(57)【要約】【課題】リチウムの析出の検出精度を向上する技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示するリチウムイオン電池システムは、バッテリ監視ＥＣＵが実行するバッテリ劣化監視処理において、温湿度計測処理Ｓ２及び絶対湿度算出処理Ｓ４により、電池セルを収容するバッテリケース内の温度及び湿度からバッテリケース内の絶対湿度を算出し、水分浸入量算出処理Ｓ６及び水分浸入量積算処理Ｓ８により、単位時間当たりにバッテリケース内に浸入する水分量とバッテリケース内の絶対湿度との予め求められた関係に基づいてバッテリケース内に浸入した水分量の積算量を算出し、浸入量積算値に基づく判定処理Ｓ１０により、浸入した水分量の積算量を、それを超えるとリチウム析出に至る許容限界量と比較して積算量が許容限界量を超えた場合にリチウムが析出したと推定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオン電池セルのリチウムの析出を推定するリチウムイオン電池システムであり、
前記リチウムイオン電池セルを収容する電池パック内の温度及び湿度から前記電池パック内の絶対湿度を算出する絶対湿度算出部と、
前記電池パック内の絶対湿度と単位時間当たりに前記電池パック内に浸入する水分量との予め求められた関係に基づいて、算出された絶対湿度から前記電池パック内に浸入した水分量の積算量を算出する水分浸入量算出部と、
前記電池パック内に浸入した水分量の積算量を、それを超えるとリチウム析出に至る許容限界量と比較して前記積算量が前記許容限界量を超えた場合にリチウムが析出したと推定するリチウム析出推定部と、
を備えることを特徴とするリチウムイオン電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、リチウムイオン電池セルのリチウム析出を推定する電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車を含む電動車両では、走行用モータに電力を供給するために駆動力源用のバッテリ（二次電池）を搭載している。バッテリの出力電力は、電力変換装置によりモータ駆動に適した電力に変換して走行用モータに供給されて、走行用モータが駆動力を発生する。また、制動時には、発電機として機能する走行用モータから、回生電力の供給を受けて電力変換装置によりバッテリが充電される。バッテリは、このように充放電が繰り返され、それに伴い劣化する。バッテリを管理するシステムとして、下記、特許文献１には、電池セルに接続された管理ユニットから電池のパラメータを取得し、取得したパラメータを用いて電池セルの劣化状態値を算出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−６７０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、現在、電動車両に搭載されるバッテリとして、リチウムイオン電池が普及している。リチウムイオン電池は、充放電の繰り返しにより、負極（黒鉛）の表面に金属リチウムが析出する虞がある。金属リチウムが析出すると充放電時に使用されるリチウムイオンが減少して電池性能（例えばサイクル特性）が低下する。そのため、リチウムイオン電池を管理する電池システムにおいては、リチウムの析出についても管理すべきであるが、上記特許文献１にはリチウムの析出に関しては言及されていない。本明細書は、リチウム析出が生じたことを精度高く推定する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示するリチウムイオン電池システムは、絶対湿度算出部、水分浸入量算出部、および、リチウム析出推定部を備える。そして、絶対湿度算出部により、リチウムイオン電池セルを収容する電池パック内の温度及び湿度から電池パック内の絶対湿度を算出する。次いで、水分浸入量算出部により、電池パック内の絶対湿度と単位時間当たりに電池パック内に浸入する水分量（水分浸入量）との予め求められた関係に基づいて、算出された絶対湿度から電池パック内に浸入した水分量の積算量を算出する。最後に、リチウム析出推定部により、電池パック内に浸入した水分量の積算量を、それを超えるとリチウム析出に至る許容限界量と比較して積算量が許容限界量を超えた場合にリチウムが析出したと推定する。「電池パック内の絶対湿度と単位時間当たりに電池パック内に浸入する水分量との関係」、及び、「それを超えるとリチウム析出に至る許容限界量」は、予め求められており、このリチウムイオン電池システムの管理コントローラに記憶されている。
【０００６】
リチウムイオン電池は、水分が多くなるほど、また温度が低いほどリチウムが析出し易いことが知られている。これにより、電池パック内の水分量（水分浸入量）に基づいてその積算量が許容限界量を超えた場合にリチウムが析出したと推定する。したがって、電流や電圧等のパラメータに基づく検出よりも、リチウム析出の検出精度が向上する。
【発明の効果】
【０００７】
本明細書が開示する技術は、リチウム析出が生じた推定する精度の高いリチウムイオン電池システムを提供する。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ハイブリッド車の構成例を示すブロック図である。
【図２】バッテリの構成例を示す斜視図である。
【図３】バッテリ劣化監視処理のフローチャートである。
【図４】温湿度と絶対湿度の関係例を示す説明図である。
【図５】（Ａ）は絶対湿度に対する水分浸入量の関係例を示す説明図、（Ｂ）は単位時間当たりにおける絶対湿度と水分浸入量の関係例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して実施例のリチウムイオン電池システムを説明する。この実施例は、電池システムを、電動車両に搭載されるバッテリの監視システムに適用したものである。電動車両には、走行用のモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車、及び、走行用のモータとエンジンを共に備えるハイブリッド車が含まれる。本実施例では、ハイブリッド車を例に挙げて説明する。
【００１０】
まず、図１を参照してハイブリッド車１の構成を簡単に説明する。図１に、ハイブリッド車１の構成例を表すブロック図を示す。ハイブリッド車１は、走行用の駆動源として、モータ８とエンジン６を備える。モータ８の出力トルクとエンジンの出力トルクは、動力分配機構７で適宜に分配／合成されて、車軸９（即ち車輪）へ伝達される。なお、図１は、本明細書の説明に要する部品だけを表しており、説明に関係のない一部の部品は図示を省略していることに留意されたい。
【００１１】
モータ８を駆動するための電力は、パワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵと称する）５を介してバッテリ２から供給される。即ち、バッテリ２から供給される直流電力を、電圧コンバータやインバータ等を備えたＰＣＵ５がモータ駆動に適した交流電力に変換してモータ８に供給する。また、減速時の制動力やエンジン６の駆動力により発電したモータ８の交流電力をＰＣＵ５がバッテリ２の充電に適した直流電力に変換してバッテリ２に供給する。即ち、回生電力によってバッテリ２が充電される。電圧コンバータやインバータは、ＰＣＵ５が備える専用のコントローラにより制御されている。
【００１２】
バッテリ２は、複数のリチウムイオンタイプの電池セル１０を直列に接続した二次電池であり、電池パックや電池スタックとも称される。本実施例では、例えば、バッテリ２の出力電圧（公称電圧）が３００ボルトに設定されている。バッテリ２は、システムメインリレー４を介してＰＣＵ５に接続される。システムメインリレー４は、車両制御ＥＣＵ３０に接続されてオンオフ制御される。本実施例では、バッテリ２の出力電流は、例えば、図示を省略した電流センサにより計測される。また、バッテリ２のバッテリケース３（後述）内の温度や湿度は、温湿度センサ２１により計測される。これらのセンサは、後述するバッテリ監視ＥＣＵ２０にそれぞれ接続されている。
【００１３】
温湿度センサ２１は、熱電対やサーミスタマウント等の温度センサと、静電容量変化式や抵抗変化式等の湿度センサを組み合わせた複合タイプのセンサであり、計測した温度データと湿度データをバッテリ監視ＥＣＵ２０に出力する。温度データはセルシウス度［℃］で表し、また湿度データは相対湿度［％］で表す。本実施例では、温度センサと湿度センサをワンチップ化した複合タイプのものを用いたが、それぞれを別個に構成したものを用いてバッテリケース３内に個別に設けても良い。
【００１４】
バッテリ監視ＥＣＵ２０及び車両制御ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを中心にメモリ、入出力インタフェース等の電子部品により構成されるコントローラである。これらのＥＣＵ２０、３０は相互に接続される。また、車両制御ＥＣＵ３０は、システムメインリレー４やＰＣＵ５に接続される。これにより、バッテリ監視ＥＣＵ２０からは、バッテリ２のダイアグ情報（診断情報）が車両制御ＥＣＵ３０に出力される。また、車両制御ＥＣＵ３０からは、運転状況に応じたデータ（例えば、アクセルペダルやブレーキペダルの踏込量等）がＰＣＵ５のコントローラに出力される。なお、ハイブリッド車１では、図示しないが、バッテリ２のほかに補機用バッテリ（例えば１２ボルト）も備えており、バッテリ監視ＥＣＵ２０や車両制御ＥＣＵ３０はこの補機用バッテリから駆動電力の供給を受ける。
【００１５】
次に、バッテリ２の構成を図２を参照して説明する。図２に、バッテリ２の構成例を表す斜視図を示す。バッテリ２は、角柱形状のバッテリケース３を備えており、この中に複数の電池セル１０を積層して収容している。本実施例では、バッテリケース３の長手方向（図１に示す座標系のＹ軸方向）の一端側に通気口３ａが形成されている。通気口３ａから外気を取り入れて内部の電池セル１０を冷却する。本実施例では、バッテリケース３内の通気口３ａ付近に温湿度センサ２１を装着している。温湿度センサ２１は、バッテリケース３の内気の温度や湿度を計測してバッテリ監視ＥＣＵ２０に計測したデータを出力する。これにより、温湿度センサ２１から得られる温湿度データから、バッテリケース３内に浸入する水分の浸入量（以下、単に「水分浸入量」と称する）を後述するバッテリ劣化監視処理において算出する。
【００１６】
電池セル１０は、角形密閉式のリチウムイオン電池である。電池セル１０には正電極端子と負電極端子が設けられており、隣り合う一方の電池セル１０の正電極端子と隣り合う他方の電池セル１０の負電極端子が図示しないバスバにより電気的に接続されている。これにより、全ての電池セル１０を直列に接続して３００ボルトの出力電圧を得ている。電池セル１０は、発電要素として、例えば、セパレータを介在させた正極シートと負極シートの積層体を扁平形状に巻回した積層巻回体、つまり電極体を備えている。なお、図２に示す二点鎖線部分は、積層された複数の電池セル１０の一部を簡略化して表現したものである。
【００１７】
ところで、リチウムイオン電池は、充放電の繰り返しにより、例えば、負極の表面に金属リチウムが析出する場合がある。「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、金属リチウムの析出は、水分が多くなるほど、また温度が低いほど生じ易いことが知られている。金属リチウムの析出は、リチウムイオンを減少させて電池性能（例えばサイクル特性）の低下に直結する。そのため、金属リチウムが析出したバッテリ２は、交換する必要が生ずる。
【００１８】
そこで、本実施例では、バッテリ２において金属リチウムが析出したと推定される状態を検知するため、図３に示すバッテリ劣化監視処理を行う。このバッテリ劣化監視処理は、例えば、バッテリ監視ＥＣＵ２０がバッテリ劣化監視プログラムを所定周期で実行することにより実現される。バッテリ監視ＥＣＵ２０は、例えば、１時間ごとに（１時間周期で）バッテリ劣化監視処理を実行する。図３に、バッテリ劣化監視処理のフローチャートを示す。
【００１９】
図３に示すように、バッテリ劣化監視処理では、まずステップＳ２により温湿度計測処理を行った後、ステップＳ４により絶対湿度算出処理を行う。温湿度計測処理（Ｓ２）では、前述した温湿度センサ２１から送られてくるバッテリ２のバッテリケース３内の温度データ及び湿度データを取得して、続く絶対湿度算出処理（Ｓ４）ではこれらのデータに基づいて絶対湿度を算出する。ここでいう絶対湿度とは、容積絶対湿度のことであり、大気の単位容積に含まれる水蒸気の量を重量で表したもの（単位はｇ／ｍ３）である。
【００２０】
例えば、本実施例では、図４に示すように、温度［℃］に対する絶対湿度［ｇ／ｍ３］の関係を相対湿度［％］の比で表した絶対湿度算出マップから、絶対湿度を算出する。図４に、温湿度と絶対湿度の関係例を表した説明図を示す。このような絶対湿度算出マップは、本実施例では、予め求められてバッテリ監視ＥＣＵ２０のメモリ等に記憶されている。この図４の例では、温度４０℃、湿度５０％の場合、絶対湿度は２５．６ｇ／ｍ３になることが示されている。なお、絶対湿度は、このような算出マップを用いることなく、予めバッテリ監視ＥＣＵ２０に記憶した所定の演算式を用いて算出しても良い。例えば、温度から飽和水蒸気圧を求め、飽和水蒸気圧に相対湿度を乗じて測定空気の水蒸気圧を求めて、さらにこれに基づいて容積絶対湿度を算出する。
【００２１】
続くステップＳ６では水分浸入量算出処理を行う。この処理は、主に、通気口３ａからバッテリケース３内に入り込んだ空気に含まれる水分量を算出するもので、これも予めバッテリ監視ＥＣＵ２０のメモリ等に記憶されている水分浸入量算出マップを用いて求める。例えば、図５（Ａ）に示すように、バッテリケース３内に入り込む水分量（水分浸入量）［ｍｇ］は、絶対湿度ごとに異なる傾きで時間の経過とともに比例関係で増加することが本願発明者らの実験やコンピュータシミュレーションにより明かになっている。そのため、絶対湿度［ｇ／ｍ３］に対する単位時間（例えば１時間）当たりの水分浸入量［ｍｇ］は、図５（Ｂ）に示すような関係にあることがわかる。
【００２２】
したがって、ステップＳ６では、本バッテリ劣化監視処理を１時間ごとに実行することによって、ステップＳ４により算出した絶対湿度［ｇ／ｍ３］に基づいて、前回実行時から１時間経過後までに浸入した水分浸入量［ｍｇ］を、図５（Ｂ）に示す関係マップ（水分浸入量算出マップ）から得る。なお、図５（Ｂ）に示す絶対湿度［ｇ／ｍ３］に対する単位時間当たりの水分浸入量［ｍｇ］の関係を表す関係式が得られる場合には、この関係式を予めバッテリ監視ＥＣＵ２０に記憶しそれを用いて水分浸入量［ｍｇ］を算出しても良い。
【００２３】
次のステップＳ８では水分浸入量積算処理を行う。即ち、ステップＳ８では、これまでに算出した水分浸入量［ｍｇ］の積算値を算出する。例えば、５時間前から本バッテリ劣化監視処理を実行している場合には、５時間前から直近の１時間前までに算出した値にさらに今回算出した値を加えてすべてを合計する。これにより得られた積算値がそれまでにバッテリケース３内に浸入した水分の総量になる。なお、今回算出した積算値をバッテリ監視ＥＣＵ２０のメモリ等に記憶し、それを次回の実行時に読み出して積算値の演算に使用しても良い。
【００２４】
ステップＳ１０では、ステップＳ８により算出した水分浸入量積算値（バッテリケース３内に浸入した水分の総量）に基づいて、バッテリ２の電池セル１０にリチウムが析出している可能性があるか否かを判定する。つまり、バッテリ２のリチウムの析出を推定する。例えば、リチウムの析出が低確率で想定される最小の水分量を僅かに下回る水分量を許容水分量Ｘに設定し、リチウムの析出が高確率で想定される限界水分量を許容水分量Ｘの例えば１．１倍（＝１．１Ｘ）に設定する。この倍率は、実験やコンピュータシミュレーションの結果に基づいてバッテリ２に最適な値が設定される。この場合、水分浸入量積算値が許容水分量Ｘ以下であるときには（Ｓ１０：「許容水分量以下」）、バッテリケース３内に浸入した水分の総量はまだリチウムの析出につながる量に達していないため、リチウムの析出は生じていないと推定して、本バッテリ劣化監視処理を終了する（エンド）。そして、次回の処理の実行に備える。
【００２５】
これに対して、水分浸入量積算値が許容水分量Ｘを上回っており、かつ、限界水分量（＝１．１Ｘ）を下回るときには（Ｓ１０：「許容水分量超過／限界水分量未満」）、リチウム析出が低確率で想定される。そのため、リチウムの析出が生じ得る、又は、生じたと推定して、次のステップＳ１２に処理を移行する。ステップＳ１２では温度計測処理を行う。そして、温湿度センサ２１から送られてくる温度データを取得して、続くステップＳ１４によりその温度が−３０℃以下であるか否かを判定する。これは、一般的に、リチウムイオン電池は、−３０℃以下の環境下においてリチウムが析出し易いため、バッテリケース３内に浸入した水分の総量が許容水分量Ｘを上回っており、かつ、バッテリケース３内の温度が−３０℃以下である場合には、電池セル１０にリチウムの析出が生じる可能性が高いからである。
【００２６】
そして、この処理により温度が−３０℃以下であると判定したときには（Ｓ１４：ＹＥＳ）、リチウムが析出したと推定されるため、ステップＳ１６の警告灯点灯処理によって、バッテリ２が劣化状態にある旨を報知する情報をハイブリッド車１のインストルメントパネル（インパネ）を介して運転者に知らせる。一方、温度が−３０℃以下でないと判定したときには（Ｓ１４：ＮＯ）、リチウムは析出していないと推定されるため、本バッテリ劣化監視処理を終了する（エンド）。そして、次回の処理の実行に備える。
【００２７】
他方、水分浸入量積算値が限界水分量以上であるときには（Ｓ１０：「限界水分量以上」）、リチウム析出が高確率で想定される。即ち、このステップＳ１０により水分浸入量積算値が限界水分量以上であると判定した場合には、前回（１時間前に）、本バッテリ劣化監視処理が実行された際に、バッテリ２が劣化状態にある旨の情報がステップＳ１６によりインストルメントパネルを介して運転者に既に報知されており、現在も当該ハイブリッド車１が走行を続けている状態であることが予想される。この場合には、リチウムの析出が生じている可能性が高いため、次のステップＳ２１により温度計測処理を行い、続くステップＳ２３によりその温度が−２０℃以下であるか否かを判定する。これは、リチウムイオン電池は、−２０℃を上回る温度環境下においてはリチウムが析出し難いためであり、バッテリケース３内に浸入した水分の総量に関わらず温度を調べる。
【００２８】
そして、この処理により温度が−２０℃以下であると判定したときには（Ｓ２３：ＹＥＳ）、続くステップＳ２５によりエンジン６の運転状態を取得する。エンジン６の運転状態は、例えば、車両制御ＥＣＵ３０を介して上位システムからその情報を得る。そして、ステップＳ２７によりエンジン６が停止していると判定した場合には（Ｓ２７：ＹＥＳ）、続くステップＳ２９のダイアグ出力処理によって、リチウムの析出に起因したバッテリ２の交換時期である旨をダイアグ情報として車両制御ＥＣＵ３０に出力する。これにより、車両制御ＥＣＵ３０では、例えば、このダイアグ情報に基づいて当該バッテリ２の交換が必要である旨の情報をハイブリッド車１のインストルメントパネルを介して運転者に知らせる。一方、エンジン６が停止していない、つまり運転中であると判定した場合には（Ｓ２７：ＮＯ）、リチウムの析出はエンジン６の運転に影響していないため、本バッテリ劣化監視処理を終了する（エンド）。そして、次回の処理の実行に備える。
【００２９】
以上説明したようにバッテリ監視ＥＣＵ２０が実行するバッテリ劣化監視処理では、温湿度計測処理Ｓ２及び絶対湿度算出処理Ｓ４により、電池セル１０を収容するバッテリケース３（バッテリ２）内の温度及び湿度からバッテリケース３内の絶対湿度を算出し、水分浸入量算出処理Ｓ６及び水分浸入量積算処理Ｓ８により、単位時間当たりにバッテリ２内に浸入する水分量とバッテリ２内の絶対湿度との予め求められた関係に基づいてバッテリ２内に浸入した水分量の積算量を算出し、浸入量積算値に基づく判定処理Ｓ１０により、バッテリ２内に浸入した水分量の積算量を、それを超えるとリチウム析出に至る許容限界量と比較して積算量が許容限界量を超えた場合にリチウムが析出したと推定する。これにより、バッテリ監視ＥＣＵ２０は、バッテリ２内の水分量に基づいてその積算量が許容限界量を超えた場合にリチウムが析出したと推定する。したがって、電流や電圧等のパラメータに基づく検出よりも、リチウム析出が生じたことを高い精度で推定することができる。
【００３０】
なお、上述したバッテリ劣化監視処理は、１時間周期で実行したが、実行周期は、実験やコンピュータシミュレーションの結果に応じて適宜設定される。また、上述したバッテリ２では、バッテリケース３の通気口３ａの近傍に温湿度センサ２１を装着して通気口３ａ付近の内気温度や湿度を計測するように構成したが、通気口３ａの付近以外の内気温度や湿度を計測するように、通気口３ａから離れたバッテリケース３内に別の温湿度センサ２１を装着しても良い。この場合には、各温湿度センサ２１ごとに上述したバッテリ劣化監視処理を適用することで、リチウム析出の推定精度が一層向上する。また、上述した各温度（−３０℃、−２０℃）は一例に過ぎず、バッテリ２を構成する電池セル１０の個別具体的な特性や実験若しくはコンピュータシミュレーションの結果に基づいて最適値が設定される。
【００３１】
実施例技術に関する留意点を述べる。バッテリ２が電池パックの一例に相当する。バッテリ監視ＥＣＵ２０が、絶対湿度算出部、水分浸入量算出部及びリチウム析出推定部の一例に相当する。温湿度計測処理Ｓ２及び絶対湿度算出処理Ｓ４が、絶対湿度算出部の一例に相当する。水分浸入量算出処理Ｓ６及び水分浸入量積算処理Ｓ８が、水分浸入量算出部の一例に相当する。浸入量積算値に基づく判断処理Ｓ１０がリチウム析出推定部の一例に相当する。許容水分量又は限界水分量が、許容限界量の一例に相当する。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３３】
１：ハイブリッド車
２：バッテリ
３：バッテリケース
３ａ：通気口
４：システムメインリレー
５：ＰＣＵ
６：エンジン
８：モータ
９：車軸
１０：電池セル
２０：バッテリ監視ＥＣＵ
２１：温湿度センサ
３０：車両制御ＥＣＵ
【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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