JP2006012761A - 二次電池の状態推定方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で残存容量（ＳＯＣ）に代表される電池の状態量を高精度に推定可能な二次電池の状態推定方法およびシステムを提供する。
【解決手段】 二次電池セル２０ａ〜２０ｄの各々は、筐体内に格納された正極２１および負極２２を含む。圧力センサ５０は、拘束板３０，３１の間に、二次電池セル２０ａ〜２０ｄと一体的に拘束される。温度センサ７０は、少なくとも１個の二次電池セルに対して、正極２１および負極２２の温度を検知可能なように配置される。ＥＣＵ１００は、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮するように、圧力センサ５０からの圧力検出値Ｐおよび温度センサ７０からの温度検出値Ｔに基づいて、二次電池の状態量の１つである残存容量（ＳＯＣ）を算出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、二次電池の状態推定方法およびシステムに関し、より特定的には、電極が充放電に伴って膨張・収縮を生じる二次電池について、残存容量等の状態量を高精度に推定する方法およびシステムに関する。

ハイブリッド自動車等に用いられる二次電池としては、鉛電池、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池やリチウムイオン電池等がある。二次電池は、電力が消耗されると外部からの充電電流の供給により再び放電可能であるため、従来から各種の機器に適用されている。

たとえば、二次電池は車両に搭載されて、始動時にエンジンの点火プラグやスタータ等へ電力供給を行なうというエンジン始動用バッテリの役割を果たしている。最近では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）において、走行用モータを駆動する際の主電源としても用いられている。

この種の二次電池においては、充電時期あるいは電池状態を使用者に認識させること等を目的として、何らかの手法によって現在の残存容量を推定することが重要である。特に、ハイブリッド自動車では、車両駆動力エネルギー源となる二次電池の充電状態を適切な範囲内に維持することが要求される。

このため、二次電池の残存容量を表わす指標として、充放電電流や電池状態（温度・電圧）に基づいて算出されるＳＯＣ（State Of Charge）が０％〜１００％の間で定義され
る。ＳＯＣが所定範囲内に維持されるように、二次電池の充放電が制御される。すなわち、二次電池を効率的に使用するためには、ＳＯＣの推定精度を向上させる必要がある。

従来、ＳＯＣの推定手法としては、たとえば、水素吸蔵合金を負極とするＮｉ−ＭＨ電池で代表されるアルカリ電池の残存容量を、負極に対して直接歪みゲージや圧力センサを設けることにより、充放電に伴う負極の体積変化を検知して検出する構成が提案されている（たとえば特許文献１）。

その他にも、Ｎｉ−ＭＨバッテリの残容量を、二次電池の内圧（水素ガス圧）と温度とに基づいて推定する構成が提案されている（たとえば特許文献２および３）。さらに、無停電電源装置への適用を考慮して、蓄電池の膨張の検出により蓄電池の寿命を検知する構成が提案されている（特許文献４）。

また、二次電池はその使用過程において入出力可能電力や満充電容量（完全充電後の電池容量）に代表される電池性能の劣化が進行するので、その性能は時系列的に変化する。特に、電池性能を超えた電力の入出力を行なうと、劣化が急激に促進され、著しい場合には故障に至る危険性がある。このため、現時点での劣化度合いを定量的に把握して、二次電池性能の限界量を検知することは重要な課題である。

二次電池の劣化判定法としては、電槽の外部に易変形部材を設ける構成として、正極格子の伸びに伴う電槽の膨張を易変形部材での亀裂・破断の発生により検知することで、二次電池の劣化を検知する手法が提案されている（たとえば、特許文献５）。また、二次電池の劣化に伴って、電池内部における水素吸蔵反応の進みが遅くなることにより電池の内部圧力（内圧）が上昇する現象を検知するために、内圧の微分値が判定値を超えたときに二次電池の劣化を検出するとともに、判定値をバッテリ温度に応じて変化させることによって、より正確な劣化判定を行なう手法も提案されている（たとえば、特許文献６）。同様に、電池内圧が所定の判定値を超えたときに二次電池の劣化を検出する手法も提案されている（たとえば、特許文献７）。
特開平８−１９４０３７号公報 特開平７−６３８３１号公報 特開平７−２６３０３３号公報 特開２００１−１６６０１６号公報 特開２００２−３１３４３８号公報 特開平８−３３１７６９号公報 特開２００２−４２８９６号公報

しかしながら、水素吸蔵合金の収縮・膨張は温度の影響を受けるので、負極の体積変化とＳＯＣ（残存容量）の関係も温度に応じて変化する。

このため、特許文献１に開示されたＳＯＣの推定手法では、負極を構成する水素吸蔵合金の体積変化のみに基づいてＳＯＣを推定しているので、高精度のＳＯＣ推定が困難である。

また、特許文献２および３では、充放電現象に伴う水素ガス圧変化を二次電池の内圧ガス圧測定によって検知することでＳＯＣを推定する。しかしながら、内部ガスは、電極や電解液に溶解したり、筐体を透過して外部へ放出されたりするため、高精度のＳＯＣ推定が困難である。

さらに、特許文献４に開示された構成では、二次電池筐体の膨張が一定量を超した場合に、二次電池が破損する前に電池の寿命を検知しているが、二次電池の残存容量（ＳＯＣ）について推定する手法については何ら開示されていない。

また、上記のように電極および電槽の体積変化量（膨張）が温度に依存して変わるため、温度を考慮に入れずに電槽表面の易変形部材の変形のみで劣化を検知する特許文献５に開示される二次電池の劣化判定法では、精度の良い劣化判定は困難である。同様に、特許文献６および７では、電池の内圧測定に基いて劣化検出を行なうため、上記のような内部ガスの溶解や漏れの存在から、精度の良い劣化判定は困難である。

特に、特許文献５〜７に開示された手法では、二次電池の劣化判定を二値的に実行可能であるものの、劣化度合いを定量的に把握して、その時点での入出力可能電力や満充電容量の限界量を検知することはできない。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、残存容量（ＳＯＣ）に代表される電池の状態量を簡易な構成で高精度に推定可能な二次電池の状態推定方法およびシステムを提供することである。

この発明による二次電池の状態推定方法は、正極および負極を筐体内に格納した二次電池の状態推定方法であって、正極および負極の少なくとも一方の電極の体積変化を検知するステップと、正極および負極の少なくとも一方の電極の温度を検知するためのステップと、検知された体積変化および温度に基づいて、予め設定された相関関係から二次電池の状態を推定するステップとを備えている。

上記の二次電池の状態推定方法によれば、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮することにより、電極の体積変化と関連して変化する電池の諸状態について高精度に推定できる。また、電極の温度および体積変化の測定に基づいた推定を行なうので、二次電池の通電状態に左右されず、充放電中にも状態推定を実行できる。

好ましくは、この発明による二次電池の状態推定方法では、上記相関関係より二次電池の状態として残存容量推定値が算出される。

上記の二次電池の状態推定方法によれば、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮に入れて残存容量（ＳＯＣ）を推定できるので、その推定精度を向上できる。

また好ましくは、この発明による二次電池の状態推定方法では、上記相関関係より二次電池の状態として劣化度合いを反映して変化する状態量の推定値が算出される。

上記の二次電池の状態推定方法によれば、電池の劣化進行に応じて変化する状態量、たとえば、入力可能電力、出力可能電力および満充電容量について、その時点での電池の劣化度合いを反映した値を把握できる。これにより、劣化度合いを考慮に入れて、二次電池の充放電制御における充電制限および放電制限をより精密に行なうことが可能となるので、過放電および過充電を安定的に回避できる。特に、ハイブリッド自動車搭載時には、電池の使用可能範囲を広げて、内燃機関との間でさらに効率的なエネルギー配分制御ができる可能性がある。

この発明による二次電池の状態推定方法では、相関関係は、当該二次電池について予め実験的に求められた、体積変化、温度および二次電池の状態を示す状態量の間の関係に基づいた二次元マップに設定されていることが好ましい。

上記の二次電池の状態推定方法によれば、処理負荷の小さい簡易な演算によって、残存容量推定値等の二次電池の状態を示す状態量を算出できる。

この発明による二次電池の状態推定システムは、正極および負極を筐体内に格納した二次電池と、筐体の外面に対して取付けられた圧力測定部と、筐体および圧力測定部の間に押付け力が生じるように拘束する拘束手段と、正極および負極の少なくとも一方の電極の温度を検知するための温度測定部と、状態推定手段とを備えている。状態推定手段は、圧力測定部による測定圧力および温度測定部による測定温度に基づいて、予め設定された相関関係から二次電池の状態を推定している。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、筐体内部の電極の体積変化が反映された筐体圧力と電極温度とに基づいて二次電池の状態量を推定できるので、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮に入れて、電極の体積変化と関連して変化する諸状態について高精度の推定を行なえる。特に、筐体外部に圧力測定部を配置することにより、センサ取付け構造が簡易化されて製造費を安価にできるとともに、電極全体の体積変化を反映した高精度な推定が行なえる。

好ましくは、この発明による二次電池の状態推定システムでは、状態推定手段は、相関関係より、二次電池の状態として残存容量推定値を算出する。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮に入れて残存容量（ＳＯＣ）を推定できるので、その推定精度を向上できる。

また好ましくは、この発明による二次電池の状態推定システムでは、状態推定手段は、相関関係より、劣化状態を反映して変化する状態量を推定する。特に、劣化状態を反映して変化する状態量としては、二次電池の入出力可能電力あるいは、二次電池の満充電容量が推定される。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、電池の劣化進行に応じて変化する状態量、たとえば、入力可能電力、出力可能電力および満充電容量について、その時点での電池の劣化度合いを反映した値を把握できる。これにより、劣化度合いを考慮に入れて、二次電池の充放電制御における充電制限および放電制限をより精密に行なうことが可能となるので、過放電および過充電を安定的に回避できる。特に、ハイブリッド自動車搭載時には、電池の使用可能範囲を広げて、内燃機関との間でさらに効率的なエネルギー配分制御ができる可能性がある。

また好ましくは、この発明による二次電池の状態推定システムでは、状態推定手段は、当該二次電池について予め実験的に求められた、測定圧力、測定温度および二次電池の状態を示す定量値の間の関係に基づいた二次元マップを参照して、定量値を算出する。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、処理負荷の小さい簡易な演算によって二次電池の状態を示す状態量（定量値）を算出できる。

好ましくは、この発明による二次電池の状態推定システムでは、温度測定部は、筐体の外面のうちの、少なくとも一方の電極の温度に応じて自身の温度が変化する部位に対応して設けられている。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、筐体外部に温度測定部を配置して電極温度を検知することができるので、センサ取付け構造が簡易化されて製造費を安価にできる。

あるいは好ましくは、この発明による二次電池の状態推定システムでは、二次電池は、互いに電気的に接続されて複数個配置され、圧力測定部は、少なくとも１個の二次電池の筐体に取付けられる。拘束手段は、連続的に配置された、複数個の二次電池および圧力測定部の両側にそれぞれ配置された拘束板と、拘束板の間を結合する拘束ロッドとを含んでいる。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、複数個の二次電池セルの集合体によってモジュールが形成される場合にも、圧力測定に必要な拘束構造をコンパクトに実現できるので、システム全体を小型化できる。

また好ましくは、二次電池は単一セルで構成され、圧力測定部は二次電池の筐体に取付けられる。さらに、拘束手段は、二次電池および圧力測定部の両側にそれぞれ配置された拘束板と、拘束板の間を結合する拘束ロッドとを含んでいる。

上記の二次電池の状態推定システムによれば、二次電池が単一セルで構成される場合にも、圧力測定に必要な拘束構造をコンパクトに実現できるので、システムを小型化できる。

この発明によれば、簡易な構成で残存容量（ＳＯＣ）等の内部状態量を高精度に推定可能な二次電池の状態推定方法およびシステムを提供することができる。

以下においてこの発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中における同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さないものとする。

（ＳＯＣ推定への適用）
図１は、この発明に従う二次電池の状態推定システムの代表例として示される残存容量推定システムの構成を示す概略図である。以下に説明する残存容量推定システムでは、二次電池の代表的な状態量である残存容量（ＳＯＣ）が推定される。

図１を参照して、残存容量推定システム１０は、二次電池セル２０ａ〜２０ｄと、拘束板３０，３１と、拘束ロッド４０と、圧力センサ５０と、バスバー６０〜６４と、温度センサ７０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを有する。

二次電池セル２０ａ〜２０ｄの各々は、筐体に格納された、正極２１および負極２２を有する。正極２１および負極２２には、充放電に伴って膨張・収縮が発生し、体積変化が生じる。

代表的には、二次電池セルとしては、負極２２に水素吸蔵合金が用いられるニッケル水素電池が適用される。しかしながら、以下の説明で明らかになるように、少なくとも一方の電極に充放電に伴った体積変化が生じる二次電池に対して、本発明による残存容量推定を適用可能である。すなわち、図１に示された二次電池セル２０ａ〜２０ｄは、ニッケル水素電池に限らず、鉛電池、リチウムイオン電池等によって構成されてもよい。

二次電池セル２０ａ〜２０ｄは、バスバー６１〜６３によって直列接続されて、単一モジュールを構成する。すなわち、二次電池セル２０ａの負極と接続されたバスバー６０および、二次電池セル２０ｄの正極と接続されたバスバー６４の間には、４セル分の電圧が生じる。

バスバー６０および６４は、図示しない負荷と接続される。また、バスバー６０および６４は、図示しない充電機器、たとえば自動車においてはジェネレータにも接続されている。このため、二次電池セル２０ａ〜２０ｄは、負荷への電圧供給および充電機器からの充電が可能である。

拘束板３０および３１は、複数の二次電池セル２０ａ〜２０ｄの両側に、筐体の面積が相対的に大きい面に対応して配置される。拘束ロッド４０は、拘束板３０および３１の間を結合する。

図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

図２を参照して、二次電池セル２０ａ〜２０ｄの筐体および圧力センサ５０は、両側に設けられた拘束板３０，３１の間に一体的に拘束される。したがって、圧力センサ５０は、二次電池セル２０ａ〜２０ｄの筐体に作用する圧力を、筐体に対して押付け力が作用した状態で測定できる。

各筐体内部では、充放電現象に伴う膨張・収縮によって正極２１および負極２２に体積変化が生じているので、圧力センサ５０による測定値は、二次電池セル２０ａ〜２０ｄ全体での、正極２１および負極２２の両方の体積変化を反映したものとなる。図１に示されるように、圧力センサ５０による圧力検出値Ｐは、ＥＣＵ１００へ送られる。

拘束板３０，３１および拘束ロッド４０によって、二次電池セル２０ａ〜２０ｄおよび圧力センサ５０を一体的に拘束する構成とすることにより、圧力測定に必要な拘束構造をコンパクトに実現できるので、残存容量推定システム１０全体の小型化が図られる。

再び図１を参照して、温度センサ７０は、正極２１および負極２２の温度を検知するために、二次電池セル２０ａ〜２０ｄの少なくとも１つに設けられる。図１の構成例では、温度センサ７０は、二次電池セル２０ａの筐体外部に、測定対象となる正極２１または負極２２の温度に応じて温度が変化するような部位に対応して配置される。温度センサ７０による温度検出値Ｔは、ＥＣＵ１００へ送られる。

ＥＣＵ１００は、圧力センサ５０からの圧力検出値Ｐおよび温度センサ７０からの温度検出値Ｔに基づいて、二次電池の残存容量の指標となるＳＯＣを算出する。たとえば、ＥＣＵ１００は、所定のプログラム・データ等を記憶するＲＯＭ，ＲＡＭ等（図示せず）および、当該プログラムに従った演算処理を逐次実行するためのＣＰＵ、ＭＰＵ等（図示せず）を組み合わせたマイクロコンピュータにより構成される。

ここで、図１に示された構成とこの発明の構成との対応関係とを説明すれば、二次電池セル２０ａ〜２０ｄの各々がこの発明の「二次電池」に相当し、拘束板３０，３１および拘束ロッド４０がこの発明の「拘束手段」に相当する。さらに、圧力センサ５０および温度センサ７０がこの発明の「圧力測定部」および「温度測定部」に対応し、ＥＣＵ１００がこの発明の「状態推定手段」に相当する。

各二次電池セル２０ａ〜２０ｄにおいて、正極２１および負極２２は、充電によって膨張し、かつ放電にすることによって収縮するため、その体積が相対的に大きい領域ではＳＯＣが高くなり、体積が相対的に低い領域ではＳＯＣが小さくなる。

図３を参照して、このような正極２１および負極２２の体積変化は、二次電池セル２０ａ〜２０ｄの筐体に作用する圧力の変化として、圧力センサ５０により検知される。したがって、圧力センサ５０による圧力検出値Ｐが高い領域ではＳＯＣも高くなり、圧力検出値Ｐが小さい領域ではＳＯＣも小さくなる。

この実施の形態では、圧力センサ５０を筐体外部に配置して、電極の体積変化を筐体に作用する圧力として測定している。これにより、特許文献１のように筐体内部において電極に直接センサを設ける構成と比較して、センサおよび信号取出用のワイヤの耐電解溶液性の問題やワイヤの筐体貫通部分における耐シール性の問題を考慮する必要がなくなるので、センサの取付けが簡易に行なえる。

また、筐体内部でのワイヤ配索や、セパレータにセンサ配置用の凹みを設ける必要もなくなるので、より二次電池セルの設計が容易となり、安価で信頼性の高い圧力測定が可能となる。

また、特許文献１のように電極に直接センサを設ける構成では、センサ配置部分での充放電反応が期待できなくなるため、極力小さいセンサが求められる。このため、電極全面で圧力を測定することは不可能であり、電極の局部的な体積変化しか測定することができない。このため、電極の局所部分での圧力に基づいて二次電池全体のＳＯＣを推定することとなる。これに対して、この実施の形態のように、筐体外部に圧力センサを配置する構成によれば、セル側面全体で圧力検知を行なうことができるため、電極全体の体積変化を反映した、二次電池全体でのＳＯＣ推定が可能となる。

さらに、図３に示されるように、圧力ＰおよびＳＯＣの間の関係を示す特性線は、電極温度Ｔ♯をパラメータとして変化する。

たとえば、ニッケル水素電池の場合では、水素吸蔵合金の水素吸蔵量は温度に応じて変化する。このため、ＳＯＣが同じ状態でも、筐体内に存在する水素について、水素吸蔵合金内に存在する量とガスとして存在する量の比は、温度によって異なる。また、水素吸蔵合金で構成された電極（負極）の体積変化は、その水素吸蔵量に依存する。このため、電極の体積が同等、すなわち圧力検出値Ｐが同等であっても、電極温度Ｔ♯によってＳＯＣは異なってくる。他の二次電池についても、実験的にデータ採取を行なうと、上記特性線は同様に電極温度Ｔ♯をパラメータとして変化することが、発明者により確認されている。

なお、ＳＯＣ推定を始めとする電池の状態量推定には、正極２１および負極２２を直接測温した電極温度Ｔ♯を用いることが好ましい。しかしながら、実際のシステム構成上は電極を直接測温することが困難である。

したがって、この実施の形態では、図１に示すように、電極温度に近い温度を示す筐体外面部位を測温する。すなわち、温度センサ７０は、筐体外表面において、構造上電極２１，２２から近く、かつ電極からの熱伝導のよい部位、すなわち電極と測温部位間に熱伝導率の小さな部品や空間が介在していない部位に配置することが好ましい。

温度センサ７０については、単一セルに複数個、あるいは複数セルに渡って複数個配置する構成としてもよい。

また、必要に応じて、温度センサ７０の配置部位の温度と電極温度との予め実験的に求めておいて、ＳＯＣ推定に反映することも可能である。

このように、この発明に従う残存容量推定では、ＥＣＵ１００は、電極の体積変化を反映した圧力検出値Ｐに加えて、電極温度を反映した温度検出値Ｔをさらに用いてＳＯＣを算出する。

ＥＣＵ１００におけるＳＯＣ算出は、図３に示した特性線に基づき、たとえば以下のような方法で実施できる。

図４は、ＥＣＵによるＳＯＣ推定ルーチンを説明するフローチャートである。

図４を参照して、ＳＯＣ推定ルーチンは、所定周期ごとに起動される。ＳＯＣ推定ルーチンが起動されると、まず圧力センサ５０の測定値がサンプリングされる（ステップＳ１００）。これにより、図３における圧力検出値ＰがＥＣＵ１００に送られる。上述のように、圧力検出値Ｐには筐体内部の電極の体積変化が反映されているので、このステップＳ１００は、電極（正極および負極の少なくとも一方）の体積変化を検知するステップに相当する。

さらに、温度センサ７０の測定値がサンプリングされて、温度検出値ＴがＥＣＵ１００へ送られる（ステップＳ１１０）。上述のように、温度検出値Ｔには図３における電極温度Ｔ♯が反映されているので、ステップＳ１１０は、電極（正極および負極の少なくとも一方）の温度を検知するステップに相当する。

なお、上記ステップＳ１００およびＳ１１０の実行順序は特に規定されず、両者を並行したタイミングで行なうことが好ましい。

次に、サンプリングされた圧力検出値Ｐおよび温度検出値Ｔに基づき、予め設定された相関関係から、具体的には図５に示すマップを参照して、ＳＯＣが算出される（ステップＳ１３０）。

図５は、この発明の実施の形態によるＳＯＣ推定マップの例である。

図５を参照して、ＳＯＣ推定マップは、圧力検出値Ｐおよび温度検出値Ｔに応じた二次元マップで構成され、ＥＣＵ１００内に予め格納される。

温度検出値Ｔに対応して、たとえば、Ｔ＝−２０℃、−１０℃、０℃、１０℃、２０℃、３０℃および４０℃の１０℃刻みで、圧力検出値ＰとＳＯＣとの相関関係が設定される。たとえば、各温度域において、ＳＯＣが０（％）〜１００（％）の範囲に対応する圧力検出値Ｐを１０％刻みで設定する。このマップ値については、予め実験によって求めたデータに基づいて決定すればよい。

図４でのステップＳ１３０では、温度検出値Ｔに応じて、２次元マップから１つの行が選択され、かつ、この選択行のマップ値を用いて圧力検出値Ｐに対応するＳＯＣが算出される。すなわち、ステップＳ１３０は、この発明における「二次電池の状態を推定するステップ」に相当する。

一例として、温度検出値Ｔが２０℃であった場合には、圧力検出値ＰがＰａ０〜Ｐａ１０と比較され、マップ値間の補間によって対応するＳＯＣ（％）が算出される。なお、マップ値間の補間については、線形補間とすることが演算負荷上好ましいが、非線形の補間とすることも可能である。

なお、温度検出値Ｔが所定の刻み幅の中間値である場合には、２次元マップから当該温度検出値の存在範囲に対応させて２つの行を選択し、それぞれの選択行で算出された２つのＳＯＣ値を温度によりさらに補間して、最終的な推定ＳＯＣを算出してもよい。

このように、この発明による二次電池の状態推定方法およびシステムによれば、温度によって電極の体積変化特性が変化する点を考慮するので、高精度で残存容量（ＳＯＣ）を推定できる。また、電極の温度および体積変化の測定に基づいた推定を行なうので、二次電池の通電状態に左右されず、充放電中にも残存容量（ＳＯＣ）を推定できる。

さらに、二次電池セルの筐体外部に圧力センサおよび温度センサを配置するシステム構成であるので、センサの取付け構造が複雑化することなく、安価な構成で信頼性の高い残存容量（ＳＯＣ）推定を実現できる。

また、予め実験データ等に基づいて作成した二次元マップを参照してＳＯＣを算出する構成としているので、非線形等の演算式に直接代入してＳＯＣを算出する場合と比較して、ＥＣＵ１００での演算を簡易化してその処理負荷を軽減できる。

なお、図１に示した構成例では、複数の二次電池セル２０ａ〜２０ｄが直列接続される構成を代表的に示したが、この発明の適用に際して二次電池セルの接続形態は特に限定されない。たとえば、１個の二次電池セルに対して、あるいは、複数の二次電池セルを並列接続あるいは直並列接続した構成に対しても、筐体に対して拘束された圧力センサを用いて、ＳＯＣに代表される電池の状態量を推定する本発明の構成を適用可能である。

なお、二次電池セルの拘束構造についても、図１に示した例に限定されるものではなく、セル内部での電極の体積変化をセル筐体（外槽）外部に取付けた圧力センサによって検知可能であれば、任意の構造を適用可能である。

（定量的な劣化度合い把握への適用）
図１に示した残存容量推定システムと同様の構成の二次電池の状態推定システムにおいて、マップを適宜準備することにより二次電池の他の状態量を推定することも可能である。たとえば、電池の劣化に応じて変化する、入力可能電力、出力可能電力および満充電容量等の状態量を推定することも可能である。

二次電池の電極材料は、いわゆる劣化反応の進行により、その使用過程において経時変化する。劣化反応には様々な種類が存在し、例えば活物質そのものの割れや不可逆的な化学変化、活物質と電解液や結着材等の活物質以外の物質との化学変化、結着材等の充放電とは無関係な構成材の化学変化など、種々の化学変化が複合して劣化が進行する。

これらの化学変化には体積変化を伴うものが多々存在するため、二次電池の劣化は、電極の体積変化として現れる。上記のような拘束構造を備えた状態推定システムでは、電極の体積変化は、圧力センサ５０によって測定される圧力検出値Ｐ（拘束応力）へ反映される。

したがって、電池の劣化度に応じて変化する、入力可能電力、出力可能電力および満充電容量等の状態量に関して、劣化の進行に伴う拘束応力（圧力検出値）および状態量の変化を実験的に予め測定し、両者の対応関係を求めることができる。また、電極の体積変化および拘束応力には、温度も影響を及ぼすので、図５と同様の二次元テーブルを、電池の入力可能電力、出力可能電力および満充電容量に関して作成することにより、これらの状態量についても残存容量（ＳＯＣ）と同様に、高精度に推定することができる。

図６は、ＥＣＵによる劣化度推定ルーチンを説明するフローチャートである。

図６を参照して、劣化度推定ルーチンは、所定周期ごとに起動される。起動後には、ＳＯＣ推定ルーチンと同様に、圧力センサ５０の測定値サンプリング（ステップＳ１００）および温度センサ７０の測定値がサンプリング（ステップＳ１１０）が実行される。

さらに、サンプリングされた圧力検出値Ｐおよび温度検出値Ｔに基づき、予め設定された相関関係から、具体的には図７，８に示すマップの参照により、劣化度を推定した、その時点での入力可能電力、出力可能電力および満充電容量が推定される（ステップ１３０）。すなわち、ステップＳ１３０は、この発明における「二次電池の状態を推定するステップ」に相当する。

図７に示すように、入力可能電力および出力可能電力の推定マップは、二次元マップで構成され、ＥＣＵ１００内に予め格納される。

この二次元マップでは、温度検出値Ｔに対応して、たとえば、Ｔ＝−２０℃〜４０℃の範囲に１０℃刻みで、圧力検出値Ｐと入力可能電力（または出力可能電力）との相関関係が設定される。たとえば、各温度域において、入力可能電力（または出力可能電力）が０（％）〜１００（％）の範囲に対応する圧力検出値Ｐが、予め実験によって求めたデータに基づいて、１０％刻みで設定される。ここで、１００（％）が初期状態（劣化無）における入力可能電力（または出力可能電力）に相当する。すなわち、１００（％）からの低下量が、入力可能電力（または出力可能電力）に関する定量的な劣化量に相当する。

一例として、温度検出値Ｔが２０℃であった場合には、圧力検出値ＰがＰｂ０〜Ｐｂ１０と比較され、マップ値間の補間によって対応する入力可能電力（または出力可能電力）が算出される。なお、マップ値間の補間については、線形補間とすることが演算負荷上好ましいが、非線形の補間とすることも可能である。また、上記のように、温度に関しても２つのマップ行からそれぞれ得られた推定値を補間して、最終的な推定値を算出してもよい。

なお、マップ設定において、入力可能電力（または出力可能電力）を初期状態に対する比率（％）ではなく、電力量（Ｗ）で直接規定してもよい。

また、図８に示すように、満充電容量の推定マップについても、二次元マップで構成され、ＥＣＵ１００内に予め格納される。

この二次元マップにおいても、たとえば、Ｔ＝−２０℃〜４０℃の範囲に１０℃刻みで、満充電容量と圧力検出値Ｐとの相関関係が設定される。たとえば、各温度域において、満充電容量が０（％）〜１００（％）の範囲に対応する圧力検出値Ｐが、予め実験によって求めたデータに基づいて、１０％刻みで設定される。ここで、１００（％）が初期状態（劣化無）における満充電容量に相当する。すなわち、１００（％）からの低下量が、満充電容量に関する定量的な劣化量に相当する。

一例として、温度検出値Ｔが２０℃であった場合には、圧力検出値ＰがＰｃ０〜Ｐｃ１０と比較され、マップ値間の補間によって対応する満充電容量が算出される。なお、マップ値間の補間については、線形補間とすることが演算負荷上好ましいが、非線形の補間とすることも可能である。また、上記のように、温度に関しても２つのマップ行からそれぞれ得られた推定値を補間して、最終的な推定値を算出してもよい。

なお、マップ設定において、満充電容量を初期状態に対する比率（％）ではなく、容量値（Ａｈ）で直接規定してもよい。

このように、電池の劣化度合いを反映して変化する状態量である、その時点での入力可能電力、出力可能電力および満充電容量を把握することにより、二次電池の充放電制御における充電制限および放電制限をより精密に行なって、過放電および過充電を安定的に回避できる。特に、ハイブリッド自動車搭載時には、電池の使用可能範囲を広げて、内燃機関との間でさらに効率的なエネルギー配分制御ができる可能性がある。

以上説明した本発明による二次電池の状態推定方法およびシステムは、代表的には精密なＳＯＣ管理および充放電制御が必要なハイブリッド自動車に適用されるが、二次電池の状態（残存容量）を管理・制御する必要がある機器およびシステムに搭載される二次電池に対しても、共通に適用することが可能である。

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。

この発明に従う二次電池の残存容量推定システムの構成を示す概略図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 二次電池セルの筐体圧力および電極温度とＳＯＣとの定性的な関係を示す概念図である。 ＥＣＵによるＳＯＣ算出動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態に用いられるＳＯＣ推定マップの例を示す図である。 ＥＣＵによる劣化度推定動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態に用いられる入出力可能電力推定マップの例を示す図である。 この発明の実施の形態に用いられる満充電容量推定マップの例を示す図である。

符号の説明

１０ 残存容量推定システム、２０ａ〜２０ｄ 二次電池セル、２１ 正極、２２ 負極、３０，３１ 拘束板、４０ 拘束ロッド、５０ 圧力センサ、６０〜６４ バスバー、７０ 温度センサ、Ｐ 圧力検出値、Ｔ 温度検出値、Ｔ♯ 電極温度。

Claims (13)

1. 正極および負極を筐体内に格納した二次電池の状態推定方法であって、
   前記正極および負極の少なくとも一方の電極の体積変化を検知するステップと、
   前記正極および負極の少なくとも一方の電極の温度を検知するためのステップと、
   検知された前記体積変化および前記温度に基づいて、予め設定された相関関係から前記二次電池の状態を推定するステップとを備えた、二次電池の状態推定方法。
2. 前記相関関係より、前記二次電池の状態として残存容量推定値が算出される、請求項１記載の二次電池の状態推定方法。
3. 前記相関関係より、前記二次電池の状態として劣化度合いを反映して変化する状態量の推定値が算出される、請求項１記載の二次電池の状態推定方法。
4. 前記相関関係は、当該二次電池について予め実験的に求められた、前記体積変化、前記温度および前記二次電池の状態を示す状態量の間の関係に基づいた二次元マップに設定される、請求項１記載の二次電池の状態推定方法。
5. 正極および負極を筐体内に格納した二次電池と、
   前記筐体の外面に対して取付けられた圧力測定部と、
   前記筐体および前記圧力測定部の間に押付け力が生じるように拘束する拘束手段と、
   前記正極および負極の少なくとも一方の電極の温度を検知するための温度測定部と、
   前記圧力測定部による測定圧力および前記温度測定部による測定温度に基づいて、予め設定された相関関係から前記二次電池の状態を推定する状態推定手段とを備えた、二次電池の状態推定システム。
6. 前記状態推定手段は、前記相関関係より、前記二次電池の状態として残存容量推定値を算出する、請求項５記載の二次電池の状態推定システム。
7. 前記状態推定手段は、前記相関関係より、劣化状態を反映して変化する状態量を推定する、請求項５記載の二次電池の状態推定システム。
8. 前記状態推定手段は、前記劣化状態を反映して変化する状態量として、二次電池の入出力可能電力を推定する、請求項７記載の二次電池の状態推定システム。
9. 前記状態推定手段は、前記劣化状態を反映して変化する状態量として、二次電池の満充電容量を推定する、請求項７記載の二次電池の状態推定システム。
10. 前記状態推定手段は、当該二次電池について予め実験的に求められた、前記測定圧力、前記測定温度および前記二次電池の状態を示す定量値の間の関係に基づいた二次元マップを参照して、前記定量値を算出する、請求項５記載の二次電池の状態推定システム。
11. 前記温度測定部は、前記筐体の外面のうちの、前記少なくとも一方の電極の温度に応じて自身の温度が変化する部位に対応して設けられる、請求項５記載の二次電池の状態推定システム。
12. 前記二次電池は、互いに電気的に接続されて複数個配置され、
    前記圧力測定部は、少なくとも１個の前記二次電池の筐体に取付けられ、
    前記拘束手段は、
    連続的に配置された、前記複数個の二次電池および圧力測定部の両側にそれぞれ配置された拘束板と、
    前記拘束板の間を結合する拘束ロッドとを含む、請求項５記載の二次電池の状態推定システム。
13. 前記二次電池は、単一セルで構成され、
    前記圧力測定部は、前記二次電池の筐体に取付けられ、
    前記拘束手段は、前記二次電池および圧力測定部の両側にそれぞれ配置された拘束板と、
    前記拘束板の間を結合する拘束ロッドとを含む、請求項５記載の二次電池の状態推定システム。

Images