JP2019046768A

JP2019046768A - リチウムイオン二次電池システム

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Publication number: JP2019046768A
Application number: JP2017172175A
Authority: JP
Inventors: 耕平小山田; Kohei Koyamada; 雅文野瀬; Masafumi Nose
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: JP6848775B2

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができるリチウムイオン二次電池システムを提供する。【解決手段】リチウムイオン二次電池システム１は、リチウムイオン二次電池２と、リチウムイオン二次電池を充電する充電装置３と、リチウムイオン二次電池の電圧を検出する電圧検出装置４と、リチウムイオン二次電池を流れる電流を検出する電流検出装置５と、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあるか否かを判定する判定部とを備える。判定部は、電圧を時間で微分した第１の値が第１の閾値よりも大きく且つ第１の値を時間で微分した第２の値が正である場合、又は電圧をリチウムイオン二次電池に供給された電気量で微分した第３の値が第２の閾値よりも大きく且つ第３の値を時間で微分した第４の値が正である場合に、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判定する。【選択図】図１

Description

本発明はリチウムイオン二次電池システムに関する。

リチウムイオン二次電池は繰り返し充電可能な電池である。しかしながら、リチウムイオン二次電池が過充電されると、正極の酸化等が発生する。この結果、電池容量の低下や内部抵抗の増加が引き起こされ、電池の性能が低下する。

このため、従来、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを検出し、リチウムイオン二次電池の過充電を抑制することが行われている。例えば、特許文献１には、リチウムイオン二次電池の電圧の時間変化率に基づいてリチウムイオン二次電池の充電率を推定することが開示されている。

特開２０１６−０５８２４５号公報特開平６−１８９４６６号公報

しかしながら、リチウムイオン二次電池の充放電曲線は典型的には内部抵抗の影響によってヒステリシスを有する。このため、放電後に充電が行われると、充電率が低い領域においても充電開始直後に電圧が急上昇することがある。この結果、電圧の時間変化率が大きくなり、リチウムイオン二次電池の過充電を誤検出するおそれがある。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができるリチウムイオン二次電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、リチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池を充電する充電装置と、前記リチウムイオン二次電池の電圧を検出する電圧検出装置と、前記リチウムイオン二次電池を流れる電流を検出する電流検出装置と、前記充電装置によって前記リチウムイオン二次電池が充電されるときに該リチウムイオン二次電池が過充電状態にあるか否かを判定する判定部とを備え、前記判定部は、前記電圧を時間で微分した第１の値が第１の閾値よりも大きく且つ該第１の値を時間で微分した第２の値が正である場合、又は前記電圧を前記リチウムイオン二次電池に供給された電気量で微分した第３の値が第２の閾値よりも大きく且つ該第３の値を時間で微分した第４の値が正である場合に、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判定する、リチウムイオン二次電池システムが提供される。

本発明によれば、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができるリチウムイオン二次電池システムが提供される。

図１は、本発明の第一実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムの概略図である。図２は、リチウムイオン二次電池の充放電曲線を示すグラフである。図３は、図２の点ａにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図４は、図２の点ｂにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図５は、図２の点ｃにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図６は、図３の破線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。図７は、図３の実線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。図８は、図４の破線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。図９は、図４の実線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。図１０は、図５の破線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。図１１は、図５の実線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。図１２は、本発明の第一実施形態における過充電判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１３は、本発明の第一実施形態における充電停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１４は、本発明の第二実施形態における過充電判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜第一実施形態＞
最初に図１〜図１３を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。

＜リチウムイオン二次電池システムの構成＞
図１は、本発明の第一実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムの概略図である。リチウムイオン二次電池システム１はリチウムイオン二次電池２を備える。リチウムイオン二次電池２は、複数の電池セル２１が直列に接続された二次電池であり、電池パック又は組電池とも称される。各電池セル２１は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置された電解質とを有する。各電池セル２１では、リチウムイオンが電解質を介して正極と負極との間を移動することで、充放電が行われる。

本実施形態では、リチウムイオン二次電池２は、バイポーラ構造を有する全固体リチウム硫黄（ＬｉＳ）電池である。この場合、正極材料として硫黄が用いられ、負極材料として金属リチウムが用いられ、電解質としてセラミックスのような固体電解質が用いられる。

リチウムイオン二次電池システム１は、リチウムイオン二次電池２を充電する充電装置３を更に備える。充電装置３は、リチウムイオン二次電池２の両端の正極端子及び負極端子に電気的に接続されている。充電装置３は、商用電源のような外部電源から供給される電力又はモータジェネレータから供給される電力を用いてリチウムイオン二次電池２を充電する。

充電時には、充電装置３からリチウムイオン二次電池２に電流が供給され、リチウムイオンが各電気セル１０の正極から負極に移動する。この結果、リチウムイオン二次電池２の容量が徐々に増加する。一方、放電時には、リチウムイオンが各電気セル１０の負極から正極に移動し、モータ等の電子機器のような外部負荷にリチウムイオン二次電池２から電力が供給される。この結果、リチウムイオン二次電池２の容量が徐々に低下する。

リチウムイオン二次電池システム１は、電圧検出装置４、電流検出装置５、温度センサ６及び制御装置７を更に備える。電圧検出装置４は、リチウムイオン二次電池２に並列に接続され、各電池セル２１の総電圧であるリチウムイオン二次電池２の電圧を検出する。電圧検出装置４によって検出された電圧は制御装置７に入力される。

電流検出装置５は、リチウムイオン二次電池２に直列に接続され、リチウムイオン二次電池２を流れる電流を検出する。したがって、電流検出装置５は、充電時には、充電装置３からリチウムイオン二次電池２に供給される電流を検出する。電流検出装置５によって検出された電流は制御装置７に入力される。

温度センサ６は、リチウムイオン二次電池２のパッケージ内に設けられ、リチウムイオン二次電池２の温度を検出する。温度センサ６は、例えば、サーミスタ又は熱電対である。温度センサ６によって検出された温度は制御装置７に入力される。

制御装置７は、中央演算装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ及びＲＡＭのようなメモリ、入力ポート並びに出力ポートを含むマイクロコンピュータであり、リチウムイオン二次電池２の充放電を制御する。充電時には、制御装置７は、電圧検出装置４、電流検出装置５及び温度センサ６の出力等に基づいて充電装置３を制御する。

＜リチウムイオン二次電池の充放電曲線＞
図２は、リチウムイオン二次電池２の充放電曲線を示すグラフである。グラフの横軸はリチウムイオン二次電池２の容量を示し、グラフの縦軸はリチウムイオン二次電池２の閉回路電圧（ＣＣＶ）を示す。リチウムイオン二次電池２では、内部抵抗による過電圧によって閉回路電圧と開回路電圧（ＯＣＶ）との間に差が生じる。また、充電時と放電時とでは、リチウムイオン二次電池２を流れる電流の向きが逆である。このため、図２に示されるように、充電時の閉回路電圧が放電時の閉回路電圧よりも高くなり、充放電曲線がヒステリシスを有する。また、充電又は放電が終了しても分極が直ぐには解消しないため、電圧が開回路電圧に収束するのに長時間を要する。

図３は、図２の点ａにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図中の実線は、一つの電池セル２１が過充電された場合の電圧の時間推移を示し、図中の破線は、過充電された電池セル２１が存在しない場合の電圧の時間推移を示す。

図３の例では、放電によって容量が低下した後に、充電が行われている。時刻ｔ０の直後には、放電時の閉回路電圧と充電時の閉回路電圧との差によって電圧が急上昇し、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、電圧の時間変化率が徐々に低下する。時刻ｔ１の後、電圧の時間変化率が一定となり、充電時間の経過に伴い電圧が徐々に増加する。一つの電池セル２１が過充電された場合には、時刻ｔ２において、電圧が再び急上昇する。これは、一つの電池セル２１の容量が最大値に近付いたことによって生じる。その後、時刻ｔ３において、電圧の時間変化率が更に高くなり、一つの電池セル２１が過充電状態になったと考えられる。

図４は、図２の点ｂにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図中の実線は、一つの電池セル２１が過充電された場合の電圧の時間推移を示し、図中の破線は、過充電された電池セル２１が存在しない場合の電圧の時間推移を示す。

図４の例では、充電によって容量が増加した後に、充電が再び行われている。時刻ｔ０の直後には、内部抵抗による過電圧によって電圧が僅かに上昇し、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、電圧の時間変化率が徐々に低下する。時刻ｔ１の後、電圧の時間変化率が一定となり、充電時間の経過に伴い電圧が徐々に増加する。一つの電池セル２１が過充電された場合には、時刻ｔ２において、電圧が再び急上昇する。これは、一つの電池セル２１の容量が最大値に近付いたことによって生じる。その後、時刻ｔ３において、電圧の時間変化率が更に高くなり、一つの電池セル２１が過充電状態になったと考えられる。

図５は、図２の点ｃにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図中の実線は、一つの電池セル２１が過充電された場合の電圧の時間推移を示し、図中の破線は、過充電された電池セル２１が存在しない場合の電圧の時間推移を示す。

図５の例では、放電によって容量が低下した後に、充電が行われている。また、図５の例では、図３の例に比べて、充電開始時の容量が大きい。時刻ｔ０の直後には、放電時の閉回路電圧と充電時の閉回路電圧との差によって電圧が急上昇し、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、電圧の時間変化率が徐々に低下する。時刻ｔ１の後、電圧の時間変化率が徐々に増加すると共に、充電時間の経過に伴い電圧が徐々に増加する。一つの電池セル２１が過充電された場合には、時刻ｔ２において、電圧が再び急上昇する。これは、一つの電池セル２１の容量が最大値に近付いたことによって生じる。その後、時刻ｔ３において、電圧の時間変化率が更に高くなり、一つの電池セル２１が過充電状態になったと考えられる。

＜過充電の判定＞
リチウムイオン二次電池２の過充電を抑制するためには、充放電曲線における充電の開始位置に関わらず、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあることを精度良く検出する必要がある。制御装置７は、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、充電装置３によってリチウムイオン二次電池２が充電されるときにリチウムイオン二次電池２が過充電状態にあるか否かを判定する判定部として機能する。

本願の発明者は、図３〜図５に示されるように充電開始直後の電圧上昇曲線が上に凸であり且つ過充電時の電圧上昇曲線が下に凸であることに着目し、以下のような過充電の判定方法を見出した。本実施形態では、判定部は、リチウムイオン二次電池２の電圧を時間で微分した第１の値が第１の閾値よりも大きく且つ第１の値を時間で微分した第２の値が正である場合に、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定する。電圧は電圧検出装置４によって検出される。

第１の値（ΔＶ／Δｔ）は、電圧の時間変化率であり、単位時間当たりの電圧の変化量を示す。第２の値（Δ²Ｖ／Δｔ²）は、第１の値の時間変化率であり、単位時間当たりの第１の値の変化量を示す。また、第２の値は、電圧を二階微分した値に等しい。

図６は、図３の破線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図６は、図２の点ａにおいて充電が開始され且つ過充電された電池セル２１が存在しない場合の第１の値及び第２の値の時間推移を示す。図７は、図３の実線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図７は、図２の点ａにおいて充電が開始され且つ一つの電池セル２１が過充電された場合の第１の値及び第２の値の時間推移を示す。図６及び図７では、一点鎖線が第１の値を示し、実線が第２の値を示す。

図６の例では、第１の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで低下し、時刻ｔ１の後、一定となる。一方、第２の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで負となり、時刻ｔ１の後、ゼロとなる。図７の例では、第１の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで低下し、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで一定となり、時刻ｔ２の後、増加し、時刻ｔ３において第１の閾値Ｔｈ１を超える。一方、第２の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで負となり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までゼロとなり、時刻ｔ２の後、正となる。

図６及び図７の時刻ｔ０直後には、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きい。しかしながら、第２の値が負である。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にないと判定される。一方、図７の時刻ｔ３において、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きく、第２の値が正である。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定される。

図８は、図４の破線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図８は、図２の点ｂにおいて充電が開始され且つ過充電された電池セル２１が存在しない場合の第１の値及び第２の値の時間推移を示す。図９は、図４の実線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図９は、図２の点ｂにおいて充電が開始され且つ一つの電池セル２１が過充電された場合の第１の値及び第２の値の時間推移を示す。図８及び図９では、一点鎖線が第１の値を示し、実線が第２の値を示す。

図８の例では、第１の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで低下し、時刻ｔ１の後、一定となる。一方、第２の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで負となり、時刻ｔ１の後、ゼロとなる。図９の例では、第１の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで低下し、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで一定となり、時刻ｔ２の後、増加し、時刻ｔ３において第１の閾値Ｔｈ１を超える。一方、第２の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで負となり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までゼロとなり、時刻ｔ２の後、正となる。

図８では、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも小さく、第２の値が負又はゼロである。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にないと判定される。一方、図９の時刻ｔ３において、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きく、第２の値が正である。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定される。

図１０は、図５の破線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図１０は、図２の点ｃにおいて充電が開始され且つ過充電された電池セル２１が存在しない場合の第１の値及び第２の値の時間推移を示す。図１１は、図５の実線のデータから算出された第１の値及び第２の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図１１は、図２の点ｃにおいて充電が開始され且つ一つの電池セル２１が過充電された場合の第１の値及び第２の値の時間推移を示す。図１０及び図１１では、一点鎖線が第１の値を示し、実線が第２の値を示す。

図１０の例では、第１の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで低下し、時刻ｔ１の後、徐々に増加する。一方、第２の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで負となり、時刻ｔ１の後、正となる。図１１の例では、第１の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで低下し、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで増加し、時刻ｔ２の後、急激に増加し、時刻ｔ３において第１の閾値Ｔｈ１を超える。一方、第２の値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで負となり、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで正となり、時刻ｔ２の後、更に大きい正の値になる。

図１０及び図１１の時刻ｔ０直後には、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きい。しかしながら、第２の値が負である。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にないと判定される。また、図１０及び図１１の時刻ｔ１から時刻ｔ２では、第２の値が正である。しかしながら、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも小さい。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にないと判定される。一方、図１１の時刻ｔ３において、第１の値が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きく、第２の値が正である。このため、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定される。

したがって、本実施形態における判定方法によれば、放電後に充電が行われたときに過充電を誤検出することを抑制することができ、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができる。

また、制御装置７は、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、リチウムイオン二次電池２の充電率（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）の上限値を設定すると共に、充電率が上限値に達するとリチウムイオン二次電池２の充電を停止する充電停止部として機能する。充電停止部は、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定された場合には、リチウムイオン二次電池２の充電を停止し、充電率の上限値を現在の充電率に更新する。このことによって、リチウムイオン二次電池２が再び過充電状態になることを抑制することができる。なお、充電率ＳＯＣとは、初期状態のリチウムイオン二次電池２の最大容量に対する現在のリチウムイオン二次電池２の容量の割合である。

＜過充電判定処理＞
以下、図１２及び図１３のフローチャートを参照して、リチウムイオン二次電池システム１によって実行される制御について説明する。図１２は、本発明の第一実施形態における過充電判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは制御装置７によって繰り返し実行される。制御装置７は本制御ルーチンを実行することによって判定部として機能する。

最初に、ステップＳ１０１において、リチウムイオン二次電池２が充電中であるか否かが判定される。リチウムイオン二次電池２が充電中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、リチウムイオン二次電池２が充電中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、リチウムイオン二次電池２の電圧Ｖが取得される。電圧Ｖは電圧検出装置４によって検出される。

次いで、ステップＳ１０３において、第１の値Ａ１（ΔＶ／Δｔ）及び第２の値Ａ２（Δ²Ｖ／Δｔ²）を算出する。ここで、第１の値Ａ１は、微小時間Δｔにおける電圧Ｖの変化量ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ（ｔ＋Δｔ）−Ｖ（ｔ））を微小時間Δｔで除算することによって算出される。また、第２の値Ａ２は、微小時間Δｔにおける第１の値Ａ１の変化量ΔＡ１（ΔＡ１＝Ａ１（ｔ＋Δｔ）−Ａ１（ｔ））を微小時間Δｔで除算することによって算出される。

次いで、ステップＳ１０４において、第１の値Ａ１が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きいか否かが判定される。第１の閾値Ｔｈ１は、実験的又は理論的に予め定められ、ゼロよりも大きな値である。第１の値Ａ１が第１の閾値Ｔｈ１以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第１の値Ａ１が第１の閾値Ｔｈ１よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、第２の値Ａ２が正であるか否かが判定される。第２の値Ａ２がゼロ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第２の値Ａ２が正であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定される。次いで、ステップＳ１０７において、過充電フラグＦｏｃが１に設定される。なお、過充電フラグＦｏｃの初期値はゼロである。ステップＳ１０７の後、本制御ルーチンは終了する。

＜充電停止処理＞
図１３は、本発明の第一実施形態における充電停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは制御装置７によって繰り返し実行される。制御装置７は本制御ルーチンを実行することによって充電停止部として機能する。

最初に、ステップＳ２０１において、リチウムイオン二次電池２の充放電が停止されているか否かが判定される。リチウムイオン二次電池２の充放電が停止されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、リチウムイオン二次電池２の電圧Ｖと、リチウムイオン二次電池２を流れる電流Ｉと、リチウムイオン二次電池２の温度Ｔとが取得される。電圧Ｖは電圧検出装置４によって検出され、電流Ｉは電流検出装置５によって検出され、温度Ｔは温度センサ６によって検出される。

次いで、ステップＳ２０３において、充電率の初期値ＳＯＣｉｎが算出される。初期値ＳＯＣｉｎは、充電が開始される前の充電率の推定値である。最初に、内部抵抗と温度Ｔとの関係が記載されたマップを用いて温度Ｔから内部抵抗が算出される。次いで、内部抵抗に電流Ｉを乗じた値が過電圧として算出される。充電の停止後には、電圧Ｖから過電圧を減算した値が開回路電圧として算出される。一方、放電の停止後には、電圧Ｖに過電圧を加算した値が開回路電圧として算出される。次いで、充電率と開回路電圧との関係が記載されたマップを用いて開回路電圧から充電率が算出され、算出された充電率が初期値ＳＯＣｉｎに設定される。なお、各マップは制御装置７のメモリ（例えばＲＯＭ）に記憶されている。ステップＳ２０３の後、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０１においてリチウムイオン二次電池２の充電又は放電が行われていると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、リチウムイオン二次電池２が充電中であるか否かが判定される。リチウムイオン二次電池２が充電中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、リチウムイオン二次電池２が充電中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０５では、リチウムイオン二次電池２を流れる電流Ｉが取得される。電流Ｉは電流検出装置５によって検出される。次いで、ステップＳ２０６において、リチウムイオン二次電池２の現在の充電率ＳＯＣｃｕが算出される。充電開始後のＳＯＣの増加量が電流Ｉの積算値（ΣＩ）に基づいて算出され、初期値ＳＯＣｉｎにＳＯＣの増加量を加算した値が現在の充電率ＳＯＣｃｕに設定される。

次いで、ステップＳ２０７において、過充電フラグＦｏｃが１であるか否かが判定される。過充電フラグＦｏｃがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８では、現在の充電率ＳＯＣｃｕが充電率の上限値ＳＯＣｕｐ以上であるか否かが判定される。現在の充電率ＳＯＣｃｕが上限値ＳＯＣｕｐよりも低いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ２０７において過充電フラグＦｏｃが１であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９では、上限値ＳＯＣｕｐが現在のＳＯＣｃｕに更新され、過充電フラグＦｏｃがゼロに設定される。なお、上限値ＳＯＣｕｐの初期値は例えば１００％である。

次いで、ステップＳ２１０において、リチウムイオン二次電池２の充電が停止される。具体的には、充電装置３からリチウムイオン二次電池２への電流供給が停止される。ステップＳ２１０の後、本制御ルーチンは終了する。

また、ステップＳ２０８において現在の充電率ＳＯＣｃｕが上限値ＳＯＣｕｐ以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では、リチウムイオン二次電池２の充電が停止される。ステップＳ２１０の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、リチウムイオン二次電池２の充放電が停止されてから十分に時間が経過している場合には、ステップＳ２０３において、電圧Ｖが開回路電圧とされてもよい。

＜第二実施形態＞
第二実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムの構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムと同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

モータの動力源としてリチウムイオン二次電池２が用いられる車両（ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等）では、回生エネルギー等によってリチウムイオン二次電池２が充電される。この場合、充電時にリチウムイオン二次電池２に供給される電流が変動することがある。充電時の電圧の変化量は電流の変化量の影響を受ける。また、一つ以上の電池セル２１が過充電状態になるときには、リチウムイオン二次電池２に供給された電気量の変化量に対するリチウムイオン二次電池２の電圧の変化量が大きくなる。

このため、第二実施形態では、判定部は、リチウムイオン二次電池２の電圧をリチウムイオン二次電池２に供給された電気量で微分した第３の値が第２の閾値よりも大きく且つ第３の値を時間で微分した第４の値が正である場合に、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定する。電圧は電圧検出装置４によって検出される。電気量は、電流検出装置５によって検出された電流に時間を積算することによって算出される。

第３の値（ΔＶ／ΔＱ）は、単位電気量当たりの電圧の変化量を示す。第４の値（Δ（ΔＶ／ΔＱ）／Δｔ）は、第３の値の時間変化率であり、単位時間当たりの第３の値の変化量を示す。

＜過充電判定処理＞
図１４は、本発明の第二実施形態における過充電判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは制御装置７によって繰り返し実行される。制御装置７は本制御ルーチンを実行することによって判定部として機能する。

最初に、ステップＳ３０１において、リチウムイオン二次電池２が充電中であるか否かが判定される。リチウムイオン二次電池２が充電中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、リチウムイオン二次電池２が充電中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、リチウムイオン二次電池２の電圧Ｖと、リチウムイオン二次電池２を流れる電流Ｉが取得される。電圧Ｖは電圧検出装置４によって検出され、電流Ｉは電流検出装置５によって検出される。

次いで、ステップＳ３０３において、第３の値Ａ３（ΔＶ／ΔＱ）及び第４の値Ａ４（Δ（ΔＶ／ΔＱ）／Δｔ）を算出する。ここで、第３の値Ａ３は、微小時間Δｔにおける電圧Ｖの変化量ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ（ｔ＋Δｔ）−Ｖ（ｔ））を微小時間Δｔにおける電気量Ｑの変化量ΔＱ（ΔＱ＝Ｑ（ｔ＋Δｔ）−Ｑ（ｔ））で除算することによって算出される。また、第４の値Ａ４は、微小時間Δｔにおける第３の値Ａ３の変化量ΔＡ３（ΔＡ３＝Ａ３（ｔ＋Δｔ）−Ａ３（ｔ））を微小時間Δｔで除算することによって算出される。

次いで、ステップＳ３０４において、第３の値Ａ３が第２の閾値Ｔｈ２よりも大きいか否かが判定される。第２の閾値Ｔｈ２は、実験的又は理論的に予め定められ、ゼロよりも大きな値である。第３の値Ａ３が第２の閾値Ｔｈ２以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第３の値Ａ３が第２の閾値Ｔｈ２よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０５に進む。

ステップＳ３０５では、第４の値Ａ４が正であるか否かが判定される。第４の値Ａ４がゼロ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第４の値Ａ４が正であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ３０６に進む。

ステップＳ３０６では、リチウムイオン二次電池２が過充電状態にあると判定される。次いで、ステップＳ３０７において、過充電フラグＦｏｃが１に設定される。過充電フラグＦｏｃの初期値はゼロである。ステップＳ３０７の後、本制御ルーチンは終了する。

なお、第二実施形態においても、図１３の充電停止処理の制御ルーチンが第一実施形態と同様に実行される。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、電極間のリチウムイオンの移動が可能であり、充放電曲線がヒステリシスを有すれば、正極、負極及び電解質として任意の材料を用いることができる。

しかしながら、正極材料として硫黄が用いられ又は負極材料としてシリコンが用いられる場合には、充放電曲線のヒステリシスが大きくなると共に、放電後に電圧が開回路電圧に収束する時間が長くなる。このため、正極材料として硫黄が用いられたリチウムイオン二次電池、又は負極材料としてシリコンが用いられたリチウムイオン二次電池に本発明を適用することが、特に効果的である。

１リチウムイオン二次電池システム
２リチウムイオン二次電池
３充電装置
４電圧検出装置
５電流検出装置
７制御装置

Claims

リチウムイオン二次電池と、
前記リチウムイオン二次電池を充電する充電装置と、
前記リチウムイオン二次電池の電圧を検出する電圧検出装置と、
前記リチウムイオン二次電池を流れる電流を検出する電流検出装置と、
前記充電装置によって前記リチウムイオン二次電池が充電されるときに該リチウムイオン二次電池が過充電状態にあるか否かを判定する判定部と
を備え、
前記判定部は、前記電圧を時間で微分した第１の値が第１の閾値よりも大きく且つ該第１の値を時間で微分した第２の値が正である場合、又は前記電圧を前記リチウムイオン二次電池に供給された電気量で微分した第３の値が第２の閾値よりも大きく且つ該第３の値を時間で微分した第４の値が正である場合に、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判定する、リチウムイオン二次電池システム。