JP2018133259A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の電池状態を高精度に推定して、二次電池を効率的に使用することができる電池システムを提供する。
【解決手段】電池システム１００は複数の二次電池２と電池状態推定部１とを含む。電池状態推定部１には特性情報記憶部３０に二次電池２の電池情報と二次電池２の正極及び負極の特性値との対応関係を示す正極特性情報及び負極特性情報が二次電池２の使用履歴情報と対応付けられて予め記憶されている。特性情報抽出部６０は特性情報記憶部３０から二次電池２の使用履歴情報に対応する正極特性情報及び負極特性情報を抽出して正極及び負極の特性値を算出する。推定部６２は算出された正極及び負極の特性値に基づいて二次電池２の電池状態を推定する。計画作成部１２は推定結果に基づいて、充放電させる二次電池２を特定する充放電計画を作成し、充放電計画に基づき切替制御部１３が複数の二次電池２の通電状態を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池システムに関する。

二次電池を含む電池システムでは、二次電池を効率的に使用するために、二次電池の劣化を考慮して二次電池の残寿命などの電池状態を推定する必要がある。そして、二次電池の劣化は、二次電池における正極の劣化状態と負極の劣化状態との関係によって決まり、より劣化度合いが高い方の影響を強く受ける。そして、正極及び負極のどちらの劣化度合いが高くなるかは、電池が使用された環境や使用のされ方などの使用履歴によって異なり、電池の固体差も影響する。従って、複数の二次電池において取得した電池容量や端子電圧、入出力抵抗値等が同じ値であっても、それらの正極及び負極の劣化状態は互いに異なる場合があるため、単に電池容量や端子電圧、入出力抵抗値等から二次電池における電池状態を正確に推定することは困難である。

そこで、各電池の正極及び負極の特性を直接測定してそれぞれの劣化状態を考慮して電池状態を推定することが考えられる。しかしながら、正極及び負極の特性を直接測定するには、測定装置が必要となるため装置の大型化や複雑化を招く。特に、多数の二次電池を備えるPHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）やHEMS（Home Energy Management System）などの電池システムではこの問題が顕著となる。

特許文献1には、二次電池の劣化を反映する劣化特性マップを用いて、二次電池の劣化を考慮した二次電池の残寿命を算出する構成が開示されている。

特開２０１４−１９０７６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、正極及び負極の劣化は同等に進むものとして劣化特性マップを設定している。そして、上述の如く、二次電池の使用履歴によって正極及び負極の劣化度合いは異なるため、特許文献１に開示の構成により二次電池の電池状態を正確に推定するには改善の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、二次電池の電池状態を高精度に推定して、二次電池を効率的に使用することができる電池システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、複数の二次電池（２）と、
上記複数の二次電池における通電状態を切り替え可能に構成された通電切替部（１１）と、
上記複数の二次電池における電池状態を推定する電池状態推定部（１）と、
該電池状態推定部による推定結果に基づいて、上記複数の二次電池において充放電させる二次電池を特定するための充放電計画を作成する計画作成部（１２）と、
上記充放電計画に基づいて、上記通電切替部を制御する切替制御部（１３）と、
を有する電池システム（１００）であって、
上記電池状態推定部は、上記二次電池の電池情報を取得する電池情報取得部（４０）と、
上記二次電池の使用履歴情報を取得する履歴情報取得部（４１）と、
上記二次電池の電池情報と上記二次電池における正極の特性値及び負極の特性値との対応関係を示す正極特性情報及び負極特性情報がそれぞれ、上記二次電池の使用履歴情報と対応付けられて、予め記憶されている特性情報記憶部（３０）と、
上記履歴情報取得部により取得された上記使用履歴情報に対応する上記正極特性情報及び上記負極特性情報を上記特性情報記憶部から抽出する特性情報抽出部（６０）と、
上記電池情報取得部により取得された上記電池情報と、上記特性情報抽出部により抽出された上記正極特性情報及び上記負極特性情報とに基づいて、上記二次電池における正極の特性値及び負極の特性値をそれぞれ算出する特性値算出部（６１）と、
上記特性値算出部により算出された上記正極の特性値及び上記負極の特性値に基づいて、上記二次電池における電池状態を推定する推定部（６２）と、
を有する、電池システムにある。

上記電池システムでは、電池状態推定部において、正極特性情報及び負極特性情報が使用履歴情報に対応付けられて記憶されている。そして、二次電池における電池状態を推定する際には、当該二次電池の使用履歴情報に対応する正極特性情報及び負極特性情報を抽出した上で、当該正極特性情報及び負極特性情報に基づいて、正極の特性値と負極の特性値とを個別に算出する。そして、当該正極の特性値と負極の特性値とから当該二次電池における電池状態を推定する。これにより、使用履歴に応じて互いに異なる正極及び負極の劣化度合いが反映されるため、二次電池における電池状態が高精度に推定される。そして、上記電池システムは、当該推定結果に基づいて、充放電させる二次電池を特定するための充放電計画を作成して、当該充放電計画に基づいて二次電池における通電状態を制御する。これにより、二次電池の使用状態や使用目的などに応じて、二次電池を効率的に使用することができる。

以上のごとく、本発明によれば、二次電池の電池状態を高精度に推定して、二次電池を効率的に使用することができる電池システムを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電池システムの構成を示すブロック図。 実施形態１における、第１の温度履歴に対応した第１の正極特性情報及び負極特性情報の例を示す図。 実施形態１における、第２の温度履歴に対応した第２の正極特性情報及び負極特性情報の例を示す図。 実施形態１における、第１の温度履歴に対応した第１の正極特性情報及び負極特性情報の他の例を示す図。 実施形態１における、第２の温度履歴に対応した第２の正極特性情報及び負極特性情報の他の例を示す図。 実施形態１における、電池状態を推定する工程を示すフロー図。 比較例における、電池状態を推定する工程を示すフロー図。

（実施形態１）
上記電池システムの実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
図１に示すように、電池システム１００は、二次電池２、通電切替部１１、電池状態推定部１、計画作成部１２、切替制御部１３を備える。
二次電池２は複数備えられている。
通電切替部１１は、複数の二次電池２における通電状態を切り替え可能に構成されている。
電池状態推定部１は、複数の二次電池２における電池状態を推定する。
計画作成部１２は、電池状態推定部１による推定結果に基づいて、複数の二次電池２において充放電させる二次電池２を特定するための充放電計画を作成する。
切替制御部１３は、充放電計画に基づいて、通電切替部１１を制御する。

そして、電池状態推定部１は、図１に示すように、電池情報取得部４０、履歴情報取得部４１、特性情報記憶部３０、特性情報抽出部６０、特性値算出部６１及び推定部６２を有する。
電池情報取得部４０は、二次電池２の電池情報を取得する。
履歴情報取得部４１は、二次電池２の使用履歴情報を取得する。
特性情報記憶部３０は、二次電池２の電池情報と二次電池２における正極の特性値及び負極の特性値との対応関係を示す正極特性情報及び負極特性情報がそれぞれ、二次電池２の使用履歴情報と対応付けられて、予め記憶されている。
特性情報抽出部６０は履歴情報取得部４１により取得された使用履歴情報に対応する正極特性情報及び負極特性情報を特性情報記憶部３０から抽出する。
特性値算出部６１は、電池情報取得部４０により取得された電池情報と、特性情報抽出部６０により抽出された正極特性情報及び負極特性情報とに基づいて、二次電池２における正極の特性値及び負極の特性値をそれぞれ算出する。
推定部６２は、特性値算出部６１により算出された正極の特性値及び負極の特性値に基づいて、二次電池２における電池状態を推定する。

以下、本実施形態の電池システム１００について、詳述する。
図１に示すように、電池システム１００は、ビルや住宅に備えられる発電蓄電システムの制御ユニットに搭載されて、二次電池２の出力電力がビルや住宅における電気設備に利用されるとともに、ビルや住宅に備えられた太陽光発電装置等の発電装置から生成された電力が二次電池２に入力されるように構成されている。電池システム１００は、複数の二次電池２を含む電池部２０を有する。電池部２０は、第１組電池２１、第２組電池２２及び第３組電池２３を有する。各組電池２１〜２３は、いずれも二次電池２が直列接続されて形成されている。そして、組電池２１〜２３は通電切替部１１を介して、並列接続されている。

通電切替部１１は、第１スイッチ１１１、第２スイッチ１１２及び第３スイッチ１１３を有する。第１スイッチ１１１は第１組電池２１に接続され、第１組電池２１の通電状態を切り替え可能となっている。そして、第１スイッチ１１１がオンのときは第１組電池２１は外部負荷等１０１と通電可能な状態となり、第１スイッチ１１１がオフのときは第１組電池２１は外部負荷等１０１と通電不能な状態となる。従って、第１組電池２１において互いに直列接続された複数の二次電池２の通電状態は第１スイッチ１１１によって一括して変更可能となっている。同様に第２スイッチ１１２及び第３スイッチ１１３はそれぞれ第２組電池２２及び第３組電池２３の通電状態を切り替え可能となっている。従って、通電切替部１１のスイッチ１１１〜１１３によって、各組電池２１〜２３の通電状態が個別に切り替え可能となっている。なお、本実施形態では二次電池２は、リチウムイオン電池であって、LiFePO₄からなる鉄系正極と、グラファイトからなる炭素系負極とを有する。複数の二次電池２はいずれも同一の構成を有している。

図１に示すように、電池状態推定部１は、記憶部３、取得部４、格納部５、演算部６を備える。記憶部３は特性情報記憶部３０を有する。特性情報記憶部３０は書き換え不能な不揮発性メモリであって、二次電池２の正極特性情報と負極特性情報とが予め記憶されている。

特性情報記憶部３０に記憶された正極特性情報及び負極特性情報とは、二次電池２の正極の特性及び負極の特性と、二次電池２の電池状態との対向関係を示す情報である。正極の特性及び負極の特性としては、正極及び負極における抵抗上昇率、容量維持率、電極電位など、正極及び負極に関する種々の情報を採用することができる。二次電池２の電池状態としては、二次電池２における充放電電力量の積算値である積算充放電電力量、電極に流れた電流量の積算値である積算電流量、充放電回数、通電時間、二次電池２が搭載された車両の走行距離、電池温度、電池電圧、充電状態、残容量など、二次電池２の使用に関する種々の情報を採用することができる。例えば、図２、図３に示すように、正極特性情報及び負極特性情報として正極及び負極における抵抗上昇率を採用したり、図４、図５に示すように、正極及び負極における容量維持率を採用したりすることができる。なお、抵抗上昇率とは、正極及び負極における初期抵抗値R_dch,intと検出時の抵抗値R_dchとの変化率である_Rdch/R_dch,intを示す。また、容量維持率とは、正極及び負極における初期の充放電可能な電気容量V_intに対する検出時の充放電可能な電気容量Vの維持率であるV/V_int×１００（％）を示す。

特性情報記憶部３０に記憶された正極特性情報及び負極特性情報は、それぞれ別個に、二次電池２の使用履歴情報に対応付けられた状態で記憶されている。二次電池２の使用履歴情報とは、二次電池２における温度履歴、電力入出力履歴、通電履歴、二次電池２が搭載された車両の走行履歴、充放電履歴、積算充電容量、積算放電容量、総充電容量、総放電容量、平均電池電圧など、二次電池２の使用履歴に関する種々の情報を採用することができる。

本実施形態では、特性情報記憶部３０には、正極特性情報及び負極特性情報としての正極及び負極における抵抗上昇率と二次電池２における積算充放電電力量との対応関係が、二次電池２の使用履歴情報としての二次電池２の温度履歴に対応付けられて記憶されている。本実施形態では、特性情報記憶部３０には、例えば、図２に示す第１の温度履歴に対応する第１の正極特性情報及び負極特性情報が記憶されており、図３に示す第２の温度履歴に対応する第２の正極特性情報及び負極特性情報が記憶されている。この場合は、第２の温度履歴では、第１の温度履歴の場合よりも、負極の劣化に比べて正極の劣化が進みやすい温度環境で使用されている。なお、特性情報記憶部３０に記憶された正極特性情報及び負極特性情報の形態は特に限定されず、例えば、算出式、マップ、表などの形態とすることができる。なお、特性情報記憶部３０に記憶される正極特性情報及び負極特性情報は、測定用の二次電池２を用いて加速劣化試験を行って分解調査して得られた実測定値を基に作成したり、二次電池２のモデルを用いて正極及び負極の状態変化を理論的に導き出す算出式により作成することができる。

図１に示すように、取得部４は、電池情報取得部４０と履歴情報取得部４１とを有する。電池情報取得部４０は、電池状態推定部１に接続された二次電池２から上述の電池情報を取得する。電池情報取得部４０は、例えば、各種センサや計測器により構成することができる。本実施形態では、電池情報取得部４０は、二次電池２に流れた電流量、二次電池２の電圧値及び流れた時間に基づいて、二次電池２において充放電された電力量を計測する計測器からなる。履歴情報取得部４１は、電池状態推定部１に接続された二次電池２から二次電池２における上述の使用履歴情報を取得する。本実施形態では、電池状態推定部１に接続された二次電池２の使用環境の温度を計測する温度センサからなる。なお、電池情報取得部４０が所定のタイミングや間隔で取得して蓄積した情報を二次電池２の使用履歴情報として取得するようにしてもよい。

次に、格納部５は、電池情報格納部５０と、履歴情報格納部５１とを有する。電池情報格納部５０は揮発性のメモリであって、電池情報取得部４０が取得した電池情報が一時的に格納される。履歴情報格納部５１は書き換え可能な不揮発性のメモリであって、履歴情報取得部４１が取得した二次電池２の使用履歴情報が蓄積される。

演算部６は、特性情報抽出部６０、特性値算出部６１、推定部６２を有する。演算部６はマイコンにより構成され、特性情報抽出部６０、特性値算出部６１、推定部６２としての機能を果たすプログラムを実行可能に構成されている。当該プログラムは演算部６に設けられた図示しないメモリに格納されている。特性情報抽出部６０は、特性情報記憶部３０から、履歴情報格納部５１に格納された二次電池２の使用履歴情報に対応する正極特性情報及び負極特性情報を抽出する。特性値算出部６１は、電池情報格納部５０に格納された二次電池２の電池情報と、特性情報抽出部６０により抽出された正極特性情報及び負極特性情報とに基づいて、正極の特性値と負極の特性値とを算出する。そして、推定部６２は、劣化度推定部６３を有する。劣化度推定部６３は、正極の特性値から正極の劣化度合いを推定し、負極の特性値から負極の劣化度合いを推定する。本実施形態では、劣化度推定部６３に推定される正極及び負極の劣化度合いとして、二次電池２における正極及び負極の入出力可能な電力、又は正極及び負極の充放電可能な電力量が推定される。

電池システム１００において、計画作成部１２は、電池状態推定部１の推定結果に基づいて、充放電計画を作成する。充放電計画は、複数の二次電池２のうち充放電させる二次電池２を特定するためのものである。

本実施形態では、計画作成部１２は残寿命算出部１２１と電池特定部１２２とを有する。残寿命算出部１２１は、電池状態推定部１の推定結果と、電池システム１００における要求値とに基づいて各二次電池２の正極及び負極における残寿命を算出する。電池システム１００における要求値は、電池システム１００が搭載される装置や、電池システム１００から出力される電力を使用する装置又は電池システム１００に入力される電力を発生させる装置等に応じて、電池システム１００において適宜設定されるものである。本実施形態では、電池システム１００が搭載される発電蓄電システムの制御ユニットが安定的に動作するように、正極及び負極ごとに図２、図３に示す抵抗上昇率の要求値や、図４、図５に示す容量維持率の要求値としての動作範囲下限値が設定されている。そして、残寿命算出部１２１は、正極及び負極における抵抗上昇率や容量維持率が当該正極要求値及び負極要求値に達すると推定される時点までの期間を残寿命として算出する。そして、上述の如く、複数の二次電池２における正極及び負極の劣化状態は、当該二次電池２の使用履歴によって異なるため、二次電池２ごとに正極及び負極の残寿命も異なることとなる。

電池特定部１２２は、残寿命算出部１２１により算出された各二次電池２の正極及び負極における残寿命に基づいて、充放電させる二次電池２を特定する。電池特定部１２２では、二次電池２が使用される環境、目的などに応じて、充放電させる二次電池２を特定することができ、複数の二次電池２のうち一つまたは複数を特定することができる。例えば、電池システム１００の寿命を長く保つことを目的とする場合には、電池特定部１２２が特定する二次電池２には、電池状態推定部１によって推定された現在の推定結果と上記要求値とから、残寿命算出部１２１によって算出された正極の残寿命又は負極の残寿命が最も長いものが含まれているようにすることができる。本実施形態では、組電池２１〜２３ごとに充放電させる対象を特定する。そして、計画作成部１２は、当該特定結果に基づいて充放電計画を作成する。

計画作成部１２において作成された充放電計画は切替制御部１３に送信される。切替制御部１３では、充放電計画に基づく制御信号を通電切替部１１に送信して通電切替部１１を制御する。通電切替部１１は制御信号に基づき、充放電させる対象となる組電池２１〜２３に直列接続された各スイッチ１１１〜１１３のオンオフを切り替えて、組電池２１〜２３の通電状態を切り替える。

本実施形態では、電池システム１００は、表示部７０を含む報知部７を有する。表示部７０は、充放電計画、推定部６２の推定結果、正極の特性値、負極の特性値、正極の残寿命及び負極の残寿命のうち少なくとも一つを表示して、ユーザにこれらの情報を報知する。なお、報知部７は、表示部７０に替えて、又はこれとともに、充放電計画や推定部６２の推定結果を音声で報知したり、所定のランプで報知する出力部を備えていてもよい。例えば、推定結果である二次電池２における正極及び負極の入出力可能な電力が、所定の基準値よりも高い場合又は低い場合に所定態様の音声を出力したり、所定態様でランプを点灯させるようにしてもよい。

次に、電池システム１００の使用態様について、図６に示すフロー図を用いて説明する。まず、図６に示すように、ステップＳ１において、履歴情報取得部４１により、二次電池２の使用履歴情報を取得し、履歴情報格納部５１に格納する。本実施形態では、履歴情報取得部４１は所定間隔で二次電池２の温度を取得し、二次電池２の使用履歴情報として温度履歴情報を履歴情報格納部５１に格納する。また、履歴情報取得部４１は二次電池２における積算充放電電力量（Wh）も所定間隔で取得して、履歴情報格納部５１に格納する。

次に、ステップＳ２において、複数の二次電池２のうち充放電させる二次電池２を特定する充放電計画を作成するための電池状態推定タイミングが到来したか否かを判定する。当該判定は図示しない判定部により行う。電池状態推定タイミングが到来していないと判定された場合は、再度ステップＳ１に戻る。

ステップＳ２において、電池状態推定タイミングが到来していると判定された場合は、ステップＳ３に進み、電池情報取得部４０により、二次電池２の電池情報を取得し、電池情報格納部５０に格納する。本実施形態では、電池情報取得部４０は、履歴情報格納部５１に格納されている電池状態推定タイミングまでの二次電池２における積算充放電電力量（Wh）を電池情報として取得する。

そして、ステップＳ４において、特性情報抽出部６０により、履歴情報格納部５１に格納された温度履歴情報に対応する正極特性情報及び負極特性情報を特性情報記憶部３０から抽出する。例えば、履歴情報格納部５１に格納された温度履歴情報が第１の温度履歴である場合には、特性情報記憶部３０から図２又は図４に示す第１の正極特性情報及び負極特性情報を抽出し、履歴情報格納部５１に格納された温度履歴情報が第２の温度履歴である場合には、特性情報記憶部３０から図３又は図５に示す第２の正極特性情報及び負極特性情報を抽出する。

その後、図６に示すステップＳ５において、特性値算出部６１により、電池情報格納部５０に格納された二次電池２の電池情報と、特性情報抽出部６０により抽出された正極特性情報及び負極特性情報とに基づいて、正極の特性値と負極の特性値とを算出する。本実施形態では、例えば、履歴情報格納部５１に格納された温度履歴情報が第１の温度履歴である場合には、図２に示す第１の正極特性情報及び負極特性情報と、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）とに基づいて、正極の特性値及び負極の特性値として正極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）及び負極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）を算出する。あるいは、図４に示す第１の正極特性情報及び負極特性情報と、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）とに基づいて、正極の特性値及び負極の特性値として正極の容量維持率（V/V_int）及び負極の容量維持率（V/V_int）を算出する。また、履歴情報格納部５１に格納された温度履歴情報が第２の温度履歴である場合には、図３に示す第２の正極特性情報及び負極特性情報と、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）とに基づいて、正極の特性値及び負極の特性値として、正極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）及び負極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）を算出する。あるいは、図５に示す第２の正極特性情報及び負極特性情報と、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）とに基づいて、正極の特性値及び負極の特性値として、正極の容量維持率（V/V_int）及び負極の容量維持率（V/V_int）を算出する。

例えば、図２及び図３に示すように、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）がＷｈ１である場合には、正極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）はＲ１ｐであり、負極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）はＲ１ｎである。また、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）がＷｈ２である場合には、正極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）はＲ１ｐであり、負極の抵抗上昇率（R_dch/R_dch,int）はＲ１ｎである。また、例えば、図４及び図５に示すように、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）がＷｈ１である場合には、正極の容量維持率（V/V_int）はＶ１ｐであり、負極の容量維持率（V/V_int）はＶ１ｎである。また、電池情報格納部５０に格納された二次電池２における積算充放電電力量（Wh）がＷｈ２である場合には、正極の容量維持率（V/V_int）はＶ１ｐであり、負極の容量維持率（V/V_int）はＶ１ｎである。

そして、図６に示すステップＳ６において、推定部６２における劣化度推定部６３により、正極及び負極の劣化度合いとして、二次電池２における正極及び負極の入出力可能な電力、又は正極及び負極の充放電可能な電力量を推定する。

例えば、劣化度推定部６３において、正極及び負極の入出力可能な電力を推定する場合では、図２に示すように、第１の温度履歴の場合には、二次電池２の積算充放電電力量がＷｈ１のとき、正極の特性値Ｒ１ｐから正極における入出力可能な電力を推定し、負極の特性値Ｒ１ｎから負極における入出力可能な電力を推定する。また、二次電池２の積算充放電電力量がＷｈ２のとき、正極の特性値Ｒ２ｐから正極における入出力可能な電力を推定し、負極の特性値Ｒ２ｎから負極における入出力可能な電力を推定する。また、図３に示すように、第２の温度履歴の場合においても第１の温度履歴の場合と同様に、正極及び負極における入出力可能な電力を推定する。

また、例えば、劣化度推定部６３において、正極及び負極の充放電可能な電力量を推定する場合では、図４に示すように、第１の温度履歴の場合には、二次電池２の積算充放電電力量がＷｈ１のとき、正極の特性値Ｖ１ｐから正極における充放電可能な電力量を推定し、負極の特性値Ｖ１ｎから負極における充放電可能な電力量を推定する。また、二次電池２の積算充放電電力量がＷｈ２のとき、正極の特性値Ｖ２ｐから正極における充放電可能な電力量を推定し、負極の特性値Ｖ２ｎから負極における充放電可能な電力量を推定する。また、図５に示すように、第２の温度履歴の場合においても第１の温度履歴の場合と同様に、正極及び負極における充放電可能な電力量を推定する。

その後、図６に示すステップＳ７において、計画作成部１２における残寿命算出部１２１により、劣化度推定部６３における現在の推定結果としての正極及び負極における入出力可能な電力又は充放電可能な電力量と、電池システム１００が要求する要求値とから、正極及び負極の残寿命を算出する。

そして、ステップＳ８において、計画作成部１２における電池特定部１２２により、残寿命算出部１２１により算出された正極及び負極の残寿命に基づいて、充放電させる二次電池２を特定する。そして、計画作成部１２により、特定結果に基づいて、充放電計画が作成される。本実施形態では、充放電計画は組電池２１〜２３ごとに充放電するか否かを特定するものとなっている。作成された充放電計画は計画作成部１２から切替制御部１３に送信される。

計画作成部１２により作成される充放電計画では、例えば、電池システム１００が使用される環境が正極の劣化が進みやすい温度である場合には正極の残寿命が長い二次電池２を充放電させる二次電池２として特定したり、負極の劣化が進みやすい温度である場合には負極の残寿命が長い二次電池２を充放電させる二次電池２として特定したりすることができる。また、例えば、電池システム１００が搭載された発電蓄電システムにおいて、放電よりも充電しやすい使用環境の場合には充電可能な電力量の多い二次電池２を充放電させる二次電池２として特定したり、充電よりも放電しやすい使用環境の場合には放電可能な電力量の多い二次電池２を充放電させる二次電池２として特定することもできる。

その後、ステップＳ９において、切替制御部１３は、受信した充放電計画に基づいて、通電切替部１１を制御する。通電切替部１１では、組電池２１〜２３に接続されたスイッチ１１１〜１１３のオンオフが制御される。これにより、ステップＳ１０において、充放電計画で充放電させるように特定された組電池２１〜２３を通電可能な状態とし、充放電計画で充放電させるように特定されていない組電池２１〜２３を通電不能な状態とする。

以上のように、電池システム１００では、電池状態推定部１の推定結果に基づいて作成された充放電計画に従って、特定の組電池２１〜２３が充放電されるようになる。

（評価試験１）
次に、電池システム１００の電池状態推定部１における使用履歴に関する以下の評価試験１を行った。
試験例の電池状態推定部として実施形態１の電池状態推定部１を使用し、比較例として電極非分離方式の推定方法により電池状態を推定する電池状態推定部を使用した。
比較例の電池状態推定部は、二次電池における積算充放電電力量（Wh）と二次電池の抵抗上昇率との関係を示す情報である電池特性情報を有している。比較例の電池状態推定部による二次電池における入出力可能な電力の推定は、図７に示すフローに従って行った。まず、ステップＳ１０１において、二次電池２における積算充放電電力量を検出し、記憶する。そして、ステップＳ１０２において、電池状態推定タイミングに到達したか否かを判定する。電池状態推定タイミングに到達していないと判定された場合は、再度ステップＳ１０１に戻る。一方、ステップＳ１０２において電池状態推定タイミングに到達していると判定された場合は、測定時点までの二次電池における積算充放電電力量を取得する。そして、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２で取得した当該二次電池における積算充放電電力量と電池特性情報とに基づいて、ステップＳ１０５によって二次電池２の電池状態としての入出力可能な電力を推定する。

評価試験１は以下のように行った。まず、電池システム１００が搭載された車両を温度環境が異なる使用履歴Ａ、Ｂ及びＣにおいて所定期間使用した後、試験例の電池状態推定部１及び比較例の電池状態推定部によって二次電池２における入出力可能な電力を推定した。また、二次電池２において当該推定時点で実際に入出力できた電力を実測定値として取得した。使用履歴Ａは通常温度の市街地で使用した場合であり、使用履歴Ｂは高温度の地域で使用した場合であり、使用履歴Ｃは低温度の地域で使用した場合である。そして、試験例１−１及び比較例１−１を使用履歴Ａとし、試験例１−２及び比較例１−２を使用履歴Ｂとし、試験例１−３及び比較例１−３を使用履歴Ｃとした。評価結果は表１に示した。なお、各試験例及び比較例のいずれにおいても、リン酸リチウムからなる正極と、非晶質炭素からなる負極とを有する二次電池２を使用した。

表１に示すように、試験例１−１、１−２及び１−３のいずれにおいても、推定値と実測定値との差は±１Ｗの範囲内の高い推定精度を示すとともに、使用履歴Ａ〜Ｃによってその推定精度に変化はなかった。一方、比較例１−１、１−２及び１−３では、推定値と実測定との差はいずれも試験例の場合よりも大きく、使用履歴Ｃの比較例１−３では、出力値における推定値と実測定値との差が＋１７Ｗと最も大きかった。
以上のように、試験例１−１、１−２及び１−３では推定値と実測定値との差は小さく、その精度は比較例のいずれよりも高いことが確認できた。

（評価試験２）
次に、電池状態推定部と二次電池とを有する電池システムに関する以下の評価試験２を行った。評価試験２では、二次電池の電極の構成を変更した。試験例２−１及び比較例２−１では、正極がリン酸鉄リチウムからなり、負極が非晶質炭素からなる二次電池とした。試験例２−２及び比較例２−２では、正極がニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなり、負極が非晶質炭素からなる二次電池とした。試験例２−３及び比較例２−３では、正極がニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなり、負極がチタン酸リチウムからなる二次電池とした。なお、各試験例及び比較例では使用履歴として、評価試験１における高温地域の使用履歴Ｂを採用し、評価試験１の場合と同様に、二次電池２の入出力可能な電力を推定するとともに実際に入出力可能な電力の実測定値を測定した。評価結果は以下の表２に示す。

表２に示すように、試験例２−１及び２−２では、推定値と実測定値との差は±２Ｗの範囲内であって高い推定精度を示すとともに、二次電池２の正極がリン酸鉄リチウムである場合と、ニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなる場合とで差はなかった。一方、負極がチタン酸リチウムからなる試験例２−３の場合では、負極が非晶質炭素からなる試験例２−１及び２−３の場合に比べて、推定値と実測定値との差が若干大きくなっていた。なお、試験例２−１、２−２及び２−３の全てで、比較例２−１、２−２及び２−３よりも推定値と実測定値との差が小さく、その推定精度が高いことが確認できた。

（評価試験３）
次に、電池状態推定部と二次電池とを有する電池システムに関する以下の評価試験３を行った。評価試験３ではさらに、二次電池の電極の構成を変更した。試験例３−１、３−２、３−３及び比較例３−１、３−２、３−３では、正極をリン酸鉄リチウムからなる二次電池とし、試験例３−４、３−５及び比較例３−４、３−５では正極をニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなる二次電池とした。また、試験例３−１、３−４及び比較例３−１、３−４では、負極を非晶質炭素からなる二次電池とし、試験例３−２及び比較例３−２では、負極を黒鉛比表面積が1.2m²/gの高比表面黒鉛からなる二次電池とし、試験例３−３、３−５及び比較例３−３、３−５では、負極を黒鉛比表面積が0.8m²/gの低比表面黒鉛からなる二次電池とした。なお、各試験例及び比較例では使用履歴として、評価試験１における高温地域の使用履歴Ｂを採用し、評価試験１の場合と同様に、二次電池の入出力可能な電力を推定するとともに実際に入出力可能な電力の実測定値を測定した。評価結果は以下の表３に示す。

表３に示すように、すべての試験例において、対応する比較例よりも推定値と実測定値との差が少なくなっており、高い推定精度を示すことが確認できた。なお、試験例３−２では、試験例３−１に対して推定値と実測定値との差が若干大きくなっており、負極が高比表面黒鉛からなる場合は、負極が非晶質炭素からなる場合に比べて推定精度が若干劣ることが分かった。しかし、試験例３−３における推定値と実測定値との差は、試験例３−１と同程度であることから、負極が低比表面黒鉛からなる場合には十分高い推定精度が得られることが分かった。また、正極がニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなる場合には、負極が非晶質炭素からなる試験例３−４の方が負極が低比表面黒鉛からなる試験例３−５の方が推定精度が若干高かかった。

（評価試験４）
次に、電池システム１００の電池状態推定部１における使用履歴に関する以下の評価試験４を行った。
評価試験４では、比較例の電池状態推定部構は、二次電池における積算充放電電力量（Wh）と二次電池の容量維持率との関係を示す情報である電池特性情報を有しており、評価試験１の場合と同様に、図７に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０４のフローに従うとともに、ステップＳ１０５で二次電池２の電池状態として充放電可能な電力量を推定する。

評価試験４は以下のように行った。まず、電源システム１００が搭載された車両を、評価試験１と同様に温度環境が異なる使用履歴Ａ、Ｂ及びＣにおいて所定期間使用した後、試験例の電池状態推定部１及び比較例の電池状態推定部によって二次電池２における充放電可能な電力量を推定した。また、二次電池２において当該推定時点で実際に充放電できた電力量を実測定値として取得した。そして、試験例４−１及び比較例４−１を使用履歴Ａとし、試験例４−２及び比較例４−２を使用履歴Ｂとし、試験例４−３及び比較例４−３を使用履歴Ｃとした。評価結果は表４に示した。なお、各試験例及び比較例のいずれにおいても、リン酸リチウムからなる正極と、非晶質炭素からなる負極とを有する二次電池２を使用した。

表４に示すように、試験例４−１、４−２及び４−３のいずれにおいても、推定値と実測定値との差は−０．０１〜０．００Ａｈの範囲内の高い推定精度を示した。一方、比較例４−１、４−２及び４−３では、推定値と実測定との差はいずれも試験例の場合よりも大きかった。
以上のように、試験例４−１、４−２及び４−３では推定値と実測定値との差は小さく、その精度は比較例のいずれよりも高いことが確認できた。

（評価試験５）
次に、電池状態推定部と二次電池とを有する電池システムに関する以下の評価試験５を行った。評価試験５では、二次電池の電極の構成を変更した。試験例５−１及び比較例５−１では、正極がリン酸鉄リチウムからなり、負極が非晶質炭素からなる二次電池とした。試験例５−２及び比較例５−２では、正極がニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなり、負極が非晶質炭素からなる二次電池とした。試験例５−３及び比較例５−３では、正極がニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなり、負極がチタン酸リチウムからなる二次電池とした。なお、各試験例及び比較例では使用履歴として、評価試験４における高温地域の使用履歴Ｂを採用し、評価試験４の場合と同様に、二次電池２の充放電可能な電力量を推定するとともに実際に充放電可能な電力量の実測定値を測定した。評価結果は以下の表５に示す。

表５に示すように、試験例５−１、５−２及び５−３の全てで、比較例５−１、５−２及び５−３よりも推定値と実測定値との差が小さく、その推定精度が高いことが確認できた。

（評価試験６）
次に、電池状態推定部と二次電池とを有する電池システムに関する以下の評価試験６を行った。評価試験６ではさらに、二次電池の電極の構成を変更した。試験例６−１、６−２、６−３及び比較例６−１、６−２、６−３では、正極をリン酸鉄リチウムからなる二次電池とし、試験例６−４、６−５及び比較例６−４、６−５では正極をニッケル−マンガン−コバルト酸リチウムからなる二次電池とした。また、試験例６−１、６−４及び比較例６−１、６−４では、負極を非晶質炭素からなる二次電池とし、試験例６−２及び比較例６−２では、負極を黒鉛比表面積が1.2m²/gの高比表面黒鉛からなる二次電池とし、試験例６−３、６−５及び比較例６−３、６−５では、負極を黒鉛比表面積が0.8m²/gの低比表面黒鉛からなる二次電池とした。なお、各試験例及び比較例では使用履歴として、評価試験４における高温地域の使用履歴Ｂを採用し、評価試験４の場合と同様に、二次電池の充放電可能な電力量を推定するとともに実際に充放電可能な電力量の実測定値を測定した。評価結果は以下の表６に示す。

表６に示すように、すべての試験例において、対応する比較例よりも推定値と実測定値との差が少なくなっており、高い推定精度を示すことが確認できた。特に、負極が低比表面黒鉛からなる場合には十分高い推定精度が得られることが分かった。

次に、本実施形態の電池システム１００における作用効果について、詳述する。
電池システム１００では、電池状態推定部１において、正極特性情報及び負極特性情報が使用履歴情報に対応付けられて記憶されている。そして、二次電池２における電池状態を推定する際には、二次電池２の使用履歴情報に対応する正極特性情報及び負極特性情報を抽出した上で、当該正極特性情報及び負極特性情報に基づいて、正極の特性値と負極の特性値とを個別に算出する。そして、当該正極の特性値と負極の特性値とから当該二次電池２における電池状態を推定する。これにより、使用履歴に応じて互いに異なる正極及び負極の劣化度合いが反映されるため、二次電池２における電池状態が高精度に推定される。そして、電池システム１００は、当該推定結果に基づいて、充放電させる二次電池２を特定するための充放電計画を作成して、当該充放電計画に基づいて二次電池２における通電状態を制御する。これにより、二次電池２の使用状態や使用目的などに応じて、二次電池を効率的に使用することができる。

また、本実施形態では、電池状態推定部１は、二次電池２における充放電可能な電力量を推定可能なように構成されている。これにより、二次電池２における充放電可能な電力量から二次電池２における電池状態を高精度に推定することができる。

また、本実施形態では、電池状態推定部１は、二次電池２における入出力可能な電力を推定可能なように構成されている。これにより、二次電池２における入出力可能な電力から二次電池２における電池状態を高精度に推定することができる。

また、本実施形態では、複数の二次電池２は、互いに直列接続されて複数の組電池２１〜２３を形成しており、複数の組電池２１〜２３は、互いに並列接続されている。そして、通電切替部１１は、組電池２１〜２３ごとに通電状態を切り替え可能に構成されており、計画作成部１２は、複数の組電池２１〜２３の少なくとも一つを充放電させる二次電池２として特定する充放電計画を作成するように構成されている。これにより、複数の組電池２１〜２３が備えられた構成において、効率的に通電状態を切り替えることができ、特に直列数の多い組電池を有するPHEVやHEMSなどにおいて、構成を簡素化できるとともに通電状態の切替制御が容易となる。

また、本実施形態では、計画作成部１２は、電池状態推定部１による推定結果と電源システム１００が要求する要求値とから正極の残寿命及び負極の残寿命を算出する残寿命算出部１２１と、該残寿命に基づいて充放電させる二次電池２を特定する電池特定部１２２とを有する。これにより、計画作成部１２は、正極の残寿命及び負極の残寿命に基づいて充放電計画を作成することができるため、二次電池２を一層効率的に使用することができる。

また、本実施形態では、電池特定部１２２によって特定される二次電池２には、電池状態推定部１による現在の推定結果と電源システム１０の要求値とに基づいて算出された正極の残寿命又は負極の残寿命が最も長い二次電池２が含まれている。これにより、正極又は負極の残寿命が最も長い二次電池２が優先的に使用されるため、複数の二次電池２において寿命の均一化が図られ、電池システム１００の長寿命化が図られる。特に直列数の多い組電池を有するPHEVやHEMSなどにおいては、組電池内の二次電池２の劣化状態のバラつきが電池システム全体に影響しやすいが、本実施形態の電池システム１００では二次電池２の寿命の均一化が図られるため、劣化状態のバラつきの影響を低減することができる。

また、本実施形態では、充放電計画、推定部６２の推定結果、正極の特性値、負極の特性値、正極の残寿命及び負極の残寿命のうち少なくとも一つを表示する表示部７０を有する。これにより、充放電計画、推定結果、正極の特性値、負極の特性値、正極の残寿命及び負極の残寿命を容易に視認することができる。

また、二次電池２はリチウムイオン二次電池であるとともに、比表面積が3.0m²/g以下である黒鉛からなる負極を有することが好ましく、1.0m²/g以下である黒鉛からなる負極を有することがより好ましい。これにより、電池状態推定部１により二次電池２における電池状態が高精度に推定されることとなる。その結果、電池システム１００において、二次電池２を一層効率的に使用することができる。

なお、本実施形態では、電池部２０では、組電池２１〜２３が互いに並列接続されているが、これに限らず、互いに並列接続された組電池２１〜２３を１つのモジュールとして、当該モジュールが複数直列接続された構成であってもよい。この場合は組電池ごとに通電状態を制御してもよいし、モジュールごとに通電状態を制御してもよい。また、本実施例では、二次電池２ごとに電池状態を推定して充放電計画を作成したが、これに替えて、組電池２１〜２３のそれぞれを一つの二次電池とみなして組電池２１〜２３ごとに電池状態を推定して充放電計画を作成してもよい。

本発明は上記実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１における電池システム１００が報知部７を有していない構成としてもよい。

１ 電池状態推定部
２ 二次電池
１１ 通電切替部
１２ 計画作成部
１３ 切替制御部
４０ 電池情報取得部
４１ 履歴情報取得部
３０ 特性情報記憶部
６０ 特性情報抽出部
６１ 特性値算出部
６２ 推定部
１００ 電池システム

Claims (8)

1. 複数の二次電池（２）と、
   上記複数の二次電池における通電状態を切り替え可能に構成された通電切替部（１１）と、
   上記複数の二次電池における電池状態を推定する電池状態推定部（１）と、
   該電池状態推定部による推定結果に基づいて、上記複数の二次電池において充放電させる二次電池を特定するための充放電計画を作成する計画作成部（１２）と、
   上記充放電計画に基づいて、上記通電切替部を制御する切替制御部（１３）と、
   を有する電池システム（１００）であって、
   上記電池状態推定部は、上記二次電池の電池情報を取得する電池情報取得部（４０）と、
   上記二次電池の使用履歴情報を取得する履歴情報取得部（４１）と、
   上記二次電池の電池情報と上記二次電池における正極の特性値及び負極の特性値との対応関係を示す正極特性情報及び負極特性情報がそれぞれ、上記二次電池の使用履歴情報と対応付けられて、予め記憶されている特性情報記憶部（３０）と、
   上記履歴情報取得部により取得された上記使用履歴情報に対応する上記正極特性情報及び上記負極特性情報を上記特性情報記憶部から抽出する特性情報抽出部（６０）と、
   上記電池情報取得部により取得された上記電池情報と、上記特性情報抽出部により抽出された上記正極特性情報及び上記負極特性情報とに基づいて、上記二次電池における正極の特性値及び負極の特性値をそれぞれ算出する特性値算出部（６１）と、
   上記特性値算出部により算出された上記正極の特性値及び上記負極の特性値に基づいて、上記二次電池における電池状態を推定する推定部（６２）と、
   を有する、電池システム。
2. 上記電池状態推定部は、上記二次電池における充放電可能な電力量を推定するように構成されている、請求項１に記載の電池システム。
3. 上記電池状態推定部は、上記二次電池における入出力可能な電力を推定するように構成されている、請求項１に記載の電池システム。
4. 上記複数の二次電池は、互いに直列接続されて複数の組電池（２１、２２、２３）を形成しており、
   該複数の組電池は、互いに並列接続されており、
   上記通電切替部は、上記組電池ごとに通電状態を切り替え可能に構成されており、
   上記計画作成部は、上記複数の組電池の少なくとも一つを上記充放電させる二次電池として特定する上記充放電計画を作成するように構成されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池システム。
5. 上記計画作成部は、上記電池状態推定部による上記推定結果と上記電源システムが要求する要求値とから上記正極の残寿命及び上記負極の残寿命を算出する残寿命算出部（１２１）と、該残寿命に基づいて上記充放電させる二次電池を特定する電池特定部（１２２）とを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池システム。
6. 上記電池特定部によって特定される上記二次電池には、上記電池状態推定部による現在の推定結果と上記要求値とに基づいて算出された上記正極の残寿命又は上記負極の残寿命が最も長い上記二次電池が含まれる、請求項５に記載の電池システム。
7. 上記充放電計画、上記推定部の推定結果、上記正極の特性値、上記負極の特性値、上記正極の残寿命及び上記負極の残寿命のうち少なくとも一つを表示する表示部（７０）を有する、請求項５又は６に記載の電池システム。
8. 上記二次電池はリチウムイオン二次電池であるとともに、比表面積が3.0m²/g以下である黒鉛からなる負極を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電池システム。

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