JP6708120B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、電解液を含む充放電が可能なバッテリと、バッテリの充放電を制御する制御装置とを備える蓄電システムに関する。

車両を走行させる駆動源の一つとして、モータを搭載した電動車両（例えばハイブリッド自動車、電気自動車）が従来から広く知られている。こうした電動車両には、走行用モータに電力を供給し、また、当該走行用モータで生じた回生電力を受け取る車載バッテリとして、充放電可能な二次電池が搭載されている。

このような二次電池を備える蓄電システムでは、過放電及び過充電とならないように、二次電池の充放電が制御される。より具体的には、二次電池の入出力電力の制限等を行い、電池電圧が所定の許容電圧範囲を超えないように制御される。ここで、二次電池がより低温の環境に置かれるほど、過放電及び過充電を防ぐための二次電池の許容電圧範囲はより厳しく制限される。

特許文献１には、二次電池の電池温度と電池電圧とを受けて、二次電池に対して入出力する電力の制限値を設定する、二次電池の入出力制御装置が記載されている。この入出力制限装置では、電池温度に応じて、電池電圧に対する当該制限値の変化の割合を変化させており、より具体的には、電池温度が低下するに従って、二次電圧の目標電圧と電池電圧との偏差に基づく制御演算に用いられる制御ゲインを小さくしている。

特許文献２には、バッテリと、バッテリの充放電を制御する制御装置とを備え、バッテリの温度が所定の温度を下回る場合は、電解液が凍結していると判定してバッテリの充放電を制限し、その後、内部抵抗の減少量が所定のしきい値よりも大きいときに電解液の凍結が解消されたと判定して、充放電の制限を解除する蓄電システムが記載されている。

特開２００８−１２５１６１号公報 特開２０１６−１２９１０３号公報

しかしながら、従来の蓄電システムでは、二次電池の電池温度が電解液の凍結温度以下となる極低温域において、入出力電力や電池電圧の許容範囲を制限しているため、二次電池の保護は図られる一方、燃費及び動力性能が低下する。特に、二次電池に含まれる電解液の一部が凍結すると、導電経路が制限されて二次電池の内部抵抗が急激に増大する。そのため、例えば、電解液の一部が凍結した状態にある二次電池を使用してモータを始動しようとしても、電池電圧の許容範囲を超えてしまい、二次電池がモータの始動に必要な電力を出力できない場合がある。

そこで、本願では、バッテリの電池温度が電解液の凍結温度以下となる範囲において、バッテリの保護を図りながら、入出力可能な電力量を増大することができる蓄電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電システムは、電解液を含む、充放電が可能なバッテリと、前記バッテリの電池温度を検出する温度検出部と、前記バッテリの電池電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出した前記電池電圧が、所定の下限電圧を下回らず、且つ、所定の上限電圧を上回らないように、前記バッテリの充放電を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記温度検出部が検出した電池温度が前記電解液の凍結温度以下である場合、前記電解液の凍結による前記バッテリの直流抵抗の増加分に応じた電圧補正値を、前記電池電圧から得られる前記バッテリの開放電圧と前記電池温度とに基づいて取得し、取得された前記電圧補正値により、前記下限電圧を低下させ、且つ、前記上限電圧を上昇させる補正を行う、ことを特徴とする。

本発明に係る蓄電システムによれば、電解液の凍結による電気抵抗の増加分に応じてバッテリの電池電圧の許容範囲が拡大されるため、バッテリの保護を図りながら、入出力可能な電力量を増大することができる蓄電システムを提供することができる。

本実施形態に係る蓄電システムの概略構成を示す図である。 バッテリの電池温度と電池抵抗との関係を示すグラフである。 バッテリの電池温度と電池電圧との関係、及び、従来のバッテリの放電制御に用いる下限電圧を示すグラフである。 バッテリの電池温度と電池電圧との関係、及び、本実施形態に係るバッテリの放電制御に用いる下限電圧を示すグラフである。 本実施形態に係る蓄電システムの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、本実施形態に係る蓄電システム１０の構成概略図が示されている。蓄電システム１０は、回転電機１６により車両駆動力を得る電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両に搭載されるものである。

バッテリ１２は、複数の単電池を直列または並列（図示例では直列）に接続して構成されている。一つのバッテリ１２を構成する単電池の個数は、バッテリ１２の要求出力等に基づいて適宜設定できる。単電池は、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池等である。

バッテリ１２は、システムメインリレー（以下「ＳＭＲ」と呼ぶ）１８を介してインバータ１４に接続されている。ＳＭＲ１８は、バッテリ１２とインバータ１４を電気的に接続または接続解除する。ＳＭＲ１８がオンされると、バッテリ１２の充放電が許容される。ユーザは、車両を起動する際には、当該車両に搭載されたスタートスイッチをオンするが、このＳＭＲ１８は、当該スタートスイッチに連動してオン／オフが切り替わる。

インバータ１４は、バッテリ１２からの直流電力（放電電力）を交流電力に変換して後述の回転電機１６に供給する。これにより、回転電機１６がモータとして機能し、走行用の動力を出力する。また、インバータ１４は、回転電機１６からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ１２に供給する。回転電機１６からインバータ１４を介して供給される電力（充電電力）によりバッテリ１２が充電される。

回転電機１６は、バッテリ１２からインバータ１４を介して供給される電力により車両の走行用動力を出力する駆動源として機能する。また、回転電機１６は、発電機としても機能し、インバータ１４を介してバッテリ１２に電力を供給する。

バッテリ１２の近傍には、温度検出部として温度センサ２０が設けられている。温度センサ２０はバッテリ１２の温度を検出する。温度センサ２０の検出温度値は、電池温度Ｔｂとして、制御装置３０に送られる。温度センサ２０は、一つでもよいし、複数でもよい。温度センサ２０を複数設けた場合には、複数の検出値から算出される統計値、例えば、平均値や最小値、最大値等を電池温度Ｔｂとして用いればよく、中でも最小値を電池温度Ｔｂとして用いることがバッテリ１２の電解液の凍結を検知する観点から好ましい。

バッテリ１２には、バッテリ１２の正極端子と負極端子間の電圧を検出する電圧検出部として電圧センサ２２が設けられている。電圧センサ２２の検出電圧値は、電池電圧Ｖｂとして、制御装置３０に送られる。電池電圧Ｖｂは、バッテリ１２の残電力量を示す指標となる。

バッテリ１２には、充放電時にバッテリ１２を流れる電流を検出する電流検出部として電流センサ２４が設けられている。電流センサ２４の検出電流値は、電池電流Ｉｂとして、制御装置３０に送られる。なお、電池電流Ｉｂは、放電時に正の値であり、充電時に負の値になる。

なお、上述した温度センサ２０、電圧センサ２２、電流センサ２４による各種パラメータの検出は、バッテリ１２の起動期間中、所定のサンプリング周期（例えば数十ｍｓｅｃ〜数百ｍｓｅｃ）で繰り返し行われる。

バッテリ１２の充放電は、制御装置３０により管理制御される。制御装置３０は、例えば、各種演算を行うＣＰＵと、各種プログラムやパラメータを記憶する記憶部と、を備えている。なお、図１では、制御装置３０を、単一のユニットとしているが、制御装置３０は、それぞれがＣＰＵおよび記憶部を有する制御ユニットを複数、組み合わせて構成されてもよい。したがって、制御装置３０は、ＣＰＵおよび記憶部を複数有する構成としてもよい。また、制御装置３０の一部の機能は、車両の外部に設けられるとともに、車載の制御ユニットと通信可能な車外制御ユニットで実現されてもよい。

制御装置３０は、回転電機１６の駆動状態を制御するための制御指令を発生する。このとき、制御装置３０は、バッテリ１２の充放電時における電池電圧Ｖｂの許容範囲を取得したうえで、電圧センサ２２が検出したバッテリ１２の電池電圧Ｖｂが許容範囲を超えないように、回転電機１６の駆動状態を制御する。電池電圧Ｖｂの許容範囲は、上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎにより規定されており、上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎのそれぞれは、後述するように、所定の値であってもよいし、バッテリ１２の電池温度Ｔｂおよび／またはバッテリ１２の開放電圧Ｖｏによって異なる値であってもよい。

バッテリ１２の放電時には、出力電力量の増加に伴って電池電圧Ｖｂは低下する。電池電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎを下回り、さらに過放電の状態になると、例えば、正極を構成する金属が溶出して、溶出した金属が充電時に析出して内部短絡等を引き起こす可能性があり、また、負極では負極活物質を被覆する皮膜が不可逆的に分解するなど、二次電池としての機能を損なわせる不具合が生じることがある。そこで、制御装置３０は、電池電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎ未満を下回らないように、回転電機１６の使用電力を制限する制御指令を発生し、電池電圧Ｖｂを上昇させる制御を実施する。

他方、バッテリ１２の充電時には、入力電力量の増加に伴って電池電圧Ｖｂが上昇する。電池電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｍａｘを上回り、さらに過充電の状態になると、例えば、負極表面にリチウムが析出して内部短絡等を引き起こす可能性があり、これも二次電池としての機能を損なわせる可能性がある。そこで、制御装置３０は、電池電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｍａｘを上回らないように、回転電機１６による回生電力の発生を抑制する制御指令を発生し、電池電圧Ｖｂを低下させる制御を実施する。

以下、従来のバッテリ１２の充放電制御、および、本実施形態に係る蓄電システム１０が実施する充放電制御につき、バッテリ１２の放電時において、電池電圧Ｖｂが許容範囲の下限電圧Ｖｍｉｎを下回らないように制御する場合を例に、説明する。

バッテリ１２の電池電圧Ｖｂは、バッテリ１２の開放電圧（ＯＣＶ）Ｖｏから、バッテリ１２の電池電流Ｉｂとバッテリ１２の電池抵抗（内部抵抗）Ｒｂとの積を減算した値であり、下記式（１）
Ｖｂ＝Ｖｏ−Ｉｂ×Ｒｂ （１）
によって表される。バッテリ１２の電池電流Ｉｂと電池抵抗Ｒｂとの積（Ｉｂ×Ｒｂ）は、バッテリ１２の電池抵抗Ｒｂによる開放電圧Ｖｏからの電圧低下量を表す。この電圧低下量は、バッテリ１２の直流抵抗Ｒａによるドロップ電圧Ｖｒと、正極及び負極における分極現象による分極電圧（反応過電圧）Ｖｐとの合計でもあるため、電池電圧Ｖｂは、下記式（２）
Ｖｂ＝Ｖｏ−（Ｖｒ＋Ｖｐ） （２）
によっても表される。

ところで、上述のバッテリ１２の過放電により生じ得る不具合は、正極及び負極での分極現象による分極電圧Ｖｐが閾値Ｖｐ０を超えて高くなることが原因で引き起こされる。閾値Ｖｐ０は、正極及び負極の組成や結晶構造、電解液の組成等によって異なる。また、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが低下するにつれて、分極電圧Ｖｐの閾値Ｖｐ０もまた低下する。バッテリ１２の下限電圧Ｖｍｉｎは、バッテリ１２の放電時に過放電とならないよう、分極電圧Ｖｐの閾値Ｖｐ０に基づいて設定される。上記式（２）から分極電圧Ｖｐが低下するにつれて電池電圧Ｖｂは上昇するため、閾値Ｖｐ０の低下に伴い、下限電圧Ｖｍｉｎも上昇させる必要がある。そのため、下限電圧Ｖｍｉｎは、例えば、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが低いほど下限電圧Ｖｍｉｎは高くなるように設定される。また、下限電圧Ｖｍｉｎは電池温度Ｔｂの変化に対して不変であってもよく、この場合、バッテリ１２の使用想定温度範囲の下限値（最低温度）における閾値Ｖｐ０に基づいて、下限電圧Ｖｍｉｎが設定される。後述するように、下限電圧Ｖｍｉｎはバッテリ１２の開放電圧Ｖｏに応じて異なっていてもよい。

一方、実際のバッテリ１２では、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが低下するにつれて、バッテリ１２の電池抵抗Ｒｂが増加することが知られている。つまり、上記式（１）より、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが低下するにつれて、バッテリ１２の電池電圧Ｖｂが低下することになる。よって、従来のバッテリ１２の充放電制御では、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが低下するほど、電池電圧Ｖｂと下限電圧Ｖｍｉｎとの差が小さくなり、バッテリ１２が出力可能な電力量の範囲が制限されてしまう。

このようなバッテリ１２の温度低下による出力可能な電力量の制限は、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが電解液の凍結温度Ｔｆ以下となる範囲（以下「極低温域」ともいう）において、より顕著に現れる。なぜなら、極低温域（例えば−３０℃以下）において、バッテリ１２に含まれる電解液の一部が凍結すると、バッテリ１２の電池抵抗Ｒｂが急激に増加し、これに伴いバッテリ１２の電池電圧Ｖｂが急激に低下するためである。なお、電解液の凍結温度Ｔｆとは、電解液に含まれる成分の少なくとも一部が凝固する温度である。

図２は、極低温域を含む温度範囲における電池温度Ｔｂと電池抵抗Ｒｂとの関係の一例を示すグラフである。図２において、横軸は温度の逆数を表し、縦軸は抵抗を表す。破線は電解液の凍結温度Ｔｆを示す。電池抵抗Ｒｂは、直流抵抗Ｒａと、正極及び負極における分極現象による分極抵抗Ｒｐとの合計として表されている。図２に示すように、電池温度Ｔｂが電解液の凍結温度Ｔｆよりも高い範囲では、電池温度Ｔｂの低下に従い、直流抵抗Ｒａ及び分極抵抗Ｒｐの両者とも増加しており、直流抵抗Ｒａと分極抵抗Ｒｐとの比はおよそ同程度で推移している。しかしながら、電池温度Ｔｂが凍結温度Ｔｆ以下の範囲（極低温域）では、電池温度Ｔｂが低下するにつれて、分極抵抗Ｒｐに比較して直流抵抗Ｒａが急激に増加する。

極低温域における直流抵抗Ｒａの増加は、次のように説明できる。直流抵抗Ｒａには電解液の抵抗が含まれるところ、凍結温度Ｔｆ以下では、凝固した電解液が局所的に偏析する。これにより導電経路が制限され、電解液による抵抗が増加するため、電池温度Ｔｂの低下に従って直流抵抗Ｒａが急激に増加すると考えられる。ここで、極低温域において電解液の凍結が起きていないと仮定したときの直流抵抗Ｒａの値を抵抗成分Ｒａ’とする。図２において一点鎖線で示すように、抵抗成分Ｒａ’は電池温度Ｔｂの低下に伴って緩やかに増加すると考えられる。そして、電解液の凍結によるバッテリ１２の直流抵抗Ｒａの増加分は、直流抵抗Ｒａと抵抗成分Ｒａ’との差分である抵抗成分ΔＲａで表される。図２に示すように、極低温域では、電池温度Ｔｂが低下するにつれて抵抗成分ΔＲａが急激に増加し、その結果、直流抵抗Ｒａも急激に増加する。

図３は、バッテリ１２の電池温度Ｔｂと電池電圧Ｖｂとの関係を示すグラフである。図３に示すバッテリ１２の電池温度Ｔｂと電池電圧Ｖｂとの関係は、図２及び上記式（１）に基づく。また、図３には、従来の充放電制御において設定される下限電圧Ｖｍｉｎが記載されている。図３において、横軸は温度の逆数を表し、縦軸は電圧を表す。図３において、直流抵抗Ｒａに基づくドロップ電圧Ｖｒと、分極抵抗Ｒｐによる分極電圧Ｖｐとが記載されており、上記式（２）の通り、ドロップ電圧Ｖｒと分極電圧Ｖｐとの合計は、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏから電池電圧Ｖｂを引いた差分である。また極低温域において、ドロップ電圧Ｖｒは、抵抗成分Ｒａ’による電圧成分Ｖｒ’と、抵抗成分ΔＲａによる電圧成分ΔＶｒとの合計として表されている。即ち、Ｖｒ＝Ｖｒ’＋ΔＶｒの関係式を有する。図３では、バッテリ１２の下限電圧Ｖｍｉｎは、バッテリ１２の電池温度Ｔｂに対して一定の値を示す。

図３に示すように、極低温域では、電池温度Ｔｂが低下するにつれて電池電圧Ｖｂが急速に低下し、やがて下限電圧Ｖｍｉｎに到達してしまう。この電池電圧Ｖｂの急速な低下は、上述の通り、電解液の一部が凍結して直流抵抗Ｒａの抵抗成分ΔＲａが急激に増加し、ドロップ電圧Ｖｒによる電池電圧Ｖｂの低下量が急激に増加したことによる。よって、従来の蓄電システムでは、電池温度Ｔｂが凍結温度Ｔｆ以下となる極低温域においては、バッテリ１２の電池電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎに対してより一層近づく傾向にあるため、バッテリ１２の出力電力量がより厳しく制限される。そのため、例えば、バッテリ１２が極低温域に置かれる状況下で回転電機１６を始動しようとしても、回転電機１６の始動に必要な電力を出力できなくなる事態が起こり得る。

従来のバッテリ１２の充放電制御では、下限電圧Ｖｍｉｎと比較する電池電圧Ｖｂとして、上記式（２）および図３に示すように、分極電圧Ｖｐとドロップ電圧Ｖｒとの合計量を開放電圧Ｖｏから減算した値が使用されている。しかしながら、上述の通り、バッテリ１２の過放電により生じ得る不具合は、分極電圧Ｖｐが閾値Ｖｐ０を超えることによって引き起こされるものであって、直流抵抗Ｒａによるドロップ電圧Ｖｒに起因しない。よって、バッテリ１２の充放電制御に際し、この開放電圧Ｖｏからのドロップ電圧Ｖｒによる低下量に応じて、下限電圧Ｖｍｉｎを低下させることができる。特に、電池温度Ｔｂが電解液の凍結温度Ｔｆ以下である極低温域において電解液が凍結することによって生じる、直流抵抗Ｒａの急激な増加分（抵抗成分ΔＲａ）に基づく下限電圧Ｖｍｉｎの引き下げについては、これまで考慮されていなかった。

本実施形態に係る蓄電システム１０におけるバッテリ１２の充放電制御では、電解液の凍結によるバッテリ１２の直流抵抗Ｒａの増加分（抵抗成分ΔＲａ）に応じた電圧補正値Ｖｃにより、極低温域における下限電圧Ｖｍｉｎを低下させる補正を行うことを特徴とする。電圧補正値Ｖｃは、温度センサ２０が検出した電池温度Ｔｂと、電圧センサ２２が検出した電池電圧Ｖｂから得られるバッテリ１２の開放電圧Ｖｏとに基づいて取得される。

図４は、図３と同様、バッテリ１２の電池温度Ｔｂと電池電圧Ｖｂとの関係を示すグラフである。図４では、極低温域における電解液の凍結によって増加する抵抗成分ΔＲａに応じた電圧補正値Ｖｃにより補正した後の下限電圧Ｖｍｉｎも示す。図４に示すように、本実施形態に係る蓄電システム１０では、バッテリ１２の放電時、電池温度Ｔｂが電解液の凍結温度Ｔｆ以下である極低温域において、電圧補正値Ｖｃにより下限電圧Ｖｍｉｎを低下させる補正を行う。図４に示す通り、電圧補正値Ｖｃにより下限電圧Ｖｍｉｎが低下すると、バッテリ１２の電池電圧Ｖｂの許容範囲が拡大される。これにより、バッテリ１２の出力可能な電力量が増大するため、例えば、回転電機１６の始動性を向上させることができる。また、電圧補正値Ｖｃによる補正は、分極電圧Ｖｐによる低下量が閾値Ｖｐ０を超えない値に設定される。そのため、電池電圧Ｖｂが補正後の下限電圧Ｖｍｉｎを下回らないように、制御装置３０がバッテリ１２の放電を制御することにより、バッテリ１２を過放電から保護することができる。

電圧補正値Ｖｃにより補正される下限電圧Ｖｍｉｎの取得について説明する。下限電圧Ｖｍｉｎは、制御装置３０に記憶されるとともに、バッテリ１２の充放電制御を行うにあたり参照される。下限電圧Ｖｍｉｎは、上述の通り、バッテリ１２の電池温度Ｔｂが低いほど下限電圧Ｖｍｉｎが高くなるように設定されていてもよく、電池温度Ｔｂの変化に対して不変であってもよい。また、電圧センサ２２が検出する電池電圧Ｖｂが開放電圧Ｖｏから分極電圧Ｖｐとドロップ電圧Ｖｒとを減算した値であることを考慮して、分極電圧Ｖｐに対するドロップ電圧Ｖｒ（極低温域では電解液の凍結が起きていないと仮定したときの直流抵抗Ｒａ（抵抗成分Ｒａ’）による電圧成分Ｖｒ’）の比に基づき、下限電圧Ｖｍｉｎを予め修正してもよい。上述の通り、開放電圧Ｖｏが低いほど分極電圧Ｖｐに対するドロップ電圧Ｖｒ（電圧成分Ｖｒ’）の比が小さくなることから、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏが低いほど下限電圧Ｖｍｉｎが低くなるように設定されていてもよい。

制御装置３０は、電池温度Ｔｂおよび開放電圧Ｖｏなどのパラメータと、下限電圧Ｖｍｉｎとの対応関係を示すマップを記憶しており、制御装置３０は、実際に検出されたパラメータの値をマップにあてはめて、下限電圧Ｖｍｉｎを取得する。

下限電圧Ｖｍｉｎの補正に用いる電圧補正値Ｖｃは、各電池温度Ｔｂにおける抵抗成分ΔＲａに応じて、適宜設定される。例えば、電解液の凍結による直流抵抗Ｒａの増加分である抵抗成分ΔＲａのみに基づいて下限電圧Ｖｍｉｎを補正する場合、図４に示すグラフに基づき、開放電圧Ｖｏと下限電圧Ｖｍｉｎとの差分に｛ΔＶｒ／（Ｖｐ＋Ｖｒ’）｝を乗じた、下記式（３）
Ｖｃ＝（Ｖｏ−Ｖｍｉｎ）×ΔＶｒ／（Ｖｐ＋Ｖｒ’） （３）
により電圧補正値Ｖｃを算出し、算出された電圧補正値Ｖｃを下限電圧Ｖｍｉｎから減算して、補正後の下限電圧Ｖｍｉｎを取得することができる。

また、補正前の下限電圧Ｖｍｉｎについて、上記の分極電圧Ｖｐに対するドロップ電圧Ｖｒ（極低温域では電圧成分Ｖｒ’）の比に基づく修正がなされていない場合、下限電圧Ｖｍｉｎを補正するための電圧補正値Ｖｃを、電解液の凍結による直流抵抗Ｒａの増加分である抵抗成分ΔＲａのみならず、直流抵抗Ｒａの総量に基づいて補正してもよい。即ち、図４に示すグラフに基づき、開放電圧Ｖｏと下限電圧Ｖｍｉｎとの差分に｛Ｖｒ／Ｖｐ｝を乗じた、下記式（４）
Ｖｃ＝（Ｖｏ−Ｖｍｉｎ）×Ｖｒ／Ｖｐ （４）
により電圧補正値Ｖｃを算出し、算出された電圧補正値Ｖｃを下限電圧Ｖｍｉｎから減算して、補正後の下限電圧Ｖｍｉｎを取得することができる。

図２に示すように、極低温域においては、電池温度Ｔｂが低下するにつれて、抵抗成分Ｒａ’及び分極抵抗Ｒｐのそれぞれに対する抵抗成分ΔＲａの比率が高くなる。同様に、図４に示すように、極低温域においては、電池温度Ｔｂが低下するにつれて、電圧成分Ｖｒ’及び分極電圧Ｖｐのそれぞれに対する電圧成分ΔＶｒの比率が高くなる。このように、電圧補正値Ｖｃは、バッテリ１２の電池温度Ｔｂによって異なり、電池温度Ｔｂが低下するにつれて下限電圧Ｖｍｉｎの電圧補正値Ｖｃは増加する。

また、電圧補正値Ｖｃは、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏによって異なる。バッテリ１２において、開放電圧Ｖｏが低いほど、分極電圧Ｖｐに対するドロップ電圧Ｖｒの比Ｖｒ／Ｖｐが小さくなる。そのため、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏが低いほど、電圧補正値Ｖｃは低下する。

制御装置３０は、電池温度Ｔｂおよび開放電圧Ｖｏと、電圧補正値Ｖｃとの対応関係を示すマップを記憶しており、制御装置３０は、実際に検出されたパラメータの値をマップにあてはめて、電圧補正値Ｖｃを取得する。電池温度Ｔｂと電圧補正値Ｖｃとの対応関係を示すマップを作成するための、電解液の凍結によって増加する抵抗成分ΔＲａの直流抵抗Ｒａに対する比率は、以下のようにして算出される。

凍結温度Ｔｆを超える温度範囲において、公知の方法によりバッテリ１２の直流抵抗Ｒａを測定する。電池温度Ｔｂの逆数と直流抵抗Ｒａの対数とは比例関係にあるため、これらの測定値から、例えば最小二乗法を適用することにより、回帰直線を求めることができる。このようにして得られた回帰直線を、極低温域、即ち、温度センサ２０が検出した電池温度Ｔｂが凍結温度Ｔｆ以下である場合にも適用することで、凍結温度Ｔｆ以下の電池温度Ｔｂに対する抵抗成分Ｒａ’を算出できる。並行して測定された極低温域における直流抵抗Ｒａから、算出された抵抗成分Ｒａ’を差し引くことで、極低温域における電解液の凍結によって増加する抵抗成分ΔＲａを算出することができる。なお、バッテリ１２の直流抵抗Ｒａを測定する公知の方法としては、例えば、直流抵抗Ｒａが分極抵抗Ｒｐに対して速い時間応答性を有することに基づいて、バッテリ１２の充放電開始時から短時間（例えば０．１秒以内）経過後の抵抗を測定する方法、或いは、バッテリ１２の交流インピーダンス測定における周波数応答結果より直流抵抗Ｒａを求める方法等が挙げられる。

バッテリ１２の開放電圧Ｖｏは、電圧センサ２２が検出した電池電圧Ｖｂから得られる。バッテリ１２が充放電していない場合、上記式（１）において電池電流Ｉｂ＝０であるため、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏは、電圧センサ２２が検出した電池電圧Ｖｂである。バッテリ１２が充放電中である場合、電池温度Ｔｂと電池抵抗Ｒｂとの対応関係を示すマップを予め制御装置３０に記憶させておき、温度センサ２０が検出した電池温度Ｔｂをマップにあてはめて算出した電池抵抗Ｒｂ、電圧センサ２２が検出した電池電圧Ｖｂ、並びに、電流センサ２４が検出した電池電流Ｉｂを上記式（１）にあてはめて、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏを算出すればよい。また、バッテリ１２が充放電中である場合、その直前のバッテリ１２が充放電していない期間における電圧センサ２２の検出値を、バッテリ１２の開放電圧Ｖｏとして使用してもよい。

制御装置３０は、上記の下限電圧Ｖｍｉｎを補正する一連の処理を、バッテリ１２の出力開始以降、所定の周期（例えば数十ｍｓｅｃ〜数百ｍｓｅｃ）で繰り返し行ってもよい。通常、バッテリ１２の出力を行うと、電解液の温度は上昇し、凍結していた電解液成分は融解するため、電解液の凍結による直流抵抗Ｒａの増加分である抵抗成分ΔＲａは減少すると考えられる。よって、バッテリ１２の放電時は電圧補正値Ｖｃが大きく変動するため、下限電圧Ｖｍｉｎの補正を周期的に行って電池電圧Ｖｂと対比する下限電圧Ｖｍｉｎを更新することにより、より適切なバッテリ１２の放電制御を実施することが好ましい。

上記で述べた、本実施形態に係る蓄電システム１０が実施する放電制御および許容電圧範囲の補正は、バッテリ１２の充電時においても適用することができる。即ち、本実施形態に係る蓄電システム１０では、バッテリ１２の充電時、電池温度Ｔｂが電解液の凍結温度Ｔｆ以下である極低温域において、電圧補正値Ｖｃにより上限電圧Ｖｍａｘを上昇させる補正を行うことにより、バッテリ１２を過充電から保護しながら、バッテリ１２の入力電力量を増大させることができる。

以下、図５に示すフローチャートに従って、図１に示す蓄電システム１０による下限電圧Ｖｍｉｎの補正および放電制御にかかる一連の処理の流れについて説明する。この一連の処理は、所定の周期ごとまたは所定の条件が成立するごとにて実行される。

図１および図５を参照して、処理が開始されると、ステップＳ１０２において、温度センサ２０は、バッテリ１２の電池温度Ｔｂを検出する。次に、ステップＳ１０４において、電圧センサ２２は、バッテリ１２の電池電圧Ｖｂを検出する。

ステップＳ１０６において、制御装置３０は、電池温度Ｔｂがバッテリ１２の電解液の凍結温度Ｔｆ以下であるか否かを判定する。電解液の凍結温度Ｔｆは例えば−３０℃である。ステップＳ１０６において電池温度Ｔｂが凍結温度Ｔｆを超えていると判定されれば（ステップＳ１０６でＮＯ）、ステップＳ１１８に進む。ステップＳ１０６において電池温度Ｔｂが凍結温度Ｔｆ以下であると判定されれば（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０６において、制御装置３０は、電池温度Ｔｂがバッテリ１２の電解液の凍結温度Ｔｆ以下であるか否かの判定に代えて、バッテリ１２の電解液の凝固状態を判定する公知の方法を用いてもよい。例えば、特開２０１６−１１７４１３号に記載されている、リチウムイオン二次電池の電解液の凝固状態を判定する方法に従って、バッテリ１２の電解液の凝固状態を判定してもよい。

ステップＳ１０８において、制御装置３０は、バッテリ１２が充放電を実施しているか否かを判定する。ステップＳ１０８においてバッテリ１２が充放電を実施していないと判定されれば（ステップＳ１０８でＮＯ）、ステップＳ１１０に進み、制御装置３０は、バッテリ１２の電池電圧Ｖｂを開放電圧Ｖｏとして取得する。

ステップＳ１０８においてバッテリ１２が充放電を実施していると判定されれば（ステップＳ１０８でＹＥＳ）、ステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２において、制御装置３０は、他の公知の方法で開放電圧Ｖｏを取得する。例えば、温度センサ２０、電圧センサ２２、電流センサ２４が検出したパラメータ、並びに、制御装置３０に記憶された電池温度Ｔｂと電池抵抗Ｒｂとの対応関係を示すマップおよび上記式（１）の関係式を用いて、開放電圧Ｖｏを算出する。或いは、直前の充放電を実施していない期間における電圧センサ２２の検出値を開放電圧Ｖｏとして取得する。

ステップＳ１１４において、制御装置３０は、温度センサ２０が検出した電池温度Ｔｂと、ステップＳ１１０またはステップＳ１１２において取得された開放電圧Ｖｏとに基づいて、電圧補正値Ｖｃを取得する。次いで、ステップＳ１１６において、制御装置３０は、取得された電圧補正値Ｖｃにより下限電圧Ｖｍｉｎを低下させる補正を行う。

ステップＳ１１８において、制御装置３０は、電池電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎを下回るか否かを判定する。ステップＳ１１８において電池電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎを下回らないと判定されれば（ステップＳ１１８でＮＯ）、ステップＳ１２２に進む。ステップＳ１２２において、バッテリ１２について現状の使用状況が維持される。

ステップＳ１１８において電池電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎを下回ると判定されれば（ステップＳ１１８でＹＥＳ）、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０において、制御装置３０は、例えば、回転電機１６の使用電力を制限する制御指令を発生し、電池電圧Ｖｂを上昇させる制御を実施する。

以上の説明から明らかな通り、本実施形態の蓄電システム１０では、電池温度Ｔｂが電解液の凍結温度以下となる範囲において、電池温度Ｔｂと電池電圧Ｖｂから得られるバッテリ１２の開放電圧Ｖｏとに基づいて、電解液の凍結によるバッテリ１２の直流抵抗Ｒａの増加分に応じた電圧補正値Ｖｃを取得し、取得された電圧補正値Ｖｃにより、下限電圧Ｖｍｉｎを低下させ、且つ、上限電圧Ｖｍａｘを上昇させる補正を行う。これにより、バッテリ１２の電池電圧Ｖｂの許容範囲が拡大されるため、バッテリ１２の保護を図りながら、入出力可能な電力量を増大することができる。

１０ 蓄電システム、１２ バッテリ、１４ インバータ、１６ 回転電機、１８ システムメインリレー、２０ 温度センサ、２２ 電圧センサ、２４ 電流センサ、３０ 制御装置。

Claims (1)

1. 電解液を含む、充放電が可能なバッテリと、
   前記バッテリの電池温度を検出する温度検出部と、
   前記バッテリの電池電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が検出した前記電池電圧が、所定の下限電圧を下回らず、且つ、所定の上限電圧を上回らないように、前記バッテリの充放電を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記温度検出部が検出した前記電池温度が前記電解液の凍結温度以下である場合、前記電解液の凍結による前記バッテリの直流抵抗の増加分に応じた電圧補正値を、前記電池電圧から得られる前記バッテリの開放電圧と前記電池温度とに基づいて取得し、取得された前記電圧補正値により、前記下限電圧を低下させ、且つ、前記上限電圧を上昇させる補正を行う、
   ことを特徴とする蓄電システム。
   

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