WO2024053378A1 - 充電制御システム、充電制御方法および充電制御プログラム、充電制御プログラムが記載された記録媒体 - Google Patents

充電制御システム、充電制御方法および充電制御プログラム、充電制御プログラムが記載された記録媒体 Download PDF

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WO2024053378A1
WO2024053378A1 PCT/JP2023/030009 JP2023030009W WO2024053378A1 WO 2024053378 A1 WO2024053378 A1 WO 2024053378A1 JP 2023030009 W JP2023030009 W JP 2023030009W WO 2024053378 A1 WO2024053378 A1 WO 2024053378A1
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WO
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battery
charging
current
charging control
temperature
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Application number
PCT/JP2023/030009
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English (en)
French (fr)
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慎哉 西川
睦彦 武田
佑輔 板倉
Original Assignee
パナソニックIpマネジメント株式会社
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04Regulation of charging current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/04Regulation of charging current or voltage
    • H02J7/06Regulation of charging current or voltage using discharge tubes or semiconductor devices

Definitions

  • the present disclosure relates to a charging control system, a charging control method, and a charging control program that manage a current rate when charging a battery pack.
  • Patent Document 1 discloses a control method in which, when the detected battery voltage is less than a first voltage, the battery is determined to be non-rechargeable and charging is stopped.
  • the method of determining whether there is an abnormality in the battery using a threshold value for abnormality determination and prohibiting the use of the battery when an abnormality is detected has the following problems. If the abnormality determination threshold is set to a loose value, the battery will continue to be used even if a slight abnormality occurs, which may accelerate lithium deposition and shorten the battery's lifespan. be. On the other hand, if the abnormality determination threshold is set to a strict value, even if the battery can still be used safely depending on how it is used, it becomes unusable, and the cost performance of the battery as a product decreases.
  • the present disclosure has been made in view of these circumstances, and its purpose is to provide a technology that suppresses the decline in battery cost performance while ensuring safety.
  • a charging control system includes an acquisition unit that acquires battery data including at least one of the current flowing through the battery and the temperature of the battery when charging the battery; a detection unit that detects an abnormal phenomenon in the battery based on at least one of the behavior of the current and the behavior of the temperature when charging the battery; and a charging current changing unit that changes the current rate for next charging to a value multiplied by ⁇ (0 ⁇ 1).
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a battery exchange station in which a charging control system according to an embodiment is used;
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a charging control system according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of changes in voltage, current, and temperature of a cell in which an internal short circuit event occurs during CCCV charging.
  • 3 is a diagram showing an equivalent circuit model of a cell in which phenomenon 1 occurs.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a negative electrode model for explaining phenomena 3 to 4.
  • 7 is a diagram showing an equivalent circuit model of a cell after phenomenon 4 occurs.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit model of a cell after phenomenon 5 occurs.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a specific example of current rate update processing by the charging control system according to the embodiment.
  • 12 is a flowchart illustrating a specific example of a process of updating a voltage value used in a CV charging period by the charging control system according to the embodiment.
  • FIG. 1 shows a diagram showing a schematic configuration of a battery exchange station in which a charging control system 10 according to an embodiment is used.
  • battery exchange stations are installed at business offices of delivery companies and taxi companies.
  • the business operator manages and operates multiple electric vehicles 1, multiple battery packs 2, and multiple chargers 3 at the business base.
  • the plurality of battery packs 2 are removable and replaceable battery packs, and the number of battery packs 2 is greater than the number of electric vehicles 1.
  • the battery pack 2 is attached to the bottom of the electric vehicle 1.
  • the exchange device (not shown) installed under the exchange stand removes the used battery pack 2 from the bottom of the electric vehicle 1 and removes the charged battery. Attach pack 2.
  • a belt conveyor for conveying the battery pack 2 is installed below the exchange table.
  • the used battery pack 2 is conveyed to the charger 3 by a belt conveyor.
  • the charged battery pack 2 charged by the charger 3 is conveyed to each exchange table by a belt conveyor. Normally, the battery pack 2 of the electric vehicle 1 can be replaced in about 5 minutes, and the vehicle can resume running in about the same amount of time as it takes to refuel a gasoline vehicle.
  • Each charger 3 has at least one charging slot, and charges the battery pack 2 when the battery pack 2 is installed. Note that the charger 3 and the battery pack 2 may be connected via a charging cable.
  • the battery pack 2 includes a plurality of cells and a battery management unit (BMU). Within the battery pack 2, a plurality of cells are connected in series. Alternatively, a plurality of parallel cell blocks configured by connecting a plurality of cells in parallel may be configured by connecting in series. As the cell, a lithium ion battery cell, a nickel metal hydride battery cell, a lead battery cell, etc. can be used. Hereinafter, this specification assumes an example in which a lithium ion battery cell (nominal voltage: 3.6-3.7V) is used. The number of cells or parallel cell blocks connected in series is determined according to the drive voltage of the motor mounted on the electric vehicle 1.
  • BMU battery management unit
  • the battery management unit monitors and measures the voltage, current, temperature, and SOC (State of Charge) of a plurality of cells or a plurality of parallel cell blocks included in the battery pack 2.
  • a shunt resistor is connected in series with a plurality of series-connected cells or a plurality of parallel cell blocks.
  • the shunt resistor functions as a current detection element. Note that a Hall element may be used instead of the shunt resistor.
  • a plurality of temperature sensors (for example, thermistors) are installed in the battery pack 2 to detect the temperature of a plurality of cells or a plurality of parallel cell blocks. For example, one temperature sensor may be provided in 6 to 8 cells or in a parallel cell block.
  • the battery management unit estimates the SOC by combining the OCV (Open Circuit Voltage) method and the current integration method.
  • the OCV method is a method of estimating the SOC based on the measured OCV of each cell and the SOC-OCV curve of the cell.
  • the current integration method is a method of estimating the SOC based on the OCV at the start of charging/discharging of each cell and the integrated value of the measured current. In the current integration method, current measurement errors accumulate as the charging/discharging time increases. Therefore, it is preferable to correct the SOC estimated by the current integration method using the SOC estimated by the OCV method.
  • the battery management unit samples the voltage, current, temperature, and SOC of a plurality of cells or a plurality of parallel cell blocks at regular intervals (for example, every 10 seconds) and stores them as battery data of the battery pack 2. Note that the battery management unit may record two temperatures, the highest temperature and the lowest temperature, among the plurality of temperatures detected by the plurality of temperature sensors installed in the battery pack 2.
  • the charger 3 is connected to a commercial power system (not shown) and charges the battery pack 2. Generally, normal charging uses alternating current, and fast charging uses direct current. When charging with alternating current (for example, single phase 100/200V), the AC/DC converter in the battery pack 2 converts the alternating current power into direct current power. When charging with direct current, the charger 3 generates direct current power by full-wave rectifying the alternating current power supplied from the commercial power system and smoothing it with a filter.
  • alternating current for example, single phase 100/200V
  • direct current for example, single phase 100/200V
  • the charger 3 When charging with direct current, the charger 3 generates direct current power by full-wave rectifying the alternating current power supplied from the commercial power system and smoothing it with a filter.
  • CHAdeMO registered trademark
  • ChaoJi GB/T
  • Combo Combined Charging System
  • CHAdeMO, ChaoJi, and GB/T use CAN (Controller Area Network) as a communication method.
  • Combo uses PLC (Power Line Communication) as a communication method.
  • the charger 3 that supports quick charging has a DC/DC converter.
  • the DC/DC converter of the charger 3 controls the charging current or charging voltage during charging.
  • the charger 3 charges the battery pack 2 using a constant current constant voltage (hereinafter referred to as CCCV) method.
  • CCCV method CC charging of the battery pack 2 is started at a set current rate, and when the voltage of the battery pack 2 reaches a set target voltage, control is switched to CV charging of the battery pack 2 at the target voltage. It is a method.
  • the current rate used in the CC charging period and the voltage value used in the CV charging period are specified by the charging control system 10.
  • the AC/DC converter or DC/DC converter of the battery pack 2 controls the charging current or charging voltage during charging.
  • the current rate used in the CC charging period and the voltage value used in the CV charging period are notified from the charging control system 10 to the battery management section of the battery pack 2 via the charger 3.
  • the battery management unit of the battery pack 2 transmits battery data during charging to the charger 3.
  • Charger 3 transmits the received battery data to charging control system 10 .
  • the charging control system 10 is a system for controlling charging of a plurality of battery packs 2 managed by a business that operates a battery exchange station.
  • the charging control system 10 may be constructed, for example, on a server or PC installed at a business office where a battery exchange station is installed.
  • the charging control system 10 may be constructed on an in-house server installed in an in-house facility or a data center of an operator that provides battery analysis services to a plurality of operators.
  • the charging control system 10 may be constructed on a cloud server used by a delivery company, a taxi company, or a battery analysis company based on a cloud service contract.
  • the charging control system 10 may be constructed on a plurality of servers distributed and installed at a plurality of bases (data centers, company facilities).
  • the plurality of servers may be a combination of a plurality of in-house servers, a plurality of cloud servers, or a combination of an in-house server and a cloud server.
  • the charging control system 10 and the plurality of chargers 3 installed at the battery exchange station are connected via a network 5 (eg, wired/wireless LAN, Internet, dedicated line, VPN (Virtual Private Network), etc.).
  • a network 5 eg, wired/wireless LAN, Internet, dedicated line, VPN (Virtual Private Network), etc.
  • Each charger 3 transmits battery data acquired from the battery pack 2 to the charging control system 10 via the network 5.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the charging control system 10 according to the embodiment.
  • the charging control system 10 includes a processing section 11, a storage section 12, and a communication section 13.
  • the communication unit 13 is a communication interface (for example, NIC: Network Interface Card) for connecting to the network 5 by wire or wirelessly.
  • NIC Network Interface Card
  • the processing unit 11 includes an acquisition unit 111, a detection unit 112, a charging current changing unit 113, and a charging instruction unit 114.
  • the functions of the processing unit 11 can be realized by cooperation of hardware resources and software resources, or by only hardware resources.
  • Hardware resources include CPU, ROM, RAM, GPU (Graphics Processing Unit), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Program Mable Gate Array) and other LSIs can be used.
  • Programs such as operating systems and applications can be used as software resources.
  • the program is pre-recorded in the memory of the storage unit 12 here, it may also be provided via a telecommunications line such as the Internet or by being recorded on a (non-temporary) recording medium such as a memory card.
  • the storage unit 12 includes a nonvolatile recording medium such as an HDD or an SSD, and stores various data.
  • the storage unit 12 includes a battery data storage unit 121 and a charging current/voltage storage unit 122.
  • the acquisition unit 111 acquires the battery data of each battery pack 2 from each charger 3 and stores it in the battery data storage unit 121.
  • the charging current/voltage holding unit 122 stores the current rate used in the CC charging period and the voltage value used in the CV charging period when charging using the CCCV method for each battery pack 2 managed by the operator. Hold.
  • the battery pack 2 is managed by ID.
  • recommended values published by the battery manufacturer for each model may be used, or values determined by the operator may be used. may be used.
  • the current rate used during the CC charging period is determined within the rated current range of the battery pack 2, taking into consideration the balance between charging time and battery deterioration. In order to shorten the charging time, it is necessary to increase the current rate, which increases the burden on the battery. On the other hand, if a long charging time is acceptable, the current rate can be lowered and the load on the battery will be reduced.
  • the voltage value used during the CV charging period is determined according to the capacity of the battery pack 2 within the range of the rated voltage of the battery pack 2. Note that as the SOH (State of Health) of the battery decreases, the voltage value used during the CV charging period may be decreased.
  • the acquisition unit 111 acquires battery data when CCCV charging the battery pack 2 from the charger 3.
  • the acquisition unit 111 may acquire battery data during CCCV charging from the charger 3 in real time, or may acquire battery data during the CCCV charging period after charging is completed.
  • the acquired battery data includes the ID of the battery pack 2 and at least one of the current flowing through the battery pack 2 and the temperature of the battery pack 2.
  • the acquisition unit 111 stores the acquired battery data in the battery data storage unit 121.
  • the detection unit 112 detects an abnormal phenomenon in the cells in the battery pack 2 based on at least one of the current behavior and temperature behavior of the battery pack 2 during the CV charging period when CCCV charging the battery pack 2. .
  • the maximum temperature detected by a plurality of temperature sensors installed in the battery pack 2 may be used as the temperature.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of changes in voltage V, current I, and temperature T of a cell in which an internal short circuit event has occurred during CCCV charging. If the cell is in a normal state, the current I gradually decreases during the CV charging period. On the other hand, if an internal short circuit event occurs in the cell during the CV charging period, the current I will increase. Along with this, the temperature T of the cell rises rapidly. Note that the changes in voltage V, current I, and temperature T shown in FIG. 3 are merely examples, and the degree of change in current or temperature varies depending on the internal state of the cell. For example, there are cases where the current I does not increase, but decreases at a slower rate.
  • the short pause time is, for example, a pause time of about 20 minutes.
  • FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit model of a cell in which phenomenon 1 occurs.
  • the return of the electrolytic solution becomes slow, and the electrolytic solution becomes depleted, resulting in an increase in liquid resistance (phenomenon 1).
  • An increase in liquid resistance causes a decrease in current.
  • the negative electrode potential decreases due to an increase in liquid resistance (phenomenon 2).
  • FIG. 5 is a diagram showing a negative electrode model for explaining phenomena 3 to 4.
  • the negative electrode potential drops below the lithium potential, and a small amount of lithium is deposited on the negative electrode (phenomenon 3).
  • Lithium deposited on the negative electrode is inserted into the negative electrode during rest, and returns to the positive electrode during discharge. Most of the deposited lithium returns to the positive electrode during discharge, but some remains on the negative electrode.
  • Lithium remaining on the negative electrode during each charge and discharge reacts with the electrolyte and changes into SEI (Solid Electrolyte Interphase) (phenomenon 4).
  • SEI Solid Electrolyte Interphase
  • SEI grows by repeating this process. The growth of SEI causes an increase in resistance, which causes a decrease in current.
  • FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit model of the cell after phenomenon 4 occurs.
  • the SEI resistance of the negative electrode increases.
  • the long downtime is, for example, a downtime of about one hour.
  • the electrolyte returns to the positive electrode due to the long pause time (phenomenon 5).
  • FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit model of the cell after phenomenon 5 occurs.
  • the liquid resistance of the positive electrode decreases.
  • the negative electrode potential further decreases in order to maintain the target voltage (for example, 4.2 V) during CV charging (phenomenon 6).
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship between the positive electrode potential, negative electrode potential, and SOC of the cell.
  • the horizontal axis shows the SOC
  • the vertical axis shows the positive electrode potential and negative electrode potential.
  • the positive electrode potential increases as the SOC increases
  • the negative electrode potential decreases as the SOC increases.
  • the negative electrode potential decreases due to an increase in liquid resistance due to a shortage of electrolyte (phenomenon 2).
  • phenomenon 6 As the liquid resistance of the positive electrode decreases, the positive electrode potential and negative electrode potential decrease to the same extent (phenomenon 6). In this state, lithium is likely to precipitate, and the current increases.
  • FIG. 9 is a diagram showing a cell model for explaining phenomena 7 to 10.
  • the following phenomena 7 to 9 occur repeatedly, causing an internal short circuit event. Since the negative electrode potential is greatly reduced and the current is increased, a large amount of lithium is deposited on the SEI (phenomenon 7). More lithium is deposited than that deposited in phenomenon 3.
  • the precipitated lithium short-circuits the positive and negative electrodes, causing short-circuit current to flow and generate heat (phenomenon 8).
  • Lithium that comes into contact with the positive electrode is oxidized and becomes lithium ions.
  • Lithium ions are deposited on the negative electrode, and the short circuit disappears (phenomenon 9).
  • the detection unit 112 detects an internal short circuit event by detecting a temperature rise in the cell that exceeds the amount of heat generated by the charging current during the CV charging period of the battery pack 2. More specifically, during the CV charging period, the detection unit 112 determines the ratio between the cumulative amount of current flowing through the cells in the battery pack 2 during a certain period, the temperature rise of the cells in the battery pack 2 during the certain period, and a predetermined value. An internal short circuit event of a cell in the battery pack 2 is detected by comparing the threshold values.
  • the amount of heat generated by the charging current Q is determined by the following formula (1).
  • the detection unit 112 determines that an internal short circuit event has occurred in the cells in the battery pack 2 when the determination score obtained by ( ⁇ T/I 2 ⁇ t) exceeds a predetermined threshold value.
  • the predetermined threshold value is set in advance based on the results of experiments and simulations.
  • the detection unit 112 When the detection unit 112 detects an internal short-circuit event in a cell in the battery pack 2 during the current CCCV charging, the detection unit 112 identifies the SOC of the battery pack 2 at the time when the internal short-circuit event is detected. The detection unit 112 stores the detected SOC in the charging current/voltage holding unit 122.
  • the charging current changing unit 113 changes the current rate to be used during the CC charging period when the battery pack 2 is CCCV charged next time. , ⁇ (0 ⁇ 1) times the value. That is, the charging current changing unit 113 reduces the current rate during the CC charging period during the next charging by a certain ratio.
  • a lower limit is set for the current rate. For example, it is set to a range of 0.1 to 0.5 times the default current rate set in advance. The lower the current rate, the longer the charging time.
  • the business operator can set or change the lower limit of the current rate to an arbitrary value in consideration of the operational status of the battery pack 2.
  • the charging current changing unit 113 stores the changed current rate in the charging current/voltage holding unit 122.
  • the changed current rate is used as the current rate after the SOC of the battery pack 2 reaches the SOC at the time when the internal short-circuit event is detected, when the battery pack 2 is CCCV charged next time. Before reaching that SOC, the default current rate is used.
  • the charging current changing unit 113 changes the current rate to be used during the CC charging period when the battery pack 2 is next CCCV charged. is changed to a value multiplied by ⁇ (1 ⁇ (2- ⁇ )). That is, the charging current changing unit 113 increases the current rate during the CC charging period during the next charging by a certain ratio. Charging current changing unit 113 increases the current rate when no internal short circuit event is detected at a rate smaller than the rate at which it decreases when an internal short circuit event is detected. The upper limit of the current rate is set to the default current rate. The charging current changing unit 113 stores the changed current rate in the charging current/voltage holding unit 122.
  • the charging current changing unit 113 may reduce the ratio ⁇ used when lowering the current rate, the larger the determination score calculated by the detecting unit 112 is than the threshold value. For example, within the range of 0.99 to 0.50, the charging current changing unit 113 sets ⁇ to a value closer to 0.50 as the determination score is larger than the threshold value.
  • the relationship between the judgment score and ⁇ is defined by a map or a function. The relationship between the determination score and ⁇ may be set linearly or nonlinearly. Note that the relationship between the temperature increase rate, the current rate, and ⁇ is defined in advance in a map, and the charging current changing unit 113 determines the ratio ⁇ by referring to the map based on the temperature increase rate and the current current rate. It's okay.
  • the higher the rate of temperature rise the smaller the value of ⁇ is defined.
  • the ratio ⁇ the relationship between the temperature increase rate, the current rate, and ⁇ is defined in advance in a map, and the charging current changing unit 113 refers to the map based on the temperature increase rate and the current current rate, and A ratio ⁇ may also be determined. For example, the lower the temperature increase rate, the larger the value of ⁇ is defined.
  • the acquisition unit 111 acquires the pack ID of the battery pack 2 to be charged from the charger 3 when the charger 3 charges the battery pack 2.
  • the charging instruction unit 114 refers to the charging current/voltage holding unit 122 based on the acquired pack ID and acquires charging information of the battery pack 2 to be charged.
  • the charging information includes the default current rate used during the CC charging period of the battery pack 2 to be charged, the SOC for switching from the default current rate to the limited current rate, the current rate after the limitation, and the current rate used during the CV charging period. Contains the voltage value.
  • the charging instruction unit 114 notifies the charger 3 of a charging instruction including charging information.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a specific example of current rate update processing by the charging control system 10 according to the embodiment.
  • the acquisition unit 111 acquires battery data during CCCV charging from the charger 3 that has CCCV-charged the battery pack 2 (S10).
  • the detection unit 112 determines whether an internal short circuit event has occurred in a cell in the battery pack 2 during the CV charging period, based on the battery data during the CV charging period (S11).
  • the detection unit 112 specifies the SOC of the battery pack 2 at the time the internal short circuit event is detected, and stores it in the charging current/voltage holding unit 122 (S12).
  • the charging current changing unit 113 multiplies the current rate by 0.9 and stores the changed current rate in the charging current/voltage holding unit 122 (S13).
  • the charging current changing unit 113 compares the changed current rate with the lower limit value (S14). If the current rate after the change is below the lower limit value (Y in S14), the charging current changing unit 113 sets the target battery pack 2 to be prohibited from charging (S15), and sets the charging current rate to prohibit charging for the battery pack 2. - Save in voltage holding unit 122. After the storage, the current rate update process ends. If the changed current rate is not below the lower limit (N in S14), the current rate update process is ended.
  • step S11 If an internal short circuit event is not detected in step S11 (N in S11), the charging current changing unit 113 multiplies the current rate by 1.05 and stores the changed current rate in the charging current/voltage holding unit 122. (S16).
  • the charging current changing unit 113 compares the changed current rate and the default current rate (S17). If the changed current rate exceeds the default current rate (Y in S17), the charging current changing unit 113 changes the current rate to the default current rate, and sets the changed current rate to the charging current/voltage holding unit. 122 (S18). After the storage, the current rate update process ends. If the changed current rate does not exceed the default current rate (N in S17), the current rate update process ends.
  • charging control that reduces the current rate when an internal short circuit event is detected.
  • charging control may be performed to reduce the voltage value used during the CV charging period.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a specific example of the process of updating the voltage value used during the CV charging period by the charging control system 10 according to the embodiment.
  • the acquisition unit 111 acquires battery data during CCCV charging from the charger 3 that has CCCV-charged the battery pack 2 (S20).
  • the detection unit 112 determines whether an internal short circuit event has occurred in a cell in the battery pack 2 during the CV charging period, based on the battery data during the CV charging period (S21).
  • the detection unit 112 identifies the SOC of the battery pack 2 at the time the internal short circuit event is detected. Based on the identified SOC, the detection unit 112 refers to the SOC-OCV curve of the battery pack 2 and identifies the OCV of the battery pack 2 at the time when the internal short circuit event is detected (S22).
  • the charging voltage changing unit (not shown) changes the voltage value used during the CV charging period (hereinafter referred to as target voltage value) to the specified OCV, and applies the changed target voltage value to the charging current/voltage holding unit. 122. After the storage, the target voltage value update process ends.
  • the charging voltage changing unit multiplies the target voltage value by 1.05 and stores the changed target voltage value in the charging current/voltage holding unit 122. (S24). Note that 1.05 times is just an example, and the target voltage value may be increased at a ratio other than 1.05 times.
  • the charging voltage changing unit compares the changed target voltage value with the default target voltage value (S25). If the target voltage value after the change exceeds the default target voltage value (Y in S25), the charging voltage changing unit changes the target voltage value to the default target voltage value, and sets the target voltage value after the change to the charging current. - Save in the voltage holding unit 122 (S26). After the storage, the target voltage value update process ends. If the changed target voltage value does not exceed the default target voltage value (N in S25), the target voltage value update process ends.
  • the detection unit 112 determines that the ratio between the cumulative amount of current flowing through the cells in the battery pack 2 for a certain period and the temperature rise of the cells in the battery pack 2 for the certain period is the threshold value during the CV charging period. An internal short circuit event was detected based on whether the In this regard, an internal short circuit event may be detected simply as described below.
  • the detection unit 112 may detect an internal short circuit event based on whether the temperature of the cells in the battery pack 2 during the CV charging period exceeds a threshold value (for example, 50° C.). The detection unit 112 may also detect an internal short circuit event based on whether the rate of temperature increase of the cells in the battery pack 2 during the CV charging period exceeds a threshold value. The detection unit 112 may also detect an internal short circuit event based on whether the current flowing through the cells in the battery pack 2 increases for a certain period of time or more during the CV charging period.
  • a threshold value for example, 50° C.
  • the current rate is reduced by a certain ratio instead of uniformly prohibiting the use of the battery pack 2.
  • the battery pack 2 can be used for as long as possible while ensuring safety, the cost of replacing the battery pack 2 can be reduced.
  • This embodiment can also deal with an abnormality in which the current or temperature suddenly increases due to factors other than lithium precipitation (for example, foreign matter contamination).
  • charging control that reduces the current rate is more advantageous in terms of operating costs than charging control that reduces the target voltage value. Charging control that lowers the current rate does not reduce the chargeable capacity, and therefore does not increase the number of charging cycles.
  • the cell temperature does not drop in a short period of time. Therefore, in the case of the air-cooled battery pack 2, if there is an unnatural temperature rise during CV charging, there is a high possibility that an internal short circuit event will occur.
  • an increase in cell temperature due to an internal short-circuit event may be canceled out by the liquid-cooled cooler.
  • the temperature may be corrected based on the cooling capacity of the cooler, and an internal short circuit event may be detected using the corrected temperature.
  • an internal short circuit event is detected by detecting at least one of an increase in current or a sudden rise in temperature during CV charging.
  • an internal short circuit event can also be detected by detecting at least one of an increase in current or a sudden rise in temperature during low rate CC charging.
  • the charging control system 10 may be incorporated into a battery management unit (BMU) within the battery pack 2. Further, the charging control system 10 may be incorporated into the charger 3.
  • BMU battery management unit
  • the charging control system 10 is not limited to managing the charging rate of the battery pack 2 mounted on the electric vehicle 1.
  • it can be applied to managing the charging rate of battery packs installed in electric ships, multicopters (drones), electric motorcycles, electric bicycles, stationary power storage systems, smartphones, tablets, notebook PCs, and the like.
  • the charging current changing unit (113) changes the current rate when charging the battery (2) next time to ⁇ (1 ⁇ ⁇
  • the charging control system (10) according to item 1, wherein the charging control system changes to a value multiplied by ⁇ (2- ⁇ )).
  • the detection unit (112) identifies the SOC (State of Charge) of the battery (2) at the time when the abnormal phenomenon of the battery (2) is detected;
  • the changed current rate is used as the current rate after the SOC of the battery (2) reaches the SOC at the time when the abnormal phenomenon is detected, when the battery (2) is charged next time.
  • the charging control system (10) according to item 1.
  • the extension of charging time can be kept to a minimum.
  • the detection unit (112) compares a predetermined threshold value with a ratio between an integrated amount of current flowing through the battery (2) over a certain period of time and a temperature rise of the battery (2) during the certain period of time during a charging period.
  • the charging control system (10) according to item 1, wherein the charging control system (10) detects an abnormal phenomenon of the battery (2).
  • the reduction rate of the current rate can be optimized.
  • the rate of increase in the current rate can be optimized.
  • [Item 7] acquiring battery data including at least one of the current flowing through the battery (2) and the temperature of the battery (2) when charging the battery (2); detecting an abnormal phenomenon in the battery (2) based on at least one of the current behavior and the temperature behavior when charging the battery (2); If an abnormal phenomenon in the battery (2) is detected, changing the current rate for charging the battery (2) next time to a value multiplied by ⁇ (0 ⁇ 1);
  • a charging control method comprising:
  • [Item 8] a process of acquiring battery data including at least one of the current flowing through the battery (2) and the temperature of the battery (2) when charging the battery (2); A process of detecting an abnormal phenomenon of the battery (2) based on at least one of the behavior of the current and the behavior of the temperature when charging the battery (2); If an abnormal phenomenon in the battery (2) is detected, changing the current rate for charging the battery (2) next time to a value multiplied by ⁇ (0 ⁇ 1); A charging control program that causes a computer to execute.

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Abstract

充電制御システムにおいて、取得部は、電池を充電する際の、電池に流れる電流および電池の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得する。検知部は、電池を充電する際における、電流の挙動および温度の挙動の少なくとも一方をもとに、電池の異常現象を検知する。充電電流変更部は、電池の異常現象が検知された場合、電池を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する。

Description

充電制御システム、充電制御方法および充電制御プログラム、充電制御プログラムが記載された記録媒体
 本開示は、電池パックを充電する際の電流レートを管理する充電制御システム、充電制御方法および充電制御プログラムに関する。
 近年、リチウムイオン電池が様々な用途に使用されている。リチウムイオン電池では、リチウム析出に起因する異常を検出すると、一律で、リチウムイオン電池セルもしくは電池パック(複数のリチウム電池セルを含む)の使用を禁止する制御を行っているものが多い。セルまたはパックの使用を禁止することで、未然に、発火などの不安全事象を防止している。例えば、特許文献1には、検出した電池電圧が第1の電圧未満の場合に、充電不能電池と判断し、充電を停止する制御方法が開示されている。
特開2009-254215号公報
 しかしながら、異常判定用の閾値を用いて電池の異常の有無を判定し、異常が検出された場合に電池の使用を禁止する方法には、以下のような課題がある。異常判定用の閾値が緩い値に設定されている場合、電池に軽度な異常が発生していても、そのまま使用されることになり、その間にリチウム析出が加速し、電池の寿命が縮む場合がある。反対に、異常判定用の閾値が厳しい値に設定されている場合、使い方によってはまだ安全に使える電池でも、使用不可となり、電池の製品としてのコストパフォーマンスが低下する。
 本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、安全性を確保しながら、電池のコストパフォーマンスの低下を抑える技術を提供することにある。
 上記課題を解決するために、本開示のある態様の充電制御システムは、電池を充電する際の、前記電池に流れる電流および前記電池の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得する取得部と、前記電池を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池の異常現象を検知する検知部と、前記電池の異常現象が検知された場合、前記電池を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する充電電流変更部と、を備える。
 なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本開示の表現を装置、システム、方法、コンピュータプログラム、記録媒体などの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
 本開示によれば、安全性を確保しながら、電池のコストパフォーマンスの低下を抑えることができる。
実施の形態に係る充電制御システムが使用される電池交換ステーションの概略構成を示す図を示す図である。 実施の形態に係る充電制御システムの構成例を示す図である。 CCCV充電時において、内部短絡事象が発生したセルの電圧、電流、温度の推移例を示す図である。 現象1が生じたセルの等価回路モデルを示す図である。 現象3~現象4を説明するための負極モデルを示す図である。 現象4が生じた後のセルの等価回路モデルを示す図である。 現象5が生じた後のセルの等価回路モデルを示す図である。 セルの正極電位と負極電位とSOCの関係の一例を示す図である。 現象7~現象10を説明するためのセルモデルを示す図である。 実施の形態に係る充電制御システムによる電流レート更新処理の具体例を示すフローチャートである。 実施の形態に係る充電制御システムによるCV充電期間に使用される電圧値の更新処理の具体例を示すフローチャートである。
 図1は、実施の形態に係る充電制御システム10が使用される電池交換ステーションの概略構成を示す図を示す。電池交換ステーションは例えば、配送事業者やタクシー事業者の営業拠点に設置される。事業者は当該営業拠点において、複数の電動車両1、複数の電池パック2、複数の充電器3を管理・運用している。複数の電池パック2は着脱自在な交換式の電池パックであり、電動車両1の数より多く用意されている。
 電池パック2は電動車両1の底面に装着される。電動車両1を交換台の所定の位置に停車させると、交換台の下に設置された交換装置(不図示)は、電動車両1の底面から使用済みの電池パック2を取り外し、充電済みの電池パック2を装着する。交換台の下には、電池パック2を搬送するためのベルトコンベアが設置されている。使用済みの電池パック2はベルトコンベアにより充電器3の位置に搬送される。充電器3で充電された充電済みの電池パック2は、ベルトコンベアで各交換台の位置まで搬送される。電動車両1は通常、5分程度で電池パック2を交換することができ、ガソリン車の給油時間と同程度で走行を再開できる。
 各充電器3は少なくとも一つの充電スロットを有し、電池パック2が装着されると、電池パック2を充電する。なお、充電器3と電池パック2は充電ケーブルで接続されてもよい。
 電池パック2は複数のセルと電池管理部(BMU)を含む。電池パック2内において、複数のセルは直列接続されて構成される。または、複数のセルが並列接続されて構成される並列セルブロックが複数、直列接続されて構成されてもよい。セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セルなどを用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル(公称電圧:3.6-3.7V)を使用する例を想定する。セルまたは並列セルブロックの直列数は、電動車両1に搭載されたモータの駆動電圧に応じて決定される。
 電池管理部は、電池パック2に含まれる複数のセルまたは複数の並列セルブロックの電圧、電流、温度、SOC(State Of Charge)を監視・計測する。直列接続された複数のセルまたは複数の並列セルブロックと直列に、シャント抵抗が接続される。シャント抵抗は電流検出素子として機能する。なお、シャント抵抗の代わりにホール素子を用いてもよい。電池パック2内に、複数のセルまたは複数の並列セルブロックの温度を検出するための複数の温度センサ(例えば、サーミスタ)が設置される。温度センサは例えば、6~8個のセルまたは並列セルブロックに、一つ設けられてもよい。
 電池管理部は、OCV(Open Circuit Voltage)法と電流積算法を組み合わせて、SOCを推定する。OCV法は、計測される各セルのOCVと、セルのSOC-OCVカーブをもとにSOCを推定する方法である。電流積算法は、各セルの充放電開始時のOCVと、計測される電流の積算値をもとにSOCを推定する方法である。電流積算法は、充放電時間が長くなるにつれて、電流の計測誤差が累積していく。したがって、OCV法により推定されたSOCを用いて、電流積算法により推定されたSOCを補正することが好ましい。
 電池管理部は、複数のセルまたは複数の並列セルブロックの電圧、電流、温度、SOCを定期的(例えば、10秒間隔)にサンプリングし、電池パック2の電池データとして蓄積する。なお電池管理部は、電池パック2内に設置された複数の温度センサで検出された複数の温度の内、最高温度と最低温度の2つを記録してもよい。
 充電器3は商用電力系統(不図示)に接続され、電池パック2を充電する。一般的に、普通充電の場合は交流で、急速充電の場合は直流で充電される。交流(例えば、単相100/200V)で充電される場合、電池パック2内のAC/DCコンバータにより、交流電力が直流電力に変換される。直流で充電される場合、充電器3は、商用電力系統から供給される交流電力を全波整流し、フィルタで平滑化することにより直流電力を生成する。
 急速充電規格として例えば、CHAdeMO(登録商標)、ChaoJi、GB/T、Combo(Combined Charging System)を使用することができる。CHAdeMO2.0では、最大出力(仕様)が1000V×400A=400kWと規定されている。CHAdeMO3.0では、最大出力(仕様)が1500V×600A=900kWと規定されている。ChaoJiでは、最大出力(仕様)が1500V×600A=900kWと規定されている。GB/Tでは、最大出力(仕様)が750V×250A=185kWと規定されている。Comboでは、最大出力(仕様)が900V×400A=350kWと規定されている。CHAdeMO、ChaoJi、GB/Tでは、通信方式としてCAN(Controller Area Network)が採用されている。Comboでは、通信方式としてPLC(Power Line Communication)が採用されている。
 急速充電に対応する充電器3は、DC/DCコンバータを有する。急速充電時において、充電器3のDC/DCコンバータは、充電時の充電電流または充電電圧を制御する。本実施の形態では、充電器3は定電流定電圧(以下、CCCVと表記する)方式で電池パック2を充電する。CCCV方式は、設定された電流レートで電池パック2のCC充電を開始し、電池パック2の電圧が、設定された目標電圧に到達すると、当該目標電圧で電池パック2をCV充電する制御に切り替える方式である。本実施の形態では、CC充電期間に使用される電流レートと、CV充電期間に使用される電圧値が、充電制御システム10から指定される。
 普通充電の場合、電池パック2のAC/DCコンバータまたはDC/DCコンバータが、充電時の充電電流または充電電圧を制御する。この場合、CC充電期間に使用される電流レートと、CV充電期間に使用される電圧値は、充電制御システム10から充電器3を経由して、電池パック2の電池管理部に通知される。電池パック2の電池管理部は、充電時の電池データを充電器3に送信する。充電器3は、受信した電池データを充電制御システム10に送信する。
 充電制御システム10は、電池交換ステーションを運営する事業者が管理する複数の電池パック2の充電制御を行うためのシステムである。充電制御システム10は例えば、電池交換ステーションが設置された営業拠点に設置されているサーバまたはPC上に構築されてもよい。また、充電制御システム10は、複数の事業者に電池分析サービスを提供している事業者の自社施設またはデータセンタに設置された自社サーバ上に構築されてもよい。また、充電制御システム10は、クラウドサービス契約に基づき、配送事業者、タクシー事業者または電池分析事業者が利用するクラウドサーバ上に構築されてもよい。また、充電制御システム10は、複数の拠点(データセンタ、自社施設)に分散して設置された複数のサーバ上に構築されてもよい。当該複数のサーバは、複数の自社サーバの組み合わせ、複数のクラウドサーバの組み合わせ、自社サーバとクラウドサーバの組み合わせのいずれであってもよい。
 充電制御システム10と、電池交換ステーションに設置された複数の充電器3はネットワーク5(例えば、有線/無線LAN、インターネット、専用線、VPN(Virtual Private Network)など)で接続される。各充電器3は、電池パック2から取得した電池データを、ネットワーク5を介して充電制御システム10に送信する。
 図2は、実施の形態に係る充電制御システム10の構成例を示す図である。充電制御システム10は、処理部11、記憶部12、通信部13を備える。通信部13は、有線または無線によりネットワーク5に接続するための通信インタフェース(例えば、NIC:Network Interface Card)である。
 処理部11は、取得部111、検知部112、充電電流変更部113および充電指示部114を含む。処理部11の機能はハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源として、CPU、ROM、RAM、GPU(Graphics Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーションなどのプログラムを利用できる。プログラムは、ここでは記憶部12のメモリに予め記録されているが、インターネット等の電気通信回線を通じて、又はメモリカード等の(非一時的な)記録媒体に記録されて提供されてもよい。
 記憶部12は、HDD、SSDなどの不揮発性の記録媒体を含み、各種データを記憶する。記憶部12は、電池データ保持部121および充電電流・電圧保持部122を含む。
 取得部111は、各充電器3から各電池パック2の電池データを取得して、電池データ保持部121に保存する。
 充電電流・電圧保持部122は、事業者が管理している電池パック2ごとに、CCCV方式で充電する際の、CC充電期間に使用される電流レートおよびCV充電期間に使用される電圧値を保持する。電池パック2はIDにより管理される。CC充電期間に使用されるデフォルトの電流レートおよびCV充電期間に使用されるデフォルトの電圧値には、電池メーカが型式ごとに公表している推奨値が使用されてもよいし、事業者により決定された値が使用されてもよい。
 CC充電期間に使用される電流レートは、電池パック2の定格電流の範囲内において、充電時間と電池劣化のバランスを考慮して決定される。充電時間を短くする場合、電流レートを上げる必要があり、電池への負担が大きくなる。反対に、充電時間が長くてもよい場合、電流レートを下げることができ、電池への負担が軽くなる。
 CV充電期間に使用される電圧値は、電池パック2の定格電圧の範囲内において、電池パック2の容量に応じて決定される。なお、電池のSOH(State Of Health)の低下に伴い、CV充電期間に使用される電圧値を低下させていってもよい。
 取得部111は、電池パック2をCCCV充電する際の電池データを、充電器3から取得する。取得部111は、充電器3からCCCV充電中の電池データをリアルタイムに取得してもよいし、充電完了後にCCCV充電期間の電池データを取得してもよい。取得する電池データには、電池パック2のIDが含まれるとともに、電池パック2に流れる電流および電池パック2の温度の少なくとも一方が含まれる。取得部111は、取得した電池データを電池データ保持部121に保存する。
 検知部112は、電池パック2をCCCV充電する際のCV充電期間における、電池パック2の電流の挙動および温度の挙動の少なくとも一方をもとに、電池パック2内のセルの異常現象を検知する。当該温度として例えば、電池パック2内に設置された複数の温度センサで検出された最高温度が使用されてもよい。
 本実施の形態では、電池パック2内のセルの異常現象として、リチウム析出による微小な内部短絡事象に注目する。内部短絡事象が発生すると、CV充電時に電流が増加または電流の減少幅が低下し、温度が急激に上昇する。
 図3は、CCCV充電時において、内部短絡事象が発生したセルの電圧V、電流I、温度Tの推移例を示す図である。セルが正常な状態であれば、CV充電期間中は電流Iが徐々に低下していく。これに対して、CV充電期間中にセルに内部短絡事象が発生すると、電流Iが増加する。これに伴いセルの温度Tが急激に上昇する。なお図3に示した電圧V、電流I、温度Tの推移は一例であり、セルの内部状態により電流または温度の変化の程度は異なる。例えば、電流Iが増加まではせず、減少速度が緩やかになる場合もある。
 次に内部短絡事象発生のメカニズムを説明する。休止時間が短い充放電を繰り返すと、下記の現象1~現象4が生じる。短い休止時間とは例えば、20分程度の休止時間である。
 図4は、現象1が生じたセルの等価回路モデルを示す図である。休止時間が短い充放電を繰り返すと、電解液の戻りが遅くなり、電解液が欠乏することで液抵抗が増加する(現象1)。液抵抗の増加は電流減少の要因になる。液抵抗の増加により負極電位が低下する(現象2)。
 図5は、現象3~現象4を説明するための負極モデルを示す図である。充電末期に負極電位がリチウム電位を下回り、負極上にリチウムが少量析出する(現象3)。負極上に析出したリチウムは、休止中に負極に挿入するとともに、放電中に正極に戻る。析出したリチウムの大半は放電時に正極へ戻るが、一部が負極上に残る。充放電ごとに負極上に残るリチウムが、電解液と反応してSEI(Solid Electrolyte Interphase)に変化する(現象4)。このような過程を繰り返すことでSEIが成長する。SEIの成長は抵抗増加を招き、電流減少の要因になる。
 図6は、現象4が生じた後のセルの等価回路モデルを示す図である。現象4が生じた後のセルでは、負極のSEI抵抗が増加する。
 充放電の間に長い休止時間を挟むことで、下記の現象5~現象6が生じる。長い休止時間とは例えば、1時間程度の休止時間である。長い休止時間により電解液が正極に戻る(現象5)。
 図7は、現象5が生じた後のセルの等価回路モデルを示す図である。現象5が生じた後のセルでは、正極の液抵抗が減少する。正極の内部抵抗の減少に伴い正極電位が低下すると、CV充電時の目標電圧(例えば、4.2V)を維持するために、負極電位がさらに低下する(現象6)。
 図8は、セルの正極電位と負極電位とSOCの関係の一例を示す図である。横軸はSOCを示し、縦軸は正極電位と負極電位を示す。正極電位はSOCが増加するほど上昇し、負極電位はSOCが増加するほど低下する。上述したように電解液の不足に伴う液抵抗の増加により、負極電位が低下する(現象2)。正極の液抵抗が減少することにより、正極電位と負極電位が同程度、低下する(現象6)。この状態は、リチウムが析出しやすい状態であり、電流が増加する。
 図9は、現象7~現象10を説明するためのセルモデルを示す図である。充電することで、下記の現象7~現象9が繰り返し発生し、内部短絡事象が生じる。負極電位が大きく低下し、電流が増加しているため、SEI上に多くのリチウムが析出する(現象7)。現象3で析出するリチウムより多くのリチウムが析出する。
 析出したリチウムで正極と負極が短絡し、短絡電流が流れることで発熱する(現象8)。正極に接触したリチウムが酸化されてリチウムイオンとなる。リチウムイオンが負極上に析出し、短絡が消える(現象9)。充電を止めると、リチウム析出が停止するため、短絡による発熱が止まる(現象10)。
 以上に説明した内部短絡事象を外部から検知するために、CV充電中の電流の増加またはCV充電中の急激な温度上昇の少なくとも一方を検知することが考えられる。セルに微小短絡が発生すると、コンバータがCV充電用の目標電圧を維持しようと動作するため、電流が増加する。また、微小短絡によりセル全体が均一に発熱する。
 内部短絡事象の検知を阻害する要因として、以下が挙げられる。
(a)軽度な内部短絡の場合、電流が増加せず、減少速度の低下に留まる。
(b)CV充電が総電圧基準で実行された場合、内部短絡事象が発生しても電流が増加しない。
(c)CV充電中に、再度CC充電に戻る。その場合、内部短絡事象が発生していなくても電流が増加する。
(d)CV充電中に、電流がハンチングする。
(e)外部熱源(例えば、ヒータ)による加温により、電池温度が急激に上昇する。
(f)クーラによる冷却により、電池温度の上昇が抑制される。
 以下、信頼性の高い内部短絡事象の検知方法を説明する。検知部112は、電池パック2のCV充電期間において、充電電流による発熱量を超えるセルの温度上昇を検出することで、内部短絡事象を検知する。より具体的には検知部112は、CV充電期間において、電池パック2内のセルに一定期間に流れる電流の積算量と、一定期間における電池パック2内のセルの温度上昇との比率と、所定の閾値を比較して、電池パック2内のセルの内部短絡事象を検知する。
 充電電流による発熱量Qは、下記式(1)で求められる。
 Q=I×R×Δt ・・・(式1)
 Q:発熱量[J]
 Δt:ΔTの温度上昇に要する時間[s]
 I:Δt期間の平均電流[A]
 R:内部抵抗[Ω]
 温度センサで計測された温度から推定されるセルの発熱量Qは、下記式(式2)で求められる。
 Q=C×ΔT ・・・(式2)
 Q:発熱量[J]
 C:セルの熱容量[J/K]
 ΔT:Δt期間に上昇した温度[℃]
 検知部112は、(ΔT/I×Δt)で求められる判定スコアが、所定の閾値を超えたとき電池パック2内のセルに内部短絡事象が発生していると判定する。所定の閾値は、実験やシミュレーションの結果にもとづき予め設定される。
 検知部112は、今回のCCCV充電において、電池パック2内のセルに内部短絡事象を検知した場合、内部短絡事象を検知した時点の電池パック2のSOCを特定する。検知部112は、検知したSOCを充電電流・電圧保持部122に保存する。
 充電電流変更部113は、今回のCCCV充電において、電池パック2内のセルに内部短絡事象が検知された場合、当該電池パック2を次回、CCCV充電する際のCC充電期間に使用する電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する。すなわち充電電流変更部113は、次回の充電時のCC充電期間の電流レートを一定比率、低下させる。電流レートには下限が設定される。例えば、予め設定されているデフォルトの電流レートの0.1~0.5倍の範囲に設定される。電流レートが低くなるほど充電時間が長くなる。事業者は、電池パック2の運用状況に鑑み、電流レートの下限を、任意の値に設定または変更することができる。充電電流変更部113は、変更後の電流レートを充電電流・電圧保持部122に保存する。
 変更後の電流レートは、当該電池パック2を次回CCCV充電する際において、当該電池パック2のSOCが内部短絡事象を検知した時点のSOCに到達後の電流レートとして使用される。当該SOCに到達する前は、デフォルトの電流レートが使用される。
 充電電流変更部113は、今回のCCCV充電において、電池パック2内のセルに内部短絡事象が検知されなかった場合、当該電池パック2を次回、CCCV充電する際のCC充電期間に使用する電流レートを、β(1<β<(2-α))倍した値に変更する。すなわち充電電流変更部113は、次回の充電時のCC充電期間の電流レートを一定比率、上昇させる。充電電流変更部113は、内部短絡事象が検知されなかった場合の電流レートを、内部短絡事象が検知された場合に低下させた比率より小さな比率で、上昇させる。電流レートの上限は、デフォルトの電流レートに設定される。充電電流変更部113は、変更後の電流レートを充電電流・電圧保持部122に保存する。
 充電電流変更部113は、検知部112で算出された判定スコアが上記閾値より大きいほど、電流レートを低下させる際に使用する比率αを小さくしてもよい。充電電流変更部113は例えば、0.99~0.50の範囲内において、判定スコアが上記閾値より大きいほど、αを0.50に近い値に設定する。判定スコアとαの関係は、マップまたは関数で定義される。判定スコアとαの関係は、線形に設定されてもよいし、非線形に設定されてもよい。なお、温度上昇率と電流レートとαの関係を予めマップに定義し、充電電流変更部113は、温度上昇率と現在の電流レートをもとに当該マップを参照して、比率αを決定してもよい。例えば、温度上昇率が高いほどαの値が小さく定義される。比率βについても同様に、温度上昇率と電流レートとβの関係を予めマップに定義し、充電電流変更部113は、温度上昇率と現在の電流レートをもとに当該マップを参照して、比率βを決定してもよい。例えば、温度上昇率が低いほどβの値が大きく定義される。
 取得部111は、充電器3が電池パック2を充電する際、充電器3から、充電する電池パック2のパックIDを取得する。充電指示部114は、取得されたパックIDをもとに充電電流・電圧保持部122を参照して、充電する電池パック2の充電情報を取得する。
 当該充電情報には、充電する電池パック2のCC充電期間に使用されるデフォルトの電流レート、デフォルトの電流レートから制限された電流レートに切り替えるSOC、制限後の電流レート、およびCV充電期間に使用される電圧値が含まれる。充電指示部114は、充電情報を含む充電指示を充電器3に通知する。
 図10は、実施の形態に係る充電制御システム10による電流レート更新処理の具体例を示すフローチャートである。取得部111は、電池パック2をCCCV充電した充電器3から、CCCV充電時の電池データを取得する(S10)。検知部112は、CV充電期間の電池データをもとに、CV充電期間に電池パック2内のセルに内部短絡事象が発生したか否か判定する(S11)。
 内部短絡事象が検知された場合(S11のY)、検知部112は、内部短絡事象を検知した時点の電池パック2のSOCを特定し、充電電流・電圧保持部122に保存する(S12)。充電電流変更部113は、電流レートを0.9倍し、変更後の電流レートを充電電流・電圧保持部122に保存する(S13)。
 充電電流変更部113は、変更後の電流レートと下限値を比較する(S14)。変更後の電流レートが下限値を下回った場合(S14のY)、充電電流変更部113は、対象の電池パック2を充電禁止に設定し(S15)、当該電池パック2の充電禁止を充電電流・電圧保持部122に保存する。当該保存後、電流レートの更新処理を終了する。変更後の電流レートが下限値を下回っていない場合(S14のN)、電流レートの更新処理を終了する。
 ステップS11において内部短絡事象が検知されなかった場合(S11のN)、充電電流変更部113は、電流レートを1.05倍し、変更後の電流レートを充電電流・電圧保持部122に保存する(S16)。
 充電電流変更部113は、変更後の電流レートとデフォルトの電流レートを比較する(S17)。変更後の電流レートがデフォルトの電流レートを上回った場合(S17のY)、充電電流変更部113は、電流レートをデフォルトの電流レートに変更し、変更後の電流レートを充電電流・電圧保持部122に保存する(S18)。当該保存後、電流レートの更新処理を終了する。変更後の電流レートがデフォルトの電流レートを上回っていない場合(S17のN)、電流レートの更新処理を終了する。
 以上の説明では、内部短絡事象が検知された際、電流レートを低下させる充電制御を説明した。この点、内部短絡事象が検知された際、CV充電期間に使用される電圧値を低下させる充電制御を行ってもよい。
 図11は、実施の形態に係る充電制御システム10によるCV充電期間に使用される電圧値の更新処理の具体例を示すフローチャートである。取得部111は、電池パック2をCCCV充電した充電器3から、CCCV充電時の電池データを取得する(S20)。検知部112は、CV充電期間の電池データをもとに、CV充電期間に電池パック2内のセルに内部短絡事象が発生したか否か判定する(S21)。
 内部短絡事象が検知された場合(S21のY)、検知部112は、内部短絡事象を検知した時点の電池パック2のSOCを特定する。検知部112は、特定したSOCをもとに当該電池パック2のSOC-OCVカーブを参照して、内部短絡事象を検知した時点の当該電池パック2のOCVを特定する(S22)。
 充電電圧変更部(不図示)は、CV充電期間に使用される電圧値(以下、目標電圧値という)を、特定されたOCVに変更し、変更後の目標電圧値を充電電流・電圧保持部122に保存する。当該保存後、目標電圧値の更新処理を終了する。
 ステップS21において内部短絡事象が検知されなかった場合(S21のN)、充電電圧変更部は、目標電圧値を1.05倍し、変更後の目標電圧値を充電電流・電圧保持部122に保存する(S24)。なお、1.05倍は一例であり、1.05倍以外の比率で目標電圧値を上昇させていってもよい。
 充電電圧変更部は、変更後の目標電圧値とデフォルトの目標電圧値を比較する(S25)。変更後の目標電圧値がデフォルトの目標電圧値を上回った場合(S25のY)、充電電圧変更部は、目標電圧値をデフォルトの目標電圧値に変更し、変更後の目標電圧値を充電電流・電圧保持部122に保存する(S26)。当該保存後、目標電圧値の更新処理を終了する。変更後の目標電圧値がデフォルトの目標電圧値を上回っていない場合(S25のN)、目標電圧値の更新処理を終了する。
 以上の説明では、検知部112は、CV充電期間において、電池パック2内のセルに一定期間に流れる電流の積算量と、一定期間における電池パック2内のセルの温度上昇との比率が、閾値を超えたか否かをもとに内部短絡事象を検知した。この点、以下のように簡易的に内部短絡事象を検知してもよい。
 検知部112は、CV充電期間における電池パック2内のセルの温度が、閾値(例えば、50℃)を超えたか否かをもとに内部短絡事象を検知してもよい。また検知部112は、CV充電期間における電池パック2内のセルの温度上昇率が、閾値を超えたか否かをもとに内部短絡事象を検知してもよい。また検知部112は、CV充電期間において、電池パック2内のセルに流れる電流が一定時間以上、上昇したか否かをもとに内部短絡事象を検知してもよい。
 以上説明したように本実施の形態によれば、電池データをもとに異常が検知された場合に、一律に電池パック2の使用を禁止するのではなく、電流レートを一定比率、低下させる。これにより、安全性を確保しながら、電池パック2のコストパフォーマンスの低下を抑えることができる。安全性を確保しながら、電池パック2をできるだけ長く使い続けることができるため、電池パック2の交換費用を削減することができる。
 また、直近の充電で異常が検知されなかった場合に電流レートを戻していく制御を追加することで、安全性と製品パフォーマンスのバランスを両立させることができる。例えば、ヒータからの煽り熱で温度が急上昇した現象を、セルの異常現象と誤検知する場合がある。この場合、セル自体に異常はないため、電流レートを低下させたままの充電では、製品パフォーマンスが損なわれる。安全性を確認しながら電流レートを戻していくことで、製品パフォーマンスを漸次的に回復させることができる。
 本実施の形態は、リチウム析出以外の要因(例えば、異物混入)で電流または温度が急上昇する異常にも対応することができる。
 なお、電流レートを低下させる充電制御は、目標電圧値を低下させる充電制御に比べて、運用コスト面で有利である。電流レートを低下させる充電制御は、充電可能な容量を減少させるものではないため、充電回数の増加を招かない。
 以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
 セルをヒータで加温している場合、セルの温度上昇が充電電流の増加によるものか、ヒータによる加温によるものか、判断しにくい。そこでヒータによる加温中は、内部短絡事象の検知を停止してもよい。
 空冷式の電池パック2の場合、短時間でセルの温度が低下することはない。したがって、空冷式の電池パック2の場合、CV充電中に不自然な温度上昇があれば、内部短絡事象の可能性が高い。一方、液冷式の電池パック2の場合、内部短絡事象によるセルの温度上昇が液冷式のクーラにより打ち消されてしまう場合がある。液冷式の電池パック2の場合、クーラの冷却能力をもとに温度を補正し、補正した温度を用いて内部短絡事象を検知してもよい。
 上記実施の形態では、CV充電中の電流の増加または急激な温度上昇の少なくとも一方を検知することで、内部短絡事象を検知した。この点、低レートのCC充電中の電流の増加または急激な温度上昇の少なくとも一方を検知することでも、内部短絡事象を検知することができる。
 上記実施の形態では、充電器3とネットワーク5で接続された充電制御システム10で、電池パック2の充電レートを管理する例を説明した。この点、充電制御システム10は、電池パック2内の電池管理部(BMU)内に組み込まれていてもよい。また、充電制御システム10は、充電器3内に組み込まれていてもよい。
 また本開示に係る充電制御システム10は、電動車両1に搭載される電池パック2の充電レートの管理に限定されるものではない。例えば、電動船舶、マルチコプタ(ドローン)、電動バイク、電動自転車、定置型蓄電システム、スマートフォン、タブレット、ノートPCなどに搭載された電池パックの充電レートの管理にも適用可能である。
 なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
 [項目1]
 電池(2)を充電する際の、前記電池(2)に流れる電流および前記電池(2)の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得する取得部(111)と、
 前記電池(2)を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池(2)の異常現象を検知する検知部(112)と、
 前記電池(2)の異常現象が検知された場合、前記電池(2)を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する充電電流変更部(113)と、
 を備えることを特徴とする充電制御システム(10)。
 これによれば、安全性を確保しながら、電池パック(2)のコストパフォーマンスの低下を抑えることができる。
 [項目2]
 前記充電電流変更部(113)は、今回の充電において、前記電池(2)の異常現象が検知されなかった場合、前記電池(2)を次回充電する際の電流レートを、β(1<β<(2-α))倍した値に変更する項目1に記載の充電制御システム(10)。
 これによれば、不要な充電時間の延長を戻していくことができる。
 [項目3]
 前記検知部(112)は、前記電池(2)の異常現象を検知した時点の前記電池(2)のSOC(State Of Charge)を特定し、
 前記変更後の電流レートは、前記電池(2)を次回充電する際において、前記電池(2)のSOCが前記異常現象を検知した時点のSOCに到達後の電流レートとして使用されることを特徴とする項目1に記載の充電制御システム(10)。
 これによれば、充電時間の延長を少なく抑えることができる。
 [項目4]
 前記検知部(112)は、充電期間において、前記電池(2)に一定期間に流れる電流の積算量と、前記一定期間における前記電池(2)の温度上昇との比率と、所定の閾値を比較して、前記電池(2)の異常現象を検知する項目1に記載の充電制御システム(10)。
 これによれば、充電電流の増加による電池(2)の異常現象を高精度に検知することができる。
 [項目5]
 前記充電電流変更部(113)は、前記比率が前記閾値より大きいほど、前記αを小さくする項目4に記載の充電制御システム(10)。
 これによれば、電流レートの低下率を最適化することができる。
 [項目6]
 前記充電電流変更部(113)は、前記電池(2)の温度上昇率と現在の電流レートをもとに、前記βを設定する項目2に記載の充電制御システム(10)。
 これによれば、電流レートの上昇率を最適化することができる。
 [項目7]
 電池(2)を充電する際の、前記電池(2)に流れる電流および前記電池(2)の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得するステップと、
 前記電池(2)を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池(2)の異常現象を検知するステップと、
 前記電池(2)の異常現象が検知された場合、前記電池(2)を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更するステップと、
 を有することを特徴とする充電制御方法。
 これによれば、安全性を確保しながら、電池パック(2)のコストパフォーマンスの低下を抑えることができる。
 [項目8]
 電池(2)を充電する際の、前記電池(2)に流れる電流および前記電池(2)の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得する処理と、
 前記電池(2)を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池(2)の異常現象を検知する処理と、
 前記電池(2)の異常現象が検知された場合、前記電池(2)を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する処理と、
 をコンピュータに実行させることを特徴とする充電制御プログラム。
 これによれば、安全性を確保しながら、電池パック(2)のコストパフォーマンスの低下を抑えることができる。
 1 電動車両、 2 電池パック、 3 充電器、 5 ネットワーク、 10 充電制御システム、 11 処理部、 111 取得部、 112 検知部、 113 充電電流変更部、 114 充電指示部、 12 記憶部、 121 電池データ保持部、 122 充電電流・電圧保持部、 13 通信部。

Claims (9)

  1.  電池を充電する際の、前記電池に流れる電流および前記電池の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得する取得部と、
     前記電池を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池の異常現象を検知する検知部と、
     前記電池の異常現象が検知された場合、前記電池を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する充電電流変更部と、
     を備えることを特徴とする充電制御システム。
  2.  前記充電電流変更部は、今回の充電において、前記電池の異常現象が検知されなかった場合、前記電池を次回充電する際の電流レートを、β(1<β<(2-α))倍した値に変更する請求項1に記載の充電制御システム。
  3.  前記検知部は、前記電池の異常現象を検知した時点の前記電池のSOC(State Of Charge)を特定し、
     前記変更後の電流レートは、前記電池を次回充電する際において、前記電池のSOCが前記異常現象を検知した時点のSOCに到達後の電流レートとして使用されることを特徴とする請求項1に記載の充電制御システム。
  4.  前記検知部は、充電期間において、前記電池に一定期間に流れる電流の積算量と、前記一定期間における前記電池の温度上昇との比率と、所定の閾値を比較して、前記電池の異常現象を検知する請求項1に記載の充電制御システム。
  5.  前記充電電流変更部は、前記比率が前記閾値より大きいほど、前記αを小さくする請求項4に記載の充電制御システム。
  6.  前記充電電流変更部は、前記電池の温度上昇率と現在の電流レートをもとに、前記βを設定する請求項2に記載の充電制御システム。
  7.  電池を充電する際の、前記電池に流れる電流および前記電池の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得するステップと、
     前記電池を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池の異常現象を検知するステップと、
     前記電池の異常現象が検知された場合、前記電池を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更するステップと、
     を有することを特徴とする充電制御方法。
  8.  電池を充電する際の、前記電池に流れる電流および前記電池の温度の少なくとも一方を含む電池データを取得する処理と、
     前記電池を充電する際における、前記電流の挙動および前記温度の挙動の少なくとも一方をもとに、前記電池の異常現象を検知する処理と、
     前記電池の異常現象が検知された場合、前記電池を次回充電する際の電流レートを、α(0<α<1)倍した値に変更する処理と、
     をコンピュータに実行させることを特徴とする充電制御プログラム。
  9.  請求項8の充電制御プログラムが記載された非一時的な記録媒体。
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