JP7350700B2 - 充放電制御方法、充放電制御装置及び制御システム - Google Patents

充放電制御方法、充放電制御装置及び制御システム Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、充放電制御方法、充放電制御装置及び制御システムに関する。
近年、スマートフォン、車両、定置用電源装置、ロボット及びドローン等の電池搭載機器に、蓄電池が搭載される。前述のように電池搭載機器に搭載される蓄電池として、活物質となる材料が互いに対して異なる2種類以上の電池を組合せて形成されるものがある。例えば、ある蓄電池は、チタン酸化物を負極活物質として備える電池、及び、炭素質物を負極活物質として備える電池を組合せて形成される。また、前述のように2種類以上の電池から形成される蓄電池の充電及び放電を制御する制御システムが、開発されている。
前述のような制御システムでは、蓄電池が大電流で急速に充電されても、2種類以上の電池のそれぞれへ入力される電流を制御する等して、2種類以上の電池のいずれでも負極におけるリチウム金属の析出等が抑制され、安全性が確保されることが、求められている。また、制御システムでは、蓄電池からの放電において、2種類以上の電池のそれぞれからの出力を制御する等して、蓄電池から長時間継続して放電可能であることが、求められている。
特開2008-98149号公報 特開2015-60829号公報
本発明が解決しようとする課題は、2種類以上の電池から形成される蓄電池の大電流での充電において安全性を確保するとともに、その蓄電池から長時間継続して放電可能にする充放電制御方法、充放電制御装置及び制御システムを提供することにある。
実施形態によれば、第1の活物質を負極活物質として含む第1の電池を複数備えるとともに、作動電位が第1の活物質より低い第2の活物質を負極活物質として含む第2の電池を複数備える蓄電池の充電及び放電を制御する充放電制御方法が、提供される。充放電制御方法では、複数の第2の電池のそれぞれについて、温度が温度閾値未満であることに基づいて、充電及び放電を停止させる。充放電制御方法では、複数の第2の電池のそれぞれについて、温度が温度閾値以上であることに基づいて、充電又は放電させる。充放電制御方法では、複数の第1の電池の中から、充電及び放電が停止されている第2の電池と同一の数だけ、充電又は放電させる。
実施形態の充放電制御装置は、コントローラを備える。コントローラは、前述の充放電制御方法のいずれかを実行することにより、蓄電池の充電及び放電を制御する。
実施形態の制御システムは、前述の充放電制御装置、及び、蓄電池を備える。蓄電池は、充放電制御装置の前記コントローラによって、充電及び放電が制御される。
図1は、第1の実施形態に係る制御システムを示す概略図である。 図2Aは、第1の実施形態に係る蓄電池において温度を計測する箇所の一例を示す概略図である。 図2Bは、第1の実施形態に係る蓄電池において温度を計測する箇所の図2Aとは別の一例を示す概略図である。 図2Cは、第1の実施形態に係る蓄電池において温度を計測する箇所の図2A及び図2Bとは別の一例を示す概略図である。 図2Dは、第1の実施形態に係る蓄電池において温度を計測する箇所の図2A乃至図2Cとは別の一例を示す概略図である。 図3は、第1の実施形態に係る蓄電池の使用において、充放電制御装置のコントローラによって行われる処理の一例を示すフローチャートである。 図4は、第2の実施形態に係る制御システムを示す概略図である。 図5は、第2の実施形態に係る蓄電池の使用において、充放電制御装置のコントローラによって行われる処理の一例を示すフローチャートである。 図6は、第2の実施形態のある変形例に係る制御システムを示す概略図である。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、実施形態に係る制御システムの一例として第1の実施形態に係る制御システム1を示す。図1に示すように、制御システム1は、蓄電池2及び充放電制御装置3を備える。蓄電池2は、電池搭載機器5に搭載される。電池搭載機器5としては、スマートフォン、車両、定置用電源装置、ロボット及びドローン等が挙げられ、電池搭載機器5となる車両としては、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車及び電動バイク等が、挙げられる。また、蓄電池2が搭載されるロボットとしては、工場等で使用される無人搬送車(AGV:Automated Guided Vehicle)等の搬送ロボットが挙げられる。
本実施形態では、蓄電池2は、電池(第1の電池)Aを1つ以上備えるとともに、電池(第2の電池)Bを1つ以上備える。図1の一例では、蓄電池2は、複数の電池A及び複数の電池Bを備える。また、図1の一例の蓄電池2では、複数の電池Aの全てから電池モジュール(第1の電池モジュール)Xが形成され、電池モジュールXでは、複数の電池Aが電気的に直列に接続される。そして、蓄電池2では、複数の電池Bの全てから電池モジュール(第2の電池モジュール)Yが形成され、電池モジュールYでは、複数の電池Bが電気的に直列に接続される。蓄電池2の使用開始時では、複数の電池Aにおいて、容量、サイズ及び重量等が互いに対して同一及び略同一である。そして、蓄電池2の使用開始時では、複数の電池Bにおいて、容量、サイズ及び重量等が互いに対して同一及び略同一である。
電池A,Bのそれぞれは、単セル(単電池)であってもよく、複数の単セルが電気的に接続されたセルブロックであってもよい。電池A,Bのそれぞれが複数の単セルから形成されるセルブロックである場合、電池A,Bのそれぞれにおいて、複数の単セルは、電気的に直列に接続されてもよく、電気的に並列に接続されてもよい。また、電池A,Bのそれぞれにおいて、複数の単セルが電気的に直列に接続される直列接続構造、及び、複数の単セルが電気的に並列に接続される並列接続構造の両方が形成されてもよい。
単セルは、例えば、リチウムイオン二次電池を形成する電池セルである。単セルは、電極群を備え、電極群は、正極及び負極を備える。電極群では、正極と負極との間にセパレータが介在する。セパレータは、電気的絶縁性を有する材料から形成され、正極を負極に対して電気的に絶縁する。セパレータとしては、これらに限定されるものではないが、合成樹脂製の多孔質フィルム及び不織布等が用いられる。
正極は、正極集電箔等の正極集電体と、正極集電体の表面に担持される正極活物質含有層と、を備える。正極集電体は、これらに限定されるものではないが、例えば、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔等であり、厚さが10μm~20μm程度である。正極活物質含有層は、正極活物質を備え、結着剤及び導電剤を任意に含んでもよい。正極活物質としては、これらに限定されるものではないが、リチウムイオンを吸蔵放出できる酸化物、硫化物及びポリマー等が挙げられる。正極活物質は、例えば、二酸化マンガン、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物、硫酸鉄、及びバナジウム酸化物からなる群から選択される少なくとも1つを含む。また、正極集電体は、正極活物質含有層が未担持の部分として、正極集電タブを備える。
負極は、負極集電箔等の負極集電体と、負極集電体の表面に担持される負極活物質含有層と、を備える。負極集電体は、これらに限定されるものではないが、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔又は銅箔等であり、厚さが10μm~20μm程度である。電池(第1の電池)Aを形成する単セルでは、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が負極集電体として用いられることが好ましく、電池(第2の電池)Bを形成する単セルでは、銅箔が負極集電体として用いられることが好ましい。負極活物質含有層は、負極活物質を備え、結着剤及び導電剤を任意に含んでもよい。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオンを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物及び炭素質物等が挙げられる。負極活物質となる金属酸化物としては、チタン含有酸化物が挙げられる。そして、負極活物質となるチタン含有酸化物には、例えば、チタン酸化物、リチウムチタン含有複合酸化物、ニオブチタン含有複合酸化物及びナトリウムニオブチタン含有複合酸化物が、含まれる。また、負極活物質となる炭素質物としては、グラファイト等が挙げられる。負極集電体は、負極活物質含有層が未担持の部分として、負極集電タブを備える。
ここで、電池(第1の電池)Aを形成する単セルでは、第1の活物質が負極活物質として用いられ、電池(第2の電池)Bを形成する単セルでは、第1の活物質より作動電位が低い第2の活物質が負極活物質として用いられる。ある一例では、第1の活物質として、作動電位が0.4V(vs。Li/Li)以上の活物質が用いられ、第2の活物質として、作動電位が0.4V(vs。Li/Li)未満の活物質が用いられる。この場合、第1の活物質として、例えば、チタン含有酸化物のいずれかの種類が用いられ、第2の活物質として、例えば、炭素質物のいずれかの種類が用いられる。第2の活物質の作動電位が第1の活物質の作動電位より低いため、負極活物質の種類以外の条件が互いに対して同一であるならば、電池Bを形成する単セルの負極電位は、電池Aを形成する単セルの負極電位より低い。
電極群では、例えば、正極活物質含有層と負極活物質含有層との間でセパレータが挟まれた状態で、正極、負極及びセパレータが捲回軸を中心として捲回され、電極群は捲回構造を有する。別のある一例では、電極群は、複数の正極及び複数の負極が交互に積層されるスタック構造を有し、正極と負極との間にはセパレータが設けられる。
また、単セルでは、電極群に、電解液が保持(含浸)される。電解液は、電解質を有機溶媒に溶解させた非水電解液であってもよく、電解質を水系溶媒に溶解させた水溶液等の水系電解液であってもよい。また、電解液の代わりに、電解液と高分子材料とを複合化させたゲル状電解質が用いられてもよい。また、電解液の代わりに、又は、電解液に加えて、固体電解質が用いられてもよい。固体電解質が電解質として用いられる場合、電極群において、セパレータの代わりに固体電解質を、正極と負極との間に介在させてもよい。この場合、固体電解質により、正極が負極に対して電気的に絶縁される。
また、単セルでは、電極群が外装部材の内部に収納される。外装部材としては、ラミネートフィルム製の袋状容器及び金属製容器のいずれかを用いることができる。ラミネートフィルムとしては、例えば、多層フィルムが用いられ、多層フィルムは、複数の樹脂層と、樹脂層同士の間に配置される金属層とを含む。ラミネートフィルムの厚さは、0.5mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。金属製容器は、例えば、アルミニウム、亜鉛、チタン及び鉄から成る群から選択される少なくとも1種の金属、又は、これらの金属の合金により形成されることが、好ましい。金属製容器の肉厚は、0.5mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。
また、単セルは、一対の電極端子を備える。電極端子の一方が、正極集電タブに電気的に接続される正極端子であり、電極端子の正極端子とは別の一方が、負極集電タブに電気的に接続される負極端子である。電極端子は、外装部材の内部に形成される内部端子であってよく、外装部材の外表面に形成される外部端子であってもよい。電極端子は、導電材料から形成され、アルミニウム、亜鉛、チタン及び鉄からなる群より選択される少なくとも1種の金属、又は、これらの金属の合金により形成されていることが好ましい。
前述のように電池A,Bのそれぞれが形成されるため、電池A,Bでは、負極活物質が互いに対して異なる。すなわち、電池Aでは、チタン含有酸化物等の作動電位が比較的高い第1の活物質が負極活物質として用いられ、電池Bでは、炭素質物等の作動電位が第1の活物質より低い第2の活物質が負極活物質として用いられる。前述のように電池A,Bでは負極活物質が互いに対して異なるため、電池(第1の電池)Aは、大電流で急速に充電しても、負極にリチウム金属等が析出しない。一方、電池(第2の電池)Bは、特に低温環境において大電流で急速に充電すると、負極にリチウム金属等が析出し易い。
また、電池Aは、電池Bに比べて大電流で放電可能であり、電池Bに比べて出力特性が高い。特に低温環境での使用において、電池A,Bの出力特性の差は、顕著である。一方、電池Bは、電池Aに比べて容量が大きい。このため、低温環境からある程度温度が上昇した環境での使用等では、電池Bは、電池Aに比べて、長時間継続して放電可能となる。
図1に示すように、制御システム1には、電源及び負荷(符号6で示す)が設けられる。電源は、蓄電池2(電池A,B)に電力を供給可能であり、蓄電池2は、電源等から電力が供給されることにより、充電される。負荷には、蓄電池2(電池A,B)から電力を供給可能であり、蓄電池2は、負荷等に電力を供給することにより、放電する。電源としては、蓄電池2とは別の電池、及び、発電機等が挙げられる。負荷としては、電動機及びライト等が挙げられる。ある一例では、負荷の代わりに、又は、負荷に加えて、蓄電池2から電力が供給される蓄電器が設けられてもよい。この場合、蓄電池2は、蓄電器に電力を供給することにより、放電する。そして、蓄電器は、蓄電池2から供給された電力を蓄電可能である。また、別のある一例では、電動発電機が設けられてもよい。この場合、蓄電池2から電動発電機に電力を供給可能であるとともに、電動発電機から蓄電池2へ電力を供給可能である。すなわち、電動発電機は、電源及び負荷の両方として機能する。なお、図1では、電源及び負荷は、電池搭載機器5に搭載されているが、これに限るものではない。蓄電池2は、電池搭載機器5の外部の負荷に電力を供給可能であってもよく、電池搭載機器5の外部の電源から蓄電池2に電力を供給可能であってもよい。
充放電制御装置3は、蓄電池2の充電及び放電を制御する。充放電制御装置3は、コントローラ10を備える。図1の一例では、充放電制御装置3は、電池搭載機器5に搭載され、電池搭載機器5において処理装置(コンピュータ)を構成する。充放電制御装置3のコントローラ10は、プロセッサ及び記憶媒体を備える。プロセッサは、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、マイコン、FPGA(Field Programmable Gate Array)及びDSP(Digital Signal Processor)等のいずれかを含む。記憶媒体には、メモリ等の主記憶装置に加え、補助記憶装置が含まれ得る。記憶媒体としては、磁気ディスク、光ディスク(CD-ROM、CD-R、DVD等)、光磁気ディスク(MO等)、及び、半導体メモリ等が挙げられる。コントローラ10では、プロセッサ及び記憶媒体のそれぞれは、1つであってもよく、複数であってもよい。コントローラ10では、プロセッサは、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、処理を行う。また、コントローラ10のプロセッサによって実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークを介して接続されたコンピュータ(サーバ)、又は、クラウド環境のサーバ等に格納されてもよい。この場合、プロセッサは、ネットワーク経由でプログラムをダウンロードする。
また、充放電制御装置3は、電池搭載機器5の外部に設けられてもよい。この場合、充放電制御装置3は、例えば、電池搭載機器5の外部のサーバであり、電池搭載機器5に搭載される処理装置(コンピュータ)とネットワークを介して通信可能である。この場合も、充放電制御装置3のコントローラ10は、プロセッサ及び記憶媒体を備える。また、充放電制御装置3のコントローラ10の処理は、電池搭載機器5に搭載される処理装置及び電池搭載機器5の外部のサーバ(処理装置)が協働して行ってもよい。この場合、例えば、電池搭載機器5の外部のサーバ等がマスターの制御装置となり、電池搭載機器5に搭載される処理装置等がスレーブの制御装置となる。別のある一例では、充放電制御装置3のコントローラ10の処理が、クラウド環境に構成されるクラウドサーバによって行われてもよい。ここで、クラウド環境のインフラは、仮想CPU等の仮想プロセッサ及びクラウドメモリによって、構成される。このため、クラウドサーバがコントローラ10として機能する場合、仮想プロセッサによって処理が行われ、クラウドメモリに処理に必要なデータ等が記憶される。また、コントローラ10の処理は、電池搭載機器5に搭載される処理装置及びクラウドサーバが協働して行ってもよい。この場合、電池搭載機器5に搭載される処理装置(コンピュータ)は、クラウドサーバと通信可能である。
制御システム1には、駆動回路11が設けられる。コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、蓄電池2から負荷への電力供給、及び、電源から蓄電池2への電力供給を制御する。すなわち、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、蓄電池2(電池A,B)の充電及び放電を制御する。駆動回路11は、蓄電池2からの電力の出力、及び、蓄電池2への電力の入力を切替えるリレー回路を備える。また、駆動回路11は、変換回路を備え、変換回路は、電源からの電力を蓄電池2に供給される直流電力に変換する。また、変換回路は、蓄電池2からの直流電力を負荷に供給される電力に変換する。変換回路は、変圧回路、DC/AC変換回路、及び、AC/DC変圧回路等を含むことができる。また、変換回路は、電池Aに適した電圧の直流電力と電池Bに適した電圧の直流電力との間の変換を行うDC/DC変換回路(DC/DCコンバータ)を含むことができる。
本実施形態では、駆動回路11の駆動が制御されることにより、複数の電池A(電池モジュールX)へ入力される電流、及び、複数の電池A(電池モジュールX)からの出力等が制御される。そして、駆動回路11の駆動が制御されることにより、複数の電池B(電池モジュールY)へ入力される電流、及び、複数の電池B(電池モジュールY)からの出力等が制御される。また、本実施形態では、駆動回路11の駆動が制御されることにより、電池モジュールXは、複数の電池Aの全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、複数の電池Aの全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに、切替わり可能である。そして、駆動回路11の駆動が制御されることにより、電池モジュールYは、複数の電池Bの全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、複数の電池Bの全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに、切替わり可能である。
また、制御システム1には、計測回路12が設けられる。計測回路12によって、蓄電池2に関連するパラメータが検出及び計測される。計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、電池モジュールX(複数の電池A)に流れる電流、電池モジュールY(複数の電池A)に流れる電流、電池A,Bのそれぞれの電圧及び電池モジュールX,Yのそれぞれの電圧等のいずれかを計測する。また、計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、蓄電池2の温度Tを計測する。計測回路12は、温度を計測する温度センサを1つ以上備える。そして、計測回路12は、温度センサを用いて、蓄電池2の1箇所以上で温度を計測する。そして、計測回路12は、蓄電池2の1箇所における温度の計測値、蓄電池2の複数箇所における温度の計測値の中で最も低い最低値、及び、蓄電池2の複数箇所における温度の計測値の平均値又は中間値のいずれかが1つを、蓄電池2の温度Tとする。
蓄電池2では、少なくとも電池(第2の電池)Bが配置される領域の温度が計測されることが好ましい。また、蓄電池2では、電池(第2の電池)Bが配置される領域の温度に加えて、電池(第1の電池)Aが配置される領域の温度が計測されてもよい。図2A乃至図2Dは、蓄電池2において温度を計測する箇所の一例を示す。図2Aの一例では、電池B(電池モジュールY)が配置される領域にのみ、温度センサ13が配置される。そして、温度センサ13は、電池Bと同一の数設けられ、複数の電池Bの全てについて、温度センサ13によって温度が計測される。図2Bの一例及び図2Cの一例のそれぞれでも、電池B(電池モジュールY)が配置される領域にのみ、温度センサ13が配置される。ただし、図2Bの一例では、複数の電池Bの一部についてのみ、温度センサ13によって温度が計測される。また、図2Cの一例では、電池Bのそれぞれについてではなく、電池モジュールYの全体としての温度が、温度センサ13によって計測される。
また、図2Dの一例では、電池(第2の電池)Bが配置される領域に加えて、電池(第1の電池)Aが配置される領域にも、温度センサ13が配置される。図2Dの一例では、複数の電池Bの全てについて、温度センサ13によって温度が計測されるとともに、複数の電池Aの全てについて、温度センサ13によって温度が計測される。なお、ある一例では、複数の電池Aの一部についてのみ、温度センサ13によって温度が計測されてもよく、別のある一例では、電池Aのそれぞれについてではなく、電池モジュールXの全体としての温度が、温度センサ13によって計測されてもよい。また、蓄電池2における温度センサ13の配置は前述した一例に限るものではなく、蓄電池2において適宜の位置に温度センサ13を配置可能である。ただし、いずれの場合も、蓄電池2の1箇所以上での温度の計測値に基づいて、蓄電池2に関連するパラメータとして、蓄電池2の温度Tが取得される。また、ある一例では、車両等の電池搭載機器5において蓄電池2の外部の温度、及び、電池搭載機器5が使用されている環境の温度等のいずれかを、蓄電池2の温度Tとして取得し、温度Tに基づく後述の処理を行ってもよい。
コントローラ10は、温度Tを含む蓄電池2に関連するパラメータの計測結果を取得する。温度T等の蓄電池2に関連するパラメータの計測は、所定のタイミングで定期的に行われる。このため、コントローラ10は、温度T等のパラメータの計測結果を、定期的に取得する。そして、コントローラ10は、温度Tを含む蓄電池2に関連するパラメータの計測結果に基づいて、蓄電池2の充電及び放電を制御する。また、コントローラ10の記憶媒体又はクラウドメモリ等には、蓄電池2の温度Tに関する温度閾値Tthが記憶されている。コントローラ10は、温度T及び温度閾値Tthに基づいて、駆動回路11の駆動を制御し、蓄電池2の充電及び放電を制御する。ここで、温度閾値Tthは、-40°以上10℃以下のいずれかの値であることが好ましい。
また、制御システム1では、ユーザインタフェース15が電池搭載機器5に搭載される。ユーザインタフェース15では、電池搭載機器5のユーザ等によって操作等が入力される操作装置として機能するとともに、電池搭載機器5のユーザ等に情報を告知する告知装置としても機能する。ユーザインタフェース15は、操作装置として、ボタン、ダイヤル及びタッチパネル等のいずれかを備え、コントローラ10は、ユーザインタフェース15で入力された操作指令等に基づいて、処理を行う。また、コントローラ10は、ユーザインタフェース15を介して、情報等を告知させる。ユーザインタフェース15では、画面表示及び音声等のいずれかによって、情報が告知される。
図3は、蓄電池2の使用においてコントローラ10によって行われる処理の一例を示す。図3に示すように、S101において蓄電池2の使用が開始されたと判断した場合は(S101-Yes)、コントローラ10は、電池(第1の電池)Aのみを充電又は放電させ(S102)、電池(第2の電池)Bを充電及び放電が停止された状態で維持する(S103)。これにより、電池モジュールXでのみ電力の入力又は出力が行われ、電池モジュールYでは電力の入力及び出力は停止される。そして、電池モジュールXでは、複数の電池Aの全てにおいて充電又は放電が行われている状態になり、電池モジュールYでは、複数の電池Bの全てにおいて充電及び放電が停止された状態になる。
そして、コントローラ10は、前述した蓄電池2の温度Tを取得する(S104)。そして、コントローラ10は、取得した温度Tが温度閾値Tth以上であるか否かを判定する(S105)。温度Tが温度閾値Tth未満である場合は(S105-No)、コントローラ10は、S102の処理と同様に、電池A(電池モジュールX)のみを充電又は放電させ(S106)、S103の処理と同様に、電池B(電池モジュールY)の充電及び放電を停止させる(S107)。これにより、蓄電池2の使用開始時及び使用開始直後と同様に、電池モジュールXでのみ電力の入力又は出力が行われ、電池モジュールYでは電力の入力及び出力は停止される。そして、S110において、蓄電池2の使用を終了しないと判断した場合は(S110-No)、処理はS104に戻る。そして、コントローラ10は、S104以降の処理を順次に実行する。
S105において、温度Tが温度閾値Tth以上である場合は(S105-Yes)、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bのみを充電又は放電させ(S108)、電池(第1の電池)Aの充電及び放電を停止させる(S109)。これにより、電池モジュールYでのみ電力の入力又は出力が行われ、電池モジュールXでは電力の入力及び出力は停止される。そして、電池モジュールYでは、複数の電池Bの全てにおいて充電又は放電が行われている状態になり、電池モジュールXでは、複数の電池Aの全てにおいて充電及び放電が停止された状態になる。そして、S110において、蓄電池2の使用を終了しないと判断した場合は(S110-No)、処理はS104に戻る。そして、コントローラ10は、S104以降の処理を順次に実行する。
前述のような処理が行われるため、本実施形態では、コントローラ10は、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満であることに基づいて、電池(第2の電池)Bの充電及び放電を停止させる。このため、低温環境で蓄電池2を充電又は放電している状態では、電池B(電池モジュールY)における電力の入力及び出力は、停止される。したがって、低温環境で蓄電池2を充電又は放電している状態では、電池Bのそれぞれが大電流で充電されること等が、有効に防止され、電池Bのそれぞれにおいて負極でリチウム金属等が析出することが、有効に防止される。これにより、低温環境等での蓄電池2の大電流での充電において、安全性が確保される。
また、本実施形態では、コントローラ10は、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であることに基づいて、電池(第2の電池)Bを充電又は放電させる。このため、低温環境からある程度温度が上昇した環境で蓄電池2が使用されている状態では、電池Bのそれぞれから電力が出力される。容量が大きい電池Bのそれぞれから放電が行われるため、低温環境からある程度温度が上昇した環境で蓄電池2が使用されている状態では、蓄電池2から長時間継続して放電可能になる。例えば、蓄電池2が搭載される電池搭載機器5が車両である場合は、蓄電池2から長時間継続して放電可能になることにより、車両が長時間走行可能になる。
また、本実施形態では、コントローラ10は、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満である場合は、電池(第1の電池)Aを充電又は放電させる。このため、低温環境で蓄電池2を充電又は放電している状態では、電池A(電池モジュールX)において電力が入力又は出力される。電池Aのそれぞれは、低温環境において大電流で充電されても、負極にリチウム金属等は析出しない。そして、電池Aのそれぞれは、低温環境においても、大電流で放電可能である。したがって、低温環境で蓄電池2が使用されている状態でも、蓄電池2における入力特性及び出力特性が確保される。
また、本実施形態では、蓄電池2の使用開始から温度閾値Tthに基づく初回の判定までは、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bの充電及び放電を停止させる。実際に、前述のような充放電制御が行われる蓄電池2は、使用開始時及び使用開始直後の温度は低温である。このため、使用開始時及び使用開始直後において電池Bの充電及び放電が停止されることにより、電池Bのそれぞれの負極でのリチウム金属等の析出が、さらに有効に防止される。これにより、低温環境等での蓄電池2の大電流での充電において、安全性がさらに向上する。
(第1の実施形態の変形例)
なお、第1の実施形態のある変形例では、温度Tが温度閾値Tth以上である場合において(S105-Yes)、コントローラ10は、S108及びS109の処理の代わりに、電池(第1の電池)A及び電池(第2の電池)Bの両方を充電又は放電させてもよい。この場合、電池Aは、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であるか否かに関係なく、充電又は放電される。本変形例でも、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth未満であることに基づいて、電池Bの充電及び放電が停止され、蓄電池2の温度Tが温度閾値Tth以上であることに基づいて、電池Bが充電又は放電される。このため、本変形例でも、第1の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第1の実施形態等と同様の構成及び処理等については、説明を省略する。
図4は、第2の実施形態に係る制御システム1を示す。図4に示すように、本実施形態でも第1の実施形態と同様に、制御システム1は、蓄電池2及び充放電制御装置3を備え、充放電制御装置3は、コントローラ10を備える。そして、蓄電池2は、電池搭載機器5に搭載される。制御システム1には、第1の実施形態等と同様に、電源及び負荷(符号6で示す)、駆動回路11、計測回路12及びユーザインタフェース15が設けられる。本実施形態では、蓄電池2は、電池(第1の電池)Aを複数備えるとともに、電池(第2の電池)Bを複数備える。
また、本実施形態では、コントローラ10によって、複数の電池Aは、互いに対して独立して充電及び放電が制御され、複数の電池Bは、互いに対して独立して充電及び放電が制御される。このため、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、複数の電池Aの一部のみを充電又は放電させ、複数の電池Aの残りの一部の充電及び放電を停止させることが可能である。同様に、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、複数の電池Bの一部のみを充電又は放電させ、複数の電池Bの残りの一部の充電及び放電を停止させることが可能である。
また、本実施形態では、計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、電池Bのそれぞれの温度Tbを計測する。例えば、計測回路12は、電池Bと同一の数の温度センサを備え、複数の電池Bの全てについて、温度センサによって温度Tbが計測される。コントローラ10は、電池Bのそれぞれの温度Tbの計測結果を取得する。温度Tbの計測は所定のタイミングで定期的に行われる。このため、コントローラ10は、電池Bのそれぞれの温度Tbの計測結果を定期的に取得する。本実施形態では、コントローラ10は、電池Bのそれぞれの温度Tb及び前述の温度閾値Tthに基づいて、駆動回路11の駆動を制御し、蓄電池2の充電及び放電を制御する。
図5は、蓄電池2の使用においてコントローラ10によって行われる処理の一例を示す。図5に示すように、S111において蓄電池2の使用が開始されたと判断した場合は(S111-Yes)、コントローラ10は、複数の電池(第1の電池)Aの全てを充電又は放電させ(S112)、複数の電池(第2の電池)Bの全てを充電及び放電が停止された状態で維持する(S113)。これにより、蓄電池2の使用開始時及び使用開始直後では、電池Aの全てで電力の入力又は出力が行われ、電池Bの全てで電力の入力及び出力が停止される。
そして、コントローラ10は、電池Bのそれぞれについて前述の温度Tbを取得する(S114)。そして、コントローラ10は、複数の電池Bの中で取得した温度Tbが温度閾値Tth未満となる電池Bが存在するか否かを判定する(S115)。温度Tbが温度閾値Tth未満となる電池Bが存在しない場合は(S115-No)、コントローラ10は、電池Bの全てを充電又は放電させ(S116)、電池Aの全ての充電及び放電を停止させる(S117)。すなわち、複数の電池(第2の電池)Bの全てで温度Tbが温度閾値Tth以上である場合は、複数の電池(第1の電池)Aの全ての充電及び放電を停止させ、電池Bの全てを充電又は放電させる。これにより、電池Aの全てで電力の入力及び出力が停止され、電池Bの全てで電力の入力又は出力が行われる。そして、S122において、蓄電池2の使用を終了しないと判断した場合は(S122-No)、処理はS114に戻る。そして、コントローラ10は、S114以降の処理を順次に実行する。
S115において、温度Tbが温度閾値Tth未満である電池Bが存在する場合は(S115-Yes)、コントローラ10は、温度Tbが温度閾値Tth未満である電池(第2の電池)Bの数Nを取得する(S118)。そして、コントローラ10は、電池Aの中から数Nだけ充電又は放電させる(S119)。この際、蓄電池2の充電が行われている場合は、コントローラ10は、例えば、複数の電池Aの中からSOC(State of charge)が低い順からN個を充電させる。また、蓄電池2の放電が行われている場合は、コントローラ10は、例えば、複数の電池Aの中からSOCが高い順からN個を放電させる。なお、電池Aのそれぞれについては、電流積算法等の電流の経時的な変化に基づいてSOCを算出してもよく、電圧とSOCとの関係に基づいてSOCを算出してもよく、カルマンフィルタを用いた演算によってSOCを算出してもよい。
また、温度Tbが温度閾値Tth未満である電池Bが存在する場合は(S115-Yes)、コントローラ10は、温度Tbが温度閾値Tth未満であるN個の電池Bの充電及び放電を停止させ(S120)、温度Tbが温度閾値Tth以上である残りの電池Bを充電又は放電させる(S121)。S118~S121の処理が行われることにより、複数の電池Bの中の一部又は全部(N個)で、充電及び放電が停止される。そして、複数の電池(第1の電池)Aの中から、充電及び放電が停止されている電池(第2の電池)Bと同一の数Nだけ、充電又は放電される。これにより、温度Tbが温度閾値Tth以上である電池Bでは電力の入力又は出力が行われ、温度Tbが温度閾値Tth未満である電池Bでは電力の入力及び出力は停止される。また、電池Aの中のN個で、電力の入力又は出力が行われる。
なお、複数の電池Bの全てで温度Tbが温度閾値Tth未満である場合は、コントローラ10は、電池Bの全ての充電及び放電を停止させる。この場合、電池A,Bの数が同一であるならば、コントローラ10は、複数の電池(第1の電池)Aの全てを充電又は放電させる。そして、S122において、蓄電池2の使用を終了しないと判断した場合は(S122-No)、処理はS114に戻る。そして、コントローラ10は、S114以降の処理を順次に実行する。
前述のような処理が行われるため、本実施形態では、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bのそれぞれについて、温度Tbが温度閾値Tth未満であることに基づいて、充電及び放電を停止させる。このため、低温環境で電池Bのそれぞれが充電及び放電されることが、有効に防止される。したがって、低温環境で蓄電池2を充電又は放電しても、電池Bのそれぞれが大電流で充電されること等が、有効に防止され、電池Bのそれぞれにおいて負極でリチウム金属等が析出することが、有効に防止される。これにより、第1の実施形態等と同様に、低温環境等での蓄電池2の大電流での充電において、安全性が確保される。
また、本実施形態では、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bのそれぞれについて、温度Tbが温度閾値Tth以上であることに基づいて、充電又は放電させる。このため、電池Bのそれぞれは、低温環境からある程度温度が上昇した環境で使用されている状態では、電力を出力する。容量が大きい電池Bのそれぞれから放電が行われるため、低温環境からある程度温度が上昇した環境で蓄電池2が使用されている状態では、第1の実施形態等と同様に、蓄電池2から長時間継続して放電可能になる。
また、本実施形態では、コントローラ10は、複数の電池Bの一部又は全部で温度Tbが温度閾値Tth未満である場合は、温度Tbが温度閾値Tth未満となる電池Bの数Nと同一の数だけ、電池Aの中から充電又は放電させる。すなわち、電力の入力及び出力が停止された電池Bの数Nと同一の数の電池Aで、電力が入力又は出力される。前述のように、電池Aのそれぞれは、低温環境において大電流で充電されても、負極にリチウム金属等は析出しない。そして、電池Aのそれぞれは、低温環境においても、大電流で放電可能である。したがって、前述の第1の実施形態と同様に、低温環境で蓄電池2が使用されている状態でも、蓄電池2における入力特性及び出力特性が確保される。
また、本実施形態では、温度Tbが温度閾値Tth未満である電池Bの数Nと同一の数だけ、充電及び放電が停止されている電池Bの代わりに、電池Aを充電又は放電させる。すなわち、電池Aの中から、充電及び放電を停止する必要がある温度環境に配置されている電池Bと同一の数のみが、充電又は放電される。したがって、複数の電池Aのそれぞれは、効率的に充電及び放電される。
また、本実施形態では、蓄電池2の使用開始から温度閾値Tthに基づく初回の判定までは、コントローラ10は、電池(第2の電池)Bの全ての充電及び放電を停止させる。実際に、前述のような充放電制御が行われる蓄電池2は、使用開始時及び使用開始直後の温度は低温である。このため、使用開始時及び使用開始直後において電池Bの全ての充電及び放電が停止されることにより、電池Bのそれぞれの負極でのリチウム金属等の析出が、さらに有効に防止される。これにより、低温環境等での蓄電池2の大電流での充電において、安全性がさらに向上する。
(第2の実施形態の変形例)
なお、図6に示す第2の実施形態のある変形例では、蓄電池2は、複数の電池モジュール(第1の電池モジュール)X及び複数の電池モジュール(第2の電池モジュール)Yを備える。複数の電池モジュールXのそれぞれでは、複数の電池(第1の電池)Aが電気的に直列に接続され、電池モジュールXのそれぞれは、α個の電池Aから形成される。また、複数の電池モジュールYのそれぞれでは、複数の電池(第2の電池)Bが電気的に直列に接続され、電池モジュールYのそれぞれは、α個の電池Bから形成される。このため、電池モジュールXのそれぞれにおける電池Aの数は、電池モジュールYのそれぞれにおける電池Bの数と同一である。
本変形例では、複数の電池モジュールXは、互いに対して独立して充電及び放電が制御され、複数の電池モジュールYは、互いに対して独立して充電及び放電が制御される。このため、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、複数の電池モジュールXの一部のみを充電又は放電させ、複数の電池モジュールXの残りの一部の充電及び放電を停止させることが可能である。同様に、コントローラ10は、駆動回路11の駆動を制御することにより、複数の電池モジュールYの一部のみを充電又は放電させ、複数の電池モジュールYの残りの一部の充電及び放電を停止させることが可能である。ただし、電池モジュールXのそれぞれは、α個の電池Aの全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、α個の電池Aの全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに、切替わり可能である。同様に、電池モジュールYのそれぞれは、α個の電池Bの全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、α個の電池Bの全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに、切替わり可能である。
また、本変形例では、計測回路12は、蓄電池2に関連するパラメータとして、電池モジュールYのそれぞれの温度Tyを計測する。例えば、計測回路12は、電池モジュールYと同一の数の温度センサを備え、複数の電池モジュールYの全てについて、温度センサによって温度Tyが計測される。コントローラ10は、電池モジュールYのそれぞれの温度Tyの計測結果を定期的に取得する。なお、本変形例では、電池モジュールYのそれぞれにおいて、温度Tyの計測値を、α個の電池Bの温度Tbとする。したがって、本変形例では、電池モジュールYのそれぞれにおいてα個の電池Bの温度Tbが温度Tyと同一であるとして、コントローラ10は、処理を行う。
本変形例では、コントローラ10は、複数の電池モジュールYの中で取得した温度Tyが温度閾値Tth未満となる電池モジュールYが存在するか否かを判定する。なお、蓄電池2の使用開始から温度閾値Tthに基づく初回の判定が行われるまでは、コントローラ10は、複数の電池モジュールXの全てを充電又は放電させ、複数の電池モジュールYの全てを充電及び放電が停止された状態で維持する。このため、本変形例でも、第2の実施形態等と同様に、蓄電池2の使用開始から温度閾値Tthに基づく初回の判定までは、電池(第2の電池)Bの全ての充電及び放電が停止され、電池(第1の電池)Aの全てが充電又は放電される。
また、本変形例では、温度Tyが温度閾値Tth未満となる電池モジュールYが存在しない場合は、コントローラ10は、電池モジュールYの全てを充電又は放電させ、電池モジュールXの全ての充電及び放電を停止させる。このため、第2の実施形態等と同様に、温度Tbが温度閾値Tth未満となる電池Bが存在しない場合は、電池(第2の電池)Bの全てが充電又は放電され、電池(第1の電池)Aの全ての充電及び放電が停止される。
温度Tyが温度閾値Tth未満である電池モジュールYが存在する場合は、コントローラ10は、温度Tyが温度閾値Tth未満である電池モジュールYの数Mを取得する。そして、コントローラ10は、電池モジュールXの中から数Mだけ充電又は放電させる。また、温度Tyが温度閾値Tth未満である電池モジュールYが存在する場合は、コントローラ10は、温度Tyが温度閾値Tth未満であるM個の電池モジュールYの充電及び放電を停止させ、温度Tyが温度閾値Tth以上である残りの電池モジュールYを充電又は放電させる。
このため、本変形例では、温度Tbが温度閾値Tth未満である電池(第2の電池)Bが存在する場合は、複数の電池Bの中の一部又は全部(α×M個)で、充電及び放電が停止される。そして、複数の電池(第1の電池)Aの中から、充電及び放電が停止されている電池(第2の電池)Bと同一の数(α×M)だけ、充電又は放電される。前述のような処理が行われることにより、本変形例でも、第2の実施形態等と同様の作用及び効果を奏する。
前述の少なくとも一つの実施形態又は実施例では、蓄電池は、第1の活物質を負極活物質として含む第1の電池を1つ以上備えるとともに、作動電位が第1の活物質より低い第2の活物質を負極活物質として含む第2の電池を1つ以上備える。そして、蓄電池の温度が温度閾値未満であることに基づいて、第2の電池の充電及び放電を停止させる。そして、蓄電池の温度が温度閾値以上であることに基づいて、第2の電池を充電又は放電させる。これにより、2種類以上の電池から形成される蓄電池の大電流での充電において安全性を確保するとともに、その蓄電池から長時間継続して放電可能にする充放電制御方法、充放電制御装置及び制御システムを提供することができる。
前述の少なくとも一つの実施形態又は実施例では、蓄電池は、第1の活物質を負極活物質として含む第1の電池を複数備えるとともに、作動電位が第1の活物質より低い第2の活物質を負極活物質として含む第2の電池を複数備える。そして、複数の第2の電池のそれぞれについて、温度が温度閾値未満であることに基づいて、充電及び放電を停止させる。そして、複数の第2の電池のそれぞれについて、温度が温度閾値以上であることに基づいて、充電又は放電させる。これにより、2種類以上の電池から形成される蓄電池の大電流での充電において安全性を確保するとともに、その蓄電池から長時間継続して放電可能にする充放電制御方法、充放電制御装置及び制御システムを提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下、付記を記載する。
[1]第1の活物質を負極活物質として含む第1の電池を1つ以上備えるとともに、作動電位が前記第1の活物質より低い第2の活物質を負極活物質として含む第2の電池を1つ以上備える蓄電池の充電及び放電を制御する充放電制御方法であって、
前記蓄電池の温度が温度閾値未満であることに基づいて、前記第2の電池の充電及び放電を停止させることと、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上であることに基づいて、前記第2の電池を充電又は放電させることと、
を具備する、充放電制御方法。
[2]前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合は、前記第2の電池の充電及び放電を停止させるとともに、前記第1の電池のみを充電又は放電させ、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上である場合は、前記第1の電池の充電及び放電を停止させるとともに、前記第2の電池のみを充電又は放電させる、
[1]の充放電制御方法。
[3]前記蓄電池には、前記第2の電池が複数設けられ、
複数の前記第2の電池は、全てにおいて充電又は放電が行われている状態、及び、全てにおいて充電及び放電が停止される状態のみに切替わり可能であり、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値未満である場合は、複数の前記第2の電池の全ての充電及び放電を停止させ、
前記蓄電池の前記温度が前記温度閾値以上である場合は、複数の前記第2の電池の全てを充電又は放電させる、
[1]又は[2]の充放電制御方法。
[4]前記蓄電池の1箇所における温度の計測値、前記蓄電池の複数箇所における温度の計測値の中で最も低い最低値、及び、前記蓄電池の複数箇所における温度の計測値の平均値又は中間値のいずれかが1つを、前記蓄電池の前記温度として取得することをさらに具備する、[1]乃至[3]のいずれか1項の充放電制御方法。
[5]第1の活物質を負極活物質として含む第1の電池を複数備えるとともに、作動電位が前記第1の活物質より低い第2の活物質を負極活物質として含む第2の電池を複数備える蓄電池の充電及び放電を制御する充放電制御方法であって、
複数の前記第2の電池のそれぞれについて、温度が温度閾値未満であることに基づいて、充電及び放電を停止させることと、
複数の前記第2の電池のそれぞれについて、前記温度が前記温度閾値以上であることに基づいて、充電又は放電させることと、
を具備する、充放電制御方法。
[6]複数の前記第1の電池の中から、充電及び放電が停止されている前記第2の電池と同一の数だけ、充電又は放電させることをさらに具備する、[5]の充放電制御方法。
[7]複数の前記第2の電池の全てで前記温度が前記温度閾値以上である場合において、複数の前記第1の電池の全ての充電及び放電を停止させることをさらに具備する、[5]又は[6]の充放電制御方法。
[8]複数の前記第2の電池は、互いに対して独立して充電及び放電が制御され、
複数の前記第2の電池の中から、前記温度が前記温度閾値未満となる一部又は全部において、充電及び放電を停止させる、
[5]乃至[7]のいずれか1項の充放電制御方法。
[9][1]乃至[8]のいずれか1項の充放電制御方法を実行することにより、前記蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラを具備する充放電制御装置。
[10][9]の充放電制御装置と、
前記充放電制御装置の前記コントローラによって充電及び放電が制御される前記蓄電池と、
を具備する制御システム。
[11]前記蓄電池が搭載される電池搭載機器をさらに具備する、[10]の制御システム。
1…制御システム、2…蓄電池、3…充放電制御装置、5…電池搭載機器、10…コントローラ、A…電池(第1の電池)、B…電池(第2の電池)、X…電池モジュール(第1の電池モジュール)、Y…電池モジュール(第2の電池モジュール)。

Claims (6)

  1. 第1の活物質を負極活物質として含む第1の電池を複数備えるとともに、作動電位が前記第1の活物質より低い第2の活物質を負極活物質として含む第2の電池を複数備える蓄電池の充電及び放電を制御する充放電制御方法であって、
    複数の前記第2の電池のそれぞれについて、温度が温度閾値未満であることに基づいて、充電及び放電を停止させることと、
    複数の前記第2の電池のそれぞれについて、前記温度が前記温度閾値以上であることに基づいて、充電又は放電させることと、
    複数の前記第1の電池の中から、充電及び放電が停止されている前記第2の電池と同一の数だけ、充電又は放電させることと
    を具備する、充放電制御方法。
  2. 複数の前記第2の電池の全てで前記温度が前記温度閾値以上である場合において、複数の前記第1の電池の全ての充電及び放電を停止させることをさらに具備する、請求項1の充放電制御方法。
  3. 複数の前記第2の電池は、互いに対して独立して充電及び放電が制御され、
    複数の前記第2の電池の中から、前記温度が前記温度閾値未満となる一部又は全部において、充電及び放電を停止させる、
    請求項1又は2の充放電制御方法。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項の充放電制御方法を実行することにより、前記蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラを具備する充放電制御装置。
  5. 請求項4の充放電制御装置と、
    前記充放電制御装置の前記コントローラによって充電及び放電が制御される前記蓄電池と、
    を具備する制御システム。
  6. 前記蓄電池が搭載される電池搭載機器をさらに具備する、請求項5の制御システム。
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