JP6373171B2 - 二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 - Google Patents

二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法に関するものである。
二次電池の電解液の量を検出する技術としては、従来、特許文献1〜4のような技術が存在する。
特許文献1には、二次電池の電極間抵抗から電池槽内の通常の液面の高さを求める技術が開示されている。また、特許文献2および特許文献3には、超音波センサによって二次電池の液面レベルを検出する装置が開示されている。また、特許文献4には、充電電流の積算値が閾値よりも大きい場合には電解液が減少したと判定して警告する技術が開示されている。
特開平06−333606号公報 特開2000−121410号公報 特開2000−205931号公報 特開2006−344468号公報
ところで、二次電池の電解液に対して、蒸留水等が補水された場合には、二次電池の状態が変化することから、補水を検出しないと二次電池の状態検出にあたって誤差の原因となる。そのため、このような補水の実施については正確に検出して把握することが望ましい。
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、電解液を直接測定する構成となっていることから、構成が複雑であるという問題点がある。また、特許文献2および特許文献3に開示された技術では、超音波センサによって電解液の液面を検出する構成となっているため、構成が複雑になるという問題点がある。また、特許文献4に開示された技術では、減液の検出を対象としており、補水については判定できないという問題点がある。
本発明は、二次電池の電解液に対して補水がされたことを簡易かつ正確に検出することが可能な二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明は、車両に搭載された二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置において、前記二次電池の等価回路の素子値を求出する求出手段と、前記二次電池の開回路電圧を算出する算出手段と、前記求出手段によって求出された前記等価回路の素子値の変化と、前記算出手段によって算出された前記開回路電圧の変化から、前記二次電池の電解液に対して補水がされたか否かを判定する判定手段と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池の電解液に対して補水がされたことを簡易かつ正確に検出することができる。
また、本発明は、前記判定手段は、前記等価回路を構成する導体抵抗が所定の値以上の変化がなく、かつ、前記開回路電圧が所定の値以上低下した場合には、補水がされたと判定することを特徴とする。
このような構成によれば、導体抵抗と開回路電圧の2つに基づいて、補水の有無を簡単に検出することができる。
また、本発明は、前記判定手段は、前記等価回路を構成する導体抵抗が所定の値以上の変化がなく、かつ、前記開回路電圧が所定の値以上変化するとともに、負極反応抵抗が一定値以上低くなること、正極反応抵抗が一定値以上高くなること、負極電気二重層容量が一定値以上低くなること、および、正極電気二重層容量が一定値以上低くなることの少なくとも1つが検出された場合には、補水がされたと判定することを特徴とする。
このような構成によれば、導体抵抗と開回路電圧の2つに加えて、等価回路の他の素子も加味することで、補水の有無をより正確に検出することができる。
また、本発明は、前記判定手段によって補水がされたと判定された場合には、前記二次電池の状態を示す情報を初期化することを特徴とする。
このような構成によれば、補水がされた場合には二次電池の状態が変化するので、状態を示す情報を初期化することで、二次電池の状態を誤って推定されることを防止できる。
また、本発明は、前記二次電池の状態を示す情報は、前記等価回路の素子値、前記二次電池の使用履歴、前記二次電池の充電率、および、前記二次電池の基準容量の少なくとも1つであることを特徴とする。
このような構成によれば、使用履歴、充電率、および、基準容量を初期化することで、二次電池の状態を誤って推定されることを防止できる。
また、本発明は、前記判定手段によって補水されたと判定された場合には、上位の装置に通知することを特徴とする。
このような構成によれば、上位装置に伝えることで、上位装置も補水に対応する処理を実行することができる。
また、本発明は、車両に搭載された二次電池の状態を検出する二次電池状態検出方法において、前記二次電池の等価回路の素子値を求出する求出ステップと、前記二次電池の開回路電圧を算出する算出ステップと、前記求出ステップにおいて求出された前記等価回路の素子値の変化と、前記算出ステップにおいて算出された前記開回路電圧の変化から、前記二次電池の電解液に対して補水がされたか否かを判定する判定ステップと、を有することを特徴とする。
このような方法によれば、二次電池の電解液に対して補水がされたことを簡易かつ正確に検出することができる。
本発明によれば、二次電池の電解液に対して補水がされたことを簡易かつ正確に検出することが可能な二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置の構成例を示す図である。 図1の制御部の詳細な構成例を示すブロック図である。 本実施形態において用いる二次電池の等価回路の構成例を示す図である。 二次電池の電解液に対して補水を行った前後の等価回路の素子値の変化を示す図である。 図1に示す実施形態において実行される処理の一例を示す図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。
(A)本発明の実施形態の構成の説明
図1は、本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置を有する車両の電源系統を示す図である。この図において、二次電池状態検出装置1は、制御部10、電圧センサ11、電流センサ12、温度センサ13、および、放電回路15を主要な構成要素としており、二次電池14の状態を検出する。ここで、制御部10は、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13からの出力を参照し、二次電池14の状態を検出する。電圧センサ11は、二次電池14の端子電圧を検出し、制御部10に通知する。電流センサ12は、二次電池14に流れる電流を検出し、制御部10に通知する。温度センサ13は、二次電池14自体または周囲の環境温度を検出し、制御部10に通知する。放電回路15は、例えば、直列接続された半導体スイッチと抵抗素子等によって構成され、制御部10によって半導体スイッチがオン/オフ制御されることにより二次電池14を間欠的に放電させる。
二次電池14は、例えば、電解液を有するとともに、補水が可能な鉛蓄電池等によって構成され、オルタネータ16によって充電され、スタータモータ18を駆動してエンジンを始動するとともに、負荷19に電力を供給する。オルタネータ16は、エンジン17によって駆動され、交流電力を発生して整流回路によって直流電力に変換し、二次電池14を充電する。なお、二次電池14は、筐体の上部に設けられたキャップによって電解槽に貯留されている希硫酸等の電解液に対して、蒸留水等を補水することが可能な構成とされている。
エンジン17は、例えば、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等のレシプロエンジンまたはロータリーエンジン等によって構成され、スタータモータ18によって始動され、トランスミッションを介して駆動輪を駆動し車両に推進力を与えるとともに、オルタネータ16を駆動して電力を発生させる。スタータモータ18は、例えば、直流電動機によって構成され、二次電池14から供給される電力によって回転力を発生し、エンジン17を始動する。負荷19は、例えば、電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等によって構成され、二次電池14からの電力によって動作する。
図2は、図1に示す制御部10の詳細な構成例を示す図である。この図に示すように、制御部10は、CPU(Central Processing Unit)10a、ROM(Read Only Memory)10b、RAM(Random Access Memory)10c、通信部10d、I/F(Interface)10eを有している。ここで、CPU10aは、ROM10bに格納されているプログラム10baに基づいて各部を制御する。ROM10bは、半導体メモリ等によって構成され、プログラム10ba等を格納している。RAM10cは、半導体メモリ等によって構成され、プログラム10baを実行する際に生成されるデータや、テーブルまたは数式等のパラメータ10caを格納する。通信部10dは、上位の装置であるECU(Electronic Control Unit)等との間で通信を行い、検出した情報を上位装置に通知する。I/F10eは、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13から供給される信号をデジタル信号に変換して取り込むとともに、放電回路15に駆動電流を供給してこれを制御する。
(B)実施形態の動作の説明
つぎに、図を参照して、本発明の実施形態の動作について説明する。本実施形態では、制御部10のCPU10aは、例えば、図示しないイグニッションスイッチが運転者によって操作されてオフの状態にされた後、所定の時間(例えば、数時間)が経過した場合には、二次電池14の開回路電圧OCVの値を推定する。すなわち、イグニッションスイッチがオフの状態にされると、分極電圧が時間の経過とともに解消されるので、CPU10aは、電圧センサ11の出力を参照して端子電圧を測定するとともに、分極電圧を推定し、これらの差分から開回路電圧OCVの値を推定する。また、CPU10aは、二次電池14の等価回路を構成する素子の値を学習する処理を実行する。より詳細には、本実施形態では、図3に示すような二次電池14の等価回路を想定し、この等価回路を構成する素子の値を学習処理によって求める。このようにして得られた等価回路の素子の値と、開回路電圧OCVの値は、RAM10cに格納される。
つぎに、CPU10aは、学習処理によって得られた等価回路の素子の現在値および開回路電圧OCVの現在値と、前回の処理によって得られてRAM10cに格納されている等価回路の素子の前回値および開回路電圧OCVの前回値とを比較することで二次電池14の電解液に対して補水がされたか否かを判定する。図4は、補水前後の等価回路の各素子の値と、開回路電圧OCVの値の変化を示している。この例では、製造メーカおよび初期容量が同じ3つの鉛蓄電池である二次電池♯1〜♯3に対する測定結果が示されている。導体抵抗Rohmは補水の前後で3つとも値に変化が殆どない。負極反応抵抗Rct1は補水によって3つとも値が減少している。負極電気二重層容量C1は補水によって3つとも値が減少している。正極反応抵抗Rct2(交換電流密度の逆数に対応する素子)は補水によって3つとも値が増加している。正極電気二重層容量C2は補水によって3つとも値が減少している。開回路電圧OCVは補水によって3つともに値が減少している。
CPU10aは、(1)開回路電圧OCVの前回値よりも今回値が所定の値以上低くなっており、(2)導体抵抗Rohmの前回値と今回値の差分が所定の値以下であり、かつ、以下の少なくとも1つが成立する場合には補水がされたと判定する。
(3)負極反応抵抗Rct1の今回値が前回値よりも所定の値以上小さくなった。
(4)正極反応抵抗Rct2の今回値が前回値よりも所定の値以上大きくなった。
(5)負極電気二重層容量C1の今回値が前回値よりも所定の値以上小さくなった。
(6)正極電気二重層容量C2の今回値が前回値よりも所定の値以上小さくなった。
以上の判定基準に基づいて判定した結果、補水がされたとCPU10aが判定した場合には、CPU10aは、補水を検出したことを上位の装置であるECUに対して通知するとともに、ユーザに対しても通知する。この結果、ユーザは、補水が検出されたことを知ることができる。つぎに、CPU10aは、RAM10cに格納されている、二次電池14の状態を示す情報を初期化する。より詳細には、CPU10aは、RAM10cに格納されている、二次電池14の等価回路の素子値、二次電池14の使用履歴、充電率、二次電池14の基準容量(SOH(State of Health)に関する情報)を初期化する。これにより、補水によって状態が変化した場合でも、その影響を少なくすることができる。なお、ユーザに対して補水の検出を通知した際に、ユーザによって補水をしていない旨の入力があった場合には、誤検出として、RAM10cに格納されている、二次電池14の状態を示す情報の初期化を実行しないようにしてもよい。
以上に説明したように、本実施形態では、等価回路の素子の値と、開回路電圧の値の変化に基づいて、二次電池14の補水の有無を検出し、補水がされたと判定した場合には、上位の装置およびユーザに通知するようにしたので、ユーザは補水が検出されたことを知ることができる。また、補水を検出した場合には、二次電池14の状態を示す情報を初期化するようにしたので、補水によって二次電池14の状態が変化した場合でも、状態を示す情報を初期化することで、状態を誤って判定することを防止できる。
なお、等価回路の学習処理および開回路電圧の推定処理が長期間に亘って実行されずに、前回値と今回値が測定された間隔が大きく開くことを防ぐために、前回値が測定されてから所定時間が経過した場合に、等価回路の学習処理および開回路電圧の推定処理を実行するようにしてもよい。
つぎに、図5を参照して、本実施形態において実行される処理の詳細について説明する。図5に示す処理は、例えば、図示しないイグニッションスイッチがオフの状態にされた後に所定の時間(例えば、数時間)が経過した場合に実行される。図5に示す処理が開始されると、以下のステップが実行される。
ステップS10では、CPU10aは、前回の学習処理から所定時間以上が経過したか否かを判定し、所定時間以上が経過したと判定した場合(ステップS10:Yes)にはステップS11に進み、それ以外の場合(ステップS10:No)には処理を終了する。例えば、前回、ステップS11〜S13の処理を実行してから、2日以上が経過した場合にはYesと判定してステップS11に進む。なお、この処理により、所定の周期で、開回路電圧の推定と等価回路の学習が実行されるので、前回値と今回値を得たタイミングが必要以上に離れることを防ぐことで、例えば、誤判定の発生を防止できる。
ステップS11では、CPU10aは、二次電池14の開回路電圧OCVの値を推定する処理を実行する。より詳細には、CPU10aは、電圧センサ11によって二次電池14の端子電圧を測定するとともに、分極電圧を計算して測定値から減算することで、開回路電圧OCVの値を推定する。
ステップS12では、CPU10aは、二次電池14の等価回路を構成する素子の値を学習する処理を実行する。より詳細には、CPU10aは、放電回路15を駆動して二次電池14を所定の周期かつ所定の電流で放電させ、そのときの電圧値および電流値を電圧センサ11および電流センサ12によって測定し、例えば、カルマンフィルタまたはサポートベクタマシン等のアルゴリズムを用いて学習処理することで、図3に示す等価回路を構成する素子の値を求める。
ステップS13では、CPU10aは、ステップS11で推定した開回路電圧の値およびステップS12で学習した等価回路の素子の値を、RAM10cに格納する。より詳細には、CPU10aは、ステップS11において推定した開回路電圧の今回値をOCVtとしてRAM10cに格納し、また、ステップS12において学習した導体抵抗、負極反応抵抗、正極反応抵抗、負極電気二重層容量、および、正極電気二重層容量の今回値を、Rohmt,Rct1t,Rct2t,C1t,C2tとしてRAM10cに格納する。なお、このようにして格納された値は、次回の処理では、ステップS15の処理により、前回値として使用される。
ステップS14では、CPU10aは、二次電池14が満充電状態か否かを判定し、満充電状態であると判定した場合(ステップS14:Yes)にはステップS15に進み、それ以外の場合(ステップS14:No)には処理を終了する。より詳細には、CPU10aは、開回路電圧OCVと、充電率SOCの関係を示す関係式に対して、ステップS11で求めた開回路電圧OCVの値を代入することで、二次電池14の充電率SOCを求め、充電率SOCが100%である場合にはYesと判定してステップS15に進む。このように、充電率に応じて判断するのは、充電率が前回と今回で異なる場合には、補水ではなく充電率によって等価回路の素子値や開回路電圧が変化する場合があるため、そのような原因によって誤判定することを防ぐためである。なお、100%ではなく、例えば、充電率が共に九十数%以上の場合にYesと判定するようにしたり、前回と今回の充電率の差が数%以内の場合にはYesと判定するようにしたりしてもよい。
ステップS15では、CPU10aは、前回の処理によって学習または推定され、RAM10cに格納されている素子の値と、開回路電圧の値を取得する。より詳細には、前回の処理において、ステップS11の処理によって推定された開回路電圧の前回値をOCVpとし、また、ステップS12の処理によって前回学習された導体抵抗、正極反応抵抗、負極反応抵抗、負極電気二重層容量、および、正極電気二重層容量の前回値を、Rohmp,Rct1p,Rct2p,C1p,C2pとする。
ステップS16では、CPU10aは、ステップS15で取得した開回路電圧の前回値OCVpと、ステップS11で推定した開回路電圧の今回値OCVtの差分を求めてΔOCV(=OCVt−OCVp)とする。
ステップS17では、CPU10aは、ステップS15で取得した導体抵抗の前回値Rohmpと、ステップS12で学習した導体抵抗の今回値Rohmtの差分を求めてΔRohm(=Rohmt−Rohmp)とする。
ステップS18では、CPU10aは、ステップS15で取得した負極反応抵抗の前回値Rct1pと、ステップS12で学習した負極反応抵抗の今回値Rct1tの差分を求めてΔRct1(=Rct1t−Rct1p)とする。
ステップS19では、CPU10aは、ステップS15で取得した正極反応抵抗の前回値Rct2pと、ステップS12で学習した正極反応抵抗の今回値Rct2tの差分を求めてΔRct2(=Rct2t−Rct2p)とする。
ステップS20では、CPU10aは、ステップS15で取得した負極電気二重層容量の前回値C1pと、ステップS12で学習した負極電気二重層容量の今回値C1tの差分を求めてΔC1(=C1t−C1p)とする。
ステップS21では、CPU10aは、ステップS15で取得した正極電気二重層容量の前回値C2pと、ステップS12で学習した正極電気二重層容量の今回値C2tの差分を求めてΔC2(=C2t−C2p)とする。
ステップS22では、CPU10aは、ΔOCV<Th1かつΔRohm<Th2が成立するか否かを判定し、これらの条件をともに満たすと判定した場合(ステップS22:Yes)にはステップS23に進み、それ以外の場合(ステップS22:No)には処理を終了する。より詳細には、開回路電圧の前回値よりも今回値の方が所定値以上低くなり(ΔOCV<Th1であり)、かつ、導体抵抗の前回値と今回値が所定値以上変化していない(ΔRohm<Th2である)場合にはYesと判定してステップS23に進む。つまり、二次電池14の電解液に対して補水がされた場合には、図4に示すように開回路電圧OCVが減少する一方で、導体抵抗Rohmは殆ど変化しないため、これらを条件として補水の有無を判断する。
ステップS23では、CPU10aは、ΔRct1<Th3、ΔRct2>Th4、ΔC1<Th5、および、ΔC2<Th6の少なくとも1つが成立する場合(ステップS23:Yes)にはステップS24に進み、それ以外の場合(ステップS24:No)には処理を終了する。より詳細には、図4に示すように、補水がされた場合には、Rct1は減少し、Rct2は増加し、C1は減少し、C2は減少するので、これらの少なくとも1つが成立する場合には、補水がされた(Yes)と判定し、ステップS24に進む。
ステップS24では、CPU10aは、補水を検出したことを上位の装置に通知する。より詳細には、CPU10aは、通信部10dを介して上位の装置であるECU(不図示)に補水を検出したことを通知する。ECUは、このような通知を受けた場合には、例えば、ユーザに対して補水を検知したことを表示装置に表示して通知する。これにより、ユーザは、補水を検出したことを知ることができる。
ステップS25では、CPU10aは、二次電池14の状態を示す情報を初期化する処理を実行する。より詳細には、CPU10aは、RAM10cに格納されている二次電池14の等価回路の素子値、二次電池14の使用履歴、二次電池14の充電率、および、二次電池14の基準容量等の情報を初期化する。
以上の処理によれば、例えば、二次電池14の電解液に対して補水がなされた後に図5に示す処理が実行された場合には、補水の前に取得された等価回路の素子値および開回路電圧値が前回値とされ、補水の後に取得された等価回路の素子値および開回路電圧値が今回値とされ、これらの変化がステップS22およびステップS23の条件を満たす場合には、補水がされたと判定され、ステップS24で上位装置に通知されるとともに、ステップS25で二次電池14の状態を示す情報が初期化される。
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、二次電池14の等価回路の素子の値と、開回路電圧の値とに基づいて、二次電池14の電解液に対して補水がされたか否かを判定するようにしたので、簡単な構成により補水の有無を確実に検出することができる。また、補水が検出された場合には、二次電池14の状態を示す情報を初期化するようにしたので、補水による状態変化に確実に対応し、二次電池の状態を精度良く検出することができる。また、ステップS10の判断により、開回路電圧の推定処理および等価回路の学習処理を所定の周期で実行するようにしたので、これらの処理が長期間実行されないことで、二次電池14の経時的な変化が累積し、誤判定が発生することを防止できる。
(C)変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、図5のステップS22において、反応抵抗Rct1,Rct2および電気二重層容量C1,C2に基づいて判断するようにしたが、電気二重層容量C1,C2は、反応抵抗Rct1,Rct2に比較して測定誤差が大きいので、電気二重層容量C1,C2については判断対象から除外し、反応抵抗Rct1,Rct2のみに基づいて判断するようにしてもよい。なお、電気二重層容量C1,C2を判断対象から除外する場合、反応抵抗Rct1,Rct2に関するいずれかの条件(ΔRct1<Th3 or ΔRct2>Th4)が満たされたときにステップS24に進むだけでなく、これらの双方の条件が満たされたときにステップS24に進むようにしてもよい。また、場合によっては、図5のステップS23の判断を省略し、ステップS22の判断のみで補水の有無を判定するようにしてもよい。
また、ΔOCV,ΔRohm,ΔRct1,ΔRct2,ΔC1,ΔC2に対して重み付け係数(“0”も含む)を乗算して加算し、得られた結果を所定の閾値と比較して、判断するようにしてもよい。
また、以上の実施形態では、二次電池14が満充電の場合に判断をするようにしたが、例えば、前回値の測定時と今回値の測定時の充電率SOCが同等である場合に処理を実行するようにしてもよい。例えば、前回値を測定した際の充電率SOCが90%であった場合には、SOCが90%になった場合に今回値を測定して判断するようにしてもよい。
また、図5に示す処理では、上位装置に通知した直後に二次電池14の状態を示す情報を初期化するようにしたが、例えば、ユーザに対して補水の有無を問い合わせ、補水を行ったことが確実である場合には二次電池14の状態を示す情報を初期化するようにしてもよい。
1 二次電池状態検出装置
10 制御部
10a CPU(求出手段、算出手段、判定手段)
10b ROM
10c RAM
10d 通信部
10e I/F
11 電圧センサ
12 電流センサ
13 温度センサ
14 二次電池
15 放電回路
16 オルタネータ
17 エンジン
18 スタータモータ
19 負荷

Claims (7)

  1. 車両に搭載された二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置において、
    前記二次電池の等価回路の素子値を求出する求出手段と、
    前記二次電池の開回路電圧を算出する算出手段と、
    前記求出手段によって求出された前記等価回路の素子値の変化と、前記算出手段によって算出された前記開回路電圧の変化から、前記二次電池の電解液に対して補水がされたか否かを判定する判定手段と、
    を有することを特徴とする二次電池状態検出装置。
  2. 前記判定手段は、前記等価回路を構成する導体抵抗が所定の値以上の変化がなく、かつ、前記開回路電圧が所定の値以上低下した場合には、補水がされたと判定することを特徴とする請求項1に記載の二次電池状態検出装置。
  3. 前記判定手段は、前記等価回路を構成する導体抵抗が所定の値以上の変化がなく、かつ、前記開回路電圧が所定の値以上変化するとともに、
    負極反応抵抗が一定値以上低くなること、正極反応抵抗が一定値以上高くなること、負極電気二重層容量が一定値以上低くなること、および、正極電気二重層容量が一定値以上低くなることの少なくとも1つが検出された場合には、補水がされたと判定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池状態検出装置。
  4. 前記判定手段によって補水がされたと判定された場合には、前記二次電池の状態を示す情報を初期化することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  5. 前記二次電池の状態を示す情報は、前記等価回路の素子値、前記二次電池の使用履歴、前記二次電池の充電率、および、前記二次電池の基準容量の少なくとも1つであることを特徴とする請求項4に記載の二次電池状態検出装置。
  6. 前記判定手段によって補水されたと判定された場合には、上位の装置に通知することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  7. 車両に搭載された二次電池の状態を検出する二次電池状態検出方法において、
    前記二次電池の等価回路の素子値を求出する求出ステップと、
    前記二次電池の開回路電圧を算出する算出ステップと、
    前記求出ステップにおいて求出された前記等価回路の素子値の変化と、前記算出ステップにおいて算出された前記開回路電圧の変化から、前記二次電池の電解液に対して補水がされたか否かを判定する判定ステップと、
    を有することを特徴とする二次電池状態検出方法。
JP2014230298A 2014-11-13 2014-11-13 二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 Active JP6373171B2 (ja)

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