JP6037369B2 - 二次電池のｓｏｃ推定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池のＳＯＣ（State of Charge；充電状態）推定装置に関する。
二次電池は、電子機器、エレベータ及び車両などの輸送機器、蓄電機器などの各種用途で用いられており、その大きさも様々である。このような二次電池を最大限活用するためには、二次電池のＳＯＣを精度良く推定することが重要である。二次電池のＳＯＣの推定誤差が大きい場合、許容範囲を超えて充電又は放電が行われてしまうため、二次電池の膨張及び昇温などの問題が生じてしまう。例えば、過放電によって電気的に溶解した二次電池の負極集電箔が再析出した際にセパレータを貫通するなどを原因として短絡が生じる。その結果、瞬時に多量の電流が流れることで発熱し、電解液が蒸発してしまう。また、過充電によっても二次電池の電解液又は電極材料が分解する。このような発熱又は分解反応で発生したガスによって内圧が高くなると、二次電池が膨張する。したがって、二次電池の過充電及び過放電を防止しつつ二次電池を最大限活用するためには、二次電池のＳＯＣを精度良く把握する必要がある。
二次電池のＳＯＣを推定する方法としては、二次電池のＯＣＶ（Open Circuit Voltage；開回路電圧）を用いる方法が一般的に知られている。これは、二次電池のＯＣＶに対するＳＯＣの相関曲線を予め作成し、二次電池の使用中に測定された実測ＯＣＶを、この相関曲線に導入することでＳＯＣを推定する方法である。
ところが、二次電池の構成材料によっては、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なるヒステリシス現象が発生する場合がある。そして、このようなヒステリシス現象が発生する場合、実測ＯＣＶからＳＯＣを精度良く推定することができないという問題があった。
そこで、特許文献１は、この問題を解決するために、充電から放電に切り替えた際のＳＯＣごとに、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を求め、この相関曲線に基づいて実測ＯＣＶからＳＯＣを測定する方法を提案している。
ところが、二次電池の構成材料によっては、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なるヒステリシス現象が発生する場合がある。そして、このようなヒステリシス現象が発生する場合、実測ＯＣＶからＳＯＣを精度良く推定することができないという問題があった。
そこで、特許文献１は、この問題を解決するために、充電から放電に切り替えた際のＳＯＣごとに、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を求め、この相関曲線に基づいて実測ＯＣＶからＳＯＣを測定する方法を提案している。
しかしながら、二次電池のＯＣＶは、二次電池の使用中だけでなく二次電池の使用休止中によっても変化し、特に、二次電池を長時間使用休止した後、使用開始する際にＯＣＶの変動が大きくなる。特許文献１の方法及び装置では、この点について考慮されておらず、二次電池の使用開始直後においてＳＯＣの推定に大きな誤差が生じてしまうという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池において、二次電池の使用中だけでなく、二次電池を使用休止した後に使用開始する際にもＳＯＣを精度良く推定することができる二次電池のＳＯＣ推定装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究した結果、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池において充電過程又は放電過程のいずれかのＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に従う傾向が実測ＯＣＶの大きさによって異なり、この傾向に重み付した関係式を用いることでＳＯＣを精度良く推定し得ることを見出した。また、同様の傾向が、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣでも見られ、この傾向に重み付した関係式を用いることでＳＯＣを精度良く推定し得ることを見出した。
すなわち、本発明は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池のＳＯＣ推定装置であって、実測ＯＣＶが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ実測ＯＣＶが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定する手段を有し、前記ＳＯＣを推定する手段は、充電過程及び放電過程におけるＯＣＶと電荷量Ｑとの関係を表す相関曲線の同一ＯＣＶでの電荷量Ｑの差ΔＱが最大となるＯＣＶを閾値ＯＣＶとし、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定することを特徴とする二次電池のＳＯＣ推定装置である。
また、本発明は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池のＳＯＣ推定装置であって、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定する手段を有し、前記ＳＯＣを推定する手段は、充電過程及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線の同一ＳＯＣでのＯＣＶの差ΔＯＣＶが最大となるＳＯＣを閾値ＳＯＣとし、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定することを特徴とする二次電池のＳＯＣ推定装置である。
また、本発明は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池のＳＯＣ推定装置であって、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定する手段を有し、前記ＳＯＣを推定する手段は、充電過程及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線の同一ＳＯＣでのＯＣＶの差ΔＯＣＶが最大となるＳＯＣを閾値ＳＯＣとし、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定することを特徴とする二次電池のＳＯＣ推定装置である。
本発明によれば、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池において、二次電池の使用中だけでなく、二次電池を使用休止した後に使用開始する際にもＳＯＣを精度良く推定することができる二次電池のＳＯＣ推定装置を提供することができる。
以下、本発明の二次電池のＳＯＣ推定装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態では、二次電池として、リチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、その他の二次電池においても同様に用いることが可能である。
実施の形態１．
図１は、本発明の二次電池のＳＯＣ推定装置を含む二次電池システムの構成を示す図である。二次電池システムは、図１に示すように、二次電池２の制御を行うＢＭＵ（Battery Management Unit）１と、二次電池２と、二次電池２の端子間電圧を測定する電圧センサ３と、通電電流を測定する電流センサ４と、電池温度を測定する温度センサ５とを備えており、二次電池２の電力を消費又は二次電池２に電力を回生するモータ６に接続されている。この構成中、ＢＭＵ１が本発明のＳＯＣ推定装置を含む。なお、図示していないが、二次電池システムは、二次電池２とモータ６との間に、二次電池２の電圧を昇降圧するコンバータ、直流電流と交流電流とを変換するインバータなどを備えていてもよい。また、二次電池２の数は１つに限定されず、複数の二次電池２を直列、並列又はそれらを組み合わせた電池モジュールとして用いてもよい。このとき、各々の二次電池２について各種情報を測定又は推定してもよいが、複数の二次電池２ごとに各種情報を測定又は推定することで平均化した各種情報を得てもよい。
図１は、本発明の二次電池のＳＯＣ推定装置を含む二次電池システムの構成を示す図である。二次電池システムは、図１に示すように、二次電池２の制御を行うＢＭＵ（Battery Management Unit）１と、二次電池２と、二次電池２の端子間電圧を測定する電圧センサ３と、通電電流を測定する電流センサ４と、電池温度を測定する温度センサ５とを備えており、二次電池２の電力を消費又は二次電池２に電力を回生するモータ６に接続されている。この構成中、ＢＭＵ１が本発明のＳＯＣ推定装置を含む。なお、図示していないが、二次電池システムは、二次電池２とモータ６との間に、二次電池２の電圧を昇降圧するコンバータ、直流電流と交流電流とを変換するインバータなどを備えていてもよい。また、二次電池２の数は１つに限定されず、複数の二次電池２を直列、並列又はそれらを組み合わせた電池モジュールとして用いてもよい。このとき、各々の二次電池２について各種情報を測定又は推定してもよいが、複数の二次電池２ごとに各種情報を測定又は推定することで平均化した各種情報を得てもよい。
図２は、ＢＭＵ１の制御システムの構成を示す図である。ＢＭＵ１の制御システムでは、図２に示すように、電圧センサ３によって測定された二次電池２の端子間電圧、電流センサ４によって測定された通電電流、及び温度センサ５によって測定された電池温度の情報がＢＭＵ１のＳＯＣ推定装置７に入力され、これらの情報に基づいてＳＯＣ推定装置７がＳＯＣを推定する。そして、ＳＯＣ推定装置７で推定されたＳＯＣ及び各センサからの情報に基づいて制御部８が二次電池２に対する充放電の制御指令を行う。
次に、ＳＯＣ推定装置７におけるＳＯＣの推定方法について説明する。
図３は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。図３に示すように、二次電池２の充電を行う場合、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に従い、ＳＯＣが０％から１００％まで増加するにつれてＯＣＶが上昇する。逆に、二次電池２の放電を行う場合、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に従い、ＳＯＣが１００％から０％まで低下するにつれてＯＣＶが下降する。充電過程と放電過程とではＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が異なり、ヒステリシスが生じている。
図３は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。図３に示すように、二次電池２の充電を行う場合、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に従い、ＳＯＣが０％から１００％まで増加するにつれてＯＣＶが上昇する。逆に、二次電池２の放電を行う場合、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に従い、ＳＯＣが１００％から０％まで低下するにつれてＯＣＶが下降する。充電過程と放電過程とではＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が異なり、ヒステリシスが生じている。
ここで、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０は、二次電池２のＳＯＣが０％になるまで放電した後、充分な休止時間を経た状態から、一定容量ずつ充電するごとにＯＣＶを測定することで得ることができる。また、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１は、二次電池２のＳＯＣが１００％になるまで充電した後、充分な休止時間を経た状態から、一定容量ずつ放電するごとにＯＣＶを測定することで得ることができる。一定容量ずつ充放電を行う際、充放電後の休止時に電圧が増減する挙動が見られるため、この挙動がある程度収まる程度の時間が経過した後にＯＣＶを測定する。この挙動がある程度収まる程度の時間としては、特に限定されないが、一般に１時間程度である。
ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なるヒステリシス現象は、二次電池２の電極を構成する材料に主に起因する。すなわち、正極電極に用いられる正極活物質、及び負極電極に用いられる負極活物質がヒステリシス現象の主な発生要因となる物質である。
リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質は、リチウムを含む金属酸化物から構成されており、その構成材料によってヒステリシスの発生状況が変化する。また、負極活物質は、黒鉛又はハードカーボンなどの炭素材料から主に構成さており、ハードカーボンを負極活物質として用いた負極は、黒鉛を負極活物質として用いた負極に比べてヒステリシスが大きくなる傾向にある。
ハードカーボンを負極活物質として用いた負極を有するリチウムイオン二次電池においてヒステリシスが大きくなる要因は、以下のように考えられる。
黒鉛を負極活物質として用いた場合、充電時は、カーボンが平面状に結合してなるグラフェン層の間にリチウムが挿入される。一方、ハードカーボンは、黒鉛に比べてグラフェン層が発達していないため、これを負極活物質として用いた場合、グラフェン層の間にリチウムが挿入された状態（以下、「挿入状態」と略す。）、及びグラフェン層の末端のカーボンにリチウムが結合した状態（以下、「結合状態」と略す。）の２種類の状態が混在する。
黒鉛を負極活物質として用いた場合、充電時は、カーボンが平面状に結合してなるグラフェン層の間にリチウムが挿入される。一方、ハードカーボンは、黒鉛に比べてグラフェン層が発達していないため、これを負極活物質として用いた場合、グラフェン層の間にリチウムが挿入された状態（以下、「挿入状態」と略す。）、及びグラフェン層の末端のカーボンにリチウムが結合した状態（以下、「結合状態」と略す。）の２種類の状態が混在する。
ハードカーボンを負極活物質として用いた場合、リチウムイオン二次電池の充電過程では、エネルギー準位の低いグラフェン層にリチウムが優先的に挿入される。充電量の増加に伴い挿入状態のリチウムが増加すると、挿入状態のリチウムのポテンシャルエネルギーが高くなる。さらに、充電を続けると、挿入状態のリチウムの一部は、挿入状態のリチウムと結合状態のリチウムとの間のエネルギー障壁を上回るエネルギー準位となる結果、結合状態のリチウムへと緩やかに変化する。
リチウムイオン二次電池の放電過程では、高ＳＯＣに予め充電されているため、結合状態のリチウムが多量に存在している。放電の際のリチウムの脱離は挿入状態のリチウムから優先的に進行するが、放電量の増加に伴い挿入状態のリチウムのエネルギー準位が結合状態のリチウムよりも低くなる。その結果、結合状態のリチウムの一部は、挿入状態のリチウムに変化するが、変化速度が緩やかなため、短期的にみると同じリチウムの蓄積量であっても充電過程と異なった状態をとる。
上記のように、充電過程及び放電過程で同じリチウムの蓄積量であっても、リチウムの存在状態に違いがあると、負極電位に差異が生じ、ヒステリシス現象が発生することになる。また、低ＳＯＣに放電を続けると、結合状態のリチウムから挿入状態のリチウムへの変化が促進される。このような充放電過程において、充電時に挿入状態のリチウムから結合状態のリチウムへの変化が始まるＳＯＣでヒステリシスの幅が最も大きくなる。
結合状態のリチウムが多い放電過程のＯＣＶは、同一のＳＯＣで比較すると、充電過程のＯＣＶよりも小さいため、結合状態のリチウムの蓄積量は、負極電位に与える影響が小さく、挿入状態のリチウムの蓄積量が負極電位を変動させると考えられる。
結合状態のリチウムが多い放電過程のＯＣＶは、同一のＳＯＣで比較すると、充電過程のＯＣＶよりも小さいため、結合状態のリチウムの蓄積量は、負極電位に与える影響が小さく、挿入状態のリチウムの蓄積量が負極電位を変動させると考えられる。
負極のリチウムは、上記した２つの状態間で反応速度が平衡に達するまで緩やかに変化し、長時間をかけて負極のリチウム蓄積量に見合った状態へと収束する。そのため、リチウムイオン二次電池の充放電を停止した後の休止時間の間にＯＣＶに緩やかな変動が生じる。このＯＣＶの変動は、負極が蓄積するリチウムの量で決定される。
図４は、リチウムイオン二次電池の休止状態におけるＯＣＶの変動を確認するため、充電過程及び放電過程において、充分に大きなＯＣＶを示す特定のＳＯＣで通電電流を停止した後、長時間にわたって無負荷で保持した際のリチウムイオン二次電池の時間に対するＯＣＶの変動を示したグラフである。充分に大きなＯＣＶを示す特定のＳＯＣで長時間にわたって無負荷で保持した場合、図４に示すように、充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０は、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１に比べて変動時間が長い傾向にある。また、充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０は、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１に近接するように収束する傾向がある。特に、通電電流を停止する際のＯＣＶが大きいほど、充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０が、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１に近接するように収束する傾向が大きい。
図５は、リチウムイオン二次電池の休止状態におけるＯＣＶの変動量を確認するため、充電過程及び放電過程において、充分に小さなＯＣＶを示す特定のＳＯＣで通電電流を停止した後、長時間にわたって無負荷で保持した際のリチウム二次電池の時間に対するＯＣＶの変動を示したグラフである。充分に小さなＯＣＶを示す特定のＳＯＣで長時間にわたって無負荷で保持した場合、図５に示すように、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１は、充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０に比べて変動時間が長い傾向にある。また、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１は、充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０に近接するように収束する傾向がある。特に、通電電流を停止する際のＯＣＶが小さいほど、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１が、放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０により近接するように収束する傾向が大きい。
上記の傾向から、実測ＯＣＶが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けすると共に、実測ＯＣＶが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けした関係式を用いることで、二次電池２の休止状態を考慮しつつ、二次電池２のＳＯＣをより正確に推定できると考えられる。
上記のようにして重み付けした関係式は、１つの関係式であっても複数の関係式であってもよい。複数の関係式を用いる場合、ＯＣＶの範囲を複数に分け、実測ＯＣＶの大きさに応じて、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０又は放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に近接する割合を変化させればよい。
図６は、重み付けした関係式として、ＯＣＶの範囲を２つに分けて作成した２つの関係式を用いた例を示す。図６に示すように、２つの関係式１２は、ＯＣＶaで２つに分けられており、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けされた関係式１２と、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けされた関係式１２とを有する。実測ＯＣＶがＯＣＶaよりも小さい場合、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することでＳＯＣが算出される。また、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶ１２よりも大きい場合、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することでＳＯＣが算出される。
ＯＣＶの範囲を２つに分けるＯＣＶaの設定方法としては、特に限定されないが、充放電過程におけるＯＣＶの最大値の、好ましくは３０〜７０％、より好ましくは４０〜６０％、最も好ましくは５０％のＯＣＶに設定すればよい。
ＯＣＶの範囲を２つに分けるＯＣＶaの設定方法としては、特に限定されないが、充放電過程におけるＯＣＶの最大値の、好ましくは３０〜７０％、より好ましくは４０〜６０％、最も好ましくは５０％のＯＣＶに設定すればよい。
図７は、重み付けした関係式として１つの関係式を用いた例を示す。図７に示すように、１つの関係式１２は、実測ＯＣＶが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けされると共に、実測ＯＣＶが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けされている。この関係式１２に実測ＯＣＶを導入することでＳＯＣが算出される。
充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣは、実測ＯＣＶが小さいほど正確であるのに対し、実測ＯＣＶが大きいほど誤差が大きくなる。逆に、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣは、実測ＯＣＶが大きいほど正確であるのに対し、実測ＯＣＶが小さいほど誤差が大きくなる。したがって、関係式１２は、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣと、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣとを、実測ＯＣＶの大きさに応じて変化させる重み係数を用いて合成することにより、お互いの欠点を打消しつつ利点を最大限に引き出すことが可能になる。この関係式１２は、例えば、以下の式によって表される。
ＳＯＣe＝α×ＳＯＣd＋（１−α）×ＳＯＣc
式中、ＳＯＣeは推定されるＳＯＣであり、ＳＯＣdは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、ＳＯＣcは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、αは重み付け係数である。重み付け係数αは０〜１の値を有し、実測ＯＣＶが大きいほど１に近くなり、実測ＯＣＶが小さいほど０に近くなる。したがって、重み付け係数αを実測ＯＣＶが大きくなるにつれて順次大きくするように設定すればよい。
ＳＯＣe＝α×ＳＯＣd＋（１−α）×ＳＯＣc
式中、ＳＯＣeは推定されるＳＯＣであり、ＳＯＣdは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、ＳＯＣcは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、αは重み付け係数である。重み付け係数αは０〜１の値を有し、実測ＯＣＶが大きいほど１に近くなり、実測ＯＣＶが小さいほど０に近くなる。したがって、重み付け係数αを実測ＯＣＶが大きくなるにつれて順次大きくするように設定すればよい。
上記のようにしてＳＯＣが推定される本実施の形態のＳＯＣ推定装置７であれば、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２において、二次電池２の使用中だけでなく、二次電池２を使用休止した後に使用開始する際にも実測ＯＣＶを用いてＳＯＣを精度良く推定することができる。
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１の関係式１２に二次電池２における実際の事象を反映させた条件をさらに加えることにより、ＳＯＣの推定精度を高めた関係式１２を用いた二次電池２のＳＯＣ推定装置７について説明する。
図８は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２の電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。図８に示すように、二次電池２の充電を行う場合、充電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１３に従い、ＯＣＶが高くなるにつれて電荷量Ｑが増加する。逆に、二次電池２の放電を行う場合、放電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１４に従い、ＯＣＶが低くなるにつれて電荷量Ｑが低下する。充電過程と放電過程とでは電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が異なり、ヒステリシスが生じている。充放電を繰り返し行った場合、充放電過程における各ＯＣＶでの電荷量Ｑは、充電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１３と、放電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１４との間のヒステリシスの中で変動する。
本実施の形態では、実施の形態１の関係式１２に二次電池２における実際の事象を反映させた条件をさらに加えることにより、ＳＯＣの推定精度を高めた関係式１２を用いた二次電池２のＳＯＣ推定装置７について説明する。
図８は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２の電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。図８に示すように、二次電池２の充電を行う場合、充電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１３に従い、ＯＣＶが高くなるにつれて電荷量Ｑが増加する。逆に、二次電池２の放電を行う場合、放電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１４に従い、ＯＣＶが低くなるにつれて電荷量Ｑが低下する。充電過程と放電過程とでは電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が異なり、ヒステリシスが生じている。充放電を繰り返し行った場合、充放電過程における各ＯＣＶでの電荷量Ｑは、充電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１３と、放電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１４との間のヒステリシスの中で変動する。
充電過程及び放電過程におけるＯＣＶと電荷量Ｑとの関係を表す相関曲線の同一ＯＣＶでの電荷量Ｑの差ΔＱは、リチウムイオン二次電池の場合、充放電過程における負極のリチウム蓄積量の差と言い換えることができる。負極のリチウム蓄積量の差は、上記で説明したように、リチウムの存在状態の違いに起因していると考えられる。
図９は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２の電荷量Ｑの差ΔＱとＯＣＶとの関係を表すグラフである。このグラフにおいて、ΔＱの最大値をΔＱmax、ΔＱmaxとなる時のＯＣＶを閾値ＯＣＶと表す。閾値ＯＣＶは、予め作成された、二次電池２の電荷量Ｑの差ΔＱとＯＣＶとの関係を表すグラフから求めることができる。閾値ＯＣＶより大きいＯＣＶでは、挿入状態のリチウムから結合状態のリチウムへの変化が加速し、また閾値ＯＣＶより小さいＯＣＶでは結合状態のリチウムから挿入状態への変化が加速するため、ΔＱが小さくなる。
なお、図９では、二次電池２の電荷量Ｑの差ΔＱとＯＣＶとの関係が二次曲線として変化するグラフの例を示したが、ＯＣＶの増加に伴ってΔＱが単調に減少する直線、又は三次以上の曲線でもあり得る。ただし、いずれの場合も同様に、ΔＱの最大値をΔＱmax、ΔＱmaxとなる時のＯＣＶを閾値ＯＣＶとすればよい。また、ΔＱmaxが複数ある場合には、複数のΔＱmaxに対応する複数のＯＣＶの中間を閾値ＯＣＶとすればよい。
なお、図９では、二次電池２の電荷量Ｑの差ΔＱとＯＣＶとの関係が二次曲線として変化するグラフの例を示したが、ＯＣＶの増加に伴ってΔＱが単調に減少する直線、又は三次以上の曲線でもあり得る。ただし、いずれの場合も同様に、ΔＱの最大値をΔＱmax、ΔＱmaxとなる時のＯＣＶを閾値ＯＣＶとすればよい。また、ΔＱmaxが複数ある場合には、複数のΔＱmaxに対応する複数のＯＣＶの中間を閾値ＯＣＶとすればよい。
上記の傾向から、閾値ＯＣＶで重み付けを切り替え、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも小さい場合には、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けすると共に、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも大きい場合には放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けした関係式１２を用いることで、二次電池２の休止状態を考慮しつつ、二次電池２のＳＯＣをより一層正確に推定できると考えられる。
実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも小さい場合、関係式１２は、例えば、以下の式によって表される。
ＳＯＣe＝β／２×ＳＯＣd＋（１−β／２）×ＳＯＣc
式中、ＳＯＣeは推定されるＳＯＣであり、ＳＯＣdは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、ＳＯＣcは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、βは充電過程及び放電過程におけるＯＣＶと電荷量Ｑとの関係を表す相関曲線の実測ＯＣＶでの電荷量Ｑの差ΔＱ／ΔＱの最大値ΔＱmaxから導かれる値であり、０〜１の値を有する重み付け係数である。重み付け係数βを用いることにより、実測ＯＣＶごとのリチウムの存在状態の影響に起因したＳＯＣの変動の大きさを定量化することが可能となる。
一方、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも大きい場合、関係式１２は、例えば、以下の式によって表される。
ＳＯＣe＝β／２×ＳＯＣc＋（１−β／２）×ＳＯＣd
式中、ＳＯＣe、ＳＯＣc、ＳＯＣd及びβは上記で定義した通りである。
ＳＯＣe＝β／２×ＳＯＣd＋（１−β／２）×ＳＯＣc
式中、ＳＯＣeは推定されるＳＯＣであり、ＳＯＣdは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、ＳＯＣcは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、βは充電過程及び放電過程におけるＯＣＶと電荷量Ｑとの関係を表す相関曲線の実測ＯＣＶでの電荷量Ｑの差ΔＱ／ΔＱの最大値ΔＱmaxから導かれる値であり、０〜１の値を有する重み付け係数である。重み付け係数βを用いることにより、実測ＯＣＶごとのリチウムの存在状態の影響に起因したＳＯＣの変動の大きさを定量化することが可能となる。
一方、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも大きい場合、関係式１２は、例えば、以下の式によって表される。
ＳＯＣe＝β／２×ＳＯＣc＋（１−β／２）×ＳＯＣd
式中、ＳＯＣe、ＳＯＣc、ＳＯＣd及びβは上記で定義した通りである。
上記のようにしてＳＯＣが推定される本実施の形態のＳＯＣ推定装置７であれば、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２において、実測ＯＣＶごとのリチウムの存在状態の影響に起因したＳＯＣの変動の大きさを定量化しているため、二次電池２の使用中だけでなく、二次電池２を使用休止した後に使用開始する際にも実測ＯＣＶを用いてＳＯＣをより一層精度良く推定することができる。
実施の形態３．
本実施の形態は、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣ（以下、「算出ＳＯＣ」という。）の大きさに応じて重み付した関係式１２を用いてＳＯＣを推定する点で実施の形態１及び２と異なる。
すなわち、本実施の形態の二次電池２のＳＯＣ推定装置７は、算出ＳＯＣが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けし、且つ算出ＳＯＣが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けした関係式を用いる。算出ＳＯＣは、実測ＯＣＶと同様に、その大きさに応じて、充電過程又は放電過程のいずれかのＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に従う傾向が高くなることから、この傾向に重み付した関係式を用いることで、二次電池２の休止状態を考慮しつつ、二次電池２のＳＯＣをより正確に推定できると考えられる。
本実施の形態は、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣ（以下、「算出ＳＯＣ」という。）の大きさに応じて重み付した関係式１２を用いてＳＯＣを推定する点で実施の形態１及び２と異なる。
すなわち、本実施の形態の二次電池２のＳＯＣ推定装置７は、算出ＳＯＣが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けし、且つ算出ＳＯＣが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けした関係式を用いる。算出ＳＯＣは、実測ＯＣＶと同様に、その大きさに応じて、充電過程又は放電過程のいずれかのＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に従う傾向が高くなることから、この傾向に重み付した関係式を用いることで、二次電池２の休止状態を考慮しつつ、二次電池２のＳＯＣをより正確に推定できると考えられる。
この実施の形態では、所定のＯＣＶごとに見られる充放電過程における電荷量Ｑの差ΔＱの代わりに、所定のＳＯＣごとに見られる充放電過程におけるＯＣＶの差ΔＯＣＶを用いる。
図１０は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。
所定のＳＯＣごとに見られる充放電過程におけるＯＣＶの差ΔＯＣＶは、リチウムイオン二次電池の場合、充放電過程における負極のリチウムの存在状態、特に、負極の電位変動の原因となる挿入状態のリチウム量の差と言い換えることができる。すなわち、ΔＯＣＶは、負極に同量のリチウムが存在している条件下で、挿入状態のリチウムが結合状態に変化する量と相関があると考えられる。
図１０は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。
所定のＳＯＣごとに見られる充放電過程におけるＯＣＶの差ΔＯＣＶは、リチウムイオン二次電池の場合、充放電過程における負極のリチウムの存在状態、特に、負極の電位変動の原因となる挿入状態のリチウム量の差と言い換えることができる。すなわち、ΔＯＣＶは、負極に同量のリチウムが存在している条件下で、挿入状態のリチウムが結合状態に変化する量と相関があると考えられる。
図１１は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２のΔＯＣＶとＳＯＣとの関係を表すグラフである。このグラフにおいて、ΔＯＣＶの最大値をΔＯＣＶmax、ΔＯＣＶmaxとなる時のＳＯＣを閾値ＳＯＣと表す。閾値ＳＯＣは、予め作成された、二次電池２のΔＯＣＶとＳＯＣとの関係を表すグラフから求めることができる。ΔＯＣＶは、ＳＯＣの大きさによって変動し、閾値ＳＯＣにおいてΔＯＣＶが最大となる。この閾値ＳＯＣより大きいＳＯＣでは、挿入状態のリチウムから結合状態のリチウムへの変化が加速し、また閾値ＳＯＣより小さいＳＯＣでは、結合状態のリチウムから挿入状態への変化が加速するため、ΔＯＣＶが小さくなる。
なお、図１１では、二次電池２のΔＯＣＶとＳＯＣとの関係が二次曲線として変化するグラフの例を示したが、ＳＯＣの増加に伴ってΔＯＣＶが単調に減少する直線、及び三次以上の曲線でもあり得る。ただし、いずれの場合も同様に、ΔＯＣＶの最大値をΔＯＣＶmax、ΔＯＣＶmaxとなる時のＳＯＣを閾値ＳＯＣとすればよい。また、ΔＯＣＶmaxが複数ある場合には、複数のΔＯＣＶmaxに対応する複数のＳＯＣの中間を閾値ＳＯＣとすればよい。
なお、図１１では、二次電池２のΔＯＣＶとＳＯＣとの関係が二次曲線として変化するグラフの例を示したが、ＳＯＣの増加に伴ってΔＯＣＶが単調に減少する直線、及び三次以上の曲線でもあり得る。ただし、いずれの場合も同様に、ΔＯＣＶの最大値をΔＯＣＶmax、ΔＯＣＶmaxとなる時のＳＯＣを閾値ＳＯＣとすればよい。また、ΔＯＣＶmaxが複数ある場合には、複数のΔＯＣＶmaxに対応する複数のＳＯＣの中間を閾値ＳＯＣとすればよい。
図１２は、充電過程及び放電過程において、閾値ＳＯＣで通電電流を停止した後、長時間にわたって無負荷で保持した際のリチウムイオン二次電池の時間に対するＯＣＶの変動を示したグラフである。閾値ＳＯＣで長時間にわたって無負荷で保持した場合、図１２に示すように、充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２０及び放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ２１は、両者の平均である平均ＯＣＶ２２に近接するように収束する傾向がある。
上記の傾向から、閾値ＳＯＣで重み付けを切り替え、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さい場合には、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けすると共に、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きい場合には放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けした関係式１２を用いることで、二次電池２の休止状態を考慮しつつ、二次電池２のＳＯＣをより一層正確に推定できると考えられる。
充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣは、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さいほど正確であるのに対し、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きいほど誤差が大きくなる。逆に、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣは、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きいほど正確であるのに対し、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さいほど誤差が大きくなる。したがって、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１の２つの相関曲線を算出ＳＯＣの大きさに応じて変化させる重み係数γを用いて合成し、算出ＳＯＣと合成ＯＣＶとの関係を表す関係式１２を新たに作成することで、お互いの欠点を打消しつつ利点を最大限に引き出すことが可能になる。
算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さい場合、関係式１２の合成ＯＣＶは、例えば、以下の式によって算出される。
ＯＣＶm＝γ／２×ＯＣＶd＋（１−γ／２）×ＯＣＶc
式中、ＯＣＶmは算出ＳＯＣにおける合成ＯＣＶであり、ＯＣＶdは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に算出ＳＯＣを導入することで算出されたＯＣＶであり、ＯＣＶcは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に算出ＳＯＣを導入することで算出されたＯＣＶであり、γは充電過程及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線の算出ＳＯＣでのＯＣＶの差ΔＯＣＶ／ΔＯＣＶの最大値ΔＯＣＶmaxから導かれる値であり、０〜１の値を有する重み付け係数である。重み付け係数γを用いることにより、算出ＳＯＣごとのリチウムの存在状態の影響に起因したＯＣＶの変動の大きさを定量化することが可能となる。
ＯＣＶm＝γ／２×ＯＣＶd＋（１−γ／２）×ＯＣＶc
式中、ＯＣＶmは算出ＳＯＣにおける合成ＯＣＶであり、ＯＣＶdは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に算出ＳＯＣを導入することで算出されたＯＣＶであり、ＯＣＶcは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に算出ＳＯＣを導入することで算出されたＯＣＶであり、γは充電過程及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線の算出ＳＯＣでのＯＣＶの差ΔＯＣＶ／ΔＯＣＶの最大値ΔＯＣＶmaxから導かれる値であり、０〜１の値を有する重み付け係数である。重み付け係数γを用いることにより、算出ＳＯＣごとのリチウムの存在状態の影響に起因したＯＣＶの変動の大きさを定量化することが可能となる。
一方、算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きい場合、関係式１２の合成ＯＣＶは、例えば、以下の式によって算出される。
ＯＣＶm＝γ／２×ＯＣＶc＋（１−γ／２）×ＯＣＶd
式中、ＯＣＶm、ＯＣＶc、ＯＣＶd及びγは上記で定義した通りである。
そして、上記の式によって算出される合成ＯＣＶと算出ＳＯＣとの関係式１２を予め求めておき、この関係式１２に実測ＯＣＶを導入することでＳＯＣが推定される。
ＯＣＶm＝γ／２×ＯＣＶc＋（１−γ／２）×ＯＣＶd
式中、ＯＣＶm、ＯＣＶc、ＯＣＶd及びγは上記で定義した通りである。
そして、上記の式によって算出される合成ＯＣＶと算出ＳＯＣとの関係式１２を予め求めておき、この関係式１２に実測ＯＣＶを導入することでＳＯＣが推定される。
上記のようにしてＳＯＣが推定される本実施の形態のＳＯＣ推定装置７であれば、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２において、算出ＳＯＣごとのリチウムの存在状態の影響に起因したＯＣＶの変動の大きさを定量化しているため、二次電池２の使用中だけでなく、二次電池２を使用休止した後に使用開始する際にもＳＯＣをより一層精度良く推定することができる。
図１３は、実施の形態２及び３で重み付けした関係式１２を図示したものである。図１３に示すように、実施の形態２及び３で重み付した関係式１２は、実測ＯＣＶ又は算出ＳＯＣが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１に重み付けされると共に、実測ＯＣＶ又は算出ＳＯＣが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０に重み付けされている。
実施の形態４．
二次電池２は、充放電又は経年によって電池容量が低下する。この電池容量の低下はＳＯＨ（State Of Health；健全度）を用いて表すことができる。ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線は、ＳＯＨの低下に伴い、その形状が変化する。したがって、ＳＯＣを精度良く推定するためには、ＳＯＨの低下を考慮する必要がある。
本実施の形態では、実施の形態１〜３において重み付けに使用される相関曲線にＳＯＨの低下を反映させた条件をさらに加えることにより、ＳＯＣの推定精度を高めることが可能な二次電池２のＳＯＣ推定装置７について説明する。
二次電池２は、充放電又は経年によって電池容量が低下する。この電池容量の低下はＳＯＨ（State Of Health；健全度）を用いて表すことができる。ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線は、ＳＯＨの低下に伴い、その形状が変化する。したがって、ＳＯＣを精度良く推定するためには、ＳＯＨの低下を考慮する必要がある。
本実施の形態では、実施の形態１〜３において重み付けに使用される相関曲線にＳＯＨの低下を反映させた条件をさらに加えることにより、ＳＯＣの推定精度を高めることが可能な二次電池２のＳＯＣ推定装置７について説明する。
ＳＯＨの低下は、二次電池２を構成する各種部材の劣化が主な原因である。例えば、ハードカーボンを負極活物質として用いた負極を有する二次電池２では、二次電池２の充放電又は経年に伴い、グラフェン層の一部が壊れて分割される。そのため、グラフェン層の末端部分の数が増加し、挿入状態のリチウムに比べて結合状態のリチウムの割合が多くなる。つまり、ＳＯＨの低下により、挿入状態のリチウムから結合状態のリチウムへの変化が促進される。
初期状態の二次電池２（ＳＯＨが低下していない二次電池２）では、放電過程において、リチウムの脱離が挿入状態のリチウムから優先的に進行し、放電が進行するにつれて、結合状態のリチウムの一部が挿入状態のリチウムに緩やかに変化する。これに対してＳＯＨが低下した二次電池２では、初期状態の二次電池２に比べて挿入状態のリチウムの割合が少ない。ＯＣＶは、挿入状態のリチウムの量に大きく依存するため、同一のＳＯＣでは、ＳＯＨの低下が大きいほどＯＣＶが低くなる。
初期状態の二次電池２（ＳＯＨが低下していない二次電池２）では、放電過程において、リチウムの脱離が挿入状態のリチウムから優先的に進行し、放電が進行するにつれて、結合状態のリチウムの一部が挿入状態のリチウムに緩やかに変化する。これに対してＳＯＨが低下した二次電池２では、初期状態の二次電池２に比べて挿入状態のリチウムの割合が少ない。ＯＣＶは、挿入状態のリチウムの量に大きく依存するため、同一のＳＯＣでは、ＳＯＨの低下が大きいほどＯＣＶが低くなる。
また、ＳＯＨの低下に伴い、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線は、ΔＯＣＶ（所定のＳＯＣごとに見られる充放電過程におけるＯＣＶの差）が最大となるＳＯＣ（閾値ＳＯＣ）付近でＯＣＶの変動が大きくなる傾向がある。つまり、ＳＯＨが低下した二次電池２では、各ＳＯＣにおいてＯＣＶが一様に変動するわけではなく、各ＳＯＣにおけるＯＣＶの変動量は、各ＳＯＣにおけるΔＯＣＶの変動と同様の挙動を示す。
ＳＯＨは、初期状態の電池容量（「満充電容量」ともいう）に対する使用後の電池容量の割合である。具体的には、ＳＯＨは、下記の式を用いて算出することができる。
ＳＯＨ＝使用後の電池容量／初期状態の電池容量×１００
ＳＯＨ＝使用後の電池容量／初期状態の電池容量×１００
本実施の形態では、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を一定のＳＯＨごとに予め求めておき、算出されたＳＯＨに対応する相関曲線を選択して使用する。重み付けに使用される相関曲線として、算出されたＳＯＨに対応する相関曲線を選択することにより、ＳＯＨの低下による影響を考慮することができるので、ＳＯＣを精度良く推定することができる。また、このようにして推定されたＳＯＣをＳＯＨの算出時にフィードバックして繰り返し計算することにより、ＳＯＨを正確に算出することができる。その結果、ＳＯＣをより一層精度良く推定することが可能となる。
図１４は、初期状態の二次電池２及びＳＯＨが低下した二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線を示すグラフである。図１４において、点線は、初期状態の二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線であり、実線は、ＳＯＨが低下した二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線である。図１４に示すように、ＳＯＨが低下した二次電池２は、初期状態の二次電池２と比べて、同一のＳＯＣにおいてＯＣＶが低くなる傾向がある。ＳＯＨが低下した二次電池２では、充電を行う場合、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１５に従い、ＳＯＣが０％から１００％まで増加するにつれてＯＣＶが上昇する。逆に、放電を行う場合、放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１６に従い、ＳＯＣが１００％から０％まで低下するにつれてＯＣＶが下降する。初期状態の二次電池２と同様に、ＳＯＨが低下した二次電池２においても、充放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が異なり、ヒステリシスが生じている。これは、ＳＯＨが低下した二次電池２の場合であっても、リチウムの状態変化が初期状態の二次電池２の場合と同様のメカニズムで進行するためである。
図１５は、初期状態の二次電池２及びＳＯＨが低下した二次電池２のＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式として１つの関係式を用いた例を示す。図１５において、点線は、初期状態の二次電池２において重み付けした関係式１２であり、実線は、ＳＯＨが低下した二次電池２において重み付けした関係式１７である。関係式１７は、実測ＯＣＶが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１６に重み付けされると共に、実測ＯＣＶが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１５に重み付けされている。この関係式１７を用いることで、ＳＯＨの低下による影響を考慮することができるので、ＳＯＣを精度良く算出することができる。
なお、重み付けの方法は、実施の形態１〜３で説明したとおりである。
なお、重み付けの方法は、実施の形態１〜３で説明したとおりである。
上記のようにしてＳＯＣが推定される本実施の形態のＳＯＣ推定装置７であれば、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２において、ＳＯＨの低下による影響を考慮しているので、二次電池２の使用中だけでなく、二次電池２を使用休止した後に使用開始する際にもＳＯＣをより一層精度良く推定することができる。
実施の形態１〜４の重み付けした関係式１２は、電池温度によって変動するため、各電池温度において関係式１２を予め作成しておき、ＳＯＣを推定する際に、電池温度を温度センサ５によって測定し、測定された電池温度に対応する関係式１２を用いることで、ＳＯＣの推定精度を高めることができる。
実施の形態１〜４の重み付けした関係式１２は、充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１０及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線１１をＳＯＣ又はＯＣＶごとに重み付けしているが、代表的なＳＯＣ又はＯＣＶごとに重み付けを行い、それらの間は線形補間してもよい。
実施の形態１〜４のＳＯＣ推定装置７は、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池２において、二次電池２の使用開始直後においてＳＯＣの推定に大きな誤差が生じてしまうという問題を解決することができ、二次電池２の使用中だけでなく、二次電池２を使用休止した後に使用開始する際にもＳＯＣを精度良く推定することができる。
実施の形態１〜４のＳＯＣ推定装置７は、上記のような特徴を有しているため、例えば、昼間に充放電が頻繁に行われ、夜間に充放電が休止されるエレベータの蓄電システムに用いるのに好適である。さらに、頻繁な充放電と充放電の休止が行われる車両などの輸送機器に用いるのにも好適である。
なお、本国際出願は、２０１４年２月２５日に出願した日本国特許出願第２０１４−３３６３３号に基づく優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を本国際出願に援用する。
１ ＢＭＵ、２ 二次電池、３ 電圧センサ、４ 電流センサ、５ 温度センサ、６ モータ、７ ＳＯＣ推定装置、８ 制御部、１０、１５ 充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線、１１、１６ 放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線、１２ 関係式、１３ 充電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線、１４ 放電過程における電荷量ＱとＯＣＶとの関係を表す相関曲線、２０ 充電過程で通電を停止した時のＯＣＶ、２１ 放電過程で通電を停止した時のＯＣＶ、２２ 平均ＯＣＶ。
Claims (6)
- ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池のＳＯＣ推定装置であって、
実測ＯＣＶが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ実測ＯＣＶが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定する手段を有し、
前記ＳＯＣを推定する手段は、充電過程及び放電過程におけるＯＣＶと電荷量Ｑとの関係を表す相関曲線の同一ＯＣＶでの電荷量Ｑの差ΔＱが最大となるＯＣＶを閾値ＯＣＶとし、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定することを特徴とする二次電池のＳＯＣ推定装置。 - 前記関係式は、実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも小さい場合、以下の式：
ＳＯＣｅ＝β／２×ＳＯＣｄ＋（１−β／２）×ＳＯＣｃ
（式中、ＳＯＣｅは推定されるＳＯＣであり、ＳＯＣｄは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、ＳＯＣｃは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に実測ＯＣＶを導入することで算出されたＳＯＣであり、βは充電過程及び放電過程におけるＯＣＶと電荷量Ｑとの関係を表す相関曲線の実測ＯＣＶでの電荷量Ｑの差ΔＱ／ΔＱの最大値ΔＱｍａｘから導かれる値であり、且つ０〜１の値を有する重み付け係数である）によって表され、且つ実測ＯＣＶが閾値ＯＣＶよりも大きい場合、以下の式：
ＳＯＣｅ＝β／２×ＳＯＣｃ＋（１−β／２）×ＳＯＣｄ
（式中、ＳＯＣｅ、ＳＯＣｃ、ＳＯＣｄ及びβは上記で定義した通りである）によって表されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池のＳＯＣ推定装置。 - ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線をＳＯＨごとに予め求めておき、重み付けに使用される相関曲線として、算出されたＳＯＨに対応する相関曲線を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池のＳＯＣ推定装置。
- ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線が充電過程と放電過程との間で異なる二次電池のＳＯＣ推定装置であって、
二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定する手段を有し、
前記ＳＯＣを推定する手段は、充電過程及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線の同一ＳＯＣでのＯＣＶの差ΔＯＣＶが最大となるＳＯＣを閾値ＳＯＣとし、二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さいほど充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けし、且つ二次電池の充電電流及び放電電流を積算して得られた電荷量から算出されたＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きいほど放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に重み付けした関係式に基づいてＳＯＣを推定することを特徴とする二次電池のＳＯＣ推定装置。 - 算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも小さい場合、以下の式：
ＯＣＶｍ＝γ／２×ＯＣＶｄ＋（１−γ／２）×ＯＣＶｃ
（式中、ＯＣＶｍは算出ＳＯＣにおける合成ＯＣＶであり、ＯＣＶｄは放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に算出ＳＯＣを導入することで算出されたＯＣＶであり、ＯＣＶｃは充電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線に算出ＳＯＣを導入することで算出されたＯＣＶであり、γは充電過程及び放電過程におけるＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線の算出ＳＯＣでのＯＣＶの差ΔＯＣＶ／ΔＯＣＶの最大値ΔＯＣＶｍａｘから導かれる値であり、０〜１の値を有する重み付け係数である）によって合成ＯＣＶを算出し、且つ算出ＳＯＣが閾値ＳＯＣよりも大きい場合、以下の式：
ＯＣＶｍ＝γ／２×ＯＣＶｃ＋（１−γ／２）×ＯＣＶｄ
（式中、ＯＣＶｍ、ＯＣＶｃ、ＯＣＶｄ及びγは上記で定義した通りである）によって合成ＯＣＶを算出し、合成ＯＣＶと算出ＳＯＣとの関係を表す関係式を予め求め、この関係式に実測ＯＣＶを導入することでＳＯＣを推定することを特徴とする請求項４に記載の二次電池のＳＯＣ推定装置。 - ＳＯＣとＯＣＶとの関係を表す相関曲線をＳＯＨごとに予め求めておき、重み付けに使用される相関曲線として、算出されたＳＯＨに対応する相関曲線を選択することを特徴とする請求項４又は５に記載の二次電池のＳＯＣ推定装置。
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