WO2021014506A1

WO2021014506A1 - 充放電制御装置および充放電制御方法

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Publication number: WO2021014506A1
Application number: PCT/JP2019/028511
Authority: WO
Inventors: 貴仁井田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-28
Also published as: US20220352736A1; JPWO2021014506A1; JP7113976B2

Abstract

直列に接続された複数の蓄電池（１）を含む組電池（１０）において、蓄電池（１）間の容量ばらつきを検知して、組電池（１０）の充放電を制御する充放電制御装置（１００）を提供する。　本発明に充放電制御装置（１００）であって、組電池（１０）の電流値に基づいて組電池（１０）の電荷量に対応する値である電荷量対応値を求め、組電池（１０）の開回路電圧を電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値として算出する充放電制御部（２）を備え、充放電制御部（２）は、予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、充電停止条件を満たしたときの電圧２階微分値に基づいて組電池（１０）において複数の蓄電池（１）間の容量ばらつきの有無を判定する。

Description

充放電制御装置および充放電制御方法

　本発明は、リチウムイオン電池の充放電制御に関し、特に直列に接続された蓄電池セル間の容量のばらつきを検知できる充放電制御装置および充放電制御方法に関する。

　従来、定置用途などの大容量が必要とされる蓄電システムでは、複数の蓄電池を直列に接続した蓄電パックや蓄電モジュールが使用されている。このような大容量が必要とされる蓄電システムには、高いエネルギー密度、及び高い出力密度といった特徴を持つリチウムイオン電池が多く使われている。しかし、リチウムイオン電池は製造時のばらつきや使用環境の温度ばらつきなどにより、直列につないだ蓄電池間でも容量ばらつきが発生する場合がある。直列につないだ蓄電池は同じ電流量が充放電されるため、低容量になった蓄電池は過充電や過放電になる恐れがある。
　一方、リチウムイオン電池は、過充電や過放電に弱く、定められた電圧の範囲内で使用しなければ、異常発熱や内部短絡を引き起こして蓄電池として使用できなくなるおそれがある。このため、例えば下記特許文献１には、蓄電池セルごとに電圧センサを取り付け、蓄電池セル毎の電圧によって充放電の終了を判定する充放電制御装置が記載されている。また、下記特許文献２には、組電池の総電圧を測定し、蓄電池セル間に残容量のばらつきが発生した場合、過充電になる前に充電を終了する充放電制御装置が記載されている。

特開２０１８－２３２５７特開２０１５－７３４２９

　しかしながら特許文献１の充放電装置にあっては、蓄電池セル毎に電圧センサを取り付けると蓄電池構造が複雑化してしまうという問題点があった。また、特許文献２の充放電装置にあっては、蓄電池セル間に残容量のばらつきが発生した場合では、過充電を防止することは可能であっても、低容量になった蓄電池を検出できない。低容量になった蓄電池を使用し続けると過放電状態となり、内部短絡に繋がる可能性もあるという問題点があった。
　本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池において、蓄電池セル毎の電圧を測定することなく、蓄電池間の容量ばらつきを検知して、組電池の充放電を制御することが可能な充放電制御装置および充放電制御方法を提供することを目的としている。

　本発明に係る直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池の充放電を制御する充放電制御装置は、組電池の電流値に基づいて組電池の電荷量に対応する値である電荷量対応値を求め、組電池の開回路電圧を電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値として算出する充放電制御部を備え、充放電制御部は、予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、充電停止条件を満たしたときの電圧２階微分値に基づいて組電池において複数の蓄電池間の容量ばらつきの有無を判定することを特徴とする。
　本発明に係る直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池の充放電を制御する充放電制御方法は、組電池の電圧値を測定するステップと、組電池の電流値を測定するステップと、電流値の変化に対する電圧値の変化から組電池の組電池抵抗値を推定するステップと、電流値から組電池の電荷量に対応する値である電荷量対応値を算出するステップと、組電池の開回路電圧を電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値として算出するステップと、予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、充電停止条件を満たしたときの電圧２階微分値に基づいて組電池において複数の蓄電池間の容量ばらつきの有無を判定するステップと、を含む。

　本発明に係る充放電制御装置及び充放電制御方法によれば、直列に接続された蓄電池セル間の容量ばらつきを検知することができる。低容量になった蓄電池セルが過充電状態や過放電状態のままで、使用し続けられることを避けることができる。

本発明の実施の形態１に係る充放電制御装置の構成を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る抵抗値推定部の動作フローチャートである。本発明の実施の形態１に係る充放電制御装置の制御フローチャートである。直列に接続された蓄電池を含む組電池の充電時の開回路電圧を電荷量で２階微分した値の例を示すグラフである。直列に接続された蓄電池を含む組電池と蓄電池セル単体の充電時の電圧変化例を示すグラフである。本発明の実施の形態２に係る充放電制御装置の制御フローチャートである。本発明の実施の形態３に係る充放電制御装置の制御フローチャートである。直列に接続された蓄電池を含む組電池の充電時の開回路電圧を電荷量で１階微分した値の例を示すグラフである。本発明の実施の形態４に係る充放電制御装置の構成を示す説明図である。本発明の実施の形態５に係る充放電制御装置の構成を示す説明図である。

　以下、本発明の実施の形態に係る充放電制御装置及び充放電制御方法について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

実施の形態１．
　図１は本発明の実施の形態１に係る充放電制御装置の構成図である。複数の蓄電池１が直列に接続された組電池１０の充放電を制御する充放電制御装置１００である。ここでいう蓄電池１とはリチウムイオン電池のことであり、より具体的な例としてはリン酸鉄リチウムを正極の主成分として、もしくはチタン酸リチウムを負極の主成分として用いたリチウムイオン電池である。
　充放電制御装置１００は、充放電制御部２、組電池１０と並列に接続された電圧センサ３、および組電池１０と直列に接続された電流センサ４を有する。電圧センサ３は組電池１０の電圧値Ｖを測定し、電流センサ４は組電池１０に流れる電流値Ｉを測定する。測定された電圧値Ｖおよび電流値Ｉはそれぞれ充放電制御部２に出力する。

　充放電制御部２は、抵抗値推定部５、演算部６、記憶部７を含み、各部の動作を制御し、外部からの指令、組電池１０の電圧値Ｖ、電流値Ｉ、及び電圧値Ｖと電流値Ｉに基づいた演算結果により蓄電池１間の容量ばらつきを検知して組電池１０の充放電制御を行う。また必要に応じて、容量ばらつきを検知した場合の外部へのアラームを発生する警報部８が設けられる。
　抵抗値推定部５は、組電池１０の電圧値Ｖ、電流値Ｉから組電池抵抗値Ｒを推定する。
　演算部６は、組電池１０の電圧値Ｖ、電流値Ｉ、組電池抵抗値Ｒから開回路電圧ＯＣＶを推定し、開回路電圧ＯＣＶ、電流値Ｉから開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値などを算出する。ここで、電荷量Ｑは、電荷量対応値として電荷の量を表しており、電流値Ｉを時間で積分したものである。なお、電荷量Ｑは、「電荷量対応値」の一例である。電荷量対応値として、電荷量Ｑの代わりに、残容量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を用いてもよい。ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）は、電荷量を蓄電池の満充電容量で除算することで得られる値である。
　記憶部７は電圧値Ｖ、電流値Ｉ、抵抗値Ｒ、開回路電圧ＯＣＶ、開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値、および設定された各閾値（後述する）などを記憶する。
　充放電制御部２は、上記の各演算結果および記憶された値により蓄電池セル間の容量ばらつき有無を判定して組電池１０の充放電制御を行う。

　図２は本発明の実施の形態１に係る充放電制御装置１００における抵抗値推定部５の動作を示す抵抗値算出フローチャートである。以下、図２のフローチャートに関して説明する。
　図２において、抵抗値推定部５の動作を開始すると、ステップＳ０１で、組電池１０と直列に接続された電流センサ４は組電池１０に流れる電流値Ｉを測定し、組電池１０と並列に接続された電圧センサ３は組電池１０の電圧値Ｖを測定する。電流値Ｉと電圧値Ｖはそれぞれ充放電制御部２に出力されて、記憶部７に記憶される。
　次のステップＳ０２では、電流センサ４で測定された電流値Ｉの変化有無を判定する。電流値Ｉの変化有無について、例えば、充放電過程中の時間前後において電流センサが測定した電流値Ｉの変化有無を指す。電流値Ｉが変化していない場合は、最初のステップＳ０１に戻る。電流値Ｉが変化していた場合、ステップＳ０３に移行する。

　ステップＳ０３では、抵抗値推定部５は、組電池１０に流れる電流値Ｉの変化に対する電圧値Ｖの変化から組電池１０の組電池抵抗値Ｒを求める。以下の式（１）を用いて組電池抵抗値Ｒを算出する。

　ここで、Ｉ_１は電流値が変化する前の電流値、Ｉ_２は電流値が変化した後の電流値、Ｖ_１は電流値が変化する前の電圧値、Ｖ_２は電流値が変化した後の電圧値である。算出された組電池抵抗値Ｒは記憶部７に記憶される。
　なお、式（１）は組電池抵抗値の算出方法の一例であり、ほかの既知の抵抗値の推定方法を用いても良い。
　図２に示す抵抗値算出フローチャートは、放電の開始もしくは終了などの任意のタイミングで行う。蓄電池１は使用中に抵抗値が変化することがあるため、一定期間毎に組電池抵抗値Ｒを算出して記憶部７に記憶された値を更新する。

　図３は本発明の実施の形態１に係る充放電制御装置の容量ばらつき判定フローチャートであり、充放電制御部２の稼働中に一定の時間間隔で繰り返し実行され、蓄電池セル間の容量ばらつきを検知する。以下、図３のフローチャートに関して説明する。
　図３において、充放電制御部２の動作を開始すると、ステップＳ０４で、組電池１０と直列に接続された電流センサ４は組電池１０に流れる電流値Ｉを測定し、組電池１０と並列に接続された電圧センサ３は組電池１０の電圧値Ｖを測定する。測定された電流値Ｉと電圧値Ｖはそれぞれ充放電制御部２に出力されて、記憶部７に記憶される。

　ステップＳ０５では、充放電制御部２は、電流センサ４での測定結果により組電池１０が充電されているかを判定する。例えば、充電方向の電流値Ｉが検出されると充電有りと判断する。組電池１０が充電されていないと判断した場合、最初のステップＳ０４に戻る。組電池１０が充電されていると判断した場合、ステップＳ０６に移行する。

　ステップＳ０６では、演算部６は、電圧センサ３が測定した組電池１０の電圧値Ｖから、電流センサ４が測定した電流値Ｉに抵抗値推定部５が推定した組電池抵抗値Ｒを乗じた値を減算する式（２）を用いて、組電池１０の開回路電圧ＯＣＶを算出する。

　式（２）により開回路電圧ＯＣＶを算出することで、充電中に電流値Ｉが変化した場合でも、電流値Ｉと組電池抵抗値Ｒとの積を減算することにより誤差を補正し、正確に組電池１０の開回路電圧ＯＣＶを算出できる。

　また、演算部６は、式（３）で開回路電圧ＯＣＶを電荷量対応値としての電荷量Ｑで２階微分し、電圧２階微分値として算出する。

　記憶部７は開回路電圧ＯＣＶおよび電圧２階微分値を記憶する。なお、演算部６でローパスフィルターなどを用いて測定値に含まれる測定誤差の補正を行っても良い。

　次のステップＳ０７では、充放電制御部２は、組電池１０の電圧Ｖと第１閾値Aとを比較し、充電完了有無を判定する。ここで、第１閾値Aは、例えば直列した蓄電池１の個数であるＮと蓄電池１個あたりの満充電電圧Ｖ_Ｏｍａとの積であり、以下の式（４）で決定される。

　組電池１０の電圧Ｖが第１閾値Aよりも小さく、すなわち、Ｖ＜Ａであった場合、ステップＳ０４に戻り、充電を継続する。一方、充電停止条件としては、組電池の電圧Ｖが第１閾値A以上である場合に成立する。すなわち、Ｖ≧Ａであった場合、充放電制御部２は充電停止条件を満たすと判定し、ステップＳ０８に移行して充電を停止する。

　次のステップＳ０９では、充電停止条件を満たしたときの電圧２階微分値に基づいて組電池１０において複数の蓄電池１間の容量ばらつきの有無を判定する。充放電制御部２は、開回路電圧ＯＣＶを電荷量対応値としての電荷量Ｑで２階微分した値である電圧２階微分値とばらつき判定閾値Ｚとを比較する。ばらつき判定閾値Ｚは、例えば、蓄電池１の単体における開回路電圧を電荷量対応値としての電荷量で２階微分した値の最大値である。蓄電池１は同じ種類の蓄電池が複数個直列に接続されており、電圧２階微分値の最大値は各蓄電池１で同じ値である。
　なお、ばらつき判定閾値Ｚは蓄電池の製造時に電池の設計基準などにより決められて、記憶部７に記憶させた値でも良い。
　開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚよりも大きい場合、すなわち、電圧２階微分値＞Ｚであった場合、ステップＳ１０で組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきは発生していないと判定し、容量ばらつき判定フローチャートを終了する。
　開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚ以下であり、すなわち、電圧２階微分値≦Ｚであった場合、ステップＳ１１に移行して組電池１０内に低容量になった蓄電池が発生し、蓄電池セル間に容量ばらつきが発生したと判断する。

　次に、ステップＳ１２で充放電制御部２は充放電の制限と警報部８による外部へのアラームの少なくともいずれか一方を実施する。ここでいう充放電の制限とは、例えば、再充電時に上限電圧を下げること、放電時の下限電圧を上げること、充放電時の最大電流値を下げることなどである。

　ここで、図４を用いて電圧２階微分値を用いて容量ばらつきを検知できる理由について説明する。図４に組電池１０の充電時の開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値の例を示す。組電池１０において蓄電池１間に容量ばらつきがある場合は、低容量になった蓄電池１の電圧値のみが上昇する。蓄電池１間に容量ばらつきが無い場合は、すべての蓄電池１の電圧値が同時に上昇する。このため、蓄電池１間に容量ばらつきがある場合は、容量ばらつきが無い場合に比べ、組電池１０の開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値が小さくなるので、ばらつき判定閾値Ｚを適切に設定することにより、蓄電池１間の容量ばらつき有無の判定が可能となる。組電池１０の開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分することにより、電荷量Ｑに対する開回路電圧ＯＣＶの変化率を示す曲線の傾きが１階微分する場合に比べてより大きくなるため、蓄電池間の容量ばらつきに対する判定精度を高めることが可能である。つまり、１階微分ではわずかな傾きの差が、２回微分することでより明確になり、容量ばらつきの判定が容易になる。

　また、図５に、組電池および蓄電池セル単体の充電時のそれぞれの電圧値の変化例を示す。容量ばらつきがある組電池では、低容量になった蓄電池セルは先に電圧が上昇するため、容量ばらつきがある組電池の電圧が初期設定された第１閾値Aに到達した時点で、低容量になった蓄電池セルは過充電となってしまうことが分かる。すなわち、直列に接続された蓄電池間に容量ばらつきが発生した場合、再充電時にも第１閾値Aを基準として充電停止の判定をし続けると、低容量になった蓄電池セルが過充電となる恐れがある。このため、再充電時に充電量閾値を更新するなどの充放電制限を行うか、アラームの通知によって低容量になった蓄電池の再使用禁止などの処置を行う。

　実施の形態１に係る充放電制御装置及び充放電制御方法によれば、直列に接続された蓄電池セル間の容量ばらつきを検知することができる。
　また、仮に容量ばらつき有りと判定された場合は、再充放電時の充放電の制限と警報部８による外部へのアラームの少なくともいずれか一方を実施するため、低容量になった蓄電池セルが過充電状態や過放電状態のままで、使用し続けられることを避けることができる。

実施の形態２．
　実施の形態２では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を使用し、同一または対応する部分についての説明は省略する。実施の形態２に係る充放電制御装置の基本構成は図１に示す実施の形態１係る充放電制御装置と同様である。

　図６は本発明の実施の形態２に係る充放電制御装置が実行する容量ばらつき判定フローチャートである。このフローチャートは充放電制御部２の稼働中に一定の時間間隔で繰り返し実行され、蓄電池セル間の容量ばらつきを検知する。以下、図６のフローチャートに関して、実施の形態２に係る充放電制御方法について説明する。なお、抵抗値推定部５での組電池抵抗値Ｒを算出する動作については、実施の形態１に係る充放電制御方法と同様である。
　図６において、充放電制御部２の動作を開始すると、ステップＳ１３で、組電池１０と直列に接続された電流センサ４は組電池１０に流れる電流値Ｉを測定し、組電池１０と並列に接続された電圧センサ３は組電池１０の電圧値Ｖを測定する。測定された電流値Ｉと電圧値Vはそれぞれ充放電制御部２に出力されて、記憶部７に記憶される。

　ステップＳ１４では、充放電制御部２は、電流センサ４での測定結果により組電池１０が充電されているかを判定する。例えば、充電方向の電流値Ｉが検出されると充電有りと判断する。組電池１０が充電されていないと判断した場合、最初のステップＳ１３に戻る。組電池１０が充電されていると判断した場合、ステップＳ１５に移行する。
　ステップＳ１５では、演算部６は、電圧センサ３が測定した組電池１０の電圧値Ｖから、電流センサ４が測定した電流値Ｉに抵抗値推定部５が推定した組電池抵抗値Ｒを乗じた値を減算する前述の式（２）を用いて、組電池の開回路電圧ＯＣＶを算出する。

　式（２）により開回路電圧ＯＣＶを算出することで、充電中に電流値Ｉが変化した場合でも、電流値Ｉと組電池抵抗値Ｒとの積を減算することにより誤差を補正し、正確に開回路電圧ＯＣＶを算出できる。
　また、演算部６は、式（３）で開回路電圧ＯＣＶを電荷量対応値としての電荷量Ｑで２階微分し、電圧２階微分値として算出する。ここで、電荷量Ｑは、電荷量対応値の一例である。電荷量Ｑの代わりに、電荷量対応値として残容量ＳＯＣを用いてもよい。
　記憶部７は開回路電圧ＯＣＶおよび電圧２階微分値を記憶する。演算部６でローパスフィルターなどを用いて測定値に含まれる測定誤差の補正を行っても良い。ここまでは、実施の形態１における容量ばらつき判定フローチャートでの処理と同様である。

　次のステップＳ１６では、充放電制御部２は、前回算出された開回路電圧を電荷量で２階微分した値である前回算出された電圧２階微分値を第２閾値Ｂとして、今回算出された開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値と、第２閾値Ｂとを比較し、充電完了有無を判定する。つまり、充電停止条件としては、電圧２階微分値の算出時刻に応じた変化が増加から減少に転じる場合に成立する。
　具体的に、今回算出された開回路電圧を電荷量で２階微分した値が前回算出された開回路電圧を電荷量で２階微分した値以上である場合、充電を停止せず、ステップＳ１３に戻る。すなわち、今回算出された電圧２階微分値≧第２閾値Ｂであった場合、充電を継続する。一方、充電停止条件としては、今回算出された開回路電圧を電荷量で２階微分した値が前回算出された開回路電圧を電荷量で２階微分した値よりも小さい場合に成立する。すなわち、今回算出された電圧２階微分値＜第２閾値Ｂであった場合、充放電制御部２は充電停止条件を満たすと判定し、ステップＳ１７に移行して充電を停止する。

　次のステップＳ１８では、充電停止条件を満たしたときの電圧２階微分値に基づいて組電池１０において複数の蓄電池１間の容量ばらつきの有無を判定する。充放電制御部２は、開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値である電圧２階微分値とばらつき判定閾値Ｚとを比較する。ばらつき判定閾値Ｚは、例えば、実施の形態１と同様に、蓄電池１個における開回路電圧を電荷量で２階微分した値の最大値を用いる。また、蓄電池の製造時に電池の設定基準などにより決められて、記憶装置に記憶させた値でも良い。
　開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚよりも大きい場合、すなわち、電圧２階微分値＞Ｚであった場合、ステップＳ１９で組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきは発生していないと判定し、容量ばらつき判定フローチャートを終了する。
　開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚ以下であり、すなわち、電圧２階微分値≦Ｚであった場合、ステップＳ２０に移行して組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきが発生したと判断する。次に、ステップＳ２１で充放電制御部２は充放電の制限と警報部８による外部へのアラームの少なくともいずれか一方を実施する。ここでいう充放電の制限とは、例えば、再充電時に上限電圧を下げること、放電時の下限電圧を上げること、充放電時の最大電流値を下げることなどである。

　実施の形態２に係る充放電制御装置及び充放電制御方法によれば、実施の形態１と同様に、直列に接続された蓄電池セル間の容量ばらつきを検知することができる。
　また、仮に組電池の蓄電池セル間に容量ばらつきがあっても、組電池の電圧2階微分値の変化が増加から減少に転じるタイミングで充電を停止することで、低容量になった蓄電池セルが過充電されることを防止することが可能になる。

実施の形態３．
　実施の形態３では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を使用し、同一または対応する部分についての説明は省略する。実施の形態３に係る充放電制御装置の基本構成は図１に示す実施の形態１係る充放電制御装置と同様である。

　図７は本発明の実施の形態３に係る充放電制御装置が実行する容量ばらつき判定フローチャートである。このフローチャートは充放電制御部２の稼働中に一定の時間間隔で繰り返し実行され、蓄電池セル間の容量ばらつきを検知する。以下、図７のフローチャートに関して、実施の形態３に係る充放電制御方法について説明する。なお、抵抗値推定部５の抵抗値を算出する動作については、実施の形態１に係る抵抗値推定部５と同様である。
　図７において、充放電制御部２の動作が開始されると、ステップＳ２２で、組電池１０と直列に接続された電流センサ４は組電池１０に流れる電流値Ｉを測定し、組電池１０と並列に接続された電圧センサ３は組電池１０の電圧値Ｖを測定する。測定された電流値Ｉと電圧値Vはそれぞれ充放電制御部２に出力されて、記憶部７に記憶される。

　ステップＳ２３では、充放電制御部２は、電流センサ４での測定結果により組電池１０が充電されているかを判定する。例えば、充電方向である電流値Ｉが検出されると充電有りと判断する。組電池１０が充電されていないと判断した場合、最初のステップＳ２２に戻る。組電池１０が充電されていると判断した場合、ステップＳ２４に移行する。
　ステップＳ２４では、演算部６は、電圧センサ３が測定した組電池１０の電圧値Ｖから、電流センサ４が測定した電流値Ｉに抵抗値推定部５が推定した組電池抵抗値Ｒを乗じた値を減算する前述の式（２）を用いて、組電池の開回路電圧ＯＣＶを算出する。
　式（２）により開回路電圧ＯＣＶを算出することで、充電中に電流値Ｉが変化した場合でも、電流値Ｉと組電池抵抗値Ｒとの積を減算することにより誤差を補正し、正確に開回路電圧ＯＣＶを算出できる。ここまでは、実施の形態１の制御処理と同様である。

　また、演算部６は、式（５）で開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで１階微分した値である電圧１階微分値を算出し、前述の式（３）で開回路電圧ＯＣＶを電荷量対応値としての電荷量Ｑで２階微分し、電圧２階微分値として算出する。ここで、電荷量Ｑは、電荷量対応値の一例である。電荷量Ｑの代わりに、電荷量対応値として残容量ＳＯＣを用いてもよい。

　記憶部７は開回路電圧ＯＣＶ、開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで１階微分した値、および電圧２階微分値を記憶する。なお、演算部６でローパスフィルターなどを用いて測定値に含まれる測定誤差の補正を行っても良い。

　次のステップＳ２５では、充放電制御部２は、算出された電圧１階微分値と、第３閾値Ｃとを比較し、充電完了有無を判定する。ここで、第３閾値Ｃは、例えば蓄電池１個あたりの出荷時に規定された正常な使用状態における開回路電圧を電荷量対応値である電荷量で１階微分した値の最大値と設定されるが、ほかの方法を用いて決定しても良い。リン酸鉄リチウムを正極の主成分として、もしくはチタン酸リチウムを負極の主成分として用いたリチウムイオン電池は充電の末期に蓄電池の電圧値が急上昇する特性を持つため、開回路電圧Ｖを電荷量Ｑで１階微分した値と第３閾値Ｃとを比較することで、充電停止条件の判定が可能である。図８に直列に接続された組蓄電の充電時の開回路電圧を電荷量で１階微分した値を示す。開回路電圧を電荷量で１階微分した値を用いることで低容量になった蓄電池セルの電圧上昇状態を判定できる。
　開回路電圧を電荷量で１階微分した値が第３閾値Ｃよりも小さく、すなわち、開回路電圧を電荷量で１階微分した値＜Cであった場合、ステップＳ２２に戻り、充電を継続する。一方、充電停止条件としては、開回路電圧を電荷量で１階微分した値が第３閾値Ｃ以上である場合に成立する。すなわち、開回路電圧を電荷量で１階微分した値≧Cであった場合、充放電制御部２は充電停止条件を満たすと判定し、ステップＳ２６に移行して充電を停止する。

　次のステップＳ２７では、充電停止条件を満たしたときの電圧２階微分値に基づいて組電池１０において複数の蓄電池１間の容量ばらつきの有無を判定する。充放電制御部２は、開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値である電圧２階微分値とばらつき判定閾値Ｚとを比較する。ばらつき判定閾値Ｚは、例えば、実施の形態１と同様に、蓄電池１個における開回路電圧を電荷量で２階微分した値の最大値を用いる。また、蓄電池の製造時に電池の設定基準などにより決められて、記憶装置に記憶させた値でも良い。
　開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚよりも大きい場合、すなわち、電圧２階微分値＞Ｚであった場合、ステップＳ２８で組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきは発生していないと判定し、容量ばらつき判定フローチャートを終了する。
　開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚ以下であり、すなわち、電圧２階微分値≦Ｚであった場合、ステップＳ２９で組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきが発生したと判断する。次に、ステップＳ２１で充放電制御部２は充放電の制限と警報部８による外部へのアラームの少なくともいずれか一方を実施する。ここでいう充放電の制限とは、例えば、再充電時に上限電圧を下げること、放電時の下限電圧を上げること、充放電時の最大電流値を下げることなどである。

　実施の形態３に係る充放電制御装置及び充放電制御方法によれば、実施の形態１と同様に、直列に接続された蓄電池セル間の容量ばらつきを検知することができる。
　また、仮に組電池に容量ばらつきがあっても、組電池の開回路電圧を電荷量で１階微分した値と第３閾値Ｃとの比較を充電停止の判定条件にすることにより、低容量になった蓄電池セルの発生を検出でき、低容量になった蓄電池セルが過充電されることを防止することが可能になる。

実施の形態４．
　図９は実施の形態４に係る充放電制御装置の構成図である。実施の形態４では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を使用し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
　図９に、同一モジュールパック内に直列に接続された複数の蓄電池１を含む組電池１０が複数組直列に接続された組電池グループ２０の充放電を制御する実施の形態４に係る充放電制御装置１０１を示す。充放電制御装置１０１は、複数組の組電池１０とそれぞれ並列に接続された電圧センサ３、組電池グループ２０と直列に接続された電流センサ４、および充放電制御部２を有する。実施の形態４に係る充放電制御装置１０１における充放電制御部２の基本構成は図１に示す実施の形態１係る充放電制御装置１００における充放電制御部２と同様である。なお、複数組の組電池１０が直列に接続された組電池グループ２０の電流値は各組電池１０の電流値と同じ値である。

　実施の形態４に係る充放電制御装置１０１も、実施の形態１から３に係る充放電制御方法を適用することができる。実施の形態１から３に係る充放電制御方法と同じように、まずは一定の期間において、図２の抵抗値推定部５の動作を示す抵抗値算出フローチャートに沿って、組電池１０の組数がＭとする場合、各組電池１０の組電池抵抗値Ｒ（M）を式（１）に相当する式（６）によってそれぞれ算出して記憶部７に記憶する。

　ここで、Ｉ_１は電流値が変化する前の電流値、Ｉ_２は電流値が変化した後の電流値、Ｖ（Ｍ）_１は電流値が変化する前の当該組電池の電圧値、Ｖ（Ｍ）_２は電流値が変化した後の当該組電池の電圧値である。算出された当該組電池の組電池抵抗値Ｒ（Ｍ）は記憶部７に記憶される。なお、式（６）は組電池抵抗値の算出方法の一例であり、ほかの既知の抵抗値の推定方法を用いても良い。

　次に、実施の形態４に係る充放電制御方法も、例えば図３に示す実施の形態１における容量ばらつき判定フローチャートに沿って順に実施することができる。
　図３において、充放電制御部２の動作が開始されると、ステップＳ０４へと移行する。ステップＳ０４では、電流センサ４は組電池グループ２０に流れる電流値Ｉを測定し、電圧センサ３は各組電池１０の電圧値Ｖ（M）を測定し、それぞれ充放電制御部２に出力されて、記憶部７に記憶される。
　ステップＳ０５では、充放電制御部２は、電流センサ４で測定結果により組電池グループ２０が充電されているかを判定する。充電方向である電流値Ｉが検出されると充電有りと判断する。組電池グループ２０が充電されていないと判断した場合、最初のステップＳ０４に戻る。組電池グループ２０が充電されていると判断した場合、ステップＳ０６に移行する。

　ステップＳ０６では、演算部６は、前述の式（２）に相当する式（７）を用いて各組電池１０の開回路電圧ＯＣＶ（M）を算出する。

　すなわち、開回路電圧ＯＣＶ（M）は、各電圧センサ３が測定した各組電池１０の電圧値Ｖ（M）から、電流センサ４が測定した電流値Ｉに抵抗値推定部５が推定した各組電池抵抗値Ｒ（M）を乗じた値を減算して算出される。
　また、演算部６は、前述の式（３）に相当する式（８）で各組電池１０の開回路電圧ＯＣＶ（M）を電荷量対応値としての電荷量Ｑで２階微分した値を電圧２階微分値としてそれぞれ算出する。ここで、電荷量Ｑは、電荷量対応値として電荷の量を表しており、電流値Ｉを時間で積分したものである。また、電荷量Ｑは、電荷量対応値の一例である。電荷量Ｑの代わりに、電荷量対応値として残容量ＳＯＣを用いてもよい。

　記憶部７は各組電池の開回路電圧ＯＣＶ（M）を電荷量Ｑで２階微分した値を記憶する。なお、演算部６でローパスフィルターなどを用いて測定値に含まれる測定誤差の補正を行っても良い。

　次のステップＳ０７では、充放電制御部２は、各組電池１０の電圧Ｖ（Ｍ）と第１閾値Ａとをそれぞれ比較し、充電完了有無を判定する。第１閾値Ａは、例えば各組電池における直列した蓄電池１の個数であるＮと蓄電池１個当たりの満充電電圧Ｖｍａｘを用いて前述の式（４）で決定される。
　全ての組電池１０の電圧Ｖ（M）が第１閾値Aよりも小さく、すなわち、Ｖ（M）＜Ａであった場合、ステップＳ０４に戻り、充電を継続する。一方、充電停止条件としては、１組以上の組電池１０の電圧Ｖ（Ｍ）が第１閾値Ａ以上である場合に成立する。すなわち、Ｖ（Ｍ）≧Ａがあった場合、充放電制御部２は充電停止条件を満たすと判定し、ステップＳ０８に移行して充電を停止する。

　次のステップＳ０９では、充電停止条件を満たしたときの各電圧２階微分値に基づいて各組電池１０において複数の蓄電池１間の容量ばらつきの有無をそれぞれ判定する。充放電制御部２は、各組電池の開回路電圧ＯＣＶ（M）を電荷量Ｑで２階微分した値とばらつき判定閾値Ｚとをそれぞれ比較する。ばらつき判定閾値Ｚは、例えば、蓄電池１個における開回路電圧を電荷量で２階微分した値の最大値を用いる。また、蓄電池の製造時に電池の設定基準などにより決められて、記憶装置に記憶させた値でも良い。
　各組電池１０における開回路電圧ＯＣＶ（M）を電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚよりも大きい場合、すなわち、各組電池１０の電圧2階微分値＞ばらつき判定閾値Ｚであった場合、ステップＳ１０で組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきは発生していないと判定し、終了する。開回路電圧ＯＣＶを電荷量Ｑで２階微分した値がばらつき判定閾値Ｚ以下である組電池１０があった場合、すなわち、電圧2階微分値≦Ｚの組電池１０があった場合、ステップＳ１１で当該組電池１０内の蓄電池セル間に容量ばらつきが発生したと判断し、ステップＳ１２で充放電制御部２は充放電の制限と警報部８による外部へのアラームの少なくともいずれか一方を実施する。ここでいう充放電の制限とは、例えば、再充電時に上限電圧を下げること、放電時の下限電圧を上げること、充放電時の最大電流値を下げることなどである。

　実施の形態４に係る充放電制御装置及び充放電制御方法によれば、直列に接続された組電池グループにおける各組電池内の蓄電池セル間の容量ばらつきを検知することができる。

　実施の形態５．
　図１０は実施の形態５に係る充放電制御装置の構成図である。実施の形態５では、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を使用し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
　実施の形態５に係る充放電制御装置１０２および充放電制御方法は、バイポーラ型電池に対して適用できる。実施の形態５に係る充放電制御装置１０２の基本構成は図１に示す実施の形態１係る充放電制御装置１００と同様である。

　図１０に示すように、バイポーラ型電池１６は、セパレータ１２の間において、集電体１１の表と裏にそれぞれ正極用合剤１３と負極用合剤１４が配置されて積み重ねたバイポーラ型積層電極１５が直列に接続された構造をしている。複数のバイポーラ型積層電極１５で構成された１つのバイポーラ型電池１６は、複数の蓄電池が直列に接続された組電池にみなすことができる。すなわち、実施の形態１における蓄電池はバイポーラ型積層電極に対応し、組電池は複数のバイポーラ型積層電極を直列に接続されたバイポーラ型電池に対応する。バイポーラ型電池１６においても、バイポーラ型積層電極１５間の容量ばらつき有無を判定でき、実施の形態１から３に係る充放電制御方法で低容量になった電極の検知が可能である。

　実施の形態５に係る充放電制御装置及び充放電制御方法によれば、バイポーラ型電池内のバイポーラ型積層電極間の容量ばらつきを検知することができる。

１　蓄電池、２　充放電制御部、３　電圧センサ、４　電流センサ、５　抵抗値推定部、６　演算部、７　記憶部、８　警報部、１０　組電池、１１　集電体、１２　セパレータ、１３　正極用合剤、１４　負極用合剤、１５　バイポーラ型積層電極、１６　バイポーラ型電池、２０　組電池グループ、１００、１０１、１０２　充放電制御装置

Claims

　直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、
　前記組電池の電流値に基づいて前記組電池の電荷量に対応する値である電荷量対応値を求め、前記組電池の開回路電圧を前記電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値として算出する充放電制御部を備え、
　前記充放電制御部は、予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、前記充電停止条件を満たしたときの前記電圧２階微分値に基づいて前記組電池において前記複数の蓄電池間の容量ばらつきの有無を判定することを特徴とする充放電制御装置。
　直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池が複数組直列に接続された組電池グループの充放電を制御する充放電制御装置であって、
　前記組電池の電流値に基づいて前記組電池の電荷量に対応する値である電荷量対応値を求め、前記各組電池の開回路電圧を前記電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値としてそれぞれ算出する充放電制御部を備え、
　前記充放電制御部は、予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、前記充電停止条件を満たしたときの前記各電圧２階微分値に基づいて前記各組電池において前記複数の蓄電池間の容量ばらつきの有無をそれぞれ判定することを特徴とする充放電制御装置。
　前記蓄電池はバイポーラ型積層電極に対応し、
　前記組電池は複数の前記バイポーラ型積層電極を直列に接続されたバイポーラ型電池に対応し、
　前記電圧２階微分値に基づいて、前記バイポーラ型電池における前記バイポーラ型積層電極間の容量ばらつき有無を判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の充放電制御装置。
　前記蓄電池の単体における開回路電圧を前記電荷量対応値で２階微分した値の最大値を容量ばらつき判定閾値として、
　前記充放電制御部は、前記電圧２階微分値が前記容量ばらつき判定閾値以下である場合は、前記複数の蓄電池間に前記容量ばらつきがあると判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　前記組電池の電圧値を測定する電圧センサと、前記組電池の電流値を測定する電流センサとをさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　前記充放電制御部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化から前記組電池の組電池抵抗値を推定する抵抗値推定部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の充放電制御装置。
　前記充放電制御部は、前記電圧値から前記電流値に前記組電池抵抗値を乗じた値を減算して前記組電池の開回路電圧を算出することを特徴とする請求項６に記載の充放電制御装置。
　前記充放電制御部により前記容量ばらつきがあると判定した場合、前記組電池に対する充放電の制限、および、前記容量ばらつきがあるとの外部へのアラームのうち、少なくともいずれか一方を実施することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　直列に接続された蓄電池の個数と蓄電池１個あたりの満充電電圧との積を第１閾値として、
　前記充電停止条件は、前記電圧値が前記第１閾値以上である場合に成立し、充電を停止するように制御することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　前記充電停止条件は、
　前記電圧２階微分値の算出時刻に応じた変化が増加から減少に転じる場合に成立し、充電を停止するように制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　前記組電池の開回路電圧を前記電荷量対応値で１階微分した値を電圧１階微分値として算出し、
　蓄電池１個あたりの出荷時に規定された正常な使用状態における開回路電圧を電荷量対応値である電荷量で１階微分した値の最大値を第３閾値として、
　前記充電停止条件は、前記電圧１階微分値が前記第３閾値以上である場合に成立し、充電を停止するように制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　前記蓄電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の充放電制御装置。
　直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池の充放電を制御する充放電制御方法であって、
　前記組電池の電圧値を測定するステップと、
　前記組電池の電流値を測定するステップと、
　前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化から前記組電池の組電池抵抗値を推定するステップと、
　前記電流値から前記組電池の電荷量に対応する値である電荷量対応値を算出するステップと、
　前記組電池の開回路電圧を前記電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値として算出するステップと、
　予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、前記充電停止条件を満たしたときの前記電圧２階微分値に基づいて前記組電池において前記複数の蓄電池間の容量ばらつきの有無を判定するステップと、
を含む充放電制御方法。
　直列に接続された複数の蓄電池を含む組電池が複数組直列に接続された組電池グループの充放電を制御する充放電制御方法であって、
　前記各組電池の電圧値をそれぞれ測定するステップと、
　前記組電池の電流値を測定するステップと、
　前記電流値の変化に対する前記各電圧値の変化から前記各組電池の組電池抵抗値をそれぞれ推定するステップと、
　前記電流値に基づいて前記組電池の電荷量に対応する値である電荷量対応値を算出するステップと、
　前記各組電池の開回路電圧を前記電荷量対応値で２階微分した値を電圧２階微分値としてそれぞれ算出するステップと、
　予め定められた充電停止条件を満たす場合、充電を停止するように制御し、前記充電停止条件を満たしたときの前記各電圧２階微分値に基づいて前記各組電池において前記複数の蓄電池間の容量ばらつきの有無をそれぞれ判定するステップと、
を含む充放電制御方法。
　前記蓄電池はバイポーラ型積層電極に対応し、
　前記組電池は複数の前記バイポーラ型積層電極を直列に接続されたバイポーラ型電池に対応し、
　前記電圧２階微分値に基づいて、前記バイポーラ型電池における前記バイポーラ型積層電極間の容量ばらつき有無を判定するステップと、
を含む請求項１３または請求項１４に記載の充放電制御方法。
　前記蓄電池の単体における開回路電圧を前記電荷量対応値で２階微分した値の最大値を容量ばらつき判定閾値として、
　前記電圧２階微分値が前記容量ばらつき判定閾値以下である場合は、前記複数の蓄電池間に前記容量ばらつきがあると判定することを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の充放電制御方法。