JPWO2010079595A1 - 非水電解液型二次電池システム及び車両 - Google Patents
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Abstract
Description
Cc=|∫[I(t)−Ic(t)]dt|
積分区間はI(t)≧Ic(t)となる時間t
Ic(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用い,放電履歴値Cdとして,次式
Cd=|∫[I(t)−Id(t)]dt|
積分区間はI(t)≦Id(t)となる時間t
Ic(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用いるとよい。ハイレート充電及びハイレート放電がどの程度行われたかを数値的に評価できるからである。
Cc=|∫I(t)dt|
積分区間はI(t)≧Ic(t)となる時間t
Ic(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用い,放電履歴値Cdとして,次式
Cd=|∫I(t)dt|
積分区間はI(t)≦Id(t)となる時間t
Id(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用いてもよい。ハイレート充電及びハイレート放電がどの程度行われたかを数値的に評価できることに変わりないからである。
Cc=Ic・Tc
Tcは,I(t)≧Icであった時間
で表される値を用い,放電履歴値Cdとして,次式
Cd=Id・Td
Tdは,I(t)≦Idであった時間
で表される値を用いてもよい。ハイレート充電及びハイレート放電がどの程度行われたかを数値的に評価できることに変わりないからである。
Cc=Imax・Tc
Tcは,I(t)≧Icであった時間
で表される値を用い,放電履歴値Cdとして,次式
Cd=Imin・Td
Tdは,I(t)≦Idであった時間
で表される値を用いてもよい。ハイレート充電及びハイレート放電がどの程度行われたかを数値的に評価できることに変わりないからである。
10…ハイブリッドシステム
20…エンジン
30…モータ
40…発電機
50…バッテリ
60…動力分割機構
70…インバータ
100…バッテリシステム
151…バッテリ制御部
152…電圧測定部
153…電流測定部
154…温度測定部
155…メモリ
200…パワーコントロールユニット(PCU)
(全体の概略構成)
本形態におけるハイブリッド車両1の概略構成を図1に示す。本形態のハリブリッド車両1におけるハイブリッドシステム10は,エンジン20及びモータ30から出力される動力を,動力分割機構60を介してタイヤ2に供給してハイブリッド車両1を駆動させるものである。ハイブリッドシステム10は,エンジン20と,モータ30と,発電機40と,バッテリ50と,動力分割機構60と,パワーコントロールユニット(PCU)200とを有している。
ここで,本形態のバッテリシステム100について図2により説明する。図2は,図1に示したハイブリッドシステム10のうち,バッテリ50と,PCU200とを抜き出して描いたものである。バッテリシステム100は,バッテリ50とPCU200とを有する非水電解液型リチウムイオン二次電池システムである。よって,バッテリシステム100は,ハイブリッドシステム10及びハイブリッド車両1の一部を構成するものである。
ここで,ハイブリッド車両1及びハイブリッドシステム10の基本的な動作モードについて説明する。ハイブリッド車両1は,エンジン20及びモータ30の2種類の動力源を備えたハイブリッドシステム10により走行するものである。ハイブリッドシステム10による駆動方式には,エンジン20のみを駆動源として用いる走行と,モータ30のみを駆動源として用いる走行と,エンジン20及びモータ30を駆動源とする走行とがある。バッテリ50の充電状態,放電状態を考慮するとさらに多くの走行モードに細分される。これらの走行モードを使い分けることにより,高いエネルギー効率で燃費の低いハイブリッド車両1が実現されているのである。よって,以下に代表的な走行モードについて説明する。
本形態のバッテリシステム100における電流制限方法について説明する。本形態のバッテリシステム100は,ハイレート充放電での使用による塩濃度分布の偏りを回避するために充電時または放電時の電流に制限を設けるものである。バッテリシステム100の制御においては,次に説明する充電履歴値Ccと,放電履歴値Cdとを比較して,その違いが予め定められた程度より大きい場合に電流制限を行うのである。
電流I(t)が正のときには充電が行われる。そして負のときには放電が行われる。このため,電流I(t)を充電電流I(t)と放電電流I(t)とに分けることができる。すなわち,充電電流I(t)は,電流I(t)が正である期間を指すものである。放電電流I(t)は,電流I(t)が負である期間を指すものである。
Cc=|∫[I(t)−Ic]dt| ………(1)
積分区間はI(t)≧Icとなる時間
である。よって,充電履歴値Ccは,図4においてドットでハッチングした領域の積分値の和である。図4は,図3に示した充放電の波形を簡略化して描いたものである。
Cd=|∫[I(t)−Id]dt| ………(2)
積分区間はI(t)≦Idとなる時間
である。放電履歴値Cdは,図4においてスラッシュでハッチングした領域の積分値の和である。
また,充電履歴値Ccとして,充電電流I(t)が充電閾値電流Icを超えていた時間における電流I(t)そのものの時間積分であってもよい。放電履歴値Cdについても,放電電流I(t)が放電閾値電流Idを超えていた時間における電流I(t)そのものの積分値であってもよい。このとき,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdは,次式に示す値
Cc=|∫I(t)dt| ………(3)
積分区間はI(t)≧Icとなる時間
Cd=|∫I(t)dt| ………(4)
積分区間はI(t)≦Idとなる時間
である。
そして,充電履歴値Ccとして,充電電流I(t)が充電閾値電流Icを超えていた時間Tcそのものを採用してもよい。放電履歴値Cdについても,放電電流I(t)が放電閾値電流Idを超えていた時間Tdを採用することができる。このとき,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdは,次式に示す値
Cc=Tc=∫dt ………(5)
積分区間はI(t)≧Icとなる時間
Cd=Td=∫dt ………(6)
積分区間はI(t)≦Idとなる時間
である。
さらに,充電履歴値Ccとして,充電電流I(t)が充電閾値電流Icを超えていた時間Tcに,充電閾値電流Icの値を乗じたものを採用してもよい。放電履歴値Cdについても,放電電流I(t)が放電閾値電流Idを超えていた時間Tdに,放電閾値電流Idの値を乗じたものを採用することができる。このとき,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdは,次式に示す値
Cc=|Ic|・Tc ………(7)
Cd=|Id|・Td ………(8)
である。
また,充電履歴値Ccとして,充電電流I(t)が充電閾値電流Icを超えていた時間Tcに,計測時間内の最大電流値Imaxの値を乗じたものを採用してもよい。放電履歴値Cdについても,放電電流I(t)が放電閾値電流Idを超えていた時間Tdに,計測時間内の最小電流値Iminの値を乗じたものを採用することができる。このとき,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdは,次式に示す値
Cc=|Imax|・Tc ………(9)
Imax:計測時間内の最大電流値
Cd=|Imin|・Td ………(10)
Imin:計測時間内の最小電流値
である。
Ir(t)=I(t)・δ
δ<1
Ir(t):電流制限を施された電流
I(t):電流制限を施される前の電流
δ:係数
と表される。つまり,電流制限部は,電流制限を行わなかったとした場合の電流値に,予め定めた1より小さい係数を乗じた値の電流を流すのである。
Ir(t)=[I(t)−Icut]・δ+Icut
δ<1
Ir(t):電流制限を施された電流
I(t):電流制限を施される前の電流
Icut:制限閾値電流
δ:係数
の電流制限を施された電流Ir(t)を流すことにより電流制限を行うのである。
第2の形態について説明する。本形態に係るハイブリッド車両1,ハイブリッドシステム10,PCU200及びバッテリシステム100の機械的構成は,第1の形態と同様である。第1の形態と異なる点は,電流制限方法である。第1の形態では,充電電流または放電電流のどちらかに必ず電流制限を行うようになっていた。しかし,充電履歴値Ccと放電履歴値Cdとの差が小さければ,電流制限を行う必要のない場合もある。よって,本形態では,充電履歴値Ccと放電履歴値Cdとの差が小さければ,充電電流,放電電流のいずれにも電流制限を行わない。
Cc/Cd > α
充電側の電流制限を行う(S207)。そうでない場合(S205:No),S206へ進む。次に,放電履歴値Cdの充電履歴値Ccに対する比が,基準値αよりも大きい場合(S206:Yes),
Cd/Cc > α
放電側の電流制限を行う(S208)。そうでない場合(S206:No),電流制限は行わない(S209)。ここで行う電流制限は,第1の形態と同様である。以上を一定期間毎に,繰り返すのである。
Cc ≧ Cd+β
充電側の電流制限を行う(S207)ようにしてもよい。放電履歴値Cdが,充電履歴値Ccと予め定めた基準値βとの和以上の値である場合(S206:Yes),
Cd ≧ Cc+β
放電側の電流制限を行う(S208)ようにしてもよい。ここでβは,正の数である。また,基準値α及びβの値は,S205とS206とで共通とした。しかし,S205とS206とで別の値を用いてもよい。
第3の形態について説明する。本形態に係るハイブリッド車両1,ハイブリッドシステム10,PCU200及びバッテリシステム100の機械的構成は,第1の形態と同様である。第1の形態と異なる点は,電流制限方法である。第1の形態では,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdを用いて電流制限を行った。本形態では,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdに加えて,累積充電履歴値SCc及び累積放電履歴値SCdを用いて電流制限を行うのである。
SCc=ΣCc
SCd=ΣCd
で表される。ここで,和はハイブリッド車両1が生産された後,現在(計測時)に至るまでの期間について行われる。
Cc/Cd > α
充電側の電流制限を行う(S310)。そうでない場合(S305:No),S306へ進む。ここで,αは1以上の値である。次に,放電履歴値Cdの充電履歴値Ccに対する比が,基準値αよりも大きい場合(S306:Yes),
Cd/Cc > α
放電側の電流制限を行う(S311)。そうでない場合(S306:No),S307へ進む。
SCc=ΣCc
SCd=ΣCd
和は,製造時からS304までの期間について行われる
により表されるものである。なお,前述の式における和は,製造時からS304までの期間について行われることとした。しかし,バッテリ50の交換時等に累積充電履歴値SCc及び累積放電履歴値SCdの値をリセットするようにしても構わない。
SCc/SCd > γ
であった場合(S307:Yes),充電側の電流制限を行う(S310)。そうでない場合(S307:No),S308に進む。ここでγは1以上の数である。
SCd/SCc > γ
であった場合(S308:Yes),放電側の電流制限を行う(S311)。そうでない場合(S308:No),S309に進む。S309では,充電側も放電側も電流制限を行わない。ここで行う電流制限は,第1の形態と同様である。以上を一定期間毎に,繰り返すのである。
Cc ≧ Cd+β
充電側の電流制限を行う(S310)ようにしてもよい。放電履歴値Cdが,充電履歴値Ccと予め定めた基準値βとの和以上の値である場合,
Cd ≧ Cc+β
放電側の電流制限を行う(S311)ようにしてもよい。累積充電履歴値SCc及び累積放電履歴値SCdについても同様である。βは正の数である。
第4の形態について説明する。本形態に係るハイブリッド車両1,ハイブリッドシステム10,PCU200及びバッテリシステム100の機械的構成は,第1の形態と同様である。第1の形態と異なる点は,充電閾値電流Ic及び放電閾値電流Idとして,種々の環境において異なる値を用いることである。種々の環境とは,電池セルの温度やSOC(State of Charge)である。電解液中の塩濃度の分布を変化させるような電流値は,SOCや電池セルの温度によっても変化するからである。
本発明においては,電池セルの電解液中の塩濃度が不均一な分布となることを防止しつつ充放電を行うことが重要である。よって,充電閾値電流Ic及び放電閾値電流Idは,電解液中の塩濃度の分布の変化と,より密接な関連性を有しているほうが好ましい。そこで,まず電流の大きさと電解液中の塩濃度分布との関連性について説明する。
r2∝D・t
vD≒(dr/dt)∝(D/t)1/2
r:粒子の存在する半径
D:拡散係数
t:時刻
vD:拡散速度
により表される。すなわち,拡散速度は時間tの平方根√tに反比例する。よって,電池セルの電圧を時間tの代わりに,時間tの平方根√tで評価している。
第5の形態について説明する。本形態に係るハイブリッド車両1,ハイブリッドシステム10,PCU200及びバッテリシステム100の機械的構成は,第1の形態と同様である。第1の形態と異なる点は,メモリ155が,充電履歴値Cc及び放電履歴値Cdの値に対応した電解液中の塩濃度分布推定マップを格納している点である。
Rcd=Cc/Cd
を用いる。そして,比Rcdと電解液中の塩濃度分布のモデルとを対応付けることにより,電解液中の塩濃度を推定するのである。
Rcd=Cc/Cd
を計算する。次に,メモリ155に格納された比Rcdと塩濃度分布とを対応させた1次元テーブルから塩濃度分布を読み出す。これにより,塩濃度分布の推定がなされる。そして,推定した塩濃度分布をメモリ155に書き込む。これにより,その時点での推定された塩濃度分布が記憶される。この推定された塩濃度分布によりバッテリ50の耐久寿命の到来を判断することができる。
Claims (19)
- 非水電解液型二次電池と,
前記非水電解液型二次電池を制御する制御部とを有する非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記制御部は,
予め定めた期間毎に,
予め定めた充電閾値電流Icを超える電流での充電の履歴を示す充電履歴値Ccと,
予め定めた放電閾値電流Idを超える電流での放電の履歴を示す放電履歴値Cdとを計算する充放電履歴値計算部と,
前記充電履歴値Ccと前記放電履歴値Cdとの違いが予め定められた程度より大きい場合に,その後において充電電流または放電電流を制限する電流制限部とを有し,
前記電流制限部は,
前記充電履歴値Ccが前記放電履歴値Cdより大きい場合に,充電電流を制限し,
前記充電履歴値Ccが前記放電履歴値Cdより小さい場合に,放電電流を制限することを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項に記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記非水電解液型二次電池が非水電解液型リチウムイオン二次電池であることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項または第2項に記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,
前記充電履歴値Ccの値が,前記放電履歴値Cdに予め定めた正の基準値を加えた値以上の場合に,充電電流を制限し,
前記放電履歴値Cdの値が,前記充電履歴値Ccに予め定めた正の基準値を加えた値以上の場合に,放電電流を制限することを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項または第2項に記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,
前記充電履歴値Ccの前記放電履歴値Cdに対する比が,予め定めた1以上の数である第1の基準値より大きい場合に,充電電流を制限し,
前記放電履歴値Cdの前記充電履歴値Ccに対する比が,予め定めた1以上の数である第2の基準値より大きい場合に,放電電流を制限することを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第4項に記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,
前記充電履歴値Ccの前記放電履歴値Cdに対する比が,前記第1の基準値以下であり,
かつ,
前記放電履歴値Cdの前記充電履歴値Ccに対する比が,前記第2の基準値以下である場合に,
電流制限を行わないことを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第5項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電履歴値Ccとして,次式
Cc=|∫[I(t)−Ic(t)]dt|
積分区間はI(t)≧Ic(t)となる時間t
Ic(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用い,
前記放電履歴値Cdとして,次式
Cd=|∫[I(t)−Id(t)]dt|
積分区間はI(t)≦Id(t)となる時間t
Ic(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第5項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電履歴値Ccとして,次式
Cc=|∫I(t)dt|
積分区間はI(t)≧Ic(t)となる時間t
Ic(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用い,
前記放電履歴値Cdとして,次式
Cd=|∫I(t)dt|
積分区間はI(t)≦Id(t)となる時間t
Id(t)は予め定めた閾値電流
で表される値を用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第5項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電履歴値Ccとして,次式
Cc=Ic・Tc
Tcは,I(t)≧Icであった時間
で表される値を用い,
前記放電履歴値Cdとして,次式
Cd=Id・Td
Tdは,I(t)≦Idであった時間
で表される値を用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第5項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電履歴値Ccとして,次式
Cc=Imax・Tc
Tcは,I(t)≧Icであった時間
で表される値を用い,
前記放電履歴値Cdとして,次式
Cd=Imin・Td
Tdは,I(t)≦Idであった時間
で表される値を用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第5項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電履歴値Ccとして,I(t)≧Icであった時間Tcを用い,
前記放電履歴値Cdとして,I(t)≦Idであった時間Tdを用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第6項から第10項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電履歴値Ccとして,
前回以前に計算した充電履歴値Ccの総和に,今回計算した充電履歴値Ccを加えた累積充電履歴値SCcを用い,
前記放電履歴値Cdとして,
前回以前に計算した放電履歴値Cdの総和に,今回計算した放電履歴値Cdを加えた累積放電履歴値SCdを用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第11項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,電流制限を行わなかったとした場合の電流値が,予め定めた制限値を超える場合に,その電流値に替えて当該制限値の電流を流すことを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第11項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,電流制限を行わなかったとした場合の電流値に,予め定めた1より小さい係数を乗じた値の電流を流すことを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第11項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,電流制限を行わなかったとした場合の電流値が,予め定めた制限値を超える場合に,その電流値に替えて,その電流値のうち当該制限値を超える分に予め定めた1より小さい係数を掛けた値と,当該制限値との和に相当する電流を流すことを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第14項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記電流制限部は,
充電電流を制限する場合に,
次回の計測に用いる前記放電閾値電流Idの値の大きさをそれ以前の値より大きく設定し,
放電電流を制限する場合に,
次回の計測に用いる前記充電閾値電流Icの値の大きさをそれ以前の値より大きく設定することを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - 請求の範囲第1項から第14項までのいずれかに記載の非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記充放電履歴値計算部は,
前記充電閾値電流Icとして,
SOC(State of Charge)の値が大きくなるほど絶対値として小さい値を,SOCの値が小さくなるほど絶対値として大きい値を,
電池温度が高くなるほど絶対値として大きい値を,電池温度が低くなるほど絶対値として小さい値を用い,
前記放電閾値電流Idとして,
SOCの値が大きくなるほど絶対値として大きい値を,SOCの値が小さくなるほど絶対値として小さい値を,
電池温度が高くなるほど絶対値として大きい値を,電池温度が低くなるほど絶対値として小さい値を用いることを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - モータと,
非水電解液型二次電池と,
前記非水電解液型二次電池を制御する制御部とを有する車両において,
前記制御部は,
予め定めた期間毎に,
予め定めた充電閾値電流Icを超える電流での充電の履歴を示す充電履歴値Ccと,
予め定めた放電閾値電流Idを超える電流での放電の履歴を示す放電履歴値Cdとを計算する充放電履歴値計算部と,
前記充電履歴値Ccと前記放電履歴値Cdとの違いが予め定められた程度より大きい場合に,その後において充電電流または放電電流を制限する電流制限部とを有し,
前記電流制限部は,
前記充電履歴値Ccが前記放電履歴値Cdより大きい場合に,充電電流を制限し,
前記充電履歴値Ccが前記放電履歴値Cdより小さい場合に,放電電流を制限することを特徴とする車両。 - 非水電解液型二次電池と,
前記非水電解液型二次電池を制御する制御部とを有する非水電解液型二次電池システムにおいて,
前記制御部は,
予め定めた期間毎に,
予め定めた充電閾値電流Icを超える電流での充電の履歴を示す充電履歴値Ccと,
予め定めた放電閾値電流Idを超える電流での放電の履歴を示す放電履歴値Cdとを計算する充放電履歴値計算部と,
前記充電履歴値Ccと,前記放電履歴値Cdとから前記非水電解液型二次電池の電解液中の塩濃度の分布を推定する塩濃度推定部を有することを特徴とする非水電解液型二次電池システム。 - モータと,
非水電解液型二次電池と,
前記非水電解液型二次電池を制御する制御部とを有する車両において,
前記制御部は,
予め定めた期間毎に,
予め定めた充電閾値電流Icを超える電流での充電の履歴を示す充電履歴値Ccと,
予め定めた放電閾値電流Idを超える電流での放電の履歴を示す放電履歴値Cdとを計算する充放電履歴値計算部と,
前記充電履歴値Ccと,前記放電履歴値Cdとから前記非水電解液型二次電池の電解液中の塩濃度の分布を推定する塩濃度推定部を有することを特徴とする車両。
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