JP2022042192A - 二次電池および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過放電から復旧することの可能な二次電池を提供する。【解決手段】二次電池１００は、正極端子１ａ、負極端子１ｂ、バッテリモジュール１０およびバッテリモジュールの負極と負極端子との間に設けられるプリチャージ回路５０を具備する。プリチャージ回路は、負極に接続される抵抗器Ｒ１と、抵抗器に直列接続される第１スイッチＳＷ１とを有する。二次電池はさらに、プロセッサ３０、計測部２０および第２スイッチ４０を具備する。プロセッサは、バッテリモジュールから供給されるしきい値以上の電圧により動作して二次電池を制御する。計測部は、バッテリモジュールの電圧を計測する。第２スイッチは、負極と負極端子との間に、プリチャージ回路と並列に接続される。プロセッサは、正極端子および負極端子に外部電源（復旧用電源６０）が接続された場合に、計測された電圧がしきい値未満であれば第１スイッチをオンし、第２スイッチをオフする。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、二次電池および制御方法に関する。

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。一般的なリチウムイオン電池では、過放電が発生すると集電体の銅が電解液中に溶出し、結晶化した金属により正極、負極間が内部で短絡するおそれがある。このため過放電に至る前にリチウムイオン電池を構成するセルを回路から自動的に切り離し放電を停止することで、安全性を確保している。仮に自己放電などで低電圧放電領域に入ってしまうと、２度と使用できなくなる。

ところで、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）、あるいはアルミ集電体を負極に使用した、次世代型のリチウムイオン電池が知られている。この種の構造を持つ電池パックは、過放電に至ったとしても劣化が非常に小さいことが知られている。しかしながら二次電池にパッケージされた場合、過放電からの復旧（再使用）をしないことが一般的に行われている。

特開２００３－９２８４１号公報 特開平０７－２５５１３４号公報

既存の二次電池では、内部のセルの性能によらず、過放電になると再使用（復旧）が一律に禁じられていた。このため一旦過放電してしまうと、モジュールごと、あるいは二次電池をまるごと交換することにより装置を再起動していた。過放電を起こしたとしても復旧できる技術が要望されている。

そこで、目的は、過放電から復旧することの可能な二次電池および制御方法を提供することにある。

実施形態によれば、二次電池は、正極端子、負極端子、バッテリモジュール、および、このバッテリモジュールの負極と上記負極端子との間に設けられるプリチャージ回路を具備する。プリチャージ回路は、負極に接続される抵抗器と、この抵抗器に直列接続される第１スイッチとを有する。二次電池はさらに、プロセッサ（例えばＢＭＵ：Battery Management Unit）、計測部、および第２スイッチを具備する。プロセッサは、バッテリモジュールから供給されるしきい値以上の電圧により動作して二次電池を制御する。計測部は、バッテリモジュールの電圧を計測する。第２スイッチは、負極と負極端子との間に、プリチャージ回路と並列に接続される。そしてプロセッサは、正極端子および負極端子に外部電源が接続された場合に、計測された電圧がしきい値未満であれば第１スイッチをオンし、第２スイッチをオフする。

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は、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は、過放電から復旧する際のセットアップの一例を示す図である。 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は、バッテリモジュール１０が過放電と判定された場合のスイッチの状態を示す図である。 図６は、実施形態に係わる二次電池の他の例を示すブロック図である。

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、あるいはアルミ集電体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。なお、図１の構成は一例であり、二次電池１００の応用例は車両への搭載に限定されるものではない。

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。

図２は、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、バッテリモジュール１０、計測部２０、プロセッサ（ＢＭＵ：Battery Management Unit）３０、スイッチ４０、およびプリチャージ回路５０を備える。このうちバッテリモジュール１０は、直列に接続された複数のセルＣ１～Ｃｎを備える。

計測部２０は、バッテリモジュール１０（セルＣ１～Ｃｎ）の電圧、電流、あるいは温度などの情報を計測する。計測された情報はプロセッサ３０に転送される。
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る。プロセッサ３０は、バッテリモジュール１０から供給される電圧により動作し、二次電池１００を統括的に制御する。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、バッテリモジュール１０の状態を判定する。

ここで、プロセッサ３０は、或るしきい値以上の電圧が供給されなければ動作することができない。よって、いったん過放電に至ってしまうと既存の二次電池では、プロセッサ３０を正常に動作させることができなくなるので、モジュールごと交換せざるを得なかった。これは、電池本体を制御するプロセッサを、電池それ自体に装備する二次電池に特有の事情といえる。以下では、これを解決し得る構成について説明する。

プリチャージ回路５０は、負極端子１ｂとバッテリモジュール１０の負極との間に設けられる。プリチャージ回路５０は、バッテリモジュール１０の負極に接続される抵抗器Ｒ１（プリチャージ抵抗）と、抵抗器Ｒ１に直列接続されるスイッチＳＷ１とを有する。
スイッチ４０は、プリチャージ回路５０と平列に、負極端子１ｂとバッテリモジュール１０の負極との間に接続される。

さらに、二次電池１００は、ダイオードＤ１～Ｄ３を備える。ダイオードＤ１のアノードはバッテリモジュール１０の正極に接続され、カソードはプロセッサ３０に接続される。つまりバッテリモジュール１０から、ダイオードＤ１を介してプロセッサ３０に駆動電力が供給される。

ダイオードＤ２のアノードはプロセッサ３０に接続され、カソードはバッテリモジュールの負極に接続される。ダイオードＤ３は、ダイオードＤ２とアノードを共有してもよい。つまりダイオードＤ３のアノードはプロセッサ３０に接続される。ダイオードＤ２のカソードは負極端子１ｂに接続される。

ダイオードＤ１～Ｄ３を設けることにより、正極端子１ａ、負極端子１ｂ、およびプロセッサ３０の間の電流の流れる方向が制限され、例えば、正極端子１ａ、負極端子１ｂに外部電源が接続された場合の安全性を確保することができる。

図３は、過放電から復旧する際のセットアップの一例を示す図である。実施形態では、過放電となったバッテリモジュール１０を復旧させるために、外部電源としての復旧用電源６０を、正極端子１ａおよび負極端子１ｂに接続する。もちろん、復旧用電源６０の正極を正極端子１ａに接続し、負極を負極端子１ｂに接続して並列接続とする。ここで、復旧用電源６０としては別筐体の電池のほか、充電器などを用いることができる。また、プロセッサ３０の消費電力よりも大きい容量の電源を用意すれば十分であり、必ずしも大容量の電源を接続する必要はない。

プロセッサを持たない旧来のカーバッテリーなどでは、よく知られた上記方法によりセルスタータを強制駆動することで、バッテリー上がりからの復旧を期待できる。これに対し実施形態の二次電池１００は、プロセッサ３０を備えていて、過放電となればその制御機能も失われることから、外部電源に頼ったとしても単純に復旧を期待することはできない。さらに供給量の少ない電源で復旧できるメリットがある。

つまり、バッテリモジュール１０の内部電圧がプロセッサ３０の起動電圧よりも低下すると、プロセッサ３０をそもそも起動できなくなる。そこで実施形態では、復旧用電源６０を二次電池１００に接続したうえで、プロセッサ３０に、例えば外部制御端子１ｃを介して起動信号を与える。

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。プロセッサ３０は起動すると、計測部２０からの情報に基づいてバッテリモジュール１０の状態を確認する。バッテリモジュール１０の電圧（バッテリモジュール電圧）が、しきい値としてのＢＭＵ起動電圧未満であれば（ステップＳ１でＹｅｓ）、プロセッサ３０は、バッテリモジュール１０が過放電状態であると判定する。そうするとプロセッサ３０は、プリチャージ回路をオンして（ステップＳ２）、スイッチ４０をオフにする。

図５は、バッテリモジュール１０が過放電となった場合の各スイッチの状態を示す図である。プリチャージ回路５０とスイッチ４０がともにオフとする。プロセッサ３０で消費する電流は最大でも数百ｍＡと少なく、復旧用電源６０が供給する電流よりも小さい。復旧用電源６０に対しては一般的なリチウムイオン電池と同様、ＣＣＣＶ制御（定電圧・定電流制御）が行われる。そのため、プロセッサ３０にＢＭＵ起動電圧以上の電圧値が加わり、プロセッサ３０が起動できる。

プロセッサ３０の制御により、プリチャージ回路５０をオンとしスイッチ４０をオフとする。過放電によりＶ_ｃｅｌｌがプロセッサ３０の起動電圧未満であるが、プロセッサ３０に電圧Ｖ_ｃｅｌｌ＋Ｖ_ｐｒｅを印加することで、プロセッサ３０を起動したまま保持することができる。

ここで、復旧用電源６０にプリチャージ回路５０の抵抗器Ｒ１により制限される電流値とプロセッサ３０で消費する電流値よりも大きい電流を供給できる能力があれば、Ｖ_ｃｅｌｌ＋Ｖ_ｐｒｅは復旧用電源６０のＣＣＣＶ制御により常に一定電圧に固定される。

過放電状態であっても、バッテリモジュール１０の内部抵抗値が非常に低いので、復旧用電源６０に直結すると大電流が流れる。復旧用電源６０の電流容量を非常に大きくしなければ、電圧がプロセッサ３０起動電圧を下回り、プロセッサ３０を起動することができなくなる。そこで、図５に示すように適切な抵抗値を持つ抵抗器Ｒ１を介挿することで、突入電流の発生を抑えることができる。

復旧用電源６０は、プロセッサ３０での消費電力以上の容量を供給する。このため、復旧用電源６０の余剰電力により、プリチャージ回路５０を介してバッテリモジュール１０が充電される。プリチャージ回路５０での充電が進むと、やがてセル電圧が上昇してバッテリモジュール１０の電圧は、ＢＭＵ起動電圧以上になる（図４のステップＳ３でＹｅｓ）。そうすると、プロセッサ３０はプリチャージ回路をオフするとともにスイッチ４０をオンし（ステップＳ４）、バッテリモジュール１０と復旧用電源６０とを直結して、さらに充電が継続できる。この時点に至れば、プロセッサ３０は復旧用電源６０に頼らずともバッテリモジュール１０の電力により起動できるようになり、過放電からの復旧が完了する。

以上述べたように実施形態では、プリチャージ回路５０を設け、プロセッサ３０によりスイッチＳＷ１を制御して復旧シーケンスを制御する。プリチャージ回路５０は、プロセッサ３０がスイッチ４０を介してバッテリモジュール１０と復旧用電源６０とを接続するのに先立ち、プリチャージ抵抗（抵抗器Ｒ１）を経由する回路を形成する。これにより、バッテリモジュール１０が外部負荷により短絡し、過電流が発生することを防止することができる。プロセッサ３０は、内部のバッテリモジュール１０に加えて、正極端子１ａおよび負極端子１ｂから電源を得ることができる。よってバッテリモジュール１０が過放電となって電圧が足りなくなった場合でも、復旧用電源６０により外部から電圧を供給すれば起動することができる。

既存の技術では、放電時の下限電圧を低めに設定したとしても、一般的なリチウムイオン電池と同様に、復旧することができない。復旧のためには二次電池の解体を行い、プロセッサの動作を止め、外部から強制的にスイッチを投入する必要がある。

これに対し実施形態では、バッテリモジュール１０の内部電圧がプロセッサ３０の起動電圧よりも低くなると、復旧用電源６０から電圧を供給し、起動信号を与える。復旧用電源６０のプロセッサ３０の消費電力への供給の余剰電力により、プリチャージ回路５０を経由して、バッテリモジュール１０を充電する。プリチャージ回路５０での充電が進み、セル電圧がプロセッサ３０の起動電圧よりも高くなった時点で、スイッチ４０を接続する。
このようにしたので、実施形態によれば、二次電池の交換や解体を伴わずに過放電から復旧することの可能な二次電池および制御方法を提供することができる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば図２では、バッテリモジュール１０の負極と、負極端子１ｂとの間にプリチャージ回路５０を設け、このプリチャージ回路５０と並列にスイッチ４０を設ける構成を示した。これに代えて、スイッチ４０を正極端子側に設けることも可能である。

図６は、実施形態に係わる二次電池の他の例を示すブロック図である。図６の二次電池１００′は、バッテリモジュール１０の正極と、正極端子１ａとの間にスイッチ４０を接続し、さらに、このスイッチ４０に並列に接続されるプリチャージ回路５０を備える。このような構成によっても、上記と同様の作用、効果を奏する二次電池を実現することができる。

実施形態を説明したが、こ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。

１ａ…正極端子、１ｂ…負極端子、１ｃ…外部制御端子、１０…バッテリモジュール、２０…計測部、３０…プロセッサ、４０…スイッチ、５０…プリチャージ回路、６０…復旧用電源、１００…二次電池、２００…車両、３００…キースイッチ、４００…インタフェース、Ｃ１～Ｃｎ…セル、Ｄ１～Ｄ３…ダイオード、Ｒ１…抵抗器、ＳＷ１…スイッチ。

Claims (8)

1. 正極端子および負極端子を有する二次電池であって、
   バッテリモジュールと、
   前記バッテリモジュールから供給されるしきい値以上の電圧により動作して前記二次電池を制御するプロセッサと、
   前記バッテリモジュールの電圧を計測する計測部と、
   前記バッテリモジュールの負極と前記負極端子との間に設けられ、前記負極に接続される抵抗器とこの抵抗器に直列接続される第１スイッチとを有するプリチャージ回路と、
   前記負極と前記負極端子との間に、前記プリチャージ回路と並列に接続される第２スイッチとを具備し、
   前記プロセッサは、前記正極端子および前記負極端子に外部電源が接続された場合に、前記計測された電圧が前記しきい値未満であれば前記第１スイッチをオンし、前記第２スイッチをオフする、二次電池。
2. 前記プロセッサは、前記正極端子および前記負極端子に前記外部電源が接続された場合に、前記計測された電圧が前記しきい値以上になれば前記第１スイッチをオフし、前記第２スイッチをオンする、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記バッテリモジュールは、直列に接続される複数のセルを有する、請求項１または２のいずれかに記載の二次電池。
4. 前記バッテリモジュールの正極にアノードが接続されカソードを前記プロセッサに接続される第１整流器と、
   前記プロセッサにアノードが接続されカソードを前記バッテリモジュールの負極に接続される第２整流器と、
   前記第２整流器とアノードを共有しカソードを前記負極端子に接続される第３整流器とをさらに具備する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池。
5. 前記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４のいずれか１項に記載の二次電池。
6. 前記負極にアルミ集電体を用いたリチウムイオン電池である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池。
7. 正極端子と、負極端子と、バッテリモジュールと、前記バッテリモジュールの負極と前記負極端子との間に設けられる抵抗器とを具備する二次電池を、前記バッテリモジュールから供給されるしきい値以上の電圧により動作するプロセッサにより制御する方法であって、
   前記正極端子および前記負極端子に外部電源が接続された場合に、前記プロセッサが、前記バッテリモジュールの電圧が前記しきい値未満であれば、前記バッテリモジュールと前記外部電源とを前記抵抗器を介して接続する、制御方法。
8. 前記正極端子および前記負極端子に前記外部電源が接続された場合に、前記プロセッサは、前記バッテリモジュールの電圧が前記しきい値以上になれば、前記バッテリモジュールと前記外部電源とを直結する、請求項７に記載の制御方法。

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