蓄電システム
【課題】 複数の単電池を含む電池モジュールに対して電圧センサを接続すると、単電池の電圧を監視することができず、複数の単電池において電圧のバラツキが発生してしまうことがある。
【解決手段】 電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子（１１）が電気的に直列に接続された蓄電モジュール（１０）と、蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出するための電圧センサ（２０）と、電圧センサの出力に基づいて、蓄電モジュールの充放電を制御するコントローラ（３０）と、を有する。コントローラは、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする。
【解決手段】 電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子（１１）が電気的に直列に接続された蓄電モジュール（１０）と、蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出するための電圧センサ（２０）と、電圧センサの出力に基づいて、蓄電モジュールの充放電を制御するコントローラ（３０）と、を有する。コントローラは、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールにおいて、複数の蓄電素子における電圧のバラツキを低減させる制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単電池が電気的に直列に接続された組電池では、各単電池に電圧センサを接続して単電池の電圧を検出したり、幾つかの単電池で構成された電池モジュールに電圧センサを接続して電池モジュールの電圧を検出したりしている。ここで、複数の単電池が電気的に直列に接続されることにより、電池モジュールが構成され、複数の電池モジュールが電気的に直列に接続されることにより、組電池が構成される。
【０００３】
電池モジュール毎に電圧センサを設ければ、単電池毎に電圧センサを設ける場合に比べて、電圧センサの数を減らすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５３１９７０号公報
【特許文献２】特開２００６−２５４５３５号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電池モジュールに対して電圧センサを接続した構成では、電池モジュールの電圧を検出することはできるが、電池モジュールを構成する各単電池の電圧を検出することはできない。ここで、電池モジュールを構成する複数の単電池において、電圧のバラツキが発生している場合には、電池モジュールの電圧が、充電制御の上限電圧に到達していないにもかかわらず、電池モジュールに含まれる特定の単電池の電圧だけが高い状態となり、劣化が進んでしまうおそれがある。
【０００６】
このため、電池モジュールの電圧を検出する構成においては、電池モジュールを構成する複数の単電池は、電圧のバラツキが低減された状態であることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１の発明である蓄電システムは、電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールと、蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出するための電圧センサと、電圧センサの出力に基づいて、蓄電モジュールの充放電を制御するコントローラと、を有する。ここで、コントローラは、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする。
【０００８】
ここで、所定レートを維持しながら、蓄電モジュールの充電を行うことができる。この場合において、蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化したときには、少なくとも１つの蓄電素子の電圧が反応電位に到達したと判別することができる。
【０００９】
また、蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化した後に増加方向に変化したときには、蓄電モジュールの充電を停止することができる。これにより、蓄電素子の過充電を阻止することができる。さらに、蓄電モジュールの充電を停止した後に、放電を行うことができる。これにより、蓄電モジュールの電圧（又は容量）を目標値に到達させることができる。また、反応電位は、各蓄電素子の充電制御に用いられる上限電圧よりも低くすることができる。
【００１０】
本願第２の発明である蓄電モジュールの制御方法は、電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出する検出ステップと、検出ステップでの検出結果に基づいて、蓄電モジュールの充放電を制御する制御ステップと、を有する。そして、制御ステップにおいて、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことにより、蓄電モジュールを構成する、すべての蓄電素子の電圧を反応電位に近づけることができる。これにより、蓄電モジュールを構成する複数の蓄電素子において、電圧のバラツキが生じていても、このバラツキを低減させることができる。
【００１２】
そして、複数の蓄電素子における電圧のバラツキを低減させておけば、蓄電モジュールに接続された電圧センサの出力に基づいて、蓄電モジュールの充放電制御を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１における電池システムの構成を示す図である。
【図２】単電池に含まれる発電要素の一部の構成を示す概略図である。
【図３】実施例１の構成を、複数の電池モジュールを備えた組電池に適用した図である。
【図４】実施例１における均等化制御を示すフローチャートである。
【図５】実施例１の均等化制御において、電池モジュールを構成する各単電池の電圧変化を示す図である。
【図６】実施例１の均等化制御において、電池モジュールの電圧変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１における電池システム（蓄電システム）について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例における電池システムの構成を示す概略図である。
【００１６】
電池モジュール１０は、電気的に直列に接続された２つの単電池１１を有している。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。本実施例では、２つの単電池１１によって、電池モジュール１０を構成しているが、これに限るものではなく、３つ以上の単電池１１を電気的に直列に接続することによって、電池モジュール１０を構成することもできる。
【００１７】
電池モジュール１０の正極端子および負極端子には、電圧センサ２０が接続されており、電圧センサ２０は、電池モジュール１０の端子間電圧を検出するために用いられる。電圧センサ２０の出力信号は、コントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、電圧センサ２０からの信号に基づいて、電池モジュール１０の電圧を検出する。図１に示す構成では、電池モジュール１０に対して電圧センサ２０を設けているため、各単電池１１に対して電圧センサ２０を設ける場合に比べて、電圧センサ２０の数を減らすことができ、コストダウンを図ることができる。
【００１８】
コントローラ３０は、電池モジュール１０の充放電を制御する。具体的には、電圧センサ２０を用いて検出された電池モジュール１０の電圧が、充電制御で用いられる上限電圧を超えないように、コントローラ３０は、電池モジュール１０の充電を制御する。また、電圧センサ２０を用いて検出された電池モジュール１０の電圧が、放電制御で用いられる下限電圧を下回らないように、コントローラ３０は、電池モジュール１０の放電を制御する。電池モジュール１０は、負荷に接続されており、負荷に対して電力を供給したり、負荷からの電力を受けたりする。
【００１９】
図２は、単電池１１に含まれる発電要素の一部の構成を示す。発電要素１２は、充放電を行うことができる要素であり、発電要素１２を電池ケース（不図示）に収容することにより、単電池１１が構成される。以下に説明する発電要素１２の構成部材の材料は、公知の材料を適宜選択することができる。
【００２０】
発電要素１２は、正極素子１３と、負極素子１４と、正極素子１３および負極素子１４の間に配置される電解質層１５とを有する。具体的には、正極素子１３、負極素子１４および電解質層１５を積層して積層体を構成し、この積層体を巻くことにより、発電要素１２を構成することができる。また、正極素子１３、電解質層１５および負極素子１４を、この順で複数積層するだけで、発電要素１２を構成することもできる。
【００２１】
正極素子１３は、集電板１３ａの表面に正極活物質層１３ｂを形成したものである。正極活物質層１３ｂは、電解質層１５に接触しており、正極活物質層１３ｂには、正極活物質の他に、導電剤やバインダー等が含まれる。負極素子１４は、集電板１４ａの表面に負極活物質層１４ｂを形成したものである。負極活物質層１４ｂは、電解質層１５に接触しており、負極活物質層１４ｂには、負極活物質の他に、導電剤やバインダー等が含まれる。
【００２２】
正極素子１３（集電板１３ａ）は、電池ケースに固定された正極端子（不図示）と電気的および機械的に接続されている。また、負極素子１４（集電板１４ａ）は、電池ケースに固定された負極端子（不図示）と電気的および機械的に接続されている。
【００２３】
電解質層１５としては、液体電解質又はポリマー電解質を用いることができる。液体電解質では、正極素子１３および負極素子１４の間に配置されるセパレータに、電解液を含ませたものを用いることができる。ポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーから構成されており、例えば、真性ポリマー電解質やゲルポリマー電解質を用いることができる。
【００２４】
電解質層１５には、レドックスシャトル（酸化還元試薬）が添加されている。レドックスシャトルは、酸化還元反応を介して正負極間の電位差（電池電圧）が、レドックスシャトルの反応電位以上となることを抑制する機能を有する化合物である。還元型（非イオン型）であるレドックスシャトルは、充電時に電池電圧が、レドックスシャトルの反応電位を超えると、正極において酸化されて酸化型（カチオン型）となり、この酸化型は負極において還元されて再度、還元型（非イオン型）に戻る。このサイクルが繰り返されることで、過充電電流を消費して、過充電を防止することができる。
【００２５】
レドックスシャトルの具体的な化合物については特に制限はなく、上述した作用を発揮できる化合物を適宜選択することができる。例えば、レドックスシャトルとして、ヘキサエチルベンゼン、Ｌｉ２Ｂ１２Ｆ１２、Ｌｉ２Ｂ１２Ｆ９Ｈ３などが挙げられる。また、電解質層１５に添加するレドックスシャトルとしては、１種の化合物だけを用いることもできるし、複数種類の化合物を併用することもできる。
【００２６】
図３には、複数の電池モジュール１０が電気的に直列に接続された組電池４０の構成を示している。図３に示す構成は、図１に示す構成を複数備えたものである。
【００２７】
組電池４０は、負荷に接続されており、負荷に対して電力を供給したり、負荷からの電力を受けたりする。組電池４０は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に搭載することができる。ここで、組電池４０と接続される負荷としては、モータ・ジェネレータがある。モータ・ジェネレータは、組電池４０から供給された電気エネルギを、車両の走行に用いられる運動エネルギに変換する。また、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換して、組電池４０に供給する。なお、組電池４０およびモータ・ジェネレータの間に、昇圧回路やインバータを接続することもできる。
【００２８】
次に、本実施例における均等化制御について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。本実施例の均等化制御は、電池モジュール１０を構成する２つの単電池１１における充放電を制御することにより、２つの単電池１１における電圧のバラツキを低減させるものである。図４に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。
【００２９】
ステップＳ１０１では、所定レートにおいて電池モジュール１０の充電を開始する。充電レートは、適宜設定することができるが、高レートでの充電は、単電池１１が劣化し易くなるため、好ましくない。例えば、０．５Ｃのレートで充電を行うことができる。
【００３０】
電池モジュール１０の充電を開始すると、図５の期間Ｔ１に示すように、２つの単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧は、略一定の変化率で上昇する。また、図６の期間Ｔ１に示すように、電池モジュール１０の電圧は、略一定の変化率で上昇する。
【００３１】
図５は、電池モジュール１０を構成する２つの単電池１１Ａ，１１Ｂにおける電圧の挙動（一例）を示している。図５の実線は、単電池１１Ａにおける電圧の推移を示し、点線は、単電池１１Ｂにおける電圧の推移を示している。一方、図６は、電池モジュール１０における電圧の推移を示している。ここで、図５に示す期間Ｔ１〜Ｔ５は、図６に示す期間Ｔ１〜Ｔ５に対応している。
【００３２】
均等化制御を行う前の状態において、単電池１１Ａの電圧はＶＡ１であり、単電池１１Ｂの電圧はＶＢ１（＜ＶＡ１）であり、２つの単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧差はΔＶ１となっている。
【００３３】
ステップＳ１０２において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の電圧の上昇率が低下したか否かを確認する。ここで、電池モジュール１０の電圧の上昇率が低下したときには、ステップＳ１０３に進み、そうでなければ、ステップＳ１０２の処理を続ける。
【００３４】
電池モジュール１０を充電し続けると、期間Ｔ１が経過したときに、単電池１１Ａの電圧がレドックスシャトルの反応電位ＶＲＳに到達する。これにより、電池モジュール１０の充電を続けても、単電池１１Ａの電圧は、反応電位ＶＲＳに維持される。反応電位ＶＲＳは、上限電圧ＶＭＡＸよりも低い値に設定されており、この設定された反応電位ＶＲＳが得られるレドックスシャトルを選択すればよい。上限電圧ＶＭＡＸは、単電池１１Ａ，１１Ｂの充電制御で用いられる上限の電圧値であり、予め設定された値である。
【００３５】
上限電圧ＶＭＡＸおよび反応電位ＶＲＳの差は、後述するように、レドックスシャトルが反応し難くなったときに、単電池１１の電圧上昇を許容できる範囲に設定しておくことが好ましい。また、反応電位ＶＲＳを上限電圧ＶＭＡＸよりも低くしすぎると、単電池１１の充放電を効率良く行うことができなくなってしまう。これらの点を考慮して、反応電位ＶＲＳを設定することができる。
【００３６】
単電池１１Ｂの初期電圧ＶＢ１は、単電池１１Ａの初期電圧ＶＡ１よりも低いため、期間Ｔ１が経過しても、単電池１１Ｂの電圧は、反応電位ＶＲＳに到達していない。
【００３７】
単電池１１Ａの電圧が反応電位ＶＲＳに到達した後は、単電池１１Ｂの電圧だけが上昇するため（図５の期間Ｔ２）、電池モジュール１０の電圧の上昇率は低下する。具体的には、期間Ｔ２における電池モジュール１０の電圧の上昇率は、期間Ｔ１における電池モジュール１０の電圧の上昇率よりも小さくなる。図４のステップＳ１０２では、電池モジュール１０の電圧の上昇率が低下することを確認することにより、単電池１１Ａの電圧が反応電位ＶＲＳに到達したことを確認している。
【００３８】
期間Ｔ２が経過すると、単電池１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに到達する。この後は、電池モジュール１０の充電を行っても、単電池１１Ｂの電圧は、反応電位ＶＲＳに維持される。したがって、期間Ｔ３では、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに維持され、電池モジュール１０の電圧も一定に維持される。
【００３９】
単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに到達した後も、電池モジュール１０の充電を続けると、レドックスシャトルが反応しにくくなり、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧が上昇し始める。ここで、単電池１１Ａにおけるレドックスシャトルの反応は、単電池１１Ｂにおけるレドックスシャトルの反応よりも早いタイミングで発生しているため、単電池１１Ａにおけるレドックスシャトルが反応しにくくなり、単電池１１Ａの電圧が上昇し始める。
【００４０】
レドックスシャトルが反応しにくくなるまで、電池モジュール１０の充電を行うことにより、複数の単電池１１における電圧を互いに近づけることができる。例えば、単電池１１Ａにおけるレドックスシャトルが反応し難くなったときに、単電池１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに到達しないことがあっても、電池モジュール１０の充電を続けることにより、単電池１１Ｂの電圧を上昇させて、反応電位ＶＲＳに近づけることができる。すなわち、単電池１１Ａ，１１Ｂにおける電圧のバラツキを小さくすることができる。
【００４１】
図５の期間Ｔ４において、単電池１１Ａの電圧は上昇しており、単電池１１Ｂの電圧は、反応電位ＶＲＳに維持されている。単電池１１Ａの電圧が上昇すれば、電池モジュール１０の電圧も上昇する（図６の期間Ｔ４）。図４のステップＳ１０３の処理では、この電池モジュール１０の電圧上昇を確認するようにしている。具体的には、期間Ｔ４における電池モジュール１０の電圧の上昇率は、期間Ｔ３における電池モジュール１０の電圧の上昇率（＝ゼロ）よりも大きくなる。このため、ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の電圧の上昇率が増加したか否かを判別する。
【００４２】
ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の電圧の上昇率が増加したと判別したときには、ステップＳ１０４に進み、そうでない場合には、ステップＳ１０３の処理を続ける。
【００４３】
ステップＳ１０４において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の充電を停止する。ステップＳ１０５において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の放電を開始する。これにより、図５の期間Ｔ５に示すように、２つの単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧は低下し、図６の期間Ｔ５に示すように、電池モジュール１０の電圧も低下する。
【００４４】
ステップＳ１０６において、コントローラ３０は、電圧センサ２０の出力に基づいて、電池モジュール１０のＳＯＣ（State Of Charge）を監視し、電池モジュール１０のＳＯＣが基準ＳＯＣに到達したか否かを判別する。基準ＳＯＣの値は、電池モジュール１０の使用環境等に応じて、適宜設定することができる。電池モジュール１０のＳＯＣが基準ＳＯＣに到達したときには、ステップＳ１０７に進み、電池モジュール１０の放電を停止する。
【００４５】
電池モジュール１０の放電を停止させたときに、単電池１１Ａの電圧はＶＡ２となっており、単電池１１Ｂの電圧はＶＢ２となっている。また、単電池１１Ａ，１１Ｂにおける電圧の差ΔＶ２は、初期状態における電圧差ΔＶ１よりも小さい。本実施例では、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧を反応電位ＶＲＳに揃えた後に、放電を行っているため、電圧差ΔＶ２は、電圧差ΔＶ１よりも小さくなる。
【００４６】
本実施例で説明した均等化制御を行えば、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１における電圧のバラツキを低減させることができる。そして、単電池１１の電圧のバラツキを低減させた状態において、電池モジュール１０の充放電制御を行うことができる。
【００４７】
なお、本実施例で説明した均等化制御は、任意のタイミングで行うことができる。例えば、定期的に均等化制御を行うこともできるし、ユーザ等の指示を受けたときに均等化制御を行うこともできる。また、本実施例では、充電を行った後に、放電（図４のステップＳ１０５）を行っているが、これに限るものではない。すなわち、充電を行うだけでもよく、この場合には、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧を反応電位ＶＲＳに揃えることができる。
【００４８】
さらに、本実施例では、１つの電池モジュール１０に対する均等化制御について説明したが、図３で説明した組電池４０に対しても、本実施例で説明した均等化制御を行うことができる。具体的には、組電池４０の全体に対して、均等化制御を行うことができる。また、バイパス回路を用いることにより、組電池４０のうち、任意の電池モジュール１０に対してだけ、均等化制御を行うことができる。ここで、バイパス回路は、均等化制御の対象とならない電池モジュール１０を、充放電の電流経路から外すために用いられる。
【符号の説明】
【００４９】
１０：電池モジュール（蓄電モジュール） １１：単電池（蓄電素子）
１２：発電要素 １２：正極素子
１３ａ：集電板 １３ｂ：正極活物質層
１４：負極素子 １４ａ：集電板
１４ｂ：負極活物質層 １５：電解質層
２０：電圧センサ ３０：コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールにおいて、複数の蓄電素子における電圧のバラツキを低減させる制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の単電池が電気的に直列に接続された組電池では、各単電池に電圧センサを接続して単電池の電圧を検出したり、幾つかの単電池で構成された電池モジュールに電圧センサを接続して電池モジュールの電圧を検出したりしている。ここで、複数の単電池が電気的に直列に接続されることにより、電池モジュールが構成され、複数の電池モジュールが電気的に直列に接続されることにより、組電池が構成される。
【０００３】
電池モジュール毎に電圧センサを設ければ、単電池毎に電圧センサを設ける場合に比べて、電圧センサの数を減らすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５３１９７０号公報
【特許文献２】特開２００６−２５４５３５号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電池モジュールに対して電圧センサを接続した構成では、電池モジュールの電圧を検出することはできるが、電池モジュールを構成する各単電池の電圧を検出することはできない。ここで、電池モジュールを構成する複数の単電池において、電圧のバラツキが発生している場合には、電池モジュールの電圧が、充電制御の上限電圧に到達していないにもかかわらず、電池モジュールに含まれる特定の単電池の電圧だけが高い状態となり、劣化が進んでしまうおそれがある。
【０００６】
このため、電池モジュールの電圧を検出する構成においては、電池モジュールを構成する複数の単電池は、電圧のバラツキが低減された状態であることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１の発明である蓄電システムは、電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールと、蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出するための電圧センサと、電圧センサの出力に基づいて、蓄電モジュールの充放電を制御するコントローラと、を有する。ここで、コントローラは、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする。
【０００８】
ここで、所定レートを維持しながら、蓄電モジュールの充電を行うことができる。この場合において、蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化したときには、少なくとも１つの蓄電素子の電圧が反応電位に到達したと判別することができる。
【０００９】
また、蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化した後に増加方向に変化したときには、蓄電モジュールの充電を停止することができる。これにより、蓄電素子の過充電を阻止することができる。さらに、蓄電モジュールの充電を停止した後に、放電を行うことができる。これにより、蓄電モジュールの電圧（又は容量）を目標値に到達させることができる。また、反応電位は、各蓄電素子の充電制御に用いられる上限電圧よりも低くすることができる。
【００１０】
本願第２の発明である蓄電モジュールの制御方法は、電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出する検出ステップと、検出ステップでの検出結果に基づいて、蓄電モジュールの充放電を制御する制御ステップと、を有する。そして、制御ステップにおいて、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少なくとも１つの蓄電素子の電圧をレドックスシャトルの反応電位に到達させながら、蓄電モジュールの充電を行うことにより、蓄電モジュールを構成する、すべての蓄電素子の電圧を反応電位に近づけることができる。これにより、蓄電モジュールを構成する複数の蓄電素子において、電圧のバラツキが生じていても、このバラツキを低減させることができる。
【００１２】
そして、複数の蓄電素子における電圧のバラツキを低減させておけば、蓄電モジュールに接続された電圧センサの出力に基づいて、蓄電モジュールの充放電制御を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１における電池システムの構成を示す図である。
【図２】単電池に含まれる発電要素の一部の構成を示す概略図である。
【図３】実施例１の構成を、複数の電池モジュールを備えた組電池に適用した図である。
【図４】実施例１における均等化制御を示すフローチャートである。
【図５】実施例１の均等化制御において、電池モジュールを構成する各単電池の電圧変化を示す図である。
【図６】実施例１の均等化制御において、電池モジュールの電圧変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１における電池システム（蓄電システム）について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例における電池システムの構成を示す概略図である。
【００１６】
電池モジュール１０は、電気的に直列に接続された２つの単電池１１を有している。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。本実施例では、２つの単電池１１によって、電池モジュール１０を構成しているが、これに限るものではなく、３つ以上の単電池１１を電気的に直列に接続することによって、電池モジュール１０を構成することもできる。
【００１７】
電池モジュール１０の正極端子および負極端子には、電圧センサ２０が接続されており、電圧センサ２０は、電池モジュール１０の端子間電圧を検出するために用いられる。電圧センサ２０の出力信号は、コントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、電圧センサ２０からの信号に基づいて、電池モジュール１０の電圧を検出する。図１に示す構成では、電池モジュール１０に対して電圧センサ２０を設けているため、各単電池１１に対して電圧センサ２０を設ける場合に比べて、電圧センサ２０の数を減らすことができ、コストダウンを図ることができる。
【００１８】
コントローラ３０は、電池モジュール１０の充放電を制御する。具体的には、電圧センサ２０を用いて検出された電池モジュール１０の電圧が、充電制御で用いられる上限電圧を超えないように、コントローラ３０は、電池モジュール１０の充電を制御する。また、電圧センサ２０を用いて検出された電池モジュール１０の電圧が、放電制御で用いられる下限電圧を下回らないように、コントローラ３０は、電池モジュール１０の放電を制御する。電池モジュール１０は、負荷に接続されており、負荷に対して電力を供給したり、負荷からの電力を受けたりする。
【００１９】
図２は、単電池１１に含まれる発電要素の一部の構成を示す。発電要素１２は、充放電を行うことができる要素であり、発電要素１２を電池ケース（不図示）に収容することにより、単電池１１が構成される。以下に説明する発電要素１２の構成部材の材料は、公知の材料を適宜選択することができる。
【００２０】
発電要素１２は、正極素子１３と、負極素子１４と、正極素子１３および負極素子１４の間に配置される電解質層１５とを有する。具体的には、正極素子１３、負極素子１４および電解質層１５を積層して積層体を構成し、この積層体を巻くことにより、発電要素１２を構成することができる。また、正極素子１３、電解質層１５および負極素子１４を、この順で複数積層するだけで、発電要素１２を構成することもできる。
【００２１】
正極素子１３は、集電板１３ａの表面に正極活物質層１３ｂを形成したものである。正極活物質層１３ｂは、電解質層１５に接触しており、正極活物質層１３ｂには、正極活物質の他に、導電剤やバインダー等が含まれる。負極素子１４は、集電板１４ａの表面に負極活物質層１４ｂを形成したものである。負極活物質層１４ｂは、電解質層１５に接触しており、負極活物質層１４ｂには、負極活物質の他に、導電剤やバインダー等が含まれる。
【００２２】
正極素子１３（集電板１３ａ）は、電池ケースに固定された正極端子（不図示）と電気的および機械的に接続されている。また、負極素子１４（集電板１４ａ）は、電池ケースに固定された負極端子（不図示）と電気的および機械的に接続されている。
【００２３】
電解質層１５としては、液体電解質又はポリマー電解質を用いることができる。液体電解質では、正極素子１３および負極素子１４の間に配置されるセパレータに、電解液を含ませたものを用いることができる。ポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーから構成されており、例えば、真性ポリマー電解質やゲルポリマー電解質を用いることができる。
【００２４】
電解質層１５には、レドックスシャトル（酸化還元試薬）が添加されている。レドックスシャトルは、酸化還元反応を介して正負極間の電位差（電池電圧）が、レドックスシャトルの反応電位以上となることを抑制する機能を有する化合物である。還元型（非イオン型）であるレドックスシャトルは、充電時に電池電圧が、レドックスシャトルの反応電位を超えると、正極において酸化されて酸化型（カチオン型）となり、この酸化型は負極において還元されて再度、還元型（非イオン型）に戻る。このサイクルが繰り返されることで、過充電電流を消費して、過充電を防止することができる。
【００２５】
レドックスシャトルの具体的な化合物については特に制限はなく、上述した作用を発揮できる化合物を適宜選択することができる。例えば、レドックスシャトルとして、ヘキサエチルベンゼン、Ｌｉ２Ｂ１２Ｆ１２、Ｌｉ２Ｂ１２Ｆ９Ｈ３などが挙げられる。また、電解質層１５に添加するレドックスシャトルとしては、１種の化合物だけを用いることもできるし、複数種類の化合物を併用することもできる。
【００２６】
図３には、複数の電池モジュール１０が電気的に直列に接続された組電池４０の構成を示している。図３に示す構成は、図１に示す構成を複数備えたものである。
【００２７】
組電池４０は、負荷に接続されており、負荷に対して電力を供給したり、負荷からの電力を受けたりする。組電池４０は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に搭載することができる。ここで、組電池４０と接続される負荷としては、モータ・ジェネレータがある。モータ・ジェネレータは、組電池４０から供給された電気エネルギを、車両の走行に用いられる運動エネルギに変換する。また、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換して、組電池４０に供給する。なお、組電池４０およびモータ・ジェネレータの間に、昇圧回路やインバータを接続することもできる。
【００２８】
次に、本実施例における均等化制御について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。本実施例の均等化制御は、電池モジュール１０を構成する２つの単電池１１における充放電を制御することにより、２つの単電池１１における電圧のバラツキを低減させるものである。図４に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。
【００２９】
ステップＳ１０１では、所定レートにおいて電池モジュール１０の充電を開始する。充電レートは、適宜設定することができるが、高レートでの充電は、単電池１１が劣化し易くなるため、好ましくない。例えば、０．５Ｃのレートで充電を行うことができる。
【００３０】
電池モジュール１０の充電を開始すると、図５の期間Ｔ１に示すように、２つの単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧は、略一定の変化率で上昇する。また、図６の期間Ｔ１に示すように、電池モジュール１０の電圧は、略一定の変化率で上昇する。
【００３１】
図５は、電池モジュール１０を構成する２つの単電池１１Ａ，１１Ｂにおける電圧の挙動（一例）を示している。図５の実線は、単電池１１Ａにおける電圧の推移を示し、点線は、単電池１１Ｂにおける電圧の推移を示している。一方、図６は、電池モジュール１０における電圧の推移を示している。ここで、図５に示す期間Ｔ１〜Ｔ５は、図６に示す期間Ｔ１〜Ｔ５に対応している。
【００３２】
均等化制御を行う前の状態において、単電池１１Ａの電圧はＶＡ１であり、単電池１１Ｂの電圧はＶＢ１（＜ＶＡ１）であり、２つの単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧差はΔＶ１となっている。
【００３３】
ステップＳ１０２において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の電圧の上昇率が低下したか否かを確認する。ここで、電池モジュール１０の電圧の上昇率が低下したときには、ステップＳ１０３に進み、そうでなければ、ステップＳ１０２の処理を続ける。
【００３４】
電池モジュール１０を充電し続けると、期間Ｔ１が経過したときに、単電池１１Ａの電圧がレドックスシャトルの反応電位ＶＲＳに到達する。これにより、電池モジュール１０の充電を続けても、単電池１１Ａの電圧は、反応電位ＶＲＳに維持される。反応電位ＶＲＳは、上限電圧ＶＭＡＸよりも低い値に設定されており、この設定された反応電位ＶＲＳが得られるレドックスシャトルを選択すればよい。上限電圧ＶＭＡＸは、単電池１１Ａ，１１Ｂの充電制御で用いられる上限の電圧値であり、予め設定された値である。
【００３５】
上限電圧ＶＭＡＸおよび反応電位ＶＲＳの差は、後述するように、レドックスシャトルが反応し難くなったときに、単電池１１の電圧上昇を許容できる範囲に設定しておくことが好ましい。また、反応電位ＶＲＳを上限電圧ＶＭＡＸよりも低くしすぎると、単電池１１の充放電を効率良く行うことができなくなってしまう。これらの点を考慮して、反応電位ＶＲＳを設定することができる。
【００３６】
単電池１１Ｂの初期電圧ＶＢ１は、単電池１１Ａの初期電圧ＶＡ１よりも低いため、期間Ｔ１が経過しても、単電池１１Ｂの電圧は、反応電位ＶＲＳに到達していない。
【００３７】
単電池１１Ａの電圧が反応電位ＶＲＳに到達した後は、単電池１１Ｂの電圧だけが上昇するため（図５の期間Ｔ２）、電池モジュール１０の電圧の上昇率は低下する。具体的には、期間Ｔ２における電池モジュール１０の電圧の上昇率は、期間Ｔ１における電池モジュール１０の電圧の上昇率よりも小さくなる。図４のステップＳ１０２では、電池モジュール１０の電圧の上昇率が低下することを確認することにより、単電池１１Ａの電圧が反応電位ＶＲＳに到達したことを確認している。
【００３８】
期間Ｔ２が経過すると、単電池１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに到達する。この後は、電池モジュール１０の充電を行っても、単電池１１Ｂの電圧は、反応電位ＶＲＳに維持される。したがって、期間Ｔ３では、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに維持され、電池モジュール１０の電圧も一定に維持される。
【００３９】
単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに到達した後も、電池モジュール１０の充電を続けると、レドックスシャトルが反応しにくくなり、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧が上昇し始める。ここで、単電池１１Ａにおけるレドックスシャトルの反応は、単電池１１Ｂにおけるレドックスシャトルの反応よりも早いタイミングで発生しているため、単電池１１Ａにおけるレドックスシャトルが反応しにくくなり、単電池１１Ａの電圧が上昇し始める。
【００４０】
レドックスシャトルが反応しにくくなるまで、電池モジュール１０の充電を行うことにより、複数の単電池１１における電圧を互いに近づけることができる。例えば、単電池１１Ａにおけるレドックスシャトルが反応し難くなったときに、単電池１１Ｂの電圧が反応電位ＶＲＳに到達しないことがあっても、電池モジュール１０の充電を続けることにより、単電池１１Ｂの電圧を上昇させて、反応電位ＶＲＳに近づけることができる。すなわち、単電池１１Ａ，１１Ｂにおける電圧のバラツキを小さくすることができる。
【００４１】
図５の期間Ｔ４において、単電池１１Ａの電圧は上昇しており、単電池１１Ｂの電圧は、反応電位ＶＲＳに維持されている。単電池１１Ａの電圧が上昇すれば、電池モジュール１０の電圧も上昇する（図６の期間Ｔ４）。図４のステップＳ１０３の処理では、この電池モジュール１０の電圧上昇を確認するようにしている。具体的には、期間Ｔ４における電池モジュール１０の電圧の上昇率は、期間Ｔ３における電池モジュール１０の電圧の上昇率（＝ゼロ）よりも大きくなる。このため、ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の電圧の上昇率が増加したか否かを判別する。
【００４２】
ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の電圧の上昇率が増加したと判別したときには、ステップＳ１０４に進み、そうでない場合には、ステップＳ１０３の処理を続ける。
【００４３】
ステップＳ１０４において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の充電を停止する。ステップＳ１０５において、コントローラ３０は、電池モジュール１０の放電を開始する。これにより、図５の期間Ｔ５に示すように、２つの単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧は低下し、図６の期間Ｔ５に示すように、電池モジュール１０の電圧も低下する。
【００４４】
ステップＳ１０６において、コントローラ３０は、電圧センサ２０の出力に基づいて、電池モジュール１０のＳＯＣ（State Of Charge）を監視し、電池モジュール１０のＳＯＣが基準ＳＯＣに到達したか否かを判別する。基準ＳＯＣの値は、電池モジュール１０の使用環境等に応じて、適宜設定することができる。電池モジュール１０のＳＯＣが基準ＳＯＣに到達したときには、ステップＳ１０７に進み、電池モジュール１０の放電を停止する。
【００４５】
電池モジュール１０の放電を停止させたときに、単電池１１Ａの電圧はＶＡ２となっており、単電池１１Ｂの電圧はＶＢ２となっている。また、単電池１１Ａ，１１Ｂにおける電圧の差ΔＶ２は、初期状態における電圧差ΔＶ１よりも小さい。本実施例では、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧を反応電位ＶＲＳに揃えた後に、放電を行っているため、電圧差ΔＶ２は、電圧差ΔＶ１よりも小さくなる。
【００４６】
本実施例で説明した均等化制御を行えば、電池モジュール１０を構成する複数の単電池１１における電圧のバラツキを低減させることができる。そして、単電池１１の電圧のバラツキを低減させた状態において、電池モジュール１０の充放電制御を行うことができる。
【００４７】
なお、本実施例で説明した均等化制御は、任意のタイミングで行うことができる。例えば、定期的に均等化制御を行うこともできるし、ユーザ等の指示を受けたときに均等化制御を行うこともできる。また、本実施例では、充電を行った後に、放電（図４のステップＳ１０５）を行っているが、これに限るものではない。すなわち、充電を行うだけでもよく、この場合には、単電池１１Ａ，１１Ｂの電圧を反応電位ＶＲＳに揃えることができる。
【００４８】
さらに、本実施例では、１つの電池モジュール１０に対する均等化制御について説明したが、図３で説明した組電池４０に対しても、本実施例で説明した均等化制御を行うことができる。具体的には、組電池４０の全体に対して、均等化制御を行うことができる。また、バイパス回路を用いることにより、組電池４０のうち、任意の電池モジュール１０に対してだけ、均等化制御を行うことができる。ここで、バイパス回路は、均等化制御の対象とならない電池モジュール１０を、充放電の電流経路から外すために用いられる。
【符号の説明】
【００４９】
１０：電池モジュール（蓄電モジュール） １１：単電池（蓄電素子）
１２：発電要素 １２：正極素子
１３ａ：集電板 １３ｂ：正極活物質層
１４：負極素子 １４ａ：集電板
１４ｂ：負極活物質層 １５：電解質層
２０：電圧センサ ３０：コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールと、
前記蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出するための電圧センサと、
前記電圧センサの出力に基づいて、前記蓄電モジュールの充放電を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、少なくとも１つの前記蓄電素子の電圧を前記レドックスシャトルの反応電位に到達させながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
前記コントローラは、所定レートを維持しながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化したことに応じて、前記少なくとも１つの蓄電素子の電圧が前記反応電位に到達したことを判別することを特徴とする請求項２に記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化した後に増加方向に変化したときには、前記蓄電モジュールの充電を停止することを特徴とする請求項３に記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記蓄電モジュールの充電を停止した後に、放電を行うことを特徴とする請求項４に記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記反応電位は、前記各蓄電素子の充電制御に用いられる上限電圧よりも低いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電システム。
【請求項７】
電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出する検出ステップと、
前記検出ステップでの検出結果に基づいて、前記蓄電モジュールの充放電を制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップにおいて、少なくとも１つの前記蓄電素子の電圧を前記レドックスシャトルの反応電位に到達させながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする蓄電モジュールの制御方法。
【請求項８】
前記制御ステップにおいて、所定レートを維持しながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする請求項７に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項９】
前記制御ステップにおいて、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化したことに応じて、前記少なくとも１つの蓄電素子の電圧が前記反応電位に到達したことを判別することを特徴とする請求項８に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項１０】
前記制御ステップにおいて、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化した後に増加方向に変化したときには、前記蓄電モジュールの充電を停止することを特徴とする請求項９に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項１１】
前記制御ステップにおいて、前記蓄電モジュールの充電を停止した後に、放電を行うことを特徴とする請求項１０に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項１】
電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールと、
前記蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出するための電圧センサと、
前記電圧センサの出力に基づいて、前記蓄電モジュールの充放電を制御するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、少なくとも１つの前記蓄電素子の電圧を前記レドックスシャトルの反応電位に到達させながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
前記コントローラは、所定レートを維持しながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化したことに応じて、前記少なくとも１つの蓄電素子の電圧が前記反応電位に到達したことを判別することを特徴とする請求項２に記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記コントローラは、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化した後に増加方向に変化したときには、前記蓄電モジュールの充電を停止することを特徴とする請求項３に記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記蓄電モジュールの充電を停止した後に、放電を行うことを特徴とする請求項４に記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記反応電位は、前記各蓄電素子の充電制御に用いられる上限電圧よりも低いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電システム。
【請求項７】
電解質中にレドックスシャトルを含む複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電モジュールにおける端子間の電圧を検出する検出ステップと、
前記検出ステップでの検出結果に基づいて、前記蓄電モジュールの充放電を制御する制御ステップと、を有し、
前記制御ステップにおいて、少なくとも１つの前記蓄電素子の電圧を前記レドックスシャトルの反応電位に到達させながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする蓄電モジュールの制御方法。
【請求項８】
前記制御ステップにおいて、所定レートを維持しながら、前記蓄電モジュールの充電を行うことを特徴とする請求項７に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項９】
前記制御ステップにおいて、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化したことに応じて、前記少なくとも１つの蓄電素子の電圧が前記反応電位に到達したことを判別することを特徴とする請求項８に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項１０】
前記制御ステップにおいて、前記蓄電モジュールにおける電圧の変化率が減少方向に変化した後に増加方向に変化したときには、前記蓄電モジュールの充電を停止することを特徴とする請求項９に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【請求項１１】
前記制御ステップにおいて、前記蓄電モジュールの充電を停止した後に、放電を行うことを特徴とする請求項１０に記載の蓄電モジュールの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−３８７０（Ｐ２０１２−３８７０Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３５６０１（Ｐ２０１０−１３５６０１）
【出願日】平成２２年６月１４日（２０１０．６．１４）
【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２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１４日（２０１０．６．１４）
【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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