JP2019192452A - 制御装置、制御方法および電池システム、並びに、それらを備える電動車両 - Google Patents

制御装置、制御方法および電池システム、並びに、それらを備える電動車両 Download PDF

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Abstract

【課題】組電池の使用領域の減少および製造コストの増加をさせることなく、二次電池の滑落を防止する。【解決手段】ＥＣＵは、監視ユニットから電池情報を取得し（Ｓ１１０）、組電池のＳＯＣを算出する（Ｓ１２０）。そして、ＥＣＵは、満充電容量を算出し、満充電容量減少率Ｄを算出する（Ｓ１３０）。ＥＣＵ１００は、メモリから第１マップを読み出し、Ｓ１３０で算出した満充電容量減少率Ｄと第１マップとを用いてＳＯＣ変動量Ｍを算出する（Ｓ１４０）。ＥＣＵは、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈより大きい場合（Ｓ１５０においてＹＥＳ）、メモリから第２マップを読み出し、ＳＯＣ変動量Ｍと第２マップとを用いて下限ＳＯＣ引上量Ｈを設定する（Ｓ１６０）。ＥＣＵは、下限ＳＯＣに下限ＳＯＣ引上量Ｈを加算して新たに下限ＳＯＣを設定する（Ｓ１７０）。【選択図】図７

Description

本開示は、二次電池の充電および放電を制御する制御装置に関する。
近年普及してきている電動車両などには、所定方向に積層された複数の二次電池を拘束バンドで拘束した組電池が搭載されているものがある。拘束バンドによって組電池に拘束荷重が加えられることによって、複数の二次電池が滑落しないように保持される。このような電動車両は、組電池の劣化などによって各二次電池の体積が減少した場合であっても、二次電池を保持できるようにするために様々な施策がなされている。
たとえば、特開２０１４−７０７９号公報（特許文献１）には、組電池を構成する複数の二次電池に滑落が発生しない所定の荷重を加えることができる最小のＳＯＣ（State Of Charge）を下限ＳＯＣとして設定することが開示されている。上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの間で組電池が使用されるように制御することによって、二次電池の滑落が発生しない荷重を確保することができる。
特開２０１４−７０７９号公報 特開２０１６−１６７３６８号公報
二次電池はその劣化によって体積が減少することが知られている。つまり、二次電池は、初期状態における体積から経年劣化などの劣化に伴なって体積が減少していく。そこで、組電池に加えられる拘束荷重は、規定期間（たとえば組電池の保証期間）において二次電池が最も劣化した場合を想定して設定されることが考えられる。すなわち、規定期間において複数の二次電池の体積が最も減少した場合であっても各二次電池を保持できる荷重が加わるように、初期状態における組電池の拘束荷重が設定される。この場合、体積減少が生じていない初期状態において設定される拘束荷重が過度に大きくなり得る。初期状態における組電池の拘束荷重を大きく設定するためには、組電池に用いられる各部品の破損を防止するために、各部品の耐荷重およびクリープ耐性などを高める必要があり、コストが増加してしまうことが懸念される。
二次電池は、充電によって負極活物質が膨張し、放電によって負極活物質が収縮することが知られている。つまり、二次電池は、その充電状態によって体積変化が生じ得る。二次電池が上限ＳＯＣと下限ＳＯＣとの間の領域で使用される場合には下限ＳＯＣにおける体積が最小となる。そこで、二次電池の劣化による体積減少を見込んで予め組電池の下限ＳＯＣを高く設定しておくことも考えられる。しかしながら、下限ＳＯＣを高く設定しておくと、二次電池の劣化時に体積を確保することはできるものの、組電池の使用領域（上限ＳＯＣと下限ＳＯＣとの間の領域）が狭くなり、電動車両の航続可能距離が短くなってしまうことが懸念される。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、組電池の使用領域の減少および製造コストの増加をさせることなく、二次電池の滑落を防止することである。
本開示に係る制御装置は、二次電池の上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの範囲内で充電および放電を行なうように二次電池を制御する。二次電池には、電池情報を検出するように構成された監視ユニットが設けられている。制御装置は、二次電池の満充電容量減少率と充電率変動量との関係を示す第１情報を記憶した記憶部と、下限ＳＯＣを設定する処理部とを備える。充電率変動量は、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率についての初期状態からの偏差を示す。処理部は、監視ユニットが検出した電池情報を取得する。処理部は、取得した電池情報を用いて二次電池の満充電容量を算出する。処理部は、算出した満充電容量を用いて満充電容量減少率を算出する。処理部は、算出した満充電容量減少率と第１情報とを用いて充電率変動量を算出する。処理部は、算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には下限ＳＯＣを増加させ、算出した充電率変動量が閾値より小さい場合には下限ＳＯＣを維持する。
本開示の他の局面に係る制御方法は、二次電池の上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの範囲内で充電および放電を行なうように二次電池を制御する。二次電池には、電池情報を検出するように構成された監視ユニットが設けられている。制御方法は、監視ユニットが検出した電池情報を取得するステップを含む。制御方法は、取得した電池情報を用いて二次電池の満充電容量を算出するステップを含む。制御方法は、算出した満充電容量を用いて満充電容量減少率を算出するステップを含む。制御方法は、算出した満充電容量減少率と、予め定められた二次電池の満充電容量減少率と充電率変動量との関係を示す情報とを用いて、充電率変動量を算出するステップとを含む。充電率変動量は、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率についての初期状態からの偏差を示す。制御方法は、さらに、算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には下限ＳＯＣを増加させ、算出した充電率変動量が閾値より小さい場合には下限ＳＯＣを維持するステップとを含む。
本開示のさらに他の局面に係る電池システムは、二次電池と、二次電池の電池情報を検出するように構成された監視ユニットと、二次電池の上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの範囲内で充電および放電を行なうように二次電池を制御する制御装置とを備える。制御装置には、二次電池の満充電容量減少率と充電率変動量との関係を示す情報が記憶されている。充電率変動量は、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率についての初期状態からの偏差を示す。制御装置は、監視ユニットが検出した電池情報を取得する。制御装置は、取得した電池情報を用いて二次電池の満充電容量を算出する。制御装置は、算出した満充電容量を用いて満充電容量減少率を算出する。制御装置は、算出した満充電容量減少率と情報とを用いて充電率変動量を算出する。制御装置は、算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には下限ＳＯＣを増加させ、算出した充電率変動量が閾値より小さい場合には下限ＳＯＣを維持する。
本開示のさらに他の局面に係る電動車両は、上記の電池システムを搭載する。
二次電池の体積が減少する主な要因として、組成の対応ずれがある。組成の対応ずれとは、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率が、二次電池の初期状態から変動することをいう。組成の対応ずれが発生すると設定された下限ＳＯＣ（たとえば、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）が３Ｖとなる電池ＳＯＣ）に対応する負極ＳＯＣが減少し得る。下限ＳＯＣに対応する負極ＳＯＣが減少すると、負極体積が減少するため、下限ＳＯＣにおける二次電池の体積が減少してしまう。そこで、組成の対応ずれの量を表わす充電率変動量と二次電池の体積の減少との関係を予め算出しておけば、充電率変動量を算出することにより二次電池の体積減少を推定することができる。上記構成によれば、充電率変動量を算出し、算出した充電率変動量が閾値よりも大きい場合には、下限ＳＯＣが増加される。二次電池が滑落しない最小の体積である限界体積と関連付けて閾値を設定し、当該閾値と充電率変動量とを比較することによって、二次電池の体積が限界体積を下回るか否かを判定することができる。二次電池の劣化によって充電率変動量が閾値よりも大きくなった場合に、二次電池の体積が限界体積を下回ったと判定（推定）して下限ＳＯＣが引き上げられる。そのため、初期状態において、二次電池の劣化による体積減少量の最大値を見込んだ拘束荷重に設定しなくともよい。ゆえに、二次電池に用いられる各部品の耐荷重およびクリープ耐性などを高める対策をする必要がなくなる。また、初期状態における二次電池の下限ＳＯＣを不必要に高めなくてもよいため、初期状態における二次電池の使用領域を過度に狭めることを回避することができる。
好ましくは、記憶部は、充電率変動量と増加させるべき下限ＳＯＣの引上量との関係を示す第２情報をさらに記憶する。処理部は、算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には、算出した充電率変動量と第２情報とを用いて下限ＳＯＣの引上量を設定する。
上記構成によれば、算出された充電率変動量が閾値よりも大きい場合において、算出された充電率変動量と予め実験などによって定められた第２情報とを用いて、算出された充電率変動量に応じた下限ＳＯＣの引上量が設定される。たとえば、二次電池の体積が限界体積以上、かつ限界体積付近となるように、充電率変動量に応じて下限ＳＯＣの引上量が設定される。これにより、下限ＳＯＣの引き上げに起因して二次電池の使用領域を過度に狭めることなく、二次電池を滑落させることのない荷重を維持することができる。
本開示によれば、組電池の使用領域の減少および製造コストの増加をさせることなく、二次電池の滑落を防止することができる。
実施の形態に係る電池システムの構成を概略的に示す図である。 実施の形態に係る組電池の構成を概略的に示す図である。 単電池の内部構成の概略を説明する概念図である。 負極ＳＯＣおよび正極ＳＯＣと開回路電位ＯＣＰとの関係を模式的に示した図である。 正極および負極間の組成の対応ずれを模式的に示した図である。 単電池の電池ＳＯＣと負極体積との関係を示す図（その１）である。 単電池の電池ＳＯＣと負極体積との関係を示す図（その２）である。 ＳＯＣ変動量と組電池１０の負極体積との関係を示す図である。 実施の形態に係るＥＣＵにおいて実行される下限ＳＯＣを引き上げるための処理の一例を示すフローチャートである。 ＳＯＣ変動量に対する下限ＳＯＣ引上量を示す図（第２マップ）である。
以下、本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り返さない。
（全体構成）
図１は、本実施の形態に係る電池システム１の構成を概略的に示す図である。電池システム１は、組電池１０と、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを備える。電池システム１は、たとえば、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などの電動車両に搭載される。
組電池１０は、負荷５０を駆動するための電力を供給する。負荷５０は、たとえば、電動車両に搭載される走行用電動機、および組電池１０から電力を受けて走行用電動機を駆動するための電力変換装置などで構成される。また、電動機の回生電力により組電池１０が充電される。
組電池１０は、図２に示されるように、複数の単電池１１と、一対のエンドプレート１７，１８と、拘束バンド１５とを含む。
単電池１１は、たとえば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池である。また、電池は、正極と負極との間に液体電解質を有する電池であってもよいし、固体電解質を有する電池（全固体電池）であってもよい。本実施の形態においては、単電池１１は、リチウムイオン電池である例について説明する。
図２に示される例では、単電池１１は、図２中のＸ軸方向（積層方向）に積層され、電気的に直列に接続されている。エンドプレート１７，１８は、積層方向の両端の単電池１１の端面に配置される。拘束バンド１５を用いて、エンドプレート１７とエンドプレート１８とを連結することによって、複数の単電池１１は、Ｘ軸方向に所定の拘束荷重Ｆが加えられた状態でエンドプレート１７，１８および拘束バンド１５により固定される。
再び図１を参照して、電池システム１は、さらに、電流センサ２０と、電圧センサ３０と、温度センサ４０とを含む監視ユニット８０を備える。電流センサ２０は、組電池１０に入出力される電流を検出し、その検出結果Ｉｂを示す信号をＥＣＵ１００に出力する。電圧センサ３０は、組電池１０の電圧を検出し、その検出結果Ｖｂを示す信号をＥＣＵ１００に出力する。温度センサ４０は、組電池１０の温度を検出し、その検出結果Ｔｂを示す信号をＥＣＵ１００に出力する。以下においては、電流センサ２０の検出値Ｉｂ、電圧センサ３０の検出値Ｖｂおよび温度センサ４０の検出値Ｔｂを総称して「電池情報」ともいう。
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００ａと、メモリ（より具体的にはＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））１００ｂと、各種信号を入出力するための入出力ポート（図示せず）とを含んで構成される。ＥＣＵ１００は、各センサおよび機器からの信号、並びにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、各機器の制御を行なう。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。
ＥＣＵ１００は、電流センサ２０から取得した電流Ｉｂおよび電圧センサ３０から取得した電圧Ｖｂに基づいて、組電池１０の充放電を制御する。ＥＣＵ１００は、電流Ｉｂおよび電圧Ｖｂを用いて、組電池１０のＳＯＣ（State Of Charge）を算出する。なお、ＳＯＣの算出は、電流積算法およびＳＯＣ−ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）カーブを用いた手法などの各種の公知手法を用いることができる。
ＥＣＵ１００は、上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣを設定し、設定した上限ＳＯＣと下限ＳＯＣとの間の領域（使用領域）において組電池１０の充放電を行なう。
また、ＥＣＵ１００は、組電池１０の満充電容量を算出する。満充電容量の算出方法としては、たとえば、ある期間（たとえば、前回の満充電容量の算出から今回までの期間）において、組電池１０に流れる電流を積算したΣＩを、開回路電圧の変化から演算した組電池１０のＳＯＣの変化量ΔＳＯＣで除算することによって算出することができる。満充電容量の算出方法には、周知の技術を用いればよく他の方法であってもよい。
（単電池について）
図３は、単電池１１の内部構成の概略を説明する概念図である。単電池１１は、負極１２０と、電解液を含むセパレータ１４０と、正極１５０とで構成されている。負極１２０および正極１５０の各々は、活物質の集合体で構成される。正極１５０の活物質１８５および負極１２０の活物質１８０は、リチウムイオンＬｉ＋および電子ｅ−を含む。
負極１２０には、活物質１８０から電子を吸収する集電板１３０が設けられ、正極１５０には、活物質１８５へと電子を放出する集電板１６０が設けられている。負極１２０の集電板１３０は、例えば、銅で形成され、負極端子に接続されている。正極１５０の集電板１６０は、例えば、アルミニウムで形成されており、正極端子に接続されている。セパレータ１４０を介して、正極１５０および負極１２０の間でリチウムイオンＬｉ＋の授受が行われることにより、充電電流または放電電流が生じ、単電池１１の充放電が行なわれる。
具体的には、単電池１１の放電時において、負極１２０の活物質１８０の界面上ではリチウムイオンＬｉ＋が放出され、放出されたリチウムイオンＬｉ＋がセパレータ１４０を介して、正極１５０の活物質１８５の界面上で吸蔵される。この際に、電子が集電板１３０，１６０を介して負極から正極に移動する。これによって、放電電流が生じる。単電池１１の内部における充電状態は、正極１５０および負極１２０のそれぞれの活物質１８０，１８５におけるリチウムイオン濃度分布によって異なってくる。
単電池１１の出力電力Ｖｂ１は、以下の式（１）で示される。なお、ＯＣＶは単電池１１の開回路電圧、Ｒｂ１は単電池１１の内部抵抗、Ｉｂ１は単電池１１に流れる電流である。抵抗Ｒｂ１は、負極１２０および正極１５０で電子ｅ−の移動に対する純電気的な抵抗Ｒｄと、活物質界面での反応電流発生時に等価的に電気抵抗として作用する電荷移動抵抗Ｒｒとが含まれる。
Ｖｂ１＝ＯＣＶ（θｐ，θｎ）−Ｒｂ１×Ｉｂ１…（１）
正極ＳＯＣθｐは、正極の活物質の中での限界リチウムイオン濃度Ｃｐｍａｘに対する正極の活物質の界面における局所的なリチウムイオン濃度（平均値）Ｃｐの割合である。限界リチウムイオン濃度Ｃｐｍａｘとは、正極の活物質において取り込むことができる最大のリチウムイオン濃度である。負極ＳＯＣθｎは、負極の活物質の中での限界リチウムイオン濃度Ｃｎｍａｘに対する負極の活物質の界面における局所的なリチウムイオン濃度（平均値）Ｃｎの割合である。限界リチウムイオン濃度Ｃｎｍａｘとは、負極の活物質において取り込むことができる最大のリチウムイオン濃度である。正極ＳＯＣθｐおよび負極ＳＯＣθｎは、それぞれ以下の式（２），（３）で示される。
θｐ＝Ｃｐ／Ｃｐｍａｘ…（２）
θｎ＝Ｃｎ／Ｃｎｍａｘ…（３）
正極ＳＯＣθｐおよび負極ＳＯＣθｎは、リチウムイオンＬｉ＋を放出すると減少し、リチウムイオンＬｉ＋を取り込むと増加する。すなわち、負極ＳＯＣθｎは、単電池１１が充電されると増加し、放電されると減少する。正極ＳＯＣθｐは、単電池１１が充電されると減少し、放電されると増加する。抵抗Ｒｂ１は、正極ＳＯＣθｐ、負極ＳＯＣθｎおよび単電池１１の温度の変化に応じて変化する特性を有する。換言すると、抵抗Ｒｂ１は、正極ＳＯＣθｐ、負極ＳＯＣθｎおよび単電池１１の温度の関数として表すことができる。
ここで、負極ＳＯＣおよび正極ＳＯＣと開回路電位ＯＣＰとの関係について説明する。図４は、負極ＳＯＣおよび正極ＳＯＣと開回路電位ＯＣＰとの関係を模式的に示した図である。図４に示される図は、たとえば、単電池１１の初期状態において、正極ＳＯＣθｐと正極開回路電位との関係、および負極ＳＯＣθｎと負極開回路電位との関係を測定しておくことにより、正極ＳＯＣθｐの変化に対する正極開回路電位の特性変化および負極ＳＯＣθｎの変化に対する負極開回路電位の特性変化を示す図として得られる。なお、初期状態とは、単電池１１の劣化が生じていない状態をいう。
単電池１１が初期状態である場合には、正極の活物質の中での限界リチウムイオン濃度Ｃｐｍａｘと負極の活物質の中での限界リチウムイオン濃度Ｃｎｍａｘとは等しい（Ｃｐｍａｘ＝Ｃｎｍａｘ）。ゆえに、リチウムイオンＬｉ＋がすべて負極側にある充電状態では、負極ＳＯＣθｎ＝１（Ｃｎ＝Ｃｎｍａｘ）、かつ、正極ＳＯＣθｐ＝０（Ｃｐ＝０）となる。一方、リチウムイオンＬｉ＋がすべて正極側にある放電状態では、正極ＳＯＣθｐ＝１（Ｃｐ＝Ｃｐｍａｘ）、かつ、負極ＳＯＣθｎ＝０（Ｃｎ＝０）となる。
図４中の曲線Ｕ１は正極開回路電位（ＯＣＰ）を示し、曲線Ｕ２は負極開回路電位（ＯＣＰ）を示す。曲線Ｕ１と曲線Ｕ２との差が単電池１１の開回路電圧ＯＣＶとなる。図４に示されるように、曲線Ｕ１と曲線Ｕ２との差は、負極ＳＯＣθｎが充電方向に向かうにつれて大きくなっている。
本実施の形態においては、開回路電圧ＯＣＶが３Ｖのときの単電池１１のＳＯＣ（以下、単電池１１のＳＯＣを「電池ＳＯＣ」ともいう）を０％とし、開回路電圧ＯＣＶが４．２Ｖのときの電池ＳＯＣを１００％としている。そして、電池ＳＯＣ１００％が上限ＳＯＣに、電池ＳＯＣ０％が下限ＳＯＣにそれぞれ設定されている。単電池１１は、上限ＳＯＣと下限ＳＯＣとの間の領域（使用領域）において使用されるようにＥＣＵ１００によって制御される。図４に示されるように、開回路電圧ＯＣＶが３Ｖとなるときの負極ＳＯＣθｎはθ１であり、開回路電圧ＯＣＶが４．２Ｖとなるときの負極ＳＯＣθｎはθ２である。また、開回路電圧ＯＣＶが３Ｖとなるときの正極ＳＯＣθｐはθ３であり、開回路電圧ＯＣＶが４．２Ｖとなる正極ＳＯＣθｐはθ４である。
ここで、二次電池は、一般に、その使用条件および使用時間により経年劣化を起こし、その満充電容量の減少が生じることが知られている。二次電池の満充電容量の減少は、主に、正極および負極での「単極容量の減少」と正極および負極間の「組成の対応ずれ」とによって発生することが知られている。
「単極容量の減少」とは、正極および負極の各々における、リチウムイオンＬｉ＋の受け入れ能力の減少、すなわち、正極および負極の活物質の中での限界リチウムイオン濃度Ｃｐｍａｘ，Ｃｎｍａｘの減少を表わす。
「組成の対応ずれ」とは、正極と負極との組が電池として使用される際に、正極の組成（正極ＳＯＣθｐ）と負極の組成（負極ＳＯＣθｎ）との組み合わせが、単電池１１の初期状態からずれていること、つまり、特定の負極ＳＯＣθｎに対する正極ＳＯＣθｐが、単電池１１の初期状態から変動することをいう。具体的に以下に説明する。上述したとおり、単電池１１が初期状態である場合には、負極ＳＯＣθｎが０であるときには正極ＳＯＣθｐは１であり（放電状態）、一方、負極ＳＯＣθｎが１であるときには正極ＳＯＣθｐは０である（充電状態）。すなわち、一方の電極から放出されたリチウムイオンＬｉ＋と他方の電極で受け取られるリチウムイオンＬｉ＋の量は等しくなる。単電池１１が劣化すると、負極ＳＯＣθｎと正極ＳＯＣθｐとの対応関係がずれる場合がある。この原因としては、たとえば、（１）負極から放出されたリチウムイオンＬｉ＋が正極の表面に形成される被膜として使われた場合、および（２）正極から放出されたリチウムイオンＬｉ＋が負極においてリチウム析出した場合などによってリチウムイオンＬｉ＋が不活性化されることが考えられる。（１）および（２）について以下にそれぞれ説明する。
（１）負極から放出されたリチウムイオンＬｉ＋が正極の表面に形成される被膜として使われた場合とは、具体的には、リチウムイオンＬｉ＋が化学反応によって不活性な化合物となって正極の表面で被膜を形成することをいう。この場合には、被膜の形成に用いられたリチウムイオンＬｉ＋は、その後の充放電に寄与できなくなる。このとき、負極からはリチウムイオンＬｉ＋が放出されたため負極ＳＯＣθｎが低下するが、正極はリチウムイオンＬｉ＋を吸蔵しないため正極ＳＯＣθｐは変化しない。ゆえに、正極ＳＯＣθｐと負極ＳＯＣθｎとの組み合わせが、単電池１１の初期状態からずれてしまう。
（２）正極から放出されたリチウムイオンＬｉ＋が負極においてリチウム析出した場合とは、具体的には、リチウムイオンＬｉ＋が負極の活物質に吸蔵されずに負極の表面に金属リチウムとして析出することをいう。この場合には、金属リチウムとして析出したリチウムイオンＬｉ＋は、その後の充放電に寄与できなくなる。このとき、正極からはリチウムイオンＬｉ＋が放出されたため正極ＳＯＣθｐが低下するが、負極はリチウムイオンＬｉ＋を吸蔵しないため負極ＳＯＣθｎは変化しない。ゆえに、正極ＳＯＣθｐと負極ＳＯＣθｎとの組み合わせが、単電池１１の初期状態からずれてしまう。
このように、上記（１）（２）によって、組成の対応ずれが生じ得る。組成の対応ずれが生じた場合の負極ＳＯＣθｎと正極ＳＯＣθｐとの対応関係について、図５を用いて説明する。
図５は、正極および負極間の組成の対応ずれを模式的に示した図である。図５においては、曲線Ｕ２に対して曲線Ｕ１が曲線Ｕ１ａにずれている。曲線Ｕ１ａは、曲線Ｕ１を図５中の矢印の方向に平行移動させたものである。図５の横軸には、負極ＳＯＣ、正極ＳＯＣおよび劣化後の正極ＳＯＣがそれぞれ示されている。上記（１）（２）の場合を図５において考えると、どちらも曲線Ｕ２（負極）に対して曲線Ｕ１（正極）が図５中の矢印の方向にずれることになる。（１）の場合には正極ＳＯＣθｐに対して負極ＳＯＣθｎが低下し、（２）の場合には負極ＳＯＣθｎに対して正極ＳＯＣθｐが低下するためである。
図５において、たとえば、負極ＳＯＣθ１に対応する正極ＳＯＣは、単電池１１が初期状態にあるときにはθ３であるが、組成の対応ずれが発生した後にはθ３ａとなる。同様に、負極ＳＯＣθ２に対応する正極ＳＯＣは、単電池１１が初期状態にあるときにはθ４であるが、組成の対応ずれが発生した後にはθ４ａとなる。以下においては、組成の対応ずれが発生した場合における、特定の負極ＳＯＣθｎに対する正極ＳＯＣθｐについての初期状態からの偏差を「ＳＯＣ変動量」ともいう。図５における具体例を説明すると、正極ＳＯＣθ３と正極ＳＯＣθ３ａとの差分、または、正極ＳＯＣθ４と正極ＳＯＣθ４ａとの差分がＳＯＣ変動量である。
また、上述したとおり、曲線Ｕ１と曲線Ｕ２との差が単電池１１の開回路電圧ＯＣＶとなることから、組成の対応ずれが発生すると、開回路電圧ＯＣＶが３Ｖとなる位置が負極ＳＯＣθｎの減少方向（図５における矢印の向き）にずれる。つまり、下限ＳＯＣ（ＯＣＶ＝３Ｖ）に対応する負極ＳＯＣθｎが初期状態から減少する。図５に示されるように、下限ＳＯＣ（ＯＣＶ＝３Ｖ）に対応する負極ＳＯＣθｎは、初期状態においてはθ１であったが、組成の対応ずれが発生した後にはθ１ａにずれている。また、同様に、上限ＳＯＣ（ＯＣＶ＝４．２Ｖ）についても、上限ＳＯＣに対応する負極ＳＯＣθｎは、初期状態においてはθ２であったが、組成の対応ずれが発生した後にはθ２ａにずれている。
ここで、二次電池（単電池１１）は、充電によって負極活物質が膨張し、放電によって負極活物質が収縮することが知られている。つまり、負極ＳＯＣθｎが増加すると負極体積が増加し、負極ＳＯＣθｎが減少すると負極体積が減少する。ゆえに、二次電池は、その負極ＳＯＣθｎによって体積変化が生じ、二次電池が上限ＳＯＣと下限ＳＯＣとの間で使用される場合には下限ＳＯＣにおける体積が最小となる。
上述したように、単電池１１の劣化によって組成の対応ずれが発生すると、下限ＳＯＣ（ＯＣＶ＝３Ｖ）に対応する負極ＳＯＣθｎが減少する。このため、組成の対応ずれが発生した後の下限ＳＯＣにおける負極の体積は、初期状態の下限ＳＯＣにおける負極の体積よりも減少し得る。つまり、単電池１１の劣化によって下限ＳＯＣにおける体積が減少し得る。
図６は、単電池１１の電池ＳＯＣと負極体積との関係を示す図である。図６には、横軸に電池ＳＯＣ、縦軸に負極体積が示されている。図６に示される曲線Ｇ１は、初期状態における単電池１１の電池ＳＯＣと負極体積との関係を示している。負極体積は電池ＳＯＣの減少に伴なって減少する。図６に示される限界体積とは、組電池１０の拘束荷重Ｆによって、各単電池１１が滑落することのないことが保証される最小の体積である。図６に示されるように、初期状態における単電池１１の下限ＳＯＣにおける負極体積はＰ１である。
曲線Ｇ２は、劣化後における単電池１１の電池ＳＯＣと負極体積との関係を示している。曲線Ｇ２は、曲線Ｇ１が図６中の矢印の方向にずれたものである。曲線Ｇ１が曲線Ｇ２のようにずれるのは以下の理由による。初期状態においては負極体積がＰ１であるときの電池ＳＯＣは０％（下限ＳＯＣ）である。一方、組成の対応ずれが発生すると、電池ＳＯＣが０％となる位置が図５で説明したようにずれるため、負極体積がＰ１であるときの電池ＳＯＣは初期状態から増加する。そのため、組成の対応ずれが発生することによって、曲線Ｇ１が図６中の矢印の方向にずれる。図６に示される例においては、組成の対応ずれが発生した後の電池ＳＯＣはＳ％（Ｓ＞０）となっている。
図６において、劣化後における単電池１１の下限ＳＯＣにおける負極体積はＰ１より小さいＰ２となっている（Ｐ１＞Ｐ２）。これは、上述したとおり、組成の対応ずれの発生によって下限ＳＯＣに対応する負極ＳＯＣが減少したためである。このように、組成の対応ずれの発生によって下限ＳＯＣにおける負極の体積（単電池１１の体積）が減少する。なお、図６においては、組成の対応ずれの発生によって下限ＳＯＣにおける負極の体積がＰ２に減少したが、Ｐ２は限界体積より大きいため単電池１１が滑落することなく保持されることが保証される範囲にある。
一方、組成の対応ずれの発生によって下限ＳＯＣにおける負極の体積が限界体積を下回ってしまう場合も想定される。図７における曲線Ｇ３は、単電池１１がさらに劣化した際の電池ＳＯＣと負極体積との関係を示している。単電池１１がさらに劣化した場合には、組成の対応ずれの発生によるＳＯＣ変動量が大きくなることにより、下限ＳＯＣに対応する負極ＳＯＣの減少量が大きくなり得る。その結果、下限ＳＯＣにおける負極体積は、限界体積よりも小さいＰ３となっている（限界体積＞Ｐ３）。この場合には、単電池１１が滑落してしまう可能性がある。
（組電池について）
電動車両などに搭載される組電池１０は、上述したとおり、複数の単電池１１を積層方向に積層し、拘束バンド１５で拘束して所定の拘束荷重Ｆを加えることによって単電池１１が滑落しないように保持されている。組電池１０に加えられる拘束荷重Ｆは、たとえば、規定期間（たとえば組電池１０の保証年数）および規定期間において想定される経年劣化による複数の単電池１１（組電池１０）の体積減少量などを考慮して設定される。以下においては、各単電池１１の体積減少量の総和を「組電池１０の体積減少量」ともいう。
図７に示されるような状況は、たとえば、規定期間において想定される経年劣化による組電池１０の体積減少量の最大値を考慮した場合に想定され得る。組電池１０の体積減少量が最大値である場合であっても各単電池１１が滑落することを防止するためには、初期状態における組電池１０の拘束荷重Ｆを大きく設定しておくことが必要となる。また、より長期の保証期間を設定するような場合にも、初期状態における組電池１０の拘束荷重Ｆを大きく設定することが必要となる。組電池１０の拘束荷重Ｆを大きく設定するためには、組電池１０に用いられる各部品の破損を防止するために、各部品の耐荷重およびクリープ耐性を高める必要があり、コストが増加してしまうことが懸念される。
また、図７に示されるように各単電池１１の劣化（組成の対応ずれ）による体積の減少を見込んで組電池１０（単電池１１）の下限ＳＯＣを予め高く設定しておくことも考えられる。しかしながら、下限ＳＯＣを高く設定すると、体積減少量の少ない状態における組電池１０の使用領域が狭められてしまうこととなり、電動車両の航続可能距離が短くなってしまうことが懸念される。
そこで、本実施の形態においては、組電池１０の組成の対応ずれの量を表わすＳＯＣ変動量Ｍを算出することで、予め求められているＳＯＣ変動量Ｍと組電池１０の負極体積との関係を用いて組電池１０の体積を推定する。そして、推定される組電池１０の負極体積が限界体積以下となったとき、換言すると、算出されたＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈよりも大きくなったときには、算出されたＳＯＣ変動量Ｍに応じて組電池１０の下限ＳＯＣを引き上げる。このように、推定される体積が限界体積以上の場合には下限ＳＯＣを維持し、推定される体積が単電池１１の滑落の可能性がある体積（限界体積未満の体積）である場合には体積が限界体積未満とならないように下限ＳＯＣを引き上げる。
なお、ＳＯＣ変動量Ｍと組電池１０の負極体積との関係は、予め実験などによって求めて、当該関係が第３マップとしてＥＣＵ１００のメモリ１００ｂに記憶されている。図８は、下限ＳＯＣにおけるＳＯＣ変動量Ｍと組電池１０の負極体積との関係を示す図である。図８に示されるように、ＳＯＣ変動量Ｍと組電池１０の負極体積との関係は、ＳＯＣ変動量Ｍが大きくなるにつれて組電池１０の負極体積が減少する関係を示すものである。第３マップを用いることによって、ＳＯＣ変動量Ｍがわかれば、下限ＳＯＣにおける組電池１０の負極体積を推定することができる。
本実施の形態によれば、組電池１０の劣化によってＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈよりも大きくなった場合（組電池１０の負極体積が限界体積以下になった場合）に、下限ＳＯＣが引き上げられるため、体積減少が生じていない初期状態において設定される組電池１０の拘束荷重Ｆを過度に大きく設定しなくてもよい。ゆえに、組電池１０に用いられる各部品の耐荷重およびクリープ耐性などを高める必要がなくなる。また、初期状態における組電池１０の下限ＳＯＣを不必要に高めなくてもよいため、初期状態における組電池１０の使用領域を過度に狭めることを回避することができる。
なお、下限ＳＯＣ引上量Ｈは、負極体積が限界体積以上となるように任意に設定される値であるが、負極体積が限界体積以上かつ限界体積付近となるように設定されることが望ましい。負極体積が限界体積以上かつ限界体積付近となるように下限ＳＯＣ引上量Ｈが設定されることによって、下限ＳＯＣの引き上げに起因して、組電池１０の使用領域が狭まることを極力抑制することが可能となる。
（ＳＯＣ変動量の算出方法）
ここで、本実施の形態におけるＳＯＣ変動量Ｍの算出方法について説明する。本発明者は、単電池１１のサンプルに関わらず、単電池１１の満充電容量の減少における「単極の容量減少」と「組成の対応ずれ」の発生比率がほぼ一定となることに着目した。そこで、「単極の容量減少」と「組成の対応ずれ」との発生比率を予め実験などによって算出しておく。そして、たとえば、実験などによって求めた「組成の対応ずれ」の発生によるＳＯＣ変動量と、満充電容量減少率Ｄと、「組成の対応ずれ」の発生率とを用いて、満充電容量減少率Ｄに対する組成の対応ずれ量（ＳＯＣ変動量）を算出しておく。つまり、満充電容量減少率ＤとＳＯＣ変動量Ｍとの関係を予め算出しておく。なお、満充電容量減少率Ｄとは、初期状態における組電池１０の満充電容量と現在の算出された組電池１０の満充電容量との比率をいう。この満充電容量減少率ＤとＳＯＣ変動量Ｍとの関係とを示す情報を第１マップとしてＥＣＵ１００のメモリ１００ｂに記憶しておけば、満充電容量減少率Ｄを算出することによって、当該第１マップを用いてＳＯＣ変動量Ｍを算出することができる。図示しないが、第１マップは、満充電容量減少率Ｄが大きくなるほど、ＳＯＣ変動量Ｍも大きくなる関係を示すものとなる。
図９は、本実施の形態に係るＥＣＵ１００において実行される下限ＳＯＣを引き上げるための処理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、ＥＣＵ１００において所定の演算周期ごとに呼び出されて実行される。図９に示すフローチャートの各ステップは、ＥＣＵ１００によるソフトウェア処理によって実現される場合について説明するが、その一部あるいは全部がＥＣＵ１００内に作製されたハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。
ＥＣＵ１００は、電流センサ２０、電圧センサ３０および温度センサ４０からそれぞれ検出値Ｉｂ，Ｖｂ，Ｔｂ（電池情報）を取得する（ステップ１１０、以下ステップを「Ｓ」と略す）。
ＥＣＵ１００は、Ｓ１１０で取得した電池情報を用いて組電池１０のＳＯＣを算出する（Ｓ１２０）。ＳＯＣの算出方法としては、電流積算法およびＳＯＣ−ＯＣＶカーブを用いた手法などの各種の公知手法を用いることができる。
次いで、ＥＣＵ１００は、組電池１０の満充電容量を算出し、満充電容量減少率Ｄを算出する（Ｓ１３０）。満充電容量の算出には、各種の公知の手法を用いることができ、たとえば、ある期間（たとえば、前回の満充電容量の算出から今回までの期間）において、組電池１０に流れる電流を積算したΣＩを、開回路電圧の変化から演算した組電池１０のＳＯＣの変化量ΔＳＯＣで除算することによって算出することができる。ＥＣＵ１００は、初期状態における組電池１０の満充電容量と今回推定した組電池１０の満充電容量とから満充電容量減少率Ｄを算出する。
次いで、ＥＣＵ１００は、ＳＯＣ変動量Ｍを算出する（Ｓ１４０）。ＥＣＵ１００は、たとえば、Ｓ１３０で算出した満充電容量減少率Ｄとメモリ１００ｂに記憶した第１マップとを用いてＳＯＣ変動量Ｍを算出する。
ＥＣＵ１００は、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈよりも大きいか否かを判定する（Ｓ１５０）。閾値Ｍｔｈは、組電池１０の限界体積と関連して設定される値であり、ＳＯＣ変動量Ｍと比較される。閾値Ｍｔｈは、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈよりも大きくなったときに、組電池１０の負極体積が限界体積を下回ることを示すものである。
ＥＣＵ１００は、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈ以下の場合（Ｓ１５０においてＮＯ）、組電池１０の負極体積が限界体積を下回っておらず、単電池１１を滑落させることなく保持できると判定し、以下のステップをスキップして処理を終了する。
ＥＣＵ１００は、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈよりも大きい場合（Ｓ１５０においてＹＥＳ）、下限ＳＯＣ引上量Ｈを算出する（Ｓ１６０）。ここで、下限ＳＯＣ引上量Ｈは、ＳＯＣ変動量Ｍに応じて設定される値である。ＳＯＣ変動量Ｍと下限ＳＯＣ引上量Ｈとの関係は、予め実験などによって求められて、ＳＯＣ変動量Ｍと増加させるべき下限ＳＯＣ引上量Ｈとの関係を示す情報を第２マップとしてＥＣＵ１００のメモリ１００ｂに記憶されている。具体的な一例を図１０に示す。
図１０は、ＳＯＣ変動量Ｍに対する下限ＳＯＣ引上量Ｈを示す図（第２マップ）である。図１０において、縦軸には下限ＳＯＣ引上量Ｈが示され、横軸にはＳＯＣ変動量Ｍが示されている。図１０に示される第２マップは、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈ以下である場合には下限ＳＯＣを維持し（下限ＳＯＣ引上量Ｈ＝０）、ＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈより大きくなった場合にはＳＯＣ変動量Ｍに応じて下限ＳＯＣ引上量Ｈが設定されることを表わしている。換言すると、組電池１０の負極体積が限界体積を下回らない場合には下限ＳＯＣを維持し、組電池１０の負極体積が限界体積を下回る場合には組電池１０の負極体積が限界体積以上となるように下限ＳＯＣ引上量Ｈが設定される。なお、本実施の形態に係る第２マップは、本開示に係る「第２情報」に相当する。
本実施の形態においては、下限ＳＯＣ引上量Ｈは、下限ＳＯＣを引き上げ後の下限ＳＯＣにおける負極体積が限界体積以上、かつ限界体積付近となるようにＳＯＣ変動量Ｍに応じて設定される。これによって、下限ＳＯＣの引き上げに起因して、組電池１０の使用領域が狭まることを極力抑制することが可能となる。
図９に戻り、ＥＣＵ１００は、Ｓ１６０で算出した下限ＳＯＣ引上量Ｈ分を下限ＳＯＣに加算して、新たな下限ＳＯＣを設定する（Ｓ１７０）。これによって、以降において、上限ＳＯＣと新たな下限ＳＯＣとの間の領域で組電池１０が使用される。これによって、組電池１０の負極体積が限界体積を下回らないようにすることができ、各単電池１１の滑落を防ぐことができる。
以上のように、本実施の形態においては、組電池１０のＳＯＣ変動量Ｍを算出し、算出されたＳＯＣ変動量Ｍが閾値Ｍｔｈより大きくなった場合（劣化によって組電池１０の負極体積が限界体積を下回ると推定された場合）に、算出されたＳＯＣ変動量Ｍに応じて下限ＳＯＣが引き上げられる。これによって、体積減少が生じていない初期状態において設定される組電池１０の拘束荷重Ｆを過度に大きく設定しなくてもよく、組電池１０に用いられる各部品の耐荷重およびクリープ耐性などを高める対策をする必要がなくなる。さらに、初期状態における組電池１０の下限ＳＯＣを不必要に高めなくてもよいため、初期状態における組電池１０の使用領域を過度に狭めることを回避することができる。また、算出されたＳＯＣ変動量Ｍに応じて下限ＳＯＣが引き上げられるため、下限ＳＯＣの引き上げによって組電池１０の使用領域が狭まる幅を最小に抑えることができる。
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、上記した実施の形態の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 電池システム、１０ 組電池、１１ 単電池、１５ 拘束バンド、１７，１８ エンドプレート、２０ 電流センサ、３０ 電圧センサ、４０ 温度センサ、５０ 負荷、８０ 監視ユニット、１００ ＥＣＵ、１００ａ ＣＰＵ、１００ｂ メモリ、１２０ 負極、１３０，１６０ 集電板、１４０ セパレータ、１５０ 正極、１８０ 活物質、１８５ 活物質、Ｄ 満充電容量減少率、Ｆ 拘束荷重、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 曲線、Ｈ 下限ＳＯＣ引上量、Ｉｂ 電流、Ｍ ＳＯＣ変動量、Ｍｔｈ 閾値、Ｔｂ 温度、Ｖｂ 電圧、ＯＣＰ 開回路電位、ＯＣＶ 開回路電圧、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 体積、Ｒｂ１ 内部抵抗、Ｒｄ 抵抗、Ｒｒ 電荷移動抵抗、Ｕ１ａ，Ｕ１ 曲線、Ｕ２ 曲線。

Claims (5)

  1. 二次電池の上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの範囲内で充電および放電を行なうように前記二次電池を制御する制御装置であって、
    前記二次電池には、電池情報を検出するように構成された監視ユニットが設けられており、
    前記制御装置は、
    前記二次電池の満充電容量減少率と充電率変動量との関係を示す第１情報を記憶した記憶部と、
    前記下限ＳＯＣを設定する処理部とを備え、
    充電率変動量は、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率についての初期状態からの偏差を示し、
    前記処理部は、
    前記監視ユニットが検出した電池情報を取得し、
    前記取得した電池情報を用いて前記二次電池の満充電容量を算出し、
    前記算出した満充電容量を用いて満充電容量減少率を算出し、
    前記算出した満充電容量減少率と前記第１情報とを用いて充電率変動量を算出し、
    前記算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には前記下限ＳＯＣを増加させ、前記算出した充電率変動量が前記閾値より小さい場合には前記下限ＳＯＣを維持する、制御装置。
  2. 前記記憶部は、充電率変動量と増加させるべき前記下限ＳＯＣの引上量との関係を示す第２情報をさらに記憶し、
    前記処理部は、前記算出した充電率変動量が前記閾値より大きい場合には、前記算出した充電率変動量と前記第２情報とを用いて前記下限ＳＯＣの引上量を設定する、請求項１に記載の制御装置。
  3. 二次電池の上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの範囲内で充電および放電を行なうように前記二次電池を制御する制御方法であって、
    前記二次電池には、電池情報を検出するように構成された監視ユニットが設けられており、
    前記制御方法は、
    前記監視ユニットが検出した電池情報を取得するステップと、
    前記取得した電池情報を用いて前記二次電池の満充電容量を算出するステップと、
    前記算出した満充電容量を用いて満充電容量減少率を算出するステップと、
    前記算出した満充電容量減少率と、予め定められた前記二次電池の満充電容量減少率と充電率変動量との関係を示す情報とを用いて、充電率変動量を算出するステップとを含み、
    充電率変動量は、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率についての初期状態からの偏差を示し、
    前記制御方法は、さらに、前記算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には前記下限ＳＯＣを増加させ、前記算出した充電率変動量が前記閾値より小さい場合には前記下限ＳＯＣを維持するステップとを含む、制御方法。
  4. 二次電池と、
    前記二次電池の電池情報を検出するように構成された監視ユニットと、
    前記二次電池の上限ＳＯＣおよび下限ＳＯＣの範囲内で充電および放電を行なうように前記二次電池を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置には、前記二次電池の満充電容量減少率と充電率変動量との関係を示す情報が記憶されており、
    充電率変動量は、負極の活物質内部の特定の平均充電率に対する正極の活物質内部の平均充電率についての初期状態からの偏差を示し、
    前記制御装置は、
    前記監視ユニットが検出した電池情報を取得し、
    前記取得した電池情報を用いて前記二次電池の満充電容量を算出し、
    前記算出した満充電容量を用いて満充電容量減少率を算出し、
    前記算出した満充電容量減少率と前記情報とを用いて充電率変動量を算出し、
    前記算出した充電率変動量が閾値より大きい場合には前記下限ＳＯＣを増加させ、前記算出した充電率変動量が前記閾値より小さい場合には前記下限ＳＯＣを維持する、電池システム。
  5. 請求項４に記載の電池システムを搭載した電動車両。
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