JP7047717B2 - 電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されるリチウムイオン電池を制御する電池制御装置に関する。

車両に用いられる鉛電池などの補機バッテリーは、例えば駐車で長期間放置されてバッテリーの出力が低下している状態でも車両の始動ができるように、バッテリーの劣化を精度よく判定し、走行中などの充電可能なときにバッテリーの蓄電量（ＳＯＣ）を所定の高ＳＯＣ状態に保持しておくことが要求される。近年では、この補機バッテリーとして、鉛電池に代えてリチウムイオン電池を採用することが検討されている。

リチウムイオン電池の劣化を判定する技術が特許文献１に開示されている。この技術では、リチウムイオン電池の開放端電圧（ＯＣＶ）と周知の電流積算法で推定した蓄電量とに基づいて、電池の劣化を判断する。これにより、リチウムイオン電池の劣化を精度よく判定している。

特開２０１０－０６６２３２号公報

リチウムイオン電池は、鉛電池とは特性が異なり、長期間放置された場合においては、
低ＳＯＣ状態に比べて高ＳＯＣ状態である方が電池の劣化が進行する（図２を参照）。このため、リチウムイオン電池を補機バッテリーとして用いる場合には、リチウムイオン電池の劣化を精度よく判定することに加えて、電池の蓄電量の制御をリチウムイオン電池に適した制御に改善する余地がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、リチウムイオン電池の蓄電量を適切に制御し、リチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる、電池制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、車両に搭載されるリチウムイオン電池を、所定の基準蓄電量を制御中心として充放電制御する電池制御装置であって、リチウムイオン電池の容量維持率を推定する第１の処理部と、リチウムイオン電池の使用時間に対して、リチウムイオン電池の蓄電量が所定の蓄電量以下となる時間の割合を判断する第２の処理部と、第１の処理部が推定したリチウムイオン電池の容量維持率が、リチウムイオン電池の使用時間に基づいて定まる所定の劣化許容値未満であるか否かを判定する第３の処理部と、第３の処理部がリチウムイオン電池の容量維持率が劣化許容値未満であると判定した場合、第２の処理部が所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えると判断していれば基準蓄電量を所定量だけ低くする第４の処理部と、を備える。

上記本発明の電池制御装置によれば、リチウムイオン電池の劣化状態が劣化許容値未満であり、かつ、リチウムイオン電池が所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超える場合には、基準蓄電量を所定量だけ低くする。この制御によって、リチウムイオン電池が長期間放置された場合でも電池が劣化する程度を小さくできるので、リチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる。

本実施形態に係る電池制御装置を含む電源システムの概略構成のブロック図 電池の蓄電量を変化させたときの経年劣化特性の一例を示す図 電池の環境温度を変化させたときの経年劣化特性の一例を示す図 電池制御装置が実行するＬｉ電池のＳＯＣ制御方法の処理フローチャート 電流積算法に基づくＬｉ電池の満充電容量の算出手法を説明する図 電池の蓄電量ごとの存在時間を算出した例を示す図 電池の蓄電量ごとの存在頻度を算出した例を示す図 図７のＬｉ電池の蓄電量ごとの存在頻度をグラフ化した図 電池の容量維持率の設計想定範囲の一例を示す図 図８において車両が長期間放置される頻度を判定する一例を示す図

［実施形態］
本発明の車両に搭載されるリチウムイオン電池を制御する電池制御装置は、リチウムイオン電池の容量維持率が電池の使用時間に基づいて経年劣化特性から求めた劣化許容値未満である場合には、リチウムイオン電池の使用時間に対して所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えていれば電池の充放電制御の中心値である基準蓄電量を低く制御する。この制御により、長期間放置された場合には電池が劣化する程度が小さくなるため、リチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる。

＜構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電池制御装置５０を含んだ車両用の電源システム１の概略構成のブロック図である。図１に例示した電源システム１は、電力供給部１０と、ＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）２０と、Ｌｉ電池３０と、複数の負荷機器４０と、電池制御装置５０と、を備えている。

電力供給部１０は、ＤＣＤＣコンバーター２０に電力を供給することができる。この電力供給部１０には、例えばリチウムイオン電池などの、充放電可能に構成された高圧バッテリーが用いられる。

ＤＣＤＣコンバーター２０は、電力供給部１０から供給される高電圧の電力を所定の低電圧の電力へ降圧して、Ｌｉ電池３０及び複数の負荷機器４０に出力する電力変換器である。

Ｌｉ電池３０は、複数の負荷機器４０に電力を供給するためのバッテリーである。このＬｉ電池３０には、リチウムイオン電池が用いられる。Ｌｉ電池３０は、ＤＣＤＣコンバーター２０から出力される電力を蓄えること（充電）ができ、また自らが蓄えている電力を複数の負荷機器４０に出力（放電）することができる。

このリチウムイオン電池は、鉛電池とは特性が異なり、長期間放置された場合においては低ＳＯＣ状態に比べて高ＳＯＣ状態である方が、電池の劣化が進行する。例えば、図２に、同じ温度環境下においてリチウムイオン電池を、蓄電量（ＳＯＣ）２０％の状態で長期間放置した場合とＳＯＣ６０％の状態で長期間放置した場合とＳＯＣ１００％の状態で長期間放置した場合とにおける、経過日数に伴う容量維持率の変化を示した経年劣化特性を示している。容量維持率は、劣化時の満充電容量を新品時の満充電容量で除算して求まる。図２に示すように、環境温度が同じである電池の容量維持率は、ＳＯＣ２０％にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、２４０日経過後には９１％の劣化で済むが（○プロット）、ＳＯＣ１００％にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、２４０日経過後には８３％まで劣化が進む（＊プロット）。よって、長期間放置されることを想定した適切なリチウムイオン電池の蓄電量制御が重要となる。

また、リチウムイオン電池は、鉛電池と同様に、低温時よりも高温時の方が電池の劣化が進行する特性を有している。例えば、図３に、同じ蓄電量（ＳＯＣ）の電池をそれぞれ温度０℃、１０℃、２５℃、４５℃、６０℃、７０℃の環境に長期間放置した場合における経年劣化特性を示している。図３に示すように、蓄電量が同じである電池の容量維持率は、電池の環境温度を０℃にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、２４０日経過後には９３％の劣化で済むが（○プロット）、電池の環境温度を７０℃にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、１２０日経過時点で既に６２％まで劣化が進む（×プロット）。よって、リチウムイオン電池も、鉛電池と同様に環境温度の適切な管理も重要となる。

複数の負荷機器４０は、車両に搭載される様々な車載装置である。負荷機器４０には、一例としてモーターやソレノイドなどのアクチュエータ類、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやエアコンなどの空調類、ステアリング、ブレーキ、及び自動運転支援などのＥＣＵ（Electronic Control Unit）類、などの装置が含まれる。

電池制御装置５０は、ＤＣＤＣコンバーター２０及びＬｉ電池３０の状態や動作などを管理し、Ｌｉ電池３０を所定の基準蓄電量を制御中心として充放電制御することができる。特に本実施形態の電池制御装置５０では、Ｌｉ電池３０の蓄電量を適切に制御し、Ｌｉ電池３０の劣化の進行を抑えるための制御を実行する。電池制御装置５０は、典型的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、及び入出力インタフェースなどを含んだＥＣＵとして構成され得る。この電池制御装置５０には、Ｌｉ電池３０の電圧、電流、及び温度を各種のセンサーを用いて監視する監視ＥＣＵや、ＤＣＤＣコンバーター２０の出力電圧を制御する電源ＥＣＵなど、車両に搭載されるＥＣＵの一部又は全部を含むことができる。

この電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０に関して、満充電容量の学習、容量維持率の算出、使用時間のカウント、ＳＯＣ頻度分布の計算、容量維持率が劣化許容値以上であるかの判断、蓄電量がＳＯＣ頻度分布において所定ＳＯＣ以下となる割合の判断、充放電制御の中心値となる基準蓄電量が所定蓄電量以下であるかの判断、及び基準蓄電量の変更など、所定の処理を実行する。これらの処理について以降に説明する。

＜制御＞
図４乃至図１０をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る電池制御装置５０が実行する制御を説明する。図４は、電池制御装置５０が実行するＬｉ電池３０のＳＯＣ制御方法の処理フローチャートである。図５は、電流積算法に基づくＬｉ電池３０の満充電容量の算出手法を説明する図である。図６は、蓄電量（ＳＯＣ）ごとの存在時間を算出した例を示す図である。図７は、Ｌｉ電池３０の蓄電量（ＳＯＣ）ごとの存在頻度を算出した例を示す図である。図８は、図７のＬｉ電池３０の蓄電量（ＳＯＣ）ごとの存在頻度をグラフ化した図である。図９は、Ｌｉ電池３０の容量維持率の劣化許容値の一例を示す図である。図１０は、図８のグラフにおいて車両が長期間放置される頻度を判定する一例を示す図である。

図４に示す処理は、車両が走行可能な状態（ＲＥＡＤＹ＿ＯＮ）になると開始される。

ステップＳ４０１：電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０の満充電容量を学習して、Ｌｉ電池３０の容量維持率を算出する。Ｌｉ電池３０の満充電容量（単位：Ａｈ）は、下記の式［１］によって算出される。電流積算値（単位：Ａｈ）は、Ｌｉ電池３０を意図的に放電又は充電させることによって蓄電量を大きく変化させたとき、その変化中に放電又は充電される電流ＩＢを積算した値（ΣＩＢ）である。ΔＳＯＣは、放電又は充電を開始してから終了するまでのＬｉ電池３０の蓄電量の変化量である。
満充電容量＝電流積算値／ΔＳＯＣ×１００ … ［１］

図５は、Ｌｉ電池３０を放電させた場合におけるΔＳＯＣ（＝開始ＳＯＣ－終了ＳＯＣ）の取得例である。この例では、放電を終了した後、分極が解消してＬｉ電池３０が安定したときに終了ＳＯＣを取得している。電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０の満充電容量を定期的に学習する。

また、Ｌｉ電池３０の容量維持率（単位：％）は、上記学習したＬｉ電池３０の満充電容量を用いて、下記の式［２］によって算出される。新品時の満充電容量は、Ｌｉ電池３０が未使用の新品であるときの満充電容量である。劣化が生じている学習時の満充電容量を新品時の満充電容量で除算することによって、日々の使用でＬｉ電池３０がどれだけ劣化したかを推定することができる。
容量維持率＝学習時の満充電容量／新品時の満充電容量×１００ … ［２］

Ｌｉ電池３０の満充電容量が学習されかつ容量維持率が算出されて、Ｌｉ電池３０の劣化状態が推定されると、ステップＳ４０２に処理が進む。

ステップＳ４０２：電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０の使用時間をカウントする。この使用時間は、Ｌｉ電池３０が使用開始されてから経過した時間である。このカウントには、車両に搭載される時計装置やナビゲーション装置などの日付時刻機能を用いることができる。使用時間がカウントされると、ステップＳ４０３に処理が進む。

ステップＳ４０３：電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０のＳＯＣ頻度分布を解析する。ＳＯＣ頻度分布とは、車両が使用開始されてから現在までの間にＬｉ電池３０がどのような蓄電状態で使用されているかを表す情報である。このＳＯＣ頻度分布を解析するにあたって、電池制御装置５０は、まず図６に例示するように、予め設定した蓄電量区分（ＳＯＣ_１～ＳＯＣ_ｎ）ごとにその状態であった時間を累積した「存在時間」を算出する。蓄電量区分は、１％単位や１０％単位など任意に設定可能である。例えば図６では、車両の使用開始から現在までにＬｉ電池３０がＳＯＣ_３の蓄電量で使用されていた存在時間がｔ_３であることを示している。

次に、電池制御装置５０は、図６で示した蓄電量区分ごとの存在時間を車両の使用開始から現在までの経過時間でそれぞれ除算して、図７に例示するように蓄電量区分ごとの存在頻度（＝存在時間／経過時間）を算出する。経過時間には、ステップＳ４０２で算出した使用時間を用いることができる。上述した存在時間及び存在頻度は、ステップＳ４０３の解析を実行するたびに計算してもよいし、車両の使用中に逐次計算して保存しておいてもよい。例えば図７では、車両の使用開始から現在までにＬｉ電池３０がＳＯＣ_３の蓄電量で使用されていた存在頻度がｐ_３（＝ｔ_３／経過時間）であることを示している。このようにして求めた蓄電量区分それぞれの存在頻度を解析して求められる分布イメージを図８に示す。ＳＯＣ頻度分布の解析が行われると、ステップＳ４０４に処理が進む。

ステップＳ４０４：電池制御装置５０は、ステップＳ４０１で算出した容量維持率が、ステップＳ４０２で算出した使用時間に照らし合わせて設計の想定範囲である劣化許容値未満であるか否かを判断する。この判断は、Ｌｉ電池３０の劣化が平均的な使用に比べて進行しているか否かを判断するために行われる。劣化許容値は、Ｌｉ電池３０の平均的な使用による経年劣化から求まる容量維持率（通常値）よりも低く設定した容量維持率（下限値）が用いられる。容量維持率の下限値については、車種、負荷機器４０の数、及びＬｉ電池３０の容量などに応じて、適切に定義することができる。

例えば、図９の実線で示すように、平均的な使用による容量維持率の通常値（△プロット）よりも低い容量維持率の下限値（×プロット）未満（図９の網掛け領域以外）でＬｉ電池３０の蓄電量が推移していれば、Ｌｉ電池３０の劣化が進行していると判断される。容量維持率が劣化許容値以上である場合は（Ｓ４０４、はい）、ステップＳ４０７に処理が進み、容量維持率が劣化許容値未満である場合は（Ｓ４０４、いいえ）、ステップＳ４０５に処理が進む。

ステップＳ４０５：電池制御装置５０は、ステップＳ４０３で算出したＳＯＣ頻度分布において、Ｌｉ電池３０の蓄電量が所定のＳＯＣ以下となる割合が所定値を超えるか否かを判断する。この判断は、この車両が利用者によって長期間放置される頻度が高いか低いかを判定するために行われる。Ｌｉ電池３０の蓄電量が低いと車両が使用されずに長期間放置されている（充電の機会がない）と推定することができ、Ｌｉ電池３０の蓄電量が高いと車両が頻繁に使用されている（充電の機会がある）と推定できる。よって、例えば、図１０に示す網掛け部分の面積が小さければ小さいほど、車両が長期間放置される頻度が低いと判定することができる。所定値は、Ｌｉ電池３０の容量や特性などに応じて任意に設定することができる。

Ｌｉ電池３０の蓄電量が所定のＳＯＣ以下となる割合が所定値を超える場合は（Ｓ４０５、はい）、ステップＳ４０６に処理が進む。一方、Ｌｉ電池３０の蓄電量が所定のＳＯＣ以下となる割合が所定値を超えない場合は（Ｓ４０５、いいえ）、本処理が終了する。

ステップＳ４０６：電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０の充放電制御における制御中心値となる基準蓄電量を、所定のシフト蓄電量だけ低くする。例えば、９０％の基準蓄電量であった場合、シフト蓄電量１０％を低くして８０％の基準蓄電量に設定を変更することなどが考えられる。初期の基準蓄電量及びシフト蓄電量は、Ｌｉ電池３０の容量や特性などに応じて任意に設定することができる。基準蓄電量が変更されると、本処理が終了する。これにより、その後に車両がＲＥＡＤＹ＿ＯＦＦ状態となって長期間放置されても、基準蓄電量を低く変化させなかった場合と比べてリチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる。

ステップＳ４０７：電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０の充放電制御における制御中心値となる基準蓄電量が、所定の蓄電量以下であるか否かを判断する。この判断は、これまでに実施した制御によってすでに基準蓄電量が下げられているか否かを判断するために行われる。所定の蓄電量は、Ｌｉ電池３０の容量や特性などに応じて任意に設定することができる。基準蓄電量が所定の蓄電量以下である場合は（Ｓ４０７、はい）、ステップＳ４０８に処理が進み、基準蓄電量が所定の蓄電量以下でない場合は（Ｓ４０７、いいえ）、本処理が終了する。

ステップＳ４０８：電池制御装置５０は、Ｌｉ電池３０の充放電制御における制御中心値となる基準蓄電量を、所定のシフト蓄電量だけ上昇させる。例えば、５０％の基準蓄電量であった場合、シフト蓄電量２０％を上昇させて７０％の基準蓄電量に設定を変更することなどが考えられる。このシフト蓄電量は、Ｌｉ電池３０の容量や特性などに応じて任意に設定することができ、上記ステップＳ４０６で説明したシフト蓄電量と同じであってもよいし異なってもよい。この処理により、容量維持率が一旦劣化許容値未満になったとしても、その後に容量維持率が劣化許容範囲以上に回復した場合には、基準蓄電量に戻す方向に制御することができる。基準蓄電量が変更されると、本処理が終了する。

［作用・効果］
以上のように、本発明の一実施形態に係る電池制御装置５０によれば、Ｌｉ電池３０の満充電容量、容量維持率、使用時間、ＳＯＣ頻度分布、劣化許容値、蓄電量、及び基準蓄電量に基づいて、Ｌｉ電池３０の容量維持率が劣化許容値以上か否かを判定し、リチウムイオン電池が長期間放置される頻度を推定する。そして、Ｌｉ電池３０の容量維持率が劣化許容値未満であり、かつ、リチウムイオン電池の使用時間に対して所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えていれば（長期間放置される頻度が高いと推定されれば）、充放電制御の中心値である基準蓄電量を所定値だけ低く変更して、長期間放置された場合でもＬｉ電池３０が劣化する程度が小さくなるように制御する。これにより、Ｌｉ電池３０の劣化の進行を抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、電池制御装置、電池制御装置を含んだ車両用電源システム、電池制御装置が実行する基準蓄電量の制御方法、基準蓄電量の制御プログラム及び当該プログラムを記憶したコンピューター読み取り可能な非一時的な記録媒体、あるいは電池制御装置を搭載した車両として捉えることができる。

本発明の電池制御装置は、補機バッテリーとしてリチウムイオン電池を搭載した車両などに利用可能である。

１ 電源システム
１０ 電力供給部
２０ ＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）
３０ Ｌｉ電池
４０ 負荷機器
５０ 電池制御装置

Claims (1)

1. 車両に搭載されるリチウムイオン電池を、所定の基準蓄電量を制御中心として充放電制御する電池制御装置であって、
   前記リチウムイオン電池の容量維持率を推定する第１の処理部と、
   前記リチウムイオン電池の使用時間に対して、前記リチウムイオン電池の蓄電量が所定の蓄電量以下となる時間の割合を判断する第２の処理部と、
   前記第１の処理部が推定した前記リチウムイオン電池の容量維持率が、前記リチウムイオン電池の使用時間に基づいて定まる所定の劣化許容値未満であるか否かを判定する第３の処理部と、
   前記第３の処理部が前記リチウムイオン電池の容量維持率が前記劣化許容値未満であると判定した場合、前記第２の処理部が前記所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えると判断していれば前記基準蓄電量を所定量だけ低くする第４の処理部と、を備える、
   電池制御装置。

Images