JP2016197545A - 二次電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の発熱量を精度よく算出することによって二次電池の入出力電力を適切に制限する。【解決手段】ＥＣＵは、電池（リチウムイオン二次電池）の電圧、電流および温度に基づいて電池内部の負極に析出している活性リチウム量と不活性リチウム量とに区別して算出し、活性リチウム量による発熱量と不活性リチウム量による発熱量とを区別して算出した結果を用いて電池の発熱量を算出する。ＥＣＵは、算出された電池の発熱量がしきい値を超えないように電池の入出力可能電力の制限を行なう。【選択図】図３

Description

本発明は、負極表面に析出し得る反応関与物質を電解液中に含む二次電池の制御装置に関する。

特開２０１３−１０１８８４号公報（特許文献１）には、リチウムイオン二次電池の発熱量を推定し、推定された発熱量を考慮してリチウムイオン二次電池の温度を推定し、推定された温度が所定温度よりも高い場合にはリチウムイオン二次電池に流れる電流を制限することが開示されている。

特開２０１３−１０１８８４号公報 特開２０１４−１２６４１１号公報 国際公開ＷＯ２０１３／１１１１８６号

リチウムイオン二次電池は、負極表面に析出し得る反応関与物質を電解液中に含む二次電池である。すなわち、リチウムイオン二次電池の電解液中にはリチウムイオンが含まれており、充電時には、電解液中に溶解していたリチウムイオンが負極表面に金属リチウムとなって析出する場合がある。負極表面に析出したリチウムは、周囲の電解液と反応し、安定な化合物になる過程で発熱する。そのため、電池の発熱量を精度よく推定するためには、リチウムの析出量を考慮することが望ましい。

ところが、負極表面に析出したリチウムには、電解液に再び溶解して電気化学反応に寄与することができる活性リチウムと、電解液に溶解できず電気化学反応に寄与することができない不活性リチウムとが含まれる。不活性リチウムの発熱量と活性リチウムの発熱量とは異なることが近時の研究調査等で分っている。そのため、単にリチウムの析出量（活性リチウムと不活性リチウムとの合計量）に基づいて電池の発熱量を算出すると、発熱量の算出精度が低下することが懸念される。加えて、たとえば特許文献１のように二次電池の発熱量に基づいて二次電池に入力される電流を制限する場合には、二次電池に入力される電流を適切に制限できなくなることが懸念される。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、二次電池の発熱量を精度よく算出することによって二次電池の入出力電力を適切に制限することである。

（１） この発明に係る制御装置は、負極に析出し得る反応関与物質を電解液中に含む二次電池の制御装置であって、二次電池の状態を監視する監視部と、制御部とを備える。制御部は、監視部による監視結果に基づいて二次電池の負極に析出した反応関与物質の活性成分の量と不活性成分の量とを算出し、活性成分の量および不活性成分の量に基づいて二次電池の発熱量を算出し、二次電池の発熱量に基づいて二次電池の入出力電力を制限する。

このような構成によれば、制御部は、負極に析出した反応関与物質の活性成分の量と不活性成分の量とを区別して算出し、区別して算出された活性成分の量および不活性成分の量に基づいて二次電池の発熱量を算出する。そのため、単に負極に析出した反応関与物質の量（活性成分および不活性成分の合計量）から二次電池の発熱量を算出する場合に比べて、二次電池の発熱量を精度よく算出することができる。そして、制御部は、精度よく算出された二次電池の発熱量に基づいて二次電池の入出力電力を制限する。その結果、二次電池の入出力電力を適切に制限することができる。

（２） 好ましくは、制御部は、負極に析出した反応関与物質と負極との第１接触面積に応じて活性成分の量を算出し、負極に析出した反応関与物質と電解液との第２接触面積に応じて不活性成分の量を算出する。

負極に析出した反応関与物質の活性成分は、負極との接触面において溶解し、電解液との接触面において不活性成分に変化する。そのため、上記構成のように、負極に析出した反応関与物質と負極との第１接触面積に応じて活性成分の量を算出し、負極に析出した反応関与物質と電解液との第２接触面積に応じて不活性成分の量を算出することによって、活性成分の量および不活性成分の量を精度よく算出することができる。

（３） 好ましくは、制御部は、二次電池の負荷に基づいて第１接触面積および第２接触面積を算出する。

第１接触面積および第２接触面積は、二次電池の負荷に応じて変化する。そのため、上記構成のように、二次電池の負荷に基づいて第１接触面積および第２接触面積を算出することによって、第１接触面積および第２接触面積を固定値とする場合に比べて、活性成分の量および不活性成分の量をより精度よく算出することができる。

（４） 好ましくは、制御部は、二次電池の電流および温度に基づいて第１接触面積を算出し、二次電池の充電継続時間に基づいて第２接触面積を算出する。

第１接触面積は二次電池の電流および温度に応じて変化し、第２接触面積は二次電池の充電継続時間が長いほど大きくなる。そのため、上記構成のように、二次電池の電流および温度に基づいて第１接触面積を算出し、二次電池の充電継続時間に基づいて第２接触面積を算出することによって、第１接触面積および第２接触面積を固定値とする場合に比べて、活性成分の量および不活性成分の量をより精度よく算出することができる。

（５） 好ましくは、制御部は、電解液の分解に基づく発熱量と、活性成分の量に基づく発熱量と、不活性成分の量に基づく発熱量とを合計した値を、二次電池の発熱量として算出する。

二次電池の発熱量は、電解液の分解による発熱、負極に析出した反応関与物質の活性成分による発熱および不活性成分による発熱によって増加する。そのため、上記構成のように、電解液の分解に基づく発熱量と活性成分の量に基づく発熱量と不活性成分の量に基づく発熱量とを合計した値を二次電池の発熱量として算出することによって、二次電池の発熱量を精度よく算出することができる。

車両の全体構成図である。 電池の負極表面に析出するリチウムの変化を模式的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順を示すフローチャート（その１）である。 電池使用範囲を模式的に示す図（その１）である。 電池使用範囲を模式的に示す図（その２）である。 ＥＣＵの処理手順を示すフローチャート（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［車両の全体構成］
図１は、本発明の実施の形態による二次電池の制御装置が搭載される車両１の全体構成図である。車両１は、エンジン１０と、第１モータジェネレータ（以下「第１ＭＧ」ともいう）２０と、第２モータジェネレータ（以下「第２ＭＧ」ともいう）３０と、動力分割装置４０と、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６０と、電池Ｂと、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００とを備える。

車両１は、エンジン１０および第２ＭＧ３０の少なくとも一方から出力される動力によって走行するハイブリッド車両である。なお、本発明を適用可能な車両は図１に示すハイブリッド車両に限定されず、他の構成を有するハイブリッド車両やエンジンを備えずモータジェネレータを備える電気自動車であってもよい。

エンジン１０の動力は、動力分割装置４０によって駆動輪２へ伝達される経路と第１ＭＧ２０へ伝達される経路とに分割される。

第１ＭＧ２０は、動力分割装置４０によって分割されたエンジン１０の動力を用いて発電する。第２ＭＧ３０は、電池Ｂに蓄えられた電力および第１ＭＧ２０により発電された電力の少なくとも一方を用いて動力を発生する。第２ＭＧ３０の動力は、駆動輪２に伝達される。なお、車両１の制動時等には、駆動輪２により第２ＭＧ３０が駆動され、第２ＭＧ３０が発電機として動作する。これにより、第２ＭＧ３０は、車両の運動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとしても機能する。第２ＭＧ３０により発電された回生電力は、電池Ｂに蓄えられる。

ＰＣＵ６０は、電池Ｂと第１ＭＧ２０および第２ＭＧ３０との間で電力変換を行なう。ＰＣＵ６０を作動させることによって、電池Ｂに蓄えられた電力で第１ＭＧ２０および／または第２ＭＧ３０が駆動されたり、第１ＭＧ２０および／または第２ＭＧ３０が発電した電力で電池Ｂが充電されたりする。

電池Ｂは、第１ＭＧ２０および第２ＭＧ３０を駆動するための電力を蓄える、リチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池においては、正極の活物質としてコバルト酸リチウム等のリチウム金属酸化物を用い、負極の活物質としてグラファイト等の炭素材が用いることができる。また、イオン化されたリチウム（反応関与物質）を正極と負極との間で伝導するイオン伝導体は、たとえば、電解液を浸透させた樹脂によって構成することができる。また、たとえば、いわゆる非水電解液を電解液として使用してもよい。

リチウムイオン二次電池においては、放電時には、負極の活物質の界面上でリチウムイオン及び電子を放出する化学反応が起こり、正極の活物質の界面上でリチウムイオン及び電子を吸収する化学反応が起こる。逆に、充電時には、負極の活物質の界面上でリチウムイオン及び電子を吸収する化学反応が起こり、正極の活物質の界面上でリチウムイオン及び電子を放出する化学反応が起こる。

なお、本実施の形態においては、電池Ｂをリチウムイオン電池とする場合について説明するが、電池Ｂはリチウムイオン電池に限定されるものではなく、負極表面に析出し得る反応関与物質を電解液中に含む二次電池であればよい。

さらに、車両１は、監視ユニット３を備える。監視ユニット３は、電池Ｂの状態、具体的には電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂなどを監視（検出）し、監視結果をＥＣＵ１００に出力する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびメモリを内蔵し、当該メモリに記憶された情報や各センサからの情報に基づいて車両１の各機器を制御する。

ＥＣＵ１００は、監視ユニット３の検出結果に基づいて、電池ＢのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、満充電容量に対する残存容量の比）を算出する。ＳＯＣの算出方法としては、電池Ｂの開回路電圧（ＯＣＶ）とＳＯＣとの関係を用いて算出する方法や、電池電流Ｉｂを積算して算出する方法等、種々の公知の手法を用いることができる。

ＥＣＵ１００は、電池ＢのＳＯＣなどに基づいて、電池Ｂの入力可能電力ＷＩＮ（単位はワット）を設定する。ＥＣＵ１００は、電池Ｂに入力される電力Ｐｉｎの大きさが入力可能電力ＷＩＮを超えないように第１ＭＧ２０および第２ＭＧ３０を制御する。

同様に、ＥＣＵ１００は、電池ＢのＳＯＣなどに基づいて、電池Ｂの出力可能電力ＷＯＵＴを設定する。ＥＣＵ１００は、電池Ｂから出力される電力Ｐｏｕｔの大きさが出力可能電力ＷＯＵＴを超えないように第１ＭＧ２０および第２ＭＧ３０を制御する。

［電池Ｂの発熱量に基づくＷＩＮ／ＷＯＵＴ制限］
電池Ｂにおいて、たとえば過充電などにより電池Ｂの温度が高温になると、正極表面および負極表面での電解液分解などの発熱反応が加速される。このときの発熱量が過剰であると、発熱量が放熱量よりも大きくなり電池Ｂが過熱されることが懸念される。このため、過充電などによる電池Ｂの過熱を防止するためには、電池Ｂの発熱量を精度よく推定し、推定された発熱量が過熱に至るしきい値Ｑｔｈを超えないように電池Ｂの入出力電力を制限することが望ましい。

過充電時の電池Ｂの発熱量（以下「電池発熱量Ｑ」ともいう）は、上述のように電解液分解によって増加するが、それだけでなく負極表面に析出したリチウムによっても増加することが知られている。すなわち、当業者には周知であるように、リチウムイオン二次電池においては、充電時に負極表面にリチウムが析出する。負極表面に析出したリチウムは、周囲の電解液と反応し、安定な化合物（炭酸リチウム、フッ化リチウム）になる過程で発熱する。この発熱によって電池発熱量Ｑが増加するため、電池発熱量Ｑを精度よく推定するためには、リチウムの析出量を算出し、算出されたリチウムの析出量を考慮して電池発熱量Ｑを算出することが望ましい。

ところで、負極表面に析出したリチウムには、負極電位に応じて再び電解液に溶解することができる活性リチウムと、電解液と反応して不動態被膜となり、もはや電気化学反応に寄与しなくなる不活性リチウムとが含まれる。

図２は、電池Ｂの負極表面に析出するリチウムの変化を模式的に示す図である。電池Ｂの充電時には、図２の状態（Ａ）から状態（Ｂ）への変化に示すように、負極表面に活性リチウムが可逆的に析出する。すなわち、析出した活性リチウムは、負極電位に応じて再び電解液に溶解し得る。活性リチウムの析出および溶解は、活性リチウムと負極との接触面（図２の「Ｓ_３」参照）において生じる。

ところが、負極表面に析出した活性リチウムの一部は、図２の状態（Ｂ）から状態（Ｃ）への変化に示すように、電解液と反応して不活性リチウムに不可逆的に変化する。不活性リチウムは、活性リチウムと電解液との接触面（図２の「Ｓ_４」参照）において生じる。

このように、負極表面に析出したリチウムには、活性リチウムと不活性リチウムとが含まれる。活性リチウムおよび不活性リチウムは、どちらも周囲の電解液と反応し安定な化合物になる過程で発熱する。しかしながら、不活性リチウムによる発熱量と活性リチウムによる発熱量とは異なること、具体的には不活性リチウムによる発熱量の増加量ｑ_４（単位：ｋＪ／ｇ）は活性リチウムによる発熱量の増加量ｑ_３（単位：ｋＪ／ｇ）よりも小さいことが分っている。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、監視ユニット３による監視結果（電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂ）に基づいて電池Ｂ内部の負極に析出している活性リチウム量ｍ_３と不活性リチウム量ｍ_４とを区別して算出し、活性リチウム量ｍ_３による発熱量と不活性リチウム量ｍ_４による発熱量とを区別して算出した結果を用いて電池発熱量Ｑを算出する。このように、活性リチウムによる発熱量と不活性リチウムによる発熱量とを区別して算出した結果を用いて電池発熱量Ｑを算出するため、単にリチウム析出量（活性リチウムと不活性リチウムとの合計量）から電池発熱量Ｑを算出する場合に比べて、電池発熱量Ｑを精度よく算出することができる。

そして、ＥＣＵ１００は、精度よく算出された電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えないように電池Ｂの入出力可能電力（ＷＩＮ／ＷＯＵＴ）の制限を行なう。これにより、電池Ｂの入出力電力を適切に制限することができる。すなわち、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えない範囲ではリチウム析出を許容してＷＩＮ／ＷＯＵＴの制限を緩和することで、より限界まで電池Ｂの性能を引き出すことができ、車両１の燃費および走行性能を向上させることができる。一方、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えそうになった場合には、ＷＩＮ／ＷＯＵＴの制限を強化してリチウム析出を抑制することで、電池Ｂの過熱を抑えることができる。

図３は、ＥＣＵ１００がＷＩＮ／ＷＯＵＴの制限を行なう場合の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは所定周期で繰り返し実行される。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０にて、ＥＣＵ１００は、監視ユニット３から電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂを取得する。

Ｓ１１にて、ＥＣＵ１００は、電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂに基づいて、活性リチウムの析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４を算出する。

負極との接触面において析出した活性リチウムは負極との接触面において溶解するため、活性リチウムの析出溶解速度Ｖ_３は、活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３に依存すると考えられる（図２参照）。そのため、ＥＣＵ１００は、リチウムの析出溶解速度Ｖ_３を下記の式（１）を用いて算出する。

Ｖ_３＝ｉ_３×Ｓ_３ …（１）
本実施の形態においては、接触面積Ｓ_３は、実験結果等によって決められた固定値であり、ＥＣＵ１００の内部メモリに予め記憶される。

式（１）中、「ｉ_３」は負極における活性リチウムの析出溶解反応の電流密度である。この電流密度ｉ_３は、たとえば、負極における過電圧と電流値との関係を示すバトラー・ボルマーの関係式に基づき、下記の式（２）を用いて算出することができる（たとえば特許文献１参照）。

式（２）中、「ｉ_０３」はリチウム（反応関与物質）の析出溶解反応の交換電流密度であり、「α」は酸化反応（添え字ａ）及び還元反応（添え字ｃ）の移動係数であり、「Ｆ」はファラデー定数であり、「Ｒ」は気体状数であり、「Ｔ」は活性リチウムの温度であり、「η_３」は活性リチウムの析出溶解反応の過電圧である。交換電流密度ｉ_０３は、反応速度係数に対応し、実験結果等によって予め決めておくことができる。移動係数α_ａ，α_ｃ、ファラデー定数Ｆ、気体状数Ｒはいずれも固定値である。活性リチウムの温度Ｔおよび析出溶解反応の過電圧η_３は、電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂをパラメータとして算出することができる。

析出溶解反応の電流密度ｉ_３を算出するための式（２）には、析出項と溶解項とが含まれ、析出項が正の値、溶解項が負の値として表される。したがって、析出項が溶解項よりも大きい時に電流密度ｉ_３は正の値となり、逆に、溶解項が析出項よりも大きい時に電流密度ｉ_３は負の値となる。

一方、活性リチウムは電解液との接触面で不活性化するため、活性リチウムの不活性化速度Ｖ_４は、活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４に依存すると考えられる（図２参照）。そのため、ＥＣＵ１００は、リチウムの不活性化速度Ｖ_４を下記の式（３）を用いて算出する。

Ｖ_４＝ｉ_４×Ｓ_４ …（３）
本実施の形態においては、接触面積Ｓ_４は、実験結果等によって決められた固定値であり、ＥＣＵ１００の内部メモリに予め記憶される。

式（３）中、「ｉ_４」は負極における活性リチウムの不活性化反応の電流密度である。この電流密度ｉ_４は、たとえば、負極における過電圧と電流値との関係を示すバトラー・ボルマーの関係式に基づき、下記の式（４）を用いて算出することができる（たとえば特許文献１参照）。

式（４）中、「ｉ_０４」はリチウムの不活性化反応の交換電流密度であり、「η_４」はリチウムの不活性化反応の過電圧である。その他は上述の式（２）で用いたものと同じである。交換電流密度ｉ_０４は、反応速度係数に対応し、実験結果等によって予め決めておくことができる。活性リチウムの不活性化反応の過電圧η_４は、電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂなどをパラメータとして算出することができる。

不活性化反応の電流密度ｉ_４を算出するための式（４）は、不活性化反応が不可逆的な反応であることに対応させて、不活性化項のみが含まれ、溶解項は含まれない。

析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４を算出した後、ＥＣＵ１００は、Ｓ１２にて、電池Ｂ内部の負極に析出している活性リチウム量ｍ_３（単位：ｇ）および不活性リチウム量ｍ_４（単位：ｇ）を算出する。ＥＣＵ１００は、下記の式（５）および式（６）を用いて活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４をそれぞれ算出する。

ｍ_３＝ｋ_３×∫（Ｖ_３）ｄｔ …（５）
ｍ_４＝ｋ_４×∫（Ｖ_４）ｄｔ …（６）
式（５）中、「∫（Ｖ_３）ｄｔ」は、リチウムの析出溶解速度Ｖ_３を時間積分したもので、活性リチウム量に対応する電荷量である。「ｋ_３」は、∫（Ｖ_３）ｄｔを活性リチウム量ｍ_３に換算するための係数である。

式（６）中、「∫（Ｖ_４）ｄｔ」は、リチウムの不活性化速度Ｖ_４を時間積分したもので、不活性リチウム量に対応する電荷量である。「ｋ_４」は、∫（Ｖ_４）ｄｔを不活性リチウム量ｍ_４に換算するための係数である。

Ｓ１３にて、ＥＣＵ１００は、活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４を用いて電池発熱量Ｑ（過充電時の電池Ｂの発熱量）を算出する。ＥＣＵ１００は、下記の式（７）を用いて電池発熱量Ｑを算出する。

Ｑ＝Ｑ_０＋ｑ_３×ｍ_３＋ｑ_４×ｍ_４ …（７）
式（７）中、「Ｑ_０」はリチウムが析出していないときの電解液分解による過充電時の発熱量（単位：ｋＪ）であり、「ｑ_３」は活性リチウムによる単位質量あたりの発熱量の増加量（単位：ｋＪ／ｇ）であり、「ｑ_４」は不活性リチウムによる単位質量あたりの発熱量の増加量（単位：ｋＪ／ｇ）である。

本実施の形態において、式（７）中のＱ_０、ｑ_３、ｑ_４は、いずれも実験結果等によって決められた固定値であり、ＥＣＵ１００の内部メモリに予め記憶される。なお、Ｑ_０、ｑ_３、ｑ_４は、過充電時の温度や通電条件などに応じて変化し得るため、最悪値（もっとも発熱量が多いときの値）とすることが望ましい。また、温度や通電条件などに応じてＱ_０、ｑ_３、ｑ_４の値を変化させるようにしてもよい。

Ｓ１４にて、ＥＣＵ１００は、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈ未満であるか否かを判定する。

電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈ未満である場合（Ｓ１４にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１５にて、ＷＩＮ／ＷＯＵＴ制限量を最大値よりも小さくして（すなわちＷＩＮ／ＷＯＵＴの大きさを増加させて）、電池Ｂへの入出力電力の制限を緩和する。

Ｓ１５の処理において、現在だけでなく今後においても電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えないようにするためにはＷＩＮ制限量を大きくする方が望ましいが、ＷＩＮ制限量を大きくすることによって車両１の燃費が悪化することが懸念される。そのため、車両１の燃費向上のためには、リチウムの析出を許容できる範囲においては、ＷＩＮ制限量をできるだけ小さくすることが望ましい。

そこで、ＥＣＵ１００は、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈから所定値ｈを減じた値未満である場合（Ｑ＜Ｑｔｈ−ｈである場合）には、ＷＩＮ制限量を小さくして電池Ｂへの入力制限を緩和あるいは無くすことで、リチウムの追加の析出を許容する。なお、所定値ｈは、電池発熱量Ｑなどの算出誤差を考慮した制御マージンであり、任意の値に設定することができる。

図４は、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈから所定値ｈを減じた値未満である場合（Ｑ＜Ｑｔｈ−ｈである場合）の電池使用範囲を模式的に示す図である。図４において、横軸は電池Ｂへ入力される電流を示し、縦軸は通電継続時間を示す。

電池使用範囲は入力制限ライン未満の領域（斜線部分）であるが、Ｑ＜Ｑｔｈ−ｈである場合には、図４に示すように入力制限ラインはリチウム析出ラインを超えた領域に設定される。つまり、電池Ｂがリチウム析出ラインを超えて使用されること（すなわちリチウムの追加の析出）が許容される。このように、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈよりも十分に小さい場合（Ｑ＜Ｑｔｈ−ｈである場合）には、リチウムの追加の析出を許容して入力制限を緩和する。これにより、より限界まで電池Ｂの性能を引き出すことができ、発熱量の抑制よりも燃費向上を優先することができる。

一方、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈから所定値ｈを減じた値を超える場合（Ｑ＞Ｑｔｈ−ｈである場合）には、ＥＣＵ１００は、ＷＩＮ制限量を大きくして電池Ｂへの入力制限を厳しくすることで、リチウムの追加の析出を抑制する。

図５は、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈから所定値ｈを減じた値を超える場合（Ｑ＞Ｑｔｈ−ｈである場合）の電池使用範囲を模式的に示す図である。図５において、横軸は電池Ｂへ入力される電流を示し、縦軸は通電継続時間を示す。

電池使用範囲は入力制限ライン未満の領域（斜線部分）であるが、Ｑ＞Ｑｔｈ−ｈである場合には、図５に示すように入力制限ラインがリチウム析出ラインに一致するように設定される。そのため、電池Ｂがリチウム析出ラインを超えて使用されること（すなわちリチウムの追加の析出）は許容されない。このように、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈに近い場合（Ｑ＞Ｑｔｈ−ｈである場合）には、リチウムの追加の析出を抑制して入力制限を強化する。これにより、燃費向上よりも発熱量の抑制を優先することができ、電池Ｂの過熱を適切に抑制することができる。

図３に戻って、万が一、電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えた場合（Ｓ１４にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１６にて、ＷＩＮ／ＷＯＵＴ制限量を最大値とする。この処理においては、たとえばＷＩＮ＝ＷＯＵＴ＝０として電池Ｂの使用を禁止し、退避走行モードに移行するようにしてもい。また、ユーザに速やかに電池Ｂを交換するように警告するようにしてもよい。また、活性リチウムがより溶解しやすい入出力モード（析出溶解制御）に移行するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、発熱量の異なる活性リチウム量ｍ_３と不活性リチウム量ｍ_４とを区別して算出した結果から電池発熱量Ｑを算出する。そのため、単にリチウム析出量（活性リチウム量ｍ_３と不活性リチウム量ｍ_４との合計量）から電池発熱量Ｑを算出する場合に比べて、電池発熱量Ｑを精度よく算出することができる。そして、ＥＣＵ１００は、精度よく算出された電池発熱量Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えないようにＷＩＮ／ＷＯＵＴ制限を行なう。そのため、電池Ｂの入出力電力を適切に制限することができる。

さらに、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、リチウムが負極との接触面において析出および溶解し、電解液との接触面において不活性化することに鑑み、活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３に基づいて活性リチウム量ｍ_３を算出し、活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４に基づいて不活性リチウム量ｍ_４を算出する（上述の式（１）〜（６）参照）。そのため、活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４を精度よく算出することができる。

さらに、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、過充電時の電池Ｂの発熱量が電解液の分解による発熱、負極に析出した活性リチウムによる発熱および不活リチウムによる発熱によって増加することに鑑み、電解液の分解に基づく発熱量（Ｑ_０）と、活性リチウムに基づく発熱量（ｑ_３×ｍ_３）と、不活性成分の量に基づく発熱量（ｑ_４×ｍ_４）とを合計した値を、電池発熱量Ｑとして算出する（上述の式（７）参照）。そのため、電池発熱量Ｑを精度よく算出することができる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、図３のＳ１１にて、上記の式（１）および式（３）を用いて析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４をそれぞれ算出する際、活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３および活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４をいずれも固定値としていた。

しかしながら、リチウムの析出形態は、電池Ｂの状況（負荷や温度など）に応じて変化することが分っている。リチウムの析出形態が異なれば、活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３および活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４も異なるため、たとえ析出量が同じであっても、リチウムの析出溶解速度Ｖ_３や不活性化速度Ｖ_４も異なる。そのため、接触面積Ｓ_３，Ｓ_４を固定値にすると、電池Ｂの状況によっては析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４が実際の値から大きくずれてしまい、活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４の算出誤差が大きくなってしまうことが懸念される。

そこで、本変形例によるＥＣＵ１００は、リチウムの析出形態を電池Ｂの状況に応じて推定する。具体的には、本変形例によるＥＣＵ１００は、活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３および活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４を、電池Ｂの状況に応じた可変値とする。これにより、析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４の算出精度を向上させることができるため、活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４をより精度よく算出することができる。

図６は、本変形例によるＥＣＵ１００がＷＩＮ／ＷＯＵＴ制限を行なう場合の処理手順を示すフローチャートである。なお、図６に示したステップのうち、前述の図３に示したステップと同じ番号を付しているステップについては、既に説明したため詳細な説明はここでは繰り返さない。

Ｓ２０にて、ＥＣＵ１００は、電池Ｂの状況（負荷や温度など）に基づいて、活性リチウムの析出形態、具体的には活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３および活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４を算出する。

リチウムの析出は負極表面で発生しており、充電継続時間が長いほど、リチウムの析出形態は細長くなる傾向にある。逆に、短時間の充電を繰り返すと、リチウムの析出形態は塊状になりなる傾向にある。このような傾向を考慮して、ＥＣＵ１００は、活性リチウムの析出形態（負極との接触面積Ｓ_３および電解液との接触面積Ｓ_４）を電池Ｂの状況に基づいて算出する。

具体的には、ＥＣＵ１００は、まず、電池Ｂの状況に基づいて、各時刻ｔでの負極との接触面積Ｓ_３の変化量ΔＳ_３（ｔ）および電解液との接触面積Ｓ_４の変化量ΔＳ_４（ｔ）をそれぞれ算出する。なお、変化量ΔＳ_３（ｔ），ΔＳ_４（ｔ）の算出手法については後述する。

次に、ＥＣＵ１００は、下記の式（８）および式（９）に示すように、各時刻ｔでの接触面積Ｓ_３の変化量ΔＳ_３（ｔ）および接触面積Ｓ_４の変化量ΔＳ_４（ｔ）をそれぞれ積算することによって、負極との接触面積Ｓ_３および電解液との接触面積Ｓ_４を算出する。

Ｓ_３＝ΣΔＳ_３（ｔ）ｄｔ …（８）
Ｓ_４＝ΣΔＳ_４（ｔ）ｄｔ …（９）
Ｓ２１にて、ＥＣＵ１００は、Ｓ２０にて算出したリチウムの析出形態（負極との接触面積Ｓ_３および電解液との接触面積Ｓ_４）、Ｓ１０にて取得した電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂに基づいて、活性リチウムの析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４を算出する。なお、この処理で用いられる算出式そのものは、上述の実施の形態で用いた式（１）〜式（４）と同じである。

そして、ＥＣＵ１００は、Ｓ１２にて、Ｓ２１にて算出した活性リチウムの析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４を上述の式（５）および式（６）に代入することによって、活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４をそれぞれ算出する。

以上のように、本変形例によるＥＣＵ１００は、活性リチウムの析出形態（負極との接触面積Ｓ_３および電解液との接触面積Ｓ_４）を電池Ｂの状況に応じた可変値とする。これにより、析出溶解速度Ｖ_３および不活性化速度Ｖ_４の算出精度を向上させることができるので、活性リチウム量ｍ_３および不活性リチウム量ｍ_４をより精度よく算出することができる。

［変化量ΔＳ_３（ｔ），ΔＳ_４（ｔ）の算出手法］
図６のＳ２０において接触面積Ｓ_３の変化量ΔＳ_３（ｔ）および接触面積Ｓ_４の変化量ΔＳ_４（ｔ）を算出する手法について説明する。

第１の算出手法として、ＥＣＵ１００は、電池Ｂの負荷と変化量ΔＳ_３（ｔ），ΔＳ_４（ｔ）との対応関係（実験結果等によって得られた結果）をマップ化して予め記憶しておき、このマップを参照して電池Ｂの実際の負荷に対応する変化量ΔＳ_３（ｔ），ΔＳ_４（ｔ）を算出することができる。

上述したように、リチウムの析出形態（負極との接触面積Ｓ_３および電解液との接触面積Ｓ_４）は、電池Ｂの負荷に応じて変化する。そのため、上記のように電池Ｂの負荷に基づいて接触面積Ｓ_３および接触面積Ｓ_４を算出することによって、接触面積Ｓ_３および接触面積Ｓ_４を固定値とする場合に比べて、接触面積Ｓ_３および接触面積Ｓ_４を精度よく算出することができる。

第２の算出手法として、ＥＣＵ１００は、リチウムの析出形態をモデル化した下記の式（１０）および式（１１）を用いて、変化量ΔＳ_３（ｔ），ΔＳ_４（ｔ）を算出することができる。

ΔＳ_３（ｔ）＝ｎ×πｒ^２ …（１０）
ΔＳ_４（ｔ）＝ｎ×２πｒＬ …（１１）
式（１０）および式（１１）は、負極表面に、析出径（活性リチウムが負極表面と接触する円の半径）ｒ、析出長さ（活性リチウムが負極表面から突出している長さ）Ｌの略円柱状のリチウムがｎ個析出していることを想定してモデル化したものである。ＥＣＵ１００は、析出径ｒ、析出長さＬ、析出数ｎを以下の手法によって算出する。

ＥＣＵ１００は、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂが析出径ｒに影響することに鑑み、電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂと析出径ｒとの対応関係（実験結果等によって得られた結果）をマップ化して予め記憶しておき、このマップを参照して実際の電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂに対応する析出径ｒを算出する。

ＥＣＵ１００は、１回の充電継続時間が長いほど析出長さＬが長くなることに鑑み、充電継続時間と析出長さＬとの対応関係（実験結果等によって得られた結果）をマップ化して予め記憶しておき、このマップを参照して実際の充電継続時間に対応する析出長さＬを算出する。

ＥＣＵ１００は、下記の式（１２）を用いて析出数ｎを算出する。
ｎ＝Ｍ／（ｎ×πｒ^２Ｌ×ρ） …（１２）
式（１２）中、「Ｍ」は活性リチウムの析出量であり、「ρ」は金属リチウムの密度である。なお、析出量Ｍは、電池電圧Ｖｂ、電池電流Ｉｂ、電池温度Ｔｂ、充電継続時間などをパラメータとして推定することができる。

上述したように、活性リチウムと負極との接触面積Ｓ_３は電池Ｂの電流および温度に応じて変化し、活性リチウムと電解液との接触面積Ｓ_４は電池Ｂの充電継続時間が長いほど大きくなる。そのため、上記のように電池電流Ｉｂおよび電池温度Ｔｂに基づいて接触面積Ｓ_３を算出し、電池Ｂの充電継続時間に基づいて接触面積Ｓ_４を算出することによって、接触面積Ｓ_３および接触面積Ｓ_４を固定値とする場合に比べて、接触面積Ｓ_３および接触面積Ｓ_４を精度よく算出することができる。

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。

１ 車両、２ 駆動輪、３ 監視ユニット、１０ エンジン、２０ 第１ＭＧ、３０ 第２ＭＧ、４０ 動力分割装置、６０ ＰＣＵ、１００ ＥＣＵ、Ｂ 電池。

Claims (5)

1. 負極に析出し得る反応関与物質を電解液中に含む二次電池の制御装置であって、
   前記二次電池の状態を監視する監視部と、
   前記監視部による監視結果に基づいて前記二次電池の負極に析出した反応関与物質の活性成分の量と不活性成分の量とを算出し、前記活性成分の量および前記不活性成分の量に基づいて前記二次電池の発熱量を算出し、前記二次電池の発熱量に基づいて前記二次電池の入出力電力を制限する制御部とを備える、二次電池の制御装置。
2. 前記制御部は、前記負極に析出した反応関与物質と前記負極との第１接触面積に応じて前記活性成分の量を算出し、前記負極に析出した反応関与物質と前記電解液との第２接触面積に応じて前記不活性成分の量を算出する、請求項１に記載の二次電池の制御装置。
3. 前記制御部は、前記二次電池の負荷に基づいて前記第１接触面積および前記第２接触面積を算出する、請求項２に記載の二次電池の制御装置。
4. 前記制御部は、前記二次電池の電流および温度に基づいて前記第１接触面積を算出し、前記二次電池の充電継続時間に基づいて前記第２接触面積を算出する、請求項２に記載の二次電池の制御装置。
5. 前記制御部は、前記電解液の分解に基づく発熱量と、前記活性成分の量に基づく発熱量と、前記不活性成分の量に基づく発熱量とを合計した値を、前記二次電池の発熱量として算出する、請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池の制御装置。

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