(57)【要約】【課題】二次電池の劣化判定を誤ることのない充放電制御システムを提供する。【解決手段】二次電池の充放電電流Ｉと充放電電圧Ｖとを一定時間毎に測定し（Ｓ１１２）、不揮発性ＲＡＭに格納された充放電電流Ｉ及び充放電電圧Ｖの測定値の一定数量のデータから回帰分析を行って電池の内部抵抗Ｒを算出する（Ｓ１２２）と共に、充放電電流の積算値から電池の累積充電電気量又は累積放電電気量を算出し、内部抵抗Ｒ及び累積充放電電気量の算出値に基づいて電池の劣化状態を判定する（Ｓ１２８）。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の充放電電流と充放電電圧とを一定時間毎に測定し、該測定値から充電状態を推定して前記電池の充放電を制御する充放電制御システムにおいて、前記充放電電流及び充放電電圧測定値の一定数量のデータから回帰分析を行って前記電池の内部抵抗を算出すると共に、前記充放電電流の積算値から前記電池の累積充電電気量又は累積放電電気量を算出し、前記内部抵抗及び前記累積充放電電気量の算出値に基づいて前記電池の劣化状態を判定することを特徴とする充放電制御システム。
【請求項２】
前記電池の内部抵抗が所定値以上、かつ、前記電池の累積充電電気量又は累積放電電気量が所定値以上となったときに、前記電池が劣化したと判定することを特徴とする請求項１に記載の充放電制御システム。
【請求項３】
前記電池が充放電されているときの電池温度を測定し、この測定値と前記充放電電流又は充放電電圧から算出した充電状態とを、電池温度と充電状態とをパラメータとするマップに当てはめて前記内部抵抗の算出値の補正を行い、補正後の値を前記内部抵抗の算出値として前記電池の劣化状態を判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充放電制御システム。
【請求項４】
前記内部抵抗の算出値の補正は、予め定められた標準温度及び標準充電状態における内部抵抗値に補正することを特徴とする請求項３に記載の充放電制御システム。
【請求項５】
前記電池が充放電されているときの電池温度を測定し、この測定値と前記充放電電流又は充放電電圧から算出した充電状態とを、電池温度と充電状態とをパラメータとするマップに当てはめて前記内部抵抗の算出値の補正を行うことで得られた内部抵抗値が所定値以上となったとき、又は、前記電池の累積充電電気量若しくは累積放電電気量が所定値以上となったときに、前記電池が劣化したと判定することを特徴とする請求項１に記載の充放電制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は充放電制御システムに係り、特に、二次電池の充放電電流と充放電電圧とを一定時間毎に測定し、該測定値から充電状態を推定して電池の充放電を制御する充放電制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二次電池の簡易充放電制御システムでは、充電終了後状態を検出したときを満充電状態として電池の充電を終了させ、放電終止電圧を検出したときを完全放電状態として放電を終了させる方式が用いられてきた。一方、高精度充放電制御システムでは、二次電池の充放電電気量を測定して制御する方式も用いられている。この方式では、充放電電気量を測定しているので、電池の残存容量を把握できるという利点がある。また、満充電状態から放電末期状態まで放電した場合には満充電容量を実測しているので、この放電容量から電池の劣化状態を把握することができる。
【０００３】
しかしながら、例えば、二次電池とモータジェネレータ及びエンジンとを用いたハイブリッド車等の、完全な充放電を繰り返さない用途では、二次電池は短時間の充放電を頻繁に繰り返して使用される。ハイブリッド車では、二次電池として鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等が用いられており、最近では高エネルギー密度のリチウムイオン電池が使用されるようになってきている。この場合、電池の入出力特性を最大限に引き出し、かつ寿命を長くするためには、充放電させる残存容量乃至充電状態の値（ＳＯＣ：満充電が１００％、完全放電が０％）が重要であり、ＳＯＣの管理を行わないと充分な入出力特性が得られないだけでなく、寿命が短くなってしまう。
【０００４】
また、ハイブリッド車用等の短時間の充放電を行うシステムでは、電池の満充電容量よりも最大入出力電力が重要であり、この最大入出力電力を決定する電池の内部抵抗が電池の状態を示すパラメータとして劣化判断に用いられている。このような劣化判断方法として、一定時間毎に電池の入出力電圧と電流とを測定し、その測定値の一定数量のデータを回帰分析して内部抵抗を算出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１０６６３５公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の方式では、回帰分析して得られた内部抵抗の値にバラツキが生ずるため、二次電池の劣化判断を誤る可能性を持っている。
【０００７】
この例を図面を参照して説明する。図３は定格３．６Ａｈ、ＳＯＣ５０％で内部抵抗約４ｍΩのリチウムイオン電池に短時間の充放電を繰り返した場合の電流推移を示し、図４はそのときの電圧推移を示している。なお、これらの電流、電圧推移は１ｓｅｃ毎に測定したものである。また、図５は６０秒間の電流と電圧の測定値を回帰分析して内部抵抗を算出した結果を、図６は３０秒間の回帰分析結果の内部抵抗値をそれぞれ示している。
【０００８】
図５に示すように、内部抵抗の算出値は０から６ｍΩまで変化しており、バラツキが大きい。この例は回帰分析を６０秒間行ったものであるが、図６に示す３０秒間回帰分析を行った結果では更にバラツキが大きくなり、内部抵抗の計算値は−１から１０ｍΩまで変化している。このリチウムイオン電池では内部抵抗が約８ｍΩまで上昇した場合に所定の入出力特性が得られないため寿命と判定されるが、この結果のみから劣化を判断すると充放電電流によっては寿命との判定がなされ、劣化判定を誤る可能性があることになる。
【０００９】
本発明は上記事案に鑑み、二次電池の劣化判定を誤ることのない充放電制御システムを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、二次電池の充放電電流と充放電電圧とを一定時間毎に測定し、該測定値から充電状態（ＳＯＣ）を推定して前記電池の充放電を制御する充放電制御システムにおいて、前記充放電電流及び充放電電圧測定値の一定数量のデータから回帰分析を行って前記電池の内部抵抗を算出すると共に、前記充放電電流の積算値から前記電池の累積充電電気量又は累積放電電気量を算出し、前記内部抵抗及び前記累積充放電電気量の算出値に基づいて前記電池の劣化状態を判定することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、回帰分析で求めた内部抵抗の算出値だけでなく、累積の充放電電気量を含めて二次電池の劣化判断を行うので、バラツキの大きい回帰分析から求めた内部抵抗の算出値からの劣化判定ミスを無くすことができる。なお、二次電池にリチウムイオン電池を用いる場合には、充電効率がほぼ１００％のため、充電電気量及び放電電気量のいずれを用いてもよい。
【００１２】
この場合に、電池の内部抵抗が所定値以上、かつ、電池の累積充電電気量又は累積放電電気量が所定値以上となったときに、電池が劣化したと判定することが好ましい。また、電池が充放電されているときの電池温度を測定し、この測定値と充放電電流又は充放電電圧から算出した充電状態とを、電池温度と充電状態とをパラメータとするマップに当てはめて内部抵抗の算出値の補正を行い、補正後の値を内部抵抗の算出値として電池の劣化状態を判定すれば、回帰分析で求めた内部抵抗の算出値を温度とＳＯＣとで補正しているので、真の値に近い内部抵抗値で劣化判断が可能なため、更に正確に二次電池の劣化判定を行うことができる。このとき、内部抵抗の算出値の補正は、予め定められた標準温度及び標準充電状態における内部抵抗値に補正することが望ましい。
【００１３】
また、何らかの原因で真に内部抵抗が大きくなった場合には、回帰分析で求めたバラツキを含む内部抵抗の算出値も大きくなる可能性が大きいので、電池が充放電されているときの電池温度を測定し、この測定値と充放電電流又は充放電電圧から算出した充電状態とを、電池温度と充電状態とをパラメータとするマップに当てはめて内部抵抗の算出値の補正を行うことで得られた内部抵抗値が所定値以上となったときに電池が劣化したと判定してもよく、又は、電池の劣化は電池の充放電電気量に概ね比例するので、電池の累積充電電気量若しくは累積放電電気量が所定値以上となったときに電池が劣化したと判定してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用可能な充放電制御システムの実施の形態について説明する。
【００１５】
（構成）
図１に示すように、本実施形態の充放電制御システムは、ホール素子等の電流センサを有しリチウムイオン電池が９６直列に接続されたリチウムイオン電池群１に流れる充放電電流を測定する充放電電流測定回路２、リチウムイオン電池群１の総電圧を測定する総電圧測定回路３、サーミスタ等の温度センサを有しリチウムイオン電池群１のうち略中央部に配置された特定のリチウムイオン電池の電池温度を測定する温度測定回路４、及び、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、充放電制御システムの基本制御プログラム及び後述するテーブルデータ等を記憶したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ、並びにＡ／Ｄコンバータ等を有するデータ処理用のマイクロコンピュータ部５を備えている。マイクロコンピュータ部５には測定したデータを記憶する不揮発性ＲＡＭ７が接続されている。従って、充放電制御システムは、電源の供給が停止しても、不揮発性ＲＡＭ７に記憶されたデータは保存される構成を有している。
【００１６】
リチウムイオン電池群１は、例えば、直列接続された２つの電池モジュール（不図示）で構成されており、各電池モジュールには４８個のリチウムイオン電池が直列に接続されている。各電池モジュールは図示しないマイクロコンピュータ部を内蔵しており、このマイクロコンピュータ部の制御により、リチウムイオン電池群１の充放電中に、電池モジュールを構成する各リチウムイオン電池がほぼ同一の容量を維持するように容量調整が実行される。
【００１７】
実際のリチウムイオン電池群１の充放電は、上位の充放電電流制御部により制御される。充放電システムは、後述するように、リチウムイオン電池群１の充電状態（ＳＯＣ）やリチウムイオン電池群１の劣化判定結果等の情報を報知するために、マイクロコンピュータ部５に接続された通信インターフエイス部６を介して上位の充放電電流制御部に接続されている。
【００１８】
（動作）
次に、フローチャートを参照して充放電制御システムの動作について、マイクロコンピュータ部５のＣＰＵを主体として説明する。なお、マイクロコンピュータ部５に電源が投入されると、リチウムイオン電池群１を構成するリチウムイオン電池の劣化を判定する劣化判定ルーチンが実行される。
【００１９】
図２に示すように、劣化判定ルーチンでは、まずステップ１１２で、総電圧測定回路３及び電流測定回路２からのアナログデータをＡ／Ｄコンバータでデジタルデータに変換してリチウムイオン電池群１の総電圧Ｖ及びリチウムイオン電池群１に流れる充放電電流Ｉを取り込み（測定し）、ＲＡＭ７に格納する。次にステップ１１４で、リチウムイオン電池群１に流れる充放電電流Ｉの積算値Ｑ（Ｑ＝∫Ｉｄｔ）を不揮発性ＲＡＭ７に格納する。このような処理は、例えば、ＲＡＭ７に前回格納した積算値Ｑを読み出して、前回の積算値Ｑに、今回測定した放電電流Ｉと前回からの今回までの時間Δｔとを掛けた値、を加算してＲＡＭ７に格納すればよい。
【００２０】
次にステップ１１６において、電池温度Ｔを測定するタイミングか否かを判断する。このような測定タイミングを判断するために、例えば、カウンタを用いることができる。肯定判断のときは、ステップ１１８で温度測定回路４からのアナログデータをＡ／Ｄコンバータでデジタルデータに変換して電池温度Ｔを取り込み（測定し）、否定判断のときは、次のステップ１２０へ進む。すなわち、電池温度Ｔは、総電圧Ｖ及び充放電電流Ｉの測定周期より長い周期で測定される。なお、ステップ１１２〜ステップ１１８で測定されるデータは、総電圧Ｖ、充放電電流Ｉ、電池温度Ｔの３種類であり、従来の充放電制御システムと何ら変わるところはない。
【００２１】
次いでステップ１２０では、ステップ１１２で測定された総電圧Ｖの値と充放電電流Ｉの値とから電池の充電状態（以下、ＳＯＣという。）を演算し、次のステップ１２２において、ＲＡＭ７に格納した総電圧Ｖ及び充放電電流Ｉの値の時系列的な変化データのうち直近の一定数量（例えば、各１００個）のデータから、最小二乗法等の回帰分析により電池の内部抵抗Ｒを演算する。
【００２２】
次にステップ１２４では、ステップ１１８で測定された電池温度Ｔとステップ１２０で演算したＳＯＣとをパラメータとするマップにより係数αを求め、この係数αをステップ１２２で演算した内部抵抗Ｒの値に乗じることで、標準ＳＯＣ、標準温度での内部抵抗の値に変換（補正）する。なお、本例では、下表１に示すように、マップにＳＯＣが５０％、電池温度Ｔが２５°Ｃに変換可能なテーブルを使用した。表１は離散値のテーブルであるが、ステップ１２０では補完によって正確な値に変換可能である。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
ステップ１２６ではＳＯＣ及び補正後の内部抵抗Ｒを上位の充放電電流制御部へ報知し、次のステップ１２８において、電池が劣化したか否かを判定する。電池の劣化判定は下表２に示す劣化判定テーブルに基づいて行われる。表２は補正後の内部抵抗と累積充放電電気量をパラメータとするテーブルであり、内部抵抗値がある設定値以上、かつ、累積充放電電気量がある設定値以上の場合に劣化したと判定するテーブルである。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
ステップ１２８で肯定判定のときは、次のステップ１３０で上位の充放電電流制御部へ電池の劣化を報知し、否定判定のときは、ステップ１１２へ戻る。電池の劣化の報知を受けた上位の充放電電流制御部は、インストールメンタルパネル（インパネ）を制御する表示制御部（不図示）又はその上位の制御部（不図示）へインパネに電池の劣化を表示すべき旨を報知する。これにより、インパネに電池の劣化が表示され、ドライバは電池が劣化したことを知ることができる。
【００２７】
（作用等）
本実施形態の充放電制御システムでは、表２に示したように、内部抵抗Ｒと累積充放電電気量との両者で電池の劣化判定を行うので（ステップ１２６）、回帰分析から求めた内部抵抗のバラツキが大きくても、誤ることなく電池の劣化判定を行うことができる。図７に本例での累積充放電電気量と内部抵抗との関係を示す。図７に示すように、充放電を行って累積充放電電気量が増えると内部抵抗は間違いなく増加するので、累積充放電電気量が設定値以上となった場合に、電池が劣化している可能性は大きく、劣化判定ミスを行う可能性は少ない。
【００２８】
また、本実施形態の充放電制御システムでは、表１に示したように、回帰分析で求めた内部抵抗を電池温度とＳＯＣとで補正するので（ステップ１２４）、真の値に近い内部抵抗値で正確に電池の劣化判定を行うことが可能である（ステップ１２６）。図８に本例での内部抵抗の温度依存性を、図９に内部抵抗のＳＯＣ依存性をそれぞれ示す。このように、内部抵抗は温度とＳＯＣとによって変化するので、基準の温度と基準のＳＯＣとを決定しておけば、より正確な内部抵抗値で劣化判定を行うことが可能である。
【００２９】
更に、本実施形態の充放電制御システムは累積充放電電気量を測定できればよく、従来の充放電制御システムに不揮発性ＲＡＭ７等の記憶装置を付加するだけの構成で、劣化判定を正確に行うことが可能である。
【００３０】
なお、本実施形態では、内部抵抗Ｒ及び累積充放電電気量で電池の劣化判定を行う例を示したが、補正後の内部抵抗は真の内部抵抗値に近く、また、図７に示したように累積充放電電気量と内部抵抗とには相関関係が存在するので、補正後の内部抵抗及び累積充放電電気量の一方で電池の劣化判定を行うようにしてもよい。
【００３１】
また、本実施形態では、表１に「正常」と「劣化」の２状態の区別を行うだけのテーブルを例示したが、本発明はこれに限定されず、要求特性に応じて「要注意」等の３段階以上の判断を行うテーブルとしてもよい。更に、本実施形態では、マップにテーブルを例示したが、数式等を用いるようにしてもよい。
【００３２】
そして、本実施形態では、説明を簡単にするために、温度センサを１個とした例を示したが、電池モジュール毎に１個又は複数個でリチウムイオン電池の温度を測定し、測定した温度の平均値や体操平均値等を用いるようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回帰分析で求めた内部抵抗の算出値だけでなく、累積の充放電電気量を含めて二次電池の劣化判断を行うので、バラツキの大きい回帰分析から求めた内部抵抗の算出値からの劣化判定ミスを無くすことができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の充放電制御システムの概略構成を示すブロック回路図である。
【図２】実施形態の充放電制御システムの劣化判定ルーチンのフローチャートである。
【図３】充放電時の充放電電流の推移を示す特性線図である。
【図４】充放電時の充放電電圧の推移を示す特性線図である。
【図５】６０秒間の電圧と電流の回帰分析値から算出した内部抵抗の推移を示す特性線図である。
【図６】３０秒間の電圧と電流の回帰分析値から算出した内部抵抗の推移を示す特性線図である。
【図７】累積充放電電気量と内部抵抗の関係を示す特性線図である。
【図８】内部抵抗の温度依存性を示す特性線図である。
【図９】内部抵抗のＳＯＣ依存性を示す特性線図である。
【符号の説明】
１  リチウムイオン電池群
２  充放電電流測定回路
３  総電圧測定回路
４  温度測定回路
５  マイクロコンピュータ部
６  通信インターフエイス部
７  不揮発性ＲＡＭ
【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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【図８】
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【図９】
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