JP2018132369A - 電池状態推定装置及び電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の満充電容量を高精度に推定することができる電池状態推定装置及び電源装置を提供する。
【解決手段】電池状態推定装置１は、非水系の二次電池２における満充電容量を推定する電池状態推定装置１であって、二次電池２における温度履歴、出入力抵抗及び満充電容量の対応関係に基づいて、二次電池２の満充電容量を推定するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池状態推定装置及び電源装置に関する。

従来、電気自動車などの電源装置に使用される二次電池において、信頼性向上のためにその電池状態を正確に把握することが求められている。特許文献１には、二次電池の内部抵抗を示す交流インピーダンスと充放電可能な容量である可逆容量との関係を示す直線関係式を予め用意し、現在の交流インピーダンスを取得して、上記直線関係式を用いて現在の可逆容量を算出する構成が開示されている。

特開２０１２−１２２８１７号公報

特許文献１に開示の構成では、通常使用される温度範囲において、二次電池の劣化は温度に依存しないものとして上記直線関係式を規定している。しかしながら、二次電池の使用環境や二次電池の電池設計などによっては、二次電池が使用された温度履歴が二次電池の劣化に影響する場合がある。そして、特許文献１に開示の構成では、温度履歴が何ら考慮されていないため、二次電池の電池状態を高精度に推定するには十分ではなかった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、二次電池の満充電容量を高精度に推定することができる電池状態推定装置及び電源装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、非水系の二次電池（２）における満充電容量を推定する電池状態推定装置（１）であって、
上記二次電池における温度履歴、出入力抵抗及び満充電容量の対応関係に基づいて、上記二次電池の満充電容量を推定するように構成されている、電池状態推定装置にある。

上記電池状態推定装置においては、二次電池の満充電容量を推定する際に、二次電池における温度履歴、出入力抵抗及び満充電容量の対応関係を使用している。そのため、推定される満充電容量は、二次電池が使用された温度履歴が考慮されたものとなる。その結果、二次電池の満充電容量を高精度に推定することができる。

以上のごとく、本発明によれば、二次電池の満充電容量を高精度に推定することができる電池状態推定装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電池状態推定装置及び電源装置の構成を示すブロック図。 実施形態１における、対応関係記憶部に記憶された対応関係の例を示す図。 実施形態１における、満充電容量を推定する工程を示すフロー図。 実施形態２における、対応関係記憶部に記憶された対応関係の例を示す図。 実施形態２における、満充電容量を推定する工程を示すフロー図。

（実施形態１）
上記電池状態推定装置の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
本実施形態の電池状態推定装置１は、図１に示すように、非水系の二次電池２における満充電容量を推定する電池状態推定装置１である。電池状態推定装置１は、二次電池２における温度履歴、出入力抵抗及び満充電容量の対応関係に基づいて、二次電池２の満充電容量を推定するように構成されている。
なお、本明細書において、「出入力抵抗」とは、出力抵抗と入力抵抗とを包括的に表現するものであって、「出力抵抗及び入力抵抗の少なくとも一方」を意味するものとする。

以下、電池状態推定装置１について、詳述する。
図１に示すように本実施形態における電池状態推定装置１は、取得部３、格納部４、記憶部５及び演算部６を有する。
取得部３は、出入力抵抗取得部３０と温度履歴情報取得部３１とを有する。出入力抵抗取得部３０は、二次電池２の出入力抵抗を取得する。出入力抵抗取得部３０の構成は限定されず、公知の方法により出入力抵抗を取得することができる構成を採用することができる。なお、本実施形態では、出入力抵抗取得部３０は、二次電池２の入力抵抗を取得するように構成されている。

温度履歴情報取得部３１は二次電池２の温度履歴情報を取得する。二次電池２の温度履歴情報は、二次電池２の温度を常時又は所定間隔で検出して蓄積してなる温度履歴を含むものである。本実施形態では、二次電池２の温度履歴が温度履歴情報取得部３１により温度履歴情報として取得される。なお、温度履歴情報としては、これに限らず、二次電池２が温度履歴の各温度であった時間である滞在時間と温度履歴の平均温度とを温度履歴情報としてもよい。また、二次電池２の通電時における滞在時間とその温度履歴の平均温度、及び非通電状態である貯蔵時における滞在時間とその温度履歴の平均温度を温度履歴情報としてもよい。また、二次電池２の通電時における各ＳＯＣ（充電状態）における滞在時間とその温度履歴の平均温度、及び貯蔵時における各ＳＯＣにおける滞在時間とその温度履歴の平均温度を温度履歴情報としてもよい。

図１に示す格納部４は、書き換え可能な不揮発性のメモリであって、出入力抵抗格納部４０と、温度履歴情報格納部４１とを備える。出入力抵抗格納部４０には、出入力抵抗取得部３０により取得された二次電池２における出力抵抗及び入力抵抗が格納される。温度履歴情報格納部４１には、温度履歴情報取得部３１により取得された温度履歴情報が格納される。

図１に示す記憶部５は、不揮発性のメモリであって、対応関係記憶部５０を有する。対応関係記憶部５０には、二次電池２の温度履歴情報と二次電池２の出入力抵抗と二次電池２の満充電容量との対応関係が予め記憶されている。例えば、本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、温度履歴情報としての二次電池２の平均温度が３５℃の場合における入力抵抗と満充電容量との対応関係が予め作成され、対応関係記憶部５０に記憶されている。また、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、温度履歴情報としての二次電池２の平均温度が４５℃、５５℃の場合についても同様に対応関係が予め作成され、対応関係記憶部５０に記憶されている。

対応関係記憶部５０に記憶される対応関係の形態は特に限定されず、例えば、算出式、マップ、表などの形態とすることができる。なお、対応関係記憶部５０に記憶される対応関係は、測定用の二次電池２を用いて加速劣化試験を行って分解調査して得られた実測定値を基に作成したり、二次電池２のモデルを用いて正極及び負極の状態変化を理論的に導き出す算出式により作成することができる。

図１に示す演算部６は、満充電容量推定部６０を有する。演算部６はマイコンにより構成され、満充電容量推定部６０としての機能を果たすプログラムを実行可能に構成されている。当該プログラムは演算部６に設けられた図示しないメモリに格納されている。

満充電容量推定部６０は、出入力抵抗格納部４０に格納された出力抵抗又は入力抵抗と、温度履歴情報格納部４１に格納された温度履歴情報とに基づいて、対応関係記憶部５０に記憶された対応関係を参照して、二次電池２の満充電容量を算出する。本実施形態では、満充電容量推定部６０は、出入力抵抗格納部４０に格納された出力抵抗又は入力抵抗から、初期値からの増加率である出力抵抗増加率又は入力抵抗増加率を算出する。また、満充電容量推定部６０は、温度履歴情報格納部４１に格納された温度履歴から平均温度を算出する。

例えば、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が３５℃である場合には、対応関係記憶部５０に記憶された対応関係から図２（ａ）に示す対応関係を参照し、満充電容量推定部６０が算出した入力抵抗増加率を当該対応関係に当てはめて、二次電池２の満充電容量を算出する。当該算出された満充電容量が満充電容量推定部６０における推定結果となる。また、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が４５℃である場合には、図２（ｂ）に示す対応関係を参照し、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が５５℃である場合には、図２（ｃ）に示す対応関係を参照して、同様に二次電池２の満充電容量を算出し、当該算出された満充電容量が満充電容量推定部６０における推定結果となる。

電池状態推定装置１は、満充電容量推定部６０における推定結果を表示して、ユーザに推定結果を視認可能にする図示しない表示部を備えていてもよい。また、推定結果が所定の値よりも大きい場合又は小さい場合に所定態様の音声を出力したり所定態様のランプを点灯させたりして、推定結果をするユーザに報知する図示しない報知部を備えていてもよい。

図１に示す二次電池２は非水系の二次電池である。本実施形態では、二次電池２はリチウムイオン二次電池である。二次電池２において、負極はチタン酸リチウムまたはハードカーボンからなり、正極は層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物からなる。そして、本実施形態では、電池状態推定装置１と、電池状態推定装置１により満充電容量が推定される二次電池２とにより、電源装置１００が構成されている。

次に、電池状態推定装置１の使用態様について、図３に示すフロー図を用いて説明する。まず、図３に示すように、ステップＳ１において、二次電池２に直流電流を流す。そして、ステップＳ２において、温度履歴情報取得部４１において、二次電池２の温度履歴の取得を開始する。温度履歴情報取得部４１は、所定間隔で継続して二次電池２の温度を取得する。温度履歴情報取得部４１が取得した温度履歴は温度履歴情報格納部４１に順次格納されて蓄積される。なお、本実施形態では、ステップＳ２において、出入力抵抗取得部３０により、二次電池２における入力抵抗の初期値を取得し、出入力抵抗格納部４０に格納する。

次に、ステップＳ３において、二次電池２における満充電容量を推定する容量推定タイミングが到来したか否かを判定する。当該判定は図示しない判定部により行う。容量推定タイミングが到来していないと判定された場合は、再度ステップＳ３に戻る。

ステップＳ３において、容量推定タイミングが到来していると判定された場合は、ステップＳ４に進み、出入力抵抗取得部３０により、二次電池２の入力抵抗を取得し、出入力抵抗格納部４０に格納する。

そして、ステップＳ５において、満充電容量推定部６０は、容量推定タイミングまでに温度履歴情報格納部４１に蓄積された温度履歴の平均温度を算出する。また、容量推定タイミングにおいて出入力抵抗格納部４０に格納された入力抵抗の増加率を算出する。そして、ステップＳ６において、満充電容量推定部６０は、算出した平均温度に基づいて、対応関係記憶部に記憶された対応関係を参照し、当該対応関係に算出した入力抵抗増加率を当てはめて、満充電容量を算出する。

例えば、ステップＳ５において、満充電容量推定部６０が算出した温度履歴の平均温度が３５℃である場合には、ステップＳ６において、対応関係記憶部５０に記憶された対応関係から図２（ａ）に示す対応関係を参照し、満充電容量推定部６０が算出した入力抵抗増加率を当該対応関係に当てはめて、二次電池２の満充電容量を算出する。また、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が４５℃である場合には図２（ｂ）に示す対応関係を参照し、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が５５℃である場合には図２（ｃ）に示す対応関係を参照して、同様に二次電池２の満充電容量を算出する。

そして、図３に示すように、ステップＳ７において、満充電容量推定部６０における算出結果を容量推定タイミングにおける二次電池２の満充電容量として推定する。

（評価試験１）
実施形態１の電池状態推定装置１における満充電容量の推定結果の評価を行った。
試験例１〜３において、使用する二次電池２はいずれもマンガン酸リチウムからなる正極と、チタン酸リチウムからなる負極を有するリチウムイオン二次電池とした。
そして、満充電容量を推定する容量推定タイミングまでの二次電池２の温度履歴の平均温度が、試験例１では３５℃、試験例２では４５℃、試験例３では５５℃となるようにし、二次電池２における入力抵抗増加率が２０％に達したときの満充電容量を推定した。試験例１〜３における推定結果を表１に示す。

表１に示すように、二次電池２において入力抵抗から満充電容量を推定した試験例１〜３では、試験例１の平均温度が３５℃の場合は満充電容量の推定値は１１．４９Ａｈであり、試験例２の平均温度が４５℃の場合は満充電容量の推定値は１１．６９Ａｈであり、試験例３の平均温度が５５℃の場合は満充電容量の推定値は１１．８０Ａｈであった。すなわち、平均温度が３５℃の場合と平均温度が５５℃の場合とで推定値は０．３１Ａｈの差を示した。これにより、履歴温度の平均温度の差が、推定値に確実に反映されていることが確認できた。

以上のように、入力抵抗から満充電容量を推定した本実施形態の電池状態推定装置１では、温度履歴が異なる場合には温度履歴に応じて満充電容量を推定できることが示された。なお、従来の満充電容量の推定する方法では、温度履歴を全く考慮しないため、上記試験例１〜３の二次電池２では満充電容量の推定値が同一となる。

（二次電池における正極の容量利用率の設定値について評価）
二次電池２における正極の容量利用率の設定値について検討を行ったところ、二次電池２が正極の容量利用率がより高く設定されたリチウムイオン二次電池である場合に、電池状態推定装置１による満充電容量の推定精度の向上効果がより大きく得られることを見い出した。具体的には、正極の実使用容量／理論容量で表される正極の容量使用率が５５％以上の場合に、電池状態推定装置１による満充電容量の推定精度が一層向上することを見い出した。

次に、本実施形態の電池状態推定装置１における作用効果について、詳述する。
電池状態推定装置１においては、二次電池２の満充電容量を推定する際に、二次電池２における温度履歴、出入力抵抗及び満充電容量の対応関係を使用している。そのため、推定される満充電容量は、二次電池２が使用された温度履歴が考慮されたものとなる。その結果、二次電池２の満充電容量を高精度に推定することができる。

また、本実施形態では、電池状態推定装置１は、温度履歴情報取得部３１、温度履歴情報格納部４１、出入力抵抗取得部３０、出入力抵抗格納部４０、対応関係記憶部５０及び満充電容量推定部６０を備える。そして、温度履歴情報取得部３１は、二次電池の温度を取得する。温度履歴情報格納部４１は、温度履歴情報取得部３１が取得した温度を蓄積してなる温度履歴を含む温度履歴情報が格納される。出入力抵抗取得部３０は、二次電池２における出入力抵抗を取得する。出入力抵抗格納部４０は、出入力抵抗取得部３０が取得した出入力抵抗が格納される。対応関係記憶部５０は、温度履歴情報と出入力抵抗と二次電池２の満充電容量との対応関係が予め記憶されている。満充電容量推定部６０は、出入力抵抗格納部４０に格納された出入力抵抗と温度履歴情報格納部４１に格納された温度履歴情報とから対応関係記憶部５０に記憶された対応関係に基づいて、二次電池２の満充電容量を推定する。電池状態推定装置１は、かかる構成を有することにより、温度履歴情報を考慮して、二次電池２の満充電容量を高精度に推定する。

また、本実施形態では、電源装置１００は、電池状態推定装置１と、電池状態推定装置１によって満充電容量が推定される二次電池２とを備え、二次電池２がリチウムイオン二次電池であるとともに、チタン酸リチウムまたはハードカーボンからなる負極を有する。これにより、二次電池２において、負極の劣化よりも正極の劣化が顕著となるため、温度履歴情報を考慮して満充電容量を推定する電池状態推定装置１によって、当該二次電池２の満充電容量を一層高精度に推定することができる。その結果、電源装置１００は、二次電池２の満充電容量が高精度に推定される電源装置となる。

また、本実施形態では、電源装置１００は、二次電池２が、層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物からなる正極を有する。これにより、二次電池２において、負極の劣化よりも正極の劣化が更に顕著となるため、温度履歴情報を考慮して満充電容量を推定する電池状態推定装置１によって、当該二次電池２の満充電容量をより一層高精度に推定することができる。その結果、電源装置１００は、二次電池２の満充電容量が一層高精度に推定される電源装置となる。

本実施形態では、電源装置１００は、一つの電池状態推定装置１に一つの二次電池２が接続されているが、これに替えて、一つの電池状態推定装置１に、複数の二次電池２が備えられた組電池が接続された構成としてもよい。この場合は、組電池全体の満充電容量を高精度に推定することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、二次電池２の状態を高精度に推定することができる電池状態推定装置１及び電源装置１００が提供される。

（実施形態２）
実施形態１の電池状態推定装置１及び電源装置１００では、図２（ａ）〜図２（ｃ）に例示する温度履歴情報としての平均温度と入力抵抗と満充電容量との対応関係が対応関係記憶部５０に記憶されており、出入力抵抗取得部３０により二次電池２の入力抵抗を取得して、満充電容量推定部６０において満充電容量を推定することとした。これに替えて、実施形態２の電池状態推定装置１及び電源装置１００では、対応関係記憶部５０には、温度履歴情報としての平均温度と出力抵抗と満充電容量との対応関係が対応関係記憶部５０に記憶されている。例えば、図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、温度履歴情報としての二次電池２の平均温度が３５℃、４５℃、５５℃の場合における出力抵抗と満充電容量との対応関係が対応関係記憶部５０に記憶されている。そして、出入力抵抗取得部３０は二次電池２の出力抵抗を取得して、満充電容量推定部６０において満充電容量を推定する。
なお、本実施形態において、上述の実施形態１と同等の構成、ステップについては同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態における使用態様では、図５に示すように、実施形態１と同様にステップＳ１、ステップＳ２を実施する。なお、ステップＳ２において、実施形態１では出入力抵抗取得部３０により、二次電池２における入力抵抗の初期値を取得したが、本実施形態では、二次電池２における出力抵抗の初期値を取得し、出入力抵抗格納部４０に格納する。その後、実施形態１と同様にステップＳ３を実施する。

そして、ステップＳ３において、容量推定タイミングが到来していると判定された場合には、図５に示すステップＳ４０に進み、出入力抵抗取得部３０により、二次電池２の出力抵抗を取得し、出入力抵抗格納部４０に格納する。その後、ステップＳ５０に進み、満充電容量推定部６０は、実施形態１と同様に、容量推定タイミングまでに温度履歴情報格納部４１に蓄積された温度履歴の平均温度を算出する。また、容量推定タイミングにおいて出入力抵抗格納部４０に格納された出力抵抗の増加率を算出する。

例えば、ステップＳ５０において、満充電容量推定部６０が算出した温度履歴の平均温度が３５℃である場合には、ステップＳ６において、対応関係記憶部５０に記憶された対応関係から図４（ａ）に示す対応関係を参照し、満充電容量推定部６０が算出した出力抵抗増加率を当該対応関係に当てはめて、二次電池２の満充電容量を算出する。また、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が４５℃である場合には図４（ｂ）に示す対応関係を参照し、満充電容量推定部６０が算出した平均温度が５５℃である場合には図４（ｃ）に示す対応関係を参照して、同様に二次電池２の満充電容量を算出する。

そして、実施形態１と同様に、ステップＳ７おいて、満充電容量推定部６０の算出結果を容量推定タイミングにおける二次電池２の満充電容量として推定する。
このように使用される本実施形態においても、実施形態１と同等の作用効果を奏する。

（評価試験２）
実施形態２の電池状態推定装置１における満充電容量の推定結果の評価を行った。
試験例４〜６において、実施形態１の場合の評価試験と同様の二次電池２を使用した。
そして、満充電容量を推定する容量推定タイミングまでの二次電池２の温度履歴の平均温度が、試験例４では３５℃、試験例５では４５℃、試験例６では５５℃となるようにし、二次電池２における出力抵抗増加率が２０％に達したときの満充電容量を推定した。試験例４〜６における推定結果を表２に示す。

表２に示すように、二次電池２において出力抵抗から満充電容量を推定した試験例４〜６では、試験例４の平均温度が３５℃の場合は満充電容量の推定値は１１．４３Ａｈであり、試験例５の平均温度が４５℃の場合は満充電容量の推定値は１１．６７Ａｈであり、試験例６の平均温度が５５℃の場合は満充電容量の推定値は１１．７７Ａｈであった。すなわち、平均温度が３５℃の場合と平均温度が５５℃の場合とで推定値は０．３４Ａｈの差を示した。これによって、実施形態１の場合と同様に、履歴温度の平均温度の差が、推定値に確実に反映されていることが確認できた。

以上のように、出力抵抗から満充電容量を推定した本実施形態の電池状態推定装置１でも、温度履歴が異なる場合には温度履歴に応じて満充電容量を推定できることが示された。なお、従来の満充電容量の推定する方法では、温度履歴を全く考慮しないため、上記試験例４〜６の二次電池２では満充電容量の推定値が同一となる。

本発明は上記実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、対応関係記憶部５０に、実施形態１の場合の入力抵抗に関する対応関係と、実施形態２の場合の出力抵抗に関する対応関係との両方が記憶されており、入力抵抗及び出力抵抗のいずれからでも二次電池２の満充電容量を推定可能な電池状態推定装置１及び電源装置１００としてもよい。

１ 電池状態推定装置
２ 二次電池
３０ 出入力抵抗取得部
３１ 温度履歴情報取得部
４０ 出入力抵抗格納部
４１ 温度履歴情報格納部
５０ 対応関係記憶部
６０ 満充電容量推定部
１００ 電源装置

Claims (4)

1. 非水系の二次電池（２）における満充電容量を推定する電池状態推定装置（１）であって、
   上記二次電池における温度履歴、出入力抵抗及び満充電容量の対応関係に基づいて、上記二次電池の満充電容量を推定するように構成されている、電池状態推定装置。
2. 上記二次電池の温度を取得する温度履歴情報取得部（３１）と、
   該温度履歴情報取得部が取得した温度を蓄積してなる温度履歴を含む温度履歴情報が格納される温度履歴情報格納部（４１）と、
   上記二次電池における出入力抵抗を取得する出入力抵抗取得部（３０）と、
   上記出入力抵抗取得部が取得した上記出入力抵抗が格納される出入力抵抗格納部（４０）と、
   上記温度履歴情報と上記出入力抵抗と上記二次電池の満充電容量との対応関係が予め記憶された対応関係記憶部（５０）と、
   上記出入力抵抗格納部に格納された上記出入力抵抗と上記温度履歴情報格納部に格納された上記温度履歴情報とから上記対応関係記憶部に記憶された上記対応関係に基づいて、上記二次電池の満充電容量を推定する満充電容量推定部（６０）と、
   を有する、請求項１に記載の電池状態推定装置。
3. 請求項１又は２に記載の電池状態推定装置と、該電池状態推定装置によって満充電容量が推定される上記二次電池とを備え、該二次電池がリチウムイオン二次電池であるとともにチタン酸リチウムまたはハードカーボンからなる負極を有する、電源装置（１００）。
4. 上記二次電池が、層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物からなる正極を有する、請求項３に記載の電源装置。

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