JP6848775B2 - Lithium ion secondary battery system - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン二次電池システムに関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery system.
リチウムイオン二次電池は繰り返し充電可能な電池である。しかしながら、リチウムイオン二次電池が過充電されると、正極の酸化等が発生する。この結果、電池容量の低下や内部抵抗の増加が引き起こされ、電池の性能が低下する。 A lithium ion secondary battery is a battery that can be recharged repeatedly. However, when the lithium ion secondary battery is overcharged, oxidation of the positive electrode and the like occur. As a result, the battery capacity is lowered and the internal resistance is increased, and the performance of the battery is lowered.
このため、従来、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを検出し、リチウムイオン二次電池の過充電を抑制することが行われている。例えば、特許文献1には、リチウムイオン二次電池の電圧の時間変化率に基づいてリチウムイオン二次電池の充電率を推定することが開示されている。
Therefore, conventionally, it is performed to detect that the lithium ion secondary battery is in the overcharged state and suppress the overcharge of the lithium ion secondary battery. For example,
しかしながら、リチウムイオン二次電池の充放電曲線は典型的には内部抵抗の影響によってヒステリシスを有する。このため、放電後に充電が行われると、充電率が低い領域においても充電開始直後に電圧が急上昇することがある。この結果、電圧の時間変化率が大きくなり、リチウムイオン二次電池の過充電を誤検出するおそれがある。 However, the charge / discharge curve of a lithium ion secondary battery typically has hysteresis due to the influence of internal resistance. Therefore, when charging is performed after discharging, the voltage may rise sharply immediately after the start of charging even in a region where the charging rate is low. As a result, the rate of change in voltage with time increases, and there is a risk of erroneously detecting overcharging of the lithium ion secondary battery.
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができるリチウムイオン二次電池システムを提供することにある。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery system capable of accurately detecting that a lithium ion secondary battery is in an overcharged state.
上記課題を解決するために、本発明では、リチウムイオン二次電池と、前記リチウムイオン二次電池を充電する充電装置と、前記リチウムイオン二次電池の電圧を検出する電圧検出装置と、前記リチウムイオン二次電池を流れる電流を検出する電流検出装置と、前記充電装置によって前記リチウムイオン二次電池が充電されるときに該リチウムイオン二次電池が過充電状態にあるか否かを判定する判定部とを備え、前記判定部は、前記電圧を時間で微分した第1の値が第1の閾値よりも大きく且つ該第1の値を時間で微分した第2の値が正である場合、又は前記電圧を前記リチウムイオン二次電池に供給された電気量で微分した第3の値が第2の閾値よりも大きく且つ該第3の値を時間で微分した第4の値が正である場合に、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判定する、リチウムイオン二次電池システムが提供される。 In order to solve the above problems, in the present invention, a lithium ion secondary battery, a charging device for charging the lithium ion secondary battery, a voltage detecting device for detecting the voltage of the lithium ion secondary battery, and the lithium. A current detection device that detects the current flowing through the ion secondary battery, and a determination that determines whether or not the lithium ion secondary battery is in an overcharged state when the lithium ion secondary battery is charged by the charging device. When the first value obtained by differentiating the voltage with time is larger than the first threshold value and the second value obtained by differentiating the first value with time is positive, the determination unit includes a unit. Alternatively, the third value obtained by differentiating the voltage with the amount of electricity supplied to the lithium ion secondary battery is larger than the second threshold value, and the fourth value obtained by differentiating the third value with time is positive. In this case, a lithium ion secondary battery system for determining that the lithium ion secondary battery is in an overcharged state is provided.
本発明によれば、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができるリチウムイオン二次電池システムが提供される。 According to the present invention, there is provided a lithium ion secondary battery system capable of accurately detecting that a lithium ion secondary battery is in an overcharged state.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, similar components are given the same reference number.
<第一実施形態>
最初に図1〜図13を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
<First Embodiment>
First, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 13.
<リチウムイオン二次電池システムの構成>
図1は、本発明の第一実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムの概略図である。リチウムイオン二次電池システム1はリチウムイオン二次電池2を備える。リチウムイオン二次電池2は、複数の電池セル21が直列に接続された二次電池であり、電池パック又は組電池とも称される。各電池セル21は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置された電解質とを有する。各電池セル21では、リチウムイオンが電解質を介して正極と負極との間を移動することで、充放電が行われる。
<Configuration of lithium-ion secondary battery system>
FIG. 1 is a schematic view of a lithium ion secondary battery system according to the first embodiment of the present invention. The lithium ion
本実施形態では、リチウムイオン二次電池2は、バイポーラ構造を有する全固体リチウム硫黄(LiS)電池である。この場合、正極材料として硫黄が用いられ、負極材料として金属リチウムが用いられ、電解質としてセラミックスのような固体電解質が用いられる。 In the present embodiment, the lithium ion secondary battery 2 is an all-solid-state lithium-sulfur (LiS) battery having a bipolar structure. In this case, sulfur is used as the positive electrode material, metallic lithium is used as the negative electrode material, and a solid electrolyte such as ceramics is used as the electrolyte.
リチウムイオン二次電池システム1は、リチウムイオン二次電池2を充電する充電装置3を更に備える。充電装置3は、リチウムイオン二次電池2の両端の正極端子及び負極端子に電気的に接続されている。充電装置3は、商用電源のような外部電源から供給される電力又はモータジェネレータから供給される電力を用いてリチウムイオン二次電池2を充電する。
The lithium ion
充電時には、充電装置3からリチウムイオン二次電池2に電流が供給され、リチウムイオンが各電気セル10の正極から負極に移動する。この結果、リチウムイオン二次電池2の容量が徐々に増加する。一方、放電時には、リチウムイオンが各電気セル10の負極から正極に移動し、モータ等の電子機器のような外部負荷にリチウムイオン二次電池2から電力が供給される。この結果、リチウムイオン二次電池2の容量が徐々に低下する。
At the time of charging, a current is supplied from the
リチウムイオン二次電池システム1は、電圧検出装置4、電流検出装置5、温度センサ6及び制御装置7を更に備える。電圧検出装置4は、リチウムイオン二次電池2に並列に接続され、各電池セル21の総電圧であるリチウムイオン二次電池2の電圧を検出する。電圧検出装置4によって検出された電圧は制御装置7に入力される。
The lithium ion
電流検出装置5は、リチウムイオン二次電池2に直列に接続され、リチウムイオン二次電池2を流れる電流を検出する。したがって、電流検出装置5は、充電時には、充電装置3からリチウムイオン二次電池2に供給される電流を検出する。電流検出装置5によって検出された電流は制御装置7に入力される。
The current detection device 5 is connected in series with the lithium ion secondary battery 2 and detects the current flowing through the lithium ion secondary battery 2. Therefore, the current detection device 5 detects the current supplied from the
温度センサ6は、リチウムイオン二次電池2のパッケージ内に設けられ、リチウムイオン二次電池2の温度を検出する。温度センサ6は、例えば、サーミスタ又は熱電対である。温度センサ6によって検出された温度は制御装置7に入力される。
The
制御装置7は、中央演算装置(CPU)、ROM及びRAMのようなメモリ、入力ポート並びに出力ポートを含むマイクロコンピュータであり、リチウムイオン二次電池2の充放電を制御する。充電時には、制御装置7は、電圧検出装置4、電流検出装置5及び温度センサ6の出力等に基づいて充電装置3を制御する。
The
<リチウムイオン二次電池の充放電曲線>
図2は、リチウムイオン二次電池2の充放電曲線を示すグラフである。グラフの横軸はリチウムイオン二次電池2の容量を示し、グラフの縦軸はリチウムイオン二次電池2の閉回路電圧(CCV)を示す。リチウムイオン二次電池2では、内部抵抗による過電圧によって閉回路電圧と開回路電圧(OCV)との間に差が生じる。また、充電時と放電時とでは、リチウムイオン二次電池2を流れる電流の向きが逆である。このため、図2に示されるように、充電時の閉回路電圧が放電時の閉回路電圧よりも高くなり、充放電曲線がヒステリシスを有する。また、充電又は放電が終了しても分極が直ぐには解消しないため、電圧が開回路電圧に収束するのに長時間を要する。
<Charge / discharge curve of lithium-ion secondary battery>
FIG. 2 is a graph showing a charge / discharge curve of the lithium ion secondary battery 2. The horizontal axis of the graph shows the capacity of the lithium ion secondary battery 2, and the vertical axis of the graph shows the closed circuit voltage (CCV) of the lithium ion secondary battery 2. In the lithium ion secondary battery 2, an overvoltage due to an internal resistance causes a difference between the closed circuit voltage and the open circuit voltage (OCV). Further, the direction of the current flowing through the lithium ion secondary battery 2 is opposite between the time of charging and the time of discharging. Therefore, as shown in FIG. 2, the closed circuit voltage at the time of charging becomes higher than the closed circuit voltage at the time of discharging, and the charge / discharge curve has hysteresis. Further, since the polarization is not immediately eliminated even after charging or discharging is completed, it takes a long time for the voltage to converge to the open circuit voltage.
図3は、図2の点aにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図中の実線は、一つの電池セル21が過充電された場合の電圧の時間推移を示し、図中の破線は、過充電された電池セル21が存在しない場合の電圧の時間推移を示す。
FIG. 3 is a graph showing the time transition of the voltage when charging is started at the point a in FIG. The solid line in the figure shows the time transition of the voltage when one
図3の例では、放電によって容量が低下した後に、充電が行われている。時刻t0の直後には、放電時の閉回路電圧と充電時の閉回路電圧との差によって電圧が急上昇し、時刻t0から時刻t1まで、電圧の時間変化率が徐々に低下する。時刻t1の後、電圧の時間変化率が一定となり、充電時間の経過に伴い電圧が徐々に増加する。一つの電池セル21が過充電された場合には、時刻t2において、電圧が再び急上昇する。これは、一つの電池セル21の容量が最大値に近付いたことによって生じる。その後、時刻t3において、電圧の時間変化率が更に高くなり、一つの電池セル21が過充電状態になったと考えられる。
In the example of FIG. 3, charging is performed after the capacity is reduced by discharging. Immediately after time t0, the voltage rises sharply due to the difference between the closed circuit voltage during discharging and the closed circuit voltage during charging, and the time change rate of the voltage gradually decreases from time t0 to time t1. After the time t1, the rate of change of the voltage with time becomes constant, and the voltage gradually increases with the lapse of the charging time. When one
図4は、図2の点bにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図中の実線は、一つの電池セル21が過充電された場合の電圧の時間推移を示し、図中の破線は、過充電された電池セル21が存在しない場合の電圧の時間推移を示す。
FIG. 4 is a graph showing the time transition of the voltage when charging is started at the point b of FIG. The solid line in the figure shows the time transition of the voltage when one
図4の例では、充電によって容量が増加した後に、充電が再び行われている。時刻t0の直後には、内部抵抗による過電圧によって電圧が僅かに上昇し、時刻t0から時刻t1まで、電圧の時間変化率が徐々に低下する。時刻t1の後、電圧の時間変化率が一定となり、充電時間の経過に伴い電圧が徐々に増加する。一つの電池セル21が過充電された場合には、時刻t2において、電圧が再び急上昇する。これは、一つの電池セル21の容量が最大値に近付いたことによって生じる。その後、時刻t3において、電圧の時間変化率が更に高くなり、一つの電池セル21が過充電状態になったと考えられる。
In the example of FIG. 4, charging is performed again after the capacity is increased by charging. Immediately after the time t0, the voltage slightly rises due to the overvoltage due to the internal resistance, and the time change rate of the voltage gradually decreases from the time t0 to the time t1. After the time t1, the rate of change of the voltage with time becomes constant, and the voltage gradually increases with the lapse of the charging time. When one
図5は、図2の点cにおいて充電が開始された場合の電圧の時間推移を示すグラフである。図中の実線は、一つの電池セル21が過充電された場合の電圧の時間推移を示し、図中の破線は、過充電された電池セル21が存在しない場合の電圧の時間推移を示す。
FIG. 5 is a graph showing the time transition of the voltage when charging is started at the point c in FIG. The solid line in the figure shows the time transition of the voltage when one
図5の例では、放電によって容量が低下した後に、充電が行われている。また、図5の例では、図3の例に比べて、充電開始時の容量が大きい。時刻t0の直後には、放電時の閉回路電圧と充電時の閉回路電圧との差によって電圧が急上昇し、時刻t0から時刻t1まで、電圧の時間変化率が徐々に低下する。時刻t1の後、電圧の時間変化率が徐々に増加すると共に、充電時間の経過に伴い電圧が徐々に増加する。一つの電池セル21が過充電された場合には、時刻t2において、電圧が再び急上昇する。これは、一つの電池セル21の容量が最大値に近付いたことによって生じる。その後、時刻t3において、電圧の時間変化率が更に高くなり、一つの電池セル21が過充電状態になったと考えられる。
In the example of FIG. 5, charging is performed after the capacity is reduced by discharging. Further, in the example of FIG. 5, the capacity at the start of charging is larger than that of the example of FIG. Immediately after time t0, the voltage rises sharply due to the difference between the closed circuit voltage during discharging and the closed circuit voltage during charging, and the time change rate of the voltage gradually decreases from time t0 to time t1. After time t1, the rate of change in voltage gradually increases, and the voltage gradually increases with the passage of charging time. When one
<過充電の判定>
リチウムイオン二次電池2の過充電を抑制するためには、充放電曲線における充電の開始位置に関わらず、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあることを精度良く検出する必要がある。制御装置7は、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、充電装置3によってリチウムイオン二次電池2が充電されるときにリチウムイオン二次電池2が過充電状態にあるか否かを判定する判定部として機能する。
<Judgment of overcharge>
In order to suppress overcharging of the lithium ion secondary battery 2, it is necessary to accurately detect that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state regardless of the charging start position on the charge / discharge curve. By executing the program stored in the memory, the
本願の発明者は、図3〜図5に示されるように充電開始直後の電圧上昇曲線が上に凸であり且つ過充電時の電圧上昇曲線が下に凸であることに着目し、以下のような過充電の判定方法を見出した。本実施形態では、判定部は、リチウムイオン二次電池2の電圧を時間で微分した第1の値が第1の閾値よりも大きく且つ第1の値を時間で微分した第2の値が正である場合に、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定する。電圧は電圧検出装置4によって検出される。 The inventor of the present application has focused on the fact that the voltage rise curve immediately after the start of charging is convex upward and the voltage rise curve at the time of overcharging is convex downward as shown in FIGS. 3 to 5, and the following We have found a method for determining overcharge. In the present embodiment, in the determination unit, the first value obtained by differentiating the voltage of the lithium ion secondary battery 2 with time is larger than the first threshold value, and the second value obtained by differentiating the first value with time is positive. If, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state. The voltage is detected by the voltage detection device 4.
第1の値(ΔV/Δt)は、電圧の時間変化率であり、単位時間当たりの電圧の変化量を示す。第2の値(Δ2V/Δt2)は、第1の値の時間変化率であり、単位時間当たりの第1の値の変化量を示す。また、第2の値は、電圧を二階微分した値に等しい。 The first value (ΔV / Δt) is the rate of change in voltage over time, and indicates the amount of change in voltage per unit time. The second value (Δ 2 V / Δt 2 ) is the rate of change of the first value over time, and indicates the amount of change of the first value per unit time. The second value is equal to the second derivative of the voltage.
図6は、図3の破線のデータから算出された第1の値及び第2の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図6は、図2の点aにおいて充電が開始され且つ過充電された電池セル21が存在しない場合の第1の値及び第2の値の時間推移を示す。図7は、図3の実線のデータから算出された第1の値及び第2の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図7は、図2の点aにおいて充電が開始され且つ一つの電池セル21が過充電された場合の第1の値及び第2の値の時間推移を示す。図6及び図7では、一点鎖線が第1の値を示し、実線が第2の値を示す。
FIG. 6 is a graph showing the time transition of the first value and the second value calculated from the data of the broken line of FIG. That is, FIG. 6 shows the time transition of the first value and the second value when charging is started at the point a of FIG. 2 and the overcharged
図6の例では、第1の値は、時刻t0から時刻t1まで低下し、時刻t1の後、一定となる。一方、第2の値は、時刻t0から時刻t1まで負となり、時刻t1の後、ゼロとなる。図7の例では、第1の値は、時刻t0から時刻t1まで低下し、時刻t1から時刻t2まで一定となり、時刻t2の後、増加し、時刻t3において第1の閾値Th1を超える。一方、第2の値は、時刻t0から時刻t1まで負となり、時刻t1から時刻t2までゼロとなり、時刻t2の後、正となる。 In the example of FIG. 6, the first value decreases from time t0 to time t1 and becomes constant after time t1. On the other hand, the second value becomes negative from time t0 to time t1 and becomes zero after time t1. In the example of FIG. 7, the first value decreases from time t0 to time t1, becomes constant from time t1 to time t2, increases after time t2, and exceeds the first threshold value Th1 at time t3. On the other hand, the second value becomes negative from time t0 to time t1, becomes zero from time t1 to time t2, and becomes positive after time t2.
図6及び図7の時刻t0直後には、第1の値が第1の閾値Th1よりも大きい。しかしながら、第2の値が負である。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にないと判定される。一方、図7の時刻t3において、第1の値が第1の閾値Th1よりも大きく、第2の値が正である。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定される。 Immediately after the time t0 in FIGS. 6 and 7, the first value is larger than the first threshold value Th1. However, the second value is negative. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not in the overcharged state. On the other hand, at time t3 in FIG. 7, the first value is larger than the first threshold Th1 and the second value is positive. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state.
図8は、図4の破線のデータから算出された第1の値及び第2の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図8は、図2の点bにおいて充電が開始され且つ過充電された電池セル21が存在しない場合の第1の値及び第2の値の時間推移を示す。図9は、図4の実線のデータから算出された第1の値及び第2の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図9は、図2の点bにおいて充電が開始され且つ一つの電池セル21が過充電された場合の第1の値及び第2の値の時間推移を示す。図8及び図9では、一点鎖線が第1の値を示し、実線が第2の値を示す。
FIG. 8 is a graph showing the time transition of the first value and the second value calculated from the data of the broken line of FIG. That is, FIG. 8 shows the time transition of the first value and the second value when charging is started at the point b of FIG. 2 and the overcharged
図8の例では、第1の値は、時刻t0から時刻t1まで低下し、時刻t1の後、一定となる。一方、第2の値は、時刻t0から時刻t1まで負となり、時刻t1の後、ゼロとなる。図9の例では、第1の値は、時刻t0から時刻t1まで低下し、時刻t1から時刻t2まで一定となり、時刻t2の後、増加し、時刻t3において第1の閾値Th1を超える。一方、第2の値は、時刻t0から時刻t1まで負となり、時刻t1から時刻t2までゼロとなり、時刻t2の後、正となる。 In the example of FIG. 8, the first value decreases from time t0 to time t1 and becomes constant after time t1. On the other hand, the second value becomes negative from time t0 to time t1 and becomes zero after time t1. In the example of FIG. 9, the first value decreases from time t0 to time t1, becomes constant from time t1 to time t2, increases after time t2, and exceeds the first threshold value Th1 at time t3. On the other hand, the second value becomes negative from time t0 to time t1, becomes zero from time t1 to time t2, and becomes positive after time t2.
図8では、第1の値が第1の閾値Th1よりも小さく、第2の値が負又はゼロである。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にないと判定される。一方、図9の時刻t3において、第1の値が第1の閾値Th1よりも大きく、第2の値が正である。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定される。 In FIG. 8, the first value is smaller than the first threshold Th1 and the second value is negative or zero. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not in the overcharged state. On the other hand, at time t3 in FIG. 9, the first value is larger than the first threshold Th1 and the second value is positive. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state.
図10は、図5の破線のデータから算出された第1の値及び第2の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図10は、図2の点cにおいて充電が開始され且つ過充電された電池セル21が存在しない場合の第1の値及び第2の値の時間推移を示す。図11は、図5の実線のデータから算出された第1の値及び第2の値の時間推移を示すグラフである。すなわち、図11は、図2の点cにおいて充電が開始され且つ一つの電池セル21が過充電された場合の第1の値及び第2の値の時間推移を示す。図10及び図11では、一点鎖線が第1の値を示し、実線が第2の値を示す。
FIG. 10 is a graph showing the time transition of the first value and the second value calculated from the data of the broken line in FIG. That is, FIG. 10 shows the time transition of the first value and the second value when charging is started at the point c of FIG. 2 and the overcharged
図10の例では、第1の値は、時刻t0から時刻t1まで低下し、時刻t1の後、徐々に増加する。一方、第2の値は、時刻t0から時刻t1まで負となり、時刻t1の後、正となる。図11の例では、第1の値は、時刻t0から時刻t1まで低下し、時刻t1から時刻t2まで増加し、時刻t2の後、急激に増加し、時刻t3において第1の閾値Th1を超える。一方、第2の値は、時刻t0から時刻t1まで負となり、時刻t1から時刻t2まで正となり、時刻t2の後、更に大きい正の値になる。 In the example of FIG. 10, the first value decreases from time t0 to time t1 and gradually increases after time t1. On the other hand, the second value becomes negative from time t0 to time t1 and becomes positive after time t1. In the example of FIG. 11, the first value decreases from time t0 to time t1, increases from time t1 to time t2, increases sharply after time t2, and exceeds the first threshold Th1 at time t3. .. On the other hand, the second value becomes negative from time t0 to time t1, becomes positive from time t1 to time t2, and becomes a larger positive value after time t2.
図10及び図11の時刻t0直後には、第1の値が第1の閾値Th1よりも大きい。しかしながら、第2の値が負である。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にないと判定される。また、図10及び図11の時刻t1から時刻t2では、第2の値が正である。しかしながら、第1の値が第1の閾値Th1よりも小さい。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にないと判定される。一方、図11の時刻t3において、第1の値が第1の閾値Th1よりも大きく、第2の値が正である。このため、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定される。 Immediately after the time t0 in FIGS. 10 and 11, the first value is larger than the first threshold value Th1. However, the second value is negative. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not in the overcharged state. Further, at time t1 to time t2 in FIGS. 10 and 11, the second value is positive. However, the first value is smaller than the first threshold Th1. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not in the overcharged state. On the other hand, at time t3 in FIG. 11, the first value is larger than the first threshold Th1 and the second value is positive. Therefore, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state.
したがって、本実施形態における判定方法によれば、放電後に充電が行われたときに過充電を誤検出することを抑制することができ、リチウムイオン二次電池が過充電状態にあることを精度良く検出することができる。 Therefore, according to the determination method in the present embodiment, it is possible to suppress erroneous detection of overcharge when charging is performed after discharging, and it is possible to accurately determine that the lithium ion secondary battery is in the overcharged state. Can be detected.
また、制御装置7は、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、リチウムイオン二次電池2の充電率(SOC:State Of Charge)の上限値を設定すると共に、充電率が上限値に達するとリチウムイオン二次電池2の充電を停止する充電停止部として機能する。充電停止部は、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定された場合には、リチウムイオン二次電池2の充電を停止し、充電率の上限値を現在の充電率に更新する。このことによって、リチウムイオン二次電池2が再び過充電状態になることを抑制することができる。なお、充電率SOCとは、初期状態のリチウムイオン二次電池2の最大容量に対する現在のリチウムイオン二次電池2の容量の割合である。
Further, the
<過充電判定処理>
以下、図12及び図13のフローチャートを参照して、リチウムイオン二次電池システム1によって実行される制御について説明する。図12は、本発明の第一実施形態における過充電判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは制御装置7によって繰り返し実行される。制御装置7は本制御ルーチンを実行することによって判定部として機能する。
<Overcharge judgment processing>
Hereinafter, the control executed by the lithium ion
最初に、ステップS101において、リチウムイオン二次電池2が充電中であるか否かが判定される。リチウムイオン二次電池2が充電中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、リチウムイオン二次電池2が充電中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS102に進む。 First, in step S101, it is determined whether or not the lithium ion secondary battery 2 is being charged. If it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not being charged, this control routine ends. On the other hand, if it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is being charged, this control routine proceeds to step S102.
ステップS102では、リチウムイオン二次電池2の電圧Vが取得される。電圧Vは電圧検出装置4によって検出される。 In step S102, the voltage V of the lithium ion secondary battery 2 is acquired. The voltage V is detected by the voltage detection device 4.
次いで、ステップS103において、第1の値A1(ΔV/Δt)及び第2の値A2(Δ2V/Δt2)を算出する。ここで、第1の値A1は、微小時間Δtにおける電圧Vの変化量ΔV(ΔV=V(t+Δt)−V(t))を微小時間Δtで除算することによって算出される。また、第2の値A2は、微小時間Δtにおける第1の値A1の変化量ΔA1(ΔA1=A1(t+Δt)−A1(t))を微小時間Δtで除算することによって算出される。 Next, in step S103, the first value A1 (ΔV / Δt) and the second value A2 (Δ 2 V / Δt 2 ) are calculated. Here, the first value A1 is calculated by dividing the amount of change ΔV (ΔV = V (t + Δt) −V (t)) of the voltage V in the minute time Δt by the minute time Δt. The second value A2 is calculated by dividing the amount of change ΔA1 (ΔA1 = A1 (t + Δt) −A1 (t)) of the first value A1 in the minute time Δt by the minute time Δt.
次いで、ステップS104において、第1の値A1が第1の閾値Th1よりも大きいか否かが判定される。第1の閾値Th1は、実験的又は理論的に予め定められ、ゼロよりも大きな値である。第1の値A1が第1の閾値Th1以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第1の値A1が第1の閾値Th1よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップS105に進む。 Then, in step S104, it is determined whether or not the first value A1 is larger than the first threshold Th1. The first threshold Th1 is experimentally or theoretically predetermined and is a value greater than zero. When it is determined that the first value A1 is equal to or less than the first threshold value Th1, the control routine ends. On the other hand, when it is determined that the first value A1 is larger than the first threshold value Th1, the control routine proceeds to step S105.
ステップS105では、第2の値A2が正であるか否かが判定される。第2の値A2がゼロ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第2の値A2が正であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS106に進む。 In step S105, it is determined whether or not the second value A2 is positive. When it is determined that the second value A2 is zero or less, this control routine ends. On the other hand, if it is determined that the second value A2 is positive, the control routine proceeds to step S106.
ステップS106では、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定される。次いで、ステップS107において、過充電フラグFocが1に設定される。なお、過充電フラグFocの初期値はゼロである。ステップS107の後、本制御ルーチンは終了する。 In step S106, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state. Then, in step S107, the overcharge flag Foc is set to 1. The initial value of the overcharge flag Foc is zero. After step S107, this control routine ends.
<充電停止処理>
図13は、本発明の第一実施形態における充電停止処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは制御装置7によって繰り返し実行される。制御装置7は本制御ルーチンを実行することによって充電停止部として機能する。
<Charging stop processing>
FIG. 13 is a flowchart showing a control routine for charge stop processing according to the first embodiment of the present invention. This control routine is repeatedly executed by the
最初に、ステップS201において、リチウムイオン二次電池2の充放電が停止されているか否かが判定される。リチウムイオン二次電池2の充放電が停止されていると判定された場合、本制御ルーチンはステップS202に進む。ステップS202では、リチウムイオン二次電池2の電圧Vと、リチウムイオン二次電池2を流れる電流Iと、リチウムイオン二次電池2の温度Tとが取得される。電圧Vは電圧検出装置4によって検出され、電流Iは電流検出装置5によって検出され、温度Tは温度センサ6によって検出される。
First, in step S201, it is determined whether or not the charging / discharging of the lithium ion secondary battery 2 is stopped. When it is determined that the charging / discharging of the lithium ion secondary battery 2 is stopped, this control routine proceeds to step S202. In step S202, the voltage V of the lithium ion secondary battery 2, the current I flowing through the lithium ion secondary battery 2, and the temperature T of the lithium ion secondary battery 2 are acquired. The voltage V is detected by the voltage detection device 4, the current I is detected by the current detection device 5, and the temperature T is detected by the
次いで、ステップS203において、充電率の初期値SOCinが算出される。初期値SOCinは、充電が開始される前の充電率の推定値である。最初に、内部抵抗と温度Tとの関係が記載されたマップを用いて温度Tから内部抵抗が算出される。次いで、内部抵抗に電流Iを乗じた値が過電圧として算出される。充電の停止後には、電圧Vから過電圧を減算した値が開回路電圧として算出される。一方、放電の停止後には、電圧Vに過電圧を加算した値が開回路電圧として算出される。次いで、充電率と開回路電圧との関係が記載されたマップを用いて開回路電圧から充電率が算出され、算出された充電率が初期値SOCinに設定される。なお、各マップは制御装置7のメモリ(例えばROM)に記憶されている。ステップS203の後、本制御ルーチンは終了する。
Next, in step S203, the initial value SOCin of the charge rate is calculated. The initial value SOCin is an estimated value of the charging rate before charging is started. First, the internal resistance is calculated from the temperature T using a map that describes the relationship between the internal resistance and the temperature T. Next, the value obtained by multiplying the internal resistance by the current I is calculated as an overvoltage. After the charging is stopped, the value obtained by subtracting the overvoltage from the voltage V is calculated as the open circuit voltage. On the other hand, after the discharge is stopped, the value obtained by adding the overvoltage to the voltage V is calculated as the open circuit voltage. Next, the charge rate is calculated from the open circuit voltage using the map in which the relationship between the charge rate and the open circuit voltage is described, and the calculated charge rate is set to the initial value SOCin. Each map is stored in a memory (for example, ROM) of the
一方、ステップS201においてリチウムイオン二次電池2の充電又は放電が行われていると判定された場合、本制御ルーチンはステップS204に進む。ステップS204では、リチウムイオン二次電池2が充電中であるか否かが判定される。リチウムイオン二次電池2が充電中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、リチウムイオン二次電池2が充電中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS205に進む。 On the other hand, if it is determined in step S201 that the lithium ion secondary battery 2 is being charged or discharged, this control routine proceeds to step S204. In step S204, it is determined whether or not the lithium ion secondary battery 2 is being charged. If it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not being charged, this control routine ends. On the other hand, if it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is being charged, this control routine proceeds to step S205.
ステップS205では、リチウムイオン二次電池2を流れる電流Iが取得される。電流Iは電流検出装置5によって検出される。次いで、ステップS206において、リチウムイオン二次電池2の現在の充電率SOCcuが算出される。充電開始後のSOCの増加量が電流Iの積算値(ΣI)に基づいて算出され、初期値SOCinにSOCの増加量を加算した値が現在の充電率SOCcuに設定される。 In step S205, the current I flowing through the lithium ion secondary battery 2 is acquired. The current I is detected by the current detection device 5. Next, in step S206, the current charge rate SOCcu of the lithium ion secondary battery 2 is calculated. The amount of increase in SOC after the start of charging is calculated based on the integrated value (ΣI) of the current I, and the value obtained by adding the amount of increase in SOC to the initial value SOCin is set in the current charging rate SOCcu.
次いで、ステップS207において、過充電フラグFocが1であるか否かが判定される。過充電フラグFocがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS208に進む。ステップS208では、現在の充電率SOCcuが充電率の上限値SOCup以上であるか否かが判定される。現在の充電率SOCcuが上限値SOCupよりも低いと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。 Next, in step S207, it is determined whether or not the overcharge flag Foc is 1. If it is determined that the overcharge flag Foc is zero, the control routine proceeds to step S208. In step S208, it is determined whether or not the current charge rate SOCcu is equal to or higher than the upper limit value SOCup of the charge rate. When it is determined that the current charge rate SOCcu is lower than the upper limit value SOCup, this control routine ends.
一方、ステップS207において過充電フラグFocが1であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS209に進む。ステップS209では、上限値SOCupが現在のSOCcuに更新され、過充電フラグFocがゼロに設定される。なお、上限値SOCupの初期値は例えば100%である。 On the other hand, if it is determined in step S207 that the overcharge flag Foc is 1, the control routine proceeds to step S209. In step S209, the upper limit value SOCup is updated to the current SOCcu, and the overcharge flag Foc is set to zero. The initial value of the upper limit value SOCup is, for example, 100%.
次いで、ステップS210において、リチウムイオン二次電池2の充電が停止される。具体的には、充電装置3からリチウムイオン二次電池2への電流供給が停止される。ステップS210の後、本制御ルーチンは終了する。
Then, in step S210, charging of the lithium ion secondary battery 2 is stopped. Specifically, the current supply from the charging
また、ステップS208において現在の充電率SOCcuが上限値SOCup以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS210に進む。ステップS210では、リチウムイオン二次電池2の充電が停止される。ステップS210の後、本制御ルーチンは終了する。 If it is determined in step S208 that the current charge rate SOCcu is equal to or greater than the upper limit value SOCup, the control routine proceeds to step S210. In step S210, charging of the lithium ion secondary battery 2 is stopped. After step S210, this control routine ends.
なお、リチウムイオン二次電池2の充放電が停止されてから十分に時間が経過している場合には、ステップS203において、電圧Vが開回路電圧とされてもよい。 If a sufficient time has passed since the charging / discharging of the lithium ion secondary battery 2 was stopped, the voltage V may be set as the open circuit voltage in step S203.
<第二実施形態>
第二実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムの構成及び制御は、以下に説明する点を除いて、基本的に第一実施形態におけるリチウムイオン二次電池システムと同様である。このため、以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
<Second embodiment>
The configuration and control of the lithium ion secondary battery system in the second embodiment are basically the same as those in the lithium ion secondary battery system in the first embodiment, except for the points described below. Therefore, the second embodiment of the present invention will be described below focusing on parts different from the first embodiment.
モータの動力源としてリチウムイオン二次電池2が用いられる車両(ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、電気自動車(EV)等)では、回生エネルギー等によってリチウムイオン二次電池2が充電される。この場合、充電時にリチウムイオン二次電池2に供給される電流が変動することがある。充電時の電圧の変化量は電流の変化量の影響を受ける。また、一つ以上の電池セル21が過充電状態になるときには、リチウムイオン二次電池2に供給された電気量の変化量に対するリチウムイオン二次電池2の電圧の変化量が大きくなる。
In vehicles that use the lithium-ion secondary battery 2 as the power source for the motor (hybrid vehicle (HV), plug-in hybrid vehicle (PHV), electric vehicle (EV), etc.), the lithium-ion secondary battery 2 is used by regenerative energy or the like. It will be charged. In this case, the current supplied to the lithium ion secondary battery 2 may fluctuate during charging. The amount of change in voltage during charging is affected by the amount of change in current. Further, when one or
このため、第二実施形態では、判定部は、リチウムイオン二次電池2の電圧をリチウムイオン二次電池2に供給された電気量で微分した第3の値が第2の閾値よりも大きく且つ第3の値を時間で微分した第4の値が正である場合に、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定する。電圧は電圧検出装置4によって検出される。電気量は、電流検出装置5によって検出された電流に時間を積算することによって算出される。 Therefore, in the second embodiment, the determination unit determines that the third value obtained by differentiating the voltage of the lithium ion secondary battery 2 with the amount of electricity supplied to the lithium ion secondary battery 2 is larger than the second threshold value. When the fourth value obtained by differentiating the third value with time is positive, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state. The voltage is detected by the voltage detection device 4. The amount of electricity is calculated by integrating the time with the current detected by the current detection device 5.
第3の値(ΔV/ΔQ)は、単位電気量当たりの電圧の変化量を示す。第4の値(Δ(ΔV/ΔQ)/Δt)は、第3の値の時間変化率であり、単位時間当たりの第3の値の変化量を示す。 The third value (ΔV / ΔQ) indicates the amount of change in voltage per unit amount of electricity. The fourth value (Δ (ΔV / ΔQ) / Δt) is the rate of change of the third value over time, and indicates the amount of change of the third value per unit time.
<過充電判定処理>
図14は、本発明の第二実施形態における過充電判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは制御装置7によって繰り返し実行される。制御装置7は本制御ルーチンを実行することによって判定部として機能する。
<Overcharge judgment processing>
FIG. 14 is a flowchart showing a control routine of the overcharge determination process according to the second embodiment of the present invention. This control routine is repeatedly executed by the
最初に、ステップS301において、リチウムイオン二次電池2が充電中であるか否かが判定される。リチウムイオン二次電池2が充電中でないと判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、リチウムイオン二次電池2が充電中であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS302に進む。 First, in step S301, it is determined whether or not the lithium ion secondary battery 2 is being charged. If it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is not being charged, this control routine ends. On the other hand, if it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is being charged, this control routine proceeds to step S302.
ステップS302では、リチウムイオン二次電池2の電圧Vと、リチウムイオン二次電池2を流れる電流Iが取得される。電圧Vは電圧検出装置4によって検出され、電流Iは電流検出装置5によって検出される。 In step S302, the voltage V of the lithium ion secondary battery 2 and the current I flowing through the lithium ion secondary battery 2 are acquired. The voltage V is detected by the voltage detection device 4, and the current I is detected by the current detection device 5.
次いで、ステップS303において、第3の値A3(ΔV/ΔQ)及び第4の値A4(Δ(ΔV/ΔQ)/Δt)を算出する。ここで、第3の値A3は、微小時間Δtにおける電圧Vの変化量ΔV(ΔV=V(t+Δt)−V(t))を微小時間Δtにおける電気量Qの変化量ΔQ(ΔQ=Q(t+Δt)−Q(t))で除算することによって算出される。また、第4の値A4は、微小時間Δtにおける第3の値A3の変化量ΔA3(ΔA3=A3(t+Δt)−A3(t))を微小時間Δtで除算することによって算出される。 Next, in step S303, the third value A3 (ΔV / ΔQ) and the fourth value A4 (Δ (ΔV / ΔQ) / Δt) are calculated. Here, the third value A3 is the change amount ΔV (ΔV = V (t + Δt) −V (t)) of the voltage V in the minute time Δt and the change amount ΔQ (ΔQ = Q (ΔQ = Q)) of the electric energy Q in the minute time Δt. It is calculated by dividing by t + Δt) −Q (t)). Further, the fourth value A4 is calculated by dividing the amount of change ΔA3 (ΔA3 = A3 (t + Δt) −A3 (t)) of the third value A3 in the minute time Δt by the minute time Δt.
次いで、ステップS304において、第3の値A3が第2の閾値Th2よりも大きいか否かが判定される。第2の閾値Th2は、実験的又は理論的に予め定められ、ゼロよりも大きな値である。第3の値A3が第2の閾値Th2以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第3の値A3が第2の閾値Th2よりも大きいと判定された場合、本制御ルーチンはステップS305に進む。 Then, in step S304, it is determined whether or not the third value A3 is larger than the second threshold Th2. The second threshold Th2 is experimentally or theoretically predetermined and is a value greater than zero. When it is determined that the third value A3 is equal to or less than the second threshold value Th2, this control routine ends. On the other hand, when it is determined that the third value A3 is larger than the second threshold value Th2, the control routine proceeds to step S305.
ステップS305では、第4の値A4が正であるか否かが判定される。第4の値A4がゼロ以下であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。一方、第4の値A4が正であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS306に進む。 In step S305, it is determined whether or not the fourth value A4 is positive. When it is determined that the fourth value A4 is equal to or less than zero, this control routine ends. On the other hand, if it is determined that the fourth value A4 is positive, the control routine proceeds to step S306.
ステップS306では、リチウムイオン二次電池2が過充電状態にあると判定される。次いで、ステップS307において、過充電フラグFocが1に設定される。過充電フラグFocの初期値はゼロである。ステップS307の後、本制御ルーチンは終了する。 In step S306, it is determined that the lithium ion secondary battery 2 is in the overcharged state. Then, in step S307, the overcharge flag Foc is set to 1. The initial value of the overcharge flag Foc is zero. After step S307, the control routine ends.
なお、第二実施形態においても、図13の充電停止処理の制御ルーチンが第一実施形態と同様に実行される。 In the second embodiment as well, the control routine for the charge stop process of FIG. 13 is executed in the same manner as in the first embodiment.
<その他の実施形態>
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、電極間のリチウムイオンの移動が可能であり、充放電曲線がヒステリシスを有すれば、正極、負極及び電解質として任意の材料を用いることができる。
<Other Embodiments>
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the claims. For example, if lithium ions can be transferred between the electrodes and the charge / discharge curve has hysteresis, any material can be used as the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte.
しかしながら、正極材料として硫黄が用いられ又は負極材料としてシリコンが用いられる場合には、充放電曲線のヒステリシスが大きくなると共に、放電後に電圧が開回路電圧に収束する時間が長くなる。このため、正極材料として硫黄が用いられたリチウムイオン二次電池、又は負極材料としてシリコンが用いられたリチウムイオン二次電池に本発明を適用することが、特に効果的である。 However, when sulfur is used as the positive electrode material or silicon is used as the negative electrode material, the hysteresis of the charge / discharge curve becomes large, and the time for the voltage to converge to the open circuit voltage after discharge becomes long. Therefore, it is particularly effective to apply the present invention to a lithium ion secondary battery in which sulfur is used as the positive electrode material or a lithium ion secondary battery in which silicon is used as the negative electrode material.
1 リチウムイオン二次電池システム
2 リチウムイオン二次電池
3 充電装置
4 電圧検出装置
5 電流検出装置
7 制御装置
1 Lithium-ion secondary battery system 2 Lithium-ion
Claims (1)
前記リチウムイオン二次電池を充電する充電装置と、
前記リチウムイオン二次電池の電圧を検出する電圧検出装置と、
前記リチウムイオン二次電池を流れる電流を検出する電流検出装置と、
前記充電装置によって前記リチウムイオン二次電池が充電されるときに該リチウムイオン二次電池が過充電状態にあるか否かを判定する判定部と、
前記リチウムイオン二次電池の充電率の上限値を設定すると共に、該充電率が該上限値に達すると該リチウムイオン二次電池の充電を停止する充電停止部と
を備え、
前記判定部は、前記電圧を時間で微分した第1の値が第1の閾値よりも大きく且つ該第1の値を時間で微分した第2の値が正である場合、又は前記電圧を前記リチウムイオン二次電池に供給された電気量で微分した第3の値が第2の閾値よりも大きく且つ該第3の値を時間で微分した第4の値が正である場合に、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判定し、
前記充電停止部は、前記リチウムイオン二次電池が過充電状態にあると判定された場合には、該リチウムイオン二次電池の充電を停止し、前記上限値を現在の充電率に更新する、リチウムイオン二次電池システム。 Lithium-ion secondary battery and
A charging device for charging the lithium ion secondary battery and
A voltage detection device that detects the voltage of the lithium-ion secondary battery, and
A current detection device that detects the current flowing through the lithium ion secondary battery, and
A determination unit that determines whether or not the lithium ion secondary battery is in an overcharged state when the lithium ion secondary battery is charged by the charging device .
A charging stop unit for setting an upper limit value of the charging rate of the lithium ion secondary battery and stopping charging of the lithium ion secondary battery when the charging rate reaches the upper limit value is provided.
When the first value obtained by differentiating the voltage with time is larger than the first threshold value and the second value obtained by differentiating the first value with time is positive, the determination unit determines the voltage. When the third value differentiated by the amount of electricity supplied to the lithium ion secondary battery is larger than the second threshold value and the fourth value obtained by differentiating the third value with time is positive, the lithium is said. Judging that the ion secondary battery is overcharged,
When it is determined that the lithium ion secondary battery is in an overcharged state, the charging stop unit stops charging the lithium ion secondary battery and updates the upper limit value to the current charging rate . Lithium-ion secondary battery system.
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