JP2016015820A - 電池制御装置及び電池制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の劣化を効果的に抑制できる電池制御装置及び電池制御システムを提供する。【解決手段】蓄電装置の総電圧Vまたは蓄電装置が有する二次電池の電池電圧Vの使用上限値および使用下限値を含む上下限電圧範囲を計算する上下限電圧計算手段と、上下限電圧範囲内で蓄電装置が動作した場合の使用可能な蓄電電力量を計算する蓄電電力量計算手段を備え、上下限電圧範囲の範囲内で充放電装置へ充放電を指示する充放電指示手段と、を備え、上下限電圧計算手段は総電圧Vまたは電池電圧Vと蓄電装置の容量Qから求められるV−dQ/dV特性を用いて上下限電圧範囲を計算し、蓄電電力量が予め定められた値を下回った場合に、上下限電圧計算手段は、蓄電電力量が予め定められた値を上回るように上下限電圧範囲を計算する。【選択図】 図３

Description

本発明は、二次電池の充放電を制御する電池制御装置及び電池制御システムに関し、特に二次電池の劣化を抑制する電池制御装置及び電池制御システムに関する。

近年、エネルギー密度の向上により、様々なところでリチウムイオン電池などの二次電池が活用されている。電池の高エネルギー体積密度化および装置の低消費電力化により携帯電話などのポータブルデバイスの小型高性能化が達成され、電池の高エネルギー重量密度化により電気自動車などの移動距離の延長が実現された。それと同時に、風力、太陽光、地熱などの自然エネルギーの活用が注目を集めており、それらの生み出す変動の大きな電力を電池の充放電によって平滑化して供給する方法が注目を集めている。

しかしながら、二次電池はその充放電回数などによって充放電できる蓄電容量が劣化するため、製品寿命を延ばす劣化抑制技術や長寿命化技術が重要となっている。

蓄電部を構成する二次電池は、その充放電回数、保存電圧、保存期間など使用履歴によって劣化の進み方が変化する。特に、二次電池の充電上限電圧が高い場合、および放電下限電圧が低い場合に劣化の進度が大きくなる。既存の劣化抑制技術では充電上限電圧が低ければ低いほど劣化が抑制されることから、充電上限電圧を低くし蓄電容量を制限することで劣化を抑制していた。

また特許文献１には次のような二次電池システムが記載されている。電池電圧Vと、電池容量Qの変化を電池電圧Vの変化で除算した値dQ/dVとの関係を表すV-dQ/dV曲線は第１，第２の２つのピークを持つ。ピーク間の電圧である実測電圧差分値に基づいて二次電池の内部状態（内部抵抗上昇、接続不良、内部微小短絡の発生）を判断する。さらに、二次電池の充放電電圧を、第２ピーク（電池電圧が高い方のピーク）に相当する電圧を上回らないようにすることで、正極からのMn²⁺の溶出を抑制する。

また特許文献２では、劣化量Ｄが所定値を越えたら上限電圧の使用域を上げており、それによってバッテリー性能寿命が延びるとしている。特許文献２ではdQ/dVについての言及はない。

特許第5287872号公報 特開2012-085452号公報

特許文献１ではdQ/dVの第２ピークに相当する電池電圧以下になるように制御している。しかし電池電圧の下限には着目していない。

本発明の目的は、電池電圧の上下限に着目して蓄電部の充放電条件を制御することで、二次電池の劣化を効果的に抑制できる電池制御装置及び電池制御システムを提供することにある。

本発明は、蓄電装置からの総電圧または電池電圧の情報を用いて充放電装置の充放電を制御する電池制御装置であって、前記蓄電装置の総電圧Vまたは前記蓄電装置が有する電池の電池電圧Vの使用上限値および使用下限値を含む上下限電圧範囲を計算する上下限電圧計算手段と、前記上下限電圧範囲内で前記蓄電装置が動作した場合の使用可能な蓄電電力量を計算する蓄電電力量計算手段を備え、前記上下限電圧範囲の範囲内で充放電装置へ充放電を指示する充放電指示手段と、を備え、前記上下限電圧計算手段は前記総電圧Vまたは電池電圧Vと前記蓄電装置の容量Qから求められるV−dQ/dV特性を用いて前記上下限電圧範囲を計算し、前記蓄電電力量が予め定められた値を下回った場合に、前記上下限電圧計算手段は、前記蓄電電力量が予め定められた値を上回るように前記上下限電圧範囲を計算する電池制御装置である。

本発明によれば、二次電池の劣化を効果的に抑制した電池制御装置及び電池制御システムを提供できる。

第１の実施形態に係る電池制御装置の構成をその使用環境も含めて示した図である。 第１の実施形態に係る電池制御装置が行う制御フローチャートである。 第１の実施形態に係る電池制御装置がどのよう上下限総電圧を決定するかを説明するための図である。 第１の実施形態に係る電池制御装置がV−dQ/dVを逐次計算していくのを説明するための図である。 二次電池が経時劣化して、当初設定した上下限総電圧範囲を用いた充放電条件では要求される容量Ｑ_LOWを維持できない場合の再設定を説明するための図である。 個々の二次電池についてV−dQ/dV特性を求め、上下限電圧を求める手法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第１の実施形態）
本発明者は、劣化の抑制効果を判断するために、電圧Vに対する蓄電電力量Ｑ（以下蓄電容量、容量とも称する）の傾きdQ/dVに注目した。dQ/dVは、ある電圧範囲で蓄電できる蓄電容量を表しており、一般的にリチウムイオン二次電池を含む二次電池のdQ/dVは複数のピークを持つ。このピークは充電や放電時の化学反応に起因しており、その位置、数や大きさは正極、負極、電解液の組成、充放電電流等によって変化する。この複数あるピークの間には谷が存在し、この谷の電圧範囲では、両脇のピークに相当する化学反応が同時に生じていることから、意図外の化学反応がおこり、劣化が加速されると考えた。

つまり、本発明者は、二次電池の使用電力を維持できる電圧範囲のうち、電圧Ｖに対するdQ/dVの変動がピークを含み、谷を極力含まないように選ばれた電圧範囲で使用することで、最低限必要な容量を維持したまま、二次電池の劣化を抑制できることを見出した。本発明者は、ピークとピークの間の谷の電圧では両脇のピークに相当する化学反応が同時に生じているので意図外の化学反応が起こり、劣化が促進されると推測している。

図１は、第１の実施形態に係る電池制御システム１０をその使用環境とともに示した図である。電池制御システム１０は、複数の二次電池で構成された蓄電装置１００と、それを充放電する充放電装置２００と、それらを制御する制御装置３００で構成される。図１には、充放電装置２００と接続した外部電力網４００，制御装置３００に制御指令を与える外部システム５００も示している。ここでいう使用環境とは外部電力網、外部制御システムのことである。

蓄電装置１００は、複数の二次電池１０１が直列に接続された蓄電手段１０２、電池電圧測定手段１０３、総電圧測定手段１０４によって構成される。蓄電手段１０２は、リチウムイオン二次電池などの充放電可能な蓄電部品で構成され、充放電装置２００との充放電電力のやりとりで蓄電量および電圧が変化する機能を持つ。

電池電圧測定手段１０３は、たとえば電圧センサ、オペアンプなどで構成され、二次電池の電圧を個別に測定する機能を有す。総電圧測定手段１０４は、たとえば電圧センサ、オペアンプなどで構成され、直列に接続された前記二次電池の電圧の合計値である総電圧を測定する機能を備えている。また蓄電装置１００は制御装置３００との間で情報のやりとりを行う。

充放電装置２００は、充放電手段２０１で構成される。充放電手段２０１は、ＡＣＤＣコンバータ、ＤＣＤＣコンバータ、ＰＣＳ(Power Condition Subsystem)などで構成され、制御装置３００からの充放電指示に従って蓄電装置１００と外部電力網４００との間で電力をやり取りする。

制御装置３００は、充放電指示手段３０１、上下限総電圧記憶手段３０２、上下限総電圧計算手段３０３、蓄電電力量計算手段３０４で構成される。制御装置３００は外部システム５００からの制御指令に従いながら、蓄電装置１００の状態に応じて充放電装置２００に対して制御つまり充放電指示手段３０１からの充放電指示を行う。

図２は、第１の実施形態に係る制御システムが行う制御フローチャートの例である。

充放電動作が開始された時（Ａ１）、上下限総電圧計算手段３０３は予め蓄電装置１００から与えられた二次電池１０１の電池電圧および蓄電装置の総電圧などの特性を考慮して、要求される容量Ｑ_LOWを確保できる上下限総電圧範囲を計算する。計算結果を上下限総記憶手段３０２が記憶する（Ａ２）。上下限総電圧範囲の決定方法を図３（ａ）、（ｂ）に示す。

図３（ａ）の右側に二次電池の充放電容量Ｑとセル電圧Ｖの関係を示すＱ-Ｖ特性を示す。このＱ-Ｖ特性を変形し、図３（ａ）の左側に示すV-dQ/dV特性を求める。図３（ｂ）は図３（ａ）の左側と同じ図である。V-dQ/dV特性は通常、複数のピークを有する。なおV-dQ/dVは以下dQ/dVと略称することがある。ここで用いるVはセル電圧が望ましいが、蓄電装置の総電圧でもよい。

dQ/dVに複数の山がある場合、dQ/dVが等しい電圧は複数存在する。このうち、dQ/dVが最大となる電圧に最も近い上限値および下限値を選択する。dQ/dVが大きな電圧付近で蓄電装置１００を充放電することで、二次電池の上下限総電圧範囲を狭くすることが可能となる。ここでは、dQ/dVが最大となる電圧を含み、あらかじめ定められた充放電電力容量Ｑ_LOWを維持できる範囲で、できる限り電圧差が小さい上下限総電圧範囲を設定することが好ましい。この時、上下限総電圧範囲は充電時と放電時で異なる範囲となってもよい。dQ/dVが最大となる電圧を含んだ電圧範囲を設定する理由は、その電圧範囲が最も容量が大きいためである。同じ電圧差であれば、容量が大きい範囲を使うと良い。逆に同じ容量であれば、狭い電圧範囲で使用した方がよい。

なお図１の場合、あらかじめ定められた充放電電力容量Ｑ_LOWは二次電池システム１０が外部電力網４００から要求される電力容量もしくは、出荷時に設定された値である。

図２に示す通り、上下限総電圧範囲を設定後、外部システム５００からの指示、実際には充放電指示手段３０１からの指示に従い、充放電装置２００は充放電動作を継続する（Ａ３）。充放電動作を行いながら、充放電動作中のある定められた時間以上の期間にある定められた電力もしくは電流以下での定電流動作もしくは定電力動作がなされた場合には、蓄電電力量計算手段３０４はその情報つまり蓄電電力量Ｑを記憶しておき、逐次dQ/dVを計算し記憶する（Ａ４）。使用時間が増えるにしたがって徐々にdQ/dV特性が完成する。たとえば、放電レート1/10Ｃで1時間以上の定電流動作が継続された場合、蓄電電力量計算手段３０４はその期間のdQ/dVを計算し記憶する。図４はその様子を表した図である。図４の上側には、セル電圧と電流レートの使用履歴の例を示す。ここで１Cは、公称容量の電池を定格放電してちょうど１時間（１ｈ）で放電終了となる電流値のことである。

ここで電流レートは、充電時を正、放電時を負の数値で示している。使用履歴から、±１C以下の電流レートが1時間継続した場合の電圧と電流値から計算した電力量を抽出し、dQ/dVを計算する。これらdQ/dVの断片を組み合わせることで、V-dQ/dV特性を再現したのが図４の下の図である。このように計算されたV-dQ/dV特性を用いて、dQ/dVが最大となる電圧を含み、あらかじめ定められた充放電電力容量Ｑ_LOWを維持でき、かつ、出来る限り範囲が小さい上下限総電圧範囲を設定することが好ましい。出来る限り範囲が小さい方が好ましい理由は、dQ/dVの谷を含むと上下限電圧の範囲が広くなるので、劣化が大きくなると考えられるためである。劣化を少なくするためには、電圧差が小さいことが望ましい。

その後充放電指示手段３０１から充放電停止指示があった場合（Ａ５のＹｅｓ）は、充放電動作を停止する（Ａ７）。

充放電指示手段３０１から充放電停止指示がない場合（Ａ５のＮｏ）は、充放電を継続する。蓄電電力量計算手段３０４は、蓄電電力量Ｑが上述のあらかじめ定められた充放電電力容量Ｑ_LOWを下回っているかどうかを、適宜のタイミングでチェックする。下回っていない場合（Ａ６のＮｏ）は充放電動作を継続する（Ａ３）。下回った場合（Ａ６のＹｅｓ）、蓄電電力量計算手段３０４は稼働当初に設定した上下限総電圧範囲を再設定する。以下この再設定について説明する。

dQ/dV特性は二次電池１０１の経時劣化等の理由により変化する。その結果当初設定した上下限総電圧範囲を用いた充放電条件では要求される容量Ｑ_LOWを維持できなくなる。その場合には、dQ/dV特性を再測定しそれを元にして上下限総電圧範囲計算手段３０３が上下限総電圧を再計算し、再設定する（図２のＡ６）。再設定とは例えば、dQ/dVが最大となる電圧を中心とし、要求される容量Ｑ_LOWを満足するまで上下限総電圧の上限値と下限値の少なくとも一方をdQ/dVが等しい値になるように上下限総電圧範囲を変更することである。通常は上下限総電圧範囲を広げていく。

図３（ｃ）、（ｄ）は、劣化によってdQ/dVが変化した場合の上下限総電圧範囲をこの順に時系列で表したものである。図中ではdQ/dVは点線→破線→一点鎖線の順に変化している。dQ/dVが最大となる電圧が変化するごとに、充放電範囲を変えている。容量Ｑ_LOW以上を保ちつつ劣化を最小に抑える上下限総電圧範囲を設定する。

図５（ａ）、（ｂ）は図３（ｃ）、（ｄ）と同じ図である。図５（ａ）の破線のdQ/dVでは、点線に比べて最大ピーク値が下がっており、dQ/dVが最大となる電圧を中心にして両側の谷を含まないように上下限総電圧範囲を設定するとＱ_LOWを満足しない（図中の「要求される容量が足りない上下限総電圧範囲」）。そのため下限値を、dQ/dVが最大となる電圧に二番目に近いdQ/dVが等しい電圧に広げている（図中の「要求される容量を満足する上下限総電圧範囲」）。この結果、上下限総電圧範囲の蓄電容量がＱ_LOWを満足すればその上下限総電圧範囲を用い、満足しない場合は再度上限値または下限値をさらに更新する。なお図５（ａ）では更新した上下限総電圧範囲はdQ/dV特性の谷を一つ含んでいるが、含まれる谷の数を最小限にすることで二次電池の劣化をできる限り防止する。

図５（ｂ）は二次電池１０１の劣化が更に進んで、dQ/dV特性が一点鎖線のように変化した場合を示す。最も低電圧側のピークがdQ/dVが最大となる電圧である。この場合下限総電圧を最大ピークを含むように広げ、上限総電圧は谷を含まないよう図５（ａ）よりも少し低くする。

なおここで設定した上下限総電圧範囲は劣化を抑制するための目安であり、非常時などの高い充電要求・放電要求がある場合には無視することも可能である。

なお再設定のタイミングは任意で良いが、例えば、実際の使用可能容量がある閾値を下回った場合、制御装置３００は、容量が足りなくなったと判断して再設定を指示する。これ以外のタイミングとしては、定期的（６か月毎、１年毎など）に行う、ｄＱ／ｄＶの断片が得られる定電流での運用がなされるタイミングで行う等が考えられる。

上限値の範囲を広げるか下限値の範囲を広げるかで、システム思想が変わる。上限値が高くなるように広げることで、下限値を高くすることができ、非常時に下限値以下の残量を使用することが可能となる。一方、下限値が低くなるように広げることで、上限値を低くすることができ、劣化を抑制することができる。

以上説明したように、二次電池のV-dQ/dV特性を計算して、大きなｄＱが得られる電圧範囲を設定することにより、必要な容量を維持しながら、充放電動作に伴う二次電池の劣化を効果的に抑制することができる。本実施形態の電池制御システムは、外から見ると一定容量を確保したまま劣化が少ないシステムに見える。また蓄電容量Ｑを維持したまま、上下限電圧の差を最小にするシステムに見える。
（第２の実施形態）
第1の実施形態で「ここで用いるVはセル電圧が望ましいが、蓄電装置の総電圧でもよい」と述べた。個々の二次電池１０１のdQ/dV特性が揃っている理想的な状態であれば、総電圧を使うのもセル電圧を使うのも同じである。しかし経時変化等によって二次電池にバラつきが存在する場合は、まずすべての二次電池１０１のdQ/dVから谷電圧を個別に求める。そして最大ピークを含んだ電圧範囲であって、この最大ピークに最も近い（内側の）谷の間の電圧範囲を上下限電圧とする。図６では二次電池が３つある場合の上下限電圧を求めている。各二次電池１０１の最大ピークが３本重なっており、そのうちの最も高いピークを含み、両側の谷を含まない狭い電圧範囲を上下限電圧としている。図６では最も長い縦の細線の間の電圧として示している。なお、劣化等によってdQ/dV特性が変化した場合の上下限電圧の再設定方法は第１の実施形態と同様である。

総電圧でdQ/dVを求めた場合、個別に求めた場合に比べ広い谷電圧となるため、いくつかのセル（二次電池）において個別に求めた谷電圧よりも広い上下限電圧で充放電される。そのため個別に求めた場合に比べれば劣化が加速される。劣化をより抑制するには個別セル電圧を求める方が好ましい。しかしすべてのセルのｄQ/dVを個別に求められない場合または計算を簡略化したい場合には、総電圧のdQ/dVを用いて代用する。
（他の実施形態）
再設定について述べる。第１の実施形態では、再設定は、二次電池の稼働初期はＱ_LOWを満足していたが劣化でdQ/dVが変化して満足しなくなった状況で行っている。しかし要求されるＱ_LOWが高いと蓄電装置の使用初期に計算してもＱ_LOWを満足しない場合もありうる。その場合でも同様に再設定すればよい。

また第１の実施形態では上下限総電圧記憶手段３０２と上下限総電圧計算手段３０３を別々に設けているが、上下限総電圧計算手段３０３に記憶機能があれば上下限総電圧記憶手段３０２は省略できる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 電池制御システム
１００ 蓄電装置
１０１ 二次電池
１０２ 蓄電手段
１０３ 電池電圧測定手段
１０４ 総電圧測定手段
２００ 充放電装置
２０１ 充放電手段
３００ 制御装置
３０１ 充放電指示手段
３０２ 上下限総電圧記憶手段
３０３ 上下限総電圧計算手段
３０４ 蓄電電力量計算手段
４００ 外部電力網
５００ 外部システム

Claims (10)

1. 蓄電装置からの総電圧または電池電圧の情報を用いて充放電装置の充放電を制御する電池制御装置であって、
   前記蓄電装置の総電圧Vまたは前記蓄電装置が有する電池の電池電圧Vの使用上限値および使用下限値を含む上下限電圧範囲を計算する上下限電圧計算手段と、
   前記上下限電圧範囲内で前記蓄電装置が動作した場合の使用可能な蓄電電力量を計算する蓄電電力量計算手段を備え、
   前記上下限電圧範囲の範囲内で充放電装置へ充放電を指示する充放電指示手段と、
   を備え、
   前記上下限電圧計算手段は前記総電圧Vまたは電池電圧Vと前記蓄電装置の容量Qから求められるV−dQ/dV特性を用いて前記上下限電圧範囲を計算し、
   前記蓄電電力量が予め定められた値を下回った場合に、前記上下限電圧計算手段は、前記蓄電電力量が予め定められた値を上回るように前記上下限電圧範囲を計算する電池制御装置。
2. 前記上下限電圧計算手段は、V-dQ/dV特性の最大ピークを含む電圧範囲を計算する請求項１に記載の電池制御装置。
3. 前記上下限総電圧として前記V-dQ/dV特性の谷の領域を含まない請求項１または２に記載の電池制御装置。
4. 前記蓄電電力量が予め定められた値を下回った場合に、前記上下限総電圧として前記V-dQ/dV特性の谷の領域を含める請求項２に記載の電池制御装置。
5. 充放電動作中にある定められた電力もしくは電流以下での定電流動作もしくは定電力動作がなされた場合には、その情報を記憶しておき、逐次V-dQ/dVを計算する請求項１から４のいずれか１項に記載の電池制御装置。
6. 運用中における前記総電圧Vまたは電池電圧Vを用いてdQ/dVを部分的に求め、それら組み合わせることでV-dQ/dV特性を計算する請求項５に記載の電池制御装置。
7. 運用中に得られる電流および電圧データから予め定められた電流以下の定電流充電もしくは定電流放電の時の前記電流および電圧データをV-dQ/dVの計算に用いる請求項５または６に記載の電池制御装置。
8. V-dQ/dV特性の経時劣化により前記上下限電圧範囲を再度計算して設定する請求項１から７のいずれか１項に記載の電池制御装置。
9. 前記電池電圧Vを用いて前記V−dQ/dV特性を求め前記上下限電圧範囲を計算する場合、
   個々の前記電池のV-dQ/dV特性のうちの最大ピークを含み谷を含まない電圧範囲を前記上下限電圧範囲とする請求項２から８のいずれか１項に記載の電池制御装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項の電池制御装置を用い、
    前記蓄電装置は、複数の二次電池が直列に接続された蓄電手段と、前記二次電池の電池電圧値をそれぞれ測定する電池電圧測定手段と、前記蓄電手段の総電圧値を測定する総電圧測定手段とを備え、
    前記充放電装置は、前記電池制御装置の指示に従って前記蓄電装置を充放電する充放電手段を備えた電池制御システム。

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