特許 7527897 二次電池および制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-26

(45)【発行日】2024-08-05

(54)【発明の名称】二次電池および制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20240729BHJP

   H02J 7/10 20060101ALI20240729BHJP

   H01M 10/615 20140101ALI20240729BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20240729BHJP

   H01M 10/633 20140101ALI20240729BHJP

   H01M 10/6571 20140101ALI20240729BHJP

   G01R 31/389 20190101ALI20240729BHJP

   G01R 31/382 20190101ALI20240729BHJP

   G01R 31/385 20190101ALI20240729BHJP

   G01R 31/387 20190101ALI20240729BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 P

H02J7/10 Q

H01M10/615

H01M10/625

H01M10/633

H01M10/6571

G01R31/389

G01R31/382

G01R31/385

G01R31/387

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020147491

(22)【出願日】2020-09-02

(65)【公開番号】P2022042190

(43)【公開日】2022-03-14

【審査請求日】2023-06-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 修一

(72)【発明者】

【氏名】須藤 富士雄

【審査官】田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２３２１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４９４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２１４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０６１２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２３２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】再公表特許第２０１１／０１６４９７（ＪＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／１０

Ｈ０１Ｍ １０／６１５

Ｈ０１Ｍ １０／６２５

Ｈ０１Ｍ １０／６３３

Ｈ０１Ｍ １０／６５７１

Ｇ０１Ｒ ３１／３８９

Ｇ０１Ｒ ３１／３８２

Ｇ０１Ｒ ３１／３８５

Ｇ０１Ｒ ３１／３８７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のセルを有する電池モジュールと、
前記セルごとの電圧および電流を計測する計測部と、
前記セルごとに取り付けられたヒータと、
前記ヒータを個別にオン／オフするスイッチ部と、
プロセッサとを具備し、
前記プロセッサは、
前記セルごとの電圧値および電流値から各セルの抵抗値を計算し、
前記抵抗値が既定の閾値以上のセルに取り付けられたヒータをオンすべく前記スイッチ部を制御する、二次電池。

【請求項2】

前記プロセッサは、
前記セルごとの開放時セル電圧を推定し、
前記推定された開放時セル電圧と前記電圧値との差を前記電流値で除して前記抵抗値を求める、請求項１に記載の二次電池。

【請求項3】

前記プロセッサは、
前記セルごとの電圧値および電流値から各セルの電池容量を推定し、
前記推定された電池容量から前記開放時セル電圧を推定する、請求項２に記載の二次電池。

【請求項4】

複数のセルを有する電池モジュールと、
前記セルごとの電圧および電流を計測する計測部と、
複数のヒータと、
前記ヒータを個別にオン／オフするスイッチ部と、
プロセッサとを具備し、
前記プロセッサは、
前記セルごとの電圧値および電流値から各セルの抵抗値を計算し、
前記抵抗値が既定の閾値よりも大きいセルを加温すべく前記スイッチ部を制御する、二次電池。

【請求項5】

前記ヒータは、隣り合う１以上のセルからなるセル群ごとに設けられ、
前記プロセッサは、
属するセルの抵抗値の最小値、または平均値が前記閾値よりも大きいセル群に設けられたヒータをオンすべく前記スイッチ部を制御する、請求項４に記載の二次電池。

【請求項6】

前記セルは、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二次電池。

【請求項7】

複数のセルを有する電池モジュールと、前記セルごとの電圧および電流を計測する計測部と、前記セルごとに取り付けられたヒータと、前記ヒータを個別にオン／オフするスイッチ部と、プロセッサとを具備する二次電池を制御する方法であって、
前記プロセッサが、前記セルごとの電圧値および電流値から各セルの抵抗値を計算する過程と、
前記プロセッサが、前記抵抗値が既定の閾値以上のセルに取り付けられたヒータをオンすべく前記スイッチ部を制御する過程とを具備する、制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、二次電池および制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

二次電池としてのリチウムイオン電池は、車両、船舶、鉄道車両などで広く用いられ、旧来の鉛バッテリーにとって代わろうとしている。例えば、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）を負極に使用した、次世代型のリチウムイオン電池が知られている。

【0003】

一般に、リチウムイオン電池をはじめとする電池は低温で直流抵抗値が増大するので、少ない放電電流値でも端子電圧が大きく低下する。つまり、低温域ではリチウムイオン電池の本来の容量を利用し難くなることから、温度が過度に低下した電池はヒータで加温して使用される。そして、電池の温度が上昇するのを待ち、期待する充放電が可能か否かを判定していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－６１２４４号公報

【文献】特開２００２－１１０１８７号公報

【文献】特開２０１２－１７４５７１号公報

【文献】特開２０１０－２２６８９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来、電池の温度を検出するために温度センサが用いられている。しかし、セルの内部に温度センサを取り付けることは難しく、温度センサは二次電池の基板、あるいはセルの外装などに取り付けられるため、セルの正確な温度を測定することができない。このことから、ヒータで加温してもセルごとの温度がばらついていることが正確に測定できないので、内部抵抗値の高いセルが残ってしまい、想定よりも少ない容量しか出力できないことがあった。

【0006】

その対策として、暖気や液体を用いてセルを均等に加温しようとする工夫は利用されているが、そのための構造を設けなくてはならず、電池の形状が大型化していた。セルの内部抵抗値は、温度とＳＯＣ（State of Charge：充電率）から推定することができるが、温度測定点のずれにより値がばらつく。このばらつきを補正するための計算リソースやメモリリソースが必要になるため、電池の管理装置が複雑になり、電池の小型化はさらに困難であった。

【0007】

そこで、本発明の目的は、容量の増加と小型化を両立した二次電池および制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態によれば、二次電池は、複数のセルを有する電池モジュールと、セルごとの電圧および電流を計測する計測部と、セルごとに取り付けられたヒータと、ヒータを個別にオン／オフするスイッチ部と、プロセッサとを具備する。プロセッサは、セルごとの電圧値および電流値から各セルの抵抗値を計算する。また、プロセッサは、抵抗値が既定の閾値以上のセルに取り付けられたヒータをオンすべく、スイッチ部を制御する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係わる二次電池の適用例を示す模式図である。

【図2】図２は、第１の実施形態に係わる二次電池の一例を示すブロック図である。

【図3】図３は、ヒータの取り付け例を示す図である。

【図4】図４は、プロセッサ３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図5】図５は、図４のステップＳ３における処理手順の一例を示すフローチャートである。

【図6】図６は、第２の実施形態に係わる二次電池の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、実施形態に係わる二次電池の適用例を示す模式図である。実施形態では、二次電池として、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池を想定する。
実施形態において、二次電池１００は、内燃機関（エンジン）により駆動力を得る車両２００に搭載される。車両２００のハンドルの近傍に設置されたキースイッチ（イグニッションスイッチ（ＩＧＮ））３００が操作されると、二次電池１００の電力が車両２００のスタータに供給され、エンジンが始動される。その際、キースイッチ３００から接点信号（スタータ情報）が、インタフェース４００を介して二次電池１００に供給される。

【0011】

すなわち実施形態に係わる二次電池１００は、その外装面に正極端子１ａと、負極端子１ｂと、外部からの信号を取得するための外部制御端子１ｃとを備える。外部制御端子１ｃを介して信号を与えることで、二次電池１００の動作を制御することが可能である。

【0012】

［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係わる二次電池の一例を示すブロック図である。二次電池１００は、電池モジュール１０、計測部２０、プロセッサ（ＢＭＵ：Battery Management Unit）３０、およびスイッチ部４０を備える。このうち電池モジュール１０は、直列に接続された複数のセルＣ１～Ｃｎを備える。

【0013】

ここで、セルＣ１～Ｃｎは、例えば、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池である。

【0014】

計測部２０は、電池モジュール１０のセルＣ１～Ｃｎごとに、電圧、電流、あるいは温度などの電池情報を計測する。計測された電池情報はプロセッサ３０に転送されるとともに、メモリ（図示せず）に記憶される。
プロセッサ３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などの、演算機能を有する半導体チップであり、二次電池１００を統括的に制御する。また、プロセッサ３０は、計測部２０から得られた情報をもとに、過充電や過放電といった、電池モジュール１０の状態を判定する。

【0015】

図３に示されるように、セルＣ（Ｃ１～Ｃｎ）ごとにヒータＨ（Ｈ１～Ｈｎ）が、例えば広い方の側面の一方に取り付けられる。ヒータＨは、電池モジュール１０から電力を供給されて発熱する。スイッチ部４０は、各ヒータＨを個別にオン／オフするための、複数のスイッチを備える。プロセッサ３０により各スイッチが制御されて、セルを個別に温めることが可能である。

【0016】

プロセッサ３０は、ヒータＨの電源投入に関する制御を行う。また、プロセッサ３０は、計測部２０で計測された電池情報をもとに、電池容量を推定する。ヒータＨは、電池モジュール１０の温度が既定の閾値未満にまで低下すると起動され、セルを加温して、充放電性能を改善する。次に、上記構成における作用を説明する。

【0017】

図４は、プロセッサ３０の処理手順の一例を示すフローチャートである。図４において、プロセッサ３０は、計測部２０から通知されるバッテリ温度が閾値未満になると（ステップＳ１でＹｅｓ）、電池モジュール１０に電流が流れているか否かを確認する（ステップＳ２）。電池モジュール１０に電流が流れていなければ（Ｎｏ）、プロセッサ３０は、スイッチ部４０を制御し、全てのヒータＨを一時的に（例えば数秒間）オンしてバッテリを放電する（ステップＳ６）。

【0018】

ヒータＨに電流が流れると、セルの抵抗値による電圧降下のためセル電圧が低下する。プロセッサ３０は、上記推定された電池容量からＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開放時セル電圧）を推定する。またプロセッサ３０は、ヒータオン時の計測部２０からの電流、および電圧の各計測値に基づいて、式（１）により各セルの抵抗値を計算する（ステップＳ３）。計算されたセル抵抗値はメモリ（図示せず）に記憶される。
セル抵抗値＝（推定ＯＣＶ－セル電圧）／電流 … （１）
次にプロセッサ３０は、計算されたセル抵抗値と既定の閾値とをセルごとに比較する（ステップＳ４）。もちろん、ここでいうセル抵抗値の閾値は、上記バッテリ温度の閾値とは異なる量である。

【0019】

セル抵抗値が閾値以下であれば（ステップＳ４でＹｅｓ）、そのセルの加温は不要である。一方、セル抵抗値が閾値よりも大きければ（Ｎｏ）、そのセルを加温する必要がある。よってプロセッサ３０は、セル抵抗値が閾値よりも大きいセルのヒータＨに接続されたスイッチを例えば数秒間だけオンし、そのセルを加温する。数秒後にプロセッサ３０は加温を停止し、加温時に計測された電圧降下と電流データに基づいて、セル抵抗値を再び計算する（ステップＳ３）。

【0020】

ステップＳ３～ステップＳ５の手順は、セル抵抗値の高いセルがなくなるまで繰り返される。そして、全てのセルＣ１～Ｃｎのセル抵抗値が閾値以下になれば、加温は終了する。

【0021】

図５は、図４のステップＳ３における処理手順の一例を示すフローチャートである。プロセッサ３０は、ヒータによる加温を実施したかそうでないかをセルごとに判定する（ステップＳ３１）。初回の加温であれば（Ｎｏ）、今回の加温で計測された電池情報から式（１）で計算された値をセル抵抗値とする（ステップＳ３３）。

【0022】

一方、２回目以降の加温であれば（Ｙｅｓ）、プロセッサ３０は、加温後の予測値をセル抵抗値とする（ステップＳ３２）。予測値は次のようにして計算することができる。
抵抗値の減少値＝前回の抵抗測定値－今回の抵抗測定値 … （２）
加温後の抵抗値＝今回の抵抗測定値－減少値 … （３）
式（３）の値が分かれば、その値から、温度上昇の伝導遅延分を補償することができる。つまり、ヒータＨをオンしても、ヒータＨからセルＣへの熱伝導には一定の時定数による遅延があることから、セル抵抗値の減少は加温中ではなく加温後に現れる。そこで、２回目以降の加温では、抵抗値の減少値（前回の抵抗測定値－今回の抵抗測定値）を利用して、加温後の抵抗値（今回の抵抗測定値－減少値）を計算する。このようにすることで、より効率的にセルを加温することが可能になる。

【0023】

以上述べたように第１の実施形態では、電池電圧の降下量を確認し、電池モジュール１０の内部抵抗値を均等にすべく、各ヒータをオン／オフするようにした。つまり、直接計測したセル温度が均等になるよう制御するのでなく、セルごとのセル抵抗値が均等になるようにヒータのオン／オフを制御する。

【0024】

プロセッサ３０は、ヒータＨによる加温が必要な温度と判定すると、先ず、電池モジュール１０に流れている電流を確認する。電池モジュール１０に電流が流れていなければ、プロセッサ３０は一時的に全ヒータをオンしてバッテリを放電する。そしてプロセッサ３０は、推定した電池容量から推定されるＯＣＶと、電流、電圧の計測値から、各セルの抵抗値を計算する。

【0025】

プロセッサ３０は、セル抵抗値が閾値以上のセルを数秒間だけ加温し、加温時の電圧降下と電流データからセル抵抗値を再度、計算する。２回目以降の加温では、抵抗値の減少値（前回の抵抗測定値－今回の抵抗測定値）を利用して、加温後の抵抗値（今回の抵抗測定値－減少値）を計算し、温度上昇の伝導遅延分を補償する。

【0026】

このように、センサにより温度を計測するのでなく、加温の結果をより直接的に反映する内部抵抗値を計算してヒータのオン／オフを個別に制御しているので、瞬時にきめ細かな温度制御を実現することができる。

【0027】

また、温度測定点のずれによる温度センサ値のばらつきを保障するための温度マップや、過去のデータ等を記憶するためのメモリ容量も不要になる。従って従来の二次電池よりも小型化を促進することができる。そもそも第１の実施形態によれば温度センサを設ける必要が無く、暖気や液体による加温も必要としないので、小型化に寄与する効果は大きい。
これらのことから第１の実施形態によれば、容量の増加と小型化を両立した二次電池および制御方法を提供することが可能になる。

【0028】

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係わる二次電池の一例を示すブロック図である。図６において図２と共通する部分には同じ符号を付して示す。第２の実施形態では、ヒータをセルごとでなく、複数セルにまとめて１個のヒータを設けるようにする。すなわち、二次電池は直列接続された二つの電池モジュール１１，１２を備える。電池モジュール１１は、セルＣ１～Ｃｎを備え、電池モジュール１２は、セルＣ１～Ｃｍを備える。そして、電池モジュール１１は、セルＣ１～Ｃｎをまとめて加温するためのヒータＨＡを有し、電池モジュール１２は、セルＣ１～Ｃｍをまとめて加温するためのヒータＨＢを有する。

【0029】

図６において、ヒータＨＡは、隣り合うセルＣ１～Ｃｎからなるセル群に対して設けられ、ヒータＨＢは、隣り合うセルＣ１～Ｃｍからなるセル群に対して設けられる。計測部２０は、セルＣ１～Ｃｎ、Ｃ１～Ｃｍの電圧、電流、あるいは温度などの電池情報を個別に計測する。計測された電池情報はプロセッサ３０に転送されるとともに、メモリ（図示せず）に記憶される。
スイッチ部４０は、ヒータＨＡをオン／オフするスイッチと、ヒータＨＢをオン／オフするスイッチとを備える。

【0030】

上記構成において、プロセッサ３０は各セルの抵抗値を計算し、閾値よりもセル抵抗値の大きいセルを加温すべくスイッチ部４０を制御する。その際、プロセッサ３０は、電池モジュール１１に属するセルのうち、セル抵抗値が最小のセルのセル抵抗値が閾値よりも大きければ、ヒータＨＡをオンする。同様にプロセッサ３０は、電池モジュール１２のセルＣ１～Ｃｍのうちセル抵抗値が最小のセルのセル抵抗値が閾値よりも大きければ、ヒータＨＢをオンする。

【0031】

または、プロセッサ３０は、電池モジュール１１のセルＣ１～Ｃｎのセル抵抗値の平均値が閾値よりも大きければ、ヒータＨＡをオンする。同様にプロセッサ３０は、電池モジュール１２のセルＣ１～Ｃｍのセル抵抗値の平均値が閾値よりも大きければ、ヒータＨＢをオンする。

【0032】

このように、セルごとにヒータを取り付けるのではなく、複数セル（セル群）をまとめて加温するためのヒータを設け、温度制御を複数セル単位で実施するようにしてもよい。このようにすれば、さらに小型化を促すことができる。また、セルの数に比較して、制御量および計算量を少なくすることができるので、このことによってもさらに小型化を図ることができる。

【0033】

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0034】

１ａ…正極端子、１ｂ…負極端子、１ｃ…外部制御端子、Ｈ１～Ｈｎ，ＨＡ，ＨＢ…ヒータ、１０，１１，１２…電池モジュール、２０…計測部、３０…プロセッサ、４０…スイッチ部、１００…二次電池、２００…車両、３００…キースイッチ、４００…インタフェース、Ｃ１～Ｃｍ，Ｃ１～Ｃｎ…セル。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】