JP4802945B2 - 二次電池の制御システムおよびそれを搭載したハイブリッド車両 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池の制御システムおよびそれを搭載したハイブリッド車両に関し、より特定的には、電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルを用いた二次電池の充放電制御に関する。

充放電可能な二次電池によって負荷機器へ電源を供給し、かつ必要に応じて当該二次電池を充電可能な構成とした電源システムが用いられている。代表的には、二次電池によって駆動される電動機を駆動力源として備えたハイブリッド自動車や電気自動車等がこのような電源システムを搭載している。たとえば、電気自動車は、この二次電池に蓄えられた動力を用いて電動機を駆動して車両を駆動する。また、ハイブリッド自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、電動機によりエンジンをアシストとして車両を駆動したりする。燃料電池車は、燃料電池による電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、この燃料電池による電力に加えて二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したりする。

特に、車両に搭載された内燃機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを二次電池に充電することができる形式のハイブリッド自動車においては、二次電池が回生電力を受けられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるようにするために、その充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）は満充電の状態（１００％）と、全く充電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御する必要がある。

また、二次電池は過充電あるいは過放電を行なうと電池性能を劣化させ寿命を短くすることになる。したがって、上記のように、中間的なＳＯＣを制御目標として充放電を繰り返し実行するような二次電池の使用形態では、二次電池の充電量を逐次把握して、過剰な充放電を制限するような充放電制御を行なう必要がある。

このため、充放電電流や出力電圧（端子間電圧）等による電池状態のマクロ的な把握に止まらず、二次電池を形成する活物質内のイオン濃度分布を始めとする二次電池の内部状態の動的な推定に基づいて、電池状態を把握する制御構成が提案されている（たとえば、特許文献１〜４）。特に、リチウムイオン電池については、電池内部の電気化学反応を推定可能な電池モデル式が開示されている（たとえば、非特許文献１）。
特開２００３−３４６９１９号公報 特開２０００−１００４７９号公報 特開平１１−２０４１４９号公報 特開２０００−２６８８８６号公報 グおよびワン（W.B.Gu and C.Y.Wang）著、「リチウムイオン電池の熱−電気化学結合モデリング（THERMAL-ELECTROCHEMICAL COUPLED MODELING OF A LITHIUM-ION CELL）」、ECS Proceedings Vol.99-25 (1),2000、（米国）、電気化学学会(ECS)、２０００年、pp 748-762

上述の二次電池の内部状態の動的な推定のためには、電極（活物質）およびイオン伝導体（代表的には電解液）の界面での電気化学反応を解析するとともに、この電気化学反応によって形成される物質（あるいはイオン）についての、電極およびイオン伝導体の内部
での物質輸送（拡散現象）を解析する必要がある。

このような解析の際に、上記特許文献１〜４および非特許文献１では、物質輸送を解析するための拡散方程式についての境界条件は、物質輸送の駆動力が濃度差によって生じるように、具体的には、解析対象となる物質（あるいはイオン）濃度の空間方向での微分が、界面での電極反応によって生じる反応電流に比例するように設定されている。

しかしながら、このような境界条件では、界面での反応量が濃度差によって決まることとなり、現実の電池挙動と合致しなくなる。特に、電池を十分に緩和して濃度差が無くなった状態では、上記境界条件を採用した電池モデルでは電流が生じないこととなってしまうため、計算アルゴリズム上で恣意的な処理を行なわせる必要が生じる。このため、電池内部状態の解析に任意性が生じる結果となり、その解析精度に問題が生じる可能性がある。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、境界条件が適切に設定された電池モデルに基づき、適切な充放電制御を実行することが可能な二次電池の制御システムおよびそれを搭載したハイブリッド車両を提供することである。

この発明による二次電池の制御システムは、負荷との間で電力を授受可能に構成された二次電池の制御システムであって、電池状態推定部と、電池情報生成部と、負荷制御部とを備える。二次電池は、所定物質が固層で存在する活物質を含んで構成される第１および第２の電極と、第１および第２の電極間に設けられるイオン伝導体とを含む。イオン伝導体は、イオン化した所定物質を電極間で伝導するように構成される。電池状態推定部は、二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づき、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するように構成される。電池情報生成部は、電池状態推定部によって算出された状態推定値に基づき、二次電池の充放電制限のための電池情報を生成するように構成される。負荷制御部は、負荷への動作要求に基づき、電池情報生成部による電池情報を考慮して、二次電池の過充電および過放電を回避するように負荷の動作指令を生成する。電池状態推定部は、第１から第４のモデル部と、境界条件設定部とを含む。第１のモデル部は、各電極において、活物質とイオン伝導体との界面における所定物質の電気化学反応を推定するように構成される。第２のモデル部は、各電極内での所定物質の濃度分布を拡散方程式に基づいて推定するように構成される。第３のモデル部は、イオン伝導体内での所定物質のイオン濃度分布を拡散方程式に基づいて推定するように構成される。第４のモデル部は、電気化学反応による反応電流によって各電極およびイオン伝導体内に生じる電流分布に従った電位分布を推定するように構成される。さらに、境界条件設定部は、第２のモデル部で用いられる拡散方程式の界面における境界条件を、所定物質の濃度の時間微分および反応電流の間の所定の関係式に基づいて設定するように構成される。

好ましくは、境界条件設定部での界面における所定の関係式は、下式で示される。ただし、式中において、周方向で所定物質の濃度が一様であると仮定した球状モデルで示される活物質内の各点における所定物質の濃度をｃ_sとし、各点の中心からの距離をｒとし、前記活物質の半径をｒ _s とし、活物質の体積分率をε_sとし、時間をｔとし、反応電流をｊ^Liとし、活物質表面積をａ_sとし、ファラデー定数をＦとする。

上記二次電池の制御システムによれば、電極界面における境界条件を、位置的（空間的）な物質濃度差ではなく電気化学平衡状態からのずれによって物質輸送の駆動力（時間軸上）が生じるように定式化できる。したがって、電池を十分に緩和して濃度差が無くなった状態から充放電電流が発生される際にも、恣意的な処理を行なうことなく二次電池の内部状態を動的に推定できる。この結果、電池モデルによる二次電池の内部状態の推定精度を向上させて、当該電池モデルの計算結果である状態推定値を用いて、適切な充放電制御を実行することが可能となる。

好ましくは、電池情報は、二次電池が入出力可能な上限電力を含む。そして、電池情報生成部は、二次電池内部の各部位での状態推定値の分布に基づき、入出力可能な上限電力を設定し、負荷制御部は、電池情報生成部により設定された入出力可能な上限電力以下の範囲内で、負荷の動作指令を生成する。

上記構成とすることにより、電池モデルによって二次電池の内部反応、すなわち電池内各部位での活物質の利用度分布や温度分布を推定して、二次電池の入出力可能電力を設定できる。したがって、局所的な電池劣化につながる現象を回避するように、二次電池の充放電を適切に制限できる。

また好ましくは、二次電池の制御システムは、パラメータ同定モデル部と、パラメータ更新部とをさらに備える。パラメータ同定モデル部は、センサによる検出値に基づき、電池モデルに用いられるパラメータを同定するように構成される。パラメータ更新部は、センサによって検知される二次電池の実際の挙動と、電池状態推定部による予測値に基づく挙動の予測値との差が所定より大きい場合に、パラメータ同定モデル部によって同定されたパラメータについて、電池モデルで使用するパラメータ値をパラメータ同定モデル部による同定値に更新するように構成される。

上記構成とすることにより、二次電池の実際の挙動と電池モデルによる予測とのずれが大きくなった場合には、電池モデルのパラメータを逐次更新することができる。これにより、電池の内部状態をより正確に把握することができるので、その時点における電池性能を最大限利用できるようになる。また、局所的な劣化や熱暴走の防止効果を高めた充放電制限を可能とすることができる。

さらに好ましくは、二次電池の制御システムは、劣化特性記憶部と、劣化推定部とをさらに備える。劣化特性記憶部は、電池モデルに用いられるパラメータの二次電池の使用に伴う劣化特性を予め記憶するように構成される。劣化推定部は、パラメータ更新部によって更新されたパラメータを、劣化特性記憶部に記憶された劣化特性と比較することにより、二次電池の劣化推定を行なうように構成される。

上記構成とすることにより、パラメータ更新に伴い二次電池の余寿命判定を行なって、使用者に通知することが可能となる。これにより、二次電池の有効利用および使用者の利便性向上が実現される。

あるいは好ましくは、電池情報生成部は、電池状態推定部により推定された現在での状態推定値に基づき、二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力可能な時間を電池情
報として予測する。そして、負荷制御部は、電池情報として予測された時間を考慮して、二次電池の過充電および過放電を回避するように負荷の動作指令を生成する。

上記構成とすることにより、上記電池モデルによって算出された現在の状態推定値を用いて、現時点から所定電力での充放電を継続的に実行可能な入出力可能時間を予測することができる。この結果、現時点での二次電池の内部状態に基づいて、入出力電力に対する入出力可能時間の特性を求めることができる。したがって、この特性に基づいて、過充電および過放電を回避しかつ電池性能を最大限に発揮させるように充放電制限を段階的に設定した充放電制御を行なうことができる。

また好ましくは、電池情報生成部は、電池状態推定部により推定された現時点での状態推定値に基づき、二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の劣化率を電池情報として予測する。そして、負荷制御部は、電池情報として予測された劣化率を考慮して負荷の動作指令を生成する。

上記構成とすることにより、上記電池モデルによって算出された現在の状態推定値を用いて、所定電力を継続的に充放電した場合における予測劣化率を求めることができる。したがって、各時点での二次電池の内部状態を適切に反映して、二次電池の過放電あるいは過充電により劣化が急速に進行しないように考慮して、二次電池の充放電制限を行なうことが可能となる。

好ましくは、二次電池の制御システムは、センサによる検出値に基づき、二次電池の劣化度または余寿命を推定する劣化度推定部をさらに備える。そして、負荷制御部は、劣化度推定部により推定された劣化度または余寿命を考慮して、現時点において許容される劣化率範囲を求めるとともに、電池情報として予測された劣化率が劣化率範囲内となるような二次電池の充放電電力範囲内に制限して、負荷の動作指令を生成する。

上記構成とすることにより、現時点での二次電池の劣化度または余寿命に基づいて許容される劣化率の範囲を変更することができる。したがって、現時点での二次電池の劣化度を反映して、劣化を急速に進行させて電池寿命が短くならないように考慮した二次電池の充放電制限を行なうことが可能となる。

好ましくは、この発明による二次電池の制御システムにおいて、二次電池は、リチウムイオン電池で構成され、所定物質はリチウムである。

上記構成とすることにより、電極内部でのリチウム濃度分布状態によってその出力特性が異なってくるリチウムイオン電池が制御対象であるので、本発明のように、電池の内部反応を電池モデルによって推定した上で充放電制御を行なうことにより、過充電および過放電を回避しかつ電池性能を最大限に発揮させるという効果を有効に享受できる。

この発明によるハイブリッド車両は、車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、上記いずれかの二次電池の制御システムと、制御部とを備える。二次電池は、電動機を負荷とするように構成され、負荷制御部は、負荷の動作指令として、電動機のトルク指令値を生成する。さらに、制御部は、車両全体での要求駆動力が確保されるように、内燃機関および電動機がそれぞれ出力する駆動力を決定するように構成される。

上記ハイブリッド車両では、二次電池の過充電または過放電、あるいは急速な劣化の進行が発生しないように考慮して電動機を負荷とする二次電池の充放電制限を行なった上で、車両全体での要求駆動力を確保することが可能となる。

この発明によれば、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデル式の境界条件を適切に設定することにより、この電池モデルに基づいて適切な充放電制御を実行することが可能な二次電池の制御システムおよびそれを搭載したハイブリッド車両を提供することである。

以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態に従う二次電池の制御システムによって制御される電源システムの構成を説明する概略ブロック図である。

図１を参照して、電源システム５は、二次電池１０と、負荷２０と、二次電池の冷却ファン４０と、バッテリＥＣＵ５０および制御装置８０とを備える。図１の例では、バッテリＥＣＵ５０および制御装置８０の各々は、別個の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）により構成される。各ＥＣＵは、代表的には予めプログラムされた所定シーケンスおよび所定演算を実行するためのマイクロコンピュータおよびメモリ（ＲＡＭ：Random Access Memory，ＲＯＭ：Read Only Memory等）で構成される。バッテリＥＣＵ５０および制御装置８０により、以下に説明するような充放電制限を実行する「制御システム」が実現される。

充放電可能な二次電池１０としては、代表的にはリチウムイオン電池が用いられる。リチウムイオン電池は、電池内部、特に電極内部でのリチウム濃度の分布状態によってその出力特性が異なってくることから、本発明の適用に適している。

二次電池１０には、バッテリ温度Ｔｂを測定する温度センサ３０と、二次電池１０の入出力電流Ｉｂ（以下、バッテリ電流Ｉｂとも称する）を測定する電流センサ３２、ならびに、正極および負極間の端子間電圧Ｖｂ（以下、バッテリ出力電圧Ｖｂとも称する）を測定する電圧センサ３４が設けられている。

冷却ファン４０は、冷媒通路４１を介して二次電池１０と接続され、「冷媒」である冷却風４５を冷媒通路４１へ供給する。図示しないが、二次電池１０には、冷媒通路４１を介して供給された冷却風４５によって二次電池１０の各セルを冷却可能なように、冷媒路が適宜設けられている。冷却ファン４０の作動／停止および作動時の供給冷媒量は、バッテリＥＣＵ５０によって制御される。

負荷２０は、二次電池１０からの出力電力によって駆動される。また、図示しない発電・給電要素が、負荷２０に含まれるように設けられ、あるいは、負荷２０とは別個に設けられるものとし、二次電池１０は、当該発電・給電要素からの充電電流によって充電可能であるものとする。したがって、二次電池１０の放電時にはバッテリ電流Ｉｂ＞０であり、二次電池１０の充電時にはバッテリ電流Ｉｂ＜０である。

バッテリＥＣＵ５０は、電池モデル部６０および電池情報生成部７０を含んで構成される。ここで、電池モデル部６０および電池情報生成部７０の各々は、たとえば、バッテリＥＣＵ５０による所定プログラムの実行により実現される機能ブロックに相当する。電池モデル部６０は、二次電池１０に設けられたセンサ群３０，３２，３４からの検出値に基づき、二次電池１０の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って、電池状態を示す状態推定値を所定周期毎に逐次算出する。

電池情報生成部７０は、電池モデル部６０によって算出された状態推定値に基づき、二次電池の充放電制限のための電池情報を生成する。代表的には、電池情報は、満充電状態（１００％）に対する充電量（残存容量）を示すＳＯＣ（０％〜１００％）や、現在許可される充電電力の上限値である入力可能電力Ｗｉｎおよび放電電力の上限値である出力可能電力Ｗｏｕｔを含む。

制御装置８０は、負荷２０への動作要求に基づき、かつ、バッテリＥＣＵ５０からの電池情報を考慮して二次電池１０の過充電あるいは過放電が発生しないように充放電制限した上で、負荷２０の動作指令を生成する。たとえば、制御装置８０は、二次電池１０の入出力電力が入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔ以下となるように制限して、負荷２０の動作指令を生成する。また、二次電池１０のＳＯＣが下限値以下となった場合には負荷２０の電力消費動作を禁止したり、負荷２０の発電動作（二次電池１０の充電動作）を強制的に起動したりする。反対に、二次電池１０のＳＯＣが上限値以上となった場合には負荷２０の発電動作を強制的に禁止する。

次に、二次電池の構成およびそのモデルについて詳細に説明する。
図２を参照して、二次電池１０を構成する各電池セル１０♯は、負極１２と、セパレータ１４と、正極１５とを含む。セパレータ１４は、負極１２および正極１５の間に設けられた樹脂に電解液を浸透させることで構成される。

負極１２および正極１５の各々は、球状の活物質１８の集合体で構成される。負極１２の活物質１８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なわれる。一方、正極１５の活物質１８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なわれる。

負極１２には電子ｅ^-を吸収する電流コレクタ１３が設けられ、正極１５には電子ｅ^-を放出する電流コレクタ１６が設けられる。負極の電流コレクタ１３は、代表的には銅で構成され、正極の電流コレクタ１６は、代表的にはアルミで構成される。電流コレクタ１３には負極端子１１ｎが設けられ、電流コレクタ１６には正極端子１１ｐが設けられる。セパレータ１４を介したリチウムイオンＬｉ⁺の授受によって、電池セル１０♯では充放電が行なわれ、充電電流Ｉｂ（＞０）または放電電流Ｉｂ（＜０）が生じる。

図３は、電池モデル部６０における二次電池のモデリングを説明する概念図である。
図３を参照して、電池モデル式では、各電池セル１０♯の負極１２および正極１５のそれぞれにおいて、各活物質１８の挙動が共通であるものと仮定して、負極１２および正極１５のそれぞれについて、代表的に１個ずつの活物質１８ｎおよび１８ｐを想定することができる。あるいは、図２に示す負極１２および正極１５のそれぞれにおいて、複数個の活物質１８ｎおよび複数個の活物質１８ｐの挙動をそれぞれ独立に解析して、各電極内での状態推定値の位置的（空間的）分布を求めることとしても良い。

放電時には、負極活物質１８ｎ表面での電極反応により、活物質１８ｎ内のリチウム原子Ｌｉが、電子ｅ^-の放出によりリチウムイオンＬｉ⁺となってセパレータ１４中の電解液に放出される。一方、正極活物質１８ｐ表面の電極反応では、電解液中のリチウムイオンがＬｉ⁺が取込まれて電子ｅ^-を吸収する。これにより、正極活物質１８ｐの内部にリチウム原子Ｌｉが取込まれる。負極活物質１８ｎからのリチウムイオンＬｉ⁺の放出および正極活物質１８ｐでのリチウムイオンＬｉ⁺の取込によって、正極電流コレクタ１６から負極電流コレクタ１３に向けて電流が流れる。

反対に、二次電池の充電時には、負極活物質１８ｎ表面での電極反応により電解液中のリチウムイオンＬｉ⁺が取込まれ、正極活物質１８ｐ表面での電極反応では、電解液へリチウムイオンＬｉ⁺が放出される。

電池モデル式では、充放電時における活物質１８ｐ，１８ｎの表面での電極反応、活物質１８ｐ，１８ｎ内部でのリチウムの拡散（径方向）および電解液中のリチウムイオンの拡散（以下、総括的に、リチウムの拡散・濃度分布と称する）や、各部位での電位分布や温度分布をモデリングする。

次に図４〜図７を用いて、電池モデル部６０の詳細を説明する。
電池モデル部６０は、下記の電池モデル式（Ｍ１）〜（Ｍ１５）によって構成され、その機能構成は、図４のブロック図により示される。また、図５には、電池モデル式（Ｍ１）〜（Ｍ１５）内で用いられる変数および定数の一覧表が示される。図５に示された、電池温度Ｔ（電池内部）、各電位、リチウム濃度を示すための変数が、本発明における「状態推定値」に対応する。

図４を参照して、電池モデル部６０は、電極反応モデル部６１と、電解液中リチウム濃度分布モデル部６２と、活物質内リチウム濃度分布モデル部６３と、電流／電位分布モデル部６４と、熱拡散モデル部６５と、境界条件設定部６６とを含む。

電極反応モデル部６１は、下記（Ｍ１）〜（Ｍ３）式によって構成される。

式（Ｍ１）〜（Ｍ３）は、バトラーボルマーの式と呼ばれる、電極反応を示す式である。式（Ｍ１）において交換電流密度ｉ₀は、活物質１８の界面におけるリチウム濃度の関数で与えられる（詳細は非特許文献１参照）。式（Ｍ２）には式（Ｍ１）中のηの詳細が示され、式（Ｍ３）には式（Ｍ２）中のＵの詳細が示される。

電解液中リチウム濃度分布モデル部６２は、下記（Ｍ４）〜（Ｍ６）式によって構成される。

式（Ｍ４）〜（Ｍ６）には、電解液中でのリチウムイオン保存則が示される。式（Ｍ５）においては電解液中での実効拡散係数の定義が示され、式（Ｍ６）では、反応電流ｊ^Liが電極の単位体積あたりの活物質表面積ａ_sと式（Ｍ１）に示された輸送電流密度／ｉ_njとの積で与えられることが示されている。なお、反応電流ｊ^Liの電極全体での体積積分は、バッテリ電流Ｉｂに対応する。

活物質内リチウム濃度分布モデル部６３は、下記（Ｍ７），（Ｍ８）式によって構成される。

図６に示すように、各活物質１８ｐ，１８ｎ内でのリチウム濃度は、周方向ではリチウム濃度ｃ_sは一様なものと仮定して、半径方向の座標ｒ（ｒ：各点の中心からの距離、ｒｓ：活物質の半径）上での関数としてあらわすことができる。

式（Ｍ７）および（Ｍ８）には、固相中でのリチウム保存則が示される。式（Ｍ７）では球体である活物質１８中での拡散方程式（拡散係数Ｄ_s）が示され、式（Ｍ８）では、電極単位体積あたりの活物質表面積ａ_sが示される。

電流／電位分布モデル部６４は、下記（Ｍ９）〜（Ｍ１３）式によって構成される。

式（Ｍ９）〜（Ｍ１１）には電解液中での電荷保存則より、電解液中での電位を示す式が導かれる。

式（Ｍ１０）には実効イオン伝導率κ^eff、式（Ｍ１１）には電解液中での拡散導電係数κ_D ^effが示されている。

式（Ｍ１２）および（Ｍ１３）では、活物質での電荷保存則より固相中での電位を求める式が示される。

熱拡散モデル部６５は、下記（Ｍ１４），（Ｍ１５）式によって構成される。

式（Ｍ１４）および（Ｍ１５）では熱エネルギ保存則が表現される。これにより、充放電現象による二次電池内部への局所的な温度変化を解析することが可能となる。

なお、これらの電池モデル式（Ｍ１）〜（Ｍ１５）は上記非特許文献１に基づくものであるので、各モデル式の詳細な説明については、非特許文献１を援用する。

電池動作によりバッテリ電流が生じている場合には、バッテリ電流を示すセンサ値Ｉｂに対応して反応電流ｊ^Liが定まり、さらに式（Ｍ６）に従って、式（Ｍ１）の輸送電流密度／ｉ_njが規定される。

あるいは、バッテリ電流Ｉｂ＝０の場合には、図６に示すように、正極中の固層電位φ_sおよび負極中の固層電位φ_sの電位差に対応する端子間電圧がバッテリ電圧Ｖｂにより規定される。

これらの規定された電流条件および／または電圧条件に基づき、電極反応モデル部６１は、バトラーボルマーの式に従って、活物質１８ｐ，１８ｎと電解液との間での、リチウムの挿入（還元反応）・脱離（イオン化反応）を解析する。

式（Ｍ１）〜（Ｍ１５）の電池モデル式を、活物質１８ｐ，１８ｎおよび電解液中の各点において、境界条件を適宜設定した差分方程式を逐次解くことにより、図５に示した各変数、すなわち二次電池１０の状態推定値を逐次的に算出して、二次電池の内部反応を反映した電池状態の時間推移を推定できる。

本実施の形態では、境界条件設定部６６は、式（Ｍ７）の境界条件について、下記（Ｃ１），（Ｃ２）式によって設定する。

図７に示されるように、電気化学的平衡状態では、負極１２において、負極活物質１８ｎ界面および電解液中のリチウム濃度により決定される負極ＯＣＰ（開路電圧）Ｕ２（θ）と、電解液中の電位φ_eおよび負極活物質１８ｎの固層電位φ_sの電位差とは等しくなる。しかし、両者間に電位差（過電圧η）が発生すると、電気化学的平衡状態からのずれに相当する過電圧ηに応じて、界面におけるリチウムの放出・取込が発生すると考えられる。同様に、正極１５でも、界面での電気化学反応は、正極ＯＣＰ（開路電圧）Ｕ１（θ）、電解液中の電位φ_eおよび正極活物質１８ｐの固層電位φ_sから求められる過電圧ηに従ったものとなる。

この現象を定式化するために、上記（Ｃ１），（Ｃ２）式の境界条件が設定される。これにより、電極界面における境界条件を、位置的（空間的）な物質濃度差によって界面での反応量が決められるのではなく、電気化学平衡状態からのずれによって、界面におけるリチウム濃度の時間的変化、すなわち物質輸送の駆動力（時間軸上）が生じるように定式化するような電池モデルを得ることができる。

この結果、電池を十分に緩和して濃度差が無くなった状態から充放電電流が発生される際にも、恣意的なアルゴリズム処理を行なうことなく、現実の電池挙動をより正確に表わして、二次電池の内部状態推定の精度を向上できる。

そして、このように構成された電池モデル部６０によって算出された状態推定値に基づき、二次電池の充放電制限のための電池情報（ＳＯＣ，Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔ等）を生成することにより、過充電および過放電の発生を防止した上で電池性能を最大限に発揮可能なように適切な充放電制御を実行できる。

なお、上記電池モデルにおいて、ＳＯＣは、負極活物質１８ｎ内のリチウム原子数により求められる。また、活物質１８ｐ，１８ｎ内部のリチウムイオン濃度分布を推定することにより、過去の充放電履歴を反映した電池状態の予測が可能となる。たとえば、現在のＳＯＣが同一であっても、充電により現ＳＯＣとなった後に放電する場合には、放電により現ＳＯＣとなった後さらに放電する場合と比較して、出力電圧が相対的に低下し難くなるが、このような現象の予測を行なうことが可能となる。具体的には、充電直後には負極活物質１８ｎ内のリチウム濃度が表面側で相対的に高くなる一方で、放電時には、負極活物質１８ｎ内リチウム濃度が表面側で相対的に低下しているため、活物質内でのリチウム濃度分布を反映して、上記のような予測が可能となる。

［実施の形態２］
実施の形態２以降では、実施の形態１で説明した電池モデルによって算出された状態推定値に基づく充放電制御を順次例示する。まず、実施の形態２では、電池モデル部６０によって算出された状態推定値の二次電池１０内部での分布を反映した充放電制御について説明する。

（リチウム濃度の内部分布に応じた充放電制御）
図８〜図１０は、二次電池の内部状態としてリチウム濃度の内部分布に着目した充放電制限を説明する図である。

図８において、横軸は、二次電池内部での位置的な広がり（たとえば、図２に示した電池モデル座標内でのｘ方向，ｙ方向の広がり）を示すものとする。縦軸は、活物質１８でのリチウム濃度を示す。すなわち、図８には、ある時点における二次電池１０内部でのリチウム濃度についての電池モデルによる分布予測が示される。この分布予測は、充放電を伴う時間経過により逐次更新される。なお、局所的なリチウム濃度に関して、上限管理値Ｍｍａｘおよび下限管理値Ｍｍｉｎが予め定められている。

電池情報生成部７０は、負極１２の範囲内の活物質内リチウム濃度について、最大値と上限管理値Ｍｍａｘとの差である上限余裕値Ｍｎｕおよび、最小値と下限管理値Ｍｍｉｎとの差である下限余裕値Ｍｎｌを求める。同様に、電池情報生成部７０は、正極１５の領域内についても、活物質内リチウム濃度の上限余裕値Ｍｐｕおよび下限余裕値Ｍｐｌを求める。

図９を参照して、電池情報生成部７０は、電池内部での活物質内リチウム濃度の下限管理値Ｍｍｉｎに対する局所的な下限余裕度Ｍｌｍｉｎ（すなわち、図８におけるＭｎｌおよびＭｐｌの最小値に相当）に基づいて、出力可能電力Ｗｏｕｔを設定する。

局所下限余裕度Ｍｌｍｉｎが判定値ｌ１以下である場合には、局所的な過放電による劣化防止のために、Ｗｏｕｔ＝０に設定されて二次電池１０からの放電が禁止される。

一方、局所下限余裕度Ｍｌｍｉｎが判定値ｌ２以上確保されている場合には、リチウムイ濃度の局所的分布からの放電制限は行なわず、出力可能電力Ｗｏｕｔは、通常通り設定される。たとえば、通常時における出力可能電力Ｗｏｕｔは、二次電池１０全体の状態をマクロに評価するための一般的なＳＯＣ（全体ＳＯＣ）に基づく一般的な手法によって設定される。なお、全体ＳＯＣについては、一般的には、充放電電流の積算に基づき、あるいは、この積算値をバッテ温度等のセンサ検出値に基づき修正することによって求められる。

局所下限余裕度Ｍｌｍｉｎが判定値ｌ１〜ｌ２の間である場合には、通常時よりも放電が制限される。すなわち、出力可能電力Ｗｏｕｔは、局所下限余裕度Ｍｌｍｉｎが判定値ｌ２以上確保されている場合よりも小さく設定される。なお、この場合には、出力可能電力Ｗｏｕｔは、局所下限余裕度Ｍｌｍｉｎに応じて、連続的にあるいは段階的に設定することが好ましい。

さらに、図１０に示すように、電池情報生成部７０は、入力可能電力Ｗｉｎについてもリチウム濃度の局所分布に応じて設定する。

図１０を参照して、電池情報生成部７０は、電池内部での活物質内リチウム濃度の上限管理値Ｍｍａｘに対する局所的な上限余裕度Ｍｌｍａｘ（すなわち、図５におけるＭｎｕおよびＭｐｕの最大値に相当）に基づいて、入力可能電力Ｗｉｎを設定する。

局所上限余裕度Ｍｌｍａｘが判定値ｌ３以下である場合には、局所的な過充電による劣化防止のために、Ｗｉｎ＝０に設定されて二次電池１０への充電が禁止される。一方、局所上限余裕度Ｍｌｍａｘが判定値ｌ４以上確保されている場合には、リチウム濃度の局所的分布からの充電制限は行なわず、入力可能電力Ｗｉｎは、通常通り設定される。たとえば、通常時における入力可能電力Ｗｉｎは、出力可能電力Ｗｏｕｔと同様に全体ＳＯＣに基いて設定される。

さらに、局所上限余裕度Ｍｌｍａｘが判定値ｌ３〜ｌ４の間である場合には、通常時よりも充電が制限されて、入力可能電力Ｗｉｎは、局所上限余裕度Ｍｌｍａｘが判定値ｌ４以上確保されている場合よりも小さく設定される。なお、この場合には、入力可能電力Ｗｉｎは、局所上限余裕度Ｍｌｍａｘに応じて、連続的にあるいは段階的に設定することが好ましい。

このように、電池内部での電極反応を反映した電池モデル式に基づき、局所的にリチウム濃度の上昇または低下が危険視される場合には、入力可能電力Ｗｉｎまたは出力可能電力Ｗｏｕｔを制限できる。この結果、二次電池内部の電極活物質の利用度に差が生じることに起因して、局所的にリチウム濃度が限界を超えて上昇（過充電）あるいは低下（過放電）して、局所的な劣化が発生することを防止できる。

なお、リチウム濃度の局所的な上昇・低下が発生していない通常時にも、リチウムイオン濃度の内部分布に厳密に基づいて入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを設定してもよいが、採用実績が豊富である一般的な全体ＳＯＣに基づいて設定する方式とすることにより、ある程度の制御安定性を担保した上で入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔに係る演算処理を簡素化することができる。

（内部温度分布に応じた充放電制御）
図１１には、図８と同様に、電池モデルによるある時点における二次電池１０内部での温度分布予測が示される。局所的な内部温度に関しても、上限管理値Ｔｊが予め定められる。

図１１を参照して、電池情報生成部７０は、負極１２内での局所的な最高温度Ｔｎｍａｘ、および正極１５内での局所的な最高温度Ｔｐｍａｘを求める。

図１２を参照して、電池情報生成部７０は、電池内での局所的な最高温度Ｔｍａｘ（すなわち、図１１のＴｎｍａｘおよびＴｐｍａｘの最大値に相当）に基づいて、入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを設定する。

電池情報生成部７０は、局所最高温度Ｔｍａｘが判定値Ｔｘ以下である場合には、温度分布からの充放電制限は行なわれず、図９および図１０で説明したのと同様に、たとえば全体ＳＯＣに基づいた通常の入出力可能電力設定を行なう。

一方、局所最高温度Ｔｍａｘが上限管理値Ｔｊ以上である場合には、電池の局所的な劣化や熱暴走を防止するために充放電が禁止され、Ｗｉｎ＝Ｗｏｕｔ＝０に設定される。

また、局所最高温度Ｔｍａｘが判定値Ｔｘ〜Ｔｊの間である場合には、通常時よりも充放電が制限されて、入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは、局所最高温度Ｔｍａｘが判定値Ｔｘ以下である場合よりも制限される。なお、この場合には、入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは、局所最高温度Ｔｍａｘに応じて、連続的にあるいは段階的に設定することが好ましい。

このように、電池内部での電極反応を反映した電池モデル式に基づき、局所的な温度上昇が危険視される場合には、入力可能電力Ｗｉｎおよび出力可能電力Ｗｏｕｔを制限できる。この結果、二次電池内部の電極活物質の利用度に差が生じることに起因して、局所的に温度が上昇することにより、局所的な劣化や熱暴走発生することを防止できる。

なお、充放電が制限あるいは禁止されるＴｍａｘ＞Ｔｘの範囲では、図１に示すような
ＥＣＵ５０から冷却ファン４０への制御指令により、停止状態の冷却ファン４０を作動させたり、あるいは、作動状態の冷却ファン４０による供給冷媒量（冷却風量）を増加させてもよい。特に、冷却ファン４０の作動時における冷却風量は、局所最高温度Ｔｍａｘの上昇に応じて連続的にあるいは段階的に増加させる設定とすることが好ましい。

（端子間電圧に応じた充放電制御）
さらに、電池情報生成部７０は、図１３および図１４に示すように、電池モデル部６０によって予測された内部状態としての電位分布φ_e，φ_sに基づいて入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを設定する。

図１３を参照して、電池情報生成部７０は、端子間電圧算出部７１および入出力可能電力設定部７２を含む。

端子間電圧算出部７１は、電池モデル部６０によって予測された二次電池内部での局所的電位分布φ_e，φ_sに基づき、予測端子間電圧Ｖｂ♯（または、予測起電力ＯＣＰ）を算出する。入出力可能電力設定部７２は、端子間電圧算出部７１によって算出された予測端子間電圧Ｖｂ♯（または、予測起電力ＯＣＰ）に基づいて、入出力可能電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを算出する。

図１４を参照して、入出力可能電力設定部７２は、予測端子間電圧Ｖｂ♯と判定値Ｖ１〜Ｖ４の比較に応じて入出力可能電力を設定する。

入出力可能電力設定部７２は、予測端子間電圧が低下し過ぎた場合（Ｖｂ♯＜Ｖ１の範囲）には、これ以上の放電を禁止するために出力可能電力Ｗｏｕｔ＝０に設定する。一方、電池情報生成部７０は、予測端子間電圧がそれほど低下していない場合（Ｖｂ♯＞Ｖ２の範囲）には、端子間電圧の低下からの放電制限は行なわず、図６および図７で説明したのと同様に、たとえば全体ＳＯＣに基づいた通常の出力可能電力設定を行なう。さらに、Ｖ１＜Ｖｂ♯＜Ｖ２の範囲では、放電は制限的に許可されるものの（Ｗｏｕｔ＞０）、出力可能電力Ｗｏｕｔは、通常時（Ｖｂ♯＞Ｖ２の範囲）よりも低く制限される。

同様に、入出力可能電力設定部７２は、予測端子間電圧が上昇し過ぎた場合（Ｖｂ♯＞Ｖ４）には、これ以上の充電を禁止するために入力可能電力Ｗｉｎ＝０に設定する。一方、予測端子間電圧がそれほど上昇していない場合（Ｖｂ♯＜Ｖ３の範囲）には、端子間電圧の上昇からの放電制限は行なわず、上記と同様にたとえば全体ＳＯＣに基づいた通常の入力可能電力設定を行なう。そして、Ｖ３＜Ｖｂ♯＜Ｖ４の範囲では、充電は制限的に許可されるものの（Ｗｉｎ＞０）、入力可能電力Ｗｉｎは、通常時（Ｖｂ♯＜Ｖ３の範囲）よりも低く抑えられる。

これにより、電池内部での局所的な電位分布に基づき、端子間電圧（すなわち起電力）が限界を超えて上昇（過充電）あるいは低下（過放電）しないように、二次電池の充放電を制御できる。

（全体での充放電制御）
図１５は、実施の形態２による充放電制御を説明するフローチャートである。

図１５を参照して、バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ１００により、二次電池１０に用いられたセンサ群３０，３２，３４からの検出値（センサ値）により電池外部条件（バッテリ温度Ｔｂ，バッテリ電流Ｉｂ，バッテリ電圧Ｖｂ）を把握する。

バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ１１０では、電池モデル部６０の機能により、セン
サ値を反映した電池モデル（式（Ｍ１）〜（Ｍ１５），（Ｃ１）および（Ｃ２））に従った数値計算により、二次電池の内部状態の予測値を算出する。既に説明したように、この内部状態には、局所的なリチウムイオン濃度分布（ｃ_s，ｃ_e）、局所的な電位分布（φ_e，φ_s）および局所的な温度分布（Ｔ）が含まれるものとする。

バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ１３０では、電池内部でのリチウム濃度分布に基づいて、図８〜図１０に示した手法に従い入出力可能電力Ｗｉｎ（１），Ｗｏｕｔ（１）を算出する。同様に、バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ１４０では、電池内部での温度分布に基づいて、図１１および図１２に示した手法に従い入出力可能電力Ｗｉｎ（２），Ｗｏｕｔ（２）を算出する。また、バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ１５０では、局所的な電位分布φ_e，φ_sを用いて算出された予測端子間電圧に基づいて、図１３および図１４に示した手法に従い入出力可能電力Ｗｉｎ（３），Ｗｏｕｔ（３）を算出する。

さらに、バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ１６０では、ステップＳ１３０〜ステップＳ１５０により、リチウム濃度分布、温度分布、電位分布に基づく端子間電圧にそれぞれ基づいてそれぞれ算出された入力可能電力Ｗｉｎ（１）〜Ｗｉｎ（３）のうちの最小値を最終的な入力可能電力Ｗｉｎとする。さらに、ステップＳ１３０〜ステップＳ１５０によりそれぞれ算出された出力可能電力Ｗｏｕｔ（１）〜Ｗｏｕｔ（３）のうちの最小値を最終的な出力可能電力Ｗｏｕｔとする。すなわち、ステップＳ１３０〜Ｓ１６０の処理は、電池情報生成部７０の機能に対応する。

以上説明したように、本発明の実施の形態２による二次電池の充放電制御によれば、電池モデルによって二次電池の内部反応、すなわち電池各領域での局所的な活物質の利用度を推定して、局所的な電池劣化につながる現象を回避するように、二次電池１０の充放電を適切に制限できる。

なお、図１５には、リチウムイオン濃度分布（Ｓ１３０）、温度分布（Ｓ１４０）、電位分布に基づく端子間電圧（Ｓ１５０）の３つの内部分布を考慮して充放電制御を行なう手法を説明したが、これらの３つの内部分布のうちの一部を用いて充放電制御を行なうことも可能である。あるいは、電池モデル部６０によって推定される他の内部状態分布により、あるいは、これまでの例示した内部分布の少なくとも一部とそれ以外の内部分布との組合せにより充放電制御を行なうことも可能である。

［実施の形態３］
実施の形態１に示した電池モデルによる電池内部状態の予測精度は、電池モデルに用いられる定数（パラメータ）の精度に左右される。実施の形態３では、電池モデル部６０におけるパラメータの更新およびパラメータ更新に伴う余寿命推定について説明する。

図１６は、実施の形態３によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明するブロック図である。

図１６を参照して、実施の形態３に従うバッテリＥＣＵ５０は、電池モデル部６０と、パラメータ同定モデル部６８と、端子間電圧算出部７１と、比較部７５と、パラメータ管理部７７とを含む。

実施の形態３では、二次電池１０について図１７に示すような診断モードが設けられる。

図１７を参照して、診断モード時に二次電池１０は、時刻ｔ０からｔ２の間に一定電流をパルス状に出力するような診断動作を行なう。この診断動作により、バッテリ電圧Ｖｂ
は、パルス状電流の出力に応じて、パルス電流の遮断後（すなわち、時刻ｔ２以降）において徐々に復帰する。このような電圧挙動は電圧センサ３４により検知され、バッテリ電圧Ｖｂは比較部７５に入力される。なお、このような診断モードは、二次電池の使用終了から所定時間（３０分程度）が経過して、二次電池の内部状態が静的となった後に行なうことが好ましい。

一方、電池モデル部６０では、当該診断モードにおける二次電池の内部状態を電池モデルに従って予測する。この結果、端子間電圧算出部７１により予測端子間電圧Ｖｂ♯が算出されて、比較部７５に入力される。

パラメータ同定モデル部６８は、診断モード動作時における、二次電池挙動に基づいて、電池モデルに用いられるパラメータの一部を同定可能なように構成されている。たとえば、パルス状電流出力時の電圧挙動に基づいて交換電流密度ｉ₀を推定することが可能である。また、パルス電流遮断後の電圧挙動に基づいて、正極での拡散係数Ｄ_sを推定することが可能である。同定対象となるパラメータは、パラメータ同定モデル部６８に用意される同定モデルによって決まる。

比較部７５は、電圧センサ３４によって検出された実際のバッテリ電圧Ｖｂと、電池モデル部６０による予測に基づく予測端子間電圧Ｖｂ♯とを比較し、両者の差が大きい場合には、パラメータ管理部７７へ通知する。

パラメータ管理部７７は、比較部７５により電圧挙動の予測誤差が大きいと判断された場合には、パラメータ同定モデル部６８によって同定されたパラメータについて、電池モデルで使用するパラメータ値をパラメータ同定モデル部６８によるパラメータ同定値に更新する。

次に、上記のようなパラメータ更新に伴う二次電池の余寿命診断について、図１８を用いて説明する。

図１８を参照して、パラメータ管理部７７によるパラメータ更新対象とされるパラメータ（図１８では、例示的にＸ，Ｙと記載する）については、予め、二次電池の使用度に応じたパラメータ値の変化、すなわち劣化特性が求められている。二次電池の使用度としては、たとえば使用期間（時間）あるいは充放電電流積算値が用いられる。特に、本発明に従って充放電制御される二次電池がハイブリッド車両等の車両に搭載される場合には、バッテリの使用度として、走行距離や期間を用いることができる。

図１８に示されるように、更新対象となるパラメータＸに関して劣化特性線２００が予め求められており、パラメータＹについては劣化特性線２１０が予め求められている。

劣化特性線２００，２１０については、当該パラメータについての限界値が予め求められており、限界値を超えてパラメータ値が変化（低下あるいは上昇）した場合には、寿命領域であると判定される。

パラメータ更新の際には、更新時点におけるパラメータ値と上記限界値との差から、二次電池の使用度について余寿命推定が可能となる。また、パラメータ値の初期値からの変化量に応じて、劣化度を推定することができる。

図１９は、実施の形態３に従う診断モードを説明するフローチャートである。
図１９を参照して、バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ２００では、診断モードの起動条件が成立しているかどうかを確認する。診断モードの起動条件は、一定期間の経過ごと
や、車両搭載時には一定距離走行ごとに成立する。あるいは、電池モデル部６０によって求められるリチウムイオン濃度分布の平均値としての平均ＳＯＣを別途求め、バッテリ電流Ｉｂの積算値をベースに求められた全体ＳＯＣとの偏差に応じて診断モードの起動条件を成立させてもよい。

バッテリＥＣＵ５０は、診断モード起動条件が起動していない場合（ステップＳ２００におけるＮＯ判定時）には、以下のステップを実行することなく処理を終了する。

バッテリＥＣＵ５０は、診断モード起動条件の成立時（ステップＳ２００におけるＹＥＳ判定時）には、ステップＳ２１０により、図１７に示した診断モード放電の実行を指示する。

バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ２２０により、診断モード時におけるバッテリ電圧Ｖｂの挙動に基づき、パラメータの更新要否を判断する。この処理は、図１６における比較部７５の動作に相当する。さらに、バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ２３０により、必要に応じてパラメータ更新を行なう。この処理は、図１６に示したパラメータ管理部７７およびパラメータ同定モデル部６８によるパラメータ更新動作に相当する。

バッテリＥＣＵ５０は、ステップＳ２４０では、パラメータ更新時には、更新したパラメータ値と予め求められた劣化特性（図１８の劣化特性線２００，２１０）との比較により、図１８で説明した二次電池の余寿命および／または劣化度の推定を行なう。推定した余寿命および／または劣化度については、所定画面への表示等により、運転者あるいは整備担当者に通知することができる。

このような構成とすることにより、二次電池１０の実際の挙動と電池モデルによる予測とのずれが大きくなった場合には、電池モデル式のパラメータを逐次更新することができる。これにより、電池の内部状態をより正確に把握することができるので、その時点における電池性能を最大限利用できるようになる。また、実施の形態１で説明した充放電制御についても、局所的な劣化や熱暴走の防止をより確実に行なえる。

さらに、パラメータ更新に伴い二次電池の余寿命判定を行なって、運転者に通知することが可能となる。これにより、二次電池の有効利用および運転者の利便性向上が実現される。

［実施の形態３の変形例］
実施の形態３の変形例では、特別な診断モードを実行することなく、二次電池１０の使用時のデータに基づいて、パラメータ更新を行なう構成について説明する。

図２０は、実施の形態３の変形例によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明するブロック図である。

図２０を参照して、実施の形態３の変形例に従うバッテリＥＣＵ５０は、電池モデル部６０と、パラメータ同定モデル部６８♯と、全体ＳＯＣ算出部６９と、パラメータ管理部７７とを含む。

パラメータ同定モデル部６８♯は、センサ群３０〜３４によって検出されたオンライン検出値（バッテリ温度Ｔｂ，バッテリ電流Ｉｂ，バッテリ電圧Ｖｂ）を受けて、電池モデル部６０と並列に動作する。すなわち、実使用時における二次電池１０のオンライン検出値を入力として、電池モデル部６０の電池モデル式中のパラメータについて、オンラインで同定する。

このようなオンラインでのパラメータ同定は、電池モデル式で用いられるパラメータの種類によって可能となる。たとえば、図２１に示すように、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ電圧Ｖｂとの関係をプロットしたオンライン特性点２５０の集合により、Ｉｂに対するＶｂの傾きを求めることにより、電池モデル式中での界面直流抵抗Ｒ_fを同定することが可能となる。

パラメータ管理部７７は、所定のパラメータ更新条件の成立時に、パラメータ同定モデル部６８♯によってオンライン同定されたパラメータについて、電池モデルで使用するパラメータ値をパラメータ同定モデル部６８♯によるパラメータ同定値に更新する。

所定のパラメータ更新条件は、たとえば、電池モデル部６０によって求められるリチウムイオン濃度分布の平均値としての平均ＳＯＣと、全体ＳＯＣ算出部６９によりバッテリ電流Ｉｂの積算値をベースに求められた全体ＳＯＣとの偏差が所定以上となったとき、あるいは、上記偏差が発生する頻度が所定以上となったときに成立する。

このような構成とすることにより、オンライン同定が可能なパラメータについては、電池モデル式のパラメータを逐次更新することができる。これにより、電池の内部状態をより正確に把握することができるので、その時点における電池性能を最大限利用できるようになる。また、オンライン同定されるパラメータについても、図１８の劣化特性線２００，２１０と同様の劣化特性線（図示せず）を予め設定することにより、余寿命および／または劣化度推定の対象とすることが可能である。

［実施の形態４］
実施の形態４では、電池モデル部６０によって算出される状態推定値を用いた所定の予測演算結果を電池情報として制御装置８０へ出力する制御構成について説明する。

図２２は、実施の形態４によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明する概略ブロック図である。

図２２を参照して、バッテリＥＣＵ５０は、電池モデル部６０および電池情報生成部７０を含む。電池モデル部６０は、実施の形態１で説明したように、二次電池１０の内部状態を動的に推定して、その状態推定値を逐次更新していく。

実施の形態４では、電池情報生成部７０は、電池モデル部６０によって算出される状態推定値を用いた所定の予測演算によって、二次電池１０を所定電力で継続的に充放電した場合における予測情報を電池情報として制御装置８０に出力する。この予測情報は、ある所定電力を現時点から継続的に入力（充電）または出力（放電）した際の、予測される入出力可能時間を示す。制御装置８０は、電池情報生成部７０からの予測情報（入出力電力−入出力可能時間）を考慮して負荷２０の動作指令を生成する。

図２３は、実施の形態４による二次電池の充放電制御における、電池モデル部６０および電池情報生成部７０の動作タイミングを説明する概念図である。

図２３を参照して、電池モデル部６０は、所定周期毎に作動して、センサ群３０，３２，３４からの検出値に基づき、上述の電池モデル式に従って逐次的に状態推定値を算出する。実際には、前回の推定演算時からの差分が演算されて、状態推定値が更新される。これにより、二次電池の状態推定値は、二次電池の使用状況を示すセンサ群３０，３２，３４からの検出値に基づき、初期値を始点として逐次的に更新される。

このように、二次電池の内部状態が逐次推定されていく中で、所定周期Ｔｃごとに、電池情報生成部７０により挙動予測ルーチンが実行される。この所定周期Ｔｃは、電池モデル部の作動周期以上に設定される。

たとえば、図２３に示すように、時刻ｔａにおいて、その時点における電池モデル部６０による状態推定値を用いて、図２４に示す挙動予測ルーチンに従った挙動予測が実行される。上記のように、電池情報生成部７０は、ある所定電力を現時点から継続的に入力（充電）または出力（放電）した際の入出力可能時間を予測する。入出力可能時間の予測は、所定周期Ｔｃごと、図２３の例では、時刻ｔａからＴｃ経過後の時刻ｔｂおよび、さらにＴｃ経過後の時刻ｔｃにおいて、それぞれの時点での電池モデル部６０による状態推定値を用いて実行される。

図２４は、電池情報生成部７０が周期的に実行する挙動予測ルーチンを説明するフローチャートである。図２４に示したフローチャートは、バッテリＥＣＵ５０内に予め格納されたプログラムを所定周期（Ｔｃ）ごとに実行することにより、電池情報生成部７０の機能として実現される。

図２４を参照して、電池情報生成部７０は、ステップＳ３００では、電池モデル部６０により電池モデル式に従って逐次推定されたその時点での状態推定値を取得する。たとえば、ステップＳ３００で考慮される状態推定値としては、この時点でのＳＯＣ、内部温度、リチウム濃度分布、電位分布等が挙げられる。さらに、電池情報生成部７０は、ステップＳ３１０により、所定電力を現時点から継続的に充電あるいは放電したときのバッテリ出力電圧の挙動を予測する。

図２５に示すように、負荷への最大出力電力Ｗｏｍａｘ、負荷からの最大入力電力Ｗｉｍａｘおよび現在の入出力電圧Ｗｃによる充放電が現時点から継続的に実行された場合における、バッテリ電圧Ｖｂの予測値が予め作成されたモデルに従って算出される。このバッテリ電圧挙動予測モデルとしては、たとえば、入出力電力が一定であることを考慮して上記電池モデル式（Ｍ１)〜（Ｍ１５）を単純化したものを用いることができる。あるいは、ステップＳ１００で求めた状態推定値および充放電される所定電力を変数とした、バッテリ電圧挙動（たとえば、ｄＶｂ／ｄｔ：単位時間当たりのバッテリ電圧変化量）を予測する関数式を別途定義してもよい。

上記のようなバッテリ電圧挙動予測モデルに基づき、二次電池１０からの入出力電圧がＷｏｍａｘ（最大出力電力：放電）、Ｗｉｍａｘ（最大入力電力：充電）および現在の入出力電力Ｗｃを継続的に入出力した際に、バッテリ電圧Ｖｂが、下限電圧Ｖｍｉｎに到達するまでの時間（放電時）、あるいは上限電圧Ｖｍａｘに到達するまでの時間（充電時）が求められる。この際の到達までの所要時間Ｔ１〜Ｔ３が、Ｗｏｍａｘ、ＷｉｍａｘおよびＷｃを現時点から継続的に二次電池１０から入出力した際に予測される入出力可能時間である。ここで、上限電圧Ｖｍａｘおよび下限電圧Ｖｍｉｎは、二次電池１０の最高定格電圧および最低定格電圧、あるいは負荷の動作可能（保証）電圧等に従って決定される。

すなわち、入出力時間Ｔ１は、現時点より、バッテリ電圧Ｖｂが下限電圧Ｖｍｉｎまで低下することなく最大出力電力Ｗｏｍａｘを継続的に放電可能な最大時間を示す。同様に、入出力時間Ｔ２は、現時点より、バッテリ電圧Ｖｂが上限電圧Ｖｍａｘまで上昇することなく最大入力電力Ｗｉｍａｘにて継続的に充電可能な最大時間を示す。また、入出力時間Ｔ３は、現時点より、バッテリ電圧Ｖｂを上限電圧Ｖｍａｘ〜下限電圧Ｖｍｉｎの範囲内に維持して、現在の入出力電力による二次電池１０の充放電が継続可能な最大時間を示す。このようにして、電池情報生成部７０は、各時点において、所定入出力電力に対する入出力可能時間を予測することができる。

特に、図２６に示すように、最大出力電力Ｗｏｍａｘ、最大入力電力Ｗｉｍａｘおよび現在の入出力電力Ｗｃ、あるいは、さらに他の所定電力を含む複数ケースの所定電力について、入出力可能時間をそれぞれ予測することにより、入出力電力−入出力可能時間特性をマップ形式で取得することができる。

再び図２４を参照して、電池情報生成部７０は、ステップＳ３２０により、図２５に示したバッテリ電圧挙動予測と上限電圧Ｖｍａｘおよび下限電圧Ｖｍｉｎとの比較により、入出力可能時間を予測する。そして、電池情報生成部７０は、ステップＳ３３０により、図２６に示すような入出力電力−入出力可能時間特性を示す予測情報を電池情報として制御装置８０へ出力する。

制御装置８０では、負荷２０への動作要求に応じて、電池情報生成部７０によって求められた入出力電力−入出力可能時間特性を考慮して、二次電池の過充電あるいは過放電を回避する範囲内に二次電池１０の充放電を制限するように、負荷２０の動作指令を生成する。特に、単なる二次電池１０からの出力可能電力（放電電力上限値）Ｗｏｕｔおよび入力可能電力（充電電力上限値）Ｗｉｎではなく、充放電電力に対する継続的な入出力可能時間を示す情報を用いることにより、予見的に過充電および過放電を回避し、かつ、バッテリ性能を最大限まで発揮させるような充放電制限が可能となることが期待できる。

このように、実施の形態４による二次電池の制御システムでは、二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデル式による電池状態の推定をベースとして、所定周期で所定電力に対する入出力可能時間を予測することができる。さらに、この挙動予測を反映して二次電池１０との間で電力を授受する負荷２０の動作指令を生成するので、二次電池１０の過充電および過放電を確実に回避した充放電制限が可能となる。

さらに、複数段階の入出力電力に対して入出力可能時間を予測して負荷２０の動作指令に反映することにより、単純に充放電電力の上限値のみを設定する制御構成と比較して、段階的な充放電制限を実行することが可能となり、過充電および過放電を回避しつつ、その時点での電池性能を最大限に引出すような二次電池の使用を可能とすることができる。

［実施の形態４の変形例１］
実施の形態４の変形例１では、電池情報生成部による挙動予測部によって、その時点での充放電条件（入出力電力）に対する劣化度合を評価することによって、二次電池の充放電を制限する構成について説明する。

図２７は、実施の形態４の変形例１によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明する概略ブロック図である。

図２７を参照して、バッテリＥＣＵ５０は、図２２（実施の形態４）に示したのと同様に、電池モデル部６０および電池情報生成部７０を含む。電池モデル部６０は、実施の形態１で説明したように、二次電池１０の内部状態を動的に推定して、その状態推定値を逐次更新していく。

実施の形態４の変形例１では、電池情報生成部７０は、電池モデル部６０によって算出される状態推定値を用いた所定の予測演算によって、二次電池１０を所定電力で継続的に充放電した場合における劣化率を評価する。そして、電池情報生成部７０は、入出力電力−劣化率の特性を示す予測情報を電池情報として制御装置８０に出力する。制御装置８０は、電池情報生成部７０からの電池情報（入出力電力−劣化率特性の予測情報）を考慮して負荷２０の動作指令を生成する。

たとえば、図２８に示されるように、電池情報生成部７０は、最大出力電力Ｗｏｍａｘ〜最大入力電力Ｗｉｍａｘの範囲内で、現在の電池状態における、複数ケースの所定電力を入出力した際の予測劣化率を求める。劣化率を予測するためのモデル式は、その時点における電池モデル部６０による状態推定値のうちの、少なくとも電池温度Ｔ、入出力電力Ｉｂを反映して設定される。このモデル式については任意に設定することができるので、その詳細な説明は省略する。

電池情報生成部７０は、実施の形態４で説明したのと同様に、上記予測情報（入出力電力−劣化率特性）を求めるための挙動予測ルーチン（図示せず）を所定周期ごとに実行する。

図２９は、実施の形態４の変形例１による二次電池１０の充放電制御を説明するフローチャートである。実施の形態４の変形例１による充放電制御は、主に、バッテリＥＣＵ５０（電池情報生成部７０）による劣化率予測を反映した制御装置８０による動作指令の生成に向けられる。

図２９を参照して、制御装置８０は、ステップＳ４００により、バッテリＥＣＵ５０から現時点での充放電条件（入出力電力）−予測劣化率特性を電池情報として取得する。そして、制御装置８０は、ステップＳ４１０により、一定期間内での劣化率の積算値あるいは平均値が所定範囲内となるように、現時点で許容される上限劣化率ＤＲｍａｘを算定する。たとえば、これまでに劣化度が大きい条件での電池動作が継続されていた場合には、急激な電池劣化の進行を制限するために、上限劣化率ＤＲｍａｘは相対的に低い値に設定される。そして、制御装置８０は、算定した上限劣化率ＤＲｍａｘに従って、充放電制限を行なう。

再び図２８を参照して、算定された上限劣化率ＤＲｍａｘおよび電池情報生成部７０による入出力電力−予測劣化率特性に従って、現時点の電池状態に基づき予測される劣化率が、上限劣化率ＤＲｍａｘに達するときの上限出力電力Ｗｏ♯および上限入力電力Ｗｉ♯が求められる。

再び図２９を参照して、制御装置８０は、ステップＳ４２０により、ステップＳ４１０で設定された入出力電力範囲内に制限して、すなわち、充電に関してはＷｉ♯を上限とし、放電に関してはＷｏ♯を上限とする充放電制限を行なって、負荷２０の動作指令を生成する。さらに、制御装置８０では、ステップＳ４３０では、ステップＳ４２０で設定した負荷２０の動作指令に対応する予測劣化率を、図２８に示した予測情報に基づいて取得し格納する。これにより、次回の演算時における一定期間での劣化率（積算値または平均値）の評価が更新されることとなる。

このような構成とすることにより、実施の形態４の変形例１による二次電池の制御システムによれば、電池モデルに従った二次電池の内部状態推定に基づき、各時点での使用電力（入出力電力）に対する劣化度を逐次予測した上で、二次電池１０の劣化が著しく進行しないような範囲に制限した充放電制御を実行することが可能となる。

なお、実施の形態４および変形例１を組合せて、入出力電力に対する入出力可能時間および劣化率の両方に関する予測を電池情報として、バッテリＥＣＵ５０から制御装置８０へ出力して、二次電池１０の充放電制御を行なう構成としてもよい。この場合には、入出力可能時間および劣化率の両方を考慮して、二次電池１０の過充電および過放電ならびに急激な劣化の進行が回避されるように、制御装置８０によって負荷２０の動作指令が生成される。

［実施の形態４の変形例２］
図３０は、実施の形態４の変形例２による二次電池の充放電制御の機能構成を説明するブロック図である。

図３０を参照して、実施の形態４の変形例２においては、バッテリＥＣＵ５０は、図２７と同様の電池モデル部６０および電池情報生成部７０に加えて、劣化度推定部７８をさらに含む。

劣化度推定部７８は、いわゆる電池の劣化状態（ＳＯＨ：State of Health）を推定する機能を有し、センサ群３０，３２，３４による検出値Ｔｐ，Ｉｂ，Ｖｂに基づいて、二次電池１０の劣化度および／または余寿命を推定する。劣化度推定部７８によって推定された二次電池１０の劣化度および／または余寿命は、制御装置８０（あるいは電池情報生成部７０♯にも）対して出力される。たとえば、劣化度推定部７８は、実施の形態２（特に図１８）で説明した手法により、その時点での二次電池１０の劣化度および／または余寿命を推定できる。

図３１は、実施の形態４の変形例２による二次電池の充放電制御で用いられる予測情報の構造例および充放電制限を示す概念図である。

図３１を参照して、電池情報生成部７０は、図２８に示したのと同様に、この時点における二次電池の内部状態に基づき、入出力電力に対する二次電池１０の劣化率を予測して、入出力電力−劣化率特性の予測情報を電池情報として制御装置８０へ出力する。

制御装置８０は、実施の形態４の変形例２では、現時点で許容される上限劣化率ＤＲｍａｘを、劣化度推定部７８によって推定された劣化度および／または余寿命に応じて設定する。たとえば、劣化度に関しては大きい場合、余寿命に関しては短い場合ほど、上限劣化率ＤＲｍａｘは相対的に低い値に設定される。

このようにして、電池情報生成部７０によって求められた予測情報（図３１の点線２７０）に基づき、上限劣化率ＤＲｍａｘに劣化率が達するときの上限出力電力Ｗｏ♯および入力電力Ｗｉ♯が求められる。そして、制御装置８０は、充電に関してはＷｉ♯を上限とし、放電に関してはＷｏ♯を上限とする範囲内に限定して、負荷２０の動作指令を生成する。

図３２は、実施の形態４の変形例２による二次電池の充放電制御を説明するフローチャートである。

図３２を参照して、制御装置８０は、ステップＳ４００により、バッテリＥＣＵ５０から現時点での充放電条件（入出力電力）−予測劣化率特性を電池情報として取得する。そして、制御装置８０は、ステップＳ４０２により、劣化度推定部７８によって推定された劣化度および／または余寿命を取得し、さらに、ステップＳ４０４により、現在の劣化度および／または余寿命に応じて許容劣化率範囲（すなわち、上限劣化率ＤＲｍａｘ）を設定する。

そして、制御装置８０は、ステップＳ４１０♯により、ステップＳ４０４で設定した許容劣化率範囲に従って入出力電力制限を設定する。具体的には、図３１に示されるように、現時点での劣化度および／または余寿命に応じて設定された上限劣化率ＤＲｍａｘおよび、電池情報生成部７０による入出力電力−予測劣化率特性に従って、現時点の電池状態に基づき予測される劣化率が、上限劣化率ＤＲｍａｘに達するときの上限出力電力Ｗｏ♯
および上限入力電力Ｗｉ♯が求められる。なお、このような入出力電力制限の設定について電池情報生成部７０で実行して、上限出力電力Ｗｏ♯および上限入力電力Ｗｉ♯を予測情報に内包して、電池情報生成部７０から制御装置８０へ逐次送出する構成とすることも可能である。

制御装置８０は、ステップＳ４２０では、ステップＳ４１０♯で設定された入出力電力範囲内に制限して、すなわち、充電に関してはＷｉ♯を上限とし、放電に関してはＷｏ♯を上限とする充放電制限を行なって、負荷２０の動作指令を生成する。

このような構成とすることにより、実施の形態４の変形例２による二次電池の制御システムでは、実施の形態４の変形例１による効果に加えて、各時点で許容される劣化率を、その時点での予測劣化度および／または推定余寿命に応じて設定することができる。これにより、二次電池の劣化状態に応じて適切に充放電制限範囲を設定することで、二次電池の急激な劣化を防止して長寿命化を図ることがさらに可能となる。

なお、実施の形態４およびその変形例２を組合せて、入出力電力に対する入出力可能時間および劣化率の両方を予測情報とし、さらに予測劣化度および／または推定余寿命を考慮して、二次電池１０の充放電制御を行なう構成としてもよい。この場合にも、入出力可能時間ならびに劣化度および劣化率の両方を考慮して、二次電池１０の過充電および過放電ならびに急激な劣化の進行による電池寿命の短縮が回避されるように、制御装置８０によって負荷２０の動作指令が生成される。

［実施の形態５］
実施の形態５では、以上説明してきた、実施の形態１〜４およびその変形例による二次電池の制御システムのハイブリッド車両への適用について説明する。

図３３は、本発明の実施の形態５によるハイブリッド車両の構成例を説明するブロック図である。

図３３を参照して、ハイブリッド車両５００は、エンジン５１０と、走行用バッテリ５２０と、バッテリＥＣＵ５２５と、インバータ５３０と、車輪５４０ａと、トランスアクスル５５０と、ハイブリッド車両５００の全体動作を制御する電子制御ユニット（ＨＶ−ＥＣＵ）５９０とを備える。

図３３に示したハイブリッド車両５００においては、走行用バッテリ５２０およびバッテリＥＣＵ５２５が、実施の形態１〜４およびその変形例における二次電池１０およびバッテリＥＣＵ５０（図１）にそれぞれ対応し、ＨＶ−ＥＣＵ５９０が、実施の形態１〜４および変形例における制御装置８０（図１）に対応する。また、モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２は、実施の形態１〜４および変形例における負荷２０（図１）に対応する。主に、車両駆動力発生用のモータジェネレータＭＧ２が、走行用バッテリ５２０に対して電力の入出力を行なう負荷となる。

エンジン５１０は、ガソリン等の燃料の燃焼エネルギを源として駆動力を発生する。走行用バッテリ５２０は、電力ライン５５１へ直流電力を供給する。走行用バッテリ５２０は、代表的にリチウムイオン二次電池で構成され、本発明の実施の形態に従う二次電池の制御システムによってその充放電が制御される。

インバータ５３０は、走行用バッテリ５２０から供給された直流電力を交流電力に変換して電力ライン５５３へ出力する。あるいは、インバータ５３０は、電力ライン５５２，５５３に供給された交流電力を直流電力に変換して電力ライン５５１へ出力する。

トランスアクスル５５０は、トランスミッションとアクスル（車軸）とを一体構造として備えており、動力分割機構５６０と、減速機５７０と、モータジェネレータＭＧ１と、モータジェネレータＭＧ２とを有する。動力分割機構５６０は、エンジン５１０によって生じた駆動力を、減速機５７０を介して車輪５４０ａ駆動用の駆動軸５４５へ伝達する経路と、モータジェネレータＭＧ１へ伝達経路とに分割可能である。

モータジェネレータＭＧ１は、動力分割機構５６０を介して伝達されたエンジン５１０からの駆動力によって回転されて発電する。モータジェネレータＭＧ１による発電電力は、電力ライン５５２を介してインバータ５３０に供給され、走行用バッテリ５２０の充電電力として、あるいはモータジェネレータＭＧ２の駆動電力として用いられる。

モータジェネレータＭＧ２は、インバータ５３０から電力ライン５５３に供給された交流電力によって回転駆動される。モータジェネレータＭＧ２によって生じた駆動力は、減速機５７０を介して駆動軸５４５へ伝達される。また、回生制動動作時にモータジェネレータＭＧ２が車輪５４０ａの減速に伴って回転される場合には、モータジェネレータＭＧ２に生じた起電力（交流電力）が電力ライン５５３へ供給される。この場合は、インバータ５３０が電力ライン５５３へ供給された交流電力を直流電力に変換して電力ライン５５１へ出力することにより走行用バッテリ５２０が充電される。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各々は、発電機としても電動機としても機能し得るが、モータジェネレータＭＧ１は概ね発電機として動作することが多く、モータジェネレータＭＧ２は主として電動機として動作することが多い。ＨＶ−ＥＣＵ５９０は、ハイブリッド車両５００を運転者の指示に応じて運転させるために、車両に搭載された機器・回路群の全体動作を制御する。

上記のように、ハイブリッド車両５００では、エンジン５１０によって発生された駆動力と、走行用バッテリ５２０からの電気エネルギを源としてモータジェネレータＭＧ２によって発生された駆動力との組合せによって、燃費を向上させた車両運転を行なう。

たとえば、発進時ならびに低速走行時あるいは緩やかな坂を下るとき等の軽負荷時には、ハイブリッド車両５００は、エンジン効率の悪い領域を避けるために、基本的にはエンジンを作動させることなくモータジェネレータＭＧ２による駆動力のみで走行する。

通常走行時には、エンジン５１０から出力された駆動力は、動力分割機構５６０によって、車輪５４０ａの駆動力とモータジェネレータＭＧ１での発電用駆動力とに分割される。モータジェネレータＭＧ１による発電電力は、モータジェネレータＭＧ２の駆動に用いられる。したがって、通常走行時には、エンジン５１０による駆動力をモータジェネレータＭＧ２による駆動力でアシストして、車輪５４０ａが駆動される。ＥＣＵ５９０は、エンジン５１０およびモータジェネレータＭＧ２間での駆動力分担割合を制御する。

全開加速時には、走行用バッテリ５２０からの供給電力が第２のモータジェネレータＭＧ２の駆動にさらに用いることにより、車輪５４０ａを駆動力がさらに増加させることができる。

減速および制動時には、モータジェネレータＭＧ２は、車輪５４０ａの回転とは反対方向のトルクを発生することにより、回生発電を行なう発電機として作用する。モータジェネレータＭＧ２の回生発電によって回収された電力は、電力ライン５５３、インバータ５３０および電力ライン５５１を介して走行用バッテリ５２０の充電に用いられる。さらに、車両停止時にはエンジン５１０は自動的に停止される。

このように、運転状況に応じて車両全体での要求駆動力に対するエンジン５１０およびモータジェネレータＭＧ２の間での配分が決定される。具体的には、ＨＶ−ＥＣＵ５９０は、燃費の面からエンジン５１０の効率を考慮して、運転状況に応じて上記配分を決定する。

図３４は、本実施の形態による二次電池の制御システムを搭載したハイブリッド車両５００におけるモータジェネレータＭＧ２の動作指令値設定を説明するフローチャートである。図３４に示したフローチャートは、ＨＶ−ＥＣＵ５９０内に予め格納されたプログラムを所定周期ごとに実行することにより実現される。

図３４を参照して、ＨＶ−ＥＣＵ５９０は、ステップＳ５００により、現在の車速および運転者によるペダル操作等により、車両全体で必要な車両駆動力および車両制動力を算出する。

ＨＶ−ＥＣＵ５９０は、ステップＳ５１０により、実施の形態１〜４および変形例に従って設定された走行用バッテリ５２０（二次電池１０）の充放電制限に対応させて、モータジェネレータＭＧ２の入出力許容値（電力）を設定する。

さらに、ＨＶ−ＥＣＵ５９０は、ステップＳ５１０で設定したＭＧ２の入出力許容値およびハイブリッド車両５００全体での効率を考慮して、具体的には、エンジン５１０の運転領域が高効率のものとなるように配慮して、エンジン５１０およびモータジェネレータＭＧ２の間での駆動力の出力分担を決定する（ステップＳ５２０）。これにより、走行用バッテリ５２０が過充電あるいは過放電となるような、モータジェネレータＭＧ２の運転（具体的には、車両駆動力を発生する力行動作、あるいは発電のための回生制動動作）が回避される。

そして、ＨＶ−ＥＣＵ５９０は、ステップＳ５３０では、ステップＳ５２０で決定されたＭＧ２出力に従って、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値を決定する。モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値は、一般的には、車両駆動力を発生する力行動作時には正トルクに設定され、車両制動力を発揮する回生制動時には負トルクに設定される。

また、ハイブリッド車両５００には、駆動輪５４０ａを含む車輪に対して図示しない油圧ブレーキが設定され、これら油圧ブレーキによる発生制動力と、モータジェネレータＭＧ２による回生制動発電を伴う制動力との和により、ステップＳ５００で算出された車両全体での必要制動力が確保するように制御される。すなわち、充電制御が厳しくモータジェネレータＭＧ２による回生発電が許可されない場合においても、図示しない油圧ブレーキにより、車両全体の制動力が確保される。一方で、走行用バッテリ５２０の充電制限の範囲内で、モータジェネレータＭＧ２により回生制動動作を行なうことにより、電力の有効な回収が可能となる。

上記のような、図３４に示すステップＳ５００〜Ｓ５３０の処理により実現されるＨＶ−ＥＣＵ５９０の機能の一部は、本発明における「制御手段」に対応する。

このように、本発明の実施の形態１〜４および変形例による二次電池の制御システムをハイブリッド車両に搭載することにより、充電動作および放電動作を繰返すような使用形態の走行用バッテリ５２０についても、過充電および過放電ならびに急速な劣化の進行を回避し、かつ、その電池性能を十分に発揮させるように考慮した充放電制御を行なって、車両駆動力発生用のモータジェネレータＭＧ２を動作させることが可能となる。

なお、実施の形態５では、動力分割機構により、エンジンの動力を車軸（駆動軸）と発電機とに分割して伝達可能なシリーズ／パラレル型ハイブリッドシステムへの適用例を、エンジンおよびモータ間での車両駆動力の出力配分にも着目して説明した。しかしながら、本発明の適用はこのような場合に限定されるものではなく、挙動予測に基づく負荷の動作指令生成によって実現される本発明による二次電池の充放電制御については、負荷を特に限定することなく任意の機器またはシステム等に適用することが可能である。

また、二次電池から負荷への電力供給（放電）あるいは負荷から二次電池の電力供給（充電）のみが実行されるように構成された場合等、放電制限あるいは充電制限の一方のみについて、本発明を適用することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に従う二次電池の制御システムによって制御される電源システムの構成を説明する概略ブロック図である。 二次電池の概略構成図である。 電池モデル部における二次電池のモデリングを説明する概念図である。 電池モデル部の概略構成を説明するブロック図である。 電池モデル部を構成する電池モデル式で用いられる変数および定数の一覧を示す図である。 球状の活物質のリチウム濃度解析モデルを説明する概念図である。 正極および負極における電位関係を説明する概念図である。 二次電池内部のリチウムイオン濃度分布に着目した充放電制限を説明する第１の図である。 二次電池内部のリチウムイオン濃度分布に着目した充放電制限を説明する第２の図である。 二次電池内部のリチウムイオン濃度分布に着目した充放電制限を説明する第３の図である。 二次電池内部の温度分布に着目した充放電制限を説明する第１の図である。 二次電池内部の温度分布に着目した充放電制限を説明する第２の図である。 二次電池内部の電位分布に着目した充放電制限を説明するブロック図である。 二次電池内部の電位分布に従う予測端子間電圧に着目した充放電制限を説明する図である。 実施の形態２に基づく充放電制御を説明するフローチャートである。 実施の形態３によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明するブロック図である。 診断モードでの二次電池動作を説明する概念図である。 実施の形態３に従う二次電池の余寿命診断を説明する概念図である。 実施の形態３に従う診断モードを説明するフローチャートである。 実施の形態３の変形例によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明するブロック図である。 図２０に示したパラメータ同定モデル部によるオンラインパラメータ同定の一例を示す概念図である。 実施の形態４によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明する概略ブロック図である。 実施の形態４による二次電池の充放電制御における、電池モデル部および電池情報生成部の動作タイミングを説明する概念図である。 実施の形態４による電池情報生成部が周期的に実行する挙動予測ルーチンを説明するフローチャートである。 バッテリ出力電圧の挙動予測と入出力可能時間との関係を説明する概念図である。 実施の形態４による二次電池の充放電制御で用いられる予測情報の構造例を示す概念図である。 実施の形態４の変形例１によるバッテリＥＣＵの機能構成を説明する概略ブロック図である。 実施の形態４の変形例１による二次電池の充放電制御で用いられる予測情報の構造例および充放電制限を示す概念図である。 実施の形態４の変形例１による二次電池の充放電制御を説明するフローチャートである。 実施の形態４の変形例２による二次電池の充放電制御の機能構成を説明する概略ブロック図である。 実施の形態４の変形例２による二次電池の充放電制御で用いられる予測情報の構造例および充放電制限を示す概念図である。 実施の形態４の変形例２による二次電池の充放電制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態５によるハイブリッド車両の構成例を説明するブロック図である。 本実施の形態による二次電池の制御システムを搭載したハイブリッド車両におけるモータジェネレータＭＧ２の動作指令値設定を説明するフローチャートである。

符号の説明

５ 電源システム、１０ 二次電池、１０♯ 電池セル、１１ｐ 正極端子、１１ｎ 負極端子、１２ 負極、１３ 電流コレクタ（負極）、１４ セパレータ、１５ 正極、１６ 電流コレクタ（正極）、１８ 活物質、１８ｐ 正極活物質、１８ｎ 負極活物質、２０ 負荷、３０ 温度センサ、３２ 電流センサ、３４ 電圧センサ、４０ 冷却ファン、４１ 冷媒通路、４５ 冷却風、５０ バッテリＥＣＵ、６０ 電池モデル部、６１ 電極反応モデル部、６２ 電解液中リチウム濃度分布モデル部、６３ 活物質内リチウム濃度分布モデル部、６４ 電流／電位分布モデル部、６５ 熱拡散モデル部、６６ 境界条件設定部、６８ パラメータ同定モデル部、７０ 電池情報生成部、７１ 端子間電圧算出部、７２ 入出力可能電力設定部、７５ 比較部、７７ パラメータ管理部、７８ 劣化度推定部、８０ 制御装置、２００，２１０ 劣化特性線（劣化管理パラメータ）、２５０ オンライン特性点、５００ ハイブリッド駆動車両、５１０ エンジン、５２０ バッテリ、５２５ バッテリＥＣＵ、５３０ インバータ、５４０ａ 車輪（駆動輪）、５４５ 駆動軸、５５０ トランスアクスル、５５１〜５５３ 電力ライン、５６０ 動力分割機構、５７０ 減速機、５９０ ＨＶ−ＥＣＵ、ＤＲｍａｘ 上限劣化率、Ｉｂ バッテリ電流（入出力電流）、ｌ１〜ｌ４ 判定値（リチウムイオン濃度）、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｍｐｕ，Ｍｎｕ，Ｍｌｍａｘ 上限余裕値（リチウムイオン濃度）、Ｍｐｌ，Ｍｎｌ，Ｍｌｍｉｎ 下限余裕値（リチウムイオン濃度）、Ｍｍａｘ 上限管理値（リチウムイオン濃度）、Ｍｍｉｎ 下限管理値（リチウムイオン濃度）、ＯＣＰ 予測起電力、ｒ 活物質半径、Ｔ１〜Ｔ３ 入出力時間、Ｔｃ 所定周期（挙動予測）、Ｔｘ，Ｔｊ 判定値（内部温度）、Ｔｂ バッテリ温度、Ｔｎｍａｘ，Ｔｐｍａｘ，Ｔｍａｘ 最高温度、Ｖｂ バッテリ出力電圧（端子間電圧）、Ｖｂ♯ 予測端子間電圧、Ｖｍａｘ 上限電圧（バッテリ電圧）、Ｖｍｉｎ 下限電圧（バッテリ電圧）
、Ｖ１〜Ｖ４ 判定値（端子間電圧）、Ｗｃ 入出力電圧（現在）、Ｗｉ♯ 上限入力電力、Ｗｉｎ 入出力可能電力、Ｗｉｎ 入力（充電）可能電力、Ｗｉｍａｘ 最大入力電圧、Ｗｏ♯ 上限出力電力、Ｗｏｍａｘ 最大出力電力、Ｗｏｕｔ 出力（放電）可能電力、Ｘ，Ｙ 劣化管理パラメータ。

Claims (10)

1. 負荷との間で電力を授受可能に構成された二次電池の制御システムであって、
   前記二次電池は、
   所定物質が固層で存在する活物質を含んで構成される第１および第２の電極と、
   前記第１および第２の電極間に設けられ、イオン化した前記所定物質を前記電極間で伝導するためのイオン伝導体とを含み、
   前記制御システムは、
   前記二次電池に設けられたセンサによる検出値に基づき、前記二次電池の内部状態を動的に推定可能な電池モデルに従って電池状態を示す状態推定値を逐次的に算出するための電池状態推定部と、
   前記電池状態推定部によって算出された前記状態推定値に基づき、前記二次電池の充放電制限のための電池情報を生成するための電池情報生成部と、
   前記負荷への動作要求に基づき、前記電池情報生成部による前記電池情報を考慮して、前記二次電池の過充電および過放電を回避するように前記負荷の動作指令を生成するための負荷制御部とを備え、
   前記電池状態推定部は、
   各前記電極において、前記活物質とイオン伝導体との界面における前記所定物質の電気化学反応を推定するための第１のモデル部と、
   各前記電極内での前記所定物質の濃度分布を拡散方程式に基づいて推定するための第２のモデル部と、
   前記イオン伝導体内での前記所定物質のイオン濃度分布を拡散方程式に基づいて推定するための第３のモデル部と、
   前記電気化学反応による反応電流によって各前記電極および前記イオン伝導体内に生じる電流分布に従った電位分布を推定するための第４のモデル部と、
   前記第２のモデル部で用いられる前記拡散方程式の前記界面における境界条件を、前記所定物質の濃度の時間微分および前記反応電流の間の所定の関係式に基づいて設定するための境界条件設定部とを含む、二次電池の制御システム。
2. 前記界面における前記所定の関係式は、周方向で前記所定物質の濃度が一様であると仮定した球状モデルで示される前記活物質内の各点における前記所定物質の濃度をｃ_sとし、前記各点の中心からの距離をｒとし、前記活物質の半径をｒ _s とし、前記活物質の体積分率をε_sとし、時間をｔとし、前記反応電流をｊ^Liとし、前記活物質の表面積をａ_sとし、ファラデー定数をＦとしたときに、
   

   

   で示される、請求項１記載の二次電池の制御システム。
3. 前記電池情報は、前記二次電池が入出力可能な上限電力を含み、
   前記電池情報生成部は、前記二次電池内部の各部位での前記状態推定値の分布に基づき、前記入出力可能な上限電力を設定し、
   前記負荷制御部は、前記電池情報生成部により設定された前記入出力可能な上限電力以下の範囲内で、前記負荷の動作指令を生成する、請求項１記載の二次電池の制御システム。
4. 前記センサによる検出値に基づき、前記電池モデルに用いられるパラメータを同定するパラメータ同定モデル部と、
   前記センサによって検知される前記二次電池の実際の挙動と、前記電池状態推定部による予測値に基づく前記挙動の予測値との差が所定より大きい場合に、前記パラメータ同定
   モデル部によって同定されたパラメータについて、前記電池モデルで使用するパラメータ値を前記パラメータ同定モデル部による同定値に更新するパラメータ更新部とをさらに備える、請求項１記載の二次電池の制御システム。
5. 前記電池モデルに用いられるパラメータの前記二次電池の使用に伴う劣化特性を予め記憶する劣化特性記憶部と、
   前記パラメータ更新部によって更新されたパラメータを、前記劣化特性記憶部に記憶された前記劣化特性と比較することにより、前記二次電池の劣化推定を行なう劣化推定部とをさらに備える、請求項４記載の二次電池の制御システム。
6. 前記電池情報生成部は、前記電池状態推定部により推定された現在での前記状態推定値に基づき、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力可能な時間を前記電池情報として予測し、
   前記負荷制御部は、前記電池情報として予測された前記時間を考慮して、前記二次電池の過充電および過放電を回避するように前記負荷の動作指令を生成する、請求項１記載の二次電池の制御システム。
7. 前記電池情報生成部は、前記電池状態推定部により推定された現時点での前記状態推定値に基づき、前記二次電池が所定電力を現時点から継続的に入出力した場合における該二次電池の劣化率を前記電池情報として予測し、
   前記負荷制御部は、前記電池情報として予測された劣化率を考慮して前記負荷の動作指令を生成する、請求項１記載の二次電池の制御システム。
8. 前記センサによる検出値に基づき、前記二次電池の劣化度または余寿命を推定する劣化度推定部をさらに備え、
   前記負荷制御部は、前記劣化度推定部により推定された前記劣化度または前記余寿命を考慮して、現時点において許容される劣化率範囲を求めるとともに、前記電池情報として予測された劣化率が前記劣化率範囲内となるような前記二次電池の充放電電力範囲内に制限して、前記負荷の動作指令を生成する、請求項７記載の二次電池の制御システム。
9. 前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成され、
   前記所定物質はリチウムである、請求項１から８のいずれか１項に記載の二次電池の制御システム。
10. 車両の駆動力を発生可能に構成された内燃機関および電動機と、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の二次電池の制御システムとを備え、
    前記二次電池は、前記電動機を前記負荷とするように構成され、
    前記負荷制御部は、前記負荷の動作指令として、前記電動機のトルク指令値を生成し、
    前記車両全体での要求駆動力が確保されるように、前記内燃機関および前記電動機がそれぞれ出力する駆動力を決定するための制御部をさらに備える、ハイブリッド車両。

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