JP2019009002A - リチウムイオン２次電池を備えた電源装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温状態において、リチウムイオン２次電池の性能を改善することができる電源装置、あるいはその制御方法を提供することができる。【解決手段】リチウムイオン２次電池と、制御回路と、放電回路と、前記リチウムイオン２次電池の状態を計測する計測回路と、を備え、前記制御回路は前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に放電電流を流すようにした、ことを特徴とする電源装置。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン２次電池を備えた電源装置およびその制御技術に関し、特に、リチウムイオン２次電池備えた低温で使用可能な電源装置およびその制御技術に関する。

リチウムイオン２次電池は小型軽量でしかも単位体積当たりのエネルギー密度が大きい特徴を有している。このため広く利用されつつあり、今後その需要が更に増大すると考えられる。リチウムイオン２次電池は充放電動作において、電解質内をリチウムイオンが移動するのみで、他の多くの２次電池のように化学変化を利用して電力を蓄える方式ではないため、使用温度範囲が比較的広い利点を有している。

しかし、充放電状態においてリチウムイオンが移動電解質が温度によりその特性が変化する。リチウムイオン２次電池では、電解質内を移動するリチウムイオンの移動特性に依存してリチウムイオン２次電池の性能が変化する。温度が低下すると上記電解質の状態が変化し、電解質内のリチウムイオン移動特性が悪化する。その結果、リチウムイオン２次電池が置かれている環境における温度の低下に伴ってリチウムイオン２次電池の性能が低下する。

リチウムイオン２次電池は他の２次電池よりも性能的に優れており、低温状態でもリチウムイオン２次電池を使用したいとの要望がある。しかしマイナス２０℃あるいはマイナス３０℃の低温状態では、例えばリチウムイオン２次電池の電解質の粘度が上昇し、リチウムイオンの移動度が低下し、２次電池としての性能が低下する。このため上記電解質の改良し、低温状態でのリチウムイオン２次電池の電解質の粘度の増大を抑制しようとする技術が提案されている。

特開２０１６−１３４２６１号公報 特開２０１５−５４２６号公報

特許文献１や特許文献２では、低温状態においてもリチウムイオンの移動度の低下が少ないリチウムイオン２次電池用の電解質が提案されている。しかし十分な性能が得られているとは言えない。

本発明の目的は、低温状態において、リチウムイオン２次電池の性能を向上させることができるリチウムイオン２次電池を備えた電源装置、あるいはその制御方法を提供することである。

第１の発明は、リチウムイオン２次電池と、制御回路と、放電回路と、前記リチウムイオン２次電池の状態を計測する計測回路と、を備え、前記制御回路は前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に放電電流を流すようにした、ことを特徴とする電源装置である。

第２の発明は、第１の発明において、前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に流す放電電流の最大値が、リチウムイオン２次電池の正常な動作におけるリチウムイオン２次電池の最大電流値より大きな電流値である、ことを特徴とする電源装置である。

第３の発明は、第１の発明において、表示装置がさらに設けられ、前記制御回路は前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に放電電流を流すときに、前記表示装置に前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるための運転モードであることを表示する、ことを特徴とする電源装置である。

第４の発明は、第３の発明において、前記表示装置にさらに、前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるための運転モードの終了までの予定時間に係る情報を表示する、ことを特徴とする電源装置である。

第５の発明は、第１の発明の電源装置の制御方法であって、前記制御回路は前記計測回路の計測結果に基づいて、前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるため温度上昇運転モードの運転が必要かどうかを判断し、前記温度上昇運転モードの運転が必要と判断した場合に前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に電流を流す制御を行う、ことを特徴とする電源装置の制御方法である。

第６の発明は、第５の発明の電源装置の制御方法において、前記制御回路は前記計測回路の前記計測結果から前記放電回路に流す電流値あるいは通電時間を求め、前記制御回路は前記放電回路に流す電流を制御する、ことを特徴とする電源装置の制御方法である。

本発明によれば、低温状態において、リチウムイオン２次電池の性能を改善することができる電源装置、あるいはその制御方法を得ることができる。

本発明を適用した、リチウムイオン２次電池を備えた電源装置の概念を説明する説明図である。 リチウムイオン２次電池の温度と運転モードとの関係を説明する説明図である。 リチウムイオン２次電池を備えた電源装置の制御を説明するフローチャートである。 温度上昇運転モード２０における表示装置１６０の表示内容を説明する説明図である。 リチウムイオン２次電池１１０の温度と温度上昇用電流Ａ１の大きさとの関係、あるいはパルス幅、あるいはパルス回数、との関係を説明する説明図である。

１．電源装置１００の構成および電源装置１００の基本動作の説明
図１に本発明の一実施形態である電源装置１００の構成を示す。電源装置１００はリチウムイオン２次電池１１０を備えている。リチウムイオン２次電池１１０に電力を蓄えるためには、充電用電源１９０から電力が外部接続回路１８０および内部接続回路１４０を介してリチウムイオン２次電池１１０に電力が供給され、リチウムイオン２次電池１１０において電力が蓄えられる。リチウムイオン２次電池１１０は直流電力を蓄えるので、充電用電源１９０が交流電力を供給する場合には、充電用電源１９０とリチウムイオン２次電池１１０との間に交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路が設けられる。

リチウムイオン２次電池１１０に蓄えられた電力を電気負荷１８２に供給する場合には、リチウムイオン２次電池１１０に蓄えられた電力が内部接続回路１４０および外部接続回路１８０を介して電気負荷１８２へ供給される。電気負荷１８２が交流電力を必要とする場合には、リチウムイオン２次電池１１０と電気負荷１８２との間に直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路が設けられる。

リチウムイオン２次電池１１０に電力を蓄える充電制御や電気負荷１８２へ電力を供給する電力供給制御は、コンピュータを備えた制御回路１５０によって行われる。リチウムイオン２次電池１１０を操作者が直接操作する場合には、操作部１４２から操作することができ、リチウムイオン２次電池１１０への充電や電気負荷１８２への電力供給を、操作部１４２から行うことができる。また外部機器からの情報に基づいて上述したリチウムイオン２次電池１１０への電力の充電や電気負荷１８２への電力の供給を行うことができる。このような指令を外部の機器から行うことができ、情報端子１４４を介して外部機器から制御回路１５０に指令が送られてくる。

電源装置１００はリチウムイオン２次電池１１０の全体の入力あるいは出力電流を計測する電流計測回路１５２や、リチウムイオン２次電池１１０の全体の端子電圧やリチウムイオン２次電池１１０を構成する各セルの端子電圧を計測する電圧計測回路１５４や、リチウムイオン２次電池１１０の表面や内部の温度を計測する温度計測装置１５６を備えていて、電源装置１００の状態を常時検知すると共に、異常状態に関する診断を常時行っている。診断履歴や計測データは記憶装置１５８に蓄えられ、例えば保守点検時に読み出して確認することができる。表示装置１６０が設けられ、情報の入出力に使用されるだけではなく、電源装置１００の動作モードや状態を表示することが可能となる。

２．温度上昇運転モード
電源装置１００が低温環境に置かれているとリチウムイオン２次電池１１０の内部温度も低下し、上述したようにリチウムイオン２次電池１１０の各セル内の電解質の状態か変化し、電解質内のリチウムイオンの移動度が低下する。この結果リチウムイオン２次電池１１０の性能が低下する。制御回路１５０はリチウムイオン２次電池１１０の温度を温度計測装置１５６により検出することができ、温度低下によるリチウムイオン２次電池１１０の性能低下を検知することができる。あるいは温度低下によるリチウムイオン２次電池１１０の性能低下は電流計測回路１５２や電圧計測回路１５４の検出値からも検知することができる。

温度低下によるリチウムイオン２次電池１１０の性能低下は、リチウムイオン２次電池１１０の内部温度を上昇させることにより改善することができる。電源装置１００はリチウムイオン２次電池１１０の放電電流を流す放電回路１４６を備えている。リチウムイオン２次電池１１０からの電流を放電回路１４６に流すことにより、リチウムイオン２次電池１１０の内部温度を上昇させることができる。図２を用いてリチウムイオン２次電池１１０の内部温度を上昇させる温度上昇運転モードを説明する。

リチウムイオン２次電池１１０はその内部温度が低下するとそれに応じて性能が低下するが、一例として−ｔ１℃以上で動作させたいとした場合に、制御回路１５０は温度計測装置１５６により先ずリチウムイオン２次電池１１０が−ｔ１℃以下の状態であることを検知する。この検知に基づき制御回路１５０は温度上昇運転モードに入り、リチウムイオン２次電池１１０から内部接続回路１４０を介して放電回路１４６に電流を供給する。放電回路１４６はリチウムイオン２次電池１１０の温度上昇のための電流を流す回路であり、一時的にリチウムイオン２次電池１１０の最大放電電流を超える電流、あるいはリチウムイオン２次電池１１０の最大放電電流の数倍、さらには数十倍の電流を流すことができる。このような大きな電流を長時間流す場合は大きな危険を伴うが、極めて短い期間に限って大きな電流を流す場合には、もともとリチウムイオン２次電池１１０の内部温度が低温状態であるために、危険性が伴わない。

図２においてリチウムイオン２次電池１１０の温度が−ｔ１℃を下回っているので、温度上昇運転モード２０の制御が行われ、リチウムイオン２次電池１１０の最大放電電流Ａ０を超える温度上昇用電流Ａ１がリチウムイオン２次電池１１０から放電回路１４６に供給される。図２のグラフ１に示す如く、温度上昇用電流Ａ１が流れることにより、リチウムイオン２次電池１１０の温度が上昇する。その結果リチウムイオン２次電池１１０の温度が−ｔ１℃より高くなり、温度上昇運転モード２０に代わって通常運転モード３０の制御が行われる。放電回路１４６は内部接続回路１４０によってリチウムイオン２次電池１１０から切り離され、リチウムイオン２次電池１１０から電気負荷１８２へ、内部接続回路１４０や外部接続回路１８０を介して動作電流Ａ２が供給される。電気負荷１８２からの要求により、動作電流Ａ２は変化するが、最大放電電流Ａ０を超えることは無い。

上述したように温度上昇用電流Ａ１は、リチウムイオン２次電池１１０の内部温度を積極的に短時間に上昇させることが目的であり、この実施形態ではリチウムイオン２次電池１１０の最大放電電流Ａ０を超える電流を流している。このような大きな電流を流すためには抵抗値の小さい電気負荷が必要であり、放電回路１４６を設けている。

図２では通常運転モード３０として電気負荷１８２への電流の供給モードを例示したが、リチウムイオン２次電池１１０への充電用電源１９０からの電力供給モードであっても良い。その場合には動作電流Ａ２は図２に記載の電流とは逆方向の電流となる。
３．制御回路１５０の動作説明
電源装置１００における温度上昇運転モード２０にかかる制御回路１５０の動作を、図３に記載の制御フローチャートＳ５００を用いて説明する。電源装置１００自身が使用されていない状態では、リチウムイオン２次電池１１０の温度が例えばマイナス３０℃などの低温状態であっても、温度を上昇させる必要がない。従ってリチウムイオン２次電池１１０の温度を上昇させるための温度上昇運転モード２０に基づくリチウムイオン２次電池１１０の運転は不要である。情報端子１４４からの指令がなく、また操作部１４２からの操作に係る入力がない場合には、指令待ちの状態である。この状態は、制御回路１５０は一定時間毎に制御回路１５０に対する動作指令の有無を確認する。もし特別な動作指令が無いならば、この実施形態では、温度上昇運転モード２０は行わない。

操作部１４２からの操作者による動作指令の入力や、あるいは情報端子１４４を介しての他の機器からの動作指令が受信されると、制御回路１５０はリチウムイオン２次電池１１０を使用した動作が必要と判断する。制御回路１５０は、ステップＳ５１０で運転指令ありの状態と判断して、ステップＳ５１２へ、制御回路１５０の実行が移る。リチウムイオン２次電池１１０を用いた動作を開始するためには、リチウムイオン２次電池１１０の状態を検知することが必要であり、ステップＳ５１２では、リチウムイオン２次電池１１０の状態の検知を行う。具体的には一例として、電流計測回路１５２や電圧計測回路１５４、温度計測装置１５６によるリチウムイオン２次電池１１０の状態に関する計測を行う。

ステップＳ５１２での計測結果は記憶装置１５８に記録される。上述したように記憶装置１５８には、計測データだけでなく過去の診断結果も記憶されており、リチウムイオン２次電池１１０の状態の履歴や計測結果の履歴が記憶されている。従ってリチウムイオン２次電池１１０の状態変化を確認することができる。ステップＳ５１２での計測結果やそれ以前の計測結果および状態の変化等に基づき、リチウムイオン２次電池１１０の安全性に関する判断をステップＳ５１４で行う。もし異常が検知されれば、ステップＳ５１５が実行され、異常状態の内容が表示装置１６０に表示されると共に、さらに危険を回避する制御を制御回路１５０が行う。必要に応じて警報を発する。危険を回避する制御として例えば、内部接続回路１４０を動作させて、リチウムイオン２次電池１１０を他の機器や回路から切り離す動作を行う。このことにより、リチウムイオン２次電池１１０の以上状態を回避できる可能性がある。

ステップＳ５１２におけるリチウムイオン２次電池１１０に関する計測結果や先に計測したデータから、リチウムイオン２次電池１１０が安全な状態にあると制御回路１５０が判断すると、制御回路１５０の実行がステップＳ５１６に移る。ステップＳ５１６において、リチウムイオン２次電池１１０の状態が低温状態になっていないかが判断される。リチウムイオン２次電池１１０の低温状態の判断は、例えば図２で説明した、リチウムイオン２次電池１１０の温度が−ｔ１℃以下であるかを判断し、−ｔ１℃以下の状態で、リチウムイオン２次電池１１０の状態が低温状態であると判断してもよい。あるいは他の方法で判断してもよい。

リチウムイオン２次電池１１０の状態が低温状態であると判断されると、リチウムイオン２次電池１１０の性能が低下している状態であり、操作部１４２や情報端子１４４を介して制御回路１５０に支持された動作を行うことができないと制御回路１５０が判断し、リチウムイオン２次電池１１０の温度を上昇するための温度上昇運転モード２０の制御を実行する。

一方リチウムイオン２次電池１１０の状態が低温状態ではないと制御回路１５０が判断すると、制御回路１５０の実行動作がステップＳ５１６からステップＳ５１７に移り、操作部１４２や情報端子１４４を介して支持された、リチウムイオン２次電池１１０を使用した動作を実行する。この動作としては、例えばリチウムイオン２次電池１１０から電気負荷１８２への電力の供給や、充電用電源１９０からの電力をリチウムイオン２次電池１１０に供給するリチウムイオン２次電池１１０の充電動作がある。

ステップＳ５１６でリチウムイオン２次電池１１０の状態が低温状態であると判断されると、制御回路１５０の動作がステップＳ５２０に移る。ステップＳ５２０では温度上昇運転モード２０を実行することを表示装置１６０に表示する。これにより、操作者は通常運転モード３０を実行する前に温度上昇運転モード２０が実行されることを知ることができ、更に温度上昇運転モード２０が終了すると通常運転モード３０が実行されることを知ることができる。さらに表示装置１６０には温度上昇運転モード２０の実行予定時間も表示される。

図４は表示装置１６０の表示画面であり、表示欄１６２に実行モードとして「リチウムイオン２次電池１１０の温度上昇運転モード２０実行中」が表示され、さらに実行予定時間が表示欄１６４に表示される。次にステップＳ５２０で、温度上昇用電流Ａ１の大きさを決定する。リチウムイオン２次電池１１０の温度が低い場合には、温度上昇用電流Ａ１の値を大きくすることにより、短時間でリチウムイオン２次電池１１０の温度を上昇させることができる。ステップＳ５２２では計測結果に基づいて温度上昇用電流Ａ１の大きさを決定する。なお、表示欄１６４における温度上昇運転モード２０の終了予定時間を文字で表示しても良いが、グラフで表示しても良い。この場合は予定時間に対する実行済時間と残りの時間との関係がグラフの状態で表示される。

リチウムイオン２次電池１１０の温度と温度上昇用電流Ａ１との関係を図５のグラフ３０に示す。リチウムイオン２次電池１１０の温度が低いほど温度上昇用電流Ａ１の値が大きくなる。グラフ２０は一回の温度上昇用電流Ａ１の通電時間を示す。リチウムイオン２次電池１１０の温度が低いほど一回の温度上昇用電流Ａ１の通電時間が長くなる。グラフ１０は供給するパルス数を示す。グラフ２０で示される温度上昇用電流Ａ１の通電時間の間連続して電流を流してもよいが、単位時間の電流パルスを発生させそのパルス数で温度上昇用電流Ａ１の通電時間に対応してもよい。

図５に記載のデータである、グラフ３０やグラフ２０、グラフ１０の関係が予め記憶装置１５８に記憶されている。ステップＳ５２２で予め記憶装置１５８に記憶されているデータに基づいて、温度上昇用電流Ａ１の電流値、あるいは通電時間、あるいはパルスの発生回数が決定され、ステップＳ５２４で実行される。例えば放電回路１４６が抵抗と半導体スイッチング素子、電流制御回路を有しており、制御回路１５０からの指令に基づき放電回路１４６の半導体スイッチング素子や電流制御回路が動作して、ステップＳ５２２で決定された制御が実行される。

制御回路１５０の実行が再びステップＳ５１２に戻り、温度上昇運転モード２０実行中における１１０の状態がステップＳ５１２で計測され、ステップＳ５１４で安全性の確認が行われ、ステップＳ５１６で温度上昇運転モード２０を終了すべきかどうかが判断される。さらにリチウムイオン２次電池１１０に関する新たな計測結果を反映した状態でステップＳ５２２で、上記温度上昇運転モード２０での制御内容が決定され、ステップＳ５２４で実行される。

４．実施例の効果
本実施例によれば短時間でリチウムイオン２次電池１１０の温度を上昇させることができる効果がある。さらに合わせて安全性を確保することができる効果がある。図５のグラフ３０や温度上昇運転モード２０、グラフ１０の制御内容を選択的に実行してもよいし、組み合わせた形で実行してもよい。電源装置１００を寒冷地で使用する場合に、本実施例ではリチウムイオン２次電池１１０が正常に動作する温度に短時間にリチウムイオン２次電池１１０を上昇させることができる。従って寒冷地においてもリチウムイオン２次電池電源として使用することができる効果がある。

１０・・・グラフ、２０・・・グラフ、３０・・・グラフ、１００・・・電源装置、１１０・・・リチウムイオン２次電池、１４０・・・内部接続回路、１４２・・・操作部、１４４・・・情報端子、１４６・・・放電回路、１５０・・・制御回路、１５２・・・電流計測回路、１５４・・・電圧計測回路、１５６・・・温度計測装置、１５８・・・記憶装置、１６０・・・表示装置、１６２・・・表示欄、１６４・・・表示欄、１８０・・・外部接続回路、１８２・・・電気負荷、１９０・・・充電用電源。

Claims (6)

1. リチウムイオン２次電池と、制御回路と、放電回路と、前記リチウムイオン２次電池の状態を計測する計測回路と、を備え、前記制御回路は前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に放電電流を流すようにした、ことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に流す放電電流の最大値が、リチウムイオン２次電池の正常な動作におけるリチウムイオン２次電池の最大電流値より大きな電流値である、ことを特徴とする電源装置。
3. 請求項１に記載の電源装置において、表示装置がさらに設けられ、前記制御回路は前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるために前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に放電電流を流すときに、前記表示装置に前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるための運転モードであることを表示する、ことを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置において、前記表示装置にさらに、前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるための運転モードの終了までの予定時間に係る情報を表示する、ことを特徴とする電源装置。
5. 請求項１に記載の電源装置の制御方法であって、前記制御回路は前記計測回路の計測結果に基づいて、前記リチウムイオン２次電池の温度を上昇させるため温度上昇運転モードの運転が必要かどうかを判断し、前記温度上昇運転モードの運転が必要と判断した場合に前記リチウムイオン２次電池から前記放電回路に電流を流す制御を行う、ことを特徴とする電源装置の制御方法。
6. 請求項５に記載の電源装置の制御方法において、前記制御回路は前記計測回路の前記計測結果から前記放電回路に流す電流値あるいは通電時間を求め、前記制御回路は前記放電回路に流す電流を制御する、ことを特徴とする電源装置の制御方法。

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