JP4503536B2 - 二次電池容量推定システム、プログラム及び二次電池容量推定方法 - Google Patents
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Description
このようなことから、一部に、電池の放電後の充電特性に着目した電池の電池容量の推定方法も知られている(特許文献1)。
また、二次電池容量推定装置では、要求信号出力手段から信号が出力された場合に、選択された二次電池が定電流定電圧充電法で充電される際における定電流充電モードの継続時間である定電流充電継続時間を計時手段により計測し、要求信号出力手段から信号が出力された場合に、選択された二次電池を定電流定電圧充電法で充電する場合における定電流充電モードでの選択された二次電池の端子電圧を電池電圧計測手段により計測し、定電流充電継続時間又は端子電圧に基づいて選択された二次電池の電池容量を電池容量推定手段により推定するようにした。
これにより、管理者等は入力手段から、その他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについての情報を入力するだけで、複数の二次電池の電池容量を求めることができ、管理者等が各二次電池ごとに計測機器を接続し直す必要がないため、管理者等の労力を軽減することができる。
また、定電流定電圧充電法を行う場合の定電流充電モードの定電流充電継続時間又は二次電池の端子電圧を計測するだけで、二次電池の電池容量を推定することができるので、二次電池容量推定を容易に行うことができる。
図1は、直流電力を供給する電力システムに適用した本発明の実施形態による二次電池容量推定システムの構成の一例を示すブロック図である。この二次電池容量推定システムは、二次電池容量推定装置10、二次電池30a、30b、制御装置50、直流電源装置70、負荷80、負荷装置90a、90b、電流制限回路100a、100b、回路切離しスイッチ110a、110b、負荷装置接続スイッチ120a、120b、モデム130を有する。
制御装置50は、二次電池容量推定装置10、直流電源装置70、負荷装置90a、90b、電流制限回路100a、100b、回路切離しスイッチ120a、120b、負荷装置接続スイッチ120a、120bを制御する。この制御装置50は、定電流定電圧充電法を利用して、二次電池30a、30bの充電を行う。この制御装置50の具体的な構成及び処理については、図8及び図11を参照して後述する。
負荷80や負荷装置90a、90bは、直流電源装置70、二次電池30a、30bから供給される電力を消費する。電流制限回路100a、100bは、制御装置50の制御に基づいて、二次電池30a、30bや負荷装置90a、90bに出力する電流の大きさを制御する。
回路切離しスイッチ110a、110bは、制御装置50の制御に基づいて、スイッチを開閉する。また、負荷装置接続スイッチ120a、120bは、制御装置50の制御に基づいて、スイッチを開閉する。モデム130は、LAN(Local Area Network)などのネットワークに接続されており、二次電池容量推定装置10と外部機器との間でデータ通信を行うために使用される。
定電流定電圧充電法では、始めに、直流電源装置70が供給する電力を、制御装置50の制御に基づいて電源制御回路100aにより定電流に制御する。電流制限回路100aから定電流(図2では、0.2(CA))を二次電池30aに供給することにより、二次電池30aを充電する。制御装置50の制御に基づいて電源制御回路100aが定電流で二次電池30aを充電するモードを定電流充電モードとよび、この定電流充電モードが継続する時間を定電流継続時間(図2では、5(h))とよぶ。この定電流充電モードでは、二次電池30aの端子電圧は所定電圧(図2では、4.1(V))に向けて徐々に大きくなる(曲線g01)。
曲線g03〜曲線g05は、定電流定電圧充電法により二次電池30aを充電する場合における、二次電池30aを流れる電流の電流値を示している。また、曲線g06〜曲線g08は、定電流定電圧充電法により二次電池30aを充電する場合における、二次電池30aの端子電圧を示している。
図4において、曲線g1〜曲線g4は、二次電池30aの電池容量が、それぞれ60(%)、70(%)、80(%)、100(%)である場合の放電特性を示している。ここで、電池容量が100(%)の場合は、二次電池30aが新品であることを意味する。
図4から分かるように、二次電池30aの容量が、100(%)(曲線g4)、80(%)(曲線g3)、70(%)(曲線g2)、60(%)(曲線g1)と劣化するに従って、二次電池30aの放電時間は、約10時間、約8時間、約7時間、約6時間と短くなる。
図5の曲線g11及び曲線g21は、電池容量が60(%)(図4の曲線g1)の放電特性を有する二次電池30aを完全に放電させ、その後、所定の充電条件のもとに定電流定電圧充電法により、その二次電池30aを充電する場合の充電特性を示している。また、図5の曲線g21及び曲線g22、曲線g31及び曲線g32、曲線g41及び曲線g42は、電池容量が70(%)(図4の曲線g2)、80(%)(図4の曲線g3)、100(%)(図4の曲線g4)の放電特性をそれぞれ有する二次電池30aを完全に放電させ、その後、所定の充電条件のもとに定電流定電圧法により、それらの二次電池30aを充電する場合の充電特性を示している。ここでは、電池容量が60(%)、70(%)、80(%)、100(%)のいずれの二次電池30aの場合にも、所定の充電条件として、充電初期電流Ia、充電設定電圧Va(=4.1(V))としている。
図5の曲線g11、曲線g21、曲線g31、曲線g41から分かるように、二次電池30aの電池容量が、100(%)、80(%)、70(%)、60(%)と劣化するに従って、二次電池30aの定電流充電モードの継続時間t1、t2、t3、t4は短くなる。
また、図5の曲線g11、曲線g21、曲線g31、曲線g41から分かるように、二次電池30aの電池容量が、100(%)、80(%)、70(%)、60(%)と劣化するに従って、定電流充電モードである定電流充電モードの継続時間内の所定の時刻tbにおける二次電池30aの端子電圧V(100)、V(80)、V(70)、V(60)は大きくなっていく。なお、V(100)とは、電池容量が100%の時の端子電圧を示している。
なお、上述した図2〜図5の説明では、図1の二次電池30a、電流制限回路100aを使用する場合について説明したが、二次電池30b、電流制限回路100bを使用する場合も同様の特性が得られるため、それらの説明を省略する。
入力部51は、キーボードなどの入力機器により構成される。記憶部52には、本実施形態による二次電池容量推定システムの管理者による入力部51の操作に基づいて、二次電池容量を推定する際の測定条件(二次電池容量測定時期、設定時間)などが記録される。
二次電池選択部53は、管理者による入力部51の操作に基づいて、複数の二次電池の中のどの二次電池に対して電池容量を推定するかを選択する。
判定部54は、管理者による入力部51の操作に基づいて、所定の二次電池について電池容量の推定を行った場合に、その他の二次電池についての電池容量の推定を継続するか否かを判定する。
スイッチ制御部55は、回路切離しスイッチ110a、110b、負荷装置接続スイッチ120a、120bの各スイッチの開閉を制御する。
放電制御部58は、複数の二次電池30a、30bの中のどの二次電池から、負荷80、負荷装置90a、90bのいずれに放電させるかに基づいて、スイッチ制御部55を制御する。要求信号出力部59は、定電圧定電流充電法の定電流充電モード時に、二次電池容量推定装置10に対して、定電流充電継続時間又は二次電池30aの端子電圧により二次電池の電池容量を求めることを要求する信号を出力する。
始めに、システム制御部56は、記憶部52に予め記憶される二次電池の電池容量の測定時期に基づいて、二次電池の電池容量の測定時期であるか否かについて判定する(ステップS101)。二次電池の電池容量の測定時期ではない場合には、二次電池の電池容量の測定時期になるまで待機する。一方、二次電池の電池容量の測定時期である場合には、ステップS101で「Yes」と判定し、充電制御部57は直流電源装置70の出力電圧を低下させる(ステップS102)。
そして、放電制御部58は、組電池(二次電池30a及び二次電池30b)を放電させる(ステップS103)。具体的には、放電制御部58は、スイッチ制御部55を制御することにより、回路切離しスイッチ110a及び110bを閉じるとともに、負荷装置接続スイッチ120a及び120bを開くことにより、二次電池30a及び30bに蓄電されている電力を、負荷80に対して放電させる。
そして、充電制御部57は、直流電源装置70の出力電圧を、電池容量推定試験の開始前の出力電圧値に戻す(ステップS106)。次に、放電制御部58は、1つ目の二次電池30aを負荷装置90aに接続する(ステップS107)。具体的には、放電制御部58は、スイッチ制御部55を制御することにより、回路切離しスイッチ110aを開くとともに、負荷装置接続スイッチ120aを閉じることにより、二次電池30aに蓄電されている電力を、負荷装置90aに対して放電させる。これにより、二次電池30aに蓄電されている電力を、完全放電させる(ステップS108)。
そして、放電制御部58は、二次電池30aの回路切離しスイッチ110aを閉じる(ステップS110)。次に、要求信号出力部59は、定電流充電継続時間又は二次電池の端子電圧により二次電池の電池容量を求めることを要求する信号を、二次電池容量推定装置10に対して出力する。これにより、二次電池容量推定装置10に、二次電池30aの電池容量を算出させる(ステップS111)。このステップS111の処理は、図11を参照して後述する。
一方、他の二次電池について電池容量の推定を行わない場合には、図ステップS112で「No」と判定し、図7によるフローチャートの処理を終了する。
電池電圧計測部11は、二次電池30a、30bの端子電圧を計測し、計測した電圧の値を演算部16へ出力する。充電電流計測部12は、二次電池30a、30bに流れる電流を計測し、計測した電流の値を演算部16へ出力する。計時部13は、現在時刻などの時刻情報を、演算部16へ出力する。
電池データ記憶部15には、電池データ・測定条件入力部14から出力される二次電池データや二次電池容量推定データなどが記録される。二次電池容量推定データは、例えば、以下の図9及び図10に示すような二次電池容量推定表などである。
図9に示すように、二次電池30a、30bの電池容量が小さくなると、定電流充電モードの継続時間が短くなる。二次電池容量推定表(図9)などの二次電池容量推定データは、本実施形態による二次電池容量推定システムの管理者などが二次電池30a、30bの定電流充電モードの継続時間と電池容量との関係を予め調べることにより取得する。
曲線g7は、定電流充電モードにより二次電池30aの充電を開始してからの時間が、30分の場合における端子電圧と電池容量との関係を記録したデータである。また、曲線g8〜曲線g10は、定電流充電モードにより二次電池30aの充電を開始してからの時間が、それぞれ60分、90分、120分の場合における端子電圧と電池容量との関係を記録したデータである。なお、ここでは、定電流充電モードにより二次電池30の充電を開始してからの時間が、30分、60分、90分、120分における端子電圧と電池容量との関係を二次電池容量推定表として記録しているが、その他の時間における端子電圧と電池容量との関係を二次電池容量推定表として記録してもよい。
図10に示すように、二次電池30aの電池容量が小さくなると、端子電圧は大きくなる。二次電池容量推定表(図6)などの二次電池容量推定データは、本実施形態による二次電池容量推定システムの管理者などが二次電池30の定電流充電モードにおける端子電圧と電池容量との関係を予め調べることにより取得する。
また、演算部16は、電池電圧計測部11が計測する二次電池30aの端子電圧の値を取得する。更に、演算部16は、充電電流計測部12から出力される電流が定電流となった時刻と、現在の時刻とを計時部13から取得することにより、定電流充電モードにより二次電池30aの充電が開始されてからの時間を算出する。そして、演算部16は、二次電池30aの端子電圧と、定電流充電モードにより二次電池30aの充電が開始されてからの時間とに基づいて、二次電池30aの電池容量を電池データ記憶部15に記録されている二次電池容量推定表(図10)から読み出す。
外部接続インタフェース部20は、二次電池容量推定装置10をLANなどのネットワークに接続することにより、外部機器との間でデータ通信を行う。
二次電池30aの電池容量を推定する前提として、電池データ・測定条件入力部14は、電池データ・測定条件入力部14から入力される蓄電池データ(二次電池30aのメーカ、製造年、ロットなど)や、二次電池容量推定データ(図9、図10参照)を取得し(ステップS03)、電池データ記憶部15に記録する。
演算部16は、定電流充電継続時間に基づいて図9の二次電池容量推定データから読み出した電池容量と、二次電池30aの端子電圧に基づいて図10の二次電池容量推定データから読み出した電池容量との平均値を、電池容量として算出する(ステップS02)。
また、ステップS02において、演算部16は、本実施形態による二次電池容量推定システムの管理者等が制御装置50の入力部51から入力する指示に応じて、電池電圧計測部11が計測する端子電圧に基づいて二次電池2aの電池容量を推定するか、計時部13が計測する定電流充電継続時間に基づいて二次電池2aの電池容量を推定するかを決定するようにしてもよい。
そして、演算部16は、定電流定電圧充電法による二次電池30aの充電が完了したか否かについて判定する(ステップS07)。この判定は、演算部16が、充電電流計測部12から出力される電流値が所定の閾値以下(例えば、測定値が0)になったか否かを基準として行う。
二次電池30aの充電が完了していない場合には、ステップS07で「No」と判定し、定電流定電圧充電法による二次電池30aの充電を継続する(ステップS08)。そして、再度、ステップS07へ進む。
なお、演算部16は、上述したステップS02で求めた定電流充電継続時間が、所定時間より短くなった場合、二次電池30aが劣化していると判定して、表示部18に表示するようにしてもよい。この所定時間のデータは、例えば、ステップS03の処理において、二次電池データや二次電池容量推定データとともに、電池データ・測定条件入力部14から入力される。
また、演算部16は、上述したステップS02で計測した二次電池30aの端子電圧が所定電圧より大きくなった場合に、二次電池30aが劣化していると判定して、表示部18に表示するようにしてもよい。この所定時間のデータは、例えば、ステップS03の処理において、二次電池データや二次電池容量推定データとともに、電池データ・測定条件入力部14から入力される。
なお、二次電池30aと二次電池30bとを組み合わせた組電池においても、充電時に組電池内の各セルの充電特性を測定するだけで、任意のセルの容量推定・劣化判定を行うことが可能である。
Claims (9)
- 制御装置と二次電池容量推定装置とを備える二次電池容量推定システムであって、
前記制御装置は、
複数の二次電池のいずれかを選択する二次電池選択手段と、
前記二次電池容量推定装置に対して前記選択された二次電池の電池容量を求めることを要求する信号を出力する要求信号出力手段と、
前記信号が出力された場合に前記選択された二次電池を定電流定電圧充電法により充電する充電制御手段と、
前記選択された二次電池の電池容量が前記二次電池容量推定装置により求められた場合にその他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについての情報を取得する入力手段と、
前記入力手段が取得した情報に基づいてその他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについて判定する判定手段とを有し、
前記二次電池容量推定装置は、
前記要求信号出力手段から信号が出力された場合に、前記選択された二次電池が定電流定電圧充電法で充電される際における定電流充電モードの継続時間である定電流充電継続時間を計測する計時手段と、
前記要求信号出力手段から信号が出力された場合に、前記選択された二次電池を定電流定電圧充電法で充電する場合における定電流充電モードでの前記選択された二次電池の端子電圧を計測する電池電圧計測手段と、
前記定電流充電継続時間又は端子電圧に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定する電池容量推定手段とを有し、
前記電池容量推定手段は、定電流充電モードにより前記選択された二次電池を充電している場合には前記電池電圧計測手段が計測する端子電圧に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定し、定電流充電モードによる前記二次電池の充電が終了した場合には前記計時手段が計測する定電流充電継続時間に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定することを特徴とする二次電池容量推定システム。 - 前記二次電池選択手段により選択された二次電池を放電させる放電制御手段を更に有し、
前記充電制御手段は、前記要求信号出力手段から信号が出力された場合に前記放電制御手段により放電された二次電池を定電流定電圧充電法により充電することを特徴とする請求項1に記載の二次電池容量推定システム。 - 前記二次電池に流れる電流の電流値を計測する充電電流計測手段を更に有し、
前記計時手段は、前記充電電流計測手段が計測した電流が一定である時間に基づいて前記定電流充電継続時間を求めることを特徴とする請求項1または2に記載の二次電池容量推定システム。 - 前記計時手段は、前記電池電圧計測手段が計測する電圧が所定値に達する時間に基づいて前記定電流充電継続時間を求めることを特徴とする請求項1から3までのいずれかの項に記載の二次電池容量推定システム。
- 前記定電流充電継続時間と前記二次電池の電池容量との関係を記録した電池容量推定データを予め記憶する電池データ記憶手段を更に有し、
前記電池容量推定手段は、前記計時手段が計測した定電流充電継続時間に対応する二次電池の電池容量を、前記電池容量推定データから読み出すことにより、前記二次電池の電池容量を推定することを特徴とする請求項1から4までのいずれかの項に記載の二次電池容量推定システム。 - 前記計時手段が計測する定電流充電継続時間が所定時間より短くなった場合に、前記二次電池が劣化していると判定する判定手段を更に有することを特徴とする請求項1から5までのいずれかの項に記載の二次電池容量推定システム。
- 前記電池容量推定手段が推定した電池容量が所定容量以下になった場合に、警報を発する警報発出手段を更に有することを特徴とする請求項1から6までのいずれかの項に記載の二次電池容量推定システム。
- コンピュータを、
複数の二次電池のいずれかを選択する二次電池選択手段と、
前記二次電池容量推定装置に対して前記選択された二次電池の電池容量を求めることを要求する信号を出力する要求信号出力手段と、
前記信号が出力された場合に前記選択された二次電池を定電流定電圧充電法により充電する充電制御手段と、
前記選択された二次電池の電池容量が前記二次電池容量推定装置により求められた場合にその他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについての情報を取得する入力手段と、
前記入力手段が取得した情報に基づいてその他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについて判定する判定手段と、
前記要求信号出力手段から信号が出力された場合に、前記選択された二次電池が定電流定電圧充電法で充電される際における定電流充電モードの継続時間である定電流充電継続時間を計測する計時手段と、
前記要求信号出力手段から信号が出力された場合に、前記選択された二次電池を定電流定電圧充電法で充電する場合における定電流充電モードでの前記選択された二次電池の端子電圧を計測する電池電圧計測手段と、
前記定電流充電継続時間又は端子電圧に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定する電池容量推定手段であって、定電流充電モードにより前記選択された二次電池を充電している場合には前記電池電圧計測手段が計測する端子電圧に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定し、定電流充電モードによる前記二次電池の充電が終了した場合には前記計時手段が計測する定電流充電継続時間に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定する電池容量推定手段
として機能させるためのプログラム。 - 複数の二次電池のいずれかを選択する二次電池選択過程と、
前記二次電池容量推定装置に対して前記選択された二次電池の電池容量を求めることを要求する信号を出力する要求信号出力過程と、
前記信号が出力された場合に前記選択された二次電池を定電流定電圧充電法により充電する充電制御過程と、
前記選択された二次電池の電池容量が前記二次電池容量推定装置により求められた場合にその他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについての情報を取得する入力過程と、
前記入力過程で取得した情報に基づいてその他の二次電池についての電池容量を求めるか否かについて判定する判定過程と、
前記要求信号出力過程で信号が出力された場合に、前記選択された二次電池が定電流定電圧充電法で充電される際における定電流充電モードの継続時間である定電流充電継続時間を計測する計時過程と、
前記要求信号出力過程で信号が出力された場合に、前記選択された二次電池を定電流定電圧充電法で充電する場合における定電流充電モードでの前記選択された二次電池の端子電圧を計測する電池電圧計測過程と、
前記定電流充電継続時間又は端子電圧に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定する電池容量推定過程であって、定電流充電モードにより前記選択された二次電池を充電している場合には前記電池電圧計測手段が計測する端子電圧に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定し、定電流充電モードによる前記二次電池の充電が終了した場合には前記計時手段が計測する定電流充電継続時間に基づいて前記選択された二次電池の電池容量を推定する電池容量推定過程と、
を有することを特徴とする二次電池容量推定方法。
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