JP6951665B2

JP6951665B2 - Lithium ion capacitor controller

Info

Publication number: JP6951665B2
Application number: JP2018025961A
Authority: JP
Inventors: 幸義上野; 真里深津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2021-10-20
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: JP2019145564A

Description

本発明は、リチウムイオンキャパシタの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a lithium ion capacitor.

動力源に電気エネルギーを使用している車両（例えば自動車）では、様々なエネルギー要求への適応性を高めるために、特性の異なる複数の電力源を組み合わせた電源装置を用いることがある。例えば、これら車両の主電源または補助電源として好適に用いられ得る電力源の一つとして、リチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）が挙げられる。リチウムイオンキャパシタは、典型的には、電気二重層キャパシタの正極とリチウムイオン二次電池（ＬｉＢ）の負極とを組み合わせた構成を有し、リチウムイオン二次電池と比較して内部抵抗が低く、急速な充放電が可能であり、高寿命である等の利点がある。この種のリチウムイオンキャパシタに関する先行技術としては、特許文献１に記載されたものが挙げられる。 In a vehicle (for example, an automobile) that uses electric energy as a power source, a power supply device that combines a plurality of power sources having different characteristics may be used in order to improve adaptability to various energy requirements. For example, one of the power sources that can be suitably used as the main power source or the auxiliary power source of these vehicles is a lithium ion capacitor (LiC). A lithium ion capacitor typically has a configuration in which a positive electrode of an electric double layer capacitor and a negative electrode of a lithium ion secondary battery (LiB) are combined, and has a lower internal resistance than a lithium ion secondary battery. It can be charged and discharged rapidly, and has advantages such as long life. Prior arts relating to this type of lithium ion capacitor include those described in Patent Document 1.

特開２０１３−７８２３５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-78235

しかしながら、一般に、リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン二次電池と比較してエネルギー容量が小さいため、エネルギー入出力量を増加させることが困難であった。特に、低温の環境下（例えば、リチウムイオンキャパシタのセル内温度が約０℃以下となるような環境下）では、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗が増加する傾向があり、このように比較的高い内部抵抗を示す低温の環境下では、従来の制御方法を用いてリチウムイオンキャパシタの充放電を行なった場合に、エネルギー入出力量がより低下する傾向があった。 However, in general, a lithium ion capacitor has a smaller energy capacity than a lithium ion secondary battery, so that it is difficult to increase the amount of energy input / output. In particular, in a low temperature environment (for example, in an environment where the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor is about 0 ° C. or less), the internal resistance of the lithium ion capacitor tends to increase, and the internal resistance is relatively high. In a low temperature environment showing resistance, the amount of energy input / output tends to decrease further when the lithium ion capacitor is charged / discharged using a conventional control method.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、低温環境下でのリチウムイオンキャパシタのエネルギー入出力量低下を抑制し得るような充放電制御を行う、リチウムイオンキャパシタの制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of this point, and provides a control device for a lithium ion capacitor that performs charge / discharge control that can suppress a decrease in the amount of energy input / discharge of the lithium ion capacitor in a low temperature environment. With the goal.

本発明によると、リチウムイオンキャパシタの制御装置が提供される。上記制御装置は、上記リチウムイオンキャパシタのセル内の温度を測定する温度測定部と、該リチウムイオンキャパシタの充放電を制御する充放電制御部と、を備えている。 According to the present invention, a control device for a lithium ion capacitor is provided. The control device includes a temperature measuring unit that measures the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor, and a charging / discharging control unit that controls charging / discharging of the lithium ion capacitor.

ここで、所定の温度環境下において、所定の充電開始ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）を有する上記リチウムイオンキャパシタに対して一定の電力Ｐで該リチウムイオンキャパシタを充電したときの充電開始から該リチウムイオンキャパシタのＳＯＣが１００％になるまでの時間Ｔと、該電力Ｐと、の積で定義される入力エネルギーＥについて、該入力エネルギーＥが極大値をとる前記充電開始ＳＯＣを放電下限ＳＯＣとする。このとき、上記充放電制御部は、上記温度測定部が測定した上記温度に対応する上記放電下限ＳＯＣ未満の領域での上記リチウムイオンキャパシタの放電を禁止すること、を特徴とする。 Here, under a predetermined temperature environment, the lithium ion capacitor is charged from the start of charging when the lithium ion capacitor is charged with a constant electric power P with respect to the lithium ion capacitor having a predetermined charge start SOC (State of charge). With respect to the input energy E defined by the product of the time T until the SOC becomes 100% and the electric power P, the charge start SOC at which the input energy E takes a maximum value is defined as the discharge lower limit SOC. At this time, the charge / discharge control unit is characterized in that the discharge of the lithium ion capacitor is prohibited in the region below the discharge lower limit SOC corresponding to the temperature measured by the temperature measuring unit.

かかる構成の制御装置によると、制御対象のリチウムイオンキャパシタが低温環境下（例えば、該リチウムイオンキャパシタのセル内温度が約０℃以下となるような環境下）において充放電がなされた場合であっても、上記放電下限ＳＯＣ未満の領域から充電を開始することが抑制されるため、エネルギー入出力量（エネルギー容量）の低下を抑制することができる。 According to the control device having such a configuration, the lithium ion capacitor to be controlled is charged and discharged in a low temperature environment (for example, in an environment where the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor is about 0 ° C. or lower). However, since charging is suppressed from the region below the discharge lower limit SOC, it is possible to suppress a decrease in the amount of energy input / output (energy capacity).

一実施形態に係る制御装置の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the control device which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタのセル内温度と放電下限ＳＯＣとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature in the cell of the lithium ion capacitor which concerns on one Embodiment, and the discharge lower limit SOC. 一実施形態に係る充放電制御方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the charge / discharge control method which concerns on one Embodiment. 制御対象のリチウムイオンキャパシタの、所定温度環境下における入力エネルギーの測定方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement method of the input energy of the lithium ion capacitor to be controlled under a predetermined temperature environment. 一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタについて、−３０℃環境下において所定の充電開始ＳＯＣから充電したときの経時的電圧変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent voltage change when the lithium ion capacitor which concerns on one Embodiment is charged from a predetermined charge start SOC in an environment of −30 ° C. 一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタについて、２５℃環境下において所定の充電開始ＳＯＣから充電したときの経時的電圧変化を示すグラフであるIt is a graph which shows the time-dependent voltage change when the lithium ion capacitor which concerns on one Embodiment is charged from a predetermined charge start SOC in an environment of 25 degreeC. 一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタについて、−３０℃環境下における入力エネルギーと充電開始ＳＯＣとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the input energy and the charge start SOC in the environment of −30 ° C. about the lithium ion capacitor which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係るリチウムイオンキャパシタについて、２５℃環境下における入力エネルギーと充電開始ＳＯＣとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the input energy and the charge start SOC in the environment of 25 degreeC for the lithium ion capacitor which concerns on one Embodiment.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄（例えば、本発明を特徴づけないＬＩＣの構造等）であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. Matters other than those specifically mentioned in the present specification (for example, the structure of a LIC that does not characterize the present invention) and necessary for carrying out the present invention are those skilled in the art based on the prior art in the art. It can be grasped as a design matter. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the art.

本明細書において、ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）とは、リチウムイオンキャパシタの充電状態を表すものであり、該リチウムイオンキャパシタの常用上限電圧のときがＳＯＣ１００％であり、常用下限電圧のときがＳＯＣ０％であるとする。 In the present specification, the SOC (State of Charge) represents the state of charge of the lithium ion capacitor, the SOC is 100% when the lithium ion capacitor has a normal upper limit voltage, and the SOC is 0% when the lithium ion capacitor has a normal lower limit voltage. Suppose that

＜制御装置＞
図１に、本発明の一実施形態に係る制御装置５０の構成を模式的に示す。また、制御装置５０の制御対象であるリチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）１０を示す。ここに開示されるリチウムイオンキャパシタ１０の制御装置５０は、温度測定部２０と充放電制御部３０とを含む。温度測定部２０は、リチウムイオンキャパシタ１０の筐体（外装体）およびその内部の少なくとも一箇所に設置された温度センサー２２を含む。温度測定部２０は、温度センサー２２により検知されたデータを基にして、リチウムキャパシタ１０のセル内の温度を測定（算出）する。温度センサー２２は、製造容易性等の観点から、リチウムイオンキャパシタ１０の筐体（外装体）の一部を構成する蓋部に設置されていてもよい。充放電制御部３０は、温度測定部２０により測定されたリチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度を参照しながら、後述する充放電制御方法によりリチウムイオンキャパシタ１０の充放電を制御する。 <Control device>
FIG. 1 schematically shows the configuration of the control device 50 according to the embodiment of the present invention. Further, the lithium ion capacitor (LIC) 10 which is the control target of the control device 50 is shown. The control device 50 of the lithium ion capacitor 10 disclosed herein includes a temperature measuring unit 20 and a charge / discharge control unit 30. The temperature measuring unit 20 includes a housing (exterior body) of the lithium ion capacitor 10 and a temperature sensor 22 installed at at least one place inside the housing (exterior body). The temperature measuring unit 20 measures (calculates) the temperature inside the cell of the lithium capacitor 10 based on the data detected by the temperature sensor 22. From the viewpoint of ease of manufacture and the like, the temperature sensor 22 may be installed on a lid portion that forms a part of the housing (exterior body) of the lithium ion capacitor 10. The charge / discharge control unit 30 controls the charge / discharge of the lithium ion capacitor 10 by the charge / discharge control method described later while referring to the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 measured by the temperature measurement unit 20.

ここで、低温の環境下（例えば、リチウムイオンキャパシタ１０のセル内温度が約０℃以下となるような環境下、以下同じ。）においてリチウムイオンキャパシタ１０の充放電を従来の制御方法を用いて行なった場合に、エネルギー入出力量（エネルギー容量）が低下する傾向がみられる理由について簡単に説明する。 Here, in a low temperature environment (for example, in an environment where the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 is about 0 ° C. or less, the same applies hereinafter), charging / discharging of the lithium ion capacitor 10 is performed by using a conventional control method. The reason why the amount of energy input / output (energy capacity) tends to decrease when this is performed will be briefly explained.

一般に、リチウムイオンキャパシタ１０は低温になると、内部抵抗が上昇する傾向がある。ここで、内部抵抗が相対的に高い状態でリチウムイオンキャパシタ１０に対して充電（入力）が行われると、リチウムイオンキャパシタ１０は過電圧状態となり易くなり、その結果、リチウムイオンキャパシタ１０への充電が制限（入力制限）されることがある。このため、低温環境下においてリチウムイオンキャパシタ１０の充放電を行った場合に、エネルギー入出量（容量）が本来期待されていた値よりも低下してしまう傾向があった。 Generally, the internal resistance of the lithium ion capacitor 10 tends to increase at a low temperature. Here, if the lithium ion capacitor 10 is charged (input) while the internal resistance is relatively high, the lithium ion capacitor 10 is likely to be in an overvoltage state, and as a result, the lithium ion capacitor 10 is charged. It may be restricted (input restriction). Therefore, when the lithium ion capacitor 10 is charged and discharged in a low temperature environment, the energy input / output amount (capacity) tends to be lower than the originally expected value.

本発明者らの検討によると、かかるエネルギー入出力量の低下は、上述したリチウムイオンキャパシタ１０のセル内温度の他にも、リチウムイオンキャパシタ１０の充電（入力）を開始するときのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）（以下、「充電開始ＳＯＣ」ともいう。）に影響されることが分かってきた。即ち、低温の環境下（例えば、セル内温度が０℃以下）において、低ＳＯＣ（例えばＳＯＣ４０％未満）となるまで放電したリチウムイオンキャパシタ１０に対して充電を開始し、充電を開始したときのリチウムイオンキャパシタ１０の充電開始ＳＯＣが低い（例えば、充電開始ＳＯＣが４０％未満の）場合に、リチウムイオンキャパシタ１０のエネルギー入出量が大きく低下することがわかってきた。これは、低温環境下において低ＳＯＣから充電が行われると、リチウムイオンキャパシタ１０の電圧がより短期間で上限電圧に到達しやすくなり、充電制限をより受け易くなるためであると考えられる。これらの理由により、低温環境下において、所定値未満の低ＳＯＣ領域からの充電を禁止することにより、非効率なリチウムイオンキャパシタ１０の充放電を抑制することができ、結果として、リチウムイオンキャパシタ１０のエネルギー入出力量の低下を抑制することができる。 According to the study by the present inventors, such a decrease in the amount of energy input / output is caused by the SOC (State of It has been found that it is affected by (charge) (hereinafter, also referred to as "charging start SOC"). That is, when charging is started for the lithium ion capacitor 10 discharged until the SOC becomes low (for example, less than 40% SOC) in a low temperature environment (for example, the temperature inside the cell is 0 ° C. or less), and charging is started. It has been found that when the charge start SOC of the lithium ion capacitor 10 is low (for example, the charge start SOC is less than 40%), the energy input / output amount of the lithium ion capacitor 10 is significantly reduced. It is considered that this is because when charging is performed from a low SOC in a low temperature environment, the voltage of the lithium ion capacitor 10 is more likely to reach the upper limit voltage in a shorter period of time, and is more likely to be subject to charging restrictions. For these reasons, inefficient charging / discharging of the lithium ion capacitor 10 can be suppressed by prohibiting charging from a low SOC region less than a predetermined value in a low temperature environment, and as a result, the lithium ion capacitor 10 can be suppressed. It is possible to suppress a decrease in the amount of energy input / output.

＜放電下限ＳＯＣ＞
ここに開示される制御装置５０によると、充放電制御部３０は、所定のＳＯＣ（以下、「放電下限ＳＯＣ」ともいう。）未満の領域でのリチウムイオンキャパシタ１０の放電を禁止する。これにより、充電開始ＳＯＣが上記放電下限ＳＯＣ未満となることが制限されるため、低温環境下におけるリチウムイオンキャパシタ１０の非効率な充電を抑制することができる。ここで、放電下限ＳＯＣは、リチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度に依存して変化する値として規定され得る。このため、充放電制御部３０は、温度測定部２０が測定したリチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度を参照しつつ、該温度に対応する放電下限ＳＯＣ未満の領域でのリチウムイオンキャパシタ１０の放電を禁止することが好ましい。 <Discharge lower limit SOC>
According to the control device 50 disclosed here, the charge / discharge control unit 30 prohibits the discharge of the lithium ion capacitor 10 in a region less than a predetermined SOC (hereinafter, also referred to as “discharge lower limit SOC”). As a result, the charging start SOC is limited to be less than the discharge lower limit SOC, so that inefficient charging of the lithium ion capacitor 10 in a low temperature environment can be suppressed. Here, the discharge lower limit SOC can be defined as a value that changes depending on the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10. Therefore, the charge / discharge control unit 30 refers to the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 measured by the temperature measurement unit 20, and discharges the lithium ion capacitor 10 in a region below the discharge lower limit SOC corresponding to the temperature. It is preferable to prohibit.

ここに開示される技術において、制御対象のリチウムイオンキャパシタ１０について、所定温度環境下における放電下限ＳＯＣの具体的な値は、以下の方法により算出することができる。まず、所定のセル内温度と所定の充電開始ＳＯＣを有するリチウムイオンキャパシタ１０に対して、一定の電力Ｐで充電をする。そして、充電開始からリチウムイオンキャパシタ１０のＳＯＣが１００％になるまでの時間Ｔを測定する。次いで、測定された時間Ｔと電力Ｐとの積である入力エネルギーＥを算出する。このとき、入力エネルギーＥが充電開始ＳＯＣに対して極大値をとる場合、入力エネルギーＥが極大値をとるときの充電開始ＳＯＣを、上記温度におけるリチウムイオンキャパシタ１０の放電下限ＳＯＣとする。 In the technique disclosed herein, for the lithium ion capacitor 10 to be controlled, the specific value of the discharge lower limit SOC under a predetermined temperature environment can be calculated by the following method. First, the lithium ion capacitor 10 having a predetermined in-cell temperature and a predetermined charging start SOC is charged with a constant electric power P. Then, the time T from the start of charging until the SOC of the lithium ion capacitor 10 reaches 100% is measured. Next, the input energy E, which is the product of the measured time T and the electric power P, is calculated. At this time, when the input energy E takes a maximum value with respect to the charging start SOC, the charging start SOC when the input energy E takes a maximum value is set as the discharge lower limit SOC of the lithium ion capacitor 10 at the above temperature.

セル内温度が所定の温度よりも高い場合には、リチウムイオンキャパシタ１０の入力エネルギーＥは、充電開始ＳＯＣが低いほど大きくなる傾向があり、極大値が存在しない傾向がある。このような場合は、放電下限ＳＯＣは設定されない。 When the temperature inside the cell is higher than a predetermined temperature, the input energy E of the lithium ion capacitor 10 tends to increase as the charging start SOC decreases, and the maximum value tends not to exist. In such a case, the discharge lower limit SOC is not set.

図２に、一実施形態にかかるリチウムイオンキャパシタ１０の放電下限ＳＯＣとセル内温度との関係を示す。本実施形態にかかるリチウムイオンキャパシタ１０では、セル内温度が０℃よりも高いとき、上記入力エネルギーＥは極大値を取らないため、便宜上、放電下限ＳＯＣを０％としている。
セル内温度が０℃以下のときは、上記入力エネルギーＥは極大値を有する。このとき、上記極大値をとるときのＳＯＣである放電下限ＳＯＣは、図２に示すように、セル内温度が低下するのに従って上昇する傾向がある。本発明を本実施形態にかかるリチウムイオンキャパシタ１０に適用する場合、放電下限ＳＯＣは以下のように設定することが好ましい。即ち、セル内温度が−１０℃超０℃以下の場合は放電下限をＳＯＣ０％〜５％、セル内温度が−２０℃超−１０℃以下の場合は放電下限をＳＯＣ５％〜１０％、セル内温度が−３０℃超−２０℃以下の場合は放電下限ＳＯＣを１０％〜４０％、セル内温度が−４０℃以上−３０℃以下の場合は放電下限ＳＯＣを４０％〜５５％の範囲に設定することが好ましい。 FIG. 2 shows the relationship between the discharge lower limit SOC of the lithium ion capacitor 10 and the temperature inside the cell according to the embodiment. In the lithium ion capacitor 10 according to the present embodiment, when the temperature inside the cell is higher than 0 ° C., the input energy E does not take a maximum value. Therefore, for convenience, the lower limit of discharge SOC is set to 0%.
When the temperature inside the cell is 0 ° C. or lower, the input energy E has a maximum value. At this time, the discharge lower limit SOC, which is the SOC when the maximum value is taken, tends to increase as the temperature inside the cell decreases, as shown in FIG. When the present invention is applied to the lithium ion capacitor 10 according to the present embodiment, the discharge lower limit SOC is preferably set as follows. That is, when the temperature inside the cell is more than -10 ° C and 0 ° C or less, the lower limit of discharge is SOC 0% to 5%, and when the temperature inside the cell is more than -20 ° C and less than -10 ° C, the lower limit of discharge is SOC 5% to 10%. When the internal temperature is more than -30 ° C and -20 ° C or less, the lower limit SOC of discharge is 10% to 40%, and when the temperature inside the cell is -40 ° C or more and -30 ° C or less, the lower limit of discharge SOC is in the range of 40% to 55%. It is preferable to set to.

＜充放電制御方法＞
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、ここに開示される制御装置５０によるリチウムイオンキャパシタ１０の制御方法の一実施形態について説明する。なお、図３に示す例では、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）１０は、リチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）と共に用いられた電源システムの形態で用いられている。 <Charging / discharging control method>
Next, an embodiment of a method of controlling the lithium ion capacitor 10 by the control device 50 disclosed here will be described with reference to the flowchart of FIG. In the example shown in FIG. 3, the lithium ion capacitor (LIC) 10 is used in the form of a power supply system used together with the lithium ion secondary battery (LIB).

本実施形態の制御方法では、リチウムイオンキャパシタ１０のセルの蓋部に設置された温度センサー２２によりリチウムイオンキャパシタ１０の蓋部の温度を測定する（Ｓ１０）。かかる温度のデータを基に、予め作成されたリチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度を推定するセル内温度推定マップを参照しながら、温度測定部２０は、リチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度を算出する（Ｓ１２）。次に、充放電制御部３０は、リチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度が予め定められた所定の温度（本例では０℃）以下であるか否かを判定する（Ｓ１４）。 In the control method of the present embodiment, the temperature of the lid of the lithium ion capacitor 10 is measured by the temperature sensor 22 installed on the lid of the cell of the lithium ion capacitor 10 (S10). Based on the temperature data, the temperature measuring unit 20 measures the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 while referring to the temperature estimation map inside the cell that estimates the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 created in advance. Calculate (S12). Next, the charge / discharge control unit 30 determines whether or not the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 is equal to or lower than a predetermined predetermined temperature (0 ° C. in this example) (S14).

ここでリチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度が、所定の温度より高い場合（本例では０℃より高い場合）には（Ｓ１４：Ｎｏ）、充放電制御部３０は、リチウムイオンキャパシタ１０に対して、通常の充放電制御を実施する（Ｓ１６）。逆に、リチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度が所定の温度以下である場合（本例では０℃以下である場合）には（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、充放電制御部３０は、リチウムイオンキャパシタ１０の積層体（スタック）が放電中であるか否かを判定する（Ｓ１８）。 Here, when the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 is higher than a predetermined temperature (in this example, higher than 0 ° C.) (S14: No), the charge / discharge control unit 30 refers to the lithium ion capacitor 10 with respect to the lithium ion capacitor 10. Then, normal charge / discharge control is performed (S16). On the contrary, when the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor 10 is equal to or lower than a predetermined temperature (in this example, 0 ° C. or lower) (S14: Yes), the charge / discharge control unit 30 uses the lithium ion capacitor 10 It is determined whether or not the laminated body (stack) of the above is being discharged (S18).

ここでリチウムイオンキャパシタ１０のスタックが放電中でない場合には（Ｓ１８：Ｎｏ）、リチウムイオンキャパシタ１０に対して、通常の充放電制御が実施される（Ｓ２０）。しかしながら、リチウムイオンキャパシタ１０のスタックが放電中であった場合には（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、充放電制御部３０は、リチウムイオンキャパシタ１０のセル内の温度に対応した放電下限ＳＯＣ未満での放電を禁止する放電制御を実施する（Ｓ２２）。かかる放電制御により、充電開始ＳＯＣが上記放電下限ＳＯＣ未満となることが制限されるため、非効率な充電（即ち、エネルギー入出量が低下し得る充電）が抑制され得る。 Here, when the stack of the lithium ion capacitors 10 is not being discharged (S18: No), normal charge / discharge control is performed on the lithium ion capacitors 10 (S20). However, when the stack of the lithium ion capacitor 10 is being discharged (S18: Yes), the charge / discharge control unit 30 discharges the lithium ion capacitor 10 below the discharge lower limit SOC corresponding to the temperature inside the cell. The prohibited discharge control is performed (S22). By such discharge control, it is restricted that the charge start SOC is less than the discharge lower limit SOC, so that inefficient charging (that is, charging in which the amount of energy input / output can be reduced) can be suppressed.

上記放電制御が実施された場合、リチウムイオンキャパシタ１０のＳＯＣ使用制限により制限された充放電に関しては、リチウムイオンキャパシタ１０に接続されたリチウムイオン二次電池側への入出力分配を増加させる制御を行うことにより補うことができる（Ｓ２４）。これにより、リチウムイオンキャパシタ１０とリチウムイオン二次電池とを含む電源システム全体として総入出力量を維持することが容易となる。 When the above discharge control is performed, control for increasing the input / output distribution to the lithium ion secondary battery side connected to the lithium ion capacitor 10 is performed for the charge / discharge limited by the SOC usage restriction of the lithium ion capacitor 10. It can be supplemented by doing (S24). This makes it easy to maintain the total input / output amount of the entire power supply system including the lithium ion capacitor 10 and the lithium ion secondary battery.

次に再び、リチウムイオンキャパシタ１０の温度を測定するステップ（Ｓ１０）に戻り、以降、上記のステップを繰り返す。これにより、セル内の温度が再び所定の温度（本例では０℃）よりも高くなった場合に、放電制御が解除されて通常の充放電制御が実施される（復帰制御）。かかる復帰制御により、より効率的にリチウムイオンキャパシタ１０のエネルギー容量を利用することができる。 Next, the process returns to the step (S10) of measuring the temperature of the lithium ion capacitor 10 again, and the above steps are repeated thereafter. As a result, when the temperature inside the cell becomes higher than the predetermined temperature (0 ° C. in this example) again, the discharge control is canceled and the normal charge / discharge control is performed (return control). By such recovery control, the energy capacity of the lithium ion capacitor 10 can be used more efficiently.

ここに開示される制御装置５０および制御方法が制御対象とするリチウムイオンキャパシタ１０の構成については、特に限定されず、通常用いられているものと同様のものが用いられ得る。以下、ここに開示される技術が適用され得るリチウムイオンキャパシタ１０について簡単に説明する。 The configuration of the lithium ion capacitor 10 to be controlled by the control device 50 and the control method disclosed herein is not particularly limited, and the same ones that are usually used can be used. Hereinafter, the lithium ion capacitor 10 to which the technique disclosed herein can be applied will be briefly described.

リチウムイオンキャパシタ１０の正極は、一般的な電気二重層キャパシタの正極と同様でよい。典型的な一態様では、正極集電体と、該正極集電体上に固着された正極活物質層とを備える。正極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材（例えばアルミニウムエッチング箔）が好適である。正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含み、さらに他の任意成分（例えば導電材やバインダ等）を含み得る。正極活物質としては、比表面積が比較的大きな炭素材料（例えば活性炭）が好適である。比表面積が比較的大きな材料を用いることで、電荷担体の吸脱着能が高まり、キャパシタとしての静電容量が向上する。導電材としては、例えば、カーボンブラック（典型的には、アセチレンブラックやケッチェンブラック）が好適である。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等が好適である。 The positive electrode of the lithium ion capacitor 10 may be the same as the positive electrode of a general electric double layer capacitor. In a typical aspect, a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer fixed on the positive electrode current collector are provided. As the positive electrode current collector, a conductive member (for example, an aluminum etching foil) made of a metal having good conductivity is suitable. The positive electrode active material layer contains at least the positive electrode active material, and may further contain other optional components (for example, a conductive material, a binder, etc.). As the positive electrode active material, a carbon material having a relatively large specific surface area (for example, activated carbon) is suitable. By using a material having a relatively large specific surface area, the adsorption / desorption ability of the charge carrier is enhanced, and the capacitance as a capacitor is improved. As the conductive material, for example, carbon black (typically, acetylene black or ketjen black) is suitable. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene oxide (PEO) and the like are suitable.

リチウムイオンキャパシタ１０の負極は、一般的なリチウムイオン二次電池の負極と同様でよい。典型的な一態様では、負極集電体と、該負極集電体上に固着された負極活物質層とを備える。負極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材（例えば銅パンチングメタル）を好適に採用し得る。パンチング加工（孔あけ）された導電性部材を用いることで、リチウムイオンのプレドープ作業を好適に行うことができ、容量を増加させることができる。負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含み、さらに他の任意成分（例えばバインダや増粘剤等）を含み得る。負極活物質としては、例えば、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）等の炭素材料が好適である。バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等が好適である。また、増粘剤としては、高分子化合物、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やメチルセルロース（ＭＣ）等のセルロース類が好適である。 The negative electrode of the lithium ion capacitor 10 may be the same as the negative electrode of a general lithium ion secondary battery. In a typical aspect, a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer fixed on the negative electrode current collector are provided. As the negative electrode current collector, a conductive member made of a metal having good conductivity (for example, copper punching metal) can be preferably adopted. By using the punched (perforated) conductive member, the lithium ion predoping operation can be suitably performed, and the capacity can be increased. The negative electrode active material layer may contain at least the negative electrode active material and may further contain other optional components (eg, binder, thickener, etc.). As the negative electrode active material, for example, carbon materials such as graphite (graphite), non-graphitized carbon (hard carbon), and easily graphitized carbon (soft carbon) are suitable. As the binder, for example, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO) and the like are suitable. Further, as the thickener, polymer compounds such as celluloses such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose (MC) are suitable.

リチウムイオンキャパシタ１０の非水電解質は、典型的な一態様では、非水溶媒と支持塩とを含む。非水溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒が好適である。なかでも、カーボネート類、例えば、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）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等が好適である。支持塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４等が好適である。 The non-aqueous electrolyte of the lithium ion capacitor 10 typically comprises a non-aqueous solvent and a supporting salt. As the non-aqueous solvent, for example, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones are suitable. Among them, carbonates, for example, ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and the like are preferable. As the supporting salt, LiPF ₆ , LiBF _{4, and the} like are suitable.

リチウムイオンキャパシタ１０の代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在する。セパレータとしては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂からなる多孔質シートが好適である。リチウムイオンキャパシタ１０のケースとしては、アルミニウム等の軽量な金属製のものが好適である。 In a typical configuration of the lithium ion capacitor 10, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, for example, a porous sheet made of a resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP) is suitable. As the case of the lithium ion capacitor 10, a case made of a lightweight metal such as aluminum is preferable.

リチウムイオンキャパシタ１０の重量は、例えば、１００〜３００ｇ（典型的には、１３０〜２２０ｇ）であり得る。リチウムイオンキャパシタ１０のサイズは、例えば、縦６０〜２００ｍｍ×横８〜３０ｍｍ×高さ４０〜９０ｍｍ（典型的には、縦８０〜１５０ｍｍ×横１０〜２０ｍｍ×高さ５０〜８０ｍｍ）であり得る。
また、リチウムイオンキャパシタ１０の常用上限電圧は、例えば、２．８〜４．５Ｖ（典型的には、３．６〜４．２Ｖ）であり得る。リチウムイオンキャパシタ１０の常用下限電圧は、例えば、１．３〜３．０Ｖ（典型的には、１．８〜２．４Ｖ）であり得る。リチウムイオンキャパシタ１０の常用電圧範囲における静電容量は、例えば、１０００〜７０００Ｆ（典型的には、２０００〜５５００Ｆ）程度であり得る。 The weight of the lithium ion capacitor 10 can be, for example, 100 to 300 g (typically 130 to 220 g). The size of the lithium ion capacitor 10 can be, for example, 60 to 200 mm in length × 8 to 30 mm in width × 40 to 90 mm in height (typically 80 to 150 mm in length × 10 to 20 mm in width × 50 to 80 mm in height). ..
Further, the normal upper limit voltage of the lithium ion capacitor 10 can be, for example, 2.8 to 4.5 V (typically 3.6 to 4.2 V). The working lower limit voltage of the lithium ion capacitor 10 can be, for example, 1.3 to 3.0 V (typically 1.8 to 2.4 V). The capacitance of the lithium ion capacitor 10 in the normal voltage range can be, for example, about 1000 to 7000F (typically 2000 to 5500F).

ここに開示されるリチウムイオンキャパシタ１０の制御装置および制御方法は、動力源の全部あるいは一部に電気エネルギーを使用している車両に好適に用いられ得る。かかる車両としては、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動スクータ等が挙げられる。 The control device and control method of the lithium ion capacitor 10 disclosed herein can be suitably used for a vehicle that uses electric energy for all or part of a power source. Examples of such a vehicle include a hybrid vehicle (HV), a plug-in hybrid vehicle (PHV), an electric vehicle (EV), a hybrid railroad vehicle, a forklift, an electric wheelchair, an electrically assisted bicycle, an electric scooter and the like.

以下、本発明に関する試験例を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。 Hereinafter, test examples relating to the present invention will be described, but the following description is not intended to limit the present invention.

図４に示すフローチャートに従って、所定の温度環境下におけるリチウムイオンキャパシタの入力エネルギーを測定し、リチウムイオンキャパシタの入力エネルギーと充電開始ＳＯＣとの関係を調べた。 According to the flowchart shown in FIG. 4, the input energy of the lithium ion capacitor under a predetermined temperature environment was measured, and the relationship between the input energy of the lithium ion capacitor and the charging start SOC was investigated.

＜リチウムイオンキャパシタの構築＞
図４を参照しながら、試験方法について説明する。まず、所定の温度に保たれた恒温槽内でリチウムキャパシタを構築した（Ｓ３０）。本試験例では、正極活物質に活性炭、グラフェンおよび導電性高分子を用い、正極集電箔にアルミニウム箔を用いた正極と、負極活物質にカーボンおよび活性炭を用い、負極集電箔に銅箔を用いた負極と、ポリエチレン（ＰＥ）とポロプロピレン（ＰＰ）を含むセパレータと、を備えたリチウムイオンキャパシタを構築した。構築したリチウムイオンキャパシタには、初期充電を含む通常の初期処理を施した。 <Construction of lithium ion capacitor>
The test method will be described with reference to FIG. First, a lithium capacitor was constructed in a constant temperature bath kept at a predetermined temperature (S30). In this test example, active carbon, graphene and a conductive polymer are used as the positive electrode active material, aluminum foil is used as the positive electrode current collector foil, carbon and activated carbon are used as the negative electrode active material, and copper foil is used as the negative electrode current collector foil. A lithium ion capacitor including a negative electrode using the above and a separator containing polyethylene (PE) and polypropylene (PP) was constructed. The constructed lithium-ion capacitor was subjected to normal initial treatment including initial charging.

＜入力エネルギーの測定＞
＜試験例１＞
上記リチウムイオンキャパシタを−３０℃の環境下に置き（Ｓ３２）、以下の試験を行った。まず、所定のＳＯＣとなるまで低電流で放電を行い、所定の充電開始ＳＯＣとなるまでＳＯＣの調整をした（Ｓ３４）。このように所定の充電開始ＳＯＣに調整されたリチウムイオンキャパシタに対して一定の電力Ｐ（Ｗ）で充電を開始し、リチウムイオンキャパシタのＳＯＣが１００％（電圧３．８Ｖ）となるまでの充電時間Ｔと、リチウムイオンキャパシタの経時的な電圧（Ｖ）変化を測定した（Ｓ３６）。得られた充電時間Ｔと電力Ｐ（Ｗ）の積から入力エネルギーＥ（Ｗｈ）を算出した（Ｓ３８）。かかる測定は、充電開始ＳＯＣを０〜８０％の範囲で変化させながら繰り返し行った。 <Measurement of input energy>
<Test Example 1>
The lithium ion capacitor was placed in an environment of −30 ° C. (S32), and the following tests were performed. First, discharge was performed with a low current until a predetermined SOC was reached, and the SOC was adjusted until a predetermined charging start SOC was reached (S34). Charging of the lithium-ion capacitor adjusted to the predetermined charging start SOC with a constant power P (W) is started, and charging is performed until the SOC of the lithium-ion capacitor reaches 100% (voltage 3.8V). The time T and the change in voltage (V) of the lithium ion capacitor with time were measured (S36). The input energy E (Wh) was calculated from the product of the obtained charging time T and the electric power P (W) (S38). Such measurement was repeated while changing the charging start SOC in the range of 0 to 80%.

＜試験例２＞
上記リチウムイオンキャパシタを２５℃の環境下において試験を行ったこと以外は、試験例１と同様の方法により、リチウムイオンキャパシタの入力エネルギー測定試験を行った。 <Test Example 2>
The input energy measurement test of the lithium ion capacitor was carried out by the same method as in Test Example 1 except that the above lithium ion capacitor was tested in an environment of 25 ° C.

試験例１および２における入力エネルギー測定試験の結果を図５〜図８に示す。ここで、図５および６は、−３０℃環境下または２５℃環境下においてリチウムイオンキャパシタを充電した時の経時的電圧変化と、その充電開始ＳＯＣとの関係を示すグラフであり、縦軸は電圧（Ｖ）を、横軸は測定時間（秒）を示す。また、図７および８は、−３０℃環境下または２５℃環境下におけるリチウムイオンキャパシタの入力エネルギーＥと充電開始ＳＯＣとの関係を示すグラフであり、縦軸は入力エネルギー（Ｗｈ）を、横軸は充電開始ＳＯＣ（％）を示す。 The results of the input energy measurement test in Test Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 5 to 8. Here, FIGS. 5 and 6 are graphs showing the relationship between the voltage change over time when the lithium ion capacitor is charged in an environment of −30 ° C. or 25 ° C. and the charging start SOC, and the vertical axis represents the vertical axis. The voltage (V) is shown on the horizontal axis, and the measurement time (seconds) is shown on the horizontal axis. Further, FIGS. 7 and 8 are graphs showing the relationship between the input energy E of the lithium ion capacitor and the charging start SOC under the environment of −30 ° C. or 25 ° C., and the vertical axis represents the input energy (Wh). The axis indicates the charging start SOC (%).

図６に示す結果から明らかなように、２５℃の環境下におけるリチウムイオンキャパシタの充電では、充電時間の経過に伴ってリチウムイオンキャパシタの電圧が上昇していくが、その電圧上昇の速度は充電開始ＳＯＣにあまり依存しないことがわかった。 As is clear from the results shown in FIG. 6, when charging a lithium ion capacitor in an environment of 25 ° C., the voltage of the lithium ion capacitor increases with the lapse of the charging time, but the rate of the voltage increase is charging. It turned out to be less dependent on the starting SOC.

一方、図５に示す結果から明らかなように、−３０℃（低温）の環境下におけるリチウムイオンキャパシタの充電では、充電開始ＳＯＣが低い（例えば充電開始ＳＯＣが０％）と、電圧の上昇速度が大きくなり、電圧が比較的短時間のうちに充電の制限を受ける上限電圧に到達してしまうことがわかった。 On the other hand, as is clear from the results shown in FIG. 5, when charging a lithium ion capacitor in an environment of −30 ° C. (low temperature), when the charging start SOC is low (for example, the charging start SOC is 0%), the voltage rise rate is high. It was found that the voltage reached the upper limit voltage, which is limited by charging, in a relatively short time.

図８に示す結果を参照すると、２５℃の環境下におけるリチウムイオンキャパシタの充電では、充電開始ＳＯＣが低下するほど、入力エネルギーは増加する傾向を示していた。また充電開始ＳＯＣに対する入力エネルギーの値は、極大値をもたないことがわかった。 Referring to the result shown in FIG. 8, in the charging of the lithium ion capacitor in the environment of 25 ° C., the input energy tends to increase as the charging start SOC decreases. It was also found that the value of the input energy with respect to the charging start SOC does not have a maximum value.

一方、図７に示す結果から明らかなように、−３０℃（低温）の環境下におけるリチウムイオンキャパシタの充電では、充電開始ＳＯＣが４０％以上の領域では、充電開始ＳＯＣが低下するほど入力エネルギーは増加するが、充電開始ＳＯＣが４０％未満の領域では、充電開始ＳＯＣが低下するほど、逆に、入力エネルギーは低下する傾向があることがわかった。即ち、充電開始ＳＯＣに対する入力エネルギーの値は、約ＳＯＣ４０％で極大値を持つことが明らかとなった。これは、−３０℃（低温）の環境下におけるリチウムイオンキャパシタの充電では、電圧が比較的短時間のうちに電圧が上限電圧に到達してしまい、充電制限を受けたためであると考えられる。 On the other hand, as is clear from the results shown in FIG. 7, when charging a lithium ion capacitor in an environment of −30 ° C. (low temperature), in the region where the charging start SOC is 40% or more, the input energy decreases as the charging start SOC decreases. However, in the region where the charging start SOC is less than 40%, it was found that the input energy tends to decrease as the charging start SOC decreases. That is, it was clarified that the value of the input energy with respect to the charging start SOC has a maximum value at about SOC 40%. It is considered that this is because the lithium ion capacitor is charged in an environment of −30 ° C. (low temperature), the voltage reaches the upper limit voltage within a relatively short time, and the charging is limited.

これらの結果から明らかなように、試験例１および２に係るリチウムイオンキャパシタについて、リチウムイオンキャパシタのセル内温度が−３０℃である環境下においては、入力エネルギーが極大となる充電開始ＳＯＣであるＳＯＣ４０％を放電下限ＳＯＣとし、該放電下限ＳＯＣ（ＳＯＣ４０％）未満の領域での放電を禁止する充放電制御方法を採用すると、リチウムイオンキャパシタの容量低下（エネルギー入出力量）の低下が抑制され得ることが明らかとなった。 As is clear from these results, the lithium-ion capacitors according to Test Examples 1 and 2 are charging start SOCs in which the input energy is maximized in an environment where the temperature inside the cells of the lithium-ion capacitors is −30 ° C. If a charge / discharge control method is adopted in which the SOC of 40% is set to the lower limit of discharge SOC and discharge is prohibited in the region below the lower limit of discharge SOC (SOC 40%), the decrease in capacity (energy input / output amount) of the lithium ion capacitor can be suppressed. It became clear.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above.

１０リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）
２０温度測定部
２２温度センサー
３０充放電制御部
５０制御装置 10 Lithium Ion Capacitor (LIC)
20 Temperature measuring unit 22 Temperature sensor 30 Charging / discharging control unit 50 Control device

Claims

It is a control device for lithium-ion capacitors.
A temperature measuring unit that measures the temperature inside the cell of the lithium ion capacitor, and
A charge / discharge control unit that controls the charge / discharge of the lithium ion capacitor,
Is equipped with
here,
From the start of charging when the lithium ion capacitor is charged with a constant power P to the lithium ion capacitor having a predetermined charging start SOC under a predetermined temperature environment until the SOC of the lithium ion capacitor reaches 100%. With respect to the input energy E defined by the product of the time T and the electric power P, when the charging start SOC at which the input energy E has a maximum value is set as the discharge lower limit SOC.
The charge / discharge control unit prohibits the discharge of the lithium ion capacitor in a region below the discharge lower limit SOC corresponding to the temperature measured by the temperature measuring unit.
A control device characterized by.