(57)【要約】【課題】低温領域における充電レートが他の温度領域に比べて低く設定されていても、二次電池の劣化を抑制しつつ、低温領域における二次電池の充電速度を速くする、ことを目的とする。【解決手段】システム制御装置１２は、充電による二次電池２０の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くする機能を有する。そして、システム制御装置１２は、低温領域における充電で、制限値を低温領域制限値とする通常レートモード又は制限値を低温領域制限値よりも高くする過充電レートモードの何れかを設定し、二次電池２０の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、過充電レートモードによる充電の可否を決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を前記他の温度領域の前記制限値に比べて低くする機能を有する二次電池の制御装置であって、
前記低温領域における充電で、前記制限値を前記低温領域制限値とする第１充電モード又は前記制限値を前記低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかを設定する設定手段と、
前記二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、前記第２充電モードによる充電の可否を決定する決定手段と、
を備える二次電池の制御装置。
【請求項２】
前記決定手段は、前記第２充電モードでさらに充電を行うと前記二次電池が損傷する可能性を示す値に前記パラメータが達した場合、前記第２充電モードによる充電を不可とする請求項１記載の二次電池の制御装置。
【請求項３】
前記決定手段は、前記値に達する前であって、予め設定された値に前記パラメータが達した場合に、警告を示す信号を出力する請求項２記載の二次電池の制御装置。
【請求項４】
充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を前記他の温度領域の前記制限値に比べて低くする機能を有する二次電池の制御装置による制御プログラムであって、
コンピュータを、
前記低温領域における充電で、前記制限値を前記低温領域制限値とする第１充電モード又は前記制限値を前記低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかを設定する設定手段と、
前記二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、前記第２充電モードによる充電の可否を決定する決定手段と、
して機能させるための制御プログラム。
【請求項５】
充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を前記他の温度領域の前記制限値に比べて低くする機能を有する二次電池の制御装置による制御方法であって、
前記低温領域における充電で、前記制限値を前記低温領域制限値とする第１充電モード又は前記制限値を前記低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかを設定する第１工程と、
前記二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、前記第２充電モードによる充電の可否を決定する第２工程と、
を含む制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の制御装置、二次電池の制御装置による制御プログラム、及び二次電池の制御装置による制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二次電池（例えばリチウム電池）は、通常運転の際、空気調和機によって二次電池の周囲温度が予め定められた温度に保持される等の温度調整が行われる。
しかしながら、例えば停電や系統関連の故障によって温度調整用の機器が停止し、二次電池の周囲温度が低温となる可能性がある。低温領域では、充電レートの限度が低くなり、温度調整が行われている場合と同様の充電指令値で充電を行うと、二次電池の電池容量が低下する等の劣化がより進行する可能性がある。
【０００３】
特許文献１には、二次電池の性能の低下を抑制するために、蓄電池温度が低いときに充電電流を減少させる充電器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−３９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、二次電池への充電電流の減少に伴い、充電に要する時間が長くなる。このため、特許文献１に記載の技術は、低温においてでも急速に充電を行いたい場合等には適さない。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低温領域における充電レートが他の温度領域に比べて低く設定されていても、二次電池の劣化を抑制しつつ、低温領域における二次電池の充電速度を速くできる、二次電池の制御装置、二次電池の制御装置による制御プログラム、及び二次電池の制御装置による制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の二次電池の制御装置、二次電池の制御装置による制御プログラム、及び二次電池の制御装置による制御方法は以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明の第一態様に係る二次電池の制御装置は、充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を前記他の温度領域の前記制限値に比べて低くする機能を有する二次電池の制御装置であって、前記低温領域における充電で、前記制限値を前記低温領域制限値とする第１充電モード又は前記制限値を前記低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかを設定する設定手段と、前記二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、前記第２充電モードによる充電の可否を決定する決定手段と、を備える。
【０００９】
本構成によれば、二次電池の制御装置は、充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くする機能を有する。
二次電池は、例えばリチウム電池である。低温領域とは、例えば０℃未満であり、このような温度領域で他の温度領域と同様の充電レートで充電を行うと二次電池の劣化がより進行される可能性がある。このため、二次電池の制御装置は、二次電池の劣化を抑制するために、低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くする機能を有する。しかし、低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くすると、充電速度が低下する。
【００１０】
このため、低温領域における充電では、設定手段によって、制限値を低温領域制限値とする第１充電モード又は制限値を低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかが設定される。設定手段によって第２充電モードが設定される場合とは、二次電池の劣化がより進行されることを許容して、第１充電モードに比べて充電速度を速くする場合である。
また、決定手段によって、二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、第２充電モードによる充電の可否が決定される。上記パラメータは、例えば充放電サイクルの回数や電池容量の設計容量からの低下度合いである。すなわち、二次電池の劣化の度合いが大きい場合は、第２充電モードの設定が不可となり、第１充電モードでしか充電できなくなるため、二次電池の劣化が抑制されることとなる。
【００１１】
従って、本構成によれば、低温領域における充電レートが他の温度領域に比べて低く設定されていても、二次電池の劣化を抑制しつつ、低温領域における二次電池の充電速度を速くできる。
【００１２】
上記第一態様では、前記決定手段が、前記第２充電モードでさらに充電を行うと前記二次電池が損傷する可能性を示す値に前記パラメータが達した場合、前記第２充電モードによる充電を不可とすることが好ましい。
【００１３】
本構成によれば、二次電池の損傷をより確実に防ぐことができる。
【００１４】
上記第一態様では、前記決定手段が、前記値に達する前であって、予め設定された値に前記パラメータが達した場合に、警告を示す信号を出力することが好ましい。
【００１５】
本構成によれば、二次電池の劣化をより抑制することができる。
【００１６】
本発明の第二態様に係る二次電池の制御装置による制御プログラムは、充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を前記他の温度領域の前記制限値に比べて低くする機能を有する二次電池の制御装置による制御プログラムであって、コンピュータを、前記低温領域における充電で、前記制限値を前記低温領域制限値とする第１充電モード又は前記制限値を前記低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかを設定する設定手段と、前記二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、前記第２充電モードによる充電の可否を決定する決定手段と、して機能させる。
【００１７】
本発明の第三態様に係る二次電池の制御装置による制御方法は、充電による二次電池の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を前記他の温度領域の前記制限値に比べて低くする機能を有する二次電池の制御装置による制御方法であって、前記低温領域における充電で、前記制限値を前記低温領域制限値とする第１充電モード又は前記制限値を前記低温領域制限値よりも高くする第２充電モードの何れかを設定する第１工程と、前記二次電池の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、前記第２充電モードによる充電の可否を決定する第２工程と、を含む。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、低温領域における充電レートが他の温度領域に比べて低く設定されていても、二次電池の劣化を抑制しつつ、低温領域における二次電池の充電速度を速くできる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る二次電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る二次電池モジュールの構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係るシステム制御装置における充電レート制限機能に関する機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る充放電サイクルの回数に対する電池容量の変化を示したグラフの一例である。
【図５】本発明の実施形態に係るインターロック処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る二次電池の制御装置、二次電池の制御装置による制御プログラム、及び二次電池の制御装置による制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る二次電池システム１０の構成図である。
二次電池システム１０は、システム制御装置１２、二次電池モジュール１４、ＢＭＵ（Battery  Management  Unit）１６、及びＰＣＳ（Power  Conditioning  System）１８を備えている。
【００２２】
システム制御装置１２は、ＢＭＵ１６や外部の制御装置（以下「上位指令装置」という。）等から出力されてくる各種情報に基づいて、二次電池システム１０の全体の制御を司る。
【００２３】
二次電池モジュール１４は、複数の二次電池２０が直列に接続されている。なお、本実施形態に係る二次電池２０は、リチウムイオン電池の他に、鉛二次電池、ニッケル水素二次電池等、特に限定されないが、充放電の追従性がよいことからリチウムイオン電池であることが好ましい。また、図１及び図２に示される複数の二次電池２０の接続方法及び数は、一例であり、これに限定されない。
【００２４】
ＢＭＵ１６は、複数の二次電池モジュール１４毎に設けられており、二次電池モジュール１４毎の電圧値や温度値を管理し、システム制御装置１２との間で各種情報の入出力が行われる。
【００２５】
図２は、二次電池モジュール１４の構成図である。
【００２６】
二次電池モジュール１４は、二次電池２０の状態を検知するＣＭＵ（Cell  Monitoring  Unit）３０を備える。
【００２７】
ＣＭＵ３０は、ＢＢＵ（Battery  Balance  Unit）３２及びＣＰＵ（Central  Processing  Unit）３４を備える。
【００２８】
ＢＢＵ３２は、各二次電池モジュール１４の電池容量が均等となるように二次電池２０を制御する。
【００２９】
ＣＰＵ３４は、二次電池モジュール１４から検出された電圧値（以下「電池電圧」という。）、温度値（以下「セル温度」という。）、及び充電率（State  of  Charge：ＳＯＣ）等が入力される。この電池電圧及びセル温度は、ＢＭＵ１６へ出力される。また、ＣＰＵ３４は、ＢＭＵ１６からの指令（信号）に基づいてＢＢＵ３２を制御する。
【００３０】
ＰＣＳ１８は、システム制御装置１２からの制御指令（充電指令や放電指令）に応じて双方向インバータにより二次電池２０の充放電を行う装置であり、放電時に二次電池２０に蓄電された電力を直流から交流へ変換し、充電時に系統からの電力を交流から直流に変換する。
【００３１】
次に、本実施形態に係るシステム制御装置１２の詳細について説明する。
本実施形態に係るシステム制御装置１２は、充電による二次電池２０の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くする機能（以下「充電レート制限機能」という。）を有する。低温領域は、例えば０℃未満であり、このような温度領域で他の温度領域と同様の充電レートで充電を行うと二次電池２０の劣化がより進行される可能性がある。このため、システム制御装置１２は、二次電池２０の劣化を抑制するために、上述の充電レート制限機能を有する。
すなわち、二次電池２０の劣化を抑制するために、セル温度に応じた適正値が予め定められており、低温領域における充電レートの適正値が低温領域制限値である。
【００３２】
ここで、充電レートの適正値について詳細に説明する。
二次電池２０の充電運転時には、正極のリチウムがイオン化される。リチウムイオンは、電解液を経由して負極に到達した後、負極内に拡散して負極内で電子と結合する。
負極に供給されるリチウムイオンの量が、負極内で拡散して電子と結合する量を超過する場合、負極表面にリチウムイオンが滞留する。この結果、負極において局所的に電位が下がり、リチウム金属が析出し易い環境となり、二次電池２０の容量劣化の要因を生じさせる。このような現象は、特に低温領域（例えば０℃未満）で生じ易い。
すなわち、充電レートの適正値は、リチウムイオンの負極への供給量が電子との結合量以下となる充電レートである。
【００３３】
しかし、低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くすると、充電速度が低下する。そこで、本実施形態に係る充電レート制限機能は、低温領域における充電で、制限値を低温領域制限値とする通常レートモードと制限値を低温領域制限値よりも高くする過充電レートモードを有する。
【００３４】
通常レートモードでは、システム制御装置１２がＢＭＵ１６からセル温度を取得すると、セル温度に基づいて、通常レートモードにおける充電レート（以下「通常レート」という。）を導出する。
そして、システム制御装置１２は、上位指令装置から出力される外部指令により示される充電レート（以下「外部充電レート」という。）と導出した通常レートとを比較する。外部充電レートが通常レートよりも大きい場合、システム制御装置１２は、通常レートをＰＣＳ１８へ出力する。一方、外部充電レートが通常レートよりも小さい場合、システム制御装置１２は、外部充電レートをＰＣＳ１８へ出力する。
【００３５】
過充電レートモードでは、セル温度に基づいて、過充電レートモードにおける充電レート（以下「過充電レート」という。）を導出し、外部充電レートと過充電レートとを比較する。システム制御装置１２は、外部充電レートが過充電レートよりも大きい場合、過充電レートをＰＣＳ１８へ出力する。一方、外部充電レートが過充電レートよりも小さい場合、システム制御装置１２は、外部充電レートをＰＣＳ１８へ出力する。
過充電レートは通常レートよりも大きいため、二次電池２０は通常レートモードに比べより速く充電される。
【００３６】
なお、システム制御装置１２は、一例として、表１に示されるような、セル温度と通常レート及び過充電レートとの関係を示したデータベースを記憶している。二次電池２０は、リチウムイオン電池のセル特性を反映したものである。
【表１】
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【００３７】
通常レートモードではセル温度が５０℃以上又は−２０℃未満の場合には充電が行われないため、通常レートは“０”である。セル温度が５０℃未満から０℃の範囲において通常レートは“２Ｃ”である。なお、“１Ｃ”は、１時間で二次電池２０を満充電できる電流量である。すなわち、通常レートが“２Ｃ”の場合、二次電池２０は３０分で満充電となる。
【００３８】
セル温度が０℃未満の低温領域における通常レートが低温領域制限値である。低温領域制限値は、上述したように低温領域を超える温度に比べて低く設定されている。表１の例では、通常レートは、セル温度が０℃未満から−１０℃の範囲において０．５Ｃとされ、セル温度が−１０℃未満から−２０℃の範囲において０．２Ｃとされる。
【００３９】
一方、過充電レートは、セル温度が０℃以上の範囲では通常レートと同じである。しかしながら、セル温度が低温領域の範囲では、過充電レートは、通常レートよりも高くされる。表１の例では、低温領域の過充電レートは、低温領域を超えた温度領域と同じ２Ｃとされる。
【００４０】
しかしながら、低温領域における充電を過充電レートモードで行い続けると、通常レートモードで充電を行う場合に比べて二次電池２０の劣化がより進行される。
そこで、本実施形態に係るシステム制御装置１２は、二次電池２０の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、過充電レートモードによる充電の可否を決定する。
【００４１】
図３は、システム制御装置１２における充電レート制限機能に関する機能ブロック図である。なお、システム制御装置１２は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。
【００４２】
システム制御装置１２は、設定部４０、比較部４２、決定部４４、及び判定部４６を備える。
【００４３】
設定部４０は、例えば上位指令装置５０からの設定指令に基づいて、充電レート制限機能を通常レートモード又は過充電レートモードの何れかに設定する。設定部４０によって過充電レートモードが設定される場合とは、二次電池２０の劣化がより進行されることを許容して、通常レートモードに比べて充電速度を速くする場合である。
【００４４】
比較部４２は、通常レートモードが設定されている場合、外部充電レートと通常レートを比較して何れか一方をＰＣＳ１８へ出力し、過充電レートモードが設定されている場合、外部充電レートと過充電レートを比較して何れか一方をＰＣＳ１８へ出力する。
【００４５】
決定部４４は、二次電池２０の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、過充電レートモードによる充電の可否を決定する。すなわち、二次電池２０の劣化の度合いが大きい場合は、過充電レートモードの設定が不可（インターロック動作）となり、通常レートモードでしか充電できなくなるため、二次電池２０の劣化が抑制されることとなる。
【００４６】
上記パラメータは、例えば充放電サイクルの回数や電池容量の設計容量からの低下度合いである。電池容量は、充電が完了した後に二次電池２０の抵抗値によって検知される。本実施形態では判定部４６が、各二次電池モジュール１４の電池容量の低下度合いを判定し、判定結果を決定部４４へ出力する。決定部４４は、判定結果に基づいて、過充電レートモードによる充電の可否を決定する。なお、複数の二次電池モジュール１４を備えている二次電池システム１０では、例えば、最も劣化度合いの大きい二次電池モジュール１４を基準として、過充電レートモードによる充電の可否が決定される。
【００４７】
決定部４４は、過充電レートモードによる充電を不可とする場合、設定部４０及び上位指令装置５０へ過充電レートモードの設定を不可とするための不可指令を出力する。
【００４８】
図４は、充放電サイクルの回数に対する電池容量の変化を示したグラフの一例である。電池容量が１００％の場合は、設計容量からの劣化が全くない場合である。二次電池２０が劣化すると、電池容量が低下する。
図４に示されるように、通常レートモードを繰り返した二次電池２０の充放電に比べて、過充電レートモードを繰り返した二次電池２０の充放電の方が電池容量の低下、すなわち二次電池２０の劣化が大きい。過充電レートモードを繰り返すことによる二次電池２０の劣化では充放電サイクルの回数がある値（図４の例では、約２４００回）に達すると、二次電池２０が損傷し、それまでに比べて急激に電池容量が低下する。
そこで、決定部４４は、過充電レートモードでさらに充電を行うと二次電池２０が損傷する可能性を示す第１閾値にパラメータが達した場合、過充電レートモードによる充電を不可とする。
【００４９】
また、決定部４４は、第１閾値に達する前であって、予め設定された第２閾値にパラメータが達した場合に、警告を示す信号（以下「アラーム」という。）を上位指令装置５０へ出力する。第２閾値は、二次電池２０の急激な劣化が進む状態に近いことを使用者に認識させることを目的としたものであり、例えば設計容量に基づいて設定されている。
上位指令装置５０は、警告指令が入力されると例えば使用者が認識できるように報知する。報知の方法は、例えば警告音の出力やライトの点灯である。
【００５０】
図５は、過充電レートモードの設定を不可とする処理（以下「インターロック処理」という。）の流れを示すフローチャートである。インターロック処理は制御プログラムとして決定部４４に記憶され、決定部４４で実行される。
【００５１】
ステップ１００では、過充電レートモードが設定される。
【００５２】
ステップ１０２では、過充電レートモードでの充電が完了する毎に、電池容量が第２閾値で定められたＡ％に達したか否かを判定する。ここでＡ％は例えば７５％である。通常、第２閾値は、７５％から８０％の間で二次電池システム１０の運用状況に基づいて選定される。肯定判定の場合は、引き続き過充電レートモードの設定が可能である。一方、否定判定の場合は、ステップ１０４へ移行する。
【００５３】
ステップ１０４では、アラームを出力する。
【００５４】
ステップ１０６では、アラームが出力されたことを受けて、使用者が上位指令装置５０を介して手動停止を入力したか否かを判定する。肯定判定の場合はステップ１１２へ移行し、否定判定の場合はステップ１０８へ移行する。手動停止が入力されると、過充電レートモードの設定は不可とされる。
【００５５】
ステップ１０８では、電池容量が第１閾値で定められたＢ％に達したか否かを判定する。ここでＢ％は例えば７０％である。通常、第１閾値は、６０％から７０％の間で二次電池システム１０の運用状況に基づいて選定される。肯定判定の場合は、ステップ１１２へ移行する一方、否定判定の場合は、ステップ１０６へ移行する。
【００５６】
ステップ１１０では、インターロックが動作し、過充電レートモードの設定が不可能となり、ステップ１１２へ移行する。
【００５７】
ステップ１１２では、過充電レートモードの設定を不可とする表示が上位指令装置５０に表示される。
【００５８】
なお、ステップ１０６の手動停止によって過充電レートモードの設定を不可とした場合、再び過充電レートモードの設定を可能とし、過充電レートモードを実行してもよい。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態に係るシステム制御装置１２は、充電による二次電池２０の劣化度合いが他の温度領域に比べて大きい低温領域において、充電レートの制限値である低温領域制限値を他の温度領域の制限値に比べて低くする機能を有する。そして、システム制御装置１２は、低温領域における充電で、制限値を低温領域制限値とする通常レートモード又は制限値を低温領域制限値よりも高くする過充電レートモードの何れかを設定し、二次電池２０の劣化状態と相関のあるパラメータに基づいて、過充電レートモードによる充電の可否を決定する。
【００６０】
従って、本実施形態に係るシステム制御装置１２は、低温領域における充電レートが他の温度領域に比べて低く設定されていても、二次電池２０の劣化を抑制しつつ、低温領域における二次電池２０の充電速度を速くできる。
【００６１】
以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６２】
上記実施形態では、電池容量をパラメータとして、過充電レートモードによる充電の可否を決定する場合について説明したが、充放電サイクルの回数をパラメータとして用いす形態としてもよい。この形態の場合、通常レートモードで充電した場合と、過充電レートモードで充電した場合とでは、二次電池２０の劣化の度合いが異なる。このため、システム制御装置１２は、過充電レートモードで充電した回数に通常レートモードで充電した回数よりも大きい重みを乗算し、これらの和が大きいほど、二次電池２０の劣化の度合いがより大きいと判定する。    
【００６３】
また、上記実施形態で説明した各種処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０    二次電池システム
１２    システム制御装置
２０    二次電池
４０    設定部
４４    決定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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