JP6348232B2 - 電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の電池制御装置に関する。

近年、リチウムイオン電池などの二次電池を車両の電源システムやスマートハウスの電源システムなどに使用することにより、効率的にエネルギーを利用する取り組みが進められている。システム全体のエネルギー効率を向上させるためには、二次電池の充放電量を増大させることが有効である場合が多い。ただし、充放電量を増大させると二次電池の特性劣化を生じることが知られている。特に、二次電池の内部抵抗が上昇し、入出力特性が低下することが問題となっている。

このように、システム全体の瞬間的なエネルギー効率と二次電池の特性劣化とは相反する関係にある。一方で、上記用途の電源はその利用期間が長期に及ぶため、想定された利用期間全体のエネルギー効率が最大になるように二次電池を使用することが望ましい。そのためには、二次電池の特性劣化が所定の範囲内に収まるように、二次電池の充放電量を制御する必要がある。

二次電池の特性劣化は、一般に二次電池の電圧が高すぎる場合や、低すぎる場合に速く進行することが知られている。実際には、二次電池の電圧は二次電池の正極電位と負極電位との差であるから、特性劣化の速度は電池電圧ではなく、正極電位と負極電位とによって決まる。そのため、劣化抑制の手段として、二次電池における正極電位および負極電位を正確に検出し、検出した電位に応じて最適な電池使用方法を選択することが有効である。例えば、特許文献１には、二次電池の充放電曲線を利用することにより、正極、負極および電解液の劣化状態を非破壊でそれぞれ定量評価し、正極と負極の開回路電位を判定する方法が記載されている。

特許文献１には二次電池の状態判定方法が記載されており、予め記憶した正極・負極単独の充放電曲線に基づいて当該二次電池の充放電曲線を計算で再現し、その過程で正極活物質の有効重量、負極活物質の有効重量、正極・負極間の容量ずれ、および二次電池の開回路電圧に対応する正極電位と負極電位を取得する方法が記載されている。また、取得した正極電位と負極電位を用いた二次電池の制御により、それ以前の電池電圧に基づく制御に比べて、二次電池の高安全化および特性劣化の抑制を達成できることが記載されている。

特開２００９−８００９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された状態判定方法および特性劣化の抑制方法は、二次電池の容量に関する方法であり、二次電池の内部抵抗の上昇を制御する方法については開示されていない。

本発明に係る電池制御装置は、二次電池の正極抵抗上昇率を示す第１データおよび負極抵抗上昇率を表す第２データが予め保持されている記憶部と、二次電池の電池抵抗上昇率の許容範囲、電池充電状態、正極充電状態および負極充電状態と前記第１および第２データとに基づいて、二次電池の上限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第１相関関係、および、二次電池の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第２相関関係を算出する相関演算部と、を備え、前記相関演算部で算出された第１相関関係および第２相関関係に基づいて、二次電池の電流を制御する。

本発明によれば、二次電池の正極と負極の内部抵抗に基づいて二次電池の特性劣化速度を制御することができる。

図１は、本実施の形態の電池制御装置を備える電池システムを示す図である。 図２は、電池制御装置の一例を示すブロック図である。 図３は、データテーブルＤＴ１を用いた電池制御の一例を示すフローチャートである。 図４は、劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１の算出方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、容量１．２Ａｈの正極と負極のデータテーブルＤＴ２の一例を示す図である。 図６は、正極電位曲線および負極電位曲線を示す図である。 図７は、初期状態（Ｗ＝１．２Ａｈ）と劣化時（Ｗ＝１．０Ａｈ）のデータテーブルＤＴ４を示す図である。 図８は、図５に示したデータテーブルＤＴ２における、劣化時の適用範囲を説明する図である。 図９は、現時点（劣化時）のデータテーブルＤＴ１を示す図である。 図１０は、３種類の条件で電流制御を行った場合の制御結果を比較して示した図である。 図１１は、容量が１．２（Ａｈ）、内部抵抗が５０（mΩ）の二次電池に対する、データテーブルＤＴ１の一部を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態の電池制御装置を備える電池システムを示す図である。図１に示す電池システム１００はハイブリッド電気自動車の電池システムであり、図１におけるハイブリッド電気自動車は２つの車両駆動用システムを備えており、その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。

もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてハイブリッド電気自動車の駆動源および電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。

車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のハイブリッド電気自動車では、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち
後輪駆動方式を採用しても構わない。

前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側およびモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がモータコントローラ１４０，１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。モータコントローラ１４０，１４２には二次電池１３６が電気的に接続されており、二次電池１３６とモータコントローラ１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。二次電池１３６には、例えばリチウムイオン電池などが用いられる。

このように、本実施形態では、モータジェネレータ１９２およびモータコントローラ１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびモータコントローラ１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。また、本実施形態では、二次電池１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。また、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、二次電池１３６の充電ができる。

さらに、二次電池１３６は、二次電池１３６を冷却する冷却ファン１９６のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。二次電池１３６からインバータ装置４３に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されて冷却ファン駆動用のモータ１９５に供給される。

二次電池１３６は電池制御装置１３８によって制御される。電池制御装置１３８は、複数の電子回路部品から構成された電子回路であり、機能上、上位制御部と下位制御部の２つの階層に分かれて構成されている。下位制御部は、二次電池１３６を構成する複数の電池セルのそれぞれの状態を管理および制御している。具体的には、複数の電池セルのそれぞれの電圧および異常（過充放電）を検出していると共に、複数の電池セルの間の充電状態を調整している。

上位制御部は、二次電池１３６の状態を管理および制御している。具体的には、二次電池１３６の充電状態や劣化状態を推定演算していると共に、二次電池１３６の充放電可能な許容値を演算して、モータコントローラ１４０，１４２に提供し、その許容範囲内において二次電池１３６の充放電を制御している。

（電池制御の説明）
次に、電池制御装置１３８による電池制御について説明する。図２は、電池制御装置１３８の一例を示すブロック図である。電池制御装置１３８は、記憶部１３８１、ＤＴ１演算部１３８２，ＤＴ３演算部１３８３、ＤＴ４演算部１３８４、電流制御部１３８５を備えている。記憶部１３８１には、図１１に示す初期状態のデータテーブルＤＴ１（詳細は後述する）が予め記憶されている。後述するように電池システムの起動時には、そのときの電池劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１が算出され、記憶部１３８１に記憶される。

データテーブルＤＴ１は、二次電池１３６の充電状態Ｑと温度Ｔに対して、上限電流Ｉmaxおよび下限電流Ｉminを定めるデータテーブルである。上述したように、図１１に示すデータテーブルＤＴ１は、二次電池１３６が劣化していない初期状態におけるデータテーブルの一部を示したものであり、容量が１．２（Ａｈ）、内部抵抗が５０（mΩ）である。なお、図１１では、充電状態Ｑを、二次電池１３６の満充電状態からの放電量で表している。図１１（ａ）は上限電流Ｉmaxを示し、図１１（ｂ）は下限電流Ｉminを示す。ここでは、上限電流Ｉmaxは、内部抵抗が年間３（mΩ）上昇する電流に対応し、下限電流Ｉminは、内部抵抗が年間２（mΩ）上昇する電流に対応している。

二次電池１３６の電流値Ｉが上限電流Ｉmaxを上回ると、二次電池１３６の特性劣化速度は想定値を上回ることになる。一方、二次電池１３６の電流値Ｉが下限電流Ｉminを下回ると、二次電池１３６の特性劣化速度が想定値を下回ることになる。

データテーブルＤＴ１における二次電池１３６の充電状態Ｑとしては、例えば、満充電状態から全放電状態に至るまでの放電容量を百分割して、満充電状態を１００、全放電状態を０として表す方法がある。あるいは、満充電状態からの放電量や、全放電状態からの充電量や、二次電池１３６の開回路電圧を充電状態として用いる方法もある。

図３は、データテーブルＤＴ１を用いた電池制御の一例を示すフローチャートであり、電池制御装置１３８において実行される。図３のフローチャートは、主たるエネルギー消費部分であるモータジェネレータ１９２への出力要求が生じた時点で開始される。ここでは、二次電池１３６の状態は、劣化の無い初期状態であると仮定して説明する。すなわち、図１１のデータテーブルＤＴ１を使用する。

なお、システム起動時に二次電池１３６の劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１が算出されるので、その新たなデータテーブルＤＴ１が算出されるまでは図１１のデータテーブルＤＴ１が使用される。劣化状態のデータテーブルＤＴ１が新たに算出されると、その算出されたデータテーブルＤＴ１を用いて図３の電池制御が実行される。

ステップＳ１００では、電池制御装置１３８は、予め測定または計算された電池の電圧Ｖ、温度Ｔ、充電状態Ｑ、内部抵抗Ｒを、記憶部１３８１から読み込む。ここで、電池の電圧Ｖとは二次電池１３６を構成する電池セルの電圧であり、上述した下位制御部で検出された電池セルの電圧の平均値や、二次電池１３６の計測電圧を電池セル当たりに換算した電圧が用いられる。

ステップＳ１１０では、モータコントローラ１４０からの要求出力Ｐreqと電池電圧Ｖと内部抵抗Ｒとから要求電流Ｉreqを、例えば次式（１）を用いて算出する。
Ｐreq＝（Ｖ−Ｉreq・Ｒ）×Ｉreq …（１）

ステップＳ１２０では、読み込んだ充電状態Ｑと温度Ｔに対応する上限電流Ｉmaxと下限電流Ｉminを、データテーブルＤＴ１から読み込む。次いで、ステップＳ１３０において、要求電流Ｉreqが上限電流Ｉmax以下か否かを判定する。ステップＳ１３０で要求電流Ｉreq≦上限電流Ｉmaxと判定されるとステップＳ１４０へ進み、要求電流Ｉreq＞上限電流Ｉmaxと判定されるとステップＳ１７０へ進む。ステップＳ１４０では、要求電流Ｉreqが下限電流Ｉmin以上か否かを判定する。ステップＳ１４０で要求電流Ｉreq≧下限電流Ｉminと判定されるとステップＳ１６０へ進み、要求電流Ｉreq＜下限電流Ｉminと判定されるとステップＳ１５０へ進む。

ステップＳ１６０に進んだ場合には、すなわち、要求電流Ｉreqが上限電流Ｉmax以下かつ下限電流Ｉmin以上と判定された場合には、電池制御装置１３８は二次電池１３６から要求電流Ｉreqを出力させる。

ここで、図１１のデータテーブルＤＴ１の場合について具体的に説明する。主たるエネルギー消費部分であるモータジェネレータ１９２へＰreq＝２２（Ｗ）出力することを要求されたとき、二次電池１３６の温度が４０℃、電圧が４．０（Ｖ）、充電状態が放電量０．５（Ａｈ）、内部抵抗が５０（mΩ）であったとする。この場合、式（１）より要求電流Ｉreqは約５．９（Ａ）と計算される。図１１においてＴ＝４０℃、放電量＝０．３（Ａｈ）のデータを確認すると、上限電流は約９．５（Ａ）、下限電流は約３．０（Ａ）である。したがって、ステップＳ１３０→ステップＳ１４０→ステップＳ１６０と進んで、電池制御装置１３８は二次電池１３６から電流値５．９（Ａ）の電流を出力させる。

一方、ステップＳ１３０で要求電流Ｉreq＞上限電流Ｉmaxと判定された場合には、電池制御装置１３８は、ステップＳ１７０で二次電池１３６から上限電流Ｉmaxを出力させ、さらに、ステップＳ１８０でモータジェネレータ１９４を発電動作させて、要求電流Ｉreqと上限電流Ｉmaxとの差分に相当する電流をモータジェネレータ１９２に供給する。

ステップＳ１９０では、電池温度Ｔが所定条件を満足しているか否かを判定し、満足していない場合にはステップＳ２００へ進んで、電池温度Ｔが所定条件を満足するように冷却ファン１９６を回転するモータ１９５の出力を調整する。この際の条件としては、例えば、電池温度Ｔが予め定められた最低温度Ｔmin以上で最高温度Ｔmax以下であるという条件が挙げられる。また、データテーブルＤＴ１において、電池温度Ｔを現在値から一定量低下または上昇させると上限電流Ｉmaxの値が一定量以上増加するという条件が挙げられる。

ステップＳ１７０からステップＳ２００までの処理を、図１１に示すデータテーブルＤＴ１を用いて具体的に説明する。モータジェネレータ１９２へＰreq＝３５（Ｗ）の出力を要求されたときに、電池の温度が４０℃、電圧が４．０（Ｖ）、充電状態が放電量＝０．３（Ａｈ）、内部抵抗が５０（mΩ）であったとする。この場合、上述した式（１）により要求電流Ｉreqは約１１．７（Ａ）と計算される。

図１１において温度４０℃、放電量＝０．３（Ａｈ）のデータを確認すると、上限電流Ｉmaxは約９．５（Ａ）、下限電流Ｉminは約３．０（Ａ）である。したがって、この場合には要求電流Ｉreqが上限電流Ｉmaxを上回っているため、電池制御装置１３８は二次電池１３６から上限電流Ｉmaxである９．５（Ａ）を出力させる（ステップＳ１７０）。同時に、モータジェネレータ１９４を発電動作させて、要求電流Ｉreqと上限電流Ｉmaxとの差分である２．１（Ａ）の電流を、モータジェネレータ１９２に供給させる（ステップＳ１８０）。

なお、図１１を見ると、放電量＝０．３（Ａｈ）においては、二次電池１３６の温度を低下させると上限電流Ｉmaxの値が大きくなることがわかる。そこで、エネルギー消費部分であるモータ１９５の出力を増加させて二次電池１３６を冷却する。その結果、電池温度Ｔが低下して、上限電流Ｉmaxの値が大きくなるので、二次電池１３６の劣化が抑えられる。

このように、ステップＳ１７０からステップＳ２００までの処理により、発電電流およびモータ１９５の出力が増加するため、システム全体のエネルギー効率は一時的に低下する。一方で、電池温度Ｔが低下するので、二次電池１３６の特性劣化が抑制され、想定利用期間全体のシステム全体のエネルギー効率の低下が抑制される。

また、ステップＳ１４０において要求電流Ｉreq＜下限電流Ｉminと判定された場合には、ステップＳ１５０へ進んで、モータ１９５の出力を減少または停止する。その後、ステップＳ１６０に進んで、二次電池１３６から要求電流Ｉreqを出力させる。このような処理を行うことにより、二次電池１３６の温度Ｔを制御する機能が低下するので、二次電池１３６の特性劣化が進行することになる。一方で、二次電池システム全体のエネルギー消費量が減少するため、エネルギー効率が上昇する。

例えば、モータジェネレータ１９２へ１０（Ｗ）を出力することを要求されたとき、二次電池１３６の温度が４０℃、電圧が４．０（Ｖ）、充電状態が放電量＝０．３（Ａｈ）、内部抵抗が５０（mΩ）であったとする。この場合、上式（１）により要求電流Ｉreqは約２．６（Ａ）と計算される。ここで、図１１において温度４０℃、放電量＝０．３（Ａｈ）のデータを確認すると、上限電流Ｉmaxは約９．５（Ａ）、下限電流Ｉminは約３．０（Ａ）である。したがって、この場合には要求電流Ｉreqが下限電流Ｉminを下回っている。この場合、電池制御装置１３８は二次電池１３６から要求電流である２．６（Ａ）を出力する。同時に、モータ１９５の出力を減少させ、二次電池１３６の温度調節機能を低下させる。

以上のように、図１１のデータテーブルＤＴ１に基づいて、図３に示すような電流制御を行うことにより、二次電池１３６の特性劣化が想定範囲を上回ることを抑制することができる。さらに、二次電池１３６の特性劣化が想定範囲を下回るときには二次電池１３６の特性劣化の加速と引き換えにシステム全体のエネルギー効率を向上させることが可能になり、二次電池システムの想定使用期間全体のエネルギー効率を向上させることができる。そのため、二次電池の特性劣化が所定の範囲内に収まるように二次電池の電流を制御することが可能となる。なお、図３では放電時の電流制御を示したが、本発明は二次電池１３６の充電時の制御にも同様に適用することができる。

（データテーブルＤＴ１の算出方法）
ところで、上述したように、電池システム起動時には、二次電池１３６の劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１が算出され、そのデータテーブルＤＴ１に基づいて図３の制御が行われる。図４は、劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１の算出方法の一例を示すフローチャートである。図４の処理は、電池システムの起動時、すなわち図１に示したハイブリッド電気自動車の起動時において実行される。すなわち、ハイブリッド電気自動車の起動の度に、そのときの二次電池１３６の劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１が算出される。

まず、電池制御装置１３８の記憶部１３８１（図２参照）には、電池を構成する正極と負極のそれぞれについて、抵抗上昇率Ｒp’(Qp,T,I)、Ｒn’(Qn,T,I)のデータテーブル（以下ではデータテーブルＤＴ２と記載する）が予め記憶部に保持されている。抵抗上昇率Ｒｐ’は正極の充電状態Ｑｐ、電池の温度Ｔ，電池に流れる電流Ｉに依存している。同様に、抵抗上昇率Ｒn’は負極の充電状態Ｑn、電池の温度Ｔ，電池に流れる電流Ｉに依存している。

なお、抵抗上昇率Ｒp’、Ｒn’は、それぞれ現在の正極の抵抗Ｒpおよび負極の抵抗Ｒnに対する増加率と定めても良いし、正極、負極の抵抗の適切な基準値Ｒp0，Ｒn0に対する増加率として定めても良い。

図５は、容量１．２Ａｈの正極と負極のデータテーブルＤＴ２の一例を示す図である。図５（ａ）は正極のデータテーブルＤＴ２の一部を示したものであり、温度が４０℃であって電流値が１（Ａ）、３（Ａ）および１０（Ａ）の場合のデータを示している。図５（ｂ）は負極のデータテーブルＤＴ２の一部を示したものであり、温度が４０℃であって電流値が１（Ａ）、３（Ａ）および１０（Ａ）の場合のデータを示している。縦軸は抵抗上昇率（％/年）であり、横軸は正極の充電状態を放電量で示したものである。

なお、図５は、電池劣化の無い初期状態におけるデータテーブルＤＴ２である。また、抵抗上昇率は、初期状態における抵抗値５０（mΩ）を基準とした場合の増加率である。

（ステップＳ３００）
図４のステップＳ３００では、ＤＴ１演算部１３８２は、現時点での二次電池１３６の抵抗値Ｒと、二次電池システムの想定利用期間の終了時（ＥＯＬ：End of Life）の抵抗Ｒeと、想定利用期間の終了時までの時間ｔeに基づいて、抵抗上昇率の許容範囲を算出する。抵抗Ｒeおよび時間ｔeは、予め記憶部１３８１に記憶されている。

現時点の抵抗値としては、例えば、休止状態から所定の電流値を所定の時間だけ放電して電池電圧を測定し、休止状態における電池電圧との電圧差を電流値で割る方法で二次電池の抵抗値Ｒを測定し、その測定値を現時点の抵抗値として用いる。また、上記のようにして得られた抵抗値を予め保持しておき、その保持しておいた抵抗値Ｒを読み込んで現時点の抵抗値として用いても良い。

抵抗上昇率の許容範囲の算出方法は任意で良いが、例えば、目標とする抵抗上昇率Ｒ’をＲ’＝（Ｒe−Ｒ）/ｔeで算出される値とし、抵抗上昇率の上限値Ｒmax’をＲmax’＝１．２×Ｒ’、下限値Ｒmin’をＲmin’＝０．８×Ｒ’とする方法が一例として挙げられる。例えば、二次電池の内部抵抗が５０（mΩ）であり、１０年後の内部抵抗を７５（mΩ）にしたい場合には、抵抗上昇率は（７５−５０）／１０＝２．５（mΩ/年）となる。そして、抵抗上昇率の上限値Ｒmax’はＲmax’＝２．５×１．２＝３．０（mΩ/年）、下限値Ｒmin’はＲmin’＝２．５×０．８＝２．０（mΩ/年）となる。すなわち、２．０〜３．０（mΩ/年）が抵抗上昇率の許容範囲である。

あるいは、次のように許容範囲を設定しても良い。二次電池１３６を３年間使用して内部抵抗が６０（mΩ）になり、電池の容量が１．０（Ａｈ）になったとする。この場合、上述した１０年後は７年後が対応するので、７年後の内部抵抗を上記の場合と同じ７５（mΩ）したいとすると、抵抗上昇率は（７５−６０）／７＝２．１４（mΩ/年）と算出される。この場合、抵抗上昇率の上限値は２．１４×１．２＝２．５７（mΩ/年）となり、抵抗上昇率の下限値は２．１４×０．８＝１．７１（mΩ/年）となる。この場合の抵抗上昇率の許容範囲は、１．７１〜２．５７（mΩ/年）となる。

（ステップＳ３１０）
ステップＳ３１０では、電流制御部１３８５は、予め記憶部１３８１に保持されている前記データテーブルＤＴ２を読み込む。

（ステップＳ３２０）
ステップＳ３２０では、電池制御装置１３８のＤＴ３演算部１３８３において、二次電池１３６の充電状態Ｑと、正極の充電状態Ｑpと、負極の充電状態Ｑnとの対応関係を示すデータテーブルＤＴ３が作成される。

データテーブルＤＴ３の作成方法は任意でよい。例えば前記特許文献１に記載された方法がある。また、例えば以下のような方法が挙げられる。まず、ＤＴ３演算部１３８３は、劣化前の初期状態における電池容量Ｗ0と現時点での電池容量Ｗと定数Ｄp、Ｄnとを保持している。現時点での電池容量Ｗについては周知の方法により算出する。例えば、システム休止時に得られる電圧からそのときの充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を算出し、休止と休止との間の電流の積分値（∫Ｉｄｔ）と充電状態の変化ΔＳＯＣとに基づいて電池容量（満充電容量）を算出する。または、内部抵抗の変化から電池容量の変化を推定しても良い。

ここで、電池の充電状態Ｑ、正極および負極の充電状態Ｑp，Ｑnは、それぞれの満充電状態からの放電量（すなわち放電電気量Ａｈ）として表現されているものとする。そして、初期状態のデータテーブルＤＴ３においては、電池の充電状態Ｑと正極および負極の充電状態Ｑp，Ｑnとの関係は、Ｑp＝Ｑ−Ｄp、Ｑn＝Ｑ−Ｄnと表される。

次に、ＤＴ３演算部１３８３は、現時点における電池容量の減少分（Ｗ0−Ｗ）を用いて、現時点における新たな定数Ｄn’＝Ｄn＋（Ｗ0−Ｗ）を決定する。定数Ｄｐ’に関してはＤｐ’＝Ｄｐ＝０とする。そして、現時点のデータテーブルＤＴ３における電池の充電状態Ｑ、正極の充電状態Ｑp，負極の充電状態Ｑnは、Ｑ、Ｑp＝Ｑ−Ｄｐ’、Ｑn＝Ｑ−Ｄn’のように表される。

例えば、初期状態では電池容量が１．２（Ａｈ）でＤp=Ｄn=０であったとする。そして、二次電池１３６が劣化して電池容量が１．０（Ａｈ）に減少した場合のＤｐ’、Ｄn’は、Ｄｐ’＝０、Ｄn’＝０＋（１．２−１．０）＝０．２となる。劣化時の電池の充電状態Ｑに対して、正極の充電状態Ｑp，負極の充電状態ＱnはＱp＝Ｑ、Ｑn＝Ｑ−０．２となる。これが、電池容量が１．０（Ａｈ）に劣化したときの充電状態の対応を示している。

これを、図６に示す正極電位曲線および負極電位曲線を用いて説明すると、次のようになる。図６において、負極電位曲線１０２、電池電圧曲線１０３は初期状態における電位曲線を示している。一方、負極電位曲線１０５、電池電圧曲線１０６は、劣化時の電位曲線を示している。なお、上述の説明では、Ｄｐ＝Ｄｐ’＝０としているので、初期状態も劣化時も同一の正極電位曲線１０１となる。劣化時にＤn＝０からＤn’＝０．２（Ａｈ）に変化することは、負極電位曲線１０２がＤn’だけ右側にずれて、負極電位曲線１０５に変化することを意味している。その結果、終止電圧Ｖ１まで放電したとき、容量がＤn’だけ減少することになる。図６から分かるように、負極電位曲線１０２がＤn’だけ右側にずれ分だけ、劣化時の負極の充電状態Ｑpは、初期状態の充電状態ＱよりもＤn’（Ａｈ）だけ低い充電状態に対応している。

（ステップＳ３３０）
ステップＳ３３０では、ＤＴ４演算部１３８４は、電池の充電状態および温度および電流と電池の抵抗上昇率の対応を示すデータテーブルＤＴ４を作成する。データテーブルＤＴ４の作成方法は種々あるが、ここでは、ステップＳ３１０で読み込んだデータテーブルＤＴ２（正極、負極の抵抗上昇率を示すデータテーブル）と、ステップＳ３２０で作成したデータテーブルＤＴ３とを組み合わせてデータテーブルＤＴ４（図７参照）を作成する。

図５に示すデータテーブルＤＴ２では、正極の抵抗上昇率Ｒp’は、Ｒp’(Qp,T,I)のように正極の充電状態Ｑpと電池の温度Ｔと電流値Ｉとに対して与えられている。同様に、負極の抵抗上昇率Ｒn’は、Ｒn’(Qn,T,I)のように負極の充電状態Ｑnと電池の温度Ｔと電流値Ｉとに対して与えられている。一方、図７に示すデータテーブルＤＴ４では、電池の抵抗上昇率Ｒ’が、Ｒ’(Q,T,I)のように電池の充電状態Ｑと電池の温度Ｔと電流値Ｉとに対して与えられている。

ところで、電池の抵抗上昇率Ｒ’は、正極の抵抗上昇率Ｒp’と負極の抵抗上昇率Ｒn’との和で表される。そのためには、図５のデータテーブルＤＴ２を、電池の充電状態Ｑと温度Ｔと電流値Ｉとで与えられる正極および負極の抵抗上昇率Ｒp’，Ｒn’に変換する必要がある。そこで、ステップＳ３２０で作成したデータテーブルＤＴ３、すなわち、現時点の電池容量における電池の充電状態Ｑと正極および負極の充電状態Ｑp，Ｑnとの対応関係を表すデータテーブルを利用して、図５に示すデータテーブルＤＴ２から図７に示すデータテーブルＤＴ４を生成する。

上述した、劣化時の負極電位曲線がＤn’（Ａｈ）だけずれることによって、初期状態の充電状態ＱよりもＤn’（Ａｈ）だけ低い充電状態が劣化時の負極の充電状態Ｑpに対応する場合について説明する。図８は、図５に示したデータテーブルＤＴ２における、劣化時の適用範囲を説明する図である。図６で説明したように、正極電位曲線１０１に関しては、劣化時も初期状態と同一となる。そのため、図８（ａ）に示すように、初期状態における０（Ａｈ）が満充電状態に対応し、１．０（Ａｈ）において図６の終止電圧Ｖ１に達する。

一方、負極電位曲線１０５に関しては、図６のように右側にＤn’（Ａｈ）だけずれる。そのため、図８（ｂ）に示すように、初期状態におけるＤn’（Ａｈ）の状態が満充電状態に対応している。そして、充電状態が１．２（Ａｈ）となった時に終止電圧Ｖ１に達する。

よって、図８に示す正極および負極の充電状態に関するデータテーブルＤＴ２から、劣化時の電池の充電状態Ｑに関するデータテーブルＤＴ４を作成する場合には、正極および負極のデータテーブルＤＴ２の放電量が等しい所の抵抗上昇率を加え合わせ、それを電池の抵抗上昇率とする。

例えば、満充電時の抵抗上昇率は、正極の満充電時における抵抗上昇率（図８（ａ）の０（Ａｈ）における抵抗上昇率）と、負極の放電量＝Ｄn’（Ａｈ）における抵抗上昇率（図８（ａ）のＤn’（Ａｈ）における抵抗上昇率）とを加え合わせたものである。また、放電量Ｑ（すなわち充電状態Ｑ）における抵抗上昇率は、正極の放電量Ｑにおける抵抗上昇率と負極の放電量Ｑ＋Ｄn’における抵抗上昇率との和である。このようにして、劣化時における電池の抵抗上昇率を、放電量＝０から放電量＝Ｗ−Ｄn’＝Ｗ0までについて求めることができる。

図７（ａ）は、初期状態（Ｗ＝１．２Ａｈ）におけるデータテーブルＤＴ４を示す図であり、図７（ｂ）は、劣化時（Ｗ＝１．０Ａｈ）のデータテーブルＤＴ４を示す図である。図５のデータテーブルＤＴ２の場合と同様に、温度が４０℃であるデータの一部を示したものである。なお、図７（ａ）に示す初期状態の抵抗上昇率は、図５（ａ）および図５（ｂ）の同一放電量における正極および負極の抵抗上昇率を合計したものである。

（ステップＳ３４０）
次いで、ステップＳ３４０では、ＤＴ１演算部１３８２は、ステップＳ３３０で作成したデータテーブルＤＴ４（図７）と、ステップＳ３００で求めた電池の抵抗上昇率の上限値Ｒmax’と、電池の抵抗上昇率の下限値Ｒmin’とから、電池の充電状態Ｑ、温度Ｔと上限電流Ｉmax、下限電流Ｉminとの関係である、Ｉmax(Q,T)、Ｉmin(Q,T)を示すデータテーブルＤＴ１を作成する。

初期状態の二次電池の場合には、前述したように、内部抵抗が５０（mΩ）で、１０年後の目標とする内部抵抗が７５（mΩ）であるとしたとき、抵抗上昇率の上限値Ｒmax’は３．０（mΩ/年）であって、下限値Ｒmin’は２．０（mΩ/年）であった。抵抗上昇率算出時の基準抵抗を５０（mΩ）とした場合、３．０（mΩ/年）は５．５（％/年）となり、２．０（mΩ/年）は４．０（％/年）となる。

図７（ａ）は初期状態におけるデータテーブルＤＴ４（Ｔ＝４０℃）であるが、上限値Ｒmax’を示す直線上における電流値が、温度Ｔ＝４０℃における上限電流Ｉmax(Q,T)を示している。また、下限値Ｒmin’を示す直線上における電流値は、温度Ｔ＝４０℃における下限電流Ｉmin(Q,T)を示している。これらの上限電流Ｉmax(Q,T)および下限電流Ｉmin(Q,T)をグラフ化したものが、上述した図１１（ａ）、（ｂ）に示す４０℃のラインである。

一方、電池容量がＷ０＝１．０（Ａｈ）に劣化した電池の場合、前述したように、二次電池１３６を３年間使用して内部抵抗が６０（mΩ）になったとする。この場合、初期状態から１０年後の目標内部抵抗を７５（mΩ）としたとき、抵抗上昇率の上限値は２．５７（mΩ/年）となり、抵抗上昇率の下限値は１．７１（mΩ/年）となった。抵抗上昇率算出時の基準抵抗を５０（mΩ）とすると、２．５７（mΩ/年）は５．５（％/年）となり、１．７１（mΩ/年）は約３．４（％/年）となる。

上述したように、図７（ｂ）は劣化時のデータテーブルＤＴ４（ただし、温度４０℃）である。この場合も、図７（ｂ）の上限値Ｒmax’ ＝５．５（％/年）の直線上における電流値が、温度Ｔ＝４０℃における上限電流Ｉmax(Q,T)を示している。同様に、下限値Ｒmin’＝３．４（％/年）の直線上における電流値が、温度Ｔ＝４０℃における下限電流Ｉmin(Q,T)を示している。これらの上限電流Ｉmax(Q,T)および下限電流Ｉmin(Q,T)をグラフ化したものが、図９（ａ）、（ｂ）に示す４０℃のラインである。図９は、現時点（劣化時）のデータテーブルＤＴ１を示す図である。図９の４０℃以外の温度に対しても、上限電流Ｉmaxを示すラインおよび下限電流Ｉminを示すラインを同様にして求めることができる。

以上のように、図４に示す処理によって、二次電池１３６の劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１を算出することができる。そして、算出された現時点のデータテーブルＤＴ１を用いて、前述した二次電池１３６の出力制御が実行される。その結果、二次電池１３６の電池状態（劣化状態）を精度良く反映した出力制御を行うことができる。

（データテーブルＤＴ４の他の算出方法）
電池制御装置１３８の記憶部１３８１は、上述したデータテーブルＤＴ２（図５に示すＲp’(Qp,T,I)，Ｒn’(Qn,T,I)）に加えて、正極の充電状態Ｑpおよび温度Ｔと抵抗Ｒpとの関係Ｒp(Qp,T)に関するデータテーブルＤＴ１０と、負極の充電状態Ｑnおよび温度Ｔと抵抗Ｒnとの関係Ｒn(Qn,T)に関するデータテーブルＤＴ１１とを予め備えておく。そして、必要に応じて、正極と負極以外の抵抗Ｒ0を加えて、その後、電池の抵抗上昇率Ｒ’を適切な計算式によって算出する。例えば、Ｒ’=（Ｒp×Ｒp’＋Ｒn×Ｒn’）/（Ｒp＋Ｒn）やＲ’＝（Ｒ0＋Ｒp×Ｒp’＋Ｒn×Ｒn’）/（Ｒ0＋Ｒp＋Ｒn）が挙げられる。あるいは、正極と負極の抵抗の基準値Ｒp0、Ｒn0に対して、Ｒ’＝（Ｒ0＋Ｒp＋Ｒp0×Ｒp’＋Ｒn＋Ｒn0×Ｒn’）/（Ｒ0＋Ｒp＋Ｒn）などが挙げられる。このようにして、データテーブルＤＴ４、すなわちＲ’(Q,T,I)が算出される。

（性能比較）
図１０は、図３に示した電流制御を用いた場合と、用いない場合とを比較したものである。条件ＡはデータテーブルＤＴ１を更新しない場合であり、条件ＢはデータテーブルＤＴ１を更新する場合、条件Ｃは二次電池への要求出力をそのまま出力した場合である。ここでは、初期状態において、容量１．２（Ａｈ）、内部抵抗５０（mΩ）、Ｄp＝Ｄn＝０の二次電池が、容量１．０（Ａｈ）、内部抵抗６０（mΩ）、Ｄp＝０、Ｄn＝０．２の状態に劣化した場合における制御を示す。すなわち、条件Ａの制御では、図２に示すデータテーブルＤＴ１を使用し、条件Ｂの制御では図９に示すデータテーブルＤＴ１を使用する。

前述したように、７年後の内部抵抗７５（mΩ）を目標とすると、抵抗上昇率の上限値は２．５７（mΩ/年）、下限値は１．７１（mΩ/年）となる。また、電池の温度は４０℃であり、電池電圧は４．０（Ｖ）、充電状態は満充電状態からの放電量が０．２５（Ａｈ）であるとする。また、二次電池の熱容量は１５（Ｊ/Ｋ）であり、温度調節の出力が二次電池のジュール発熱の２倍のときに電池温度が一定になった。そして、二次電池への要求出力が２２（Ｗ）、３５（Ｗ）、１０（Ｗ）の場合について示す。

条件Ａでは、要求出力が２２（Ｗ）の場合には、要求電流がデータテーブルＤＴ１（図２）の上限電流以下であり、二次電池から要求出力を満足する電流が出力される。要求出力が３５（Ｗ）の場合には、要求電流がデータテーブルＤＴ１の上限電流以上であり、二次電池の出力は上限電流を流した場合の３１．４（Ｗ）となる。このとき、要求電流が上限電流よりも大きい場合には、温度調節の出力を電池のジュール発熱の４倍にする条件で制御した。その結果、二次電池の１０秒後の温度は３６．７℃に低下した。また、要求出力が１０（Ｗ）の場合には、要求電流がデータテーブルＤＴ１の下限電流以下であるから、二次電池から要求出力を満足する電流が出力される。このとき、要求電流が下限電流よりも小さい場合には、温度調節の出力を０にした。その結果、電池の１０秒後の温度は４０．３℃に上昇した。

条件Ｂでは、要求出力が２２（Ｗ）と３５（Ｗ）の場合には、要求電流がデータテーブルＤＴ１（図９）の上限電流以上であるから、二次電池の出力は上限電流を流した場合の２１．６（Ｗ）となる。このとき、要求電流が上限電流よりも大きい場合には、温度調節の出力を電池のジュール発熱の４倍にする条件で制御した。その結果、二次電池の１０秒後の温度は３８．６℃に低下した。また、要求出力が１０（Ｗ）の場合には、要求電流がデータテーブルＤＴ１の下限電流以上かつ上限電流以下であるから、二次電池から要求通りに出力した。

条件Ｃでは、二次電池から要求通りに出力し、ジュール発熱を相殺するように温度を調節した。そのため、いずれの出力の場合も、二次電池の温度は４０℃に維持されている。

条件Ａと条件Ｃとを比較すると、要求出力が３５（Ｗ）以上のときに、条件Ｃに対して抵抗上昇が抑制された。ただし、目標とする抵抗上昇率の上限２．５７（mΩ/年）は上回っていた。一方、条件Ｂでは、いずれの要求出力に対しても目標とする抵抗上昇率の上限２．５７（mΩ/年）以内であった。

上述のように、条件Ｂに示したように、二次電池の劣化状態に合わせて更新されたデータテーブルＤＴ１（図９）を用いることで、二次電池の劣化状態に応じた最適な電流制御を行うことができる。さらに、図３に示すような電流制御を行うことにより、目標とする抵抗上昇率の上限以内とすることができる。ただし、条件Ａのように初期状態の二次電池の上下限電流のデータテーブルＤＴ１（図１１）を用いて二次電池を制御し続けた場合でも、条件Ｃに比べると二次電池の劣化を目標値に近づけることができる。

上述した実施の形態では、以下のような作用効果を奏することができる。
（ａ）電池制御装置１３８では、記憶部１３８１に、二次電池１３６の正極の抵抗上昇率および負極の抵抗上昇率を表すデータテーブルＤＴ２が予め保持されている。そして、ＤＴ１演算部１３８２では、二次電池１３６の電池抵抗上昇率の許容範囲（上限値Ｒmax’および下限値Ｒmin’）、電池の充電状態Ｑ、正極の充電状態Ｑpおよび負極の充電状態ＱnとデータテーブルＤＴ２とに基づいて、二次電池１３６の上限電流と電池充電状態と温度との相関、および、二次電池１３６の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表すデータテーブルＤＴ１を算出する。電流制御部１３８５は、ＤＴ１演算部１３８２で算出されたデータテーブルＤＴ１に基づいて、二次電池１３６の電流を制御する。

このように、二次電池１３６の劣化状態に応じたデータテーブルＤＴ１を算出し、そのデータテーブルＤＴ１に基づいて二次電池１３６の電流を制御しているので、二次電池の特性劣化速度（すなわち、内部抵抗の上昇）を精度良く制御することができる。

（ｂ）また、初期状態の電池容量Ｗ0に対する容量低下ΔＷに基づいて、電池の充電状態Ｑ、正極の充電状態Ｑpおよび負極の充電状態Ｑnを、ＤＴ３演算部１３８３で算出するようにしても良い。

（ｃ）さらに、二次電池１３６の正極の抵抗上昇率および負極の抵抗上昇率を表すデータテーブルＤＴ２と、ＤＴ３演算部１３８３で算出された電池の充電状態Ｑ、正極の充電状態Ｑpおよび負極の充電状態Ｑnとに基づいて、二次電池の容量低下時における電池抵抗上昇率を示すデータテーブルＤＴ４を算出するＤＴ４演算部１３８４を備え、電池抵抗上昇率の許容範囲とデータテーブルＤＴ４とに基づいて、データテーブルＤＴ１を算出するようにしても良い。

（ｄ）または、記憶部１３８１は、二次電池１３６の正極充電状態Ｑpと温度Ｔと抵抗Ｒpとの相関を表すデータテーブルＤＴ１０と、負極充電状態Ｑnと温度Ｔと抵抗Ｒnとの相関関係を表すデータテーブルＤＴ１１とを、さらに保持し、ＤＴ４演算部１３８４は、正極と負極以外の抵抗Ｒ0と上述したデータテーブルＤＴ２およびデータテーブルＤＴ１０，ＤＴ１１とに基づいて、二次電池１３６の容量低下時における電池抵抗上昇率を表すデータテーブルＤＴ４を算出するようにしても良い。例えば、Ｒ’=（Ｒp×Ｒp’＋Ｒn×Ｒn’）/（Ｒp＋Ｒn）やＲ’＝（Ｒ0＋Ｒp×Ｒp’＋Ｒn×Ｒn’）/（Ｒ0＋Ｒp＋Ｒn）のようにデータテーブルＤＴ４、すなわちＲ’(Q,T,I)を算出するようにしても良い。

（ｅ）また、電池制御装置１３８が、図１に示すような電池システム、すなわち、二次電池１３６、発電機としてのモータジェネレータ１９４、二次電池１３６の電流により駆動される電動機としてのモータジェネレータ１９２、および二次電池１３６の電流により駆動されるモータ１９５で回転する冷却ファン１９６を備える電池システム１００に設けられるものである場合、以下のような構成とするのが好ましい。

すなわち、電流制御部１３８５は、データテーブルＤＴ１に基づいて二次電池１３６に対する要求電流Ｉreqが上限電流Ｉmaxよりも大きいと判定すると、二次電池１３６から上限電流Ｉmaxを出力させるとともに、要求電流Ｉreqと上限電流Ｉmaxとの差分に相当する電流をモータジェネレータ１９４からモータジェネレータ１９２に供給させる。また、データテーブルＤＴ１に基づいて二次電池１３６に対する要求電流Ｉreqが下限電流Ｉminよりも小さいと判定されると、二次電池１３６から要求電流Ｉreqを出力させるとともに、二次電池１３６からモータ１９５に入力される電流を減少させる。

このような電流制御を行うことにより、二次電池１３６の特性劣化が想定範囲を上回るのを抑制しつつ、二次電池１３６の特性劣化が想定範囲を下回るときには二次電池１３６の特性劣化の加速と引き換えに電池システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能になり、電池システムの想定使用期間全体のエネルギー効率を向上させることができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１００…電池システム、１３６…二次電池、１３８…電池制御装置、１９２…モータジェネレータ、１９４…モータジェネレータ、１９５…モータ、１９６…冷却ファン、１３８１…記憶部、１３８２…ＤＴ１演算部、１３８３…ＤＴ３演算部、１３８４…ＤＴ４演算部、１３８５…電流制御部、ＤＴ１〜ＤＴ４，ＤＴ１０〜ＤＴ１６…データテーブル、Ｉmax…上限電流、Ｉmin…下限電流、Ｉreq…要求電流、Ｐreq…要求出力

Claims (5)

1. 二次電池の正極抵抗上昇率を示す第１データおよび負極抵抗上昇率を表す第２データが予め保持されている記憶部と、
   二次電池の電池抵抗上昇率の許容範囲、電池充電状態、正極充電状態および負極充電状態と前記第１および第２データとに基づいて、二次電池の上限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第１相関関係、および、二次電池の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第２相関関係を算出する相関演算部と、を備え、
   前記相関演算部で算出された第１相関関係および第２相関関係に基づいて、二次電池の電流を制御する電池制御装置。
2. 請求項１に記載の電池制御装置において、
   初期電池容量に対する容量低下に基づいて、前記電池充電状態、前記正極充電状態および前記負極充電状態を算出する充電状態算出部と、を備える電池制御装置。
3. 請求項２に記載の電池制御装置において、
   二次電池の正極抵抗上昇率を示す第１データおよび負極抵抗上昇率を表す第２データと、前記充電状態算出部で算出された電池充電状態、正極充電状態および負極充電状態とに基づいて、二次電池の容量低下時における電池抵抗上昇率を算出する電池抵抗上昇率演算部を備え、
   前記相関演算部は、前記許容範囲と前記容量低下時における電池抵抗上昇率とに基づいて、前記第１相関関係および前記第２相関関係を算出する、電池制御装置。
4. 請求項２に記載の電池制御装置において、
   前記記憶部には、二次電池の正極充電状態と温度と抵抗との相関を表す第３相関関係と、負極充電状態と温度と抵抗との相関を表す第４相関関係とが、さらに保持され、
   二次電池の正極および負極以外の抵抗と、前記第１データ、前記第２データ、前記第３相関関係および前記第４相関関係とに基づいて、二次電池の容量低下時における電池抵抗上昇率を算出する電池抵抗上昇率演算部を備え、
   前記相関演算部は、前記許容範囲と前記容量低下時における電池抵抗上昇率とに基づいて、前記第１相関関係および前記第２相関関係を算出する、電池制御装置。
5. 二次電池、発電機、前記二次電池の電流により駆動される電動機、および前記二次電池の電流により駆動される電池冷却装置を備える電池システムに設けられ、前記二次電池の電流を制御するために用いられる請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池制御装置であって、
   前記第１相関関係に基づいて前記二次電池に対する要求電流が前記上限電流以下か否かを判定する第１判定部と、
   前記第２相関関係に基づいて前記二次電池に対する要求電流が前記下限電流以上か否かを判定する第２判定部と、を備え、
   前記第１判定部により前記要求電流が前記上限電流よりも大きいと判定されると、前記二次電池から前記上限電流を出力させるとともに、前記要求電流と前記上限電流との差分に相当する電流を前記発電機から前記電動機に供給させ、
   前記第２判定部により前記要求電流が前記下限電流よりも小さいと判定されると、前記二次電池から前記要求電流を出力させるとともに、前記二次電池から前記電池冷却装置に入力される電流を減少させる、電池制御装置。

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