JP2011149726A

JP2011149726A - 充電状態測定装置

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Publication number: JP2011149726A
Application number: JP2010009137A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nakamura; 将司中村; Daisuke Konishi; 大助小西
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】開路電圧−充電状態特性によって充電状態を得るようにしながら、二次電池の充電状態の測定機会を十分に確保できるようにする。
【解決手段】二次電池１ａの充電状態を、開路電圧−充電状態特性と二次電池１ａの電池電圧を測定する電圧測定手段ＶＭの測定情報とに基づいて求める充電状態測定装置において、前記二次電池１ａに流れる電流値が略０となるように充電用電源ＣＢから二次電池１ａへの出力を制御させ、その制御状態での前記電圧測定手段ＶＭの測定情報と、開路電圧−充電状態特性とに基づいて、前記二次電池１ａの充電状態を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の開路電圧−充電状態特性のデータを記憶保持する記憶手段と、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定手段とが備えられ、前記二次電池と、充電用電源と、前記充電用電源から前記二次電池への充電を制御する充電制御手段とを有して負荷に電力を供給する電源システムにおける前記二次電池の充電状態を、前記記憶手段に記憶されている開路電圧−充電状態特性と前記電圧測定手段の測定情報とに基づいて求める充電状態測定装置に関する。

かかる充電状態測定装置は、二次電池の充放電制御等に必要となる充電状態（ＳＯＣ）の値を測定するための装置である。
二次電池のＳＯＣを測定するための手法としては、一般に、下記特許文献１にも記載のような、開路電圧（ＯＣＶ）−充電状態特性を利用してＯＣＶの測定値からＳＯＣを求める手法が良く利用されている。
この開路電圧−充電状態特性によって充電状態を求める手法は、二次電池に流れる電流値を積算することで充電状態を求める手法に比べて、精度良く充電状態を得ることができる点で優れている。

特開２００３−６８３６９号公報

しかしながら、上記従来構成では、二次電池の充電状態を精度良く得ることができるものの、二次電池を有する電源システムの構成態様によっては、充電状態の測定のために必要な情報をなかなか入手できない場合もある。
すなわち、充電状態の測定に利用する開路電圧−充電状態特性は、「開路電圧」の名称通り、二次電池を他の回路部分から切り離した状態で二次電池の電池電圧を測定する必要がある。
この「開路電圧」の測定は、二次電池と直列にスイッチ装置等を備えて、そのスイッチ装置を開き状態として二次電池の電池電圧を測定すれば良いのであるが、通常、そのように強引に二次電池を他の回路部分から切り離すことは困難であり、現実には、二次電池に流れる電流が略０となるのを待って、略０となったときの二次電池の電池電圧を「開路電圧」として得るのが一般的である。
ところが、バッテリシステムによっては、一旦システムが起動してしまうと、二次電池に流れる電流が略０となるような状態がほとんど発生しない場合もある。
そのような場合では、システムが停止している状態か、あるいは、定電流−定電圧充電における充電末期等の非常に限られた状態でしか充電状態を測定できないことになってしまう。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、開路電圧−充電状態特性によって充電状態を得るようにしながら、二次電池の充電状態の測定機会を十分に確保できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、二次電池の開路電圧−充電状態特性のデータを記憶保持する記憶手段と、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定手段とが備えられ、前記二次電池と、充電用電源と、前記充電用電源から前記二次電池への充電を制御する充電制御手段とを有して負荷に電力を供給する電源システムにおける前記二次電池の充電状態を、前記記憶手段に記憶されている開路電圧−充電状態特性と前記電圧測定手段の測定情報とに基づいて求める充電状態測定装置において、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段が備えられ、前記二次電池の充電状態を測定するときに、前記電流検出手段の検出情報に基づいて、前記二次電池に流れる電流値が略０（零）となるように前記充電用電源から前記二次電池への出力を前記充電制御手段に制御させ、その制御状態での前記電圧測定手段の測定情報と、前記記憶手段に記憶されている開路電圧−充電状態特性とに基づいて、前記二次電池の充電状態を求める。

すなわち、充電用電源から二次電池への出力制御において、二次電池に流れる電流を電流検出手段にて検出して、その検出電流値が略０（零）となるようにフィードバックをかけるのである。
この制御は、重ね合わせの原理で考えると、二次電池によってそれの内部抵抗に流れる放電電流を打ち消すだけの充電電流を二次電池の内部抵抗に流すように、充電用電源が二次電池に印加する電圧等を制御する。
この状態では、負荷への電力供給は充電用電源のみによって行われるが、充電用電源の電流供給能力が負荷電流を上回る限り、上記の制御状態が維持される。

もちろん、このような制御では、二次電池に流れる電流の電流値は０（Ａ）から若干ゆらぐことになるが、二次電池の電池電圧の測定値を「開路電圧」としての測定値と見なせる程度には電流値のゆらぎを抑えることができる。
このように制御している状態で、電圧測定手段による二次電池の電池電圧の測定結果を「開路電圧」として得て、記憶手段に記憶されている開路電圧−充電状態特性から充電状態を求める。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記電源システムは、充電器と前記二次電池とが並列に接続されて、それらと並列に接続されている負荷に直流電力を供給するように構成され、前記充電器が、前記充電用電源として前記二次電池へ直流電力を出力するように構成されている。
すなわち、二次電池の充電状態を測定する際に、充電器から二次電池への出力を制御して、二次電池に流れる電流値を略０（Ａ）とする。
この状態で電圧測定手段によって二次電池の電池電圧を測定することで、その測定結果を「開路電圧」として得る。
このようにして得た「開路電圧」と、記憶手段の開路電圧−充電状態特性とから、二次電池の充電状態を求める。

又、本出願の第３の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記電源システムは、発電機からの電力を直流電力に変換すると共に、直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給する電力変換装置と、前記二次電池とが備えられて構成され、前記電力変換装置が、前記充電用電源として前記二次電池へ直流電力を出力するように構成されている。
すなわち、二次電池の充電状態を測定する際に、電力変換装置から二次電池への出力を制御して、二次電池に流れる電流値を略０（Ａ）とする。
この状態で電圧測定手段によって二次電池の電池電圧を測定することで、その測定結果を「開路電圧」として得る。
このようにして得た「開路電圧」と、記憶手段の開路電圧−充電状態特性とから、二次電池の充電状態を求める。

上記第１の発明によれば、充電用電源から二次電池への出力を制御して、二次電池の電池電圧の測定結果を「開路電圧」として扱えるようにすることで、開路電圧−充電状態特性によって充電状態を得るようにしながら、二次電池の充電状態の測定機会を十分に確保できるものとなった。

又、上記第２の発明によれば、充電器と二次電池と負荷とを並列に接続したシステムにおいて、充電器から二次電池への出力を制御して、二次電池の電池電圧の測定結果を「開路電圧」として扱えるようにすることで、開路電圧−充電状態特性によって充電状態を得るようにしながら、二次電池の充電状態の測定機会を十分に確保できるものとなった。

又、上記第３の発明によれば、電力変換装置を介して、発電機の電力で二次電池に充電し、発電機の電力や二次電池の電力を負荷に供給するシステムにおいて、電力変換装置から二次電池への出力を制御して、二次電池の電池電圧の測定結果を「開路電圧」として扱えるようにすることで、開路電圧−充電状態特性によって充電状態を得るようにしながら、二次電池の充電状態の測定機会を十分に確保できるものとなった。

本発明の第１実施形態にかかる概略全体構成図開路電圧−充電状態特性の例示図本発明の第１実施形態にかかるフローチャート本発明の第２実施形態にかかる概略全体構成図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
本第１実施形態の充電状態測定装置は、図１に概略的に示すように、組電池１と充電用電源ＣＢである充電器３とを有して負荷４に電力を供給する電源システムにおいて、組電池１を構成する各単電池１ａの充電状態を測定する装置であり、各単電池１ａを監視する電池監視装置２内の一機能として備えられている。換言すると、電池監視装置２自体が充電状態測定装置として機能している。

本第１実施形態の電源システムでは、組電池１と充電器３が並列に接続され、それらと並列に接続されている負荷４に直流電力を供給する。組電池１は、それの充電状態や負荷４の状態に応じて、充電器３からの供給電力で充電されると共に、負荷４へ電力を供給する。充電器３は組電池１へ充電用の直流電力を出力すると共に、負荷４へも動作用電力を供給する。

本実施の形態では、上記各単電池１ａが二次電池であり、より具体的には、各単電池１ａはリチウムイオン電池であるが、リチウムイオン電池以外にも使用可能である。
電池監視装置２は、組電池１を収納する電池パックＢＰ内に組電池１と電気的に接続された状態で収納されている。
電池パックＢＰ内には、組電池１に（すなわち、各単電池１ａに）流れる電流を検出する電流検出手段ＣＳとして電流センサ５も備えられ、組電池１からの放電電流及び組電池１への充電電流を検出する。

電池監視装置２には、Ａ／Ｄコンバータ等を備えて各単電池１ａの電圧（セル電圧）を測定する電圧測定手段ＶＭである電圧測定部２ａと、電池監視装置２の動作を制御する制御部２ｂと、各単電池１ａの充電状態を測定するために必要となる後述のＯＣＶ−ＳＯＣ特性のデータを記憶保持する記憶手段ＭＭであるメモリ２ｃ等が備えられている。
電池監視装置２は、充電状態測定装置としての機能によって得た充電状態（ＳＯＣ）のデータをもとに、組電池１が適正に動作しているかを監視し、必要に応じて充電器３へ各種の制御信号を送る。

充電器３には、組電池１への充電動作を制御する充電制御部３ａが備えられ、組電池１に対する充電器３の供給電力による充電を制御する充電制御手段ＣＣとして機能する。
本第１実施形態に関連する部分では、充電制御部３ａは、電池監視装置２の制御部２ｂを経て送られてくる電流センサ５の検出信号と、制御部２ｂから指示された電流値とに基づいて、電流センサ５の検出信号に対応する電流値が制御部２ｂから指示された電流値に一致するように、充電器３から組電池１への出力（例えば、電圧）を制御する。

電池監視装置２は、開路電圧（ＯＣＶ）−充電状態特性（以下において、単に「ＯＣＶ−ＳＯＣ特性」と称する場合がある）を用いて、各単電池１ａの開路電圧の測定値から充電状態を測定する。
このＯＣＶ−ＳＯＣ特性は、縦軸に「開路電圧」をとり、横軸に「充電状態」をとった図２のグラフにおいて、曲線Ａにて例示する特性を有しており、このＯＣＶ−ＳＯＣ特性を用いて開路電圧の測定値に対応する充電状態を求めることができる。
このために、メモリ２ｃには、このＯＣＶ−ＳＯＣ特性がデータテーブル化されて記憶保持されている。

次ぎに、電池監視装置２の制御部２ｂによる処理を図３のフローチャートを用いて説明する。
図３の処理は、制御部２ｂの動作上で各単電池１ａの充電状態のデータが必要となったときに適宜に実行される。
先ず、充電器３の充電制御部３ａに対して、組電池１に流れる電流を「０（Ａ）」とするように指示する（ステップ＃１）。
これに伴って、充電制御部３ａは、組電池１に流れる電流値が略０（零）となるように制御する。具体的には、制御部２ｂを経て送られてくる電流センサ５の検出信号が「０（Ａ）」に相当する信号となるように充電器３から組電池１への出力（例えば、電圧）を制御する。
従って、この状態では、充電器３のみが負荷４への電力供給を行う状態となる。

制御部２ｂは、電流センサ５の検出信号が、ほぼ「０（Ａ）」の電流値に相当する信号になったのを確認して（ステップ＃２）、電圧測定部２ａに各単電池１ａの電池電圧を測定させて、その測定結果を「開路電圧」として取り込む（ステップ＃３）。ここで、電流センサ５の検出信号がほぼ「０（Ａ）」の電流値に相当する信号となっているものと判断する電流値の幅は、「開路電圧」の測定精度としてどの程度の精度を必要とするか、換言すると、「充電状態」の測定精度としてどの程度の精度を必要とするかに応じて、任意に設定できるものである。尚、各単電池１ａの電池電圧の測定に代えて、組電池１の電圧を測定しても良い。
上記ステップ＃１での指示に応じて、充電制御部３ａが組電池１に流れる電流を「０（Ａ）」とする制御が安定した状態では、電流センサ５の検出信号は、ステップ＃２の判断で、十分にほぼ「０（Ａ）」と判断できる程度にまで電流値のゆらぎ（リップル）が抑えられている。

このようにして、各単電池１ａの「開路電圧」を取り込むと、メモリ２ｃに記憶しているＯＣＶ−ＳＯＣ特性から、各「開路電圧」に対応する値として各単電池１ａの充電状態を求める（ステップ＃４）。尚、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性は、各単電池１ａ毎に予め求めておくこともできるが、各単電池１ａを同一機種とすることで、単一のＯＣＶ−ＳＯＣ特性を全ての単電池１ａに適用することができる。
各単電池１ａの充電状態を求めると、充電器３の充電制御部３ａに対して、図３の処理を開始する前の制御状態に復帰するように指示して（ステップ＃５）、処理を終了する。

＜第２実施形態＞
次ぎに、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。
本第２実施形態では、電池パックＢＰを、ＨＥＶ（いわゆる、「ハイブリッド自動車」）用の電源として用いた場合について説明する。
本第２実施形態の電源システムは、発電機１３からの電力を直流電力に変換すると共に、直流電力を交流電力に変換して負荷であるモータ１４へ供給する電力変換装置１１と、組電池１とが備えられて構成されている。
電池パックＢＰの構成は、上記第１実施形態と共通であり、図４に示すように、電池パックＢＰ内の組電池１の正負の端子からの出力電圧は、電力変換装置１１へと出力される。

電力変換装置１１は、車両のエンジン１２の駆動力で動作する発電機１３の出力を直流電力に変換する直流電源部１１ａと、直流電源部１１ａや組電池１の直流電力を交流電力に変換して車両走行用のモータ１４へ供給するインバータ部１１ｂと、直流電源部１１ａの動作を制御する充電制御部１１ｃとを備え、充電用電源ＣＢとして、直流電源部１１ａで生成する直流電力を組電池１へ出力する。
上記第１実施形態の図１と対比すると、モータ１４に電力を供給するインバータ部１１ｂが上記第１実施形態の負荷４と対応し、充電制御部１１ｃと直流電源部１１ａとが上記第１実施形態の充電器３と対応している。

本第２実施形態の電池パックＢＰをＨＥＶに搭載する場合では、通常、組電池１を完全放電させることはなく、充電状態が２０％〜８０％の範囲で制御されて、組電池１に電流が流れないというような状態はほとんど存在しない。
このような場合において、上記第１実施形態と同様に、制御部２ｂが、図３に示すフローチャートの処理を実行することで、適宜のタイミングで充電状態を測定することができる。
尚、図３のフローチャートのステップ＃１の指示は、上記第１実施形態では充電器３の充電制御部３ａに対して指示するものであるのに対して、本第２実施形態では、電力変換装置１１の充電制御部１１ｃに対して指示される。充電制御部１１ｃの機能は、上記第１実施形態の充電制御部３ａの機能と全く同一であり、上記第１実施形態と同様に充電制御手段ＣＣとして機能する。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記各実施形態では、組電池１に流れる電流をほぼ「０（Ａ）」とする制御は、充電器３の充電制御部３ａ（第１実施形態）や電力変換装置１１の充電制御部１１ｃ（第２実施形態）が実行する場合を例示しているが、この制御自体も電池監視装置２の制御部２ｂが実行し、充電器３の充電制御部３ａや電力変換装置１１の充電制御部１１ｃは、電池監視装置２の制御部２ｂから指示された通りの出力を組電池１に対して行うように構成しても良い。
（２）上記各実施形態では、二次電池である単電池１ａを複数接続して組電池１とした場合を例示しているが、二次電池は単一の電池のみであっても良いし、複数の単電池１ａで組電池１を構成する場合でも、単電池１ａの個数や接続形態は各種に変更できる。

１ａ二次電池
３充電器
４負荷
１１電力変換装置
１３発電機
ＣＢ充電用電源
ＣＣ充電制御手段
ＣＳ電流検出手段
ＭＭ記憶手段
ＶＭ電圧測定手段

Claims

二次電池の開路電圧−充電状態特性のデータを記憶保持する記憶手段と、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定手段とが備えられ、
前記二次電池と、充電用電源と、前記充電用電源から前記二次電池への充電を制御する充電制御手段とを有して負荷に電力を供給する電源システムにおける前記二次電池の充電状態を、前記記憶手段に記憶されている開路電圧−充電状態特性と前記電圧測定手段の測定情報とに基づいて求める充電状態測定装置であって、
前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段が備えられ、
前記二次電池の充電状態を測定するときに、前記電流検出手段の検出情報に基づいて、前記二次電池に流れる電流値が略０となるように前記充電用電源から前記二次電池への出力を前記充電制御手段に制御させ、
その制御状態での前記電圧測定手段の測定情報と、前記記憶手段に記憶されている開路電圧−充電状態特性とに基づいて、前記二次電池の充電状態を求める充電状態測定装置。
前記電源システムは、充電器と前記二次電池とが並列に接続されて、それらと並列に接続されている負荷に直流電力を供給するように構成され、
前記充電器が、前記充電用電源として前記二次電池へ直流電力を出力するように構成されている請求項１記載の充電状態測定装置。
前記電源システムは、発電機からの電力を直流電力に変換すると共に、直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給する電力変換装置と、前記二次電池とが備えられて構成され、
前記電力変換装置が、前記充電用電源として前記二次電池へ直流電力を出力するように構成されている請求項１記載の充電状態測定装置。