JP6299963B2

JP6299963B2 - 二次電池の管理装置

Info

Publication number: JP6299963B2
Application number: JP2014043263A
Authority: JP
Inventors: 正規渡邉
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: JP2015171197A

Description

本発明は、例えば、車両等に搭載される二次電池の充電状態を管理する管理装置に関する。

近年、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両が多数実用化されている。電動車両に搭載されている駆動用のバッテリは、リチウムイオン電池等の充電可能な二次電池が用いられている。また、リチウムイオン電池等の二次電池は、家庭用電源、各種ＡＶ機器、パソコン、携帯端末などの種々の分野でも使用されている。

このような二次電池は、使用を継続することにより劣化するが、その劣化速度は充電状態（ＳＯＣ）によって変化することが知られている。例えば、充電状態（ＳＯＣ）が所定領域となると、電池の劣化速度が他の領域に比べて加速することが知られている。さらに、この劣化速度が加速する領域（劣化加速領域）は、二次電池の種類毎に異なることが知られている。

そして、二次電池のＳＯＣが劣化加速領域にある時間を短くすることで、二次電池の劣化を抑制する技術が提案されている。例えば、並列接続された複数の蓄電池（二次電池）のうち温度の高い蓄電池について放電電流を大きくすることで、ＳＯＣが劣化加速領域となる時間を他の蓄電池と比較して短くし、複数の各蓄電池の劣化速度を調整するようにしたものがある（特許文献１参照）。

特開２０１２−６５４４９号公報

特許文献１のように、放電電流を大きくすること等によって、ＳＯＣが劣化加速領域にある時間を短くすることで、二次電池の劣化の進行を遅らせることはできる。ただし、その一方で、このように二次電池のＳＯＣが劣化加速領域にある時間を短くするようにすることで、二次電池の使用可能容量が低下してしまうというデメリットがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の使用可能容量の低下を抑えつつ劣化の進行も遅らせることができる二次電池の管理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、二次電池の入出力制御を行う二次電池の管理装置であって、前記二次電池の状態を示す少なくとも一つのパラメータに対し、あらかじめ定められた使用領域の一部を劣化加速領域として設定する劣化加速領域設定部と、前記二次電池を強制放電させて前記劣化加速領域での前記二次電池の使用を回避する回避制御を実行する回避制御部と、を備え、該回避制御部は、前記劣化加速領域に滞在可能な時間である滞在許可時間を決定する滞在許可時間決定手段と、前記滞在許可時間に応じて前記強制放電に必要な電流である制御電流を算出する制御電流算出手段と、を有することを特徴とする二次電池の管理装置にある。

本発明の第２の態様は、第１の態様の二次電池の管理装置において、前記滞在許可時間決定手段は、前記劣化加速領域での劣化速度に応じて前記滞在許可時間を決定することを特徴とする二次電池の管理装置にある。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様の二次電池の管理装置において、前記劣化加速領域設定部は、前記劣化加速領域内にさらに複数の速度劣化領域を予め設定し、前記滞在許可時間決定手段は、前記複数の速度劣化領域の前記滞在許可時間を各速度劣化領域に対応する劣化速度に応じてそれぞれ決定することを特徴とする二次電池の管理装置にある。

本発明の第４の態様は、第１から３の何れか一つの態様の二次電池の管理装置において、前記劣化加速領域設定部は、前記二次電池の使用状態に応じて前記劣化加速領域の設定範囲を変更することを特徴とする二次電池の管理装置にある。

かかる本発明の二次電池の管理装置によれば、劣化加速領域での無駄な電力消費を抑制し、適切な電力消費速度で効率的に劣化加速領域を通過させることができる。

一実施形態に係る管理装置を搭載した車両の概略構成を示す図である。一実施形態に係る二次電池の管理装置の構成を示すブロック図である。一実施形態に係るマップの一例を説明するためのグラフである。一実施形態に係るマップの一例を説明するためのグラフである。一実施形態に係るマップの一例を説明するためのグラフである。一実施形態に係る回避制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下の実施形態は、二次電池及びその管理装置を車両に搭載した例について説明する。

まずは、二次電池が搭載された車両の一例について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る車両１は、電動車両の一種であるプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）であり、エンジン２の他、二次電池である駆動用バッテリ３を備えている。駆動用バッテリ３は、複数のバッテリーセルが直列に接続されてなるバッテリユニットであり、各バッテリーセルは、例えば、リチウムイオン二次電池からなる。

この駆動用バッテリ３は、後述する制御部１００を含むコントロールユニット４を介して走行用モータ５及びジェネレータ６に電気的に接続されている。走行用モータ５及びジェネレータ６は、図示は省略するが駆動伝達機構を介して駆動輪（前輪）７に連結されている。

本実施形態に係る車両１では、駆動用バッテリ３に蓄えられた電力は、コントロールユニット４のインバータで直流から交流に変換されて走行用モータ５に流入し（放電）、これにより走行用モータ５が駆動される。そして、この走行用モータ５の駆動力が駆動輪（前輪）７に伝達されて車両１が走行する。

ここで、制御部１００は、図２に示すように、駆動用バッテリ３の充電率等の充電状態を検出する充電状態検出部１０と、電池劣化状態検出部２０と、劣化加速領域設定部３０と、回避制御実行部４０と、を具備する。

充電状態検出部１０は、本実施形態では、駆動用バッテリ３の温度を検出する電池温度検出手段１１と、駆動用バッテリ３の充電率（ＳＯＣ：State of charge）を検出するＳＯＣ検出手段１２と、を備えている。なお、ＳＯＣ検出手段１２は、駆動用バッテリ３の電圧を検出する電圧検出手段に単純に置き換えてもよい。

電池劣化状態検出部２０は、駆動用バッテリ３の劣化状態（以下、電池劣化状態ともいう）を検出する。本実施形態では、電池劣化状態検出部２０は、電池劣化状態として、駆動用バッテリ３の容量劣化を検出するが、容量劣化と共に容量劣化と切り分けられる抵抗劣化とを検出するようにしてもよい。このような電池劣化状態の検出は、常法に従って行うことができる。このように検出された電池劣化状態は劣化加速領域設定部３０に送られる。

劣化加速領域設定部３０は、予め測定した結果から規定した劣化加速領域のデータをマップとして電池劣化状態毎に保有しており、このマップに基づいて現状の電池劣化状態に応じた劣化加速領域を適宜設定する。これにより、電池劣化状態によって変化する劣化加速領域を適切に設定することができる。

ここで、劣化加速領域は、駆動用バッテリ３の温度（以下、電池温度ともいう）によっても異なることが分かっている。このため、電池劣化状態に加えて電池温度毎に劣化加速領域のデータをマップとして保有し、電池劣化状態及び電池温度を考慮して劣化加速領域を設定してもよい。これにより、駆動用バッテリ３の状態に適した劣化加速領域を設定することができる。

次に、予め用意する劣化加速領域のデータ（マップ）について説明する。劣化加速領域を求めるには、種々の環境下で実際の劣化速度を測定し、この結果に基づいて劣化速度が高い範囲を劣化加速領域として規定する。なお、以下に説明するように本実施形態では、二次電池の状態を示すパラメータを駆動用バッテリ３の充電率（ＳＯＣ）とし、充電率（ＳＯＣ）に対し、あらかじめ定められた使用領域の一部を劣化加速領域として設定している。

図３は、駆動用バッテリ３のＳＯＣと劣化速度との関係を劣化状態毎に示すグラフである。具体的には、このグラフは、電池劣化状態が小（例えば、容量劣化が０〜１０％の範囲で、この場合０％）、電池劣化状態が中（例えば、容量劣化が１０〜２５％で、この場合２０％）、電池劣化状態が大（例えば、容量劣化が２５〜５０％で、この場合４０％）の場合の、駆動用バッテリ３のＳＯＣと劣化速度との関係を示している。

そして、このグラフにおいて劣化速度のピークを含む所定のＳＯＣの範囲を劣化加速領域として規定したデータ（マップ）を予め用意する。この例では、電池劣化状態が小の場合の劣化加速領域Ａ１をＳＯＣが２５％〜３５％の範囲と規定し、電池劣化状態が中の場合の劣化加速領域Ａ２をＳＯＣが３５％〜４５％の範囲と規定し、電池劣化状態が大の場合の劣化加速領域Ａ３をＳＯＣが４５％〜５５％の範囲と規定している。なお、容量劣化５０％以上の場合には、電池容量が著しく低下してしまうため、通常は使用を中止して駆動用バッテリ３を新しいものと交換する。

劣化速度のピークに対してＳＯＣのどの範囲を劣化加速領域とするかは、適宜決定すればよい。例えば、後述する回避制御の負荷と、回避制御による効果との兼ね合い等を考慮して決定すればよい。この例では、各ピークの半価幅程度を劣化加速領域として規定している。また駆動用バッテリ３のＳＯＣと劣化速度との関係は、二次電池の種類、規格等によって異なるが、個体差があるわけではない。このため劣化加速領域は、駆動用バッテリ３として用いる二次電池の種類、規格毎に規定しておけばよい。そして、劣化加速領域設定部３０は、このようなデータ（マップ）に基づいて、現状の劣化加速領域を適宜設定する。

また、劣化速度のピークに対してＳＯＣのどの範囲を劣化加速領域とするかは、例えば、ドライバが選択する車両１の走行モードに応じて適宜設定するようにしてもよい。具体的には、駆動用バッテリ３の劣化抑制重視の第１の走行モードと、車両１の走行距離重視の第２の走行モードと、をドライバが選択可能とする。そして、ドライバが第１の走行モードを選択した場合には、例えば、図４に示すように、比較的広めの劣化加速領域Ａ４を設定し、第２の走行モードを選択した場合には、劣化加速領域Ａ４よりも狭い領域を劣化加速領域Ａ５として設定するようにしてもよい。すなわち第２の走行モードが選択された場合には、駆動用バッテリ３の劣化が加速するか否かの判定ラインＬ２を、第１の走行モードが選択された場合の判定ラインＬ１に比べて、高く設定するようにしてもよい。このようにドライバが要求する走行モードに応じて劣化加速領域を設定することで、ドライバの要求する走行モードに適した回避制御を実行することができる。なお、上記劣化加速領域Ａ５と、劣化加速領域Ａ４内の劣化加速領域Ａ５を除く範囲とが、請求項に記載の「複数の速度劣化領域」に相当する。また回避制御については詳しく後述する。また劣化加速領域の設定は、必ずしもドライバの選択に応じて行わなくてもよく、予め設定した判定条件に応じて自動的に選択・設定されるようにしてもよい。

図５は、駆動用バッテリ３のＳＯＣ（図３の劣化大）と、温度変化に伴って変化した劣化速度との関係を示すグラフである。具体的には、このグラフは、駆動用バッテリ３の温度が高温（例えば、３０℃〜５０℃の範囲で、この場合４５℃）、常温（例えば、１０℃〜３０℃の範囲で、この場合２５℃）、低温（例えば、１０℃以下の範囲で、この場合０℃）の場合の、駆動用バッテリ３のＳＯＣと劣化速度との関係を示している。そして、このようなグラフにおいて劣化速度のピークを含む所定のＳＯＣの範囲を劣化加速領域として規定したデータ（マップ）を予め用意するようにしてもよい。

この例では、高温での劣化加速領域Ａ６をＳＯＣが４５％〜５５％の範囲と規定し、常温での劣化加速領域Ａ７をＳＯＣが１５％〜２５％の範囲と規定している。駆動用バッテリ３の温度が定温の場合、劣化速度のピークが存在しないため、劣化加速領域は規定していない。

このような劣化加速領域のデータを予め用意しておくことで、劣化加速領域設定部３０は、これらのデータに基づいて駆動用バッテリ３の現在の状態に応じた劣化加速領域を適切に設定することができる。劣化加速領域設定部３０が設定した劣化加速領域の情報は回避制御実行部４０に送られる。

回避制御実行部４０は、劣化加速領域の情報を受け取ると、その劣化加速領域での駆動用バッテリ３の使用を回避するための回避制御を適宜実行する。この回避制御では、駆動用バッテリ３を強制放電させることで、駆動用バッテリ３のＳＯＣが劣化加速領域から離脱する速度を早めている。

回避制御実行部４０は、本実施形態では、滞在許可時間決定手段４１と、制御電流算出手段４２と、を含む。

滞在許可時間決定手段４１は、劣化加速領域に滞在可能な時間である滞在許可時間を決定する。滞在許可時間は、例えば、下記式（１）から算出（決定）することができる。
滞在許可時間＝許容劣化量／劣化速度（１）

ここで、上記式（１）中の「劣化速度」とは、基本的には、劣化加速領域における劣化速度の平均値であり、図３に示すグラフ（マップ）等に基づいて求められる。ただし、「劣化速度」は、平均値に限られず、例えば、重み付けをした加重平均値としてもよい。また「許容劣化量」とは、各劣化加速領域で許容する駆動用バッテリ３の劣化量であり、現在の電池劣化状態等の各種条件に基づいて適宜設定する。例えば、現在の電池劣化状態が小である場合は劣化許容量を大とし、現在の電池劣化状態が大である場合には劣化許容量を小とする。この許容劣化量は、勿論、電池劣化状態等に応じて設定する必要は無く、予め設定した一定値としてもよい。

このように本実施形態に係る滞在許可時間決定手段４１は、劣化加速領域での劣化速度に応じて滞在許可時間を決定している。例えば、図５に示すように、劣化加速領域Ａ６における劣化速度のピークは、劣化加速領域Ａ７における劣化速度のピークよりも大きい。すなわち劣化加速領域Ａ６における劣化速度は、劣化加速領域Ａ７における劣化速度よりも大きい。このような場合には、滞在許可時間決定手段４１は、劣化加速領域Ａ６の滞在許可時間を、劣化加速領域Ａ７の滞在許可時間よりも短く設定する。これにより、駆動用バッテリ３のＳＯＣが各劣化加速領域Ａ６，Ａ７に滞在する際の劣化量が均一化される。

制御電流算出手段４２は、滞在許可時間決定手段４１によって決定された滞在許可時間に応じて、回避制御時の強制放電により放電が必要な電流である制御電流を算出する。制御電流算出手段４２が算出する制御電流は、下記式（２）で表される。
制御電流＝必要電流−車両使用電流（２）

ここで、「必要電流」とは、各滞在許可時間で劣化加速領域を離脱するのに必要な電流をいい、例えば、劣化加速領域の電池容量を滞在許可時間決定手段４１が決定した滞在許可時間で除算することにより求められる。また「車両使用電流」とは、車両１が現在使用中の電流、例えば、走行用モータ５等で使用されている電流をいう。

そして、回避制御実行部４０は、駆動用バッテリ３のＳＯＣが劣化加速領域に入ると、滞在許可時間決定手段４１によって算出（決定）された滞在許可時間で劣化加速領域を抜けるように、駆動用バッテリ３を強制放電させる回避制御を実行する。すなわち、回避制御実行部４０は、回避制御を実行し、制御電流算出手段４２によって算出された制御電流
を滞在許可時間で強制的に放電させる。強制放電の方法は、特に限定されず、例えば、車両１のエンジンアシストの使用を中止することで放電を促進するようにしてもよいし、所定の抵抗部材を車両１に設けておき、この抵抗部材に電力を供給することで放電を促進するようにしてもよい。

また、制御電流算出手段４２によって算出された制御電流以上の電流が常に流れるように強制放電の実行量を制御することで滞在許可時間以内に劣化加速領域を超えるようにしてもよい。なお、制御電流以上の電流が車両の使用電流ですでに流れている場合には、強制放電は実行しないようにすることもできる。こうすることにより、回避動作をより最適化することができ、不必要な強制放電を避けて使用可能電流容量をより多く確保することが出来るという利点がある。

このように本発明では、駆動用バッテリ３のＳＯＣが劣化加速領域に入った際に回避制御を実行し、滞在許可時間に合うように必要なときに必要量だけを強制的に放電させるようにした。これにより、無駄な電力消費を抑えつつ、駆動用バッテリ３のＳＯＣを劣化加速領域から効率的に離脱させることができる。

例えば、回避制御における強制放電量を最大限まで増加させれば、駆動用バッテリ３のＳＯＣを劣化加速領域から脱出するまでの時間をより短縮することができる。一方で、駆動用バッテリ３の電力を無駄に消費することになり、走行距離が短くなるといったデメリットが生じる。これに対し、本発明によれば、このようなデメリットを抑えつつ駆動用バッテリ３のＳＯＣを劣化加速領域から効率的に離脱させることができる。

また、このような回避制御実行部４０による回避制御は、劣化加速領域の条件変化に追従して上述した回避制御を変更して効率的に実施するのが好ましい。すなわち、回避制御を実行している際にも、電池劣化状態、電池温度等が変化することによって劣化加速領域、劣化加速が変化する。このため、回避制御実行時にも所定のタイミングで制御電流算出手段４２が制御電流を算出（更新）し、最新の制御電流に基づいて回避制御を実行するのが好ましい。

以下、図６のフローチャートを参照し、駆動用バッテリ３における回避制御の実行手順の一例について説明する。

図６に示すように、まずステップＳ１で、駆動用バッテリ３のＳＯＣと劣化速度との関係を規定するデータ（マップ）を、駆動用バッテリ３の劣化状態や温度等の選択条件に応じて適宜選択する。次いで、ステップＳ２で選択したマップに基づいて劣化加速領域（ＳＯＣ範囲）を設定すると共に、劣化加速領域の容量を算出する（ステップＳ３）。例えば、駆動用バッテリ３の電池容量が５０［Ａｈ］であり、劣化加速領域を、ＳＯＣが４５〜５５［％］の範囲と設定した場合、劣化加速領域（ΔＳＯＣ）は１０［％］であり、劣化加速領域の容量は５［Ａｈ］となる。

次に、ステップＳ４で滞在許可時間を決定する。例えば、上記式（１）等に基づいて滞在許可時間を算出（決定）する。なお滞在許可時間は、予め設定された一定値であってもよいし、所望の値を適宜入力するようにしてもよい。次いでステップＳ５で、滞在許可時間に基づいて制御電流を算出する。例えば、上記式（２）等に基づいて制御電流を算出する。そして、このように算出した制御電流に基づいて回避制御を実行する（ステップＳ６）。すなわち、駆動用バッテリ３のＳＯＣが劣化加速領域に入ると、制御電流に応じて駆動用バッテリ３の放電量を増加させる。

その後、劣化加速領域の容量（例えば、５［Ａｈ］）分だけ放電されると（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、回避制御を停止し（ステップＳ８）、一連の処理を終了する。ステップＳ７で劣化加速領域の容量分だけ放電されていない場合には（ステップＳ７：Ｎｏ）、駆動用バッテリ３の温度を含むマップ選択の条件（選択条件）の変化が所定範囲であるか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９では、具体的には、回避制御開始時からの駆動用バッテリ３の温度変化が所定値以内であるか、またマップ選択（ステップＳ１）からの経過時間が一定時間以内であるか等を判定する。そして選択条件の変化が所定範囲内であれば（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、ステップＳ６に戻り回避制御の実行を継続する。選択条件が所定範囲外であれば（ステップＳ９：Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、新たな選択条件に基づいて新たにマップの選択を行う。

このような手順により駆動用バッテリ３における回避制御を実行することで、上述のように無駄な電力消費を抑えつつ、駆動用バッテリ３のＳＯＣを劣化加速領域から効率的に離脱させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、二次電池及びその管理装置を車両に搭載した例を説明したが、本発明に係る二次電池の管理装置は、家庭用の補助電源、各種ＡＶ機器、パソコン、携帯電話など、車両以外の他の機器に搭載される二次電池の管理にも適用でき、その場合にも上述した実施形態と同様な効果を奏する。

また上述の実施形態では、二次電池の状態を示す少なくとも一つのパラメータを充電率（ＳＯＣ）として劣化加速領域を決定するようにしたが、このパラメータはＳＯＣに限定されるものではない。例えばパラメータを電圧値や電池に溜まった電流量とし、それに基づき劣化加速領域をあらかじめ設定してもよい。

１車両
２エンジン
３駆動用バッテリ
４コントロールユニット
５走行用モータ
６ジェネレータ
７車輪（前輪）
１０充電状態検出部
２０電池劣化状態検出部
３０劣化加速領域設定部
４０回避制御実行部
１００制御部

Claims

二次電池の入出力制御を行う二次電池の管理装置であって、
前記二次電池の状態を示す少なくとも一つのパラメータに対し、あらかじめ定められた使用領域の一部を劣化加速領域として設定する劣化加速領域設定部と、
前記二次電池を強制放電させて前記劣化加速領域での前記二次電池の使用を回避する回避制御を実行する回避制御部と、を備え、
該回避制御部は、前記劣化加速領域に滞在可能な時間である滞在許可時間を決定する滞在許可時間決定手段と、
前記滞在許可時間に応じて前記強制放電に必要な電流である制御電流を算出する制御電流算出手段と、を有する
ことを特徴とする二次電池の管理装置。
請求項１に記載の二次電池の管理装置において、
前記滞在許可時間決定手段は、前記劣化加速領域での劣化速度に応じて前記滞在許可時間を決定する
ことを特徴とする二次電池の管理装置。
請求項１又は２に記載の二次電池の管理装置において、
前記劣化加速領域設定部は、前記劣化加速領域内にさらに複数の速度劣化領域を予め設定し、
前記滞在許可時間決定手段は、前記複数の速度劣化領域の前記滞在許可時間を各速度劣化領域に対応する劣化速度に応じてそれぞれ決定する
ことを特徴とする二次電池の管理装置。
請求項１から３の何れか一項に記載の二次電池の管理装置において、
前記劣化加速領域設定部は、前記二次電池の使用状態に応じて前記劣化加速領域の設定範囲を変更する
ことを特徴とする二次電池の管理装置。