JP6897511B2 - 組電池の制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、組電池の制御装置に関し、特に、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる範囲内で組電池を制御する組電池の制御装置に関する。

組電池は、複数の二次電池により構成される。複数の二次電池を組み合わせることで、大容量の組電池が得られる。しかし、組電池の容量は、組電池を構成する二次電池の劣化に伴って小さくなる。特開２０１６−１６７３６８号公報（特許文献１）に開示される組電池の制御装置では、そうした二次電池の劣化を考慮して組電池を制御している。詳しくは、組電池のＳＯＣ（State Of Charge）が二次電池の劣化しやすさなどに影響を与えることに鑑みて、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる使用電位幅で組電池を制御するようにしている。

たとえば、ＳＯＣが１００％に近い状態で組電池を放置すると、組電池の劣化が進行しやすくなる。また、ＳＯＣが０％に近い状態で組電池を使用（放電）すると、組電池の出力特性が低下する傾向がある。このため、特許文献１では、下限ＳＯＣが０％よりも高い値に設定され、上限ＳＯＣが１００％よりも低い値に設定される。また、特許文献１に記載される組電池の制御装置では、二次電池の使用履歴情報（過去の温度及びＳＯＣ等）から求めた劣化後の二次電池の正極使用最小電位を用いて、下限ＳＯＣを変更している。

なお、ＳＯＣは、セルの蓄電残量を示し、たとえば、満充電状態に対する蓄電量を０〜１００％で表わしたものである。また、組電池を構成する各二次電池は「セル」や「単電池」等とも称され、以下では、各二次電池を「セル」と称する。また、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる範囲を、以下では「電池使用範囲」と称する。

特開２０１６−１６７３６８号公報

上記のように、組電池の電池使用範囲を狭めることで、組電池は、劣化しにくくなり、高い性能を維持できるようになる。しかし、組電池の電池使用範囲が狭いと、組電池の制御において、その高い性能を十分に発揮させることができなくなる。詳しくは、組電池の制御において、組電池の電池使用範囲は、組電池の実質的な放電容量に対応するため、組電池の電池使用範囲が狭くなると、組電池の放電容量が小さくなる。たとえば、組電池のＳＯＣが下限ＳＯＣに達すると、組電池に蓄積した電力が残っていても、その電力（下限ＳＯＣに対応する電力）を使用（放電）することはできなくなる。

よって、組電池の放電容量を大きくするためには、組電池の電池使用範囲を広くすることが望ましい。しかし、組電池のＳＯＣが低くなるほどセルが収縮し、こうした収縮によりセルが薄くなると、セルが組電池から脱落しやすくなるため、下限ＳＯＣを低く設定することには限界があった。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる電池使用範囲内で組電池を制御する組電池の制御装置において、劣化に伴うセルの厚み変化を考慮して適切な電池使用範囲を設定可能とすることである。

本開示の組電池の制御装置は、複数のセルが積層されて構成される組電池の制御装置であって、セル厚み推定部と、電池制御部とを備える。セル厚み推定部は、組電池の負極電位と、組電池の温度とを用いて、セルの厚みを推定するように構成される。電池制御部は、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる範囲内で組電池を制御するように構成される。また、電池制御部は、セルの厚み（Ｔｈ）がしきい値（Ｌｉｍ）よりも大きい場合の下限ＳＯＣを、セルの厚みがしきい値よりも小さい場合の下限ＳＯＣよりも低い値に設定するように構成される。

本願発明者は、実験等により、組電池の劣化が進行するほどセルが厚くなるとの知見を得た。組電池の劣化が進行すると、セルが厚くなるため、セルが薄くなることによる不具合（セルの脱落等）は生じにくくなる。

また、本願発明者は、実験等により、セルの厚みと、組電池の負極電位と、組電池の温度とが相関するとの知見を得た。詳しくは、組電池の温度が低くなるほどセルが薄くなる傾向がある。また、組電池の負極電位の変動量（初期値からの電位ずれ）が大きくなるほどセルが厚くなる傾向がある。

上記知見に基づき、本開示の組電池の制御装置では、組電池の負極電位と、組電池の温度とを用いてセルの厚みを推定するとともに、推定されたセルの厚みがしきい値よりも大きい場合の下限ＳＯＣを、推定されたセルの厚みがしきい値よりも小さい場合の下限ＳＯＣよりも低い値に設定するようにした。こうした制御を行なうことで、組電池の劣化に伴うセルの厚み変化に応じて電池使用範囲を拡大するように下限ＳＯＣを変更することができる。すなわち、セルが十分厚い（不具合が生じない程度に厚い）場合には、下限ＳＯＣを低くして、電力制限を緩和することができる。これにより、劣化した状態の組電池において、蓄積された電力を、より多く使用（放電）することが可能になる。その結果、組電池の劣化に伴う放電可能電力量の低減が抑制され、組電池の長寿命化が図られる。

なお、複数のセルが積層されて構成される組電池には、複数のセルと複数のスペーサとが交互に積層されて構成される組電池も含まれる。

本開示によれば、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる電池使用範囲内で組電池を制御する組電池の制御装置において、劣化に伴うセルの厚み変化を考慮して適切な電池使用範囲を設定することができる。

本開示の実施の形態に係る組電池の制御装置が適用された車両の全体構成を概略的に示す図である。 図１に示す組電池の概略構造を示した斜視図である。 図２に示す組電池の側面図である。 図２に示す組電池のセルの内部構造を示した断面図である。 電池劣化度（小、中、大）ごとに、組電池のセル厚みと電池放電容量との関係を示す図である。 本開示の実施の形態に係る組電池の制御装置による電池使用範囲の設定方法を説明するための図である。 組電池の温度とセル厚み変化量との関係を示すグラフである。 組電池のＳＯＣと、セル厚み、負極電位との関係を示すグラフである。 組電池の負極電位変動量とセル厚み変化量との関係を示すグラフである。 本開示の実施の形態に係る組電池の制御装置により実行される処理の手順を説明するフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本開示の実施の形態に係る組電池の制御装置が適用された車両の概略構成を示す図である。図１を参照して、車両１０は、組電池１００と、電池監視ユニット１１と、電力制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）１２と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１３と、駆動輪１４と、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１５と、記憶部１６（たとえば、不揮発性メモリ）と、通信装置１７と、通信線１８とを含む。ＥＣＵ１５、記憶部１６、及び通信装置１７は、通信線１８によって接続され、互いに情報を送受可能に構成されている。

車両１０は、組電池１００に蓄えられた電力を使って走行するように構成される。車両１０は、組電池１００に蓄えられた電力のみを用いて走行可能な電気自動車であってもよいし、組電池１００に蓄えられた電力とエンジンの出力との両方を用いて走行可能なハイブリッド車両であってもよい。また、車両１０は、車両外部の外部電源の電力で組電池１００を充電可能に構成されてもよい。外部電源からの給電方式は、外部電源がケーブルを介して車両１０へ電力を供給する方式であってもよいし、外部電源がケーブルを介さずに非接触で車両１０へ電力を供給する方式（ワイヤレス給電方式）であってもよい。

組電池１００は、たとえば、複数のセルが直列及び／又は並列に適宜接続されて構成される。組電池１００は、ＭＧ１３により駆動輪１４を駆動するための電力をＰＣＵ１２へ供給する。

電池監視ユニット１１は、種々のセンサを含み、上記構成を有する組電池１００の状態を監視するように構成される。電池監視ユニット１１は、たとえば、電圧センサ、電流センサ、及び温度センサを含む。電圧センサは、組電池１００の電圧を検出してＥＣＵ１５へ出力する。電流センサは、組電池１００の電流を検出してＥＣＵ１５へ出力する。温度センサは、組電池１００の温度を検出してＥＣＵ１５へ出力する。

ＭＧ１３は、回転電機であって、たとえば三相交流モータジェネレータである。ＭＧ１３は、ＰＣＵ１２によって駆動され、駆動輪１４を回転させる。また、ＭＧ１３は、車両１０の制動時等に回生発電を行なうことも可能である。ＭＧ１３により発電された電力は、ＰＣＵ１２により整流されて組電池１００に充電される。

ＰＣＵ１２は、インバータ及びコンバータを含んで構成され（いずれも図示せず）、ＥＣＵ１５からの駆動信号に従ってＭＧ１３を駆動する。ＰＣＵ１２は、ＭＧ１３の力行駆動時は、組電池１００に蓄えられた電力を交流電力に変換してＭＧ１３へ供給し、ＭＧ１３の回生駆動時（車両１０の制動時等）は、ＭＧ１３が発電した電力を整流して組電池１００へ供給する。

ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory））、各種信号を入出力するための入出力ポート等を含んで構成される（いずれも図示せず）。ＥＣＵ１５は、車両１０における各種機器の制御を行なう。たとえば、ＥＣＵ１５は、車両１０が所望の状態となるようにＰＣＵ１２及び組電池１００の充放電を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

記憶部１６は、組電池１００の初期情報（たとえば、出荷時に格納されるトレーサビリティデータ）と、ＥＣＵ１５によって定期的に格納される組電池１００の情報（たとえば、組電池１００の使用履歴情報）とを記憶している。組電池１００のトレーサビリティデータは、組電池１００の初期状態を示す情報（セル厚み、セル容量、セル抵抗、電極の厚さ、電極の電位、及び電極の目付量等）を含む。記憶部１６には、初期状態の組電池１００における電極（正極及び負極）の電位としてＳＯＣ毎の電位が記憶されている。

組電池１００の初期情報は、セルの厚みと、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度との関係を示す情報（以下、「セル厚み対応情報」と称する）を含む。セル厚み対応情報により、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度とから、セルの厚みを求めることが可能になる。

記憶部１６は、組電池１００の負極電位を測定するための対応情報（マップ等）をさらに記憶していてもよい。たとえば、組電池１００の負極電位と、組電池１００のＳＯＣとの関係を示す情報（以下、「ｆ−ＳＯＣ対応情報」と称する）を記憶部１６に格納してもよい。

上記各対応情報は、あらかじめ実験等によって取得することができる。実験等によって得られた各対応情報は、たとえば、組電池１００の出荷時に記憶部１６に格納される。上記各対応情報は、マップでもテーブルでも数式でもモデルでもよい。また、上記各対応情報は、複数のマップ等を組み合わせて構成されていてもよい。

記憶部１６は、電池使用範囲をさらに記憶する。ＥＣＵ１５は、この電池使用範囲に従って組電池１００を制御する。詳しくは、組電池１００のＳＯＣが上限ＳＯＣに近づくと、ＥＣＵ１５は、組電池１００へ供給される電力（すなわち、組電池１００の充電電力）を制限して、組電池１００のＳＯＣが上限ＳＯＣを超えないようにする。また、組電池１００のＳＯＣが下限ＳＯＣに近づくと、ＥＣＵ１５は、組電池１００から放出される電力（すなわち、組電池１００の放電電力）を制限して、組電池１００のＳＯＣが下限ＳＯＣを下回らないようにする。記憶部１６に記憶されている下限ＳＯＣの数値は、ＥＣＵ１５によって変更できる。記憶部１６に記憶されている上限ＳＯＣの数値は、固定でもよいし、ＥＣＵ１５によって変更できてもよい。なお、組電池１００のＳＯＣは、たとえば、電池監視ユニット１１により検出された組電池１００の電圧値等から測定できる。

図２〜図４は、組電池１００の構成を詳細に示した図である。図２〜図４において、配列方向Ｄ１は、組電池１００を構成する複数のセル１１０が配列する方向を示し、幅方向Ｄ２は、配列方向Ｄ１と直交する方向を示す。

図２を参照して、組電池１００は、複数のセル１１０と複数のスペーサ１２０とが配列方向Ｄ１に交互に積層されて構成される。すなわち、組電池１００は、配列方向Ｄ１に配列されている複数のセル１１０と、セル１１０同士の間に介在するスペーサ１２０とを備える。セル１１０の個数は、たとえば２個以上２０個以下である。ただし、セル１１０の個数は、組電池１００に求められる出力等に応じて適宜変更できる。

セル１１０は、非水電解液二次電池（たとえば、リチウムイオン電池）である。セル１１０は、正極端子１３１及び負極端子１３２を備える。また、正極端子１３１と負極端子１３２との間にはガス放出弁１３０が設けられている。

図２に示す複数のセル１１０は、電気的に直列に接続されている。詳しくは、組電池１００を構成する複数のセル１１０は、１個ずつ向きを反転させられながら配列されている。そして、一のセル１１０の正極端子１３１と、隣接する別のセル１１０の負極端子１３２とは、接続部材１４０（バスバー）によって電気的に接続されている。組電池１００の配列方向Ｄ１の両端には、拘束板１４１，１４２が配置されている。また、拘束板１４１と拘束板１４２とは、拘束バンド１５１を介して互いに接続されている。拘束バンド１５１と拘束板１４１，１４２とは、ビス１５２によって連結されている。ビス１５２を締め付けることにより、複数のセル１１０及びスペーサ１２０を、拘束バンド１５１及び拘束板１４１，１４２によって固定することができる。また、ビス１５２を締め付けることによりセル１１０及びスペーサ１２０に圧力（拘束力）が加わることになる。

図３を参照して、スペーサ１２０は、板状の本体部１２２と、本体部１２２からセル１１０側に突出する突起部１２１（たとえば、リブ）とを有する。図３には、本体部１２２の片側のみに突起部１２１が形成されている例を示しているが、本体部１２２の両側に突起部１２１が形成されていてもよい。本体部１２２と突起部１２１とは、たとえば一体的に形成される。ただしこれに限られず、突起部１２１と本体部１２２とが別体であってもよい。また、突起部１２１が本体部１２２に対して着脱自在に設けられてもよい。

セル１１０の２つの主面Ｆ１及びＦ２（配列方向Ｄ１の両端の面）のうち、主面Ｆ１には突起部１２１が接触し、主面Ｆ２には本体部１２２が接触する。セル１１０の主面Ｆ２の略全域は、本体部１２２と接触している。また、セル１１０の主面Ｆ１は突起部１２１と接触しており、セル１１０の主面Ｆ１と本体部１２２との隙間には冷媒流路が形成されている。拘束板１４１，１４２から拘束力が加わると、スペーサ１２０の突起部１２１がセル１１０の主面Ｆ１を押圧する。スペーサ１２０は、たとえば樹脂から構成される。ただし、スペーサ１２０の材料は、樹脂に限定されず、金属等であってもよい。また、スペーサ１２０が突起部１２１を有することは必須ではなく、スペーサ１２０の形状は平板状であってもよい。

図４を参照して、セル１１０は、電極群１１４と、ケース１１５（電池ケース）とを備える。電極群１１４は、ケース１１５内に収容されている。また、図示していないが、ケース１１５内には、電解液も収容されている。電解液に電極群１１４を浸すことによって、電極群１１４の内部にも電解液が入る。

電極群１１４は、正極板１１１とセパレータ１１３と負極板１１２との積層体が巻回されて構成される巻回型の電極群である。正極板１１１と負極板１１２とは、セパレータ１１３を挟んで積層されている。なお、電極群１１４は、巻回型の電極群に限られず、スタック型の電極群であってもよい。

正極板１１１は、正極集電体（たとえば、アルミニウム箔）と、正極活物質層とを含む。正極活物質層は、たとえば正極活物質を含有する正極合材を正極集電体の表面に塗工することにより、正極集電体の両面に形成される。負極板１１２は、負極集電体（たとえば、銅箔）と、負極活物質層とを含む。負極活物質層は、たとえば負極活物質を含有する負極合材を負極集電体の表面に塗工することにより、負極集電体の両面に形成される。セパレータ１１３は、たとえば微多孔膜である。セパレータ１１３内に細孔が存在することで、その細孔に電解液が保持されやすくなる。

正極活物質の例としては、リチウム遷移金属酸化物（具体的には、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等）が挙げられる。正極活物質層は、正極活物質に加えて、導電材（たとえば、アセチレンブラック）、バインダ（たとえば、ポリフッ化ビニリデン）を含んでいてもよい。負極活物質の例としては、炭素系材料（具体的には、黒鉛等）が挙げられる。負極活物質層は、負極活物質に加えて、増粘材（たとえば、カルボキシメチルセルロース）、バインダ（たとえば、スチレンブタジエンゴム）を含んでいてもよい。セパレータ１１３の材料の例としては、ポリオレフィン系樹脂（具体的には、ポリエチレン、又はポリプロピレン等）が挙げられる。

電解液は、非プロトン性溶媒と、この溶媒に溶解しているリチウム塩（たとえば、ＬｉＰＦ_６）とを含む。非プロトン性溶媒の例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、又はジエチルカーボネート（ＤＥＣ）が挙げられる。２種以上の溶媒を混合して使用してもよい。

ケース１１５は、たとえば角形ケースである。角形ケースの外形は、直方体（たとえば、扁平状の直方体）である。ケース１１５の材料の例としては、アルミニウム合金が挙げられる。

ところで、拘束板１４１，１４２によるセル１１０の拘束力（拘束荷重）は、セル１１０の膨張及び収縮を考慮して適切な大きさに調整される。この理由について、以下に説明する。

図４を参照して、組電池１００の充電時には電極群１１４が膨張する。そして、ケース１１５内において電極群１１４が膨張すると、電極群１１４がケース１１５の内壁に接触し、ケース１１５を外側に向かって押圧する。これにより、セル１１０の厚み（セル厚みＴｈ）は厚くなる。一方、ケース１１５の外では、スペーサ１２０の突起部１２１により、セル１１０の主面Ｆ１がケース１１５の内側に向かって押圧される。

組電池１００の放電時には、上記とは逆に電極群１１４が収縮し、セル厚みＴｈが薄くなる。また、組電池１００の温度の変化によってもセル１１０は膨張又は収縮し、こうした膨張又は収縮によってセル厚みＴｈは変わり得る。

拘束板１４１，１４２によるセル１１０の拘束力が、大きすぎたり、小さすぎたりすると、次に示すような問題が生じ得る。

セル１１０の拘束力が大きすぎると、電極群１１４の膨張時にスペーサ１２０の押圧によりケース１１５内の電極群１１４に大きなストレスが加わり、セル１１０が劣化しやすくなる。たとえば、非水電解液二次電池では、正極活物質層が比較的硬い物質（たとえば、金属酸化物）で構成され、負極活物質層が比較的軟らかい物質（たとえば、炭素系材料）で構成されることが多い。このため、非水電解液二次電池の負極板は、正極板よりも軟らかいことが多い。軟らかい負極板１１２にストレスが加わると、負極板１１２の負極活物質層に保持されていた電解液が外へ押し出されて、セル１１０の内部抵抗が増加しやすい。

逆に、セル１１０の拘束力が小さすぎると、セル１１０が収縮した時に、組電池１００からセル１１０が脱落しやすくなる。また、セル１１０が収縮すると、電解液中のイオン濃度分布に偏りが生じやすくなる。このため、セル１１０の拘束力が小さすぎると、セル１１０の内部抵抗が増加するなどして、組電池１００の性能が低下しやすくなる。

以上説明したように、セル１１０の拘束力が大きすぎる場合にはセル１１０の膨張に起因する不具合（内部抵抗の増加等）が発生し得る。また、セル１１０の拘束力が小さすぎる場合にはセル１１０の収縮に起因する不具合（セルの脱落、内部抵抗の増加等）が発生し得る。このため、拘束板１４１，１４２によるセル１１０の拘束力は、セル１１０の膨張及び収縮を考慮して適切な大きさに調整される。しかし、セル１１０が、大きく膨張したり、大きく収縮したりする場合には、拘束力の調整だけで組電池１００の性能低下を抑制することは困難である。

これに対し、本実施の形態に係る組電池１００の制御装置（ＥＣＵ１５）では、組電池１００のＳＯＣ変化に伴うセル１１０の膨張及び収縮を抑制するため、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる範囲（電池使用範囲）内で組電池１００を制御している。

しかしながら、セル１１０の収縮を抑制するために下限ＳＯＣを高く設定すると、組電池１００の放電容量が小さくなる。この理由は、組電池１００のＳＯＣが下限ＳＯＣに達すると、組電池１００に蓄積した電力が残っていても、その電力（下限ＳＯＣに対応する電力）を使用（放電）することができなくなるからである。すなわち、下限ＳＯＣを高く設定する（電池使用範囲を狭くする）ことで、セル１１０の収縮に起因する不具合を抑制することは可能になるが、組電池１００の放電容量は小さくなる。組電池１００の電池使用範囲を狭めることで不足した組電池１００の放電容量を、セル１１０の数を増やすことによって補うことも考えられるが、セル１１０の増加は、組電池１００の構造の複雑化、コストアップなどにつながる。

そこで、本実施の形態に係る組電池１００の制御装置（ＥＣＵ１５）では、セル１１０の収縮に起因する不具合（セルの脱落、内部抵抗の増加等）を抑制しつつ、長期にわたって十分な組電池１００の放電容量を確保するために、セル１１０の厚み（セル厚みＴｈ）を推定しながら、そのセル厚みＴｈに合った下限ＳＯＣを設定している。これにより、セル１１０が十分厚い（不具合が生じない程度に厚い）場合には、下限ＳＯＣが低く設定される。下限ＳＯＣが低く設定されることで、組電池１００の電池使用範囲が広がり、組電池１００の放電容量が大きくなる。

本願発明者は、実験等により、組電池１００の劣化が進行するほどセル１１０が厚くなるとの知見を得た。こうした知見に基づき、本実施の形態に係る組電池１００の制御装置（ＥＣＵ１５）では、組電池１００の温度に加えて電池劣化度も考慮してセル厚みＴｈを推定し、組電池１００の劣化に伴うセルの厚み変化に応じて下限ＳＯＣを変更している。以下、図５及び図６を用いて、このように下限ＳＯＣを変更することの利点について詳述する。

図５は、電池劣化度（小、中、大）ごとに、組電池のセル厚みと電池放電容量との関係を示す図である。図５において、実線Ｋ１１は、初期状態（以下、「状態Ａ」と称する）の組電池の特性を示している。実線Ｋ１２は、状態Ａよりも劣化が進行した状態（以下、「状態Ｂ」と称する）の組電池の特性を示している。実線Ｋ１３は、状態Ｂよりも劣化が進行した状態（以下、「状態Ｃ」と称する）の組電池の特性を示している。

図５を参照して、破線Ｌ１は、セルの脱落を防止するために必要なセルの厚みを示している。状態Ａ（電池劣化度：小）の組電池についてセルの脱落を防止するためには、破線Ｌ１に対応して下限ＳＯＣを設定する必要がある。ＳＯＣの低下に伴いセルは薄くなるため、下限ＳＯＣを低く設定しすぎると、セル厚みが破線Ｌ１を下回ってセルの脱落が生じ得る。

図５中の実線Ｋ１１〜Ｋ１３で示されるように、組電池の劣化が進行するほど組電池の放電容量は小さくなる。また、組電池の劣化が進行するほどセルは厚くなる。しかし、組電池の電池使用範囲を変更しなければ、状態Ｂ（電池劣化度：中）及び状態Ｃ（電池劣化度：大）の組電池も、状態Ａの組電池と同じ電池使用範囲に従って制御される。そして、組電池のＳＯＣが下限ＳＯＣになった時のセル厚み及び電池放電容量は、組電池の劣化に伴って破線Ｌ２で示すように変化する。すなわち、状態Ｂでは、状態Ａの場合よりもセルが厚くて電池放電容量が小さい時に組電池のＳＯＣが下限ＳＯＣに達し、状態Ｃでは、状態Ｂの場合よりもセルが厚くて電池放電容量が小さい時に組電池のＳＯＣが下限ＳＯＣに達する。組電池のＳＯＣが下限ＳＯＣに達すると、組電池に蓄積した電力が残っていても、その電力（下限ＳＯＣに対応する電力）を使用（放電）することができなくなる。状態Ｂ及びＣでは、破線Ｌ１に対してまだ余裕があるセル厚みで組電池のＳＯＣが下限ＳＯＣに達する。

これに対し、本実施の形態に係る組電池の制御装置（ＥＣＵ１５）では、後述の方法でセル厚みＴｈを推定することによって、組電池１００の劣化に伴うセル１１０の厚み変化に応じて下限ＳＯＣを変更することを可能にしている。たとえば、破線Ｌ１に合わせて下限ＳＯＣを変更することにより、状態Ｂ及びＣにおいても、状態Ａと同様、破線Ｌ１に対応した下限ＳＯＣ（ひいては、電池使用範囲）が設定され、セル厚みＴｈが破線Ｌ１に達するまで組電池１００の放電が許容されるようになる。図６は、このように設定された電池使用範囲を示している。図６において、横軸はＳＯＣ（０％〜１００％）を示し、縦軸は電池劣化度を示している。また、範囲Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、それぞれ状態Ａ，Ｂ，Ｃのときに設定される電池使用範囲を示している。

図６を参照して、状態Ａ，Ｂ，Ｃにおける電池使用範囲を狭いほうから順に並べると、範囲Ｒ１、範囲Ｒ２、範囲Ｒ３になる。破線Ｌ３で示されるように、組電池の劣化が進行するほど、下限ＳＯＣが低く設定され、電池使用範囲が広くなる。これにより、劣化した状態（状態Ｂ及びＣ）の組電池において、蓄積された電力を、より多く使用（放電）することが可能になる。このため、組電池の劣化に伴う放電可能電力量の低減が抑制され、組電池の長寿命化が図られる。

上述のように、組電池１００の劣化の進行度合い（電池劣化度）とセル厚みＴｈとは相関する。また、本願発明者は、実験等により、セル１１０の劣化の進行に応じて組電池１００の負極電位が変動することを見出した。また、組電池１００の温度の変化によっても、セル１１０が膨張又は収縮し得ることは、前述したとおりである。このような関係を利用して、本実施の形態に係る組電池１００の制御装置（ＥＣＵ１５）では、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度とを用いて、セル厚みＴｈを推定している。

図７は、組電池の温度とセル厚み変化量との関係を示すグラフである。図８は、組電池のＳＯＣと、セル厚み、負極電位との関係を示すグラフである。図９は、組電池の負極電位変動量とセル厚み変化量との関係を示すグラフである。

図７を参照して、実線Ｋ２１で示されるように、組電池の温度とセル厚み変化量とは、略比例関係を有し、詳しくは、組電池の温度が高くなるほどセルが厚くなるような関係を有する。

図８を参照して、実線Ｋ２２及びＫ２３で示されるように、ＳＯＣ変化に対するセル厚みの変化量が大きい領域（ＳＯＣが低い領域）においては、ＳＯＣ変化に対する負極電位の変化量も大きくなり、ＳＯＣ変化に対するセル厚みの変化量が小さい領域においては、ＳＯＣ変化に対する負極電位の変化量も小さくなる。組電池の負極電位とセル厚みとは相関し、組電池の負極電位の変動量が大きくなるほどセルが厚くなる傾向がある。詳しくは、図９中に実線Ｋ２４で示すように、組電池の負極電位変動量とセル厚み変化量とは略比例関係を有する。なお、負極電位変動量は、記憶部１６に格納されている負極電位の初期値からの変動量（電位ずれ）に相当する。

組電池の充放電を繰り返すと、組電池の負極の表面状態は変化する。詳しくは、負極表面に、電荷担体（リチウムイオン電池では、リチウム）が析出したり、被膜が形成されたりする。これにより、負極電位が変動する。また、組電池の充放電を繰り返すと、負極において電荷担体を放出又は吸蔵できる量が減少する傾向がある。以下、組電池の使用（充放電）により負極の状態及び性能が変化することを、「負極の劣化」と称する。負極の劣化が進行するほど、負極電位変動量が大きくなる傾向がある。また、負極の劣化が進行すると、組電池の電圧及び容量が低下する傾向がある。

上記のように、セル厚みＴｈと、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度とは相関する。このため、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度とから、セル厚みＴｈを推定できる。本実施の形態では、ＥＣＵ１５（電池制御部）が、下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる範囲内で組電池１００を制御する。また、ＥＣＵ１５（セル厚み推定部）は、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度とを用いて、セル１１０の厚み（セル厚みＴｈ）を推定する。また、ＥＣＵ１５（電池制御部）は、セル厚みＴｈがしきい値よりも大きい場合の下限ＳＯＣを、セル厚みＴｈがしきい値よりも小さい場合の下限ＳＯＣよりも低い値に設定する。これにより、セル１１０の厚み変化を考慮して適切な電池使用範囲を設定することが可能になる。以下、図１０を用いて、ＥＣＵ１５による組電池１００の制御方法について詳述する。

図１０は、ＥＣＵ１５により実行される処理の手順を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。

図１０を参照して、ＥＣＵ１５は、組電池１００の情報（以下、「電池情報」と称する場合がある）を取得して、記憶部１６に蓄積する（ステップＳ１１）。電池情報は、組電池１００の負極電位と、組電池１００の温度と（いずれも現時点での測定値）を含む。

組電池１００の負極電位は、参照電極を用いて実測できる。参照電極としては、たとえば金属リチウムを使用できる。組電池１００の負極と参照電極との電位差に基づいて、組電池１００の負極電位を測定できる。負極電位の測定方法は、上記のような実測に限られず任意である。たとえば、記憶部１６内の対応情報（ｆ−ＳＯＣ対応情報）を参照することにより、組電池１００のＳＯＣから組電池１００の負極電位を推定してもよい。

組電池１００の温度は、たとえば、電池監視ユニット１１から取得できる。電池監視ユニット１１は、温度センサにより組電池１００の温度を検出できる。

なお、組電池１００のＳＯＣから組電池１００の負極電位を推定する場合には、たとえば、電池監視ユニット１１により取得した組電池１００の電流値及び電圧値を用いて組電池１００のＳＯＣを推定できる。ただし、ＳＯＣの測定方法は任意であり、電流値積算（クーロンカウント）による手法、又は開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の推定による手法等も採用できる。

続けて、ＥＣＵ１５は、ステップＳ１１で取得した組電池１００の負極電位と組電池１００の温度とを用いて、セル１１０の厚み（セル厚みＴｈ）を推定する（ステップＳ１２）。

セル１１０の厚みをＴｈ、組電池１００の負極電位をｆ、組電池１００の温度をＴとそれぞれ表すとき、次に示す式（１）に従ってセル１１０の厚みを求めることができる。なお、式（１）中の「ａ」は、あらかじめ実験等によって求められる定数であり、たとえば「１」であってもよい。

Ｔｈ＝ａ×ｆ×Ｔ …（１）
式（１）は、前述のセル厚み対応情報に相当し、Ｔｈ（セル厚み）とｆ（負極電位）とＴ（温度）との関係を規定する。式（１）により、ステップＳ１１で取得したｆ（負極電位）とＴ（温度）とから、Ｔｈ（セル厚み）を求めることができる。

続けて、ＥＣＵ１５は、ステップＳ１２で取得したセル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１３）。しきい値Ｌｉｍは、任意に設定できる。しきい値Ｌｉｍとしては、たとえば、セル１１０が薄くなることによる不具合（セル１１０の脱落、内部抵抗の増加等）が生じないセル厚みの最小値（不具合が生じないセル厚みの中で最も薄い値）を、あらかじめ実験等によって求めて設定することが好ましい。

セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍよりも大きい場合（ステップＳ１３においてＹＥＳ）には、ＥＣＵ１５が、記憶部１６に記憶されている電池使用範囲の下限ＳＯＣを現在値よりも低い値に変更（更新）する（ステップＳ１４）。ＥＣＵ１５は、たとえば、記憶部１６内のｆ−ＳＯＣ対応情報と前述の式（１）とを用いて、セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍと一致するようなＳＯＣを、下限ＳＯＣとして設定することができる。セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍと一致するようなＳＯＣとは、式（１）中の「Ｔ」に、ステップＳ１１で取得した組電池１００の温度を、式（１）中の「Ｔｈ」にしきい値Ｌｉｍを、それぞれ代入したときに、式（１）を成立させる「ｆ（負極電位）」に対応するＳＯＣである。ただし、ステップＳ１４における下限ＳＯＣの設定値は、現在値よりも低い値である限り任意である。

下限ＳＯＣとして現在値よりも低い値が設定されることにより、電池使用範囲が拡大される。そして、ＥＣＵ１５は、拡大された電池使用範囲に従って組電池１００を制御するようになる。ステップＳ１４において下限ＳＯＣの変更が完了すると、処理はメインルーチンへと戻される。

セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍ以下の場合（ステップＳ１３においてＮＯ）には、下限ＳＯＣの変更を行なうことなく、処理がメインルーチンへと戻される。

以上説明した制御方法によれば、セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍよりも大きい場合の下限ＳＯＣが、セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍよりも小さい場合の下限ＳＯＣよりも低い値に設定される。詳しくは、セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍよりも大きい場合（ステップＳ１３においてＹＥＳ）には、ステップＳ１４で下限ＳＯＣが現在値よりも低い値に変更される。他方、セル厚みＴｈがしきい値Ｌｉｍよりも小さい場合（ステップＳ１３においてＮＯ）には、下限ＳＯＣが変更されず、下限ＳＯＣは現在値のままとなる。こうした制御により、セル１１０の収縮に起因する不具合（セルの脱落、内部抵抗の増加等）を抑制しつつ、長期にわたって十分な組電池１００の放電容量を確保することが可能になる。

前述のように、組電池１００の劣化が進行するほどセル１１０は厚くなる。このため、組電池１００の劣化が進行すると、セル１１０が薄くなることによる不具合は生じにくくなる。上記制御方法によれば、こうした組電池の劣化に伴うセル１１０の厚み変化に応じて電池使用範囲を拡大するように下限ＳＯＣを変更することができる。すなわち、セル１１０が十分厚い（不具合が生じない程度に厚い）場合には、下限ＳＯＣを低くして、電力制限を緩和することができる。これにより、劣化した状態の組電池１００において、蓄積された電力を、より多く使用（放電）することが可能になる。その結果、組電池１００の劣化に伴う放電可能電力量の低減が抑制され、組電池１００の長寿命化が図られる。

図１０のステップＳ１３においては、セル厚みＴｈとしきい値Ｌｉｍとが同じ場合にＮＯと判断される。しかしこれに限られず、セル厚みＴｈとしきい値Ｌｉｍとが同じ場合にＹＥＳと判断されてステップＳ１４に進むように、ステップＳ１３を変更してもよい。

セル厚み対応情報は、前述の式（１）に限られず任意である。たとえば、セル厚み対応情報は、図７及び図９に示されるような関係を規定するマップであってもよい。こうしたマップにより、セル厚みの初期値と、温度変化及び負極電位変化に応じたセル厚み変化の合計量とから、現時点でのセル厚みを推定できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 車両、１１ 電池監視ユニット、１２ ＰＣＵ、１３ ＭＧ、１４ 駆動輪、１５ ＥＣＵ、１６ 記憶部、１７ 通信装置、１８ 通信線、１００ 組電池、１１０ セル、１１１ 正極板、１１２ 負極板、１１３ セパレータ、１１４ 電極群、１１５ ケース、１２０ スペーサ、１２１ 突起部、１２２ 本体部、１３１ 正極端子、１３２ 負極端子、１３０ ガス放出弁、１４０ 接続部材、１４１，１４２ 拘束板、１５１ 拘束バンド、１５２ ビス。

Claims (1)

1. 複数のセルが積層されて構成される組電池の制御装置であって、
   前記組電池の負極電位と、前記組電池の温度とを用いて、前記セルの厚みを推定するセル厚み推定部と、
   下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣによって定まる範囲内で前記組電池を制御する電池制御部とを備え、
   前記電池制御部は、前記セルの厚みがしきい値よりも大きい場合の前記下限ＳＯＣを、前記セルの厚みが前記しきい値よりも小さい場合の前記下限ＳＯＣよりも低い値に設定する、組電池の制御装置。

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