JP6040922B2 - 充電システム - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を急速充電する充電システムに関する。

従来、外部電力を用いて二次電池を急速充電する充電システムが知られている。たとえば、特許文献１には、二次電池を急速充電するとともに当該二次電池に蓄積された電気を高出力放電する充放電システムが開示されている。当該充放電システムは、低温下での充放電を効率的に行なうために、二次電池の温度が適正温度未満である場合には、二次電池の温度が適正温度に達するまで、パルス充放電によって二次電池を加熱させる。

特開２００６−９２９０１号公報 特開２０１３−８４３８９号公報

二次電池に対してハイレート放電（大電流放電）またはハイレート充電（大電流充電）を長時間にわたり行なうと、当該二次電池はハイレート劣化を起こす。具体的には、このような充放電を行なうと、二次電池内の塩濃度の偏りによって、二次電池の内部抵抗の抵抗値が上昇してしまう。また、ハイレート劣化の発生要因として、放電過多と、充電過多とがある。

充電過多によってハイレート劣化が発生している場合に急速充電を行なうと、ハイレート劣化が進行する。その一方、放電過多によってハイレート劣化が発生している場合に急速充電を行なうと、ハイレート劣化が回復し始める。

充電過多によってハイレート劣化が発生している場合に急速充電を行なうときには、ハイレート劣化の進行を抑えるために二次電池を加熱することが有効である。その一方、放電過多によってハイレート劣化が発生している場合に急速充電を行なうときには、二次電池を加熱する必要は特にない。このような場合には、逆に、二次電池の劣化を進行させる虞もある。

上記の特許文献１の充放電システムは、ハイレート劣化の発生要因が放電過多か充電過多かを問わず、一律に二次電池の加熱を行なう。したがって、特許文献１の充放電システムは、充電過多によりハイレート劣化が発生しているときにも二次電池の加熱を行なう点において、効率が悪い。

本願発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ハイレート劣化の発生要因を考慮した効率的な急速充電を行なうことが可能な充電システムを提供することにある。

本発明のある局面によると、充電システムは、外部電力を用いて二次電池を急速充電する。充電システムは、二次電池を加熱するためのヒータと、急速充電およびヒータの動作を制御する制御手段とを備える。制御手段は、二次電池にハイレート劣化が発生している場合、ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものか否かを判断する。制御手段は、ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものと判断された場合、ヒータによる加熱を伴った状態で二次電池を急速充電させる。制御手段は、ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものではないと判断された場合、ヒータによる加熱を伴わない状態で二次電池を急速充電させる。

このように、充電システムは、ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものであるときには二次電池を加熱した状態で当該二次電池を急速充電させる一方、ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものではないとき（つまり、ハイレート劣化の発生要因が放電過多にとるとき）には、二次電池を加熱せずに当該二次電池を急速充電させる。すなわち、充電システムでは、ハイレート劣化の発生要因が放電過多によるときには二次電池を加熱しない。したがって、充電システムによれば、ハイレート劣化の発生要因を考慮した効率的な急速充電を行なうことが可能となる。

本発明によれば、ハイレート劣化の発生要因を考慮した効率的な急速充電を行なうことが可能となる。

車両１に搭載された充電システム１０を説明するための図である。 充電システム１０において実行される処理の概要を表したフローチャートである。 ハイレート劣化が生じる通電試験を行なった際の累積放電量と、充電抵抗の抵抗値の増加率との関係を表した図である。 図３に示した各通電試験（１）〜（４）の結果をまとめた図である。 図２におけるステップＳ４の詳細を表したフローチャートである。 充電過多のハイレート劣化が生じる通電試験を行なった場合における、サイクル数に対する、二次電池１２０の内部抵抗の抵抗値の増加率と、電池セル１２１の中央部１２１Ｃにより生じる圧力との関係を表した図である。 充電過多によりハイレート劣化が生じている場合の電池セル１２１の側面１２１Ｓにおける位置と、圧力との関係を表した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の各実施の形態に係る充電システムについて説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜Ａ．システム構成およびシステムにおける処理の概要＞
図１は、車両１に搭載された充電システム１０を説明するための図である。図１を参照して、急速充電（ハイレート充電）が行なわれる場合には、車両１は、充電ケーブル９によって急速充電器８に接続される。車両１は、充電システム１０と、モータ２０と、スイッチ２１と、充電ケーブル９が接続されるインレット３０とを備える。

充電システム１０は、制御装置１１０と、二次電池１２０と、複数の温度センサ１３０と、圧力センサ１４０と、複数のヒータ１５０と、スイッチ回路１６０と、スイッチ回路１７０とを含む。制御装置１１０は、温度判定部１１１と、ヒータ制御部１１２と、劣化判定部１１３と、充電制御部１１４とを有する。

二次電池１２０は、バッテリスタック（組電池）である。二次電池１２０に蓄えられた電気は、モータ２０に送られる。スイッチ２１は、二次電池１２０に蓄えられた電気を、モータに送るか否かを切換える。スイッチ２１の動作は、図示しない演算装置により制御される。

二次電池１２０は、詳しくは、説明の便宜上図示したＸ軸に沿って一列に並んだ複数の電池セル１２１と、固定部材１２２とを有する。複数の電池セル１２１の各々は、固定部材１２２によって、隣の電池セル１２１と接触した状態で固定される。複数の電池セル１２１の各々は、正極端子１２３と負極端子１２４とを有する。二次電池１２０においては、正極端子１２３と負極端子１２４とによって複数の電池セル１２１が直列接続される。

以下では、電池セル１２１の複数の表面のうち表面積が最も大きい互いに対向する２つの表面を「側面１２１Ｓ」と称する。また、側面１２１Ｓにおける中央の領域を「中央部１２１Ｃ」と称する。また、側面１２１Ｓにおける端の領域を「端部１２１Ｅ」と称する。端部１２１Ｅは、中央部１２１Ｃよりも正極端子１２３側または負極端子１２４側の領域である。なお、図１においては、中央部１２１Ｃと２つの端部１２１ＥとのＺ座標の値は同一である。

複数の温度センサ１３０の各々は、電池セル１２１の表面に設置される。複数の温度センサ１３０は、各々が設置された電池セル１２１の温度を測定する。各温度センサ１３０として、たとえば、熱電対を用いることができる。各温度センサ１３０は、測定結果を、制御装置１１０の温度判定部１１１に通知する。

なお、各温度センサ１３０の設置位置は、特に限定されるものではない。たとえば、温度センサ１３０は、電池セル１２１における、上面、側面１２１Ｓ、または側面１２１Ｓ以外の表面（側面）に設置することができる。

圧力センサ１４０は、一列に並んだ複数の電池セル１２１のうちの中央の２つの電池セル１２１の間に配置される。本実施の形態では、圧力センサ１４０は、一例として、左から３番目の電池セル１２１と、左から４番目の電池セル１２１との間に設置される。すなわち、圧力センサ１４０は、左から３番目の電池セル１２１の右側の側面１２１Ｓと、左から４番目の電池セル１２１の左側の側面１２１Ｓとに接触した状態で設置される。圧力センサ１４０は、当該２つの電池セル１２１の側面１２１Ｓによって生じる圧力を測定する。詳しくは、圧力センサ１４０は、圧力センサ１４０の複数の領域に加わる圧力（すなわち、圧力分布）を測定する。圧力センサ１４０は、測定結果（圧力分布）を、制御装置１１０の劣化判定部１１３に通知する。なお、圧力センサ１４０は、公知のものであるため、ここでは詳細な説明は行なわない。なお、上記圧力分布は、圧力センサ１４０に加わる荷重による荷重分布であるともいえる。

複数のヒータ１５０の各々は、二次電池１２０の近傍あるいは二次電池１２０に接触する位置に設置される。各ヒータ１５０は、一例として、電池セル１２１の下面側（正極端子１２３および負極端子１２４とは反対側）に設置される。各ヒータ１５０は、対応する位置に置かれている電池セル１２１を加熱する。

なお、各ヒータ１５０の設置位置は、電池セル１２１の下側面に限定されるものではなく、たとえば、電池セル１２１の側面１２１Ｓ以外の側面側であってもよい。また、ヒータの数は、２つに限定されず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

スイッチ回路１６０は、急速充電器８による外部電力を二次電池１２０に供給するか否かを切り換えるために設けられている。スイッチ回路１６０は、充電制御部１１４から予め定められた信号が入力された場合、外部電力を二次電池１２０に供給しない状態（オフ状態，遮断状態）から、外部電力を二次電池１２０に供給する状態（オン状態，導通状態）に遷移する。

スイッチ回路１７０は、急速充電器８による外部電力を各ヒータ１５０に供給するか否かを切り換えるために設けられている。スイッチ回路１７０は、ヒータ制御部１１２から予め定められた信号が入力された場合、外部電力を二次電池１２０に供給しない状態（オフ状態，遮断状態）から、外部電力を二次電池１２０に供給する状態（オン状態，導通状態）に遷移する。

次に、制御装置１１０および含まれる各機能ブロックの処理について説明する。制御装置１１０は、二次電池１２０の急速充電および各ヒータ１５０の動作を制御する。

温度判定部１１１は、複数の温度センサ１３０から取得した各測定結果（温度情報）に基づき、二次電池１２０の温度を判定する。温度判定部１１１は、一例として、複数の温度センサ１３０から取得した各測定結果の平均値を、二次電池１２０の温度とする。温度判定部１１１は、二次電池１２０の温度をヒータ制御部１１２に通知する。

劣化判定部１１３は、圧力センサ１４０から取得した測定結果（圧力分布）に基づいて、二次電池１２０にハイレート劣化が生じているか否かを判定する。また、劣化判定部１１３は、ハイレート劣化が発生している場合には、ハイレート劣化が充電過多によるものなのか、あるいは放電過多によるものなかを判定する。劣化判定部１１３は、判定結果を、ヒータ制御部１１２に通知する。また、劣化判定部１１３は、判定処理が終了したことを充電制御部１１４に通知する。なお、劣化判定部１１３による判定の詳細については、後述する。

ヒータ制御部１１２は、ヒータ１５０の動作を制御する。詳しくは、ヒータ制御部１１２は、劣化判定部１１３による判定結果および温度判定部１１１による判定結果に基づいて、スイッチ回路１７０の動作（オンまたはオフ）を制御する。

より詳しくは、ヒータ制御部１１２は、充電過多が原因でハイレート劣化が生じている場合、二次電池１２０の温度が予め定められた閾値（たとえば、６０℃）に達するまで、各ヒータ１５０に二次電池１２０を加熱させる。具体的には、ヒータ制御部１１２は、スイッチ回路１７０をオン状態とする。なお、ヒータ制御部１１２は、放電過多が原因でハイレート劣化が生じている場合、またはハイレート劣化が生じていない場合には、各ヒータ１５０に二次電池１２０を加熱させない。具体的には、ヒータ制御部１１２は、スイッチ回路１７０をオフ状態（デフォルト状態）のままとする。

充電制御部１１４は、ユーザ操作による急速充電の開始指示を受け付けるとともに、劣化判定部１１３による劣化判定が終了したことに基づき、二次電池１２０への急速充電を開始する。具体的には、充電制御部１１４は、二次電池１２０を急速充電させるために、スイッチ回路１６０をオン状態とする。

以上のように、車両１に搭載されている充電システム１０は、ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものであるときには各ヒータ１５０による加熱を伴った状態で二次電池１２０を急速充電させる一方、ハイレート劣化の発生要因が放電過多にとるときには、各ヒータ１５０による加熱を伴わない状態で二次電池１２０を急速充電させる。すなわち、充電システム１０では、ハイレート劣化の発生要因が放電過多によるときには二次電池１２０を加熱しない。したがって、充電システム１０によれば、ハイレート劣化の発生要因を考慮した効率的な急速充電を行なうことが可能となる。加えて、充電システム１０によれば、放電過多によってハイレート劣化が発生している場合には二次電池１２０を加熱しないため、加熱による二次電池の劣化を抑制することができる。

＜Ｂ．充電システム１０における処理の詳細＞
以下では、充電システム１０における制御構造を説明する（図２，図５）。また、当該制御構造において規定されている温度に関する閾値の根拠、ハイレート劣化の判定に関する技術的根拠について説明する（図３，図４，図６，図７）。

（ｂ１．制御構造の概要）
図２は、充電システム１０において実行される処理の概要を表したフローチャートである。図２を参照して、ステップＳ２において、充電システム１０の制御装置１１０（詳しくは、図示しないプロセッサ）は、ユーザ操作による急速充電の開始指示を受け付けたか否かを判断する。制御装置１１０は、開始指示を受け付けたと判断した場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、ステップＳ４において、制御装置１１０は、ハイレート劣化の発生の有無、およびハイレート劣化が発生している場合にはハイレート劣化の発生要因を特定する。制御装置１１０は、開始指示を受け付けていないと判断した場合（ステップＳ２においてＮＯ）、処理をステップＳ２に戻す。

制御装置１１０は、ステップＳ４における処理の結果、ハイレート劣化が発生していると判断された場合には処理をステップＳ８に進め、ハイレート劣化が発生していないと判断された場合には処理をステップＳ２４に進める（ステップＳ６）。さらに、制御装置１１０は、ハイレート劣化が発生していると判断された場合において、ステップＳ４における処理の結果、ハイレート劣化の発生要因が充電過多である場合には処理をステップＳ１０に進め、ハイレート劣化の発生要因が充電過多でない場合（すなわち放電過多である場合）には処理をステップＳ２４に進める（ステップＳ８）。

ステップＳ２４において、制御装置１１０は、二次電池１２０の急速充電を開始させる。制御装置１１０は、ステップＳ２４の後、処理をステップＳ２０に進める。ステップＳ１０において、制御装置１１０は、二次電池１２０の急速充電を開始させる。ステップＳ１０の後のステップＳ１２において、制御装置１１０は、各ヒータ１５０による二次電池１２０の加熱を開始させる。

ステップＳ１４において、制御装置１１０は、ユーザ操作による急速充電の終了指示を受け付けたか否かを判断する。制御装置１１０は、終了指示を受け付けたと判断した場合（ステップＳ１４においてＹＥＳ）、処理をステップＳ２２に進める。制御装置１１０は、終了指示を受け付けていないと判断された場合（ステップＳ１４においてＮＯ）、ステップＳ１６において、二次電池１２０の温度が６０℃以上であるか否かを判断する。

制御装置１１０は、二次電池１２０の温度が６０℃以上であると判断された場合（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、ステップＳ１８において、各ヒータ１５０による二次電池１２０の加熱を停止させる。制御装置１１０は、二次電池１２０の温度が６０℃未満であると判断された場合（ステップＳ１６においてＮＯ）、処理をステップＳ１４に戻す。

制御装置１１０は、ステップＳ１８の後、ステップＳ２０において、ユーザ操作による急速充電の終了指示を受け付けたか否かを判断する。制御装置１１０は、終了指示を受け付けていないと判断された場合（ステップＳ２０においてＮＯ）、処理をステップＳ２０に戻す。制御装置１１０は、終了指示を受け付けたと判断された場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、ステップＳ２２において、急速充電を終了させる。以上により、一連の急速充電処理が終了する。

なお、ステップＳ１０に示した処理とステップＳ１２に示した処理との順番を入れ替えてもよい。すなわち、制御装置１１０は、各ヒータ１５０に加熱を開始させた後に、急速充電を開始させてもよい。あるいは、制御装置１１０は、ステップＳ１０およびステップＳ１２の両処理を同時に実行してもよい。

また、ステップ１８とステップＳ２０との間に、二次電池１２０の温度が予め定めれた値（たとえば、６０℃よりも低い４０℃）以下になったか否かを判断するステップを挿入し、当該予め定められた温度以下になった場合、二次電池１２０を再度加熱するように、制御装置１１０を構成してもよい。あるいは、二次電池１２０の温度が６０℃になるまで二次電池１２０の急速充電を行なわないように、制御装置１１０を構成してもよい。

（ｂ２．温度に関する閾値）
上記においては、二次電池１２０の温度が６０℃となるまで二次電池１２０を加熱する構成を例に挙げて説明した。以下、二次電池１２０の温度を６０℃まで加熱する理由（すなわち閾値の根拠）について、図３および図４に基づいて説明する。

図３は、ハイレート劣化が生じる通電試験を行なった際の累積放電量と、充電抵抗の抵抗値の増加率との関係を表した図である。具体的には、図３は、２５℃の条件下において、充電率（ＳＯＣ：State of charge）が５０％の場合に２４０Ａ（アンペア）の電流を流したときの充電抵抗の抵抗値の増加率を、累積放電量と関連付けて表した図である。

図３を参照して、二次電池１２０の温度を０℃とした場合（通電試験（１））、累積放電量がＰ１となった時点で抵抗値の増加率は１００％となる。二次電池１２０の温度を２５℃とした場合（通電試験（２））、累積放電量がＰ２（Ｐ２＞Ｐ１）となった時点で抵抗値の増加率は６３％となる。二次電池１２０の温度を４０℃とした場合（通電試験（３））、累積放電量がＰ３（Ｐ３＞Ｐ２）となった時点で抵抗値の増加率は３１％となる。二次電池１２０の温度を６０℃とした場合（通電試験（４））、累積放電量がＰ４（Ｐ４＞Ｐ３）となった時点で抵抗値の増加率は１１％となる。なお、Ｐ１は約６５００Ａｈであり、Ｐ２は約６６００Ａｈであり、Ｐ３は約６６５０Ａｈであり、Ｐ４は約６８００Ａｈである。このように、二次電池１２０の温度が上がるにつれ、二次電池１２０の内部抵抗の抵抗値の増加率は減少する。

図４は、図３に示した各通電試験（１）〜（４）の結果をまとめた図である。図４を参照して、４つの通電試験（１）〜（４）の抵抗値の増加率に基づけば、通電試験（１）および通電試験（２）における抵抗値の増加率は、５０％を超えていることからも明らかなように、かなり高い。また、通電試験（３）における抵抗値の増加率は、３０％程度に収まっている。さらに、通電試験（４）における抵抗値の増加率は、１０％に留まっている。したがって、４つの通電試験（１）〜（４）の結果に基づけば、二次電池１２０の温度は、４０℃以上にすることが好ましい。好ましくは、二次電池１２０の温度を６０℃まで上昇することが好ましい。それゆえ、本実施の形態では、たとえば、図２のステップＳ１６において示したように、二次電池１２０の加熱の目安温度（閾値）を６０℃に設定している。

（ｂ３．制御構造に含まれる処理の詳細）
図５は、図２におけるステップＳ４の詳細を表したフローチャートである。図５を参照して、ステップＳ４０２において、制御装置１１０（正確には、制御装置１１０のプロセッサ）は、圧力センサ１４０から送られてくる測定結果（圧力分布）を取得する。ステップＳ４０４において、制御装置１１０は、圧力センサ１４０に接触している電池セル１２１の中央部１２１Ｃにより生じる圧力の平均値Ｌ１と、圧力センサ１４０に接触している電池セル１２１の端部１２１Ｅにより生じる圧力の平均値Ｌ２とを算出する。

ステップＳ４０６において、制御装置１１０は、平均値Ｌ２が平均値Ｌ１よりも大きいか否かを判断する。制御装置１１０は、平均値Ｌ２が平均値Ｌ１よりも大きいと判断した場合（ステップＳ４０６においてＹＥＳ）、ステップＳ４０８において、ハイレート劣化が発生しており、当該ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものであると判断する。制御装置１１０は、平均値Ｌ２が平均値Ｌ１よりも大きくないと判断した場合（ステップＳ４０６においてＮＯ）、ステップＳ４１０において、平均値Ｌ１が平均値Ｌ２よりも大きいか否かを判断する。

制御装置１１０は、平均値Ｌ１が平均値Ｌ２よりも大きいと判断した場合（ステップＳ４１０においてＹＥＳ）、ステップＳ４１２において、ハイレート劣化が発生しており、当該ハイレート劣化の発生要因が放電過多によるものであると判断する。制御装置１１０は、平均値Ｌ１が平均値Ｌ２よりも大きくないと判断した場合（ステップＳ４１０においてＮＯ）、ステップＳ４１４に進み、ハイレート劣化は発生していないものと判断する。これにより、制御装置１１０は、一連の処理を終了する。

（ｂ４．ハイレート劣化の判定に関する技術的根拠）
以下では、図５に基づいて説明したハイレート劣化の判定についての技術的根拠を説明する。

図６は、充電過多のハイレート劣化が生じる通電試験を行なった場合における、サイクル数に対する、二次電池１２０の内部抵抗の抵抗値の増加率と、電池セル１２１の中央部１２１Ｃにより生じる圧力との関係を表した図である。

図６を参照して、実線は、電池セル１２１の内部抵抗の抵抗値の増加率（％）の推移を表している。また、破線は、電池セル１２１の中央部１２１Ｃにより生じる圧力の推移を表している。

実線と破線との関係から明らかなとおり、中央部１２１Ｃにより生じる圧力変化と、二次電池１２０の内部抵抗の抵抗値の増加率とには相関関係がある。具体的には、中央部１２１Ｃにより生じる圧力が低下するに従い、二次電池１２０の内部抵抗の抵抗値の増加率が上昇する。また、中央部１２１Ｃにより生じる圧力が上昇するに従い、当該抵抗値の増加率が減少する。

図７は、充電過多によりハイレート劣化が生じている場合の電池セル１２１の側面１２１Ｓにおける位置と、圧力との関係を表した図である。図７を参照して、充電過多によりハイレート劣化が生じている場合には、中央部１２１Ｃにより生じる圧力は、各端部１２１Ｅにより生じる圧力よりも小さくなっている。詳しくは、中央部１２１Ｃにより生じる圧力が最も小さく、中央部１２１Ｃから離れるにつれて圧力が大きくなっている。これは、電池セル１２１の内部の中心部の電解液の塩濃度が、周辺部の電解液の塩濃度よりも高くなるためである。

したがって、図５に基づいて説明した判定処理を行なうことにより、ハイレート劣化の有無と、ハイレート劣化が生じている場合におけるハイレート劣化の発生要因とを判定することができる。

今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに制限されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、８ 急速充電器、９ 充電ケーブル、１０ 充電システム、２０ モータ、２１ スイッチ、３０ インレット、１１０ 制御装置、１１１ 温度判定部、１１２ ヒータ制御部、１１３ 劣化判定部、１１４ 充電制御部、１２０ 二次電池、１２１ 電池セル、１２１Ｃ 中央部、１２１Ｅ 端部、１２１Ｓ 表面、１２２ 固定部材、１２３ 正極端子、１２４ 負極端子、１３０ 温度センサ、１４０ 圧力センサ、１５０ ヒータ、１６０，１７０ スイッチ回路。

Claims (1)

1. 外部電力を用いて二次電池を急速充電する充電システムであって、
   前記二次電池を加熱するためのヒータと、
   前記急速充電および前記ヒータの動作を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記二次電池にハイレート劣化が発生している場合、前記ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものか否かを判断し、
   前記ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものと判断された場合、前記ヒータによる加熱を伴った状態で前記二次電池を急速充電させ、
   前記ハイレート劣化の発生要因が充電過多によるものではないと判断された場合、前記ヒータによる加熱を伴わない状態で前記二次電池を急速充電させる、充電システム。

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