WO2008016129A1

WO2008016129A1 - Dispositif de commande de charge/décharge de batterie secondaire et véhicule hybride l'utilisant

Info

Publication number: WO2008016129A1
Application number: PCT/JP2007/065220
Authority: WO
Inventors: Yuji Nishi; Tomokazu Yamauchi
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2008-02-07
Also published as: EP2048763A1; JP2008042960A; EP2048763A4; CN101496255B; CN101496255A; US20100000809A1; US8336651B2; JP4265629B2

Description

明細書二次電池の充放電制御装置およびそれを搭載したハイプリッド車両技術分野

この発明は、二次電池の充放電制御装置およびそれを搭載したハイプリッド車両に関し、より特定的には、電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルを用いた二次電池の充放電制御に関する。背景技術

充放電可能な二次電池によって負荷機器へ電源を供給し、かつ必要に応じて当該負荷機器の運転中にも当該二次電池を充電可能な構成とした電源システムが用いられている。代表的には、二次電池によって駆動される電動機を駆動力源として備えたハイプリッド自動車や電気自動車等がこのような電源システムを搭載している。たとえば、電気自動車は、この二次電池に蓄えられた動力を用いて電動機を駆動して車両を駆動する。また、ハイブリッド自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、電動機によりェンジンをアシストとして車両を駆動したりする。燃料電池車は、燃料電池による電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、この燃料電池による電力に加えて二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したりする。特に、車両に搭載された内燃機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを二次電池に充電することができる形式のハイプリッド自動車においては、二次電池が回生電力を受けられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるようにするために、その充電量（S O C ： State Of Charge) は満充電の状態（1 0 0 %) と、全く充電されていない状態（0 %) のおおよそ中間付近（ 5 0〜 6 0 %) に制御する必要がある。

また、二次電池は過充電あるいは過放電を行なうと電池性能を劣化させ寿命を短くすることになるため、二次電池の充電量を把握して充放電を制御する必要がある。一般的には、二次電池の充電電力および放電電力の上限値を示す入出力可能電力（Wi n, Wo u t) を電池状態に応じて適切に設定することにより、過剰な充放電を制限するような充放電制御が行なわれる。

また、二次電池の充放電制限の一形態として、特開 2005— 13709 1号公報（以下、特許文献 1) には、車両に搭載された二次電池の寿命を延ばすように、回生制動時における電池状態に応じて回生制動による充電電力量を制限する制御構成が開示されている。具体的には、車両の回生制動時には、回生制動時の充電による二次電池の劣化の度合を予測するとともに、予測された劣化の度合に基づいて回生制動時の充電電力量が制限される。

また、「 W. B. Gu and C. Y. Wang, "THERMAL-ELECTROCHEMICAL COUPLED MODELING OF A LITHIUM-ION CELL", ECS Proceedings Vol.99-25 (1), pp 743 - 762 (以下、非特許文献 1) 」には、二次電池の内部状態に基づいて残存容量 (SOC) を精度良く推定して充放電制御を行なう手法として、たどえばリチウムイオン電池において電池内部の電気化学反応を推定可能な電池モデルにより、電池状態を推定するためのモデリングが提案されている。発明の開示

しかしながら、上記特許文献 1に開示された二次電池の制御装置および制御方法では、回生制動時等の特定条件時に限定して、劣化の進行度合いを予測してこの予測値に基づく充放電制限を行なうので、過充電および過放電の確実な防止の面からは改善の余地がある。

また、上述した一般的な構成のように、充放電電力の上限^ ί直としての入出力可能電力（Wi n, Wo u t) のみを設定する充放電制限では、長期的な観点で電池性能を最大限発揮するような充放電制御を行なうことが困難である。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、過充電および過放電の発生を防止した上で電池性能を最大限に発揮可能なように充放電制御を実行することが可能な二次電池の充放電制御装置およびそれを搭載したハイプリッド車両を提供することである。

この発明による二次電池の充放電制御装置は、負荷との間で電力を授受可能に構成された二次電池の充放電制御装置であって、電池状態推定部と、入出力可能時間予測部と、負荷制御部とを含む。電池状態推定部は、二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づき、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するように構成される。入出力可能時間予測部は、電池状態推定部により推定された現在での状態推定値に基づき、二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力可能な時間を予測するように構成される。負荷制御部は、負荷への動作要求に基づき、入出力可能時間予測部により予測された時間を考慮して、二次電池の過充電および過放電を回避するように負荷の動作指令を生成するように構成される。

上記二次電池の充放電制御装置によれば、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルによって算出された現在の状態推定値を用いて、現時点から所定電力での充放電を継続的に実行可能な入出力可能時間を予測することができる。この結果、現時点での二次電池の内部状態に基づいて、入出力電力に対する入出力可能時間の特性を求めることができる。したがって、この特性に基づいて、過充電および過放電を回避しかつ電池性能を最大限に発揮させるように充放電制限を段階的に設定した充放電制御を行なうことができる。

好ましくは、入出力可能時間予測部は、複数個の所定電力について、現時点から継続的に入出力可能な時間をそれぞれ予測するように構成される。

このような構成とすることにより、現時点での二次電池の内部状態を反映した、入出力電力一入出力可能時間の特个生を詳細に求めて、充放電制限に活用することができる。

また好ましくは、入出力可能時間予測部は、所定周期で起動されて、各起動時において、二次電池が所定電力をその時点から継続的に入出力可能な時間を予測するように構成される。

このような構成とすることにより、所定周期で入出力電力一入出力可能時間特性を逐次更新することによって、各時点での二次電池の内部状態を適切に反映して、充放電制御を行なうことができる。

あるいは好ましくは、入出力可能時間予測部は、二次電池が所定電力を現時点力ら継続的に入出力した場合における該二次電池の出力電圧の推移を予測する電圧推移予測部と、電圧推移予測部による予測に基づき、現時点から出力電圧が二次電池の上限電圧または下限電圧に達するまでの時間を予測する時間予測部とを含むように構成される。

このような構成とすることにより、継続的な所定電力の充放電によって二次電池の出力電圧が上限電圧または下限電圧に達するまでの時間を入出力可能時間として予測できるので、二次電池が上限電圧または下限電圧を超えることがないように充放電制御を実行することができる。

あるいは、この発明による二次電池の充放電制御装置は、負荷との間で電力を授受可能に構成された二次電池の充放電制御装置であって、電池状態推定部と、劣化率予測部と、負荷制御部とを含む。電池状態推定部は、二次電池に設けちれたセンサによる検出値に基づき、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するように構成される。劣化率予測部は、電池状態推定部により推定された現時点での状態推定値に基づき、二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の劣化率を予測するように構成される。負荷制御部は、負荷への動作要求に基づき、劣化率予測部により予測された劣化率を考慮して負荷の動作指令を生成するように構成される。

上記二次電池の充放電制御装置によれば、電池モデルに基づき二次電池の内部状態を逐次推定するとともに、電池モデルによる状態推定値を用いて、所定電力を継続的に充放電した場合における予測劣化率を求めることができる。したがつて、各時点での二次電池の内部伏態を適切に反映して、二次電池の過放電あるいは過充電により劣化が急速に進行しないように考慮して、二次電池の充放電制限を行なうことが可能となる。

好ましくは、劣化率予測部は、複数個の所定電力について、劣化率をそれぞれ予測するように構成される。

このような構成とすることにより、複数ケースの所定電力について予測劣化率を求めることによって、現時点の二次電池の内部状態を反映した、現時点での入出力電力一予測劣化率の特性を詳細に求めて、充放電制限に活用することができる。

また好ましくは、二次電池の充放電制御装置は、センサによる検出値に基づき、二次電池の劣化度または余寿命を推定する劣化度推定部をさらに含む。そして、負荷制御部は、劣化度推定部により推定された劣化度または余寿命を考慮して、現時点において許容される劣化率範囲を求めるとともに、劣化率予測部により予測された劣化率が劣化率範囲内となるような二次電池の充放電電力範囲内に制限して、負荷の動作指令を生成すように構成される。

. このような構成とすることにより、現時点での二次電池の劣化度または余寿命に基づいて許容される劣化率の範囲を変更することができる。したがって、現時点での二次電池の劣化度を反映して、劣化を急速に進行させて電池寿命が短くならないように考慮した二次電池の充放電制限を行なうことが可能となる。

好ましくは、上記二次電池の充放電制御装置では、二次電池は、リチウムィォン電池で構成され、状態推定 fl£は、該二次電池内部でのリチウムイオン濃度分布を含む。

上記二次電池の充放電制御装置によれば、電池内部でのリチウムイオン濃度の分布状態によってその出力特性が異なってくるリチウムイオン電池が制御対象であるので、本発明のように、電池の内部反応を電池モデルによって推定した上で充放電制御を行なうことにより、過充電および過放電を回避しかつ電池性能を最大限に発揮させるという効果を有効に享受できる。

この発明によれば、ハイブリッド自動車は、車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、制御装置と、二次電池と、二次電池の充放電制御装置とを含む。制御装置は、車両全体での要求駆動力が確保されるように、内燃機関および電動機がそれぞれ出力する駆動力を決定するように構成される。そして、充放電制御装置は、二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づいて、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するとともに、推定された現在での状態推定値に基づいて、二次電池が所定電力を現時点から糸 ϋ続的に入出力可能な時間を予測する。さらに、制御装置は、充放電制御装置により予測された入出力可能な時間を考慮して、二次電池の過充電および過放電を回避するような二次電池の充放電電力範囲内に制限して電動機の入出力許容電力を設定するとともに、電動機の入出力電力が入出力許容電力の範囲内.となるように制限して電動機のトルク指令値を決定する。好ましくは、ハイブリッド車両において、充放電制御装置は、複数個の所定電力について、現時点から継続的に入出力可能な時間をそれぞれ予測するように構成される。そして、制御装置は、複数個の所定電力について予測された入出力可能な時間に基づいて電動機の入出力許容電力を設定するように構成される。

また好ましくは、ハイプリッド車両において、充放電制御装置は、所定周期毎に、二次電池が所定電力をその時点から継続的に入出力可能な時間を予測するように構成される。

あるいは好ましくは、ハイブリッド車両において、充放電制御装置は、推定された現在での状態推定値に基づいて、二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合に、現時点から出力電圧が二次電池の上限電圧または下限電圧に達するまでの時間を予測し、この予測に基づいて、二次電池が所定電力を現時点力ら継続的に入出力可能な時間を予測するように構成される。

この発明の他の局面によれば、ハイブリッド自動車は、車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、制御装置と、二次電池と、二次電池の充放電制御装置とを含む。制御装置は、車両全体での要求駆動力が確保されるように、内燃機関および電動機がそれぞれ出力する駆動力を決定するように構成される。そして、充放電制御装置は、二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づき、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するとともに、推定された現時点での状態推定値に基づいて、二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の劣化率を予測ように構成される。さらに、制御装置は、充放電制御装置により予測された劣化率に基づいて、二次電池の劣化が著しく進行しないような二次電池の充放電電力範囲内に制限して電動機の入出力許容電力を設定するとともに、電動機の入出力電力が入出力許容電力の範囲内となるように制限して電動機のトルク指令値を決定するように構成される。

好ましくは、ハイブリッド車両において、充放電制御装置は、複数個の所定電力について、劣ィ匕率をそれぞれ予測するように構成される。そして、制御装置ば、複数個の所定電力について予測された劣化率に基づいて電動機の入出力許容電力を設定するように構成される。

また好ましくは、充放電制御装置は、センサによる検出値に基づき、二次電池の劣化度または余寿命をさらに推定するように構成される。さらに、制御装置は、充放電制御装置により推定された劣化度または余寿命を考慮して、現時点において許容される劣化率範囲を求めるとともに、予測された劣化率が劣化率範囲内となるように制限して二次電池の充放電電力範囲を決定するように構成される。好ましくは、ハイブリッド車両において、二次電池は、リチウムイオン電池で構成され、状態推定値は、該二次電池内部でのリチウムイオン濃度分布を含む。上述めようなハイブリッド車両では、二次電池の過充電または過放電、あるいは急速な劣化の進行が発生しないように考慮して電動機を負荷とする二次電池の充放電制限を行なった上で、車両全体での要求駆動力を確保することが可能となる。図面の簡単な説明

· 図 1は、本発明の実施の形態に従う二次電池の充放電制御装置によって制御される二次電池を含む電源システムの構成を説明する概略プロック図である。

図 2は、二次電池の概略構成図である。

図 3は、電池モデル部における二次電池のモデリングを説明する概念図である。図 4は、電池モデル式で用いられる変数および定数の一覧を示す図である。図 5は、実施の形態 1による二次電池の充放電制御装置における、電池モデル部および挙動予測部の動作タイミングを説明する概念図である。

図 6は、.実施の形態 1による挙動予測部が作動時に実行する挙動予測ルーチンを説明するフローチャートである。

図 7は、バッテリ出力電圧の挙動予測と入出力可能時間との関係を説明する概念図である。

図 8は、実施の形態 1による二次電池の充放電制御装置で用いられる予測情報の構造例を示す概念図である。

図 9は、実施の形態 2による二次電池の充放電制御装置の機能構成を説明する概略ブロック図である。図 1 0は、実施の形態 2による二次電池の充放電制御装置で用いられる予測情報の構造例および充放電制限を示す概念図である。

図 1 1は、実施の形態 2による二次電池の充放電制御を説明するフローチヤ一トである。

図 1 2は、実施の形態 2の変形例による二次電池の充放電制御装置の機能構成を説明する概略ブロック図である。

図 1 3は、劣度推定のための診断モードでの二次電池動作を説明する波形図である。

図 1 4は、図 1 2に示した劣化度推定部の動作を説明する概念図である。

図 1 5は、劣化管理パラメータのオンライン同定の一例を示す概念図である。図 1 6は、実施の形態 2の変形例による二次電池の充放電制御装置で用いられる予測情報の構造例および充放電制限を示す概念図である。

図 1 7は、実施の形態 2の変形例による二次電池の充放電制御を説明するフ口一チヤ一トである。

図 1 8は、本発明の実施の形態 3によるハイプリッド車両の構成例を説明するブロック図である。

図 1 9は、本実施の形態による二次電池の充放電制御を反映したハイプリッド車両におけるモータジェネレータ MG 2の動作指令値設定を説明するフローチヤートである。発明を実施するための最良の形態

以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。

(実施の形態 1 )

図 1は、本発明の実施の形態に従う二次電池の充放電制御装置によって制御される二次電池を含む電源システムの構成を説明する概略プロック図である。

図 1を参照して、電源システム 5は、二次電池 1 0と、負荷 2 0と、二次電池の冷却ファン 4 0と、電子制御ュニット（E C U ： Electronic Control Unit) により構成される、バッテリ ECU50および制御装置 70とを備える。各 EC Uは、代表的には予めプログラムされた所定シーケンスおよび所定演算を実行するためのマイクロコンピュータおよびメモリ（RAM： Random Access Memory, ROM： Read Only Memory等）で構成される。バッテリ ECU50および制御装置 70により、以下に説明するような充放電制限を実行する「充放電制御装置」が実現される。

充放電可能な二次電池 10としては、代表的にはリチウムイオン電池が用いられる。リチウムイオン電池は、電池内部でのリチウムイオン濃度の分布状態によつてその出力特性が異なってくることから、本発明の適用に適している。

二次電池 10には、バッテリ温度 Tbを測定する温度センサ 30と、二次電池

10の入出力電流 I b (以下、バッテリ電流 I bとも称する）を測定する電流センサ 32、ならびに、正極および負極間の端子間電圧 Vb (以下、バッテリ出力電圧 Vbとも称する）を測定する電圧センサ 34が設けられている。

冷却ファン 40は、冷媒通路 4 1を介して二次電池 10と接続され、「冷媒」である冷却風 45を冷媒通路 41へ供給する。図示しないが、二次電池 10には、冷媒通路 41を介して供給された冷却風⁴5によって二次電池 10の各セルを冷却可能なように、冷媒路が適宜設けられている。冷却ファン 40の作動停止および作動時の供給冷媒量は、バッテリ E C U 50によつて制御される。

負荷 20は、二次電池 10からの出力電力によって駆動される。また、図示しない発電 .給電要素が、負荷 2ひに含まれるように設けられ、あるいは、負荷 2 0とは別個に設けられるものとし、二次電池 10は、当該発電 ·給電要素からの充電電流によって充電可能であるものとする。したがって、二次電池 10の放電時にはバッテリ電流 I b>0であり、二次電池 10の充電時にはバッテリ電流 I b<0である。

バッテリ ECU 50は、電池モデル部 60および挙動予測部 65を含んで構成される。ここで、電池モデル部 6 0および挙動予測部 65の各々は、たとえば、バッテリ ECU 50による所定プログラムの実行により実現される機能プロックに相当する。電池モデル部 60は、二次電池 10に設けられたセンサ群 30， 3 2， 34からの検出値に基づき、二次電池 10の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って、電池状態を示す状態推定値を所定周期毎に逐次算出する。挙動予測部 6 5は、電池モデ /レ部 6 0によって算出される状態推定値を用いた所定の予測演算によって、二次電池 1 0を所定電力で継続的に充放電した場合における予測情報を生成して、制御装置 7 0へ出力する。実施の形態 1では、この予測情報は、ある所定電力を現時点から継続的に入力（充電）または出力（放電）した際の、予測される入出力可能時間を示す。

制御装置 7 0は、負荷 2 0への動作要求に基づき、かつ、バッテリ E C U 5 0 からの予測情報を考慮して二次電池 1 0の過充電あるいは過放電が発生しないように充放電制限した上で、負荷 2 0の動作指令を生成する。

次に、二次電池の構成およびそのモデルについて詳細に説明する。図 1に示した二次電池 1 0は、複数の電池セル 1 0 #が接続された組電池として構成される。図 2を参照して、二次電池 1 0を構成する各電池セル 1 0 #は、負極 1 2と、セパレータ 1 4と、正極 1 5とを含む。セパレータ 1 4は、負極 1 2および正極 1 5の間に設けられた樹脂に電解液を浸透させることで構成される。

負極 1 2および正極 1 5の各々は、球状の活物質 1 8の集合体で構成ざれる。負極 1 2の活物質 1 8の界面上では、リチウムイオン L ぉょび電子6—を放出する化学反応が行なわれる。一方、正極 1 5の活物質 1 8の界面上では、リチウムイオン L i ⁺および電子 e—を吸収する化学反応が行なれる。

負極 1 2には電子 e—を吸収する電流コレクタ 1 3が設けられ、正極 1 5には電子 e—を放出する電流コレクタ 1 6が設けられる。負極の電流コレクタ 1 3は、代表的には銅で構成され、正極の電流コレクタ 1 6は、代表的にはアルミで構成される。電流コレクタ 1 3には負極端子 1 1 nが設けられ、電流コレクタ 1 6には正極端子 1 1 pが設けられる。セパレータ 1 4を介したリチウムイオン L i + の授受によって、電池セル 1 0 #では充放電が行なわれ、充電電流 l b ( > 0 ) または放電電流 l b « 0 ) が生じる。

図 3は、電池モデル部 6 0における二次電池のモデリングを説明する概念図である。

図 3を参照して、電池モデ^^式では、各電池セル 1 0 #の負極 1 2および正極 1 5のそれぞれにおいて、各活物質 1 8でのリチウムイオン L i ⁺の挙動が共通であるものと仮定して、負極 1 2および正極 1 5のそれぞれについて、代表的に 1個ずつの活物質 1 8 nおよび 1 8 pを想定する。また、演算負荷の軽減のため、各電池セル 1 0 #の挙動が共通であるとしてモデリングしてもよい。このときには、二次電池 1 0全体で、 1個ずつの活物質 1 8 nおよび 1 8 pが想定されることとなる。

放電時には、負極活物質 1 8 n表面での電極反応により、活物質 1 8 n内のリチウム原子 L i力電子 e—の放出によりリチウムイオン L i +となってセパレ一タ 1 4中の電解液に放出される。一方、正極活物質 1 8 p表面の電極反応では、

R .

電解液中のリチウムイオンが L i ⁺が取込まれて電子 e—を吸収する。これにより、正極活物質 1 8 pの内部にリチウムノ原子 L iが取込まれる。負極活物質 1 8 ηからのリチウムイオン L i ⁺の放出および正極活物質 1 8 pでのリチウムイオン L i +の取込によって、正極電流コレクタ 1 6から負極電流コレクタ 1 3に向けて電流が流れる。

反対に、二次電池の充電時には、負極活物質 1 8 n表面での電極反応により電界液中のリチウムイオン L が取込まれ、正極活物質 1 8 p表面での電極反応では、電界液へリチウムイオン L i ⁺が放出される。

電池モデル式では、充放電時における活物質 1 8 p , 1 8 nの表面での電極反応、活物質 1 8 p， 1 8 n内部でのリチウムイオンの拡散（径方向）および電解液中のリチウムイオンの拡散や、各部位での電位分布をモデリングする。

以下に、電池モデル部 6 0で用いられる二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルの一例について説明する。この電池モデルは、電池モデル式（M 1 ) 〜 (M 1 5 ) により構成される。

図 4には、下記の電池モデル式（M l ) 〜（M l 5 ) 内で用いられる変数および定数の一覧表が示される。図 4に示された、電池温度 T (電池内部）、各電位、リチウムイオン濃度等の変数が、本発明における「状態推定値」に対応する。

( ,F ( _α

exp - exp (Ml)

、RT , j

su

ひ =ひ。 + (Γ - Γ₀) (M3)

δΤ

式（Ml) 〜（M3) は、バトラーボルマーの式と呼ばれる、電極反応を示す一一

式であるて。式（Ml) において交換電流密度 i。は、活物質 18の界面におけるリチウムイオン濃度の関数で与えられる（詳細は非特許文献 1参照）。式（M 2) には式（Ml) 中の ηの詳細が示され、式（Μ3) には式（Μ.2) 中のの詳細が示される。

( 4)

j^Li = a_s-li_n 〜(M6) 式（M4) 〜（M6) には、電界液中でのリチウムイオン保存則が示される。式（M5) においては電界液中での実効拡散係数の定義が示され、式（M6) では、反応電流 jいが電極の単位体積あたりの活物質表面積 a _sと式（Ml) に示された輸送電流密度/ との積で与えられることが示されている。なお、反応電流 j "の電極全体での体積積分は、バッテリ電流 I bに対応する。

S{s_sc_s) δ 26c

= VDVc (M7)

St δ r~ r or

式（M7) および（M8) には、固相中でのリチウムイオン保存則が示される _c 式（M7) では球体である活物質 18中での拡散方程式が示され、式（M8) では、電極単位体積あたりの活物質表面積 a _sが示される。

V(K^eff V ^ ) + {K V In c_e ) + i^Li = 0 —(M9)

(M10)

式（M9) 〜（Mi l) には電界液中での電荷保存則より、電界液中での電位を示す式が導かれる。

式（M10) には実効イオン伝導率/ c^eff、式（Ml 1) には電界液中での拡散導電係数 <c _D ^effが示されている。

V(a^erV^)- ^L'=0 〜(M12) a^eff = ε₃σ 〜（Μ13) 式（Ml 2) および（Ml 3) では、活物質での電荷保存則より固相中での電位を求める式が示される。

S(pc_pT)

= T + q ·'·(Μ14)

St

δϋ

q = a_sli_n φ -φ_ε-ϋ + Τ-

、 δΤ ,

+ {K^eJr ν _ενφ_β + χ- V 1η ο_β φ_ε ) 〜(Μ15) 式（Ml 4) および（Ml 5) では熱エネルギ保存則が表現される。これにより、充放電現象による二次電池内部への局所的な温度変化を解析することが可能となる。

なお、これらの電池モデル式（Ml) 〜 (Ml 5) は上記非特許文献 1に基づくものであるので、各モデル式の詳細な説明については、非特許文献 1を援用する。 - 式（Ml) ~ (M1 5) の電池モデル式を、活物質 1 8 ρ， 18 ηおよび電界液中の各点において、境界条件を適宜設定した差分方程式を逐次解くことにより、図 4に示した各変数、すなわち二次電池 10の状態推定値を逐次的に算出して、二次電池の内部反応を反映した電池状態の時間推移を推定できる。なお、各活物質 18 ρ， 18 η内でのリチウムイオン濃度は、活物質内の半径 rの関数とされ、その周方向ではリチウムイオン濃度は一様なものとして扱われる。

上記電池モデルにおいて、 SOCは、負極活物質 18 η内のリチウム原子数により求められる。また、活物質 1 8 p , 1 8 n内部のリチウムイオン濃度分布を推定することにより、過去の充放電履歴を反映した電池状態の予測が可能となる。たとえば、現在の S O Cが同一であっても、充電により現 S O Cとなった後に放電する場合には、放電により現 S O Cとなった後さらに放電する場合と比較して、出力電圧が相対的に低下し難くなるが、このような現象の予測を行なうことが可能となる。具体的には、充電直後には負極活物質 1 8 n内のリチウムイオン濃度が表面側で相対的に高くなる一方で、放電時には、負極活物質 1 8 n内リチウムィォン濃度が表面側で相対的に低下しているため、活物質内でのリチウムイオンの濃度分布を反映して、上記のような予測が可能となる。

図 5は、実施の形態 1による二次電池の充放電制御装置における、電池モデル部および挙動予測部の動作タイミングを説明する概念図である。

図 5を参照して、電池モデル部 6 0は、所定周期毎に作動して、センサ群 3 0 , 3 2， 3 4からの検出値に基づき、上述の電池モデル式に従って逐次的に状態推定値を算出する。実際には、前回の推定演算時からの差分が演算されて、状態推定値が更新される。これにより、二次電池の状態推定値は、二次電池の使用状況を示すセンサ群 3 0 , 3 2， 3 4からの検出値に基づき、初期値を始点として逐次的に更新される。

このように、二次電池の部状態が逐次推定ざれていく中で、所定周期 T cごとに、挙動予測部 6 5により挙動予測ルーチンが実行される。この所定周期 T c は、電池モデル部の作動周期以上に設定される。

たとえば、図 5に示すように、時刻 t aにおいて、その時点における電池モデル部 6 0による状態推定^ ίを用いて、図 6に示す挙動予測ルーチンに従った挙動予測が実行される。上記のように、挙動予測部 6 5は、ある所定電力を現時点から継続的に入力（充電）または出力（放電）した際の入出力可能時間を予測する。入出力可能時間の予測は、所定周期 T cごと、図 5の例では、時刻 t aから T c 経過後の時刻 t bおよび、さらに T c経過後の時刻 t cにおいて、それぞれの時点での電池モデル部 6 0による状態推定値を用いて実行される。

図 6は、挙動予測部 6 5が作動時に実行する挙動予測ルーチンを説明するフロ一チャートである。図 6に示したフローチャートは、バッテリ E C U 5 0内に予め格納されたプログラムを所定周期（T c) ごとに実行することにより、図 1に示した挙動予測部 6 5の機能として実現される。

図 6を参照して、挙動予測部 6 5は、ステップ S 1 00では、電池モデル部 6 0により電池モデル式に従って逐次推定されたその時点での状態推定値を取得する。たとえば、ステップ S 1 00で考慮される状態推定値としては、この時点での SOC、内部温度、リチウムイオン濃度分布、電位分布等が挙げられる。さらに、挙動予測部 6 5は、ステップ S 1 1 0により、所定電力を現時点から継続的に充電あるいは放電したときのバッテリ出力電圧の挙動を予測する。

図 7に示すように、負荷への最大出力電力 Worn a x、負荷からの最大入力電力 W i ma xおよび現在の入出力電圧 Wcによる充放電が現時点から継続的に実行された場合における、バッテリ電圧 Vbの予測値が予め作成されたモデルに従つて算出される。なお、後程説明する図 8に点線で示すように、上記最大出力電力 W o m a X、最大入力電力 W i m a xおよび現在の入出力電圧 W c以外の規定電力（たとえば、最大出力電力 W oma X〜最大入力電力 W i m a x間で 5 k w 刻みに設定）についても、入出力可能時間を予測するために、上記モデルに従つてバッテリ電圧 Vbの予測値を算出してもよい。

このバッテリ電圧挙動予測モデとしては、たとえば、入出力電力が一定であることを考慮して上記電池モデル式（Ml)〜（Ml 5) を単純化したものを用いることができる。あるいは、ステップ S 1 00で求めた状態推定値および充放電される所定電力を変数とした、バッテリ電圧挙動（たとえば、 dVbZd t ：単位時間当たりのバッテリ電圧変化量）を予測する関数式を別途定義してもよレ、。 . 上記のようなバッテリ電圧挙動予測モデルに基づき、二次電池 1 0からの入出力電圧が Wo m a x (最大出力電力：放電）、 W i ma X (最大入力電力：充電）および現在の入出力電力 Wcを継続的に入出力した際に、バッテリ電圧 Vb 力下限電圧 Vm i nに到達するまでの時間（放電時）、あるいは上限電圧 Vm a xに到達するまでの時間（充電時）が求められる。この際の到達までの所要時間 T 1~T 3力 Woma x、 W i m a xおよび W cを現時点から継続的に二次電池 1 0から入出力した際に予測される入出力可能時間である。ここで、 .上限電圧 Vma Xおよび下限電圧 Vm i nは、二次電池 1 0の最高定格電圧および最低定格電圧、あるいは負荷の動作可能（保証）電圧等に従って決定される。

すなわち、入出力時間 T 1は、現時点より、バッテリ電圧 Vbが下限電圧 Vm i nまで低下することなく最大出力電力 Wo m a xを継続的に放電可能な最大時間を示す。同様に、入出力時間 T 2は、現時点より、バッテリ電圧 Vbが上限電圧 Vma Xまで上昇することなく最大入力電力 W i ma xにて継続的に充電可能な最大時間を示す。また、入出力時間 T 3は、現時点より、バッテリ電圧 Vbを上限電圧 Vma X〜下限電圧 Vm i nの範囲内に維持して、現在の入出 Λ電力による二次電池 1 0の充放電が «続可能な最大時間を示す。こめようにして、挙動予測部 6 5は、各時点において、所定入出力電力に対する入出力可能時間を予測することができる。

特に、図 8に示すように、最大出力電力 Woma x、最大入力電力 W i m a x および現在の入出力電力 Wc、あるいは、さらに他の所定電力を含む複数ケースの所定電力（たとえば、最大出力電力 Wo ma x〜最大入力電力 W i ma x間で 5 kw刻みに設定）について、入出力可能時間をそれぞれ予測することにより、入出力電力一入出力可能時間特性をマップ形式で取得することができる。

再び図 6を参照して、挙動予測部 6 5は、ステップ S 1 20により、図 7に示したバッテリ電圧挙動予測と上限電圧 Vma Xおよび下限電圧 Vm i nとの比較により、入出力可能時間を予測する。そして、挙動予測部 6 5は、ステップ S 1 30により、図 8に示すような入出力電力一入出力可能時間特性を求めて、予測情報として制御装置 70へ出力する。

制御装置 70では、負荷 20への動作要求に応じて、挙動予測部 6 5によって求められた入出力電力一入出力可能時間特性を考慮して、二次電池の過充電あるいは過放電を回避する範囲内に二次電池 1 0の充放電を制限するように、負荷 2 0の動作指令を生成する。特に、単なる二次電池 1 0からの出力可能電力（放電電力上限値） Wo u tおよび入力可能電力（充電電力上限値） W i nではなく、充放電電力に対する継続的な入出力可能時間を示す情報を用いることにより、予見的に過充電および過放電を回避し、かつ、バッテリ性能を最大限まで発揮させるような充放電制限が可能となることが期待できる。また、過放電、過充電の回避のみならず、継続的な入出力可能時間が短いときには、二次電池 1 0からの出力電力を事前に減らすことによって、走行中のショック発生回避による運転快適性向上や、燃費向上を図ることができる。逆に、入出力可能時間が長いときには、二次電池 1 0からの出力電力を増やして燃費向上を図ることができる。

以上説明したように、実施の形態 1による二次電池の充放電制御装置では、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデル式による電池状態の推定をべ一スとして、所定周期で所定電力に対する入出力可能時間を予測することができる。さらに、この挙動予測を反映して二次電池 1 0との間で電力を授受する負荷 2 0 の動作指令を生成するので、二次電池 1 0の過充電および過放電を確実に回避した充放電制限が可能となる。

さらに、複数段階の入出力電力に対して入出力可能時間を予測して負荷 2 0の動作指 ^1こ反映することにより、単純に充放電電力の上限値のみを設定する制御構成と比較して、段階的な充放電制限を実行することが可能となり、過充電および過放電を回避しつつ、その時点での電池性能を最大限に引出すような二次電池の使用'を可能とすることができる。

なお、実施の形態 1において、図 1の電池モデル部 6 0は本発明での「電池状態推定部」に対応し、図 1の挙動予測部 6 5は本発明での「入出力可能予測部」に対応し、制御装置 7 0は本発明での「負荷制御部」に対応する。さらに、図 6 でのステップ S 1 1 0は本発明での「電圧推移予測部 J に対応し、ステップ S 1 2 0は本発明での「時間予測都」に対応する。

(実施の形態 2 )

実施の形態 2では、図 1に示した制御構成において、挙動予測部によってその時点での充放電条件（入出力電力）に対する劣化度合を評価することによって、二次電池の充放電を制限する構成について説明する。

図 9は、実施の形態 2による二次電池の充放電制御装置の機能構成を説明する概略ブロック図である。

図 9を参照して、実施の形態 2では、バッテリ E C U 5 0は、図 1と同様の電池モデル部 6 0および挙動予測部 6 5 #を含む。電池モデル部 6 0は、実施の形態 1と同様に、二次電池 1 0の内部状態を動的に推定して、その状態推定値を逐次更新していく。挙動予測部 6 5井は、電池モデル部 6 0によって算出される状態推定値を用いた所定の予測演算によって、二次電池 1 0を所定電力で継続的に充放電した場合における劣化率を評価する。そして、入出力電力一劣化率の特性を予測情報として制御装置 7 0に出力する。制御装置 7 0は、挙動予測部 6 5 #からの予測情報 (入出力電力一劣化率特性）を考慮して負荷 2 0の動作指令を生成する。なお、劣化率は、単位時間当たりでの電池劣化の進行度合を示すパラメータであり、劣化率が大きい程電池劣化が進みやすい状態であることを示す。

たとえば、図 1 0に示されるように、挙動予測部 6 5 #は、最大出力電力 W o m a x〜最大入力電力 W i m a xの範囲内で、現在の電池状態における、複数ケースの所定電力を入出力した際の予測劣化率を求める。劣化率を予測するためのモデル式は、その時点における電池モデル部 6 0による状態推定値のうちの、少なくとも電池温度 T、入出力電力 I bを反映して設定される。このモデル式については任意に設定することができるので、その詳細な説明は省略する。

挙動予測部 6 5 #は、実施の形態 1の挙動予測部 6 5と同様に、上記予測情報 (入出力電力一劣化率特性）を求めるための挙動予測ルーチン（図示せず）を所定周期ごとに実行する。

図 1 1は、実施の態 2による二次電池 1 0の充放電制御を説明するフ口ーチャ一トである。実施の形態 2による充放電制御は、主に、ノくッテリ E C U 5 0による劣化率予測を反映した制御装置 7 0による動作指令の生成に向けられる。図 1 1を参照して、制御装置 7 0は、ステップ S 2 0 0により、バッテリ E C

U 5 0から現時点での充放電条件（入出力電力） —予測劣化率特性を取得する。そして、制御装置 7 0は、ステップ S 2 1 0により、一定期間内での劣化率の積算値あるいは平均値が所定範囲内となるように、現時点で許容される上限劣化率 D R m a xを算定する。たとえば、これまでに劣化度が大きい条件での電池動作が継続されていた場合には、急激な電池劣化の進行を制限するために、上限劣化率 D R m a Xは相対的に低い値に設定される。そして、制御装置 7 0は、算定した上限劣化率 D R m a Xに従って充放電制限を行なう。たとえば、入出力電力の制限により、あるいは、電池温度（上限）や、上（下）限電圧や、上（下）限 S O Cの制限によって、充放電は制限される。再び図 1 0を参照して、算定された上限劣化率 D R m a xおよび挙動予測部 6 5 #による入出力電力一予測劣化率特性に従って、現時点の電池状態に基づき予測される劣化率が、上限劣化率 D R m a xに達するときの上限出力電力 W o #および上限入力電力 W i #が求められる。

再び図 1 1を参照して、制御装置 7 0は、ステップ S 2 2 0により、ステップ

S 2 1 0で設定された充放電制限範囲内に制限して、たとえば、入出力電力範囲を制限して、充電に関しては W i #を上限とし、放電に関しては W o #を上限とする充放電制限を行なって、負荷 2 0の動作指令を生成する。さらに、制御装置 7 0では、ステップ S 2 3 0では、ステップ S 2 2 0で設定した負荷 2 0の動作指令に対応する予測劣化率を、図 1 0に示した予測情報に基づいて取得し格納する。これにより、次回の演算時における一定期間での劣化率（積算値または平均値）の評価が更新されることとなる。

このような構成とすることにより、実施の形態 2による二次電池の充放電制御装置によれば、電池モデルに従った二次電池の内部状態推定に基づき、各時点での使用電力（入出力電力）に対する劣化度を逐次予測した上で、二次電池 1 0の劣化が著しく進行しないような範囲に制限した充放電制御を実行することが可能となる。

なお、実施の形態 1および 2を組合せて、入出力電力に対する入出力可能時間および劣化率の両方を予測情報として、バッテリ E C U 5 0から制御装置 7 0へ出力して、二次電池 1 0の充放電制御を行なう構成としてもよい。この場合には、入出力可能時間および劣化率の両方を考慮して、二次電池 1 0の過充電および過放電ならびに急激な劣ィヒの進行が回避されるように、制御装置 7 0によつて負荷 2 0の動作指令が生成される。

(実施の形態 2の変形例）

図 1 2は、実施の形態 2の変形例による二次電池の充放電制御装置の機能構成を説明するブロック図である。

図 1 2を参照して、実施の形態 3においては、バッテリ E C U 5 0は、図 9と同様の電池モデル部 6 0および挙動予測部 6 5 #に加えて、劣化度推定部 6 1をさらに含む。劣化度推定部 6 1は、いわゆる電池の劣化状態（S O H ： State of Health) を推定する機能を有し、センサ群 3 0， 3 2 , 3 4にょる検出値丁， I b , V bに基づいて、二次電池 1 0の劣化度および Zまたは余寿命を推定する。劣化度推定部 6 1によって推定された二次電池 1 0の劣化度および Zまたは余寿命は、制御装置 7 0 (あるいは挙動予測部 6 5 #にも）対して出力される。

ここで、図 1 3〜図 1 5を用いて、二次電池 1 0の劣化度推定手法の例について説明する。

たとえば、劣化度推定部 6 1は、診断モード動作時における二次電池挙動に基づいて、電池モデルに用いられるパラメータ（定数）の一部を同定可能なように構成されている。

図 1 3を参照して、診断モード時には、二次電池 1 0が時刻 t 0カゝら t 2の間に一定電流をハンレス状に出力するよう.な診断動作が行なわれる。この診断動作により、バッテリ電圧 V bは、パルス状電流の出力に応じて、パルス電流の遮断後 (すなわち、時刻 t 2以降）において徐々に復帰する。このような電圧挙動は電圧センサ 3 4により検知され、バッテリ電圧 V bは劣化度推定部 6 1に入力される。なお、このような診断モードは、二次電池の使用終了から所定時間（3 0分程度）が経過して、二次電池の内部状態が静的となった後に行なうことが好ましい。

たとえば、パルス状電流出力時の電圧挙動に基づいて交換電流密度 i。を推定することが可能である。また、パルス電流遮断後の電圧挙動に基づいて、正極での拡散係数 D_sを推定することが可能である。同定対象となるパラメータ（以下、劣化管理パラメータ X, Yとする）は、その個数も含めて任意に定めることができる。

図 1 4を参照して、劣化度推定部 6 1は、上記診断モード実行時に、劣化管理パラメータ X , Yについて、現在でのパラメータ値を同定する。劣化管理パラメータ X， Yについては、予め、二次電池の使用度に応じたパラメータ値の変化、すなわち劣化特性が求められている。二次電池の使用度としては、たとえば使用期間（時間）あるいは充放電電流積算値が用いられる。特に、本発明に従って充放電制御される二次電池がハイプリッド車両等の車両に搭載される場合には、バッテリの使用度として、走行距離または使用期間を用いることができる。

図 1 4に示されるように、劣化管理パラメータ Xに関して劣化特性線 2 0 0が予め求められており、劣化管理パラメータ Yについては劣化特性線 2 1 0が予め求められている。劣化度推定部 6 1は、上記のように求めた現時点でのパラメ一タ値について、初期値からの変化量および限界値までの余裕度に従って、現時点での二次電池 1 0の劣化度を推定することができる。劣化管理パラメータを複数個用いる場合には、それぞれのパラメータに関する劣化度の平均値、最大値または最小値等を求めることにより、二次電池 1 0全体のマクロな劣化度を推定できる。

また、限界値を超えてパラメータ値が変化（低下あるいは上昇）した場合には、寿命領域であると判定できるので、劣化度推定部 6 1は、現時点におけるパラメータ値と上記限界値との差から、二次電池 1 0の余寿命を推定することも可能である。

あるいは、劣化度推定部 6 1については、図 1 3に示したような診断モードの実行を伴うことなく、二次電池 1 0の使用中にセンサ群 3 0〜 3 4によって検出されたオンライン検出値（T b，電流 I b，電圧 V b ) に基づき、電池モデル部 6 0と並列に動作して、劣化管理パラメータをオンラインで同定するように構成することも可能である。

'、

このようなオンラインでのパラメータ同定は、劣化管理パラメータの種類に応じて可能となる。たとえば、図 1 5に示すように、バッテリ電流 I bおよびバッテリ電圧 V bとの関係をプロットしたオンライン特性点 2 5 0の集合により、 I bに対する V bの傾きを求めることにより、電池モデル式中での界面直流抵抗 R _fを同定して、劣化管理パラメータとすることが可能となる。

次に、図 1 6および図 1 7を用いて、実施の形態 2の変形例による二次電池の充放電制御を説明する。

図 1 6を参照して、挙動予測部 6 5 #は、図 1 0に示したのと同様に、この時点における二次電池の内部状態に基づき、入出力電力に対する二次電池 1 0の劣化率を予測して、入出力電力一劣化率特性を予測情報として制御装置 7 0へ出力する。制御装置 70は、実施の形態 2の変形例では、現時点で許容される上限劣化率 DRma Xを、劣化度推定部 6 1によって推定された劣化度およびまたは余寿命に応じて設定する。たとえば、劣化度に関しては大きい場合、余寿命に関しては短い場合ほど、上限劣化率 DRma xは相対的に低い値に設定される。

このようにして、挙動予測部 65 #によって求められた予測情報（図 16の点線）に基づき、上限劣化率 DRma Xに劣化率が達するときの上限出力電力 Wo #および入力電力 W i #が求められる。そして、制御装置 70は、充電に関しては Wi #を上限とし、放電に関しては Wo #を上限とする範囲内に限定して、負荷 20の動作指令を生成する。

図 1 7を参照して、制御装置 70は、ステップ S 200により、バッテリ EC U 50から現時点での充放電条件（入出力電力）一予測劣化率特性を取得する。そして、制御装置 70は、ステップ S 202により、劣化度推定部 6 1によって推定された劣化度および Zまたは余寿命を取得し、さらに、ステップ S 204により、現在の劣化度および Zまたは余寿命に応じて許容劣化率範囲（すなわち、上限劣化率 DRma X ) を設定する。

そして、制御装置 70は、ステップ S 210#により、ステップ S 204で設定した許容劣化率範囲に従って入出力電力制限を設定する。具体的には、図 16 に示ざれるように、現時点での劣化度およびまたは余寿命に応じて設定された上限劣化率 DRma xおよび、挙動予測部 65 #による入出力電力一予測劣化率特性に従って、現時点の電池状態に基づき予測される劣化率が、上限劣化率 DR ma Xに達するときの上限出力電力 Wo #および上限入力電力 W i #が求められる。なお、このような入出力電力制限の設定については挙動予測部 65 #で実行して、上限出力電力 Wo #および上限入力電力 W i #を予測情報に内包して、挙動予測部 65 #から制御装置 70へ逐次送出する構成とすることも可能である。制御装置 70は、ステップ S 2 20では、ステップ S 210#で設定された入出力電力範囲内に制限して、すなわち、充電に関しては Wi #を上限とし、放電に関しては Wo #を上限とする充放電制限を行なって、負荷 20の動作指令を生成する。

このような構成とすることにより、実施の形態 2の変形例による二次電池の充放電制御装置では、実施の形態 2による効果に加えて、各時点で許容される劣化率を、その時点での予測劣化度および/または推定余寿命に応じて設定することができる。これにより、二次電池の劣化状態に応じて適切に充放電制限範囲を設定することで、二次電池の急激な劣化を防止して長寿命化を図ることがさらに可能となる。

なお、実施の形態 1および 2の変形例を組合せて、入出力電力に対する入出力可能時間および劣化率の両方を予測情報とし、さらに予測劣化度および/または推定余寿命を考慮して、二次電池 1 0の充放電制御を行なう構成としてもよい。この場合にも、入出力可能時間ならびに劣化度および劣化率の両方を考慮して、二次電池 1 0の過充電および過放電ならびに急激な劣化の進行による電池寿命の短縮が回避されるように、制御装置 7 0によって負荷 2 0の動作指令が生成される。，

なお、実施の形態 2およびその変形例において、図 9 , 1 2の電池モデル部 6 0は本発明での「電池状態推定部」に対応し、図 9， 1 2の挙動予測部 6 5 #は本発明での「劣化率予測部」に対応し、制御装置 7 0は本発明での「負荷制御部」に対応する。さらに、図 1 2での劣化度推定部 6 1は、本発明での「劣化度推定部」に対応する。

(実施の形態 3 )

実施の形態 3では、以上説明してきた、実施の形態 1， 2およびその変形例による二次電池の充放電制御装置のハイブリッド車両への適用について説明する。図 1 8は、本発明の実施の形態 3によるハイプリッド車両の構成例を説明するブロック図である。

図 1 8を参照して、ハイブリッド車両 5 0 0は、エンジン 5 1 0と、走行用バッテリ 5 2 0と、ノッテリ E C U 5 2 5と、インバータ 5 3 0と、車輪 5 4 0 a と、トランスアクスル 5 5 0と、ハイブリッド車両 5 0 0の全体動作を制御する電子制御ユニット（H V— E C U ) 5 9 0とを備える。

図 1 8に示したハイブリッド車両 5 0 0においては、走行用バッテリ 5 2 0およびバッテリ E C U 5 2 5力実施の形態 1、 2および 2の変形例における二次電池 1 0およびバッテリ E C U 5 0 (図 1 ) にそれぞれ対応し、 HV— E C U 5 9 0が、実施の形態 1、 2および 2の変形例における制御装置 7 0 (図 1 ) に対応する。また、モータジェネレータ MG 1および MG 2は、実施の形態 1、 2および 2の変形例における負荷 2 0 (図 1 ) に対応する。主に、車両駆動力発生用のモータジェネレータ MG 2が、走行用バッテリ 5 2 0に対して電力の入出力を行なう負荷となる。

エンジン 5 1 0は、ガソリン等の燃料の燃焼エネルギを源として駆動力を発生する。走行用バッテリ 5 2 0は、電力ライン 5 5 1へ直流電力を供給する。走行用バッテリ 5 2 0は、代表的にリチウムイオン二次電池で構成され、本発明の実施の形態に従う二次電池の充放電制御装置によつてその充放電が制御される。インバ一タ 5 3 0は、走行用バッテリ 5 2 0から供給された直流電力を交流電力に変換して電力ライン 5 5 3へ出力する。あるいは、インバータ 5 3 0は、電カライン 5 5 2 , 5 5 3に供給された交流電力を直流電力に変換して電力ライン 5 5 1へ出力する。

トランスアクスル 5 5 0は、トランスミッションとアクスル（車軸）とを一体構造として備えており、動力分割機構 5 6 0と、減速機 5 7 0と、モータジエネレータ MG 1と、モータジェネレータ MG 2とを有する。動力分割機構 5 6 0は、エンジン 5 1 0によって生じた駆動力を、減速機 5 7 0を介して車輪 5 4 0 a駆動用の駆動軸 5 4 5へ伝達する経路と、モータジェネレータ MG 1へ伝達経路とに分割可能である。

モータジェネレータ MG 1は、動力分割機構 5 6 0を介して伝達されたェンジン 5 1 0からの駆動力によって回転されて発電する。モータジェネレータ MG 1 による発電電力は、電力ライン 5 5 2を介してインバータ 5 3 0に供給され、走行用バッテリ 5 2 0の充電電力として、あるいはモータジェネレータ MG 2の駆動電力として用いられる。

モータジェネレータ MG 2は、ィンバータ 5 3 0から電力ライン 5 5 3に供給された交流電力によって回転駆動される。モータジェネレータ MG 2によって生じた駆動力は、減速機 5 7 0を介して駆動軸 5 4 5へ伝達される。また、回生制動動作時にモータジェネレータ M G 2が車輪 5 4 0 aの減速に伴って回転される場合には、モータジェネレータ MG 2に生じた起電力（交流電力）が電力ライン 5 5 3へ供給される。この場合は、インバータ 5 3 0が電力ライン 5 5 3へ供給された交流電力を直流電力に変換して電力ライン 5 5 1へ出力することにより走行用バッテリ 5 2 0が充電される。

モータジェネレータ MG 1 , MG 2の各々は、発電機としても電動機としても機能し得るが、モータジェネレータ MG 1は概ね発電機として動作することが多く、モータジエネ ^一タ MG 2は主として電動機として動作することが多い。 H V— E C U 5 9 0は、ハイブリツド車両 5 0 0を運転者の指示に応じて運転させるために、自動車に搭載された機器，回路群の全体動作を制御する。

上記のように、ハイブリッド車両 5 0 0では、エンジン 5 1 0によって発生された駆動力 >と、走行用バッテリ 5 2 0からの電気工ネルギを源としてモータジェネレータ MG 2によって発生された駆動力との組合せによって、燃費を向上させた車両運転を行なう。

たとえば、発進時ならびに低速走行時あるいは緩やかな坂を下るとき等の軽負荷時には、ハイブリッド車両 5 0 0は、エンジン効率の悪い領域を避けるために、基本的にはエンジンを作動させることなくモータジェネレータ MG 2による駆動力のみで走行する。

通常走行時には、エンジン 5 1 0から出力された駆動力は、動力分割機構 5 6 0によって、車輪 5 4 0 aの駆動力とモータジェネレータ MG 1での発電用駆動力とに分化される。モータジェネレータ MG 1による発電電力は、モータジエネレータ MG 2の駆動に用いられる。したがって、通常走行時には、エンジン 5 1 0による駆動力をモータジェネレータ MG 2による駆動力でアシストして、車輪 5 4 0 aが駆動される。 E C U 5 9 0は、エンジン 5 1 0およびモータジエネレータ MG 2間での駆動力分担割合を制御する。

全開加速時には、走行用バッテリ 5 2 0からの供給電力が第 2のモータジエネレータ MG 2の駆動にさらに用いることにより、車輪 5 4 0 aを駆動力がさらに増加させることができる。

減速および制動時には、モータジェネレータ MG 2は、車輪 5 4 0 aの回転とは反対方向のトルクを発生することにより、回生発電を行なう発電機として作用する。モータジェネレータ MG 2の回生発電によって回収された電力は、電カライン 5 5 3、インバータ 5 3 0および電力ライン 5 5 1を介して走行用バッテリ 5 2 0の充電に用いられる。さらに、車両停止時にはエンジン 5 1 0は自動的に停止される。

このように、運転状況に応じて車両全体での要求駆動力に対するエンジン 5 1 0およびモータジェネレータ MG 2の間での配分が決定される。具体的には、 H V— E C U 5 9 0は、燃費の面からエンジン 5 1 0の効率を考慮して、運転状況に応じて上記配分を決定する。

図 1 9は、本実施の形態による二次電池の充放電制御を反映したハイプリッド車両 5 0 0におけるモータジェネレータ MG 2の動作指令値設定を説明するフロ一チヤ一トである。図 1 9に示したフローチヤ一トは、 H V— E C U 5 9 0内に予め格納されたプログラムを所定周期ごとに実行することにより実現される。図 1 9を参照して、 H V— E C U 5 9 0は、ステップ S 3 0 0により、現在の車速および運転者によるペダル操作等により、車両全体で必要な車両駆動力および車両制動力を算出する。

H V - E C U 5 9 0は、ステップ S 3 1 0により、実施の形態 1、 2および 2 の変形例に従って設定された走行用バッテリ 5 2 0 (二次電池 1 0 ) の充放電制限に対応させて、モータジェネレータ MG 2の入出力許容値.（電力）を設定する。さらに、 H V— E C U 5 9 0は、ステップ S 3 1 0で設定した MG 2の入出力許容値およびハイブリッド車両 5 0 0全体での効率を考慮して、具体的には、ェンジン 5 1 0の運転領域が高効率のものとなるように配慮して、エンジン 5 1 0 およびモータジェネレータ MG 2の間での駆動力の出力分担を決定する（ステツプ S 3 2 0 ) 。これにより、走行用バッテリ 5 2 0が過充電あるいは過放電となるような、モータジェネレータ M G 2の運転（具体的には、車両駆動力を発生するカ行動作、あるいは発電のための回生制動動作）が回避される。

そして、 H V— E C U 5 9 0は、ステップ S 3 3 0では、ステップ S 3 2 0で決定された MG 2出力に従って、モータジェネレータ MG 2のトルク指令値を決- 定する。モータジェネレータ M 2のトルク指令値は、一般的には、車両駆動力を発生するカ行動作時には正トルクに設定され、車両駆動力を発揮する回生制動時には負トルクに設定される。また、ハイブリッド車両 5 0 0には、駆動輪 5 4 0 aを含む車輪に対して図示しない油圧ブレーキが設定され、これら油圧ブレーキによる発生制動力と、モータジェネレータ MG 2による回生制動発電を伴う制動力との和により、ステップ S 3 0 0で算出された車両全体での必要制動力が確保するように制御される。すなわち、充電制御が厳しくモータジエネレータ MG 2·による回生発電が許可されない場合においても、図示しない油圧ブレーキにより、車両全体の制動力が確保される。一方で、走行用バツテリ 5 2 0の充電制限の範囲内で、モータジェネレータ MG 2により回生制動動作を行なうことにより、電力の有効な回収が可能となる。

上記のような、図 1 9に示すステップ S 3 0 0〜S 3 3 0の処理により実現される H V— E C U 5 9 0の機能の一部は、本発明における「制御装置」に対応する。

このように、本発明の実施の形態 1、 2および 2の変形例による二次電池の充放電制御をハイプリッド車両に適用することにより、充電動作および放電動作を繰返すような使用形態の走行用バッテリ 5 2 0についても、過充電および過放電ならびに急速な劣化の進行を回避し、かつ、その電池性能を十分に発揮させるように考慮した充放電制御を行なって、車両駆動力発生用のモータジエネレータ M G 2を動作させることが可能となる。

なお、実施の形態 3では、動力分割機構により、エンジンの動力を車軸（駆動軸）と発電機とに分割して伝達可能なシリーズ/パラレル型ハイプリッドシステムへの適用例を、エンジンおよびモータ問での車両駆動力の出力配分に.も着目して説明した。しかしながら、本発明の適用はこのような場合に限定されるものではなく、挙動予測に基づく負荷の動作指令生成によって実現される本発明による二次電池の充放電制御については、負荷を特に限定することなく任意の機器またはシステム等に適用することが可能である。

また、二次電池から負荷への電力供給（放電）あるいは負荷から二次電池の電力供給（充電）のみが実行されるように構成された場合等、放電制限あるいは充電制限の一方のみについて、本発明を適用することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。産業上の利用可能性

本発明による二次電池の充放電制御装置は、代表的には、電気自動車ゃハイブリツド自動車に搭載された二次電池（たとえば、リチウムイオン電池）の充放電制御に適用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 負荷との間で電力を授受可能に構成された二次電池の充放電制御装置であつて、

'前記二次電池に設けられたセンサによる検出^:に基づき、前記二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出する電池状態推定部と、

前記電池状態推定部により推定された現在での前記状態推定値に基づき、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力可能な時間を予測する入出力可能時間予測部と、

前記負荷への動作要求に基づき、前記入出力可能時間予測部により予測された時間を考慮して、前記二次電池の過充電および過放電を回避するように前記負荷の動作指令を生成する負荷制御部とを備える、二次電池の充放電制御装置。

2 . 前記入出力可能時間予測部は、複数個の前記所定電力について、前記現時点から継続的に入出力可能な時間をそれぞれ予測する、請求の範囲第 1項に記載の二次電池の充放電制御装置。

3 . 前記入出力可能時間予測部は、所定周期で起動されて、各起動時において、前記二次電池が前記所定電力をその時点から継続的に入出力可能な時間を予測する、請求の範囲第 1項に記載の二次電池の充放電制御装置。

4 . 前記入出力可能時間予測部は、

前記二次電池が前記所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の出力電圧の推移を予測する電圧推移予測部と、

前記電圧推移予測部による予測に基づき、前記現時点から前記出力電圧が前記二次電池の上限電圧または下限電圧に達するまでの時間を予測する時間予測部とを含む、請求の範囲第 1項に記載の二次電池の充放電制御装置。

5 . 負荷との間で電力を授受可能に構成された二次電池の充放電制御装置であつて、

前記二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づき、前記二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデノレに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出する電池状態推定部と、

前記電池状態推定部により推定された現時点での前記状態推定値に基づき、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の劣化率を予測するための劣化率予測部と、

前記負荷への動作要求に基づき、前記劣化率予測部により予測された劣化率を考慮して前記負荷の動作指令を生成する負荷制御部とを備える、二次電池の充放電制御装置。

6 . 前記劣化率予測部は、複数個の前記所定電力について、前記劣化率をそれぞれ予測する、請求の範囲第 5項に記載の二次電池の充放電制御装置。

7 . 前記センサによる検出値に基づき、前記二次電池の劣化度または余寿命を推定する劣化度推定部をさらに備え、

前記負荷制御部は、

前記劣化度推定部により推定された前記劣化度または前記余寿命を考慮して、現時点において許容される劣化率範囲を求めるとともに、前記劣化率予測部により予測された劣化率が前記劣化率範囲内となるような前記二次電池の充放電電力範囲内に制限して、前記負荷の動作指令を生成する、請求の範囲第 5項に記載の二次電池の充放電制御装置。

8 . 前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成され、

前記状態推定値は、該二次電池内部でのリチウムイオン濃度分布を含む、請求の範囲第 1〜 7項のいずれか 1項に記載の二次電池の充放電制御装置。

9 . 車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、

前記車両全体での要求駆動力が確保されるように、前記内燃機関および前記電動機がそれぞれ出力する駆動力を決定する制御装置と、

前記電動機との間で電力を授受可能に構成された二次電池と、

前記二次電池の充放電制御装置とを備え、

前記充放電制御装置は、

前記二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づいて、前記二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するとともに、推定された現在での前記状態推定値に基づいて、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力可能な時間を予測し、

前記制御装置は、前記充放電制御装置により予測された前記入出力可能な時間を考慮して、前記二次電池の過充電および過放電を回避するような前記二次電池の充放電電力範囲内に制限して前記電動機の入出力許容電力を設定するとともに、前記電動機の入出力電力が前記入出力許容電力の範囲内となるように制限して前記電動機のトルク指令値を決定する、ハイブリッド車両。

1 0 . 前記充放電制御装置は、複数個の前記所定電力について、前記現時点から継続的に入出力可能な時間をそれぞれ予測し、

前記制御装置は、前記複数個の所定電力について予測された前記入出力可能な時間に基づいて前記電動機の入出力許容電力を設定する、請求の範囲第 9項に記載のハイブリッド車両。

1 1 . 前記充放電制御装置は、所定周期毎に、前記二次電池が前記所定電力をその時点から継続的に入出力可能な時間を予測する、請求の範囲第 9項に記載のノヽィブリ.ッド車両。

1 2 . 前記充放電制御装置は、推定された現在での前記状態推定値に基づいて、前記二次電池が前記所定電力を現時点から継続的に入出力した場合に、前記現時点から前記出力電圧が前記二次電池の上限電圧または下限電圧に達するまでの時間を予測し、この予測に基づいて、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力可能な時間を予測する、請求の範囲第 9項に記載のハイプリッド車両。

1 3 . 車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、

前記二次電池の充放電制御装置とを備え、

前記充放電制御装置は、

前記二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づき、前記二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するとともに、推定された現時点での前記状態推定値に基づいて、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の劣化率を予測し、

前記制御装置は、前記充放電制御装置により予測された前記劣化率に基づいて、前記二次電池の劣化が著しく進行しないような前記二次電池の充放電電力範囲内に制限して前記電動機の入出力許容電力を設定するとともに、前記電動機の入出力電力が前記入出力許容電力の範囲内となるように制限して前記電動機のトルク指令値を決定する、ハイブリッド車両。

1 4 . 前記充放電制御装置は、複数個の前記所定電力について、前記劣化率をそれぞれ予測し、

前記制御装置は、前記複数個の所定電力について予測された前記劣化率に基づいて前記電動機の入出力許容電力を設定する、請求の範囲第 1 3項に記載のハイブリッド車両。

1 5 . 前記充放電制御装置は、前記センサによる検出値に基づき、前記二次電池の劣化度または余寿命をさらに推定し、

前記制御装置は、前記充放電制御装置により推定された前記劣化度または前記余寿命を考慮して、現時点において許容される劣化率範囲を求めるとともに、予測された劣化率が前記劣化率範囲内となるように制限して前記二次電池の充放電電力範囲を決定する、請求の範囲第 1 3項に記載のハイプリッド車両。

1 6 . 前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成され、

前記状態推定値は、該二次電池内部でのリチウムイオン濃度分布を含む、請求の範囲第 9〜1 5項のいずれか 1項に記載のハイブリッド車両。