JP2023003294A - 電池監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】個々の電池セルの状態を検出することなく、また満充電後に充電を過度に継続することなく、個々の電池セルのＳＯＣのばらつきを抑制するように充電することが可能な組電池の電池監視装置を提案する。【解決手段】本開示に係る電池監視装置を適用する組電池に係る電池モジュールは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルを直列に接続することにより構成される。本開示に係る電池監視装置は、電池モジュール間の電圧差が所定値未満の場合、所定の第１条件を満たす時、充電の完了を判定し、電池モジュール間に所定値以上の電圧差が生じた場合、電池モジュール間に所定値以上の電圧差が生じた時点から現時点まで充電電力の積算値を算出し、積算値が所定の閾値以上となるとき、充電の禁止を判定し、所定の第２条件を満たす時、充電の完了を判定するように構成される。【選択図】図５

Description

本開示は、複数の電池モジュールを直列に接続して構成する組電池の電池監視装置に関する。

特許文献１には、複数の蓄電セルを直列接続してなる複合セルの各蓄電セルの状態を高精度かつ同期計測し、耐破壊性に優れた伝送方法で伝送する複合セル状態監視装置が開示されている。この複合セル状態監視装置は、複数の蓄電セルを直列接続してなる複合セルに接続され、各セルの電圧をそれぞれ測定して量子化する電圧測定部と、セルに流れる電流を測定して量子化する電流測定部と、電圧および電流の測定値を上位情報処理装置に送信する通信部とを備えている。そして、通信部は各測定値を同期タイミング信号と同期してトークンフレーム単位で同時一括に取り込み、量子化した測定値をトークン信号と同期して時分割多重方式にてフレーム単位で順次送信する。

特開２０１４―２１１４０２号公報

組電池を構成する電池セルとして一般的に採用されるリチウムイオン電池は、満充電後に充電を過度に継続すると、著しい劣化の促進や温度上昇を伴う虞がある。このため、リチウムイオン電池を電池セルとする組電池の充電を行う際は、寿命や性能を確保するため、個々の電池セル毎に満充電に達したことを正確に判定し、充電状態（ＳＯＣ；State Of Charge）を適切に管理することが望ましい。また、個々の電池セル毎のＳＯＣのばらつきを抑制するように均等化が行われることが望ましい。

しかしながら、個々の電池セル毎の充電を管理するために、個々の電池セル毎に電圧検出線や電圧センサを備えると、コストの増大や組電池の大型化を招く。

また、典型的な組電池として、複数の電池セルで構成される電池モジュールを、複数接続して構成されるものがある（例えば、バイポーラ電池）。この場合に個々の電池セルの電圧を検出しようとすると、内部から電圧検出線を取り出す必要があるなど構造が複雑となる。

本開示は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、複数の電池モジュールを直列に接続して構成する組電池の電池監視装置であって、個々の電池セルの状態を検出することなく、また満充電後に充電を過度に継続することなく、個々の電池セルのＳＯＣのばらつきを抑制するように充電することが可能な電池監視装置を提供することを目的とする。

本開示は、複数の電池モジュールを直列に接続して構成する組電池の電池監視装置に関する。ここで、電池モジュールは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルを直列に接続することにより構成される。本開示に係る電池監視装置は、電池モジュールの間の電圧差が所定値未満の場合、それぞれの電池モジュールの端子電圧が所定の第１条件を満たすとき、充電の完了を判定するように構成される。また本開示に係る電池監視装置は、電池モジュールの間に所定値以上の電圧差が生じた場合、電池モジュールの間に所定値以上の電圧差が生じた時点から現時点までの充電電力の積算値を算出し、積算値が所定の閾値以上となるとき、充電の禁止を判定し、それぞれの電池モジュールの端子電圧が所定の第２条件を満たすとき、充電の完了を判定するように構成される。

本開示に係る電池監視装置によれば、電池モジュールの間に所定値以上の電圧差が生じた後において、充電を継続する。これにより、電池セルのＳＯＣがばらつくためにいずれかの電池セルが先行して満充電に達した後において充電が継続され、個々の電池セルのＳＯＣのばらつきを抑制することができる。また、電池モジュールの間に所定値以上の電圧差が生じた時点から現時点までの充電電力の積算値が所定の閾値以上となる場合に充電を禁止する。これにより、満充電後の過度な充電を防止することができる。延いては、電池セルの故障及び過度な温度上昇を防止することができる。さらに、本開示に係る電池監視装置は、個々の電池セルの状態を検出することを要しない。

本実施形態に係る電池監視装置が適用される組電池の例を示す概念図である。 本実施形態に係る電池監視装置及び組電池がパッケージ化されたバッテリパックの例を示す図である。 正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルについて、ＳＯＣに対する電圧及び温度を示すグラフである。 本実施形態に係る電池監視装置の機能を示すフローチャートである。 本実施形態に係る電池監視装置の機能を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲などの数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数が特定される場合を除いて、その言及した数に、本開示に係る思想が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構成等は、特に明示した場合や原理的に明らかにそれに特定される場合を除いて、本開示に係る思想に必ずしも必須のものではない。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を附しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

１．組電池
本実施形態に係る電池監視装置は、複数の電池モジュールを直列に接続して構成する組電池に適用される。ここで、電池モジュールは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルを直列に接続することにより構成される。図１は、本実施形態に係る電池監視装置が適用される組電池１０の例を示す概念図である。

図１に示す組電池１０は、２つの電池モジュール２００を、集電板２１０を介して、直列に接続して構成されている。ここで、それぞれの電池モジュール２００を区別するため符号に記号（Ａ，Ｂ）を附している。以下、２００Ａとして示す電池モジュール２００を、「第１モジュール」とも称し、２００Ｂとして示す電池モジュール２００を、「第２モジュール」とも称する。

電池モジュール２００は、複数の電池セルにより構成されている。電池セルは、正極２０１にリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である。電池セルは、正極２０１、負極２０２、セパレータ２０３、正極集電箔２０４、及び負極集電箔２０５が図１に示すように組み合わされ、シール材２０６により接着されて構成されている。

正極２０１は、リン酸鉄リチウムである。負極２０２は、典型的には、黒鉛である。正極集電箔２０４は、典型的には、アルミニウムを材料として形成される。負極集電箔２０５は、典型的には、銅を材料として形成される。

電池モジュール２００は、図１に示すように、複数の電池セルが積層されることにより、複数の電池セルが直列に接続されて構成されている。

集電板２１０は、図１に示すように、それぞれの電池モジュール２００と電気的に接続するように備えられる。組電池１０は、集電板２１０を介して、それぞれの電池モジュール２００の充放電が行われる。つまり、集電板２１０は、端子として機能する。

また、それぞれの集電板２１０に電圧検出線を接続し、それぞれの集電板２１０の間の電圧を測定することで、組電池１０全体の端子電圧やそれぞれの電池モジュール２００の端子電圧を測定することができる。例えば、第１モジュール２００Ａの両側に電気的に接続する集電板２１０の間の電圧を測定することにより、第１モジュール２００Ａの端子電圧を測定することができる。

さらに、集電板２１０の間の電流を測定することで、組電池１０に流れる電流を測定することができる。延いては、組電池１０に対する充電電力を測定することができる。ここで、図１に示す組電池１０の充電を行う場合、電流は、図１に示す－端子から＋端子の方向に流れる。

なお、集電板２１０は、冷却装置としても機能する。この場合、冷却機能を高めるために、適当な形状を採用しても良い。

図１に示す組電池１０に係る寸法等の設計は、機能要件等を満たすように適当に行われるものであって良い。例えば、以下のような設計が例示される。電池セルは、正極２０１の厚みを５００μｍ、負極２０２の厚みを３００μｍ、セパレータ２０３の厚みを１６μｍ、正極集電箔２０４の厚みを１２μｍ、負極集電箔の厚みを１０μｍとして構成する。そして、それぞれの電池モジュール２００は、６０個の電池セルを積層して構成し、その厚みを５０ｍｍとする。

本実施形態に係る電池監視装置は、このような組電池１０に適用される。組電池１０は、一般に、電池監視装置及びその他の充放電に関する装置とともにバッテリパックの一部としてパッケージ化される。図２は、本実施形態に係る電池監視装置１００及び組電池１０がパッケージ化されたバッテリパック２０の例を示す図である。図２の上部は、バッテリパック２０が備える各部品を示し、図２の下部は、図２の上部に示す各部品を組み合わせたバッテリパック２０を示している。

バッテリパック２０は、電池監視装置１００と、モジュール監視装置１１０と、ジャンクションボックス１２０と、組電池１０と、絶縁板２２０と、ケース２３０と、を備えている。

組電池１０は、絶縁板２２０の間に配置された状態で、ケース２３０に納められる。電池監視装置１００、モジュール監視装置１１０、及びジャンクションボックス１２０は、互いに電気的に接続された状態で、ケース２３０に納められる。典型的には、ワイヤーハーネスを介して接続される。

モジュール監視装置１１０は、それぞれの電池モジュール２００と接続し、電池モジュール２００に係る状態を監視する。特に、モジュール監視装置１１０により、電池モジュール２００の端子電圧が測定される。つまり、モジュール監視装置１１０は、電圧測定器としても機能する。測定された端子電圧は、電池監視装置１００に伝達される。モジュール監視装置１１０は、典型的には、マイクロコントローラである。

電池監視装置１００は、組電池１０全体の電圧、電流、温度等を測定し、組電池１０に係る状態を監視する。ここで、測定は、電池監視装置１００と一体となって構成されるセンサにより行われても良いし、電池監視装置１００とは別個に備えるセンサにより行われ、電池監視装置１００は、センサから測定情報を取得するように構成されていても良い。特に、電池モジュール２００の端子電圧は、モジュール監視装置１１０から取得して良い。

また、電池監視装置１００は、組電池１０に係る状態に基づいて、組電池１０の充電の完了、又は組電池１０の充電の禁止、を判定する。ここで、充電の完了の判定は、典型的には、組電池１０が満充電に達したことを検知した場合に行われる。また、充電の禁止の判定は、典型的には、組電池１０の故障を検知した場合に行われる。

これにより、例えば、組電池１０の充電を行う充電装置に対して、充電の完了又は充電の禁止が通知される。充電装置は、通常、電池監視装置１００から充電の完了、又は充電の禁止の通知を受けた場合、充電を終了する。

電池監視装置１００は、典型的には、マイクロコントローラである。特に、バッテリパック２０が電気自動車（ＢＥＶ；Battery Electric Vehicle）等の車両に搭載されるものである場合、電池監視装置１００は、典型的には、バッテリ制御に係るＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。そして、電池監視装置１００及びモジュール監視装置１１０により、バッテリマネジメントシステム（ＢＭＳ；Battery Management System）を構築する。ただし、電池監視装置１００は、モジュール監視装置１１０と一体的に構成されていても良い。

ジャンクションボックス１２０は、充電装置等のバッテリパック２０の外部の装置とバッテリパック２０を電気的に接続するインターフェースを提供する。ジャンクションボックス１２０は、典型的には、リレー、ヒューズ、電流センサを備えて構成される。

本実施形態に係る電池監視装置１００は、個々の電池セルの状態を検出することなく、また満充電後に充電を過度に継続することなく、個々の電池セルのＳＯＣのばらつきを抑制するように充電をすることが可能な機能を有することを特徴とする。この電池監視装置１００の機能の詳細については後述する。

２．電池セルの特性
本実施形態に係る電池監視装置１００は、電池モジュール２００が、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルが直列に接続されて構成される場合に適用される。以下、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルの特性について説明する。

図３は、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルについて、ＳＯＣに対する電圧及び温度を示すグラフである。図３に示すグラフの横軸はＳＯＣを示し、左側の縦軸はＳＯＣに対する電圧を、右側の縦軸はＳＯＣに対する温度を示している。ここで、ＳＯＣが１００％を超える範囲は、過充電が行われる場合を示している。図３に示すように、過充電によりＳＯＣが１００％を超える範囲では、電池セルの温度が上昇する。

図３に示すように、通常の使用範囲であるＳＯＣが０－１００％の範囲では、電池セルの電圧は３．２－３．６Ｖとなっている。また、ＳＯＣが０％又は１００％の近傍を除いて、その変動は小さい。一方で、満充電（ＳＯＣ１００％）後、ＳＯＣが１００％を僅かに超えると、電池セルの電圧は一気に４．４Ｖまで到達する。

ここで、過充電が行われる場合に供給される充電電力は、リチウムイオン電池の電解液の分解に消費されることとなる。従って、過充電において供給される充電電力の積算値から、電解液の分解量を推定することができる。一方で、過充電によって、余剰に備えられる電解液（余剰電解液）の分解に消費される以上の充電電力が供給されると、電池セルは故障することとなる。

３．電池監視装置の機能
図１及び図２に示す組電池１０に適用する場合として、本実施形態に係る電池監視装置１００の特徴的な機能について説明する。図４及び図５は、本実施形態に係る電池監視装置１００の機能を示すフローチャートである。図４及び図５は、Ａとして示す部分で繋がっており、１つのフローチャートを示している。なお、図４及び図５に示すフローチャートは、充電装置により組電池１０の充電を開始したときに開始し、各処理は所定の制御周期毎に実行される。

ステップＳ１００において、電池監視装置１００は、第１モジュール２００Ａの端子電圧と第２モジュール２００Ｂの端子電圧の電圧差が０．８Ｖ（所定値）以上となるか否かを判定する。

図３において説明したように、電池セルは、通常の使用範囲における電圧が最大で３．６Ｖであり、満充電に達した後は一気に４，４Ｖ以上となる。また、ＳＯＣが０％又は１００％の近傍を除いて、その変動は小さい。従って、ステップＳ１００における処理により、第１モジュール２００Ａが第２モジュール２００Ｂよりも多くの充電が行われ、第１モジュール２００Ａを構成するいずれかの電池セルが先行して満充電に達したか否かを判定することができる。つまり、判定処理の結果が肯定となることは、電池セルのＳＯＣがばらついていることに対応する。

ステップＳ１００における処理の結果が肯定となる（いずれかの電池セルが先行して満充電に達したと判定する）とき（ステップＳ１００；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２００に進む。ステップＳ１００における処理が否定となるとき（ステップＳ１００；Ｎｏ）、処理はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０において、電池監視装置１００は、第１モジュール２００Ａの端子電圧又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧が所定の条件（第１条件）を満たすか否かを判定する。ここで、第１条件は、第１モジュール２００Ａの端子電圧をセル数で除した値が３．６Ｖ以上となること、又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧をセル数で除した値が３．６Ｖ以上となることである。これは、第１モジュール２００Ａ又は第２モジュール２００Ｂが満充電に達していることを示す条件である。

ここで、ステップＳ１１０は、ステップＳ１００における処理の結果が否定となるとき（ステップＳ１００；Ｎｏ）に実行されるため、ステップＳ１１０に係る判定が肯定となるのは、電池セルのＳＯＣがばらつくことなく第１モジュール２００Ａ又は第２モジュール２００Ｂが満充電に達していることに対応する。

第１モジュール２００Ａの端子電圧又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧が第１条件を満たすとき（ステップＳ１１０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１２０に進む。第１モジュール２００Ａの端子電圧又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧が第１条件を満たさないとき（ステップＳ１２０；Ｎｏ）、ステップＳ１００に進み処理を繰り返す。

ステップＳ１２０において、電池監視装置１００は、充電の完了を判定する。また、第１モジュール２００ＡのＳＯＣ、又は第２モジュール２００ＢのＳＯＣを１００％にセットする。ステップＳ１２０の後、処理は終了する。

ステップＳ２００において、電池監視装置１００は、ステップＳ１００における処理の結果が肯定となった時点から現時点までの充電電力の積算値を算出する。ここで、ステップＳ２００が、ステップＳ１００における処理の結果が肯定となった（いずれかの電池セルが先行して満充電に達した）後に実行されることを鑑みれば、ステップＳ２００において算出される充電電力の積算値は、満充電に達した電池セルに係る電解液の分解に消費されるエネルギーに対応する。すなわち、ステップＳ２００において算出される充電電力の積算値から、満充電に達した電池セルに係る電解液の分解量を推定することができる。

ステップＳ２００の後、処理はステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０において、電池監視装置１００は、ステップＳ２００において算出した積算値が所定の閾値を超えるか否かを判定する。ここで、所定の閾値は、余剰電解液が分解されることとなる充電電力の積算値である。つまり、電池セルが故障することとなる閾値である。

なお、所定の閾値は、実験的に与えられても良いし、満充電に達した電池セルに係る余剰電解液の量から定められても良い。

積算値が所定の閾値以上となるとき（ステップＳ２１０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２３０に進む。積算値が所定の閾値未満となるとき（ステップＳ２１０；Ｎｏ）、処理はステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０において、電池監視装置１００は、充電の禁止を判定する。ステップＳ２２０の後、処理は終了する。

ステップＳ２３０において、電池監視装置１００は、第１モジュール２００Ａの端子電圧又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧が所定の条件（第２条件）を満たすか否かを判定する。ここで、第２条件は、第１モジュール２００Ａの端子電圧から０．８を引いた値をセル数で除した値が３．６Ｖ以上となること、又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧をセル数で除した値が３．６Ｖ以上となることである。これは、先行して満充電に達したと判定された電池セルの影響を除いて第１モジュール２００Ａが満充電に達していること、又は第２モジュール２００Ｂが満充電に達していることを示す条件である。

第１モジュール２００Ａの端子電圧又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧が第２条件を満たすとき（ステップＳ２３０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２４０に進む。第１モジュール２００Ａの端子電圧又は第２モジュール２００Ｂの端子電圧が第２条件を満たさないとき（ステップＳ２３０；Ｎｏ）、ステップＳ２００に進み処理を繰り返す。

ステップＳ２４０（第２通知処理）において、電池監視装置１００は、充電の完了を判定する。また、また、第１モジュール２００ＡのＳＯＣ、又は第２モジュール２００ＢのＳＯＣを１００％にセットする。ステップＳ２４０の後、処理は終了する。

４．効果
このように、本実施形態に係る電池監視装置１００によれば、電池モジュール２００間に所定値以上の電圧差が生じた後において、充電を継続する。これにより、電池セルのＳＯＣがばらつくためにいずれかの電池セルが先行して満充電に達した後において充電が継続され、個々の電池セルのＳＯＣのばらつきを抑制することができる。また、電池モジュール２００間に所定値以上の電圧差が生じた時点から現時点までの充電電力の積算値が所定の閾値以上となる場合に充電を禁止する。これにより、満充電後の過度な充電を防止することができる。延いては、電池セルの故障及び過度な温度上昇を防止することができる。さらに、本実施形態に係る電池監視装置１００は、個々の電池セルの状態を検出することを要しない。

１０ 組電池
２０ バッテリパック
１００ 電池監視装置
１１０ モジュール監視装置
１２０ ジャンクションボックス
２００ 電池モジュール
２０１ 正極
２０２ 負極
２０３ セパレータ
２０４ 正極集電箔
２０５ 負極集電箔
２０６ シール材
２１０ 集電板
２２０ 絶縁板
２３０ ケース

Claims (1)

1. 複数の電池モジュールを直列に接続して構成する組電池の電池監視装置であって、
   前記電池モジュールは、正極材料としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウムイオン電池である電池セルを直列に接続することにより構成され、
   前記電池監視装置は、
   前記電池モジュールの間の電圧差が所定値未満の場合、
   それぞれの前記電池モジュールの端子電圧が所定の第１条件を満たすとき、充電の完了を判定し、
   前記電池モジュールの間に前記所定値以上の電圧差が生じた場合、
   前記電池モジュールの間に前記所定値以上の電圧差が生じた時点から現時点までの充電電力の積算値を算出し、
   前記積算値が所定の閾値以上となるとき、充電の禁止を判定し、
   それぞれの前記電池モジュールの端子電圧が所定の第２条件を満たすとき、充電の完了を判定する、ように構成された
   ことを特徴とする電池監視装置。

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