JP6558108B2 - 蓄電装置及び蓄電方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池の充電率を推定する蓄電装置及び蓄電方法に関する。

蓄電装置に設けられている電池の充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を電流積算に基づいて推定する場合、電流計測部の電流計測誤差により電流積算誤差が蓄積されると、推定したＳＯＣにも推定誤差が蓄積され、推定したＳＯＣと実際のＳＯＣとにずれが生じてしまう。そこで、ＳＯＣの推定誤差を補正するため、計測あるいは推定により電池の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を求め、このＯＣＶを用いて、記憶部に記憶されているＯＣＶとＳＯＣとが関連付けられたＯＣＶ−ＳＯＣ特性情報を参照し、ＳＯＣを補正している。

例えば、車両に搭載された蓄電装置の場合、車両が停止しているときにＯＣＶを計測あるいは推定し、計測あるいは推定したＯＣＶに基づいてＳＯＣを補正している。ここで、ＯＣＶの計測は、充電あるいは放電が完了した後に、分極が解消したと見做すことができる分極解消時間を経過した後に実施し、ＯＣＶの推定は、分極解消時間内の所定時間に実施する。

しかしながら、車両を連続稼働するような場合には、ＯＣＶの計測あるいは推定をする前に、次の充電あるいは放電が開始されることがあるため、計測したＯＣＶあるいは推定したＯＣＶを用いて、ＳＯＣを補正する機会が少なくなり、ＳＯＣに推定誤差が蓄積されたままになり、ＳＯＣの推定精度が悪くなる。その結果、例えば電池の使用可能容量を使い切る前に残容量がゼロであることを示す誤表示をしたり、実際には容量が無いのに残容量があるかのような誤表示をするダイアグが、車両が稼働しているときに発生してしまう場合がある。

関連する技術として、電池の分極解消後にＯＣＶを計測すること、計測したＯＣＶを用いてＳＯＣを補正すること、などが開示されている。例えば、特許文献１から３を参照。

特開２００６−１３３０２４号公報 特開２００９−３０３２９１号公報 特開２０１３−２１４３７１号公報

本発明の一側面に係る目的は、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる蓄電装置及び蓄電方法を提供することである。

本発明に係る一つの形態である電池の充電率を推定可能な蓄電装置は、電圧計測部と処理部を備える。
電圧計測部は電池の電圧を計測する。処理部は、電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、充電中に電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、電池の充電率を満充電を示す値にする処理を行う。

また、処理部は、電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を複数回検出した場合、かつ、充電中に電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、電池の充電率を満充電を示す値にする処理を行う。

また、処理部は、電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、充電率の補正ができない連続時間に蓄積された充電率の推定誤差が、充電を完了した後の電圧降下による充電率の推定誤差より大きくなった場合、かつ、充電中に電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、電池の充電率を満充電を示す値にする処理を行う。

また、充電を完了した後の電圧降下による充電率の推定誤差は、充電完了時の電流と内部抵抗を用いて求める。

ＳＯＣの推定精度を向上させることができる。

蓄電装置と充電装置とを有するシステムの一実施例を示す図である。 実施形態１の動作の一実施例を示すフロー図である。 ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差と時間との関係を示す図である。 実施形態２の動作の一実施例を示すフロー図である。

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＞
図１は、蓄電装置と充電装置とを有するシステムの一実施例を示す図である。電池のＳＯＣを推定可能な蓄電装置１は、例えば、処理部３、電池４、電流計測部５、電圧計測部６、スイッチ７、接続部８（例えばソケット）を備える。また、蓄電装置１の接続部８と、充電装置２の電力を供給するためのケーブルに設けられている接続部９（例えばプラグ）と、が接続されると、所定の手順を経て、充電装置２から蓄電装置１の電池４へ電力の供給が開始される。

蓄電装置１は、例えば、車両に搭載された電池パックなどが考えられる。電池４は、電池パックに設けられた二次電池で、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池である。スイッチ７は、電池４への充放電をする際に、処理部３により制御される。

処理部３は、例えば、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）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）を用いた回路が考えられる。

また、処理部３は、充放電中、電流計測部５が計測した電流を用いて電流積算をし、該電流積算に基づいてＳＯＣを推定する。なお、ＳＯＣを推定する際に、電圧計測部６が計測した電圧と、図１には図示していないが温度計測部を用いて計測した電池４の温度又は周辺温度と、を用いて、更に精度よくＳＯＣを推定してもよい。

ただし、処理部３は、電池４の充電あるいは放電を完了した後、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出（ＳＯＣを補正できない状態を検出）した場合、かつ、充電中に電池４の閉回路電圧（ＣＣＶ：Close Circuit Voltage）が満充電に対応する電圧に達した場合、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする処理を行う。

ここで、ＳＯＣを補正できない状態の検出として（１）（２）が考えられる。
（１）電池４のＯＣＶを計測してＳＯＣを補正するのであれば、充電あるいは放電が完了した後、分極が解消したと見做すことができる分極解消時間を経過した後にＯＣＶを計測し、計測したＯＣＶを用いてＳＯＣを補正する前に、充電あるいは放電が開始されたことの検出。
（２）電池４のＯＣＶを推定してＳＯＣを補正するのであれば、充電あるいは放電が完了した後、分極解消時間内においてＯＣＶを推定する所定時間を経過した後にＯＣＶを推定し、推定したＯＣＶを用いてＳＯＣを補正する前に、充電あるいは放電が開始されたことの検出。

また、電池４の満充電に対応する電圧（ＣＣＶ）は、予め実験又はシミュレーションにより求め、記憶しておくことが考えられる。
なお、充電あるいは放電を完了した後は、スイッチ７が開状態となるので、開状態において電圧計測部６から処理部３に送られてくる電圧はＯＣＶである。また、放電中あるいは充電中は、スイッチ７が閉状態となるので、閉状態において電圧計測部６から処理部３に送られてくる電圧はＣＣＶである。

満充電を示す値は、例えば、ＳＯＣの場合には１００［％］などが考えられる。
更に、処理部３は、電池４の充電あるいは放電を完了した後、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電を複数回検出（ＳＯＣを補正できない状態を複数回検出）した場合、かつ、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達した場合、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする処理を行ってもよい。

ここで、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電を複数回検出してから、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする理由は、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電が一回又は数回検出されただけでは、実際のＳＯＣとのずれ（ＳＯＣの推定誤差）がまだ許容されると考えられるためである。

そこで、ＳＯＣの推定誤差が許容される回数（複数回）を決め、電池４の充電あるいは放電を完了した後、ＳＯＣの補正をする前に、その回数を超えた場合、かつ、電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達して充電が完了した場合、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする。上記において、ＳＯＣを補正できない状態を複数回検出とは、複数回の（１）に示した検出、又は、複数回の（２）に示した検出をしたことである。複数回は、予め実験又はシミュレーションにより求めることが考えられる。

なお、ＳＯＣの推定誤差が許容される回数は、充電を完了した後の電池４の電圧降下に対応するＳＯＣの推定誤差に基づいて決められる。電圧降下は、電池４に流れる電流と内部抵抗により決まる。なお、内部抵抗は、例えば、温度又は周辺温度の影響を加味して求めることが望ましい。

実施形態１の動作について説明する。
図２は、実施形態１の動作の一実施例を示すフロー図である。図２のフロー図に示す処理は充電あるいは放電が開始されるたびに繰り返される。

ステップＳ１では、処理部３が充電あるいは放電を完了したか否かを判定し、充電あるいは放電を完了している場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ２に移行し、充電あるいは放電をしている場合（Ｎｏ）にはステップＳ１に移行して待機する。

ステップＳ２では、処理部３がＳＯＣの補正ができるか否かを判定し、補正ができる場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ３に移行する。補正ができない場合（Ｎｏ）にはステップＳ６に移行する。ここで、ＳＯＣの補正ができるか否かの判定は、上記の（１）に示した検出の場合、充電あるいは放電が完了した後、分極解消時間を経過しているか否かの判定、あるいは、（２）に示した検出の場合、充電あるいは放電が完了した後、分極解消時間内においてＯＣＶを推定する所定時間を経過しているか否かの判定である。

ステップＳ３では処理部３がＯＣＶを取得する。取得したＯＣＶとは、充電あるいは放電が完了した後、分極解消時間を経過した後に、計測したＯＣＶ、あるいは、充電あるいは放電が完了した後、分極解消時間内にＯＣＶを推定する所定時間を経過した後に、推定したＯＣＶ、である。

なお、ステップＳ３の処理をした後、ステップＳ２で説明したＳＯＣの補正ができるか否かの判定を再度実行してもよい。その場合、補正ができる場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４に移行する。補正ができない場合（Ｎｏ）にはステップＳ６に移行する。

ステップＳ４では処理部３がＳＯＣを補正する。ステップＳ３で取得したＯＣＶを用いて、処理部３の記憶部に記憶されているＯＣＶとＳＯＣとが関連付けられたＯＣＶ−ＳＯＣ特性情報などを参照し、ＳＯＣを補正する。

ステップＳ５で処理部３は補正不可カウンタをリセットする。補正不可カウンタは、ＳＯＣを補正できない状態が検出されるごとにカウントをするカウンタで、分極解消後の計測したＯＣＶ、あるいは、分極解消時間内の所定時間に推定したＯＣＶ、を用いてＳＯＣを補正できなかった状態をカウントするカウンタである。

また、補正不可カウンタは、分極解消後の計測したＯＣＶ、あるいは、分極解消中の所定時間に推定したＯＣＶ、を用いてＳＯＣの補正ができた場合には、補正不可カウンタは処理部３によりリセットされる。そして、ステップＳ５の処理を完了すると、図２に示すフロー図の処理を抜けて次の処理に移行する。

ステップＳ６では、ステップＳ２でＳＯＣの補正ができない場合、すなわち分極解消後に計測したＯＣＶを用いてＳＯＣの補正ができない場合、あるいは、分極解消時間内の所定時間に推定したＯＣＶを用いてＳＯＣの補正ができない場合、処理部３は電池４が充電あるいは放電を開始するか否かを判定し、充電あるいは放電を開始する場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ７に移行し、充電あるいは放電を開始しない場合（Ｎｏ）にはステップＳ２に移行する。

ステップＳ７では、ＳＯＣが補正できない状態が検出されたので、補正不可カウンタがカウントされる。
ステップＳ８では、補正不可カウンタがＳＯＣの推定誤差が許容される回数（所定回数）に達しているか否かを判定し、所定回数に達している場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ９に移行し、所定回数に達していない場合（Ｎｏ）には図２に示すフロー図の処理を抜ける。所定回数は、例えば、一回又は複数回が考えられる。

ステップＳ９では、処理部３が、充電を完了（ステップＳ６が充電だったときに充電完了）し、かつ、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達したか否かを判定し、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に達していた場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ１０に移行する。充電を完了し、かつ、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に達していない場合（Ｎｏ）には図２に示すフロー図の処理を抜ける。

ステップＳ１０では、処理部３が現在のＳＯＣを満充電を示す値にする処理を行う。
なお、上記図２に示したステップＳ１からＳ１０の処理は、処理部３が、電池４の充電あるいは放電を完了した後、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電を複数回検出した場合、電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達して充電が完了した後、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする処理が含まれており、複数回検出をしない場合には、ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ８の処理はなくてもよい。

実施形態１の効果について説明する。
例えば、フォークリフトなどの車両を連続稼働するような場合、ＯＣＶの計測あるいは推定をする前に、次の充電あるいは放電が開始され、計測あるいは推定をしたＯＣＶを用いてＳＯＣの補正ができない状態が続くと、ＳＯＣに推定誤差が蓄積する。

しかし、実施形態１を用いることにより、計測あるいは推定をしたＯＣＶを用いてＳＯＣの補正ができない状態が続いた場合（一回又は複数回）でも、ＣＣＶが満充電に対応する電圧に達するとＳＯＣを満充電を示す値にすることができるため、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる。

その結果、例えば電池の使用可能容量を使い切る前に残容量がゼロであることを示す誤表示をしたり、実際には容量が無いのに残容量があるかのような誤表示をするダイアグが、車両が稼働しているときに発生するのを低減できる。
＜実施形態２＞
実施形態２における電池４のＳＯＣを推定可能な蓄電装置は、実施形態１と同様の構成である。実施形態１との違いは、処理部３が実行する処理の違いである。

実施形態２の処理部３は、電池４の充電あるいは放電を完了した後、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差が、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差より大きくなった場合、かつ、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達した場合、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする処理を行う。

ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差とは、電池４の充電あるいは放電を完了した後、計測あるいは推定したＯＣＶを用いてＳＯＣの補正をした後、時間の経過とともに蓄積されるＳＯＣの推定誤差である。

ＳＯＣの推定誤差は、ＳＯＣの補正ができない連続時間を用いて、ＳＯＣの補正ができない連続時間と、ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差と、が関連付けられた情報を参照し、推定をする。この情報は、例えば、予め実験又はシミュレーションにより求めて、記憶しておくことが考えられる。

図３は、ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差と時間との関係を示す図である。縦軸はＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差を示し、横軸はカウント（ＳＯＣの補正ができない時間）を示している。

図３の３０１に示すように、電池４の充電あるいは放電を完了した後、計測あるいは推定したＯＣＶを用いてＳＯＣの補正をした時間ｔ０においては、ＳＯＣの推定誤差は小さい状態であるが、ＳＯＣの補正をしないまま時間が経過すると、時間の経過にともないＳＯＣの推定誤差が蓄積される。すなわち、ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差は、時間の経過とともに大きくなる。

次に、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差は、電池４に流れる電流と内部抵抗により決まる。図３では、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差は、閾値ｔｈ１として表されている。

図３においては、時間ｔ０からｔ１までに、ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差は、閾値ｔｈ１まで蓄積される。閾値ｔｈ１よりも、ＳＯＣの補正ができない連続時間に蓄積されたＳＯＣの推定誤差が大きくなると、実際のＳＯＣから大きくずれてしまうため、閾値ｔｈ１に対応する時間ｔ１を経過した場合には、電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達した後、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にする方が、ＳＯＣの推定誤差を閾値ｔｈ１より小さくできると考えられるため、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる。すなわち、実際の満充電時のＳＯＣに近づけることができる。

なお、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差は、電池４の劣化に応じて変更してもよい。電池４の劣化は内部抵抗を用い、内部抵抗に応じて、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差を変更する。例えば、内部抵抗と、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差と、を関連付けられた情報を用いて変更することが考えられる。該情報は、例えば、予め実験又はシミュレーションにより求め、記憶しておくことが考えられる。

また、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差の変更は、充電方法によって変更してもよい。例えば、ＣＣ（Constant Current）充電、ＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage）充電などの充電方法によって変更してもよい。

実施形態２の動作について説明する。
図４は、実施形態２の動作の一実施例を示すフロー図である。図４のフロー図に示す処理は充電あるいは放電が開始されるたびに繰り返される。

ステップＳ１からＳ４までの処理は、実施形態１で説明をしたので省略する。
ステップＳ４０１では、処理部３は補正不可カウンタをリセットする。実施形態２の補正不可カウンタは、分極解消後に計測したＯＣＶ、あるいは、分極解消中の所定時間内に推定したＯＣＶ、を用いてＳＯＣの補正ができた場合に、補正不可カウンタは処理部３によりリセットされる。また、実施形態２の補正不可カウンタは、ＳＯＣが補正されてから次のＳＯＣが補正されるまで、所定の時間間隔でカウントをするカウンタである。すなわち、ＳＯＣが補正できない連続時間を計測する。

ステップＳ４０２では、処理部３は補正不可カウンタのカウントを開始させる。
ステップＳ６の処理は、ＳＯＣの補正ができない場合、計測したＯＣＶあるいは推定したＯＣＶを用いてＳＯＣの補正ができない場合、処理部３は電池４が充電あるいは放電を開始するか否かを判定し、充電あるいは放電を開始する場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ９に移行し、充電あるいは放電を開始しない場合（Ｎｏ）にはステップＳ２に移行する。

ステップＳ９では、処理部３が、充電を完了（ステップＳ６が充電だったときに充電完了）し、かつ、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達したか否かを判定し、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に達していた場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４０３に移行する。それ以外の場合（Ｎｏ）には図４に示すフロー図の処理を抜ける。

ステップＳ４０３では、補正不可カウンタの示すカウントに対応するＳＯＣの推定誤差が閾値ｔｈ１より大きいか否かを判定し、閾値ｔｈ１より大きい場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ１０に移行し、閾値ｔｈ１以下の場合（Ｎｏ）には図４に示すフロー図の処理を抜ける。また、補正不可カウンタの示すカウントが、閾値ｔｈ１に対応する図３の時間ｔ１に達している場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ１０に移行し、時間ｔ１に達していない場合（Ｎｏ）に図４に示すフロー図の処理を抜けてもよい。

ステップＳ１０では、処理部３が現在のＳＯＣを満充電を示す値にする処理を行う。
実施形態２の効果について説明する。
計測あるいは推定をしたＯＣＶを用いてＳＯＣの補正ができない状態が続いた場合でも、実施形態２の方法により、電池４の充電あるいは放電を完了した後、ＳＯＣの補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、ＳＯＣの補正ができない連続時間（図３に示す時間ｔ０からｔ１）に蓄積されたＳＯＣの推定誤差が、充電を完了した後の電圧降下によるＳＯＣの推定誤差（図３に示す閾値ｔｈ１）より大きくなった場合、かつ、充電中に電池４のＣＣＶが満充電に対応する電圧に達した場合、電池４のＳＯＣを満充電を示す値にすることができるので、ＳＯＣの推定誤差を閾値ｔｈ１よる小さくできると考えられるため、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる。すなわち、実際の満充電時のＳＯＣに近づけることができる。

その結果、例えば電池の使用可能容量を使い切る前に残容量がゼロであることを示す誤表示をしたり、実際には容量が無いのに残容量があるかのような誤表示をしたり、これらのダイアグが、車両が稼働しているときに発生するのを低減できる。

また、本発明は、以上の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 蓄電装置
２ 充電装置
３ 処理部
４ 電池
５ 電流計測部
６ 電圧計測部
７ スイッチ
８ 接続部
９ 接続部

Claims (5)

1. 電池の充電率を推定可能な蓄電装置であって、
   前記電池の電圧を計測する電圧計測部と、
   前記電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、充電中に前記電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、前記電池の充電率を前記満充電を示す値にする処理を行い、前記電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、充電中に前記電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達していない場合、前記閉回路電圧に基づいて前記電池の充電率を変更する処理を行わない処理部と、
   を備えることを特徴とする蓄電装置。
2. 電池の充電率を推定可能な蓄電装置であって、
   前記電池の電圧を計測する電圧計測部と、
   前記電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を複数回検出した場合、かつ、充電中に前記電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、前記電池の充電率を前記満充電を示す値にする処理を行う処理部と、
   を備えることを特徴とする蓄電装置。
3. 電池の充電率を推定可能な蓄電装置であって、
   前記電池の電圧を計測する電圧計測部と、
   前記電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出した場合、かつ、前記充電率の補正ができない連続時間に蓄積された充電率の推定誤差が、充電を完了した後の電圧降下による充電率の推定誤差より大きくなった場合、かつ、充電中に前記電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、前記電池の充電率を満充電を示す値にする処理を行う処理部と、
   を備えることを特徴とする蓄電装置。
4. 請求項３に記載の蓄電装置であって、
   前記充電を完了した後の電圧降下による充電率の推定誤差は、充電完了時の電流と内部抵抗を用いて求める、
   ことを特徴とする蓄電装置。
5. 電池の充電率を推定する蓄電方法であって、
   蓄電装置は、
   前記電池の充電あるいは放電を完了した後、充電率の補正をする前に、次の充電あるいは放電を検出し、
   前記検出がされた場合、かつ、充電中に前記電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達した場合、前記電池の充電率を前記満充電を示す値にし、
   前記検出がされた場合、かつ、充電中に前記電池の閉回路電圧が満充電に対応する電圧に達していない場合、前記閉回路電圧に基づいて前記電池の充電率を変更しない、
   処理を実行することを特徴とする蓄電方法。
   

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