本発明は、車両用二次電池システムに係り、詳しくは、二次電池の充電方法に関する。

二次電池の劣化度合いを表す劣化指標として、新品時の満充電容量に対する現状の満充電容量の比率であるSOH(State of Health)が広く知られている。この劣化指標SOHは、例えば二次電池を電池残容量0の状態から満充電まで充電して、実際の満充電容量を測定して得られることができる。しかしながら、劣化指標を推定するために電池残容量0の状態から満充電まで充電しなければならず、推定に要する時間が大幅に長くなるといった問題点がある。

そこで、二次電池の充放電時の電池容量及び電池電圧をパラメータとした微分特性を有する微分曲線が二次電池の劣化状態に応じて形状が異なることを利用して、微分曲線上に現れる特徴点の推移や変化量等に基づき二次電池の劣化指標を推定する種々の手法が提案されている。 例えば特許文献1に記載された二次電池システムでは、二次電池の充電時に電池容量Qを算出すると共に、電池電圧Vの変化量dVに対する電池容量Qの変化量dQの割合である微分値dQ/dVを求め、微分値dQ/dVと電池電圧Vとの関係から微分曲線V-dQ/dVを算出している。

そして、所定の電池電圧Vの範囲内で微分曲線V-dQ/dVに現れる特徴点の電圧値、詳しくはピーク形状の頂点部分である極大点の電圧値から、二次電池の劣化指標である容量低下率を求めている。 また、特許文献2に記載された二次電池システムでは、微分曲線V-dQ/dVに現れる特徴点から、詳しくは微分曲線V-dQ/dVの極大点の微分値dQ/dV(極大値)から二次電池の劣化指標を求めている。

特開2013−19709号公報

特開2014−139897号公報

ところで、特許文献1の二次電池システムは、プラグインハイブリッド車等の外部電源より充電可能な車両に搭載されており、二次電池の充電時に劣化指標を推定する。また、特許文献2の二次電池システムは、例えば車両に搭載されるものであり、二次電池の充放電時に劣化指標を推定する。 しかしながら、外部電源より充電可能な車両に搭載された二次電池システムにおいては、あまり放電されていない状態から充電が開始される場合がある。したがって、特許文献1または2に記載されたように微分曲線V-dQ/dVに現れる特徴点に基づいて劣化指標を推定する場合には、充電時に特徴点の電池電圧よりも高電圧の状態から充電する場合があり得るので、劣化指標の推定が不能となる場合がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、劣化指標を推定する機会を増加させることが可能な車両用二次電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の車両用二次電池システムは、車両に搭載された二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、前記充放電制御部によって前記二次電池を充電し、前記二次電池の電池電圧Vと、前記電池電圧Vの変化量dVに対する前記二次電池の電池容量Qの変化量dQの割合である微分値dQ/dVとの関係を示す微分曲線V-dQ/dVを算出する微分曲線算出部と、前記電池電圧Vの所定の領域において現れる前記微分曲線V-dQ/dVの特徴点を特定する特徴点特定部と、前記二次電池を充電する際に、前記特徴点の電池電圧に基づいて、前記二次電池の劣化指標を推定する劣化指標推定部と、前記充放電制御部によって前記二次電池の充電を開始する際に、前記二次電池の電池電圧が前記特徴点の電池電圧より高い場合、前記二次電池を放電させて前記二次電池の電池電圧を前記特徴点の電池電圧未満とした後に前記二次電池を充電させる放電後充電を実施して、前記劣化指標推定部により前記劣化指標を推定させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

これにより、二次電池の充電を開始する際に、二次電池の電池電圧が特徴点の電池電圧より高い場合であっても、特徴点の電池電圧未満となるまで放電した後に充電するので、充電時に二次電池の電池電圧が特徴点の電池電圧に達する。これにより、充電開始時における二次電池の充電状態に拘わらず、劣化指標の推定が可能となる。 また、好ましくは、前記充放電制御部によって前記二次電池を充電する際に、前記放電後充電、及び前記二次電池を放電させずに充電する通常充電のいずれを実施するか選択する選択部を備えるとよい。

これにより、二次電池の劣化指標の推定と二次電池の充電のいずれを優先するか選択することができる。 また、好ましくは、前記充放電制御部によって前記二次電池を充電する際に、前記二次電池の電池電圧が前記特徴点の電池電圧より高いことを表示する表示部を備えるとよい。 これにより、表示部によって通常充電ではSOHの推定が不能であることが表示されるので、選択部によって放電後充電の選択をする必要性を認識することが可能となる。

また、好ましくは、前記車両に、前記二次電池へ充電電流を供給する充電ガンを接続する端子部を備え、前記端子部は、接続した前記充電ガンの回転位置を変更可能に構成され、前記選択部は、前記充電ガンの回転位置で前記放電後充電及び前記通常充電の選択を行うとよい。 これにより、放電後充電及び通常充電の選択を容易に行うことができるとともに、充電ガンの回転位置によって放電後充電及び通常充電のいずれを選択しているか容易に確認することが可能となる。

また、好ましくは、前記制御部は、前記二次電池の電池電圧が前記特徴点の電池電圧より高い場合に、前記二次電池の電池電圧が前記特徴点の電池電圧未満となるまでの放電時間を演算し、当該放電時間に応じて前記充電ガンの回転可能な位置を制限するとよい。 これにより、充電ガンの回転によって放電後充電を選択する際に、充電ガンの回転可能な位置によって放電時間を容易に確認することができる。

また、好ましくは、前記二次電池を充電させる充電機が急速充電機か普通充電機かを判別する判別部を備え、前記選択部は、前記充電機が前記急速充電機である場合には、前記通常充電を自動的に選択するとよい。 これにより、急速充電機である場合には通常充電が自動的に選択されるので、二次電池の劣化指標の推定よりも充電を優先して、二次電池を短時間で効率よく充電させることができる。

また、好ましくは、前記二次電池を充電させる充電機が急速充電機か普通充電機かを判別する判別部を備え、前記選択部は、前記充電機が前記普通充電機である場合には、前記放電後充電を自動的に選択するとよい。 これにより、比較的充電時間を長く要する普通充電機による充電において、充電の前に放電を行って、二次電池の劣化指標の推定を確実に行うことができる。

本発明の車両用二次電池システムによれば、二次電池の充電を開始する際に、二次電池の電池電圧が特徴点の電池電圧より高い場合であっても、特徴点の電池電圧未満となるまで放電した後に充電するので、充電時に二次電池の電池電圧が特徴点の電池電圧に達して、劣化指標の推定が可能となる。これにより、二次電池の劣化指標の推定機会を増加させることができる。

本発明の実施形態の車両用二次電池システムを示す概略構成図である。

微分曲線V-dQ/dVの一例を示す特性図である。

電圧Vtと組電池4のSOHとの相関関係の一例を示す特性図である。

充電選択制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明を具体化した車両用二次電池システムの一実施形態を説明する。 図1は本実施形態の車両用二次電池システムを示す概略構成図である。図2は、微分曲線V-dQ/dVの一例を示す特性図である。図2では、微分値dQ/dVを縦軸とし、電池電圧Vを横軸として、SOH100%、75%、64%の夫々における電池温度25℃での微分曲線V-dQ/dVが表されている。図3は、電圧Vtと組電池4のSOHとの相関関係の一例を示す特性図である。なお、図3では、温度毎に実線あるいは破線で結んで表示されている。

本実施形態の車両用二次電池システム(二次電池システム1)は、電気自動車またはプラグインハイブリッド車のような充電可能な車両20に搭載されており、走行用動力源である走行モータに電力を供給する。全体として二次電池システム1は、その全体を統合制御するメインコントローラ2(制御部)、及びメインコントローラ2に並列に接続された複数の二次電池モジュール3から構成されている。

二次電池モジュール3は、組電池4(二次電池)、サブコントローラ5及び充放電制御部6から構成されている。 組電池4は、所期の電池容量及び出力電圧を達成するために複数の単電池を組み合わせて構成されている。本実施形態の組電池4は、その正極電極板にLiMn₂O₄及びLiMO₂(Mは、Co,Ni,Al,Mn,Feの内、少なくとも1つを含む遷移金属元素)が含まれている。

組電池4には電圧センサ7、電流センサ8及び温度センサ9が接続されている。電圧センサ7により組電池4の電池電圧Vが検出され、電流センサ8により組電池4の入出力電流Iが検出され、温度センサ9により組電池4の電池温度Tが検出され、それらの検出情報はサブコントローラ5に入力される。 サブコントローラ5は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM,RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等から構成されている。サブコントローラ5は充放電制御部6を駆動して組電池4の充放電を制御する機能を奏し、充放電制御の際には、組電池4の劣化指標に応じて最大許容電流や最大許容電圧を調整する。なお、本実施形態においては、組電池4の劣化指標として、新品時の満充電容量に対する現状の満充電容量の比率であるSOH(State of Health)を使用する。

また、サブコントローラ5は、組電池4のSOHを推定するために必要な微分曲線を算出する微分曲線算出部10を備えている。本実施形態では微分曲線としてV-dQ/dVを用いている。微分曲線V-dQ/dVとは、組電池4の電池電圧Vと、組電池4の電池電圧Vの変化量dVに対する電池容量Qの変化量dQの割合である微分値dQ/dVとの関係を示すものである。

微分曲線算出部10は、組電池4の充電時または放電時に適宜設定された所定時間毎に組電池4の電池容量Qを逐次算出すると共に、これに同期して電池電圧Vを取得し、組電池4の電池電圧Vの変化量dVに対する電池容量Qの変化量dQの割合である微分値dQ/dVを算出する。そして、得られた微分値dQ/dVと電池電圧Vとの関係を示す曲線として微分曲線V-dQ/dVを算出する。

組電池4の充電または放電に伴って組電池4の充電率(SOC:State of Charge)と共に電池電圧Vが増加または低下し、それに応じて微分値dQ/dVが変化することで、例えば図2に示すように微分曲線V-dQ/dV上には、電池電圧Vの所定範囲(例えば3.85V〜4.05V付近)においてピーク形状が現れる。なお、このピークにおける低電圧側の傾斜部の電池電圧Vの範囲を特定電圧区間Vrとする。この特定電圧区間Vrは、本発明における電池電圧Vの所定の領域に該当する。

微分曲線算出部10は、算出した微分曲線V-dQ/dV及び温度センサ9により検出された電池温度T(以下、これらを実測データと称する)をメインコントローラ2に出力する。 なおサブコントローラ5は、組電池4の充放電に伴う入出力電流Iを適宜設定された所定時間毎に積算して組電池4のSOCを算出し、その情報もメインコントローラ2に出力する。

一方、メインコントローラ2はサブコントローラ5と同様に、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM,RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等から構成されている。 メインコントローラ2は、入出力部12、データ保存部13(記憶部)、特徴点特定部15、SOH推定部16(劣化指標推定部)及び充放電指令部17を備えている。

特徴点特定部15は、微分曲線算出部10において算出した微分曲線V-dQ/dVから、特定電圧区間内で微分値dQ/dVが規定値a(例えば60であり、本発明の所定値に該当する)となる微分曲線V-dQ/dV上の点を特徴点Ptとする。 データ保存部13は、入出力部12を介して各二次電池モジュール3のサブコントローラ5から入力された実測データを記憶する。またデータ保存部13には、試験等により、予め微分曲線V-dQ/dV上の特定の特徴点Ptの電圧Vtと組電池4のSOHとの相関関係を示すデータ(以下、基準データと称する)が温度域毎に記憶されている。この基準データは、例えば図3に示すように、温度域毎に、特徴点Ptの電圧Vtが増加するに伴って、SOHが低下するような関係になっている。

基準データの作成処理は、以下の通りであり、工場等で試験を行って実施される。 まず、本実施形態の組電池4と同一規格の組電池4の劣化試験を実施し、未使用の組電池4の充放電を繰り返して寿命限界まで段階的に劣化させる。劣化過程の各SOHにおいて、異なる複数の温度域の下で組電池4を充放電させる。 そして、微分曲線算出部10において、充放電により得られた電池電圧V及び電池容量Qに基づき微分値dQ/dVを算出し、電池電圧Vと微分値dQ/dVとの関係を示す微分曲線V-dQ/dVを算出する。更に、特徴点特定部15において微分曲線V-dQ/dVにおける微分値dQ/dVが規定値aとなった特徴点Ptの電圧Vtを求める。

そして、データ保存部13は、この特徴点Ptの電圧Vtと組電池4のSOHとの相関関係を、温度域毎に各二次電池モジュール3の共通の基準データ(マップデータ)として予めデータ保存部13に記憶する。 SOH推定部16は、データ保存部13に記憶された各二次電池モジュール3の基準データを読み出して逐次実測データと比較して、それぞれの二次電池モジュール3について現在の組電池4のSOHを推定する。詳しくは、実測データの電池温度Tに基づき温度域を特定し、その温度域に対応する各SOHの基準データの中から、実測データの特定の特徴点の位置に対して一致または最も近い特徴点を有する基準データを選択し、その基準データのSOHを推定値と見なす。本実施形態における特徴点Ptは、電池電圧Vと微分値dQ/dVとの関係を示すグラフ上で、微分値dQ/dVが所定値aである線Lと、測定した微分曲線V-dQ/dVとの交点である。

このときの実測データは微分曲線V-dQ/dVの全領域が算出されている必要はなく、微分値dQ/dVが所定値aとなることが判明できれば、特徴点Ptの特定、延いてはSOHの推定が可能である。本発明は、このような部分的な微分曲線V-dQ/dVを算出する場合も含むものとする。 なお、各SOH間及び各温度域間は基準データを特定できないため、補間処理により基準データを算出してもよい。

充放電指令部17は、SOH推定部16により推定されたSOH等に基づき、各二次電池モジュール3のサブコントローラ5に入出力部12を介して充放電制御の指令を出力する。例えば所定値未満のSOHが推定された二次電池モジュール3に対しては、充放電時の最大許容電流や最大許容電圧を制限する指令を出力する。この指令に基づくサブコントローラ5による充放電制御により、劣化の進行した組電池4の保護が図られる。

また充放電指令部17は、何れかの二次電池モジュール3で寿命限界を下回るSOHが推定された場合等には、運転席に設けられた表示部18に車両点検を促すメッセージを表示する。これにより販社等で車両点検が実施されて、必要に応じて組電池4が交換される。 なお、以上の説明では、各二次電池モジュール3の組電池4全体を対象として、電池電圧V、入出力電流I及び温度Tの検出処理、微分曲線V-dQ/dVの算出処理、SOHの推定処理を実施したが、これに限るものではない。例えば、組電池4を構成する単電池毎に各処理を実施したり、或いは複数の単電池からなる単電池群毎に各処理を実施したりしてもよい。また、微分曲線算出部10、データ保存部13、特徴点特定部15、SOH推定部16は必ずしもメインコントローラ2やサブコントローラ5に存在する必要は無く、外部PCのソフトウェアなどでこれらの処理を行ってもよい。

更に、本実施形態の二次電池システム1は、充電方式選択スイッチ21(選択部) 及びSOH推定不能表示部22(表示部)を備えている。 充電方式選択スイッチ21及びSOH推定不能表示部22は、車両20に搭載され、例えば充電コネクタ23(端子部)を収納した充電リッド内に備えられている。なお、この充電コネクタ23は、車外の充電機24から充電電流を供給するための充電ガン25が接続される。充電方式選択スイッチ21及びSOH推定不能表示部22は、メインコントローラ2の入出力部12に接続されている。

充電方式選択スイッチ21は、放電後充電と通常充電とを選択するスイッチである。 放電後充電は、組電池4を電圧Vが特徴点Ptの電圧Vt未満となるまで放電した後に充電を行う制御である。通常充電は、組電池4の放電を行わずに充電を実行する制御である。 また、メインコントローラ2は、充電ガン25を車両20の充電コネクタ23に接続した際に、充電機24の図示しないコントローラと通信し、少なくとも充電機24の充電開始スイッチ26の操作信号を入力可能となっている。

次に、図4を用いて、メインコントローラ2において実行される組電池4の充電選択制御手順を説明する。 図4は、組電池4の充電選択制御手順を示すフローチャートである。 本実施形態では、組電池4の充電を開始する際に、充電選択制御を行う。 組電池4の充電開始時期として、例えば車両20の充電コネクタ23を覆う充電リッドの開時に、本制御を実行すればよい。

始めにステップS10では、電圧センサ7により組電池4の電圧Vを検出する。そして、ステップS20に進む。 ステップS20では、ステップS10で検出した電池電圧Vが、データ保存部13に記憶されている特徴点Ptの電圧Vrmin以上か否かを判別する。電圧Vrminについては、特定電圧区間Vrの下限値であり、特徴点Ptの電圧Vtよりも低く、充電中に確実に特徴点Ptの電圧Vtが計測可能となる値に設定すればよい。電池電圧Vが特徴点Ptの電圧Vrmin以上である場合には、即ち特徴点Ptの電圧Vtを充電中に計測不能である場合には、ステップS30に進む。電池電圧Vが特徴点Ptの電圧Vrmin未満である場合には、即ち特徴点Ptの電圧Vtを充電中に計測可能である場合には、ステップS70に進む。

ステップS30では、SOH推定不能表示部22によってSOHの推定が不能であることを表示する。そして、ステップS40に進む。 ステップS40では、充電機24の充電開始スイッチ26がONであるか否かを判別する。充電開始スイッチ26がONである場合には、ステップS50に進む。充電開始スイッチ26がOFFである場合には、ステップS40を繰り返す。

ステップS50では、充電方式選択スイッチ21が放電後充電を選択しているか否かを判別する。放電後充電を選択している場合には、ステップS60に進む。放電後充電を選択していない場合には、ステップS80に進む。 ステップS60は、放電後充電を実行する。即ち、組電池4を、電池電圧Vが特徴点Ptの電圧Vt以上の状態から電圧Vrmin未満となるまで放電した後に充電を行う。そして、本ルーチンを終了する。

ステップS70では、充電機24の充電開始スイッチ26がONであるか否かを判別する。充電開始スイッチ26がONである場合には、ステップS80に進む。充電開始スイッチ26がOFFである場合には、ステップS70を繰り返す。 ステップS80では、通常充電を実行する。即ち、組電池4に対し、放電を行わずに充電を実行する。そして、本ルーチンを終了する。

なお、放電後充電及び通常充電は、組電池4が満充電に到達した場合に充電を完了する。 以上のように、本実施形態では、微分曲線V-dQ/dVの特徴点Ptとして、微分値dQ/dVが規定値aであるときとし、この規定値aであるときの電圧VtからSOHを推定するので、SOHと強い相関性のある電圧Vtとの関係を利用してSOHを精度良く推定することができる。

しかしながら、本実施形態では、充電時に微分曲線V-dQ/dVを演算し、微分値dQ/dVが規定値aに到達したときの電圧Vtに基づいてSOHを推定するので、充電開始時の組電池4の電池電圧Vが電圧Vtより高い場合では、微分値dQ/dVがすでに規定値aを超えているため、充電を行っても微分値dQ/dVが規定値aに到達しない。 そこで、本実施形態では、充電を開始する際に、電池電圧Vが電圧Vrmin以上であるか否かを判別し、電池電圧Vが電圧Vrmin以上である場合には、放電を行って電池電圧Vを電圧Vrmin未満、即ち確実に特徴点Ptの電圧Ptよりも低い電圧にした後に充電を行う充電後放電を行う。

これにより、組電池4の電池電圧Vが特徴点Ptの電圧Vtより高い場合であっても、電圧Vrmin未満となるまで放電した後に充電するので、組電池4の充電の際に確実に電池電圧Vが電圧Vtに到達してSOHを推定する機会を増加させることができる。 また、本実施形態では、充電方式選択スイッチ21によって、放電後充電と通常充電を選択することができるので、組電池4のSOHの推定と充電のいずれを優先するか選択することができる。例えば、充電時間を長時間確保することができる場合には、放電後充電を選択して確実に組電池4のSOHの推定が可能となる一方、充電時間を長時間確保することができない場合には、通常充電を選択することで、放電を行わずに充電を実施して効率よく組電池4を充電させることができる。

また、車両20にSOH推定不能表示部22を備え、組電池4の電池電圧Vが特徴点Ptの電圧Vt以上である場合にSOHの推定が不能であることを表示するので、充電方式選択スイッチ21によって放電後充電の選択をする必要性を認識することが可能となる。 以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、充電方式選択スイッチ21によって放電後充電と通常充電とを選択するが、充電コネクタ23について充電ガン25を差し込んだ際に所定の範囲の角度を回転可能に構成し、この回転角度を検出するスイッチを充電方式選択スイッチ21の代わりとして、充電ガン25の向き(回転位置)に応じて放電後充電と通常充電とを切り換えるようにしてもよい。これにより、放電後充電及び通常充電の選択を容易に行うことができるとともに、充電ガン25の回転位置によって放電後充電及び通常充電のいずれを選択しているか容易に確認することが可能となる。

また、メインコントローラ2は、組電池4の電池電圧Vが特徴点Ptの電圧Vrmin未満となるまでに必要な放電時間を算出し、放電時間が所定時間(例えば1時間)以下の場合に、SOH推定不能表示部22によってSOHの推定が不能であることを表示して、放電後充電を可能とする一方、算出した放電時間が所定時間を超えている場合には、強制的に通常充電としてもよい。これにより、組電池4のSOH推定のために放電時間が過度に大きくなることを防止して、組電池4の充電時間を確保することができる。

更に、算出した放電時間に応じて充電ガン25の回転可能な角度を変更するように、充電コネクタ23を構成してもよい。詳しくは、放電時間が大きくなるに伴って充電ガン25の回転可能角度を大きくすればよい。これにより、充電ガン25を回転させて放電後充電を選択した際に、放電時間を容易に確認することができる。 また、図1の二点鎖線で示すように、車両20に充電機24が急速充電機か普通充電機かを判別する判別部30を備え、メインコントローラ2は、判別部30から充電機24が急速充電機である情報を入力した場合には、充電方式選択スイッチ21の操作及び電池電圧Vに拘わらず、自動的に通常充電を選択してもよい。急速充電機は殆ど有料であるとともに、短時間で充電率を上昇させる要望が強いときに使用する場合が多いので、通常充電によってSOHを推定するよりも組電池4の充電率の上昇を優先させることができる。

また、メインコントローラ2は、充電機24が普通充電機である情報を入力し、電池電圧Vが電圧Vt以上である場合では、充電方式選択スイッチ21の操作に拘わらず、自動的に放電後充電を実行してもよい。普通充電機は、例えば家庭に設置した充電機であって、充電時間を長く確保することができるので、充電を停止したとしても組電池4を十分に充電させることができ、組電池4のSOHの推定機会を増加させて組電池4の状態を十分な頻度で把握することができる。

また、上記の実施形態では、充電方式選択スイッチ21及びSOH推定不能表示部22を、充電リッド内、即ち充電コネクタ23付近に設けたが、表示部18を利用して表示したり、車両20内のメータパネル等の他の表示部で表示したりしてもよい。 また、以上の実施形態では、一つの組電池4に対するSOHの推定について説明したが、車両20には複数の組電池4を搭載しているので、各組電池4に対して上記制御を個別に行ってSOHを推定すればよい。

また、上記実施形態では、微分曲線V-dQ/dVにおいて、微分値dQ/dVが規定値aになった点を特定点として、その電池電圧VからSOHを推定するが、例えば所定の電圧範囲における微分曲線V-dQ/dVのピーク点、変曲点、傾きの最大点等のように、微分値dQ/dVが規定値aになった点以外を特定点としてもよい。

2 メインコントローラ(制御部) 4 組電池(二次電池) 6 充放電制御部 10 微分曲線算出部 15 特徴点特定部 16 SOH推定部(劣化指標推定部) 21 充電方式選択スイッチ(選択部) 22 SOH推定不能表示部(表示部) 23 充電コネクタ(端子部) 25 充電ガン 30 判別部