JP6602735B2 - 二次電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池制御装置に関する。

近年、二次電池の長寿命化と、寿命を予測する技術開発が求められている。これは、二次電池を車両走行モータの電源として用いる電動車両等において、二次電池の劣化状態を正確に把握し、二次電池劣化による障害が生じる前に二次電池を交換する必要がある為である。

二次電池の寿命を予測する技術として、特許文献１には、二次電池の内部における正極全体の充放電カーブと負極全体の充放電カーブの状況を非破壊で知る技術が記載されている。この技術によれば、電池の放電容量は、有効正極活物質量、有効負極活物質量、正極と負極の位置関係などの部材要因によって決まり、これらの値は、それぞれ使用期間、温度、電圧などを変数とする関数で表される。この関数に基づいて二次電池の各部材要因の劣化状態を推定している。

特開２００９−８００９３号公報

上述した、特許文献１に記載の装置では、二次電池の劣化に応じて二次電池の寿命を延ばすことができなかった。

本発明による二次電池制御装置は、二次電池の劣化度を二次電池の部材要因ごとに算出する劣化度算出部と、前記劣化度算出部の算出結果に基づいて、前記二次電池の部材要因のうちで劣化している部材要因を判定する判定部と、前記劣化している部材要因に応じて前記二次電池の稼働条件を変更する制御部と、を備え、前記二次電池の部材要因は負極容量ずれを含み、前記制御部は、前記劣化している部材要因が前記負極容量ずれである場合に、前記二次電池の稼働条件として、前記二次電池を高い電圧で稼働する。

本発明によれば、二次電池の劣化に応じた制御を行うことで二次電池の長寿命化が可能になる。

二次電池システムを示す図である。 （ａ）は、二次電池の電流の測定例を、（ｂ）は、二次電池の温度の測定例を、（ｃ）は、二次電池の電圧の測定例を示すグラフである。 正極利用率ｍｐ１の推移の一例を示すグラフである。 （ａ）は、正極利用率ｍｐを、（ｂ）は、負極利用率ｍｎを、（ｃ）は、負極容量ずれｄｎを示すグラフである。 電池制御部の処理動作を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、特許文献１に記載のように、微小な電流で二次電池の充放電を行った場合に得られた二次電池の充放電カーブは、別途測定した正極単独および負極単独の充放電カーブの重ね合わせ計算を行うことで良好に再現される。そして、この計算に用いるパラメータとして、充放電に寄与する正極活物質量、充放電に寄与する負極活物質量、正極と負極の充放電カーブの位置関係についての指標を定める。本実施形態では正極活物質量の利用率を正極利用率、負極活物質量の利用率を負極利用率、正極と負極の充放電カーブの位置関係についての指標を負極容量ずれと記述する。

図１は、二次電池システムを示す図である。二次電池システムは、二次電池１０、検出部２０、電池制御部３０、上位制御部４０を備える。
二次電池１０は、複数のセルを直列に接続して構成される。なお、図１では、複数のセルを直列に接続した例で示したが、直列に接続したセルをさらに並列に備えてもよい。この二次電池１０は、例えば、車両走行モータの電源として使用される。

検出部２０は、二次電池１０に流れる電流を検出する電流検出部２１と、二次電池１０の電圧を検出する電圧検出部２２と、二次電池１０の温度を検出する温度検出部２３とを備える。

電池制御部３０は、タイマ３１と、演算部３２と、判定部３３と、制御部３４と、記憶部３５とを備える。電池制御部３０には、電流検出部２１で検出された電流、電圧検出部２２で検出された電圧、温度検出部２３で検出された温度が入力される。また、電池制御部３０は、所定の稼働条件に従って二次電池１０の充放電状態を制御する。

タイマ３１は、二次電池１０の電流、電圧、温度を検出する時間間隔が設定される。演算部３２は、二次電池１０の部材要因ごとの劣化度、例えば、正極利用率、負極利用率、負極容量ずれを後述する第１予測式に基づいて算出する。判定部３３は、演算部３２による算出結果に基づいて、劣化している二次電池１０の部材要因を判定する。

制御部３４は、劣化している部材要因に応じて二次電池１０の稼働条件を変更する。稼働条件の変更としては、例えば、二次電池１０を高い電圧で稼働したり、二次電池１０の上限電流を下げて稼働する。制御部３４は、稼働条件に沿って二次電池１０の充放電状態を制御する。

記憶部３５は、二次電池１０の使用時間と理想的な劣化度の関数を第２予測式として予め記憶している。この第２予測式は二次電池１０の理想的な劣化度の推移を示すもので、二次電池の使用形態に合わせて予め定義された関数である。なお、関数に限らず、二次電池１０の使用時間と劣化度の関係をテーブルとして予め記憶してもよい。
上位制御部４０は、電池制御部３０に接続され、電池制御部３０に対して充放電等の指令を指示する。

図２は、検出部２０による二次電池１０の測定例をグラフで表したものである。図２（ａ）は電流を、図２（ｂ）は温度を、図２（ｃ）は電圧を示す。各グラフの横軸は時間を表し、時間ｔ_１刻みで測定した各値をグラフにしたものである。

図２（ａ）に示すように、二次電池１０に流れる電流Ｉは、最初は０であり、その後、プラス方向へ急激に流れた後、徐々に減少している。その後、マイナス方向に流れ、徐々に０に近づいている。

図２（ｂ）に示すように、二次電池１０の温度Ｔは時間と共に僅かに上昇している。図２（ｃ）に示すように、二次電池１０の電圧Ｖは最初は高く、その後、低くなり、再び高く推移している。なお、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す各グラフは本実施形態を説明するために一例を示したものであり、その他の測定値であってもよい。これらの測定値は、電池制御部３０のタイマ３１で規定される時間ｔ_１毎に、電流検出部２１、電圧検出部２２、温度検出部２３で検出され、その値は電池制御部３０へ送られる。

電池制御部３０の演算部３２は、正極利用率ｍｐ１、負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１を以下の第１予測式（１）〜（３）より演算する。
ｍｐ１＝ｆ1（Ｉ，Ｖ，Ｔ，ｔ） （１）
ｍｎ１＝ｇ1（Ｉ，Ｖ，Ｔ，ｔ） （２）
ｄｎ１＝ｈ1（Ｉ，Ｖ，Ｔ，ｔ） （３）

ここで、ｆ1、ｇ1、ｈ1は、電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Ｔ、時間ｔを変数とする関数である。電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Ｔは、それぞれ、電流検出部２１、電圧検出部２２、温度検出部２３で検出された値である。これらの第１予測式（１）〜（３）より、時間ｔ_１毎の正極利用率ｍｐ１、負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１が求められる。

図３は、時間ｔ_１毎に算出された正極利用率ｍｐ１の推移の一例を示すグラフである。図３の横軸は時間であり、時間ｔ_２は時間ｔ_１よりも長い時間間隔である。この例では、正極利用率ｍｐ１が徐々に低下（劣化）していることを示している。負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１の推移を示すグラフは省略するが、負極利用率ｍｎ１は時間の経過と共に徐々に低下（劣化）し、負極容量ずれｄｎ１は時間の経過と共に徐々に上昇（劣化）する。

図４（ａ）は、時間ｔ_２毎の正極利用率ｍｐの推移の一例を、図４（ｂ）は、負極利用率ｍｎの推移の一例を、図４（ｃ）は、負極容量ずれｄｎの推移の一例を示すグラフである。各図において、各図中の○印は第１予測式で算出された実測値に基づく時間ｔ_２間隔における劣化度、すなわち、正極利用率ｍｐ１、負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１をそれぞれ示し、各図中の実線は第２予測式に基づく理想的な劣化度の推移を示す。
理想的な劣化度は以下の第２予測式（４）〜（６）により定義されている。
ｍｐ２＝ｆ２（ｔ） （４）
ｍｎ２＝ｇ２（ｔ） （５）
ｄｎ２＝ｈ２（ｔ） （６）

ここで、ｆ２、ｇ２、ｈ２は、時間ｔを変数とする関数である。これらの第２予測式（４）〜（６）より、時間ｔ_２毎の理想的な劣化度を示す正極利用率ｍｐ２、負極利用率ｍｎ２、負極容量ずれｄｎ２が求められる。第２予測式（４）〜（６）は、例えば、時間ｔ_３において所望の劣化度になる理想的な劣化推移を表している。但し、時間ｔ_２＜時間ｔ_３である。

図４（ａ）を参照して説明すると、第１予測式で算出された実測値に基づく正極利用率ｍｐ１の劣化度は第２予測式に基づく理想的な正極利用率ｍｐ２の劣化度より大きくなっている。また、図４（ｂ）に示すように、第１予測式で算出された実測値に基づく負極利用率ｍｎ１の劣化度は第２予測式に基づく理想的な負極利用率ｍｎ２の劣化度より大きくなっている。また、図４（ｃ）に示すように、第１予測式で算出された実測値に基づく負極容量ずれｄｎ１の劣化度は第２予測式に基づく理想的な負極容量ずれｄｎ２の劣化度より大きくなっている。本実施形態では、後述するように、第１予測式で算出された実測値に基づく劣化度が第２予測式に基づく理想的な劣化度と乖離した場合に、劣化している部材要因、例えば、正極利用率、負極利用率、負極容量ずれに応じて二次電池１０の稼働条件を変更する。

次に、本実施形態の動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。図５のフローチャートは、電池制御部３０が定期的に実行する処理動作を示す。なお、このフローチャートに示す処理動作の一部を上位制御部４０で行わせてもよい。

図５のステップＳ１１では、時間ｔ_１秒間隔で二次電池１０の状態を検出する。具体的には、タイマ３１により前回の検出からｔ_１秒経過していれば、電流検出部２１で電流を、電圧検出部２２で電圧を、温度検出部２３で温度を検出する。

ステップＳ１２では、第１予測式（１）〜（３）より時間ｔ_１における劣化度を算出する。具体的には、ステップＳ１１で検出した電流、電圧、温度を基に第１予測式（１）〜（３）により、正極利用率ｍｐ１、負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１を演算する。ステップＳ１２において、時間ｔ_１秒間隔で演算された各劣化度は記憶部３５に保存される。

ステップＳ１３では、ｉ×ｔ_１がｔ_２より大きいかを判別する。ｉは正の整数である。すなわち、時間ｔ_１秒間隔の演算がｉ回行われて時間ｔ_２を経過したかを判別する。時間ｔ_２を経過していなければ、ステップＳ１４で、ｉを＋１更新し、ステップＳ１１に戻る。時間ｔ_２を経過していれば、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、時間ｔ_２になるまで時間ｔ_１秒間隔で演算されて記憶部３５に保存された各劣化度の平均値を算出する。すなわち、正極利用率ｍｐ１、負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１の各平均値を算出する。

ステップＳ１６では、ｉをゼロに更新する。そして、第２予測式（４）〜（６）より時間ｔ_２における劣化度を算出する。具体的には、第２予測式（４）〜（６）に基づいて時間ｔ_２における正極利用率ｍｐ２、負極利用率ｍｎ２、負極容量ずれｄｎ２を演算する。演算された各劣化度は記憶部３５に保存される。

ステップＳ１７では、判定部３３により、ステップＳ１５で算出した負極容量ずれｄｎ１の平均値とステップＳ１６で算出した負極容量ずれｄｎ２の差が予め定めた値Ｄより大きいかを判定する。図４（ｃ）に示す例は、負極容量ずれｄｎ１の劣化度が大きくなっている場合である。このように、実測した負極容量ずれｄｎ１の平均値が、理想とする負極容量ずれｄｎ２より大きく、負極容量ずれｄｎ１の劣化が進んでいる場合は、二次電池１０において主に劣化している部材要因が負極容量ずれであると判断し、次のステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１８では、制御部３４により、二次電池１０を高い電圧で稼働するように制御する。これにより、負極容量ずれｄｎ１の劣化を抑制して二次電池１０の寿命を延ばす。ステップＳ１７で、負極容量ずれｄｎ１の平均値と負極容量ずれｄｎ２の差が値Ｄより大きくないと判定された場合は、ステップＳ１９へ進む。

ステップＳ１９では、判定部３３により、ステップＳ１６で算出した正極利用率ｍｐ２とステップＳ１５で算出した正極利用率ｍｐ１の平均値との差が予め定めた値Ａより大きいかを判定する。図４（ａ）に示す例は、正極利用率ｍｐ１の劣化度が大きくなっている場合である。このように、実測した正極利用率ｍｐ１の平均値が、理想とする正極利用率ｍｐ２より低下して、正極利用率ｍｐ１の劣化が進んでいる場合は、二次電池１０において主に劣化している部材要因が正極利用率であると判断し、次のステップＳ２０へ進む。

ステップＳ２０では、制御部３４により、二次電池１０の上限電流を下げて二次電池１０を稼働するように制御する。これにより、正極利用率ｍｐ１の劣化を抑制して二次電池１０の寿命を延ばす。ステップＳ１９で、正極利用率ｍｐ２と正極利用率ｍｐ１の平均値との差が値Ａより大きくないと判定された場合は、ステップＳ２１へ進む。

ステップＳ２１では、判定部３３により、ステップＳ１６で算出した負極利用率ｍｎ２とステップＳ１５で算出した負極利用率ｍｎ１の平均値との差が予め定めた値Ｂより大きいかを判定する。図４（ｂ）に示す例は、負極利用率ｍｎ１の劣化度が大きくなっている場合である。このように、実測した負極利用率ｍｎ１の平均値が、理想とする負極利用率ｍｎ２より低下して、負極利用率ｍｎ１の劣化が進んでいる場合は、二次電池１０において主に劣化している部材要因が負極利用率であると判断し、次のステップＳ２２へ進む。

ステップＳ２２では、制御部３４により、二次電池１０の上限電流を下げて二次電池１０を稼働するように制御する。さらに、制御部３４により、二次電池１０を高い電圧で稼働するように制御する。これにより、負極利用率ｍｎ１の劣化を抑制して二次電池１０の寿命を延ばす。ステップＳ２１で、負極利用率ｍｎ２と負極利用率ｍｎ１の平均値との差が値Ｂより大きくないと判定された場合、およびステップＳ１８、Ｓ２０、Ｓ２２の処理を終了した場合は図５に示すフローチャートを終了する。

なお、ステップＳ１５で、正極利用率ｍｐ１、負極利用率ｍｎ１、負極容量ずれｄｎ１の各平均値を算出し、ステップＳ１７、Ｓ１９、Ｓ２１で、これらの平均値と正極利用率ｍｐ２、負極利用率ｍｎ２、負極容量ずれｄｎ２とを比較した。しかし、平均値を算出せずに、第１予測式（１）〜（３）より時間ｔ２における劣化度を算出し、この値と正極利用率ｍｐ２、負極利用率ｍｎ２、負極容量ずれｄｎ２とを比較してもよい。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電池制御部３０は、二次電池１０の劣化度を二次電池１０の部材要因、例えば、正極利用率、負極利用率、負極容量ずれ、ごとに算出する演算部３２と、演算部３２の算出結果に基づいて、二次電池１０の部材要因のうちで劣化している部材要因を判定する判定部３３と、劣化している部材要因に応じて二次電池１０の稼働条件を変更する制御部３４とを備える。これにより、二次電池１０の劣化に応じた制御を行うことで二次電池１０の長寿命化が可能になる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態を次のように変形して実施することができる。
（１）二次電池の部材要因として、正極利用率、負極利用率、負極容量ずれを例に説明した。しかし、これに限らず、正極電圧のずれ量、二次電池の正極抵抗に関するパラメータである係数、二次電池の負極抵抗に関するパラメータである係数、その他の抵抗成分に関する係数を二次電池の部材要因としてもよい。

（２）二次電池の稼働条件として、二次電池を高い電圧で稼働したり、二次電池の上限電流を下げて二次電池を稼働したりする例を説明した。しかし、これに限らず、開始電圧、終了電圧、最大電圧、最低電圧、環境温度、充電容量、放電容量、単位時間当たりの電気量変動、最大電流、平均電流、下限電流、稼働中心電圧、各電圧領域の滞在時間比率、単位時間当たりの通電極性比率、通電時間比率、休止時間比率、上下限電圧、ＳＯＣ変動幅、通電時間などを稼働条件としてもよい。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１０ 二次電池
２０ 検出部
２１ 電流検出部
２２ 電圧検出部
２３ 温度検出部
３０ 電池制御部
３１ タイマ
３２ 演算部
３３ 判定部
３４ 制御部
３５ 記憶部
４０ 上位制御部

Claims (6)

1. 二次電池の劣化度を二次電池の部材要因ごとに算出する劣化度算出部と、
   前記劣化度算出部の算出結果に基づいて、前記二次電池の部材要因のうちで劣化している部材要因を判定する判定部と、
   前記劣化している部材要因に応じて前記二次電池の稼働条件を変更する制御部と、
   を備え、
   前記二次電池の部材要因は負極容量ずれを含み、
   前記制御部は、前記劣化している部材要因が前記負極容量ずれである場合に、前記二次電池の稼働条件として、前記二次電池を高い電圧で稼働する二次電池制御装置。
2. 請求項１に記載の二次電池制御装置であって、
   前記二次電池の部材要因は正極利用率を含み、
   前記制御部は、前記劣化している部材要因が前記正極利用率である場合に、前記二次電池の稼働条件である上限電流値を下げて稼働する二次電池制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の二次電池制御装置であって、
   前記二次電池の部材要因は負極利用率を含み、
   前記制御部は、前記劣化している部材要因が前記負極利用率である場合に、前記二次電池の稼働条件として、前記二次電池の上限電流値を下げて稼働し、且つ前記二次電池を高い電圧で稼働する二次電池制御装置。
4. 請求項１に記載の二次電池制御装置において、
   前記劣化度算出部は、前記二次電池の部材要因ごとに現在の劣化度と予め定義した劣化度との差を算出し、
   前記判定部は、前記現在の劣化度と前記予め定義した劣化度の差が所定値を超えている部材要因を、前記劣化している部材要因と判定する二次電池制御装置。
5. 請求項４に記載の二次電池制御装置において、
   前記劣化度算出部は、前記現在の劣化度を前記二次電池の使用時間と前記二次電池の電流値、電圧値、温度に基づいて算出する二次電池制御装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の二次電池制御装置において、
   前記劣化度算出部は、前記予め定義した劣化度を前記二次電池の使用時間と劣化度の関数として定義する二次電池制御装置。

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