JP6648561B2

JP6648561B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP6648561B2
Application number: JP2016045568A
Authority: JP
Inventors: 大樹寺島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: JP2017163687A

Description

本発明は、バッテリモジュールの最大放電可能電力を設定する電源システムに関する。

近年、エンジンとモータとで車両を駆動するハイブリッド車両が多く用いられるようになってきている。ハイブリッド車両には、モータに駆動電力を供給すると共に、モータが発電機として機能した際の発電電力を蓄電可能な二次電池が搭載されている。このようなハイブリッド車両では、エンジンを起動するために別途スタータを設けず、車両駆動用のモータによってエンジンの起動を行う。エンジンの起動の際には、大きな電力が二次電池から放電されるので、二次電池からの最大放電可能電力を二次電池の電圧値が下限電圧値を下回らない電力まで一時的に拡大する充放電制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２では、二次電池からの最大放電可能電力を予測した後、しばらく待機してからエンジン起動を行う場合でもエンジン起動の際に二次電池の電圧値が下限電圧値よりも低くならないように、待機中の放電を考慮して二次電池の最大放電可能電力を設定する蓄電装置出力予測装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−３０６７７１号公報特開２０１０−０３５３３２号公報

ところで、車載用の二次電池としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池が用いられることが多い。図８（ａ）に示すように、初期状態では、このような二次電池の正極板１２２の集電箔１２２ａの表面には、正極活物質１２２ｃおよび導電材１２２ｄからなる正極活物質層１２２ｂが形成されている。正極活物質１２２ｃの表面は導電材１２２ｄによって覆われている。過放電によって正極電位が下限電位以下に低下すると、図８（ｂ）に示すように、導電材１２２ｄが電解液中に溶出して溶出物１２２ｅが発生する。溶出物１２２ｅが発生すると導電材１２２ｄの量が減少し、正極板１２２の導電性が低下して二次電池の出力性能が低下する劣化を招く場合がある。また、過放電によって負極電位が上限電位以上に上昇すると、正極と同様に負極の導電材１２１ｄが電解液中に溶出して、その量が減少し、負極板１２１の導電性が低下して二次電池の劣化を招く場合がある。このため、過放電による二次電池の劣化を招かないようにするには、二次電池の正極、負極の電位に基づいて最大放電可能電力を決定することが望ましい。

しかし、特許文献１，２に記載された従来技術は、正極、負極の電位に基づかず、二次電池の電圧値、即ち、正極と負極との電位差、に基づいて最大放電可能電力を算出しているので算出精度が低く、二次電池の放電可能電力を十分に使えない場合や、過放電による劣化を招くおそれがあった。また、電位検出装置を用いて正極、負極の電位を検出し、これに基づいて放電可能電力を算出する場合には、電源システムが複雑になってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、簡便な構成で二次電池の最大放電可能電力の算出精度を高め、二次電池の放電可能電力を十分に使用可能とするとともに過放電による二次電池の劣化を抑制することを目的とする。

本発明の電源システムは、複数の電池セルを直列に接続したバッテリモジュールと、前記バッテリモジュールの電圧値を検出する電圧センサと、前記バッテリモジュールの電流値を検出する電流センサと、前記バッテリモジュールの温度を検出する温度センサと、前記バッテリモジュールの放電電力を調整する制御部と、を備える電源システムであって、前記制御部は、前記電圧センサによって検出した前記バッテリモジュールの現在電圧値と、前記電流センサによって検出した前記バッテリモジュールの現在電流値と、前記温度センサによって検出した前記バッテリモジュールの現在温度と、に基づいて前記電池セルの現在正極電位と現在負極電位とを推定する電位推定部と、推定した前記現在正極電位と正極の放電下限電位と前記電池セルの内部抵抗と分極抵抗とに基づいて前記電池セルの正極の電流値が現在電流値より増加した場合の前記バッテリモジュールの第１最大放電可能電力を算出し、推定した前記現在負極電位と負極の放電上限電位と前記電池セルの内部抵抗と分極抵抗とに基づいて前記電池セルの負極の電流値が現在電流値より低下した場合の前記バッテリモジュールの第２最大放電可能電力を算出する電力算出部と、前記第１最大放電可能電力と前記第２最大放電可能電力とを比較して小さい方を前記バッテリモジュールの最大放電可能電力として設定する最大放電電力設定部と、を有することを特徴とする。

本発明は、簡便な構成で二次電池の最大放電可能電力の算出精度を高め、二次電池の放電可能電力を十分に使用可能とするとともに過放電による二次電池の劣化を抑制することができる。

本実施形態の電源システムの構成を示す系統図である。電池セルの外形図である。電池セルにおける帯状の発電要素の展開斜視図である。電池セルの帯状の発電要素の断面図である。図３Ａ、図３Ｂに示す帯状の発電要素を巻き付けた状態を示す斜視図である。本実施形態の電源システムの動作を示すフローチャートである。電池セルの電流、温度、ＳＯＣと負極電位_Ｖ負関係を示すマップである。電池セルの正極電位Ｖ_正、正極電流値Ｉ_正、負極電流値Ｉ_負、負極電位Ｖ_負の時間変化を示すグラフである。二次電池の初期状態と劣化を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態の電源システム１００について説明する。図１に示すように、本実施形態の電源システム１００は、バッテリモジュール１０と、バッテリモジュール１０の電圧値Ｖｂを検出する電圧センサ１７と、バッテリモジュール１０の電流値Ｉｂを検出する電流センサ１８と、バッテリモジュール１０の温度Ｔｂを検出する温度センサ１９と、バッテリモジュール１０の放電電力を調整する制御部２０と、を備えている。バッテリモジュール１０は、正極ライン１２、負極ライン１３を介して負荷１４に接続されている。負荷１４は、バッテリモジュール１０から出力された電力を受けて動作する。また、負荷１４は、発電を行うこともでき、負荷１４によって生成された電力は、バッテリモジュール１０に供給される。これにより、バッテリモジュール１０が充電される。

電源システム１００は、例えば、車両に搭載できる、負荷１４としては、モータジェネレータを用いることができる。モータジェネレータは、バッテリモジュール１０から出力された電力を受けて、車両を走行させるための動力を生成する。モータジェネレータが生成した動力は、車輪に伝達される。モータジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電力に変換し、この電力をバッテリモジュール１０に供給する。

電圧センサ１７、電流センサ１８、温度センサ１９は、制御部２０に接続され、各センサ１７，１８，１９が検出した電圧値Ｖｂ、電流値Ｉｂ、温度Ｔｂは、それぞれ制御部２０に入力される。本実施形態においてバッテリモジュール１０を放電しているときの電流値Ｉｂを正の値とし、バッテリモジュール１０を充電しているときの電流値Ｉｂを負の値としている。

制御部２０は、電圧値Ｖｂ、電流値Ｉｂ、温度Ｔｂに基づいて、バッテリモジュール１０の充放電を制御する。制御部２０は、内部に情報処理や演算を行うＣＰＵ２１と制御プログラムや制御データを格納するメモリ２２を有するコンピュータである。また、制御部２０は、後で説明する電位推定部２３と、電力算出部２４と、最大放電電力設定部２５とを含んでいる。

バッテリモジュール１０は、複数の電池セル１１を直列に接続したものである。電池セル１１は、例えば、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池など充放電可能な二次電池である。

次に、電池セル１１の構造について図２を参照しながら説明する。図２において、Ｘ軸及びＺ軸は、互いに直交する軸である。本実施形態では、鉛直方向に相当する軸をＺ軸としている。なお、Ｘ軸およびＺ軸と直交する軸をＹ軸とする。

電池セル１１は、電池ケース１１０および充放電を行う要素である発電要素１２０を有する。電池ケース１１０は、発電要素１２０を収容している。電池ケース１１０は密閉状態となっており、電池ケース１１０の内部には電解液が注入されている。電池ケース１１０には負極端子１１１および正極端子１１２が固定されている。負極端子１１１および正極端子１１２は、発電要素１２０と電気的に接続されている。

図３Ａに示すように、発電要素１２０は、負極板１２１と、正極板１２２と、セパレータ１２３とを有する。図３Ａは、発電要素１２０の一部を展開した図である。図３Ａにおいて、Ｙは負極板１２１と正極板１２２とセパレータ１２３との積層方向を示す。負極板１２１は、集電箔１２１ａと、集電箔１２１ａの表面に形成された負極活物質層１２１ｂとを有する。負極活物質層１２１ｂは、図３Ａ中では、集電箔１２１ａの下側の表面に形成されるので、破線のハッチングで示す。負極活物質層１２１ｂは、図８（ａ）を参照して説明したように、負極活物質１２１ｃ、導電材１２１ｄ、バインダーなどを含んでいる。負極活物質層１２１ｂは、集電箔１２１ａの一部の領域に形成されており、集電箔１２１ａの残りの領域には、負極活物質層１２１ｂが形成されていない。

また、同様に、正極板１２２は、集電箔１２２ａと、集電箔１２２ａの表面に形成された正極活物質層１２２ｂとを有し、図８（ａ）を参照して説明したように、正極活物質１２２ｃ、導電材１２２ｄ、バインダーなどを含んでいる。正極活物質層１２２ｂは、図３Ａ中では、集電箔１２２ａの上側の表面に形成されるので、実線のハッチングで示す。正極活物質層１２２ｂは、集電箔１２２ａの一部の領域に形成されており、集電箔１２２ａの残りの領域には、正極活物質層１２２ｂが形成されていない。

図３Ｂに示すように、発電要素１２０は、負極板１２１の負極活物質層１２１ｂと正極板１２２の正極活物質層１２２ｂとの間にセパレータ１２３を挟んで積層し、図３Ｂに示すＤの方向に長く延びる帯状の薄板である。従って、負極板１２１の集電箔１２１ａと正極板１２２の集電箔１２２ａとは発電要素１２０の積層方向であるＹ方向の外面となる。

図２に示す電池ケース１１０の中に、この帯状の発電要素１２０を格納するために、図３Ａ、図３Ｂに示す帯状の発電要素１２０を図４に示すようにＸ軸の周りで図３Ａ、図３Ｂに示す発電要素１２０が延びる方向Ｄが周方向となるように巻いて、立体状の発電要素１２０とする。先に説明したように、各集電箔１２１ａ、１２２ａが帯状の発電要素１２０の積層方向の外面となっているので、巻きつけた際に各集電箔１２１ａ、１２２ａの外面同士が接触しないよう、巻きつけの際には、各集電箔１２１ａ、１２２ａの間に図３Ｂに示すセパレータ１２４を挟んで巻きつける。そして、立体状に巻き付けられた発電要素１２０は電池ケース１１０の中に収容される。なお、図４では楕円の筒状に巻き付けられた発電要素１２０を示しているが、発電要素の形状はこれに限らず、例えば、四角状に巻き付けられたものとしてもよい。

立体状の発電要素１２０では、Ｘ軸が延びる方向(Ｘ方向という)における発電要素１２０の一端では、負極板１２１の集電箔１２１ａだけが巻かれている。集電箔１２１ａだけが巻かれた部分は、図２に示す負極端子１１１と電気的に接続される。また、Ｘ方向における発電要素１２０の他端では、正極板１２２の集電箔１２２ａだけが巻かれている。集電箔１２２ａだけが巻かれた部分は、図２に示す正極端子１１２と電気的に接続される。

電池ケース１１０に立体状の発電要素１２０を格納した後、電池ケース１１０の中に電解液を入れ、負極活物質層１２１ｂ、正極活物質層１２２ｂおよびセパレータ１２３に電解液を含浸させる。また、発電要素１２０の外部、つまり、発電要素１２０および電池ケース１１０の間に形成されたスペースには、余剰液としての電解液が存在している。

図４に示す領域Ａは、負極活物質層１２１ｂおよび正極活物質層１２２ｂがセパレータ１２３を挟んで互いに向かい合う領域である。領域Ａにおいて、電池セル１１(発電要素１２０)の充放電に応じた化学反応が行われる。

図１に示すバッテリモジュール１０は、図２〜４を参照して説明した電池セル１１を負極端子１１１と正極端子１１２のＸ方向の並びが交互に反対になるようにしてＹ方向に積層し、隣接する電池セル１１の負極端子１１１と正極端子１１２と順次接続して複数の電池セル１１を直列に接続したものである。

次に、図５〜７を参照して本実施形態の電源システム１００の動作について説明する。
以下の説明では、図７に示すように、時刻ゼロから時刻ｔ０の間、正極からは正極電流Ｉ_正０が流出し負極には負極電流Ｉ_負０が流入する放電状態であり、正極電位Ｖ_正は放電により少しずつ低下し、負極電位Ｖ_負は放電により少しずつ上昇している。そして、時刻ｔ０には正極電圧値はＶ_正０となり負極電圧値はＶ_負０となる。また、時刻ｔ０の正極、負極の電流値は、それぞれＩ_正０、Ｉ_負０となっている。なお、時刻ｔ０は現在の時刻である。また、図７（ａ）の線ｐは正極電位Ｖ_正の変化を示し、図７（ｂ）の線ｑは正極電流値Ｉ_正の変化を示し、図７（ｃ）の線ｒは負極電流値Ｉ_正の変化を示し、図７（ｄ）の線ｓは負極電位Ｖ_負の変化を示す。なお、正極電流値Ｉ_正、負極電流値Ｉ_負は、正極、負極から流出する方向の電流を正、正極、負極に流入する方向の電流を負とする。

制御部２０の電位推定部２３は、図５のステップＳ１０１に示すように、時刻ｔ０に図１に示す電圧センサ１７、電流センサ１８、温度センサ１９によりバッテリモジュール１０の現在電圧値Ｖｂ０、現在電流値Ｉｂ０、現在温度Ｔｂ０を検出する。

次に、制御部２０の電位推定部２３は、図５のステップＳ１０２のように、現在負極電位Ｖ_負０の推定処理を行う。制御部２０はメモリ２２の中に図６に示すようなＸ軸に電池セル１１の電流Ｉ（Ａ）、Ｙ軸に電池セル１１の温度（℃）、ＸＹ平面に垂直なＺ軸を電池セル１１のＳＯＣとして、電池セル１１の負極電位Ｖ_負をプロットしたマップを格納している。

時刻ｔ０のバッテリモジュール１０のＳＯＣは、現在電圧値Ｖｂ０、現在電流値Ｉｂ０、現在温度Ｔｂ０によって推定することができる。また、電池セル１１は直列に接続されているので、バッテリモジュール１０の現在電流値Ｉｂ０は、電池セル１１の電流と同様となる。また、バッテリモジュール１０の温度は電池セル１１の温度と同様である。そこで、制御部２０の電位推定部２３は、時刻ｔ０に検出したバッテリモジュール１０の現在電圧値Ｖｂ０、現在電流値Ｉｂ０、現在温度Ｔｂ０に基づいてバッテリモジュールのＳＯＣを算出し、バッテリモジュール１０のＳＯＣから電池セル１１のＳＯＣを算出する。通常、電池セル１１のＳＯＣはバッテリモジュール１０のＳＯＣと同様なので、電位推定部２３は、バッテリモジュール１０のＳＯＣを電池セル１１のＳＯＣとする。そこで、電位推定部２３は、バッテリモジュール１０の現在電流値Ｉｂ０、現在温度Ｔｂ０とＳＯＣを用いて図６のマップから、時刻ｔ０の現在負極電位Ｖ_負０を推定する。

次に、制御部２０の電位推定部２３は、図５のステップＳ１０３に示すように、時刻ｔ０の現在正極電位Ｖ_正０の推定処理を行う。バッテリモジュール１０は複数の電池セル１１を直列に接続して構成されているので、電池セル１１の時刻ｔ０の電圧Ｖ０は、電池セル１１の個数をｎとして、

で算出する。電位推定部２３は、電池セル１１の現在正極電位Ｖ_正０を以下の式を用いて推定する。

次に制御部２０は、ステップＳ１０４に進み、電力算出部２４で時刻ｔ０の現在正極電位Ｖ_正０と時刻ｔｅ、例えば１秒後、の正極の放電下限電位Ｖ_正ｅとに基づいて、以下に説明するように、第１セル最大放電可能電力Ｗ_正ｅを算出する。正極の放電下限電位Ｖ_正ｅは、電池セル１１の種類によって異なるが、例えば、０．２〜０．３Ｖ程度としてもよい。

図７（ｂ）の線ｑに示すように、時刻ｔ０の直後に正極電流値がＩ_正０からＩ_正αに増加したとすると、図７（ａ）の線ｐに示すように、正極電位Ｖ_正は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、正極の内部抵抗をＲ_正として、［（Ｉ_正α−Ｉ_正０）×Ｒ_正］、だけ低下する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間は、例えば、０．１秒程度である。時刻ｔ１の正極電位をＶ_正１とすると、Ｖ_正１は、次の式で表される。

図７（ａ）の線ｐに示すように、時刻ｔ１の後は電池セル１１の分極により正極電位Ｖ_正は、［Ｉ_正α×Ｒ_正ｄｙｎ］、だけゆっくりと低下し、時刻ｔｅには正極の放電下限電位Ｖ_正ｅとなる。Ｖ_正ｅは、正極の分極抵抗をＲ_正ｄｙｎとして下記の（式４）で表される。ここで、時刻ｔ０から時刻ｔｅは、例えば、１秒程度である。

（式４）をＩ_正αについて解くと、

となる。
そうすると、時刻ｔｅに正極の電位が放電下限電位Ｖ_正ｅとなる電池セル１１の第１セル最大放電可能電力Ｗ_正ｅは、以下の（式６）で算出される。

電力算出部２４は（式６）によって電池セル１１の第１セル最大放電可能電力Ｗ_正ｅを算出したら、それを電池セル１１の個数のｎをかけたものをバッテリモジュール１０の第１最大放電可能電力としてメモリ２２に格納する。

制御部２０の電力算出部２４は、第１最大放電可能電力を算出したら、図５のステップＳ１０５に進み、時刻ｔ０の現在負極電位Ｖ_負０と時刻ｔｅの負極の放電上限電位Ｖ_負ｅとに基づいて、以下に説明するように、第２最大放電可能電力を算出する。負極の放電上限電位Ｖ_負ｅは、電池セル１１の種類によって異なるが、例えば、−０．６〜−０．７Ｖ程度としてもよい。

正極と同様、図７（ｃ）の線ｒに示すように、時刻ｔ０の直後に負極電流値がＩ_負０からＩ_負αにマイナス方向に増加したとすると、図７（ｄ）の線ｓに示すように、負極電位Ｖ_負は、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで、負極の内部抵抗をＲ_負として、［−（Ｉ_負α−Ｉ_負０）×Ｒ_負］、だけ上昇する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間は、例えば、０．１秒程度である。時刻ｔ１の負極電位をＶ_負１とすると、Ｖ_負１は、次の式で表される。

図７（ｄ）の線ｓに示すように、時刻ｔ１の後は電池セル１１の分極により負極電位Ｖ_負は、［−Ｉ_負α×Ｒ_負ｙｎ］だけゆっくりと上昇し、時刻ｔｅには負極の放電上限電位Ｖ_負ｅとなる。Ｖ_負ｅは、負極の分極抵抗をＲ_負ｄｙｎとして下記の（式９）で表される。ここで、時刻ｔ０から時刻ｔｅは、例えば、１秒程度である。

（式９）をＩ_負αについて解くと、

となる。
そうすると、時刻ｔｅに負極の電位が放電上限電位Ｖ_負ｅとなる電池セル１１の第２セル最大放電可能電力Ｗ_負ｅは、以下の（式１１）で算出される。

制御部２０の電力算出部２４は（式１１）によって電池セル１１の第２セル最大放電可能電力Ｗ_負ｅを算出したら、それに電池セル１１の個数ｎをかけたものをバッテリモジュール１０の第２最大放電可能電力としてメモリ２２に格納する。

制御部２０は、電力算出部２４で、（式７）、（式１２）で第１最大放電可能電力、第２最大放電可能電力を算出したら、図５のステップＳ１０６に進む。制御部２０の最大放電電力設定部２５は、メモリ２２から第１最大放電可能電力と第２最大放電可能電力とを読み出して、これらを比較する。そして、図５のステップＳ１０６で、第１最大放電可能電力が第２最大放電可能電力未満の場合には、ステップＳ１０７に進み、小さい方の第１最大放電可能電力をバッテリモジュール１０の最大放電可能電力に設定する。また、図５のステップＳ１０６でＮＯと判断した場合には、第２最大放電可能電力の方が第１最大放電可能電力よりも小さいので、ステップＳ１０８に進み、小さい方の第２最大放電可能電力をバッテリモジュール１０の最大放電可能電力に設定する。

以上説明したように、本実施形態の電源システム１００は、電位検出装置を用いることなく、推定した電池セル１１の正極電位Ｖ_正と負極電位Ｖ_負に基づいて、バッテリモジュール１０の最大放電電力を算出しているので、簡便な構成で最大放電可能電力の算定精度が高く、更に、正極電位Ｖ_正と正極の放電下限電位Ｖ_正ｅとに基づいて算出した第１最大放電電力と負極電位Ｖ_負と負極の放電上限電位Ｖ_負ｅとに基づいて算出した第２最大放電電力とのいずれか小さい方の電力をバッテリモジュール１０の最大放電可能電力に設定しているため、バッテリモジュール１０の放電可能電力を十分に使用可能とするとともに過放電によるバッテリモジュール１０の劣化を抑制することができる。

以上説明した最大放電電力は、バッテリモジュール１０の通常制御における最大放電電電力よりも大きい。このため、上記のように、バッテリモジュール１０の最大放電電力を設定することにより、エンジン始動の際等にバッテリモジュール１０の最大放電電力を通常制御の最大放電電力よりも一時的に拡大して、バッテリモジュール１０の放電可能電力を十分に使用可能とするとともに過放電によるバッテリモジュール１０の劣化を抑制することができる。

１０バッテリモジュール、１１電池セル、１２正極ライン、１３負極ライン、１４負荷、１７電圧センサ、１８電流センサ、１９温度センサ、２０制御部、２１ＣＰＵ、２２メモリ、２３電位推定部、２４電力算出部、２５最大放電電力設定部、１００電源システム、１１０電池ケース、１１１負極端子、１１２正極端子、１２０発電要素、１２１負極板、１２１ａ，１２２ａ集電箔、１２１ｂ負極活物質層、１２１ｃ負極活物質、１２１ｄ，１２２ｄ導電材、１２２正極板、１２２ｂ正極活物質層、１２２ｃ正極活物質、１２２ｅ溶出物、１２３，１２４セパレータ。

Claims

複数の電池セルを直列に接続したバッテリモジュールと、
前記バッテリモジュールの電圧値を検出する電圧センサと、
前記バッテリモジュールの電流値を検出する電流センサと、
前記バッテリモジュールの温度を検出する温度センサと、
前記バッテリモジュールの放電電力を調整する制御部と、を備える電源システムであって、
前記制御部は、
前記電圧センサによって検出した前記バッテリモジュールの現在電圧値と、前記電流センサによって検出した前記バッテリモジュールの現在電流値と、前記温度センサによって検出した前記バッテリモジュールの現在温度と、に基づいて前記電池セルの現在正極電位と現在負極電位とを推定する電位推定部と、
推定した前記現在正極電位と正極の放電下限電位と前記電池セルの内部抵抗と分極抵抗とに基づいて前記電池セルの正極の電流値が現在電流値より増加した場合の前記バッテリモジュールの第１最大放電可能電力を算出し、推定した前記現在負極電位と負極の放電上限電位と前記電池セルの内部抵抗と分極抵抗とに基づいて前記電池セルの負極の電流値が現在電流値より低下した場合の前記バッテリモジュールの第２最大放電可能電力を算出する電力算出部と、
前記第１最大放電可能電力と前記第２最大放電可能電力とを比較して小さい方を前記バッテリモジュールの最大放電可能電力として設定する最大放電電力設定部と、
を有することを特徴とする電源システム。