JP4488426B2 - 蓄電デバイスの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電デバイスの充電を適正に管理して劣化を防止する蓄電デバイスの制御装置に関する。

近年、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学キャパシタといった蓄電デバイスの小型軽量化・高エネルギー密度化が進み、携帯型の情報通信機器から電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として活発に利用されている。このような蓄電デバイスは、充放電の繰り返しに伴って劣化が進行し、特に、充電を適切に管理しないと劣化を促進してしまう。

このため、従来から、蓄電デバイスの充電を適切に管理し、劣化を防止する技術が種々提案されており、例えば、特許文献１には、要求電力が小さい場合の主電池の充電を防止して劣化を防止する技術が開示されている。

また、特許文献２には、二次電池に印加する端子電圧及び充電量の範囲を的確に制御することで、使用可能な電圧範囲を外れることによる二次電池の劣化を防止する技術が開示されている。
特開平５−１５３７０３号公報 特開２００３−３３８３２４号公報

しかしながら、電気化学反応を伴う蓄電デバイスでは、セル電圧に拘わらす、正極若しくは負極電位が副反応の起こらない電位範囲から逸脱すると、電極活物質自身の副反応によって劣化したり、電解液の分解に伴うガス発生によって劣化が生じる場合がある。

従って、特許文献１や特許文献２の技術のように、満充電付近での過充電を回避するのみでは、満充電以外の通常の充電状態においても、充電電流が大き過ぎることよる正極や負極の劣化を防止することは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止することのできる蓄電デバイスの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による蓄電デバイスの制御装置は、負極と正極との間で電気化学反応を伴う蓄電デバイスの制御装置であって、上記蓄電デバイスの残存容量を用いて算出した負極電位及び上記蓄電デバイスの温度を用いて算出した負極内部抵抗に基づいて算出した負極許容電流と、上記蓄電デバイスの残存容量を用いて算出した正極電位、上記蓄電デバイスの温度を用いて算出した正極内部抵抗、及び副反応が発生する上限電位に基づいて算出した正極許容電流とを比較し、小さい方を充電時の最大電流として算出する充電時最大電流算出手段と、上記最大電流に基づいて上記蓄電デバイスの充電を制御する充電制御手段とを備えたことを特徴とする。

負極許容電流を算出する際の負極内部抵抗は、蓄電デバイスの温度から求めた蓄電デバイスの内部抵抗及び負極内部抵抗比率に基づいて算出することができる。

また、正極許容電流を算出する際の正極内部抵抗は、蓄電デバイスの温度から求めた蓄電デバイスの内部抵抗及び負極内部抵抗比率に基づいて算出することができる。

最大電流に基づく充電制御は、蓄電デバイスの端子電圧と最大電流との積を最大充電電力として算出し、この最大充電電力を越えないように蓄電デバイスの充電電力を制限しても良く、蓄電デバイスの充電電流が最大電流を越えないようにフィードバック制御しても良い。更には、蓄電デバイスの内部抵抗と開放電圧と最大電流とから算出される最大端子電圧を越えないよう、蓄電デバイスの端子電圧をフィードバック制御しても良い。

本発明による蓄電デバイスの制御装置は、電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電を適正に管理し、副反応の発生を抑制して劣化を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の実施の形態に係わり、図１は充電時最大電流の算出アルゴリズムを示すブロック図、図２は充電制御のフローチャートである。

本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気化学反応を伴う蓄電デバイスの充電電流を適正に制御し、蓄電デバイスの劣化を防止するものであり、本形態においては、蓄電デバイスの負極電位及び正極電位が副反応の起こらない電位範囲を逸脱しないよう、負極電位が第１の基準電位以下に低下せず、且つ正極電位が第２の基準電位以上に上昇しないように充電量を制御することにより、劣化を防止する。

第１の基準電位は、負極と正極との電位を分離して検出する、いわゆる電気化学測定における参照極の電位であり、例えば、リチウムイオン電池等においては、金属Ｌｉを参照極として、負極電位及び正極電位を測定・評価することができる。一方、第２の基準電位は、副反応が発生する境界電位であり、正極電位が第２の基準電位以上に上昇すると、副反応が発生して劣化が促進されてしまう。

すなわち、電気化学反応を伴う蓄電デバイスでは、セル電圧に拘わらす、正極若しくは負極電位が副反応の起こらない電位範囲から逸脱すると、電極活物質自身の副反応によって劣化したり、電解液の分解に伴うガス発生によって劣化が生じる虞がある。例えば、リチウムイオン電池では、負極電位が０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ⁺参照電極）以下まで低下すると、負極表面に金属Ｌｉが析出してしまい、劣化が促進される（代表的には、デンドライト析出による劣化）。

充電時においては、負極電位は、負極の内部抵抗と電流との積の電圧分だけ降下するため、大きな充電電流が流れると、負極電位が０Ｖ以下になる可能性がある。同様に、正極においても、充電時には、正極の内部抵抗と電流との積の電圧分だけ、正極電位が上昇するため、大きな充電電流が流れると、正極電位が第２の基準電位を越え、劣化が促進される虞がある。

従って、負極電位の第１の基準電位（０Ｖとする）以下への低下、及び正極電位の第２の基準電位以上への上昇を回避するため、本形態においては、充電電流の最大値を算出し、この充電電流の最大値に基づいて充電を制御する。充電電流の最大値は、以下の（I），（II）を基本とする考え方に基づいて算出する。

（I）蓄電デバイスの内部抵抗、及び負極の内部抵抗比率（蓄電デバイス全体の内部抵抗に対して負極の内部抵抗が占める比率）は、共に蓄電デバイスの温度（セル温度）に依存する。

（II）無負荷時の正極電位及び負極電位は、蓄電デバイスの充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量に依存する。

上述の（I），（II）に基づいて充電電流の最大値を算出する充電時最大電流算出手段としての機能は、図１のブロック図に示す算出アルゴリズムによって実現される。この算出アルゴリズムは、具体的には、マイクロコンピュータによるソフトウエア処理を中心として実現され、セル温度ＴＢに基づいて蓄電デバイスの内部抵抗ＲＩを算出する内部抵抗算出部Ｍ１、セル温度ＴＢに基づいて蓄電デバイスの負極内部抵抗比率ＫＲＭを算出する負極内部抵抗比率算出部Ｍ２、蓄電デバイスの残存容量ＳＯＣに基づいて負極電位ＶＭを算出する負極電位算出部Ｍ３、蓄電デバイスの残存容量ＳＯＣに基づいて正極電位ＶＰを算出する正極電位算出部Ｍ４を主として、その他、乗算器Ｍ５，Ｍ６、除算器Ｍ７，Ｍ８、減算器Ｍ９，Ｍ１０、比較部Ｍ１１、反転器Ｍ１２を備えた機能構成により、充電電流の最大値が算出される。そして、充電制御手段としての充電制御部Ｍ１３において、充電電流の最大値に基づいて蓄電デバイスの充電が制御される。

内部抵抗算出部Ｍ１で算出された内部抵抗ＲＩ及び負極内部抵抗比率算出部Ｍ２で算出された負極内部抵抗比率ＫＲＭは乗算器Ｍ５で乗算され、その乗算値すなわち負極内部抵抗ＲＭが乗算器Ｍ５から出力される。乗算器Ｍ５からの負極内部抵抗ＲＭは、負極電位算出部Ｍ３からの負極電位ＶＭと共に除算器Ｍ７に入力される。除算器Ｍ７は、負極電位ＶＭを負極内部抵抗ＲＭで除算し、負極内部抵抗ＲＭに対応した電流値（ＶＭ／ＲＭ）を出力する。電流値（ＶＭ／ＲＭ）は、この電流値以上では、負極内部抵抗ＲＭとの積の電圧分によって負極電位が０Ｖ以下になる限界電流であり、負極の許容電流を規定する負極許容電流ＩＭＬＭＴ（ＩＭＬＭＴ＝ＶＭ／ＲＭ）として比較部Ｍ１１に出力される。

また、負極内部抵抗比率算出部Ｍ２からの負極内部抵抗比率ＫＲＭは、減算器Ｍ１０により「１」との差分が算出され、乗算器Ｍ６で内部抵抗算出部Ｍ１からの内部抵抗ＲＩと乗算されて出力される。この乗算器Ｍ６の出力は、正極内部抵抗ＲＰであり（ＲＰ＝ＲＩ×（１−ＫＲＭ））、正極電位算出部Ｍ４で算出された正極電位ＶＰと第２の基準電位ＶＨとを減算器Ｍ９によって差分した電位差（ＶＨ−ＶＰ）と共に、除算器Ｍ８に入力される。除算器Ｍ８は、電位差（ＶＨ−ＶＰ）を正極内部抵抗ＲＰで除算し、正極内部抵抗ＲＰに対応した電流値（ＶＨ−ＶＰ）／ＲＰを出力する。電流値（ＶＨ−ＶＰ）／ＲＰは、この電流値以上では、正極内部抵抗ＲＰとの積の電圧分によって正極電位が第２の基準電位ＶＨ以上になる限界電流であり、正極の許容電流を規定する正極許容電流ＩＰＬＭＴ（ＩＰＬＭＴ＝（ＶＨ−ＶＰ）／ＲＰ）として比較部Ｍ１１に出力される。

比較部Ｍ１１は、除算器Ｍ７からの負極許容電流ＩＭＬＭＴと除算器Ｍ８からの正極許容電流ＩＰＬＭＴとを比較し、小さい方を、充電時の最大電流として出力する。本形態においては、充電時の電流方向をマイナスとして比較部Ｍ１１の出力を反転器Ｍ１２を通して符号反転し、充電時の最大電流を最小電流ＩＭＩＮとして出力する。

以上の各機能部による充電制御の処理を、図２に示すフローチャートを併用して説明する。尚、ここでは、各ステップの処理を時系列的に説明するが、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ７は、並列処理されることが望ましい。

先ず、ステップＳ１において、内部抵抗算出部Ｍ１の処理として、セル温度ＴＢに基づいて蓄電デバイスの内部抵抗ＲＩを算出する。蓄電デバイスの内部抵抗ＲＩは、内部抵抗算出部Ｍ１が保有するテーブルを参照することによって求められ、図１の内部抵抗算出部Ｍ１に示すように、セル温度ＴＢが低くなる程、内部抵抗ＲＩの値が大きくなる。内部抵抗ＲＩのテーブルは、例えば、充放電試験における交流インピーダンス法や電圧値−電流値の直線回帰等によって内部抵抗を求め、セル温度ＴＢをパラメータとする内部抵抗ＲＩのテーブルを作成しておく。

また、ステップＳ２において、負極内部抵抗比率算出部Ｍ２の処理として、セル温度ＴＢに基づいて蓄電デバイスの負極内部抵抗比率ＫＲＭを算出する。負極内部抵抗比率ＫＲＭは、正極、セパレータ、負極、集電タブ等の機械的な構造に依存する内部抵抗と、電極活物質や電極面積等に依存する電気化学反応に依存する内部抵抗とを合わせた蓄電デバイス全体の内部抵抗に対する負極の内部抵抗の比率である。

この負極内部抵抗比率ＫＲＭは、負極の材質、形状（面積）、活物質の種類等を考慮し、参照電極を用いた実験やシミュレーション等によって予め求められ、セル温度ＴＢとの関係においてテーブルを作成しておく。そして、このテーブルをセル温度ＴＢをパラメータとして参照することにより、負極内部抵抗比率ＫＲＭを求める。図１の負極内部抵抗比率算出部Ｍ２に示すように、負極内部抵抗比率ＫＲＭは、セル温度ＴＢが低下するにつれて増加するが、セル温度ＴＢが低い低温状態では、電気化学反応の反応速度の低下に比較して負極内部抵抗はそれほど変化せず、略飽和状態となる特性を有している。

続くステップＳ３では、内部抵抗算出部Ｍ１の出力及び負極内部抵抗比率算出部Ｍ２の出力を乗算器Ｍ５に通し、以下の（１）式に示すように、内部抵抗ＲＩと負極内部抵抗比率ＫＲＭとを乗算して負極内部抵抗ＲＭを算出する。
ＲＭ＝ＲＩ×ＫＲＭ …（１）

また、ステップＳ４において、負極電位算出部Ｍ３の処理として、蓄電デバイスの残存容量ＳＯＣに基づいて負極電位ＶＭを算出する。この負極電位ＶＭは、参照電極を用いた実験或いはシミュレーション等により、蓄電デバイスの充電状態すなわち残存容量ＳＯＣと無負荷時の負極電位ＶＭとの関係を求めてテーブル化しておき、このテーブルを参照して求める。図１の負極電位算出部Ｍ３に示すように、負極電位ＶＭは、残存容量ＳＯＣが大きくなる程、すなわち、充電が進む程、参照電位との電位差が大きくなって、負極電位ＶＭが低下する。

次いで，ステップＳ５へ進み、除算器Ｍ７を用いて負極電位算出部Ｍ３の出力（負極電位ＶＭ）を乗算器Ｍ５の出力（負極内部抵抗ＲＭ）で除算し、以下の（２）式に示すように、負極許容電流ＩＭＬＭＴとして出力する。
ＩＭＬＭＴ＝ＶＭ／ＲＭ …（２）

また、ステップＳ６において、減算器Ｍ１０により、負極内部抵抗比率算出部Ｍ２の出力と「１」との差分（１−ＫＲＭ）を算出し、以下の（３）式に示すように、差分（１−ＫＲＭ）と内部抵抗算出部Ｍ１の出力とを乗算器Ｍ６で乗算して正極内部抵抗ＲＰを算出する。
ＲＰ＝ＲＩ×（１−ＫＲＭ） …（３）

更に、ステップＳ７において、正極電位算出部Ｍ４の処理として、蓄電デバイスの残存容量ＳＯＣに基づいて正極電位ＶＰを算出する。この正極電位ＶＰは、参照電極を用いた実験或いはシミュレーション等により、蓄電デバイスの充電状態すなわち残存容量ＳＯＣと無負荷時の正極電位ＶＰとの関係を求めてテーブル化しておき、このテーブルを参照して求める。図１の正極電位算出部Ｍ４に示すように、正極電位ＶＰは、残存容量ＳＯＣが大きくなる程、すなわち、充電が進む程、参照電位との電位差が大きくなって、正極電位ＶＰが上昇する。

尚、充電の進行に対する正極電位の変化は、負極電位の変化よりも大きく、一般的には、充電の進行と共に正極電位が上昇し、負極電位が僅かに低下する。放電時には、逆に、放電の進行と共に正極電位が低下し、負極電位が僅かに上昇する。

その後、ステップＳ８へ進み、減算器Ｍ９によって第２の基準電位ＶＨと正極電位ＶＰとの電位差（ＶＨ−ＶＰ）を算出し、除算器Ｍ８で、電位差（ＶＨ−ＶＰ）を乗算器Ｍ６の出力（正極内部抵抗ＲＰ）で除算することにより、以下の（４）式に示すように、正極許容電流ＩＰＬＭＴとして出力する。
ＩＰＬＭＴ＝（ＶＨ−ＶＰ）／ＲＰ …（４）

続くステップ９は、比較部Ｍ１１の処理であり、以下の（５），（６）式に示すように、負極許容電流ＩＭＬＭＴと正極許容電流ＩＰＬＭＴとを比較し、小さい方を充電時の最大電流として反転器Ｍ１２を通し、マイナス符号を付けた最小電流ＩＭＩＮとして出力する。
ＩＭＬＭＴ＜ＩＰＬＭＴのとき：ＩＭＩＮ＝−ＩＭＬＭＴ …（５）
ＩＭＬＭＴ≧ＩＰＬＭＴのとき：ＩＭＩＮ＝−ＩＰＬＭＴ …（６）

そして、ステップＳ１０において、充電制御部Ｍ１３の処理として、最小電流ＩＭＩＮに基づいて蓄電デバイスの充電量を制御する。例えば、エンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車（ＨＥＶ）やモータのみで走行する電気自動車（ＥＶ）においては、以下に示すような充電制御を行い、搭載する蓄電デバイス（電池或いはキャパシタ）の劣化を防止する。

以下の（ａ）〜（ｃ）は、ＨＥＶやＥＶにおける代表的な充電制御を示すものであり、その他、負荷電流と最小電流ＩＭＩＮとにより発電量を制御したり、回生時の電流が最小電流ＩＭＩＮ以下にならないように制御する。

（ａ）以下の（７）式に示すように最小電流ＩＭＩＮの絶対値と蓄電デバイスの端子電圧Ｖとの積を最大充電電力ＰＭＡＸとして算出し、この最大充電電力ＰＭＡＸを越えないように、ハイブリッドシステムの発電電力を制限する。
ＰＭＡＸ＝│ＩＭＩＮ│×Ｖ …（７）

（ｂ）充電時の電流ＩＢが最小電流ＩＭＩＮ以下にならないよう、充電時の電流ＩＢの状態に応じて充電電流をフィードバック制御する。
ＩＢ＜ＩＭＩＮのとき：ＩＢ＝ＩＭＩＮになるまで充電電流を減少させる
ＩＢ≧ＩＭＩＮのとき：特に制御無し（現在の電流ＩＢで充電）

（ｃ）最小電流ＩＭＩＮ、内部抵抗値ＲＩ、開放電圧ＶＯＣから以下の（８）式に示す最大端子電圧ＶＭＡＸを算出し、端子電圧Ｖの状態に応じて端子電圧Ｖが最大端子電圧ＶＭＡＸを越えないようにフィードバック制御する。
ＶＭＡＸ＝ＶＯＣ−ＩＭＩＮ×ＲＩ …（８）
Ｖ＜ＶＭＡＸのとき：特に制御無し（現在の充電量を維持）
Ｖ≧ＶＭＡＸのとき：Ｖ＝ＶＭＡＸになるまで充電量を減少させる

尚、蓄電デバイスの開放電圧ＶＯＣは、蓄電デバイスの内部抵抗ＲＩ、端子電圧Ｖ、電流Ｉを用いて推定しても良く、或いは、蓄電デバイスの電気化学的な関係に基づいて作成した開放電圧ＶＯＣと残存容量ＳＯＣとのテーブルを参照して求めても良い。

以上のように、本実施の形態においては、蓄電デバイスの正極電位及び負極電位に基づいて充電時の最大電流を算出し、この最大電流に基づいて充電を適正に制御するので、正極及び負極電位を、電極活物質や電解質の副反応が起こらない電位範囲内に維持することができ、劣化を防止することができる。

充電時最大電流の算出アルゴリズムを示すブロック図 充電制御のフローチャート

符号の説明

Ｍ１ 内部抵抗算出部（充電時最大電流算出手段）
Ｍ２ 負極内部抵抗比率算出部（充電時最大電流算出手段）
Ｍ３ 負極電位算出部（充電時最大電流算出手段）
Ｍ４ 正極電位算出部（充電時最大電流算出手段）
Ｍ１１ 比較部（充電時最大電流算出手段）
Ｍ１３ 充電制御部（充電制御手段）
ＶＭ 負極電位
ＲＭ 負極内部抵抗
ＩＭＬＭＴ 負極許容電流
ＶＰ 正極電位
ＲＰ 正極内部抵抗
ＩＰＬＭＴ 正極許容電流
ＩＭＩＮ 最小電流（充電時最大電流）
ＴＢ セル温度
ＳＯＣ 残存容量
ＲＩ 内部抵抗
ＫＲＭ 負極内部抵抗比率
ＰＭＡＸ 最大充電電力
Ｖ 端子電圧
ＶＯＣ 開放電圧
ＶＭＡＸ 最大端子電圧

Claims (6)

1. 負極と正極との間で電気化学反応を伴う蓄電デバイスの制御装置であって、
   上記蓄電デバイスの残存容量を用いて算出した負極電位及び上記蓄電デバイスの温度を用いて算出した負極内部抵抗に基づいて算出した負極許容電流と、上記蓄電デバイスの残存容量を用いて算出した正極電位、上記蓄電デバイスの温度を用いて算出した正極内部抵抗、及び副反応が発生する上限電位に基づいて算出した正極許容電流とを比較し、小さい方を充電時の最大電流として算出する充電時最大電流算出手段と、
   上記最大電流に基づいて上記蓄電デバイスの充電を制御する充電制御手段とを備えたことを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
2. 上記充電時最大電流算出手段は、
   上記負極内部抵抗を、上記蓄電デバイスの温度から求めた上記蓄電デバイスの内部抵抗及び負極内部抵抗比率に基づいて算出することを特徴とする請求項１記載の蓄電デバイスの制御装置。
3. 上記充電時最大電流算出手段は、
   上記正極内部抵抗を、上記蓄電デバイスの温度から求めた上記蓄電デバイスの内部抵抗及び負極内部抵抗比率に基づいて算出することを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電デバイスの制御装置。
4. 上記充電制御手段は、
   上記蓄電デバイスの端子電圧と上記最大電流との積を最大充電電力として算出し、この最大充電電力を越えないように上記蓄電デバイスの充電電力を制限することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の蓄電デバイスの制御装置。
5. 上記充電制御手段は、
   上記蓄電デバイスの充電電流を、上記最大電流を越えないようにフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の蓄電デバイスの制御装置。
6. 上記充電制御手段は、
   上記蓄電デバイスの内部抵抗と開放電圧と上記最大電流とから算出される最大端子電圧を越えないよう、上記蓄電デバイスの端子電圧をフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の蓄電デバイスの制御装置。

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