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公開番号2020005467
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200109
出願番号2018125171
出願日20180629
発明の名称蓄電素子及び蓄電システム
出願人株式会社リコー
代理人個人,個人
主分類H02J 7/00 20060101AFI20191206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】簡素な構成で蓄電素子の状態を監視することを目的とする。
【解決手段】残容量と出力電圧との関係を示す充放電曲線において、第1範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、第1電圧から所定の誤差の範囲内となる第1安定領域と、第2範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧よりも高い電圧である第2電圧から前記所定の誤差の範囲内となる第2安定領域と、前記第1範囲と前記第2範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧から第2電圧まで変化する第1傾斜領域と、を有する、蓄電素子である。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
残容量と出力電圧との関係を示す充放電曲線において、
第1範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、第1電圧から所定の誤差の範囲内となる第1安定領域と、
第2範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧よりも高い電圧である第2電圧から前記所定の誤差の範囲内となる第2安定領域と、
前記第1範囲と前記第2範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧から第2電圧まで変化する第1傾斜領域と、を有する、蓄電素子。
続きを表示(約 1,200 文字)【請求項2】
前記第1電圧と前記第2電圧との差は、負荷に対して最大電流を放電した場合の電圧降下分よりも大きく、
前記第1傾斜領域に過放電を検出する閾値が設定される請求項1に記載の蓄電素子。
【請求項3】
前記第1電圧は、放電が禁止される下限電圧よりも低い電圧である、請求項1又は2に記載の蓄電素子。
【請求項4】
前記第1範囲と前記第2範囲の間に範囲は、前記第1範囲及び前記第2範囲よりも狭い範囲である、請求項3記載の蓄電素子。
【請求項5】
第3範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第2電圧よりも高い電圧である第3電圧から前記所定の誤差の範囲内となる第3安定領域と、
前記第2範囲と前記第3範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第2電圧から第3電圧まで変化する第2傾斜領域と、を有する、請求項1乃至4の何れか一項に記載の蓄電素子。
【請求項6】
前記第2電圧と前記第3電圧との差は、最大電流で充電した場合の電圧上昇分よりも大きく、
前記第2傾斜領域に過充電を検出する閾値が設定される請求項5に記載の蓄電素子。
【請求項7】
前記第3電圧は、充電が禁止される上限電圧よりも高い電圧である請求項5又は6記載の蓄電素子。
【請求項8】
正極及び負極を有し、
前記正極及び前記負極の何れか一方又は両方は、1種以上の電極活物質を有する請求項1〜7の何れか一項に記載の蓄電素子。
【請求項9】
請求項3〜8の何れか一項に記載の蓄電素子と、
前記出力電圧が前記下限電圧未満となったとき、過放電を検出する監視部と、
を含む蓄電システム。
【請求項10】
前記監視部は、
前記蓄電素子の前記出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記過放電が検出されたとき、前記蓄電素子から電力が供給される負荷部に警報信号を通知する制御部と、
を有する請求項9に記載の蓄電システム。
【請求項11】
発電素子と、
前記発電素子で発生した電力の充電及び充電した電力の放電を行う予備蓄電素子と、
さらに含み、
前記蓄電素子は、前記予備蓄電素子から電力が供給される請求項9又は10に記載の蓄電システム。
【請求項12】
前記予備蓄電素子に接続され、前記予備蓄電素子から供給された電力を昇圧又は降圧して、前記蓄電素子に供給する電力変換部を更に含む請求項11に記載の蓄電システム。
【請求項13】
前記発電素子で生じる電流が交流である場合に、
前記発電素子に接続され、前記発電素子で発生した電力を交流から直流に変換し、直流に変換した電力を前記予備蓄電素子に供給するコンバータを更に含む請求項11又は12に記載の蓄電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電素子及び蓄電システムに関する。
続きを表示(約 7,100 文字)【背景技術】
【0002】
ウェアラブル機器のようなエッジデバイス、ハイブリッド自動車又は電気自動車等の電源として、蓄電素子が使用されている。中でも、蓄電素子として、エネルギー密度が高い非水系電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)が広く普及している。
【0003】
このような蓄電素子として、例えば、ハイブリッド車両に備えられるバッテリーパックに電池として使用される蓄電デバイスがある。蓄電デバイスは充電部から供給される電流で所定電圧まで充電され、電池に充電された電流はモータに供給されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
蓄電デバイスは、正極と、負極と、非水系電解質とを有しており、正極又は負極は、電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を2つ以上含んでいる。そのため、蓄電デバイスの充電率と電圧との関係を示す充電率対電圧曲線は、電圧変化量の異なる複数の領域を備え、複数の比較的フラットな領域と、比較的フラットな領域同士の間に形成される比較的傾斜の大きな領域とを備えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、特許文献1の蓄電デバイスでは、蓄電デバイスの充電率対電圧曲線の比較的傾斜の大きな領域は、充電率に応じて電圧が傾斜して変化している。このため、従来では、蓄電デバイスに対する充放電を行う際に、充電率対電圧曲線の形状に合わせて、出力電圧と残容量を求める必要があり、蓄電デバイスの状態を監視するためのシステムが複雑となる。
【0006】
本発明の一態様は、簡素な構成で蓄電素子の状態を監視することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る蓄電素子は、残容量と出力電圧との関係を示す充放電曲線において、第1範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、第1電圧から所定の誤差の範囲内となる第1安定領域と、第2範囲における前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧よりも高い電圧である第2電圧から前記所定の誤差の範囲内となる第2安定領域と、前記第1範囲と前記第2範囲との間の範囲の前記残容量の変化に対し、前記出力電圧が、前記第1電圧から第2電圧まで変化する第1傾斜領域と、を有する。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一態様は、簡素な構成で蓄電素子の状態を監視できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
第1の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
残容量に対する出力電圧の関係を示す充放電曲線の一例を示す図である。
負荷部に供給できる最大電流と出力電圧との関係を示す説明図である。
蓄電素子の放電を制御する方法を説明するフローチャートである。
第2の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
蓄電システムの他の構成の一例を示すブロック図である。
第3の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
蓄電システムの他の構成の一例を示すブロック図である。
第4の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。
直流電源から入力されうる最大電流と出力電圧との関係を示す説明図である。
蓄電素子の充電を制御する方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【0011】
[第1の実施形態]
(蓄電システム)
一実施形態に係る蓄電素子を備える蓄電システムについて、図面を参照して説明する。図1は、第1の実施形態に係る蓄電システムの構成を示すブロック図である。図1に示すように、蓄電システム100Aは、蓄電素子110と、監視部120と、スイッチ部130A、130Bとを有する。蓄電システム100Aは、蓄電素子110に充電した電力を負荷部200に供給するものである。
【0012】
蓄電システム100Aを構成する各部材について説明する。
【0013】
蓄電素子110は、充放電可能な非水系電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)であり、正極と、負極と、電解質とを有する。
【0014】
蓄電素子110の充放電特性について説明する。蓄電素子110の充放電特性として、残容量に対する出力電圧の関係を示す充放電曲線の一例を図2に示す。図2に示すように、蓄電素子110の、残容量と出力電圧との関係を示す充放電曲線は、25℃±5℃の雰囲気において、0.2Cの電流値で蓄電素子110の残容量が0%から100%までの出力電圧の範囲で定電流充放電を行ったときの充放電曲線である。なお、蓄電素子110の残容量が0%の時の出力電圧は、完全放電時の出力電圧(放電終止電圧)であり、残容量が100%の時の出力電圧は、満充電時の出力電圧(充電終止電圧)である。図2に示す、蓄電素子110の充放電曲線は、蓄電素子110の典型的な充放電曲線であり、蓄電素子110の種類、使用環境又は電流値等によって変動する可能性がある。
【0015】
図2に示すように、蓄電素子110の充放電曲線は、安定領域Aと、安定領域A同士の間をつなぐ傾斜領域Bとを有する。蓄電素子110は、下限電圧VLと上限電圧VHとの間で充放電が繰り返し行われる。
【0016】
下限電圧VLは、放電時に蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、20%)まで低下した時の出力電圧であり、完全放電時の出力電圧(例えば、2.5V)よりも高い出力電圧(例えば、2.7V)である。
【0017】
上限電圧VHは、充電時に蓄電素子110の残容量が所定値(例えば、80%)まで上昇した時の出力電圧であり、満充電時の電圧(例えば、4.2V)よりも低い出力電圧(例えば、3.7V)である。
【0018】
安定領域Aは、蓄電素子110の残容量の変化に対して出力電圧の変化が小さい領域であり、充放電曲線の傾きが比較的平坦な領域をいう。本実施形態において、出力電圧の変化が小さいとは、領域内での出力電圧の誤差が所定の範囲内であることをいい、誤差の範囲は、5%以下であることが好ましく、3%以下であることがより好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。
【0019】
安定領域Aは、第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3を有する。第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の残容量は、第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の順に高くなっている。第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の出力電圧は、第1安定領域A1、第2安定領域A2及び第3安定領域A3の順に高くなっている。
【0020】
第1安定領域A1は、残容量の変化が第1範囲となる領域であり、領域内の出力電圧の誤差が下限電圧VLよりも低い第1電圧V1に対して所定の範囲内となる領域である。
【0021】
第2安定領域A2は、残容量の変化が第2範囲となる領域であり、領域内における出力電圧の誤差が下限電圧VLよりも高く上限電圧VHよりも低い第2電圧V2に対して所定の範囲内となる領域である。
【0022】
第3安定領域A3は、残容量の変化が第3範囲となる領域であり、領域内における出力電圧の誤差が上限電圧VHよりも高い第3電圧V3に対して所定の範囲内となる領域である。
【0023】
傾斜領域Bは、蓄電素子110の残容量の変化に対して出力電圧の変化が大きな領域であり、充放電曲線の傾きが大きな領域をいう。本実施形態において、出力電圧の変化が大きいとは、充放電曲線の傾きが安定領域Aに比べて大きいことをいう。
【0024】
傾斜領域Bは、第1傾斜領域B1及び第2傾斜領域B2を有する。
【0025】
第1傾斜領域B1は、第1安定領域A1と第2安定領域A2との間に形成される領域である。第1傾斜領域B1では、残容量の変化の範囲が、第1範囲と第2範囲の間の範囲である。第1傾斜領域B1における、残容量の変化の範囲は、第1範囲及び第2範囲よりも狭い。
【0026】
第2傾斜領域B2は、第2安定領域A2と第3安定領域A3との間に形成される領域である。第2傾斜領域B2では、残容量の変化の範囲が、第2範囲と第3範囲の間の範囲である。第2傾斜領域B2における、残容量の変化の範囲は、第2範囲及び第3範囲よりも狭い。
【0027】
なお、第1安定領域A1よりも残容量が高い領域及び第3安定領域A3よりも残容量が低い領域は、いずれも、傾斜領域Bに含まれない。これは、第1安定領域A1よりも残容量が高い領域は、出力電圧が放電終止電圧まで降下する領域であり、第3安定領域A3よりも残容量が低い領域は、出力電圧が充電終止電圧まで上昇する領域であり、何れも出力電圧が安定する領域をつなぐ領域ではないためである。
【0028】
蓄電素子110の充放電曲線において、蓄電素子110が負荷部200に供給できる最大電流を放電すると、蓄電素子110の出力電圧は、第2電圧V2から電圧降下分ΔV1だけ降下して、最大下降電圧V2'となる。
【0029】
図3は、負荷部200に供給できる最大電流を蓄電素子110から放電した時の出力電圧の変化を示す説明図である。図3に示すように、蓄電素子110の電圧が第2電圧V2の時に、蓄電素子110が負荷部200に供給できる最大電流Imaxを放電すると、蓄電素子110の電圧は、第2電圧V2から電圧降下分ΔV1だけ降下して最大下降電圧V2'になる。
【0030】
図2に示すように、最大下降電圧V2'は、下限電圧VLよりも高く、下限電圧VLは、第1電圧V1と最大下降電圧V2'との間になる。そのため、第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差は、第2電圧V2の電圧降下分ΔV1よりも大きい。
【0031】
なお、図2に示す蓄電素子110の充放電曲線は、第1安定領域A1と第3安定領域A3との間に、傾斜領域Bを2つ含んでいるが、3つ以上含んでもよい。
【0032】
なお、図2に示す蓄電素子110の充放電曲線において、蓄電素子110を充電する際の最大電流(最大充電電流)で充電すると、蓄電素子110の電圧は、第2電圧V2から電圧上昇分ΔV2だけ上昇して、最大上昇電圧V2''になる。電圧上昇分ΔV2及び最大上昇電圧V2''は、蓄電素子110を充電する際に考慮するものであるため、詳細については後述する。
【0033】
蓄電素子110が、図2の充放電曲線のような充放電特性を示すようにするためには、蓄電素子110の正極又は負極を構成する電極活物質を調整することで制御できる。
【0034】
蓄電素子110を構成する正極、負極及び電解質について説明する。
【0035】
正極について説明する。正極は、正極活物質を1種以上含んで形成できる。正極は、単一の正極活物質で形成されてもよいし、出力電圧に対して出力特性が異なる複数の正極活物質で形成されていてもよい。
【0036】
正極活物質は、同一の負極や非電解質に対してリチウム(Li)イオンの挿入離脱が可能(作動可能)であり、正極活物質を形成する材料の種類に応じてLiイオンの挿入脱離に伴い生じる蓄電素子110の電圧の範囲(作動電圧範囲)が異なる。
【0037】
正極が出力特性が異なる複数の正極活物質で形成される場合、正極活物質としては、Liの含有組成の異なる複数の正極活物質が一次粒子内に共存する形態をとりながらLiイオンの挿入脱離反応が進行する材料を用いることができる。Liイオンの挿入脱離反応が進行する過程においては、正極活物質の自由エネルギーが一定に保たれる。そのため、Liイオンの挿入脱離反応の電位は一定のまま推移することになるので、蓄電素子110の出力電圧はある一定の範囲内で安定した値を維持できる。
【0038】
また、正極が出力特性が異なる複数の電極活物質で形成される場合、正極に異なる正極活物質が含まれていても異なる正極活物質同士は反応しない。そのため、充放電時の電圧におけるリチウムイオンの挿入離脱は、それぞれの正極活物質に依存して、充放電特性に現れる。
【0039】
正極活物質としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物、遷移金属酸化物若しくは遷移金属硫化物等の無機化合物又は有機化合物等が挙げられる。
【0040】
複合酸化物としては、コバルト酸リチウム(LiCoO
2
)、ニッケル酸リチウム(LiNiO
2
)、マンガン酸リチウム(LiMnO
2
又はLiMn
2

4
)、ピロリン酸鉄リチウム(Li
2
FeP
2

7
)、ニッケルマンガン酸リチウム(LiNi
0.5
Mn
1.5

4
)、バナジウムニッケル酸リチウム(LiNiVO
4
);オリビン構造を有する、リン酸鉄リチウム(LiFePO
4
)、リン酸コバルトリチウム(LiCoPO
4
)、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO
4
)又はリン酸ニッケルリチウム(LiNiPO
4
);ナシコン構造を有するリン酸バナジウムリチウム(Li
3

2
(PO
4

3
)等が挙げられる。
【0041】
遷移金属酸化物としては、MnO
2
、MnO又はV
2

5
等が挙げられる。
【0042】
遷移金属硫化物としては、FeS又はTiS等が挙げられる。
【0043】
なお、上記の無機化合物は、遷移金属を異種元素で置換した化合物を正極活物質として用いてもよい。例えば、Li
3

2
(PO
4

3
は、リン酸バナジウムの構造の一部を変性してもよい。
【0044】
有機化合物としては、キノン化合物、ジスルフィド化合物、ジアジン化合物、ラジアレン化合物、ルベアン酸化合物又は有機ラジカル化合物等が挙げられる。
【0045】
正極活物質としては、上記の無機化合物及び有機化合物の中でも、Li
3

2
(PO
4

3
を用いることが好ましい。
【0046】
これらの正極活物質は1種単独で用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
【0047】
正極活物質は、上記の無機化合物又は有機化合物を用いて粒子状に形成され、正極活物質の粒子は、複数の微細な粒子(一次粒子)が凝集して形成された、略球状の二次粒子からなる。
【0048】
正極を単一の正極活物質で形成する場合、正極活物質としては、Li
3

2
(PO
4

3
を用いるのが好ましい。Li
3

2
(PO
4

3
は、リン酸バナジウムの構造の一部を変性した化合物でもよい。
【0049】
正極活物質がLi
3

2
(PO
4

3
である場合、Li
3

2
(PO
4

3
の粒子の平均粒子径は、3μm以下であることが好ましい。Li
3

2
(PO
4

3
の粒子の平均粒子径を3μm以下とすることで、Li
3

2
(PO
4

3
の粒子内でのLiイオンの拡散を促進させることができる。
【0050】
なお、平均粒子径とは、有効径による体積平均粒径をいい、平均粒子径は、例えば、レーザ回折・散乱法又は動的光散乱法等によって測定される。
(【0051】以降は省略されています)

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