JP2015155859A - 電池残量推定装置、電池パック、蓄電装置、電動車両および電池残量推定方法 - Google Patents

電池残量推定装置、電池パック、蓄電装置、電動車両および電池残量推定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】二次電池の残量を高精度に推定する電池残量推定装置、電池パック、蓄電装置、電動車両および電池残量推定方法を提供する。【解決手段】二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリと、前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路とを備え、前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する。【選択図】図1

Description

本開示は、電池残量推定装置、電池パック、蓄電装置、電動車両および電池残量推定方法に関する。より詳しくは、二次電池の残量を推定する電池残量推定装置、電池パック、蓄電装置、電動車両および電池残量推定方法に関する。
従来から、二次電池の残量を推定する技術が提案されている。例えば、特許文献1では、放電電圧と充放電量との関係を示す放電特性を記憶しておき、この放電特性と算出された積算充放電量とに基づいて現時点から放電終止電圧値までの放電可能容量である現容量を演算する技術が提案されている。
特開2002−295775号公報
二次電池の残量の推定は、二次電池の放電特性の温度および電流への依存性を考慮して高精度に行いたい。
本開示は、二次電池の残量を高精度に推定する電池残量推定装置、電池パック、蓄電装置、電動車両および電池残量推定方法を提供する。
本開示に係る電池残量推定装置は、二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリと、前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路とを備え、前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定するものである。
本開示における「曲線」は、直線部分を一切有しない曲がった線には限定されず、直線と曲線との結合、直線と直線との結合すなわち折れ線、または直線であってもよい。
前記メモリは、前記分極電圧曲線に関する情報として、前記分極電圧曲線の形状を示す複数の代表的なパラメータが記憶され、前記回路は、前記取得された二次電池の電流値及び温度に対応する前記複数の代表的なパラメータに基づいて前記分極電圧曲線を推定する構成であってもよい。
この場合、前記メモリは、前記複数の代表的なパラメータとして、前記分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が小さいとみなされる第1の曲線部分については、放電電流に比例する成分の比例係数及び定数の成分が記憶され、前記分極電圧曲線における前記電圧変化が大きいとみなされる第2の曲線部分については、前記第2の曲線部分を電荷量で微分して得られる形状を示すパラメータが記憶されたものであってもよい。
この場合、前記メモリは、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状を示すパラメータとして、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状の特徴を示すパラメータが記憶されたものであってもよい。
または、前記メモリは、前記分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の容量維持率にも対応付けて記憶されたものであってもよい。
もしくは、前記回路は、推定された前記二次電池の温度変化に基づいて前記残存電力量を推定してもよい。
あるいは、前記回路は、通信によって取得された前記二次電池の電流情報及び温度情報に基づいて前記分極電圧曲線を取得してもよい。
本開示に係る電池パックは、二次電池と、前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリ及び前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路を有する電池残量推定装置とを備え、前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定するものである。
本開示に係る蓄電装置は、二次電池と、前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリ及び前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路を有する電池残量推定装置とを備え、前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する構成であり、接続される電力消費装置に電力を供給するものである。
本開示に係る電動車両は、二次電池と、前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリ及び前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路を有する電池残量推定装置と、前記二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置とを備え、前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定するものである。
本開示に係る電池残量推定方法は、取得された二次電池の電流値及び温度に対応する前記二次電池の分極電圧曲線を、前記二次電池の電流値及び温度に対応付けてメモリに記憶された前記分極電圧曲線に関する情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記二次電池の放電曲線を推定し、前記放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する。
前記電池残量推定方法では、前記二次電池の分極電圧曲線を実測し、実測された前記分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が大きいとみなされる部分を電荷量で微分して得られた形状を直線近似し、直線近似した形状を代表するパラメータを、前記分極電圧曲線に関する情報の一部として前記メモリに記憶させてもよい。
また、前記電池残量推定方法では、前記直線近似した形状を代表するパラメータとして、前記直線近似した形状における端点又は節点に該当するパラメータを記憶させてもよい。
本開示によれば、二次電池の残量を高精度に推定することができる。
本開示の第1の実施形態の電池残量推定装置の構成例を模式的に示すブロック図である。 本開示の第1の実施形態の電池残量推定装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第2の実施形態の電池残量推定装置の構成例としてメモリに記憶されたパラメータを示す模式図である。 本開示の第2の実施形態の電池残量推定装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第2の実施形態の第1の変形例の電池残量推定装置の構成例としてメモリに記憶されたパラメータを示す模式図である。 本開示の第3の実施形態の電池残量推定装置の構成例としてメモリに記憶されたパラメータを示す模式図である。 本開示の第3の実施形態の電池残量推定装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第3の実施形態の第1の変形例の電池残量推定装置の構成例としてメモリに記憶されたパラメータを示す模式図である。 本開示の第4の実施形態の電池残量推定装置の構成例として二次電池の状態ごとの分極電圧曲線の実測結果を示す模式図である。 図9の分極電圧曲線における放電電荷量が大きい部分の拡大図である。 図10の曲線を微分することによって得られた形状を示す模式図である。 図11の形状を直線近似した形状を示す模式図である。 パラメータを示す模式図である。 本開示の第4の実施形態の電池残量推定装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第5の実施形態の電池残量推定装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第6の実施形態の電池残量推定装置の構成例を模式的に示すブロック図である。 本開示の実施形態の蓄電装置の構成例を示すブロック図である。 図17の蓄電装置の電池パックの構成例を示すブロック図である。 本開示の実施例の蓄電装置の動作例において、パラメータに基づいて再現された分極電圧曲線の微分曲線を示すグラフである。 図19のグラフの横軸を容量に換算したグラフである。 図19のグラフに基づいて再現された分極電圧曲線を示すグラフである。 図19のグラフに基づいて推定された放電曲線を示すグラフである。 本開示の実施形態の電動車両の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための好適な形態について図面を参照しながら説明する。以下に説明する複数の実施形態は、本開示の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本開示の範囲が狭く解釈されることはない。また、各実施形態において、互いに対応する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明は省略する。説明は以下の順序で行う。

1.第1の実施形態
(メモリに記憶された分極電圧曲線に関する情報に基づいて放電曲線を推定し、推定された放電曲線に基づいて二次電池の残存電力量を推定する電池残量推定装置の例)
2.第2の実施形態
(分極電圧曲線の形状を示す代表的なパラメータが二次電池の電流値および温度に対応付けてメモリに記憶された電池残量推定装置の例)
3.第2の実施形態の第1の変形例
(分極電圧曲線の形状を示す代表的なパラメータが二次電池の容量維持率に対応付けてメモリに記憶された電池残量推定装置の例)
4.第3の実施形態
(分極電圧曲線における第1の曲線部分については放電電流に比例する成分の比例係数および定数が記憶され、第2の曲線部分については第2の曲線部分を微分することによって得られる形状を示すパラメータが記憶された電池残量推定装置の例)
5.第3の実施形態の第1の変形例
(第2の曲線部分を微分することによって得られる形状の特徴を示すパラメータが記憶された電池残量推定装置の例)
6.第4の実施形態
(実測された分極電圧曲線における電圧変化が大きい部分を微分することによって得られた形状の直線近似形状を代表するパラメータが記憶された電池残量推定装置の例)
7.第5の実施形態
(推定された二次電池の温度変化に基づいて残存電力量を推定する電池残量推定装置の例)
8.第6の実施形態
(通信によって取得された二次電池の電流情報、温度情報及び電圧情報に基づいて残存電力量を推定する電池残量推定装置の例)
9.第7の実施形態
(電池残量推定装置を備える電池パックおよび蓄電装置の例)
10.第8の実施形態
(電池残量推定装置を備える電動車両の例)
<1.第1の実施形態>
[装置の構成例]
図1は、本実施形態の電池残量推定装置10の構成例を模式的に示すブロック図である。図1に示すように、電池残量推定装置10は、メモリ11と回路12とを備える。回路12は、メモリ11に記憶されているデータを読み出し可能とされている。回路12は、メモリ11から読み出したデータを用いて、二次電池2の残量の推定のための処理を実行する構成である。メモリ11の具体的な態様は限定されない。例えば、メモリ11は、ROM(Read Only Memory)などの主記憶装置などであってもよく、または、ハードディスクなどの外部記憶装置などであってもよい。回路12の具体的な態様も限定されない。例えば、回路12は、電子回路を含んでいてもよい。電子回路は、デジタル回路を含んでいてもよい。回路12は、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro-Processing Unit)などのプロセッサなどを備えていてもよい。回路12が実行するプログラムすなわち電池残量推定プログラムは、ROMなどの記憶装置に保存されていてもよい。回路12は、電池残量推定プログラムを実行する際に、RAMなどの記憶装置を作業領域として用いてもよい。電池残量推定プログラムの記憶装置や作業領域用の記憶装置は、回路12に備えられていてもよく、または、回路12とは別個に備えられていてもよい。メモリ11が電池残量推定プログラムを保有する主記憶装置を兼ねる場合も、本開示の範囲内である。二次電池2の種類も限定されず、リチウムイオン二次電池などを採用してもよい。本開示は、正極材料にオリビン型リン酸鉄を用いたリチウムイオン二次電池などのフラットな放電特性を有する二次電池にも有効に適用することができる。
[メモリ11]
メモリ11には、二次電池2の分極電圧曲線に関する情報が、二次電池2の電流値および温度に対応付けて記憶されている。分極電圧曲線に関する情報は、二次電池2の電流値と温度との組み合わせ毎に実測された分極電圧曲線に基づいて取得された情報であってもよい。分極電圧曲線に関する情報は、二次電池2の電流値および温度以外の二次電池2の状態値にも対応付けられていることを除外しない。分極電圧曲線に関する情報は、テーブル形式のデータであってもよい。分極電圧曲線に関する情報は、この情報と、二次電池2の状態値とに基づいて、回路12が分極電圧曲線を再現できる情報であれば具体的な態様は限定されない。分極電圧曲線に関する情報は、放電電荷量の変化にともなう分極電圧の変化の特性を示す情報であってもよい。分極電圧曲線に関する情報は、分極電圧曲線そのものの形状を示す情報であってもよく、または、分極電圧曲線に演算を施すことによって得られる形状を示す情報であってもよい。1つの分極電圧曲線に関する情報の個数は、数個であってもよい。
[回路12]
回路12は、二次電池2の放電曲線に基づいて二次電池2の残存電力量を推定する構成である。回路12は、取得された二次電池2の電流値および温度に対応する分極電圧曲線を、メモリ11内の情報に基づいて取得する構成である。回路12は、取得された分極電圧曲線を、取得された二次電池2の開放電圧(OCV)曲線から減算することで、放電曲線を推定する構成である。回路12は、例えば、推定された放電曲線を、現在の電流積算値から放電終止電圧までの区間について積分することで、二次電池2の残存電力量を算出すなわち推定する構成である。
回路12は、二次電池2の電流値を、二次電池2の充放電回路に配置された電流測定器から取得してもよい。また、回路12は、二次電池2の温度を二次電池2に配置された温度測定器から取得してもよい。
回路12は、開放電圧曲線を、メモリ11に記憶された開放電圧曲線の情報を読み込むことで取得してもよい。この場合、開放電圧曲線の情報は、新品の二次電池2について実測された開放電圧曲線の情報であってもよい。
または、回路12は、開放電圧曲線を、二次電池2の開放電圧を算出することで取得してもよい。この場合、回路12は、二次電池2の電流値0Aの状態における電圧データ(以下、開放電圧データと称する)に基づいて開放電圧を算出してもよい。より具体的には、回路12は、時間をカウントしながら一定時間分の解放電圧データを蓄積し、時間0秒からの電圧降下量を次の数式1でフィッティングしてもよい。
但し、数式1において、tは時間であり、A、Bはフィッティングパラメータである。そして、回路12は、時間0秒のときの電圧からAだけ減じた値を開放電圧の算出値としてもよい。そして、回路12は、算出された開放電圧と現時点の放電容量とを保持することを異なる放電容量毎に繰り返すことで、開放電圧曲線を取得してもよい。このとき、回路12は、開放電圧および放電容量のデータを、互いに対応関係を持たせた状態でメモリ11に保持してもよい。また、放電容量は、電流データ値と前回の電流データの取得時刻からの経過時間との積を、前回算出された放電容量に加算することで算出してもよい。
開放電圧曲線の取得方法は以上に限定されない。例えば、開放電圧を全SOC範囲のうちの或る限られた範囲に亘って算出することで、限られた範囲に亘る開放電圧曲線を取得してもよい。そして、この限られた範囲に亘る開放電圧曲線に対して、予め取得されている二次電池2の正極の開放電圧曲線と負極の開放電圧曲線とを容量方向に相対的に変化させることによって両極の開放電圧曲線の差分をフィッティングさせてもよい。フィッティングは、二次電池2の容量劣化の推定処理の過程として行ってもよい。正極の開放電圧曲線は、二次電池2の正極材料を正極、金属リチウムなどの電荷担体を負極とした第1のコイン型電池に対して所定の放電深度(DOD)の間隔および所定の放電休止時間の間隔による間欠放電を行うことで測定されたものであってもよい。負極の開放電圧曲線は、二次電池2の負極材料を正極、電荷担体を負極とした第2のコイン型電池に対して所定の放電深度の間隔および所定の放電休止時間の間隔による間欠放電を行うことで測定されたものであってもよい。フィッティングは、限られた容量範囲に亘る開放電圧曲線に最も良く当てはまるとみなされる正負極の開放電圧曲線の差分を求めることで行ってもよい。そして、フィッティング後の正負極の開放電圧曲線の差分を、開放電圧曲線の最終的な算出結果としてもよい。この場合、全SOC範囲に亘って開放電圧を直接測定する場合に比較して、開放電圧曲線の取得の所要時間を短縮することができる。
[装置の動作例]
図2は、本実施形態の電池残量推定装置10の動作例を示すフローチャートである。図2に示す動作例は、本開示に係る電池残量推定方法の一実施形態である。ただし、本開示に係る電池残量推定方法は、電池残量推定装置10以外の構成で具現化されてもよい。
図2では、先ず、ステップ1(S1)において、回路12により、二次電池2の電流値および温度を取得する。
次いで、ステップ2(S2)において、回路12により、ステップ1(S1)で取得された電流値および温度に対応する分極電圧曲線に関する情報をメモリ11から読み出し、読み出された分極電圧曲線に関する情報に基づいて分極電圧曲線を取得する。
次いで、ステップ3(S3)において、回路12により、二次電池2の開放電圧曲線を取得する。ステップ3(S3)は、ステップ2(S2)と前後が入れ替わってもよい。
次いで、ステップ4(S4)において、回路12により、ステップ3(S3)で取得された開放電圧曲線からステップ2(S2)で取得された分極電圧曲線を減算することで、二次電池2の放電曲線を算出すなわち推定する。
次いで、ステップ5(S5)において、回路12により、ステップ4(S4)で算出された放電曲線に基づいて二次電池2の残存電力量を算出すなわち推定して、処理を終了する。
本実施形態の電池残量推定装置10によれば、二次電池2の残量として、二次電池2の電荷量[Ah]ではなく、二次電池2の残存電力量[Wh]を推定することで、二次電池2の残量を高精度に推定することができる。
ここで、二次電池の放電が進むにつれて電池電圧が下がることにより、一定電力を消費していくと次第に消費電流が増していく。この結果、満充電状態と放電末期とでは同一の消費電荷量から得られる電力量が異なることになる。このため、仮に、残り電荷量を残量とした場合、放電末期において電力量が急激に減少することになり、意図しない電力不足を招くおそれがある。このような不具合は、電荷量の残量を算出して、ある一定値を残量0として、それ以下は使わないことで回避することも考えられる。しかし、これは、二次電池の持つエネルギーを一部使わないということであり、コストの観点から望ましくない。これに対して、本実施形態では、上述のように残存電力量を推定することで、二次電池の使用可能なエネルギーに制約を課することなく、残量を高精度に推定することができる。
また、電荷量の場合は、満充電時の電荷量と現在の電荷量が分かっていれば残量を算出することが可能であるが、電力量の場合は、満充電時に蓄えられている電力量から今までに負荷が消費した電力量を差し引いても、適正値を算出することができない。この点について、本実施形態では、上述のように、開放電圧曲線から分極電圧曲線を減算することによって放電曲線を推定することで、二次電池2の内部抵抗による電圧降下すなわち分極電圧を考慮して、残存電力量を適正に推定することができる。
また、放電曲線を推定する際に、放電曲線の電流および温度への依存性を考慮しない場合、放電曲線に基づいて推定される残存電力量は精度が悪くなるおそれがある。この点について、本実施形態によれば、二次電池2の残存電力量を、二次電池2の電流値および温度に対応付けられた分極電圧曲線に関する情報に基づいて推定することで、二次電池2の残量を簡便かつ高精度に推定することができる。
<2.第2の実施形態>
[装置の構成例]
本実施形態の電池残量推定装置10は、図1で説明した電池残量推定装置10に対して、メモリ11に記憶されている分極電圧曲線に関する情報の態様が更に特定されている。図3は、本実施形態の電池残量推定装置10の構成例として、メモリ11にテーブル方式で記憶されたパラメータを示す模式図である。
図3に示すように、本実施形態の電池残量推定装置10は、分極電圧曲線に関する情報として、分極電圧曲線の形状を示す複数の代表的なパラメータがメモリ11に記憶されている。具体的には、図3では、或る温度および電流値に対応するパラメータ群(例えば、TおよびIに対応するa、b、p111、p112、p113)は、その温度および電流値に対応する1つの分極電圧曲線の形状を示している。同一の分極電圧曲線に対応するパラメータ群のうち、一部は、温度のみに対応付けられていて、残部は、温度と電流値の双方に対応付けられていてもよい。例えば、図3に示すように、パラメータ群a、b、p111、p112、p113のうち、aおよびbはTのみに対応付けられ、p111〜p113はTおよびIの双方に対応付けられていてもよい。その場合でも、パラメータ群全体すなわち同一の分極電圧曲線に関する情報としてみれば、電流値と温度に対応付けられていると言える。パラメータ群と温度および電流値との対応関係は以上に限定されない。異なる温度または電流値同士の間でパラメータの個数が異なる場合も本開示の範囲内である。パラメータの個数は、分極電圧曲線を再現できるのであれば限定されない。
本実施形態の電池残量推定装置10は、回路12が、取得された二次電池2の電流値および温度に対応する複数の代表的なパラメータに基づいて、分極電圧曲線を推定する構成である。回路12は、二次電池2の電流値および温度に対応するパラメータ群がメモリ11に存在しない場合には、例えば線形補間等の補間処理によって対応するパラメータ群を算出してもよい。
[装置の動作例]
図4は、本実施形態の電池残量推定装置10の動作例を示すフローチャートである。図4に示す動作例は、本開示に係る電池残量推定方法の一実施形態である。
図4の動作例は、図2に対して、ステップ2(S2)の処理が更に特定されている。すなわち、図4では、ステップ2(S2)として、ステップ21(S21)およびステップ22(S22)の一連のステップを実行する。
具体的には、ステップ21(S21)では、回路12により、図2で説明したステップ1(S1)で取得された電流値および温度に対応するパラメータ群をメモリ11から読み出す。
ステップ22(S22)では、回路12により、ステップ21(S21)で読み出されたパラメータ群に基づいて分極電圧曲線を推定する。
本実施形態の電池残量推定装置10によれば、図1の電池残量推定装置10と同様の効果を奏することができ、又は、分極電圧曲線に関するメモリ容量を抑えることができる。
<3.第2の実施形態の第1の変形例>
本変形例の電池残量推定装置10は、図3で説明した電池残量推定装置10に対して、メモリ11に記憶されている分極電圧曲線に関する情報の態様が相違する。
具体的には、図5に示すように、本変形例における分極電圧曲線に関する情報は、二次電池2の電流値および温度だけでなく、更に、二次電池2の容量維持率にも対応付けてメモリ11に記憶されている。具体的には、図5では、或る1つの分極電圧曲線に対応するパラメータ群a11、b11、p1111、p1112、p1113のうち、a11およびb11は、Tおよび容量維持率Rに対応付けられている。一方、p1111〜p1113は、T、I、Rに対応付けられている。メモリ11は、図5のようなテーブルを異なる容量維持率毎に記憶していてもよいが、これに限定されない。
回路12は、取得された二次電池2の容量維持率に対応するパラメータ群をメモリ11から読み出して分極電圧曲線の推定に用いる構成である。容量維持率の取得方法は限定されない。例えば、容量維持率は、完全放電状態からの充電によって充電容量を直接測定することで取得してもよく、または、充放電電流の変化にともなう電池電圧の変化から内部抵抗を測定することで推定してもよい。
本変形例の電池残量推定装置10によれば、図3で説明した電池残量推定装置10と同様の効果を奏することができ、または、二次電池2の劣化状態も加味して分極電圧曲線を再現することができるので、残存電力量をより高精度に推定することができる。
<4.第3の実施形態>
[装置の構成例]
本実施形態の電池残量推定装置10は、図3で説明した電池残量推定装置10に対して、分極電圧曲線の形状を示す複数の代表的なパラメータの態様が更に特定されている。
具体的には、図6に示すように、本実施形態では、分極電圧曲線Cにおける電荷量の変化に伴う電圧変化が小さいとみなされる第1の曲線部分C1については、放電電流に比例する成分の比例係数a及び定数の成分bがパラメータとしてメモリ11に記憶されている。一方、分極電圧曲線Cにおける電荷量の変化に伴う電圧変化が大きいとみなされる第2の曲線部分C2については、第2の曲線部分C2を電荷量で微分することによって得られる形状(以下、微分曲線と称する)C21を示すパラメータp1、p2、p3が記憶されている。パラメータp1〜p3は、横軸を充電率〔%〕、縦軸を分極電圧の電荷量での微分値〔V/Ah〕としたグラフ上の点に該当する。パラメータp1〜p3は、微分曲線C21上の選択された点に該当してもよい。
以下、必要に応じて、第1の曲線部分C1についての放電電流に比例する成分の比例係数a及び定数の成分bを、第1の曲線部分に関するパラメータと称する。また、微分曲線を示すパラメータp1〜p3を、第2の曲線部分に関するパラメータと称する。第1の曲線部分に関するパラメータの個数および第2の曲線部分に関するパラメータの個数は、図6に示したものに限定されない。例えば、第2の曲線部分に関するパラメータは、2個であってもよく、または、4個以上であってもよい。メモリ容量を抑える観点から、分極電圧曲線の再現性を十分に確保できる限度においてパラメータ数を可及的に少なくしてもよい。
[装置の動作例]
図7は、本実施形態の電池残量推定装置10の動作例を示すフローチャートである。図7に示す動作例は、本開示に係る電池残量推定方法の一実施形態である。
図7の動作例は、図4に対して、ステップ22(S22)の処理が更に特定されている。すなわち、図7では、ステップ22(S22)として、ステップ221(S221)〜ステップ225(S225)を実行する。
具体的には、ステップ221(S221)では、第1の曲線部分に関するパラメータについては、ステップ222(S222)の処理に進み、第2の曲線部分に関するパラメータについては、ステップ223(S223)の処理に進む。
ステップ222(S222)では、回路12により、次式にしたがって第1の曲線部分を算出する。
但し、Vは、第1の曲線部分を示す分極電圧である。aは、第1の曲線部分に関するパラメータのうちの放電電流に比例する成分の比例係数である。bは、第1の曲線部分に関するパラメータのうちの定数の成分である。Iは、二次電池2の放電電流値[A]である。
ステップ222(S222)の後は、ステップ225(S225)に進む。
ステップ223(S223)では、回路12により、第2の曲線部分に関するパラメータp1、p2、p3のそれぞれに該当する点を互いに線で繋ぐことで、第2の曲線部分についての微分曲線を再現し、その後は、ステップ224(S224)に進む。
ステップ224(S224)では、回路12により、ステップ223(S223)で再現された微分曲線を積分して第2の曲線部分を再現し、その後は、ステップ225(S225)に進む。
ステップ225(S225)では、回路12により、ステップ222(S222)で算出された第1の曲線部分とステップ224(S224)で算出された第2の曲線部分とを合成することで、分極電圧曲線を再現する。
本実施形態によれば、図3で説明した電池残量推定装置10と同様の効果を奏することができ、または、分極電圧の変化の特性に適合した少数のパラメータを記憶することで、分極電圧曲線を少ないデータ量を以て高い正確性で推定することができる。なお、本実施形態では、第2の曲線部分の再現のために積分を行うが、扱うのは離散的なデータであり、また、加算を繰り返すだけであるので、回路12の演算の負荷は十分に抑えることができる。
<5.第3の実施形態の第1の変形例>
本変形例の電池残量推定装置10は、図6で説明した電池残量推定装置10に対して、第2の曲線部分に関するパラメータの態様が更に特定されている。
具体的には、図8に示すように、本変形例では、第2の曲線部分に関するパラメータp1〜p3が、微分曲線C21の特徴を示すパラメータとされている。微分曲線C21の特徴の具体的態様の一例としては、微分曲線C21の端点、節点または変曲点などを挙げることができる。
本変形例によれば、図6で説明した電池残量推定装置10と同様の効果を奏することができ、または、少ないデータ量での分極電圧曲線の再現の精度および簡便性を向上させることができる。
<6.第4の実施形態>
[装置の構成例]
本実施形態の電池残量推定装置10は、図6で説明した電池残量推定装置10に対して、パラメータの態様が更に特定されている。
本実施形態の電池残量推定装置10は、第2の曲線部分に関するパラメータすなわち分極電圧曲線に関する情報の一部が、実測された二次電池2の分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が大きいとみなされる部分に基づいて決定されたものである。具体的には、第2の曲線部分に関するパラメータは、実測された二次電池2の分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が大きいとみなされる部分を電荷量で微分することによって得られた形状を直線近似した形状を代表するパラメータである。より具体的には、第2の曲線部分に関するパラメータは、当該直線近似した形状における端点又は節点に該当するパラメータである。
[パラメータの決定および記録]
以下、本実施形態の電池残量推定方法におけるパラメータの決定工程および記録工程について説明する。先ず、図9に示すように、或る劣化状態すなわち容量維持率と或る温度の下で、異なる放電電流I、I、I、I(I>I>I>I)毎に分極電圧曲線Cを実測する。図9は、横軸を放電電荷量、縦軸を分極電圧としたグラフである。図9は、横軸を充電率に換算すれば、横軸の左端が充電率100%であり、横軸の値が増加するほど充電率が減少する。
図9の実測結果によれば、分極電圧曲線Cは、低充電率の部分CM2以外は、電流に比例する成分と定数の成分に分離することができる。そこで、本実施形態では、低充電率の部分CM2以外の部分CM1すなわち第1の曲線部分に対応する部分CM1については、電流に比例する成分の比例係数aと定数の成分bとの2パラメータだけをメモリ11に記憶させる。なお、比例係数aは、内部直流抵抗と拡散分極の一部に相当する。定数の成分bは、拡散分極の残りの成分に相当する。
図10は、図9の放電電荷量が大きい部分、すなわち低充電率の部分CM2を拡大したものである。低充電率すなわち放電末期では、拡散分極が急激に増大する。図10に示すように、放電末期における拡散分極の増大は、放電電流が増すほど顕著になり、より高い充電率において拡散分極の増大が示されるようになる。これは、放電電流が増すほど、早い段階で活物質内のリチウム拡散が追いつかなくなり、活物質表面のリチウムが枯渇することが原因と推測される。また、電池の温度が極端に低くなると電解液内のリチウムイオンの拡散係数が小さくなり、正極に近い部分のリチウムイオン濃度が減少するため拡散分極の増大に繋がると推測される。このように、拡散分極は動的な現象であるため、低充電率の場合における分極電圧曲線は、その形状変化の傾向は分かるものの、その形状を数値で示すことは容易ではない。
本開示では、分極電圧の増大が上記のように放電が進むことによって生じることから、分極電圧を放電電荷量で微分することで分極電圧の変化の速度を知ることができることに着目した。分極電圧が変化する速度が急激に上昇すれば、二次電池2のどこかの部分でリチウムやリチウムイオンが枯渇していると言える。従って、分極電圧を放電電荷量で微分した結果は、分極電圧が増大する現象の特徴を捉えたものと言える。具体的には、図11が、図10の分極電圧曲線に示される分極電圧を放電電荷量で微分することで得られた微分曲線CM21であり、図11の微分曲線CM21によれば、分極電圧の増大現象を示す特徴的な形状が見受けられる。そして、この微分曲線CM21を図12のように直線で近似する。図12の4つのグラフCM211は、一般化すると図13に示す形状で表すことができ、パラメータは、グラフCM211の端点または節点に相当する点線で囲った3つの点p1、p2、p3だけとなる。より精緻に近似したい場合はパラメータを増やせばよい。
以上のパラメータa、b、p1、p2、p3を、劣化、温度、電流毎にメモリ11に記憶させる。具体的には、比例係数aおよび定数の成分bは、劣化および温度毎に記憶させればよく、劣化の水準を5つ、温度の水準を5つとすると、25個ずつ記憶させることになる。微分曲線CM21の形状を示す3パラメータp1〜p3は、劣化、電流および温度毎に記憶させる必要があるので、電流4水準に対して100個ずつ記憶させることになる。つまり記憶させる数字は350個で、各々2バイトであれば700バイトあればよいことになる。これにより、放電曲線を電流および温度毎に保有する必要がある場合(例えば、特許文献1など)に比べ、メモリ領域を10分の1以下に抑えることができる。
なお、開放電圧曲線を劣化ごとに記憶させる場合は、開放電圧曲線を20点で表現するとして、劣化5水準に対し100点記憶させておく必要がある。この場合、各点が2バイトのデータの対であれば400バイトの記憶領域が余分に必要になるが、上記700バイトと合わせて1.1キロバイトで済む。
以上のようなパラメータの決定およびメモリ11への記録は、二次電池2および二次電池2の状態(電流、温度、電圧等)の測定器が接続された電子装置などによって自動的に行ってもよいが、これに限定されない。
なお、本実施形態では、パラメータの決定の際に、分極電圧曲線を電荷量で微分したものを直線近似しているが、この場合の誤差は、放電曲線や分極電圧曲線を直線近似した場合の誤差と同等である。具体的には、電荷量を示す変数をx、分極電圧曲線をf(x)とし、ある電荷量x1でのみ誤差が乗った場合を考える。関数g(x)をx=x1でΔf、それ以外で0とした場合、誤差の乗った分極電圧曲線はf(x)+g(x)となる。これは、x=x1においてf(x1)+Δfであり、それ以外ではf(x)である。これを用いて満充電状態において残容量を推定した際の誤差は、積算単位をΔxとしたときにΔxΔfとなる。ここでは、容量を量子化したことによる誤差は無視している。一方、分極電圧曲線を電荷量で微分したf’(x)に同様の誤差を乗せたものはf’(x)+g(x)/Δxとなり、これをxで積分したものはf(x)+∫{g(x)/Δx}dxである。実際には積算を行うので、x=x1においてf(x1)+Δx×Δf/Δx=f(x1)+Δf、それ以外でf(x)となる。よって、満充電状態において残容量を推定した際の誤差は、ΔxΔfになる。従って、電荷量を量子化したことによる誤差を無視すれば、両者の誤差の乗りやすさは同等である。
電荷量を量子化したことによる残容量すなわち取り出し可能な残存電力量の誤差は次のように考えられる。f(x)の単位を[V]とした場合、残容量を[Wh]の分解能で扱う際には、Δxが1Ah未満であれば誤差を無視できる。また、残容量を[mWh]の分解能で扱う際には、Δxが1mAh未満であれば誤差を無視できる。
[装置の動作例]
図14は、本実施形態の電池残量推定装置10の動作例を示すフローチャートである。図14に示す動作例は、本開示に係る電池残量推定方法一実施形態である。なお、本実施形態の電池残量推定方法は、上述のように、電池残量推定装置10の動作以前の工程として、パラメータの決定工程および記録工程を含む。以下の説明は、本実施形態の電池残量推定方法のうち、電池残量推定装置10の動作段階での工程である。
図14の動作例は、図7に対して、ステップ223(S223)の処理が更に特定されている。すなわち、図14では、ステップ223(S223)の具体例として、ステップ2231(S2231)を実行する。具体的には、ステップ2231(S2231)では、回路12により、第2の曲線部分に関するパラメータp1、p2、p3のそれぞれに該当する点を互いに直線で繋ぐことで、微分曲線を再現する。
本実施形態の電池残量推定装置10によれば、図6で説明した電池残量推定装置10と同様の効果を奏することができ、または、パラメータの個数の更なる削減および第2の曲線部分の演算負荷の更なる軽減が可能となる。
<7.第5の実施形態>
[装置の構成例]
本実施形態の電池残量推定装置10は、図1で説明した電池残量推定装置10に対して、分極電圧曲線の推定方法が相違する。具体的には、本実施形態の電池残量推定装置10は、推定された二次電池2の温度変化に基づいて二次電池2の残存電力量を推定する構成である。二次電池2の温度変化は、回路12が推定してもよい。
より具体的には、充放電のスケジュールが明確で、二次電池2の熱伝達率が概ね一定の場合には、二次電池2の電流および温度の時間変化が分かる。回路12は、充放電のスケジュールを入力値として電流および温度の時間変化を推定してもよい。電流の時間変化は、充放電のスケジュールそのものであってもよいが、これに限定されない。温度は、例えば、予め実測された電流と温度との関係を示すデータや、電流、熱伝達率および温度についての関係式を用いた計算などによって推定してもよいが、これに限定されない。回路12は、使用するメモリ11内のパラメータを、推定された温度の時間変化に追従した値となるように変化させてもよい。また、回路12は、使用するメモリ11内のパラメータを、推定された電流の時間変化にも追従した値となるように変化させてもよい。このようなパラメータに基づいて再現される分極電圧曲線は、放電電荷量(横軸)の所定幅の区間毎に互いに異なる温度および電流に対応する分極電圧曲線の部分が配置された曲線すなわち複数の分極電圧曲線の部分を繋ぎ合わせた曲線であってもよい。
[装置の動作例]
図15は、本実施形態の電池残量推定装置10の動作例を示すフローチャートである。図15に示す動作例は、本開示に係る電池残量推定方法一実施形態である。
図15の動作例は、図2に対して、ステップ2(S2)以前の工程が相違する。具体的には、図15では、図2のステップ1(S1)の替わりに、ステップ101(S101)を実行する。また、図15では、図2のステップ2(S2)の具体例として、ステップ201(S201)およびステップ202(S202)の一連の工程を実行する。
ステップ101(S101)では、回路12により、充放電のスケジュールを参照して、二次電池2の電流および温度の時間変化を推定する。充放電のスケジュールは、メモリ11などの記憶装置に記憶させておいてもよい。
ステップ201(S201)では、回路12により、ステップ101(S101)で推定された電流および温度の時間変化に応じたパラメータ群をメモリ11から読み出す。
ステップ202(S202)では、回路12により、ステップ201(S201)で読み出されたパラメータ群に基づいて分極電圧曲線を推定する。
本実施形態の電池残量推定装置10によれば、図1で説明した電池残量推定装置10と同様の効果を奏することができ、または、残存電力量の推定の正確性を更に向上させることができる。
<8.第6の実施形態>
本実施形態の電池残量推定装置10は、図1で説明した電池残量推定装置10に対して、回路12の構成が相違する。具体的には、本実施形態の回路12は、通信によって取得された二次電池2の電流情報および温度情報に基づいて、分極電圧曲線を取得する構成である。
より具体的な構成例を図16に示す。図16に示すように、本実施形態の電池残量推定装置10は、回路12に接続された通信機13を備える。回路12は、通信機13を介して、二次電池2の電流データおよび温度データを通信によって受信する。そして、回路12は、受信された電流データおよび温度データに対応した分極電圧曲線に関する情報をメモリ11から読み出し、読み出された情報に基づいて分極電圧曲線を算出する。なお、回路12は、通信機13を介して二次電池2の電圧データを受信する構成でもよい。この場合、受信された電圧データは、開放電圧曲線の推定などに利用してもよい。
電池残量推定装置10は、二次電池2と離隔された位置に配置されていてもよい。回路12は、ネットワークを介して二次電池2の情報の提供元と通信接続されてもよい。
ネットワークは、外部ネットワーク等であってもよい。外部ネットワークは、インターネット等であってもよい。回路12は、インターネット上のサーバ等であってもよい。回路12による二次電池2の情報の受信形態は限定されず、如何なるルートを経て二次電池2の情報が回路12に受信されようと本開示における電池残量推定装置の範囲内である。通信機13の通信方式等の具体的な態様も限定されず、提供元と通信接続されるあらゆる態様の通信機を採用してもよい。通信機13は、回路12に備えられていてもよい。
二次電池2の情報の提供元は、二次電池2側に設けられた通信機や二次電池2の情報を取得したネットワーク上のコンピュータなどであってもよいが、これらに限定されない。通信接続の確立のトリガも限定されない。例えば、回路12側から提供元に二次電池2の情報を要求し、提供元が要求に応答する構成でもよく、または、常時もしくは定期的に提供元から回路12側に二次電池2の情報が送信される構成でもよい。
本実施形態によれば、図1で説明した電池残量推定装置10と同様の作用効果を奏することができ、または、複数の場所に存在する二次電池2の残量を単一の回路12によって推定することも可能となる。
<9.第7の実施形態>
[蓄電装置700]
図17は、本開示の電池残量推定装置10を蓄電装置700に適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。図17に示すように、蓄電装置700は、本開示の電池残量推定装置10を適用した電池パック710と、AC/DCコンバータ72と、DC/ACインバータ73と、スイッチ74と、連動スイッチ75とを備える。AC/DCコンバータ72の入力端子は、不図示の電源に接続されている。電源は、家庭用の商用電源などであってもよい。AC/DCコンバータ72の第1の出力端子は、スイッチ74の第1の接点741に接続されている。AC/DCコンバータ72の第2の出力端子は、電池パック710の入力端子およびDC/ACインバータ73の第1の入力端子に接続されている。電池パック710の出力端子は、スイッチ74に接続されている。DC/ACインバータ73の第2の入力端子は、スイッチ74の第2の接点742に接続されている。DC/ACインバータ73の出力端子は、連動スイッチ75の接点の第1の対751に接続されている。連動スイッチ75の接点の第2の対752は、電源に接続されている。連動スイッチ75の出力側には、不図示の電力消費装置すなわち負荷が接続される。
電力消費装置は、電子機器であってもよい。電子機器の具体的な態様は限定されず、例えば、ノート型パソコン、PDA(携帯情報端末)、携帯電話、コードレスフォン子機、ビデオムービー、デジタルスチルカメラ、電子書籍、電子辞書、音楽プレイヤー、ラジオ、ヘッドホン、ゲーム機、ナビゲーションシステム、メモリーカード、ペースメーカー、補聴器、電動工具、電気シェーバー、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、電子レンジ、食器洗い器、洗濯機、乾燥器、照明機器、玩具、医療機器、ロボット、ロードコンディショナーおよび信号機などであってもよい。すなわち、蓄電装置700は、定置用であってもよく、または、移動体用であってもよい。
蓄電装置700は、スイッチ74を第2の接点742に接続するとともに連動スイッチ75を接点の第1の対751に接続することで、電池パック710に蓄えられている電力を負荷に供給することができる。このような負荷への電力供給は、計時器などを利用して特定の時間帯(例えば、昼間など)に行ってもよいが、これに限定されない。また、蓄電装置700は、スイッチ74を切断するとともに連動スイッチ75を接点の第2の対752に接続することで、負荷を電源に直結する。これより、電源の電力が負荷に直接供給される。このような電源と負荷との直結は、電池パック710に蓄えられている残電力量が閾値以下となったタイミングで行ってもよいが、これに限定されない。さらに、蓄電装置700は、スイッチ74を第1の接点741に接続するとともに連動スイッチ75を接点の第2の対752に接続することで、電池パック710を充電する。充電は、夜間の時間帯に行ってもよいが、これに限定されない。
スイッチ74、75の動作は、電池パック710が制御してもよく、または、電池パック710以外の制御回路が制御してもよい。スイッチ74、75の具体的な態様は限定されず、例えば、トランジスタなどの半導体スイッチなどであってもよい。
[電池パック710]
図18は、図17の電池パック710の回路構成例を示すブロック図である。図18に示すように、電池パック710は、電池残量推定装置10を含むマイコン711、二次電池2、電流計712、電圧計713、サーミスタ714およびスイッチ715を備える。なお、サーミスタ714は、1つのみを代表的に図示している。
より具体的には、図18の電池パック710には、直列接続された12個の二次電池2が3列並列接続されることによって、合計36個の二次電池2が備えられている。電流計712は、合計3個備えられている。各電流計712は、二次電池2の3つの直列群にそれぞれ直列接続されている。電圧計713も、合計3個備えられている。各電圧計713は、二次電池2の3つの直列群にそれぞれ並列接続可能とされている。具体的には、各電圧計713と各直列群との間には、スイッチ715群が配置されている。そして、スイッチ715のオンおよびオフの切り替えによって、同一直列群内の各二次電池2の電圧を順次測定することが可能となっている。サーミスタ714は、各二次電池2に取り付けられている。各サーミスタ714は、対応する二次電池2の表面温度を測定する。
マイコン711は、電流計712、電圧計713およびサーミスタ714に接続されている。マイコン711には、二次電池2の状態の情報として、電流計712、電圧計713およびサーミスタ714の測定結果が入力される。マイコン711は、二次電池2の状態の入力結果に基づいて、二次電池2の充放電の制御、過充電または過放電の保護および二次電池2の劣化推定などを行うことが可能とされている。
電池残量推定装置10のメモリ11は、各二次電池2の劣化状態を容量維持率として管理している。メモリ11は、各二次電池2の状態を、各二次電池2の電池番号に対応付けて管理してもよいが、これに限定されない。マイコン71は、例えば、劣化推定機能によって開放電圧曲線を推定することが可能となっている。メモリ11は、新品状態の二次電池2の開放電圧曲線を、横軸が充電率、縦軸が開放電圧という形で記憶している。また、メモリ11は、新品状態の二次電池2の電池容量も記憶している。このため、容量維持率との積を充電率100%に対応させることで、横軸が放電電荷量、縦軸が開放電圧という形の開放電圧曲線を得ることができる。
メモリ11は、二次電池2が放電している際の分極電圧曲線の第1の曲線部分に関するパラメータとして、放電電流に比例する成分の比例係数aと定数の成分bを容量維持率と温度毎に記憶している。また、メモリ11は、当該分極電圧曲線の第2の曲線部分に関するパラメータとして、微分曲線を示すパラメータp1、p2、p3を容量維持率と電流と温度毎に記憶している。さらに、メモリ11は、第1の曲線部分と第2の曲線部分との境目となる充電率の値(以下、境界SOC値と称する)を、温度毎に記憶している。
次に、本実施形態の実施例として、図17の蓄電装置700の動作例を説明する。
本実施例では、分極電圧曲線に関するパラメータa、b、p1、p2、p3(図13参照)を、100%、95%、90%、85%、80%の5水準の容量維持率に対応付けてメモリ11に記憶させた。また、本実施例では、当該パラメータを、0.5C、1.0C、1.5C、2.0Cの4水準の放電レート(電流)に対応付けてメモリ11に記憶させた。さらに、本実施例では、当該パラメータを、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃の5水準の温度に対応付けてメモリ11に記憶させた。また、本実施例では、図18に示した合計36個の二次電池2を、容量1500mAhのリチウムイオン二次電池セルとした。各電池セルの容量維持率は、新品の状態で100%である。
本実施例において、蓄電装置700に家電製品を接続して満充電の状態から放電を始めると、マイコン711は、各電流計712の読み値を時間積算していく。充電時は電流の向きが逆になるため、電流積算結果は負の値になる。この電流積算値は満充電状態になったところで強制的にゼロにリセットされる。リセットは、マイコン711が行ってもよいが、これに限定されない。
また、マイコン711は、メモリ11を参照して、現在の各電池セルの容量維持率と温度から、第1の曲線部分に関するパラメータすなわち放電電流に比例する成分の比例係数aと定数の成分bを算出する。同様にして、マイコン711は、容量維持率と温度と電流から、第2の曲線部分に関するパラメータすなわち微分曲線を示す3つのパラメータp1、p2、p3を算出する。また、このとき、マイコン711は、温度に基づいて境界SOC値を算出する。
このとき、例えば、容量維持率100%、温度25℃、放電電流レート0.8Cであった場合、マイコン711は、放電電流に比例する成分の比例係数aと定数の成分bについて、メモリ11における容量維持率100%の部分を参照する。また、マイコン711は、温度20℃と30℃における数値をそれぞれ読み取ってからそれらを線形補完することで、25℃に相当する値を求める。ここで、20℃においてa=78mΩ、b=17mV、30℃においてa=62mΩ、b=10mVとすると、25℃では、a=70mΩ、b=13.5mVと算出される。
また、マイコン711は、微分曲線を示す3個のパラメータp1、p2、p3について、メモリ11における容量維持率100%の部分を参照する。マイコン711は、放電電流レート0.5Cと1.0Cのそれぞれにおける温度20℃と30℃での数値を読み取る。そして、20℃と30℃での値を線形補完することで、25℃に相当する値を0.5Cおよび1.0Cのそれぞれにおいて算出し、さらに、これらの算出値を線形補完することで、0.8Cに相当する値を導く。
ここで、容量維持率100%での放電電流レート0.5Cにおける20℃での3個のパラメータp1〜p3は、そのSOC成分が、[11.3%、6.7%、3.3%]であるとする。また、容量維持率100%での放電電流レート0.5Cにおける30℃での3個のパラメータp1〜p3は、そのSOC成分が、[10.0%、4.0%、3.3%]であるとする。この場合、0.5Cにおける25℃での3個のパラメータp1〜p3のSOC成分は、[10.7%、5.4%、3.3%]となる。
容量維持率100%での放電電流レート1.0Cにおける20℃での3個のパラメータp1〜p3のSOC成分は、[20.0%、10.7%、3.3%]であるとする。また、容量維持率100%での放電電流レート1.0Cにおける30℃での3個のパラメータp1〜p3のSOC成分は、[10.0%、4.0%、3.3%]であるとする。この場合、0.5Cにおける25℃での3個のパラメータp1〜p3のSOC成分は、[15%、7.4%、3.3%]となる。
これらを0.5Cと1.0Cで線形補完して0.8Cに相当する値を計算すると[13.3%、6.6%、3.3%]となる。このうち、3.3%に該当するパラメータについての分極電圧を電荷量で微分した成分(以下、V/Ah成分と称する)は、10V/Ahとする。また、6.6%に該当するパラメータについてのV/Ah成分は、4V/Ahとする。また、13.3%に該当するパラメータについてのV/Ah成分は、0V/Ahとする。これら3つのパラメータが示す3点を直線で繋ぐと、微分曲線を再現することができる。
マイコン711は、境界SOC値については、メモリ11から温度20℃および30℃に対応する数値をそれぞれ読み取り、読み取られた数値を線形補完して25℃に相当する値を算出する。ここで、20℃での境界SOC値を30%、30℃での境界SOC値を20%とすると、25℃に相当する境界SOC値は25%と算出される。
これらの情報から再現された微分曲線が図19である。この電池セルの容量は上述のように1500mAhなので、容量に換算すると図20のようになる。
第1の曲線部分の分極電圧は、70[mΩ]×電流値[A]+13.5[mV]であり、0.8Cは1.2Aであることから、97.5mVと算出される。第2の曲線部分の分極電圧は、再現した微分曲線を積分した結果に97.5mVを加算すればよい。その結果が図21である。この分極電圧曲線を開放電圧曲線から減算して得た推定放電曲線が図22である。
推定放電曲線に対して、現在の電流積算値から放電終止電圧までの区間を積分して得た結果がこの電池セルの残存電力量となる。このようにして残存電力量を推定することができる。電流値や電池の温度が変われば推定放電曲線も変わるため、例えば一分毎に放電曲線を推定していくことが望ましい。
マイコン711は、電流積算をするのと同時に、各電流計712と各電圧計713の読みから各電池セルの内部抵抗を測定していく。そして、劣化推定に十分な情報が得られたところで、容量維持率を算出して記憶する。この結果を上記放電曲線の推定に反映させることで、電池セルの劣化が進んでも精度よく残存電力量を推定することができる。ここで、容量維持率が87%の場合には、マイコン711は、メモリ11内の容量維持率90%の部分を参照して上記計算を行う。続いて、マイコン711は、容量維持率85%の部分を参照して同様の計算を行う。そして、これらを線形補完して容量維持率87%に相当する値を算出することで、劣化した電池セルの残存電力量を推定することができる。
本実施例の計算では、現時点での電流と電池セルの温度が放電終止に至るまで維持される場合の残存電力量が推定される。しかし、充放電のスケジュールが明確で電池の熱伝達率が概ね一定の場合には電流と温度の時間変化が分かるため、時々刻々変化する放電曲線を推定できる。これを用いればより正確な残存電力量を推定することが可能になる。
本実施形態によれば、電池残量推定装置10を備えることで、バッテリ21の残量を高精度に推定することができる電池パックおよび蓄電装置を実現することができる。また、蓄電装置が定置用の場合、運転の予定を立てやすいと言った効果も奏することができる。
<10.第8の実施形態>
図23は、本開示の電池残量推定装置10が適用されるハイブリッド車両800の構成例を概略的に示したブロック図である。ハイブリッド車両800は、本開示の電動車両の一実施形態である。電動車両は、電力消費装置の一態様である。ハイブリッド車両800は、シリーズハイブリッドシステムを採用する。シリーズハイブリッドシステムは、エンジンで動かす発電機で発電された電力を用いて、電力駆動力変換装置によって走行する車である。ハイブリッド車両800は、エンジン801、発電機802、電力駆動力変換装置803、駆動輪804、車輪805、バッテリ21、車両制御装置806、各種センサ807、充電口808および電池残量推定装置10を備える。バッテリ21は、二次電池2の一態様である。
ハイブリッド車両800は、電力駆動力変換装置803を動力源として走行する。電力駆動力変換装置803は、例えばモータであってもよい。バッテリ21に蓄積された電力が電力駆動力変換装置803に放電されることで、電力駆動力変換装置803が作動する。そして、この電力駆動力変換装置803の回転力が、駆動輪804に伝達される。なお、電力駆動力変換装置803としては、交流モータおよび直流モータのいずれも適用可能である。各種センサ807は、車両制御装置806を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度すなわちスロットル開度を制御したりする。各種センサ807には、速度センサ、加速度センサまたはエンジン回転数センサなどが含まれてもよい。
ハイブリッド車両800は、エンジン801の回転力が発電機802に伝えられ、その回転力によって発電機802により生成された電力をバッテリ21に蓄積することが可能である。また、図示しない制動機構によってハイブリッド車両800が減速すると、減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置803に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置803により生成された回生電力をバッテリ21に蓄積することも可能である。さらに、バッテリ21は、ハイブリッド車両800の外部の電源に接続されることで、その電源から充電口808を入力口として供給された電力を蓄積することも可能である。
電池残量推定装置10は、不図示の電流計、温度計および電圧計から取得されたバッテリ21の状態情報に基づいて、バッテリ21の残存電力量を推定する。ハイブリッド車両800は、推定された残存電力量を電池残量として表示する情報処理装置を備えてもよい。
なお、本開示の電動車両は、エンジンとモータの出力をいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータで走行という3つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても有効に適用可能である。さらには、本開示の電動車両は、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する車両に対しても有効に適用可能である。この他にも、電動車両としては、鉄道車両、ゴルフカート、電動カート等を採用してもよい。
本実施形態によれば、電池残量推定装置10を備えることで、バッテリ21の残量を高精度に推定することができる電動車両を実現することができる。また、不意な電欠を未然に回避することができる。
上述の各実施形態および変形例は、これらを適宜組み合わせてもよい。任意の1つの実施形態または変形例中のある構成部を、他の実施形態または変形例に追加したり、他の実施形態または変形例中の構成部と置換したりする場合も、本開示の範囲内である。
各実施形態および変形例に記載された作用効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の作用効果があってもよい。本開示は、各実施形態および変形例に記載された複数の作用効果のいずれか一つを奏すればよい。
また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
(1)二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリと、
前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路と
を備え、
前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する、電池残量推定装置。
(2)前記メモリは、前記分極電圧曲線に関する情報として、前記分極電圧曲線の形状を示す複数の代表的なパラメータが記憶され、
前記回路は、前記取得された二次電池の電流値及び温度に対応する前記複数の代表的なパラメータに基づいて前記分極電圧曲線を推定する構成の(1)記載の電池残量推定装置。
(3)前記メモリは、前記複数の代表的なパラメータとして、前記分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が小さいとみなされる第1の曲線部分については、放電電流に比例する成分の比例係数及び定数の成分が記憶され、前記分極電圧曲線における前記電圧変化が大きいとみなされる第2の曲線部分については、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状を示すパラメータが記憶された(2)記載の電池残量推定装置。
(4)前記メモリは、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状を示すパラメータとして、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状の特徴を示すパラメータが記憶された(3)記載の電池残量推定装置。
(5)前記メモリは、前記分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の容量維持率にも対応付けて記憶された(1)〜(4)のいずれかに記載の電池残量推定装置。
(6)前記回路は、推定された前記二次電池の温度変化に基づいて前記残存電力量を推定する構成の(1)〜(5)のいずれかに記載の電池残量推定装置。
(7)前記回路は、通信によって取得された前記二次電池の電流情報及び温度情報に基づいて前記分極電圧曲線を取得する構成の(1)〜(6)のいずれかに記載の電池残量推定装置。
(8)コンピュータ(回路12)を、
取得された二次電池の電流値及び温度に対応する前記二次電池の分極電圧曲線を、前記二次電池の電流値及び温度に対応付けてメモリに記憶された前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報に基づいて取得する手段、
取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記二次電池の放電曲線を推定する手段、
推定された前記放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する手段、
として機能させるための電池残量推定プログラム。
2 二次電池
10 電池残量推定装置
11 メモリ

Claims (13)

  1. 二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリと、
    前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路と
    を備え、
    前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する、電池残量推定装置。
  2. 前記メモリは、前記分極電圧曲線に関する情報として、前記分極電圧曲線の形状を示す複数の代表的なパラメータが記憶され、
    前記回路は、前記取得された二次電池の電流値及び温度に対応する前記複数の代表的なパラメータに基づいて前記分極電圧曲線を推定する構成の請求項1記載の電池残量推定装置。
  3. 前記メモリは、前記複数の代表的なパラメータとして、前記分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が小さいとみなされる第1の曲線部分については、放電電流に比例する成分の比例係数及び定数の成分が記憶され、前記分極電圧曲線における前記電圧変化が大きいとみなされる第2の曲線部分については、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状を示すパラメータが記憶された請求項2記載の電池残量推定装置。
  4. 前記メモリは、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状を示すパラメータとして、前記第2の曲線部分を電荷量で微分することによって得られる形状の特徴を示すパラメータが記憶された請求項3記載の電池残量推定装置。
  5. 前記メモリは、前記分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の容量維持率にも対応付けて記憶された請求項1記載の電池残量推定装置。
  6. 前記回路は、推定された前記二次電池の温度変化に基づいて前記残存電力量を推定する構成の請求項1記載の電池残量推定装置。
  7. 前記回路は、通信によって取得された前記二次電池の電流情報及び温度情報に基づいて前記分極電圧曲線を取得する構成の請求項1記載の電池残量推定装置。
  8. 二次電池と、
    前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリ及び前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路を有する電池残量推定装置と
    を備え、
    前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する、電池パック。
  9. 二次電池と、
    前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリ及び前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路を有する電池残量推定装置と
    を備え、
    前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する構成であり、接続される電力消費装置に電力を供給する、蓄電装置。
  10. 二次電池と、
    前記二次電池の分極電圧曲線に関する情報が前記二次電池の電流値及び温度に対応付けて記憶されたメモリ及び前記二次電池の放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する構成の回路を有する電池残量推定装置と、
    前記二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と
    を備え、
    前記回路は、取得された前記二次電池の電流値及び温度に対応する前記分極電圧曲線を前記メモリ内の情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記放電曲線を推定する、電動車両。
  11. 取得された二次電池の電流値及び温度に対応する前記二次電池の分極電圧曲線を、前記二次電池の電流値及び温度に対応付けてメモリに記憶された前記分極電圧曲線に関する情報に基づいて取得し、取得された前記分極電圧曲線を取得された前記二次電池の開放電圧曲線から減算することで前記二次電池の放電曲線を推定し、前記放電曲線に基づいて前記二次電池の残存電力量を推定する電池残量推定方法。
  12. 前記二次電池の分極電圧曲線を実測し、実測された前記分極電圧曲線における電荷量の変化に伴う電圧変化が大きいとみなされる部分を電荷量で微分することによって得られた形状を直線近似し、直線近似した形状を代表するパラメータを、前記分極電圧曲線に関する情報の一部として前記メモリに記憶させる請求項11記載の電池残量推定方法。
  13. 前記直線近似した形状を代表するパラメータとして、前記直線近似した形状における端点又は節点に該当するパラメータを記憶させる請求項12記載の電池残量推定方法。
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