JP2012124060A

JP2012124060A - 組電池の充放電の制御方法

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Publication number: JP2012124060A
Application number: JP2010274778A
Authority: JP
Inventors: Takuboku Tezuka; 卓睦手塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】複数の単電池を積層し、積層方向に拘束して構成された組電池において、所定位置以上の拘束荷重を維持しつつ、蓄電量を有効に利用可能とする。
【解決手段】組電池の拘束荷重が、下限値Ｐｕ未満とならないように、蓄電量Ｃの使用範囲の下限値を定める。組電池の温度が高いとき（Ｔ2 ）には、蓄電量の下限値をＣ2 に下げ、蓄電された電力を有効に使えるようにする。組電池の温度が低いとき（Ｔ3 ）には、蓄電量の下限値をＣ3 に上げ、拘束荷重が下限値Ｐｕを下回らないようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池の充放電の制御方法、特に組電池の蓄電量の制御に関する。

板形状または直方体の単電池を積層し、積層方向に拘束して組電池とした二次電池が知られている（下記特許文献１参照）。二次電池の中には、その蓄電量により体積が変化するものが知られている。前記の組電池において、個々の単電池の体積が変化すると、単電池を拘束している拘束荷重が変化する。また、電池の温度によっても体積が変化し、温度変化によっても拘束荷重が変化する。このような二次電池により構成された組電池は、拘束荷重が予め定められた範囲となるように、蓄電量の使用範囲が制限されている。

特開２００６−１２７６１号公報

前述の組電池の拘束荷重の下限値は、一定の温度の下で定められている。したがって、温度によっては、拘束荷重下限値までまだ余裕がある場合があり、実際に使用可能な蓄電量の範囲を有効に使っていない場合がある。

本発明は、使用可能な蓄電量の範囲をより有効に使えるようにすることを目的とする。

本発明の組電池の充放電の制御方法は、組電池に掛かる拘束荷重を取得し、この取得された拘束荷重に基づき組電池の蓄電量の下限値を定め、蓄電量がこの下限値以上となるように充放電の制御を行うものである。

拘束荷重の取得は、蓄電池の温度を検出し、また組電池の蓄電量を算出し、これらを予め記憶された組電池の温度および蓄電量と拘束荷重の関係に適用することによりできる。算出された拘束荷重が予め定められている拘束荷重の下限値となったら、そのときの蓄電量を下限値と定める。

また、拘束荷重の取得は、荷重センサ等により直接検出することによりできる。検出された拘束荷重が予め定められている拘束荷重の下限値となったら、そのときの蓄電量を下限値に定める。

さらに、定められた蓄電量の下限値に対し、一定量オフセットした値を蓄電量の制御範囲の中心に定めることができる。

さらにまた、組電池の制御を終了する際には、−３０℃でも拘束荷重が確保される蓄電量以上に充電した後、制御を終了するようにできる。

必要な拘束荷重を得られる範囲で、蓄電量下限値を下げることができ、使用可能な蓄電量の範囲を有効に使うことができる。

本発明の実施形態に係る電池システム１０の概略構成を示す図である。電池の蓄電量、温度、拘束荷重の関係を示す図である。他の実施形態に係る電池システム４０の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本発明に係る電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。電池システム１０は、複数の単電池１２を積層して組にした組電池１４を含む電池部１６と、組電池１４の充放電を行うための充放電回路１８、充放電の制御を行う制御装置２０を含む。

組電池１４を構成する単電池１２は、二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。単電池１２の単体は、板状または直方体形状の概形を有し、これらが板の厚さ方向に積層されて、ケース２２内に収められている。単電池１２の積層方向の両端には、押圧部材２６，２８が配置される。押圧部材は、金属等の剛性を有する材料で構成された略方形の板材である。押圧部材２６，２８の間には、バンド（不図示）が渡されている。このバンドを締めることによって、単電池１２が押圧部材２６，２８により挟持され、拘束される。このバンドによる拘束によって生じる荷重が、単電池１２に掛かる拘束荷重である。また、組電池１４内には、組電池の温度を検出するための温度センサ３０が備えられている。

充放電回路１８は、外部からの電力を組電池１４に充電し、また組電池１４に充電されている電力を放電する。制御装置２０は、制御部３２と記憶部３４を有する。制御部３２は、外部装置からの指令および組電池１４の状態に応じて充放電回路１８を制御する。組電池の状態は、充放電電流を積算するなどして得られた組電池に蓄えられている電力である蓄電量、組電池の温度、組電池に掛かっている拘束荷重等である。記憶部３４には、組電池の充放電制御に必要な情報が予め記憶されている。

図２は、組電池の蓄電量Ｃと拘束荷重Ｐと組電池の温度Ｔの関係を示す図である。一定の温度において、蓄電量Ｃが高くなると、拘束荷重Ｐが大きくなる傾向がある。図２において、等しい温度における蓄電量Ｃと拘束荷重Ｐの関係が１本の曲線（以下、等温特性線３６と記す。）で示されている。図２においては、温度が異なる３本の等温特性線３６-1，３６-2，３６-3が示されており、特性線３６-2が温度が高い時（Ｔ＝Ｔ2 )、特性線３６-3が温度が低い時（Ｔ＝Ｔ3 ）、特性線３６-1が中間の温度の時（Ｔ＝Ｔ1 ）の特性を示している。図２から、同じ拘束荷重Ｐであれば、温度が高い時ほど、蓄電量Ｃが低いことが理解できる。

拘束荷重Ｐは、予めその下限値Ｐｕが定められており、この下限値を下回らないように、充放電の制御がなされる。つまり、拘束荷重が下限値Ｐｕを下回らないように、使用される蓄電量の範囲が定められている。温度Ｔ1 における特性に基づき、蓄電量の範囲を求めるとすれば、拘束荷重が下限値Ｐｕとなる等温特性線３６-1上の点Ａ1 を求め、このときの蓄電量Ｃ1 を蓄電量の使用範囲の下限値に定める。蓄電池の温度がＴ1 以上であれば、蓄電量をその下限値Ｃ1 以上に維持することで、拘束荷重を下限値Ｐｕ以上に維持することができる。しかし、組電池の温度がＴ1 より高い場合、蓄電量ＣがＣ1 以下となっても拘束荷重Ｐが下限値Ｐｕ未満とならない場合がある。温度Ｔ1 より高い温度Ｔ2 の等温特性線３６-2においては、拘束荷重がＰｕとなる点Ａ2 における蓄電量Ｃ2 まで、蓄電量を下げることができる。一方、蓄電池の温度がＴ1 より低い場合、蓄電量ＣがＣ1 以上であっても、拘束荷重ＰがＰｕ以下となる場合がある。温度Ｔ1 より低い温度Ｔ3 の等温特性線３６-3においては、蓄電量がＣ1 より高いＣ3 であっても、拘束荷重の下限値Ｐｕとなり（点Ａ3 ）、蓄電量Ｃをこれ以下にすることができない。

このように、組電池の温度が変化すると、拘束荷重がその下限値Ｐｕとなる蓄電量が変化する。温度が高い場合には、さらに組電池を放電させることが可能である一方、温度が低い場合は、放電を抑制する必要がある。

制御装置２０は、蓄電量を有効に利用できるように組電池の充放電を制御する。具体的には、制御装置２０の制御部３２は、組電池１４に掛かっている拘束荷重Ｐを取得する。この拘束荷重Ｐを監視し、これが下限値Ｐｕとなった（Ｐ＝Ｐｕ）ときの蓄電量を下限の蓄電量Ｃｕに定める。制御装置２０は、以降、この蓄電量の下限値Ｃｕに基づき、組電池の充放電を制御する。

拘束荷重Ｐは、組電池の温度、蓄電量を取得し、これらに基づき取得することができる。組電池の温度は、温度センサ３０により検出する。組電池の蓄電量は、制御装置２０が充放電量を常に監視し、これを積算することにより算出することができる。さらに、記憶部３４には、組電池の温度、蓄電量および拘束荷重の関係が予め記憶されている。これらの変数の関係は、図２に示されるように、２つの変数が決定されれば、もう１つの変数が決定される関係にある。よって、検出された温度、算出された蓄電量に、記憶部３４に記憶された関係を適用して、そのときの拘束荷重を算出することができる。

制御装置は、この拘束荷重Ｐを監視し、これが下限値Ｐｕとなった（Ｐ＝Ｐｕ）ときの蓄電量を下限の蓄電量Ｃｕに定める。制御装置２０は、以降、この蓄電量の下限値Ｃｕに基づき、組電池の充放電を制御する。また、組電池の蓄電量の中心蓄電量を、下限値Ｃｕから一定値（ΔＣ）オフセットさせた値（Ｃｕ＋ΔＣ）とすることができる。中心蓄電量は、組電池の蓄電量制御の目標となる値である。電気車両、ハイブリッド車両等に搭載される電池においては、回生電力を充電する余裕を残すために、蓄電量に余裕を持たす制御が行われている。すなわち、１００％より低い、例えば６０％程度の蓄電量を目標に充放電の制御がなされている。この目標値が中心蓄電量である。

通常、組電池は使用中に温度が高くなる。使用を停止した後、再び使用する場合には、温度が低下している場合が想定される。上記のように蓄電量の下限値Ｃｕを変更している場合、再使用時に拘束荷重Ｐが下限値Ｐｕを下回ることがあり得る。そこで、制御装置２０は、組電池の使用終了の指令があると、所定の温度（例えば−３０℃）のときに、拘束荷重が下限値Ｐｕ以上となる蓄電量Ｃまで充電を行い、その後終了の制御を行うようにできる。所定の温度における必要な蓄電量Ｃは、記憶部３４に予め記憶しておくことができる。電気車両、ハイブリッド車両等に搭載される電池においては、厳寒地で使用される場合、使用開始時に、−３０℃程度の場合が想定される。上記の温度、−３０℃は、この温度を想定している。

さらに、組電池の温度、蓄電量から拘束荷重を算出するのではなく、直接拘束荷重を検出するようにもできる。図３は、拘束荷重Ｐを直接検出する場合の電池システム４０の概略構成を示すブロック図である。前述の電池システム１０と共通の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。電池システム４０では、拘束荷重を検出するための圧力センサ４２が単電池１２と共に積層されている。圧力センサ４２の位置は、この実施形態では、積層される単電池１２の端とされている。拘束荷重Ｐを直接検出することにより取得した後は、前述の電池システム１０と同様に下限蓄電量Ｃｕの設定、中心蓄電量の設定等を行う。

さらに、拘束荷重を取得するのではなく、組電池の温度から蓄電量の下限値Ｃｕを定めることもできる。拘束荷重の下限値Ｐｕは固定値であるから、温度が決定されれば、そのときの蓄電量の下限値Ｃｕを決定することができる。つまり、等温特性線３６が定まれば、この曲線上のＰ＝Ｐｕを満たす点（例えば点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3）が定まり、これに対応する下限値（例えばＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3）が一意に定められる。この関係、すなわち温度とそのとき採用すべき蓄電量の下限値Ｃｕの関係を記憶部３４に記憶しておくことにより、検出された温度に基づき蓄電量の下限値Ｃｕを定めることができる。具体的には、制御部３２は、温度センサ３０からの信号を受信し、この信号が示す温度に対応した蓄電量の下限値Ｃｕを記憶部３４から読み出す。以降、この下限値Ｃｕに基づき、充放電回路１８の制御を行う。

以下に、本発明に関連する望ましい態様を示す。
（１）
複数の単電池を積層し、積層方向に拘束して構成された組電池の充放電の制御方法であって、
組電池の温度を検出し、組電池の蓄電量を算出し、
検出された組電池の温度と、算出された組電池の蓄電量と、予め記憶された組電池の温度および蓄電量と拘束荷重の関係から、拘束荷重を算出し、
算出された拘束荷重が予め定められている拘束荷重の下限値となったときの、当該組電池の蓄電量を、蓄電量の下限値と定め、
組電池の蓄電量が前記下限値以上となるよう充放電の制御を行う、組電池の充放電の制御方法。
（２）
複数の単電池を積層し、積層方向に拘束して構成された組電池の充放電の制御方法であって、
前記拘束により組電池に掛かる拘束荷重を検出し、
検出された拘束荷重が予め定められている拘束荷重の下限値となったときの、当該組電池の蓄電量を、蓄電量の下限値と定め、
組電池の蓄電量が前記下限値以上となるよう充放電の制御を行う、組電池の充放電の制御方法。
（３）
複数の単電池を積層し、積層方向に拘束して構成された組電池の充放電の制御方法であって、
組電池の温度を検出し、
予め記憶された、組電池の拘束荷重が予め定められている拘束荷重の下限値であるときの組電池の蓄電量と組電池の温度の関係と、検出された組電池の温度とに基づき蓄電量の下限値を定め、
組電池の蓄電量が前記下限値以上となるよう充放電の制御を行う、組電池の充放電の制御方法。

１０，４０電池システム、１２単電池、１４組電池、２０制御装置、３０温度センサ、３２制御部、３４記憶部、３６等温特性線、４２圧力センサ。

Claims

複数の単電池を積層し、積層方向に拘束して構成された組電池の充放電の制御方法であって、
前記拘束により組電池に掛かる拘束荷重を取得し、
取得された拘束荷重に基づき組電池の蓄電量の下限値を定め、
組電池の蓄電量が前記下限値以上となるよう充放電の制御を行う、組電池の充放電の制御方法。
請求項１に記載の組電池の充放電の制御方法であって、前記蓄電量の下限値に対し、一定量オフセットした値を蓄電量の制御範囲の中心に定める、組電池の充放電の制御方法。
請求項１または２に記載の組電池の充放電の制御方法であって、組電池の制御を終了する際には、−３０℃でも拘束荷重が確保される蓄電量以上に充電した後、制御を終了する、組電池の充放電の制御方法。