JP2010040324A - 電池モジュールの充電状態推定方法およびこれを利用した充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充電時の電池の内部圧力および電池温度を測定し、その測定値を利用することにより充電状態を高精度で推定する方法を提供する。
【解決手段】二次電池として構成された複数の単位電池を、互いに電気的に接続し、かつ、その内部を、連通部材を介して互いに連通させてなる電池積層体と、前記電池積層体の内部圧力を測定する圧力測定装置と、前記電池積層体の電池温度を測定する温度測定装置とを備える電池モジュールを所定の電気的充電条件によって充電する際の、前記電池積層体の内部圧力および電池温度と充電状態との相関特性を予め用意しておき、前記圧力測定装置によって測定した内部圧力測定値および前記温度測定装置によって測定した電池温度測定値を、前記相関特性と比較して充電状態を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池モジュールの充電状態、特には所定の条件で運転される電車のような車両に搭載される大型の二次電池モジュールの充電状態を、電池の内部圧力に基づいて推定する方法に関する。

従来、主として携帯機器用の電源として使用する充放電可能な種々の二次電池が提案されてきた。さらには、近年、環境への配慮から、自動車や電車などの車両に充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時に生じる回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。このように車両に搭載する二次電池としては、エネルギー密度、負荷変動追従性、耐久性、製造コストなどの諸条件から、例えばニッケル水素二次電池が適しているとされる（特許文献１）。

このような車両、特に、所定の区間を走行する電車のような車両に電池を搭載する場合には、走行区間の途中で停止することのないよう、電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、つまり電池の残容量を正確に推定する必要がある。

従来、二次電池のＳＯＣを推定する方法として、充放電の電流値を積算し、この積算値に基づいて推定する技術が知られている。しかしながら、この方法では、長期間運用すると電流値の検出誤差が蓄積されて、ＳＯＣの推定精度が次第に低下していくという問題がある。

また、ＳＯＣを推定する別の方法として、電池電圧とＳＯＣの相関関係に基づいて推定する技術も知られている。しかしながら、特にニッケル水素二次電池では、ＳＯＣに対する電圧変化が小さい領域が存在し、ＳＯＣを精度よく推定することが困難である。この傾向は、電車のような車両に搭載される電池で一般に使用されるＳＯＣの中間領域（例えば２０〜８０％程度）において特に顕著である。

さらには、電車のような車両に搭載される大型のニッケル水素二次電池では、電極の反応面積が大きく、かつ、電極体の中心部と外周部との温度差も大きいので、電極全体の反応が不均一になりやすい。このため、電池電圧や電池の外表面温度の監視のみによる充電制御では、充電末期に局所的な過充電が起こりやすく、内部圧力上昇による安全弁の作動や充放電サイクル寿命の低下を防ぐことが困難であるという課題があった。

特開２００１−１１０３８１号公報 特開２００５−２９６８２４号公報

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、充電時の電池の内部圧力および電池温度を測定し、その測定値を利用することにより充電状態を高精度で推定する方法、および、当該推定方法を利用することにより、確実に過充電を防止するとともに、電池が搭載される車両が走行区間の途中で停止するのを防止することができる充電方法を提供することである。

前記した目的を達成するために、本発明に係る電池モジュールの充電状態推定方法は、二次電池として構成された複数の単位電池を、互いに電気的に接続し、かつ、その内部を、連通部材を介して互いに連通させてなる電池積層体と、前記電池積層体の内部圧力を測定する圧力測定装置と、前記電池積層体の電池温度を測定する温度測定装置とを備える電池モジュールを所定の電気的充電条件によって充電する際の、該電池モジュールの充電状態を推定する方法であって、前記所定の電気的充電条件における、前記電池積層体の内部圧力および電池温度と充電状態との相関特性を予め用意しておき、前記圧力測定装置によって測定した内部圧力測定値および前記温度測定装置によって測定した電池温度測定値を、前記相関特性と比較して充電状態を算出する。なお、本明細書において「電池積層体の内部圧力」とは、電池積層体を構成する各単位電池が連通した状態での内部圧力を意味する。また、「所定の電気的充電条件」とは、定電流や定電圧などの充電制御方式、および、各制御方式における電流、電圧の各設定値を意味する。

この構成によれば、電圧変動の比較的小さいＳＯＣ領域（２０〜８０％程度）においても、充電に伴って発生するガスに起因する、電池の内部圧力上昇に基づいてＳＯＣを推定するので、精度の高いＳＯＣ推定を行うことができるとともに、大型の電池であっても、電極内の局所的な過充電を防止して、電池性能の劣化を防止することができる。また、ＳＯＣを正確に推定することができるので、電池を搭載した電車のような車両が走行区間の途中で停止することを回避できる。

本発明に係る充電状態推定方法において、前記所定の電気的充電条件が定電流充電を含み、前記定電流制御の充電電流値が、０．１〜１０時間率の範囲内にあるものとしてもよい。ここで、充電電流の時間率（Ｃ）とは、所定の容量を有する電池を１時間で満充電にするために必要な電流値のことであり、例えば、１Ａｈの電池では１Ｃ＝１Ａである。充電電流値をこのように低率の値に設定することにより、充電による電池温度の変化が小さく抑えられるので、より高い精度で充電状態を推定することができる。

本発明に係る上記の充電状態推定方法において、隣接する前記単位電池間に放熱板を介在させ、該放熱板の内部に前記温度測定装置の温度検知部を配置することが好ましい。このように構成することにより、環境温度や冷媒温度の影響を最小限に抑えて、正確かつ安定的に電池温度を検出することができるので、電池温度の影響を受け易い内部圧力値を用いても、高い精度で充電状態を推定することができる。

また、本発明の充電状態推定方法は、例えば、前記単位電池としてニッケル水素二次電池をすることができる。ニッケル水素二次電池は、充電時のＳＯＣ中間領域における電圧の平坦性が顕著である一方、充電時にガス発生によって内部圧力が上昇するので、内部圧力値を利用して高精度な充電状態の推定をするのに特に適している。

また、本発明の充電状態推定方法は、例えば、所定の条件に従って運転される車両に使用される電池モジュールに適用することができる。このような車両、すなわち、例えば所定の区間を所定の時間で走行する電車においては、通常、区間の途中で走行が停止することを防止するために、ＳＯＣの中間領域で充放電を行うが、このような使用条件であっても、内部圧力値を用いて精度の高いＳＯＣ推定を行うことができる。しかも、このような電車においては、ブレーキをかけるパターンもほぼ一定であるので、ブレーキ時に行われる回生充電のような間欠的な充電に対しても、精度の高いＳＯＣ推定を行うことが可能となる。

本発明に係る電池モジュールの充電方法は、上記の充電状態推定方法によって算出した充電状態の推定値に基づいて充電を停止することを含んでいる。充電時のガス発生に起因する内部圧力値を用いて算出したＳＯＣ推定値によって充電の停止制御を行うことにより、確実に過充電を防止して、電池の性能劣化を防止し、安全性を確保することができる。

上記の充電方法は、さらに、前記内部圧力測定値から算出した内部圧力の変化率の値に基づいて充電を停止することを含んでいてもよい。このように構成することにより、内部圧力の測定値に基づいて、過充電をより確実に防止する適切な充電制御を行うことができる。

以上のように、本発明に係る電池モジュールの充電状態推定方法およびこの推定方法を利用した充電方法によれば、充電時の電池の内部圧力および電池温度を測定し、その測定値を利用することにより、充電状態を高精度で推定することができるとともに、当該推定方法を利用することにより、確実に過充電を防止して電池性能の向上を図り、かつ安全性を確保することができる。さらには、正確に充電状態を推定することにより、電池が搭載される車両が走行区間の途中で停止するのを防止することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るＳＯＣ推定システムを含む、電池モジュールおよび充電制御システムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る電池モジュールＢは、電池積層体１、連通部材３、圧力測定装置５、温度測定装置７を主要な構成要素としている。一方、充電制御システムＣＨは、電池モジュールＢで測定された各種パラメータを基に電池モジュールＢのＳＯＣを算出するＳＯＣ算出手段１１、および電池モジュールＢに充電電流を供給する充電手段１３を主要な構成要素としている。

図２は、本実施形態に係る電池モジュールＢを示す概略構成図である。この電池モジュールＢは、例えば、電車に搭載されるものであって、二次電池として構成された単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層した電池積層体１、単位電池Ｃの内部を連通させる連通部材３、電池積層体１の内部圧力を測定する圧力測定装置５、および電池積層体１の電池温度を測定する温度測定装置７を主要な構成要素として備えている。

図３は、図２の単位電池Ｃの構造の一例を示す断面図である。単位電池Ｃは、セパレータ２１と、正極２３および負極２５を含む電極体２７と、電極体２７を電解液とともに収容する角形形状のケーシング２９とを備えている。ケーシング２９は、絶縁素材からなる矩形の枠形部材３１と、枠形部材３１の二つの開口をそれぞれ覆う、導電素材からなる第１蓋部材３３および第２蓋部材３５とから構成されている。ケーシング２９の枠形部材３１の外面には、単位電池Ｃの内部と外部を連通させる連通口３７が設けられている。連通口３７は、連通口３７が設けられている枠形部材３１の一辺にほぼ平行に、枠形部材３１の中央に向かって突出する二又の連通部３７ａを有しており、後述するように、電池モジュールＢの内部圧力測定系統３０の一部を構成している。なお、本実施形態における単位電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素二次電池として構成している。

電極体２７の構造は、特に限定されないが、例えば、複数の正極２３と複数の負極２５とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ２１を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。ケーシング２９の第１蓋部材３３および第２蓋部材３５は、ニッケルめっきを施した鋼板で形成されており、正極２３は第１蓋部材３３に、負極２５は第２蓋部材３５に、それぞれ電気的に接続されている。つまり、第１および第２蓋部材３３，２５は、それぞれ、単位電池Ｃの正極集電体および負極集電体を兼ねている。

電池モジュールＢの内部圧力測定系統３０は、以下のように構成されている。図２に示すように、各単位電池Ｃに設けられた各連通口３７の二又の連通部３７ａのそれぞれが、隣接する単位電池Ｃの連通口３７の連通部３７ａの一方と、内圧測定連通路ＰＭの一部分を形成する、連通部材３である可撓性の連結チューブ５１を介して順次接続されており、末端の単位電池Ｃの一方の連通部３７ａが、内圧測定連通路ＰＭの一部分を形成する、連通部材３である導出チューブ５２に設けられた圧力測定装置５に接続されている。先端の単位電池Ｃの一方の連通部３７ａは、盲栓により閉塞する。これら連通口３７、連結チューブ５１、導出チューブ５２および圧力測定装置５が、電池モジュールＢの内部圧力測定系統３０を構成している。

なお、内圧測定連通路ＰＭの、圧力測定装置５に接続する部分から分岐した端部には、安全弁として動作する圧力調整弁５３が接続されている。圧力調整弁５３としては、例えば、ポペット弁にスプリングを組み合わせたもののほか、一般に用いられている任意の機構を使用することができる。

また、電池モジュールＢの電池積層体１においては、図２に示すように、隣接する単位電池Ｃの間に介在して、放熱板４１，４１Ａが積層されている。単位電池Ｃは、隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材３３と、他方の第２蓋部材３５とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、２つの単位電池Ｃに１つの割合で、放熱板４１（４１Ａ）が介在している。

図４（ａ）に示すように、第１の放熱板４１は、積層方向Ｘに直交する方向に延びる直線状の貫通孔として形成された、冷却用の空気を通すための複数の通風孔４１ａを有している。図２に示すように、この第１放熱板４１が、電池モジュールＢにおいて、隣接する単位セルＣの一方の第１蓋部材３３と他方の第２蓋部材３５との間に介在するように積層されている。放熱板４１は、これら２つの単位電池Ｃを電気的に接続するべく、電気導電性を有する物質、例えば、ニッケルメッキを施したアルミニウム素材で形成されている。なお、図示しないが、電池モジュールＢには、冷却用の送風装置である電動ファンが設置されており、この電動ファンから放熱板４１の通風孔４１ａに冷却空気が送られる。このように単位電池Ｃに隣接させて放熱板４１を設けることにより、電池積層体１の温度上昇が抑制され、温度上昇に伴う電池性能の低下を防ぐことができる。

さらに、電池積層体１の積層方向Ｘの中央付近には、第１放熱板４１に代えて図４（ｂ）に示す第２放熱板４１Ａが配置されており、この第２放熱板４１Ａの内部に、本実施形態における温度測定装置７である熱電対の温度検知部７ａを配置している。具体的には、第２放熱板４１Ａには、第１放熱板４１の複数の通風孔４１ａの１つの孔の下側開口を塞いで形成した温度検知穴４１Ａａが設けられており、この温度検知穴４１Ａａ内の底部付近に、温度検知部７ａが配置されている。電池温度を精度よくかつ遅れなく検出するために、温度検知部７ａは、第２放熱板４１Ａに接触した状態、例えば、温度検知穴４１Ａａの周壁面に接触した状態で配置されていることが好ましい。なお、本実施形態においては、温度検知部７ａの取り付けの便宜を考慮して、温度検知孔４１Ａａを、第２放熱板４１Ａの幅方向中央から外側にずれた位置に設けているが、第２放熱板４１Ａの幅方向中央付近に設けてもよい。

次に、本発明の一実施形態に係るＳＯＣ推定方法について説明する。このＳＯＣ推定方法は、上記で説明した電池モジュールＢのＳＯＣを推定する方法であり、実際の使用環境における電池モジュールの充電条件を模擬した所定の電気的充電条件における、電池積層体１の内部圧力および電池温度と充電状態との相関特性を予め用意したうえで、実際に測定された内部圧力および電池温度の各測定値を上記相関特性と比較してＳＯＣ推定値Ｅを算出するものであり、図５のフロー図に示すように、主に以下のステップ（１）〜（５）で構成されている。
（１）準備段階として、実験などによって、電池モジュールＢの使用環境に応じた充電条件における、電池積層体１（図１）の内部圧力Ｐおよび電池温度ｔと充電状態とを測定して、これらの相関特性Ｓｔ（Ｐ）を用意するステップ。
（２）電池温度測定装置７によって、電池積層体１の電池温度を測定し、温度測定値ｔｉをＳＯＣ算出手段１１へ出力するステップ。
（３）内部圧力測定装置５によって、充電時の電池積層体１の内部圧力を測定し、内部圧力測定値ＰｉをＳＯＣ算出手段１１へ出力するステップ。
（４）ＳＯＣ算出手段１１において、温度測定値ｔｉおよび内部圧力測定値Ｐｉを、予め用意された内部圧力および電池温度と充電状態との相関特性Ｓｔ（Ｐ）と比較して、電池モジュールＢのＳＯＣ推定値Ｅを算出するステップ。
（５）ＳＯＣ算出手段１１で算出されたＳＯＣ推定値Ｅを、充電手段１３およびＳＯＣ表示手段７１へ出力するステップ。

上記（１）〜（５）の各スッテプについて、以下に具体的に説明する。

本実施形態におけるステップ（１）では、実験により図６に示すような相関特性Ｓｔ（Ｐ）を求める。相関特性Ｓｔ（Ｐ）の測定は、電池モジュールＢの、実際の使用における充電条件や環境温度を考慮して、その条件の範囲で行うことが好ましい。本実施形態では、ＳＯＣ３０〜９０％の範囲で、充電電流０．３Ｃの連続的な定電流充電において、相関特性Ｓｔ（Ｐ）を異なる電池温度ｔ_１〜ｔ_４ごとに求める実験を行った。図６には、このようにして求めた各電池温度ｔ_１〜ｔ_４における相関特性Ｓｔ_１（Ｐ）〜Ｓｔ_４（Ｐ）を示している。この実験におけるＳＯＣの測定は、例えば、充電電流値を計測し、これを積算することにより求めることができる。相関特性Ｓｔ（Ｐ）は、テーブル状のマップとして求めてもよく、各測定値から近似的に導き出した数式として求めてもよい。このようにして求めた相関特性Ｓｔ（Ｐ）は、ＳＯＣ算出手段１１内の図示しない記憶手段に記憶される。

なお、電池モジュールＢの電気的充電条件が、連続的な充電に限られない場合、例えば、車両に搭載されて、ブレーキ作動時に回生充電が間欠的に行われるような場合には、模擬的に作成した回生充電のパターンに従って相関特性Ｓｔ（Ｐ）を求めておくことが好ましい。これは、充電時にガスが発生した場合は、充電を停止することにより発生ガスがＨ_２Ｏに戻って内部圧力が下降するので、内部圧力値に対するＳＯＣにヒステリシスが生じるからである。この点において、本実施形態の電池モジュールＢのように、所定の条件、すなわち、所定の区間を所定の時間で走行する電車のような車両に使用される場合には、回生充電の行われるパターンもほぼ一定であるので、そのような条件で求めた相関特性Ｓｔ（Ｐ）を用意しておくことにより、精度の高いＳＯＣ推定を行うことが可能である。

この場合、図７に示すように、ある電池温度ｔにおいて、種々の異なるＳＯＣを初期条件として定電流充電を行い、一定間隔の複数のＳＯＣに対するＳＯＣと内部圧力との各相関特性ｓの集合を実験により求め、これを相関特性Ｓｔ（Ｐ）として使用してもよく、さらには、これら複数の相関特性を平滑化した近似曲線Ｕを算出して、相関特性Ｓｔ（Ｐ）として使用してもよい。

次に、本実施形態に係るステップ（２）では、充電開始時点における図１の電池積層体１の電池温度を測定し、その測定値ｔをＳＯＣ算出手段１１へ出力する。充電電流値を１Ｃ以下、例えば本実施形態のように０．３Ｃのような低率に設定した場合には、充電中の電池温度の変化が小さいので、充電開始時の電池温度測定値ｔｉを使用することで十分精度の良いＳＯＣ測定を行うことができる。また、充電中に電池温度が大きく上昇するような、高率で定電流充電を行うような場合であっても、本実施形態の電池モジュールＢのように、所定の区間を運行する電車のような特定の環境下でのみ使用される場合には、同一の電池温度において充電を開始したときの電池温度の上昇の仕方はほぼ一定であり、したがって電池温度の影響を受ける内部圧力変化の仕方もほぼ一定となるので、精度の高いＳＯＣ推定を行うことが可能である。

本実施形態におけるステップ（３）では、圧力測定装置５によって測定した電池積層体１の内部圧力測定値Ｐｉを、ＳＯＣ算出手段１１に出力する。また、この内部圧力測定値Ｐｉは、必要に応じて、同時に、後述の圧力変化率算出手段に出力するようにしてもよい。

本実施形態におけるステップ（４）では、ＳＯＣ算出手段１１が、温度測定値ｔｉおよび内部圧力測定値Ｐｉを、上記ステップ（１）で用意した相関特性Ｓｔ（Ｐ）と比較することによって、ＳＯＣの推定値Ｅを算出する。このステップ（４）におけるＳＯＣ推定値Ｅの算出手法の最も簡単な例としては、ＳＯＣ算出手段１１は、まず、温度ごとに用意された複数の相関特性Ｓｔ（Ｐ）（本実施形態ではＳｔ_１（Ｐ）〜Ｓｔ_４（Ｐ））から、温度測定値ｔｉに最も近い温度ｔ_２に対応する相関特性Ｓｔ_２（Ｐ）を選択し、次に、この相関特性Ｓｔ_２（Ｐ）を利用して、現在の内部圧力測定値Ｐｉに対応するＳｔ_２（Ｐｉ）をＳＯＣ推定値Ｅとして算出する。

ＳＯＣ算出手段１１におけるＳＯＣ推定値Ｅの算出方法としては、ＳＯＣ推定値Ｅに要求される精度とＳＯＣ算出手段１１に許容されるプログラムサイズやコスト等とのバランスを考慮して、上記で説明したほかにも一般的に用いられている種々の手法を採用することができる。例えば、相関特性として用意したうちで温度測定値ｔｉに最も近い温度ｔ_２と、温度測定値ｔｉとの差が所定の範囲±Δｔ_２である場合には、相関特性としてこのＳｔ_２（Ｐｉ）を用いてＳＯＣ推定値Ｅを算出し、最も近い温度ｔ_２と、温度測定値ｔｉとの差が所定の範囲±Δｔ_２を超える場合には、温度測定値ｔｉの直近の上下２つの温度ｔ_２とｔ_３に対応する各相関特性から求めたＳｔ_２（Ｐｉ）とＳｔ_３（Ｐｉ）との平均値をＳＯＣ推定値Ｅとして算出してもよい。また、最も近い温度に対応する相関特性を選択する代わりに、近傍の温度に対応する２つの相関特性から、線形近似により内挿もしくは外挿補間して求めてもよい。さらには、ステップ（１）において用意する相関特性を、実験で得られた実測値から、内部圧力測定値Ｐｉおよび温度測定値ｔｉの関数Ｓ（ｔ，Ｐ）として用意しておいてもよい。

なお、図１に示すＳＯＣ算出手段１１としては、上記で説明した方法を実行できる装置であれば特に限定されることなく使用することが可能であり、例えば、ＣＰＵおよびメモリ等を備えたマイクロコンピュータによって構成することができる。

最後に、ステップ（５）において、ＳＯＣ推定値ＥをＳＯＣ表示手段および充電手段に出力する。ＳＯＣ表示手段は、ＳＯＣを単にパーセントで表示するものであってもよいが、使用される用途に応じて、他の表示形式とすることもできる。例えば、電池モジュールＢが電車に搭載される場合には、電池の残容量を走行可能距離に換算して表示してもよく、到達可能な駅名を表示してもよい。

さらに、本発明の一実施形態に係る充電方法においては、ＳＯＣ算出手段１１で算出したＳＯＣ推定値Ｅに基づいて、つまり、ＳＯＣ推定値Ｅが所定の値まで上昇した場合に充電を停止する。具体的には、図１の充電制御手段ＣＨにおける充電手段１３は、例えば、図示しない交流電源からの電流を直流電流に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段や、電気的充電条件を制御する定電流制御装置などの通常の充電装置の構成要素に加えて、ＳＯＣ算出手段１１から入力されたＳＯＣ推定値Ｅを所定値と比較して、ＳＯＣ推定値Ｅがこの所定値に達した場合に充電を停止させる比較判定手段を有している。

さらには、充電制御システムＣＨは、圧力測定手段５が測定した内部圧力測定値Ｐｉを利用して内部圧力の変化率を算出する微分器などで構成される圧力変化率算出手段７３を備えていてもよい。圧力変化率算出手段７３で算出した内部圧力の変化率ｄＰ／ｄｔは、電池積層体１の過充電の状態を適切に反映するパラメータであるので、充電を停止するための追加のパラメータとして充電手段１３に出力することができる。

また、圧力変化率算出手段７３で算出した変化率ｄＰ／ｄｔを、ＳＯＣを推定するためのパラメータとして利用することもできる。すなわち、上記で説明した相関特性Ｓｔ（Ｐ）の代わりに、圧力変化率ｄＰ／ｄｔおよび温度ｔと、ＳＯＣとの相関特性Ｓｔ（ｄＰ／ｄｔ）を予め準備しておき、ＳＯＣ算出手段１１が、圧力変化率算出手段７３から出力された算出値ｄＰｉ／ｄｔおよび温度測定装置５から出力された温度測定値ｔｉを相関特性Ｓｔ（ｄＰ／ｄｔ）と比較することにより、ＳＯＣ推定値Ｅを算出してもよい。

上記実施形態に係る電池モジュールＢの充電状態推定方法、およびこの充電状態推定方法を利用した充電方法よれば、以下の効果が得られる。

本実施形態における充電推定方法を適用する電池モジュールＢは、互いに電気的に接続された複数の単位電池Ｃの内部を、連通部材３を介して互いに連通させてなる電池積層体１、電池積層体１の内部圧力を測定する圧力測定装置５、および電池積層体１の電池温度を測定する温度測定装置５を備えているので、充電を行いながら電池積層体１の内部圧力および電池温度を測定することが可能となる。本実施形態に係る充電推定方法では、この電池モジュールＢを、所定の電気的充電条件、つまり電池モジュールＢが実際に使用される場合の充電条件を模擬した条件における、電池積層体１の内部圧力Ｐおよび電池温度ｔと充電状態との相関特性Ｓｔ（Ｐ）を予め用意しておき、圧力測定装置５によって測定した内部圧力測定値Ｐｉおよび温度測定装置７によって測定した電池温度測定値ｔｉを、相関特性Ｓｔ（Ｐ）と比較して充電状態を算出する。

したがって、２０〜８０％程度の、電圧変動の比較的小さいＳＯＣ領域においても、電池の内部圧力値に基づいてＳＯＣを推定するので、精度の高いＳＯＣ推定を行うことができるともに、大型の電池であっても、電極内の局所的な過充電を防止して、電池性能の劣化を効果的に防止することができる。

また、本実施形態に係る充電状態推定方法においては、所定の電気的充電条件が連続的または間欠的な定電流充電であって、定電流制御の充電電流値を、０．１〜１０時間率という低率に設定しているので、充電中の電池温度の上昇を抑えることができ、より高い精度で充電状態を推定することが可能となる。

さらに、本実施形態に係る上記の充電状態推定方法において、隣接する単位電池Ｃ間に介在させた第２放熱板４１Ａに、単位電池Ｃの積層方向Ｘに直交して延びる、下流側開口が塞がれた温度検知穴４１Ａａを設け、この冷却空気の通らない温度検知穴４１Ａａの内方の底部に温度測定装置７の温度検知部７ａを配置している。すなわち、電池積層体１の表面部ではなく、単位電池間の伝熱部材である第２放熱板４１Ａの内部に温度検知部７ａを配置しているので、冷媒温度の影響を最小限に抑えて安定的かつ適切に電池温度を検出することができる。これにより、電池温度の影響を受け易い内部圧力値を用いても、高い精度で充電状態を推定することが可能となる。

特に、本実施形態の電池モジュールＢのような、車両の駆動電源として用いられる大型の電池においては、上述のように、電池積層体１の温度上昇を抑制するために、電動ファンのような冷却装置を設けることが好ましい。この場合、温度検知部７ａを電池積層体１の表面に配置したのでは、電動ファンからの冷却空気の影響を受けて、正確な電池温度検知が困難となる。しかしながら、上記のような構造とすることで、正確な電池温度検出が可能となる。

なお、電池温度をより精度よくかつ遅れなく検出するために、温度検知部７ａは、第２放熱板４１Ａに接触した状態で配置されていることが好ましい。この場合、例えば、温度検知穴４１Ａａにバネのような弾性部材等を充填して、温度検知部７ａが第２放熱板４１Ａに強く接触するようにしてもよい。

また、本発明の充電状態推定方法は、所定の条件に従って運転される車両のような用途に特に適している。このような車両、すなわち、例えば、所定の区間を所定の時間で走行する電車においては、通常、区間の途中で走行が停止することを防止するために、ＳＯＣの中間領域で充放電を行うが、このような使用条件であっても、内部圧力値を用いて精度の高いＳＯＣ推定を行うことができる。しかも、このような電車においては、ブレーキをかけるパターンもほぼ一定であるので、ブレーキ時に行われる回生充電のような間欠的な充電に対しても、精度の高いＳＯＣ推定を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態に係る電池モジュールＢの充電方法では、充電時のガス発生に起因する内部圧力値を用いて算出したＳＯＣ推定値Ｅによって充電の停止制御を行うので、確実に過充電を防止して、電池の性能劣化を防止し、安全性を確保することができる。また、ＳＯＣ推定値Ｅによる充電停止制御に追加して、内部圧力測定値Ｐｉから算出した内部圧力の変化率の値ｄＰｉ／ｄｔに基づいて充電を停止する制御を行う場合には、過充電をより確実に防止することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

本発明の一実施形態に係る、ＳＯＣ推定システムを含む、電池モジュールおよび充電制御システムの概略構成図である。 図１の電池モジュールを示す概略構成図である。 図１の電池モジュールに使用される単位電池の断面図である。 図１の電池モジュールに使用される放熱板を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る充電状態推定方法のフロー図である。 本発明の一実施形態に係る充電状態推定方法に使用する相関特性の例を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る充電状態推定方法に使用する相関特性の他の例を示す特性図である。

符号の説明

１ 電池積層体
３ 連通部材
５ 圧力測定装置
７ 電池温度測定装置
１１ ＳＯＣ算出手段
１３ 充電手段
５１ 連結チューブ（連通部材）
５２ 導出チューブ（連通部材）
Ｃ 単位電池
Ｂ 電池モジュール
ＰＭ 圧力測定通路
Ｓｔ（Ｐ） 相関特性

Claims (7)

1. 二次電池として構成された複数の単位電池を、互いに電気的に接続し、かつ、その内部を、連通部材を介して互いに連通させてなる電池積層体と、
   前記電池積層体の内部圧力を測定する圧力測定装置と、
   前記電池積層体の電池温度を測定する温度測定装置と、
   を備える電池モジュールを所定の電気的充電条件によって充電する際の、該電池モジュールの充電状態を推定する方法であって、
   前記所定の電気的充電条件における、前記電池積層体の内部圧力および電池温度と充電状態との相関特性を予め用意しておき、
   前記圧力測定装置によって測定した内部圧力測定値および前記温度測定装置によって測定した電池温度測定値を、前記相関特性と比較して充電状態を算出する電池モジュールの充電状態推定方法。
2. 請求項１において、前記所定の電気的充電条件が定電流充電を含み、前記定電流制御の充電電流値が、０．１〜１０時間率の範囲内にある充電状態推定方法。
3. 請求項１または２において、隣接する前記単位電池間に放熱板を介在させ、該放熱板の内部に前記温度測定装置の温度検知部を配置する充電状態推定方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記単位電池としてニッケル水素二次電池を用いる充電状態推定方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記電池モジュールが、所定の条件に従って運転される車両に使用される電池モジュールである充電状態推定方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の充電状態測定方法を含む、前記電池モジュールを充電する方法であって、
   前記充電状態測定方法によって算出した充電状態の推定値に基づいて充電を停止することを含む電池モジュールの充電方法。
7. 請求項６において、さらに、前記内部圧力測定値から算出した内部圧力変化率の値に基づいて充電を停止することを含む電池モジュールの充電方法。

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