二次電池システム、二次電池システムを用いた二次電池モジュールおよび二次電池の制御方法
【課題】電池の放電容量の劣化を抑制する。
【解決手段】二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備え、充放電制御部は、二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池システム。
【解決手段】二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備え、充放電制御部は、二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、充放電制御部は二次電池への充電を停止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、二次電池システム、二次電池システムを用いた二次電池モジュールおよび二次電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来例として、特許文献１には次のような技術が開示されている。充電完了時刻または発車時刻に関する情報を記憶する記憶部と、蓄電装置の充電量と目標充電量に基づいて必要充電量を算出し、蓄電装置に関する温度に基づいて補正した単位時間当たりに充電可能な充電量と充電開始時刻から充電完了時刻または発車時刻までの充電時間とに基づいて算出した最大充電量を算出する充電量算出処理を所定のタイミングで実行し、最大充電量よりも必要充電量が少ない場合は冷却装置を駆動することなく充電を間歇的に行う間歇充電処理と、充電量算出処理を所定のタイミングで実行し、最大充電量よりも必要充電量が多い場合は充電を実施するとともに、所定の条件を満たす場合に蓄電装置を冷却装置により冷却する冷却・充電制御処理とを実行する制御部とを備えている制御装置。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３３３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低温では、負極活物質のＬｉイオンの受入れ性が低下するため、負極吸蔵サイトが減少する。また、低ＳＯＣ側のステージ構造が変化する電位で負極活物質の体積が変化（膨張収縮）するが、高レート充電では、負極活物質の膨張速度が速く、追従できずにマイクロクラックが発生する。マイクロクラック部分は負極活物質がむき出しとなっているため、電解液を分解して被膜を形成する。被膜が負極活物質表面のマイクロクラック発生箇所に偏って形成されるため、負極活物質間の電気的な接触面積が低下する。よって、電池の放電容量が劣化する。
【０００５】
特許文献１の技術では、上記に基づく電池の放電容量の劣化を抑制することが難しい。本発明は、電池の放電容量の劣化を抑制させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
（１）二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備え、充放電制御部は、二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池システム。
（２）上記において、充放電制御部で充電された二次電池の充電状態ＳＯＣ2がＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ2が計測され、ＳＯＣ1＜ＳＯＣ2、ＳＯＣm＜ＳＯＣnであり、Ｔ2が電池温度第２閾値Ｔn以下である時、充放電制御部は二次電池をＩn以下で充電し、Ｔ2がＴnより大きい時、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池システム。
（３）上記において、Ｔnが二次電池の充電状態に応じて変化する二次電池システム。
（４）上記において、ＳＯＣmが２０％以上３５％以下にある二次電池システム。
（５）上記において、Ｔmが５℃以上１５℃以下、Ｔnが４５℃以上５５℃以下である二次電池システム。
（６）上記において、ＩmまたはＩnは一定電流である二次電池システム。
（７）上記のいずれかの二次電池システムを用いた二次電池モジュール。
（８）二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備えた二次電池の制御方法であって、充放電制御部は、二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池の制御方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、電池の放電容量の劣化を抑制できる。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】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる円筒形の非水系二次電池の一部切欠斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る二次電池システムの概略構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る二次電池システムのシステムフロー図である。
【図４】制御部による充電処理における蓄電装置の充電状態、温度、及び充電電流の時系列変化を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例１】
【００１０】
図１は本実施形態の非水系二次電池（以下、単に電池とも表記する）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）を周辺に取り付けた電池蓋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、その外側を外周側３２とする。本実施例では、非水系二次電池としてリチウムイオン二次電池を用いているが、ナトリウムイオンなどアルカリ金属イオンの挿入・離脱が可能な正極と負極を用いた非水系二次電池を用いても良い。
【００１１】
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。
【００１２】
このとき正極用導電剤としては、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
このとき負極用導電剤としては、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
本実施形態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様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。しかし、特にこの形態に限定されない。
【００２０】
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。
【００２１】
次に、図２に二次電池システムを示す。組電池４１は図１の電池を複数直列及び並列に組み合わせている。この組電池４１の状態を検出するために、バッテリーコントローラ５１を備える。このバッテリーコントローラ５１（充放電制御部）は組電池４１の電池電圧、充放電電流、電池表面温度を検出し、また、累積充放電時間、累積充放電電気量、累積時間を測定している。組電池４１は、複数のリチウム単電池（リチウムセル）を電気的に直列あるいは並列あるいは直並列に接続したものから構成されている。
【００２２】
さらに組電池４１とバッテリーコントローラ５１を並列に組み合わせ、バッテリーコントローラ５１で得られたデータを全て全体コントローラ６１に送信する。全体コントローラ６１では、各バッテリーコントローラ５１から得られたデータに応じて、各電池の充放電電流値及びその時間を各バッテリーコントローラ５１にデータ送信する。
【００２３】
バッテリーコントローラ５１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、このバッテリーコントローラ５１は全体コントローラ６１から送信されたデータを基に組電池４１の充放電制御を行う。
【００２４】
バッテリーコントローラ５１が行う制御のうち、内部抵抗値を検知もしくは推定する制御機能（機構）を内部抵抗検知部という。また、本発明では放電制御方法に特徴を有しており、放電に関する制御機能（機構）を放電制御部という。
【００２５】
全体コントローラ６１はバッテリーコントローラ同様、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、バッテリーコントローラ５１と通信ケーブルで接続され、それぞれ双方向で通信が可能となっており、各組電池４１の状態に応じて様々な制御を行う。
【００２６】
電圧検出部４２では、組電池４１の電圧を検出する。検出する電池電圧は組電池４１を構成する一つの電池（リチウムセル）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】
電流検出部４３では、組電池４１の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】
温度検出部４４では、組電池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、組電池が収められている筺体の表面温度、及び組電池４１の周囲環境温度が考えられる。
【００２９】
これら電圧検出部４２、電流検出部４３、温度検出部４４をまとめて電池状態検出部という。組電池４１、電圧検出部４２、電流検出部４３、温度検出部４４、バッテリーコントローラ５１が合わさって二次電池モジュールとなる。バッテリーコントローラ５１に電圧検出部４２、電流検出部４３、温度検出部４４が組み込まれていてもよい。
【００３０】
タイマーは、バッテリーコントローラ内に設けられ、組電池４１の充放電に関する時間を計測する。例えば、放電を開始してからの経過時間等を計測するものである。
【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】
以上のように、本実施形態によれば、組電池４１を複数個並列に接続した二次電池システムにおいて、組電池４１に対して、バッテリーコントローラ５１をそれぞれ有し、バッテリーコントーラ５１で組電池４１の状態を検出し、その組電池４１の状態に応じて制御することで、リチウムイオン二次電池の電池容量低下及び内部抵抗上昇を抑制し、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００３３】
次に、バッテリーコントローラ５１の充放電制御方法について説明する。
図３は本発明の実施形態に係る二次電池システムのフロー図である。
最初に、リチウムイオン二次電池の充電を開始する命令を全体コントローラ６１からバッテリーコントローラ５１に送り、各バッテリーコントローラ５１は各組電池４１の充電を開始する（ステップＳ００１）。
【００３４】
バッテリーコントローラ５１は充電開始後、電圧検出部４２により電池電圧Ｖ、電流検出部４３により充電電流Ｉ、温度検出部４４により電池温度Ｔを計測し、タイマーにより充電時間ｔ（充電開始からの経過時間）を計測する。
【００３５】
バッテリーコントローラ５１は電池電圧から充電状態（State of Charge：ＳＯＣ）を算出する。ＳＯＣの算出方法として、例えば［数２］に基づいて算出される。ここでＶOは充電開始前の開回路電圧を示し、Ｑ（Ｖ0）は充電開始前の電池容量を示す（［数１］）。また、初期の電池容量をＱbとする（ステップＳ００２）。
【００３６】
［数１］
Ｑ（Ｖ0）＝α1ＶO＋β1
［数２］
ＳＯＣ1＝Ｑ（ＶO）／Ｑb×１００
【００３７】
ステップＳ００２の後に、バッテリーコントローラ５１は組電池４１のＳＯＣ1をＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmと比較する（ステップＳ００３）。ここで、組電池４１のＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下であればステップＳ００４に進み、ＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmより高ければステップＳ０１２に進む。ＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmとして具体的には、２０％以上３５％以下であることが望ましい。
【００３８】
ステップＳ００４では、バッテリーコントローラ５１は温度検出部４４により、電池温度Ｔ1を計測し、ステップＳ００５で計測した電池温度Ｔ1と電池温度第１閾値Ｔmと比較する。そして、電池温度Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔmより高ければステップＳ００６に進み、電池温度第１閾値Ｔm以下であればステップＳ００７に進む。
【００３９】
ステップＳ００６では、計測した電池温度Ｔ1が電池温度第２閾値Ｔn以下であればステップＳ００８へ進み、電池温度第２閾値Ｔnより高ければステップＳ００９に進む。電池温度第１閾値Ｔmとして具体的には、５℃以上１５℃以下、電池温度第２閾値Ｔnとして具体的には、４５℃以上５５℃以下であることが望ましい。電池温度第２閾値Ｔnは電池温度第１閾値Ｔmより大きい。
【００４０】
ステップＳ００７では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１を充電する充電電流を充電電流第１閾値Ｉm以下とする。このとき、充電電流第１閾値Ｉmは一定電流でも良いし、例えば［数３］に基づいて算出されても良い。［数３］のようにＳＯＣと温度の値によって充電電流を制御することで、黒鉛のステージ構造が変化しない場所では、充電電流を高めに設定し、黒鉛のステージ構造が変化する場所では、充電電流を低めに設定するなど、きめ細かい制御ができ、一定電流よりも劣化を抑制できる。ただし、充電電流第１閾値Ｉmを一定電流とすることにより、低コスト化が望める。充電電流第１閾値ＩmはＳＯＣと電池温度Ｔを変数とする値であり、α2、α3、β2は定数である。
【００４１】
［数３］
Ｉm（ＳＯＣ、Ｔ）＝α2ＳＯＣ＋α3Ｔ＋β2
【００４２】
ステップＳ００８では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１を充電する充電電流を充電電流第２閾値Ｉn以下とする。このとき充電電流第２閾値Ｉnは一定電流でも良いし、例えば［数４］に基づいて算出されても良い。ＳＯＣが高いと劣化に対する温度の感度が高くなるので、［数４］のようにＳＯＣと温度の値によって充電電流を制御することで、高温、高ＳＯＣほど電流を下げて、ジュール発熱による温度上昇を抑えることができ、一定電流よりも劣化を抑制できる。ただし、充電電流第２閾値Ｉnを一定電流とすることにより、低コスト化が望める。充電電流第２閾値ＩnはＳＯＣと電池温度Ｔを変数とする値であり、α4、α5、β3は定数である。
【００４３】
［数４］
Ｉn（ＳＯＣ、Ｔ）＝α4ＳＯＣ＋α5Ｔ＋β3
【００４４】
ステップＳ００９では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１の充電を一時的に停止する。充電停止期間は、一定期間でも良いし、電池温度Ｔ1が電池温度第３閾値ＴL以下となるまで停止しても良い。まずは温度ＴLで規定しておいて、温度が一定期間ＴLより下がらなければ時間で規定して充電停止期間を終了させることが望ましい。
【００４５】
ステップＳ０１０では、バッテリーコントローラ５１は電圧検出部４２により算出した電池電圧ＶからＳＯＣ2を再度算出する。ＳＯＣ2の算出方法として、例えば［数８］に基づいて算出される。ここで、［数５］におけるＲ（ＳＯＣ、Ｔ）は組電池４１の電池内部抵抗を示し、［数６］におけるＶO′は充電期間中の電池電圧Ｖから想定される開回路電圧を示し、［数７］におけるＱ（ＶO′）は充電期間中の電池容量を示す。充電期間中の電池容量Ｑ（ＶO′）は充電開始前の電池容量Ｑに充電電流×時間の積算で求められる容量を足し合わせて算出しても良いし、［数７］に基づいて算出しても良い。
【００４６】
［数５］
Ｒ（ＳＯＣ、Ｔ）＝α6ＳＯＣ＋α7Ｔ＋β4
［数６］
ＶO′＝Ｖ―Ｉ×Ｒ（Ｔ）
［数７］
Ｑ（ＶO′）＝α1ＶO′＋β1
［数８］
ＳＯＣ2＝Ｑ（ＶO′）／Ｑb×１００
【００４７】
ステップＳ０１０の後に、バッテリーコントローラ５１は組電池４１のＳＯＣ2をＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmと比較する（ステップＳ０１１）。ここで、組電池４１のＳＯＣ2がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下であればステップＳ００４に進み、ＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmより高ければステップＳ０１２に進む。
【００４８】
ステップＳ０１１の後に、バッテリーコントローラ５１は組電池４１のＳＯＣ2をＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnと比較する（ステップＳ０１２）。ここで、組電池４１のＳＯＣ2がＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下であればステップＳ０１３に進み、ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnより高ければステップＳ０１８に進む。ＨＥＶであれば、ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnは６０〜７０％、ＰＨＥＶ、ＥＶであれば、ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnは９０〜１００％程度であることが望ましい。ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnはＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmより大きい。
【００４９】
ステップＳ０１３では、バッテリーコントローラ５１は温度検出部４４により電池温度Ｔ2を計測し、ステップＳ０１４で計測した電池温度Ｔ2と電池温度第２閾値Ｔnと比較する。そして電池温度Ｔ2が電池温度第２閾値Ｔn以下であればステップＳ０１５に進み、高ければステップＳ０１６に進む。ここで電池温度第２閾値Ｔnは［数９］で算出されても良い。電池温度第２閾値ＴnはＳＯＣを変数とする値であり、α8、β5は定数である。
【００５０】
［数９］
Ｔn（ＳＯＣ）＝α8ＳＯＣ＋β5
【００５１】
ステップＳ０１５では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１を充電する充電電流を充電電流第３閾値ＩO以下に制御する。このとき充電電流第２閾値ＩOは一定電流でも良いし、例えば［数１０］に基づいて算出されても良い。充電電流第３閾値ＩOは電池温度第２閾値Ｔnと同じ値にしても良いし、異なる値にしても良い。図４では電池温度第２閾値Ｔn＝充電電流第３閾値ＩOとしている。
【００５２】
［数１０］
Ｉ（ＳＯＣ、Ｔ）＝α9ＳＯＣ＋α10Ｔ＋β6
【００５３】
ステップＳ０１６では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１への充電を一時的に停止する。充電停止期間は、一定期間でも良いし、電池温度Ｔ2が電池温度第３閾値ＴL以下となるまで停止しても良い。
【００５４】
ステップＳ０１７では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１の電池電圧ＶからＳＯＣを再度算出する。ＳＯＣの算出方法として、例えば［数８］に基づいて算出される。そして、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下であればＳ０１３に進み、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnより高ければＳ０１８に進む。
【００５５】
ステップＳ０１８では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１の充電を終了し、全体コントローラ６１に充電終了の命令を送信する。
【００５６】
以上のように、リチウムイオン電池を充電する際に、充電状態の低い位置では、充電電流の値を小さく制御して負極活物質の膨張速度を抑えることで、負極活物質のマイクロクラックを抑制することができるため、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００５７】
図４はバッテリーコントローラ５１による充電処理における組電池４１の充電状態、温度、及び充電電流の時系列変化を例示する説明図である。
【００５８】
図４に示すように時刻ｔ０１において、充電が開始された後、縦軸に示す組電池４１の電池温度、及び充電状態（ＳＯＣ）は時間の経過とともに上昇する。なお、図４においては、説明の便宜上、組電池４１の温度が線形的に上昇しているが、あくまで例示であって、これに限定されるものではない。
【００５９】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下、及び組電池の電池温度Ｔが電池温度第１閾値Ｔm以下と判定した場合、組電池４１への充電電流を充電電流第１閾値Ｉm以下となるように制御する（図４に示す時刻ｔ０１からｔ０２の期間）。
【００６０】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１のＳＯＣ及び電池温度Ｔを継時的に測定しており、例えば組電池４１の電池温度Ｔが電池温度第１閾値Ｔmを超えた場合、組電池４１へ充電する充電電流を充電電流第２閾値Ｉn以下となるように制御する。ここで、充電電流の閾値はＩm＜Ｉnの関係にある（図４に示す時刻ｔ０２からｔ０３の期間）。
【００６１】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１の電池温度Ｔが電池温度第２閾値Ｔnを超えた場合、組電池４１への充電を停止する。そして電池温度Ｔが電池温度第３閾値ＴL以下となった場合、充電を再開する（図４に示す時刻ｔ０３からｔ０４、ｔ０６からｔ０７、ｔ０８からｔ０９の期間）。
【００６２】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmを超えた場合、組電池４１へ充電する充電電流を充電電流第２閾値Ｉn以下となるように制御する（図４に示す時刻ｔ０５からｔ０６、ｔ０７からｔ０８、ｔ０９からｔ１０の期間）。
【００６３】
バッテリーコントローラ５１は組電池４１の充電を終了し、全体コントローラ６１に充電終了の命令を送信する（図４に示す時刻ｔ１０）。
【００６４】
以上のように、組電池４１を充電する際に、ＳＯＣの低い位置が低く、かつ、電池温度が低い場合、充電電流の値を低く制御することで上述の通り劣化を抑制することができるため、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００６５】
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。
【００６６】
例えば、電池を捲回型のリチウムイオン二次電池としたが、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二次電池に適用しても良い。
【符号の説明】
【００６７】
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 組電池
４２ 電圧検出部
４３ 電流検出部
４４ 温度検出部
５１ バッテリーコントローラ
６１ 全体コントローラ
７１ 電気負荷
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池システム、二次電池システムを用いた二次電池モジュールおよび二次電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来例として、特許文献１には次のような技術が開示されている。充電完了時刻または発車時刻に関する情報を記憶する記憶部と、蓄電装置の充電量と目標充電量に基づいて必要充電量を算出し、蓄電装置に関する温度に基づいて補正した単位時間当たりに充電可能な充電量と充電開始時刻から充電完了時刻または発車時刻までの充電時間とに基づいて算出した最大充電量を算出する充電量算出処理を所定のタイミングで実行し、最大充電量よりも必要充電量が少ない場合は冷却装置を駆動することなく充電を間歇的に行う間歇充電処理と、充電量算出処理を所定のタイミングで実行し、最大充電量よりも必要充電量が多い場合は充電を実施するとともに、所定の条件を満たす場合に蓄電装置を冷却装置により冷却する冷却・充電制御処理とを実行する制御部とを備えている制御装置。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３３３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低温では、負極活物質のＬｉイオンの受入れ性が低下するため、負極吸蔵サイトが減少する。また、低ＳＯＣ側のステージ構造が変化する電位で負極活物質の体積が変化（膨張収縮）するが、高レート充電では、負極活物質の膨張速度が速く、追従できずにマイクロクラックが発生する。マイクロクラック部分は負極活物質がむき出しとなっているため、電解液を分解して被膜を形成する。被膜が負極活物質表面のマイクロクラック発生箇所に偏って形成されるため、負極活物質間の電気的な接触面積が低下する。よって、電池の放電容量が劣化する。
【０００５】
特許文献１の技術では、上記に基づく電池の放電容量の劣化を抑制することが難しい。本発明は、電池の放電容量の劣化を抑制させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
（１）二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備え、充放電制御部は、二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池システム。
（２）上記において、充放電制御部で充電された二次電池の充電状態ＳＯＣ2がＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ2が計測され、ＳＯＣ1＜ＳＯＣ2、ＳＯＣm＜ＳＯＣnであり、Ｔ2が電池温度第２閾値Ｔn以下である時、充放電制御部は二次電池をＩn以下で充電し、Ｔ2がＴnより大きい時、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池システム。
（３）上記において、Ｔnが二次電池の充電状態に応じて変化する二次電池システム。
（４）上記において、ＳＯＣmが２０％以上３５％以下にある二次電池システム。
（５）上記において、Ｔmが５℃以上１５℃以下、Ｔnが４５℃以上５５℃以下である二次電池システム。
（６）上記において、ＩmまたはＩnは一定電流である二次電池システム。
（７）上記のいずれかの二次電池システムを用いた二次電池モジュール。
（８）二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備えた二次電池の制御方法であって、充放電制御部は、二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、電池状態検出部で二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、充放電制御部は二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、充放電制御部は二次電池への充電を停止する二次電池の制御方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、電池の放電容量の劣化を抑制できる。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】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる円筒形の非水系二次電池の一部切欠斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る二次電池システムの概略構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る二次電池システムのシステムフロー図である。
【図４】制御部による充電処理における蓄電装置の充電状態、温度、及び充電電流の時系列変化を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例１】
【００１０】
図１は本実施形態の非水系二次電池（以下、単に電池とも表記する）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）を周辺に取り付けた電池蓋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、その外側を外周側３２とする。本実施例では、非水系二次電池としてリチウムイオン二次電池を用いているが、ナトリウムイオンなどアルカリ金属イオンの挿入・離脱が可能な正極と負極を用いた非水系二次電池を用いても良い。
【００１１】
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。
【００１２】
このとき正極用導電剤としては、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
このとき負極用導電剤としては、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
本実施形態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様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。しかし、特にこの形態に限定されない。
【００２０】
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。
【００２１】
次に、図２に二次電池システムを示す。組電池４１は図１の電池を複数直列及び並列に組み合わせている。この組電池４１の状態を検出するために、バッテリーコントローラ５１を備える。このバッテリーコントローラ５１（充放電制御部）は組電池４１の電池電圧、充放電電流、電池表面温度を検出し、また、累積充放電時間、累積充放電電気量、累積時間を測定している。組電池４１は、複数のリチウム単電池（リチウムセル）を電気的に直列あるいは並列あるいは直並列に接続したものから構成されている。
【００２２】
さらに組電池４１とバッテリーコントローラ５１を並列に組み合わせ、バッテリーコントローラ５１で得られたデータを全て全体コントローラ６１に送信する。全体コントローラ６１では、各バッテリーコントローラ５１から得られたデータに応じて、各電池の充放電電流値及びその時間を各バッテリーコントローラ５１にデータ送信する。
【００２３】
バッテリーコントローラ５１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、このバッテリーコントローラ５１は全体コントローラ６１から送信されたデータを基に組電池４１の充放電制御を行う。
【００２４】
バッテリーコントローラ５１が行う制御のうち、内部抵抗値を検知もしくは推定する制御機能（機構）を内部抵抗検知部という。また、本発明では放電制御方法に特徴を有しており、放電に関する制御機能（機構）を放電制御部という。
【００２５】
全体コントローラ６１はバッテリーコントローラ同様、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、バッテリーコントローラ５１と通信ケーブルで接続され、それぞれ双方向で通信が可能となっており、各組電池４１の状態に応じて様々な制御を行う。
【００２６】
電圧検出部４２では、組電池４１の電圧を検出する。検出する電池電圧は組電池４１を構成する一つの電池（リチウムセル）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】
電流検出部４３では、組電池４１の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】
温度検出部４４では、組電池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、組電池が収められている筺体の表面温度、及び組電池４１の周囲環境温度が考えられる。
【００２９】
これら電圧検出部４２、電流検出部４３、温度検出部４４をまとめて電池状態検出部という。組電池４１、電圧検出部４２、電流検出部４３、温度検出部４４、バッテリーコントローラ５１が合わさって二次電池モジュールとなる。バッテリーコントローラ５１に電圧検出部４２、電流検出部４３、温度検出部４４が組み込まれていてもよい。
【００３０】
タイマーは、バッテリーコントローラ内に設けられ、組電池４１の充放電に関する時間を計測する。例えば、放電を開始してからの経過時間等を計測するものである。
【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】
以上のように、本実施形態によれば、組電池４１を複数個並列に接続した二次電池システムにおいて、組電池４１に対して、バッテリーコントローラ５１をそれぞれ有し、バッテリーコントーラ５１で組電池４１の状態を検出し、その組電池４１の状態に応じて制御することで、リチウムイオン二次電池の電池容量低下及び内部抵抗上昇を抑制し、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００３３】
次に、バッテリーコントローラ５１の充放電制御方法について説明する。
図３は本発明の実施形態に係る二次電池システムのフロー図である。
最初に、リチウムイオン二次電池の充電を開始する命令を全体コントローラ６１からバッテリーコントローラ５１に送り、各バッテリーコントローラ５１は各組電池４１の充電を開始する（ステップＳ００１）。
【００３４】
バッテリーコントローラ５１は充電開始後、電圧検出部４２により電池電圧Ｖ、電流検出部４３により充電電流Ｉ、温度検出部４４により電池温度Ｔを計測し、タイマーにより充電時間ｔ（充電開始からの経過時間）を計測する。
【００３５】
バッテリーコントローラ５１は電池電圧から充電状態（State of Charge：ＳＯＣ）を算出する。ＳＯＣの算出方法として、例えば［数２］に基づいて算出される。ここでＶOは充電開始前の開回路電圧を示し、Ｑ（Ｖ0）は充電開始前の電池容量を示す（［数１］）。また、初期の電池容量をＱbとする（ステップＳ００２）。
【００３６】
［数１］
Ｑ（Ｖ0）＝α1ＶO＋β1
［数２］
ＳＯＣ1＝Ｑ（ＶO）／Ｑb×１００
【００３７】
ステップＳ００２の後に、バッテリーコントローラ５１は組電池４１のＳＯＣ1をＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmと比較する（ステップＳ００３）。ここで、組電池４１のＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下であればステップＳ００４に進み、ＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmより高ければステップＳ０１２に進む。ＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmとして具体的には、２０％以上３５％以下であることが望ましい。
【００３８】
ステップＳ００４では、バッテリーコントローラ５１は温度検出部４４により、電池温度Ｔ1を計測し、ステップＳ００５で計測した電池温度Ｔ1と電池温度第１閾値Ｔmと比較する。そして、電池温度Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔmより高ければステップＳ００６に進み、電池温度第１閾値Ｔm以下であればステップＳ００７に進む。
【００３９】
ステップＳ００６では、計測した電池温度Ｔ1が電池温度第２閾値Ｔn以下であればステップＳ００８へ進み、電池温度第２閾値Ｔnより高ければステップＳ００９に進む。電池温度第１閾値Ｔmとして具体的には、５℃以上１５℃以下、電池温度第２閾値Ｔnとして具体的には、４５℃以上５５℃以下であることが望ましい。電池温度第２閾値Ｔnは電池温度第１閾値Ｔmより大きい。
【００４０】
ステップＳ００７では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１を充電する充電電流を充電電流第１閾値Ｉm以下とする。このとき、充電電流第１閾値Ｉmは一定電流でも良いし、例えば［数３］に基づいて算出されても良い。［数３］のようにＳＯＣと温度の値によって充電電流を制御することで、黒鉛のステージ構造が変化しない場所では、充電電流を高めに設定し、黒鉛のステージ構造が変化する場所では、充電電流を低めに設定するなど、きめ細かい制御ができ、一定電流よりも劣化を抑制できる。ただし、充電電流第１閾値Ｉmを一定電流とすることにより、低コスト化が望める。充電電流第１閾値ＩmはＳＯＣと電池温度Ｔを変数とする値であり、α2、α3、β2は定数である。
【００４１】
［数３］
Ｉm（ＳＯＣ、Ｔ）＝α2ＳＯＣ＋α3Ｔ＋β2
【００４２】
ステップＳ００８では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１を充電する充電電流を充電電流第２閾値Ｉn以下とする。このとき充電電流第２閾値Ｉnは一定電流でも良いし、例えば［数４］に基づいて算出されても良い。ＳＯＣが高いと劣化に対する温度の感度が高くなるので、［数４］のようにＳＯＣと温度の値によって充電電流を制御することで、高温、高ＳＯＣほど電流を下げて、ジュール発熱による温度上昇を抑えることができ、一定電流よりも劣化を抑制できる。ただし、充電電流第２閾値Ｉnを一定電流とすることにより、低コスト化が望める。充電電流第２閾値ＩnはＳＯＣと電池温度Ｔを変数とする値であり、α4、α5、β3は定数である。
【００４３】
［数４］
Ｉn（ＳＯＣ、Ｔ）＝α4ＳＯＣ＋α5Ｔ＋β3
【００４４】
ステップＳ００９では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１の充電を一時的に停止する。充電停止期間は、一定期間でも良いし、電池温度Ｔ1が電池温度第３閾値ＴL以下となるまで停止しても良い。まずは温度ＴLで規定しておいて、温度が一定期間ＴLより下がらなければ時間で規定して充電停止期間を終了させることが望ましい。
【００４５】
ステップＳ０１０では、バッテリーコントローラ５１は電圧検出部４２により算出した電池電圧ＶからＳＯＣ2を再度算出する。ＳＯＣ2の算出方法として、例えば［数８］に基づいて算出される。ここで、［数５］におけるＲ（ＳＯＣ、Ｔ）は組電池４１の電池内部抵抗を示し、［数６］におけるＶO′は充電期間中の電池電圧Ｖから想定される開回路電圧を示し、［数７］におけるＱ（ＶO′）は充電期間中の電池容量を示す。充電期間中の電池容量Ｑ（ＶO′）は充電開始前の電池容量Ｑに充電電流×時間の積算で求められる容量を足し合わせて算出しても良いし、［数７］に基づいて算出しても良い。
【００４６】
［数５］
Ｒ（ＳＯＣ、Ｔ）＝α6ＳＯＣ＋α7Ｔ＋β4
［数６］
ＶO′＝Ｖ―Ｉ×Ｒ（Ｔ）
［数７］
Ｑ（ＶO′）＝α1ＶO′＋β1
［数８］
ＳＯＣ2＝Ｑ（ＶO′）／Ｑb×１００
【００４７】
ステップＳ０１０の後に、バッテリーコントローラ５１は組電池４１のＳＯＣ2をＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmと比較する（ステップＳ０１１）。ここで、組電池４１のＳＯＣ2がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下であればステップＳ００４に進み、ＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmより高ければステップＳ０１２に進む。
【００４８】
ステップＳ０１１の後に、バッテリーコントローラ５１は組電池４１のＳＯＣ2をＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnと比較する（ステップＳ０１２）。ここで、組電池４１のＳＯＣ2がＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下であればステップＳ０１３に進み、ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnより高ければステップＳ０１８に進む。ＨＥＶであれば、ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnは６０〜７０％、ＰＨＥＶ、ＥＶであれば、ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnは９０〜１００％程度であることが望ましい。ＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnはＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmより大きい。
【００４９】
ステップＳ０１３では、バッテリーコントローラ５１は温度検出部４４により電池温度Ｔ2を計測し、ステップＳ０１４で計測した電池温度Ｔ2と電池温度第２閾値Ｔnと比較する。そして電池温度Ｔ2が電池温度第２閾値Ｔn以下であればステップＳ０１５に進み、高ければステップＳ０１６に進む。ここで電池温度第２閾値Ｔnは［数９］で算出されても良い。電池温度第２閾値ＴnはＳＯＣを変数とする値であり、α8、β5は定数である。
【００５０】
［数９］
Ｔn（ＳＯＣ）＝α8ＳＯＣ＋β5
【００５１】
ステップＳ０１５では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１を充電する充電電流を充電電流第３閾値ＩO以下に制御する。このとき充電電流第２閾値ＩOは一定電流でも良いし、例えば［数１０］に基づいて算出されても良い。充電電流第３閾値ＩOは電池温度第２閾値Ｔnと同じ値にしても良いし、異なる値にしても良い。図４では電池温度第２閾値Ｔn＝充電電流第３閾値ＩOとしている。
【００５２】
［数１０］
Ｉ（ＳＯＣ、Ｔ）＝α9ＳＯＣ＋α10Ｔ＋β6
【００５３】
ステップＳ０１６では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１への充電を一時的に停止する。充電停止期間は、一定期間でも良いし、電池温度Ｔ2が電池温度第３閾値ＴL以下となるまで停止しても良い。
【００５４】
ステップＳ０１７では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１の電池電圧ＶからＳＯＣを再度算出する。ＳＯＣの算出方法として、例えば［数８］に基づいて算出される。そして、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下であればＳ０１３に進み、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第２閾値ＳＯＣnより高ければＳ０１８に進む。
【００５５】
ステップＳ０１８では、バッテリーコントローラ５１は組電池４１の充電を終了し、全体コントローラ６１に充電終了の命令を送信する。
【００５６】
以上のように、リチウムイオン電池を充電する際に、充電状態の低い位置では、充電電流の値を小さく制御して負極活物質の膨張速度を抑えることで、負極活物質のマイクロクラックを抑制することができるため、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００５７】
図４はバッテリーコントローラ５１による充電処理における組電池４１の充電状態、温度、及び充電電流の時系列変化を例示する説明図である。
【００５８】
図４に示すように時刻ｔ０１において、充電が開始された後、縦軸に示す組電池４１の電池温度、及び充電状態（ＳＯＣ）は時間の経過とともに上昇する。なお、図４においては、説明の便宜上、組電池４１の温度が線形的に上昇しているが、あくまで例示であって、これに限定されるものではない。
【００５９】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下、及び組電池の電池温度Ｔが電池温度第１閾値Ｔm以下と判定した場合、組電池４１への充電電流を充電電流第１閾値Ｉm以下となるように制御する（図４に示す時刻ｔ０１からｔ０２の期間）。
【００６０】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１のＳＯＣ及び電池温度Ｔを継時的に測定しており、例えば組電池４１の電池温度Ｔが電池温度第１閾値Ｔmを超えた場合、組電池４１へ充電する充電電流を充電電流第２閾値Ｉn以下となるように制御する。ここで、充電電流の閾値はＩm＜Ｉnの関係にある（図４に示す時刻ｔ０２からｔ０３の期間）。
【００６１】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１の電池温度Ｔが電池温度第２閾値Ｔnを超えた場合、組電池４１への充電を停止する。そして電池温度Ｔが電池温度第３閾値ＴL以下となった場合、充電を再開する（図４に示す時刻ｔ０３からｔ０４、ｔ０６からｔ０７、ｔ０８からｔ０９の期間）。
【００６２】
バッテリーコントローラ５１は、組電池４１のＳＯＣがＳＯＣ第１閾値ＳＯＣmを超えた場合、組電池４１へ充電する充電電流を充電電流第２閾値Ｉn以下となるように制御する（図４に示す時刻ｔ０５からｔ０６、ｔ０７からｔ０８、ｔ０９からｔ１０の期間）。
【００６３】
バッテリーコントローラ５１は組電池４１の充電を終了し、全体コントローラ６１に充電終了の命令を送信する（図４に示す時刻ｔ１０）。
【００６４】
以上のように、組電池４１を充電する際に、ＳＯＣの低い位置が低く、かつ、電池温度が低い場合、充電電流の値を低く制御することで上述の通り劣化を抑制することができるため、長寿命な二次電池システムを提供することができる。
【００６５】
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。
【００６６】
例えば、電池を捲回型のリチウムイオン二次電池としたが、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二次電池に適用しても良い。
【符号の説明】
【００６７】
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 組電池
４２ 電圧検出部
４３ 電流検出部
４４ 温度検出部
５１ バッテリーコントローラ
６１ 全体コントローラ
７１ 電気負荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
前記二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備え、
前記充放電制御部は、前記二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、
ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、前記電池状態検出部で前記二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、
Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、前記充放電制御部は前記二次電池への充電を停止する二次電池システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記充放電制御部で充電された前記二次電池の充電状態ＳＯＣ2がＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下の時に、前記電池状態検出部で前記二次電池の電池温度Ｔ2が計測され、
ＳＯＣ1＜ＳＯＣ2、ＳＯＣm＜ＳＯＣnであり、
Ｔ2が電池温度第２閾値Ｔn以下である時、前記充放電制御部は前記二次電池をＩn以下で充電し、
Ｔ2がＴnより大きい時、前記充放電制御部は前記二次電池への充電を停止する二次電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、
Ｔnが前記二次電池の充電状態に応じて変化する二次電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
ＳＯＣmが２０％以上３５％以下にある二次電池システム。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかにおいて、
Ｔmが５℃以上１５℃以下、
Ｔnが４５℃以上５５℃以下である二次電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
ＩmまたはＩnは一定電流である二次電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの二次電池システムを用いた二次電池モジュール。
【請求項８】
二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
前記二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備えた二次電池の制御方法であって、
前記充放電制御部は、前記二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、
ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、前記電池状態検出部で前記二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、
Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、前記充放電制御部は前記二次電池への充電を停止する二次電池の制御方法。
【請求項１】
二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
前記二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備え、
前記充放電制御部は、前記二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、
ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、前記電池状態検出部で前記二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、
Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、前記充放電制御部は前記二次電池への充電を停止する二次電池システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記充放電制御部で充電された前記二次電池の充電状態ＳＯＣ2がＳＯＣ第２閾値ＳＯＣn以下の時に、前記電池状態検出部で前記二次電池の電池温度Ｔ2が計測され、
ＳＯＣ1＜ＳＯＣ2、ＳＯＣm＜ＳＯＣnであり、
Ｔ2が電池温度第２閾値Ｔn以下である時、前記充放電制御部は前記二次電池をＩn以下で充電し、
Ｔ2がＴnより大きい時、前記充放電制御部は前記二次電池への充電を停止する二次電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、
Ｔnが前記二次電池の充電状態に応じて変化する二次電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
ＳＯＣmが２０％以上３５％以下にある二次電池システム。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかにおいて、
Ｔmが５℃以上１５℃以下、
Ｔnが４５℃以上５５℃以下である二次電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
ＩmまたはＩnは一定電流である二次電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかの二次電池システムを用いた二次電池モジュール。
【請求項８】
二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
前記二次電池の電池温度を計測する電池状態検出部と、を備えた二次電池の制御方法であって、
前記充放電制御部は、前記二次電池の充電状態ＳＯＣ1を算出し、
ＳＯＣ1がＳＯＣ第１閾値ＳＯＣm以下の時に、前記電池状態検出部で前記二次電池の電池温度Ｔ1が計測され、
Ｔ1が電池温度第１閾値Ｔm以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第１閾値Ｉm以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、電池温度第２閾値Ｔn以下の時に、前記充放電制御部は前記二次電池を充電電流第２閾値Ｉn以下で充電し、
Ｔ1がＴmより大きく、かつ、Ｔnより大きい時に、前記充放電制御部は前記二次電池への充電を停止する二次電池の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１１０９０１（Ｐ２０１３−１１０９０１Ａ）
【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２０１１−２５５７０３（Ｐ２０１１−２５５７０３）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【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２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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