特許 5835341 リチウムイオン二次電池の制御装置および制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5835341

(24)【登録日】2015年11月13日

(45)【発行日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】リチウムイオン二次電池の制御装置および制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20151203BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20151203BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/48 301

   H01M10/48 A

   H01M10/44 101

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-539413(P2013-539413)

(86)(22)【出願日】2011年10月20日

(86)【国際出願番号】JP2011005882

(87)【国際公開番号】WO2013057765

(87)【国際公開日】20130425

【審査請求日】2014年4月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(72)【発明者】

【氏名】高橋 賢司

【審査官】 横田 有光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２７３４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４０７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１２５２１３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００− ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４− ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウムイオン二次電池の充放電を制御する制御装置であって、
前記リチウムイオン二次電池の温度を取得する温度センサと、
前記リチウムイオン二次電池の充放電を制御して、前記温度センサを用いて取得した温度を、前記リチウムイオン二次電池で許容される上限温度よりも低い状態に維持するコントローラと、を有し、
前記コントローラは、前記リチウムイオン二次電池の劣化を特定するための劣化パラメータを用いて、前記リチウムイオン二次電池の劣化の一部を、リチウムの析出による劣化として特定することにより、前記リチウムイオン二次電池におけるリチウムの析出量を推定し、前記析出量の増加に応じて前記上限温度を低下させることを特徴とする制御装置。

【請求項2】

前記コントローラは、前記析出量および前記上限温度の対応関係を示す情報を用いて、推定した前記析出量に対応する前記上限温度を特定することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記コントローラは、前記上限温度に応じて、前記リチウムイオン二次電池の充放電を許容する上限電力を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記コントローラは、前記上限電力よりも低い電力において、前記リチウムイオン二次電池の充放電を行うことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。

【請求項5】

前記リチウムイオン二次電池の耐熱温度は、前記析出量が増加することに応じて低下することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の制御装置。

【請求項6】

前記リチウムイオン二次電池の劣化は、摩耗による劣化およびリチウムの析出による劣化を含んでおり、
前記コントローラは、前記リチウムイオン二次電池の劣化から摩耗による劣化を除いて、リチウムの析出による劣化を特定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の制御装置。

【請求項7】

前記リチウムイオン二次電池の劣化は、摩耗による劣化およびリチウムの析出による劣化を併せた劣化であり、
前記コントローラは、前記リチウムイオン二次電池の劣化から摩耗による劣化を除いて、リチウムの析出による劣化を特定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の制御装置。

【請求項8】

リチウムイオン二次電池の充放電を制御する制御方法であって、
前記リチウムイオン二次電池の温度を取得し、
前記リチウムイオン二次電池の充放電を制御して、取得した温度を、前記リチウムイオン二次電池で許容される上限温度よりも低い状態に維持し、
前記リチウムイオン二次電池の劣化を特定するための劣化パラメータを用いて、前記リチウムイオン二次電池の劣化の一部を、リチウムの析出による劣化として特定することにより、前記リチウムイオン二次電池におけるリチウムの析出量を推定し、前記析出量の増加に応じて前記上限温度を低下させることを特徴とする制御方法。

【請求項9】

前記析出量および前記上限温度の対応関係を示す情報を用いて、推定した前記析出量に対応する前記上限温度を特定することを特徴とする請求項８に記載の制御方法。

【請求項10】

前記上限温度に応じて、前記リチウムイオン二次電池の充放電を許容する上限電力を設定することを特徴とする請求項８又は９に記載の制御方法。

【請求項11】

前記上限電力よりも低い電力において、前記リチウムイオン二次電池の充放電を行うことを特徴とする請求項１０に記載の制御方法。

【請求項12】

前記リチウムイオン二次電池の耐熱温度は、前記析出量が増加することに応じて低下することを特徴とする請求項８から１１のいずれか１つに記載の制御方法。

【請求項13】

前記リチウムイオン二次電池の劣化は、摩耗による劣化およびリチウムの析出による劣化を含んでおり、
前記リチウムイオン二次電池の劣化から摩耗による劣化を除いて、リチウムの析出による劣化を特定することを特徴とする請求項８から１２のいずれか１つに記載の制御方法。

【請求項14】

前記リチウムイオン二次電池の劣化は、摩耗による劣化およびリチウムの析出による劣化を併せた劣化であり、
前記リチウムイオン二次電池の劣化から摩耗による劣化を除いて、リチウムの析出による劣化を特定することを特徴とする請求項８から１２のいずれか１つに記載の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リチウムイオン二次電池の充放電を制御する制御装置および制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載の技術では、二次電池の温度に応じて、二次電池の充放電を許容する上限電力を設定している。そして、二次電池の電力が上限電力よりも高くならないように、二次電池の充放電を制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−２１９５１０号公報

【特許文献2】特開２０１０−０８６９０１号公報

【特許文献3】特開２０１０−１０８７５０号公報

【特許文献4】特開２０１０−１３７８０７号公報

【特許文献5】特開２０１０−２７３４９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、二次電池の温度が所定温度以上であるときには、上限電力を０［ｋＷ］に設定して、二次電池の充放電を行わないようにしている。ここで、所定温度は、予め決められた固定値としている。

【0005】

リチウムイオン二次電池では、リチウムの析出量に応じて、電池の耐熱温度が変化する。リチウムイオン二次電池を保護するためには、リチウムイオン二次電池の温度が耐熱温度を超えなければよい。特許文献１では、所定温度を固定値としているため、リチウムイオン二次電池の充放電が必要以上に制限されてしまうこともある。

【0006】

リチウムの析出量によっては、耐熱温度が所定温度よりも高くなることがある。二次電池の性能を最大限に引き出すためにも、必要以上に二次電池の充放電を制限することは望ましくないため、耐熱温度に応じて所定温度を適切に設定することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願第１の発明は、リチウムイオン二次電池の充放電を制御する制御装置であって、リチウムイオン二次電池の温度を取得する温度センサと、コントローラとを有する。コントローラは、リチウムイオン二次電池の充放電を制御して、温度センサを用いて取得した温度を、リチウムイオン二次電池で許容される上限温度よりも低い状態に維持する。また、コントローラは、リチウムイオン二次電池におけるリチウムの析出量を推定し、析出量の増加に応じて上限温度を低下させる。

【0008】

本願第１の発明によれば、リチウムの析出量に応じて、上限温度を変化させることができる。リチウムの析出量に応じて、リチウムイオン二次電池の耐熱温度が変化するため、耐熱温度の変化に応じて、上限温度を変化させることができる。これにより、耐熱温度に応じた充放電を行うことができ、リチウムイオン二次電池の性能を発揮させやすくなる。

【0009】

コントローラは、析出量および上限温度の対応関係を示す情報を用いて、推定した析出量に対応する上限温度を特定することができる。析出量および上限温度の対応関係を示す情報は、メモリに記憶させておくことができる。

【0010】

コントローラは、上限温度に応じて、リチウムイオン二次電池の充放電を許容する上限電力を設定することができる。上限温度に応じた上限電力を設定することにより、リチウムイオン二次電池の温度を、上限温度よりも低い状態に維持することができる。コントローラは、上限電力よりも低い電力において、リチウムイオン二次電池の充放電を行うことができる。

【0011】

本願第２の発明は、リチウムイオン二次電池の充放電を制御する制御方法であって、リチウムイオン二次電池の温度を取得し、リチウムイオン二次電池の充放電を制御して、取得した温度を、リチウムイオン二次電池で許容される上限温度よりも低い状態に維持する。また、リチウムイオン二次電池におけるリチウムの析出量を推定し、析出量の増加に応じて上限温度を低下させる。本願第２の発明においても、本願第１の発明と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】電池システムの構成を示す図である。

【図2】リチウムの析出量の変化を示す図である。

【図3】リチウムの析出量および耐熱温度の関係を示す図である。

【図4】上限温度の変化を示す図である。

【図5】組電池の充放電を制御する処理を示すフローチャートである。

【図6】局所的ＳＯＣの変化に対する開放電圧の変化特性を示す図である。

【図7】単極容量の減少に伴う単極の開放電位の変化を示す図である。

【図8】正極および負極の間における組成対応のずれを説明する図である。

【図9】劣化による組成対応のずれを説明する図である。

【図10】リチウムの析出量を推定する処理を示すフローチャートである。

【図11】電池容量および開放電圧の関係を示す図である。

【図12】摩耗劣化だけを発生させた場合における、正極容量維持率、負極容量維持率および組成対応のずれ容量の関係を示す図である。

【図13】電池温度および上限電力の関係を示す図である。

【図14】組電池の充放電を制御する処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0014】

本発明の実施例１である電池システムについて、図１を用いて説明する。図１は、電池システムの構成を示す図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載することができる。

【0015】

本実施例の電池システムは、組電池１０を有する。組電池１０は、直列に接続された複数の単電池１１を有する。単電池１１としては、リチウムイオン二次電池が用いられる。単電池１１の数は、要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。本実施例では、複数の単電池１１が直列に接続されているが、並列に接続された複数の単電池１１が、組電池１０に含まれていてもよい。

【0016】

電圧センサ２１は、組電池１０の端子間電圧を検出し、検出結果をコントローラ３０に出力する。一方、電圧センサを用いて、各単電池１１の電圧を検出したり、少なくとも２つの単電池１１を含む電池ブロックの電圧を検出したりすることができる。電流センサ２２は、組電池１０に流れる電流を検出し、検出結果をコントローラ３０に出力する。

【0017】

温度センサ２３は、組電池１０（単電池１１）の温度を検出し、検出結果をコントローラ３０に出力する。温度センサ２３の数は、適宜設定することができる。複数の温度センサ２３を用いるときには、互いに異なる位置の単電池１１に温度センサ２３を配置することができる。

【0018】

コントローラ３０は、メモリ３０ａを有する。メモリ３０ａは、コントローラ３０が所定処理を行うための各種の情報を格納している。本実施例では、メモリ３０ａが、コントローラ３０に内蔵されているが、コントローラ３０の外部にメモリ３０ａを設けることもできる。

【0019】

組電池１０の正極端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。組電池１０の負極端子には、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｇは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。

【0020】

システムメインリレーＳＭＲ−Ｇに対しては、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐおよび制限抵抗２４が並列に接続されている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｐは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。制限抵抗２４は、組電池１０をインバータ３１と接続するときに、突入電流が流れるのを抑制するために用いられる。

【0021】

組電池１０をインバータ３１と接続するとき、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂをオフからオンに切り替えるとともに、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオフからオンに切り替える。これにより、制限抵抗２４に電流が流れることになる。次に、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えた後に、システムメインリレーＳＭＲ−Ｐをオンからオフに切り替える。

【0022】

これにより、組電池１０およびインバータ３１の接続が完了する。一方、組電池１０およびインバータ３１の接続を遮断するとき、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンからオフに切り替える。

【0023】

インバータ３１は、組電池１０からの直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ３２に出力する。モータ・ジェネレータ３２としては、例えば、三相交流モータを用いることができる。モータ・ジェネレータ３２は、インバータ３１からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ３２によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。

【0024】

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ３２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ３１は、モータ・ジェネレータ３２が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池１０に出力する。これにより、組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。本実施例の電池システムにおいて、組電池１０およびインバータ３１を接続する電流経路に、昇圧回路を設けることができる。昇圧回路を用いれば、組電池１０の出力電圧を昇圧することができる。

【0025】

本実施例の電池システムにおいて、コントローラ３０は、単電池１１におけるリチウムの析出量を推定し、推定した析出量に応じて、単電池１１で許容される温度の上限値（上限温度という）を設定する。

【0026】

単電池１１の劣化が進行すると、図２に示すように、時間の経過とともに、リチウムの析出量が増加することがある。図２において、横軸は時間であり、縦軸は、リチウムの析出量である。図２の縦軸において、上側に進むほど、リチウムの析出量が増加する。例えば、単電池１１を過充電すると、リチウムが析出して単電池１１が劣化してしまうおそれがある。リチウムの析出量は、後述する方法によって推定することができる。

【0027】

図３に示すように、リチウムの析出は、単電池１１の耐熱温度に影響を与える。図３の横軸は、リチウムの析出量であり、右側に進むほど、リチウムの析出量が増加する。図３の縦軸は、単電池１１の耐熱温度であり、上側に進むほど、耐熱温度が高くなる。単電池１１の温度が耐熱温度よりも高くなると、例えば、単電池１１の内部において、ガスの発生が加速するおそれがある。

【0028】

図３に示すように、リチウムの析出量が増加するほど、単電池１１の耐熱温度が低下してしまう。このため、単電池１１の耐熱温度が低下するほど、上限温度を低下させる必要がある。

【0029】

本実施例において、コントローラ３０は、図４に示すように、時間の経過に応じて、上限温度を低下させている。図４の縦軸は、上限温度であり、上側に進むほど、上限温度が高くなる。図４の横軸は、時間である。図４に示す上限温度の推移は、図２に示すリチウムの析出量に対応している。図２では、時間の経過とともに、リチウムの析出量が増加しているため、上限温度は、図４に示すように、時間の経過とともに低下させている。

【0030】

リチウムの析出量および上限温度の対応関係は、実験を行うことにより、予め決定しておくことができる。具体的には、まず、リチウムの析出量および耐熱温度の関係を求めておく。単電池１１に所定量のリチウムを析出させたときの単電池１１の耐熱温度を測定し、リチウムの析出量を異ならせながら、耐熱温度を測定する。これにより、リチウムの析出量および耐熱温度の関係を求めることができる。次に、耐熱温度を考慮して、上限温度を決めることができる。上限温度は、耐熱温度よりも低い温度に設定することができる。上限温度が耐熱温度よりも低すぎると、後述するように、組電池１０の入出力が制限されすぎてしまうことがある。この点を考慮して、上限温度および耐熱温度の差を決定することができる。

【0031】

リチウムの析出量および上限温度の対応関係は、マップ又は演算式として用意しておくことができる。リチウムの析出量および上限温度の対応関係を示すデータ（マップ又は演算式）は、メモリ３０ａに記憶しておくことができる。コントローラ３０は、リチウムの析出量を推定した後、リチウムの析出量および上限温度の対応関係を示すデータを用いて、推定した析出量に対応する上限温度を特定することができる。コントローラ３０は、上限温度に基づいて、組電池１０の入出力を制御することができる。組電池１０の入出力を制御する方法については、後述する。

【0032】

本実施例において、組電池１０の充放電を制御する処理について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。図５に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。

【0033】

ステップＳ１０１において、コントローラ３０は、単電池１１におけるリチウムの析出量を推定する。リチウムの析出量を推定する方法については、後述する。ステップＳ１０２において、コントローラ３０は、ステップＳ１０１で推定したリチウムの析出量に基づいて、上限温度を設定する。ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、ステップＳ１０２で設定された上限温度に基づいて、組電池１０の入出力を制御する。組電池１０の入出力を制御する方法については、後述する。

【0034】

次に、リチウムの析出量を推定する方法（一例）について説明する。リチウムの析出量を推定する方法は、以下に説明する方法に限るものではない。すなわち、リチウムの析出量および上限温度の対応関係から上限温度を特定するために、リチウムの析出量を推定することができればよい。

【0035】

単電池１１は、負極と、電解液を含むセパレータと、正極とで構成されている。セパレータの代わりに、固体電解質を用いることもできる。負極および正極のそれぞれは、球状の活物質の集合体で構成される。単電池１１の放電時において、負極の活物質の界面上では、リチウムイオンＬｉ^＋および電子ｅ⁻を放出する化学反応が行われる。一方、正極の活物質の界面上では、リチウムイオンＬｉ^＋および電子ｅ⁻を吸収する化学反応が行われる。単電池１１の充電時には、上述した反応と逆の反応が行われる。

【0036】

負極には、単電池１１の放電時に、電子を吸収する集電板が設けられる。正極には、単電池１１の放電時に、電子を放出する集電板が設けられる。負極の集電板は、例えば、銅で形成され、負極端子に接続されている。正極の集電板は、例えば、アルミニウムで形成されており、正極端子に接続されている。セパレータを介して、正極および負極の間でリチウムイオンの授受が行われることにより、単電池１１の充放電が行われる。

【0037】

単電池１１の内部における充電状態は、正極および負極のそれぞれの活物質におけるリチウム濃度分布に応じて異なる。このリチウムは、単電池１１の充放電時における反応に寄与する。

【0038】

単電池１１の出力電圧Ｖ（ＣＣＶ：Closed Circuit Voltage）は、下記式（１）によって表される。

【0039】

【数1】

【0040】

式（１）において、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）は、単電池１１の開放電圧であり、Ｒは、単電池１１の内部抵抗であり、Ｉは、単電池１１に流れる電流値である。抵抗Ｒには、複数の抵抗成分が含まれる。第１の抵抗成分は、負極および正極において、電子の移動に対する純電気的な抵抗成分である。第２の抵抗成分は、活物質の界面において反応電流が発生したとき、等価的に電気抵抗として作用する抵抗成分（電荷移動抵抗）である。

【0041】

θ₁は、正極活物質の表面における局所的ＳＯＣ（State Of Charge）である。θ₂は、負極活物質の表面における局所的ＳＯＣである。抵抗Ｒは、局所的ＳＯＣθ₁，θ₂および電池温度の変化に応じて変化する。言い換えれば、抵抗Ｒは、局所的ＳＯＣθ₁，θ₂および電池温度の関数として表すことができる。

【0042】

局所的ＳＯＣθ₁，θ₂は、下記式（２）によって表される。

【0043】

【数2】

【0044】

式（２）において、Ｃ_se,iは、正極活物質（ｉ＝１）又は負極活物質（ｉ＝２）の界面におけるリチウム濃度（平均値）である。Ｃ_s,i,maxは、正極活物質（ｉ＝１）又は負極活物質（ｉ＝２）における限界リチウム濃度である。限界リチウム濃度とは、正極や負極におけるリチウム濃度の上限値である。

【0045】

単電池１１の開放電圧ＯＣＶは、図６に示すように、正極開放電位Ｕ₁および負極開放電位Ｕ₂の電位差として表される。正極開放電位Ｕ₁は、正極活物質の表面における局所的ＳＯＣθ₁に応じて変化する。負極開放電位Ｕ₂は、負極活物質の表面における局所的ＳＯＣθ₂に応じて変化する。

【0046】

単電池１１が初期状態にあるときに、局所的ＳＯＣθ₁および正極開放電位Ｕ₁の関係を測定しておけば、局所的ＳＯＣθ₁および正極開放電位Ｕ₁の関係を示す特性（図６に示すＵ₁の曲線）を得ることができる。初期状態とは、単電池１１の劣化が発生していない状態をいい、例えば、単電池１１を製造した直後の状態をいう。

【0047】

単電池１１が初期状態にあるときに、局所的ＳＯＣθ₂および負極開放電位Ｕ₂の関係を測定しておけば、局所的ＳＯＣθ₂および負極開放電位Ｕ₂の関係を示す特性（図６に示すＵ₂の曲線）を得ることができる。曲線Ｕ₁，Ｕ₂を示すデータは、マップとしてメモリ３０ａに予め格納しておくことができる。

【0048】

単電池１１の開放電圧ＯＣＶは、放電が進むにつれて低下する。また、劣化後の単電池１１においては、初期状態の単電池１１と比べて、同じ放電時間に対する電圧降下量が大きくなる。これは、単電池１１の劣化によって、満充電容量の低下と、開放電圧特性の変化とが生じているためである。本実施例では、単電池１１の劣化に伴う開放電圧特性の変化を、劣化状態である単電池１１の内部で起きると考えられる２つの現象としてモデル化している。

【0049】

２つの現象は、正極および負極における単極容量の減少と、正極および負極の間における組成の対応ずれである。

【0050】

単極容量の減少とは、正極および負極のそれぞれにおけるリチウムの受け入れ能力の減少を示す。リチウムの受け入れ能力が減少していることは、充放電に有効に機能する活物質等が減少していることを意味する。

【0051】

図７は、単極容量の減少による単極開放電位の変化を模式的に示している。図７において、正極容量の軸におけるＱ＿Ｌ１は、単電池１１の初期状態において、図６の局所的ＳＯＣθ_L1に対応する容量である。Ｑ＿Ｈ１１は、単電池１１の初期状態において、図６の局所的ＳＯＣθ_H1に対応する容量である。負極容量の軸におけるＱ＿Ｌ２は、単電池１１の初期状態において、図６の局所的ＳＯＣθ_L2に対応する容量である。Ｑ＿Ｈ２１は、単電池１１の初期状態において、図６の局所的ＳＯＣθ_H2に対応する容量である。

【0052】

正極において、リチウムの受け入れ能力が低下すると、局所的ＳＯＣθ₁に対応する容量は、Ｑ＿Ｈ１１からＱ＿Ｈ１２に変化する。負極において、リチウムの受け入れ能力が低下すると、局所的ＳＯＣθ₂に対応する容量は、Ｑ＿Ｈ２１からＱ＿Ｈ２２に変化する。

【0053】

単電池１１が劣化しても、局所的ＳＯＣθ₁および正極開放電位Ｕ₁の関係（図６に示す関係）は変化しない。このため、局所的ＳＯＣθ₁および正極開放電位Ｕ₁の関係を、正極容量および正極開放電位の関係に変換すると、図７に示す関係となる。すなわち、正極容量および正極開放電位の関係を示す曲線は、単電池１１が劣化した分だけ、単電池１１が初期状態にあるときの曲線に対して縮んだ状態となる。

【0054】

局所的ＳＯＣθ₂および負極開放電位Ｕ₂の関係を、負極容量および負極開放電位の関係に変換すると、図７に示す関係となる。すなわち、負極容量および負極開放電位の関係を示す曲線は、単電池１１が劣化した分だけ、単電池１１が初期状態にあるときの曲線に対して縮んだ状態となる。

【0055】

図８は、正極および負極の間における組成対応のずれを模式的に示す。組成対応のずれとは、正極および負極を用いて充放電を行うときに、正極の組成（θ₁）および負極の組成（θ₂）の組み合わせが、単電池１１の初期状態に対してずれていることを示すものである。

【0056】

単極の組成θ₁，θ₂および開放電位Ｕ₁，Ｕ₂の関係を示す曲線は、図６に示した曲線と同様である。単電池１１が劣化すると、負極組成θ₂の軸は、正極組成θ₁が小さくなる方向にΔθ₂だけシフトする。これにより、負極組成θ₂および負極開放電位Ｕ₂の関係を示す曲線は、初期状態の曲線に対して、Δθ₂の分だけ、正極組成θ₁が小さくなる方向にシフトする。

【0057】

正極の組成θ_1fixに対応する負極の組成は、単電池１１が初期状態にあるときには「θ_{2fix_ini}」となるが、単電池１１が劣化した後には「θ_2fix」となる。図８では、図６に示す負極組成θ_L2を０としている。負極組成θ_L2が０であるとき、負極のリチウムがすべて抜けている。

【0058】

本実施例では、３つの劣化パラメータを電池モデルに導入することにより、上述した２つの劣化現象をモデル化している。３つの劣化パラメータとしては、正極容量維持率、負極容量維持率および正負極組成対応ずれ量を用いている。２つの劣化現象をモデル化する方法について、以下に説明する。

【0059】

正極容量維持率とは、初期状態の正極容量に対する劣化状態の正極容量の割合をいう。単電池１１が劣化したとき、正極容量が初期状態の容量から任意の量だけ減少したとする。正極容量維持率ｋ₁は、下記式（３）によって表される。

【0060】

【数3】

【0061】

式（３）において、Ｑ_{1_ini}は、単電池１１が初期状態にあるときの正極容量（図７に示すＱ＿Ｈ１１）を示し、ΔＱ_１は、単電池１１が劣化したときの正極容量の減少量を示している。正極容量Ｑ_{1_ini}は、活物質の理論容量や仕込み量などから予め求めておくことができる。

【0062】

負極容量維持率とは、初期状態の負極容量に対する劣化状態の負極容量の割合をいう。単電池１１が劣化したとき、負極容量が初期状態の容量から任意の量だけ減少したとする。負極容量維持率ｋ_２は、下記式（４）によって表される。

【0063】

【数4】

【0064】

式（４）において、Ｑ_{2_ini}は、単電池１１が初期状態にあるときの負極容量（図７に示すＱ＿Ｈ２１）を示し、ΔＱ₂は、単電池１１が劣化したときの負極容量の減少量を示している。負極容量Ｑ_{2_ini}は、活物質の理論容量や仕込み量によって予め求めておくことができる。

【0065】

図９は、正極および負極の間における組成対応のずれを説明する模式図である。

【0066】

単電池１１が劣化したとき、負極組成θ₂が１であるときの容量は、（Ｑ_{2_ini}−ΔＱ₂）となる。正極および負極の間における組成対応ずれ容量ΔＱ_ｓは、正極組成軸に対する負極組成軸のずれ量Δθ₂に対応する容量である。これにより、下記式（５）の関係が成り立つ。

【0067】

【数5】

【0068】

式（４）及び式（５）から下記式（６）が求められる。

【0069】

【数6】

【0070】

単電池１１が初期状態にあるとき、正極組成θ_{1fix_ini}は、負極組成θ_{2fix_ini}に対応している。単電池１１が劣化状態にあるとき、正極組成θ_1fixは、負極組成θ_2fixに対応している。また、組成対応のずれは、初期状態における正極組成θ_1fixを基準とする。すなわち、正極組成θ_1fixおよび正極組成θ_{1fix_ini}は、同じ値とする。

【0071】

単電池１１の劣化により、正極および負極の間における組成対応のずれが生じた場合において、単電池１１の劣化後における正極組成θ_1fixおよび負極組成θ_2fixは、下記式（７），（８）の関係を有する。

【0072】

【数7】

【0073】

【数8】

【0074】

式（８）の意味について説明する。単電池１１の劣化によって、正極組成θ₁が１からθ_1fixまで変化（減少）したときに、正極から放出されるリチウムの量Ａは、下記式（９）によって表される。

【0075】

【数9】

【0076】

式（９）において、（１−θ_1fix）の値は、単電池１１の劣化による正極組成の変化分を示す。（ｋ₁×Ｑ_{1_ini}）の値は、単電池１１の劣化後における正極容量を示す。

【0077】

正極から放出されたリチウムが負極にすべて取り込まれるとすると、負極組成θ_2fixは、下記式（１０）で表される。

【0078】

【数10】

【0079】

式（１０）において、（ｋ₂×Ｑ_{2_ini}）の値は、単電池１１の劣化後における負極容量を示している。

【0080】

正極および負極の間における組成対応のずれ（Δθ₂）が存在するときには、負極組成θ_2fixは、下記式（１１）で表される。

【0081】

【数11】

【0082】

組成対応のずれ量Δθ₂は、式（６）に示すように、組成対応のずれ容量ΔＱ_ｓを用いて表すことができる。これにより、負極組成θ_2fixは、上記式（８）で表される。

【0083】

図９に示すように、単電池１１が劣化状態にあるときの開放電圧ＯＣＶは、劣化状態における正極開放電位Ｕ₁₁および負極開放電位Ｕ₂₂の電位差として表される。すなわち、３つの劣化パラメータｋ₁，ｋ₂，ΔＱ_ｓを推定すれば、単電池１１が劣化状態にあるときの負極開放電位Ｕ₂₂を特定できる。そして、負極開放電位Ｕ₂₂および正極開放電位Ｕ₁₁の電位差として、開放電圧ＯＣＶを算出することができる。

【0084】

本実施例では、３つの劣化パラメータを用いて、リチウムの析出を推定することができる。単電池１１の劣化には、リチウムの析出による劣化と、摩耗による劣化とが含まれる。摩耗による劣化とは、単電池１１の劣化のうち、リチウムの析出による劣化を除く劣化である。摩耗による劣化では、通電や放置等によって正極および負極の性能（リチウムの受け入れ能力）が低下する。摩耗による劣化としては、例えば、正極や負極の活物質が摩耗することが挙げられる。また、リチウムの析出による劣化では、電池反応に用いられるリチウムイオンが副生成物（主には金属リチウム）に変化して、リチウムイオンが電池反応に寄与しなくなる。

【0085】

リチウムが析出するということは、例えば、充電時において正極から放出されたリチウムイオンが負極に取り込まれない場合が考えられる。この場合には、正極および負極の間における組成対応がずれることになり、ずれ容量ΔＱ_ｓが変化することになる。また、リチウムの析出だけが発生している状態では、正極および負極におけるリチウムの受け入れ能力は低下しないため、容量維持率ｋ₁、ｋ₂は「１」に維持される。

【0086】

一方、摩耗による劣化が発生しているときには、３つの劣化パラメータのすべてが、初期状態の値に対してずれることになる。すなわち、容量維持率ｋ₁、ｋ₂は「１」以外の値に変化し、ずれ容量ΔＱ_ｓは、「０」以外の値に変化する。

【0087】

したがって、組成対応のずれ容量ΔＱ_ｓだけが「０」以外の値に変化しているときには、単電池１１の内部において、リチウムの析出による劣化だけが発生していると考えることができる。リチウムの析出量に応じて、ずれ容量ΔＱ_ｓが変化することになるため、ずれ容量ΔＱ_ｓおよびリチウムの析出量の対応関係を予め実験によって求めておけば、ずれ容量ΔＱ_ｓに基づいて、リチウムの析出量を推定することができる。

【0088】

次に、本実施例において、リチウムの析出量を推定する処理について、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。図１０に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。

【0089】

ステップＳ２０１において、コントローラ３０は、電圧センサ２１の出力に基づいて、単電池１１の開放電圧（実測値）ＯＣＶを測定する。電圧センサ２１は、組電池１０の電圧を検出しているため、組電池１０の電圧を、単電池１１の数で除算すれば、単電池１１の開放電圧（実測値）ＯＣＶを取得できる。各単電池１１に対して電圧センサ２１を配置すれば、コントローラ３０は、電圧センサ２１の出力に基づいて、単電池１１の開放電圧（実測値）ＯＣＶを取得できる。

【0090】

単電池１１を充電しながら、開放電圧（実測値）ＯＣＶを測定することにより、開放電圧曲線（実測値）を得ることができる。開放電圧曲線とは、単電池１１の容量の変化に対する開放電圧の変化を示す曲線である。単電池１１では、リチウム析出による劣化および摩耗劣化が混在して発生しているものと仮定する。

【0091】

本実施例の電池システムにおいて、外部電源からの電力を組電池１０に供給するようにすれば、単電池１１を充電しながら、開放電圧（実測値）ＯＣＶを測定しやすくなる。外部電源とは、電池システムとは別に設けられた電源である。外部電源としては、例えば、商用電源を用いることができる。外部電源の電力を組電池１０に供給するときには、本実施例の電池システムに、充電器を加えることができる。外部電源が交流電力を供給するとき、充電器は、外部電源からの交流電力を直流電力に変換し、直流電力を組電池１０に供給する。

【0092】

ステップＳ２０２において、コントローラ３０は、３つの劣化パラメータ（容量維持率ｋ₁，ｋ₂およびずれ容量ΔＱ_ｓ）を適宜変更しながら、３つの劣化パラメータによって特定される開放電圧（推定値）ＯＣＶが、ステップＳ２０１で得られた開放電圧（実測値）ＯＣＶに一致するか否かを判断する。

【0093】

具体的には、コントローラ３０は、３つの劣化パラメータの任意の組み合わせを設定し、設定した劣化パラメータに基づいて、開放電圧（推定値）ＯＣＶを算出する。図１１は、開放電圧（推定値）ＯＣＶおよび開放電圧（実測値）ＯＣＶの関係を示す。図１１では、開放電圧（推定値）ＯＣＶを点線として示し、開放電圧（実測値）ＯＣＶを実線として示している。

【0094】

図１１において、推定値１の開放電圧曲線が得られたときには、開放電圧（推定値）ＯＣＶが開放電圧（実測値）ＯＣＶよりも高くなっている。この場合、コントローラ３０は、実測値の開放電圧曲線に近づくように、劣化パラメータを設定し直す。推定値２の開放電圧曲線が得られたときには、開放電圧（推定値）ＯＣＶが開放電圧（実測値）ＯＣＶよりも低くなっている。この場合、コントローラ３０は、実測値の開放電圧曲線に近づくように、劣化パラメータを設定し直す。

【0095】

コントローラ３０は、劣化パラメータの設定を繰り返して行うことにより、開放電圧（推定値）ＯＣＶを開放電圧（実測値）ＯＣＶに一致させる。開放電圧（推定値）ＯＣＶが開放電圧（実測値）ＯＣＶと完全に一致していなくても、一致していると見なせる範囲（許容誤差）を設定することができる。

【0096】

コントローラ３０は、開放電圧（推定値）ＯＣＶを開放電圧（実測値）ＯＣＶに一致させたときの劣化パラメータを特定する。特定されたずれ容量ΔＱ_ｓは、リチウム析出の劣化および摩耗劣化が混在しているときのずれ容量ΔＱ_ｓ（混在）である。

【0097】

ステップＳ２０３において、コントローラ３０は、摩耗劣化だけに起因したずれ容量ΔＱ_ｓ（摩耗）を特定する。図１２に示すマップ（摩耗劣化マップ）を予め用意しておけば、ステップＳ２０２で特定された容量維持率ｋ₁，ｋ₂から、ずれ容量ΔＱ_ｓ（摩耗）を特定できる。単電池１１に摩耗劣化だけを発生させた状態において、ステップＳ２０２で説明した方法によって、容量維持率およびずれ容量Δを算出すれば、図１２に示す摩耗劣化マップを取得することができる。単電池１１を高温状態に維持すれば、リチウムの析出を抑制でき、摩耗による劣化だけを発生させることができる。単電池１１を高温状態とするときの温度は、例えば、５０℃に設定することができる。

【0098】

容量維持率ｋ₁，ｋ₂は、リチウム析出による劣化だけでは変化せず、摩耗劣化が発生しているときに変化する。したがって、ステップＳ２０２で得られた容量維持率ｋ₁，ｋ₂が１よりも小さいときには、容量維持率ｋ₁，ｋ₂は、摩耗劣化に起因した値であることが分かる。摩耗劣化マップは、摩耗劣化だけが発生しているときの容量維持率ｋ₁，ｋ₂およびずれ容量ΔＱ_ｓの対応関係を示しているため、容量維持率ｋ₁，ｋ₂が分かれば、ずれ容量ΔＱ_ｓ（摩耗）を特定することができる。

【0099】

ステップＳ２０４において、コントローラ３０は、ステップＳ２０２で得られたずれ容量ΔＱ_ｓ（混在）と、ステップＳ２０３で得られたずれ容量ΔＱ_ｓ（摩耗）との差分を求める。この差分は、リチウム析出の劣化によるずれ容量ΔＱ_ｓ（Ｌｉ析出）となる。

【0100】

ステップＳ２０５において、コントローラ３０は、ステップＳ２０４で得られたずれ容量ΔＱ_ｓ（Ｌｉ析出）から、リチウムの析出量を特定する。ずれ容量ΔＱ_ｓ（Ｌｉ析出）およびリチウムの析出量の対応関係を予め求めておけば、この対応関係を用いて、リチウムの析出量を特定することができる。

【0101】

次に、上限温度に基づいて、組電池１０の入出力（充放電）を制御する方法について、図１３を用いて説明する。組電池１０の入出力を制御するときには、上限温度に応じた上限電力が設定される。上限電力とは、組電池１０の入出力を許容する電力の上限値である。

【0102】

図１３は、組電池１０（単電池１１）の温度と、組電池１０の入出力に対応した上限電力との関係を示す。上限電力は、組電池１０の入力および出力のそれぞれに対して設けられている。図１３の縦軸は、入出力の電力を示し、０から離れるほど、電力が高くなる。図１３の横軸は、組電池１０の温度を示し、右に進むほど、温度が高くなる。

【0103】

上限温度が温度Ｔlimに設定されているとき、単電池１１の温度が上限温度Ｔlimになると、コントローラ３０は、入出力の上限電力を０［ｋＷ］に設定する。これにより、組電池１０の入出力が行われなくなり、組電池１０の充放電に伴う単電池１１の発熱を抑制することができる。単電池１１の発熱を抑制することにより、単電池１１の温度が上限温度Ｔlim以上になるのを防止することができる。

【0104】

上限電力は、単電池１１の温度が上限温度Ｔlimに近づくにつれて、低下させることができる。図１３に示す例では、単電池１１の温度が温度Ｔｒ以上であるときに、上限電力を低下させている。温度Ｔｒは、上限温度Ｔlimよりも低い温度である。上限電力を低下させるときの変化率は、適宜設定することができる。変化率とは、温度変化に対する上限電力の変化を示す割合であり、温度Ｔｒおよび上限温度Ｔlimの範囲内における上限電力の傾きを示す。一方、温度Ｔｒよりも低い温度範囲では、上限電力が制限されていない。

【0105】

上限温度が温度Ｔlimよりも低い温度に設定されたときには、上限電力のラインを、図１３の矢印Ｄ１で示す方向にシフトさせればよい。上限温度が温度Ｔlimよりも高い温度に設定されたときには、上限電力のラインを、図１３の矢印Ｄ２で示す方向にシフトさせればよい。

【0106】

図１３では、組電池１０の入力および出力において、温度変化に対する上限電力の変化を等しくしているが、これに限るものではない。すなわち、組電池１０の入力時における上限電力と、組電池１０の出力時における上限電力とを、互いに異なる挙動とすることができる。

【0107】

組電池１０の入出力における上限電力を決定すると、コントローラ３０は、組電池１０の出力電力が上限電力（出力用）を超えないように、組電池１０の出力を制御する。具体的には、コントローラ３０は、上限電力よりも低い範囲内において、組電池１０の出力電力を変化させる。一方、コントローラ３０は、組電池１０の入力電力が上限電力（入力用）を超えないように、組電池１０の入力を制御する。具体的には、コントローラ３０は、上限電力よりも低い範囲内において、組電池１０の入力電力を変化させる。

【0108】

図１４に示すフローチャートを用いて、組電池１０の充放電を制御する方法について説明する。図１４に示す処理は、コントローラ３０によって実行される。

【0109】

ステップＳ３０１において、コントローラ３０は、リチウムの析出量に応じた上限温度を取得する。ステップＳ３０２において、コントローラ３０は、上限温度に基づいて、入出力の上限電力を決定する。ステップＳ３０３において、コントローラ３０は、温度センサ２３の出力に基づいて、組電池１０の温度を取得する。ステップＳ３０４において、コントローラ３０は、ステップＳ３０３で取得した温度に対応した上限電力に基づいて、組電池１０の充放電を制御する。すなわち、コントローラ３０は、組電池１０の入出力時における電力が上限電力よりも高くならないように、組電池１０の充放電を制御する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】