WO2008026476A1

WO2008026476A1 - Procédé et dispositif pour estimer une valeur d'état de charge de batterie secondaire et procédé et dispositif de jugement de dégradation

Info

Publication number: WO2008026476A1
Application number: PCT/JP2007/066180
Authority: WO
Inventors: Hisashi Tanaka
Original assignee: Nec Corporation; Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2008-03-06
Also published as: JPWO2008026476A1; JP5051661B2

Description

明細書

二次電池の SOC値を推定する方法及び装置並びに劣化判定方法及び装置

技術分野

[0001] 本発明は、リチウムイオン二次電池に代表される各種の二次電池の soc値を推定する方法及び装置と、そのような二次電池の劣化を判定する方法及び装置に関する

背景技術

[0002] 近年、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池が、電力用途として、例えばノ、イブリツド自動車における電動機駆動の電源などとして用いられるようになってきている。ハイブリッド自動車などでの用途では、二次電池に現在貯えられてレ、る充電量とその二次電池の容量すなわちバッテリ容量との比である SOC (残存容量： State of Charge)を随時算出し、算出された SOC値に基づき、車両における駆動モータの制御や、二次電池の充放電の制御を行っている。具体的には、例えば SOCが 20%以下となった場合には、エンジンを始動して発電機によって発電し、その電力によって二次電池を充電するような制御を行い、例えば SOCが 80%以上となった場合には、二次電池がそれ以上充電されないようにする制御を行っている。

[0003] SOCは、二次電池内に充電されている利用可能なエネルギー量をパーセントで示しているものであり、初期の SOCの値 SOC が既知であれば、二次電池の充放電

init

電流 Iを監視し、電流積算を行うことによって、式（1)に示すように、 SOCを求めること力できる。 SOCの初期値としては、例えば、充電状態が 0%もしくは 100%であることを示す値が用いられる。

[0004] 國 f Idt

soc = SOC_init + - X 100 [%] ( 1 ) ここで Qは、二次電池の容量であり、一般的には [Ah]を単位として表わされる。駆動モータの制御ゃ充放電の制御には、通常、マイクロプロセッサなどが使用されるので、実際には、微小な時間間隔 A t [秒]ごとに充放電電流 I[A]を計測することとして、式（1)の代わりに、デジタル演算により適した式（1A)に基づいて、 SOC値が算出される。車両用途の場合、 A tは、例えば、数十ミリ秒から数秒の範囲内で設定される。

[0005] [数 2]

Y lAt

SOC = SOC_init + ~~ ^ X 100 [%] ( 1 A)

β [Ah] X 3600 式（1)を用いるにせよ、式（1A)を用いるにせよ、電流積算による SOC値の算出には、初期の SOCの値 SOC が分かっている必要があり、そのため、一般の二次電池

init

の場合には、 SOCが 100%である満充電状態から、あるいは SOCが 0%であるゼロ充電状態から出発した電流積算を行った場合にのみ、現時点での SOC値を求めること力 Sでさる。

[0006] リチウムイオン二次電池に代表されるある種の二次電池では、充電状態すなわち S OC値に応じてバッテリ端子電圧が変化することが知られており、 SOC値に対するバッテリ端子電圧の関係を表わす特性曲線を予め求めておくことができる。ここでのバッテリ端子電圧とは、バッテリの開放電圧のことである。したがって、この種の二次電池では、バッテリの使用開始前に、バッテリ端子間の開放電圧が十分に平衡に達した時点でその開放電圧を求め、その求めた値から上述の特性曲線によってその時点での SOC値を推定することができ、その SOC値を式（1)または式（1A)における初期値 SOC とすること力 sできる。二次電池がリチウムイオン二次電池などであれば、

mit

ゼロ充電状態あるいは満充電状態以外の状態からであっても、電流積算による SOC 値の算出を行うことができることになる。図 1は、リチウムイオン二次電池における開放電圧と SOCとの関係を例示するものである。図中、 V はゼロ充電状態における開

0%

放電圧を示し、 V は満充電状態での開放電圧を示している。

100%

[0007] なお、場合によっては、バッテリ容量に対する放電容量の比である DOD (放電深度； Depth of Discharge)値を用いて制御を行う場合もある。いわゆる不可逆容量を無視すれば、

DOD[%] = 100- SOC [%] (2)

の関係があるから、 DOD値も上述と同様にして算出することができる。 [0008] ところで、電流積算によって時々刻々の SOC値を求める場合、積算時の誤差が累積するので、長い時間にわたって SOC値を求め続けることは難しい。一方、バッテリの開放電圧によって SOC値を推定する方法では、原理的には、充放電電流がゼロの状態での端子電圧（すなわち開放電圧）を用いるべきものであるので、電池が使用されて充放電が行われて!/、る期間にお!/、ては、 SOC値を推定することができな!/、。

[0009] 日本国特許公開：特開 2001— 303627号公報（特許文献 1)は、充放電電流が流れている状態においてもバッテリの端子電圧から SOC値を推定できるように、計測された端子電圧に対し、バッテリ内の分極電圧 Vと、ノッテリの内部抵抗 Rを充放電電流 Iが流れることによる I X Rで表される電圧降下とを補正し、補正された端子電圧に基づいて SOC値を推定することを開示している。し力、しながら、電池の内部抵抗値 R は、電池温度や電池の劣化の度合いによって大きく変化するから、特開 2001— 303 627号公報に記載の方法では、温度や劣化の度合いを正確に知ることができなければ、 SOCを精度よく推定することはできない。図 2は、リチウムイオン二次電池における内部抵抗値と温度との関係を模式的に示したグラフであり、ここでは、内部抵抗値として放電抵抗を用いている。図 2は、劣化によって内部抵抗が全体的に大きくなることを示している。

[0010] また、本発明の譲受人は、ハイブリッド自動車などの用途では、二次電池に対する充電と放電とが頻繁に切り替わり、その切り替わるタイミングでは充放電電流がゼロとなることに着目し、電流積算による SOC値の算出を常時実行しながら、充電と放電とが切り替わるタイミングで二次電池の端子電圧を測定し、その測定結果に基づく so

Cの推定値を用いて、電流積算による SOC値算出の際に用いる初期値 SOC を更新することを提案してレ、る (日本国特許公開：特開 2004— 245673号公報（特許文献 2) )。この方法によれば、充電と放電とが切り替わるタイミングごとに初期値 SOC が更新されるので、その時点で電流積算の累積誤差がクリアされ、その結果、常に、正確な SOC値を求めることが可能となる。

[0011] ところで、式（1)あるいは式（1A)から明らかなように、 SOC値は、電池容量 Qに依存するが、電池容量 Qは、電池の温度や、電池の劣化の度合い、さらに、充放電電流のレートによっても変化する。そのため、電流積算によって SOC値を正確に推定するためには、電流積算の際に用いる初期値 SOC が正確であることとともに、電池

init

容量 Qの変化も考慮しなければならないことになる。電池容量 Qを求めることができれば、電池容量変化における電池温度ゃ充放電電流レートの寄与分を除去することによって、劣化に起因する電池容量の変化量を求めることができ、電池自体の劣化の度合いをも推定することが可能になる。

[0012] 劣化に伴う電池容量の低下は、温度ゃ充放電電流、充放電時間、充放電電圧につ!/、ての予め設定された条件で評価対象の電池に対して充放電を行うこと、すなわちいわゆる容量測定モードでの充放電を実行することによって、評価されていた。し力、しながら、二次電池が車両に搭載されてランダムに充放電が繰り返される環境下では、その二次電池に対し、容量測定モードでの充放電を実行することは困難であり、車両搭載状態の二次電池の電池容量を計測することは難しかった。

[0013] なお、リチウムイオン二次電池などを用いる場合、これらの二次電池のセルを単独で用いることは少なぐ所望の放電電圧、放電電流が得られるように複数の単体セルを直列及び/または並列に接続したバッテリパックとして構成することが一般的である。このバッテリパックには、二次電池セルのほかに、例えば過充電防止回路などの安全回路や、 SOC (残存容量)を測定してその測定値を出力する回路などが備えられることが多い。

[0014] 本発明に関連するものとして、日本国特許公開：特開平 8— 29505号公報（特許文献 3)は、二次電池の電流が所定値以下のとき、一定期間における二次電池の電圧変化から充電率を測定し、前回測定した充電率と今回測定した充電率の差分値とその間の二次電池の電流の時間積分値とから完全充電状態における二次電池の容量を推定し、さらに、推定された完全充電状態における二次電池の容量と今回測定した充電率とから二次電池の SOCを推定することを開示して!/、る。日本国特許公開：特開 2003— 207552号公報（特許文献 4)は、二次電池の放電電流と端子電圧との関係より求めた電流電圧特性に基づいて、二次電池の充電状態を算出することを開示している。日本国特許公開：特開 2003— 294817号公報（特許文献 5)は、放電電流の積算値と充電電流の積算値との二次元関係に基づ!/、て、二次電池の開放電圧を推定し、推定された開放電圧に基づいて SOCを推定することを開示している。日本国特許公開：特開 2003— 307557号公報（特許文献 6)は、定電流定電圧電源により二次電池を充電した場合の電流及び電圧の時間変化を利用し、定電流定電圧電源に二次電池を接続して電流を流し、所定時間後の電流または電圧値を測定し、これらの測定値に基づ!/、て二次電池の SOCを推定することを開示して!/、る。日本国特許公開：特開 2002— 247773号公報（特許文献 7)は、満充電状態から所定の放電停止状態まで放電させたときの放電電気量からそのときの実際の電池容量を求め、劣化を判定することを開示している。日本国特許公開：特開 2002— 243 813号公報 (特許文献 8)は、放電電流積算開始時の開放電圧、放電電流積算終了時の開放電圧、及び開放電圧と SOCとの相関関係に基づいて、放電電流積算開始から放電電流積算終了までの SOCの変化量 Δ SOCを算出し、この Δ SOCと実際の放電電気量とから電池の容量を算出し、さらに、温度による補正などを行って、二次電池の劣化を推定することを開示している。日本国特許公開：特開 2003— 338315 号公報（特許文献 9)は、二次電池の開放電圧によって求めた SOC値と電流積算による SOC値との差 A SOCを求め、開放電圧から推定される電池の内部抵抗値と放電電流を変化させて放電させたときの電圧変化から算出される内部抵抗値との差 Δ I Rを求め、 A SOC及び A IRから電池の劣化を判定することを開示している。日本国特許公開：特開 2001— 343437号公報（特許文献 10)は、実際の充放電電気量から算出される SOCと、開放電圧（あるいは電池電圧）から推定される SOCとの差から、電池の劣化状態を判定することを開示して!/、る。

特許文献 1 : ：特開 2003 — 303627号公報

特許文献 2 : ：特開 2004 — 245673号公報

特許文献 3 : ：特開平 8— 29505号公幸

特許文献 4 : ：特開 2003 — 207552号公報

特許文献 5 : ：特開 2003 — 294817号公報

特許文献 6 : ：特開 2003 — 307557号公報

特許文献 7 : ：特開 2002 — 247773号公報

特許文献 8 : ：特開 2002 — 243813号公報

特許文献 9 : ：特開 2003 — 338325号公報特許文献 10：特開 2001— 343437号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 電流積算によってリチウムイオン二次電池などの二次電池の SOC値を求める上述した方法では、積算誤差や、その時点での温度低下や劣化などに起因する電池容量自体の変化のために、正確な SOC値を求められない、という問題点がある。また、開放電圧から SOC値を推定する場合、より正確な推定値を得るためには、二次電池を開放状態にして長時間放置し、電池内が十分に平衡に達した時点での開放電圧を用いる必要がある力実際の電池の利用状況では、平衡に達した時点での開放電圧を用いることは難しい、という問題点がある。実際の利用状況下において二次電池の端子電圧から SOC値を推定する方法も、上述のようにいくつか提案されているものの、必ずしも正確な SOC値を与えて!/、るわけではな!/、。

[0017] そこで本発明の目的は、温度低下や劣化による電池自体の容量変化の影響を受けることなぐ最新の SOC値を精度よく推定できる方法を提供することにある。

[0018] 本発明の別の目的は、電池自体の容量を精度よく推定し、さらには電池の劣化を判定できる方法を提供することにある。

[0019] 本発明のさらに別の目的は、温度低下や劣化による電池自体の容量変化の影響を受けることなぐ最新の SOC値を精度よく推定できる装置を提供することにある。

[0020] 本発明のさらに別の目的は、電池自体の容量を精度よく推定し、さらには電池の劣化を判定できる装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0021] 本発明の一様相によれば、二次電池の SOC値を推定する SOC推定方法は、二次電池の充放電電流を監視して継続的に積算して第 1の積算値を求め、第 1の積算値を二次電池の容量値で除算した結果を SOC初期値に加算することにより、第 1の so c値を継続的に算出することと、二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出し、このタイミングにおいて、このタイミングでの二次電池の端子電圧を求めることと、端子電圧を二次電池の平衡状態における開放電圧に換算するための補正値を求めることと、端子電圧に補正値を加算した結果に基づいて第 2の SOC値を求めることと、第 2の SOC値を求めるたびに、 SOC初期値をその第 2の SOC値で更新して第 1の積算値の積算演算を再開始させることと、過去に求めた第 2の SOC値と今回求めた第 2の SOC値との差と、この差に対応する時間間隔における充放電電流の積算値とから、二次電池の現在の容量値を求めることと、現在の容量値でもって、第 1の SOC値の算出に用いる容量値を更新することと、を有する。

[0022] 本発明の別の様相によれば、二次電池の SOC値を推定する SOC推定装置は、二次電池における充放電電流を検出する電流検出手段と、二次電池の端子電圧を検出する電圧測定手段と、検出された充放電電流に基づき、充放電電流を継続的に積算して第 1の積算値を求める積算演算手段と、第 1の積算値を二次電池の容量値で除算した結果を SOC初期値に加算することにより、第 1の SOC値を継続的に算出する SOC値演算手段と、電流検出手段の出力に基づき、二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出するタイミング検出手段と、二次電池の端子電圧を二次電池の平衡状態における開放電圧に換算するための補正値を取得する補正値取得手段と、検出されたタイミングにおける端子電圧に補正値を加算した結果に基づいて第 2の SOC値を求める SOC値推定手段と、過去に求めた第 2の SOC値と今回求めた第 2の SOC値との差と、その差に対応する時間間隔における充放電電流の積算値とから、二次電池の現在の容量値を求める容量演算手段と、を有し、現在の容量値でもって、第 1の SOC値の算出に用いる容量値が更新され、第 2の SOC 値を求めるたびに、 SOC初期値をその第 2の SOC値で更新して第 1の積算値の積算演算が再開始される。

[0023] 本発明は、例えば、容量測定モードを導入することなく各時点での電池容量 Qを正確に決定することができるという利点を有する。また本発明によれば、正確な電池容量 Qに基づいて SOC値を電流積算によって連続して計算できるので、例えば、電流積算に伴う累積誤差の影響を受けることなく任意のタイミングでの SOC値を正確に取得することが可能になるという効果が得られる。

[0024] 温度ゃ充放電レートなどが予め規定する要件を満たして!/、る場合にお!/、て上述のようにして電池容量 Qが求められた場合、本発明によれば、例えば、その電池容量 Q とその二次電池の本来の電池容量とを比較することにより、二次電池の劣化の度合いを判定することが可能になる。

図面の簡単な説明

[0025] [図 1]図 1は、電池の開放電圧と SOC (残存容量）との関係の一例を示すグラフである

[図 2]図 2は、温度と電池の内部抵抗との関係の一例を示すグラフである。

[図 3]図 3は、第 1の実施形態に基づく SOC推定装置の構成の一例を示すブロック図である。

[図 4]図 4 (a)及び図 4 (b)は、補正直 Vを説明する波形図である。

[図 5]図 5は、残存容量推定の原理を説明する波形図である。

[図 6]図 6 (a)は SOC推定の動作を説明するフローチャートであり、図 6 (b)は容量推定の動作を説明するフローチャートである。

[図 7]図 7は、第 2の実施形態に基づく SOC推定装置の構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

[0026] 10, 40 SOC推定装置

11 二次電池

21 電流検出器

22 電圧測定部

23 A/D変換器

24 極性検出部

25 エッジ検出部

26 SOC値推定部

27 SOC値演算部

28 積算演算部

31 補正値取得部

32 容量演算部 33 温度センサ

41 劣化判定部

発明を実施するための最良の形態

[0027] 本発明の第 1の実施形態に基づく SOC (残存容量)推定方法は、リチウムイオン二次電池に代表される各種の二次電池の SOC値を推定するものである。この SOC推定方法は、ハイブリッド自動車などの用途では、リチウムイオン二次電池などの二次電池において放電と充電とが頻繁に切り替わって二次電池に流れる電流の向きが切り替わり、その切り替わりに際しては瞬間的には充放電電流がゼロとなることに着目したものである。本実施形態の方法では、電流積算による SOC値計算を連続して行うとともに、電流がゼロとなるタイミングで二次電池の端子電圧 Vを測定する。実際には

t

、測定された端子電圧 Vは、電流ゼロの状態が続いて平衡に達した後の端子電圧

t

すなわち平衡状態での開放電圧とは一般に異なるので、端子電圧を二次電池の平衡状態における開放電圧に換算するための補正値 Vを決定し、 V =V +Vとし、

c SOC t c 開放電圧と soc直との予め求めてある関係に対して V を当てはめ、その時点での

SOC

SOC値を推定し、電流積算による SOC値計算の際の初期値 SOC を更新する。

init

[0028] 補正値 Vは、例えば、端子電圧 Vを取り込んだ時点の直前の一定期間での充放

c t

電電流の平均電流に基づいて定めることができ、さらに、直前での平均電流に加え、電池温度を用いて決定するようにしてもよい。平均電流値の代わりに、その一定期間における電流積算値をそのまま用いてもよ!/、。一定期間における平均電流値あるいは電流積算値を用いる場合、その一定期間を複数の区間に分割し、端子電圧

Vを取り込むタイミングに近い方の区間の方が重視されるように区間ごとに重み付け t

を行って、電流積算値を求めてもよい。

[0029] さらには、第 1の実施形態の方法では、端子電圧 Vに基づいて仮の SOC値を決定

t

し、仮の SOC値が小さければ補正値が小さくなり、仮の SOC値が大きければ補正値も大きくなるように、補正ィ直 Vを決めるようにしてもよい。

[0030] 第 1の実施形態の方法では、端子電圧に基づく SOC値の推定が 2回以上行われ、かつ、その 2回の推定の間の時間間隔での電流積算による SOC値算出の誤差が小さいものであると考えられる場合には、その時間間隔内での充放電電気量 qを電流積算によって算出する。またその時間間隔の始点と終点の双方で、端子電圧による SO C値の推定が行われているから、 2つの推定された SOC値の差 A SOCを計算し、 Q = q/ A SOCを計算することによって、その時点での電池容量 Qが求められることになる。このようにして電池容量 Qが決定すれば、その電池容量 Qを、電流積算による S OC値の算出に用いるようにする。

[0031] なお、第 1の実施形態の SOC推定方法では、温度低下や電池自体の劣化に伴つて電池容量が変化した場合であっても、その時点での電池容量が算出され、算出された電池容量によって SOC^tが算出される。各時点での電池容量が算出されるから、電池温度の変化ゃ充放電電流レートが異なることによる電池容量の変化分を除去できれば、電池自体の劣化に伴う電池容量の変化を求めることができる。そこで、電池の製造事業者等が、予め、劣化検出のための容量算出条件を定めておくものとして、そのような容量算出条件を満たしているときに上述のようにして電池容量が求められた場合に、その求められた電池容量とその二次電池の公称容量 (基準値）とを比較することによって、その二次電池の劣化の度合いを推定することが可能になる。容量算出条件としては、例えば、温度ゃ充放電電流レートが用いられる。あるいは、上述のように電池容量を算出するたびに、そのときの電池温度と充放電電流レートを記憶しておき、過去において同様の条件で算出された電池容量と比較することによって、その二次電池の容量劣化を判定することが可能である。

[0032] 図 3は、上述した第 1の実施形態の方法に基づいて動作する SOC推定装置の構成の一例を示している。ここでは、例示として、バッテリパック 12内に SOC推定装置 10 が組み込まれたものとし、また、二次電池 11として、例えばリチウムイオン二次電池が使用されているものとする。

[0033] SOC推定装置 10は、二次電池 11に対する充電電流及び放電電流を検出する電流検出器 21と、二次電池 11の端子電圧 Vを測定して出力する電圧測定部 22と、電

t

流検出器 21の出力を一定のサンプリングレートでサンプリングしてアナログ/デジタル変換する A/D変換器 23と、電流検出器 21の出力波形を整形し充放電電流の極性を検出する極性検出部 24と、極性検出部 24の出力におけるエッジを検出してトリガ信号を出力するエッジ検出部 25と、二次電池 11の端子電圧に基づいて SOC値を推定する SOC値推定部 26と、電流積算に基づく SOC値を常時算出し、現在の SO C値を出力する SOC値演算部 27と、 A/D変換器 23からの出力される電流サンプノレ値に基づレ、て電流積算の演算を行う積算演算部 28と、 A/D変換器 23からの電流サンプル値を格納するリングバッファ 29と、エッジ検出部 25からのトリガ信号に基づいてリングバッファ 23内の一定期間分の電流値を積算し、 SOC値推定部 26での SOC値推定の際に用いられる補正値 Vを取得する補正値取得部 31と、二次電池 1

1の現在の容量を推定する容量演算部 32と、二次電池 11の温度を計測する温度センサ 33と、を備えている。充放電電流の極性とは、ここでは、充電であるか放電である力ゝの另リのことである。

[0034] 二次電池 11は、複数の単位セルを直列に接続した組電池であってもよ!/、。電圧測定部 22は、二次電池の正極端子と負極端子との間の電圧を端子電圧として計測するものであるが、二次電池 11として組電池が使用される場合であれば、組電池の正側端子と負側端子との間の電圧を端子電圧として計測する。

[0035] 電流検出器 21としては、ホールセンサを用いたオープンループのものや、シャント抵抗を有しその両端の電圧を計測するものを用いることができる。電流検出器 21は、充放電電流の大きさに比例するとともに、例えば充電であれば負であり放電であれば正である電圧を発生する。充電電流と放電電流との違いは二次電池 11に対する電流の向きで区別されるものである。極性検出部 24は、例えば、電流検出器 21の出力が正力、負かによって放電か充電かを識別し、放電である期間中には論理レベルで "1"を出力し、充電である期間中には" 0"を出力するように構成されている。このような極性検出部 24としては、非反転端子に電流検出器 21からの波形が入力し、反転端子には基準電位として 0Vが供給されるコンパレータを用いることができる。エッジ検出部 25は、極性検出部 24の出力の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジにおいてトリガ信号を出力する。立ち上がりエッジとは、 "0"から"；!"に遷移するエッジのことであり、立ち下がりエッジとは、 "1"から" 0"に遷移するエッジのことである。

[0036] SOC値推定部 26は、二次電池 11の開放電圧（開回路電圧）と SOC値との関係が既知である場合に、この関係を用いて、測定された開放電圧から SOC値を推定しようとするものである。上述したように、 SOC値の推定に用いる開放電圧は、本来は、充放電電流がゼロになつてから十分時間が経過した後の開放電圧すなわち平衡状態での開放電圧とすべきであるが、実際に使用中の二次電池について、平衡状態での開放電圧を取得することは困難である。そこでこの SOC推定装置 10では、実測された端子電圧 Vに対して補正値 Vを加算して V とし、この V が平衡状態での t c soc soc

開放電圧であるとして、 SOC値を推定するようにしている。補正値 Vの取得のために

、リングバッファ 29、補正値取得部 31及び温度センサ 33が設けられている。補正値 Vの取得については後述する。

c

[0037] SOC値推定部 26には、電圧測定部 22で測定されデジタル値で表された端子電圧 Vと、エッジ検出部 25で発生したトリガ信号とが入力している。そして SOC値推定部 t

26は、トリガ信号が入力したタイミングで二次電池 11の端子電圧 Vとそのタイミング t

で取得された補正値 Vとを取り込み、 V =V +Vを計算して、 V に対応する S c soc t c soc

OC値を出力する。実際には、 SOC値推定部 26は、リチウムイオン二次電池の（平衡状態での）開放電圧と SOCとの関係を示したルックアップテーブルを備え、 V を平

SOC

衡状態での開放電圧としてこのルックアップテーブルを参照し、 soc値を出力する。 soc推定の対象である二次電池がリチウムイオン二次電池以外の二次電池である場合には、その二次電池の特性に対応したルックアップテーブルを備えるようにする

[0038] ここで、補正値 Vの取得につ!/、て説明する。

[0039] リングバッファ 29は、 A/D変換器 23からの電流サンプル値を順次格納するものであって、格納すべき電流サンプル値の個数がリングバッファ 29のメモリ容量を超えた場合には、最も古いサンプル値が最も新しいサンプル値に書き換えられるようになつており、これによつて、リングバッファ 29内には、リングバッファ 29の容量分だけ、最新の時点から過去に遡る各電流サンプル値が格納されることになる。

[0040] 補正値取得部 31は、エッジ検出部 25からトリガ信号が入力したとき、すなわち、二次電池 11における充電と放電とが切り替わるタイミングにおいて、リングバッファ 29内を検索し、その時点から過去に向かって一定期間における電流サンプル値を読み出し、読出した電流サンプル値を積算して、その一定期間における電流の積算値 (電荷量)を算出する。ここで積算期間が一定なので、積算値は、その期間内での平均電流値と等価である。そして補正値取得部 31は、得られた電流積算値に応じた補正値 Vを出力する。実際には、補正値取得部 31は、電流積算値と補正値 Vとの関係を示したルックアップテーブルを備え、電流積算値によってこのルックアップテーブルを参照し、補正値 Vを出力する。ルックアップテーブルの内容が SOC推定の対象である二次電池の種類や規格などに応じて異なることは、言うまでもない。したがって、事前に行う試験などに応じてルックアップテーブルを作成しておけばよい。

[0041] また、充放電電流がゼロになったタイミングでの端子電圧と平衡状態での開放電圧との差は温度にも依存するので、第 1の実施形態では、温度センサ 33で測定された温度をも用いて、補正ィ直 Vを算出することが好ましい。温度も利用して補正ィ直 Vを求める場合には、補正値取得部 31において、例えば、電流積算値と補正値 Vとの関係を表すルックアップテーブルを電池温度ごとに設定することにより複数のルックアツプテーブルを格納し、温度センサ 33で計測された温度に基づ!/、てルックアップテーブルを選択し、選択されたルックアップテーブルに基づいて補正値 Vを求めるようにすればよい。

[0042] 図 4 (a)及び図 4 (b)は、いずれも、補正値 Vを説明する図である。図 4 (a)は、時刻 t において二次電池が放電状態から電流 Iがゼロの状態に移行した場合の、端子

1 = 0

電圧 Vや SOCの変化を示している。放電中は、徐々に端子電圧 Vと SOCが低下し、放電が停止した時点で、内部抵抗による電圧降下分いわゆる IRドロップ分がなくなるから、その分だけ端子電圧 Vが上昇する。その後、 SOCは一定のままである力 s、端子電圧 Vは徐々に増加し、最終的には、平衡状態での開放電圧である一定値に収束する。そこで、 t の時の端子電圧と端子電圧の収束値との差となるように補正値 V

1 = 0 c を設定する。補正値 Vは、放電が停止する直前の期間における平均放電電流値や温度に依存するから、上述したように、積算電流値や温度に応じたルックアップテーブルによって補正値 Vが決定される。

[0043] 同様に図 4 (b)は、時刻において二次電池が充電状態から電流 Iがゼロの状態

1 = 0

に移行した場合の、端子電圧 Vや socの変化を示している。充電中は、徐々に端子電圧 Vと socが上昇し、充電が停止した時点で、内部抵抗による電圧降下分がなくなるから、その分だけ端子電圧 Vが降下する。その後、 SOCは一定のままであるが、端子電圧 Vは徐々に低下し、最終的には、平衡状態での開放電圧である一定値に収束する。そこで、 t の時の端子電圧と端子電圧の収束値との差となるように補正

1 = 0

値 Vを設定する。補正値 Vは、充電が停止する直前の期間における平均放電電流値や温度に依存するから、上述したように、積算電流値や温度に応じたルックアップテーブルによって補正値 Vが決定される。

[0044] なお、上述したもの以外にも、補正値 Vの求め方は各種のものがある。例えば、トリガ信号が入力するタイミングから過去に向う一定期間内での電流積算値に基づいて補正値を決定する場合に、この一定期間を複数の区間に分割し、トリガ信号が入力するタイミングに近い方の区間の方が重視されるように区間ごとに重み付けを行って

、電流積算値を求めてもよい。また、一般に、 SOCが大きい場合には補正値 Vも大きくなり、 SOCが小さい場合には補正値 Vは小さくなることが知られている。そこで、端子電圧 Vに基づいて仮の SOC値を決定し、仮の SOC値が小さければ補正値が

t

小さくなり、仮の SOC値が大きければ補正値も大きくなるように、補正値 Vを決めるようにしてもよい。

[0045] このようにして決定された補正値 Vは、上述したように、補正値取得部 31から SOC 値推定部 26に送られ、端子電圧 Vから SOC値を推定する際に使用される。

t

[0046] 積算演算部 28は、 A/D変換器 23のサンプリングごとに、 A/D変換器 23の出力を積算する、すなわち、式（1)の

[0047] [数 3]

I Idt

Jo

あるいは式（1A)の∑l A tを計算し、その計算結果を A/D変換器 23のサンプリングごとに SOC値演算部 27に出力する。積算演算部 28には、トリガ信号が供給されており、トリガ信号が入力するごとに、すなわち、充電と放電とが切り替わるごとに、積算がゼロにリセットされるようになって!/、る。

[0048] 容量演算部 32は、第 1の実施形態の方法によって、二次電池 11の現在の容量を算出するものである。 SOC値推定部 26により、端子電圧 Vによる SOC値の推定が

t

時刻と時亥 ijtで行われ、それらの SOC推定値がそれぞれ SOC 、 SOCであつたとする。容量演算部 32は、トリガ信号を受信することによって、 SOC値の推定が行われたタイミングを知るとともに、 SOC値推定部 26から、 SOC―、 SOCを受け取り、積算演算部 28からは、 mH と時刻 tの間の電流積算値 qを受け取る。なおこの場合、時刻ではトリガ信号が発生して積算演算部 28の積算値力 Sリセットされるので、そのリセット直前の積算値を αとすればよい。

[0049] 容量が Qである電池において、電荷量として表される電流積算値として qだけの出入りがあれば、その前後で SOC値は q /Qだけ変化するはずである。一方、端子電圧からの推定により、電荷量 qの増減の前後で、 SOC直は、 SOC - SOC―だけ変化していることが分かっている。その結果、時刻における容量を Qとおくと、

[0050] [数 4] f " Idt

SOC_n - SOC_n__x = ~~ = (3) が成立する。 SOCの単位を[%]、電池容量 Qの単位を [Ah]、電流積算値 qの単位を [C] (= [As] )とすると、

[0051] [数 5]

Q_n \Ah] = xlOO (4)

" (SOC„-SOC„.!)x3600 となる。

[0052] このようにして容量演算部 32は、時刻における電池容量を算出する。算出された電池容量値 Qは、 SOC値演算部 27に送られる。図 5は、充放電電流と、 SOCの推定が行われる時刻と、推定された SOCと、容量の算出のために用いられた時間間隔との関係を示す波形図である。

[0053] SOC値演算部 27は、式（1)あるいは式（1A)に基づいて、時々刻々の SOC値を算出し、リアルタイムで現在の SOC値を外部に出力するものであり、 SOC値推定部 2 6から出力される SOCの最新の推定値を式（1A)における SOC とし、容量演算部

mit

32から出力される最新の容量値を式（1A)における Qとし、積算演算部 28から連続的に出力される電流積算値を式（1A)における∑I A tとして、式（1A)を計算し、現在の SOC^tを出力する。図 5に示した例で説明すれば、時刻と時刻 t_{n+ i}の間の期間においては、時刻 tで推定された SOC値 SOCを SOC として用い、時刻 t―と時刻の間の期間から算出された容量 Qを容量 Qとして用いて、現在の SOC値が時々刻々と計算される。

[0054] このようにして第 1の実施形態の SOC推定装置 10は、充放電電流の積算演算によつて継続的に二次電池 11の SOCを算出し続けるとともに、充電と放電とが切り替わるタイミングにおいて、積算演算で使用される SOC初期値及び電池容量値をそれらの正確な値で更新する。これにより、電流積算により SOCを算出する際の種々の誤差の要因が排除され、任意の時点においてその時点での正確な SOC値を知ることができるようになる。

[0055] 第 1の実施形態の SOC推定装置 10は、マイクロコンピュータを用いて実装されるのが一般的である。その場合、エッジ検出部 25、 SOC値推定部 26、 SOC値演算部 27 、積算演算部 28、リングバッファ 29、補正値取得部 31及び容量演算部 32の各機能力 S、マイクロコンピュータによって実現される。具体的には、マイクロコンピュータが充放電電流による積算演算を継続して実行するようにしておくとともに、コンパレータなどの波形整形部からの出力信号がマイクロコンピュータのインプットキヤプチャ端末に入力するようにしてこの出力信号における立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジが検出されるようにしておく。そして、エッジを検出した場合にマイクロコンピュータにおいて割り込みタスクが生成し、補正値 Vの取得、 V の算出、 V による SOC値の

c SOC SOC

ルックアップテーブルの参照、容量 Qの算出などが実行されるようにすれば、上述した SOC推定装置の機能を実現することができる。

[0056] 図 6は、このようなマイクロコンピュータの動作の一例を示すフローチャートである。

図 6 (a)は端子電圧からの SOC値の推定の処理を示し、図 6 (b)は二次電池 11の容量の推定の処理を示している。ここでは図示していないが、マイクロコンピュータは、上述した式（1)あるいは式（1A)に基づき、電流積算による SOC値の計算を常時実行し、電流積算による SOC値を常時出力している。

[0057] 端子電圧による SOC値の推定では、図 6 (a)に示すように、まず、ステップ 101において、充放電電流がゼロになるタイミングなど、 SOC値の推定が可能な条件を検出し、ステップ 102において、そのような条件が成立しているかどうかを判定し、成立していなければ、待ち合わせのためにステップ 101に戻り、条件が成立していれば、ステップ 103において、二次電池 11の端子電圧 Vを検出する。また、ステップ 104にお

t

いて、リングバッファを検索し、条件が成立する直前の一定期間の電流値を積算して平均電流値を算出する。ここでは積算の期間を一定にしているので、平均電流値と使用することと積算値そのものを使用することとは、互いに等価である。そして、算出された平均電流値を用いて、補正値 Vを算出する。補正値 Vの算出には、必要に応じて電池温度をさらに用いてもよい。ステップ 105において、 V =V +Vを計算

SOC t c して、ステップ 106において、 V に対応する S〇C値を推定し、ステップ 101に戻る

SOC

。このようにして推定された SOC値によって、式（1)あるいは式（1A)に基づく電流積算による SOC値の計算において用いられる、初期値 SOC は更新される。なお、 S

init

OC の更新があったタイミングで、電流積算の積算値もゼロにリセットされる。

mit

[0058] 容量 Qの推定では、図 6 (b)に示すように、まず、ステップ 111において、端子電圧による前回の SOC値の推定が行われた時刻 t と今回の SOC値の推定が行われた muとの時間間隔が所定の範囲内にあるかなど、容量の推定が可能な条件を検出する。そして、ステップ 112において、そのような条件が成立しているかどうかを判定し、成立していなければ、待ち合わせのためにステップ 101に戻り、条件が成立していれば、ステップ 103において、時刻と時亥 ijtの間の期間における電流積算値 q を下式のようにして算出する。

[0059] [数 6] q_n = " Idt (5)

tn-l

実際には、端子電圧によって SOC値を推定するたびに積算演算部 28での電流積算がリセットされているので、リセットされる寸前の電流積算値を qとすればよい。次に、ステップ 114において、前回推定された SOC値を SOC―とし、今回推定された S OC直を SOCとして、下式に基づき、時刻における二次電池 11の電池容量 Qを算出する。

[0060] [数 7] 。具体的には、式（1)あるいは式（1 A)に基づいて電流積算によって SOC値を演算する際に、式（1)あるいは式（1A)中の Qを Qで更新する。

[0061] 以上の処理をマイクロコンピュータに実行させることによって、ソフトウェアによって、第 1の実施形態の SOC推定装置を構成することができる。

[0062] ところで、第 1の実施形態の SOC推定装置では、温度低下や電池自体の劣化に伴つて電池容量が変化した場合であっても、その時点での電池容量が算出され、算出された電池容量によって SOC^tが算出される。各時点での電池容量が算出されるから、電池温度の変化ゃ充放電電流レートが異なることによる電池容量の変化分を除去できれば、電池自体の劣化に伴う電池容量の変化を求めることができる。したがつて、この SOC推定装置は、二次電池の劣化を判定する劣化判定装置としても使用できることになる。図 7は、第 2の実施形態に基づぐこのように二次電池の劣化を判定する機能を備えた SOC推定装置を示して!/、る。

[0063] 二次電池 11の劣化判定を行う場合には、電池の製造事業者等は、予め、劣化検出のための容量算出条件を定めておくものとする。容量算出条件としては、例えば、温度ゃ充放電電流レートが用いられる。そして、そのような容量算出条件を満たしているときに上述のようにして電池容量が求められた場合に、その求められた電池容量とその二次電池の公称容量 (基準値）とを比較することによって、その二次電池の劣化の度合いを推定すればよい。図 7に示す SOC推定装置 40は、図 3に示す SOC推定装置と同様のものである力 SOC推定装置内に劣化判定部 41を備えている点で図 3に示すものと異なっている。

[0064] SOC推定装置では、容量演算部 32での容量の演算に際して、上述の時刻 t 力、ら時刻 tまでの電流積算値 qと、時刻力、ら時刻 tまでの時間間隔とが分力、るから、容量 Qを計算したときの平均充放電電流レートが分かる。また、温度センサ 33によつて温度は測定されている。そこで劣化判定部 41は、容量演算部 32から平均充放電電流レートと容量値 Qとを取得し、温度センサ 33から電池温度の測定値を取得し、容量算出条件を満たしているかを判定し、容量算出条件を満たしている場合に、 Q と予め記憶されている公称容量値とを比較して、劣化判定を実行し、その判定結果を出力する。

[0065] あるいは、劣化判定部 41は、容量演算部 32が容量値を算出するたびに、その容量値とそのときの電池温度と平均充放電電流レートとを取り込んで記憶し、過去において同様の条件で算出された電池容量と比較することによって、その二次電池の容量劣化を判定するようにしてもよ!/、。

[0066] 第 2の実施形態の SOC推定装置 40も、第 1の実施形態の SOC推定装置 10と同様に、マイクロコンピュータを用いて実装することができる。その場合、エッジ検出部 25 、 SOC値推定部 26、 SOC値演算部 27、積算演算部 28、リングバッファ 29、補正値取得部 31、容量演算部 32及び劣化判定部 41の各機能が、マイクロコンピュータによって実現される。

[0067] 以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

[0068] この出願は、 2006年 8月 29日に出願された日本国特許出願：特願 2006— 2321 60を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

請求の範囲

[1] 二次電池の SOC値を推定する SOC推定方法であって、

前記二次電池の充放電電流を監視して継続的に積算して第 1の積算値を求め、前記第 1の積算値を前記二次電池の容量値で除算した結果を SOC初期値に加算することにより、第 1の SOC値を継続的に算出することと、

前記二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出し、該タイミングにおいて、該タイミングでの前記二次電池の端子電圧を求めることと、

前記端子電圧を前記二次電池の平衡状態における開放電圧に換算するための補正値を求めることと、

前記端子電圧に前記補正値を加算した結果に基づいて第 2の SOC値を求めることと、

前記第 2の SOC値を求めるたびに、前記 SOC初期値をその第 2の SOC値で更新して前記第 1の積算値の積算演算を再開始させることと、

過去に求めた第 2の SOC値と今回求めた第 2の SOC値との差と、前記差に対応する時間間隔における前記充放電電流の積算値とから、前記二次電池の現在の容量値を求めることと、

前記現在の容量値でもって、前記第 1の SOC値の算出に用いる容量値を更新することと、

を有する、 SOC推定方法。

[2] 前記タイミングの直前の一定期間における充放電電流を積算した第 2の積算値を算出し、該第 2の積算値と前記二次電池の温度から前記補正値を決定する、請求項

1に記載の SOC推定方法。

[3] 前記一定期間を複数の区間に分割し、前記タイミングに近い方の区間の方が重視されるように前記区間ごとに重み付けを行って前記第 2の積算値を算出する、請求項

2に記載の SOC推定方法。

[4] 前記端子電圧に基づいて第 3の SOC値を決定し、前記第 3の SOC値が相対的に小さいときに小さくなり、前記第 3の SOC値が相対的に大きければ大きくなるように前記補正値を決定する、請求項 1に記載の SOC推定方法。

[5] 前記現在の容量に基づいて前記二次電池の劣化を判定する段階を有する、請求項 1乃至 4のいずれか 1項に記載の SOC推定方法。

[6] 前記二次電池がリチウムイオン二次電池である、請求項 1乃至 5のいずれか 1項に記載の SOC推定方法。

[7] 二次電池の容量の劣化を推定する劣化判定方法であって、

前記端子電圧に前記補正値を加算した結果に基づいて SOC値を求めることと、過去に求めた SOC値と今回求めた SOC値との差と、前記差に対応する時間間隔における前記二次電池に対する充放電電流の積算値とから、前記二次電池の現在の容量値を求めることと、

前記現在の容量値を求めた際の前記二次電池の温度及び充放電電流レートが所定の条件を満たすかを判定することと、

前記所定の条件を満たす場合の前記現在の容量値を基準値と比較することにより、前記二次電池の劣化を判定することと、

を有する、劣化判定方法。

[8] 二次電池の容量の劣化を推定する劣化判定方法であって、

前記端子電圧に前記補正値を加算した結果に基づいて SOC値を求めることと、過去に求めた SOC値と今回求めた SOC値との差と、前記差に対応する時間間隔における前記二次電池に対する充放電電流の積算値とから、前記二次電池の容量値を求めることと、

前記容量値を求めるごとに、当該容量値と、当該容量値を求めた際の前記二次電池の温度及び充放電電流レートとを記憶することと、

現在の容量値を、前記二次電池温度及び充放電電流レートが同等である条件で過去に求められた容量ィ直と比較することにより、前記二次電池の劣化を判定することと、

を有する、劣化判定方法。

[9] 前記二次電池がリチウムイオン二次電池である、請求項 7または 8に記載の劣化判定方法。

[10] 二次電池の SOC値を推定する SOC推定装置であって、

前記二次電池における充放電電流を検出する電流検出手段と、

前記二次電池の端子電圧を検出する電圧測定手段と、

検出された前記充放電電流に基づき、前記充放電電流を継続的に積算して第 1の積算値を求める積算演算手段と、

前記第 1の積算値を前記二次電池の容量値で除算した結果を SOC初期値に加算することにより、第 1の SOC値を継続的に算出する SOC値演算手段と、

前記電流検出手段の出力に基づき、前記二次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出するタイミング検出手段と、

前記二次電池の端子電圧を前記二次電池の平衡状態における開放電圧に換算するための補正値を取得する補正値取得手段と、

検出された前記タイミングにおける前記端子電圧に前記補正値を加算した結果に基づ!/、て第 2の SOC値を求める SOC値推定手段と、

過去に求めた第 2の SOC値と今回求めた第 2の SOC値との差と、前記差に対応する時間間隔における前記充放電電流の積算値とから、前記二次電池の現在の容量値を求める容量演算手段と、

を有し、

前記現在の容量値でもって、前記第 1の SOC値の算出に用いる容量値が更新され、前記第 2の SOC値を求めるたびに、前記 SOC初期値をその第 2の SOC値で更新して前記第 1の積算値の積算演算が再開始される、 SOC推定装置。

[11] 前記補正値取得手段は、前記充放電電流をサンプリングして得られるサンプル値を順次格納するリングバッファを有し、前記リングバッファを参照して前記タイミングの直前の一定期間における充放電電流を積算した第 2の積算値を算出し、該第 2の積算値から前記補正値を決定する、請求項 10に記載の SOC推定装置。

[12] 前記二次電池の温度を計測する温度測定手段をさらに有し、

前記補正値取得手段は、前記第 2の積算値のほかに前記温度を用いて前記補正値を算出する、請求項 11に記載の SOC推定装置。

[13] 前記現在の容量に基づいて前記二次電池の劣化を判定する手段を有する、請求項 10乃至 12のいずれか 1項に記載の SOC推定装置。

[14] 請求項 10乃至 13のいずれか 1項に記載の SOC推定装置と、

前記 SOC推定装置によって SOC値が推定される二次電池と、

を有する、バッテリパック。

[15] 二次電池の劣化を判定する劣化判定装置であって、

前記二次電池の端子電圧を検出する電圧測定手段と、

検出された前記タイミングにおける前記端子電圧に前記補正値を加算した結果に基づ!/、て SOC値を求める SOC値推定手段と、

過去に求めた SOC値と今回求めた SOC値との差と、前記差に対応する時間間隔における前記充放電電流の積算値とから、前記二次電池の容量値を求める容量演算手段と、

今回求めた容量値を、基準値または過去に求めた容量値と比較することによって前記二次電池の劣化を判定する劣化判定手段と、

を有する劣化判定装置。