JP6348232B2 - 電池制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池の電池制御装置に関する。
近年、リチウムイオン電池などの二次電池を車両の電源システムやスマートハウスの電源システムなどに使用することにより、効率的にエネルギーを利用する取り組みが進められている。システム全体のエネルギー効率を向上させるためには、二次電池の充放電量を増大させることが有効である場合が多い。ただし、充放電量を増大させると二次電池の特性劣化を生じることが知られている。特に、二次電池の内部抵抗が上昇し、入出力特性が低下することが問題となっている。
このように、システム全体の瞬間的なエネルギー効率と二次電池の特性劣化とは相反する関係にある。一方で、上記用途の電源はその利用期間が長期に及ぶため、想定された利用期間全体のエネルギー効率が最大になるように二次電池を使用することが望ましい。そのためには、二次電池の特性劣化が所定の範囲内に収まるように、二次電池の充放電量を制御する必要がある。
二次電池の特性劣化は、一般に二次電池の電圧が高すぎる場合や、低すぎる場合に速く進行することが知られている。実際には、二次電池の電圧は二次電池の正極電位と負極電位との差であるから、特性劣化の速度は電池電圧ではなく、正極電位と負極電位とによって決まる。そのため、劣化抑制の手段として、二次電池における正極電位および負極電位を正確に検出し、検出した電位に応じて最適な電池使用方法を選択することが有効である。例えば、特許文献1には、二次電池の充放電曲線を利用することにより、正極、負極および電解液の劣化状態を非破壊でそれぞれ定量評価し、正極と負極の開回路電位を判定する方法が記載されている。
特許文献1には二次電池の状態判定方法が記載されており、予め記憶した正極・負極単独の充放電曲線に基づいて当該二次電池の充放電曲線を計算で再現し、その過程で正極活物質の有効重量、負極活物質の有効重量、正極・負極間の容量ずれ、および二次電池の開回路電圧に対応する正極電位と負極電位を取得する方法が記載されている。また、取得した正極電位と負極電位を用いた二次電池の制御により、それ以前の電池電圧に基づく制御に比べて、二次電池の高安全化および特性劣化の抑制を達成できることが記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載された状態判定方法および特性劣化の抑制方法は、二次電池の容量に関する方法であり、二次電池の内部抵抗の上昇を制御する方法については開示されていない。
本発明に係る電池制御装置は、二次電池の正極抵抗上昇率を示す第1データおよび負極抵抗上昇率を表す第2データが予め保持されている記憶部と、二次電池の電池抵抗上昇率の許容範囲、電池充電状態、正極充電状態および負極充電状態と前記第1および第2データとに基づいて、二次電池の上限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第1相関関係、および、二次電池の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第2相関関係を算出する相関演算部と、を備え、前記相関演算部で算出された第1相関関係および第2相関関係に基づいて、二次電池の電流を制御する。
本発明によれば、二次電池の正極と負極の内部抵抗に基づいて二次電池の特性劣化速度を制御することができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は、本実施の形態の電池制御装置を備える電池システムを示す図である。図1に示す電池システム100はハイブリッド電気自動車の電池システムであり、図1におけるハイブリッド電気自動車は2つの車両駆動用システムを備えており、その1つは、内燃機関であるエンジン120を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてHEVの駆動源として用いられる。
もう1つは、モータジェネレータ192,194を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてハイブリッド電気自動車の駆動源および電力発生源として用いられる。モータジェネレータ192,194は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
車体のフロント部には前輪車軸114が回転可能に軸支されている。前輪車軸114の両端には1対の前輪112が設けられている。車体のリア部には後輪車軸(図示省略)が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には1対の後輪が設けられている。本実施形態のハイブリッド電気自動車では、動力によって駆動される主輪を前輪112とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち
後輪駆動方式を採用しても構わない。
後輪駆動方式を採用しても構わない。
前輪車軸114の中央部には前輪側デファレンシャルギア(以下、「前輪側DEF」と記述する)116が設けられている。前輪車軸114は前輪側DEF116の出力側に機械的に接続されている。前輪側DEF116の入力側には変速機118の出力軸が機械的に接続されている。前輪側DEF116は、変速機118によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸114に分配する差動式動力分配機構である。変速機118の入力側には、モータジェネレータ192の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ192の入力側には、動力分配機構122を介してエンジン120の出力側およびモータジェネレータ194の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ192,194および動力分配機構122は、変速機118の筐体の内部に収納されている。
モータジェネレータ192,194は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がモータコントローラ140,142によって制御されることによりモータジェネレータ192,194の駆動が制御される。モータコントローラ140,142には二次電池136が電気的に接続されており、二次電池136とモータコントローラ140,142との相互において電力の授受が可能である。二次電池136には、例えばリチウムイオン電池などが用いられる。
このように、本実施形態では、モータジェネレータ192およびモータコントローラ140からなる第1電動発電ユニットと、モータジェネレータ194およびモータコントローラ142からなる第2電動発電ユニットとの2つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。また、本実施形態では、二次電池136の電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ192の動力のみによって車両の駆動ができる。また、第1電動発電ユニットまたは第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、二次電池136の充電ができる。
さらに、二次電池136は、二次電池136を冷却する冷却ファン196のモータ195を駆動するための電源としても使用される。二次電池136からインバータ装置43に直流電力が供給され、インバータ装置43で交流の電力に変換されて冷却ファン駆動用のモータ195に供給される。
二次電池136は電池制御装置138によって制御される。電池制御装置138は、複数の電子回路部品から構成された電子回路であり、機能上、上位制御部と下位制御部の2つの階層に分かれて構成されている。下位制御部は、二次電池136を構成する複数の電池セルのそれぞれの状態を管理および制御している。具体的には、複数の電池セルのそれぞれの電圧および異常(過充放電)を検出していると共に、複数の電池セルの間の充電状態を調整している。
上位制御部は、二次電池136の状態を管理および制御している。具体的には、二次電池136の充電状態や劣化状態を推定演算していると共に、二次電池136の充放電可能な許容値を演算して、モータコントローラ140,142に提供し、その許容範囲内において二次電池136の充放電を制御している。
(電池制御の説明)
次に、電池制御装置138による電池制御について説明する。図2は、電池制御装置138の一例を示すブロック図である。電池制御装置138は、記憶部1381、DT1演算部1382,DT3演算部1383、DT4演算部1384、電流制御部1385を備えている。記憶部1381には、図11に示す初期状態のデータテーブルDT1(詳細は後述する)が予め記憶されている。後述するように電池システムの起動時には、そのときの電池劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出され、記憶部1381に記憶される。
次に、電池制御装置138による電池制御について説明する。図2は、電池制御装置138の一例を示すブロック図である。電池制御装置138は、記憶部1381、DT1演算部1382,DT3演算部1383、DT4演算部1384、電流制御部1385を備えている。記憶部1381には、図11に示す初期状態のデータテーブルDT1(詳細は後述する)が予め記憶されている。後述するように電池システムの起動時には、そのときの電池劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出され、記憶部1381に記憶される。
データテーブルDT1は、二次電池136の充電状態Qと温度Tに対して、上限電流Imaxおよび下限電流Iminを定めるデータテーブルである。上述したように、図11に示すデータテーブルDT1は、二次電池136が劣化していない初期状態におけるデータテーブルの一部を示したものであり、容量が1.2(Ah)、内部抵抗が50(mΩ)である。なお、図11では、充電状態Qを、二次電池136の満充電状態からの放電量で表している。図11(a)は上限電流Imaxを示し、図11(b)は下限電流Iminを示す。ここでは、上限電流Imaxは、内部抵抗が年間3(mΩ)上昇する電流に対応し、下限電流Iminは、内部抵抗が年間2(mΩ)上昇する電流に対応している。
二次電池136の電流値Iが上限電流Imaxを上回ると、二次電池136の特性劣化速度は想定値を上回ることになる。一方、二次電池136の電流値Iが下限電流Iminを下回ると、二次電池136の特性劣化速度が想定値を下回ることになる。
データテーブルDT1における二次電池136の充電状態Qとしては、例えば、満充電状態から全放電状態に至るまでの放電容量を百分割して、満充電状態を100、全放電状態を0として表す方法がある。あるいは、満充電状態からの放電量や、全放電状態からの充電量や、二次電池136の開回路電圧を充電状態として用いる方法もある。
図3は、データテーブルDT1を用いた電池制御の一例を示すフローチャートであり、電池制御装置138において実行される。図3のフローチャートは、主たるエネルギー消費部分であるモータジェネレータ192への出力要求が生じた時点で開始される。ここでは、二次電池136の状態は、劣化の無い初期状態であると仮定して説明する。すなわち、図11のデータテーブルDT1を使用する。
なお、システム起動時に二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出されるので、その新たなデータテーブルDT1が算出されるまでは図11のデータテーブルDT1が使用される。劣化状態のデータテーブルDT1が新たに算出されると、その算出されたデータテーブルDT1を用いて図3の電池制御が実行される。
ステップS100では、電池制御装置138は、予め測定または計算された電池の電圧V、温度T、充電状態Q、内部抵抗Rを、記憶部1381から読み込む。ここで、電池の電圧Vとは二次電池136を構成する電池セルの電圧であり、上述した下位制御部で検出された電池セルの電圧の平均値や、二次電池136の計測電圧を電池セル当たりに換算した電圧が用いられる。
ステップS110では、モータコントローラ140からの要求出力Preqと電池電圧Vと内部抵抗Rとから要求電流Ireqを、例えば次式(1)を用いて算出する。
Preq=(V−Ireq・R)×Ireq …(1)
Preq=(V−Ireq・R)×Ireq …(1)
ステップS120では、読み込んだ充電状態Qと温度Tに対応する上限電流Imaxと下限電流Iminを、データテーブルDT1から読み込む。次いで、ステップS130において、要求電流Ireqが上限電流Imax以下か否かを判定する。ステップS130で要求電流Ireq≦上限電流Imaxと判定されるとステップS140へ進み、要求電流Ireq>上限電流Imaxと判定されるとステップS170へ進む。ステップS140では、要求電流Ireqが下限電流Imin以上か否かを判定する。ステップS140で要求電流Ireq≧下限電流Iminと判定されるとステップS160へ進み、要求電流Ireq<下限電流Iminと判定されるとステップS150へ進む。
ステップS160に進んだ場合には、すなわち、要求電流Ireqが上限電流Imax以下かつ下限電流Imin以上と判定された場合には、電池制御装置138は二次電池136から要求電流Ireqを出力させる。
ここで、図11のデータテーブルDT1の場合について具体的に説明する。主たるエネルギー消費部分であるモータジェネレータ192へPreq=22(W)出力することを要求されたとき、二次電池136の温度が40℃、電圧が4.0(V)、充電状態が放電量0.5(Ah)、内部抵抗が50(mΩ)であったとする。この場合、式(1)より要求電流Ireqは約5.9(A)と計算される。図11においてT=40℃、放電量=0.3(Ah)のデータを確認すると、上限電流は約9.5(A)、下限電流は約3.0(A)である。したがって、ステップS130→ステップS140→ステップS160と進んで、電池制御装置138は二次電池136から電流値5.9(A)の電流を出力させる。
一方、ステップS130で要求電流Ireq>上限電流Imaxと判定された場合には、電池制御装置138は、ステップS170で二次電池136から上限電流Imaxを出力させ、さらに、ステップS180でモータジェネレータ194を発電動作させて、要求電流Ireqと上限電流Imaxとの差分に相当する電流をモータジェネレータ192に供給する。
ステップS190では、電池温度Tが所定条件を満足しているか否かを判定し、満足していない場合にはステップS200へ進んで、電池温度Tが所定条件を満足するように冷却ファン196を回転するモータ195の出力を調整する。この際の条件としては、例えば、電池温度Tが予め定められた最低温度Tmin以上で最高温度Tmax以下であるという条件が挙げられる。また、データテーブルDT1において、電池温度Tを現在値から一定量低下または上昇させると上限電流Imaxの値が一定量以上増加するという条件が挙げられる。
ステップS170からステップS200までの処理を、図11に示すデータテーブルDT1を用いて具体的に説明する。モータジェネレータ192へPreq=35(W)の出力を要求されたときに、電池の温度が40℃、電圧が4.0(V)、充電状態が放電量=0.3(Ah)、内部抵抗が50(mΩ)であったとする。この場合、上述した式(1)により要求電流Ireqは約11.7(A)と計算される。
図11において温度40℃、放電量=0.3(Ah)のデータを確認すると、上限電流Imaxは約9.5(A)、下限電流Iminは約3.0(A)である。したがって、この場合には要求電流Ireqが上限電流Imaxを上回っているため、電池制御装置138は二次電池136から上限電流Imaxである9.5(A)を出力させる(ステップS170)。同時に、モータジェネレータ194を発電動作させて、要求電流Ireqと上限電流Imaxとの差分である2.1(A)の電流を、モータジェネレータ192に供給させる(ステップS180)。
なお、図11を見ると、放電量=0.3(Ah)においては、二次電池136の温度を低下させると上限電流Imaxの値が大きくなることがわかる。そこで、エネルギー消費部分であるモータ195の出力を増加させて二次電池136を冷却する。その結果、電池温度Tが低下して、上限電流Imaxの値が大きくなるので、二次電池136の劣化が抑えられる。
このように、ステップS170からステップS200までの処理により、発電電流およびモータ195の出力が増加するため、システム全体のエネルギー効率は一時的に低下する。一方で、電池温度Tが低下するので、二次電池136の特性劣化が抑制され、想定利用期間全体のシステム全体のエネルギー効率の低下が抑制される。
また、ステップS140において要求電流Ireq<下限電流Iminと判定された場合には、ステップS150へ進んで、モータ195の出力を減少または停止する。その後、ステップS160に進んで、二次電池136から要求電流Ireqを出力させる。このような処理を行うことにより、二次電池136の温度Tを制御する機能が低下するので、二次電池136の特性劣化が進行することになる。一方で、二次電池システム全体のエネルギー消費量が減少するため、エネルギー効率が上昇する。
例えば、モータジェネレータ192へ10(W)を出力することを要求されたとき、二次電池136の温度が40℃、電圧が4.0(V)、充電状態が放電量=0.3(Ah)、内部抵抗が50(mΩ)であったとする。この場合、上式(1)により要求電流Ireqは約2.6(A)と計算される。ここで、図11において温度40℃、放電量=0.3(Ah)のデータを確認すると、上限電流Imaxは約9.5(A)、下限電流Iminは約3.0(A)である。したがって、この場合には要求電流Ireqが下限電流Iminを下回っている。この場合、電池制御装置138は二次電池136から要求電流である2.6(A)を出力する。同時に、モータ195の出力を減少させ、二次電池136の温度調節機能を低下させる。
以上のように、図11のデータテーブルDT1に基づいて、図3に示すような電流制御を行うことにより、二次電池136の特性劣化が想定範囲を上回ることを抑制することができる。さらに、二次電池136の特性劣化が想定範囲を下回るときには二次電池136の特性劣化の加速と引き換えにシステム全体のエネルギー効率を向上させることが可能になり、二次電池システムの想定使用期間全体のエネルギー効率を向上させることができる。そのため、二次電池の特性劣化が所定の範囲内に収まるように二次電池の電流を制御することが可能となる。なお、図3では放電時の電流制御を示したが、本発明は二次電池136の充電時の制御にも同様に適用することができる。
(データテーブルDT1の算出方法)
ところで、上述したように、電池システム起動時には、二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出され、そのデータテーブルDT1に基づいて図3の制御が行われる。図4は、劣化状態に応じたデータテーブルDT1の算出方法の一例を示すフローチャートである。図4の処理は、電池システムの起動時、すなわち図1に示したハイブリッド電気自動車の起動時において実行される。すなわち、ハイブリッド電気自動車の起動の度に、そのときの二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出される。
ところで、上述したように、電池システム起動時には、二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出され、そのデータテーブルDT1に基づいて図3の制御が行われる。図4は、劣化状態に応じたデータテーブルDT1の算出方法の一例を示すフローチャートである。図4の処理は、電池システムの起動時、すなわち図1に示したハイブリッド電気自動車の起動時において実行される。すなわち、ハイブリッド電気自動車の起動の度に、そのときの二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1が算出される。
まず、電池制御装置138の記憶部1381(図2参照)には、電池を構成する正極と負極のそれぞれについて、抵抗上昇率Rp’(Qp,T,I)、Rn’(Qn,T,I)のデータテーブル(以下ではデータテーブルDT2と記載する)が予め記憶部に保持されている。抵抗上昇率Rp’は正極の充電状態Qp、電池の温度T,電池に流れる電流Iに依存している。同様に、抵抗上昇率Rn’は負極の充電状態Qn、電池の温度T,電池に流れる電流Iに依存している。
なお、抵抗上昇率Rp’、Rn’は、それぞれ現在の正極の抵抗Rpおよび負極の抵抗Rnに対する増加率と定めても良いし、正極、負極の抵抗の適切な基準値Rp0,Rn0に対する増加率として定めても良い。
図5は、容量1.2Ahの正極と負極のデータテーブルDT2の一例を示す図である。図5(a)は正極のデータテーブルDT2の一部を示したものであり、温度が40℃であって電流値が1(A)、3(A)および10(A)の場合のデータを示している。図5(b)は負極のデータテーブルDT2の一部を示したものであり、温度が40℃であって電流値が1(A)、3(A)および10(A)の場合のデータを示している。縦軸は抵抗上昇率(%/年)であり、横軸は正極の充電状態を放電量で示したものである。
なお、図5は、電池劣化の無い初期状態におけるデータテーブルDT2である。また、抵抗上昇率は、初期状態における抵抗値50(mΩ)を基準とした場合の増加率である。
(ステップS300)
図4のステップS300では、DT1演算部1382は、現時点での二次電池136の抵抗値Rと、二次電池システムの想定利用期間の終了時(EOL:End of Life)の抵抗Reと、想定利用期間の終了時までの時間teに基づいて、抵抗上昇率の許容範囲を算出する。抵抗Reおよび時間teは、予め記憶部1381に記憶されている。
図4のステップS300では、DT1演算部1382は、現時点での二次電池136の抵抗値Rと、二次電池システムの想定利用期間の終了時(EOL:End of Life)の抵抗Reと、想定利用期間の終了時までの時間teに基づいて、抵抗上昇率の許容範囲を算出する。抵抗Reおよび時間teは、予め記憶部1381に記憶されている。
現時点の抵抗値としては、例えば、休止状態から所定の電流値を所定の時間だけ放電して電池電圧を測定し、休止状態における電池電圧との電圧差を電流値で割る方法で二次電池の抵抗値Rを測定し、その測定値を現時点の抵抗値として用いる。また、上記のようにして得られた抵抗値を予め保持しておき、その保持しておいた抵抗値Rを読み込んで現時点の抵抗値として用いても良い。
抵抗上昇率の許容範囲の算出方法は任意で良いが、例えば、目標とする抵抗上昇率R’をR’=(Re−R)/teで算出される値とし、抵抗上昇率の上限値Rmax’をRmax’=1.2×R’、下限値Rmin’をRmin’=0.8×R’とする方法が一例として挙げられる。例えば、二次電池の内部抵抗が50(mΩ)であり、10年後の内部抵抗を75(mΩ)にしたい場合には、抵抗上昇率は(75−50)/10=2.5(mΩ/年)となる。そして、抵抗上昇率の上限値Rmax’はRmax’=2.5×1.2=3.0(mΩ/年)、下限値Rmin’はRmin’=2.5×0.8=2.0(mΩ/年)となる。すなわち、2.0〜3.0(mΩ/年)が抵抗上昇率の許容範囲である。
あるいは、次のように許容範囲を設定しても良い。二次電池136を3年間使用して内部抵抗が60(mΩ)になり、電池の容量が1.0(Ah)になったとする。この場合、上述した10年後は7年後が対応するので、7年後の内部抵抗を上記の場合と同じ75(mΩ)したいとすると、抵抗上昇率は(75−60)/7=2.14(mΩ/年)と算出される。この場合、抵抗上昇率の上限値は2.14×1.2=2.57(mΩ/年)となり、抵抗上昇率の下限値は2.14×0.8=1.71(mΩ/年)となる。この場合の抵抗上昇率の許容範囲は、1.71〜2.57(mΩ/年)となる。
(ステップS310)
ステップS310では、電流制御部1385は、予め記憶部1381に保持されている前記データテーブルDT2を読み込む。
ステップS310では、電流制御部1385は、予め記憶部1381に保持されている前記データテーブルDT2を読み込む。
(ステップS320)
ステップS320では、電池制御装置138のDT3演算部1383において、二次電池136の充電状態Qと、正極の充電状態Qpと、負極の充電状態Qnとの対応関係を示すデータテーブルDT3が作成される。
ステップS320では、電池制御装置138のDT3演算部1383において、二次電池136の充電状態Qと、正極の充電状態Qpと、負極の充電状態Qnとの対応関係を示すデータテーブルDT3が作成される。
データテーブルDT3の作成方法は任意でよい。例えば前記特許文献1に記載された方法がある。また、例えば以下のような方法が挙げられる。まず、DT3演算部1383は、劣化前の初期状態における電池容量W0と現時点での電池容量Wと定数Dp、Dnとを保持している。現時点での電池容量Wについては周知の方法により算出する。例えば、システム休止時に得られる電圧からそのときの充電状態(SOC:State of Charge)を算出し、休止と休止との間の電流の積分値(∫Idt)と充電状態の変化ΔSOCとに基づいて電池容量(満充電容量)を算出する。または、内部抵抗の変化から電池容量の変化を推定しても良い。
ここで、電池の充電状態Q、正極および負極の充電状態Qp,Qnは、それぞれの満充電状態からの放電量(すなわち放電電気量Ah)として表現されているものとする。そして、初期状態のデータテーブルDT3においては、電池の充電状態Qと正極および負極の充電状態Qp,Qnとの関係は、Qp=Q−Dp、Qn=Q−Dnと表される。
次に、DT3演算部1383は、現時点における電池容量の減少分(W0−W)を用いて、現時点における新たな定数Dn’=Dn+(W0−W)を決定する。定数Dp’に関してはDp’=Dp=0とする。そして、現時点のデータテーブルDT3における電池の充電状態Q、正極の充電状態Qp,負極の充電状態Qnは、Q、Qp=Q−Dp’、Qn=Q−Dn’のように表される。
例えば、初期状態では電池容量が1.2(Ah)でDp=Dn=0であったとする。そして、二次電池136が劣化して電池容量が1.0(Ah)に減少した場合のDp’、Dn’は、Dp’=0、Dn’=0+(1.2−1.0)=0.2となる。劣化時の電池の充電状態Qに対して、正極の充電状態Qp,負極の充電状態QnはQp=Q、Qn=Q−0.2となる。これが、電池容量が1.0(Ah)に劣化したときの充電状態の対応を示している。
これを、図6に示す正極電位曲線および負極電位曲線を用いて説明すると、次のようになる。図6において、負極電位曲線102、電池電圧曲線103は初期状態における電位曲線を示している。一方、負極電位曲線105、電池電圧曲線106は、劣化時の電位曲線を示している。なお、上述の説明では、Dp=Dp’=0としているので、初期状態も劣化時も同一の正極電位曲線101となる。劣化時にDn=0からDn’=0.2(Ah)に変化することは、負極電位曲線102がDn’だけ右側にずれて、負極電位曲線105に変化することを意味している。その結果、終止電圧V1まで放電したとき、容量がDn’だけ減少することになる。図6から分かるように、負極電位曲線102がDn’だけ右側にずれ分だけ、劣化時の負極の充電状態Qpは、初期状態の充電状態QよりもDn’(Ah)だけ低い充電状態に対応している。
(ステップS330)
ステップS330では、DT4演算部1384は、電池の充電状態および温度および電流と電池の抵抗上昇率の対応を示すデータテーブルDT4を作成する。データテーブルDT4の作成方法は種々あるが、ここでは、ステップS310で読み込んだデータテーブルDT2(正極、負極の抵抗上昇率を示すデータテーブル)と、ステップS320で作成したデータテーブルDT3とを組み合わせてデータテーブルDT4(図7参照)を作成する。
ステップS330では、DT4演算部1384は、電池の充電状態および温度および電流と電池の抵抗上昇率の対応を示すデータテーブルDT4を作成する。データテーブルDT4の作成方法は種々あるが、ここでは、ステップS310で読み込んだデータテーブルDT2(正極、負極の抵抗上昇率を示すデータテーブル)と、ステップS320で作成したデータテーブルDT3とを組み合わせてデータテーブルDT4(図7参照)を作成する。
図5に示すデータテーブルDT2では、正極の抵抗上昇率Rp’は、Rp’(Qp,T,I)のように正極の充電状態Qpと電池の温度Tと電流値Iとに対して与えられている。同様に、負極の抵抗上昇率Rn’は、Rn’(Qn,T,I)のように負極の充電状態Qnと電池の温度Tと電流値Iとに対して与えられている。一方、図7に示すデータテーブルDT4では、電池の抵抗上昇率R’が、R’(Q,T,I)のように電池の充電状態Qと電池の温度Tと電流値Iとに対して与えられている。
ところで、電池の抵抗上昇率R’は、正極の抵抗上昇率Rp’と負極の抵抗上昇率Rn’との和で表される。そのためには、図5のデータテーブルDT2を、電池の充電状態Qと温度Tと電流値Iとで与えられる正極および負極の抵抗上昇率Rp’,Rn’に変換する必要がある。そこで、ステップS320で作成したデータテーブルDT3、すなわち、現時点の電池容量における電池の充電状態Qと正極および負極の充電状態Qp,Qnとの対応関係を表すデータテーブルを利用して、図5に示すデータテーブルDT2から図7に示すデータテーブルDT4を生成する。
上述した、劣化時の負極電位曲線がDn’(Ah)だけずれることによって、初期状態の充電状態QよりもDn’(Ah)だけ低い充電状態が劣化時の負極の充電状態Qpに対応する場合について説明する。図8は、図5に示したデータテーブルDT2における、劣化時の適用範囲を説明する図である。図6で説明したように、正極電位曲線101に関しては、劣化時も初期状態と同一となる。そのため、図8(a)に示すように、初期状態における0(Ah)が満充電状態に対応し、1.0(Ah)において図6の終止電圧V1に達する。
一方、負極電位曲線105に関しては、図6のように右側にDn’(Ah)だけずれる。そのため、図8(b)に示すように、初期状態におけるDn’(Ah)の状態が満充電状態に対応している。そして、充電状態が1.2(Ah)となった時に終止電圧V1に達する。
よって、図8に示す正極および負極の充電状態に関するデータテーブルDT2から、劣化時の電池の充電状態Qに関するデータテーブルDT4を作成する場合には、正極および負極のデータテーブルDT2の放電量が等しい所の抵抗上昇率を加え合わせ、それを電池の抵抗上昇率とする。
例えば、満充電時の抵抗上昇率は、正極の満充電時における抵抗上昇率(図8(a)の0(Ah)における抵抗上昇率)と、負極の放電量=Dn’(Ah)における抵抗上昇率(図8(a)のDn’(Ah)における抵抗上昇率)とを加え合わせたものである。また、放電量Q(すなわち充電状態Q)における抵抗上昇率は、正極の放電量Qにおける抵抗上昇率と負極の放電量Q+Dn’における抵抗上昇率との和である。このようにして、劣化時における電池の抵抗上昇率を、放電量=0から放電量=W−Dn’=W0までについて求めることができる。
図7(a)は、初期状態(W=1.2Ah)におけるデータテーブルDT4を示す図であり、図7(b)は、劣化時(W=1.0Ah)のデータテーブルDT4を示す図である。図5のデータテーブルDT2の場合と同様に、温度が40℃であるデータの一部を示したものである。なお、図7(a)に示す初期状態の抵抗上昇率は、図5(a)および図5(b)の同一放電量における正極および負極の抵抗上昇率を合計したものである。
(ステップS340)
次いで、ステップS340では、DT1演算部1382は、ステップS330で作成したデータテーブルDT4(図7)と、ステップS300で求めた電池の抵抗上昇率の上限値Rmax’と、電池の抵抗上昇率の下限値Rmin’とから、電池の充電状態Q、温度Tと上限電流Imax、下限電流Iminとの関係である、Imax(Q,T)、Imin(Q,T)を示すデータテーブルDT1を作成する。
次いで、ステップS340では、DT1演算部1382は、ステップS330で作成したデータテーブルDT4(図7)と、ステップS300で求めた電池の抵抗上昇率の上限値Rmax’と、電池の抵抗上昇率の下限値Rmin’とから、電池の充電状態Q、温度Tと上限電流Imax、下限電流Iminとの関係である、Imax(Q,T)、Imin(Q,T)を示すデータテーブルDT1を作成する。
初期状態の二次電池の場合には、前述したように、内部抵抗が50(mΩ)で、10年後の目標とする内部抵抗が75(mΩ)であるとしたとき、抵抗上昇率の上限値Rmax’は3.0(mΩ/年)であって、下限値Rmin’は2.0(mΩ/年)であった。抵抗上昇率算出時の基準抵抗を50(mΩ)とした場合、3.0(mΩ/年)は5.5(%/年)となり、2.0(mΩ/年)は4.0(%/年)となる。
図7(a)は初期状態におけるデータテーブルDT4(T=40℃)であるが、上限値Rmax’を示す直線上における電流値が、温度T=40℃における上限電流Imax(Q,T)を示している。また、下限値Rmin’を示す直線上における電流値は、温度T=40℃における下限電流Imin(Q,T)を示している。これらの上限電流Imax(Q,T)および下限電流Imin(Q,T)をグラフ化したものが、上述した図11(a)、(b)に示す40℃のラインである。
一方、電池容量がW0=1.0(Ah)に劣化した電池の場合、前述したように、二次電池136を3年間使用して内部抵抗が60(mΩ)になったとする。この場合、初期状態から10年後の目標内部抵抗を75(mΩ)としたとき、抵抗上昇率の上限値は2.57(mΩ/年)となり、抵抗上昇率の下限値は1.71(mΩ/年)となった。抵抗上昇率算出時の基準抵抗を50(mΩ)とすると、2.57(mΩ/年)は5.5(%/年)となり、1.71(mΩ/年)は約3.4(%/年)となる。
上述したように、図7(b)は劣化時のデータテーブルDT4(ただし、温度40℃)である。この場合も、図7(b)の上限値Rmax’ =5.5(%/年)の直線上における電流値が、温度T=40℃における上限電流Imax(Q,T)を示している。同様に、下限値Rmin’=3.4(%/年)の直線上における電流値が、温度T=40℃における下限電流Imin(Q,T)を示している。これらの上限電流Imax(Q,T)および下限電流Imin(Q,T)をグラフ化したものが、図9(a)、(b)に示す40℃のラインである。図9は、現時点(劣化時)のデータテーブルDT1を示す図である。図9の40℃以外の温度に対しても、上限電流Imaxを示すラインおよび下限電流Iminを示すラインを同様にして求めることができる。
以上のように、図4に示す処理によって、二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1を算出することができる。そして、算出された現時点のデータテーブルDT1を用いて、前述した二次電池136の出力制御が実行される。その結果、二次電池136の電池状態(劣化状態)を精度良く反映した出力制御を行うことができる。
(データテーブルDT4の他の算出方法)
電池制御装置138の記憶部1381は、上述したデータテーブルDT2(図5に示すRp’(Qp,T,I),Rn’(Qn,T,I))に加えて、正極の充電状態Qpおよび温度Tと抵抗Rpとの関係Rp(Qp,T)に関するデータテーブルDT10と、負極の充電状態Qnおよび温度Tと抵抗Rnとの関係Rn(Qn,T)に関するデータテーブルDT11とを予め備えておく。そして、必要に応じて、正極と負極以外の抵抗R0を加えて、その後、電池の抵抗上昇率R’を適切な計算式によって算出する。例えば、R’=(Rp×Rp’+Rn×Rn’)/(Rp+Rn)やR’=(R0+Rp×Rp’+Rn×Rn’)/(R0+Rp+Rn)が挙げられる。あるいは、正極と負極の抵抗の基準値Rp0、Rn0に対して、R’=(R0+Rp+Rp0×Rp’+Rn+Rn0×Rn’)/(R0+Rp+Rn)などが挙げられる。このようにして、データテーブルDT4、すなわちR’(Q,T,I)が算出される。
電池制御装置138の記憶部1381は、上述したデータテーブルDT2(図5に示すRp’(Qp,T,I),Rn’(Qn,T,I))に加えて、正極の充電状態Qpおよび温度Tと抵抗Rpとの関係Rp(Qp,T)に関するデータテーブルDT10と、負極の充電状態Qnおよび温度Tと抵抗Rnとの関係Rn(Qn,T)に関するデータテーブルDT11とを予め備えておく。そして、必要に応じて、正極と負極以外の抵抗R0を加えて、その後、電池の抵抗上昇率R’を適切な計算式によって算出する。例えば、R’=(Rp×Rp’+Rn×Rn’)/(Rp+Rn)やR’=(R0+Rp×Rp’+Rn×Rn’)/(R0+Rp+Rn)が挙げられる。あるいは、正極と負極の抵抗の基準値Rp0、Rn0に対して、R’=(R0+Rp+Rp0×Rp’+Rn+Rn0×Rn’)/(R0+Rp+Rn)などが挙げられる。このようにして、データテーブルDT4、すなわちR’(Q,T,I)が算出される。
(性能比較)
図10は、図3に示した電流制御を用いた場合と、用いない場合とを比較したものである。条件AはデータテーブルDT1を更新しない場合であり、条件BはデータテーブルDT1を更新する場合、条件Cは二次電池への要求出力をそのまま出力した場合である。ここでは、初期状態において、容量1.2(Ah)、内部抵抗50(mΩ)、Dp=Dn=0の二次電池が、容量1.0(Ah)、内部抵抗60(mΩ)、Dp=0、Dn=0.2の状態に劣化した場合における制御を示す。すなわち、条件Aの制御では、図2に示すデータテーブルDT1を使用し、条件Bの制御では図9に示すデータテーブルDT1を使用する。
図10は、図3に示した電流制御を用いた場合と、用いない場合とを比較したものである。条件AはデータテーブルDT1を更新しない場合であり、条件BはデータテーブルDT1を更新する場合、条件Cは二次電池への要求出力をそのまま出力した場合である。ここでは、初期状態において、容量1.2(Ah)、内部抵抗50(mΩ)、Dp=Dn=0の二次電池が、容量1.0(Ah)、内部抵抗60(mΩ)、Dp=0、Dn=0.2の状態に劣化した場合における制御を示す。すなわち、条件Aの制御では、図2に示すデータテーブルDT1を使用し、条件Bの制御では図9に示すデータテーブルDT1を使用する。
前述したように、7年後の内部抵抗75(mΩ)を目標とすると、抵抗上昇率の上限値は2.57(mΩ/年)、下限値は1.71(mΩ/年)となる。また、電池の温度は40℃であり、電池電圧は4.0(V)、充電状態は満充電状態からの放電量が0.25(Ah)であるとする。また、二次電池の熱容量は15(J/K)であり、温度調節の出力が二次電池のジュール発熱の2倍のときに電池温度が一定になった。そして、二次電池への要求出力が22(W)、35(W)、10(W)の場合について示す。
条件Aでは、要求出力が22(W)の場合には、要求電流がデータテーブルDT1(図2)の上限電流以下であり、二次電池から要求出力を満足する電流が出力される。要求出力が35(W)の場合には、要求電流がデータテーブルDT1の上限電流以上であり、二次電池の出力は上限電流を流した場合の31.4(W)となる。このとき、要求電流が上限電流よりも大きい場合には、温度調節の出力を電池のジュール発熱の4倍にする条件で制御した。その結果、二次電池の10秒後の温度は36.7℃に低下した。また、要求出力が10(W)の場合には、要求電流がデータテーブルDT1の下限電流以下であるから、二次電池から要求出力を満足する電流が出力される。このとき、要求電流が下限電流よりも小さい場合には、温度調節の出力を0にした。その結果、電池の10秒後の温度は40.3℃に上昇した。
条件Bでは、要求出力が22(W)と35(W)の場合には、要求電流がデータテーブルDT1(図9)の上限電流以上であるから、二次電池の出力は上限電流を流した場合の21.6(W)となる。このとき、要求電流が上限電流よりも大きい場合には、温度調節の出力を電池のジュール発熱の4倍にする条件で制御した。その結果、二次電池の10秒後の温度は38.6℃に低下した。また、要求出力が10(W)の場合には、要求電流がデータテーブルDT1の下限電流以上かつ上限電流以下であるから、二次電池から要求通りに出力した。
条件Cでは、二次電池から要求通りに出力し、ジュール発熱を相殺するように温度を調節した。そのため、いずれの出力の場合も、二次電池の温度は40℃に維持されている。
条件Aと条件Cとを比較すると、要求出力が35(W)以上のときに、条件Cに対して抵抗上昇が抑制された。ただし、目標とする抵抗上昇率の上限2.57(mΩ/年)は上回っていた。一方、条件Bでは、いずれの要求出力に対しても目標とする抵抗上昇率の上限2.57(mΩ/年)以内であった。
上述のように、条件Bに示したように、二次電池の劣化状態に合わせて更新されたデータテーブルDT1(図9)を用いることで、二次電池の劣化状態に応じた最適な電流制御を行うことができる。さらに、図3に示すような電流制御を行うことにより、目標とする抵抗上昇率の上限以内とすることができる。ただし、条件Aのように初期状態の二次電池の上下限電流のデータテーブルDT1(図11)を用いて二次電池を制御し続けた場合でも、条件Cに比べると二次電池の劣化を目標値に近づけることができる。
上述した実施の形態では、以下のような作用効果を奏することができる。
(a)電池制御装置138では、記憶部1381に、二次電池136の正極の抵抗上昇率および負極の抵抗上昇率を表すデータテーブルDT2が予め保持されている。そして、DT1演算部1382では、二次電池136の電池抵抗上昇率の許容範囲(上限値Rmax’および下限値Rmin’)、電池の充電状態Q、正極の充電状態Qpおよび負極の充電状態QnとデータテーブルDT2とに基づいて、二次電池136の上限電流と電池充電状態と温度との相関、および、二次電池136の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表すデータテーブルDT1を算出する。電流制御部1385は、DT1演算部1382で算出されたデータテーブルDT1に基づいて、二次電池136の電流を制御する。
(a)電池制御装置138では、記憶部1381に、二次電池136の正極の抵抗上昇率および負極の抵抗上昇率を表すデータテーブルDT2が予め保持されている。そして、DT1演算部1382では、二次電池136の電池抵抗上昇率の許容範囲(上限値Rmax’および下限値Rmin’)、電池の充電状態Q、正極の充電状態Qpおよび負極の充電状態QnとデータテーブルDT2とに基づいて、二次電池136の上限電流と電池充電状態と温度との相関、および、二次電池136の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表すデータテーブルDT1を算出する。電流制御部1385は、DT1演算部1382で算出されたデータテーブルDT1に基づいて、二次電池136の電流を制御する。
このように、二次電池136の劣化状態に応じたデータテーブルDT1を算出し、そのデータテーブルDT1に基づいて二次電池136の電流を制御しているので、二次電池の特性劣化速度(すなわち、内部抵抗の上昇)を精度良く制御することができる。
(b)また、初期状態の電池容量W0に対する容量低下ΔWに基づいて、電池の充電状態Q、正極の充電状態Qpおよび負極の充電状態Qnを、DT3演算部1383で算出するようにしても良い。
(c)さらに、二次電池136の正極の抵抗上昇率および負極の抵抗上昇率を表すデータテーブルDT2と、DT3演算部1383で算出された電池の充電状態Q、正極の充電状態Qpおよび負極の充電状態Qnとに基づいて、二次電池の容量低下時における電池抵抗上昇率を示すデータテーブルDT4を算出するDT4演算部1384を備え、電池抵抗上昇率の許容範囲とデータテーブルDT4とに基づいて、データテーブルDT1を算出するようにしても良い。
(d)または、記憶部1381は、二次電池136の正極充電状態Qpと温度Tと抵抗Rpとの相関を表すデータテーブルDT10と、負極充電状態Qnと温度Tと抵抗Rnとの相関関係を表すデータテーブルDT11とを、さらに保持し、DT4演算部1384は、正極と負極以外の抵抗R0と上述したデータテーブルDT2およびデータテーブルDT10,DT11とに基づいて、二次電池136の容量低下時における電池抵抗上昇率を表すデータテーブルDT4を算出するようにしても良い。例えば、R’=(Rp×Rp’+Rn×Rn’)/(Rp+Rn)やR’=(R0+Rp×Rp’+Rn×Rn’)/(R0+Rp+Rn)のようにデータテーブルDT4、すなわちR’(Q,T,I)を算出するようにしても良い。
(e)また、電池制御装置138が、図1に示すような電池システム、すなわち、二次電池136、発電機としてのモータジェネレータ194、二次電池136の電流により駆動される電動機としてのモータジェネレータ192、および二次電池136の電流により駆動されるモータ195で回転する冷却ファン196を備える電池システム100に設けられるものである場合、以下のような構成とするのが好ましい。
すなわち、電流制御部1385は、データテーブルDT1に基づいて二次電池136に対する要求電流Ireqが上限電流Imaxよりも大きいと判定すると、二次電池136から上限電流Imaxを出力させるとともに、要求電流Ireqと上限電流Imaxとの差分に相当する電流をモータジェネレータ194からモータジェネレータ192に供給させる。また、データテーブルDT1に基づいて二次電池136に対する要求電流Ireqが下限電流Iminよりも小さいと判定されると、二次電池136から要求電流Ireqを出力させるとともに、二次電池136からモータ195に入力される電流を減少させる。
このような電流制御を行うことにより、二次電池136の特性劣化が想定範囲を上回るのを抑制しつつ、二次電池136の特性劣化が想定範囲を下回るときには二次電池136の特性劣化の加速と引き換えに電池システム全体のエネルギー効率を向上させることが可能になり、電池システムの想定使用期間全体のエネルギー効率を向上させることができる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
100…電池システム、136…二次電池、138…電池制御装置、192…モータジェネレータ、194…モータジェネレータ、195…モータ、196…冷却ファン、1381…記憶部、1382…DT1演算部、1383…DT3演算部、1384…DT4演算部、1385…電流制御部、DT1〜DT4,DT10〜DT16…データテーブル、Imax…上限電流、Imin…下限電流、Ireq…要求電流、Preq…要求出力
Claims (5)
- 二次電池の正極抵抗上昇率を示す第1データおよび負極抵抗上昇率を表す第2データが予め保持されている記憶部と、
二次電池の電池抵抗上昇率の許容範囲、電池充電状態、正極充電状態および負極充電状態と前記第1および第2データとに基づいて、二次電池の上限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第1相関関係、および、二次電池の下限電流と電池充電状態と温度との相関を表す第2相関関係を算出する相関演算部と、を備え、
前記相関演算部で算出された第1相関関係および第2相関関係に基づいて、二次電池の電流を制御する電池制御装置。 - 請求項1に記載の電池制御装置において、
初期電池容量に対する容量低下に基づいて、前記電池充電状態、前記正極充電状態および前記負極充電状態を算出する充電状態算出部と、を備える電池制御装置。 - 請求項2に記載の電池制御装置において、
二次電池の正極抵抗上昇率を示す第1データおよび負極抵抗上昇率を表す第2データと、前記充電状態算出部で算出された電池充電状態、正極充電状態および負極充電状態とに基づいて、二次電池の容量低下時における電池抵抗上昇率を算出する電池抵抗上昇率演算部を備え、
前記相関演算部は、前記許容範囲と前記容量低下時における電池抵抗上昇率とに基づいて、前記第1相関関係および前記第2相関関係を算出する、電池制御装置。 - 請求項2に記載の電池制御装置において、
前記記憶部には、二次電池の正極充電状態と温度と抵抗との相関を表す第3相関関係と、負極充電状態と温度と抵抗との相関を表す第4相関関係とが、さらに保持され、
二次電池の正極および負極以外の抵抗と、前記第1データ、前記第2データ、前記第3相関関係および前記第4相関関係とに基づいて、二次電池の容量低下時における電池抵抗上昇率を算出する電池抵抗上昇率演算部を備え、
前記相関演算部は、前記許容範囲と前記容量低下時における電池抵抗上昇率とに基づいて、前記第1相関関係および前記第2相関関係を算出する、電池制御装置。 - 二次電池、発電機、前記二次電池の電流により駆動される電動機、および前記二次電池の電流により駆動される電池冷却装置を備える電池システムに設けられ、前記二次電池の電流を制御するために用いられる請求項1〜4のいずれか一項に記載の電池制御装置であって、
前記第1相関関係に基づいて前記二次電池に対する要求電流が前記上限電流以下か否かを判定する第1判定部と、
前記第2相関関係に基づいて前記二次電池に対する要求電流が前記下限電流以上か否かを判定する第2判定部と、を備え、
前記第1判定部により前記要求電流が前記上限電流よりも大きいと判定されると、前記二次電池から前記上限電流を出力させるとともに、前記要求電流と前記上限電流との差分に相当する電流を前記発電機から前記電動機に供給させ、
前記第2判定部により前記要求電流が前記下限電流よりも小さいと判定されると、前記二次電池から前記要求電流を出力させるとともに、前記二次電池から前記電池冷却装置に入力される電流を減少させる、電池制御装置。
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