JP6029745B2 - 二次電池の充電状態推定装置及び二次電池の充電状態推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、短時間の間に充放電が繰り返される二次電池の充電状態を推定する充電状態推定装置及び充電状態推定方法に関する。

二次電池が過放電や過充電とならないように、その充電状態値であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の推定が行われる。ＳＯＣの推定としては、二次電池についての充電電流値と放電電流値を時々刻々積分する電流積算法が用いられる。その他に、特許文献１には、二次電池の充電状態推定装置として、内部抵抗と電流の積が一定となるように、内部抵抗が低い高温のときに制限電流を高くする条件の下で、制限電流以下の充放電電流のときを二次電池の安定状態とみて、安定状態のときの端子間電圧を開放電圧ＯＣＶとみなすことが開示されている。

また、特許文献２には、二次電池の電流−電圧特性が大きなヒステリシスを有することと、劣化と共に内部抵抗が大きくなることを考慮した電池充電状態の推定手段及び電池劣化推定方法が述べられている。ここでは、電流積算法により推定されるＳＯＣを疑似ＳＯＣとしてこれに対応する推定ＯＣＶをＶｏｃとし、このＶｏｃに対し、ヒステリシスを考慮した動的電圧変動成分Ｖｄｙｎと、内部抵抗による電圧成分Ｖｒを加算し、（Ｖｏｃ＋Ｖｄｙｎ＋Ｖｒ）を算出し、これに対応するＳＯＣに疑似ＳＯＣを補正する。

特開２０１１−２１５１５１号公報 国際公開ＷＯ９９／６１９２９号公報

車両搭載用の二次電池や、アンシラリサービスに用いられる二次電池では、短時間の間に充放電が繰り返される。このような場合であっても、的確に二次電池の充電状態を推定することが望まれる。

本発明に係る二次電池の充電状態推定装置は、短時間の間に充放電が繰り返される二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定装置であって、予め定めたサンプリング間隔の時間で二次電池の充放電電流値及び、端子間電圧値を取得する電流値電圧値取得部と、時間ｔで取得された充放電電流値Ｉ（ｔ）について、予め定められる電流合成方法によって時間ｔより前の充放電状態を反映させた電流合成値Ｉｗ（ｔ）を算出する電流合成値算出部と、電流合成値Ｉｗ（ｔ）が予め定めた閾値範囲内となる時間ｔ＝Ｔを充電状態推定のための推定用時間として設定する推定用時間設定部と、推定用時間Ｔにおける二次電池の端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、充放電電流値Ｉ（Ｔ）、並びに推定用時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における二次電池の端子間電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）及び、充放電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）に基づいて二次電池の内部抵抗値Ｒを推定する内部抵抗推定部と、推定用時間Ｔにおける二次電池の端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、内部抵抗値Ｒに基づいて、二次電池の開放電圧値Ｖｏｃを推定し、予め求めてある開放電圧値Ｖｏｃと充電状態値ＳＯＣとの間の関係を示すＶｏｃ−ＳＯＣ関係に基づき、二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定部と、を備える。

また、本発明に係る二次電池の充電状態推定方法は、短時間の間に充放電が繰り返される二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定方法であって、予め定めたサンプリング間隔の時間で二次電池の充放電電流値及び、端子間電圧値を取得し、時間ｔで取得された充放電電流値Ｉ（ｔ）について、予め定められる電流合成方法によって時間ｔより前の充放電状態を反映させた電流合成値Ｉｗ（ｔ）を算出し、電流合成値Ｉｗ（ｔ）が予め定めた閾値範囲内となる時間ｔ＝Ｔを充電状態推定のための推定用時間として設定し、推定用時間Ｔにおける二次電池の端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、充放電電流値Ｉ（Ｔ）、並びにｎを１以上の自然数として推定用時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における二次電池の端子間電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）及び、充放電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）に基づいて二次電池の内部抵抗値Ｒを推定し、推定用時間Ｔにおける二次電池の端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、内部抵抗値Ｒに基づいて、二次電池の開放電圧値Ｖｏｃを推定し、予め求めてある開放電圧値Ｖｏｃと充電状態値ＳＯＣとの間の関係を示すＶｏｃ−ＳＯＣ関係に基づき、二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する。

上記構成によれば、それまでの充放電状態を反映させた電流合成値を用い、電流合成値が閾値範囲内の値となるときの二次電池の端子間電圧に基づいてＳＯＣを推定する。これによって、短時間の間に電流値が変化する場合や充放電が繰り返される場合であっても、的確に二次電池の充電状態を推定することができる。

本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置が用いられる二次電池の充放電システムの構成図である。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定方法の手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置及び方法において、電流合成値算出の例を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置及び方法に用いられるＶｏｃ−ＳＯＣ関係において、合成係数によるＶｏｃ推定値の誤差を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置及び方法において、合成係数を１／２としたときのＶｏｃ推定値の誤差を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置及び方法において、合成係数を１／３２としたときのＶｏｃ推定値の誤差を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置及び方法において、合成係数を１／６４としたときのＶｏｃ推定値の誤差を示す図である。 本発明に係る実施の形態の一例の充電状態推定装置及び方法において、合成係数を１／１２８としたときのＶｏｃ推定値の誤差を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施形態の一例を詳細に説明する。以下で述べるサンプリング間隔、合成係数、充放電電流値、端子間電圧値、Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係等は、説明のための例示であって、二次電池および充電状態推定装置の仕様に応じて適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、二次電池の充放電システム１の構成図である。この充放電システム１は、二次電池２と、二次電池２についての充放電電流値を検出する電流検出部３と、二次電池２の端子間電圧値を検出する電圧検出部４と、二次電池２の充放電を制御する充放電制御部５と、充放電制御部５に接続される充電電源６と、放電負荷７と、二次電池２の充電状態を推定する充電状態推定装置１０を含んで構成される。

二次電池２は、充放電可能な複数の単位電池を組み合わせた電池モジュールである。かかる二次電池２としては、リチウムイオン単位電池を直列および並列に複数個接続した電池モジュールが用いられる。リチウムイオン単位電池は、端子間電圧が３．０から４．０Ｖ、容量が２．９Ａｈを有する。例えば、このリチウムイオン単電池を１００個直列接続した二次電池２の場合は約３００Ｖから約４００Ｖの端子間電圧を有する。さらにこれを１０組並列接続したものは、容量が２９Ａｈを有する。これは説明のための例示であって、これ以外の特性値であってもよい。また、二次電池２としては、ニッケル水素単位電池を組み合わせた電池モジュール、アルカリ単位電池を組み合わせた電池モジュール、鉛蓄電池を組み合わせた電池モジュール等を用いてもよい。

電流検出部３は、充電電源６から二次電池２に入力される充電電流、二次電池２から放電負荷７に出力される放電電流を区別して検出する電流検出手段である。電流検出部３としては、適当な電流計を用いることができる。電流検出部３が検出した充放電電流値は、充電電流値をプラスの電流値、放電電流値をマイナスの電流値として、適当な信号線で充電状態推定装置１０に伝送される。

電圧検出部４は、二次電池２の端子間電圧を検出する電圧検出手段である。電圧検出部４としては、適当な電圧計を用いることができる。電圧検出部４がそれぞれ検出した端子間電圧値は、適当な信号線で充電状態推定装置１０に伝送される。

充放電制御部５は、充電電源６と放電負荷７の要求に従って、二次電池２を充放電制御する制御装置である。充放電制御部５には、充電状態推定装置１０から二次電池２の充電状態値ＳＯＣ等が時々刻々伝送されるので、その充電状態値ＳＯＣ等に基づいて二次電池２が過放電や過充電とならないように、二次電池２の充放電制御を行う。例えば、二次電池２の充電状態値ＳＯＣが低下して過放電となる恐れがあるときは充電電源６を二次電池２に接続し、逆に二次電池２の充電状態値ＳＯＣが上昇して過充電となるときは放電負荷７を二次電池２に接続する制御を行う。ここでは、充放電制御部５は、充電電源６と放電負荷７の要求に従い、二次電池２に対し、短時間の間に充放電を繰り返す制御を実行する。

一例として、充放電システム１がアンシラリサービスに用いられる場合には、図１の外部に設けられてアンシラリサービスを制御する系統制御装置は電力送配電ネットワークの負荷変動（即ち、電力の需要変動）を検知し、電力送配電ネットワーク全体の需給バランスを維持するための指示を、充放電制御部５に与える。そして、充放電制御部５から充電電源６と二次電池２に指示が出され、充放電を行う。この指示は、需給バランスを維持するために時々刻々行われる。例えば、１ｓ単位で指示が与えられる。

他の例として、二次電池２が車両に搭載されてインバータ回路等の駆動回路を介して回転電機に接続される場合は、回転電機が放電負荷７としての電動機の機能と充電電源としての発電機の機能を有する。したがって、車両の走行状態によっては、回転電機が放電負荷７となるときがあり、逆に充電電源６となるときがあり、車両の運転状態に応じて充放電制御部５によって短時間に繰り返し実行される。

このように、充放電制御部５は、充電電源６と放電負荷７の要求に従い、二次電池２に対し、短時間の間に充放電制御を繰り返す制御を実行する。

充電電源６は、商用電源と、ＡＣ／ＤＣコンバータで構成される。商用電源に代えて、あるいは商用電源と共に、太陽電池を発電装置として用いてもよい。そのときには、太陽電池にＤＣ／ＤＣコンバータが接続されたものが充電電源６となる。また、車両に搭載された回転電機が発電機として機能するときは、回転電機が充電電源６となる。

放電負荷７は、三相同期型の回転電機と、ＤＣ／ＡＣコンバータで構成される。三相同期型の回転電機に代えて、あるいは三相同期型の回転電機と共に、電灯負荷等を負荷装置として用いてもよい。電灯負荷が直流電灯であるときは、直流電灯にＤＣ／ＤＣコンバータが接続されたものが放電負荷７となる。

充電状態推定装置１０は、伝送されてきた電流検出部３の検出値と電圧検出部４の検出値とに基づいて、二次電池２の充電状態値ＳＯＣと電池状態値ＳＯＨとを推定する。ここでは、充放電制御部５が二次電池２に対し短時間の間に充放電を繰り返す制御を行うことに対応し、その充放電制御が行われる最中でも、二次電池２の充電状態値ＳＯＣを的確に推定する。

図１には、電流検出部３が検出する充放電電流波形１１と、電圧検出部４が検出する端子間電圧波形１２が示される。いずれも、充放電制御部５による短時間の間に繰り返される充放電制御に対応し、短時間の間に波形が変動する。充放電電流波形１１と、端子間電圧波形１２とを比較すると、前者は、充放電制御部５が電流指令値の変更で充放電制御を行うことを反映して方形波となるが、後者は、二次電池２の緩和時間特性があるため、方形波の先端が変形した波形となる。

充電状態推定装置１０は、二次電池２の充放電電流値と端子間電圧値を取得する電流値電圧値取得部１３と、時間ｔで取得された充放電電流値Ｉ（ｔ）について、予め定められる電流合成方法によって電流合成値Ｉｗ（ｔ）を算出する電流合成値算出部１４と、電流合成値Ｉｗ（ｔ）が予め定めた閾値範囲内となる時間ｔ＝Ｔを充電状態推定のための推定用時間として設定する推定用時間設定部１５とを備える。

そして、推定用時間Ｔにおける二次電池２の端子間電圧値Ｖ（Ｔ）と、充放電電流値Ｉ（Ｔ）と、ｎを１以上の自然数として、推定用時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における二次電池２の端子間電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）と、充放電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）とに基づいて二次電池２の内部抵抗値Ｒを推定する内部抵抗推定部１６と、推定用時間Ｔにおける二次電池２の端子間電圧値Ｖ（Ｔ）と内部抵抗値Ｒに基づいて、二次電池の開放電圧値Ｖｏｃを推定し、予め求めてある開放電圧値Ｖｏｃと充電状態値ＳＯＣとの間の関係を示すＶｏｃ−ＳＯＣ関係に基づき、二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定部１７を備える。

また、充電状態推定装置１０は、検出された電流値を積算して積算電流量を算出する電流積算部１８と、複数のＳＯＣ推定結果とＳＯＣ推定を行ったタイミングで得られた電流積算値を用いて電池状態ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を推定する電池状態推定部１９を備える。充電状態値ＳＯＣ＝１００％の満充電容量は、二次電池２の運用状態で変化する。ＳＯＨは、これを区別するために用いられる。ＳＯＨ＝１００％は、二次電池２の初期状態における満充電容量の状態である。

かかる機能は、充電状態推定装置１０がソフトウェアを実行することで実現できる。具体的には、充電状態推定装置１０が充電状態推定プログラムを実行することでこれらの機能を実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

上記構成の作用、特に充電状態推定装置１０の各機能について、図２から図４を用いて詳細に説明する。図２は、充電状態推定方法の手順を示すフローチャートである。図３は、電流合成値の算出の例を示す図である。図４は、Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係を用いて合成係数によるＶｏｃ推定値の誤差を示す図である。

図２のフローチャートは、充電状態推定方法の各手順を示す図で、各手順は、充電状態推定プログラムの各処理手順に対応する。充電状態推定プログラムが立ち上がると、予め定めたサンプリング間隔の各時間ｔにおいて、二次電池２の充放電電流値Ｉ（ｔ）と端子間電圧値Ｖ（ｔ）が取得される（Ｓ１）。この処理は、充電状態推定装置１０の電流値電圧値取得部１３の機能によって実行される。

次に、時間ｔで取得された充放電電流値Ｉ（ｔ）について、予め定められる電流合成方法によって時間ｔより前の充放電状態を反映させた電流合成値Ｉｗ（ｔ）が算出される（Ｓ２）。この処理は、充電状態推定装置１０の電流合成値算出部１４の機能によって実行される。

電流合成値Ｉｗ（ｔ）は、時間ｔより前の充放電状態を反映させたものであればよい。一例として、時間ｔより前の充放電電流値の単純平均値を電流合成値Ｉｗ（ｔ）とすることができる。他の例として、時間ｔより前の複数の充放電電流値の間に重みづけを行った重みづけ平均値を電流合成値Ｉｗ（ｔ）とすることができる。さらに、時間ｔとそれより前の充放電電流値の間で重みづけをした後にそれぞれを加算した加重加算値を電流合成値Ｉｗ（ｔ）とすることができる。

ここでは、０から１の間の値を取る合成係数αによる加重加算値として、式（１）で示される電流合成値Ｉｗ（ｔ）を用いる。

図３は、時間ｔで取得された充放電電流値Ｉ（ｔ）についての電流合成値Ｉｗ（ｔ）の算出を示す図である。図３（ａ）は、横軸に時間を取り、縦軸に時間ｔにおける充放電電流値Ｉ（ｔ）を取った図である。縦軸の単位はアンペア（Ａ）である。ここでは、充放電電流値Ｉ（ｔ）を取得するサンプリング間隔を１ｓとした。時間軸の原点をｔ（０）として、ｔ（０）から１ｓ後がｔ（１）で、２ｓ後がｔ（２）で、以下一般的に示すと、ｉｓ後がｔ（ｉ）である。

充放電電流値Ｉ（ｔ）としては、２ｓおきに＋２Ａの充電を行い、充電の間に２ｓおきに−４Ａ，−５Ａ，−６Ａ・・・と次第に放電電流値を増加させるものとした。充放電電流値の符号は、充電側を＋（プラス）とし、放電側を−（マイナス）とした。図３（ａ）は、電流合成値Ｉｗ（ｔ）の算出の説明のための一例であって、これ以外の変化をする充放電電流値Ｉ（ｔ）であってもよい。

図３（ｂ）は、横軸に図３（ａ）と同じ時間を取り、縦軸に、合成係数αを１／２として、充放電電流値Ｉ（ｔ）を図３（ａ）としたときに、式（１）に従って算出した電流合成値Ｉｗ（ｔ）を取った図である。縦軸の単位はアンペア（Ａ）である。ここでｔ（０）におけるＩｗ（０）＝２（Ａ）とした。図３（ｂ）に示すように、充放電電流値Ｉ（ｔ）を図３（ａ）のように次第に放電電流値を増加させると、Ｉｗ（ｔ）は、初期値Ｉｗ（０）＝２（Ａ）から±に振れながら次第に小さな値となり、時間ｔ（５）で、Ｉｗ（５）＝−０．１２５（Ａ）となる。

図３（ｃ）は、横軸に図３（ａ）と同じ時間を取り、縦軸に、合成係数αを１／３２として、充放電電流値Ｉ（ｔ）を図３（ａ）としたときに、式（１）に従って算出した電流合成値Ｉｗ（ｔ）を取った図である。縦軸の単位はアンペア（Ａ）である。ここでｔ（０）におけるＩｗ（０）＝２（Ａ）とした。図３（ｃ）に示すように、充放電電流値Ｉ（ｔ）を図３（ａ）のように次第に放電電流値を増加させると、Ｉｗ（ｔ）は、初期値Ｉｗ（０）＝２（Ａ）から徐々に小さな値となり、時間ｔ（１６）で、Ｉｗ（５）＝＋０．０１（Ａ）となる。

二次電池２は、電気化学反応によって起電力と電流を発生するものであるので、時間ｔにおける充放電電流値Ｉ（ｔ）や端子間電圧値Ｖ（ｔ）は、時間ｔ以前の電気化学反応の履歴を引きついだ値となると考えられる。したがって、電気化学反応が生じてから適当な時間が経過するまで、二次電池２の充電状態は安定しないことになる。つまり、電流値の変化や短時間に充放電が繰り返される場合には安定時間を設定することが困難である。そこで、二次電池２の充放電状態の過去の履歴の影響が小さくなるタイミングを、時間ｔ以前の充放電履歴を反映した値である合成電流値Ｉｗ（ｔ）が予め設定した値に収束したかどうかで判定する。

そこで再び図２に戻り、Ｉｗ（ｔ）が算出されると、算出されたＩｗ（ｔ）の絶対値｜Ｉｗ（ｔ）｜が予め定めた閾値範囲Ｉｗ０内となったか否かが判断される（Ｓ３）。閾値範囲Ｉｗ０内となるとは、Ｉｗ（ｔ）が±Ｉｗ０以内になることである。閾値範囲Ｉｗ０は、二次電池２の充電状態値ＳＯＣが単純な式で算出できるかどうかの観点から定められ、できるだけ小さな値が好ましい。図３の例では、Ｉｗ０＝０．２（Ａ）として示してある。

次に、｜Ｉｗ（ｔ）｜が閾値範囲Ｉｗ０以下となる時間ｔ＝Ｔを充電状態推定のための推定用時間として設定する（Ｓ４）。この処理は、充電状態推定装置１０の推定用時間設定部１５の機能によって実行される。すなわち、時間Ｔは、二次電池２の充電状態値ＳＯＣが比較的単純に算出できるタイミングとなった時間と考え、そのときの二次電池２の充放電電流値と端子間電圧を用いて、二次電池２の開放電圧値Ｖｏｃを推定し、推定された開放電圧値Ｖｏｃに基づいて充電状態値ＳＯＣを推定する。

｜Ｉｗ（ｔ）｜が予め定めた閾値範囲Ｉｗ０以下となった時間Ｔにおける開放電圧値Ｖｏｃの推定は、時間Ｔにおける端子間電圧値Ｖ（Ｔ）と、充放電電流値Ｉ（Ｔ）と、その時間Ｔにおける二次電池２の内部抵抗値Ｒとを用いて、式（２）に基づいて行われる。

時間Ｔにおける内部抵抗値Ｒは、時間Ｔにおける端子間電圧値Ｖ（Ｔ）、充放電電流値Ｉ（Ｔ）、時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における端子間電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）、充放電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）を用いて算出される。式（３）には、ｎ＝１として算出する例を示す（Ｓ５）。この処理は、充電状態推定装置１０の内部抵抗推定部１６の機能によって実行される。

時間Ｔにおける内部抵抗値Ｒが式（３）で算出されると、その内部抵抗値Ｒを用いて式（２）から時間Ｔにおける開放電圧値Ｖｏｃが算出できる。開放電圧値Ｖｏｃが算出されると、充電状態値ＳＯＣの推定が行われる（Ｓ６）。この処理は、充電状態推定装置１０の充電状態推定部１７の機能によって実行される。

開放電圧値Ｖｏｃから充電状態値ＳＯＣを推定するのは、予め求めてある前記開放電圧値Ｖｏｃと前記充電状態値ＳＯＣとの間の関係を示すＶｏｃ−ＳＯＣ関係に基づいて行われる。

図４は、Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係の例を示す図である。Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係は、横軸にＳＯＣを取り、縦軸にＶｏｃを取ったマップである。このマップは、二次電池２の仕様が定まると、実験的に求めることができる。すなわち、ＳＯＣは、二次電池２についての充電電流値と放電電流値を時々刻々積分する電流積算法によって求め、その状態で、充放電を止めたときの二次電池２の端子間電圧をＶｏｃとする。ＳＯＣを変化させてそのときのＶｏｃを求めることで、図４のようなマップを得ることができる。

Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係は、二次電池２が製造され出荷されるときの初期状態において、電流積算法によって求めることができる。ところで、二次電池２は最大容量が定まっているので、それ以上は充電できない。その状態を満充電状態とし、そのときの充電状態値ＳＯＣが１００％である。例えば、二次電池２が、リチウムイオン単電池を１００個直列接続したものを１０組並列に接続したものとすると、初期状態では、開放電圧値Ｖｏｃ＝４００Ｖ、満充電容量＝２９Ａｈが充電状態値ＳＯＣ＝１００％である。なお、この数字は説明のための例示であって、これ以外の状態を満充電としてもよい。

初期状態から二次電池２を充放電することを繰り返すと、満充電容量が低下する。例えば、二次電池２の上限電圧まで充電しても充電容量が２０Ａｈ程度に低下する。この２０Ａｈが、二次電池２の運用後の満充電容量で、運用後の二次電池２の充電状態値ＳＯＣは、この２０Ａｈの状態をＳＯＣ＝１００％として計算する。このように、充電状態値ＳＯＣ＝１００％の満充電容量は、二次電池２の運用状態で変化する。これを区別するために、電池状態ＳＯＨが用いられる。ここでＳＯＨ＝１００％は、二次電池２の初期状態における満充電容量の状態で、上記の例では、２９Ａｈの充電容量のときである。二次電池２が運用後に、その満充電容量が２０Ａｈに低下したときは、充電容量＝２０Ａｈの状態は、その運用後における充電状態値ＳＯＣ＝１００％であるが、ＳＯＨ＝（２０Ａｈ／２９Ａｈ）×１００％＝６９％である。

このように、二次電池２について充放電運用を繰り返すと、満充電容量が低下するので、充放電運用後のＶｏｃ−ＳＯＣ関係は、初期状態のＶｏｃ−ＳＯＣ関係と異なってくる。そこで、Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係としては、二次電池２の充放電運用条件を揃えて、その充放電運用条件毎に準備することが好ましい。実際には、二次電池２の充放電運用条件は充電電源６や放電負荷７の要求に依存するので、揃えることが難しい。以下では、特に断らない限り、充電状態値ＳＯＣは、初期状態のＶｏｃ−ＳＯＣ関係を用いて推定される値とする。

Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係は、充電状態推定装置１０の適当なメモリに記憶し、Ｓ６の処理のときに読み出すものとすることができる。Ｖｏｃ−ＳＯＣ関係は、二次電池２についてのものであってもよく、二次電池２を構成する単電池のものであってもよい。その場合には、二次電池２を構成する単電池の数を、単電池のＶｏｃ−ＳＯＣ関係に乗算して二次電池２のＶｏｃ−ＳＯＣ関係とすることができる。リチウムイオン単電池のＶｏｃ−ＳＯＣ関係は、その形状、仕様等によって異なるので、使用する種類のリチウムイオン単電池についてのＶｏｃ−ＳＯＣ関係を記憶しておくことが好ましい。

図４ではＶｏｃ−ＳＯＣ関係をマップとして説明したが、開放電圧値Ｖｏｃ、充電状態値ＳＯＣの一方を検索キーとして、残りを読み出せる様式であれば、上記に示すマップ以外のものであってもよい。例えば、開放電圧値Ｖｏｃを検索キーとして充電状態値ＳＯＣを読み出せるルックアップテーブル様式、数式等であってもよい。あるいは、開放電圧値Ｖｏｃを入力して、充電状態値ＳＯＣを出力するＲＯＭ様式であってもよい。逆に、検索キー、入力を充電状態値ＳＯＣとして、開放電圧値Ｖｏｃを読み出しあるいは出力するものであってもよい。

二次電池２として、リチウムイオン単電池を１００個直列接続したものを１０組並列に接続したものについて、図３（ｃ）を用いてｔ（１６）を推定用時間Ｔに設定した場合を述べる。このとき、時間Ｔにおいて開放電圧値Ｖ（Ｔ）＝３８０Ｖ、放電電流値Ｉ（Ｔ）＝−１１Ａ、Ｔより前の時間（Ｔ−ｎ）において、開放電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）＝３８２Ｖ、充電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）＝＋２Ａであったとする。式（３）から、内部抵抗値Ｒ＝｛（３８０Ｖ−３８２Ｖ）／（−１１Ａ−２Ａ）｝＝｛（−２Ｖ）／（−１３Ａ）｝＝０．１５Ωとなる。式（２）を用いて、開放電圧値Ｖｏｃ＝３８０Ｖ−（−１１Ａ）×０．１５Ω＝３８０Ｖ＋１．６５Ｖ＝３８１．６５Ｖとなる。これを図４のＶｏｃ−ＳＯＣ関係を用いることで、充電状態値ＳＯＣ＝７０％と推定することができる。この充電状態値ＳＯＣは、二次電池２の満充電状態をＳＯＣ＝１００％としたものを基準としている。なお、上記の数値は、説明のための一例であって、これ以外であっても構わない。

再び図２に戻り、ＳＯＣ推定が行われると、場合によってその充放電運用におけるＳＯＨや、残容量が推定される（Ｓ７）。ＳＯＨや残量量の推定は以下のようにして行うことができる。

図３の例では、充電電流値が＋２Ａで、放電電流値が次第に増加する電流パターンを示したが、実際の運用時には異なる電流パターンとなる場合もある。そのような場合に、Ｓ１からＳ６の処理を用いてもとめた別のＶｏｃに対して、図４のＶｏｃ−ＳＯＣ関係から、充電状態値ＳＯＣを求めることができる。

このようにして求められる充電状態値ＳＯＣを８０％とする。一方、また、前回ＳＯＣ（＝７０％）を推定したタイミングから、次にＳＯＣ（＝８０％）を推定するタイミングまでの電流値を電流積算部１８で積算し、ＳＯＣを推定する間の電流積算値を得ることができる。例としてこの時の電流積算値を２．８Ａｈであったとする。

再び図２に戻り、電池状態値ＳＯＨの推定は、複数のＳＯＣの推定タイミングとその間の電流積算値を用いる。この例では、ＳＯＣ＝７０％とＳＯＣ＝８０％の推定結果であり、その間の電流積算値は２．８Ａｈであったため、電池容量は２．８Ａｈ／（８０％−７０％）=２８Ａｈであり、電池状態値ＳＯＨは２８Ａｈ／２９Ａｈ＝９７％となる。また、この時ＳＯＣ＝８０％であれば残容量は２８Ａｈ×８０％＝２２．４Ａｈとなる。

このように、異なる充放電運用状態、例えば異なる運用時間について、それぞれ充電状態値ＳＯＣ、ＳＯＨ、残存容量のデータがあるときは、これらに基づいて、二次電池２の初期状態の充電状態値ＳＯＣからの容量変化値を推定することができる。この推定によって、電池状態値ＳＯＨが容量維持率として算出される。これらの処理は、充電状態推定装置１０の電池状態推定部１９の機能によって実行される。

このように、合成係数αを用いた電流合成値｜Ｉｗ（ｔ）｜が閾値範囲Ｉｗ０内であるときを推定用時間Ｔとして、そのときの端子間電圧値、充放電電流値に基づいて、Ｖｏｃ、ＳＯＣ、ＳＯＨ、残存容量を推定することができる。

ここで、図３に戻り、図３（ｂ）と（ｃ）を比較すると、合成係数αの値を小さくして算出される合成電流値Ｉｗ（ｔ）は、時間ｔの前の充放電の履歴を長い期間に渡って組み込んだものとなることが分かる。二次電池２は、電気化学反応によって起電力と電流を発生するものであるので、時間ｔにおける充放電電流値Ｉ（ｔ）や端子間電圧値Ｖ（ｔ）は、時間ｔ以前の電気化学反応の履歴を引きついだ値となると考えられる。したがって、電気化学反応が生じてから適当な時間が経過するまで、二次電池２の充電状態は安定しないことになる。そこで、電池の充放電履歴を反映した合成電流値Ｉｗ（ｔ）を用いて、過去の充放電履歴の影響を判断する。履歴の影響が小さい場合には、比較的単純な式で開放電圧値Ｖｏｃを算出できる。

図３（ｂ）のα＝１／２の場合では、時間ｔ（５）でＩｗ（ｔ）がかなり小さな値となるが、それまでのＩｗ（ｔ）は、１ｓ毎の充放電をそのまま反映し、Ｉｗ（ｔ）の変化はプラスマイナスに大きく振れる。したがって、二次電池２の充電状態は時間ｔ（５）では過去の充放電履歴の影響が大きいと考えられる。これに対し、図３（ｃ）のα＝１／３２の場合では、時間ｔ（１６）でＩｗ（ｔ）がかなり小さな値となり、それまでのＩｗ（ｔ）の変化を見ても、徐々に小さな値となっている。したがって、二次電池２の充電状態は時間ｔ（１６）で過去の充放電履歴の影響が小さいと考えられる。

このように、合成係数αによって、Ｖｏｃの推定値の誤差の大小が出ることが予想される。合成係数αは、電池の種類ごとに事前に充放電実験を行い、推定誤差と真の値との間の差である誤差が小さいものを設定することが好ましい。

いくつかの候補合成係数について、最も誤差の小さい候補合成係数を最小誤差合成係数として設定する合成係数設定は、以下のようにして行うことができる。

まず、推定用時間Ｔまでの充放電電流値を遂次積算して電流積算法に基づく充電状態値ＳＯＣ（Ｓ）を算出する。次に、図４で説明したＶｏｃ−ＳＯＣ関係を用いて充電状態値ＳＯＣ（Ｓ）に対応する開放電圧値Ｖｏｃ（Ｓ）を算出する。図４に、電流積算法に基づく充電状態値ＳＯＣ（Ｓ）と、これに対応する開放電圧値Ｖｏｃ（Ｓ）を示した。

そして、いくつかの候補合成係数について、図４で説明した手順、図３で説明した手順で、それぞれ推定用時間Ｔを設定し、それぞれ開放電圧値Ｖｏｃを算出して候補算出電圧値Ｖｏｃ（Ａ）とする。図３の例では、候補合成係数αが１／２と１／３２の二つで、それぞれの推定用時間Ｔがｔ（５）とｔ（１６）である。

次に、それぞれの候補算出電圧値Ｖｏｃ（Ａ）と、電流積算法による開放電圧値Ｖｏｃ（Ｓ）との間の誤差Δｅを比較する。図４には、合成係数αが１／３２の場合の推定ＳＯＣに対応する推定Ｖｏｃを示した。これが、合成係数α＝１／３２の場合の候補算出電圧値Ｖｏｃ（Ａ）である。誤差Δｅは、ＶＯＣ（Ｓ）と推定Ｖｏｃの間の電圧差になる。

図５から図８は、合成係数α＝１／２，１／３２，１／６４，１／１２８について、様々な電流パターンから得られた誤差Δｅと合成電流値Ｉｗ（ｔ）の関係を示す図である。これらの図において、横軸はＩｗ（ｔ）で、縦軸が推定Ｖｏｃの誤差Δｅである。

理想的には、Ｉｗ（ｔ）＝０では誤差Δｅ＝０となるはずで、Ｉｗ（ｔ）＝０から離れるに従い、Ｉｗ（ｔ）の大きさに応じて誤差Δｅが増加するものと考えられる。その観点で図５から図８を比較すると、α＝１／２の場合は、Ｉｗ（ｔ）に関係なく誤差Δｅがばらつく。これは、充放電電流値の変化を強く反映するために、Ｉｗ（ｔ）＝０でも誤差Δｅが大きく出やすいためと考えられる。αを１／３２，１／６４，１／１２８と小さくすると、Ｉｗ（ｔ）＝０における誤差Δｅが小さくなり、Ｉｗ（ｔ）＝０から離れるに従い、Ｉｗ（ｔ）の大きさに応じて誤差Δｅが増加する傾向がはっきりする。

αについて１／３２，１／６４，１／１２８を比較すると、Ｉｗ（ｔ）の変化についての誤差Δｅは、α＝１／３２が最も小さい。そこで、α＝１／３２を。最も誤差の小さい最小誤差合成係数として設定することができる。

合成係数αは、電流合成値Ｉｗ（ｔ）を算出するときに、時間ｔの前の充放電履歴をどの程度反映するかを表す係数であるので、二次電池２の充放電における電気化学反応の内容によって、最小誤差合成係数の値が変わるものと考えられる。図５から図８は、評価した二次電池２に当てはまるものであるが、二次電池２の仕様によって、最小誤差合成係数が異なる。したがって、二次電池２の仕様が定まれば、上記の最小誤差合成係数設定の処理を行って、設定された最小誤差合成係数を用いて、Ｖｏｃ，ＳＯＣ，ＳＯＨ、残存容量等の推定を行うことが好ましい。

なお、図６から図８に示すように、誤差の分布に傾向があり、Ｉｗ（ｔ）と誤差Δeの関係を線形直線や他関数などの曲線によって近似できるようであれば、ＳＯＣを推定する際の合成電流値であるＩｗ（ｔ）の値に応じてＶｏｃの算出値に補正を加えてもよい。

また、本発明で説明した手法を用いて得られたＳＯＣやＳＯＨの値は、推定直後や、周期的な更新タイミング、ユーザの操作などに応じて表示する値を最新のものに更新し、ユーザに残容量や容量維持率などを知らせる表示インタフェースを備えた装置に組み込むことも考えられる。

また、最少誤差の合成係数を設定する際に、温度やＳＯＣ，ＳＯＨの影響を受けるようであれば、条件に応じて合成係数αを複数保持し、充放電システム１の運用条件に応じて係数を逐次切り替えて用いてもよい。

１ （二次電池の）充放電システム、２ 二次電池、３ 電流検出部、４ 電圧検出部、５ 充放電制御部、６ 充電電源、７ 放電負荷、１０ （二次電池の）充電状態推定装置、１１ 充放電電流波形、１２ 端子間電圧波形、１３ 電流値電圧値取得部、１４
電流合成値算出部、１５ 推定用時間設定部、１６ 内部抵抗推定部、１７ 充電状態推定部、１８ 電流積算部、１９ 電池状態推定部。

Claims (5)

1. 短時間の間に充放電が繰り返される二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定装置であって、
   予め定めたサンプリング間隔の時間で前記二次電池の充放電電流値及び、端子間電圧値を取得する電流値電圧値取得部と、
   時間ｔで取得された前記充放電電流値Ｉ（ｔ）について、予め定められる電流合成方法によって前記時間ｔより前の充放電状態を反映させた電流合成値Ｉｗ（ｔ）を算出する電流合成値算出部と、
   前記電流合成値Ｉｗ（ｔ）が予め定めた閾値範囲内となる時間ｔ＝Ｔを充電状態推定のための推定用時間として設定する推定用時間設定部と、
   前記推定用時間Ｔにおける前記二次電池の前記端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、前記充放電電流値Ｉ（Ｔ）、並びにｎを１以上の自然数として前記推定用時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における前記二次電池の前記端子間電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）及び、前記充放電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）に基づいて前記二次電池の内部抵抗値Ｒを推定する内部抵抗推定部と、
   前記推定用時間Ｔにおける前記二次電池の前記端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、前記内部抵抗値Ｒに基づいて、前記二次電池の開放電圧値Ｖｏｃを推定し、予め求めてある前記開放電圧値Ｖｏｃと前記充電状態値ＳＯＣとの間の関係を示すＶｏｃ−ＳＯＣ関係に基づき、前記二次電池の前記充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定部と、
   を備える、二次電池の充電状態推定装置。
2. 請求項1に記載の二次電池の充電状態推定装置において、
   前記電流合成値算出部は、予め定めた合成係数αを用いて、
   前記時間ｔにおける前記電流合成値をＩｗ（ｔ）とし、前記時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における前記電流合成値をＩｗ（Ｔ−ｎ）として、Ｉｗ（ｔ）＝αＩ（ｔ）＋（１−α）Ｉｗ（Ｔ−ｎ）から前記電流合成値を算出する、二次電池の充電状態推定装置。
3. 請求項２に記載の二次電池の充電状態推定装置において、
   前記合成係数αは、前記二次電池の充放電特性に基づいて設定される、二次電池の充電状態推定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の二次電池の充電状態推定装置において、
   異なる充放電運用時間についての複数の前記充電状態値ＳＯＣに基づいて、前記二次電池の初期状態の前記充放電状態値からの容量変化値を推定する容量変化値推定部を備える、二次電池の充電状態推定装置。
5. 短時間の間に充放電が繰り返される二次電池の充電状態値ＳＯＣを推定する充電状態推定方法であって、
   予め定めたサンプリング間隔の時間で前記二次電池の充放電電流値及び、端子間電圧値を取得し、
   時間ｔで取得された前記充放電電流値Ｉ（ｔ）について、予め定められる電流合成方法によって前記時間ｔより前の充放電状態を反映させた電流合成値Ｉｗ（ｔ）を算出し、
   前記電流合成値Ｉｗ（ｔ）が予め定めた閾値範囲内となる時間ｔ＝Ｔを充電状態推定のための推定用時間として設定し、
   前記推定用時間Ｔにおける前記二次電池の前記端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、前記充放電電流値Ｉ（Ｔ）、並びにｎを１以上の自然数として前記推定用時間Ｔより前のサンプリング時間（Ｔ−ｎ）における前記二次電池の前記端子間電圧値Ｖ（Ｔ−ｎ）及び、前記充放電電流値Ｉ（Ｔ−ｎ）に基づいて前記二次電池の内部抵抗値Ｒを推定し、
   前記推定用時間Ｔにおける前記二次電池の前記端子間電圧値Ｖ（Ｔ）及び、前記内部抵抗値Ｒに基づいて、前記二次電池の開放電圧値Ｖｏｃを推定し、予め求めてある前記開放電圧値Ｖｏｃと前記充電状態値ＳＯＣとの間の関係を示すＶｏｃ−ＳＯＣ関係に基づき、前記二次電池の前記充電状態値ＳＯＣを推定する、二次電池の充電状態推定方法。

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