JP2006340447A - 蓄電デバイスの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止する。
【解決手段】内部抵抗算出部M1でセル温度TBに基づいて蓄電デバイスの内部抵抗RIを算出し、負極内部抵抗比率算出部M2でセル温度TBに基づいて蓄電デバイスの負極の内部抵抗比率KRMを算出し、負極電位算出部M3で蓄電デバイスの残存容量SOCに基づいて負極電位VMを算出する。更に、内部抵抗RIと負極内部抵抗比率KRMとを乗算器M4で乗算して負極内部抵抗RMを求め、除算器M5で負極電位VMを負極内部抵抗RMで除算し、反転器M6を通して符号反転し、充電時の最大電流を最小電流IMINとして出力する。そして、充電制御部M7で充電電流の最大値に基づいて蓄電デバイスの充電を制御することにより、充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止する。
【選択図】図1
【解決手段】内部抵抗算出部M1でセル温度TBに基づいて蓄電デバイスの内部抵抗RIを算出し、負極内部抵抗比率算出部M2でセル温度TBに基づいて蓄電デバイスの負極の内部抵抗比率KRMを算出し、負極電位算出部M3で蓄電デバイスの残存容量SOCに基づいて負極電位VMを算出する。更に、内部抵抗RIと負極内部抵抗比率KRMとを乗算器M4で乗算して負極内部抵抗RMを求め、除算器M5で負極電位VMを負極内部抵抗RMで除算し、反転器M6を通して符号反転し、充電時の最大電流を最小電流IMINとして出力する。そして、充電制御部M7で充電電流の最大値に基づいて蓄電デバイスの充電を制御することにより、充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止する。
【選択図】図1
Description
本発明は、蓄電デバイスの充電を適正に管理して劣化を防止する蓄電デバイスの制御装置に関する。
近年、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学キャパシタといった蓄電デバイスの小型軽量化・高エネルギー密度化が進み、携帯型の情報通信機器から電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として活発に利用されている。このような蓄電デバイスは、充放電の繰り返しに伴って劣化が進行し、特に、充電を適切に管理しないと劣化を促進してしまう。
このため、従来から、蓄電デバイスの充電を適切に管理し、劣化を防止する技術が種々提案されており、例えば、特許文献1には、要求電力が小さい場合の主電池の充電を防止して劣化を防止する技術が開示されている。
また、特許文献2には、二次電池に印加する端子電圧及び充電量の範囲を的確に制御することで、使用可能な電圧範囲を外れることによる二次電池の劣化を防止する技術が開示されている。
特開平5−153703号公報
特開2003−338324号公報
しかしながら、電気化学反応を伴う蓄電デバイスでは、セル電圧に拘わらす、負極電位が副反応の起こらない電位範囲から逸脱すると、電極活物質自身の副反応によって劣化したり、電解液の分解に伴うガス発生によって劣化が生じる場合がある。
従って、特許文献1や特許文献2の技術のように、満充電付近での過充電を回避するのみでは、満充電以外の通常の充電状態においても、充電電流が大き過ぎることよる負極の劣化を防止することは困難である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止することのできる蓄電デバイスの制御装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明による蓄電デバイスの制御装置は、負極と正極との間で電気化学反応を伴う蓄電デバイスの制御装置であって、負極電位と負極内部抵抗とに基づいて充電時の最大電流を算出する充電時最大電流算出手段と、上記最大電流に基づいて上記蓄電デバイスの充電を制御する充電制御手段とを備えたことを特徴とする。
最大電流を算出する際、負極電位は、蓄電デバイスの温度及び残存容量に基づいて算出することができ、負極内部抵抗は、蓄電デバイスの温度から求めた蓄電デバイスの内部抵抗及び負極内部抵抗比率に基づいて算出することができる。
最大電流に基づく充電制御は、蓄電デバイスの端子電圧と最大電流との積を最大充電電力として算出し、この最大充電電力を越えないように蓄電デバイスの充電電力を制限しても良く、蓄電デバイスの充電電流が最大電流を越えないようにフィードバック制御しても良い。更には、蓄電デバイスの内部抵抗と開放電圧と最大電流とから算出される最大端子電圧を越えないよう、蓄電デバイスの端子電圧をフィードバック制御しても良い。
本発明による蓄電デバイスの制御装置は、電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1及び図2は本発明の実施の一形態に係わり、図1は充電時最大電流の算出アルゴリズムを示すブロック図、図2は充電制御のフローチャートである。
本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電電流を適正に制御し、蓄電デバイスの劣化を防止するものであり、本形態においては蓄電デバイスの負極電位が基準電位を下回らないように充電量を制御することにより、劣化を防止する。基準電位は、負極と正極との電位を分離して検出する、いわゆる電気化学測定における参照極の電位であり、例えば、リチウムイオン電池等においては、金属Liを参照極として、負極電位及び正極電位を測定・評価することができる。
すなわち、電気化学反応を伴う蓄電デバイスでは、セル電圧に拘わらす、正極若しくは負極電位が副反応の起こらない電位範囲から逸脱すると、電極活物質自身の副反応によって劣化したり、電解液の分解に伴うガス発生によって劣化が生じる虞がある。例えば、リチウムイオン電池では、負極電位が0V(vs.Li/Li+参照電極)以下まで低下すると、負極表面に金属Liが析出してしまい、劣化が促進される(代表的には、デンドライト析出による劣化)。充電時においては、負極電位は、負極の内部抵抗と電流との積の電圧分だけ降下するため、大きな充電電流が流れると、負極電位が0V以下になる可能性がある。
従って、負極電位の0V以下への低下を回避するため、本形態においては、充電電流の最大値を算出し、この充電電流の最大値に基づいて充電を制御する。充電電流の最大値は、以下の(I),(II)を基本とする考え方に基づいて算出する。
(I)蓄電デバイスの内部抵抗、及び負極の内部抵抗比率(蓄電デバイス全体の内部抵抗に対して負極の内部抵抗が占める比率)は、共に蓄電デバイスの温度(セル温度)に依存する。
(II)無負荷時の負極電位は、蓄電デバイスの充電状態(State of charge;SOC)で示される残存容量に依存する。
上述の(I),(II)に基づいて充電電流の最大値を算出する充電時最大電流算出手段としての機能は、図1のブロック図に示す算出アルゴリズムによって実現される。この算出アルゴリズムは、具体的には、マイクロコンピュータによるソフトウエア処理を中心として実現され、セル温度TBに基づいて蓄電デバイスの内部抵抗RIを算出する内部抵抗算出部M1、セル温度TBに基づいて蓄電デバイスの負極の内部抵抗比率KRMを算出する負極内部抵抗比率算出部M2、蓄電デバイスの残存容量SOCに基づいて負極電位VMを算出する負極電位算出部M3を主として、その他、乗算器M4、除算器M5、反転器M6を備えた機能構成により、充電電流の最大値が算出される。そして、充電制御手段としての充電制御部M7において、充電電流の最大値に基づいて蓄電デバイスの充電が制御される。
内部抵抗算出部M1で算出された内部抵抗RI及び負極内部抵抗比率算出部M2で算出された負極内部抵抗比率KRMは乗算器M4で乗算され、その乗算値すなわち負極内部抵抗RMが乗算器M4から出力される。乗算器M4からの負極内部抵抗RMは、負極電位算出部M3からの負極電位VMと共に除算器M5に入力される。除算器M5は、負極電位VMを負極内部抵抗RMで除算し、負極内部抵抗RMに対応した充電電流(VM/RM)を出力する。
除算器M5からの充電電流(VM/RM)は、この電流値以上では、負極内部抵抗RMとの積の電圧分によって負極電位が0V以下になる限界電流であり、充電時の最大電流として規定される。本形態においては、充電時の電流方向をマイナスとして除算器M5の出力を反転器M6を通して符号反転し、充電時の最大電流を最小電流IMIN(IMIN=−VM/RM)として出力する。
以上の各機能部による充電制御の処理を、図2に示すフローチャートを併用して説明する。尚、ここでは、各ステップの処理を時系列的に説明するが、ステップS1,S2,S4は、並列処理されることが望ましい。
先ず、ステップS1において、内部抵抗算出部M1の処理として、セル温度TBに基づいて蓄電デバイスの内部抵抗RIを算出する。蓄電デバイスの内部抵抗RIは、内部抵抗算出部M1が保有するテーブルを参照することによって求められ、図1の内部抵抗算出部M1に示すように、セル温度TBが低くなる程、内部抵抗RIの値が大きくなる。内部抵抗RIのテーブルは、例えば、充放電試験における交流インピーダンス法や電圧値−電流値の直線回帰等によって内部抵抗を求め、セル温度TBをパラメータとする内部抵抗RIのテーブルを作成しておく。
また、ステップS2において、負極内部抵抗比率算出部M2の処理として、セル温度TBに基づいて蓄電デバイスの負極内部抵抗比率KRMを算出する。負極内部抵抗比率KRMは、正極、セパレータ、負極、集電タブ等の機械的な構造に依存する内部抵抗と、電極活物質や電極面積等に依存する電気化学反応に依存する内部抵抗とを合わせた蓄電デバイス全体の内部抵抗に対する負極の内部抵抗の比率である。
この負極内部抵抗比率KRMは、負極の材質、形状(面積)、活物質の種類等を考慮し、参照電極を用いた実験やシミュレーション等によって予め求められ、セル温度TBとの関係においてテーブルを作成しておく。そして、このテーブルをセル温度TBをパラメータとして参照することにより、負極内部抵抗比率KRMを求める。図1の負極内部抵抗比率算出部M2に示すように、負極内部抵抗比率KRMは、セル温度TBが低下するにつれて増加するが、セル温度TBが低い低温状態では、電気化学反応の反応速度の低下に比較して負極内部抵抗はそれほど変化せず、略飽和状態となる特性を有している。
続くステップS3では、内部抵抗算出部M1の出力及び負極内部抵抗比率算出部M2の出力を乗算器M4に通し、以下の(1)式に示すように、内部抵抗RIと負極内部抵抗比率KRMとを乗算して負極内部抵抗RMを算出する。
RM=RI×KRM …(1)
RM=RI×KRM …(1)
また、ステップS4において、負極電位算出部M3の処理として、蓄電デバイスの残存容量SOCに基づいて負極電位VMを算出する。この負極電位VMは、参照電極を用いた実験或いはシミュレーション等により、蓄電デバイスの充電状態すなわち残存容量SOCと無負荷時の負極電位VMとの関係を求めてテーブル化しておき、このテーブルを参照して求める。図1の負極電位算出部M3に示すように、負極電位VMは、残存容量SOCが大きくなる程、すなわち、充電が進む程、参照電位との電位差が大きくなって、負極電位VMが低下する。
次いで、ステップS5へ進み、除算器M5を用いて負極電位算出部M3の出力(負極電位VM)を乗算器M4の出力(負極内部抵抗RM)で除算し、反転器M6を通すことにより、以下の(2)式に示すように、充電時の最大電流を、マイナス符号を付けた最小電流IMINとして出力する。
IMIN=−VM/RM …(2)
IMIN=−VM/RM …(2)
そして、ステップS6において、充電制御部M7の処理として、最小電流IMINに基づいて蓄電デバイスの充電量を制御する。例えば、エンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車(HEV)やモータのみで走行する電気自動車(EV)においては、以下に示すような充電制御を行い、搭載する蓄電デバイス(電池或いはキャパシタ)の劣化を防止する。
以下の(a)〜(c)は、HEVやEVにおける代表的な充電制御を示すものであり、その他、負荷電流と最小電流IMINとにより発電量を制御したり、回生時の電流が最小電流IMIN以下にならないように制御する。
(a)以下の(3)式に示すように最小電流IMINの絶対値と蓄電デバイスの端子電圧Vとの積を最大充電電力PMAXとして算出し、この最大充電電力PMAXを越えないように、ハイブリッドシステムの発電電力を制限する。
PMAX=│IMIN│×V …(3)
PMAX=│IMIN│×V …(3)
(b)充電時の電流IBが最小電流IMIN以下にならないよう、充電時の電流IBの状態に応じて充電電流をフィードバック制御する。
IB<IMINのとき:IB=IMINになるまで充電電流を減少させる
IB≧IMINのとき:特に制御無し(現在の電流IBで充電)
IB<IMINのとき:IB=IMINになるまで充電電流を減少させる
IB≧IMINのとき:特に制御無し(現在の電流IBで充電)
(c)最小電流IMIN、内部抵抗値RI、開放電圧VOCから以下の(4)式に示す最大端子電圧VMAXを算出し、端子電圧Vの状態に応じて端子電圧Vが最大端子電圧VMAXを越えないようにフィードバック制御する。
VMAX=VOC−IMIN×RI …(4)
V<VMAXのとき:特に制御無し(現在の充電量を維持)
V≧VMAXのとき:V=VMAXになるまで充電量を減少させる
VMAX=VOC−IMIN×RI …(4)
V<VMAXのとき:特に制御無し(現在の充電量を維持)
V≧VMAXのとき:V=VMAXになるまで充電量を減少させる
尚、蓄電デバイスの開放電圧VOCは、蓄電デバイスの内部抵抗RI、端子電圧V、電流Iを用いて推定しても良く、或いは、蓄電デバイスの電気化学的な関係に基づいて作成した開放電圧VOCと残存容量SOCとのテーブルを参照して求めても良い。
以上のように、本実施の形態においては、蓄電デバイスの負極電位に基づいて充電時の最大電流を算出し、この最大電流に基づいて充電を適正に制御するので、負極が基準電位を下回ることによる電極活物質や電解質の副反応を未然に回避し、劣化を防止することができる。
M1 内部抵抗算出部(充電時最大電流算出手段)
M2 負極内部抵抗比率算出部(充電時最大電流算出手段)
M3 負極電位算出部(充電時最大電流算出手段)
M7 充電制御部(充電制御手段)
VM 負極電位
RI 内部抵抗
KRM 負極内部抵抗比率
RM 負極内部抵抗
IMIN 最小電流(充電時最大電流)
TB セル温度
SOC 残存容量
PMAX 最大充電電力
V 端子電圧
VOC 開放電圧
VMAX 最大端子電圧
M2 負極内部抵抗比率算出部(充電時最大電流算出手段)
M3 負極電位算出部(充電時最大電流算出手段)
M7 充電制御部(充電制御手段)
VM 負極電位
RI 内部抵抗
KRM 負極内部抵抗比率
RM 負極内部抵抗
IMIN 最小電流(充電時最大電流)
TB セル温度
SOC 残存容量
PMAX 最大充電電力
V 端子電圧
VOC 開放電圧
VMAX 最大端子電圧
Claims (5)
- 負極と正極との間で電気化学反応を伴う蓄電デバイスの制御装置であって、
負極電位と負極内部抵抗とに基づいて充電時の最大電流を算出する充電時最大電流算出手段と、
上記最大電流に基づいて上記蓄電デバイスの充電を制御する充電制御手段とを備えたことを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。 - 上記充電時最大電流算出手段は、
上記負極電位を、上記蓄電デバイスの温度及び残存容量に基づいて算出し、
上記負極内部抵抗を、上記蓄電デバイスの温度から求めた上記蓄電デバイスの内部抵抗及び負極内部抵抗比率に基づいて算出することを特徴とする請求項1記載の蓄電デバイスの制御装置。 - 上記充電制御手段は、
上記蓄電デバイスの端子電圧と上記最大電流との積を最大充電電力として算出し、この最大充電電力を越えないように上記蓄電デバイスの充電電力を制限することを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電デバイスの制御装置。 - 上記充電制御手段は、
上記蓄電デバイスの充電電流を、上記最大電流を越えないようにフィードバック制御することを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電デバイスの制御装置。 - 上記充電制御手段は、
上記蓄電デバイスの内部抵抗と開放電圧と上記最大電流とから算出される最大端子電圧を越えないよう、上記蓄電デバイスの端子電圧をフィードバック制御することを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電デバイスの制御装置。
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- 2005-05-31 JP JP2005159958A patent/JP2006340447A/ja active Pending
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