JP6864503B2 - 二次電池の制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池の制御方法及び装置に関するものである。
二次電池として、Ｓｉ（シリコン）を含む材料と炭素材料との合剤で負極を構成することにより、容量の増大を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に記載の二次電池では、充放電が繰り返されると、負極のＳｉが劣化することにより容量が低下するという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、充放電に伴う負極のＳｉの劣化を抑制することにより、容量を増大することができる二次電池の制御方法及び装置を提供することである。
本発明は、放電時の二次電池の単位時間当たりの電圧の変化量に対する、放電時の二次電池の単位時間当たりの残容量の変化量である放電特性値と、二次電池の電圧との関係を示す放電特性線を取得し、上記放電特性値の絶対値が最大になる第１の電圧を抽出し、当該第１の電圧以下の電圧範囲において上記放電特性線の傾きの絶対値が減少から増大に転じる変曲点における第２の電圧を抽出し、当該第２の電圧に所定値を加算した第３の電圧以下での二次電池の使用を抑制することによって、上記課題を解決する。
本発明によれば、二次電池の放電に対するＳｉの寄与が大きい電圧範囲での二次電池の使用を抑制することにより、充放電に伴う負極のＳｉの劣化を抑制できるので、二次電池の容量を増大することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る二次電池の制御方法及び装置を適用した車両１のシステム構成図である。この図に示すように、車両１は、電動モータの駆動力によって走行する電動車両であり、バッテリ１０と、インバータ２０と、モータ３０と、電圧センサ４０と、電流センサ５０と、アクセル開度センサ６０と、放電スイッチ７０と、充電スイッチ８０と、車両制御装置１００とを備える。本実施形態の車両１は、電気自動車であるが、電気自動車に限定されず、ハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車等であってもよい。なお、図１において、太線は電力線を示し、細線は信号線を示している。
バッテリ１０は、負極活物質が、Ｓｉ（シリコン）を含む材料とその他の材料（例えば、グラファイト等）との合剤で構成された、Ｓｉ負極のリチウムイオン二次電池である。Ｓｉを含む材料（Ｓｉ系材料）としては、結晶性、非結晶性Ｓｉや、Ｓｉ−Ｏ系材料等を例示できる。一方、正極活物質としては、ＮＭＣ（ニッケル・マンガン・コバルト）、ＬＭＯ（マンガン酸リチウム）、ＮＣＡ（ニッケル・コバルト・アルミ）、ＬＦＰ（オリビン型リン酸鉄リチウム）、ＬＣＯ（コバルト酸リチウム）等を例示できる。本実施形態のバッテリ１０では、負極活物質が結晶性Ｓｉとグラファイトとの比率が２０：８０の合剤であり、正極活物質がＮＭＣである。
バッテリ１０は、外部の充電器９０と充電プラグを介して接続され、この充電器９０により充電される。一方で、充電器９０は、放電回路を備えており、バッテリ１０から外部（例えば、系統電力）への定電流放電が実施可能である。本実施形態では、バッテリ１０から外部への０．３Ｃの定電流放電が実施可能である。また、バッテリ１０は、直流電力をインバータ２０へ出力する。
インバータ２０は、共に不図示のインバータ回路と回路制御装置とを備える。インバータ２０のインバータ回路は、バッテリ１０から出力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ３０に出力する。また、インバータ２０の回路制御装置は、後述するように車両制御装置１００から出力されるトルク指令値に応じたモータ３０の出力トルクが実現されるように三相交流電力を制御する。
モータ３０は、車両１の駆動輪を駆動する三相交流モータであり、バッテリ１０から直流電力として出力されインバータ２０により三相交流電力に変換された電力により駆動される。モータ３０は、駆動輪に連れ回されて回転するときに回生電力を発生する。この場合、インバータ２０は、モータ３０で発生された交流電流を直流電流に変換してバッテリ１０に供給する。
電圧センサ４０は、バッテリ１０の電圧Ｖを検出して車両制御装置１００に出力する。電流センサ５０は、バッテリ１０とインバータ２０との間の直流電源ラインに設けられ、バッテリ１０からインバータ２０へ流れる電流の電流値を検出して車両制御装置１００に出力する。アクセル開度センサ６０は、アクセル開度を検出して車両制御装置１００に出力する。
放電スイッチ７０は、バッテリ１０の放電を指令する際に車両１のユーザや車両１のメンテナンスをする作業者等に操作される。また、充電スイッチ８０は、バッテリ１０の充電を指令する際に車両１のユーザや車両１のメンテナンスをする作業者等に操作される。これらの放電スイッチ７０、充電スイッチ８０としては、車両１の室内に設けられたタッチパネルや押ボタンや、充電器９０に設けられたタッチパネルや押ボタン等を例示できる。
放電スイッチ７０のＯＮ／ＯＦＦは、車両制御装置１００により検出され、バッテリ１０が充電器９０に接続された状態で放電スイッチ７０がＯＮになると、車両制御装置１００から充電器９０に放電指令が出力される。ここで、放電スイッチ７０は、後述のバッテリ１０の放電抑制電圧範囲の算出処理とＳｉ負極の劣化の判定処理とを実施する際にバッテリ１０の放電を指令するためのスイッチである。
充電スイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦは、車両制御装置１００により検出され、バッテリ１０が充電器９０に接続された状態で充電スイッチ８０がＯＮになると、車両制御装置１００から充電器９０に充電指令が出力される。なお、放電スイッチ７０がＯＮになると、充電スイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦにかかわらず、放電が実行された後に充電が実行される。
車両制御装置１００は、車両１の走行制御機能、バッテリ１０の充放電制御機能等の諸機能を実現する制御装置である。車両１の走行制御機能には、モータ３０のトルクを制御するトルク制御処理が含まれる。また、バッテリ１０の充放電制御機能には、バッテリ１０の放電を制限する放電抑制処理、Ｓｉ負極の劣化を判定する劣化判定処理が含まれる。
車両制御装置１００は、トルク制御処理、バッテリ１０の放電抑制処理、及び、Ｓｉ負極の劣化判定処理等を実行するためのプログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）と、このＲＯＭに格納されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、アクセス可能な記憶装置として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）とから構成される。なお、動作回路としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代えて又はこれとともに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、 ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いることができる。
図２は、車両制御装置１００の機能ブロック図である。この図に示すように、車両制御装置１００は、充放電指令部１０１と、ｄＱ／ｄＶ算出部１０２と、劣化判定部１０３と、放電電力制御部１０４と、トルク指令値演算部１０５と、アクセル開度−トルク指令値マップ１０６とを備えている。
充放電指令部１０１は、放電スイッチ７０のＯＮ／ＯＦＦの状態を検出し、放電スイッチ７０がＯＮになり、且つ、バッテリ１０が充電器９０に接続されている場合に、充電器９０に放電指令を出力する。即ち、車両１のユーザ又はメンテナンスを実施する作業者等が、バッテリ１０を充電器９０に接続してバッテリ１０の充電を実施するに際して放電スイッチ７０を操作した場合に、充放電指令部１０１は、バッテリ１０の放電を指令する。ここでのバッテリ１０の放電は、完全放電またはＳＯＣ＝１〜２０％程度まで実施される。
充放電指令部１０１は、充電スイッチ８０のＯＮ／ＯＦＦの状態を検出し、充電スイッチ８０がＯＮになり、且つ、バッテリ１０が充電器９０に接続されている場合に、充電器９０に充電指令を出力する。なお、充放電指令部１０１は、放電スイッチ７０と充電スイッチ８０との双方がＯＮになった場合には、放電指令を先行して出力し、放電完了後に充電指令を出力する。
ここで、充放電指令部１０１は、バッテリ１０の電圧が、所定値Ｖ４未満である場合には、充電器９０に、バッテリ１０の電圧を電圧Ｖ４以上まで充電する指令を出力し、バッテリ１０が電圧Ｖ４以上まで充電された後に、充電器９０に放電指令を出力する。ここで、所定値Ｖ４は、後述のｄＱ／ｄＶの絶対値が最大となる時点での電圧Ｖ３よりも高い電圧である。
ｄＱ／ｄＶ算出部１０２は、放電スイッチ７０のＯＮ／ＯＦＦの状態を検出し、放電スイッチ７０がＯＮになり、放電指令に従ってバッテリ１０の放電処理が実行された場合に、電圧センサ４０から出力されたバッテリ１０の電圧Ｖと、電流センサ５０から出力されたバッテリ１０の電流Ａとに基づいて、バッテリ１０の電圧Ｖの変化量ｄＶに対するバッテリ１０の残容量Ｑの変化量ｄＱの割合であるｄＱ／ｄＶを算出する。ｄＱ／ｄＶ算出部１０２は、放電開始時から放電終了時まで、ｄＱ／ｄＶを、劣化判定部１０３と放電電力制御部１０４とに出力する。放電電力制御部１０４は、入力されたｄＱ／ｄＶの時系列データである放電特性線（放電曲線、図３参照）を充放電サイクルのサイクル数と共にメモリに記録する。
劣化判定部１０３は、放電特性線に基づいて、バッテリ１０のＳｉ負極の劣化を判定し、判定結果を放電電力制御部１０４に出力する。なお、Ｓｉ負極の劣化の判定方法については後述する。
放電電力制御部１０４は、放電特性線に基づいて、バッテリ１０の放電を抑制する電圧範囲（以下、放電抑制電圧範囲という）を算出する。なお、バッテリ１０の放電抑制電圧範囲の算出方法については後述する。
ここで、放電電力制御部１０４は、劣化判定部１０３から出力されたバッテリ１０のＳｉ負極の劣化の判定結果に応じて、放電抑制電圧範囲を算出する。例えば、バッテリ１０のＳｉ負極の劣化の程度が、相対的に大きい場合には、放電抑制電圧範囲が存在しないと算出したり、バッテリ１０のＳｉ負極の劣化の程度が大きくなるほど、放電抑制電圧範囲の上限値が低くなるように算出したりする。
放電電力制御部１０４は、算出した放電抑制電圧範囲をメモリに記録する。車両１の走行中、放電電力制御部１０４は、電圧センサ４０から出力されたバッテリ１０の電圧Ｖが、放電抑制電圧範囲に含まれるか否かを判定し、電圧Ｖが放電抑制電圧範囲に含まれる場合に、トルク抑制指令をトルク指令値演算部１０５に出力する。
トルク指令値演算部１０５は、アクセル開度センサ６０から出力されたアクセル開度に対応するトルク指令値を、アクセル開度−トルク指令値マップ１０６から読み出してインバータ２０に出力する。ここで、トルク指令値算出部１０５は、放電電力制御部１０４からトルク抑制指令が出力されていない場合には、アクセル開度−トルク指令値マップ１０６から読み出したトルク指令値を補正することなくインバータ２０に出力する。それに対して、トルク指令値算出部１０５からトルク抑制指令が出力された場合には、アクセル開度−トルク指令値マップ１０６から読み出したトルク指令値に対して所定の補正値α（＜１．０）を乗じ、補正したトルク指令値をインバータ２０に出力する。
ここで、バッテリ１０の放電抑制電圧範囲の算出方法と、Ｓｉ負極の劣化の判定方法とについて説明する。本願の発明者は、以下に述べる実験を実施したところ、Ｓｉ負極のＳｉとグラファイトとで、それぞれ放電時の寄与が大きい電圧範囲が存在することを見出した。以下、本実験の内容とその結果について説明する。
本実験では、Ｓｉとグラファイトとの比率が２０：８０であるＳｉ負極と、ＮＭＣからなる正極とを備え、容量が３．５Ａｈであり、最大電圧が４．２Ｖであるリチウムイオン二次電池を用意した。このリチウムイオン二次電池を４．２Ｖ（ＳＯＣ：１００％程度）〜２．７Ｖ（ＳＯＣ：０〜１０％程度）の間で０．３Ｃの電流レートで充放電する充放電サイクルを繰り返し実施した。そして、放電時のバッテリ１０の電圧Ｖと残容量Ｑとを継続的に測定し、放電時のバッテリ１０の放電特性線を取得した。
図３は、本実験で得られたバッテリ１０の放電特性線（放電時のｄＱ／ｄＶ曲線）を示すグラフである。このグラフ中の曲線（Ａ）は、１サイクル目での放電特性線であり、グラフ中の曲線（Ｂ）は、２００サイクル目での放電特性線であり、グラフ中の曲線（Ｃ）は、５００サイクル目での放電特性線である。
図３のグラフに示すように、放電の始期（４．２Ｖ−３．７Ｖ）では、充放電のサイクル数の増加に伴うｄＱ／ｄＶの絶対値の変化は微小であるのに対して、放電の中期から末期にかけては（３．７Ｖ−２．７Ｖ）、充放電のサイクル数の増加に伴うｄＱ／ｄＶの絶対値の減少が相対的に大きくなり、特に、放電の末期（３．４Ｖ−２．７Ｖ）において、２００サイクル目、５００サイクル目のｄＱ／ｄＶの絶対値と１サイクル目のｄＱ／ｄＶの絶対値との差が顕著になる。
ここで、充放電サイクルのサイクル数の増加に伴ってＳｉの劣化は進行しているのに対して、放電の始期では、サイクル数の増加に伴うバッテリ１０の容量の低下が生じていない。このことから、放電の始期では、バッテリ１０の放電に対するＳｉの寄与度は、バッテリ１０の放電に対するグラファイトの寄与度と比較して小さいと判断できる。それに対して、放電の末期では、サイクル数の増加に伴うバッテリ１０の容量の低下が顕著に生じている。このことから、放電の末期では、バッテリ１０の放電に対するＳｉの寄与度は、バッテリ１０の放電に対するグラファイトの寄与度と比較して大きいと判断できる。
また、図３のグラフに示すように、１サイクル目、２００サイクル目での放電特性線（Ａ）、（Ｂ）では、バッテリ１０の電圧Ｖが３．４〜３．５Ｖ（ＳＯＣは４０％程度）の時点で、ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大となることが確認された。そして、放電特性線（Ａ）、（Ｂ）では、ｄＱ／ｄＶの絶対値が、最大値から最小値まで減少する途中に、ｄＱ／ｄＶの絶対値の傾きが減少してから増加に転じる点（以下、変曲点Ｃという）が、約３．２Ｖ（ＳＯＣは２０〜３０％程度）の時点に存在することが確認された。それに対して、５００サイクル目での放電特性線（Ｃ）では、放電末期に、上記変曲点Ｃが存在することは確認されなかった。即ち、放電に対するＳｉの寄与度が残存する充放電サイクルでは、上記変曲点Ｃが、放電に対するＳｉの寄与度が放電に対するグラファイトの寄与度と比較して大きい電圧範囲に存在することが確認された。
以上により、１サイクル目〜２００サイクル目の放電特性線（Ａ）、（Ｂ）において、ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大となる電圧（３．４〜３．５Ｖ）以下の電圧範囲であり、上記変曲点Ｃが存在する電圧範囲が、放電に対するＳｉの寄与度が放電に対するグラファイトの寄与度と比較して大きい電圧範囲であることが確認された。
また、１サイクル目の放電特性線（Ａ）における変曲点Ｃと、２００サイクル目の放電特性線（Ｂ）における変曲点Ｃとを比較することで、サイクル数の増加に伴うバッテリ１０の容量低下を確認することができ、それにより、サイクル数の増加に伴うＳｉの劣化の進行度を確認することができる。さらに、５００サイクル目の放電特性線（Ｂ）では、１サイクル目の放電特性線（Ａ）、２００サイクル目の放電特性線（Ｂ）において確認されていた変曲点Ｃの存在が確認されない。それにより、サイクル数の増加に伴うＳｉの劣化の進行により、変曲点Ｃが確認されなくなった場合には、Ｓｉの劣化が顕著になったと判断できることが確認された。
ここで、Ｓｉは充放電に伴う体積変化が他の負極活物質と比して大きいことが一般的に知られている。このため、放電に対するＳｉの寄与度が大きい電圧範囲でのバッテリ１０の使用は、Ｓｉの劣化を早め、Ｓｉ負極に皺を発生させる要因になる。Ｓｉ負極に皺が発生すると、正極と負極との距離が不均一になることにより、電極の一部に電流が集中し、電極の耐久性が低下する。
そこで、本実施形態の放電電力制御部１０４は、変曲点Ｃが存在する充放電サイクルにおける、ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大となる電圧Ｖ３（３．４〜３．５Ｖ）以下であり、上記変曲点Ｃが存在する電圧範囲を、バッテリ１０の放電抑制電圧範囲（ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸ）に設定する。ここで、バッテリ１０の放電抑制電圧範囲の上限値ＶＭＡＸは、下記（１）式を満足する。また、バッテリ１０の放電抑制電圧範囲の下限値ＶＭＩＮは、充放電サイクルでの放電末期（ＳＯＣ＝０〜２０％程度に相当）における電圧に相当する。
ＶＭＡＸ＝Ｖ１＋Ｖ２ …（１）
但し、Ｖ１は、変曲点Ｃに対応する電圧であり、Ｖ２は所定値である。ここで、Ｖ２は、電圧Ｖ３を超えないように設定されている。
ＶＭＡＸ＝Ｖ１＋Ｖ２ …（１）
但し、Ｖ１は、変曲点Ｃに対応する電圧であり、Ｖ２は所定値である。ここで、Ｖ２は、電圧Ｖ３を超えないように設定されている。
なお、１サイクル目の充放電サイクルにおける電圧Ｖ１、Ｖ３のみを用いて電圧ＶＭＡＸを設定してもよく、複数の充放電サイクルにおける電圧Ｖ１、Ｖ３の平均値を用いたり、最新の充放電サイクルにおける電圧Ｖ１、Ｖ３を用いたりして電圧ＶＭＡＸを設定してもよい。
また、本実施形態の放電電力制御部１０４は、各充電サイクルのｄＱ／ｄＶの時系列データである放電特性線をメモリに記録する。劣化判定部１０３は、充放電サイクルが実施された際に、変曲点Ｃを検出できた場合には、その変曲点Ｃとメモリに記録されている以前のサイクルの放電特性線の変曲点Ｃとを比較し、それらのｄＱ／ｄＶの差からＳｉの劣化の程度を判定する。さらに、劣化判定部１０３は、メモリに記録されている放電特性線の電圧Ｖ１に対応する変曲点Ｃを検出できない場合には、Ｓｉの劣化の進行度を所定の閾値以上と判定して判定結果を放電電力制御部１０４に出力する。この場合、放電電力制御部１０４は、放電電力の抑制制御を解除する。
図４は、車両制御装置１００によるトルク制御処理、バッテリ１０の放電抑制処理、及び、Ｓｉ負極の劣化判定処理を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、バッテリ１０が充電器９０に接続され、放電スイッチ７０が操作されると開始される。
まず、ステップＳ１０１において、充放電指令部１０１は、電圧センサ４０によって検出されたバッテリ１０の電圧が上記所定値Ｖ４以上であるか否かを判定する。所定値Ｖ４は、ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大となる時点でのバッテリ１０の電圧Ｖ３よりも高い電圧に相当する。本ステップにおいて肯定判定がされるとステップＳ１０３に進み、本ステップにおいて否定判定がされるとステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２において、充放電指令部１０１は、充電器９０に充電指令を出力する。充電器９０は、充電指令が入力されるとバッテリ１０の充電を実施する。ステップＳ１０２からステップＳ１０１に戻り、バッテリ１０の電圧が所定値Ｖ４以上に上昇するまでステップＳ１０１、Ｓ１０２が繰り返される。
一方、ステップＳ１０３では、充放電指令部１０１が、充電器９０に放電指令を出力する。充電器９０は、放電指令が入力されるとバッテリ１０の放電を実施する。次に、ステップＳ１０４において、バッテリ１０の放電が実施されている間、ｄＱ／ｄＶ算出部１０２は、電圧センサ４０から出力されるバッテリ１０の電圧Ｖと電流センサ５０から出力されるバッテリ１０の電流Ａとに基づいて、ｄＱ／ｄＶを算出して劣化判定部１０３と放電電力制御部１０４とに出力する。放電電力制御部１０４は、ｄＱ／ｄＶの時系列データである放電特性線を充放電サイクルのサイクル数と共にメモリに記録する。
次に、ステップＳ１０５において、放電電力制御部１０４は、放電が終了したか否かを判定する。本ステップにおいて否定判定がされた場合にはステップＳ１０４に戻り、本ステップにおいて肯定判定がされた場合にはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、劣化判定部１０３は、ステップＳ１０４においてメモリに記憶された放電特性線から、ｄＱ／ｄＶの絶対値の最大値を抽出し、抽出した最大値が所定値以上であり、且つ、当該最大値に対応する電圧Ｖ３以下の電圧範囲に上記変曲点Ｃが存在するかを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合には、ステップＳ１０７に進み、本ステップにおいて否定判定がされた場合には、ステップＳ１１１に進む。
ステップＳ１０７において、劣化判定部１０３は、放電抑制指令を放電電力制御部１０４に出力する。また、劣化判定部１０３は、今回の充放電サイクルの放電特性線から検出した変曲点Ｃと、メモリに記録されている以前の充放電サイクルの放電特性線の変曲点Ｃとを比較し、それらのｄＱ／ｄＶの差からＳｉの劣化の程度を判定する。ステップＳ１０７からステップＳ１０８に進む。
ステップＳ１０８において、放電電力制御部１０４は、ステップＳ１０４においてメモリに記憶された放電特性線から、ｄＱ／ｄＶの絶対値の最大値に対応する電圧Ｖ３と、電圧Ｖ３以下の電圧範囲に存在する変曲点Ｃに対応する電圧Ｖ１とを抽出し、抽出した電圧Ｖ１、Ｖ３に基づき、上記（１）式から、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸを算出する。次に、ステップＳ１０９において、放電電力制御部１０４は、車両１の走行中、電圧センサ４０から出力された電圧Ｖが、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸに含まれるか否かを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合にはステップＳ１１０に進み、本ステップにおいて否定判定がされた場合には、ステップＳ１１２に進む。
ステップＳ１１０において、放電電力制御部１０４は、トルク抑制指令をトルク指令値演算部１０５に出力する。トルク指令値演算部１０５は、車両１の走行中、放電電力制御部１０４からトルク抑制指令が出力された場合に、アクセル開度−トルク指令値マップ１０６から読み出したトルク指令値に対して所定の補正値α（＜１．０）を乗じ、補正したトルク指令値をインバータ２０に出力する。ステップＳ１１０からステップＳ１１２に進む。
一方、ステップＳ１１１において、劣化判定部１０３は、放電抑制制御を解除／禁止する放電抑制解除／禁止指令を放電電力制御部１０４に出力する。放電電力制御部１０４は、劣化判定部１０３から放電抑制解除／禁止指令が出力された場合、車両１の走行中、トルク抑制指令をトルク指令値演算部１０５に出力しない。このため、トルク指令値演算部１０５は、車両１の走行中、アクセル開度−トルク指令値マップ１０６から読み出したトルク指令値を補正することなくインバータ２０に出力する。また、本ステップにおいて、劣化判定部１０３は、Ｓｉの劣化の進行度を判定する。ここで、本ステップにおいて判定されるＳｉの劣化の進行度は、ステップＳ１０７において判定されるＳｉの劣化の進行度よりも高くなる。ステップＳ１１１からステップＳ１１２に進む。
ステップＳ１１２において、充放電指令部１０１は、充電器９０に充電指令を出力する。次に、ステップＳ１１３において、充放電指令部１０１は、バッテリ１０のＳＯＣがユーザにより指定された値まで上昇したか否かを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合には処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態に係るバッテリ１０の制御方法及び装置では、放電時のバッテリ１０の単位時間当たりの電圧の変化量ｄＶに対する、放電時のバッテリ１０の単位時間当たりの残容量の変化量ｄＱである放電特性値ｄＱ／ｄＶと、バッテリ１０の電圧との関係を示す放電特性線を取得し、上記放電特性値ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大になる電圧Ｖ３を抽出し、当該電圧Ｖ３以下の電圧範囲において放電特性線の傾きの絶対値が減少から増大に転じる変曲点Ｃにおける電圧Ｖ１を抽出し、当該電圧Ｖ１に所定値Ｖ２を加算した電圧ＶＭＡＸ以下でのバッテリ１０の使用を抑制する。即ち、放電に対するＳｉの寄与度が大きい電圧範囲でのバッテリ１０の使用を抑制する。これにより、充放電に伴う負極のＳｉの劣化を抑制できるので、バッテリ１０の容量を増大することができる。
また、本実施形態に係るバッテリ１０の制御方法及び装置では、放電抑制電圧範囲の上限値ＶＭＡＸが、放電特性値ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大になる電圧Ｖ３以下である。これにより、放電抑制電圧範囲を、放電に対するＳｉの寄与度が大きい電圧範囲に限定でき、バッテリ１０の使用を制限する電圧範囲を、必要最小限の範囲に設定できる。
また、本実施形態に係るバッテリ１０の制御方法及び装置では、バッテリ１０の電圧が放電電圧抑制範囲に含まれる場合にモータ３０のトルクを抑制する。これにより、放電に対するＳｉの寄与度が大きい電圧範囲でのバッテリ１０の使用を抑制でき、充放電に伴う負極のＳｉの劣化を抑制できる。
ここで、Ｓｉ負極の劣化度が顕著である場合には、バッテリ１０の使用を抑制してＳｉの劣化を抑制する必要性は少ない。そこで、本実施形態に係るバッテリ１０の制御方法及び装置では、上記変曲点Ｃの有無と、変曲点Ｃにおける放電特性値ｄＱ／ｄＶとの少なくとも一方に基づいて、Ｓｉ負極の劣化度を判定し、Ｓｉ負極の劣化度が閾値以上である場合に、バッテリ１０の使用の抑制を解除又は禁止する。これにより、バッテリ１０の使用の制限を、必要最小限に抑えることができる。
また、本実施形態に係るバッテリ１０の制御装置は、上記変曲点Ｃの有無と、変曲点Ｃにおける放電特性値ｄＱ／ｄＶとの少なくとも一方に基づいて、Ｓｉ負極の劣化度を判定する劣化判定部１０３を備える。これにより、Ｓｉ負極の劣化度を車両のユーザやメンテナンスを行う作業者等に報知することができる。
図５は、他の実施形態に係る車両制御装置２００の機能ブロック図である。本実施形態の車両制御装置２００が搭載される車両はハイブリッド自動車又はプラグインハイブリッド自動車である。なお、上述の実施形態の車両制御装置１００と同様の構成には同一の符号を付し、重複した説明は省略して上述の説明を援用する。図５に示すように、車両制御装置２００は、充放電指令部１０１と、ｄＱ／ｄＶ算出部１０２と、劣化判定部１０３と、放電電力制御部２０４と、走行モード設定部２０５とを備えている。
放電電力制御部２０４は、上述の実施形態の放電電力制御部１０４と同様に、劣化判定部１０３から放電抑制指令が出力された場合に、放電電圧抑制範囲（ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸ）を算出する。放電電力制御部２０４は、車両の走行中、電圧センサ４０から出力された電圧Ｖが、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸに含まれる場合に、モータの駆動を禁止するモータ駆動禁止指令を走行モード設定部２０５に出力する。
一方で、放電電力制御部２０４は、劣化判定部１０３から放電抑制制御を解除／禁止する指令が出力された場合に、車両１の走行中、モータ駆動禁止指令を走行モード設定部２０５に出力しない。
走行モード設定部２０５が設定する走行モードには、エンジンとモータの両方で車両を駆動するエンジン／モータ走行モードと、エンジンのみで車両を駆動するエンジン走行モードと、モータのみで車両を駆動するモータ走行モードとの３種類があり、走行モード設定部２０５は、車両の走行状態やバッテリ１０の充電状態に応じて走行モードを切換える。ここで、走行モード設定部２０５は、車両の走行中、放電電力制御部２０４からモータ駆動禁止指令が出力された場合、車両の走行状態にかかわらず、常に走行モードをエンジン走行モードに設定する。一方で、走行モード設定部２０５は、車両の走行中、放電電力制御部２０４からモータ駆動禁止指令が出力されなかった場合、車両の走行状態に応じて、走行モードを上記３種類の走行モードの何れかに設定する。
図６は、車両制御装置２００による走行モード設定処理、バッテリ１０の放電抑制処理、及び、Ｓｉ負極の劣化判定処理を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、バッテリ１０が充電器９０に接続され、放電スイッチ７０が操作されると開始される。
まず、上述の実施形態におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０９、Ｓ１１１と同様の処理が実行される。ステップＳ１０９において、放電電力制御部２０４は、車両１の走行中、電圧センサ４０から出力された電圧Ｖが、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸに含まれるか否かを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合にはステップＳ２１０に進み、本ステップにおいて否定判定がされた場合には、ステップＳ１１２に進む。
ステップＳ２１０において、放電電力制御部２０４は、モータ駆動禁止指令を走行モード設定部２０５に出力する。走行モード設定部２０５は、車両１の走行中、放電電力制御部２０４からモータ駆動禁止指令が出力された場合に、車両の走行状態にかかわらず、常に走行モードをエンジン走行モードに設定する。ステップＳ２１０からステップＳ１１１に進む。なお、モータ駆動禁止指令が出力された際に、エンジン／モータ走行モードを禁止することは必須ではなく、モータ走行モードのみを禁止してもよい。
一方、ステップＳ１１１において、劣化判定部１０３は、放電抑制制御を解除／禁止する放電抑制解除／禁止指令を放電電力制御部２０４に出力する。放電電力制御部２０４は、劣化判定部１０３から放電抑制解除／禁止指令が出力された場合、車両１の走行中、モータ駆動禁止指令を走行モード設定部２０５に出力しない。このため、走行モード設定部２０５は、車両１の走行中、車両の走行状態に応じて、走行モードを上記３種類の走行モードの何れかに設定する。ステップＳ１１１からステップＳ１１２に進む。
ステップＳ１１２において、充放電指令部１０１は、充電器９０に充電指令を出力する。次に、ステップＳ１１３において、充放電指令部１０１は、バッテリ１０のＳＯＣがユーザにより指定された値まで上昇したか否かを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合には処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態に係るバッテリ１０の制御方法及び装置では、ハイブリッド自動車のモータの駆動電源であるバッテリ１０の電圧が放電抑制電圧範囲に含まれる場合にエンジン走行モードに設定する。これにより、放電に対するＳｉの寄与度が大きい電圧範囲でのバッテリ１０の使用を抑制でき、充放電に伴う負極のＳｉの劣化を抑制できる。
図７は、他の実施形態に係る車両制御装置３００の機能ブロック図である。図８は、本実施形態の車両制御装置３００が搭載される車両のバッテリ１０の充電状態を標示するインジケータ３１０を示す図である。なお、上述の実施形態の車両制御装置１００、２００と同様の構成には同一の符号を付し、重複した説明は省略して上述の説明を援用する。図７に示すように、車両制御装置３００は、充放電指令部１０１と、ｄＱ／ｄＶ算出部１０２と、劣化判定部１０３と、放電電力制御部３０４と、インジケータ制御部３０５とを備えている。
図８に示すように、インジケータ３１０には、バッテリ１０の充電状態を標示する表示部３１１と、表示部３１１の低残量領域に設けられた表示ランプ３１２とが設けられている。表示部３１１の低残量領域の充電残量は、放電電圧抑制範囲（ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸ）での充電残量に相当する。
図７に戻り、放電電力制御部３０４は、上述の実施形態の放電電力制御部１０４と同様に、劣化判定部１０３から放電抑制指令が出力された場合に、放電電圧抑制範囲（ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸ）を算出する。放電電力制御部３０４は、電圧センサ４０から出力された電圧Ｖが、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸに含まれる場合に、表示ランプ３１２の点灯指令をインジケータ制御部３０５に出力する。
一方で、放電電力制御部３０４は、劣化判定部１０３から放電抑制制御を解除／禁止する指令が出力された場合に、表示ランプ３１２の点灯指令をインジケータ制御部３０５に出力しない。
インジケータ制御部３０５は、放電電力制御部３０４から表示ランプ３１２の点灯指令が出力された場合、表示ランプ３１２を点灯させる。これにより、車両のユーザに対して、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸでのバッテリ１０の使用を控えることが報知される。それに従って、車両のユーザは、バッテリ１０の充電の頻度を上げることになる。一方で、インジケータ制御部３０５は、放電電力制御部３０４から表示ランプ３１２の点灯指令が出力されなかった場合には、表示ランプ３１２を点灯させない。
図９は、車両制御装置３００によるインジケータの表示制御処理、バッテリ１０の放電抑制処理、及び、Ｓｉ負極の劣化判定処理を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、バッテリ１０が充電器９０に接続され、放電スイッチ７０が操作されると開始される。
まず、上述の実施形態におけるステップＳ１０１〜Ｓ１０９、Ｓ１１１と同様の処理が実行される。ステップＳ１０９において、放電電力制御部３０４は、車両１の走行中、電圧センサ４０から出力された電圧Ｖが、放電抑制電圧範囲ＶＭＩＮ〜ＶＭＡＸに含まれるか否かを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合にはステップＳ３１０に進み、本ステップにおいて否定判定がされた場合には、ステップＳ１１２に進む。
ステップＳ３１０において、放電電力制御部３０４は、表示ランプ３１２の点灯指令をインジケータ制御部３０５に出力する。インジケータ制御部３０５は、放電電力制御部３０４から表示ランプ３１２の点灯指令が出力されると、表示ランプ３１２を点灯させる。ステップＳ３１０からステップＳ１１２に進む。
ステップＳ１１２において、充放電指令部１０１は、充電器９０に充電指令を出力する。次に、ステップＳ１１３において、充放電指令部１０１は、バッテリ１０のＳＯＣが指定値まで上昇したか否かを判定する。本ステップにおいて肯定判定がされた場合には処理を終了する。
以上説明したように、報知装置としての表示ランプ３１２を備える車両の駆動電源であるバッテリ１０の電圧が放電抑制電圧範囲に含まれる場合に表示ランプ３１２を点灯させる。これにより、車両のユーザに、放電に対するＳｉの寄与度が大きい電圧範囲でのバッテリ１０の使用を控えさせることができ、充放電に伴う負極のＳｉの劣化を抑制できる。
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
例えば、上述の実施形態では、車両に搭載される二次電池の制御方法及び装置を例示挙げて本発明を説明したが、車両以外の機器に搭載される二次電池にも本発明を適用できる。また、上述の各実施形態での制御を組み合わせてもよい。例えば、ハイブリッド自動車において、バッテリ１０の電圧が放電抑制電圧範囲に含まれる場合に、エンジン／モータ走行モードに設定すると共に、モータのトルクを抑制してもよい。また、バッテリ１０の電圧が放電抑制電圧範囲に含まれる場合に、モータのトルクを抑制したりエンジン走行モードに設定したりすると共に、表示ランプ３１２を点灯させてもよい。
また、上述の実施形態では、放電抑制電圧範囲の上限値ＶＭＡＸを放電特性値ｄＱ／ｄＶの絶対値が最大になる電圧Ｖ３以下に設定したが、必須ではなく、上限値ＶＭＡＸを電圧Ｖ３を超える値に設定してもよい。
１０ バッテリ
３０ モータ
１００ 車両制御装置
１０３ 劣化判定部
２００ 車両制御装置
３００ 車両制御装置
３１０ インジケータ
３１２ 表示ランプ
Ｖ１ 電圧（第２の電圧）
Ｖ２ 所定値
Ｖ３ 電圧（第１の電圧）
ＶＭＡＸ 電圧（第３の電圧）
３０ モータ
１００ 車両制御装置
１０３ 劣化判定部
２００ 車両制御装置
３００ 車両制御装置
３１０ インジケータ
３１２ 表示ランプ
Ｖ１ 電圧（第２の電圧）
Ｖ２ 所定値
Ｖ３ 電圧（第１の電圧）
ＶＭＡＸ 電圧（第３の電圧）
Claims (8)
- Ｓｉを活物質として含む負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に配置された電解質とを備える二次電池の制御方法であって、
放電時の前記二次電池の単位時間当たりの電圧の変化量に対する、放電時の前記二次電池の単位時間当たりの残容量の変化量である放電特性値と、前記二次電池の電圧との関係を示す放電特性線を取得し、
前記二次電池の最大電圧から放電末期における電圧までの電圧範囲内で前記放電特性値の絶対値が最大になる第１の電圧を抽出し、
放電開始から放電終了時に向けて、前記第１の電圧以下の電圧範囲において前記放電特性線の傾きの絶対値が減少から増大に転じる変曲点における第２の電圧を抽出し、
前記第２の電圧に所定値を加算した第３の電圧以下での前記二次電池の使用を抑制する二次電池の制御方法。 - 前記第３の電圧は、前記第１の電圧以下である請求項１に記載の二次電池の制御方法。
- 前記二次電池は、モータの駆動電源であり、
前記二次電池の電圧が前記第３の電圧以下である場合に前記モータのトルクを抑制することにより、前記第３の電圧以下での前記二次電池の使用を抑制する請求項１又は２に記載の二次電池の制御方法。 - 前記二次電池は、ハイブリッド自動車のモータの駆動電源であり、
前記二次電池の電圧が前記第３の電圧以下である場合にエンジン走行モードに設定することにより、前記第３の電圧以下での前記二次電池の使用を抑制する請求項１〜３の何れか１項に記載の二次電池の制御方法。 - 前記二次電池は、報知装置を備える機器の駆動電源であり、
前記二次電池の電圧が前記第３の電圧以下である場合に前記報知装置を作動させることにより、前記第３の電圧以下での前記二次電池の使用を抑制する請求項１〜４の何れか１項に記載の二次電池の制御方法。 - 前記変曲点の有無と、前記変曲点における前記放電特性値との少なくとも一方に基づいて、前記負極の劣化度を判定し、
前記劣化度が閾値以上である場合に、前記二次電池の使用の抑制を解除又は禁止する請求項１〜５の何れか１項に記載の二次電池の制御方法。 - Ｓｉを活物質として含む負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に配置された電解質とを備える二次電池の制御装置であって、
放電時の前記二次電池の単位時間当たりの電圧の変化量に対する、放電時の前記二次電池の単位時間当たりの残容量の変化量である放電特性値と、前記二次電池の電圧との関係を示す放電特性線を取得し、
前記二次電池の最大電圧から放電末期における電圧までの電圧範囲内で前記放電特性値の絶対値が最大になる第１の電圧を抽出し、
放電開始から放電終了時に向けて、前記第１の電圧以下の電圧範囲において前記放電特性線の傾きの絶対値が減少から増大に転じる変曲点における第２の電圧を抽出し、
前記第２の電圧に所定値を加算した第３の電圧以下での前記二次電池の使用を抑制する二次電池の制御装置。 - 前記変曲点の有無と、前記変曲点における前記放電特性値との少なくとも一方に基づいて、前記負極の劣化度を判定する負極劣化判定部を備える請求項７に記載の二次電池の制御装置。
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