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図面 (7)

課題

成形性に優れた合材層および固体電池を備えた電池ユニットにおいて、正確な充電状態を把握することができる電池ユニットを提供する。

解決手段

バッテリユニット400は、ガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第1合材層と、ガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第2合材層と、第1合材層および第2合材層の間に位置する固体電解質層とを含む組電池401と、組電池401を収容する収容ケース350と、収容ケース350上に設けられた荷重センサ615と、収容ケース350および荷重センサ615を挟み込む挟持部材340とを備える。

概要

背景

従来、電池としては、たとえば、特開2004−265685号公報に記載された全固体型電池がある。

この特開2004−265685号公報においては、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスを製造するにあたり、出発原料として、結晶粒子径が140nm以下の硫化リチウムを含む原料を用いている。そして、この原料をメカニカルミリングによりガラス化させる。

そして、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスをガラス転移温度以上で焼成して、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスセラミックスを製造している。

そして、電池の残存容量測定可能な電池としては、たとえば、特開2005−285647号公報に記載された電池は、リチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池に重ねた圧力センサと、リチウムイオン二次電池及び圧力センサを、これらを重ねた方向の両側から挟む挟持部材とを備えている。

そして、リチウムイオンイオン二次電池充電放電によって膨張収縮すると、これに対応して、圧力センサにかかる力が変化して、リチウムイオン二次電池の体積の変化を圧力センサの出力値として、検出する。

特開2006−12761号公報に記載された2次電池状態推定システムにおいて、二次電池セル各々は、筐体内に格納された正極および負極を含む。

そして、温度センサが、拘束板の間に配置され、二次電池セルと一体的に拘束されている。この温度センサは、少なくとも1個の二次電池セルに対して、正極および負極の温度を検知可能なように配置されている。ECU(Electronic Control Unit)は、温度によって電極体積変化特性が変化する点を考慮して、圧力センサからの圧力検出値および温度センサからの温度検出値に基づいて、二次電池の充電状態(SOC:State of Chrge)を算出する。

特開2006−269345号公報に記載された過電圧検出装置は、厚さ方向に積層され、リチウムイオン二次電池から構成されたラミネート外装電池と、このラミネート外装電池の積層体において、隣接するラミネート外装電池間の積層面に挿入された圧力センサとを備えている。

そして、積層面に作用する面圧接触圧)を計測し検出された接触圧がしきい値を超えているか否かにより、ラミネート外装電池で過電圧が発生しているか否かを判定する。

特開2005−285647および特開2001−176544号公報に記載されたナトリウム硫黄2次電池は、ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質と、正極室内に収容され、硫黄または多硫化ナトリウムにより形成された正極活物質と、負極室内に収容され、ナトリウムによって形成された負極活物質と、負極容器内に存在する溶融ナトリウム量を計測する手段とを備える。そして、充放電の際に正極室内へナトリウムイオンが流入出するために起こるナトリウム量及び液面の変化を測定し、ナトリウムの変化量から電池の放電深度を求めている。具体的には、負極容器内に電子伝導回路を形成し、その電子抵抗の変化により液面の変化を求めたり、負極容器内の圧力変化を測定してナトリウム量の変化を求めたりしている。
特開2004−265685号公報
特開2006−12761号公報
特開2006−269345号公報
特開2001−176544号公報
特開2005−285647号公報

概要

成形性に優れた合材層および固体電池を備えた電池ユニットにおいて、正確な充電状態を把握することができる電池ユニットを提供する。バッテリユニット400は、ガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第1合材層と、ガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第2合材層と、第1合材層および第2合材層の間に位置する固体電解質層とを含む組電池401と、組電池401を収容する収容ケース350と、収容ケース350上に設けられた荷重センサ615と、収容ケース350および荷重センサ615を挟み込む挟持部材340とを備える。

目的

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、成形性に優れた合材層および固体電池を備えた電池ユニットにおいて、正確な充電状態を把握することができる電池ユニットを提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
4件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第1合材層と、硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第2合材層と、前記第1合材層および前記第2合材層の間に位置し、硫化物ガラスを前記硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスを含む固体電解質層とを含む固体電池と、前記固体電池を収容する収容ケースと、前記収容ケース上に設けられた荷重センサと、前記収容ケースおよび前記荷重センサを挟み込む挟持部材と、を備えた電池ユニット

請求項2

前記荷重センサは、前記収容ケースの外表面のうち、前記第1合材層、前記第2合材層および前記固体電解質層の積層方向に位置する部分に設けられた、請求項1に記載の電池ユニット。

請求項3

前記電池ユニットの充電状態に対する前記荷重センサの出力を測定して得られた出力基準データが予め格納された制御部をさらに備え、前記制御部は、前記荷重センサからの出力と前記出力基準データとに基づいて、前記固体電池の充電状態を検出する、請求項1または請求項2に記載の電池ユニット。

請求項4

前記固体電池の温度を測定可能温度センサをさらに備え、前記制御部には、前記固体電池の温度によって前記収容ケースと前記荷重センサとの間に生じる熱荷重を測定して得られた温度荷重データが予め格納され、前記制御部は、前記荷重センサからの出力、前記温度センサからの出力、前記出力基準データおよび前記温度荷重データとに基づいて、前記固体電池の充電状態を検出する、請求項3に記載の電池ユニット。

請求項5

前記固体電池の電圧を測定可能な電圧センサをさらに備え、前記制御部には、前記固体電池の充電完了時の前記電圧センサの出力を測定して得られた充電電圧データと、充電完了時の前記荷重センサの出力を測定して得られた充電荷重データとが予め格納され、前記制御部は、前記電圧センサからの出力と前記充電電圧データとに基づいて、前記固体電池の充電完了時を検知し、前記制御部は、充電完了時における前記荷重センサの出力と、前記充電荷重データとに基づいて、前記固体電池の劣化状態を検知する、請求項3または請求項4に記載の電池ユニット。

技術分野

0001

本発明は、電池ユニットに関し、特に固体電池充電放電状態を検知可能な電池ユニットに関する。

背景技術

0002

従来、電池としては、たとえば、特開2004−265685号公報に記載された全固体型電池がある。

0003

この特開2004−265685号公報においては、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスを製造するにあたり、出発原料として、結晶粒子径が140nm以下の硫化リチウムを含む原料を用いている。そして、この原料をメカニカルミリングによりガラス化させる。

0004

そして、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスをガラス転移温度以上で焼成して、リチウムイオン伝導性硫化物ガラスセラミックスを製造している。

0005

そして、電池の残存容量測定可能な電池としては、たとえば、特開2005−285647号公報に記載された電池は、リチウムイオン二次電池と、リチウムイオン二次電池に重ねた圧力センサと、リチウムイオン二次電池及び圧力センサを、これらを重ねた方向の両側から挟む挟持部材とを備えている。

0006

そして、リチウムイオンイオン二次電池が充電・放電によって膨張収縮すると、これに対応して、圧力センサにかかる力が変化して、リチウムイオン二次電池の体積の変化を圧力センサの出力値として、検出する。

0007

特開2006−12761号公報に記載された2次電池状態推定システムにおいて、二次電池セル各々は、筐体内に格納された正極および負極を含む。

0008

そして、温度センサが、拘束板の間に配置され、二次電池セルと一体的に拘束されている。この温度センサは、少なくとも1個の二次電池セルに対して、正極および負極の温度を検知可能なように配置されている。ECU(Electronic Control Unit)は、温度によって電極体積変化特性が変化する点を考慮して、圧力センサからの圧力検出値および温度センサからの温度検出値に基づいて、二次電池の充電状態(SOC:State of Chrge)を算出する。

0009

特開2006−269345号公報に記載された過電圧検出装置は、厚さ方向に積層され、リチウムイオン二次電池から構成されたラミネート外装電池と、このラミネート外装電池の積層体において、隣接するラミネート外装電池間の積層面に挿入された圧力センサとを備えている。

0010

そして、積層面に作用する面圧接触圧)を計測し検出された接触圧がしきい値を超えているか否かにより、ラミネート外装電池で過電圧が発生しているか否かを判定する。

0011

特開2005−285647および特開2001−176544号公報に記載されたナトリウム硫黄2次電池は、ナトリウムイオン伝導性を有する固体電解質と、正極室内に収容され、硫黄または多硫化ナトリウムにより形成された正極活物質と、負極室内に収容され、ナトリウムによって形成された負極活物質と、負極容器内に存在する溶融ナトリウム量を計測する手段とを備える。そして、充放電の際に正極室内へナトリウムイオンが流入出するために起こるナトリウム量及び液面の変化を測定し、ナトリウムの変化量から電池の放電深度を求めている。具体的には、負極容器内に電子伝導回路を形成し、その電子抵抗の変化により液面の変化を求めたり、負極容器内の圧力変化を測定してナトリウム量の変化を求めたりしている。
特開2004−265685号公報
特開2006−12761号公報
特開2006−269345号公報
特開2001−176544号公報
特開2005−285647号公報

発明が解決しようとする課題

0012

特開2004−265685号公報に記載された電池は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス結晶化された粉体であるため加圧成形性に乏しいという問題があった。

0013

特開2005−285647号公報に記載された電池においては、負極活物質、正極活物質および導電助剤粒子状となっており、各粒子間には隙間がある。このため、電池が充電されたり放電することで、電池が膨張収縮した際に、リチウムイオン二次電池の負極活物質の粒子と正極活物質の粒子と導電助剤の粒子とが再配列する。

0014

このため、リチウムイオン二次電池の充電状態と、リチウムイオン二次電池の体積変化との間に正確な相関関係見出すことができず、特開2004−265685号公報に記載された電池においては、リチウムイオン二次電池の充電状態を正確に把握することができないという問題があった。

0015

特開2006−12761号公報に記載の2次電池の状態推定システムおよび特開2006−269345号公報に記載された過電圧検出装置においても、2次電池の充電状態と、2次電池の体積との間に正確な相関関係がなく、圧力センサからの出力に基づいて、二次電池の残存容量を正確に算出することができないという問題がある。

0016

特開2005−285647号公報および特開2001−176544号公報に記載された電池の放電深度を測定する方法は、固体電池に適用することができないという問題があった。

0017

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、成形性に優れた合材層および固体電池を備えた電池ユニットにおいて、正確な充電状態を把握することができる電池ユニットを提供することである。

課題を解決するための手段

0018

本発明に係る電池ユニットは、固体電池と、固体電池を収容する収容ケースと、収容ケース上に設けられた荷重センサと、収容ケースおよび荷重センサを挟み込む挟持部材とを備える。そして、固体電池は、硫化物ガラスを硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび正極活物質を含む第1合材層と、硫化物ガラスを硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスおよび負極活物質を含む第2合材層と、第1合材層および第2合材層の間に位置し、硫化物ガラスを硫化物ガラスのガラス転移点以上の温度で焼成することで形成されたガラスセラミックスを含む固体電解質層とを含む。

0019

好ましくは、上記荷重センサは、収容ケースの外表面のうち、第1合材層、第2合材層および固体電解質層の積層方向に位置する部分に設けられる。

0020

好ましくは、上記電池ユニットの充電状態に対する荷重センサの出力を測定して得られた出力基準データが予め格納された制御部をさらに備える。そして、上記制御部は、荷重センサからの出力と出力基準データとに基づいて、固体電池の充電状態を検出する。

0021

好ましくは、上記固体電池の温度を測定可能な温度センサをさらに備える。そして、上記制御部には、固体電池の温度によって収容ケースと荷重センサとの間に生じる熱荷重を測定して得られた温度荷重データが予め格納され、制御部は、荷重センサからの出力、温度センサからの出力、出力基準データおよび温度荷重データとに基づいて、固体電池の充電状態を検出する。

0022

好ましくは、上記固体電池の電圧を測定可能な電圧センサをさらに備え、制御部には、固体電池の充電完了時の電圧センサの出力を測定して得られた充電電圧データと、充電完了時の荷重センサの出力を測定して得られた充電荷重データとが予め格納される。そして、上記制御部は、電圧センサからの出力と充電電圧データとに基づいて、固体電池の充電完了時を検知し、制御部は、充電完了時における荷重センサの出力と、充電荷重データとに基づいて、固体電池の劣化状態を検知する。

発明の効果

0023

本発明に係る電池ユニットは、固体電池の正確な充電状態を把握することができる。

発明を実施するための最良の形態

0024

本実施の形態に係るバッテリユニット400およびこのバッテリユニット400備えた車両について、図1から図6を用いて説明する。

0025

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

0026

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るバッテリユニット400およびこのバッテリユニット400を備えたハイブリッド車両について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

0027

図1を参照して、本実施の形態に係るバッテリユニット400等を搭載したハイブリッド車両は、エンジン100と、発電機200と、PCU(Power Control Unit)300と、バッテリユニット400、モータ250と、これらの全てに接続されたハイブリッドECU(Electronic ControlUnit)600とを含む。本発明の実施の形態に係る制御装置は、ハイブリッドECU600により実現される。

0028

エンジン100が発生する動力は、動力分配機構700により、2経路に分割される。一方は減速機800を介して車輪900を駆動する経路である。もう一方は、発電機200を駆動させて発電する経路である。

0029

発電機200は、動力分配機構700により分配されたエンジン100の動力により発電するが、発電機200により発電された電力は、車両の運転状態や、バッテリユニット400のSOC(State Of Charge)の状態に応じて使い分けられる。たとえば、通常走行時や急加速時では、発電機200により発電された電力はそのままモータ250を駆動させる電力となる。一方、バッテリユニット400のSOCが予め定められた値よりも低い場合、発電機200により発電された電力は、PCU300のインバータ302により交流から直流に変換され、コンバータ304により電圧が調整された後、バッテリユニット400に蓄えられる。

0030

モータ250は、バッテリユニット400に蓄えられた電力および発電機200により発電された電力の少なくともいずれか一方の電力により駆動する。モータ250の駆動力は、減速機800を介して車輪900に伝えられる。これにより、モータ250はエンジン100をアシストしたり、モータ250からの駆動力により車両を走行させたりする。

0031

一方、ハイブリッド車両が回生制動時には、減速機800を介して車輪900によりモータ250が駆動され、モータ250が発電機として作動させられる。これによりモータ250は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作用することになる。モータ250により発電された電力は、インバータ302を介してバッテリユニット400に蓄えられる。

0032

ハイブリッドECU600は、CPU(Central Processing Unit)602と、メモリ
604と、カウンタ606とを含む。CPU602は、車両の運転状態や、アクセル開度ブレーキペダルの踏み量、シフトポジション、バッテリユニット400のSOC、メモリ604に保存されたマップおよびプログラム等に基づいて演算処理を行なう。これにより、ハイブリッドECU600は、車両が所望の運転状態となるように、車両に搭載された機器類を制御することになる。

0033

図2は、バッテリユニット400の断面図である。この図2に示すように、バッテリユニット400は、組電池401と、組電池401を収容する収容ケース350と、収容ケース350に設けられた荷重センサ615と、荷重センサ615および収容ケース350とを挟持する挟持部材340とを備えている。

0034

さらに、バッテリユニット400は、単位電池402の電圧を測定可能な電圧センサ450と、収容ケース350または組電池401の温度を測定可能なバッテリ温度センサ614とを備えている。

0035

組電池401は、たとえば、複数の単位電池402を積層することで構成されている。
収容ケース350は、天板部353と、天板部353の外周縁部から垂下する側面部355と、側面部355の下端部に連設された底面部354とを備えている。

0036

そして、天板部353の内表面と組電池401の上面とは、接触しており、組電池401は、底面部354上に搭載されている。ここで、上記のように単位電池402は、底面部354から順次積層されており、組電池401の上端部は、天板部353に接触している。このように、収容ケース350のうち、組電池401に対して、単位電池402の積層方向に位置する部分は、組電池401と接触している。なお、この図2に示す例においては、収容ケース350の側面部355の内表面と、組電池401の周面とは、互いに離間しているが、これに限られない。組電池401の周面と、収容ケース350の側面部355とが互いに接触していてもよい。収容ケース350には、組電池401の端子部351,352が引き出される開口部が形成されている。

0037

荷重センサ615は、収容ケース350の天板部353上に装着されており、挟持部材340は、収容ケース350と荷重センサ615とを挟持している。具体的には、挟持部材340は、荷重センサ615に対して、天板部353と反対側に配置された天板部341と、収容ケース350の底面部354に対して組電池401と反対側に配置された底面部342とを備えている。

0038

そして、挟持部材340は、柱部343,344を含み、天板部341と底面部342とは、柱部343,344によって互いに近接するように付勢されている。これにより、、荷重センサ615および収容ケース350は、天板部341と底面部342とによって挟持されている。

0039

さらに、挟持部材340の天板部341および底面部342が、収容ケース350のうち、天板部353と底面部354とを押圧することで、単位電池402同士が良好に接触し、単位電池402間の接触抵抗が低減されている。

0040

ここで、荷重センサ615は、天板部353に装着されているが、これに限られない。荷重センサ615は、収容ケース350の外表面のうち、組電池401に対して単位電池(固体電池)402の積層方法に位置する部分に設けられておればよい。

0041

図3は、この発明の実施の形態の単位電池402の断面図である。図3を参照して、単位電池402は、正極集電体410と、正極集電体410に接触する正極合材層500と、正極合材層500に接触する固体電解質層430と、固体電解質層430に接触する負極合材層530と、負極合材層530に接触する負極集電体420とを有する。正極集電体410および負極集電体420は、それぞれアルミニウムや銅などの金属で構成される。このように、単位電池402は、正極集電体410と、正極合材層500と、固体電解質層430と、負極合材層530と、負極集電体420とを順次積層することで構成されている。

0042

なお、正極集電体410や正極合材層500等の積層方向と同じ方向に、各単位電池402が積層されて、組電池401が構成されている。

0043

正極合材層500は、正極活物質510と、正極活物質510に隣接するように配置される導電助材520と、正極活物質510および導電助材520を取囲むガラスセラミックス432とを有する。なお、正極活物質510および導電助材520の周囲に硫化物ガラス431があってもよい。このガラスセラミックス432は硫化物ガラスを焼成して得られるものであり、硫化物ガラスよりも高いリチウムイオン伝導性を有する。

0044

硫化物ガラス431は、たとえばガラス形成材であるSiS2、五硫化リン(P2S5)およびP2S3などと、ガラス修飾材である硫化リチウム(Li2S)を混合し加熱溶融した後、急冷することによって得られる。また、上記の硫化物ガラス431を構成する硫化リチウム(Li2S)は、いかなる製造方法により製造されたものでもよく、工業的に生産され、販売されるものであれば特に限定なく使用することができる。

0045

また、硫化リチウムの粒径は特に限定されるものではない。また、硫化物ガラス431として、出発原料として硫化リチウムと、五硫化リンの混合物、もしくは五硫化リンのかわりに単体リンおよび単体硫黄を用いた混合物をメカニカルミリングによりガラス化させることで製造してもよい。

0046

正極活物質510としては、たとえばコバルト酸リチウム(LiCoO2)を用いることができる。また、導電助材520としては、たとえば黒鉛を用いることができる。

0047

正極合材層500と負極合材層530との間に形成された固体電解質層430は、固体電解質としてのガラスセラミックス432により構成される。なお、正極活物質510内に、硫化物ガラス431が残留していてもよい。

0048

負極合材層530は、負極活物質540と、負極活物質540を取囲むガラスセラミックス432とを有する。なお、負極活物質540の周囲に硫化物ガラス431が残留していてもよい。なお、正極活物質510または負極活物質540は、α−Fe2O3、Li4Ti5O12、LiCoO2、およびLiNi0.5Mn0.5O2からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む。

0049

正極合材層500には導電助材520が設けられているが、この導電助材520は必ずしも設けられる必要はない。また、負極合材層530には導電助材が設けられていないが、負極合材層530に導電助材が設けられていてもよい。

0050

次に、図3で示す電池の製造方法について説明する。図4および図5は、図3で示す単位電池402の製造方法を説明するための図である。まず、図4を参照して、原料物質として、正極活物質510、負極活物質540と、硫化物ガラス431および導電助材520を準備する。

0051

図5を参照して、正極活物質510、導電助材520および硫化物ガラス431を混合して加圧成形することにより正極合材層500を形成する。また、負極活物質540と硫化物ガラス431を混合して加圧形成することにより負極合材層530を形成する。正極合材層500と負極合材層530との間に硫化物ガラス431を充填する。そして、正極合材層500、固体電解質層430および負極合材層530を焼成することにより、硫化物ガラス431に超イオン伝導結晶を析出させ、ガラスセラミックスを構成する。

0052

具体的には、硫化物ガラスは、たとえばモル比が80対20のLi2SとP2S5の混合粉末遊星ボールミルにて20時間処理(メカニカルミリング)することによって得た。

0053

正極合材はLiCoO2と硫化物ガラスと導電助材(黒鉛)を重量比で40対60対4
で混合することによって得た。また負極合材は黒鉛と硫化物ガラスを重量比1対1で混合することによって得た。

0054

加圧成形可能な直径10mmの円形型に負極合材、硫化物ガラス、正極合材の順に投入し、投入後400MPaで加圧することによって円形ペレットを得た。

0055

上記で得られた円形ペレットを硫化物ガラスのガラス転移点付近(約200℃)で数時間焼成することで、ガラスセラミックスを得た。

0056

この際、硫化物ガラスを残留させるときには、事前に得ておいた該当温度のおける硫化物ガラスの反応進行速度に応じて保持時間を調整する。硫化物ガラスイオンのイオン伝導度にもよるが、たとえば、硫化物ガラスの残留量を30%とすることが考えられる。

0057

ここで、上記のように構成された単位電池402および組電池401が充電されたり、単位電池402および組電池401が放電することで、単位電池402および組電池401の体積が変動するメカニズムについて説明する。LiCoO2は、層状に形成されたCo−O層170と、各Co−O層170間に位置するLiとを備えている。ここで、Liは、電荷を放出して、Li+になり易く、Co−O層170は、負の電荷を有しやすい。

0058

そして、たとえば、単位電池402(組電池401)が充電されると、Li+は、正極活物質510内から負極集電体420側に向けて移動する。

0059

このように、充電が行われるにつれて、正極活物質510の粒子が膨張する。
このように、正極活物質510が大きくなると、各単位電池402の厚みも厚くなる。ここで、単位電池402内における正極合材層500、固体電解質層430および負極合材層530等の積層方向と、各単位電池402の積層方向とは、一致している。このため、各単位電池402の厚みが厚くなることで、組電池401は、単位電池402の積層方向に厚くなる。

0060

図1において、組電池401が単位電池402の積層方向に厚くなると、組電池401は、収容ケース350の天板部353および底面部354を押圧する。この際、挟持部材340は、荷重センサ615を介して、収容ケース350の天板部353および底面部354を挟持している。このため、組電池401および収容ケース350が単位電池402の積層方向に膨らむことで、挟持部材340の天板部341と、収容ケース350の天板部353との間に配置された荷重センサ615に加えられる荷重が大きくなる。

0061

そして、組電池401が放電すると、正極活物質510の粒径が小さくなる。これに伴い、単位電池402の積層方向の組電池401の厚みが小さくなる。このため、荷重センサ615に加えられる荷重も小さくなる。

0062

ここで、各単位電池402内において、正極活物質510および負極合材層530の周囲は、ガラスセラミックス432によって覆われており、固体電解質層430も、ガラスセラミックス432で構成されている。このガラスセラミックス432は、粒状となっておらず、略一体なものとなっている。このように、正極活物質510および負極合材層530は、流動性のないガラスセラミックス内に埋設されている。

0063

このため、正極合材層500の厚みが変動した際に、負極合材層530および固体電解質層430内で粒状物が再配列等することが抑制され、充電や放電による正極活物質510の粒径の変化量は、単位電池402および組電池401の厚みの変化量に正確に反映される。

0064

このため、荷重センサ615に加えられる荷重を検知することで、組電池401の充電状態を正確に把握することができる。なお、ガラスセラミックス432は、広い温度範囲膨張特性が小さく、耐熱衝撃性においても優れている。ガラスセラミックス432は、マイクロクラック等の欠陥が進行しがたく、欠陥が生じにくい材料である。このため、充電や放電によって、正極活物質510の厚みが変動したとしても、ガラスセラミックス432は、損傷し難くなっている。

0065

なお、正極活物質層としての正極合材層および負極活物質層としての負極合材層530内に硫化物ガラス431を残留させた場合には、正極活物質510の膨張および収縮を吸収し、イオン伝導経路破壊の防止を図ることができ、寿命特性の向上を図ることができる。但し、組電池401の充電状態を正確に把握するために、残留させる硫化物ガラス431は、硫化物ガラス431の30%以下程度であることが好ましい。

0066

図6は、充電および放電時における電圧センサ450の出力および荷重センサ615の出力を示すグラフである。この図6に示すグラフの横軸は、時間(T)を示し、右側の縦軸は、電圧(V)を示し、左側の縦軸は、荷重(N)を示す。また、グラフL1は、荷重センサ615の結果を示し、グラフL2は、電圧センサ450の出力を示す。この図6において、時間0〜T1の間と、時間T2〜T3の間においては、充電が行われ、時間T1〜T2の間および時間T3〜T4の間においては、放電が行われている。なお、初期状態(T=0)の時には、組電池401の放電が完了した状態となっている。

0067

この図6に示すように、組電池401が充電されると、グラフL1に示されるように、組電池401の電圧が上昇することが分かる。そして、組電池401が放電した状態から組電池401が充電され始めると、組電池401の出力電圧は直ぐに所定電圧回復することが分かる。その後、組電池401の充電が完了する直前となると、組電池401の出力電圧は上昇し、所定のピーク値に達することが分かる。たとえば、一回目の充電完了時の時間T1における組電池401の電圧V1と、二回目の充電完了時の時間T2における組電池401の電圧V2とは、略等しくなっている。

0068

グラフL1に示されるように、組電池401が充電され始めると、荷重センサ615に加えられる荷重が、充電時間に略比例して、大きくなることが分かる。さらに、組電池401が放電し始めると、荷重センサ615に加えられる荷重が放電時間に比例して小さくなることが分かる。

0069

そして、一回目の充電期間0〜T1におけるグラフL1の傾斜状態と、二回目における充電期間T2〜T3におけるグラフL1の傾斜状態とは略一致している。また、一回目の放電期間T1〜T2におけるグラフL1の傾斜状態と、二回目における放電期間T3〜T4の傾斜状態とは略一致している。なお、一回目の充電完了時(T1)の出力荷重N1と、二回目の充電完了時(T3)の出力荷重N3とは、略一致しており、出力荷重N3は、出力荷重N1の5%前後の範囲内に位置している。

0070

さらに、初期状態における荷重センサ615の出力荷重N0と、一回目の放電完了時(T2)の出力荷重N2と、二回目(T4)の出力荷重N4とは、略一致しており、出力荷重N2および出力荷重N4は、いずれも、出力荷重N0の前後5%以内に位置している。

0071

このため、荷重センサ615の出力を検知することで、組電池401の充電状態を正確に把握することができることが分かる。

0072

図6に示されたグラフから、下記式(1)に示すような単位電池402の電圧Vと、荷重センサ615の出力荷重Nとの関係式を算出する。
V(単位電池402の電圧)=F(N)・・・(1)
そして、図1に示すメモリ604には、上記式(1)に対応する電圧算出データやプログラムが格納されている。なお、上記関係式(1)は、近似式であってもよい。

0073

図2において、バッテリユニット400は、組電池401の温度を測定可能なバッテリ温度センサ614を備えている。

0074

そして、メモリ604には、組電池401の温度と、荷重センサ615に加えられる荷重と特性について予め格納されている。

0075

具体的には、組電池401の温度を順次変化させ、荷重センサ615に加えられる荷重をセンシングし、組電池401の温度(K)と、荷重センサ615の出力荷重(N)との相関関係をする。実際には、温度(K)と出力荷重(N)とは、たとえば、出力荷重NT熱応力による荷重センサ615の出力荷重)=A×K(バッテリ温度センサ614の出力温度)(Aは定数)等の一次式で示すことができた。

0076

そして、メモリ604には、組電池401の温度(K)と荷重センサ615の出力荷重(N)との関係を示す温度荷重算出データやプログラムが格納されている。

0077

ここで、組電池401が長期間使用されると、単位電池402内のガラスセラミックス432に亀裂等の欠陥が生じる。ガラスセラミックス432に欠陥が生じると、Li+がガラスセラミックス432内を通り難くなる。この結果、充電時における組電池401の電池容量が小さくなる。

0078

さらに、ガラスセラミックス432に亀裂等が生じ、ガラスセラミックス432が粒状となると、充電や放電によって生じる正極活物質510の粒径の変化が、粒状となったガラスセラミックス432の再配列によって吸収される。この結果、単位電池402の積層方向の組電池401の厚みの変化が小さくなる。

0079

したがって、組電池401が劣化すると、組電池401の出力電圧が低くなり、充電時間が長くなると共に、荷重センサ615からの出力荷重が小さくなる。

0080

そこで、組電池401についてサイクル試験を行うと、サイクル試験後の組電池401の放電時の出力荷重は、組電池401の初期状態の出力荷重N0に対して、5%減少していた。また、サイクル試験後の充電状態における組電池401の出力荷重は、初期状態の組電池401の充電状態における出力荷重N3に対して、約20%減少していた。

0081

サイクル試験後の組電池401の電池容量の減少率は、出力荷重の減少率に略一致することが分かった。さらに、組電池401が劣化すると、初期状態の組電池401と比較して、充電完了時の出力電圧が低くなり、また、出力荷重の振幅の幅が小さくなることが分かった。

0082

そして、メモリ604には、組電池401の出力荷重(N)の振幅の閾値と、出力荷重(N)の平均値の閾値と、充電完了時の出力荷重の閾値とが、劣化状態算出データとして格納されている。

0083

ここで、車両の走行時において、CPU602は、バッテリ温度センサ614からの出力温度(K)と、メモリ604に格納された温度荷重算出データとから熱応力に基づく、出力荷重(NT)を算出する。

0084

CPU602は、荷重センサ615から出力された出力荷重(N)から上記算出された熱応力に基づく出力荷重(NT)を引いた荷重(N−NT)と、メモリ604に格納された電圧算出データとに基づいて、組電池401の第1充電状態を把握する。

0085

そして、たとえば、運転手によってブレーキペダルが踏み込まれると、モータ250が発電機として駆動する回生制動と、ブレーキ機構による制動動作によって、車輪の回転が抑制される。

0086

この際、算出した組電池401の充電状態に基づいて、モータ250の回生制動の割合と、ブレーキ機構による制動の割合とを決定する。

0087

また、アクセルペダルが踏み込まれたときには、メモリ604は、アクセル開角と、組電池401の充電状態とを把握した上で、モータ250とエンジン100への動力の分担量を決定する。

0088

さらに、CPU602は、出力荷重から熱応力に基づく出力荷重(NT)を引いた荷重(N−NT)の値を、メモリ604に出力して、メモリ604に蓄積すると共に、熱応力に基づく出力荷重(NT)を引いた荷重(N−NT)の平均値および振幅を算出する。

0089

そして、CPU602は、メモリ604内に格納された出力荷重(N)の振幅の閾値の範囲内に、荷重(N−NT)の振幅が入っているか否かを判断する。そして、CPU602は、荷重(N−NT)の振幅が、格納された閾値の範囲内にないと判断すると、運転席メータパネル等に設けられた表示部に、バッテリが劣化している旨の表示する。

0090

また、充電完了時における荷重(N−NT)がメモリ604内に格納された閾値の範囲内か否かを判断する。

0091

そして、CPU602が、充電完了時の荷重(N−NT)が所定の閾値の範囲内にないと判断すると、表示部にバッテリが劣化している旨の表示を行う。

0092

さらに、CPU602は、荷重(N−NT)の平均値が、メモリ604に格納された閾値の範囲内か否かを判断する。そして、CPU602は、閾値の範囲内にないと判断すると、表示部に、バッテリが劣化している旨の表示を行う。

0093

なお、本実施の形態においては、ハイブリッド車両に搭載されたバッテリユニット400について説明したが、これに限られない。たとえば、プラグイン車両電気自動車等にも適用することができる。

0094

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0095

本発明は、ハイブリッド車両等に搭載されるバッテリユニットに好適である。

図面の簡単な説明

0096

ハイブリッド車両の構成を示す模式図である。
バッテリユニットの断面図である。
この発明の実施の形態の単位電池の断面図である。
図3で示す単位電池の製造方法を説明するための図である。
図3で示す単位電池の製造方法を説明するための図である。
充電および放電時における電圧センサの出力および荷重センサの出力を示すグラフである。

符号の説明

0097

100エンジン、340挟持部材、350収容ケース、400バッテリユニット、401組電池、402単位電池、410正極集電体、420負極集電体、430固体電解質層、431硫化物ガラス、432ガラスセラミックス、450電圧センサ、500正極合材層、510正極活物質、520導電助材、530負極合材層、540負極活物質。

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