JP6947014B2 - 二次電池システムおよび二次電池の制御方法 - Google Patents
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Description
<二次電池システムの構成>
図1は、実施の形態1に係る二次電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示す図である。図1を参照して、車両1は、ハイブリッド車両である。車両1は、二次電池システム2と、パワーコントロールユニット(PCU:Power Control Unit)30と、モータジェネレータ41,42と、エンジン50と、動力分割装置60と、駆動軸70と、駆動輪80とを備える。二次電池システム2は、バッテリ10と、監視ユニット20と、電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)100とを備える。
以上のように構成された二次電池システム2においては、バッテリ10の充電に伴い電圧VBが増加する。このとき、正極電位V1および負極電位V2の変化が起こっている。
負極電位V2を算出するためには、バッテリ10を簡略化した電池モデルを構築することが求められる。本実施の形態において採用される電池モデルの理解を容易にするため、以下では、比較例における電池モデルについて、まず簡単に説明する。なお、リチウムイオンおよび金属リチウムを包括的に「リチウム」とも記載する。
車載用ECUであるECU100の演算資源(演算能力)には、典型的な研究開発用コンピュータ(たとえばシミュレーション用コンピュータ)と比べて制約がある。したがって、本実施の形態では、ECU100の演算負荷を低減して演算時間を短縮するために、より単純化された0次元の電池モデルが採用される。
図7は、実施の形態1における充電電流抑制制御を示すフローチャートである。図7および後述する図10に示すフローチャートは、たとえば、バッテリ10の充電時において、所定の演算周期(たとえば約100ミリ秒)が経過する毎に実行される。これらのフローチャート内の各ステップ(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内に作製された電子回路によるハードウェア処理によって実現されてもよい。
Nn(m+1)=Nn(m)+Nn in(m)−Nn out(m) ・・・(1)
Nn in(m)=D×Cn+1×ΔNn+1(m)+D×An×ΔNn(m)
・・・(2)
Nn out(m)=D×An+1×ΔNn+1(m)+D×Cn×ΔNn(m)
・・・(3)
なお、式(4)では、反応抵抗をRで示し、ファラデー定数をFで示し、電荷移動係数をαで示し、負極活物質19の比表面積をaで示し、負極活物質19の膜厚をLで示し、交換電流密度をi0で示し、標準速度定数をkで示し、活性化エネルギーをgで示している。Iとは、電流密度に析出表面積を乗算したものである。負極電位V2(=U2−ΔV)が0のときには、U2=ΔV(=IR)との関係が成り立つ。したがって、式(4)においてVをU2としてIRについて解くことで、電圧降下量ΔVを算出することができる。
実施の形態1では、補正マップMP1から算出される析出過電圧ηpにより負極電位V2が補正されると説明した。その一方で、負極活物質19のリチウム析出領域A(図6参照)に一旦析出したリチウムは、その状態に維持されるとは必ずしも限らず、電解液中に溶解してリチウムイオンに戻る場合もある。実施の形態2においては、リチウム析出に加えて、リチウム溶解についても考慮する構成について説明する。
φ=U2−Ueq−ΔV ・・・(5)
Claims (5)
- リチウムイオンが挿入および脱離される負極活物質を含む負極を有する二次電池と、
基準電位に対する前記負極の電位を示す負極電位を算出する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記負極活物質の内部におけるリチウム濃度分布を算出するための電池モデルに従って、前記二次電池への充電電流値から求められる前記負極活物質へのリチウムイオンの挿入量と、前記負極活物質の内部におけるリチウムイオンの拡散係数とを用いて、前記基準電位に対する前記負極活物質の表面電位を算出し、
前記二次電池への充電電流および前記二次電池の反応抵抗を用いて、前記二次電池の充電に伴う電圧降下量を算出し、
前記表面電位から前記電圧降下量を減算することで前記負極電位を算出し、
前記二次電池のSOC、前記二次電池の充電期間における平均電流値、および、前記充電期間における積算電流値から、前記負極におけるリチウムの析出を促進する析出過電圧を算出し、前記電圧降下量を減算後の前記表面電位から前記析出過電圧をさらに減算することで前記負極電位を補正する、二次電池システム。
、二次電池システム。 - 前記析出過電圧は、前記負極活物質の外部におけるリチウム濃度分布の偏りに起因して前記負極活物質の外部から前記負極活物質の表面に印加される電圧である、請求項1に記載の二次電池システム。
- 前記制御装置は、前記平均電流値が大きいほど大きく、かつ、前記積算電流値が大きいほど大きくなるように前記析出過電圧を算出する、請求項2に記載の二次電池システム。
- 前記制御装置は、
前記負極へのリチウムの析出反応および前記負極からのリチウムの溶解反応の平衡電位を用いて反応過電圧を算出し、
前記反応過電圧が所定値を上回る場合には、前記二次電池のSOC、前記平均電流値および前記積算電流値から、前記負極におけるリチウムの溶解を促進する溶解過電圧を算出し、前記電圧降下量を減算後の前記表面電位に前記溶解過電圧を加算することで前記負極電位を補正する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池システム。 - リチウムイオンが挿入および脱離される負極活物質を含む負極を有する二次電池の負極電位を算出し、当該負極電位の算出結果に従って当該負極を保護するための保護制御を実行する、二次電池の制御方法であって、
前記負極活物質の内部におけるリチウム濃度分布を算出するための電池モデルに従って、前記二次電池への充電電流値から求められる前記負極活物質へのリチウムイオンの挿入量と、前記負極活物質の内部におけるリチウムイオンの拡散係数とを用いて、前記負極活物質の表面電位を算出するステップと、
前記二次電池への充電電流および前記二次電池の反応抵抗を用いて、前記二次電池の充電に伴う電圧降下量を算出するステップと、
前記表面電位から前記電圧降下量を減算することで前記負極電位を算出するステップと、
前記二次電池のSOC、前記二次電池の充電期間における平均電流値、および、前記充電期間における積算電流値から、前記負極におけるリチウムの析出を促進する析出過電圧を算出し、前記電圧降下量を減算後の前記表面電位から前記析出過電圧をさらに減算することで前記負極電位を補正するステップと、
補正後の負極電位が基準電位を下回った場合に前記保護制御を実行するステップとを含む、二次電池の制御方法。
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