JP2017099165A - リチウムイオン二次電池の充電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムの析出を抑制しつつ入力許容電流値を適切に設定し得るリチウムイオン二次電池の充電制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係るリチウムイオン二次電池の充電制御装置は、リチウムイオン二次電池の入出力電流を検出する電流センサと、リチウムイオン二次電池への入力許容電流値を設定する入力許容電流値設定部と、入力許容電流値の基準値を記憶した記憶部とを備える。入力許容電流値設定部は、電流センサで計測した入出力電流の電流値Ｉ［Ａ］と、該入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘ［Ｈｚ］および振幅Ｙ［Ａ］とが、次式：Ｉ＜０；Ｘ≧１０００；Ｉ＋Ｙ／２＞０；を満たす場合に、入力許容電流値を緩和値に設定するように構成されている。【選択図】図９

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の充電制御装置に関する。

軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用電源として好ましく用いられている。この種のリチウムイオン二次電池においては、正極活物質を含む正極と負極活物を含む負極との間で、リチウムイオンを授受することで充放電が行われる。すなわち、充電時にはリチウム（電荷担体）が正極活物質から引き抜かれ、リチウムイオンとして電解液（電解質）中に放出される。充電時には該リチウムイオンは負極側に設けられた負極活物質の構造内に入り、ここで正極活物質から外部回路を通ってきた電子を得て、吸蔵される。この種のリチウムイオン二次電池の充放電制御に関する従来技術として、特許文献１が挙げられる。

国際公開第２０１０／００５０７９号

ところで、この種のリチウムイオン二次電池においては、外部電源から充電を行い、電池にエネルギーを蓄える。かかる充電時に大電流が入力されると、負極において局所的にリチウムが析出する場合があり得る。そこで、従来より、リチウムイオン二次電池への入力電流に入力許容電流値（制限値）を設定し、入力許容電流値を超えない電流値の範囲内で充電することにより、リチウムの析出を抑制することが試みられている（例えば特許文献１）。しかし、本発明者の知見によると、電流の状態によっては入力電流を制限しすぎる場合があり得る。入力電流を制限しすぎると、例えば車両搭載用電源においては回生電力等が十分に取れなくなり、燃費が低下する要因になり得る。本発明は上記課題を解決するものである。

ここで提案されるリチウムイオン二次電池の充電制御装置は、前記リチウムイオン二次電池の入出力電流を検出する電流センサと、前記リチウムイオン二次電池への入力許容電流値を設定する入力許容電流値設定部と、前記入力許容電流値の基準値を記憶した記憶部とを備える。前記入力許容電流値設定部は、前記電池に電流を入力する充電側を負領域、該電池から電流を出力する放電側を正領域としたときに、前記電流センサで計測した入出力電流の電流値Ｉ［Ａ］と、該入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘ［Ｈｚ］および振幅Ｙ［Ａ］とが、次式：Ｉ＜０；Ｘ≧１０００；Ｉ＋Ｙ／２＞０；を満たす場合に、入力許容電流値を前記基準値よりも絶対値（すなわち電流の大きさ）が大きい緩和値に設定するように構成されている。かかる構成によると、リチウムの析出を抑制しつつ、入力許容電流値を適切に設定することができる。そのため、例えば車両搭載用電源においては燃費を向上させることができる。

本実施形態に係る二次電池の充電制御装置によって制御される電源システムの構成を示すブロック図である。 リプル電流の波形を説明するための図である。 リチウム析出耐性の振幅依存性を示すグラフである。 リプル電流の波形を説明するための図である。 リチウム析出耐性の周波数依存性を示すグラフである。 リプル電流の波形を説明するための図である。 電池温度と周波数と振幅との相関を示すテーブルである。 放電電流値と設定すべき入力許容電流値との関係を示すグラフである。 入力許容電流値設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 車両の速度と周波数との関係を示すグラフである。 周波数と振幅との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、正極及び負極の構成及び製法、リチウムイオン二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０の制御装置によって制御される電源システム１の構成を示すブロック図である。このリチウムイオン二次電池１０の制御装置は、車両（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車）に好適に用いられる。

電源システム１は、リチウムイオン二次電池１０と、これに接続された負荷２０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０と、リチウムイオン二次電池１０の入出力電流を検出する電流センサ（図示せず）を含む構成であり得る。ＥＣＵ３０は、負荷２０に接続されたリチウムイオン二次電池１０の運転をコントロールするものとして構成されており、所定の情報に基づいて、負荷２０を駆動制御する。リチウムイオン二次電池１０に接続された負荷２０は、該電池１０に蓄えられた電力を消費する電力消費機（例えばモータ）を含み得る。また、該負荷２０は、電池１０を充電可能な電力を供給する電力供給機（充電器）を含み得る。この実施形態では、負荷２０は、図示しない昇圧コンバータから直流電圧の供給を受ける。また、負荷２０の発電時には、負荷２０からの直流電圧が昇圧コンバータによって電圧変換されて、電池１０の充電に用いられる。負荷２０は、回転電機（モータジェネレータ）による回生電力を直流変換して、昇圧コンバータに与えるようにしてもよい。昇圧コンバータは、電力用半導体スイッチング素子をオン／オフさせることで、負荷２０からの直流電圧を電圧変換する。

リチウムイオン二次電池１０は、対向する正極と負極と、これら正負極間に供給されるリチウムイオンを含む電解質とから構成されている。正極および負極には、リチウムイオンを吸蔵および放出し得る活物質が含まれている。電池１０の充電時には、正極活物質からリチウムイオンが放出され、このリチウムイオンは電解質を通じて負極活物質に吸蔵される。また、電池１０の放電時には、その逆に、負極活物質に吸蔵されていたリチウムイオンが放出され、このリチウムイオンは電解質を通じて再び正極活物質に吸蔵される。この正極活物質と負極活物質との間のリチウムイオンの移動に伴い、活物質から外部端子へと電子が流れる。これにより、負荷２０に対して放電が行われる。

また、上記リチウムイオン二次電池１０においては、上述のように負荷２０からの直流電圧が昇圧コンバータによって電圧変換されて、電池１０の充電に用いられる。かかる充電時に大電流が入力されると、負極において局所的にリチウムが析出する場合があり得る。そのため、電池への入力電流に入力許容電流値を設定し、入力許容電流値の基準値を超えない電流値の範囲内で充電することで、リチウムの析出を防いでいる。

ここで、本発明者の知見によれば、上述のように負荷２０からの直流電圧が昇圧コンバータによって電圧変換されると、電力用半導体スイッチング素子のオン／オフに連動して、入力電流に交流変動成分であるリプル電流（電流の脈動）が重畳する。本発明者は、種々実験を行った結果、入力電流にリプル成分が含まれると、リプル成分の周波数および振幅によっては、リチウム析出耐性が向上することを見出した。具体的には、種々異なった振幅に設定したリプル電流（各瞬時値の相加平均値は３０Ａ、繰り返し周波数は１ｋＨｚ、充電時間は２０秒で一定とした。）をリチウムイオン二次電池に供給して充電した後、定電流で放電を行う充放電サイクルを連続して繰り返す充放電サイクル試験を実施した。そして、充放電サイクル試験後における負極でのリチウムの析出量を測定した。このうち、リプル電流の振幅を４０Ａ、８０Ａ、１００Ａに設定したサンプル１〜３（図２参照）について、リチウム析出量の測定結果を図３に示す。また、比較のために、リプル成分を含まない３０Ａの定電流（充電時間２０秒）で充電した結果（サンプル４）をあわせて示す。なお、図２では、後述する図６および図９とは異なり、放電側を負領域、充電側を正領域としている。

図３に示すように、振幅４０Ａのリプル電流で充電を行ったサンプル１と、３０Ａの定電流で充電を行ったサンプル４とは、充放電サイクル試験後におけるリチウムの析出量がさほど変わらなかった。これに対し、振幅８０Ａ、１００Ａのリプル電流で充電を行ったサンプル２、３は、サンプル１、４に比べてリチウム析出量が低下傾向を示した。このような効果が得られる理由しては、特に限定的に解釈されるものではないが、例えば以下のように考えられる。すなわち、サンプル２、３では、リプル電流の振幅が大きく、リプル電流の瞬時値の最小値が放電側に振れている。瞬時値の最小値が放電側に振れることで、充電時に負極電位の戻りが大きくなり（ひいては負極電位が０Ｖを下回りにくくなり）、リチウムの析出が抑制されたものと考えられる。すなわち、瞬時値の最小値が放電側に振れるようなリプル成分が入力電流に含まれる場合、入力許容電流値を大きくしてもリチウムの析出を抑制することが可能になる。

さらに、本発明者は、種々異なった周波数に設定したリプル電流（各瞬時値の相加平均値は３０Ａ、振幅は１００Ａ、充電時間は２０秒で一定とした。）をリチウムイオン二次電池に供給して充電した後、定電流で放電を行う充放電サイクルを連続して繰り返す充放電サイクル試験を実施した。そして、充放電サイクル試験後における負極でのリチウムの析出量を測定した。このうち、リプル電流の周波数を０．３ｋＨｚ、１ｋＨｚに設定したサンプル５、６（図４参照）について、リチウム析出量の測定結果を図５に示す。なお、図４では、後述する図６および図９とは異なり、放電側を負領域、充電側を正領域としている。

図５に示すように、周波数１ｋＨｚのリプル電流で充電を行ったサンプル６は、周波数０．３ｋＨｚのリプル電流で充電を行ったサンプル５に比べて、リチウム析出量がさらに低下傾向を示した。このような効果が得られる理由しては、特に限定的に解釈されるものではないが、例えば以下のように考えられる。すなわち、サンプル５のような０．３ｋＨｚの周波数領域は、リチウムの反応領域に入るため、瞬時値の最大値の増加（すなわち瞬間的な大電流）によってリチウムが析出しやすくなる。一方、サンプル６のような１ｋＨｚの周波数領域では、リチウムが反応に寄与しないため、瞬間的な大電流が流れてもリチウムが析出することなく、リチウム析出量が低下したものと考えられる。すなわち、繰り返し周波数が１ｋＨｚ以上となるようなリプル成分が入力電流に含まれる場合、入力許容電流値を大きくしてもリチウムの析出を抑制することが可能になる。

以上のような知見から、ここで開示される電源システム１では、ＥＣＵ３０が、リチウムイオン二次電池１０に対して入力許容電流値の基準値を超えない電流値Ｉ（入出力電流に含まれるリプル成分の各瞬時値を相加平均した平均値）の範囲内で充電が行われるように、負荷２０を駆動制御する。また、ＥＣＵ３０（入力許容電流値設定部）は、電池に電流を入力する充電側を負領域、該電池から電流を出力する放電側を正領域としたときに、電流センサで計測した入出力電流の電流値Ｉ［Ａ］と、該入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘ［Ｈｚ］および振幅Ｙ［Ａ］とが、次式：
Ｉ＜０；
Ｘ≧１０００；
Ｉ＋Ｙ／２＞０；
を満たす場合に、入力許容電流値を上記基準値よりも絶対値（電流の大きさ）が大きい緩和値に設定する。ＥＣＵ３０の典型的な構成には、少なくとも、かかる制御を行うためのプログラムを記憶したＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、そのプログラムを実行可能なＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）と、図示しない入出力ポートとが含まれる。ＥＣＵ３０には、図示しない電流センサ、温度センサ、電圧センサ等からの各種信号が入力ポートを介して入力される。ＲＯＭ（記憶部）には、予め設定された入力許容電流値の基準値が記憶されている。このＥＣＵ３０と電流センサとにより本実施形態に係る充電制御装置が構成されている。

ＥＣＵ３０は、上述のように、電流センサで計測した入出力電流の電流値Ｉに基づき、Ｉ＜０、すなわち電池が充電中であるか否かを判断する。なお、電流センサで計測した入出力電流の電流値Ｉは、入出力電流に含まれるリプル成分の各瞬時値を相加平均した電流値（平均値）としても把握され得る。

また、ＥＣＵ３０は、上述のように、入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘが、Ｘ≧１０００、すなわち１ｋＨｚ以上であるか否かを判断する。ここで入出力電流に含まれるリプル成分の周波数は、使用する昇圧コンバータのスイッチング周波数に依存する傾向がある。この依存関係を利用して、昇圧コンバータのスイッチング周波数から入出力電流に含まれるリプル成分の周波数を把握できる。この実施形態では、上記関係を示すデータをマップの形でＲＯＭに記憶しておき、このデータを参照して、昇圧コンバータのスイッチング周波数から、入出力電流に含まれるリプル成分の周波数を算出する。

また、ＥＣＵ３０は、上述のように、入出力電流の電流値Ｉ［Ａ］と、該入出力電流に含まれるリプル成分の振幅Ｙ［Ａ］とから、Ｉ＋Ｙ／２＞０、すなわち、図６に示すようにリプル成分の瞬時値の最大値が放電側に振れているか否かを判断する。ここで入出力電流に含まれるリプル成分の振幅は、電池温度とリプル周波数とに依存する。例えば、電池温度が低いほど、リプル成分の振幅は減少傾向になり得る。この相関関係を利用して、電池温度とリプル周波数とから、リプル成分の振幅を把握することができる。この実施形態では、図７に示すように、上記相関関係を示すデータをテーブルの形でＲＯＭに記憶しておき、このデータを参照して、電池温度とリプル周波数とからリプル成分の振幅を把握する。

また、ＥＣＵ３０は、上述のように、Ｉ＜０、Ｘ≧１０００、Ｉ＋Ｙ／２＞０を満たす場合に、入力許容電流値を基準値よりも絶対値が大きい緩和値に設定する。この実施形態では、放電側に振れたリプル成分の瞬時値の最大値（以下、放電電流値という。）に対して、放電電流値が大きいほど、緩和値の絶対値（電流の大きさ）が大きくなるように設定される。すなわち、図８に示すように、放電電流値と緩和値との関係を示すデータをグラフの形でＲＯＭに記憶しておき、このデータを参照して、放電電流値から設定すべき緩和値を決定する。この例では、入力許容電流値の基準値（絶対値）は３０Ａに設定され、放電電流値が増えるほど緩和値（絶対値）が一定の比率で増大する。

このように構成された電源システム１の動作について説明する。図９は、本実施形態に係る電源システム１のＥＣＵ３０により実行される入力許容電流値設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。

図９に示す入力許容電流値設定処理ルーチンが実行されると、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０において、まず、制御対象のリチウムイオン二次電池１０について、電流センサから入出力電流の電流値Ｉの情報を取得し、該電流値Ｉが０よりも小さい（Ｉ＜０）か否かを判断する。入出力電流の電流値Ｉが０以上の場合（「Ｎｏ」）は、電池が充電中ではないと判断し、この処理ルーチンを終了する。一方、入出力電流の電流値Ｉが０よりも小さい場合（「Ｙｅｓ」）は、電池が充電中であると判断し、次のステップＳ２０へと進む。

ステップＳ２０では、ＥＣＵ３０は、昇圧コンバータのスイッチング周波数から入出力電流に含まれるリプル成分の周波数を取得し、リプル成分の周波数Ｘが１ｋＨｚ以上（Ｘ≧１０００）であるか否かを判断する。周波数Ｘが１ｋＨｚ未満の場合（「Ｎｏ」）は、ステップＳ３０に進み、入力許容電流値を基準値に設定する。そして、以降は、リチウムイオン二次電池１０に対して、入力許容電流値（基準値）を超えない電流値の範囲内で充電が行われるように、負荷２０を駆動制御する。一方、周波数Ｘが１ｋＨｚ以上の場合（「Ｙｅｓ」）は、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、ＥＣＵ３０は、制御対象のリチウムイオン二次電池１０について、電池温度を取得し、ＲＯＭに記憶されている電池温度とリプル周波数と振幅との関係を示すデータを参照して、入出力電流に含まれるリプル成分の振幅Ｙを求める。そして、Ｉ＋Ｙ／２＞０であるか否かを判断する。Ｉ＋Ｙ／２≦０の場合（「Ｎｏ」）は、リプル成分の瞬時値の最大値が放電側に振れていないと判断し、ステップＳ３０において、入力許容電流値を基準値に設定する。そして、以降は、リチウムイオン二次電池１０に対して、入力許容電流値（基準値）を超えない電流値の範囲内で充電が行われるように、負荷２０を駆動制御する。一方、Ｉ＋Ｙ／２＞０の場合（「Ｙｅｓ」）は、リプル成分の瞬時値の最大値が放電側に振れていると判断し、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭに記憶されている放電電流値と緩和値との関係を示すデータを参照して、放電電流値に対応する緩和値を取得する。そして、入力許容電流値を緩和値に設定する。そして、以降は、リチウムイオン二次電池１０に対して、入力許容電流値（緩和値）を超えない電流値の範囲内で充電が行われるように、負荷２０を駆動制御する。

上記実施形態によると、リチウム析出耐性が高い電流状態の場合（すなわち周波数が１ｋＨｚ以上でかつ瞬時値の最大値が放電側に振れるようなリプル成分が入力電流に含まれる場合）は、入力許容電流値（絶対値）を相対的に大きく設定し、一方、リチウム析出耐性が低い電流状態の場合（すなわち周波数が１ｋＨｚ未満もしくは瞬時値の最大値が放電側に振れていないようなリプル成分が入力電流に含まれる場合）は、入力許容電流値（絶対値）を相対的に小さく設定するので、リチウムの析出を抑制しつつ、入力許容電流値を適切に設定することができる。そのため、例えば車両搭載用電源においては燃費をより良く向上させることができる。具体的には、緩和値の絶対値を基準値よりも平均で５Ａ大きくした場合、cold FTPの走行条件において約０．６％燃費を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
この実施形態では、入力電流に含まれるリプル成分が、昇圧コンバータのスイッチング素子のオン／オフに連動して発生する昇圧リプルではなく、駆動用回転電機（ＭＧ２）のトルク変動リプルである点において、上述した第１実施形態とは相違する。すなわち、この実施形態の電源システムは、駆動用回転電機を備えている。駆動用回転電機は、車両に搭載されるモータジェネレータであって、リチウムイオン二次電池の側から電力が供給されるときは車両の駆動用モータとして機能し、車両の制動時には発電機として機能する。

駆動用回転電機のトルク変動リプルである場合、入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘは、車両の速度と相関関係がある。この相関関係を利用して、車両の速度から、リプル成分の周波数Ｘを把握することができる。例えば、図１０に示すように、上記相関関係を示すデータをグラフの形でＲＯＭに記憶しておき、このデータを参照して、車両の速度から、入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘを算出することができる。

また、駆動用回転電機のトルク変動リプルである場合、入出力電流に含まれるリプル成分の振幅Ｙは、リプル周波数Ｘと相関関係がある。この相関関係を利用して、リプル周波数Ｘから、リプル成分の振幅Ｙを把握することができる。例えば、図１１に示すように、上記相関関係を示すデータをグラフの形でＲＯＭに記憶しておき、このデータを参照して、リプル周波数Ｘから、入出力電流に含まれるリプル成分の振幅Ｙを算出することができる。なお、その他の態様については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１ 電源システム
１０ リチウムイオン二次電池
２０ 負荷
３０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. リチウムイオン二次電池の充電制御装置であって、
   前記リチウムイオン二次電池の入出力電流を検出する電流センサと、
   前記リチウムイオン二次電池への入力許容電流値を設定する入力許容電流値設定部と、
   前記入力許容電流値の基準値を記憶した記憶部と
   を備え、
   前記入力許容電流値設定部は、前記電池に電流を入力する充電側を負領域、該電池から電流を出力する放電側を正領域としたときに、前記電流センサで計測した入出力電流の電流値Ｉ［Ａ］と、該入出力電流に含まれるリプル成分の周波数Ｘ［Ｈｚ］および振幅Ｙ［Ａ］とが、次式：
   Ｉ＜０；
   Ｘ≧１０００；
   Ｉ＋Ｙ／２＞０；
   を満たす場合に、入力許容電流値を前記基準値よりも絶対値が大きい緩和値に設定するように構成されている、リチウムイオン二次電池の充電制御装置。
   
   
   
   

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