JP2019139999A - 二次電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の使用を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制する。【解決手段】リチウムイオン二次電池の制御装置は、ＥＣＵは、電池電圧が過充電基準閾値を超えた場合に電池の充電を制限する。ＥＣＵは、電池の温度履歴および使用期間から、電池の正極表面に形成される正極皮膜量Ｍおよび電池の電解液塩濃度Ｃを算出する。そして、ＥＣＵは、算出された正極皮膜量Ｍおよび電解液塩濃度Ｃを用いて過充電基準閾値Ｖを設定する。ＥＣＵは、正極皮膜量Ｍが増加するほど、および、電解液塩濃度Ｃが低下するほど、過充電基準閾値を高くする。【選択図】図５

Description

本開示は、二次電池が過充電状態であるか否かを判定する技術に関する。

特開２０１３−１１８０９０号公報（特許文献１）には、二次電池の充電状態を監視する監視装置が開示されている。この監視装置は、二次電池の負極板の外側に配置される参照極の単位時間あたりの電位変化量を監視し、参照極の単位時間あたりの電位変化量が閾値を超えた場合に二次電池が過充電状態であると判定する。

特開２０１３−１１８０９０号公報

二次電池が過充電状態である場合には、正極および負極が熱力学的に不安定な状態となるため、二次電池が過熱状態となり得る。二次電池の使用を過剰に制限することなく過充電による過熱を抑制するためには、二次電池が過充電状態であるか否かを判定するための基準となる閾値（以下「過充電基準閾値」ともいう）を適切に設定し、二次電池の充電状態を示すパラメータが過充電基準閾値を超えた場合には二次電池の充電を制限することが望ましい。

二次電池の過充電耐性（過充電による過熱の生じ難さ）は、二次電池内の反応速度の影響を受ける。すなわち、二次電池内の反応速度が低下した場合には、その反応に起因する発熱速度（単位時間あたりの発熱量）が低下するため、過充電による過熱は生じ難くなる。そして、二次電池内の反応速度は、二次電池の温度履歴および使用期間によって変化し得る。したがって、二次電池の過充電耐性は、二次電池の温度履歴および使用期間によって変化し得ることになる。

しかしながら、特許文献１においては、参照極の単位時間あたりの電位変化量と比較される閾値（過充電基準閾値）が、二次電池の温度履歴および使用期間によって決まる値ではなく、二次電池内の反応速度を反映した値となっていない。そのため、特許文献１に開示された技術では、過充電であるか否かを正確に判定することができず、その影響で二次電池の使用が過剰に制限されたり、あるいは過充電による過熱が生じたりすることが懸念される。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、二次電池の使用を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することである。

本開示による制御装置は、正極と負極と電解液とを備える二次電池の制御装置であって、二次電池の温度を検出するように構成された温度検出部と、二次電池の充電状態を示すパラメータが過充電基準閾値を超えた場合に二次電池の充電を制限する制御部とを備える。制御部は、二次電池の温度の履歴および使用期間を用いて、正極の表面に形成される正極皮膜量を示す第１パラメータおよび電解液の塩濃度を示す第２パラメータを算出する。制御部は、算出された第１パラメータおよび第２パラメータを用いて過充電基準閾値を設定する。

二次電池においては、正極皮膜量が増加するほど、正極と電解液との反応速度（正極と電解液との反応に起因する発熱速度）が低下するため、過充電による過熱は生じ難くなる。また、電解液の塩濃度が低下するほど、電解液の分解速度（電解液の分解に起因する発熱速度）が低下するため、過充電による過熱は生じ難くなる。これらの点に鑑み、上記構成においては、過充電基準閾値が、正極皮膜量を示す第１パラメータと電解液の塩濃度を示す第２パラメータとを用いて設定される。これにより、過充電基準閾値を、正極と電解液との反応速度、および電解液の分解速度を反映した値に設定することができる。そのため、過充電基準閾値を、過充電耐性（過充電による過熱の生じ難さ）を考慮した適切な値に設定することができる。その結果、二次電池の使用を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することができる。

本開示によれば、二次電池の使用を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することができる。

車両の全体構成の一例を示す図である。 電池の使用前状態における電池の内部状態を模式的に示す図である。 電池の使用後状態における電池の内部状態を模式的に示す図である。 充電による電池温度Ｔｂの上昇特性を模式的に示す図である。 ＥＣＵが過充電基準閾値Ｖを設定する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による制御装置が適用される車両１の全体構成の一例を示す図である。なお、以下では、本実施の形態による制御装置が車両１に搭載される例について説明するが、本実施の形態による制御装置は、必ずしも車両１に搭載されることに限定されるものではない。

車両１は、電池１０と、負荷２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを備える。車両１は、電池１０に蓄えられた電力を用いて走行可能な電動車両（ハイブリッド自動車、電気自動車など）である。

電池１０は、負荷２０に電気的に接続され、負荷２０の駆動電力を蓄えるリチウムイオン二次電池である。電池１０の内部には、正極と、負極と、それらをイオン的に結合する電解液とが備えられる。

負荷２０は、電池１０からの電力を用いて車両１を駆動させるための駆動力を発生する走行用電動機を含む。また、負荷２０は、走行用電動機の回生電力により、電池１０を充電することができる。

電池１０には、電池１０の端子間電圧（以下「電池電圧Ｖｂ」ともいう）を検出するための電圧センサ１１と、電池１０を流れる電流（以下「電池電流Ｉｂ」ともいう）を検出するための電流センサ１２と、電池１０の温度（以下「電池温度Ｔｂ」ともいう）を検出するための温度センサ１３とが設けられている。各センサ１１〜１３の検出値はＥＣＵ１００へ送信される。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵する。ＥＣＵ１００は、各センサ１１〜１３からの情報およびメモリに記憶された情報などに基づいて所定の演算処理を実行する。

＜過充電による過熱の抑制＞
電池１０が過充電状態である場合には、電池１０の正極および負極が熱力学的に不安定な状態となり、正極材料が容易に分解して酸素を放出したり、電解液が酸化したりして電池１０の内部温度が上昇することで、電池１０が過熱状態となり得る。

本実施の形態によるＥＣＵ１００は、過充電による過熱を抑制するために、電池１０が過充電状態であるか否かを判定するための基準となる電圧値（以下「過充電基準閾値Ｖ」ともいう）を設定する。そして、ＥＣＵ１００は、電池電圧Ｖｂが過充電基準閾値Ｖを超えた場合に、過充電による過熱を抑制するために、電池１０の充電を制限する（充電中である場合に充電電流を低下させたり充電を停止したりする）処理を行なう。

＜過充電基準閾値の設定＞
本実施の形態によるＥＣＵ１００は、上述の過充電基準閾値Ｖを電池１０内の反応速度に応じて可変に設定することによって、過充電基準閾値Ｖを過充電耐性（過充電による過熱の生じ難さ）を考慮した適切な値に設定する。

図２は、電池１０の使用前状態（ほぼ新品の状態）における電池１０の内部状態を模式的に示す図である。上述したように、電池１０内部には、正極と、負極と、それらをイオン的に結合する電解液とが備えられる。電池１０の使用前においては、正極表面に皮膜などはほとんど形成されておらず、また、電解液の塩濃度も低下していない。

図３は、電池１０の使用後状態における電池１０の内部状態を模式的に示す図である。図３に示すように、電池１０を使用（充電あるいは放電）することによって、正極表面には正極皮膜が形成し得る。また、電解液の分解によって電解液の塩濃度が低下し得る。

電池１０の使用によって正極皮膜量が増加すると、電池電圧Ｖｂが同一であっても、正極と電解液との反応速度が低下するため、正極と電解液との反応に起因する発熱速度（単位時間あたりの発熱量）は低下する。したがって、正極皮膜量が増加するほど、過充電による過熱は生じ難くなる。

また、電池１０の使用によって電解液の塩濃度が低下すると、電池電圧Ｖｂが同一であっても、電解液の分解速度が低下するため、電解液の分解に起因する発熱速度は低下する。したがって、電解液の塩濃度が低下するほど、過充電による過熱は生じ難くなる。

図４は、充電による電池温度Ｔｂの上昇特性を模式的に示す図である。図４において、横軸は充電継続時間を示し、縦軸は電池温度Ｔｂを示す。また、図４において、実線は使用前状態（図２に示す状態）における電池温度Ｔｂの上昇特性を示し、破線は使用後状態（図３に示す状態）における電池温度Ｔｂの上昇特性を示す。図４に示す熱暴走領域は、過充電による過熱が生じる領域である。図４に示す許容温度Ｔｂ０は、過充電による過熱を回避可能な電池温度Ｔｂの上限値である。

電池１０の使用後においては、正極皮膜量の増加による発熱速度および発熱量の低減、および電解液の塩濃度の低下による発熱速度および発熱量の低減が生じる。そのため、図４に示すように、使用後の電池１０を充電する場合の電池温度Ｔｂの上昇速度（破線の傾き）は、使用前（新品状態）の電池１０を充電する場合の電池温度Ｔｂの上昇速度（実線の傾き）よりも小さくなる。

この影響により、電池温度Ｔｂが許容温度Ｔｂ０に達した時の電池電圧Ｖｂは、使用前の電池１０では初期電圧Ｖ１であるが、使用後の電池１０では初期電圧Ｖ１よりも高い所定電圧Ｖ２となることが判明した。この場合、使用前の電池１０においては過充電基準閾値Ｖを初期電圧Ｖ１に設定しておく必要があるが、使用後の電池１０においては過充電基準閾値Ｖを初期電圧Ｖ１よりも高い所定電圧Ｖ２に設定することが可能である。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、電池１０の使用履歴（電池１０の温度履歴および使用期間）から、正極皮膜量Ｍ（正極皮膜量を示す第１パラメータ）および電解液塩濃度Ｃ（電解液の塩濃度を示す第２パラメータ）を算出する。そして、ＥＣＵ１００は、算出された正極皮膜量Ｍおよび電解液塩濃度Ｃを用いて過充電基準閾値Ｖを設定する。

図５は、ＥＣＵ１００が過充電基準閾値Ｖを設定する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートはたとえば所定周期で繰り返し実行される。

まず、ＥＣＵ１００は、電池温度Ｔｂの履歴および各温度毎の使用期間ｔをメモリから取得する（ステップＳ１０）。具体的には、ＥＣＵ１００は、定常的に、温度センサ１３が検出した電池温度Ｔｂの履歴を、各温度毎の使用期間ｔとともにメモリに記憶している。ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０において、この情報をメモリから読み出す。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０において取得された電池温度Ｔｂの履歴および各温度毎の使用期間ｔを用いて、正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ）を算出する（ステップＳ１２）。たとえば、ＥＣＵ１００は、実験等によって求められた、電池温度Ｔｂと使用期間ｔと正極皮膜量Ｍとの関係を示すマップをメモリに記憶しておき、このマップを参照して電池温度Ｔｂおよび使用期間ｔに対応する正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ）を算出する。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０において取得された電池温度Ｔｂの履歴および各温度毎の使用期間ｔを用いて、電解液塩濃度Ｃ（Ｔｂ，ｔ）を算出する（ステップＳ１４）。たとえば、ＥＣＵ１００は、実験等によって求められた、電池温度Ｔｂと使用期間ｔと電解液塩濃度Ｃとの関係を示すマップをメモリに記憶しておき、このマップを参照して電池温度Ｔｂおよび使用期間ｔに対応する電解液塩濃度Ｃ（Ｔｂ，ｔ）を算出する。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１２において算出された正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ）およびステップＳ１４において算出された電解液塩濃度Ｃ（Ｔｂ，ｔ）を用いて、過充電基準閾値Ｖを算出する（ステップＳ１６）。たとえば、ＥＣＵ１００は、下記の式（１）を用いて過充電基準閾値Ｖを算出する。

Ｖ＝α・Ｍ（Ｔｂ，ｔ）＋β・Ｃ（Ｔｂ，ｔ） …（１）
式（１）において、「α」は、正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ）を過充電基準閾値Ｖに反映させるための係数である。係数αは、正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ）が増加するほど、過充電基準閾値Ｖが増加するように調整されている。これにより、正極皮膜量Ｍの増加に応じて正極と電解液との反応速度が低下したこと（すなわち過充電耐性が向上したこと）に伴なって、過充電基準閾値Ｖを増加させて電池電圧Ｖｂが過充電基準閾値Ｖを超え難くする（充電制限を介入し難くする）ことができる。そのため、電池１０の充電を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することができる。

式（１）において、「β」は電解液塩濃度Ｃ（Ｔｂ，ｔ）を過充電基準閾値Ｖに反映させるための係数である。係数βは、電解液塩濃度Ｃが低下するほど過充電基準閾値Ｖが高くなるように調整されている。これにより、電解液塩濃度Ｃの低下に応じて電解液の分解速度したこと（すなわち過充電耐性が向上したこと）に伴なって、過充電基準閾値Ｖを増加させて電池電圧Ｖｂが過充電基準閾値Ｖを超え難くする（充電制限を介入し難くする）ことができる。そのため、電池１０の充電を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、電池温度Ｔｂの履歴および各温度毎の使用期間ｔから電池１０の正極皮膜量Ｍおよび電解液塩濃度Ｃを算出し、算出された正極皮膜量Ｍおよび電解液塩濃度Ｃを用いて過充電基準閾値Ｖを設定する。これにより、過充電基準閾値Ｖを、正極と電解液との反応速度、および電解液の分解速度を反映した値に設定することができる。そのため、過充電基準閾値Ｖを、電池１０の過充電耐性（過充電による過熱の生じ難さ）を考慮した適切な値に設定することができる。その結果、電池１０の充電を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することができる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、「電池電圧Ｖｂ」を電池１０の充電状態を示すパラメータとし、電池電圧Ｖｂが「過充電基準閾値Ｖ」を超えた場合に電池１０の充電を制限する例を示した。しかしながら、電池１０の充電状態を示すパラメータは「電池電圧Ｖｂ」に限定されない。

たとえば、図４に示した電池温度Ｔｂの上昇特性を考慮して、図４の横軸に示す「充電継続時間」を電池１０の充電状態を示すパラメータとし、充電継続時間が「過充電基準閾値Ｔ」（過充電状態であるか否かを判定するための基準となる充電継続時間）を超えた場合に電池１０の充電を制限するようにしてもよい。この場合、正極皮膜量Ｍが増加するほど、および、電解液塩濃度Ｃが低下するほど、過充電基準閾値Ｔを長くするようにすればよい。これにより、過充電基準閾値Ｔを電池１０の過充電耐性（過充電による過熱の生じ難さ）を考慮した適切な値に設定することができる。その結果、上述の実施の形態と同様、電池１０の充電を過剰に制限することなく、過充電による過熱を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、１０ 電池、１１ 電圧センサ、１２ 電流センサ、１３ 温度センサ、２０ 負荷。

Claims (1)

1. 正極と負極と電解液とを備える二次電池の制御装置であって、
   前記二次電池の温度を検出するように構成された温度検出部と、
   前記二次電池の充電状態を示すパラメータが過充電基準閾値を超えた場合に前記二次電池の充電を制限する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記二次電池の温度の履歴および使用期間を用いて、前記正極の表面に形成される正極皮膜量を示す第１パラメータおよび前記電解液の塩濃度を示す第２パラメータを算出し、
   算出された前記第１パラメータおよび前記第２パラメータを用いて前記過充電基準閾値を設定する、二次電池の制御装置。

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