WO2012053075A1 - 蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置 - Google Patents

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WO2012053075A1
WO2012053075A1 PCT/JP2010/068492 JP2010068492W WO2012053075A1 WO 2012053075 A1 WO2012053075 A1 WO 2012053075A1 JP 2010068492 W JP2010068492 W JP 2010068492W WO 2012053075 A1 WO2012053075 A1 WO 2012053075A1
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storage device
state detection
soc
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PCT/JP2010/068492
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克弥 温井
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古河電気工業株式会社
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a power storage device state detection method and apparatus, and more particularly to a power storage device state detection method and apparatus for detecting a remaining capacity of a power storage device with high accuracy.
  • power storage devices are used for leveling generated power and storing surplus power when using natural energy such as solar power generation and wind power generation. Furthermore, the power storage device is also used as a backup power source such as a stabilized power source and an auxiliary power source for supplying power to an electric device during a power failure.
  • a device that accompanies the movement of ions in an electrolyte such as a secondary battery or a capacitor or in a solid electrolyte is used.
  • Patent Document 1 discloses that the open-circuit voltage (OCV: Open Circuit Voltage) and the remaining capacity (SOC: State of charge) when the liquid lead-acid battery is sufficiently stabilized after stopping charging and discharging are shown in FIG. It is described that there is a relationship corresponding to 1: 1 as shown, and a technique for detecting the state of the storage battery using such a relationship between OCV and SOC at the time of stability is described.
  • OCV Open Circuit Voltage
  • SOC State of charge
  • FIG. 5 shows the relationship between SOC and stable OCV in an iron phosphate Li-ion battery.
  • SOC_1 and SOC_2 are, for example, about 25% and 75%, respectively, and greatly change to about 50%. Therefore, when the SOC is in the range of SOC_1 to SOC_2, there is a problem that it is difficult to obtain the SOC with sufficient accuracy even if the SOC is obtained by measuring the OCV at the stable time.
  • An object of the present invention is to provide a storage device state detection method and apparatus capable of estimating a remaining capacity of a storage device or a decrease in capacity from a new capacity, and performing state detection with high accuracy even for the storage device. .
  • the remaining capacity (SOC) and the converted capacity (SOH) for a new full charge are calculated during operation of a system equipped with the electricity storage device.
  • a state detection method for a power storage device that performs state detection, wherein the operation state of the system is in a state detection mode, and charge control or discharge control of a predetermined capacity is performed on the power storage device (hereinafter simply referred to as charge / discharge control),
  • the open-circuit voltage (OCV) of the power storage device is measured at a predetermined cycle until a predetermined reference time has elapsed after the charge / discharge control is stopped, and is determined based on a function OCV (t) of the time variation of the OCV.
  • the current SOC of the electricity storage device is calculated using the voltage change amount and the OCV when the reference time has elapsed (hereinafter referred to as a reference OCV).
  • a reference OCV the current accumulated value measured by a predetermined cycle is accumulated to calculate a current accumulated value, and the current accumulated value is converted into an SOC change amount, The SOC change amount is added to the current SOC that was calculated last in the state detection mode to calculate the SOC that is being charged / discharged.
  • the full charge control is performed until the full charge is reached, the OCV is measured at a predetermined period until the reference time elapses after the full charge control is stopped, and the OCV (t) function OCV (t) of the OCV is changed.
  • the amount of change in voltage is calculated, and the conversion amount for the current new full charge of the power storage device using the amount of change in voltage and the reference OCV when the reference time has elapsed since the stop of full charge control. And calculates the (SOH).
  • the reference OCV and the voltage change amount are The SOC is calculated using a first function created in advance with a variable as the variable.
  • the reference OCV is set as a variable.
  • the SOC is calculated using another function created in advance.
  • the SOH is calculated using a second function created in advance with the reference OCV and the voltage change amount as variables. It is characterized by doing.
  • the voltage change amount is obtained from the measurement result of the OCV until the reference time elapses after the charge / discharge control is stopped or the full charge control is stopped. It is calculated as an integral value for a predetermined period based on a function OCV (t) of a predetermined time.
  • the voltage change amount is obtained from the measurement result of the OCV until the reference time elapses after the charge / discharge control is stopped or the full charge control is stopped.
  • the integral value is calculated for each of two or more different periods based on the function OCV (t) of the time.
  • Another aspect of the method for detecting a state of an electricity storage device according to the present invention is characterized in that the voltage change amount is calculated by further subtracting a value obtained by multiplying the reference OCV by a time length of the predetermined period.
  • Another aspect of the method for detecting the state of the electricity storage device of the present invention is characterized in that the current integrated value is divided by the SOH calculated last in the full charge mode and converted into the SOC change amount.
  • the first aspect of the power storage device state detection device performs the state detection by calculating the remaining capacity (SOC) when executing the state detection mode which is one of the operation methods of the power storage device mounting system.
  • SOH conversion capacity
  • a predetermined capacity charge control or discharge control hereinafter simply referred to as charge / discharge control
  • OCV open-circuit voltage
  • the current SOC of the electricity storage device is calculated using the voltage change amount and the OCV when the reference time has elapsed
  • the current of the electricity storage device measured at a predetermined cycle is integrated to calculate a current integrated value, and the current integrated value is converted into an SOC change amount.
  • the current SOC calculated in step S3 is read from the storage unit and added to the SOC change amount to calculate the SOC being charged / discharged.
  • the voltage change amount is calculated based on the OCV, and the current SOH of the power storage device is calculated using the voltage change amount and the reference OCV when the reference time elapses after the full charge control is stopped.
  • a state detection unit that is stored in the storage unit, and a state output unit that inputs a determination result from the state detection unit and outputs the determination result to the outside.
  • the power storage device has a region that exhibits a characteristic in which the change in OCV is small with respect to the change in the remaining capacity determined by the reactant used in the power storage device, It is possible to provide a storage device state detection method and apparatus capable of estimating a capacity drop from a new capacity and performing state detection with high accuracy.
  • a power storage device state detection method and apparatus will be described in detail with reference to the drawings.
  • symbol is attached
  • the state detection method and state detection apparatus of the electrical storage device of this invention are demonstrated by making an iron phosphate type Li ion battery into an example as an electrical storage device.
  • the content described below is not limited to the iron phosphate-based Li ion battery, and can be applied to other power storage devices in the same manner.
  • a storage device state detection method capable of calculating SOC with high accuracy by using a predetermined voltage change amount.
  • the voltage change amount a state amount that has a relatively large change with respect to the SOC is used at least in the SOC range in which the change in the stable OCV is small.
  • SOH can be calculated with high accuracy using the above-described voltage change amount. That is, a relationship between the amount of voltage change measured after full charge and SOH is created in advance and stored in a predetermined storage unit as reference data. Using the current voltage change amount after full charge as an index, the corresponding SOH is selected from the reference data to obtain the current SOH.
  • the reference data format may be saved in a free format such as a function or a data map.
  • FIG. 1 is a flowchart for explaining the flow of processing in the method for detecting the state of an electricity storage device of this embodiment
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the state detection device for the electricity storage device of this embodiment.
  • the state detection device 100 detects the state of the power storage device (storage battery) 10 mounted in the target system 1.
  • the target system 1 includes a charging unit 11 for charging the storage battery 10 and a control unit 12 for controlling charging by the charging unit 11.
  • the load 20 mounted in the target system 1 is connected to the storage battery 10, and power is supplied from the storage battery 10 to the load 20.
  • a voltage measuring unit 30 and a current measuring unit 31 are connected to the storage battery 10, and the state detection device 100 inputs each measured value and performs state detection.
  • the temperature measuring means 32 may be connected to the storage battery 10 as necessary, and a temperature measurement value of the storage battery 10 may be input and used for state detection.
  • the state detection apparatus 100 includes a state detection unit 110, a storage unit 120, and a state output unit 130.
  • the state detection unit 110 receives the voltage measurement value and the current measurement value of the storage battery 10 from the voltage measurement unit 30 and the current measurement unit 31, respectively, and performs the process according to the state detection method of the present embodiment to detect the state of the storage battery 10. .
  • the temperature measuring means 32 may be connected to the storage battery 10 and a temperature measurement value may be input from this to be used for detecting the state of the storage battery 10.
  • the storage unit 120 stores various reference data and measurement data necessary for the state detection process.
  • the status output means 130 is means for notifying the user or the like of the status detection result or the like.
  • the state detection device 100 may be incorporated in the control device 12 of the target system 1.
  • the state detection device 100 may be provided outside the target system 1 and the measurement data recording device 40 that records measurement data may be provided inside the target system 1. Regardless of wired or wireless data, the data recorded in the measurement data recording device 40 is transmitted to the state detection device 100 installed outside the target system 1 by using remote communication or using a portable storage medium.
  • the state may be input and the state may be determined to detect the state.
  • the target system 1 when the target system 1 is in the operating state and the storage battery 10 is charging / discharging, the target system 1 is in the operating state and the storage battery 10 executes the state detection mode. And when the target system 1 is in the operating state and executing the full charge mode.
  • the time when the target system 1 is charging / discharging or in the state detection mode is referred to as a normal operation mode, and the time when the target system 1 is fully charged the storage battery 10 is referred to as a full charge mode.
  • the state detection method of the electrical storage device of this embodiment when the target system 1 is in an operation state and charging / discharging of the storage battery 10 is stopped, the OCV of the storage battery 10 is measured to perform highly accurate state detection. Therefore, the state detection at this time is called a state detection mode.
  • an iron phosphate Li-ion battery in which the relationship between the SOC and the OCV at the time of stability changes as shown in FIG.
  • a method for measuring the OCV of the storage battery 10 and performing state detection with high accuracy in the state detection mode in which the storage battery 10 has stopped charging and discharging will be described.
  • the storage battery 10 having the SOC vs. stable OCV relationship shown in FIG. 5 is stable when the stable OCV is less than OCV_1 (eg, 3.28 V) or greater than OCV_2 (eg, 3.31 V). Therefore, the SOC can be accurately obtained from the stable OCV using the relationship between the SOC and the stable OCV.
  • the stable OCV is OCV_1 or more and OCV_2 or less, the SOC changes in a wide range of SOC_1 to SOC_2, whereas the stable OCV changes only slightly. Therefore, in the present embodiment, the SOC can be calculated with high accuracy by using a predetermined voltage change amount having a larger change instead of the stable OCV.
  • the predetermined voltage change amount is calculated from a state amount when the internal state of the storage battery 10 after the charge / discharge stop is in the middle of relaxation. Specifically, using the OCV measurement value (hereinafter referred to as OCV_now (t)) of the storage battery 10 when the elapsed time from the stop of charging / discharging is t, one of the voltage integrated values calculated below is a voltage. It can be used for the amount of change.
  • OCV_base which is the reference OCV
  • OCV_base ⁇ ⁇ t is subtracted from the integrated value of OCV_now.
  • an effect is obtained that the number of operations can be reduced as compared with integrating the subtracted OCV_base every OCV_now (t).
  • the time from the stop of charging / discharging until the internal state becomes stable is extremely shorter than that of the liquid lead acid battery, and the OCV can be obtained in a stable period of 30 minutes or more, for example, about 1 hour.
  • ⁇ t t2 ⁇ t1.
  • OCV measurement time and ⁇ t vary depending on the type of battery, it is necessary to obtain reference data.
  • These OCV measurement time and ⁇ t are the amount of active material used, the particle size, the amount of electrolyte, the thickness of the electrode plate, even in the electricity storage device conforming to the same standard using the same reactant.
  • the reference data needs to be acquired in each case.
  • These OCV measurement times and ⁇ t may be used within a range in which the design of the electricity storage device is not changed, as long as the storage device is designed with the same reactant and the same design, the reference data need only be created once. .
  • These OCV measurement times and ⁇ t can be used by similarly creating reference data even when used in a form such as an assembled battery or a battery pack.
  • FIG. 3 shows a comparison of the DSt1_t2 calculated with the formula (2) with respect to the SOC in comparison with the stable OCV.
  • a change in DSt1_t2 is indicated by a symbol C
  • a change in OCV when stable is indicated by a symbol D.
  • the change in OCV is relatively small between SOC_1 and SOC_2
  • DSt1_t2 changes greatly between SOC_1 and SOC_2.
  • the state detection unit 110 performs the nth state detection in the state detection mode after the charge / discharge stop of the storage battery 10, using the OCV_base_n that is the stable OCV at this time and the voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n described above.
  • the SOC_n of the storage battery 10 can be obtained as follows. Or
  • the functions F1 (OCV_base_n), G1 (OCV_base_n, St1_t2_n), G2 (OCV_base_n, DSt1_t2_n), and F2 (OCV_base_n) used in the above equations (3) to (5) are determined in advance based on the characteristics of the storage battery 10. And stored in, for example, the ROM portion of the storage unit 120.
  • the functions F1 (OCV_base_n) and F2 (OCV_base_n) for calculating the SOC_n from the OCV_base_n are functions indicating the relationship between the SOC and the stable OCV as in the conventional case, and can be expressed in one function form.
  • the function G1 (OCV_base_n, St1_t2_n) or G2 (OCV_base_n, DSt1_t2_n) is calculated based on the voltage change St1_t2_n or DSt1_t2_n.
  • the voltage changes St1_t2_n and DSt1_t2_n are defined as an integrated value of OCV_now (t) and an integrated value of (OCV_now (t) ⁇ OCV_base_n) in one time range from t1 to t2 (hereinafter referred to as an integrated time range).
  • the integrated value may be calculated and used in two or more integrated time regions.
  • the voltage change amounts St3_t4_n and DSt3_t4_n are calculated in the integration time range of t3 to t4 different from the integration time range of t1 to t2, and equations (4-1) and (4-2) ) Can be changed to the following equation, so that SOC1_n can be calculated with higher accuracy.
  • the current measurement value I_now (t) of the storage battery 10 is acquired at a predetermined period, and the integrated value is calculated, and this is used as the amount of change in SOC (hereinafter referred to as ⁇ SOCon). ) Is calculated. Then, the current SOC during charging / discharging is calculated by adding the SOC change amount ⁇ SOCon to SOC_n ⁇ 1 obtained in the previous state detection mode.
  • the full charge capacity of the storage battery 10 is updated to the latest value in the full charge mode.
  • the full charge mode is an SOC region in which the relationship between the OCV and the SOC is flat for the purpose of managing the state of the storage battery 10 in order to reset the state amount, recover the state, equalize the state amount between cells, and the like.
  • Charging is performed so that the SOC becomes higher than that.
  • the full charge condition for fully charging an iron phosphate-based Li ion battery is to perform CC (constant current) charge up to 3.6 V at 0.3 to 1.0 CA current in terms of C rate. After reaching 6V, charging control is performed until CV (constant voltage) charging reaches 0.05 CA.
  • CC constant current
  • CV constant voltage
  • the storage battery 10 when the m-th full charge mode is started from the start of use of the storage battery 10 or the like, the storage battery 10 is first controlled to be fully charged according to the full charge condition as described above. Then, after completion of the full charge control, a predetermined period OCV_now (t) is measured, and based on this, the voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n is calculated by the formula (1) or the formula (2). Using this voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n, the full charge capacity (SOH_m) is calculated from the following equation. Or
  • SOH_m calculated by the above formulas (6-1) and (6-2) is, for example, a capacity expressed in “mAh” units.
  • the voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n calculated in one integrated time range from t1 to t2 is used.
  • an integrated value may be calculated and used in two or more integrated time ranges.
  • the function H1 in the equation (6-1) and the function H2 in the equation (6-2) are functions of integral values in two or more integration time ranges, respectively.
  • SOH_m When SOH_m is calculated in the full charge mode, it is stored in the storage unit 120 and used for calculation of the SOC during charging / discharging of the storage battery 10 thereafter. That is, when converting the integrated value of the current measurement value I_now (t) to the SOC change amount ⁇ SOC during charging / discharging of the storage battery 10, the latest SOH_m updated in the last full charge mode is read from the storage unit 120 and used. .
  • the state detection unit 110 provided in the state detection device 100 according to the present embodiment starts detection of the state of the storage battery 10 according to a predetermined timing or a request signal from inside or outside the state detection device 100.
  • a predetermined timing for example, a periodic timing for every predetermined time interval can be used.
  • a request signal from the inside of the state detection device 100 there is a request signal that is added based on the previous state detection result.
  • a request signal from the outside of the state detection device 100 a request signal from a user or maintenance staff of the target system 1, a request signal from a device in the target system 1 connected to the storage battery 10, and the target A request signal from an external system connected to the system 1 can be considered.
  • step S1 it is determined whether or not the full charge mode is requested.
  • the full charge mode may be requested from the outside of the state detection device 100 or may be requested from the inside.
  • a forced execution command by a user or maintenance staff a request signal from a device in the target system 1 connected to the storage battery 10, and the target system 1 There is a request signal from an external system connected to.
  • a request from the inside of the state detection device 100 it may be determined that the SOC has decreased as a result of the state detection so far. If it is determined in step S1 that there is any of the above-described full charge mode requests, the process proceeds to step S4 for determining the full charge mode start condition.
  • step S2 the normal operation mode, where it is determined whether or not the state detection mode is requested.
  • the state detection mode there are requests from the outside of the state detection device 100 and requests from the inside of the state detection device 100.
  • a forced execution command by a user or a maintenance staff a device in the target system 1 connected to the storage battery 10, or the like And a request signal from an external system connected to the target system 1.
  • a state detection mode request from the inside of the state detection device 100 there are cases where it is determined that a predetermined request condition is satisfied as a result of state detection so far.
  • step S2 If it is determined in step S2 that the state detection mode is requested, the process proceeds to step S3. If the state detection mode is not requested, the process proceeds to step S10. In step S3, it is determined whether or not the state detection mode is permitted. The state detection mode is permitted when (1) the execution of the state detection mode is permitted in advance by a permission signal from the user or an external system, or (2) the state detection mode is forcibly executed from the outside. In this case, the process proceeds to the state detection mode process in step S20. On the other hand, if it is determined that the state detection mode is not permitted, the process proceeds to step S10.
  • step S12 the SOCn-1 calculated in the previous state detection mode is read from the storage unit 120, and in step S13, the current SOC is calculated from the SOCn-1 and ⁇ SOCon by the following equation.
  • SOC SOCn-1 + ⁇ SOCon
  • step S3 If it is determined in step S3 that the state detection mode is permitted, processing in the state detection mode is performed in steps S20 to S23.
  • the state detection mode is performed n times after the use of the storage battery 10 is started.
  • step S20 charge control or discharge control is performed on the storage battery 10 as charge / discharge control before state detection. This makes it possible to perform state detection under stable conditions by making the state of the electrolyte solution of the storage battery 10 when performing the state detection mode as reproducible as possible.
  • the amount of charge or the amount of discharge performed as the charge / discharge control before state detection is suitably determined according to the type, model number, capacity, combined quantity, etc. of the storage battery 10. As an example, in the case of a 18650-type iron phosphate Li-ion battery, it is desirable to perform charging at 2% or more in terms of new capacity.
  • step S21 measurement of OCV_now (t) is started after the end of charge / discharge control before state detection, and this is continued until the reference time at which the reference OCV (OCV_base_n) is obtained.
  • the reference time for obtaining OCV_base_n is preferably a time that has passed 30 minutes or more from the end of the charge / discharge control before state detection. For example, in an iron phosphate Li-ion battery, it is preferably about 1 hour. The reference time varies depending on the size and type of the battery.
  • the state detection mode can be detected not only when the current of the storage battery 10 is 0, but also when the following current / voltage is measured.
  • a small current (dark current) is consumed by a measuring instrument, controller, communication device, etc., but the influence on the voltage change amount can be corrected and is in an allowable range that can be regarded as a pseudo-OCV.
  • the reference data is created based on the voltage change amount measured in advance under the same conditions, and the reference data selected based on the current value.
  • step S22 the voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n is calculated from the equation (1) or the equation (2) based on the measured OCV_now (t). Note that the voltage change amount may be calculated and used not only in one integrated time region t1 to t2, but also in two or more integrated time regions.
  • OCV_base_n is represented by equations (3) to (3). Any function satisfying the condition shown in 5) is read from the storage unit 120, and the current remaining capacity SOC_n is calculated from the OCV_base_n and the voltage variation St1_t2_n or DSt1_t2_n using this function.
  • step S4 determines whether a full charge mode start condition is satisfied.
  • a full charge mode start condition there are conditions such as permission from the user or the like, permission signal from the outside of the state detection device, forced state detection execution command, and the like. When any of these conditions is satisfied, the full charge mode processing of steps S30 to S33 is performed, and when none of the conditions is satisfied, the processing is terminated without processing.
  • step S30 the storage battery 10 is controlled to be fully charged according to the above-described full charge condition.
  • the measurement of OCV_now (t) is started in step S31, and this is continued until the reference time at which the reference OCV (OCV_base_n) is obtained.
  • step S32 the voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n is calculated from the measured OCV_now (t) using the formula (1) or the formula (2). Note that the voltage change amount may be calculated and used not only in one integrated time region t1 to t2, but also in two or more integrated time regions.
  • step S33 the function H1 (OCV_base_n, St1_t2_n) shown in the equation (6-1) or the function H2 (OCV_base_n, DSt1_t2_n) shown in the equation (6-2) is read from the storage unit 120, and this is read.
  • OCV_base_n the voltage change amount St1_t2_n or DSt1_t2_n
  • SOH_m the remaining capacity at full charge, that is, SOH_m is calculated. Since SOH_m is calculated as an absolute amount expressed in units of “mAh”, for example, a reduction amount from the initial capacity when the use of the storage battery 10 is started can be calculated.
  • step S33 When SOH_m is calculated in step S33, it is stored in the storage unit 120 in step S34. This SOH_m is read from the storage unit 120 and used in the process of step S11 for calculating the SOC change amount ⁇ SOCon from the current integrated value during the subsequent charging and discharging of the storage battery 10.
  • step S5 the processing result in each mode is output to the target system 1 or the user using the status output means 130.
  • the calculated SOC_n is output to the state output unit 130
  • SOH_m is output to the state output unit 130. Is done.
  • the calculated SOC_n is compared with a predetermined threshold value and it is determined that the remaining capacity is insufficient, a signal for notifying this is output from the state output unit 130 to the target system 1 or an external system. Can be.
  • the present invention it is possible to estimate the remaining capacity with high accuracy and perform state detection even for an electricity storage device in which it is difficult to accurately estimate the remaining capacity from the stable OCV. It becomes possible to provide the state detection method and apparatus of an electrical storage device. Thereby, the remaining capacity of the electricity storage device can be obtained with high accuracy, and the state detection can be performed, and an unexpected situation where the electricity storage device mounting system stops due to insufficient charging can be avoided.
  • the SOC of the power storage device is calculated in the normal operation mode, while the SOH is calculated in the full charge mode. It is possible to notify the user or the like with a clear distinction.
  • the full charge mode since SOH is calculated after full charge control, it is possible to calculate SOH with high accuracy, thereby detecting deterioration of the electricity storage device at an early stage and preventing damage or the like in advance. it can.
  • the power storage device state detection method and apparatus include, for example, an electric vehicle, a mobile phone, a backup battery that operates in the event of a power failure, and further, the generation of natural energy by sunlight or wind power in cooperation with the grid power.
  • the present invention can be applied to an apparatus in which an electricity storage device such as an electricity storage device used for electric power leveling and a system incorporating the electricity storage device is mounted and monitoring or state detection is necessary.
  • an electricity storage device such as an electricity storage device used for electric power leveling and a system incorporating the electricity storage device is mounted and monitoring or state detection is necessary.
  • Suitable for power storage devices that have small changes in stable OCV against changes in remaining capacity such as iron phosphate-based Li-ion batteries, vanadium phosphate-based Li-ion batteries, and lithium-ion batteries that use titanium oxide. It is.
  • Target system 10 Power storage device 11: Charging means 12: Control means 20: Load 30: Voltage measurement means 31: Current measurement means 32: Temperature measurement means 100: State detection device 110: State detection part 120: Storage part 130: Status output means

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

蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置
　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：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）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）　
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　（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）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
または
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　または
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　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 (8)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
    　
    　

    　
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