JP6774655B2 - 蓄電素子の充電電圧コントローラ、蓄電装置、蓄電素子の充電装置、及び蓄電素子の充電方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は、日本国特願２０１５−７３７４２号の優先権を主張し、この出願が引用によって組み込まれる。

本発明は、本発明は、充放電可能な蓄電素子の充放電コントローラ、蓄電装置、蓄電素子を充電する充電装置及び充電方法に関するものである。

従来から、リチウムイオン電池を充電するときの充電電圧の上限（上限電圧）を制御する制御装置が知られている（特許文献１参照）。この制御装置は、充電対象であるリチウムイオン電池の容量劣化に応じて上限電圧を高くする。これにより、リチウムイオン電池において容量劣化が生じても、該リチウムイオン電池において使用できる電池容量を略一定に保つことができる。

しかし、リチウムイオン電池の充電時において上限電圧が高くなると、該リチウムイオン電池の出力及び電池容量が大きく悪化することがある。そのため、上記制御装置のように、リチウムイオン電池の劣化に伴って充電時の上限電圧を上昇させると、リチウムイオン電池の劣化が急速に進む場合がある。

日本国特開２０１２−８５４５２号公報

本発明の発明者らは、リチウムイオン電池がハイブリッド車両に搭載されたときの回生充電を受入れる性能の向上について研究した。発明者らは、上述したリチウムイオン電池の劣化を避けるために、充電時の上限電圧が低く設定されていると、リチウムイオン電池は回生電力を十分に受け入れることができないことに着目した。発明者らは、この点について従来十分な検討が行われておらず、改善の余地があることを見出した。
本実施形態は、充電時の上限電圧を制御することによって、蓄電素子の劣化を抑えつつ該蓄電素子における回生電力受け入れ性能を確保することを目的とする。

本実施形態の蓄電素子の充電電圧コントローラは、
正極と負極とを含む電極体を有する充放電可能な蓄電素子において前記正極と前記負極との間で電荷の受け渡しを行う金属イオンが前記負極で析出する析出電位より該負極の電位が下がらないように、前記蓄電素子の充電時間、前記蓄電素子に入力される電流、前記蓄電素子の温度、前記蓄電素子の充電状態、のうちの少なくとも一つに基づいて、蓄電素子を充電する上限電圧を制御する。

図１は、本実施形態に係る充電装置の充電対象である蓄電素子の斜視図である。 図２は、前記蓄電素子の分解斜視図である。 図３は、前記蓄電素子の電極体を説明するための図である。 図４は、前記充電装置の概略構成図である。 図５は、記憶部に格納されているテーブルの一例を示す図である。 図６は、記憶部に格納されているテーブルの一例を示す図である。 図７は、前記充電装置による蓄電素子の充電フローを示すフロー図である。 図８は、一過性の出力低下を説明する図である。 図９は、前記充電装置による一過性の出力低下率を用いた蓄電素子の充電フローを示すフロー図である。 図１０は、他実施形態に係る充電装置による蓄電素子の充電フローを示すフロー図である。 図１１は、他実施形態に係る充電装置による一過性の出力低下率を用いた蓄電素子の充電フローを示すフロー図である。 図１２は、他の実施形態に係る電池モジュール（蓄電装置）のブロック図である。 図１３は、他の実施形態に係る蓄電素子の出入力制御方法を説明する図である。

本実施形態の蓄電素子の充電電圧コントローラは、
正極と負極とを含む電極体を有する充放電可能な蓄電素子において前記正極と前記負極との間で電荷の受け渡しを行う金属イオンが前記負極で析出する析出電位より該負極の電位が下がらないように、前記蓄電素子の充電時間、前記蓄電素子に入力される電流、前記蓄電素子の温度、前記蓄電素子の充電状態、のうちの少なくとも一つに基づいて、蓄電素子を充電する上限電圧を制御する。

蓄電素子の充電時に、電極体の負極の電位が、析出電位よりも低くなると、負極に金属析出が生じて蓄電素子の劣化が急速に進む。電極体の負極の電位と、析出電位とは、蓄電素子の充電状態、蓄電素子の充電時間、蓄電素子に入力される電流、蓄電素子の温度などに応じて変化する。大電流が蓄電素子に流入する使用環境下では、負極に金属析出が生じやすい。低温環境下（２５℃以下。特に、０℃以下）では、負極に金属析出が生じやすい。蓄電素子の充電状態が高いとき（ＳＯＣ５０％以上のとき）、負極に金属析出が生じやすい。

上記構成の充電電圧コントローラによれば、蓄電素子の劣化を抑えつつ該蓄電素子における回生電力受け入れ性能を向上できる。

本実施形態の蓄電装置は、前記充電電圧コントローラと、前記蓄電素子とを備える。

本実施形態の蓄電素子の充電装置は、
正極と負極とを含む電極体を有する充放電可能な蓄電素子に対して充電する充電部を備え、
前記充電部は、前記正極と前記負極との間で電荷の受け渡しを行う金属イオンが前記負極において析出する析出電位より該負極の電位が下がらないように、前記蓄電素子を充電するときの上限電圧を制御する。

かかる構成によれば、負極の電位が析出電位より下がらないように上限電圧が制御される。このため、負極における金属イオンの析出を抑えつつ上限電圧を高くする（前記析出が生じない充電電圧の範囲の上限値付近まで上げる）ことができる。これにより、蓄電素子の劣化を抑えつつ蓄電素子における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

前記蓄電素子の充電装置は、
前記蓄電素子の充電時間を測定する第一測定部、前記蓄電素子の温度を測定する第二測定部、前記蓄電素子に入力される電流を測定する第三測定部、及び前記蓄電素子の電圧を測定する第四測定部のうちの少なくとも一つの測定部を備え、
前記充電部は、前記充電時間、前記温度、及び、前記電流又は前記電圧に基づく前記蓄電素子の充電状態、のうちの少なくとも一つに応じて、前記上限電圧を制御してもよい。

かかる構成によれば、測定の容易な充電時間、蓄電素子の温度、充放電時の電流、及び蓄電素子の電圧の少なくとも一つを測定することによって上限電圧を制御することができる。これにより、容易に、蓄電素子の劣化を抑えつつ蓄電素子における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

前記蓄電素子の充電装置では、
前記充電時間、前記温度、及び前記充電状態の少なくとも一つと、これに対応し且つ前記析出電位に基づいた上限電圧の値と、を関連付けたデータを格納する記憶部を備え、
前記充電部は、前記記憶部の前記データにおいて前記第一〜第四測定部のうちの少なくとも一つの測定部によって測定された値と対応する上限電圧の値となるように、前記上限電圧を調整してもよい。

かかる構成によれば、充電時間、蓄電素子の温度、及び充電状態（ＳＯＣ）の少なくとも一つと、これに対応し且つ前記析出電位に基づいた上限電圧の値と、を関連づけたデータが予め記憶部に格納されている。このため、充電時間、蓄電素子の温度、充放電電流、及び充電状態の少なくとも一つが得られれば、前記データを参照するだけで負極の電位が前記析出電位よりも低くならないような上限電圧の値が容易に得られる。これにより、より容易に、蓄電素子の劣化を抑えつつ蓄電素子における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

前記データでは、前記充電時間が延びると前記上限電圧の値が下がり、前記温度が上ると前記上限電圧の値が上がり、前記充電状態が高くなると前記上限電圧の値が下がってもよい。

また、本実施形態の蓄電素子の充電方法は、
正極と負極とを含む電極体を有し且つ充放電可能な蓄電素子に対し、前記正極と前記負極との間で電荷の受け渡しを行う金属イオンが前記負極において析出する析出電位より該負極の電位が下がらないように、上限電圧を制御しつつ充電すること、を備える。

かかる構成によれば、負極における金属イオンの析出を抑えつつ上限電圧を高くする（前記析出が生じない充電電圧の範囲の上限値付近まで上げる）ことができる。これにより、蓄電素子の劣化を抑えつつ蓄電素子における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

以上より、本実施形態によれば、充電時の上限電圧を制御することによって、蓄電素子の劣化を抑えつつ蓄電素子における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図６を参照しつつ説明する。本実施形態の各構成部材（各構成要素）の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材（各構成要素）の名称と異なる場合がある。

本実施形態の蓄電素子の充電装置（以下、単に「充電装置」と称する。）は、例えば、エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両に搭載される。以下では、先ず、充電装置の充電対象である蓄電素子について説明する。

本実施形態における蓄電素子は、非水電解質二次電池であり、具体的にはリチウムイオン電池である。蓄電素子はリチウムイオン電池に限定されない。蓄電素子は、リチウムイオン電池と同様の一過性の出力低下を生じる、リチウムイオン電池以外の電池や、キャパシターでもよい。図１〜図３に示すように、蓄電素子１００は、正極１２３及び負極１２４を含む電極体１０２と、電極体１０２を収容するケース１０３と、ケース１０３の外側に配置される外部端子１０４と、を備える。また、蓄電素子１００は、電極体１０２と外部端子１０４とを導通させる集電体１０５等も有する。

電極体１０２は、巻芯１２１と、互いに絶縁された状態で巻芯１２１の周囲に巻回された正極１２３と負極１２４と、を備える。電極体１０２においてリチウムイオンが正極１２３と負極１２４との間を移動することにより、蓄電素子１００が充放電する。

正極１２３は、金属箔と、金属箔の上に形成された正極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。本実施形態の金属箔は、例えば、アルミニウム箔である。

本実施形態における正極活物質は、リチウム金属酸化物である。正極活物質は、二相共存反応型の活物質であってもよい。具体的に、正極活物質は、一般式ＬｉＭＰＯ_４で示される物質であり、Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｍｇのうちの何れか一つであってもよい。
正極活物質は、前出の二層共存反応型を含むＬｉａＭｅｂ（ＸＯｃ）ｄ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表し、Ｘは例えばＰ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖを表す）によって表されるポリアニオン化合物（ＬｉａＦｅｂＰＯ_４、ＬｉａＭｎｂＰＯ_４、ＬｉａＭｎｂＳｉＯ_４、ＬｉａＣｏｂＰＯ_４Ｆ等）であってもよい。正極活物質は、ＬｉｘＭｅＯｐ（Ｍｅは、１又は２以上の遷移金属を表す）によって表される複合酸化物（ＬｉｘＣｏＯ_２、ＬｉｘＮｉＯ_２、ＬｉｘＭｎＯ_４、ＬｉｘＮｉｙＭｎｚＣｏ（１−ｙ−ｚ）Ｏ_２等）であってもよい。

負極１２４は、金属箔と、金属箔の上に形成された負極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。本実施形態の金属箔は、例えば、銅箔である。

本実施形態における負極活物質は、炭素材である。具体的に、負極活物質は、黒鉛、易黒鉛化カーボン、難黒鉛化カーボン等の何れか一つであってもよい。

本実施形態の電極体１０２では、以上のように構成される正極１２３と負極１２４とがセパレータ１２５によって絶縁された状態で巻回される。即ち、本実施形態の電極体１０２では、正極１２３、負極１２４、及びセパレータ１２５が積層された状態で巻回される。セパレータ１２５は、絶縁性を有する部材である。セパレータ１２５は、正極１２３と負極１２４との間に配置される。これにより、電極体１０２において、正極１２３と負極１２４とが互いに絶縁される。また、セパレータ１２５は、ケース１０３内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子１００の充放電時において、リチウムイオンが、セパレータ１２５を挟んで交互に積層される正極１２３と負極１２４との間を移動する。

本実施形態では、大電流が流れる蓄電素子に適した、高出力タイプのセパレータ１２５が用いられるセパレータ１２５の透気度は、５０〜６００秒／ｃｃである。ハイブリッド車両に搭載される蓄電素子では、透気度が１００〜３００秒／１００ｃｃのセパレータ１２５が用いられる。

蓄電素子の劣化（出力低下）は、一過性の出力低下と恒久的な出力低下とを含む。一過性の出力低下（一過性の出力低下率）が大きくなると、該一過性の出力低下が、蓄電素子が無負荷状態になっても回復しない恒久的な出力低下に影響する。一過性の出力低下率とは、回復可能な出力低下であり、例えば、図８に示すように、蓄電素子に負荷が加わることで大きくなった出力低下率（図８のＡ点）と、この状態から所定時間、蓄電素子を無負荷状態とすることで回復した出力低下率（図８のＢ点）との差（図８における矢印φの長さ）に相当する。即ち、一過性の出力低下率は、充放電を伴う蓄電素子の使用時において、該蓄電素子の無負荷状態が所定時間続いたときに回復する該蓄電素子の出力低下率である。図８において、Ｂ点の位置における恒久的な出力低下率は、矢印ψの長さに相当する。
セパレータは、透気度が小さいほうが、高出力が得られ、一過性の出力低下は生じにくい傾向がある。

電極体１０２は、巻回タイプのものに限られない。電極体は、板状の正極と、セパレータと、板状の負極とが積層されたスタックタイプのものでもよい。

ケース１０３は、開口を有するケース本体１３１と、ケース本体１３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板１３２と、を有する。このケース１０３は、ケース本体１３１の開口周縁部１３６と、蓋板１３２の周縁部とを重ね合わせた状態で接合することによって形成される。このケース１０３は、ケース本体１３１と蓋板１３２とによって画定される内部空間を有する。そして、ケース１０３は、電極体１０２及び集電体１０５等と共に、電解液を内部空間に収容する。

ケース本体１３１は、矩形板状の閉塞部１３４と、閉塞部１３４の周縁に接続される角筒形状の胴部１３５とを備える。即ち、ケース本体１３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有している。

蓋板１３２は、ケース本体１３１の開口を塞ぐ板状の部材である。具体的に、蓋板１３２の輪郭は、ケース本体１３１の開口周縁部１３６に対応している。即ち、蓋板１３２は、矩形状の板材である。この蓋板１３２は、ケース本体１３１の開口を塞ぐように、蓋板１３２の周縁部がケース本体１３１の開口周縁部１３６に重ねられる。以下では、図１に示すように、蓋板１３２の長辺方向を直交座標におけるＸ軸方向とし、蓋板１３２の短辺方向を直交座標におけるＹ軸方向とし、蓋板１３２の法線方向を直交座標におけるＺ軸方向とする。

外部端子１０４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。外部端子１０４は、導電性を有する部材によって形成される。例えば、外部端子１０４は、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料、銅又は銅合金等の銅系金属材料等の溶接性の高い金属材料によって形成される。

集電体１０５は、ケース１０３内に配置され、電極体１０２と通電可能に直接又は間接に接続される。この集電体１０５は、導電性を有する部材によって形成され、ケース１０３の内面に沿って配置される。

蓄電素子１００は、電極体１０２とケース１０３とを絶縁する絶縁部材１０６等を備える。本実施形態の絶縁部材１０６は、袋状である。この絶縁部材１０６は、ケース１０３（詳しくはケース本体１３１）と電極体１０２との間に配置される。本実施形態の絶縁部材１０６は、例えば、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド等の樹脂によって形成される。本実施形態の蓄電素子１００では、袋状の絶縁部材１０６に収容された状態の電極体１０２（電極体１０２及び集電体１０５）がケース１０３内に収容される。

次に、蓄電素子１００を充電する充電装置について、図４〜図７も参照しつつ説明する。

充電装置は、図４に示すように、蓄電素子１００に対して充電する電流を調整する充電調整部（充電部）５を備える。この充電調整部５は、正極１２３と負極１２４との間で電荷の受け渡しを行う金属イオン（本実施形態では、リチウムイオン）が負極１２４において析出する析出電位より該負極１２４の電位が下がらないように、蓄電素子１００を充電するときの上限電圧（充電電圧の上限）を制御する。

具体的に、充電装置１は、測定部２と、測定部２による測定結果に基づいて蓄電素子１００の上限電圧を演算する演算部（充電電圧コントローラ）４と、演算部４による演算結果に基づいて蓄電素子１００に対して充電する電流を調整する充電調整部５と、を備える。また、充電装置１は、充電時の上限電圧についてのテーブル等のデータ（情報）が格納されている記憶部３等も備える。本実施形態の充電装置１は、複数の蓄電素子１００を充電する。即ち、充電装置１は、電池モジュール等の蓄電装置を構成する（蓄電装置が備える）複数の蓄電素子１００をそれぞれ充電できる。

測定部２は、蓄電素子１００の充電時間を測定する第一測定部２１と、蓄電素子１００の温度を測定する第二測定部２２と、蓄電素子１００に入力される電流（電流値）を測定する第三測定部２３と、蓄電素子１００の電圧（電圧値）を測定する第四測定部２４のうちの少なくとも一つを有する。本実施形態の測定部２は、四つの測定部（第一〜第四測定部）２１、２２、２３、２４を備えている。

具体的に、第一測定部２１は、蓄電素子１００の充電時において充電開始時からの経過時間（充電中の経過時間）を測定する。また、第二測定部２２は、複数の蓄電素子１００のそれぞれのケース１０３の一部（例えば、蓋板１３２、閉塞部１３４、胴部１３５の長側面又は短側面等）の温度を測定する。また、第三測定部２３は、複数の蓄電素子１００に入力される電流をそれぞれ測定する。第四測定部２４は、複数の蓄電素子１００の電圧をそれぞれ測定する。そして、第一測定部２１は、測定した充電時間を時間信号として記憶部３に送信する。第二測定部２２は、測定した温度を温度信号として記憶部３に送信する。第三測定部２３は、測定した電流（電流値）を電流信号として記憶部３に送信する。第四測定部２４は、測定した電圧（電圧値）を電圧信号として記憶部３に送信する。第二測定部２２は、複数の蓄電素子１００のうちの一部の蓄電素子１００の温度を測定する構成でもよい。

第四測定部２４は、測定したそれぞれの蓄電素子１００の電圧（電圧値）を電圧値信号として充電調整部５に送信する。第四測定部２４は、複数の蓄電素子１００全体の電圧を測定する構成でもよいし、複数の蓄電素子１００のそれぞれの電圧を測定する部分と、複数の蓄電素子１００全体の電圧を測定する部分とを別体とする構成でもよい。

記憶部３は、テーブル等のデータ（情報）が引き出し自在に格納されている第一領域３１と、各種データ（情報）が出し入れ自由に格納される（即ち、受信したデータを一時的に格納可能な）第二領域３２と、を有する。本実施形態の記憶部３は、ハードディスク、メモリ等である。

第一領域３１には、一つのテーブル３１１が格納されている。テーブル３１１は、例えば、蓄電素子１００の充電時間と、蓄電素子１００の温度と、蓄電素子１００の充電状態（ＳＯＣ）と、これらの各値に対応し且つ前記析出電位に基づいた上限電圧の値と、が関連付けられたデータである。ここで、上限電圧の値は、上述のように、金属イオン（本実施形態ではリチウムイオン）が負極１２４において析出する析出電位より該負極１２４の電位が下がらないように、蓄電素子１００を充電することができる電圧（充電電圧）の上限値である。

記憶部３は、演算部４と離れた位置に配置されてもよい。その場合、記憶部３と演算部４とは、有線または無線で通信してもよい。

演算部４は、中央処理装置（ＣＰＵ）と、所要の動作プログラムを記憶したメモリとを備えてもよい。

テーブル３１１は、例えば、図５又は図６に示すようなデータである。この図５におけるＶ_０、図６におけるＶ_０は、所定の上限電圧の値である。図５において、「Ｖ_０」と表記されているのは、上限電圧の値が１．００×Ｖ_０であることを意味しており、その単位は、ボルト（Ｖ）である。また、図５において、「０．９８Ｖ_０」と表記されているのは、上限電圧の値が０．９８×Ｖ_０であることを意味しており、その単位は、ボルト（Ｖ）である。図５及び図６からも分かるように、上限電圧の値（析出電位より負極１２４の電位が下がらないような充電電圧の上限値）は、充電時間、蓄電素子の温度、ＳＯＣに依存性を有する。具体的に、上限電圧の値は、充電時間が延びると下がり、蓄電素子１００の温度が上ると上がり、ＳＯＣが高くなると下がる。このようなテーブル（データ）３１１は、充電装置１の充電対象となる蓄電素子１００を用いた実験又はシミュレーション等によって得られた値（データ）等を用いて作成されたものであり、充電装置１の記憶部３（詳しくは、第一領域３１）に予め格納されている。

第二領域３２には、測定部２から送られてきた充電時間、温度、電流、及び電圧（詳しくは、充電開始時からの経過時間の経過時間データ、蓄電素子１００から測定された温度の温度データ、蓄電素子１００に入力されている電流の電流値データ、及び蓄電素子１００の電圧の電圧値データ等）が格納される。即ち、第二領域３２は、第二測定部２２、第三測定部２３、及び第四測定部２４から時間の経過に伴って逐次送られてくる温度、電流（電流値等）、及び電圧（電圧値等）についての情報を、第一測定部２１から送られてくる時間（充電開始時からの経過時間）と関連付けた状態で格納する。これにより、第二領域３２において、蓄電素子１００の温度履歴（温度の時間の推移に伴う変化等）、電流履歴（電流値の時間の推移に伴う変化等）、及び電圧履歴（電圧値が時間の推移に伴う変化等）が構成される。この第二領域３２からは、格納されている電流履歴及び温度履歴における任意の時間位置での温度、電流値、及び電圧値（詳しくは、温度についてのデータ、電流値についてのデータ、及び電圧値についてのデータ）を引き出すことができる。

演算部（充電電圧コントローラ）４は、第一測定部２１から得られる充電時間、第二測定部２２から得られる温度、第三測定部２３から得られる電流（電流値）、第四測定部２４から得られる電圧（電圧値）に基づく蓄電素子１００のＳＯＣに応じて上限電圧を求める（演算する）。充電調整部５は、演算部４での演算結果に基づいて蓄電素子１００に対する充電電圧を制御（即ち、充電電圧の上限値を調整）しつつ蓄電素子１００を充電する。

演算部４は、記憶部３に格納された電流信号（第三測定部２３からの電流信号）又は記憶部３に格納された電圧信号（第四測定部２４からの電圧信号）に基づき、電流又は電圧を検出した蓄電素子１００のＳＯＣを求める。具体的には、充電開始時からの測定部２（詳しくは、第三測定部２３）によって取得される電流値の積算による方法、又は、充電装置１の充電対象となる蓄電素子１００を用いた実験又はシミュレーション等によって、ＳＯＣと電圧との対応関係を事前に把握しておき、測定部２（詳しくは、第四測定部２４）によって取得される蓄電素子１００の電圧に基づく方法、によって蓄電素子１００のＳＯＣを求めることができる。そして、演算部４は、求められたＳＯＣと、記憶部３（第二領域３２）に格納されている充電時間及び温度と、から、記憶部３（第一領域３１）に格納されているテーブル３１１に基づき、蓄電素子１００に対する充電電圧の上限値（上限電圧の値）を求める。即ち、演算部４は、記憶部３に格納されているテーブル３１１を参照して、充電時間、温度、及びＳＯＣに対応する上限電圧の値を求める。

充電調整部５は、蓄電素子１００への充電電圧（蓄電素子１００が充電時に印加される電圧）を、演算部４で求められた上限電圧（上限電圧の値）を超えないように調整する。また、充電調整部５は、上限電圧を調整した後、調整後の上限電圧の値と、第四測定部２４からの電圧値信号によって取得した蓄電素子１００の電圧値と、を比較し、蓄電素子１００への充電を続けるか否かを判断する。

次に、充電装置１による蓄電素子１００への充電時の上限電圧の制御について、図７も参照しつつ説明する。

イグニッションオンによりハイブリッド車両が始動すると、該ハイブリッド車両に搭載されている充電装置１も作動し始める。この車両において、減速等の際に、蓄電素子１００の充電が開始される。

充電が開始されると、測定部２によって、充電時間、温度、電流、及び電圧の測定が開始される（ステップＳ１）。演算部４は、測定された電流又は電圧から蓄電素子１００のＳＯＣを求め（ステップＳ２）、求められたＳＯＣと記憶部３の第二領域３２に格納された充電時間及び温度とから、記憶部３の第一領域３１に格納されたテーブル３１１を参照することで上限電圧の値を求める（ステップＳ３）。そして、充電調整部５は、測定された電流が０より大きければ（ステップＳ４：Ｎｏ）、即ち、充電状態であれば、演算部４で求められた上限電圧（上限電圧の値）を超えないように、蓄電素子１００への充電電圧の上限値を調整する（ステップＳ５）。

一方、充電調整部５は、測定された電流が０以下であれば（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、即ち、放電状態であれば、当該フローを終了する。

続いて、充電調整部５は、測定部２（詳しくは、第四測定部２４）によって蓄電素子１００の電圧値Ｖ_ｒｅａｌを取得し（ステップＳ６）、この取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌと、前記調整後の上限電圧の値Ｖ_０と、を比較する。取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、調整後の上限電圧の値Ｖ_０以下であれば（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を許可する（ステップＳ８）。これにより、充電装置１による蓄電素子１００への充電が続けられる（即ち、ステップＳ１に戻る）。このとき、後述する充電不可フラグがたっていれば（ステップＳ９）、充電調整部５は、充電不可フラグを下ろす。

また、本実施形態の充電調整部５は、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが調整後の上限電圧の値Ｖ_０以下で、且つ、調整後の上限電圧の値Ｖ_０と取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌとの差が所定値以内の場合には、さらに、電流値等を制御することによって、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが調整後の上限電圧の値Ｖ_０に近づき難いようにする。

一方、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、調整後の上限電圧の値Ｖ_０より大きいときには（ステップＳ７：Ｎｏ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を不可とし、充電不可フラグをたてる（ステップＳ９）。この充電不可フラグがたつと、充電装置１による蓄電素子１００への充電が停止する。そして、充電フラグがたっている間は、充電装置１による蓄電素子１００への充電が禁止される。

尚、以上のフローをフィードバック制御によって行ってもよく、フィードバック制御によって充電電圧を制御することが好ましい。

以上の充電装置１及び充電方法によれば、負極１２４の電位が析出電位より下がらないように蓄電素子１００が充電されるため、負極１２４における金属イオン（本実施形態ではリチウムイオン）の析出を抑えつつ上限電圧を高くする（前記析出が生じない充電電圧の範囲の上限値付近まで上げる）ことができる。これにより、蓄電素子１００の劣化を抑えつつ蓄電素子１００における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

本実施形態の充電装置１及び充電方法では、測定の容易な充電時間、蓄電素子１００の温度、充放電時の電流、及び蓄電素子１００の電圧を測定することによって上限電圧を制御することができる。これにより、容易に、蓄電素子１００の劣化を抑えつつ蓄電素子１００における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

本実施形態の充電装置１及び充電方法では、充電時間、蓄電素子１００の温度、及びＳＯＣと、これらに対応し且つ析出電位に基づいた上限電圧の値と、を関連づけたデータ３１１が予め記憶部３に格納されている。このため、充電時間、蓄電素子１００の温度、及びＳＯＣが得られれば、データ３１１を参照するだけで負極１２４の電位が析出電位よりも低くならないような上限電圧が容易に得られる。その結果、より容易に、蓄電素子１００の劣化を抑えつつ蓄電素子１００における回生電力受け入れ性能を確保することができる。

尚、本発明の蓄電素子の充電装置及び充電方法は、上記実施形態に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変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

上記実施形態の充電装置１及び充電方法は、ハイブリッド車両において用いられているが、この構成に限定されない。他の機械、装置等において用いられてもよい。また、充電装置単体で用いられてもよい。

上記実施形態の充電装置１及び充電方法では、上限電圧の値を求めるときに、充電時間、蓄電素子１００の温度、及びＳＯＣの全てを用いているが、この構成に限定されない。上限電圧の値は、充電時間、蓄電素子１００の温度、及びＳＯＣのそれぞれに依存性があるため、これら充電時間、蓄電素子１００の温度、及びＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて求められればよい。蓄電素子の一過性の出力低下率（図８参照）も考慮して、上限電圧の値を求めてもよい。一過性の出力低下率が大きいときは、充電上限電圧を下げる制御を行うことが好ましい。この一過性の出力低下率が用いられる場合、例えば、図９に示すフローに従って、充電装置１による蓄電素子１００への充電時の上限電圧の制御が行われてもよい。この図９に示す制御では、演算部４によってＳＯＣが算出されると（ステップＳ２）、該演算部４は、測定された電流又は電圧から蓄電素子１００の一過性の出力低下率をさらに算出し（ステップＳ１０）、算出された一過性の出力低下率が５％以下の場合には（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、記憶部３に格納されている通常のテーブル３１１を参照することにより、上限電圧の値を求める（ステップＳ１２）。一方、演算部４によって算出された一過性の出力低下率が５％より大きい場合には（ステップＳ１１：Ｎｏ）、演算部４は、記憶部３に格納されている一過性の出力低下率が考慮されたテーブル（即ち、通常のテーブル３１１と異なるテーブル）を参照することにより、上限電圧の値を求める（ステップＳ１３）。以下のステップは、図７に示す制御と同じである。

また、蓄電素子１００の充電装置及び充電方法において、図１０及び図１１に示す制御が行われてもよい。これらの制御では、取得された電圧値が上限電圧Ｖ_０に近づくと、充電を許可しているが、充電電流が制限される。具体的には、以下の通りである。

先ず、一過性の出力低下率を用いない場合（図１０参照）について説明する。

ステップＳ６までは、図７に示す制御と同じである。続いて、充電調整部５は、測定部２によって蓄電素子１００の電圧値Ｖ_ｒｅａｌを取得すると（ステップＳ６）、この取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌと、調整後の上限電圧の値Ｖ_０に所定の係数α（１未満の係数：図１０に示す例では、α＝０．９５）を掛けた閾値αＶ_０と、を比較する。取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、閾値αＶ_０以下であれば（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を許可する（ステップＳ８）。これにより、充電装置１による蓄電素子１００への充電が続けられる（即ち、ステップＳ１に戻る）。このとき、後述する充電不可フラグがたっていれば（ステップＳ９）、充電調整部５は、充電不可フラグを下ろす。

取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、閾値αＶ_０より大きいときには（ステップＳ１５：Ｎｏ）、充電調整部５は、続けて、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌと、調整後の上限電圧の値Ｖ_０と、を比較する。取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、調整後の上限電圧の値Ｖ_０以下であれば（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を許可するが、蓄電素子１００に供給される電流（充電電流）の値を制限する（ステップＳ１６）。一方、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、調整後の上限電圧の値Ｖ_０より大きいときには（ステップＳ７：Ｎｏ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を不可とし、充電不可フラグをたてる（ステップＳ９）。

次に、一過性の出力低下率を用いた場合（図１１参照）について説明する。

ステップＳ６までは、図９に示す制御と同じである。充電調整部５は、測定部２によって蓄電素子１００の電圧値Ｖ_ｒｅａｌを取得すると（ステップＳ６）、この取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌと、調整後の上限電圧の値Ｖ_０に所定の係数α（１未満の係数：図１１に示す例では、α＝０．９５）を掛けた閾値αＶ_０と、を比較する。取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、閾値αＶ_０以下であれば（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を許可する（ステップＳ８）。これにより、充電装置１による蓄電素子１００への充電が続けられる（即ち、ステップＳ１に戻る）。このとき、後述する充電不可フラグがたっていれば（ステップＳ９）、充電調整部５は、充電不可フラグを下ろす。

取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、閾値αＶ_０より大きいときには（ステップＳ１５：Ｎｏ）、充電調整部５は、続けて、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌと、調整後の上限電圧の値Ｖ_０と、を比較する。取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、調整後の上限電圧の値Ｖ_０以下であれば（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を許可するが、蓄電素子１００に供給される電流（充電電流）の値を制限する（ステップＳ１６）。一方、取得した電圧値Ｖ_ｒｅａｌが、調整後の上限電圧の値Ｖ_０より大きいときには（ステップＳ７：Ｎｏ）、充電調整部５は、蓄電素子１００への充電を不可とし、充電不可フラグをたてる（ステップＳ９）。

図１２は、他の実施形態に係る電池モジュール（蓄電装置）のブロック図である。電池モジュール２０は、直列接続された複数個の非水電解質蓄電素子３０と、これら蓄電素子３０を管理するバッテリマネージャ５０、及び蓄電素子３０に流れる電流を検出する電流センサ４０と、を有してもよい。この電池モジュールは、充電器１０によって充電され、車両駆動用のモータ等を駆動するインバータ（負荷１０）に直流電力を供給する。蓄電素子３０は、例えばグラファイト系材料の負極活物質と、ＬｉＦｅＰＯ_４などのリン酸鉄系の正極活物質を使用したリチウムイオン電池であってもよい。

バッテリマネージャ５０は、制御部６０と、電圧計測部７０と、電流計測部８０とを備える。制御部６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）６１と、メモリ６３とを含む。メモリ６３には、バッテリマネージャ５０の動作（図７、図９に示した動作）を制御するための各種のプログラムが記憶される。バッテリマネージャ５０は、一または複数の基板に各種デバイスを実装することで構成されてもよい。

電圧計測部７０は、電圧検知線を介して蓄電素子３０の両端にそれぞれ接続され、各蓄電素子３０の電圧Ｖ［Ｖ］を所定期間毎に計測する。電流計測部８０は、電流センサ４０を介して蓄電素子３０に流れる電流を計測する。

電池モジュール２０は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の電動車両駆動用の電池モジュールであってもよい。オルタネータにより、短時間かつ大電流で充電が行われてもよい（例えば、５ＣＡ〜１０ＣＡ、１０〜３０秒）。

電池モジュール２０は、単一の容器の中に、蓄電素子３０、電流センサ４０、バッテリマネージャ５０、を収納した電池パックとして構成されてもよい。電池パックは、車両、電車、船舶、航空機等の移動体に搭載される、エンジン始動に用いられる１２Ｖ電源であってもよい。電池パックが車両に搭載される場合、車両駆動アシストや補機への電源供給を行うことが好ましい。

電池モジュール２０または電池パックは、車両駆動アシストや補機への電源供給を行う４８Ｖ電源であってもよい。

電池モジュール２０または電池パックが、車両駆動アシストと補機への電源供給を行う場合、具体的な使用形態の例は次のとおりである。

車両駆動アシストに関する電池モジュール２０または電池パック使用形態の例は、ＥＶ走行、低速ＥＶ走行（駐車時、渋滞時）、エンジン始動、アイドリングストップからのエンジン再始動、減速時回生、電動ブースト（モーターアシスト）、電動ターボチャージャー、を含む。

補機への電源供給に関する電池モジュール２０または電池パック使用形態の例は、エアコンへの電源供給、電動スタビライザーへの電源供給、デフォッガーへの電源供給、運転支援システムや自動運転のための電源供給、を含む。

図１２の例では、蓄電素子３０を収納する容器の中に、制御部６０が配置されているが、本発明はこの例に限定されない。制御部は、蓄電素子とは離れた場所に配置されてもよい。例えば、車両に備えられた制御部が、充電電圧コントローラとしての機能を担ってもよい。

図１３に、車両に、オルタネータＡＬＴと、スタータモータＳＴと、１２Ｖ電源としての鉛蓄電池（補助蓄電素子または補助蓄電装置）と、１２Ｖ電源または４８Ｖ電源としてのリチウムイオン電池ＬＩＢ（蓄電素子または蓄電装置）とが搭載されている例を示す。鉛蓄電池の充電状態が低い場合、リチウムイオン電池ＬＩＢよりも鉛蓄電池を優先して充電してもよい。補助蓄電素子（または補助蓄電装置）は、鉛蓄電池に限定されず、他の電池であってもよいし、キャパシターであってもよい。冗長化のために、補助蓄電素子は、リチウムイオン電池以外の蓄電素子であることが好ましい。

Claims (9)

1. 正極と負極とを含む電極体を有する充放電可能な蓄電素子において、
   前記正極と前記負極との間で電荷の受け渡しを行う金属イオンが前記負極で析出する析出電位より該負極の電位が下がらないように、
   前記蓄電素子の充電時間、前記蓄電素子に入力される電流、前記蓄電素子の温度、前記蓄電素子の充電状態、のうちの少なくとも一つに基づくと共に、前記蓄電素子の一過性の出力低下率に更に基づいて、前記蓄電素子を充電する上限電圧を制御する、蓄電素子の充電電圧コントローラ。
2. 蓄電素子と、
   請求項１に記載の蓄電素子の充電電圧コントローラと、を備える蓄電装置。
3. 前記充電時間、前記温度、及び前記充電状態の少なくとも一つと、これに対応し且つ前記析出電位に基づいた上限電圧の値と、を関連付けたデータを格納する記憶部を更に備え、
   前記蓄電素子の充電電圧コントローラは、前記記憶部の前記データに基づいて、前記上限電圧を制御する、請求項２に記載の蓄電装置。
4. 正極と負極とを含む電極体を有する充放電可能な蓄電素子に対して充電する充電部と、
   請求項１に記載の蓄電素子の充電電圧コントローラと、を備え、
   前記蓄電素子の充電電圧コントローラは、前記充電部を制御することにより、前記蓄電素子を充電するときの上限電圧を制御する、蓄電素子の充電装置。
5. 前記蓄電素子の充電時間を測定する第一測定部、前記蓄電素子の温度を測定する第二測定部、前記蓄電素子に入力される電流を測定する第三測定部、及び前記蓄電素子の電圧を測定する第四測定部のうちの少なくとも一つの測定部を備え、
   前記蓄電素子の充電電圧コントローラは、前記充電時間、前記温度、及び、前記電流又は前記電圧に基づく前記蓄電素子の充電状態、のうちの少なくとも一つに応じて、前記上限電圧を制御するよう前記充電部を制御する、請求項４に記載の蓄電素子の充電装置。
6. 前記充電時間、前記温度、及び前記充電状態の少なくとも一つと、これに対応し且つ前記析出電位に基づいた上限電圧の値と、を関連付けたデータを格納する記憶部を備え、
   前記蓄電素子の充電電圧コントローラは、前記記憶部の前記データにおいて前記第一〜第四測定部のうちの少なくとも一つの測定部によって測定された値と対応する上限電圧の値となるように、前記上限電圧を調整すべく前記充電部を制御する、請求項５に記載の蓄電素子の充電装置。
7. 前記データでは、前記充電時間が延びると前記上限電圧の値が下がり、前記温度が上ると前記上限電圧の値が上がり、前記充電状態が高くなると前記上限電圧の値が下がる、請求項６に記載の蓄電素子の充電装置。
8. 正極と負極とを含む電極体を有し且つ充放電可能な蓄電素子に対し、前記正極と前記負極との間で電荷の受け渡しを行う金属イオンが前記負極において析出する析出電位より該負極の電位が下がらないように、
   前記蓄電素子の充電時間、前記蓄電素子に入力される電流、前記蓄電素子の温度、前記蓄電素子の充電状態、のうちの少なくとも一つに基づくと共に、前記蓄電素子の一過性の出力低下率に更に基づいて、
   上限電圧を制御しつつ充電すること、を備える、蓄電素子の充電方法。
9. 補助蓄電素子の充電状態が低い場合、前記蓄電素子よりも前記補助蓄電素子を優先して充電すること、を更に備える、請求項８に記載の蓄電素子の充電方法。

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