JP6950502B2 - リチウムイオン二次電池の制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、リチウムイオン二次電池の使用温度の上限値を設定する制御装置に関する。

特許第５８３５３４１号公報（特許文献１）には、リチウムイオン二次電池の制御装置が開示されている。この装置は、リチウムイオン二次電池の負極におけるリチウムの析出量を推定し、リチウムの析出量の増加に応じてリチウムイオン二次電池の使用温度の上限値を低下させる。

特許第５８３５３４１号公報 特開２０１６−１９７５４５号公報

リチウムイオン二次電池の負極に析出したリチウムは、周囲の電解液と反応し、安定な化合物になる過程で発熱する。リチウムイオン二次電池の温度が高温である場合には、負極に析出したリチウムの発熱などにより電池内部の温度がさらに上昇し、熱的に不安定な状態になり得る。電池の使用を過度に制限することなく熱的に不安定な状態に至ることを抑制するためには、リチウムイオン二次電池の発熱量に応じて使用温度の上限値を適切に設定し、電池温度が使用温度の上限値を超えない範囲で電池を使用することが望ましい。

負極に析出したリチウムの発熱量は、リチウムの析出量が多いほど、大きくなる。そのため、特許文献１に開示された制御装置のようにリチウムの析出量に基づいて使用温度の上限値を変更することによって、負極に析出したリチウムの発熱量に応じて使用温度の上限値を変更することが可能ではある。

しかしながら、負極に析出したリチウムの発熱量は、たとえ析出量が同じであっても析出形状（針状形状であるのか粒子状形状であるのかなど）によって異なることが、近時の研究調査等で分ってきた。したがって、単にリチウムの析出量に基づいて使用温度の上限値を変更するだけでは、使用温度の上限値を実際の発熱量に合った適切な値に設定することができないことが懸念される。

本開示は、上述の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の使用温度の上限値を適切に設定することである。

本開示による制御装置は、リチウムイオン二次電池の制御装置であって、リチウムイオン二次電池の充電電流を検出可能に構成された電流検出部と、リチウムイオン二次電池の使用温度の上限値を設定する制御部とを備える。制御部は、充電電流が許容値を超える状態が継続した超過時間と超過時間中における充電電流の最大値とを用いて、リチウムイオン二次電池の負極におけるリチウムの析出量に関連する第１パラメータと、負極におけるリチウムの析出形状に関連する第２パラメータとを算出する。制御部は、推定された第１パラメータおよび第２パラメータを用いて使用温度の上限値を設定する。

上記装置によれば、負極におけるリチウムの析出量に関連する第１パラメータに加えて、負極におけるリチウムの析出形状に関連する第２パラメータを用いて、使用温度の上限が設定される。そのため、リチウムの析出形状の違いによる発熱量の違いを使用温度の上限値に反映させることができる。その結果、使用温度の上限値を実際の発熱量に応じた適切な値に設定することができる。

本開示によれば、リチウムイオン二次電池の使用温度の上限を適切に設定することができる。

車両の全体構成の一例を示す図である。 電池の使用前における電池の内部状態を模式的に示す図である。 電池の使用後における電池の内部状態を模式的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャートである。 許容充電電流Ｉｌｉｍ、超過時間ｔ２、および最大充電電流Ｉｍａｘの関係を示す図である。 リチウムの析出総量Ａの算出に用いられるマップの一例を示す図である。 リチウムの針状析出量Ｂの算出に用いら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返さない。

図１は、本実施の形態による制御装置が適用される車両１の全体構成の一例を示す図である。なお、以下では、本実施の形態による制御装置が車両１に搭載される例について説明するが、本実施の形態による制御装置は、必ずしも車両１に搭載されることに限定されるものではない。

車両１は、電池１０と、負荷２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを備える。車両１は、電池１０に蓄えられた電力を用いて走行可能な電動車両（ハイブリッド自動車、電気自動車など）である。

電池１０は、負荷２０に電気的に接続され、負荷２０の駆動電力を蓄えるリチウムイオン二次電池である。電池１０内部には、正極と、負極と、それらをイオン的に結合する電解液とが備えられる。

負荷２０は、電池１０からの電力を用いて車両１を駆動させるための駆動力を発生する走行用電動機を含む。また、負荷２０は、走行用電動機の回生電力により、電池１０を充電することができる。

電池１０には、電池１０の端子間電圧を検出するための電圧センサ１１と、電池１０を流れる電流を検出するための電流センサ１２と、電池１０の温度を検出するための温度センサ１３とが設けられている。各センサ１１〜１３の検出値はＥＣＵ１００へ送信される。以下では、電圧センサ１１による検出値を「電池電圧Ｖｂ」とも記載し、電流センサ１２による検出値を「電池電流Ｉｂ」とも記載し、電流センサ１３による検出値を「電池温度Ｔｂ」とも記載する。

以下、電池電流Ｉｂについては、電池１０の放電時には正値（Ｉｂ＞０）で示され、充電時には負値（Ｉｂ＜０）で示されるものと定義する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵する。ＥＣＵ１００は、各センサ１１〜１３からの情報およびメモリに記憶された情報に基づいて所定の演算処理を実行し、演算結果に基づいて電池１０の使用温度の上限値（以下「使用温度上限値Ｔｌｉｍ」ともいう）を設定し、電池温度Ｔｂが使用温度上限値Ｔｌｉｍを超えないように電池１０の充放電を制御する。

図２は、電池１０の使用前（新品状態）における電池１０の内部状態を模式的に示す図である。上述したように、電池１０内部には、正極と、負極と、それらをイオン的に結合する電解液とが備えられる。電池１０の使用前においては、正極表面および負極表面に被膜などは形成されていない。

図３は、電池１０の使用後における電池１０の内部状態を模式的に示す図である。図３に示すように、電池１０を使用（充電あるいは放電）することによって、正極表面には正極皮膜が形成し得る。また、電池１０を充電することによって、電解液中に溶解していたリチウムイオンが負極表面に金属リチウムとなって析出し得る。

正極表面に形成される正極皮膜は、正極熱安定性の向上に寄与する。一方、負極表面に析出するリチウム金属は、周囲の電解液と反応して発熱するため、負極熱安定性が低下する要因となる。

負極表面に析出したリチウムの発熱量は、析出量が多いほど、大きくなる。そのため、リチウムの析出量が多いほど、負極熱安定性はより大きく低下する。

さらに、リチウムの析出量が同じであっても、析出形状の違いによってリチウムの発熱量が異なることが、近時の研究調査等で分ってきた。負極表面に析出するリチウムの代表的な形状としては、小電流での充電が継続的に行なわれる場合に発生し易い粒子状と、大電流での充電が瞬時に行なわれる場合に発生し易い針状とがある。粒子状に析出しているリチウム金属は、針状に析出しているリチウム金属に比べると、電解液との接触面積が小さいため発熱量は小さい。逆に、針状に析出しているリチウム金属は、粒子状に析出しているリチウム金属に比べると、電解液との接触面積が大きいため発熱量は大きい。

電池温度Ｔｂが高い場合には、負極表面に析出したリチウムの発熱などの影響によって電池温度Ｔｂがさらに上昇して熱的に不安定な状態になり得る。電池１０の使用を過度に制限することなく熱的に不安定な状態に至ることを抑制するためには、電池１０の内部の発熱量に応じて使用温度上限値Ｔｌｉｍを適切に設定することが望ましい。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、電池１０の負極におけるリチウムの析出量に関連する第１パラメータと、リチウムの析出形状に関連する第２パラメータとを算出し、第１パラメータおよび第２パラメータを用いて使用温度上限値Ｔｌｉｍを設定する。

以下では、ＥＣＵ１００が、リチウムの析出量に関連する第１パラメータとして「リチウムの析出総量Ａ」を算出し、リチウムの析出形状に関連する第２パラメータとして「リチウムの針状析出量Ｂ」を算出する例について説明する。

図４は、ＥＣＵ１００が使用温度上限値Ｔｌｉｍを設定する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートはたとえば所定周期で繰り返し実行される。

まず、ＥＣＵ１００は、電池温度Ｔｂの履歴および各温度毎の使用期間ｔ１をメモリから取得する（ステップＳ１０）。具体的には、ＥＣＵ１００は、定常的に、温度センサ１３が検出した電池温度Ｔｂの履歴を、各温度毎の使用期間ｔ１とともにメモリに記憶している。ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０において、この情報をメモリから読み出す。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０において取得された電池温度Ｔｂの履歴および各温度毎の使用期間ｔ１を用いて、正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ１）を算出する（ステップＳ１２）。たとえば、ＥＣＵ１００は、実験等によって求められた、電池温度Ｔｂと使用期間ｔ１と正極皮膜量Ｍとの関係を示すマップをメモリに記憶しておき、このマップを参照して電池温度Ｔｂおよび使用期間ｔ１に対応する正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ１）を算出する。

次いで、ＥＣＵ１００は、超過時間ｔ２および最大充電電流Ｉｍａｘをメモリから取得する（ステップＳ１４）。ここで、超過時間ｔ２は、電池１０の充電時において、電池電流Ｉｂ（Ｉｂ＜０）の大きさが許容充電電流Ｉｌｉｍを超えている状態が継続している時間である。最大充電電流Ｉｍａｘは、超過時間ｔ２における電池電流Ｉｂの最大値である。許容充電電流Ｉｌｉｍは、負極にリチウム金属が析出しない充電電流の最大値である。

ＥＣＵ１００は、電池１０の使用履歴に応じて「許容充電電流Ｉｌｉｍ」を定常的に算出している。そして、ＥＣＵ１００は、電池１０の充電時において、電池電流Ｉｂ（Ｉｂ＜０）の大きさが許容充電電流Ｉｌｉｍを超えている状態が継続している時間を「超過時間ｔ２」と特定するとともに、超過時間ｔ２における電池電流Ｉｂの最大値を「最大充電電流Ｉｍａｘ」と特定し、それらの履歴情報をメモリに記憶している。ＥＣＵ１００は、ステップＳ１４において、この履歴情報をメモリから読み出す。

図５は、許容充電電流Ｉｌｉｍ、超過時間ｔ２、および最大充電電流Ｉｍａｘの関係を示す図である。図５において、横軸は時間を示し、縦軸は電池電流Ｉｂを示す。なお、電池電流Ｉｂが負の値である場合に、電池電流Ｉｂの大きさが充電電流の大きさを示す。

電池１０の充電が開始されると、許容充電電流Ｉｌｉｍの大きさは、図５に示すように、充電継続に応じて徐々に小さい値（０に近い値）に低下される。

図５に示す例では、電池電流Ｉｂの大きさ（充電電流）が許容充電電流Ｉｌｉｍを超えている状態が継続している時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間が「超過時間ｔ２」として特定される。また、超過時間ｔ２中における電池電流Ｉｂの大きさ（充電電流）の最大値が「最大充電電流Ｉｍａｘ」として特定される。

図４に戻って、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１４において取得した超過時間ｔ２および最大充電電流Ｉｍａｘを用いて、負極におけるリチウムの析出総量Ａ（ｔ２，Ｉｍａｘ）を算出する（ステップＳ１６）。リチウムの析出総量Ａは、負極において針状に析出しているリチウムと粒子状に析出しているリチウムとを合わせた合計量である。

図６は、リチウムの析出総量Ａの算出に用いられるマップの一例を示す図である。このマップには、実験等によって求められた、超過時間ｔ２と最大充電電流Ｉｍａｘと析出総量Ａとの対応関係が規定されている。図６に示す例では、超過時間ｔ２が長く、かつ最大充電電流Ｉｍａｘが大きいほど、析出総量Ａが大きい値に設定されている。

なお、既に述べたように、負極表面に析出したリチウムの発熱量は、リチウムの析出量が多いほど、大きくなる。そのため、超過時間ｔ２が長く、かつ最大充電電流Ｉｍａｘが大きいほど、析出総量Ａに起因する発熱量は大きくなり、負極熱安定性がより大きく低下することになる。

図４に戻って、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１４において取得した超過時間ｔ２および最大充電電流Ｉｍａｘを用いて、負極におけるリチウムの針状析出量Ｂ（ｔ２，Ｉｍａｘ）を算出する（ステップＳ１８）。なお、析出総量Ａから針状析出量Ｂを差し引いた値が、負極におけるリチウムの粒子状析出量に相当する。

図７は、リチウムの針状析出量Ｂの算出に用いられるマップの一例を示す図である。このマップには、実験等によって求められた、超過時間ｔ２と最大充電電流Ｉｍａｘと針状析出量Ｂとの対応関係が規定されている。

既に述べたように、針状のリチウムは、大電流での充電が瞬時に行なわれる場合に発生し易い。一方、粒子状のリチウムは、小電流での充電が継続的に行なわれる場合に発生し易い。このような傾向が図７に示すマップに反映されている。すなわち、図７に示す例では、最大充電電流Ｉｍａｘが大きく、かつ超過時間ｔ２が短いほど、リチウムの針状析出量Ｂが大きい値に設定される。一方、最大充電電流Ｉｍａｘが小さく、かつ超過時間ｔ２が長いほど、粒子状の析出量が多くなるため、針状析出量Ｂは小さい値に設定される。

また、析出量が同じであっても、針状のリチウムの発熱量は、粒子状のリチウムの発熱量よりも大きい。そのため、超過時間ｔ２が短く、かつ最大充電電流Ｉｍａｘが大きいほど、リチウムの析出形状に起因する発熱量は大きくなり、負極熱安定性がより大きく低下することになる。

図４に戻って、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１６において算出された析出総量ＡおよびステップＳ１８において算出された針状析出量Ｂを用いて負極熱安定性低下量Ｎ（Ａ，Ｂ）を算出する（ステップＳ２０）。たとえば、ＥＣＵ１００は、実験等によって求められた、析出総量Ａと針状析出量Ｂと負極熱安定性低下量Ｎとの関係を示すマップをメモリに記憶しておき、このマップを参照して析出総量Ａおよび針状析出量Ｂに対応する負極熱安定性低下量Ｎ（Ａ，Ｂ）を算出する。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１２において算出した正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ１）とステップＳ２０において算出した負極熱安定性低下量Ｎ（Ａ，Ｂ）とを用いて、使用温度上限値Ｔｌｉｍを算出する。たとえば、ＥＣＵ１００は、下記の式（１）を用いて使用温度上限値Ｔｌｉｍを算出する。

Ｔｌｉｍ＝α・Ｍ（Ｔｂ，ｔ１）＋β・Ｎ（Ａ，Ｂ） …（１）
式（１）において、「α」は正極皮膜量Ｍ（Ｔｂ，ｔ１）を使用温度上限値Ｔｌｉｍに反映させるための係数であり、「β」は負極熱安定性低下量Ｎ（Ａ，Ｂ）を使用温度上限値Ｔｌｉｍに反映させるための係数である。係数α，βは、実験等によって予め決定しておくことができる。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、リチウムの析出量に関連する第１パラメータとして「リチウムの析出総量Ａ」を算出し、リチウムの析出形状に関連する第２パラメータとして「リチウムの針状析出量Ｂ」を算出する。そして、ＥＣＵ１００は、析出総量Ａおよび針状析出量Ｂを用いて使用温度上限値Ｔｌｉｍを設定する。そのため、析出総量Ａのみを用いて使用温度上限値Ｔｌｉｍを設定する場合に比べて、リチウムの析出形状の違いによる発熱量の違いを使用温度上限値Ｔｌｉｍに適切に反映させることができる。そのため、使用温度上限値Ｔｌｉｍを実際の発熱量に応じた適切な値に設定することができる。

なお、上述の実施の形態においては、リチウムの析出形状に関連する第２パラメータとして「リチウムの針状析出量Ｂ」を算出する例について説明した。しかしながら、析出形状に関連する第２パラメータは、必ずしも針状析出量Ｂであることに限定されない。たとえば、析出形状に関連する第２パラメータを、粒子状析出量としてもよいし、針状析出量と粒子状析出量との比率（負極の熱安定性低下に寄与する比率）としてもよい。

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、１０ 電池、１１ 電圧センサ、１２ 電流センサ、１３ 温度センサ、２０ 負荷、１００ ＥＣＵ。

Claims (1)

1. リチウムイオン二次電池の制御装置であって、
   前記リチウムイオン二次電池の充電電流を検出可能に構成された電流検出部と、
   前記リチウムイオン二次電池の使用温度の上限値を設定する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記充電電流が許容値を超える状態が継続した超過時間と前記超過時間中における前記充電電流の最大値とを用いて、前記リチウムイオン二次電池の負極におけるリチウムの析出総量を示す第１パラメータと、前記負極におけるリチウムの針状析出量を示す第２パラメータとを算出し、
   算出された前記第１パラメータおよび前記第２パラメータを用いて前記使用温度の上限値を設定し、
   前記制御部は、
   前記超過時間が長くかつ前記充電電流の最大値が大きいほど前記第１パラメータを大きい値にし、
   前記充電電流の最大値が大きくかつ前記超過時間が短いほど前記第２パラメータを大きい値にし、
   前記第１パラメータと前記第２パラメータと前記使用温度の上限値との対応関係を予め規定する情報を参照して、前記第１パラメータおよび前記第２パラメータに対応する前記使用温度の上限値を設定する、リチウムイオン二次電池の制御装置。

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