JP2005083970A - 二次電池の状態検知装置および状態検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 分極の度合いを正確に推定して、車両に搭載された二次電池の状態を検知する。
【解決手段】 電池監視方法は、電池電圧Ｖと電流Ｉとを検出するステップ（Ｓ１０２）と、二次電池の活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを示す分極指数を算出するステップ（Ｓ１０４）と、電圧Ｖ、電流Ｉおよび分極指数のすべてがデータ測定条件を満足すると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、電池電圧Ｖに対応するＳＯＣを算出するステップ（Ｓ２００）と、電池の充放電電流Ｉの時間積算に基づいて容量変化ΔＱを算出するステップ（Ｓ３００）と、容量推定条件が成立すると（Ｓ４００にてＹＥＳ）、電池がサイクル劣化しているか否かを判断するための推定満充電容量Ｑを算出するステップ（Ｓ５００）と、推定満充電容量Ｑが予め定められたしきい値よりも小さいと（Ｓ６００にてＹＥＳ）、メータパネル等に設けられた電池寿命警告表示器のＬＥＤを点灯するステップ（Ｓ７００）とを含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、二次電池（バッテリ）の充電状態や劣化状態を検出する技術に関し、特に、車両に搭載される二次電池の充電状態や劣化状態を検出する技術に関する。

電動機により車両の駆動力を得る、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車は、二次電池を搭載している。電気自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動する。ハイブリッド自動車は、この二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、電動機によりエンジンをアシストして車両を駆動したりする。燃料電池車は、燃料電池による電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したり、この燃料電池による電力に加えて二次電池に蓄えられた電力を用いて電動機を駆動して車両を駆動したりする。

このような車両においては、回生制動、すなわち、車両制動時に電動機を発電機として機能させ、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換することにより制動する機能を備えている。ここで変換された電気エネルギは二次電池に蓄えられ、加速する時などに再利用される。

二次電池は過放電、過充電を行なうと電池性能を劣化させることになるため、二次電池の充電量（ＳＯＣ：State Of Charge、残存容量ともいう。）を把握して、充放電を制御する必要がある。特に、車両に搭載された熱機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを二次電池に充電することができる形式のハイブリッド自動車においては、二次電池が、回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるように、その充電量は満充電の状態（１００％）と、全く充電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御される場合がある。このため、二次電池の充電状態をより正確に検知する必要がある。このＳＯＣは、たとえば開放電圧を測定して、その電圧値に基づいて算出される。

また、このような用途に用いられるので、経時的に発生する様々な変化により二次電池が劣化して満充電時の充電量が減少する。この状態のままで二次電池を使用したのでは、二次電池の充電量をより正確に検知することができないばかりか、二次電池の充電量に基づく放電能力が正確に検知できなくなり、電気自動車の可能な走行距離が把握できず、最悪の場合には充電施設がない場所で車両が停止してしまうなどという事態も生ずる可能性がある。このため、二次電池の劣化状態をより正確に検知する必要がある。この劣化状態は、満充電時のＳＯＣの経時的な変化に基づいて算出される。

二次電池の状態を検知する際には、通常、二次電池内には分極が生じるので、この分極による電圧により、車両停止時においてバッテリの開放電圧が正確に測定できない場合がある。分極電圧とは、起電力から決まる理論的な二次電池の開放電圧と実際の二次電池の開放電圧との差である。すなわち、車両の走行中の二次電池充電状態によっては、分極電圧が減少するまでにかなり時間を要するという問題がある。

特開平１０−３１９１００号公報（特許文献１）は、走行中の二次電池電流を観測することにより局部的な電解液の濃度変化を予測することによって分極の度合いを推定し、分極の影響が小さい時を狙って測定した電圧─電流特性から充電状態を検出できるバッテリ充電状態検知装置を開示する。このバッテリ充電状態検出装置は、バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、検出した充放電電流値に第１の補正値を乗じ、乗じた結果から第２の補正項を減じた値を積算し、積算した結果を指数として、この指数を一定値と比較し、予め定めた条件における電圧値と電流値に基づいて充電状態を算出する演算装置と、演算装置にて使用する算出手順と予め定めた条件を記憶した記憶装置とを備える。

このバッテリ充電状態検出装置によると、走行中のバッテリ電流を観測することにより局部的な電解液の濃度変化を予測することによって分極の度合いを推定し、充電状態もしくは放電率に応じた補正項および電圧値のマップを参照しつつ、分極の影響が小さい時を狙って測定した電圧─電流特性から充電状態を検出する。このようにすることにより、バッテリの充電状態を精度よく検出することができるばかりか、突然のバッテリあがりを防止することができ、さらに、過充電を防止する充電制御によりバッテリの寿命を延ばすことができる効果がある。
特開平１０−３１９１００号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたバッテリ充電状態検出装置では、局部的な電解液の濃度変化のみを予測することによって分極の度合いを推定しているに過ぎない。現実には、分極の度合いは、応答性の速い活性化分極および応答性の遅い濃度分極という、２つの時間特性が異なる２種類の因子に影響される。このため、特許文献１に開示されたバッテリ充電状態検出装置では正確に分極の度合いを推定することが困難で、このために、分極特性が小さいときを狙って測定される電圧−電流特性も正確ではないので、正確に充電状態を検出することができない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、分極の度合いを正確に推定して、二次電池のＳＯＣなどの状態を検知したり、そのＳＯＣから劣化度を検知したりする、二次電池の状態検知装置および状態検知方法を提供することである。

第１の発明に係る二次電池の状態検知装置は、二次電池の活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを推定するための推定手段と、推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときに、二次電池の開放電圧値を検出するための電圧検出手段とを含む。

第１の発明によると、推定手段は、濃度変化のみによる濃度分極に基づく分極の度合いを推定するのではなく、活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを推定する。この活性化分極は、応答性が速く、二次電池が開放状態（充放電電流値が０）になってから速やかに分極電圧の影響が低減する。一方、濃度分極は、応答性が遅く、二次電池が開放状態（充放電電流値が０）になってから緩やかに分極電圧の影響が低減する。そのため、これらの時間特性が異なる２種類の因子に基づいて、分極の度合いが推定され、この推定された分極の影響が予め定められた条件、たとえば、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件、を満足したときに、二次電池の開放電圧値を検出する。これにより、分極の影響を的確に排除して、開放電圧値を検出することができる。その結果、特性の異なる２つの因子に基づく分極の度合いを正確に推定して、二次電池のＳＯＣなどの状態を検知したり、そのＳＯＣから劣化度を検知したりするための、二次電池の開放電圧値を正確に検出できる状態検知装置を提供することができる。

第２の発明に係る二次電池の状態検知装置は、第１の発明の構成に加えて、二次電池の充放電電流値を検出するための電流検出手段をさらに含む。電圧検出手段は、推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められた条件を満足したときに、開放電圧値を検出するための手段を含む。

第２の発明によると、電圧検出手段は、推定された分極の度合いが予め定められた条件（たとえば、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件）を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められた条件（たとえば、充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件）を満足したときに、開放電圧値を検出する。これにより、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、開放電圧値を検出することができる。

第３の発明に係る二次電池の状態検知装置においては、第２の発明の構成に加えて、電圧検出手段は、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件を満足したときに、開放電圧値を検出するための手段を含む。

第３の発明によると、電圧検出手段は、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件を満足したときに、開放電圧値を検出する。充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さい、たとえば充放電を頻繁に繰返している時などであって、かつ、時間特性の異なる２つの因子に基づく分極の度合いの影響が小さいときに、開放電圧値を正確に検出することができる。

第４の発明に係る二次電池の状態検知装置は、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、開放電圧値と充電容量との関係を記憶するための記憶手段と、この関係と検出された開放電圧値とに基づいて、二次電池の充電容量を算出するための算出手段とをさらに含む。

第４の発明によると、記憶手段に開放電圧値とＳＯＣとの関係を表わすマップを記憶しておく。このマップにより表わされる関係と、検出された正確な開放電圧値とに基づいて、二次電池のＳＯＣを正確に算出することができる。その結果、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、二次電池のＳＯＣを検知できる状態検知装置を提供することができる。

第５の発明に係る二次電池の状態検知装置は、第４の発明の構成に加えて、充電容量の時間変化と、時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値の変化とに基づいて、二次電池の満充電時の充電容量を推定するための満充電容量推定手段をさらに含む。

第５の発明によると、分極の度合いを正確に推定するので、正確にＳＯＣを算出できる。この正確に算出されるＳＯＣを用いて、ある時間の間隔におけるＳＯＣの変化（ΔＳＯＣ）を算出する。この時間の間隔において充放電電流値の時間積算値の変化（ΔＱ＝Σ（Ｉ・ｄｔ）[Ａ・ｈ]）を算出する。満充電時（ＳＯＣ＝１００％）のときに充電可能な容量Ｑ[Ａ・ｈ]は、１００：ΔＳＯＣ＝Ｑ：ΔＱの関係から、Ｑ＝｛（１００×ΔＱ）／ΔＳＯＣ｝により算出できる。その結果、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、二次電池のＳＯＣから二次電池の満充電時の充電容量（満充電容量）を検知できる状態検知装置を提供することができる。

第６の発明に係る二次電池の状態検知装置は、第５の発明の構成に加えて、推定された満充電時の充電容量に基づいて、二次電池の劣化の度合いを判定するための手段をさらに含む。

第６の発明によると、正確に推定された満充電時の充電容量（満充電容量）が、予め定められたしきい値よりも小さいことなどが判断されると、二次電池が劣化していると判定することができる。

第７の発明に係る二次電池の状態検知装置は、第１〜６のいずれかの発明の構成に加えて、二次電池の温度を検出するための温度検出手段をさらに含む。推定手段は、二次電池の温度により変化する係数を用いて補正して、分極の度合いを推定するための手段を含む。

第７の発明によると、分極の度合いを温度の影響を受けないように補正して、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、開放電圧値、ＳＯＣ、満充電容量などの二次電池の状態を検知することができる、二次電池の状態検知装置を提供することができる。

第８の発明に係る二次電池の状態検知装置は、第５の発明の構成に加えて、二次電池の温度を検出するための温度検出手段をさらに含む。満充電容量推定手段は、充電容量の時間変化と、時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値を二次電池の温度により変化する係数を用いて補正した変化とに基づいて、二次電池の満充電時の充電容量を算出するための手段を含む。

第８の発明によると、充放電電流値の時間積算値を温度の影響を受けないように補正して、二次電池の満充電容量を検知することができる、二次電池の状態検知装置を提供することができる。

第９の発明に係る二次電池の状態検知方法は、二次電池の活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを推定する推定ステップと、推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときに、二次電池の開放電圧値を検出する電圧検出ステップとを含む。

第９の発明によると、推定ステップにて、濃度変化のみによる濃度分極に基づく分極の度合いを推定するのではなく、活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを推定する。この活性化分極は、応答性が速く、二次電池が開放状態（充放電電流値が０）になってから速やかに分極電圧の影響が低減する。一方、濃度分極は、応答性が遅く、二次電池が開放状態（充放電電流値が０）になってから緩やかに分極電圧の影響が低減する。そのため、これらの時間特性が異なる２種類の因子に基づいて、分極の度合いが推定され、この推定された分極の影響が予め定められた条件、たとえば、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件、を満足したときに、二次電池の開放電圧値を検出する。これにより、分極の影響を的確に排除して、開放電圧値を検出することができる。その結果、特性の異なる２つの因子に基づく分極の度合いを正確に推定して、二次電池のＳＯＣなどの状態を検知したり、そのＳＯＣから劣化度を検知したりするための、二次電池の開放電圧値を正確に検出できる状態検知方法を提供することができる。

第１０の発明に係る二次電池の状態検知方法は、第９の発明の構成に加えて、二次電池の充放電電流値を検出する電流検出ステップをさらに含む。電圧検出ステップは、推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められた条件を満足したときに、開放電圧値を検出するステップを含む。

第１０の発明によると、電圧検出ステップにて、推定された分極の度合いが予め定められた条件（たとえば、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件）を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められた条件（たとえば、充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件）を満足したときに、開放電圧値を検出する。これにより、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、開放電圧値を検出することができる。

第１１の発明に係る二次電池の状態検知方法においては、第１０の発明の構成に加えて、電圧検出ステップは、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件を満足したときに、開放電圧値を検出するステップを含む。

第１１の発明によると、電圧検出ステップは、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件を満足したときであって、かつ充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件を満足したときに、開放電圧値を検出する。充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さい、たとえば充放電を頻繁に繰返している時などであって、かつ、時間特性の異なる２つの因子に基づく分極の度合いの影響が小さいときに、開放電圧値を正確に検出することができる。

第１２の発明に係る二次電池の状態検知方法は、第９〜１１のいずれかの発明の構成に加えて、開放電圧値と充電容量との関係を記憶する記憶ステップと、関係と検出された開放電圧値とに基づいて、二次電池の充電容量を算出する算出ステップとをさらに含む。

第１２の発明によると、記憶ステップにて開放電圧値とＳＯＣとの関係を表わすマップを記憶しておく。このマップにより表わされる関係と、検出された正確な開放電圧値とに基づいて、二次電池のＳＯＣを正確に算出することができる。その結果、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、二次電池のＳＯＣを検知できる状態検知方法を提供することができる。

第１３の発明に係る二次電池の状態検知方法は、第１２の発明の構成に加えて、充電容量の時間変化と、時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値の変化とに基づいて、二次電池の満充電時の充電容量を推定する満充電容量推定ステップをさらに含む。

第１３の発明によると、分極の度合いを正確に推定するので、正確にＳＯＣを算出できる。この正確に算出されるＳＯＣを用いて、ある時間の間隔におけるＳＯＣの変化（ΔＳＯＣ）を算出する。この時間の間隔において充放電電流値の時間積算値の変化（ΔＱ＝Σ（Ｉ・ｄｔ）[Ａ・ｈ]）を算出する。満充電時（ＳＯＣ＝１００％）のときに充電可能な容量Ｑ[Ａ・ｈ]は、１００：ΔＳＯＣ＝Ｑ：ΔＱの関係から、Ｑ＝｛（１００×ΔＱ）／ΔＳＯＣ｝により算出できる。その結果、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、二次電池のＳＯＣから二次電池の満充電時の充電容量（満充電容量）を検知できる状態検知方法を提供することができる。

第１４の発明に係る二次電池の状態検知方法は、第１３の発明の構成に加えて推定された満充電時の充電容量に基づいて、二次電池の劣化の度合いを判定するステップをさらに含む。

第１４の発明によると、正確に推定された満充電時の充電容量（満充電容量）が、予め定められたしきい値よりも小さいことなどが判断されると、二次電池が劣化していると判定することができる。

第１５の発明に係る二次電池の状態検知方法は、第９〜１４のいずれかの発明の構成に加えて、二次電池の温度を検出する温度検出ステップをさらに含む。推定ステップは、二次電池の温度により変化する係数を用いて補正して、分極の度合いを推定するステップを含む。

第１５の発明によると、分極の度合いを温度の影響を受けないように補正して、特性の異なる２つの因子に基づく分極の影響を排除して、開放電圧値、ＳＯＣ、満充電容量などの二次電池の状態を検知することができる、二次電池の状態検知方法を提供することができる。

第１６の発明に係る二次電池の状態検知方法は、第１３の発明の構成に加えて、二次電池の温度を検出する温度検出ステップをさらに含む。満充電容量推定ステップは、充電容量の時間変化と、時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値を二次電池の温度により変化する係数を用いて補正した変化とに基づいて、二次電池の満充電時の充電容量を算出するステップを含む。

第１６の発明によると、充放電電流値の時間積算値を温度の影響を受けないように補正して、二次電池の満充電容量を検知することができる、二次電池の状態検知方法を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係る二次電池監視システムの制御ブロック図について示す。この二次電池監視システムは、多数のセルから構成されるリチウムイオン電池１００の状態を監視するシステムであって、電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２０と、ＨＶ（Hybrid Vehicle）＿ＥＣＵ２００と、電池１００の温度を検出する温度センサ１３０と、電池１００の充放電電流を検出する電流検出器１４０と、電池１００の各セル毎の電圧および電池１００の全体の電圧を検出する電圧検出器１１０とを含む。

電池１００は、車両に搭載された各種の負荷３００に電力を供給する。また、電池ＥＣＵ１２０は、電池監視システムが推定満充電容量を算出した結果、電池１００が寿命に到達していると判断される場合には、電池寿命警告表示器５００に対して電池寿命の警告情報を表示するような制御信号を出力する。なお、電池１００は、リチウムイオン電池に限定されるものではない。

電池１００は、多数のセルから構成されるリチウムイオン電池であって、これらのセルを多数直列に接続して３００Ｖ程度の出力電圧を有する。前述したように、電池１００の各セル毎の電圧および電池１００の全体の電圧は、電圧検出器１１０で計測され、電池ＥＣＵ１２０に入力される。また、電池１００の温度を測定する温度センサ１３０および電池１００の充放電電流を検出する電流検出器１４０によりそれぞれ検出された電池温度および電流は、電池ＥＣＵ１２０に入力される。

電池ＥＣＵ１２０は、電圧検出器１１０、温度センサ１３０、電流検出器１４０から入力された信号に基づいて、電池１００の充電状態などを検出し、これをＨＶ＿ＥＣＵ２００に送信する。

ＨＶ＿ＥＣＵ２００は、アクセル開度、ブレーキ踏込み量、車速などの情報に基づいて決定されたトルク指令に基づき、負荷３００および充電システム４００を制御する。負荷３００は、インバータ、モータなどから構成され、電池１００からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータを駆動する。また、ＨＶ＿ＥＣＵ２００からの制御信号によりインバータの動作が制御され、モータから、トルク指令に合致したトルクが出力され車両が走行する。

充電システム４００は、インバータ、ジェネレータ（モータジェネレータを含む）、エンジンなどから構成され、交流電力をインバータにより直流電力に変換して電池１００を充電する。

ＨＶ＿ＥＣＵ２００は、電池ＥＣＵ１２０から供給される電池１００のＳＯＣの値に従って、モータ出力、エンジン出力などを制御して、電池１００のＳＯＣが６０％付近になるように制御する。また、詳しくは後述するが、電池ＥＣＵ１２０は、ＨＶ＿ＥＣＵ２００の制御により、電池１００に充放電の負荷が印加された場合、電池１００の充放電電流の積算値から求めた容量変化（ΔＱ）を、そのときの開放電圧の変化量（ΔＶ）に基づいてＳＯＣ−開放電圧特性から求めたＳＯＣの変化量（ΔＳＯＣ）で除算することにより、電池１００の推定満充電容量Ｑを算出する。この推定満充電容量Ｑが基準値以下となったときに、容量低下による電池１００の寿命と判定する。

なお、開放電圧には、２つの時定数（活性化分極と濃度分極に対応する時定数）を有する分極指数から求めた分極状態が、概略０および充放電電流が概略０となる時点における電池１００の開放電圧を用いる。この点が本発明の実施の形態に係る二次電池監視装置の特徴である。この開放電圧を用いて、車両搭載状態でリチウムイオン電池の寿命を判定する。電池寿命警告表示器５００は、電池ＥＣＵ１２０により判断されたこの電池１００の寿命を運転者に報知するために警告を表示する。

図２を参照して、電池１００であるリチウムイオン電池のＳＯＣ−開放電圧特性を示す。リチウムイオン電池は、ＳＯＣの変化に対して、開放電圧がほぼ一定の傾斜を有する部分がある。そのため、開放電圧が判明すればＳＯＣを算出することができる。

また、サイクル劣化して満充電容量が低下した電池であっても、ハイブリッド車両の使用範囲であるＳＯＣが４０％〜８０％の範囲において、ＳＯＣと開放電圧との間にはほぼ比例関係があることが判明している。そのため、新品と劣化電池のＳＯＣ−開放電圧特性とが等しいとすれば、車両に搭載された電池１００の満充電容量Ｑ［Ａ・ｈ］は、Ｑ［Ａ・ｈ］：ＳＯＣ１００［％］＝ΣＩ・ｄｔ［Ａ・ｈ］：ΔＳＯＣ［％］の関係を用いて推定することができる。すなわち、この比例式を変形することにより、車両に搭載された電池１００の満充電容量Ｑ［Ａ・ｈ］は、｛（１００×ΣＩ・ｄｔ［Ａ・ｈ］）／ΔＳＯＣ｝により算出される。ここで、Ｑは、車両搭載電池１００の満充電容量、ΔＳＯＣは、ＳＯＣの変化量であって、開放電圧の変化量ΔＶから図２に示すマップに基づいて求める値、ΣＩは充放電電流の積算値、ｄｔはサンプリング周期である。

ここで、満充電容量Ｑの推定精度を向上させるためには、ΔＳＯＣに対応する開放電圧の変化量ΔＶは大きい方がよい。ハイブリッド車両においては、ＳＯＣの使用範囲が４０％〜８０％として制御するため、本実施の形態においては、使用範囲の２分の１をとって、ΔＳＯＣは２０％以上とすることとした。この範囲は、要求精度と検出機会とを考慮して、適宜変更することができる。

上記のようにして、走行中の電池１００の開放電圧を算出することができれば、車両に搭載された電池１００の満充電容量を推定することができる。ところが、電池１００の測定電圧は、通電時には電池の内部直流抵抗分および通電履歴により発生する分極電圧の影響により開放電圧と等しくならない。そして、内部直流抵抗による電圧変化は電流が０になれば０となるが、分極電圧は電流が０となっても瞬時には０にならず、時間経過に伴い徐々に解消していく。そのため、電池１００の充放電電流が０となっても測定電圧が開放電圧と等しくならない。

また、電池１００がサイクル劣化するに従い、分極電圧は大きくなることが判明している。そのため、車両に搭載されてサイクル劣化を生じた電池１００の分極電圧を検出し、これを測定電圧から減算することにより開放電圧を求めることは困難である。

そこで、分極電圧が０となる点が判明すれば、分極電圧が劣化により増加しても、劣化の影響を受けることがない。そこで、分極電圧０点を求めることによって、正確に開放電圧を算出することとする。

図３に示すように、分極電圧の解消経過を観察すると、時間の経過とともに指数関数的に減少していくことがわかる。但し、同じ分極電圧でも、それまでの電流の大きさや時間により解消波形が異なる。たとえば、図３に示すように、２０Ａの電流で３０秒充電した場合と、１０Ａの電流で１０分間充電した場合とでは、分極電圧の解消波形が異なる。これは、分極電圧が、電極付近の電子のやり取りによって生じる応答性の速い活性化分極と、電解液の移動等によって生じる応答性の遅い濃度分極によるものから構成されるためであると考えられる。この活性化分極と濃度分極との寄与率が、充放電履歴（それまでの電流の大きさや時間）により変化するためと考えられる。

そこで、分極状態を示す分極指数の値を、充放電電流による変動分である電流と時間の積から拡散による解消分すなわち時間とともに時定数を有して減少していく分を減算することにより算出する。このようにして近似して算出される分極指数は、活性化分極に対応する応答性の速い分と、濃度分極に対応する応答性の遅い分とを重ね合わせた式（１）により算出される。

この式（１）において、Ｐｎ（Ｊ）が分極指数であって、Ｐｎ（Ｊ−１）が１サンプリングタイム前の分極指数である。また、Ｉが電流、Δｔがサンプリング周期、τｋおよびτｎが時定数である。時定数τｋが活性化分極に対応する時定数であって、時定数τｎが濃度分極に対応する時定数である。

ここで、定数として、α＝０．２、τｋ＝５秒、τｎ＝１８０秒とした。なお、これらの定数は分極電圧の解消波形から実験的に求めたものであって、本発明がこれらの定数の値に限定されるものではない。またそのため、これらの２つの時定数τｋ、τｎおよび寄与割合αは使用するリチウムイオン電池の特性に応じて適宜変更することが望ましい。

本実施の形態においては、上記の分極指数の値が概略０、すなわち分極指数が±０．５以内でかつ充放電電流値も概略０すなわち±０．５Ａ以下のときの電池１００の測定電圧を開放電圧として用いる。なお、概略０の範囲は容量測定の要求精度と検出タイミングとを考慮して適宜変更することができる。

図４（Ａ）〜（Ｄ）に、この二次電池監視システムが搭載された車両が市街地を走行した際の、各種状態量の時間的変化を示す。図４（Ａ）が電池電圧を、図４（Ｂ）が充放電電流を、図４（Ｃ）が分極指数を、図４（Ｄ）が容量変化を表わす。

図５を参照して、本実施の形態に係る電池ＥＣＵ１２０で実行されるプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、電池ＥＣＵ１２０は、変数Ｊを初期化（Ｊ＝１）する。Ｓ１０２にて、電池ＥＣＵ１２０は、電圧Ｖおよび電流Ｉを検出する。このとき、電池ＥＣＵ１２０に入力される電圧検出器１１０からの信号と電流検出器１４０から入力される信号に基づいて、電池ＥＣＵ１２０が電圧Ｖと電流Ｉとを検出する。

Ｓ１０４にて、電池ＥＣＵ１２０は、分極指数Ｐｎ（Ｊ）を算出する。このとき、式（１）が用いられる。Ｓ１１０にて、電池ＥＣＵ１２０はデータ測定条件が成立したか否かを判断する。データ測定の条件とは、たとえば、分極指数が−０．５から＋０．５の間にあって、充放電電流Ｉが−０．５Ａから＋０．５Ａの間にあって、電池電圧Ｖが３．６５Ｖよりも小さい（ＳＯＣ５０％以下に対応）または３．８０Ｖよりも大きい場合（ＳＯＣ７０％以上に対応）に、データ測定条件が成立する。データ測定条件が成立すると（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ２００へ移される。もしそうでないと（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１０６へ戻される。

Ｓ１０６にて、電池ＥＣＵ１２０は、変数Ｊに１を加算する。このＳ１０６の処理の後、処理はＳ１０２へ戻され、再度電圧Ｖと電流Ｉとが検出された後に、分極指数が再度算出され、データ測定条件が成立したか否かが繰返し判断される。

Ｓ２００にて、電池ＥＣＵ１２０は、電圧Ｖに対応するＳＯＣを算出する。このとき、図２に示すＳＯＣ−開放電圧特性のマップが用いられる。

Ｓ３００にて、電池ＥＣＵ１２０は、電流Ｉの時間積算を行ない、容量変化（ΣＩ・ｄｔ）を算出する。これが、ΔＱ［Ａ・ｈ］となる。

Ｓ４００にて、電池ＥＣＵ１２０は、容量推定条件が成立したか否かを判断する。この容量推定条件が成立する場合とは、ＳＯＣが７０％以上のデータが１個以上あって、かつＳＯＣが５０％以下のデータが１個以上ある場合に容量推定条件が成立する。容量推定条件が成立すると（Ｓ４００にてＹＥＳ）、処理はＳ５００へ移される。もしそうでないと（Ｓ５００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ５００にて、電池ＥＣＵ１２０は、電池１００がサイクル劣化による劣化品であるか否か（寿命に到達しているか否か）を判断するための推定満充電容量Ｑを算出する。このとき、推定満充電容量Ｑは、Ｑ＝｛（１００×ΣＩ・ｄｔ）／ΔＳＯＣ｝［Ａ・ｈ］で算出される。

Ｓ６００にて、電池ＥＣＵ１２０は、Ｓ５００にて算出した満充電容量Ｑが予め定められたしきい値Ｑｒｅｆよりも小さいか否かを判断する。算出された満充電容量Ｑがしきい値Ｑｒｅｆよりも小さい場合には（Ｓ６００にてＹＥＳ）、処理はＳ７００へ移される。もしそうでないと（Ｓ６００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ７００にて、電池ＥＣＵ１２０は、電池寿命警告表示器５００のＬＥＤを点灯するように制御信号を送信する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係る二次電池の監視システムの動作について説明する。

変数Ｊが初期化され（Ｓ１００）、電圧Ｖと電流Ｉとが検出される（Ｓ１０２）。分極指数Ｐｎ（Ｊ）が算出され（Ｓ１０４）、電圧Ｖ、電流Ｉおよび分極指数に基づいて、データ測定条件が成立したか否かを判断する。たとえば、図４において、分極指数が±０．５以内になる、時刻ｔ（１）、ｔ（２）、ｔ（３）、ｔ（１０）、ｔ（１１）、ｔ（１２）、ｔ（１３）は、開放電圧がＳＯＣ５０％以下または７０％以上に相当する電圧が３．６５Ｖ以下または３．８０Ｖ以上である判定条件を満足しない。時刻ｔ（４）においては開放電圧の条件を満足しており、また時刻ｔ（４）の近傍においては、電池１００は頻繁に充放電を繰返すため、容易に充放電電流値が±０．５Ａ以内の条件が成立する（Ｓ１１０にてＹＥＳ）。

このとき（時刻ｔ（４））の測定電圧Ｖ（４）をメモリに記憶し、電圧Ｖ（４）に対応するＳＯＣを、図２に示すＳＯＣ−開放電圧特性マップから算出する（Ｓ２００）。

同様にして、時刻ｔ（５）、ｔ（６）、ｔ（７）、ｔ（８）、ｔ（９）における電圧Ｖ（５）、Ｖ（６）、Ｖ（７）、Ｖ（８）、Ｖ（９）をメモリに記憶し、ＳＯＣ（５）、ＳＯＣ（６）、ＳＯＣ（７）、ＳＯＣ（８）、ＳＯＣ（９）を算出する。電池１００に流れる充放電電流を積算することにより、容量変化ΔＱを算出する。このとき、電池容量Ｑ（４）、Ｑ（５）、Ｑ（６）、Ｑ（７）、Ｑ（８）、Ｑ（９）が算出される。

このようにして、データをメモリに蓄積してゆき、ＳＯＣが５０％以下およびＳＯＣが７０％以上のデータがそれぞれ１個以上がメモリに記憶されていれば、容量推定条件が成立すると判断される（Ｓ４００にてＹＥＳ）。劣化品であるか否かを判断するための推定満充電容量Ｑが算出される。たとえば、このとき、容量変化ΔＳＯＣを、ＳＯＣ（４）（７５．０％）とＳＯＣ（９）（４４．６％）とから算出されたΔＳＯＣ＝３０．４％とし、そのときの容量変化ΔＱ（ΣＩ・ｄｔ）であるＱ（４）（＝１．２５［Ａ・ｈ］）−Ｑ（８）（＝−１．５７［Ａ・ｈ］）から、車両に搭載された電池１００の推定満充電容量Ｑを算出する。

このとき、推定満充電容量Ｑ＝｛１００／（７５−４４．６）×（１．２５−（−１．５７）｝として算出され、推定満充電容量Ｑ＝９．３［Ａ・ｈ］と算出される。なお、容量推定条件を満足するデータが複数存在する場合には、算出結果の平均値をとることにより、誤差が少なくなるので、より好ましい。

このようにして算出された推定満充電容量Ｑと予め定められた寿命判定レベルのしきい値Ｑｒｅｆとが比較され、推定満充電容量Ｑがしきい値Ｑｒｅｆよりも小さいと（Ｓ６００にてＹＥＳ）、電池寿命警告表示器５００のＬＥＤが点灯する（Ｓ７００）。このとき、たとえば、新品時の電池１００の満充電容量が１３［Ａ・ｈ］として、その６０％である７．８［Ａ・ｈ］を、電池１００が寿命に到達したことに対応する満充電容量とする。この場合には、前述のようにして算出された推定満充電容量Ｑ（＝９．３［Ａ・ｈ］）はＱｒｅｆ（＝７．８［Ａ・ｈ］）より大きく、まだ寿命に達していないので（Ｓ６００にてＮＯ）、電池寿命警告表示器５００のＬＥＤが点灯することはない。

このようにして、ハイブリッド車両において運転走行状態においてリチウムイオン電池１００の劣化の進行状況を、活性化分極および濃度分極の両方の影響を考慮して開放電圧を測定し、その開放電圧から推定満充電容量を算出して、その結果から電池１００の寿命を判断することができる。

以上のようにして、本実施の形態に係る二次電池の監視システムによると、濃度変化のみによる濃度分極に基づく分極の度合いを推定するのではなく、活性化分極および濃度分極に基づいて分極の度合いを推定する。この活性化分極は応答性が速く濃度分極は応答性が遅いという異なる時間特性を有する。これらを重ね合わせて分極指数、充放電電流値および電池電圧値が予め定められたデータ測定条件を成立している場合のみ、電圧検出器で検出された電池電圧を開放電圧として採用する。これにより、分極の影響を排除した開放電圧を測定することができる。このようにして測定された開放電圧に基づいて、ＳＯＣ−開放電圧特性マップを用いて電圧ＶからＳＯＣを正確に算出することができる。さらに、正しく測定されたＳＯＣの時間変化分と、その時間変化分に対応する電流の積算値とから満充電時における充電容量Ｑを推定することができる。この推定された満充電容量が予め定められたしきい値よりも小さくなるとこの電池は寿命に達したと判断して電池寿命警告表示器のＬＥＤを点灯して運転者に電池の寿命を知らせることができる。

＜変形例＞
以下、本実施の形態に係る二次電池監視システムの変形例について説明する。いずれの変形例も電池１００の温度の変化に対応して、より正確に分極指数を算出することを目的とする。

図６に、電池１００の基準温度２５℃に対し電池の温度が変化した場合の満充電容量を基準温度における容量で除算した結果を示す。この図６から判断されるように、基準温度２５℃よりも高ければ満充電容量は増加し、低ければ減少する。このため、走行中の電池１００の温度が変化した場合に満充電容量の推定に誤差が生じる。この誤差を避けるために補正が行なわれる。図５に示したフローチャートのＳ３００において容量変化（ΔＱ）を電流を時間積算して算出する場合、サンプリング毎にそのときの電池温度から図６に示す補正係数Ｋｓを除算することで補正を行なう。すなわち、容量変化（ΔＱ）を算出する式を、ΣＩ×（１／Ｋｓ）×ｄｔとすることで、温度変化による満充電容量の推定誤差を補正することができる。

また、分極電圧および分極電圧の解消時間も温度により変化する。電池の基準温度２５℃より高くなるとこれらは減少し、基準温度２５℃より低くなると増加する。そのため、走行状態で分極電圧０点を分極指数から推定する方法においては、電池１００の温度を測定して補正する。容量変化（ΔＱ）は前述のようにΣＩ×（１／Ｋｓ）×ｄｔを用いることに加えて、分極指数を計算するときの２つの時定数であるτｋ、τｎも、図７および図８に示すようにτｋ係数Ｔｋおよびτｎ係数Ｔｎを補正係数として乗算することで精度を向上させることができる。

さらに、分極指数値の値を充電側の分極指数の式と、放電側の分極指数の式とに分けてそれぞれの定数を細かく適合させるようにすれば、さらに精度を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る二次電池の監視システムの制御ブロック図である。 リチウムイオン電池のＳＯＣ−開放電圧特性を示す図である。 分極電圧の時間的変化を示す図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の監視システムを搭載したハイブリッド車両の市街地走行時の状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の監視システムの電池ＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 補正係数Ｋｓの温度特性を示す図である。 時定数τｋの補正係数Ｔｋの温度特性を示す図である。 時定数τｎの補正係数Ｔｎの温度特性を示す図である。

符号の説明

１００ 電池、１１０ 電圧検出器、１２０ 電池ＥＣＵ、１３０ 温度センサ、１４０ 電流検出器、２００ ＨＶ＿ＥＣＵ、３００ 負荷、４００ 充電システム、５００ 電池寿命警告表示器。

Claims (16)

1. 二次電池の活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを推定するための推定手段と、
   推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときに、二次電池の開放電圧値を検出するための電圧検出手段とを含む、二次電池の状態検知装置。
2. 前記状態検知装置は、二次電池の充放電電流値を検出するための電流検出手段をさらに含み、
   前記電圧検出手段は、推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときであって、かつ前記充放電電流値が予め定められた条件を満足したときに、前記開放電圧値を検出するための手段を含む、請求項１に記載の二次電池の状態検知装置。
3. 前記電圧検出手段は、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件を満足したときであって、かつ前記充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件を満足したときに、前記開放電圧値を検出するための手段を含む、請求項２に記載の二次電池の状態検知装置。
4. 前記状態検知装置は、
   前記開放電圧値と充電容量との関係を記憶するための記憶手段と、
   前記関係と、前記検出された開放電圧値とに基づいて、前記二次電池の充電容量を算出するための算出手段とをさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池の状態検知装置。
5. 前記状態検知装置は、前記充電容量の時間変化と、前記時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値の変化とに基づいて、前記二次電池の満充電時の充電容量を推定するための満充電容量推定手段をさらに含む、請求項４に記載の二次電池の状態検知装置。
6. 前記状態検知装置は、前記推定された満充電時の充電容量に基づいて、前記二次電池の劣化の度合いを判定するための手段をさらに含む、請求項５に記載の二次電池の状態検知装置。
7. 前記状態検知装置は、前記二次電池の温度を検出するための温度検出手段をさらに含み、
   前記推定手段は、前記二次電池の温度により変化する係数を用いて補正して、分極の度合いを推定するための手段を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池の状態検知装置。
8. 前記状態検知装置は、前記二次電池の温度を検出するための温度検出手段をさらに含み、
   前記満充電容量推定手段は、前記充電容量の時間変化と、前記時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値を前記二次電池の温度により変化する係数を用いて補正した変化とに基づいて、前記二次電池の満充電時の充電容量を算出するための手段を含む、請求項５に記載の二次電池の状態検知装置。
9. 二次電池の活性化分極および濃度分極に基づいた分極の度合いを推定する推定ステップと、
   推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときに、二次電池の開放電圧値を検出する電圧検出ステップとを含む、二次電池の状態検知方法。
10. 前記状態検知方法は、二次電池の充放電電流値を検出する電流検出ステップをさらに含み、
    前記電圧検出ステップは、推定された分極の度合いが予め定められた条件を満足したときであって、かつ前記充放電電流値が予め定められた条件を満足したときに、前記開放電圧値を検出するステップを含む、請求項９に記載の二次電池の状態検知方法。
11. 前記電圧検出ステップは、推定された分極の度合いの影響が小さいという条件を満足したときであって、かつ前記充放電電流値が予め定められたしきい値よりも小さいという条件を満足したときに、前記開放電圧値を検出するステップを含む、請求項１０に記載の二次電池の状態検知方法。
12. 前記状態検知方法は、
    前記開放電圧値と充電容量との関係を記憶する記憶ステップと、
    前記関係と、前記検出された開放電圧値とに基づいて、前記二次電池の充電容量を算出する算出ステップとをさらに含む、請求項９〜１１のいずれかに記載の二次電池の状態検知方法。
13. 前記状態検知方法は、前記充電容量の時間変化と、前記時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値の変化とに基づいて、前記二次電池の満充電時の充電容量を推定する満充電容量推定ステップをさらに含む、請求項１２に記載の二次電池の状態検知方法。
14. 前記状態検知方法は、前記推定された満充電時の充電容量に基づいて、前記二次電池の劣化の度合いを判定するステップをさらに含む、請求項１３に記載の二次電池の状態検知方法。
15. 前記状態検知方法は、前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップをさらに含み、
    前記推定ステップは、前記二次電池の温度により変化する係数を用いて補正して、分極の度合いを推定するステップを含む、請求項９〜１４のいずれかに記載の二次電池の状態検知方法。
16. 前記状態検知方法は、前記二次電池の温度を検出する温度検出ステップをさらに含み、
    前記満充電容量推定ステップは、前記充電容量の時間変化と、前記時間変化に対応する充放電電流値の時間積算値を前記二次電池の温度により変化する係数を用いて補正した変化とに基づいて、前記二次電池の満充電時の充電容量を算出するステップを含む、請求項１３に記載の二次電池の状態検知方法。

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