JP2020113512A - 二次電池用の昇温制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池のハイレート劣化を抑制する。【解決手段】二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、二次電池の抵抗の上昇量が所定値を超えているときには、二次電池の抵抗の上昇量が所定値以下であるときに比して、二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、二次電池の温度が開始温度以上であるときには、二次電池が昇温するように昇温装置を制御する。これにより、二次電池のハイレート劣化を抑制できる。【選択図】図2
Description
本発明は、二次電池用の昇温制御装置に関する。
二次電池の劣化として、二次電池内の電解液中の塩濃度分布の偏りによって内部抵抗が増加したりリチウムの析出が促進されるハイレート劣化が知られている。従来、こうしたハイレート劣化による内部抵抗の増加量を推定する装置としては、二次電池の電池電圧と予め与えられた電池モデルとを用いて二次電池の電池電流を推定し、推定した電池電流と電流センサにより検出された検出電流との差分に基づいて内部抵抗の増加量を推定するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
二次電池では、充電や放電に偏った使い方をすると、二次電池の電解液中の塩濃度の分布の偏りが大きくなり、即ち、ハイレート劣化が進行してしまう。ハイレート劣化が進行すると、電池性能が低下するため、ハイレート劣化は抑制されることが望ましい。
本発明の二次電池用の昇温制御装置では、二次電池のハイレート劣化を抑制することを主目的とする。
本発明の二次電池用の昇温制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の二次電池用の昇温制御装置は、
二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、
前記二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、前記ハイレート劣化量が前記所定値以下であるときに比して、前記二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、
前記二次電池の温度が前記開始温度以上であるときには、前記二次電池が昇温するように前記昇温装置を制御する、
ことを要旨とする。
二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、
前記二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、前記ハイレート劣化量が前記所定値以下であるときに比して、前記二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、
前記二次電池の温度が前記開始温度以上であるときには、前記二次電池が昇温するように前記昇温装置を制御する、
ことを要旨とする。
この本発明の二次電池用の昇温制御装置では、二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、二次電池のハイレート劣化量が所定値以下であるときに比して、二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、二次電池の温度が開始温度以上であるときには、二次電池が昇温するように昇温装置を制御する。ここで、「所定値」は、ハイレート劣化の進行により電池性能が低下しているか否かを判定するための閾値である。二次電池の温度が低いときには高いときに比して、二次電池内の電解液中の電解質塩の拡散速度が遅く、二次電池内で電解質塩の濃度の分布の偏りが緩和されづらく、ハイレート劣化が進行しやすい。したがって、二次電池のハイレート劣化量が所定値を超えているときには、二次電池のハイレート劣化量が所定値以下であるときに比して、二次電池の昇温を開始する開始温度を低くすることにより、二次電池の温度がある程度低いときから二次電池を昇温することができ、電解質塩の拡散を促し、電解質塩の濃度の分布の偏りを緩和できる。この結果、ハイレート劣化を抑制できる。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての昇温制御装置を備える電源装置20の構成の概略を示す構成図である。電源装置20は、接続対象10と電力をやりとりするよう構成されており、二次電池22と、昇温装置24と、制御装置30と、を備える。接続対象10としては、モータを駆動するためのインバータや、二次電池22からの電力を昇圧して負荷へ供給したり負荷からの電力を降圧して二次電池22へ供給するDCDCコンバータなどを挙げることができる。なお、実施例では、制御装置30が「昇温制御装置」に相当する。
二次電池22は、複数の電池セル(図示せず)を備える。複数の電池セルは、正極電極と負極電極とセパレータとが電解液に含浸されてなる充放電可能な周知のリチウムイオン二次電池として構成されており、それぞれ直列に接続されている。電解液は、電解質リチウム塩(以下、「塩」という)と、有機溶媒と、を含んでいる。
昇温装置24は、二次電池22を加熱するヒータとして構成されている。昇温装置24は、制御装置30により制御される。
制御装置30は、図示しないCPUを中心とするマイクロコンピュータとして構成されており、CPUの他に処理プログラムなどを記憶するROMや一時的に各種データ等を記憶するRAM、入出力ポート、通信ポート(何れも図示せず)等を備える。制御装置30には、入力ポートを介して各種信号が入力されている。制御装置30に入力される信号としては、二次電池22に充放電される電流を検出する電流センサ22aからの電池電流Ibや二次電池22の端子間電圧を検出する電圧センサ22bからの電池電圧Vb、二次電池22の温度を検出する温度センサ22cからの電池温度Tbなどを挙げることができる。制御装置30からは、出力ポートを介して昇温装置24を制御するための制御信号が出力されている。
こうして構成された電源装置20では、二次電池22から接続対象10へ電力を供給したり、接続対象10からの電力で二次電池22を充電したりする。
次に、こうして構成された実施例の昇温制御装置を備える電源装置20の動作、特に、二次電池22内の塩濃度の分布の偏りを緩和させる際の動作について説明する。図2は、制御装置30により実行される昇温要求設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。本ルーチンは、所定時間毎(例えば、数msec毎)に繰り返し実行される。
本ルーチンが実行されると、制御装置30のCPUは、電池電流Ib、電池電圧Vb、電池温度Tbを入力する処理を実行する(ステップS100)。電池電流Ibは、電流センサ22aにより検出されたものを入力している。電池電圧Vbは、電圧センサ22bにより検出されたものを入力している。電池温度Tbは、温度センサ22cにより検出されたものを入力している。
次に、ハイレート劣化量Dhを演算する(ステップS110)。ハイレート劣化量Dhは、現在の二次電池22の内部抵抗Rrを理想内部抵抗Rimで除して(=Rr/Rim)演算される。現在の二次電池22の内部抵抗Rrは、定格電圧Eと電池電圧Vbと電池電流Ibとを用いて次式(1)により演算される。理想内部抵抗Rimは、二次電池22内の塩濃度の分布が一様であるときの二次電池22の内部抵抗として実験や解析などにより求めた値である。リチウムイオン二次電池では、充電や放電に偏った使い方をすると、内部の塩濃度の分布の偏りが大きくなり、内部抵抗Rrが増大するハイレート劣化が生じる。ハイレート劣化量Dhは、理想内部抵抗Rimに対する現在の二次電池22の内部抵抗Rrの割合であるから、ハイレート劣化による内部抵抗Rrの増加の度合いを示している。
Rr=(E-Vb)/Ib ・・・(1)
こうしてハイレート劣化量Dhを演算したら、ハイレート劣化量Dhを用いて昇温開始温度Tstを設定する(ステップS120)。図3は、ハイレート劣化量Dhと昇温開始温度Tstとの関係の一例を示す説明図である。昇温開始温度Tstは、ハイレート劣化量Dhがハイレート劣化による内部抵抗Rrの増加を許容可能な値D1以下のときには、二次電池22が通常とり得る温度範囲の上限より若干高い温度T1(例えば、−20℃、−10℃、0℃など)に設定され、ハイレート劣化量Dhが値D1より大きい値D2以上のときには、温度T1より低く二次電池22が通常とり得る温度範囲の下限の温度T2(例えば、−40℃、−30℃、−10℃などで温度T1より低い温度)に設定される。また、昇温開始温度Tstは、ハイレート劣化量Dhが値D1より大きく値D2より小さいときには、ハイレート劣化量Dhが大きくなると温度T1から徐々に減少して温度T2となるように設定される。
こうして昇温開始温度Tstを設定すると、電池温度Tbが昇温開始温度Tst以上であるか否かを判定する(ステップS130)。上述したように温度T1は、二次電池22が通常とり得る温度範囲の上限である。したがって、ハイレート劣化量Dhが値D1以下で昇温開始温度Tstが温度T1に設定されているときには、電池温度Tbが昇温開始温度Tst以上とはならない。ハイレート劣化量Dhが値D1を超えると、昇温開始温度Tstが温度T1から徐々に減少して温度T2に設定されるから、電池温度Tbが昇温開始温度Tst以上となりうる。したがって、ステップS130は、ハイレート劣化量Dhが値D1を超えているか否かを判定する処理となっている。
電池温度Tbが昇温開始温度Tst以上であるときには、ハイレート劣化量Dhが値D1を超えており、ハイレート劣化が進行していると判断して、昇温要求をオンとして(ステップS140)、本ルーチンを終了する。昇温要求がオンとなると、制御装置30は、昇温装置24を作動させて二次電池22を昇温させる。こうして昇温装置24を作動させて二次電池22を昇温させることにより、電解液に含まれる塩の拡散速度が上昇し、二次電池22内での塩濃度の分布の偏りが緩和される。これにより、ハイレート劣化が抑制され、二次電池22の内部抵抗Rrの上昇が抑制される。
図4は、電池電流Ibと二次電池22の内部抵抗Rrと電池温度Tbと昇温要求のオンオフの状態との時間変化の一例を示す説明図である。電池温度Tbが低いときには、高いときに比して、塩の拡散速度が遅いことから、塩濃度の分布の偏りが大きくなりやすく、ハイレート劣化が進行しやすい。この場合、図示するように、内部抵抗Rrが大きくなるから、ハイレート劣化量Dhが値D1より大きくなりやすい。ハイレート劣化量Dhが値D1より大きくなると、昇温開始温度Tstが温度T1より低くなり、電池温度Tbが昇温開始温度Tst以上となり、昇温要求がオンとなる。したがって、二次電池22の電池温度Tbが低いときに早期に昇温装置24が作動されて二次電池22が昇温される。これにより、二次電池22内の塩濃度の分布の偏りを早期に緩和させることができ、ハイレート劣化を抑制できる。
ステップS130で電池温度Tbが昇温開始温度Tst未満であるときには、続いて、電池温度Tbが昇温停止温度Tstop未満であるか否かを判定する(ステップS150)。昇温停止温度Tstopは、昇温開始温度Tstから所定温度Tref(例えば、5℃〜40℃など)を減じた温度(Tst−Tref)に設定される。所定温度Trefは、昇温開始温度Tstが温度T1に設定されたときに、昇温停止温度Tstopが二次電池22が通常とり得る温度範囲の上限となるように調整されている。ステップS140で昇温要求をオンとして二次電池22の昇温を開始すると、二次電池22内の塩濃度の分布の偏りが緩和されて、ハイレート劣化が抑制され、ハイレート劣化量Dhが小さくなる。本ルーチンは、繰り返し実行されることから、ハイレート劣化量Dhが徐々に小さくなり値D1以下となると、昇温開始温度Tstが温度T1に設定される。昇温開始温度Tstが温度T1に設定されると、昇温停止温度Tstopは二次電池22が通常とり得る温度範囲の上限に設定され、電池温度Tbは昇温停止温度Tstop未満となることが多い。したがって、ステップS150は、ハイレート劣化が十分に抑制されて、二次電池22の昇温を終了させるか否かを判定する処理となっている。
ステップS150で電池温度Tbが昇温停止温度Tstop以上であるときには、ハイレート劣化が十分に抑制されておらず、二次電池22の昇温を継続させたほうがよいと判断して、本ルーチンを終了する。これにより、二次電池22の昇温を継続させて、二次電池22のハイレート劣化を抑制できる。
ステップS150で電池温度Tbが昇温停止温度Tstop未満であるときには、ハイレート劣化が十分に抑制された判断して、昇温要求をオフして(ステップS160)、本ルーチンを終了する。昇温要求がオフとなると、制御装置30は、昇温装置24の作動を停止させる。これにより、二次電池22が不必要に昇温されることを抑制できる。
以上説明した実施例の昇温制御装置を備える電源装置20では、二次電池22のハイレート劣化量Dhが所定値D1を超えているときには、ハイレート劣化量Dhが所定値D1以下であるときに比して、昇温開始温度Tstを低くし、二次電池22の電池温度Tbが昇温開始温度Tst以上であるときには、二次電池22が昇温するように昇温装置24を制御することにより、二次電池22のハイレート劣化を抑制できる。
実施例の昇温制御装置を備える電源装置20では、現在の二次電池22の内部抵抗Rrを理想内部抵抗Rimで除したものをハイレート劣化量Dhとしているが、内部抵抗Rrから理想内部抵抗Rimを減じたものをハイレート劣化量Dhとしてもよい。
また、二次電池22の電池電流Ibや電池温度Tb、二次電池22の蓄電可能な全容量に対する蓄電している容量の割合(残容量)に応じた塩濃度の増加や内部でのイオンの拡散による塩濃度の緩和をモデル化して評価値Dの増加項および減少項として表し、評価値Dを積算して得られる値でハイレート劣化量Dhとしてもよい。
例えば、以下のようにして、ハイレート劣化量Dhを演算してもよい。最初に、二次電池22の電解液中での塩濃度の増加や内部でのイオンの拡散による塩濃度の緩和による評価値Dの減少量Dd、増加量Diを演算する。
減少量Ddは、前回(直前)の評価値D(N−1)を算出したときから1回のサイクルタイムΔtが経過するまでの間において、イオンの拡散に伴うイオン濃度の偏りの減少に応じて、次式(2)を用いて演算される。式(2)中、「A」は、充電時の二次電池22の電解液中のイオンの拡散速度に関する係数としての忘却係数である。忘却係数は、イオンの拡散速度が速いときには遅いときに比して大きくなるように設定され、値0より大きく値1より小さく設定される。式(2)中、「N」は、ハイレート劣化量Dhを繰り返し演算する際に現在の演算が何番目に行なわれているかを示す自然数である。なお、D(N−1)は、前回(直前)に演算された評価値であり、初期値としてのD(0)は値0などに設定される。
Dd=A・Δt・D(N-1) ・・・(2)
増加量Diは、前回(直前)の評価値D(N−1)を演算したときから1回のサイクルタイムΔtが経過するまでの間において、放電に伴うイオン濃度の偏りの増加に応じて次式(3)を用いて演算する。式(3)中、「B」は、予め定められた電流係数である。「C」は、二次電池22の残容量と電池温度Tbとから定める限界値であり、電池温度Tbが同一のときには残容量が高いときには低いときに比して大きくなり、残容量が同一のときには、電池温度Tbが高いときには低いときに比して大きくなるように設定される。
Di=Ib・Δt・B/C ・・・(3)
そして、減少量Dd、増加量Diと評価値Dの前回値(N−1)とを用いて次式(4)により評価値D(N)を演算する。そして、評価値D(N)が充電によるハイレート劣化が発生し始める評価値より若干大きい目標値Dm*より小さいときには、次式(5)を用いて値Dexmを演算する。評価値D(N)が放電によるハイレート劣化が発生し始める評価値より若干小さい目標値Dp*より大きいときには、次式(6)を用いて値Dexpを演算する。そして、値Dexmを積算して得られる値(負の値)と値Dexpを積算して得られる値(正の値)から次式(7)を用いて得られる値SDexをハイレート劣化量Dhとしてもよい。なお、式(7)中、「ttotal」は、値SDexを算出し始めてから今回の演算までのサイクルタイムΔtの総和(合計時間)である。「tm」は、評価値D(N)が目標値Dm*より小さくなっている時間の総和(合計時間)である。「tp」は、評価値D(N)が目標値Dp*より大きくなっている時間の総和(合計時間)である。「ΣDexm(N−1)」は、前回までのサイクルタイムにおいて、負の値であるDexmを積算した値である。「ΣDexp(N−1)」は、前回までのサイクルタイムにおいて、正の値であるDexpを積算した値である。
D(N)=D(N-1)- Dd +Di ・・・(4)
Dexm=D(N)- Dm* ・・・(5)
Dexp=D(N)- Dp* ・・・(6)
Dexm=D(N)- Dm* ・・・(5)
Dexp=D(N)- Dp* ・・・(6)
実施例の昇温制御装置を備える電源装置20では、図3に例示したように、昇温開始温度Tstを、ハイレート劣化量Dhが値D1以下のときには、温度T1に設定し、ハイレート劣化量Dhが値D1より大きい値D2以上のときには、温度T2に設定し、ハイレート劣化量Dhが値D1より大きく値D2より小さいときには、ハイレート劣化量Dhが大きくなると温度T1から徐々に減少して温度T2となるように設定している。しかしながら、ハイレート劣化量Dhが値D1を超えたときには、ハイレート劣化量Dhが値D1以下であるときに比して、昇温開始温度Tstを低く設定すればよいから、例えば、ハイレート劣化量Dhが値D1以下のときには、温度T1に設定し、ハイレート劣化量Dhが値D1を超えたときには、温度T2に設定してもよい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、制御装置30が「二次電池の昇温制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、二次電池用の昇温制御装置の製造産業などに利用可能である。
10 接続対象、20 電源装置、22 二次電池、22a 電流センサ、22b 電圧センサ、22c 温度センサ、24 昇温装置、30 制御装置。
Claims (1)
- 二次電池を昇温させる昇温装置を制御する二次電池用の昇温制御装置であって、
前記二次電池のハイレート劣化量が所定値より大きいときには、前記ハイレート劣化量が前記所定値以下であるときに比して、前記二次電池の昇温を開始する開始温度を低くし、
前記二次電池の温度が前記開始温度以上であるときには、前記二次電池が昇温するように前記昇温装置を制御する、
二次電池用の昇温制御装置。
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