JP2012002660A

JP2012002660A - 二次電池装置

Info

Publication number: JP2012002660A
Application number: JP2010137673A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Ashida; 和英芦田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-01-05
Also published as: US20110311850A1; EP2398107A2; EP2398107A3

Abstract

【課題】より正確に二次電池セルの充放電容量を演算する二次電池装置を提供する。
【解決手段】複数の二次電池セルＢＴを含む組電池１０と、二次電池セルＢＴの端子間電圧を測定する電圧測定回路２０と、組電池１０に流れる電流の値を検出する電流検出回路３０と、低電位側電圧基準Ｌ１と高電位側電圧基準Ｈ１とが設定され、端子間電圧が低電位側電圧基準Ｌ１よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準Ｈ１よりも小さいか否かを判断する判断部５２と、判断部５２で、端子間電圧が低電位側電圧基準Ｌ１よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準Ｈ１よりも小さいと判断された場合、電流検出回路３０で検出された電流積算値により二次電池セルＢＴの充放電容量を演算し、端子間電圧が低電位側電圧基準Ｌ１以下あるいは高電位側電圧基準Ｈ１以上であると判断された場合、端子間電圧に対応する充電状態から充放電容量を演算するように構成された充放電容量演算部と、を備える二次電池装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、二次電池装置に関する。

従来の二次電池装置では、二次電池セルの充放電容量を演算する方法として、二次電池セルの正極端子および負極端子間の電圧（以下、端子間電圧という）から推定する方法と、充放電電流を積算する方法とが知られている。端子間電圧から推定する方法は、開放電圧が測定できない場合には採用することができず、充放電容量による電圧変化が少ない場合には採用することができない。また、充放電電流を積算する方法では、積算誤差が累積することで、次第に実際の充放電容量と算出した充放電容量が食い違ってくる場合があった。

特開平０３−２３１１７５号公報特開２００５−４４７０１号公報

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであって、より正確に二次電池セルの充放電容量を推定する二次電池装置を提供することを目的とする。

本発明の態様による二次電池装置は、複数の二次電池セルを含む組電池と、前記複数の二次電池セルの端子間電圧を測定する電圧測定回路と、前記組電池に流れる電流の値を検出する電流検出回路と、低電位側電圧基準と高電位側電圧基準とが設定され、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準よりも小さいか否かを判断する判断部と、前記判断部で、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準よりも小さいと判断された場合、前記電流検出回路で検出された電流積算値により前記二次電池セルの充放電容量を演算し、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準以下あるいは高電位側電圧基準以上であると判断された場合、前記端子間電圧に対応する充電状態から充放電容量を演算するように構成された充放電容量演算部と、を備える。

本発明の一実施形態に係る二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。二次電池セルの充放電特性と電圧基準設定の一例を示す図である。放電電流と充電電流を積算して充放電容量を推定する方法の一例を説明するための図である。二次電池セルの端子開放電圧から充放電容量を演算する方法を説明するための図である。本発明の第１実施形態に係る二次電池装置における充放電容量演算方法の一例を説明するための図である。二次電池セルの充放電特性と電圧基準設定の他の例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る二次電池装置における充電容量演算方法の一例を説明するための図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る二次電池装置について、図面を参照して説明する。

図１に、本実施形態に係る二次電池装置１００の一構成例を概略的に示す。本実施形態に係る二次電池装置１００は、例えばハイブリッド自動車や電動アシスト自転車の走行電源などに使用される二次電池装置である。

二次電池装置１００は、直列に接続された複数の二次電池セルＢＴを含む組電池１０と、二次電池セルＢＴの端子間電圧を測定する電圧測定回路２０と、組電池１０と直列に接続された電流測定用抵抗器３２としてのシャント抵抗器と、組電池１０に流れる電流値を積算する電流積算回路３０と、二次電池セルＢＴの近傍に設置された温度センサＴＳにより温度を測定する温度測定回路４０と、複数の二次電池セルＢＴの充放電容量を演算する充放電容量演算回路５０と、測定値や演算値を送信する通信インタフェース６０と、を備えている。

電圧測定回路２０は、組電池１０を構成する個々の二次電池セルＢＴの電圧を測定し、充放電容量演算回路５０に電圧値を送信する。電圧測定回路２０と組電池１０との間には、複数の電圧測定用配線２２が接続されている。電圧測定用配線２２は、一端が二次電池セルＢＴの正極端子あるいは負極端子に接続され、他端が電圧測定回路２０に接続されている。電圧測定用配線２２には、直列に抵抗器Ｒが取り付けられている。

電流積算回路３０は、組電池１０に直列に接続された電流測定用抵抗器３２の電圧降下を検出することにより、組電池１０の充電電流および放電電流の値を検出し、検出した充電流および放電電流を積算している。電流積算回路３０によって積算された積算値は、充放電容量演算回路５０へ送信される。また、組電池１０に流れる瞬時電流値も充放電容量演算回路５０へ送信される。

温度測定回路４０は、二次電池セルＢＴの近傍に設置された温度センサＴＳから二次電池セルＢＴの温度を検出する。温度測定回路４０は、検出した電池の温度値を充放電容量演算回路５０に送信する。

充放電容量演算回路５０は、各二次電池セルＢＴの端子間電圧値、瞬時電流値、電池温度値から、二次電池セルＢＴの充放電容量を演算する。充放電容量演算回路５０は、端子間電圧が設定された電圧基準と比較する判断部５２と、判断部５２での比較結果に応じた方法で充放電容量を演算する充放電容量演算部５４を、例えば充放電容量を演算するためのデータテーブルあるいは演算式と、演算された充放電容量とを記録するメモリ５６と、を備えている。充放電容量演算回路５０は、演算された充放電容量を通信インタフェース６０に送信する。通信インタフェース６０は、充放電容量を外部機器７０へ送信可能に構成されている。

図２に、二次電池セルＢＴの充放電特性と、判断部５２で用いられる電圧基準との一例を示す。図２では、横軸を充電状態（ＳＯＣ：state of charge）（％）とし、縦軸を電圧として二次電池セルＢＴの充放電特性を示している。

充放電容量演算回路５０の判断部５２には、二次電池セルＢＴの充放電特性に示される低電位側の基準Ｌ１（Ｖ）と、高電位側の基準Ｈ１（Ｖ）との少なくとも２つの電圧基準値が設定されている。判断部５２は、電圧測定回路２０から受信した端子間電圧の値が、基準Ｌ１（Ｖ）より大きく、基準Ｈ１（Ｖ）より小さいか否か判断するように構成されている。

充放電容量演算部５４は、判断部５２で、端子間電圧の値が基準Ｌ１（Ｖ）より大きく、基準Ｈ１（Ｖ）より小さいと判断された場合には、充放電電流の積算値を使用して充放電容量を演算するように構成されている。充放電容量演算部５４は、判断部５２で、端子間電圧の値が基準Ｌ１（Ｖ）以下あるいは、基準Ｈ１（Ｖ）以上であると判断された場合には、端子間電圧を使用して充放電容量を演算するように構成されている。

二次電池セルＢＴの端子間電圧が、基準Ｌ１（Ｖ）と基準Ｈ１（Ｖ）との間である場合には、図２に示す充放電特性の傾きが小さい。すなわち、端子間電圧が、基準Ｌ１（Ｖ）と基準Ｈ１（Ｖ）との間である場合には、充電状態に対する端子間電圧の変化が小さい領域である。

例えば、必要な充放電容量の検出分解能をＡ（％）、電圧測定回路２０の電圧分解能をＲ（Ｖ）とすると、二次電池セルＢＴの充放電特性における充放電容量に対する端子間電圧の変化率ｄ（Ｖ／％）が、｜Ａｄ｜≧Ｒを満足する点の端子間電圧を使用して、低電位側の基準Ｌ１（Ｖ）と，高電位側の基準Ｈ１（Ｖ）を設定する。

このように電圧基準Ｌ１、Ｈ１を設定することで、電圧測定回路２０が精度良く端子間電圧の変化を測定できる領域では、端子間電圧を使用して充放電容量を演算し、それ以外の領域では充放電電流の積算値を使用して充放電容量を演算するようにすることができる。したがって、上記のように電圧基準Ｌ１、Ｈ１を設定することで、より正確な充放電容量を演算することが可能になる。

図５に、上記二次電池装置１００の充放電容量演算回路５０の動作の一例を説明するためのフローチャートを示す。

充放電容量演算回路５０は、電圧測定回路２０から二次電池セルＢＴの端子間電圧を受信すると（ステップＳＴＡ１）、二次電池セルＢＴの端子間電圧が、基準Ｌ１（Ｖ）より大きく、かつ、基準Ｈ１（Ｖ）より小さいか否かを判断する（ステップＳＴＡ２）。

二次電池セルＢＴの端子間電圧が、基準Ｌ１（Ｖ）より大きく、かつ、基準Ｈ１（Ｖ）より小さい場合には、充放電容量演算回路５０は、電流積算回路３０から供給される電流積算値により、充放電容量を演算する（ステップＳＴＡ３）。

図３に、放電電流および充電電流を積算して充電容量および放電容量を推定する方法を説明するための図を示す。図３は、横軸を時間とし、縦軸を放電電流および充電電流として、組電池１０に流れる電流の時間変化の一例を示している。

充放電容量演算回路５０は、例えば組電池１０が放電されているときには放電電流を積算し、組電池１０が充電されているときには充電電流を積算して、二次電池セルＢＴの充電容量および放電容量を演算する。

二次電池セルＢＴの端子間電圧が、基準Ｌ１（Ｖ）以下、あるいは、基準Ｈ１（Ｖ）以上である場合には、充放電容量演算回路５０は、二次電池セルＢＴの端子間電圧値、瞬間電流値、および、温度値から二次電池セルＢＴの充放電容量を演算する（ステップＳＴＡ４）。

図４に、二次電池セルＢＴの端子開放電圧から充放電容量を演算する方法を説明するための図を示す。図４は、横軸を充電状態（％）とし、縦軸を二次電池セルＢＴの端子間電圧（Ｖ）として、端子間電圧と充電状態との関係の一例を示している。

充放電容量演算回路５０は、受信した二次電池セルＢＴの端子間電圧値に対応する充電状態の値を演算して、充放電容量を演算する。充放電容量演算回路５０は、端子間電圧値から求めた充電状態を、瞬間電流値、および、温度値に基づいて補正して、瞬間電流値や温度値を加味した充放電容量を演算するように構成されてもよい。また、充放電容量演算回路５０は、複数の端子間電圧値に対応する充放電容量の値を格納したデータテーブルにより、充放電容量を演算するように構成されていてもよい。

続いて、充放電容量演算回路５０は、演算された充放電容量の値をメモリに記録するとともに、通信インタフェース６０へ送信する（ステップＳＴＡ５）。

例えば、二次電池セルＢＴの端子間電圧の変化が少ない、基準Ｌ１＜端子間電圧＜基準Ｈ１を満たす範囲で、例えば図４に示すような端子間電圧値と充電状態との関係により、充放電容量を演算すると、端子間電圧値に誤差が含まれていた場合に、正確な充電状態を演算することが困難であることがある。

これに対し、上記のように、充放電容量を演算すると、二次電池セルＢＴの端子間電圧の変化が少ない、基準Ｌ１＜端子間電圧＜基準Ｈ１を満たす範囲では、充放電電流を積算することで電池の充放電容量を演算するため、端子間電圧値に誤差が含まれていた場合でも、より正確な充放電容量を演算することが可能となる。

また、端子間電圧値が基準Ｌ１以下、あるいは、端子間電圧値が基準Ｈ１以上である場合には、端子間電圧値等から充放電容量を演算することにより、電流値の積算誤差等を含まない、より正確な充放電容量を演算することが可能となる。

すなわち、本実施形態に係る二次電池装置によれば、より正確に二次電池セルの充放電容量を推定する二次電池装置を提供することが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態に係る二次電池装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態に係る二次電池装置と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る二次電池装置は、充放電容量演算回路５０の判断部５２に、低電位側の基準Ｌ２（Ｖ）と、高電位側の基準Ｈ２（Ｖ）とがさらに設定されている。基準Ｌ２（Ｖ）は、基準Ｌ１（Ｖ）よりも小さい値である。基準Ｈ２（Ｖ）は、基準Ｈ１（Ｖ）よりも大きい値である。本実施形態では、基準Ｌ２（Ｖ）は充電状態が０（％）であるときの端子間電圧であって、基準Ｈ２（Ｖ）は充電状態が１００（％）であるときの端子間電圧である。

図２に示す二次電池セルＢＴの充放電特性において、二次電池セルＢＴの充放電容量が特に大きい部分や特に小さい部分では、充放電容量に対する二次電池セルＢＴの端子間電圧の変化率が大きくなる。したがって、端子間電圧が特に大きい部分や特に小さい部分では、端子間電圧から正確に充放電容量を演算することが可能である。

そこで、本実施形態の二次電池装置１００では、電圧基準Ｌ１、Ｈ１よりも更に低電位側の基準Ｌ２（Ｖ）と高電位側の基準Ｈ２（Ｖ）との２レベルの電圧基準を設定して、二次電池セルＢＴの端子間電圧が、基準Ｌ２よりも小さいとき、または、基準Ｈ２よりも大きいときに、電流積算値を修正して二次電池セルＢＴの充放電容量を初期化するように構成されている。

充放電容量演算回路５０が端子間電圧の値を受信すると（ステップＳＴＢ１）、判断部５２は、電圧測定回路２０から受信した端子間電圧値が基準Ｌ１（Ｖ）より大きく基準Ｈ１（Ｖ）より小さいか否かを判断する（ステップＳＴＢ２）。

判断部５２が、端子間電圧値が基準Ｌ１（Ｖ）より大きく基準Ｈ１（Ｖ）より小さいと判断した場合、充放電容量演算部５４は電流積算値により充放電容量を演算する（ステップＳＴＢ３）。

判断部５２が、端子間電圧値が基準Ｌ１（Ｖ）以下あるいは基準Ｈ１（Ｖ）以上であると判断した場合、判断部５２は端子間電圧が基準Ｌ２（Ｖ）より小さい、あるいは、基準Ｈ２より大きいか否かをさらに判断する（ステップＳＴＢ４）。

判断部５２が、端子間電圧が基準Ｌ２（Ｖ）より小さい、あるいは、基準Ｈ２より大きいと判断した場合、充放電容量演算部５４は、端子間電圧により充放電容量を演算する（ステップＳＴＢ６）。続いて、充放電容量演算部５４は、演算した充放電容量によって、電流積算値の値を修正して初期化を行う（ステップＳＴＢ７）。

判断部５２が、端子間電圧が基準Ｌ２（Ｖ）以上、あるいは、基準Ｈ２以下であると判断した場合、充放電容量演算部５４は、端子間電圧により充放電容量を演算する（ステップＳＴＢ５）。続いて、充放電容量演算部５４は、演算した充放電容量を通信インタフェース６０へ送信する（ステップＳＴＢ８）。

上記のように、電圧基準Ｌ２、Ｈ２をさらに設定して、端子間電圧が特に大きいときあるいは特に小さいときに充放電容量を初期化することによって、充放電電流の積算による誤差の影響を抑制して充放電容量を演算することができる。したがって、本実施形態に係る二次電池装置１００によれば、より正確に二次電池セルの充放電容量を推定する二次電池装置を提供することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

ＢＴ…二次電池セル、Ｌ１…低電位側電圧基準、Ｈ１…高電位側電圧基準、Ｌ２…第２低電位側電圧基準、Ｈ２…第２高電位側電圧基準、１０…組電池、２０…電圧測定回路、３０…電流積算回路、３２…電流測定用抵抗器、４０…温度測定回路、５０…充放電容量演算回路、５２…判断部、５４…充放電容量演算部、５６…メモリ、６０…通信インタフェース、７０…外部機器、１００…二次電池装置。

Claims

複数の二次電池セルを含む組電池と、
前記複数の二次電池セルの端子間電圧を測定する電圧測定回路と、
前記組電池に流れる電流の値を検出する電流検出回路と、
低電位側電圧基準と高電位側電圧基準とが設定され、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準よりも小さいか否かを判断する判断部と、
前記判断部で、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準よりも小さいと判断された場合、前記電流検出回路で検出された電流積算値により前記二次電池セルの充放電容量を演算し、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準以下あるいは高電位側電圧基準以上であると判断された場合、前記端子間電圧に対応する充電状態から充放電容量を演算するように構成された充放電容量演算部と、を備える二次電池装置。
前記判断部は、前記低電位側電圧基準よりも小さい第２低電位側電圧基準と、前記高電位側電圧基準よりも大きい第２高電位側電圧基準とがさらに設定され、前記端子間電圧が前記低電位側電圧基準よりも大きく、かつ、高電位側電圧基準よりも小さい場合に、前記端子間電圧が、前記第２低電位側電圧基準より小さい、あるいは、前記第２高電位側電圧基準より大きいか否かを判断するように構成され、
前記充放電容量演算部は、前記判断部で、前記端子間電圧が、前記第２低電位側電圧基準より小さい、あるいは、前記第２高電位側電圧基準より大きいと判断された場合に、前記端子間電圧に対応する充電状態により電流積算値を初期化するように構成されている請求項１記載の二次電池装置。
前記第２低電位側電圧基準は充電状態が０（％）であるときの端子間電圧であって、前記第２高電位側電圧基準は充電状態が１００（％）であるときの端子間電圧である請求項２記載の二次電池装置。
前記低電位側電圧基準および前記高電位側電圧基準は、充放電容量の検出分解能をＡ（％）、前記電圧測定回路の電圧分解能をＲ（Ｖ）としたとき、前記二次電池セルの充放電特性の充放電容量に対する端子間電圧の変化率ｄ（Ｖ／％）が｜Ａｄ｜＝Ｒであるときの端子間電圧である請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の二次電池装置。