JP2017032294A - 二次電池の充電率推定方法、充電率推定装置、及び健全度推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充放電電流遮断後に、充電率を変化させずに短時間で開回路電圧を取得でき、充電率推定の頻度を増加させ、充電率の管理精度を向上できる二次電池の充電率推定方法、充電率推定装置、及び健全度推定装置を提供する。
【解決手段】二次電池の入出力回路における充放電電流遮断後に、前記二次電池の分極緩和時間を短縮する処理を行い、その後、前記二次電池の開回路電圧が一定と判定されたとき、前記開回路電圧に基づいて前記二次電池の充電率を推定する二次電池の充電率推定方法において、前記分極緩和時間短縮処理は、前記入出力回路と並列の短縮処理回路に前記二次電池から単発放電と単発充電を連続して行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の充電率推定方法、充電率推定装置、及び健全度推定装置に関し、さらに詳しくは、二次電池を搭載した電動車両等のバッテリー管理システムに関するものである。

リチウムイオン電池等の二次電池を搭載したＥＶやＨＥＶなどの車両では、二次電池の充電率（State of charge：ＳＯＣ）や健全度（State of health：ＳＯＨ）を把握し、走行に支障がないよう管理することが求められる。これらの機能はバッテリマネジメントユニット（Battery management unit：ＢＭＵ）によって実施される。二次電池の充電率（ＳＯＣ）を推定する方法としては、電流積算法とＯＣＶ−ＳＯＣ法が公知である。

電流積算法は、充放電時の電流積算値と初期残量の和を放電容量で除算してＳＯＣを算出する方法である。車両走行中でも実施可能であるが、長時間の運用では、電流センサの計測誤差が蓄積し、ＳＯＣの算出誤差が大きくなる問題がある。また、電流の出入りを測定しているため、自己放電分は反映できないことに加えて、劣化により低下する電池容量を測定できないので、電池の劣化によってもＳＯＣの算出誤差を生じる問題がある。

ＯＣＶ−ＳＯＣ法は、二次電池の開回路電圧（Open circuit voltage：ＯＣＶ）を測定し、予め取得しておいたＯＣＶ−ＳＯＣ特性からＳＯＣを求める方法である。しかし、車両走行中にはＯＣＶを測定できないので、車両停止時に電流積算法の誤差を補正する目的で利用されていた。さらに、ＯＣＶは二次電池の分極の影響を受けるため、分極が緩和されるまでは正確に充電率を推定することはできず、車両走行（電池の充放電）の終了後、分極緩和のための待機時間を必要とした。

この待機時間が長時間に及ぶ場合、短時間停車時にはＯＣＶを取得できないので、夜間の長時間駐車時等に利用が限定されることに加えて、待機時間の間はＢＭＵを駆動させておく必要があるため、その分、電力を消耗する問題があった。そこで、二次電池の分極緩和時間を短縮させるために、いくつかの方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、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方法が開示されている。しかしながら、この方法は、充放電終了時の電流と逆極性の電流を印加するので、ＳＯＣが変化してしまう問題がある。放電電流印加の場合、ＳＯＣが減少するので、ＥＶ用電池に適用した場合、走行可能距離が短くなってしまうし、回生等で蓄えた電力を無駄に消耗することになる。一方、充電電流印加の場合は、ＳＯＣが増加するので、ＨＥＶ用電池ではＳＯＣ使用範囲を超えてしまう虞がある。

また、特許文献２には、充電により分極したバッテリーを減極するために、間欠的に放電を繰り返す方法が開示されている。しかしながら、この方法は、減極のために放電するので、ＳＯＣが減少してしまう問題があり、ＥＶ用電池に適用した場合、前記同様、走行可能距離が短くなってしまうし、回生等で蓄えた電力を無駄に消耗することになるし、ＨＥＶ用電池では、ＳＯＣ使用範囲を下回ってしまう虞がある。

さらに、特許文献３には、１秒以下の間隔で１０回以上充電をオン／オフすることで、分極の影響を低減して開放電圧を測定し、電池の劣化度を算出する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、分極の影響を低減するために充電を繰り返すので、特許文献１の場合と同様に、ＳＯＣが増加してしまう問題があり、ＨＥＶ用電池ではＳＯＣ使用範囲を超えてしまう虞があった。

特開２０１４−１３９５２０号公報 特開２００８−２３３０９２号公報 特開２００８−０４１２８０号公報

本発明は従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池の充放電電流遮断後に、充電率を変化させずに短時間で開回路電圧を取得でき、充電率推定の頻度を増加させ、充電率の管理精度を向上できる二次電池の充電率推定方法、充電率推定装置、及び健全度推定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る二次電池の充電率推定方法は、
二次電池の入出力回路における充放電電流遮断後に、前記二次電池の分極緩和時間を短縮する処理を行い、その後、前記二次電池の開回路電圧が一定と判定されたとき、前記開回路電圧に基づいて前記二次電池の充電率を推定する方法において、
前記分極緩和時間短縮処理は、前記入出力回路と並列の短縮処理回路に前記二次電池から単発放電と単発充電を連続して行うことを特徴とする。

上記方法によれば、二次電池の充放電電流遮断後に、単発放電と単発充電を連続して行うだけの簡素な処理で、分極緩和時間を１／５〜１／１０、またはそれ以下にまで短縮でき、二次電池の利用後、短時間で開回路電圧を取得し充電率（ＳＯＣ）を推定できる。それにより、従来の電動車両等では夜間等の長時間駐車時しか機会がなかったＳＯＣ補正頻度を増やすことができ、電流積算法によるＳＯＣ算出誤差蓄積が大きくなる前にＳＯＣを補正できるので、二次電池のＳＯＣ管理精度を向上でき、電池容量をＳＯＣ使用範囲内で効率よく使うことが可能となる。

また、開回路電圧の取得時間が短くなれば、ＳＯＣ補正処理まで待機させる間のバッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）駆動時間を短縮できるので、電力消費量を低減することができる。さらに、基本的に分極緩和時間短縮処理によるＳＯＣ変化が無いかまたは小さいので、短縮処理によりＳＯＣ使用範囲外となることや放電による航続距離減少が発生することを回避できる。

上記の点から、本発明において、前記単発放電での放電流量と前記単発充電での充電流量が略同量であることが好適である。これにより、分極緩和時間短縮処理によるＳＯＣ変化を実質的にゼロにできる。

また、本発明において、前記単発放電と前記単発充電のステップ幅は、前記二次電池の電圧応答時間の２倍〜１０倍の間で選定されていることが好適である。処理時間を短縮する上では、ステップ幅は可及的短い方が良いが、電圧応答時間の２倍未満の場合、応答時間が不足し、確実な処理が行えなくなる虞がある。また、ステップ幅を電圧応答時間の１０倍以上にすると、処理時間が長くなるうえ、分極緩和時間短縮効果も低下する。

本発明において、前記単発放電で放電された電荷を蓄電手段に蓄積し、前記単発充電では前記蓄電手段から放電された電荷が前記二次電池に充電されることが好適である。単発充電のための電力を別途確保する必要が無く、単発放電の電荷を再利用できる。

本発明は、二次電池の充電率推定装置であって、
二次電池の入出力回路における充放電電流遮断後に、前記二次電池の分極緩和時間を短縮させる処理を行うための短縮処理部と、
前記短縮処理の実施後に、前記二次電池の開回路電圧を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部に測定される前記二次電池の開回路電圧が一定であるか否かを判定する電圧判定部と、
前記電圧判定部で前記二次電池の前記開回路電圧が一定であると判定された場合に、前記開回路電圧に基づいて前記二次電池の充電率を推定する充電率推定部と、
を備えるものにおいて、
前記短縮処理部は、前記二次電池の入出力回路と並列の短縮処理回路にて前記二次電池からの単発放電を行うための放電手段と、前記二次電池に単発充電を行う充電手段と、前記単発放電と前記単発充電をその順に所定のステップ幅で連続して実施させるための制御手段と、を含むことを特徴とする二次電池の充電率推定装置をも対象としている。

上記構成によれば、上述したような効果を得つつも、短縮処理部の構成が簡素であり、安価に二次電池の充電率推定装置を提供できる。

また、上記本発明において、前記放電手段および前記充電手段として、前記単発放電で放電された電荷を蓄積する蓄電手段を備え、前記単発充電は、前記蓄電手段から電荷を放出することによって実施されるように構成されていることが好適である。この態様では、短縮処理部の構成が一層簡素化され有利である。

本発明は、前記充電率推定装置と、
前記充電率推定装置によって推定された前記二次電池の充電率を記憶する記憶部と、
前記充電率が所定値以下である場合に、前記二次電池を目標充電率まで回復充電する回復充電部と、
前記回復充電の充電量から算出した回復充電率と、
前記回復充電の前後で前記充電率推定装置によって推定された充電率に基づいて前記二次電池の健全度を推定する健全度推定部と、
を備える、二次電池の健全度推定装置をも対象としている。

上記構成によれば、上述した充電率推定装置による分極緩和時間の短縮により、例えば目標充電率まで二次電池を充電する回復充電を実施する際において健全度を推定する場合に、回復充電の前後におけるＳＯＣ推定に要する時間を短縮でき、健全度推定の所要時間を短縮できることに加えて、回復充電に充電率推定を実施する際におけるＳＯＣ減少を防止できる。

本発明は、上述の通り、二次電池の充放電電流遮断後に、充電率を変化させずに短時間で分極を緩和させて開回路電圧を取得でき、充電率推定の頻度を増加させ、充電率の管理精度を向上できる二次電池の充電率推定方法および充電率推定装置およびそれを利用した健全度推定装置を得ることができる。

燃料電池車のバッテリー管理ユニットを示すブロック図である。 バッテリー管理ユニットの基本ルーチンを示すフローチャートである。 二次電池の分極緩和時間の短縮処理回路を示す回路構成図である。 二次電池の充電率推定装置を示すブロック図である。 二次電池の充電率推定プロセスを示すフローチャートである。 二次電池の健全度推定装置を示すブロック図である。 二次電池の健全度推定プロセスを示すフローチャートである。 二次電池のＯＣＶ−ＳＯＣ特性を示すグラフである。 分極緩和時間短縮処理における端子電圧変化を示すグラフである。 車両走行模擬充放電後に分極緩和時間短縮処理を実施する過程での端子電圧変化を示すグラフである。 分極緩和時間短縮処理の有無における端子電圧変化の比較を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る充電率推定装置１０を燃料電池車両１００のバッテリー管理ユニット（ＢＭＵ）１として実施した実施形態を示すブロック図である。図において、燃料電池車両１００は、二次電池２および燃料電池３を駆動のための電力源として搭載しており、それらは電力管理装置４を介してモータ５と接続されている。

二次電池２は、例えば、リチウムイオン二次電池（ＬｉＢ）が好適であるが、本発明に係る充電率推定装置１０は、イオン化傾向を利用して酸化還元電位を発生させる化学電池からなる各種の二次電池に実施可能である。リチウムイオン二次電池としては、例えば、負極材が、黒鉛、チタン酸リチウム、スズ・アルミ・ケイ素系合金などから選択され、正極材が、三元系（ＬｉＭＯ_２；Ｍ＝Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ）遷移金属化合物、リン酸鉄系化合物（ＬｉＦｅＰＯ_４）などから選択されるものを使用可能である。

電力管理装置４は、燃料電池３で発電した電力と二次電池２に蓄電した電力を制御し、モータ５を駆動して走行する一方、減速時には、モータ５からの回生電力が二次電池２に充電されるようにする。

ＢＭＵ１は、電流、電圧、温度データの記録、ＳＯＣ管理（ＳＯＣ推定アルゴリズム・テーブルデータ）、ＳＯＨ管理（ＳＯＨ推定アルゴリズム・テーブルデータ）、ＳＯＰ管理（ＳＯＰ推定アルゴリズム・テーブルデータ）、電流・電圧・温度上下限管理、セルバランス制御などを実行するプログラムを格納するＲＯＭ、演算処理を行うＣＰＵ、データ記録を行うメモリー、入出力インターフェースなどで構成され、図２に示すような基本ルーチンにより二次電池２を管理する。

燃料電池車両１００がキーオンされると、初期化ルーチンに従ってＢＭＵ１が初期化され、電流センサ２１、電圧センサ２２、および不図示の温度センサにより、電流、電圧、電池温度を常時モニタし、電力管理装置４からの入出力要求に応じて、二次電池２の充放電制御を行い、上下限電圧管理、上下限温度管理等、二次電池２を安全な状態で使用できるように制御する。

ＳＯＣ管理は、電流センサ２１により測定される充放電時の電流積算値と初期残量の和を放電容量で除算して得られる電流積算法１１によるＳＯＣに基づき、所定の使用範囲内（例えば、ＳＯＣ：３０〜７０％）で二次電池２を充放電し、二次電池２の残量表示を行う。ＳＯＣの使用範囲は、二次電池２の安全面や後述する劣化抑制などの観点から設定される。

既に述べたように、電流積算法によるＳＯＣは、長時間の運用では、電流センサ２１の計測誤差が蓄積し、算出誤差が大きくなるので、車両停止時等にＯＣＶ測定１２を行い、予め取得したＯＣＶ−ＳＯＣ特性（図８参照）からＳＯＣを求めて補正する。この際、ＯＣＶは二次電池の分極の影響を受けるため、分極が緩和されるまでは正確に充電率を推定できないが、本発明では、ＢＭＵ１に短縮処理回路１３が実装され、分極緩和時間の短縮処理を行うことで、短時間でＯＣＶ測定および充電率推定に移行できるようにしている。

（分極緩和時間短縮処理）
短縮処理回路１３は、例えば、図３に示すように、二次電池２の入出力回路２３と並列に接続され、二次電池２に対して放電を行うための抵抗３１を含む放電用回路３１ａ、二次電池２に対して充電を行うためのコンデンサ（キャパシタ）３２を含む充電用回路３２ａ、それらと二次電池２の入出力回路２３を切替えるためのスイッチング素子３３，３４、それらを所定のタイミングで作動させる短縮処理制御部３０から主に構成されている。

また、短縮処理回路１３は、燃料電池３からコンデンサ３２に予め充電しておくための予備充電用回路３５ａ，３６ａ、および、それらと二次電池２の入出力回路２３を切替えるためのスイッチング素子３５，３６を備えている。

上記のような短縮処理回路１３を備えたＢＭＵ１は、燃料電池車両１００のキーオフ時など、走行や回生に伴う充放電電流の遮断後、短縮処理制御部３０からの信号によりスイッチング素子３３，３４が作動し、二次電池２に対して放電用回路３１ａと充電用回路３２ａが所定のステップ幅ｘで順に接続され、図９に示すように、単発放電１３１と単発充電１３２を連続して実施し、必ず最後は充電状態で電流を遮断する。

単発放電１３１および単発充電１３２のステップ幅ｘは、電流入力に対する二次電池２の電圧応答（被験電池では０．６秒程度）に応じて下限値が存在するが、可能な限り短い（被験電池では２〜３秒）ことが好ましい。ステップ幅ｘが長い場合や放電・充電の回数が多くなれば、分極緩和時間短縮効果が低下することが、後述の実験結果から確認されている。

また、単発放電１３１と単発充電１３２の間に開回路状態を挟まないことが好ましい。開回路状態を挟んでも分極緩和時間の短縮に寄与しないことも後述する実験で確認されており、全体的な処理時間短縮の観点からも、単発放電１３１と単発充電１３２を連続して実施することが好ましいことは勿論である。

単発放電１３１および単発充電１３２における印加電流の振幅は、二次電池２の劣化状態（内部抵抗）に応じて設定される。基本的に、二次電池２の健全度（State of health：ＳＯＨ）が低くなるに従って、所定の処理時間短縮率を得るのに必要な電流振幅（電流レート）は大きくなることが、後述の実験から確認されている。

さらに、分極緩和時間短縮処理によるＳＯＣ変動が生じないように、単発放電１３１における放電量と単発充電１３２における充電量が等しくなるようにステップ幅ｘおよび電流レートが設定されることが好ましい。本発明に係る分極緩和時間短縮処理は、各一回の単発放電１３１と単発充電１３２のみによって実施されるため、基本的に放電量および充電量は少なく、ＳＯＣへの影響は小さい。

なお、上記実施形態における短縮処理回路１３は、二次電池２から抵抗３１を含む放電用回路３１ａに単発放電１３１を行う場合を示したが、放電用回路３１ａの代わりに、コンデンサ３２と二次電池２を逆極性で接続する放電用回路およびそれを充電用回路３２ａと切替えるスイッチング素子を備え、その放電用回路を通じて二次電池２から放出される電荷をコンデンサ３２に蓄積し、次いで充電用回路３２ａに切替え、コンデンサ３２から放出される電荷が二次電池２に充電されるように構成することもできる。

（分極緩和時間短縮処理の検証実験）
充放電電流に対する電池の電圧応答（分極緩和応答）は、正負極材・電解液・バインダ等電池の構成材料によって異なり、印加する電流の極性（本発明では充電：正、放電：負とする）によっても異なる。そこで、本発明に係る分極緩和時間短縮処理の効果を検証すると共に、適正な設定条件を求めるために、３Ａｈ級リチウムイオン電池を用い、次のような実験を行った。

先ず、燃料電池車両の走行状態（加速時における電力消費と減速時における回生電力の充電）を模した２通りの充放電パターンＡ，Ｂを設定し、車両走行模擬充放電を行った後、短縮処理無しの場合と、緩和時間短縮処理した場合の電圧挙動を測定した。なお、以下において、１Ｃ（Ｃレート）は、ある定格容量の電池を定電流放電して１時間で放電終了となる場合の電流レート、電流値（Ａ）／電池容量（Ａｈ）である。

車両走行模擬充放電パターンＡ：
１０Ｃ放電３秒、１０Ｃ充電３秒、１Ｃ放電３秒、１Ｃ充電３秒、１５Ｃ放電３秒、１５Ｃ充電３秒、２５Ｃ放電３秒、１０Ｃ充電３秒※、合計充放電時間２４秒、スタート時ＳＯＣ：５０％、ΔＳＯＣ：−１．２％、※電流遮断時充電状態。

車両走行模擬充放電パターンＢ：
１Ｃ充電３秒、１Ｃ放電３秒、１５Ｃ充電３秒、１５Ｃ放電３秒、１０Ｃ充電３秒、２５Ｃ放電３秒、１０Ｃ充電３秒、１０Ｃ放電３秒※、合計充放電時間２４秒、スタート時ＳＯＣ：５０％、ΔＳＯＣ：−１．２％、※電流遮断時放電状態。

分極緩和時間短縮処理は、車両走行模擬充放電後におけるキーオフを想定し、１分間の休止後、放電−充電（本発明）、または、充電−放電（比較例）の順に実施する各場合について、電流レート、印加電流ステップ幅、印加回数、充放電間の開回路状態有無などの条件を変更し、それぞれの場合の緩和時間を測定し、処理なしの場合における緩和時間で除して緩和時間短縮率を求めた。

緩和時間の測定は、充放電終了後、気温２５℃で３時間静置した後の端子電圧の値（図８に示したＯＣＶ−ＳＯＣ特性に基づくＯＣＶ−ＳＯＣルックアップテーブル作成時にけるＯＣＶ取得時間）を基準ＯＣＶとし、この基準ＯＣＶに対して連続した１０秒平均値の差が±０．０００５Ｖ未満となる時間を緩和時間とした。これは、ＢＭＵにおいて、電圧値をｍＶオーダで測定しているため０．０００５Ｖ未満の計測値は０Ｖと見做されることを考慮したものである。

実験に使用した二次電池はリチウムイオン電池（東芝製、定格容量２．９Ａｈ）であり、（１）ＳＯＨ＝０．９９（温度２５℃）の場合と、（２）ＳＯＨ＝０．９４（温度２５℃）の場合について、それぞれ実験を行った。

評価は、分極緩和時間短縮率が０．２以下（分極緩和時間が１／５以下に短縮された場合）に「○」、分極緩和時間短縮率が１以上の場合、すなわち、却って分極緩和時間が長くなった場合に「×」、分極緩和時間短縮率が０．３〜０．９の場合は無印とした。実験結果を表１および表２に示す。

実験結果から、以下に列挙されるような傾向が看取される。

（１）車両走行模擬充放電が放電、充電のどちらで終わる場合であっても、分極緩和時間短縮処理は、放電−充電の順で実施した場合（本発明）には緩和時間が１／５〜１／１０（短縮率が０．２〜０．１）に短縮され、何れも良好な結果が得られたが、充電−放電の順で実施した場合（比較例）には、緩和時間短縮効果が殆ど得られず、却って緩和時間が長くなる場合が多いことが分かる。

例えば、表１において、パターンＡでは、処理無で８８秒を要した緩和時間が、１Ｃレートの放電−充電処理を実施した場合には１／８の１１秒まで短縮され、パターンＢでは、処理無で１４８秒を要した緩和時間が、３Ｃレートの放電−充電処理を実施した場合には１／１０以下の１３秒まで短縮され、さらに、上記に比べて健全度が劣る表２において、パターンＡでは、処理無で２５９秒を要した緩和時間が、１０Ｃレートの放電−充電処理を実施した場合には１／１３の２０秒まで短縮され、パターンＢでは、処理無で４７５秒を要した緩和時間が、１５Ｃレートの放電−充電処理を実施した場合には１／２０以下の２２秒（短縮率０．０４６）まで短縮されている。これらの結果から、さらに次のことが分かる。

（２）良好な短縮率が得られる電流レートには下限値があり、かつ、下限値の近傍に最適値がある。電流レートを最適値より増加させると短縮率はやや低下するので、最適値以上においても比較的広範囲で良好な結果が得られるが、電力消費の点から電流レートを大きくする意味は無い。

（３）ＳＯＨが低下するほど、電流レートの下限値は大きくなる。すなわち、良好な短縮率を得るために必要な電流レートの値は大きくなる。

例えば、表１において、パターンＡでは電流レートの下限値が１Ｃレート（実験範囲の下限値）、パターンＢでは３Ｃレートであったものが、これらに比べて健全度が劣る表２では、パターンＡＢ共に電流レートの下限値が１０Ｃレートとなっており、電流レートの最適値も、表１ではパターンＡで１Ｃレート、パターンＢでは３Ｃレートであったものが、健全度が劣る表２では、パターンＡで１０Ｃレート、パターンＢでは１５Ｃレートとなっている。

なお、表１のパターンＡでは、５〜６Ｃレートの短縮率が０．３となっており、最適値や下限値がやや不明確であるが、健全度の高い試料であり、処理無でも８８秒であることを考慮すると、最適値との差は少なく、これらは測定誤差と言える。したがって、実用的な電流レートは、ＳＯＨ＝０．９９の場合、３Ｃレート（被験電池では、８．７Ａ）〜１５Ｃレート（同４３．５Ａ）、ＳＯＨ＝０．９４の場合、１０Ｃレート（被験電池では、２９Ａ）〜２５Ｃレート（同７２．５Ａ）であり、可能な限り低レートが好ましい。

（４）放電および充電における印加電流のステップ幅は、二次電池の電圧応答時間（被験電池では０．６秒程度）の２倍〜５倍（被験電池では２〜３秒）が好適である。それ以上でも１０倍（被験電池では６秒）程度まで可能であるが、表１の下から７行目、ステップ幅が１０秒サンプルでは短縮は０．４〜０．５に留まっており、処理時間短縮を考慮すると、ステップ幅を大きくする意味は無いと言える。

（５）放電および充電は各１回の単発放電および単発充電が最適であり、放電および充電の回数を増やすと短縮率は低下する。処理時間短縮を考慮すると、放電および充電の回数を増やす意味はない。例えば、電流レートが何れも１０Ｃレートである、表１の下から４〜６行目（緩和時間２２秒、２７秒、５７秒）と、上から５行目（緩和時間１８秒）を比較すると、何れも回数が増えるほど短縮率は悪化していることが分かる。

（６）単発放電と単発充電は開回路状態を挟まずに連続して行うことが好適であり、放電と充電の間に開回路状態を挟むと緩和時間短縮率は低下する。表１の最下部の３行は、放電と充電の間に、それぞれ、３秒、１０秒、３０秒の開回路状態を設定した場合であり、これら（パターンＢでは緩和時間２２秒、２６秒、４２秒）と電流レートが等しい上から５行目（緩和時間１８秒）を比較すると、短縮率は低下しており、処理時間短縮や処理の簡素化の観点からも開回路状態を挟む意味は無い。

図１０は、温度２５℃、ＳＯＣ＝５０％の二次電池（リチウムイオン電池）を用いて、車両走行模擬充放電パターンＡを実行後、１分間放置してから、分極緩和時間短縮処理として、１０Ｃレート、ステップ幅ｘ＝３秒の単発放電（１３１）、１０Ｃレート、ステップ幅ｘ＝３秒の単発充電（１３２）を連続して実施した場合の端子電圧変化を示している。

この例では、拡大図としての図１１に示されるように、車両走行模擬充放電パターンＡを実行直後は、端子電圧が、分極Ｐにより最終的な平衡状態よりも低下している。その後、分極緩和時間短縮処理として単発放電１３１と単発充電１３２が実施されることで、処理時を起点として、緩和時間が１／５に短縮され、短縮率は０．２である。なお、図１１では、分極緩和時間短縮処理を実施した場合の端子電圧変化を示す曲線（実線）と共に、処理を実施しない場合の端子電圧変化を示す曲線を破線で表示している。

（充電率推定）
次に、上述した短縮処理回路１３を備えたＢＭＵ１の機能として実装されている充電率推定装置１０およびその動作について、図４および図５を参照しながら説明する。

図４において、充電率推定装置１０は、二次電池２の入出力回路２３の負荷を判定する負荷判定部４０、その判定に基づいて単発放電１３１および単発充電１３２を所定のタイミングで実施すべく、スイッチング素子３３，３４を制御する放電部４１および充電部４２、二次電池２の端子電圧を電圧センサ２２から取得する電圧測定部４３、端子電圧が平衡状態に達したことを判定する電圧判定部４４、得られたＯＣＶに基づいてＳＯＣを推定する充電率推定部４５から構成されており、以下のような手順で充電率推定を行う。

先ず、負荷判定部４０によって二次電池２が所定時間（例えば１分間）無負荷であると判定された場合（ステップ５０）、放電部４１からの信号によりスイッチング素子３３，３４が作動し二次電池２に放電用回路３１ａが接続され、単発放電１３１が実施され（ステップ５１）、充電部４２からの信号によりスイッチング素子３３，３４が作動し二次電池２に充電用回路３２ａが接続され単発充電１３２が実施される（ステップ５２）。

次いで、電圧測定部４３によって端子電圧（回路電圧）が測定され（ステップ５３）、端子電圧が平衡状態に達したと判断された場合（ステップ５４）に、充電率推定部４５は、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性のルックアップテーブルを参照し、回路電圧（ＯＣＶ）に対応する充電率（ＳＯＣ）を推定し（ステップ５５）、電流積算法によるＳＯＣを補正し、残量表示に反映させる。

（健全度推定）
以上述べたような本発明に係る充電率推定方法を、二次電池の回復充電時のＳＯＣ補正に適用することで、回復充電を利用したＳＯＨ推定を行うことができる。燃料電池車両では、燃料電池の起動〜安定運転までの間、二次電池の電力で補機動力や駆動力を補うため、起動時には中高ＳＯＣ状態（例えば、６０％以上）にあるのが望ましい。そのため、キーオフ後、車両走行で減少した二次電池の容量を、次回起動時までに回復させるための回復充電を行う場合がある。

本発明が適用される燃料電池車両では、走行後のＳＯＣから目標ＳＯＣまで一気に充電するため、回復充電が必要な場合は、走行直後にＯＣＶを測定してＳＯＣ補正する時間的余裕はなかった。ＯＣＶ測定には、数十分〜数時間の分極緩和時間が必要だったからである。

しかし、本発明によれば、既に述べたように、分極緩和時間を十数秒〜数十秒程度に短縮できるため、回復充電開始前にＯＣＶを測定し、回復充電開始時におけるＳＯＣ推定を実施可能であるとともに、回復充電終了後にも分極緩和時間短縮処理を実施してＳＯＣを推定し、回復充電前後のＳＯＣ差に基づいてＳＯＨを推定することが可能になる。

以下、回復充電を利用した健全度推定装置６０およびＳＯＨ推定について、図６および図７を参照しながら説明する。

図６において、健全度推定装置６０は、充電率推定装置１０によって推定されたＳＯＣを記憶するための充電率記憶部１４、回復充電を制御する回復充電部１６、充電率推定装置１０に記憶された回復充電前の充電率と回復充電後の充電率との差に基づいて二次電池のＳＯＨを推定する健全度判定部１５を含み、以下の手順により、ＳＯＨ推定を行う。

先ず、キーオフ後、ＢＭＵにおいて電流積算１１により測定したＳＯＣを読み込み、ＳＯＣ＜５０％ならば回復充電モードに移行する。ＳＯＣ≧５０％の場合は回復充電モードに移行せずに、システムオフする（ステップ７０）。

回復充電モードに移行するに際しては、二次電池が無負荷であることと判定された場合（ステップ７１）、次式１により目標充電量を設定する。
目標充電量＝（目標ＳＯＣ−現在ＳＯＣ）×ＦＣＣ_ｉ （式１）
但し、ＦＣＣ_ｉ：満充電容量（単位：Ａｈ）

次いで、回復充電前の分極緩和時間短縮処理を実施する。例えば、１０Ｃの単発放電、１０Ｃの単発充電を実施し、所定時間経過後に端子電圧一定となった状態でＯＣＶを取得し、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性のルックアップテーブルを参照してＳＯＣ_Ｖ１を算出する（ステップ７２）。

次いで、回復充電を開始する（ステップ７３）。回復充電は、定電流（Constant current：ＣＣ）充電、もしくは、低電圧（Constant voltage：ＣＶ）充電等により電流または電圧を制御しながら目標充電量になるまで充電する。目標充電量は、電流積算量（単位：Aｈ）として、次式２で表される。
電流積算量＝∫ｉ（ｔ）ｄｔ （式２）

回復充電が終了した後に、ＳＯＣを推定するために分極緩和時間短縮処理を実施する。例えば、前記同様に１０Ｃの単発放電、１０Ｃの単発充電を実施し、所定時間経過後に端子電圧一定となった状態でＯＣＶを取得し、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性のルックアップテーブルを参照してＳＯＣ_Ｖ２を算出し、次式３より、回復充電前後のＳＯＣ差、ΔＳＯＣ_Ｖを求める（ステップ７５）。
ΔＳＯＣ_Ｖ＝ＳＯＣ_Ｖ２−ＳＯＣ_Ｖ１ （式３）

このΔＳＯＣ_Ｖは、電流積算法でＳＯＣを求める際の、∫ｉ（ｔ）ｄｔ／FＣＣと等価である。FＣＣは現時点の満充電容量であり、初期容量ＦＣＣ_ｉとは異なり、二次電池の劣化により、ＦＣＣ_ｉよりも減少しているが、FＣＣは満充電からの完全放電を行わないと実測できない。

次いで、ＢＭＵが電流積算により算出した回復充電前のＳＯＣをＳＯＣ_ｉ１として保存する。このＳＯＣ_ｉ１は次式４で表される。
ＳＯＣ_ｉ１＝Ｑ_０／ＦＣＣ_ｉ （式４）
但し、Ｑ_０は初期残量（単位：Ａｈ）であり、車両起動時の残量に電流積算量を加算した回復充電前の残量である。ＦＣＣ_ｉは初期満充電容量であり、初回のＳＯＨ推定のみ使用する。２回目以降のＳＯＨ推定は、次式５により、ＳＯＨに応じてＦＣＣ_ｉをＦＣＣ_ｉ′に書き換える。
ＦＣＣ_ｉ′＝ＦＣＣ_ｉ×ＳＯＨ （式５）

次に、回復充電の電流積算値（∫ｉ（ｔ）ｄｔ）とＳＯＣ_ｉ１から、次式６により、回復充電後のＳＯＣ_ｉ2を算出する。
ＳＯＣ_ｉ2＝｛∫ｉ（ｔ）ｄｔ＋Ｑ_０｝／ＦＣＣ_ｉ （式６）

さらに、次式７より、ΔＳＯＣ_ｉを算出する。
ΔＳＯＣ_ｉ＝ＳＯＣ_ｉ２−ＳＯＣ_ｉ１
＝｛∫ｉ（ｔ）ｄｔ＋Ｑ_０｝／ＦＣＣ_ｉ−Ｑ_０／ＦＣＣ_ｉ
＝∫ｉ（ｔ）ｄｔ／ＦＣＣ_ｉ （式７）

次に、次式８より、ＳＯＨを算出する。
ＳＯＨ＝ΔＳＯＣ_ｉ／ΔＳＯＣ_Ｖ
＝｛∫ｉ（ｔ）ｄｔ／ＦＣＣ_ｉ｝／∫ｉ（ｔ）ｄｔ／FＣＣ
＝ＦＣＣ／ＦＣＣ_ｉ （式８）

次に、ＢＭＵ内の変数ＳＯＨを書き換える。すなわち、ＦＣＣ_ｉをＦＣＣ_ｉ′に書き換え、次回ＳＯＨ推定まで使用する。また、ＢＭＵ内のＯＣＶ−ＳＯＣ特性のルックアップテーブルをＳＯＨに応じて変更する。以上をもって回復充電を利用したＳＯＨ推定処理を終了し、システムオフする。

なお、車両停止時に二次電池の健全度（劣化度）を精度よく求めるための方法として、満充電状態から完全放電する手法があるが、満充電にするために燃料電池を駆動する必要があること、完全放電するのに時間がかかること、完全放電後に車両走行に支障を来さない充電率まで回復させる必要があることから、この手法は、１か月に一度行うとしても現実的ではない。

また、車両走行中に二次電池の劣化度を求めるのは難しい。机上試験結果に基づく劣化換算式などを用いて二次電池の劣化度を求める手法もあるが、当然ながら、机上試験での電池劣化条件と車載状態における電池劣化状条件は異なるため、精度よく劣化度を求めることはできない。

本発明では、回復充電時に分極緩和時間短縮処理を実施することで、走行直後や回復充電直後でも短時間でＯＣＶを取得できるので、ΔＳＯＣ_ｉ／ΔＳＯＣ_Ｖ＝ＳＯＨの関係から、満充電からの完全放電による方法に比べて、はるかに短い時間で二次電池のＳＯＨを求めることができる。さらに、回復充電をＳＯＨ推定に利用できるので、満充電や放電など、ＳＯＨ推定のための特別な処理が不要になる。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明を、二次電池と燃料電池を搭載した燃料電池車両（ＨＥＶ）に実施する場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電動車両（ＥＶ）はもちろん、自動車、二輪車、電動船外機、その他、二次電池を搭載した各種装置に実施可能である。

１ ＢＭＵ（バッテリー管理ユニット）
２ 二次電池
３ 燃料電池
４ 電力管理装置
５ モータ
１０ 充電率推定装置
１１ 電流積算
１２ ＯＣＶ測定
１３ 短縮処理回路
１４ 充電率記憶部
１５ 健全度判定部
１６ 回復充電部
２１ 電流センサ
２２ 電圧センサ
２３ 入出力回路
３０ 短縮処理制御部
３１ 抵抗
３１ａ 放電用回路
３２ コンデンサ（キャパシタ）
３２ａ 充電用回路
３３，３４，３５，３６ スイッチング素子
３５ａ，３６ａ 予備充電用回路
４０ 負荷判定部
４１ 放電部
４２ 充電部
４３ 電圧測定部
４４ 電圧判定部
４５ 充電率推定部
６０ 健全度推定装置
１００ 燃料電池車

Claims (7)

1. 二次電池の入出力回路における充放電電流遮断後に、前記二次電池の分極緩和時間を短縮する処理を行い、その後、前記二次電池の開回路電圧が一定と判定されたとき、前記開回路電圧に基づいて前記二次電池の充電率を推定する方法において、
   前記分極緩和時間短縮処理は、前記入出力回路と並列の短縮処理回路に前記二次電池から単発放電と単発充電を連続して行うことを特徴とする二次電池の充電率推定方法。
2. 前記単発放電での放電流量と前記単発充電での充電流量が略同量であることを特徴とする請求項１記載の二次電池の充電率推定方法。
3. 前記単発放電と前記単発充電のステップ幅は、前記二次電池の電圧応答時間の２倍〜１０倍の間で選定されていることを特徴とする請求項１または２記載の二次電池の充電率推定方法。
4. 前記単発放電で放電された電荷を蓄電手段に蓄積し、前記単発充電では前記蓄電手段から放電された電荷が前記二次電池に充電されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の二次電池の充電率推定方法。
5. 二次電池の充電率推定装置であって、
   二次電池の入出力回路における充放電電流遮断後に、前記二次電池の分極緩和時間を短縮させる処理を行うための短縮処理部と、
   前記短縮処理の実施後に、前記二次電池の開回路電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部に測定される前記二次電池の開回路電圧が一定であるか否かを判定する電圧判定部と、
   前記電圧判定部で前記二次電池の前記開回路電圧が一定であると判定された場合に、前記開回路電圧に基づいて前記二次電池の充電率を推定する充電率推定部と、
   を備えるものにおいて、
   前記短縮処理部は、前記二次電池の入出力回路と並列の短縮処理回路にて前記二次電池からの単発放電を行うための放電手段と、前記二次電池に単発充電を行う充電手段と、前記単発放電と前記単発充電をその順に所定のステップ幅で連続して実施させるための制御手段と、を含むことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。
6. 前記放電手段および前記充電手段として、前記単発放電で放電された電荷を蓄積する蓄電手段を備え、前記単発充電は、前記蓄電手段から電荷を放出することによって実施されるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の二次電池の充電率推定装置。
7. 請求項５または６記載の充電率推定装置と、
   前記充電率推定装置によって推定された前記二次電池の充電率を記憶する記憶部と、
   前記充電率が所定値以下である場合に、前記二次電池を目標充電率まで回復充電する回復充電部と、
   前記回復充電の充電量から算出した回復充電率と、前記回復充電の前後で前記充電率推定装置によって推定された充電率に基づいて前記二次電池の健全度を推定する健全度推定部と、
   を備える、二次電池の健全度推定装置。

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