JP2014139520A

JP2014139520A - 充電率推定装置および充電率推定方法

Info

Publication number: JP2014139520A
Application number: JP2013008169A
Authority: JP
Inventors: Seishi Shirodono; 征志城殿; Kenji Nishigaki; 研治西垣; Takahiro Tsutake; 隆広都竹; Hiroyuki Nomura; 博之野村; Masakiyo Matui; 正清松井
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-31
Also published as: WO2014112181A1

Abstract

【課題】放電後には間欠的に充電を行い、充電後には間欠的に放電を行うことにより分極を早く解消させ、分極が解消したのちの開回路電圧を用いて充電率を推定する充電率推定装置および充電率推定方法を提供する。
【解決手段】電池が放電を終了した後、決められた第１の期間における電池の電圧の傾きを算出する算出部と、第１の期間における傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する判定部と、閾値より傾きが大きいと判定されたとき、電池へ充電をする第２の期間、電池へ充電をさせる充電部と、電池が放電を終了した後または第２の期間の後の第１の期間において、傾きが、閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて充電状態を推定する推定部と、を備える充電率推定装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電率を推定する充電率推定装置および充電率推定方法に関する。

電池の充電率（State Of Charge：ＳＯＣ）を求める方法として、開回路電圧（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）を計測し、計測した開回路電圧を用いて充電率を推定することが知られている。しかし、開回路電圧は分極の影響を受けるため、分極の影響を受けている間は正確に充電率を推定することができない。そのため、正確に充電率を推定するためには電池の分極を解消させなければならない。

そのため、分極が解消するまでに長時間を要する二次電池の場合には、正確に充電率の推定をすることができない時間が長く続くことになる。なお、分極が解消するまでに長時間を要する二次電池として、例えば、ＳｉＯ（一酸化珪素）を負極に用いた二次電池などが知られている。

なお、二次電池の容量を推定する技術として、充電中における二次電池の電圧値と、充電が中断されてから一定時間経過した二次電池の電圧値と、充電電流と、を用いて二次電池の内部抵抗を求め、その内部抵抗に対応する電池容量を求める技術が知られている。特許文献１を参照。

特開２０００−１１６０１３号公報

本発明は、放電後には間欠的に充電を行い、充電後には間欠的に放電を行うことにより分極を早く解消させ、分極が解消したのちの開回路電圧を用いて充電率を推定する充電率推定装置および充電率推定方法を提供することを目的とする。

実施の態様のひとつである充電率推定装置は、電圧計測部、算出部、判定部、充電部、推定部を有している。
電圧計測部は電池の開回路電圧を計測する。

算出部は、電池が放電を終了した後、決められた第１の期間における電池の電圧の傾きを算出する。
判定部は、第１の期間における傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する。

充電部は、閾値より傾きが大きいと判定されたとき、電池へ充電をする第２の期間、電池へ充電をさせる。
推定部は、電池が放電を終了した後または第２の期間の後の第１の期間において、傾きが、閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて充電状態を推定する。

実施の他の態様のひとつである充電率推定装置は、電圧計測部、算出部、判定部、放電部、推定部を有している。
電圧計測部は電池の開回路電圧を計測する。

算出部は、電池が充電を終了した後、決められた第３の期間における電池の電圧の傾きを算出する。
判定部は、第３の期間における傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する。

放電部は、閾値より傾きが大きいと判定されたとき、電池を放電する第４の期間、電池を放電させる。
推定部は、電池が充電を終了した後または第４の期間の後の第３の期間において、傾きが、閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて充電状態を推定する。

実施の形態によれば、分極を早く解消できるとともに精度のよい充電率を推定することができるという効果を奏する。

図１は、充放電装置の一実施例を示す図である。図２は、制御部の一実施例を示す図である。図３は、放電後の休止期間と部分充電期間の一実施例を表す図である。図４は、制御部の動作の一実施例を示す図である。図５は、充電後の休止期間と部分放電期間の一実施例を表す図である。図６は、実施形態２の制御部の動作の一実施例を示す図である。

以下図面に基づいて、実施形態について詳細を説明する。
図１は、充放電装置の一実施例を示す図である。図１の充放電装置１は充電率推定装置を有し、電池２、電圧計測部３、制御部４、記憶部５、充電器６、スイッチＳＷ１、ＳＷ２などから構成される。図１の負荷７は、充放電装置１からの電力を受電して動作する装置である。動作する装置は、例えば、モータなどが考えられる。

なお、充電率推定装置は、電圧計測部３、制御部４、記憶部５、スイッチＳＷ１、ＳＷ２などである。
電池２は二次電池などを用いることが考えられる。二次電池として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池などが考えられる。なお、本例では１つの電池を用いて説明しているが１つに限定されるものではなく、複数の電池を用いてもよい。

電圧計測部３は電池２の電圧を計測する。例えば、電圧計などが考えられる。また、電圧計測部３が計測したデータは制御部４に出力される。
制御部４（コンピュータなど）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）を用いることが考えられる。

記憶部５は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリやハードディスクなどが考えられる。なお、記憶部５にはパラメータ値、変数値などのデータを記録してもよいし、実行時のワークエリアとして用いてもよい。また、制御部４が記憶部を有している場合には記憶部５を用いなくてもよい。

充電器６は、給電装置から電力を受電して電池２に充電するための装置である。
スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、制御部４からの指示により充電と放電と開回路電圧を計測とを切り替えるスイッチで、リレーなどを用いることが考えられる。本例では、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を用いて切り替えをしているが図１の回路に限定されるものではない。

制御部について説明する。
図２は、制御部の一実施例を示す図である。図３は、放電後の休止期間と部分充電期間の一実施例を表す図である。図２の制御部は算出部２０１、判定部２０２、充放電部２０３、推定部２０４などを有している。

算出部２０１は、電池２が放電を終了した後、休止期間（第１の期間）における電池２の電圧の傾きを算出する。休止期間は図３に示す期間ｔ２、ｔ４、ｔ６である。放電期間は図３の期間ｔ１である。

休止期間における電池２の電圧の傾きについて、図３の３０１（楕円）の拡大図３０２に示す期間ｔ６を用いて説明する。傾きは期間ｔ６の始まりの電圧から増加した分の電圧ｄＶと期間ｔ６とを用いて求めることが考えられる。例えば、傾きはｄＶ／ｔ６と表す。または、休止期間のうちの一部の期間とその期間における増加した分の電圧を用いて傾きを求めてもよい。

判定部２０２は、休止期間における算出部２０１で算出した電池２の電圧の傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する。分極が解消した場合には期間ｔ８のように傾きが平らになる。

充放電部２０３は、閾値より傾きが大きいと判定されたとき、電池２の電圧の傾きにより決まる電池２へ充電をする部分充電期間（第２の期間）、充電器６を用いて電池２に充電をさせる。その結果、充電後に間欠的に放電を行うことにより分極を早く解消させることができる。ただし、充放電部２０３は実施形態１においては部分充電を行う充電部だけを備えているだけでもよい。

部分充電期間は図３に示す期間ｔ３、ｔ５、ｔ７である。部分充電期間の長さは休止期間ｔ２、ｔ４、ｔ６において求めた傾きに応じて決まる。部分充電期間の長さと傾きとの関係は、例えば、実験またはシミュレーションなどにより求め、部分充電期間の長さと傾きとを関連付けて記憶部５などに記憶しておくことが考えられる。または、傾きが大きいほど部分充電期間の長さを長くすることも考えられる。または、部分充電期間の長さは一定でも良い。また、部分充電期間の長さは休止期間または休止期間後に演算により求めてもよい。

推定部２０４は、電池２が放電を終了した後または部分充電期間の後の休止期間において、電池２の電圧の傾きが閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて充電状態を推定する。図３に示す期間ｔ８のように分極が解消して傾きが小さくなった開回路電圧を用いて充電状態を推定する。

充電状態の推定は、例えば、開回路電圧（ＯＣＶ）と充電状態（ＳＯＣ）との関係を、実験またはシミュレーションなどにより求め、開回路電圧と充電状態とを関連付けて記憶部５などに記憶する。そして、傾きが閾値以下であると判定されたとき、その休止期間または休止期間後の開回路電圧を用いて、関連する充電状態を選択して充電状態を推定する。また、充電状態は休止期間または休止期間後に演算により求めてもよい。

制御部の動作について説明する。
図４は、制御部の動作の一実施例を示す図である。ステップＳ４０１では、制御部４が放電を完了したか否かを判定し、放電を完了した場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４０２に移行し、放電が完了していない場合（Ｎｏ）には放電が完了するのを待つ。

ステップＳ４０２では制御部４が開回路電圧を取得する。図１の例では、制御部４がスイッチＳＷ１、ＳＷ２に開回路電圧を計測するための指示をし、開回路電圧が計測可能になると電圧計測部３が電池２の電圧を計測し、制御部４に送信する。

ステップＳ４０３で制御部４は休止期間における電圧の傾きを求め、ステップＳ４０４で求めた傾きが決められた閾値より大きいか否かを判定し、大きい場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４０５に移行する。閾値以下の場合（Ｎｏ）にはステップＳ４０７に移行する。

ステップＳ４０５で制御部４は部分充電期間を求め、ステップＳ４０６で制御部４が部分充電期間、充電器６を用いて電池２に充電をさせる。休止期間を一定にする場合、休止期間と部分充電期間の回数ができる限り少なくなる電流を用いて、電池２に充電をする。

なお、電流を一定とする場合、休止期間と部分充電期間の回数ができる限り少なくなる休止期間を毎回求め、求めた休止期間に一定電流で電池２に充電をする。これにより、分極を早く解消できる。ステップＳ４０６の後は、ステップＳ４０２以降を繰り返す。

ステップＳ４０７では、制御部４が開回路電圧を用いて、充電率を推定する。
実施形態１によれば、放電後には間欠的に充電を行い、分極を早く解消できるとともに、分極が解消したのちの開回路電圧を用いて、精度のよい充電率を推定することができるという効果を奏する。

実施形態２について説明する。
実施形態２の制御部について説明する。
実施形態２の制御部は図２に示すように算出部２０１、判定部２０２、充放電部２０３、推定部２０４などを有している。図５は、充電後の休止期間と部分放電期間の一実施例を表す図である。

実施形態２の算出部２０１は、電池２が充電を終了した後、休止期間（第３の期間）における電池２の電圧の傾きを算出する。実施形態２の休止期間は図５に示す期間ｔ１２、ｔ１４、ｔ１６である。充電期間は図５の期間ｔ１１である。

休止期間における電池２の電圧の傾きについて、図５の５０１（楕円）の拡大図５０２に示す期間ｔ１６を用いて説明する。傾きは期間ｔ１６の始まりの電圧から減少した分の電圧ｄＶと期間ｔ１６とを用いて求めることが考えられる。例えば、傾きはｄＶ／ｔ１６と表す。または、休止期間のうちの一部の期間とその期間における減少した分の電圧を用いて傾きを求めてもよい。

実施形態２の判定部２０２は、休止期間における算出部２０１で算出した電池２の電圧の傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する。分極が解消した場合には期間ｔ１８のように傾きが平らになる。

実施形態２の充放電部２０３は、閾値より傾きが大きいと判定されたとき、電池２の電圧の傾きにより決まる電池２へ放電をする部分放電期間（第４の期間）、負荷７または放電用抵抗素子などを用いて電池２を放電させる。その結果、充電後に間欠的に放電を行うことにより分極を早く解消させることができる。ただし、充放電部２０３は実施形態２においては部分放電を行う放電部だけを備えているだけでもよい。

部分放電期間は図５に示す期間ｔ１３、ｔ１５、ｔ１７である。部分放電期間の長さは休止期間ｔ１２、ｔ１４、ｔ１６において求めた傾きに応じて決まる。部分放電期間の長さと傾きとの関係は、例えば、実験またはシミュレーションなどにより求め、部分放電期間の長さと傾きとを関連付けて記憶部５などに記憶しておくことが考えられる。または、傾きが大きいほど部分放電期間の長さを長くすることも考えられる。または、部分放電期間は一定でも良い。また、部分放電期間の長さは休止期間または休止期間後に演算により求めてもよい。

推定部２０４は、電池２が充電を終了した後または部分放電期間の後の休止期間において、電池２の電圧の傾きが閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて電池２の充電状態を推定する。図５に示す期間ｔ１８のように分極が解消して傾きが小さくなった開回路電圧を用いて充電状態を推定する。

制御部の動作について説明する。
図６は、実施形態２の制御部の動作の一実施例を示す図である。ステップＳ６０１では、実施形態２の制御部４が充電を完了したか否かを判定し、充電を完了した場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６０２に移行し、充電が完了していない場合（Ｎｏ）には充電が完了するのを待つ。

ステップＳ６０２では制御部４が開回路電圧を取得する。図１の例では、制御部４がスイッチＳＷ１、ＳＷ２に開回路電圧を計測する指示をし、開回路電圧が計測可能になると電圧計測部３が電池２の電圧を計測し、制御部４に送信する。

ステップＳ６０３で制御部４は休止期間における電圧の傾きを求め、ステップＳ６０４で求めた傾きが決められた閾値より大きいか否かを判定し、大きい場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６０５に移行する。閾値以下の場合（Ｎｏ）にはステップＳ６０７に移行する。

ステップＳ６０５で制御部４は部分放電期間を求め、ステップＳ６０６で制御部４が部分放電期間、負荷７などを用いて電池２を放電させる。休止期間を一定にする場合、休止期間と部分放電期間の回数ができる限り少なくなる電流を用いて、電池２から電流を放電させる。

なお、電流を一定とする場合、休止期間と部分放電期間の回数ができる限り少なくなる休止期間を毎回求め、求めた休止期間に一定電流を電池２から放電させる。これにより、分極を早く解消できる。ステップＳ６０６の後は、ステップＳ６０２以降を繰り返す。

ステップＳ６０７では、制御部４が開回路電圧を用いて、充電率を推定する。
実施形態２によれば、充電後には間欠的に放電を行い、分極を早く解消できるとともに、分極が解消したのちの開回路電圧を用いて、精度のよい充電率を推定することができるという効果を奏する。

また、本発明は、実施形態１、２に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１充放電装置、
２電池、
３電圧計測部、
４制御部、
５記憶部、
６充電器、
７負荷、
２０１算出部、
２０２判定部、
２０３充放電部、
２０４推定部、
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチ、

Claims

電池の開回路電圧を計測する電圧計測部と、
前記電池が放電を終了した後、決められた第１の期間における前記電池の電圧の傾きを算出する算出部と、
前記第１の期間における前記傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する判定部と、
前記閾値より前記傾きが大きいと判定されたとき、前記電池へ充電をする第２の期間、前記電池へ充電をさせる充電部と、
前記電池が放電を終了した後または前記第２の期間の後の前記第１の期間において、前記傾きが、前記閾値以下であると判定されたとき、前記開回路電圧を用いて充電状態を推定する推定部と、
を備えることを特徴とする充電率推定装置。
前記第２の期間は、前記算出部により算出された前記傾きにより決まる、
ことを特徴とする請求項１に記載の充電率推定装置。
前記充電部は、
前記第１の期間が一定であるとき、前記第１の期間と前記第２の期間の回数が最小となる、前記電池へ充電させる電流を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の充電率推定装置。
前記充電部は、
前記電池へ充電させる電流が一定であるとき、前記第１の期間と前記第２の期間の回数が最小となる、前記第１の期間を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の充電率推定装置。
電池の開回路電圧を計測する電圧計測部と、
前記電池が充電を終了した後、決められた第３の期間における前記電池の電圧の傾きを算出する算出部と、
前記第３の期間における前記傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定する判定部と、
前記閾値より前記傾きが大きいと判定されたとき、前記電池を放電する第４の期間、前記電池を放電させる放電部と、
前記電池が充電を終了した後または前記第４の期間の後の前記第３の期間において、前記傾きが、前記閾値以下であると判定されたとき、前記開回路電圧を用いて充電状態を推定する推定部と、
を備えることを特徴とする充電率推定装置。
前記第４の期間は、前記算出部により算出された前記傾きにより決まる、
ことを特徴とする請求項５に記載の充電率推定装置。
前記放電部は、
前記第３の期間が一定であるとき、前記第３の期間と前記第４の期間の回数が最小となる、前記電池を放電させる電流を求めることを特徴とする請求項５または６に記載の充電率推定装置。
前記放電部は、
前記電池を放電させる電流が一定であるとき、前記第３の期間と前記第４の期間の回数が最小となる、前記第３の期間を求めることを特徴とする請求項５または６に記載の充電率推定装置。
コンピュータが、
前記電池が放電を終了した後、決められた第１の期間における前記電池の電圧の傾きを求め、
前記第１の期間における前記傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定し、
前記閾値より前記傾きが大きいと判定されたとき、前記電池へ充電をする第２の期間、前記電池へ充電をさせ、
前記電池が放電を終了した後または前記第２の期間の後の前記第１の期間において、前記傾きが、前記閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて充電状態を推定する、
処理を実行することを特徴とする充電率推定方法。
コンピュータが、
前記電池が充電を終了した後、決められた第３の期間における前記電池の電圧の傾きを算出し、
前記第３の期間における前記傾きが、分極が解消したか否かを判定する閾値より大きいか否かを判定し、
前記閾値より前記傾きが大きいと判定されたとき、前記電池を放電する第４の期間、前記電池を放電させ、
前記電池が充電を終了した後または前記第４の期間の後の前記第３の期間において、前記傾きが、前記閾値以下であると判定されたとき、開回路電圧を用いて充電状態を推定する、
処理を実行することを特徴とする充電率推定方法。