JP6245480B2 - リチウムイオン二次電池の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の制御装置に関する。

本明細書において「二次電池」は、繰り返し充電可能な電池一般を意味する。ここで、制御装置の制御対象としての「リチウムイオン二次電池」は、単電池だけでなく、複数の電池要素が接続された「組電池」も含まれうる。また、「組電池」に組み込まれたリチウムイオン二次電池は、ここでは適宜に「電池要素」と称する。

例えば、特開２０１１−１８９７６８号公報には、電池の劣化を抑制する方法として、充電状態が高い場合には充電電流を絞ること、および、充電状態が低い場合には放電電流を絞ることが開示されている。また、電圧、電流、温度の情報をもとに電池の充電状態と劣化状態とを算出し、サイクル試験などによって予め想定された想定劣化と、実際の劣化との差との比較に応じて、充電電流の制限値や放電電流の制限値を変更することなどが提案されている。

特開２０１３−１０６４８１号公報には、抵抗値の上昇や低下により算出した劣化状態に応じて、目標ＳＯＣを設定し、充放電制御を行うことが開示されている。

特開２００９−１２３４３５号公報には、放電によるイオン濃度の偏りに応じて劣化量を算出し、放電電力を制限することが開示されている。

特開２０１１−１８９７６８号公報 特開２０１３−１０６４８１号公報 特開２００９−１２３４３５号公報

ところで、リチウムイオン二次電池は、例えば、低ＳＯＣで充電電流値が制限され、かつ、出力も制限されるような場合には、リチウムイオン二次電池が低ＳＯＣの状態に長期間維持され、長期間出力が制限される状態になる。また、高ＳＯＣで放電電流値が制限されるような場合には、リチウムイオン二次電池が高ＳＯＣの状態に長期間維持され、出力が制限される状態となる。このように電池の出力が長期間制限される場合には、例えば、ハイブリット車では、エンジンの使用頻度が高くなるため、燃費を低減させる機能が低下することになる。

ここで提案される制御装置は、ＳＯＣ検知部と、使用域設定部と、第１記録部と、第１処理部とを備えている。ＳＯＣ検知部は、制御対象となるリチウムイオン二次電池のＳＯＣを検知する。ここで、ＳＯＣは、State of chargeの略であり、電池容量に対する充電状態を示す値であり、電池容量に対して充電されている電気量の割合である。使用域設定部は、ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池の使用域を設定する。第１記録部は、リチウムイオン二次電池の充電履歴と放電履歴とを記録する。第１処理部は、第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の下限ＳＯＣを高くする。かかる制御によって、リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、リチウムイオン二次電池の使用域の下限ＳＯＣが高くなるので、リチウムイオン二次電池が低ＳＯＣで充電過多の状態に長期間留まるのを防止できる。

制御装置は、第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、放電電流を予め定められた電流値よりも低く制限する放電制限処理部を備えていてもよい。放電制限処理部による制限は、リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも高くなった場合に停止され、または、緩和されてもよい。

制御装置は、第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも低い場合に、予め定められた電流値よりも低い電流値で充電する高ＳＯＣ化処理部を備えていてもよい。

第１処理部は、使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の上限ＳＯＣを低くしてもよい。ここで、上限ＳＯＣは、第１処理部の処理によって高く設定された後の下限ＳＯＣよりも高く設定されるものとする。

使用域設定部は、ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池の使用域の中心域を設定する処理を含んでいてもよい。この場合、第１処理部は、使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の中心域を高くするとよい。

また、リチウムイオン二次電池の制御装置は、第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池が放電過多である場合に、使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の上限ＳＯＣを低くする第２処理部を備えていてもよい。かかる制御によって、放電過多である場合に、リチウムイオン二次電池の使用域の上限が低くなり、リチウムイオン二次電池が高ＳＯＣで放電過多の状態に長期間留まるのを防止できる。

制御装置は、第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池が放電過多である場合に、充電電流を予め定められた電流値よりも低く制限する充電制限処理部を備えていてもよい。充電制限処理部のよる制限は、リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも低くなった場合に停止され、または、緩和されてもよい。

制御装置は、第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池が放電過多である場合に、リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも高い場合に、予め定められた電流値よりも低い電流値で放電する低ＳＯＣ化処理部を備えていてもよい。

第２処理部は、使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の下限ＳＯＣを高くする。ここで、下限ＳＯＣは、第２処理部の処理によって低く設定された後の上限ＳＯＣよりも低く設定されるものとする。

使用域設定部は、ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池の使用域の中心域を設定する処理を含んでいてもよい。この場合、第２処理部は、使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の中心域を低くするとよい。

制御装置は、リチウムイオン二次電池のハイレート劣化量を検出する劣化量検出部を備え、劣化量検出部で検出されたハイレート劣化量が予め定められた第１基準値よりも高い場合に、第１処理部または第２処理部による処理が実行されてもよい。また、制御装置は、劣化量検出部で検出されたハイレート劣化量が予め定められた第２基準値よりも低い場合に、第１処理部または第２処理部による処理を停止してもよい。

図１は、制御対象となるリチウムイオン二次電池の１つの典型例を示す断面図である。 図２は、セパレータを介して対応した正極活物質層と負極活物質層の断面を示す模式図である。 図３は、リチウムイオン二次電池１０の充電容量と、負極活物質層６３の厚さの増加量との典型的な関係を示すグラフである。 図４は、ハイレート充電が過度に行われた場合について、典型的な電流パターンを例示したグラフである。 図５は、ハイレート放電が過度に行われた場合について、典型的な電流パターンを例示したグラフである。 図６は、リチウムイオン二次電池の捲回電極体に染み渡ったリチウムイオン濃度の分布の変化量を示した模式図である。 図７は、制御システム１０００を模式的に示すブロック図である。 図８は、制御装置１００の制御フローを示すフローチャートである。 図９は、制御システム１０００Ａのブロック図である。 図１０は、制震装置１００Ａのフローチャートである。 図１１は、制御システム１０００Ｂのブロック図である。 図１２は、制震装置１００Ｂのフローチャートである。 図１３は、車両１の構成例を示す側面図である。

以下、ここで提案される制御装置についての一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は模式的に描かれており、例えば、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜に省略または簡略化する。

リチウムイオン二次電池では、ハイレートでの充電や放電が過度に行われると、電池抵抗が上昇し、出力性能が劣化する事象が生じうる。本発明者は、ハイレートでの充電や放電では電流量が大きくなるために、ハイレートでの充電や放電が過度に行われると、電池反応に寄与するリチウムイオンの濃度分布が定常状態に比べて電池内で大きく偏ると分析している。かかるリチウムイオンの濃度分布の偏りが、電池抵抗の上昇や出力性能の劣化に大きな影響を与えていると考えている。以下、本発明者の知見を基に、リチウムイオン二次電池１０を例にしてかかる事象について説明し、その上で、本願の制御装置を説明する。

〈リチウムイオン二次電池１０の構成例〉
図１には、制御対象となるリチウムイオン二次電池の１つの典型例が示されている。図１は、いわゆる角型電池のリチウムイオン二次電池１０の断面図である。リチウムイオン二次電池１０は、例えば、正極シート５０と負極シート６０とを、セパレータ７２，７４を介在させて重ねて捲回した捲回電極体４０を備えている。このリチウムイオン二次電池１０では、かかる捲回電極体４０と電解液８０とが電池ケース２０に収容されている。以下、制御装置における説明においても、リチウムイオン二次電池１０に関しては、図１で用いられた符号が適宜に付されている。

正極シート５０は、正極集電箔５１と、正極集電箔５１の両面に保持された正極活物質層５３とを有している。正極活物質層５３は、例えば、正極活物質粒子と、導電材と、結着材とが含まれており、正極活物質粒子と、導電材とが結着材によって結着した層である。正極活物質層５３は、粒子間に電解液が適度に染み渡りうるように、所要の空隙を有している。

負極シート６０は、負極集電箔６１と、負極集電箔６１の両面に保持された負極活物質層６３とを有している。負極活物質層６３は、例えば、負極活物質粒子と、導電材と、結着材とが含まれており、負極活物質粒子と、導電材とが結着材によって結着した層である。負極活物質層６３は、粒子間に電解液が適度に染み渡りうるように、所要の空隙を有している。

ここで、正極活物質は、リチウムを含有し、電池反応において適宜にリチウムイオンを放出したり吸蔵したりする材料である。正極活物質には、例えば、リチウム複合酸化物の粒子が挙げられる。負極活物質は、電池反応において適宜にリチウムイオンを吸蔵し、また、吸蔵したリチウムイオンを放出しうる材料である。負極活物質には、例えば、天然黒鉛などの黒鉛構造を有する粒子が例示されうる。

この実施形態では、正極集電箔５１は帯状のシート（例えば、アルミニウム箔）である。正極活物質層５３は、正極集電箔５１の幅方向片側に設定された露出部５２を除いて、正極集電箔５１の両面に形成されている。負極集電箔６１は、帯状のシート（例えば、銅箔）である。負極活物質層６３は、負極集電箔６１の幅方向片側に設定された露出部６２を除いて、負極集電箔６１の両面に形成されている。

正極シート５０と負極シート６０とは、長さ方向の向きを揃え、セパレータ７２、７４を挟んで正極活物質層５３と負極活物質層６３とが対向するように重ねられている。この際、正極集電箔５１の露出部５２がセパレータ７２、７４の幅方向の片側にはみ出て、負極集電箔６１の露出部６２がセパレータ７２、７４の幅方向の反対側にはみ出るように、正極シート５０と負極シート６０とが重ねられている。

捲回電極体４０は、正極シート５０と負極シート６０とセパレータ７２、７４は、上記のように重ねられた状態でさらに捲回されている。捲回電極体４０は、捲回軸ＷＬを含む一平面に沿って扁平な形状で、扁平な長方形の収容領域を有する角型の電池ケース２０に収容されている。正極集電箔５１の露出部５２は、捲回軸ＷＬに沿った片側において、セパレータ７２、７４からはみ出ている。負極集電箔６１の露出部６２は、捲回軸ＷＬに沿った反対側において、セパレータ７２、７４からはみ出ている。正極集電箔５１の露出部５２と負極集電箔６１の露出部６２は、それぞれらせん状にはみ出ている。図１に示すように、セパレータ７２、７４からはみ出た正極集電箔５１の露出部５２は、正極の内部端子２３の先端部２３ａに溶接されている。また、セパレータ７２、７４からはみ出た負極集電箔６１の露出部６２は、負極の内部端子２４の先端部２４ａに溶接されている。

図１に示す例では、電池ケース２０は、ケース本体２１と、封口板２２とを備えている。ここで、ケース本体２１は、一面が開口した有底直方体形状を有している。封口板２２は、ケース本体２１の開口を塞ぐ部材である。かかる封口板２２がケース本体２１の開口周縁に溶接されることによって、略六面体形状の電池ケース２０が構成されている。例えば、電池ケース２０は、円筒形状のケースでもよい。また、電池ケース２０は、袋状の形態でもよく、いわゆるラミネートタイプの外装体でもよい。また、電池ケース２０と、電池ケース２０に収容される捲回電極体４０との間には、絶縁フィルム（図示省略）が介在し、電池ケース２０と捲回電極体４０とが絶縁されているとよい。

図１に示す例では、封口板２２には、正極の外部端子２５と負極の外部端子２６とが設けられている。正極の外部端子２５は、内部端子２３に電気的に接続されている。正極集電箔５１は、内部端子２３および外部端子２５を通じて外部の装置に電気的に接続される。負極の外部端子２６は、内部端子２４に電気的に接続されている。負極集電箔６１は、内部端子２４および外部端子２６を通じて外部の装置に電気的に接続される。封口板２２には、安全弁３０や注液孔３２が設けられており、注液孔３２にはキャップ材３３が取り付けられている。

電池ケース２０に収容された電解液８０は、捲回軸ＷＬの軸方向の両側から電極体４０の内部に浸入する。図１において、電解液８０の量は、厳密ではない。電解液８０は、捲回電極体４０の内部において、正極活物質層５３や負極活物質層６３の空隙などに十分に染み渡る。電解液８０には、リチウムイオン二次電池１０の電池反応に寄与しうる電解質イオンとしてリチウムイオンが含まれている。以上、リチウムイオン二次電池１０の構成例を例示したが、リチウムイオン二次電池１０を構成する活物質や導電材や電解液８０などの各種材料については、種々の公知文献が存在するので、ここでは詳しい説明を省略する。

リチウムイオン二次電池１０は、単電池として単独で用いられてもよいし、組電池の電池要素として用いられてもよい。つまり、複数のリチウムイオン二次電池１０を組み合わせて組電池を構成してもよい。また、リチウムイオン二次電池１０は、例えば、電池ケース２０が膨張するのを抑えるべく、電池ケース２０の外側面を所要力で押すように外側から拘束圧を掛けて設置されうる。つまり、リチウムイオン二次電池１０は、設置される際に電池ケース２０の外側面を押さえる拘束部材が取り付けられていてもよい。

〈充電時の挙動〉
充電時、ここで例示されるリチウムイオン二次電池１０は、正極シート５０と負極シート６０との間に、電圧が印加される。電圧が印加されると、正極シート５０では、正極活物質層５３中の正極活物質粒子からリチウムイオン（Ｌｉ）が電解液に放出され、正極活物質層５３から電荷が放出される。負極シート６０では、電荷が蓄えられる。さらに、電解液中のリチウムイオン（Ｌｉ）が、負極活物質層６３中の負極活物質粒子に吸収され、かつ、貯蔵される。

〈放電時の挙動〉
放電時、リチウムイオン二次電池１０は、負極シート６０と正極シート５０との電位差によって、負極シート６０から正極シート５０に電荷が送られる。負極では、負極活物質層６３中の負極活物質粒子に貯蔵されたリチウムイオンが電解液に放出される。正極では、正極活物質層５３中の正極活物質粒子に電解液中のリチウムイオンが取り込まれる。

〈ハイレート充電、ハイレート放電〉
ここでハイレート充電とは、電池の定格容量に対してある程度大きい電流値での充電をいう。また、ハイレート放電とは、電池の定格容量に対してある程度大きい電流値での放電をいう。ここで、ハイレート充電とする基準電流値と、ハイレート放電とする基準電流値は、同じ電流値としてもよいし、必ずしも同じ電流値でなくてもよい。ハイレート充電やハイレート放電の基準電流値は、例えば、実際の二次電池の挙動やハイレートでの充電や放電に対する耐性を考慮して予め定められた設定するとよい。つまり、ハイレート充電やハイレート放電の基準電流値は、対象となる二次電池に対して任意に決められる。また、ハイレート充電やハイレート放電の基準電流値は、温度などの使用環境に応じて変動するように設定してもよい。例えば、温度などの使用環境に応じて予め定められた係数を掛けて、基準電流値を都度補正してもよい。

〈ハイレート充電やハイレート放電での劣化事象〉
ここでは、典型例として、図１に示すリチウムイオン二次電池１０を例に挙げ、リチウムイオン二次電池１０の各部材の参照符号を付しつつ、ハイレート充電やハイレート放電での劣化事象を説明する。ただし、かかる事象が生じるリチウムイオン二次電池は、図１に示すリチウムイオン二次電池１０と同様の構造のものに限定されない。例えば、図１に示すリチウムイオン二次電池１０は捲回電極体４０を備えているが、リチウムイオン二次電池は、正極シートと負極シートがセパレータを挟んで交互に積層された積層型の電極体を備えていてもよい。

リチウムイオン二次電池１０では、ハイレートでの充電や放電が過度に行われると、電池抵抗が上昇するなど電池性能が劣化することがある。本発明者の知見では、かかる電池性能の劣化には、正極活物質層５３と負極活物質層６３との間で塩濃度ムラの発生と、電極体４０（特に負極活物質層６３）からの電解液８０の流出とが関連している。電解液８０の流出には、負極活物質層６３中の負極活物質粒子の膨張と、電極体４０中の電解液８０の熱膨張とが関連している。以下、これらの事象について順に説明します。

図２は、セパレータ７２，７４を介して対向した正極活物質層５３と負極活物質層６３の断面を示す模式図である。ここで、実線Ａ１は、当該断面における充電時のリチウムイオンの濃度分布を示している。また、破線Ｂ１は、当該断面における放電時のリチウムイオンの濃度分布を示している。図２で、実線Ａ１および破線Ｂ１は、それぞれ上側ほどリチウムイオンの濃度が濃く、下側ほどリチウムイオン濃度が薄いことを示している。

〈正極活物質層５３と負極活物質層６３との間の塩濃度ムラの発生〉
正極活物質層５３と負極活物質層６３との間の塩濃度ムラは、正極活物質層５３に染み渡った電解液８０と、負極活物質層６３に染み渡った電解液８０との間に生じるリチウムイオン濃度差を意味している。例えば、充電時、図２の実線Ａ１に示されるように、正極活物質層５３に染み渡った電解液８０にはリチウムイオンが放出され、負極活物質層６３に染み渡った電解液８０にはリチウムイオンが吸収される。この際、正極活物質層５３に染み渡った電解液８０ではリチウムイオン濃度が濃くなる。負極活物質層６３に染み渡った電解液８０ではリチウムイオン濃度が薄くなる。反対に、放電時、図２の破線Ｂ１に示されるように、正極活物質層５３は電解液８０からリチウムイオンを吸収し、負極活物質層６３は電解液８０にリチウムイオンを放出する。このため、正極活物質層５３に染み渡った電解液８０ではリチウムイオン濃度が薄くなる。負極活物質層６３に染み渡った電解液８０ではリチウムイオン濃度は濃くなる。

このような塩濃度ムラは、例えば、電解液８０中のリチウムイオンの拡散速度よりも高い電流レートでの充電および放電において顕著になる。低い電流レートでの充電および放電による使用では、塩濃度ムラの程度は小さい。また電池が充電も放電もされずに放置されている場合には、電解液中のリチウムイオンの拡散によって塩濃度ムラは次第に解消する。

〈負極活物質層６３中の負極活物質粒子の膨張〉
リチウムイオン二次電池１０の負極活物質粒子は、充電が進むにつれて膨張し、放電されると収縮する傾向がある。かかる傾向は、例えば、リチウムイオン二次電池１０の負極活物質粒子として、天然黒鉛やグラファイトやソフトカーボンのように黒鉛構造を有する材料（黒鉛系材料）が用いられている場合において顕著である。黒鉛構造を有する負極活物質粒子では、リチウムイオン二次電池１０が充電されると、負極活物質粒子の黒鉛構造の層間にリチウムイオンが吸蔵される。図３は、リチウムイオン二次電池１０の充電容量と、負極活物質層６３の厚さの増加量との典型的な関係を示すグラフである。

リチウムイオン二次電池１０の充電が進むと、負極活物質粒子における黒鉛構造の層間に吸蔵されるリチウムイオンの量が増える。そして、黒鉛構造のエッジ面（Ｃ軸方向）の距離（黒鉛構造の層間距離）が段階的に大きくなり、負極活物質粒子は段階的に膨張する。図３に示される負極活物質層６３の厚さの増加は、黒鉛構造のエッジ面（Ｃ軸方向）の距離が段階的に変化するのに伴う、負極活物質粒子の段階的な膨張に起因している。なお、リチウムイオン二次電池１０が放電されると、負極活物質粒子は段階的に収縮する。

特に、図３に示されるように、低ＳＯＣの領域Ｃ１と、高ＳＯＣの領域Ｃ３とでは、充電されるにつれて負極活物質層６３が厚くなる。本明細書では、当該低ＳＯＣの領域Ｃ１は、適宜に領域Ｃ１と略称される。高ＳＯＣの領域Ｃ３は、適宜に領域Ｃ３と略称される。領域Ｃ１と領域Ｃ３との間には、充電容量が増えても、負極活物質層６３の厚さがほとんど変化しない中間領域Ｃ２がある。中間領域Ｃ２は、適宜に領域Ｃ２と略称される。領域Ｃ２は、充電耐性が強くほとんど負極活物質粒子が膨張収縮しない領域である。このような領域が生じるＳＯＣは、リチウムイオン二次電池１０の充電容量に対する負極活物質粒子の物性に依存する。

〈電解液８０の熱膨張〉
リチウムイオン二次電池１０は、充電および放電の際に、電池反応に応じて発熱する。電解液８０は温度に応じて膨張する。リチウムイオン二次電池１０の発熱量が大きくなるのに応じて電解液８０の膨張量は大きくなる。ハイレートでの充電および放電では、電解液８０の膨張による傾向が大きくなる。本発明者の知見によれば、リチウムイオン二次電池の発熱量Ｑは、電流値Ｉと電池抵抗Ｒとから算出されるＩ^２＊Ｒに大凡比例して高くなる。つまり、充電または放電時の電流値Ｉの２乗に比例して電流値Ｉが高ければ高いほど、また電池抵抗Ｒが高ければ高いほどリチウムイオン二次電池１０は発熱しやすく、電解液８０が膨張しやすい。

〈ハイレート充電時の事象〉
本発明者の知見によれば、ハイレート充電時には、上述のように塩濃度ムラが生じ、負極活物質層６３側で電解液のリチウムイオン濃度が薄くなる。さらにリチウムイオン二次電池１０の発熱によって電解液８０は熱膨張し、電極体４０から電解液８０が流出する。低ＳＯＣの領域Ｃ１と高ＳＯＣの領域Ｃ３とでは、中間領域Ｃ２よりも負極活物質粒子が大きく膨張し、電極体４０から電解液８０が流出し易い。中間領域Ｃ２では、負極活物質粒子がほとんど膨張せず、電解液８０の流出が緩和される。このため、中間領域Ｃ２は、領域Ｃ１および領域Ｃ３よりも、リチウムイオン二次電池１０の性能が劣化しにくい。

〈ハイレート放電時の事象〉
本発明者の知見によれば、ハイレート放電時には、上述のように塩濃度ムラが生じ、負極活物質層６３側で電解液のリチウムイオン濃度が濃くなる。リチウムイオン二次電池１０の発熱によって電解液８０が熱膨張し、電極体４０から電解液８０が流出する。低ＳＯＣの領域Ｃ１と高ＳＯＣの領域Ｃ３とでは、中間領域Ｃ２よりも負極活物質粒子が大きく収縮し、電極体４０からの電解液８０の流出が緩和される。中間領域Ｃ２では、負極活物質粒子がほとんど収縮せず、電解液８０の流出は緩和されない。このため、ハイレート放電では、領域Ｃ１および領域Ｃ３は、中間領域Ｃ２よりも、リチウムイオン二次電池１０の性能が劣化しにくい。

〈充電過多〉
図４は、ハイレート充電が過度に行われた場合について、リチウムイオン二次電池１０に印加される典型的な電流パターンを例示したグラフである。ここで、縦軸は電流値を示しており、横軸は時間である。この明細書では、予め定められた一定の期間において、予め定められた充電電流値Ｉ_Ａよりも高い電流値で充電された充電容量よりも、予め定められた放電電流値Ｉ_Ｂよりも高い電流値で放電された放電容量が小さい場合を、充電過多（ハイレート充電過多）と称する。つまり、充電過多と称する状態は、ある一定の期間において、ハイレート充電が過度に行われている状態を意味している。例えば、図４に示す例では、ある一定の期間において、充電の際は、予め定められた充電電流値Ｉ_Ａよりも高い電流値で充電されている。放電の際には、予め定められた放電電流値Ｉ_Ｂよりも低い電流値で定電流放電が行われている。このような例は、ハイレート放電よりもハイレート充電が過度に行われており、充電過多と称される状態の典型例と言える。

〈放電過多〉
図５は、ハイレート放電が過度に行われた場合について、リチウムイオン二次電池１０に印加される典型的な電流パターンを例示したグラフである。ここで、縦軸は電流値を示しており、横軸は時間である。この明細書では、予め定められた一定の期間において、予め定められた放電電流値Ｉ_Ｂよりも高い電流値で放電された放電容量よりも、予め定められた充電電流値Ｉ_Ａよりも高い電流値で充電された充電容量が小さい場合を、放電過多（ハイレート放電過多）と称する。つまり、放電過多と称する状態は、ある一定の期間において、ハイレート放電が過度に行われている状態を意味している。例えば、図５に示す例では、ある一定の期間において、放電の際は、予め定められた放電電流値Ｉ_Ｂよりも高い電流値で放電されている。充電の際には、予め定められた充電電流値Ｉ_Ａよりも低い電流値で定電流充電が行われている。このような例は、ハイレート充電よりもハイレート放電が過度に行われており、放電過多と称される状態の典型例と言える。

ここで、予め定められた充電電流値Ｉ_Ａよりも高い電流値で充電された積算充電容量ΣＩ_Ａは、予め定められた充電電流値Ｉ_Ａよりも高い電流値で充電された時間における充電電流の積算値である。また、予め定められた放電電流値Ｉ_Ｂよりも高い電流値で放電された積算放電容量ΣＩ_Ｂは、予め定められた放電電流値Ｉ_Ｂよりも高い電流値で放電された時間における放電電流の積算値である。これらは、リチウムイオン二次電池１０の使用状況において、温度や充電時および放電時の電流値、電圧などのデータをメモリなどに記録しておき、かかるデータに基づいて各データの履歴を基に算出するとよい。

予め定められた一定の期間において、ハイレート充電での積算充電容量ΣＩ_Ａが、ハイレート放電での積算放電容量ΣＩ_Ｂよりも大きい場合を「充電過多」と称する。予め定められた一定の期間において、ハイレート放電での積算放電容量ΣＩ_Ｂが、ハイレート充電での積算充電容量ΣＩ_Ａよりも大きい場合を「放電過多」と称する。なお、予め定められた一定の期間において、ハイレート充電での積算充電容量ΣＩ_Ａと、ハイレート放電での積算放電容量ΣＩ_Ｂとの差が予め定められた容量よりも小さい場合は「充電過多」と「放電過多」との何れにも含めない、言わば「ニュートラル」な状態としてもよい。

ここで、図６は、リチウムイオン二次電池１０の捲回電極体４０に染み渡った電解液８０中のリチウムイオン濃度の分布を示した模式図である。図６中の実線Ａ２は、充電過多の場合のリチウムイオン濃度の分布を示している。破線Ｂ２は、放電過多の場合のリチウムイオン濃度の分布を示している。実線Ａ２、破線Ｂ２は、それぞれ捲回軸ＷＬに沿ってリチウムイオン濃度の分布の傾向を示している。図６では、実線Ａ２、破線Ｂ２は、上側ほどリチウムイオン濃度が濃いことを示しており、下側ほどリチウムイオン濃度が薄いことを示している。なお、実線Ａ２と破線Ｂ２では、リチウムイオン濃度は、それぞれ捲回軸ＷＬに沿って相対的に評価されている。

〈充電過多でのリチウムイオン濃度の分布の傾向〉
ハイレート充電が過度に行われた充電過多では、図２の実線Ａ１に示されているように、負極活物質層６３に染み渡った電解液８０のリチウムイオン濃度が薄くなる。そして、リチウムイオン濃度が薄い電解液８０が捲回電極体４０から流出する。このため、捲回電極体４０に染み渡った電解液８０の平均では、リチウムイオン濃度は濃くなる傾向がある。さらに、負極活物質粒子が膨張する影響によって、捲回軸ＷＬに沿った捲回電極体４０の両端部では電解液が流出し易い。このため、充電過多の状態では、図６の実線Ａ２で示すように、リチウムイオン濃度は、捲回軸ＷＬに沿って捲回電極体４０の中央部で濃く、両端部で薄い傾向になる。

〈放電過多でのリチウムイオン濃度の分布の傾向〉
ハイレート放電が過度に行われた放電過多では、図２の破線Ｂ１に示されているように、負極活物質層６３に染み渡った電解液８０のリチウムイオン濃度が濃くなる。そして、リチウムイオン濃度が濃い電解液８０が捲回電極体４０から流出する。このため、捲回電極体４０に染み渡った電解液８０の平均では、リチウムイオン濃度は薄くなる傾向がある。さらに、負極活物質粒子が収縮する影響によって、捲回軸ＷＬに沿った捲回電極体４０の両端部では電解液の流出が緩和される。このため、放電過多の状態では、図６の破線Ｂ２で示すように、リチウムイオン濃度は、捲回軸ＷＬに沿って捲回電極体４０の中央部で薄く、両端部で濃い傾向になる。

〈充電過多での問題〉
充電過多では、図２の実線Ａ１に示すように、正極活物質層５３側で電解液８０のリチウムイオンの濃度が濃くなり、負極活物質層６３側で電解液８０のリチウムイオンの濃度が薄くなる。リチウムイオン二次電池１０の発熱によって電解液８０は熱膨張し、電極体４０から電解液８０が流出する。さらに、図６の実線Ａ２に示すように、捲回軸ＷＬに沿った捲回電極体４０の両端部は、中央部よりもリチウムイオン濃度が薄くなる傾向がある。過度な充電過多になると、電極体４０に染み渡った電解液８０中のリチウムイオンの濃度差が大きくなる。リチウムイオンの濃度差が大きくなると、リチウムイオン二次電池１０の電池抵抗を上昇させる要因の１つになる。

充電過多で生じるリチウムイオンの濃度差を早期に解消させるためには、リチウムイオン二次電池１０の充電を制限し、ある程度高い電流値で放電するとよい。しかしながら、用途によって、放電時の電流レートが制限される場合がある。例えば、ハイブリッド車両のような車両用途では、リチウムイオン二次電池１０は、駆動輪に動力を伝達するモータを作動させるための電源として用いられる。車両用途では、急発進を行う場合などにおいて放電時に要求される電流レートが他の用途に比べて大きい。このような用途では、使用領域の下限近傍の低ＳＯＣで放電電流が低く抑えられるようにリチウムイオン二次電池１０が制御される場合がある。

このような用途において、低ＳＯＣで充電過多に陥り、さらに充電過多を解消させるために充電電流値が制限されると、リチウムイオン二次電池１０は、低ＳＯＣの状態に長期間留まることになりかねない。低ＳＯＣの状態に長期間留まり、放電電流が低く抑えられると、リチウムイオン二次電池１０は十分に機能しなくなる。このような状態に陥ると、ハイブリッド車では、電池の出力が長期間制限され、エンジンで車を走らせる状態が多くなる。このため、燃費が悪化する。

〈放電過多での問題〉
放電過多では、図２の破線Ｂ１に示すように、正極活物質層５３側で電解液８０のリチウムイオンの濃度が薄くなり、負極活物質層６３側で電解液８０のリチウムイオンの濃度が濃くなる。リチウムイオン二次電池１０の発熱によって電解液８０は熱膨張し、電極体４０から電解液８０が流出する。さらに、図６の破線Ｂ２に示すように、捲回軸ＷＬに沿った捲回電極体４０の両端部は、中央部よりもリチウムイオン濃度が濃くなる傾向がある。過度な放電過多になると、電極体４０に染み渡った電解液８０中のリチウムイオンの濃度差が大きくなる。リチウムイオンの濃度差が大きくなると、リチウムイオン二次電池１０の電池抵抗を上昇させる要因の１つになる。

放電過多で生じるリチウムイオンの濃度差を早期に解消させるためには、リチウムイオン二次電池１０の放電を制限し、ある程度高い電流値で充電するとよい。しかしながら、用途によって、充電時の電流レートが制限される場合がある。例えば、上述したようなＥＶやハイブリッド車両などの車両用途のリチウムイオン二次電池１０では、使用領域の上限近傍の高ＳＯＣで充電電流値が低く抑えられるように制御される場合がある。

このように高ＳＯＣで充電電流値が低く抑えられるように制御される場合に、リチウムイオン二次電池１０が高ＳＯＣで放電過多に陥ると、さらに放電過多を解消させるために放電電流値が制限される制御が加わる。このような状況になると、高ＳＯＣで放電が制限されるため、リチウムイオン二次電池１０は、高ＳＯＣの状態に長期間留まることになりかねない。そして、高ＳＯＣで放電過多の状態に長期間留まり、放電電流が低く抑えられると、リチウムイオン二次電池１０は十分に機能しなくなる。このような状態に陥ると、ハイブリッド車では、電池の出力が長期間制限され、エンジンで車を走らせる状態が多くなる。このため、燃費が悪化する。

次に、ここで提案される制御装置を説明する。ここで、図７は、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０と制御装置１００とを含む制御システム１０００を模式的に示すブロック図である。制御装置１００は、演算装置と記録装置とを備えており、予め設定されたプログラムに沿って所定の演算処理を実行し、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０を制御する。制御装置１００は、予め設定されたプログラムを実行することによって各処理を具現化する。

この実施形態では、制御装置１００は、第１記録部１１１と、第１処理部１２１と、第２処理部１２２と、ＳＯＣ検知部１３０と、使用域設定部１３１と、劣化量検出部１３２とを備えている。制御対象となるリチウムイオン二次電池１０は、入力側装置２１０と、出力側装置２２０とに接続されており、その回路上には、入力側装置２１０との接続を切り替えるスイッチ２１２と、出力側装置２２０との接続を切り替えるスイッチ２２２とを備えている。スイッチ２１２、２２２は、それぞれ制御装置１００の制御によって操作される。また、制御システム１０００は、電流計２４０と、電圧計２４２と、温度計２４４とを備えている。電流計２４０は、上記回路においてリチウムイオン二次電池１０への入力と出力の電流値（充電と放電の電流値）を測定する。電圧計２４２は、上記回路において二次電池の正負極間の電圧を測定する。温度計２４４は、リチウムイオン二次電池１０の設置された環境の温度を測定する。

〈ＳＯＣ検知部１３０〉
ここで、ＳＯＣ検知部１３０は、ＳＯＣを検知する処理部である。ＳＯＣを検知する手法は種々の手法が知られており、適宜に採用するとよい。例えば、予め定め電池容量が記録されており、初期状態からの充電履歴と放電履歴に応じて、積算充電容量と、積算放電容量とを把握して、ＳＯＣを推定する方法がある。また、リチウムイオン二次電池１０のＯＣＶ（開回路電圧）からＳＯＣを推定する方法もある。また、ＳＯＣを検知する処理では、多少の誤差が生じたり、リチウムイオン二次電池の電池容量が変化したりするので、予め定められた一定の使用期間においてリセットされてもよい。

〈使用域設定部１３１〉
使用域設定部１３１は、リチウムイオン二次電池１０の使用域を設定する処理部である。使用域設定部１３１の設定の方法には、いくつかの方法がある。

例えば、使用域設定部１３１は、ＳＯＣ検知部１３０によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池１０の使用域を設定してもよい。ここで、リチウムイオン二次電池１０の使用域の上限を、上限ＳＯＣと称し、下限を下限ＳＯＣと称する。また、他の方法として、使用域設定部１３１は、ＳＯＣ検知部１３０によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池１０の使用域の中心域を設定してもよい。この場合、中心域は、ある程度幅を持って設定されてもよい。例えば、ＳＯＣ３５％からＳＯＣ６５％を中心域として設定して制御してもよい。また、中心域は、例えば、中心値として設定されてもよい。中心値や、中心値から予め定められた一定の範囲は、任意に適切な値や範囲を設定するとよい。

また、制御装置１００は、使用域設定部１３１に設定された使用域で、リチウムイオン二次電池１０が使用されるようにリチウムイオン二次電池１０に対する充電および放電を制御するとよい。制御装置１００は、例えば、使用域の上限では、上限ＳＯＣを超えないように適宜に充電電流を制限するとよい。また、制御装置１００は、使用域の下限では、下限ＳＯＣを超えないように適宜に放電電流を制限するとよい。

〈第１記録部１１１〉
第１記録部１１１は、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０の充電履歴と放電履歴とが記録される。この実施形態では、リチウムイオン二次電池１０の充電履歴と放電履歴として、電流計２４０から得られる電流値が履歴として記録されている。この実施形態では、電流計２４０から得られる電流値を記録することに合わせて当該電流値が記録された際に電圧計２４２や温度計２４４で測定された測定値が記録されている。

〈充電過多および放電過多の判定〉
ここで、「充電過多」および「放電過多」は、上述のように予め定められた一定の期間におけるハイレート充電での積算充電容量ΣＩ_Ａと、ハイレート放電での積算放電容量ΣＩ_Ｂとの差分により評価することができる。制御装置１００は、第１記録部１１１で記録された制御対象となるリチウムイオン二次電池１０の充電履歴と放電履歴とに基づいて、例えば、（ΣＩ_Ａ−ΣＩ_Ｂ）が＋であれば「充電過多」、−であれば「放電過多」とするとよい。また、差分が、一定の電気容量以内であれば、「充電過多」でも「放電過多」でもない「ニュートラル」な状態と判定してもよい。この場合、例えば、差分が、電池容量Ｃ０の２０％程度以内であれば、「充電過多」でも「放電過多」でもない「ニュートラル」な状態としてもよい。

〈第１処理部１２１〉
第１処理部１２１は、第１記録部１１１に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池１０が充電過多である場合に、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の下限ＳＯＣを高くする。これにより、リチウムイオン二次電池１０が充電過多である場合に、低ＳＯＣ状態に長期間留まるのを防止することができる。かかる処理には、いくつかの方法がある。以下のいくつかの方法は、特段、支障がない限りにおいて、適宜に組み合わせてもよい。

例えば、使用域設定部１３１は、ＳＯＣ検知部１３０によって検知されたＳＯＣに基づいて、ＳＯＣ３０％からＳＯＣ７０％の範囲を、リチウムイオン二次電池１０の使用域として設定しているとする。この場合、第１処理部１２１は、第１記録部１１１に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池１０が充電過多である場合に、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の下限ＳＯＣを４０％にするとよい。これによって、リチウムイオン二次電池１０がＳＯＣ３０％程度で留まっているような場合でも、放電電流が制限され、かつ、充電されることによって、ＳＯＣ４０％程度に上昇するようになる。これによって、リチウムイオン二次電池１０が充電過多である場合に、リチウムイオン二次電池１０が低ＳＯＣの状態から脱却できる。

ここで、リチウムイオン二次電池１０の使用域の下限ＳＯＣは、例えば、負極活物質粒子の物性に応じ、上述した中間領域Ｃ２（図３参照）の下限値に応じて設定されるとよい。リチウムイオン二次電池１０の使用域の下限ＳＯＣは、例えば、上述した中間領域Ｃ２の下限値よりも少し高い値に設定されるとよい。これによって、負極活物質粒子の物性に応じて、負極活物質粒子が膨張収縮しない領域にリチウムイオン二次電池１０の使用域が設定される。

また、制御装置１００は、第１記録部１１１に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池１０が充電過多である場合に、放電電流を予め定められた電流値よりも低く制限する放電制限処理部１４１を備えていてもよい。つまり、放電制限処理部１４１によれば、放電電流が小さく抑えられる。このため、リチウムイオン二次電池１０のＳＯＣは、低くなりにくく、かつ、充電される毎に高くなっていく。なお、かかる放電制限処理部１４１は、リチウムイオン二次電池１０からの放電を完全に制限してもよい。つまり、放電制限処理部１４１は、リチウムイオン二次電池１０が全く放電しないように放電を制限してもよい。この場合、リチウムイオン二次電池１０は、充電過多である場合に、放電が完全に制限され、充電されるのみになり、ＳＯＣはより早期に高くなる。

また、第１処理部１２１は、他の方法として、リチウムイオン二次電池１０が予め定められたＳＯＣよりも低い場合に、予め定められた電流値よりも低い電流値で充電する高ＳＯＣ化処理を含んでいてもよい。この処理は、低い充電レートでの充電を行うことによって、充電過多の状態が進行するのを抑えつつ、リチウムイオン二次電池１０のＳＯＣを上昇させることができる。これによって、リチウムイオン二次電池１０は、強制的にＳＯＣが上昇するので、低ＳＯＣの状態から早期に脱却することができる。ここで設定される電流値は、例えば、１Ｃ以下、より好ましくは０．５Ｃ以下、さらに好ましくは０．３Ｃ以下であるとよい。

また、第１処理部１２１は、さらに使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の上限ＳＯＣを低く設定してもよい。ここで、上限ＳＯＣは、予め定められた値以下とするとよい。なお、上限ＳＯＣは、高く設定された後の下限ＳＯＣよりも高く設定されるものとする。

使用域設定部１３１は、ＳＯＣ検知部１３０によって検知されたＳＯＣに基づいて、例えば、ＳＯＣ３０％からＳＯＣ７０％の範囲を、リチウムイオン二次電池１０の使用域として設定しているとする。この場合、第１処理部１２１は、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の上限ＳＯＣを、例えば、６０％に低く設定してもよい。上限ＳＯＣは、例えば、上述した中間領域Ｃ２の上限値に応じて設定されるとよい。この場合、リチウムイオン二次電池１０の使用域の上限ＳＯＣは、上述した中間領域Ｃ２の上限値よりも少し低い値に設定されるとよい。これによって、負極活物質粒子の物性に応じて、負極活物質粒子が膨張収縮しない領域にリチウムイオン二次電池１０の使用域が設定される。そして、リチウムイオン濃度差が大きくなっているような不具合が早期に解消されうる。

また、他の形態として、使用域設定部１３１は、ＳＯＣ検知部１３０によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池１０の使用域の中心域を設定する処理を含んでいてもよい。この場合、リチウムイオン二次電池１０の使用域の下限ＳＯＣを高くする第１処理部１２１は、例えば、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の中心域を高くするとよい。これによって、制御装置１００による制御において、ＳＯＣの目標値が高くなり、リチウムイオン二次電池１０のＳＯＣが上昇するように制御される。

例えば、使用域設定部１３１が、中心値をＳＯＣ５０％とし、中心値から−２０％から＋２０％の範囲で使用域として設定しているとする。この場合、第１処理部１２１は、使用域の中心値をＳＯＣ６０％に設定するとよい。これによって、ＳＯＣ４０％からＳＯＣ８０％の範囲が使用域として設定され、リチウムイオン二次電池１０がＳＯＣ３０％程度で留まっているような場合に放電電流が制限される。そして、リチウムイオン二次電池１０は、放電電流が制限されているので、充電されることによってＳＯＣ４０％程度に早期に上昇するようになる。また、使用域設定部１３１が、中心値をＳＯＣ５０％とし、中心値から−２０％から＋２０％の範囲を使用域として設定している場合、第１処理部１２１は、中心値から−１０％から＋１０％の範囲を使用域としてもよい。この場合でも、制御装置１００は、リチウムイオン二次電池１０の下限ＳＯＣを高くでき、かつ、上限ＳＯＣを低くでき、リチウムイオン二次電池１０を低ＳＯＣから脱却させることができる

以上のように、第１処理部１２１の処理によって、リチウムイオン二次電池１０が低ＳＯＣに留まるのを防止できる。この場合、低い状態に留まったリチウムイオン二次電池１０のＳＯＣを早期に高くするべく、リチウムイオン二次電池１０の放電を制限してもよい。なお、リチウムイオン二次電池１０が予め定められたＳＯＣよりも高くなった場合には、放電制限を停止、または、放電制限を緩和してもよい。リチウムイオン二次電池１０が予め定められたＳＯＣよりも高くなった場合には、もはや放電を大きく制限する必要がないからである。ここで予め定められたＳＯＣは、放電制限を見直す第１基準Ｓ１として予め定められているとよい。

〈第２処理部１２２〉
次に、第２処理部１２２は、第１記録部１１１に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池１０が放電過多である場合に、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の上限ＳＯＣを低くする。これにより、リチウムイオン二次電池１０が放電過多の状態で、高ＳＯＣ状態に長期間留まるのを防止することができる。かかる処理には、いくつかの方法がある。以下のいくつかの方法は、特段、支障がない限りにおいて、適宜に組み合わせてもよい。

例えば、使用域設定部１３１が、ＳＯＣ３０％からＳＯＣ７０％の範囲をリチウムイオン二次電池１０の使用域として設定しているとする。この場合、第２処理部１２２は、使用域の上限ＳＯＣを低くするとよく、例えば、上限ＳＯＣを６０％にするとよい。これによって、リチウムイオン二次電池１０がＳＯＣ７０％程度で留まっているような場合でも、充電電流が制限され、かつ放電されることによって、ＳＯＣ６０％程度に下がるようになる。

例えば、制御装置１００は、第１記録部１１１に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、リチウムイオン二次電池１０が放電過多である場合に、充電電流を予め定められた電流値よりも低く制限する充電制限処理部１４２を備えていてもよい。つまり、充電制限処理部１４２によれば、充電電流が小さく抑えられる。このため、リチウムイオン二次電池１０のＳＯＣは、高くなりにくく、かつ、放電される毎に低くなっていく。なお、かかる充電制限処理部１４２は、リチウムイオン二次電池１０への充電を完全に制限してもよい。つまり、充電制限処理部１４２は、リチウムイオン二次電池１０が全く充電されないように充電を制限してもよい。この場合、リチウムイオン二次電池１０は、放電過多である場合に、充電が完全に制限され、放電されるのみになり、ＳＯＣはより早期に低くなる。

また、第２処理部１２２は、他の方法として、リチウムイオン二次電池１０が予め定められたＳＯＣよりも高い場合に、予め定められた電流値よりも低い電流値で放電する低ＳＯＣ化処理を含んでいてもよい。この処理は、低い放電レートでの放電を行うことによって、放電過多の状態が進行するのを抑えつつ、リチウムイオン二次電池１０のＳＯＣを下げることができる。これによって、リチウムイオン二次電池１０は、強制的にＳＯＣが下げられ、高ＳＯＣの状態から早期に脱却することができる。ここで設定される電流値は、例えば、１Ｃ以下、より好ましくは０．５Ｃ以下、さらに好ましくは０．３Ｃ以下であるとよい。

また、第２処理部１２２は、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の下限ＳＯＣを高く設定してもよい。ここで、下限ＳＯＣは、低く設定された後の上限ＳＯＣよりも低く設定されるものとする。また、上限ＳＯＣと下限ＳＯＣを制御対象となるリチウムイオン二次電池１０の中間領域Ｃ２の上限と下限に応じて定めることによって、リチウムイオン二次電池１０を中間領域Ｃ２に制御できる。リチウムイオン二次電池１０を中間領域Ｃ２に制御することによって、充電時に負極活物質粒子の膨張が生じず、リチウムイオン二次電池１０の劣化が早期に回復する。

また、他の形態として、使用域設定部１３１は、ＳＯＣ検知部１３０によって検知されたＳＯＣに基づいて、リチウムイオン二次電池１０の使用域の中心域を設定する処理を含んでいてもよい。この場合、リチウムイオン二次電池１０の使用域の上限ＳＯＣを低くする第２処理部１２２は、使用域設定部１３１によって設定されたリチウムイオン二次電池１０の使用域の中心域を低くするとよい。これによって、制御装置１００による制御において、ＳＯＣの目標値が高くなり、リチウムイオン二次電池１０のＳＯＣが下がるように制御される。

例えば、使用域設定部１３１が、使用域の中心値をＳＯＣ５０％とし、当該中心値から−２０％から＋２０％の範囲で使用域として設定しているとする。この場合には、第２処理部１２２は、使用域の中心値をＳＯＣ４０％に設定するとよい。これによって、ＳＯＣ２０％からＳＯＣ６０％の範囲が使用域として設定され、リチウムイオン二次電池１０がＳＯＣ７０％程度で留まっているような場合でも、充電電流が制限されて、ＳＯＣ６０％程度に下がるようになる。また、使用域設定部１３１が、中心値をＳＯＣ５０％とし、中心値から−２０％から＋２０％の範囲を使用域として設定している場合、第２処理部１２２は、中心値から−１０％から＋１０％の範囲を使用域としてもよい。この場合、制御装置１００は、リチウムイオン二次電池１０の上限ＳＯＣを低くでき、かつ、下限ＳＯＣを高くできる。

以上のように、第２処理部１２２の処理によって、リチウムイオン二次電池１０が高ＳＯＣに留まるのを防止できる。この場合、高い状態に留まったリチウムイオン二次電池１０のＳＯＣを早期に低くするべく、リチウムイオン二次電池１０の充電を制限してもよい。なお、リチウムイオン二次電池１０が予め定められたＳＯＣよりも低くなった場合には、充電制限を停止、または、充電制限を緩和してもよい。リチウムイオン二次電池１０が予め定められたＳＯＣよりも低くなった場合には、もはや充電を大きく制限する必要がないからである。ここで予め定められたＳＯＣは、充電制限を見直す第２基準Ｓ２として予め定められているとよい。

上述したように第１処理部１２１は、充電過多である場合に、リチウムイオン二次電池１０の使用域の下限ＳＯＣを高くする。これによって、リチウムイオン二次電池１０が、充電過多である場合に、低ＳＯＣの状態に長期間留まるのを防止できる。また、第２処理部１２２は、放電過多である場合に、リチウムイオン二次電池１０の使用域の上限ＳＯＣを低くする。これによって、リチウムイオン二次電池１０が、放電過多である場合に、高ＳＯＣの状態に長期間留まるのを防止できる。このような制御は、特に、電極体４０に染み渡った電極体４０においてリチウムイオン濃度の分布が大きく偏ることに起因するリチウムイオン二次電池１０の性能劣化を早期に解消するのに有効である。また、ハイレート充放電が繰り返されている用途でも、特に、これに起因して、電池抵抗が上昇するなどの性能劣化が生じていない場合には、かかる第１処理部１２１や第２処理部１２２の処理を実行する必要がない場合もあり得る。従って、第１処理部１２１や第２処理部１２２の処理を実行するか否かを判定する前提として（この実施形態では、上述した充電過多か否か、或いは、放電過多か否かを判定する判定処理の前提として）、性能劣化が生じているかを判定する判定処理を行ってもよい。

〈劣化量検出部１３２〉
この実施形態では、制御装置１００は、劣化量検出部１３２を備えている。劣化量検出部１３２は、リチウムイオン二次電池１０のハイレート劣化量ｄＨＲを検出する。そして、制御装置１００は、当該劣化量検出部１３２で検出されたハイレート劣化量ｄＨＲが予め定められた第１基準値Ｒ１よりも高い場合に、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理が実行されるように構成されていてもよい。

また、制御装置１００は、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理が実行されている場合において、劣化量検出部１３２で検出されたハイレート劣化量ｄＨＲが予め定められた第２基準値Ｒ２よりも低い場合に、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理が停止されるように構成されていてもよい。

〈ハイレート劣化量ｄＨＲ〉
ここで、劣化量検出部１３２で検出されるハイレート劣化量ｄＨＲは、リチウムイオン二次電池１０の抵抗増加率ｄＲに基づいて算出してもよい。ここで、抵抗増加率ｄＲは、現状のリチウムイオン二次電池１０の抵抗値Ｒｃと、初期状態のリチウムイオン二次電池１０の抵抗値Ｒｉｎｉとの比（Ｒｃ／Ｒｉｎｉ）で算出される。ここで、初期状態は、例えば、リチウムイオン二次電池１０が製造された後、所定のコンディショニング工程を経た状態を基準とするとよい。この場合、算出された抵抗増加率ｄＲをハイレート劣化量ｄＨＲとしてもよい（つまり、ｄＨＲ＝ｄＲ）。この場合、抵抗増加率ｄＲが上昇した場合に、ハイレート劣化量ｄＨＲが上昇したものとして扱える。

この場合、第１基準値Ｒ１は、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理を実行するか否かを判定する閾値である。したがって、算出された抵抗増加率ｄＲをハイレート劣化量ｄＨＲとする場合には、抵抗増加率ｄＲに対して閾値を設定しておくとよい。例えば、第１基準値Ｒ１を１１５％に設定しておくと、抵抗が１５％以上上昇したら、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理が実行される。ここで、第１基準値Ｒ１は、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理を実行させるための閾値として、作動劣化量とも称される。

また、第２基準値Ｒ２は、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理が停止するか否かを判定する閾値である。したがって、算出された抵抗増加率ｄＲをハイレート劣化量ｄＨＲとする場合には、抵抗増加率ｄＲに対して閾値を設定しておくとよい。例えば、第２基準値Ｒ１を１０５％に設定しておくと、抵抗上昇率が５％よりも低くなると、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理が停止される。これにより、必要以上に第１処理部１２１または第２処理部１２２が実行されるのを防止できる。ここで、第２基準値Ｒ２は、第１処理部１２１または第２処理部１２２による処理を停止させるための閾値として、停止劣化量とも称される。なお、停止劣化量としての第２基準値Ｒ２は、第１処理部１２１による処理を停止させる際の第２基準値Ｒ２Ａと、第２処理部１２２による処理を停止させる際の第２基準値Ｒ２Ｂとが異なっていてもよい。つまり、第１処理部１２１による処理を停止する際の第２基準値Ｒ２Ａと第２処理部１２２による処理を停止させる際の第２基準値Ｒ２Ｂとを異ならせることによって、第１処理部１２１と第２処理部１２２は、それぞれ適切なタイミングで停止されることができる。

また、上述したハイレート充放電による劣化（抵抗上昇）は、リチウムイオンの濃度が大きく偏ることが要因の１つであるから、長期間放置すれば、劣化が緩和される。また、リチウムイオン二次電池１０の抵抗上昇要因は、リチウムイオンの濃度が大きく偏ることだけではない。例えば、温度や、仕様による経年的な劣化なども要因となる。このため、ハイレート劣化量ｄＨＲは、温度や充電履歴や放電履歴などの使用履歴に基づいて適宜に、算出された抵抗増加率ｄＲを補正して算出してもよい。この場合、補正係数をＫｃとすると、ハイレート劣化量ｄＨＲは、ｄＨＲ＝ｄＲ＊Ｋｃで表される。ここで、＊は乗算を示している。また、Ｋｃは、温度や充電履歴や放電履歴などの使用履歴に基づいて調整される係数である。このように、ハイレート劣化量ｄＨＲは、温度や充電履歴や放電履歴などの使用履歴に基づいて推定されるものでもよい。

〈制御フロー〉
図８は、かかる制御装置１００の制御フローを示すフローチャートである。
図８に示すように、この制御装置１００は、まず、ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第１基準値Ｒ１（作動劣化量）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１）。ハイレート劣化量ｄＨＲが予め定められた第１基準値Ｒ１（作動劣化量）よりも大きい場合（Ｙ）、充電過多か否かを判定する（Ｓ１２）。充電過多である場合（Ｙ）には、第１処理部１２１による処理を実行する（Ｓ１３）。かかる第１処理部１２１による処理によって、充電電流が制限され（充電制限ＯＮ）、かつ、下限ＳＯＣが高く設定されるモード（劣化抑制モード）が実行される。次に、リチウムイオン二次電池１０が予め定められた第１基準Ｓ１以上（ＳＯＣ≧Ｓ１）になったか否かが判定される（Ｓ１４）。そして、リチウムイオン二次電池１０が予め定められた第１基準Ｓ１以上になった場合（Ｙ）には、第１処理部１２１の処理（Ｓ１３）のうち、充電電流を制限する処理が見直され、停止または緩和される（Ｓ１５）。なお、第１処理部１２１の処理（Ｓ１３）のうち劣化抑制モードは継続される。

制御装置１００は、ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第２基準値Ｒ２Ａ（第１処理部１２１用の停止劣化量）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１６）。ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第２基準値Ｒ２Ａよりも小さい場合（Ｙ）には、劣化抑制モードを停止し、第１処理部１２１による処理を停止する（Ｓ１７）。

充電過多か否かの判定（Ｓ１２）において、充電過多でない場合（Ｎ）には、放電過多か否かを判定する（Ｓ２１）。放電過多である場合（Ｙ）には、第２処理部１２２による処理を実行する（Ｓ２２）。かかる第２処理部１２２による処理によって、放電電流が制限され、かつ、上限ＳＯＣが低く設定されるモード（劣化抑制モード）が実行される。次に、リチウムイオン二次電池１０が予め定められた第２基準Ｓ２以下（ＳＯＣ≦Ｓ２）になったか否かが判定される（Ｓ２３）。そして、リチウムイオン二次電池１０が予め定められた第２基準Ｓ２以下になった場合（Ｙ）には、第２処理部１２２の処理（Ｓ２２）のうち、放電電流を制限する処理が見直され、停止または緩和される（Ｓ２４）。なお、第２処理部１２２の処理（Ｓ２２）のうち劣化抑制モードは継続される。

制御装置１００は、ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第２基準値Ｒ２Ｂ（第２処理部１２２用の停止劣化量）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ２５）。ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第２基準値Ｒ２Ｂよりも小さい場合（Ｙ）には、劣化抑制モードを停止し、第２処理部１２２による処理を停止する（Ｓ２６）。

以上により、ハイレート劣化量ｄＨＲを抑制する一連の制御が完了する。その後、使用域設定部１３１によるリチウムイオン二次電池１０の使用域を初期化する（Ｓ３０）。そして、再び、ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第１基準値Ｒ１（作動劣化量）よりも大きくなるまで、ハイレート劣化量ｄＨＲが、予め定められた第１基準値Ｒ１（作動劣化量）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１）が繰り返される。ここで提案される制御装置１００の制御は、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０が充電および放電される状態におかれている場合に、常時機能するように設定されているとよい。例えば、電気自動車やハイブリッド車両のような車両用途では、車両に搭載されたリチウムイオン二次電池を含む駆動システムの制御が開始に合わせて、ここで提案される制御装置１００の制御が開始されるとよい。そして、当該制震装置１００の制御が終了されるような終了条件を設定し（Ｓ３１）、かかる終了条件を満たす場合に、ここで提案される制御装置１００の制御が終了するとよい。例えば、リチウムイオン二次電池を含む駆動システムの制御が終了される場合を終了条件にするとよい。

以上、ここで提案される制御装置１００についての制御フローを説明した。なお、かかる制御フローは、一例に過ぎず、特に、言及されない限りにおいて、ここで提案される制御装置を限定しない。

例えば、図９は、他の実施形態に係る制御システム１０００Ａのブロック図である。図９に示す形態では、図６に示された形態に比べて、制震装置１００Ａは第２処理部１２２および充電制限処理部１４２を備えていない。この制震装置１００Ａは、リチウムイオン二次電池１０が充電過多である場合に、リチウムイオン二次電池１０の劣化を抑制する装置として構成されている。図１０は、かかる制震装置１００Ａのフローチャートである。制震装置１００Ａの制御フローは、図１０に示すように、上述した制御ステップＳ１１からＳ１７を含んでいる。この制御装置１００Ａによれば、制御ステップＳ１１からＳ１７が実行されることによって、リチウムイオン二次電池１０を充電過多から早期に回復させることができる。

また、図１１は、さらに他の実施形態に係る制御システム１０００Ｂのブロック図である。図１１の形態では、図６に示された形態に比べて、制震装置１００Ｂは第１処理部１２１および放電制限処理部１４１を備えていない。この制震装置１００Ｂは、リチウムイオン二次電池１０が放電過多である場合に、リチウムイオン二次電池１０の劣化を抑制する装置として構成されている。図１２は、かかる制震装置１００Ｂのフローチャートである。制震装置１００Ｂの制御フローは、上述した制御ステップＳ２１からＳ２６を含んでいる。この制御装置１００Ｂによれば、制御ステップＳ２１からＳ２６が実行されることによって、リチウムイオン二次電池１０を放電過多から早期に回復させることができる。

また、ここでは、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０は単電池であるが、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０は、リチウムイオン二次電池１０を電池要素とし、複数の電池要素が接続された組電池でもよい。この場合、制御装置は、組電池を一体的に制御してもよいし、組電池のうち個々の電池要素としてのリチウムイオン二次電池１０をそれぞれ制御してもよい。

また、図１３は、制御対象となるリチウムイオン二次電池１０と、ここで提案される制御装置１００とを備えた車両１の構成例を示す側面図である。ここで提案される制御装置１００および制御方法は、図１３に示すように、当該制御装置１００および制御方法における制御対象となるリチウムイオン二次電池１０として、複数の電池要素が接続された組電池が適用できる。当該組電池を備えた車両には、例えば、ハイブリッド車やプラグインハイブリッド車、ハイブリッド鉄道車両など、制御対象となるリチウムイオン二次電池を含む種々の輸送機器が含まれうる。制御装置１００は、予め定められたプログラムに沿って演算を行う演算装置と、電子化された情報を記憶する記憶装置とを備えている。ここで、演算装置は、中央処理装置（ＣＰＵ）などと称されうる。記憶装置は、メモリやハードディスクなどと称されうる。制御装置１００は、予め定められたプログラムに沿って所定の演算処理を行い、演算結果を基にリチウムイオン二次電池１０を電気的に制御する。車両用途では、制御装置１００は、エンジンやステアリングやブレーキや二次電池などを制御するために車両に搭載された電子制御ユニット（ＥＣＵ）に組み込まれていてもよい。

実際にハイブリッド車両に搭載されたリチウムイオン二次電池１０の制御では、本制御を組み込んだ。そして、所定のハイレートでの充電や放電を有する模擬走行パターンをシュミレーションした。この場合、通常の使用域が、ＳＯＣ４０％からＳＯＣ７０％で使用されるように制御されている場合、充電過多の状態になると、低ＳＯＣ域に留まる傾向があり、入力制限が生じたり、出力が低下したりする。また、放電過多の状態になると、高ＳＯＣ域に留まる傾向があり、出力制限が生じたり、出力が低下したりする。このため、エンジンの使用が増えて燃費が半減していた。これに対してここで提案する制御により、充電過多の場合に、使用域をＳＯＣ５５％から７０％の高ＳＯＣ側に移動させた。さらに、放電過多の場合に、使用域をＳＯＣ３０％から６０％の低ＳＯＣ側に移動させた。これによって、動力性能と燃費性能を高く維持することができ、また、リチウムイオン二次電池の性能劣化も小さく押さえることができた。

１ 車両
１０ リチウムイオン二次電池
２０ 電池ケース
４０ 捲回電極体
８０ 電解液
１００、１００Ａ、１００Ｂ 制御装置
１１１ 第１記録部
１２１ 第１処理部
１２２ 第２処理部
１３０ ＳＯＣ検知部
１３１ 使用域設定部
１３２ 劣化量検出部
１４１ 放電制限処理部
１４２ 充電制限処理部
２１０ 入力側装置
２１２ スイッチ
２２０ 出力側装置
２２２ スイッチ
２４０ 電流計
２４２ 電圧計
２４４ 温度計
１０００、１０００Ａ、１０００Ｂ 制御システム
ＷＬ 捲回軸

Claims (17)

1. 制御対象となるリチウムイオン二次電池のＳＯＣを検知するＳＯＣ検知部と、
   前記ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の使用域を設定する使用域設定部と、
   前記リチウムイオン二次電池の充電履歴と放電履歴とを記録する第１記録部と、
   前記第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、前記使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の下限ＳＯＣを高くする第１処理部と
   を備えた、リチウムイオン二次電池の制御装置。
2. 前記第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、放電電流を予め定められた電流値よりも低く制限する放電制限処理部を備えた、請求項１に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
3. 前記放電制限処理部による制限は、前記リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも高くなった場合に停止され、または、緩和される、請求項２に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
4. 前記第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池が充電過多である場合に、前記リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも低い場合に、予め定められた電流値よりも低い電流値で充電する高ＳＯＣ化処理部を備えた、請求項１から３までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
5. 前記第１処理部は、
   前記使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の上限ＳＯＣを低くする、
   ここで、前記上限ＳＯＣは、前記第１処理部の処理によって高く設定された後の前記下限ＳＯＣよりも高く設定されるものとする、
   請求項１から４までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
6. 前記使用域設定部は、前記ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の使用域の中心域を設定する処理を含み、
   前記第１処理部は、前記使用域設定部によって設定された前記リチウムイオン二次電池の使用域の中心域を高くする、請求項１から５までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
7. 制御対象となるリチウムイオン二次電池のＳＯＣを検知するＳＯＣ検知部と、
   前記ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の使用域を設定する使用域設定部と、
   前記リチウムイオン二次電池の充電履歴と放電履歴とを記録する第１記録部と、
   前記第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池が放電過多である場合に、前記使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の上限ＳＯＣを低くする第２処理部と
   を備えたリチウムイオン二次電池の制御装置。
8. 前記第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池が放電過多である場合に、充電電流を予め定められた電流値よりも低く制限する充電制限処理部を備えた、請求項７に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
9. 前記充電制限処理部のよる制限は、前記リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも低くなった場合に停止され、または、緩和される、請求項８に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
10. 前記第１記録部に記録された充電履歴と放電履歴とに基づいて、前記リチウムイオン二次電池が放電過多である場合に、前記リチウムイオン二次電池が予め定められたＳＯＣよりも高い場合に、予め定められた電流値よりも低い電流値で放電する低ＳＯＣ化処理部を備えた、請求項７から９までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
11. 前記第２処理部は、
    前記使用域設定部によって設定されたリチウムイオン二次電池の使用域の下限ＳＯＣを高くする、
    ここで、前記下限ＳＯＣは、前記第２処理部の処理によって低く設定された後の前記上限ＳＯＣよりも低く設定されるものとする、
    請求項７から１０までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
12. 前記使用域設定部は、前記ＳＯＣ検知部によって検知されたＳＯＣに基づいて、前記リチウムイオン二次電池の使用域の中心域を設定する処理を含み、
    前記第２処理部は、前記使用域設定部によって設定された前記リチウムイオン二次電池の使用域の中心域を低くする、請求項７から１１までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
13. 前記リチウムイオン二次電池のハイレート劣化量を検出する劣化量検出部を備え、
    前記劣化量検出部で検出されたハイレート劣化量が予め定められた第１基準値よりも高い場合に、前記第１処理部による処理が実行される、請求項１から請求項６までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
14. 前記劣化量検出部で検出されたハイレート劣化量が予め定められた第２基準値よりも低い場合に、前記第１処理部による処理が停止される、
    請求項１３に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
15. 前記リチウムイオン二次電池のハイレート劣化量を検出する劣化量検出部を備え、
    前記劣化量検出部で検出されたハイレート劣化量が予め定められた第１基準値よりも高い場合に、前記第２処理部による処理が実行される、請求項７から請求項１２までの何れか一項に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
16. 前記劣化量検出部で検出されたハイレート劣化量が予め定められた第２基準値よりも低い場合に、前記第２処理部による処理が停止される、
    請求項１５に記載されたリチウムイオン二次電池の制御装置。
17. 制御対象としてのリチウムイオン二次電池と、
    請求項１から１６までの何れか一項に記載された制御装置と
    を有する、車両。

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