JP2020532936A - 充電制御装置、充電制御方法、プログラム、制御回路及び蓄電システム - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態である充電制御装置は、二次電池の充電を制御する充電制御部と、前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断する判断部と、を備える。前記充電制御部は、前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記充電制御部が前記二次電池の充電を停止する。

Description

本発明の実施形態は、充電制御装置、充電制御方法、プログラム、制御回路及び蓄電システムに関する。

リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池が、スマートフォン等の電子機器に幅広く使用されている。これらの電子機器は、電力を大量に消費する等の理由により、充電中に使用されることも多い。しかし、二次電池は、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）が１００％に近い状態が維持されると、劣化が早まる傾向にある。特に、充電中の使用が繰り返されると、急速な容量劣化を招き、電池パックの膨張等も起こり得る。ゆえに、充電中の使用による劣化を抑制する技術が求められている。

本発明の一実施形態に係る充電制御装置を備えた蓄電システムの概略構成の一例を示すブロック図。 二次電池の特性の一例を示すグラフ。 既存の蓄電システムを用いた場合における充電時の蓄電池の電圧及び温度の推移の一例を示すグラフ。 本実施形態の蓄電システムにおける充電時の蓄電池の電圧及び温度の推移の一例を示すグラフ。 ＳＯＣの上限値を決定するまでの処理の流れの一例を示すフローチャート。 内部状態パラメータの算出処理の流れの一例を示すフローチャート。 電池特性算出処理の流れの一例を示すフローチャート。 充電量と開回路電圧との関係の一例を示すグラフ（充電量−ＯＣＶ曲線）。 ＳＯＣと開回路電圧との関係の一例を示すグラフ（ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線）。 充電制御部による充電の制御の流れの一例を示すフローチャート。 本発明の一実施形態におけるハードウェア構成の一例を示すブロック図。

充電中に使用される二次電池の充電を制御することにより、充電中の使用による劣化を抑制する装置を提供する。
本発明の一実施形態である充電制御装置は、二次電池の充電を制御する充電制御部と、前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断する判断部と、を備える。前記充電制御部は、前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記充電制御部が前記二次電池の充電を停止する。

以下、図面を参照しながら、実施形態について説明する。

（本発明の一実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る充電制御装置を備えた蓄電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。本蓄電システムは、蓄電池１と、充電制御装置２と、を備える。充電制御装置２は、充電制御部２１と、計測部２２と、推定部２３と、上限値決定部２４と、判断部２５と、検知部２６と、データ記憶部（参照データ取得部）２７と、を備える。推定部２３は、劣化状態推定部２３１と、ＳＯＣ情報推定部２３２と、を備える。

なお、図１の例では、蓄電池１と充電制御装置２とを分離して記載したが、充電制御装置２をＣＰＵ、制御回路等にて実現し、蓄電池１に備え付けることにより、充電制御装置２を備えた一つの蓄電池（蓄電装置）にしてもよい。また、ラップトップコンピュータ、スマートフォンといった蓄電池１を利用している機器にプログラムをインストールすることにより、当該機器を充電制御装置２として実現してよい。

蓄電池１は、充電制御装置２による充電対象の二次電池である。蓄電池１は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池、当該非水電解質二次電池による組電池等が想定される。しかし、蓄電池１がこれらに限定されるわけではなく、充電が可能な電池であればよい。なお、以降の説明において、特に断りがなければ、「蓄電池」という用語には、組電池、電池モジュール、単位電池が含まれるものとする。

蓄電池１は、例えば、携帯電話、ノートパソコン、電気自転車、電気とガソリンの両方を使用するハイブリット自動車、ドローンといった機器等に搭載された蓄電池でもよい。また、例えば、個人住宅、ビルディング、工場等の建物ごとに設置される定置用蓄電池でもよい。発電システムと連携した蓄電池、又は系統連系した蓄電池でもよい。

充電制御装置２は、蓄電池１の充電を制御する。特に、蓄電池１の充電中に蓄電池１が使用されている場合に、その状況を認識し、当該状況において充電を抑制する。これにより、蓄電池１の劣化が急速に進行することを抑える。

図２は、二次電池の特性の一例を示すグラフである。図２に示されたグラフは、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）が１００％である二次電池、つまり満充電である二次電池を４５℃の環境下で保管した場合のリチウム電池の厚さ（セル厚み）の変化を示すグラフである。厚さは当初４ｍｍ程度であったが、約５０日が経過したあたりから、急速に膨張したことが示されている。このように、高温かつＳＯＣが高い二次電池は、劣化が急速に進行することが知られている。

図３は、既存の蓄電システムを用いた場合における充電時の蓄電池１の電圧及び温度の推移の一例を示すグラフである。実線のグラフが蓄電池１の電圧を示し、破線のグラフが蓄電池１の温度を示す。電圧とＳＯＣは相関を有し、電圧の上昇に応じてＳＯＣも上昇するため、ここでは、ＳＯＣの代わりに電圧を用いて説明する。図３では、第１から第３の期間が示されている。第１及び第３の期間においては、充電が行われ、使用はされていないとする。第２の期間では、充電と使用の両方が行われるとする。

第１期間においては、蓄電池１の充電に伴い、蓄電池１の電圧及び温度が上昇する。蓄電池１が満充電になると充電は停止し、蓄電池１の電圧は最大値のままとなり、充電も使用も行われていないため蓄電池１の温度は常温付近まで低下する。

第２期間においては、使用により蓄電池１の電圧が低下し始めるが、ある程度まで低下したところで充電が行われる。図３の例では、ＳＯＣが９５％ほどに減少した時点で、充電が行われている。これにより、蓄電池１の電圧は最大値に戻されるが、満充電になると充電は停止するため、使用による低下が再び起きる。このように、第２期間においては、蓄電池１の電圧が、低下と上昇を繰り返す。一方、温度は、充電によっても使用によっても上昇するため、第２期間においては、高温状態が保たれる。図３の例では、温度が４５度前後に保たれている。

第３期間においては、使用が停止されたために、第１期間の満充電時と同様に、蓄電池１の電圧は最大値のままとなり、温度は常温付近まで低下する。

このように、充電と使用の両方が行われる期間においては、温度及び電圧（つまり、ＳＯＣ）が高いまま維持されるため、蓄電池１の劣化が進行しやすい。ユーザの利便性を考慮すると、充電時における使用を禁止することは難しいため、高温かつＳＯＣが高い状態を避ける制御を行う必要がある。

図４は、本実施形態の蓄電システムにおける充電時の蓄電池１の電圧及び温度の推移の一例を示すグラフである。図３と同様、実線のグラフが蓄電池１の電圧を示し、破線のグラフが蓄電池１の温度を示す。充電と使用の両方が行われる第２の期間においては、満充電まで充電されずに、充電が停止している。これは、充電と使用の両方が行われている場合に、ＳＯＣが上限値に達した時点で、充電制御装置２が充電を停止するためである。そして、使用が停止された第３の期間においては、満充電になるように充電が再開されて、蓄電池１が満充電となる。

図４に示すように、蓄電池１の温度は上昇してしまうが、この制御によりＳＯＣが低く抑えられている。そのため、本実施形態では、既存の蓄電システムが用いられた場合よりも、蓄電池１の劣化を抑えることができる。なお、図４の例では、最初は上限値を徐々に低くし、途中から上限値を変更しないような制御が行われている。

このように、充電制御装置２は、充電と使用の両方が行われている場合において、満充電になる前に充電を停止する。単に、満充電になる前に充電を停止するだけでも効果はあるが、必要とされるＳＯＣと劣化進行のリスクとが考慮されたＳＯＣの上限値を設けて、ＳＯＣの上限値に達した時点で充電を停止するほうが好ましい。ゆえに、本実施形態では、ＳＯＣの上限値に基づく制御を行うものとする。

ＳＯＣの上限値は予め定められていてもよい。例えば、蓄電池１によらずに一律にＳＯＣの８０％を上限値とするとしてもよい。但し、蓄電池１の劣化状態、温度等に応じて、ＳＯＣの上限値を変更したほうが好ましい。例えば、図２に示したように、劣化が進んでいる蓄電池１と、劣化が進んでいない蓄電池１とでは、蓄電池１の膨張リスクがかなり異なるため、劣化が進んでいる蓄電池１に対しては、劣化が進んでいない蓄電池１によりもＳＯＣの上限値を抑えたほうが好ましい。そこで、本実施形態では、ＳＯＣの上限値を蓄電池１に応じて決定（変更）する。

先に上限値の決定の流れについて説明する。図５は、ＳＯＣの上限値を決定するまでの処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、本フローチャートは一例であり、必要とされる処理結果を得ることができれば処理の順序等は限られるものではない。また、各処理の処理結果は、逐次、データ記憶部２７等に記憶されて、各構成要素はデータ記憶部２７を参照して処理結果を取得してもよい。以降のフローチャートも同様である。

充電制御部２１は、蓄電池１に対して充電を実施する（Ｓ１０１）。なお、当該充電は、蓄電池１の充電量を増やすためのものでもよいし、上限値を決定するためだけに行われてもよい。なお、充電ではなく放電でもよい。計測部２２は、蓄電池１の充電又は放電時における電圧及び電流を少なくとも示す計測データを生成する（Ｓ１０２）。

推定部２３は、計測データから、蓄電池１の状態を推定する（Ｓ１０３）。そして、上限値決定部２４が、蓄電池１の状態に基づき、充電かつ使用中の場合におけるＳＯＣの上限値を決定する（Ｓ１０４）。

なお、図示していない出力部により、決定された上限値、蓄電池１の状態等が充電制御装置２の内部又は外部のモニタに出力されてもよい。

次に、充電制御装置２が備える構成要素と、その処理の詳細について説明する。

充電制御部２１は、蓄電池１の充電を制御する。蓄電池１の充電は、例えば、定電流定電圧充電等の一般的な方法で行わればよい。また、蓄電池１の充電は、蓄電池１の電気エネルギーを補給するときと、蓄電池１の状態を推定するときに行われる。なお、蓄電池１の電気エネルギーを補給するときでも、蓄電池１の状態を推定することは可能である。なお、本実施形態では図示していない入力部を介して、使用者、他のシステム等からの指示を充電制御装置２が受け付けた場合に、充電制御部２１が蓄電池１の充電を開始することを想定する。

また、充電制御部２１は、ＳＯＣが上限値に達したことを検知した検知部２６からの指示を受けて、充電を停止するように制御する。また、充電制御部２１は、充電を再開すると判断した判断部２５からの指示を受け付けて、充電を再開するように制御する。

なお、蓄電池１の状態は、放電時のデータからも推定することが可能である。そのため、充電制御部２１は、蓄電池１の状態を推定するために、放電を制御してもよい。したがって、特に断りがない限り、蓄電池１の状態を推定するための充電は、放電と読み替えられてもよい。

計測部２２は、蓄電池１対する計測を行い、蓄電池１に関する情報を示す計測データを生成する。蓄電池１に関する情報として、少なくとも蓄電池１の電圧及び電流（蓄電池１内の単位電池の正極端子と負極端子との間の電圧と、単位電池に流れる電流）が計測データに含まれるとする。なお、その他にも、蓄電池１及びその周辺の温度等が含まれていてもよい。なお、前述の通り、蓄電池１の電気エネルギーを補給する充電と、蓄電池１の状態を推定する充電とがあるが、この充電の種類によって、計測データに含まれる情報が異なっていてもよい。

推定部２３は、蓄電池１のＳＯＣの推定の精度を向上するための処理を行う。なお、単に、満充電になる前に充電を停止する場合は、計測データに示された電圧が満充電時の電圧に達する前に充電制御部２１が充電を停止すればよいため、ＳＯＣを推定しなくともよい。そのため、推定部２３は省略されてもよい。

推定部２３の劣化状態推定部２３１は、蓄電池１の劣化状態を推定する。具体的には、蓄電池１の劣化を認識することが可能な蓄電池１のパラメータの値を推定する。蓄電池１は、蓄電池１の使用時間に応じて、劣化する。ゆえに、蓄電池１の使用時間に応じて増加又は減少するような、蓄電池１に関するパラメータを算出することにより、蓄電池１の劣化を認識することが可能である。例えば、正極又は負極の初期充電量、正極又は負極の容量（質量）、電池容量、開回路電圧等は、蓄電池１の使用に伴い増加又は減少するため、劣化状態を示すパラメータに該当する。このように、劣化状態を示すパラメータはいくつかある。劣化状態として、いずれのパラメータを用いるかは、予め定めておけばよく、任意に選択してよい。

蓄電池１の劣化状態の推定には、充電曲線解析を用いることが好ましい。例えば、蓄電池１を利用している機器を充電制御装置２として実現する場合を考える。この場合において、充電曲線解析技術を用いると、使用中の電池の劣化状態を、当該電池を取り外すことなく、高精度に把握することができる。つまり、蓄電池１の状態を推定するために、蓄電池１を機器から外して測定機に付け替えるといった手間を減らすことができる。したがって、劣化状態を示すパラメータは、充電曲線解析により算出可能なパラメータが好ましい。

但し、充電曲線解析以外の手法を用いることができないわけではない。試験的電流を流して電池容量の測定を行う充放電試験、主に内部抵抗値の測定を行う電流休止法、交流インピーダンス測定等の電気化学的測定等を用いてもよい。また、これらを組み合わせて測定してもよい。

充電曲線解析により、計測データに基づき、各単位電池の内部状態パラメータ及び電池特性（セル特性）が算出される。具体的には、内部状態パラメータは計測データに基づき推定される。電池特性は、推定された内部状態パラメータに基づき推定される。前述の通り、劣化状態として用いられるパラメータを予め決めておき、当該パラメータを充電曲線解析により求めればよい。

内部状態パラメータは、単位電池の状態を示すものである。内部状態パラメータには、正極容量（正極の質量）、負極容量（負極の質量）、ＳＯＣずれ、及び内部抵抗が含まれることを想定する。ＳＯＣずれは、正極の初期充電量と、負極の初期充電量との差を意味する。

電池特性は、内部状態パラメータから算出することができるものであり、蓄電池１の電圧等の特性を示す。電池特性には、電池容量、開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）、ＯＣＶ曲線等が含まれる。また、内部抵抗は電池特性にも含められる。ＯＣＶ曲線は、蓄電池１に関する何らかの指標と開回路電圧との関係を示すグラフ（関数）を意味する。電池容量は、正極と負極の電位差が電池の放電終止電圧となる位置から電池の充電終止電圧となる位置までの範囲の容量である。

充電曲線解析に必要な式、パラメータ等は、データ記憶部２７が予め記憶しているものとする。例えば、単位電池の正極又は負極の充電量と、電位との関係を示す関数等が記憶されている。

劣化状態推定部２３１は、計測データに基づき、内部状態パラメータである、単位電池の正極又は負極を構成する活物質の量、初期充電量、単位電池の内部抵抗をそれぞれ算出する。当該算出には、活物質量及び内部抵抗に基づき蓄電池１の電圧を算出する関数を利用する。まず、当該関数を用いて、計測データに基づき、蓄電池１の電圧が算出される。そして、算出された蓄電池１の電圧と、計測データ内の電圧との差を少なくする活物質量及び内部抵抗が回帰計算により求められる。なお、正極が複数の活物質から構成されてもよいが、本実施形態では正極、負極がそれぞれ１種類の活物質からなる二次電池を例にとって説明する。

正極、負極がそれぞれ１種類の活物質からなる二次電池を充電する場合、時刻ｔにおける電圧（端子電圧）Ｖｔは、次式で表すことができる。

Ｉ_ｔは時刻ｔにおける電流値、ｑ_ｔは時刻ｔにおける二次電池の充電量を表す。ｆ_ｃは正極の充電量と電位との関係を示す関数、ｆ_ａは負極の充電量と電位との関係を示す関数を表す。ｑ_ｏ ^ｃは正極の初期充電量、Ｍ_ｃは正極の質量を表す。ｑ_ｏ ^ａは負極の初期充電量、Ｍ_ａは負極の質量を表す。Ｒは内部抵抗である。

電流値Ｉ_ｔには、計測データに含まれる電流値が用いられる。充電量ｑ_ｔは、電流値Ｉ_ｔを時間積分することにより算出される。関数ｆ_ｃ及び関数ｆ_ａは、関数情報として、データ記憶部２７に記録されているものとする。

その他の正極の初期充電量ｑ_ｏ ^ｃ、正極の質量Ｍ_ｃ、負極の初期充電量ｑ_ｏ ^ａ、負極の質量Ｍ_ａ、及び内部抵抗Ｒの五つの値（パラメータセット）は、回帰計算によって推定される。なお、各極の活物質量は、各極の質量の所定の割合とみなして、算出されてもよい。

図６は、内部状態パラメータの算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。劣化状態推定部２３１は、初期化を行い、前述のパラメータセットに初期値を設定し、回帰計算の繰り返し回数を０に設定する（Ｓ２０１）。初期値は、例えば、前回の活物質量算出処理が行われた際に算出された値でもよいし、想定され得る値を用いてもよい。

劣化状態推定部２３１は、次式で表される残差Ｅを計算する（Ｓ２０２）。

Ｖ_{ｂａｔ＿ｔ}は時刻ｔにおける端子電圧、ｔ_ｅｎｄは充電終了時刻を表す。

劣化状態推定部２３１は、パラメータセットの更新ステップ幅を計算する（Ｓ２０３）。パラメータセットの更新ステップ幅は、例えば、Ｇａｕｓｓ−Ｎｅｗｔｏｎ法、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−ｍａｒｑｕａｒｄｔ法等を用いて算出することができる。

劣化状態推定部２３１は、更新ステップ幅の大きさが、予め定められた大きさ未満であるかどうかを判定する（Ｓ２０４）。更新ステップ幅の大きさが予め定められた大きさ未満であった場合（Ｓ２０４のＮＯ）は、劣化状態推定部２３１は、計算が収束したと判定し、パラメータセットを出力する（Ｓ２０７）。更新ステップ幅の大きさが予め定められた閾値以上であった場合（Ｓ２０４のＹＥＳ）は、回帰計算の繰り返し回数が、予め定められた値を超えているかを確認する（Ｓ２０５）。

回帰計算の繰り返し回数が予め定められた値を超えている場合（Ｓ２０５のＹＥＳ）は、パラメータセットを出力する（Ｓ２０７）。回帰計算の繰り返し回数が予め定められた回数以下であった場合（Ｓ２０５のＮＯ）は、パラメータセットにＳ２０３で算出した更新ステップ幅を加算し、回帰計算の繰り返し回数を一つ加算する（Ｓ２０６）。そして、再度、残差の計算に戻る（Ｓ２０２）。以上が、内部状態パラメータの算出処理のフローチャートである。

劣化状態推定部２３１は、さらに内部状態パラメータから電池特性を算出する。例として、蓄電池１の電池特性である開回路電圧を算出する場合について説明する。劣化状態推定部２３１は、算出された、正極の初期充電量ｑ_ｏ ^ｃ、正極の質量Ｍ_ｃ、負極の初期充電量ｑ_ｏ ^ａ、負極の質量Ｍ_ａを利用し、蓄電池１の充電量と開回路電圧との関係を算出する。

図７は、電池特性算出処理の流れの一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、内部状態パラメータが算出された後に開始される。このフローチャートでは、充電量ｑ_ｎを一定の値△ｑ_ｎにて増減し、開回路電圧が下限値未満から下限値以上になる充電量ｑ_ｎ０を発見した上で、ｑ_ｎ０を初期値として、開回路電圧が上限値を超えるまで、△ｑ_ｎごとにｑ_ｎを増加させていき、増加の度に、そのときの充電量と開回路電圧を記録する。これにより、開回路電圧が下限値から上限値までの範囲における充電量と開回路電圧との関係を算出することができる。充電量ｑ_ｎ０と開回路電圧が上限値のときの充電量ｑ_ｎとの差が電池容量となる。

劣化状態推定部２３１は、充電量ｑ_ｎの初期値を設定する（Ｓ３０１）。ｑ_ｎの初期値は、０又は０よりも蓄電池１の公称容量の数％程度小さい値にすればよい。具体的には、蓄電池１の公称容量が１０００ｍＡｈであれば−５０ｍＡｈから０ｍＡｈ程度の範囲に設定すればよい。

劣化状態推定部２３１は、開回路電圧を算出する（Ｓ３０２）。開回路電圧の算出には、次式を用いることができる。

次に、劣化状態推定部２３１は、算出された開回路電圧を、予め定められた下限電圧と比較する（Ｓ３０３）。下限電圧は、蓄電池１に用いられる正極活物質と負極活物質との組み合わせにより定まる値である。具体的には、正極活物質、負極活物質それぞれについて、安全性、寿命、抵抗等の観点から各観点それぞれの適切な使用範囲の電圧を定め、それらの組み合わせにより、蓄電池１としての使用範囲の下限及び上限電圧を決定する。

開回路電圧が予め定められた下限電圧未満でない場合（Ｓ３０３のＮＯ）は、充電量ｑ_ｎからΔｑ_ｎを減算し（Ｓ３０４）、再度、開回路電圧を算出する（Ｓ３０２）。開回路電圧が予め定められた下限電圧未満である場合（Ｓ３０３のＹＥＳ）は、劣化状態推定部２３１は、充電量ｑ_ｎにΔｑ_ｎを加算する（Ｓ３０５）。これらにより、充電量ｑ_ｎは下限値に近づく。Δｑ_ｎは任意の値に設定可能である。例えば、蓄電池１の公称容量の１／１０００から１／１００程度にすることが考えられる。具体的には蓄電池１の公称容量が１０００ｍＡｈであれば１ｍＡｈから１０ｍＡｈ程度の範囲に設定することが考えられる。

劣化状態推定部２３１は、加算された充電量ｑ_ｎ＋Δｑ_ｎを用いて、開回路電圧を算出する（Ｓ３０６）。そして、劣化状態推定部２３１は、算出された開回路電圧を、前述の下限電圧と比較する（Ｓ３０７）。開回路電圧が下限電圧未満であった場合（Ｓ３０７のＮＯ）は、Ｓ３０５に戻り、再度、充電量ｑ_ｎにΔｑ_ｎを加算する（Ｓ３０５）。開回路電圧が下限電圧以上であった場合（Ｓ３０７のＹＥＳ）は、開回路電圧が下限値未満から下限値以上になったため、このときの充電量ｑ_ｎをｑ_ｎ０とし、充電量ｑ_ｎ０と開回路電圧Ｅｎを合わせて記録する（Ｓ３０８）。なお、この充電量ｑ_ｎ０の値を基準値として０と表してもよい。その場合は、以降の記録の際に、充電量ｑ_ｎの値からｑ_ｎ０の値を引いた値を記録する。

劣化状態推定部２３１は、充電量ｑ_ｎにΔｑ_ｎを加算し（Ｓ３０９）、開回路電圧を算出し（Ｓ３１０）、充電量ｑ_ｎからｑ_ｎ０を引いた値と、算出された開回路電圧Ｅｎを記録する（Ｓ３１１）。

劣化状態推定部２３１は、算出された開回路電圧と予め定められた蓄電池１の上限電圧とを比較する（Ｓ３１２）。蓄電池１の上限電圧は、蓄電池１に用いられる正極活物質と負極活物質の組み合わせによって定まる値である。開回路電圧が予め定められた上限電圧未満であった場合（Ｓ３１２のＮＯ）は、再度、充電量ｑ_ｎにΔｑ_ｎを加算する処理に戻る（Ｓ３０９）。開回路電圧が予め定められた上限電圧以上となった場合（Ｓ３１２のＹＥＳ）は、処理を終了する。以上が、電池特性算出の処理の流れを示すフローチャートである。

図８は、充電量と開回路電圧との関係の一例を示すグラフ（充電量−ＯＣＶ曲線）である。図８（Ａ）は劣化状態推定部２３１により算出された充電量−ＯＣＶ曲線である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すグラフの縦軸を、下限電圧から上限電圧までにした図である。このようにして、劣化状態推定部２３１は、必要とされる内部状態パラメータ又は電池特性を算出する。

ＳＯＣ情報推定部２３２は、劣化状態推定部２３１により算出された内部状態パラメータ、電池特性等に基づき、蓄電池１のＳＯＣに関する情報を推定する。具体的には、蓄電池１の電圧、電流、及びＳＯＣの対応関係を推定する。

例えば、ＳＯＣ情報推定部２３２は、劣化状態推定部２３１により算出された充電量−ＯＣＶ曲線をＳＯＣ−ＯＣＶ曲線に変換する。充電量からＳＯＣへの変換は、充電量−ＯＣＶ曲線により算出される電池容量と充電量を用いて、行われればよい。そして、開回路電圧は、電圧＋ｃ×内部抵抗×電流にて表すことができる（開回路電圧＝電圧＋ｃ×内部抵抗×電流）。記号ｃは、所定の定数を表す。ゆえに、計測データに含まれる電圧及び電流の値から、ＳＯＣを求めることができる。

図９は、ＳＯＣと開回路電圧との関係の一例を示す（ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線）である。横軸が、充電量ではなく、ＳＯＣである点が図８と異なる。図９は、図８（Ｂ）に示すグラフをＳＯＣ−ＯＣＶ曲線に変換したグラフ（実線）と、初期状態の蓄電池１のＳＯＣ−ＯＣＶ曲線のグラフ（破線）とを、重ねて表示したものである。つまり、図９の破線が初期状態の蓄電池１の開回路電圧を、実線が蓄電池１の劣化等による変化後（現在）の蓄電池１の開回路電圧を表す。ＳＯＣは、満充電容量に対して現在充電されている電荷量の割合を示し、０から１又は０から１００％の間の値で表される。

変化後の曲線は、容量の減少に伴い、曲線の長さが短くなるが、図９によれば、曲線の長さだけでなく形状自体が変化していることがわかる。例えば、開回路電圧がＡであるとき、ＳＯＣはＢ１である。しかし、初期状態におけるＳＯＣ−ＯＣＶ曲線で開回路電圧を求めてしまうと、ＳＯＣはＢ２と求められてしまい、ＳＯＣの推定精度が低くなる。故に、蓄電池１の現在の状態におけるＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を用いることにより、計測データに含まれる電圧及び電流から、ＳＯＣを正確に算出することができる。

図４にて説明したように、本実施形態は、充電時の蓄電池１のＳＯＣに基づき、充電を停止する。そのため、蓄電池１のＳＯＣを正確に推定することができなければ、ＳＯＣの上限値を達したことを検知できず、ＳＯＣの上限値を超えてから充電を停止するといった事態も起こり得る。ゆえに、現在における蓄電池１の電圧、電流、及びＳＯＣの対応関係を、充電曲線解析により推定することが好ましい。

なお、上記では、二次電池の正極、負極がそれぞれ１種類の活物質からなる場合について説明したが、二次電池の正極、負極のいずれか又はいずれもが複数の活物質からなる二次電池に対しても同様に適用することが可能である。

なお、内部抵抗は、内部状態パラメータとして算出された推定値を用いることができるが、内部抵抗は温度等により変化する。ゆえに、劣化状態推定部２３１は、内部抵抗を補正してもよい。また、劣化状態推定部２３１は、補正した推定値を用いて、一度算出した電池特性を算出し直してもよい。これにより、劣化状態の推定の精度を向上させることができる。

内部抵抗の補正は、特開２０１７−１６６８７４号公報等に示される公知の手法を用いればよい。例えば、内部抵抗を、反応抵抗Ｒｃｔ、拡散抵抗Ｒｄ、及びオーミック抵抗Ｒｏｈｍの三つの成分に分け、それぞれ固有の温度依存性に従って補正した後で、合算することにより、温度に対応する内部抵抗を算出することができる。

上限値決定部２４は、蓄電池１に関連する情報に基づき、充電と使用の両方が行われている場合のＳＯＣの上限値を決定する。なお、ＳＯＣの上限値を蓄電池１に応じて決定しない場合は、上限値決定部２４は省略されてもよい。

ＳＯＣの上限値は、劣化状態を示すパラメータとＳＯＣの上限値との関係式又はグラフに基づき、決定（算出）されてもよい。あるいは、劣化状態を示すパラメータの値を所定の複数の範囲で分類しておき、当該分類とＳＯＣの上限値との対応関係を示す対応表に基づき、ＳＯＣの上限値が決定されてもよい。劣化状態を示すパラメータは、ＳＯＣとの対応関係を推定する過程において算出されたパラメータ（内部状態パラメータ及び電池特性）を用いればよく、いずれのパラメータを用いるかは、予め定めておけばよい。また、複数のパラメータを任意に選択してよい。蓄電池１の劣化が大きい程、ＳＯＣの上限値を低くすることにより、劣化の進行をなるべく抑えるほうが好ましい。

また、上限値の決定において、蓄電池１又はその周辺の温度が考慮されてもよい。当該温度が所定閾値よりも高い場合は、ＳＯＣの上限値をより小さくしてもよい。この際、電池の劣化速度とＳＯＣとの相関、当該劣化速度と温度との相関など、電池を貯蔵した際の劣化特性を示すデータを参照してもよい。

また、上限値決定部２４は、充電が行われる度に上限値を変えてもよい。例えば、図４に示したように、充電回数が所定閾値を超えるまでは、充電の度に上限値を数％程度ずつ低下させ、充電回数が所定閾値を超えたときは、上限値を固定するようにしてもよい。

判断部２５は、蓄電池１の充電中に蓄電池１が使用されているかを判断する。判断部２５は、計測データに含まれる計測値の変動から、蓄電池１の使用を判断してもよい。例えば、所定時間内に蓄電池１の電圧が所定値よりも低下していた場合に、蓄電池１が使用されていると判断してもよい。また、所定時間内に蓄電池１の温度が所定値よりも低下していない場合に使用されていると判断してもよい。

また、判断部２５は、充電の停止中に充電の再開を判断する。充電の再開は、計測データに示された電圧が所定閾値よりも低下した場合に行われる。また、充電の再開は、蓄電池１の使用が停止された場合にも行われる。使用の停止の判断は、使用されているかの判方法と同じでよい。判断部２５の判断は充電制御部２１に送られ、充電制御部２１は当該判断に基づき充電を制御する。

なお、外部から蓄電池１の使用の有無が通知されてもよく、判断部２５が当該通知により、使用の有無を判断してもよい。例えば、蓄電池１を電源として用いているスマートフォンにて実行中のアプリケーションから、電気信号又は通信信号を介して、蓄電池１の使用が通知されてもよい。

検知部２６は、蓄電池１のＳＯＣが上限値に達したことを検知する。検知は、計測データに基づき行われてもよい。例えば、検知部２６は、計測データに含まれている電圧及び電流の値から、ＳＯＣ情報推定部２３２により算出されたＳＯＣとの対応関係に関する情報を用いて、蓄電池１の現在のＳＯＣを算出する。そして、算出されたＳＯＣの値が上限値に達したことを検知すればよい。

データ記憶部（参照データ取得部）２７は、充電制御装置２の処理に用いられるデータを記憶する。例えば、ＳＯＣの上限値を算出する際に用いられた関係式、グラフ、対応表といった参照データが記憶されていてもよい。

上限値に関する参照データがデータ記憶部２７に複数記憶されている場合、上限値決定部２４は、蓄電池１に適した参照データを抽出し、当該参照データを用いて上限値を算出してもよい。これにより、蓄電池１により適した上限値を設定することができる。例えば、これまでの説明では、蓄電池１の劣化状態に基づく参照データを用いて、上限値を設定するとしたが、蓄電池１の劣化状態が同じでも、例えば、種類、使用年数、製造年月日、製造ベンダといった蓄電池１の規格、経歴等によっても適切な上限値が異なる場合もあり得る。したがって、上限値決定部２４は、規格、経歴、劣化状態を示すパラメータといった、蓄電池１に関する情報に基づき、上限値を決定するための参照データを取得することが好ましい。

参照データは、前提条件を満たす複数の二次電池に基づき、予め作成されているとする。そして、参照データは、その前提条件を満たす他の二次電池に汎用的に用いられる。前提条件は特に限られるものではなく、様々な前提条件があるとする。例えば、二次電池の極に用いられている材料、極の活物質量が所定の範囲内であること等を、前提条件としてもよい。なお、参照データの作成方法は、特に限られるものではなく、任意に定めてよい。

またデータ記憶部２７は、参照データを提供する装置等から、有線若しくは無線通信、又は電気信号を介して、蓄電池１に関する情報に基づき、参照データを取得してもよい。参照データを提供する装置等は、特に限られるものではなく、参照データが蓄えられている外部データベースでもよいし、参照データを生成し提供する参照データ提供サーバでもよい。

参照データの取得のタイミングは特に限られるものではない。蓄電池１に対応する参照データがない場合、参照データ提供装置が新たな参照データを生成した場合等、不定期に行われてもよいし、定期的に行われてもよい。適切な参照データがデータ記憶部２７にない場合は、前述の前提条件等に基づき、これらに対応する参照データを取得してもよい。あるいは、参照データ提供装置から提供される全ての参照データを取得してもよい。なお、取得した参照データのうち、不要とされる参照データは、データ記憶部２７に記憶されなくともよい。

なお、データ記憶部２７は、内部に記憶されている参照データを削除してもよい。例えば、容量節約のために、使用回数の少ない参照データ、使用期限が切れた参照データ等、所定の削除条件を満たす参照データは、データ記憶部２７から削除されてもよい。

上限値決定部２４により上限値が決定された後の、充電制御部２１の処理の流れについて説明する。図１０は、充電制御部２１による充電の制御の流れの一例を示すフローチャートである。当該フローは、充電制御部２１が充電の実行指令を受信したときに開始される。なお、充電制御部２１は既に上限値を受信しているものとする。

充電制御部２１が充電を開始する（Ｓ４０１）。計測部２２は、計測データの生成を開始する（Ｓ４０２）。以降、判断部２５及び検知部２６はリアルタイムに計測データを参照可能になる。そして、判断部２５が計測データに基づき蓄電池１の使用を判断する（Ｓ４０３）。なお、外部からの通知により判断してもよい。

蓄電池１が使用されていないと判断された場合（Ｓ４０４のＮＯ）は、蓄電池１が満充電になるまで充電が進み、蓄電池１が満充電であることを検知部２６が検知して、充電制御部２１に充電停止を指示する（Ｓ４０５）。一方、蓄電池１が使用されていると判断された場合（Ｓ４０４のＹＥＳ）は、蓄電池１のＳＯＣが上限値に達するまで充電が進み、ＳＯＣが上限値に達したことを検知部２６が検知して、充電制御部２１に充電停止を指示する（Ｓ４０６）。つまり、ＳＯＣが上限値に達したことが検知された時点で、充電制御部２１が蓄電池１の充電を停止する。

充電制御部２１は、検知部２６からの指示を受けて充電を停止する（Ｓ４０７）。充電停止後、判断部２５は、充電の再開を判断する（Ｓ４０８）。判断は、計測データに基づき行われてもよいし、外部からの通知に基づき行われてもよい。充電を再開すると判断された場合（Ｓ４０９のＹＥＳ）は、再び、判断部２５が蓄電池１の使用を判断する（Ｓ４０３）。ゆえに、充電再開後でも蓄電池１が使用されていると判断された場合では、図４に示したような充電の停止と再開が繰り返される。一方、充電再開後に蓄電池１が使用されていないと判断された場合では、蓄電池１の充電が再開されて、満充電まで充電することができる。充電を再開しないと判断された場合（Ｓ４０９のＮＯ）は、フローは終了する。例えば、充電制御装置２と蓄電池１との電気的な接続が解消された時点で、判断部２５は充電を再開しないと判断してもよい。

なお、充電制御部２１が、充電の再開時に、充電の回数をカウントし、当該回数に応じた上限値を用いてもよい。これにより、図４に示したように、徐々に上限値を低下させるといった処理を行うことができる。

以上のように、本実施形態によれば、蓄電池１が充電中に使用される場合、蓄電池１が満充電になる前に充電が停止されて、ＳＯＣが抑えられる。これにより、充電中の使用による劣化を抑制することが可能になる。

また、本実施形態によれば、充電曲線解析を用いることにより、蓄電池１のＳＯＣの推定の精度を向上することができる。これにより、蓄電池１のＳＯＣを所望の値に達したときに充電を停止させることが可能になる。

また、本実施形態によれば、蓄電池１の劣化状態が考慮されて、上限値が決定される。これにより、蓄電池１に適したＳＯＣに抑えることができる。

なお、上記で説明したシステム構成は一例であり、上記の構成に限られるものではない。例えば、通信又は電気信号により、充電制御装置２から処理に必要な情報を受取り、処理結果を充電制御装置２に渡すことができれば、充電制御装置２の一部の構成要素が、充電制御装置２の外部に存在してもよい。例えば、推定部２３を備える推定装置が、充電制御装置２の外部にあってもよい。

また、上記に説明した実施形態における各処理は、専用の回路により実現してもよいし、ソフトウェア（プログラム）を用いて実現してもよい。ソフトウェア（プログラム）を用いる場合は、上記に説明した実施形態は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用い、コンピュータ装置に搭載された中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサにプログラムを実行させることにより、実現することが可能である。

図１１は、本発明の一実施形態におけるハードウェア構成の一例を示すブロック図である。充電制御装置２は、プロセッサ３１、主記憶装置３２、補助記憶装置３３、ネットワークインタフェース３４、デバイスインタフェース３５を備え、これらがバス３６を介して接続されたコンピュータ装置３として実現できる。

プロセッサ３１が、補助記憶装置３３からプログラムを読み出して、主記憶装置３２に展開して、実行することで、充電制御装置２の各構成要素の各機能を実現することができる。

プロセッサ３１は、コンピュータの制御装置及び演算装置を含む電子回路である。プロセッサ３１は、例えば、汎用目的プロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、コントローラ、マイクロコントローラ、状態マシン、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）、及びこれらの組合せを用いることができる。

本実施形態における充電制御装置２は、各装置で実行されるプログラムをコンピュータ装置３に予めインストールすることで実現してもよい。あるいは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶されたプログラム、又はネットワークを介して配布されたプログラムをコンピュータ装置３に適宜インストールすることにより、実現されてもよい。

主記憶装置３２は、プロセッサ３１が実行する命令、及び各種データ等を一時的に記憶するメモリ装置であり、ＤＲＡＭ等の揮発性メモリでも、ＭＲＡＭ等の不揮発性メモリでもよい。補助記憶装置３３は、プログラムやデータ等を永続的に記憶する記憶装置であり、例えば、フラッシュメモリ等がある。

ネットワークインタフェース３４は、無線又は有線により、通信ネットワーク４に接続するためのインタフェースである。ネットワークインタフェース３４より、通信ネットワーク４を介して、コンピュータ装置３と外部装置５Ａとを接続することができる。例えば、参照データ取得部がクラウド等の参照データ提供装置と通信を行う場合は、外部装置５Ａが参照データ提供装置に該当する。

デバイスインタフェース３５は、外部装置５Ｂと直接接続するＵＳＢ等のインタフェースである。つまり、コンピュータ装置３と外部装置５との接続は、ネットワークを介してでもよいし、直接でもよい。外部装置５（５Ａ及び５Ｂ）は、充電制御装置２の外部の装置、充電制御装置２の内部の装置、外部記憶媒体、及びストレージ装置のいずれでもよい。参照データ取得部が、デバイスインタフェース３５を介して、外部記憶媒体又はストレージ装置から参照データを取得する場合は、外部装置５Ｂが参照データ提供装置に該当する。

なお、外部装置５は入力装置でも出力装置でもよい。入力装置は、キーボード、マウス、タッチパネル等のデバイスを備え、これらのデバイスにより入力された情報をコンピュータ装置３に与える。入力装置からの信号はプロセッサ３１に出力される。

コンピュータ装置３は、プロセッサ３１等を実装している半導体集積回路等の専用のハードウェアにて構成されてもよい。専用のハードウェアは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶装置との組み合わせで構成されてもよい。コンピュータ装置３は蓄電池１の内部に組み込まれていてもよい。

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (12)

1. 二次電池の充電を制御する充電制御部と、
   前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断する判断部と、
   を備え、
   前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記充電制御部が前記二次電池の充電を停止する
   充電制御装置。
2. 前記二次電池の充電が満充電になる前に停止された後に前記二次電池が使用されていないと判断された場合に、前記充電制御部が、前記二次電池が満充電になるように、前記二次電池の充電を再開する
   請求項１に記載の充電制御装置。
3. 前記二次電池の充電状態が上限値に達したことを検知する検知部をさらに備え、
   前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池の充電状態が上限値に達したことが検知されたときに、前記充電制御部が前記二次電池の充電を停止する
   請求項１又は２に記載の充電制御装置。
4. 前記二次電池の充電又は放電時における前記二次電池の電圧及び電流を少なくとも示す計測データを生成する計測部をさらに備え、
   前記検知部は、前記二次電池の電圧、電流、及び充電状態の対応関係に関する情報を用いて、前記二次電池の充電時の計測データに示された電圧及び電流の値から、前記二次電池の充電状態が上限値に達したことを検知する
   請求項３に記載の充電制御装置。
5. 前記二次電池の充電又は放電時の計測データに基づき、前記二次電池の正極及び負極それぞれの初期充電量及び質量を算出し、
   算出した前記二次電池の正極及び負極それぞれの初期充電量及び質量に基づき、前記二次電池の開回路電圧と前記二次電池の充電状態との関係を示す関数を算出し、
   前記関数に基づき、前記対応関係を推定する
   推定部をさらに備える請求項４に記載の充電制御装置。
6. 前記二次電池に関連する情報に基づき、前記上限値を決定する上限値決定部
   をさらに備える請求項３ないし５のいずれか一項に記載の充電制御装置。
7. 前記対応関係を推定する過程において算出されたパラメータに基づき、前記上限値を決定する上限値決定部
   をさらに備える請求項５に記載の充電制御装置。
8. 前記二次電池に関する情報に基づき、前記上限値を決定するための参照データを取得する参照データ取得部
   をさらに備え、
   前記上限値決定部が、前記参照データを用いて、前記上限値を決定する
   請求項６又は７に記載の充電制御装置。
9. 二次電池の充電を開始するステップと、
   前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断するステップと、
   前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記二次電池の充電を停止するステップと、
   を備える充電制御方法。
10. 二次電池の充電を開始するステップと、
    前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断するステップと、
    前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記二次電池の充電を停止するステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。
11. 二次電池の充電を制御する充電制御部と、
    前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断する判断部と、
    を備え、
    前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記充電制御部が前記二次電池の充電を停止する
    制御回路。
12. 二次電池と、充電制御装置と、を備えた蓄電システムであって、前記充電制御装置が、
    二次電池の充電を制御する充電制御部と、
    前記二次電池の充電中に前記二次電池が使用されているかを判断する判断部と、
    を備え、
    前記二次電池が使用されていると判断された場合に、前記二次電池が満充電になる前に前記充電制御部が前記二次電池の充電を停止する
    蓄電システム。

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