信号２５を出力する。これにより、負荷１５には補助電池２１から電力が供給される（ステップＳ２４）。
【００４８】
制御部１４は、電池電圧１６が４．１Ｖを超えた際の充電電流１７の値Ｉ（ｉｎ）と、充電時間ｔ（ｉｎ）とを取得する（ステップＳ２５）。その後、制御部１４は、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池１１の放電を行なう（ステップＳ２６）。リチウムイオン二次電池１１の放電処理が終了した後、補助電池２１から負荷１５への電力供給を休止し、リチウムイオン二次電池１１から負荷１５への電力供給を再開する（ステップＳ２７）。そして、制御部１４は、再度リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６の監視を開始する（ステップＳ２１）。
【００４９】
以上で説明したように、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システム２０では、リチウムイオン二次電池１１が放電処理中のために負荷１５に電力を供給することができない場合であっても、補助電池２１を用いることで負荷１５に電力を供給することができる。よって、負荷１５への電力供給を継続することができる。
【００５０】
図６は、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムの他の構成例を示すブロック図である。図６に示すリチウムイオン二次電池システム２０'では、放電部１３'が補助電池２１を充電することができるように構成している。つまり、放電部１３'は、リチウムイオン二次電池１１を放電する際の電力を用いて補助電池２１を充電することができる。このように、放電部１３'を用いて補助電池２１を充電することで、エネルギーの無駄を抑制することができる。なお、放電部１３'は抵抗素子を備えていてもよく、補助電池２１が満充電の状態の場合は、抵抗素子を用いてリチウムイオン二次電池１１の放電を実施してもよい。
【００５１】
＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本発明の実施の形態３にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合を示すブロック図である。本実施の形態にかかる車両３０では、負荷としてモータ３２を用いている点、動力制御部３１、エンジン３３、および車輪３４を有する点が、実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と異なる。これ以外は実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池システム１０と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００５２】
動力制御部３１は、制御部１４から出力された動力制御信号３５に応じて、モータ３２を用いて車輪３４を駆動する場合、エンジン３３を用いて車輪３４を駆動する場合、またはモータ３２とエンジン３３の両方を用いて車輪３４を駆動する場合を切り替える。
【００５３】
モータ３２は、動力制御部３１から出力されたモータ制御信号に応じて車輪３４を駆動する。また、モータ３２は、モータ３２を回生ブレーキとして用いた場合に生成される回生エネルギー３６を充電部１２に供給する。また、エンジン３３は動力制御部３１から出力されたエンジン制御信号に応じて車輪３４を駆動する。
【００５４】
次に、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池システムを車両に応用した場合の動作について、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下では、初期状態において、モータ３２を用いて、またはモータ３２とエンジン３３の両方を用いて車輪３４を駆動しているものとする。
【００５５】
制御部１４はリチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６を監視している（ステップＳ３１）。そして、制御部１４は、リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７がリチウムイオン二次電池１１に供給されたことを検知した場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、充電部１２にリチウムイオン二次電池１１の充電を休止することを指示する充電制御信号１８を出力して、リチウムイオン二次電池１１の充電を休止する（ステップＳ３３）。例えば、急ブレーキをかけた際にモータ３２から大きな回生エネルギー３６が充電部１２に供給された場合、充電部１２からリチウムイオン二次電池１１に電池電圧１６が４．１Ｖを超えるような充電電流１７が供給される。
【００５６】
また、制御部１４は、動力制御部３１に対して、モータ３２の駆動を停止し、エンジン３３のみを用いて車輪３４を駆動するような動力制御信号３５を出力する。これにより、エンジン３３のみを用いて車輪３４が駆動される（ステップＳ３４）。
【００５７】
制御部１４は、電池電圧１６が４．１Ｖを超えた際の充電電流１７の値Ｉ（ｉｎ）と、充電時間ｔ（ｉｎ）とを取得する（ステップＳ３５）。その後、制御部１４は、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池１１の放電を行なう（ステップＳ３６）。リチウムイオン二次電池１１の放電処理が終了した後、リチウムイオン二次電池１１はモータ３２への電力供給を再開し、モータ３２は車輪３４の駆動を再開する（ステップＳ３７）。このとき、動力制御部３１は、モータ３２のみを用いて車輪３４を駆動してもよく、またモータ３２とエンジン３３の両方を用いて車輪３４を駆動してもよい。そして、制御部１４は、再度リチウムイオン二次電池１１の電池電圧１６の監視を開始する（ステップＳ３１）。
【００５８】
以上で説明したように、本実施の形態では、リチウムイオン二次電池１１が放電処理中のためにモータ３２に電力を供給することができない場合であっても、エンジン３３を用いることで車輪３４を駆動することができる。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明の実施例について説明する。以下で説明する実施例では、所定の条件で充放電を繰り返した際のリチウムイオン二次電池の容量維持率について説明する。なお、試験には、上記で説明したリチウムイオン二次電池を用いた。
【００６０】
図９は、本発明にかかるリチウムイオン二次電池システムの試験方法を説明するための図である。本実施例では、下記の３つの条件で充放電試験を実施した。なお、以下に示す試験条件では、充電電流と充電時間との積および放電電流と放電時間との積が同じ値となるように設定した。
【００６１】
（１）リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電した後、５分間休止し、その後、４５Ｃの放電電流で１０秒間放電する処理をそれぞれ３００回繰り返した（サンプルＡ）。なお、リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電する条件は、負極にリチウムのデンドライトが析出する条件である。
（２）リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電した後、５分間休止し、その後、１５Ｃの放電電流で３０秒間放電する処理をそれぞれ３００回繰り返した（サンプルＢ）。
（３）リチウムイオン二次電池を４５Ｃの充電電流で１０秒間充電した後、５分間休止し、その後、９Ｃの放電電流で５０秒間放電する処理をそれぞれ３００回繰り返した（サンプルＣ）。
【００６２】
また、容量維持率の測定は次のようにして行なった。充放電試験前の放電容量を放電容量Ａ、充放電試験後の放電容量を放電容量Ｂとして、下記の式を用いて容量維持率を求めた。
容量維持率（％）＝（放電容量Ｂ／放電容量Ａ）×１００
なお、放電容量Ａおよび放電容量Ｂは、次のようにして算出した。まず、２０℃の温度環境下で、各リチウムイオン二次電池について電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２の定電流で、電池電圧が上限電圧値４．２Ｖから下限電圧値３．０Ｖに至るまで放電を行なった。このときの放電電気量（ｍＡｈ）を、各リチウム二次電池内の正極活物質の質量（ｇ）で除して、放電容量Ａおよび放電容量Ｂを算出した。
【００６３】
図１０に、各サンプルの充放電試験後の容量維持率を示す。図１０に示すように、充放電条件が放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）＝４５Ｃ、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）＝１０秒であるサンプルＡでは、容量維持率が９１．４％であった。また、充放電条件が放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／３＝１５Ｃ、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×３＝３０秒であるサンプルＢでは、容量維持率が９７．０％であった。また、充放電条件が放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／５＝９Ｃ、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×５＝５０秒であるサンプルＣでは、容量維持率が９８．６％であった。
【００６４】
よって、図１０に示す試験結果から、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＜充電電流値Ｉ（ｉｎ）、および放電時間ｔ（ｏｕｔ）＞充電時間ｔ（ｉｎ）の条件を満たすような放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）および放電時間ｔ（ｏｕｔ）で、リチウムイオン二次電池の放電を行なうことで、容量維持率が向上することがわかった。
【００６５】
更に、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）を小さくするほど、また、放電時間ｔ（ｏｕｔ）を大きくするほど、リチウムイオン二次電池の容量維持率が向上することがわかった。特に、本実施例では、放電電流値Ｉ（ｏｕｔ）＝充電電流値Ｉ（ｉｎ）×１／５、放電時間ｔ（ｏｕｔ）＝充電時間ｔ（ｉｎ）×５の条件を満たすように放電することで、容量維持率が最も向上した（サンプルＣ）。
【００６６】
以上、本発明を上記実施形態および実施例に即して説明したが、上記実施形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６７】
１０、２０、２０' リチウムイオン二次電池システム
１１ リチウムイオン二次電池
１２ 充電部
１３ 放電部
１４ 制御部
１５ 負荷
１６ 電池電圧
１７ 充電電流
１８ 充電制御信号
１９ 放電制御信号
２１ 補助電池
２５ 補助電池制御信号
３０ 車両
３１ 動力制御部
３２ モータ
３３ エンジン
３４ 車輪
３５ 動力制御信号
３６ 回生エネルギー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備えるリチウムイオン二次電池システムであって、
前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、
リチウムイオン二次電池システム。
【請求項２】
前記リチウムイオン二次電池システムは更に補助電池を備え、
前記リチウムイオン二次電池および前記補助電池は所定の負荷に電力を供給可能に構成されており、
前記補助電池は、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記負荷に電力を供給する、
請求項１に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項３】
前記負荷はモータであり、
前記リチウムイオン二次電池は前記モータの回生エネルギーを用いて充電される、
請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項４】
前記リチウムイオン二次電池システムは、更に前記リチウムイオン二次電池の放電時に前記リチウムイオン二次電池のエネルギーを熱に変換する抵抗素子を備える、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項５】
前記リチウムイオン二次電池システムは、前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、請求項２または３に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の充電電流値をＩ（ｉｎ）、充電時間をｔ（ｉｎ）、放電電流値をＩ（ｏｕｔ）、放電時間をｔ（ｏｕｔ）とした場合、Ｉ（ｏｕｔ）＝Ｉ（ｉｎ）×１／５、ｔ（ｏｕｔ）＝ｔ（ｉｎ）×５の条件で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項７】
リチウムイオン二次電池の電池電圧を監視し、
前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値と充電時間とを取得し、
前記充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、
リチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項８】
前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記リチウムイオン二次電池の代わりに補助電池を用いて負荷に電力を供給する、
請求項７に記載のリチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項９】
前記リチウムイオン二次電池の電力を抵抗素子を用いて熱に変換することで前記放電を実施する、請求項７または８に記載のリチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項１０】
前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、請求項８または９に記載のリチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項１１】
車輪を駆動するモータおよびエンジンと、
前記モータに電力を供給するリチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備える車両であって、
前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、
車両。
【請求項１２】
前記エンジンは、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記車輪を駆動する、請求項１１に記載の車両。
【請求項１３】
前記リチウムイオン二次電池は前記モータの回生エネルギーを用いて充電される、請求項１１または１２に記載の車両。
【請求項１】
リチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備えるリチウムイオン二次電池システムであって、
前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、
リチウムイオン二次電池システム。
【請求項２】
前記リチウムイオン二次電池システムは更に補助電池を備え、
前記リチウムイオン二次電池および前記補助電池は所定の負荷に電力を供給可能に構成されており、
前記補助電池は、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記負荷に電力を供給する、
請求項１に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項３】
前記負荷はモータであり、
前記リチウムイオン二次電池は前記モータの回生エネルギーを用いて充電される、
請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項４】
前記リチウムイオン二次電池システムは、更に前記リチウムイオン二次電池の放電時に前記リチウムイオン二次電池のエネルギーを熱に変換する抵抗素子を備える、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項５】
前記リチウムイオン二次電池システムは、前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、請求項２または３に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の充電電流値をＩ（ｉｎ）、充電時間をｔ（ｉｎ）、放電電流値をＩ（ｏｕｔ）、放電時間をｔ（ｏｕｔ）とした場合、Ｉ（ｏｕｔ）＝Ｉ（ｉｎ）×１／５、ｔ（ｏｕｔ）＝ｔ（ｉｎ）×５の条件で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項７】
リチウムイオン二次電池の電池電圧を監視し、
前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値と充電時間とを取得し、
前記充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、
リチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項８】
前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記リチウムイオン二次電池の代わりに補助電池を用いて負荷に電力を供給する、
請求項７に記載のリチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項９】
前記リチウムイオン二次電池の電力を抵抗素子を用いて熱に変換することで前記放電を実施する、請求項７または８に記載のリチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項１０】
前記補助電池を充電することで前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、請求項８または９に記載のリチウムイオン二次電池の充放電制御方法。
【請求項１１】
車輪を駆動するモータおよびエンジンと、
前記モータに電力を供給するリチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池の充電および放電を制御する制御部と、を備える車両であって、
前記制御部は、前記リチウムイオン二次電池の電池電圧が４．１Ｖを超える充電電流が前記リチウムイオン二次電池に供給された場合、前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電電流値よりも小さい放電電流値で、且つ前記電池電圧が４．１Ｖを超える期間における充電時間よりも長い放電時間で前記リチウムイオン二次電池の放電を実施する、
車両。
【請求項１２】
前記エンジンは、前記リチウムイオン二次電池の放電を実施している期間、前記車輪を駆動する、請求項１１に記載の車両。
【請求項１３】
前記リチウムイオン二次電池は前記モータの回生エネルギーを用いて充電される、請求項１１または１２に記載の車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１１０８８５（Ｐ２０１３−１１０８８５Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５０８５（Ｐ２０１１−２５５０８５）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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