CN113016099A - 电池控制装置 - Google Patents

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Abstract

考虑到由于形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的离子浓度梯度而产生的大电流区域中的电池电压的急剧的变化，而设定适当的上限电流值。上限电流运算部(152)具有：浓度梯度推算部(1523)，其基于在电池中流通的电流、或者电流和温度，推算形成于电池的电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度；上限电流决定部(1524)，其基于该锂离子浓度梯度决定电池的上限电流值。上限电流决定部(1524)决定上限电流值，以使与锂离子浓度梯度对应的电池的过电压成为规定的范围内。

Description

电池控制装置
技术领域
本发明涉及电池控制装置。
背景技术
电动汽车(EV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、混合动力汽车(HEV)等所搭载的电池系统通常由串联或并联地连接的多个二次电池和各种电气零件构成。电气零件中包含用于控制电池与负载的电连接的导通断开的继电器、或用于测量电池的电流或电压的传感器类、进行电池的充放电控制的电池控制装置等。
电池控制装置为了在适当的范围内使用电池，对在电池中流通的电流设定限制值(上限电流值)，在该上限电流值的范围内进行电池的充放电控制。由此，避免在电池的电压急剧变化的大电流区域中的使用，抑制电池的劣化。
电池电压在大电流区域中急剧变化的原因是由于，例如，在作为二次电池使用了通常的锂离子电池的情况下，在形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中产生锂离子的浓度梯度，由此，为了在大电流通电时从电解质向电极供给锂离子，需要较大的过电压。因此，为了避免在大电流区域中的电池的使用，期望电池控制装置根据随着充放电进行各种变化的电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度，适当地确定上限电流值。
关于考虑了电解质的离子浓度的二次电池的电流限制方法，已知有专利文献1所记载的技术。专利文献1中公开有如下技术，基于流通于二次电池的电流值计算出表示离子浓度的偏差的评价值，在该评价值超过目标值时，降低相对于二次电池的放电功率的上限值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-137935号公报
发明内容
发明所要解决的问题
专利文献1所记载的技术中，由于未考虑形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的离子浓度梯度，因此，不能设定考虑了上述那样的大电流区域中的电池电压的急剧变化的上限电流值。
用于解决问题的技术方案
本发明提供一种电池控制装置，其包括：浓度梯度推算部，其基于在二次电池中流通的电流、或所述电流和所述二次电池的温度，推算形成于所述二次电池的电极与电解质的界面附近的扩散层中的离子浓度梯度；上限电流决定部，其基于所述离子浓度梯度决定所述二次电池的上限电流值，所述上限电流决定部决定所述上限电流值，以使得与所述离子浓度梯度对应的所述二次电池的过电压成为规定的范围内。
发明效果
根据本发明，能够考虑由于形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的离子浓度梯度而产生的大电流区域中的电池电压的急剧变化，来设定适当的上限电流值。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的电池系统和其周边的结构的图。
图2是表示单电池控制部的电路结构的图。
图3是表示本发明的第一实施方式的电池组控制部的功能结构的图。
图4是说明上限电流的定义的图。
图5是在电极与电解质的界面附近的锂离子浓度分布的示意图。
图6是表示连续不断充放电后的放电侧上限电流的概要的图。
图7是本发明的第一实施方式的上限电流运算部的控制模块图。
图8是与电池的过电压成分相关的说明图。
图9是表示本发明第一实施方式的上限电流映射的例子的图。
图10是表示没有应用本发明的第一实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。
图11是表示应用了本发明的第一实施方式的情况的上限电流引起的电池的功率、电压及电流的变化的一例的图。
图12是表示本发明的第二实施方式的电池组控制部的功能结构的图。
图13是说明伴随电池劣化的电压波形的变化的图。
图14是表示本发明的第二实施方式的上限电流映射的例子的图。
图15是本发明的第二实施方式的上限电流运算部的控制模块图。
图16是表示没有应用本发明的第二实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。
图17是表示应用了本发明的第二实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。
图18是表示本发明的第三实施方式的电池组控制部的功能结构的图。
图19是说明锂离子浓度的降低引起的劣化模式的图。
图20是说明伴随锂离子浓度的降低的电压波形的变化的图。
图21是本发明的第三实施方式的上限电流运算部的控制模块图。
图22是本发明的第三实施方式的离子浓度推算部的控制模块图。
图23是表示由电压差阈值运算部运算的阈值的例子的图。
图24是表示电压差比率与锂离子浓度的关系的一例的图。
图25是表示没有应用本发明的第三实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。
图26是表示应用了本发明的第三实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。
图27是表示本发明的第四实施方式的电池组控制部的功能结构的图。
图28是本发明的第四实施方式的限制率设定部的控制模块图。
图29是表示电压差比率与限制率的关系的一例的图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。以下的实施方式中，举例说明对构成插电式混合动力汽车(PHEV)的电源的电池系统应用本发明的情况。但是，以下说明的实施方式的结构不限于此，也能够适用于构成混合动力汽车(HEV)、电动汽车(EV)等乘用车、和混合动力有轨车辆之类的工业用车辆的电源的蓄电装置的蓄电器控制电路等。
另外，以下的实施方式中，举例说明采用了锂离子电池的情况，但如果是可充放电的二次电池，则除此之外也能够使用镍氢电池、铅电池、双电层电容器、混合动力电容器等。另外，以下的实施方式中，将多个单电池串联地连接而构成电池组，但也可以将并联连接有多个单电池的电池组进一步串联地连接多个来构成电池组，也可以将串联连接的多个单电池进一步并联地连接多个来构成电池组。
＜第一实施方式＞
图1是表示本发明一个实施方式的电池系统100及其周边结构的图。电池系统100经由继电器300、310与逆变器400连接。电池系统100具有：电池组110、单电池管理部120、电流探测部130、电压探测部140、电池组控制部150和存储部180。
电池组110由多个单电池111构成。单电池管理部120监视单电池111的状态。电流探测部130探测流通于电池系统100中的电流。电压探测部140探测电池组110的总电压。电池组控制部150探测电池组110的状态，也进行状态的管理等。
电池组110通过将能够进行电能的蓄积和释放(直流功率的充放电)的多个单电池111串联地电连接而构成。各单电池111使用例如输出电压为3.0～4.2V(平均输出电压：3.6V)的锂离子电池。此外，也可以是除此以外的电压规格的电池。构成电池组110的单电池111在实施状态的管理·控制的基础上，按照规定的单位数被分组。分组的单电池111串联地电连接，而构成单电池组112a、112b。构成单电池组112的单电池111的个数在全部的单电池组112中相同，在每个单电池组112中单电池111的个数也可以不同。
单电池管理部120监视构成电池组110的单电池111的状态。单电池管理部120具有按每个单电池组112设置的单电池控制部121。图1中，与单电池组112a和112b对应地设置有单电池控制部121a和121b。单电池控制部121对构成单电池组112的单电池111的状态进行监视和控制。
本实施方式中，为了简化说明，将4个单电池111串联地电连接而构成单电池组112a和112b，将单电池组112a和112b进一步串联地电连接，而构成为具有合计8个单电池111的电池组110。
向电池组控制部150中输入从单电池管理部120输出的单电池111的电池电压和温度的测量值、来自电流探测部130的电流值、从电压探测部140输出的电池组110的总电压值、存储部180中所存储的单电池111的电池特性信息等。另外，单电池管理部120具有进行单电池111是否为过充电或过放电的诊断的功能、和在单电池管理部120中产生通信错误等的情况下输出异常信号的功能，这些诊断结果和异常信号也输入到电池组控制部150。另外，也从作为上级的控制装置的车辆控制部200输入信号。
电池组控制部150基于所输入的信息、和预先存储于存储部180中的电流限制值和单电池111的电池特性，进行用于适当控制电池组110的充放电的运算。例如，执行相对于各单电池111的充放电功率的限制值的运算、或各单电池111的充电状态(SOC：State OfCharge)和劣化状态(SOHR：State Of Health based on Resistance)的运算、或用于进行各单电池111的电压均匀化控制的运算等。电池组控制部150将这些运算结果和基于该运算结果的指令输出至单电池管理部120或车辆控制部200。
存储部180存储与电池组110、单电池111和单电池组112的电池特性相关的信息。此外，本实施方式中，构成为存储部180设置于电池组控制部150或单电池管理部120的外部的结构，但也可以构成为电池组控制部150或单电池管理部120具有存储部的结构，并在其中存储上述信息。
电池组控制部150和单电池管理部120经由以光电耦合器为代表的绝缘元件170和信号通信机构160收发信号。设置绝缘元件170是由于，电池组控制部150和单电池管理部120的动作电源不同。即，单电池管理部120从电池组110接受功率来进行动作，与之相对，电池组控制部150使用车载辅助设备用的电池(例如14V系电池)作为电源。绝缘元件170可以安装于构成单电池管理部120的电路基板，也可以安装于构成电池组控制部150的电路基板。根据系统结构不同，也能够省略绝缘元件170。
对电池组控制部150和构成单电池管理部120的单电池控制部121a和121b之间的通信机构进行说明。单电池控制部121a和121b根据各自监视的单电池组112a和112b的电位的从高到低的顺序串联地连接。电池组控制部150发送至单电池管理部120的信号经由绝缘元件170和信号通信机构160输入到单电池控制部121a。单电池控制部121a的输出经由信号通信机构160输入到单电池控制部121b，最下级的单电池控制部121b的输出经由绝缘元件170和信号通信机构160传送至电池组控制部150。本实施方式中，单电池控制部121a和单电池控制部121b之间没有经由绝缘元件170，但是也能够经由绝缘元件170收发信号。
车辆控制部200使用电池组控制部150发送的信息，控制经由继电器300和310与电池系统100连接的逆变器400。在车辆行驶中，电池系统100与逆变器400连接，使用电池组110存储的能量，驱动电动发电机410。
在搭载有电池系统100的车辆系统起动进行行驶的情况下，基于车辆控制部200的管理，电池系统100与逆变器400连接，使用电池组110存储的能量驱动电动发电机410，在再生时，利用电动发电机410的发电功率对电池组110进行充电。通过充电而存储于电池组110的能量在下一次的车辆行驶时被利用，或者也能够为了使车辆内外的电气组件等动作而利用。
图2是表示单电池控制部121的电路结构的图。单电池控制部121具有电压检测电路122、控制电路123、信号输入输出电路124、温度探测部125。电压检测电路122测量各单电池111的端子间电压。控制电路123从电压检测电路122和温度探测部125接收测量结果，经由信号输入输出电路124发送至电池组控制部150。此外，通常安装于单电池控制部121的、将伴随自放电和消耗电流不均匀而产生的单电池111间的电压和SOC不均均匀化的电路结构判断为众所周知的结构，省略记载。
图2的单电池控制部121具有的温度探测部125具有测量单电池组112的温度的功能。温度探测部125，作为单电池组112整体测量一个温度，并作为构成单电池组112的单电池111的温度代表值处理该温度。温度探测部125所测量的温度，在用于探测单电池111、单电池组112、或电池组110的状态的各种运算中使用。图2以温度为前提，因此在单电池控制部121设置有一个温度探测部125。也能够对每个单电池111设置温度探测部125来对每个单电池111测量温度，基于每个单电池111的温度执行各种运算，但在该情况下，温度探测部125的数变多，相应地单电池控制部121的结构变得复杂。
图2中，简单地表示了温度探测部125。实际上，对温度测量对象设置温度传感器，所设置的温度传感器将温度信息作为电压进行输出，对其所测量的结果经由控制电路123发送至信号输入输出电路124，信号输入输出电路124将测量结果输出至单电池控制部121外。也能够将实现该一连串的流程的功能作为温度探测部125安装于单电池控制部121，在温度信息(电压)的测量中使用电压检测电路122。
图3是表示本发明的第一实施方式的电池组控制部150的功能结构的图。电池组控制部150是根据在车辆行驶中检测的各单电池111的电流值和电压值，决定电池组110中的各单电池111的状态和能够向各单电池111输入输出的功率的部分，作为其一个功能结构要素，具有进行用于限制各单电池111的充放电功率的充放电功率限制值(充电功率限制值和放电功率限制值)的运算的功能。图3表示与该充放电功率限制值的运算相关的电池组控制部150的功能结构。其为担负相当于本发明一个实施方式的电池控制装置的功能的部分。此外，电池组控制部150除了充放电功率限制值的运算功能以外，还具有电池组110的控制所需要的各种功能，例如具有进行各单电池111的电压均匀化控制的功能等，但这些是众所周知的功能，而且与本发明没有直接关系，因此，以下省略详细的说明。
如图3所示，电池组控制部150，作为其功能具有电池状态探测部151、上限电流运算部152和可充放电功率运算部153的各功能块。电池组控制部150利用这些功能块，基于电流探测部130探测的电池组110的电流即各单电池111的电流、和单电池管理部120探测的各单电池111的电压和温度，运算各单电池111的充放电功率限制值。
此外，在上述中，作为电池组控制部150运算各单电池111的充放电功率限制值进行了说明，但也可以将多个单电池111一并计算出充放电功率限制值。例如，能够对每一个单电池组112a、112b进行计算，或者按电池组110整体来进行计算。在这些的情况下，通过与单电池111同样的处理能够计算出充放电功率限制值。另外，各单电池111的充放电功率限制值能够通过同样的处理算出。因此，以下，将充放电功率限制值的算出对象简称为“电池”，说明电池组控制部150中的充放电功率限制值的运算功能。
电池状态探测部151根据输入到电池组控制部150的各电池的电流、电压、温度的信息，运算各电池的SOC和SOHR。此外，SOC和SOHR的运算方法采用公知的方法，省略说明。
上限电流运算部152将各电池的电流和温度作为输入，运算限定各电池的充电时的上限电流的充电侧上限电流和限定各电池的放电时的上限电流的放电侧上限电流并将其输出。此外，关于上限电流运算部152进行的充电侧上限电流和放电侧上限电流的具体的运算方法在后文说明。
可充放电功率运算部153根据电池状态探测部151运算的各电池的SOC和SOHR、输入到电池组控制部150的各电池的温度、上限电流运算部152运算的各电池的充电侧上限电流和放电侧上限电流，运算各电池的可充电功率和可放电功率，基于这些运算结果，输出各电池的充电功率限制值和放电功率限制值。此外，对可充电功率和可放电功率的运算方法在后文说明。
接着，参照图4～图9对上限电流运算部152进行的充电侧上限电流和放电侧上限电流的具体的运算方法进行说明。
图4是说明上限电流的定义的图。图4中，表示使充电方向和放电方向上电流的大小分别改变，来绘制对电池连续通电一定的电流时的、规定时间经过后的电压的图表的一例。图4的横轴表示电流，纵轴表示电压。图4中，以四方形表示的各绘制点分别存在于3条曲线上。这些3条曲线表示测量各个电压的定时、即从开始向电池通电起的经过时间不同。
通常，在对电池连续地通电一定电流的情况下，随着通电时间的经过，内部电阻上升，因此，电池的电压从OCV逐渐背离。即，通电时间越长，内部电阻值越上升。在此，如图4所示可知，当在电池中流通的电流超过某电流值时，在充电、放电均发现电压急剧变化的区域。该区域相当于在电池内锂离子向电极与电解质的界面的扩散成为律速的区域。即，在该区域中，锂离子的扩散引起的电阻成分增大，由此，电池的电压急剧地变化。
在上述那样锂离子的扩散成为律速的区域中，当继续使用电池时，可能导致输入输出性能的降低，因此，优选尽可能避免电池的使用。因此，本实施方式中，上限电流运算部152中，将紧接进入该区域之前的电流定义为上限电流，将此时的电流值设定为上限电流值，由此，避免该区域中的电池的使用。
但是，在图4的图表中，转移至锂离子的扩散成为律速的区域中的电流的大小在每个曲线上不同。因此，可知应设定成上限电流值的电流的大小根据通电时间的不同而分别不同。以下，使用图5对这样的上限电流的通电时间依赖性进行说明。
图5是电极与电解质的界面附近的锂离子浓度分布的示意图。图5(a)表示紧接电池的放电开始后的正极附近的锂离子的浓度分布的情形。在该情况下，在正极与电解质的界面的锂离子浓度，比电解液中的从电极和电解液的界面充分远离的远岸的浓度(不进行充放电的平衡状态下的锂离子浓度，图5中的C*)小与在电池中流通的电流相对应的量。此时，在界面附近产生锂离子的浓度分布，引起锂离子从浓度高的电解液向浓度低的界面的扩散。以下，将该扩散所需要的距离称为扩散层的厚度(δ)。
图5(b)表示伴随时间经过的正极附近的锂离子的浓度分布的变化的情形。在电池的放电开始以后电流继续流通时，在正极与电解质的界面持续消耗锂离子，因此，如图5(b)所示，随着时间的经过而锂离子的浓度分布逐渐扩展。其结果是，扩散层的厚度增大，δ的值变大。
当如上所述扩散层的厚度增大时，为了相对于界面从更远离的地点供给锂离子，需要施加更大的过电压。即，在电池的放电中，随着通电时间的经过而扩散层的厚度扩大，其结果是，过电压变大，由此，成为内部电阻增大的趋势。图4所示那样的、在大电流且长时间的通电中的电压的急剧的变化反映了上述那样的趋势。
因此，上限电流运算部152中，为了将不引起在大电流区域中的电压的急剧变化的电流值作为上限电流值进行推算，掌握图5所示那样的锂离子的浓度分布(浓度梯度)是非常重要的。即，为了将图4中说明那样的上限电流的设定方法应用至实际的控制，考虑直至当前时刻的由充放电产生的锂离子的浓度分布(浓度梯度)，进行上限电流值的设定是必要的。
此外，在图5中，表示了放电时的正极附近的锂离子的浓度分布，而负极附近的锂离子的浓度分布成为与图5所示分布相反的趋势。即，在负极与电解质的界面的锂离子浓度比电解液中的锂离子浓度的平均值变大与在电池中流通的电流对应的量。另外，由于发生锂离子从浓度高的界面向浓度低的电解液的扩散，随着时间的经过，锂离子的浓度分布逐渐扩展，扩散层的厚度变大。
另外，在上文中说明了在放电时的正极和负极附近的锂离子的浓度分布，而在充电时在正极和负极锂离子的浓度分布各自成为相反的趋势，具有与放电时反向的浓度梯度的扩散层分别产生于正极附近和负极附近。因此，上限电流运算部152中，需要在充电侧和放电侧分别算出上限电流。
图6是表示充放电继续后的放电侧上限电流的概要的图。图6(a)表示在当前时刻具有放电历史的情况下、即继续放电直至紧接当前时刻之前的情况的放电侧上限电流的想法。在直至当前时刻具有放电历史的情况下，在当前时刻的电极(正极)与电解质的界面附近，产生如图6(a)的虚线601所示那样锂离子的浓度从电解液向界面逐渐降低的浓度梯度。在从该状态继续放电时的任意时间经过后的时间点，扩散层比当前时刻扩大，由此，锂离子的浓度梯度从虚线601起按实线602所示方式变化。因此，认为在当前时刻的放电侧上限电流根据在虚线601和实线602分别残存于界面的锂离子的浓度差来决定。
图6(b)表示在当前时刻具有充电历史的情况、即继续充电直至紧接当前时刻之前的情况下的放电侧上限电流的想法。在直至当前时刻具有充电历史的情况下，在当前时刻的电极(正极)与电解质的界面附近，产生如图6(b)的虚线603所示那样锂离子的浓度从电解液向界面逐渐上升的浓度梯度。在从该状态开始放电时的任意时间经过后的时间点，浓度梯度根据扩散层的厚度逆向变化，由此，锂离子的浓度梯度从虚线603起如实线604所示那样变化。因此，认为在当前时刻的放电侧上限电流根据在虚线603和实线604分别残存于界面的锂离子的浓度差来确定。
如从图6可知，与没有放电历史的情况相比，在具有放电历史的情况下，成为在电极与电解质的界面的锂离子浓度较低、且扩散层扩大的状态。因此，该情况下的放电侧上限电流比没有放电历史的情况下变小。另一方面，与没有充电历史的情况相比，在具有充电历史的情况下，成为电极与电解质的界面的锂离子浓度较高、且没有产生对放电侧上限电流造成影响的扩散层的状态。因此，该情况下的放电侧上限电流比没有充电历史的情况变大。
此外，上述内容中对充放电继续后的放电侧上限电流进行了说明，而对于充放电继续后的充电侧上限电流，通过将放电和充电交换，也能够采用同样的想法。即，与没有放电历史的情况相比，在具有放电历史的情况下充电侧上限电流变大。另一方面，与没有充电历史的情况相比，在具有充电历史的情况下充电侧上限电流变小。
在此，对上限电流的推算模型式进行说明。上限电流的推算模型式能够基于例如下式(1)所示的科特雷尔式(Cottrell equation)设定。
[式1]
Figure BDA0003039740400000111
式(1)中，t表示电池的通电时间[sec]，T表示电池的温度[℃]。另外，n表示电子的摩尔数[mol]，F表示法拉第常数[C/mol]，A表示电极面积[cm^2]，D(T)表示在温度T的扩散常数[cm^2/sec]，C*表示充分远离电极与电解质的界面的远岸的锂离子浓度[mol/cm^3]，δ表示扩散层的厚度[cm]。
此外，式(1)中的扩散层的厚度δ由下式(2)提供。
[式2]
Figure BDA0003039740400000121
式(1)表示电池始终在稳定的状态下开始充放电的情况，即t＝0且在电极与电解质的界面的锂离子浓度与C*相等的情况下的上限电流的举动。因此，为了再现图6所示那样的举动，需要推算在与直至当前时刻的充放电历史对应的界面和扩散层的锂离子浓度。在此，对于界面的锂离子浓度，能够应用例如根据以下的式(3)所示的扩散方程式导出的关系式。
[式3]
Figure BDA0003039740400000122
当求解式(3)时，例如得到以下的式(4)。
[式4]
Figure BDA0003039740400000123
通过将由式(4)得到的在界面的锂离子浓度与上述的式(1)的C*替换，能够作为考虑了由直至当前时刻的充放电历史导致的扩散层的锂离子的浓度分布的、上限电流的推算模型式充分利用。
图7是基于上述的上限电流的推算模型式的本发明的第一实施方式的上限电流运算部152的控制模块图。在本实施方式中，上限电流运算部152由界面浓度推算部1521、扩散层推算部1522、浓度梯度推算部1523和上限电流决定部1524构成。
界面浓度推算部1521推算在电极与电解质的界面中的锂离子浓度。在此，基于从电流探测部130或单电池管理部120输入到上限电流运算部152的各电池的电流和温度，利用例如上述的式(4)，运算并输出充电或放电时的界面的锂离子浓度。此外，如果式(4)中不论温度T如何均将扩散常数D(T)的值假设为一定的，则在界面浓度推算部1521中，也能够仅基于各电池的电流计算出界面的锂离子浓度。
扩散层推算部1522推算形成于界面附近的扩散层的厚度。在此，基于从电流探测部130或单电池管理部120输入到上限电流运算部152的各电池的电流和温度，利用例如上述的式(2)，运算充电或放电时的扩散层的厚度并将其输出。此外，如果在式(2)中不论温度T如何均将扩散常数D(T)的值假定为一定，则扩散层推算部1522中也与界面浓度推算部1521同样地，也能够仅基于各电池的电流计算出扩散层的厚度。
浓度梯度推算部1523基于界面浓度推算部1521输出的界面的锂离子浓度和扩散层推算部1522输出的扩散层的厚度，推算在扩散层中的锂离子浓度梯度。在此，例如通过将界面浓度推算部1521的运算结果除以扩散层推算部1522的运算结果，运算在扩散层中的锂离子浓度梯度并将其输出。由此，浓度梯度推算部1523能够基于各电池的电流和温度，推算在充电或放电时形成的扩散层中的离子浓度梯度。此外，在如上所述那样仅基于各电池的电流进行界面浓度推算部1521和扩散层推算部1522的运算的情况下，在浓度梯度推算部1523中，仅基于各电池的电流，推算在充电或放电时形成的扩散层中的离子浓度梯度。
上限电流决定部1524基于浓度梯度推算部1523推算的锂离子浓度梯度，决定各电池的充电侧上限电流和放电侧上限电流。在此，基于从单电池管理部120输入到上限电流运算部152的各电池的温度和浓度梯度推算部1523的运算结果，例如根据上述的式(1)，以与锂离子浓度梯度对应的电池的过电压成为规定的范围内的方式，分别运算充电侧上限电流和放电侧上限电流并将其输出。此时，只要对式(1)的右边的C*/δ(t,T)使用浓度梯度推算部1523所推算的扩散层的锂离子浓度梯度即可。
接着，基于图8、图9对上限电流决定部1524进行详细地说明。本实施方式中，上限电流决定部1524作为例如与浓度梯度推算部1523所推算的锂离子浓度梯度和电池的温度对应的上限电流的映射被安装。以下，参照图8对该映射数据的收集方法进行说明。
图8是与电池的过电压成分相关的说明图。图8是表示以某个一定的电流将电池连续放电时的电压和电阻的举动的图表的一例。如图8所示，随着从放电开始起的时间经过，电压下降，且电阻上升。此时的电压变化根据其原因不同，能够分为附图标记801～804所示的各电压成分来考虑。
电压成分801表示伴随SOC的变化的OCV的变化，其随着时间的经过而逐渐增大。电压成分802表示与电池内的部件等导致的欧姆电阻成分对应的电压成分，其与时间的经过无关均为一定。电压成分803表示与伴随电池内的电化学的反应的电阻成分相对应的电压成分(活性化过电压)，其在放电开始时大幅变化，然后随着时间的经过而逐渐增大。电压成分804表示与上述那样的扩散层中的锂离子浓度梯度导致的电阻成分相对应的电压成分(扩散过电压)，其当从放电开始起经过某特定的通电时间时急剧地变大。此时，在电池内，如上所述，在电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子的扩散成为律速，电阻上升，由此，电池电压急剧地降低。
如果电池的电阻成分变大，与之相伴输出性能也降低。当输出性能急剧地降低时，可能对车辆的行驶造成影响，因此，期望限制在电池中流通的电流，以抑制伴随上述那样的扩散的电阻成分的增加。因此，本实施方式中，对于充电侧和放电侧分别进行按电池的每个温度测量从开始电池的充放电起直至电阻值急剧地变大的连续通电时间的试验。该试验中测量的时间相当于直至电池的内部电阻中与锂离子浓度梯度对应的电阻成分的比例超过规定的范围的时间。而且，基于所得到的试验结果，提取扩散层的锂离子浓度梯度与上限电流的关系，并将使该关系按每个温度映射化的数据预先存储于存储部180中。由此，在上限电流决定部1524中，根据电池的温度和锂离子浓度梯度，通过映射检索求取电池的内部电阻中与锂离子浓度梯度对应的电阻成分的比例成为规定的范围内的充电侧上限电流和放电侧上限电流。
具体而言，例如在电池的电流为某个值时，预先测量直至伴随锂离子的扩散的电阻值变大跟前的连续通电时间，根据上述的式(2)、(3)分别求取此时的在电极与电解质的界面的锂离子浓度和扩散层的厚度。然后，将它们的比率(浓度梯度)和电流值的关系作为扩散层的锂离子浓度梯度与上限电流的关系来提取。一边使电池的电流和温度分别变化一边进行这样的试验，由此，能够构筑为了在上限电流决定部1524中的映射检索中利用的上限电流映射。
图9是表示本发明第一实施方式的上限电流映射的例子的图。图9的上图所示的图表表示扩散层的锂离子浓度梯度与上限电流的关系，横轴表示锂离子浓度与扩散层的厚度的比率(浓度梯度)，纵轴表示上限电流。在该图中，以圆和四方形表示的各点表示实测值，表示根据这些点的种类不同而温度不同。从该图表可知，即使浓度梯度相同，电池的温度越高，上限电流也越高。
另一方面，图9的下图所示的表是由上图的图表构筑的上限电流映射的例子。该表中，以温度和浓度梯度为轴，按这些值的每个组合设定上限电流值。这样的上限电流映射通过根据上图的图表按每个温度制作近似曲线而求得。
图9中所说明那样的上限电流映射存储在例如存储部180中，且被上限电流决定部1524参照。此外，图9中，将近似曲线用直线来近似，但也可能并不总是直线，因此，也可以相对于实验结果求得能够更加近似的近似曲线，来制作上限电流映射。
在电池组控制部150中，在上限电流运算部152，能够利用以上说明那样的运算方法，决定充电侧上限电流和放电侧上限电流，以使得电池的内部电阻中与界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度对应的电阻成分的比例成为规定的范围内。因此，能够决定充电侧上限电流和放电侧上限电流以使得电池的过电压成为规定的范围内。
接着，对由可充放电功率运算部153进行的可充电功率和可放电功率的具体的运算方法进行说明。电池组控制部150中，可充放电功率运算部153基于上限电流运算部152所决定的充电侧上限电流和放电侧上限电流、电池状态探测部151运算的各电池的SOC和SOHR、单电池控制部121中温度探测部125所检测的各电池的温度，利用下式(5)、式(6)分别运算各电池的可充电功率Wchg(t)和可放电功率Wdis(t)并将其输出。
[式5]
Figure BDA0003039740400000151
Figure BDA0003039740400000152
在式(5)、式(6)中，N表示电池的单元数，Ro表示电池的部件等产生的欧姆电阻[Ω]，Vp表示极化电压[V]。此外，式(5)、式(6)的各右边的括弧内的部分即OCV(SOC,T)以后的部分分别相当于推算上限电流通电时的电池电压的式。这些电池电压的推算式能够根据电池的等效电路模型来导出，但等效电路模型是已经公知的技术，因此，本实施方式中省略它们详细的说明。
接着，基于图10、图11对本实施方式的效果进行说明。图10是表示没有应用本发明的第一实施方式的情况的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。图10中，表示没有应用本实施方式中所说明的上限电流的设定方法，以一定的值分别设定充电侧上限电流和放电侧上限电流，并从对电池以充电侧上限电流连续充电起经过一定时间后，以放电侧上限电流进行连续放电的情况下的功率、电压和电流的各波形例。
如图10所示，在没有应用本实施方式的手法而将充电侧上限电流和放电侧上限电流分别设为一定的值的情况下，在起初的连续充电时，当从充电开始起经过某程度的时间时，如由附图标记1001所示，由于伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大，而电压上升。其结果是，如由附图标记1003所示，与电压上升的量相应地电流值变小。另外，即使充电后的放电也同样，当从放电开始起经过某时间以上时，如由附图标记1002所示，由于伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大，而电压降低。其结果是，如由附图标记1004所示，与电压降低的量相应地电流变大，而偏离了上限电流。在这种情况下，在充电侧，能够向电池充电的功率减少，在最差的情况下，担心尽管SOC较低也不能充电。另一方面，在放电侧由于逆向流通大电流，因此，担心电池的发热和劣化的加速，不能最大限度地有效利用电池的性能。
图11是表示应用了本发明的第一实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。图11中表示根据上述的本实施方式的上限电流的设定方法，考虑在扩散层中的锂离子浓度梯度来设定充电侧上限电流和放电侧上限电流，并且从对电池以充电侧上限电流连续地充电起经过一定时间后以放电侧上限电流进行连续放电的情况下的功率、电压和电流的各波形例。
如图11所示，在应用本实施方式的方法分别设定充电侧上限电流和放电侧上限电流的情况下，以基于实时地推算能够抑制伴随扩散层中的锂离子浓度梯度的电阻的增大的上限电流值的结果的功率，进行电池的充放电。因此，在充电侧、放电侧均能够抑制伴随扩散电阻增大的急剧的电压变化，来对电池进行充放电。其结果是，不产生图10所示的充电时的电压上升和放电时的电压降低，其结果是，能够防止充电性能的降低，并且抑制放电时的发热和劣化，并最大限度地充分利用电池的性能。
如以上所说明，根据本发明的第一实施方式，能够避免二次电池的电压急剧地变化的区域，并且能够最大限度地充分利用电池的输入输出性能。
根据以上说明的本发明的第一实施方式，起到以下的作用效果。
(1)电池组控制部150的上限电流运算部152具有：浓度梯度推算部1523，其基于向作为二次电池的单电池111和电池组110流通的电流、或者这些电池的电流和温度，推算形成于电池的电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度；和上限电流决定部1524，其基于该锂离子浓度梯度决定电池的上限电流值。上限电流决定部1524决定上限电流值以使得与锂离子浓度梯度对应的电池的过电压成为规定的范围内。由于这样，能够考虑由于形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度而产生的大电流区域中的电池电压的急剧的变化，设定适当的上限电流值。
(2)上限电流决定部1524决定上限电流值，以使得电池的内部电阻中与锂离子浓度梯度对应的电阻成分的比例成为规定的范围内。由于这样，能够可靠地决定电池的过电压成为规定的范围内的上限电流值。
(3)电池组控制部150的上限电流运算部152具有：界面浓度推算部1521，其推算在电池的电极与电解质的界面中的锂离子浓度；和推算扩散层的厚度的扩散层推算部1522。浓度梯度推算部1523基于界面浓度推算部1521所推算的界面中的锂离子浓度和扩散层推算部1522所推算的扩散层的厚度，推算锂离子浓度梯度。由于这样，能够可靠地推算形成于电池的电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度。
(4)电池组控制部150具有可充放电功率运算部153，该可充放电功率运算部153基于上限电流运算部152中上限电流决定部1524所决定的上限电流值，推算上限电流通电时的电池的电压，并且基于所推算的电压和上限电流值，推算电池的可充电功率和可放电功率。由于这样，能够实时地推算上限电流通电时的可充电功率和可放电功率。
此外，以上所说明的本发明的第一实施方式中说明了如下例子，即，在上限电流决定部1524中，基于各电池的温度和锂离子浓度梯度决定充电侧上限电流值和放电侧上限电流值，以使得电池的内部电阻中与扩散层中的锂离子浓度梯度对应的电阻成分的比例成为规定的范围内，由此以电池的过电压成为规定的范围内的方式进行控制。但是，也可以通过该方法以外的方法确定上限电流值。例如，也能够以电池的充放电功率分别成为最大的方式决定充电侧上限电流值和放电侧上限电流值，由此，以电池的过电压成为规定的范围内的方式进行控制。此外，如上述的图8中所示，从开始充放电起的通电时间越长，电池的电阻越增加，因此，也可以考虑这一点，根据电池的通电时间的经过使充电侧上限电流值和放电侧上限电流值降低。通过这样的方法，也能够得到与第一实施方式中所说明的方法同样的效果。
＜第二实施方式＞
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式中，说明考虑了电池的劣化来决定上限电流值的例子。此外，本实施方式的电池系统的结构除了具有电池组控制部150a来代替电池组控制部150这一点以外，与第一实施方式中所说明的图1的电池系统100是同样的。以下，以该电池组控制部150和150a的差异点为中心说明本实施方式的内容。
图12是表示本发明的第二实施方式的电池组控制部150a的功能结构的图。本实施方式的电池组控制部150a除了具有上限电流运算部152a来代替图3的上限电流运算部152，且电池状态探测部151运算的各电池的SOHR输入到该上限电流运算部152a这一点以外，是与第一实施方式的电池组控制部150同样的功能结构。
上限电流运算部152a与第一实施方式的上限电流运算部152同样，基于各电池的电流和温度，运算各电池的充电侧上限电流和放电侧上限电流并将其输出。此时，上限电流运算部152a通过实施与电池状态探测部151所运算的各电池的SOHR对应的上限电流值的运算，基于各电池的劣化状态使充电侧上限电流和放电侧上限电流变化。
以下，基于图13、图14对电池的劣化引起的上限电流值的变化进行说明。图13是说明伴随电池的劣化的电压波形的变化的图。在电池没有劣化的新品状态下，例如当以图13(a)所示的电流波形使电池连续地放电时，电池的电压如图13(b)所示那样变化。该电压波形中，在从放电开始经过了时间t1的附图标记1301所示的定时以后，如第一实施方式中所说明，扩散层中的锂离子的浓度梯度引起的电阻成分急剧地变大，由此，电池电压急剧地降低。
另一方面，在电池劣化的状态下，例如当以图13(a)所示的电流波形使电池连续地放电时，电池的电压如图13(c)所示进行变化。该电压波形中，由于伴随劣化的电池的内部电阻的上升，电流通电时的电压下降比新品时变大。另外，在从放电开始起经过了时间t2(t1>t2)的附图标记1302所示的定时以后，扩散层中的锂离子的浓度梯度产生的电阻成分急剧地变大，由此电池电压急剧地降低。即，可知以比新品状态时短的时间产生了伴随锂离子的扩散的电阻成分的增加。
图14是表示本发明的第二实施方式的上限电流映射的例子的图。图14的上图所示的图表与图9同样，表示扩散层的锂离子浓度梯度与上限电流的关系，横轴表示锂离子浓度与扩散层的厚度的比率(浓度梯度)，纵轴表示上限电流。该图中，以圆和四方形表示的各点表示实测值，表示根据这些点的种类不同而电池的劣化状态不同。从该图表可知，即使浓度梯度相同，随着电池的劣化发展，上限电流也变低。
另一方面，图14的下图所示的表是根据上图的图表构筑的上限电流映射的例子。该表中，第一实施方式中所说明那样的、以温度和浓度梯度为轴设定上限电流值的上限电流映射，进一步针对每个劣化状态即针对每个SOHR的值被构筑了多个。
图14中所说明那样的上限电流映射存储于例如存储部180中。此外，图14中，将近似曲线以直线来近似，但也可以与第一实施方式中所说明的图9同样，对实验结果求取能够更加近似的近似曲线来制作上限电流映射。
图15是本发明的第二实施方式的上限电流运算部152a的控制模块图。本实施方式的上限电流运算部152a，除了具有上限电流决定部1524a来代替图7的上限电流决定部1524，并且电池状态探测部151运算的各电池的SOHR输入到该上限电流决定部1524a这一点以外，与第一实施方式的上限电流运算部152是同样的功能结构。
上限电流决定部1524a与第一实施方式的上限电流决定部1524同样，基于浓度梯度推算部1523所推算的扩散层的锂离子浓度梯度，决定各电池的充电侧上限电流和放电侧上限电流。此时，上限电流决定部1524a基于从单电池管理部120输入到上限电流运算部152a的各电池的温度以及SOHR和浓度梯度推算部1523的运算结果，参照图14中所说明那样的上限电流映射，分别运算充电侧上限电流和放电侧上限电流并将其输出。由此，在当前的电池的劣化状态下，分别决定充电侧上限电流和放电侧上限电流，以使得形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度梯度所对应的电池的过电压成为规定的范围内。
接着，基于图16、图17对本实施方式的效果进行说明。图16是表示没有应用本发明的第二实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。图16中，表示没有应用本实施方式中所说明的上限电流的设定方法，而根据第一实施方式中所说明的方法，对劣化的电池分别设定充电侧上限电流和放电侧上限电流，并且从以充电侧上限电流对电池连续充电起经过一定时间后以放电侧上限电流进行连续放电的情况下的功率、电压和电流的各波形例。
如图13中所说明，当电池劣化时，从开始电池的通电起直至产生伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻成分的增加的时间比新品时变短。因此，如图16所示，在没有应用本实施方式的手法，即没有考虑电池的劣化状态而设定充电侧上限电流和放电侧上限电流的情况下，在起初的连续充电时，当从充电开始起经过某程度的时间时，如由附图标记1601所示，由于伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大，电压上升。其结果是，如由附图标记1603所示，与电压上升的量相应地电流值变小。另外，即使充电后的放电也同样，当从放电开始起经过某时间以上时，如由附图标记1602所示，由于伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大，电压降低。其结果是，如由附图标记1604所示，与电压降低的量相应地电流变大，偏离了上限电流。在这种情况下，与第一实施方式中所说明的将充电侧上限电流和放电侧上限电流分别设为一定的值的情况同样，在充电侧能够对电池充电的功率减少，在最差的情况下，担心尽管SOC较低也不能充电。另一方面，在放电侧逆向流通大电流，因此，担心电池的发热和劣化的加速，不能最大限度地有效利用电池的性能。
图17是表示应用了本发明的第二实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。图17中，表示根据如上所述的本实施方式的上限电流的设定方法，考虑到电池的劣化引起的电阻的增大来设定充电侧上限电流和放电侧上限电流，从以充电侧上限电流对电池连续充电起经过一定时间后以放电侧上限电流进行连续放电的情况下的功率、电压和电流的各波形例。
如图17所示，在应用本实施方式的手法分别设定充电侧上限电流和放电侧上限电流的情况下，以基于根据电池的劣化状态实时地推算能够抑制伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大的上限电流值的结果的功率，进行电池的充放电。因此，在充电侧、放电侧均能够抑制伴随扩散电阻增大的急剧的电压变化，能够对电池进行充放电。其结果是，即使在电池劣化的情况下，也不会产生图16所示的充电时的电压上升和放电时的电压降低，其结果是，能够防止充电性能的降低，并且抑制放电时的发热和劣化，且最大限度地充分利用电池的性能。
如以上所说明，根据本发明的第二实施方式，即使在使用了劣化的二次电池的情况下，也能够避免二次电池的电压急剧地变化的区域，并且最大限度地充分利用电池的输入输出性能。
根据以上所说明的本发明的第二实施方式，在第一实施方式中所说明的效果的基础上，还起到以下的作用效果。
(5)上限电流决定部1524a基于电池的劣化状态使上限电流值变化。由于这样，即使在使用了劣化的二次电池的情况下，也能够可靠地决定电池的过电压成为规定的范围内的上限电流值。
＜第三实施方式＞
接着，对本发明的第三实施方式进行说明。在本实施方式中，说明与第二实施方式不同的、还考虑了电解液中的锂离子浓度(远岸的浓度C*)降低这样的劣化模式来决定上限电流值的例子。此外，本实施方式的电池系统的结构，除了具有电池组控制部150b来代替电池组控制部150这一点以外，与第一实施方式中所说明的图1的电池系统100相同。以下，以该电池组控制部150和150b的差异点为中心说明本实施方式的内容。
图18是表示本发明的第三实施方式的电池组控制部150b的功能结构的图。本实施方式的电池组控制部150b除了追加有离子浓度推算部154这一点，和具有上限电流运算部152b来代替图3的上限电流运算部152，并且离子浓度推算部154运算的各电池的锂离子浓度输入到该上限电流运算部152b这一点以外，与第一实施方式的电池组控制部150是同样的功能结构。
离子浓度推算部154基于各电池的电压、温度和SOC，推算各电池的电解液中的锂离子浓度。基于本实施例中假定的劣化模式，对电解液中的锂离子减少了的电池，利用离子浓度推算部154推算比正常状态的浓度低的锂离子浓度。此外，对本实施例中假定的劣化模式(远岸的锂离子浓度的降低)进行后述。
上限电流运算部152b与第一实施方式的上限电流运算部152同样，基于各电池的电流和温度运算各电池的充电侧上限电流和放电侧上限电流并将其输出。此时，上限电流运算部152b实施与离子浓度推算部154所推算的各电池的锂离子浓度相对应的上限电流值的运算，由此，基于各电池的锂离子浓度的变化使充电侧上限电流和放电侧上限电流变化。
以下，基于图19、图20对本实施例中假定的劣化模式(远岸的锂离子浓度的降低)和上限电流值的变化进行说明。图19是说明锂离子浓度的降低引起的劣化模式的图。特别是在低温时，当进行继续流通大的电流值那样的过剩的充放电时，产生与充放电反应不同的副反应，由此，电解液中的锂离子减少。此时，当没有劣化的正常状态下的锂离子浓度设为C* 0时，由于劣化，锂离子浓度从C* 0向C* 1(C* 0>C* 1)变化。在产生这样的劣化模式的情况下，如果扩散层的厚度δ从正常状态没有发生变化，则如图19所示，扩散层中的锂离子浓度梯度变小。因此，能够设想相比没有劣化的正常状态更容易进入锂离子的扩散过程成为律速的阶段。
图20是说明伴随锂离子浓度的降低的电压波形的变化的图。在锂离子浓度没有降低的新品状态下，例如当以图20(a)所示的电流波形使电池连续地放电时，电池的电压如图20(b)所示进行变化。该电压波形中，在从放电开始起经过了时间t1的附图标记2001所示的定时以后，如第一实施方式中所说明，扩散层中的锂离子的浓度梯度引起的电阻成分急剧地变大，由此，电池电压急剧地降低。
另一方面，在锂离子浓度由于劣化而降低的状态下，例如当以图20(a)所示的电流波形使电池连续地放电时，电池的电压如图20(c)所示进行变化。该电压波形中，随着锂离子浓度的降低，容易进入锂离子的扩散过程成为律速的阶段，由此，在从放电开始起经过了时间t3(t1>t3)的附图标记2002所示的定时以后，扩散层中的锂离子的浓度梯度引起的电阻成分急剧地变大，电池电压急剧地降低。即，可知以比新品状态时短的时间，产生了伴随锂离子的扩散的电阻成分的增加。
因此，在本实施方式中，通过在电池组控制部150b设置离子浓度推算部154，而在电池组控制部150b中追加了检测锂离子浓度的降低的功能。由此，即使在锂离子浓度降低的情况下，设定上限电流来控制电池，以避免陷入容易进入上述的锂离子的扩散过程成为律速的阶段的模式。
图21是本发明的第三实施方式的上限电流运算部152b的控制模块图。本实施方式的上限电流运算部152b除了具有界面浓度推算部1521b来代替图7的界面浓度推算部1521，并且将离子浓度推算部154所推算的各电池的锂离子浓度输入到该界面浓度推算部1521b这一点以外，与第一实施方式的上限电流运算部152是同样的功能结构。
界面浓度推算部1521b与第一实施方式的界面浓度推算部1521同样，基于从电流探测部130或单电池管理部120输入到上限电流运算部152b的各电池的电流和温度，利用上述的式(4)推算充电或放电时的电极与电解质的界面的锂离子浓度。此时，界面浓度推算部1521b将式(4)的右边的第一项的C*的值置换成从离子浓度推算部154输入的锂离子浓度。由此，在电解液整体的锂离子浓度由于电池的劣化而降低的情况下，推算与该劣化状态对应的界面的锂离子浓度。此外，与第一实施方式同样，如果将式(4)中扩散常数D(T)的值不论温度T如何均假定为一定，则在界面浓度推算部1521b中，也能够仅基于各电池的电流和锂离子浓度计算出界面的锂离子浓度。
图22是本发明的第三实施方式的离子浓度推算部154的控制模块图。离子浓度推算部154由电压差有效值运算部1541、电压差阈值运算部1542、电压差比率运算部1543和离子浓度运算部1544构成。
电压差有效值运算部1541以电压和SOC为输入，运算在预先设定的规定的时间窗口的电压差有效值。具体而言，电压差有效值运算部1541根据例如下式(7)～(9)运算电压差有效值ΔVRMS。此外，式(7)中的OCV能够基于所输入的SOC，并根据预先设定的SOC和OCV的对应关系计算出来。
[式6]
ΔV(t)＝CCV(t)-OCV(t)···(7)
Figure BDA0003039740400000241
Figure BDA0003039740400000242
在式(7)～(9)中，ΔV(t)表示CCV和OCV的电压差[V]，其相当于电池的过电压。另外，ΔVFilter(t)表示ΔV2(t)的一阶滞后滤波应用结果[V2]，ts表示控制周期[sec]，Tw表示时间窗口[sec]，ΔVRMS(t)表示电压差有效值[V]。
电压差阈值运算部1542以温度作为输入，运算相对电压差有效值运算部1541运算的电压差有效值的阈值。该阈值成为在电池内锂离子浓度相对于电压差有效值是否降低的基准，电压差有效值根据所算出的时间窗口的长度和温度决定。具体而言，电压差阈值运算部1542使用例如预先存储于存储部180中的映射信息决定阈值。该映射信息表示没有发生图20(c)中所说明的现象的电压差有效值的条件，基于预先通过实验而提取的时间窗口和温度与电压差有效值的关系而制成。
图23是表示由电压差阈值运算部1542运算的阈值的例子的图。该图中，时间窗口Tw越长，且温度越低，则电压差阈值运算部1542运算的阈值(相对于CCV和OCV的电压差的限制值)越小。即，以电池的充放电时间越长且电池的温度越低，对于上限电流的限制越严格的方式来设定阈值。
电压差比率运算部1543运算电压差有效值运算部1541输出的电压差有效值与电压差阈值运算部1542输出的阈值的比率、即电压差比率。电压差比率运算部1543例如利用下式(10)运算电压差比率并将其输出。
[式7]
Figure BDA0003039740400000251
在式(10)中，ΔVthresh(t)表示相对电压差有效值ΔVRMS(t)的限制阈值[V]，ΔVRatio(t)表示电压差比率[％]。此外，电压差比率ΔVRatio(t)相当于相对电池的负载状态的判定指标即负载判定指标。
图20(c)中所说明的现象在时间窗口较长即充放电长期间连续不断地持续进行的条件下容易产生。因此，电压差有效值运算部1541和电压差阈值运算部1542中，期望预先设定较长的时间窗口。即，锂离子浓度的降低容易在温度较低且长时间的连续的充放电时发生，因此，通过预先设定较长的时间窗口，能够对于上限电流严格限制，且可靠地防止上述的现象。
离子浓度运算部1544根据电压差比率运算部1543运算的电压差比率，推算锂离子浓度并将其输出。离子浓度运算部1544使用例如预先存储于存储部180的电压差比率与锂离子浓度的关系，推算与电压差比率的运算结果对应的锂离子浓度。
图24是表示电压差比率与锂离子浓度的关系的一例的图。图24中，横轴表示电压差比率，纵轴表示锂离子浓度。图24中所示的关系中，从电压差比率超过某个一定的阈值Th1时起，锂离子浓度开始减少，在阈值Th2成为0。
离子浓度推算部154如以上所说明，运算与电池的劣化状态对应的锂离子浓度。由离子浓度推算部154运算的锂离子浓度输入到上限电流运算部152b。
接着，基于图25、图26对本实施方式的效果进行说明。图25是表示没有应用本发明的第三实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。图25中，表示没有应用本实施方式中所说明的上限电流的设定方法，根据第一、第二实施方式中说明的方法，进行产生锂离子浓度的降低那样的过剩的充放电，对劣化的电池分别设定充电侧上限电流和放电侧上限电流，从对电池以充电侧上限电流连续充电起经过一定时间后以放电侧上限电流连续放电的情况下的功率、电压和电流的各波形例。
如图20中所说明，当锂离子浓度降低时，从开始电池的通电起直至产生伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻成分的增加的时间比新品时变短。因此，如图25所示，在没有应用本实施方式的手法，即没有考虑锂离子浓度的降低而设定充电侧上限电流和放电侧上限电流的情况下，以小于与它们对应的充电功率限制值或放电功率限制值的功率进行的未限制时的充放电中，不能检测出发生了锂离子浓度的降低。因此，在之后以充电功率限制值进行的起初的连续充电时，当从充电开始起经过了某程度的时间时，如由附图标记2501所示，由于伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大而电压上升。其结果是，如由附图标记2503所示，与电压上升的量相应地电流值变小。另外，在充电后以放电功率限制值进行的连续放电中也同样，当从放电开始起经过某时间以上时，如由附图标记2502所示，由于伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大而电压降低。其结果是，如由附图标记2504所示，与电压降低的量相应地电流变大，偏离了上限电流。在这种情况下，与在第一实施方式中所说明的将充电侧上限电流和放电侧上限电流分别设为一定的值的情况，和在第二实施方式中所说明的没有考虑电池的劣化而设定充电侧上限电流和放电侧上限电流的情况同样，在充电侧可对电池充电的功率减少，在最差的情况下，担心尽管SOC较低也不能进行充电。另一方面，在放电侧，逆向地流通大电流，因此，担心电池的发热和劣化的加速，不能最大限度地有效利用电池的性能。
图26是表示应用了本发明的第三实施方式的情况下的上限电流引起的电池的功率、电压和电流的变化的一例的图。图26中，表示根据上述的本实施方式的上限电流的设定方法，检测未限制时的充放电引起的锂离子浓度的降低，反映这一状况来设定充电侧上限电流和放电侧上限电流，从对电池以充电侧上限电流连续充电起经过一定时间后以放电侧上限电流进行连续放电的情况下的功率、电压和电流的各波形例。
如图26所示，在应用本实施方式的手法分别设定充电侧上限电流和放电侧上限电流的情况下，以基于根据锂离子浓度的降低状态实时地推算可抑制伴随扩散层的锂离子浓度梯度的电阻的增大的上限电流值的结果的功率，进行电池的充放电。因此，在充电侧、放电侧均能够抑制伴随扩散电阻增大的急剧的电压变化来对电池进行充放电。其结果是，即使在电池的锂离子浓度降低的情况下，也不产生图25所示的充电时的电压上升和放电时的电压降低，其结果是，能够防止充电性能的降低，并且抑制放电时的发热和劣化，并最大限度地充分利用电池的性能。
如以上所说明，根据本发明的第三实施方式，即使在使用了由于劣化而锂离子浓度降低了的二次电池的情况下，也能够避免二次电池的电压急剧地变化的区域，并且最大限度地充分利用电池的输入输出性能。
此外，上述的实施方式中，说明了如下例子：对于离子浓度推算部154进行的运算处理，利用上述的式(7)、式(8)，对过电压(CCV-OCV)的平方值实施一阶滞后滤波，使用其结果并且利用式(9)、式(10)运算电压差比率。但是，离子浓度推算部154进行的运算处理不限定于此，例如也可以使用电流的平方值来代替过电压。在该情况下，对于由电压差阈值运算部1542运算且在式(10)中使用的阈值，也优选代替图23中所示例的相对电压差的有效值的阈值，而设为与电流的有效值对应的阈值。由此，作为基于过电压的控制的代替，能够利用基于电流的控制。即，离子浓度推算部154能够基于电池的过电压或电流的有效值，推算锂离子浓度。
另外，本实施方式中，对于以预先实施的实验结果为基础，简单地探测锂离子浓度的降低的手法进行了叙述，但本发明不限定于此。例如，也可以将伴随锂离子的副反应的锂化合物的生成进行模型化，推算电池内的锂离子量的降低，且将其推算结果反映于式(4)，由此，推算在电极与电解质的界面的锂离子浓度。
根据以上说明的本发明的第三实施方式，在第一实施方式中说明的效果的基础上，还实现以下的作用效果。
(6)电池组控制部150b具有推算电池的锂离子浓度的离子浓度推算部154。上限电流运算部152b中，上限电流决定部1524基于离子浓度推算部154所推算的锂离子浓度的变化而使上限电流值变化。由于这样，即使在使用了由于劣化而锂离子浓度降低了的二次电池的情况下，也能够可靠地决定电池的过电压成为规定的范围内的上限电流值。
(7)离子浓度推算部154基于电池的过电压或电流的有效值推算电池的锂离子浓度。由于这样，在进行过剩的充放电而电池的锂离子浓度降低了的情况下，能够可靠地探测该情况。
＜第四实施方式＞
接着，对本发明的第四实施方式进行说明。本实施方式中，说明通过与第三实施方式不同的方法，对于锂离子浓度降低了的电池进行充放电控制的例子。此外，本实施方式的电池系统的结构除了具有电池组控制部150c来代替电池组控制部150这一点以外，与第一实施方式中所说明的图1的电池系统100相同。以下，以该电池组控制部150和150c的差异点为中心说明本实施方式的内容。
图27是表示本发明的第四实施方式的电池组控制部150c的功能结构的图。本实施方式的电池组控制部150c除了追加有限制率设定部155这一点，和具有可充放电功率运算部153c来代替图3的可充放电功率运算部153，且限制率设定部155设定的限制率输入到该可充放电功率运算部153c这一点以外，与第一实施方式的电池组控制部150是同样的功能结构。
限制率设定部155基于各电池的电压、温度和SOC，设定与各电池的电解液中的锂离子浓度的变化相对应的限制率。此外，关于限制率设定部155设定的限制率，与第三实施方式中离子浓度推算部154推算的锂离子浓度同样，反映各电池的劣化状态。即，相对于由于劣化而电解液中的锂离子减少了的电池，由限制率设定部155设定与正常状态的限制率不同的限制率。
可充放电功率运算部153c与第一实施方式的可充放电功率运算部153同样，根据电池状态探测部151运算的各电池的SOC和SOHR、输入到电池组控制部150的各电池的温度、上限电流运算部152运算的各电池的充电侧上限电流和放电侧上限电流，运算各电池的可充电功率和可放电功率并将其输出。此时，可充放电功率运算部153c基于限制率设定部155设定的限制率，并根据各电池的锂离子浓度的变化使可充电功率和可放电功率变化。
图28是本发明的第四实施方式的限制率设定部155的控制模块图。限制率设定部155由电压差有效值运算部1541、电压差阈值运算部1542、电压差比率运算部1543和限制率运算部1554构成。此外，关于电压差有效值运算部1541、电压差阈值运算部1542和电压差比率运算部1543，与第三实施方式中图22所示的离子浓度推算部154具有的构成分别相同。
限制率运算部1554根据电压差比率运算部1543运算的电压差比率，设定对于可充电功率和可放电功率的限制率。限制率运算部1554使用例如预先存储在存储部180中的电压差比率与限制率的关系，运算与电压差比率的运算结果对应的限制率k。
图29是表示电压差比率与限制率的关系的一例的图。图29中，横轴表示电压差比率，纵轴表示限制率。图29所示的关系中，从电压差比率超过某个一定的阈值Th1起，限制率的值开始变小，从而对于可充电功率和可放电功率的限制变得严格。另外，通过限制率在阈值Th2成为0，而禁止充电和放电。
限制率设定部155如以上所说明，在由于劣化而锂离子浓度降低的情况下，设定与该锂离子浓度对应的限制率。由限制率设定部155所设定的限制率k输入到可充放电功率运算部153c。
可充放电功率运算部153c利用例如下式(11)、式(12)，将从限制率设定部155输入的限制率k与可充电功率和可放电功率分别相乘，由此，改变可充电功率和可放电功率。此外，也可以使用式(11)或式(12)，仅使可充电功率或可放电功率的任意一者变化。
[式8]
W′chg(t)＝k×Wchg(t) ···(11)
W′chg(t)＝k×Wchg(t) ···(12)
如以上所说明，根据本实施方式，基于电池内的锂离子浓度的变化使可充电功率或可放电功率变化。其结果是，能够得到与第三实施方式中在图25、26中所说明的效果同样的效果，因此，即使在使用了由于劣化而锂离子浓度降低了的二次电池的情况下，也能够避免二次电池的电压急剧地变化的区域，且最大限度地充分利用电池的输入输出性能。
此外，本实施方式中也与第三实施方式同样，也可以在限制率设定部155进行的运算处理中，使用电流的平方值来代替过电压。
根据以上说明的本发明的第四实施方式，在第一实施方式中说明的效果的基础上，还实现以下的作用效果。
(8)可充放电功率运算部153c根据电池的锂离子浓度的变化，使可充电功率或可放电功率变化。由于这样，即使在使用了由于劣化而锂离子浓度降低了的二次电池的情况下，也能够适当决定上限电流通电时的可充电功率或可放电功率，以使电池的过电压成为规定的范围内。
(9)电池组控制部150c具有限制率设定部155，该限制率设定部155基于电池的过电压或电流的有效值，设定与电池的锂离子浓度的变化对应的限制率。可充放电功率运算部153c基于限制率设定部155所设定的限制率，使可充电功率或可放电功率变化。由于这样，在进行过剩的充放电而电池的锂离子浓度降低了的情况下，能够可靠地确定与该情况对应的可充电功率或可放电功率。
此外，在以上说明的各实施方式中，说明了在使用锂离子电池作为二次电池的情况下，基于形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的锂离子浓度进行充放电控制的情况的例子，但即使在使用其它的二次电池的情况下，也能够进行同样的充放电控制。即，不限于锂离子，关于其它任意的离子，在基于形成于电极与电解质的界面附近的扩散层中的离子浓度进行充放电控制的情况下，能够应用本发明。
此外，以上说明的各实施方式和各种变形例均为一例，只要不损害发明的特征，本发明就不限定于这些内容。另外，上述的各实施方式也能够任意组合地使用。另外，上文中说明了各种实施方式和变形例，但本发明不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内能够想到的其它的方式也包含于本发明的范围内。
附图标记说明
100：电池系统
110：电池组
111：单电池
112：单电池组
120：单电池管理部
121：单电池控制部
122：电压检测电路
123：控制电路
124：信号输入输出电路
125：温度探测部
130：电流探测部
140：电压探测部
150、150a、150b、150c：电池组控制部
151：电池状态探测部
152、152a、152b：上限电流运算部
153、153c：可充放电功率运算部
154：离子浓度推算部
155：限制率设定部
160：信号通信机构
170：绝缘元件
180：存储部
200：车辆控制部
300～330：继电器
400：逆变器
410：电动发电机
1521、1521b：界面浓度推算部
1522：扩散层推算部
1523：浓度梯度推算部
1524、1524a：上限电流决定部
1541：电压差有效值运算部
1542：电压差阈值运算部
1543：电压差比率运算部
1544：离子浓度运算部
1554：限制率运算部。

Claims (11)

1.一种电池控制装置，其特征在于，包括：
浓度梯度推算部，其基于在二次电池中流通的电流或者所述电流和所述二次电池的温度，推算在所述二次电池的电极与电解质的界面附近形成的扩散层中的离子浓度梯度；和
上限电流决定部，其基于所述离子浓度梯度确定所述二次电池的上限电流值，
所述上限电流决定部决定所述上限电流值，以使得与所述离子浓度梯度对应的所述二次电池的过电压成为规定的范围内。
2.根据权利要求1所述的电池控制装置，其特征在于：
所述上限电流决定部决定所述上限电流值，以使得所述二次电池的内部电阻中与所述离子浓度梯度对应的电阻成分的比例成为规定的范围内。
3.根据权利要求1所述的电池控制装置，其特征在于：
所述上限电流决定部决定所述上限电流值，以使得所述二次电池的充电功率或者放电功率成为最大。
4.根据权利要求3所述的电池控制装置，其特征在于：
所述上限电流决定部决定所述上限电流值，以使得所述上限电流值与所述二次电池的通电时间的经过相对应地降低。
5.根据权利要求1所述的电池控制装置，其特征在于，包括：
推算所述界面中的离子浓度的界面浓度推算部；和
推算所述扩散层的厚度的扩散层推算部，
所述浓度梯度推算部基于所述界面浓度推算部所推算的所述界面中的离子浓度和所述扩散层推算部所推算的所述扩散层的厚度，推算所述离子浓度梯度。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电池控制装置，其特征在于：
包括可充放电功率运算部，其基于所述上限电流决定部所决定的所述上限电流值，推算上限电流通电时的所述二次电池的电压，并且基于所推算的所述电压和所述上限电流值，推算所述二次电池的可充电功率和可放电功率。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电池控制装置，其特征在于：
所述上限电流决定部基于所述二次电池的劣化状态使所述上限电流值变化。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的电池控制装置，其特征在于：
具有推算所述二次电池的离子浓度的离子浓度推算部，
所述上限电流决定部基于所述离子浓度的变化使所述上限电流值变化。
9.根据权利要求8所述的电池控制装置，其特征在于：
所述离子浓度推算部基于所述二次电池的过电压或者电流的有效值推算所述离子浓度。
10.根据权利要求6所述的电池控制装置，其特征在于：
所述可充放电功率运算部根据所述二次电池的离子浓度的变化，使所述可充电功率或者所述可放电功率变化。
11.根据权利要求10所述的电池控制装置，其特征在于：
具有限制率设定部，其基于所述二次电池的过电压或者电流的有效值，设定与所述二次电池的离子浓度的变化对应的限制率，
所述可充放电功率运算部基于所述限制率设定部所设定的所述限制率，使所述可充电功率或者所述可放电功率变化。
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