(57)【要約】【課題】充放電終端付近での回路電圧に基づく手法と電流積算値に基づく手法との誤差による残容量の維持及び飛びを解消し、安定した残容量の算出手法を提供する。【解決手段】二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、二次電池の残容量を算出する残容量算出装置と、残容量算出装置は、二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣとの関係を利用して、閉回路電圧ＣＣＶから二次電池の残容量を算出する第１の残容量算出部と、二次電池の充放電電流の積算にて二次電池の残容量を算出する第２の残容量算出部とを備え、第１の残容量算出部で算出される残容量と、第２の残容量算出部で算出される残容量との誤差を、フィードバック制御にて解消することにより、充電及び放電の終了状態付近における残容量値の維持または飛びを解消することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、
前記二次電池の残容量を算出する残容量算出装置と、
前記残容量算出装置は、
前記二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣとの関係を利用して、閉回路電圧ＣＣＶから前記二次電池の残容量を算出する第１の残容量算出部と、
前記二次電池の充放電電流の積算にて前記二次電池の残容量を算出する第２の残容量算出部とを備え、
前記第１の残容量算出部で算出される残容量と、前記第２の残容量算出部で算出される残容量との誤差を、フィードバック制御にて解消することを特徴とする、充放電システム。
【請求項２】
前記フィードバック制御をＰＩＤ制御により行う、請求項１に記載の充放電システム。
【請求項３】
前記二次電池の導電経路にスイッチング素子を備え、前記残容量算出装置にて算出する残容量にて前記スイッチング素子を制御することを特徴とする、請求項２記載の充放電システム。
【請求項４】
外部機器との通信端子と、前記外部機器との間でデータ送受信可能に構成された通信部とを備え、
前記残容量算出装置にて算出する残容量を前記外部機器へ通信することを特徴とする、請求項２記載の充放電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の充放電システムと、
前記二次電池とを備えることを特徴とする電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を充放電する充放電システム、及び充電システムと二次電池を備えた電池パックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の二次電池を備えた電池パックでは、充放電における残容量の算出において、二次電池の閉回路電圧ＣＣＶ（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）から開回路電圧ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を推定し、図４のような二次電池の劣化に依らない開回路電圧ＯＣＶと二次電池の充電深度ＳＯＣとの関係を利用し、開回路電圧ＯＣＶから充電深度ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）へ変換する手法と、二次電池に対する充電電流及び放電電流を積算する手法が用いられてきた。
【０００３】
特に、二次電池の閉回路電圧ＣＣＶから開回路電圧ＯＣＶを推定する手法においては、予め二次電池の内部インピーダンスをメモリ等に記録しておき、閉回路電圧ＣＣＶと充電電流または放電電流と二次電池の内部インピーダンスから開回路電圧ＯＣＶを推定する手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、回路電圧に基づく算出手法と電流積算値に基づく算出手法それぞれ次のような課題を有している。
【０００５】
回路電圧に基づく残容量算出手法では、開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣとの関係を利用し、開回路電圧ＯＣＶは閉回路電圧ＣＣＶから推定するため、二次電池の内部インピーダンスの影響が生じにくい静的な状態では残容量の算出精度は良いが、充放電電流により二次電池の内部インピーダンスの影響が生じる動的な状態では、閉回路電圧ＣＣＶから推定される開回路電圧ＯＣＶと、実際の開回路電圧ＯＣＶとの誤差により、残容量の算出精度が悪くなるという課題を有している。
【０００６】
電流積算値に基づく算出手法では、電荷の流入量及び流出量を元に残容量算出を行うため、相対的な残容量の変化を求めることはできるが、絶対的な残容量を求めることはできず電流値の測定誤差が蓄積されてしまう課題を有している。
【０００７】
したがって、両手法の長所と短所を補完するために、充電及び放電の終了状態の検出（例えば、特許文献２参照）、及び無負荷の状態での残容量算出には回路電圧に基づく残容量算出手法を用い、充電または放電中の残容量算出には電流積算値に基づく算出手法を用いるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１２４６２９号公報
【特許文献２】特開２００１−３４６３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来までの構成では、充放電の終端付近において、充放電中での電流積算値に基づく算出手法から回路電圧に基づく残容量算出手法へ切り替える際に、電流積算値に基づく算出手法で蓄積された誤差が図５のように生じ、残容量の維持または飛びが発生してしまう課題を有していた。
【００１０】
すなわち、回路電圧に基づく算出手法では、二次電池の内部インピーダンスは固定ではないため、充放電電流と閉回路電圧ＣＣＶから推定する開回路電圧ＯＣＶに誤差が生じ、残容量算出における誤差が発生する。また、電流積算値に基づく算出手法では電流値の測定誤差は計上されていくが、絶対的な残容量の指標が無いため、回路電圧に基づく算出手法に切り替えるまで測定誤差を低減することはできず、最終的に残容量の維持または飛びの形で現れてきてしまう。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、充放電終端付近での回路電圧に基づく手法と電流積算値に基づく手法との誤差による残容量の維持及び飛びを解消し、安定した残容量の算出手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明の充放電システムは、二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、二次電池の電池電圧を検出する電池電圧検出部と、二次電池の残容量を算出する残容量算出装置と、残容量算出装置は、二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣとの関係を利用して、閉回路電圧ＣＣＶから二次電池の残容量を算出する第１の残容量算出部と、二次電池の充放電電流の積算にて二次電池の残容量を算出する第２の残容量算出部とを備え、第１の残容量算出部で算出される残容量と、第２の残容量算出部で算出される残容量との誤差を、フィードバック制御にて解消することを特徴とする。
【００１３】
特にフィードバック制御にＰＩＤ制御を用いることにより、回路電圧に基づく算出手法と電流積算値に基づく算出手法との誤差の解消を、古典制御論の枠組みで体系化された手法にてヒューリスティックに解決することができる。
【００１４】
つまり、二次電池を直流電圧源と内部インピーダンスとしての抵抗成分と容量成分との等価回路にてモデル化した場合、充放電電流による過渡的な応答は、抵抗成分と容量成分により電流値に対する比例動作と微分動作に現れる。
【００１５】
従って、ＰＩＤ制御における比例動作Ｐ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）と微分動作Ｄ（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）にて、閉回路電圧ＣＣＶを目標値としたフィードバックにて開回路電圧ＯＣＶを近似的に求めることができる。また、ＰＩＤ制御における積分動作Ｉ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）も加えることにより、充電及び放電の終了状態付近において推定される開回路電圧ＯＣＶを目標値である閉回路電圧ＣＣＶに擬似的に近付けることもできる。
【００１６】
本構成によって、充電または放電中の残容量の変化は電流積算値に基づく算出手法が支配的になり、充電及び放電の終了状態付近や無負荷の状態での残容量は回路電圧に基づく算出手法が支配的となり、両手法の切り替わりの際に発生していた残容量の維持及び飛びはフィードバック制御で補正される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の充放電システムによれば、電流積算値に基づく算出手法によって求まる残容量値を回路電圧に基づく算出手法によって求まる残容量値を目標値としたフィードバック制御により両者の差異を解消することができ、充電及び放電の終了状態付近における残容量値の維持または飛びを解消することができる。
【００１８】
また、フィードバック制御にＰＩＤ制御を用いることにより、二次電池の特性を比例動作Ｐと微分動作Ｄと積分動作Ｉに近似でき、簡略化した演算にてヒューリスティックに二次電池の残容量を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る残容量算出装置を備えた電池パックの構成の一例を示すブロック図
【図２】図１に示す残容量算出処理の一例を示すフローチャート
【図３】本発明でのフィードバック制御による残容量曲線図
【図４】開回路電圧ＯＣＶと二次電池の充電深度ＳＯＣとの相関図
【図５】従来技術の残容量の維持または飛びが発生する放電曲線図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る残容量算出装置２０を備えた電池パック１の構成の一例を示すブロック図である。
【００２２】
電池パック１は、二次電池１１と、充放電スイッチング素子１２と、プラスの接続端子１３と、通信用の接続端子１４と、マイナスの接続端子１５と、残容量算出装置２０と、電流検出部２１と、電圧検出部２２と、温度検出部２３と、アナログ／デジタル変換器２４と、通信部２５を備えている。
【００２３】
二次電池１１は、単電池であってもよく、複数の単電池が直列接続された組電池であってもよく、複数の単電池が並列接続された組電池であってもよく、複数の単電池が直列と並列とが組み合わされて接続された組電池であってもよい。二次電池１１としては、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等、種々の二次電池が用いられる。
【００２４】
充放電スイッチング素子１２は、さらに放電用スイッチング素子ＳＷ１と充電用スイッチング素子ＳＷ２分けて実装でき、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。残容量算出装置２０により放電終了状態を検出すると、充放電スイッチング素子１２はオフされ、放電方向の電流を遮断する。また、残容量算出装置２０により充電終了状態を検出すると、充放電スイッチング素子１２はオフされ、充電方向の電流を遮断する。
【００２５】
接続端子１３，１４，１５は、電池搭載機器や充電装置等の外部機器と接続される接続端子である。接続端子１３，１４，１５が外部機器と接続されると、二次電池１１の放電電流が、接続端子１３，１５を介して外部機器へ供給されたり、外部機器から出力された充電電圧が、接続端子１３，１５を介して二次電池１１へ印加されたりする。また、接続端子１４は通信部２５が充放電に関係するデータを送受信するための端子である。
【００２６】
通信部２５は、接続端子１４を介して外部機器との間でデータ送受信可能に構成された通信インターフェイス回路である。
【００２７】
電流検出部２１は二次電池１１の充放電電流値を電圧へ変換する。温度検出部２３は二次電池の温度を電圧へ変換する。
【００２８】
アナログ／デジタル変換器２４は、電流検出部２１や、電圧検出部２２や、温度検出部２３で検出された、二次電池１１の電流，電圧，温度のアナログ電圧値をデジタル値へ変換する。
【００２９】
残容量算出装置２０は、回路電圧に基づく残容量算出部２０１と、電流積算に基づく残容量算出部２０２と、残容量フィードバック制御部２０３を備えている。
【００３０】
残容量算出装置２０は、アナログ／デジタル変換器２４から入力される、二次電池１１の電流値Ｉｃ，電圧値Ｖｂ，温度値Ｔｂを用いて、電池パック１の残容量値を算出し、通信部２５を通じて電池パック１の残容量を外部機器に送信し、また、残容量値に応じて充放電スイッチング素子１２のオン，オフを制御する。
【００３１】
上述のように構成された残容量算出装置２０の動作について説明をする。図２は、図１に示す残容量算出処理の一例を示すフローチャートである。
【００３２】
まず、電流検出部２１が二次電池１１の充放電の電流を測定する（ステップＳ２１１）。そして、電圧検出部２２が二次電池１１の閉回路電圧ＣＣＶを測定する（ステップＳ２１２）。また、温度検出部２３が二次電池１１の温度を測定する（ステップＳ２１３）。
【００３３】
これらの測定データを用いて、回路電圧に基づく残容量算出部２０１は、残容量算出装置２０に記録されている二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣの変換表を用いて、二次電池１１の閉回路電圧Ｖｂを充電深度に変換し、回路電圧に基づく残容量Ｒｍ１を算出する（ステップＳ２２１）。
【００３４】
電流積算に基づく残容量算出部２０２は、二次電池１１の電流値Ｉｃを充電方向であれば正の値に、放電方向であれば負の値として容量ｄＱに変換し、ｄＱを積算していき、電流積算に基づく残容量Ｒｍ２を算出する（ステップＳ２２２）。
【００３５】
残容量フィードバック制御部２０３は、回路電圧に基づく残容量算出部２０１で算出される残容量Ｒｍ１を目標値として、電流積算に基づく残容量算出部２０２で算出される残容量Ｒｍ２をフィードバック制御し、残容量Ｒｍ１と残容量Ｒｍ２との差分を縮小させていき、残容量Ｒｍ２を電池パック１の残容量Ｒｍとして算出する（ステップＳ２２３）。
【００３６】
特に、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を用いる場合は、以下の式を用いて電池パック１の残容量Ｒｍを求める。
【００３７】
Ｒｍ１  ＝  ＣｏｎｖＶｏｌｔＴｏＣＡＰ（Ｖｂ）        ・・・（１）
Ｒｍ２ｏｌｄ  ＝Ｒｍ２                                ・・・（２）
Ｒｍ２  ＝  Ｒｍ２＋ｄＱ                              ・・・（３）
Ｒｍ２  ＝  Ｒｍ２＋Ｋｐ・（Ｒｍ１−Ｒｍ２）
＋Ｋｉ・ΣｄＲｍ２＋Ｋｄ・ｄＲｍ２／ｄＴ・・・（４）
ｄＲｍ２  ＝  Ｒｍ２−Ｒｍ２ｏｌｄ                    ・・・（５）
Ｒｍ  ＝Ｒｍ２                                        ・・・（６）
式（１）は、回路電圧に基づく残容量算出部２０１における、二次電池１１の閉回路電圧Ｖｂから残容量Ｒｍ１への変換を示している。
【００３８】
式（２）は、電流積算に基づく残容量算出部２０２、及び残容量フィードバック制御部２０３における、残容量Ｒｍ２の変化量を求めるための前回値の記録を示している。
【００３９】
式（３）は、電流積算に基づく残容量算出部２０２における、ｄＱによる積算での残容量Ｒｍ２の算出を示している。
【００４０】
式（４）は、ＰＩＤ制御による残容量Ｒｍ１を目標値とした残容量Ｒｍ２のフィードバック制御を示している。Ｋｐは比例係数、Ｋｉは積分係数、Ｋｄは微分係数であり、項（Ｒｍ１−Ｒｍ２）は目標値との差分、ΣｄＲｍ２はＲｍ２の変化量の積算値、ｄＲｍ２／ｄＴはＲｍ２の変化速度を示している。
【００４１】
式（５）は、電流積算に基づく残容量算出部２０２、及び残容量フィードバック制御部２０３における、残容量Ｒｍ２の変化量算出を示している。
【００４２】
式（６）は、残容量Ｒｍ２を電池パック１の残容量Ｒｍとしての算出を示している。
【００４３】
ステップＳ２２３で残容量算出装置２０が残容量を補正した後、残容量算出装置２０は通信部２５に送信する通信データを更新する（ステップＳ２３１）。
【００４４】
また、残容量算出装置２０は補正した残容量値に応じて充放電スイッチング素子１２のオン，オフを制御する（ステップＳ２３２）。
【００４５】
図３は、図５の従来技術と同様に単位時間に対して放電電流が変動したときの残容量算出装置２０における、回路電圧に基づく残容量算出部２０１において二次電池１１の閉回路電圧Ｖｂにて擬似的に算出した残容量Ｒｍ１と、残容量フィードバック制御部２０３にて算出した残容量Ｒｍとの関係を示している。
【００４６】
まず、測定された放電電流値と閉回路電圧ＣＣＶから開回路ＯＣＶとの内部インピーダンスによる誤差を回路電圧に基づく残容量算出部２０１算出する。そして、二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣの変換表を用いて、二次電池１１の閉回路電圧Ｖｂを充電深度に変換し、回路電圧に基づく残容量Ｒｍ１が算出される。
【００４７】
最後に、残容量Ｒｍ１は充放電電流値の変化に対して過渡的な応答が現れるが、残容量フィードバック制御部２０３が電流積算に基づく残容量算出部２０２で算出された残容量Ｒｍ２を用い、残容量Ｒｍは残容量Ｒｍ１を目標値としてフィードバック制御により算出されるため、放電電流値の変化に対して緩やかな応答となる。
【００４８】
これにより、充放電終端に向かって残容量Ｒｍは残容量Ｒｍ１に漸近するため、充放電終端付近における残容量Ｒｍの急激な維持及び飛びは発生しない。
【００４９】
かかる構成によれば、二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電深度ＳＯＣとの関係を利用して、閉回路電圧ＣＣＶから算出した二次電池の残容量と、二次電池の充放電電流の積算にて算出した二次電池の残容量との誤差を、フィードバック制御にて解消することにより、充電及び放電の終了状態付近において推定される開回路電圧ＯＣＶを目標値である閉回路電圧ＣＣＶに擬似的に近付けることもでき、充電及び放電の終了状態付近における残容量値の維持または飛びを解消することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態において、フィードバック制御としてとしてＰＩＤ制御としたが、より簡略化したＰ制御（比例動作）、ＰＩ制御（比例積分動作）、ＰＤ制御（比例微分動作）としても良く、これらは各係数Ｋｉ，Ｋｄを０とすることで代用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係る二次電池の残容量算出手法、及びこの残容量算出装置を備える電池パックは、簡略化した演算にて充放電の終端付近における残容量値の維持または飛びを解消した残容量の算出が可能となるので、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器等、種々の電池搭載装置に用いられる二次電池の残容量算出装置、及び電池パックとして有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１  電池パック
１１  二次電池
１２  充放電スイッチング素子
１３〜１５  接続端子
２０  残容量算出装置
２１  電流検出部
２２  電圧検出部
２３  温度検出部
２４  アナログ／デジタル変換器
２５  通信部
２０１  回路電圧に基づく残容量算出部
２０２  電流積算に基づく残容量算出部
２０３  残容量フィードバック制御部
【図１】
2013130448.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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