(57)【要約】【課題】二次電池の劣化指標を短時間で高い精度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の充放電を制御する充放電制御部６と、組電池４の電池電圧Ｖを検出する電圧センサ７と、電池電圧が所定電圧Ｖ1である組電池４に対し、充放電制御部６を制御して所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電を行わせるＳＯＨ推定用充電指示部１０と、ＳＯＨ推定用充電指示部１０による所定容量Ｑ1の充電後の電池電圧Ｖａに基づいて、組電池４の劣化指標である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、
前記二次電池の電池電圧を検出する電圧検出部と、
所定の電池電圧である前記二次電池に対し、前記充放電制御部を制御して所定電力で所定容量の充電を行わせる充電指示部と、
前記充電指示部による前記所定容量の充電後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、
を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項２】
前記劣化指標推定部は、前記所定容量の充電後の電池電圧が高いほど前記二次電池の劣化指標を低く推定するように所定電圧と所定容量を設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】
前記劣化指標推定部は、前記所定電圧を３.８５Ｖとすることを特徴とする請求項２に記載の二次電池システム。
【請求項４】
前記二次電池の温度を検出する温度検出部を備え、
前記劣化指標推定部は、前記所定容量の充電後の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または２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大幅に長くなるといった問題点がある。
【０００３】
そこで、推定に要する時間を抑えて二次電池の劣化指標を推定する方法が各種提案されている。
例えば特許文献１に記載された二次電池システムでは、二次電池の所定の充電率から一定電流で放電し、放電時間と放電後の電圧とに基づいて二次電池の劣化指標を推定する。特許文献１においては、満充電から電池残容量０の状態まで放電せずに、例えば所定の測定開始電圧から所定の時間一定電流で放電させ、この間の電圧の変化率から二次電池の劣化指標を推定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３６７４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１における二次電池システムにおいては、定電流で放電させることで劣化指標を推定するが、電気自動車では定電流で放電する機会は基本的に無いので劣化指標の推定可能な機会が少ないとともに、劣化指標の推定のためだけに放電しなければならなくなる可能性がある。
また、特許文献１の図６にあるように電圧変化率と劣化指標である保有容量の関係は保有容量７０％以上の実用領域では相関の傾きが小さくなっており、電圧変化率の誤差が保有容量の推定精度に大きく影響を及ぼしてしまい高精度が確保できない。
【０００６】
また、劣化指標を推定する際に一定電流放電するように制御しなければならないが、電流値の制御はノイズの影響を大きく受ける可能性があり、少しでも精度よく劣化指標の推定を可能にすることが要求されている。
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、二次電池の劣化指標を短時間で高い精度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】
【０００７】
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、前記二次電池の電池電圧を検出する電圧検出部と、所定の電池電圧である前記二次電池に対し、前記充放電制御部を制御して所定電力で所定容量の充電を行わせる充電指示部と、前記充電指示部による前記所定容量の充電後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、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
このように構成した二次電池システムによれば、所定電圧から所定容量充電した後の電池電圧に基づいて、二次電池の劣化指標が推定されるので、満充電になるまで充電しなくとも二次電池の劣化指標を推定することができ、迅速に二次電池の劣化指標を推定することができる。また、比較的機会の多い定電力充電時に劣化判定を行うことができ、電力消費をせずに劣化指標を推定することができる。
【０００９】
本発明は、特に所定電力で所定容量充電した後の電池電圧に基づいて、二次電池の劣化指標が推定されるので、劣化指標を推定するための充電制御が容易になるとともに、ノイズによる推定精度の低下が抑制される。
その他の態様として、前記劣化指標推定部は、前記所定容量の充電後の電池電圧が高いほど前記二次電池の劣化指標を低く推定するように、所定電圧と所定容量を設定することが好ましい。
【００１０】
この態様によれば、二次電池の劣化指標が低下するに伴って充電による電池電圧の上昇が大きくなる現象を利用して、二次電池の劣化指標を推定することができる。
さらに、電池電圧と劣化指標に傾き一定の相関が広い範囲で見られることが分かっているため、所定電圧を３．８５Ｖに設定することが好ましい。
この態様によれば、傾き一定の相関関係を用いて推定すること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。
【００１１】
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、前記劣化指標推定部は、前記所定容量の充電後の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。
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。
【発明の効果】
【００１２】
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迅速に高い精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】二次電池への充電容量と電池電圧の関係の一例を示す特性図である。
【図３】充電容量と電池電圧の関係を示す特性図の拡大図である。
【図４】本実施形態における所定容量充電後の電池電圧とＳＯＨとの関係を示す特性図である。
【図５】参考例における充電後の電圧とＳＯＨとの関係について、複数個計測した結果を示す特性図である。
【図６】本実施形態における充電後の電圧とＳＯＨとの関係について、複数個計測した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
組電池４には電圧センサ７（電圧検出部）、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。
【００１７】
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ＳＯＨ推定用充電指示部１０（充電指示部）を備えている。ＳＯＨ推定用充電指示部１０は、組電池４へ一定電力で所定容量の充電を行うように充放電制御部６に指示する機能を有している。
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。
【００１８】
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、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。
【００１９】
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、予め所定電圧Ｖ1の組電池４に対し一定の所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電したことによって達する電池電圧Ｖａ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）が予め記憶されている。
【００２０】
基準データの作成処理は、以下の通りである。
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、組電池４を少なくとも所定電圧Ｖ1から所定電力Ｐ1で充電容量Ｑと電池電圧Ｖとの関係を求め、予めデータ保存部１３に記憶させる。この基準データは、充電容量Ｑと電池電圧Ｖとの関係をマップとして保存してもよいし、所定電圧Ｖ1から所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電した際の電池電圧ＶとＳＯＨとを関係付けたデータを、複数個保存してもよい。
【００２１】
図２は、組電池４への充電容量Ｑと電池電圧Ｖの関係の一例を示す特性図である。図２中の実線はＳＯＨ１００％、波線はＳＯＨ８６％、一点鎖線はＳＯＨ７３％を示す。
例えば図２に示すように、電池電圧３Ｖから充電を開始し、充電容量Ｑが増加するに伴って、電池電圧Ｖは増加していく。しかしながら、各ＳＯＨによって充電容量Ｑに対する電池電圧Ｖの増加量が異なる。組電池４に対し同一の電池電圧Ｖから同一の充電容量Ｑを充電しても、組電池４のＳＯＨが高い程充電後の電池電圧Ｖが低く、ＳＯＨが低い、即ち組電池４が劣化している程、充電後の電池電圧Ｖは高くなる。
【００２２】
ＳＯＨ推定部１６は、組電池４のＳＯＨを推定する機能を有する。ＳＯＨの推定要領についての詳細は後述する。
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。
【００２３】
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。
次に、ＳＯＨ推定部１６において実行されるＳＯＨ推定制御について説明する。
【００２４】
ＳＯＨ推定部１６は、組電池４の電池電圧Ｖが所定電圧Ｖ1に達した際に、ＳＯＨ推定制御を開始する。ＳＯＨ推定制御の開始タイミングについては、例えば車両の組電池４の充電時において、組電池４の電池電圧Ｖが所定電圧Ｖ1に達した際に実行すればよい。ＳＯＨ推定部１６は、組電池４の電池電圧Ｖが所定電圧Ｖ1となっている二次電池モジュール３のＳＯＨ推定用充電指示部１０に対し、ＳＯＨ推定のための組電池４の充電を開始するよう指示をする。ＳＯＨ推定用充電指示部１０は、ＳＯＨ推定部１６からＳＯＨ推定開始の指示を受けた際に、組電池４を一定の所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1（例えば３Ａｈ）充電するように充放電制御部６に指示をする。そして、ＳＯＨ推定用充電指示部１０は、所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1（例えば３Ａｈ）充電が終了した時点での組電池４の電池電圧Ｖａを電圧センサ7から入力してＳＯＨ推定部１６に出力する。
【００２５】
ＳＯＨ推定部１６は、この所定容量Ｑ1充電後に実測した組電池４の電池電圧Ｖａから、データ保存部１３に基準データとして記憶している所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖに一致するＳＯＨを、当該組電池４のＳＯＨの推定値とする。なお、この所定容量Ｑ1充電後の組電池４の電池電圧Ｖａが、データ保存部１３に基準データとして記憶している電池電圧Ｖに一致しない場合には、その前後の電池電圧ＶにおけるＳＯＨを補間処理して算出すればよい。
【００２６】
図３は、充電容量Ｑと電池電圧Ｖの関係を示す特性図の拡大図である。図３を用いて所定容量充電後の電池電圧ＶａとＳＯＨとの関係を説明する。なお、図３中の実線はＳＯＨ１００％、波線はＳＯＨ８６％、一点鎖線はＳＯＨ７３％を示している。
例えば図３に示すように充電容量Ｑと電池電圧Ｖとの相関関係を示す組電池４においては、所定電圧Ｖ1（＝３．８５Ｖ）の組電池４に対し所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電すると、組電池４のＳＯＨが１００％である場合には電池電圧がＶa1となり、ＳＯＨが８６％である場合には電池電圧がＶa2となり、ＳＯＨが７３％である場合には電池電圧がＶa3となる。図３に示すように、Ｖa1＜Ｖa2＜Ｖa3である。
【００２７】
ＳＯＨ推定部１６は、所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖａが、例えばＶa1であれば組電池４のＳＯＨが１００％であり、Ｖa2であれば組電池４のＳＯＨが８６％であり、Ｖa3であれば組電池４のＳＯＨが７３％と推定する。所定容量Ｑ1充電後の電池電圧ＶａがＶa1、Ｖa2、Ｖa3のいずれかの間の値であれば、その前後の電池電圧（Ｖa1、Ｖa2、Ｖa3）に対応するＳＯＨの間の値となる。
【００２８】
図４は、本実施形態における所定容量Ｑ1充電後の電池電圧ＶａとＳＯＨとの関係について、複数個計測した結果を示す特性図である。図４中における◇は電池温度０℃の場合であり、□は電池温度２５℃における場合である。
図４に示すように、所定容量Ｑ1充電後の電池電圧ＶａとＳＯＨとは相関関係が強く表われている。したがって、所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖａから精度良くＳＯＨを推定することができる。なお、本実施形態においては、電池温度０℃及び２５℃において略ＳＯＨ４０％〜１００％といった比較的広い範囲で相関関係が強く表われる。これにより、このＳＯＨの範囲で精度のよいＳＯＨの推定が可能となっている。
【００２９】
以上のように、本実施形態では所定電圧Ｖ1から所定容量Ｑ1充電した後の電池電圧Ｖａに基づいてＳＯＨを推定するので、ＳＯＨと強い相関性のある所定容量充電後の電池電圧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。
本実施形態では、特許文献１のように放電してＳＯＨを推定するのではなく、所定電圧Ｖ1から充電してＳＯＨを推定するので、例えば組電池４の充電の際にＳＯＨを推定することができる。特許文献１では、所定電流で所定時間放電してＳＯＨを推定するので、ＳＯＨ推定のために二次電池を放電しなければならず、ＳＯＨの推定のためだけに電力消費を招く虞がある。これに対し、本実施形態では、比較的機会の多い充電時に劣化判定を行うとともに、充電とともに劣化判定を行うことができ、電力消費をせずにＳＯＨを推定することができる。
【００３０】
また、特許文献１のように電池電圧変化とＳＯＨとの相関の傾きがＳＯＨ７０％以上で小さくなる場合、電池電圧変化に誤差が生じた時に推定精度に大きく影響する。これに対し、本実施形態では、電池電圧とＳＯＨとの相関の傾きが広い範囲でおおよそ一定となっており、精度よくＳＯＨを推定することができる。
特に、本実施形態では、特許文献１のように所定電流で所定時間放電（ＣＣ放電）して電池電圧の変化に基づいてＳＯＨを推定するのではなく、所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電（ＣＰ充電）して電池電圧の変化に基づいてＳＯＨを推定する。
【００３１】
特許文献１のように所定電流で所定時間放電することは、放電の際に放電電流の制御を行わなければならない。一般的に電気が送電される時は電力として送電されるので、電流を制御するには例えば充放電制御部６において電力と電圧の値から制御する必要がある（電流＝電力/電圧）。したがって、放電の際に電力値や電圧値の検出にノイズが混入した場合に電流値のノイズがより大きくなる虞があり、放電電流を精度よく一定に制御することは困難である。
【００３２】
これに対し、本実施形態では、所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電するので、充電の際に電力のみ一定にするように制御すればよい。したがって所定電力で充電することは所定電流で所定時間充電（放電）するよりも精度よく制御することが可能となるので、ＳＯＨの推定精度を向上させることができる。
図５は、参考例における充電後の電池電圧ＶとＳＯＨとの関係について、複数個計測した結果を示す特性図である。図５に結果を示す参考例は、所定電圧Ｖ1から所定電流で所定時間充電した後の、組電池４の電池電圧Ｖｂに基づいてＳＯＨを推定するものである。
【００３３】
図６は、本実施形態における充電後の電池電圧ＶａとＳＯＨとの関係について、複数個計測した結果を示す特性図である。
図５に示すように、参考例ではＳＯＨ約４０％から６０％までは、所定電流で所定時間充電後の電池電圧ＶｂとＳＯＨとが略直線的な相関関係にあるが、ＳＯＨ６０％以上では充電後の電池電圧とＳＯＨとの相関関係が低い。したがって、参考例では、ＳＯＨ６０％以上のＳＯＨを精度良く推定することが困難である。
【００３４】
これに対し、図６に示すように、本実施形態では、所定電力Ｐ1で所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖａと、ＳＯＨとの関係は、ＳＯＨ約４０％から１００％まで略直線的な比例関係を示しており、所定容量Ｑ1充電した後の電池電圧Ｖａが高いほど、ＳＯＨが低い関係にある。したがって、本実施形態では、ＳＯＨ約４０％から１００％までＳＯＨを精度良く推定することが可能となる。
【００３５】
なお、以上の実施形態においては、データ保存部１３に保存する基準データとして、各ＳＯＨと所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖａとの関係を記憶しているが、更に電池温度毎に各ＳＯＨにおける所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖａを記憶するとよい。そして、ＳＯＨ推定部１６は、電池温度毎の各ＳＯＨにおける電池電圧のデータ群の中から、所定容量Ｑ1充電完了時に温度センサ９により検出した電池温度に該当するデータ群を使用してＳＯＨを推定すればよい。
【００３６】
このように、所定容量Ｑ1充電後の電池電圧Ｖａだけでなく、電池温度にも基づいてＳＯＨの推定を行うことで、広い温度範囲でＳＯＨの推定精度を向上させることができる。
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、充電を開始する所定電圧Ｖ1や、充電の際の所定電力Ｐ1、所定容量Ｑ1等については、充電対象の二次電池の容量や種類等によって適宜設定すればよい。
【００３７】
また、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）
７    電圧センサ（電圧検出部）
６    充放電制御部
９    温度センサ（温度検出部）
１０  ＳＯＨ推定用充電指示部（充電指示部）
１６  ＳＯＨ推定部（劣化指標推定部）
【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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