JP2017117755A

JP2017117755A - 入力上限電圧値決定方法及び制御装置

Info

Publication number: JP2017117755A
Application number: JP2015255157A
Authority: JP
Inventors: 吉広枝本; Yoshihiro Edamoto
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2017-06-29

Abstract

【課題】二次電池の性能劣化を防止しやすい入力上限電圧値決定方法及び制御装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る入力上限電圧決定方法は、バッテリ（１１１）の温度に関する情報を取得するステップと、バッテリ（１１１）の等価回路モデルに基づき、等価回路モデルのうち、バッテリ（１１１）の充電に際して生じるバッテリ（１１１）の内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素から導出される過電圧値を示す式を用いて、前記取得した温度における過電圧値を決定する第１決定ステップと、上限電圧基準値を決定した過電圧値で補正することにより、入力上限電圧値を決定する第２決定ステップとを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、入力上限電圧値決定方法及び制御装置に関する。

二次電池の充電率が適正な状態から外れ、過充電状態又は過放電状態になると、二次電池の性能劣化を引き起こす恐れがある。従来、この二次電池の性能劣化を防ぐために充放電制御を行う装置が知られている。例えば、特許文献１には、電池温度に対する二次電池の許容電力値を規定したマップを参照することにより充放電制御を行う制御装置が開示されている。

特開２０１１−１２５２１０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された制御装置では、上限電圧が一定に定められている。そのため、例えば電池の温度がより低い環境下で充電又は回生を行うほど、電池内部の物質（イオン等）の拡散速度が低下し、電池内における物質の濃度が均一になりにくくなる。その結果、局所的に過充電の状態が生じ、金属リチウムが析出して、二次電池の性能を劣化させうる。

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、二次電池の性能劣化を防止しやすい入力上限電圧値決定方法及び制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の観点に係る入力上限電圧値決定方法は、
バッテリの温度に関する情報を取得するステップと、
前記バッテリの等価回路モデルに基づき、前記等価回路モデルのうち、前記バッテリの充電に際して生じる前記バッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素から導出される過電圧値を示す式を用いて、前記取得した温度における過電圧値を決定する第１決定ステップと、
上限電圧基準値を前記決定した過電圧値で補正することにより、入力上限電圧値を決定する第２決定ステップとを含む。

また、第２の観点に係る入力上限電圧値決定方法において、
前記過電圧値を示す式は、前記バッテリへの充電を開始してからの経過時間に関するパラメータを含み、
該経過時間に関するパラメータを所定値に決定するステップ、
をさらに含むことを特徴とする。

また、第３の観点に係る入力上限電圧値決定方法において、
前記第１決定ステップは、前記バッテリの性能劣化を考慮した係数に基づいて、前記過電圧値を決定することを特徴とする。

また、第４の観点に係る入力上限電圧値決定方法において、
前記第１決定ステップは、
前記過電圧値を示す式に基づいて、前記バッテリの充電回路に流れる電流と過電圧値との関係を示す過電圧テーブルを作成するステップと、
該作成した過電圧テーブルを参照して前記前記過電圧値を決定するステップと、
を含むことを特徴とする。

また、第５の観点に係る制御装置は、
バッテリの等価回路モデルを記憶する記憶部と、
前記バッテリの温度に関する情報を取得し、前記記憶部に記憶された前記等価回路モデルのうち、前記バッテリの充電に際して生じる前記バッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素から導出される過電圧値を示す式を用いて、前記取得した温度における過電圧値を決定し、上限電圧基準値を前記決定した過電圧値で補正することにより、入力上限電圧値を決定する制御部とを備える。

第１の観点に係る入力上限電圧値決定方法によれば、制御装置は、バッテリの等価回路モデルのうちバッテリの充電に際して生じるバッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素に基づいて過電圧値を決定し、過電圧値に基づいて上限電圧基準値から入力上限電圧値を決定する。バッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素は、温度によってその特性が変化し、制御装置は、バッテリの温度に応じた過電圧値を決定するため、温度に応じた入力電圧値を決定できる。そのため、バッテリには、温度を考慮した入力上限電圧値に基づく電力が印加される。これにより、例えばバッテリ温度が低い環境下で充電を行う場合には、バッテリ温度がより高い環境下で充電を行う場合と比較して、バッテリに印加する電圧が、より低くなるように制御される。そのため、バッテリ内での局所的な過充電の状態が生じにくくなり、バッテリの性能劣化を防ぎやすくなる。

また、第２の観点に係る入力上限電圧値決定方法によれば、制御装置は、過電圧値を算出する際に、経過時間に関するパラメータを所定値（チューニング定数ｔ）に決定する。そのため、制御装置が過電圧値に基づいて算出された入力上限電圧値を基準としてバッテリに充電を行う際に、充電回路の充電性能が低下しにくくなる。

また、第３の観点に係る入力上限電圧値決定方法によれば、制御装置は、バッテリの性能劣化を考慮した過電圧値を算出する。そして、制御装置は、性能劣化を考慮した過電圧値に基づいて入力上限電圧値を算出する。そのため、制御装置は、性能劣化による内部抵抗を考慮した入力上限電圧値を決定できる。

また、第４の観点に係る入力上限電圧値決定方法によれば、制御装置は、過電圧テーブルを作成し、作成した過電圧テーブルを参照して、過電圧値を決定する。つまり、制御装置は、入力上限電圧値を決定するたびに過電圧値を算出するのではなく、テーブルを参照して過電圧値を決定する。そのため、入力上限電圧値の算出に際し、制御装置における演算負荷が軽減される。

また、第５の観点に係る制御装置は、バッテリの等価回路モデルのうちバッテリの充電に際して生じるバッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素に基づいて過電圧値を決定し、過電圧値に基づいて上限電圧基準値から入力上限電圧値を決定する。バッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素は、温度によってその特性が変化し、制御装置は、バッテリの温度に応じた過電圧値を決定するため、温度に応じた入力電圧値を決定できる。そのため、バッテリには、温度を考慮した入力上限電圧値に基づく電力が印加される。これにより、例えばバッテリ温度が低い環境下で充電を行う場合には、バッテリ温度がより高い環境下で充電を行う場合と比較して、バッテリに印加する電圧が、より低くなるように制御される。そのため、バッテリ内での局所的な過充電の状態が生じにくくなり、バッテリの性能劣化を防ぎやすくなる。

本発明の一実施形態に係る充電制御システムを示す機能ブロック図である。図１のバッテリの等価回路モデルの一例を示す図である。図１の制御部が作成する過電圧テーブルの一例を模式的に示す図である。図１の制御部による入力上限電圧値の決定処理手順を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る充電制御システムを示す機能ブロック図である。充電制御システム１００は、充電回路１１０と、温度センサ１２０と、バッテリコントローラ１３０と、制御装置１４０とを備える。

充電回路１１０は、バッテリ１１１と、充電器１１２とを含む。バッテリ１１１と、充電器１１２とは直列に接続されている。バッテリ１１１は、リチャージャブル・バッテリ（二次電池）であり、例えばリチウム・イオン・バッテリである。バッテリ１１１は、複数の電池セルを接続して形成されている。なお、バッテリ１１１は、リチウム・イオン・バッテリ以外の他の種類のバッテリであってもよい。バッテリ１１１は、充電器１１２により充電される。また、充電回路１１０は、充電回路１１０に流れる電流を測定する電流センサ１１３と、バッテリ１１１の両端の電圧を測定する電圧センサ１１４とを備える。電流センサ１１３と、電圧センサ１１４とは、バッテリコントローラ１３０に接続される。電流センサ１１３が取得した電流に関する情報及び電圧センサ１１４が測定した電圧に関する情報は、図１に破線の矢印で示すように、バッテリコントローラ１３０に送られる。

温度センサ１２０は、充電制御システム１００においてバッテリ１１１に接触して配置され、バッテリ１１１の温度を測定する。温度センサ１２０は、例えば熱電対、サーミスタ、バイメタル等の周知の温度センサにより構成される。温度センサ１２０は、バッテリコントローラ１３０に接続され、温度センサ１２０が測定したバッテリ１１１の温度に関する情報は、図１に破線の矢印で示すように、バッテリコントローラ１３０に送られる。

バッテリコントローラ１３０は、バッテリ１１１に接続され、例えば電流センサ１１３から取得した電流に関する情報及び電圧センサ１１４から取得した電圧に関する情報に基づき、バッテリ１１１の各電池セルの状態を監視及び推定する。バッテリコントローラ１３０は、例えばバッテリ１１１の充電率（ＳＯＣ：state of charge）及び健全度（ＳＯＨ：state of health）等を推定する。バッテリコントローラ１３０は、周知の方法により充電率及び健全度を推定する。健全度の推定方法については、例えば特開２０１４−５９２２６号公報に開示されている。バッテリコントローラ１３０は、制御装置１４０に接続され、取得した電流に関する情報、電圧に関する情報及び温度に関する情報、並びに推定した充電率及び健全度等を制御装置１４０に送信する。

制御装置１４０は、充電器１１２に接続され、充電器１１２によるバッテリ１１１への充電処理を制御する。具体的には、制御装置１４０は、充電処理においてバッテリ１１１に入力する電圧（入力電圧）を決定し、決定した入力電圧で充電器１１２がバッテリ１１１に電圧を入力するように、充電器１１２の出力を制御する。制御装置１４０は、特に、バッテリ１１１の性能の劣化を防止しやすい入力電圧の上限閾値（入力上限電圧値）を決定し、入力電圧を入力上限電圧値（又は入力上限電圧値以下）に決定する。制御装置１４０は、記憶部１４１と、制御部１４２とを備える。

記憶部１４１は、半導体メモリ等で構成することができ、各種情報や制御装置１４０を動作させるためのプログラム等を記憶するとともに、ワークメモリとしても機能する。記憶部１４１は、例えば、制御部１４２が入力上限電圧値を決定する際に使用する、バッテリ１１１の等価回路モデルを記憶する。

制御部１４２は、制御装置１４０の全体を制御及び管理するプロセッサである。制御部１４２は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで構成され、かかるプログラムは、例えば記憶部１４１又は外部の記憶媒体等に格納される。

制御部１４２は、入力上限電圧値を決定する。具体的には、制御部１４２は、予め定められた上限電圧基準値から、バッテリ１１１内部の物質の拡散の遅れ（拡散遅れ）の影響を考慮した値を引いて差を算出することにより、算出した値を入力上限電圧値として決定する。上限電圧基準値は、所定の値であり、例えば、性能劣化していないバッテリに対して、拡散遅れの影響がないと想定した場合に印加可能な電圧値である。制御部１４２による入力上限電圧値の決定処理の詳細について、以下説明する。

制御部１４２は、まず、バッテリ１１１の等価回路モデルのうち拡散遅れによる過電圧を示す要素（拡散遅れによる過電圧部）に基づいて過電圧値Ｖ_diff'を算出することにより、充電回路１１０に流れる電流と過電圧値との関係を示す過電圧テーブルを作成する。

図２は、本実施形態における、バッテリ１１１の等価回路モデルを示す図である。図２に示すように本実施形態では、等価回路モデルは、それぞれ抵抗値Ｒ₀、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃及びＲ₄を有する５つの抵抗と、それぞれ静電容量Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃及びＣ₄を有する４つのコンデンサとを含む。図２に示す等価回路モデルにおいて、抵抗値Ｒ₂、Ｒ₃及びＲ₄の抵抗と、静電容量Ｃ₂、Ｃ₃及びＣ₄のコンデンサとが、拡散遅れによる過電圧部である。拡散遅れによる過電圧部の各要素は、温度によってその特性が変化する。つまり、拡散遅れによる過電圧部の抵抗の各抵抗値Ｒ₂、Ｒ₃及びＲ₄、並びにコンデンサの各静電容量Ｃ₂、Ｃ₃及びＣ₄のそれぞれは、バッテリ温度によって値が変化する。

制御部１４２は、拡散遅れによる過電圧部に基づき、過電圧値を示す式を導出する。本実施形態において、過電圧値Ｖ_diff'を示す式は、式（１）のように示される。

式（１）において、Ｉは、充電回路１１０を流れる電流値である。また、ｔは充電を開始してからの経過時間である。制御部１４２は、ｔをチューニング定数として、過電圧値Ｖ_diff'を算出する。チューニング定数ｔが大きいほど、後述する入力上限電圧値の決定処理により決定される入力上限電圧値が小さくなるが、充電パワー制限が大きくなるため、充電回路１１０による充電性能を発揮しにくくなる。そのため、チューニング定数ｔは、制御部１４２により、又は外部からの入力により、充電回路１１０による充電性能を発揮できる所定値に適宜決定される。

制御部１４２は、所定の温度範囲について、バッテリ温度ごとに過電圧値Ｖ_diff'を算出し、充電回路１１０に流れる電流と過電圧との関係を示す過電圧テーブルを作成する。図３は、制御部１４２が作成する過電圧テーブルの一例を模式的に示す図である。図３では、理解を容易にするため、３つの異なるバッテリ温度Ｔ₁、Ｔ₂及びＴ₃（但し、Ｔ₁＞Ｔ₂＞Ｔ₃）における電流と過電圧との関係を示している。図３に示すように、電流の値が等しい場合には、バッテリ温度が低いほど、過電圧値Ｖ_diff'が高くなる。

制御部１４２は、作成した過電圧テーブルを参照して、バッテリ１１１に対する入力上限電圧値を決定する。図４は、制御部１４２による入力上限電圧値の決定処理手順を模式的に示す図である。

図４に示すように、制御部１４２は、バッテリコントローラ１３０から取得した、充電回路１１０を流れる電流と、バッテリ１１１の温度とに基づき、作成した過電圧テーブルを参照して、充電回路１１０における過電圧値Ｖ_diff'を決定する。つまり、制御部１４２は、取得したバッテリ１１１の温度における電流と過電圧との関係を参照し、取得した電流値に対応する過電圧値Ｖ_diff'を決定する。

次に、制御部１４２は、決定した過電圧値Ｖ_diff'と、バッテリ１１１の性能劣化を考慮した係数（劣化係数）との積を求めることにより、バッテリ１１１の性能劣化を考慮した過電圧値Ｖ_diffを算出する。つまり、制御部１４２により過電圧テーブルを参照して決定される過電圧値Ｖ_diff'は、バッテリ１１１の等価回路モデルに基づいて算出される、バッテリ１１１の劣化がない状態の過電圧値である。しかしながら、実際には、バッテリ１１１は、性能劣化している場合がある。制御部１４２は、この性能劣化によるバッテリ１１１の内部抵抗変化の影響を、入力上限電圧値の算出に反映させる。本実施形態では、制御部１４２は、劣化によるバッテリ１１１の内部抵抗がＳＯＨに反比例して増加すると仮定し、ＳＯＨの逆数を劣化係数として使用する。すなわち、制御部１４２は、過電圧値Ｖ_diff'とＳＯＨの逆数との積を求めることにより、性能劣化を考慮した過電圧値Ｖ_diffを算出する。なお、制御部１４２は、他の指標を劣化係数として使用してバッテリ１１１の性能劣化を考慮した過電圧値Ｖ_diffを算出してもよい。

そして、制御部１４２は、予め定められたバッテリ１１１に印加可能な電圧の上限値である上限電圧基準値を、過電圧値Ｖ_diffで補正することにより、入力上限電圧値を決定する。具体的には、制御部１４２は、上限電圧基準値から、過電圧値Ｖ_diffを引いて差を求めることにより、入力上限電圧値を決定する。上限電圧基準値は、例えば記憶部１４１に記憶されている。なお、このとき、制御部１４２は、充電時の入力電圧の変動（リップル）を考慮した値をさらに引いて、入力上限電圧値を決定してもよい。

制御部１４２は、このようにして算出した入力上限電圧値に基づいて充電器１１２を制御することにより、バッテリ１１１に充電を行う。

なお、制御部１４２は、例えば所定の時間間隔ごとに又は連続的に入力上限電圧値を算出する。

このように、本実施形態に係る制御装置１４０は、バッテリ１１１の等価回路モデルのうち拡散遅れによる過電圧部に基づいて過電圧値を決定し、過電圧値に基づいて上限電圧基準値から入力上限電圧値を決定する。このとき、制御装置１４０は、バッテリ１１１の温度に応じた過電圧値を決定するため、温度に応じた入力電圧値を決定できる。そのため、バッテリ１１１には、温度を考慮した入力上限電圧値に基づく電力が印加される。これにより、例えばバッテリ温度が低い環境下で充電を行う場合には、バッテリ温度がより高い環境下で充電を行う場合と比較して、バッテリに印加する電圧が、より低くなるように制御される。そのため、バッテリ内での局所的な過充電の状態が生じにくくなり、バッテリの性能劣化を防ぎやすくなる。

また、制御装置１４０は、過電圧値Ｖ_diff'を算出する際に、チューニング定数ｔを決定する。そのため、制御装置１４０が、過電圧値Ｖ_diff'に基づいて算出された入力上限電圧値を基準としてバッテリ１１１に充電を行う際に、充電回路１１０の充電性能が低下しにくくなる。

また、制御装置１４０は、過電圧値Ｖ_diff'と、劣化係数との積を求めて、バッテリ１１１の性能劣化を考慮した過電圧値Ｖ_diffを算出する。そして、制御装置１４０は、性能劣化を考慮した過電圧値Ｖ_diffに基づいて入力上限電圧値を算出する。そのため、制御装置１４０は、性能劣化による内部抵抗を考慮した入力上限電圧値を決定できる。

また、制御装置１４０は、バッテリ１１１の等価回路モデルのうち拡散遅れによる過電圧部に基づいて過電圧値Ｖ_diff'を算出することにより、充電回路１１０に流れる電流と過電圧との関係を示す過電圧テーブルを作成する。そして、制御装置１４０は、作成した過電圧テーブルを参照して、過電圧値Ｖ_diff'を決定する。つまり、制御装置１４０は、入力上限電圧値を決定するたびに過電圧値Ｖ_diff'を算出するのではなく、テーブルを参照して過電圧値Ｖ_diff'を決定する。そのため、入力上限電圧値の算出に際し、制御装置１４０における演算負荷が軽減される。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段等を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

１００充電制御システム
１１０充電回路
１１１バッテリ
１１２充電器
１１３電流センサ
１１４電圧センサ
１２０温度センサ
１３０バッテリコントローラ
１４０制御装置
１４１記憶部
１４２制御部

Claims

バッテリの温度に関する情報を取得するステップと、
前記バッテリの等価回路モデルに基づき、前記等価回路モデルのうち、前記バッテリの充電に際して生じる前記バッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素から導出される過電圧値を示す式を用いて、前記取得した温度における過電圧値を決定する第１決定ステップと、
上限電圧基準値を前記決定した過電圧値で補正することにより、入力上限電圧値を決定する第２決定ステップと
を含む、入力上限電圧値決定方法。
前記過電圧値を示す式は、前記バッテリへの充電を開始してからの経過時間に関するパラメータを含み、
該経過時間に関するパラメータを所定値に決定するステップ、
をさらに含む、請求項１に記載の入力上限電圧値決定方法。
前記第１決定ステップは、前記バッテリの性能劣化を考慮した係数に基づいて、前記過電圧値を決定する、請求項１又は請求項２に記載の入力上限電圧値決定方法。
前記第１決定ステップは、
前記過電圧値を示す式に基づいて、前記バッテリの充電回路に流れる電流と過電圧値との関係を示す過電圧テーブルを作成するステップと、
該作成した過電圧テーブルを参照して前記前記過電圧値を決定するステップと、
を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の入力上限電圧値決定方法。
バッテリの等価回路モデルを記憶する記憶部と、
前記バッテリの温度に関する情報を取得し、前記記憶部に記憶された前記等価回路モデルのうち、前記バッテリの充電に際して生じる前記バッテリの内部の物質の拡散の遅れによる過電圧を示す要素から導出される過電圧値を示す式を用いて、前記取得した温度における過電圧値を決定し、上限電圧基準値を前記決定した過電圧値で補正することにより、入力上限電圧値を決定する制御部と
を備える、制御装置。