KR101850602B1 - 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치 및 차량 - Google Patents

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Abstract

리튬 이온 이차 전지의 제어 장치(1000; 1000A; 1000B)이며,
제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 SOC를 검지하도록 구성되어 있는 SOC 검지부(130)와,
상기 리튬 이온 이차 전지의 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 상한 SOC 및 하한 SOC를 설정하도록 구성되어 있는 사용 영역 설정부(131)와,
상기 리튬 이온 이차 전지의 충전 이력과 방전 이력을 기록하도록 구성되어 있는 제1 기록부(111)와,
상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다 또는 방전 과다인지 여부를 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다인 경우에, 상기 하한 SOC를 높게 변경하도록 구성되어 있는 제1 처리부(121)를 포함한다.

Description

리튬 이온 이차 전지의 제어 장치 및 차량 {CONTROLLER FOR LITHIUM ION SECONDARY BATTERY, AND VEHICLE}
본 발명은, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치 및 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치를 구비한 차량에 관한 것이다.
본 명세서에 있어서 「이차 전지」는, 반복 충전 가능한 전지 일반을 의미한다. 여기서, 제어 장치의 제어 대상으로서의 「리튬 이온 이차 전지」는, 단전지뿐만 아니라, 복수의 전지 요소가 접속된 「조전지」도 포함될 수 있다. 또한, 「조전지」에 포함된 리튬 이온 이차 전지는, 여기서는 적절하게 「전지 요소」라고 칭한다.
예를 들어, 일본 특허 공개 제2011-189768호에는, 전지의 열화를 억제하는 방법으로서, 충전 상태가 높은 경우에는 충전 전류를 조절하는 것, 및 충전 상태가 낮은 경우에는 방전 전류를 조절하는 것이 개시되어 있다. 또한, 전압, 전류, 온도의 정보를 바탕으로 전지의 충전 상태와 열화 상태를 산출하고, 사이클 시험 등에 의해 미리 상정된 상정 열화와, 실제의 열화의 차의 비교에 따라서, 충전 전류의 제한 값이나 방전 전류의 제한 값을 변경하는 것 등이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2013-106481호에는, 저항값의 상승이나 저하에 의해 산출한 열화 상태에 따라서, 목표 SOC를 설정하고, 충방전 제어를 행하는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-123435호에는, 방전에 의한 이온 농도의 치우침에 따라서 열화량을 산출하고, 방전 전력을 제한하는 것이 개시되어 있다.
그런데, 리튬 이온 이차 전지는, 예를 들어 저SOC에서 충전 전류값이 제한되고, 또한 출력도 제한되는 경우에는, 리튬 이온 이차 전지가 저SOC의 상태로 장기간 유지되어, 장기간 출력이 제한되는 상태로 된다. 또한, 고SOC에서 방전 전류값이 제한되는 경우에는, 리튬 이온 이차 전지가 고SOC의 상태로 장기간 유지되어, 출력이 제한되는 상태로 된다.
본 발명의 제1 양태는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치이며,
제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 SOC를 검지하는 SOC 검지부와,
상기 리튬 이온 이차 전지의 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 상한 SOC 및 하한 SOC를 설정하는 사용 영역 설정부와,
상기 리튬 이온 이차 전지의 충전 이력과 방전 이력을 기록하는 제1 기록부와,
상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다 또는 방전 과다인지 여부를 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다인 경우에, 상기 하한 SOC를 높게 변경하는 제1 처리부를 포함한다.
SOC는, State of charge의 약자로, 전지 용량에 대한 충전 상태를 나타내는 값이며, 전지 용량에 대해 충전되어 있는 전기량의 비율이다. 상기 본 발명의 제1 양태에 의하면, 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 하한 SOC가 높아지므로, 리튬 이온 이차 전지가 저SOC에서 충전 과다의 상태로 장기간 머무르는 것을 방지할 수 있다.
상기 본 발명의 제1 양태에 있어서, 상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다인 경우에, 방전 전류를 미리 정해진 전류값보다 낮게 제한하는 방전 제한 처리부여도 된다. 또한, 상기 방전 제한 처리부에 의한 제한은, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 높아진 경우에 정지되거나, 또는 완화되는 것이어도 된다.
상기 본 발명의 제1 양태에 있어서,
상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다인 경우에, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 낮은 경우에, 미리 정해진 전류값보다 낮은 전류값에서 충전하는 고SOC화 처리부를 더 포함해도 된다.
상기 본 발명의 제1 양태에 있어서, 상기 제1 처리부는, 상기 상한 SOC를 낮게 변경하고, 상기 상한 SOC는, 상기 제1 처리부의 처리에 의해 높게 변경된 후의 상기 하한 SOC보다 높게 변경되는 것이어도 된다.
상기 본 발명의 제1 양태에 있어서, 상기 사용 영역 설정부는, 상기 SOC 검지부에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 중심 영역을 설정하고,
상기 제1 처리부는, 상기 중심 영역을 높게 변경하는 것이어도 된다.
본 발명의 제2 양태는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치이며,
제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 SOC를 검지하는 SOC 검지부와,
상기 리튬 이온 이차 전지의 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 상한 SOC 및 하한 SOC를 설정하는 사용 영역 설정부와,
상기 리튬 이온 이차 전지의 충전 이력과 방전 이력을 기록하는 제1 기록부와,
상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다 또는 방전 과다인지 여부를 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 방전 과다인 경우에, 상기 상한 SOC를 낮게 변경하는 제2 처리부를 포함한다.
상기 본 발명의 제2 양태에 의하면, 방전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 상한이 낮아져, 리튬 이온 이차 전지가 고SOC에서 방전 과다의 상태로 장기간 머무르는 것을 방지할 수 있다.
상기 본 발명의 제2 양태에 있어서,
상기 제1 기록부에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 방전 과다인 경우에, 충전 전류를 미리 정해진 전류값보다 낮게 제한하는 충전 제한 처리부를 더 포함해도 된다. 또한, 상기 충전 제한 처리부에 의한 제한은, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 낮아진 경우에 정지되거나, 또는 완화되는 것이어도 된다.
상기 본 발명의 제2 양태에 있어서,
상기 제1 기록부에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 방전 과다인 경우에, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 높은 경우에, 미리 정해진 전류값보다 낮은 전류값에서 방전하는 저SOC화 처리부를 더 포함해도 된다.
상기 본 발명의 제2 양태에 있어서, 상기 제2 처리부는, 상기 하한 SOC를 높게 변경하고, 상기 하한 SOC는, 상기 제2 처리부의 처리에 의해 낮게 변경된 후의 상기 상한 SOC보다 낮게 변경되는 것이어도 된다.
상기 본 발명의 제2 양태에 있어서, 상기 사용 영역 설정부는, 상기 SOC 검지부에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 중심 영역을 설정하고, 상기 제2 처리부는, 상기 중심 영역을 낮게 변경하는 것이어도 된다.
상기 본 발명의 제1 양태 또는 제2 양태에 있어서,
상기 리튬 이온 이차 전지의 하이레이트 열화량을 검출하는 열화량 검출부를 더 포함하고,
상기 열화량 검출부에서 검출된 하이레이트 열화량이 미리 정해진 제1 기준값보다 높은 경우에, 상기 제1 처리부 또는 상기 제2 처리부에 의한 처리가 실행되는 것이어도 된다. 또한, 상기 하이레이트 열화량이 미리 정해진 제2 기준값보다 낮은 경우에, 상기 제1 처리부 또는 상기 제2 처리부에 의한 처리가 정지되는 것이어도 된다.
본 발명의 제3 양태는, 차량이며,
제어 대상으로서의 리튬 이온 이차 전지와,
청구항 1로부터 14까지 중 어느 한 항에 기재된 제어 장치를 포함한다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점 및 기술적 및 산업적 현저성은 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 하나의 전형예를 도시하는 단면도.
도 2는 세퍼레이터를 개재하여 대응한 정극 활물질층과 부극 활물질층의 단면을 도시하는 모식도.
도 3은 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전 용량과, 부극 활물질층(63)의 두께의 증가량의 전형적인 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 하이레이트 충전이 과도하게 행해진 경우에 대해, 전형적인 전류 패턴을 예시한 그래프.
도 5는 하이레이트 방전이 과도하게 행해진 경우에 대해, 전형적인 전류 패턴을 예시한 그래프.
도 6은 리튬 이온 이차 전지의 권회 전극체에 스며든 리튬 이온 농도의 분포의 변화량을 나타낸 모식도.
도 7은 제어 시스템(1000)을 모식적으로 도시하는 블록도.
도 8은 제어 장치(100)의 제어 플로우를 나타내는 흐름도.
도 9는 제어 시스템(1000A)의 블록도.
도 10은 제어 장치(100A)의 흐름도.
도 11은 제어 시스템(1000B)의 블록도.
도 12는 제어 장치(100B)의 흐름도.
도 13은 차량(1)의 구성예를 도시하는 측면도.
이하, 여기서 제안되는 제어 장치에 대한 일 실시 형태를 설명한다. 여기서 설명되는 실시 형태는, 당연히 본 발명을 한정하는 것을 의도한 것은 아니다. 또한, 각 도면은 모식적으로 그려져 있고, 예를 들어 각 도면에 있어서의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다. 또한, 동일한 작용을 발휘하는 부재·부위에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 적절하게 생략 또는 간략화한다.
리튬 이온 이차 전지에서는, 하이레이트에서의 충전이나 방전이 과도하게 행해지면, 전지 저항이 상승하여, 출력 성능이 열화되는 사상이 발생할 수 있다. 본 발명자는, 하이레이트에서의 충전이나 방전에서는 전류량이 커지므로, 하이레이트에서의 충전이나 방전이 과도하게 행해지면, 전지 반응에 기여하는 리튬 이온의 농도 분포가 정상 상태에 비해 전지 내에서 크게 치우친다고 분석하고 있다. 이러한 리튬 이온의 농도 분포의 치우침이, 전지 저항의 상승이나 출력 성능의 열화에 큰 영향을 미치고 있다고 생각하고 있다. 이하, 리튬 이온 이차 전지(10)를 예로 들어 이러한 사상에 대해 설명하고, 그 후, 본 발명의 양태에 관한 제어 장치를 설명한다.
도 1에는, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 하나의 전형예가 도시되어 있다. 도 1은, 이른바 각형 전지인 리튬 이온 이차 전지(10)의 단면도이다. 리튬 이온 이차 전지(10)는, 예를 들어 정극 시트(50)와 부극 시트(60)를, 세퍼레이터(72, 74)를 개재시켜 겹쳐 권회한 권회 전극체(40)를 구비하고 있다. 이 리튬 이온 이차 전지(10)에서는, 이러한 권회 전극체(40)와 전해액(80)이 전지 케이스(20)에 수용되어 있다. 이하, 제어 장치에 있어서의 설명에 있어서도, 리튬 이온 이차 전지(10)에 관해서는, 도 1에서 사용된 부호가 적절하게 부여되어 있다.
정극 시트(50)는, 정극 집전 박(51)과, 정극 집전 박(51)의 양면에 보유 지지된 정극 활물질층(53)을 갖고 있다. 정극 활물질층(53)은, 예를 들어 정극 활물질 입자와, 도전재와, 결착재가 포함되어 있고, 정극 활물질 입자와 도전재가 결착재에 의해 결착된 층이다. 정극 활물질층(53)은, 입자 사이에 전해액이 적절하게 스며들 수 있도록 소요의 공극을 갖고 있다.
부극 시트(60)는, 부극 집전 박(61)과, 부극 집전 박(61)의 양면에 보유 지지된 부극 활물질층(63)을 갖고 있다. 부극 활물질층(63)은, 예를 들어 부극 활물질 입자와, 도전재와, 결착재가 포함되어 있고, 부극 활물질 입자와 도전재가 결착재에 의해 결착된 층이다. 부극 활물질층(63)은, 입자 사이에 전해액이 적절하게 스며들 수 있도록 소요의 공극을 갖고 있다.
여기서, 정극 활물질은, 리튬을 함유하고, 전지 반응에 있어서 적절하게 리튬 이온을 방출하거나 흡장하거나 하는 재료이다. 정극 활물질로는, 예를 들어 리튬 복합 산화물의 입자를 들 수 있다. 부극 활물질은, 전지 반응에 있어서 적절하게 리튬 이온을 흡장하고, 또한 흡장한 리튬 이온을 방출할 수 있는 재료이다. 부극 활물질로는, 예를 들어 천연 흑연 등의 흑연 구조를 갖는 입자가 예시될 수 있다.
이 실시 형태에서는, 정극 집전 박(51)은 띠 형상의 시트(예를 들어, 알루미늄 박)이다. 정극 활물질층(53)은, 정극 집전 박(51)의 폭 방향 편측에 설정된 노출부(52)를 제외하고, 정극 집전 박(51)의 양면에 형성되어 있다. 부극 집전 박(61)은, 띠 형상의 시트(예를 들어, 구리박)이다. 부극 활물질층(63)은, 부극 집전 박(61)의 폭 방향 편측에 설정된 노출부(62)를 제외하고, 부극 집전 박(61)의 양면에 형성되어 있다.
정극 시트(50)와 부극 시트(60)는, 길이 방향의 방향을 정렬시키고, 세퍼레이터(72, 74)를 사이에 두고 정극 활물질층(53)과 부극 활물질층(63)이 대향하도록 겹쳐져 있다. 이때, 정극 집전 박(51)의 노출부(52)가 세퍼레이터(72, 74)의 폭 방향의 편측으로 밀려 나오고, 부극 집전 박(61)의 노출부(62)가 세퍼레이터(72, 74)의 폭 방향의 반대측으로 밀려 나오도록 정극 시트(50)와 부극 시트(60)가 겹쳐져 있다.
권회 전극체(40)는, 정극 시트(50)와 부극 시트(60)와 세퍼레이터(72, 74)는, 상기한 바와 같이 겹쳐진 상태에서 또한 권회되어 있다. 권회 전극체(40)는, 권회 축(WL)을 포함하는 일 평면을 따라 편평한 형상이며, 편평한 직사각형의 수용 영역을 갖는 각형의 전지 케이스(20)에 수용되어 있다. 정극 집전 박(51)의 노출부(52)는, 권회 축(WL)을 따른 편측에 있어서, 세퍼레이터(72, 74)로부터 밀려 나와 있다. 부극 집전 박(61)의 노출부(62)는, 권회 축(WL)을 따른 반대측에 있어서, 세퍼레이터(72, 74)로부터 밀려 나와 있다. 정극 집전 박(51)의 노출부(52)와 부극 집전 박(61)의 노출부(62)는, 각각 나선 형상으로 밀려 나와 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터(72, 74)로부터 밀려 나온 정극 집전 박(51)의 노출부(52)는, 정극의 내부 단자(23)의 선단부(23a)에 용접되어 있다. 또한, 세퍼레이터(72, 74)로부터 밀려 나온 부극 집전 박(61)의 노출부(62)는, 부극의 내부 단자(24)의 선단부(24a)에 용접되어 있다.
도 1에 도시하는 예에서는, 전지 케이스(20)는, 케이스 본체(21)와, 밀봉판(22)을 구비하고 있다. 여기서, 케이스 본체(21)는, 일면이 개구된 바닥이 있는 직육면체 형상을 갖고 있다. 밀봉판(22)은, 케이스 본체(21)의 개구를 폐색하는 부재이다. 이러한 밀봉판(22)이 케이스 본체(21)의 개구 주연에 용접됨으로써, 대략 육면체 형상의 전지 케이스(20)가 구성되어 있다. 예를 들어, 전지 케이스(20)는 원통 형상의 케이스여도 된다. 또한, 전지 케이스(20)는 주머니 형상의 형태여도 되고, 이른바 라미네이트 타입의 외장체여도 된다. 또한, 전지 케이스(20)와, 전지 케이스(20)에 수용되는 권회 전극체(40)의 사이에는, 절연 필름(도시 생략)이 개재되어, 전지 케이스(20)와 권회 전극체(40)가 절연되어 있으면 된다.
도 1에 도시하는 예에서는, 밀봉판(22)에는, 정극의 외부 단자(25)와 부극의 외부 단자(26)가 설치되어 있다. 정극의 외부 단자(25)는 내부 단자(23)에 전기적으로 접속되어 있다. 정극 집전 박(51)은, 내부 단자(23) 및 외부 단자(25)를 통해 외부의 장치에 전기적으로 접속된다. 부극의 외부 단자(26)는, 내부 단자(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 부극 집전 박(61)은, 내부 단자(24) 및 외부 단자(26)를 통해 외부의 장치에 전기적으로 접속된다. 밀봉판(22)에는, 안전 밸브(30)나 주액 구멍(32)이 형성되어 있고, 주액 구멍(32)에는 캡재(33)가 장착되어 있다.
전지 케이스(20)에 수용된 전해액(80)은, 권회 축(WL)의 축 방향의 양측으로부터 전극체(40)의 내부에 침입한다. 도 1에 있어서, 전해액(80)의 양은, 엄밀하지는 않다. 전해액(80)은, 권회 전극체(40)의 내부에 있어서, 정극 활물질층(53)이나 부극 활물질층(63)의 공극 등에 충분히 스며든다. 전해액(80)에는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 전지 반응에 기여할 수 있는 전해질 이온으로서 리튬 이온이 포함되어 있다. 이상, 리튬 이온 이차 전지(10)의 구성예를 예시하였지만, 리튬 이온 이차 전지(10)를 구성하는 활물질이나 도전재나 전해액(80) 등의 각종 재료에 대해서는, 다양한 공지 문헌이 존재하므로, 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
리튬 이온 이차 전지(10)는, 단전지로서 단독으로 사용되어도 되고, 조전지의 전지 요소로서 사용되어도 된다. 즉, 복수의 리튬 이온 이차 전지(10)를 조합하여 조전지를 구성해도 된다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(10)는, 예를 들어 전지 케이스(20)가 팽창되는 것을 억제하기 위해, 전지 케이스(20)의 외측면을 소요력으로 압박하도록 외측으로부터 구속압을 가하여 설치될 수 있다. 즉, 리튬 이온 이차 전지(10)는, 설치될 때에 전지 케이스(20)의 외측면을 압박하는 구속 부재가 설치되어 있어도 된다.
충전 시, 여기서 예시되는 리튬 이온 이차 전지(10)는, 정극 시트(50)와 부극 시트(60)의 사이에 전압이 인가된다. 전압이 인가되면, 정극 시트(50)에서는, 정극 활물질층(53) 중의 정극 활물질 입자로부터 리튬 이온(Li)이 전해액에 방출되고, 정극 활물질층(53)으로부터 전하가 방출된다. 부극 시트(60)에서는, 전하가 축적된다. 또한, 전해액 중의 리튬 이온(Li)이 부극 활물질층(63) 중의 부극 활물질 입자에 흡수되고, 또한 저장된다.
방전 시, 리튬 이온 이차 전지(10)는, 부극 시트(60)와 정극 시트(50)의 전위차에 의해, 부극 시트(60)로부터 정극 시트(50)에 전하가 보내진다. 부극에서는, 부극 활물질층(63) 중의 부극 활물질 입자에 저장된 리튬 이온이 전해액에 방출된다. 정극에서는, 정극 활물질층(53) 중의 정극 활물질 입자에 전해액 중의 리튬 이온이 도입된다.
여기서 하이레이트 충전이라 함은, 전지의 정격 용량에 대해 어느 정도 큰 전류값에서의 충전을 말한다. 또한, 하이레이트 방전이라 함은, 전지의 정격 용량에 대해 어느 정도 큰 전류값에서의 방전을 말한다. 여기서, 하이레이트 충전으로 하는 기준 전류값과, 하이레이트 방전으로 하는 기준 전류값은, 동일한 전류값으로 해도 되고, 반드시 동일한 전류값은 아니어도 된다. 하이레이트 충전이나 하이레이트 방전의 기준 전류값은, 예를 들어 실제의 이차 전지의 거동이나 하이레이트에서의 충전이나 방전에 대한 내성을 고려하여 미리 설정하면 된다. 즉, 하이레이트 충전이나 하이레이트 방전의 기준 전류값은, 대상으로 되는 이차 전지에 대해 임의로 정해진다. 또한, 하이레이트 충전이나 하이레이트 방전의 기준 전류값은, 온도 등의 사용 환경에 따라서 변동되도록 설정해도 된다. 예를 들어, 온도 등의 사용 환경에 따라서 미리 정해진 계수를 곱하여, 기준 전류값을 그때마다 보정해도 된다.
여기서는, 전형예로서, 도 1에 도시하는 리튬 이온 이차 전지(10)를 예로 들어, 리튬 이온 이차 전지(10)의 각 부재의 참조 부호를 부여하면서, 하이레이트 충전이나 하이레이트 방전에서의 열화 사상을 설명한다. 단, 이러한 사상이 발생하는 리튬 이온 이차 전지는, 도 1에 도시하는 리튬 이온 이차 전지(10)와 마찬가지인 구조의 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시하는 리튬 이온 이차 전지(10)는 권회 전극체(40)를 구비하고 있지만, 리튬 이온 이차 전지는, 정극 시트와 부극 시트가 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 적층형의 전극체를 구비하고 있어도 된다.
리튬 이온 이차 전지(10)에서는, 하이레이트에서의 충전이나 방전이 과도하게 행해지면, 전지 저항이 상승하는 등 전지 성능이 열화되는 경우가 있다. 본 발명자의 지견에서는, 이러한 전지 성능의 열화에는, 정극 활물질층(53)과 부극 활물질층(63) 사이에서 염 농도 불균일의 발생과, 전극체(40)(특히, 부극 활물질층(63))로부터의 전해액(80)의 유출이 관련되어 있다. 전해액(80)의 유출에는, 부극 활물질층(63) 중의 부극 활물질 입자의 팽창과, 전극체(40) 중의 전해액(80)의 열팽창이 관련되어 있다. 이하, 이들 사상에 대해 차례로 설명한다.
도 2는, 세퍼레이터(72, 74)를 개재하여 대향한 정극 활물질층(53)과 부극 활물질층(63)의 단면을 도시하는 모식도이다. 여기서, 실선 A1은, 당해 단면에 있어서의 충전 시의 리튬 이온의 농도 분포를 나타내고 있다. 또한, 파선 B1은, 당해 단면에 있어서의 방전 시의 리튬 이온의 농도 분포를 나타내고 있다. 도 2에서, 실선 A1 및 파선 B1은, 각각 상측일수록 리튬 이온의 농도가 짙고, 하측일수록 리튬 이온 농도가 옅은 것을 나타내고 있다.
정극 활물질층(53)과 부극 활물질층(63) 사이의 염 농도 불균일은, 정극 활물질층(53)에 스며든 전해액(80)과, 부극 활물질층(63)에 스며든 전해액(80) 사이에 발생하는 리튬 이온 농도 차를 의미하고 있다. 예를 들어, 충전 시, 도 2의 실선 A1로 나타내어지는 바와 같이, 정극 활물질층(53)에 스며든 전해액(80)에는 리튬 이온이 방출되고, 부극 활물질층(63)에 스며든 전해액(80)에는 리튬 이온이 흡수된다. 이때, 정극 활물질층(53)에 스며든 전해액(80)에서는 리튬 이온 농도가 짙어진다. 부극 활물질층(63)에 스며든 전해액(80)에서는 리튬 이온 농도가 옅어진다. 반대로, 방전 시, 도 2의 파선 B1로 나타내어지는 바와 같이, 정극 활물질층(53)은 전해액(80)으로부터 리튬 이온을 흡수하고, 부극 활물질층(63)은 전해액(80)에 리튬 이온을 방출한다. 이로 인해, 정극 활물질층(53)에 스며든 전해액(80)에서는 리튬 이온 농도가 옅어진다. 부극 활물질층(63)에 스며든 전해액(80)에서는 리튬 이온 농도는 짙어진다.
이러한 염 농도 불균일은, 예를 들어 전해액(80) 중의 리튬 이온의 확산 속도보다 높은 전류 레이트에서의 충전 및 방전에 있어서 현저해진다. 낮은 전류 레이트에서의 충전 및 방전에 의한 사용에서는, 염 농도 불균일의 정도는 작다. 또한, 전지가 충전도 방전도 되지 않고 방치되어 있는 경우에는, 전해액 중의 리튬 이온의 확산에 의해 염 농도 불균일은 점차 해소된다.
리튬 이온 이차 전지(10)의 부극 활물질 입자는, 충전이 진행됨에 따라 팽창하고, 방전되면 수축하는 경향이 있다. 이러한 경향은, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지(10)의 부극 활물질 입자로서, 천연 흑연이나 그래파이트나 소프트 카본과 같이 흑연 구조를 갖는 재료(흑연계 재료)가 사용되어 있는 경우에 있어서 현저하다. 흑연 구조를 갖는 부극 활물질 입자에서는, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전되면, 부극 활물질 입자의 흑연 구조의 층간에 리튬 이온이 흡장된다. 도 3은, 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전 용량과, 부극 활물질층(63)의 두께의 증가량의 전형적인 관계를 나타내는 그래프이다.
리튬 이온 이차 전지(10)의 충전이 진행되면, 부극 활물질 입자에 있어서의 흑연 구조의 층간에 흡장되는 리튬 이온의 양이 증가한다. 그리고, 흑연 구조의 에지면(C축 방향)의 거리(흑연 구조의 층간 거리)가 단계적으로 커져, 부극 활물질 입자는 단계적으로 팽창한다. 도 3에 나타내어지는 부극 활물질층(63)의 두께의 증가는, 흑연 구조의 에지면(C축 방향)의 거리가 단계적으로 변화되는 것에 수반되는, 부극 활물질 입자의 단계적인 팽창에 기인하고 있다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(10)가 방전되면, 부극 활물질 입자는 단계적으로 수축한다.
특히, 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 저SOC의 영역 C1과, 고SOC의 영역 C3은, 충전됨에 따라 부극 활물질층(63)이 두꺼워진다. 본 명세서에서는, 당해 저SOC의 영역 C1은, 적절하게 영역 C1이라고 약칭된다. 고SOC의 영역 C3은, 적절하게 영역 C3이라고 약칭된다. 영역 C1과 영역 C3의 사이에는, 충전 용량이 증가해도, 부극 활물질층(63)의 두께가 거의 변화되지 않는 중간 영역 C2가 있다. 중간 영역 C2는, 적절하게 영역 C2라고 약칭된다. 영역 C2는, 충전 내성이 강하여 거의 부극 활물질 입자가 팽창 수축하지 않는 영역이다. 이러한 영역이 발생하는 SOC는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전 용량에 대한 부극 활물질 입자의 물성에 의존한다.
리튬 이온 이차 전지(10)는, 충전 및 방전 시에, 전지 반응에 따라서 발열한다. 전해액(80)은 온도에 따라서 팽창한다. 리튬 이온 이차 전지(10)의 발열량이 커지는 것에 따라서 전해액(80)의 팽창량은 커진다. 하이레이트에서의 충전 및 방전에서는, 전해액(80)의 팽창에 의한 경향이 커진다. 본 발명자의 지견에 의하면, 리튬 이온 이차 전지의 발열량 Q는, 전류값 I와 전지 저항 R로부터 산출되는 I2*R에 대략 비례하여 높아진다. 즉, 충전 또는 방전 시의 전류값 I의 제곱에 비례하여 전류값 I가 높으면 높을수록, 또한 전지 저항 R이 높으면 높을수록 리튬 이온 이차 전지(10)는 발열하기 쉬워, 전해액(80)이 팽창하기 쉽다.
본 발명자의 지견에 의하면, 하이레이트 충전 시에는, 상술한 바와 같이 염 농도 불균일이 발생하여, 부극 활물질층(63) 측에서 전해액의 리튬 이온 농도가 옅어진다. 또한 리튬 이온 이차 전지(10)의 발열에 의해 전해액(80)은 열팽창하여, 전극체(40)로부터 전해액(80)이 유출된다. 저SOC의 영역 C1과 고SOC의 영역 C3은, 중간 영역 C2보다 부극 활물질 입자가 크게 팽창하여, 전극체(40)로부터 전해액(80)이 유출되기 쉽다. 중간 영역 C2에서는, 부극 활물질 입자가 거의 팽창하지 않아, 전해액(80)의 유출이 완화된다. 이로 인해, 중간 영역 C2는, 영역 C1 및 영역 C3보다, 리튬 이온 이차 전지(10)의 성능이 열화되기 어렵다.
본 발명자의 지견에 의하면, 하이레이트 방전 시에는, 상술한 바와 같이 염 농도 불균일이 발생하여, 부극 활물질층(63) 측에서 전해액의 리튬 이온 농도가 짙어진다. 리튬 이온 이차 전지(10)의 발열에 의해 전해액(80)이 열팽창하여, 전극체(40)로부터 전해액(80)이 유출된다. 저SOC의 영역 C1과 고SOC의 영역 C3은, 중간 영역 C2보다 부극 활물질 입자가 크게 수축하여, 전극체(40)로부터의 전해액(80)의 유출이 완화된다. 중간 영역 C2에서는, 부극 활물질 입자가 거의 수축하지 않아, 전해액(80)의 유출은 완화되지 않는다. 이로 인해, 하이레이트 방전에서는, 영역 C1 및 영역 C3은, 중간 영역 C2보다 리튬 이온 이차 전지(10)의 성능이 열화되기 어렵다.
도 4는, 하이레이트 충전이 과도하게 행해진 경우에 대해, 리튬 이온 이차 전지(10)에 인가되는 전형적인 전류 패턴을 예시한 그래프이다. 여기서, 종축은 전류값을 나타내고 있고, 횡축은 시간이다. 이 명세서에서는, 미리 정해진 일정 기간에 있어서, 미리 정해진 충전 전류값 IA보다 높은 전류값에서 충전된 충전 용량보다, 미리 정해진 방전 전류값 IB보다 높은 전류값에서 방전된 방전 용량이 작은 경우를, 충전 과다 또는 하이레이트 충전 과다라고 칭한다. 즉, 충전 과다라고 칭하는 상태는, 어느 일정 기간에 있어서, 하이레이트 충전이 과도하게 행해져 있는 상태를 의미하고 있다. 예를 들어, 도 4에 나타내는 예에서는, 어느 일정 기간에 있어서, 충전 시에는, 미리 정해진 충전 전류값 IA보다 높은 전류값에서 충전되어 있다. 방전 시에는, 미리 정해진 방전 전류값 IB보다 낮은 전류값에서 정전류 방전이 행해져 있다. 이러한 예는, 하이레이트 방전보다 하이레이트 충전이 과도하게 행해져 있어, 충전 과다라고 칭해지는 상태의 전형예라고 할 수 있다.
도 5는, 하이레이트 방전이 과도하게 행해진 경우에 대해, 리튬 이온 이차 전지(10)에 인가되는 전형적인 전류 패턴을 예시한 그래프이다. 여기서, 종축은 전류값을 나타내고 있고, 횡축은 시간이다. 이 명세서에서는, 미리 정해진 일정 기간에 있어서, 미리 정해진 방전 전류값 IB보다 높은 전류값에서 방전된 방전 용량보다, 미리 정해진 충전 전류값 IA보다 높은 전류값에서 충전된 충전 용량이 작은 경우를, 방전 과다 또는 하이레이트 방전 과다라고 칭한다. 즉, 방전 과다라고 칭하는 상태는, 어느 일정 기간에 있어서, 하이레이트 방전이 과도하게 행해져 있는 상태를 의미하고 있다. 예를 들어, 도 5에 나타내는 예에서는, 어느 일정 기간에 있어서, 방전 시에는, 미리 정해진 방전 전류값 IB보다 높은 전류값에서 방전되어 있다. 충전 시에는, 미리 정해진 충전 전류값 IA보다 낮은 전류값에서 정전류 충전이 행해져 있다. 이러한 예는, 하이레이트 충전보다 하이레이트 방전이 과도하게 행해져 있어, 방전 과다라고 칭해지는 상태의 전형예라고 할 수 있다.
여기서, 미리 정해진 충전 전류값 IA보다 높은 전류값에서 충전된 적산 충전 용량 ΣIA는, 미리 정해진 충전 전류값 IA보다 높은 전류값에서 충전된 시간에 있어서의 충전 전류의 적산값이다. 또한, 미리 정해진 방전 전류값 IB보다 높은 전류값에서 방전된 적산 방전 용량 ΣIB는, 미리 정해진 방전 전류값 IB보다 높은 전류값에서 방전된 시간에 있어서의 방전 전류의 적산값이다. 이들은, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 상황에 있어서, 온도나 충전 시 및 방전 시의 전류값, 전압 등의 데이터를 메모리 등에 기록해 두고, 이러한 데이터에 기초하여 각 데이터의 이력을 기초로 산출하면 된다.
미리 정해진 일정 기간에 있어서, 하이레이트 충전에서의 적산 충전 용량 ΣIA가, 하이레이트 방전에서의 적산 방전 용량 ΣIB보다 큰 경우를 「충전 과다」라고 칭한다. 미리 정해진 일정 기간에 있어서, 하이레이트 방전에서의 적산 방전 용량 ΣIB가, 하이레이트 충전에서의 적산 충전 용량 ΣIA보다 큰 경우를 「방전 과다」라고 칭한다. 또한, 미리 정해진 일정한 기간에 있어서, 하이레이트 충전에서의 적산 충전 용량 ΣIA와, 하이레이트 방전에서의 적산 방전 용량 ΣIB의 차가 미리 정해진 용량보다 작은 경우는 「충전 과다」와 「방전 과다」중 어느 쪽에도 포함되지 않는, 말하자면 「뉴트럴」인 상태로 해도 된다.
여기서, 도 6은 리튬 이온 이차 전지(10)의 권회 전극체(40)에 스며든 전해액(80) 중의 리튬 이온 농도의 분포를 나타낸 모식도이다. 도 6 중의 실선 A2는, 충전 과다인 경우의 리튬 이온 농도의 분포를 나타내고 있다. 파선 B2는, 방전 과다인 경우의 리튬 이온 농도의 분포를 나타내고 있다. 실선 A2, 파선 B2는, 각각 권회 축(WL)을 따라 리튬 이온 농도의 분포의 경향을 나타내고 있다. 도 6에서는, 실선 A2, 파선 B2는, 상측일수록 리튬 이온 농도가 짙은 것을 나타내고 있고, 하측일수록 리튬 이온 농도가 옅은 것을 나타내고 있다. 또한, 실선 A2와 파선 B2에서는, 리튬 이온 농도는, 각각 권회 축(WL)을 따라 상대적으로 평가되어 있다.
하이레이트 충전이 과도하게 행해진 충전 과다에서는, 도 2의 실선 A1로 나타내어져 있는 바와 같이, 부극 활물질층(63)에 스며든 전해액(80)의 리튬 이온 농도가 옅어진다. 그리고, 리튬 이온 농도가 옅은 전해액(80)이 권회 전극체(40)로부터 유출된다. 이로 인해, 권회 전극체(40)에 스며든 전해액(80)의 평균에서는, 리튬 이온 농도는 짙어지는 경향이 있다. 또한, 부극 활물질 입자가 팽창하는 영향에 의해, 권회 축(WL)을 따른 권회 전극체(40)의 양단부에서는 전해액이 유출되기 쉽다. 이로 인해, 충전 과다의 상태에서는, 도 6의 실선 A2로 나타내는 바와 같이, 리튬 이온 농도는, 권회 축(WL)을 따라 권회 전극체(40)의 중앙부에서 짙고, 양단부에서 옅은 경향이 된다.
하이레이트 방전이 과도하게 행해진 방전 과다에서는, 도 2의 파선 B1로 나타내어져 있는 바와 같이, 부극 활물질층(63)에 스며든 전해액(80)의 리튬 이온 농도가 짙어진다. 그리고, 리튬 이온 농도가 짙은 전해액(80)이 권회 전극체(40)로부터 유출된다. 이로 인해, 권회 전극체(40)에 스며든 전해액(80)의 평균에서는, 리튬 이온 농도는 옅어지는 경향이 있다. 또한, 부극 활물질 입자가 수축하는 영향에 의해, 권회 축(WL)을 따른 권회 전극체(40)의 양단부에서는 전해액의 유출이 완화된다. 이로 인해, 방전 과다의 상태에서는, 도 6의 파선 B2로 나타내는 바와 같이, 리튬 이온 농도는, 권회 축(WL)을 따라 권회 전극체(40)의 중앙부에서 옅고, 양단부에서 짙은 경향이 된다.
충전 과다에서는, 도 2의 실선 A1로 나타내는 바와 같이, 정극 활물질층(53) 측에서 전해액(80)의 리튬 이온의 농도가 짙어지고, 부극 활물질층(63) 측에서 전해액(80)의 리튬 이온의 농도가 옅어진다. 리튬 이온 이차 전지(10)의 발열에 의해 전해액(80)은 열팽창하여, 전극체(40)로부터 전해액(80)이 유출된다. 또한, 도 6의 실선 A2로 나타내는 바와 같이, 권회 축(WL)을 따른 권회 전극체(40)의 양단부는, 중앙부보다 리튬 이온 농도가 옅어지는 경향이 있다. 과도한 충전 과다로 되면, 전극체(40)에 스며든 전해액(80) 중의 리튬 이온의 농도 차가 커진다. 리튬 이온의 농도 차가 커지면, 리튬 이온 이차 전지(10)의 전지 저항을 상승시키는 요인의 하나가 된다.
충전 과다에서 발생하는 리튬 이온의 농도 차를 조기에 해소시키기 위해서는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전을 제한하고, 어느 정도 높은 전류값에서 방전하면 된다. 그러나, 용도에 따라, 방전 시의 전류 레이트가 제한되는 경우가 있다. 예를 들어, 하이브리드 차량과 같은 차량 용도에서는, 리튬 이온 이차 전지(10)는 구동륜에 동력을 전달하는 모터를 작동시키기 위한 전원으로서 사용된다. 차량 용도에서는, 급발진을 행하는 경우 등에 있어서 방전 시에 요구되는 전류 레이트가 다른 용도에 비해 크다. 이러한 용도에서는, 사용 영역의 하한 근방의 저SOC에서 방전 전류가 낮게 억제되도록 리튬 이온 이차 전지(10)가 제어되는 경우가 있다.
이러한 용도에 있어서, 저SOC에서 충전 과다에 빠지고, 다시 충전 과다를 해소시키기 위해 충전 전류값이 제한되면, 리튬 이온 이차 전지(10)는 저SOC의 상태로 장기간 머무르게 될 수도 있다. 저SOC의 상태로 장기간 머물러, 방전 전류가 낮게 억제되면, 리튬 이온 이차 전지(10)는 충분히 기능하지 않게 된다. 이러한 상태에 빠지면, 하이브리드 차에서는, 전지의 출력이 장기간 제한되어, 엔진에 의해 차를 주행시키는 상태가 많아진다. 이로 인해, 연비가 악화된다.
방전 과다에서는, 도 2의 파선 B1로 나타내는 바와 같이, 정극 활물질층(53) 측에서 전해액(80)의 리튬 이온의 농도가 옅어지고, 부극 활물질층(63) 측에서 전해액(80)의 리튬 이온의 농도가 짙어진다. 리튬 이온 이차 전지(10)의 발열에 의해 전해액(80)은 열팽창하여, 전극체(40)로부터 전해액(80)이 유출된다. 또한, 도 6의 파선 B2로 나타내는 바와 같이, 권회 축(WL)을 따른 권회 전극체(40)의 양단부는, 중앙부보다 리튬 이온 농도가 짙어지는 경향이 있다. 과도한 방전 과다로 되면, 전극체(40)에 스며든 전해액(80) 중의 리튬 이온의 농도 차가 커진다. 리튬 이온의 농도 차가 커지면, 리튬 이온 이차 전지(10)의 전지 저항을 상승시키는 요인의 하나가 된다.
방전 과다에서 발생하는 리튬 이온의 농도 차를 조기에 해소시키기 위해서는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 방전을 제한하고, 어느 정도 높은 전류값에서 충전하면 된다. 그러나, 용도에 따라, 충전 시의 전류 레이트가 제한되는 경우가 있다. 예를 들어, 상술한 바와 같은 EV나 하이브리드 차량 등의 차량 용도의 리튬 이온 이차 전지(10)에서는, 사용 영역의 상한 근방의 고SOC에서 충전 전류값이 낮게 억제되도록 제어되는 경우가 있다.
이와 같이 고SOC에서 충전 전류값이 낮게 억제되도록 제어되는 경우에, 리튬 이온 이차 전지(10)가 고SOC에서 방전 과다에 빠지면, 다시 방전 과다를 해소시키기 위해 방전 전류값이 제한되는 제어가 가해진다. 이러한 상황이 되면, 고SOC에서 방전이 제한되므로, 리튬 이온 이차 전지(10)는 고SOC의 상태로 장기간 머무르게 될 수도 있다. 그리고, 고SOC에서 방전 과다의 상태로 장기간 머물러, 방전 전류가 낮게 억제되면, 리튬 이온 이차 전지(10)는 충분히 기능하지 않게 된다. 이러한 상태에 빠지면, 하이브리드 차에서는, 전지의 출력이 장기간 제한되어, 엔진에 의해 차를 주행시키는 상태가 많아진다. 이로 인해, 연비가 악화된다.
다음으로, 여기서 제안되는 제어 장치를 설명한다. 여기서, 도 7은, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)와 제어 장치(100)를 포함하는 제어 시스템(1000)을 모식적으로 도시하는 블록도이다. 제어 장치(100)는, 연산 장치와 기록 장치를 구비하고 있고, 미리 설정된 프로그램을 따라 소정의 연산 처리를 실행하고, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)를 제어한다. 제어 장치(100)는, 미리 설정된 프로그램을 실행함으로써 각 처리를 구현화한다.
이 실시 형태에서는, 제어 장치(100)는, 제1 기록부(111)와, 제1 처리부(121)와, 제2 처리부(122)와, SOC 검지부(130)와, 사용 영역 설정부(131)와, 열화량 검출부(132)를 구비하고 있다. 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)는, 입력 측 장치(210)와, 출력 측 장치(220)에 접속되어 있고, 그 회로 상에는, 입력측 장치(210)와의 접속을 전환하는 스위치(212)와, 출력 측 장치(220)와의 접속을 전환하는 스위치(222)를 구비하고 있다. 스위치(212, 222)는, 각각 제어 장치(100)의 제어에 의해 조작된다. 또한, 제어 시스템(1000)은, 전류계(240)와, 전압계(242)와, 온도계(244)를 구비하고 있다. 전류계(240)는, 상기 회로에 있어서 리튬 이온 이차 전지(10)에의 입력과 출력의 전류값(충전과 방전의 전류값)을 측정한다. 전압계(242)는, 상기 회로에 있어서 이차 전지의 정부극간의 전압을 측정한다. 온도계(244)는, 리튬 이온 이차 전지(10)가 설치된 환경의 온도를 측정한다.
여기서, SOC 검지부(130)는 SOC를 검지하는 처리부이다. SOC를 검지하는 방법은 다양한 방법이 알려져 있고, 적절하게 채용하면 된다. 예를 들어, 미리 정해진 전지 용량이 기록되어 있고, 초기 상태로부터의 충전 이력과 방전 이력에 따라서, 적산 충전 용량과, 적산 방전 용량을 파악하여, SOC를 추정하는 방법이 있다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(10)의 OCV(개회로 전압)로부터 SOC를 추정하는 방법도 있다. 또한, SOC를 검지하는 처리에서는, 다소의 오차가 발생하거나, 리튬 이온 이차 전지의 전지 용량이 변화되거나 하므로, 미리 정해진 일정 사용 기간에 있어서 리셋되어도 된다.
사용 영역 설정부(131)는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역을 설정하는 처리부이다. 사용 영역 설정부(131)의 설정 방법에는, 몇 가지의 방법이 있다.
예를 들어, 사용 영역 설정부(131)는, SOC 검지부(130)에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역을 설정해도 된다. 여기서, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한을 상한 SOC라고 칭하고, 하한을 하한 SOC라고 칭한다. 또한, 다른 방법으로서, 사용 영역 설정부(131)는, SOC 검지부(130)에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 중심 영역을 설정해도 된다. 이 경우, 중심 영역은, 어느 정도 폭을 갖고 설정되어도 된다. 예를 들어, SOC 35％ 내지 SOC 65％를 중심 영역으로서 설정하여 제어해도 된다. 또한, 중심 영역은, 예를 들어 중심 값으로서 설정되어도 된다. 중심 값이나, 중심 값으로부터 미리 정해진 일정 범위는, 임의로 적절한 값이나 범위를 설정하면 된다.
또한, 제어 장치(100)는, 사용 영역 설정부(131)에 설정된 사용 영역에서, 리튬 이온 이차 전지(10)가 사용되도록 리튬 이온 이차 전지(10)에 대한 충전 및 방전을 제어하면 된다. 제어 장치(100)는, 예를 들어 사용 영역의 상한에서는, 상한 SOC를 초과하지 않도록 적절하게 충전 전류를 제한하면 된다. 또한, 제어 장치(100)는, 사용 영역의 하한에서는, 하한 SOC를 초과하지 않도록 적절하게 방전 전류를 제한하면 된다.
제1 기록부(111)는, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전 이력과 방전 이력이 기록된다. 이 실시 형태에서는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전 이력과 방전 이력으로서, 전류계(240)로부터 얻어지는 전류값이 이력으로서 기록되어 있다. 이 실시 형태에서는, 전류계(240)로부터 얻어지는 전류값을 기록하는 것에 맞추어 당해 전류값이 기록되었을 때에 전압계(242)나 온도계(244)에 의해 측정된 측정값이 기록되어 있다.
여기서, 「충전 과다」 및 「방전 과다」는, 상술한 바와 같이 미리 정해진 일정 기간에 있어서의 하이레이트 충전에서의 적산 충전 용량 ΣIA와, 하이레이트 방전에서의 적산 방전 용량 ΣIB의 차분에 의해 평가할 수 있다. 제어 장치(100)는, 제1 기록부(111)에서 기록된 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 예를 들어 (ΣIA－ΣIB)가 ＋이면 「충전 과다」, －이면 「방전 과다」로 하면 된다. 또한, 차분이, 일정 전기 용량 이내이면, 「충전 과다」도 「방전 과다」도 아닌 「뉴트럴」인 상태라고 판정해도 된다. 이 경우, 예를 들어 차분이, 전지 용량 C0의 20％ 정도 이내이면, 「충전 과다」도 「방전 과다」도 아닌 「뉴트럴」인 상태로 해도 된다.
제1 처리부(121)는, 제1 기록부(111)에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 하한 SOC를 높게 한다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 저SOC 상태로 장기간 머무르는 것을 방지할 수 있다. 이러한 처리에는, 몇 가지의 방법이 있다. 이하의 몇 가지의 방법은, 특별히 지장이 없는 한에 있어서, 적절하게 조합해도 된다.
예를 들어, 사용 영역 설정부(131)는 SOC 검지부(130)에 의해 검지된 SOC에 기초하여, SOC 30％ 내지 SOC 70％의 범위를, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역으로서 설정하고 있다고 하자. 이 경우, 제1 처리부(121)는, 제1 기록부(111)에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 하한 SOC를 40％로 하면 된다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 SOC 30％ 정도에 머무르고 있는 경우라도, 방전 전류가 제한되고, 또한 충전됨으로써 SOC 40％ 정도로 상승하게 된다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지(10)가 저SOC의 상태로부터 벗어날 수 있다.
여기서, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 하한 SOC는, 예를 들어 부극 활물질 입자의 물성에 따라서, 상술한 중간 영역 C2(도 3 참조)의 하한값에 따라서 설정되면 된다. 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 하한 SOC는, 예를 들어 상술한 중간 영역 C2의 하한값보다 약간 높은 값으로 설정되면 된다. 이에 의해, 부극 활물질 입자의 물성에 따라서, 부극 활물질 입자가 팽창 수축되지 않는 영역에 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역이 설정된다.
또한, 제어 장치(100)는 제1 기록부(111)에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 방전 전류를 미리 정해진 전류값보다 낮게 제한하는 방전 제한 처리부(141)를 구비하고 있어도 된다. 즉, 방전 제한 처리부(141)에 의하면, 방전 전류가 작게 억제된다. 이로 인해, 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC는 낮아지기 어렵고, 또한 충전될 때마다 높아져 간다. 또한, 이러한 방전 제한 처리부(141)는, 리튬 이온 이차 전지(10)로부터의 방전을 완전히 제한해도 된다. 즉, 방전 제한 처리부(141)는, 리튬 이온 이차 전지(10)가 완전히 방전되지 않도록 방전을 제한해도 된다. 이 경우, 리튬 이온 이차 전지(10)는 충전 과다인 경우에, 방전이 완전히 제한되고, 충전만 되게 되어, SOC는 더욱 조기에 높아진다.
또한, 제1 처리부(121)는, 다른 방법으로서, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 SOC보다 낮은 경우에, 미리 정해진 전류값보다 낮은 전류값에서 충전하는 고SOC화 처리를 포함하고 있어도 된다. 이 처리는, 낮은 충전 레이트에서의 충전을 행함으로써, 충전 과다의 상태가 진행되는 것을 억제하면서, 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC를 상승시킬 수 있다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)는, 강제적으로 SOC가 상승하므로, 저SOC의 상태로부터 조기에 벗어날 수 있다. 여기서 설정되는 전류값은, 예를 들어 1C 이하, 보다 바람직하게는 0.5C 이하, 더욱 바람직하게는 0.3C 이하이면 된다.
또한, 제1 처리부(121)는 또한 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한 SOC를 낮게 설정해도 된다. 여기서, 상한 SOC는, 미리 정해진 값 이하로 하면 된다. 또한, 상한 SOC는, 높게 설정된 후의 하한 SOC보다 높게 설정되는 것으로 한다.
사용 영역 설정부(131)는, SOC 검지부(130)에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 예를 들어 SOC 30％ 내지 SOC 70％의 범위를, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역으로서 설정하고 있다고 하자. 이 경우, 제1 처리부(121)는, 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한 SOC를, 예를 들어 60％로 낮게 설정해도 된다. 상한 SOC는, 예를 들어 상술한 중간 영역 C2의 상한값에 따라서 설정되면 된다. 이 경우, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한 SOC는, 상술한 중간 영역 C2의 상한값보다 약간 낮은 값으로 설정되면 된다. 이에 의해, 부극 활물질 입자의 물성에 따라서, 부극 활물질 입자가 팽창 수축하지 않는 영역에 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역이 설정된다. 그리고, 리튬 이온 농도 차가 크게 되어 있는 문제가 조기에 해소될 수 있다.
또한, 다른 형태로서, 사용 영역 설정부(131)는, SOC 검지부(130)에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 중심 영역을 설정하는 처리를 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 하한 SOC를 높게 하는 제1 처리부(121)는, 예를 들어 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 중심 영역을 높게 하면 된다. 이에 의해, 제어 장치(100)에 의한 제어에 있어서, SOC의 목표 값이 높아져, 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC가 상승하도록 제어된다.
예를 들어, 사용 영역 설정부(131)가, 중심 값을 SOC 50％로 하고, 중심 값으로부터 -20％ 내지 +20％의 범위에서 사용 영역으로서 설정하고 있다고 하자. 이 경우, 제1 처리부(121)는, 사용 영역의 중심 값을 SOC 60％로 설정하면 된다. 이에 의해, SOC 40％ 내지 SOC 80％의 범위가 사용 영역으로서 설정되고, 리튬 이온 이차 전지(10)가 SOC 30％ 정도에서 머무르고 있는 경우에 방전 전류가 제한된다. 그리고, 리튬 이온 이차 전지(10)는, 방전 전류가 제한되어 있으므로, 충전됨으로써 SOC 40％ 정도로 조기에 상승하게 된다. 또한, 사용 영역 설정부(131)가, 중심 값을 SOC 50％로 하고, 중심 값으로부터 -20％ 내지 +20％의 범위를 사용 영역으로서 설정하고 있는 경우, 제1 처리부(121)는, 중심 값으로부터 -10％ 내지 +10％의 범위를 사용 영역으로 해도 된다. 이 경우라도, 제어 장치(100)는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 하한 SOC를 높게 할 수 있고, 또한 상한 SOC를 낮게 할 수 있어, 리튬 이온 이차 전지(10)를 저SOC로부터 벗어나게 할 수 있다
이상과 같이, 제1 처리부(121)의 처리에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 저SOC에 머무르는 것을 방지할 수 있다. 이 경우, 낮은 상태에 머무른 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC를 조기에 높게 하기 위해, 리튬 이온 이차 전지(10)의 방전을 제한해도 된다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 SOC보다 높아진 경우에는, 방전 제한을 정지, 또는 방전 제한을 완화해도 된다. 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 SOC보다 높아진 경우에는, 더이상 방전을 크게 제한할 필요가 없기 때문이다. 여기서 미리 정해진 SOC는, 방전 제한을 재검토하는 제1 기준 S1로서 미리 정해져 있으면 된다.
다음으로, 제2 처리부(122)는, 제1 기록부(111)에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)가 방전 과다인 경우에, 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한 SOC를 낮게 한다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 방전 과다인 상태에서, 고SOC 상태로 장기간 머무르는 것을 방지할 수 있다. 이러한 처리에는, 몇 가지의 방법이 있다. 이하의 몇 가지의 방법은, 특별히 지장이 없는 한에 있어서, 적절하게 조합해도 된다.
예를 들어, 사용 영역 설정부(131)가 SOC 30％ 내지 SOC 70％의 범위를 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역으로서 설정하고 있다고 하자. 이 경우, 제2 처리부(122)는, 사용 영역의 상한 SOC를 낮게 하면 되고, 예를 들어 상한 SOC를 60％로 하면 된다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 SOC 70％ 정도에서 머무르고 있는 경우라도, 충전 전류가 제한되고, 또한 방전됨으로써, SOC 60％ 정도로 낮아지게 된다.
예를 들어, 제어 장치(100)는, 제1 기록부(111)에 기록된 충전 이력과 방전 이력에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)가 방전 과다인 경우에, 충전 전류를 미리 정해진 전류값보다 낮게 제한하는 충전 제한 처리부(142)를 구비하고 있어도 된다. 즉, 충전 제한 처리부(142)에 의하면, 충전 전류가 작게 억제된다. 이로 인해, 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC는 높아지기 어렵고, 또한 방전될 때마다 낮아져 간다. 또한, 이러한 충전 제한 처리부(142)는, 리튬 이온 이차 전지(10)에의 충전을 완전히 제한해도 된다. 즉, 충전 제한 처리부(142)는, 리튬 이온 이차 전지(10)가 완전히 충전되지 않도록 충전을 제한해도 된다. 이 경우, 리튬 이온 이차 전지(10)는 방전 과다인 경우에, 충전이 완전히 제한되고, 방전만 되게 되어, SOC는 더욱 조기에 낮아진다.
또한, 제2 처리부(122)는, 다른 방법으로서, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 SOC보다 높은 경우에, 미리 정해진 전류값보다 낮은 전류값에서 방전하는 저SOC화 처리를 포함하고 있어도 된다. 이 처리는, 낮은 방전 레이트에서의 방전을 행함으로써, 방전 과다의 상태가 진행되는 것을 억제하면서, 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC를 낮출 수 있다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)는, 강제적으로 SOC가 낮아져, 고SOC의 상태로부터 조기에 벗어날 수 있다. 여기서 설정되는 전류값은, 예를 들어 1C 이하, 보다 바람직하게는 0.5C 이하, 더욱 바람직하게는 0.3C 이하이면 된다.
또한, 제2 처리부(122)는, 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 하한 SOC를 높게 설정해도 된다. 여기서, 하한 SOC는, 낮게 설정된 후의 상한 SOC보다 낮게 설정되는 것으로 한다. 또한, 상한 SOC와 하한 SOC를 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)의 중간 영역 C2의 상한과 하한에 따라서 정함으로써, 리튬 이온 이차 전지(10)를 중간 영역 C2로 제어할 수 있다. 리튬 이온 이차 전지(10)를 중간 영역 C2로 제어함으로써, 충전 시에 부극 활물질 입자의 팽창이 발생하지 않고, 리튬 이온 이차 전지(10)의 열화가 조기에 회복된다.
또한, 다른 형태로서, 사용 영역 설정부(131)는, SOC 검지부(130)에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 중심 영역을 설정하는 처리를 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한 SOC를 낮게 하는 제2 처리부(122)는, 사용 영역 설정부(131)에 의해 설정된 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 중심 영역을 낮게 하면 된다. 이에 의해, 제어 장치(100)에 의한 제어에 있어서, SOC의 목표 값이 높아져, 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC가 낮아지도록 제어된다.
예를 들어, 사용 영역 설정부(131)가, 사용 영역의 중심 값을 SOC 50％로 하고, 당해 중심 값으로부터 -20％ 내지 +20％의 범위에서 사용 영역으로서 설정하고 있다고 하자. 이 경우에는, 제2 처리부(122)는, 사용 영역의 중심 값을 SOC 40％로 설정하면 된다. 이에 의해, SOC 20％ 내지 SOC 60％의 범위가 사용 영역으로서 설정되고, 리튬 이온 이차 전지(10)가 SOC 70％ 정도에서 머무르고 있는 경우라도 충전 전류가 제한되어, SOC 60％ 정도로 낮아지게 된다. 또한, 사용 영역 설정부(131)가 중심 값을 SOC 50％로 하고, 중심 값으로부터 -20％ 내지 +20％의 범위를 사용 영역으로서 설정하고 있는 경우, 제2 처리부(122)는 중심 값으로부터 -10％ 내지 +10％의 범위를 사용 영역으로 해도 된다. 이 경우, 제어 장치(100)는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 상한 SOC를 낮게 할 수 있고, 또한 하한 SOC를 높게 할 수 있다.
이상과 같이, 제2 처리부(122)의 처리에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 고SOC에 머무르는 것을 방지할 수 있다. 이 경우, 높은 상태에 머무른 리튬 이온 이차 전지(10)의 SOC를 조기에 낮게 하기 위해, 리튬 이온 이차 전지(10)의 충전을 제한해도 된다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 SOC보다 낮아진 경우에는, 충전 제한을 정지, 또는 충전 제한을 완화해도 된다. 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 SOC보다 낮아진 경우에는, 더이상 충전을 크게 제한할 필요가 없기 때문이다. 여기서 미리 정해진 SOC는, 충전 제한을 재검토하는 제2 기준 S2로서 미리 정해져 있으면 된다.
상술한 바와 같이 제1 처리부(121)는, 충전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 하한 SOC를 높게 한다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 저SOC의 상태로 장기간 머무르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 처리부(122)는, 방전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역의 상한 SOC를 낮게 한다. 이에 의해, 리튬 이온 이차 전지(10)가 방전 과다인 경우에, 고SOC의 상태로 장기간 머무르는 것을 방지할 수 있다. 이러한 제어는, 특히, 전극체(40)에 스며든 전극체(40)에 있어서 리튬 이온 농도의 분포가 크게 치우치는 것에 기인하는 리튬 이온 이차 전지(10)의 성능 열화를 조기에 해소하는 것에 유효하다. 또한, 하이레이트 충방전이 반복되고 있는 용도라도, 특히 이것에 기인하여 전지 저항이 상승하는 등의 성능 열화가 발생하고 있지 않은 경우에는, 이러한 제1 처리부(121)나 제2 처리부(122)의 처리를 실행할 필요가 없는 경우도 있을 수 있다. 따라서, 제1 처리부(121)나 제2 처리부(122)의 처리를 실행할지 여부를 판정하는 전제로서(이 실시 형태에서는, 상술한 충전 과다인지 여부, 혹은 방전 과다인지 여부를 판정하는 판정 처리의 전제로서), 성능 열화가 발생하고 있는지를 판정하는 판정 처리를 행해도 된다.
이 실시 형태에서는, 제어 장치(100)는, 열화량 검출부(132)를 구비하고 있다. 열화량 검출부(132)는, 리튬 이온 이차 전지(10)의 하이레이트 열화량 dHR을 검출한다. 그리고, 제어 장치(100)는 당해 열화량 검출부(132)에서 검출된 하이레이트 열화량 dHR이 미리 정해진 제1 기준값 R1보다 높은 경우에, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리가 실행되도록 구성되어 있어도 된다.
또한, 제어 장치(100)는, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리가 실행되고 있는 경우에 있어서, 열화량 검출부(132)에서 검출된 하이레이트 열화량 dHR이 미리 정해진 제2 기준값 R2보다 낮은 경우에, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리가 정지되도록 구성되어 있어도 된다.
여기서, 열화량 검출부(132)에서 검출되는 하이레이트 열화량 dHR은, 리튬 이온 이차 전지(10)의 저항 증가율 dR에 기초하여 산출해도 된다. 여기서, 저항 증가율 dR은, 현상의 리튬 이온 이차 전지(10)의 저항값 Rc와, 초기 상태의 리튬 이온 이차 전지(10)의 저항값 Rini의 비(Rc/Rini)로 산출된다. 여기서, 초기 상태는, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지(10)가 제조된 후, 소정의 컨디셔닝 공정을 거친 상태를 기준으로 하면 된다. 이 경우, 산출된 저항 증가율 dR을 하이레이트 열화량 dHR로 해도 된다(즉, dHR＝dR). 이 경우, 저항 증가율 dR이 상승한 경우에, 하이레이트 열화량 dHR이 상승한 것으로서 취급할 수 있다.
이 경우, 제1 기준값 R1은, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리를 실행하는지 여부를 판정하는 역치이다. 따라서, 산출된 저항 증가율 dR을 하이레이트 열화량 dHR로 하는 경우에는, 저항 증가율 dR에 대해 역치를 설정해 두면 된다. 예를 들어, 제1 기준값 R1을 115％로 설정해 두면, 저항이 15％ 이상 상승하면, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리가 실행된다. 여기서, 제1 기준값 R1은, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리를 실행시키기 위한 역치로서, 작동 열화량이라고도 칭해진다.
또한, 제2 기준값 R2는, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리가 정지하는지 여부를 판정하는 역치이다. 따라서, 산출된 저항 증가율 dR을 하이레이트 열화량 dHR로 하는 경우에는, 저항 증가율 dR에 대해 역치를 설정해 두면 된다. 예를 들어, 제2 기준값 R1을 105％로 설정해 두면, 저항 상승률이 5％보다 낮아지면, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리가 정지된다. 이에 의해, 필요 이상으로 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)가 실행되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 제2 기준값 R2는, 제1 처리부(121) 또는 제2 처리부(122)에 의한 처리를 정지시키기 위한 역치로서, 정지 열화량이라고도 칭해진다. 또한, 정지 열화량으로서의 제2 기준값 R2는, 제1 처리부(121)에 의한 처리를 정지시킬 때의 제2 기준값 R2A와, 제2 처리부(122)에 의한 처리를 정지시킬 때의 제2 기준값 R2B가 상이해도 된다. 즉, 제1 처리부(121)에 의한 처리를 정지할 때의 제2 기준값 R2A와 제2 처리부(122)에 의한 처리를 정지시킬 때의 제2 기준값 R2B를 상이하게 함으로써, 제1 처리부(121)와 제2 처리부(122)는 각각 적절한 타이밍에 정지될 수 있다.
또한, 상술한 하이레이트 충방전에 의한 열화(저항 상승)는, 리튬 이온의 농도가 크게 치우치는 것이 요인의 하나이므로, 장기간 방치하면, 열화가 완화된다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(10)의 저항 상승 요인은, 리튬 이온의 농도가 크게 치우치는 것뿐만이 아니다. 예를 들어, 온도나, 사양에 의한 경년적인 열화 등도 요인이 된다. 이로 인해, 하이레이트 열화량 dHR은, 온도나 충전 이력이나 방전 이력 등의 사용 이력에 기초하여 적절하게, 산출된 저항 증가율 dR을 보정하여 산출해도 된다. 이 경우, 보정 계수를 Kc로 하면, 하이레이트 열화량 dHR은, dHR＝dR*Kc로 나타내어진다. 여기서, *는 승산을 나타내고 있다. 또한, Kc는, 온도나 충전 이력이나 방전 이력 등의 사용 이력에 기초하여 조정되는 계수이다. 이와 같이, 하이레이트 열화량 dHR은, 온도나 충전 이력이나 방전 이력 등의 사용 이력에 기초하여 추정되는 것이어도 된다.
도 8은, 이러한 제어 장치(100)의 제어 플로우를 나타내는 흐름도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 이 제어 장치(100)는 먼저, 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제1 기준값 R1(작동 열화량)보다 큰지 여부를 판정한다(S11). 하이레이트 열화량 dHR이 미리 정해진 제1 기준값 R1(작동 열화량)보다 큰 경우("예"), 충전 과다인지 여부를 판정한다(S12). 충전 과다인 경우("예")에는, 제1 처리부(121)에 의한 처리를 실행한다(S13). 이러한 제1 처리부(121)에 의한 처리에 의해 충전 전류가 제한되고(충전 제한 온), 또한 하한 SOC가 높게 설정되는 모드(열화 억제 모드)가 실행된다. 다음으로, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 제1 기준 S1 이상(SOC≥S1)으로 되었는지 여부가 판정된다(S14). 그리고, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 제1 기준 S1 이상으로 된 경우("예")에는, 제1 처리부(121)의 처리(S13) 중, 충전 전류를 제한하는 처리가 재검토되어, 정지 또는 완화된다(S15). 또한, 제1 처리부(121)의 처리(S13) 중 열화 억제 모드는 계속된다.
제어 장치(100)는, 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제2 기준값 R2A(제1 처리부(121)용의 정지 열화량)보다 작은지 여부를 판정한다(S16). 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제2 기준값 R2A보다 작은 경우("예")에는, 열화 억제 모드를 정지하고, 제1 처리부(121)에 의한 처리를 정지한다(S17).
충전 과다인지 여부의 판정(S12)에 있어서, 충전 과다가 아닌 경우("아니오")에는, 방전 과다인지 여부를 판정한다(S21). 방전 과다인 경우("예")에는, 제2 처리부(122)에 의한 처리를 실행한다(S22). 이러한 제2 처리부(122)에 의한 처리에 의해, 방전 전류가 제한되고, 또한 상한 SOC가 낮게 설정되는 모드(열화 억제 모드)가 실행된다. 다음으로, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 제2 기준 S2 이하(SOC≤S2)로 되었는지 여부가 판정된다(S23). 그리고, 리튬 이온 이차 전지(10)가 미리 정해진 제2 기준 S2 이하로 된 경우("예")에는, 제2 처리부(122)의 처리(S22) 중, 방전 전류를 제한하는 처리가 재검토되어, 정지 또는 완화된다(S24). 또한, 제2 처리부(122)의 처리(S22) 중, 열화 억제 모드는 계속된다.
제어 장치(100)는, 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제2 기준값 R2B(제2 처리부(122)용의 정지 열화량)보다 작은지 여부를 판정한다(S25). 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제2 기준값 R2B보다 작은 경우("예")에는, 열화 억제 모드를 정지하고, 제2 처리부(122)에 의한 처리를 정지한다(S26).
이상에 의해, 하이레이트 열화량 dHR을 억제하는 일련의 제어가 완료된다. 그 후, 사용 영역 설정부(131)에 의한 리튬 이온 이차 전지(10)의 사용 영역을 초기화한다(S30). 그리고 다시, 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제1 기준값 R1(작동 열화량)보다 커질 때까지, 하이레이트 열화량 dHR이, 미리 정해진 제1 기준값 R1(작동 열화량)보다 큰지 여부를 판정하는(S11) 것이 반복된다. 여기서 제안되는 제어 장치(100)의 제어는, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 및 방전되는 상태에 놓여 있는 경우에, 상시 기능하도록 설정되어 있으면 된다. 예를 들어, 전기 자동차나 하이브리드 차량과 같은 차량 용도에서는, 차량에 탑재된 리튬 이온 이차 전지를 포함하는 구동 시스템의 제어가 개시에 맞추어, 여기서 제안되는 제어 장치(100)의 제어가 개시되면 된다. 그리고, 당해 제어 장치(100)의 제어가 종료되는 종료 조건을 설정하고(S31), 이러한 종료 조건을 만족시키는 경우에, 여기서 제안되는 제어 장치(100)의 제어가 종료되면 된다. 예를 들어, 리튬 이온 이차 전지를 포함하는 구동 시스템의 제어가 종료되는 경우를 종료 조건으로 하면 된다.
이상, 여기서 제안되는 제어 장치(100)에 대한 제어 플로우를 설명하였다. 또한, 이러한 제어 플로우는 일례에 불과하며, 특별히 언급되지 않는 한에 있어서, 여기서 제안되는 제어 장치를 한정하지 않는다.
예를 들어, 도 9는 다른 실시 형태에 관한 제어 시스템(1000A)의 블록도이다. 도 9에 나타내는 형태에서는, 도 6에 도시된 형태에 비해, 제어 장치(100A)는 제2 처리부(122) 및 충전 제한 처리부(142)를 구비하고 있지 않다. 이 제어 장치(100A)는, 리튬 이온 이차 전지(10)가 충전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지(10)의 열화를 억제하는 장치로서 구성되어 있다. 도 10은, 이러한 제어 장치(100A)의 흐름도이다. 제어 장치(100A)의 제어 플로우는, 도 10에 나타내는 바와 같이 상술한 제어 스텝 S11 내지 S17을 포함하고 있다. 이 제어 장치(100A)에 의하면, 제어 스텝 S11 내지 S17이 실행됨으로써, 리튬 이온 이차 전지(10)를 충전 과다로부터 조기에 회복시킬 수 있다.
또한, 도 11은, 또 다른 실시 형태에 관한 제어 시스템(1000B)의 블록도이다. 도 11의 형태에서는, 도 6에 도시된 형태에 비해, 제어 장치(100B)는 제1 처리부(121) 및 방전 제한 처리부(141)를 구비하고 있지 않다. 이 제어 장치(100B)는, 리튬 이온 이차 전지(10)가 방전 과다인 경우에, 리튬 이온 이차 전지(10)의 열화를 억제하는 장치로서 구성되어 있다. 도 12는, 이러한 제어 장치(100B)의 흐름도이다. 제어 장치(100B)의 제어 플로우는, 상술한 제어 스텝 S21 내지 S26을 포함하고 있다. 이 제어 장치(100B)에 의하면, 제어 스텝 S21 내지 S26이 실행됨으로써, 리튬 이온 이차 전지(10)를 방전 과다로부터 조기에 회복시킬 수 있다.
또한, 여기서는, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)는 단전지이지만, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)는 리튬 이온 이차 전지(10)를 전지 요소로 하고, 복수의 전지 요소가 접속된 조전지여도 된다. 이 경우, 제어 장치는, 조전지를 일체적으로 제어해도 되고, 조전지 중 개개의 전지 요소로서의 리튬 이온 이차 전지(10)를 각각 제어해도 된다.
또한, 도 13은, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)와, 여기서 제안되는 제어 장치(100)를 구비한 차량(1)의 구성예를 도시하는 측면도이다. 여기서 제안되는 제어 장치(100) 및 제어 방법은, 도 13에 도시하는 바와 같이, 당해 제어 장치(100) 및 제어 방법에 있어서의 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지(10)로서, 복수의 전지 요소가 접속된 조전지를 적용할 수 있다. 당해 조전지를 구비한 차량에는, 예를 들어 하이브리드 차나 플러그인 하이브리드 차, 하이브리드 철도 차량 등, 제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지를 포함하는 다양한 수송 기기가 포함될 수 있다. 제어 장치(100)는, 미리 정해진 프로그램을 따라 연산을 행하는 연산 장치와, 전자화된 정보를 기억하는 기억 장치를 구비하고 있다. 여기서, 연산 장치는, 중앙 처리 장치(CPU) 등이라고 칭해질 수 있다. 기억 장치는, 메모리나 하드 디스크 등이라고 칭해질 수 있다. 제어 장치(100)는, 미리 정해진 프로그램을 따라 소정의 연산 처리를 행하고, 연산 결과를 기초로 리튬 이온 이차 전지(10)를 전기적으로 제어한다. 차량 용도에서는, 제어 장치(100)는 엔진이나 스티어링이나 브레이크나 이차 전지 등을 제어하기 위해 차량에 탑재된 전자 제어 유닛(ECU)에 조립되어 있어도 된다.
실제로 하이브리드 차량에 탑재된 리튬 이온 이차 전지(10)의 제어에서는, 본 제어를 포함시켰다. 그리고, 소정의 하이레이트에서의 충전이나 방전을 갖는 모의 주행 패턴을 시뮬레이션하였다. 이 경우, 통상의 사용 영역이, SOC 40％ 내지 SOC 70％에서 사용되도록 제어되어 있는 경우, 충전 과다의 상태로 되면, 저SOC 영역에 머무르는 경향이 있어, 입력 제한이 발생하거나, 출력이 저하되거나 한다. 또한, 방전 과다의 상태로 되면, 고SOC 영역에 머무르는 경향이 있어, 출력 제한이 발생하거나, 출력이 저하되거나 한다. 이로 인해, 엔진의 사용이 증가하여 연비가 반감되고 있었다. 이에 대해, 여기서 제안하는 제어에 의해, 충전 과다인 경우에, 사용 영역을 SOC 55％ 내지 70％의 고SOC 측으로 이동시켰다. 또한, 방전 과다인 경우에, 사용 영역을 SOC 30％ 내지 60％의 저SOC 측으로 이동시켰다. 이에 의해, 동력 성능과 연비 성능을 높게 유지할 수 있고, 또한 리튬 이온 이차 전지의 성능 열화도 작게 억제할 수 있었다.

Claims (15)

  1. 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치(1000; 1000A; 1000B)이며,
    제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 SOC를 검지하도록 구성되어 있는 SOC 검지부(130)와,
    상기 리튬 이온 이차 전지의 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 상한 SOC 및 하한 SOC를 설정하도록 구성되어 있는 사용 영역 설정부(131)와,
    상기 리튬 이온 이차 전지의 충전 이력과 방전 이력을 기록하도록 구성되어 있는 제1 기록부(111)와,
    상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다 또는 방전 과다인지 여부를 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다인 경우에, 상기 하한 SOC를 높게 변경하도록 구성되어 있는 제1 처리부(121)를 포함하는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 제1 처리부가, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다라고 판정한 경우에, 방전 전류를 미리 정해진 전류값보다 낮게 제한하도록 구성되어 있는 방전 제한 처리부(141)를 더 포함하는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방전 제한 처리부는, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 높아진 경우에 방전 전류의 제한을 정지하거나 또는 완화하도록 구성되어 있는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 제1 처리부가, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다라고 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 낮은 경우에, 미리 정해진 전류값보다 낮은 전류값으로 충전하도록 구성되어 있는 고SOC화 처리부를 더 포함하는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 처리부는, 상기 상한 SOC를 낮게 변경하도록 구성되어 있고,
    상기 상한 SOC는, 상기 제1 처리부의 처리에 의해 높게 변경된 후의 상기 하한 SOC보다 높게 변경되는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사용 영역 설정부는, 상기 SOC 검지부에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 중심 영역을 설정하도록 구성되어 있고,
    상기 제1 처리부는, 상기 중심 영역을 높게 변경하도록 구성되어 있는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  7. 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치(1000; 1000A; 1000B)이며,
    제어 대상으로 되는 리튬 이온 이차 전지의 SOC를 검지하도록 구성되어 있는 SOC 검지부(130)와,
    상기 리튬 이온 이차 전지의 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 상한 SOC 및 하한 SOC를 설정하도록 구성되어 있는 사용 영역 설정부(131)와,
    상기 리튬 이온 이차 전지의 충전 이력과 방전 이력을 기록하도록 구성되어 있는 제1 기록부(111)와,
    상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 충전 과다 또는 방전 과다인지 여부를 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 방전 과다인 경우에, 상기 상한 SOC를 낮게 변경하도록 구성되어 있는 제2 처리부(122)를 포함하는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 방전 과다인 경우에, 충전 전류를 미리 정해진 전류값보다 낮게 제한하도록 구성되어 있는 충전 제한 처리부(142)를 더 포함하는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전 제한 처리부는, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 낮아진 경우에 충전 전류의 제한을 정지하거나 또는 완화하도록 구성되어 있는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전 이력과 상기 방전 이력에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지가 방전 과다라고 판정하고, 상기 리튬 이온 이차 전지가 미리 정해진 SOC보다 높은 경우에, 미리 정해진 전류값보다 낮은 전류값으로 방전하도록 구성되어 있는 저SOC화 처리부를 더 포함하는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 처리부는, 상기 하한 SOC를 높게 변경하도록 구성되어 있고,
    상기 하한 SOC는, 상기 제2 처리부의 처리에 의해 낮게 변경된 후의 상기 상한 SOC보다 낮게 변경되는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  12. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사용 영역 설정부는, 상기 SOC 검지부에 의해 검지된 SOC에 기초하여, 상기 리튬 이온 이차 전지의 사용 영역의 중심 영역을 설정하도록 구성되어 있고,
    상기 제2 처리부는, 상기 중심 영역을 낮게 변경하도록 구성되어 있는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  13. 제1항 내지 제3항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리튬 이온 이차 전지의 하이레이트 열화량을 검출하도록 구성되어 있는 열화량 검출부(132)를 더 포함하고,
    상기 하이레이트 열화량이 미리 정해진 제1 기준값보다 높은 경우에, 상기 제1 처리부 또는 상기 제2 처리부에 의한 처리가 실행되도록 구성되어 있는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하이레이트 열화량이 미리 정해진 제2 기준값보다 낮은 경우에, 상기 제1 처리부 또는 상기 제2 처리부에 의한 처리가 정지되도록 구성되어 있는, 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치.
  15. 차량(1)이며,
    제어 대상으로서의 리튬 이온 이차 전지(10)와,
    제1항 내지 제3항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 제어 장치(1000; 1000A; 1000B)를 포함하는, 차량.
KR1020160074275A 2015-06-19 2016-06-15 리튬 이온 이차 전지의 제어 장치 및 차량 KR101850602B1 (ko)

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