JP2012137408A

JP2012137408A - 二次電池の残存容量演算装置

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Publication number: JP2012137408A
Application number: JP2010290619A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Yoshida; 周平吉田; Satoru Suzuki; 覚鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-12-27
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Abstract

【課題】充放電電圧の平坦領域が大きい二次電池の残存容量を、簡易で小型な構成にて高精度に検知すること。
【解決手段】充放電が行われる二次電池１１ａの残存容量を演算する二次電池１１ａのＣＰＵ２１において、二次電池１１ａの残存容量に対応する充放電電圧Ｖに基づき電圧推定ＳＯＣｖを推定して求め、二次電池１１ａの充放電電流Ｉの積算値に基づき電流積算ＳＯＣｉを求め、二次電池１１ａの充放電電圧Ｖに対して、その電圧変化率ｄＶ／ｄｔに応じて電圧推定ＳＯＣｖ又は電流積算ＳＯＣｉで重み付けを行い、これら重み付け結果を合成して二次電池１１ａの残存容量を求める演算部２２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、正極にオリビン構造を有するリチウム金属リン酸塩を用いたリチウムイオン二次電池等の二次電池の残存容量を検知する二次電池の残存容量演算装置に関する。

従来、二次電池のエネルギー残量を示す残存容量（ＳＯＣ）を検知するものとして特許文献１及び２に記載の装置等が有る。特許文献１に記載のリチウムイオン二次電池は、理論電気容量を上限とした電気容量のうち全体の５０％以上を占め、且つ、１Ｃの電流で当該リチウムイオン二次電池を充放電させたときに、端子間電圧の変動がいずれも０．２Ｖ以下である容量範囲をフラット充放電容量範囲とした場合に、フラット充放電容量範囲を確保できる特性を有する。これによって、リチウムイオン二次電池又は当該リチウムイオン二次電池を組み合わせた組電池において、リチウムイオン二次電池の内部抵抗の変化を小さくして充放電させ、出力変動の小さい安定した出力を得ることができるようになっている。なお、電圧変化の小さいオリビン材料を正極に、同様の特性を持つＬＴＯ（チタン酸リチウム）材料を負極に使うことで、電圧変化の小さい電池セルを構成している。

特許文献２の残存容量演算装置は、蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づいて第１の残存容量を算出し、蓄電デバイスの内部インピーダンスから推定した開放電圧に基づいて第２の残存容量を算出する。そして、第１の残存容量と第２の残存容量とを蓄電デバイスの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成した第３の残存容量を、蓄電デバイスの最終的な残存容量として算出する。ここで、蓄電デバイスが基準温度以下で充電状態にあるとき、上記ウェイトの値を第１の残存容量の重みを大きくする方向に調整する。また、上記ウェイトを蓄電デバイスの充放電電流の電流変化率に基づいて設定するようになっている。

つまり、電流積算により演算された残存容量と電圧推定により演算された残存容量を重み付け合成して残存容量を演算している。この時、電圧推定による演算方法では、インピーダンスから推定した開放電圧（ＯＣＶ）を用いる。また、セル温度Ｔと電流変化率ΔＩ／Δｔをパラメータにし、一定温度以下で充電状態にあるとき電流積算による残存容量のウェイトを上げるようにしている。これによって、電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かして精度高く残存容量を求めることを可能としている。

特開２００９−１２９６４４号公報特開２００６−３８４９４号公報

ところで、上記の特許文献１においては、オリビン材料を用いたリチウムイオン二次電池又は組電池の充放電制御を、主に電流積算によりＳＯＣを求めるためのＳＯＣ演算を行うようになっている。しかし、その電流積算によるＳＯＣ演算は、フラット充放電容量範囲では、車両用途やＨＥＭＳ（ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）用途などの高負荷継続時にＳＯＣに対する充放電電圧の特性曲線が平坦であるため、その電圧からＳＯＣを求める際の誤差が大きくなり、ＳＯＣを高精度に検知することができないという問題がある。

特許文献２においては、インピーダンスにより開放電圧を推定した後、予め記録されているＯＣＶ−ＳＯＣ特性を用いて残存容量を演算しているが、この方式では、演算回路へのインピーダンス測定装置の付加が必要となるため、残存容量演算装置が大型化するという問題がある。更に、インピーダンスは温度や電流レートにより変化するため低温域や大電流域ではＳＯＣの演算精度が悪くなるが、その残存容量演算装置では、あるセル温度と電流変化率において電流積算による残存容量のウェイトを上げるといった電流積算によるＳＯＣ演算を主体としているので、高負荷継続時にＳＯＣを検知する際の誤差が大きくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、充放電電圧の平坦領域が大きい二次電池の残存容量を、簡易で小型な構成にて高精度に検知することができる二次電池の残存容量演算装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、充放電が行われる二次電池のエネルギー残量を示す残存容量を演算する二次電池の残存容量演算装置において、前記二次電池の残存容量に対応する充放電電圧に基づき第１残存容量を推定して求め、当該二次電池の充放電電流の積算値に基づき第２残存容量を求め、当該二次電池の充放電電圧に対して、その電圧変化率に応じて前記第１残存容量又は前記第２残存容量で重み付けを行い、これら重み付け結果を合成して当該二次電池の残存容量を求める演算手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、次のような作用効果がある。従来技術では、二次電池に接続された負荷装置が高負荷継続時には、二次電池の残存容量に対応する充放電電圧の特性曲線が平坦となるため、残存容量を高精度に検知することができない。しかし、本発明では、充放電電圧の電圧変化率に応じて、充放電電圧に基づき求めた第１残存容量又は充放電電流の積算値に基づき求めた第２残存容量で、残存容量に対応する充放電電圧に対して重み付けを行うようにした。つまり、充放電電圧の特性曲線が平坦となっている場合でも、充放電電圧に対して少なくとも、充放電電流の積算値に基づき求めた第２残存容量による重み付けが行われるので、充放電電圧の特性曲線に傾斜が付き、これによって高精度に二次電池の残存容量を求めることが出来る。しかも、本発明では従来のようなインピーダンス測定装置の付加は不要なので、残存容量演算装置が大型化するといったことが無くなる。つまり、本発明では、充放電電圧の平坦領域が大きい二次電池の残存容量を、簡易で小型な構成にて高精度に検知することができる。

請求項２に記載の発明は、前記演算手段は、前記第１残存容量を推定する際に、前記二次電池の閉路電圧である充放電電圧に基づき行うことを特徴とする。

この構成によれば、二次電池の閉路電圧そのものから第１残存容量を推定し、充放電電流の積算値に基づき求めた第２残存容量を更に用い、双方の残存容量で電圧変化率に応じて充放電電圧に重み付けを行い、二次電池の残存容量を求める。従来では、実使用上の閉路電圧は温度や充電速度が変化すると充放電電圧の特性曲線が変わるので、閉路電圧をインピーダンス装置を用いて一旦開路電圧に読み替えて残存容量を推定していた。しかし、本発明ではインピーダンス装置を用いた開路電圧への読み替えが不要となる。

請求項３に記載の発明は、前記演算手段は、前記第２残存容量を求める際に、前記充放電電流を時間的に積分し、この積分結果を前記二次電池の実際の電池容量で除した結果を、前回求めた第２残存容量に加算して求めることを特徴とする。

この構成によれば、二次電池が使用回数の増加に応じて実質的に電気を蓄積する容量が減少して行くが、その減少した実際の電池容量における第２残存容量を求めることが出来る。

請求項４に記載の発明は、前記第１残存容量の推定は、前記二次電池の閉路電圧に見かけ上の残存容量が対応付けられた第１テーブルを参照して当該二次電池の閉路電圧である充放電電圧を見かけ上の残存容量に変換し、次に、前記見かけ上の残存容量に実際の残存容量である実残存容量が対応付けられた第２テーブルを参照して、前記第１テーブルの参照で得られた見かけ上の残存容量を実残存容量に変換し、この変換された実残存容量を前記第１残存容量として行われることを特徴とする。

この構成によれば、予め作成された第１及び第２テーブルを参照して、二次電池の閉路電圧である充放電電圧を見かけ上の残存容量に変換した後、実残存容量に変換し、これを充放電電圧に係る第１残存容量とするので、第１残存容量の推定が容易となる。

請求項５に記載の発明は、前記演算手段での重み付けは、前記二次電池の充放電電圧に対して、その電圧変化率が所定の閾値以上であれば前記第１残存容量での重み付けを大きくし、前記閾値未満であれば前記第２残存容量での重み付けを大きくして行われることを特徴とする。

この構成によれば、充放電電圧の電圧変化率が所定の閾値以上の場合、つまり充放電電圧の特性曲線が所定の傾斜角度となっている場合は、充放電電圧に対して、充放電電圧に基づき求めた第１残存容量による重み付けを第２残存容量での重み付けよりも大きくすることで、高精度に二次電池の残存容量を求めることが出来る。一方、充放電電圧の電圧変化率が所定の閾値未満の場合、つまり充放電電圧の特性曲線が平坦となっている場合は、従来技術ではその平坦な特性曲線から充放電電圧に対応する残存容量を求めるため、残存容量が高精度に検知できなかった。しかし、本発明では、充放電電圧に対して、充放電電流の積算値に基づき求めた第２残存容量による重み付けを第１残存容量での重み付けよりも大きくするようにしたので、高精度に二次電池の残存容量を求めることが出来る。

請求項６に記載の発明は、前記演算手段は、前記二次電池の温度が変化しても前記電圧変化率が前記閾値以上で且つ所定残存容量幅にある変極点においては、当該二次電池の残存容量を予め定められた規定残存容量とする補正を行うことを特徴とする。

この構成によれば、二次電池の温度が変化しても変極点では、二次電池の残存容量が予め定められた規定残存容量とされる。これは、例えば二次電池が２０Ａｈで満充電に設定されていた場合、規定残存容量が変極点の部分である７４％に定められていた場合、その７４％の残存容量は１４．８Ａｈとなる。この場合、その後、二次電池の劣化で満充電が例えば１６Ａｈとなった場合でも、規定残存容量は初期設定値の１４．８Ａｈのままとなる。つまり、満充電１６Ａｈの本来の規定残存容量７４％は１１．８４Ａｈとならなければならないが、１４．８Ａｈのままの不適切な状態となってしまう。そこで、その満充電１６Ａｈの場合に変極点で強制的に規定残存容量７４％に補正すれば、満充電１６Ａｈを１００％とした場合の適正な規定残存容量７４％となる。

請求項７に記載の発明は、前記閾値は、前記電圧変化率が３×１０^−５であることを特徴とする。

この構成によれば、電圧変化率を３×１０^−５以上と３×１０^−５未満で明確に切り分けることが出来る。

請求項８に記載の発明は、前記二次電池の充放電電圧の曲線は（１／３）・Ｃ充放電電圧曲線であり、この（１／３）・Ｃ充放電電圧曲線は、前記二次電池の残存容量が１０％〜５０％間と６０％〜９０％間であって、少なくとも３×１０^−５以上の電圧変化率を有することを特徴とする。

この構成によれば、（１／３）・Ｃ充放電電圧曲線を有する二次電池が、リチウムイオン二次電池であると限定することができ、このリチウムイオン二次電池において上述の請求項１〜７と同様の作用効果を得ることが出来る。

本発明の実施形態に係る二次電池の残存容量演算装置を用いた電池システムの構成を示すブロック図である。リチウムイオン二次電池の充放電電圧曲線ＶＬ、電圧変化率曲線ΔＶ及び所定の閾値Ｖｔｈを表す図である。（ａ）二次電池の各温度Ｔ、各温度ＴにおけるＣＣＶ、各ＣＣＶ時の見かけ上のＳＯＣを関係付けたテーブルである第１ＬＵＴ、（ｂ）二次電池の各温度Ｔと、各温度Ｔにおいて第１ＬＵＴで求められる見かけ上のＳＯＣと実ＳＯＣとを関係付けたテーブルである第２ＬＵＴを示す図である。図２に示す充放電電圧曲線ＶＬにおける各領域Ａ〜Ｄでの重み付けの簡易例を示す図である。図２に示す充放電電圧曲線ＶＬにおける電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、閾値（３×１０^−５）、電流積算ＳＯＣｉ値、電流積算ＳＯＣｉの重み付けを示す図である。リチウムイオン二次電池の残存容量演算を行う場合の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る二次電池の残存容量演算装置を用いた電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示す電池システム１０は、直列接続された複数の二次電池１１ａ，１１ｂ，…，１１ｍ，１１ｎ及び、各二次電池１１ａ〜１１ｎのセル温度を検出する各温度センサ１２ａ，１２ｂ，…，１２ｍ，１２ｎを備えて成る組電池１１と、二次電池１１ａ〜１１ｎの残存容量演算装置としての処理機能を有するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）２１と、組電池１１への充電電流及び組電池１１からの放電電流である充放電電流Ｉを検出する電流検出部３１と、充放電制御部４１とを備えて構成され、充放電制御部４１が負荷装置５１に接続されると共に、商用電源５２に着脱自在に接続されている。

負荷装置５１は、車両用のモータやハイブリッドモータ、家庭や商業用のエアコン、動力源等の電力負荷を消費する装置であり、充放電制御部４１を介して供給される組電池１１からの電力に応じて所定の動作を行う。

充放電制御部４１は、ＣＰＵ２１の充放電命令に応じて、組電池１１から負荷装置５１へ電力を供給（放電）すると共に、商用電源５２からの電力を組電池１１へ出力する。この出力により組電池１１が充電される。或いは、負荷装置５１が車両用のハイブリッドモータのような発電機能を伴う装置であれば、その装置からの電力が組電池１１に充電されるように制御を行う。

各二次電池１１ａ〜１１ｎは、本例では正極にオリビン構造を有するリチウム金属リン酸塩を用いたリチウムイオン二次電池であるとするが、この他、鉛蓄電池、ニカド電池、ニッケル水素電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池であっても良い。また、各二次電池１１ａ〜１１ｎは、各々の出力電圧Ｖａ，Ｖｂ，…，Ｖｍ，Ｖｎと、各温度センサ１２ａ〜１２ｎで検出された温度情報としてのセル温度Ｔａ，Ｔｂ，…，Ｔｍ，ＴｎとをＣＰＵ２１へ出力する。

ＣＰＵ２１は、各二次電池１１ａ〜１１ｎからの出力電圧Ｖａ〜Ｖｎと各温度センサ１２ａ〜１２ｎからのセル温度Ｔａ〜Ｔｎ、並びに電流検出部３１からの充放電電流Ｉに応じて、後述する二次電池１１ａ〜１１ｎの残存容量（ＳＯＣ）の演算などを行う演算部２２と、後述する第１ＬＵＴ（ＬｏｏｋＵｐＴａｂｌｅ）２３及び（ｂ）に示す第２ＬＵＴ２４を記憶するメモリ部２５とを備える。

演算部２２は、図２に示すリチウムイオン二次電池の各特性値等を用いて、次のように残存容量演算を行う。但し、図２は、縦軸の左側に組電池１１の１つのリチウムイオン二次電池（例えば１１ａ）における出力電圧Ｖａ（Ｖ）、右側にその電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、横軸にＳＯＣ（％）を示し、曲線ＶＬでリチウムイオン二次電池の（１／３）×Ｃ充放電時におけるＳＯＣに対する電圧（以降、単に充放電電圧という）を表し、曲線ΔＶでＳＯＣに対する電圧変化率（ｄＶ／ｄｔ）を表し、更に直線Ｖｔｈで所定の閾値を表したものである。閾値Ｖｔｈは、残存容量演算の際に用いられる電圧変化率ｄＶ／ｄｔの閾値であり、ここでは、３×１０^−５であるとする。また、ＶＬは充放電電圧曲線、ΔＶは電圧変化率曲線という。

なお、組電池１１を構成するｎ個の全リチウムイオン二次電池１１ａ〜１１ｎを想定する場合は、各々が直列接続されているので、１つのリチウムイオン二次電池１１ａの出力電圧Ｖａ（Ｖ）をｎ倍すればよい。セル温度Ｔａ〜Ｔｎはそれらの平均値が温度情報とされる。

残存容量演算は、充放電電圧曲線ＶＬにおいて電圧変化率曲線ΔＶで示される電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ以上の部分を後述の電圧推定で得た実ＳＯＣｖでの重み付けを大きくし、閾値Ｖｔｈ未満の部分を後述の電流積算で得たＳＯＣｉでの重み付けを大きくする演算を行い、この演算で求められた実ＳＯＣｖでの重み付け結果と、ＳＯＣｉでの重み付け結果とを合成（加算）して、二次電池１１ａのＳＯＣ（ｎ）を求めるものである。以降、電圧推定で得た実ＳＯＣｖを電圧推定ＳＯＣｖ、電流積算で得たＳＯＣｉを電流積算ＳＯＣｉとも称す。

ここで、電流積算は次式（１）によって行われ、これによって電流積算ＳＯＣｉが求められる。

ＳＯＣｉ＝ＳＯＣ（ｎ−１）＋Σ（Ｉ×ｔ）／Ｃｐ …（１）
但し、ＳＯＣ（ｎ−１）は前回の残存容量演算にて求められた二次電池１１ａの残存容量であり、Ｉは二次電池１１ａの充放電電流、ｔは時間、Ｃｐは温度別の実電池容量である。例えば、前回の残存容量がＳＯＣ（ｎ−１）＝４０％の場合に、今回の電流積算による残存容量Σ（Ｉ×ｔ）／Ｃｐ＝２０％、つまり充放電電流Ｉを時間的に積分し、この結果を実電池容量Ｃｐで除した結果が２０％であれば、電流積算ＳＯＣｉは６０％となる。なお、今回の電流積算において、Σ（Ｉ×ｔ）を実電池容量Ｃｐで除算するのは、二次電池が使用回数の増加に応じて実質的に電気を蓄積する容量が減少して行くためである。

電圧推定は、二次電池１１ａのＣＣＶ（閉路電圧）である充放電電圧Ｖと、充放電電流Ｉと、温度Ｔとを用い、これらを図３（ａ）に示す第１ＬＵＴ２３に当て嵌め、この当て嵌めにより得られる見かけ上のＳＯＣ（％）を、更に図３（ｂ）に示す第２ＬＵＴ２４に当て嵌めて行われる。

第１ＬＵＴ２３は、二次電池１１ａが例えば−１０℃〜３０℃までの５℃置きと４０℃の各温度Ｔと、これら温度Ｔにおいて測定した静的状態でのＣＣＶ｛例えば２．７８１〜３．６００又は２．７４５〜３．６００（Ｖ）｝と、これらのＣＣＶ時の見かけ上のＳＯＣ（０〜１００％）とを関係付けたテーブルであり、充放電毎、充放電電流毎に作成される。同時に第２ＬＵＴ２４も作成される。第２ＬＵＴ２４は、各温度Ｔと、各温度Ｔにおいて第１ＬＵＴ２３で求められる見かけ上のＳＯＣ（８８〜１００％又は８０〜１００％）と、実際のＳＯＣである実ＳＯＣ（８０〜１００％）とを関係付けたテーブルである。

演算部２２が、それらの第１ＬＵＴ２３及び第２ＬＰＦ３３ｃを用いて電圧推定を行う場合、例えば、第１ＬＵＴ２３において、温度Ｔ＝−５℃で、充放電電流Ｉ＝７Ａの時に、ＣＣＶ＝３．４０９Ｖでは、見かけ上のＳＯＣは９０％となるので、これを第２ＬＵＴ２４に嵌め、実ＳＯＣ｛＝電圧推定ＳＯＣｖ｝を８２％と求める。

このように求められた電圧推定ＳＯＣｖと電流積算ＳＯＣｉとで、充放電電圧曲線ＶＬに重み付けを行い、これら重み付け結果を合成して二次電池１１ａのＳＯＣ（％）を求める。その重み付けは、例えば図２に示す各領域Ａ〜Ｅにおいて簡易的に図４の表に示すように行われる。この図４を参照して最初に重み付けの概念を説明する。

即ち、図２の領域Ａでは電圧変化率ｄＶ／ｄｔが電圧変化率曲線ΔＶで示すように閾値Ｖｔｈを大きく超えているので、図４に示すように電圧推定ＳＯＣｖが１００％で重み付けされる。領域Ｂでは電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ以上となっている部分が約５０％で、閾値Ｖｔｈ未満となっている部分が約５０％なので、電圧推定ＳＯＣｖが５０％、電流積算ＳＯＣｉが５０％で重み付けされる。領域Ｃでは電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ未満となっているので、電流積算ＳＯＣｉが１００％で重み付けされる。領域Ｄでは電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ以上となっている部分が約５０％で、閾値Ｖｔｈ未満となっている部分が約５０％なので、電圧推定ＳＯＣｖが５０％、電流積算ＳＯＣｉが５０％で重み付けされる。領域Ｅでは電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈを大きく超えているので、電圧推定ＳＯＣｖが１００％で重み付けされる。

演算部２２は、上述のように、電圧推定ＳＯＣｖと電流積算ＳＯＣｉを重み付けした結果をＳＯＣ（ｎ）とする。

また、充放電電圧曲線ＶＬにおいて温度Ｔが変化しても電圧変化率ｄＶ／ｄｔが所定値以上で且つ所定ＳＯＣ幅にある変極点となる部分においては、二次電池のＳＯＣを予め定められた規定残存容量（例えば７４％）とする補正を行う。図２に示す充放電電圧曲線ＶＬにおける電圧変化率ｄＶ／ｄｔ、閾値Ｖｔｈ、電流積算ＳＯＣｉ値の重み付けを示す図５で説明すると、電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ＝３×１０^−５以上で、尚且つ電流積算ＳＯＣｉが予め定められたＳＯＣ７０〜８０（％）である変極点の場合、ＳＯＣを無条件に所定の規定残存容量７４％とする補正Ｒを行う。

図５では、電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ＝３×１０^−５以上の場合に、電流積算ＳＯＣｉが０％であれば、図２の領域Ａの部分なので、図５の電流積算ＳＯＣｉでの重み付けＷｉは、０．００（０％）となり、この際の図示せぬ電圧推定ＳＯＣｖでの重み付けは１００％となっている。同様に電流積算ＳＯＣｉが１０〜３０％では、領域Ｂの部分なので、電流積算ＳＯＣｉでの重み付けＷｉは、０．１０（１０％）、０．００（０％）、０．１５（１５％）となり、この際の電圧推定ＳＯＣｖでの重み付けは９０％、１００％、８５％となっている。更に電流積算ＳＯＣｉが４０〜６０％では、領域Ｃの部分なので、電流積算ＳＯＣｉでの重み付けＷｉは、１．００（１００％）、１．００（１００％）、０．９１（９１％）となり、この際の電圧推定ＳＯＣｖでの重み付けは０％、０％、９％となっている。電流積算ＳＯＣｉが７０〜８０％では、上述の通りＳＯＣを無条件に規定残存容量の７４％とする補正Ｒが行われる。そして、電流積算ＳＯＣｉが９０〜１００％では、領域Ｅの部分なので、電流積算ＳＯＣｉでの重み付けＷｉは、０．１５（１５％）、０．００（０％）となり、この際の電圧推定ＳＯＣｖでの重み付けは８５％、１００％となっている。

一方、電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ＝３×１０^−５以下の場合は、０〜１００％での電流積算ＳＯＣｉでの重み付けＷｉは、図５に示すように、１．００（１００％）、０．９０（９０％）〜０．９０（９０％）、１．００（１００％）と大きくなる。

次に、このような構成の電池システム１０においてＣＰＵ２１によってリチウムイオン二次電池の残存容量演算を行う場合の処理を、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、ＣＰＵ２１の演算部２２で残存容量演算に必要な情報が取得される。即ち、例えば組電池１１における二次電池１１ａからのＣＣＶである充放電電圧Ｖａ（Ｖａを単にＶとも記載する）と、その二次電池１１ａの温度センサ１２ａからのセル温度Ｔａ（Ｔとする）と、電流検出部３１からの充放電電流Ｉとが取得され、充放電電圧Ｖａから時間経過に応じて変化する電圧変化率ｄＶ／ｄｔが求められる。また、セル温度Ｔａにおける実電池容量Ｃｐが求められる。更に、演算部２２は図示せぬ自己の記憶手段に前回の残存容量演算で求めたＳＯＣ（ｎ−１）を記憶している。

次に、ステップＳ２において、演算部２２で電流積算でＳＯＣｉが演算される。これは、上式（１）によって行われる。即ち、前回の残存容量がＳＯＣ（ｎ−１）＝４０％の場合に、今回の電流積算による残存容量がΣ（Ｉ×ｔ）／Ｃｐ＝２０％であれば、電流積算ＳＯＣｉが６０％であることが演算される。

次に、ステップＳ３において、演算部２２により電圧推定で実ＳＯＣｖが演算される。これは、二次電池１１ａのＣＣＶである充放電電圧Ｖと、充放電電流Ｉと、セル温度Ｔとが用いられ、これらが図３（ａ）に示す第１ＬＵＴ２３に当て嵌められる。例えば、セル温度Ｔ＝−５°Ｃで、充放電電流Ｉ＝７Ａの時に、ＣＣＶ＝３．４０９Ｖであるとすると、図３に示す第１ＬＵＴ２３では、見かけ上のＳＯＣの９０％が求められる。次に、その９０％が第２ＬＵＴ２４に当て嵌められ、実ＳＯＣ｛＝電圧推定ＳＯＣｖ｝の８２％が求められる。

次に、ステップＳ４において、演算部２２で、その求められた電圧推定ＳＯＣｖと電流積算ＳＯＣｉとで、充放電電圧曲線ＶＬに重み付けが行われる。例えば、図２の領域Ａのように電圧変化率曲線ΔＶで示す電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈを大きく超えているとすると、図４に示すように充放電電圧曲線ＶＬに電圧推定ＳＯＣｖが１００％で重み付けされる。領域Ｂのように電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ以上の部分と、閾値Ｖｔｈ未満の部分とが約５０％ずつの場合は、電圧推定ＳＯＣｖが５０％、電流積算ＳＯＣｉが５０％で重み付けされる。以降、領域Ｃ〜Ｅにおいて図４のように重み付けされる。

次に、ステップＳ５において、演算部２２で、電圧推定ＳＯＣｖでの重み付け結果と電流積算ＳＯＣｉでの重み付け結果とが加算されて今回のＳＯＣ（ｎ）％が求められる。この今回のＳＯＣ（ｎ）は演算部２２の記憶手段に上書きされる。

一方、上記ステップＳ４での重み付け処理において、充放電電圧曲線ＶＬが、例えば図５に示すように電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値Ｖｔｈ＝３×１０^−５以上で、尚且つ電流積算ＳＯＣｉが予め定められたＳＯＣ７０〜８０（％）である場合は、ステップＳ５で今回のＳＯＣ（ｎ）％を、無条件に所定の規定残存容量７４％とする補正Ｒが行われる。

このように本実施形態の二次電池の残存容量演算装置としてのＣＰＵ２１の特徴は、二次電池１１ａの残存容量に対応する充放電電圧Ｖに基づき第１残存容量としての電圧推定ＳＯＣｖを推定して求め、二次電池１１ａの充放電電流Ｉの積算値に基づき第２残存容量としての電流積算ＳＯＣｉを求め、二次電池１１ａの充放電電圧Ｖに対して、その電圧変化率ｄＶ／ｄｔに応じて電圧推定ＳＯＣｖ又は電流積算ＳＯＣｉで重み付けを行い、これら重み付け結果を合成して二次電池１１ａの残存容量を求める演算手段としての演算部２２を備えたことにある。

この構成によって、次のような作用効果がある。従来で技術では、二次電池１１ａに接続された負荷装置が高負荷継続時には、二次電池１１ａの残存容量に対応する充放電電圧Ｖの特性曲線ＶＬが平坦となるため、残存容量を高精度に検知することができない。しかし、本実施形態では、充放電電圧Ｖの電圧変化率ｄＶ／ｄｔに応じて、充放電電圧Ｖに基づき求めた電圧推定ＳＯＣｖ又は充放電電流Ｉの積算値に基づき求めた電流積算ＳＯＣｉで、残存容量に対応する充放電電圧Ｖに対して重み付けを行うようにした。つまり、充放電電圧Ｖの特性曲線ＶＬが平坦となっている場合でも、充放電電圧Ｖに対して少なくとも、充放電電流Ｉの積算値に基づき求めた電流積算ＳＯＣｉによる重み付けが行われるので、充放電電圧Ｖの特性曲線ＶＬに傾斜が付き、これによって高精度に二次電池１１ａの残存容量を求めることが出来る。しかも、本実施形態では従来のようなインピーダンス測定装置の付加は不要なので、残存容量演算装置が大型化するといったことが無くなる。つまり、本実施形態では、充放電電圧Ｖの平坦領域が大きい二次電池１１ａの残存容量を、簡易で小型な構成にて高精度に検知することができる。

また、演算部２２が、電圧推定ＳＯＣｖを推定する際に、二次電池１１ａの閉路電圧である充放電電圧Ｖに基づき行うようにした。

この構成によって、二次電池１１ａの閉路電圧そのものから電圧推定ＳＯＣｖを推定し、充放電電流Ｉの積算値に基づき求めた電流積算ＳＯＣｉを更に用い、双方の残存容量で電圧変化率ｄＶ／ｄｔに応じて充放電電圧Ｖに重み付けを行い、二次電池１１ａの残存容量を求める。従来技術では、実使用上の閉路電圧は温度や充電量が変化すると充放電電圧Ｖの特性曲線ＶＬが変わるので、閉路電圧をインピーダンス装置を用いて一旦開路電圧に読み替えて残存容量を推定していた。しかし、本実施形態ではインピーダンス装置を用いた開路電圧への読み替えが不要となる。

また、演算部２２が、電流積算ＳＯＣｉを求める際に、充放電電流Ｉを時間的に積分し、この積分結果を二次電池１１ａの実際の電池容量で除した結果を、前回求めた電流積算ＳＯＣｉに加算して求めるようにした。

この構成によって、二次電池１１ａが使用回数の増加に応じて実質的に電気を蓄積する容量が減少して行くが、その減少した実際の電池容量における電流積算ＳＯＣｉを求めることが出来る。

また、演算部２２による電圧推定ＳＯＣｖの推定は、二次電池１１ａの閉路電圧に見かけ上の残存容量が対応付けられた第１テーブルとしての第１ＬＵＴ２３を参照して二次電池１１ａの閉路電圧である充放電電圧Ｖを見かけ上の残存容量に変換し、次に、見かけ上の残存容量に実際の残存容量である実残存容量が対応付けられた第２テーブルとしての第２ＬＵＴ２４を参照して、第１ＬＵＴ２３の参照で得られた見かけ上の残存容量を実残存容量に変換し、この変換された実残存容量を電圧推定ＳＯＣｖとして行われるようにした。

この構成によって、予め作成された第１及び第２ＬＵＴ２４を参照して、二次電池１１ａの閉路電圧である充放電電圧Ｖを見かけ上の残存容量に変換した後、実残存容量に変換し、これを充放電電圧Ｖに係る電圧推定ＳＯＣｖとするので、電圧推定ＳＯＣｖの推定が容易となる。

また、演算部２２での重み付けは、二次電池１１ａの充放電電圧Ｖに対して、その電圧変化率ｄＶ／ｄｔが所定の閾値以上であれば電圧推定ＳＯＣｖでの重み付けを大きくし、閾値未満であれば電流積算ＳＯＣｉでの重み付けを大きくして行われるようにした。

この構成によって、充放電電圧Ｖの電圧変化率ｄＶ／ｄｔが所定の閾値以上の場合、つまり充放電電圧Ｖの特性曲線ＶＬが所定の傾斜角度となっている場合は、充放電電圧Ｖに対して、充放電電圧Ｖに基づき求めた電圧推定ＳＯＣｖによる重み付けを電流積算ＳＯＣｉでの重み付けよりも大きくすることで、高精度に二次電池１１ａの残存容量を求めることが出来る。一方、充放電電圧Ｖの電圧変化率ｄＶ／ｄｔが所定の閾値未満の場合、つまり充放電電圧Ｖの特性曲線ＶＬが平坦となっている場合は、従来技術ではその平坦な特性曲線ＶＬブから充放電電圧Ｖに対応する残存容量を求めるため、残存容量が高精度に検知できなかった。しかし、本実施形態では、充放電電圧Ｖに対して、充放電電流Ｉの積算値に基づき求めた電流積算ＳＯＣｉによる重み付けを電圧推定ＳＯＣｖでの重み付けよりも大きくするようにしたので、高精度に二次電池１１ａの残存容量を求めることが出来る。

また、演算部２２が、二次電池１１ａの温度が変化しても電圧変化率ｄＶ／ｄｔが閾値以上で且つ所定残存容量幅にある変極点においては、二次電池１１ａの残存容量を予め定められた規定残存容量とする補正を行うようにした。

この構成によって、二次電池１１ａの温度が変化しても変極点では、二次電池１１ａの残存容量が予め定められた規定残存容量とされる。これは、例えば二次電池１１ａが２０Ａｈで満充電に設定されていた場合、規定残存容量が変極点の部分である７４％に定められていた場合、その７４％の残存容量は１４．８Ａｈとなる。この場合、その後、二次電池１１ａの劣化で満充電が例えば１６Ａｈとなった場合でも、規定残存容量は初期設定値の１４．８Ａｈのままとなる。つまり、満充電１６Ａｈの本来の規定残存容量７４％は１１．８４Ａｈとならなければならないが、１４．８Ａｈのままの不適切な状態となってしまう。そこで、その満充電１６Ａｈの場合に変極点で強制的に規定残存容量７４％に補正すれば、満充電１６Ａｈを１００％とした場合の適正な規定残存容量７４％となる。

また、上述の閾値を、３×１０^−５と定めてもよい。これによって、電圧変化率ｄＶ／ｄｔを３×１０^−５以上と３×１０^−５未満で明確に切り分けることが出来る。

更に、二次電池１１ａの充放電電圧Ｖの特性曲線は（１／３）・Ｃ充放電電圧Ｖ曲線であり、この（１／３）・Ｃ充放電電圧Ｖ曲線は、二次電池１１ａの残存容量が１０％〜５０％間と６０％〜９０％間であって、少なくとも３×１０^−５以上の電圧変化率ｄＶ／ｄｔを有するようにしても良い。

この構成によって、（１／３）・Ｃ充放電電圧Ｖの特性曲線を有する二次電池１１ａが、リチウムイオン二次電池１１ａであると限定することができ、このリチウムイオン二次電池１１ａにおいて上述したと同様の作用効果を得ることが出来る。

１０電池システム
１１組電池
１１ａ〜１１ｎ二次電池
１２ａ〜１２ｎ各二次電池のセル温度
２１ＣＰＵ
２２演算部
２３第１ＬＵＴ
２４第２ＬＵＴ
２５メモリ部
３１電流検出部
４１充放電制御部
５１負荷装置
５２商用電源

Claims

充放電が行われる二次電池のエネルギー残量を示す残存容量を演算する二次電池の残存容量演算装置において、
前記二次電池の残存容量に対応する充放電電圧に基づき第１残存容量を推定して求め、当該二次電池の充放電電流の積算値に基づき第２残存容量を求め、当該二次電池の充放電電圧に対して、その電圧変化率に応じて前記第１残存容量又は前記第２残存容量で重み付けを行い、これら重み付け結果を合成して当該二次電池の残存容量を求める演算手段
を備えることを特徴とする二次電池の残存容量演算装置。
前記演算手段は、前記第１残存容量を推定する際に、前記二次電池の閉路電圧である充放電電圧に基づき行うことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の残存容量演算装置。
前記演算手段は、前記第２残存容量を求める際に、前記充放電電流を時間的に積分し、この積分結果を前記二次電池の実際の電池容量で除した結果を、前回求めた第２残存容量に加算して求めることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の残存容量演算装置。
前記第１残存容量の推定は、前記二次電池の閉路電圧に見かけ上の残存容量が対応付けられた第１テーブルを参照して当該二次電池の閉路電圧である充放電電圧を見かけ上の残存容量に変換し、次に、前記見かけ上の残存容量に実際の残存容量である実残存容量が対応付けられた第２テーブルを参照して、前記第１テーブルの参照で得られた見かけ上の残存容量を実残存容量に変換し、この変換された実残存容量を前記第１残存容量として行われることを特徴とする請求項２に記載の二次電池の残存容量演算装置。
前記演算手段での重み付けは、前記二次電池の充放電電圧に対して、その電圧変化率が所定の閾値以上であれば前記第１残存容量での重み付けを大きくし、前記閾値未満であれば前記第２残存容量での重み付けを大きくして行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池の残存容量演算装置。
前記演算手段は、前記二次電池の温度が変化しても前記電圧変化率が前記閾値以上で且つ所定残存容量幅にある変極点においては、当該二次電池の残存容量を予め定められた規定残存容量とする補正を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池の残存容量演算装置。
前記閾値は、前記電圧変化率が３×１０^−５であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池の残存容量演算装置。
前記二次電池の充放電電圧の曲線は（１／３）・Ｃ充放電電圧曲線であり、この（１／３）・Ｃ充放電電圧曲線は、前記二次電池の残存容量が１０％〜５０％間と６０％〜９０％間であって、少なくとも３×１０^−５以上の電圧変化率を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の二次電池の残存容量演算装置。