JP2021040355A - 蓄電素子の管理装置、蓄電装置、蓄電素子の入出力制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】拡散限界による充放電時の入出力低下が生じることを抑制しつつ、蓄電素子の性能を十分に使いきる。
【解決手段】本明細書によって開示される蓄電素子の管理装置は、蓄電素子１００を直列に接続した組電池２０の電圧を測定する電圧検出回路と、組電池２０の電流を検出する電流検出抵抗と、組電池２０の連続充電または連続放電による通電電気量などを算出するＣＰＵ３３とを備え、ＣＰＵ３３は、前記通電電気量を組電池２０の実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように組電池２０の充放電時の入出力を制御する構成とした。
【選択図】図１８
【解決手段】本明細書によって開示される蓄電素子の管理装置は、蓄電素子１００を直列に接続した組電池２０の電圧を測定する電圧検出回路と、組電池２０の電流を検出する電流検出抵抗と、組電池２０の連続充電または連続放電による通電電気量などを算出するＣＰＵ３３とを備え、ＣＰＵ３３は、前記通電電気量を組電池２０の実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように組電池２０の充放電時の入出力を制御する構成とした。
【選択図】図１８
Description
本発明は、蓄電素子の管理装置、蓄電装置、蓄電素子の入出力制御方法に関する。
リチウムイオン電池において、連続した充放電時間が一定時間を超えると、拡散限界という現象が生じることが従来知られている。そこで、特許文献１は、電池の内部抵抗の上昇幅が所定値を超えたことを検出すると電池の出力を制御して、拡散限界の発生を制御することを開示している。
これまで多くの場合、拡散限界が生じない範囲のみでリチウムイオン電池を使用してきた。しかしながら、拡散限界が生じる条件についての検討は十分でなく、言い換えれば、電池の性能を十分に使えていなかった。
そこで、充電状態（ＳＯＣ）、温度、抵抗から許容出力を逐次算出することで、電池の性能を十分に使う方法が検討されている。しかしながら、許容出力を逐次算出する場合であっても、拡散限界の影響により実力以上の許容出力が算出される可能性があるため、その改善が望まれていた。
蓄電素子の管理装置は、蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を算出する電気量算出部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記通電電気量を前記蓄電素子の実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように蓄電素子の充放電時の入出力を制御する。
上記構成によれば、拡散限界に伴う蓄電素子の抵抗増加による放電時の出力低下が生じることを抑制して、電池の性能を十分にうことができる。
（本実施形態の概要）
初めに、蓄電素子の管理装置、蓄電装置および蓄電素子の入出力制御方法の概要について説明する。
蓄電素子の管理装置は、蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を算出する電気量算出部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記通電電気量を前記蓄電素子の実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように蓄電素子の充放電時の入出力を制御する。
初めに、蓄電素子の管理装置、蓄電装置および蓄電素子の入出力制御方法の概要について説明する。
蓄電素子の管理装置は、蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を算出する電気量算出部と、制御部とを備え、前記制御部は、前記通電電気量を前記蓄電素子の実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように蓄電素子の充放電時の入出力を制御する。
蓄電装置は、蓄電素子と、前記管理装置とを備える。
蓄電素子の入出力制御方法は、蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように前記蓄電素子の充放電時の入出力を制御する。
ここで、実容量（available capacity）とは、蓄電素子が完全充電された状態から取り出し可能な容量である。通電電気量はＩ×Ｔ、つまり、電流と通電時間の積（積分値）である。ＳＯＣは、実容量に対する残存容量の比率である。
蓄電素子の入出力制御方法は、蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように前記蓄電素子の充放電時の入出力を制御する。
ここで、実容量（available capacity）とは、蓄電素子が完全充電された状態から取り出し可能な容量である。通電電気量はＩ×Ｔ、つまり、電流と通電時間の積（積分値）である。ＳＯＣは、実容量に対する残存容量の比率である。
本発明者らは、リチウムイオン電池の使用条件（特に、出力下限電圧）と拡散限界との関係を検討した。従来、電池の出力下限電圧は、十分に安全サイドにマージンを取って設定されることが多く、電池性能を使い切っていないことに本発明者らは着目した。本発明者らは、蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように蓄電素子の充放電時の入出力を制御することで、拡散限界を抑制できることを見出した。
ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えないように制御することで、拡散限界に伴う蓄電素子の抵抗増加による放電時の出力低下を抑制して、電池の性能を十分に使うことができる。
ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えないように制御することで、拡散限界に伴う蓄電素子の抵抗増加による放電時の出力低下を抑制して、電池の性能を十分に使うことができる。
前記制御部は、所定時間を越えて前記蓄電素子の連続充電または連続放電が行われる時に、前記ΔＳＯＣが前記上限ΔＳＯＣを越えないように前記蓄電素子の充放電時の入出力を制御してもよい。
前記制御部は、前記蓄電素子の連続充電または連続放電前の充電状態に基づいて前記上限ΔＳＯＣを決定してもよい。
前記制御部は、前記蓄電素子の連続充電または連続放電前の充電状態に基づいて前記上限ΔＳＯＣを決定してもよい。
本発明者らは、上限ΔＳＯＣが蓄電素子の連続充電または連続放電前の充電状態（ＳＯＣ）に依存性があることを見出した。蓄電素子の連続充電または連続放電前の充電状態（ＳＯＣ）に基づいて上限ΔＳＯＣを決定することで、蓄電素子の連続充電または連続放電前のＳＯＣに基づいて上限ΔＳＯＣを決定しない場合に比べて、拡散限界抑制の精度を向上させることができる。
前記制御部は、前記蓄電素子の連続充電または連続放電前の温度に基づいて前記上限ΔＳＯＣを決定してもよい。
本発明者らは、上限ΔＳＯＣが蓄電素子の連続充電または連続放電前の温度に依存性があることを見出した。蓄電装置の連続充電または連続放電前の温度に基づいて上限ΔＳＯＣを決定することで、温度に基づいて上限ΔＳＯＣを決定しない場合に比べて、拡散限界抑制の精度を向上させることができる。
蓄電装置は、前記蓄電素子の通電を遮断する電流遮断装置を備え、前記制御部は、前記ΔＳＯＣが前記上限ΔＳＯＣを超えた場合に前記電流遮断装置によって前記蓄電素子の通電を遮断してもよい。
ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えた場合に電流遮断装置によって蓄電素子の通電を遮断することで、蓄電素子に拡散限界が生じることを抑制できる。
蓄電装置は、前記蓄電素子の出力を抑制する出力制御装置を備え、前記制御部は、前記ΔＳＯＣが前記上限ΔＳＯＣよりも低く設定された出力抑制基準値を超えた場合に前記出力制御装置によって前記蓄電素子の出力を抑制してもよい。
上記構成によれば、上限ΔＳＯＣよりも低く設定された出力抑制基準値をΔＳＯＣが超えた場合に出力制御装置によって蓄電素子の出力を抑制できるため、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えて蓄電素子の通電が遮断されるまでの期間を長くすることができる。
（実施形態の詳細）
以下、本発明の実施形態について、図１から図２１を参照しつつ説明する。
蓄電装置は、例えば、電気自動車や、エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両に搭載される蓄電装置１０であって、車両に搭載される車両負荷Ｃ１へ電力を供給すると共に、車両側発電機（例えば、オルタネータ）Ｃ２により充電を受ける。
以下、本発明の実施形態について、図１から図２１を参照しつつ説明する。
蓄電装置は、例えば、電気自動車や、エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両に搭載される蓄電装置１０であって、車両に搭載される車両負荷Ｃ１へ電力を供給すると共に、車両側発電機（例えば、オルタネータ）Ｃ２により充電を受ける。
蓄電装置１０は、図１に示すように、複数の蓄電素子１００が直列に接続された組電池２０と、組電池２０を管理する電池管理装置（「電気量算出部」、「制御部」の一例であって、以下、「ＢＭＵ」という）３０と、電流検出部（「測定部」の一例）４１と、温度測定部（「測定部」の一例）４２と、出力制御回路（「出力制御手段」の一例）４３と、電流遮断装置４４と、外部端子１１と、を備えて構成されている。組電池２０は、複数の蓄電素子１００が直列および並列に接続されたものでもよい。
蓄電装置１０は、エンジン始動装置や補機への電源供給を行う１２Ｖ電源であってもよい。蓄電装置１０は、車両駆動アシストや補機への電源供給を行う４８Ｖ電源であってもよい。
蓄電装置１０は、エンジン始動装置や補機への電源供給を行う１２Ｖ電源であってもよい。蓄電装置１０は、車両駆動アシストや補機への電源供給を行う４８Ｖ電源であってもよい。
本実施形態における蓄電素子１００は、非水電解質二次電池であって、具体的にはリチウムイオン電池である。蓄電素子１００はリチウムイオン電池に限定されない。蓄電素子１００は、リチウムイオン電池と同様の一過性の出力低下を生じる、リチウムイオン電池以外の電池や、キャパシターでもよい。
蓄電素子１００は、図２から図４に示すように、正極１２３及び負極１２４を含む電極体１０２と、電極体１０２を収容するケース１０３と、ケース１０３の外側に配置される外部端子１０４と、を備える。蓄電素子１００は、電極体１０２と外部端子１０４とを導通させる集電体１０５を有する。
電極体１０２は、巻芯１２１と、互いに絶縁された状態で巻芯１２１の周囲に巻回された正極１２３と負極１２４と、を備える。巻芯は、もうけられなくてもよい。電極体１０２においてリチウムイオンが正極１２３と負極１２４との間を移動することにより、蓄電素子１００が充放電される。
正極１２３は、金属箔と、金属箔の上に形成された正極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。金属箔は、例えばアルミニウム箔である。
正極活物質として、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２など、Ｌｉ１＋ｘＭ１−ｙＯ２（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素、０≦ｘ＜１／３、０≦ｙ＜１／３）等の層状構造のリチウム遷移金属酸化物等を用いるのが好ましい。当該正極活物質として、ＬｉＭｎ２Ｏ４やＬｉＭｎ１．５Ｎｉ０．５Ｏ４等のスピネル型リチウムマンガン酸化物や、ＬｉＦｅＰＯ４等のオリビン型正極活物質等と、上記層状構造のリチウム遷移金属酸化物とを混合して用いてもよい。正極活物質は、これらに限定はされない。
負極１２４は、金属箔と、金属箔の上に形成された負極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。金属箔は、例えば銅箔である。
本実施形態における負極活物質は、炭素材である。具体的に、負極活物質は、黒鉛、易黒鉛化カーボン、難黒鉛化カーボン等の何れか一つであってもよい。
以上のように構成される正極１２３と負極１２４とがセパレータ１２５によって絶縁された状態で巻回される。即ち、本実施形態の電極体１０２では、正極１２３、負極１２４、及びセパレータ１２５が積層された状態で巻回される。セパレータ１２５は、絶縁性を有する部材である。セパレータ１２５は、正極１２３と負極１２４との間に配置され、これにより、電極体１０２において、正極１２３と負極１２４とが互いに絶縁される。セパレータ１２５は、ケース１０３内において電解液を保持し、これにより蓄電素子１００の充放電時に、リチウムイオンが、セパレータ１２５を挟んで交互に積層される正極１２３と負極１２４との間を移動する。
電極体１０２は、巻回タイプのものに限られない。電極体１０２は、板状の正極と、セパレータと、板状の負極とが積層されたスタックタイプのものでもよい。
ケース１０３は、開口を有するケース本体１３１と、ケース本体１３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板１３２と、を有する。ケース１０３は、ケース本体１３１の開口周縁部１３６と、蓋板１３２の周縁部とを重ね合わせた状態で接合することによって形成される。ケース１０３は、ケース本体１３１と蓋板１３２とによって画定される内部空間を有する。ケース１０３は、電極体１０２及び集電体１０５等と共に、電解液を内部空間に収容する。
ケース本体１３１は、矩形板状の閉塞部１３４と、閉塞部１３４の周縁に接続される角筒形状の胴部１３５とを備える。ケース本体１３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有している。
蓋板１３２は、ケース本体１３１の開口を塞ぐ板状の部材である。具体的に、蓋板１３２は、ケース本体１３１の開口周縁部１３６に対応した輪郭形状を有する。即ち、蓋板１３２は、矩形状の板材である。蓋板１３２は、ケース本体１３１の開口を塞ぐように、蓋板１３２の周縁部がケース本体１３１の開口周縁部１３６に重ねられる。以下、図２に示すように、蓋板１３２の長辺方向を直交座標におけるＸ軸方向とし、蓋板１３２の短辺方向を直交座標におけるＹ軸方向とし、蓋板１３２の法線方向を直交座標におけるＺ軸方向とする。電極体や集電体を収納する外装体は、プリズマティックケース１０３には限定されず、例えば、金属層と樹脂層とを含むパウチ（ラミネート外装体）でもよい。
外部端子１０４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。外部端子１０４は、導電性を有する部材によって形成される。例えば、外部端子１０４は、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料、銅又は銅合金等の銅系金属材料等の溶接性の高い金属材料によって形成される。
集電体１０５は、ケース１０３内に配置され、電極体１０２と通電可能に直接的又は間接的に接続される。集電体１０５は、導電性を有する部材によって形成され、ケース１０３の内面に沿って配置される。集電体１０５はもうけられなくてもよい。電極体１０２が、外部端子１０４に直接接続されてもよい。
蓄電素子１００は、電極体１０２とケース１０３とを絶縁する絶縁部材１０６を備える。本実施形態の絶縁部材１０６は、袋状である。絶縁部材１０６は、ケース１０３（詳しくはケース本体１３１）と電極体１０２との間に配置される。本実施形態の絶縁部材１０６は、例えば、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等の樹脂によって形成される。本実施形態の蓄電素子１００では、袋状の絶縁部材１０６に収容された状態の電極体１０２（電極体１０２及び集電体１０５）がケース１０３内に収容される。絶縁部材１０６はもうけられなくてもよい。
各蓄電素子１００の外部端子１０４を、例えばバスバーなどによって直列に接続することで組電池２０を構成する。
各蓄電素子１００の外部端子１０４を、例えばバスバーなどによって直列に接続することで組電池２０を構成する。
電流検出部４１は、電流検出抵抗（例えばシャント抵抗）でもよい。電流検出抵抗の両端間の電位差を検出することで、組電池２０に流れる電流を検出することが出来る。温度測定部４２は接触式あるいは非接触式とされており、組電池２０の温度［℃］を測定する。温度測定部４２は、組電池２０の近傍の温度を測定するものでもよいし、特定の一つの蓄電素子または複数の蓄電素子それぞれの温度を測定するものでもよい。電流検出部４１と温度測定部４２は、図１に示すように、ＢＭＵ３０に接続されており、電流検出部４１の検出値や温度測定部４２の検出値は、ＢＭＵ３０に取り込まれる。
出力制御回路４３は、ＢＭＵ３０からの指令に応答し、組電池２０の出力電流もしくは出力電圧を制御する。
電流遮断装置４４は、例えば、ＦＥＴ等の半導体スイッチやリレーであり、ＢＭＵ３０からの指令に応答して駆動し、組電池２０と車両負荷Ｃ１および車両側発電機Ｃ２との間の電流を遮断する。
ＢＭＵ３０は、図１に示すように、電圧検出回路（「測定部」の一例）３１と、中央処理装置であるＣＰＵ（「制御部」の一例）３３と、メモリ３４とを備えて構成されており、ＢＭＵ３０は、組電池２０から電力の供給を受けることで駆動する。
電圧検出回路３１は、電圧検出線を介して、各蓄電素子１００の両端にそれぞれ接続されており、ＣＰＵ３３からの指示に応答して、各蓄電素子１００のセル電圧及び組電池２０の電池電圧（複数の蓄電素子１００の総電圧）を測定する。電圧検出回路３１は、組電池２０の総電圧のみを測定するものであってもよい。
メモリ３４は、例えばフラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリとされている。メモリ３４には、各蓄電素子１００または組電池２０を管理する各種プログラム、各種プログラムの実行に必要なデータ、例えば、組電池２０のＯＣＶ−ＳＯＣ相関関係や組電池２０の初期の実容量などが記憶されている。
ＣＰＵ３３は、受信した各種の信号から組電池２０の電圧、電流、温度などを検出すると共に、メモリ３４から読み出したプログラムに基づいて、各部の監視および制御を行う。ＣＰＵ３３は、ＯＣＶ−ＳＯＣ相関関係に基づいて、電圧からＳＯＣを算出し、ＳＯＣの変化量に基づいて通電電気量を算出する。電圧と電流との間には、図５および図６に示すように、直線的な相関関係があり、ＣＰＵ３３は、その傾きから組電池２０の内部抵抗Ｒや許容出力を求めることができる。
具体的には、放電時において下限電圧に到達する場合、図５に示すように、電圧と電流との相関関係において下限電圧における推定電流を参照し、下限電圧と推定電流とを乗算することで、そのときの許容出力を算出する。充電時において、上限電流に到達する場合、図６に示すように、電圧と電流との相関関係において上限電流における推定電圧を参照し、上限電流と推定電圧とを乗算することで、そのときの許容入力を算出する。
ＣＰＵ３３は、この内部抵抗と下限電圧、内部抵抗と上限電流をもとに推定電流、推定電圧を求めることで、組電池２０における充放電時の最大許容入出力を推定することができ、この最大許容出力に応じて出力制御回路４３に対して指令を出力する。
組電池２０において、連続した充放電が一定時間を超えると、各蓄電素子１００において拡散限界という現象が生じる。拡散限界が生じない範囲のみで組電池２０を使用する方法があるものの、そのような場合、組電池２０における出力の下限値を高く設定するため組電池２０の性能を十分に使うことができない。
そこで、充電状態（ＳＯＣ）、温度、内部抵抗などから、図７に示すように、組電池２０の許容出力（電圧と電流との関係）を逐次算出することで、組電池２０の性能を十分に使う方法が考えられる。図７に示すグラフにおいて、Ｙ軸は電圧（ＣＣＶ）を表しており、Ｘ軸は電流を表している。
拡散限界が生じた場合には、図７の実線Ｒ１に示すように、組電池２０の出力が急激に低下する。図７の二点鎖線Ｒ２に示すように、組電池２０の実力以上の許容出力が算出される場合、充放電システムの挙動が不安定となる。
本発明者らは、組電池２０に対して連続充電または連続放電を行うことにより拡散限界が生じた時の電圧値および電流値に基づいてΔＳＯＣの上限値（以下、「上限ΔＳＯＣ」という）を予め決定しておき、組電池２０の使用時における電圧値および電流値に基づいて決定されるΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えないように制御することで、組電池２０が拡散限界に至ることを回避できることを見出した。ここで、連続充電および連続放電とは、連続して充電が継続される、もしくは連続して放電が継続されることをいい、例えば、放電が途中で充電に切り替わった場合や放電が一次停止されて再度放電が開始された場合は、連続放電からは除外される。
例えば、ＳＯＣが１５％、温度０℃の組電池２０を複数の条件で連続放電させて、図８および図９に示すような組電池の複数の所定電流における電圧挙動を測定する。図８に示すグラフは、Ｙ軸が組電池２０の電流［Ａ］、Ｘ軸が経過時間［ｓｅｃ］を表しており、図９に示すグラフは、図８に対応したグラフであって、Ｙ軸が組電池２０の電圧［Ｖ］、Ｘ軸が経過時間［ｓｅｃ］を表している。
図８および図９に示す電圧/電流挙動のグラフの、連続放電を開始してから所定時間ｔ０経過時における電流値Ｉ１，Ｉ２・・・Ｉｎおよび各電圧Ｖ１，Ｖ２・・・Ｖｎをもとに、図１０に示すような電圧−電流の関係（組電池の出力）を求め、各条件に対応する内部抵抗Ｒ１，Ｒ２・・・Ｒｎを求めることができる。図１０に示すグラフにおいて、Ｙ軸が電圧［Ｖ］、Ｘ軸が電流［Ａ］を表している。
図１０に示すように、蓄電素子の内部抵抗Ｒは、特定の条件ＲＰを境にその後急激に大きくなり（蓄電素子１００内において拡散限界が生じ）、放電時における出力が急激に低下する。
放電中の通電電気量を電流積算法により求め、この通電電気量を組電池２０の実容量で除してΔＳＯＣ（通電電気量／実容量）を算出することで、図１１に示すようなΔＳＯＣと電圧との関係を得ることができる。実容量とは、組電池が完全充電された状態から取り出し可能な容量である。図１１のグラフにおいて、Ｙ軸がΔＳＯＣ［％］、Ｘ軸が電圧［Ｖ］を表している。
ΔＳＯＣと電流との関係に、電圧−電流の関係から得られた拡散限界の結果を照らし合わせることで、図１１に示すように、拡散限界が生じるΔＳＯＣの上限値である上限ΔＳＯＣを決定することができる。
具体的には、図１１に示すΔＳＯＣと電流との関係に、拡散限界となった場合における図１０の各電圧を照らし合わせることで、図１１における上限ΔＳＯＣを決定することができる。
組電池２０を連続して放電する際に、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えないようにすることで、組電池２０において拡散限界が生じることを抑制することができる。
また、本発明者らは、上限ΔＳＯＣが、連続放電や連続充電する前のＳＯＣであるＳＯＣ初期値や、連続放電や連続充電する前の蓄電素子の温度にそれぞれ依存性があることを見出した。
例えば、ＳＯＣが４５％、温度−３０℃の組電池２０を連続放電させて（図１２および図１３参照）、その時の電圧−電流の関係（図１４参照）およびΔＳＯＣと電流との関係(図１５)を求める。本発明者らは、複数のＳＯＣ初期値における上限ΔＳＯＣを求めることで、図１６に示すように、Ｘ軸をＳＯＣ［％］、Ｙ軸を上限ΔＳＯＣ［％］としたＳＯＣ初期値と上限ΔＳＯＣとの関係において、ＳＯＣ初期値が増加すると上限ΔＳＯＣも上昇する傾向があることを見出した。本発明者らは、組電池２０の温度に関しても、ＳＯＣ初期値と同様に、温度の増加と共に上限ΔＳＯＣが上昇する傾向があることを見出した。組電池２０の温度毎のＳＯＣ初期値と上限ΔＳＯＣの相関性を示すデータ（図１６のグラフ）をメモリ３４に記憶しておいてもよい。
本発明者らは、蓄電素子における極板の厚みや極板およびセパレータの空孔率を変更した異種の組電池（組電池Ａおよび組電池Ｂ）においても、図１７に示すように、ＳＯＣ初期値が増加すると上限ΔＳＯＣも上昇する傾向があることを見出した。
連続充電における組電池２０の上限ΔＳＯＣについては、放電の場合と同様の方法で求めることができるため、説明を省略する。
図１４および図１５に示す四角ドットは、丸ドットと同種の組電池の結果、三角ドットは、丸ドットと同種の組電池を一定期間（数百日以上）放置して経年劣化した時の結果であり、このときの上限ΔＳＯＣは、組電池２０の劣化前と劣化後のいずれの場合も同様の傾向でとなっている。つまり、同種の組電池の場合、いずれかの組電池における上限ΔＳＯＣを適用することで、組電池２０において拡散限界が生じることを抑制することができる。経年劣化した組電池の上限ΔＳＯＣを求める際の実容量は、例えば、実使用の累計時間や組電池の充放電回数に基づいて容量が低下していく法則（ルート側）により求めることができる。
本実施形態では、組電池２０において拡散限界が生じることを回避するために、ＣＰＵ３３が、図１８に示すように組電池２０の充放電時に入出力制御を行う。
入出力制御処理では、例えば、定期的に電圧検出回路３１に指令を与えることで、組電池２０の開放電圧（ＯＣＶ）検出しており、車両のイグニッションがオンされて組電池２０から車両側負荷への電力供給が開始されることで、直前の開放電圧（ＯＣＶ）を求める。そして、検出されたＯＣＶをもとにメモリ３４に記憶されたＯＣＶ−ＳＯＣ対応関係からＳＯＣ初期値を求める（Ｓ１１）。また、ＣＰＵ３３は、温度測定部４２からの信号によりイグニッションがオンされた時の組電池２０の初期温度を検出する（Ｓ１２）。
次に、ＣＰＵ３３は、組電池２０に対する充放電による通電の開始後に、ＣＰＵ３３が電流検出部４１からの出力により電流値を算出すると共に、電圧検出回路３３からの組電池２０の閉路電圧（ＣＣＶ）を検出し、通電開始後の組電池２０のＳＯＣを算出する（Ｓ１３）。ＳＯＣは、組電池２０の実容量に対する残存容量の比率である。ＳＯＣは、電流値から電流積算法により求めてもいいし、閉路電圧からＣＣＶ−ＳＯＣの相関性を利用して求めてもよい。
そして、ＳＯＣが算出されたところで、ＣＰＵ３３は、ＳＯＣとＳＯＣ初期値とに基づいて通電電気量を算出し、通電電気量をメモリ３４に記憶された実容量で除することでΔＳＯＣを算出する（Ｓ１４）。通電電気量は、通電開始後に計測された電流の積算値により、算出してもよい。
次に、ＣＰＵ３３は、ΔＳＯＣを算出する際の通電が、連続充電もしくは連続放電によるものであったか、電流検出部４１からの信号を基に判定し（Ｓ１５）、連続充電もしくは連続放電ではなかった場合（Ｓ１５：ＮＯ）、拡散限界に至る虞がないものとして、Ｓ１１に戻る。
一方、ＳＯＣ初期値からＳＯＣが算出されたまでの間の通電が、連続充電もしくは連続放電であった場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３３は、ＳＯＣ初期値及び組電池２０の初期温度の条件と一致する上限ΔＳＯＣを決定する（Ｓ１６）。上限ＳＯＣは、ＳＯＣ初期値又は組電池２０の初期温度のうち、いずれか一方の条件のみから決定してもよい。
次に、ＣＰＵ３３は、Ｓ１６によって決定された上限ΔＳＯＣとΔＳＯＣとを比較し（Ｓ１７）、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣよりも小さい場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、拡散限界を生じさせずに連続通電を継続できるものとして、Ｓ１２に戻る。
一方、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣよりも小さくない場合（Ｓ１６：ＮＯ）、電流遮断装置４４に指令を与え、電流遮断装置４４による通電の遮断を行うことで、組電池２０と車両側発電機Ｃ２および車両負荷Ｃ１との間の連続通電を停止する（Ｓ１８）。
以上のように、本実施形態の蓄電装置１０によると、組電池２０において拡散限界が生じる出力限界まで組電池２０を使用できるものの、拡散限界に至る直前で組電池２０から車両負荷Ｃ１への連続放電を遮断して、組電池２０における拡散限界を防ぐことができるから、組電池２０の出力の急激な低下を抑制することができる。
本実施形態によると、ＣＰＵ３３が、組電池２０の連続充電または連続放電前のＳＯＣや温度に応じて上限ΔＳＯＣを決定するため、組電池２０における拡散限界抑制の精度を高めることができる。
＜実施形態２＞
次に、実施形態２について図１９を参照して説明する。
＜実施形態２＞
次に、実施形態２について図１９を参照して説明する。
実施形態２の入出力制御処理は、実施形態１と異なり、上限ΔＳＯＣとΔＳＯＣとを比較する前に充放電時の出力抑制を行って、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣに到達することを延命するものである。実施形態１と共通する構成、作用、および効果については重複するためその説明を省略し、実施形態１と同じ構成については同一の符号を用いるものとする。
実施形態２の出力制御処理は、まず、ＣＰＵ３３が、電圧検出回路３１に指令を与えることで、車両のイグニッションがオンされる直前の組電池２０に流れる開放電圧（ＯＣＶ）検出し、検出されたＯＣＶに基づいてメモリ３４に記憶されたＯＣＶ−ＳＯＣ対応関係からＳＯＣ初期値を求める（Ｓ１１１）。ＣＰＵ３３は、温度測定部４２からの信号によりイグニッションがオン時の組電池２０の初期温度を検出する（Ｓ１１２）。
次に、ＣＰＵ３３は、組電池２０に対する充放電による通電の開始後に、ＣＰＵ３３が電流検出部４１からの出力により電流値を算出すると共に、電圧検出回路３１による閉路電圧（ＣＣＶ）を検出し、通電開始後のＳＯＣを算出する（Ｓ１１３）。
ＳＯＣが算出されたところで、ＳＯＣとＳＯＣ初期値とに基づいて通電電気量を算出し、通電電気量をメモリ３４に記憶された実容量で除することでΔＳＯＣを算出する（Ｓ１１４）。
次に、ＣＰＵ３３は、ΔＳＯＣを算出する際の通電が、連続充電もしくは連続放電であったか判定し（Ｓ１１５）、連続充電もしくは連続放電ではなかった場合（Ｓ１１５：ＮＯ）、拡散限界に至る虞がないものとして、Ｓ１１１に戻る。
一方、ＳＯＣ初期値からＳＯＣが算出されたまでの間の通電が、連続充電もしくは連続放電であった場合（Ｓ１１５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３３は、ΔＳＯＣと出力抑制閾値とを比較する（Ｓ１１６）。ここで、出力抑制閾値とは、車両負荷Ｃ１などの消費電力に応じて上限ΔＳＯＣよりも小さい値に決定され、例えば、本実施形態における出力抑制閾値は、上限ΔＳＯＣの９０％の値とされている。
そして、ΔＳＯＣが出力抑制閾値よりも小さい場合（Ｓ１１６：ＹＥＳ）、拡散限界が生じる虞がなく連続通電を継続できるものとして、Ｓ１１１に戻る。
一方、ΔＳＯＣが出力抑制閾値よりも小さくない場合（Ｓ１１６：ＮＯ）、出力制御回路４３に指令を与え、組電池２０の出力電流もしくは出力電圧を制御する（Ｓ１１７）。
次に、ＣＰＵ３３は、ＳＯＣ初期値および組電池２０の初期温度の条件と一致する上限ΔＳＯＣを決定（Ｓ１１８）する。上限ＳＯＣは、ＳＯＣ初期値又は組電池２０の初期温度のうち、いずれか一方の条件のみから決定してもよい。
ＣＰＵ３３は、ΔＳＯＣと上限ΔＳＯＣとを比較する（Ｓ１１９）。そして、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣよりも小さい場合（Ｓ１１９：ＹＥＳ）、出力制御回路４３よる出力制限は継続されているものの、連続通電を継続できるものとして、Ｓ１１３に戻る。
ＣＰＵ３３は、ΔＳＯＣと上限ΔＳＯＣとを比較する（Ｓ１１９）。そして、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣよりも小さい場合（Ｓ１１９：ＹＥＳ）、出力制御回路４３よる出力制限は継続されているものの、連続通電を継続できるものとして、Ｓ１１３に戻る。
一方、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣよりも小さくない場合（Ｓ１１９：ＮＯ）、電流遮断装置４４に指令を与え、電流遮断装置４４による通電の遮断より、組電池２０と車両側発電機Ｃ２および車両負荷Ｃ１との間の連続通電を停止する（Ｓ１２０）。
すなわち、本実施形態によると、ΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣよりも低く設定された出力抑制基準値を超えた場合、組電池２０の充放電時の出力を抑制することができるから、ΔＳＯＣが上限ΔＳＯＣを超えて組電池２０の通電が遮断されるまでの期間を長くすることができ、蓄電装置１０において充放電可能な期間を長くすることができる。
＜他の実施形態＞
本明細書で開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。例えば、ある実施形態の構成に多の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。
本明細書で開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。例えば、ある実施形態の構成に多の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。
（１）上記実施形態では、電気自動車やハイブリッド車両に搭載される蓄電装置１０を説明したが、これに限らず、二輪車や他の機械や装置などにおける蓄電装置として構成されてもよい。
（２）上記実施形態では、ＳＯＣ初期値などのＳＯＣを、ＯＣＶ−ＳＯＣ対応関係から求める構成にした。しかしながら、これに限らず、充放電開始時からの電流積算によりＳＯＣを求める構成にしてもよい。
（３）上記実施形態では、蓄電素子１００または組電池２０を収納する容器の中に、管理装置３０が配置されるが、本発明はこの例に限定されない。管理装置３０または管理装置３０の一部（例えばＣＰＵ３３やメモリ３４）は、蓄電素子１００（組電池２０）とは離れた場所に配置されてもよい。例えば、車両に備えられた制御部が、蓄電素子の電池制御装置としての機能を果たしてもよい。
上記実施形態では、上限ΔＳＯＣを、連続放電や連続充電する前のＳＯＣであるＳＯＣ初期値や、連続放電や連続充電する前の蓄電素子の温度に応じて決定したが、これに限らず、連続通電時間ｔ０に応じて上限ΔＳＯＣを決定してもよい。
１０：蓄電装置
３０：電池管理装置
３１：電圧検出回路（「測定部」の一例）
３３：ＣＰＵ（「電気量算出部」、「制御部」の一例）
４１：電流検出部（「測定部」の一例）
４２：温度測定部（「測定部」の一例）
４３：出力制御回路（「出力制御手段」の一例）
４４：電流遮断装置
１００：蓄電素子
３０：電池管理装置
３１：電圧検出回路（「測定部」の一例）
３３：ＣＰＵ（「電気量算出部」、「制御部」の一例）
４１：電流検出部（「測定部」の一例）
４２：温度測定部（「測定部」の一例）
４３：出力制御回路（「出力制御手段」の一例）
４４：電流遮断装置
１００：蓄電素子
Claims (8)
- 蓄電素子の連続充電または連続放電による通電電気量を算出する電気量算出部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、前記通電電気量を前記蓄電素子の実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように蓄電素子の充放電時の入出力を制御する蓄電素子の管理装置。 - 前記制御部は、所定時間を越えて前記蓄電素子の連続充電または連続放電が行われる時に、前記ΔＳＯＣが前記上限ΔＳＯＣを越えないように前記蓄電素子の充放電時の入出力を制御する請求項１に記載の蓄電素子の管理装置。
- 前記制御部は、前記蓄電素子の連続充電または連続放電前の充電状態に基づいて前記上限ΔＳＯＣを決定する請求項１または請求項２に記載の蓄電素子の管理装置。
- 前記制御部は、前記蓄電素子の連続充電または連続放電前の温度に基づいて前記上限ΔＳＯＣを決定する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の蓄電素子の管理装置。
- 蓄電素子と、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の蓄電素子の管理装置とを備える蓄電装置。 - 前記蓄電素子の通電を遮断する電流遮断装置を備え、
前記制御部は、前記ΔＳＯＣが前記上限ΔＳＯＣを超えた場合に前記電流遮断装置によって前記蓄電素子の通電を遮断制御する請求項５に記載の蓄電装置。 - 前記蓄電素子の出力を抑制する出力制御手段を備え、
前記制御部は、前記ΔＳＯＣが前記上限ΔＳＯＣよりも低く設定された出力抑制閾値を超えた場合に前記出力制御手段によって前記蓄電素子の出力を抑制制御する請求項６に記載の蓄電装置。 - 蓄電素子の入出力制御方法であって、
蓄電素子の充放電による通電電気量を実容量で除した値であるΔＳＯＣが、上限ΔＳＯＣを超えないように前記蓄電素子の充放電時の入出力を制御する蓄電素子の入出力制御方法。
Priority Applications (5)
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