(57)【要約】【課題】二次電池の劣化指標を短時間で推定できる二次電池システムを提供する。【解決手段】組電池４の電池電圧Ｖと、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１０と、組電池４を完全放電状態から充電を開始させて、微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上に最初に現れる傾き変化が極大となる点を特徴点Ｐ1として特定する特徴点特定部１５と、特徴点Ｐ1における電池電圧Ｖに基づいて、組電池４のＳＯＨを推定するＳＯＨ推定部１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
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、
前記充放電制御部により前記二次電池を所定量以下の充電状態から充電を開始させて、前記微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上に最初に現れる傾き変化が極大となる点を特徴点として特定する特徴点特定部と、
前記特徴点における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手段と、
を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項２】
前記二次電池の温度を検出する温度検出部を備え、
前記劣化指標推定手段は、前記特徴点における電池電圧と前記二次電池の温度とに基づいて、前記二次電池の劣化指標を推定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池システム。
【請求項３】
前記二次電池の正極電極板は、活物質として少なくとも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）を含むことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項に記載の二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池システムに係り、詳しくは、二次電池の劣化度合いを表す劣化指標を推定する機能を備えた二次電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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長いといった問題点がある。
【０００３】
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。
【０００４】
そして、所定の電池電圧Ｖの範囲内で微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶにおける特徴点の電圧値、詳しくはピーク形状の頂点である極大点の微分値ｄＱ/ｄＶから、二次電池の劣化指標であるＳＯＨを求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１３９８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された二次電池システムは、ピーク形状の頂点である極大点を特定するために、例えば完全放電状態から充電した場合には、極大点が識別できるまで二次電池を充電しなければならず、依然として劣化指標を推定するまでに時間を要していた。
例えば電気自動車に搭載した二次電池のように大容量の二次電池では、完全放電状態から極大点が識別できるまで二次電池を充電するには長時間必要であり、劣化指標の推定のための待ち時間の縮小や車両メンテナンス等の業務効率の向上のためにも、少しでも早い劣化指標の推定が求められている。
【０００７】
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、二次電池の劣化指標を短時間で推定することができる二次電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の二次電池システムは、二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、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、前記充放電制御部により前記二次電池を所定量以下の充電状態から充電を開始させて、前記微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上に最初に現われる傾き変化が極大となる点を特徴点として特定する特徴点特定部と、前記特徴点における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手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このように構成した二次電池システムによれば、二次電池を所定量以下の充電状態から充電して、微分曲線算出部により微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶが算出され、充電を開始してから最初に現われる傾き変化が極大となる点を特徴点として特定される。そして、劣化指標推定手段により、この特徴点における電池電圧Ｖに基づいて、二次電池の劣化指標が推定される。
【００１０】
本発明は、所定量以下の充電状態から充電を開始して最初に現われる傾き変化が極大となる点を特徴点とするので、Ｖ-ｄＱ/ｄＶの極大点を特徴点とするよりも早く特徴点を特定できる。したがって、充電開始から早期に劣化指標を推定することが可能となる。
その他の態様としては、前記二次電池の温度を検出する温度検出部を備え、前記劣化指標推定手段は、前記特徴点における前記電池電圧と前記二次電池の温度とに基づいて、前記二次電池の劣化指標を推定することが好ましい。
【００１１】
この態様によれば、広い温度範囲で二次電池の劣化指標の推定精度を向上させることができる。
その他の態様として、前記二次電池の正極電極板は、活物質として少なくとも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）を含むとよい。
【００１２】
この態様によれば、正極電極板に活物質として含まれたＬｉＭＯ２によって、比較的低電圧で微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上にピーク形状が現れるので、完全放電状態に近い所定量以下の充電状態から充電を開始した際に、より短時間で特徴点を特定して劣化指標を推定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の二次電池システムによれば、二次電池の劣化指標を短時間で推定することがきる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の二次電池システムを示す概略構成図である。
【図２】ＳＯＨ１００%における微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶの一例を示す特性図である。
【図３】ＳＯＨ８６%における微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶの一例を示す特性図である。
【図４】ＳＯＨ７３%における微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶの一例を示す特性図である。
【図５】ＳＯＨ６２%における微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶの一例を示す特性図である。
【図６】本実施形態における特徴点Ｐ1の電圧とＳＯＨとの関係例を示すグラフである。
【図７】本実施形態と比較例のＳＯＨ推定時間を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を具体化した二次電池システムの一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の二次電池システムを示す概略構成図である。
本実施形態の二次電池システム１は電気自動車に搭載されており、走行用動力源である走行モータに電力を供給している。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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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（温度検出部）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の温度（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。
【００１８】
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。
【００１９】
微分曲線算出部１０は、組電池４の充電時または放電時に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。
【００２０】
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を横軸として微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶが表されている。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が変化することにより、例えば図２〜５に示すように微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上には傾きが大きく変化する点（例えば後述するＰ１）が現れる。
【００２１】
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。ＳＯＨの推定に微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上の何れの特徴点を特定し、どのように推定するのかは本発明の特徴部分であるため、その手法については後に詳述する。
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。
【００２２】
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、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から構成されている。
【００２３】
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、予め微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上の特定の特徴点と組電池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。
基準データの作成処理は、以下の通りである。
【００２４】
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、上記した微分曲線算出部１０の処理と同じく、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を算出した上で、微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上に出現した特定の特徴点の位置（Ｖ,ｄＱ/ｄＶ）を求める。結果として特定の特徴点と組電池４のＳＯＨとの相関関係が温度域毎に定められ、各二次電池モジュール３の共通の基準データとして予めデータ保存部１３に記憶される。
【００２５】
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の比較は、後述するように、充電開始から最初に現れる傾き変化が極大となる点を特徴点とする。
【００２６】
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、上記傾き変化が極大となる点を含むものであれば特徴点の特定、延いてはＳＯＨの推定が可能である。本発明の劣化指標推定手段は、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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及び電池温度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。
【００２９】
本実施形態の組電池４は、例えばＳＯＨ１００％、電池温度２５℃において図２に示す微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶが得られており、微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶ上に出現している複数の特徴点の中から、ＳＯＨの推定に好適な特徴点Ｐ1として傾き変化が極大となる点を選択した。
図２〜５は、電池温度２５℃で各ＳＯＨにおいて、完全放電状態から充電した際の実測値に基づいたＶ-ｄＱ/ｄＶの例である。図２はＳＯＨ１００％、図３はＳＯＨ８６％、図４はＳＯＨ７３％、図５はＳＯＨ６２％である。
【００３０】
本実施形態において選択した特徴点Ｐ1は、完全放電状態または完全放電状態に近い所定量以下の放電状態から充電を開始して、微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶにおいて傾きの変化量が最初に極大となる点である。
詳しくは、充放電指令部１７は、組電池４が完全放電状態または完全放電に近い所定量以下の充電状態から、充放電制御部６を制御して組電池４を充電させる。そして、微分曲線算出部１０において微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶを算出する。なお、微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶを算出する際にフィルタを用いてもよい。フィルタを用いることで、例えばノイズ等による微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶの微少な変動を除いて特徴点Ｐ1を精度良く特定することができる。
【００３１】
特徴点特定部１５は、上記のように、充電を開始してから微分曲線Ｖ-ｄＱ/ｄＶに最初に現れる傾き変化が極大となる点を特徴点Ｐ1とする。ここで、傾き変化が極大となる点とは、三階微分値ｄ３Ｑ/ｄＶ３が最大となる点である。また、特徴点Ｐ1については、更に電池電圧Ｖの範囲を特定しておくとよい。
ＳＯＨ推定部１６は、特徴点Ｐ1の電圧値Ｖ1と電池温度とに基づいて、ＳＯＨを推定する。詳しくは、データ保存部１３にあらかじめ記憶しておいた基準データから、特徴点Ｐ1における電池温度に基づく基準データを読み出し、基準データを用いて、特徴点Ｐ1の電圧値Ｖ1からＳＯＨを推定する。
【００３２】
図６は、本実施形態における特徴点Ｐ1の電圧値Ｖ1とＳＯＨとの関係について、複数個計測した結果を示すグラフである。なお、図中における□点は、電池温度０℃の場合であり、◇点は、電池温度２５℃の場合である。
図６に示すように、特徴点Ｐ1の電圧値Ｖ1とＳＯＨとの相関関係が強く表われている。したがって、特徴点Ｐ1の電圧値Ｖ1から精度良くＳＯＨを推定することができる。
【００３３】
また、ＳＯＨ１００〜７０％において電池温度０℃と２５℃では、特徴点Ｐ1の電圧値Ｖ1とＳＯＨとの相関関係の差が少ない。したがって、例えば０℃から２５℃の間の温度領域では、電池温度を細かく分けて基準データを記憶する必要がなく、基準データを共通化し、基準データ（マップ）を記憶するためのメモリの容量を抑えることができる。また、基準データを共通化することで温度に基づいてマップを選択する必要がなくなり、ＳＯＨを推定する際の演算負荷を抑制することができる。
【００３４】
図７は、本実施形態と比較例のＳＯＨ推定時間を説明する説明図である。本図では、完全放電状態から満充電まで充電した際の微分値ｄＱ/ｄＶの推移を示す図である。図７における縦軸は微分値ｄＱ/ｄＶ、横軸は充電開始からの経過時間（秒）である。
本実施形態では、完全放電状態から充電を開始して、最初に現れる傾き変化が極大となる点を特徴点Ｐ1として、組電池４の劣化状態であるＳＯＨを推定するので、特徴点Ｐ1を特定した時点で劣化状態を推定することができる。例えば図７に示すように、本実施形態では、充電開始からｔ1＝約１２００秒（２０分）で特徴点Ｐ1を特定しＳＯＨを推定可能となる。
【００３５】
比較例として、例えば充電開始から最初に現れるＶ−ｄＱ／ｄＶの極大点を特徴点Ｐ2として例えばその電圧値から推定した場合には、ｔ2＝約１５００秒（２５分）で特徴点Ｐ2を特定しＳＯＨを推定可能となる。
また、他の比較例として、強度（微分値ｄＱ/ｄＶ）が６０である特徴点Ｐ3を特徴点として例えばその電圧値から推定した場合では、ｔ3＝約５０００秒（約８３分）で特徴点Ｐ3を特定しＳＯＨを推定可能となる。
【００３６】
また、他の比較例として、完全放電状態から満充電まで充電してＳＯＨを測定した場合には、ｔ4＝約１６０００秒（約２６６分）でＳＯＨを測定できる。
このように、本実施形態では、各比較例と比較して推定時間を短縮することができる。
なお、本実施形態の組電池４は、例えば正極電極板に活物質としてＬｉＭｎ２Ｏ４、若しくは、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）が含まれているが、正極電極板に活物質としてＬｉＭＯ２を含む二次電池では、比較的低電圧でピーク形状が発生する。したがって、本発明は、このＬｉＭＯ２によるピーク形状の特にその立ち上がりを利用して、より速やかに劣化状態の推定を行うことができる。
【００３７】
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、電気自動車に搭載された二次電池システム１として具体化したが、本発明は車両用に限定されるものではなく、例えば、工場や店舗等で利用される定置型の二次電池システムに具体化してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
４    組電池（二次電池）
９    温度センサ（温度検出部）
１０  微分曲線算出部
１３  データ保存部
１５  特徴点特定部
１６  ＳＯＨ推定部（劣化指標推定部）
１７  充放電指令部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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