(57)【要約】【課題】  大容量電池システムでは、所望の期間まで効果的に電池を運用する必要があるが、任意な条件での劣化推定が難しく電池を活用できていない。【解決手段】  電流、電圧、温度などの時間履歴を蓄積し、運転条件を分析することと、基準電極電位を測定可能な電極を有する第３の電極を内蔵した電池セルを複数電池の少なくとも一つ以上含んで構成する電池システムで、基準電極の情報を利用すること劣化を予測し、個別セルの内部状態にあわせ運転条件を選択して、電流指令と温調指令で寿命をコントロールする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムにおいて、
前記二次電池の電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析し、運転条件のパラメータを特定した情報と、劣化要因と電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【請求項２】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムであって、
前記正極、前記負極、および第３の電極を参照極として有する二次電池を少なくとも１つ以上含んで構成される二次電池群の、電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析する波形データ取り込み部を運転条件のパラメータを特定した情報と、劣化要因と電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【請求項３】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムであって、
前記二次電池を少なくとも１つ以上含んで構成される二次電池群の、電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析する波形データ取り込み部を運転条件のパラメータを特定した情報と、二次電池の電圧と参照極との正極電圧と正極容量、参照極との負極電圧と負極容量の関係式を利用して、複数の無負荷時の開回路電圧と、電池表面温度または内部温度から内部の劣化状態パラメータを算出、劣化データベースを参照し、内部の劣化状態パラメータと電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【請求項４】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムであって、
正極、負極、および第３の電極を参照極として有する二次電池を少なくとも１つ以上含んで構成される二次電池群の、電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析する波形データ取り込み部を運転条件のパラメータを特定した情報と、前記第３極を含む二次電池の参照極との電圧差を利用して正極電位、負極電位、無負荷時の開回路電圧とし、電池表面温度または内部温度と共に取り込み、内部の劣化状態パラメータを算出、劣化データベースを参照し、内部の劣化状態パラメータと電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記時系列に収集された波形データから、分析する運転パラ−メータは、開始電圧、終了電圧、最大電圧、最低電圧、セル温度、環境温度、充電容量、放電容量、単位時間当たりの電気量変動、最大放電電流、最大充電電流、平均電流、実効電流、稼働中心電圧、各電圧領域滞在時間比率、単位時間当たりの通電極性比率、休止時間比率、上下限ＳＯＣ、上下限電圧、ＳＯＣ変動幅、通電時間の少なくとも２つ以上の分析パラメータであり、
前記運転パラメータを使用して運転条件を特定した通電電流、通電継続時間、休止時間比率、電圧調整時間、環境温度変更指令の少なくともひとつ以上の運転条件を変更する指令を送ることを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記二次電池の電圧、電流波形から前記運転制御パラメータを算出し、
データベースを参照することで、現在の容量、抵抗を推定し、第３極によって、前記二次電池のＯＣＶを取得し、内部劣化の因子パラメータを計算、内部劣化因子パラメータと運転パラメータの状態から、劣化を予測し、要求寿命を達成するために必要な運転条件をデータベースから、パターンマッチングの方式を用いて選択し、上位制御回路で、運転指令を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項6のいずれかにおいて、
前記正極、前記負極、前記電解液から構成されるリチウムイオン電池のうち、少なくとも１つ以上の正極負極以外の接続端子を有し、該接続端子は、前記二次電池の内部に含リチウムイオン材料から構成される第３の電極と接続されており、
前記第３電極にリチウムイオンが供給可能であることを特徴とする電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、
前記第３の基準電極は、含リチウム酸化物（ＬｉＴｉＯ２、ＬｉＦｅ２Ｏ４）であることを特徴とする電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかにおいて、
前記第３の電極は、正極材料と材料で構成されており、
任意の時点でスイッチにより、前記正極にリチウムイオンの供給が可能であることを特徴とする電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかにおいて、
前記電池システムは、上位制御回路を有し、
前記上位制御回路は、前記電池システムの収益計算を自動で実行し運転を変更し休止時間を定期的に設けることを特徴とする寿命制御型電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は充放電可能な電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球環境問題が大きくクローズアップされてきており、地球温暖化防止の為に、あらゆる場面で炭酸ガスの排出削減が求められている。炭酸ガスの大きな排出源となっているガソリンエンジンの自動車については、ハイブリッド電気自動車や電気自動車などへの代替が始まっている。
【０００３】
ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に代表される大型二次電池は、高出力、大容量であることが必要である為、それを構成する蓄電池モジュール内は、複数の電池セルを直並列接続して構成される。
【０００４】
また、電力昨今の原子力発電所の停止を受け、自然エネルギーによる発電や、電力会社で発電する以外の電力を利用することに注目が集まっている。自然エネルギーによる発電は、たとえば風力を例にとっても、風がコンスタントに吹き続けるものではなく発電量は変動が大きくなる。また、太陽光発電においても天候により発電量が変動するのは周知のことである。この電力が、電力系統に対し電圧変動を誘発する原因となりうる。安定した品質の電力を供給するためには電力系統の電圧の変動緩和が必要であり、その変動緩和には蓄電池システムを使用する。
【０００５】
これらの蓄電池システムに使用される二次電池であるリチウムイオン電池は、高電圧充電の防止や過放電による性能低下の防止などの適切な二次電池の使いこなしが必要となる。この為、蓄電池システムに搭載される蓄電池モジュールには、電池の状態である電圧、電流、温度などを検出する機能を持っている。図２２に代表的なハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールの構成を示す。図２２に示すように、複数の電池セルはセルコントローラと接続され、セルコントローラは、複数の電池セルの状態を検出する。また、複数のセルコントローラはバッテリーコントローラに接続され、バッテリーコントローラは、複数のセルコントローラから複数の電池セルの状態を取得する。さらにバッテリーコントローラは、取得した複数の電池セルの状態から電池容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）や電池劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ）を演算し、上位のコントローラなどに演算結果を通知する仕組みとなる。大容量電池システムでは、製造時の接続工数や配線量が膨大で、誤配線やコストの増加の懸念もあり電池の構成が自由自在に変更しにくい。
【０００６】
電力系統の変動緩和等に使用される大容量の電池システムでは、多直列多並列の電池システムで、車両用の用途と異なり、数日以上連続で運転される。電力用途では、主に蓄電設備は大容量で大型になるため、設備全体の価格に対し、電池が占める割合が大きい。そのため、所望の期間迄、十分使用できることがユーザーから望まれる。
【０００７】
しかしながら、電池は使用と共に容量が減少し、出力の変動が起きるデバイスであり、使用方法によってもその程度が異なる。この容量減少、出力変動を劣化と定義する。
大規模システムでは、複数の電池を多直列、多並列に接続して制御する。多直列部は、電池の容量が最も小さく、通電時の電圧変動が大きいもので状態が保護され、通電時の電流制限は、直列部の平均電圧でのＳＯＣで管理するのが一般的である。電池の劣化推定は、全体の電池情報から実施されている。電池システムの設計においては、保存時と通電時のサイクル劣化から、実用寿命を算出し、最適電池量の見積もりとコスト低減を図りたい要請がある。電池システム稼働時には、使用中に余寿命を推定して適切に保守交換をする必要があり、電池の使用履歴に対する劣化を予測する技術が望まれている。
【０００８】
これら技術として、特許文献１には、一定電流値での使用における容量維持率に着目した、劣化度推定装置の記載がある。
【０００９】
特許文献２には、電池劣化推定方法の記載がある。特許文献３では、電極内部の正極電位、負極電位の開回路時の電位を、参照極を用いて測定することで、電気量を開回路電圧との関係を求め、ＯＣＶと電池容量の関係を算出する方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−９８１３５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２０９００号公報
【特許文献３】特開２０１３−１４００３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１記載の劣化度推定装置では、一定電流値での使用における容量維持率に着目しており、大電流通電したときの電池動作電圧に関する情報を考慮していない。
【００１２】
また、実測データの抵抗値から残容量値を推定しているため、抵抗値と容量値が一対一で対応している系から外れる、一時的に抵抗が上昇する通電パターンがある電池の場合は、必ずしも抵抗と放電容量が一対一で決定できない。このため、誤差を生じる可能性があり必ずしも適切な余寿命を推定しているとはいえない。
【００１３】
また、特許文献２記載の電池劣化推定方法では、容量劣化の推定は実施できるものの、総容量の平方根に比例する関係がない容量劣化となる条件では推定ができない。また、抵抗劣化についての推定技術は開示されておらず容量劣化推定に限定されている。また、その条件で運用されたトータル時間を示しているだけで、充放電の条件が切り替わった時点での電池の状態を必ずしも引き継いでいるわけではない。通電電流量の２分の１乗に比例するということは初期の容量減少が大きいことを示すため、総容量での換算は初期からの積算値を適用することになる。このため、実際の値よりも劣化を大きく推定する可能性があり、精度が十分であるとはいえない。また、サンプリングした期間の終了時点での電池の残容量は推定できるものの、長期間にわたる電池劣化の状態やその途中経過についての予測がこの方法では知ることができない。
【００１４】
電池の内部劣化を推定する技術として、特許文献３では、電極内部の正極電位、負極電位の開回路時の電位を、参照極を用いて測定することで、電気量を開回路電圧との関係を求め、ＯＣＶと電池容量の関係を算出する方式が開示されている。この方法は、電池の現在の劣化状態はわかるが、劣化を予測するには十分とはいえない。
【００１５】
本発明は、電池内部の材料特性の変化や構造の変化状態に基づき、劣化状態を判定、ユーザー要求寿命を満たす電池システムの運用方法を提供し長期間運用できる信頼性の高い電池システム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】
【００１６】
本課題を解決できる手段は例えば以下である。
【００１７】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムにおいて、前記二次電池の電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析し、運転条件のパラメータを特定した情報と、劣化要因と電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【００１８】
第二の方法は以下である。
【００１９】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムであって、前記正極、前記負極、および第３の電極を参照極として有する二次電池を少なくとも１つ以上含んで構成される二次電池群の、電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析する波形データ取り込み部を運転条件のパラメータを特定した情報と、劣化要因と電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【００２０】
第三の方法は以下である。
【００２１】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムであって、前記二次電池を少なくとも１つ以上含んで構成される二次電池群の、電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析する波形データ取り込み部を運転条件のパラメータを特定した情報と、二次電池の電圧と参照極との正極電圧と正極容量、参照極との負極電圧と負極容量の関係式を利用して、複数の無負荷時の開回路電圧と、電池表面温度または内部温度から内部の劣化状態パラメータを算出、劣化データベースを参照し、内部の劣化状態パラメータと電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【００２２】
第四の方法は以下である。
【００２３】
正極と負極を有する複数の二次電池が直列または並列に接続された電池システムであって、正極、負極、および第３の電極を参照極として有する二次電池を少なくとも１つ以上含んで構成される二次電池群の、電流、電圧、温度の少なくとも一つ以上を時系列に蓄積したものを分析する波形データ取り込み部を運転条件のパラメータを特定した情報と、前記第３極を含む二次電池の参照極との電圧差を利用して正極電位、負極電位、無負荷時の開回路電圧とし、電池表面温度または内部温度と共に取り込み、内部の劣化状態パラメータを算出、劣化データベースを参照し、内部の劣化状態パラメータと電池の運転条件パラメータとの関係を使用して、電池の運転条件を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【００２４】
さらに好ましくは以下である。
【００２５】
前記時系列に収集された波形データから、分析する運転パラメータは、開始電圧、終了電圧、最大電圧、最低電圧、セル温度、環境温度、充電容量、放電容量、単位時間当たりの電気量変動、最大放電電流、最大充電電流、平均電流、実効電流、稼働中心電圧、各電圧領域滞在時間比率、単位時間当たりの通電極性比率、休止時間比率、上下限ＳＯＣ、上下限電圧、ＳＯＣ変動幅、通電時間の少なくとも２つ以上の分析パラメータであり、
前記運転パラメータを使用して運転条件を特定した通電電流、通電継続時間、休止時間比率、電圧調整時間、環境温度変更指令の少なくともひとつ以上の運転条件を変更する指令を送ることを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【００２６】
前記二次電池の電圧、電流波形から前記運転制御パラメータを算出し、データベースを参照することで、現在の容量、抵抗を推定し、第３極によって、前記二次電池のＯＣＶを取得し、内部劣化の因子パラメータを計算、内部劣化因子パラメータと運転パラメータの状態から、劣化を予測し、要求寿命を達成するために必要な運転条件をデータベースから、パターンマッチングの方式を用いて選択し、上位制御回路で、運転指令を変更することを特徴とする寿命制御型二次電池システム。
【００２７】
前記正極、前記負極、前記電解液から構成されるリチウムイオン電池のうち、少なくとも１つ以上の正極負極以外の接続端子を有し、該接続端子は、前記二次電池の内部に含リチウムイオン材料から構成される第３の電極と接続されており、前記第３電極にリチウムイオンが供給可能であることを特徴とする電池システム。
【００２８】
前記第３の基準電極は、含リチウム酸化物（ＬｉＴｉＯ２、Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12、ＬｉＦｅ２Ｏ４）であることを特徴とする電池システム。
【００２９】
前記第３の電極は、正極材料と材料で構成されており、任意の時点でスイッチにより、前記正極にリチウムイオンの供給が可能であることを特徴とする電池システム。
【００３０】
前記電池システムは、上位制御回路を有し、前記上位制御回路は、前記電池システムの収益計算を自動で実行し運転を変更し休止時間を定期的に設けることを特徴とする寿命制御型電池システム。
【発明の効果】
【００３１】
本発明により多直列多並列の電池セルで構成される電池システムにおいて、電池内部の劣化状態に合わせた運転制御が可能になり、所望の寿命まで使用可能な電池システムが提供できる。内部基準電極を有する単電池により内部の電極の状態の推定が可能であるため、電池の劣化理由に基づいて、運転条件から劣化予測が可能である。このため、蓄電池の直列接続部全体を交換せずとも、個別に単電池を交換することが可能で、異常時の交換単位を小さくすることが可能になる。蓄電池の交換が容易になり、さまざまな用途に適用可能な汎用性の高い電池システムを実現できる。また、劣化状態を示すパラメータの変化と、電池の運転情報との関係から、寿命を推定し、要求寿命に対して推奨される運転条件を選択、上位制御に反映することで、電池システムの寿命を制御でき、電池の有効活用につながる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の電池システムの構成例である。
【図２】本発明の電池システムの構成例である。
【図３】入力電流波形の例である
【図４】入力電流波形の例である
【図５】正極、負極の電圧曲線例
【図６】電池容量内部状態パラメータ説明図
【図７】波形特徴データベースの一例
【図８】条件パラメータ表示例
【図９】規格化条件パラメータの例。
【図１０】規格化条件パラメータデータベース例
【図１１】劣化推定式の係数例。
【図１２】本発明の電池システムの条件選定フロー
【図１３】本発明で使用する３極式のセルの例である。
【図１４】電池内部電位の例である。
【図１５】本発明の大容量電池システムのフロー構成例
【図１６】本発明の実施例
【図１７】内部状態パラメータ算出フロー
【図１８】内部状態パラメータ算出フロー
【図１９】内部状態パラメータ算出グラフ
【図２０】内部状態パラメータ算出フロー
【図２１】本発明でセル管理装置と電池管理装置間の情報を無線通信により実施する例である。
【図２２】従来の自動車用電池システムの例である。
【図２３】劣化予測計算方法の説明
【図２４】劣化予測結果例
【図２５】本システム適用時の効果
【図２６】劣化推定フローの例
【図２７】容量回復セル適用例
【図２８】本発明の電池システムの条件選定フロー
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を用いて実施例を説明する。
【実施例１】
【００３４】
本発明の電池システムの基本構成を図１に示す。正極１、負極２から構成される単電池５を複数直列に接続し、蓄電池（二次電池）１０を構成する。蓄電池１０の正極と負極は負荷（図示なし）と接続されている。検出部２０により電池の蓄電池総電流、総電圧、環境温度、蓄電池最高温度、蓄電池平均温度、蓄電池最低温度、セル個別データのセル温度、セル電圧、セル正極電位、セル負極電位等を検出する。
【００３５】
検出したデータを電池制御部３０と寿命制御部４０に入力する。寿命制御部４０では、電池の内部劣化を推定し、あらかじめ決定されている上位システム期待寿命に対し、現在の劣化情報と現在の運転情報から今後の劣化予測を実施し、期待寿命と照らし合わせて、期待寿命を確保するための推奨運転パラメータを算出する。推奨運転パラメータで上位制御した場合の劣化推定を実施し、要求に合致する場合は、負荷制御部にその指令を提供する。一方電池制御部は、現在の電池の容量（ＳＯＣ）や異常状態の検知、入出力可能電力、温度コントロール指令などの計算を実行し、上位の負荷制御部に情報を上げる。負荷制御部７０は、上位制御部６０と電池制御部３０から入力された情報に応じ負荷を制御する指令を出す構成である。
【００３６】
図２は寿命制御部の構成と動作を示す図である。
【００３７】
検出部２０ａには電圧、電流、温度の各情報を検出し、図３のような電流波形、図４のような電圧、電流波形、ＳＯＣ変化などを波形データ蓄積部２１に時間に対して蓄積する。
【００３８】
蓄積したデータを用いて波形分析部２２で、各運転パラメータを算出する。分析する運転パラ−メータは、開始電圧Ｖｉｎｉ、終了電圧Ｖｌａｓｔ、最大電圧Ｖｍａｘ、最低電圧Ｖｍｉｎ、セル温度Ｔｃ、環境温度Ｔａ、充電容量Ｑｃ、放電容量Ｑｄ、単位時間当たりの電気量変動ΔＱ、最大放電電流Ｉｍａｘ、最大充電電流Ｉｍｉｎ、平均電流Ｉａｖｅ、実効電流Ｉｅ、稼働中心電圧Ｖｃｅｎｔｅｒ、各電圧領域滞在時間比率Ｒｔ、単位時間当たりの通電極性比率、休止時間比率ｔｒ、上下限ＳＯＣ（ＳＯＣｍａｘ、ＳＯＣｍｉｎ）、上下限電圧（Ｖｍａｘ、Ｖｍｉｎ）、ＳＯＣ変動幅（ΔＳＯＣ）、通電時間（ｔｔｏｔａｌ）などの少なくとも１つ以上である。
【００３９】
波形分析部２２で分析して算出した運転パラメータと劣化の関係をデータベース２３を参照して、劣化状態推定部２４で容量、抵抗の劣化予測を実行する。データベース２３には、容量、抵抗の変化と運転パラメータの関係を示す式、またはテーブルデータと、運転パラメータと内部状態パラメータとの関係を示す式、またはテーブルを備え、セルの劣化情報のデータが格納されている。運転パラメータにより劣化状態推定部２４で推定した容量、抵抗の劣化推移を基に寿命予測部２８でシステムの寿命を予測し、予測寿命を上位システム６０に通信する。
【００４０】
一方、セル個別データ検出部２０ｂでは、正極電位、負極電位、第３極電位、電池温度を検出、検出したデータから、内部状態パラメータ算出部２５で、内部の劣化状態を判定するためのパラメータを算出する。次に内部劣化判定部２６で、内部状態パラメータと劣化状態の関係をデータベース２３のデータを参照して計算、劣化を判定する。
【００４１】
ここで内部状態パラメータの計算法について詳述する。
【００４２】
まず、各電極の電圧を通電時の電流値と蓄積し、その通電時に変化した電気量と通電時間も記録する。こうして蓄積された複数の電流、電圧、ＳＯＣ、時刻、時間、電気量のデータから、一定条件、例えばある範囲の通電電流値での電気量変動が規定のＳＯＣ変動量、例えばＳＯＣ５％の変動である部分を選択してデータ取得時のＳＯＣに対し、一定秒数後のＯＣＶであるＯＣＶｃ、ＯＣＶｐ、ＯＣＶｎを取得する。
【００４３】
これらの情報を使用して、内部状態パラメータ算出部２５にて内部の劣化状態を判定できる内部状態パラメータを算出する。ここで、内部状態パラメータとは正極電圧、負極電圧と正極容量、負極容量を算出、その際の劣化に伴い変化する正極活物質の利用量ｍｐ、負極活物質の利用量ｍｎ、正極電圧のずれの指標であるｄｐ、負極電圧ずれの指標であるｄｎ、などの係数パラメータを示す。
【００４４】
内部状態パラメータは、あらかじめ準備された、二次電池の電池電圧と、正極の開回路電位、負極の開回路電位、電池の内部抵抗と正極の内部抵抗、負極の内部抵とを電気量に対して関連付けるデータテーブル（図５）を利用して計算する。データテーブルにおける正極、負極の開回路電位は、共通の参照極が示す基準電位に対する電位であることが望ましい。参照極としては、リチウム金属、チタン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなどを用い、望ましくは、電池と同一の電解液を用いた場合のデータを利用する。
【００４５】
検出したデータから内部状態パラメータを後述する方法により算出し、内部状態パラメータ変化を運転条件パラメータとの関係式あるいはデータベースから決定し、劣化状態推定部２４（図２）で所望の電池容量、電池抵抗を求め、電池劣化度ＳＯＨとする。この電池劣化度ＳＯＨは電池制御部（図示なし）へ出力され、電池制御に使用することもできる。同時に寿命予測・推奨運転条件選択部の入力となり、波形分析部２５で算出された結果とデータベース２３を参照し、現在運転の場合の電池劣化を寿命予測部２８で予測する。このとき、内部状態パラメータ算出部２５で算出した内部状態パラメータで現在の正極、負極の劣化に関係する情報が取得できるため、劣化状態推定部２４で算出した現在劣化値と、寿命予測値を照らし合わせ、内部劣化要因に合わせて、ユーザーが希望する電池寿命を考慮して劣化を加速、または緩和する条件を長寿命化運転条件選択部２７で選択し、その条件を推奨運転条件として寿命予測とともに上位システム制御６０に通知する。
【００４６】
上位システム制御６０は寿命予測と運転条件から最適な出力指令を実行する。たとえば、電池の稼働中心ＳＯＣを下方に変更するために、一定量を目標電圧まで放電させることを、一回または複数回に分けて実施する、あるいは充電と放電の電流バランスを変更し、システム稼働に大きく影響を及ぼさない範囲で、一定期間内の積算放電量の絶対値が積算充電量の絶対値よりも大きくなるように電流を制御し、稼働中心電圧を下げる調整をする。これによりＳＯＣが低い側で劣化速度が抑制される電池は長寿命化を実現できる。あるいは、通電電流の最大値が大きく関与する電池系では、電流値を制限することや通電と休止の時間比率を変えることで、寿命をコントロールすることができる。さらに上位システムでは、寿命と推奨運転のデータから収益計算やエネルギー効率や消燃費計算などを実行して、変更をするかどうか再度判断してもよい。
【００４７】
ここで、内部状態パラメータ算出に使用するデータと、データの取得方法について詳細に記載する。寿命コントローラ４０内にあらかじめ必要なデータは以下である。二次電池の充電状態に対して、電池電圧と、正極の開回路電位と、負極の開回路電位と、電池の内部抵抗と、正極の内部抵抗と、負極の内部抵抗とを対応付けるデータテーブルが制御装置に備わっている。このデータテーブルにおける電池の充電状態としては、例えば満充電状態から全放電状態に至るまでの放電容量を百分割して、満充電状態を１００、全放電状態を０として表す、あるいは満充電状態からの放電量や全放電状態からの充電量を充電状態として用いる。また、電池のＳＯＣに対する電池電圧の関係式またはテーブルを具備する。これにより取得ＯＣＶをＳＯＣに換算、あるいは取得ＳＯＣをＯＣＶに換算する。電池開回路電圧は図６に示したように正極開回路電位と負極開回路電位の差である。
Ｑ＝Ｑｐ−ｄｐ＝Ｑｎ−ｄｎ    …式（１）
Ｓ＝Ｑｎ−Ｑｐ    …式（２）
Ｖ（Ｑ）  ＝  Ｖｐ（ｑｐ）  -  Ｖｎ（ｑｎ）    …式（３）
【００４８】
電池容量は、電池満充電電圧Ｖｈと全放電状態の電圧Ｖｌの間の電気量である。正極電気量Ｑｐは基準正極容量ｑｐと正極利用量ｍｐとパラメータｄｐであらわすことができ、同様に負極電気量Ｑｎも基準負極容量ｑｎと負極利用量ｍｎとパラメータｄｎであらわすことができ電池容量Ｑとの関係は式４で示すことができる。このとき、Ｑｎ−Ｑｐが失活したリチウム量に相関する値Ｓとし式５で表すことができる。（Ｑは放電量（ある時点の蓄電量）  （Ａｈ）、ｍｐ、ｎは正極／負極利用率（−）、ｑｐ、ｎは基準正極／負極の放電量（Ａｈ）  ｄｐ、ｎは正極／負極の位置ズレ  （Ａｈ）である。仮の電池の放電曲線を計算し、上限電圧４．２Ｖの放電容量Ｑ１と下限電圧２．８Ｖの放電容量Ｑ２を求め、電池容量Ｑ２−Ｑ１を得ることができる。）
Ｑ＝ｍｐｑｐ＝ｍｎｑｎ＋（−ｄｎ） …式（４）
Ｓ＝−ｄｎ＝ｍｐｑｐ−ｍｎｑｎ     …式（５）
【００４９】
式３はある容量Ｑにおける電池電圧Ｖ（Ｑ）の式で、正極基準容量ｑｐの関数であらわされる正極電位Ｖｐ（ｑｐ）と負極基準容量ｑｐの関数であらわされる負極電位Ｖｎ（ｑｎ）との差である。各内部状態パラメータを算出している。
【００５０】
内部状態パラメータの特定には、基準容量での正極、負極の電圧の変化量と、電池の電圧変化量を使用して、充放電曲線を計算し、計算時の電圧曲線と、実測の電圧曲線が規定誤差内で一致するまで計算して内部状態パラメータを取得する。
【００５１】
これら特定したパラメータを初期の内部状態パラメータから変化を時系列に蓄積しておく。特定した現在値パラメータからは、現在の容量を算出、初期値と比較して、劣化度が算出できる。
【００５２】
蓄積されたパラメータ変化は、正極、負極の劣化を反映しており、劣化している箇所の特定が可能である。実測により蓄積されたパラメータ変化と、あらかじめ、運転条件パラメータに対し各内部状態パラメータの変化がセットとして蓄積されたデータベースを突き合わせることで今後の劣化予測をする。
【００５３】
データベースには、運転条件パラメータと、通電時間あるいは使用積算容量、サイクルなどとの関係式があり、これを用いて内部条件パラメータを推算する。また、図７に示すような、試験条件の特徴を示す試験条件パラメータ部１０１と、劣化時推定用の情報である、内部状態パラメータの計算用の係数などをもったデータマップとして実装してあり、そのマップの運転条件パラメータ部と、測定履歴から抽出した運転条件パラメータの数値との差を評価して、パラメータの推移のパターンが最も近い運転条件パラメータの組み合わせを選択するパターンマッチングの手法を取ることも可能である。
【００５４】
図８は、入力条件から生成した特徴パラメータであり、図９は更にマップ内で規格化した特徴パラメータの例である。図１０はＮ個の試験条件組合せについてＭ個の運転条件パラメータを抽出して規格化した例で、測定履歴から抽出したこれらのｋ１からｋｍまでのＭ個の運転条件パラメータについて、データベースの値との式（２）で示したユークリッド距離を評価し、最も近いものの劣化推定式を使用して、予測を実施する。容量劣化式における容量劣化と抵抗劣化の係数はたとえば図１１の表のように電池の温度によって異なるなど条件により劣化が異なるため、運転パラメータの各条件に応じた推定式を用いることで劣化予測の精度が向上する。
【００５５】
パターンマッチングの手法を採用すると、複雑な関係式を用いた場合の数値計算量に比較すると計算負荷を軽く、実装時のメモリの量も減らすことが可能になり、システムの小型低コスト化に効果的である。
【００５６】
また正極活物質がリチウム含有酸化物、負極活物質に難黒鉛化炭素材料で、六フッ化リン酸リチウムを電解質とした有機電解液を使用しているような、電池の残量（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が電圧と相関する電池では、より容易に内部状態パラメータを抽出でき、内部状態を精度よく推定することが可能になる。
【００５７】
図２において、長寿命化運転条件選択部２７では、劣化状態推定部２４のデータと内部劣化判定部２６から計算値を参照し、長寿命化する運転条件を選択する。その後、推奨運転条件出力部２９から推奨運転条件を上位システム制御６０に通信する。
【００５８】
図１２は、寿命計算から、推奨運転条件を算出するフローの実施例である。
【００５９】
現在条件の寿命予測計算（Ｓ１０１）実施後、運転条件選択（Ｓ１０２）で条件を選択し、劣化の傾きが要求寿命になる条件を選別、所望の寿命に近い条件の運転パラメータを選択（Ｓ１０４）、現在の条件と比較して（Ｓ１０５）、要求寿命になるよう、選択した条件で、現条件から、変更が必要な運転パラメータの変更箇所を選択し（Ｓ１０６）、制御指令値に変換（Ｓ１０７）して、上位システムに推奨条件として通知する。
【００６０】
上位システム制御は寿命予測と運転条件から最適な出力指令を実行する。上位システムでは、寿命と推奨運転のデータから収益計算などを実行して、変更をするかどうか再度判断してもよい。以上のように電池の状態判定と寿命予測を組合せ、上位の要求寿命に対して劣化予測と推奨条件予測から運転を制御することで、電池の有効活用を図ることができる。
【００６１】
図１３は、本発明に適用するセルの例である。正極１、負極２と基準になる参照極３から構成されている。各電極は集電箔上に活物質合材を塗布乾燥後、タブを加工して正極１、負極２としている。第３の電極も同様に、集電箔上に電極を構成し、第３極３（基準電位極３）とした。正極１と負極２はセパレ−タによって絶縁され、積層されている。第３電極は正極１、負極２と接触せず、短絡しないようセパレータで絶縁して、正極１と負極の積層体のタブ側に配置している。電解液を満たしラミネートフィルムで覆ったラミネートセルである。
【００６２】
このセルの正極、負極、第３電極の３つの電位が、電池管理装置（セルコントローラ）に電圧値として収集される。セルコントローラから収集した電圧は組電池管理装置（バッテリーコントローラ）で演算し、正極負極間の電圧をセル電圧とし、第３極と正極間の電圧を正極電圧、第３極と負極間の電圧を負極電圧とする。
【００６３】
図１４は電池電圧、正極電位、負極電位を時間に対して取得した例である。これらの値と温度を時系列のデータとして蓄積する。
【００６４】
このとき二次電池はたとえば、正極活物質がリチウム含有酸化物、負極活物質に難黒鉛化炭素材料で、六フッ化リン酸リチウムを電解質とした有機電解液を使用しているような、電池の残量（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が電圧と相関する電池である。第３極は金属リチウムの場合、第３極の電圧が最も卑となるため、基準としてはわかりやすく、これを用いることができる。しかし金属リチウムはアルカリ金属であり、金属リチウムの取り扱いには水分量のコントロールが必要で、空気中での取り扱いが難しく、消防法等の規制等もあり、製造が容易ではないため、金属リチウム基準で、電位が一定である領域が広い、チタン酸リチウムやリン酸鉄リチウムなどが好適である。こうすることで、製造リスクが低減し、製造プロセスコストを従来の２極式のリチウム二次電池と同等にすることが可能である。
【００６５】
図１５は、本発明の寿命制御型二次電池の全体構成の一例である。二次電池１０から電流、電圧温度、参照極電圧を取り込み、電池データ蓄積解析部４１でデータを蓄積、蓄積データから内部状態パラメータ算出部４２で複数の内部パラメータを検知し、一方で使用履歴分析部４３で運転パラメータを分析する。これらのパラメータから、劣化予測部４４で、現在の運転条件での劣化予測を実施、更にユーザー要求寿命入力部４５から入力された要求寿命に対し、どの程度の寿命になるか計算する。ユーザー条件を満たすための運転パラメータを計算し、推奨運転条件算出部４６で、制御コントローラ６１の制御項目である、許容電流値、稼働ＳＯＣ範囲（ΔＳＯＣ）、稼働中心ＳＯＣまたは中心電圧、セル温度、環境温度などの条件に変換し、制御コントローラ６１からＰＣＳ１１０を制御して電池１０への充放電量を調整する構成である。本構成で、寿命を予測することと同時に、ユーザ寿命が逐次変更された場合においても望ましい運転条件を選択して、電池システムの寿命を制御することが可能になる。
【実施例２】
【００６６】
図１６に本発明の第２の構成例を示す。
【００６７】
電池システムの入力部（１）１０３から、データ蓄積部（３）１０５では組電池の電流、電圧、平均温度、最大温度、最小温度などを取得し、時系列のデータをある特定範囲の時間で蓄積して分析する。（５）の入力負荷データ処理部１０７で、劣化に関するパラメータを数時間から数日分を分析して、相当パターンに近似する。
【００６８】
一方、セルデータ入力部（２）１０４からセルの電流、電圧、参照極電位、セル温度を取得する。取得したデータを（４）の内部状態パラメータ算出部１０６で、充放電後、一定時間後の開回路電圧を取得する。このとき、データは数日から、１カ月程度を蓄積する。時刻情報から、総使用量を演算し、内部状態パラメータである正極利用率、負極利用率、容量ずれ、リチウム損失量を計算し、測定データ毎に時系列情報と変化を蓄積する。
【００６９】
劣化挙動解析データベース部（６）１０８は時系列の内部状態パラメータ変化と試験条件と関係を関係式またはテーブルで有し、更に時系列の容量、抵抗、容量維持率、抵抗上昇率などの特性値と運転パラメータとの関係を示すテーブルまたは、関係式の２種類の情報を有す。
【００７０】
時系列に解析した内部状態パラメータと、入力負荷データ処理部で算出した運転パラメータを劣化挙動解析データベース部の関係式を使用して、劣化予測・運転方法判定部（７）109で劣化を推定、内部状態パラメータの推移から、劣化部位を特定、その部位の劣化を抑制する条件を選別し、選別した条件の運転パラメータと入力波形の分析から推定した劣化予測時の運転パラメータを比較し、例えば稼働ＳＯＣ値や使用最大電流などから推奨の条件を上位コントローラに通信する。上位コントローラは、ＳＯＣの稼働位置を変更するための、放電または充電の電流値と時間を計算して通電電流値の制御をする。これにより運転条件が運用中に変更でき、より長く寿命を延ばすことが可能になる。また、上述は、長寿命化の条件を算出したが、要求寿命ぴったりに使用したい、あるいは運用当初の要求寿命より短い期間で使い切りたい場合はその期間に合わせ、最大の使用方法を選択、条件を上位に通信し、その範囲の内側で使用することもできる。
【００７１】
このときのデータベース（６）の構成はたとえば以下である。データベースには実施例１と同様に図７から図１１に示したデータテーブルを具備している。図７は、Ｎ個の試験結果に基づいて、試験条件の特徴を抽出した運転パラメータと、劣化推定用の情報で構成されるベースデータである。試験条件毎のＭ個のパラメータは、運転条件の基礎的な制御項目を含み、更にそれを加工したパラメータであり上述の運転パラメータと同様である。右側には劣化式やその時の係数など劣化を推定するための情報が格納されている。このベースデータの特徴パラメータ項目は図８に示したように入力条件から生成した特長パラメータをテーブルとしてもち、このテーブルは、データベースのどの項目を選択して計算を実行するのか決定するために利用する。
【００７２】
図９は、図８の特長パラメータに対し、それぞれ絶対値のレベルが異なるため、これらの影響を比較するために規格化してもよい。たとえばそれぞれのパラメータをパラメータの平均値をもとに規格化する。図１０はこのようにＭ個の運転パラメータの項目に対し、規格化したパラメータをＮ個の試験条件に対して表にした例である。
【００７３】
各運転パラメータと劣化推定用のデータベースがＮ個の試験条件に対して用意されているものを参照することで劣化を推定する。分析する運転パラ−メータは、開始電圧Ｖｉｎｉ、終了電圧Ｖｌａｓｔ、最大電圧Ｖｍａｘ、最低電圧Ｖｍｉｎ、セル温度Ｔｃ、環境温度Ｔａ、充電容量Ｑｃ、放電容量Ｑｄ、単位時間当たりの電気量変動ΔＱ、最大放電電流Ｉｍａｘ、最大充電電流Ｉｍｉｎ、平均電流Ｉａｖｅ、実効電流Ｉｅ、稼働中心電圧Ｖｃｅｎｔｅｒ、各電圧領域滞在時間比率Ｒｔ、単位時間当たりの通電極性比率、休止時間比率ｔｒ、上下限ＳＯＣ（ＳＯＣｍａｘ、ＳＯＣｍｉｎ）、上下限電圧（Ｖｍａｘ、Ｖｍｉｎ）、ＳＯＣ変動幅（ΔＳＯＣ）、通電時間（ｔｔｏｔａｌ）など多岐にわたる。たとえば、図３の（ａ）の実線を１サイクルの波形とすると、Ｉｄは放電電流、Ｉｃは充電電流である。ａは放電時間、ｃは充電時間、ｂ、ｄ、ｅは、平均的な通電時間比率はたとえば、放電時間ｂと充電時間ｄの和を１サイクル波形の時間である（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）で除したものである。
【００７４】
通電時間比率＝（ｂ＋ｄ）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）…式（６）
同様に休止時間比率は、
休止時間比率＝（ａ＋ｃ＋ｅ）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）  …式（７）
また、実効電流Ｉｅは、
Ｉｅ＝  √（ΣＩ２ｔ／ｔ）、Ｉ：電流、ｔ：総時間  …式（８）
通電極性比率とは、一定の通電時間内に、充電と放電の極性が何回変わったかという指標である。これらのデータを同様に図３の（ｂ）のような任意波形からも抽出する。
【００７５】
図４に示したように電流に対しＳＯＣも変動する。このときの最大値を最大ＳＯＣ、最小値を最小ＳＯＣとする。このときに最大と最小の差の幅を稼働幅ΔＳＯＣとする。単位時間当たりの電気量変動は、例えば充電電流が継続している部分の電気量ΔＱｃと、放電電流が継続している部分の電気量ΔＱｄを抽出し、単位時間迄の各ΔＱｃとΔＱｄを継続して積算したものを平均で割った値である。また、稼働中心電圧ＶｃｅｎｔｅｒはΔＳＯＣの中央値のＳＯＣのときのＯＣＶ電圧である。各電圧領域滞在時間比率Ｒｔは、電池の最大、最小電圧の領域をいくつかの範囲に分け、各電圧領域に一定の時間ごとのデータの度数を分類し、対象分析期間における全体の度数に対し、どのくらいの割合になるかというもので、使われたＳＯＣの領域の履歴が分かる指標として利用する。通電時間ｔｔｏｔａｌは解析対象の波形の総時間である。たとえばこれらを運転パラメータとして、Ｎ個の試験条件に対し、計算、図１１の表を作成しておき、現在の運転条件について、これらの運転パラメータを分析し、図８のテーブルを用意する。これらをデータベースにある図１０のデータと同様、図９のように、現在の運転パラメータを規格化する。規格化したパラメータを、図１０のデータベースの各条件に対し、式９により、その距離ｄを計算する。
【００７６】
【数１】
2017069011.tif 000003
【００７７】
これは、現在条件の規格化パラメータの値Z1と、データベース試験の規格化パラメータの値Zとの差分を２乗したものをパラメータの種類の数ｍだけ積算し、その積算量の平方根をとって距離ｄとしたものである。距離ｄが小さいものほど条件が類似であると判断できる。この距離ｄが最も０に近い条件をＮ個の中から選択し、図１０で選択した条件について、図７の劣化推定用情報部を参照し、劣化計算用のパラメータを取得、容量、抵抗などのサイクルや保存に伴う特性変化を予測する。劣化計算用のパラメータ部は、劣化式や、その劣化式で使用する定数をまとめたものである。また劣化計算は、計算式毎に、たとえば、図１１に示したような、温度に対する容量劣化係数、抵抗劣化係数の情報があり、この劣化係数を補完して計算することでも予測計算できる。
【００７８】
内部状態パラメータについても図７から図１０のように同様にたとえば、電池を使用した積算時間ごとに、各試験条件での正極利用率や負極利用率などの値の変化のデータまたは関係式を表にしておき、現在の運転条件が初期からどのように推移しているかで、もっとも近い運転条件を選択する。劣化の要因を見極め、長寿命化にはその変化が小さくなる条件をＮ個の試験条件から選択、制御パラメータとして使用できる運転パラメータの項目を現在条件と比較し、変更が必要な項目について推奨条件の最大電流、ＳＯＣ範囲、ΔＳＯＣ、中心ＳＯＣ電圧などを計算して上位に通信する。これらの値をもとに、制御用ＰＣＳの通電時間やスイッチング時間を決定して制御する。さらには、推奨条件での収益や電池活用メリットを上位で演算し、運転を変更するか、そのまま現在の条件で運転を続けるか判断するとさらに電池を有効に活用することができる。
【実施例３】
【００７９】
実施例４では実施例１において、内部劣化をＯＣＶにより検出した。
【００８０】
図１７は、正極負極の電圧取得から内部劣化状態算出のフローの例をしたものである。時間と正極電位、負極電位の測定値からＯＣＶ判定部１１０で開回路の状態判定をし、ＯＣＶと判定されたものを正負極ＯＣＶ取得部１１１で数点以上選択する。そして基準となる正負極のＯＣＶ曲線の値を利用して、正、負極のそれぞれの単極容量ｑｐ、ｑｎを114で計算する。これらの基準の単極容量の変化量をＯＣＶ判定の時刻迄の電流値を用いて単極容量変化量演算部１１５で演算し、Δｑｐ、Δｑｎとする。この変化量と、容量変化量を容量変化量演算部１１２で計算した電池の使用容量を、正負極利用率演算部１１３に入力する。計算されたパラメータｍｐ、ｍｍと、単極容量推定を求めたｑｐ、ｑｎを使用して相対位置Ｓを演算、相対位置Ｓと、ｍｐ、ｍｎの値をメモリされている新品時の値を比較することで、変化量Δｍｐ、Δｍｎと、リチウム損失量Ｌｉｌｏｓｓを計算し、正極の劣化、負極の劣化、副反応による劣化がどのように起きているか検出、推定することができる。
【００８１】
具体的には、図１８のフローチャートに示した。
【００８２】
各電極のＯＣＶと電池容量から、正極電位と正極容量、負極電位と負極容量の関係を算出する。次に正極容量差分、負極容量差分と電池容量変化の差分を算出する。さらに正極容量差分と電池容量差分、負極容量差分と電池容量変化差分を直線とする傾き（利用率）を算出する。算出した利用率と単極容量から相対位置を算出する。このようにして得られた３つの内部状態パラメータと、使用総電気量との関係をデータベースに蓄えており、これを参照して、どの部位が劣化に効いているかを特定する。特定後、その劣化を抑制する条件を算出し、推奨運転条件としてシステムに通知する。こうすることで、システムの長寿命化を図ることができる。
【００８３】
電池容量、正極電池、負極電位を測定（Ｓ２０１）後、正極電池と正極容量、負極電位と負極容量の関係を算出（Ｓ２０２）、正極容量差分および負極容量差分と電池容量変化差分を算出（Ｓ２０３）する。その後、図２３に示すような正極容量差分と電池容量変化差分、負極容量差分と電池容量変化差分を直線とする傾きを算出し、この傾きが正極、負極の利用率となる（Ｓ２０４）。得られた傾きと単極容量相対位置を算出、（Ｓ２０５）できる。算出した相対位置の値を使用し、正極位置ずれを０と仮定して、式（１）、式（２）を適用するとセルの容量を得ることができる。
【００８４】
この内部パラメータ算出は図１９で説明できる。図１９に示すように、横軸の単極放電容量変化Δｑｐ、Δｑｎについて、電池の放電容量変化ΔＱｃｅｌｌの関係の計測値としてプロットし、一次式で近似をした時の傾きが、パラメータｍｐ、ｍｎとなる。この関係を使用して計算する。この計測点は、可能な限り、直線性が保たれるＳＯＣの領域を選択して計測点を増やすことで、推定精度が向上する。
【００８５】
図２０は、内部パラメータを算出する別のフローの実施例を示す。電池容量、正極電池、負極電位を測定（Ｓ３０１）し、正極電池と正極容量、負極電池と負極容量に関係を算出する（Ｓ３０２）。正極容量および負極容量と電池容量変化との関係を算出し（Ｓ３０３）正極容量と電池容量変化、および、負極容量と電池容量変化を直線とし、傾きと切片を算出する。（Ｓ３０４）。このときの傾きは正極または負極の利用率であり、切片は容量ずれの位置を示すため、この正極および負極の切片から相対位置Ｓを算出する（Ｓ３０５）。得られた内部パラメータを使用して、前出の式６から８または、式１、２を適用することで、電池容量の推定ができる。
【００８６】
前述した図５は、容量を推定する際に使用される単極の基準データの例であり、（ａ）は正極の容量と金属リチウム基準に対する電圧変化を、（ｂ）は負極の容量と金属リチウム基準に対する電圧変化を示したものである。
【実施例４】
【００８７】
実施例１において他の内部パラメータ取得方法を用いた。
【００８８】
内部状態パラメータの取得方法について以下説明する。電池容量の式１、式２、Ｓ３０２から、正極利用率、負極利用率、相対位置など容量の増減に関係する内部状態パラメータｍｐ、ｍｎ、ｄｐ、ｄｎを取得する。単位重量当たりの正極容量ｑｐ、負極容量ｑｎはそれぞれのｑに対応する電圧の組、または容量に対する電圧の関係式としてあらかじめ内部状態パラメータ計算部に具備している。さらに、対象電池の初期の正極重量ｍｐ０、負極重量ｍｎ０も具備している。正極利用率は図１７に示したようなフローで実現する。実現方法の一つを図１８に示す。各電極のＯＣＶと電池容量から、正極電位と正極容量、負極電位と負極容量の関係を算出する。次に正極容量差分、負極容量差分と電池容量変化の差分を算出する。さらに正極容量差分と電池容量差分、負極容量差分と電池容量変化差分を直線とする傾き（利用率）を算出する。算出した利用率と単極容量から相対位置を算出する。このようにして得られた３つの内部状態パラメータと、使用総電気量との関係をデータベースに蓄えており、これを参照して、どの部位が劣化に効いているかを特定する。特定後、その劣化を抑制する条件を算出し、推奨運転条件としてシステムに通知する。こうすることで、システムの長寿命化を図ることができる。推奨運転条件の選定、出力は図２８に示すフローで実行する。運転履歴の入力を運転パラメータに変換、同時に内部状態パラメータも計算し、それぞれデータベース内にある条件にある劣化予測式と予測係数を選択して予測計算を実行する。さらに、容量維持率、抵抗上昇率などを時間に対し予測、寿命推定後、要求寿命に合致した場合は運転パラメータをそのまま制御条件に変換して推奨条件として出力するが、要求寿命に合致しない場合は条件パラメータ選択に戻り、要求寿命に達するまで処理を繰り返す。
【実施例５】
【００８９】
図２1は本発明を適用する電池システムの一例である。
【００９０】
組電池管理装置８と複数の電池セル管理装置１１から構成される電池システム１００における通信動作は実施例４の図１７を用いることができる。
【００９１】
起動時のセル１の電池電圧、電流、電池表面温度、電池内部温度等のセンシング情報を組電池管理装置８から要求し、電池セル管理装置１１から送信する。センシング情報については、各情報の読み込み指定時間に従い、１０ｍｓ〜６０ｓの一定間隔で受信した命令に従い情報を送信する。充放電開始前は、複数の電池セル管理装置１１の初期状態の個別情報を読み込み、電池全体にＳＯＣのアンバランスがある場合は、対象セル管理装置１１に命令を送信し、受信した電池セル管理装置１１はセル１０にスイッチで正極または負極と第３電極を接続し、電池セル１が所望の電圧になるまでスイッチ６（図示せず）を開閉する。
【００９２】
容量が増減したことをセルごとに組電池管理装置８に通信し、充放電時のＳＯＣ、ＳＯＨ（ＳＯＨＲ、  ＳＯＣＱ）の演算の誤差が拡大しないよう、計算用のパラメータ等も変更し、通電時の制御を安定化する。
【００９３】
電池セル１０に、電池セル管理装置１１が個別に付随し、各単電池の正極、負極、参照極の電圧、電流、温度などが無線通信によって電池管理装置８に送信され，そのデータを基に内部状態パラメータを算出、劣化判定と寿命予測ができる。
【００９４】
電池の内部劣化状態を認識したうえで、より有効に出力を取って燃費を向上させる制御ができ、ＣＯ２排出量の抑制ができる。劣化予測の情報と履歴を記録する記憶領域を電池セル管理装置に設けて劣化の履歴情報を残しておくとリサイクルやリユース時に電池の性能を特別な測定なしに知ることができ、さらに電池を有効に利用できる。
【実施例６】
【００９５】
実施例６は条件が変化した場合の予測計算方法を取り入れた実施例である。
【００９６】
条件が変化した場合は、前条件での予測最終値から別条件での劣化推定式を用いて逐次計算をしていく。具体的には特性値を抵抗値や時系列に対して増加するパラメータとした場合の推定方法の逐次演算を説明する図２３で説明する。
【００９７】
図２３の表に示した、履歴は条件毎のサイクル時間が示されている。
【００９８】
図２３の各条件（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）での劣化推定式又は劣化データを使用して、例えば表１の３番目までの条件までの特性データを計算する場合について説明する。
【００９９】
第１の条件（ｂ）で、時間Ｘ１まで、（ｂ）の劣化推定式で計算し、第２の条件（ｄ）での最終値Ｄ１を算出する。次に第２の条件（ｄ）での劣化推定式により、Ｄ１が、条件（ｄ）での時系列パラメータＸ時間の特性推定式から、何時間相当に当たるか換算しＸ１’を算出する。このＸ１’を条件（ｄ）での開始時間とし、区間Ｘ２まで、時系列パラメータ（Ｘ１’＋Ｘ２）を変数として特性値Ｄを計算し、この条件の最終値Ｄ２まで計算する。同様に、第３の条件（ｃ）で何サイクル相当に当たるか換算しＸ２’を算出する。このＸ２’を条件（ｃ）での開始サイクルとして、区間Ｘ３まで時系列パラメータ（Ｘ２’＋Ｘ３）を変数として特性値Ｄを計算し、この条件の最終値Ｄ３まで計算する。このときＤ３が最終予測値となる。
【０１００】
これにより、図２３左方向破線矢印に示すように、第１の条件（ｂ）で、時間Ｘ１まで、（ｂ）の劣化推定式で計算された第２の条件（ｄ）での最終値Ｄ１（（ｂ）の推定式上の太実線参照）を算出後、条件（ｄ）での時系列パラメータＸ時間の劣化推定式から、何時間相当に当たるか換算してＸ１’が算出される。さらにＸ１’を条件（ｄ）での開始時間とし、区間Ｘ２まで、時系列パラメータ（Ｘ１’＋Ｘ２）を変数として特性値Ｄを計算し、この条件の最終値Ｄ２（（ｄ）の劣化推定式上の太実線参照）まで計算される。その後、図２３右方向破線矢印に示すように、第３の条件（ｃ）で何サイクル相当に当たるか換算してＸ２’が算出され、さらにＸ２’を条件（ｃ）での開始サイクルとして、区間Ｘ３まで時系列パラメータ（Ｘ２’＋Ｘ３）を変数として特性値Ｄを計算し、この条件の最終値Ｄ３（（ｂ）の劣化推定式上の太実線参照）まで計算される。
【０１０１】
したがって、図２３太実線に示すように、時間Ｘ１まで、（ｂ）の劣化推定式で計算された第１の条件（ｂ）での最終値Ｄ１が求められ、次いで区間Ｘ２で（ｄ）の劣化推定式で計算された第２の条件（ｄ）での最終値Ｄ２が求められ、次いで区間Ｘ３で（ｃ）の劣化推定式で計算された第３の条件（ｃ）での最終値Ｄ３が求められる。
【０１０２】
そして、各区間において計算される区間ごとの特性値（それぞれ特性値Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を末尾とする区間の特性値）は、図２４の表に示されるように時系列に並べて出力される。
【０１０３】
このように、各条件（ｂ）、（ｄ）、（ｃ）で経過した時間／サイクルと、特性値の変化を表す（ｂ）、（ｄ）、（ｃ）の劣化推定式をそれぞれ用いて、特性値の電池劣化による変化を精度よく、時系列で計算することが可能になる。
【０１０４】
図２４は、特性値計算の出力例を説明する図である。時系列パラメータ（時間又はサイクル）を横軸に縦軸に特性値を示している。この図２４は、区間ごとの特性値を時系列に並べて出力した例を示すものである。
【０１０５】
図２４に示すように、時系列に区間Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３の経過に対し、条件（ａ）、条件（ｃ）、条件（ｂ）の特性値が連続的に条件が変わるときに変局点をもって変わっているのが分かる。
【０１０６】
また、計算は区間の切り替わりの値だけではなく、所望の時間又はサイクルなどの時系列パラメータについて、区間での計算刻みを細かく取ることで中間の特性値も計算することができ、図２４の時間サイクルＸ１に示すような滑らかな出力を得ることができる。
【０１０７】
図２５は、本発明を適用して、区間Ａと区間Ｂの運転方法を変更した場合を、初期から条件を変更しなかった場合と比較したときの容量維持率と稼働年数の模式図である。区間Ａである運転条件で充放電を続けた場合、区間Ｂでは、破線のように劣化が進行する。これに対し、区間Ａの終点で劣化を抑制する条件に変更した場合は（１）のように、容量維持率を同じ経過区間で高く保ち、長寿命化させることが可能である。また、要求寿命１０年とした場合に要求寿命時に電池容量７０％で使い切りたいという要求に対し、より出力を取って、蓄電システムで得られると考えられる収益相当分を増加させて１０年で無駄なく使用できる運転方法に変更することもできる。さらには、第３極に十分な量のリチウムイオンを吸蔵した電極を使用して運転方法を変更する際に、稼働してきた正極または負極にリチウムイオンを供給することで、電池全体の容量を一部増加させ、更に長寿命な蓄電システムを提供することが可能になる。
【０１０８】
図２６は、第３極から容量を補充する場合の一例で、複数セルからなる電池システムにおいて電池のＳＯＣバランスが崩れた場合に、第３極を使用してシステムの充放電停止時に容量を補充する場合のフローチャートを示した。
【０１０９】
図２７は、セルへのリチウム供給を実現する場合の構成例で、セル１１００から、第３極の電位と、正極または負極側の電位を電池管理装置８で、接続切り替えスイッチ６でどちらの極にどれだけの時間通電するかを決定して通電することによってリチウムイオンの供給を実現する。
【０１１０】
また、基準電極からの電圧検出ができているため、稼働時に正極の過充電リスクや、負極の金属析出リスクをいち早く検出することもできるため、より安全な状態で、電池の出力を調整できるため、電池のエネルギー活用のほか、異常検知も容易になり安全性が向上した電池システムを提供することが可能になる。
【０１１１】
以上のように、基準電極からの電圧を検出する電池システムで、セル内の劣化情報を適切に検出することで、電池の内部状態と、期待寿命から適切な条件で電池システムを運用でき、電池を所定期間内に最大限に使用することができる寿命制御型電池システムを提供することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１：正極端子
２：負極端子
３：基準になる参照極（基準電位極）
５：セル
１０：蓄電池（二次電池）
２０：検出部（センサー）
３０：電池の状態情報を取得し処理する処理部（電池制御部）
４０：寿命制御部
７０：負荷制御部
６０：上位制御部
２０ａ：組電池の状態を計測する１つまたは複数の計測部（検出部）
２０ｂ：電池個別データ検出部
２１：波形データ蓄積部
２２：波形分析部
２３：データベース部
２８：寿命予測部
２５：内部状態パラメータ算出部
２６：内部劣化判定部
１０１：試験条件運転パラメータ部
１０２：劣化推定用情報部
Ｓ１０１：寿命予測計算
Ｓ１０２：運転条件選択
Ｓ１０４：運転パラメータを選択
Ｓ１０５：現在の条件と比較して
Ｓ１０６：相当条件の運転パラメータ変更箇所を選択
Ｓ１０７：制御指令値に変換
４１：電池データ蓄積解析部
４２：内部状態パラメータ状態演算部
４３：使用履歴分析部
４４：劣化予測部
４５：ユーザー要求入力部
４６：推奨運転条件算出部
６１：制御コントローラ
１１０：ＰＣＳ（パワーコントロールシステム）
１０３：電池システムの入力部（１）
１０４：セルデータ入力部（２）
１０５：データ蓄積部（３）
１０６：内部状態パラメータ算出部（４）
１０７：入力負荷データ処理部（５）
１０８：劣化挙動解析データベース部（６）
１０９：劣化予測・運転方法判定部（７）
１１０：ＯＣＶ判定部
１１１：正負極ＯＣＶ取得部
１１２：容量変化量演算部
１１３：正負極利用率演算部
１１４：正極単極容量推定部
１１５：単極容量変化量演算部
１１６：相対位置演算部
１１７：劣化状態検出部
Ｓ２０１：電池容量、正極電位、負極電位を測定
Ｓ２０２：正極電位と正極容量、  負極電位と負極容量の関係を算出  
Ｓ２０３：正極容量差分および負極容量差分と電池容量変化差分を算出  
Ｓ２０４：正極容量差分と電池容量変化差分、負極容量差分と電池容量変化差分を  直線とする傾き（利用率）を算出
Ｓ２０５：傾き（利用率）および単極容量から相対位置を算出  
１１８：運転履歴入力
１１９：運転パラメータに変換
１２０：内部状態パラメータ計算
１２１：条件に合う劣化予測式と予測係数を選択して予測計算
１２２：容量維持率，抵抗上昇率を計算
１２３：寿命推定
１２４：要求寿命に合致するか否かの判断
１２５：運転パラメータを制御条件に変換して出力
１２６：条件パラメータ選択
８：組電池管理装置
１１：電池セル管理装置（セルコントローラ）
１００：電池システム
６：スイッチ
２４：劣化状態推定部
２００：インバータ
２０１：モータ
２０２：上位コントローラ
４００：リレーボックス
５０：アンテナ
７：抵抗
９：無線または有線の電圧信号
２７：長寿命化運転条件選択部
２９：推奨運転条件出力部
３１：電源回路
３２：電池セルの状態を検出する検出回路（Ａ／Ｄ変換器）
３３：電池セルの状態を診断する処理回路（ＣＰＵ）
３４：記憶装置（メモリ）
Ｓ５０１：各電極の電圧・温度情報取得
Ｓ５０２：各電池の電圧をＯＣＶ−ＳＯＣの関係からＳＯＣに換算し、メジアン値をＳＯＣｍを算出  
Ｓ５０３：ＳＯＣ偏差計算
Ｓ５０４：偏差を閾値１と比較
Ｓ５０５：偏差を閾値２と比較
Ｓ５０６：セル電圧異常通知警告表示
Ｓ５０７：容量調整なしの場合のフロー
Ｓ５０８：ＳＯＣｔｈ１  ＞ΔＳＯＣ＞ＳＯＣｔｈ２のセルを特定、ΔＳＯＣから調整必要容量算出
Ｓ５０９：正極に補充できるリチウム量と必要通電時間を計算
Ｓ５１０：第３電極と正極間のスイッチを  計算した所定時間開閉  
Ｓ５１１：スイッチ開放
Ｓ５１２：ΔＳＯＣｒを再計算
Ｓ５１３：偏差を閾値２と比較ΔＳＯＣｒ≦ＳＯＣｔｈ２  
１１００：リチウムイオン二次電池
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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