KR20180120589A - 차량 탑재의 전지 시스템 및 전지의 경년 열화 추정 방법 - Google Patents

차량 탑재의 전지 시스템 및 전지의 경년 열화 추정 방법 Download PDF

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Abstract

전지 시스템(10)은, 전지(12); 상기 전지(12)의 전압을 검출 전압값(Vb)으로서 검출하는 전압 검출기(22); 상기 전지(12)에 흐르는 전류를 검출 전류값(Ib)으로서 검출하는 전류 검출기(20); 및 전자 제어 유닛(14)을 포함한다. 상기 전자 제어 유닛(14)은 상기 검출 전압값(Vb)으로부터 산출된 개방 전압값(Vo; Vo1, Vo2)과, 상기 검출 전류값(Ib)으로부터 산출된 전류 적산값(ΔAh; ΔAh12)에 기초하여, 상기 전지(12)의 경년 열화를 추정하고, 전지(12)의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있을 때 산출된 상기 개방 전압값(Vo; Vo1, Vo2) 및 상기 전류 적산값(ΔAh; ΔAh12)에 기초하여, 상기 전지(12)의 경년 열화를 추정하도록 구성되어 있다.

Description

차량 탑재의 전지 시스템 및 전지의 경년 열화 추정 방법{BATTERY SYSTEM IN VEHICLE AND AGING DETERIORATION ESTIMATION METHOD FOR BATTERY}
본 명세서에서는, 차량에 탑재됨과 함께 충방전 가능한 전지를 구비하고, 당해 전지의 경년 열화를 추정할 수 있는 기능을 가진 전지 시스템 및 전지의 경년 열화 추정 방법을 개시한다.
구동원 중 하나로서, 회전 전기 기기를 탑재한 전동 차량이 널리 알려져 있다. 이러한 전동 차량에는, 충방전 가능한 이차 전지를 갖는 전지 시스템이 탑재된다. 이차 전지는, 회전 전기 기기를 전동기로서 구동할 때, 당해 회전 전기 기기에 전력을 공급하거나, 회전 전기 기기를 발전기로서 구동했을 때 발전된 전력을 축전하거나 한다. 전지 시스템은, 이차 전지의 충전율, 소위, State Of Charge(SOC)가 규정된 상한값(100%보다 충분히 낮다)을 초과하지 않고, 또한 규정된 하한값(0%보다 충분히 높다)을 하회하지 않도록, 이차 전지의 충방전을 제어한다. 이러한 제어를 행하기 위해서, 전지 시스템에 있어서는, 이차 전지의 충전율이 정확하게 추정될 것이 요망된다.
일반적으로, 이차 전지의 충전율은, 미리 기억된 SOC-OCV 곡선이나, 이차 전지의 만충전 용량 등을 참조하여 산출된다. 또한, OCV란, Open Circuit Voltage의 약어이며, 개방 전압을 의미한다. SOC-OCV 곡선은, 충전율에 대한 이차 전지의 개방 전압값(OCV)을 나타내는 곡선이다. 전지 시스템은, 예를 들어 이차 전지의 개방 전압값이 취득되면, 이 개방 전압값을 SOC-OCV 곡선과 대조함으로써, 현재의 충전율을 추정한다. 또한, 다른 형태로서는, 전지 시스템은, 이차 전지에 입출력하는 전류의 적산값을 계산하고, 이 전류 적산값과 만충전 용량의 비교에 기초하여, 충전율의 변화량, 나아가, 현재의 충전율을 추정한다.
이와 같이, 이차 전지의 충전율은, SOC-OCV 곡선이나 만충전 용량을 참조하여 추정하기 때문에, 충전율을 정확하게 추정하기 위해서는, 기억되어 있는 SOC-OCV 곡선이나 만충전 용량이, 현재의 이차 전지의 상태를 정확하게 나타내고 있을 것이 요구된다. 그러나, 이차 전지의 만충전 용량이나, 충전율에 대한 개방 전압의 변화 특성은, 이차 전지의 경년 열화에 수반하여, 서서히 변화한다. 따라서, 충전율을 정확하게 추정하기 위해서는, 이차 전지의 경년 열화를 적절히, 추정하고, 추정 결과에 따라서, SOC-OCV 곡선 및 만충전 용량을 수정할 것이 요망된다.
이차 전지의 경년 열화를 추정하기 위해서, 종래부터 다양한 기술이 제안되고 있다. 예를 들어, 일본특허공개 제2015-121444호에서는, 개방 전압값과 전류 적산값에 기초하여, 만충전 용량을 추정하는 기술이 개시되어 있다. 구체적으로는, 일본특허공개 제2015-121444호에서는, 이차 전지의 충전 도중에, 2회, 개방 전압값을 검출함과 함께, 그 동안의 전류 적산값을 취득한다. 그리고, 개방 전압값에 기초하여 각 검출 시의 SOC를 제1 SOC와 제2 SOC로서 구하고, 전류 적산값을, 제1 SOC와 제2 SOC의 차분값으로 제산한 값을 만충전 용량으로서 산출하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 일본특허 제5537236호에는, 이차 전지의 만충전 용량에 대한 개방 전압의 변화 특성인 개방 전압 특성을 나타내는 3개의 열화 파라미터를 탐색적으로 구하는 기술이 개시되어 있다. 구체적으로는, 일본특허 제5537236호에서는, 이차 전지의 개방 전압값 및 전류 적산값을 실측함으로써, 개방 전압 특성의 실측값을 취득하고, 이 실측한 개방 전압 특성에 합치하는 3개의 열화 파라미터를 탐색하고 있다.
이상과 같이, 종래의 기술 대부분은, 실제로 측정된 개방 전압값과 전류 적산값의 관계성으로부터, 이차 전지의 경년 열화를 추정하였다. 그런데, 이차 전지 중에는, 일부 충전율 범위에서, 충전율에 대한 개방 전압값의 값이, 충전 계속 후와 방전 계속 후에서, 일정 이상 다른 유의한 히스테리시스를 발생시키는 것이 있다. 예를 들어, 부극 활물질이, 실리콘계 재료(예를 들어, Si나 SiO)와 그래파이트를 포함한 리튬 이온 이차 전지의 경우, 저SOC 영역에서는, SOC가 동일해도, 충전 계속 후의 개방 전압값과, 방전 계속 후의 개방 전압값에, 차가 발생하는 경우가 알려져 있다. 경년 열화의 추정에서는, 상술한 바와 같이, 개방 전압값의 실측값을 사용하지만, 당해 개방 전압값이, 유의한 히스테리시스가 발생하고 있는 충전율 범위에서 취득된 경우, 당해 개방 전압값으로부터 경년 열화를 일의적으로 특정하는 것은 곤란했다.
그래서, 본 명세서에서는, 유의한 히스테리시스가 일부 충전율 범위에서 발생하는 전지에서도, 간이하고 또한 정확하게 경년 열화를 추정할 수 있는 전지 시스템 및 전지의 경년 열화의 추정 방법을 개시한다.
본 발명의 예시적 양태는, 차량에 탑재되는 전지 시스템이다. 상기 전지 시스템은 상기 차량에 탑재되어 충방전하도록 구성된 전지, 상기 전지의 전압을 검출 전압값으로서 검출하도록 구성된 전압 검출기, 상기 전지에 흐르는 전류를 검출 전류값으로서 검출하도록 구성된 전류 검출기, 및 상기 전지의 충방전을 제어하도록 구성되어 있는 전자 제어 유닛을 포함하고, 상기 전지의 충전율의 범위는, 히스테리시스 영역과 논히스테리시스 영역을 포함하고, 상기 히스테리시스 영역은, 유의한 히스테리시스가 발생하는 충전율 범위이고, 상기 유의한 히스테리시스는 충전 계속 후와 방전 계속 후에서 상기 전지의 충전율에 대한 개방 전압이 일정 이상 다른 히스테리시스이고, 상기 논히스테리시스 영역은 상기 유의한 히스테리시스가 발생하지 않는 충전율 범위이다. 상기 전자 제어 유닛은 상기 검출 전압값으로부터 산출된 개방 전압값과, 상기 검출 전류값으로부터 산출된 전류 적산값에 기초하여, 상기 전지의 경년 열화를 추정하도록 구성되어 있다. 상기 전자 제어 유닛은 상기 전지의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있을 때 산출된 상기 개방 전압값 및 상기 전류 적산값에 기초하여, 상기 전지의 경년 열화를 추정하도록 구성되어 있다.
이러한 전지 시스템에 의하면, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을, 충전율이 논히스테리시스 영역 내에 있을 때 취득하고 있다. 그 때문에, 유의한 히스테리시스의 영향을 받지 않고, 경년 열화를 추정할 수 있다. 결과적으로, 간이하고 또한 정확하게 경년 열화를 추정할 수 있다.
상기 개방 전압값은 상기 논히스테리시스 영역 내에 있어서 취득된 제1 개방 전압값과 제2 개방 전압값을 포함하고 있어도 되고, 상기 전류 적산값은 상기 제1 개방 전압값으로부터 상기 제2 개방 전압값으로 변화할 때까지 검출된 전류값의 적산으로부터 얻어진 값이어도 되고, 상기 전자 제어 유닛은 제1 개방 전압값과 제2 개방 전압값과, 상기 전류 적산값에 기초하여, 현재의 전지의 만충전 용량 및 상기 충전율에 대한 개방 전압값의 변화 특성 중 적어도 한쪽을, 상기 경년 열화를 나타내는 특성으로서 추정하도록 구성되어 있어도 된다.
전지의 만충전 용량 및 상기 충전율에 대한 개방 전압값의 변화 특성은, 전지의 충전율 추정에 사용된다. 이러한 충전율의 추정에 사용되는 값을 추정함으로써, 전지의 충전율을 고정밀도로 추정할 수 있다.
전지 시스템은 차량의 정지 중에 상기 전지를 충전하도록 구성된 충전기를 더 포함하고 있어도 된다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 충전기에 의한 상기 전지의 충전 도중에, 상기 전지의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있는 제1 충전율 또는 제2 충전율에 도달했을 때, 상기 충전기에 의한 충전을 일시적으로 정지하고, 충전의 정지 기간 중에 얻어지는 상기 검출 전압값을 상기 제1 개방 전압값 또는 제2 개방 전압값으로서 취득하도록 구성되어 있어도 된다.
이러한 구성으로 함으로써, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을 확실하게 취득할 수 있다.
상기 전자 제어 유닛은, 차량의 파워 온 중에, 상기 논히스테리시스 영역 내 또한 개방 전압값이 취득 가능한 타이밍에 취득된 2개의 개방 전압값을, 상기 제1 개방 전압값 및 상기 제2 개방 전압값으로서 취득하도록 구성되어 있어도 된다.
이러한 구성으로 함으로써, 차량의 파워 온 중이라도, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을 취득할 수 있다.
상기 전자 제어 유닛은, 전회의 경년 열화를 추정하는 것으로부터의 경과 시간이, 규정된 기준 시간 이상이 된 경우에는, 상기 전지의 충전율을 상기 논히스테리시스 영역 내로 이행하도록 상기 전지의 충방전을 제어하고, 상기 제1 개방 전압값, 상기 제2 개방 전압값, 상기 전류 적산값을 취득하도록 구성되어 있어도 된다.
이러한 구성으로 함으로써, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을 확실하게 취득할 수 있다.
상기 전자 제어 유닛은, 적어도, 상기 충전율에 대한 개방 전압값의 변화 특성을, 상기 경년 열화를 나타내는 특성으로서 추정하고; 상기 추정된 상기 충전율에 대한 개방 전압값의 변화 특성에 기초하여, 상기 논히스테리시스 영역이 되는 충전율 범위를 추정하고; 상기 추정된 충전율 범위에 기초하여 상기 논히스테리시스 영역을 갱신하도록 구성되어 있어도 된다.
이러한 구성으로 함으로써, 항상, 현재의 전지의 상태에 따른 논히스테리시스 영역이 얻어진다.
상기 전자 제어 유닛은, 상기 논히스테리시스 영역의 갱신에 맞추어, 상기 경년 열화의 추정에 사용하는 상기 개방 전압값 및 상기 전류 적산값을 취득할 때의 상기 충전율, 또는 상기 충전율 범위의 한쪽을 갱신하도록 구성되어 있어도 된다.
이러한 구성으로 하면, 보다 적합한 타이밍에, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을 취득할 수 있어, 경년 열화의 추정성을 보다 향상시킬 수 있고, 또한 경년 열화의 추정의 기회를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
상기 전지는, 부극 활물질이, 적어도 실리콘계 재료와 그래파이트를 포함하는 리튬 이온 이차 전지여도 되고, 상기 논히스테리시스 영역의 충전율 범위는, 상기 히스테리시스 영역의 충전율 범위보다 높아도 된다.
이러한 전지를 사용함으로써 고용량화가 가능해진다.
상기 전지는, 부극 활물질이, 적어도, 실리콘계 재료와 티타늄산 리튬을 포함하는 리튬 이온 이차 전지여도 되고, 상기 논히스테리시스 영역의 충전율 범위는, 상기 히스테리시스 영역의 충전율 범위보다 낮아도 된다.
본 발명의 예시적 양태는 전지 시스템의 경년 열화 추정 방법이다. 상기 전지의 충전율의 범위는, 히스테리시스 영역과 논히스테리시스 영역을 포함하고, 상기 히스테리시스 영역은, 유의한 히스테리시스가 발생하는 충전율 범위이고, 상기 유의한 히스테리시스는 충전 계속 후와 방전 계속 후에서 상기 전지의 충전율에 대한 개방 전압이 일정 이상 다른 히스테리시스이고, 상기 논히스테리시스 영역은, 상기 유의한 히스테리시스가 발생하지 않는 충전율 범위이고, 상기 전지 시스템은 전자 제어 유닛을 포함한다. 상기 경년 열화 추정 방법은, 상기 전자 제어 유닛에 의해 이차 전지의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있을 때, 2점의 개방 전압값과 상기 2점간의 전류 적산값을 산출하는 파라미터를 취득하는 것; 및 상기 전자 제어 유닛에 의해 상기 취득된 상기 개방 전압값과 상기 전류 적산값에 기초하여, 상기 전지의 경년 열화를 추정하는 열화 추정하는 것을 포함한다.
이러한 경년 열화의 추정 방법에 의하면, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을, 충전율이 논히스테리시스 영역 내에 있을 때 취득하고 있다. 그 때문에, 유의한 히스테리시스의 영향을 받지 않고, 경년 열화를 추정할 수 있다. 결과적으로, 간이하고 또한 정확하게 경년 열화를 추정할 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 전지 시스템 및 전지의 경년 열화의 추정 방법에 의하면, 전지의 경년 열화의 추정에 사용하는 개방 전압값 및 전류 적산값을, 충전율이 논히스테리시스 영역 내에 있을 때 취득하고 있다. 그 때문에, 유의한 히스테리시스의 영향을 받지 않고, 경년 열화를 추정할 수 있다. 결과적으로, 간이하고 또한 정확하게 경년 열화를 추정할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.
도 1은 전지 시스템을 탑재한 전동 차량의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 SOC-OCV 곡선의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 전지의 경년 열화의 추정 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 파라미터 취득 루틴의 일례의 일부를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 도 4의 파라미터 취득 루틴의 동작예를 도시하는 도면이다.
도 6은 파라미터 취득 루틴의 다른 예를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 도 6의 파라미터 취득 루틴의 동작예를 도시하는 도면이다.
도 8은 파라미터 취득 루틴의 다른 예의 일부를 나타내는 흐름도이다.
도 9는 도 8의 파라미터 취득 루틴의 동작예를 도시하는 도면이다.
도 10은 열화 추정 루틴의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 열화 추정 루틴의 다른 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 리튬 이온 이차 전지의 국소적 충전율의 변화에 대한 개방 전압의 변화 특성을 도시하는 도면이다.
도 13은 리튬 이온 이차 전지의 정극 용량의 감소에 수반하는 정극의 개방 전위의 변화와, 부극 용량의 감소에 수반하는 부극의 개방 전위의 변화를 도시하는 도면이다.
도 14는 리튬 이온 이차 전지의 정극 및 부극 사이에 있어서의 조성 대응의 어긋남을 설명하는 도면이다.
도 15는 리튬 이온 이차 전지의 열화에 의한 조성 대응의 어긋남을 설명하는 도면이다.
도 16은 리튬 이온 이차 전지의 전지 용량에 대한 개방 전압의 변화(개방 전압 곡선)를 도시하는 도면이다.
도 17은 전압 오차 ΔV의 설명도이다.
도 18은 리튬 이온 이차 전지의 열화에 수반하는 히스테리시스 발생 포인트의 변화를 설명하는 도면이다.
도 19는 논히스테리시스 영역 추정 루틴의 일례를 나타내는 흐름도이다.
이하, 전지 시스템(10)의 구성에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 전지 시스템(10)이 탑재된 전동 차량(100)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 이 전동 차량(100)은, 동력원으로서, 2개의 회전 전기 기기(MG1, MG2)와 1개의 엔진(104)을 구비한 하이브리드 자동차이다. 단, 본 명세서에서 개시하는 전지 시스템(10)은, 전동 차량이면, 다른 형태의 차량에 탑재되어도 된다. 예를 들어, 전지 시스템(10)은, 동력원으로서 회전 전기 기기만을 갖는 전기 자동차에 탑재되어도 된다.
엔진(104)은, 유성 기어 등으로 이루어지는 동력 분할 기구(106)에 접속되어 있다. 유성 기어는, 엔진(104)의 동력을, 구동륜(108)과 제1 회전 전기 기기(MG1)로 분할해서 전달한다. 2개의 회전 전기 기기(MG1, MG2)는, 모두, 전동기로서 기능함과 함께 발전기로서도 기능한다. 제2 회전 전기 기기(MG2)의 출력축은, 구동륜(108)에 연결되어 있다. 제2 회전 전기 기기(MG2)는, 주로, 전동기로서 기능하는 것으로, 차량 주행 시에는, 구동륜(108)에 구동 토크를 공급한다. 또한, 제2 회전 전기 기기(MG2)는, 차량 제동 시에는, 제동력에 의해 발전하는 발전기로서도 기능한다. 제1 회전 전기 기기(MG1)는 주로, 발전기로서 기능하는 것으로, 동력 분할 기구(106)에 연결되어 있어, 엔진(104)의 잉여 동력을 받아 발전한다. 또한, 제1 회전 전기 기기(MG1)는 엔진(104)을 시동시키는 스타터 모터로서도 기능한다. 이와 같이 본 명세서에서 개시하는 전동 차량(100)은, 엔진(104)을 갖고 있기 때문에, 이 엔진(104)의 잉여 동력을 사용하여, 차량의 주행 중이어도, 전지(12)를 충전시킬 수 있다. 또한, 엔진 대신에 연료 전지 등이 탑재되어 있어도 된다.
인버터(102)는, 직류 전력을 교류 전력으로, 또한 교류 전류를 직류 전력으로 변환한다. 구체적으로는, 인버터(102)는, 후술하는 전지(12)로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 전동기로서 구동하는 제1, 제2 회전 전기 기기(MG1, MG2)에 출력한다. 또한, 인버터(102)는, 발전기로서 구동하는 제1, 제2 회전 전기 기기(MG1, MG2)에서 발전된 교류 전력을 직류 전력으로 변환해서 전지(12)에 공급한다. 또한, 인버터(102)와 전지(12) 사이에는, 전력을, 승압 또는 강압시키는 변압기가 설치되어도 된다. 이러한 인버터(102)나, 회전 전기 기기(MG1, MG2), 엔진(104) 등의 구동은, 제어 장치(전자 제어 유닛)(14)에 의해 제어된다.
전지 시스템(10)은, 충방전 가능한 전지(12)를 구비하고 있다. 전지(12)는, 회전 전기 기기(MG1, MG2)를 구동하기 위한 전력을 공급함과 함께, 회전 전기 기기(MG1, MG2)에서 발전된 전력을 축전하는 이차 전지이다. 이 전지(12)는, 직렬 또는 병렬로 접속한 복수의 단전지를 갖고 있다. 전지(12)의 종류로서는, 여러가지로 생각할 수 있지만, 본 예에서는, 실리콘계 재료와 그래파이트를 포함한 복합체를 부극 활물질로서 사용한 리튬 이온 이차 전지를 사용하고 있다. 실리콘계 재료와 그래파이트를 포함한 복합체를 부극 활물질로서 사용한 경우, 전지(12)는, 충전율 Cb에 대한 개방 전압값 Vo의 변화 특성이, 부분적으로 유의한 히스테리시스를 갖지만, 이에 대해서는, 후술한다. 또한, 충전율 Cb란, 전지(12)의 만충전 용량 FCC에 대한 현재의 충전 용량에 100%를 곱한 값(%)이고, 일반적으로는, State Of Charge(SOC)라고 불리는 값이다.
전지 시스템(10)에는, 이 전지(12)의 상태를 특정하기 위해서, 전류 센서(20), 전압 센서(22), 온도 센서(24) 등이 설치되어 있다. 전류 센서(전류 검출기)(20)는, 전지(12)에 입출력하는 전류값을 검출한다. 검출된 전류값은, 검출 전류값 Ib로서 제어 장치(14)에 입력된다. 전압 센서(전압 검출기)(22)는, 전지(12)의 단자간 전압값을 검출한다. 검출된 전압값은, 검출 전압값 Vb로서, 제어 장치(14)에 입력된다. 또한, 전지(12)는, 통상, 복수의 셀을 직렬 또는 병렬로 접속한 조전지이다. 그 때문에, 전압 센서(22)는, 개개의 셀마다 설치되어도 되고, 복수의 셀로 구성되는 블록마다 설치되어도 되고, 조전지 전체에서, 1개만 설치되어도 된다. 온도 센서(24)는, 전지(12)의 온도를 검출한다. 검출된 온도는, 전지 온도 Tb로서, 제어 장치(14)에 입력된다. 또한, 온도 센서(24)는, 1개여도 되고, 복수여도 된다. 전압 센서(22)나 온도 센서(24)가 복수 설치되어 있는 경우에는, 당해 복수의 전압 센서(22) 또는 온도 센서(24)의 검출값의 통계값, 예를 들어 평균값이나 최고값, 최저값 등을, 검출 전압값 Vb 또는 전지 온도 Tb로서 취급하면 된다.
전지 시스템(10)은, 또한 전지(12)를, 외부 충전하기 위한 충전기(16) 및 커넥터(18)도 갖고 있다. 외부 충전이란, 전동 차량(100)의 외부에 설치된 외부 전원(예를 들어, 상용 전원)으로부터의 전력에 의해, 전지(12)를 충전하는 것이다. 커넥터(18)는, 이 외부 전원의 커넥터(소위 충전 플러그)에 접속할 수 있다. 충전기(16)는, 커넥터(18)를 통해서 공급되는 외부 전력(교류 전력)을, 직류 전력으로 변환하여, 전지(12)에 공급한다. 또한, 차량(100)을 정지시킨 상태에서, 전지(12)를 충전할 수 있는 것이면, 외부 충전을 위한 기구 이외의 충전 기구를 구비해도 된다. 예를 들어, 외부 충전을 위한 충전기(16) 등을 대신하여 또는, 추가하여, 태양광으로 발전하는 태양 패널 등을 구비해도 된다. 또한, 경우에 따라서는, 차량(100)을 정지시킨 상태에서, 전지(12)를 충전하는 충전 기구는, 생략되어도 된다.
제어 장치(14)는, 회전 전기 기기(MG1, MG2)나 엔진(104) 등의 구동원의 구동을 제어함과 함께, 전지(12)의 충방전을 제어한다. 이 제어 장치(14)는, 센서 인터페이스(26), 메모리(28), CPU(30) 등을 구비하고 있다. 센서 인터페이스(26)에는, 각종 센서(20, 22, 24)가 접속되어 있다. 센서 인터페이스(26)는, 각종 센서(20, 22, 24)에 제어 신호를 출력함과 함께, 각종 센서(20, 22, 24)로부터 입력된 데이터를 CPU(30)에서 취급할 수 있는 신호 형태로 변환한다. 메모리(28)는, 각종 제어 파라미터나 각종 프로그램을 기억한다. CPU(30)는, 각종 정보 처리나, 연산을 행한다. 이 센서 인터페이스(26)와 CPU(30)와 메모리(28) 사이는, 상호 데이터 버스(44)에 의해 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는, 제어 장치(14)를 1개의 블록으로 도시하고 있지만, 제어 장치(14)는, 복수의 장치(복수의 CPU(30), 복수의 메모리(28) 등)로 구성되어도 된다. 또한, 제어 장치(14)의 일부 기능은, 차량의 외부에 설치되고, 차량 내에 설치된 제어 장치와 무선으로 통신할 수 있는 외부 장치로 실현되어도 된다.
제어 장치(14)는, 전지(12)의 충전율 Cb가, 규정된 상한값 및 하한값을 초과하지 않도록, 전지(12)의 충방전을 제어한다. 이러한 제어를 가능하게 하기 위해서, 제어 장치(14)는, 전지(12)의 충전율 Cb를 정기적으로 추정하고, 감시하고 있다. 제어 장치(14)는, 충전율 Cb를, 전지(12)의 개방 전압값 Vo로부터 추정하거나, 전류 적산값 ΔAh로부터 추정하거나 한다. 또한, 전류 적산값 ΔAh란, 전지(12)에 입출력하는 전류의 적산값이고, 통상은, 검출 전류값 Ib의 샘플링 주기를 Δt로 한 경우, ΔAh=Σ(Ib×Δt)/3600에서 구해진다. 여기서, 전지가 충전 과다로 이용된 경우, ΔAh는 전지 용량이 증가하는 측(SOC가 증가하는 측)이 된다. 또한, 전지가 방전 과다로 이용된 경우, ΔAh는 전지 용량이 줄어드는 측(SOC가 감소하는 측)이 된다.
충전율 Cb의 추정에 대해서 구체적으로 설명하면, 메모리(28)에는, 전지(12)의 만충전 용량 FCC와, SOC-OCV 곡선이 기억되어 있다. SOC-OCV 곡선은, 전지(12)의 충전율 Cb에 대한 개방 전압값 Vo의 변화를 나타내는 곡선이다. 도 2는 SOC-OCV 곡선의 일례를 나타내고 있다. 제어 장치(14)는, 전지(12)의 개방 전압값 Vo를, 이 SOC-OCV 곡선과 대조하여, 충전율 Cb를 추정한다. 또한, 개방 전압값 Vo는, 전지(12)에 분극이 발생하지 않는 상태(완화 상태)에서의 전지(12)의 단자간 전압이다. 각종 연산에서 사용되는 개방 전압값 Vo는, 실측값이어도 되고, 추정값이어도 된다. 따라서, 일정 기간, 전지(12)의 충방전을 정지하여, 분극이 해소되었을 때, 전압 센서(22)에서 검출된 검출 전압값 Vb를, 개방 전압값 Vo로서 취급해도 된다. 또한, 분극이 발생하고 있을 때에도, 전지(12)에 흐르는 전류가 미소하여, 분극 성분을 고정밀도로 추정할 수 있는 것이면, 전압 센서(22)에서 검출된 검출 전압값 Vb로부터, 분극의 영향분을 보정한 값을, 개방 전압값 Vo로서 취급해도 된다.
또한, 다른 형태로서, 제어 장치(14)는, 전류 적산값 ΔAh의 값으로부터 충전율 Cb의 변화량 ΔCb를 산출하고, 전회의 충전율 Cb에, 변화량 ΔCb를 가산함으로써, 현재의 충전율 Cb를 추정한다. 충전율 Cb의 변화량 ΔCb는, 만충전 용량 FCC에 대한 전류 적산값 ΔAh의 비율이고, ΔCb=(ΔAh/FCC)×100의 연산을 행함으로써 얻어진다.
이상의 설명에서 명백해진 바와 같이, 충전율 Cb의 추정에 있어서는, SOC-OCV 곡선이나, 만충전 용량 FCC가 참조된다. 따라서, 현재의 충전율 Cb를 정확하게 추정하기 위해서는, 메모리(28)에 기억되어 있는 SOC-OCV 곡선이나 만충전 용량 FCC가, 현재의 전지(12)의 상태를 정확하게 반영하고 있는 것이 필요해진다. 여기서, SOC-OCV 곡선이나 만충전 용량 FCC는, 전지(12)의 경년 열화에 수반하여, 서서히 변화한다. 그 때문에, 현재의 충전율 Cb를 정확하게 추정하기 위해서, 전지(12)의 경년 열화를 수시로, 추정하고, 메모리(28)에 기억되어 있는 SOC-OCV 곡선이나 만충전 용량 FCC를 수시로, 수정하여, 갱신할 것이 요망된다. 그래서, 제어 장치(14)는, 전지(12)의 경년 열화도 수시로, 추정한다. 이하, 이 전지(12)의 경년 열화 추정에 대해서, 상세하게 설명한다.
전지(12)의 경년 열화는, 통상, 이격한 복수점에서의 개방 전압값 Vo와, 당해 복수점간에서의 전류 적산값 ΔAh에 기초해서 추정된다. 단, 상술한 바와 같이, 본 예의 전지(12)는, SOC-OCV 곡선이, 부분적으로 유의한 히스테리시스를 갖는다. 이에 대해서, 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 전지(12)의 SOC-OCV 곡선의 일례를 도시하는 도면이다. 도 2에 있어서, 횡축은, 충전율 Cb(SOC)를, 종축은, 개방 전압값 Vo를, 나타내고 있다. 또한, 도 2에 있어서, 실선은, 전지(12)를 완전 방전한 후, 충전해 가는 과정에서 얻어지는 SOC-OCV 곡선이다. 소위, 충전 계속 후의 SOC-OCV 곡선이다. 이하에서는, 이 곡선을, 「충전 OCV」 또는 「OCV_ch」라고 칭한다. 또한, 일점쇄선은, 전지(12)를 만충전으로 한 후, 방전해 가는 과정에서 얻어지는 SOC-OCV 곡선이다. 소위 방전 계속 후의 SOC-OCV 곡선이다. 이하에서는, 이 곡선을, 「방전 OCV」 또는 「OCV_dis」라고 칭한다.
도 2에서 명백해진 바와 같이 충전율 Cb가, 비교적 높은 고SOC 영역에서는, OCV_ch와 OCV_dis의 차는, 거의 없고, 당해 영역에서는, 유의한 히스테리시스는, 존재하지 않는다. 한편, 충전율 Cb가 비교적 낮은 저SOC 영역에서는, OCV_dis와 OCV_ch가 일정 이상 상이하여, 유의한 히스테리시스가 발생하였다. 이하에서는, 이 유의한 히스테리시스가 발생하지 않는 영역을 「논히스테리시스 영역」이라고 칭한다. 또한, 유의한 히스테리시스가 발생한 영역을 「히스테리시스 영역」이라고 칭한다. 또한, 논히스테리시스 영역과 히스테리시스 영역의 경계가 되는 충전율을 경계 충전율 Cb_b라 칭한다. 충전율 Cb=n일 때 OCV_ch가 나타내는 전압을 Vch[n], OCV_dis가 나타내는 전압을 Vdis[n], 규정된 역치를 ΔVdef로 한 경우, 논히스테리시스 영역은, (|Vch[n]-Vdis[n]|<ΔVdef)를 만족시키는 영역이고, 히스테리시스 영역은, (|Vch[n]-Vdis[n]|≥ΔVdef)를 만족시키는 영역이다.
논히스테리시스 영역에서는, 개방 전압값 Vo의 값이 동일하면, 방전 계속 후, 충전 계속 후 중 어느 것이어도, 충전율 Cb의 값은 동등하다고 생각된다. 바꾸어 말하면, 논히스테리시스 영역에서 얻어지는 개방 전압값 Vo는, 전지(12)의 상태를 일의로 나타내고 있다고 할 수 있다. 한편, 히스테리시스 영역에서는, 개방 전압값 Vo의 값이 동일하여도, 방전 계속 후와 충전 계속 후에서, 대응하는 충전율 Cb가 상이하다. 예를 들어, 개방 전압값 Vo=Va였던 경우, 방전 계속 후이면, 충전율 Cb=Co가 되고, 충전 계속 후이면, 충전율 Cb=Ci가 된다. 또한, 충방전이 교대로 반복된 경우, 개방 전압값 Vo=Va여도, 충전율 Cb는, Co와 Ci 사이에 위치하는 경우도 있다. 따라서, 히스테리시스 영역에서 얻어지는 개방 전압값 Vo에서는, 전지(12)의 상태를 일의로 나타낼 수 없다.
이와 같이, 전지(12)의 상태를 일의로 나타낼 수 없는 개방 전압값 Vo를 사용한 경우, 전지(12)의 경년 열화를 일의적으로 추정하는 것은 곤란하다. 그래서, 이러한 문제를 피하기 위해서, 본 명세서에서 개시하는 전지 시스템(10)에서는, 간이하고 또한 정확하게 경년 열화를 추정하기 위해서, 논히스테리시스 영역에서 취득된 개방 전압값 Vo 및 전류 적산값 ΔAh만을 사용해서 열화를 추정하고 있다.
도 3은 전지(12)의 경년 열화의 추정 처리의 가장 기본적인 흐름을 나타내는 흐름도이다. 제어 장치(14)는, 이 도 3에 도시하는 흐름도를, 정기적으로 또는 특정한 타이밍에 실행하여, 경년 열화를 추정한다.
경년 열화의 추정 처리는, 파라미터 취득 루틴(S10)과, 열화 추정 루틴(S20)으로 크게 구별된다. 파라미터 취득 루틴에서는, 논히스테리시스 영역에 있어서, 제1 개방 전압값 Vo1과, 제2 개방 전압값 Vo2와, 제1 개방 전압값 Vo1로부터 제2 개방 전압값 Vo2로 변화할 때까지의 전류 적산값 ΔAh12를 취득한다. 제1 개방 전압값 Vo1 및 제2 개방 전압값 Vo2는, 충전율 Cb가 논히스테리시스 영역(Cb_b≤Cb≤100)에 있을 때 취득되는 개방 전압값 Vo이면, 특별히 한정되지 않는다. 단, 전지(12)의 열화 추정의 정밀도를 생각하면, 제1 개방 전압값 Vo1과 제2 개방 전압값 Vo2는, 어느 정도, 이격되어 있는 것이 바람직하다. 어느 쪽이든, 논히스테리시스 영역에서 얻어진 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 전지(12)의 현재의 상태를 일의로 나타내는 파라미터라고 할 수 있다.
열화 추정 루틴(S20)에서는, 파라미터 취득 루틴(S10)에서 취득된 파라미터를 사용하여, 전지(12)의 경년 열화를 추정한다. 구체적으로는, 제어 장치(14)는, 취득된 파라미터를 사용하여, 현재의 전지(12)의 만충전 용량 FCC 및 SOC-OCV 곡선의 적어도 한쪽을 추정한다. 이 추정 방법으로서는, 여러 형태를 생각할 수 있지만, 이에 대해서는, 나중에 상세히 설명한다. 그리고, 어느 형태로 추정하는 경우에도, 논히스테리시스 영역에서 얻어진 파라미터를 사용함으로써, 히스테리시스의 영향을 받지 않고, 전지(12)의 현재의 상태를 정확하게 추정할 수 있다.
이어서, 파라미터 취득 루틴의 구체예에 대해서 설명한다. 도 4는, 파라미터 취득 루틴의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 4의 도시예에서는, 전지(12)를 외부 충전하는 타이밍을 이용하여, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12를 취득하고 있다. 도 4의 도시예에서는, 이들 파라미터를 취득하기 위해서, 미리, 제1 충전율 Cb1 및 제2 충전율 Cb2를 메모리(28)에 기억하고 있다.
제1 충전율 Cb1 및 제2 충전율 Cb2는, 모두, 논히스테리시스 영역 내에 있는 값이고, 서로 충분히 이격한 값이다(도 2 참조). 이 제1, 제2 충전율 Cb1, Cb2는, 고정값이어도 되고, 변동값이어도 된다. 여기서, 논히스테리시스 영역, 나아가서는, 경계 충전율 Cb_b는, 전지(12)의 경년 열화에 수반하여 변화한다. 따라서, 제1, 제2 충전율 Cb1, Cb2를 고정값으로 하는 경우에는, 전지(12)의 경년 열화에 수반하여 논히스테리시스 영역이 팽창 수축되어도, 당해 논히스테리시스 영역 내가 되는 값을 설정한다. 또한, 제1, 제2 충전율 Cb1, Cb2를 변동값으로 하는 경우에는, 전지(12)의 경년 열화에 수반하는 논히스테리시스 영역의 팽창 수축에 연동하여, 제1, 제2 충전율 Cb1, Cb2를 변동시켜도 된다.
도 4의 도시예에서는, 앞서 서술한 바와 같이, 파라미터 취득 루틴에 있어서, 외부 충전하는 타이밍을 이용해서 파라미터를 취득하기 때문에, 제어 장치(14)는, 외부 충전의 지시 유무를 감시하고 있다(S110). 외부 충전의 지시가 있으면, 제어 장치(14)는, 외부 충전을 개시한다(S112).
외부 충전의 실행 중, 제어 장치(14)는, 충전율 Cb가, 메모리(28)에 기억된 제1 충전율 Cb1에 도달했는지 여부를 확인한다(S114). 여기서, 현재의 충전율 Cb는, 개방 전압값 Vo 또는 전류 적산값 ΔAh로부터 추정되지만, 외부 충전 실행 중은, 검출 전압값 Vb에는 분극 성분이 포함되어 있기 때문에, 개방 전압값 Vo는, 검출 전압값 Vb로부터 분극 성분을 감산해서 추정할 필요가 있다. 단, 저SOC 영역(히스테리시스 영역)에서는, 히스테리시스의 영향이 있기 때문에, 과거의 충방전 이력을 고려하지 않고, 개방 전압값 Vo로부터 충전율 Cb를 일의로 특정하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 히스테리시스 영역에서는, 외부 충전 중, 주행 중을 막론하고, 전류 적산값 ΔAh에 가중치(중량)를 두고, 충전율 Cb를 소정 주기로 추정하는 것이 바람직하다.
충전율 Cb가, 제1 충전율 Cb1이 되면, 제어 장치(14)는, 외부 충전을 정지한다(S116). 그리고, 이 정지 기간 중, 제어 장치(14)는, 분극이 해소되었는지 여부를 소정 주기로 확인한다(S118). 확인 결과, 분극이 해소되면, 제어 장치(14)는, 그 시점에서의 검출 전압값 Vb를, 제1 개방 전압값 Vo1로서 실측한다(S120).
제1 개방 전압값 Vo1이 취득되면, 외부 충전을 재개한다(S122). 또한, 전류 적산값 ΔAh12의 산출을 개시한다(S124). 이 외부 충전은, 충전율 Cb가, 메모리(28)에 기억되어 있는 제2 충전율 Cb2가 될 때까지(S126에서 예가 될 때까지) 행한다. 충전율 Cb가, 제2 충전율 Cb2가 되면, 충전을 정지하고, 분극 해소할 때까지 대기한다(S128). 그리고, 분극이 해소되면(S130에서 예), 제어 장치(14)는, 그 시점에서의 검출 전압값 Vb를 제2 개방 전압값 Vo2로서 실측한다(S132). 또한, 제어 장치(14)는, 제1 개방 전압값 Vo1을 실측하고 나서, 제2 개방 전압값 Vo2가 실측될 때까지의 전류 적산값 ΔAh12를 취득한다(S124, S133).
제2 개방 전압값 Vo2가 취득되면, 제어 장치(14)는, 외부 충전을 재개한다(S134). 그리고, 충전율 Cb가 소정의 목표 충전율(예를 들어 90% 등)에 도달하면, 충전 완료라 판정하고(S136), 외부 충전을 종료한다(S138). 이에 의해, 파라미터 취득 루틴은, 종료가 된다. 또한, 목표 충전율이, 논히스테리시스 영역 내에 있으면, 당해 목표 충전율을 제2 충전율 Cb2로서 설정해도 된다. 이 경우, 스텝 S133에서 충전이 종료가 되기 때문에, 스텝 S134, S136이 불필요하게 된다.
도 5는 이 파라미터 취득 루틴의 동작예를 도시하는 도면이다. 도 5에 있어서, 횡축은 시각을, 종축은 충전율 Cb를 나타내고 있다. 도 5에 있어서, 시각 t1에 있어서, 외부 충전이 개시되면, 충전율 Cb는, 서서히 증가해 간다. 그리고, 시각 t2에 있어서, 충전율 Cb가 제1 충전율 Cb1에 도달하면, 제어 장치(14)는, 외부 충전을 정지한다. 그 결과, 충방전이 행해지지 않는 기간이 계속되게 된다. 이 충방전 정지 기간이 계속됨으로써, 전지(12)의 분극이 서서히 해소되어 간다. 그리고, 시각 t3에 있어서, 분극의 영향이 없어지면, 제어 장치(14)는, 시각 t3 시점에서의 검출 전압값 Vb를, 제1 개방 전압값 Vo1로서 취득한다.
제1 개방 전압값 Vo1이 취득되면, 제어 장치(14)는, 외부 충전을 재개한다. 외부 충전을 행함으로써, 충전율 Cb는, 서서히 증가해 간다. 그리고, 시각 t4에 있어서, 충전율 Cb가, 제2 충전율 Cb2에 도달하면, 다시, 외부 충전을 정지하고, 대기한다. 그리고, 시각 t5에서 분극의 영향이 없어지면, 제어 장치(14)는, 시각 t5 시점에서의 검출 전압값 Vb를, 제2 개방 전압값 Vo2로서 취득한다. 또한, 제어 장치(14)는, 시각 t3 내지 시각 t5까지의 검출 전류값 Ib의 적산값을, 전류 적산값 ΔAh12로서 취득한다. 제2 개방 전압값 Vo2가 취득되면, 제어 장치(14)는, 외부 충전을 다시, 개시한다. 그리고, 시각 t6에 있어서, 충전율 Cb가, 목표 충전율에 도달하면, 외부 충전을 정지한다.
이상의 설명에서 명백해진 바와 같이, 이 파라미터 취득 루틴에 의하면, 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 논히스테리시스 영역에서 취득된다. 바꾸어 말하면, 취득된 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 히스테리시스의 영향을 받지 않은 값이라고 할 수 있다. 이러한 값에 기초하여, 경년 열화를 추정함으로써, 간이하고 또한 정확하게, 경년 열화를 추정할 수 있다. 또한, 도 4에 나타내는 파라미터 취득 루틴은, 외부 충전을 전제로 하고 있지만, 차량의 정지 중에, 전지(12)를 충전할 수 있는 것이면, 다른 형태에서의 충전이어도 된다. 예를 들어, 태양 발전 패널에서의 발전력에 의해 충전하는 형태여도 된다.
이어서, 파라미터 취득 루틴의 다른 예에 대해서 설명한다. 도 6은 파라미터 취득 루틴의 다른 예를 나타내는 흐름도이다. 도 6의 도시예에서는, 외부 충전 완료 후에 차량을 구동했을 때, 충전율 Cb가 저하되어 가는 타이밍을 이용하여, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12를 취득하고 있다. 즉, 통상, 전동 차량(100)에서는, 필요에 따라서, 회전 전기 기기(MG1, MG2)에서의 발전 전력을 축전하거나, 회전 전기 기기(MG1, MG2)를 구동하기 위해서 전력 공급하거나 하기 위해서, 전지(12)의 충전율 Cb를 비교적 낮게, 히스테리시스 영역에 위치하는 중간값 Cb_c(예를 들어 30% 전후)로 유지한다. 따라서, 외부 충전 완료 후에, 차량을 구동한 경우, 제어 장치(14)는, 전지(12)의 충전율 Cb를 중간값 Cb_c 전후까지, 저하시킨다. 도 6의 도시예에서는, 이 충전율 Cb가, 만충전으로부터 저하되는 타이밍을 이용하여, 경년 열화 추정에 필요한 파라미터를 취득하고 있다.
또한, 도 6의 도시예에서는, 이들 파라미터를, 취득하기 위해서, 미리, 기준 전류 적산값 ΔAhdef와, 기준 경과 시간 tdef를 기억하고 있다. 도 6의 흐름도는, 열화 추정을 위해서 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2를 취득하고 있지만, 열화 추정의 정밀도를 담보하기 위해서는, 제1 개방 전압값 Vo1을 취득하고 나서 제2 개방 전압값 Vo2를 취득할 때까지의 동안의 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|는, 어느 정도, 클 것이 요망된다. 기준 전류 적산값 ΔAhdef는, 이 열화 추정의 정밀도를 유지하기 위해서 필요한 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|의 크기이다. 또한, 제1 개방 전압값 Vo1을 취득하고 나서 제2 개방 전압값 Vo2를 취득할 때까지의 경과 시간 t12가, 과도하게 크면 전류 센서 오차의 영향에 의해 전류 적산값 ΔAh12에 포함되는 적산 오차 성분이 커져서, 열화 추정의 정밀도 저하를 초래할 가능성이 있다. 기준 경과 시간 tdef는, 전류 적산값 ΔAh12의 적산 오차를 일정 이하로 억제할 수 있는 시간이다. 이 기준 전류 적산값 ΔAhdef, 기준 경과 시간 tdef는, 고정값이어도 되고, 전지(12)나 전류 센서(20)의 열화 정도나, 환경 온도 등에 따라서 변동하는 변동값이어도 된다.
도 6의 파라미터 취득 루틴은, 전지(12)의 외부 충전이 완료된 타이밍으로부터 개시된다. 외부 충전이 완료되면 제어 장치(14)는, 개방 전압값 Vo가 취득 가능한지 여부를 감시한다(S140). 여기서, 개방 전압값 Vo가 취득 가능이란, 전지(12)의 분극이 해소되고 있어, 검출 전압값 Vb를, 그대로 개방 전압값 Vo로서 취급할 수 있는 상태를 포함한다. 따라서, 예를 들어 외부 충전의 완료 후, 차량의 파워를 온한 직후, 소위, 이그니션 온한 직후는, 개방 전압값 Vo가 취득 가능이라 할 수 있다. 또한, 개방 전압값 Vo가 취득 가능이란, 전지(12)에 미소 전류가 흐르고 있기는 하지만, 분극 성분을 고정밀도로 추정할 수 있는 상태도 포함한다. 이 경우, 제어 장치(14)는, 검출 전압값 Vb로부터, 추정한 분극 성분의 영향을 보정한 값을, 그 시점에서의 개방 전압값 Vo로서 취득한다. 따라서, 예를 들어 차량 주행 도중이라도, 신호에 의해 일시 정차하고 있는 기간, 엔진(104)만으로 주행하고 있는 기간(회전 전기 기기(MG1, MG2)를 구동하고 있지 않은 기간) 등은, 개방 전압값 Vo가 취득 가능이라고 할 수 있다.
개방 전압값 Vo가 취득 가능하다고 판단된 경우, 제어 장치(14)는, 그 시점에 있어서의 충전율 Cb가, 논히스테리시스 영역 내에 있는지 여부를 확인한다(S142). 또한, 이 경우의 충전율 Cb는, 개방 전압값 Vo에 가중치(중량)를 두고 추정된 값이어도 되고, 전류 적산값 ΔAh에 가중치(중량)를 두고 추정된 값이어도 된다. 충전율 Cb가, 논히스테리시스 영역 내에 없는 경우, 제어 장치(14)는, 스텝 S140으로 되돌아간다. 한편, 충전율 Cb가, 논히스테리시스 영역 내에 있는 경우, 제어 장치(14)는, 그 시점에서의 개방 전압값 Vo를 제1 개방 전압값 Vo1로서 취득한다(S144).
제1 개방 전압값 Vo1이 취득되면, 제어 장치(14)는, 전류 적산값 ΔAh12의 산출 및 경과 시간 t12의 카운트를 개시한다(S146). 그 후, 제어 장치(14)는, 경과 시간 t12와 기준 경과 시간 tdef를 비교한다(S148). 비교 결과, 경과 시간 t12가, 기준 경과 시간 tdef를 초과하는 경우(S148에서 아니오), 제어 장치(14)는, 전류 적산 오차가, 일정 이상 크게 되어 있다고 판정한다. 이 경우, 제어 장치(14)는, 스텝 S140으로 되돌아가서, 제1 개방 전압값 Vo1의 취득부터 다시 한다. 한편, 경과 시간 t12가, 기준 경과 시간 tdef 이하인 경우(S148에서 예), 제어 장치(14)는, 계속해서, 전류 적산값 ΔAh12와 기준 전류 적산값 ΔAhdef를 비교한다(S150). 비교 결과, |ΔAh12|<ΔAhdef이면(S150에서 아니오), 스텝 S148로 되돌아간다. 한편, |ΔAh12|≥ΔAhdef이면(S150에서 예), 제어 장치(14)는, 개방 전압값 Vo가 취득 가능한지 여부, 또한 현재의 충전율 Cb가 논히스테리시스 영역 내인지 여부를 확인한다(S152, 154). 확인 결과, 적어도 한쪽의 조건을 만족하지 않는 경우(S152에서 아니오, S154에서 아니오), 제어 장치는, 스텝 S148로 되돌아간다. 한편, 개방 전압값 Vo가 취득 가능하고 또한 충전율 Cb가 논히스테리시스 영역 내이면(S152에서 예, 또한 S154에서 예), 제어 장치(14)는, 그 시점의 개방 전압값 Vo를, 제2 개방 전압값 Vo2로서 취득한다(S156).
제2 개방 전압값 Vo2가 취득되면, 제어 장치(14)는, 그 시점에서, 전류 적산값 ΔAh12의 산출 및 경과 시간 t12의 카운트를 종료한다(S158). 그리고, 이에 의해, 파라미터 취득 루틴은, 종료가 된다. 또한, 도 6의 예에서는, 제2 개방 전압값 Vo2를 취득할 때, 전류 적산값 ΔAh12와 경과 시간 t12를 감시하고 있지만, 이들은, 생략되어도 된다. 즉, 도 6에 있어서, 스텝 S148, S150은, 생략되어도 된다.
도 7은 이 파라미터 취득 루틴의 동작예를 도시하는 도면이다. 도 7에 있어서, 횡축은, 시각을, 종축은, 충전율 Cb를, 나타내고 있다. 도 7의 예에서는, 기준 경과 시간 tdef는, 시각 t1 내지 시각 t5까지의 시간보다 충분히 크다. 도 7의 동작예는, 전지(12)의 외부 충전이 완료되고, 전지(12)의 충전율 Cb가 만충전에 가까운 상태(예를 들어 90% 등)로부터 시작된다. 시각 t1에 있어서, 전동 차량(100)의 파워가 온되면, 제어 장치(14)는, 도 6의 루틴을 개시한다. 파워 온 직후는 전지(12)의 분극 상태는, 해소되고 있어, 개방 전압값 Vo가 취득 가능하다고 할 수 있다. 따라서, 제어 장치(14)는, 파워 온 직후인 시각 t1에 있어서의 검출 전압값 Vb를 제1 개방 전압값 Vo1로서 취득한다. 또한, 제어 장치(14)는, 전류 적산값 ΔAh12의 산출 및 경과 시간 t12의 카운트를 개시한다.
그 후, 제어 장치(14)는, 충전율 Cb가, 소정의 중간값 Cb_c(예를 들어 30%전후)에 도달할 때까지, 방전 과다(예를 들어 EV 주행)가 되도록, 전지(12)의 충방전을 제어한다. 여기서, 시각 t2 내지 시각 t3까지의 동안에, 차량이 신호에 의해 정지하거나 해서, 전지(12)의 충방전량이 저하되어, 부하가 작은 상태가 계속되었다고 하자. 이 경우, 검출 전압값 Vb로부터 추정한 분극 성분을 제거함으로써 시각 t3에 있어서의 개방 전압값 Vo를 취득할 수 있다. 단, 시각 t3에 있어서, 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|는, 기준 전류 적산값 ΔAhdef보다 작기 때문에, 제어 장치(14)는, 제2 개방 전압값 Vo2의 취득 처리를 계속한다.
계속해서, 시각 t4 내지 시각 t5까지의 동안에, 다시, 차량이 신호에 의해 정지하거나 해서, 전지(12)의 충방전량이 저하되어, 부하가 작은 상태가 계속되었다고 하자. 이 경우, 검출 전압값 Vb로부터 추정한 분극 성분을 제거함으로써 시각 t5에 있어서의 개방 전압값 Vo를 취득할 수 있다. 또한, 시각 t5에 있어서, 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|는, 기준 전류 적산값 ΔAhdef보다 크고, 또한 경과 시간 t12가, 기준 경과 시간 tdef보다 작고, 또한 충전율 Cb가, 논히스테리시스 영역 내라고 하자. 이 경우, 제어 장치(14)는, 시각 t5에 있어서의 개방 전압값 Vo를 제2 개방 전압값 Vo2로서 취득하고, 파라미터 취득 루틴을 종료한다.
이상의 설명에서 명백해진 바와 같이, 도 6에 나타내는 파라미터 취득 루틴에서도, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 논히스테리시스 영역에서 취득된다. 바꾸어 말하면, 취득된 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 히스테리시스의 영향을 받지 않은 값이라고 할 수 있다. 이러한 값에 기초하여, 경년 열화를 추정함으로써, 간이하고 또한 정확하게, 경년 열화를 추정할 수 있다.
이어서, 파라미터 취득 루틴의 다른 예에 대해서, 도 8를 참조하여 설명한다. 도 8는, 파라미터 취득 루틴의 다른 예를 나타내는 흐름도이다. 도 8의 도시예에서는, 전지(12)의 충방전을 제어함으로써, 파라미터 취득의 타이밍을 강제적으로 생성한다. 즉, 앞서 서술한 바와 같이, 통상, 전동 차량(100)에서는, 전지(12)의 충전율 Cb를, 비교적 낮게, 히스테리시스 영역 내에 있는 중간값 Cb_c(예를 들어 30%전후)로 유지한다. 이 상태가 오랫동안 계속되면, 경년 열화에 사용하는 파라미터를 취득할 수 없다. 따라서, 전회, 경년 열화의 추정 처리를 행하고 나서의 경과 시간 te가, 규정된 기준 시간 t_def2 이상이 되면, 제어 장치(14)는, 전지(12)의 충전율 Cb를 강제적으로, 논히스테리시스 영역으로 상승시키고, 경년 열화의 추정에 필요한 파라미터를 취득한다. 이 기준 시간 t_def2의 값은, 전지의 열화 속도에 따르기 때문에, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 수주일부터 수개월이다.
또한, 도 8의 도시예에서는, 파라미터를 취득하기 위해서, 미리, 제1 충전율 Cb1 및 제2 충전율 Cb2를 메모리(28)에 기억한다. 이 제1, 제2 충전율 Cb1, Cb2는, 도 4의 루틴에서 설명한 제1, 제2 충전율 Cb1, Cb2와 거의 동일하고, 모두, 논히스테리시스 영역 내에 있는 값이면, 고정값이어도 되고 변동값이어도 된다.
또한, 이 파라미터 취득 루틴을 실행하기 위해서, 제어 장치(14)는, 전동 차량(100)의 제어 모드로서, 통상 모드와, 충전 과다 모드와, 충방전 제한 모드를 갖고 있다. 충전 과다 모드는, 전지(12)의 충전량이 방전량보다 많아지는 제어 모드이다. 예를 들어, 충전 과다 모드에서, 제어 장치(14)는, 엔진(104)을, 차량의 주행에 요구되는 동력 이상의 동력을 출력하도록 구동하고, 당해 엔진(104)의 잉여 동력으로, 제1 회전 전기 기기(MG1)를 발전시킨다. 또한, 이때, 제어 장치(14)는, 제2 회전 전기 기기(MG2)에 대해서는, 제동력에 의한 발전만을 허용하고, 전동기로서의 구동은 금지한다.
충방전 제한 모드는, 전지(12)의 충전 및 방전의 양쪽을 제한하는 모드이다. 예를 들어, 충방전 제한 모드에서, 제어 장치(14)는, 엔진(104)을, 차량의 주행에 요구되는 동력을 출력하도록 제어하고, 제1, 제2 회전 전기 기기(MG1, MG2)의 구동을 최대한 제한한다. 즉, 제1, 제2 회전 전기 기기(MG1, MG2)에 의한 발전도 제한한다. 통상 모드는, 충전 과다 모드, 충방전 제한 모드의 어느 것도 아닌 제어 모드를 의미하고 있고, 필요에 따라, 제2 회전 전기 기기(MG2)의 동력만으로 차량을 주행하는 전동 주행을 행해도 되고, 제2 회전 전기 기기(MG2)와 엔진(104)의 동력으로 차량을 주행하는 하이브리드 주행을 행해도 된다.
도 8의 파라미터 취득 루틴에 있어서, 제어 장치(14)는, 전회, 경년 열화의 추정 처리를 행하고 나서의 경과 시간 te를 카운트하여, 당해 경과 시간 te가, 규정된 기준 시간 t_def2 이상인지 여부를 감시한다(S160). 경과 시간 te가, 기준 시간 t_def2 이상이 되면, 제어 장치(14)는, 차량의 제어 모드를, 충전 과다 모드로 전환한다(S162). 이에 의해, 전지(12)의 충전율 Cb는, 히스테리시스 영역 내에 있는 중간값 Cb_c(예를 들어 30%전후)로부터 서서히, 상승하여, 논히스테리시스 영역 내에 이른다.
전지(12)의 충전율 Cb가, 논히스테리시스 영역 내의 값인 제1 충전율 Cb1이 되면(S164에서 예), 제어 장치(14)는, 충전 및 방전의 양쪽을 제한한 충방전 제한 모드로 전환한다(S166). 이에 의해, 전지(12)의 충방전이 제한되어, 개방 전압값 Vo가 취득되기 쉬워진다. 그리고, 개방 전압값 Vo가 취득 가능하게 되면(S168에서 예), 제어 장치(14)는, 그 시점에서의 개방 전압값 Vo를, 제1 개방 전압값 Vo1로서 취득한다(S170).
제1 개방 전압값 Vo1이 취득되면, 제어 장치(14)는, 전동 차량(100)의 제어 모드를, 충전 과다 모드로 다시 전환한다(S172). 또한, 제어 장치(14)는, 전류 적산값 ΔAh12의 연산을 개시한다(S174).
충전 과다 모드로 전환한 결과, 전지(12)의 충전율 Cb는, 다시 상승하기 시작한다. 그리고, 전지(12)의 충전율 Cb가, 제2 충전율 Cb2가 되면(S178에서 예), 제어 장치(14)는, 다시, 제어 모드를, 충방전 제한 모드로 전환한다(S180). 그리고, 개방 전압값 Vo가 취득 가능하게 되면(S182에서 예), 제어 장치(14)는, 그 시점에서의 개방 전압값 Vo를, 제2 개방 전압값 Vo2로서 취득한다(S184). 또한, 제2 개방 전압값 Vo2가 취득되면, 제어 장치(14)는, 전류 적산값 ΔAh12의 산출을 종료한다(S186). 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12가 취득되면, 제어 장치(14)는, 전동 차량(100)의 제어 모드를, 통상 모드로 전환한다(S188). 또한, 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|가, 규정된 기준값 미만인 경우에는, 열화 추정 정밀도가 저하될 우려가 있다. 그 때문에, 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|가 규정된 기준값 이상이 되도록 제어를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 본 예에 있어서도, 도 6의 흐름도와 마찬가지로, 제2 개방 전압값 Vo2의 취득 직전에, 제1 개방 전압값 Vo1을 취득하고 나서의 경과 시간 t12를 확인하도록 해도 된다. 이 경우, 경과 시간 t12가, 소정의 기준값을 초과하는 경우에는, 제2 개방 전압값 Vo2를 취득하지 않고, 방전 과다 모드로 운전한 다음, 스텝 S164로 되돌아가서, 제1 개방 전압값 Vo1의 취득을 다시 한다.
도 9는 이 파라미터 취득 루틴의 동작예를 도시하는 도면이다. 도 9에 있어서, 횡축은, 시각을, 종축은, 충전율 Cb를, 나타내고 있다. 도 9의 동작예는, 전지(12)의 충전율 Cb가 히스테리시스 영역 내에 있는 중간값 Cb_c 전후로 유지되고 있는 상태에서 시작된다. 통상, 전지(12)의 충전율 Cb는, 이 중간값 Cb_c의 주변으로 유지된다. 현재, 시각 t1에 있어서, 전회의 경년 열화 추정 처리로부터의 경과 시간 te가, 기준 시간 t_def2 이상이 되었다고 하자. 이 경우, 제어 장치(14)는, 차량의 제어 모드를, 충전 과다 모드로 전환한다. 그 결과, 전지(12)의 충전율 Cb는, 상승해 간다. 그리고, 시각 t2에 있어서, 충전율 Cb가, 제1 충전율 Cb1이 되었다고 하자. 이 경우, 제어 장치(14)는, 충방전 제한 모드로 전환한다. 그 결과, 시각 t2 이후, 충전율 Cb의 변동이 작아진다. 이 상태가 일정 기간 계속된 시각 t3에 있어서, 개방 전압값 Vo가 취득 가능해지면, 제어 장치(14)는, 시각 t3에 있어서의 개방 전압값 Vo를 제1 개방 전압값 Vo1로서 취득한다.
제1 개방 전압값 Vo1이 취득되면, 제어 장치(14)는, 다시, 충전 과다 모드로 전환한다. 또한, 전류 적산값 ΔAh12의 연산도 개시한다. 그 결과, 전지(12)의 충전율 Cb는, 시각 t3 이후, 급격하게 상승한다. 그리고, 시각 t4에 있어서, 충전율 Cb가 제2 충전율 Cb2가 되면, 제어 장치(14)는, 다시, 충방전 제한 모드로 전환한다. 그리고, 충방전이 제한된 상태가 일정 기간 계속된 시각 t5에 있어서, 개방 전압값 Vo가 취득 가능하게 된다. 제어 장치(14)는, 이 시각 t5에 있어서의 개방 전압값 Vo를, 제2 개방 전압값 Vo2로서 취득한다. 또한, 시각 t3 내지 시각 t5까지의 검출 전류값 Ib의 적산값을, 전류 적산값 ΔAh12로서 취득한다. 그리고, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12가 취득되면, 제어 장치(14)는, 하이브리드 차량의 제어 모드를 통상 모드로 전환한다. 그 결과, 전지(12)의 충전율 Cb는, 중간값 Cb_c 부근으로 저하되어 간다.
이상의 설명에서 명백해진 바와 같이, 도 8에 나타내는 파라미터 취득 루틴에서도, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 논히스테리시스 영역에서 취득된다. 바꾸어 말하면, 취득된 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12는, 히스테리시스의 영향을 받지 않은 값이라 할 수 있다. 이러한 값에 기초하여, 경년 열화를 추정함으로써, 간이하고 또한 정확하게, 경년 열화를 추정할 수 있다.
또한, 경년 열화가 장기간, 추정되지 않는 경우, 전지(12)의 실제 상태와, 메모리(28)에 기억되어 있는 SOC-OCV 곡선 및 만충전 용량 FCC의 괴리가 커진다. 이 경우, 전지(12)의 충전율 Cb의 추정 정밀도가 저하된다. 도 8에 나타내는 루틴에 의하면, 외부 충전 등이 장기간 실행되지 않는 경우에도, 전회의 경년 열화 추정 처리로부터의 경과 시간 te가, 기준 시간 t_def2 이상이 되면, 경년 열화에 필요한 파라미터가 취득된다. 따라서, 장기간, 경년 열화가 추정되지 않기 때문에, SOC의 추정 정밀도가 저하된다는 문제를 피할 수 있다. 또한, 도 8의 예에서는, Cb1<Cb2로 하고 있어, 1회째에 취득하는 제1 개방 전압값 Vo1 쪽이, 2회째에 취득하는 제2 개방 전압값 Vo2보다 낮아지고 있다. 그러나, Cb1>Cb2로 하고 있어, 처음에, 충전율 Cb가 제1 충전율 Cb1에 도달할 때까지 충전해서 제1 개방 전압값 Vo1을 취득하고, 그 후, 방전 과다로 운전하여, 충전율 Cb가 제2 충전율 Cb2(<Cb1)에 도달했을 때 제2 개방 전압값 Vo2를 취득하도록 해도 된다.
또한, 도 8에 나타내는 루틴은, 차량의 주행 중에, 전지(12)를 충전할 수 있는 것이 전제가 된다. 따라서, 도 8에 나타내는 루틴은, 차량의 주행 중에도 발전할 수 있는 전동 차량에 적합하다. 이러한 전동 차량으로서는, 동력원으로서 회전 전기 기기의 이외에 엔진을 갖는 하이브리드 자동차나, 태양광으로 발전하는 태양광 패널을 구비한 전동 차량, 연료(수소 등)의 화학 에너지를 전력로 변화하는 연료 전지를 탑재한 전동 차량 등이 해당된다.
이어서, 열화 추정 루틴(S20)에 대해서 설명한다. 열화 추정 루틴(S20)에서는, 파라미터 취득 루틴(S10)에서 취득된 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12를 사용하여, 전지(12)의 SOC-OCV 곡선 및 만충전 용량 FCC 중 적어도 1개를 추정하는 것이면, 그 형태는, 특별히 한정되지 않는다. 이하에서는, 2종류의 열화 추정 루틴(S20)을 예시하지만, 열화 추정 루틴(S20)은, 이에 한정하지 않고, 종래부터 제안되어 있는 다양한 열화 추정 기술을 사용할 수 있다.
열화 추정 루틴(S20)의 일례를 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10의 열화 추정 루틴은, 충전율의 변화량 ΔCb와, 전류 적산값 ΔAh12의 비율에 기초하여 만충전 용량 FCC를 추정한다. 구체적으로는, 제어 장치(14)는, 파라미터 취득 루틴(S10)에서 취득된 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2를, 메모리(28)에 기억되어 있는 SOC-OCV 곡선과 대조하고, 대응하는 충전율 Cb[Vo1], Cb[Vo2]를 취득한다(S210, S212). 이어서, 제어 장치(14)는, 전류 적산값의 절댓값 |ΔAh12|를, 충전율의 변화량 ΔCb=|Cb[Vo1]-Cb[Vo2]|로 제산한 값에, 100을 곱한 값을 만충전 용량 FCC로서 산출한다(S214). 즉, FCC=|ΔAh12|/(|Cb[Vo1]-Cb[Vo2]|)×100의 연산을 행한다. 그리고, 만충전 용량 FCC를 산출할 수 있으면, 제어 장치(14)는, 메모리(28)에 기억되어 있는 만충전 용량 FCC를, 산출된 만충전 용량 FCC로 수정하고, 갱신한다(S216).
이어서, 열화 추정 루틴(S20)의 다른 예를 설명한다. 도 11의 열화 추정 루틴은, 파라미터 취득 루틴에서 취득된 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12에 기초하여, 전지(12)의 상태를 나타내는 3개의 열화 파라미터 k1, k2, ΔQs를 탐색한다. 이 열화 추정 루틴의 흐름을 설명하기 전에, 당해 열화 추정 루틴의 원리에 대해서 설명한다.
앞서 서술한 바와 같이, 본 예에 있어서의 전지(12)는, 리튬 이온 이차 전지이지만, 리튬 이온 이차 전지는, 부극과, 전해액을 포함하는 세퍼레이터와, 정극으로 구성되어 있다. 부극 및 정극 각각은, 구상의 활물질 집합체로 구성된다. 리튬 이온 이차 전지의 방전 시에 있어서, 부극의 활물질 계면 상에서는, 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-를 방출하는 화학 반응이 행해진다. 한편, 정극의 활물질 계면 상에서는, 리튬 이온 Li+ 및 전자 e-를 흡수하는 화학 반응이 행해진다. 리튬 이온 이차 전지의 충전 시에는, 상술한 반응과 반대의 반응이 행해진다.
부극에는, 전자를 흡수하는 부극 집전체가 설치되고, 정극에는, 전자를 방출하는 정극 집전체가 설치되어 있다. 부극 집전체는, 예를 들어 구리로 형성되고, 부극 단자에 접속되어 있다. 정극 집전체는, 예를 들어 알루미늄으로 형성되어 있고, 정극 단자에 접속되어 있다. 세퍼레이터를 통해서, 정극 및 부극 사이에 리튬 이온의 수수가 행해짐으로써, 리튬 이온 이차 전지의 충방전이 행해진다.
여기서, 리튬 이온 이차 전지의 내부에 있어서의 충전 상태는, 정극 및 부극의 각각의 활물질에 있어서의 리튬 농도 분포에 따라서 상이하다. 리튬 이온 이차 전지의 출력 전압은, 하기의 식 (1)에 의해 표시된다.
V=Vo(θ1, θ2)-R×I (1)
여기서, R은, 리튬 이온 이차 전지의 전체에 있어서의 저항, I는, 리튬 이온 이차 전지에 흐르는 전류이다. 저항 R은, 부극 및 정극에서 전자의 이동에 대한 순전기적인 저항과, 활물질 계면에서의 반응 전류 발생 시에 등가적으로 전기 저항으로서 작용하는 전하 이동 저항이 포함된다.
θ1은, 정극 활물질의 표면에 있어서의 국소적인 충전율이며, θ2는, 부극 활물질의 표면에 있어서의 국소적 충전율이다. 저항 R은 θ1, θ2 및 전지 온도의 변화에 따라서 변화하는 특성을 갖는다. 바꿔 말하면, 저항 R은 θ1, θ2 및 전지 온도의 함수로서 나타낼 수 있다. 국소적 충전율 θ1, θ2는, 하기 식 (2)에 의해 표시된다.
θi=(Cse, i)/ (Cs, i, max) (2)
여기서, Cse, i는 활물질(정극 또는 부극)의 계면에 있어서의 리튬 농도(평균값)이고, Cs, i, max는 활물질(정극 또는 부극)에 있어서의 한계 리튬 농도이다. 또한, 첨자 i의 1은 정극을, 2는 부극을 나타낸다. 한계 리튬 농도란, 정극이나 부극에 있어서의 리튬 농도의 상한값이다. 정극, 부극의 국소적 충전율 θ1, θ2는, 각각, 0과 1 사이에서 변화한다.
정극 개방 전위 U1은, 정극 활물질의 표면에 있어서의 국소적 충전율 θ1에 따라서 변화하는 특성을 갖고, 부극 개방 전위 U2는, 부극 활물질의 표면에 있어서의 국소적 충전율 θ2에 따라서 변화하는 특성을 갖고 있다. 도 12에 리튬 이온 이차 전지가 초기 상태에 있을 때의, 국소적 충전율 θ1에 대한 정극 개방 전위 U1의 관계, 국소적 충전율 θ2에 대한 부극 개방 전위 U2의 관계를 나타낸다. 또한, 본 예의 전지(12)는, 실리콘계 재료와 그래파이트를 포함한 복합체를 부극 활물질로서 사용하고 있기 때문에, 부극 개방 전위 U2는, 부분적으로 히스테리시스를 갖는다. 도 12에 있어서, 굵은 선의 부극 개방 전위 U2는, 전지(12)를 완전 방전 후, 충전해 가는 과정(이하 「충전 계속 후」라고 한다)에서 얻어지는 부극 개방 전위를, 세선의 부극 개방 전위 U2는, 만충전 후, 방전해 가는 과정(이하 「방전 계속 후」라고 한다)에서 얻어지는 부극 개방 전위를 나타내고 있다. 또한, 마찬가지로, 굵은 선의 개방 전압값 Vo는, 충전 계속 후의, 세선의 개방 전압값 Vo는, 방전 계속 후의 개방 전압을 나타내고 있다. 이하에서는, 양자를 구별할 필요가 없을 때는, 충전 계속 후의 부극 개방 전위 U2, 개방 전압값 Vo에 대해서만 설명한다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo는, 정극 개방 전위 U1 및 부극 개방 전위 U2의 전위차로서 표현된다. 앞서 서술한 바와 같이, 부극 개방 전위 U2는, 부분적으로 히스테리시스를 갖는 관계상, 개방 전압값 Vo도, 부분적으로 히스테리시스를 갖는다. 또한, 초기 상태이란, 리튬 이온 이차 전지의 열화가 발생하지 않고 있는 상태를 말하고, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지를 제조한 직후의 상태를 말한다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 정극의 국소적 충전율 θ1은 θ1H(=1)이고, 정극 개방 전위 U1은 가장 낮다(정극 내의 Li양이 최대). 한편, 부극의 국소적 충전율 θ2는 θ2L(=0)이고, 부극 개방 전위는 가장 높게 되어 있다(부극 내의 Li양이 최소). 이들의 특성(U1, U2)을 나타내는 데이터는, 맵으로서 메모리(28)에 미리 저장해 둘 수 있다.
리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo는, 만충전 상태로부터 방전이 진행됨에 따라서 저하되는 특성을 갖고 있다. 또한, 열화 후의 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 초기 상태의 리튬 이온 이차 전지에 비하여, 동일한 방전 시간에 대한 전압 저하량이 커진다. 이것은, 리튬 이온 이차 전지의 열화에 의해, 만충전 용량의 저하와 개방 전압 곡선의 변화가 발생하고 있는 것을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 리튬 이온 이차 전지의 열화에 수반하는 개방 전압 곡선의 변화를, 열화 상태의 리튬 이온 이차 전지의 내부에서 일어난다고 생각되는 2개의 현상으로서 모델화하고 있다. 2개의 현상은, 정극 및 부극에서의 단극 용량의 감소와, 정극 및 부극 사이에 있어서의 조성의 대응 어긋남이다.
단극 용량의 감소란, 정극 및 부극 각각에 있어서의 리튬의 수용 능력의 감소를 나타내고 있다. 리튬의 수용 능력이 감소하고 있는 것은, 충방전에 유효하게 기능하는 활물질 등이 감소하고 있는 것을 의미하고 있다.
도 13은 정극 용량의 감소에 의한 정극 개방 전위 U1의 변화와, 부극 용량의 감소에 의한 부극 개방 전위 U2의 변화를 모식적으로 도시하고 있다. 도 13에 있어서, 정극 용량의 축에 있어서의 Q1L은, 리튬 이온 이차 전지의 초기 상태에 있어서, 도 12의 국소적 충전율 θ1L(=0)에 대응하는 용량이다. Q1H_ini는, 리튬 이온 이차 전지의 초기 상태에 있어서, 도 12의 국소적 충전율 θ1H(=1)에 대응하는 용량이다. 또한, 부극 용량의 축에 있어서의 Q2L은, 리튬 이온 이차 전지의 초기 상태에 있어서, 도 12의 국소적 충전율 θ2H(=1)에 대응하는 용량이며, Q2H_ini는, 리튬 이온 이차 전지의 초기 상태에 있어서, 도 12의 국소적 충전율 θ2L(=0)에 대응하는 용량이다.
정극에 있어서, 리튬의 수용 능력이 저하되면, 국소적 충전율 θ1L(=1)에 대응하는 용량은, Q1H_ini로부터 Q1H_aft로 변화한다. 또한, 부극에 있어서, 리튬의 수용 능력이 저하되면, 국소적 충전율 θ2L(=0)에 대응하는 용량은, Q2H_ini로부터 Q2H_aft로 변화한다.
여기서, 리튬 이온 이차 전지가 열화되어도, 국소적 충전율 θ1에 대한 정극 개방 전위 U1의 관계(도 12에 나타내는 관계)는 변화되지 않는다. 이 때문에, 국소적 충전율 θ1에 대한 정극 개방 전위 U1의 관계를, 정극 용량에 대한 정극 개방 전위 U1의 관계로 변환하면, 도 13에 도시하는 바와 같이, 열화 상태의 정극 용량에 대한 정극 개방 전위 U1_aft의 관계를 나타내는 곡선(이점쇄선)은, 리튬 이온 이차 전지가 열화된 분만큼 초기 상태의 곡선 U1_ini(실선)에 대하여 줄어든 상태가 된다.
마찬가지로, 국소적 충전율 θ2에 대한 부극 개방 전위 U2의 관계를, 부극 용량에 대한 부극 개방 전위 U2의 관계로 변환하면, 도 13에 도시하는 바와 같이, 열화 상태의 부극 용량에 대한 부극 개방 전위 U2_aft의 관계를 나타내는 곡선(이점쇄선)은, 리튬 이온 이차 전지가 열화된 분만큼 초기 상태의 곡선 U2_ini(실선)에 대하여 줄어든 상태가 된다.
이어서, 조성 어긋남에 대해서 설명한다. 도 14에는, 정극 및 부극 사이에 있어서의 조성 대응의 어긋남을 모식적으로 도시하고 있다. 조성 대응의 어긋남이란, 정극 및 부극의 조를 사용해서 충방전을 행할 때, 정극의 조성(θ1) 및 부극의 조성(θ2)의 조합이, 리튬 이온 이차 전지의 초기 상태에 대하여 어긋나 있는 것을 나타내는 것이다.
정극, 부극의 국소적 충전율 θ1, θ2에 대한 정극, 부극 개방 전위 U1, U2의 관계를 나타내는 곡선은, 도 12에 나타낸 곡선과 마찬가지이다. 여기서, 리튬 이온 이차 전지가 열화되면, 부극 조성 θ2의 축은, 정극 조성 θ1이 작아지는 방향으로 Δθ2만큼 시프트된다. 이에 의해, 열화 상태의 부극 조성 θ2의 축에 대한 부극 개방 전위 U2_aft의 관계를 나타내는 곡선(이점쇄선)은, 초기 상태의 부극 조성 θ2의 축에 대한 부극 개방 전위 U2_ini의 관계를 나타내는 곡선(실선)에 대하여, Δθ2의 분만큼, 정극 조성 θ1이 작아지는 방향으로 시프트된다.
그 결과, 정극의 조성 θ1fix에 대응하는 부극의 조성은, 리튬 이온 이차 전지가 초기 상태에 있을 때에는 「θ2fix_ini」가 되지만, 리튬 이온 이차 전지가 열화된 후에는 「θ2fix_aft」가 된다.
도 11에 도시하는 열화 추정 루틴에서는, 3개의 열화 파라미터를 전지 모델에 도입함으로써, 상술한 2개의 열화 현상을 모델화하고 있다. 3개의 열화 파라미터란, 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2 및 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs이다. 2개의 열화 현상을 모델화하는 방법에 대해서, 이하에 설명한다.
정극 용량 유지율 k1이란, 초기 상태의 정극 용량에 대한 열화 상태의 정극 용량의 비율을 말한다. 여기서, 정극 용량은, 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태가 된 후에 있어서, 초기 상태의 용량으로부터 임의의 양만큼 감소했다고 하자. 이때, 정극 용량 유지율 k1은, 하기 식 (3)에 의해 표시된다.
Figure pat00001
여기서, Q1_ini는, 리튬 이온 이차 전지가 초기 상태에 있을 때의 정극 용량을 나타내고, ΔQ1은, 리튬 이온 이차 전지가 열화되었을 때의 정극 용량의 감소량을 나타내고 있다. 따라서, 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태가 되었을 때의 정극 용량은, (Q1_ini-ΔQ1)이 된다. 또한, k1은 초기 상태인 1로부터 저하된다. 여기서, 초기 상태의 정극 용량 Q1_ini는, 활물질의 이론 용량이나 투입량 등으로부터 미리 구해 둘 수 있다.
부극 용량 유지율 k2란, 초기 상태의 부극 용량에 대한 열화 상태의 부극 용량의 비율을 말한다. 여기서, 부극 용량은, 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태가 된 후에 있어서, 초기 상태의 용량으로부터 임의의 양만큼 감소했다고 하자. 이때, 부극 용량 유지율 k2는, 하기 식 (4)에 의해 표시된다.
Figure pat00002
여기서, Q2_ini는, 리튬 이온 이차 전지가 초기 상태에 있을 때의 부극 용량을 나타내고, ΔQ2는, 리튬 이온 이차 전지가 열화되었을 때의 부극 용량의 감소량을 나타내고 있다. 따라서 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태가 되었을 때의 부극 용량은, (Q2_ini-ΔQ2)가 된다. 또한, k2는 초기 상태인 1로부터 저하된다. 여기서, 초기 상태의 부극 용량 Q2_ini는, 활물질의 이론 용량이나 투입량 등으로부터 미리 구해 둘 수 있다.
도 15는 정극 및 부극 사이에 있어서의 조성 대응의 어긋남을 설명하는 모식도다. 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태가 되었을 때에는, 부극 조성 θ2의 1에 대한 부극 용량은, (Q2_ini-ΔQ2)가 된다. 또한, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs는, 정극 조성축 θ1에 대한 부극 조성축 θ2의 어긋남량 Δθ2에 대응하는 용량이다. 이에 의해, 하기 식 (5)의 관계가 성립된다. 또한, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs는 정극 활물질의 표면 국소적인 충전율인 국소적 충전율 θ1과 부극 활물질의 표면 국소적인 충전율인 국소적 충전율 θ2의 대응 관계의 초기 상태로부터의 변화에 의한 전지 용량의 변동량을 나타내는 것이다.
Δθ2:1=ΔQs:(Q2_ini-ΔQ2) (5)
그리고, 식 (4) 및 식 (5)로부터 하기 식 (6)이 구해진다.
ΔQs=k2×Q2_ini×Δθ2 (6)
리튬 이온 이차 전지가 초기 상태에 있을 때, 정극 조성 θ1fix는, 부극 조성 θ2fix_ini에 대응하고 있다. 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태에 있을 때, 정극 조성 θ1fix는, 부극 조성 θ2fix_aft에 대응하고 있다.
리튬 이온 이차 전지의 열화에 의해, 정극 및 부극 사이에 있어서의 조성 대응의 어긋남이 발생한 경우에 있어서, 리튬 이온 이차 전지의 열화 후에 있어서의 부극 조성 θ2fix_aft는, 하기 식 (7)의 관계를 갖고 있다.
Figure pat00003
식 (7)의 의미에 대해서 설명한다. 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태에서, 충전에 의해 정극으로부터 리튬이 방출되면 정극 조성 θ1은 1로부터 감소한다. 정극 조성 θ1이 1로부터 θ1fix까지 감소했을 때, 정극으로부터 방출되는 리튬의 양 F1은, 하기 식 (8)에 의해 표시된다.
F1=(1-θ1fix)×k1×Q1_ini (8)
여기서, (1-θ1fix)의 값은, 리튬 이온 이차 전지의 충전에 의한 정극 조성 θ1의 감소분을 나타내고, (k1×Q1_ini)의 값은, 리튬 이온 이차 전지의 열화 후에 있어서의 정극 용량을 나타내고 있다.
정극으로부터 방출된 리튬이 부극에 모두 도입된다고 하면, 부극 조성 θ2fix_ini는, 하기 식 (9)가 된다.
Figure pat00004
여기서, (k2×Q2_ini)의 값은, 리튬 이온 이차 전지의 열화 후에 있어서의 부극 용량을 나타내고 있다.
한편, 정극 및 부극 사이에 있어서의 조성 대응의 어긋남(Δθ2)이 존재할 때에는, 열화 후의 부극 조성 θ2fix_aft는, 하기 식 (10)으로 표시된다.
Figure pat00005
조성 대응의 어긋남량 Δθ2는, 식 (6)에 의해, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs를 사용해서 나타낼 수 있다. 이에 의해, 열화 후의 부극 조성 θ2fix_aft는, 상기 식 (7)로 표시된다.
도 15에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태에 있을 때의 개방 전압값 Vo는, 열화 상태에 있어서의 정극 개방 전위 U1_aft 및 부극 개방 전위 U2_aft의 전위차로서 표현된다. 즉, 3개의 열화 파라미터인 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs를 특정하면, 리튬 이온 이차 전지가 열화 상태에 있을 때의 부극 개방 전위 U2_aft를 특정할 수 있고, 부극 개방 전위 U2_aft 및 정극 개방 전위 U1_ini의 전위차로서, 개방 전압값 Vo를 산출할 수 있다.
즉, 초기 상태의 정극 용량 Q1_ini, 부극 용량 Q2_ini는 활물질의 이론 용량이나 투입량으로부터 미리 구해 둘 수 있으므로, 3개의 열화 파라미터인 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs를 특정할 수 있으면, 식 (7)을 사용해서 열화 상태의 부극 조성 θ2fix_aft를 산출할 수 있다. 또한, 식 (6)을 사용해서 조성 대응의 어긋남량 Δθ2를 계산할 수 있다. 이제부터, 도 12에 도시하는 바와 같이, 열화 상태의 정극 조성 θ1이 1의 위치에 대한 열화 상태의 부극 조성축 θ2의 0의 위치 및 부극 조성 θ2fix_aft를 특정할 수 있다. 그리고, 0과 θ2fix_aft의 위치로부터, 도 12에 도시하는 바와 같이 열화 상태의 부극 조성축 θ2가 1이 되는 위치를 특정할 수 있다.
리튬 이온 이차 전지가 열화되어도, 정극의 국소적 충전율 θ1에 대한 정극 개방 전위 U1의 관계, 부극의 국소적 충전율 θ2에 대한 부극 개방 전위 U2의 관계(도 12에 나타내는 관계)는 변화되지 않는다. 따라서, 열화 상태의 정극 조성 θ1의 1과 0의 위치에 대한 열화 상태의 부극 조성축 θ2의 0과 1의 위치를 특정할 수 있으면, 열화 상태의 정극 조성 θ1의 1과 0의 사이에 도 12에 나타내는 정극의 국소적 충전율 θ1에 대한 정극 개방 전위 U1의 관계를 나타내는 곡선을 그리고, 열화 상태의 정극 조성 θ1의 1과 0의 사이에 도 12에 나타낸 부극의 국소적 충전율 θ2에 대한 부극 개방 전위 U2의 관계를 나타내는 곡선을 그리면, 각 곡선은, 도 12에 나타내는 열화 상태의 정극 개방 전위 U1, 부극 개방 전위 U2가 된다. 이와 같이, 정극 개방 전위 U1, 부극 개방 전위 U2를 나타내는 곡선을 특정할 수 있으면, 열화 상태의 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo를 산출할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 3개의 열화 파라미터인 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs를 특정하면 열화 상태의 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo를 산출할 수 있다.
또한, 초기 상태의 리튬 이온 이차 전지에서는, 정극 용량 유지율 k1 및 부극 용량 유지율 k2가 1이고, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs가 0이고, 상술한 설명에 의해 산출(추정)된 개방 전압값 Vo는, 초기 상태(신품)인 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo를 측정했을 때의 값(실측값)과 일치한다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo는, 전지 용량(ΔAh)이 커짐에 따라서, 즉 이차 전지가 충전됨에 따라 높아진다. 이하, 전지 용량(ΔAh)에 대한 개방 전압값 Vo의 변화 곡선을 개방 전압 곡선이라고 한다. 개방 전압 곡선은, 도 16의 일점쇄선, 파선으로 나타낸 바와 같이, 전지(12)가 열화되면 초기 상태로부터 도면 중 좌측으로 어긋나게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 3개의 열화 파라미터인 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs로부터 열화 상태의 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압값 Vo를 산출할 수 있으므로, 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs로부터 리튬 이온 이차 전지의 개방 전압 곡선을 산출할 수 있다.
그래서, 도 11에 도시하는 열화 추정 루틴에서는, 3개의 열화 파라미터인 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs에 기초하여 산출한 열화 상태의 개방 전압 곡선(추정값)이, 개방 전압 곡선(실측값)에 대략 일치하는 (k1, k2, ΔQs)의 값을 탐색하는 수렴 계산을 행한다. 이에 의해, 어떤 열화 상태에 있어서의 정극 용량 유지율 k1, 부극 용량 유지율 k2, 정부극 조성 대응 어긋남 용량 ΔQs를 특정할 수 있어, 리튬 이온 이차 전지의 용량 열화를 추정할 수 있다.
구체적으로, 도 11을 참조하여, 이 열화 추정 루틴의 흐름에 대해서 설명한다. 도 11에 도시하는 열화 추정 루틴에서는, 제어 장치(14)는, 먼저, 파라미터 취득 루틴(S10)에서 취득한 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12를 플롯하고, 개방 전압 곡선(실측값)을 생성한다(S220).
이어서, 제어 장치(14)는, 개방 전압 특성(추정값)을 생성하기 위한 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)의 후보를 설정한다(S222). 이어서, 설정된 열화 파라미터를 사용하여, 개방 전압 곡선(추정값)을 생성한다(S224). 이 생성의 원리는, 도 12 내지 도 15를 참조하여 설명한 바와 같다. 도 16은 개방 전압 곡선(실측값) 및 개방 전압 곡선(추정값)의 일례를 도시하는 도면이다.
개방 전압 곡선(실측값) 및 개방 전압 곡선(추정값)이 얻어지면, 제어 장치(14)는, 양자의 전압 오차 ΔV 및 용량 오차 ΔQ를 산출한다(S226). 전압 오차 ΔV는, 예를 들어 도 17에 나타내는 바와 같이, 특정한 전지 용량 α에 있어서의 전압 오차 ΔV여도 되고, 2개의 개방 전압 곡선의 사이에 있어서의 전압 오차의 제곱 평균값 등으로 해도 된다.
또한, 용량 오차 ΔQ는, 실측한 용량 Q1과 추측의 용량 Q2의 차분의 절댓값, 즉 ΔQ=|Q1-Q2|로 할 수 있다. 실측한 용량 Q1로서는, 파라미터 취득 루틴에서 취득된 전류 적산값 ΔAh12를 사용할 수 있다. 또한, 추측의 용량 Q2로서는, 개방 전압 곡선(추정값)에 있어서, 제1 개방 전압값 Vo1로부터 제2 개방 전압값 Vo2까지 변화할 때의 용량 변화량을 사용할 수 있다.
전압 오차 ΔV 및 용량 오차 ΔQ가 얻어지면, 제어 장치(14)는, 계속해서, 이들 전압 오차 ΔV 및 용량 오차 ΔQ에 대한 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)를 산출한다(S228). 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)로서는, 예를 들어 전압 오차 ΔV 및 용량 오차 ΔQ를 가중치 부여 가산한 값을 사용할 수 있다.
또한, 제어 장치(14)는, 금회 산출된 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)가, 메모리(28)에 기억되어 있는 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)보다 작은지 여부를 판별한다. 여기서, 금회의 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)가, 메모리(28)에 기억되어 있는 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)보다 작으면, 금회의 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)를, 금회의 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)와 함께 메모리(28)에 기억한다. 또한, 금회의 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)가, 메모리(28)에 기억되어 있는 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)보다 크면, 메모리(28)에 기억되어 있는 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)는, 그대로 기억한다.
스텝 S230에 있어서, 제어 장치(14)는, 열화 파라미터를 모든 탐색 범위에서 변화시켰는지 여부를 판별한다(S230). 모든 탐색 범위에서 변화시키지 않았으면, 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)의 후보값을 변경하고(S229), 스텝 S224로 되돌아간다.
한편, 모든 탐색 범위에서 열화 파라미터를 변화시켰으면, 탐색을 종료한다. 이때, 메모리(28)에는, 탐색 범위 중, 평가 함수 f(ΔV, ΔQ)가 최소가 되는 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)가 기억되어 있다. 이 메모리(28)에 기억되어 있는 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)는, 현재의 전지(12)의 열화 상태를 나타내는 파라미터라고 할 수 있다. 제어 장치(14)는, 이 특정된 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)에 기초하여, SOC-OCV 곡선 및 만충전 용량 FCC를 추정하고, 추정된 값을 메모리(28)에 기억한다(S232).
또한, 도 10, 도 11에 도시한 열화 추정 루틴은, 일례이며, 복수점의 개방 전압값 Vo1, Vo2와 복수점간의 전류 적산값 ΔAh12를 이용하여, 전지(12)의 열화 상태를 추정하는 것이면, 다른 루틴을 사용해도 된다.
이상과 같이, 본 명세서에서 개시하는 전지 시스템(10)에서는, 논히스테리시스 영역에서 취득한 파라미터(Vo1, Vo2, ΔAh12)를 사용해서 경년 열화를 추정하고 있다. 이에 의해, 히스테리시스의 영향을 받지 않고, 전지(12)의 열화를 정확하게 추정할 수 있다. 그런데, 전지(12)의 열화를 보다 정확하게 추정하기 위해서는, 파라미터의 취득 간격, 즉 제1 개방 전압값 Vo1과 제2 개방 전압값 Vo2의 간격은, 클수록 바람직하다. 따라서, 가능하면, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2는, 논히스테리시스 영역의 상단 근방 및 하단 근방에 있어서 취득되는 것이 바람직하다.
그러나, 논히스테리시스 영역의 범위는, 전지(12)의 경년 열화에 수반하여 팽창 수축한다. 이에 대해서 도 18을 참조하여 설명한다. 도 18에 있어서, 부극 개방 전위 U2_ini, U2_aft 중, 굵은 선은, 전지 충전 계속 후의, 세선은, 방전 계속 후의 부극 개방 전위를 나타내고 있다. 또한, 충전 계속 후의 부극 개방 전위(굵은 선)와 방전 계속 후의 부극 개방 전위(세선)의 차가 일정 이상이 되는 국소 충전율 θ2B를, 「히스테리시스 발생 포인트 θ2B」라고 칭한다.
앞서 서술한 바와 같이, 전지(12)의 개방 전압값 Vo는, 정극 개방 전위와 부극 개방 전위의 차분값이다. 일반적으로, 이 전지(12)의 개방 전압값 Vo가, 규정된 상한값 VH가 될 때를, 충전율 Cb=100%, 개방 전압값 Vo가, 규정된 하한값 VL이 될 때를 충전율 Cb=0%로 하고 있다. 또한, Vo=VL로부터 Vo=VH로 변화할 때까지의 정극 용량 또는 부극 용량이, 만충전 용량 FCC가 된다.
도 18에 도시하는 바와 같이, 전지(12)의 경년 열화에 수반하여, 초기 상태의 부극 개방 전위 U2_ini로부터, 열화 후의 부극 개방 전위 U2_aft로 변화했다고 하자. 이 경우, θ2L로부터 θ2H(Cb=0% 내지 Cb=100%)까지의 범위, 만충전 용량 FCC에 있어서의 히스테리시스 발생 포인트 θ2B의 위치가, 초기 상태와 열화 상태로 상이한 것을 알 수 있다. 이것은, 열화됨으로써, 논히스테리시스 영역이 변화하는 것을 나타내고 있다.
이와 같이, 실제의 논히스테리시스 영역은, 전지(12)의 경년 열화에 따라서 팽창 수축한다. 여기서, 파라미터 취득 루틴에서는, 메모리(28)에 기억되어 있는 논히스테리시스 영역 내에 있어서, 각종 파라미터 Vo1, Vo2, ΔAh12를 취득한다. 이 메모리(28)에 기억되어 있는 논히스테리시스 영역과, 실제 논히스테리시스 영역이 괴리되면, 실제로는, 히스테리시스 영역에서 파라미터를 취득해 버릴 우려가 있다. 물론, 열화에 수반하는 현실의 논히스테리시스 영역의 변화를 예상하여, 메모리(28)에 기억되어 있는 논히스테리시스 영역을, 초기로부터 설정해 두면, 이러한 문제는, 피할 수 있다. 그러나, 이 경우, 파라미터의 취득 범위가 좁혀져 버리는 경우가 존재하여, 파라미터 취득의 기회가 감소하거나 한다.
그래서, 전지(12)의 열화 추정 처리 시마다, 논히스테리시스 영역의 범위를 추정하고, 갱신하게 해도 된다. 구체적으로는, 도 11에 도시하는 열화 추정 루틴에서 취득한 열화 파라미터(k1, k2, ΔQs)를 사용하여, 열화 후의 부극 개방 전위 U2_aft를 구한다. 이에 의해, 히스테리시스발생 포인트 θ2B 혹은 θ1B의 위치, 나아가서는, 논히스테리시스 영역과 히스테리시스 영역의 경계가 되는 경계 충전율 Cb_b의 값도 특정할 수 있다. 구체적으로는, 경계 충전율 Cb_b는, θ1, θ2를 사용해서 다음 식 (11), 식 (12)로 나타낼 수 있다.
Cb_b=(θ2B-θ2L)/ (θ2H-θ2L) (11)
Cb_b=(θ1H-θ1B)/(θ1H-θ1L) (12)
제어 장치(14)는, 특정된 경계 충전율 Cb_b로 규정되는 논히스테리시스 영역을, 새로운 논히스테리시스 영역으로서, 메모리(28)에 기억하고, 갱신한다. 이와 같이, 경년 열화의 추정시 마다, 현재의 논히스테리시스 영역을 추정하고, 갱신함으로써, 제1, 제2 개방 전압값 Vo1, Vo2 및 전류 적산값 ΔAh12를 적절한 타이밍(충전율)으로 취득할 수 있다. 결과적으로, 전지(12)의 경년 열화의 추정 정밀도를 보다 향상할 수 있고, 또한 추정의 기회를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
또한, 식 (11), 식 (12)에서는, 국소 충전율 θ1, θ2로부터 경계 충전율 Cb_b를 추정하고 있지만, 열화 후의 정· 부극 개방 전위로부터 SOC-OCV 곡선을 구하고, 이 SOC-OCV 곡선으로부터, 경계 충전율 Cb_b를 구해도 된다.
도 19는 논히스테리시스 영역의 추정 루틴의 일례를 나타내는 흐름도이다. 이 도 19의 논히스테리시스 영역의 추정 루틴은, 도 11에 도시한 열화 추정 루틴 후에 실행되는 것을 전제로 한다. 따라서, 전지(12)의 경년 열화 후(현재)의 SOC-OCV 곡선, 즉 열화 후의 OCV_dis와 OCV_ch가 얻어지고 있는 것이 전제가 된다.
충전율 Cb=n일 때 OCV_dis가 나타내는 전압을 Vdis[n], OCV_ch가 나타내는 전압을 Vch[n], 규정된 역치를 ΔVdef로 한 경우, 제어 장치(14)는, 충전율 Cb=n의 값을 순차 바꾸면서, (|Vdis[n]-Vch[n]|<ΔVdef)를 만족시키는 n의 값을 탐색한다(S312, S314). 이 탐색의 개시값은, 전회의 논히스테리시스 영역의 추정 시에 얻어진 경계 충전율 Cb_b로부터, 소정의 마진 α를 감산한 값으로 하면 된다(S310). 또한, 경계 충전율 Cb_b가 열화 후에, 증가할지 감소할지는, 전지의 특성에 의한다. 따라서, 소정의 마진 α를, 양의 값으로 할지, 음의 값으로 할지는, 전지의 특성에 따라 변경해도 된다. 또한, 탐색의 개시값은, 이것에 한정되지 않고, 다른 값, 예를 들어 소정의 고정값 등이어도 된다. 탐색의 결과, (|Vdis[n]-Vch[n]|<ΔVdef)를 만족시키는 값 n을 찾으면, 당해 값 n을 새로운 경계 충전율 Cb_b로서 메모리(28)에 기억하면 된다(S316).
이상의 설명에서 명백해진 바와 같이 본 명세서에서 개시하는 전지 시스템(10)에 의하면, 전지(12)의 경년 열화 추정에 필요한 파라미터를, 논히스테리시스 영역에서 취득하고 있다. 그 결과, 히스테리시스의 영향을 받지 않고, 전지(12)의 경년 열화를 정확하고 또한 간이하게 추정할 수 있다. 또한, 경년 열화 추정에 필요한 파라미터를, 논히스테리시스 영역에서 취득하는 것이면, 그 외 구성은, 적절히, 변경되어도 된다.
예를 들어, 지금까지의 설명에서는, 경년 열화 추정에 사용하는 파라미터로서, 2점의 개방 전압값 Vo1, Vo2와 당해 2점간의 전류 적산값 ΔAh12만을 취득하고 있다. 그러나, 논히스테리시스 영역 내의 파라미터다면, 보다 다수점의 개방 전압값 Vo와 당해 다수 점간의 전류 적산값 ΔAh를 취득하도록 해도 된다.
또한, 본 명세서에서는, 부극 활물질이, 실리콘계 재료와 그래파이트를 포함하는 전지(12)를 예시했지만, 본 명세서에서 개시된 기술은, 부분적으로 유의한 히스테리시스를 갖는 이차 전지이면, 다른 종류의 이차 전지에 적용되어도 된다. 예를 들어, 본 명세서에서 개시의 기술은, 부극 활물질이 실리콘계 재료와 티타늄산 리튬을 포함하는 리튬 이온 이차 전지에 적용되어도 된다. 실리콘계 재료와 티타늄산 리튬을 포함하는 리튬 이온 이차 전지의 경우, 고SOC 영역에서 히스테리시스가 발생하는 것이 알려져 있다. 따라서, 이러한 리튬 이온 이차 전지를 사용하는 경우에는, 저SOC 영역을, 논히스테리시스 영역과 설정하고, 이 저SOC 영역(논히스테리시스 영역)에서 취득한 파라미터 Vo, ΔAh를 사용하여, 전지의 경년 열화를 추정하면 된다. 또한, 본 명세서에서 개시의 기술은, 리튬 이온 이차 전지에 한하지 않고, 니켈 수소 이차 전지 등, 다른 종류의 이차 전지에 적용되어도 된다.
또한, SOC-OCV의 히스테리시스는, 체적 변화(팽창·수축)가 큰 재료를 활물질에 포함한 전지에서 발생하기 쉽다. 예를 들어, 부극 재료로서, 리튬을 합금화하는 실리콘계(Si, SiO 등)나, 주석계(Sn, SnO), 그리고, 게르마늄계나 납계의 화합물을 들 수 있다. 여기서, 일반적으로, 리튬 이온 전지의 부극재로서 사용되는 그래파이트의 체적 변화는, 10% 정도이다. SOC-OCV의 히스테리시스를 초래하는 「체적 변화가 큰 재료」란, 예를 들어 그래파이트보다 체적 변화가 큰(체적 변화가 10%보다 큰) 재료라고 생각할 수 있다.
혹은, 하기의 식 (13)으로 대표되는 컨버전 재료(예를 들어, CoO, FeO, NiO, Fe2O3 등)가 부극 재료에 사용되어도 된다. 또한, 식 (13)에 있어서, M은 전이 금속을, X는 O, F, N, S 등을 나타내고 있다.
nLi++ne-+Mn+Xm←→M+nLiXm/n (13)
또한, 정극에 FeF3과 같은 컨버전 재료가 사용되어도 된다. 본 명세서에서는, 부극 재료 유래로 SOC-OCV의 히스테리시스가 발생하는 경우를 예시하고 있지만, 정극 재료 유래에서 히스테리시스가 발생하는 경우에도, 본 명세서에서 개시의 기술은, 적용 가능하다.

Claims (10)

  1. 차량(100)에 탑재되는 전지 시스템(10)에 있어서,
    상기 차량(100)에 탑재되어 충방전하도록 구성된 전지(12),
    상기 전지(12)의 전압을 검출 전압값(Vb)으로서 검출하도록 구성된 전압 검출기(22),
    상기 전지(12)에 흐르는 전류를 검출 전류값(Ib)으로서 검출하도록 구성된 전류 검출기(20), 및
    상기 전지(12)의 충방전을 제어하도록 구성된 전자 제어 유닛(14)을 포함하고,
    상기 전지(12)의 충전율 범위는, 히스테리시스 영역과 논히스테리시스 영역을 포함하고, 상기 히스테리시스 영역은, 유의한 히스테리시스가 발생하는 충전율 범위이고, 상기 유의한 히스테리시스는 충전 계속 후와 방전 계속 후에서 상기 전지(12)의 충전율에 대한 개방 전압이 일정 이상 다른 히스테리시스이고, 상기 논히스테리시스 영역은 상기 유의한 히스테리시스가 발생하지 않는 충전율 범위이고;
    상기 전자 제어 유닛(14)은 상기 검출 전압값(Vb)으로부터 산출된 개방 전압값(Vo; Vo1, Vo2)과, 상기 검출 전류값(Ib)으로부터 산출된 전류 적산값(ΔAh; ΔAh12)에 기초하여, 상기 전지(12)의 경년 열화를 추정하도록 구성되어 있고,
    상기 전자 제어 유닛(14)은 상기 전지(12)의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있을 때 산출된 상기 개방 전압값(Vo; Vo1, Vo2) 및 상기 전류 적산값(ΔAh; ΔAh12)에 기초하여, 상기 전지(12)의 경년 열화를 추정하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개방 전압값은 상기 논히스테리시스 영역 내에 있어서 취득된 제1 개방 전압값(Vo1)과 제2 개방 전압값(Vo2)을 포함하고,
    상기 전류 적산값(ΔAh12)은 상기 제1 개방 전압값(Vo1)으로부터 상기 제2 개방 전압값(Vo2)으로 변화할 때까지 검출된 전류값(Ib)의 적산으로부터 얻어진 값이고,
    상기 전자 제어 유닛(14)은 제1 개방 전압값(Vo1)과 제2 개방 전압값(Vo2)과, 상기 전류 적산값(ΔAh12)에 기초하여, 현재의 전지의 만충전 용량 및 상기 충전율에 대한 개방 전압값의 변화 특성 중 적어도 한쪽을, 상기 경년 열화를 나타내는 특성으로서 추정하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  3. 제2항에 있어서,
    차량(100)의 정지 중에 상기 전지(12)를 충전하도록 구성된 충전기(16)를 더 포함하고,
    상기 전자 제어 유닛(14)은, 상기 충전기(16)에 의한 상기 전지(12)의 충전 도중에, 상기 전지(12)의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있는 제1 충전율(Cb1) 또는 제2 충전율(Cb2)에 도달했을 때, 상기 충전기에 의한 충전을 일시적으로 정지하고, 충전의 정지 기간 중에 얻어지는 상기 검출 전압값을 상기 제1 개방 전압값(Vo1) 또는 제2 개방 전압값(Vo2)으로서 취득하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(14)은, 차량의 파워 온 중에, 상기 논히스테리시스 영역 내 또한 개방 전압값이 취득 가능한 타이밍에 취득된 2개의 개방 전압값을, 상기 제1 개방 전압값(Vo1) 및 상기 제2 개방 전압값(Vo2)으로서 취득하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(14)은, 전회의 경년 열화를 추정하는 것으로부터의 경과 시간이, 규정된 기준 시간 이상이 된 경우에는, 상기 전지(12)의 충전율을 상기 논히스테리시스 영역 내로 이행하도록 상기 전지(12)의 충방전을 제어하고, 상기 제1 개방 전압값(Vo1), 상기 제2 개방 전압값(Vo2), 상기 전류 적산값(ΔAh12)을 취득하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛(14)은,
    적어도, 상기 충전율에 대한 개방 전압값(Vo)의 변화 특성을, 상기 경년 열화를 나타내는 특성으로서 추정하고;
    상기 추정된 상기 충전율에 대한 개방 전압값(Vo)의 변화 특성에 기초하여, 상기 논히스테리시스 영역이 되는 충전율 범위를 추정하고;
    상기 추정된 충전율 범위에 기초하여 상기 논히스테리시스 영역을 갱신하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(14)은, 상기 논히스테리시스 영역의 갱신에 맞추어, 상기 경년 열화의 추정에 사용하는 상기 개방 전압값(Vo) 및 상기 전류 적산값(ΔAh)을 취득할 때의 상기 충전율, 또는 상기 충전율 범위의 한쪽을 갱신하도록 구성되어 있는, 전지 시스템(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지(12)는, 부극 활물질이, 적어도 실리콘계 재료와 그래파이트를 포함하는 리튬 이온 이차 전지이고,
    상기 논히스테리시스 영역의 충전율 범위는, 상기 히스테리시스 영역의 충전율 범위보다 높은, 전지 시스템(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지(12)는, 부극 활물질이, 적어도, 실리콘계 재료와 티타늄산 리튬을 포함하는 리튬 이온 이차 전지이고,
    상기 논히스테리시스 영역의 충전율 범위는, 상기 히스테리시스 영역의 충전율 범위보다 낮은, 전지 시스템(10).
  10. 전지 시스템(10)의 경년 열화 추정 방법에 있어서,
    상기 전지(12)의 충전율 범위는, 히스테리시스 영역과 논히스테리시스 영역을 포함하고, 상기 히스테리시스 영역은, 유의한 히스테리시스가 발생하는 충전율 범위이고, 상기 유의한 히스테리시스는 충전 계속 후와 방전 계속 후에서 상기 전지(12)의 충전율에 대한 개방 전압이 일정 이상 다른 히스테리시스이고, 상기 논히스테리시스 영역은, 상기 유의한 히스테리시스가 발생하지 않는 충전율 범위이고, 상기 전지 시스템은 전자 제어 유닛(14)을 포함하고,
    상기 경년 열화 추정 방법은,
    상기 전자 제어 유닛(14)에 의해 이차 전지의 충전율이, 상기 논히스테리시스 영역 내에 있을 때, 2점의 개방 전압값(Vo1, Vo2)과 상기 2점간의 전류 적산값 (ΔAh12)을 산출하는 파라미터 취득하는 것; 및
    상기 전자 제어 유닛(14)에 의해 상기 취득된 상기 개방 전압값(Vo1, Vo2)과 상기 전류 적산값(ΔAh12)에 기초하여, 상기 전지(12)의 경년 열화를 추정하는 열화 추정하는 것을 포함하는, 경년 열화 추정 방법.
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