JP7196868B2

JP7196868B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP7196868B2
Application number: JP2020004422A
Authority: JP
Inventors: 啓太小宮山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: JP2021111584A

Description

本開示は、電池システムに関する。

電池に関して、正規な製造者により製造された電池（以下、正規品と称する）と、正規品を模倣した電池および正規品を不正に改造した電池等（以下、非正規品と称する）とを判別する技術が知られている。例えば特許文献１には、電池の重量の差の絶対値が予め設定したしきい値より大の場合に、電池が正規でないと判定する制御部とを備える電池パックが開示されている。

特開２０１２－１７４４８７号公報

例えば特許文献１では、電池重量の差に基づいて非正規品の判別をおこなっているが、電池重量に差がない場合でも非正規品を判別できることが望ましい。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電池の重量に基づかず非正規品の判別が可能な電池システムを提供することを主目的とする。

上記課題を解決するために、本開示においては、電池と、上記電池の電流を検出する電流センサと、上記電池の電圧を検出する電圧センサと、判定装置と、を備え、上記判定装置は、上記電圧センサから、充電開始時における上記電池の電圧である電圧Ｖ_０を取得し、上記電圧Ｖ_０に基づいて、上記電池の充電状態（ＳＯＣ）を算出する第１算出部と、上記電圧センサから、充電完了時における上記電池の電圧である電圧Ｖ_１を取得する第１取得部と、上記電流センサから、上記充電開始時から上記充電完了時までの充電時間における電流量を取得し、上記電流量および上記充電時間から、上記充電完了時における上記電池の予測電圧である電圧Ｖ_２を算出する第２算出部と、上記ＳＯＣ、上記電圧Ｖ_１および上記電圧Ｖ_２に基づいて、上記電圧Ｖ_１から上記電圧Ｖ_２まで降下するまでの電圧推移Ｔ_２を算出する第３算出部と、上記電圧センサから、充電完了後における上記電圧Ｖ_１からの降下電圧の電圧推移Ｔ_１を取得する第２取得部と、上記電圧推移Ｔ_１および上記電圧推移Ｔ_２に基づいて、上記電池が正規品か否かの判定を行う判定部と、を有する、電池システムを提供する。

本開示によれば、電圧推移に基づいて正規品であるか否かの判定を行うことから、非正規品と正規品との重量が同じ場合であっても、非正規品を判別することができる。

本開示においては、非正規品と正規品との重量が同じ場合であっても、非正規品を判別することができるという効果を奏する。

本開示における電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に例示する模式図である。本開示における判定基準を説明する説明図である。本開示における判定装置が行う判定を説明する説明図である。本開示における判定装置が実行する処理を例示するフローチャートである。

以下、本開示における電池システムについて、詳細に説明する。

図１は、本開示における電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に例示する模式図である。車両２０は、電池システム１０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）１１と、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１２と、駆動輪１３とを備える。電池システム１０は、電池１と、監視ユニット２と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３とを備える。

監視ユニット２は、後述する電流センサおよび電圧センサを少なくとも有する。また、ＥＣＵ３は、車両２０の各種電子制御を行うが、判定装置としても機能する。判定装置は、その機能を実現するための処理ブロックとして、第１算出部、第１取得部、第２算出部、第３算出部、第２取得部および判定部を有し、電圧推移Ｔ_１を電圧推移Ｔ_２と比較することで、正規品か否かの判定を行う。

本開示によれば、電圧推移に基づいて正規品であるか否かの判定を行うことから、非正規品と正規品との重量が同じ場合であっても、非正規品を判別することができる。本開示における電池システムは、電池電圧が過電圧（電極における測定電位と理論電位との差）により緩和挙動をとること、つまり、充電後の電池電圧が推移することに着目してなされたものである。電池の過電圧は、ＤＣ（直流）充電およびＡＣ（交流）充電の両方で生じうるが、急速充電であるＤＣ充電でより顕著となる。そのため、本開示における電池に対する充電は、ＤＣ充電である方が非正規品をより高精度に判別できるため好ましい。過電圧には、例えば、活性化過電圧、濃度過電圧、および抵抗（ＩＲ損）過電圧がある。電池の条件によってこれら過電圧の値は変化する。活性化過電圧は、正極活物質および負極活物質におけるＬｉイオン等のキャリアイオンのインターカレーション反応に関する過電圧を意味し、電荷移動反応における抵抗をＲとした際に、電池に流れる電流値ＩとのＩ×Ｒが活性化過電圧に相当する。活性化過電圧の値は、例えば電池材料、電極厚み等の条件によって変動する。濃度過電圧は、電解液中のＬｉイオン等のキャリアイオンの移動に関する過電圧を意味し、拡散における抵抗をＲとした際に、電池に流れる電流値ＩとのＩ×Ｒが濃度過電圧に相当する。濃度過電圧の値は、例えば電解液の組成等の条件によって変動する。抵抗（ＩＲ損）過電圧は、例えば集電体やタブの抵抗による過電圧である。抵抗（ＩＲ損）過電圧の値は、例えば集電体の材質および厚み等の条件によって変動する。このように、本開示における電池システムは、電池条件により変動する過電圧よって生じる、電圧の推移に着目することで、電池の重量に基づかず非正規品の判別ができる。

１．電池
本開示における電池システムは、電池を備える。電池は単電池であってもよく組電池であってもよい。例えば図１において、電池１は、ＭＧ１２を駆動するための電力を蓄え、ＰＣＵ１１を通じてＭＧ１２へ電力を供給する。また、電池１は、ＭＧ１２の発電時にＰＣＵ１１を通じて発電電力を受けて充電される。

電池は液系電池であってもよく、全固体電池であってもよい。また、電池は一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも二次電池であることが好ましい。また、電池はリチウムイオン電池であることが好ましい。

２．電流センサおよび電圧センサ
本開示における電池システムは、電流センサおよび電圧センサを備える。例えば図１において、監視ユニット２は、電池１の状態を監視し、その監視結果をＥＣＵ３に出力する。監視ユニット２は、電流センサおよび電圧センサを少なくとも含み、必要に応じて、温度センサを含んでいてもよい。また、監視ユニット２は、非正規品の電池が検出された場合に、電池の充放電を停止する充放電制御部を含んでいてもよい。

電流センサは、電池１の電流を検出し、その検出値をＥＣＵ３へ出力する。電圧センサは、電池１の電圧を検出し、その検出値をＥＣＵ３へ出力する。

３．判定装置
（１）判定装置の構成
本開示における電池システムは、判定装置を備える。判定装置は、電圧推移Ｔ_１を電圧推移Ｔ_２と比較することで、正規品か否かの判定が可能なように構成されている。例えば図１において、ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含む。メモリは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および、書き換え可能な不揮発性メモリを含む。メモリに記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで、各種制御が実行される。ＥＣＵが行なう各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

判定装置は、その機能を実現するための処理ブロックとして、第１算出部、第１取得部、第２算出部、第３算出部、第２取得部および判定部を有する。

第１算出部は、上記電圧センサから、充電開始時における上記電池の電圧である電圧Ｖ_０を取得し、上記電圧Ｖ_０に基づいて、上記電池の充電状態（ＳＯＣ）を算出するように設定されている。例えば、第１算出部は、上記電圧Ｖ_０をＯＣＶ（開回路電圧）として取得し、メモリに記録されているＳＯＣ－ＯＣＶ曲線からＳＯＣを算出する。

第１取得部は、上記電圧センサから、充電完了時における上記電池の電圧である電圧Ｖ_１を取得するように設定されている。本開示における充電完了時とは、所定の電圧に到達した時を意味し、満充電時でなくてもよい。また、本開示における電圧Ｖ_１は、上述した過電圧を含んだ電圧である。

第２算出部は、上記電流センサから、上記充電開始時から上記充電完了時までの充電時間における電流量を取得し、上記電流量および上記充電時間から、上記充電完了時における上記電池の予測電圧である電圧Ｖ_２を算出するように設定されている。例えば、電圧Ｖ_２は、上記電流量および上記充電時間から算出される充電完了時のＳＯＣに基づいて、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線から算出することができる。また、本開示における電圧Ｖ_２は、上述した過電圧が解消された電圧である。

第３算出部は、上記ＳＯＣ、上記電圧Ｖ_１および上記電圧Ｖ_２に基づいて、上記電圧Ｖ_１から上記電圧Ｖ_２まで降下するまでの電圧推移Ｔ_２を算出するように設定されている。ここで、正規品の電圧推移（電圧推移Ｔ_２）は、例えばメモリ（記憶部）にマップとして記憶されている。メモリには、正規品において種々の条件毎の電圧推移が記録されており、この電圧推移からは、正規品における条件毎のＶ_１およびＶ_２の値、ならびに、Ｖ_１からＶ_２に電圧が降下するのに要した時間等を読み取ることができる。なお、上記条件には、例えば充電開始時の電池温度が含まれていてもよい。第３算出部はＳＯＣ、電圧Ｖ_１および電圧Ｖ_２をメモリと照合することで、電圧推移Ｔ_２を算出することができる。充電開始時におけるＳＯＣの大小によっては、生じる過電圧の大きさや電圧降下に要する時間が変化する可能性がある。そのため、電圧推移Ｔ_２の算出において、充電開始時におけるＳＯＣを用いることで正確な電圧推移を算出することができる。

第２取得部は、上記電圧センサから、充電完了後における上記電圧Ｖ_１からの降下電圧の電圧推移Ｔ_１を取得するように設定されている。

判定部は、上記電圧推移Ｔ_１および上記電圧推移Ｔ_２に基づいて、上記電池が正規品か否かの判定を行うように設定されている。図２に示すように、正規品か否かを判定する基準として、Ｖ_１からＶ_２に到達するまでに要した時間（基準１）およびＶ_１からＶ_２に到達するまでに要した時間における電圧降下量（基準２）を設定することができる。基準１または基準２において、電圧推移Ｔ_１と電圧推移Ｔ_２が等しい場合、判定部は電池を正規品と判定する。ここで、電圧センサの読み取り誤差およびセンサそのものの素子誤差を考慮して、例えば、電圧推移Ｔ_１と電圧推移Ｔ_２との差異が電池電圧範囲±２．５％の範囲に収まる場合、両者は等しいと判断することができる。なお、上記範囲は使用するセンサの種類等によって適宜設定することができる。

非正規品か否かの具体的な判定は、図３のように行うことができる。図３（ａ）には、充電開始時の電池温度４０℃および充電開始時のＳＯＣ３０％の条件における、二つの電池（ＡおよびＢ）の電圧推移Ｔ₁が示してある。まず、上記基準１に基づいて判定を行う場合を説明する。図３（ｂ）に示すような時間マップから、充電開始時のＳＯＣ、Ｖ_１およびＶ_２の値に基づいて、電圧推移Ｔ_２におけるＶ_１からＶ_２に到達するまでに要する時間（ｔｘ）を算出する。そして、ｔｘと電圧推移Ｔ₁におけるＶ_１からＶ_２に到達するまでに要する時間とを比較する。図３（ａ）に示すように、Ｖ_１からＶ_２に到達するまでに要した時間が、電池Ａではｔｘであり電圧推移Ｔ_２と等しいが、電池Ｂではｔｙであり電圧推移Ｔ_２と異なっている。この場合、判定装置は基準１に基づいて、電池Ａを正規品と判定し、電池Ｂを非正規品と判定する。また、上記基準２に基づいて判定を行う場合を説明する。図３（ｃ）に示すような電圧降下量マップから、Ｖ_１およびＶ_２の値に基づいて、電圧推移Ｔ_２における上記ｔｘを固定した場合の電圧降下量（ΔＶｘ）を算出する。そして、ΔＶｘと電圧推移Ｔ₁における上記ｔｘを固定した場合の電圧降下量とを比較する。図３（ａ）に示すように、時間ｔｘで降下した電圧の量が、電池ＡではΔＶｘであり電圧推移Ｔ_２と等しいが、電池ＢではΔＶｙであり電圧推移Ｔ_２と異なっている。この場合、判定装置は基準２に基づいて、電池Ａを正規品と判定し、電池Ｂを非正規品と判定する。

（２）判定装置の処理
図４は、本開示における判定装置の処理を例示するフローチャートである。図４に示すように、ステップＳ１では、電圧センサから、充電開始時における電池の電圧である電圧Ｖ_０を取得し、電圧Ｖ_０に基づいて、電池の充電状態（ＳＯＣ）を算出する。ステップＳ２では、電圧センサから、充電完了時における電池の電圧である電圧Ｖ_１を取得する。ステップＳ３では、充電開始時から充電完了時までの充電時間における電流量を取得し、電流量および充電時間から、充電完了時における電池の予測電圧である電圧Ｖ_２を算出する。

ステップＳ４では、ステップＳ１で算出されたＳＯＣ、ステップＳ２で取得した電圧Ｖ_１およびステップＳ３で算出された電圧Ｖ_２に基づいて、電圧Ｖ_１から電圧Ｖ_２まで降下するまでの電圧推移Ｔ_２を算出する。また、ステップＳ５では、電圧センサから、充電完了後における電圧Ｖ_１からの降下電圧の電圧推移Ｔ_１を取得する。そして、ステップＳ６で、ステップＳ４で算出した電圧推移Ｔ_２およびステップＳ５で取得した電圧推移Ｔ_１に基づいて、電池が正規品か否かの判定を行う。基準に基づいて、電圧推移Ｔ_１と電圧推移Ｔ_２とが等しい場合正規品と判定し、異なる場合非正規品と判定する。なお、図示しないが、非正規品が検出された場合、判定装置は、例えば充放電制御部に、電池の充放電を停止するよう指令を出すことができる。

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

１ …電池
２ …監視ユニット
３ …ＥＣＵ
１０ …電池システム

Claims

電池と、
前記電池の電流を検出する電流センサと、
前記電池の電圧を検出する電圧センサと、
判定装置と、を備え、
前記判定装置は、
前記電圧センサから、充電開始時における前記電池の電圧である電圧Ｖ_０を取得し、前記電圧Ｖ_０に基づいて、前記電池の充電状態（ＳＯＣ）を算出する第１算出部と、
前記電圧センサから、充電完了時における前記電池の電圧である電圧Ｖ_１を取得する第１取得部と、
前記電流センサから、前記充電開始時から前記充電完了時までの充電時間における電流量を取得し、前記電流量および前記充電時間から、前記充電完了時における前記電池の予測電圧である電圧Ｖ_２を算出する第２算出部と、
前記ＳＯＣ、前記電圧Ｖ_１および前記電圧Ｖ_２に基づいて、前記電圧Ｖ_１から前記電圧Ｖ_２まで降下するまでの電圧推移Ｔ_２を算出する第３算出部と、
前記電圧センサから、充電完了後における前記電圧Ｖ_１からの降下電圧の電圧推移Ｔ_１を取得する第２取得部と、
前記電圧推移Ｔ_１および前記電圧推移Ｔ_２に基づいて、前記電池が正規品か否かの判定を行う判定部と、
を有する、電池システム。