JP5888127B2 - 二次電池の電池容量を推定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、充放電が開始された時点の二次電池の電池容量を、充放電が行われていない状態において推定する方法および装置に関する。

二次電池の電池容量を推定する方法として、いくつかの方法が知られている。たとえば特許文献１には、二次電池の開放電圧に基づいて電池容量を推定する方法と、充放電に係る電流値を積算して電池容量を推定する方法とが記載されている。

特開２０００−１５０００３号公報

しかしながら、従来の推定方法では、常に最適な推定値を得ることは困難であるという問題があった。
たとえば開放電圧に基づいて電池容量を推定する方法では、温度や直前の充放電量などが絡み合うため、とくに充放電終了直後には推定のための近似式に誤差が生じ、推定精度が悪化することがある。
また、充放電に係る電流の積算値に基づいて電池容量を推定する方法では、各時点の電池容量に直接関連する値に基づくわけではないため、たとえば誤差の積算等が生じて推定精度が悪化することがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、充放電が開始された時点の二次電池の電池容量を、充放電が行われていない状態において推定する方法および装置において、複数の推定方法を組み合わせ、より適切な推定値を得ることを目的とする。

上述の問題を解決するため、この発明に係る二次電池の電池容量を推定する方法は、充放電が開始された時点の二次電池の電池容量を、充放電が行われていない状態において推定する方法であって、二次電池の充放電に係る電流に基づいて算出される、第１の仮推定値と、二次電池の測定される開放電圧に基づいて算出される、第２の仮推定値とのうち、第２の仮推定値の時間的変化を表す状況に応じて選択される一方を、二次電池の電池容量の推定値とし、第２の仮推定値が、時間とともに第１の仮推定値から遠ざかっている場合には第２の仮推定値を選択する。

この方法によれば、異なる根拠に基づいて算出される２種類の仮推定値のうち、状況に応じてより適切な一方が選択される。

充放電が行われていない状態になってから、第２の仮推定値が、時間とともに第１の仮推定値に近づく場合において、第２の仮推定値の時間的な変動率が、所定の変動率閾値以下である場合には第２の仮推定値を選択してもよい。
二次電池の充放電が終了した時刻からの経過時間が、所定の経過時間閾値以上である場合には第２の仮推定値を選択してもよい。
第１の仮推定値は、二次電池の充放電に係る電流値を積算する工程を含む方法によって算出されてもよい。

また、この発明に係る二次電池の電池容量を推定する装置は、第１の仮推定値および第２の仮推定値を算出する演算手段と、第１の仮推定値および第２の仮推定値を記憶する記憶手段とを備え、上述の方法を実行して二次電池の電池容量を推定する。

本発明に係る方法および装置によれば、異なる根拠に基づく複数の推定方法による２種類の仮推定値のうちから、状況に応じて選択される一方を最終的な推定値とするので、より適切な推定値を得ることができる。

本発明の実施の形態１に関連する二次電池の状態の推移の一例を示す図である。 実施の形態１に関連する二次電池の状態の推移の一例を示す図である。 実施の形態１に関連する二次電池の状態の推移の一例を示す図である。 実施の形態１に関連する二次電池の状態の推移の一例を示す図である。 実施の形態１における処理の流れを説明するフローチャートである。 実施の形態１に関連する二次電池の状態の推移の一例を示す図である。 実施の形態１に関連する二次電池の状態の推移の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１に係る二次電池の電池容量を推定する方法の対象となる二次電池の状態の推移を示す図である。図１〜図４はそれぞれ異なる例を示す。本発明に係る二次電池は、たとえば車両に搭載されるものであり、イグニッションスイッチがオンとなることに応じて充放電を開始する。
電池容量は、ＳＯＣ（State Of Charge）、充電容量、または残存容量とも呼ばれる。この値は充電率と対応する。また、本実施形態では、充放電が開始された時点の例としてイグニッションスイッチがオンとなった時点を扱い、また、充放電が行われていない状態の例として、イグニッションスイッチがオフである状態を扱う。

図１〜図４において、横軸は時間を表し、時刻ｔ０は最後に充放電が終了した時刻を表す。すなわち、図１〜図４は、充放電が行われない間の二次電池の状態の推移を表すものである。また、図１および図２は放電が終了した時点からの推移を表し、図３および図４は充電が終了した時点からの推移を表す。

ＳＯＣ１は、二次電池が充放電した電流から算出された電池容量であり、第１の仮推定値である。ＳＯＣ１は、充放電に係る電流に基づいて算出される値であればどのような方法によって算出されるものであっても良い。算出の過程で電流の積分または積算が行われてもよい。電流は温度や充電回数等に応じて補正されてもよい。電流以外の値を組み合わせて用いてもよく、たとえば充放電が終了する直前の電流値とＣＣＶ（閉回路電圧、Closed Circuit Voltage）とに基づいてＯＣＶ（開放電圧、Open Circuit Voltage）を推定し、これによってＳＯＣ１を求めてもよい。具体例として、特開２０００−２６８８８６に記載される方法によってＳＯＣ１を算出してもよく、または特開平６−６９０１に記載される方法によってＳＯＣ１を算出してもよい。
なお、図１〜図４は充放電を行わない時間帯を示しているので、ＳＯＣ１は時間の経過によらず一定である。

図１および図２において、ＯＣＶは二次電池の開放電圧を表す。ＯＣＶは時間とともに変動する。たとえば、放電終了時点で発生していた分極が時間とともに解消されるので、図１および図２に示すようにＯＣＶは時間とともに増加する。なお、図３および図４ではＯＣＶをとくに示さないが、充電終了時点で発生していた分極の解消に伴い、ＯＣＶは時間とともに減少する。

ＳＯＣ２は、測定されるＯＣＶに基づいて算出された電池容量であり、第２の仮推定値である。ＳＯＣ２は、ＯＣＶに基づいて算出される値であればどのような方法によって算出されるものであってもよい。たとえば、ＯＣＶと、最後に充放電が終了した時刻からの経過時間との関数として算出されてもよい。具体例として、特許文献１に記載される方法によってＳＯＣ２を算出してもよい。または、特開２００４−２７１４３４に記載されるように、ＯＣＶに応じて異なる算出方法を用いてもよい。

ＳＯＣａは、本発明に係る方法によって決定される電池容量の推定値であるが、これについては後述する。

次に、図５を用いて、実施の形態１に係る方法における処理の流れを説明する。
図５の処理は、二次電池の電池容量を推定する推定装置によって実行される。この推定装置は、とくに図示しないが、たとえば公知のマイクロコンピュータを用いて構成され、演算を行う演算手段と、情報を記憶する記憶手段とを備える。演算手段は、推定装置の動作を制御する制御手段としても機能する。

図５の処理は、たとえばイグニッションスイッチがオフとなることに応じて開始される。まず、制御手段は、記憶手段に記憶されている経過時間を表す値を０に設定する（ステップＳ１）。この値はたとえばカウンタによって表すことができ、イグニッションスイッチがオフとなった時点からの経過時間、すなわち充放電が最後に終了した時刻からの経過時間を表す。

次に、制御手段は、事前に算出されていた第１の仮推定値ＳＯＣ１を電池容量の推定値として記憶手段に記憶させる（ステップＳ２）。なお、ＳＯＣ１は、イグニッションスイッチがオンである間は継続的に算出され、常に更新される。イグニッションスイッチがオフとなった時点でこの更新が行われなくなり、ステップＳ２では最後の演算タイミングで算出された値が推定値として扱われることになる。また、ＳＯＣ１の算出には、上述のように公知の様々な方法を採用することができ、たとえば二次電池の充放電に係る電流値を積算する工程を含む方法によって算出することができる。推定装置は、ＳＯＣ１を算出するために電流測定手段を備えてもよい。後述するように、本実施形態では、ステップＳ２で記憶したＳＯＣ１が書き換えられ消去されない限り、イグニッションスイッチがオンとなった時点のＳＯＣとしてＳＯＣ１が選択されることになる。

次に、制御手段は経過時間を足しこむ（ステップＳ３）。たとえばカウンタを１だけ増加させる。
次に、制御手段は二次電池の開放電圧を測定する（ステップＳ４）。このために、推定装置は開放電圧測定手段を備えてもよい。次に、演算手段は、測定された開放電圧に基づき、第２の仮推定値としてＳＯＣ２を算出する（ステップＳ５）。なお、この時点で制御手段はＳＯＣ２を記憶手段に記憶させてもよい。

次に、制御手段は、ＳＯＣ２が時間とともにＳＯＣ１から遠ざかっているか否かを判定する（ステップＳ６）。図１の例では、時刻ｔ１においてＳＯＣ１とＳＯＣ２とが交差している。時刻ｔ１より前ではＳＯＣ２はＳＯＣ１に近づいていると判定され、時刻ｔ１より後ではＳＯＣ２はＳＯＣ１から遠ざかっていると判定される。また、図３の例では、時刻ｔ３においてＳＯＣ１とＳＯＣ２とが交差している。時刻ｔ３より前ではＳＯＣ２はＳＯＣ１に近づいていると判定され、時刻ｔ３より後ではＳＯＣ２はＳＯＣ１から遠ざかっていると判定される。

ＳＯＣ２がＳＯＣ１から遠ざかっている場合、制御手段は、ＳＯＣ２を電池容量の推定値として記憶手段に記憶させる（ステップＳ７）。すなわち、ステップＳ２で記憶された推定値（ＳＯＣ１に等しい値）を、ステップＳ７で記憶する推定値（ＳＯＣ２に等しい値）によって書き換えることになる。このようにして、ステップＳ６における分岐処理により、２種類の仮推定値（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）のうちＳＯＣ２が選択される。

図１のＳＯＣａはこのような選択の結果を示す。ＳＯＣａは本発明に係る方法によって決定される電池容量の推定値である。時刻ｔ１より前ではＳＯＣ１が選択されて最終的な推定値となり、時刻ｔ１より後ではＳＯＣ２が選択されて最終的な推定値となる（なお、図の理解を容易にするためＳＯＣａを表す破線はＳＯＣ１およびＳＯＣ２から多少ずれた位置に示している）。図３のＳＯＣａについても同様に、時刻ｔ３より前ではＳＯＣ１が選択されて最終的な推定値となり、時刻ｔ３より後ではＳＯＣ２が選択されて最終的な推定値となる。
ここで、ＯＣＶは時間とともに正確な値に収束するので、ＳＯＣ２は時間とともに正確な値を示すようになる。したがって、ＳＯＣ２がＳＯＣ１から遠ざかっている状況にあれば、ＳＯＣ１よりもＳＯＣ２のほうが適切な推定値であるということができる。ステップＳ６はこのような着想に基づく選択を実現する判定処理である。

ステップＳ６においてＳＯＣ２がＳＯＣ１から遠ざかっていない場合、制御手段は、ＳＯＣ２の時間的な変動率が所定の変動率閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ＳＯＣ２の時間的な変動率は、たとえば単位時間における変化量によって表すことができる。演算手段は、ステップＳ５を実行してＳＯＣ２を算出するごとに、新たに算出されたＳＯＣ２と前回のＳＯＣ２との差分を求め、これを記憶手段に記憶させておいてもよい。この変動率は、たとえば図１〜図４では、ＳＯＣ２を表す曲線に各時刻において接する直線の傾きに相当する。

ここで、変動率閾値が、図２の時刻ｔ２における接線Ｔの傾きに等しい場合を考える。図２では、時刻ｔ２より前では、ＳＯＣ２の変動率は変動率閾値よりも大きいと判定され、時刻ｔ２以降では、ＳＯＣ２の変動率は変動率閾値以下であると判定される。
同様に、図４の例において、変動率閾値が時刻ｔ４における接線Ｔの傾きに等しい場合を考える。図４では、時刻ｔ４より前では、ＳＯＣ２の変動率は変動率閾値よりも大きいと判定され、時刻ｔ４以降では、ＳＯＣ２の変動率は変動率閾値以下であると判定される。

ＳＯＣ２の変動率が変動率閾値以下である場合、処理は上述のステップＳ７に分岐する。すなわち、制御手段は、ＳＯＣ２を電池容量の推定値として記憶手段に記憶させる。このようにして、ステップＳ８における分岐処理により、２種類の仮推定値（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）のうちＳＯＣ２が選択される。

図２のＳＯＣａはこのような選択の結果を示す。ＳＯＣａは本発明に係る方法によって決定される電池容量の推定値である。時刻ｔ２より前ではＳＯＣ１が選択されて最終的な推定値となり、時刻ｔ２より後ではＳＯＣ２が選択されて最終的な推定値となる。図４のＳＯＣａについても同様に、時刻ｔ４より前ではＳＯＣ１が選択されて最終的な推定値となり、時刻ｔ４より後ではＳＯＣ２が選択されて最終的な推定値となる。ここで、上述のようにＯＣＶは時間とともに正確な値に収束するので、ＯＣＶがある程度収束して安定していれば、ＳＯＣ１よりもＳＯＣ２のほうが適切な推定値であるということができる。ステップＳ８はこのような着想に基づく選択を実現する判定処理である。

ステップＳ８において、ＳＯＣ２の変動率が変動率閾値よりも大きいと判定された場合、制御手段は、経過時間が所定の経過時間閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。経過時間が所定の経過時間閾値以上である場合、処理は上述のステップＳ７に分岐する。すなわち、制御手段は、ＳＯＣ２を電池容量の推定値として記憶手段に記憶させる。このようにして、ステップＳ９における分岐処理により、２種類の仮推定値（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）のうちＳＯＣ２が選択される。ここで、上述のようにＯＣＶは時間とともに正確な値に収束するので、最後の充放電からある程度の時間が経過していれば、ＳＯＣ１よりもＳＯＣ２のほうが適切な推定値であるということができる。ステップＳ９はこのような着想に基づく選択を実現する判定処理である。

ステップＳ９において経過時間が所定の経過時間閾値未満であると判定された場合、および、ステップＳ７の実行後に、制御手段は、イグニッションスイッチがオンであるか否かを判定する（ステップＳ１０）。オフであれば処理はステップＳ３に戻る。オンであれば、制御手段は記憶手段から電池容量の推定値を読み出し（ステップＳ１１）、この値を、イグニッションスイッチがオンとなった時点のＳＯＣとする。

以上のように、本発明の実施の形態１に係る二次電池の電池容量を推定する方法および装置によれば、まずステップＳ２において第１の仮推定値ＳＯＣ１が電池容量の推定値とされ、その後、状況に応じて第２の仮推定値ＳＯＣ２が電池容量の推定値とされる。ここで、イグニッションスイッチがオフとなった直後は、ＯＣＶの測定精度が比較的低いため、ＯＣＶに依存しないＳＯＣ１のほうが適切な推定値であるということができる。また、状況がある程度安定すれば、ＯＣＶの測定精度が向上し、ＯＣＶに基づくＳＯＣ２のほうが適切な推定値であるということができる。したがって、異なる根拠に基づく複数の推定方法による２種類の仮推定値（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）のうちから、状況に応じてより適切な一方を選択して最終的な推定値とすることができ、より適切な推定値を得ることができる。

なお、図１および図３の例では、時刻ｔ０の後、ＳＯＣ１がＳＯＣ２に近づき、ＳＯＣ２と交差した後にＳＯＣ２から遠ざかっているが、ＳＯＣ１とＳＯＣ２とが交差しない場合でも同様の処理によって電池容量の推定値を求めることができる。図６は放電終了後、ＳＯＣ１がＳＯＣ２と交差せずにＳＯＣ２から遠ざかる場合の例であり、図７は充電終了後、ＳＯＣ１がＳＯＣ２と交差せずにＳＯＣ２から遠ざかる場合の例である。いずれの場合においても、時刻ｔ０の直後においてＳＯＣ１がＳＯＣ２から遠ざかっているので、図５の処理においてステップＳ６からステップＳ７に分岐し、ＳＯＣ２がＳＯＣａとして選択されることになる。

上述の実施の形態１において、以下のような変形を施すことができる。
実施の形態１では、２種類の仮推定値（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）のいずれを選択するかの判定に、ステップＳ６、Ｓ８およびＳ９の３種類の基準が用いられる。これらの基準は、いずれかまたは複数が省略されてもよい。たとえば、ステップＳ６およびＳ８のみを実施し、ステップＳ９を省略してもよい。または、ステップＳ６およびＳ８を省略し、ステップＳ９のみを実施してもよい。

実施の形態１では、電池容量の推定値として１つの値（ＳＯＣ１またはＳＯＣ２のいずれか）のみが記憶手段に記憶されるが、これら２つの値をそれぞれ記憶しておき、判定の結果に応じて選択してもよい。

ステップＳ７を実行した後は、図３の処理を終了し、イグニッションスイッチがオンとなるのを待つ処理（たとえばステップＳ１０のみを繰り返し実行する処理）に移行してもよい。

実施の形態１では車載の二次電池を対象としているが、他の用途の二次電池を対象としてもよい。この場合、実施の形態１におけるイグニッションスイッチがオフとなることは、充放電が終了することに対応し、実施の形態１におけるイグニッションスイッチがオンとなることは充放電が開始することに対応する。

ＳＯＣ１ 第１の仮推定値、ＳＯＣ２ 第２の仮推定値、ＳＯＣａ 電池容量の推定値。

Claims (5)

1. 充放電が開始された時点の二次電池の電池容量を、充放電が行われていない状態において推定する方法であって、
   前記二次電池の充放電に係る電流に基づいて算出される、第１の仮推定値と、
   前記二次電池の測定される開放電圧に基づいて算出される、第２の仮推定値と
   のうち、前記第２の仮推定値の時間的変化を表す状況に応じて選択される一方を、前記二次電池の電池容量の推定値とし、
   前記第２の仮推定値が、時間とともに前記第１の仮推定値から遠ざかっている場合には前記第２の仮推定値を選択する、二次電池の電池容量を推定する方法。
2. 充放電が行われていない状態になってから、前記第２の仮推定値が、時間とともに前記第１の仮推定値に近づく場合において、前記第２の仮推定値の時間的な変動率が、所定の変動率閾値以下である場合には前記第２の仮推定値を選択する、請求項１に記載の方法。
3. 前記二次電池の充放電が終了した時刻からの経過時間が、所定の経過時間閾値以上である場合には前記第２の仮推定値を選択する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の仮推定値は、前記二次電池の充放電に係る電流値を積算する工程を含む方法によって算出される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１の仮推定値および前記第２の仮推定値を算出する演算手段と、
   前記第１の仮推定値および前記第２の仮推定値を記憶する記憶手段と、
   を備え、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法を実行して二次電池の電池容量を推定する装置。

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