JP2020113512A - 二次電池用の昇温制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池のハイレート劣化を抑制する。【解決手段】二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、二次電池の抵抗の上昇量が所定値を超えているときには、二次電池の抵抗の上昇量が所定値以下であるときに比して、二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、二次電池の温度が開始温度以上であるときには、二次電池が昇温するように昇温装置を制御する。これにより、二次電池のハイレート劣化を抑制できる。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池用の昇温制御装置に関する。

二次電池の劣化として、二次電池内の電解液中の塩濃度分布の偏りによって内部抵抗が増加したりリチウムの析出が促進されるハイレート劣化が知られている。従来、こうしたハイレート劣化による内部抵抗の増加量を推定する装置としては、二次電池の電池電圧と予め与えられた電池モデルとを用いて二次電池の電池電流を推定し、推定した電池電流と電流センサにより検出された検出電流との差分に基づいて内部抵抗の増加量を推定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−６０４０６号公報

二次電池では、充電や放電に偏った使い方をすると、二次電池の電解液中の塩濃度の分布の偏りが大きくなり、即ち、ハイレート劣化が進行してしまう。ハイレート劣化が進行すると、電池性能が低下するため、ハイレート劣化は抑制されることが望ましい。

本発明の二次電池用の昇温制御装置では、二次電池のハイレート劣化を抑制することを主目的とする。

本発明の二次電池用の昇温制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の二次電池用の昇温制御装置は、
二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、
前記二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、前記ハイレート劣化量が前記所定値以下であるときに比して、前記二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、
前記二次電池の温度が前記開始温度以上であるときには、前記二次電池が昇温するように前記昇温装置を制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の二次電池用の昇温制御装置では、二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、二次電池のハイレート劣化量が所定値以下であるときに比して、二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、二次電池の温度が開始温度以上であるときには、二次電池が昇温するように昇温装置を制御する。ここで、「所定値」は、ハイレート劣化の進行により電池性能が低下しているか否かを判定するための閾値である。二次電池の温度が低いときには高いときに比して、二次電池内の電解液中の電解質塩の拡散速度が遅く、二次電池内で電解質塩の濃度の分布の偏りが緩和されづらく、ハイレート劣化が進行しやすい。したがって、二次電池のハイレート劣化量が所定値を超えているときには、二次電池のハイレート劣化量が所定値以下であるときに比して、二次電池の昇温を開始する開始温度を低くすることにより、二次電池の温度がある程度低いときから二次電池を昇温することができ、電解質塩の拡散を促し、電解質塩の濃度の分布の偏りを緩和できる。この結果、ハイレート劣化を抑制できる。

本発明の一実施例としての昇温制御装置を備える電源装置２０の構成の概略を示す構成図である。 制御装置３０により実行される昇温要求設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 ハイレート劣化量Ｄｈと昇温開始温度Ｔｓｔとの関係の一例を示す説明図である。 電池電流Ｉｂと二次電池２２の内部抵抗Ｒｒと電池温度Ｔｂと昇温要求のオンオフの状態との時間変化の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての昇温制御装置を備える電源装置２０の構成の概略を示す構成図である。電源装置２０は、接続対象１０と電力をやりとりするよう構成されており、二次電池２２と、昇温装置２４と、制御装置３０と、を備える。接続対象１０としては、モータを駆動するためのインバータや、二次電池２２からの電力を昇圧して負荷へ供給したり負荷からの電力を降圧して二次電池２２へ供給するＤＣＤＣコンバータなどを挙げることができる。なお、実施例では、制御装置３０が「昇温制御装置」に相当する。

二次電池２２は、複数の電池セル（図示せず）を備える。複数の電池セルは、正極電極と負極電極とセパレータとが電解液に含浸されてなる充放電可能な周知のリチウムイオン二次電池として構成されており、それぞれ直列に接続されている。電解液は、電解質リチウム塩（以下、「塩」という）と、有機溶媒と、を含んでいる。

昇温装置２４は、二次電池２２を加熱するヒータとして構成されている。昇温装置２４は、制御装置３０により制御される。

制御装置３０は、図示しないＣＰＵを中心とするマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵの他に処理プログラムなどを記憶するＲＯＭや一時的に各種データ等を記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポート（何れも図示せず）等を備える。制御装置３０には、入力ポートを介して各種信号が入力されている。制御装置３０に入力される信号としては、二次電池２２に充放電される電流を検出する電流センサ２２ａからの電池電流Ｉｂや二次電池２２の端子間電圧を検出する電圧センサ２２ｂからの電池電圧Ｖｂ、二次電池２２の温度を検出する温度センサ２２ｃからの電池温度Ｔｂなどを挙げることができる。制御装置３０からは、出力ポートを介して昇温装置２４を制御するための制御信号が出力されている。

こうして構成された電源装置２０では、二次電池２２から接続対象１０へ電力を供給したり、接続対象１０からの電力で二次電池２２を充電したりする。

次に、こうして構成された実施例の昇温制御装置を備える電源装置２０の動作、特に、二次電池２２内の塩濃度の分布の偏りを緩和させる際の動作について説明する。図２は、制御装置３０により実行される昇温要求設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。本ルーチンは、所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

本ルーチンが実行されると、制御装置３０のＣＰＵは、電池電流Ｉｂ、電池電圧Ｖｂ、電池温度Ｔｂを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。電池電流Ｉｂは、電流センサ２２ａにより検出されたものを入力している。電池電圧Ｖｂは、電圧センサ２２ｂにより検出されたものを入力している。電池温度Ｔｂは、温度センサ２２ｃにより検出されたものを入力している。

次に、ハイレート劣化量Ｄｈを演算する（ステップＳ１１０）。ハイレート劣化量Ｄｈは、現在の二次電池２２の内部抵抗Ｒｒを理想内部抵抗Ｒｉｍで除して（＝Ｒｒ／Ｒｉｍ）演算される。現在の二次電池２２の内部抵抗Ｒｒは、定格電圧Ｅと電池電圧Ｖｂと電池電流Ｉｂとを用いて次式（１）により演算される。理想内部抵抗Ｒｉｍは、二次電池２２内の塩濃度の分布が一様であるときの二次電池２２の内部抵抗として実験や解析などにより求めた値である。リチウムイオン二次電池では、充電や放電に偏った使い方をすると、内部の塩濃度の分布の偏りが大きくなり、内部抵抗Ｒｒが増大するハイレート劣化が生じる。ハイレート劣化量Ｄｈは、理想内部抵抗Ｒｉｍに対する現在の二次電池２２の内部抵抗Ｒｒの割合であるから、ハイレート劣化による内部抵抗Ｒｒの増加の度合いを示している。

Rr=(E-Vb)/Ib ・・・（１）

こうしてハイレート劣化量Ｄｈを演算したら、ハイレート劣化量Ｄｈを用いて昇温開始温度Ｔｓｔを設定する（ステップＳ１２０）。図３は、ハイレート劣化量Ｄｈと昇温開始温度Ｔｓｔとの関係の一例を示す説明図である。昇温開始温度Ｔｓｔは、ハイレート劣化量Ｄｈがハイレート劣化による内部抵抗Ｒｒの増加を許容可能な値Ｄ１以下のときには、二次電池２２が通常とり得る温度範囲の上限より若干高い温度Ｔ１（例えば、−２０℃、−１０℃、０℃など）に設定され、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１より大きい値Ｄ２以上のときには、温度Ｔ１より低く二次電池２２が通常とり得る温度範囲の下限の温度Ｔ２（例えば、−４０℃、−３０℃、−１０℃などで温度Ｔ１より低い温度）に設定される。また、昇温開始温度Ｔｓｔは、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１より大きく値Ｄ２より小さいときには、ハイレート劣化量Ｄｈが大きくなると温度Ｔ１から徐々に減少して温度Ｔ２となるように設定される。

こうして昇温開始温度Ｔｓｔを設定すると、電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。上述したように温度Ｔ１は、二次電池２２が通常とり得る温度範囲の上限である。したがって、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１以下で昇温開始温度Ｔｓｔが温度Ｔ１に設定されているときには、電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ以上とはならない。ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１を超えると、昇温開始温度Ｔｓｔが温度Ｔ１から徐々に減少して温度Ｔ２に設定されるから、電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ以上となりうる。したがって、ステップＳ１３０は、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１を超えているか否かを判定する処理となっている。

電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ以上であるときには、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１を超えており、ハイレート劣化が進行していると判断して、昇温要求をオンとして（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。昇温要求がオンとなると、制御装置３０は、昇温装置２４を作動させて二次電池２２を昇温させる。こうして昇温装置２４を作動させて二次電池２２を昇温させることにより、電解液に含まれる塩の拡散速度が上昇し、二次電池２２内での塩濃度の分布の偏りが緩和される。これにより、ハイレート劣化が抑制され、二次電池２２の内部抵抗Ｒｒの上昇が抑制される。

図４は、電池電流Ｉｂと二次電池２２の内部抵抗Ｒｒと電池温度Ｔｂと昇温要求のオンオフの状態との時間変化の一例を示す説明図である。電池温度Ｔｂが低いときには、高いときに比して、塩の拡散速度が遅いことから、塩濃度の分布の偏りが大きくなりやすく、ハイレート劣化が進行しやすい。この場合、図示するように、内部抵抗Ｒｒが大きくなるから、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１より大きくなりやすい。ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１より大きくなると、昇温開始温度Ｔｓｔが温度Ｔ１より低くなり、電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ以上となり、昇温要求がオンとなる。したがって、二次電池２２の電池温度Ｔｂが低いときに早期に昇温装置２４が作動されて二次電池２２が昇温される。これにより、二次電池２２内の塩濃度の分布の偏りを早期に緩和させることができ、ハイレート劣化を抑制できる。

ステップＳ１３０で電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ未満であるときには、続いて、電池温度Ｔｂが昇温停止温度Ｔｓｔｏｐ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。昇温停止温度Ｔｓｔｏｐは、昇温開始温度Ｔｓｔから所定温度Ｔｒｅｆ（例えば、５℃〜４０℃など）を減じた温度（Ｔｓｔ−Ｔｒｅｆ）に設定される。所定温度Ｔｒｅｆは、昇温開始温度Ｔｓｔが温度Ｔ１に設定されたときに、昇温停止温度Ｔｓｔｏｐが二次電池２２が通常とり得る温度範囲の上限となるように調整されている。ステップＳ１４０で昇温要求をオンとして二次電池２２の昇温を開始すると、二次電池２２内の塩濃度の分布の偏りが緩和されて、ハイレート劣化が抑制され、ハイレート劣化量Ｄｈが小さくなる。本ルーチンは、繰り返し実行されることから、ハイレート劣化量Ｄｈが徐々に小さくなり値Ｄ１以下となると、昇温開始温度Ｔｓｔが温度Ｔ１に設定される。昇温開始温度Ｔｓｔが温度Ｔ１に設定されると、昇温停止温度Ｔｓｔｏｐは二次電池２２が通常とり得る温度範囲の上限に設定され、電池温度Ｔｂは昇温停止温度Ｔｓｔｏｐ未満となることが多い。したがって、ステップＳ１５０は、ハイレート劣化が十分に抑制されて、二次電池２２の昇温を終了させるか否かを判定する処理となっている。

ステップＳ１５０で電池温度Ｔｂが昇温停止温度Ｔｓｔｏｐ以上であるときには、ハイレート劣化が十分に抑制されておらず、二次電池２２の昇温を継続させたほうがよいと判断して、本ルーチンを終了する。これにより、二次電池２２の昇温を継続させて、二次電池２２のハイレート劣化を抑制できる。

ステップＳ１５０で電池温度Ｔｂが昇温停止温度Ｔｓｔｏｐ未満であるときには、ハイレート劣化が十分に抑制された判断して、昇温要求をオフして（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。昇温要求がオフとなると、制御装置３０は、昇温装置２４の作動を停止させる。これにより、二次電池２２が不必要に昇温されることを抑制できる。

以上説明した実施例の昇温制御装置を備える電源装置２０では、二次電池２２のハイレート劣化量Ｄｈが所定値Ｄ１を超えているときには、ハイレート劣化量Ｄｈが所定値Ｄ１以下であるときに比して、昇温開始温度Ｔｓｔを低くし、二次電池２２の電池温度Ｔｂが昇温開始温度Ｔｓｔ以上であるときには、二次電池２２が昇温するように昇温装置２４を制御することにより、二次電池２２のハイレート劣化を抑制できる。

実施例の昇温制御装置を備える電源装置２０では、現在の二次電池２２の内部抵抗Ｒｒを理想内部抵抗Ｒｉｍで除したものをハイレート劣化量Ｄｈとしているが、内部抵抗Ｒｒから理想内部抵抗Ｒｉｍを減じたものをハイレート劣化量Ｄｈとしてもよい。

また、二次電池２２の電池電流Ｉｂや電池温度Ｔｂ、二次電池２２の蓄電可能な全容量に対する蓄電している容量の割合（残容量）に応じた塩濃度の増加や内部でのイオンの拡散による塩濃度の緩和をモデル化して評価値Ｄの増加項および減少項として表し、評価値Ｄを積算して得られる値でハイレート劣化量Ｄｈとしてもよい。

例えば、以下のようにして、ハイレート劣化量Ｄｈを演算してもよい。最初に、二次電池２２の電解液中での塩濃度の増加や内部でのイオンの拡散による塩濃度の緩和による評価値Ｄの減少量Ｄｄ、増加量Ｄｉを演算する。

減少量Ｄｄは、前回（直前）の評価値Ｄ（Ｎ−１）を算出したときから１回のサイクルタイムΔｔが経過するまでの間において、イオンの拡散に伴うイオン濃度の偏りの減少に応じて、次式（２）を用いて演算される。式（２）中、「Ａ」は、充電時の二次電池２２の電解液中のイオンの拡散速度に関する係数としての忘却係数である。忘却係数は、イオンの拡散速度が速いときには遅いときに比して大きくなるように設定され、値０より大きく値１より小さく設定される。式（２）中、「Ｎ」は、ハイレート劣化量Ｄｈを繰り返し演算する際に現在の演算が何番目に行なわれているかを示す自然数である。なお、Ｄ（Ｎ−１）は、前回（直前）に演算された評価値であり、初期値としてのＤ（０）は値０などに設定される。

Dd=A・Δt・D(N-1) ・・・(2)

増加量Ｄｉは、前回（直前）の評価値Ｄ（Ｎ−１）を演算したときから１回のサイクルタイムΔｔが経過するまでの間において、放電に伴うイオン濃度の偏りの増加に応じて次式（３）を用いて演算する。式（３）中、「Ｂ」は、予め定められた電流係数である。「Ｃ」は、二次電池２２の残容量と電池温度Ｔｂとから定める限界値であり、電池温度Ｔｂが同一のときには残容量が高いときには低いときに比して大きくなり、残容量が同一のときには、電池温度Ｔｂが高いときには低いときに比して大きくなるように設定される。

Di=Ib・Δt・B/C ・・・(3)

そして、減少量Ｄｄ、増加量Ｄｉと評価値Ｄの前回値（Ｎ−１）とを用いて次式（４）により評価値Ｄ（Ｎ）を演算する。そして、評価値Ｄ（Ｎ）が充電によるハイレート劣化が発生し始める評価値より若干大きい目標値Ｄｍ＊より小さいときには、次式（５）を用いて値Ｄｅｘｍを演算する。評価値Ｄ（Ｎ）が放電によるハイレート劣化が発生し始める評価値より若干小さい目標値Ｄｐ＊より大きいときには、次式（６）を用いて値Ｄｅｘｐを演算する。そして、値Ｄｅｘｍを積算して得られる値（負の値）と値Ｄｅｘｐを積算して得られる値（正の値）から次式（７）を用いて得られる値ＳＤｅｘをハイレート劣化量Ｄｈとしてもよい。なお、式（７）中、「ｔｔｏｔａｌ」は、値ＳＤｅｘを算出し始めてから今回の演算までのサイクルタイムΔｔの総和（合計時間）である。「ｔｍ」は、評価値Ｄ（Ｎ）が目標値Ｄｍ＊より小さくなっている時間の総和（合計時間）である。「ｔｐ」は、評価値Ｄ（Ｎ）が目標値Ｄｐ＊より大きくなっている時間の総和（合計時間）である。「ΣＤｅｘｍ（Ｎ−１）」は、前回までのサイクルタイムにおいて、負の値であるＤｅｘｍを積算した値である。「ΣＤｅｘｐ（Ｎ−１）」は、前回までのサイクルタイムにおいて、正の値であるＤｅｘｐを積算した値である。

D(N)=D(N-1)- Dd +Di ・・・(4)
Dexm=D(N)- Dm* ・・・(5)
Dexp=D(N)- Dp* ・・・(6)

実施例の昇温制御装置を備える電源装置２０では、図３に例示したように、昇温開始温度Ｔｓｔを、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１以下のときには、温度Ｔ１に設定し、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１より大きい値Ｄ２以上のときには、温度Ｔ２に設定し、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１より大きく値Ｄ２より小さいときには、ハイレート劣化量Ｄｈが大きくなると温度Ｔ１から徐々に減少して温度Ｔ２となるように設定している。しかしながら、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１を超えたときには、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１以下であるときに比して、昇温開始温度Ｔｓｔを低く設定すればよいから、例えば、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１以下のときには、温度Ｔ１に設定し、ハイレート劣化量Ｄｈが値Ｄ１を超えたときには、温度Ｔ２に設定してもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、制御装置３０が「二次電池の昇温制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、二次電池用の昇温制御装置の製造産業などに利用可能である。

１０ 接続対象、２０ 電源装置、２２ 二次電池、２２ａ 電流センサ、２２ｂ 電圧センサ、２２ｃ 温度センサ、２４ 昇温装置、３０ 制御装置。

Claims (1)

1. 二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、
   前記二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、前記ハイレート劣化量が前記所定値以下であるときに比して、前記二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、
   前記二次電池の温度が前記開始温度以上であるときには、前記二次電池が昇温するように前記昇温装置を制御する、
   二次電池用の昇温制御装置。