JP2017227494A - リチウムイオン電池の診断装置及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正極と負極の初期容量が相違し、初期容量が大きい一方の電極の容量劣化の進行が他方の電極の容量劣化の進行よりも速いリチウムイオン電池の容量劣化に伴って正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を簡便に判定する。
【解決手段】リチウムイオン電池のＳＯＣが所定の高ＳＯＣ範囲になったときのｄＱ／ｄＶ又はｄＶ／ｄＱを算出し、充電回数の増大に伴って上記ｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転を検出し、当該逆転を生ずる時点で上記正極と負極の実容量の大きさが逆転すると判定する。
【選択図】図７

Description

本発明はリチウムイオン電池の診断装置及び制御装置に関する。

リチウムイオン電池の劣化状態の推定に、リチウムイオン電池の電池電圧Ｖの変化量ｄＶに対する電池容量Ｑの変化量ｄＱの割合であるｄＱ／ｄＶを用いることが知られている。例えば、特許文献１には、電池電圧ＶとｄＱ／ｄＶとの関係を表すＶ−ｄＱ／ｄＶ曲線上に現れる特異部分に基づいて、リチウムイオン電池の劣化状態を推定することが記載されている。上記曲線上の特異部分の位置（ｄＱ／ｄＶ値，電池電圧Ｖ値）が充放電サイクル数に応じて変化していくことを利用して、リチウムイオン電池の劣化度合いを推定するというものである。

特開２０１４−１３９８９７号公報

ところで、リチウムイオン電池の容量劣化の進行は必ずしも一定ではない。正極と負極ではその容量劣化速度が異なるのが通常であるため、容量劣化の進行が速い一方の電極の初期容量が他方の電極よりも大きくされる（容量リッチ）。その場合、図３に例示するように、一方の電極は、初期容量は大きいが、容量劣化の進行が速いため、途中で、実容量（残容量）が他方の電極の実容量よりも小さくなる。一方、電池性能は容量が低い方の電極に支配される。従って、当該電池は、はじめは初期容量が小さい電極の容量劣化速度で電池の容量劣化が進行し、途中から、正極と負極の実容量が逆転する結果、初期容量が大きい電極の容量劣化速度で電池の容量劣化が進行することになる。つまり、電池の使用を開始してある期間を経過した時点Ｐから、電池の容量劣化の進行がそれまでよりも速くなるという現象が起きる。

そうして、電池の容量劣化の進行が途中で速くなる現象は、電池に異常が発生したためではなく、上述の如く、電池が元々備えている特性であり、当該現象を生じた後も電池の使用は可能である。

従って、電池の劣化状態についての誤判定の防止、電池の残寿命の判定、電池の適切な制御等の観点から、正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を捉えることが要望される。

しかし、電池の状態からは正極及び負極各々の状態を把握することはできないという問題がある。例えば、正極と負極の相対的な関係である電池電圧Ｖや電流値Ｉ、電池容量Ｑは把握することができるが、正極及び負極の電極容量の絶対値は把握することができない。電池の充放電特性から電池内部の正極及び負極の状態を推定することも考えられるが、それには膨大な参照データが必要になる。

そこで、本発明は、正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を簡便に判定できるようにする。

リチウムイオン電池の充放電を繰り返していくと、その充放電サイクルの増大に伴って電池容量が小さくなっていくため、ｄＱ／ｄＶ値が基本的には小さくなっていく。

ところが、本発明者が、ＳＯＣ（充電率）−ｄＱ／ｄＶ曲線を詳細に調べたところ、高ＳＯＣ範囲では、充放電サイクルの増大に伴って、はじめはｄＱ／ｄＶ値が増大していき、途中から減少に転ずるという現象を見出した。そして、この現象をさらに検討し、ｄＱ／ｄＶ値が増大から減少に転ずる時点が、正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点に当たることを見出した（この点は後に詳述する）。

本発明は、上記知見に基づいて完成されたものである。

ここに開示するリチウムイオン電池の診断装置は、正極と負極の初期容量が相違し、該正極及び負極のうちの初期容量が大きい一方の電極の容量劣化の進行が他方の電極の容量劣化の進行よりも速いリチウムイオン電池を対象とし、
上記リチウムイオン電池が充電されたときに、該リチウムイオン電池のＳＯＣが所定の高ＳＯＣ範囲になった否か、又は該リチウムイオン電池の電池電圧Ｖが所定の高電圧範囲になった否かを検出する検出部と、
上記検出部によって、上記ＳＯＣが上記高ＳＯＣ範囲になったこと、又は上記電池電圧Ｖが上記高電圧範囲になったことが検出されたとき、上記電池電圧Ｖの変化量ｄＶに対する電池容量Ｑの変化量ｄＱの割合であるｄＱ／ｄＶ、又は電池容量Ｑの変化量ｄＱに対する上記電池電圧Ｖの変化量ｄＶの割合であるｄＶ／ｄＱを算出する算出部と、
上記リチウムイオン電池の充電回数の増大に伴って上記ｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転、又は上記リチウムイオン電池の充電回数の増大に伴って上記ｄＶ／ｄＱが減少していく状態から増大していく状態への逆転を検出し、当該逆転を生ずる時点で上記正極と負極の実容量の大きさが逆転すると判定する診断部とを備えていることを特徴とする。

この診断装置によれば、ｄＱ／ｄＶ又はｄＶ／ｄＱについての上記逆転の検出により、リチウムイオン電池の容量劣化特性が変化する時点がわかる。すなわち、当該逆転を生ずる時点をもって正極と負極の実容量（残容量）の大きさが逆転し、その結果、当該時点以降は、当該電池の容量劣化が初期容量が大きい一方の電極の速い容量劣化速度でもって進行していく（当該電池の容量劣化の進行が速くなる）ことがわかる。

これにより、例えば、電池容量が単に推定値よりも小さくなったことをもって電池に異常を生じたと誤判定することが避けられる。また、上記逆転を生ずる時点以降は電池の容量劣化が速くなるから、そのことを踏まえて当該電池の寿命（電池の交換時期）を精度良く決定することが可能になる。或いは、当該時点以降の電池の充放電の制御を変更して電池寿命を伸ばすことが可能になる。

上記ｄＱ／ｄＶ又はｄＶ／ｄＱの算出は、当該電池のＳＯＣが９２％以上の高いＳＯＣ範囲において行なうこと、或いは当該電池の満充電電圧の９０％以上の高い電圧範囲において行なうことが、上記逆転の検出のために適切である。この逆転を確実に検出する上では、ＳＯＣが９５％以上の高ＳＯＣ範囲、或いは満充電電圧の９５％以上の高電圧範囲で上記算出を行なうことが好ましい。

上記診断部は、実際にｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態に変わったことをもって、又は実際にｄＶ／ｄＱが減少していく状態から増大していく状態に変わったことをもって、上記逆転を検出するものであっても、充電回数の増大に伴ってｄＱ／ｄＶが増大していくデータ、又は充電回数の増大に伴ってｄＶ／ｄＱが減少していくデータを用いて算出される回帰曲線を外挿することによって、上記逆転を検出する（上記逆転時期を予測する）ものであってもよい。

また、ここに開示するリチウムイオン電池の制御装置は、正極と負極の初期容量が相違し、該正極及び負極のうちの初期容量が大きい一方の電極の容量劣化の進行が他方の電極の容量劣化の進行よりも速いリチウムイオン電池を対象とし、
請求項１記載の検出部、算出部及び診断部を備えるとともに、上記リチウムイオン電池の充放電を制御する制御部を備え、
上記制御部は、上記診断部によって上記逆転が検出されたときに、当該逆転を生ずる時点以降の上記充放電の制限を当該時点前に比べて厳しくすることを特徴とする。

先に述べたとおり、ｄＱ／ｄＶ又はｄＶ／ｄＱについて上記逆転を生ずると、それ以降の電池の容量劣化の進行は、容量劣化の進行が速い一方の電極に支配される。従って、当該逆転後の電池の充放電制御を逆転前と同じ条件で継続すると、電池の容量劣化の進行が速くなる。これに対して、上記制御装置によれば、上記逆転を生ずる時点が検出されたときに、当該時点以降の上記充放電の制限を当該時点前に比べて厳しくするから、電池の容量劣化の進行が速くなることが抑えられ、該電池の長命化に有利になる。充放電の制限を厳しくするとは、例えば、満充電電圧を下げる、充放電電圧を下げる、或いは単位時間当たりの充放電電流値を下げる、すなわち、当該電池の使用制限をすることを意味する。

上記制御装置の好ましい実施形態では、上記ｄＱ／ｄＶ又はｄＶ／ｄＱについての上記逆転を生ずると見込まれる標準逆転時期が予め設定されており、上記制御部は、上記リチウムイオン電池が上記標準逆転時期まで使用された後に上記逆転を生ずることが上記診断部によって検出されたときは、当該逆転を生ずる時点以降の上記リチウムイオン電池の充放電を第１の基準で制限し、上記リチウムイオン電池が上記標準逆転時期まで使用される前に上記逆転を生ずることが上記診断部によって検出されたときは、当該逆転を生ずる時点以降の上記リチウムイオン電池の充放電を上記第１の基準よりも厳しい第２の基準で制限することを特徴とする。

リチウムイオン電池が上記標準逆転時期まで使用される前に上記逆転を生ずるケースとしては、初期容量が小さい電極の容量劣化の進行が想定よりも遅いケースと、初期容量が大きい電極の容量劣化の進行が想定よりも速いケースが考えられる。仮に後者のケースであれば、電池の容量劣化の進行が想定よりも速いということであるから、フェイルセーフの観点からは、このときは、当該逆転を生ずる時点以降の電池の充放電を第１の基準よりも厳しい第２の基準で制限し、電池が短命になることを防止するものである。

本発明に係るリチウムイオン電池の診断装置によれば、充電回数の増大に伴ってｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転、又は充電回数の増大に伴ってｄＶ／ｄＱが減少していく状態から増大していく状態への逆転を検出するから、当該電池の容量劣化速度が変化する時点を把握することができ、電池の容量劣化状態についての誤判定防止、当該電池の寿命の精度良い判定、或いは、当該電池の延命など、電池の利用に有利になる。

また、本発明に係るリチウムイオン電池の制御装置によれば、上記逆転が検出されたときに、当該逆転を生ずる時点以降の電池の充放電の制限を当該時点前に比べて厳しくするから、電池の不慮の容量ダウン防止ないしは電池の延命に有利になる。

車両用電源制御装置の電気的構成を示す回路図。 制御系統を示すブロック図。 リチウムイオン電池の正極容量及び負極容量の経年劣化を示すグラフ図。 リチウムイオン電池のＳＯＣ−ｄＱ／ｄＶ特性線の充放電サイクルの増大に伴う変化を示すグラフ図。 高ＳＯＣ範囲での充放電サイクル０ｃｙ−１９５０ｃｙのＶ−ｄＱ／ｄＶ特性線を示すグラフ図。 高ＳＯＣ範囲での充放電サイクル２２００ｃｙ−３３００ｃｙのＶ−ｄＱ／ｄＶ特性線を示すグラフ図。 ＳＯＣが９５％であるときと９６％であるときの充放電サイクルの増大に伴うｄＱ／ｄＶの変化を示すグラフ図。 リチウムイオン電池のＳＯＣと電極の開放電位との関係、並びに正極リッチの場合の電池の容量劣化に伴う上限電圧での電極電位の推移を示すグラフ図。 正極リッチにおいて電池電圧がΔＶ変化するときの電極電位の変化の勾配が電池の容量劣化に伴って変化することを概略的に示すグラフ図。 電池電圧ＶがΔＶだけ変化するときの電池容量Ｑの変化量ΔＱを示す説明図。 リチウムイオン電池のＳＯＣと電極の開放電位との関係、並びに負極リッチの場合の電池の容量劣化に伴う上限電圧での電極電位の推移を示すグラフ図。 負極リッチにおいて電池電圧がΔＶ変化するときの電極電位の変化の勾配が電池の容量劣化に伴って変化することを概略的に示すグラフ図。 ＬｉＢ診断・制御装置の検出部及び算出部のフローを示す図。 規定回数ＲＮｏ及び所定回数ＣＮｏの設定フローを示す図。 ＬｉＢ診断・制御装置の診断部及び制御部のフローを示す図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜車両用電源制御装置＞
図１は車両用電源制御装置の電気的構成を示す回路図である。この車両は、ガソリンエンジン（以下、単に「エンジン」という）から動力を得て発電する通常発電と車両減速時の減速回生発電とが可能である発電機としてのＢ−ＩＳＧ（ベルト駆動式インテグレーテッド・スタータ／ジェネレータ）１と、Ｂ−ＩＳＧ１と電気的に接続され、Ｂ−ＩＳＧ１で発電された電力を蓄えるバッテリ２及びリチウムイオン電池（ＬｉＢ）３と、Ｂ−ＩＳＧ１で発電された電力を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４と、電力を消費する各種電装品からなる電気負荷５と、エンジンの始動時に駆動されてエンジンをクランキングするスタータ６とを備えている。

Ｂ−ＩＳＧ１は、プーリベルトを介してエンジンの出力軸と連結されており、エンジンの出力軸と連動して回転するロータを磁界中で回転させることにより発電をする。本例のＢ−ＩＳＧ１は、磁界を発生されるフィールドコイルへの印加電流の増減に応じて最大２５Ｖまでの範囲で発電電力を調節することが可能である。車両の減速時には、エンジンへの燃料供給及び点火はなく、エンジンがエンジンブレーキとして機能する一方、Ｂ−ＩＳＧ１が発電機として機能し、回生制動が行なわれる。また、Ｂ−ＩＳＧ１には、発電された交流電力を直流電力に変換する整流器が内蔵されている。つまり、Ｂ−ＩＳＧ１で発電された電力は、この整流器で直流に変換された後に各部に送電される。逆に、Ｂ−ＩＳＧ１は、ＬｉＢ３から電力の供給を受けることでスタータとして動作してエンジンを始動させることができる。

バッテリ２は、車両用の蓄電装置として一般的な公称電圧１２Ｖの鉛バッテリである。このようなバッテリ２は、化学反応によって電気エネルギを蓄えるものであるため、急速な充放電には不向きであるが、充電容量を確保し易いため、比較的多量の電力を蓄えることができるという特性がある。

ＬｉＢ３は、基本単位であるリチウムイオンバッテリセルを複数個連結して大容量化したもので、最大２５Ｖまで充電することが可能である。このようなＬｉＢ３は、バッテリ２とは異なり、リチウムイオンの物理的な吸着によって電気を蓄えるものであるため、比較的急速な充放電が可能で、内部抵抗も少ないという特性がある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、内蔵するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ（スイッチング動作）によって電圧を変化させるスイッチング方式のものである。なお、本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、Ｂ−ＩＳＧ１又はＬｉＢ３の側から電気負荷５又はバッテリ２の側に（つまり図中左側から右側に）供給される電力の電圧をスイッチング動作により降圧する機能を有しているが、これ以外の機能、例えば上記とは反対方向への（つまり図中右側から左側への）電力の供給を許容したり、電圧を昇圧したりする機能は有していない。

Ｂ−ＩＳＧ１とＬｉＢ３とは給電用の第１ライン７を介して互いに接続されている。第１ライン７からは第２ライン８が分岐しており、この第２ライン８の途中にＤＣ／ＤＣコンバータ４が介設されている。第２ライン８からは第３ライン９が分岐しており、この第３ライン９を介してバッテリ２と第２ライン８とが互いに接続されている。第３ライン９からは第４ライン１０が分岐しており、この第４ライン１０を介してスタータ６とバッテリ２とが互いに接続されている。

第１ライン７における第２ライン８との分岐点からＬｉＢ３までの間の部位には、Ｂ−ＩＳＧ１とＬｉＢ３との接続を断続するためのＬｉＢ遮断リレー１２が設けられている。ＬｉＢ遮断リレー１２は、Ｂ−ＩＳＧ１からＬｉＢ３への給電を許可するオン状態（閉：接続状態）と、同給電を遮断するオフ状態（開：遮断状態）とに切り替え可能とされている。

第１ライン７からは第２ライン８と並列にバイパスライン１１が分岐しており、このバイパスライン１１はＤＣ／ＤＣコンバータ４よりも出力側に位置する第２ライン８の途中部に接続されている。つまり、バイパスライン１１は、Ｂ−ＩＳＧ１と電気負荷５とをＤＣ／ＤＣコンバータ４を介さずに接続するとともに、バッテリ２とＬｉＢ３とをＤＣ／ＤＣコンバータ４を介さずに接続するものである。これらの接続を断続するために、バイパスライン１１にはバイパスリレー１３が設けられている。バイパスリレー１３は、バイパスライン１１を通じた（ＤＣ／ＤＣコンバータ４をバイパスした）給電を許可するオン状態（閉：接続状態）と、同給電を遮断するオフ状態（開：遮断状態）とに切り替え可能とされている。

電気負荷５には、ドライバによるステアリング操作を電気モータ等の動力を用いてアシストする電動式のパワーステアリング機構（以下、「ＥＰＡＳ」と略称する）２１の他、エアコン２２、オーディオ２３等が含まれている。これらＥＰＡＳ２１、エアコン２２、オーディオ２３等の電気負荷は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４が設けられた第２ライン８か、又はＤＣ／ＤＣコンバータ４が設けられていないバイパスライン１１を介して、第１ライン７と接続されている。

本実施形態の電気負荷５には、ＥＰＡＳ２１等の電気負荷以外に、グロープラグ２６も含まれている。グロープラグ２６は、エンジンの冷間始動時に通電加熱によりエンジンの燃焼室を温めるためのヒータである。グロープラグ２６は、スタータ６と並列にバッテリ２に接続されているが、ＰＴＣヒータ２５は、通電加熱により室内を暖房するためのヒータであり、最大２５Ｖでも安定して作動するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に対してＢ−ＩＳＧ１及びＬｉＢ３側に配置されている。

＜制御系統＞
図２に制御系統をブロック図で示すように、上述したＢ−ＩＳＧ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、スタータ６、ＬｉＢ遮断リレー１２、バイパスリレー１３、電気負荷５（ＥＰＡＳ２１、エアコン２２、オーディオ２３、…）等の部品は、各種信号線を介してコントローラ３０と接続されており、コントローラ３０からの指令に基づき制御される。コントローラ３０は、従来周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータであり、後述するＬｉＢ診断・制御装置の「検出部」、「算出部」、「補助充電部」、「診断部」及び「制御部」を構成する。

また、コントローラ３０は、車両に設けられた各種センサ類と信号線を介して接続されている。本実施形態の車両には、電圧センサＳＮ１、電流センサＳＮ２、スタートスイッチセンサＳＮ３、及び温度センサＳＮ４等が設けられており、これらのセンサ類により検出された情報がコントローラ３０に逐次入力されるようになっている。

電圧センサＳＮ１は、図１にも示すように、ＬｉＢ３の電圧を検出するセンサである。電流センサＳＮ２は、図１にも示すように、ＬｉＢ３の電流を検出するセンサである。スタートスイッチセンサＳＮ３は、エンジンを始動又は停止する際にドライバにより操作されるイグニッションキーがエンジン始動位置に操作されたことを検出するセンサである。温度センサＳＮ４は、ラジエータの水温を検出するセンサである。

コントローラ３０は、各センサ類ＳＮ１〜ＳＮ４からの入力情報に基づいて、Ｂ−ＩＳＧ１による電力発電量及びスタータとしての動作、ＤＣ／ＤＣコンバータ４による降圧動作、電気負荷５及びスタータ６の駆動／停止、リレー１２，１３のオン／オフ操作等を制御するとともに、ＬｉＢ３の容量劣化状態の診断及びＬｉＢ３の充放電の制御を行なう。

＜リチウムイオン電池（ＬｉＢ）の診断・制御＞
[リチウムイオン電池の容量劣化について]
リチウムイオン電池の容量劣化は容量維持率ηの減少として捉えることができる。図３にリチウムイオン電池の正極容量及び負極容量の経年劣化をグラフで概略的に示す。一般に、リチウムイオン電池は、正極リッチ又は負極リッチのいずれかで製造されており、正極及び負極の初期容量は相違する。また、正極及び負極の容量維持率は互いに独立に経年劣化する。図３は正極リッチで且つ正極の容量劣化の進行が負極の容量劣化の進行よりも速いケースである。このケースでは、リチウムイオン電池の使用開始からある期間を経過した時点Ｐで、正極と負極の実容量の大きさが逆転している。リチウムイオン電池の容量維持率は、正極及び負極のうち容量が低い方に制限される。すなわち、図３のケースでは、リチウムイオン電池の容量劣化については、その使用開始からＰ時点までは負極容量の劣化が支配的となり、Ｐ時点以降は正極容量の劣化が支配的となる。

従って、上記正極と負極の実容量（残容量）の逆転時点Ｐを検出することができれば、リチウムイオン電池の劣化状態についての誤判定の防止、電池の残寿命の判定、電池の適切な制御等に有利になる。

[ＳＯＣ−ｄＱ／ｄＶ特性線の充放電サイクルの増大に伴う変化]
図４は実施形態に係るリチウムイオン電池のＳＯＣとｄＱ／ｄＶとの関係であるＳＯＣ−ｄＱ／ｄＶ特性線の、充放電サイクルの増大に伴う変化を示す。ｄＱ／ｄＶは、電池電圧Ｖの変化量ｄＶに対する電池容量Ｑの変化量ｄＱの割合である。図４によれば、充放電サイクルが増大するに従って、基本的にはｄＱ／ｄＶが次第に小さくなっているが、ＳＯＣが少なくとも９３％を超える高ＳＯＣ範囲ではｄＱ／ｄＶが必ずしも小さくなっていない。

そこで、上記高ＳＯＣ範囲でのＳＯＣ−ｄＱ／ｄＶ特性線をみると、図５に充放電サイクル０ｃｙ−１９５０ｃｙのＳＯＣ−ｄＱ／ｄＶ特性線を示すように、０ｃｙから１７００ｃｙまでは、充放電サイクルの増大するに伴って、ｄＱ／ｄＶが次第に大きくなっている。１９５０ｃｙになると、ｄＱ／ｄＶが１７００ｃｙよりも少し小さくなっている。一方、図６に上記高ＳＯＣ範囲での充放電サイクル２２００ｃｙ−３３００ｃｙのＳＯＣ−ｄＱ／ｄＶ特性線を示すように、２６９０ｃｙと２８００ｃｙの間で逆転が見られるものの、充放電サイクルの増大するに伴って、ｄＱ／ｄＶが次第に小さくなっている。

図５及び図６によれば、当該リチウムイオン電池の場合は、０ｃｙから充放電サイクルの増大するに伴ってｄＱ／ｄＶが次第に大きくなっていき、１７００ｃｙないし１９５０ｃｙ付近でｄＱ／ｄＶがピークになり、それ以降は充放電サイクルの増大するに伴ってｄＱ／ｄＶが次第に小さくなっている。すなわち、上記高ＳＯＣ範囲では、充放電サイクルが増大していくとき、ｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転が見られる。

図７は実施形態に係るリチウムイオン電池のＳＯＣが９５％であるときのｄＱ／ｄＶ、並びに９６％であるときのｄＱ／ｄＶの、充放電サイクルの増大に伴う変化特性（経時変化）を示す。同図によれば、充放電サイクルの増大に伴って、ｄＱ／ｄＶが次第に増大していき、１８００ｃｙ付近でピークになり、その後は充放電サイクルの増大に伴ってｄＱ／ｄＶが次第に減少していることがわかる。

なお、図４乃至図７のデータはリチウムイオン電池の充放電を該電池の劣化を生じにくい温度条件（２０℃付近）で行なった場合のものである。これよりも充放電時の温度を低くした場合、或いは高くした場合は、いずれにおいても、ｄＱ／ｄＶがピークになる充放電サイクル数は少なくなる。

[上記逆転を生ずる理由の検討]
図８にリチウムイオン電池のＳＯＣと正極及び負極の開放電位との関係の一例を示す。充電していくと、正極電位は上昇していく一方、負極電位は降下していく。正極電位と負極電位の差が電池電圧である。予め設定した上限電圧になると、正極電位の上昇及び負極電位の降下が停止するが、上限電圧での正極電位及び負極電位は電池の容量劣化によって推移する。

正極リッチの場合、電池が劣化していない初期状態（例えば電池製造直後の状態）のときの上限電圧付近では、正極電位はＳＯＣの変化に対する電位変化の勾配が小さい「１」位置となり、負極電位は当該勾配が大きい「１」位置となる。すなわち、図９（Ａ）に模式的に示すように、電池電圧ＶがΔＶだけ変化するとき、正極電位は小さな勾配で変化し、負極電位は大きな勾配で変化する。

ここに、図８から明らかなように、当該勾配が大きくなるほど、電極電位が変化するときの電極容量の変化量が小さくなる。従って、図１０に示すように、電池電圧ＶがΔＶだけ変化するときの電池容量Ｑの変化量ΔＱは、正極電位及び負極電位各々の上記勾配に応じて変化する面積（グレー部分）に対応するとみなすことができる。要するに、当該勾配が大きくなるほどｄＱ／ｄＶが小さくなる。

電池の劣化が進むと、図８に示すように、上限電圧付近の正極電位及び負極電位は上記「１」位置から「２」位置、「３」位置へと次第にシフトしていく。

「２」位置に近くなると、図９（Ｂ）に示すように、正極電位の勾配は「１」位置よりも若干大きくなる程度であまり変わらず、負極電位の勾配は、「１」位置よりも小さくなる。従って、「２」位置の手前では、上記ΔＱは、「１」位置よりも大きくなる。

「２」位置を超えると、図９（Ｃ）に示すように、正極電位の勾配が大きくなっていくが、負極電位の勾配は、「２」位置よりもさらに小さくなる。従って、「２」位置に近いところでは、ΔＱは、「２」位置手前と殆ど変わらない。そうして、「３」位置になると、図９（Ｄ）に示すように、負極電位の勾配はさらに小さくなるが、正極電位の方は勾配が大きくなる。従って、ΔＱは、「１」位置と同様に大きくなる。

以上のように、電池の上限電圧付近では、電池電圧ＶがΔＶだけ変化するときの電池容量Ｑの変化量ΔＱは、電池の初期状態から該電池の劣化が進むに従って次第に大きくなっていくが、途中で逆転して、電池の劣化が進むに従って次第に小さくなっていく。

そうして、図８及び図９（Ａ）〜（Ｄ）から明らかなように、初期状態の「１」位置から「２」位置に至るまでは、負極の容量劣化に伴って負極電位の上記勾配が変化することに起因して、上記ΔＱが次第に大きくなっているから、負極容量が電池容量を支配している、換言すれば、負極の容量劣化が電池のｄＱ／ｄＶを支配していることがわかる。一方、「２」位置から「３」位置までは、正極の容量劣化に伴って正極電位の勾配が変化することに起因して、上記ΔＱが次第に大きくなっているから、正極容量が電池容量を支配している、換言すれば、正極の容量劣化が電池のｄＱ／ｄＶを支配していることがわかる。

以上によれば、図５乃至図７に示すように、高ＳＯＣ範囲において、充放電サイクルが増大していくとき、ｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転が見られるのは、電池容量の支配が負極から正極に入れ替わるためであるということができる。従って、当該逆転を検出することにより、電池の容量劣化特性の変化、すなわち、正極と負極の実容量の大きさが逆転して電池の容量劣化の進行が速くなる時点Ｐを捉えることができることになる。

図１１は負極リッチの場合の電池の容量劣化に伴う電池上限電圧での電極電位の推移を示す。負極リッチの場合は、上記初期状態のときの上限電圧付近では、正極電位はＳＯＣの変化に対する電位変化の勾配が大きい「１」位置となり、負極電位は当該勾配が小さい「１」位置となる。すなわち、図１２（Ａ）に模式的に示すように、電池電圧ＶがΔＶだけ変化するとき、正極電位は小さな勾配で変化し、負極電位は大きな勾配で変化する。

電池の劣化が進むと、上限電圧付近の正極電位及び負極電位は上記「１」位置から「２」位置、「３」位置へと次第にシフトしていく。

「２」位置に近くなると、図１２（Ｂ）に示すように、正極電位の勾配は「１」位置よりも小さくなる一方、負極電位の勾配は、「１」位置よりも若干大きくなる程度であまり替わらない。従って、「２」位置の手前では、上記ΔＱは、「１」位置よりも大きくなる。

「２」位置を超えると、図１２（Ｃ）に示すように、正極電位の勾配はさらに小さくなっていく一方、負極電位の勾配は、「２」位置よりも少し大きくなる。従って、「２」位置に近いところでは、ΔＱは、「２」位置手前と殆ど変わらない。そうして、「３」位置になると、図１２（Ｄ）に示すように、正極電位の勾配はさらに小さくなるが、負極電位の方は勾配が大きくなる。従って、ΔＱは、「１」位置と同様に大きくなる。

以上のように、電池の上限電圧付近では、電池電圧ＶがΔＶだけ変化するときの電池容量Ｑの変化量ΔＱは、電池の劣化が進むに従って次第に大きくなっていくが、途中で逆転して、電池の劣化が進むに従って次第に小さくなっていく。すなわち、高ＳＯＣ範囲においては、充放電サイクルが増大していくとき、ｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転を生じ、充電サイクルの増大に伴うｄＱ／ｄＶの変化の傾向は正極リッチと同じである。

従って、負極リッチの場合も、充電サイクルの増大に伴ってｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転を検出することにより、正極と負極の実容量の大きさが逆転して電池の容量劣化の進行が速くなる時点Ｐを捉えることができることになる。

[ＬｉＢの診断・制御装置]
ＬｉＢ診断・制御装置は、以上を踏まえて、ＬｉＢ３の容量劣化状態を診断し、該ＬｉＢ３を制御するように構成されている。すなわち、この診断・制御装置は、ＬｉＢ３のＳＯＣが充電によって所定の高ＳＯＣ範囲になった否かを検出する検出部、ＳＯＣが上記高ＳＯＣ範囲になったときの充電又は放電に伴うｄＱ／ｄＶを算出する算出部、ｄＱ／ｄＶに基づいてＬｉＢ３の容量劣化状態を診断する診断部、並びに当該診断に基づいてＬｉＢ３の充放電を制御する制御部を備えている。さらに、当該診断・制御装置は、補助充電部を備えている。以下、当該診断・制御装置を具体的に説明する。

検出部は、ＬｉＢ３がＢ−ＩＳＧ１の減速回生発電によって充電されたとき、電圧センサＳＮ１から得られる電池電圧Ｖに基づいてＳＯＣを取得し、該ＳＯＣが所定ＳＯＣｏ以上の高ＳＯＣ範囲になったか否かを検出する。ここに、高ＳＯＣ範囲とは、上記ｄＱ／ｄＶの漸増から漸減への逆転の検出に適したＳＯＣ範囲であり、例えば、ＳＯＣが９２％以上（好ましくは９５％以上）のＳＯＣ範囲である。なお、検出部は、ＬｉＢ３の電池電圧Ｖが所定電圧以上の高電圧範囲になったか否かを検出するものであってもよく、その場合の高電圧範囲とは、電池電圧Ｖが、例えば、ＬｉＢ３の満充電電圧の９０％以上（好ましくは９５％以上）の電圧範囲である。

算出部は、ＬｉＢ３の放電時に電圧センサＳＮ１及び電流センサＳＮ２から電池電圧Ｖ及び電流Ｉを取得し、電池電圧Ｖの変化量ｄＶと電池容量Ｑの変化量ｄＱを算出し、これらに基づいてｄＱ／ｄＶを算出する。本実施形態の算出部は、さらに、上記減速回生発電による充電回数ＲＮが規定回数ＲＮｏに達するたびに、該規定回数ＲＮｏの間に得られたｄＱ／ｄＶの平均値を算出する。例えば、規定回数ＲＮｏが１００回であり、この１００回の間にｄＱ／ｄＶが４０回算出されたときは、その４０回分のｄＱ／ｄＶの平均値（相加平均値）を算出することになる。

また、算出部は、ＬｉＢ３が所定期間Ｐｏ使用されたときは、以後の上記平均値を算出するための上記規定回数ＲＮｏを少なくする（例えば、半減する。）。ここに、上記所定期間Ｐｏとしては、当該ＬｉＢ３の正極と負極の実容量の大きさが逆転すると予測される標準逆転時期までの使用期間よりも少し短い期間が設定される。端的に言えば、上記標準逆転時期に近づいたら、上記規定回数ＲＮｏを少なくするということである。上記標準逆転時期は予め設定されてＲＯＭに記憶される。

補助充電部は、上記減速回生発電による充電が終了した時点のＳＯＣが所定ＳＯＣｏ以上の高ＳＯＣ範囲になっていないことが、連続して所定回数ＣＮｏ（例えば、１０回）連続して生じたとき、エンジンによってＢ−ＩＳＧ１を駆動することによってＬｉＢ３の充電を行なう。このエンジンによるＢ−ＩＳＧ１の発電は、ＳＯＣが所定ＳＯＣｏ以上になった時点で終了する。すなわち、減速回生発電による充電ではＳＯＣがＳＯＣｏ以上にならないことが連続して所定回数ＣＮｏあったときは、エンジン動力による発電によってＳＯＣをＳＯＣｏ以上に上昇させてｄＱ／ｄＶを算出できるようにするものである。

また、補助充電部は、ＬｉＢ３が所定期間Ｐｏ使用されたときは、以後のエンジンによってＢ−ＩＳＧ１を駆動するための上記所定回数ＣＮｏを少なくする（例えば半減する）。当該所定期間Ｐｏは、上記算出部の上記規定回数ＲＮｏを少なくする契機となる所定期間Ｐｏと同じ期間を採用することができる。すなわち、上記標準逆転時期に近づいたら、上記所定回数ＣＮｏを少なくするものである。

診断部は、上記ｄＱ／ｄＶの平均値の今回値と前回値とを比較することにより、ＬｉＢ３の充電回数の増大に伴ってｄＱ／ｄＶが次第に増大していく状態から次第に減少していく状態への逆転を生じたか否かを検出する。そして、当該逆転を検出したとき、当該逆転時点で正極と負極の実容量の大きさが逆転した、すなわち、ＬｉＢ３の容量劣化の進行が速くなったと判定する。

制御部は、上記診断部によって上記逆転が検出されたときに、当該逆転時点Ｐ以降のＬｉＢ３の充放電の制限を当該時点前に比べて厳しくする。ここに、充放電の制限は、満充電電圧の低減、充放電電圧の低減、及び単位時間当たりの充放電電流値の低減という３つの制限態様から選択されるいずれか一つを、又は二以上を組み合わせて実行する。

また、制御部は、上記逆転検出時期に応じて上記充放電の制限の厳しさの度合を変更する。すなわち、ＬｉＢ３が上記標準逆転時期まで使用された後（標準逆転時期を経過した後）に上記逆転が検出されたときは、当該逆転時点Ｐ以降のＬｉＢ３の充放電を第１の基準で制限し、ＬｉＢ３が上記標準逆転時期まで使用される前に上記逆転が検出されたときは、当該逆転時点Ｐ以降のＬｉＢ３の充放電を上記第１の基準よりも厳しい第２の基準で制限する。例えば、第１の基準では、上記３つの制限態様のうちのいずれか一つでもって上記充放電を制限し、第２の基準では、上記３つの制限態様のうちから選ばれる複数の制限態様を組み合わせて上記充放電を制限する。

[ＬｉＢの診断・制御のフロー]
図１３に減速回生時のｄＱ／ｄＶの算出フローを示す。スタート後のステップＳ１で減速回生条件（車両速度が減速状態であること、燃料噴射カット中であること等）が成立しているか否かが判定される。減速回生条件が成立するときは、ステップＳ２に進んで、減速回生によるＲｉＢ３の充電回数ＲＮをカウントするカウンタのインクリメントが行なわれる。次いで、ステップＳ３でＢ−ＩＳＧ１による減速回生発電によってＬｉＢ３への充電が行なわれる。

ステップＳ３に続くステップＳ４では、ＬｉＢ３のＳＯＣが所定ＳＯＣｏ以上になっているか否かが判定される。ＳＯＣ≧ＳＯＣｏであるときは、ステップＳ５に進んで後述の回数ＣＮのカウンタが零にリセットされ、続くステップＳ６でｄＱ／ｄＶが算出される。次いで、ステップＳ７では減速回生による充電回数ＲＮが規定回数ＲＮｏに達したか否かが判定される。ＲＮがＲＮｏに達したときは、ステップＳ８に進んで、規定回数ＲＮｏの間に算出されたｄＱ／ｄＶの平均値が算出され、続くステップＳ９で充電回数ＲＮのカウンタが零にリセットされる。

ステップＳ４において、ＳＯＣが所定ＳＯＣｏに達していないときは、ステップＳ１０に進んで、減速回生が終了したか否かが判定される。減速回生が未終了であるときはステップＳ３に戻る。減速回生が終了しているときはステップＳ１１に進んで、連続してＳＯＣが所定ＳＯＣｏに達しなかった（ＳＯＣ＜ＳＯＣｏ）回数ＣＮをカウントするカウンタのインクリメントが行なわれる。次いで、ステップＳ１２で当該ＳＯＣ＜ＳＯＣｏの連続回数ＣＮが所定回数ＣＮｏに達したか否かが判定される。ＣＮがＣＮｏに達したときは、ステップＳ１３に進んで、Ｂ−ＩＳＧ１のエンジン動力による発電によってＬｉＢ３への充電が行なわれる。

図１２にｄＱ／ｄＶ平均値算出のための規定回数ＲＮｏ、並びにエンジン動力による発電を行なうための所定回数ＣＮｏの設定フローを示す。スタート後のステップＡ１でＲｉＢ３の使用年月が所定期間Ｐｏを経過したか否かが判定される。所定期間Ｐｏを経過していないときは、ステップＡ２に進んで、規定回数ＲＮｏは「１００」に、所定回数ＣＮｏは「１０」にそれぞれ設定される。所定期間Ｐｏを経過しているときは、ステップＡ３に進んで、規定回数ＲＮｏは「５０」に、所定回数ＣＮｏは「５」にそれぞれ設定される。

図１３にｄＱ／ｄＶ平均値に基づくＬｉＢ３の診断及び制御フローを示す。スタート後のステップＢ１でｄＱ／ｄＶ平均値の前回値と今回値が比較される。続くステップＢ２でｄＱ／ｄＶ平均値の減少（今回値が前回値よりも小さい）が判定されると、ステップＢ３に進んで、正極と負極の実容量の大きさが逆転したと診断される。続くステップＳ４において、予め設定された標準逆転時期（当該ＬｉＢ３の正極と負極の実容量の大きさが逆転すると予測される時期）を経過しているか否かが判定される。標準逆転時期を経過しているときはステップＢ５に進んで、ＲｉＢ３の充放電が第１の基準で制限される。標準逆転時期を経過していないときはステップＢ６に進んで、ＲｉＢ３の充放電が第１の基準よりも厳しい第２の基準で制限される。

上記実施形態によれば、上述の構成により以下の効果が得られる。

ＲｉＢ３の充放電回数が増大していくときの高ＳＯＣ範囲でのｄＱ／ｄＶの変化を監視することによって、該電池の経年劣化に伴って正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を簡便に検出することができる。よって、電池の容量劣化状態についての誤判定防止、当該電池の寿命の精度良い判定、或いは、当該電池の延命など、電池の利用に有利になる。

正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点の検出に、減速回生発電による充電回数が規定回数に達するたびに、該規定回数の間に得られる、ＳＯＣが所定ＳＯＣ範囲になったときのｄＱ／ｄＶの平均値を用いるから、減速回生によってＳＯＣが所定の高ＳＯＣ範囲まで上昇しないことがあっても、上記逆転時点を高い信頼性をもって検出して電池の診断を行なうことができる。

減速回生発電による充電によってＳＯＣが所定ＳＯＣｏ以上にならないことが連続して所定回数ＣＮｏ生じたときは、エンジン動力を利用した発電による充電によってＳＯＣを上昇させてｄＱ／ｄＶを算出するから、診断用データとしてのｄＱ／ｄＶの平均値の信頼性が高くなり、正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を確実に検出すること、そして、診断の信頼性を高くすることに有利になる。また、エンジン動力による発電は、減速回生発電によってはＳＯＣが所定ＳＯＣｏ以上にならないことが連続して所定回数ＣＮｏ生じたときのみ限定的に行なうから、車両の燃費の悪化は避けられる。

ＲｉＢ３の使用によって標準逆転時期が近づいたら、ｄＱ／ｄＶ平均値を算出するための規定回数ＲＮｏを減ずるから、上記診断のためのデータの抽出頻度が高くなる結果、正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を精度良く検出することができる。

ＲｉＢ３の使用によって標準逆転時期が近づいたら、エンジン動力による発電を行なうための上記所定回数ＣＮｏを減ずるから、ｄＱ／ｄＶが長く算出されない状態になることが避けられ、正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点を精度良く検出する上で有利になる。

正極と負極の実容量の大きさが逆転する時点が検出されたとき、当該逆転時点以降のＲｉＢ３の充放電の制限を厳しくするから、ＲｉＢ３の不慮の容量ダウン防止ないしはＲｉＢ３の延命に有利になる。ＲｉＢ３が標準逆転時期まで使用される前に上記逆転を生ずることが検出されたときは、当該時点以降のＲｉＢ３の充放電の制限を第２の基準で厳しくするから、ＲｉＢ３の不慮の容量ダウン防止、すなわち、フェイルセーフになる。

なお、上記実施形態では、ＲｉＢ３の容量劣化診断及び充放電の制御にｄＱ／ｄＶを用いたが、電池容量Ｑの変化量ｄＱに対する上記電池電圧Ｖの変化量ｄＶの割合であるｄＶ／ｄＱを用いてもよい。この場合は、ＲｉＢ３の充電回数の増大に伴って上記ｄＶ／ｄＱが減少していく状態から増大していく状態への逆転を検出することにより、正極と負極の実容量の大きさの逆転を判定することができる。

また、上記実施形態では、リチウムイオン電池のＳＯＣが所定の高ＳＯＣ範囲になった否かを検出するようにしたが、リチウムイオン電池の電池電圧Ｖが所定の高電圧範囲になった否かを検出するようにしてもよい。

３ ＲｉＢ（リチウムイオン電池）
３０ コントローラ（検出部，算出部，診断部，制御部）

Claims (3)

1. 正極と負極の初期容量が相違し、該正極及び負極のうちの初期容量が大きい一方の電極の容量劣化の進行が他方の電極の容量劣化の進行よりも速いリチウムイオン電池の診断装置であって、
   上記リチウムイオン電池が充電されたときに、該リチウムイオン電池のＳＯＣが所定の高ＳＯＣ範囲になった否か、又は該リチウムイオン電池の電池電圧Ｖが所定の高電圧範囲になった否かを検出する検出部と、
   上記検出部によって、上記ＳＯＣが上記高ＳＯＣ範囲になったこと、又は上記電池電圧Ｖが上記高電圧範囲になったことが検出されたとき、上記電池電圧Ｖの変化量ｄＶに対する電池容量Ｑの変化量ｄＱの割合であるｄＱ／ｄＶ、又は電池容量Ｑの変化量ｄＱに対する上記電池電圧Ｖの変化量ｄＶの割合であるｄＶ／ｄＱを算出する算出部と、
   上記リチウムイオン電池の充電回数の増大に伴って上記ｄＱ／ｄＶが増大していく状態から減少していく状態への逆転、又は上記リチウムイオン電池の充電回数の増大に伴って上記ｄＶ／ｄＱが減少していく状態から増大していく状態への逆転を検出し、当該逆転を生ずる時点で上記正極と負極の実容量の大きさが逆転すると判定する診断部とを備えていることを特徴とするリチウムイオン電池の診断装置。
2. 正極と負極の初期容量が相違し、該正極及び負極のうちの初期容量が大きい一方の電極の容量劣化速度が他方の電極の容量劣化速度よりも速いリチウムイオン電池の制御装置であって、
   請求項１記載の検出部、算出部及び診断部を備えるとともに、上記リチウムイオン電池の充放電を制御する制御部を備え、
   上記制御部は、上記診断部によって上記逆転が検出されたときに、当該逆転を生ずる時点以降の上記充放電の制限を当該時点前に比べて厳しくすることを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。
3. 請求項２において、
   上記ｄＱ／ｄＶ又はｄＶ／ｄＱについての上記逆転を生ずると見込まれる標準逆転時期が予め設定されており、
   上記制御部は、上記リチウムイオン電池が上記標準逆転時期まで使用された後に上記逆転を生ずることが上記診断部によって検出されたときは、当該逆転を生ずる時点以降の上記リチウムイオン電池の充放電を第１の基準で制限し、上記リチウムイオン電池が上記標準逆転時期まで使用される前に上記逆転を生ずることが上記診断部によって検出されたときは、当該逆転を生ずる時点以降の上記リチウムイオン電池の充放電を上記第１の基準よりも厳しい第２の基準で制限することを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。