7586133 二次電池の制御方法

(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】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】二次電池の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/633 20140101AFI20241112BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20241112BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20241112BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20241112BHJP

   H01M 10/6563 20140101ALI20241112BHJP

   H01M 10/6556 20140101ALI20241112BHJP

   H01M 10/6568 20140101ALI20241112BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

H01M10/633

H01M10/613

H01M10/625

H01M10/48 301

H01M10/6563

H01M10/6556

H01M10/6568

H01M10/48 Z

H02J7/00 P

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2022080219

(22)【出願日】2022-05-16

(65)【公開番号】P2023168862

(43)【公開日】2023-11-29

【審査請求日】2023-11-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮島 貴之

【審査官】三橋 竜太郎

(56)【参考文献】

【文献】実開平３－２４２５６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０２０－９８７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１１４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２２３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０１４３３９３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４２－１０／４８

Ｈ０１Ｍ １０／５２－１０／６６７

Ｈ０２Ｊ ７／００－７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４－７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／０５－１０／０５８７

Ｈ０１Ｍ １０／３６－１０／３９

Ｈ０１Ｍ ４／００－４／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集電体と、活物質層と、前記集電体と前記活物質層とを接着する接着層と、を含む二次電池の制御方法であって、
前記二次電池にかかる振動の強度を推定する振動強度推定ステップと、
前記二次電池の温度を測定する温度測定ステップと、
前記振動強度推定ステップにおいて推定された前記振動の強度に対して、前記集電体と前記活物質層との剥離を防止可能な前記接着層の接着力の下限値を算出する接着力算出ステップと、
前記接着力算出ステップにおいて算出された前記接着力の下限値に対して、前記接着層の接着力が低下し得る前記二次電池の温度の下限値を算出する温度算出ステップと、
前記温度測定ステップにおいて測定された前記二次電池の温度が、前記温度算出ステップにおいて算出された前記温度の下限値以上である場合に、前記二次電池を冷却する冷却ステップと、を備える、二次電池の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、二次電池の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１７－２０４３７７号公報（特許文献１）には、正極集電体、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層、正極集電体が、この順に積層される全固体電池が開示されている。上記特許文献１には記載されていないが、正極集電体と正極活物質層（負極集電体と負極活物質層）とが接着層により接着される場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－２０４３７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記のように集電体と活物質層とが接着層により接着される場合、電池における熱負荷や振動負荷に起因して上記接着層による接着力の低下が生じる。このため、集電体と活物質層との間の接触抵抗が上昇するため、予期せぬ入出力低下等が生じる場合がある。したがって、接着層による集電体と活物質層との接着力の低下を抑制することが望まれている。

【0005】

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、接着層による集電体と活物質層との接着力の低下を抑制することが可能な二次電池の制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一の局面に係る二次電池の制御方法は、集電体と、活物質層と、集電体と活物質層とを接着する接着層と、を含む二次電池の制御方法であって、二次電池にかかる振動の強度を推定する振動強度推定ステップと、二次電池の温度を測定する温度測定ステップと、振動強度推定ステップにおいて推定された振動の強度に対して、集電体と活物質層との剥離を防止可能な接着層の接着力の下限値を算出する接着力算出ステップと、接着力算出ステップにおいて算出された接着力の下限値に対して、接着層の接着力が低下し得る二次電池の温度の下限値を算出する温度算出ステップと、温度測定ステップにおいて測定された二次電池の温度が、温度算出ステップにおいて算出された温度の下限値以上である場合に、二次電池を冷却する冷却ステップと、を備える。

【0007】

本開示の一の局面に係る二次電池の制御方法では、上記のように、二次電池にかかる振動強度の推定値に対して、集電体と活物質層との剥離を防止可能な接着層の接着力の下限値が算出されるとともに、上記接着力の下限値に対して、接着層の接着力が低下し得る二次電池の温度の下限値が算出される。そして、二次電池の測定温度が、上記温度の下限値以上である場合に、二次電池が冷却される。これにより、二次電池に対して熱負荷や振動負荷がかかっても、接着層の接着力の低下が抑制されるように二次電池を冷却することができる。その結果、接着層の熱膨張が抑制されるので、接着層の機械的な劣化が抑制される。また、接着層の熱負荷に起因する化学的な劣化が抑制される。その結果、接着層による集電体と活物質層との接着力の低下を抑制することができる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、接着層による集電体と活物質層との接着力の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態による電動車両の構成を示す図である。

【図2】一実施形態による二次電池の電池セルの構成を示す概略的な断面図である。

【図3】一実施形態による接着層の接着力を制御する方法を示すフロー図である。

【図4】電池内への侵入水分量および酸素量と正極集電体の接着力との関係を示す図である。

【図5】電池内への侵入水分量および酸素量と経過時間との関係を示す図である。

【図6】正極集電体の接着力と経過時間との関係を示す図である。

【図7】電動車両のＬＩＤＡＲが路面の凸部を検知している様子を示す図である。

【図8】凸部の傾斜角度を示す図である。

【図9】凸部の傾斜角度と振動強度予測値との関係を示す図である。

【図10】振動強度予測値と正極集電体の剥離防止可能な接着力の下限値との関係を示す図である。

【図11】正極集電体の接着力と正極側接着層の接着力が低下し得る二次電池の温度の下限値との関係を示す図である。

【図12】振動強度予測値と正極側接着層の接着力が低下し得る二次電池の温度の下限値との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0011】

図１は、二次電池３１が搭載される電動車両１０の構成を示す図である。電動車両１０は、バッテリＥＣＵ（Electrical Control Unit）２０と、バッテリユニット３０と、ＬＩＤＡＲ（Light Detection And Ranging）４０と、を備える。バッテリＥＣＵ２０は、バッテリユニット３０を制御する。

【0012】

バッテリＥＣＵ２０は、プロセッサ２１と、メモリ２２とを含む。メモリ２２には、プロセッサ２１に実行されるプログラムのほか、プログラムで使用される情報（たとえば、マップ、数式、および各種パラメータ）が記憶されている。

【0013】

バッテリユニット３０は、二次電池３１と、冷却装置３２と、サーミスタ３３とを含む。二次電池３１は、たとえば全固体電池である。サーミスタ３３は、二次電池３１（電池セル３１０）の温度を測定する。

【0014】

また、冷却装置３２は、二次電池３１（電池セル３１０）を冷却するために設けられている。冷却装置３２は、たとえば空冷ファンを含む。また、冷却装置３２は、冷却水等の冷媒によって二次電池３１（電池セル３１０）を冷却してもよい。

【0015】

図２は、二次電池３１に含まれる複数の電池セル３１０のうちの１つの構成を示す図である。二次電池３１は、正極集電体３１１、正極側接着層３１２、正極活物質層３１３、固体電解質層３１４、負極活物質層３１５、負極側接着層３１６、負極集電体３１７が、この順に積層されている。なお、二次電池３１（電池セル３１０）の構成はこれに限られない。また、正極集電体３１１および負極集電体３１７は、本開示の「集電体」の一例である。また、正極活物質層３１３および負極活物質層３１５は、本開示の「活物質層」の一例である。また、正極側接着層３１２および負極側接着層３１６は、本開示の「接着層」の一例である。

【0016】

正極側接着層３１２は、正極集電体３１１と正極活物質層３１３とにより挟まれるように設けられ、正極集電体３１１と正極活物質層３１３とを接着している。また、負極側接着層３１６は、負極集電体３１７と負極活物質層３１５とにより挟まれるように設けられ、負極集電体３１７と負極活物質層３１５とを接着している。正極側接着層３１２および負極活物質層３１５の各々は、導電性である。正極側接着層３１２および負極活物質層３１５の各々は、たとえば炭素層を含む。

【0017】

（二次電池の制御方法）
図３は、バッテリＥＣＵ２０のプロセッサ２１による二次電池３１（電池セル３１０）の制御方法を示す制御フローである。なお、本実施形態では、簡略化のため、正極側接着層３１２による正極集電体３１１と正極活物質層３１３との接着力を制御することについてのみ説明する。負極側接着層３１６による正極集電体３１１と正極活物質層３１３との接着力の制御については、正極側と同様（または同一）であるので、詳細な説明は繰り返し行わない。

【0018】

まず、ステップＳ１０において、プロセッサ２１は、電動車両１０が始動したことを検知する。プロセッサ２１は、たとえば図示しないＥＶ－ＥＣＵ等から、電動車両１０が始動したことを示す情報を受信することにより、電動車両１０が始動したことを検知する。

【0019】

次に、ステップＳ２０において、プロセッサ２１は、正極集電体３１１の接着力を推定する。プロセッサ２１は、メモリ２２に記憶されている各種情報に基づいて、正極集電体３１１の接着力を推定する。具体的には、後述の図４に示す関係および図５に示す関係に基づいて、接着力の推定が行われる。

【0020】

詳細には、メモリ２２には、正極集電体３１１の２５℃における接着力と、二次電池３１（電池セル３１０）内へ侵入する水分量および酸素量との関係（図４の実線参照）が記憶されている。ここで、正極側接着層３１２（炭素層）は、水分や酸素により酸化して接着力が低下することが知られている。そこで、２５℃で酸素濃度および湿度を変化させた場合の正極側接着層３１２の接着力を導出した試験結果が予めメモリ２２に記憶されている。

【0021】

また、メモリ２２には、二次電池３１（電池セル３１０）内へ侵入する水分量および酸素量と、経過時間（電池セル３１０が製造されてからの経過時間）との関係（図５の実線参照）が記憶されている。図５に示す関係は、二次電池３１に用いられている部材の透過係数（予め設定された実験値）と、二次電池３１に用いられている部材の温度履歴と、経過時間とにより決定されている。

【0022】

そして、プロセッサ２１は、図４に示す関係と、図５に示す関係とに基づき、正極集電体３１１の２５℃における接着力と、経過時間との関係（図６の実線参照）を導出する。これにより、現時点での経過時間（ここではＹ１とする）における接着力がＰ１であることが推定される。

【0023】

再び図３を参照して、ステップＳ３０では、プロセッサ２１は、電動車両１０が走行していること（走行を開始したこと）を検知する。プロセッサ２１は、たとえば図示しないＥＶ－ＥＣＵ等から、電動車両１０が走行していることを示す情報を受信することにより、電動車両１０が走行していること（走行を開始したこと）を検知する。

【0024】

次に、ステップＳ４０では、プロセッサ２１は、電池セル３１０にかかる振動の強度を推定する。たとえば、プロセッサ２１は、ＬＩＤＡＲ４０からの信号を取得することにより、電動車両１０の前方の路面に凸部９０（図７参照）があることを検知する。そして、プロセッサ２１は、ＬＩＤＡＲ４０から、凸部９０の高さｈ（図８参照）および凸部９０の傾斜長さｄ（図８参照）の情報を取得し、凸部９０の傾斜角度θ（図８参照）を算出する。なお、プロセッサ２１は、傾斜角度θを算出する際に、ＶＩＣＳ（Vehicle Information and Communication System）（登録商標）および車車間通信などのコネクテッドを活用してもよい。

【0025】

また、プロセッサ２１は、図示しないＥＶ－ＥＣＵ等から、電動車両１０の車速の情報を取得する。そして、プロセッサ２１は、凸部９０の傾斜角度θと、電動車両１０の車速とに基づき、電池セル３１０にかかる振動強度ｇの予測値を算出する。振動強度ｇとは、ある予測対象期間において電池セル３１０が受ける振動強度の最大値を意味する。

【0026】

ここで、電動車両１０には、予め様々な傾斜角度θと振動強度ｇとの関係が車速ごとに学習された制御システム（マップ）（図９参照）が搭載されている。プロセッサ２１は、上記制御システムに基づき、算出された傾斜角度θから振動強度ｇを算出する。上記の制御システムは、メモリ２２に格納されていてもよい。なお、プロセッサ２１は、電動車両１０の同型車において学習されてサーバに格納された上記制御システム（マップ）を使用してもよい。

【0027】

なお、上記では凸部９０に対応する振動強度ｇを算出する例に挙げたが、本開示はこれに限られず、たとえば凹部に対応する振動強度ｇが算出されてもよい。また、図９では、車速が５０ｋｍ／ｈ、６５ｋｍ／ｈ、および、８０ｋｍ／ｈの各々のデータが示されているが、上記３つ以外の車速に対応する振動強度ｇが予め学習されていてもよい。なお、本実施形態では、電池セル３１０の振動強度ｇがＧ１（図１０参照）であると予測されたとする。

【0028】

次に、ステップＳ４１では、プロセッサ２１は、ステップＳ４０において算出（予測）された振動強度ｇに対して、正極集電体３１１と正極活物質層３１３との剥離を防止可能な正極側接着層３１２の接着力の下限値（最小値）を算出する。

【0029】

ここで、メモリ２２には、経過時間Ｙごとの、振動強度ｇと上記接着力の下限値との関係が記憶されている。経過時間Ｙごとの上記関係は、接着力測定試験により実験的に導出され、予めメモリ２２に記憶されている。

【0030】

したがって、プロセッサ２１は、経過時間Ｙ１に対応する上記関係（図１０参照）に基づいて、振動強度Ｇ１に対応する上記接着力の下限値Ｐｌｉｍ１を算出する。なお、図１０のハッチングされている領域は、正極集電体３１１と正極活物質層３１３とが剥離される可能性がある領域を意味する。また、図１０の振動強度Ｇ２は、電池セル３１０の温度によらず正極側接着層３１２の剥離が生じる振動強度を意味している。

【0031】

次に、ステップＳ４２では、プロセッサ２１は、ステップＳ４１において算出された上記接着力の下限値に対して、正極側接着層３１２の接着力が低下し得る二次電池３１（電池セル３１０）の温度の下限値を算出する。

【0032】

ここで、正極側接着層３１２（炭素層）は、所定の温度以上で軟化して機械的な強度が低下することが知られている。そこで、メモリ２２には、二次電池３１（電池セル３１０）の温度と正極側接着層３１２の接着力との関係が予め記憶されている。上記関係は、実験的に予め導出され、メモリ２２に記憶されている。

【0033】

詳細には、メモリ２２には、二次電池３１（電池セル３１０）の温度に対する正極側接着層３１２の接着力の変化率（図１１の実線の傾き）が記憶されている。ステップＳ４２では、プロセッサ２１は、経過時間Ｙ１における２５℃での正極側接着層３１２の接着力（Ｐ１）と、上記変化率とに基づいて、二次電池３１（電池セル３１０）の温度と正極側接着層３１２の接着力との関係（図１１の実線参照）が導出される。そして、プロセッサ２１は、上記関係に基づいて、ステップＳ４１において推定された上記接着力の下限値Ｐｌｉｍ１に対応する上記温度の下限値Ｔｌｉｍ１を算出する。

【0034】

なお、図１２は、図１０および図１１に基づいて算出された、振動強度ｇの予測値と正極側接着層３１２の接着力が低下しうる二次電池３１（電池セル３１０）の温度の下限値との関係を示す図である。図１２のハッチングされている領域は、正極集電体３１１と正極活物質層３１３とが剥離される可能性がある領域を意味する。

【0035】

また、ステップＳ５０では、二次電池３１（電池セル３１０）の温度が測定される。具体的には、プロセッサ２１は、サーミスタ３３により測定された二次電池３１（電池セル３１０）の温度情報を取得する。

【0036】

次に、ステップＳ６０では、プロセッサ２１は、ステップＳ５０において測定された二次電池３１（電池セル３１０）の温度がステップＳ４２において算出された温度下限値Ｔｌｉｍ１以上か否かを判定する。測定された二次電池３１（電池セル３１０）の温度が温度下限値Ｔｌｉｍ１以上である場合（Ｓ６０においてＹｅｓ）、処理はステップＳ７０に進む。なお、Ｓ６０においてＹｅｓの場合、プロセッサ２１は、接着層（３１２、３１６）の接着力低下が予測されることをユーザに通知（警告）する制御を行ってもよい。また、測定された二次電池３１（電池セル３１０）の温度が温度下限値Ｔｌｉｍ１未満である場合（Ｓ６０においてＮｏ）、処理はステップＳ３０とＳ４０（Ｓ５０）との間に戻る。

【0037】

そして、ステップＳ７０では、二次電池３１（電池セル３１０）が冷却される。具体的には、プロセッサ２１は、冷却装置３２を制御することによって、二次電池３１（電池セル３１０）を冷却する。その後、処理はステップＳ６０に戻り、二次電池３１（電池セル３１０）の温度が温度下限値Ｔｌｉｍ１未満になるまで上記冷却制御が繰り返される。なお、上記冷却制御は、電動車両１０の走行が停止されたこと（または電動車両１０がパワーオフされたこと）に基づいて終了されてもよい。

【0038】

以上のように、本実施形態の二次電池３１の制御方法は、温度測定ステップ（Ｓ５０）において測定（取得）された二次電池３１（電池セル３１０）の温度が、温度算出ステップ（Ｓ４２）において算出された下限値Ｔｌｉｍ１以上である場合に、二次電池３１（電池セル３１０）を冷却する冷却ステップを備える。これにより、二次電池３１の接着層（３１２、３１６）の接着力が維持されるように二次電池３１（電池セル３１０）の温度が調整される。その結果、二次電池３１における集電体（３１１、３１７）の剥離を容易に防止することができる。

【0039】

また、上記実施形態では、冷却装置３２を用いて二次電池３１を冷却する例を示したが、本開示はこれに限られない。たとえば、二次電池３１の発熱を抑制する制御を行う（たとえば二次電池３１を他の電気機器から電気的に遮断する）ことによって、二次電池３１（電池セル３１０）の温度を低下させてもよい。具体的には、二次電池３１（電池セル３１０）の使用を一時的に停止した状態で二次電池３１（電池セル３１０）を自然放熱により冷却してもよい。

【0040】

また、上記実施形態では、ステップＳ４０～Ｓ４２の処理とステップＳ５０の処理とが並列的に行われている例を示したが、本開示はこれに限られない。ステップＳ４０～Ｓ４２の処理とステップＳ５０の処理とが直列的に行われてもよい。

【0041】

なお、上記実施形態に記載されている構成、および、上記の変形例は、任意に組み合わされて実施されてもよい。

【0042】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0043】

３１ 二次電池，３１１ 正極集電体（集電体），３１２ 正極側接着層（接着層），３１３ 正極活物質層（活物質層），３１５ 負極活物質層（活物質層），３１６ 負極側接着層（接着層），３１７ 負極集電体（集電体）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】