JP2017112737A - Power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解液を用いる二次電池を含む電源システムに関する。 The present invention relates to a power supply system including a secondary battery using an electrolytic solution.
車両に搭載される二次電池は、電解液を用いるものが多い。二次電池が放電すると、電解液中の塩濃度が偏ることが生じる。電解液中の塩濃度が偏ると、二次電池の内部抵抗が上昇して充電能力等が低下する。特に、大放電または継続的な放電によって電解液中の塩濃度が偏り、これにより二次電池の電池性能が劣化することが知られている。この劣化はハイレート劣化と呼ばれる。 Many secondary batteries mounted on vehicles use an electrolytic solution. When the secondary battery is discharged, the salt concentration in the electrolyte solution is biased. When the salt concentration in the electrolytic solution is biased, the internal resistance of the secondary battery is increased and the charging capacity and the like are decreased. In particular, it is known that the salt concentration in the electrolytic solution is biased by large discharge or continuous discharge, thereby degrading the battery performance of the secondary battery. This deterioration is called high rate deterioration.
特許文献１には、高電圧バッテリの大電力の連続放電によって生じる高電圧バッテリの電解液中における塩濃度の偏りを速やかに解消する方法として、高電圧バッテリの放電を停止するだけでなく、強制的に充電を行うことを開示している。 In Patent Document 1, as a method of quickly eliminating the uneven concentration of salt in the electrolyte of the high voltage battery caused by the continuous discharge of high power of the high voltage battery, not only the discharge of the high voltage battery is stopped, but also forced Charging is disclosed.
特許文献２には、ハイブリッド車両において継続的な放電によってもバッテリが劣化すると述べ、その監視方法として、電池の内部抵抗の上昇度合の監視や、リチウムイオン電池における電解液中のリチウム塩濃度の電極間における偏りを示す劣化評価値Ｄの監視が述べられている。
本発明に関連する技術として、特許文献３には、リチウムイオン組電池を構成する複数のセルの間の電圧を均等化する方法に各セル毎の昇圧コンバータを用いることが開示されている。 As a technique related to the present invention, Patent Document 3 discloses that a boost converter for each cell is used in a method for equalizing voltages between a plurality of cells constituting a lithium ion battery pack.
二次電池が放電によってハイレート劣化するのは、電解液中の塩濃度が偏るためであるので、放電を停止すれば塩濃度の偏りが少なくなるが、塩濃度の拡散速度は低く、劣化の解消には長時間を要する。そこで、ハイレート劣化が生じたときに、劣化の緩和と解消を加速できる電源システムが要望される。 The secondary battery deteriorates at a high rate due to discharge because the salt concentration in the electrolyte is biased, so if the discharge is stopped, the salt concentration bias decreases, but the diffusion rate of the salt concentration is low and the degradation is eliminated. Takes a long time. Therefore, there is a demand for a power supply system that can accelerate the mitigation and elimination of degradation when high-rate degradation occurs.
本発明の１つの形態に係る電源システムは、充電状態を示すＳＯＣが大きいほど厚さ方向の寸法が大きくなる特性を有する電池セルの複数が厚さ方向に１列に整列して配置され、１列に整列した両端部の間隔が拘束部材で拘束された二次電池ブロックと、電池セル毎に電池セルの両端子に接続された電力変換器の複数が互いに直列に電気的に接続され、複数の電力変換器が直列に接続された両端部に、外部の充放電装置と接続される端子を有する電力変換器ブロックと、複数の電力変換器の動作を個別に制御し、電池セルのそれぞれのＳＯＣを個別に変更する制御装置と、を備え、制御装置は、電池セル毎に、電解液中の塩濃度の偏りを示すハイレート劣化量を推定し、複数の電池セルの内で推定されたハイレート劣化量が予め定めた所定値以上の電池セルである劣化セルに対応する電力変換器の動作を停止させて劣化セルのＳＯＣをそのまま維持し、劣化セル以外の他の電池セルに対応する電力変換器を動作させて他の電池セルのＳＯＣを増大及び減少させて、ハイレート劣化量の緩和処理を実施することを特徴とする。 In a power supply system according to one aspect of the present invention, a plurality of battery cells having the characteristic that the dimension in the thickness direction increases as the SOC indicating the state of charge increases, are arranged in a row in the thickness direction. A plurality of secondary battery blocks in which the distance between both ends aligned in a row is constrained by a restraining member and a plurality of power converters connected to both terminals of each battery cell are electrically connected in series to each other. Power converter blocks having terminals connected to an external charging / discharging device at both ends of the power converters connected in series, and individually controlling the operation of the plurality of power converters, A control device that individually changes the SOC, and the control device estimates, for each battery cell, a high-rate deterioration amount that indicates a deviation in salt concentration in the electrolytic solution, and is estimated among the plurality of battery cells. Predetermined value with predetermined amount of deterioration The operation of the power converter corresponding to the deteriorated cell which is the upper battery cell is stopped to maintain the SOC of the deteriorated cell as it is, and the power converter corresponding to other battery cells other than the deteriorated cell is operated to operate the other battery. The cell SOC is increased and decreased to reduce the high rate deterioration amount.
上記構成によれば、劣化セルのＳＯＣをそのままとし、他の電池セルのＳＯＣを増大及び減少させるので、他の電池セルの厚さ方向の寸法が増大及び縮小する。二次電池ブロックの全体の厚さ方向の寸法は拘束されているので、劣化セルは、他の電池セルの厚さ方向の寸法の増大及び減少によって、押付力とその解放とを受ける。これにより、劣化セル内部の塩濃度の分布の偏りの解消が加速される。 According to the above configuration, the SOC of the deteriorated cell is left as it is, and the SOC of the other battery cell is increased and decreased. Therefore, the dimension in the thickness direction of the other battery cell is increased and decreased. Since the dimension in the thickness direction of the secondary battery block is constrained, the deteriorated cell receives a pressing force and its release by increasing and decreasing the dimension in the thickness direction of the other battery cells. This accelerates the elimination of the uneven distribution of the salt concentration inside the deteriorated cell.
本発明に係る電源システムによれば、ハイレート劣化が生じたときに、劣化の緩和と解消を加速できる。 According to the power supply system of the present invention, when high-rate deterioration occurs, the mitigation and elimination of the deterioration can be accelerated.
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される電源システムを述べるが、これは説明のための例示である。複数の電池セルを有する二次電池ブロックを含む電源システムであれば、車両に搭載される以外の用途であってもよい。例えば、据置型の電源システムでもよい。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Below, the power supply system mounted in a vehicle is described, but this is an example for explanation. Any power supply system including a secondary battery block having a plurality of battery cells may be used other than being mounted on a vehicle. For example, a stationary power supply system may be used.
以下で述べる形状、寸法、個数、配置関係等は、説明のための例示であって、電源システムの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The shape, dimensions, number, arrangement relationship, and the like described below are examples for explanation, and can be appropriately changed according to the specifications of the power supply system. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図１は、車両に搭載される電源システム１０の構成図である。電源システム１０は、二次電池ブロック１２と、電力変換器ブロック１４と、制御装置６０とを含む。図１には、電源システム１０の構成要素ではないが、電力変換器ブロック１４に接続される充放電装置１６を示す。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
二次電池ブロック１２は、複数の電池セル２０を１列に整列して配置し、電力変換器ブロック１４を介して電気的に直列に接続された組電池である。二次電池ブロック１２は、複数の電池セル２０を直列に接続することで、車両に搭載される電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能とした高圧電池である。図１の例では、８個の電池セル２０のみを図示したが、全体では、例えば１０個以上の電池セル２０が１列に整列して配置されて二次電池ブロック１２を構成する。以下では、二次電池ブロック１２は４０個の電池セル２０を有するものとする。電池セル２０の個数は例示であって、４０個以外でもよい。特別な例としては、２個の電池セル２０であってもよい。
The
電池セル２０は、略矩形の側壁を有する薄板状の単電池である。複数の電池セル２０は、薄板状の厚さ方向に沿って１列に整列して配置され、二次電池ブロック１２となる。図１に、二次電池ブロック１２について厚さ方向を示す。厚さ方向は、電池セル２０の薄板状の厚さの方向であるが、二次電池ブロック１２における複数の電池セル２０の整列方向でもある。
The
それぞれの電池セル２０は、内部に電解液を含む缶体の外形を備え、正極端子２２と負極端子２４とを有する。正極端子２２と負極端子２４との間の端子間電圧は、単電池の種類によって異なるが、約１Ｖ〜４Ｖ程度である。単電池の種類としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を用いることができる。リチウムイオン電池の場合、電解液にはリチウム塩が含まれる。
Each
二次電池ブロック１２を構成する４０個の電池セル２０の端子間電圧、充放電電流、温度等は、ハイレート劣化量情報１８として、適当な信号線を用いて制御装置６０に伝送される。ハイレート劣化量情報１８に基づくハイレート劣化量の推定については後述する。
The inter-terminal voltages, charge / discharge currents, temperatures, etc. of the 40
略矩形の側壁を有する薄板状の電池セル２０は、内部における電気化学反応によって、ＳＯＣが大きいほど厚さ方向の寸法が大きくなる特性を有する。図２に、電池セル２０の厚さ方向の寸法とＳＯＣとの関係を示す。図２の横軸はＳＯＣ、縦軸は電池セル２０の厚さ方向の寸法である。電池セル２０の厚さ方向の寸法は、ＳＯＣが増大するにつれて大きくなるが、ＳＯＣが増大するほど厚さ方向の寸法の増加量が次第に小さくなる非線形の特性を有する。
The thin plate-
拘束板２６，２７は、４０個の電池セル２０を１列に整列した両端部にそれぞれ配置される平板である。拘束部材２８，２９は、４０個の電池セル２０の端子側において、拘束板２６，２７の間を結合する細長い部材である。同様に、拘束部材３０，３１は、４０個の電池セル２０の端子側とは反対側の底面側において、拘束板２６，２７の間を結合する細長い部材である。拘束板２６，２７が拘束部材２８，２９，３０，３１によって結合されることで、複数の電池セル２０の１列に整列した両端部の間隔が所定値Ｌ０（図５参照）に拘束される。
The
この拘束作用によって、複数の電池セル２０のそれぞれのＳＯＣが充放電によって変動しても、二次電池ブロック１２の厚さ方向に沿った全体寸法は一定の値に維持される。換言すると、複数の電池セル２０は、充放電によってＳＯＣが変動することで図２に示す特性に従って厚さ方向の寸法が変化するが、上記の拘束作用によって厚さ方向の寸法の変化が抑制される。例えば、全部の電池セル２０のＳＯＣが増大するときは、上記拘束作用によって、各電池セル２０が互いに厚さ方向の押付力を受ける。
Due to this restraining action, even if the SOC of each of the plurality of
電力変換器ブロック１４は、複数の電池セル２０の個数と同数の電力変換器３２を含む。図１の例では、電池セル２０の個数が４０個であるので、電力変換器ブロック１４は、４０個の電力変換器３２を含む。４０個の電力変換器３２は同じ構成を有する。
The
図３に、１つの電力変換器３２の内部構成を示す。電力変換器３２は、小型のＤＣＤＣコンバータである。電力変換器３２は４つの端子３４，３６，３８，４０を有する。１つの電力変換器３２は、１つの電池セル２０に対応して配置され、電力変換器３２の端子３４は、電池セル２０の正極端子２２に接続され、端子３６は、電池セル２０の負極端子２４に接続される。
FIG. 3 shows the internal configuration of one
４０個の電力変換器３２は、各電力変換器の端子３８，４０を用いて互いに電気的に直列接続される。図１の例では、直列に接続された４０個の電力変換器３２のうち、両端の電力変換器３２ａ，３２ｂを除き、隣接する２つの電力変換器３２は、一方側の電力変換器３２の端子４０と他方側の電力変換器３２の端子３８が互いに電気的に接続される。電力変換器３２ａの端子３８及び電力変換器３２ｂの端子４０は、それぞれ引き出されて、電力変換器ブロック１４の一方側端子５０及び他方側端子５２とされる。一方側端子５０は、充放電装置１６の正極側端子に接続され、他方側端子５２は充放電装置１６の負極側端子に接続される。
The 40
電力変換器３２は、内部にコイル４２、２つのスイッチング素子４４，４６、コンデンサ４８を含む。コイル４２とスイッチング素子４４は互いに直列に接続されて、端子３６と端子３８との間に配置される。スイッチング素子４６は、コイル４２とスイッチング素子４４の接続点と、端子３６との間に配置される。コンデンサ４８は、端子３８と端子４０との間に設けられる。
The
スイッチング素子４４，４６は、それぞれ制御装置６０の制御の下で動作する半導体トランジスタと、半導体トランジスタに逆接続されたダイオードとを含む。半導体トランジスタに逆接続されたダイオードとは、半導体トランジスタがオンのときに流れる電流の方向の逆方向に電流が流れるようにダイオードが接続されることを示す。図３では、半導体トランジスタにＮチャネル型のＭＯＳトランジスタを用いるので、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタのドレインにダイオードのカソードが接続され、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタのソースにダイオードのアノードが接続される。電力変換器３２の動作と作用の詳細については、後述する。
充放電装置１６は、電力変換器ブロック１４の一方側端子５０と他方側端子５２との間に並列に接続される。充放電装置１６は、電力変換器ブロック１４を介して二次電池ブロック１２に充電電力を供給する充電電源と、電力変換器ブロック１４を介して二次電池ブロック１２から放電電力の供給を受け取る放電負荷とを含む装置である。充放電装置１６は、回転電機５４とインバータ５６とを含む。回転電機５４は、車両の駆動源となるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）である。モータ・ジェネレータは、二次電池ブロック１２から電力が供給されるときはモータとして機能し、車両の制動時には発電機として機能する三相同期型の回転電機である。インバータ５６は、二次電池ブロック１２の直流電力と回転電機５４の三相交流電力との間で交直変換を行う回路である。交直変換は、二次電池ブロック１２の直流電力を回転電機５４の三相交流電力への変換、または、回転電機５４の三相交流電力を二次電池ブロック１２の直流電力への変換を含む。インバータ５６は、複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを含む。
The charging / discharging device 16 is connected in parallel between the one
充放電装置１６として、回転電機５４とインバータ５６の組合せに代えて、あるいはこれに加えて、蓄電装置等の直流電源、商用電源等の交流電源、電気機器等の負荷装置等を用いることができる。例えば、車両が、充電ステーション等から電力供給を受けるプラグイン型のハイブリッド車両の場合は、充放電装置１６として、充電ステーション等における電源装置が用いられる。また、外部の負荷に電力を供給することができる電力出力ポートを有する車両では、外部の負荷が充放電装置１６における放電負荷となる。 As the charging / discharging device 16, a DC power source such as a power storage device, an AC power source such as a commercial power source, a load device such as an electric device, or the like can be used instead of or in addition to the combination of the rotating electrical machine 54 and the inverter 56. . For example, when the vehicle is a plug-in hybrid vehicle that receives power supply from a charging station or the like, a power supply device in the charging station or the like is used as the charging / discharging device 16. In addition, in a vehicle having a power output port that can supply power to an external load, the external load becomes a discharge load in the charge / discharge device 16.
制御装置６０は、二次電池ブロック１２からハイレート劣化量情報１８を取得し、電力変換器ブロック１４と交信して、電源システム１０の動作を全体として制御する。かかる制御装置６０は、車両の搭載に適したコンピュータが用いられる。
The control device 60 acquires the high rate
制御装置６０は、電力変換器ブロック１４を構成する４０個の電力変換器３２を個別に制御する電力変換器制御部６２を含む。さらに、電池セル２０にハイレート劣化が生じたときに、ハイレート劣化の緩和と解消を加速する処理を実施するため、ハイレート劣化量推定部６４と、緩和処理実施部６６と、処理対象の順次変更部６８とを含む。これらの機能は、コンピュータである制御装置６０に、ソフトウェアを実行させることで実現される。具体的には、ハイレート劣化の緩和処理プログラムを制御装置６０に実行させることで実現される。
The control device 60 includes a power converter control unit 62 that individually controls the 40
電力変換器制御部６２は、電力変換器３２におけるスイッチング素子４４，４６のオンオフを制御し、電力変換器３２に接続される電池セル２０のＳＯＣの増大または減少を制御する。図３を用いて、電力変換器制御部６２の制御の下での電力変換器３２の動作と作用を述べる。
The power converter control unit 62 controls on / off of the switching
図３に示すように、コンデンサ４８の両端電圧をＶOUT、コンデンサ４８を流れる充放電電流をＩOUTとし、電池セル２０の両端電圧をＶB、電池セル２０の充放電電流をＩBとする。隣接する２つの電力変換器３２は、一方側の電力変換器３２の端子４０と他方側の電力変換器３２の端子３８が互いに電気的に接続されるので、電力変換器ブロック１４においては、４０個のコンデンサ４８が直列に接続される。これによって、４０個の電力変換器３２は、交流的に直列に接続される。４０個のコンデンサ４８において、ＩOUTは同じ値で、充放電装置１６からの充電電流または充放電装置１６への放電電流と同じ値である。
As shown in FIG. 3, the voltage across the
電力変換器３２において内部損失がないとして、（ＶOUT×ＩOUT）＝（ＶB×ＩB）である。これを書き直すと、ＩB＝｛（ＶOUT×ＩOUT）／ＶB｝となるので、ＶOUTを制御することで、電池セル２０の充放電電流ＩBを制御できる。４０個の電力変換器３２について、それぞれのコンデンサ４８の両端電圧ＶOUTを個別に制御することで、４０個の電池セル２０の充放電電流ＩBを制御でき、これにより、４０個の電池セル２０のＳＯＣを個別に増減することができる。電力変換器３２におけるコンデンサ４８の両端電圧ＶOUTは、コイル４２と２つのスイッチング素子４４，４６を有する一般的な昇圧コンバータと同じ制御方法で制御できる。
Assuming that there is no internal loss in the
図３の電力変換器３２において、スイッチング素子４６をオンし、スイッチング素子４４をオフすると、電池セル２０からの放電電流がコイル４２に流れ込み、コイル４２に電磁エネルギとして蓄積される。これにより、（コイル４２とスイッチング素子４４との接続点の電位）が次第に上昇し、｛（スイッチング素子４４と端子３８との接続点の電位）＋（スイッチング素子４４に逆接続されたダイオードの順方向の立上り電圧）｝よりも大きくなる。その状態でスイッチング素子４６をオフすると、コイル４２に蓄積された電磁エネルギがコンデンサ４８に流れる。これを繰り返すことで、コンデンサ４８の両端電圧ＶOUTは次第に上昇する。このように、ＶOUTを上昇させる昇圧制御によって電池セル２０は放電して、電池セル２０のＳＯＣが減少する。
In the
これに対し、スイッチング素子４６をオフしてスイッチング素子４４をオンすると、コンデンサ４８からコイル４２を介して電池セル２０に充電電流が流れる。このように、コンデンサ４８から電流を流出させてＶOUTを降下させる降圧制御によって電池セル２０は充電され、電池セル２０のＳＯＣが増大する。
On the other hand, when the switching
これをまとめると、スイッチング素子４４がオンする時間である充電時間に応じて電池セル２０のＳＯＣが増大し、スイッチング素子４６がオンする時間である放電時間に応じて電池セル２０のＳＯＣが減少する。１つの電池セル２０について充電と放電とは同時に生じないので、スイッチング素子４４がオンするときはスイッチング素子４６がオフされ、スイッチング素子４６がオンするときはスイッチング素子４４がオフされる。したがって、充放電制御のサイクル時間において、充電時間比率を増大させ放電時間比率を減少させると、電池セル２０のＳＯＣが増大し、逆に充電時間比率を減少させ放電時間比率を増大させると、電池セル２０のＳＯＣが減少する。なお、スイッチング素子４４，４６が同時にオンする期間があると、端子３８，４０の間が短絡して過大な貫通電流が流れるので、スイッチング素子４４，４６のオンオフの切替において、スイッチング素子４４，４６が共にオフするデッドタイム期間を設ける。この場合、（充電時間比率＋放電時間比率）＜１である。
In summary, the SOC of the
このように、スイッチング素子４４，４６について、充電時間比率及び放電時間比率を設定して電力変換器３２を動作させることで、電池セル２０のＳＯＣの増減を制御することができる。電力変換器３２は、電池セル２０毎に設けられるので、４０個の電力変換器３２のそれぞれについて、充電時間比率及び放電時間比率を制御することで、４０個の電池セル２０のそれぞれのＳＯＣの増減を制御することができる。
In this manner, by setting the charging time ratio and the discharging time ratio for the
電力変換器３２を動作させずに、スイッチング素子４４もスイッチング素子４６もオフとすると、電池セル２０はコンデンサ４８と遮断状態となり、端子３８，４０と電池セル２０との間も遮断状態となる。したがって、電池セル２０は充放電装置１６によって充電されず、また、充放電装置１６への放電も行われず、その電池セル２０のＳＯＣは増減せずに、そのまま維持される。このときでも、端子３８と端子４０との間はコンデンサ４８で接続されているので、隣接する電力変換器３２の間では、交流的な接続状態が維持される。
If the switching
図４は、電池セル２０がハイレート劣化となったときに、ハイレート劣化の緩和と解消を加速する手順を示すフローチャートである。各手順は、制御装置６０によって実行されるハイレート劣化の緩和処理プログラムの各処理手順に対応する。制御装置６０においてハイレート劣化の緩和処理プログラムが立ち上がると、電源システム１０の各要素の状態の初期化が実行される。その後、各電池セル２０のハイレート劣化量の推定が行われる（Ｓ１０）。この処理手順は、制御装置６０のハイレート劣化量推定部６４の機能によって実行される。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for accelerating the mitigation and elimination of the high-rate deterioration when the
各電池セル２０のハイレート劣化量の推定は、二次電池ブロック１２から伝送されるハイレート劣化量情報１８に基づいて行われる。ハイレート劣化量情報１８には、各電池セル２０の電流及び端子間電圧のデータが含まれるので、内部抵抗＝（端子間電圧／電流）を求め、ハイレート劣化量と内部抵抗に関する所定の関係推定式を用いて、ハイレート劣化量を推定する。この方法に代えて、ハイレート劣化量情報１８から特許文献２に記載される劣化評価値Ｄを求めて、これをハイレート劣化量と推定してもよい。これら以外の適当なハイレート劣化量推定法を用いることもできる。
The estimation of the high rate deterioration amount of each
次に、各電池セル２０についてそれぞれ推定されたハイレート劣化量のデータを、予め定めたハイレート劣化用の所定値と比較する。比較の結果、（推定されたハイレート劣化量）≧（ハイレート劣化用の所定値）となる電池セル２０を、ハイレート劣化が生じている劣化セル２０Ａとする。それ以外の電池セル２０は、ハイレート劣化が生じていない通常セル２０Ｓである。この比較を４０個の電池セル２０についてそれぞれ行い、劣化セル２０Ａを特定するとともに、劣化セル２０Ａの総数ｎを求める。ｎ≧１のときは劣化セル２０Ａが１個以上あるので、後述するハイレート劣化の緩和処理の実施が必要と判定して、次の手順に進む。ｎ＝０のときは４０個の電池セル２０の全てが通常セル２０Ｓであるので、ハイレート劣化の緩和処理の実施は不要と判定し、ハイレート劣化の緩和加速に関する手順を終了する（Ｓ１２）。
Next, the high rate deterioration amount data estimated for each
Ｓ１２が肯定されると、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａの中から、ハイレート劣化量の大きい順で、ｊ個の劣化セル２０Ａを選ぶ（Ｓ１４）。ｊは１以上で、かつ、（緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａの全数の個数）以下で選ぶ。緩和処理が未実施との条件を設けるのは、手順が進んでＳ２４において、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａの個数がゼロ（０）か否かの判定を行い、判定の結果、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａが１個以上あるときに、再びＳ１４に戻ることがあるためである。
If S12 is affirmed, j degraded
例として、Ｓ１２において、劣化セル２０Ａが４個ある場合を述べる。このとき、ｎ＝４であるのでＳ１２が肯定され、Ｓ１４に進む。４個の劣化セル２０Ａについて、ハイレート劣化量が大きい順に、劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４とする。この場合、Ｓ２４まで進んでいないので、Ｓ１４で選ぶｊ個は、１≦ｊ≦４である。
As an example, a case where there are four
ここでｊ＝１を選ぶ場合は、劣化セル２０Ａ１が選ばれ、Ｓ１６以下の手順が進められる。手順を進めてＳ２４に至ると、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａは３個であるので、Ｓ２４が否定され、Ｓ１４に戻る。２度目のＳ１４において、再びｊ＝１を選ぶ場合は、劣化セル２０Ａ２が選ばれ、Ｓ１６以下の手順が進められる。手順を進めてＳ２４に至ると、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａは２個であるので、Ｓ２４が否定され、Ｓ１４に戻る。３度目のＳ１４において、再びｊ＝１を選ぶ場合は、劣化セル２０Ａ３が選ばれ、Ｓ１６以下の手順が進められる。手順を進めてＳ２４に至ると、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａは１個であるので、Ｓ２４が否定され、Ｓ１４に戻る。４度目のＳ１４において、再びｊ＝１を選ぶ場合は、劣化セル２０Ａ４が選ばれ、Ｓ１６以下の手順が進められる。手順を進めてＳ２４に至ると、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａは０個であるので、Ｓ２４が肯定され、全ての処理手続が終了する。この方法では、Ｓ１６以下の手順は劣化セル２０Ａの数であるｎ＝４回繰り返され、全ての劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４についてＳ１６以下の手順が実行される。
Here, when selecting j = 1, the deteriorated cell 20A1 is selected, and the procedure from S16 onward is advanced. When the procedure is advanced to S24, since there are three deteriorated
上記の選択方法に代えて、１度目のＳ１４において、ｊ＝４を選ぶ場合は、劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４の全てが選ばれ、Ｓ１６以下の手順が進められる。手順を進めてＳ２４に至ると、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａは０個であるので、Ｓ２４が肯定され、全ての処理手続が終了する。この方法では、全ての劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４について、１回のＳ１６の手順の実行で済む。
If j = 4 is selected in S14 for the first time instead of the selection method described above, all of the deteriorated cell 20A1, the deteriorated cell 20A2, the deteriorated cell 20A3, and the deteriorated cell 20A4 are selected, and the procedures of S16 and subsequent steps are advanced. . When the procedure is advanced to S24, the number of deteriorated
この他に、１度目のＳ１４において、ｊ＝２を選んでもよく、ｊ＝３を選んでもよい。あるいは、最初の方法において、２度目のＳ１４において、ｊ＝２を選んでもよく、ｊ＝３を選んでもよい。あるいは、これらの組合せの選び方を行ってもよい。 In addition, in the first S14, j = 2 may be selected or j = 3 may be selected. Alternatively, in the first method, j = 2 may be selected or j = 3 may be selected in the second S14. Or you may perform how to choose these combinations.
Ｓ１６においては、ハイレート劣化の緩和と解消を加速する処理が実施される。ここでは、ハイレート劣化の緩和と解消を加速する処理を実施することを、ハイレート劣化量の緩和処理の実施、あるいは単に、緩和処理実施と呼ぶ。Ｓ１４の処理手順は、制御装置６０の緩和処理実施部６６によって実行される。 In S16, processing for accelerating the mitigation and elimination of the high rate deterioration is performed. Here, performing the process of accelerating the relaxation and elimination of the high-rate deterioration is referred to as the execution of the high-rate deterioration amount mitigation process or simply the mitigation process. The processing procedure of S14 is executed by the mitigation processing execution unit 66 of the control device 60.
Ｓ１６の緩和処理実施は、Ｓ１４で選ばれたｊ個の劣化セル２０Ａについて、それぞれの劣化セル２０Ａに対応する電力変換器３２の動作を停止させて、それぞれの劣化セル２０ＡのＳＯＣをそのまま維持する。これと共に、選ばれたｊ個の劣化セル２０Ａ以外の（４０個−ｊ）個の他の電池セル２０に対応する電力変換器３２を動作させて、これらの電池セル２０のＳＯＣを増大及び減少させる。電力変換器３２の動作停止とは、２つのスイッチング素子４４，４６がともにオフの状態のままとすることであり、電力変換器３２を動作させるとは、２つのスイッチング素子４４，４６のオンオフ制御を行うことである。
In the implementation of the mitigation process in S16, for the j degraded
図５は、緩和処理実施の内容を示す図である。図５は、二次電池ブロック１２において、１列に整列した電池セル２０の厚さ方向の寸法の状態を示し、電力変換器ブロック１４において、各電池セル２０に対応する各電力変換器３２を示す。図５の各図において、拘束板２６，２７の向かい合う間隔は、拘束部材２８〜３１によって所定値Ｌ０に固定される。図５における矢印付きの実線は、充放電電流を示す。図５（ａ）は、充放電装置１６から電池セル２０側に充電電力が供給されるときで、矢印付きの実線は充電電流を示し、（ｂ）は、電池セル２０側から充放電装置１６へ放電電力が供給されるときで、矢印付きの実線は放電電流を示す。
FIG. 5 is a diagram showing the contents of the relaxation processing. FIG. 5 shows the state of the dimension in the thickness direction of the
図５の例では、４０個の電池セル２０の中で、劣化セル２０Ａは１個とし、残りの３９個は通常セル２０Ｓとする。すなわち、この例では、劣化セル２０Ａの数はｎ＝１で、Ｓ１４で選ばれる劣化セル２０Ａの数はｊ＝１である。電力変換器３２は、劣化セル２０Ａに対応する電力変換器３２Ａと、通常セル２０Ｓに対応する電力変換器３２Ｓと区別して示す。
In the example of FIG. 5, of the 40
緩和処理実施の実行においては、劣化セル２０Ａに対応する電力変換器３２Ａは動作を停止するので、図５（ａ）において、充放電装置１６からの充電電流は、電力変換器３２Ａが動作停止しているので、劣化セル２０Ａに供給されない。図５（ｂ）において、劣化セル２０Ａから電力変換器３２Ａを介しての充放電装置１６に対する放電は行われない。これにより、劣化セル２０ＡのＳＯＣは増減することなく維持状態となる。
In the execution of the mitigation process, the
緩和処理実施の実行においては、通常セル２０Ｓに対応する電力変換器３２Ｓは動作を行うので、図５（ａ）において、充放電装置１６からの充電電流は、電力変換器３２Ｓを介して通常セル２０Ｓに供給される。これにより、通常セル２０ＳのＳＯＣは増大し、図２で述べた特性に従って、厚さ方向に膨張しようとする。拘束板２６，２７の向かい合う間隔は所定値Ｌ０に固定されているので、通常セル２０Ｓが厚さ方向に膨張しようとすることで、図５（ａ）において白抜き矢印で示すように、劣化セル２０Ａは、厚さ方向に押付力を受ける。
In the execution of the mitigation process, the
図５（ｂ）において、通常セル２０Ｓからの放電電流は、電力変換器３２Ａを介して充放電装置１６に対して流れる。これにより、通常セル２０ＳのＳＯＣは減少し、図２で述べた特性に従って、厚さ方向に収縮しようとする。拘束板２６，２７の向かい合う間隔は所定値Ｌ０に固定されているので、通常セル２０Ｓが厚さ方向に収縮しようとすることで、図５（ａ）で押付力を受けた劣化セル２０Ａは、図５（ｂ）において白抜き矢印で示すように、厚さ方向に解放される。
In FIG.5 (b), the discharge current from the
図５（ａ）の充電制御と図５（ｂ）の放電制御とを交互に行うことで、劣化セル２０Ａにおいて、厚さ方向に押付力を受ける状態と、押付力から解放される状態とが交互に生じる。これによって、劣化セル２０Ａの缶体の内部の電解液において偏って分布している塩濃度の拡散が加速され、ハイレート劣化の緩和と解消が加速される。加速されるとは、劣化セル２０Ａに対し、充放電を行わないで放置状態とした場合に比べて、電解液において偏って分布している塩濃度が短時間に拡散し、ハイレート劣化の緩和と解消が進むことを意味する。このようにして、劣化セル２０Ａに対する緩和処理実施が実行される。
By alternately performing the charge control of FIG. 5A and the discharge control of FIG. 5B, in the
緩和処理実施は、予め定めた所定時間の期間で実行される。所定時間を計測するために緩和処理実施時間のカウンタを用いる。緩和処理実施時間のカウンタは、初期値がゼロで、時間経過とともに計数が増加する加算カウンタでもよく、予め所定時間が初期値として設定され、時間経過とともに計数が減少する減算カウンタでもよい。緩和処理実施時間のカウンタは、Ｓ１０の前の初期化において初期値にリセットされる。Ｓ１６の緩和処理実施の実行開始と同時に、緩和処理実施時間のカウンタは計数を開始する（Ｓ１８）。そして、緩和処理実施時間が所定時間に達する（Ｓ２０）と、緩和処理実施時間のカウンタは初期値にリセットされる（Ｓ２２）。 The mitigation process is performed for a predetermined time period. In order to measure the predetermined time, a mitigation processing execution time counter is used. The counter for the relaxation processing execution time may be an addition counter whose initial value is zero and the count increases with the passage of time, or a subtraction counter in which a predetermined time is set as an initial value in advance and the count decreases with the passage of time. The counter of the relaxation processing execution time is reset to the initial value in the initialization before S10. Simultaneously with the start of the execution of the relaxation processing in S16, the relaxation processing execution time counter starts counting (S18). When the relaxation processing execution time reaches a predetermined time (S20), the relaxation processing execution time counter is reset to the initial value (S22).
緩和処理実施における所定時間は、電解液において偏って分布している塩濃度が十分に拡散するのに必要な充電と放電の繰り返し回数等に基づいて設定される。かかる所定時間は、電池セル２０の仕様に基づいて、実験あるいはシミュレーションによって定めることができる。
The predetermined time in the relaxation treatment is set based on the number of repeated charging and discharging necessary for sufficiently diffusing the salt concentration unevenly distributed in the electrolyte. Such a predetermined time can be determined by experiment or simulation based on the specifications of the
Ｓ２２の次に、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａの数はゼロか否かが判定される（Ｓ２４）。Ｓ２４の判定が否定されると、Ｓ１４に戻り、上記の手順を繰り返す。
Next to S22, it is determined whether or not the number of deteriorated
Ｓ２４の手順は、劣化セル２０Ａが複数あるとき、ハイレート劣化量の大きい劣化セル２０Ａに対して緩和処理実施を実行すると、その劣化セル２０Ａのハイレート劣化量が低下し、実行されない劣化セル２０Ａのハイレート劣化量の方が大きくなるからである。Ｓ２４は、劣化セル２０Ａが複数あるとき、その一部に緩和処理実施を実行し、その実行が緩和処理実施における所定時間を経過すると、緩和処理実施の処理対象を順次に変更するために設けられる。この処理手順は、制御装置６０における処理対象の順次変更部６８の機能によって実行される。
In the procedure of S24, when there are a plurality of deteriorated
緩和処理実施における処理対象の順次変更について、図６を用いて説明する。図６の縦軸はハイレート劣化量であり、横軸は時間である。横軸において、時間ｔ0は、充放電の初期時間で、ここからハイレート劣化が進行する。ｔ1は、Ｓ１６において緩和処理実施が開始した時間でＳ１８のタイミングの時間である。ｔ2は、ｔ1から緩和処理実施における所定時間を経過した時間である。 The sequential change of the processing target in the relaxation processing will be described with reference to FIG. The vertical axis in FIG. 6 is the high rate deterioration amount, and the horizontal axis is time. On the horizontal axis, time t 0 is the initial charge / discharge time, from which high rate deterioration proceeds. t 1 is the relaxation treatment time timing S18 in the exemplary time having started at S16. t 2 is a time after a predetermined time in the execution of the relaxation process from t 1 .
図６では、Ｓ１２で述べた例と同じように、劣化セル２０Ａの個数をｎ＝４とし、４個の劣化セル２０Ａについて、ハイレート劣化量が大きい順に、劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４とする。また、１度目のＳ１４において、ｊ＝２と選び、２度目のＳ１４においてもｊ＝２と選ぶこととする。図６は、劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４について、それぞれのハイレート劣化量の時間変化を示す。
In FIG. 6, as in the example described in S12, the number of the deteriorated
時間ｔ1では、ハイレート劣化量が大きい順に、劣化セル２０Ａ１、劣化セル２０Ａ２、劣化セル２０Ａ３、劣化セル２０Ａ４と並んでいる。したがって、１回目のＳ１４において、劣化セル２０Ａ１と劣化セル２０Ａ２の２個が緩和処理実施の対象として選ばれる。Ｓ１６では、劣化セル２０Ａ１と劣化セル２０Ａ２の２個の劣化セル２０Ａに対応する２個の電力変換器３２の動作を停止させる。これとともに、それ以外の３８個の電池セル２０に対応する電力変換器３２を動作させて、これらの電池セル２０のＳＯＣを増大及び減少させる。それ以外の３８個の電池セル２０は、２個の劣化セル２０Ａ３と劣化セル２０Ａ４と、３６個の通常セル２０Ｓである。
At time t 1 , the degraded cell 20A1, the degraded cell 20A2, the degraded cell 20A3, and the degraded cell 20A4 are arranged in descending order of the high rate degradation amount. Therefore, in the first S14, two cells, that is, the deteriorated cell 20A1 and the deteriorated cell 20A2 are selected as targets for the mitigation process. In S16, the operation of the two
時間ｔ1から所定時間経過した時間ｔ2では、緩和処理実施の対象となった劣化セル２０Ａ１と劣化セル２０Ａ２のハイレート劣化量は低下し、緩和処理実施の対象とならなかった劣化セル２０Ａ３と劣化セル２０Ａ４のハイレート劣化量の方が大きくなる。 At a time t 2 after a predetermined time has elapsed from the time t 1, the high-rate deterioration amount of the deteriorated cell 20A1 and the deteriorated cell 20A2 subjected to the mitigation process decreases, and deteriorates with the deteriorated cell 20A3 that is not the object of the mitigation process. The high rate deterioration amount of the cell 20A4 becomes larger.
時間ｔ2においてはＳ２４を判定する。ここで、緩和処理が未実施の劣化セル２０Ａは、劣化セル２０Ａ３と劣化セル２０Ａ４の２個であるので、Ｓ２４の判定が否定され、Ｓ１４に戻る。
Determines S24, at time t 2. Here, since there are two
２度目のＳ１４では、緩和処理未実施の劣化セル２０Ａの中からハイレート劣化量の大きい順でｊ＝２が選ばれる。図６に示されるように、劣化セル２０Ａ３と劣化セル２０Ａ４の２個が選ばれる。２回目のＳ１６においては、選ばれた劣化セル２０Ａ３と劣化セル２０Ａ４の２個の劣化セル２０Ａに対応する２個の電力変換器３２の動作を停止させる。これとともに、それ以外の３８個の電池セル２０に対応する電力変換器３２を動作させて、これらの電池セル２０のＳＯＣを増大及び減少させる。それ以外の３８個の電池セル２０は、既に緩和処理実施済みの２個の劣化セル２０Ａ１と劣化セル２０Ａ２と、３６個の通常セル２０Ｓである。これにより、時間ｔ2から劣化セル２０Ａ３と劣化セル２０Ａ４のハイレート劣化量が低下する。
In S14 for the second time, j = 2 is selected from the deteriorated
このように、緩和処理実施における所定時間が経過するごとに、緩和処理実施の対象を順次変更することで、複数の劣化セル２０Ａがあるときでも、全ての劣化セル２０Ａについて緩和処理実施が実行できる。これにより、複数の劣化セル２０Ａの全部について、ハイレート劣化の緩和と解消が加速される。
As described above, every time a predetermined time in the mitigation process is performed, the mitigation process can be executed for all the
上記のように、緩和処理実施としては、劣化セル２０Ａに対応する電力変換器３２Ａの動作を停止させ、それ以外の他の電池セル２０に対応する電力変換器３２を動作させる。これによって他の電池セル２０のＳＯＣを増大及び減少させ、それによって他の電池セル２０に生じる厚さ方向の寸法の増大及び減少によって、劣化セル２０Ａの厚さ方向に外力を与えてハイレート劣化の原因である塩濃度の偏りを緩和させることができる。
As described above, as the mitigation process, the operation of the
１０ 電源システム、１２ 二次電池ブロック、１４ 電力変換器ブロック、１６ 充放電装置、１８ ハイレート劣化量情報、２０ 電池セル、２０Ａ，２０Ａ１，２０Ａ２，２０Ａ３，２０Ａ４ 劣化セル、２０Ｓ 通常セル、２２ 正極端子、２４ 負極端子、２６，２７ 拘束板、２８，２９，３０，３１ 拘束部材、３２，３２Ａ，３２Ｓ，３２ａ，３２ｂ 電力変換器、３４，３６，３８，４０ 端子、４２ コイル、４４，４６ スイッチング素子、４８ コンデンサ、５０ 一方側端子、５２ 他方側端子、５４ 回転電機、５６ インバータ、６０ 制御装置、６２ 電力変換器制御部、６４ ハイレート劣化量推定部、６６ 緩和処理実施部、６８ 処理対象の順次変更部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記電池セル毎に該電池セルの両端子に接続された電力変換器の複数が互いに直列に電気的に接続され、複数の前記電力変換器が前記直列に接続された両端部に、外部の充放電装置と接続される端子を有する電力変換器ブロックと、
複数の前記電力変換器の動作を個別に制御し、前記電池セルのそれぞれの前記ＳＯＣを個別に変更する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電池セル毎に、電解液中の塩濃度の偏りを示すハイレート劣化量を推定し、
複数の前記電池セルの内で推定された前記ハイレート劣化量が予め定めた所定値以上の前記電池セルである劣化セルに対応する前記電力変換器の動作を停止させて前記劣化セルの前記ＳＯＣをそのまま維持し、前記劣化セル以外の他の前記電池セルに対応する前記電力変換器を動作させて他の前記電池セルの前記ＳＯＣを増大及び減少させて、前記ハイレート劣化量の緩和処理を実施することを特徴とする電源システム。 A plurality of battery cells having a characteristic that the dimension in the thickness direction increases as the SOC indicating the state of charge increases, and are arranged in a row in the thickness direction, and the interval between both ends aligned in the row is constrained. A secondary battery block restrained by a member;
For each battery cell, a plurality of power converters connected to both terminals of the battery cell are electrically connected in series with each other, and a plurality of the power converters are connected to the external charging terminals at both ends connected in series. A power converter block having terminals connected to the discharge device;
A control device for individually controlling the operation of the plurality of power converters and individually changing the SOC of each of the battery cells;
With
The controller is
For each battery cell, estimate the high rate deterioration amount indicating the uneven concentration of salt in the electrolyte,
The operation of the power converter corresponding to the deteriorated cell that is the battery cell with the high rate deterioration amount estimated among the plurality of the battery cells being equal to or greater than a predetermined value is stopped to reduce the SOC of the deteriorated cell. Maintaining as it is, operating the power converters corresponding to the battery cells other than the deteriorated cells to increase and decrease the SOC of the other battery cells, and implement the mitigation process of the high rate deterioration amount A power supply system characterized by that.
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