JP6221237B2 - 充電率推定装置および充電率推定方法 - Google Patents

充電率推定装置および充電率推定方法 Download PDF

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Description

本発明は、充電率を推定する充電率推定装置および充電率推定方法に関する。
電池の充電率（State Of Charge：ＳＯＣ）の推定方法として、閉回路電圧（Closed Circuit Voltage）を計測し、計測した閉回路電圧を用いて開回路電圧（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）を推定し、この開回路電圧を用いて充電率を推定する方法が知られている。
しかし、分極が解消するまでに長時間を要する二次電池の場合、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性における充放電時のヒステリシスが大きいため、開回路電圧から充電率を正確に推定することが難しい。なお、分極が解消するまでに長時間を要する二次電池として、例えば、ＳｉＯ（一酸化珪素）を負極に用いた二次電池などが知られている。
また、充電率を推定する技術として、充電型電池の残容量を精度よく検出する充電型電池残容量検出装置が知られている。例えば、特許文献１を参照。
特開２００１−２８１３０６号公報
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性において充放電のヒステリシスが大きい電池の充電率を、精度よく推定する充電率推定装置および充電率推定方法を提供することを目的とする。
実施の態様のひとつである充電率推定装置は、電圧計測部、充電推定部、放電推定部を有する。電圧計測部は電池の閉回路電圧を測定する。
充電推定部は、充電モードの場合、測定した閉回路電圧を用いて、充電器が定電流充電をするときの電池の閉回路電圧と充電率とが関連付けられた充電モード情報を参照し、充電率を推定する。
放電推定部は、放電モードの場合、測定した閉回路電圧を用いて、決められた動作パターンで車両を動作させて求められる電池の放電パターンを用いて生成された閉回路電圧と充電率とが関連付けられた放電モード情報を参照し、充電率を推定する。
本実施形態によれば、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性において充放電のヒステリシスが大きい電池の充電率を、精度よく推定することができるという効果を奏する。
図１は、充放電装置の一実施例を示す図である。 図２は、充放電時のＳＯＣ−ＯＣＶ特性の一実施例を示す図である。 図３は、充放電時のＳＯＣ−ＣＣＶ特性の一実施例を示す図である。 図４は、実施形態１の動作の一実施例を示す図である。 図５は、充電モード情報と放電モード情報のデータ構造の一実施例を示す図である。 図６は、実施形態２の動作の一実施例を示す図である。 図７は、実施形態２の充電モード情報のデータ構造の一実施例を示す図である。 図８は、実施形態３の動作の一実施例を示す図である。
以下図面に基づいて、実施形態について詳細を説明する。
実施形態１について説明をする。
図１は、充放電装置の一実施例を示す図である。図１の充放電装置１は充電率推定装置を有し、電池２、電圧計測部３、制御部４、記憶部５、充電器６、スイッチＳＷ１、ＳＷ２などから構成される。図１の負荷７は、充放電装置１からの電力を受電して動作する装置である。動作する装置は、例えば、車両に搭載されるモータなどが考えられる。
なお、充電率推定装置は、電圧計測部３、制御部４、記憶部５、スイッチＳＷ１、ＳＷ２などを有する。
電池２は、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、充放電のヒステリシスが大きい二次電池などである。二次電池として、例えば、負極にＳｉＯ負極を利用したリチウムイオン二次電池などが考えられる。ただし、ＳｉＯを負極に用いたリチウムイオン二次電池に限定されるものではない。
本実施形態における分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、充放電のヒステリシスが大きい二次電池について説明する。図２は、充放電時のＳＯＣ−ＯＣＶ特性の一実施例を示す図である。図２の図２０１、図２０２は縦軸に開回路電圧（ＯＣＶ［Ｖ］）が示され、横軸に充電率（ＳＯＣ［％］）が示され、温度２５℃において通電停止から３時間が経過した状態を示している。充電時のＳＯＣ−ＯＣＶ特性は曲線２０３に示され、放電時のＳＯＣ−ＯＣＶ特性は曲線２０４に示されている。
分極が大きい二次電池とは、例えば、負極にカーボン負極を利用した従来の二次電池の分極より大きい二次電池である。
ＳｉＯ負極を利用した二次電池の場合、図２０２の例では、充放電時の開回路電圧３．３［Ｖ］における点Ａと点Ｂの充電率の差（ヒステリシス）が１５．５±７．５［％］である。これは、曲線２０３上の点Ａと曲線２０４上の点Ｂは、点Ａと点Ｂの充電率の平均である１５．５［％］から充電率が７．５［％］離れていることを示す。また、カーボン負極を利用した二次電池の場合、温度２５℃において通電停止から３時間が経過した状態において、充放電時の開回路電圧３．３［Ｖ］における充電率の差（ヒステリシス）を測定した結果として４．４±０．２［％］を得ているものとする。この場合に、カーボン負極を利用した二次電池の充電率の差より、ＳｉＯ負極を用いた二次電池の充電率の差が大きいので、ＳｉＯ負極を用いた二次電池は分極が大きい二次電池となる。なお、本例では充放電時の開回路電圧３．３［Ｖ］で求めた充電率の差を用いて比較をしているが、充放電時の充電率の差が最大になる開回路電圧は３．３［Ｖ］に限らない。
分極解消に長時間を要する二次電池とは、例えば、負極にカーボン負極を利用した従来の二次電池の分極を解消する時間より長い分極解消時間を要する二次電池である。カーボン負極を利用した二次電池の充電率が、例えば、分極が１０分内に解消する場合、１０分以上経過しても分極が解消しない二次電池は、分極解消に長時間を要する二次電池となる。より詳しくは、１０分以上経過しても分極が解消せずに、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性による充電率が±１［％］未満にならない場合、分極解消に長時間を要する二次電池となる。これは、同じ電圧における、充電時の曲線上の点と放電時の曲線上の点が、各点の充電率の平均値から充電率が１［％］以上離れている場合である。
なお、図１の例では１つの電池を用いて説明しているが１つの電池に限定されるものではなく、複数の電池を用いてもよい。
電圧計測部３は電池２の電圧を計測する。例えば、電圧計などが考えられる。また、電圧計測部３が計測したデータは制御部４に出力される。
制御部４（コンピュータなど）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）を用いることが考えられる。
記憶部５は、例えばRead Only Memory（ＲＯＭ）、Random Access Memory（ＲＡＭ）などのメモリやハードディスクなどが考えられる。なお、記憶部５にはパラメータ値、変数値などのデータを記憶してもよいし、実行時のワークエリアとして用いてもよい。また、制御部４が記憶部を有している場合には記憶部５を用いなくてもよい。
充電器６は、給電装置から電力を受電して電池２に充電するための装置である。
スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、制御部４からの指示により充電と放電とを切り替えるスイッチで、リレーなどを用いることが考えられる。本例では、２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を用いて充電と放電の切り替えをしているが図１の回路に限定されるものではない。
制御部について説明する。
制御部４は、充電モードの場合に電圧計測部３から測定した電池２の閉回路電圧を用いて、充電モード情報を参照し、充電率を推定する充電推定部８を有する。充電モードは外部から充電器６を介して電池２に充電をしているモードである。充電モード情報は、充電器６が定電流充電をするときの電池２の閉回路電圧と充電率とを関連付けた情報である。
また、制御部４は、放電モードの場合に測定した閉回路電圧を用いて、放電モード情報を参照し、充電状態を推定する放電推定部９を有する。放電モードは車両が走行しているモードである。放電モード情報は、決められた動作パターンで車両などを動作させて求められる電池２の放電パターンを用いて生成された閉回路電圧と充電率とを関連付けた情報である。
なお、充電モード情報および放電モード情報は記憶部５に記憶してもよい。
充電モード情報および放電モード情報の閉回路電圧と充電率の関係について説明をする。
図３は、充放電時のＳＯＣ−ＣＣＶ特性の一実施例を示す図である。図３のＳＯＣ−ＣＣＶ特性を示す図３０１の曲線３０２は、充電器６が定電流充電をするときの電池２の閉回路電圧と充電率との関係を示している。充電モードにおける閉回路電圧と充電率との関係は、例えば、実験やシミュレーションにより求める。
図３０１の曲線３０３は、決められた動作パターンで車両などを動作させて求められる電池２の放電パターンを用いて生成された閉回路電圧と充電状態との関係を示している。
決められた動作パターンとは、車両が電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）の場合には、走行パターンから測定する燃費測定方法ＪＣ−０８モード、ＬＡ＃４モードなどが考えられる。フォークリフトの場合は、予め決められた走行パターンや作業パターンを用いることが考えられる。
放電パターンは、走行パターンや作業パターンで車両を動作させたときの車両に搭載された電池２に代表される放電時の閉回路電圧のパターンである。放電モードにおける閉回路電圧と充電率との関係は、放電時の閉回路電圧を用いて実験やシミュレーションにより求める。
制御部の動作について説明する。
図４は、実施形態１の動作の一実施例を示す図である。ステップＳ４０１では、制御部４が閉回路電圧を電圧計測部３から取得する。ステップＳ４０２では、制御部４が放電モードであるか充電モードであるか否かを判定し、放電モードである場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４０３に移行し、充電モードである場合（Ｎｏ）にはステップＳ４０４に移行する。
ステップＳ４０３では、制御部４が放電モード情報を参照し、電圧計測部３から取得した閉回路電圧に対応する充電率を取得する。ステップＳ４０４では、制御部４が充電モード情報を参照し、電圧計測部３から取得した閉回路電圧に対応する充電率を取得する。ステップＳ４０５では制御部４が充電率を決定する。
図５は、充電モード情報と放電モード情報のデータ構造の一実施例を示す図である。充電モード情報５０１は、充電時の閉回路電圧「充電時ＣＣＶ」と閉回路電圧に対応する充電率「充電率ＳＯＣ［％］」に記憶される情報を有する。「充電時ＣＣＶ」には、本例では閉回路電圧を示す情報「ｃｍ００」「ｃｍ０１」「ｃｍ０２」「ｃｍ０３」「ｃｍ０４」「ｃｍ０５」「ｃｍ０６」・・・「ｃｍ１７」「ｃｍ１８」「ｃｍ１９」「ｃｍ２０」が記憶されている。「充電率ＳＯＣ［％］」には、本例では充電率を示す情報「０」「５」「１０」「１５」「２０」「２５」「３０」・・・「８５」「９０」「９５」「１００」が、閉回路電圧に関連付けられて記憶されている。
放電モード情報５０２は、放電時の閉回路電圧「放電時ＣＣＶ」と閉回路電圧に対応する充電率「充電率ＳＯＣ［％］」に記憶される情報を有する。「放電時ＣＣＶ」には、本例では閉回路電圧を示す情報「ｄｍ００」「ｄｍ０１」「ｄｍ０２」「ｄｍ０３」「ｄｍ０４」「ｄｍ０５」「ｄｍ０６」・・・「ｄｍ１７」「ｄｍ１８」「ｄｍ１９」「ｄｍ２０」が記憶されている。「充電率ＳＯＣ［％］」には、本例では充電率を示す情報「０」「５」「１０」「１５」「２０」「２５」「３０」・・・「８５」「９０」「９５」「１００」が、閉回路電圧に関連付けられて記憶されている。
実施形態１によれば、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性において充放電のヒステリシスが大きい電池の充電率の推定を、充電時と放電時で推定に用いる情報を変えることにより、精度よく推定することができるという効果を奏する。
実施形態２について説明をする。
実施形態２では充電方法ごとに充電モード情報を用意する。図６は、実施形態２の動作の一実施例を示す図である。ステップＳ６０１では、制御部４が閉回路電圧を電圧計測部３から取得する。ステップＳ６０２では、制御部４が充電方法情報を取得する。充電方法情報は充電方法を示す情報で、例えば、１００Ｖ充電、２００Ｖ充電、急速充電などを示す情報を有する。１００Ｖ充電をする場合には、１００Ｖ充電を示す情報を有する充電方法情報を制御部４が取得する。
ステップＳ６０３では、制御部４が放電モードであるか充電モードであるか否かを判定し、放電モードである場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ６０４に移行し、充電モードである場合（Ｎｏ）にはステップＳ６０５に移行する。
ステップＳ６０４では、制御部４が実施形態１で用いる放電モード情報を参照し、電圧計測部３から取得した閉回路電圧に対応する充電率を取得する。ステップＳ６０５では、制御部４が実施形態２で用いる充電モード情報７０１を参照し、電圧計測部３から取得した閉回路電圧に対応する充電率を取得する。ステップＳ６０６では制御部４が充電率を決定する。
図７は、実施形態２の充電モード情報のデータ構造の一実施例を示す図である。充電モード情報７０１は、充電時の閉回路電圧「充電時ＣＣＶ」と閉回路電圧に対応する充電率「充電率ＳＯＣ［％］」に記憶される情報を有する。また、「充電時ＣＣＶ」は、１００Ｖで充電する際の閉回路電圧を記憶する「１００Ｖ」、２００Ｖで充電する際の閉回路電圧を記憶する「２００Ｖ」、急速充電する際の閉回路電圧を記憶する「急速充電」を有する。
本例では、「１００Ｖ」には閉回路電圧を示す情報「ｃｍ００」「ｃｍ０１」「ｃｍ０２」「ｃｍ０３」「ｃｍ０４」「ｃｍ０５」「ｃｍ０６」・・・「ｃｍ１７」「ｃｍ１８」「ｃｍ１９」「ｃｍ２０」が記憶されている。「２００Ｖ」には閉回路電圧を示す情報「ｃｎ００」「ｃｎ０１」「ｃｎ０２」「ｃｎ０３」「ｃｎ０４」「ｃｎ０５」「ｃｎ０６」・・・「ｃｎ１７」「ｃｎ１８」「ｃｎ１９」「ｃｎ２０」が記憶されている。「急速充電」には閉回路電圧を示す情報「ｃｒ００」「ｃｒ０１」「ｃｒ０２」「ｃｒ０３」「ｃｒ０４」「ｃｒ０５」「ｃｒ０６」・・・「ｃｒ１７」「ｃｒ１８」「ｃｒ１９」「ｃｒ２０」が記憶されている。「充電率ＳＯＣ［％］」には、本例では充電率を示す情報「０」「５」「１０」「１５」「２０」「２５」「３０」・・・「８５」「９０」「９５」「１００」が、「１００Ｖ」「２００Ｖ」「急速充電」それぞれに記憶されている閉回路電圧を示す情報に関連付けられて記憶されている。
実施形態２によれば、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性において充放電のヒステリシスが大きい電池の充電率の推定を、充電時と放電時で推定に用いる情報を変えることにより、精度よく推定することができるという効果を奏する。
なお、充電方法により放電時のＳＯＣ−ＯＣＶ特性が異なる二次電池の場合には、充電方法ごとに閉回路電圧を記憶し、記憶した閉回路電圧に充電率を関連付けた放電モード情報を用いてもよい。
実施形態３について説明をする。
実施形態３では、計測した閉回路電圧のバラツキを補正することで、充電率を推定する精度を向上させる。閉回路電圧をばらつかせる因子として、電流負荷、電池２または電池２の周辺の温度、電池容量、電池２の劣化などが考えられる。
図８は、実施形態３の動作の一実施例を示す図である。ステップＳ８０１では、制御部４が閉回路電圧を電圧計測部３から取得する。ステップＳ８０２では、制御部４が因子情報を取得する。因子情報は電流負荷、電池２または電池２の周辺の温度、電池容量、電池２の劣化などを示す情報を有する。ステップＳ８０３では、制御部４が因子情報に含まれる情報各々に対応する補正係数を求め、補正係数を用いて計測した閉回路電圧を補正する。例えば、電流負荷が変わる場合には、記憶部５などに記憶されている電流負荷に対応した補正係数を取得し、計測した閉回路電圧に乗算し、計測した閉回路電圧を補正する。
ステップＳ８０４では、制御部４が放電モードであるか充電モードであるか否かを判定し、放電モードである場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ８０５に移行し、充電モードである場合（Ｎｏ）にはステップＳ８０６に移行する。
ステップＳ８０５では、制御部４が実施形態１、２で用いた放電モード情報を参照し、補正した閉回路電圧に対応する充電率を取得する。ステップＳ８０６では、制御部４が実施形態１で用いた充電モード情報を参照し、補正した閉回路電圧に対応する充電率を取得する。ステップＳ８０７では制御部４が充電率を決定する。
実施形態３によれば、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要し、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性において充放電のヒステリシスが大きい電池の充電率の推定を、充電時と放電時で推定に用いる情報を変えることにより、精度よく推定することができるという効果を奏する。
なお、充電方法により放電時のＳＯＣ−ＯＣＶ特性が異なる二次電池の場合には、充電方法ごとに閉回路電圧を記憶し、記憶した閉回路電圧に充電率を関連付けた放電モード情報を用いてもよい。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
１ 充放電装置、
２ 電池、
３ 電圧計測部、
４ 制御部、
５ 記憶部、
６ 充電器、
７ 負荷、
８ 充電推定部、
９ 放電推定部、
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ、
５０１、７０１ 充電モード情報、
５０２ 放電モード情報

Claims (4)

  1. ＳｉＯ負極を利用した電池の閉回路電圧を測定する電圧計測部と、
    充電モードの場合、充電器が定電流充電をするときの前記電池の閉回路電圧と０〜１００％の充電率とが関連付けられた複数の充電モード情報の中から充電方法を有する充電方法情報を用いて前記充電方法情報に対応する充電モード情報を参照し、参照した前記充電モード情報から測定した前記閉回路電圧のみを用いて充電率を取得し、取得した前記充電率を前記電池の充電率とする充電推定部と、
    放電モードの場合、決められた動作パターンで車両を動作させて求められる前記電池の放電パターンを用いて生成された閉回路電圧と充電率とが関連付けられた放電モード情報を参照し、参照した前記放電モード情報から測定した前記閉回路電圧のみを用いて充電率を取得し、取得した前記充電率を前記電池の充電率とする放電推定部と、
    を備えることを特徴とする充電率推定装置。
  2. 計測した前記閉回路電圧のバラツキの因子となる、電流負荷、前記電池又は前記電池周辺の温度、電池容量、前記電池の劣化を示す因子情報を取得し、取得した前記因子情報に対応する前記閉回路電圧を補正する補正係数を求め、前記補正係数を用いて前記閉回路電圧を補正することを特徴とする請求項１に記載の充電率推定装置。
  3. コンピュータが、
    ＳｉＯ負極を利用した電池の閉回路電圧を取得し、
    充電モードの場合、充電器が定電流充電をするときの前記電池の閉回路電圧と０〜１００％の充電率とが関連付けられた複数の充電モード情報の中から充電方法を有する充電方法情報を用いて前記充電方法情報に対応する充電モード情報を参照し、参照した前記充電モード情報から測定した前記閉回路電圧のみを用いて充電率を取得し、取得した前記充電率を前記電池の充電率とする処理、
    放電モードの場合、決められた動作パターンで車両を動作させて求められる前記電池の放電パターンを用いて生成された閉回路電圧と充電率とが関連付けられた放電モード情報を参照し、参照した前記放電モード情報から測定した前記閉回路電圧のみを用いて充電率を取得し、取得した前記充電率を前記電池の充電率とする処理、
    を実行することを特徴とする充電率推定方法。
  4. 計測した前記閉回路電圧のバラツキの因子となる、電流負荷、前記電池又は前記電池周辺の温度、電池容量、前記電池の劣化を示す因子情報を取得し、取得した前記因子情報に対応する前記閉回路電圧を補正する補正係数を求め、前記補正係数を用いて前記閉回路電圧を補正する処理を前記コンピュータが実行することを特徴とする請求項３に記載の充電率推定方法。
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