JP6256682B2

JP6256682B2 - 二次電池の管理装置

Info

Publication number: JP6256682B2
Application number: JP2013266157A
Authority: JP
Inventors: 正規渡邉
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: JP2015122910A

Description

本発明は二次電池の管理装置に関する。

近年、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等の電動車両が多数実用化されている。電動車両に搭載されている駆動用のバッテリは、充電可能なリチウムイオン二次電池が用いられている。また、リチウムイオン二次電池は家庭用電源、各種ＡＶ機器、パソコン、携帯端末などの種々の分野で使用されている。

このようなリチウムイオン二次電池は、使用を継続することにより劣化するが、使用環境に応じて劣化状態が異なる。よって、劣化状態を正確に把握することは、電力管理を正確に且つ適正に行うことにより、動作時間を最大限に延ばしたり、さらなる劣化を抑えたりするに当たって重要である。特に、電気自動車では、走行可能距離の算出や、車両の要求に応じた電力の入出力制御を行うため、二次電池の残存容量を算出しているが、二次電池の劣化状態を正確に把握することは重要である。

ここで、二次電池の劣化は、容量劣化及び抵抗劣化の２種類の劣化が組み合わさって発生することが知られており、容量劣化や抵抗劣化を測定する方法が種々検討されている。このような劣化状態の測定方法としては、満充電から０％までの放電時間（逆の充電）で容量劣化を測定する方法、一定時間の充放電をする際の電圧変化などから抵抗劣化を測定する方法などが知られている。また、適正な電力管理を行って動作時間を長く維持するために、内部状態を正確に把握する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４３３２３２１号公報

しかしながら、抵抗劣化には部材抵抗劣化及び反応抵抗劣化の２種類があり、上述した技術ではこれらの切り分けができず、内部状態の十分な把握は困難であり、充電完了必要時間や所定の充電容量とするために必要時間、所定時間充電後の電池容量などを正確に把握することが困難であった。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、二次電池の部材抵抗劣化と反応抵抗劣化を把握し、より適正な電力管理を行う二次電池の管理装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明は、二次電池の入出力制御を行う二次電池の管理装置であって、所定充電条件で充電した際の充電電流カーブを、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮してマップ化した部材反応劣化マップと、前記二次電池の充電を実施して充電電流カーブを取得し、前記部材反応劣化マップとの比較により、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態を判定する電池劣化状態判定部と、前記電池劣化状態判定部が判定した部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態毎に前記二次電池の制御内容を変更する制御変更部と、を具備することを特徴とする二次電池の管理装置にある。

かかる本発明では、所定充電条件で充電した際の充電電流カーブに基づいて、容量劣化とは切り分けられる抵抗劣化を、部材抵抗増加及び反応抵抗増加の依存状態を考慮して把握できるので、その後の充放電制御をより適正に行うことができる。

ここで、前記部材反応劣化マップは前記二次電池の温度ごとに複数設けられ、前記電池劣化状態判定部は、前記部材反応劣化マップとの比較により、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態を判定できない場合に、前記二次電池の温度を変更した所定温度条件下で、充電終了まで充電を実施して充電電流カーブを取得し、前記部材反応劣化マップとの比較により、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態を判定することを特徴とすることが好ましい。

これによれば、異なる温度で測定した２つの充電電流カーブに基づいて、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を把握できるので、その後の充放電制御をより適正に行うことができる。

また、前記部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態毎は、抵抗増加を部材抵抗増加及び反応抵抗増加の依存比率毎であることが好ましい。

これによれば、マップを単純化でき、マップと測定した充電電流カーブとの比較をより簡便に行うことができる。

また、前記二次電池と前記二次電池の管理装置は車両に搭載されることが好ましい。

これによれば、車両における走行制御を適正に行うことにより、二次電池の劣化をより低減できる。

また、前記二次電池の使用可容量演算部と、前記車両の走行係数演算部と、前記車両の走行可能距離演算部とを具備し、前記制御変更部は、前記電池劣化状態判定部が把握した部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態毎に、前記使用可容量演算部と、前記走行係数演算部と、前記走行可能距離演算部の演算条件を変更することが好ましい。

これによれば、車両の走行可能距離の演算をより正確に行うことができる。

本発明の二次電池の管理装置によれば、所定充電条件で充電した際の充電電流カーブに基づいて、容量劣化とは切り分けられる抵抗劣化を、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮して把握できるので、その後の充放電制御をより適正に行うことができるという優れた効果を奏する。

本実施形態にかかる制御装置を有するＰＨＥＶの構成を示す模式図である本実施形態にかかる二次電池の管理装置の構成を示すブロック図である。本実施形態にかかるマップを説明するためのグラフである。本実施形態にかかるマップを説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の実施形態は、二次電池及びその管理装置を車両に搭載した例について説明するが、二次電池の管理装置は他の用途に使用される二次電池の管理にも使用できる。

図１に示すように、電動車両の一例であるプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）１には、エンジン２の他、二次電池である駆動用バッテリ３が搭載されている。駆動用バッテリ３は、複数のバッテリーセルが直列に接続されてなるバッテリユニットであり、例えば、リチウムイオン二次電池からなる。

この駆動用バッテリ３はコントロールユニット４を介して走行用モータ５及びジェネレータ６に電気的に接続されている。走行用モータ５及びジェネレータ６は、図示は省略するが駆動輪に連結されている。そして、ＰＨＥＶ１は、例えば、駆動用バッテリ３からの電力供給により動作する走行用モータ５の駆動力によって走行するＥＶ走行モード、駆動用バッテリ３とエンジン２によって駆動されるジェネレータ６によって発電される電力によって動作する走行用モータ５の駆動力によって走行するシリーズ走行モード、エンジン２の駆動力で走行するパラレル走行モードなどの走行モードを有している。

本実施形態におけるＰＨＥＶ１では、駆動用バッテリ３に蓄えられた電力は、コントロールユニット４のインバータで直流から交流に変換されて走行用モータ５に流入し、これにより走行用モータ５が駆動される（放電）。また、ＰＨＥＶ１の減速時の回生発電電力は、コントロールユニット４のインバータで交流から直流に変換されて駆動用バッテリ３に流入し、駆動用バッテリ３に充電される。

ここで、本実施形態にかかるＰＨＥＶ１には、図２に示すように、制御部１００が設けられている。制御部１００は、各種情報を検出する検出部１０を具備し、駆動用バッテリ３の温度を検出する電池温度検出手段１１と、駆動用バッテリ３のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ、残存容量）を検出するＳＯＣ検出手段１２を備える。なお、ＳＯＣ検出手段１２は、単純に電圧検出手段に置き換えてもよい。

そして、制御部１００は、検出部１０により検出された情報に基づいて、ＰＨＥＶ１の走行に必要な値を演算する走行演算部２０を具備する。走行演算部２０は、駆動用バッテリ３の使用可能容量を演算する使用可容量演算部２１と、使用可能容量から走行可能距離を演算する際に乗ずる走行係数を、駆動用バッテリ３の状態、温度領域などを考慮して演算する走行係数演算部２２と、使用可能容量及び走行係数から走行可能距離を演算する走行可能距離演算部２３とを具備する。

さらに、本実施形態の制御部１００は、駆動用バッテリ３の劣化状態を検出する電池劣化状態検出部３０(劣化状態判定部)と制御変更部４０とを具備する。電池劣化状態検出部３０は、容量劣化と切り分けられる抵抗劣化を部材抵抗増加と反応抵抗増加とに切り分けて把握することにより、駆動用バッテリ３の劣化状態を正確に検出するものである。このように検出された電池劣化状態は制御変更部４０に送られ、制御変更部４０は、電池劣化状態に基づいて制御変更指令を走行演算部２０及び制御実施出力部５０に送る。

制御実施出力部５０は、制御実施部６０に制御実施指令を出力する。ここで、制御実施指令は、充放電制御手段６１が行う駆動用バッテリ３の充放電制御に関する指令、また、車両入出力制御手段６２が行う、走行用モータ５の車両への出力制御に関する指令、タイヤの回転力でジェネレータ６を駆動して発電する回生入力に関する指令、さらに、モータアシスト量制御手段６３が行うエンジン２による走行時に走行用モータ５がアシストする量の制御に関する指令などがある。

駆動用バッテリ３の温度を制御するために、ヒータ、電磁波などによって電池を加熱する電池加熱手段７１や冷房装置などによって電池を冷却する電池冷却手段７２を具備し、これも制御部１００によって制御される。

ここで、電池劣化状態検出部３０は、容量劣化と切り分けられる抵抗劣化を部材抵抗増加と反応抵抗増加とに切り分けて把握するためのマップ３１を具備する。

マップ３１は、所定の条件(部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮してマップ化する条件)下で駆動用バッテリ３を充電した際の充電電流カーブを３次元マップとしたものであり、充電を開始する際の電池温度や容量劣化状態を変更した各種条件下で測定した結果に基づいて予め用意したものである。

かかる充電電流カーブは、電池温度や容量劣化状態、さらには抵抗劣化状態によって変化するが、電池温度や容量劣化状態が同じ場合において、抵抗劣化、すなわち、抵抗の増加量（又は増加率）が同じであっても、部材抵抗増加と反応抵抗増加との比の違いによって変化する。すなわち、抵抗劣化状態が同じであっても、部材抵抗増加及び反応抵抗増加のそれぞれの寄与率が異なる状態が存在するが、この状態の相違は充電電流カーブによって把握できることを新たに知見し、かかる知見に基づいて抵抗劣化を部材抵抗増加と反応抵抗増加とに切り分けて把握するものである。

ここで、主に金属系の抵抗で温度に対して抵抗変化の直線性ある部材抵抗は温度依存性が小さく、化学反応系の抵抗で温度に対して抵抗変化の直線性ない反応抵抗は温度依存性が大きく、充電時の充電電流カーブは、特に反応抵抗により、形が大きく変わるので、両者を切り分けて把握することが大事である。

因みに、特許文献１では、常温での測定で反応抵抗の変化が少ないところで求めており、さらに、抵抗の変化に対しての試験も、追加で可変抵抗を外側にのせているので、部材抵抗の変化のみを確認している。よって、特許文献１では、反応抵抗が大きく変化した抵抗劣化に対しては対応ができないという欠点を有する。

反応抵抗の寄与率が大きい場合などには、低温などでは思わぬ抵抗増加などが発生して、低温出力が出ない、すなわち、車両が停止するなどの問題が発生する虞があり、このような問題を回避するために、抵抗劣化において、部材抵抗と反応抵抗の切り分けが必要となる。

本実施形態では、抵抗劣化を部材抵抗増加と反応抵抗増加とに切り分けて把握するためにマップ３１を具備する。マップ３１は、電池温度毎、すなわち、０℃、１０℃、２０℃、３０℃などの各温度毎、さらに、各温度において、容量劣化状態毎、例えば、劣化による容量低下を初期の容量を１００％として表した場合、１００％、９０％、８０％、７０％、６０％などの各容量劣化状態毎に、抵抗劣化の状態、及び同程度の抵抗劣化状態において部材抵抗増加と反応抵抗増加と寄与率を種々変更したマップを用意する。ここで、マップ３１が沢山用意されているほど、より正確な劣化状態が把握できるが、どの程度のマップ３１を用意するかは、要求される劣化把握の制度、コストなどによって決定すればよい。

また、このようなマップ３１を作製するための充電条件は、予め決めておけばよく、例えば、電流が１Ａになるまでで充電を終了するなどとすればよい。

電池劣化状態検出部３０は、マップ３１に存在する電池温度、容量劣化状態のときに、例えば、容量劣化９０％で、電池温度２０℃のときに、予め決めておいた条件で充電を行い、充電電流カーブを取得し、この充電電流カーブが、マップ３１のうちの同じ電池温度、容量劣化状態のマップの何れに該当するかを判断し、抵抗劣化状態及びこれに寄与する部材抵抗増加と反応抵抗増加と寄与率を把握する。

ここで、部材抵抗増加と反応抵抗増加と寄与率が異なる場合であっても、充電電流カーブが類似する状態が存在する場合がある。この場合は、異なる温度で、再度充電電流カーブを測定する。部材抵抗増加と反応抵抗増加と寄与率が異なる場合であって、ある温度で充電電流カーブが類似する場合であっても、部材抵抗の温度依存性が小さく、反応抵抗の温度依存性が大きいことから、異なる温度（マップが存在する温度）で測定すると、寄与率の差異により充電電流カーブが異なる。

よって、温度の異なる条件で測定した充電電流カーブを比較することにより、部材抵抗増加と反応抵抗増加と寄与率を確実に把握することができる。

このような電池劣化状態の検出は、マップ３１に存在する電池温度、容量劣化の状態で行うのが好ましいが、マップ３１に存在しない電池温度、容量劣化の状態であっても、隣接する２つの電位温度、容量劣化の値を外挿してマッチングを行うことができる。

また、１つの温度で判断できない場合において、異なる温度で再測定する際には、電池加熱手段７１や電池冷却手段７２により電池温度を変化させて行う。

なお、容量劣化状態は、公知の方法により測定して把握しておく。例えば、特許文献１に記載の方法も１つの方法である。

このように電池劣化状態検出部３０により電池劣化状態を把握した後には、制御変更部４０に電池劣化状態の情報が送られ、制御変更部４０は、その後の制御状態に変更を加える。

具体的な制御状態変更の例としては、充電完了必要時間演算、電池容量を所定値、例えば、１５Ａｈにするための必要時間の演算、充電を所定期間、例えば、１５分間行ったときの電池容量演算などの演算条件を変更し、より正確な演算が可能となる。また、充電の終了条件を変更した場合の演算に変更を加え、例えば、終了条件電圧を、例えば、３．９ V に変更したときの必要充電時間、電池容量や、終了条件電流を３Ａに変更したときの必要充電時間、電池容量をより正確に算出できる。さらに、ＳＯＣ９０％までなどの充電必要時間が正確に把握することができるので、自由なＳＯＣにて充電を自在に停止することが可能となり、満充電をしないでさらなる電池劣化を抑えるなどの充電制御も可能となる。

（実施例）
以下、具体的な実施例を例示して、電池劣化状態検出を行う手順を説明する。
図３には、電池温度が２５℃の場合の充電電流カーブの例を示す。ここで、実線は、抵抗劣化により抵抗が１．２倍となった状態で、反応抵抗増加の寄与率が７０％、部材抵抗増加の寄与率が３０％の状態の場合の充電電流カーブ（例１のマップ又は実際の測定カーブ）であり、点線は、抵抗劣化により抵抗が１．３倍となった状態で、反応抵抗増加の寄与率が５０％、部材抵抗増加の寄与率が５０％の状態の場合の充電電流カーブ（例２のマップ又は実際の測定カーブ）である。両者において、定電圧充電移行（ＣＶ開始）のポイントが異なるが、定電圧充電移行後のカーブが類似する。ここで、ＣＶ開始までの時間は圧倒的に長いので、両者の移行時の差は誤差範囲となり、定電圧充電移行後のカーブのみで判断すると、両者は区別できない状態となる。これは、実際の測定が両者の何れかの場合、例１であったとしても、例１、例２の両者のマップの何れに該当するかが判断できないこととなる。

図４は、電池温度を０℃に変更した場合の、例１及び例２の充電電流カーブである。この場合、反応抵抗の温度依存性によりカーブが大きく変化するが、反応抵抗の寄与率が大きな例１の場合の方が大きく変化し、例１の実線のカーブと、例２の点線のカーブとは大きく異なる。よって、２５℃の条件の測定だけでは区別できないものであっても、０℃での測定を併せてみることにより、実施の測定が例１に該当することが把握できる。

（その他）
以上説明した実施形態では、二次電池を車両に搭載した例を説明したが、本発明は、家庭用の補助電源、その他各種機器の電源として用いた場合にも適用でき、同様な効果を奏するものである。

１ＰＨＥＶ
２エンジン
３駆動用バッテリ
４コントロールユニット
５走行用モータ
６ジェネレータ
１０検出部
２０走行演算部
３０電池劣化状態検出部
３１マップ
４０制御変更部
１００制御部

Claims

二次電池の入出力制御を行う二次電池の管理装置であって、
所定充電条件で充電した際の充電電流カーブを、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮してマップ化した部材反応劣化マップと、
前記二次電池の充電を実施して充電電流カーブを取得し、前記部材反応劣化マップとの比較により、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態を判定する電池劣化状態判定部と、
前記電池劣化状態判定部が判定した部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態毎に前記二次電池の制御内容を変更する制御変更部と、を具備することを特徴とする二次電池の管理装置。
前記部材反応劣化マップは前記二次電池の温度ごとに複数設けられ、
前記電池劣化状態判定部は、前記部材反応劣化マップとの比較により、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態を判定できない場合に、前記二次電池の温度を変更した所定温度条件下で、充電終了まで充電を実施して充電電流カーブを取得し、前記部材反応劣化マップとの比較により、部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態を判定することを特徴とする請求項１記載の二次電池の管理装置。
前記部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態毎は、抵抗増加を部材抵抗増加及び反応抵抗増加の依存比率毎であることを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池の管理装置。
前記二次電池と前記二次電池の管理装置は車両に搭載されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の二次電池の管理装置。
前記二次電池の使用可容量演算部と、前記車両の走行係数演算部と、前記車両の走行可能距離演算部とを具備し、前記制御変更部は、前記電池劣化状態判定部が把握した部材抵抗及び反応抵抗の依存状態を考慮した抵抗劣化状態毎に、前記使用可容量演算部と、前記走行係数演算部と、前記走行可能距離演算部の演算条件を変更することを特徴とする請求項４記載の二次電池の管理装置。