(57)【要約】  電池状態推定装置は、第１タイミングでの、リチウムイオン二次電池の第１開放電圧に対応する第１抵抗値と、第１開放電圧より高いリチウムイオン二次電池の第２開放電圧に対応する第２抵抗値を取得する。また、第１タイミングとは異なる第２タイミングでの、第１開放電圧に対応する第３抵抗値と、第２開放電圧に対応する第４抵抗値を取得する。電池状態推定装置は、第１抵抗値に対する第３抵抗値の第１変動量と、第２抵抗値に対する第４抵抗値の第２変動量との大小関係に基づき、リチウムイオン二次電池のリチウム析出の有無を判定する。
2015064004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１タイミングでの、リチウムイオン二次電池の第１開放電圧に対応する第１抵抗値と、前記第１開放電圧より高い前記リチウムイオン二次電池の第２開放電圧に対応する第２抵抗値を取得するとともに、前記第１タイミングとは異なる第２タイミングでの、前記第１開放電圧に対応する第３抵抗値と、前記第２開放電圧に対応する第４抵抗値を取得する取得部と、
前記第１抵抗値に対する前記第３抵抗値の第１変動量と、前記第２抵抗値に対する前記第４抵抗値の第２変動量との大小関係に基づき、前記リチウムイオン二次電池のリチウム析出の有無を判定する判定部と、を備えた電池状態推定装置。
【請求項２】
前記リチウムイオン二次電池は、その内部抵抗と開放電圧との対応関係において、前記開放電圧の増加に伴って前記内部抵抗が増加から減少に転じるピーク内部抵抗を有し、前記ピーク内部抵抗に対応する開放電圧より低く、かつ、対応する内部抵抗が前記ピーク内部抵抗に等しくなる第３開放電圧を有し、前記取得部は、前記開放電圧の範囲を前記第３開放電圧より低い第１領域と、前記第３開放電圧より高い第２領域に分割し、前記第１開放電圧は、前記第１領域に含まれ、前記第２開放電圧は前記第２領域に含まれる、
請求項１に記載の電池状態推定装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記第１変動量として、前記第１抵抗値と前記第３抵抗値との差分又は比により求めた第１差分値又は第１比率を用いるとともに、前記第２変動量として前記第２抵抗値と前記第４抵抗値との差分又は比により求めた第２差分値又は第２比率を用いる、
請求項２に記載の電池状態推定装置。
【請求項４】
前記判定部は、前記第１差分値と前記第２差分値とを比較するとともに、前記第１比率と前記第２比率とを比較し、少なくとも前記第２比率が前記第１比率より大きければ、リチウム析出が有りと判定する、
請求項３に記載の電池状態推定装置。
【請求項５】
前記リチウムイオン二次電池の充電率と開放電圧との対応関係を示す第１データと、前記リチウムイオン二次電池の開放電圧と容量との対応関係を示す第２データを記憶する記憶部と、
前記第１〜４抵抗値及び前記２データに基づき、第１データを更新する更新部とを、更に備えた、
請求項４に記載の電池状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池の電池状態推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定する電池状態推定装置を搭載した蓄電池システムが知られている。従来のある方法では、リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定するためリチウム析出の有無を判定している。リチウム析出の有無の判定を行うため、従来のある方法では、リチウムイオン二次電池を定電流放電させ、あらかじめ定めた放電停止電圧まで電池電圧が下がったところで中止し、その後の電池電圧の電圧回復量に基づきリチウム析出の有無を判定している（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７１２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来方法によって、リチウム析出の有無を判定し、リチウムイオン二次電池の劣化状態を推定できるかもしれないが、定電流放電させて放電停止電圧まで下げる必要があり、例えば、負荷への供給電力が変動し、定電流放電できない場合は、リチウム析出の有無を判定できない。また、定電流放電した後の電池電圧の電圧回復量を測定する必要があり、リチウム析出の有無を判定している間は、外部からの充電又は外部への放電動作が制限されることもある。【０００５】
そこで本発明は、外部との充放電動作に支障をきたすことなく、かつ簡易な方法によりリチウムイオン二次電池の劣化状態を推定可能な電池状態推定装置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】
【０００６】
本発明に係る電池状態推定装置は、第１タイミングでの、リチウムイオン二次電池の第１開放電圧に対応する第１抵抗値と、前記第１開放電圧より高い前記リチウムイオン二次電池の第２開放電圧に対応する第２抵抗値を取得するとともに、前記第１タイミングとは異なる第２タイミングでの、前記第１開放電圧に対応する第３抵抗値と、前記第２開放電圧に対応する第４抵抗値を取得する取得部と、前記第１抵抗値に対する前記第３抵抗値の変動量と、前記第２抵抗値に対する前記第４抵抗値の変動量との大小関係に基づき、前記リチウムイオン二次電池のリチウム析出の有無を判定する判定部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、外部との充放電動作に支障をきたすことなく、かつ簡易な方法によりリチウムイオン二次電池の劣化状態を推定可能な電池状態推定装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る蓄電池システムを説明するための図である。
【図２】初期状態のリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。
【図３】リチウム析出劣化が生じたリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。
【図４】リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。
【図５】開放電圧が低い第１領域とそれより開放電圧が高い第２領域のそれぞれにおいて、初期状態のリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。
【図６】開放電圧が低い第１領域とそれより開放電圧が高い第２領域のそれぞれにおいて、リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。
【図７】初期状態のリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲ及び開放電圧と容量との対応関係を示す概念図である。
【図８】リチウム析出劣化が生じたリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲ及び開放電圧と容量との対応関係を示す概念図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電池状態推定装置の構成例を示す図である。
【図１０】複数の正負極開放電位の組み合わせと正極及び負極それぞれのＤＣ−ＩＲ及び容量との対応関係を示すテーブルの概念図である。
【図１１】本発明の実施形態のリチウム析出判定に関わる動作フローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態のリチウム析出判定の変形例に関わる動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る蓄電池システム４０を説明するための図である。本実施形態では、蓄電池システム４０は、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ
）、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの動力源として車両に搭載されるこ
とを想定する。
【００１１】
走行用モータ１０は、例えば、三相交流同期モータである。電力変換器２０は、蓄電池システム４０とリレー３０を介して接続される。電力変換器２０は、力行時、蓄電池システム４０から供給される直流電力を交流に変換して走行用モータ１０に供給する。また回生時、電力変換器２０は、走行用モータ１０から供給される交流電力を直流電力に変換し、蓄電池システム４０に供給する。
【００１２】
リレー３０は、制御部５０からのリレー制御信号により開状態又は閉状態に制御される。リレー３０は、開状態の場合、電力変換器２０と蓄電池システム４０とを接続し、充放電経路を形成する。また、リレー３０は、閉状態の場合、電力変換器２０と蓄電池システム４０との充放電経路を遮断する。
【００１３】
制御部５０は、車両全体を電子制御する。制御部５０は、ユーザのアクセル操作量や車速や蓄電システムからの情報等に基づいて、走行用モータ１０へのトルク要求値を設定する。制御部５０は、このトルク要求値に従って走行用モータ１０が動作するように電力変換器２０を制御する。例えば、トルク要求値が大きくなると、制御部５０は、その程度に応じた電力を走行用モータ１０に供給するように電力変換器２０を制御する。また、トルク要求値が小さくなると、制御部５０は、減速エネルギーをエネルギー源として走行用モータ１０より発電される電力を蓄電池システム４０に供給するよう電力変換器２０を制御
する。
【００１４】
蓄電池システム４０は、電池モジュール４１０、電池管理装置４２０、電圧センサ４３０、電流センサ４４０及び温度センサ４５０を含む。
【００１５】
電池モジュール４１０は、１つ以上の蓄電池（二次電池とも言う）から構成される。本実施形態では、電池モジュール４１０に含まれる蓄電池としてリチウムイオン二次電池が使用されることを想定する。図１では、直列接続された複数の蓄電池Ｂ１〜Ｂｎにて電池モジュール４１０が構成されているが、電池モジュール４１０を構成する蓄電池の個数は１つでも良い。電池モジュール４１０に含まれる蓄電池の一部又は全部は、互いに並列接続されていても良い。なお、本実施形態において、特に説明がない限り、蓄電池とは、単電池を意味する。
【００１６】
電池モジュール４１０は、リレー３０を介して電力変換器２０と接続される。電池モジュール４１０は、走行用モータ１０が電力源として動作するとき（回生時）、電力変換器２０を介して充電電力の供給を受けることができる。また、電池モジュール４１０は、走行用モータ１０が負荷として動作するとき（力行時）、電力変換器２０を介して放電電力を供給することができる。
【００１７】
電圧センサ４３０は、電池モジュール４１０を構成する各複数の蓄電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれの端子電圧（蓄電池Ｂ１〜Ｂｎのそれぞれの正極及び負極間の電位差）の電圧値Ｖｄを検出する。電圧センサ４３０は、検出した各蓄電池の電圧値Ｖｄを電池管理装置４２０に出力する。
【００１８】
電流センサ４４０は、電池モジュール４１０と電力変換器２０との間に配置され、電池モジュール４１０に流れる電流の電流値Ｉｄを測定する。電流センサ４４０は、検出した電流値Ｉｄを電池管理装置４２０に出力する。
【００１９】
温度センサ４５０は、電池モジュール４１０の温度Ｔｄ（例えば、電池モジュール４１０の表面温度）を検出する。電池モジュール４１０は、検出した温度Ｔを電池管理装置４２０に出力する。
【００２０】
電池管理装置４２０は、電池状態推定装置４２２及び通信部４２４を含む。電池状態推定装置４２２は、電流値Ｉｄ、電圧値Ｖｄ及び温度Ｔｄを含む電池状態データを用いて電池モジュール４１０のリチウム析出の有無、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、充電率とも言う）等の電池状態を推定する。
【００２１】
通信部４２４は、電池状態推定装置４２２で推定されたＳＯＣ等の電池状態に関する情報を制御部５０に送信する。電池管理装置４２０と制御部５０との間は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのネットワークにより接続される。
【００２２】
電池状態推定装置４２２を具体的に説明する前に、電池状態推定装置４２２で実行するリチウム析出の有無等の推定動作の概要について述べる。
【００２３】
電池モジュール４１０を構成するリチウムイオン二次電池は、図示しない負極、電解液を含むセパレータ及び正極を有する。負極及び正極のそれぞれは、活物質の集合体で構成される。
【００２４】
リチウムイオン二次電池の放電時において、負極の活物質の界面上では、リチウムイオンＬｉ＋および電子ｅ−を放出する化学反応が行なわれる。一方、正極の活物質の界面上
では、リチウムイオンＬｉ＋および電子ｅ−を吸収する化学反応が行なわれる。リチウムイオン二次電池の充電時には、上述した反応と逆の反応が行なわれる。
【００２５】
負極には、放電時に活物質より電子を吸収する集電板が設けられ、正極には、放電時に活物質へ電子を放出する集電板が設けられる。セパレータを介して、正極および負極の間でリチウムイオンの授受が行なわれることにより、リチウムイオン二次電池の充放電が行なわれる。例えば、放電時には、負極から放出されたリチウムイオンＬｉ+は、拡散およ
び泳動によって正極へ移動し、正極に吸収される。
【００２６】
電極表面におけるリチウムイオンＬｉ＋の出入りに際し、等価的に電気抵抗として作用する抵抗は電荷移動抵抗と呼ばれる。この電荷移動抵抗と、負極および正極で電子ｅ−の移動に対する純電気的な抵抗とを含み、リチウムイオン二次電池をマクロ的に見た場合の電気抵抗の直流抵抗成分はＤＣ−ＩＲ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｎａｌ
Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と呼ばれる。なお、本実施形態において、特に説明がない限り
、ＤＣ−ＩＲとは、内部抵抗を意味する。
【００２７】
図２は、初期状態のリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲ（単にＤＣ−ＩＲとも言う）と開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）の対応関係を示す概念図である。ここで初期状態とは、リチウムイオン二次電池の劣化が発生していない状態を言い、例えば、リチウムイオン二次電池を製造した直後の状態を言う。
【００２８】
図２に示すように、初期状態のＤＣ−ＩＲ：Ｃ０は、正極のＤＣ−ＩＲ：Ａ０と負極のＤＣ−ＩＲ：Ｂ０を合成したものとなる。図２において、正極のＤＣ−ＩＲ：Ａ０は、開放電圧が低くなるにつれ、その抵抗値が高くなる。これは、正極にリチウムイオンＬｉ＋が取り込まれるにつれ、リチウムイオンＬｉ＋を収容できる場所が少なくなり、リチウムイオンＬｉ＋が正極に吸収されにくくなっているためと考えることができる。
【００２９】
ここで、リチウム析出による劣化（リチウム析出劣化とも言う）が生じた場合、つまり、正極から放出されたリチウムイオンＬｉ+が負極に吸収されず負極の表面に析出した場
合を考える。すると、負極が充電時に吸収したリチウムイオンＬｉ＋を全て放出したとしても、負極の表面に析出したリチウムイオンＬｉ+は正極に戻ることができないので、同
じ開放電圧に対応する正極のＤＣ−ＩＲは、その分、初期状態より小さくなることが想定される。換言すれば、リチウム析出劣化が生じると、充電時に正極から放出されたリチウムイオンＬｉ+の一部は、放電時に正極に戻ることができず、正極組成と負極組成の対応
にずれが生じると考えることができる。
【００３０】
図３は、リチウム析出劣化が生じたＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。正極組成と負極組成の対応にずれが生じた場合、図３に示すように、リチウム析出劣化が生じた負極のＤＣ−ＩＲは、初期状態の負極のＤＣ−ＩＲ：Ｂ０のまま変わらない。一方、リチウム析出劣化が生じた正極のＤＣ−ＩＲは、初期状態の正極のＤＣ−ＩＲ：Ａ０を、左側（開放電圧が小さくなる方向）に平行移動した正極のＤＣ−ＩＲ：Ａ１になる。リチウム析出劣化が生じたＤＣ−ＩＲ：Ｃ１は、リチウム析出劣化が生じた正極のＤＣ−ＩＲ：Ａ１と初期状態の負極のＤＣ−ＩＲ：Ｂ０を合成したものとなる。
【００３１】
一般的に、リチウムイオン二次電池の劣化には、リチウム析出による劣化と、磨耗による劣化（磨耗劣化とも言う）とが含まれる。磨耗劣化とは、充放電や保存によって正極および負極のリチウムを取り込む性能が低下することであり、例えば、正極や負極の活物質が、充放電に伴った体積変化により磨耗することが挙げられる。また、活物質表面への被膜形成なども磨耗劣化の一例として挙げられる。
【００３２】
図４は、リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。摩耗劣化が生じた場合、図４のＤＣ−ＩＲ：Ｃ２で示すように、ＤＣ−ＩＲの増加量は、開放電圧の全領域でほぼ等しくなることが多い。リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたＤＣ−ＩＲ：Ｄ０は、析出劣化が生じたＤＣ−ＩＲ：Ｃ１を、摩耗劣化による増分量のＤＣ−ＩＲ：Ｃ２と合成したものである。
【００３３】
図４に示すように、リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたＤＣ−ＩＲ：Ｄ０は、リチウム析出劣化が生じたＤＣ−ＩＲ：Ｃ１を、摩耗劣化分、上側に平行移動したものとも言える。
【００３４】
図２で示したように、初期状態の正極ＤＣ−ＩＲ：Ａ０を表わす曲線は、開放電圧が低い領域（第１領域とも言う）で傾きが大きく単調減少し、開放電圧が高い領域（第２領域とも言う）では傾きが小さく平坦な特性を示す。リチウム析出劣化が生じた場合は、正極ＤＣ−ＩＲ：Ａ０を表わす曲線が図３の左側に平行移動するため、平行移動の前後で比較すると、第１領域ではＤＣ−ＩＲが減少するが、第２領域ではＤＣ−ＩＲがあまり変動しないことになる。
【００３５】
一方、摩耗劣化が生じた場合は、第１領域と第２領域とも、ＤＣ−ＩＲの増加量は、ほぼ等しくなる。
【００３６】
よって、第１領域と第２領域のそれぞれで開放電圧を選び、リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたＤＣ−ＩＲの、初期状態のＤＣ−ＩＲに対する変動量（単にＤＣ−ＩＲの変動量とも言う）を各領域の開放電圧ごとに求め、両者を比較すると、第２領域の変動量のほうが大きくなる。第１領域では、摩耗劣化によるＤＣ−ＩＲの増加量がリチウム析出によるＤＣ−ＩＲの減少量により抑制されることになるが、第２領域では、リチウム析出によるＤＣ−ＩＲの減少量の影響が小さくなるからである。換言すれば、第２領域のＤＣ−ＩＲの変動量が第１領域のＤＣ−ＩＲの変動量より大きい場合、リチウム析出が生じていると判定できることになる。
【００３７】
そこで本発明の実施形態では、第１領域の開放電圧（第１開放電圧とも言う）と第２領域の開放電圧（第２開放電圧とも言う）ごとに、ＤＣ−ＩＲの変動量を求め、両者を比較することにより、リチウム析出の有無を判定する。以下、図５、６を参照しながら、本発明の実施形態におけるリチウム析出の判定手法について具体的に説明する。
【００３８】
図５は、開放電圧が低い第１領域とそれより開放電圧が高い第２領域のそれぞれにおいて、初期状態のＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。また、図６は、開放電圧が低い第１領域とそれより開放電圧が高い第２領域のそれぞれにおいて、リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じたＤＣ−ＩＲと開放電圧の対応関係を示す概念図である。
【００３９】
図５において、第１開放電圧Ｖ１に対応するＤＣ−ＩＲの抵抗値をＲ１ａ（第１抵抗値とも言う）で表わし、第２開放電圧Ｖ２に対応するＤＣ−ＩＲの抵抗値をＲ２ａ（第２抵抗値とも言う）で表わす。同様に、図６において、第１開放電圧Ｖ１に対応するＤＣ−ＩＲの抵抗値をＲ１ｂ（第３抵抗値とも言う）で表わし、第２開放電圧Ｖ２に対応するＤＣ−ＩＲの抵抗値をＲ２ｂ（第４抵抗値とも言う）で表わす。
【００４０】
本発明の実施形態におけるリチウム析出の判定手法は、下記（１）式により、第１領域におけるＤＣ−ＩＲの変動量を差分値（第１差分値とも言う）として求める。
【００４１】
Ｄ１＝（Ｒ１ｂ−Ｒ１ａ）    ・・・（１）
また、下記（２）式により、第１領域におけるＤＣ−ＩＲの変動量を比率（第１比率と
も言う）として求める。
【００４２】
Ｒ１＝（Ｒ１ｂ／Ｒ１ａ）    ・・・（２）
同様に、下記（３）式により、第２領域におけるＤＣ−ＩＲの変動量を差分値（第２差分値とも言う）として求める。
【００４３】
Ｄ２＝（Ｒ２ｂ−Ｒ２ａ）    ・・・（３）
さらに、下記（４）式により、第２領域におけるＤＣ−ＩＲの変動量を比率（第２比率とも言う）として求める。
【００４４】
Ｒ２＝（Ｒ２ｂ／Ｒ２ａ）    ・・・（４）
そして、第１差分値Ｄ１と第２差分値Ｄ２を比較するとともに、第１比率Ｒ１と第２比率Ｒ２を比較し、第２差分値Ｄ２と第２領域の比率Ｒ２が大きければ、リチウム析出が生じたと判定する。
【００４５】
このように第１領域及び第２領域それぞれのＤＣ−ＩＲの変動量に基づきリチウム析出の有無を判定するので、充放電動作に支障をきたすことなく容易に実行することができる。また、差分値及び比率に基づき判定するので、確実にリチウム析出の有無を判定できる。
【００４６】
なお、本発明の実施形態におけるリチウム析出の判定手法では、図５に示すように、開放電圧の増加に伴って、ＤＣ−ＩＲが増加から減少に転じるときのＤＣ−ＩＲを極大値ＤＣ−ＩＲとして検出する。極大値ＤＣ−ＩＲに対応する開放電圧より低く、かつ、対応するＤＣ−ＩＲがこの極大値ＤＣ−ＩＲと等しくなる開放電圧をしきい値電圧Ｖｔｈとする。そして、開放電圧がしきい値電圧Ｖｔｈより低い領域を第１領域とし、開放電圧がしきい値電圧Ｖｔｈより高い領域を第２領域と分割する。
【００４７】
図５に示すように、ＤＣ−ＩＲと開放電圧との対応関係を表わす曲線は、しきい値電圧Ｖｔｈより低い領域では傾きが大きく単調減少し、しきい値電圧Ｖｔｈより高い領域では傾きが小さく平坦な特性を示す。上述したように、ＤＣ−ＩＲと開放電圧との対応関係を表わす曲線が、第１領域より第２領域のほうが平坦であれば、リチウム析出の判定精度は向上する。よって、このように第１領域と第２領域を分割することにより、精度良くリチウム析出の有無を判定することができる。
【００４８】
次に、本発明の実施形態のリチウム析出判定手法を、ＳＯＣとＯＣＶとの対応関係を表わすＳＯＣ−ＯＣＶテーブルの補正に適用した場合について説明を行う。
【００４９】
ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルは、例えば、ＯＣＶからＳＯＣを推定する場合に参照されるが、リチウムイオン二次電池の電池状態に応じて、ＳＯＣとＯＣＶの対応関係は変動する。このため、リチウムイオン二次電池の劣化が生じた場合、それを反映するように補正することが望まれる。
【００５０】
そこで本発明の実施形態のＳＯＣ−ＯＣＶテーブルの補正手法は、これまで上述したリチウム析出判定手法に基づき、リチウム析出が生じたことを検出すると、必要な補正量を算出してＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを補正する。以下、図７、８を参照しながら、本発明の実施形態におけるＳＯＣ−ＯＣＶテーブルの補正手法について具体的に説明する。
【００５１】
図７は、初期状態のＤＣ−ＩＲ及び開放電圧と容量との対応関係を示す概念図である。また、図８は、リチウム析出劣化が生じたＤＣ−ＩＲ及び開放電圧と容量との対応関係を示す概念図である。
【００５２】
図７において、横軸の容量を共通化し、縦軸の上側でリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲと容量との対応関係をＤＣ−ＩＲ：Ｇ０で示すとともに、縦軸の下側でリチウムイオン二次電池の開放電圧と容量の対応関係をＯＣＶ：Ｊ０で示す。ＤＣ−ＩＲ：Ｇ０は、正極のＤＣ−ＩＲ：Ｅ０と負極のＤＣ−ＩＲ：Ｆ０を合成したものとなる。また、ＯＣＶ：Ｊ０は、正極の開放電位：Ｈ０と負極の開放電位：Ｉ０との電位差で表わされる（以下、正極及び負極の開放電位をＯＣＰ（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）とも言う）。
【００５３】
図７に示すように、リチウムイオンＬｉ+が負極へ移動し、負極に吸収されるに伴い、
正極の開放電位：Ｈ０は高くなり、負極の開放電位：Ｉ０は低くなる。逆に、リチウムイオンＬｉ+が正極へ移動し、正極に吸収されるに伴い、正極の開放電位：Ｈ０は低くなり
、負極の開放電位：Ｉ０は高くなる。
【００５４】
このため、リチウム析出劣化のため正極組成と負極組成の対応にずれが生じると、図８に示すように、リチウム析出劣化が生じた正極のＤＣ−ＩＲが左側（容量が小さくなる方向）にずれるのに連動し、リチウム析出が生じた正極の開放電位も左側にずれることになる（図８において容量のずれ量をΔＣで表わす）。
【００５５】
すなわち、図８の下側で示すように、リチウム析出劣化が生じた場合であっても、負極の開放電位は、初期状態の負極の開放電位：Ｉ０のまま変わらない。一方、リチウム析出劣化が生じた正極の開放電位：Ｈ１は、初期状態の正極の開放電位：Ｈ０を、左側に平行移動したものになる。リチウム析出劣化が生じたＯＣＶ：Ｊ１は、リチウム析出劣化が生じた正極の開放電位：Ｈ１と初期状態の負極の開放電位：Ｉ０との電位差で表わされる。
【００５６】
ここで、リチウム析出劣化が生じた場合、ＤＣ−ＩＲと容量との対応関係を表わす曲線の容量方向のずれ量と、開放電圧と容量との対応関係を表わす曲線の容量方向のずれ量とは、あらかじめ実験で求めておくことができる。
【００５７】
そこで本発明の実施形態のＳＯＣ−ＯＣＶテーブルの補正手法は、リチウム析出劣化が生じた場合のＤＣ−ＩＲの変動量に基づき、補正量ΔＣを求め、その補正量ΔＣを用いてＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを補正する。
【００５８】
このようにリチウムイオン二次電池のＤＣ−ＩＲに基づきＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを補正するので、充放電動作に支障をきたすことなく容易に実行することができる。
【００５９】
以下、上述の構成を基本とする、電池状態推定装置４２２を具体的に説明する。電池状態推定装置４２２は、記憶部４２２０、ＯＣＶ推定部４２２１、ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２、リチウム析出判定部４２２３、テーブル更新部４２２４及びＳＯＣ推定部４２２５を含む。
【００６０】
記憶部４２２０は、リチウムイオン二次電池が初期状態（第１タイミングとも言う）の第１抵抗値と第２抵抗値を記憶する。記憶部４２２０は、リチウムイオン二次電池の端子電圧と充放電電流との対応関係を示すＩ−Ｖテーブルを記憶する。記憶部４２２０は、ＳＯＣとＯＣＶとの対応関係を示すＳＯＣ-ＯＣＶテーブル（第１データとも言う）を記憶
する。記憶部４２２０は、正極の開放電位と正極の容量との対応関係及び負極の開放電位と負極の容量との対応関係を示すテーブル（第２データとも言う）を記憶する。さらに、記憶部４２２０は、複数の正負極開放電位の組み合わせと、正極及び負極それぞれのＤＣ−ＩＲ及び容量との対応関係を示すテーブル（第３データとも言う）を記憶する。第２データと第３データの詳細については後述する。
【００６１】
ＯＣＶ推定部４２２１は、電圧センサ４３０から受け取った電圧値Ｖｄ及び電流センサ４４０から受け取った電流値Ｉｄに基づき、Ｉ−Ｖテーブルを参照し、ＯＣＶを推定する。ＯＣＶ推定部４２２１は、推定したＯＣＶをＤＣ−ＩＲ取得部４２２２、テーブル更新部４２２４及びＳＯＣ推定部４２２５に出力する。
【００６２】
ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２は、記憶部４２２０から第１抵抗値及び第２抵抗値を取得する。また、第１タイミングから一定の時間経過後の第２タイミングで、電圧センサ４３０から受け取った電圧値Ｖｄ、電流センサ４４０から受け取った電流値Ｉｄ及びＯＣＶ推定部４２２１から受け取ったＯＣＶに基づき、下記（５）式を用いてＯＣＶに対応するＤＣ−ＩＲの抵抗値Ｒｄを算出する。
【００６３】
Ｒｄ＝（Ｖｄ−ＯＣＶ）／Ｉｄ    ・・・（５）
ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２は、（５）式を用いて、ＯＣＶが第１開放電圧Ｖ１となったときに第３抵抗値を取得するとともに、ＯＣＶが第２開放電圧Ｖ２となったときに第４抵抗値を取得する。ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２は、取得した第１〜４抵抗値をリチウム析出判定部４２２３及びテーブル更新部４２２４に出力する。
【００６４】
リチウム析出判定部４２２３は、ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２から受け取った第１抵抗値、及び第３抵抗値に基づき、（１）式を用いて第１差分値Ｄ１を求めるとともに、（２）式を用いて第１比率Ｒ１を求める。同様に、第２抵抗値及び第４抵抗値に基づき、（３）式を用いて第２差分値Ｄ２を求めるとともに、（４）式を用いて第２比率Ｒ２を求める。
【００６５】
リチウム析出判定部４２２３は、第１差分値Ｄ１と第２差分値Ｄ２を比較するとともに、第１比率Ｒ１と第２比率Ｒ２を比較する。第２差分値Ｄ２と第２比率Ｒ２が大きければ、リチウム析出が生じたと判定し、リチウム析出判定部４２２３は、リチウム析出検出信号をＤＣ−ＩＲ取得部４２２２とテーブル更新部４２２４に出力する。
【００６６】
上述したように、摩耗劣化によるＤＣ−ＩＲの増加量は第１領域及び第２領域でほぼ等しく、また、リチウム析出劣化及び摩耗劣化が生じた場合であっても、第２領域のＤＣ−ＩＲの変動量は摩耗劣化による増加量にほぼ等しくなる。そこで、テーブル更新部４２２４は、リチウム析出検出信号を受け取ると、下記（６）式に基づき、第１領域のリチウム析出劣化によるＤＣ−ＩＲの変動量を求める。
【００６７】
ＲＬｉ＝Ｒ１ｂ−（Ｒ２ｂ−Ｒ２ａ）    ・・・（６）
テーブル更新部４２２４は、ＲＬｉに基づき、第３データを参照して補正量ΔＣを求める。ここで、第３データについて具体的に説明する。
【００６８】
第３データは、図１０に示すように、第１開放電圧Ｖ１に等しくなる正極の開放電位と負極の開放電位の組み合わせと、正極及び負極それぞれのＤＣ−ＩＲ及び容量との対応関係を記述している。正負極開放電位組み合わせ欄において、ｎ個の正極の開放電位のＶ１Ｃ１〜Ｖ１Ｃｎと、ｎ個の負極の開放電位のＶ１Ａ１〜Ｖ１Ａｎは、正極の開放電位と負極の開放電位との差が第１開放電圧Ｖ１と等しくなるように組み合わされている。正極のＤＣ−ＩＲ欄とＣ欄には、正極の開放電位がＶ１Ｃｊ（ｊは=１からｎの整数）の場合の
正極のＤＣ−ＩＲの値ｒｃｊと容量の値ｃｃｊが記述されている。同様に、負極のＤＣ−ＩＲ欄とＣ欄には、負極の開放電位がＶ１Ａｊの場合の負極のＤＣ−ＩＲの値ｒａｊと容量の値ｃａｊが記述されている。リチウムイオン二次電池を低温状態に維持すれば、リチウムの析出だけを行なわせることができるので、第１開放電圧Ｖ１に等しくなる正極の開放電位と負極の開放電位を複数選択して、それぞれについてＤＣ−ＩＲと容量を実験により求めれば、第３データを作成することができる。
【００６９】
上述したように、リチウム析出劣化によるＤＣ−ＩＲは、リチウム析出が生じた正極のＤＣ−ＩＲと負極のＤＣ−ＩＲを合成したものである。そこで、テーブル更新部４２２４は、第３データの正極のＤＣ−ＩＲ欄と負極のＤＣ−ＩＲ欄を参照し、ｒｃｊ＋ｒａｊを算出する。そして、ＲＬｉに最も近くなる正負極開放電位組み合わせ（Ｖ１Ｃｊ、Ｖ１Ａｊ）を求める。リチウム析出が生じたときに第１開放電圧Ｖ１となる正極の開放電位と負極の開放電位が求まると、第３データを参照すれば、そのときの正極の容量ｃｃｊと負極の容量ｃａｊを求めることができる。両者の差ｃｃｊ−ｃａｊが補正量ΔＣに相当する。このようにして、テーブル更新部４２２４は、ＲＬｉに基づき、第３データを参照して補正量ΔＣを求める。
【００７０】
次にテーブル更新部４２２４は、第２データに記述された正極の開放電位と正極の容量との対応関係を、正極の容量から補正量ΔＣを減算することにより補正する。補正後の正極の開放電位と正極の容量との対応関係と、第２データに記述された負極の開放電位と負極の容量との対応関係を合成し、テーブル更新部４２２４は、リチウム析出が生じた場合の開放電圧と容量との対応関係を求める。テーブル更新部４２２４は、リチウム析出が生じた場合の開放電圧と容量との対応関係から、ＳＯＣが０％となる開放電圧（例えば、３．０Ｖ）に対応する容量と、ＳＯＣが１００％となる開放電圧（例えば、４．２Ｖ）に対応する容量とを求め、容量からＳＯＣへの変換を行い、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを更新する。テーブル更新部４２２４は、更新したＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを記憶部４２２０に出力する。
【００７１】
ＳＯＣ推定部４２２５は、電流センサ４４０から受け取った電流値Ｉｄを積算し、電流積算によりＳＯＣを推定する。また、ＯＣＶ推定部４２２１から受け取ったＯＣＶに基づき、記憶部４２２０に記憶されたＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを参照し、ＯＣＶによりＳＯＣを推定する。ＳＯＣ推定部４２２５は、充放電してないときはＯＣＶにより推定したＳＯＣを採用する。一方、充放電しているときは電流積算により推定したＳＯＣをそのまま、又は、ＯＣＶにより推定したＳＯＣで補正したＳＯＣを採用する。ＳＯＣ推定部４２２５は、採用したＳＯＣを通信部４２４に出力する。
【００７２】
以上の構成による電池状態推定装置４２２の動作を説明する。図１１は、リチウム析出判定に関わる動作フローチャートである。ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２は、第１抵抗値Ｒ１ａ、第２抵抗値Ｒ２ａ、第３抵抗値Ｒ１ｂ、第４抵抗値Ｒ２ｂを取得する（Ｓ１０）。リチウム析出判定部４２２３は、第１差分値Ｄ１、第１比率Ｒ１、第２差分値Ｄ２及び第１比率Ｒ２を求める。リチウム析出判定部４２２３は、第２差分値Ｄ２が大きく（Ｓ１２のＹ）、第２比率Ｒ２が大きい場合（Ｓ１４のＹ）、リチウム析出が有と判定する（Ｓ１６）。そうでなければ（Ｓ１２のＮ及びＳ１４のＮ）、リチウム析出が無と判定する（Ｓ１８）。
【００７３】
本発明の実施形態によれば、リチウム析出判定部４２２３は、第２領域のＤＣ−ＩＲの変動量と第１領域のＤＣ−ＩＲの変動量とを比較し、その大小関係に基づきリチウム析出の判定を行うので、充放電動作に支障をきたすことなく簡易にリチウム析出の判定をすることができる。ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２は、極大値ＤＣ−ＩＲに対応する開放電圧より低く、かつ、対応するＤＣ−ＩＲがこの極大値ＤＣ−ＩＲと等しくなる開放電圧をしきい値電圧Ｖｔｈとし、開放電圧がしきい値電圧Ｖｔｈより低い領域を第１領域とし、開放電圧がしきい値電圧Ｖｔｈより高い領域を第２領域と分割するので、精度良くリチウム析出を判定することができる。リチウム析出判定部４２２３は、第２差分値Ｄ２が第１差分値Ｄ１より大きく、第２比率Ｒ２が第２比率Ｒ１より大きい場合、リチウム析出が生じたと判定するので、確実にリチウム析出を判定することができる。テーブル更新部４２２４は、第２領域のＤＣ−ＩＲの変動量と第１領域のＤＣ−ＩＲの変動量に基づき、ＳＯＣ−Ｏ
ＣＶテーブルを更新するので、充放電中に簡単に更新することができる。
【００７４】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この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発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００７５】
例えば、本発明の実施形態において、リチウム析出判定部４２２３は、第２差分値Ｄ２と第２比率Ｒ２が大きければ、リチウム析出が生じたと判定すると説明したが、第２差分値Ｄ２が第１差分値Ｄ１より小さい場合であっても、第２比率Ｒ２が第１比率Ｒ１より大きければ、リチウム析出が生じたと判定してもよい。初期状態のＤＣ−ＩＲは、図５で示すように、第２領域より第１領域のほうが大きいため、ＤＣ−ＩＲの変動量が同程度の場合、差分値で比較すると両者がほぼ等しくなっても、比率で比較すれば、第２領域のほうが大きくなることがあるためである。
【００７６】
以上の構成による電池状態推定装置４２２の動作を説明する。図１２は、リチウム析出判定に関わる動作フローチャートである。ＤＣ−ＩＲ取得部４２２２は、第１抵抗値Ｒ１ａ、第２抵抗値Ｒ２ａ、第３抵抗値Ｒ１ｂ、第４抵抗値Ｒ２ｂを取得する（Ｓ１０）。リチウム析出判定部４２２３は、第１差分値Ｄ１、第１比率Ｒ１、第２差分値Ｄ２及び第１比率Ｒ２を求める。リチウム析出判定部４２２３は、第２差分値Ｄ２が大きい場合（Ｓ１２のＹ）、リチウム析出が有と判定する（Ｓ１６）。一方、第２差分値Ｄ２が大きくない場合（Ｓ１２のＮ）、第２比率Ｒ２が大きければ（Ｓ１４のＹ）、リチウム析出が有と判定する（Ｓ１６）。そうでなければ（Ｓ１４のＮ）、リチウム析出が無と判定する（Ｓ１８）。
【００７７】
本変形例によれば、ＤＣ−ＩＲの変動量を差分値で評価することが困難な場合であっても、リチウム析出を判定することができる。
【００７８】
また、本発明の実施形態において、テーブル更新部４２２４は、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルを更新すると説明したが、それに加えて、ＤＣ−ＩＲとＳＯＣの対応関係を示すテーブル（第４データ）を更新してもよい。
【００７９】
具体的に説明すると、記憶部４２２０は、正極のＤＣ−ＩＲと正極の容量との対応関係及び負極のＤＣ−ＩＲと負極の容量との対応関係を示すテーブル（第５データとも言う）を記憶する。テーブル更新部４２２４は、第５データに記述された正極のＤＣ−ＩＲと正極の容量との対応関係を、正極の容量に補正量ΔＣを減算することにより補正する。補正後の正極のＤＣ−ＩＲと正極の容量との対応関係と、第５データに記述されたで負極のＤＣ−ＩＲと負極の容量との対応関係を合成し、テーブル更新部４２２４は、リチウム析出が生じた場合のＤＣ−ＩＲと容量との対応関係を求める。さらに、テーブル更新部４２２４は、リチウム析出が生じた場合のＤＣ−ＩＲと容量との対応関係に、摩耗劣化による増分量である第２差分値Ｄ２を合成し、リチウム析出及び磨耗劣化が生じた場合のＤＣ−ＩＲと容量との対応関係を求める。テーブル更新部４２２４は、ＳＯＣ−ＯＣＶテーブルの場合と同様にして、リチウム析出及び摩耗劣化が生じた場合のＤＣ−ＩＲと容量との対応関係から、ＳＯＣが０％となるＤＣ−ＩＲに対応する容量と、ＳＯＣが１００％となるＤＣ−ＩＲに対応する容量とを求め、容量からＳＯＣへの変換を行い、ＤＣ−ＩＲとＳＯＣの対応関係を示すテーブルを更新する。テーブル更新部４２２４は、更新したＤＣ−ＩＲとＳＯＣの対応関係を示すテーブルを記憶部４２２０に出力する。本変形例によれば、テーブル更新部４２２４は、第２領域のＤＣ−ＩＲの変動量と第１領域のＤＣ−ＩＲの変動量に基づき、ＤＣ−ＩＲとＳＯＣの対応関係を示すテーブルを更新するので、充放電中に簡単に更新することができる。
【００８０】
なお、本実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。
［項目１］
第１タイミングでの、リチウムイオン二次電池の第１開放電圧に対応する第１抵抗値と、前記第１開放電圧より高い前記リチウムイオン二次電池の第２開放電圧に対応する第２抵抗値を取得するとともに、前記第１タイミングとは異なる第２タイミングでの、前記第１開放電圧に対応する第３抵抗値と、前記第２開放電圧に対応する第４抵抗値を取得する取得部と、前記第１抵抗値に対する前記第３抵抗値の第１変動量と、前記第２抵抗値に対する前記第４抵抗値の第２変動量との大小関係に基づき、前記リチウムイオン二次電池のリチウム析出の有無を判定する判定部と、を備えた電池状態推定装置。
［項目２］
前記リチウムイオン二次電池は、その内部抵抗と開放電圧との対応関係において、前記開放電圧の増加に伴って前記内部抵抗が増加から減少に転じるピーク内部抵抗を有し、前記ピーク内部抵抗に対応する開放電圧より低く、かつ、対応する内部抵抗が前記ピーク内部抵抗に等しくなる第３開放電圧を有し、前記取得部は、前記開放電圧の範囲を前記第３開放電圧より低い第１領域と、前記第３開放電圧より高い第２領域に分割し、前記第１開放電圧は、前記第１領域に含まれ、前記第２開放電圧は前記第２領域に含まれる、  項目１に記載の電池状態推定装置。
［項目３］
前記判定部は、前記第１変動量として、前記第１抵抗値と前記第３抵抗値との差分又は比により求めた第１差分値又は第１比率を用いるとともに、前記第２変動量として前記第２抵抗値と前記第４抵抗値との差分又は比により求めた第２差分値又は第２比率を用いる、項目２に記載の電池状態推定装置。
［項目４］
前記判定部は、前記第１差分値と前記第２差分値とを比較するとともに、前記第１比率と前記第２比率とを比較し、少なくとも前記第２比率が前記第１比率より大きければ、リチウム析出が有りと判定する、項目３に記載の電池状態推定装置。
［項目５］
前記リチウムイオン二次電池の充電率と開放電圧との対応関係を示す第１データと、前記リチウムイオン二次電池の開放電圧と容量との対応関係を示す第２データを記憶する記憶部と、前記第１〜４抵抗値及び前記２データに基づき、第１データを更新する更新部とを、更に備えた、項目４に記載の電池状態推定装置。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る電池状態推定装置は、電池状態推定機能付き付き蓄電池システムとして、バックアップ電源、電動車両に有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１０    走行用モータ
２０    電力変換器
３０    リレー
４０    蓄電池システム
５０    制御部
４１０    電池モジュール
４２０    電池管理装置
４２２    電池状態推定装置
４２２０  記憶部
４２２１  ＯＣＶ推定部
４２２２  ＤＣ−ＩＲ取得部
４２２３  リチウム析出判定部
４２２４  テーブル更新部
４２２５  ＳＯＣ推定部
４２４    通信部
４３０    電圧センサ
４４０    電流センサ
４５０    温度センサ
【図１】
2015064004.tif 000003
【図２】
2015064004.tif 000004
【図３】
2015064004.tif 000005
【図４】
2015064004.tif 000006
【図５】
2015064004.tif 000007
【図６】
2015064004.tif 000008
【図７】
2015064004.tif 000009
【図８】
2015064004.tif 000010
【図９】
2015064004.tif 000011
【図１０】
2015064004.tif 000012
【図１１】
2015064004.tif 000013
【図１２】
2015064004.tif 000014
【国際調査報告】
2015064004.tif 000015
2015064004.tif 000016
2015064004.tif 000017
2015064004.tif 000018