JP7040601B2 - 電池制御装置、電池制御方法、無停電電源装置、電力システム及び電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、電池制御装置、電池制御方法、無停電電源装置、電力システム及び電動車両に関する。

近年では、リチウムイオン電池などの二次電池の用途が、太陽電池、風力発電などの新エネルギーシステムと組み合わせた電力貯蔵用蓄電装置、自動車用蓄電池等に急速に拡大している。例えばＵＰＳ(Uninterruptible Power Supply:無停電電源装置）が使用されている。リチウムイオン電池などは、充放電サイクルを繰り返していくと、劣化し、初期の性能を発揮できなくなる。すなわち、容量の低下や、充電時間の増加などが生じる。劣化を無視すると、過放電、過充電が発生するおそれがある。

この点を考慮して、リチウムイオン電池の充放電サイクルの回数が規定の回数を超えると、充電カット電圧を徐々に下げ、放電カット電圧を徐々に上げる、という充放電制御が考えられる。しかしながら、この方法は、実際に機器に搭載されている電池の劣化の程度を推定又は測定するものではなく、必要以上に充電カット電圧を下げたり，放電カット電圧を上げたりする可能性があった。

従来から特許文献１及び特許文献２、並びに非特許文献１に記載されているよう電池の劣化を推定することが提案されている。

特開２０１５－８７３４４号公報 特開２０１７－８３２７４号公報

H. M. Dahn, A. J. Smith, J. C. Burns, D. A. Stevens, and J. R. Dahn, Journal of The Electrochemical Society 159(9), A1405-A1409 (2012)

これらの特許文献１、特許文献２及び非特許文献１に記載のものは、リチウムイオン電池の劣化を推定するものであって、推定した結果に基づいて充放電の制御を行うものではなかった。

したがって、本発明の目的は、電子機器に搭載されている状態で、電池の劣化を推定し、推定結果に基づいて充放電を制御することが可能な電池制御装置、電池制御方法、電力システム及び電動車両を提供することにある。

本発明は、診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させる充放電制御部と、
二次電池を充電及び／又は放電させることによって開回路電圧曲線を取得する開回路電圧曲線取得部と、
開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測する演算部とを備え、
推測された正極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、充電カット電圧を初回充放電時より低めに設定する更新を行う、電池制御装置である。
また，本発明は、診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させる充放電制御部と、
二次電池を充電及び／又は放電させることによって開回路電圧を取得する開回路電圧曲線取得部と、
開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測する演算部とを備え、
推測された負極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、放電カット電圧を初回充放電時より高めに設定する更新を行う、電池制御装置である。
本発明は、診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させることによって
開回路電圧曲線を取得し、
開回路電圧から正極電位及び負極電位を推測し、
推測された正極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、充電カット電圧を初回充放電時より低めに設定する更新を行う、電池制御方法である。
また、本発明は、診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させることによって
開回路電圧曲線を取得し、
開回路電圧から正極電位及び負極電位を推測し、
推測された負極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、放電カット電圧を初回充放電時より高めに設定する更新を行う、電池制御方法である。

かかる制御方法によれば、電子機器に装着された状態の二次電池の開回路電圧曲線を取得でき、計算によって正極電位及び負極電位を推測するので、そのときの二次電池の状態に応じて充電カット電圧及び放電カット電圧を変更することができる。

また、本発明は、それぞれが複数の二次電池を有する電池モジュールが複数個設けられ、
複数の電池モジュールの一つを放電させて放電電流によって他の電池モジュールを充電し、
複数の電池モジュールの一つを他の電池モジュールによって充電させる構成とされ、
電池モジュールを充電及び/又は放電させることによって開回路電圧曲線を取得し、
開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測し、
推測された正極電位が予め設定した電圧の上限及び下限を超えないように、二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、充電カット電圧を初回充放電時より低めに設定する更新を行う、無停電電源装置である。
また、本発明は、それぞれが複数の二次電池を有する電池モジュールが複数個設けられ、
複数の電池モジュールの一つを放電させて放電電流によって他の電池モジュールを充電し、
複数の電池モジュールの一つを他の電池モジュールによって充電させる構成とされ、
電池モジュールを充電及び/又は放電させることによって開回路電圧曲線を取得し、
開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測し、
推測された負極電位が予め設定した電圧の上限及び下限を超えないように、二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、放電カット電圧を初回充放電時より高めに設定する更新を行う、無停電電源装置である。

かかる構成によれば、容量に冗長性が持たせてある電池モジュールを利用することによって完全放電状態を生じさせることができ、開回路電圧曲線を取得することができる。比較的長期間使用される無停電電源装置を随時診断することができ、無停電電源装置の信頼性を向上できる。

また、本発明によれば、電池制御装置によって制御される二次電池を有し、二次電池が再生可能エネルギーから発電を行う発電装置によって充電される電力システムである。
また、本発明によれば、電池制御装置によって制御される二次電池を有し、二次電池に接続される電子機器に電力を供給する電力システムである。
また、本発明によれば、電池制御装置によって制御される二次電池を有し、二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両である。
また、本発明によれば、電池制御装置によって制御される二次電池を有し、二次電池から電力の供給を受け、又は発電装置又は電力網から二次電池に電力を供給する電力システムである。

これらの電力システムにおいて、二次電池の状態を随時診断することによって、信頼性を向上できる。電動車両においては、二次電池の劣化を防止することができ、二次電池の長寿命化を図ることができる。

少なくとも一つの実施形態によれば、電子機器に搭載されている状態でもって電池の現時点の状態を求めることができ、その状態に応じて適切な充電カット電圧及び放電カット電圧を設定することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果又はそれらと異質な効果であっても良い。

図１は一実施の形態における構成を示すブロック図である。 図２は一実施の形態で０．０５Ｃ以下でのレートで放電を行うときの、開回路曲線の取得について説明するフローチャートである。 図３は一実施の形態で０．５Ｃでのレートで間欠放電を行うときの、開回路曲線の取得について説明するフローチャートである。 図４は一実施の形態における、解析の全体の流れを示すフローチャートである。 図５は一実施の形態における、かくれ過充電とかくれ過放電を説明するグラフである。 図６は一実施の形態における、間欠放電と開回路電圧の予測値を説明するグラフである。 図７はリチウムイオン２次電池における正極の電位、負極の電位と放電の度合いとの関係を示すグラフである。 図８は一実施の形態におけるかくれ過充電、かくれ過放電と各パラメーターの関係を示す図である。 図９は一実施の形態の効果を説明するグラフである。 図１０は一実施の形態の好適な例を説明する図である。 図１１は応用例を示す略線図である。 図１２は応用例を示す略線図である。

以下、本発明について図面を参照して説明する。説明は、以下の順序で行う。
＜１．一実施形態＞
＜２．変形例＞
＜３．応用例＞
なお、以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また例示した効果と異なる効果が存在することを否定するものではない。

＜１．一実施形態＞
「電池制御装置の構成」
本発明の一実施形態による電池制御装置について、図１を参照して説明する。図１において、１が制御対象の電池例えばリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池１は、後述するように、電子機器例えばＵＰＳに設けられている複数の電池ブロックを備えている。

リチウムイオン二次電池１の電圧が電圧検出部２によって検出され、検出された電池電圧が制御部３に供給される。リチウムイオン二次電池１の電流が電流検出部４によって検出され、電流検出部４の検出信号が制御部３に対して供給される。さらに、充電用ＤＣＤＣコンバータ５が設けられており、変換された電圧または電流がリチウムイオン二次電池１に供給される。

制御部３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等で構成される。制御部３の記憶部（ＲＯＭ）８に予め格納されているプログラムにしたがって電池制御装置の全体の動作が制御される。制御部３の演算処理部９に対して電圧検出部２から検出電圧が供給されると共に、電流検出部４から検出電流が供給される。

演算処理部９は、検出電圧及び検出電流を受け取り、後述するような演算を行い、リチウムイオン二次電池１の正極電位及び負極電位をリアルタイムで求める。演算部９の演算結果に基づいて充電電圧／充電電流制御部６が制御される。

「制御動作の一例」
制御部３の制御のもとで行われる制御動作の一例について図２のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１：処理が開始される。
ステップＳ２：充電用ＤＣ－ＤＣコンバータ５の所定の充電電流でリチウムイオン二次電池１を充電するＣＣ（ConstantCurrent：定電流）充電がなされる。
ステップＳ３：ＣＣ充電の際の充電カット電圧に電池電圧が達したかどうかが判定される。電池電圧は、電圧検出部２によって検出される。電池電圧が充電カット電圧に達するまでＣＣ充電がなされる。
ステップＳ４：ステップＳ３において、充電カット電圧に達したと判定されると、ＣＣ充電を停止する。

ステップＳ５：ＣＶ（Constant Voltage：定電圧）充電を開始する。
ステップＳ６：電流が設定値以下かどうかについて判定される。
ステップＳ７：電流が設定値以下と判定されると、ＣＶ充電が終了する。電流が規定値以下の場合を満充電として検出しているが、他の方法によって満充電を検出するようにしてもよい。

上述したステップＳ１～Ｓ７の処理は、通常のＣＣ－ＣＶ充電処理であって、リチウムイオン二次電池１を一旦満充電状態とする。次のステップＳ８では、一定時間経過したかどうかが判定される。一定時間経過したと判定されると、処理がステップＳ９に進む。ステップＳ８は、満充電後の休止処理である。
ステップＳ９：０．０５Ｃ以下でのＣＣ放電を行う。
ステップＳ１０：満充電状態からの積算電流値ｑ_iとそのときの電圧ｖ_iを測定する。

ステップＳ１１：一定時間経過したかどうかが判定される。
ステップＳ１２：一定時間経過したと判定されると、放電カット電圧を下回ったかどうかが判定される。
ステップＳ１３：下回ったとステップＳ１２において判定されると、ＣＣ放電を停止する。
上述したステップＳ９からステップＳ１３までの処理によって、フルスイング（満充電状態から完全放電状態まで）でゆっくり放電しながら積算電流値ｑ_iとそのときの電圧ｖ_iが取得される。

ステップＳ１４：ＣＣ充電を開始する。
ステップＳ１５：制御開始時のＳＯＣに相当する電圧に達したかどうかが判定される。
ステップＳ１６：ステップＳ１５において、制御開始時のＳＯＣに相当する電圧に達したと判定されると、ＣＣ充電が停止される。ステップＳ１４～Ｓ１６によって元のＳＯＣまで再充電される。
ステップＳ１７：ＣＶ充電を開始する。
ステップＳ１８：電流が設定値以下かどうかについて判定される。
ステップＳ１９：電流が設定値以下と判定されると、ＣＶ充電が終了する。電流が規定値以下の場合を満充電として検出しているが、他の方法によって満充電を検出するようにしてもよい。
ステップＳ２０：処理が終了する。

「制御動作の他の例」
制御部３の制御のもとで行われる制御動作の他の例について図３のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ２１：処理が開始される。
ステップＳ２２：電流発生部５の所定の充電電流でリチウムイオン二次電池１を充電するＣＣ充電がなされる。
ステップＳ２３：ＣＣ充電の際の充電カット電圧に電池電圧が達したかどうかが判定される。電池電圧は、電圧検出部２によって検出される。電池電圧が上限電圧に達するまでＣＣ充電がなされる。
ステップＳ２４：ステップＳ２３において、充電カット電圧に達したと判定されると、ＣＣ充電を停止する。

ステップＳ２５：ＣＶ充電を開始する。
ステップＳ２６：電流が設定値以下かどうかについて判定される。
ステップＳ２７：電流が設定値以下と判定されると、ＣＶ充電が終了する。電流が規定値以下の場合を満充電として検出しているが、他の方法によって満充電を検出するようにしてもよい。

上述したステップＳ２１～Ｓ２７の処理は、通常のＣＣ－ＣＶ充電処理であって、リチウムイオン二次電池１を一旦満充電状態とする。次のステップＳ２８では、一定時間経過したかどうかが判定される。一定時間経過したと判定されると、処理がステップＳ２９に進む。ステップＳ２８は、満充電後の休止処理である。上述した処理の一例におけるステップＳ１～Ｓ８とステップＳ２１～Ｓ２８は、同様の処理である。

ステップＳ２９：ＣＣ放電を行う。
ステップＳ３０：一定時間経過したかどうかが判定される。
ステップＳ３１：一定時間経過したと判定されると、ＣＣ放電を停止し、満充電状態からその時点までの積算電流値ｑ_iを計算する。

ステップＳ３２：ＣＣ放電を停止した直後から一定時間間隔で電圧の過度応答を測定する。
ステップＳ３３：電圧の過度応答から開回路電圧ｖ_iを予測する。
ステップＳ３４：放電カット電圧を下回ったかどうかが判定される。

ステップＳ３５：ステップＳ３４において放電カット電圧を下回ったと判定されると、ＣＣ充電を開始する。
ステップＳ３６：制御開始時のＳＯＣに相当する電圧に達したかどうかが判定される。
ステップＳ３７：ステップＳ３６において、制御開始時のＳＯＣに相当する電圧に達したと判定されると、ＣＣ充電が停止される。ステップＳ３５～Ｓ３７によって元のＳＯＣまで再充電される。
ステップＳ３８：ＣＶ充電を開始する。
ステップＳ３９：電流が設定値以下かどうかについて判定される。
ステップＳ４０：電流が設定値以下と判定されると、ＣＶ充電が終了する。電流が規定値以下の場合を満充電として検出しているが、他の方法によって満充電を検出するようにしてもよい。
ステップＳ４１：処理が終了する。上述した図２に示す処理と比較して図３に示す処理は、処理時間を短縮化することができる。

続いて以下に示す、開回路電圧曲線から正極と負極の電位の推定方法、充電カット電圧と放電カット電圧の更新方法までの全体の流れについて図４に説明する。
ステップＳ１０１：処理を開始する。
ステップＳ１０２：上述した方法（０．０５Ｃ以下でのレートで放電または０．５Ｃのレートで間欠放電）を用いて、開回路電圧曲線（ｑ_i，ｖ_i）を求める。
ステップＳ１０３：開回路曲線電圧曲線（ｑ_i，ｖ_i）について、４つのパラメーター（Ｑ_p，Ｓ_p，Ｑ_n，Ｓ_n）などを使った計算値（ｑ，ｖ）でフィッティングし、このときの４つのパラメーターを求める。
ステップ１０４：求めた４つのパラメーターから、充電の度合い（ｙ_p,fc，ｙ_p,fd，ｙ_n,fc，ｙ_n,fd）を算出する。
ステップ１０５：正極及び負極について、正負極共に規定の電位範囲を超えないような、充電カット電圧（Ｖ_fc）と放電カット電圧（Ｖ_fd）を求め、更新する。
ステップＳ１０６：処理を終了する。

［従来の充放電法の問題点］
従来の２次電池の充放電は例えば、初回充放電の充電カット電圧と放電カット電圧を永続的に利用するような、固定電圧間での充放電を繰り返してきた。しかし、この場合、サイクル数が増えるにつれ、正極や負極の劣化が進んだ結果、充電カット電圧または放電カット電圧のときの正極および負極の電位は初回充放電のときの値と比べて多少ずれ、かくれ過充電やかくれ過放電が発生する。

かくれ過充電とは、充電カット電圧のときに、正極の電位は初回充電時より高くなり、負極の電位は初回充電時より低くなることであり、かくれ過放電とは放電カット電圧のときに、正極の電位は初回放電時より低くなり、負極の電位は初回放電時より高くなることである。かくれ過充電とかくれ過放電について、横軸を充放電のサイクル数として表すと、例えば、図５のようになる。

このようなかくれ過充電やかくれ過放電は２次電池の劣化の可能性や発煙・発火の危険性がある。これらを防ぐためには、２次電池の正極と負極の電位を把握することが重要である。

正極と負極の電位は本来であれば、参照極を加えた３つの電極で実測により求めるものである。しかし、実用される２次電池は正極と負極の２つの電極から構成されるのが一般的であり、参照極はない。そこで、充放電時の電圧から正極と負極の電位を推定することになる。この電位の推定には例えば、開回路電圧曲線から求めた４つのパラメーター（Ｑ_p，Ｓ_p，Ｑ_n，Ｓ_n）が必要である。

［開回路電圧の予測］
開回路電圧曲線の測定として０．０５Ｃ以下のレートでの充放電が提案されているが、これでは１回の充電または放電に約２０時間以上かかり、実用的ではない。そこで、本技術では０．５Ｃのレートにて間欠放電を行った。この場合、短時間の０．５Ｃ放電を行い、その後開放状態にしたときの電圧の過渡応答から個々の開回路電圧を予測することができる。

０．５Ｃにて間欠放電を行ったときの開回路電圧曲線の測定例を図６に示す。放電を開始するとともに、急に電圧が下がっていることが分かる。これは電池内の電極付近のリチウムイオンの濃度変化に対応するものである。そこで、本技術では、例えば、５分間の０．５Ｃ放電と２分間の放電休止（＝開放状態）とを繰り返すような間欠放電を行った。この放電休止中に電池内でリチウムイオンの拡散が進み、図６のように放電休止中に電圧が上昇する。そこで、放電休止中に上昇した電圧曲線から予測される値を開回路電圧とした。図６の丸印が予測された開回路電圧である。つまり、図６は７分毎に取得した開回路電圧の予測値のプロット図である。

開回路電圧の予測値は、図６に示される２分間の放電休止中に得られた電圧曲線に、以下の式（山形大学仁科教授による式）をフィッティングすることで求めることができる。

これらの式は０．５Ｃで間欠放電後の休止における電圧の過渡応答を記述した式であり、Ｖ₀は放電休止を開始したときの電圧である。放電休止中の電圧値にフィッティングすることでｓ_iとτ_iを回帰的に求め、ｔ→∞のときのＶ（ｔ）を開回路電圧とした。このフィッティングは図６で２分間の放電休止をする度に行い、開回路電圧を求めた。

なお、開回路電圧曲線の放電容量（ｑ_i）とセル電圧（ｖ_i）を求める方法として、０．０５Ｃ以下でのレートで放電を行う方法と、０．５Ｃでのレートで間欠放電を行う方法とを説明したが、それぞれ、０．０５Ｃ以下でのレートで充電を行ったり、０．５Ｃでのレートで間欠充電を行ったりしても、開回路電圧曲線の放電容量（ｑ_i）とセル電圧（ｖ_i）を求めることが可能である。

［正極と負極の電位の推定方法］
上記方法で求めた開回路電圧曲線の放電容量（ｑ_i）とセル電圧（ｖ_i）に、パラメーターを使って放電容量の計算値（ｑ）とセル電圧の計算値（ｖ）の関係式をフィッティングし、そのときに使用したパラメーターを使って、正極の電位（φ_p）と負極の電位（φ_n）を求めるものである。放電電流（ｊ）における放電曲線を５つのパラメーターを使って以下のように表す。

ここで、５つのパラメーターとして、Ｑ_pは正極拡大率（Positive Net Capacity）で、Ｑ_nは負極拡大率（Negative Net Capacity）で、Ｓ_pは正極平行移動（Positive Slippage）で、Ｓ_nは負極平行移動（Negative Slippage）で、Ｒ_Oはオーム抵抗である。このとき、（ｑ－Ｓ_p）／Ｑ_pと（ｑ－Ｓ_n）／Ｑ_nは０から１の値をとる。この式（１）を図６のような０．５Ｃでの間欠放電の放電容量（ｑ_i）とセル電圧（ｖ_i）または０．０５Ｃでの放電曲線の放電容量（ｑ_i）とセル電圧（ｖ_i）に残差平方和が最小となるようにフィッティングして、５つのパラメーターの組み合わせを見つける。

この５つのパラメーターを、例えば、過剰条件のＮ元連立非線形方程式を立て、ニュートン・ラフソン法によって数値解析をすることで求め、正極の電位（φ_p）と負極の電位（φ_n）を求めた。このとき、５つのパラメーターより放電容量（Ｑ）も求まる。

［充放電電圧の更新方法］
上述したかくれ過充電やかくれ過放電を防止するためには、充放電を停止する電圧を更新すればよい。サイクル数が増えるにつれて、充電を停止する電圧（充電カット電圧）を初回充放電時より低めに設定する更新を行い、放電を停止する電圧（放電カット電圧）を初回充放電時より高めに設定する更新を行う。以下に、その方法を述べる。

以下では、正極の電位（φ_p）と負極の電位（φ_n）を放電の度合い（ｘ）の関数として表し、正極電位関数をφ_p（ｘ）、負極電位関数をφ_n（ｘ）とする。ｘは充電の度合いであり、０から１の範囲を取り、ｘが０に近いほど充電状態であり、ｘが１に近いほど放電状態である。一般的に、正極は概ね３．５～４．５Ｖの範囲、負極は概ね０．０～１．５Ｖの範囲内で使用されるため、ここでは、例えば、ｘの範囲についてこれらを充放電の両端として以下の様に定めた。

図７に式（２）と式（３）を含んだ、正極の電位、負極の電位と放電の度合いとの関係例を示す。常に、ｘ＝０で満充電状態、ｘ＝１で完全放電状態となっている訳ではなく、満充電状態における正極の放電の度合いをｘ_p,fc、完全放電状態における正極の放電の度合いをｘ_p,fd、満充電状態における負極の放電の度合いをｘ_n,fc、完全放電状態における負極の放電の度合いをｘ_n,fdとすると式（４）のように示すことができる。

ここで、ｘの右肩にある上付き文字（ｎ）は充放電サイクル数を表している。初回の充放電についてはｎ＝１である。充電の度合い（ｙ）を式（５）のように定義した。

満充電状態における正極の充電の度合いをｙ_p,fc、完全放電状態における正極の充電の度合いをｙ_p,fd、満充電状態における負極の充電の度合いをｙ_n,fc、完全放電状態における負極の充電の度合いをｙ_n,fdとする。これらの値を上述した正極と負極の電位の推定方法において求めた、正極拡大率、負極拡大率、正極平行移動、負極平行移動と放電容量を用いて、式（６）のように書き表した。

ここで、ｙやＱなどの右肩にある上付き文字（ｎ）は充放電サイクル数を表している。ｎ＝１のときの充電の度合いを用いて、正極のかくれ過充電を式（７）、正極のかくれ過放電を式（８）、負極のかくれ過充電を式（９）、負極のかくれ過放電を式（１０）のように表せる。

これらのパラメーターとかくれ過充電およびかくれ過放電についての関係を図８に示す。φ_p（１－ｙ_p,fc ⁽¹⁾）は正極の上限電位であり、この電位を上回るとかくれ過充電と見做せ、φ_p（１－ｙ_p,fd ⁽¹⁾）は正極の下限電位であり、この電位を下回るとかくれ過放電と見做せる。φ_n（１－ｙ_n,fc ⁽¹⁾）は負極の下限電位であり、この電位を下回るとかくれ過充電と見做せ、φ_n（１－ｙ_n,fd ⁽¹⁾）は負極の上限電位であり、この電位を上回るとかくれ過放電と見做せる。このようなかくれ過充電やかくれ過放電を防止するには、ｎサイクル目の充放電で式（７）から式（１０）を満たさないようにすればよい。それには充電カット電圧を下げ、放電カット電圧を上げる必要がある。そこで、充電カット電圧をＶ_fcとし、放電カット電圧をＶ_fdとし、式（１１）のように設定した。

ここで、Ｖの右肩にある上付き文字（ｎ）は充放電サイクル数を表している。式（１１）中のｓ_fcとｓ_fdは式（１２）のように定義した。

［実施例および比較例］
以下の条件にて、充放電を繰り返しながら放電容量と充電時間を計測した。
条件１（比較例）：充電カット電圧および放電カット電圧を固定して充放電サイクル試験を行う。
条件２（実施例）：かくれ過放電とかくれ過充電が発生しないように、式（１２）で設定した充電カット電圧と放電カット電圧に逐次更新しながら、充放電サイクル試験を行う。

その結果を図９に示す。図９から、例えばサイクル数が１７０回のとき、実施例の放電容量は比較例より約１０％高く、実施例の充電時間は比較例より約１０％短いことが分かる。実施例は比較例よりも、放電容量の劣化を防止でき、且つ、充電時間の伸長を抑制できていることが判明した。

「ＵＰＳの例」
ここで、一実施の形態について好適な例を紹介する。好適な例とは、容量に余裕のある複数の電池モジュールを備えるＵＰＳである。この例では、複数の電池モジュールの内、１つを充放電させ、開回路電圧曲線を取得し、充電カット電圧と放電カット電圧を推定する。そのときに１つの電池モジュールに出入する電力が他の電池モジュールからの融通によることに特徴がある。

図１０を用いて説明する。この図では５つの電池モジュールＭ１～Ｍ５で一組を構成していて、通常の待機状態ではＳＯＣ（State of Charge，充電率）が等しく８０％である。次に、電池の劣化具合を診断するために、５つの内、１つの電池モジュール（電池モジュールＭ１）を選び、電池モジュールＭ１を充電カット電圧まで充電した。その結果、電池モジュールＭ１のＳＯＣは１００％である。このとき、充電のための電力を他の４つの電池モジュール（電池モジュールＭ２～Ｍ５）の放電により補ったため、電池モジュールＭ２～Ｍ５のＳＯＣは７５％となる。

そして、電池モジュールＭ１について開回路電圧曲線を取得しながら放電カット電圧まで放電した。その結果、電池モジュールＭ１のＳＯＣは０％となる。放電した電力を電池モジュールＭ２～Ｍ５の充電に利用したため、電池モジュールＭ２～Ｍ５のＳＯＣは１００％となる。その後、ＳＯＣが０％になるまで放電した電池モジュールＭ１を充電し、ＳＯＣを８０％に戻した。このときの電力を電池モジュールＭ２～Ｍ５からの放電で補うため、電池モジュールＭ２～Ｍ５のＳＯＣも８０％となる。こうして、元の待機状態に戻した。

このような電池モジュール間での電力の融通により、開回路電圧曲線を取得し、充電カット電圧と放電カット電圧を推定するといったような電池の診断に、余計な外部の電力を不要とすることが可能になる。なお、電池モジュールは５つで構成されていたが、４つ以下または６つ以上で構成されていても良い。電池モジュールが通常の待機状態ではＳＯＣが８０％であったが、ＳＯＣは他の値であっても良い。

＜２．変形例＞
以上、本技術の実施の形態について具体的に説明したが、本技術は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。また、上述の実施の形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料及び数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料及び数値などを用いてもよい。例えば、間欠放電を５分の放電と２分の放電休止の繰り返しで構成していたが、放電と放電休止の時間は他の異なる数値の組み合わせであっても良い。

＜３．応用例＞
以下、電池制御装置の応用例について説明する。なお、電池制御装置の応用例は、以下に説明する応用例に限られることはない。

「応用例としての住宅における蓄電システム」
本発明を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図１１を参照して説明する。例えば住宅１０１用の蓄電システム１００においては、火力発電１０２ａ、原子力発電１０２ｂ、水力発電１０２ｃ等の集中型電力系統１０２から電力網１０９、情報網１１２、スマートメータ１０７、パワーハブ１０８等を介し、電力が蓄電装置１０３に供給される。これと共に、発電装置１０４等の独立電源から電力が蓄電装置１０３に供給される。蓄電装置１０３に供給された電力が蓄電される。蓄電装置１０３を使用して、住宅１０１で使用する電力が給電される。住宅１０１に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。

住宅１０１には、発電装置１０４、電力消費装置１０５、蓄電装置１０３、各装置を制御する制御装置１１０、スマートメータ１０７、各種情報を取得するセンサー１１１が設けられている。各装置は、電力網１０９及び情報網１１２によって接続されている。発電装置１０４として、太陽電池、燃料電池、風車等が利用され、発電した電力が電力消費装置１０５及び／又は蓄電装置１０３に供給される。電力消費装置１０５は、冷蔵庫１０５ａ、空調装置１０５ｂ、テレビジョン受信機１０５ｃ、バス１０５ｄ等である。さらに、電力消費装置１０５には、電動車両１０６が含まれる。電動車両１０６は、電気自動車１０６ａ、ハイブリッドカー１０６ｂ、電気バイク１０６ｃである。電動車両１０６は、電動アシスト自転車等でもよい。

蓄電装置１０３は、二次電池又はキャパシタから構成されている。例えば、リチウムイオン二次電池によって構成されている。リチウムイオン二次電池は、定置型であっても、電動車両１０６で使用されるものでも良い。この蓄電装置１０３に対して、上述した本発明のリチウムイオン二次電池１が適用可能とされる。スマートメータ１０７は、商用電力の使用量を検出し、検出された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網１０９は、直流給電、交流給電、非接触給電の何れか一つ又は複数を組み合わせても良い。

各種のセンサー１１１は、例えば人感センサー、照度センサー、物体検知センサー、消費電力センサー、振動センサー、接触センサー、温度センサー、赤外線センサー等である。各種センサー１１１により取得された情報は、制御装置１１０に送信される。センサー１１１からの情報によって、気象の状態、人の状態等が把握されて電力消費装置１０５を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置１１０は、住宅１０１に関する情報を、インターネットを介して外部の電力会社等に送信することができる。

パワーハブ１０８によって、電力線の分岐、直流交流変換等の処理がなされる。制御装置１１０と接続される情報網１１２の通信方式としては、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter：非同期シリアル通信用送受信回路）等の通信インタフェースを使う方法、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）等の無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）は、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）８０２．１５．４の物理 層を使用するものである。ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、ＰＡＮ（Personal Area Network）又はＷ（Wireless）ＰＡＮと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。

制御装置１１０は、外部のサーバ１１３と接続されている。このサーバ１１３は、住宅１０１、電力会社、サービスプロバイダーの何れかによって管理されていても良い。サーバ１１３が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置（たとえばテレビジョン受信機）から送受信しても良いが、家庭外の装置（たとえば、携帯電話機等）から送受信しても良い。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等に、表示されても良い。

各部を制御する制御装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory)等で構成され、この例では、蓄電装置１０３に格納されている。制御装置１１０は、蓄電装置１０３、発電装置１０４、電力消費装置１０５、各種センサー１１１、サーバ１１３と情報網１１２により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能等を備えていても良い。

以上のように、電力が火力発電１０２ａ、原子力発電１０２ｂ、水力発電１０２ｃ等の集中型電力系統１０２のみならず、発電装置１０４（太陽光発電、風力発電）の発電電力を蓄電装置１０３に蓄えることができる。したがって、発電装置１０４の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、又は、必要なだけ放電したりするといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置１０３に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置１０３に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置１０３によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。

なお、この例では、制御装置１１０が蓄電装置１０３内に格納される例を説明したが、スマートメータ１０７内に格納されても良いし、単独で構成されていても良い。さらに、蓄電システム１００は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。

「応用例としての車両における蓄電システム」
本発明を車両用の蓄電システムに適用した例について、図１２を参照して説明する。図１２に、本発明が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。

このハイブリッド車両２００には、エンジン２０１、発電機２０２、電力駆動力変換装置２０３、駆動輪２０４ａ、駆動輪２０４ｂ、車輪２０５ａ、車輪２０５ｂ、バッテリー２０８、車両制御装置２０９、各種センサー２１０、充電口２１１が搭載されている。バッテリー２０８に対して、上述した本発明のリチウムイオン二次電池１が適用される。リチウムイオン二次電池１が１又は複数適用される。

ハイブリッド車両２００は、電力駆動力変換装置２０３を動力源として走行する。電力駆動力変換装置２０３の一例は、モーターである。バッテリー２０８の電力によって電力駆動力変換装置２０３が作動し、この電力駆動力変換装置２０３の回転力が駆動輪２０４ａ、２０４ｂに伝達される。なお、必要な個所に直流－交流変換（ＤＣ－ＡＣ変換）あるいは逆変換（ＡＣ－ＤＣ変換）を用いることによって、電力駆動力変換装置２０３が交流モーターでも直流モーターでも適用可能である。各種センサー２１０は、車両制御装置２０９を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度（スロットル開度）を制御したりする。各種センサー２１０には、速度センサー、加速度センサー、エンジン回転数センサーなどが含まれる。

エンジン２０１の回転力は発電機２０２に伝えられ、その回転力によって発電機２０２により生成された電力をバッテリー２０８に蓄積することが可能である。

図示しない制動機構によりハイブリッド車両が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置２０３に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置２０３により生成された回生電力がバッテリー２０８に蓄積される。

バッテリー２０８は、ハイブリッド車両の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口２１１を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。

図示しないが、二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていても良い。このような情報処理装置としては、例えば、電池の残量に関する情報に基づき、電池残量表示を行う情報処理装置などがある。

なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、或いはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、モーターで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモーターの出力がいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モーターのみで走行、エンジンとモーターで走行という３つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本発明は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モーターのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本発明は有効に適用できる。

１・・・リチウムイオン二次電池、２・・・電圧検出部、３・・・制御部、４・・・電流検出部、５・・・充電用ＤＣＤＣコンバータ、６・・・充電電圧／充電電流制御部、８・・・記憶部、９・・・演算処理部、Ｍ１～Ｍ５・・・電池モジュール

Claims (12)

1. 診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させる充放電制御部と、
   前記二次電池を充電及び／又は放電させることによって開回路電圧を取得する開回路電圧曲線取得部と、
   開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測する演算部とを備え、
   推測された前記正極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、前記二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び前記二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、前記充電カット電圧を初回充放電時より低めに設定する更新を行う、電池制御装置。
2. 診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させる充放電制御部と、
   前記二次電池を充電及び／又は放電させることによって開回路電圧を取得する開回路電圧曲線取得部と、
   前記開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測する演算部とを備え、
   推測された前記負極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、前記二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び前記二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、前記放電カット電圧を初回充放電時より高めに設定する更新を行う、電池制御装置。
3. 前記開回路電圧曲線取得部は、前記二次電池を間欠充電及び／又は間欠放電したときの過渡応答から、前記開回路電圧を予測する請求項１または請求項２に記載の電池制御装置。
4. 診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させることによって
   開回路電圧曲線を取得し、
   前記開回路電圧から正極電位及び負極電位を推測し、
   推測された前記正極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、前記二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び前記二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、前記充電カット電圧を初回充放電時より低めに設定する更新を行う、電池制御方法。
5. 診断時に、二次電池を充電及び／又は放電させることによって
   開回路電圧曲線を取得し、
   前記開回路電圧から正極電位及び負極電位を推測し、
   推測された前記負極電位が予め設定した電位の上限及び下限を超えないように、前記二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び前記二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、前記放電カット電圧を初回充放電時より高めに設定する更新を行う、電池制御方法。
6. 前記二次電池を間欠充電及び／又は間欠放電したときの過渡応答からの前記開回路電圧曲線を予測する請求項４または請求項５に記載の電池制御方法。
7. それぞれが複数の二次電池を有する電池モジュールが複数個設けられ、
   前記複数の電池モジュールの一つを放電させて放電電流によって他の電池モジュールを充電し、
   前記複数の電池モジュールの一つを他の電池モジュールによって充電させる構成とされ、
   前記電池モジュールを充電及び/又は放電させることによって開回路電圧曲線を取得し、
   前記開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測し、
   推測された前記正極電位が予め設定した電圧の上限及び下限を超えないように、前記二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び前記二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、前記充電カット電圧を初回充放電時より低めに設定する更新を行う、無停電電源装置。
8. それぞれが複数の二次電池を有する電池モジュールが複数個設けられ、
   前記複数の電池モジュールの一つを放電させて放電電流によって他の電池モジュールを充電し、
   前記複数の電池モジュールの一つを他の電池モジュールによって充電させる構成とされ、
   前記電池モジュールを充電及び/又は放電させることによって開回路電圧曲線を取得し、
   前記開回路電圧曲線から正極電位及び負極電位を推測し、
   推測された前記負極電位が予め設定した電圧の上限及び下限を超えないように、前記二次電池の充電を停止する充電カット電圧及び前記二次電池の放電を停止する放電カット電圧を変更し、サイクル数が増えるにつれて、前記放電カット電圧を初回充放電時より高めに設定する更新を行う、無停電電源装置。
9. 請求項１、２、４、５、７、８の何れかに記載の電池制御装置によって制御される二次電池を有し、前記二次電池が再生可能エネルギーから発電を行う発電装置によって充電される電力システム。
10. 請求項１、２、４、５、７、８の何れかに記載の電池制御装置によって制御される二次電池を有し、前記二次電池に接続される電子機器に電力を供給する電力システム。
11. 請求項１、２、４、５、７、８の何れかに記載の電池制御装置によって制御される二次電池を有し、前記二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有する電動車両。
12. 請求項１、２、４、５、７、８の何れかに記載の電池制御装置によって制御される二次電池を有し、前記二次電池から電力の供給を受け、又は発電装置又は電力網から前記二次電池に電力を供給する電力システム。

Images