JP7415367B2 - 組電池の残存容量調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）などに搭載される組電池の残存容量調整装置に関するものである。

従来、組電池の利用可能範囲を拡大するために、容量劣化度が相対的に大きい単電池の残存容量調整後の電圧又はＳＯＣが所定量だけ大きくなるように、容量劣化度が相対的に大きい単電池の放電処理を制限する組電池の残存容量調整装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１－０６１９５５号公報

しかしながら、上記のように容量劣化度が相対的に大きい単電池の残存容量調整後の電圧又はＳＯＣが所定量だけ大きくなるように調整する場合、その後に放電する場合の組電池の利用可能範囲は拡大されるが、その場合、容量劣化度が大きい単電池は、ＳＯＣが相対的に大きい状態で使用されることになる。このため、容量劣化度が大きい単電池は、容量劣化度が小さい単電池よりも、一層、劣化しやすいことになり、劣化度のばらつきがより大きくなる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、容量劣化度のばらつきを抑制しつつ、組電池の容量を調整し得るようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、
本発明は、
二次電池である複数の単位電池が直列に接続された組電池における上記各単位電池の残存容量を調整する組電池の残存容量調整装置であって、
組電池の充放電過程で、上記各単位電池のＳＯＣが等しくなるクロスポイントにおけるＳＯＣの目標値である目標クロスポイントＳＯＣを設定する目標クロスポイントＳＯＣ設定部と、
電池容量の劣化程度が相対的に大きい大劣化単位電池と相対的に小さい小劣化単位電池とについて、上記クロスポイントにおけるＳＯＣが上記目標クロスポイントＳＯＣになるように、上記大劣化単位電池を放電させるための放電容量を設定する放電容量設定部と、
上記放電容量設定部によって設定された放電容量に応じて、上記大劣化単位電池を放電させる放電部と、
を備え、
上記目標クロスポイントＳＯＣ設定部は、上記組電池の使用履歴に基づいて、使用範囲のＳＯＣの上限に応じて、上記目標クロスポイントＳＯＣを設定するように構成されていることを特徴とする。

これにより、組電池の使用履歴に基づいて、使用範囲のＳＯＣの上限に応じて目標クロスポイントＳＯＣが設定され、劣化程度の大きい単位電池の放電調整が行われることによって、劣化程度の大きい単位電池が、ＳＯＣが小さい状態、すなわち劣化程度の進行が遅い状態で使用されることになり、劣化程度の進行を遅くして、各単位電池の劣化程度のばらつきを小さくすることができる。

本発明では、容量劣化度のばらつきを抑制しつつ、組電池の容量を調整することができる。

組電池の残存容量調整装置が適用される自動車の駆動系システムを示すブロック図である。 単位セルの放電回路の例を示す回路図である。 単位セルの残存容量とクロスポイントとの関係を示すグラフである。 単位セルの劣化の進行例を示すグラフである。 単位セルの残存容量調整とＳＯＣの大小関係を示すグラフである。 残存容量調整動作の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（自動車の駆動系システムの模式的構成）
本実施形態の残存容量調整の対象となる組電池１０５は、ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の自動車などに搭載されるもので、例えば図１に示すように、自動車の駆動系システムの一部として組み込まれる。より詳しくは、自動車には負荷１０１を駆動するモータ１０２が設けられ、このモータ１０２には、組電池１０５から供給される直流電力がインバータ１０３により三相交流電力に変換されて供給されるようになっている。上記モータ１０２に供給される電力は、車両コントローラ１０４から出力された要求トルクに基づいて制御される。

（組電池１０５の構成）
組電池１０５は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などが用いられた複数の単位セル１０５ａ（二次電池である複数の単位電池）が直列に接続されて構成されている。なお、各単位セル１０５ａが、さらに小さい単位の複数の電池セルが直列および／または並列に接続されて構成されていてもよい。組電池１０５には、電流センサ１１１、温度センサ１１２、および電圧センサ１１３が設けられている。これらによって、組電池１０５全体や各単位セル１０５ａの電圧、これらへの入出力電流（充放電電流）が検出され、バッテリコントローラ１０６（残存容量調整装置、目標クロスポイントＳＯＣ設定部、放電容量設定部）により、組電池１０５や各単位セル１０５ａの残存容量、劣化程度などが求められる。また、組電池１０５や単位セル１０５ａの温度が検出され、電池性能の温度感度補正や異常発熱の監視などが行われる。バッテリコントローラ１０６では、また、例えば組電池１０５の入出力可能電力が演算され、車両コントローラ１０４に与えられて、車両走行制御などに用いられる。

上記組電池１０５の各単位セル１０５ａには、例えば図２に示すように、直列接続された放電スイッチ１０５ｂ（放電部）と放電抵抗１０５ｃとが接続されている。上記放電スイッチ１０５ｂは、バッテリコントローラ１０６によってＯＮ／ＯＦＦが制御され、後述するように単位セル１０５ａごとの放電を行えるようになっている。

（単位セル１０５ａの劣化程度とＳＯＣ変化について）
各単位セル１０５ａのＳＯＣは、残存容量／満充電容量で表され、例えば図３に示すように、充放電に伴う残存容量の変化に応じて増減する。また、単位セル１０５ａの劣化によって満充電容量が減少すると、同じ充放電電流が同じ時間だけ流れたときのＳＯＣの変化量が大きくなる。

そこで、例えば劣化程度が相対的に大きい大劣化単位セル（満充電容量が相対的に小さくなったＳ＿ｃｅｌｌ）と、劣化程度が相対的に小さい小劣化単位セル（満受電容量が相対的に大きいＬ＿ｃｅｌｌ）とが、充放電の進行に伴って、ある時点で同じＳＯＣ（クロスポイントＳＯＣ）になるとすると、その時点の前後で２つの単位セルはＳＯＣの大小関係が逆転する。また、上記クロスポイントＳＯＣの大きさ自体は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、各単位セル１０５ａの劣化程度と、ある時点での残存容量とに応じて定まる。

一方、単位セル１０５ａの劣化の進行程度は、単位セル１０５ａごとにばらつくことがある。そのような場合、例えば図４に示すように、Ｓ_ｃｅｌｌの満充電容量が所定の下限に達するまでが、組電池１０５全体の寿命となる。ここで、上記劣化の進行程度は、種々の要因によって変化し得るが、充放電が行われる際のＳＯＣの大きさによっても変化する。すなわち、ＳＯＣが大きい状態で充放電が行われる方が、ＳＯＣが小さい状態で充放電されるよりも劣化が進行しやすい。そこで、例えば、充放電が行われる際のＳＯＣをＳ_ｃｅｌｌでは小さく、Ｌ_ｃｅｌｌでは大きくすることによって、図４に破線で示すように、Ｓ_ｃｅｌｌの劣化程度を小さく抑える一方、Ｌ_ｃｅｌｌの劣化程度を多少大きくしたりすることができる。この場合、Ｓ_ｃｅｌｌの満充電容量が所定の下限に達するまでの時間が長くなることによって、組電池１０５全体の寿命を延ばすことができる。

（目標クロスポイントＳＯＣの設定について）
上記のようにＳ_ｃｅｌｌの劣化進行程度は、充放電される際のＳ_ｃｅｌｌのＳＯＣが小さいほど、Ｌ_ｃｅｌｌに比べて小さく抑えやすくなる。ただし、例えば充放電過程においてクロスポイントが生じず、常にＬ_ｃｅｌｌのＳＯＣが大きい状態で充放電が行われる場合には、充電時にはＬ_ｃｅｌｌが充電上限になったときに組電池１０５が充電限界となる一方、放電時にはＳ_ｃｅｌｌが放電下限になったときに組電池１０５が放電限界となるため、組電池１０５の使用可能容量の低下を招くことになる。

そこで、クロスポイントＳＯＣが充電上限のＳＯＣになるように、すなわち目標クロスポイントＳＯＣを充電上限に設定することにより、組電池１０５の使用可能容量を大きく保ちつつ、Ｓ_ｃｅｌｌの劣化進行程度を小さく抑え、したがって、組電池１０５が寿命に達するまでの使用可能容量も大きく保つことが可能になる。

ここで、上記充電上限は、各単位セル１０５ａが満充電、すなわちＳＯＣが１００％になるときに設定してもよいが、組電池１０５が自動車などに適用される場合には、通常、ＳＯＣが０～１００％までの間やこれらに所定のマージンを見込むなどした範囲でフルに使用されるとは限らず、例えばユーザの使用形態などに応じてＳＯＣが２０～８０％の間でだけ使用されたりすることが多くある。そこで、組電池１０５の使用履歴に基づいて、使用範囲のＳＯＣの上限（例えばＳＯＣが８０％）に目標クロスポイントＳＯＣを設定すれば、組電池１０５の使用可能容量を大きくしつつ、実際に使用される範囲であるＳＯＣが８０％以下の範囲では、常にＳ_ｃｅｌｌのＳＯＣがＬ_ｃｅｌｌのＳＯＣよりも小さく保たれるので、Ｓ_ｃｅｌｌの劣化程度を小さく抑えることが容易にできる。

（目標クロスポイントＳＯＣと調整放電電流容量の具体的な設定例について）
例えば図５に示すように、ある時刻ｔ１で、Ｌ_ｃｅｌｌ、Ｓ_ｃｅｌｌのＳＯＣが、それぞれ５０％、４８％だったとし、組電池１０５の使用履歴に基づいた使用範囲のＳＯＣが２０～８０％だとする。また、Ｌ_ｃｅｌｌ、Ｓ_ｃｅｌｌの満充電容量が、それぞれ１２Ａｈ、１０Ａｈだとする。

その後、組電池１０５の充電が進行して、時刻ｔ２までの間に１．２Ａｈ充電されたとすると、Ｌ_ｃｅｌｌのＳＯＣは、１．２Ａｈ／１２Ａｈ＝１０％上昇して、５０％＋１０％＝６０％となる。また、Ｓ_ｃｅｌｌのＳＯＣは、１．２Ａｈ／１０Ａｈ＝１２％上昇して、４８％＋１２％＝６０％となる。すなわち、放電調整前のクロスポイントＳＯＣは６０％となっている。

また、さらに充電が進行して、時刻ｔ３でＬ_ｃｅｌｌのＳＯＣが８０％になるとすると、上記クロスポイントＳＯＣ（６０％）から２０％上昇することになるので、それまでの間に、１２Ａｈ×２０％＝２．４Ａｈ充電されることになる。一方、Ｓ_ｃｅｌｌは同じだけ充電されると、そのＳＯＣは、２．４Ａｈ／１０Ａｈ＝２４％上昇して８４％になる。

そこで、Ｓ_ｃｅｌｌのＳＯＣを４％下げると、目標クロスポイントＳＯＣを８０％にすることができる。また、そのためには、Ｓ_ｃｅｌｌを１０Ａｈ×４％＝０．４Ａｈだけ、放電させるとよい。

なお、上記の説明では便宜上、一旦、現クロスポイントのＳＯＣを求めているが、実際には現クロスポイントのＳＯＣを求めることなく、例えば、ある時点でのＳ_ｃｅｌｌおよびＬ_ｃｅｌｌのＳＯＣが判っていれば、調整放電電流容量を直接求めてもよい。また、図５のグラフは演算例を説明するための例として、Ｓ_ｃｅｌｌの調整放電をした後に目標クロスポイントＳＯＣになるまで充電されている例を示しているが、実際には、調整放電後にどのようなパターンで充放電が行われたとしても、クロスポイントＳＯＣに達したときには、そのＳＯＣは目標クロスポイントＳＯＣの８０％にされることになる。

（調整動作の例）
以下、具体的な調整動作の例を図６に基づいて説明する。

（Ｓ１０１） まず、所定の時間経過の前後における、単位セル１０５ａごとの開放電圧が取得される。

（Ｓ１０２） 次に、あらかじめ求められている開放電圧－ＳＯＣマップを用いて、所定の時間経過の前後における、単位セル１０５ａごとのＳＯＣが求められる。

（Ｓ１０３） 上記所定の時間経過の前後におけるＳＯＣの差（ΔＳＯＣ）と、その期間に組電池１０５に流れた充放電電流の積算値とから、単位セル１０５ａごとの満充電容量が求められる。すなわち、単位セル１０５ａごとの劣化程度に応じた値が求められる。

（Ｓ１０４） 最小満充電容量セルと、最大満充電容量セル、すなわち電池容量の劣化程度が相対的に大きい大劣化単位電池と（Ｓ_ｃｅｌｌ）、小さい小劣化単位電池（Ｌ_ｃｅｌｌ）とが求められる。

（Ｓ１０５） 上記Ｓ_ｃｅｌｌとＬ_ｃｅｌｌの満充電容量劣化程度が求められる。

（Ｓ１０６） 上記劣化程度の差が、所定の劣化程度差閾値以上かどうかが判定される。すなわち、劣化程度のばらつきが小さければ、必ずしも組電池１０５全体の寿命を延ばす効果は大きいとは限らない場合もあるので、そのような場合には、特に残存容量の調整（放電）はせずに調整動作を終了させて、過度、頻繁な放電が行われにくいようにしてもよい。一方、劣化程度のばらつきがある程度大きい場合には、（Ｓ１０７）に移行して、調整動作が続行される。もっとも、上記のような劣化程度の差を判定するのに限らず、常に放電が行われ得るようにして制御の簡素化を図ったりしてもよい。

（Ｓ１０７） あらかじめ記録されるなどした、組電池１０５の使用履歴を示す情報等に基づいて、組電池１０５におけるＳＯＣの使用範囲が求められる。また、その使用範囲の最大のＳＯＣが、目標クロスポイントＳＯＣとして設定される。

（Ｓ１０８） 例えば上記で説明したような演算が行われて、Ｌ_ｃｅｌｌの現在のＳＯＣと目標クロスポイントＳＯＣとの差から、Ｌ_ｃｅｌｌが目標クロスポイントＳＯＣに達するときのＳ_ｃｅｌｌの予測ＳＯＣが求められる。

（Ｓ１０９） 上記Ｓ_ｃｅｌｌの予測ＳＯＣが目標クロスポイントＳＯＣよりも大きいかどうかが判定される。すなわち、Ｓ_ｃｅｌｌの予測ＳＯＣが目標クロスポイントＳＯＣよりも小さければ、Ｓ_ｃｅｌｌの放電調整を行ってもクロスポイントＳＯＣを目標クロスポイントＳＯＣにすることはできないので、調整動作が終了される。一方、Ｓ_ｃｅｌｌの予測ＳＯＣが目標クロスポイントＳＯＣよりも大きい場合には、（Ｓ１０９）に移行して調整動作が続行される。なお、同様の判定をするためには、上記に限らず、例えば放電を行う前のクロスポイントにおけるＳＯＣが目標クロスポイントＳＯＣよりも小さいことを判定したり、放電電流容量が正の値であるかどうかを判定したりしてもよい。また、例えば上記放電を行う前のクロスポイントにおけるＳＯＣと上記目標クロスポイントＳＯＣとの差が、所定のＳＯＣ差閾値以上の場合、すなわち劣化ばらつきの抑制効果がある程度大きいと見込まれるような場合に、放電調整が行われるようにして、やはり、過度、頻繁な放電が行われにくいようにしてもよい。また、そのような演算、判定においても、等価な種々の演算、判定が行われるようにしてもよい。

また、予測ＳＯＣが目標クロスポイントＳＯＣよりも小さい場合に、Ｌ_ｃｅｌｌを必要に応じて放電して、使用可能容量を大きくし得るようにしてもよい。すなわち、使用可能容量の確保と、Ｓ_ｃｅｌｌの劣化抑制とを組電池１０５の使用状況等に応じて調整してもよい。

（Ｓ１１０） クロスポイントＳＯＣが上記目標クロスポイントＳＯＣになるように、Ｓ_ｃｅｌｌを放電するための放電電流量が求められる。

（Ｓ１１１） 上記放電電流量に応じたＳ_ｃｅｌｌの放電調整が行われる。具体的には、Ｓ_ｃｅｌｌに対応する放電スイッチ１０５ｂが放電電流量に応じた時間だけ閉じることによって放電が行われる。

上記のように、組電池の使用履歴に基づいて、使用範囲のＳＯＣの上限に応じて目標クロスポイントＳＯＣが設定され、劣化程度の大きい単位セル１０５ａの放電調整が行われることによって、劣化程度の大きい単位セル１０５ａが、ＳＯＣが小さい状態、すなわち劣化程度の進行が遅い状態で使用されることになり、劣化程度の進行を遅くして、各単位セル１０５ａの劣化程度のばらつきを小さくすることができる。

（その他の事項）
上記の例では、劣化程度が相対的に大きいＳ_ｃｅｌｌと小さいＬ_ｃｅｌｌとに着目して説明したが、単位セル１０５ａが数多くある場合でも、２個ずつの関係で上記のような放電調整を行うことができる。一方、例えば全ての単位セル１０５ａのうちで、最も劣化程度が小さい単位セル１０５ａを上記のようなＬ_ｃｅｌｌ、他の全ての単位セル１０５ａをＳ_ｃｅｌｌとして、放電調整するようにして、多くの単位セル１０５ａの劣化が進みにくいようにしてもよい。また、逆に、劣化程度が大きい１つまたは小数の単位セル１０５ａに対して放電調整するようにして、そのような劣化程度が大きい単位セル１０５ａの劣化抑制が重点的に行われるようにしてもよい。何れの場合でも、劣化程度の大きい単位セル１０５ａの劣化抑制が続くと、やがて他の単位セル１０５ａよりも劣化程度の小さい単位セル１０５ａということになることが期待されるので、結果的に、全体として劣化程度のばらつきを小さくすることができることになる。

なお、上記の例において、開放電圧やＳＯＣ、満充電容量の求め方などは一例であり、種々の求め方を適用することができる。

また、使用履歴のＳＯＣ上限の意義については、その後の実際の使用時において、例えＳＯＣがその上限を超えることがあったとしても、過充電が生じる場合のような大きな不都合がある訳ではなく、Ｓ_ｃｅｌｌとＬ_ｃｅｌｌのＳＯＣの大小関係が逆転する場合があるだけで、その程度や頻度が小さければ、全体として、Ｓ_ｃｅｌｌの劣化抑制が妨げられることはない。それゆえ、例えば単位セル１０５ａの劣化ばらつきの程度や、その抑制を求められる程度などに応じて、絶対的な使用履歴の上限のＳＯＣを適用したり、所定の出現頻度以上のＳＯＣの上限のＳＯＣを適用したり、また、これらに所定のマージンや安全係数を考慮したりして設定してもよい。

１０１ 負荷
１０２ モータ
１０３ インバータ
１０４ 車両コントローラ
１０５ 組電池
１０５ａ 単位セル
１０５ｂ 放電スイッチ
１０５ｃ 放電抵抗
１０６ バッテリコントローラ
１１１ 電流センサ
１１２ 温度センサ
１１３ 電圧センサ

Claims (4)

1. 二次電池である複数の単位電池が直列に接続された組電池における上記各単位電池の残存容量を調整する組電池の残存容量調整装置であって、
   組電池の充放電過程で、上記各単位電池のＳＯＣが等しくなるクロスポイントにおけるＳＯＣの目標値である目標クロスポイントＳＯＣを設定する目標クロスポイントＳＯＣ設定部と、
   電池容量の劣化程度が相対的に大きい大劣化単位電池と相対的に小さい小劣化単位電池とについて、上記クロスポイントにおけるＳＯＣが上記目標クロスポイントＳＯＣになるように、上記大劣化単位電池を放電させるための放電容量を設定する放電容量設定部と、
   上記放電容量設定部によって設定された放電容量に応じて、上記大劣化単位電池を放電させる放電部と、
   を備え、
   上記目標クロスポイントＳＯＣ設定部は、上記組電池の使用履歴に基づいて、使用範囲のＳＯＣの上限に応じて、上記目標クロスポイントＳＯＣを設定するように構成されていることを特徴とする組電池の残存容量調整装置。
2. 請求項１の組電池の残存容量調整装置であって、
   上記放電部は、上記大劣化単位電池と上記小劣化単位電池との劣化程度の差が、所定の劣化程度差閾値以上の場合に、上記大劣化単位電池を放電させることを特徴とする組電池の残存容量調整装置。
3. 請求項１から請求項２のうち何れか１項の組電池の残存容量調整装置であって、
   上記放電部は、上記放電を行う前のクロスポイントにおけるＳＯＣが上記目標クロスポイントＳＯＣよりも小さい場合に、上記大劣化単位電池を放電させることを特徴とする組電池の残存容量調整装置。
4. 請求項３の組電池の残存容量調整装置であって、
   上記放電部は、上記放電を行う前のクロスポイントにおけるＳＯＣと上記目標クロスポイントＳＯＣとの差が、所定のＳＯＣ差閾値以上の場合に、上記大劣化単位電池を放電させることを特徴とする組電池の残存容量調整装置。

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