JP2018077960A - 充電制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】電荷担体の析出を抑制し得る二次電池の充電制御システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る充電制御システムは、充電の際に二次電池に入力される電流と端子間電圧とから該二次電池の電池抵抗値Ｒ１を測定するステップＳ１０と、二次電池の電池温度と、各電池温度で保持された積算時間とを含む温度履歴情報に基づき、二次電池の電池抵抗値Ｒ２を推定するステップＳ２０と、測定した電池抵抗値Ｒ１と推定した電池抵抗値Ｒ２とを比較するステップＳ３０と、比較した電池抵抗がＲ１＞Ｒ２の関係を満たす場合、二次電池の正負極間に規定値以上の隙間が生じていると判断し、それらの電池抵抗の差分に基づき、二次電池の正負極間に生じた隙間量を推定するステップＳ５０と、推定した正負極間の隙間量に応じて二次電池への入力許容電流値を設定するステップＳ６０と、を実行するように構成されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、二次電池の充電制御システムに関する。

軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池等の二次電池は、車両搭載用電源として好ましく用いられている。この種の二次電池においては、正極活物質を含む正極と負極活物を含む負極との間で、電荷担体（例えばリチウムイオン二次電池の場合、リチウム）を授受することで充放電が行われる。すなわち、充電時には電荷担体が正極活物質から引き抜かれ、イオンとして電解液（電解質）中に放出される。充電時には該電荷担体は負極側に設けられた負極活物質の構造内に入り、ここで正極活物質から外部回路を通ってきた電子を得て、吸蔵される。この種の二次電池の充放電制御に関する従来技術として、特許文献１が挙げられる。

国際公開第２０１０／００５０７９号

ところで、この種の二次電池においては、外部電源から充電を行い、電池にエネルギーを蓄える。かかる充電時に大電流が入力されると、負極において局所的に電荷担体が析出する場合があり得る。そこで、従来より、二次電池への入力電流に入力許容電流値（制限値）を設定し、入力許容電流値を超えない電流値の範囲内で充電することにより、電荷担体の析出を抑制することが試みられている（例えば特許文献１）。
しかし、本発明者の知見によると、充放電に伴う膨張収縮等によって電極がうねり、正負極間に隙間が生じると、電池抵抗が増大し、電流集中により電荷担体が析出する可能性がある。従来の充電制御システムに関する技術では、正負極間に生じた隙間に起因するリチウムの析出は考慮されていない。

ここで提案される二次電池の充電制御システムは、正極および負極を備えた二次電池の充電制御システムである。この充電制御システムは、前記二次電池の温度を検出する温度センサと、前記二次電池に出入りする電流を検出する電流センサと、前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、前記二次電池への入力許容電流値を設定する入力許容電流値設定部とを備える。前記入力許容電流値設定部は、充電の際に前記電流センサで検出された電流値と前記電圧センサで検出された電圧値とから該二次電池の電池抵抗値Ｒ１を測定するステップと、前記温度センサによって検出された電池温度と各電池温度で保持された積算時間とを含む温度履歴情報に基づき、前記二次電池の正負極間に隙間が生じていない場合における経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２を推定するステップと、前記測定した電池抵抗値Ｒ１と前記推定した経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２とを比較するステップと、前記比較した電池抵抗値がＲ１＞Ｒ２の関係を満たす場合、前記二次電池の正負極間に隙間が生じていると判断し、各電池抵抗値の差分（Ｒ１−Ｒ２）と二次電池の正負極間に生じた隙間量との相関を示す相関マップを用いて、前記差分（Ｒ１−Ｒ２）に対応する正負極間の隙間量を推定するステップと、前記推定した正負極間の隙間量に応じて前記入力許容電流値を設定するステップと、を実行するように構成されている。かかる構成によると、正負極間に生じた隙間量に応じて、二次電池への入力許容電流値を適切に設定することができる。そのため、充放電に伴う膨張収縮等によって正負極間に隙間が生じた場合でも電荷担体の析出を抑制することができる。

本実施形態に係る二次電池の充電制御装置によって制御される電源システムの構成を示すブロック図である。 経時日数と電池抵抗との関係を示すグラフである。 電池温度と劣化速度との相関を示すグラフである。 抵抗差分（Ｒ１−Ｒ２）と正負極間の隙間量との相関を示すグラフである。 正負極間の隙間量が０μｍのときのリチウム析出の有無に関する電流と通電時間との関係を示すグラフである。 正負極間の隙間量Ｘ（μｍ）と電流低下割合量Ｙ（％）との関係を示すグラフである。 正負極間の隙間量がＸμｍのときのリチウム析出の有無に関する電流と通電時間との関係を示すグラフである。 入力許容電流値設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、正極及び負極の構成及び製法、二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

特に限定することを意図したものではないが、以下では主としてリチウムイオン二次電池を充電する場合を例として、本発明の充電制御システムに係る好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオン（Ｌｉイオン）を利用し、正負極間におけるＬｉイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。

図１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０の制御装置によって制御される充電制御システム１の構成を示すブロック図である。このリチウムイオン二次電池１０の制御装置は、車両（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車）に好適に用いられる。

充電制御システム１は、リチウムイオン二次電池１０と、これに接続された負荷２０と、二次電池１０の温度を検出する温度センサ（図示せず）と、二次電池１０に出入りする電流を検出する電流センサ（図示せず）と、前記二次電池の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０とを含む構成であり得る。ＥＣＵ３０は、負荷２０に接続されたリチウムイオン二次電池１０の運転をコントロールするものとして構成されており、所定の情報に基づいて、負荷２０を駆動制御する。リチウムイオン二次電池１０に接続された負荷２０は、該電池１０に蓄えられた電力を消費する電力消費機（例えばモータ）を含み得る。また、該負荷２０は、電池１０を充電可能な電力を供給する電力供給機（充電器）を含み得る。

リチウムイオン二次電池１０は、セパレータを介して対向する正極と負極と、これら正負極間に供給されるリチウムイオンを含む電解質とから構成されている。正極および負極には、リチウムイオンを吸蔵および放出し得る活物質が含まれている。電池１０の充電時には、正極活物質からリチウムイオンが放出され、このリチウムイオンは電解質を通じて負極活物質に吸蔵される。また、電池１０の放電時には、その逆に、負極活物質に吸蔵されていたリチウムイオンが放出され、このリチウムイオンは電解質を通じて再び正極活物質に吸蔵される。この正極活物質と負極活物質との間のリチウムイオンの移動に伴い、活物質から外部端子へと電子が流れる。これにより、負荷２０に対して放電が行われる。

また、上記リチウムイオン二次電池１０においては、上述のように負荷２０からの電力が電池１０の充電に用いられる。かかる充電時に大電流が入力されると、正極から放出されたリチウムが負極に入りきらず、負極において局所的にリチウムが析出する場合があり得る。そのため、電池への入力電流に入力許容電流値を設定し、設定された入力許容電流値を超えない電流値の範囲内で充電することで、リチウムの析出を防いでいる。

ここで、本発明者の知見によれば、充放電に伴う膨張収縮等によって正極および負極がうねり、正負極間に隙間が生じる（典型的には各電極とセパレータとの間に隙間が生じ、正負極間の距離が大きくなる）と、電池抵抗が増大し、電流集中によりリチウムが析出する可能性がある。ここで開示される技術においては、このような正負極間の隙間に起因するリチウムの析出に着目し、正負極間の隙間量に応じて入力許容電流値を適切に設定することで、リチウムの析出を抑制するようにしている。

すなわち、この充電制御システム１では、ＥＣＵ３０が、充電の際に電流センサで検出された電流値と電圧センサで検出された電圧値とから該二次電池の電池抵抗値Ｒ１を測定する（電池抵抗値Ｒ１測定ステップ）。また、温度センサによって検出された電池温度と各電池温度で保持された積算時間とを含む温度履歴情報に基づき、二次電池の正負極間に隙間が生じていない場合における経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２を推定する（電池抵抗値Ｒ２推定ステップ）。そして、測定した電池抵抗値Ｒ１と推定した経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２とを比較する（電池抵抗値比較ステップ）。ここで、比較した電池抵抗値がＲ１＞Ｒ２の関係を満たす場合、ＥＣＵ３０は、二次電池の正負極間に隙間が生じていると判断し、各電池抵抗の差分（Ｒ１−Ｒ２）に基づき、正負極間の隙間量を推定する（隙間量推定ステップ）。そして、推定した正負極間の隙間量に応じて、該隙間量に起因するリチウムの析出が抑制されるように、入力許容電流値を設定する（入力許容電流値設定ステップ）。そして以降は、この設定された入力許容電流値を超えない電流値の範囲内で、リチウムイオン二次電池１０が充電されるように、負荷２０を作動制御する。

ＥＣＵ３０の典型的な構成には、少なくとも、かかる制御を行うためのプログラムを記憶したＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、そのプログラムを実行可能なＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）と、図示しない入出力ポートとが含まれる。二次電池１０には、前述した電流センサと電圧センサと温度センサとが取り付けられている。ＥＣＵ３０には、入力ポートを介して各センサの出力信号が入力される。そして、ＥＣＵ３０は、各センサからの出力信号に基づいて、二次電池１０に出入りする電流値、電圧値および電池温度の情報を取得するようになっている。かかるＥＣＵ３０により、本実施形態の入力許容電流値設定部が構成されている。

＜電池抵抗値Ｒ１測定ステップ＞
電池抵抗値Ｒ１測定ステップでは、ＥＣＵ３０は、負荷２０からの充電の際にリチウムイオン二次電池１０に入力される電流と電池電圧とから該二次電池の電池抵抗値Ｒ１を測定する。負荷２０からの充電は、定電流（ＣＣ）充電であってもよく定電圧（ＣＶ）充電であってもよい。電池抵抗値Ｒ１は、電池の経年劣化に起因する抵抗増加分と、正負極間に生じた隙間に起因する抵抗増加分とを含んでいる。

＜電池抵抗値Ｒ２推定ステップ＞
電池抵抗値Ｒ２推定ステップでは、ＥＣＵ３０は、電池温度と各電池温度で保持された積算時間とを含む温度履歴情報に基づき、リチウムイオン二次電池１０の電池抵抗値Ｒ２を推定する。電池抵抗値Ｒ２は、二次電池の正負極間に隙間が生じていないと想定した場合における、電池の経時劣化のみに起因する抵抗増加分を含んでいる。すなわち、図２に示すように、正負極間に隙間が生じていない場合でも、経年により二次電池の劣化（典型的には材料の劣化）が進行すると、電池抵抗（抵抗値）が変化する。具体的には、図３の温度加速性アレニウスモデルに示すように、電池温度が高いほど抵抗の劣化速度は増大傾向を示す。この相関関係を利用することで、上記温度履歴情報と劣化速度とから、経年による劣化後の電池抵抗値を推定することができる。

この実施形態では、図３に示すように、電池温度と劣化速度との関係を示すデータをマップの形でＲＯＭに記憶しておき、このマップを参照して、所定の電池温度（例えば温度域）の劣化速度を決定する。かかるデータは、正極および負極の積層方向に荷重を加えて正負極間に隙間が生じないように拘束した二次電池を複数用意し、種々異なる温度条件の耐久試験に供し、そのときの一定時間ごとの抵抗増加量の推移から求めることができる。

また、各電池温度で保持された積算時間と各電池温度における劣化速度とを積算して総和することで、経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２を算出することができる。ここで、各電池温度で保持された積算時間は、所定の電池温度（例えば温度域）で二次電池がどの程度保持されたかを、所定の電池温度ごとに積算することで求めることができる。なお、経時劣化による抵抗増大は、電池が充放電を行っていなくても（使用されていなくても）生じ得る。したがって、上記積算時間のカウントは、電池の使用時（例えば車両走行時）と、電池の使用休止時（例えば車両停止時）との双方において行うことが好ましい。得られた温度履歴情報は、テーブル等の形でＲＯＭに記憶しておくとよい。

＜電池抵抗値比較ステップ＞
電池抵抗値比較ステップでは、ＥＣＵ３０は、測定した電池抵抗値Ｒ１と推定した電池抵抗値Ｒ２とを比較する。すなわち、正負極間に隙間が生じていないと想定した場合における経時劣化後の電池抵抗値（推定値）Ｒ２と、正負極間に生じた隙間に起因する抵抗増加分と電池の経時劣化に起因する抵抗増加分とを含む実際の電池抵抗値（測定値）Ｒ１とを比較することで、正負極間の隙間に起因する抵抗増加分を把握することができる。

＜隙間量推定ステップ＞
隙間量推定ステップでは、ＥＣＵ３０は、電池抵抗値比較ステップで比較した電池抵抗値がＲ１＞Ｒ２の関係を満たす場合、それらの電池抵抗値の差分に基づき、リチウムイオン二次電池１０の正極および負極間に生じた隙間量（正負極間の距離）を推定する。この実施形態では、図４に示すように、電池抵抗値の差分（Ｒ１−Ｒ２）と正負極間の隙間量との相関関係を示すデータを予め予備実験等により取得してマップの形でＲＯＭに記憶しておく。そして、このマップを参照して、電池抵抗値の差分（Ｒ１−Ｒ２）に対応する正負極間の隙間量を推定する。なお、上記電池抵抗の差分（Ｒ１−Ｒ２）は、絶対値に限らず、抵抗変化率（例えば（Ｒ１−Ｒ２）を経時時間で微分した係数等）に変換して使用してもよい。

＜入力許容電流値設定ステップ＞
入力許容電流値設定ステップでは、ＥＣＵ３０は、隙間量推定ステップで推定した正負極間の隙間量に応じてリチウムイオン二次電池１０への入力許容電流値を設定するように構成されている。入力許容電流値の設定方法は特に限定されない。この実施形態では、図６に示すように、正負極間の隙間量Ｘと電流低下割合量Ｙとの関係を示すデータを予め予備実験等により取得してマップの形でＲＯＭに記憶しておき、このマップを参照して、推定した正負極間の隙間量Ｘに対応する電流低下割合量Ｙを決定する。また、図５に示すように、正負極間の隙間量が０μｍのときのリチウム析出に関する電流Ｉと通電時間ｔとの関係を示すデータを予め予備実験等により取得してマップの形でＲＯＭに記憶しておき、上記決定した電流低下割合量Ｙに基づいて、図５のマップの電流値をＹ％絞るように設定する。このようにして、図７に示すように、正負極間の隙間量がＸμｍのときのリチウム析出に関する電流と通電時間との関係を示すマップを作成する。そして、図７のマップに基づいて、リチウムが析出しない領域で充電が行われるように、二次電池への入力許容電流値を設定する。

このように構成された充電制御システム１の動作について説明する。図８は、本実施形態に係る充電制御システム１のＥＣＵ３０により実行される入力許容電流値設定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、例えば二次電池に対して負荷により充電が開始された直後から実行される。

二次電池に対して負荷により充電が開始され、図８に示す入力許容電流値設定処理が実行されると、ＥＣＵ３０のＣＰＵは、まず、制御対象のリチウムイオン二次電池１０について、充電の際に二次電池に入力される電流と電池電圧とから該二次電池の電池抵抗値Ｒ１を測定する（ステップＳ１０）。また、電池温度と各電池温度で保持された積算時間とを含む温度履歴情報を取得し、ＲＯＭに記憶されている電池温度と劣化速度との関係を示すデータを参照して、正負極間に隙間が生じていないと想定した場合における、経年劣化後の電池抵抗値Ｒ２を推定する（ステップＳ２０）。

次いで、ＥＣＵ３０は、ステップＳ３０において、ステップＳ１０で測定した電池抵抗値Ｒ１とステップＳ２０で推定した経年劣化後の電池抵抗値Ｒ２とを比較する。そして、比較した電池抵抗値がＲ１＞Ｒ２の関係を満たさない場合（Ｎｏの場合）、二次電池の正負極間に隙間が生じていないと判断し、正負極間の隙間量に応じた入力制限は行わず（ステップＳ４０）、図５の正負極間の隙間量が０μｍのときのリチウム析出に関する電流と通電時間との関係を示すマップに基づき、リチウムが析出しない領域で充電が行われるように二次電池への入力許容電流値を設定する。一方、比較した電池抵抗値がＲ１＞Ｒ２の関係を満たす場合（Ｙｅｓの場合）、二次電池の正負極間に隙間が生じていると判断し、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、ＥＣＵ３０は、Ｒ１とＲ２との差分（Ｒ１−Ｒ２）に基づき、ＲＯＭに記憶されている差分（Ｒ１−Ｒ２）と正負極間の隙間量との相関を示すマップを参照して、正負極間に生じた隙間量を推定する。次いで、ステップＳ６０において、ＲＯＭに記憶されている正負極間の隙間量Ｘと電流低下割合量Ｙとの関係を示すデータを参照して、ステップＳ５０で推定した正負極間の隙間量Ｘに対応する電流低下割合量Ｙを決定する。そして、決定した電流低下割合量Ｙに基づいて、図５の電流値をＹ％絞ることで、正負極間の隙間量がＸμｍのときのリチウム析出に関する電流と通電時間との関係を示すマップを作成し、このマップに基づいて、リチウムが析出しない領域で充電が行われるように二次電池への入力許容電流値を設定する。そして、これ以降は、リチウムイオン二次電池１０に対して、設定された入力許容電流値を超えない電流値の範囲内で充電が行われるように、負荷２０を駆動制御する（ステップＳ７０）。

上記実施形態によると、充電時に測定された電池抵抗値Ｒ１と、正負極間に隙間が生じていないと想定した場合における経年劣化後の電池抵抗値Ｒ２とから正負極間の隙間量を推定し、該推定した正負極間の隙間量に応じて二次電池への入力許容電流値を適切に設定することができる。そのため、充放電に伴う膨張収縮等によって正負極間に隙間が生じた場合でもリチウムの析出を抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１ 充電制御システム
１０ リチウムイオン二次電池
２０ 負荷
３０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 正極および負極を備えた二次電池の充電制御システムであって、
   前記二次電池の温度を検出する温度センサと、
   前記二次電池に出入りする電流を検出する電流センサと、
   前記二次電池の電圧を検出する電圧センサと、
   前記二次電池への入力許容電流値を設定する入力許容電流値設定部と
   を備え、
   前記入力許容電流値設定部は、
   充電の際に前記電流センサで検出された電流値と前記電圧センサで検出された電圧値とから該二次電池の電池抵抗値Ｒ１を測定するステップと、
   前記温度センサによって検出された電池温度と各電池温度で保持された積算時間とを含む温度履歴情報に基づき、前記二次電池の正負極間に隙間が生じていない場合における経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２を推定するステップと、
   前記測定した電池抵抗値Ｒ１と前記推定した経時劣化後の電池抵抗値Ｒ２とを比較するステップと、
   前記比較した電池抵抗値がＲ１＞Ｒ２の関係を満たす場合、前記二次電池の正負極間に隙間が生じていると判断し、各電池抵抗値の差分（Ｒ１−Ｒ２）と二次電池の正負極間に生じた隙間量との相関を示すマップを用いて、前記差分（Ｒ１−Ｒ２）に対応する正負極間の隙間量を推定するステップと、
   前記推定した正負極間の隙間量に応じて前記入力許容電流値を設定するステップと
   を実行するように構成されている、充電制御システム。
   
   
   
   

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