JP2015230817A - 二次電池システムおよび二次電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の劣化の進行を抑制する。
【解決手段】二次電池の動作を制御する二次電池システムであって、二次電池は正極および負極を有し、二次電池システムは、二次電池の電圧を検知する電圧検知手段と、二次電池の正極と負極の電位を計測する正／負極電位計測手段と、二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、二次電池の電圧及び電流からＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、計測される正極の電位と負極の電位をもとに、二次電池のＳＯＣ使用範囲を決定するＳＯＣ稼働量決定部を有する二次電池システム。
【選択図】図１２

Description

本発明は、二次電池システムおよび二次電池の制御方法に関する。

電力系統における産業用電池システムには、直列もしくは並列に接続された二次電池の状態を管理する電池制御回路が搭載されている。電池制御回路が管理する蓄電手段の状態としては、蓄電手段がどの程度まで充電されているか、あるいはどの程度放電可能な電荷量が残っているのかを示す充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）や電池の寿命の判断や劣化に応じた制御等を実現するために用いる劣化状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ：ＳＯＨ）が代表的な例である。

電池システムを構成する二次電池の劣化の進み方は、二次電池の温度や二次電池を構成する正極・負極の電位使用範囲に応じて異なる。正極・負極はそれぞれ個別に劣化し、結果として、電池性能の低下に繋がることから、電池の寿命の判断や劣化に応じた制御等を実現するためには、二次電池を構成する正極・負極それぞれの劣化状態や電位使用範囲を把握することが望ましい。

二次電池の電極の劣化を抑制することを目的として、特許文献１には、金属製の参照電極を有する二次電池と制御部を備えたリチウム二次電池の制御装置において、参照電極が有する基準電位に対する負極の電位が負の時、もしくは参照電極が有する基準電位に対する正極の電位が規定値以上のとき、二次電池への充電量を制御することで、充電に伴う負極での金属リチウムの析出や正極の結晶崩壊を抑制する技術が開示されている。

特開２００８−２７６９７２号公報

二次電池を構成する正極および負極は、各々の電位使用範囲によって、正極および負極の劣化の進み方が異なる。特許文献１の技術には、負極電位が負の場合、もしくは正極電位が所定値より高い場合、つまり高ＳＯＣにおける充電量の制限方法については、記載されているが、正極及び負極の電位使用範囲に応じて異なる劣化特性を充放電制御に反映する技術に関する記載はない。このため、電池システム設計時に設定したＳＯＣ使用範囲で電池を制御した場合、二次電池の劣化後に、正極及び負極の電位使用範囲の変化を捉えることが出来ず、結果として劣化を加速させる可能性がある。

本発明は、二次電池の劣化の進行を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

二次電池の動作を制御する二次電池システムであって、二次電池は正極および負極を有し、二次電池システムは、二次電池の電圧を検知する電圧検知手段と、二次電池の正極と負極の電位を計測する正／負極電位計測手段と、二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、二次電池の電圧及び電流からＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、計測される正極の電位と負極の電位をもとに、二次電池のＳＯＣ使用範囲を決定するＳＯＣ稼働量決定部を有する二次電池システム。

本発明により、二次電池の劣化の進行を抑制できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１における電池システムの全体構成を示す図 本発明の実施例１における電池の構成を示す図 本発明の実施例１におけるセルコントローラの全体構成を示す図 本発明の実施例１における電池のＳＯＣとＯＣＶ及び正極及び負極の放電容量（ｑｐ，ｑｎ）とＯＣＶ（ＯＣＶｐ、ＯＣＶｎ）の対応関係を示す図 本発明の実施例１におけるモジュールコントローラの全体構成を示す図 本発明の実施例１におけるシステムコントローラの全体構成を示す図 本発明の実施例１における電池の等価回路を示す図 本発明の実施例１における充放電期間中の正極及び負極の電位滞在頻度を示す図 本発明の実施例１における正極・負極の電位に応じたＳＯＣ稼働量（ΔＳＯＣｔ）の対応関係を示す図 本発明の実施例１におけるモジュールコントローラ及びシステムコントローラの動作を示すフローチャート 本発明の実施例１における黒鉛負極の膨張収縮特性例を示す図 本発明の実施例１におけるＳＯＣ稼動量（ΔＳＯＣ）の変化を示す図 本発明の実施例１における効果を説明する図 本発明の実施例２における電池容量の劣化を説明する図（１） 本発明の実施例２における電池容量の劣化を説明する図（２） 本発明の実施例２におけるモジュールコントローラの全体構成を示す図 本発明の実施例２におけるシステムコントローラの全体構成を示す図 本発明の実施例２における正極及び負極の劣化状態検出手法の説明図（１） 本発明の実施例２における正極及び負極の劣化状態検出手法の説明図（２） 本発明の実施例２におけるモジュールコントローラの動作を示すフローチャート 本発明の実施例２におけるシステムコントローラの動作を示すフローチャート 本発明の実施例２におけるＳＯＣ使用範囲変更方法の説明図 本発明の実施例２におけるＳＯＣ使用範囲変化の様子を示す図 本発明の実施例２における効果を説明する図 本発明の実施例３におけるモジュールコントローラの全体構成を示す図 本発明の実施例３におけるＳＯＣ使用範囲修正方法を説明する図 本発明の実施例３におけるモジュールコントローラの動作を示すフローチャート 本発明の実施例３における効果を示す図

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

以下に説明する実施例では、蓄電部を構成する蓄電器にリチウムイオン二次電池を適用した場合を例に挙げて説明する。蓄電器としては、他にもニッケル水素電池や鉛電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどを用いることもできる。以下に説明する実施例の構成は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）などの電動車両、ハイブリッド鉄道車両といった移動体用の電源を構成する電池システムにも適用できる。

本発明の実施例１を図１〜図１３に基づいて説明する。本実施例では、二次電池の正極電位と二次電池の負極電位をもとに二次電池のＳＯＣ使用範囲を決定する、具体的には、二次電池の正極電位、二次電池の負極電位、二次電池の電流および二次電池の温度に基づき、二次電池のＳＯＣ稼動量（ΔＳＯＣ）を変化させることで二次電池の劣化を抑制する例について述べる。以下に説明する実施例では、電力系統における産業用電池システムに対して適用した場合を例に挙げて説明する。

電池システム１００（二次電池システム）の構成について説明する。電池システム１００は、複数の単電池１１１から構成される組電池１１０と、単電池１１１の状態を監視するセルコントローラ１２０（１２０ａ、１２０ｂ）と、電池システム１００に流れる電流を検知する電流検知手段１３０と、組電池１１０の総電圧を検知する電圧検知手段１４０と、組電池１１０の制御を行うモジュールコントローラ１５０と、組電池１１０、単電池１１１、単電池群１１２の電池特性に関する情報を格納するデータベース部１６０で構成される。

モジュールコントローラ１５０は、セルコントローラ１２０から送信される単電池１１１の電池電圧や温度、電流検知手段１３０から送信される電池システム１００に流れる電流値、電圧検知手段１４０から送信される組電池１１０の総電圧値が入力されており、入力された情報をもとに組電池１１０の状態検知などを行う。また、モジュールコントローラ１５０が行う処理の結果は、セルコントローラ１２０やシステムコントローラ２００に送信される。システムコントローラ２００は、モジュールコントローラ１５０からの情報を基に、電池システム１００とリレー３００及びリレー３１０を介して接続される変換器４００を制御する。

組電池１１０は、電気エネルギーの蓄積及び放出（直流電力の充放電）が可能な複数の単電池１１１（リチウムイオン二次電池）を電気的に直列に接続して構成される。単電池１１１には、詳細は後述するが、電池の端子電圧Ｖｃｅｌｌを測定するための端子の他に、電池を構成する正極の電位Ｖｐと負極の電位Ｖｎを計測するための端子を備えており、セルコントローラ１２０（１２０ａ、１２０ｂ）は、１つの単電池１１１からＶｃｅｌｌ、Ｖｐ、Ｖｎを計測する。単電池１１１は、単電池電圧が３．０〜４．２Ｖ（平均出力電圧：３．６Ｖ）であるとした場合を例に挙げて説明するが、これ以外の電圧仕様のものでも構わない。

直列に接続された単電池１１１は、状態の管理・制御を行う上で、所定の単位数にグループ分けが行われている。所定の単位数は、例えば１個、４個、６個・・・というように、等区分とする場合もあれば、４個と６個とを組み合わせる、というように、複合区分とする場合もある。

単電池１１１の状態を監視するセルコントローラ１２０は、上記のようにグループ分けされた１つ以上の単電池１１１に対して１つのセルコントローラ１２０が割り当てられている。セルコントローラ１２０は、割り当てられた１つ以上の単電池１１１からの電力を受けて動作し、割り当てられた１つ以上の単電池１１１の情報を収集し、収集した情報を、モジュールコントローラ１５０に送信する。

本実施例におけるセルコントローラ１２０とモジュールコントローラ１５０との通信手段について説明する。セルコントローラ１２０は、隣接するセルコントローラ１２０及びモジュールコントローラ１５０と通信線でループ状に接続されている。図１における最上位のセルコントローラ１２０ａは、計測した単電池群１１２ａの情報を隣接するセルコントローラ１２０へ出力し、セルコントローラ１２０ａの情報を受信したセルコントローラ１２０は、自身が計測した単電池群１１２ａの情報と合わせて、隣接するセルコントローラ１２０へ送信する。これを繰り返し、最下位のセルコントローラ１２０ｂが単電池群１１２ｂの情報を収集したら、最上位から最下位までの各セルコントローラ１２０が計測した単電池１１１の情報をモジュールコントローラ１５０に送信する。

各セルコントローラ１２０が計測した単電池１１１の情報を入力として、モジュールコントローラ１５０は、各単電池１１１の情報をもとに、各単電池１１１の状態を演算する。モジュールコントローラ１５０が演算した単電池１１１の情報は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信手段を用いて、システムコントローラ２００へ送信される。セルコントローラ１２０とモジュールコントローラ１５０の情報を伝送するループ接続は、デイジーチェーン接続あるいは数珠繋ぎ接続もしくは芋づる式接続と呼ぶ場合もある。本実施例では、上記接続及び通信形態を採用した場合を例に説明を進めるが、モジュールコントローラ１５０とセルコントローラ１２０との間の通信を実現できる構成であれば、他の通信手段を用いてもよい。

次に、単電池１１１の構成について図２に基づき述べる。図２に、単電池１１１の構成例を示す。単電池１１１は、正極材１１１−１と、負極材１１１−２と、正極材１１１−１と負極材１１１−２の電気化学的な反応に伴って発生する電気エネルギーを外部負荷へ取り出すための正極集電箔１１１−３及び負極集電箔１１１−４と、リチウムイオンが正極（正極材１１１−１および正極集電箔１１１−３で構成される）から負極（負極材１１１−２および負極集電箔１１１−４で構成される）へ、もしくは負極から正極へ移動する際の通り道となる電解液１１１−５と、単電池１１１の内部で正極と負極を隔離し、かつ正極と負極の間のイオン伝導性を確保するためのセパレータ１１１−６と、正極及び負極の電位を計測するための参照極１１１−７と、を有する。

例えば、正極材１１１−１中の正極活物質には、リチウム金属酸化物を、負極材１１１−２中の負極活物質には、グラファイトなどの炭素材が用いられる。電解液１１１−５は、リチウム塩とエチレンカーボネートのような溶媒を含む。また、参照極１１１−７には、リチウム金属化合物などが用いられ、リチウム金属に対する正極の電位を正極電位、リチウム金属に対する負極の電位を負極電位として、計測出来るような構成となっている。尚、電池電圧は、正極と負極の間の電位差として計測される。

本実施例におけるセルコントローラ１２０の全体構成について図３に基づいて述べる。図３は、セルコントローラ１２０の回路構成を示す図である。セルコントローラ１２０は、セル電圧検出回路１２１−１、正極電位検出回路１２１−２、負極電位検出回路１２１−３、温度検知部１２２、制御回路１２３、信号入出力回路１２４を備える。セル電圧検出回路１２１−１は、各単電池１１１の電池電圧を、正極電位検出回路１２１−２は正極電位を、負極電位検出回路１２１−２は、負極電位を測定する。正極電位検出回路１２１−２および負極電位検出回路１２１−２を併せて、正／負極電位計測手段と称する。温度検知部１２２は、セルコントローラ１２０が監視する各単電池１１１の温度を測定する。制御回路１２３は、セル電圧検出回路１２１−１、正極電位検出回路１２１−２、負極電位検出回路１２１−３、および温度検知部１２２からの測定結果を受け取り、信号入出力回路１２４を介してモジュールコントローラ１５０に送信する。なお、セルコントローラ１２０に一般的に実装される、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池１１１間の電圧ばらつきを均等化する回路構成は、記載を省略した。

図３におけるセルコントローラ１２０が備える温度検知部１２２は、直列に接続された単電池１１１の温度を測定する機能を有する。温度検知部１２２は、直列に接続された単電池１１１全体として１つの温度を測定し、直列に接続された単電池１１１の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部１２２が測定した温度は、単電池１１１の状態を検知するための各種演算に用いられる。

データベース部１６０に格納されているデータについて、図４に基づき説明する。図４は、電池のＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）及び正極・負極の放電容量と正極・負極のＯＣＶ（ＯＣＶｐ、ＯＣＶｎ）の対応関係を示す図である。データベース部１６０は、単電池１１１のＳＯＣとＯＣＶの対応関係、内部抵抗特性、分極抵抗特性、正極及び負極の特性など各種電池特性情報をＳＯＣや温度等各種パラメータとの対応関係を記述したデータテーブルとして格納している。例として、図４（ａ）には単電池１１１のＳＯＣとＯＣＶの対応関係を、図４（ｂ）には単電池１１１を構成する正極の放電容量（ｑｐ）とＯＣＶ（ＯＣＶｐ）の対応関係を、図４（ｃ）には単電池１１１を構成する負極の放電容量（ｑｎ）とＯＣＶ（ＯＣＶｎ）の対応関係を示している。図４は、横軸をＳＯＣもしくは放電容量とした場合のＯＣＶ特性を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図４（ｂ）（ｃ）の横軸を、正極及び負極それぞれで規定される満充電容量に対してどの程度放電出来るのかを示す値として正極充電状態（ＳＯＣｐ）、負極充電状態（ＳＯＣｎ）をそれぞれ定義し、これらを横軸としても良い。また、データベース部１６０に格納させるデータ形式にデータテーブルを用いたが、ＯＣＶとＳＯＣとの対応関係を数式などで表現しても良く、データテーブルという形に限定されるものではない。

電池システム１００を構成するモジュールコントローラ１５０について、図５に基づき述べる。モジュールコントローラ１５０は、正／負極ＯＣＶ検出部１５１とＳＯＣ演算部１５２とＳＯＨ演算部１５３とＳＯＣ稼働量決定部１５４から構成される。

正／負極ＯＣＶ検出部１５１はセルコントローラ１２０が検知した正極電位Ｖｐ、負極電位Ｖｎ、電池温度Ｔ及び電流検知手段１３０が検知した電流Ｉを入力とし、単電池１１１の正極ＯＣＶ（ＯＣＶｐ）、負極ＯＣＶ（ＯＣＶｎ）を演算し、ＳＯＣ稼働量決定部１５４へ出力する。

ＳＯＨ演算部１５３は、セルコントローラ１２０が検知した電池電圧Ｖｃｅｌｌ、電池温度Ｔ、電流検知手段１３０が検知した電流Ｉを入力とし、後述する単電池１１１の内部抵抗の上昇率（ＳＯＨＲ）、正極内部抵抗上昇率（ＳＯＨＲｐ）、負極内部抵抗上昇率（ＳＯＨＲｎ））と電池容量の減少率（ＳＯＨＱ）を演算し出力する。ＳＯＣ演算部１５２は、セルコントローラ１２０が検出する電池電圧Ｖｃｅｌｌ、電池温度Ｔ及び電流検知手段１３０が検知した電流Ｉ、ＳＯＨ演算部１５３が演算する単電池１１１の内部抵抗の上昇率（ＳＯＨＲ）を入力とし、単電池１１１のＳＯＣを演算し、システムコントローラ１６０へ出力する。

ＳＯＣ稼働量決定部１５４は、正／負極ＯＣＶ検知部１５１が検出したＯＣＶｐ、ＯＣＶｎをもとにＯＣＶｐとＯＣＶｎを基に、滞在頻度の高いＯＣＶｐ、ＯＣＶｎに対応したＳＯＣ稼働範囲（ΔＳＯＣｔ）を決定し、出力する。換言すれば、ＳＯＣ稼働量決定部１５４は、計測される正極の電位と負極の電位をもとに、二次電池のＳＯＣ使用範囲を決定する。

次に電池システム１００を構成するシステムコントローラ２００について、図６に基づき述べる。システムコントローラ２００を構成する充放電制御手段決定部２０１は、モジュールコントローラ１５０が出力するＳＯＣ、ΔＳＯＣｔと電力系統を監視するシステム（図示しない）から送信される出力指令値を入力として、変換器４００の制御指令を出力する。システムコントローラ２００から出力される制御指令に基づき、変換器４００を制御することで、電池システム１００の充放電が制御される。本実施例では、モジュールコントローラ１５０から出力されるＳＯＣを任意の時間幅内（例えば、１０分）で平均化して取得した中心ＳＯＣに対して、ΔＳＯＣｔ以内に収まるように充放電を制御する。

モジュールコントローラ１５０を構成する正／負極ＯＣＶ検知部１５１が出力するＯＣＶｐ、ＯＣＶｎの演算方法を、図７に基づいて述べる。図７は、単電池１１１の簡易的な等価回路を示している。図７中のＶｃｅｌｌは単電池電圧、Ｖｐは正極電位、ＯＣＶｐは正極ＯＣＶ、Ｒｐは正極内部抵抗、Ｒｅは電解液抵抗、Ｖｎは負極電位、ＯＣＶｎは負極ＯＣＶ、Ｒｎは負極内部抵抗、Ｉは電流を表している。ある電流Ｉが通電した場合の電池電圧Ｖｃｅｌｌは、以下の式（１）〜（３）に基づいて算出される。尚、電流Ｉは充電時に＋、放電時に−の値をとるものとした。

Ｖｃｅｌｌ＝Ｖｐ＋Ｉ×Ｒｅ−Ｖｎ・・・式（１）
Ｖｐ＝（ＯＣＶｐ＋Ｉ×Ｒｐ）・・・式（２）
Ｖｎ＝（ＯＣＶｎ−Ｉ×Ｒｎ）・・・式（３）
上記式（２）（３）より、充放電期間中のＯＣＶｐ及びＯＣＶｎは、後述する劣化に伴う正極及び負極の内部抵抗の上昇率（ＳＯＨＲｐ，ＳＯＨＲｎ）を反映した形で表すと、以下の式（４）及び（５）のように表せる。

ＯＣＶｐ＝Ｖｐ−Ｉ×Ｒｐ０×ＳＯＨＲｐ／１００・・・式（４）
ＯＣＶｎ＝Ｖｎ＋Ｉ×Ｒｎ０×ＳＯＨＲｎ／１００・・・式（５）
尚、式（４）（５）に含まれる新品時の正極内部抵抗Ｒｐ０及び負極内部抵抗Ｒｎ０は、正極容量ｑｐ及び負極容量ｑｎや温度Ｔとの間に対応関係があるため、正極容量ｑｐ及び負極容量ｑｎとの間の対応関係を予めデータベース部１６０に予め実装しておくことで、ＯＣＶｐとＯＣＶｎを演算することが出来る（式（６）（７））。また、式（４）（５）に含まれるｑｐ及びｑｎは、ＯＣＶｐとｑｐ及びＯＣＶｎとｑｎの間の図４（ｂ）（ｃ）に示すような対応関係をデータベース部１６０に予め実装しておくことで、演算したＯＣＶｐ及びＯＣＶｎから取得することが出来る（式（８）（９））。

Ｒｐ０＝ＲｐＭａｐ（ｑｐ，Ｔ）・・・式（６）
Ｒｎ０＝ＲｎＭａｐ（ｑｎ，Ｔ）・・・式（７）
ｑｐ＝ｑｐＭａｐ（ＯＣＶｐ）・・・式（８）
ｑｎ＝ｑｎＭａｐ（ＯＣＶｎ）・・・式（９）
モジュールコントローラ１５０を構成するＳＯＣ演算部１５２が出力するＳＯＣの演算方法について述べる。充放電期間中の電池電圧Ｖｃｅｌｌから、電流Ｉ、電池の内部抵抗Ｒｃｅｌｌ０、後述するＳＯＨＲに基づきＯＣＶを求め、求めたＯＣＶから予めデータベース部１６０に実装しておくＳＯＣとＯＣＶの対応関係に基づき、ＳＯＣを演算する。（式（１０）（１１））
ＯＣＶ＝Ｖｃｅｌｌ−Ｉ×Ｒｃｅｌｌ０）×ＳＯＨＲ／１００・・・式（１０）
ＳＯＣ＝ＯＣＶＭａｐ（ＯＣＶ）・・・式（１１）
ここで、式（１０）に含まれる新品時における電池の内部抵抗Ｒｃｅｌｌ０は、電池の等価回路を図７と仮定すると、Ｒｐ０、Ｒｎ０とＲｅ０の総和として表現することも可能であるが、ここでは、簡単のため予めデータベース部１６０にＳＯＣ、温度Ｔに応じた電池の内部抵抗特性を実装しておく事とする。（式（１２））
Ｒｃｅｌｌ０＝ＲｃｅｌｌＭａｐ（ＳＯＣ，Ｔ）・・・式（１２）
モジュールコントローラ１５０を構成するＳＯＨ演算部１５３が出力するＳＯＨ（ＳＯＨＱ、ＳＯＨＲ）の演算方法について述べる。ＳＯＨＱは、電池容量の減少率（容量維持率）として、以下の式（１３）と定義する。

ＳＯＨＱ＝１００×Ｑｍａｘ１／Ｑｍａｘ０・・・式（１３）
ここで、Ｑｍａｘ０は新品時の電池の満充電容量、Ｑｍａｘ１は劣化後の電池の満充電容量を示しており、Ｑｍａｘ１は、以下の式（１４）から演算される。

Ｑｍａｘ１＝∫Ｉｄｔ／（（ＳＯＣ１−ＳＯＣ２）／１００）・・・式（１４）
式（１１）中のＳＯＣ１及びＳＯＣ２は、ＳＯＣとＯＣＶの対応関係に基づき算出された２点のＳＯＣであり、∫Ｉｄｔは、ＳＯＣがＳＯＣ１からＳＯＣ２に至るまでに実際に変化した充放電電気量（電流の積分値）を示している。また、ＳＯＨＲを電池の内部抵抗上昇率、ＳＯＨＲｐは正極の内部抵抗上昇率、ＳＯＨＲｎは負極の内部抵抗上昇率として、式（１５）〜（１７）のように定義する。

ＳＯＨＲ＝１００×Ｒｃｅｌｌ１／Ｒｃｅｌｌ０・・・式（１５）
ＳＯＨＲｐ＝１００×Ｒｐ１／Ｒｐ０・・・式（１６）
ＳＯＨＲｎ＝１００×Ｒｎ１／Ｒｎ０・・・式（１７）
式（１５）〜（１７）に含まれるＲｃｅｌｌ１、Ｒｐ１、Ｒｎ１は、劣化後における電池、正極、負極それぞれの内部抵抗を示しており、電池に流れる電流Ｉ、電池電圧Ｖｃｅｌｌ、正極電位Ｖｐ、負極電位Ｖｎを用いて、以下の式（１８）〜（２０）から求めることが出来る。

Ｒｃｅｌｌ１＝ΔＶｃｅｌｌ／ΔＩ・・・式（１８）
Ｒｐ１＝ΔＶｐ／ΔＩ・・・式（１９）
Ｒｎ１＝ΔＶｎ／ΔＩ・・・式（２０）
式（１８）〜（２０）に含まれるΔＶｃｅｌｌ、ΔＶｐ、ΔＶｎはそれぞれ、電流がΔＩだけ変化した時の電池電圧、正極電位、負極電位の変化である。

モジュールコントローラ１５０を構成するＳＯＣ稼動量決定部１５４について、図８〜図１０に基づいて述べる。ＳＯＣ稼動量決定部１５４は、正／負極ＯＣＶ検知部１５１が出力するＯＣＶｐ、ＯＣＶｎの検知結果から、頻度の高いＯＣＶｐ（高滞在頻度正極ＯＣＶ）、頻度の高いＯＣＶｎ（高滞在頻度負極ＯＣＶ）を取得（図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ））し、取得した高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶに基づき、ＳＯＣ稼動量（ΔＳＯＣｔ）を決定する。高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶに対応するΔＳＯＣｔは、予めデータベース部１６０に高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶに応じた、図９に示すようなデータテーブルとして、実装しておけばよい。

次に、図１０に基づき、本実施例におけるモジュールコントローラ１５０及びシステムコントローラ２００の動作を説明する。図１０（ａ）は、モジュールコントローラ１５０のフローチャートを、図１０（ｂ）は、システムコントローラ２００のフローチャートを示している。

図１０（ａ）に基づき、モジュールコントローラ１５０の動作を述べる。Ｓ１１０で、正／負極ＯＣＶ検知部１５１が検知したＯＣＶｐ、ＯＣＶｎが所定数以上に達したかを判定し、ＯＣＶｐ、ＯＣＶｎを所定数以上取得した場合は、Ｓ１１１へ進む。Ｓ１１１では、取得したＯＣＶｐ、ＯＣＶｎから高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶを取得する。Ｓ１１２では、高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶに基づき、ＳＯＣ稼動量（ΔＳＯＣｔ）を求め、Ｓ１１３へ進み、Ｓ１１３では、決定したΔＳＯＣｔをシステムコントローラ２００へ送信する。

図１０（ｂ）に基づき、システムコントローラ２００の動作を述べる。Ｓ１２０では、システムコントローラ２００がモジュールコントローラ１５０から送信されるΔＳＯＣｔを受信したか否かを判定する。ΔＳＯＣｔを受信したと判定したら、Ｓ１２１へ進む。Ｓ１２１では、モジュールコントローラ１５０から送信されるＳＯＣの時系列データから、任意の時間幅における中心ＳＯＣを算出し、Ｓ１２２へ進む。Ｓ１２２では、算出した中心ＳＯＣに対して、モジュールコントローラ１５０から送信されたΔＳＯＣｔの範囲内に入るように、変換器４００を制御し、電池システム１００を充放電させる。

本発明の効果を、図１１〜図１３に基づいて述べる。本実施例における効果は、単電池１１１を構成する負極の電極材料に黒鉛を適用した場合を例に挙げて述べる。黒鉛負極は、充放電に伴い、膨張収縮を起こすことが知られており、膨張収縮に伴い、正極や負極の活物質にクラックが生じ、結果として電池性能を低下させる可能性がある。膨張収縮の度合いは、黒鉛負極の電位使用範囲によって異なる。

図１１に、黒鉛負極の膨張収縮特性例を示した。図１１（ａ）は、横軸にＳＯＣをとり、縦軸に黒鉛負極のＯＣＶカーブ（実線）と電極の膜厚（点線）を示したグラフである。このグラフからＳＯＣ０％からＳＯＣ２０％付近と、ＳＯＣ６０％以上の範囲では、電極の膜厚が増加傾向にあり、ＳＯＣ２０％からＳＯＣ６０％付近でのプラトー領域では、電極の膜厚は増加していないことが分かる。

図１１（ｂ）には、ＳＯＣに応じた膜厚変化量を示した。図１１（ｂ）から、電池を使用しているときのＳＯＣ（負極の電位範囲）に応じて、同一のΔＳＯＣでも、ΔＳＯＣに対応する膜厚の変化量は異なることが分かる。従って、高ＳＯＣもしくは低ＳＯＣの領域では、電池システム１００の充放電に伴い、黒鉛負極の膨張収縮量が大きくなることから、ΔＳＯＣを大きくとると、その分、単電池１１１の劣化を促進する可能性があることが分かる。一方で、ＳＯＣ２０％からＳＯＣ６０％付近では、ΔＳＯＣに対して、膨張収縮に伴う膜厚変化量が小さいため、ΔＳＯＣを大きくとっても、膨張収縮に伴う劣化の影響は小さくなると考えられる。

そこで、本実施例では、図１１（ｃ）に示すように、黒鉛負極のＯＣＶが膜厚変化の大きい領域にある場合は、中心ＳＯＣに対するＳＯＣ稼動量（ΔＳＯＣ）を小さくすることで、劣化加速を抑制し、一方で、膨張収縮による影響が小さい範囲では、逆にΔＳＯＣを拡大することで、電池の劣化を抑制しつつ、電池の蓄えたエネルギーを最大限に活用できる制御を実現する。尚、本実施例では、黒鉛負極を例に説明しているが、これに限定したものではない。材料によって異なる正極及び負極の劣化特性に応じて、ＳＯＣ稼動量を決定すれば良い。

図１２に、本発明の第１実施例におけるＳＯＣ稼動範囲の変化の推移を示した。始め膨張収縮の大きい範囲にて、電池システム１００を使用している。時刻ｔ１にて、正／負極ＯＣＶ検知部１５１は、高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶを検出し、高滞在頻度負極ＯＣＶが膨張収縮の大きな範囲内にあることを検知すると、劣化の進行を抑制するため、システムコントローラ２００は、ΔＳＯＣが小さくなるように充放電を制御する。その後、負荷が充電過多になり、単電池１１１の正極及び負極の電位範囲が変化した場合、正／負極ＯＣＶ検知部１５１が再度、高滞在頻度正極ＯＣＶ、高滞在頻度負極ＯＣＶを取得し、時刻ｔ２でΔＳＯＣｔを再設定する。ここでは、時刻ｔ２で負極の電位が膨張収縮の小さな範囲にあると判定し、中心ＳＯＣに対するΔＳＯＣを拡大して充放電を制御する。

図１３に本実施例を適用した場合の劣化特性例を示す。図１３（ａ）には容量維持率を、図１３（ｂ）には抵抗上昇率の推移を示した。図１３（ａ）、図１３（ｂ）のＬ１１１、Ｌ１２１は、本実施例による制御を適用していない場合の容量維持率及び抵抗上昇率を、Ｌ１１２、Ｌ１２２は、本実施例による制御を適用した場合の容量維持率及び抵抗上昇率を示している。

本実施例による制御を適用していない場合、負極の膨張収縮による影響を考慮することが出来ないため、劣化の進行を抑制することが出来ていないのに対し、本実施例を適用すると、膨張収縮に伴う膜厚の変化を反映した制御が可能となるため、結果として、膜厚変化の大きい範囲で電池を使用している場合の劣化の進行を抑制出来る。また、膜厚変化の小さい範囲では、劣化が進行し難いため、ΔＳＯＣを拡大して制御を実施することで、電池の蓄えているエネルギーを最大限に活用することが出来る。

本実施例によれば、単電池１１１を構成する正極及び負極の正極及び負極の電位使用範囲を反映した充放電制御を実施できるため、結果として、単電池１１１の劣化の進行を抑制することができる。

本発明の実施例２を図１４から図２３に基づき述べる。尚、本実施例の説明において、実施例１と同様の構成要素については、説明を省略し、実施例１との差分点のみ述べる。

本実施例では、正極及び負極の容量劣化や副反応によるリチウムの減少を其々検出し、検出した結果に基づき、単電池１１１の劣化を抑制可能なＳＯＣ稼働範囲を決定する。

本実施例の詳細を述べる前に、まず電池の正極及び負極の容量劣化、副反応によるリチウムイオンの減少の様子を図１４及び図１５に基づき述べる。

図１４は、電池の正極及び負極それぞれの放電ＯＣＶ曲線を示した図であり、横軸に放電容量を、縦軸に正極及び負極の電位を示したグラフである。図１４（ａ）は、新品時における正極及び負極それぞれの放電ＯＣＶ曲線を示しており、図１４（ｂ）は、正極のみが劣化した場合を、図１４（ｃ）は負極のみが劣化した場合の放電ＯＣＶ曲線を示している。

電池の満充電容量を、正極電位と負極電位の差分となる電池電圧が、上限電圧Ｖｍａｘから下限電圧Ｖｍｉｎに至るまでに取り出せる容量と定義する。また、同様に図１４には図示しないが、正極及び負極それぞれについても、上限電位から下限電位に至るまでに取り出せる容量を正極及び負極の満充電容量と定義する。

正極のみが劣化した場合、正極の放電ＯＣＶ曲線が、図１４（ｂ）のように収縮（実線：劣化後、点線：新品時）し、結果として、電池の満充電容量が低下する。同様に、負極のみが劣化した場合、負極の放電ＯＣＶ曲線が、図１４（ｃ）のように収縮（実線：劣化後、点線：新品時）し、結果として、上述のように定義した電池の満充電容量が低下する。この時、正極及び負極それぞれの満充電容量（ｑｐ，ｍａｘ１、ｑｎ，ｍａｘ１））は、以下の式（２１）、（２２）で表せる。

ｑｐ，ｍａｘ１＝ｍｐ×ｑｐ，ｍａｘ０・・・式（２１）
ｑｎ，ｍａｘ１＝ｍｎ×ｑｎ，ｍａｘ０・・・式（２２）
ここで、ｑｐ，ｍａｘ１、ｑｎ，ｍａｘ１は其々、劣化後の正極及び負極の満充電容量を示しており、ｍｐ、ｍｎは、正極及び負極其々の劣化率を表している。

次に、図１５に基づき、正極及び負極で発生し得る副反応によるリチウムイオンの減少に伴う電池容量減少の様子ついて説明する。図１５（ａ）は、新品時における電池の正極と負極の放電ＯＣＶ曲線を示しており、図１５（ｂ）には、正極及び負極で副反応により、リチウムイオンが減少した場合の放電ＯＣＶ曲線を示している。まず、図１５（ａ）に基づき、副反応に伴う正極及び負極の放電ＯＣＶ曲線の変化を示すパラメータを定義する。電池のＯＣＶ曲線を、電池電圧（正極電位と負極電位の差）がＶｍａｘからＶｍｉｎに至るまでの範囲で見た時、電池電圧がＶｍａｘの時の放電容量を０とすると、正極の上限電位の位置が放電容量０の位置からＣｐだけずれる。同様に負極の下限電位の位置も放電容量０の位置からＣｎだけずれる。本実施例では、Ｃｐ、Ｃｎの差分を放電ＯＣＶ曲線の位置情報を表すパラメータ（以降、相対位置Ｃ）として定義する（式（２３））。

Ｃ＝Ｃｎ-Ｃｐ・・・式（２３）
正極及び負極側で副反応に伴ってリチウムイオンが減少すると、図１５（ｂ）のように正極位置Ｃｐと負極位置Ｃｎがそれぞれ変化し、結果として、ＣｐとＣｎの差分Ｃも変化する。本実施例では、劣化に伴い変化するＣの相対的な変化量を副反応によるリチウムイオン損失量として定義した。

Ｌｉｌｏｓｓ＝Ｃ（劣化後）-Ｃ（新品時）・・・式（２４）
電池の放電容量Ｑｄｉｓは、正極及び負極のＯＣＶに対応した新品時における単極の任意の放電容量（ｑｐ０、ｑｎ０）と、図１４、図１５に基づき説明した正極及び負極の劣化パラメータ（ｍｐ、ｍｎ）、正極及び負極での副反応に伴うリチウムイオンの減少量（Ｃｐ、Ｃｎ）を用いて、以下の式（２５）、（２６）のように表せる。

Ｑｄｉｓ＝ｍｐ×ｑｐ０-Ｃｐ・・・式（２５）
Ｑｄｉｓ＝ｍｎ×ｑｎ０-Ｃｎ・・・式（２６）
本実施例では、図１４、図１５及び式（２１）から式（２６）で定義した正極及び負極の劣化パラメータ（ｍｐ、ｍｎ）と副反応に伴うリチウムイオンの減少量（Ｃｐ、Ｃｎ）を把握し、制御へ反映させることで、劣化を抑制した充放電制御を実現する方法について述べる。

図１６に、本実施例におけるモジュールコントローラ１５０´の全体構成を示す。本実施例では、実施例１に記載した正／負極ＯＣＶ検知部１５１の代わりに、正／負極状態検知部１５１´を備えている。正／負極状態検知部１５１´は、正極及び負極の電位（Ｖｐ、Ｖｎ）と電流、温度、正極及び負極の内部抵抗上昇率（ＳＯＨＲｐ、ＳＯＨＲｎ）を入力とし、正極劣化率ｍｐ、負極劣化率ｍｎ、リチウム損失量Ｌｉｌｏｓｓを出力する。ＳＯＣ稼働量決定部１５４´は、正／負極状態検知部１５１´が出力した正極劣化率ｍｐ、負極劣化率ｍｎ、リチウム損失量Ｌｉｌｏｓｓを入力とし、ＳＯＣ稼働範囲（上限制御ＳＯＣ、下限制御ＳＯＣ、制御中心ＳＯＣ）を出力する。

本実施例におけるシステムコントローラ２００´について図１７に基づき述べる。システムコントローラ２００´を構成する充放電制御手段決定部２０１´は、ＳＯＣ稼働範囲（上限制御ＳＯＣ、下限制御ＳＯＣ、制御中心ＳＯＣ）、ＳＯＣ、電力系統からの出力指令値を入力として、変換器４００への制御指令を出力し、劣化を抑制可能なＳＯＣ範囲となるように、変換器４００を介して電池システム１００の充放電を制御する。ＳＯＣ稼働範囲（上限制御ＳＯＣ、下限制御ＳＯＣ、制御中心ＳＯＣ）は、正極及び負極劣化率（ｍｐ，ｍｎ）とリチウム損失量Ｌｉｌｏｓｓに応じた値であり、例えば、データベース部１６０に、ｍｐ、ｍｎ、Ｌｉｌｏｓｓに応じてデータベース化しておけばよい。

次に、モジュールコントローラ１５０´を構成する正／負極状態検知部１５１´について図１８、図１９に基づき述べる。図１８は、横軸に単極（正極及び負極）放電容量（ｑｐ０，ｑｎ０）を、縦軸に電池放電容量（Ｑｄｉｓ）を示したグラフである。単極の放電容量と電池の放電容量は、式（２５）（２６）のように線形の関係にある。従って、正極及び負極の単極容量と電池の放電容量のペアを劣化が進行しない時間幅内で複数取得し、直線近似することで、直線の傾きに相当する正極及び負極の劣化率（ｍｐ，ｍｎ）と、切片に相当するＣｐ、Ｃｎをそれぞれ求めることができ、Ｃｐ，Ｃｎから、相対位置となるＣを算出出来る。新品時における正極及び負極の単極容量（ｑｐ０，ｑｎ０）は、図４（ｂ）、図４（ｃ）のような正極及び負極其々の放電容量とＯＣＶの対応関係を予めデータベース１６０に格納しておけば、電池システム１００運用中の単電池１１１の正極ＯＣＶ（ＯＣＶｐ）及び負極ＯＣＶ（ＯＣＶｎ）に対応したｑｐ０，ｑｎ０を其々習得出来る。電池システム１００運用中の単電池１１１の正極ＯＣＶ（ＯＣＶｐ）及び負極ＯＣＶ（ＯＣＶｎ）は、式（４）（５）から演算しても良いし、電池システム１００が充放電を休止している時の安定した電位をＯＣＶｐ、ＯＣＶｎとして習得しても良い。また、電池の放電容量Ｑｄｉｓについては、図１６には図示していないが、例えば、電池のＳＯＣ演算結果を正／負極状態検知部１５１´へ入力し、以下の式（２７）に基づき演算すれば良い。

Ｑｄｉｓ＝Ｑｍａｘ１-Ｑｍａｘ１×ＳＯＣ／１００・・・式（２７）
図１９は、正極及び負極の劣化率（ｍｐ，ｍｎ）と相対位置Ｃを求める別手段を説明するための図である。図１９は横軸に単極の放電容量変化（Δｑｐ，Δｑｎ）を、縦軸に電池容量の変化量（ΔＱｄｉｓ）を取ったグラフである。式（２５）（２６）から、劣化が進行しないとみなせる時間幅内であれば、単極の放電容量変化（Δｑｐ，Δｑｎ）と電池容量の変化量（ΔＱｄｉｓ）の間には、線形の関係が成立する。（式（２８）（２９）
ΔＱｃｅｌｌ＝ｍｐ×Δｑｐ０・・・式（２８）
ΔＱｃｅｌｌ＝ｍｎ×Δｑｎ０・・・式（２９）
従って、ＯＣＶｐ、ＯＣＶｎから新品時におけるｑｐ０，ｑｎ０を２点取得し、差分となるΔｑｐ０、Δｑｎ０を抽出し、これと並行して２点間の電流積算量（電池の放電容量変化量ΔＱｃｅｌｌ）を電流検出手段１３０が計測する電流を積分することで求め、Δｑｐ０及びΔｑｎ０とΔＱｃｅｌｌの関係を直線近似することで、傾きに相当する正極及び負極の劣化率（ｍｐ，ｍｎ）を求めることが出来る。一方で、相対位置Ｃは、式（２５）（２６）及び式（２３）から、式（３０）のように表せることから、任意の点におけるＯＣＶｐ、ＯＣＶｎから求めたｑｐ０、ｑｎ０とｍｐ、ｍｎに基づき算出することが出来る。

Ｃ＝Ｃｐ-Ｃｎ
＝ｍｐ×ｑｐ０-Ｑｄｉｓ-（ｍｎ×ｑｎ０-Ｑｄｉｓ）
＝ｍｐ×ｑｐ０-ｍｎ×ｑｎ０・・・式（３０）
上述した手法により求めた相対位置Ｃを新品時におけるＣ（新品時）との相対的な変化と定義したＬｉｌｏｓｓとして算出（式（２４））し、ｍｐ、ｍｎの演算結果と併せて、ＳＯＣ稼働量決定部１５４´へ出力する。

実施例２におけるモジュールコントローラ１５０´とシステムコントローラ２００´の動作を図２０（ａ）、図２０（ｂ）に基づき説明する。図２０（ａ）は、モジュールコントローラ１５０´のフローチャートを、図２０（ｂ）は、システムコントローラ２００´のフローチャートを示している。

図２０（ａ）に基づき、モジュールコントローラ１５０´の動作を述べる。Ｓ２１０で、正／負極状態検知部１５１´が正極及び負極劣化率（ｍｐ，ｍｎ）及びリチウム損失量（Ｌｉｌｏｓｓ）を検知したかを判定する。取得したと判定された場合は、Ｓ２１１へ進み、ｍｐ、ｍｎ、Ｌｉｌｏｓｓに応じた上下限制御ＳＯＣ及び制御中心ＳＯＣを決定し、Ｓ２１２へ進む。Ｓ２１２では、決定した上下限制御ＳＯＣ及び制御中心ＳＯＣをシステムコントローラ２００´へ送信する。

次に、図２０（ｂ）に基づき、システムコントローラ２００´の動作を述べる。Ｓ２２０で、モジュールコントローラ１５０´が送信したＳＯＣ稼働範囲（上下限制御ＳＯＣ、制御中心ＳＯＣ）を新規に受信したかどうかを判定する。

ＳＯＣ稼働範囲を新規に受信していない場合は、Ｓ２２６へ進み、ＳＯＣ稼働範囲を新規に受信した場合は、Ｓ２２１へ進む。

Ｓ２２１では、新規に受信したＳＯＣ稼働範囲内で充放電を制御しているかを判定する。新規に受信したＳＯＣ稼働範囲内で充放電を制御している場合は、Ｓ２２６へ、新規に受信したＳＯＣ稼働範囲内で充放電を制御していない場合は、Ｓ２２２へ進む。

Ｓ２２２では、受信した制御中心ＳＯＣが現在の制御中心ＳＯＣよりも高いか否かを判定し、高いと判定された場合には、Ｓ２２３へと進んで、変換器４００を充電過多モードで制御する。一方で、受信した制御中心ＳＯＣが現在の制御中心ＳＯＣよりも低い場合には、Ｓ２２４へ進み、変換器４００を放電過多モードで制御する。

次に、Ｓ２２５では、目標とするＳＯＣ稼働範囲内に変更されたかを判定し、変更されたと判定された場合には、Ｓ２２６へ進み、設定したＳＯＣ稼働範囲内で電池システム１００の充放電を制御する。

本発明の効果を、図２１〜２３に基づいて述べる。本実施例における効果は、実施例１と同様に単電池１１１を構成する負極の電極材料に黒鉛を適用した場合を例に挙げて述べる。

図２１には、横軸に、電池の放電容量を、縦軸には正極及び負極のＯＣＶを示した。実施例１で述べたように、黒鉛負極は電位に応じて、膜厚の変化量が異なるため、膜厚変化量が大きい範囲で電池を使用すると、劣化を加速させる可能性がある。そこで、図２１（ａ）に示すように、電池の劣化の加速を回避出来るよう、新品時は、膨張収縮の影響が小さい範囲でＳＯＣを稼働させる。しかしながら、図２１（ｂ）に示すように劣化に伴い、電池の放電容量に対するＯＣＶ曲線の位置は変化する。このため、結果として、同じΔＳＯＣで電池システム１００を運用していたとしても、膨張収縮の大きい電位範囲で電池を使用することになり、膨張収縮に伴う劣化を加速させることになる。そこで、本実施例では、図２１（ｃ）に示すように、正極及び負極の劣化率及びリチウム損失量に基づき、膨張収縮の小さいＯＣＶ範囲を把握し、膨張収縮の小さい範囲となるように電池システム１００のＳＯＣを制御する。

図２２には、本実施例におけるＳＯＣの変化を示した。上限ＳＯＣは、電池を制御する上で上回ってはいけないＳＯＣ、下限ＳＯＣは、制御する上で下回ってはいけないＳＯＣ、制御中心ＳＯＣは、充放電中に、上下限のＳＯＣを超えないよう、上下限両方に対してマージンをもたせるために設定しているものである。一般に、制御中心ＳＯＣは、上限と下限のちょうど真ん中に設定される。例えば、ＨＥＶでは、ＳＯＣ５０％を中心に電池が使用される。

新品時では、電池システム設計時に設定したＳＯＣ稼働範囲（上限制御ＳＯＣ１、下限制御ＳＯＣ１、制御中心ＳＯＣ１）にて電池を制御する。ある時刻ｔ１において、正極及び負極の劣化率とリチウム損失量が更新され、更新された結果に応じたＳＯＣ稼働範囲（上限制御ＳＯＣ２、下限制御ＳＯＣ２、制御中心ＳＯＣ２）となるように制御し、新規に設定したＳＯＣ稼働範囲内で電池システム１００の充放電を制御する。図２２では、一例として、黒鉛負極側での副反応に伴い、負極の電位範囲が変化した場合を想定した。このような場合、図２２に示すように劣化後に設定すべきＳＯＣ稼働範囲は、正極及び負極の劣化率とリチウム損失量が更新される前と比較して高い領域となる。このため、システムコントローラ２００´は、電池システム１００のＳＯＣ稼働範囲が高くなるように、変換器４００を、充電過多モードで制御する。

図２３に本発明を適用した場合の劣化特性例を示す。図２３（ａ）には容量維持率を、図２３（ｂ）には抵抗上昇率の推移を示した。図２３（ａ）（ｂ）のＬ２１１、Ｌ２２１は、本実施例による制御を適用していない場合の容量維持率、抵抗上昇率を、Ｌ２１２、Ｌ２２２は、本実施例による制御を適用した場合の容量維持率、抵抗上昇率を示している。本実施例による制御を適用していない場合、負極の膨張収縮による影響を考慮することが出来ないため、劣化の進行を抑制することが出来ていないのに対し、本実施例を適用すると、膨張収縮に伴う膜厚の変化が大きい範囲での電池の使用を回避し、膨張収縮による劣化を抑制した制御が可能となるため、結果として、劣化の進行を抑制出来る。

本実施例によれば、単電池１１１を構成する正極及び負極の劣化率とリチウム損失量に対応した適切なＳＯＣ稼働範囲を設定することで、正極及び負極それぞれの劣化を抑制することができ、結果として、単電池１１１の劣化を抑制することができる。

本発明の実施例３を図２４から図２７に基づき述べる。尚、本実施例の説明において、実施例１及び実施例２と同様の構成要素については、説明を省略し、実施例１及び実施例２との差分点のみ述べる。

本実施例では、電池の劣化を抑制するために設定したＳＯＣ稼働範囲で制御しているにも関わらず、劣化の進行を抑制出来なかった場合に、予め実装しておいたＳＯＣ稼働範囲を修正し、修正後のＳＯＣ稼働範囲で充放電を制御することで、単電池１１１の劣化を抑制する。具体的には、電池のＳＯＨＱ及びＳＯＨＲの変化率（劣化速度）を算出し、予め実装しておいた劣化速度と実際の劣化速度との間に乖離が生じていた場合に、予め決めておいたＳＯＣ稼働範囲を修正し、修正後のＳＯＣ稼働範囲でＳＯＣを制御する。

本発明におけるモジュールコントローラ１５０´´の全体構成を図２４に示す。本実施例では、実施例２の構成に、ＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５を追加した場合について述べることとし、ＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５の出力となるＳＯＣ稼働範囲修正要否を示すフラグ（修正要否判定フラグ）をＳＯＣ稼働量決定部１５４´´へ入力する構成とした。ＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５は、ＳＯＨ演算部１５３が出力するＳＯＨＱ、ＳＯＨＲと電池温度Ｔを入力として、ＳＯＣ稼働範囲の修正要否を判定して出力する。ＳＯＣ稼働量決定部１５４´´は、正／負極状態検知部１５１´が出力するｍｐ、ｍｎ、ＬｉｌｏｓｓとＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５が出力する修正要否判定フラグを入力とし、ＳＯＣ稼働範囲の修正が必要だった場合には、予め実装しておいたＳＯＣ稼働範囲（上限制御ＳＯＣ、下限制御ＳＯＣ、制御中心ＳＯＣ）を修正して出力する。

ＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５について、図２５に基づき述べる。図２５に、ＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５におけるＳＯＣ稼働範囲修正の要否を判定する方法を説明するための図を示す。図２５（ａ）は、横軸にＳＯＨＱを、縦軸にＳＯＨＱの変化率（劣化速度）をとったグラフを、図２５（ｂ）には、横軸にＳＯＨＲを、縦軸にＳＯＨＲの変化率（劣化速度）をとったグラフを示した。電池の劣化状態は、現時点における電池の劣化状態に応じてその劣化速度が異なる。例えば、図２５（ａ）、図２５（ｂ）に示すように新品時に近い範囲での劣化速度は速いが、劣化の進行に伴って、劣化速度は遅くなる。ＳＯＣ稼働範囲修正判定部１５５は、図２５に示したような劣化速度を予め実装しておき、算出した電池のＳＯＨＱ及びＳＯＨＲの変化率（劣化速度）と実装しておいた劣化速度を比較することで、電池の劣化が想定よりも早い、もしくは遅いかを判定し、判定結果を送信する。例えば、劣化速度が想定と異なっており、想定よりも劣化の進行が早い場合には、修正要否判定フラグに「０」を、想定よりも劣化の進行が遅い場合には、修正要否判定フラグに「１」を、修正不要の場合には、修正要否判定フラグに「２」を設定する。

図２５に実装すべき劣化特性は、例えば、実施例２に述べたような制御を実現した際に、想定される劣化特性（劣化速度）を、予め実験等で取得しておき、劣化状態や電池温度等に応じて実装しておく。黒鉛負極を例にあげると、実施例２では、劣化の進行が遅い膜厚変動量が小さい範囲となるように電池システム１００の充放電を制御する。そこで、膜厚変動量が小さい範囲にて電池システム１００を使用しつづけた場合の実験結果等から、膜厚変動量が小さい範囲における劣化速度を、劣化状態や電池温度に応じて実装しておき、実際の劣化速度と比較すれば良い。

ＳＯＣ稼働範囲決定部１５４´´は、修正要否判定フラグが、例えば、「０」だった場合には、電池の劣化が想定よりも早いと判断し、上限制御ＳＯＣをα分だけ低く、下限制御ＳＯＣをα分だけ高く修正し、修正後のＳＯＣ稼働範囲をシステムコントローラ２００´へ送信する。修正量αは、一定値でも良いし、検出した劣化速度と実装している劣化速度との差分量に応じて決定しても良い。

本実施例におけるモジュールコントローラ１５０´´の動作について、図２６に基づき述べる。図２６は、モジュールコントローラ１５０´´のフローチャートを示している。

Ｓ３１０では、ｍｐ、ｍｎ、Ｌｉｌｏｓｓを検出し、検出結果に基づきＳＯＣ稼働範囲を設定しているかを判定する。設定している場合は、Ｓ３１１に進み、ＳＯＨ演算部１５３が推定したＳＯＨＱ及びＳＯＨＲの劣化速度が予め実装しておいた劣化速度と比較して、所定値以上の乖離があるかどうかを判定する。所定値以上の乖離がない場合は、Ｓ３１２に進み、設定されているＳＯＣ稼働範囲を維持する。

ＳＯＨＱ及びＳＯＨＲの劣化速度の何れかに所定値以上の乖離がある場合は、Ｓ３１３に進み、劣化速度が想定よりも早いかを判定する。劣化速度が速いと判定された場合は、Ｓ３１４へ進み、遅いと判定された場合には、Ｓ３１５へ進む。Ｓ３１４では、劣化の進行を抑制するために、ＳＯＣ稼働範囲を狭める。具体的には、上限制御ＳＯＣを低くし、下限制御ＳＯＣを高く設定する。Ｓ３１５では、劣化の進行が想定よりも遅いため、ＳＯＣ稼働範囲を拡大する。具体的には、上限制御ＳＯＣを高くし、下限制御ＳＯＣを低く設定する。Ｓ３１６では、決定したＳＯＣ稼働範囲をシステムコントローラ２００´へ送信する。

次に、図２７に基づき本実施例の効果について述べる。図２７（ａ）には、容量維持率の推移を、図２７（ｂ）には、抵抗上昇率の推移を示す。図２７（ａ）、図２７（ｂ）におけるＬ３１１、Ｌ３２１は本実施例による制御を適用せずに制御した場合の劣化特性を、Ｌ３１２及びＬ３２２は、ＳＯＣ稼働範囲を設定変更することにより、想定される劣化速度で劣化が進行した場合の劣化特性を、Ｌ３１３、Ｌ３２３は本実施例で述べたＳＯＣ稼働範囲の修正処理を追加した場合の劣化特性をそれぞれ示している。

時刻ｔ０において、ＳＯＣ稼働範囲を変更後、変更した範囲で電池システム１００の充放電を実施していたが、電池システム１００の劣化が想定以上に進行している。時刻ｔ１において、ＳＯＨＱ及びＳＯＨＲの劣化速度の演算結果から、想定以上に劣化が進行していることを検知し、ＳＯＣ稼働範囲を修正する。図２７の場合、上限制御ＳＯＣを低く、下限制御ＳＯＣを高く設定する。修正後のＳＯＣ稼働範囲にて、電池システム１００を制御することにより、結果として、劣化を抑制することが可能となる。

本実施例によれば、設定したＳＯＣ稼働範囲内で制御したにも関わらず劣化の進行が抑制出来なかった場合に、ＳＯＣ稼働範囲を修正し、修正後のＳＯＣ稼働範囲で電池システム１００の充放電を制御することが可能なため、結果として、単電池１１１の劣化を抑制することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１００…電池システム
１１０…組電池
１１１…単電池
１１１−１…正極材
１１１−２…負極材
１１１−３…正極集電箔
１１１−４…負極集電箔
１１１−５…電解液
１１１−６…セパレータ
１１１−７…参照極
１２０…セルコントローラ
１２１−１…セル電圧検出回路
１２１−２…正極電位検出回路
１２１−３…負極電位検出回路
１２２…温度検知部
１２３…制御回路
１２４…信号入出力回路
１３０…電流検知手段
１４０…電圧検知手段
１５０、１５０´、１５０´´…モジュールコントローラ
１５１…正／負極ＯＣＶ検知部
１５１´…正／負極状態検知部
１５２…ＳＯＣ演算部
１５３…ＳＯＨ演算部
１５４、１５４´、１５４´´…ＳＯＣ稼働量決定部
１５５…ＳＯＣ稼働範囲修正判定部
１６０…データベース部
２００、２００´…システムコントローラ
２０１、２０１´…充放電制御手段決定部
３００、３１０…リレー
４００…変換器

Claims (9)

1. 二次電池の動作を制御する二次電池システムであって、
   前記二次電池は正極および負極を有し、
   前記二次電池システムは、
   前記二次電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記二次電池の正極と負極の電位を計測する正／負極電位計測手段と、
   前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記二次電池の電圧及び電流からＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、
   計測される前記正極の電位と前記負極の電位をもとに、前記二次電池のＳＯＣ使用範囲を決定するＳＯＣ稼働量決定部を有する二次電池システム。
2. 請求項１において、
   前記二次電池システムは、前記二次電池の正極電位、前記二次電池の負極電位、前記二次電池の電流に基づき、前記二次電池の正極開回路電位、負極開回路電位を演算する正／負極ＯＣＶ検出部を有し、
   前記ＳＯＣ稼働量決定部は、前記正／負極ＯＣＶ検出部が演算する前記二次電池の前記正極開回路電位、前記二次電池の前記負極開回路電位の電位滞在頻度を求め、最も滞在頻度の高い前記二次電池の前記正極開回路電位、前記二次電池の前記負極開回路電位に応じた、前記二次電池のＳＯＣ稼働量を決定する二次電池システム。
3. 請求項２において、
   前記二次電池の前記正極開回路電位、前記二次電池の前記負極開回路電位に応じた、前記二次電池のＳＯＣ稼動量は、前記二次電池の正極及び負極の劣化特性に基づき、決定される二次電池システム。
4. 請求項１において、
   前記二次電池システムは、前記二次電池の正極電位、前記二次電池の負極電位、前記二次電池の電流に基づき、前記二次電池の正極劣化状態、前記二次電池の負極劣化状態、副反応による前記二次電池の容量低下量を演算する正/負極状態検知部を有し、
   前記ＳＯＣ稼働量決定部は、前記二次電池の正極劣化状態、負極劣化状態、副反応による前記二次電池の容量低下量に応じた、前記二次電池のＳＯＣ稼働量を決定する二次電池システム。
5. 請求項４において、
   前記正/負極状態検知部は、
   前記二次電池の電圧、前記二次電池の電流に基づき、前記二次電池の電池容量を演算し、
   前記二次電池の正極電位、前記二次電池の負極電位、前記二次電池の電流に基づき前記正極開回路電位、前記二次電池の前記負極開回路電位を演算し、
   前記二次電池の前記正極開回路電位および前記二次電池の前記負極開回路電位に対応した、前記二次電池の正極容量および前記二次電池の負極容量を演算し、
   前記二次電池の電池容量と、前記二次電池の正極容量および前記二次電池の負極容量に基づき、前記二次電池の前記二次電池の正極劣化状態、負極劣化状態、副反応による前記二次電池の容量低下量を演算する二次電池システム。
6. 請求項４において、
   前記正/負極状態検知部は、前記二次電池の電流に基づき、前記二次電池の電池容量変化量を演算し、
   前記二次電池の正極電位、前記二次電池の負極電位、前記二次電池の電流に基づき前記正極開回路電位、前記二次電池の前記負極開回路電位を演算し、
   前記二次電池の前記正極開回路電位および前記二次電池の前記負極開回路電位に対応した、前記二次電池の正極容量および前記二次電池の負極容量をもとに、前記二次電池の電池容量変化量に対応した前記二次電池の正極容量変化量および前記二次電池の負極容量変化量を演算し、
   前記二次電池の電池容量変化量と、前記二次電池の正極容量変化量および前記二次電池の負極容量変化量に基づき、前記二次電池の前記二次電池の正極劣化状態、負極劣化状態を演算する二次電池システム。
7. 請求項６において、
   前記正/負極状態検知部は、前記二次電池の前記二次電池の正極劣化状態、負極劣化状態をもとに、副反応による前記二次電池の容量低下量を演算する二次電池システム。
8. 請求項２乃至７のいずれかにおいて、
   前記二次電池システムは、前記二次電池の電圧、前記二次電池の電流に基づき、前記二次電池の容量維持率もしくは抵抗上昇率を演算するＳＯＨ演算部を有し、
   前記ＳＯＣ稼動量決定部は、時間の経過に伴う前記二次電池の容量維持率もしくは抵抗上昇率の変化量をが、所定の変化量よりも大きい場合、前記ＳＯＣ稼動量を狭めるように、ＳＯＣ稼動量を修正し、
   時間の経過に伴う前記二次電池の容量維持率もしくは抵抗上昇率の変化量が、所定の変化量よりも小さい場合、前記ＳＯＣ稼動量を拡大するように、ＳＯＣ稼動量を修正する二次電池システム。
9. 二次電池システムにより制御される二次電池の制御方法であって、
   前記二次電池は正極および負極を有し、
   前記二次電池システムは、
   前記二次電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記二次電池の正極と負極の電位を計測する正／負極電位計測手段と、
   前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記二次電池の電圧及び電流からＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、
   計測される前記正極の電位と前記負極の電位をもとに、前記二次電池のＳＯＣ使用範囲を決定するＳＯＣ稼働量決定部を有する二次電池の制御方法。