JP6401122B2 - 二次電池状態検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電池の劣化の度合や内部抵抗などの当該電池の状態を検出する二次電池状態検出装置に関するものである。
例えば、電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池が搭載されている。
このような二次電池は、充電及び放電を繰り返すことにより劣化が進み、蓄電可能容量（電流容量や電力容量など）が徐々に減少することが知られている。そして、二次電池を用いた電気自動車などにおいては、二次電池の劣化の度合を検出することにより蓄電可能容量を求めて、二次電池によって走行可能な距離や二次電池の寿命などを算出している。
二次電池の劣化の度合を示す指標の一つとして、初期蓄電可能容量に対する現在蓄電可能容量の割合であるＳＯＨ（State of Health）がある。このＳＯＨは二次電池の内部抵抗と相関があることが知られており、二次電池の内部抵抗を求めることにより当該内部抵抗に基づいてＳＯＨを検出することができる。
上記二次電池の内部抵抗を検出する装置としては、例えば特許文献１、２に記載されたものが提案されている。特許文献１、２の二次電池状態検出装置は、２つのコンデンサを備え、二次電池の２つの状態、例えば放電状態と放電停止状態とのそれぞれの電池電圧をコンデンサにホールドし、増幅器によりコンデンサがホールドした電池電圧の差を増幅することにより、精度良く内部抵抗やＳＯＨを求めている。
しかしながら、従来の二次電池状態検出装置では、２つの状態における二次電池の両極電圧を２つのコンデンサで各々サンプリングしてから測定する。このため、２つのコンデンサによるサンプリング間隔は、少なくともコンデンサへの充電時間＋スイッチングの切替時間以上に設定する必要があり、差電圧を高速に、また連続的に測定することができない、という問題があった。
特開２０１４−２１９３１１号公報 特開２００９−５３０１２号公報
そこで、本発明は、差電圧を高速に測定することができる二次電池状態検出装置を提供することを課題とする。
上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置であって、前記二次電池の両極に接続されたコンデンサと、前記二次電池の一極と前記コンデンサの一極板との間に設けられた第１のスイッチと、前記二次電池が第１の状態のときに前記第１のスイッチをオンして前記コンデンサの両極板に前記二次電池の両極を接続した後、前記第１のスイッチをオフする第１のスイッチ制御手段と、第１の入力に前記コンデンサの一極板が接続され、第２の入力に直接、前記二次電池の一極が接続され、前記第１の入力及び前記第２の入力の差電圧を出力する差動増幅回路と、前記第１のスイッチ制御手段による制御後、前記二次電池が第２の状態のときの前記差電圧に基づき前記二次電池の状態を検出する電池状態検出手段と、前記コンデンサの両極板間に設けられた第２のスイッチと、前記第２のスイッチをオンする第２のスイッチ制御手段と、前記第１のスイッチのオフ時かつ前記第２のスイッチのオン時に、前記差電圧に基づき前記二次電池の両極電圧を検出する両極電圧検出手段と、を備えたことを特徴とする二次電池状態検出装置である。
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、差動増幅回路の第２の入力には、二次電池の一極が接続されるため、第２の状態になったときにコンデンサへの充電時間を待つことなく、差電圧から高速に二次電池の状態を検出することができる。
請求項１記載の発明によれば、第２のスイッチをオンすると二次電池の両極がそれぞれ差動増幅回路の第１の入力、第２の入力に接続されるため、コンデンサへの充電時間を待つことなく、二次電池の両極電圧を検出できる。
本発明の二次電池状態検出装置の一実施形態を示す回路図である。 図１に示すＭＣＵの二次電池状態検出処理の手順を示すフローチャートである。 図１に示すＭＣＵの両極電圧検出処理手順を示すフローチャートである。 他の実施形態における二次電池状態検出処理手順を説明するための二次電池の両極電圧のタイムチャートである。
以下、本発明の二次電池状態検出装置について図１を参照して説明する。本実施形態の二次電池状態検出装置１は、例えば、電気自動車に搭載され、当該電気自動車が備える複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの状態をそれぞれ検出するものである。複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎは、互いに直列に接続されている。
図１に示すように、二次電池状態検出装置１は、コンデンサＣｏと、第１のスイッチＳＷ１と、第２のスイッチＳＷ２と、充電部２と、第１のスイッチ制御手段、第２のスイッチ制御手段、電池状態検出手段、両極電圧検出手段としてのＭＣＵ３と、差動増幅回路４と、差動増幅回路４の出力をＡＤ変換してＭＣＵ３に供給するＡＤコンバータ５（以下ＡＤＣ５と略記）と、抵抗Ｒと、を備えている。
コンデンサＣｏは、本実施形態では、複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎ（ｎは任意の整数）にそれぞれ対応して複数設けられている。複数のコンデンサＣｏは、両極板が対応する二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極に接続されている。第１のスイッチＳＷ１は、対応する二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの正極（一極）とコンデンサＣｏの一極板との間に設けられている。第２のスイッチＳＷ２は、コンデンサＣｏの両極間に設けられている。
充電部２は、複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの充電に際して、予め定められた充電電流Ｉｃを流すことができるように設けられている。充電部２は、後述するＭＣＵ３に接続されており、ＭＣＵ３からの制御信号に応じて、複数の二次電池Ｃｅに充電電流Ｉｃを流して充電し、二次電池Ｃｅに充電電流Ｉｃを流すことを停止して充電を停止する。
ＭＣＵ３は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータから構成されている。ＭＣＵ３は、第１、第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２のオンオフや充電部２を制御する。
ＭＣＵ３は、電子制御装置から状態検出命令を受けると、二次電池Ｃｅが第１の状態のときに第１のスイッチＳＷ１をオンして、第１の状態における二次電池Ｃｅの両極電圧をコンデンサＣｏに保持させた後、第１のスイッチＳＷ１をオフする。ＭＣＵ３は、その後、二次電池Ｃｅが第２の状態のときに後述する差動増幅回路４からの差電圧に基づいて二次電池の状態（内部抵抗）を検出する。ここで、第１の状態、第２の状態とは、二次電池Ｃｅに流れる電流が互いに異なる状態を示す。本実施形態では、二次電池Ｃｅに充電電流Ｉｃが流れる充電状態を第１の状態、二次電池Ｃｅに電流が流れない充電停止状態を第２の状態としている。
また、ＭＣＵ３は、電子制御装置から両極電圧検出命令を受けると、第１のスイッチＳＷ１をオフ、第２のスイッチＳＷ２をオンした後、後述する差動増幅回路４からの差電圧を二次電池Ｃｅの両極電圧として取り込む。
差動増幅回路４は、本実施形態では、複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎにそれぞれ対応して複数設けられている。差動増幅回路４は、第１の入力Ｔ１に対応するコンデンサＣｏの一極板が接続され、第２の入力Ｔ２に対応する二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの正極が接続され、第１の入力Ｔ１、第２の入力Ｔ２の差電圧を出力する。
本実施形態の差動増幅回路４は、所謂インスツルメンテーションアンプから構成され、第１の増幅アンプ４１と、第２の増幅アンプ４２と、差動アンプ４３と、を有している。第１の増幅アンプ４１の非反転入力が、第１の入力Ｔ１となり、第１の増幅アンプ４１は、第１の入力Ｔ１に入力された電圧を増幅する。第２の増幅アンプ４２の非反転入力が、第２の入力Ｔ２となり、第２の増幅アンプ４２は、第２の入力Ｔ２に入力された電圧を増幅する。差動アンプ４３は、第１、第２の増幅アンプ４１、４２により増幅された第１、第２の入力Ｔ１、Ｔ２に入力された電圧の差分を増幅して差電圧として出力する。
また、本実施形態の差動増幅回路４は、第１の増幅アンプ４１の反転入力と第２の増幅アンプ４２の反転入力との間に可変抵抗Ｇが設けられ、増幅率が調整できるようになっている。
抵抗Ｒは、第１、第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２と、コンデンサＣｏの一極板に設けられた電流制限用の抵抗である。
次に、上述した構成の二次電池状態検出装置１の動作について図２及び図３を参照して以下説明する。図２は、図１に示すＭＣＵ３の二次電池状態検出処理の手順を示すフローチャートである。図３は、図１に示すＭＣＵ３の極電圧検出処理の手順を示すフローチャートである。
ＭＵＣ３は、車両に搭載された電子制御装置から状態検出命令を受信すると、図２に示す電池状態検出処理を開始する。まず、ＭＣＵ３は、可変抵抗Ｇを調整して、差動増幅回路４の増幅率を１より大きい予め定めた値に設定する（ステップＳ１）。次に、ＭＣＵ３は、充電部２に対して充電開始の制御信号を送信する（ステップＳ２）。充電部２は、この制御信号に応じて充電電流Ｉｃで二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの充電を開始する。
次に、ＭＵＣ３は、第１のスイッチＳＷ１をオン、第２のスイッチＳＷ２をオフして、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極に対応するコンデンサＣｏの両極板を接続する（ステップＳ３）。その後、ＭＵＣ３は、コンデンサＣｏの両極電圧が二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧に達するような十分な時間ｔ１が経過すると（ステップＳ４でＹ）、第１のスイッチＳＷ１をオフして、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極と対応するコンデンサＣｏとの接続を切り離す（ステップＳ５）。これにより、コンデンサＣｏには、充電状態における二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧が各々保持される。
その後、ＭＣＵ３は、充電部２に対して充電停止の制御信号を送信する（ステップＳ６）。充電部２は、この制御信号に応じて二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの充電を停止する。これにより、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎが充電停止状態になるので、ＭＣＵ３は、このとき各差動増幅回路４から出力される差電圧に基づいて二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの状態（内部抵抗）を検出して（ステップＳ７）、処理を終了する。
なお、各差動増幅回路４の第２の入力Ｔ２には、二次電池Ｃｅｍ（ｍは１〜ｎの任意の整数）の正極が接続されている。即ち、このとき、第２の入力Ｔ２には、充電停止状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｍの両極電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｍの和Ｖｄ１＋…＋Ｖｄｍが供給される。
一方、各差動増幅回路４の第１の入力Ｔ１には、充電状態の二次電池Ｃｅｍの両極電圧が保持されたコンデンサＣｏの一極板が接続されている。即ち、このとき、第１の入力Ｔ１には、充電停止状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｍ−１の両極電圧Ｖｄ１〜Ｖｄｍ−１の和Ｖｄ１＋…＋Ｖｄｍ−１にコンデンサＣｏにより保持された充電状態における二次電池Ｃｅｍの両極電圧Ｖｃｍを加算した値（Ｖｄ１＋…＋Ｖｄｍ−１＋Ｖｃｍ）が供給されている。よって、このとき差動増幅回路４から出力される差電圧は充電状態の二次電池Ｃｅｍの両極電圧Ｖｃｍと充電停止状態の二次電池Ｃｅｍの両極電圧Ｖｄｍとの差（Ｖｃｍ−Ｖｄｍ）であり、二次電池Ｃｅｍの内部抵抗に応じた値である。
一方、ＭＣＵ３は、車両に搭載された電子制御装置から両極電圧検出命令を受信すると、図３に示す両極電圧検出処理を開始する。まず、ＭＣＵ３は、可変抵抗Ｇを制御して、差動増幅回路４の増幅率を１に設定する（ステップＳ８）。次に、ＭＣＵ３は、第２のスイッチＳＷ２をオンして、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極をそれぞれ対応する差動増幅回路４の第１の入力Ｔ１、第２の入力Ｔ２に接続する（ステップＳ９）。これにより、差動増幅回路４からは、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧が差電圧として出力される。
次に、ＭＣＵ３は、各差動増幅回路４から出力される差電圧を二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧として取り込んで（ステップＳ１０）、両極電圧検出処理を終了する。
上述した実施形態によれば、差動増幅回路４の第２の入力Ｔ２には、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの正極が接続されるため、充電停止状態になったときコンデンサＣｏへの充電時間を待つことなく、差電圧を高速に測定することができる。
また、上述した実施形態によれば、第２のスイッチＳＷ２をオンすると二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極がそれぞれ差動増幅回路４の第１の入力Ｔ１、第２の入力Ｔ２に接続されるため、コンデンサＣｏへの充電時間を待つことなく、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅ２の両極電圧を検出できる。
なお、上述した実施形態では、充電状態（第１の状態）及び充電停止状態（第２の状態）の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の差電圧を求めていたが、これに限ったものではない。２つの異なる状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の差電圧を差動増幅回路４から出力させればよく、例えば、充電状態及び放電状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の差電圧を差動増幅回路４から出力させるようにしてもよい。また、大きな充電電流が流れているときの充電状態及び小さな充電電流が流れているときの充電状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の差電圧を差動増幅回路４から出力させるようにしてもよいし、大きな放電電流が流れているときの放電状態及び小さな放電電流が流れているときの放電状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の差電圧を差動増幅回路４から出力させるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、２つの状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の差電圧のみから二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの内部抵抗を求めていたが、これに限ったものではない。例えば、二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの内部抵抗には、容量成分なども接続されている。このため、休止状態（電流が流れていない状態）の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎから放電させると、一定の放電電流Ｉｄであっても、図４の一点鎖線で示すように二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧は、放電電流Ｉｄが流れることによる内部抵抗の電圧降下分だけ急激に減少するわけではなく、過渡的に減少する。
そこで、休止状態の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧（即ち開回路電圧ＯＣＶ）からの過渡的な減少量を複数サンプリングして、その複数のサンプリング値から二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの内部抵抗を検出する方法が知られている（過渡応答法）。上述した図１に示す二次電池状態検出装置１は、このように放電開始後に高速で差電圧をサンプリングする必要がある過渡応答法を用いた二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの内部抵抗の検出に最適である。
具体的には、ＭＣＵ３は、放電開始前の休止状態のときに第１のスイッチＳＷ１をオンして、コンデンサＣｏに休止状態のときの二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧（即ち開回路電圧ＯＣＶ）を保持させた後、第１のスイッチＳＷ１をオフする。その後、放電が開始されるとＭＣＵ３は、差動増幅回路４から出力される差電圧をサンプリングして、その複数のサンプリング値に基づいて二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの内部抵抗を検出する。なお、放電後、差動増幅回路４から出力される差電圧は、放電状態における二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎの両極電圧の開回路電圧ＯＣＶからの減少量である。
また、上述した実施形態によれば、第１のスイッチＳＷ１、第２のスイッチＳＷ２「、コンデンサＣｏ、差動増幅回路４、ＡＤＣ５を複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎそれぞれに対応させて複数設けていたが、これに限ったものではない。複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎに対して、１つの第１のスイッチＳＷ１、第２のスイッチＳＷ２、コンデンサＣｏ１、差動増幅回路４、ＡＤＣ５を設けて、複数の二次電池Ｃｅ１〜Ｃｅｎを順次コンデンサＣｏや差動増幅回路４に接続するようにしてもよい。
また、上述した実施形態によれば、第２のスイッチＳＷ２を設けていたが、第２のスイッチＳＷ２は必須ではない。第１のスイッチＳＷ１のみを設けるようにしてもよい。
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
１ 二次電池状態検出装置
３ ＭＣＵ(第１のスイッチ制御手段、電池状態検出手段、第２のスイッチ制御手段、両極電圧検出手段)
４ 差動増幅回路
Ｃｅ１〜Ｃｅｎ 二次電池
Ｃｏ コンデンサ
ＳＷ１ 第１のスイッチ
ＳＷ２ 第２のスイッチ
Ｔ１ 第１の入力
Ｔ２ 第２の入力

Claims (1)

  1. 二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置であって、
    前記二次電池の両極に接続されたコンデンサと、
    前記二次電池の一極と前記コンデンサの一極板との間に設けられた第１のスイッチと、
    前記二次電池が第１の状態のときに前記第１のスイッチをオンして前記コンデンサの両極板に前記二次電池の両極を接続した後、前記第１のスイッチをオフする第１のスイッチ制御手段と、
    第１の入力に前記コンデンサの一極板が接続され、第２の入力に直接、前記二次電池の一極が接続され、前記第１の入力及び前記第２の入力の差電圧を出力する差動増幅回路と、
    前記第１のスイッチ制御手段による制御後、前記二次電池が第２の状態のときの前記差電圧に基づき前記二次電池の状態を検出する電池状態検出手段と、
    前記コンデンサの両極板間に設けられた第２のスイッチと、
    前記第２のスイッチをオンする第２のスイッチ制御手段と、
    前記第１のスイッチのオフ時かつ前記第２のスイッチのオン時に、前記差電圧に基づき前記二次電池の両極電圧を検出する両極電圧検出手段と、を備えたことを特徴とする二次電池状態検出装置。
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