JP7466155B2 - 二次電池の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池の制御装置及びその制御方法、並びに前記2次電池を備える電子機器に関する。
例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池は、充放電の繰り返しにより劣化して満充電容量(実容量)が減少するという問題がある。このため、二次電池の満充電容量及びその特性を推定する技術が知られている。ここで、以下で用いる用語及びその略語を定義する。
OCV(Open Circuit Voltage):開放電圧(mV)
SOC(Sum of Charge):充電量(mAh)
RSOC(Relative State of Charge):残容量(%)
FCC(Full Charge Capacity):満充電容量(mAh)
これまでの二次電池の容量補正として例えば以下の方法がある。
(1)二次電池の較正
二次電池をいったん満充電にした後、完全に放電させることで、二次電池の満充電容量を補正する。この方法は高精度だが、所定時間で二次電池を使用する電子機器(パーソナルコンピュータなど)が使用できなくなるため、実施頻度が少ない。
(2)2点間OCV補正(例えば、特許文献1参照)
従来例の二次電池容量補正技術では、2点のOCVデータとその間の充放電量から二次電池の満充電容量を補正する。具体的には、以下の処理を行う。
(ステップSS1)充放電せず1時間以上経過したときの開放電圧OCV1(mV)を取得し、ユーザーが使用している間の二次電池の充放電量ΔQ(mAh)を計測しておく。
(ステップSS2)次回1時間以上充放電していないときの開放電圧OCV2(mV)を取得する。
(ステップSS3)取得したOCVデータと、二次電池パック固有のRSOC-OCV特性から、満充電容量を求める。
特開2018-169238号公報
一般には、二次電池のRSOC-OCV特性からOCVを取得した時点でのRSOCを求める。特に、二次電池が劣化し、満充電容量が減少しているのに、RSOC-OCV特性の補正をしないときは、例えば満充電容量(残量)の飛び推定が発生する。具体的には、RSOC-OCV特性は容量や温度の変化に対しての変化は比較的少ないが、少しでも特性がずれると、データを取得する2点で計算が大きくばらつくという問題点があった。
本開示の目的は、従来例に係る2点間OCV補正方法に比較して高い精度で、二次電池の満充電容量を補正することができる二次電池の制御装置を提供することにある。
本開示にかかる二次電池の制御装置は、
二次電池の残容量に対する開放電圧に係る電池特性を補正するように制御する制御部を備える二次電池の制御装置であって、
前記制御部は、前記二次電池への充電中に前記電池特性において複数の開放電圧のデータを取得し、
前記制御部は、前記二次電池を満充電するときに、前記複数の開放電圧のデータのうちの少なくとも一部の組み合わせのデータ対のそれぞれにおいて各データ対間で前記開放電圧の補正を行い、
前記制御部は、前記各データ対間で前記開放電圧の補正を行って計算した満充電容量を、前記各データ対間での対応する各残容量の差で加重平均して補正する。
本開示における二次電池の制御装置によれば、従来例に係る2点間OCV補正方法に比較して高い精度で、二次電池の満充電容量を補正することができる。
実施の形態に係るリチウムイオン二次電池を搭載した電子機器の外観図 図1の電子機器の機能構成例を示すブロック図 図2のリチウムイオン二次電池の構成例を示すブロック図 図3のOCV予測部の構成例を示すブロック図 図3の電池特性計算部により実行される電池容量補正処理を有する電池特性計算処理を示すフローチャート 図5のステップS1のサブルーチンである電池充電時のOCV予測処理を示すフローチャート 実施の形態の電池容量補正処理を示す、RSOC-OCV特性を示すグラフ
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
(実施の形態)
図1は、リチウムイオン二次電池を搭載した電子機器の外観図である。
図1において、パーソナルコンピュータ100は、動作するためにリチウムイオン二次電池(図1において図示せず。図2及び図3の300)を搭載している。リチウムイオン二次電池は例えば、キーボード101の裏側にあたる底面、あるいはキーボード101とディスプレイ102との接合部分の底面後側等に、格納される。
本開示では、リチウムイオン二次電池を搭載した電子機器として、パーソナルコンピュータを例として示す。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。リチウムイオン二次電池等の二次電池を搭載して動作する電子機器であれば、例えばスマートホン、携帯電話、タブレット等の電子機器などの他のものであってもよい。
図2は、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池を搭載した電子機器の機能構成例を示すブロック図である。図2において、パーソナルコンピュータ100は、本体部200とリチウムイオン二次電池300とを備える。本体部200は、電源端子201と、制御部202と、負荷回路203と、を備える。
図2において、電源端子201は、外部から電力が供給される際に電源線等が接続される端子である。ここから供給される電力を利用してリチウムイオン二次電池300は充電を行う。制御部202は、パーソナルコンピュータ100の負荷回路203、その他のハードウェア等を制御する。特に本実施の形態ではリチウムイオン二次電池300を制御部202が制御する。制御部202は、MPU(Micro-Procesing Unit)や専用IC(Integrated Circuit)等により構成することができる。また、制御部202は、DSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等により構成することができる。
負荷回路203は、電源端子201から入力された電力、あるいは、リチウムイオン二次電池300から供給される電力により動作する電気回路である。パーソナルコンピュータ100の場合は、CPU、メモリ、ディスプレイ等一般的なコンピュータを構成する各種デバイスがこれに該当する。
リチウムイオン二次電池300は、内部にリチウムイオン二次電池のセルを一つ又は複数備えている。これらのセルに充電、及び放電をさせることで本体部200からの電力を蓄積する、あるいは本体部200へ電力を供給することを可能とする。リチウムイオン二次電池300は、本体部200に、プラス接続端子及びマイナス接続端子(電源接続端子)、及びデータ通信端子で電気的に接続される。
図3は、図2のリチウムイオン二次電池300の構成図である。リチウムイオン二次電池300は、電池セルブロック310と、制御モジュール320とを備える。
図3において、電池セルブロック310は、リチウムイオンを電解質とする充電が可能な電池セルを備える。電池セルブロック310は、リチウムイオン二次電池に求められる性能に応じて、1個あるいは複数個の電池セルを備える。
制御モジュール320は、電池セルブロック310への充電や放電を制御する。制御モジュール320は、プラス端子321、マイナス端子322、データ端子323、電流検出抵抗324、充電スイッチ325、放電スイッチ326、ヒューズ327、スイッチ328、電池制御部329、保護回路330、第1の温度センサ331、及び第2の温度センサ332を備える。
プラス端子321、マイナス端子322は、本体部200からリチウムイオン二次電池300へ充電する際、あるいはリチウムイオン二次電池300から本体部200へ放電する際に電気的に接続される端子である。リチウムイオン二次電池300は、本体部200との間で直流電力の授受を行う。データ端子323は、本体部200とリチウムイオン二次電池300とが通信を行う際に用いられる端子である。より具体的には本体部200の制御部202とリチウムイオン二次電池300の電池制御部329とが、この端子を介してデータやコマンド等を送受信する。
電流検出抵抗324は、リチウムイオン二次電池300から放電される電力の電流、あるいはリチウムイオン二次電池300へ充電する際の電力の電流を検出するために利用される電気抵抗である。この両端の電圧差を電池制御部329が計測し、電流値を算出する。
充電スイッチ325及び放電スイッチ326はそれぞれ電池セルブロック310を制御するために使用されるスイッチである。これらのスイッチは電池制御部329により制御される。
電池セルブロック310へ電力を充電している際に、電池制御部329は、電池セルブロック310を構成する電池セルが過電圧の状態や過放電の状態となるのを抑制するために、充電スイッチ325及び放電スイッチ326を制御する。これらのスイッチは例えばMOSFET等により実現される。
ヒューズ327は、電池セルブロック310を過電流あるいは過充電(過電圧)から保護する目的で備えられている。保護回路330は、電池セルブロック310への過電流や過電圧等を検出すると、スイッチ328を通電させてヒューズ327の抵抗へ電流を流す。ヒューズ327の抵抗は電流による発熱でヒューズ327を溶断させる。これにより電池セルブロック310を電気的に切り離し、過電流あるいは過電圧から保護している。
電池制御部329は、リチウムイオン二次電池300全体を制御する。電池制御部329はデータ端子323を介して本体部200の制御部202と通信を行う。電池制御部329は、電流検出抵抗324の両端から取得した電圧差に基づいて電流値を算出する。電池制御部329は充電スイッチ325や放電スイッチ326の制御も行う。電池制御部329は、第1の温度センサ331や第2の温度センサ332から温度情報も取得する。電流や温度だけでなく、電池制御部329は、電池セルブロック310の電圧も計測する。なお、電池セルブロック310が複数の電池セルにより直列接続で構成されている場合、全体としての電圧だけでなく、全ての電池セルの電圧を個別に計測する。
電池制御部329は、不揮発性の記憶媒体(図示せず)に接続されている。これらは例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)やNAND型フラッシュメモリ等で実現することができる。電池制御部329は、算出した電流値、取得した温度情報、及び電池セルブロック310の電圧値を、必要に応じてこれらの記憶媒体へ記録・保持する。また、電池制御部329は、制御部202から指示された情報をこの記憶媒体に記録する。
保護回路330は、電池セルブロック310を保護する目的で備えられている。保護回路330は、電池制御部329が充電スイッチ325及び放電スイッチ326を制御しているにもかかわらず電池セルブロック310の異常等が検出された場合に、スイッチ328をONにし、これによりヒューズ327を溶断させる。
なお、電池制御部329及び保護回路330は、MPU(Micro-Procesing Unit)や専用IC(Integrated Circuit)等により実現(構成)することができる。また、電池制御部329及び保護回路330は、DSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等により実現することができる。
電池制御部329に接続される不揮発性の記憶媒体は、電池制御部329とは独立して設けられてもよいし、電池制御部329の内部に設けられてもよい。
第1の温度センサ331は、充電スイッチ325や放電スイッチ326の温度を計測する。第2の温度センサ332は、電池セルブロック310の温度を計測する。電池セルブロック310が複数の電池セルから構成されている場合、第2の温度センサ332は、それぞれの電池セルの温度を計測できるように構成されてもよい。
電池制御部329はさらに、OCV予測部341を有する電池特性計算部340と、電池特性を格納する電池特性メモリ342とを備えたことを特徴とする。ここで、電池特性計算部340は、図6の電池充電時のOCV予測処理を用いて、図5の電池容量補正処理を有する電池特性計算処理を実行し、ここで、多点のOCVデータを組み合わせて、2点間OCV補正を複数回行い、その平均値を取ることで、上記の従来技術の課題で説明したRSOC-OCV特性での2点の計算でのばらつきを小さくする。
図4は図3のOCV予測部341の構成例を示すブロック図である。
図4において、OCV予測部341は、いわゆる人工知能(AI)を形成する3層パーセプトロン400等のニューラルネットで構成される。当該3層パーセプトロン400は、11個の入力層10-1~10-11(総称して,符号10を付す)と。3個の中間層20-1~20-3(総称して,符号20を付す)と、1個の出力層30とを備えて構成される。各入力層10はすべて各中間層20に接続され、各中間層20はすべて出力層30に接続される。
3層パーセプトロン400の学習時において、各入力層10には入力項目A1~A11の学習データが入力され、出力層30には出力項目B1の学習結果データが設定されて、当該3層パーセプトロン400が学習される。次いで、動作時には、各入力層10には入力項目A1~A11に入力項目A1~A11の各検出データを入力することで、出力項目B1を得ることができる。ここで、入力項目A1~A11及び出力項目B1の一例は以下の通りである。
A1~A10:後述する図6のステップS14における電圧変動値;
A11:第2の温度センサ332により検出された電池温度;
B1:OCV(V)。
図4の図3のOCV予測部341の構成は一例であって、種々のパーセプトロン等のニューラルネットワーク等で構成可能である。なお、ニューラルネットワークに代えて、機械学習の一種であるサポートベクターマシンを利用し、もしくは、収集データの分布に基づいて線形近似による予測計算等でも実現できる。
図5は図3の電池特性計算部により実行される電池容量補正処理を有する電池特性計算処理を示すフローチャートである。
図5のステップS1において、二次電池を含む電池セルブロック310を充電する充電時において、複数N点のOCVデータを「3層パーセプトロン400を用いたOCV予測処理」(図6のS10)を用いて取得し、満充電まで電池セルブロック310を充電する。
次いで、ステップS2において、取得した複数N点のOCVデータのうち、当該複数N点を各2個ずつ選択したすべての組み合わせ(好ましくは、すべての組み合わせであるが、本開示は少なくとも一部の組み合わせであってもよい)に係る各2点のOCVデータ対(図7参照)に基づいて、RSOC-OCV特性(以下、電池特性という)のOCV補正を複数回実行する。さらに、ステップS3において、前記の複数回の電池特性のOCV補正により求めた各FCCxを用いて、例えば次式で加重平均して補正することで、2点間OCV補正で求めた複数のFCCxを平均化して測定箇所のバラツキを小さくするために電池特性を推定して計算する。
FCC
=(ΣFCCx×|RSOCm-RSOCn|)/Σ|RSOCm-RSOCn|
(2)
ここで、m,n=1,2,…,Nで、m≠nである。NはOCVデータの最大個数である。なお、ここでは、2点間OCV補正で求めた複数のFCCxに対して加重平均を行っているが、例えば単純平均など、バラツキのあるデータから確からしい値を求める方法等を用いる所定の統計的な処理を行ってもよい。
次いで、ステップS4において、計算された電池特性を電池特性メモリ342に格納して当該電池特性計算処理を終了する。
図6は図5のステップS1のサブルーチンである電池充電時のOCV予測処理を示すフローチャートである。
図6のステップS11において、電池セルブロック310を充電し、ステップS12において充電開始から所定時間経過してOCVが求めたい残容量であるか否かが判断され、YESのときはステップS13に進む一方、NOのときはステップS11に進む。ここで、ステップS12の所定時間は、個々の電池特性等により決定される時間であって、例えば、30秒、1分、3分、5分又は10分等である。
ステップS13において充電を停止させ、ステップS14において,当該停止前後間のOCVにおける、例えば5秒などの所定時間間隔での複数の電圧変動値、及び第2の温度センサ332により検出された温度を検出する。
次いで、ステップS15において、前記複数の電圧変動値と温度に基づいて、図4の3層パーセプトロン400を用いてOCVを予測して電池特性メモリ342に格納し、ステップS16において充電を開始し、メインルーチンに戻る。
図7は実施の形態の電池容量補正処理を示す、RSOC-OCV特性を示すグラフである。図7において、P1~P10は、RSOC-OCV特性上の、図5のステップS2の各OCVデータを示す。また、図7において、10点のOCVデータのうち、当該10点を各2個ずつ選択した一部の組み合わせに係る各2点のOCVデータ(図7参照)に基づいて、RSOC-OCV特性(電池特性)のOCV補正を複数回実行することを示している。
以上の図5及び図6の補正処理では、以下の特有の効果を有する。
(1)決まった残容量で充電を停止できる。
(2)放電時に比べて、電圧変動のバリエーションが少ない。
(3)これにより、従来例に係る2点間OCV補正方法に比較して高い精度で、二次電池の満充電容量を補正することができる。
(変形例)
以上の実施の形態において、OCV予測部341及び電池特性メモリ342を有する電池制御部329を制御モジュール320内に備えているが、本開示はこれに限らず、図2の制御部202に備えてもよい。
本発明者らの実験では、図4の3層パーセプトロン400に対して、データセット数375、学習セット数300、評価セット数75の実験データを用いて学習及び評価を行ったところ、二次電池の1セル当たり平均誤差4.43mV、最大誤差15mV、標準偏差3.56mVを得た。
なお、人工知能を組み込む上でもパラメータのデータサイズ等の制約を考慮し、図3のパーセプトロンとして簡単なものを効率的に使用することが好ましい。
また、補正処理での計算誤差を小さくするためにFCCの計算には以下のデータしか使用しないことが好ましい。
RSOCm-RSOCn|>所定値(例えば20%) (3)
さらに、OCVが小さい領域では個体差が大きいので残容量の所定値(例えば50%)以上のみを使用することが好ましい。
またさらに、低温時はRSOC-OCV特性が変わるため、二次電池の温度の下限を所定温度(例えば10゜C)とすることが好ましい。
本開示で説明した技術は、例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池を利用する、例えばパーソナルコンピュータ、スマートホン、携帯電話、タブレット等の電子機器などで産業上利用することが可能である。
10,10-1~10-11 入力層
20,20-1~20-3 中間層
30 出力層
100 パーソナルコンピュータ
101 キーボード
102 ディスプレイ
200 本体部
201 電源端子
202 制御部
203 負荷回路
300 リチウムイオン二次電池
310 電池セルブロック
320 制御モジュール
321 プラス端子
322 マイナス端子
323 データ端子
324 電流検出抵抗
325 充電スイッチ
326 放電スイッチ
327 ヒューズ
328 スイッチ
329 電池制御部
330 保護回路
331 第1の温度センサ
332 第2の温度センサ
340 電池特性計算部
341 OCV予測部
342 電池特性メモリ
400 3層パーセプトロン

Claims (9)

  1. 二次電池の残容量に対する開放電圧に係る電池特性を補正する制御部を備える二次電池の制御装置であって、
    前記制御部は、前記二次電池への充電中に前記電池特性において複数の開放電圧のデータを取得し、
    前記制御部は、前記二次電池を満充電するときに、前記複数の開放電圧のデータのうちの少なくとも一部の組み合わせのデータ対のそれぞれにおいて各データ対間で前記開放電圧の補正を行い、
    前記制御部は、前記各データ対間で前記開放電圧の補正を行って計算した満充電容量を、前記各データ対間での対応する各残容量の差で加重平均して補正する
    二次電池の制御装置。
  2. 前記制御部は、前記二次電池への充電中に前記電池特性において複数の開放電圧のデータを取得することは、前記二次電池への充電中に所定時間、当該充電を停止させ、当該停止前後の間の所定時間間隔での開放電圧の複数の電圧変動値と、前記二次電池の温度とに基づいて、前記二次電池の開放電圧を予測することで取得する
    請求項1記載の二次電池の制御装置。
  3. 前記制御部は、前記開放電圧の複数の電圧変動値と、前記二次電池の温度とを入力とし、前記開放電圧を出力するニューラルネットワークを所定の学習セットを用いて学習した後、当該学習後のニューラルネットワークを用いて前記二次電池の開放電圧を予測する
    請求項2記載の二次電池の制御装置。
  4. 前記ニューラルネットワークは、3層パーセプトロンである
    請求項3記載の二次電池の制御装置。
  5. 請求項1~4のうちのいずれか1つに記載の二次電池の制御装置を備える
    電子機器。
  6. 二次電池の残容量に対する開放電圧に係る電池特性を補正する制御部を備える二次電池の制御装置により実行される制御方法であって、
    前記制御部が、前記二次電池への充電中に前記電池特性において複数の開放電圧のデータを取得するステップと、
    前記制御部が、前記二次電池を満充電するときに、前記複数の開放電圧のデータのうちの少なくとも一部の組み合わせのデータ対のそれぞれにおいて各データ対間で前記開放電圧の補正を行うステップと、
    前記制御部が、前記各データ対間で前記開放電圧の補正を行って計算した満充電容量を、前記各データ対間での対応する各残容量の差で加重平均して補正するステップと
    を含む二次電池の制御方法。
  7. 前記二次電池への充電中に前記電池特性において複数の開放電圧のデータを取得するステップは、前記二次電池への充電中に所定時間、当該充電を停止させ、当該停止前後の間の所定時間間隔での開放電圧の複数の電圧変動値と、前記二次電池の温度とに基づいて、前記二次電池の開放電圧を予測することで取得することを含む
    請求項6記載の二次電池の制御方法。
  8. 前記二次電池の開放電圧を予測するステップは、前記制御部が、前記開放電圧の複数の電圧変動値と、前記二次電池の温度とを入力とし、前記開放電圧を出力するニューラルネットワークを所定の学習セットを用いて学習した後、当該学習後のニューラルネットワークを用いて前記二次電池の開放電圧を予測することを含む
    請求項7記載の二次電池の制御方法。
  9. 前記ニューラルネットワークは、3層パーセプトロンである
    請求項8記載の二次電池の制御方法。
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