JP2012085452A - リチウムイオン電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池は、電析により容量劣化が生じることが知られているため、予め設定された上限電圧の範囲内で充電を行なうよう制御している。リチウム電析による容量劣化を防止するため予め上限電圧を設定した場合でも、ＳＯＣの使用領域の減少を抑制可能なリチウムイオン電池を提供する。
【解決手段】負荷との間で電力を授受可能に構成されたリチウムイオン電池の制御装置であって、リチウムイオン電池の容量劣化に応じて、上限電圧を高くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムイオン電池の制御装置に係り、特に、リチウムイオン電池の劣化による容量及び出力低下を抑制可能なリチウムイオン電池の制御装置に関する。

ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電気自動車）やＨＥＶ（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド電気自動車）等の車両には、モータ等に電力を供給する蓄電器が搭載される。蓄電器には、複数の蓄電池が設けられている。

ＥＶやＨＥＶに搭載される蓄電池は、所定の出力が求められているが、一般に蓄電池は、中長期間放置されると電極の表面が酸化皮膜で覆われて出力特性が低下する。このように蓄電池による出力が低下すると、電池が劣化していると判断され、蓄電池による出力を下げるように制御されることが一般的である。これは、蓄電池が劣化しているにもかかわらず、蓄電池劣化前の出力を要求した場合には、蓄電池は過負荷状態となり、蓄電池の寿命劣化が加速されてしまうためである。

蓄電池の劣化を解消するためには、蓄電池に対して所定の放電処理、いわゆるリフレッシュ処理を行うことで、蓄電池の活性化を行うことが必要となるが、ハイブリッド車両や電気車両に搭載された状態で蓄電池の活性化を行うことを想定していない。

また、特許文献１には、鉛蓄電池の劣化時にＳＯＣの使用域を上昇させることが開示されている。

一方で、近年、蓄電池としてリチウムイオン電池が注目されている。リチウムイオン電池は、軽量で高エネルギー密度が得られるため、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものと期待されている。

特開２００１−３３９８６４号公報

しかしながら、リチウムイオン電池は、電析により容量劣化が生じることが知られているため、予め設定された上限電圧の範囲内で充電を行なうよう制御している。ここで、電析とは、リチウムイオンが電気的に還元されることにより電極表面にリチウム金属となって析出することを言う。従って電池が劣化してくると、新品時に比べて充電量や回生出力が減少してしまい、走行距離が短くなるという問題が生じる。

特許文献１は、鉛蓄電池を対象とするものであり、さらにＳＯＣ使用域を具体的にどのように上げるのか不明である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、リチウム電析による容量劣化を防止するため予め上限電圧を設定した場合でも、ＳＯＣの使用領域の減少を抑制可能なリチウムイオン電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、
負荷（例えば、後述の実施形態のモータ・ジェネレータ２）との間で電力を授受可能に構成されたリチウムイオン電池（例えば、後述の実施形態のバッテリ２３）の制御装置（例えば、後述の実施形態のモータＥＣＵ２６、バッテリＥＣＵ３０）であって、前記リチウムイオン電池の容量劣化に応じて、上限電圧を高くすることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項２に係る発明は、
正極と負極を有するリチウムイオン電池（例えば、後述の実施形態のバッテリ２３）の制御装置（例えば、後述の実施形態のモータＥＣＵ２６、バッテリＥＣＵ３０）であって、負極で生じる容量劣化に応じて正極の電位を上昇させることで上限電圧を高くすることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
電解液の移動度の低くなる温度以下で劣化状態を推定し、上限電圧を高くすることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３の構成に加えて、
摂氏０℃以下で、上限電圧を高くすることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項３の構成に加えて、
リチウム電析電圧が上限開回路電圧以下のとき、上限電圧を高くすることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
前記リチウムイオン電池の容量劣化は、前記リチウムイオン電池の内部抵抗を検出することで判断することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１又は２の構成に加えて、
前記負荷は、電動機（例えば、後述の実施形態のモータ・ジェネレータ２）であり、
前記制御装置は、容量劣化に応じて上限電圧を算出するとともに、前記リチウムイオン電池の電圧（例えば、後述の実施形態の上限開回路電圧）と前記上限電圧を比較し、比較結果によって充電出力制限指令を与えることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７の構成に加えて、
前記リチウムイオン電池が車両用のバッテリであることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、電動機と、
前記電動機との間で電力を授受可能に構成されたリチウムイオン電池と、
前記リチウムイオン電池の劣化度合いを検出する又は推定する劣化検出装置と、を備えた電気自動車であって、
前記リチウムイオン電池の劣化度合いによって、回生時に前記リチウムイオン電池の上限電圧を高くすることを特徴とする。

請求項１、２及び９の発明によれば、一般的にリチウムイオン電池は劣化によって負極電位の容量が下がってしまい、下がった容量のままで使用するとＳＯＣの使用領域が減少してしまうが、上限電圧を高くすることでＳＯＣの使用領域を確保することができる。

請求項３の発明によれば、低温状態ではリチウム析出による電圧低下が大きいため、補正量を電気量の増減に対応する上限開回路電圧（以下、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）とも呼ぶ。）と温度によって変更することでＳＯＣの使用領域を確保することができる。

請求項４の発明によれば、特に、電解液の活性が悪い摂氏０℃以下ではリチウム電析が多く、ＳＯＣの使用領域が少なくなるので効果的となる。

請求項５の発明によれば、リチウム電析電圧が上限開回路電圧より高いときには、上限電圧を高くする必要はなく、電池自体の上限に達したら補正を止めることで、劣化を抑制することができる。

請求項６の発明によれば、電池の劣化が進むと内部抵抗が上昇するので、これを検出することで容易にリチウムイオン電池の容量劣化を判断することができる。

請求項７の発明によれば、適切に充電出力を管理することができる。

請求項８の発明によれば、車両用バッテリとして用いた場合にリフレッシュ操作など車両走行と異なる制御を自由に行なえないため、該制御により電池の劣化に拘わらず上限電圧を高くすることでＳＯＣの使用領域を確保することができる。

本発明の一実施形態のリチウムイオン電池の制御装置によって制御される電源システムの構成を説明する概略ブロック図である。 定電流充電時の電池電圧と電池容量の関係を示すグラフである。 定電流充電時の正極・負極の電位と電池容量の関係を示すグラフである。 新品および劣化時の回生出力を算出するグラフである。 制御フローを示すフロー図である。 Ｌｉ電析電圧の温度依存性について示すグラフである。

以下、本発明の電動車両の駆動装置の実施形態ついて図面を参照しながら説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１は、本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池（以下、リチウムイオン電池と呼ぶ。）の制御装置によって制御される電源システムの構成を説明する概略ブロック図である。このリチウムイオン電池の制御装置は、特に電気自動車やハイブリッド自動車等の車両用として用いられる。

図１を参照して、電源システム５では、負荷としてのモータ・ジェネレータ２がその電源としてのバッテリ２３にパワードライブ回路（以下、ＰＤＵと呼ぶ）２４を介して接続され、ＰＤＵ２４を介してバッテリ２３との間で電力（モータＭの力行動作時の供給電力や回生動作時の回生電力）を授受可能とされている。

バッテリ２３は、リチウムイオン電池で構成される。
ここで、リチウムイオン電池のモデルについて正極をコバルト酸リチウムとしたリチウムイオン電池を例にすると、基本的充放電反応は，以下の通りである。
正極反応：
Ｌｉ_{１ − ｘ}ＣｏＯ_２＋ｘＬｉ^＋＋ｘｅ⁻⇔ ＬｉＣｏＯ_２ （１）
負極反応：
Ｌｉ_ｘＣ ⇔ Ｃ＋ｘＬｉ＋ｘｅ⁻ （２）
電池全体反応：
Ｌｉ_{１ − ｘ}ＣｏＯ_２＋Ｌｉ_ｘＣ ⇔ ＬｉＣｏＯ_２＋Ｃ （３）

このバッテリ２３では、放電時には、負極での電極反応により、リチウム原子Ｌｉが、電子ｅ⁻の放出によりリチウムイオンＬｉ^＋となってセパレータ中の電解液に放出される。一方、正極の電極反応では、電解液中のリチウムイオンがＬｉ^＋が取込まれて電子ｅ⁻を吸収する。これにより、正極の内部にリチウム原子Ｌｉが取込まれる。反対に、充電時には、負極での電極反応により、電界液中のリチウムイオンＬｉ^＋が取込まれ、正極での電極反応では、電界液へリチウムイオンＬｉ^＋が放出される。

モータ・ジェネレータ２には、モータ・ジェネレータ２の動作状態を検出するために、モータ・ジェネレータ２の回転速度ＮＭを検出する回転速度センサ等のセンサが備えられ、また、モータ・ジェネレータ２の動作制御を行うためにＣＰＵ等を含む電子回路により構成されたモータコントローラ（以下、モータＥＣＵという）２６が備えられている。このモータＥＣＵ２６には、回転速度センサからの出力信号等が入力される。そして、モー夕ＥＣＵ２６は、回転速度センサからの出力信号（入力データ）や予め定められた処理等に基づいて、要求された動作に対しモータ・ジェネレータ２の発電、駆動を、ＰＤＵ２４を介して制御する。

また、バッテリ２３には、バッテリ２３の端子間の電圧Ｖおよび電流Ａ（以下、それぞれバッテリ電圧Ｖ、バッテリ電流Ａと呼ぶ）をそれぞれ検出する電圧センサ２７、電流センサ２８と、バッテリ２３の温度Ｔ（以下、バッテリ温度Ｔと呼ぶ）を検出する温度センサ２９とが備えられるとともに、バッテリ２３の状態を監視するためにＣＰＵ等を含む電子回路により構成されたバッテリコントローラ（以下、バッテリＥＣＵという）３０と、バッテリ２３の劣化量を検出する劣化検出器３３とが備えられている。このバッテリＥＣＵ３０と劣化検出器３３には、電圧センサ２７、電流センサ２８、温度センサ２９の出力信号等が入力される。そして、バッテリＥＣＵ３０は、各センサからの出力信号（入力データ）や劣化量から予め定められた処理に基づいてバッテリ２３の残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）の算出やバッテリ２３の寿命等に係る劣化判定処理等を行う。

モータＥＣＵ２６とバッテリＥＣＵ３０はバスを介して相互に接続されており、それぞれが各センサ２７〜２９から取得した各検出データや、制御処理に際して生成したデータを相互に授受可能とされている。このモータＥＣＵ２６とバッテリＥＣＵ３０により本発明の制御装置を構成している。

劣化検出器３３は、バッテリ２３の内部抵抗値を算出し、この内部抵抗値から、さらにバッテリ２３の寿命を算出し、劣化の程度、即ち劣化量Ｄを判定する。バッテリ２３の劣化が進むと、図２に示すように、電池電圧における容量が低下する。従って、同じ上限電圧の範囲内で充電を行なうと、新品時に比べて充電容量の低下が生じる。

ここで、バッテリＥＣＵ３０は、劣化検出器３３から出力される劣化量Ｄから劣化状態を判断し、劣化量Ｄが所定値を超えた場合には、上限電圧を上げることにより充電（回生）電圧の使用域をあげるように制御している。そして、モータＥＣＵ２６に充電（回生）出力制限値を指令値として出力する。

なお、従来はリチウムイオン電池は、負極においてＬｉが電析しない電位範囲で使用する必要があるため、負極でＬｉが電析しない電位範囲となる正・負極間電圧に上限電圧を制限してきたが、本発明者の鋭意検討の結果、図３に示すように、負極でＬｉが電析しない電位範囲における正極電位は劣化時には、上昇することが判った。従って、バッテリ２３の劣化時には、使用可能な正・負極間電圧を広くとることができるようになった。図２を参照して、このように充電（回生）時に、新品時と同じ上限電圧（新品時上限電圧）であれば容量Ａしか使用することができなかったが、劣化後上限電圧まで上限電圧を上げることで、容量Ｂまで使用可能域を増やすことができ、ＳＯＣの使用可能域を増やすことで燃費の向上を図ることができる。

また、電池の最大回生出力は、所定の電圧において電流値の水準を変えて定電流充放電を行い、その近似直線を求めて、その傾きを内部抵抗（Ｒ）、Ｙ切片を起開回路電圧（Ｅ_０）とすると、Ｖ＝Ｅ_０−Ｉ×Ｒとなる。この結果より求めたＥ_０とＲを用いて上限電圧までの出力値を算出し最大出力（Ｗ）を、Ｗ＝上限電圧×（Ｅ_０−上限電圧）／Ｒ、とする。図４を参照して、上限電圧を固定した場合、新品時はＷ_０｛Ｗ_０＝Ｖ_０×（Ｅ_０−Ｖ_０）／Ｒ_０｝の出力が劣化後はＷ_１｛Ｗ_１＝Ｖ_０×（Ｅ_０−Ｖ_０）／Ｒ_１｝にまで低下するが、上限電圧を劣化に応じて上げることによりＷ_２｛Ｗ_２＝Ｖ_１×（Ｅ_０−Ｖ_１）／Ｒ_１｝にまで改善されることがわかる。したがって、バッテリー性能寿命が延び、車両総走行距離が長くなる。

図５は、制御装置の制御フローを示すフロー図である。
先ず、バッテリＥＣＵ３０は、劣化量Ｄが所定値を超えたか否かにより劣化の有無を検出する。そして、劣化量Ｄが所定値以下であれば劣化無しと判定して再度劣化有無を検出する。また、劣化量Ｄが所定値を超えて劣化有りと判定した場合、バッテリ２３の上限電圧を上げるようにモータＥＣＵ２６に出力指令を与える。

また、リチウム電析は、電池、より具体的には電解液の温度によって影響される。図６は、Ｌｉ電析電圧の温度依存性について示すグラフである。
図６に示すように、リチウムイオン電池では、電解液の移動度が低くなる０℃より低い温度域において急激にＬｉ電析電圧が低下している。そのため、電池温度が０℃以下であれば、上限電圧を上げるように制御し、上限電圧を上げることでＳＯＣの使用可能域を増やすことができる。なお、０℃は一例であり、電解液の種類等に応じて上限電圧を上げる温度は適宜選択することができる。

また、このとき、Ｌｉ電析電圧の温度依存性を考慮し、その温度での開回路電圧とＬｉ電析電圧を比較し、開回路電圧がＬｉ電析電圧以上の場合にのみ、上限電圧を上げることで、ＳＯＣの使用可能域を増やしてもよい。

例えば開回路電圧がＶ_３であれば、常に開回路電圧がＬｉ電析電圧より高いので、上限電圧を上げるように制御し、開回路電圧がＶ_４であれば、開回路電圧がＬｉ電析電圧より高い０度以下では、上限電圧を上げるように制御し、開回路電圧がＬｉ電析電圧より高い０度より高い温度では、これまでの上限電圧を維持する。

以上、説明したように、本実施形態によれば、リチウムイオン電池の容量劣化に応じて上限電圧を高くすることにより、ＳＯＣの使用領域を確保することができる。即ち、負極でリチウムが電析しない電位範囲における正極電位は、劣化時には上昇することが見出され、下がった容量のままで使用するとＳＯＣの使用領域が減少してしまうが、上限電圧を高くすることでＳＯＣの使用領域を確保することができる。

また、本実施形態によれば、電解液の移動度の低くなる温度、例えば摂氏０℃以下で劣化状態を推定し、上限電圧を高くすることにより、電解液の活性が悪い摂氏０℃以下であってもＳＯＣの使用領域が減少するのを抑制できる。

また、本実施形態によれば、リチウム電析電圧が開回路電圧以下のとき、上限電圧を高くすることにより、放充電中による劣化が生じてもＳＯＣの使用領域が減少するのを抑制できる。また、リチウム電析電圧が開回路電圧より高いときには、上限電圧を高くする必要はなく、電池自体の上限に達したら補正を止めることで、劣化を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、リチウムイオン電池の容量劣化は、リチウムイオン電池の内部抵抗を検出することで判断することにより、容易にリチウムイオン電池の容量劣化を判断することができる。もちろん、容量劣化は任意のＳＯＣ範囲における電気容量の変化を直接検出することによっても判断できる。図２のように新品時と劣化時の上限電圧の傾きが異なるため、所定の値の間であるＳＯＣ範囲における容量も異なる。一般に新品の方が容量が多く、劣化するに従って容量が少なくなるのでこれにより劣化状態を判断できる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

２ モータ・ジェネレータ（負荷）
２３ バッテリ（リチウムイオン電池）
２４ ＰＤＵ
２６ モータＥＣＵ（制御装置）
２７ 電圧センサ
２８ 電流センサ
２９ 温度センサ
３０ バッテリＥＣＵ（制御装置）
３３ 劣化検出器

Claims (9)

1. 負荷との間で電力を授受可能に構成されたリチウムイオン電池の制御装置であって、前記リチウムイオン電池の容量劣化に応じて、上限電圧を高くすることを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。
2. 正極と負極を有するリチウムイオン電池の制御装置であって、負極で生じる容量劣化に応じて正極の電位を上昇させることで上限電圧を高くすることを特徴とするリチウムイオン電池の制御装置。
3. 電解液の移動度の低くなる温度以下で劣化状態を推定し、上限電圧を高くすることを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池の制御装置。
4. 摂氏０℃以下で、上限電圧を高くすることを特徴とする請求項３に記載のリチウムイオン電池の制御装置。
5. リチウム電析電圧が上限開回路電圧以下のとき、上限電圧を高くすることを特徴とする請求項３に記載のリチウムイオン電池の制御装置。
6. 前記リチウムイオン電池の容量劣化は、前記リチウムイオン電池の内部抵抗を検出することで判断することを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池の制御装置。
7. 前記負荷は、電動機であり、
   前記制御装置は、容量劣化に応じて上限電圧を算出するとともに、前記リチウムイオン電池の電圧と前記上限電圧を比較し、比較結果によって充電出力制限指令を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池の制御装置。
8. 前記リチウムイオン電池が車両用のバッテリであることを特徴とする請求項７に記載のリチウムイオン電池の制御装置。
9. 電動機と、
   前記電動機との間で電力を授受可能に構成されたリチウムイオン電池と、
   前記リチウムイオン電池の劣化度合いを検出する又は推定する劣化検出装置と、を備えた電気自動車であって、
   前記リチウムイオン電池の劣化度合いによって、回生時に前記リチウムイオン電池の上限電圧を高くすることを特徴とする電気自動車。

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