(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池（１０）の電池情報のうち、電流および電圧のうち少なくとも一方を検出する検出手段（２０，３０）と、
前記検出手段によって検出された電池情報を用いた電池モデルに従って、前記二次電池の内部状態を推定する推定手段（４２）と、
前記推定手段が推定した前記内部状態を用いて、予め定める時間経過後に前記二次電池の電解液の濃度が予め設定した上限濃度または下限濃度に到達する予測電流または予測電力を算出する算出手段（４２）と、
前記算出手段によって算出された前記予測電流または前記予測電力に到達しないように前記二次電池の充放電状態を制御する制御手段（４４）と、を含み、
前記推定手段は、前記算出手段が前記予測電流または前記予測電力を算出する毎に、一度だけ前記電池モデルに従って前記内部状態を推定することを特徴とする充放電制御装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記電解液の濃度変化と電流値との関係を定式化した算出式を用いて前記予測電力または前記予測電流を算出することを特徴とする請求項１に記載の充放電制御装置。
【請求項３】
前記二次電池は、複数の電池セル（１０）を備え、
前記推定手段は、前記電池セルと同数の前記電池モデルに従って、前記二次電池の前記内部状態を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の充放電制御装置。
【請求項４】
前記二次電池は、複数の電池セル（１０）を備え、
前記推定手段は、複数の前記電池セルのうち１つ前記電池セルの前記電池モデルに従って、前記二次電池の前記内部状態を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の充放電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の充電および放電を制御する充放電制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電可能な二次電池によって負荷機器へ電源を供給し、かつ必要に応じて負荷機器の運転中にも二次電池を充電可能な構成とした電源システムが用いられている。代表的には、二次電池によって駆動される電動機を駆動力源の１つとして備えたハイブリッド自動車や電気自動車等がこのような電源システムを搭載している。
【０００３】
ハイブリッド自動車の電源システムでは、二次電池の蓄積電力が駆動力源としてのモータの駆動電力として用いられる他、このモータが回生発電したときの発電電力やエンジンの回転に伴って発電する発電機の発電電力等によってこの二次電池が充電される。このような電源システムでは、二次電池の充電状態、たとえば残量を示すＳＯＣ（State of Charge）を把握して、電池の劣化を招くような過酷な使用状況とならないように配慮する必要がある。一般的には、二次電池の入出力可能電力を電池状態に応じて適切に設定することにより、過剰な充放電を制限する制御が行なわれる。
【０００４】
ＳＯＣの具体的な算出手法は、二次電池からの入出力電流積算値をベースとして、二次電池全体のマクロ的な残存容量が推定される。また、二次電池の内部状態に基づいてＳＯＣを精度良く推定する手法として、リチウムイオン電池において電池内部の電気化学反応を推定可能な電池モデルにより電池状態を推定するためのモデリングが特許文献１および非特許文献１には開示されている。特許文献１では、内部状態を予測可能な電池モデルに基づいて、電池内部での局所的劣化を防止した二次電池の充放電制御を行なっている。
【０００５】
また特許文献２には、車両の動力性能の低下を抑制しつつ、ハイレート放電時に発生する二次電池の劣化を抑制する二次電池の制御装置が開示されている。具体的には、電流履歴による評価値が閾値を超えた場合、最大の電力制限値をベースに、電力制限値を小さい値に変化させている。評価値は電流積算等で算出した活物質の平均的なＳＯＣ、温度のマップから算出している。
【０００６】
また特許文献３には、過充電および過放電の発生を防止した上で電池性能を最大限に発揮可能なように充放電制御を実行する充放電制御装置が開示されている。具体的には、過去の充放電履歴、および電池の局所反応を考慮した電池モデルを用いて、入出力可能時間を推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４１５５８号公報
【特許文献２】特開２００９−１２３４３５号公報
【特許文献３】特開２００８−４２９６０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】グおよびワン（W.B.Gu and C.Y.Wang）著、「リチウムイオン電池の熱−電気化学結合モデリング」、電気化学学会（ＥＣＳ）、２０００年、ｐｐ７４３−７６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の特許文献１に記載の技術では、活物質のＬｉ濃度、端子間電圧にのみ注目し電力制限実施している。電池の充放電中には、電解液中のＬｉイオンの濃度に偏りが発生し、それに伴い内部抵抗が上昇する。電池劣化を抑制するためには、電解液中のＬｉイオン濃度が上下限の閾値を超えない保護を実施する必要がある。したがって特許文献１に記載の技術では、局所的な電池反応を再現しているが、電解液濃度の保護に対応していないという問題がある。
【００１０】
また前述の特許文献２に記載の技術では、評価値は電流積算等で算出した活物質の平均的なＳＯＣおよび温度のマップから算出される。しかしながら、実際の充放電では活物質最表面が電解液と局所的に反応しており、活物質の平均的なＳＯＣからは電解液の状態は正確に再現できない。さらに、同じＳＯＣ状態で同じ電流を流した場合において、現時点の充電、放電および休止の充放電状態によって、電池反応は異なる。そのため、単に電流履歴を積算しただけでは電解液の状態が正確に表現できない。また電力制限値の算出には、電流履歴によって算出された評価値を活用しており、直接電解液の濃度を用いている訳ではないので、算出した電力制限値にはマージンを持たせる必要があり、入出力電力を必要以上に制限してしまうおそれがある。したがって特許文献２に記載の技術では、電解液濃度の保護を目的としているが、局所的な反応を考慮しておらず、入出力電力を必要以上に制限をかけるという問題がある。
【００１１】
さらに前述の特許文献３に記載の技術では、過去の充放電履歴、電池の局所反応を考慮した電池モデルを使って、入出力可能時間を推定している。しかしながら上位システムからは入出力可能時間より、一定時間、たとえば５秒流し続けられる入出力可能電力値（電流値）の情報が要求される。電池モデルに、様々な電力値を仮想的に入力し、電力と入出力可能時間のマップを作成することで入出力可能電力は算出可能であるが、電池モデルでの計算負荷は非常に大きい。したがって特許文献３に記載の技術では、局所的な電池反応を再現しているが、繰り返し電池モデルを活用することで、計算負荷の観点から、逐次予測が困難であるという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、電池モデルを用いて二次電池内部の局所的な反応状態を計算し、低い計算負荷で電解液の保護電流を算出することができる充放電制御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】
【００１３】
本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【００１４】
本発明は、検出手段（２０，３０）によって検出された電池情報を用いた電池モデルに従って、二次電池（１０）の内部状態を推定する推定手段（４２）と、推定手段が推定した内部状態を用いて、予め定める時間経過後に二次電池の電解液の濃度が予め設定した上限濃度または下限濃度に到達する予測電流または予測電力を算出する算出手段（４２）と、を含み、推定手段は、算出手段が予測電流または予測電力を算出する毎に、一度だけ電池モデルに従って内部状態を推定することを特徴とする充放電制御装置である。
【００１５】
このような本発明に従えば、推定手段によって、電池モデルに従って、二次電池の内部状態を推定している。したがって二次電池の内部状態を充放電制御に反映することができる。また算出手段によって、推定した内部状態を用いて、予め定める時間経過後に二次電池の電解液の濃度が上限濃度または下限濃度に到達する予測電流または予測電力を算出している。電解液の濃度は、充放電の時間および電流に応じて変化する。したがって設定した上限濃度および下限濃度に到達する予測電流または予測電力を算出することができる。このように算出した予測電流または予測電力を用いて、制御手段は二次電池の充放電状態を制御する。したがって電解液の上限濃度または下限濃度に到達することを防ぐことができる。これによって二次電池の過剰な充放電を抑制することができ、二次電池の劣化を抑制することができる。
【００１６】
このように電池モデルを活用することで二次電池の内部の局所的な反応状態まで忠実に計算し、電池状態に基づいた電解液の保護電流値を算出している。また推定手段は、算出手段が予測電流または予測電力を算出する毎に、一度だけ電池モデルに従って内部状態を推定する。したがって一度の予測電力または予測電流の算出で、充放電制御を実施することができるので、逐次演算する従来技術よりも計算負荷を低減することができる。したがって本発明では、電池モデルを用いて二次電池内部の局所的な反応状態を計算し、低い計算負荷で電池状態に基づいて電解液の保護電流値を算出することができる充放電制御装置を実現することができる。
【００１７】
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】組電池システム１００を示すブロック図である。
【図２】１Ａにおけるカチオン濃度を示すグラフである。
【図３】１０Ａにおけるカチオン濃度を示すグラフである。
【図４】１００Ａにおけるカチオン濃度を示すグラフである。
【図５】１Ａおよび１００Ａにおけるカチオン濃度を示すグラフである。
【図６】電流と濃度変化との関係を示すグラフである。
【図７】保護電流の算出方法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】
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図７を用いて説明する。組電池１は、複数のリチウムイオン二次電池の電池セル１０を直列接続して構成されている。組電池１は、たとえば電動機のみによって走行する電気自動車（ＥＶ）、電動機と内燃機関とを併用して走行駆動力とするプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等に搭載される車両用蓄電池として用いることができる。また組電池１は、住宅における蓄電池用の定置用蓄電池として用いることができる。
【００２０】
組電池システム１００は、ハイブリッド自動車に搭載され、走行のための電動機と接続されている。この組電池システム１００は、図１に示すように、組電池１と、電流検出装置３０と、電圧検出装置２０と、充放電制御装置４０とを備えている。組電池１は、ここでは、その一例として複数個の電池セル１０を含んでいる。組電池１は、複数の電池セル１０を直列接続して構成される。電池セル１０は、複数の電池セルを並列に接続した構成でもよい。
【００２１】
充放電制御装置４０は、入力部４１、電池モデル部４２、入出力電力演算部４３、出力部４４等を備えている。電流検出装置３０は、組電池１を構成する複数の電池セル１０を流れる電流値を検出する。電圧検出装置２０は、各々の電池セル１０の端子間電圧を検出する。電圧検出装置２０は、組電池１の充電時や放電時に、所定の条件を満たす場合には、１つの電池セル１０の端子間電圧を検出して、組電池１のＳＯＣを算出するために使用する。
【００２２】
充電時や放電時に、電流検出装置３０が検出する電流値や、電圧検出装置２０が検出する端子間電圧は、入力部４１に入力される。組電池１におけるＳＯＣの状態は、例えば入出力電力演算部４３に記憶されたプログラム等を用いて電池モデル部４２によって演算される。プログラムは、例えば、電池セル１０の固有の充放電特性を表す電池モデルを用いた演算プログラムである。電池モデル部４２は、たとえば電池セル１０のそれぞれについて、電圧検出装置２０によって検出された内部状態端子間電圧からの各セルのＳＯＣを算出し、組電池１全体のＳＯＣを算出することができる。
【００２３】
出力部４４は、演算結果に基づいて組電池１の充放電を制御する。したがって、充放電制御装置４０は、電流検出装置３０が検出する電流値や、電圧検出装置２０が検出する端子間電圧を用いて、組電池１の充放電を制御する。充放電制御装置４０は、電圧検出装置２０が検出する端子間電圧と電池モデルを用いた充放電特性を用いて、組電池１の充電容量または放電容量を算出し、組電池１に蓄えられている電気容量を求める。
【００２４】
電池セル１０は、正極活物質を含む正極と、ハードカーボン、ソフトカーボン、またはこれらの活物質と黒鉛を混合した材料を主成分とする負極活物質を含む負極と、正極と負極の間に介在する媒体である電解質とを含む。さらに電池セル１０は、正極と負極の間に介在して、これらが電気的に短絡しないように配されるセパレータと、正極、負極、電解質およびセパレータを内部に含む外装ケースと、を備えている。
【００２５】
次に、電流値と電解液濃度との関係に関して説明する。図２〜図４は、ＳＯＣ８５％の電池モデルに対して１Ａ／ｍ２（図２）、１０Ａ／ｍ２（図３）、１００Ａ／ｍ２（図４）の電流値を電池セル１０秒、２０秒、３０秒、４０秒および５０秒流した後の電解液の濃度分布を示している。縦軸は、カチオン濃度を示し、横軸は電池セル１０の内部の位置を示す。位置のうち、０〜７０が負極であり、７０〜９０がセパレータであり、９０〜１８５が正極である。またこれらの数値は、後述する電池モデルを用いて演算した結果である。
【００２６】
電流を流す前は、カチオン濃度はどの位置でも１０００μｍで一定である。電流を流した後は、図２から図４に示すように、それぞれの電流値に対してカチオン濃度分布の絶対値は異なるが、どの電流値でも同じような分布であり、セパレータを中心に負極側（左側）に向かうにつれてカチオン濃度が増加する。セパレータを中心に正極側（右側）に向かうにつれてカチオン濃度が減少する。また時間が短い方が、カチオン濃度の最大値と最小値との差が小さい。また電流値を大きくすると、カチオン濃度の変化幅は大きくなる。
【００２７】
次に、１Ａと１００Ａにおけるカチオン濃度の波形を比較した結果について図５を用いて説明する。図５では、１Ａでのカチオン濃度の分布を左軸を用いて示し、１００Ａでのカチオン濃度分布を右軸を用いて示している。また左右の軸を初期濃度１０００ｍｏｌ／ｍ３の高さで揃えている。また１Ａの右軸の１目盛は、１００Ａの左軸の１００倍としている。時刻ごとの曲線は１Ａ、１００Ａでよく重なっている。したがって電流値にかかわらず、どの電極位置においても濃度の変化の傾向が似ていることがわかる。
【００２８】
次に、カチオン濃度の変化と電流値との関係について、図６を用いて説明する。図６では、１０秒後、位置＝０における電流と電解液の濃度変化の関係を示している。また図６では、縦軸に濃度変化を示し、横軸は、電流値を示している。図６に示すように、電解液の濃度変化、すなわちカチオン濃度−初期濃度は全ての時間において電流値に比例していることがわかる。この関係を次式（１）によって示すことができる。
【数１】
0006350366.tif 000002
【００２９】
式（１）の左辺は、ｔ秒間の濃度変化ΔＣｌを、ｔ秒間の平均電流Ｉａｖで除している。式（１）の右辺は、電解液の上限濃度Ｃｌｍａｘから現時点の濃度Ｃｌを減算した値を、予測電流Ｉｓｉｍで除している。
【００３０】
前述の図６にて示したように、電解液の濃度変化は電流値に比例しているので、式（１）における分子の濃度変化を電流で除した値である変化率は等しくなる。電池モデルに従って演算する毎に、入出力電力演算部４３には演算結果を記憶されている。したがって過去ｔ秒間の濃度変化を入出力電力演算部４３から情報を読み出して求めることができる。同様に、過去ｔ間の平均電流は、電流検出装置によって検出することができる。したがって式（１）の左辺を検出および算出によって、求めることができる。
【００３１】
また右辺の分子は、予め設定される電解液の上限濃度である。これによって予測電流Ｉｓｉｍで式（１）を解くことによって、上限濃度の予測電流Ｉｓｉｍを求めることができる。同様に下限濃度の予測電流を求める場合には、式（１）の右辺においては、電解液の現時点の濃度Ｃｌから下限濃度Ｃｌｍｉｎを減算した値を、予測電流Ｉｓｉｍで除せばよい。このような算出は演算部によって行われる。したがって演算部は、算出手段として機能し、電解液の濃度変化と電流値との関係を定式化した算出式を用いて予測電流を算出する。
【００３２】
次に、演算部が予測電流を算出する一連の処理に関して、図７を用いて説明する。図７に示すフローチャートは、演算部によって予め定める制御周期毎に実行される。
【００３３】
ステップＳ１では、電圧検出装置２０および電流検出装置３０が検出した電池状態を用いた電池モデルを使って電解液のカチオン濃度分布を計算し、ステップＳ２に移る。電池モデルは、バトラーボルマーの式と呼ばれる電極反応を示す式、電界液中でのリチウムイオン保存則、固相中でのリチウムイオン保存則、電界液中での電荷保存則、熱エネルギ保存則などを用いている。このような電池モデルの式は非特許文献１に基づくものであるので、各モデル式の詳細な説明については非特許文献１を援用する。これによって電池セル１０内の内部状態の予測値を逐次算出することができる。予測される内部状態としては、電解液中のカチオン濃度の他にも、たとえば電解液中および活物質内の電位分布、絶対温度ならびにカチオン生成量などがある。またステップＳ１では、全ての電池セル１０について電池モデルに従って電解液のカチオン濃度を算出している。
【００３４】
ステップＳ２では、電池セル１０内の各位置について、過去ｔ秒間の濃度変化を算出し、ステップＳ３に移る。ステップＳ１での演算結果が入出力電力演算部４３に記憶されているので、入出力電力演算部４３からｔ秒前の濃度を読み出し、ステップＳ１での演算結果と比較することによって、濃度変化を算出することができる。
【００３５】
ステップＳ３では、過去ｔ秒間の平均電流値を算出し、ステップＳ４に移る。同様に、入出力電力演算部４３には、過去に検出された電流値が時刻と関連付けられて記憶されているので、これらの時系列のデータを読み出すことによって、平均電流値を算出することができる。
【００３６】
ステップＳ４では、濃度変化と電流値が比例する関係を利用してｔ秒後に上限濃度および下限濃度に達する予測電流を算出し、ステップＳ５に移る。前述のように濃度変化と電流値とは、比例関係にあるので、式（１）を用いて、予測電流を算出することができる。
【００３７】
ステップＳ５では、予測電流の情報を用いて電池セル１０を保護するように出力部４４に情報を送信し、本フローを終了する。
【００３８】
これによって出力部４４は、予測電流に到達しないように充放電制御を実施する。予測電流に達しなければ、上限濃度を上回ることを抑制するこができ、同様に、下限濃度を下回ることを抑制することができる。
【００３９】
このように電池モデルの電解液の濃度分布を計算しながら、その濃度推移を基に電解液の濃度がｔ秒後に上限または下限に達するような電流値を算出し、算出した予測電流値を入出力可能電流として電池を保護する。ここでは予測電流を算出しているが、電流ではなく電力を算出して、予測電力として制御してもよい。
【００４０】
以上説明したように本実施形態の電池モデル部４２は、推定手段として機能し、電池モデルに従って、電池セル１０の内部状態を推定している。したがって電池セル１０の内部状態を充放電制御に反映することができる。また電池モデル部４２は、算出手段としても機能し、推定した内部状態を用いて、予め定める時間、たとえばｔ秒経過後に電池セル１０の電解液の濃度が上限濃度または下限濃度に到達する予測電流または予測電力を算出している。電解液の濃度は、充放電の時間および電流に応じて変化する。したがって設定した上限濃度および下限濃度に到達する予測電流または予測電力を算出することができる。このように算出した予測電流または予測電力を用いて、制御手段として機能する出力部４４は、電池セル１０の充放電状態を制御する。したがって電解液の上限濃度または下限濃度に到達することを防ぐことができる。これによって電池セル１０の過剰な充放電を抑制することができ、電池セル１０の劣化を抑制することができる。
【００４１】
このように電池モデルを活用することで電池セル１０の内部の局所的な反応状態まで忠実に計算し、電池セル１０の状態に基づいた電解液の保護電流値を算出している。また電池モデル部４２は、制御周期毎に図７に示すフローを実行する。したがって予測電流または予測電力を算出する毎に、一度だけ電池モデルに従って内部状態を推定することになる。このように一度の予測電力または予測電力の算出で、出力部４４は充放電制御を実施することができるので、逐次演算する従来技術よりも計算負荷を低減することができる。したがって本実施形態では、電池モデルを用いて電池セル１０の内部の局所的な反応状態を計算し、低い計算負荷で電池状態に基づいて電解液の保護電流値を算出することができる電池セル１０の充放電制御装置を実現することができる。
【００４２】
また本実施形態では、電池モデル部４２は、電解液の濃度変化と電流値との関係を定式化した算出式を用いて予測電力または予測電流を算出している。したがって本実施形態では、電解液濃度の上下限を保護する電流値を算出する。また、あらかじめ作成したマップで電流制値を決めるのではなく電流値と電解液推移の特徴を活用し、保護電流算式から保護電流値を決定する。このように電解液濃度から予測電流または予測電力を算出する式を導入することで、計算負荷の低減を実現することができる。
【００４３】
さらに本実施形態では、電池モデル部４２は、電池セル１０と同数の電池モデルに従って、複数の電池セル１０の内部状態を推定している。これによって高精度にカチオン濃度を算出することができる。これによって電池セル１０に過剰な充放電が発生することをさらに抑制することができる。
【００４４】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００４５】
上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【００４６】
前述の第１実施形態では、ステップＳ１では、全ての電池セル１０について電池モデルに従って電解液のカチオン濃度を算出しているが、全ての電池セル１０についてカチオン濃度を演算しなくてもよい。電池モデル部４２は、複数の電池セル１０のうち代表的な１つ電池セル１０の電池モデルに従って、二次電池の内部状態を推定してもよい。したがって同一の電池モデルが電池セル１０の数だけあるとして、二次電池の内部状態を推定する。これによって全ての電池セル１０について内部状態を推定するよりも計算負荷を少なくすることができる。
【００４７】
前述の第１実施形態では、電池セル１０は、リチウムイオン電池であったが、他の二次電池、たとえばニッケル水素電池等で構成してもよい。
【００４８】
また前述の第１実施形態では、検出手段は、電流検出装置３０および電圧検出装置２０によって実現されているが、両方を用いる必要はなく、いずれか一方であってもよい。換言すると、検出手段は、電池セル１０の電池情報のうち、電流および電圧のうち少なくとも一方を検出する装置であればよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…組電池                          １０…電池セル（二次電池）
２０…電圧検出装置（検出手段）      ３０…電流検出装置（検出手段）
４０…充放電制御装置                  ４１…入力部
４２…電池モデル部（推定手段，算出手段）  ４３…入出力演算部
４４…出力部（制御手段）            １００…組電池システム
【図１】
0006350366.tif 000003
【図２】
0006350366.tif 000004
【図３】
0006350366.tif 000005
【図４】
0006350366.tif 000006
【図５】
0006350366.tif 000007
【図６】
0006350366.tif 000008
【図７】
0006350366.tif 000009