特開 2022-164044 電池モジュールの管理装置およびその管理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022164044

(43)【公開日】2022-10-27

(54)【発明の名称】電池モジュールの管理装置およびその管理方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20221020BHJP

   H01M 50/202 20210101ALI20221020BHJP

   H01M 50/569 20210101ALI20221020BHJP

   H01M 50/209 20210101ALI20221020BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20221020BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 P

H01M50/202 301

H01M50/202 501S

H01M50/569

H01M50/209

H02J7/00 Y

H01M50/202 401D

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021069258

(22)【出願日】2021-04-15

(71)【出願人】

【識別番号】519100310

【氏名又は名称】ＡＰＢ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000002288

【氏名又は名称】三洋化成工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀江 英明

(72)【発明者】

【氏名】川崎 洋志

(72)【発明者】

【氏名】水野 雄介

【テーマコード（参考）】

5G503

5H030

5H040

5H043

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA03

5G503BB02

5G503CA11

5G503EA08

5G503GD02

5G503GD06

5H030AA10

5H030AS06

5H030FF22

5H030FF31

5H030FF43

5H030FF44

5H030FF52

5H040AA40

5H040AT02

5H040AY06

5H040DD08

5H040DD26

5H040JJ09

5H043AA19

5H043BA19

5H043CA08

5H043CA13

5H043DA27

5H043HA35D

5H043JA07D

5H043LA31D

(57)【要約】

【課題】適切な情報量で監視することにより、監視制御装置における負荷を軽減する。
【解決手段】順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と、電解質と、を含む単電池が複数個接続されてなる組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールの管理装置であって、各々の前記単電池に設けられた制御部から、対応する単電池の電圧値を表す特性信号を受信し、時刻情報とともに記録部に記録する受信手段と、前記記録部から解析する単電池の２つの電圧値を取得して、当該単電池の劣化状態を判定する判定手段とを備えた。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と、電解質と、を含む単電池が複数個接続されてなる組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールの管理装置であって、
各々の前記単電池に設けられた制御部から、対応する単電池の電圧値を表す特性信号を受信し、時刻情報とともに記録部に記録する受信手段と、
前記記録部から解析する単電池の２つの電圧値を取得して、当該単電池の劣化状態を判定する判定手段と
を備えた、管理装置。

【請求項2】

前記判定手段は、前記解析する単電池が所定の２つの電圧値の閾値を超えた時刻情報を取得して、２つの時刻の時間差から、前記劣化状態を判定する、請求項１に記載の管理装置。

【請求項3】

前記判定手段は、前記解析する単電池の充電を開始した時刻と、所定の電圧値を超えた時刻とを取得する、請求項２に記載の管理装置。

【請求項4】

前記判定手段は、前記解析する単電池が所定の２つの電圧値を超えた時刻から、その間の通過時間を算定し、前記通過時間の長さの分布から、前記劣化状態を判定する、請求項１に記載の管理装置。

【請求項5】

前記判定手段は、前記記録部から取得した特性信号のうち、前記複数の単電池の電圧または単位時間当たりの電圧変化に基づいて選択された単電池の残存容量から、前記組電池の充電可能容量を算出する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の管理装置。

【請求項6】

順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と、電解質と、を含む単電池が複数個接続されてなる組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールの管理方法であって、
各々の前記単電池に設けられた制御部から、対応する単電池の電圧値を表す特性信号を受信し、時刻情報とともに記録部に記録する受信ステップと、
前記記録部から解析する単電池の２つの電圧値を取得して、当該単電池の劣化状態を判定する判定ステップと
を備えた、管理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールの管理装置およびその管理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気自動車及びハイブリッド電気自動車等の電源及び携帯型電子機器の電源としてリチウムイオン電池の単電池を複数個積層した組電池が用いられている（例えば、特許文献１参照）。また、組電池を安全かつ効率的に使用するために、過充電、過放電、蓄電容量、劣化状態などを判定するための監視制御装置が適用されている（例えば、特許文献２，３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２００９／１１９０７５号

【特許文献2】特開２０１３－０２４６１７号公報

【特許文献3】特開２０１１－０４７８２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

組電池の監視制御装置は、単電池それぞれの端子間電圧等を監視して、個々の単電池の状態を監視している。特許文献２には、測定された単電池の電圧値をデジタル信号に変換して、マイコンで処理することが開示されている。特許文献３には、単電池の電圧値をミリ秒の単位で取得することが開示されている。このように、組電池を構成する単電池それぞれについて、電圧等の情報を短い周期で取得するために、監視制御装置における処理量が増大するという問題があった。

【0005】

本発明は、組電池を構成する単電池それぞれについて、適切な周期、適切な情報量で監視することにより、監視制御装置における負荷を軽減するとともに、精度良く単電池の特性を判定することができる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施態様は、順に積層されたひと組の正極集電体、正極活物質層、セパレータ、負極活物質層及び負極集電体からなる積層単位と、電解質と、を含む単電池が複数個接続されてなる組電池を備えたリチウムイオン電池モジュールの管理装置であって、各々の前記単電池に設けられた制御部から、対応する単電池の電圧値を表す特性信号を受信し、時刻情報とともに記録部に記録する受信手段と、前記記録部から解析する単電池の２つの電圧値を取得して、当該単電池の劣化状態を判定する判定手段とを備えた。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、組電池を構成する単電池それぞれについて、取得した２つの電圧値から、当該単電池の劣化状態を判定することにより、監視制御装置における負荷を軽減するとともに、精度良く単電池の特性を判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、単電池ユニットの例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。

【図2】図２は、発光部の例を模式的に示す斜視図である。

【図3】図３は、リチウムイオン電池モジュールの一例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。

【図4】図４は、リチウムイオン電池モジュールのモジュール管理装置の機能ブロック図である。

【図5】図５は、リチウムイオン電池モジュールの充電曲線の一例を示す図である。

【図6】図６は、リチウムイオン電池モジュールを含む電池システムの機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本明細書において、リチウムイオン電池と記載する場合、リチウムイオン二次電池も含む概念とする。

【0010】

［単電池ユニット］
組電池は、単電池ユニットが複数個接続されてなり、単電池ユニットは単電池と発光部とを備えている。単電池ユニットは組電池内で直列に接続されていることが好ましい。まず、単電池及び発光部を備える単電池ユニットについて説明する。

【0011】

図１は、単電池ユニットの例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。図１にはリチウムイオン電池である単電池１０と発光部２０を備える単電池ユニット３０を示している。単電池１０は、略矩形平板状の正極集電体１７の表面に正極活物質層１５が形成された正極１２と、同様に略矩形平板状の負極集電体１９の表面に負極活物質層１６が形成された負極１３とが、同様に略平板状のセパレータ１４を介して積層されて構成され、全体として略矩形平板状に形成されている。この正極と負極とがリチウムイオン電池の正極及び負極として機能する。

【0012】

単電池１０は、正極集電体１７及び負極集電体１９の間に配置されて正極集電体１７及び負極集電体１９の間にセパレータ１４の周縁部を固定し、かつ正極活物質層１５、セパレータ１４及び負極活物質層１６を封止する、環状の枠部材１８を有する。

【0013】

正極集電体１７及び負極集電体１９は、枠部材１８により所定間隔をもって対向するように位置決めされているとともに、セパレータ１４と正極活物質層１５及び負極活物質層１６も枠部材１８により所定間隔をもって対向するように位置決めされている。

【0014】

正極集電体１７とセパレータ１４との間の間隔、及び、負極集電体１９とセパレータ１４との間の間隔はリチウムイオン電池の容量に応じて調整され、これら正極集電体１７、負極集電体１９及びセパレータ１４の位置関係は必要な間隔が得られるように定められている。

【0015】

以下に、単電池を構成する各構成要素の好ましい態様について説明する。正極活物質層には正極活物質が含まれる。正極活物質としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物｛遷移金属が１種である複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＡｌＭｎＯ₄、ＬｉＭｎＯ₂及びＬｉＭｎ₂Ｏ₄等）、遷移金属元素が２種である複合酸化物（例えばＬｉＦｅＭｎＯ₄、ＬｉＮｉ_1-xＣｏ_xＯ₂、ＬｉＭｎ_1-yＣｏ_yＯ₂、ＬｉＮｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ａｌ_1/3Ｏ₂及びＬｉＮｉ_0.8Ｃｏ_0.15Ａｌ_0.05Ｏ₂）及び金属元素が３種類以上である複合酸化物［例えばＬｉＭ_aＭ’_bＭ’’_cＯ₂（Ｍ、Ｍ’及びＭ’’はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満たす。例えばＬｉＮｉ_1/3Ｍｎ_1/3Ｃｏ_1/3Ｏ₂）等］、リチウム含有遷移金属リン酸塩（例えばＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＣｏＰＯ₄、ＬｉＭｎＰＯ₄及びＬｉＮｉＰＯ₄）、遷移金属酸化物（例えばＭｎＯ₂及びＶ₂Ｏ₅）、遷移金属硫化物（例えばＭｏＳ₂及びＴｉＳ₂）及び導電性高分子（例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ－ｐ－フェニレン及びポリビニルカルバゾール）等が挙げられ、２種以上を併用してもよい。なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。

【0016】

正極活物質は、導電助剤及び被覆用樹脂で被覆された被覆正極活物質であることが好ましい。正極活物質の周囲が被覆用樹脂で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨張を抑制することができる。

【0017】

導電助剤としては、金属系導電助剤［アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、銀、金、銅及びチタン等]、炭素系導電助剤［グラファイト及びカーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック及びサーマルランプブラック等）等］、及びこれらの混合物等が挙げられる。これらの導電助剤は１種単独で用いられてもよいし、２種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物として用いられてもよい。なかでも、電気的安定性の観点から、より好ましくはアルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、炭素系導電助剤及びこれらの混合物であり、さらに好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及び炭素系導電助剤であり、特に好ましくは炭素系導電助剤である。また、これらの導電助剤としては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料［好ましくは、上記した導電助剤のうち金属のもの］をめっき等でコーティングしたものでもよい。

【0018】

導電助剤の形状（形態）は、粒子形態に限られず、粒子形態以外の形態であってもよく、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等、いわゆるフィラー系導電助剤として実用化されている形態であってもよい。

【0019】

被覆用樹脂と導電助剤の比率は特に限定されるものではないが、電池の内部抵抗等の観点から、重量比率で被覆用樹脂（樹脂固形分重量）：導電助剤が１：０．０１～１：５０であることが好ましく、１：０．２～１：３．０であることがより好ましい。

【0020】

被覆用樹脂としては、例えば、特許文献２に、非水系二次電池活物質被覆用樹脂として記載されたものを好適に用いることができる。

【0021】

また、正極活物質層は、被覆正極活物質に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

【0022】

正極活物質層は、正極活物質を含み、正極活物質同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。ここで、非結着体とは、正極活物質が結着剤（バインダともいう）により位置を固定されておらず、正極活物質同士及び正極活物質と集電体が不可逆的に固定されていないことを意味する。

【0023】

正極活物質層には、粘着性樹脂が含まれていてもよい。粘着性樹脂としては、例えば、特許文献２に記載された非水系二次電池活物質被覆用樹脂に少量の有機溶剤を混合してそのガラス転移温度を室温以下に調整したもの、及び、例えば、特許文献３に粘着剤として記載されたもの等を好適に用いることができる。なお、粘着性樹脂は、溶媒成分を揮発させて乾燥させても固体化せずに粘着性（水、溶剤、熱などを使用せずに僅かな圧力を加えることで接着する性質）を有する樹脂を意味する。一方、結着材として用いられる溶液乾燥型の電極バインダーは、溶媒成分を揮発させることで乾燥、固体化して活物質同士を強固に接着固定するものを意味する。従って、溶液乾燥型の電極バインダー（結着材）と粘着性樹脂とは異なる材料である。

【0024】

正極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、１５０～６００μｍであることが好ましく、２００～４５０μｍであることがより好ましい。

【0025】

負極活物質層には負極活物質が含まれる。負極活物質としては、公知のリチウムイオン電池用負極活物質が使用でき、炭素系材料［黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、樹脂焼成体（例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等）、コークス類（例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等）及び炭素繊維等］、珪素系材料［珪素、酸化珪素（ＳｉＯ_x）、珪素－炭素複合体（炭素粒子の表面を珪素及び／又は炭化珪素で被覆したもの、珪素粒子又は酸化珪素粒子の表面を炭素及び／又は炭化珪素で被覆したもの並びに炭化珪素等）及び珪素合金（珪素－アルミニウム合金、珪素－リチウム合金、珪素－ニッケル合金、珪素－鉄合金、珪素－チタン合金、珪素－マンガン合金、珪素－銅合金及び珪素－スズ合金等）等］、導電性高分子（例えばポリアセチレン及びポリピロール等）、金属（スズ、アルミニウム、ジルコニウム及びチタン等）、金属酸化物（チタン酸化物及びリチウム・チタン酸化物等）及び金属合金（例えばリチウム－スズ合金、リチウム－アルミニウム合金及びリチウム－アルミニウム－マンガン合金等）等及びこれらと炭素系材料との混合物等が挙げられる。

【0026】

また、負極活物質は、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆用樹脂で被覆された被覆負極活物質であってもよい。導電助剤及び被覆用樹脂としては、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆用樹脂を好適に用いることができる。

【0027】

また、負極活物質層は、被覆負極活物質に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

【0028】

負極活物質層は、正極活物質層と同様に、負極活物質同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。また、正極活物質層と同様に、粘着性樹脂が含まれていてもよい。

【0029】

負極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、１５０～６００μｍであることが好ましく、２００～４５０μｍであることがより好ましい。

【0030】

正極集電体及び負極集電体（以下まとめて単に集電体ともいう）を構成する材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、焼成炭素、導電性高分子材料、導電性ガラス等が挙げられる。これらの材料のうち、軽量化、耐食性、高導電性の観点から、正極集電体としてはアルミニウムであることが好ましく、負極集電体としては銅であることが好ましい。

【0031】

また、集電体は、導電性高分子材料からなる樹脂集電体であることが好ましい。集電体の形状は特に限定されず、上記の材料からなるシート状の集電体、及び、上記の材料で構成された微粒子からなる堆積層であってもよい。集電体の厚さは、特に限定されないが、５０～５００μｍであることが好ましい。

【0032】

樹脂集電体を構成する導電性高分子材料としては例えば、導電性高分子や、樹脂に必要に応じて導電剤を添加したものを用いることができる。導電性高分子材料を構成する導電剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。

【0033】

導電性高分子材料を構成する樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。電気的安定性の観点から、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）及びポリシクロオレフィン（ＰＣＯ）が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリメチルペンテン（ＰＭＰ）である。

【0034】

セパレータとしては、ポリエチレン又はポリプロピレン製の多孔性フィルム、多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンとの積層フィルム、合成繊維（ポリエステル繊維及びアラミド繊維等）又はガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用のセパレータが挙げられる。さらに、セパレータとして、硫化物系、酸化物系の無機系固体電解質、または高分子系の有機系固体電解質などを適用することもできる。固体電解質の適用により、全固体電池を構成することができる。

【0035】

正極活物質層及び負極活物質層には電解液が含まれる。電解液としては、公知のリチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する公知の電解液を使用することができる。

【0036】

電解質としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆及びＬｉＣｌＯ₄等の無機酸のリチウム塩、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂及びＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃等の有機酸のリチウム塩等が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはイミド系電解質［ＬｉＮ（ＦＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂及びＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂等］及びＬｉＰＦ₆である。

【0037】

非水溶媒としては、公知の電解液に用いられているもの等が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン等及びこれらの混合物を用いることができる。

【0038】

電解液の電解質濃度は、１～５ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、１．５～４ｍｏｌ／Ｌであることがより好ましく、２～３ｍｏｌ／Ｌであることがさらに好ましい。電解液の電解質濃度が１ｍｏｌ／Ｌ未満であると、電池の充分な入出力特性が得られないことがあり、５ｍｏｌ／Ｌを超えると、電解質が析出してしまうことがある。なお、電解液の電解質濃度は、リチウムイオン電池用電極又はリチウムイオン電池を構成する電解液を、溶媒などを用いずに抽出して、その濃度を測定することで確認することができる。

【0039】

［発光部］
従来、単電池それぞれの端子間電圧等の監視は、単電池と測定素子との間を金属配線により電気的に接続し、さらに測定素子と監視制御装置との間も電気的に接続していた。単電池それぞれと配線で電気的に接続されていると、単電池間の短絡のリスクがあり、加えて、配線の手間が煩雑となる等の問題が生じていた。

【0040】

このような問題を解決することを意図して、本発明の発明者らは、電気的配線を用いない構成、具体的には、組電池に含まれる単電池それぞれに、単電池の特性を測定して当該特性に基づいて光信号を出力する発光部と、各発光部から出力される光信号をまとめて受信する受光部と、を備える構成を見出した。当該発明者らが見出した構成によれば、受光部で受信した光信号を解析（例えば、受光部に接続したデータ処理部で解析）することにより、従来のように単電池それぞれと配線接続することによる、単電池間の短絡のリスクを回避することができる。加えて、配線の手間が軽減され、組電池の製造コストを低減することができる。

【0041】

図２は、発光部の例を模式的に示す斜視図である。図２に示す発光部２０は、その内部又は表面に配線を有する配線基板２１と、配線基板２１に実装された発光素子２２、制御素子２３ａ、２３ｂを備える。また、配線基板の端部には電圧測定端子２４、２５が設けられている。電圧測定端子２４、２５は単電池に接続した際に一方の電圧測定端子が正極集電体に接触し、他方の電圧測定端子が負極集電体に接触する位置に設けられている。すなわち、電圧測定端子２４、２５はそれぞれ単電池の正極集電体と負極集電体の間の電圧を測定する電圧測定端子となる。

【0042】

電圧測定端子２４及び２５は制御素子２３ａ、２３ｂと電気的に接続されており、制御素子２３ａ、２３ｂは発光素子２２と電気的に接続されている。具体的な発光の制御については後述する。

【0043】

なお、配線基板２１の、発光素子２２の裏側にあたる面に、測定端子（図示略）が設けられてもよい。この測定端子は、単電池の温度を測定するための温度センサと接続して、温度測定端子として利用したり、ひずみゲージ、圧電素子等と接続して単電池の物理的変化を測定する端子として利用することができる。この測定端子も制御素子２３ａ、２３ｂと電気的に接続されており、制御素子２３ａ、２３ｂは発光素子２２と電気的に接続されている。発光部２０の発光は、例えば、単電池の温度に応じて電力消費量が変化するように制御される。

【0044】

発光部を構成する配線基板としてはリジッド基板又はフレキシブル基板を使用することができる。図２に示すような配線基板の形状とする場合はフレキシブル基板とすることが好ましい。制御素子としてはＩＣ、ＬＳＩ等の任意の半導体素子を使用することができる。また、図２には制御素子を２つ実装した例を示しているが、制御素子の数は限定されるものではなく、１つでもよく、３つ以上であってもよい。発光素子としてはＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子等の、電気信号を光信号に変換することのできる素子を使用することができ、ＬＥＤ素子であることが好ましい。なお、発光部において配線基板を有することは必須ではなく、制御素子及び発光素子が基板を介さずに結線されることにより発光部を構成していてもよい。

【0045】

発光部は、単電池の負極集電体及び正極集電体と電気的に接続されており、リチウムイオン電池からの電力供給を受けることができるようになっている。発光部が負極集電体及び正極集電体と電気的に接続されていると、リチウムイオン電池からの電力供給を受けて発光素子を発光させることができる。図２には電力供給を受けるための電極は図示していないが、電圧測定端子とは別の電極を発光部に設けておくことが好ましい。

【0046】

また、負極集電体及び正極集電体は樹脂集電体であることが好ましく、負極集電体及び正極集電体が発光部の電極に直接結合して電気的に接続されていることが好ましい。樹脂集電体を使用する場合、樹脂集電体と発光部の電極を接触させ、樹脂集電体を加熱して樹脂を軟化させることにより、樹脂集電体と発光部の電極を直接結合させることができる。また、半田、導電性テープ、導電性接着剤、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）等の導電性を有する他の接合材を集電体と発光部の間に介して電気的な接続を行うこともできる。

【0047】

［リチウムイオン電池モジュール］
図３は、リチウムイオン電池モジュールの一例を模式的に示す一部切り欠き斜視図である。リチウムイオン電池モジュール１は、単電池ユニット３０が複数個接続されてなる組電池５０を有する。組電池５０では、隣り合う単電池１０の負極集電体１９の上面と正極集電体１７の下面が隣接するように積層されている。いわゆるバイポーラ型の単電池ユニット３０が複数個直列接続されている。図３は、５つの単電池ユニット３０を積層した形態を示しているが、単電池の積層数は５より多くても、または５より少なくてもよい。一実装例では、単電池ユニット３０の積層数は２０以上であり得る。

【0048】

組電池５０の外表面（側面）には各単電池ユニット３０が備える発光部２０が一列に並んでいる。図３には発光部２０が一列に並んでいる形態を示しているが、異なる単電池ユニット間における発光部の位置関係は限定されるものではなく、単電池ユニットの異なる側面に発光部が設けられていてもよいし、同じ側面においてその位置がずれていてもよい。さらに、リチウムイオン電池モジュール１は、発光部２０の発光面に隣接または近接して配置された光導波路６０を有する。

【0049】

リチウムイオン電池モジュール１は、複数の単電池ユニット３０および光導波路６０を収容する外装体７０を有する。図３においては、組電池の構成を説明するために外装体の一部を除去して示している。外装体としては、金属缶ケース、高分子金属複合フィルム等を使用することができる。

【0050】

組電池５０の最上面の負極集電体１９の上には導電性シートが設けられ、導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５９となる。また、組電池５０の最下面の正極集電体１７の上には導電性シートが設けられ、導電性シートの一部が外装体７０から引き出されて引出配線５７となる。導電性シートとしては導電性を有する材料であれば特に限定されず、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、樹脂集電体として記載した材料を適宜選択して用いることができる。引出配線を用いて、組電池への充電及び組電池からの放電を行うことができる。

【0051】

光導波路６０は、複数の単電池ユニット３０の発光部２０から出力される光信号の共通の光路を提供する。図３に示すように、単電池の積層方向に延伸した光導波路６０は、発光部２０の発光面に隣接または近接して配置される。光導波路６０は、発光部２０からの光信号を受光するのに十分な幅（単電池の積層方向に直交する方向の長さ）を有する導光板としてもよい。光導波路６０を導光板で構成する場合、光導波路６０の幅方向寸法を発光部２０の発光面の最大寸法（発光面が円形の場合は直径、矩形の場合は対角線）よりも大きくするとよい。

【0052】

光導波路６０として導光板を用いる場合、複数の発光部２０の発光面（各々が積層された複数の単電池に対応する）のすべてを覆うように光導波路６０を配置することができる。また、発光部２０の発光方向（発光面の鉛直方向に一致する場合および発光面の鉛直方向にから傾斜している場合を含む）を覆うように光導波路６０を配置することができる。

【0053】

また、光導波路６０としての導光板に対する発光部２０からの光信号の結合効率を高めるために、レンズなどの追加部品を用いてもよく、集光加工を施した導光板を用いてもよい。さらに、単電池の積層方向に直交する方向に延伸した光導波路６０を用いることも可能である。この場合、光導波路６０としての導光板は、複数の発光部２０の発光面のすべてを覆うことが可能で、光出力部に向かうテーパー形状とすることにより、先細りの光出力部から出力される光信号を受光部８０で受信することができる。

【0054】

光導波路６０は、光ファイバとしてもよく、例えば、複数の心線を束ねたテープ型ファイバを用いてもよい。また、受光部８０が外装体７０の内部に配置されている場合には、発光部２０の発光方向と外装体７０の内面との間に空間を設け、受光部８０との間に空間光学系を構成してもよい。このとき、発光部２０からの光信号の結合効率を高めるために、外装体７０の内部に反射板などの追加部品を用いてもよく、外装体７０の内面を反射面として加工してもよい。

【0055】

１つの光導波路６０に隣接または近接して配置された２０個以上の単電池ユニット３０の各々に備えられた発光部２０からの発光は、光学的に光導波路６０に結合され、光出力部から出射される。本実施形態において、光導波路６０の一部は、外装体７０から引き出されて、各々の発光部２０から入射し伝搬した光信号が出射する光出力部となっている。光出力部から出射した光信号は、受光部８０により受信される。

【0056】

外装体の外に出た光導波路の一端から出射された光信号は、受光部８０により受信される。受光部８０は受光素子８１を備えており、受光素子８１によって光信号を電気信号に逆変換することにより、組電池５０に含まれる単電池ユニット３０内の状態を示す電気信号を得ることができる。受光素子８１としてはフォトダイオード、フォトトランジスタ等を使用することができ、フォトダイオードが好ましい。発光素子であるＬＥＤ素子を受光素子として用いて受光部８０を構成してもよい。

【0057】

なお、光出力部を含む光導波路６０の全体が外装体７０の内部に収容されている場合には、光出力部から出射した光信号は、外装体７０の内部に配置された受光部８０により受信される。

【0058】

組電池と離間して配置される受光部８０と光導波路６０との間は、電気的に接続されておらず、光信号によって受光部８０と光導波路６０の間の情報伝達がされる。すなわち、受光部８０と組電池５０とが電気的に絶縁されていることを意味している。

【0059】

外装体７０は、組電池５０と、光導波路６０および引出配線５７、５９の少なくとも一部を収容する。外装体７０は、金属缶ケースまたは高分子金属複合フィルムを用いて構成することができる。外装体７０は、内部の減圧を保つように封止される。

【0060】

発光部２０の制御素子２３ａ、２３ｂは、対応する単電池１０の特性を測定し、測定された特性を表す特性信号を生成する測定回路として機能するように構成されている。例えば、電圧測定端子２４，２５に入力される電圧に対応するバイナリー信号を特性信号として生成する。特性信号は、電圧範囲と対応する信号パターンを定義した、ルックアップテーブルを使って、電圧測定端子に入力された電圧をバイナリー信号に変換して生成することができる。また、電圧測定端子に入力された電圧を、アナログ／デジタル変換により８ビット（または１６ビット）バイナリー信号に変換して生成してもよい。

【0061】

同様に、制御素子２３ａ、２３ｂの測定回路は、上述した測定端子に接続された温度センサの出力をバイナリー信号に変換したり、ひずみゲージ、圧電素子等の出力をバイナリー信号に変換することができる。

【0062】

制御素子２３ａ、２３ｂは、所定の期間毎に特性信号を符号化した制御信号を出力する制御回路として機能するように構成されている。所定のパターンに符号化された制御信号は、発光部２０に供給され、制御信号に応じた光信号が、光導波路６０に出力される。また、制御素子２３ａ、２３ｂは、特性信号と共に対応する単電池ユニット３０に、固有の識別子を符号化して制御信号に付加して出力する。対応する単電池ユニット３０の特性信号と共に識別子が符号化された制御信号に基づいて光信号が出力されるので、受信側において、いずれの単電池の状態情報であるかを識別することができる。

【0063】

［モジュール管理装置］
図４は、リチウムイオン電池モジュールのモジュール管理装置の機能ブロック図である。モジュール管理装置は、受光部８０と信号処理装置１００とから構成されている。リチウムイオン電池モジュール１には、引出配線５７と引出配線５９とに接続された、組電池の入出力電圧を測定するための電圧計９１を備える。また、リチウムイオン電池モジュール１は、引出配線５７に接続された、組電池の入出力電流を測定するための電流計９２を備える。さらに、リチウムイオン電池モジュール１は、組電池５０の周囲温度、外装体７０の内面または外面などに設置された１または複数の温度センサ９３を備えている。

【0064】

受光部８０は、光導波路６０と光学的に接続された受光素子８１、光電気変換回路（Ｏ／Ｅ）８２、復号器（ＤＥＣ）８３、および記録装置（ＭＥＭ）８４とが順に接続されている。

【0065】

複数の発光部２０と受光部８０との間の通信方式は、任意の方式を適用することができる。複数の発光部２０が光導波路６０を共通の光路として使用するので、受光部８０においては、複数の発光部２０からの光信号が衝突する可能性がある。

【0066】

そこで、各発光部２０の制御素子２３ａ、２３ｂに発振回路を搭載し、周期的に発光するようにするともに、複数の発光部２０が同時に発光しないように、衝突防止の機能を付加することが考えられる。また、各発光部２０の発光素子２２の波長を変えて、波長多重通信とすることもできる。上述したように、単電池ユニット３０ごとに固有の識別子を付与して識別するようにしてもよい。さらに、発光部２０の発光素子２２を受光素子として機能させ、受光部８０にも発光素子を備えることにより、受光部８０からのリクエスト信号に応じて、発光部２０が発光するようにしてもよい。

【0067】

また、制御回路は、測定回路によって測定された特性信号を、様々な形式の制御信号として出力することができる。上述したように、アナログ／デジタル変換により、電圧値そのものをバイナリー信号として符号化し、出力することができる。一方、組電池５０に含まれる単電池３０の数が多くなれば、１つの単電池の特性を示す情報量を少なくして、効率よく信号処理装置１００に出力できることが望ましい。

【0068】

例えば、制御回路は、上述したように、ルックアップテーブルを使って、測定された電圧値から、ビット数の少ない（４ビット）任意のバイナリー信号に変換してもよい。また、丸めたり、下位桁または上位桁を省略してビット数を削減したバイナリー信号を生成してもよい。

【0069】

また、制御回路は、電池の状態に応じて、制御信号を出力する周期を変えることにより、時間軸上で情報量を間引くこともできる。さらに、情報量の圧縮と時間軸での間引きとを組合せてもよい。

【0070】

制御回路は、測定回路によって測定された温度センサからの特性信号、ひずみゲージ、圧電素子等からの特性信号も、同様にして、１つの単電池の特性を示す情報量を少なくして、効率よくモジュール管理装置に出力することができる。このように、制御回路は、組電池５０から様々な測定パラメータを取得し、単電池ごとの状態に応じて情報量、送信周期を変えて制御信号を出力し、発光部２０から受光部８０へと光信号を送出することができる。

【0071】

受光部８０の復号器８３は、光電気変換回路８２で変換された電気信号から、どの単電池１０の発光部２０から発光された信号かを識別し、上述のようにデータ圧縮された信号を伸長して、元の電圧値などの特性信号に復号する。復号された特性信号は、後述するように、信号処理装置１００を介して取得された時刻情報とともに、記録装置８４に記録される。

【0072】

［信号処理装置］
信号処理装置１００は、受光部８０で受信したリチウムイオン電池モジュール１の単電池ごとの特性信号、電圧計９１、電流計９２および温度センサ９３からのデータを取得するデータ取得部１０１と、取得したデータから複数の単電池の状態を決定する状態決定部１３１および複数の単電池の状態を推定する状態推定部１３２などの電池の管理に必要なデータ処理を行う解析部１０３とを含む。信号処理装置１００は、データ処理中のデータの一時記憶、解析結果の記録のための解析ＤＢ１０２と、解析に必要な時系列や事前知識が格納された知識ＤＢ１０４と、上位の管理装置との間で通信を行うための通信部１０５とを備えている。信号処理装置１００は、マイクロコンピュータ、メモリ等が集積された汎用の集積回路、またはＦＰＧＡ，ＡＳＩＣ等が集積された専用の集積回路などにより構成することができる。

【0073】

信号処理装置１００は、通信部１０５を介して上位の管理装置との間で情報の送受を行うことができる。例えば、上位の管理装置は、複数のリチウムイオン電池モジュール１を統括して管理するために、時刻情報を同報したり、充放電の制御情報、リチウムイオン電池モジュール１の状態などの情報を取得するための指令などを信号処理装置１００に送信する。信号処理装置１００は、上記の指令に応じて上位の管理装置に解析結果を送信したり、周期的なデータ処理の結果を自律的に上位の管理装置に送信することもできる。

【0074】

上述したように、受光部８０の記録装置８４に記録されたデータは、リチウムイオン電池モジュール１の複数の単電池からの特性信号が、時刻情報とともに記録されている。単電池の発光部２０の制御回路は、様々な周期で光信号を送信し、単電池の間では非同期で送信している。そこで、データ取得部１０１は、解析部１０３におけるデータ処理に必要なデータを、解析する単電池の状態に応じて選択して解析ＤＢ１０２に格納する。

【0075】

なお、データ取得部１０１が、受光部８０の記録装置８４に記録されたデータを取り出した後、取り出したデータおよびデータ処理に不要なデータを適宜消去することにより、記録装置８４の記録容量を削減することができる。

【0076】

解析部１０３の状態決定部１３１は、解析ＤＢ１０２に格納された特性信号を参照して、リチウムイオン電池モジュール１の組電池５０の状態、個々の単電池３０の状態を決定することができる。また、信号処理装置１００は、通信部１０５を介して上位の管理装置に結果を送ることができる。

【0077】

［充電（放電）可能容量の推定］
リチウムイオン電池モジュール１は、単電池ユニット３０が複数個接続されてなる組電池５０を有する。従来、このような積層電池において、各々の単電池の劣化状態を把握するために、ある時点でのＳＯＣ（＝充電（放電）可能容量／満充電（放電）容量）を比較することにより推定していた。

【0078】

図５に、リチウムイオン電池モジュールの充電曲線の一例を示す。横軸は、単電池に印加される電流が一定としたとき、時間積分により求めた容量Ｑであり、縦軸は電圧Ｖである。図５（ａ）は、従来の推定法を説明するための図であり、実線は、電池の使用を開始した時点の充電曲線であり、破線は、電池を長期間使用した後の充電曲線であり、ＳＯＨ（＝満充電容量／初期満充電容量）＝８０％を示している。

【0079】

しかしながら、積層電池内に、単電池の並列接続を含む場合には、それぞれの単電池に流れる電流が不明であるため、充電（放電）可能容量の推定値の精度が落ちてしまう。また、単電池の充放電曲線において、満充電付近までプラトー領域があると、満充電時に単電池間の電圧差が極端に小さくなるため、単電池ごとに充電過程終了時の電圧を決定する際の精度が低くなってしまう。

【0080】

図５（ｂ）は、本実施形態の推定法を説明するための図であり、同様に、実線は、電池の使用を開始した時点の充電曲線であり、破線は、ＳＯＨ＝８０％の充電曲線を示している。単電池３０の残存容量は、電圧が所定の範囲を逸脱すると、残存容量の減少が加速されることが知られている。そこで、組電池５０内の各々の単電池３０の電圧が所定の範囲、例えば２．５０－４．２０Ｖの範囲を逸脱しないように、組電池５０の充電(放電)容量を制限する。残存容量の制御は、充電(放電)電流および充電(放電)時間を制御することによってなされる。

【0081】

組電池５０内の全ての単電池３０が所定の電圧範囲内に留まるように充放電を制御する場合に、各々の単電池３０の残存容量が等しいとみなせるとき、ある時点において最も電圧が高い単電池と、最も電圧が低い単電池について、その両方が所定の電圧範囲を逸脱しないよう充放電を制御することとなる。本実施形態の組電池５０は、バイポーラ型の単電池３０が直列接続されているために、各単電池に印加される電流は一定であり、充放電中の各単電池の容量変化は一定である。従って、組電池５０の充電時の残存容量は、ある時点において最も電圧が高い単電池の残存容量と等しくなり、組電池５０の放電時の残存容量は、ある時点において最も電圧が低い単電池の残存容量と等しくなる。

【0082】

一方、各々の単電池３０の残存容量が等しいと見なせないときは、組電池の残存容量は、ある時点における単電池群の電圧の最大値、最小値のみに支配されるわけではなく、単位容量あたりの電圧変化の大きさに影響を受ける。すなわち、組電池５０の充電時の残存容量は、ある時点において最も電圧が高い単電池の残存容量と、その時点の近傍において単位時間あたりの電圧変化が最も大きい単電池の残存容量のうち、小さい方の容量値であると推定することができる。同様に、組電池５０の放電時の残存容量は、ある時点において最も電圧が低い単電池の残存容量と、その時点の近傍において単位時間あたりの電圧変化が最も大きい単電池の残存容量のうち、小さい方の容量値であると推定することができる。

【0083】

上述したように、本実施形態の組電池５０は、充電曲線は一価の関数で表されるので、電池の劣化に伴う電圧変位の大きさ、すなわち、最高電圧および最低電圧と充電曲線の傾きは一意に決まる。そこで、劣化状態に応じた充電曲線、関数を予め求めておき、各単電池の電圧に所定の区間、例えば、３．３５Ｖから３．４０Ｖを設定し、各特定の区間の通過時間を記録する。特定の区間の通過時間から容量変化が求められ、予め求めたＳＯＣから積層電池内の各単電池の劣化状態を推定することができる。

【0084】

（推定法１）解析部１０３の状態推定部１３２は、例えば、特定の単電池について、解析ＤＢ１０２に格納された特性信号を参照して、充電を開始した時刻と所定の電圧の閾値を超えた時刻とを記録する。充放電が繰り返されるごとに、または所定の期間ごとに、これらの時刻を記録しておき、その時間差から予め求めておいて関数をフィッティングし、単電池のから充電（放電）可能容量を推定する。

【0085】

（推定法２）解析部１０３の状態推定部１３２は、例えば、特定の単電池について、解析ＤＢ１０２に格納された特性信号を参照して、充電を開始してから所定の電圧区間の第１の閾値を超えた時刻と第２の閾値を超えた時刻とから、所定の電圧区間を通過した時間を記録する。充放電が繰り返されるごとに、または所定の期間ごとに、通過時間を記録しておき、時間の長さ分布から予め求めておいて関数をフィッティングし、単電池の充電（放電）可能容量を推定する。

【0086】

所定の電圧区間は、図５（ｂ）に示したように、電圧３Ｖ付近よりも、４Ｖ以上での変化量が大きい。従って、－４．２ＶはＳＯＣ－ＯＣＶカーブの他の領域に比べて高いので、推定の精度が高くなる。

【0087】

（推定法３）
解析部１０３の状態推定部１３２は、上述したように、複数の単電池の電圧または単位時間当たりの電圧変化に基づいて選択された単電池の残存容量から組電池５０の残存容量を推定する。

【0088】

［電池システム］
図６に、リチウムイオン電池モジュールを含む電池システムを示す。据置き型の高電圧大容量の電池システムを示している。複数のリチウムイオン電池モジュール１ａ－１ｎが直列に接続され、電池パック２００を構成している。例えば、単電池３０を４８個積層した組電池５０を含むリチウムイオン電池モジュールを、４０段直列接続して６６００Ｖを出力する電池パック２００とする。複数の電池パック２００ａ－２００ｎを並列接続することにより、商用電源に相当する出力が可能な電池システムを構成する。単電池の積層数、リチウムイオン電池モジュールの接続数、電池パックの接続数を、それぞれ任意に設定することにより、様々な電池システムを構成することができる。

【0089】

上述したように、リチウムイオン電池モジュール１には、光導波路６０、受光部８０を介して信号処理装置１００が結合されている。各々の信号処理装置１００は、電池パック管理装置２０１に接続され、複数の電池パック管理装置２０１ａ－２０１ｎが、電池システム管理装置２０２に接続されている。

【0090】

電池パック管理装置２０１は、マイクロコンピュータ、メモリ等が集積された汎用の集積回路、またはＦＰＧＡ，ＡＳＩＣ等が集積された専用の集積回路などを含むオンボードコンピュータなどにより構成することができる。電池パック管理装置２０１は、信号処理装置１００の通信部１０５を介して、リチウムイオン電池モジュール１の状態などの情報を取得する。さらに、電池パック管理装置２０１は、電池パックの出力電圧、充放電時の電流、電池パックの温度分布などの計測を行う。

【0091】

電池パック管理装置２０１は、取得した情報や計測した結果から電池パックの状態を解析して、電池パックの監視制御を行う。例えば、信号処理装置１００からの情報により異常の発生したリチウムイオン電池モジュールを検知して切り離したり、電池パックの出力を遮断して、電池システムから切り離すことができる。また、上位の管理装置である電池システム管理装置２０２に、計測した結果や解析した結果を送信することができる。

【0092】

信号処理装置１００における組電池の充電（放電）可能容量の推定方法は、電池パック管理装置２０１においても、リチウムイオン電池モジュール１ａ－１ｎが直列接続された電池パックの充電（放電）可能容量の推定に適用することができる。

【0093】

電池システム管理装置２０２は、いわゆるＰＣＳ（Power Conditioning System）に相当し、電池システムの充放電の制御を行う。電池システム管理装置２０２は、複数の電池パック管理装置２０１ａ－２０１ｎから、電池パックの状態などの情報を取得したり、電池パックの接続／遮断を制御して、電池パック間のバランス調整などを行う。

【符号の説明】

【0094】

１０ 単電池
１２ 正極
１３ 負極
１４ セパレータ
１５ 正極活物質層
１６ 負極活物質層
１７ 正極集電体
１８ 枠部材
１９ 負極集電体
２０ 発光部
２１ 配線基板
２２ 発光素子
２３ａ、２３ｂ 制御素子
２４、２５ 測定端子
３０ 単電池ユニット
５０ 組電池
５７、５９ 引出配線
６０ 光導波路
７０ 外装体
８０ 受光部
８１ 受光素子
８２ 光電気変換回路（Ｏ／Ｅ）
８３ 復号器（ＤＥＣ）
８４ 記録装置（ＭＥＭ）
９１ 電圧計
９２ 電流計
９３ 温度センサ
１００ 信号処理装置
１０１ データ取得部
１０２ 解析ＤＢ
１０３ 解析部
１０４ 知識ＤＢ
１０５ 通信部
１３１ 状態決定部
１３２ 状態推定部
２００ 電池パック
２０１ 電池パック管理装置
２０２ 電池システム管理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】