JP7200846B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本開示は電池システムに関する。

国際公開第２０１３／０４６２６３号（特許文献１）は、電池の制御装置を開示している。該制御装置は、電池の放電電力が上限値を超えないように、電池の放電を制御している。

国際公開第２０１３／０４６２６３号

各種の用途において、電池モジュールが使用されている。電池モジュールは、１個以上の電池セル（単セル）と、拘束部材とを含む。拘束部材は、電池モジュールの周囲を物理的に拘束している。拘束部材は、電池セルに拘束荷重を加えている。

高容量を有する電池モジュールが求められている。そのため、比容量の大きい活物質（例えば珪素等）が検討されている。しかし比容量が大きい活物質は、概して、充放電サイクルに伴って大きく膨張し得る。活物質が膨張することにより、電池セルも膨張する。電池セルが膨張することにより、電池セルから拘束部材に加わる反力が大きくなる。反力は、充放電サイクル回数に応じて、徐々に増加する。やがて反力が、拘束部材の限界応力を超える可能性がある。

本開示の目的は、膨張しやすい活物質を含む電池モジュールに適した電池システムを提供することである。

以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし、本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。

電池システムは、電池モジュール、測定装置、および制御装置を含む。
電池モジュールは、１個以上の電池セルと、拘束部材とを含む。電池セルは、電解液を含む。拘束部材は、電池セルに拘束荷重を加えている。
測定装置は、反力を測定する。反力は、拘束荷重の働く方向と逆方向に、電池セルから拘束部材に対して働く力である。
制御装置は、反力がゼロである時、電池モジュールの放電電流に第１上限値を設定する。制御装置は、反力がゼロよりも大きい時、電池モジュールの放電電流に第２上限値を設定する。第１上限値は、第２上限値よりも大きい。

図１は、充放電サイクル回数と、反力との関係を図解する第１概念図である。
電池セル１０は、筐体１１および電極群１２を含む。筐体１１は電極群１２を収納している。反力は、電極群１２が筐体１１に接触することにより発生する。一般に、電極群１２は、当初より筐体１１に接触している。筐体１１内の余剰空間が小さいことにより、体積あたりの容量が増加するためである。図１のグラフに示されるように、電極群１２が当初より筐体１１に接触している構成においては、充放電サイクルの開始時点から反力が発生している。

ここで、図１における「上限ＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）」は、満充電時に相当する。図１における「下限ＳＯＣ」は、完全放電時に相当する。

充放電サイクルの各回において、反力は満充電時に最大であり、完全放電時に最小である。電極群１２が充電により膨張し、放電により収縮するためである。ただし電極群１２の体積は、放電時に収縮するものの、膨張前（充電前）の体積までは戻らない。そのため、電極群１２の体積は、充放電サイクル回数の増加と共に、単調に増加する。その結果、反力も単調に増加することになる。

図１のグラフに示されるように、充放電サイクルに伴って、反力は徐々に増加する。第ｎ回目の充放電サイクルにおいて、上限ＳＯＣにおける反力が、拘束部材の限界応力に達する。上限ＳＯＣにおける反力が、限界応力に達するまでの期間を延ばすため、拘束部材の強度を高める等の対策も考えられる。ただし、拘束部材の強度を高めた結果、コストが増加する可能性もある。

図２は、充放電サイクル回数と、反力との関係を図解する第２概念図である。
例えば、筐体１１と電極群１２との間に空間１３を設けることが考えられる。当初、筐体１１と電極群１２との間に空間１３が存在することにより、充放電サイクルの開始時点における反力が小さくなる。その結果、上限ＳＯＣにおける反力が、限界応力に達するまでの期間が延びることが期待される。すなわち、拘束部材の機械的寿命が長くなることが期待される。

さらに、筐体１１と電極群１２との間に空間１３が設けられることにより、二次的な利点がもたらされる。すなわち、初回の充放電サイクルから、第ｍ回目の充放電サイクルまでの間、所定のＳＯＣ範囲において、反力がゼロである。反力がゼロである時、ハイレート放電しても、電池セル１０の性能劣化が起こり難い傾向がある。このメカニズムの詳細は、現時点では明らかではない。例えば、次のメカニズムが考えられる。

電極群１２には、電解液が含浸されている。電解液が正極と負極との間のイオン伝導を担っている。電極群１２は、ハイレート放電時に収縮する。電極群１２が収縮する時、電極群１２に拘束荷重が加わっていると、電極群１２から電解液が流出しやすいと考えられる。電解液の流出により、抵抗増加等の性能劣化が起こり得ると考えられる。

他方、反力がゼロである時は、電極群１２に拘束荷重が加わっていないと考えられる。そのため、ハイレート放電時に、電極群１２から電解液が流出し難いと考えられる。電極群１２から電解液が流出し難いため、性能劣化が起こり難いと考えられる。

本開示の電池システムにおいては、反力がゼロである時の利点が活用されている。すなわち、本開示の制御装置は、反力がゼロである時、電池モジュールの放電電流に第１上限値を設定する。本開示の制御装置は、反力がゼロよりも大きい時、電池モジュールの放電電流に第２上限値を設定する。第１上限値は、第２上限値よりも大きい。

本開示の電池システムにおいては、反力がゼロである時（すなわち、ハイレート放電しても性能劣化が起こり難い時）、放電電流の上限値が高く設定される。これにより、性能劣化が抑制されつつ、出力の時間平均が高くなると考えられる。

以上より、本開示の電池システムは、膨張しやすい活物質を含む電池モジュールに適すると考えられる。

本開示の電池セルは、例えばリチウムイオン電池であってもよい。リチウムイオン電池においては、膨張しやすい活物質として、例えば合金系負極活物質等が考えられる。合金系負極活物質は、炭素系負極活物質（黒鉛等）に比して、比容量が大きい。しかしその半面、合金系負極活物質は、炭素系負極活物質に比して、充放電サイクルに伴う膨張量が大きい。合金系負極活物質としては、例えば、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、錫基合金等が挙げられる。すなわち、本開示の電池システムにおいて、負極活物質は、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫および錫基合金からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

図１は、充放電サイクル回数と、反力との関係を図解する第１概念図である。 図２は、充放電サイクル回数と、反力との関係を図解する第２概念図である。 図３は、本実施形態の電池システムを示すブロック図である。 図４は、電池モジュールを示す概略側面図である。 図５は、電池モジュールに含まれる電池セルを示す第１概略断面図である。 図６は、電池モジュールに含まれる電池セルを示す第２概略断面図である。 図７は、制御装置の処理を示すフローチャートである。 図８は、電流および反力プロファイルの一例である。

以下、本開示の実施形態（本明細書においては「本実施形態」とも記される）が説明される。ただし、以下の説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。

＜電池システム＞
図３は、本実施形態の電池システムを示すブロック図である。
電池システム１００は、例えば、電動車両等に搭載されていてもよい。電動車両は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等であってもよい。電動車両は、例えば、電気自動車（ＥＶ）等であってもよい。電池システム１００は、電池モジュール１０１、測定装置１０２および制御装置１０３を含む。電池システム１００に含まれる各要素は、例えば、所定のケーブル等により互いに接続されていてもよい。電池システム１００に含まれる各要素は、例えば、無線ネットワーク等により互いに接続されていてもよい。

《電池モジュール》
図４は、電池モジュールを示す概略側面図である。
電池モジュール１０１は、１個以上の電池セル１０と、拘束部材２０とを含む。電池モジュール１０１は、例えば複数個の電池セル１０を含んでいてもよい。電池モジュール１０１は、例えば２個以上１００個以下の電池セル１０を含んでいてもよい。

複数個の電池セル１０は、所定の一方向に整列していてもよい。複数個の電池セル１０は、直列に接続されていてもよい。複数個の電池セル１０は、並列に接続されていてもよい。

（拘束部材）
拘束部材２０は、１個以上の電池セル１０の周囲を物理的に拘束している。拘束部材２０は、複数個の電池セル１０の周囲を拘束していてもよい。拘束部材２０は、電池セル１０に拘束荷重を加えている。拘束荷重は、圧縮荷重であってもよい。拘束部材２０は、１個の電池セル１０に拘束荷重を加えていてもよい。拘束部材２０は、複数個の電池セル１０の各々に拘束荷重を加えていてもよい。拘束部材２０は、複数個の電池セル１０の一部に拘束荷重を加えていてもよい。

拘束部材２０は、単一の部材であってもよい。拘束部材２０は、複数の部材を含んでいてもよい。拘束部材２０は、例えば、第１拘束板２１、第２拘束板２２および拘束バンド２３を含んでいてもよい。第１拘束板２１および第２拘束板２２は、電池セル１０の整列方向（図４のｙ軸方向）の両端にそれぞれ配置されている。拘束バンド２３は、第１拘束板２１と第２拘束板２２とを架橋している。拘束バンド２３の締め付けにより、整列方向の両端から、中心に向かって圧縮荷重が発生し得る。第１拘束板２１、第２拘束板２２および拘束バンド２３の各々は、例えば、金属製であってもよい。第１拘束板２１、第２拘束板２２および拘束バンド２３の各々は、例えば、樹脂製であってもよい。

（電池セル）
図５は、電池モジュールに含まれる電池セルを示す第１概略断面図である。
電池セル１０（単セル）は、電解液（不図示）を含む。本実施形態において、電池セル１０は、リチウムイオン電池である。ただし電池セル１０が電解液を含む限り、電池セル１０はリチウムイオン電池に限定されるべきではない。

電池セル１０は、筐体１１および電極群１２を含む。筐体１１は、電極群１２および電解液を収納している。図５のｙ軸方向において、筐体１１と電極群１２との間には、当初、空間１３が設けられている。空間１３が存在する時、反力はゼロである。

図６は、電池モジュールに含まれる電池セルを示す第２概略断面図である。
充放電サイクル回数が増加すると共に、電極群１２が膨張する。やがて電極群１２は、筐体１１に接触する。これにより空間１３（図５）が失われる。空間１３が失われることにより、反力はゼロより大きくなる。

筐体１１の形状は、例えば角形（扁平直方体）であってもよい。筐体１１は、例えば金属製の容器であってもよい。電極群１２は、正極および負極を含む。電解液は、電極群１２に含浸されている。

正極および負極の各々は、例えば、シート状の部材であってもよい。電極群１２は積層型であってもよい。すなわち電極群１２は、正極と負極とが交互にそれぞれ１枚以上積層されることにより形成されていてもよい。正極と負極との間に、樹脂製の多孔質膜（いわゆるセパレータ）が配置されていてもよい。電極群１２は、巻回型であってもよい。すなわち電極群１２は、正極と負極とが渦巻状に巻回されることにより形成されていてもよい。

正極は、少なくとも正極活物質を含む。正極活物質は、例えば、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等を含んでいてもよい。負極は、少なくとも負極活物質を含む。負極活物質は、例えば、炭素系負極活物質等を含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、黒鉛、ソフトカーボンおよびハードカーボンからなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。正極および負極の各々は、例えば、導電材、バインダおよび集電体等をさらに含んでいてもよい。

本実施形態の電池システム１００は、膨張しやすい負極活物質に適している。負極活物質は、例えば、合金系負極活物質等を含んでいてもよい。負極活物質は、例えば、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫および錫基合金からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。負極活物質は、炭素系負極活物質および合金系負極活物質の両方を含んでいてもよい。

電解液は、例えば、溶媒および支持塩を含んでいてもよい。溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等を含んでいてもよい。支持塩は、例えば、ＬｉＰＦ₆等を含んでいてもよい。電解液は、溶媒および支持塩に加えて、各種の添加剤をさらに含んでいてもよい。

《測定装置》
測定装置１０２は、反力を測定する。測定結果は、制御装置１０３に入力される。反力は、例えば、一定間隔で測定されてもよい。反力は、例えば、ランダムな間隔で測定されてもよい。反力は、例えば、常時測定されてもよい。

反力は、拘束荷重の働く方向と逆方向に働く力である。反力は、電池セル１０から拘束部材２０に対して働く。反力は、電極群１２が膨張し、電極群１２が筐体１１に接触することにより発生する。

測定装置１０２は、例えば、面圧センサ等を含んでいてもよい。反力は、例えば面圧センサ等により測定され得る。面圧センサは、例えばタクタイルセンサ等であってもよい。面圧センサは、例えばセンサシート３０を含む。センサシート３０は、その面内に複数個のセンシングポイントを有する。センサシート３０は、例えば電池セル１０同士の間に挿入され得る。測定装置１０２は、１枚のセンサシート３０を含んでいてもよい。測定装置１０２は、複数枚のセンサシート３０を含んでいてもよい。

《制御装置》
制御装置１０３は、少なくとも、電池モジュール１０１の放電電流を制御する。制御装置１０３は、放電電流の制御に加えて、その他の制御を実施してもよい。制御装置１０３は、例えば、充電電流、冷却条件等をさらに制御してもよい。制御装置１０３は、例えば、演算装置、記憶装置、入出力インターフェイス等を含んでいてもよい。

図７は、制御装置の処理を示すフローチャートである。
制御装置１０３は、反力の測定結果に基づいて、放電電流を制御する。反力が０（ゼロ）である時（判断が「ＹＥＳ」である時）、制御装置１０３は、電池モジュール１０１の放電電流に第１上限値を設定する。反力がゼロより大きい時（判断が「ＮＯ」である時）、制御装置１０３は、電池モジュール１０１の放電電流に第２上限値を設定する。第１上限値は、第２上限値よりも大きい。

反力がゼロである時、ハイレート放電しても、性能劣化が起こり難い傾向がある。本実施形態においては、反力がゼロである時、放電電流の上限規制が緩和される。これにより、性能劣化が抑制されつつ、出力の時間平均が高くなることが期待される。

第１上限値は、例えば、第２上限値の１．０１倍以上１０倍以下であってもよい。第１上限値は、例えば、第２上限値の１．１倍以上５倍以下であってもよい。第１上限値は、例えば、第２上限値の１．２倍以上３倍以下であってもよい。第１上限値は、例えば、第２上限値の１．５倍以上２倍以下であってもよい。

第２上限値は、例えば０．５Ｃ以上５０Ｃ以下であってもよい。第２上限値は、例えば、１Ｃ以上３０Ｃ以下であってもよい。第２上限値は、例えば、５Ｃ以上２０Ｃ以下であってもよい。なお「１Ｃ」の放電電流においては、電池モジュール１０１の定格容量が１時間で放電される。

図８は、電流および反力プロファイルの一例である。
図８のプロファイルは、例えば、電動車両において測定される。電動車両においては、電池モジュール１０１の放電により、モータが駆動する。回生ブレーキにより、電池モジュール１０１が充電される。図８の左側の縦軸は、電流を示す。「電流＝０」の線より上方の領域に、放電電流が示される。上方の領域においては、上方にいく程、放電電流が大きいことを示す。「電流＝０」の線より下方の領域に、充電電流が示される。下方の領域においては、下方にいく程、充電電流が大きいことを示す。

図８の右側の縦軸は、反力を示す。図８において、反力は、時間の経過と共に減少している。図８の大部分において、電流が上方の領域で推移している。すなわち、充電容量よりも放電容量が多い。そのため、ＳＯＣは徐々に低下している。ＳＯＣの低下により、電極群１２が収縮し、反力が小さくなる。

反力がゼロより大きい領域においては、放電電流が、第２上限値までの範囲に制限されている。すなわち、第２上限値を超える放電電流が禁止されている。他方、反力がゼロである領域においては、放電電流に第１上限値が設定される。すなわち、第１上限値までの放電電流が許容されるように、放電条件が変更される。第１上限値は、第２上限値よりも大きい。よって、性能劣化が抑制されつつ、出力の時間平均が高くなると考えられる。

以下、本開示の実施例（本明細書においては「本実施例」とも記される）が説明される。ただし、以下の説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。

＜充放電サイクル試験＞
下記表１に示される供試システム１から３が作製された。供試システム１から３において、充放電サイクル試験が実施された。

《供試システム１》
供試システム１は、実施例に相当する。供試システム１においては、当初、筐体１１と電極群１２との間に空間１３が設けられた。供試システム１においては、反力がゼロである時、放電電流に第１上限値が設定された。反力がゼロよりも大きい時、放電電流に第２上限値が設定された。第１上限値および第２上限値は、「第１上限値／第２上限値＝１００／６２」の関係を満たすように設定された。すなわち、第１上限値は、第２上限値よりも大きかった。

《供試システム２》
供試システム２は、比較例に相当する。供試システム２においても、当初、筐体１１と電極群１２との間に空間１３が設けられた。しかし供試システム２においては、反力の大きさにかかわらず、常時、放電電流に第２上限値が設定されていた。

《供試システム３》
供試システム３は、比較例に相当する。供試システム３においては、筐体１１と電極群１２との間に空間１３が設けられなかった。供試システム３においては、常時、放電電流に第２上限値が設定されていた。

＜結果＞
上記表１に、１００サイクル（１００ｃｙｃ）時の反力が示される。上記表１の「反力」の欄に示される値は、供試システム１における反力を１００とする、相対値である。

上記表１に、１００ｃｙｃ時の抵抗増加率が示される。上記表１の「抵抗増加率」の欄に示される値は、供試システム１における抵抗増加率を１００とする、相対値である。

反力がゼロである時、供試システム１における最大出力は、供試システム２における最大出力に比して、１．６倍（＝１００／６２）程度であった。第１上限値および第２上限値が、「第１上限値／第２上限値＝１００／６２」の関係を満たすためである。供試システム１は、供試システム２に比して、出力の時間平均が高いと考えられる。

１００ｃｙｃ時、供試システム１における抵抗増加率は、供試システム２における抵抗増加率と、同等である。すなわち、供試システム１においては、性能劣化が抑制されつつ、出力の時間平均が向上していた。反力がゼロである時、ハイレート放電しても、性能劣化が起こり難い傾向があるためと考えられる。

供試システム３は、１００サイクル時の反力が大きかった。当初より、電極群１２が筐体１１に接触しており、反力がゼロである期間が無いためと考えられる。また供試システム３においては、抵抗増加率も高かった。電極群１２に常時、拘束荷重が加わっているため、電極群１２から電解液が流出しやすいと考えられる。電解液の流出により、性能劣化が促進されていると考えられる。

１０ 電池セル、１１ 筐体、１２ 電極群、１３ 空間、２０ 拘束部材、２１ 第１拘束板、２２ 第２拘束板、２３ 拘束バンド、３０ センサシート、１００ 電池システム、１０１ 電池モジュール、１０２ 測定装置、１０３ 制御装置。

Claims (2)

1. 電池モジュール、
   測定装置、および
   制御装置
   を含み、
   前記電池モジュールは、１個以上の電池セルと、拘束部材とを含み、
   前記電池セルは、筐体、電極群および電解液を含み、
   前記筐体は、前記電極群および前記電解液を収納しており、
   前記拘束部材は、前記筐体に拘束荷重を加えており、
   前記測定装置は、反力を測定し、
   前記反力は、前記拘束荷重の働く方向と逆方向に、前記電極群から前記筐体に対して働く力であり、
   初期状態の下限ＳＯＣにおいて、前記筐体と前記電極群との間に空間が設けられており、
   前記制御装置は、
   前記反力がゼロである時、前記電池モジュールの放電電流に第１上限値を設定し、
   前記反力がゼロよりも大きい時、前記電池モジュールの前記放電電流に第２上限値を設定し、
   前記第１上限値は、前記第２上限値よりも大きい、
   電池システム。
2. 前記電極群は、正極および負極を含み、
   前記負極は、負極活物質を含み、
   前記負極活物質は、黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、および、錫基合金からなる群より選択される少なくとも１種を含む、
   請求項１に記載の電池システム。

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