JP6901414B2 - 二次電池システムおよびそれを備えた車両ならびにバッテリの制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、二次電池システムおよびそれを備えた車両ならびにバッテリの制御方法に関し、より特定的には、リチウムイオン二次電池の充放電制御に関する。

近年、環境意識の高まりとともに、環境に優しい車両としてハイブリッド車、電気自動車などの電動車両の開発が進められている。これらの電動車両の駆動用バッテリとしては、エネルギー密度の高さおよび動作電圧の高さなどからリチウムイオン二次電池が好適に採用されている。

リチウムイオン二次電池が大電流で充電された場合に、負極表面に金属リチウムが析出する現象が知られている。この現象を以下では「リチウム析出」とも称する。リチウム析出は、特に低温環境下において顕著になる。リチウム析出が起こると、リチウムイオン二次電池の劣化および性能低下を招くおそれがある。よって、リチウム析出を抑制しつつ、リチウムイオン二次電池を充電する技術が提案されている。

たとえば特開２０１５−１７６８２１号公報（特許文献１）に開示された充電方法によれば、組電池の本充電前に、組電池の充電と放電とを交互に行なうパルス充放電工程が実施される。このパルス充放電工程により発生するジュール熱によって組電池の温度が上昇する。そして、組電池の温度が所定温度まで上昇すると、組電池の本充電が行なわれる。

特開２０１５−１７６８２１号公報 特開２０１７−０９１８１７号公報 国際公開第２０１０／００５０７９号

たとえば国際公開第２０１０／００５０７９号（特許文献３）には、リチウム析出を抑制するための制御が記載されている。本明細書では、この制御を「リチウム析出抑制制御」と称する。リチウム析出抑制制御では、バッテリの負極に金属リチウムが析出しない最大電流として許容電流（Ｉｌｉｍ）が算出され、その許容電流に放電方向のオフセット電流を加えた目標電流（Ｉｔａｇ）が算出される。さらに、目標電流からバッテリの許容充電電力が設定される。そして、バッテリへの充電電力の大きさが許容充電電力（Ｉｗｉｎ）の大きさを上回らないようにバッテリの充電が制御される（特許文献３参照）。

許容電流の大きさは、バッテリの充電に伴い減少する一方で、バッテリの放電に伴い増加する。目標電流についても同様に、バッテリの充電に伴い減少する一方で、バッテリの放電に伴い増加する。

詳細については後述するが、バッテリが低温（特に極低温）である場合、バッテリの温度が比較的高温の場合と比べて、バッテリの充電に伴う目標電流の大きさの減少速度が速い。そのため、目標電流が速やかに０にまで減少し得る。そうすると、許容充電電力も０になり、バッテリの充電が停止される。

特許文献１のようにバッテリの充電によりジュール熱が発生するところ、バッテリが低温である場合には、バッテリの充電開始から充電停止までの期間が短い。そのため、ジュール熱によってバッテリの温度が十分に上昇する前にバッテリの充電が停止されることとなる。そして、バッテリへの充電電流と目標電流との偏差を用いたフィードバック制御において充電停止時には当該偏差が０に収束しているため、充電停止後にはバッテリの充電は再開されず、充電停止状態が維持されることとなる。つまり、リチウム析出からバッテリを保護することはできるものの、バッテリの充電を進めることができなくなってしまう可能性がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、リチウムイオン二次電池であるバッテリの低温での充電時において、リチウム析出からバッテリを保護しつつ、バッテリの充電を進めることが可能な技術を提供することである。

（１）本開示のある局面に従う二次電池システムは、リチウムイオン二次電池であるバッテリと、バッテリの充電に伴うバッテリの負極への金属リチウムの析出を抑制するリチウム析出抑制制御を実行する制御装置とを備える。リチウム析出抑制制御は、金属リチウムが負極に析出しない最大電流を示す許容電流を、バッテリの充電に伴い減少する一方でバッテリの放電に伴い増加するように算出し、許容電流に放電方向のオフセット電流を加えた目標電流を算出し、バッテリへの充電電流と目標電流との偏差を用いたフィードバック制御によりバッテリの許容充電電力を設定し、バッテリへの充電電力の大きさが許容充電電力の大きさを上回らないようにバッテリの充電を制御する制御である。制御装置は、リチウム析出抑制制御の実行時にバッテリの温度が所定温度を下回る場合、バッテリの充放電を繰り返すことによりバッテリの温度を上昇させる昇温制御をさらに実行する。昇温制御は、目標電流の大きさが０よりも大きな第１の閾値を下回ったときには、許容充電電力を０に制限することでバッテリの充電を禁止するとともにバッテリを放電させ、許容電流の大きさが第２の閾値を上回ると、許容充電電力の制限を解除することでバッテリの充電を再開させる制御である。好ましくは、上記フィードバック制御は、バッテリへの充電電流と目標電流との偏差を比例要素および積分要素とするＰＩ制御である。

上記（１）の構成によれば、リチウム析出制御の実行によりリチウム析出からバッテリを保護することができる。さらに、詳細については後述するが、昇温制御の実行により、目標電流の大きさが所定値を下回ったときには許容充電電力を０に制限することでバッテリの目標電流が０になることが抑制される。これにより、フィードバック制御においてバッテリの充電が停止した状態が維持されることが防止されるので、バッテリの充電を進めることができる。よって、リチウム析出からバッテリを保護しつつ、バッテリの充電を進めることができる。

（２）制御装置は、バッテリのＳＯＣ（State Of Charge）と、バッテリの温度と、オフセット電流との対応関係を参照することによって、バッテリのＳＯＣおよび温度からオフセット電流を算出する。

上記（２）の構成によれば、オフセット電流をバッテリのＳＯＣおよび温度に適した値にすることができる。たとえば、バッテリの温度が極低温（たとえば−３５℃）である場合には、バッテリの温度が低温ではあるものの極低温ではない（たとえば−１０℃）場合と比べて、昇温制御を実行してバッテリの温度を上昇させる必要性が高い。したがって、バッテリの温度が極低温である場合には、バッテリの温度が極低温ではない場合と比べて、放電方向に大きな値にオフセット電流を設定することができる。これにより、バッテリの温度が極低温である場合ほど目標電流の大きさが所定値を下回りやすくなり、昇温制御が実行されやすくなる。したがって、より確実にバッテリの保護とバッテリの充電との両立を図ることが可能になる。

（３）本開示の他の局面に従う車両は、上記（１），（２）の二次電池システムを備える。

上記（３）の構成によれば、リチウム析出からバッテリを保護しつつ、バッテリの充電が可能な車両を実現することができる。

（４）本開示のさらに他の局面に従うバッテリの制御方法は、リチウムイオン二次電池であるバッテリを充電する。このバッテリの充電方法は、バッテリの充電に伴うバッテリの負極への金属リチウムの析出を抑制するリチウム析出抑制制御を実行するステップを備える。リチウム析出抑制制御を実行するステップは、第１〜第３のステップを含む。第１のステップは、金属リチウムが負極に析出しない最大電流を示す許容電流を、バッテリの充電に伴い減少する一方でバッテリの放電に伴い増加するように算出するステップである。第２のステップは、許容電流に放電方向のオフセット電流を加えた目標電流を算出するステップである。第３のステップは、バッテリへの充電電流と目標電流との偏差を用いたフィードバック制御によりバッテリの許容充電電力を設定するステップである。バッテリへの充電電力の大きさは、許容充電電力の大きさを上回らないようにバッテリの充電を制御される。バッテリの制御方法は、リチウム析出抑制制御の実行時にバッテリの温度が所定温度を下回る場合、バッテリの充放電を繰り返すことによりバッテリの温度を上昇させる昇温制御を実行するステップをさらに備える。昇温制御は、目標電流の大きさが０よりも大きな第１の閾値を下回ったときには、許容充電電力を０に制限することでバッテリの充電を禁止するとともにバッテリを放電させ、許容電流の大きさが第２の閾値を上回ると、許容充電電力の制限を解除することでバッテリの充電を再開させる制御である。

上記（４）の方法によれば、上記（１）の構成と同様に、リチウム析出からバッテリを保護しつつ、バッテリの充電を進めることができる。

本開示によれば、リチウムイオン二次電池であるバッテリの低温での充電時において、リチウム析出からバッテリを保護しつつ、バッテリの充電を進めることができる。

本実施の形態における外部充電システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。 リチウム析出抑制制御の概要を説明するためのタイムチャートである。 比較例における外部充電中のリチウム析出抑制制御を説明するための図である。 本実施の形態における外部充電中のリチウム析出抑制制御を説明するためのタイムチャートである。 本実施の形態における外部充電中のリチウム析出抑制制御を示すフローチャートである。 図５に示したフローチャートのＳ４の処理において参照されるマップの一例を示す図である。

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。

［実施の形態］
＜外部充電システムの構成＞
図１は、本実施の形態に係る車両の外部充電システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。外部充電システム１０は、車両１および充電スタンド２を備える。図１に示すように、車両１と充電スタンド２とは、充電ケーブル３を経由して電気的に接続可能に構成されている。

充電スタンド２は、たとえばＤＣ充電用の充電スタンドであって、系統電源５００からの交流電力を、車両１に搭載されたバッテリ１５０を充電するための直流電力に変換して出力する。充電スタンド２は、電力線ＡＣＬと、ＡＣ／ＤＣ変換器２１０と、電圧センサ２２０と、給電線ＰＬ０，ＮＬ０と、制御装置２００とを含む。

電力線ＡＣＬは、系統電源５００に電気的に接続されている。電力線ＡＣＬは、系統電源５００からの交流電力をＡＣ／ＤＣ変換器２１０へ伝達する。

ＡＣ／ＤＣ変換器２１０は、電力線ＡＣＬ上の交流電力を、車両１に搭載されたバッテリ１５０を充電するための直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣ変換器２１０による電力変換は、力率改善のためのＡＣ／ＤＣ変換と、電圧レベル調整のためのＤＣ／ＤＣ変換との組み合わせによって実行されてもよい。ＡＣ／ＤＣ変換器２１０から出力された直流電力は、正極側の給電線ＰＬ０および負極側の給電線ＮＬ０によって供給される。

電圧センサ２２０は、給電線ＰＬ０，ＮＬ０の間に設けられている。電圧センサ２２０は、給電線ＰＬ０，ＮＬ０間の電圧を検出し、その検出結果を制御装置２００に出力する。

制御装置２００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力ポート（いずれも図示せず）とを含んで構成される。制御装置２００は、電圧センサ２２０により検出された電圧、各種スイッチ、車両１からの信号、ならびに、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて充電スタンド２を制御する。

車両１は、プラグインハイブリッド車であって、インレット１１０と、充電線ＰＬ１，ＮＬ１と、電圧センサ１２０と、充電リレー１３１，１３２と、システムメインリレー１４１，１４２と、バッテリ１５０と、電力線ＰＬ２，ＮＬ２と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１６０と、エンジン１７０と、モータジェネレータ１８１，１８２と、動力分割機構１９１と、駆動輪１９２と、ＥＣＵ１００とを備える。なお、バッテリ１５０とＥＣＵ１００とは、二次電池システム１Ａを構成する。また、車両１は、電気自動車であってもよい。

インレット１１０は、充電ケーブル３のコネクタ３１０と電気的に接続可能に構成されている。インレット１１０とコネクタ３１０とが嵌合等の機械的な連結を伴って接続されることにより、給電線ＰＬ０とインレット１１０の正極側の接点との間の電気的な接続が確保されるとともに、給電線ＮＬ０とインレット１１０の負極側の接点との間の電気的な接続が確保される。また、インレット１１０とコネクタ３１０とが充電ケーブルにより接続されることで、車両１のＥＣＵ１００と充電スタンド２の制御装置２００とがＣＡＮ（Controller Area Network）等の所定の通信規格であるに従って各種信号、指令および情報（データ）を相互に送受信することが可能になる。

電圧センサ１２０は、充電リレー１３１，１３２よりもインレット１１０側において、充電線ＰＬ１と充電線ＮＬ１との間に設けられている。電圧センサ１２０は、充電線ＰＬ１，ＮＬ１間の直流電圧を検出し、その検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

充電リレー１３１は充電線ＰＬ１に接続され、充電リレー１３２は充電線ＮＬ１に接続されている。充電リレー１３１，１３２の閉成／開放は、ＥＣＵ１００からの指令に応じて制御される。充電リレー１３１，１３２が閉成され、かつシステムメインリレー１４１，１４２が閉成されると、インレット１１０とバッテリ１５０との間での電力伝送が可能な状態となる。

バッテリ１５０は、車両１の駆動力を発生させるための電力を供給する。また、バッテリ１５０は、モータジェネレータ１８１，１８２で発電された電力を蓄電する。バッテリ１５０は、複数のセル（図示せず）を含んで構成された組電池であり、各セルはリチウムイオン二次電池である。本実施の形態では組電池の内部構成は限定されないので、以下ではセルについては特に言及せず、単にバッテリ１５０と記載する。

バッテリ１５０の正極は、システムメインリレー１４１を経由してノードＮＤ１に電気的に接続されている。ノードＮＤ１は、充電線ＰＬ１および電力線ＰＬ２に電気的に接続されている。同様に、バッテリ１５０の負極は、システムメインリレー１４２を経由してノードＮＤ２に電気的に接続されている。ノードＮＤ２は、充電線ＮＬ１および電力線ＮＬ２に電気的に接続されている。システムメインリレー１４１，１４２の閉成／開放は、ＥＣＵ１００からの指令に応じて制御される。

バッテリ１５０には、電圧センサ１５１と、電流センサ１５２と、温度センサ１５３とが設けられている。電圧センサ１５１は、バッテリ１５０の電圧ＶＢを検出する。電流センサ１５２は、バッテリ１５０に入出力される電流ＩＢを検出する。温度センサ１５３は、バッテリ１５０の温度を検出する。各センサは、その検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

バッテリ１５０には、バッテリ１５０の温度ＴＢが極低温の場合に、バッテリ１５０を加熱してバッテリ１５０を加熱するための昇温システム１５４がさらに設けられている。昇温システム１５４は、いずれも図示しないが、たとえばＰＣＵ１６０からの供給電力の電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータによる降圧後の電力を消費して発熱する電気ヒータとを含んで構成される。昇温システム１５４の昇温動作は、ＥＣＵ１００からの指令に応じて制御される。

ＰＣＵ１６０は、電力線ＰＬ２，ＮＬ２とモータジェネレータ１８１，１８２との間に電気的に接続されている。ＰＣＵ１６０は、図示しないコンバータおよびインバータを含んで構成され、システムメインリレー１４１，１４２の閉成時にバッテリ１５０とモータジェネレータ１８１，１８２との間で双方向の電力変換を実行する。

エンジン１７０は、ガソリンエンジン等の内燃機関であり、ＥＣＵ３００からの制御信号に応じて車両１が走行するための駆動力を発生する。

モータジェネレータ１８１，１８２の各々は三相交流回転電機である。モータジェネレータ１８１は、動力分割機構１９１を介してエンジン１７０のクランク軸に連結される。モータジェネレータ１８１は、エンジン１７０を始動させる際にはバッテリ１５０の電力を用いてエンジン１７０のクランク軸を回転させる。また、モータジェネレータ１８１はエンジン１７０の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ１８１によって発電された交流電力は、ＰＣＵ１６０により直流電力に変換されてバッテリ１５０に充電される。また、モータジェネレータ１８１によって発電された交流電力は、モータジェネレータ１８２に供給される場合もある。

モータジェネレータ１８２は、バッテリ１５０からの電力およびモータジェネレータ１８１により発電された電力のうちの少なくとも一方を用いて駆動軸を回転させる。また、モータジェネレータ１８２は回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ１８２によって発電された交流電力は、ＰＣＵ１６０により直流電力に変換されてバッテリ１５０に充電される。

動力分割機構１９１は、たとえば遊星歯車機構であり、エンジン１７０のクランク軸、モータジェネレータ１８１の回転軸、および駆動軸の三要素を機械的に連結する。

ＥＣＵ１００は、制御装置２００と同様に、ＣＰＵ１０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリ１０２と、入出力ポート（図示せず）とを含んで構成される。ＥＣＵ１００は、各センサ等からの信号に応じて、車両１が所望の状態となるように機器類を制御する。ＥＣＵ１００により実行される主要な制御として、充電スタンド２から供給される電力により車載のバッテリ１５０を充電する「外部充電」が挙げられる。車両１のＥＣＵ１００と充電スタンド２の制御装置２００との間で充電ケーブル３を介して相互に信号、指令および情報を送受信することにより、外部充電が進められる。

＜リチウム析出抑制制御＞
以上のように構成された外部充電システム１０では、バッテリ１５０としてリチウムイオン二次電池の組電池が採用されている。この場合、バッテリ１５０の充電態様によっては、リチウムイオン二次電池の負極表面にリチウム金属が析出することによってバッテリ１５０の発熱または性能低下を招くおそれがあることが知られている。そのため、本実施の形態では、以下に説明するように、リチウム金属の析出を抑制するための「リチウム析出抑制制御」が実行される。リチウム析出抑制制御については、たとえば特許文献３に詳細に説明されているが、以下に概略を説明する。

図２は、リチウム析出抑制制御の概要を説明するためのタイムチャートである。図２において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順に、バッテリ１５０の電流ＩＢおよび許容充電電力Ｉｗｉｎを示す。バッテリ１５０からの放電方向を正方向とし、バッテリ１５０への充電方向を負方向とする。許容充電電力Ｉｗｉｎとは、バッテリ１５０への充電電力の制御上限値を示す。バッテリ１５０への充電電力の大きさが許容充電電力Ｉｗｉｎの大きさを上回らないようにバッテリ１５０を充電することにより、負極表面のリチウム金属の析出を抑制することができる。

図２では、車両１の走行時にモータジェネレータ１８２の回生制動による発電電力がバッテリ１５０に充電される状況が示されている。図２を参照して、バッテリ１５０の充放電履歴（ここでは充電履歴）に応じて、バッテリ１５０の許容電流Ｉｌｉｍが算出される。許容電流Ｉｌｉｍは、バッテリ１５０の負極電位がリチウム基準電位（リチウム金属の電位）まで低下することによってリチウム金属が析出しない最大電流である。

より具体的には、許容電流Ｉｌｉｍは、所定の演算周期毎に、下記式（１）に従って繰り返し算出される（たとえば特許文献３参照）。式（１）では、今回の演算周期のパラメータには（ｔ）が付され、前回の演算周期のパラメータには（ｔ−１）が付されている。演算周期の長さはｄｔで示されている。

式（１）の右辺第２項は、バッテリ１５０の充電による単位時間当たりの許容電流の大きさの減少量を示す項（以下、「減少項」とも記載する）である。一方、右辺第３項は、バッテリ１５０の放電または放置（充電停止）による単位時間当たりの許容電流の大きさの増加量を示す項（以下、「増加項」とも記載する）である。減少項における係数αおよび増加項における係数βは、いずれもバッテリ１５０の温度ＴＢおよびＳＯＣの関数である。

充放電履歴がない状態における許容電流（初期値Ｉｌｉｍ（０））に対して、減少項および増加項を演算周期毎に加減算することによって、許容電流Ｉｌｉｍ（ｔ）を逐次算出することができる。

このように算出された許容電流Ｉｌｉｍに加えて、電流ＩＢの急変に備えたマージンを確保するためのオフセット電流Ｉｏｆｆがさらに算出される。そして、許容電流Ｉｌｉｍをオフセット電流Ｉｏｆｆだけ放電方向にオフセットさせることによって、目標電流Ｉｔａｇが設定される（Ｉｌｉｍ＋Ｉｏｆｆ＝Ｉｔａｇ）。

図２に示されるように、時刻ｔ０においてバッテリ１５０の充電が開始されると、電流ＩＢが充電方向に変化する。その後の継続的な充電によって、許容電流Ｉｌｉｍおよび目標電流Ｉｔａｇは、放電方向に変化する。つまり、許容される充電電流（｜ＩＢ｜）が徐々に減少する。

時刻ｔ１において電流ＩＢの大きさが目標電流Ｉｔａｇの大きさ以上になると（｜ＩＢ｜≧｜Ｉｔａｇ｜）、リチウム金属の析出を抑制するために電流ＩＢを制限することが必要となる。このため、時刻ｔ１から許容充電電力Ｉｗｉｎを放電方向に変化させる（いわば許容充電電力Ｉｗｉｎを絞る）ことによって、充電電力（この例では回生電力）が制限される。より具体的には、許容充電電力Ｉｗｉｎは、ＰＩ（Proportional-Integral）制御を示す下記式（２）に従って、電流ＩＢおよび目標電流Ｉｔａｇから算出される。

式（２）においては、許容充電電力の規定値（ベース値）がＷ０で示されている。このベース値Ｗ０は、バッテリ１５０の温度ＴＢに基づいて定められる。また、比例制御（Ｐ制御）のフィードバックゲインがＫｐで示され、積分制御（Ｉ制御）のフィードバックゲインがＫｉで示されている。このＰＩ制御により、許容充電電力の大きさ｜Ｉｗｉｎ｜が減少する。このように許容充電電力Ｉｗｉｎを制限する（絞る）ことを「回生制限」とも称する。

なお、このＰＩ制御は、本開示に係る「フィードバック制御」に相当する。ただし、本開示に係る「フィードバック制御」は、ＰＩ制御に限定されず、たとえばＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御であってもよい。

時刻ｔ１からの回生制限によって、バッテリ１５０を流れる電流ＩＢが減少する。そして、時刻ｔ２では再び電流ＩＢの大きさが目標電流Ｉｔａｇの大きさよりも小さくなる（｜ＩＢ｜＜｜Ｉｔａｇ｜）。これにより、時刻ｔ２からは回生制限が解除される。そうすると、許容充電電力Ｉｗｉｎは、通常値まで徐々に復帰することになる。

このように、大きな充電電流が発生する回生制動時においては、リチウム金属の析出抑制のために、電流ＩＢの大きさが目標電流Ｉｔａｇの大きさ以上になると、許容充電電力Ｉｗｉｎを絞る回生制限が開始される。これにより、バッテリ１５０を流れる電流ＩＢが減少し、その後、電流ＩＢの大きさが目標電流Ｉｔａｇの大きさ未満に復帰すると、許容充電電力Ｉｗｉｎを絞る回生制限が解除される。このような制御を実行することで、負極表面のリチウム金属の析出を抑制することができる。

＜外部充電時におけるリチウム析出抑制制御＞
図２では、車両１の回生制動によりバッテリ１５０が充電される状況を例にリチウム析出制御を説明した。続いて、外部充電時におけるリチウム析出抑制制御について説明する。前述のように、バッテリ１５０の温度ＴＢが極低温である場合には、バッテリ１５０を昇温させるための昇温システム１５４が駆動される。以下では、極低温環境下での外部充電を想定し、昇温システム１５４が駆動されるものとする。

以下では、本実施の形態における外部充電の理解を容易にするため、まず、比較例におけるリチウム析出抑制制御について説明する。

図３は、比較例における外部充電中のリチウム析出抑制制御を説明するための図である。図３および後述する図４において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順に、電流ＩＢ、許容充電電力Ｉｗｉｎ、昇温システム１５４による昇温動作の実行／非実行およびバッテリ１５０の温度ＴＢを示す。

バッテリ１５０の温度ＴＢが低温（特に−３０℃程度の極低温）である場合、図３に示すように、バッテリ１５０の温度ＴＢが比較的高温の場合と比べて、目標電流Ｉｔａｇの大きさの減少速度が速い。そのため、目標電流Ｉｔａｇが速やかに０に達する（時刻ｔ１１参照）。そうすると、前述のＰＩ制御（式（２）参照）において、電流ＩＢと目標電流Ｉｔａｇとが一致した状態が実現されるため（ＩＢ＝Ｉｔａｇ）、許容充電電力Ｉｗｉｎは、ベース値Ｗ０となる等しくなる。極低温下でＷ０＝０である場合には、許容充電電力Ｉｗｉｎも０となり、その結果としてバッテリ１５０の充電が停止される。

比較例では、目標電流Ｉｔａｇの大きさの減少速度が速いため、バッテリ１５０の充電停止までの期間が短い。そのため、バッテリ１５０の温度ＴＢが十分に上昇するよりも前にバッテリ１５０の充電が停止される。そして、充電停止後には、電流ＩＢと目標電流Ｉｔａｇとが一致した状態が継続するので、バッテリ１５０の充電停止が維持される。つまり、バッテリ１５０の充電を再開することができない。

そこで、本実施の形態においては、比較例と比べて、敢えて早期にバッテリ１５０の充電を禁止することによってバッテリ１５０の間欠的な充電（充放電の繰り返し）を実現し、それにより、バッテリ１５０を昇温させる時間を確保する構成を採用する。以下、本実施の形態におけるリチウム析出抑制制御について詳細に説明する。

＜本実施の形態におけるリチウム析出抑制制御＞
図４は、本実施の形態における外部充電中のリチウム析出抑制制御を説明するためのタイムチャートである。図４を参照して、本実施の形態では、バッテリ１５０の電流ＩＢについて、第１の閾値ＴＨ１と、基準値ＲＥＦと、第２の閾値ＴＨ２とが定められている。

第１の閾値ＴＨ１は、バッテリ１５０の充電の切り替え（より詳細には充電停止）に用いられる。第１の閾値ＴＨ１の大きさは、０よりも大きい。

基準値ＲＥＦは、バッテリ１５０の負極への金属リチウムの析出を抑制可能な最大電流（時間に依存しない固定値）を示す。

第２の閾値ＴＨ２は、第１の閾値ＴＨ１とは別に、バッテリ１５０の充電の切り替え（より詳細には充電再開）に用いられる。第２の閾値ＴＨ２の大きさは、第１の閾値ＴＨ１の大きさよりも大きく、かつ、基準値ＲＥＦの大きさよりも小さい。一例として、第２の閾値ＴＨ２の大きさは、基準値ＲＥＦの大きさの約８０％である。

前述のように、外部充電に伴い目標電流Ｉｔａｇの大きさが減少し、時刻ｔ２１において目標電流Ｉｔａｇが第１の閾値ＴＨ１に達する。この時点での許容充電電力Ｉｗｉｎの大きさは、０には達していない。

しかしながら、本実施の形態では、目標電流Ｉｔａｇが第１の閾値ＴＨ１に達すると、許容充電電力Ｉｗｉｎが制限される。より具体的には、許容充電電力Ｉｗｉｎは、上記式（２）に基づいて算出されるのに代えて、強制的に０に設定される。これにより、バッテリ１５０の充電が停止される。なお、バッテリ１５０の充電を停止（つまり、ＩＢ＝０に設定）すると、式（１）から、減少項が０になる一方で増加項は維持されるので、許容電流Ｉｌｉｍが回復することが分かる。

許容充電電力Ｉｗｉｎが０に設定されている時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間中、バッテリ１５０の充電は禁止されている。一方、バッテリ１５０の放電は許可されている。したがって、バッテリ１５０が放電され、バッテリ１５０から昇温システム１５４へ電力が供給される。これにより、昇温システム１５４の昇温動作が継続されるとともに、放電電流が流れることでジュール熱が発生する。したがって、バッテリ１５０の温度ＴＢは上昇する。

なお、昇温システム１５４に加えて、あるいは代えて、バッテリ１５０から補機類（図示せず）への電力供給によりバッテリ１５０の放電が実現されてもよい。つまり、昇温システム１５４は、本開示に必須の構成ではない。また、図４では、バッテリ１５０の放電期間中に電流ＩＢ（放電電流）が一定である例が示されているが、放電電流が時間的に変動していてもよい。

時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間中には、バッテリ１５０の温度ＴＢが上昇するのに従って、許容電流Ｉｌｉｍの大きさが増加する。言い換えると、許容電流Ｉｌｉｍが回復する。そして、時刻ｔ２２において許容電流Ｉｌｉｍの大きさが第２の閾値ＴＨ２を上回ると、許容充電電力Ｉｗｉｎの制限が緩和（より詳細には解消）される。つまり、バッテリ１５０の充電が再び許可される。制限緩和に伴い、許容充電電力Ｉｗｉｎは、再び上記式（２）に従って算出されるようになる。

以上、図４にて説明したように、本実施の形態においては、第１の閾値ＴＨ１および第２の閾値ＴＨ２が設定され、これらの閾値を用いてバッテリ１５０の充電停止と充電再開とが繰り返される「昇温制御」が実行される。バッテリ１５０の充電が禁止される期間（禁止期間）と、バッテリ１５０の充電が許可される期間（許可期間）とが繰り返されることとなる。禁止期間中に許容電流Ｉｌｉｍが回復するので、その禁止期間の次の許可期間中には、バッテリ１５０を再び充電することができる。このように、禁止期間が含まれることで、禁止期間が含まれない場合と比べて、外部充電全体としては、外部充電の完了までに要する時間が長くなり得るものの、より確実にバッテリ１５０の充電を継続することが可能になる。

＜外部充電フロー＞
図５は、本実施の形態における外部充電中のリチウム析出抑制制御を示すフローチャートである。このフローチャートに含まれる各ステップ（以下「Ｓ」と略す）は、基本的にはＥＣＵ１００によるソフトウェア処理によって実現されるが、ＥＣＵ１００内に作製された専用のハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

ＥＣＵ１００のメモリ１０２には、禁止期間と許可期間とを切り替えるための充電禁止フラグＦが格納されている。充電禁止フラグＦがオンの場合、バッテリ１５０の充電は禁止される。充電禁止フラグＦがオフの場合、バッテリ１５０の充電が許可される。外部充電の開始時には、充電禁止フラグＦはオフである。

図１、図４および図５を参照して、Ｓ１において、ＥＣＵ１００は、電流センサ１５２および温度センサ１５３からバッテリ１５０の電流ＩＢおよび温度ＴＢをそれぞれ取得する。

Ｓ２において、ＥＣＵ１００は、バッテリ１５０の温度ＴＢが所定温度Ｔｃ以下であるか否かを判定する。所定温度Ｔｃとは、リチウム析出が顕著になる温度であり、好ましくは氷点下の温度であり、より好ましくは極低温（たとえば−２０℃以下）である。所定温度Ｔｃは、実験またはシミュレーションにより予め定められ、ＥＣＵ１００のメモリ１０２に格納されている。バッテリ１５０の温度ＴＢが所定温度Ｔｃよりも高い場合（Ｓ２においてＮＯ）には、以降の処理は実行されず、処理がメインルーチンに戻される。

バッテリ１５０の温度ＴＢが所定温度Ｔｃ以下である場合（Ｓ２においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、バッテリ１５０のＳＯＣを推定する（Ｓ３）。ＳＯＣ推定手法としては、電流積算法などの公知の手法を用いることができるため、詳細な説明は繰り返さない。なお、Ｓ２以降の処理は、本開示に係る「昇温制御」に相当する。

Ｓ４において、ＥＣＵ１００は、マップＭＰを参照し、バッテリ１５０のＳＯＣおよび温度ＴＢからオフセット電流Ｉｏｆｆを算出する。

図６は、図５に示したフローチャートのＳ４において参照されるマップＭＰの一例を示す図である。図６に示すように、マップＭＰでは、バッテリ１５０のＳＯＣおよび温度ＴＢ毎にオフセット電流Ｉｏｆｆが規定されている。オフセット電流Ｉｏｆｆは、温度ＴＢが低いほど、その大きさが大きくなるように規定されていることが好ましい。このマップＭＰを参照することによって、バッテリ１５０のＳＯＣおよび温度ＴＢからオフセット電流Ｉｏｆｆを算出することが可能である。なお、図６に示される数値は、理解を容易にするための例示に過ぎないことを確認的に記載する。

図５に戻り、Ｓ５において、ＥＣＵ１００は、バッテリ１５０のＳＯＣおよび温度ＴＢに基づき、上記式（１）に従って許容電流Ｉｌｉｍを算出する。さらに、ＥＣＵ１００は、許容電流Ｉｌｉｍにオフセット電流Ｉｏｆｆを加算することにより、目標電流Ｉｔａｇを算出する（Ｓ６）。

Ｓ７において、ＥＣＵ１００は、充電禁止フラグＦがオンであるかオフであるかを判定する。充電禁止フラグＦがオフである場合（Ｓ７においてＦ＝オフ）、ＥＣＵ１００は、目標電流Ｉｔａｇの大きさが第１の閾値ＴＨ１の大きさ以下であるか否かを判定する（Ｓ８）。

目標電流Ｉｔａｇの大きさが第１の閾値ＴＨ１の大きさよりも大きい場合（Ｓ８においてＮＯ）、すなわち、Ｉｔａｇ＜ＴＨ１である場合（時刻ｔ２０から時刻ｔ２１までの期間参照）には、ＥＣＵ１００は、目標電流Ｉｔａｇには放電方向への変化の余地が十分にあり、許容充電電力Ｉｗｉｎの制限を特に必要としない。したがって、ＥＣＵ１００は、通常通り上記式（２）に従って許容充電電力Ｉｗｉｎを算出する（Ｓ１１）。

これに対し、目標電流Ｉｔａｇの大きさが第１の閾値ＴＨ１の大きさ以下である場合（Ｓ８においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、目標電流Ｉｔａｇに放電方向への変化の余地が減少してとして、目標電流Ｉｔａｇが０に達する前に許容充電電力Ｉｗｉｎを強制的に制限する。より具体的には、ＥＣＵ１００は、許容充電電力Ｉｗｉｎを０に設定する（Ｓ９、時刻ｔ２１参照）。そして、ＥＣＵ１００は、充電禁止フラグＦをオフからオンに切り替える（Ｓ１０）。

一方、Ｓ７にて充電禁止フラグＦがオンである場合（Ｓ７においてＦ＝オン）、ＥＣＵ１００は、許容電流Ｉｌｉｍの大きさが第２の閾値ＴＨ２の大きさ以上であるか否かを判定する（Ｓ１２）。許容電流Ｉｌｉｍの大きさが第２の閾値ＴＨ２の大きさ未満である場合（Ｓ１２においてＮＯ）には、ＥＣＵ１００は、許容電流Ｉｌｉｍの回復にはさらなる時間を要するとして、許容充電電力Ｉｗｉｎが０に制限された状態を維持する（Ｓ９、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間参照）。

許容電流Ｉｌｉｍの大きさが第２の閾値ＴＨ２の大きさ以上になると（Ｓ１２においてＹＥＳ、時刻ｔ２２参照）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ１３に進めて、許容充電電力Ｉｗｉｎの制限を緩和し、再び式（２）に従って許容充電電力Ｉｗｉｎを算出する。また、ＥＣＵ１００は、充電禁止フラグＦをオンからオフに切り替える（Ｓ１４）。

以上のように、本実施の形態によれば、リチウム析出制御の実行によりリチウム析出からバッテリ１５０を保護することができる。さらに、Ｓ８において目標電流Ｉｔａｇの大きさが第１の閾値ＴＨ１の大きさ以下になったときには、許容充電電力Ｉｗｉｎを０に制限することで（Ｓ９）、目標電流Ｉｔａｇが０になることが抑制される。これにより、式（２）に示したＰＩ制御においてバッテリ１５０の充電が停止した状態が維持されることが防止されるとともに、禁止期間中に許容電流Ｉｌｉｍが回復するので、バッテリ１５０の充電を継続することが可能になる。よって、本実施の形態によれば、リチウム析出からバッテリ１５０を保護しつつ、バッテリ１５０の充電を進めることができる。すなわち、バッテリ１５０の充電とバッテリ１５０の保護とを両立させることができる。

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。本開示の範囲は、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。

１ 車両、２ 充電スタンド、３ 充電ケーブル、１０ 外部充電システム、１００ ＥＣＵ、１０１ ＣＰＵ、１０２ メモリ、１１０ インレット、１２０，２２０ 電圧センサ、１３１，１３２ 充電リレー、１４１，１４２ システムメインリレー、１５０ バッテリ、１５１ 電圧センサ、１５２ 電流センサ、１５３ 温度センサ、１５４ 昇温システム、１６０ ＰＣＵ、１７０ エンジン、１８１，１８２ モータジェネレータ、１９１ 動力分割機構、１９２ 駆動輪、２００ 制御装置、２１０ ＡＣ／ＤＣ変換器、３１０ コネクタ、５００ 系統電源、ＰＬ０，ＮＬ０ 給電線、ＰＬ１，ＮＬ１ 充電線、ＰＬ２，ＮＬ２ 電力線。

Claims (4)

1. 二次電池システムであって、
   リチウムイオン二次電池であるバッテリと、
   前記二次電池システムの外部から供給される電力による前記バッテリの充電時に、前記バッテリの負極への金属リチウムの析出を抑制するリチウム析出抑制制御を実行する制御装置とを備え、
   前記リチウム析出抑制制御は、
   前記負極に前記金属リチウムが析出しない最大電流である許容電流を、前記バッテリの充電に伴い前記許容電流が減少する一方で前記バッテリの放電に伴い前記許容電流が増加するように算出し、
   前記許容電流に放電方向のオフセット電流を加えた目標電流を算出し、
   前記バッテリへの充電電流を前記目標電流に近付けるフィードバック制御における操作量として前記バッテリへの許容充電電力を算出し、
   前記バッテリへの充電電力の大きさが前記許容充電電力の大きさを上回らないように前記バッテリの充電を制御する制御であり、
   前記制御装置は、前記リチウム析出抑制制御の実行時に前記バッテリの温度が所定温度を下回る場合には、前記バッテリの充放電を繰り返すことにより前記バッテリの温度を上昇させる昇温制御をさらに実行し、
   前記昇温制御は、前記目標電流の大きさが０よりも大きな第１の閾値を下回ったときには、前記フィードバック制御に代えて前記許容充電電力を０に制限することで前記バッテリの充電を禁止するとともに前記バッテリを放電させ、前記許容電流の大きさが前記第１の閾値よりも大きな第２の閾値を上回ると、前記許容充電電力の制限を解除することで前記バッテリの充電を再開させる制御である、二次電池システム。
2. 前記制御装置は、前記バッテリのＳＯＣと前記バッテリの温度と前記オフセット電流との対応関係を参照することによって、前記バッテリのＳＯＣおよび温度から前記オフセット電流を算出する、請求項１に記載の二次電池システム。
3. 請求項１または２に記載の二次電池システムと、
   前記バッテリの充電電力を受けるインレットとを備える、車両。
4. リチウムイオン二次電池であるバッテリの制御方法であって、
   外部から供給される電力による前記バッテリの充電時に、前記バッテリの負極への金属リチウムの析出を抑制するリチウム析出抑制制御を実行するステップを備え、
   前記リチウム析出抑制制御を実行するステップは、
   前記金属リチウムが前記負極に析出しない最大電流を示す許容電流を、前記バッテリの充電に伴い減少する一方で前記バッテリの放電に伴い増加するように算出するステップと、
   前記許容電流に放電方向のオフセット電流を加えた目標電流を算出するステップと、
   前記バッテリへの充電電流を前記目標電流に近付けるフィードバック制御における操作量として前記バッテリの許容充電電力を算出するステップとを含み、
   前記バッテリの充電は、前記バッテリへの充電電力の大きさが前記許容充電電力の大きさを上回らないように制御され、
   前記バッテリの制御方法は、前記リチウム析出抑制制御の実行時に前記バッテリの温度が所定温度を下回る場合には、前記バッテリの充放電を繰り返すことにより前記バッテリの温度を上昇させる昇温制御を実行するステップをさらに備え、
   前記昇温制御は、前記目標電流の大きさが０よりも大きな第１の閾値を下回ったときには、前記フィードバック制御に代えて前記許容充電電力を０に制限することで前記バッテリの充電を禁止するとともに前記バッテリを放電させ、前記許容電流の大きさが第２の閾値を上回ると、前記許容充電電力の制限を解除することで前記バッテリの充電を再開させる制御である、バッテリの制御方法。

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