JPWO2012053075A1

JPWO2012053075A1 - 蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置

Info

Publication number: JPWO2012053075A1
Application number: JP2011524104A
Authority: JP
Inventors: 克弥温井
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: WO2012053075A1; JP5619744B2

Abstract

蓄電デバイスに利用されている反応物質により決まる、残容量の変化に対して、ＯＣＶの変化が小さい特性を示す領域がある蓄電デバイスであっても、蓄電デバイスの残容量や新品容量からの容量低下を推定し、高精度に状態検知を行なうことができる蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置を提供する。ステップＳ１で満充電モードが要求されているかを判定し、満充電モードが要求されているときはステップＳ３０〜Ｓ３３で満充電制御の後ＳＯＨを算出する。また、満充電モードが要求されていないときは、ステップＳ２で状態検知モードが要求されているかを判定し、状態検知モードが要求されているときはステップＳ２０〜Ｓ２３で状態検知前充電を行った後ＳＯＣを算出する。さらに、ステップＳ２で状態検知モードが要求されていないときは、ステップＳ１０〜Ｓ１３で電流積算値からＳＯＣを算出する。

Description

本発明は、蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置に関し、特に蓄電デバイスの残容量を高精度に求めて状態検知を行う蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置に関するものである。

近年、蓄電デバイスに対するニーズが高まっており、例えば自動車では蓄電デバイスである蓄電池から電力供給を受けて動作する電気機器が多く搭載されるようになり、蓄電池の重要度がますます高まっている。近年はバイワイヤー化が進み、電動ブレーキ（ＥＰＢ）に代表される安全系の部品を電気で制御するようになってきている。また、省エネや二酸化炭素の排出規制に伴って、交差点などでの短時間停止時のアイドリングストップ機能とその再始動能力の確保が求められている。

自動車以外の分野でも、例えば太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの利用を進める上で、発電電力量の平準化や余剰電力の蓄電のために蓄電デバイスが用いられる。さらに、停電時等に電気機器に電力供給を行うための安定化電源、補助電源等のバックアップ電源にも蓄電デバイスが用いられる。このような蓄電デバイスには、二次電池やキャパシタ等の電解液中または個体電解質中のイオンの移動を伴うものが用いられている。

元来、蓄電デバイスの残容量と電圧との関係がネルンストの式で定義されており、電圧を測定することで蓄電デバイスの性能を判断することができていた。例えば、特許文献１には、液式鉛蓄電池が充放電停止後十分に安定したときの開放端電圧（ＯＣＶ：ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）と残容量（ＳＯＣ：State of charge）との間に図４に示すような１：１に対応する関係があることが記載されており、このような安定時のＯＣＶとＳＯＣとの関係を用いて蓄電池の状態検知を行う技術が記載されている。

特開２００７−１７８２１５号公報

しかしながら、蓄電デバイスの種類によっては、ＳＯＣが変化しているにもかかわらず安定時ＯＣＶがほとんど変化しないものがある。一例として、燐酸鉄系Ｌｉイオン電池におけるＳＯＣと安定時ＯＣＶとの関係を図５に示す。同図において、ＳＯＣがＳＯＣ_1〜ＳＯＣ_2［％］の範囲では安定時ＯＣＶの変化が非常に小さくなっている。ここで、ＳＯＣ_1、ＳＯＣ_2はそれぞれ、例えば２５％、７５％程度であり、５０％程度と大きく変化している。そのため、ＳＯＣがＳＯＣ_1〜ＳＯＣ_2の範囲にあるときは、安定時ＯＣＶを測定してＳＯＣを求めようとしても十分な精度でＳＯＣを得ることが難しいといった問題がある。

また、燐酸鉄系Ｌｉイオン電池の新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）が、劣化によって例えば図６のようにＳＯＨａからＳＯＨｂに低下した場合でも、それぞれのＳＯＣと安定時ＯＣＶとの間の関係が、それぞれ符号Ａと符号Ｂで示すように、相対的にほとんど変化することなく維持される。すなわち、劣化前の安定時ＯＣＶの変化が小さいＳＯＣの領域ａ（例えば２５％〜７５％）が、劣化後も相対的に同じ大きさのＳＯＣの領域ｂ（例えば２５％〜７５％）に維持される。そのため、安定時のＯＣＶとＳＯＣとの関係をもとにＳＯＨを求めようとしても、これを精度良く求めることが極めて難しい。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、蓄電デバイスに利用されている反応物質により決まる、残容量の変化に対して、ＯＣＶの変化が小さい特性を示す領域がある蓄電デバイスであっても、蓄電デバイスの残容量や新品容量からの容量低下を推定し、高精度に状態検知を行なうことができる蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の第１の態様は、蓄電デバイスが搭載されたシステムの運用中に、残容量（ＳＯＣ）及び新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）を算出して蓄電デバイスの状態検知を行う蓄電デバイスの状態検知方法であって、前記システムの運用状態が状態検知モードとして、前記蓄電デバイスに対し所定容量の充電制御または放電制御（以下では単に充放電制御という）を行い、前記充放電制御を停止してから所定の基準時間が経過するまで前記蓄電デバイスの開放端電圧（ＯＣＶ）を所定周期で測定し、前記ＯＣＶの時間変化の関数OCV(ｔ)をもとに所定の電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記基準時間経過時の前記ＯＣＶ（以下では基準ＯＣＶという）とを用いて前記蓄電デバイスの現在のＳＯＣを算出し、前記システムが運用状態でかつ状態検知モードではないときには、所定の周期で測定した前記蓄電デバイスの電流を積算して電流積算値を算出し、前記電流積算値をＳＯＣ変化量に変換し、前記ＳＯＣ変化量を前記状態検知モードで最後に算出された前記現在のＳＯＣに加算して充放電中のＳＯＣを算出し、前記蓄電デバイスが停止状態のときに満充電モードとして、前記蓄電デバイスに対し満充電になるまで満充電制御を行い、前記満充電制御を停止してから前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶを所定周期で測定し、前記ＯＣＶの時間変化の関数OCV(ｔ)をもとに前記電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記満充電制御停止から前記基準時間経過時の前記基準ＯＣＶとを用いて前記蓄電デバイスの現在の新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）を算出することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の他の態様は、前記状態検知モードでは、前記基準ＯＣＶが第１判定値より大きくかつ第２判定値以下のときは、前記基準ＯＣＶと前記電圧変化量とを変数とする事前に作成された第１の関数を用いて前記ＳＯＣを算出し、前記基準ＯＣＶが前記第１判定値以下あるいは前記第２判定値より大きいときは、前記基準ＯＣＶを変数とする事前に作成された別の関数を用いて前記ＳＯＣを算出することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の他の態様は、前記満充電モードでは、前記基準ＯＣＶと前記電圧変化量とを変数とする事前に作成された第２の関数を用いて前記ＳＯＨを算出することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の他の態様は、前記電圧変化量は、前記充放電制御の停止または前記満充電制御の停止から前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶの測定結果から得られた時間の関数ＯＣＶ（ｔ）をもとに所定期間の積分値として算出されることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の他の態様は、前記電圧変化量は、前記充放電制御の停止または前記満充電制御の停止から前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶの測定結果から得られた時間の関数ＯＣＶ（ｔ）をもとに異なる２以上の期間のそれぞれで積分値として算出されることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の他の態様は、前記電圧変化量は、さらに前記基準ＯＣＶに前記所定期間の時間長さを乗じた値を減算して算出されることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法の他の態様は、前記電流積算値を前記満充電モードで最後に算出された前記ＳＯＨで除して前記ＳＯＣ変化量に変換することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの状態検知装置の第１の態様は、蓄電デバイス搭載システムの運用方法の一つである状態検知モードを実行時に残容量（ＳＯＣ）を算出して状態検知を行う一方、前記運用方法の別の一つである満充電モードを実行時に新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）を算出して状態検知を行う蓄電デバイスの状態検知装置であって、記憶部と、前記蓄電デバイス搭載システムが運用状態でかつ状態検知モード実行中のときに、前記蓄電デバイスに対し所定容量の充電制御または放電制御（以下では単に充放電制御という）を行い、前記充放電制御を停止してから所定の基準時間が経過するまで前記蓄電デバイスの開放端電圧（ＯＣＶ）を所定周期で測定して前記記憶部に保存し、前記ＯＣＶをもとに所定の電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記基準時間経過時の前記ＯＣＶ（以下では基準ＯＣＶという）とを用いて前記蓄電デバイスの現在のＳＯＣを算出して前記記憶部に保存し、前記蓄電デバイス搭載システムが運用状態でかつ充放電中のときに、所定の周期で測定した前記蓄電デバイスの電流を積算して電流積算値を算出し、前記電流積算値をＳＯＣ変化量に変換し、前記状態検知モードで最後に算出された前記現在のＳＯＣを前記記憶部から読み込んで前記ＳＯＣ変化量に加算して充放電中のＳＯＣを算出し、前記蓄電デバイス搭載システムが運用状態で満充電モードのとき、前記蓄電デバイスに対し満充電になるまで満充電制御を行い、前記満充電制御を停止してから前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶを所定周期で測定して前記記憶部に保存し、前記ＯＣＶをもとに前記電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記満充電制御停止から前記基準時間経過時の前記基準ＯＣＶとを用いて前記蓄電デバイスの現在のＳＯＨを算出して前記記憶部に保存する状態検知部と、前記状態検知部から判定結果を入力して外部に出力する状態出力手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、蓄電デバイスに利用されている反応物質により決まる、残容量の変化に対して、ＯＣＶの変化が小さい特性を示す領域がある蓄電デバイスであっても、蓄電デバイスの残容量や新品容量からの容量低下を推定し、高精度に状態検知を行なうことができる蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態の蓄電デバイスの状態検知方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。第１実施形態の蓄電デバイスの状態検知装置の構成を示すブロック図である。電圧変化量及び安定時ＯＣＶのＳＯＣに対する変化を比較したグラフである。液式鉛蓄電池のＳＯＣと安定時ＯＣＶとの関係を示すグラフである。燐酸鉄系Ｌｉイオン電池のＳＯＣと安定時ＯＣＶとの関係を示すグラフである。劣化が進んだときの燐酸鉄系Ｌｉイオン電池のＳＯＣと安定時ＯＣＶとの関係を示すグラフである。

本発明の好ましい実施の形態における蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。以下では、蓄電デバイスとして燐酸鉄系Ｌｉイオン電池を一例に、本発明の蓄電デバイスの状態検知方法及び状態検知装置について説明する。但し、以下で説明する内容は、燐酸鉄系Ｌｉイオン電池に限定されず、別の蓄電デバイスにも同様に適用できるものである。

本発明は、ＳＯＣの変化に対して安定時ＯＣＶの変化が小さいために、ＳＯＣを安定時ＯＣＶから精度よく求めるのが難しいとき、安定時ＯＣＶを用いる代わりに、充放電終了後、算出可能な所定の電圧変化量を用いることで、ＳＯＣを高精度に算出することができる蓄電デバイスの状態検知方法を提供する。上記の電圧変化量として、少なくとも安定時ＯＣＶの変化が小さいＳＯＣの範囲において、ＳＯＣに対する変化が比較的大きな状態量を用いる。

また、上記のような特性を有する蓄電デバイスでは、劣化によりＳＯＨが低下しても、上記のＳＯＣ対安定時ＯＣＶの関係がほとんど変化しないため、この関係をもとに劣化後の満充電容量、すなわちＳＯＨを精度良く求めようとしても極めて難しい。そこで、本発明の蓄電デバイスの状態検知方法では、ＳＯＨについても上記の電圧変化量を用いて高精度に算出できるようにしている。すなわち、満充電後に測定した電圧変化量とＳＯＨとの関係を予め作成し、これを参照データとして所定の記憶部に保存しておく。現在の満充電後の電圧変化量を指標として、参照データから該当するＳＯＨを選定して現在のＳＯＨを求める。参照データの形式は、関数やデータマップなど、自由な形式で保存してよい。

本発明の実施形態に係る蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置を、図１、２を用いて説明する。図１は、本実施形態の蓄電デバイスの状態検知方法における処理の流れを説明するためのフローチャートであり、図２は、本実施形態の蓄電デバイスの状態検知装置の構成を示すブロック図である。

図２（ａ）に示す本実施形態の状態検知装置１００は、対象システム１に搭載された蓄電デバイス（蓄電池）１０の状態検知を行うものである。対象システム１は、蓄電池１０を充電するための充電手段１１と、充電手段１１による充電等を制御する制御手段１２を備えている。また、対象システム１に搭載されている負荷２０が蓄電池１０に接続されており、蓄電池１０から負荷２０に電力供給が行われる。蓄電池１０には電圧測定手段３０及び電流測定手段３１が接続されており、状態検知装置１００はそれぞれの測定値を入力して状態検知を行う。さらに、必要に応じて温度測定手段３２を蓄電池１０に接続し、蓄電池１０の温度測定値を入力して状態検知に用いるようにしてもよい。

状態検知装置１００は、状態検知部１１０と、記憶部１２０と、状態出力手段１３０とを備えている。状態検知部１１０は、電圧測定手段３０及び電流測定手段３１からそれぞれ蓄電池１０の電圧測定値及び電流測定値を入力し、本実施形態の状態検知方法による処理を行って蓄電池１０の状態検知を行う。また、蓄電池１０に温度測定手段３２を接続し、これから温度測定値を入力して蓄電池１０の状態検知に用いるようにしてもよい。記憶部１２０は、状態検知の処理に必要な各種参照データや測定データ等を保存する。さらに、状態出力手段１３０は、状態検知結果等を使用者等に通知する手段である。

なお、状態検知装置１００は対象システム１の制御装置１２の中に組み込まれる形態をとってもよい。あるいは、図２（ｂ）に例示するように、状態検知装置１００を対象システム１の外部に設け、測定データを記録する測定データ記録装置４０を対象システム１の内部に備える構成としてもよい。測定データ記録装置４０に記録されたデータは、有線や無線にかかわらず、遠隔通信を用いたり、持ち運び可能な記憶媒体を用いたりして、対象システム１の外部に設置された状態検知装置１００に入力され、そこで状態を判定して状態検知を行なってもよい。

本実施形態の蓄電デバイスの状態検知方法では、対象システム１が運用状態にありかつ蓄電池１０が充放電を行っているとき、対象システム１が運用状態にありかつ蓄電池１０が状態検知モードを実行しているとき、及び対象システム１が運用状態にありかつ満充電モードを実行しているとき、のそれぞれで状態検知を行う。以下では、対象システム１が充放電中であるか状態検知モードにあるときを通常運用モードとし、対象システム１が蓄電池１０を満充電にしているときを満充電モードとする。また、本実施形態の蓄電デバイスの状態検知方法では、対象システム１が運用状態にありかつ蓄電池１０の充放電を停止しているときに蓄電池１０のＯＣＶを測定して高精度な状態検知を行うことから、このときの状態検知を状態検知モードという。なお、蓄電デバイス搭載システムの運用方法において、蓄電デバイスが運用中の通常運用モードに対して、運用を停止状態にし、メンテナンスや停止を行なっている条件で、状態検知モードや満充電モードを選択して実施しても構わない。

蓄電池１０として、ＳＯＣ対安定時ＯＣＶの関係が図５に示すような変化を示す燐酸鉄系Ｌｉイオン電池、あるいはその他の蓄電デバイスを対象とする。以下ではまず、蓄電池１０が充放電を停止している状態検知モードにおいて、蓄電池１０のＯＣＶを測定して状態検知を高精度に行う方法を説明する。

図５に示すＳＯＣ対安定時ＯＣＶの関係を有する蓄電池１０は、安定時ＯＣＶがＯＣＶ_1（例えば３．２８Ｖ）未満あるいはＯＣＶ_2（例えば３．３１Ｖ）より大きいときには、ＳＯＣの変化に対して安定時ＯＣＶが大きく変化していることから、ＳＯＣ対安定時ＯＣＶの関係を用いて安定時ＯＣＶからＳＯＣを精度よく求めることができる。これに対し、安定時ＯＣＶがＯＣＶ_1以上ＯＣＶ_2以下のときは、ＳＯＣがＳＯＣ_1〜ＳＯＣ_2の広い範囲で変化しているのに対して安定時ＯＣＶがわずかしか変化しない。そこで、本実施形態では安定時ＯＣＶに代えてより変化の大きい所定の電圧変化量を用いることで、ＳＯＣを高精度に算出できるようにする。

上記の所定の電圧変化量は、充放電停止後の蓄電池１０の内部状態が緩和途中にあるときの状態量から算出される。具体的には、充放電停止からの経過時間がｔのときの蓄電池１０のＯＣＶ測定値（以下ではＯＣＶ_now（ｔ）とする）を用いて、下記で算出されるいずれかの電圧積算値を電圧変化量に用いることができる。
（１）充放電停止からの経過時間がｔ１からｔ２の間のＯＣＶ_now（ｔ）の積算値（Ｓt1_t2とする）

（２）充放電停止からの経過時間がｔ１からｔ２の間のＯＣＶ_now（ｔ）と所定の基準ＯＣＶ（ＯＣＶ_baseとする）との差の積算値（ＤＳt1_t2とする）

式（２）において、基準ＯＣＶであるＯＣＶ_baseは、充放電停止後の蓄電池１０の内部状態が安定したときの安定時ＯＣＶである。式（２）では、ＯＣＶ_nowの積分値からＯＣＶ_base×Δｔを減算するようにしているが、ＯＣＶ_now（ｔ）毎にＯＣＶ_baseを減算したものを積分するよりも演算回数を低減できるといった効果が得られる。燐酸鉄系Ｌｉイオン電池では、充放電停止から内部状態が安定するまでの時間が液式鉛蓄電池に比べて極めて短く、３０分以上、例えば１時間程度で安定時ＯＣＶが得られる。また、Δｔ＝ｔ２−ｔ１である。

上記のＯＣＶ測定時間やΔｔは電池の種類により異なるため、参照データの取得が必要である。これら上記ＯＣＶ測定時間やΔｔは、同じ反応物質を用いた同じ規格に適合した蓄電デバイスであっても、内部で使用されている活物質の量や粒度、電解液の量、極板の厚さなどのパラメータにより変化するため、参照データの取得はそれぞれにおいて必要である。これら上記ＯＣＶ測定時間やΔｔは、同じ反応物質で同じ設計をされた蓄電デバイスであれば、参照データを１度作成すればよく、蓄電デバイスの設計が変更されない範囲で活用することが可能である。これら上記ＯＣＶ測定時間やΔｔは、組み電池や電池パックのような形式で使用した場合であっても、参照データを同様に作成して用いることができる。

式（２）で算出されるＤＳt1_t2のＳＯＣに対する変化について、安定時ＯＣＶと比較したものを図３に示す。同図において、ＤＳt1_t2の変化を符号Ｃで示し、安定時ＯＣＶの変化を符号Ｄで示している。同図に示すように、ＳＯＣ_1〜ＳＯＣ_2の間では、安定時ＯＣＶの変化が比較的小さいのに対し、ＤＳt1_t2はＳＯＣ_1〜ＳＯＣ_2の間で大きく変化している。

蓄電池１０の充放電停止後の状態検知モードにおいて、状態検知部１１０によりｎ回目の状態検知が行われたとすると、このときの安定時ＯＣＶであるＯＣＶ_base_nと上記の電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nを用いて、蓄電池１０のＳＯＣ_nを下記のように求めることができる。

または

上記の式（３）〜（５）で用いられる各関数Ｆ１（ＯＣＶ_base_n）、Ｇ１（ＯＣＶ_base_n、Ｓt1_t2_n）、Ｇ２（ＯＣＶ_base_n、ＤＳt1_t2_n）、Ｆ２（ＯＣＶ_base_n）は、蓄電池１０の特性に基づいてあらかじめ決定されて記憶部１２０の例えばＲＯＭ部分に保存されている。ＯＣＶ_base_nからＳＯＣ_nを算出する関数Ｆ１（ＯＣＶ_base_n）及びＦ２（ＯＣＶ_base_n）は、従来と同様のＳＯＣ対安定時ＯＣＶの関係を示す関数であり、一つの関数形で表すことも可能である。本実施形態では、ＯＣＶ_base_nの変化が小さいＯＣＶ１とＯＣＶ２との間では、電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nをもとに関数Ｇ１（ＯＣＶ_base_n、Ｓt1_t2_n）またはＧ２（ＯＣＶ_base_n、ＤＳt1_t2_n）を用いてＳＯＣ_nを算出する。

上記では、電圧変化量Ｓt1_t2_n及びＤＳt1_t2_nを、ｔ１〜ｔ２の１つの時間域（以下では、積算時間域とする）におけるＯＣＶ_now（ｔ）の積算値及び（ＯＣＶ_now（ｔ）−ＯＣＶ_base_n）の積算値としたが、２以上の積算時間域において積算値を算出して用いるようにしてもよい。一例として、ｔ１〜ｔ２の積算時間域に加えて、これと異なるｔ３〜ｔ４の積算時間域においても電圧変化量Ｓt3_t4_n、ＤＳt3_t4_nを算出するようにし、式（４−１）、式（４−２）を次式のように変更することで、ＳＯＣ1_nをさらに高精度に算出できるようにすることができる。

さらに、式（３）〜（５）を、蓄電池１０の温度測定値を用いて温度補正した上で算出するようにすることも可能である。例えば、蓄電池１０のＯＣＶは温度の影響を受けると考えられることから、ＯＣＶ_base_nが基準温度における安定ＯＣＶとなるように所定の温度関数に温度測定値を代入して補正し、この温度補正されたＯＣＶ_base_nを用いてＳＯＣ_nを算出させるようにすることが可能である。

次に、対象システム１が運用状態にありかつ蓄電池１０が充放電中で状態検知モードを行うことができないときの状態検知方法を以下に説明する。蓄電池１０が充放電中のときは、蓄電池１０の電流測定値Ｉ_now（ｔ）を所定の周期で取得してその積算値を算出し、これを用いてＳＯＣの変化量（以下では、ΔＳＯＣonとする）を算出する。そして、前回の状態検知モードで得られたＳＯＣ_n-1にＳＯＣ変化量ΔＳＯＣonを加算することで充放電中の現在のＳＯＣを算出する。ＳＯＣは、そのときの満充電容量に対する割合（％）で与えられることから、そのときの新品容量に対する換算容量（ＳＯＨ）を用いて電流測定値Ｉ_now（ｔ）の積算値をＳＯＣ変化量ΔＳＯＣonに変換する必要がある。蓄電池１０の満充電容量は、本実施形態では満充電モードのときに最新値に更新される。

次に、満充電モードにおいて、蓄電池１０の劣化により低下した満充電容量、すなわちＳＯＨを算出する方法を以下に説明する。満充電モードは、蓄電池１０の状態を管理する目的から、状態量のリセット、状態の回復、セル間の状態量の均等化などを行うために、ＯＣＶ対ＳＯＣの関係がフラットになるＳＯＣの領域よりも高いＳＯＣとなるように充電を実施するものである。例えば、燐酸鉄系のＬｉイオン電池を満充電にするための満充電条件は、Ｃレート換算で０．３〜１．０ＣＡ電流で３．６ＶまでＣＣ（定電流）充電を実施し、３．６Ｖに到達後はＣＶ（定電圧）充電を０．０５ＣＡになるまで実施する充電制御をいう。但し、これは満充電を行うための充電制御の一例であり、この満充電条件に限定されるものではない。なお、Ｃレートは、１時間で全容量が放電される放電電流に相当する。

本実施形態では、蓄電池１０の使用開始等からｍ回目の満充電モードが開始されると、上記のような満充電条件に従ってまず蓄電池１０が満充電に制御される。そして、満充電制御の終了後に所定の期間ＯＣＶ_now（ｔ）を測定し、これをもとに式（１）または式（２）により電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nを算出する。この電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nを用いて、次式より満充電容量（ＳＯＨ_m）を算出する。

または

上記式（６−１）、（６−２）で算出されるＳＯＨ_mは、例えば「ｍＡｈ」単位で表わされる容量である。なお、上記ではｔ１〜ｔ２の１つの積算時間域において算出された電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nを用いたが、ここでも２以上の積算時間域において積分値を算出して用いるようにしてもよい。この場合には、式（６−１）の関数Ｈ１及び式（６−２）の関数Ｈ２は、それぞれ２以上の積算時間域における積分値の関数とする。

満充電モードにおいてＳＯＨ_mが算出されると、これを記憶部１２０に記憶しておき、それ以降の蓄電池１０の充放電中のＳＯＣの算出に用いる。すなわち、蓄電池１０の充放電中において電流測定値Ｉ_now（ｔ）の積算値をＳＯＣ変化量ΔＳＯＣに変換するときは、最後の満充電モードで更新された最新のＳＯＨ_mを記憶部１２０から読み込んで用いる。

以下では、図１を用いて本実施形態の蓄電デバイスの状態検知方法における処理の流れを説明する。本実施形態の状態検知装置１００に設けられた状態検知部１１０は、所定のタイミングまたは状態検知装置１００の内部あるいは外部からの要求信号に従って蓄電池１０の状態検知を開始する。所定のタイミングとして、例えば一定の時間間隔毎の周期的なタイミングとすることができる。また、状態検知装置１００の内部からの要求信号として、それまでの状態検知結果に基づいて追加される要求信号がある。一方、状態検知装置１００の外部からの要求信号として、対象システム１の使用者や保守員等からの要求、あるいは蓄電池１０に接続される対象システム１内の機器等からの要求信号、さらには対象システム１に接続された外部システムからの要求信号等が考えられる。

状態検知部１１０における処理として、ステップＳ１では、満充電モードが要求されているか否かを判定する。満充電モードは、状態検知装置１００の外部から要求される場合と、内部から要求される場合がある。外部からの要求として、蓄電池１０の定期メンテナンスを行う場合、使用者や保守員等による強制的な実行命令、蓄電池１０に接続される対象システム１内の機器等からの要求信号、及び対象システム１に接続された外部システムからの要求信号がある。また、状態検知装置１００内部から要求として、それまでの状態検知の結果、ＳＯＣが低下していると判定された場合等がある。ステップＳ１で上記のいずれかの満充電モード要求があると判定されると、ステップＳ４の満充電モードの開始条件の判定に進む。

一方、ステップＳ１で満充電モードが要求されていないと判定されると、通常運用モードとして次にステップＳ２に進み、ここで状態検知モードが要求されているか否かを判定する。状態検知モードについても、状態検知装置１００の外部からの要求と、状態検知装置１００の内部からの要求がある。状態検知装置１００の外部からの状態検知モード要求として、蓄電池１０の定期メンテナンスを行う場合、使用者や保守員等による強制的な実行命令、蓄電池１０に接続される対象システム１内の機器等からの要求信号、及び対象システム１に接続された外部システムからの要求信号がある。また、状態検知装置１００内部からの状態検知モード要求として、それまでの状態検知の結果、所定の要求条件が満たされていると判定された場合等がある。

ステップＳ２の判定の結果、状態検知モードが要求されている場合にはステップＳ３に進み、状態検知モードが要求されていない場合にはステップＳ１０に進む。ステップＳ３では、状態検知モードが許可されるか否かを判定する。状態検知モードが許可されるのは、（１）あらかじめ使用者または外部システムからの許可信号により、状態検知モードの実行が許可されている場合、または（２）外部から強制的に状態検知モード実行命令が入力されている場合であり、その場合にはステップＳ２０の状態検知モードの処理に進む。これに対し、状態検知モードが許可されていないと判定されると、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ２で状態検知モードが要求されていないと判定されたとき、あるいはステップＳ３で状態検知モードが許可されていないと判定されたときは、ステップＳ１０〜Ｓ１３で電流積算値に基づくＳＯＣの算出を行う。すなわち、ステップＳ１０では所定の積算時間域において電流測定値Ｉ_now（ｔ）を順次積算して電流積算値（Ｉsumとする）を算出し、ステップＳ１１で記憶部１２０から読み込んだＳＯＨ_mを用いて次式よりＳＯＣ変化量ΔＳＯＣonに変換する。
ΔＳＯＣon＝Ｉsum／ＳＯＨ_m

次のステップＳ１２では、記憶部１２０から前回の状態検知モードで算出されたＳＯＣn-1を読み込み、ステップＳ１３でＳＯＣn-1とΔＳＯＣonとから次式により現在のＳＯＣを算出する。
ＳＯＣ＝ＳＯＣn-1＋ΔＳＯＣon

また、ステップＳ３で状態検知モードが許可されていると判定されたときは、ステップＳ２０〜Ｓ２３で状態検知モードの処理を行う。ここでは、蓄電池１０を使用開始した後ｎ回目に実施される状態検知モードとする。ステップＳ２０では、状態検知前充放電制御として、蓄電池１０に対し充電制御又は放電制御を実施する。これは、状態検知モードを実施するときの蓄電池１０の電解液の状態をできるだけ再現性の高い状態にすることで、安定した条件で状態検知を行えるようにするものである。状態検知前充放電制御として行う充電量または放電量は、蓄電池１０の種類、型番、容量、組み合わせ数量等に応じて好適に決定する。一例として、１８６５０型の燐酸鉄系Ｌｉイオン電池の場合には、新品容量換算で２％以上の充電を実施するのが望ましい。

ステップＳ２１では、状態検知前充放電制御の終了後にＯＣＶ_now（ｔ）の測定を開始し、これを基準ＯＣＶ（ＯＣＶ_base_n）が得られる基準時間まで継続する。ＯＣＶ_base_nが得られる基準時間は、状態検知前充放電制御の終了から３０分以上経過した時間とするのが好ましく、例えば燐酸鉄系Ｌｉイオン電池では１時間程度とするのがよい。基準時間は、電池の大きさや種類等によって異なる。

なお、状態検知モードの状態検知が可能となるのは、蓄電池１０の電流が０となっているときだけでなく、以下のような電流・電圧が測定される場合も含めることができる。
（１）計測器、制御器、通信機等で微小な電流（暗電流）が消費されているが、電圧変化量に与える影響が補正可能で擬似的にＯＣＶとみなせる許容範囲にあるとき、
（２）上記の許容範囲を超える電流が消費されているが、同様の条件で事前に測定された電圧変化量をもとに参照データが作成され、電流値をもとに選択された参照データを用いることで測定電圧をＯＣＶとして扱えるとき、
上記のいずれかの条件を満たす場合には、電圧測定値をＯＣＶとして扱うことが可能となる。

ステップＳ２２では、測定したＯＣＶ_now（ｔ）をもとに式（１）または式（２）から電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nを算出する。なお、電圧変化量を１つの積算時間域ｔ１〜ｔ２だけでなく、２以上の積算時間域で算出して用いるようにしてもよい。

ステップＳ２３では、式（３）〜（５）に示す関数Ｆ１（ＯＣＶ_base_n）、Ｇ１（ＯＣＶ_base_n、Ｓt1_t2_n）、Ｇ２（ＯＣＶ_base_n、ＤＳt1_t2_n）、及びＦ２（ＯＣＶ_base_n）のうち、ＯＣＶ_base_nが式（３）〜（５）に示した条件を満たすいずれかの関数を記憶部１２０からを読み込み、これを用いてＯＣＶ_base_nと電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nから現在の残容量ＳＯＣ_nを算出する。

次に、満充電モードにおける処理の流れを以下に説明する。ステップＳ１で満充電モード要求があると判定された場合には、ステップＳ４で満充電モード開始条件が成立しているかを判定する。満充電モード開始条件として、使用者等からの許可、状態検知装置外部からの許可信号、強制的な状態検知実行命令、等の条件がある。これらのいずれかの条件が成立したときにステップＳ３０〜Ｓ３３の満充電モードの処理を行い、いずれの条件も成立しないときは処理せずに終了する。

ステップＳ３０では、前述の満充電条件に従って蓄電池１０を満充電に制御する。満充電制御が終了すると、ステップＳ３１でＯＣＶ_now（ｔ）の測定を開始し、これを基準ＯＣＶ（ＯＣＶ_base_n）が得られる基準時間まで継続する。ステップＳ３２では、測定したＯＣＶ_now（ｔ）から式（１）または式（２）を用いて電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nを算出する。なお、電圧変化量を１つの積算時間域ｔ１〜ｔ２だけでなく、２以上の積算時間域で算出して用いるようにしてもよい。

ステップＳ３３では、式（６−１）に示す関数Ｈ１（ＯＣＶ_base_n、Ｓt1_t2_n）または式（６−２）に示す関数Ｈ２（ＯＣＶ_base_n、ＤＳt1_t2_n）のいずれかの関数を記憶部１２０からを読み込み、これを用いてＯＣＶ_base_nと電圧変化量Ｓt1_t2_nまたはＤＳt1_t2_nから満充電時の残容量、すなわちＳＯＨ_mを算出する。ＳＯＨ_mは、例えば「ｍＡｈ」単位で表わされる絶対量で算出されることから、蓄電池１０を使用開始したときの初期容量からの低減量を算出することができる。

ステップＳ３３でＳＯＨ_mが算出されると、ステップＳ３４でこれを記憶部１２０に記憶する。このＳＯＨ_mは、以降の蓄電池１０の充放電中に電流積算値からＳＯＣ変化量ΔＳＯＣonを算出するステップＳ１１の処理において、記憶部１２０から読み込まれて用いられる。

ステップＳ５では、各モードでの処理結果を状態出力手段１３０を用いて対象システム１や使用者等に出力する。通常運用モードのステップＳ１３またはステップＳ２３の処理が行われたときは、算出されたＳＯＣ_nが状態出力手段１３０に出力され、ステップＳ３３の処理が行われたときは、ＳＯＨ_mが状態出力手段１３０に出力される。また、算出されたＳＯＣ_nを所定の閾値と比較して残容量が不足と判定された場合等には、これを通知するための信号を状態出力手段１３０から対象システム１や外部システム等に出力させるようにすることができる。

上記説明のように、本発明によれば、安定時ＯＣＶから残容量を精度良く推定するのが困難な蓄電デバイスに対しても、高精度に残容量を推定して状態検知を行うことができる蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置を提供することが可能となる。これにより、蓄電デバイスの残容量を高精度に求めて状態検知を行うことができ、蓄電デバイス搭載システムが充電不足で停止してしまうような不測の事態を回避することができる。

また、本発明の蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置では、通常運用モードのときには蓄電デバイスのＳＯＣを算出する一方、満充電モードのときにはＳＯＨを算出するようにしていることから、充電不足と劣化を明確に区別して使用者等に通知することができる。特に、満充電モードでは、満充電制御後にＳＯＨを算出することから、ＳＯＨを高精度に算出することができ、これにより蓄電デバイスの劣化を早期に検知して損傷等を未然に防止することができる。

本発明の蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置は、例えば、電気自動車、携帯電話、停電時に稼動するバックアップ用バッテリー、さらには、系統電力との連携において、太陽光や風力による自然エネルギーの発電の電力の平準化に用いられる蓄電装置、および、それを組み込んだシステム、等の蓄電デバイスが搭載されて監視または状態検知が必要な装置に適用することができる。蓄電デバイスの種類として、燐酸鉄系Liイオン電池、燐酸バナジウム系Ｌｉイオン電池、酸化チタンを用いたLiイオン電池、等の残容量の変化に対する安定時ＯＣＶの変化が小さい特性を有する蓄電デバイスに好適である。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１：対象システム
１０：蓄電デバイス
１１：充電手段
１２：制御手段
２０：負荷
３０：電圧測定手段
３１：電流測定手段
３２：温度測定手段
１００：状態検知装置
１１０：状態検知部
１２０：記憶部
１３０：状態出力手段

Claims

蓄電デバイスが搭載されたシステムの運用中に、残容量（ＳＯＣ）及び新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）を算出して蓄電デバイスの状態検知を行う蓄電デバイスの状態検知方法であって、
前記システムの運用状態が状態検知モードとして、前記蓄電デバイスに対し所定容量の充電制御または放電制御（以下では単に充放電制御という）を行い、前記充放電制御を停止してから所定の基準時間が経過するまで前記蓄電デバイスの開放端電圧（ＯＣＶ）を所定周期で測定し、前記ＯＣＶの時間変化の関数OCV(ｔ)をもとに所定の電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記基準時間経過時の前記ＯＣＶ（以下では基準ＯＣＶという）とを用いて前記蓄電デバイスの現在のＳＯＣを算出し、
前記システムが運用状態でかつ状態検知モードではないときには、
所定の周期で測定した前記蓄電デバイスの電流を積算して電流積算値を算出し、前記電流積算値をＳＯＣ変化量に変換し、前記ＳＯＣ変化量を前記状態検知モードで最後に算出された前記現在のＳＯＣに加算して充放電中のＳＯＣを算出し、
前記蓄電デバイスが停止状態のときに満充電モードとして、
前記蓄電デバイスに対し満充電になるまで満充電制御を行い、前記満充電制御を停止してから前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶを所定周期で測定し、前記ＯＣＶの時間変化の関数OCV(ｔ)をもとに前記電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記満充電制御停止から前記基準時間経過時の前記基準ＯＣＶとを用いて前記蓄電デバイスの現在の新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）を算出する
ことを特徴とする蓄電デバイスの状態検知方法。
前記状態検知モードでは、
前記基準ＯＣＶが第１判定値より大きくかつ第２判定値以下のときは、前記基準ＯＣＶと前記電圧変化量とを変数とする事前に作成された第１の関数を用いて前記ＳＯＣを算出し、
前記基準ＯＣＶが前記第１判定値以下あるいは前記第２判定値より大きいときは、前記基準ＯＣＶを変数とする事前に作成された別の関数を用いて前記ＳＯＣを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの状態検知方法。
前記満充電モードでは、
前記基準ＯＣＶと前記電圧変化量とを変数とする事前に作成された第２の関数を用いて前記ＳＯＨを算出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイスの状態検知方法。
前記電圧変化量は、前記充放電制御の停止または前記満充電制御の停止から前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶの測定結果から得られた時間の関数ＯＣＶ（ｔ）をもとに所定期間の積分値として算出される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの状態検知方法。
前記電圧変化量は、前記充放電制御の停止または前記満充電制御の停止から前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶの測定結果から得られた時間の関数ＯＣＶ（ｔ）をもとに異なる２以上の期間のそれぞれで積分値として算出される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの状態検知方法。
前記電圧変化量は、さらに前記基準ＯＣＶに前記所定期間の時間長さを乗じた値を減算して算出される
ことを特徴とする請求項４または５に記載の蓄電デバイスの状態検知方法。
前記電流積算値を前記満充電モードで最後に算出された前記ＳＯＨで除して前記ＳＯＣ変化量に変換する
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイスの状態検知方法。
蓄電デバイス搭載システムの運用方法の一つである状態検知モードを実行時に残容量（ＳＯＣ）を算出して状態検知を行う一方、前記運用方法の別の一つである満充電モードを実行時に新品満充電に対する換算容量（ＳＯＨ）を算出して状態検知を行う蓄電デバイスの状態検知装置であって、
記憶部と、
前記蓄電デバイス搭載システムが運用状態でかつ状態検知モード実行中のときに、前記蓄電デバイスに対し所定容量の充電制御または放電制御（以下では単に充放電制御という）を行い、前記充放電制御を停止してから所定の基準時間が経過するまで前記蓄電デバイスの開放端電圧（ＯＣＶ）を所定周期で測定して前記記憶部に保存し、前記ＯＣＶをもとに所定の電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記基準時間経過時の前記ＯＣＶ（以下では基準ＯＣＶという）とを用いて前記蓄電デバイスの現在のＳＯＣを算出して前記記憶部に保存し、前記蓄電デバイス搭載システムが運用状態でかつ充放電中のときに、所定の周期で測定した前記蓄電デバイスの電流を積算して電流積算値を算出し、前記電流積算値をＳＯＣ変化量に変換し、前記状態検知モードで最後に算出された前記現在のＳＯＣを前記記憶部から読み込んで前記ＳＯＣ変化量に加算して充放電中のＳＯＣを算出し、前記蓄電デバイス搭載システムが運用状態で満充電モードのとき、前記蓄電デバイスに対し満充電になるまで満充電制御を行い、前記満充電制御を停止してから前記基準時間が経過するまで前記ＯＣＶを所定周期で測定して前記記憶部に保存し、前記ＯＣＶをもとに前記電圧変化量を算出し、前記電圧変化量と前記満充電制御停止から前記基準時間経過時の前記基準ＯＣＶとを用いて前記蓄電デバイスの現在のＳＯＨを算出して前記記憶部に保存する状態検知部と、
前記状態検知部から判定結果を入力して外部に出力する状態出力手段と、を備える
ことを特徴とする蓄電デバイスの状態検知装置。