JP2020145799A

JP2020145799A - バッテリの充電方法

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Publication number: JP2020145799A
Application number: JP2019039325A
Authority: JP
Inventors: 智子岡崎; Tomoko Okazaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: JP7279421B2

Abstract

【課題】ハイレート劣化が起こりにくくすることが可能なバッテリの充電方法を提供する。【解決手段】車両１に搭載されたリチウムイオン二次電池であるバッテリ１０を車両１の外部の充電スタンド３００から供給される電力により充電する充電方法であって、監視ユニット２００は、車両１の走行時に、バッテリ１０のＳＯＣが低い領域ほどバッテリの抵抗値が高くなる傾向を示すバッテリ１０のＳＯＣと抵抗値との間の相関関係を取得し、取得した相関関係に基づいてバッテリ１０の負極への金属リチウムの析出を抑制可能な充電電流をバッテリ１０のＳＯＣ領域ごとに決定して充電スタンド３００に送信する。【選択図】図１

Description

この開示は、バッテリの充電方法に関し、特に、バッテリの劣化を軽減するのに適したバッテリの充電方法に関する。

従来、充電中の電池の電圧Ｖｂを検出し、電圧Ｖｂの増加に応じて充電電流Ｉｂを段階的にさげる、急速充電器の制御方法があった（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０００−２７７１６６号公報

ハイレート充電とは、電池の理論容量を１時間で完全充電させる電流の大きさである１Ｃの数倍から数十倍の充電であり、いわゆる急速充電のことである。発明者らは、低ＳＯＣ（State Of Charge）域では、高ＳＯＣ域と比較して、ハイレート充電によるバッテリの内部抵抗の上昇が起こりやすいとの新たな知見を得た。これにより、特許文献１の技術のように、充電時に低ＳＯＣ域で高い充電電流を流すと、ハイレート充電による電池の劣化であるハイレート劣化が起こりやすくなる。

この開示は、このような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、ハイレート劣化が起こりにくくすることが可能なバッテリの充電方法を提供することである。

この開示に係るバッテリの充電方法は、車両に搭載されたリチウムイオン二次電池であるバッテリを車両の外部から供給される電力により充電する、バッテリの充電方法であって、バッテリのＳＯＣが低い領域ほどバッテリの抵抗値が高くなる傾向を示すバッテリのＳＯＣと抵抗値との間の相関関係を車両の走行時に取得するステップと、バッテリの負極への金属リチウムの析出を抑制可能な充電電流を相関関係に基づいてバッテリのＳＯＣ領域ごとに決定するステップとを含む。

この開示によれば、ハイレート劣化が起こりにくくすることが可能なバッテリの充電方法を提供することができる。

この開示の実施の形態に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。低ＳＯＣ域でのハイレート充電による抵抗上昇を説明するための図である。この実施の形態の充電電流管理処理の流れを示すフローチャートである。この実施の形態におけるＳＯＣおよび抵抗値のマップの一例を示す図である。この実施の形態におけるＳＯＣ範囲ごとの抵抗値の傾きを示すデータである。この実施の形態における車両の充電時のＳＯＣの上昇に対する充電電流の変化を示す図である。

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り返さない。

＜充電システムの構成＞
図１は、この開示の実施の形態に係る充電システムの全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、この実施の形態における充電システムは、車両１と、サーバ２００と、充電スタンド３００と、通信ネットワーク９００とを含む。車両１は、プラグインハイブリッド車両である。しかし、本開示に係る車両１は、プラグインハイブリッド車両に限定されず、電気自動車または燃料電池車であってもよい。

車両１は、モータジェネレータ７１，７２と、エンジン７３と、動力分割装置７４と、駆動軸７５と、駆動輪７６と、バッテリ１０と、監視ユニット２０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）３０と、インレット４０と、充電装置５０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００と、通信部９０とをさらに備える。

モータジェネレータ７１，７２の各々は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石（図示せず）が埋設された三相交流同期電動機である。モータジェネレータ７１は、主として、動力分割装置７４を経由してエンジン７３により駆動される発電機として用いられる。モータジェネレータ７１が発電した電力は、ＰＣＵ３０を介してモータジェネレータ７２またはバッテリ１０に供給される。

モータジェネレータ７２は、主として電動機として動作し、駆動輪７６を駆動する。モータジェネレータ７２は、バッテリ１０からの電力およびモータジェネレータ７１の発電電力の少なくとも一方を受けて駆動され、モータジェネレータ７２の駆動力は駆動軸７５に伝達される。一方、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、モータジェネレータ７２は、発電機として動作して回生発電を行なう。モータジェネレータ７２が発電した電力は、ＰＣＵ３０を介してバッテリ１０に供給される。

エンジン７３は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギをピストンおよびロータなどの運動子（図示せず）の運動エネルギに変換することによって動力を出力する内燃機関である。

動力分割装置７４は、たとえば、サンギヤ、キャリア、リングギヤの３種類の歯車の回転軸を有する遊星歯車機構（図示せず）を含む。動力分割装置７４は、エンジン７３から出力される動力を、モータジェネレータ７１を駆動する動力と、駆動輪７６を駆動する動力とに分割する。

バッテリ１０は、複数のセルを含んで構成される組電池である。本実施の形態において、各セルは、リチウムイオン二次電池である。バッテリ１０は、モータジェネレータ７１，７２を駆動するための電力を蓄え、ＰＣＵ３０を通じてモータジェネレータ７１，７２へ電力を供給する。また、バッテリ１０は、モータジェネレータ７１，７２の発電時にＰＣＵ３０を通じて発電電力を受けて充電される。

監視ユニット２０は、電圧センサ２１と、電流センサ２２と、温度センサ２３とを含む。電圧センサ２１は、バッテリ１０の電圧ＶＢを検出する。電流センサ２２は、バッテリ１０に入出力される電流ＩＢを検出する。温度センサ２３は、バッテリ１０の温度ＴＢを検出する。各センサは、その検出結果を示す信号をＥＣＵ１００に出力する。

ＰＣＵ３０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に従って、バッテリ１０とモータジェネレータ７１，７２との間で双方向の電力変換を実行する。ＰＣＵ３０は、モータジェネレータ７１，７２の状態を別々に制御可能に構成されており、たとえば、モータジェネレータ７１を回生状態（発電状態）にしつつ、モータジェネレータ７２を力行状態にすることができる。ＰＣＵ３０は、たとえば、モータジェネレータ７１，７２に対応して設けられる２つのインバータと、各インバータに供給される直流電圧をバッテリ１０の出力電圧以上に昇圧するコンバータ（いずれも図示せず）とを含んで構成される。

インレット４０は、充電ケーブル３２２のコネクタ３２１を接続可能に構成されている。インレット４０は、充電ケーブル３２２のコネクタ３２１を介して、車両１の外部に設けられた充電スタンド３００からの電力供給を受ける。充電スタンド３００からの電力は、インレット４０を介して充電装置５０に供給される。

充電装置５０は、充電スタンド３００からインレット４０を介して供給された電力を、ＥＣＵ１００からの制御信号に従ってバッテリ１０の充電（プラグイン充電）に適した電力に変換する。充電装置５０は、たとえばインバータおよびコンバータ（いずれも図示せず）を含んで構成されている。充電装置５０による電力変換が行なわれた電力は電力線ＰＬ，ＮＬ間に出力される。

通信部９０は、車載ＤＣＭ（ＤＣＭ：Data Communication Module）であって、アンテナ９１を介して無線で通信ネットワーク９００と接続され、ＥＣＵ１００からの制御信号に従って、ＥＣＵ１００とサーバ２００との双方向のデータ通信が可能なように構成されている。通信ネットワーク９００は、ＬＡＮ（Local Area Network）やＶＰＮ（Virtual Private Network）などのプライベートネットワーク、および、インターネットや公衆回線や公衆無線ＬＡＮなどのパブリックネットワークを含む。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））１０２と、各種信号が入出力される入出力ポート（図示せず）とを含んで構成される。ＥＣＵ１００は、各センサから受ける信号ならびにメモリ１０２に記憶されたプログラムおよびマップに基づいて、車両１を所望の状態に制御するための各種処理を実行する。

ＥＣＵ１００により実行される主要な制御として、バッテリ１０の充放電制御が挙げられる。より具体的には、ＥＣＵ１００は、エンジン７３およびＰＣＵ３０を制御することによってバッテリ１０の充放電を制御するＥＣＵ１００は、電力線ＰＬ，ＮＬに電気的に接続される車室内の空調装置などの負荷を制御することによりバッテリ１０を放電させたり、充電装置５０を制御することによりバッテリ１０を充電したりすることも可能である。

充電スタンド３００は、給電部３２０と、通信部３３０と、制御部３１０とを備える。制御部３１０は、車両１のＥＣＵ１００と同様、ＣＰＵとメモリと入出力ポートとを含み、各部から受ける信号およびメモリに記憶されたプログラムに基づいて充電スタンド３００を制御する。給電部３２０は、制御部３１０からの制御信号に従って外部電源からの電力を、充電ケーブル３２２のコネクタ３２１を介して車両１に給電する。通信部３３０は、アンテナ３３１を介して無線で通信ネットワーク９００と接続され、制御部３１０からの制御信号に従って、制御部３１０とサーバ２００との双方向のデータ通信が可能なように構成されている。

サーバ２００は、ＣＰＵ２１０と、記憶装置２２０と、通信部２３０とを備える。ＣＰＵ２１０は、各部から受ける信号および記憶装置２２０に記憶されたプログラムおよびデータに基づいて各種処理を実行する。記憶装置２２０は、メモリおよび外部記憶装置を含み、ＣＰＵ２１０によって用いられるプログラムおよびデータを記憶する。通信部２３０は、通信ネットワーク９００と接続され、ＣＰＵ２１０からの制御信号に従って、車両１および充電スタンド３００とＣＰＵ２１０との双方向のデータ通信が可能なように構成されている。

従来、充電中の電池の電圧Ｖｂを検出し、電圧Ｖｂの増加に応じて充電電流Ｉｂを段階的にさげる、急速充電器の制御方法があった。発明者らは、低ＳＯＣ域では、高ＳＯＣ域と比較して、ハイレート充電によるバッテリの内部抵抗の上昇が起こりやすいとの新たな知見を得た。これにより、充電時に低ＳＯＣ域で高い充電電流を流すと、ハイレート劣化が起こりやすくなる。

図２は、低ＳＯＣ域でのハイレート充電による抵抗上昇を説明するための図である。図２を参照して、バッテリ１０のＳＯＣが４０％まで充電されたときに充電電流を増加させる場合は、ＳＯＣが６０％、７０％および８０％まで充電されたときに充電電流を増加させる場合と比較して、充電回数の増加に対するバッテリ１０の内部抵抗値の増加率が大幅に大きくなる。

そこで、この開示に係るバッテリ１０の充電方法は、車両１に搭載されたリチウムイオン二次電池であるバッテリ１０を車両１の外部から供給される電力により充電する充電方法であって、バッテリ１０のＳＯＣが低い領域ほどバッテリ１０の抵抗値が高くなる傾向を示すバッテリ１０のＳＯＣと抵抗値との間の相関関係を車両１の走行時に取得するステップと、バッテリ１０の負極への金属リチウムの析出を抑制可能な充電電流を相関関係に基づいてバッテリ１０のＳＯＣ領域ごとに決定するステップとを含む。これにより、ハイレート劣化が起こりにくくすることができる。

以下、この実施の形態の制御について説明する。図３は、この実施の形態の充電電流管理処理の流れを示すフローチャートである。この充電電流管理処理は、サーバ２００のＣＰＵ２１０によって実行される上位の処理から呼出されて実行される。

図３を参照して、サーバ２００のＣＰＵ２１０は、車両１からデータを収集する周期となったか否かを判断する（ステップＳ１１１）。データ収集周期は、車両１のＥＣＵ１００のメモリ１０２に定期的に記憶される収集対象のデータが、メモリ１０２のデータ記憶容量の範囲内で記憶可能な期間以内の周期である。

車両１においては、ＥＣＵ１００のＣＰＵ１０１が、車両１の走行中に、監視ユニット２０の電圧センサ２１および電流センサ２２からの検出結果を示す信号を取得し、当該信号で示されるバッテリ１０の電圧Ｖおよび電流Ｉを特定し、電圧Ｖおよび電流Ｉを用いてＳＯＣを算出し、ＳＯＣが所定％（たとえば５％）変化するごとに、特定した電圧Ｖおよび電流Ｉから抵抗値Ｒ＝Ｖ／Ｉを算出し、ＳＯＣと抵抗値Ｒとを対応付けてメモリ１０２に記憶させる。ＳＯＣの算出方法としては、たとえば、電流値積算（クーロンカウント）による手法、または、開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の推定による手法など、種々の公知の手法を採用できる。

データ収集周期となった（ステップＳ１１１でＹＥＳ）と判断した場合、ＣＰＵ２１０は、車両１から前回取得した以降の複数のＳＯＣおよび抵抗値Ｒの組を取得して、当該車両１の車両ＩＤに対応付けて、記憶装置２２０に記憶させる（ステップＳ１１２）。

ステップＳ１１２の後、および、データ収集周期でない（ステップＳ１１１でＮＯ）と判断した場合、ＣＰＵ２１０は、充電電流を決定する周期となったか否かを判断する（ステップＳ１１３）。充電電流を決定する周期は、車両１からのデータ収集周期以上の周期であればよく、データ収集周期ごとであってもよいし、所定回のデータ収集周期ごとであってもよいし、車両１が所定距離走行するごとであってもよいし、所定日数または所定月数など所定期間ごとであってもよい。

充電電流の決定周期となった（ステップＳ１１３でＹＥＳ）と判断した場合、ＣＰＵ２１０は、車両１についてＳＯＣおよび抵抗値のマップを作成する（ステップＳ１１４）。

図４は、この実施の形態におけるＳＯＣおよび抵抗値のマップの一例を示す図である。図４を参照して、図３のステップＳ１１４においては、図４で示すグラフを特定可能なマップが作成される。ハイレート劣化の進行に伴って、バッテリ１０の低ＳＯＣ域の抵抗値が上昇してゆく。図４においては、ＳＯＣ５０％以下の低ＳＯＣ域の抵抗値がＳＯＣが低下するに応じて上昇している。

図３に戻って、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ１１４で作成したマップから各ＳＯＣ範囲の傾きを算出する（ステップＳ１１５）。

図５は、この実施の形態におけるＳＯＣ範囲ごとの抵抗値の傾きを示すデータである。図５を参照して、８０％〜９０％から５０％〜６０％までのＳＯＣ範囲では、抵抗値の傾きは、０．０００である。４０％〜５０％以下のＳＯＣ範囲では、抵抗値の傾きがＳＯＣが小さくなるに応じて大きくなる。

図３に戻って、ＣＰＵ２１０は、傾きが上昇し始めるＳＯＣを急速充電の充電電流の切替ＳＯＣとして決定する（ステップＳ１１６）。具体的には、図５のデータから、傾きｎ＜傾きｎ＋１≒傾きｎ＋２≒傾きｎ＋３の部分（図５の破線で囲まれている部分）を抽出し、傾きｎと傾きｎ＋１との境界のＳＯＣを、急速充電の充電電流の切替ＳＯＣ（図４のＸ％）に決定する。ここでは、Ｘ＝５０％である。

ＣＰＵ２１０は、バッテリ１０のＳＯＣが切替ＳＯＣ以上であるときの充電電流Ｉｃ2を決定する（ステップＳ１１７）。充電電流Ｉｃ2は、低ＳＯＣ域でのバッテリ１０の内部抵抗の上昇を防ぐために、この実施の形態においては、２Ｃ以下となるように決定する。低ＳＯＣ域の充電電流Ｉｃ2は、バッテリ１０の開発段階で内部抵抗の上昇が少なくなり、さらに、後述のＩｃ1＝Ｉｃ2×ａ／ｂが、バッテリ１０の負極への金属リチウムの析出を抑制可能な充電電流となる値を、実験またはシミュレーションで予め定めておく。

ＣＰＵ２１０は、バッテリ１０のＳＯＣが切替ＳＯＣ未満であるときの充電電流Ｉｃ1＝Ｉｃ2×ａ／ｂを決定する（ステップＳ１１８）。ａは、切替ＳＯＣ未満のときの内部抵抗の最大値であり、この実施の形態においては、図４で示されるように、１．３ｍΩである。ｂは、切替ＳＯＣ以上のときの内部抵抗の最大値であり、この実施の形態においては、図４で示されるように、１．０５ｍΩである。

ＣＰＵ２１０は、算出した切替ＳＯＣおよび充電電流Ｉｃ1，Ｉｃ2を、車両ＩＤに対応づけて記憶装置２２０に記憶する（ステップＳ１１９）。

車両１に充電するときに、車両１のインレット４０に、充電スタンド３００の充電ケーブル３２２のコネクタ３２１が接続されると、充電スタンド３００の制御部３１０は、車両１のＥＣＵ１００と通信して、車両１の車両ＩＤを取得し、取得した車両ＩＤを、通信部３３０からサーバ２００に送信する。

ステップＳ１１９の後、および、充電電流の決定周期でない（ステップＳ１１３でＮＯ）と判断した場合、ＣＰＵ２１０は、通信部２３０によって充電スタンド３００から車両ＩＤを受信したか否かを判断する（ステップＳ１２１）。

車両ＩＤを受信した（ステップＳ１２１でＹＥＳ）と判断した場合、ＣＰＵ２１０は、受信した車両ＩＤに対応して記憶装置２２０に記憶されている切替ＳＯＣおよび充電電流Ｉｃ1，Ｉｃ2を、通信部２３０から充電スタンド３００に送信する（ステップＳ１２２）。ステップＳ１２２の後、および、車両ＩＤを受信していない（ステップＳ１２１でＮＯ）と判断した場合、ＣＰＵ２１０は、実行する処理をこの充電電流管理処理の上位の処理に戻す。

図６は、この実施の形態における車両１の充電時のＳＯＣの上昇に対する充電電流の変化を示す図である。図６を参照して、充電スタンド３００の制御部３１０は、通信部３３０によって、サーバ２００から切替ＳＯＣおよび充電電流Ｉｃ1，Ｉｃ2を受信すると、車両１のバッテリ１０のＳＯＣが切替ＳＯＣ未満であるときには、充電電流Ｉｃ1で車両１に電力を供給し、車両１のバッテリ１０のＳＯＣが切替ＳＯＣ以上となると、充電電流Ｉｃ2で車両１に電力を供給する。

これにより、ハイレート劣化によるバッテリ１０の内部抵抗の上昇が起こりやすい低ＳＯＣ域では充電電流を抑えることができるとともに、リチウム析出が起こりやすい高ＳＯＣ域では内部抵抗を下げるために充電電流を高くすることができる。その結果、バッテリ１０のハイレート劣化を起こりにくくすることができるとともに、バッテリ１０の負極への金属リチウムの析出を抑制することができる。

［変形例］
（１）前述した実施の形態においては、図６で示したように、ＳＯＣ領域を２段階に分けて、ＳＯＣ領域ごとに充電電流を切替えるようにした。しかし、これに限定されず、ＳＯＣ領域を２以上の多段階に分けて、ＳＯＣ領域ごとに充電電流を切替えるようにしてもよい。また、ＳＯＣの増加に応じて徐々に充電電流を増加させるようにしてもよい。

（２）前述した実施の形態においては、図３のステップＳ１１１およびステップＳ１１２で示したように、車両１において、ＳＯＣが所定％変化するごとに、ＳＯＣとバッテリ１０の内部抵抗値Ｒとをメモリ１０２に記憶させるようにした。しかし、ＳＯＣとバッテリ１０の内部抵抗値Ｒとをメモリ１０２に記憶させるタイミングはどのようなタイミングであってもよく、たとえば、所定期間ごとであってもよいし、所定距離の走行ごとであってもよい。

（３）前述した実施の形態においては、図３のステップＳ１１１で示したように、データ収集周期ごとに、ＳＯＣとバッテリ１０の内部抵抗値Ｒとを車両１から取得するようにした。しかし、ＳＯＣとバッテリ１０の内部抵抗値Ｒとを車両１から取得するタイミングはどのようなタイミングであってもよく、たとえば、ＳＯＣおよび内部抵抗値Ｒが算出されるごとであってもよい。

（４）前述した実施の形態においては、図３で示したように、サーバ２００において切替ＳＯＣおよび充電電流を決定するようにした。しかし、これに限定されず、切替ＳＯＣおよび充電電流を車両１において決定するようにしてもよい。

（５）前述した実施の形態を、図３で示した充電電流管理処理を実行するバッテリ１０の充電方法の開示と捉えることができる。また、このような充電方法を実行する充電システムの開示と捉えることができる。

［効果］
（１）図１で示したように、バッテリ１０の充電方法は、車両１に搭載されたリチウムイオン二次電池であるバッテリ１０を車両１の外部の充電スタンド３００から供給される電力により充電する充電方法である。図３で示したように、充電方法は、バッテリ１０のＳＯＣが低い領域ほどバッテリの抵抗値が高くなる傾向を示すバッテリ１０のＳＯＣと抵抗値との間の相関関係を車両の走行時に取得するステップ（ステップＳ１１１〜ステップＳ１１２）と、バッテリ１０の負極への金属リチウムの析出を抑制可能な充電電流を相関関係に基づいてバッテリ１０のＳＯＣ領域ごとに決定するステップ（ステップＳ１１３〜ステップＳ１１９）とを含む。これにより、ハイレート劣化が起こりにくくすることができる。

今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、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車両、１０バッテリ、２０監視ユニット、２１電圧センサ、２２電流センサ、２３温度センサ、３０ＰＣＵ、４０インレット、５０充電装置、７１，７２モータジェネレータ、７３エンジン、７４動力分割装置、７５駆動軸、７６駆動輪、９０，２３０，３３０通信部、９１，３３１アンテナ、１００ＥＣＵ、１０１，２１０ＣＰＵ、１０２メモリ、２００サーバ、２２０記憶装置、３００充電スタンド、３１０制御部、３２０給電部、３２１コネクタ、３２２充電ケーブル、９００通信ネットワーク。

Claims

車両に搭載されたリチウムイオン二次電池であるバッテリを前記車両の外部から供給される電力により充電する、前記バッテリの充電方法であって、
前記バッテリのＳＯＣが低い領域ほど前記バッテリの抵抗値が高くなる傾向を示す前記バッテリのＳＯＣと抵抗値との間の相関関係を前記車両の走行時に取得するステップと、
前記バッテリの負極への金属リチウムの析出を抑制可能な充電電流を前記相関関係に基づいて前記バッテリのＳＯＣ領域ごとに決定するステップとを含む、バッテリの充電方法。