JP2015220038A - Lithium ion secondary battery system and method for charging lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池システムおよびリチウムイオン二次電池の充電方法に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery system and a method for charging a lithium ion secondary battery.
近年、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)のモータ駆動用電池としてリチウムイオン二次電池が使用されている。 In recent years, lithium ion secondary batteries have been used as motor driving batteries for electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV).
このようなリチウムイオン二次電池においては、低温時に電池の内部抵抗が上昇して充電効率がわるくなり、充電時間が常温時よりも長くなるという問題がある。従来、このような問題を解決するために、リチウムイオン二次電池のバッテリーパック内部にヒーターを設け、充電時にはこのヒーターで加熱することにより内部温度を上げてから充電する技術がある(特許文献1)。 In such a lithium ion secondary battery, there is a problem that the internal resistance of the battery increases at a low temperature, the charging efficiency becomes worse, and the charging time becomes longer than that at room temperature. Conventionally, in order to solve such a problem, there is a technique in which a heater is provided inside a battery pack of a lithium ion secondary battery, and charging is performed after the internal temperature is raised by heating with the heater during charging (Patent Document 1). ).
しかしながら、従来の技術では、電池内部にヒーターを設けているために、電池の筐体内にヒーターを設置するためのスペースを確保しなければならない。このためヒーターが占める容積や重量の分、電池全体からすると内部の空間利用効率がわるくなり、エネルギー密度が低下する要因となる。 However, in the conventional technology, since a heater is provided inside the battery, a space for installing the heater must be secured in the battery casing. For this reason, the volume and weight of the heater occupy the internal space utilization efficiency of the entire battery, which causes a reduction in energy density.
そこで本発明の目的は、電池内部の空間利用効率を悪化させることなく、低温時における充電効率を改善したリチウムイオン二次電池システムおよびリチウムイオン二次電池の充電方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery system and a charging method for a lithium ion secondary battery that have improved charging efficiency at low temperatures without deteriorating space utilization efficiency inside the battery.
上記課題を解決するための本発明のリチウムイオン二次電池システムは、リチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池の外表面温度を測定する温度センサーと、リチウムイオン二次電池に充電処理を行う際に、温度センサーにより測定された温度が所定温度未満の場合は、放電させた後に充電するように制御する制御部と、を有する。 In order to solve the above problems, a lithium ion secondary battery system of the present invention includes a lithium ion secondary battery, a temperature sensor for measuring the outer surface temperature of the lithium ion secondary battery, and a charging process for the lithium ion secondary battery. When performing, when the temperature measured with the temperature sensor is less than predetermined temperature, it has a control part which controls to charge after discharging.
上記課題を解決するための本発明の二次電池の充電方法は、リチウムイオン二次電池に充電処理を行う際に、リチウムイオン二次電池の外表面温度を測定する段階と、測定された温度が所定温度未満の場合に放電した後に充電する段階と、を有することを特徴とする。 The charging method of the secondary battery of the present invention for solving the above-mentioned problem is a step of measuring the outer surface temperature of the lithium ion secondary battery when the lithium ion secondary battery is charged, and the measured temperature. Charging after discharging when the temperature is lower than a predetermined temperature.
本発明によれば、低温時にリチウムイオン二次電池を充電する際には、充電前に放電することとした。これにより放電によって流れる電流による発熱作用によって、二次電池内部の温度を上昇させることができる。このため、電池内部にヒーターなどを設けることなく、二次電池の内部温度を上昇させてから充電することができる。したがって、電池内部の空間利用効率を低下させずに充電効率を改善することができる。 According to the present invention, when a lithium ion secondary battery is charged at a low temperature, it is discharged before charging. As a result, the temperature inside the secondary battery can be raised by the heat generation action caused by the current flowing through the discharge. For this reason, it can charge, after raising the internal temperature of a secondary battery, without providing a heater etc. inside a battery. Therefore, it is possible to improve the charging efficiency without reducing the space utilization efficiency inside the battery.
以下図面を参照して本発明を適用した実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上、誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from actual ratios.
[二次電池システム]
図1は、本実施形態1のリチウムイオン二次電池システムの構成を説明するためのブロック図である。
[Secondary battery system]
FIG. 1 is a block diagram for explaining the configuration of the lithium ion secondary battery system according to the first embodiment.
このリチウムイオン二次電池システム(以下、二次電池システム1と称する)は、リチウムイオン二次電池(以下、二次電池2と称する)を備える。そして、二次電池2の正極負極間電圧を測定する電圧センサー3、二次電池2の外表面温度(環境温度)を測定する温度センサー4、二次電池2へ充電電力を供給する電圧電流調整部5、二次電池2の充放電電流を測定する電流センサー6、充放電を制御する制御部7を備える。また、電圧電流調整部5は外部電源8に接続されていて充電時には電力の供給を受ける一方、放電時には電圧電流調整部5を介して外部電源8側へ放電する(詳細後述)。 The lithium ion secondary battery system (hereinafter referred to as secondary battery system 1) includes a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as secondary battery 2). A voltage sensor 3 that measures the voltage between the positive and negative electrodes of the secondary battery 2, a temperature sensor 4 that measures the outer surface temperature (environmental temperature) of the secondary battery 2, and a voltage / current adjustment that supplies charging power to the secondary battery 2 5, a current sensor 6 that measures the charge / discharge current of the secondary battery 2, and a control unit 7 that controls charge / discharge. The voltage / current adjusting unit 5 is connected to the external power source 8 and receives power supply during charging, while discharging to the external power source 8 side through the voltage / current adjusting unit 5 during discharging (details will be described later).
以下各部の詳細を説明する。 Details of each part will be described below.
二次電池2は、通常のリチウムイオン二次電池であり、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極とがセパレータを介在させて向き合うように配置され、セパレータには電解質が充填されている。なお、リチウムイオン二次電池の詳細については後述する。 The secondary battery 2 is an ordinary lithium ion secondary battery, and is disposed so that a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material face each other with a separator interposed therebetween, and the separator is filled with an electrolyte. ing. The details of the lithium ion secondary battery will be described later.
電圧センサー3は、たとえば電圧計でよく、二次電池2の正極と負極の間の電圧を測定する。電圧センサー3の取り付け位置は、特に制限はなく、二次電池2に接続される回路内において正極と負極の間の電圧を測定することができる位置であればよい。 The voltage sensor 3 may be a voltmeter, for example, and measures the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the secondary battery 2. The attachment position of the voltage sensor 3 is not particularly limited, and may be a position where the voltage between the positive electrode and the negative electrode can be measured in the circuit connected to the secondary battery 2.
温度センサー4は、二次電池2の外装表面の温度を測定する。温度センサー4は、二次電池2のケース(筐体)の表面などに取り付けられている(後述図7参照)。 The temperature sensor 4 measures the temperature of the exterior surface of the secondary battery 2. The temperature sensor 4 is attached to the surface of the case (housing) of the secondary battery 2 (see FIG. 7 described later).
二次電池2は、後述するように、複数の単電池を積層した形態である。このため、その内部温度を測定することが難しい。そこで本実施形態では、二次電池2の外表面温度を測定することで、二次電池2の温度の目安としている。外表面温度は内部温度を正確に表すことができないまでも、少なくとも積層電池の最外層に近い単電池の温度とほとんど同じとなる。 The secondary battery 2 has a form in which a plurality of unit cells are stacked as will be described later. For this reason, it is difficult to measure the internal temperature. Therefore, in the present embodiment, the temperature of the secondary battery 2 is used as a measure by measuring the outer surface temperature of the secondary battery 2. The outer surface temperature is almost the same as the temperature of the single cell near the outermost layer of the laminated battery, even if the internal temperature cannot be expressed accurately.
電圧電流調整部5は、外部電源8からの電力を制御部7からの指令に基づいて電圧、電流を調整して二次電池2へ電力を供給する。また電圧電流調整部5は、放電時に外部電源8へ二次電池2から放電された電気を放出する。 The voltage / current adjusting unit 5 adjusts the voltage and current of the electric power from the external power supply 8 based on a command from the control unit 7 and supplies the electric power to the secondary battery 2. Further, the voltage / current adjusting unit 5 discharges the electricity discharged from the secondary battery 2 to the external power source 8 at the time of discharging.
ここで外部電源8は、電気自動車等の充電に使用される、いわゆる電源グリッドなどと称されている電気自動車用の充電装置であり、直流が出力されている。このような電気自動車用の充電装置は、商用電力(交流)を二次電池2の充電のために必要な電圧、電流の直流に変換して提供している。また、外部電源8は電力回生機能が備えられており、二次電池2からの放電があった場合は、直流を交流に変換して商用電源へ回生することができる。なお、このような外部電源となる装置は、電力回生機能の付いた周知の充電装置を使用すればよいので、詳細な説明は省略する(電力回生機能の付いた充電装置としては、たとえば、特開平7−222369号公報、特開平10−080067号公報などがある)。 Here, the external power source 8 is a charging device for an electric vehicle called a power grid used for charging an electric vehicle or the like, and outputs a direct current. Such a charging device for an electric vehicle provides commercial electric power (alternating current) by converting it into direct current of voltage and current necessary for charging the secondary battery 2. The external power supply 8 is provided with a power regeneration function. When the secondary battery 2 is discharged, the external power supply 8 can convert direct current to alternating current and regenerate to a commercial power supply. Note that such a device serving as an external power source may be a well-known charging device with a power regeneration function, and therefore a detailed description thereof is omitted (for example, a charging device with a power regeneration function is a special No. 7-222369 and JP-A-10-080067.
外部電源8が商用電源などの外部電源装置に接続されていない場合は、たとえば外部に設置された他の二次電池などを電源として充電する場合、他の二次電池へ二次電池2から放電した電力を蓄電させることが好ましい。これによりエネルギーの無駄を少なくすることができる。 When the external power supply 8 is not connected to an external power supply device such as a commercial power supply, for example, when charging another secondary battery installed outside as a power source, the secondary battery 2 is discharged to the other secondary battery. It is preferable to store the generated electric power. Thereby, waste of energy can be reduced.
電流センサー6は、たとえば電流計である。電流センサー6は、充電時には電圧電流調整部5から二次電池2へ供給される電力の電流値を測定し、放電時には二次電池2から電圧電流調整部5へ放電給される電力の電流値を測定する。電流センサー6の取り付け位置は、特に制限はなく、電圧電流調整部5から二次電池2に電力を供給する回路内に配置されて、充放電時の電流値を測定することができる位置であればよい。 The current sensor 6 is an ammeter, for example. The current sensor 6 measures the current value of the power supplied from the voltage / current adjusting unit 5 to the secondary battery 2 during charging, and the current value of the power discharged from the secondary battery 2 to the voltage / current adjusting unit 5 during discharging. Measure. The mounting position of the current sensor 6 is not particularly limited and may be a position where the current value at the time of charging / discharging can be measured by being arranged in a circuit that supplies power from the voltage / current adjusting unit 5 to the secondary battery 2. That's fine.
制御部7は、たとえば、CPU71や記憶部72などを含んでいる、いわゆるコンピューターである。制御部7は後述する手順に従って、充電時において、二次電池2へ充電する際に、放電後に充電するか、即時充電するかの切り換え、および充電時に供給される電圧および電流を制御する。また、記憶部72はCPU71がワーキングエリアとして使用するRAMのほかに、不揮発性メモリーを搭載している。不揮発性メモリーには、本実施形態の充電処理を行うためのプログラムを記憶している。また、記憶部72は後述する充電処理おける二次電池2のSOC(電池残容量)と時間との関係などを記憶している。このような制御部7としては、電気自動車においてはたとえばECU(Engine Control Unit)などを用いるようにしてもよい。 The control unit 7 is a so-called computer including a CPU 71, a storage unit 72, and the like, for example. When charging the secondary battery 2 during charging, the control unit 7 switches between charging after discharging or immediately charging, and controls the voltage and current supplied during charging according to the procedure described below. The storage unit 72 includes a nonvolatile memory in addition to the RAM used by the CPU 71 as a working area. The nonvolatile memory stores a program for performing the charging process of the present embodiment. In addition, the storage unit 72 stores a relationship between the SOC (remaining battery capacity) of the secondary battery 2 and time in a charging process described later. As such a control part 7, you may make it use ECU (Engine Control Unit) etc. in an electric vehicle, for example.
[充電処理]
このように構成された二次電池システムにおける充電処理の手順を説明する。
[Charging process]
A procedure of the charging process in the secondary battery system configured as described above will be described.
図2は、充電処理手順を示すフローチャートであり、特に断りのない限り、制御部7によって行われる処理である。 FIG. 2 is a flowchart showing a charging process procedure, and is a process performed by the control unit 7 unless otherwise specified.
この充電処理は二次電池システム1が外部電源8に接続されて、二次電池2に対して充電電力が供給可能な状態において行われる。また、充電処理の制御は、充電時においては、二次電池2の電圧が所定電圧となるまで定電流、所定電圧となった後は定電圧とする、定電流・定電圧充電方式を用いている。一方、放電時においては外部電源8へ定電流により行うものとする。 This charging process is performed in a state where the secondary battery system 1 is connected to the external power source 8 and charging power can be supplied to the secondary battery 2. The charging process is controlled using a constant current / constant voltage charging method in which charging is performed with a constant current until the voltage of the secondary battery 2 reaches a predetermined voltage, and after the voltage reaches a predetermined voltage. Yes. On the other hand, during discharging, the external power source 8 is assumed to be driven with a constant current.
本実施形態の充電処理は、充電処理開始時において、あらかじめ決められた所定温度(しきい温度と称する)未満の場合に、即時充電を開始する場合よりも総合的な充電時間が速くなる場合には、いったん放電してから充電するものである。以下、図2を参照してこの充電処理の手順を説明する。 The charging process according to the present embodiment is performed when the total charging time is faster than when immediate charging is started when the charging process is started at a temperature lower than a predetermined temperature (referred to as a threshold temperature). Is to charge once discharged. Hereinafter, the charging process will be described with reference to FIG.
まず、制御部7は、温度センサー4から現在温度、電圧センサー3から現在電圧を取得する(S1)。 First, the control unit 7 acquires the current temperature from the temperature sensor 4 and the current voltage from the voltage sensor 3 (S1).
続いて、制御部7は取得した現在温度がしきい温度未満であるか否かを判断する(S2)。ここでしきい温度未満でなければ(S2:NO)、外部電源8から電圧電流調整部5への電力を導入して、そのまま通常の充電を行う(S8)。ステップS8は、通常の充電と同じであり、二次電池2のSOCが所定量(いわゆる満充電状態)となるか、充電動作の停止指示があれば充電処理を終了する。充電終了によってこの処理すべてが終了となる。 Subsequently, the control unit 7 determines whether or not the acquired current temperature is lower than the threshold temperature (S2). If the temperature is not lower than the threshold temperature (S2: NO), power from the external power supply 8 to the voltage / current adjusting unit 5 is introduced and normal charging is performed as it is (S8). Step S8 is the same as normal charging, and the charging process is terminated if the SOC of the secondary battery 2 reaches a predetermined amount (so-called fully charged state) or if there is an instruction to stop the charging operation. All of this processing is completed when charging is completed.
一方、ステップS2において、しきい温度未満の場合(S2:YES)は、ステップS1において取得した現在電圧から現在のSOCを求め、現在温度、SOCの関係から、放電後充電とするか、即時充電とするかを選択する(S3)。この選択処理については後述する。 On the other hand, if the temperature is lower than the threshold temperature in step S2 (S2: YES), the current SOC is obtained from the current voltage acquired in step S1, and the post-discharge charging is performed based on the relationship between the current temperature and the SOC. Is selected (S3). This selection process will be described later.
ステップS3の選択の結果、放電後充電ではない場合(すなわち即時充電の場合)は(S4:NO)、放電することなく即時に通常の充電動作(S8)に移り、制御部7は通常の充電処理を実行する。 As a result of the selection in step S3, if it is not post-discharge charging (that is, immediate charging) (S4: NO), the process immediately proceeds to normal charging operation (S8) without discharging, and the control unit 7 performs normal charging. Execute the process.
一方、放電後充電の場合は(S4:YES)、制御部7は、放電を開始するように電圧電流調整部5に対して指示する(S5)。この指示により電圧電流調整部5は、放電を開始する。この放電開始は、本実施形態では電圧電流調整部5が二次電池2と外部電源8とを直結することで、二次電池2の電力を外部電源8によって回生することとしている。 On the other hand, in the case of charging after discharging (S4: YES), the control unit 7 instructs the voltage / current adjusting unit 5 to start discharging (S5). In response to this instruction, the voltage / current adjusting unit 5 starts discharging. In this embodiment, the voltage / current adjusting unit 5 directly connects the secondary battery 2 and the external power supply 8 to regenerate the power of the secondary battery 2 by the external power supply 8 in this embodiment.
その後、制御部7は、現在の電流値から二次電池2の現在の内部温度を推定する(S6)。 Thereafter, the control unit 7 estimates the current internal temperature of the secondary battery 2 from the current value (S6).
この内部温度の推定方法は、現在の電流値I、電圧値V、および放電開始からの経過時間tによって推定する。 This internal temperature is estimated based on the current value I, voltage value V, and elapsed time t from the start of discharge.
発熱量Q=I2R×Δt=IV×Δtである(Iは電流、Rは二次電池2の内部抵抗、Δtは微小時間、Vは電圧)。したがって現在の電流値と電圧値がわかれば微小時間△tを経過したときの発熱量Qがわかる。そして、二次電池2の熱容量HCで発熱量Qを割れば微小時間Δt当たりの温度上昇量ΔT=Q/HCが求まる。この算出を放電開始から微小時間Δtごとに行うことで、微小時間Δtごとの温度上昇量ΔT、すなわち、時々刻々と変化する温度の上昇量が得られる。そしてこの温度上昇量ΔTを放電開始温度(すなわちステップS1で測定された温度)から積算(ΣΔT)してゆけば現在温度Tが得られる。すなわち現在温度T=放電開始温度T0+ΣΔTである。 The calorific value Q = I 2 R × Δt = IV × Δt (I is current, R is internal resistance of the secondary battery 2, Δt is minute time, and V is voltage). Therefore, if the current value and voltage value are known, the heat generation amount Q when the minute time Δt has elapsed can be known. Then, if the calorific value Q is divided by the heat capacity HC of the secondary battery 2, the temperature increase ΔT = Q / HC per minute time Δt can be obtained. By performing this calculation every minute time Δt from the start of discharge, a temperature rise amount ΔT for each minute time Δt, that is, a temperature rise amount that changes every moment can be obtained. The current temperature T can be obtained by integrating (ΣΔT) this amount of temperature increase ΔT from the discharge start temperature (that is, the temperature measured in step S1). That is, current temperature T = discharge start temperature T0 + ΣΔT.
ここで、二次電池2の内部抵抗は、放電することで二次電池2内部の温度が変化するために変わる。このためI2R=IVの値も時間経過によって変化することになる。そこで電流値Iおよび電圧値Vはできるだけ変化の少ない時間間隔、すなわち微小時間Δtを短くして測定することが好ましい。しかし、微小時間△tは温度上昇量ΔTを求めるための時間である。このため微小時間△tがあまりに小さいと計算効率がわるい。そこで、電池容積が大きな二次電池(すなわち熱容量HCが大きい)では温度の上昇率が低いので、微小時間Δtは多少長くする。一方、電池容積が小さな二次電池(すなわち熱容量HCが小さい)では温度の上昇率が高いので、微小時間Δtはできるだけ短くした方がよい。このような観点から、できるだけ温度推定値の誤差が少なくなるような微小時間Δtを設定することが好ましい。 Here, the internal resistance of the secondary battery 2 changes because the temperature inside the secondary battery 2 changes due to discharge. For this reason, the value of I 2 R = IV also changes with time. Therefore, it is preferable to measure the current value I and the voltage value V by shortening the time interval with as little change as possible, that is, the minute time Δt. However, the minute time Δt is a time for obtaining the temperature rise amount ΔT. For this reason, if the minute time Δt is too small, the calculation efficiency is poor. Therefore, the secondary battery having a large battery volume (that is, the heat capacity HC is large) has a low rate of temperature rise, and therefore the minute time Δt is made somewhat longer. On the other hand, a secondary battery with a small battery volume (that is, with a small heat capacity HC) has a high rate of temperature rise, so it is better to make the minute time Δt as short as possible. From such a viewpoint, it is preferable to set the minute time Δt so that the error of the estimated temperature value is as small as possible.
続いて、制御部7は、推定温度が、しきい温度以上になったか否かを判断して(S7)、しきい温度以上になっていなければ(S7:NO)、ステップS5へ戻り、しきい温度以上になるまでステップS5およびS7を繰りかえすことになり、その間放電が継続する。一方、しきい温度以上であれば(S7:YES)、通常の充電動作(S8)へ移る。その後、制御部7は通常の充電処理を行って充電処理を終了する。 Subsequently, the control unit 7 determines whether or not the estimated temperature is equal to or higher than the threshold temperature (S7). If the estimated temperature is not equal to or higher than the threshold temperature (S7: NO), the process returns to step S5. Steps S5 and S7 will be repeated until the temperature exceeds the threshold temperature, and the discharge continues during that time. On the other hand, if the temperature is equal to or higher than the threshold temperature (S7: YES), the routine proceeds to a normal charging operation (S8). Thereafter, the control unit 7 performs a normal charging process and ends the charging process.
なお、ステップS6の内部温度の推定に代えて、温度センサー4の現在温度がしきい温度以上か否かにより判断することとしてもよい。ただし、温度センサー4は電池筐体表面の温度を知り得るだけで、二次電池2内部の温度を正確には表していない。また、外表面の温度を測定しているため、温度センサー4で測定される温度は、どうしても内部よりも低い温度になる(電池周囲の環境温度がしきい温度より低いため、二次電池2全体がしきい温度より低くなってこの処理を行っている。したがって、この処理に入るということは環境温度がしきい温度より低い場合である)。このため、既に説明したように内部温度を推定した方が、二次電池2の内部温度がしきい温度に到達したことをより速く判断することができ、放電状態から充電へ速く移行することができる。 Instead of estimating the internal temperature in step S6, it may be determined based on whether or not the current temperature of the temperature sensor 4 is equal to or higher than a threshold temperature. However, the temperature sensor 4 can only know the temperature of the battery casing surface, and does not accurately represent the temperature inside the secondary battery 2. Further, since the temperature of the outer surface is measured, the temperature measured by the temperature sensor 4 is inevitably lower than the internal temperature (since the environmental temperature around the battery is lower than the threshold temperature, the secondary battery 2 as a whole This process is performed at a temperature lower than the threshold temperature, so entering this process is when the ambient temperature is lower than the threshold temperature). For this reason, as already explained, it is possible to more quickly determine that the internal temperature of the secondary battery 2 has reached the threshold temperature, and the transition from the discharged state to the charge can be made faster by estimating the internal temperature. it can.
[放電後充電か、即時充電かの選択]
次に、ステップS3の放電後充電か、即時充電かを選択する処理を説明する。これには2通りの方法がある。
[Selection between charge after discharge or immediate charge]
Next, a process for selecting whether charging after discharge or immediate charging in step S3 will be described. There are two ways to do this.
(第1の選択方法)
第1の選択方法は、あらかじめ充電処理開始温度、SOC、充放電にかかる時間の関係をあらかじめ記憶しておいて、それをもとに放電後充電した場合と、即時充電した場合とでどちらが速く充電できるかを判断するのである。ここで充電処理開始温度とは、実際に充電が開始される時点の温度ではなく、充電をするために必要な処理を開始する時点の温度であり、本実施形態でいえばステップS1の時点での温度ということになる。
(First selection method)
In the first selection method, the relationship between the charging processing start temperature, the SOC, and the time required for charging / discharging is stored in advance, and either the case of charging after discharge or the case of immediate charging is faster. It is judged whether it can be charged. Here, the charging processing start temperature is not the temperature at the time of actually starting charging, but the temperature at the time of starting processing necessary for charging, and in this embodiment, at the time of step S1. It will be the temperature of.
図3は、SOCと充放電にかかる時間の関係を示すグラフである。図において縦軸がSOC、横軸が時間である。このグラフは、しきい温度未満のある温度から即時充電処理を行った場合(点線)と、放電後充電を行った場合(実線)を示している。図において、処理を開始した時点をt0、放電後充電による場合において放電によりしきい温度となった時点をt1、放電後充電によるカーブと即時充電のカーブが交差する時点をt2、放電後充電により満充電になった時点をt3、即時充電により満充電になった時点をt4としている。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the SOC and the time required for charging and discharging. In the figure, the vertical axis represents SOC and the horizontal axis represents time. This graph shows a case where an immediate charge process is performed from a temperature lower than the threshold temperature (dotted line) and a case where charge after discharge is performed (solid line). In the figure, t0 is the time when processing is started, t1 is the time when the threshold temperature is reached by discharging in the case of charging after discharging, t2 is the time when the curve of charging after discharging and the curve of immediate charging intersect, and charging after charging The time when the battery is fully charged is t3, and the time when the battery is fully charged by immediate charging is t4.
このグラフから、しきい温度未満のある温度から、即時充電とした場合(点線)は、徐々にSOCが上がって行き、満充電に至る。一方、放電後充電とした場合(実線)は、一端SOCが低下する。そして、温度がしきい温度になった時点(t1)から充電を開始するようにしている。点線と実線を比較すれば、満充電(SOC100%)になるまでの時間が放電後充電の場合(実線)の方が速いことがわかる。しかし、時間がt0からt2までの間は、即時充電(点線)の方がより短時間でSOCを高くできることがわかる。 From this graph, in the case of immediate charging from a certain temperature lower than the threshold temperature (dotted line), the SOC gradually increases and reaches full charging. On the other hand, when charging is performed after discharging (solid line), the SOC decreases at one end. Then, charging is started from the time (t1) when the temperature reaches the threshold temperature. Comparing the dotted line and the solid line, it can be seen that the time until full charge (SOC 100%) is reached is faster in the case of charge after discharge (solid line). However, from time t0 to t2, it can be seen that the immediate charge (dotted line) can increase the SOC in a shorter time.
そこでステップS3の処理は、このグラフを用いて放電後充電とするか、即時充電とするかを選択するのである。 Therefore, in the process of step S3, whether to perform post-discharge charging or immediate charge is selected using this graph.
選択の基準としては、たとえば、ユーザーが満充電を希望する場合がある。満充電の場合は、図3のグラフから放電後充電を選択することで、より速く満充電にできることがわかる。したがって、この場合は放電後充電を選択することになる。 As a selection criterion, for example, the user may desire full charge. In the case of full charge, it can be seen that full charge can be achieved more quickly by selecting post-discharge charge from the graph of FIG. Therefore, in this case, charging after discharging is selected.
他の選択の基準として、たとえば、ユーザーに時間の余裕が少なく、限られた時間で充電したいという場合がある。このような場合は、ユーザーが充電にかけられる時間(あらかじめ指定された時間)がグラフのt0以上t2未満の場合は即時充電とする。一方、t2以上の場合は放電後充電とする。 As another selection criterion, for example, there is a case where the user has little time margin and wants to charge in a limited time. In such a case, if the time that the user spends on charging (predesignated time) is not less than t0 and less than t2 in the graph, the charging is immediately performed. On the other hand, in the case of t2 or more, charging is performed after discharging.
さらに、他の選択の基準として、たとえば、ユーザーが所望するSOC(あらかじめ指定されたSOC)まで充電したいという場合がある。ユーザーが所望するSOCとは、たとえば電気自動車では、これから何キロ走れるだけ充電できていればよい、というような場合である。このような場合、所望される距離をSOCに換算して、ユーザーが所望するSOCとする。図3に示したグラフでは、放電後充電によるカーブと即時充電のカーブが交差する時点t2までは、どのようなSOCであっても即時充電の方が速くそのSOCに到達する。一方、放電後充電によるカーブと即時充電のカーブが交差する時点t2よりもSOCが高い場合は、放電後充電の方が速く到達する。したがって、ユーザーが所望するSOCが、放電後充電によるカーブと即時充電のカーブが交差する時点t2でのSOCよりも高い場合は放電後充電を選択することになる。 Furthermore, as another selection criterion, for example, there is a case where it is desired to charge to a SOC desired by the user (a SOC designated in advance). The SOC desired by the user is a case where, for example, in an electric vehicle, it is sufficient to be able to charge as many kilometers as possible. In such a case, the desired distance is converted into the SOC to obtain the SOC desired by the user. In the graph shown in FIG. 3, until the time point t <b> 2 when the post-discharge charge curve and the immediate charge curve intersect, the instant charge reaches that SOC faster regardless of the SOC. On the other hand, when the SOC is higher than the time point t2 at which the curve for charging after discharge and the curve for immediate charging intersect, charging after discharging reaches faster. Therefore, if the SOC desired by the user is higher than the SOC at time t2 when the curve for charging after discharging and the curve for immediate charging intersect, charging after discharging is selected.
このような選択を行うためには、図3に示したごときグラフを、しきい温度未満の温度において充電処理開始温度を違えて複数用意しておく。一例を挙げると、二次電池2の使用限界温度が−40℃、しきい温度が0℃の場合、10℃刻みにグラフを作成する。つまり充電処理開始温度−10℃のグラフ、充電処理開始温度−20℃のグラフ、充電処理開始温度−30℃のグラフの3つとなる。そして、ステップS1で測定された温度(すなわち充電処理開始温度)が0℃〜15℃のときは−10℃のグラフを使用する。ステップS1での温度が−15℃〜−25℃のときは−20℃のグラフを使用する。ステップS1での温度が−25℃〜−40℃のときは−30℃のグラフを使用する。もちろん、このようなグラフは10℃刻みに限定されるものではなく、この刻み幅を狭くすれば放電後充電か即時充電かの選択をよりきめ細かく制御することができる。 In order to make such a selection, a plurality of graphs as shown in FIG. 3 are prepared with different charging processing start temperatures at temperatures lower than the threshold temperature. For example, when the use limit temperature of the secondary battery 2 is −40 ° C. and the threshold temperature is 0 ° C., a graph is created in increments of 10 ° C. That is, there are three graphs: a charging process start temperature—10 ° C., a charging process start temperature—20 ° C., and a charging process start temperature—30 ° C. And when the temperature (namely, charging process start temperature) measured by step S1 is 0 degreeC-15 degreeC, the graph of -10 degreeC is used. When the temperature in step S1 is −15 ° C. to −25 ° C., a graph of −20 ° C. is used. When the temperature in step S1 is −25 ° C. to −40 ° C., a graph of −30 ° C. is used. Of course, such a graph is not limited to increments of 10 ° C., and by narrowing the increment, the selection between post-discharge charging and immediate charging can be controlled more finely.
なお、このようなグラフを作成する際の充電処理開始時のSOCは、しきい温度になるまで放電できる余裕のあるSOCから開始する必要がある(詳細後述)。このためステップS3の判断においては、充電処理開始時のSOCがしきい温度にまで上げることができる値であるか否かによっても判断する。図3を参照すれば、このグラフ上の充電処理開始時のSOCの値からしきい温度の時点t1のSOCの差分よりも、充電処理開始時のSOCが低い場合は即時充電とする。一方、このグラフ上の充電処理開始時のSOCからしきい温度の時点t1のSOCの差分よりも充電処理開始時のSOCが高い場合は放電後充電とする。なお、放電によって到達するSCOの下限値は、極端に下がってしまうと二次電池の劣化が進みやすくなる。このため蓄電量が残った状態とする。したがって、放電時に到達するSCOは下限値を設定しておく。たとえば20%程度である。この下限値は二次電池特性などに応じて適宜設定すればよく限定されるものではない。そのほか充電処理開始温度ごとに複数作成した他のグラフにおいても同様である。 Note that the SOC at the start of the charging process when creating such a graph needs to be started from an SOC that can be discharged until the threshold temperature is reached (details will be described later). For this reason, the determination in step S3 is also made based on whether or not the SOC at the start of the charging process is a value that can be raised to the threshold temperature. Referring to FIG. 3, when the SOC at the start of the charging process is lower than the difference in SOC at the time point t1 of the threshold temperature from the SOC value at the start of the charging process on this graph, the immediate charging is performed. On the other hand, if the SOC at the start of the charging process is higher than the SOC difference at the time point t1 from the SOC at the start of the charging process on the graph to the threshold temperature, charging is performed after discharging. Note that if the lower limit of the SCO reached by discharge is extremely lowered, the secondary battery is likely to deteriorate. For this reason, it is assumed that the amount of stored electricity remains. Therefore, a lower limit is set for the SCO that is reached during discharge. For example, it is about 20%. The lower limit value is not limited as long as it is appropriately set according to the characteristics of the secondary battery. The same applies to other graphs created for each charge processing start temperature.
このように第1の選択方法では、あらかじめ作成したSOCと充放電にかかる時間の関係を示すグラフを用いて放電後充電とするか、即時充電とするかを選択する。SOCと充放電にかかる時間の関係を示すグラフは、たとえば実際の電池を使った実験や、シミュレーションにより作成することになる。なお、このようなグラフは、実際には制御部7において計算できるような数値データとして記憶しておくことになる。 As described above, in the first selection method, whether to perform post-discharge charging or immediate charging is selected using a graph indicating the relationship between the SOC and the time required for charging / discharging that has been created in advance. The graph indicating the relationship between the SOC and the time required for charging / discharging is created by, for example, an experiment using an actual battery or a simulation. Such a graph is actually stored as numerical data that can be calculated by the control unit 7.
このようにSOCと充放電にかかる時間の関係を示すグラフを用いて充電制御を行うことで、電池特性にあったより速い充電を行うことができる。 Thus, by performing charge control using the graph showing the relationship between the SOC and the time required for charging and discharging, it is possible to perform faster charging that matches the battery characteristics.
この第1の選択方法の変形例として、図3に示したような充放電に伴い時々刻々と変化するSOCと時間の関係を記憶しておくのではなく、簡易的に、充電処理開始温度とSOCの関係を、範囲として記憶しておいて、放電後充電か、即時充電かを選択するようにしてもよい。一例を挙げると、しきい温度−10℃の時には、現在のSOCが20%(下限値)から40%未満の場合は放電後充電を選択し、現在のSOCが40%以上の場合は即時充電を選択する、などである。 As a modified example of the first selection method, the relationship between the SOC and time that changes from time to time as shown in FIG. The SOC relationship may be stored as a range, and charging after discharging or immediate charging may be selected. For example, when the threshold temperature is −10 ° C., if the current SOC is 20% (lower limit) to less than 40%, the post-discharge charging is selected, and if the current SOC is 40% or more, immediate charging is performed. And so on.
(第2の選択方法)
次に、第2の選択方法を説明する。第2の選択方法は、しきい温度に到達させるために必要な電流量、それにより到達するSOC、およびそれに要する時間、到達したSOCから充電した場合に所定のSOCに到達するまでに要する時間を演算して推定する。そしてその推定結果とあらかじめ記憶されている低温時における即時充電による時間とを比較して、放電後充電とするか、即時充電かを選択する。
(Second selection method)
Next, the second selection method will be described. In the second selection method, the amount of current required to reach the threshold temperature, the SOC to be reached thereby, and the time required for it, and the time required to reach a predetermined SOC when charged from the reached SOC are determined. Calculate and estimate. Then, the estimation result is compared with the time stored in advance at the time of the immediate charge at the low temperature to select the post-discharge charge or the immediate charge.
現在温度の推定(上述のS3)でも説明したように発熱量Q、温度上昇量ΔTには下記(1)および(2)式の関係がある。 As described in the estimation of the current temperature (S3 described above), the calorific value Q and the temperature increase ΔT have the following relationships (1) and (2).
発熱量Q=I2R×t …(1)
温度上昇量ΔT=Q/HC …(2)
ただし式中、Iは電流、Rは二次電池2の内部抵抗、tは時間、HCは熱容量である。
Calorific value Q = I 2 R × t (1)
Temperature rise ΔT = Q / HC (2)
In the formula, I is current, R is internal resistance of the secondary battery 2, t is time, and HC is heat capacity.
一方、SOCは、充放電により出入りした電荷をq、満充電容量をFCとすると下記(3)しきいより求めることができる。 On the other hand, the SOC can be obtained from the following (3) threshold, where q is the charge entered and exited by charging and discharging, and FC is the full charge capacity.
SOC(%)=q/FC×100 …(3)
ただし、電流I=電荷q/時間tである。
SOC (%) = q / FC × 100 (3)
However, current I = charge q / time t.
ここで、放電電流I=一定、内部抵抗R=一定であると仮定する。しかも内部抵抗R=一定は、しきい温度より低い場合における値とする。そして上記(1)および(2)式から、現在温度からしきい温度まで上げるために必要な電流量を求める。そして(3)式から放電開始時点(しきい温度未満の時点)のSOCから放電終了時点(しきい温度となった時点)のSOCを算出できる。このとき同時にその電流量となるまでの時間もわかるので、しきい温度まで上昇させるために必要な時間がわかることになる。 Here, it is assumed that the discharge current I = constant and the internal resistance R = constant. Moreover, the internal resistance R = constant is a value when the temperature is lower than the threshold temperature. Then, from the above equations (1) and (2), the amount of current necessary for raising the current temperature to the threshold temperature is obtained. Then, from the equation (3), the SOC at the end of discharge (at the time when the threshold temperature is reached) can be calculated from the SOC at the start of discharge (at the time below the threshold temperature). At this time, since the time until the amount of current is obtained is also known, the time required to raise the threshold temperature is known.
さらに、算出したしきい温度となった時点のSOCから満充電になるまでの電荷量を、常温時(すなわちしきい温度以上)で充電を行った場合に充電電流一定と仮定して上記(3)式から求める。 Further, the amount of charge from the SOC at the time when the calculated threshold temperature is reached to full charge is assumed to be constant when charging is performed at room temperature (that is, above the threshold temperature) (3) above. ) Calculate from the formula.
これにより、しきい温度まで温度を上昇させるために必要な放電時間とそこまで放電して到達したSOCから満充電するまでに必要な時間がわかる。すなわち、放電後に充電を開始した場合に満充電にするためにかかる時間が算出できる。 As a result, the discharge time required to raise the temperature to the threshold temperature and the time required to fully charge from the SOC reached after reaching the threshold temperature are known. That is, it is possible to calculate the time required to fully charge when charging is started after discharging.
一方、しきい温度未満の場合に即時充電を開始して満充電になるまでの時間は、温度によって充電効率の違いがあるため、あらかじめ実験(またはシミュレーションでもよい)により求めておく必要がある。これは図3に示した点線のごとくである。したがって、しきい温度未満の時に即時充電により満充電になるまでの時間をあらかじめ求めておいて、それを記憶部72に記憶しておくのである。たとえば、しきい温度未満の温度ごとに、−10℃、−20℃、−30℃などと10℃刻みで温度が異なる場合のそれぞれの満充電に要する時間を記憶しておくのである。もちろん10℃刻みではなくてもよい。 On the other hand, when the temperature is lower than the threshold temperature, the time from the start of immediate charging until full charging is different depending on the temperature. Therefore, it is necessary to obtain in advance an experiment (or simulation). This is as shown by the dotted line in FIG. Therefore, when the temperature is lower than the threshold temperature, the time until the battery is fully charged by immediate charging is obtained in advance and stored in the storage unit 72. For example, for each temperature lower than the threshold temperature, the time required for full charge when the temperature differs in increments of 10 ° C. such as −10 ° C., −20 ° C., and −30 ° C. is stored. Of course, it may not be in increments of 10 ° C.
そして、上記算出したしきい温度まで放電した時間+放電後のSOCから満充電までに要する時間(放電後充電)と、あらかじめ記憶してある現在温度(S1の温度)に応じた温度から即時充電した場合に満充電までにかかる時間(即時充電)を比較する。 Then, the battery is immediately charged from the temperature corresponding to the calculated time to the calculated threshold temperature + the time required from the SOC after discharge to full charge (charge after discharge) and the current temperature (temperature of S1) stored in advance. Compare the time required for full charge (immediate charge).
ここでも比較のためには、あらかじめ記憶されている充電処理開始温度における充電時間のなかから、ステップS1で測定された温度に近い充電時間と比較することになる。たとえば、二次電池2の使用限界温度が−40℃、しきい温度が0℃の場合にステップS1で測定された温度(すなわち充電処理開始温度)が0℃〜15℃のときは−10℃の即時充電による充電時間を使用する。ステップS1での温度が−15℃〜−25℃のときは−20℃の即時充電による充電時間を使用する。ステップS1での温度が−25℃〜−40℃のときは−30℃の即時充電による充電時間を使用する。もちろん、このような即時充電の温度は10℃刻みに限定されるものではなく、この刻み幅を狭くすれば放電後充電か即時充電かの選択をよりきめ細かく制御することができる。この場合、
比較の結果、放電後充電の方が速ければ、放電後に充電することとし、即時充電した方が速ければ即時充電とする。
Again, for comparison, the charge time at the charge processing start temperature stored in advance is compared with the charge time close to the temperature measured in step S1. For example, when the use limit temperature of the secondary battery 2 is −40 ° C. and the threshold temperature is 0 ° C., the temperature measured in step S1 (that is, the charging processing start temperature) is −10 ° C. when the temperature is 0 ° C. to 15 ° C. Use the charging time with immediate charging. When the temperature in step S1 is −15 ° C. to −25 ° C., the charging time by immediate charging of −20 ° C. is used. When the temperature in step S1 is −25 ° C. to −40 ° C., the charging time by immediate charging at −30 ° C. is used. Of course, the temperature of such immediate charging is not limited to 10 ° C increments, and if this interval is narrowed, the selection between post-discharge charging and immediate charging can be controlled more finely. in this case,
As a result of the comparison, if charging after discharging is faster, charging is performed after discharging, and if charging is performed immediately, charging is performed immediately.
この第2の選択方法においても、ユーザーが所望する充電時間(あらかじめ指定された時間)やSOC(あらかじめ指定されたSOC)に応じて放電後充電か即時充電かを選択することができる。 Also in this second selection method, it is possible to select the post-discharge charge or the immediate charge according to the charge time (preliminarily designated time) or SOC (predesignated SOC) desired by the user.
ユーザーが所望する時間を基準に選択する場合は、その時間で放電から充電に切り換えて、得られるSOCが即時充電に得られるSOCよりも高くなる場合に放電後充電とする。この場合、所定温度未満のあらかじめ決められた複数の温度ごとに、即時充電を開始してからの経過時間ごとに到達するSOCを記憶部72にあらかじめ記憶しておく必要がある。 When the user selects a desired time as a reference, the charging is switched from discharging to charging at that time, and charging is performed after discharging when the obtained SOC is higher than the SOC obtained for immediate charging. In this case, it is necessary to store in the storage unit 72 in advance the SOC that arrives at each of a plurality of predetermined temperatures that are lower than the predetermined temperature and that has reached each elapsed time since the start of immediate charging.
そして、この場合は、まずユーザーが所望した時間内にしきい温度以上にできるか否かを判断することになる。ユーザーが所望した時間内にしきい温度以上にできるのであれば、そこから充電を行ってユーザーが所望した時間に至ったときのSOCを求める。そして、あらかじめ記憶されている経過時間ごとの即時充電時のSOCのなかからユーザーが所望した時間に近い即時充電によるSOCと比較するのである。その結果、同じ時間の充電で、放電後充電の方がSOCが高ければ放電後充電を選択するのである。 In this case, first, it is determined whether or not the temperature can be raised above the threshold temperature within the time desired by the user. If the temperature can be raised above the threshold temperature within the time desired by the user, charging is performed from there and the SOC when the time desired by the user is reached is obtained. And it compares with SOC by the immediate charge close | similar to the user's desired time from the SOC at the time of the immediate charge for every elapsed time memorize | stored beforehand. As a result, if the SOC of the post-discharge charge is higher in the same time charge, the post-discharge charge is selected.
ただし、図3のグラフを参照すれば、放電後充電の方が速くなるのは、時間がt2以降の時間である。したがって、簡易的には、t2の時間を充電処理開始温度ごとに記憶しておいて、ユーザーが所望する時間がこのt2よりも長い場合だけ、充電後放電を選択するようにしてもよい。 However, referring to the graph of FIG. 3, the post-discharge charge becomes faster in the time after t2. Therefore, simply, the time t2 may be stored for each charging process start temperature, and the post-charging discharge may be selected only when the time desired by the user is longer than the time t2.
ユーザーが所望するSOCを基準とする場合も、ほぼ同様であり、まずはユーザーが所望したSOCに到達するまでの時間が、あらかじめ記憶されている即時充電時のSOCになるまでの時間を比較して、放電後充電の方が速ければ放電後充電を選択するのである。 When the SOC desired by the user is used as a reference, the situation is almost the same. First, the time until the user arrives at the desired SOC is compared with the time until the SOC at the time of instant charging stored in advance is compared. If the post-discharge charge is faster, the post-discharge charge is selected.
この場合も、図3のグラフを参照すれば、放電後充電の方が速くなるのは、時間t2以降である。したがって、ユーザーが所望したSOCとなるまで充電するような場合にも、簡易的には、充電処理開始温度ごとにt2のときのSOCを記憶しておいて、ユーザーが所望するSOCがt2のときのSOCよりも高ければ放電後後充電を選択するようにしてもよい。 Also in this case, referring to the graph of FIG. 3, the post-discharge charge becomes faster after time t2. Accordingly, even when charging is performed until the SOC desired by the user is reached, the SOC at t2 is stored for each charging processing start temperature, and the SOC desired by the user is t2. If it is higher than the SOC, the post-discharge post-charge may be selected.
なお、この第2の選択方法においても、放電を行う際には、しきい温度になるまで放電できる余裕のあるSOCから開始する必要がある。また、放電により到達するSOCに下限値を設定するのも第1の選択方法と同じである。 In the second selection method as well, when discharging, it is necessary to start from an SOC that can be discharged until the threshold temperature is reached. In addition, the lower limit value is set for the SOC reached by the discharge as in the first selection method.
ここで放電の際にはしきい温度になるまで放電できる余裕のあるSOCから開始する理由を説明する。 Here, the reason for starting from the SOC that can be discharged until the threshold temperature is reached will be described.
充電処理を開始した時点でのSOCが、しきい温度に到達するほどの蓄電量となっていない場合がある。このような場合は、第2の選択方法ではSOCの下限値まで放電した場合に、どの程度の温度まで上昇するかを求める。このとき充電処理を開始した時点でのSOCを下限値まで放電しても、しきい温度に到達しない場合は、即時充電とする。なぜなら充電処理を開始した時点でのSOCを下限値まで放電しても、しきい温度に到達しない場合というのは、結局充電効率のわるい低温時のまま充電することと同じである。しかも、わざわざ放電によりSOCを下げたうえで充電するため、その放電にかかる時間が加算される。このため温度が十分に上昇しておらず充電効率のわるいなかで、さらにSOCが下がった分を充電しなければならなくなる。このため、放電後充電した場合、即時充電より速くなることはありえないからである。 There is a case where the SOC at the time when the charging process is started does not reach a storage amount enough to reach the threshold temperature. In such a case, in the second selection method, it is determined how much the temperature rises when discharged to the lower limit value of SOC. At this time, even if the SOC at the time of starting the charging process is discharged to the lower limit value, if the threshold temperature is not reached, immediate charging is performed. This is because when the SOC at the time when the charging process is started is discharged to the lower limit value, the threshold temperature is not reached, which is the same as charging at a low temperature where charging efficiency is low. Moreover, since charging is performed after the SOC is lowered by discharge, the time required for the discharge is added. For this reason, the temperature has not risen sufficiently, and while the charging efficiency is poor, it is necessary to charge the portion where the SOC has further decreased. For this reason, charging after discharging cannot be faster than immediate charging.
この第2の選択方法では、演算によって充放電にかかる時間を求めることとしているので、第1の選択方法のように、あらかじめグラフ(それに基づく数値データなどを含む)を記憶しておく必要がないので、第1の選択方法と比較して制御装置内の記憶部72の容量が少なくて済む。 In the second selection method, since the time required for charging / discharging is obtained by calculation, it is not necessary to store a graph (including numerical data based thereon) in advance as in the first selection method. Therefore, the capacity of the storage unit 72 in the control device can be small compared to the first selection method.
[変形形態]
上述したようにステップS3の選択は、二次電池の内部抵抗による影響がある。一方、リチウムイオン二次電池は、使っているうちに内部抵抗が徐々に高くなることが知られている。
[Deformation]
As described above, the selection in step S3 is influenced by the internal resistance of the secondary battery. On the other hand, it is known that a lithium ion secondary battery gradually increases in internal resistance while being used.
本実施形態では、上述したステップS3の前に、経時変化による抵抗増大を加味するようにしてもよい。 In the present embodiment, an increase in resistance due to a change with time may be taken into account before step S3 described above.
図4は経時変化による抵抗増大を加味するための手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、図2に示したフローチャートのステップS2とS3の間に挿入される手順となる。 FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for taking into account an increase in resistance due to a change with time. This flowchart is a procedure inserted between steps S2 and S3 of the flowchart shown in FIG.
経時変化による抵抗増大を加味するためには、ステップS3の前において処理する必要がある。このためここではステップS2の後に、図4に示すように、制御部7が抵抗書き換えるか否かの判断を行う(S21)。この判断は、たとえば電池の使用時間、充放電回数などによって電池の経時変化がわかる指標を用いる。そして、たとえば使用時間が何時間経過したときに書き換える、または充放電回数が何回になった時点で書き換える、などとあらかじめ決めておいて記憶部72に記憶しておくのである。 In order to take into account the increase in resistance due to changes over time, it is necessary to perform processing before step S3. Therefore, here, after step S2, as shown in FIG. 4, the control unit 7 determines whether or not to rewrite the resistance (S21). For this determination, for example, an index that can be used to know a change with time of the battery based on the usage time of the battery, the number of times of charging and discharging, and the like is used. Then, for example, rewriting is performed when the usage time has elapsed, or rewriting is performed when the number of charge / discharge times is reached, and the like is stored in the storage unit 72 in advance.
このステップS21で書き換えが必要なければ(S21:NO)、そのままステップS3に移ることになる。 If rewriting is not necessary in this step S21 (S21: NO), the process proceeds to step S3 as it is.
そして、このステップS21で書き換えが必要と判断されれば(S21:YES)、S3の選択において第1の選択方法を使用しているか、第2の選択方法を使用しているかに応じて次の処理を行う(S22)。 If it is determined in step S21 that rewriting is necessary (S21: YES), the following selection is made depending on whether the first selection method or the second selection method is used in the selection of S3. Processing is performed (S22).
上述した第1の選択方法を使用している場合は、経時変化に応じて図3に示したグラフにおける充放電にかかる時間を遅延させるのである。つまり、同じSOCであれば、そこに到達するまでの充放電時間を以前より遅延させるのである。具体的には、あらかじめ決められた割合でグラフのカーブを時間軸に沿って遅延する方向(図3では右方向)にシフトさせることになる。 When the first selection method described above is used, the charge / discharge time in the graph shown in FIG. 3 is delayed according to the change with time. In other words, if the SOC is the same, the charging / discharging time until the SOC is reached is delayed. Specifically, the curve of the graph is shifted in the direction of delaying along the time axis (rightward in FIG. 3) at a predetermined rate.
また、第2の選択方法を使用している場合は、演算に使用する内部抵抗Rに所定の増加係数αをかけて経時変化により増大した内部抵抗Rの値とするのである。 In addition, when the second selection method is used, the internal resistance R used for the calculation is multiplied by a predetermined increase coefficient α to obtain the value of the internal resistance R that has increased with time.
第1の選択方法の場合の遅延量や第2の選択方法の場合の増加係数αは、実験やシミュレーションなどにより求めておく。 The delay amount in the case of the first selection method and the increase coefficient α in the case of the second selection method are obtained by experiments or simulations.
そして制御部7は、ステップS22によって各方法に応じて経時変化の影響が加味されたのち、ステップS3に移り、既に説明した通り放電後充電か即時充電かの選択を行うことになる。 Then, after the influence of the change over time is taken into consideration according to each method in step S22, the control unit 7 moves to step S3, and selects between post-discharge charge and immediate charge as already described.
これにより、使用時間が長くなった二次電池においても、その経時変化による内部抵抗増加の影響を加味して、放電後充電とするか即時充電とするかの選択を行うことができるようになる。 As a result, even in a secondary battery that has been used for a long time, it is possible to select whether to perform post-discharge charging or immediate charging in consideration of the effect of increased internal resistance due to changes over time. .
なお、図4においては、ステップS21およびS22をS2とS3の間に挿入する処理と下が、この処理は、S3の前であればどこにあってもよい。好ましくは、ステップS3の直前に設けることである。それにより、使用時間や充放電回数をステップS3の処理に的確に反映させることができる。 In FIG. 4, the process of inserting steps S21 and S22 between S2 and S3 and the process below may be anywhere before S3. Preferably, it is provided immediately before step S3. Thereby, use time and the frequency | count of charging / discharging can be reflected correctly to the process of step S3.
[二次電池]
以下では、二次電池2の一例として、積層型のリチウムイオン二次電池について説明する。
[Secondary battery]
Hereinafter, a laminated lithium ion secondary battery will be described as an example of the secondary battery 2.
(非双極型リチウムイオン二次電池)
図5は、非双極型で積層型のリチウムイオン二次電池の全体構造を説明するための概略断面図である。
(Non-bipolar lithium ion secondary battery)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the overall structure of a non-bipolar, stacked lithium ion secondary battery.
図5に示した、二次電池2となるリチウムイオン二次電池10は、電池外装材22を用いて、発電要素17を収納し密封した構成を有している。ここで発電要素17は、正極集電体11の両面に正極活物質層12が形成された正極板、電解質層13、および負極集電体14の両面(発電要素の最下層および最上層用は片面)に負極活物質層15が形成された負極板を積層した構成を有している。積層の際、一の正極板片面の正極活物質層12と前記一の正極板に隣接する一の負極板片面の負極活物質層15とが電解質層13を介して向き合うようにして、正極板、電解質層13、負極板の順に複数積層されている。 The lithium ion secondary battery 10 that is the secondary battery 2 shown in FIG. 5 has a configuration in which the power generation element 17 is housed and sealed using the battery exterior material 22. Here, the power generation element 17 is a positive electrode plate in which the positive electrode active material layer 12 is formed on both surfaces of the positive electrode current collector 11, the electrolyte layer 13, and both surfaces of the negative electrode current collector 14 (for the lowermost layer and the uppermost layer of the power generation element). The negative electrode plate in which the negative electrode active material layer 15 is formed on one side) is laminated. When laminating, the positive electrode active material layer 12 on one surface of one positive electrode plate and the negative electrode active material layer 15 on one surface of one negative electrode plate adjacent to the one positive electrode plate face each other with the electrolyte layer 13 therebetween. The electrolyte layer 13 and the negative electrode plate are stacked in this order.
これにより、隣接する正極活物質層12、電解質層13、および負極活物質層15は、一つの単電池層16を構成する。したがって、このリチウムイオン二次電池10は、単電池層16が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素17の両最外層に位置する最外層正極集電体11aには、いずれも片面のみに正極活物質層12が形成されている。なお、正極板と負極板の配置を変えてもよい。その際は、発電要素17の両最外層に最外層負極集電体(図示せず)が位置するようにし、該最外層負極集電体の場合にも片面のみに負極活物質層15が形成されているようにする。 As a result, the adjacent positive electrode active material layer 12, electrolyte layer 13, and negative electrode active material layer 15 constitute one unit cell layer 16. Therefore, it can be said that the lithium ion secondary battery 10 has a configuration in which a plurality of single battery layers 16 are stacked and electrically connected in parallel. Note that the positive electrode active material layer 12 is formed on only one side of the outermost positive electrode current collector 11 a located in both outermost layers of the power generation element 17. In addition, you may change arrangement | positioning of a positive electrode plate and a negative electrode plate. In that case, the outermost layer negative electrode current collector (not shown) is positioned on both outermost layers of the power generation element 17, and the negative electrode active material layer 15 is formed only on one side also in the case of the outermost layer negative electrode current collector. To be.
前記の各電極板(正極板及び負極板)と導通される正極タブ18および負極タブ19が、正極端子リード20および負極端子リード21を介して各電極板の正極集電体11および負極集電体14に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられている。これにより、正極集電体11および負極集電体14に電気的に接続された正極タブ18および負極タブ19は、電池外装材22の外部に露出される構造を有している。 The positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 that are electrically connected to the electrode plates (the positive electrode plate and the negative electrode plate) are connected to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector of each electrode plate via the positive electrode terminal lead 20 and the negative electrode terminal lead 21. It is attached to the body 14 by ultrasonic welding or resistance welding. Thus, the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 that are electrically connected to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 14 have a structure exposed to the outside of the battery exterior material 22.
このような電極の構造からみた場合、このリチウムイオン二次電池10は、後述する図6に示した構造と対比して、非双極型リチウムイオン二次電池と称する。 From the viewpoint of such an electrode structure, the lithium ion secondary battery 10 is referred to as a non-bipolar lithium ion secondary battery, in contrast to the structure shown in FIG.
(双極型リチウムイオン二次電池)
図6は、他の態様である双極型で積層型のリチウムイオン二次電池の全体構造を説明するための概略断面図である。ここで双極型とは、前記非双極型に対応した用語として使用している。
(Bipolar lithium ion secondary battery)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the entire structure of a bipolar and stacked lithium ion secondary battery according to another embodiment. Here, the bipolar type is used as a term corresponding to the non-bipolar type.
図6に示す、リチウムイオン二次電池30は、実際に充放電反応が進行する発電要素37が、電池外装材42の内部に封止された構造を有する。図6に示すように、この双極型である二次電池30の発電要素37は、2枚以上で構成される双極型電極34で電解質層35を挟み、隣り合う双極型電極34の正極活物質層32と負極活物質層33とが電解質層35を介して対向するようになっている。ここで、双極型電極34は、集電体31の片面に正極活物質層32を設け、もう一方の面に負極活物質層33を設けた構造を有している。すなわち、双極型二次電池30では、集電体31の片方の面上に正極活物質層32を有し、他方の面上に負極活物質層33を有する双極型電極34を、電解質層35を介して複数枚積層した構造の発電要素37を具備してなるものである。 A lithium ion secondary battery 30 shown in FIG. 6 has a structure in which a power generation element 37 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a battery outer packaging material 42. As shown in FIG. 6, the power generation element 37 of the bipolar secondary battery 30 includes an electrolyte layer 35 sandwiched between two or more bipolar electrodes 34, and a positive electrode active material of adjacent bipolar electrodes 34. The layer 32 and the negative electrode active material layer 33 are opposed to each other with the electrolyte layer 35 interposed therebetween. Here, the bipolar electrode 34 has a structure in which the positive electrode active material layer 32 is provided on one surface of the current collector 31 and the negative electrode active material layer 33 is provided on the other surface. That is, in the bipolar secondary battery 30, the bipolar electrode 34 having the positive electrode active material layer 32 on one side of the current collector 31 and the negative electrode active material layer 33 on the other side is provided with the electrolyte layer 35. A power generation element 37 having a structure in which a plurality of layers are stacked via a gap is provided.
隣接する正極活物質層32、電解質層35および負極活物質層33は、一つの単電池層36を構成する。したがって、双極型二次電池30は、単電池層36が積層されてなる構成を有するともいえる。また、電解質層35からの電解液の漏れによる液絡を防止するために単電池層36の周辺部には絶縁層(シール部)43が配置されている。該絶縁層43を設けることで隣接する集電体31間を絶縁し、隣接する電極(正極活物質層32及び負極活物質層33)間の接触による短絡を防止することもできる。 The adjacent positive electrode active material layer 32, electrolyte layer 35, and negative electrode active material layer 33 constitute one unit cell layer 36. Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 30 has a configuration in which the single battery layers 36 are stacked. In addition, an insulating layer (seal part) 43 is disposed in the periphery of the unit cell layer 36 in order to prevent liquid junction due to leakage of the electrolyte from the electrolyte layer 35. By providing the insulating layer 43, the adjacent current collectors 31 can be insulated, and a short circuit due to contact between adjacent electrodes (the positive electrode active material layer 32 and the negative electrode active material layer 33) can be prevented.
発電要素37の最外層に位置する正極側電極34aおよび負極側電極34bは、双極型電極構造でなくてもよい。たとえば、集電体31a、31bに必要な片面のみの正極活物質層32または負極活物質層33を配置した構造としてもよい。具体的には、図5に示すように、発電要素37の最外層に位置する正極側の最外層集電体31aには、片面のみに正極活物質層32が形成されているようにしてもよい。同様に、発電要素37の最外層に位置する負極側の最外層集電体31bには、片面のみに負極活物質層33が形成されているようにしてもよい。また、双極型リチウムイオン二次電池30では、上下両端の正極側最外層集電体31aおよび負極側最外層集電体31bのさらに外側に集電板38aおよび39bがそれぞれ設けられている。集電板38aおよび39bは、それぞれ延長されて正極タブ38および負極タブ39となっている。集電板38aおよび39bは、必要に応じて正極端子リードおよび負極端子リードを介して接合されていてもよい。また、正極側最外層集電体31aが延長されて正極タブ38とされ、電池外装材42であるラミネートシートから導出されていてもよい。同様に、負極側最外層集電体31bが延長されて負極タブ39とされ、同様に電池外装材42であるラミネートシートから導出される構造としてもよい。 The positive electrode 34a and the negative electrode 34b located in the outermost layer of the power generation element 37 may not have a bipolar electrode structure. For example, a structure in which the positive electrode active material layer 32 or the negative electrode active material layer 33 only on one side necessary for the current collectors 31a and 31b may be arranged. Specifically, as shown in FIG. 5, a positive electrode active material layer 32 may be formed only on one side of the positive electrode side outermost layer current collector 31 a located in the outermost layer of the power generation element 37. Good. Similarly, the negative electrode active material layer 33 may be formed on only one surface of the negative electrode side outermost layer current collector 31b located in the outermost layer of the power generation element 37. In the bipolar lithium ion secondary battery 30, current collector plates 38 a and 39 b are provided on the outer sides of the positive electrode side outermost layer current collector 31 a and the negative electrode side outermost layer current collector 31 b at the upper and lower ends, respectively. The current collecting plates 38 a and 39 b are extended to be a positive electrode tab 38 and a negative electrode tab 39, respectively. The current collecting plates 38a and 39b may be joined via a positive terminal lead and a negative terminal lead as necessary. Further, the positive electrode side outermost layer current collector 31 a may be extended to form a positive electrode tab 38, which may be derived from a laminate sheet that is the battery exterior material 42. Similarly, the negative electrode side outermost layer current collector 31b may be extended to form a negative electrode tab 39, which may be similarly derived from a laminate sheet that is the battery outer packaging material 42.
また、双極型リチウムイオン二次電池30でも、発電要素37部分を電池外装材42に減圧封入し、正極タブ38および負極タブ39を電池外装材42の外部に取り出した構造とするのがよい。かかる構造とすることで、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止することができるためである。この双極型リチウムイオン二次電池30の基本構成は、複数積層した単電池層36が直列に接続された構成ともいえるものである。 Further, the bipolar lithium ion secondary battery 30 may have a structure in which the power generation element 37 is sealed in the battery outer packaging material 42 under reduced pressure, and the positive electrode tab 38 and the negative electrode tab 39 are taken out of the battery outer packaging material 42. This is because such a structure can prevent external impact and environmental degradation during use. The basic configuration of the bipolar lithium ion secondary battery 30 can be said to be a configuration in which a plurality of stacked unit cell layers 36 are connected in series.
(外観形状)
図7は、図5または図6に示した積層型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。このような外観形状から扁平型二次電池とも称されている。
(Appearance shape)
FIG. 7 is a perspective view showing the appearance of the stacked lithium ion secondary battery shown in FIG. 5 or FIG. It is also called a flat secondary battery because of its external shape.
図7に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図5および6に示す非双極型または双極型のリチウムイオン二次電池10、30の発電要素17、37に相当するものであり、正極層12、電解質層13および負極層15で構成される単電池層(単セル)16が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 7, the laminated flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power from both sides thereof. Has been pulled out. The power generation element 57 is encased by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 is sealed with the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 pulled out to the outside. Has been. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation elements 17 and 37 of the non-bipolar or bipolar lithium ion secondary batteries 10 and 30 shown in FIGS. A plurality of single battery layers (single cells) 16 composed of the electrolyte layer 13 and the negative electrode layer 15 are laminated.
そして、本実施形態では、この積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50の外装部材表面に、温度センサー4を貼り付けている。これにより二次電池システム1として必要な二次電池2の現在の温度を測定している。 And in this embodiment, the temperature sensor 4 is affixed on the exterior member surface of this laminated flat lithium ion secondary battery 50. Thereby, the present temperature of the secondary battery 2 required as the secondary battery system 1 is measured.
なお、図7に示すタブ58、59の取り出しは、特に制限されるものではなく、正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図7に示した形態に制限されるものではない。 7 is not particularly limited, and the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be removed. It is not limited to the form shown in FIG. 7, for example, it may be divided into a plurality of parts and taken out from each side.
次に、上記のような形態のリチウムイオン二次電池における各部材の詳細を説明する。 Next, the detail of each member in the lithium ion secondary battery of the above forms is demonstrated.
[集電体]
集電体は、導電性材料から構成される。集電体を構成する材料は、導電性を有するものであれば特に制限されず、たとえば、金属や導電性高分子など従来公知のものを適宜利用することができる。具体的には、Fe、Cr、Ni、Mn、Ti、Mo、V、Nb、Al、Cu、Ag、Au、Ptおよびカーボンからなる群より選択されてなる少なくとも1種以上、たとえば、2種以上の合金からなるステンレスなどその集電体材料が好ましく用いられうる。また本実施形態では、NiとAlのクラッド材、CuとAlのクラッド材、あるいはこれらの集電体材料の組み合わせのめっき材なども好ましく使える。また、上記集電体材料である金属(Alを除く)表面に、他の集電体材料であるAlを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の上記集電体材料である金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。
[Current collector]
The current collector is made of a conductive material. The material constituting the current collector is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, conventionally known materials such as metals and conductive polymers can be appropriately used. Specifically, at least one selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni, Mn, Ti, Mo, V, Nb, Al, Cu, Ag, Au, Pt and carbon, for example, two or more The current collector material such as stainless steel made of the above alloy can be preferably used. In the present embodiment, a Ni / Al clad material, a Cu / Al clad material, or a plating material obtained by combining these current collector materials can be preferably used. The current collector may be a current collector in which the surface of a metal (excluding Al) as the current collector material is coated with Al as the other current collector material. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded together the metal foil which is two or more said electrical power collector materials depending on the case.
集電体の厚さは、特に限定されないが、いずれの集電体も通常は1〜100μm、好ましくは1〜50μm程度である。ただし、上記範囲を外れる場合であっても、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の技術範囲に含まれるものである。 The thickness of the current collector is not particularly limited, but any current collector is usually about 1 to 100 μm, preferably about 1 to 50 μm. However, even if it is outside the above range, it is included in the technical scope of the present invention as long as it does not impair the effects of the present invention.
なお、集電体は、上記材料を用いた箔のほか、非双極型電池では、上記材料を用いたメッシュ、エキスパンドグリッド(エキスパンドメタル)、パンチドメタルなどから構成されるものを用いてもよい。メッシュの目開き、線径、メッシュ数などは、特に制限されず、従来公知のものが使用できる。 In addition to the foil using the said material, you may use a collector comprised from the mesh using the said material, an expanded grid (expanded metal), a punched metal, etc. other than the foil using the said material. . The mesh opening, wire diameter, number of meshes, etc. are not particularly limited, and conventionally known ones can be used.
また、非双極型電池10の正極集電体11としては、Al、Ni、ステンレス(SUS)などを用いることができるが、薄膜に加工しやすく、安価であるという点でAlが好ましい。該正極集電体に正極活物質層(正極合剤)を担持させる方法としては、加圧成型する方法、または溶媒などを用いてペースト化し、集電体上に塗布乾燥後プレスするなどして固着する方法が挙げられる。該正極集電体に正極活物質層(正極合剤)を担持させる方法は、負極集電体に負極活物質層(負極合剤)を担持させる方法にも適用できる。 As the positive electrode current collector 11 of the non-bipolar battery 10, Al, Ni, stainless steel (SUS), or the like can be used. Al is preferable in that it can be easily processed into a thin film and is inexpensive. As a method for supporting the positive electrode active material layer (positive electrode mixture) on the positive electrode current collector, a method of pressure molding, or pasting using a solvent or the like, coating and drying on the current collector, pressing, etc. The method of adhering is mentioned. The method of supporting the positive electrode active material layer (positive electrode mixture) on the positive electrode current collector can also be applied to the method of supporting the negative electrode active material layer (negative electrode mixture) on the negative electrode current collector.
[正極活物質層(正極合剤)]
正極活物質層(正極合剤)は、集電体上に形成され、充放電反応の中心を担う正極活物質を含む層である。正極活物質層(正極合剤)は、正極活物質と、電気伝導性を高めるための導電材(導電助剤ともいう)、バインダー等などを含有するものが挙げられる。また、これらの成分の配合比は、特に限定されず、既存のリチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
[Positive electrode active material layer (positive electrode mixture)]
The positive electrode active material layer (positive electrode mixture) is a layer that is formed on the current collector and includes a positive electrode active material that plays a central role in the charge / discharge reaction. Examples of the positive electrode active material layer (positive electrode mixture) include a positive electrode active material, a conductive material (also referred to as a conductive auxiliary agent) for increasing electrical conductivity, a binder, and the like. Moreover, the compounding ratio of these components is not particularly limited, and can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about existing lithium ion secondary batteries.
(正極活物質)
既に説明したようにリチウムイオン二次電池は、正極活物質として、たとえば3元系正極活物質を使用する。
(Positive electrode active material)
As already described, the lithium ion secondary battery uses, for example, a ternary positive electrode active material as the positive electrode active material.
正極活物質としては、たとえば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni,Co,Mn)O2、Li2MnO3、Li2MnO3−LiMO2系(M=Co、Niなど)固溶体およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。 Examples of the positive electrode active material include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni, Co, Mn) O 2 , Li 2 MnO 3 , Li 2 MnO 3 —LiMO 2 (M = Co, Ni, etc.) ) Lithium-transition metal composite oxides such as solid solutions and those in which some of these transition metals are substituted with other elements, lithium-transition metal phosphate compounds, lithium-transition metal sulfate compounds, and the like. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics.
より具体的には、LiNiO2、LiNiO2のNiの一部がCoやAl等の他の元素により置換されたもの、LiCoO2、Li(Ni,Co,Mn)O2(=LiNixCoyMnzO2;x+y+z=1等とも称されている)、Li2MnO3、Li2MnO3−LiMO2系(M=Co、Niなど)固溶体などの六方晶層状構造((最密充填)層状岩塩型、岩塩型層状構造などとも称される)を持つ正極活物質などが使用されうる。 More specifically, a part of Ni in LiNiO 2 and LiNiO 2 is substituted with another element such as Co or Al, LiCoO 2 , Li (Ni, Co, Mn) O 2 (= LiNixCoyMnzO 2 ; x + y + z = 1), etc., hexagonal layered structure such as Li 2 MnO 3 , Li 2 MnO 3 —LiMO 2 (M = Co, Ni, etc.) solid solution (close-packed) layered rock salt type, rock salt type For example, a positive electrode active material having a layered structure) may be used.
なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used.
(導電材)
上記導電材(導電助剤ともいう)とは、正極活物質層(正極合剤)の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤は特に制限されず、従来公知のものを利用することができる。たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。導電材として、それぞれ単独で用いてもよいし、たとえば人造黒鉛とカーボンブラックとを混合して用いてもよい。導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive material)
The conductive material (also referred to as a conductive auxiliary agent) refers to an additive blended to improve the conductivity of the positive electrode active material layer (positive electrode mixture). The conductive aid is not particularly limited, and a conventionally known one can be used. Examples thereof include carbon materials such as carbon black such as natural graphite, artificial graphite, cokes, and acetylene black, graphite, and carbon fiber. As the conductive material, each may be used alone, or for example, artificial graphite and carbon black may be mixed and used. When the conductive assistant is included, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
(バインダー)
バインダーは、活物質同士または活物質と集電体や導電助剤とを結着させて電極構造(3次元ネットワーク)を維持する目的で活物質層に加えられる。
(binder)
The binder is added to the active material layer for the purpose of maintaining the electrode structure (three-dimensional network) by binding the active materials to each other or the active material and the current collector or conductive additive.
上記バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド、およびアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、およびユリア樹脂などの熱硬化性樹脂、ならびにスチレンブタジエンゴム(SBR)などのゴム系材料が挙げられる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。なお、これらバインダーは、製造過程では、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと呼ぶことがある。)や水など、バインダーが可溶ないしは分散可能な溶媒に溶解または分散させたものを使用することもできる。 Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes referred to as PVDF), polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene / vinylidene fluoride-based copolymer. Polymers such as copolymers, hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymers, tetrafluoroethylene / perfluorovinyl ether copolymers, polyvinyl acetate, polyimide, acrylic resins, and other thermoplastic resins, epoxy resins, polyurethane resins, and Examples thereof include thermosetting resins such as urea resins, and rubber materials such as styrene butadiene rubber (SBR). These may be used alone or in combination of two or more. These binders used in the production process are those dissolved or dispersed in a solvent in which the binder is soluble or dispersible, such as N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter sometimes referred to as NMP) and water. You can also
バインダーとしてフッ素樹脂とポリオレフィン樹脂とを、正極活物質層(正極合剤)中の該フッ素樹脂の割合が1〜10質量%であり、該ポリオレフィン樹脂の割合が0.1〜10質量%となるように、本実施形態の正極活物質粉末と組み合わせて用いるのが望ましい。こうすることで、集電体との結着性に優れ、また加熱試験に代表されるような外部加熱に対するリチウムイオン二次電池の安全性をさらに向上できるので好ましい。 A fluororesin and a polyolefin resin as a binder, the ratio of the fluororesin in the positive electrode active material layer (positive electrode mixture) is 1 to 10% by mass, and the ratio of the polyolefin resin is 0.1 to 10% by mass. Thus, it is desirable to use in combination with the positive electrode active material powder of this embodiment. This is preferable because it has excellent binding properties with the current collector and can further improve the safety of the lithium ion secondary battery against external heating as typified by a heating test.
(支持塩)
支持塩(リチウム塩)としては、具体的には、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩;LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩が挙げられる。これらの支持塩は、単独で使用されてもまたは2種以上混合して使用してもよい。
(Supporting salt)
The supporting salt (lithium salt) include, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, inorganic acid anion salts such as Li 2 B10Cl 10; LiCF 3 SO 3, Li Organic acid anion salts such as (CF 3 SO 2 ) 2 N and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N can be mentioned. These supporting salts may be used alone or in combination of two or more.
(正極活物質のその他の詳細)
正極活物質の平均粒子径は特に制限されない。ただし、この平均粒子径が大きすぎると、活物質の反応表面積が小さくなる、あるいは活物質の粒子の内部におけるリチウムイオン伝導が活物質層におけるリチウムイオン伝導を律速してしまうことになる。かような観点から、活物質の平均粒子径は、好ましくは0.1〜100μmであり、より好ましくは1〜50μmであり、さらに好ましくは1〜20μmである。ただし、これらの範囲を外れる形態もまた、採用されうる。なお、活物質の平均粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定(レーザ回折散乱法)により測定された値を採用するものとする。
(Other details of cathode active material)
The average particle size of the positive electrode active material is not particularly limited. However, if the average particle size is too large, the reaction surface area of the active material becomes small, or lithium ion conduction inside the active material particles limits the lithium ion conduction in the active material layer. From such a viewpoint, the average particle diameter of the active material is preferably 0.1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm, and further preferably 1 to 20 μm. However, forms outside these ranges can also be employed. In addition, the value measured by the laser diffraction type particle size distribution measurement (laser diffraction scattering method) shall be employ | adopted for the average particle diameter of an active material.
また、正極活物質層(正極合剤)における正極活物質の含有量は、好ましくは正極活物質層の合計質量に対して70〜98質量%であり、より好ましくは80〜98質量%である。正極活物質の含有量が前記範囲であれば、エネルギー密度を高くすることができるため好適である。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer (positive electrode mixture) is preferably 70 to 98% by mass, more preferably 80 to 98% by mass with respect to the total mass of the positive electrode active material layer. . If the content of the positive electrode active material is in the above range, it is preferable because the energy density can be increased.
正極活物質層の厚さ(集電体の片面側の厚さ)は、好ましくは、20〜500μmであり、より好ましくは20〜300μmであり、さらに好ましくは20〜150μmである。 The thickness of the positive electrode active material layer (thickness on one side of the current collector) is preferably 20 to 500 μm, more preferably 20 to 300 μm, and still more preferably 20 to 150 μm.
[負極活物質層]
負極中の負極活物質層は、集電体上に形成され、充放電反応の中心を担う負極活物質およびLi粒子を含む層である。負極活物質層は、負極活物質と、必要に応じて、電気伝導性を高めるための導電材(導電助剤ともいう)、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるための支持塩(電解質塩)等などを含有するものが挙げられる。また、これらの成分の配合比は、特に限定されず、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer in the negative electrode is a layer that is formed on the current collector and includes a negative electrode active material that bears the center of the charge / discharge reaction and Li particles. The negative electrode active material layer is composed of a negative electrode active material, and, if necessary, a conductive material (also referred to as a conductive auxiliary agent) for increasing electrical conductivity, a binder, an electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolytic solution, etc.), Examples thereof include a support salt (electrolyte salt) and the like for increasing ion conductivity. In addition, the blending ratio of these components is not particularly limited, and can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the lithium ion secondary battery.
(負極活物質)
負極活物質層に用いられる負極活物質としては、カーボン(炭素)であり、リチウムをドープ・脱ドープできる材料が好ましい。カーボンとしては、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛系炭素材料、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material used for the negative electrode active material layer is preferably carbon (carbon) and a material that can be doped / undoped with lithium. Examples of carbon include graphite-based carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, and carbon materials such as carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, and hard carbon. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination.
ただし、負極活物質自体が、金属析出の起こさない物質や組成の場合、たとえばリチウム遷移金属−複合酸化物の一部の組成のものなどは本実施形態を適用する意味がない。これは、負極において金属(特にリチウム)の析出が起きなければ、それによる容量低下などがないからである。 However, in the case where the negative electrode active material itself is a substance or composition that does not cause metal deposition, for example, a lithium transition metal-composite oxide having a partial composition does not make sense to apply this embodiment. This is because if the metal (particularly lithium) does not precipitate in the negative electrode, there will be no reduction in capacity.
ただし、負極はカーボン(炭素)に限定されるものではなく、負極において金属(特にリチウム)の析出が起こるような物質や組成のものを使用した場合に、本実施形態は好適である。 However, the negative electrode is not limited to carbon (carbon), and this embodiment is suitable when a material or composition that causes the deposition of metal (particularly lithium) in the negative electrode is used.
(導電材、バインダー)
導電材、バインダーについては、正極活物質層の項で説明したものを同様に用いることができる。特に、リチウムと合金化する材料のように導電性を持たない負極活物質を用いる場合に、導電材は有効に利用される。なお、負極活物質に導電性の金属・合金や炭素材料等を用いる場合には、導電材を省略することもできる。
(Conductive material, binder)
As the conductive material and the binder, those described in the section of the positive electrode active material layer can be used similarly. In particular, when a negative electrode active material having no conductivity such as a material alloyed with lithium is used, the conductive material is effectively used. Note that when a conductive metal / alloy, carbon material, or the like is used for the negative electrode active material, the conductive material can be omitted.
負極活物質の平均粒子径は特に制限されない。ただし、この平均粒子径が大きすぎると、活物質の反応表面積が小さくなる、あるいは活物質の粒子の内部におけるリチウムイオン伝導が活物質層におけるリチウムイオン伝導を律速してしまう虞がある。かような観点から、活物質の平均粒子径は、好ましく0.1〜20μmである。ただし、これらの範囲を外れる形態もまた、採用されうる。なお、本願において活物質の平均粒子径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置により測定された値を採用するものとする。 The average particle diameter of the negative electrode active material is not particularly limited. However, if the average particle diameter is too large, the reaction surface area of the active material may be reduced, or lithium ion conduction inside the active material particles may limit the lithium ion conduction in the active material layer. From such a viewpoint, the average particle diameter of the active material is preferably 0.1 to 20 μm. However, forms outside these ranges can also be employed. In this application, the average particle diameter of the active material is a value measured by a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer.
[電解質層]
電解質(層)は、電解質と、さらに必要に応じて有機溶媒(可塑剤)とセパレータとからなる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte (layer) includes an electrolyte and, if necessary, an organic solvent (plasticizer) and a separator.
電解質としては、たとえば液体電解質またはポリマー電解質が用いられ、制限されるべきものではなく、従来既知の各種電解液を適宜使用することができるものであるが、特に非水電解質が好適である。 As the electrolyte, for example, a liquid electrolyte or a polymer electrolyte is used and should not be limited. Various conventionally known electrolytic solutions can be appropriately used, but a non-aqueous electrolyte is particularly preferable.
(液体電解質)
液体電解質(電解質塩および有機溶媒)としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N(LiBETIともいう)等の有機酸陰イオン塩のなかから選ばれる、少なくとも1種類の支持塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルのなかから選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の可塑剤(有機溶媒)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
(Liquid electrolyte)
The liquid electrolyte (electrolytic salt and an organic solvent), for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N (also referred to as LiBETI) and the like, at least one kind of supporting salt (electrolyte salt) Cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, etc. Ethers; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; esters such as methyl propionate; amides such as dimethylformamide; at least one or more selected from methyl acetate and methyl formate Can be used in which a plasticizer (organic solvent) such as an aprotic solvent is mixed. However, it is not necessarily limited to these.
(ポリマー電解質)
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。
(Polymer electrolyte)
On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質とはイオン伝導性を有する固体高分子電解質に、従来公知のリチウムイオン二次電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン伝導性を持たない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものも含まれるものである。イオン導伝性を有する固体高分子電解質としては、たとえば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。このイオン伝導性を有する固体高分子電解質は、真性(全固体)ポリマー電解質に使用される。 The gel electrolyte is a solid polymer electrolyte having ion conductivity and containing an electrolyte used in a conventionally known lithium ion secondary battery, and further, in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity. In addition, an electrolyte holding solution is also included. Examples of the solid polymer electrolyte having ion conductivity include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. This solid polymer electrolyte having ion conductivity is used as an intrinsic (all solid) polymer electrolyte.
ゲル電解質に用いられるリチウムイオン伝導性を持たない高分子としては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかというとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン伝導性を持たない高分子として例示したものである。 Examples of the polymer having no lithium ion conductivity used in the gel electrolyte include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). However, it is not necessarily limited to these. PAN, PMMA, and the like, which are in a class with little ion conductivity, can be used as the above polymer having ion conductivity, but are used here as a polymer gel electrolyte. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、たとえば、フッ素樹脂、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン(米デュポン社の登録商標:ポリイミド)、芳香族アラミドなどからなる微多孔膜、不織布、織布などの形態を有する材料が挙げられる。該セパレータの厚みは電池としての体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるという観点から、機械的化学的強度が保たれる限り薄いほどよく、5〜200μmが好ましい。 In addition, when an electrolyte layer is comprised from a liquid electrolyte or a gel electrolyte, you may use a separator for an electrolyte layer. Specific examples of separators include, for example, fluororesins, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, nylon (registered trademark of DuPont, USA), microporous films made of aromatic aramids, nonwoven fabrics, woven fabrics, etc. The material which has is mentioned. The thickness of the separator is preferably as thin as possible as long as the mechanical and chemical strength is maintained from the viewpoint of increasing the volume energy density of the battery and reducing the internal resistance, and is preferably 5 to 200 μm.
真性ポリマー電解質は、上記のイオン導伝性を有する固体高分子電解質であるマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in a matrix polymer that is a solid polymer electrolyte having ion conductivity, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
そのほか、電解質層(電解液)には、様々な添加剤が含まれていてもよい。 In addition, various additives may be included in the electrolyte layer (electrolytic solution).
[絶縁層(シール部)]
絶縁層(シール部)43は、リチウムイオン二次電池、特に図2の双極型電池30において、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止するために単電池層36の周辺部に配置されている。絶縁層43としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよい。たとえば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂が好ましい。
[Insulation layer (seal part)]
The insulating layer (seal part) 43 is formed by contact between adjacent current collectors in the lithium ion secondary battery, in particular, the bipolar battery 30 shown in FIG. 2, or a slight unevenness at the end of the laminated electrode. In order to prevent a short circuit from occurring, it is disposed in the periphery of the unit cell layer 36. The insulating layer 43 only needs to have insulating properties, sealing properties against falling off of the solid electrolyte, sealing properties against moisture permeation from the outside (sealing properties), heat resistance at the battery operating temperature, and the like. For example, urethane resin, epoxy resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, rubber and the like can be used. Of these, urethane resins and epoxy resins are preferred from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film forming properties), economy, and the like.
[タブ]
タブ(正極タブ18、38および負極タブ19、39)の材質は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、これらの合金などを用いることができる。これらは特に制限されず、タブとして従来用いられている公知の材質が用いられうる。
[tab]
As the material of the tabs (positive electrode tabs 18 and 38 and negative electrode tabs 19 and 39), aluminum, copper, nickel, stainless steel, alloys thereof, or the like can be used. These are not particularly limited, and known materials conventionally used as tabs can be used.
[外装体]
リチウムイオン二次電池10、30では、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電解質保持層の形成された発電要素全体を電池外装材22、42ないし電池ケース(図示せず)に収容するのが望ましい。外装材としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができるほか、アルミニウムを含むラミネートシートを用いた発電要素を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。ラミネートシートは形状の自由度が高いため、狭い空間に実装し易いことに加え、膨張収縮の大きな負極材料を用いた電池にも好適に適用することができる。
[Exterior body]
In the lithium ion secondary batteries 10 and 30, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the entire power generation element on which the electrolyte holding layer is formed is attached to the battery exterior materials 22 and 42 or a battery case (not shown). ) Is desirable. As the exterior material, a conventionally known metal can case can be used, and a bag-like case that can cover a power generation element using a laminate sheet containing aluminum can be used. Since the laminate sheet has a high degree of freedom in shape, it can be suitably applied to a battery using a negative electrode material having a large expansion and contraction in addition to being easily mounted in a narrow space.
金属缶ケースタイプの外装体は強度を有するため、缶内の発電要素が多少膨張収縮しても吸収でき、セルの厚み変化は生じない。また、缶の材質、板厚の設計および外装缶と発電要素のクリアランス等を検討することにより、所望の強度および大きさを有する缶ケースを得ることが可能である。 Since the metal can case type exterior body has strength, it can absorb even if the power generation element in the can expands and contracts somewhat, and the thickness of the cell does not change. Moreover, it is possible to obtain a can case having a desired strength and size by examining the material of the can, the design of the plate thickness, the clearance between the outer can and the power generation element, and the like.
高分子−金属複合ラミネートシートとしては、特に制限されず、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。具体的には、高分子フィルムからなる外装保護層(ラミネート最外層)、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層(ラミネート最内層)のように配置し全体を積層一体化してなるものが挙げられる。 The polymer-metal composite laminate sheet is not particularly limited, and a conventionally known sheet formed by arranging a metal film between polymer films and laminating and integrating the whole can be used. Specifically, it is arranged as an outer protective layer (laminated outermost layer) made of a polymer film, a metal film layer, a heat-sealing layer (laminated innermost layer) made of a polymer film, and the whole is laminated and integrated. Is mentioned.
なかでも特に、形状の自由度の高いアルミラミネートフィルムの外装体を用いることが好ましい。アルミラミネートとはアルミニウムを含む積層物をいう。アルミラミネートフィルムの具体的な形態としては、たとえば、ポリプロピレン(PP)、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。 In particular, it is preferable to use an aluminum laminate film outer package having a high degree of freedom in shape. Aluminum laminate refers to a laminate containing aluminum. Specific examples of the aluminum laminate film include, but are not limited to, a three-layer laminate film in which polypropylene (PP), aluminum, and nylon are laminated in this order.
以上説明した形態の二次電池が、既に説明した二次電池システム1のなかの二次電池2として使用されることになる。 The secondary battery having the form described above is used as the secondary battery 2 in the secondary battery system 1 already described.
[実施形態の効果]
次に、以上説明した実施形態による作用、効果を説明する。
[Effect of the embodiment]
Next, functions and effects of the embodiment described above will be described.
(1)本実施形態は、充電効率がわるくなるような低温時において、充電の前に放電することとした。これにより二次電池2内部の温度が上昇するので、充電効率が改善されて充電時間を短縮することが可能になる。 (1) In the present embodiment, discharging is performed before charging at a low temperature at which charging efficiency is degraded. As a result, the temperature inside the secondary battery 2 rises, so that the charging efficiency is improved and the charging time can be shortened.
充放電に伴う二次電池2内部の温度変化は、電流が流れることによるジュール熱だけでなく、充放電に伴う反応熱の影響がある。反応熱は、リチウムイオン二次電池においては充電時が吸熱反応、放電時が発熱反応である。したがって、低温時においては、そのまま充電を開始した場合、充電が吸熱反応であるためすぐには温度上昇せず、充電後しばらくの間は温度が低いままであるため充電効率がわるいのである。一方、放電時には、発熱反応であるため放電開始ともに二次電池2内部が発熱してくる。したがって、低温時に、まず放電することにより二次電池2内部の温度を上げることができ、それにより充電効率が良くなって、結果的に全体の充電時間を短くすることができるのである。 The temperature change inside the secondary battery 2 due to charging / discharging has the influence of not only Joule heat due to current flow but also reaction heat accompanying charging / discharging. In the lithium ion secondary battery, the reaction heat is an endothermic reaction during charging and an exothermic reaction during discharging. Therefore, at the low temperature, when charging is started as it is, the temperature is not increased immediately because charging is an endothermic reaction, and the charging efficiency is poor because the temperature remains low for a while after charging. On the other hand, since the reaction is exothermic at the time of discharge, the inside of the secondary battery 2 generates heat at the start of discharge. Therefore, the internal temperature of the secondary battery 2 can be raised by first discharging at a low temperature, thereby improving the charging efficiency and consequently shortening the entire charging time.
特に、非水電解質を含む二次電池は水系電解質と比較して電解質の導電性が低く、電池抵抗が高いことと、さらに常温と比較して低温時の電池抵抗が数倍もしくは、数十倍になり得るため、低温のままでは充電時間が長くなってしまう。したがって、非水電解質を含むリチウムイオン二次電池においては非常に効果がある。 In particular, secondary batteries containing non-aqueous electrolytes have lower electrolyte conductivity and higher battery resistance than aqueous electrolytes, and battery resistance at low temperatures is several or tens of times lower than normal temperatures. Therefore, if the temperature is kept low, the charging time becomes long. Therefore, it is very effective in a lithium ion secondary battery containing a nonaqueous electrolyte.
しかも、本実施形態においては、低温時に二次電池2内部の温度を上げるために、従来技術のようにヒーターなどの加熱装置を用いていないため、スペース効率を悪化させることがない。したがって、自動車など限られたスペースに二次電池2を設置する際に可能な限りの大きさとすることができるため、電池設置スペースに対するエネルギー密度を高くすることができる。 In addition, in the present embodiment, in order to raise the temperature inside the secondary battery 2 at a low temperature, a heating device such as a heater is not used unlike the prior art, so that the space efficiency is not deteriorated. Therefore, since it can be set as large as possible when installing the secondary battery 2 in a limited space such as an automobile, the energy density for the battery installation space can be increased.
(2)本実施形態では、二次電池2の内部の温度を放電時の電圧および電流から推定することとした。通常、二次電池2の内部に温度センサーを配置できないため、正確な内部温度を知ることが難しい。そこで、本実施形態2ではこれを推定することで、より速く放電から充電への切り換えを行うことができるようになる。 (2) In the present embodiment, the temperature inside the secondary battery 2 is estimated from the voltage and current during discharge. Usually, since a temperature sensor cannot be arranged inside the secondary battery 2, it is difficult to know an accurate internal temperature. Thus, in the second embodiment, by estimating this, switching from discharging to charging can be performed more quickly.
(3)本実施形態では、充放電に伴うSOCと充放電時間の関係をあらかじめ記憶しておいて、それをもとに放電後に充電する方が速くない場合にのみ、放電後に充電することとした。これは、SOCと電池温度によっては、放電後充電とする方が速い範囲と、即時充電とした方が速い範囲がある。このため充放電に伴うSOCと充放電時間の関係に基づいて、いずれかを選択することでより速く充電できるようになる。 (3) In the present embodiment, the relationship between the SOC and charge / discharge time associated with charge / discharge is stored in advance, and charging is performed after discharge only when charging after discharge is not faster based on the relationship. did. Depending on the SOC and battery temperature, there are a range in which charging after discharge is faster and a range in which immediate charging is faster. For this reason, it becomes possible to charge more quickly by selecting any one based on the relationship between the SOC accompanying charge / discharge and the charge / discharge time.
そして、この充放電に伴うSOCと充放電時間の関係を用いて、指定された時間、たとえばユーザーが所望する時間に応じて、より速くなる充電方法を選択することができるようになる。このことは、たとえば電気自動車の充電のように、充電する場所や充電に必要な設備(充電装置)を占有できる時間が既に決められている場合がある。そのような場合において、その決められた時間内で最大のSOCとなるように充電を行うことができるようになる。 Then, using the relationship between the SOC and the charge / discharge time associated with the charge / discharge, a faster charging method can be selected in accordance with a designated time, for example, a time desired by the user. In some cases, such as charging an electric vehicle, a time for occupying a charging place and a facility (charging device) necessary for charging may be determined. In such a case, charging can be performed so as to achieve the maximum SOC within the determined time.
また、この充放電に伴うSOCと充放電時間の関係を用いて、指定されたSOC、たとえばユーザーが所望するSOCに応じて、より速くなる充電方法を選択することができるようになる。たとえば電気自動車の充電の場合、これから一定の距離だけ走れるために必要な充電をより速く行うことができる。 Further, by using the relationship between the SOC and the charge / discharge time associated with this charge / discharge, it becomes possible to select a faster charging method according to the designated SOC, for example, the SOC desired by the user. For example, in the case of charging an electric vehicle, it is possible to perform charging more quickly so that the vehicle can run a certain distance from now on.
(4)本実施形態では、演算によって放電後充電の方が即時充電より速いかどうかを選択することもできる。演算によることで充放電に伴うSOCと充放電時間の関係をあらかじめ記憶する必要がなくなる。このため記憶部の容量が少なくても、ユーザーが所望する時間やSOCに応じてより速くなる充電方法を選択することができるようになる。この演算による場合においても
(5)本実施形態では、経時変化により変化する内部抵抗を加味することとした。これは、放電後充電か即時充電かを選択する第1の選択方法においては、SOCと充放電時間の関係において、同じSOCに到達するまでの充放電時間を遅延させることとした。また第2の選択方法においては、あらかじめ決められた増加係数を内部抵抗にかけることで、内部抵抗を増加させて演算することとした。これにより二次電池の経時変化にも対応して充電処理を速くすることができる。
(4) In the present embodiment, it is possible to select whether or not post-discharge charging is faster than immediate charging by calculation. By calculating, it is not necessary to memorize | store the relationship between SOC accompanying charging / discharging and charging / discharging time beforehand. For this reason, even if the capacity of the storage unit is small, it is possible to select a charging method that is faster according to the time and SOC desired by the user. Even in the case of this calculation, (5) In this embodiment, the internal resistance that changes with time is taken into account. This is because, in the first selection method for selecting whether charging after discharge or immediate charging, the charge / discharge time until the same SOC is reached is delayed in the relationship between the SOC and the charge / discharge time. In the second selection method, the calculation is performed by increasing the internal resistance by applying a predetermined increase coefficient to the internal resistance. As a result, the charging process can be speeded up in response to changes over time of the secondary battery.
以上、本発明を適用した実施形態および実施例について説明したが、本発明は、これらの実施形態や実施例に限定されるものではない。 The embodiments and examples to which the present invention is applied have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments and examples.
たとえば、二次電池の形態としては、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池を例に説明したが、巻回型のリチウムイオン電池、さらには円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。 For example, as a secondary battery, a laminated flat lithium ion secondary battery has been described as an example, but a wound lithium ion battery or a cylindrical flat battery is deformed to form a rectangular flat battery. There is no particular limitation such as a simple shape.
また、本発明は、二次電池において充電効率がわるくなると判断するしきい温度として0℃を例示したが、この温度は電池の特性や大きさなどにより様々であり、適宜電池特性に合わせて設定することになる。 In the present invention, 0 ° C. is exemplified as a threshold temperature at which it is determined that charging efficiency is deteriorated in the secondary battery. However, this temperature varies depending on the characteristics and size of the battery and is appropriately set according to the battery characteristics. Will do.
そのほか、本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な変形形態が可能であることはいうまでもない。 In addition, it goes without saying that the present invention can be variously modified based on the configuration described in the claims.
1 二次電池システム、
2、10、30 リチウムイオン二次電池(二次電池)、
3 電圧センサー、
4 温度センサー、
5 電圧電流調整部、
6 電流センサー、
7 制御部、
8 二次電池ホルダー、
11 正極集電体、
12、32 正極活物質層、
13、35 電解質層、
14 負極集電体、
15、33 負極活物質層、
16、36 単電池層、
17、37 発電要素、
18、38 正極タブ、
19、39 負極タブ、
20 正極端子リード、
21 負極端子リード、
22 電池外装材、
30 双極型リチウムイオン二次電池、
31 双極型リチウムイオン二次電池の集電体、
31a 正極側の最外層集電体、
31b 負極側の最外層集電体、
34 双極型電極、
34a 正極側電極、
34b 負極側電極、
38a 正極側最外層集電体のさらに外側の集電板、
39a 負極側最外層集電体のさらに外側の集電板、
43 絶縁層(シール部)、
50 積層型の扁平なリチウムイオン二次電池、
52 電池外装材(ラミネートフィルム)、
57 発電要素
58 正極タブ、
59 負極タブ。
1 Secondary battery system,
2, 10, 30 Lithium ion secondary battery (secondary battery),
3 Voltage sensor,
4 Temperature sensor,
5 Voltage current adjustment part,
6 Current sensor,
7 Control unit,
8 Secondary battery holder,
11 positive electrode current collector,
12, 32 positive electrode active material layer,
13, 35 electrolyte layer,
14 negative electrode current collector,
15, 33 negative electrode active material layer,
16, 36 cell layer,
17, 37 Power generation element,
18, 38 positive electrode tab,
19, 39 negative electrode tab,
20 positive terminal lead,
21 negative terminal lead,
22 Battery exterior material,
30 Bipolar lithium ion secondary battery,
31 Bipolar lithium-ion secondary battery current collector,
31a The outermost layer current collector on the positive electrode side,
31b The outermost layer current collector on the negative electrode side,
34 Bipolar electrode,
34a positive electrode,
34b negative electrode,
38a Current collector plate further outside the positive electrode side outermost layer current collector,
39a Current collector plate further outside the negative electrode side outermost layer current collector,
43 Insulating layer (seal part),
50 Flat type lithium ion secondary battery,
52 Battery exterior material (laminate film),
57 power generation element 58 positive electrode tab,
59 Negative electrode tab.
Claims (14)
前記リチウムイオン二次電池の外表面温度を測定する温度センサーと、
前記リチウムイオン二次電池に充電処理を行う際に、前記温度センサーにより測定された温度が所定温度未満の場合は、放電させた後に充電するように制御する制御部と、
を有することを特徴とする二次電池システム。 A lithium ion secondary battery;
A temperature sensor for measuring an outer surface temperature of the lithium ion secondary battery;
When performing a charging process on the lithium ion secondary battery, if the temperature measured by the temperature sensor is less than a predetermined temperature, a control unit that controls to charge after discharging,
A secondary battery system comprising:
前記制御部は、前記記憶部に記憶されている、前記充電処理開始温度に応じた充放電に伴うSOCと時間の関係を参照して、あらかじめ指定された時間の間に前記放電後に充電する場合に到達するSOCと、当該指定された時間の間に即時充電した場合に到達するSOCとを比較して、当該指定された時間の間に到達するSOCが前記放電後に充電する場合の方が高い場合に、前記放電後に充電するように制御することを特徴とする請求項1または2記載の二次電池システム。 A storage unit that stores a relationship between SOC and time associated with charge / discharge obtained in advance for each different charge start temperature;
The control unit refers to the relationship between SOC and time associated with charging / discharging according to the charging processing start temperature stored in the storage unit, and charges after the discharging for a predetermined time Compared with the SOC that reaches the specified time and the SOC that is reached when the battery is immediately charged during the specified time, the SOC that reaches the specified time is higher when the battery is charged after the discharge. 3. The secondary battery system according to claim 1, wherein charging is controlled after the discharging.
前記制御部は、前記記憶部に記憶されている、前記充電処理開始温度に応じた充放電に伴うSOCと時間の関係を参照して、前記放電後に充電する場合にあらかじめ指定されたSOCになるまでの時間と、即時充電した場合に当該指定されたSOCになるまでの時間とを比較して、当該指定されたSOCになるまでの時間が前記放電後に充電する場合の方が短い場合に、前記放電後に充電するように制御することを特徴とする請求項1または2記載の二次電池システム。 A storage unit that stores a relationship between SOC and time associated with charge / discharge obtained in advance for each different charge start temperature;
The control unit refers to the relationship between SOC and time associated with charging / discharging according to the charging processing start temperature stored in the storage unit, and becomes a SOC designated in advance when charging after the discharging. When the time until the designated SOC is reached in the case of immediate charging is shorter than the time until the designated SOC is charged after the discharge, The secondary battery system according to claim 1, wherein the secondary battery system is controlled to be charged after the discharging.
前記制御部は、
前記所定温度に到達するまでに必要な電流量(a)、当該放電により到達するSOC(b)、当該放電に要する時間(c)、当該放電により到達したSOCから、あらかじめ指定された時間から前記時間(c)を減じた時間で到達するSOC(d)を演算して推定し、
前記到達するSOC(d)と、前記記憶部に記憶されている経過時間ごとに到達するSOCのなかの、前記温度センサーにより測定された温度に近い温度における即時充電において前記指定された時間に相当する時間で到達するSOCと比較して、前記推定によって前記到達するSOC(d)の方が高ければ、前記放電後に充電するように制御することを特徴とする請求項1または2記載の二次電池システム。 For each temperature at which the charging process start temperature is different, the storage unit stores in advance the SOC that is reached for each elapsed time since the start of immediate charging;
The controller is
The amount of current required to reach the predetermined temperature (a), the SOC reached by the discharge (b), the time required for the discharge (c), and the SOC reached by the discharge from the time designated in advance Calculate and estimate the SOC (d) that arrives at the time obtained by subtracting the time (c),
Corresponding to the specified time in the immediate charge at a temperature close to the temperature measured by the temperature sensor among the reached SOC (d) and the SOC reached for each elapsed time stored in the storage unit 3. The secondary control according to claim 1, wherein, when the estimated SOC (d) is higher by the estimation than the SOC that is reached in a time to be Battery system.
前記制御部は、
前記所定温度に到達するまでに必要な電流量(a)、当該放電により到達するSOC(b)、当該放電に要する時間(c)、当該放電により到達するSOCから充電した場合にあらかじめ指定したSOCに到達するまでに要する時間(e)を演算して推定し、
前記時間(c)と前記時間(d)とを加算した時間と、前記記憶部に記憶されている即時充電により前記所定のSOCに到達する時間のなかから前記温度センサーにより測定された温度に近い温度における即時充電により前記所定のSOCに到達する時間とを比較して、前記指定されたSOCに到達するまでの時間が前記時間(c)と前記時間(d)とを加算した時間の方が短い場合に前記放電後に充電するように制御することを特徴とする請求項1または2記載の二次電池システム。 For each temperature at which the charging process start temperature is different, the storage unit stores in advance the time from the start of charging until the predetermined SOC is reached,
The controller is
The amount of current required to reach the predetermined temperature (a), the SOC reached by the discharge (b), the time required for the discharge (c), the SOC specified in advance when charging from the SOC reached by the discharge Calculate and estimate the time (e) required to reach
It is close to the temperature measured by the temperature sensor from the time obtained by adding the time (c) and the time (d) and the time to reach the predetermined SOC by the immediate charging stored in the storage unit. Compared with the time to reach the predetermined SOC by immediate charging at a temperature, the time until reaching the designated SOC is the time obtained by adding the time (c) and the time (d). 3. The secondary battery system according to claim 1, wherein the secondary battery system is controlled to be charged after the discharging in a short time. 4.
前記リチウムイオン二次電池の外表面温度を測定する段階と、
前記測定された温度が所定温度未満の場合に放電した後に充電する段階と、
を有することを特徴とする二次電池の充電方法。 When charging the lithium ion secondary battery,
Measuring an outer surface temperature of the lithium ion secondary battery;
Charging after discharging when the measured temperature is below a predetermined temperature;
A method for charging a secondary battery, comprising:
前記充放電に伴うSOCと時間の関係を参照して、あらかじめ指定された時間の間に前記放電後に充電する場合に到達するSOCと、当該指定された時間の間に即時充電した場合に到達するSOCとを比較して、当該指定された時間の間に到達するSOCが前記放電後に充電する場合の方が高い場合に、前記放電後に充電することを特徴とする請求項9または10記載の二次電池の充電方法。 Store the relationship between SOC and time associated with charge / discharge obtained in advance for each different charge processing start temperature,
Referring to the relationship between the SOC and time associated with the charging / discharging, the SOC that is reached when charging after the discharging during a pre-specified time, and the case where the charging is performed immediately during the specified time 11. The charging according to claim 9, wherein when the SOC that is reached during the specified time is higher after the discharge than when the SOC is compared with the SOC, the charging is performed after the discharging. How to charge the next battery.
前記充放電に伴うSOCと時間の関係を参照して、前記放電後に充電する場合にあらかじめ指定されたSOCになるまでの時間と、即時充電した場合に当該指定されたSOCになるまでの時間とを比較して、当該指定されたSOCになるまでの時間が前記放電後に充電する場合の方が短い場合に、前記放電後に充電することを特徴とする請求項9または10記載の二次電池の充電方法。 Store the relationship between SOC and time associated with charge / discharge obtained in advance for each different charge processing start temperature,
With reference to the relationship between the SOC and time associated with the charging / discharging, the time until the SOC specified in advance when charging after the discharging, and the time until the SOC specified when charging immediately 11. The secondary battery according to claim 9, wherein the battery is charged after the discharge when the time until the designated SOC is reached is shorter after the discharge. Charging method.
前記所定温度に到達するまでに必要な電流量(a)、当該放電により到達するSOC(b)、当該放電に要する時間(c)、当該放電により到達したSOCから、あらかじめ指定された時間から前記時間(c)を減じた時間で到達するSOC(d)を演算して推定し、
前記到達するSOC(d)と、前記記憶部に記憶されている経過時間ごとに到達するSOCのなかの、前記温度センサーにより測定された温度に近い温度における即時充電において前記指定された時間に相当する時間で到達するSOCと比較して、前記推定によって前記到達するSOC(d)の方が高ければ、前記放電後に充電することを特徴とする請求項9または10記載の二次電池の充電方法。 For each temperature at which the charging process start temperature is different, the SOC that arrives at every elapsed time since the start of immediate charging is stored in advance,
The amount of current required to reach the predetermined temperature (a), the SOC reached by the discharge (b), the time required for the discharge (c), and the SOC reached by the discharge from the time designated in advance Calculate and estimate the SOC (d) that arrives at the time obtained by subtracting the time (c),
Corresponding to the specified time in the immediate charge at a temperature close to the temperature measured by the temperature sensor among the reached SOC (d) and the SOC reached for each elapsed time stored in the storage unit 11. The method of charging a secondary battery according to claim 9, wherein if the reached SOC (d) is higher by the estimation than the SOC that is reached in a time to perform charging, the battery is charged after the discharging. .
前記所定温度に到達するまでに必要な電流量(a)、当該放電により到達するSOC(b)、当該放電に要する時間(c)、当該放電により到達するSOCから充電した場合にあらかじめ指定されたSOCに到達するまでに要する時間(e)を演算して推定し、
前記時間(c)と前記時間(d)とを加算した時間と、前記記憶部に記憶されている即時充電により前記所定のSOCに到達する時間のなかから前記温度センサーにより測定された温度に近い温度における即時充電により前記所定のSOCに到達する時間とを比較して、前記指定されたSOCに到達するまでの時間が前記時間(c)と前記時間(d)とを加算した時間の方が短い場合に前記放電後に充電することを特徴とする請求項9または10記載の二次電池の充電方法。 For each temperature at which the charging process start temperature is different, the time from when charging is started until the predetermined SOC is reached is stored in advance.
The amount of current required to reach the predetermined temperature (a), the SOC reached by the discharge (b), the time required for the discharge (c), specified when charging from the SOC reached by the discharge Calculate and estimate the time (e) required to reach the SOC,
It is close to the temperature measured by the temperature sensor from the time obtained by adding the time (c) and the time (d) and the time to reach the predetermined SOC by the immediate charging stored in the storage unit. Compared with the time to reach the predetermined SOC by immediate charging at a temperature, the time until reaching the designated SOC is the time obtained by adding the time (c) and the time (d). The method of charging a secondary battery according to claim 9 or 10, wherein the battery is charged after the discharging in a short time.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN109878372A (en) * | 2019-02-14 | 2019-06-14 | 帝亚一维新能源汽车有限公司 | A kind of control method and system for low temperature charging of pure electric vehicle |
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2014
- 2014-05-15 JP JP2014101743A patent/JP2015220038A/en active Pending
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