JP3941324B2 - 電池の充電状態推定方法および電池の充電状態制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池の充電状態推定方法および電池の充電状態制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池と蓄電池とを組み合わせた電力貯蔵システムの蓄電池や、電気自動車の蓄電池おいては、電池が放電できなくなる前に充電をしたり、省電力モードに移行したりすることが必要とされており、そのために電池の充電状態を推定する技術が開発されてきた。また、近年、エンジン自動車による排ガスの削減に対応するため、アイドルストップ・スタート、回生充電可能な状態に電池を保つ技術が望まれている。鉛電池はこの種用途に対応できる電池の代表的なものである。
鉛電池の充電状態の推定方法には、電解液の比重を測定する方法がある。充電により電解液の比重が高くなり、放電により比重が低くなることから、この比重を計ることによって充電状態を推定することができる。
他には、大電流での内部抵抗や微分内部抵抗（電圧電流直線の傾き）から求める方法、電圧電流直線から求める方法（特開平６−１５０９８１号）、電流積算により求める方法（特開平７−１２８４１５号）、劣化を考慮しながら求める方法（特開平８−４３５０４号）などがあり、近年ではこれらを組み合わせた方法（特開平７−６３８３０号）が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方法では電池ごとの個体差を考慮しておらず、そのため充電状態の推定誤差が大きくなる場合が生じると共に、アイドルストップ・スタートが可能かの判断をする際にも、誤った判断を引き起こしアイドルストップ後のエンジンスタートができないなどの事態を生じることとなる。
本発明の目的は、上記問題を解決し、電池ごとの個体差を考慮した高い精度の電池の充電状態推定方法を提供すると共に、アイドルストップ・スタートや回生充電を行う車両システムに適した電池の充電状態制御方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明において、電池の充電状態推定方法は、平衡状態にある電池の充電状態推定と閉回路状態にある電池の充電状態推定を行ない、前者は、平衡状態にある電池の充電状態を、残存電気量の満充電電気量に対する比から推定し、前記満充電電気量は、均等充電後の電池電圧と温度の測定値を、容量を支配する活物質の濃度−電池電圧−温度の関係に対応づけて、容量を支配する活物質の濃度を求め、これに有効な活物質体積を乗じたものから求めるものであること、前記残存電気量は、電流値がゼロもしくは十分小さな電流値の電流が流れた後の電池電圧と温度の測定値を、容量を支配する活物質の濃度−電池電圧−温度の関係に対応づけて、容量を支配する活物質の濃度を求め、これに有効な活物質体積を乗じたものから求めるものであること、前記有効な活物質体積は、電池の放電または充電を行い、その前後の電池電圧と流した電気量から求めるものであること等を特徴とする。
後者は、劣化状態が既知もしくは推定可能な電池で閉回路状態にある電池の充電状態を推定するに際し、該電池に電流を流して得られる電流、電池電圧、温度の測定値を、標準電池における充電状態−電流−電池電圧−温度−劣化状態の関係に対応づけて、充電状態推定値を得ること、前記電池電圧の測定値を、電池に流した電流と電池電圧の測定値から求まる内部抵抗と、前記電池と同じ充電状態の標準電池の内部抵抗との差を用いて補正すること、前記充電状態推定値を、電流積算により補正すること等を特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、平衡状態では電池電圧から充電状態を推定し、閉回路状態では電流、電圧と温度の関係から充電状態を推定する。ここで、実際には電流が流れているとしても電池電圧に影響しない程度に小さい電流値であれば平衡状態とみなして取り扱うものとする。平衡状態の電池の充電状態ＳＯＣは（式１）〜（式３）を使って求めることができる。
ＳＯＣ＝（残存電気量／満充電電気量）×１００％ （式１）
残存電気量＝２Ｆｖ×電池電圧から求めた容量を規制している活物質濃度（Ｆ：ファラデー定数，ｖ：容量を規制している活物質の体積） （式２）
満充電電気量＝２Ｆｖ×満充電電池電圧から求めた容量を規制している活物質濃度（Ｆ：ファラデー定数，ｖ：容量を規制している活物質の体積）（式３）
シール鉛電池の場合は容量を規制している活物質は硫酸であるから（式２），（式３）における容量を規制している活物質濃度は硫酸濃度、ｖは硫酸体積である。このときｖには仕込み体積を使用するか、もしくは一定電気量Ｑ充電または放電した前後の電解液硫酸濃度Ｃ１，Ｃ２より（式４）を用いて計算した値を使用する。平衡状態の電池電圧は硫酸濃度と１対１に対応するので電気量Ｑを電池に流す前後の電池電圧からＣ１，Ｃ２は求まる。
ｖ＝Ｑ／２Ｆ（Ｃ２−Ｃ１） （式４）
また、正極材にリチウムイオンがドープする材料を使用し、かつ正極が容量を規制するようなリチウムイオン電池の場合は、（式２），（式３）中の容量を規制している活物質は集電体との間に電子伝導ネットワークでつながった充放電に寄与しうる正極材であり、これをＡと表すと、容量を規制している活物質濃度はＡ内における可逆的に脱ドープ可能なリチウムイオンの単位体積当たりの数、ｖはＡの体積である。
標準電池と注目している電池との内部抵抗の差δと、電流Ｉを流した時の０．１秒目電圧Ｅの測定を、これを（式５）に代入して標準電池での値Ｅｓｔｄに補正し、標準電池での電圧電流曲線との比較により充電状態を推定する。ここでは０．１秒目電圧を利用したが、他の時間の電圧を利用した場合も同様な取扱いが可能である。
Ｅｓｔｄ＝Ｅ＋Ｉδ （式５）
この充電状態の値を電流の積算により補正し、電流の積算の方法は、電流をＡ−Ｄコンバータでデジタル信号に変換した後に信号処理装置で積算するか、ＯＰアンプを用いた積分回路などのアナログの積分回路を積算装置として利用する方法がある。高周波数の電流を積算する場合にはアナログ回路を利用することでコストを下げることができる。
また、アイドルストップ・スタートや回生充電に必要な充電状態の範囲かどうかの判定においても同様に内部抵抗の補正を行い正確な放電電圧を推定し、必要な充電状態を維持するように電池を制御する。
【０００６】
【実施例】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。
（実施例）図1のブロック図に示すように、充電状態制御用の信号処理回路７、ＯＰアンプを使用した電流積算装置３、車両側モータジェネレータ１、２０Ａｈ鉛電池からなる電池５等を備えた装置を自動車に搭載し、アイドルストップ・スタートと回生充電の機能をもたせ、２８日間充放電を行いながら充電状態を推定した。スタート時に流れる電流は２５０Ａであり、充電状態の推定においてこの値を使用した。信号処理回路７の処理のフローを図２に示す。充電状態推定値の試験終了時の値は８６％であった。試験終了後に１．７５Ｖ／セルまで放電し残存電気量を測定し、次に満充電状態まで充電後に１．７５Ｖ／セルまで放電して満充電電気量を求め、これらの値を（式１）に代入して充電状態を求めると８２％であった。充電状態の推定値と実測値の差は４％と小さいことがわかった。
（比較例）従来技術の電流積算による充電状態推定方法を用い、実施例と同様な試験を行った。充電状態推定値の試験終了時の値は８５％であった。試験終了後に１．７５Ｖ／セルまで放電し残存電気量を測定し、次に満充電状態まで充電後に１．７５Ｖ／セルまで放電して満充電電気量を求め、これらの値を（式１）に代入して充電状態を求めると４０％であった。充電状態の推定値と実測値の差は４５％と大きく、電池寿命に影響が出る可能性が高いことから、電池の個体差を考慮した取扱いが必要であることがわかった。
【０００７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い精度で充電状態を推定でき、平衡状態では電池電圧から充電状態を推定し、閉回路状態では電流、電圧と温度の関係から充電状態を推定する。特に、後者の方法は、より高い精度で充電状態を推定できる。また、アイドルストップ・スタートや回生充電においても必要な充電状態を維持するように電池を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例における信号処理回路での充電状態の制御過程を示す図である。
【符号の説明】
１は車両側モータジェネレータ、２は電流計、３はＯＰアンプを使用した電流積算装置、４は熱電対、５は電池、６は電圧計、７は充電状態制御用の信号処理回路、８は充電状態の表示部

Claims (6)

1. 平衡状態にある電池の充電状態を、残存電気量の満充電電気量に対する比から推定する電池の充電状態推定方法であって、前記満充電電気量は、均等充電後の電池電圧と温度の測定値を、容量を支配する活物質の濃度−電池電圧−温度の関係に対応づけて、容量を支配する活物質の濃度を求め、これに有効な活物質体積を乗じたものから求めるものであることを特徴とする電池の充電状態推定方法。
2. 平衡状態にある電池の充電状態を、残存電気量の満充電電気量に対する比から推定する電池の充電状態推定方法であって、前記残存電気量は、電流値がゼロもしくは十分小さな電流値の電流が流れた後の電池電圧と温度の測定値を、容量を支配する活物質の濃度−電池電圧−温度の関係に対応づけて、容量を支配する活物質の濃度を求め、これに有効な活物質体積を乗じたものから求めるものであることを特徴とする電池の充電状態推定方法。
3. 平衡状態にある電池の充電状態を、残存電気量の満充電電気量に対する比から推定する電池の充電状態推定方法であって、前記満充電電気量は、均等充電後の電池電圧と温度の測定値を、容量を支配する活物質の濃度-電池電圧-温度の関係に対応づけて、容量を支配する活物質の濃度を求め、これに有効な活物質体積を乗じたものから求めるものであり、前記残存電気量は、電流値がゼロもしくは十分小さな電流値の電流が流れた後の電池電圧と温度の測定値を、容量を支配する活物質の濃度−電池電圧−温度の関係に対応づけて、容量を支配する活物質の濃度を求め、これに有効な活物質体積を乗じたものから求めるものであることを特徴とする電池の充電状態推定方法。
4. 前記有効な活物質体積は、電池の放電または充電を行い、その前後の電池電圧と流した電気量から求めるものであることを特徴とする請求項１、２、３のうちいずれか１項記載の電池の充電状態推定方法。
5. 劣化状態が既知もしくは推定可能な電池で閉回路状態にある電池の充電状態を推定するに際し、該電池に電流を流して得られる電流、電池電圧、温度の測定値を、標準電池における充電状態−電流−電池電圧−温度−劣化状態の関係に対応づけて充電状態推定値を得ることを特徴とする電池の充電状態推定方法。
6. 前記電池電圧の測定値を、電池に流した電流と電池電圧の測定値から求まる内部抵抗と、前記電池と同じ充電状態の標準電池の内部抵抗との差を用いて補正することを特徴とする請求項５記載の電池の充電状態推定方法。

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