JP2020156148A - 二次電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の劣化を抑制しつつ、より効率良く二次電池の性能を活用することが可能な二次電池の制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、二次電池の劣化の度合いを示す評価値を算出し、算出した評価値が閾値を超える場合に、二次電池に供給する充電電流、および二次電池から放電させる放電電流の少なくともいずれかの許容値を制限する。制御装置は、少なくとも二次電池の温度の情報に基づいて、二次電池の容量劣化量を算出する（Ｓ１〜Ｓ４）。制御装置は、特定の期間内における、二次電池のＳＯＣの分布、二次電池を流れた電流の分布、二次電池の使用時間、および二次電池の使用回数の少なくともいずれかの情報を、頻度情報として取得する（Ｓ５，Ｓ６）。制御装置は、容量劣化量と頻度情報に基づいて、評価値を比較する閾値を設定する（Ｓ７，Ｓ８）。【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の制御装置に関する。

二次電池は、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。リチウムイオン電池等の二次電池の容量は、大きな電流での充放電が繰り返し実行されると劣化する。従って、二次電池に供給する充電電流、および二次電池から放電させる放電電流の少なくともいずれか（以下、単に「充放電電流」という場合もある）の許容値を、一定の条件に基づいて制限することで、二次電池の容量の劣化を抑制することが望ましい。例えば、特許文献１に記載されている制御装置は、二次電池の充放電電流に基づいて、二次電池の劣化成分を評価するための評価値を算出し、算出した評価値が閾値を超える場合に、二次電池の充電電流の上限値を低下させる（つまり、充電電流の許容値を制限する）。

特開２０１３−１２５６０７号公報

二次電池の劣化の程度が小さいにも関わらず、充放電電流の許容値を大幅に制限すると、二次電池の性能が十分に活用されないので効率が悪い。一方で、二次電池の劣化が進んでいる場合に、充放電電流の許容値を大きくすると、二次電池の劣化はさらに進行する。従って、充放電電流の許容値を制限する際に評価値と比較される閾値は、適切に設定されることが望ましい。従来の二次電池の制御装置では、充放電電流の許容値を制限する際に評価値と比較される閾値は、二次電池の容量劣化量のみに基づいて設定されていた。しかし、二次電池の劣化には、種々の使用状況も影響を与える。従って、従来の制御装置では、閾値が適切に設定されない可能性もある。

本発明の典型的な目的は、二次電池の劣化を抑制しつつ、より効率良く二次電池の性能を活用することが可能な二次電池の制御装置を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の二次電池の制御装置は、二次電池の劣化の度合いを示す評価値を算出し、算出した評価値が閾値を超える場合に、上記二次電池に供給する充電電流、および上記二次電池から放電させる放電電流の少なくともいずれかの許容値を制限する制御装置であって、上記制御装置の制御部は、少なくとも前記二次電池の温度の情報に基づいて、上記二次電池の容量劣化量を算出し、特定の期間内における、上記二次電池のＳＯＣの分布、上記二次電池を流れた電流の分布、上記二次電池の使用時間、および上記二次電池の使用回数の少なくともいずれかの情報を、上記二次電池の頻度情報として取得し、上記容量劣化量と上記頻度情報に基づいて、上記評価値を比較する上記閾値を設定することを特徴とする。

上記構成の二次電池の制御装置によると、二次電池のＳＯＣの分布、二次電池を流れた電流の分布、二次電池の使用時間、および二次電池の使用回数の少なくともいずれかの情報が、容量劣化量と共に考慮されたうえで、閾値が設定される。従って、容量劣化量のみに基づいて閾値が設定される場合に比べて、より適切に閾値が設定され易い。よって、二次電池の劣化が抑制された状態で、より効率良く二次電池の性能が活用される。

制御装置１の概略構成図である。 制御装置１が実行する閾値設定処理のフローチャートである。 積算ダメージ、抵抗増加率、および積算ダメージの閾値の関係を説明するためのグラフである。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池の制御装置を例示して、本開示に係る制御装置について詳細に説明する。ただし、本開示に係る二次電池の制御装置を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。例えば、リチウムイオン二次電池以外の二次電池（例えば、ニッケル水素電池等）の充放電を制御する制御装置に、本開示で例示した技術の少なくとも一部を適用することも可能である。

図１を参照して、制御装置１の構成の一例について概略的に説明する。前述したように、本実施形態の制御装置１が充放電を制御する二次電池２０は、リチウムイオン二次電池である。制御装置１は、ＣＰＵ２１および記憶装置２２を備える。ＣＰＵ２１は、二次電池２０の充放電制御等の各種制御を司る。記憶装置２２には、後述する閾値等の各種情報、およびプログラム等が記憶されている。制御装置１には、各種デバイス（例えば、車両に搭載される電子制御システム（ＥＣＵ）等）を使用できる。

二次電池２０の正極端子と負極端子には、入力装置（例えば、発電機）３と、出力装置（例えば、出力先の外部装置）４とが、それぞれ並列に接続されている。一例として、本実施形態の入力装置３は、車両の制動時に発生する運動エネルギーを電力に変換して、二次電池２０に充電電力を供給する。また、本実施形態の出力装置４は、二次電池２０から供給される放電電力によって、車両を駆動する。

入力装置３と二次電池２０を接続する配線には、スイッチ６が設けられている。スイッチ６がオンとされることで、入力装置３から出力される電力が二次電池２０に充電される。また、出力装置４と二次電池２０を接続する配線には、スイッチ７が設けられている。スイッチ７がオンとされることで、二次電池２０から出力装置４に電力が供給される。

二次電池２０には、電圧計９が並列に接続されている。電圧計９は、二次電池２０の正負極間の電圧を測定する。また、二次電池２０には、電流計１０が直列に接続されている。電流計１０は、二次電池２０に流れた電流を測定する。また、二次電池２０には温度センサ１１が設けられている。温度センサ１１は、二次電池２０の温度を検出する。

入力装置３、出力装置４、スイッチ６、スイッチ７、電圧計９、電流計１０、および温度センサ１１は、制御装置１に接続されている。制御装置１は、スイッチ６およびスイッチ７のオン・オフの駆動を制御する。また、制御装置１は、電圧計９、電流計１０、および温度センサ１１から入力される情報に基づいて、二次電池２０の充放電を制御する。

ここで、本実施形態の制御装置１による二次電池２０の充放電の制御方法について説明する。二次電池２０の容量は、大きな電流（ハイレート）での充放電が繰り返されることで劣化する。ハイレートでの充放電による二次電池２０の容量の劣化は、ハイレート劣化と言われる場合もある。制御装置１は、二次電池２０のハイレート劣化を抑制するために、二次電池２０に供給する充電電流、および、二次電池２０から放電させる放電電流の少なくともいずれか（本実施形態では両方）の許容値を、一定の条件に従って制限する。

充放電電流の許容値を制限する際の具体的な方法には、種々の方法を適用することが可能である。一例として、本実施形態の制御装置１は、二次電池２０の充放電電流等に基づいて、二次電池２０のハイレート劣化のダメージ量を算出する。制御装置１は、算出したダメージ量の積算値（以下、「積算ダメージ」という）を閾値と比較し、積算ダメージが閾値を超えた場合に、充放電電流の許容値を制限する（つまり、上限値を低下させる）。その結果、二次電池２０のハイレート劣化が抑制される。積算ダメージを閾値と比較して許容値を制御する方法は、例えば、特開２０１３−１２５６０７号公報等に記載されている。

なお、充放電電流の許容値を制限する方法を変更することも可能である。例えば、制御装置１は、積算ダメージに応じて多段階で許容値を変更してもよいし、積算ダメージが大きくなる程許容値が下がるように許容値を制御してもよい（例えば、特開２０１７−５０９８１号公報等参照）。また、二次電池２０に供給されている充放電電流の大きさと、二次電池２０への充放電が継続される充放電時間の長さを充放電状態のパラメータとする閾値が、予め設定されていてもよい。この場合、制御装置１は、充放電電流の大きさと充放電時間の長さによって定まる電池状態が閾値未満の場合には、充放電電流の許容値を、制限無しの値に設定する。また、制御装置１は、充放電電流の大きさと充放電時間の長さによって定まる電池状態が閾値を超えると、充放電電流の許容値を制限する。

図２を参照して、本実施形態の制御装置１が実行する閾値設定処理について説明する。閾値設定処理では、二次電池２０の容量劣化量と、二次電池の使用状況に基づいて、充放電電流の許容値を制限する際に評価値（本実施形態では積算ダメージ）と比較される閾値が設定される。制御装置１のＣＰＵ２１は、記憶装置２２に記憶されたプログラムに従って、図２に例示する閾値設定処理を実行する。まず、ＣＰＵ２１は、二次電池２０の容量劣化量を算出（推定）する処理（Ｓ１〜Ｓ４）、および、使用状況に関する情報を取得する処理（Ｓ５，Ｓ６）を実行する。

二次電池の容量劣化量を取得する処理の一例について説明する。まず、ＣＰＵ２１は、ある期間内に温度センサ１１（図１参照）によって繰り返し検出された、二次電池２０の温度情報を取得する（Ｓ１）。次いで、ＣＰＵ２１は、繰り返し検出された二次電池２０の温度情報に基づいて、二次電池２０の温度頻度分布を作成する（Ｓ２）。ＣＰＵ２１は、総時間と温度頻度分布に基づいて、現在の二次電池２０の容量劣化量Ｘ（推定値）を算出する（Ｓ３）。総時間および温度頻度分布と、二次電池２０の容量劣化量Ｘの関係は、種々の方法で予め対応付けられていればよい。例えば、複数の二次電池２０について、総時間および温度頻度分布と、容量劣化量Ｘとの関係が、予め実験等によって確認されていてもよい。総時間および温度頻度分布と容量劣化量Ｘとの関係は、例えば、テーブルまたは計算式等によって対応付けられていてもよい。

次いで、ＣＰＵ２１は、これまでの二次電池２０の容量劣化量と、Ｓ３で算出された現在の容量劣化量Ｘに基づいて、ある期間後（例えば、新しい閾値を設定するまでの期間後）の容量劣化量Ｙ（推定値）を算出する（Ｓ４）。ある期間後の容量劣化量Ｙを算出する方法も、適宜選択できる。例えば、二次電池２０の容量劣化量は、経過時間の正の平方根に対して線形的に推移しやすい傾向がある。従って、本実施形態では、ＣＰＵ２１は、経過時間の平方根と容量劣化量の値をパラメータとするグラフ上で、現在の値Ｘまでの容量劣化量の推移に対して直線外挿を行うことで、ある期間後の容量劣化量Ｙを算出する。

使用状況に関する情報を取得する処理の一例について説明する。まず、ＣＰＵ２１は、ある期間（例えば、Ｓ１と同じ期間）のＳＯＣの分布、電流の分布、使用時間、および使用回数の情報を取得する（Ｓ５）。次いで、ＣＰＵ２１は、Ｓ５で取得された情報に基づいて、使用状況に基づく頻度分布を作成する（Ｓ６）。本実施形態における「分布」とは、ある期間内に繰り返し取得される複数の値の分布を示す。ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池２０の満充電容量に対する残存充電量の比率を意味する。ＳＯＣの取得方法も適宜選択できる。例えば、ＣＰＵ２１は、電圧計９によって測定された二次電池２０の電圧を、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と比較することで、ＳＯＣの概算値を取得してもよい。また、Ｓ５で取得される電流の値には、電流計１０によって測定された値が用いられる。本実施形態では、測定された電流の値を二乗した値が用いられる。使用時間とは、ある期間内において二次電池２０が使用された時間（本実施形態では、車両が走行した走行時間）を示す。また、使用頻度とは、ある期間内において二次電池が使用された回数（本実施形態では、車両の走行回数）を示す。

なお、ＳＯＣの分布、電流の分布、使用時間、および使用回数の情報は、二次電池２０の使用状況に関する情報の一例である。従って、Ｓ５で取得される情報を変更することも可能である。例えば、Ｓ５では、ＳＯＣの分布、電流の分布、使用時間、および使用回数の情報の少なくともいずれかが取得されればよく、全ての情報が常に取得される必要は無い。また、Ｓ５で例示した情報に加えて、使用状況に関する他の情報が取得されてもよい。

次いで、ＣＰＵ２１は、Ｓ４で算出された容量劣化量Ｙと、Ｓ６で使用状況に基づいて作成された頻度分布から、充放電電流の許容値を制御するために二次電池２０の評価値（本実施形態では積算ダメージ）を比較する閾値を決定する（Ｓ７）。

図３を参照して、二次電池２０における積算ダメージ、抵抗増加率、および積算ダメージの閾値の関係について説明する。図３では、横軸が積算ダメージを示しており、横軸の中心の積算ダメージが「０」である。縦軸は、二次電池２０の抵抗増加率を示す。積算ダメージが「０」である場合、抵抗増加率は最低値をとる。放電による積算ダメージが増加する程（つまり、グラフの右側に近づく程）、抵抗増加率は上昇する。同様に、充電による積算ダメージが増加する程（つまり、グラフの左側に近づく程）、抵抗増加率は上昇する。

制御装置１は、抵抗増加率が特定の値（図３では、Ｐで示す値）を超えると予想される場合に、二次電池２０の充放電電流を制御することで、二次電池２０の更なる劣化を抑制する。つまり、制御装置１は、積算ダメージの増加に伴って上昇する抵抗増加率が、値Ｐを超えると予想される場合に、二次電池２０の充放電電流の許容値を制限する。従って、抵抗増加率が値Ｐとなると予想される際の積算ダメージの値（図３に示す例では、値Ｐを通過する横軸とグラフが交差する際の積算ダメージの値）が、充放電電流の許容値を制御するために積算ダメージと比較される閾値となる。

図３に示す６つのグラフＤ１〜Ｄ６の各々が示す二次電池２０のうち、グラフＤ１が示す二次電池２０の状態が最も悪い。従って、グラフＤ１が示す二次電池２０では、積算ダメージが僅かに増加しただけで、抵抗増加率が大幅に上昇する。逆に、グラフＤ１〜Ｄ６の各々が示す二次電池２０うち、グラフＤ６が示す二次電池２０の状態が最も良い。

二次電池２０の容量劣化量が大きくなると、積算ダメージの増加量に対する抵抗増加率の上昇量は大きくなる。つまり、容量劣化量が大きくなる程、グラフはＤ１に近づく。従って、積算ダメージを比較する閾値を設定する際には、二次電池２０の容量劣化量を考慮する必要がある。

さらに、二次電池２０の劣化には、容量劣化量に加えて、二次電池２０の種々の使用状況も影響する。つまり、二次電池２０の使用状況も、積算ダメージと抵抗増加率の関係に影響を与える。例えば、ハイレートでの充放電が行われる場合、ＳＯＣが低い程、負極の膨張収縮によって劣化が進行し易い。従って、ＳＯＣが低い程、積算ダメージの増加量に対する抵抗増加率の上昇量は大きくなる。また、充放電電流の値が大きい程、積算ダメージの増加量に対する抵抗増加率の上昇量は大きくなる。また、使用時間が長くなる程、積算ダメージの増加量に対する抵抗増加率の上昇量は大きくなる。同様に使用回数が多くなる程、積算ダメージの増加量に対する抵抗増加率の上昇量は大きくなる。上記の知見から、本実施形態の制御装置１は、容量劣化量に加えて、二次電池２０の使用状態に基づく頻度分布を考慮して、積算ダメージを比較する閾値を設定する。

なお、容量劣化量Ｙと頻度分布に基づいて閾値を設定するための具体的な方法は、適宜選択できる。例えば、容量劣化量Ｙと、Ｓ６で作成される頻度分布の各々が、二次電池２０の劣化に与える影響の度合いが、予め実験等によって確認されていてもよい。この場合、ＣＰＵ２１は、各値が二次電池２０の劣化に与える影響の度合いに応じて、閾値を増減させる量を各値から算出し、算出された値を合算させることで、閾値を決定してもよい。また、ＣＰＵ２１は、各値から閾値を算出してもよいし、予め用意された複数の閾値から、各値に基づいて最も適切な閾値を選択してもよい。

次いで、ＣＰＵ２１は、車両の走行履歴に基づいて決定されるタイミングで、Ｓ７で決定された新しい閾値を設定する（Ｓ８）。例えば、二次電池２０にかかる負荷が、平日に小さく、且つ休日に大きい走行履歴である場合を例示する。この場合、Ｓ７で決定された新しい閾値が小さい値であるにも関わらず、平日にも新しい閾値を設定すると、二次電池２０の性能が十分に活用されない可能性がある。従って、ＣＰＵ２１は、小さい閾値を休日にのみ設定し、平日には大きい閾値を設定する。その結果、車両の走行履歴に応じて適切な閾値が設定される。

以上、具体的な実施形態を挙げて詳細な説明を行ったが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に記載した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。

１ 制御装置
１０ 電流計
１１ 温度センサ
２０ 二次電池
２１ ＣＰＵ
２２ 記憶装置

Claims (1)

1. 二次電池の劣化の度合いを示す評価値を算出し、算出した評価値が閾値を超える場合に、前記二次電池に供給する充電電流、および前記二次電池から放電させる放電電流の少なくともいずれかの許容値を制限する制御装置であって、
   前記制御装置の制御部は、
   少なくとも前記二次電池の温度の情報に基づいて、前記二次電池の容量劣化量を算出し、
   特定の期間内における、前記二次電池のＳＯＣの分布、前記二次電池を流れた電流の分布、前記二次電池の使用時間、および前記二次電池の使用回数の少なくともいずれかの情報を、前記二次電池の頻度情報として取得し、
   前記容量劣化量と前記頻度情報に基づいて、前記評価値を比較する前記閾値を設定することを特徴とする、二次電池の制御装置。
   
   

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