特開 2024-130582 バッテリ装置、制御方法、及び、制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024130582

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】バッテリ装置、制御方法、及び、制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/382 20190101AFI20240920BHJP

   G01R 31/385 20190101ALI20240920BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

G01R31/382

G01R31/385

H01M10/48 301

H01M10/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023040407

(22)【出願日】2023-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】302062931

【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】穂刈 正樹

(72)【発明者】

【氏名】前田 博史

(72)【発明者】

【氏名】田所 博

(72)【発明者】

【氏名】野口 健司

(72)【発明者】

【氏名】小池 洋恵

【テーマコード（参考）】

2G216

5H030

【Ｆターム（参考）】

2G216BA01

2G216BA16

5H030AA09

5H030AS20

5H030FF22

5H030FF51

(57)【要約】

【課題】リチウムイオンのバッテリセルのＳＯＣを精度良く測定することが可能なバッテリ装置、制御方法、及び、制御プログラムを提供すること。
【解決手段】本実施の形態にかかるバッテリ装置は、リチウムイオンのバッテリセルと、バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、バッテリセルの温度を検出する温度センサと、温度センサによって検出された温度と、バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する測定装置と、を備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウムイオンのバッテリセルと、
前記バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、
前記バッテリセルの温度を検出する温度センサと、
前記温度センサによって検出された温度と、前記バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、前記バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する測定装置と、
を備えたバッテリ装置。

【請求項2】

前記バッテリセルと前記測定装置とを熱結合させる結合部材をさらに備えた、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項3】

前記結合部材は、シリコン、シリコーン、及び、アクリルのうち少なくとも何れかを含む樹脂である、
請求項２に記載のバッテリ装置。

【請求項4】

前記バッテリセルは円筒形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの側面に周方向に沿って取り付けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項5】

前記バッテリセルは円筒形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの側面において当該バッテリセルの軸方向よりも周方向に沿って長くなるように取り付けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項6】

前記バッテリセルは円筒形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの底面に取り付けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項7】

前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの負極側の底面に取り付けられている、
請求項６に記載のバッテリ装置。

【請求項8】

前記バッテリセルはラミネート形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの外装フィルムに一体に形成されている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項9】

前記バッテリセルはラミネート形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの主面に取り付けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項10】

前記バッテリセルはラミネート形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの主面において放射状に取り付けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項11】

前記バッテリセルはラミネート形状を有し、
前記ひずみゲージは、前記バッテリセルの主面において、第１方向の長さと、前記第１方向に直交する第２方向の長さと、が均等になるように取り付けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項12】

前記温度センサによって検出された温度に対応する、前記ひずみゲージのひずみ量と前記バッテリセルのＳＯＣとの関係を表す情報、が格納されたデータベースと、
をさらに有し、
前記測定装置は、前記データベースから、前記温度センサによって検出された温度、及び、前記ひずみゲージのひずみ量、に応じたＳＯＣを抽出して測定結果として出力する、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項13】

前記測定装置は、ＳＯＣ及び温度が何れも同じ条件である場合において、前記データベースに格納されたひずみ量と、前記ひずみゲージのひずみ量と、を比較した結果が所定の条件を満たしている場合、前記データベースに格納されたひずみ量を、前記ひずみゲージのひずみ量の値に更新する、
請求項１２に記載のバッテリ装置。

【請求項14】

筐体をさらに備え、
前記バッテリセル、前記ひずみゲージ、及び、前記測定装置は、何れも前記筐体の内部に設けられている、
請求項１に記載のバッテリ装置。

【請求項15】

リチウムイオンのバッテリセルと、
前記バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、
温度センサと、
測定装置と、
を備えたバッテリ装置の前記測定装置による制御方法であって、
前記温度センサを用いて前記バッテリセルの温度を検出し、
前記バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量を検出し、
前記バッテリセルの温度と、前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、前記バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する、
制御方法。

【請求項16】

前記バッテリセルのＳＯＣの算出では、
前記温度センサによって検出された温度に対応する、前記ひずみゲージのひずみ量と前記バッテリセルのＳＯＣとの関係を表す情報、が格納されたデータベースから、前記温度センサによって検出された温度、及び、前記ひずみゲージのひずみ量、に応じたＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を抽出して算出結果として出力する、
請求項１５に記載の制御方法。

【請求項17】

ＳＯＣ及び温度が何れも同じ条件である場合において、前記データベースに格納されたひずみ量と、前記ひずみゲージのひずみ量と、を比較した結果が所定の条件を満たしている場合、前記データベースに格納されたひずみ量を、前記ひずみゲージのひずみ量の値に更新する、
請求項１６に記載の制御方法。

【請求項18】

リチウムイオンのバッテリセルと、
前記バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、
温度センサと、
測定装置と、
を備えたバッテリ装置の前記測定装置による制御処理をコンピュータに実行させる制御プログラムであって、
前記温度センサを用いて前記バッテリセルの温度を検出する処理と、
前記バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量を検出する処理と、
前記バッテリセルの温度と、前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、前記バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する処理と、
をコンピュータに実行させる制御プログラム。

【請求項19】

前記バッテリセルのＳＯＣを算出する処理では、
前記温度センサによって検出された温度に対応する、前記ひずみゲージのひずみ量と前記バッテリセルのＳＯＣとの関係を表す情報、が格納されたデータベースから、前記温度センサによって検出された温度、及び、前記ひずみゲージのひずみ量、に応じたＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を抽出して算出結果として出力する、
請求項１８に記載の制御プログラム。

【請求項20】

ＳＯＣ及び温度が何れも同じ条件である場合において、前記データベースに格納されたひずみ量と、前記ひずみゲージのひずみ量と、を比較した結果が所定の条件を満たしている場合、前記データベースに格納されたひずみ量を、前記ひずみゲージのひずみ量の値に更新する処理をさらにコンピュータに実行させる、
請求項１９に記載の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バッテリ装置、制御方法、及び、制御プログラムに関し、リチウムイオンのバッテリセルのＳＯＣを精度良く測定するのに適したバッテリ装置、制御方法、及び、制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年では、リチウムイオンバッテリのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を測定する測定装置の開発が進められている。バッテリのＳＯＣの測定に関する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１７１１１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

測定装置には、依然として、リチウムイオンバッテリのＳＯＣをより精度良く測定することが求められている。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示にかかるバッテリ装置は、リチウムイオンのバッテリセルと、前記バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、前記バッテリセルの温度を検出する温度センサと、前記温度センサによって検出された温度と、前記バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、前記バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する測定装置と、を備える。

【0006】

本開示にかかる制御方法は、リチウムイオンのバッテリセルと、前記バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、温度センサと、測定装置と、を備えたバッテリ装置の前記測定装置による制御方法であって、前記温度センサを用いて前記バッテリセルの温度を検出し、前記バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量を検出し、前記バッテリセルの温度と、前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、前記バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する。

【0007】

本開示にかかる制御プログラムは、リチウムイオンのバッテリセルと、前記バッテリセルの表面に取り付けられたひずみゲージと、温度センサと、測定装置と、を備えたバッテリ装置の前記測定装置による制御処理をコンピュータに実行させる制御プログラムであって、前記温度センサを用いて前記バッテリセルの温度を検出する処理と、前記バッテリセルの充放電による体積変化に伴って変化する前記ひずみゲージのひずみ量を検出する処理と、前記バッテリセルの温度と、前記ひずみゲージのひずみ量と、に基づいて、前記バッテリセルのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を算出する処理と、をコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0008】

本開示は、リチウムイオンのバッテリセルのＳＯＣを精度良く測定することが可能なバッテリ装置、制御方法、及び、制御プログラムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施の形態１にかかるバッテリ装置の構成例を示す図である。

【図2】図２は、実施の形態１にかかるバッテリ装置に設けられたバッテリセルの放電時の内部構造を示す概念図である。

【図3】図３は、実施の形態１にかかるバッテリ装置に設けられたバッテリセルの充電時の内部構造を示す概念図である。

【図4】図４は、バッテリセル及び当該バッテリセルに取り付けられたひずみゲージの一例を示す図である。

【図5】図５は、実施の形態１にかかるバッテリ装置の一例を示す概略斜視図である。

【図6】図６は、実施の形態１にかかるバッテリ装置に設けられた測定装置によって実運用前に行われる、ひずみゲージによって検出される圧力の温度特性パラメータの取得処理、の流れを示すフローチャートである。

【図7】図７は、温度センサによって検出された温度と、ひずみゲージによって検出された圧力と、の関係を示す図である。

【図8】図８は、実施の形態１にかかるバッテリ装置に設けられた測定装置によって実運用前に行われる、ＳＯＣパラメータの取得処理、の流れを示すフローチャートである。

【図9】図９は、実施の形態１にかかるバッテリ装置に設けられた測定装置によって実運用時に行われるＳＯＣ測定処理の一例を示すフローチャートである。

【図10】図１０は、温度特性のキャンセル前後の、ひずみゲージによって検出された圧力と、バッテリセルのＳＯＣと、の関係を示す図である。

【図11】図１１は、充放電を繰り返すバッテリセルからひずみゲージが受ける圧力の変化を示すタイミングチャートである。

【図12】図１２は、実施の形態２にかかるバッテリ装置のバッテリセルに取り付けられたひずみゲージのレイアウトの一例を示す図である。

【図13】図１３は、実施の形態２にかかるバッテリ装置のバッテリセルに取り付けられたひずみゲージのレイアウトの一例を示す図である。

【図14】図１４は、実施の形態２にかかるバッテリ装置のバッテリセルに取り付けられたひずみゲージのレイアウトの一例を示す図である。

【図15】図１５は、実施の形態２にかかるバッテリ装置のバッテリセルに取り付けられたひずみゲージのレイアウトの一例を示す図である。

【図16】図１６は、実施の形態２にかかるバッテリ装置のバッテリセルに取り付けられたひずみゲージのレイアウトの一例を示す図である。

【図17】図１７は、ラミネート形状のバッテリセルの外観を示す図である。

【図18】図１８は、ラミネート形状のバッテリセルの内部構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0011】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明する。ただし、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

【0012】

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（動作ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。

【0013】

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１にかかるバッテリ装置１の構成例を示す図である。バッテリ装置１は、バッテリセル１１と、ひずみゲージ１２と、測定装置１３と、結合部材１４（不図示）と、を備える。ひずみゲージ１２は、測定装置１３の一部ということもできる。バッテリセル１１、ひずみゲージ１２、測定装置１３、及び、結合部材１４は、図示しない筐体によってパッケージされていてもよい。

【0014】

バッテリセル１１は、リチウムイオンバッテリのセルである。図２は、バッテリセル１１の放電時の内部構造を示す概念図である。図３は、バッテリセル１１の充電時の内部構造を示す概念図である。

【0015】

図２及び図３に示すように、バッテリセル１１は、筐体１１５の内部に、正極活物質が形成された正極層１１１と、負極活物質が形成された負極層１１２と、正極層１１１と負極層１１２との間に設けられたセパレータ１１３と、それらを浸す電解液１１４と、を備える。ここで、図２に示すように、バッテリセル１１の放電時には、リチウムイオン１１６が正極層１１１に留まっているため、負極層１１２の体積は膨張しない。それに対し、図３に示すように、バッテリセル１１の充電時には、正極層１１１のリチウムイオン１１６が負極層１１２に移動して負極活物質に挿入されるため、負極層１１２の体積は膨張する。

【0016】

図１において、ひずみゲージ１２は、バッテリセル１１の表面に取り付けられている。例えば、ひずみゲージ１２は、バッテリセル１１の樹脂製の表面に、印刷（蒸着）されることによって取り付けられる（一体形成される）。それにより、バッテリ装置１の部品点数が少なくなるため、コストが低減される。ひずみゲージ１２は、例えば樹脂製の保護膜によって覆われてもよい。

【0017】

図４は、バッテリセル１１及び当該バッテリセル１１に取り付けられたひずみゲージ１２の一例を示す図である。図４に示すように、ひずみゲージ１２は、円筒形状のバッテリセル１１の側面に、周方向に沿って取り付けられている。これは、バッテリセル１１の充電時の体積膨張に伴って、バッテリセル１１が軸方向（ｚ軸方向）よりも径方向（ｘｙ平面上の任意の方向）に変化しやすいためである。なお、ひずみゲージ１２は、円筒形状のバッテリセル１１の底面（例えば、負極活物質が支配的な負極側の底面）に取り付けられてもよい。

【0018】

図１において、測定装置１３は、バッテリセル１１の充電率であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を測定する。ここで、測定装置１３はＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）化により小型化されている。それにより、測定装置１３は、バッテリセル１１に近接して配置されることが可能となっている。そのため、測定装置１３は、バッテリセル１１に近接して配置されている。より好ましくは、測定装置１３は、バッテリセル１１に隣接して配置されている。

【0019】

図５は、バッテリセル１１及び測定装置１３の一例を示す概略斜視図である。図５に示すように、測定装置１３が形成されるプリント基板は、バッテリセル１１に近接配置されている。また、測定装置１３が形成されるプリント基板と、バッテリセル１１とは、シリコン、シリコーン、及び、アクリルのうち少なくとも何れかを含む樹脂からなる結合部材１４によって熱結合されている。そのため、バッテリセル１１及び測定装置１３は、実質的に同じ温度条件で動作するということができる。

【0020】

図１において、測定装置１３は、抵抗素子Ｒ１～Ｒ４と、アナログ処理回路１３１と、デジタル処理回路１３２と、通信インタフェース（通信ＩＦ）１３３と、を備える。

【0021】

抵抗素子Ｒ１の一端は、ひずみゲージ１２の一端に接続され、抵抗素子Ｒ１の他端は、ノードＮ４を介して抵抗素子Ｒ４の一端に接続される。抵抗素子Ｒ４の他端は、ノードＮ３を介して抵抗素子Ｒ３の一端に接続される。抵抗素子Ｒ３の他端は、ノードＮ２を介して抵抗素子Ｒ２の一端に接続される。抵抗素子Ｒ２の他端は、ノードＮ１を介してひずみゲージ１２の他端に接続される。つまり、ひずみゲージ１２と、抵抗素子Ｒ１～Ｒ４と、によってホイートストンブリッジ回路が構成されている。

【0022】

ここで、バッテリセル１１の充放電による変形に伴って、ひずみゲージ１２がひずむと、ひずみゲージ１２の抵抗値は変化する。以下、充放電によってバッテリセル１１が受ける圧力を、圧力Ｐと称し、バッテリセル１１の充放電による体積変化に伴って変化するひずみゲージ１２のひずみ量を、ひずみ量Ｓと称す場合がある。

【0023】

例えば、充電によりバッテリセル１１の体積が膨張して、バッテリセル１１の変形量が大きくなると、それに伴って、ひずみゲージ１２のひずみ量が大きくなるため、ひずみゲージ１２の抵抗値は大きくなる。それにより、ノードＮ４の電位は低下する。それに対し、放電によりバッテリセル１１の体積が収縮して、バッテリセル１１の変形量が小さくなると、それに伴って、ひずみゲージ１２のひずみ量が小さくなるため、ひずみゲージ１２の抵抗値は小さくなる。それにより、ノードＮ４の電位は上昇する。

【0024】

即ち、ホイートストンブリッジ回路は、充放電によるバッテリセル１１の変形に伴うひずみゲージ１２のひずみ量（抵抗値）を、ノードＮ２，Ｎ４の電位差に変換して出力している。

【0025】

アナログ処理回路１３１は、電圧検出回路１３１１、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１３１２、プログラマブルアンプ（ＰＧＡ）１３１３、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１３１４、及び、温度センサ１３１５を有する。電圧検出回路１３１１は、ホイートストンブリッジ回路のノードＮ２，Ｎ４の電位差を検出する。マルチプレクサ１３１２は、電圧検出回路１３１１の検出結果、及び、温度センサ１３１５の検出結果、の何れかを選択的に出力する。プログラマブルアンプ１３１３は、マルチプレクサ１３１２の出力を増幅して出力する。ＡＤ変換器１３１４は、プログラマブルアンプ１３１３の出力信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換して出力する。

【0026】

温度センサ１３１５は、測定装置１３の温度Ｔを検出する。ここで、上述のように、バッテリセル１１及び測定装置１３は実質的に同じ温度条件で動作している。そのため、温度センサ１３１５は、バッテリセル１１の温度を検出しているとも言える。温度センサ１３１５は、アナログ処理回路１３１内に設けられる場合に限られず、例えばバッテリセル１１に接触するように設けられてもよい。

【0027】

デジタル処理回路１３２は、少なくともＢＭＳ１３２１を有する。ＢＭＳは、Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍの略である。ＢＭＳ１３２１は、アナログ処理回路１３１から出力されたデジタル信号（ホイートストンブリッジ回路のノードＮ２，Ｎ４の電位差に応じたデジタル信号）に対して所定の演算処理を行うことにより、バッテリセル１１の充電率であるＳＯＣを算出する。なお、デジタル処理回路１３２は、ホイートストン回路の出力電圧だけでなく、バッテリセルの電圧、電流、温度（温度センサ１３１５の検出結果）などを取得可能に構成されている。

【0028】

ここで、デジタル処理回路１３２において、ＢＭＳ１３２１は、温度センサ１３１５の検出結果を参照することにより、温度による誤差成分がキャンセルされたバッテリセル１１のＳＯＣを算出する。なお、ＳＯＣ算出に必要な演算処理は、測定装置１３の外部に設けられた図示しないＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ）によって行われてもよい。或いは、デジタル処理回路１３２において、ＢＭＳ１３２１は、温度Ｔに対応するひずみ量ＳとＳＯＣとの関係を表す情報が格納されたテーブル（データベース）から、温度センサ１３１５によって検出された温度Ｔ、及び、ひずみゲージ１２のひずみ量Ｓ、に応じたＳＯＣを抽出して測定結果として出力してもよい。なお、テーブル中のひずみ量Ｓは、相関関係のある、充放電によりバッテリセル１１が受ける圧力Ｐや、ホイートストンブリッジの出力電圧、に置き換えられてもよい。

【0029】

それにより、デジタル処理回路１３２は、温度によらず、精度良くバッテリセル１１のＳＯＣを算出することができる。特に、本実施の形態では、バッテリセル１１と測定装置１３とが近接配置されるとともに、バッテリセル１１と測定装置１３とが結合部材１４によって熱結合されているため、バッテリセル１１と測定装置１３とが実質的に同じ温度条件で動作すると見做すことができ、その結果、バッテリセル１１及び測定装置１３が互いに異なる温度条件で動作する場合と比較して、温度によるＳＯＣの誤差成分をキャンセルするのに必要な演算処理の負担が軽減される。

【0030】

デジタル処理回路１３２によって算出されたバッテリセル１１のＳＯＣに関する情報は、通信インタフェース１３３を介して、外部装置に送信される。測定装置１３によるバッテリセル１１のＳＯＣ測定方法の詳細については後述する。

【0031】

なお、測定装置１３は、上述の構成要素に限られず、実動作前の各パラメータの設定等を行う制御回路や、温度Ｔ、ひずみ量Ｓ及びＳＯＣの関係を表す情報を格納するデータベース（テーブル）等をさらに備えていてもよい。

【0032】

＜バッテリ装置１の動作＞
続いて、測定装置１３によるバッテリセル１１のＳＯＣ測定方法の詳細について説明する。

【0033】

（温度特性パラメータの事前取得）
図６は、測定装置１３によって実運用前に行われる圧力Ｐの温度特性パラメータの取得処理の一例を示すフローチャートである。なお、実運用前に行われる圧力Ｐの温度特性パラメータの取得処理は、バッテリ装置１が恒温槽内に設置された状態で行われる。なお、以下の説明において、充放電によりバッテリセル１１が受ける圧力Ｐは、ひずみゲージ１２のひずみ量Ｓや、ホイートストンブリッジの出力電圧、に置き換えられてもよい。

【0034】

まず、バッテリセル１１のＳＯＣが所定率（例えば５０％）に固定される（ステップＳ１０１）。

【0035】

その後、バッテリ装置１が設置された恒温槽の温度が低温に設定される（ステップＳ１０２）。例えば、恒温槽の温度が－２０℃に設定される。

【0036】

その後、測定装置１３は、バッテリセル１１が受ける圧力Ｐ、及び、温度センサ１３１５により検出される温度Ｔ、のデータを取得する（ステップＳ１０３）。測定装置１３による圧力Ｐ及び温度Ｔのデータの取得は、所定期間（例えば３０分間）繰り返される（ステップＳ１０３→Ｓ１０４のＮＯ）。

【0037】

所定期間が経過すると（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、恒温槽の温度が一段階高い温度に設定される（ステップＳ１０５）。例えば、恒温槽の温度が２０℃高い温度に設定される。具体的には、直前の恒温槽の温度が－２０℃であった場合、恒温槽の温度は０℃に設定される。

【0038】

その後、測定装置１３は、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータを取得する（ステップＳ１０６のＮＯ→ステップＳ１０３）。測定装置１３による圧力Ｐ及び温度Ｔのデータの取得は、所定期間（例えば３０分間）に定期的に行われる（ステップＳ１０３→Ｓ１０４のＮＯ）。

【0039】

所定期間が経過すると（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、恒温槽の温度が一段階高い温度に設定される（ステップＳ１０５）。例えば、恒温槽の温度が現在の設定温度から２０℃高い温度に設定される。具体的には、恒温槽の現在の設定温度が０℃である場合、恒温槽の温度は２０℃に設定される。

【0040】

このようなステップＳ１０３～Ｓ１０６の処理は、恒温槽の温度が上限の温度（例えば８０℃）になるまで繰り返される。そして、恒温槽の温度が上限に達すると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、測定装置１３は、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータの取得を終了し、取得したデータから、所定充電率における温度Ｔと圧力Ｐとの関係を表す温度特性（係数）、即ち、圧力Ｐの温度特性パラメータ、を算出する（ステップＳ１０７）。

【0041】

図７は、温度Ｔと圧力Ｐとの関係を示す図である。図７の例では、バッテリセル１１のＳＯＣが０％に固定された場合における圧力Ｐの温度特性と、ＳＯＣが１００％に設定された場合における圧力Ｐの温度特性が示されている。図７において、横軸は温度を表し、縦軸は圧力Ｐに対応するホイートストンブリッジの出力電圧を表している。したがって、縦軸では、出力電圧が大きくなるほど圧力Ｐが小さくなり（即ち、ひずみ量Ｓが小さくなり）、出力電圧が小さくなるほど圧力Ｐが大きくなる（即ち、ひずみ量Ｓが大きくなる）。したがって、図７を参照すると、圧力Ｐ（ひずみ量）が同じ場合、ＳＯＣは、温度Ｔが高いほど低くなり、温度Ｔが低いほど高くなる。また、温度Ｔが同じ場合、ＳＯＣは、圧力Ｐ（ひずみ量Ｓ）が大きいほど高くなり、圧力Ｐ（ひずみ量）が小さいほど低くなる。

【0042】

（ＳＯＣパラメータの事前取得）
図８は、測定装置１３によって実運用前に行われるＳＯＣパラメータの取得処理の流れを示すフローチャートである。なお、実運用前に行われるＳＯＣパラメータの取得処理は、バッテリ装置１が恒温槽内に設置された状態で行われる。

【0043】

まず、バッテリセル１１のＳＯＣが１００％に設定される（ステップＳ２０１）。つまり、バッテリセル１１が満充電の状態に設定される。

【0044】

その後、バッテリ装置１が設置された恒温槽の温度が常温に設定される（ステップＳ２０２）。例えば、恒温槽の温度が２５℃に設定される。

【0045】

その後、測定装置１３は、バッテリセル１１が満充電の状態における、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータを取得する（ステップＳ２０３）。

【0046】

その後、バッテリセル１１の放電が開始される（ステップＳ２０４）。それにより、バッテリセル１１のＳＯＣが徐々に低下する。

【0047】

測定装置１３は、バッテリセル１１のＳＯＣが０％になるまで、定期的に圧力Ｐ及び温度Ｔのデータを取得する（ステップＳ２０５→Ｓ２０６のＮＯ）。つまり、測定装置１３は、バッテリセル１１の複数のＳＯＣのそれぞれでの、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータを取得する。

【0048】

バッテリセル１１のＳＯＣが０％に達すると（ステップＳ２０６のＹＥＳ）、測定装置１３は、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータの取得を終了し、取得したデータから、所定温度における圧力ＰとＳＯＣとの関係を表すＳＯＣ特性（係数）を算出する（ステップＳ２０７）。

【0049】

測定装置１３は、算出した温度特性及びＳＯＣ特性を用いることにより、任意の温度でのＳＯＣ特性を求めることができる。つまり、測定装置１３は、温度によらず圧力Ｐから精度良くバッテリセル１１のＳＯＣを算出することができる。

【0050】

（実運用時のＳＯＣ測定）
図９は、測定装置１３によって実運用時に行われるＳＯＣ測定処理を示すフローチャートである。

【0051】

まず、測定装置１３は、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータを取得する（ステップＳ３０１）。

【0052】

その後、測定装置１３は、圧力Ｐに対する温度特性のキャンセル処理を行う（ステップＳ３０２）。換言すると、測定装置１３は、温度による誤差成分を差し引いた圧力Ｐを算出する。

【0053】

その後、測定装置１３は、温度特性のキャンセルされた圧力Ｐからバッテリセル１１のＳＯＣを算出し、初期値に設定する（ステップＳ３０３）。なお、ＳＯＣの初期値が設定された後、バッテリセル１１の充放電が開始される前に、既存の残量アルゴリズムを用いて、電圧及び電流の使用状況に基づいた、ＳＯＣのオフセットのキャンセル処理が行われてもよい。

【0054】

その後、バッテリセル１１の充放電が開始される（ステップＳ３０４）。例えば、バッテリセル１１の使用時（放電時）にはＳＯＣが徐々に低下し、バッテリセル１１の充電時にはＳＯＣが徐々に増加する。

【0055】

その後、測定装置１３は、任意のタイミングで、圧力Ｐ及び温度Ｔのデータを取得する（ステップＳ３０５）。任意のタイミングは、例えばバッテリセル１１の充電を開始したタイミングや、バッテリセル１１の充電を終了させたタイミングなどである。

【0056】

その後、測定装置１３は、取得した圧力Ｐ及び温度Ｔのデータに対して、ノイズ除去のためのフィルタリング処理を行う（ステップＳ３０６）。

【0057】

その後、測定装置１３は、圧力Ｐに対する温度特性のキャンセル処理を行う（ステップＳ３０７）。換言すると、測定装置１３は、温度による誤差成分を差し引いた圧力Ｐを算出する。

【0058】

その後、測定装置１３は、温度特性のキャンセルされた圧力ＰからＳＯＣを算出し、測定結果として出力する（ステップＳ３０８）。測定装置１３は、測定が終了するまでは、ステップＳ３０４～Ｓ３０８の処理を繰り返す（ステップＳ３０９）。

【0059】

図１０は、温度特性のキャンセル前後の、圧力Ｐと、バッテリセル１１のＳＯＣと、の関係を示す図である。図１０において、横軸はＳＯＣを表し、縦軸は圧力Ｐに対応するホイートストンブリッジの出力電圧を表している。したがって、縦軸では、出力電圧が大きくなるほど圧力Ｐが小さくなり（即ち、ひずみ量Ｓが小さくなり）、出力電圧が小さくなるほど圧力Ｐが大きくなる（即ち、ひずみ量Ｓが大きくなる）。

【0060】

このように、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、測定装置１３が、温度センサ１３１５の検出結果を参照することにより、温度による誤差成分がキャンセルされたバッテリセル１１のＳＯＣを算出する。それにより、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、測定装置１３が、温度によらず、精度良くバッテリセル１１のＳＯＣを算出することができる。特に、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、バッテリセル１１と測定装置１３とが近接配置されるとともに、バッテリセル１１と測定装置１３とが結合部材１４によって熱結合されているため、バッテリセル１１と測定装置１３とが実質的に同じ温度条件で動作すると見做すことができ、その結果、バッテリセル１１及び測定装置１３が互いに異なる温度条件で動作する場合と比較して、温度によるＳＯＣの誤差成分をキャンセルするのに必要な演算処理の負担が軽減される。

【0061】

また、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、バッテリセル１１と測定装置１３とが近接配置されているため、バッテリセル１１に取り付けられたひずみゲージ１２と測定装置１３との間の配線が短くなり、その結果、外乱ノイズが抑制されるとともに、ひずみゲージ１２の検出精度が向上する。さらに、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、バッテリセル１１によって中間ＳＯＣでの充放電が繰り返される場合でも、電流積算のような誤差蓄積がないため、測定装置１３によるＳＯＣの測定精度が安定する。

【0062】

なお、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、測定装置１３が、ひずみゲージ１２によって検出されるひずみ（圧力Ｐに対応）のうち、ガス発生起因のひずみ成分を除去して、電極膨張ひずみ成分のみを抽出するように構成されることができる。それにより、測定装置１３は、より精度良くバッテリセル１１のＳＯＣを測定することができる。以下、ひずみゲージ１２によって検出されるひずみから、ガス発生起因のひずみ成分を除去して、電極膨張ひずみ成分のみを抽出する方法について、具体的に説明する。

【0063】

まず、測定装置１３は、初期設定として、予め取得した圧力特性の近似式Ｙ＝ａｘ＋ｂのゲインａ及びオフセットｂをテーブルＴＢに格納する。Ｙは、ひずみゲージ１２のひずみ量を表し、ｘは、バッテリセル１１のＳＯＣを表している。ひずみ量は、圧力Ｐと読み替えてもよい。

【0064】

その後、例えば、バッテリセル１１の放電が行われる。ここで、ＳＯＣが所定率（例えば３０％）以下の状態でバッテリセル１１の放電が終了した場合において、一定期間が経過すると、測定装置１３は、ＯＣＶ及びひずみ量のデータを取得する。なお、ＯＣＶは、Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅの略であって、バッテリセル１１の開回路電圧を表している。

【0065】

その後、測定装置１３は、ＯＣＶとＳＯＣとの関係を表したテーブルを参照して、取得したＯＣＶからバッテリセル１１のＳＯＣを算出する。

【0066】

その後、測定装置１３は、圧力特性の近似式を式変換することによって得られる式ｂ＝－ａｘ－Ｙに対し、Ｙに取得したひずみ量を代入し、ｘに算出したＳＯＣを代入することにより、オフセット（切片）ｂを算出する。

【0067】

その後、測定装置１３は、算出したオフセットｂを、第１のＦＩＦＯバッファに格納する。そして、測定装置１３は、第１のＦＩＦＯバッファに格納された複数のオフセットｂの平均値（即ち、オフセットｂの移動平均値）ｂＡを算出する。

【0068】

その後、例えば、バッテリセル１１の充電が行われる。ここで、ＳＯＣが所定率（例えば９０％）以上の状態でバッテリセル１１の充電が終了した場合において、一定期間が経過すると、測定装置１３は、ＯＣＶ及びひずみ量のデータを取得する。

【0069】

その後、測定装置１３は、ＯＣＶとＳＯＣとの関係を表したテーブルを参照して、取得したＯＣＶからバッテリセル１１のＳＯＣを算出する。

【0070】

その後、測定装置１３は、圧力特性の近似式を式変換することによって得られる式ｂ＝－ａｘ－Ｙに対し、Ｙに取得したひずみ量を代入し、ｘに算出したＳＯＣを代入することにより、オフセット（切片）ｂ’を算出する。

【0071】

その後、測定装置１３は、圧力特性の近似式Ｙ＝ａｘ＋ｂに対して、ｂに算出したオフセットｂ’を代入し、ｘにＳＯＣが１００％を表す“１”を代入することにより、ＳＯＣが１００％の場合におけるひずみゲージ１２のひずみ量Ｙを算出する。

【0072】

その後、測定装置１３は、算出したひずみ量Ｙを第２のＦＩＢＯバッファに格納する。そして、測定装置１３は、第２のＦＩＦＯバッファに格納された複数のひずみ量Ｙの平均値（即ち、ＳＯＣが１００％の場合におけるひずみゲージ１２のひずみ量Ｙの移動平均値）ＹＡを算出する。

【0073】

その後、測定装置１３は、移動平均値ｂＡと、テーブルＴＢに格納されたオフセットｂと、を比較して、差分が所定値以上であれば、テーブルＴＢに格納されたオフセットｂを移動平均値ｂＡの値に更新する。

【0074】

その後、測定装置１３は、圧力特性の近似式Ｙ＝ａｘ＋ｂに対し、ｂに移動平均値ｂＡを代入し、Ｙに移動平均値ＹＡを代入することにより、ゲイン（傾き）ａを算出する。ここで、測定装置１３は、算出したゲインａと、テーブルＴＢに格納されたゲインａと、を比較して、差分が所定値以上であれば、テーブルＴＢに格納されたゲインａを新たなゲインａの値に更新する。

【0075】

その後、測定装置１３は、初期設定よりも後の処理を繰り返す。

【0076】

ここで、テーブルＴＢに格納されたオフセットｂ及びゲインａの更新によって、バッテリセル１１内のガス発生に起因した圧力上昇に伴う、ひずみゲージ１２によるひずみ量（即ち圧力Ｐ）の検出誤差、が抑制される。なお、オフセットｂの更新は、例えば減少する場合に限られる。また、ゲインａの更新は、例えば増加する場合に限られる。但し、ひずみゲージ１２がホイートストンブリッジの下側（即ち、抵抗素子Ｒ４側）に接続されている場合、オフセットｂの更新は、増加する場合に限られ、ゲインａの更新は、減少する場合に限られる。

【0077】

図１１は、充放電を繰り返すバッテリセル１１からひずみゲージ１２が受ける圧力Ｐの変化を示すタイミングチャートである。なお、図１１には、圧力Ｐの変化に加えて、バッテリセル１１に流れる電流の変化も示されている。図１１に示すように、バッテリセル１１の充放電が繰り返されると、経時劣化により、バッテリセル１１内にガスが発生してバッテリセル１１の内圧が上昇する。つまり、バッテリセル１１の充放電が繰り返されると、例えばバッテリセル１１が完全に放電された状態でも、ひずみゲージ１２によって検出される圧力Ｐが初期（時刻ｔ０）の場合と比較して高くなる（時刻ｔ１０）。そこで、上述のようなテーブルＴＢに格納されたオフセットｂ及びゲインａの更新が行われることにより、バッテリセル１１内のガス発生に起因した圧力上昇に伴う、ひずみゲージ１２によるひずみ量（即ち圧力Ｐ）の検出誤差、が抑制される。

【0078】

なお、測定装置１３におけるガス発生起因のひずみ成分を除去する構成は、上述の構成に限定されるものではなく同等の機能を有する他の構成に適宜変更可能である。具体的には、測定装置１３は、ＳＯＣ及び温度が何れも同じ条件である場合において、データベース（テーブル）に格納された圧力と、ひずみゲージによって検出された圧力と、の差分が所定値以上である場合に、データベースに格納された圧力を、ひずみゲージによって検出された圧力の値に更新するように構成されていればよい。なお、ひずみゲージ１２によって検出される圧力Ｐは、ひずみゲージに１２によって検出されるひずみ量に対応する。

【0079】

また、本実施の形態に係るバッテリ装置１では、測定装置１３が、バッテリセルのセル構造毎に、ひずみ量Ｓ（圧力Ｐ）とＳＯＣとの関係を表す情報が格納されたテーブルを備えていてもよい。

【0080】

＜実施の形態２＞
本実施の形態では、バッテリセル１１に取り付けられたひずみゲージ１２のレイアウトの例について説明する。なお、ひずみゲージ１２がバッテリセル１１に取り付けられるとは、ひずみゲージ１２がバッテリセル１１と一体に形成されることを含む。

【0081】

図１２～図１６は、バッテリセル１１に取り付けられたひずみゲージ１２のレイアウトの例を示す図である。図１２～図１４には、円筒形状のバッテリセル１１の側面に取り付けられたひずみゲージ１２のレイアウトの例が示されている。なお、図１２には、バッテリセル１１の側面を展開した図も示されている。図１５～１５には、ラミネート形状のバッテリセル１１の主面に取り付けられたひずみゲージ１２のレイアウトの例が示されている。

【0082】

図１２の例では、ひずみゲージ１２が、円筒形状のバッテリセル１１の側面において、バッテリセル１１の軸方向（ｚ軸方向）よりも周方向（ｘｙ平面上の方向）に沿って長くなるように取り付けられている。ここで、バッテリセル１１は、充電時の体積膨張に伴って、軸方向（ｚ軸方向）よりも径方向（ｘｙ平面上の任意の方向）に変化しやすい。そのため、ひずみゲージ１２は、図１２の例のように取り付けられることにより、バッテリセル１１の変形をより敏感に検知することができる。

【0083】

図１３の例では、ひずみゲージ１２が、円筒形状のバッテリセル１１の側面において、バッテリセル１１の周方向よりも軸方向に沿って長くなるように取り付けられている。また、図１４の例では、ひずみゲージ１２が、円筒形状のバッテリセル１１の側面において、バッテリセル１１の軸方向の長さと周方向の長さとが均等になるように取り付けられている。

【0084】

図１５の例では、ひずみゲージ１２が、ラミネート形状のバッテリセル１１の主面において、第１方向（例えばｙ軸方向）に沿って長くなるように取り付けられている。なお、ひずみゲージ１２は、ラミネート形状のバッテリセル１１の主面において、第１方向（例えばｙ軸方向）の長さと、第１方向に直交する第２方向（例えばｘ軸方向）の長さと、が均等になるように取り付けられてもよい。或いは、図１６の例に示すように、ひずみゲージ１２が、放射状に取り付けられてもよい。

【0085】

図１７は、ラミネート形状のバッテリセル１１の外観を示す図である。図１８は、ラミネート形状のバッテリセル１１の内部構造を示す図である。図１７及び図１８に示すように、ひずみゲージ１２は、ラミネート形状のバッテリセル１１の外装フィルムに印刷（蒸着）することにより、当該外装フィルムに一体に形成されてもよい。それにより、ひずみゲージ１２を別途取り付ける場合と比較して、コストの増大が抑制されるとともに、製品の歩留まりが向上する。

【0086】

以上のように、上記実施の形態にかかるバッテリ装置１では、測定装置１３が、温度センサ１３１５の検出結果を参照することにより、温度による誤差成分がキャンセルされたバッテリセル１１のＳＯＣを算出する。それにより、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、測定装置１３が、温度によらず、精度良くバッテリセル１１のＳＯＣを算出することができる。特に、本実施の形態にかかるバッテリ装置１では、バッテリセル１１と測定装置１３とが近接配置されるとともに、バッテリセル１１と測定装置１３とが結合部材１４によって熱結合されているため、バッテリセル１１と測定装置１３とが実質的に同じ温度条件で動作すると見做すことができ、その結果、バッテリセル１１及び測定装置１３が互いに異なる温度条件で動作する場合と比較して、温度によるＳＯＣの誤差成分をキャンセルするのに必要な演算処理の負担が軽減される。

【0087】

また、上記実施の形態にかかるバッテリ装置１では、バッテリセル１１と測定装置１３とが近接配置されているため、バッテリセル１１に取り付けられたひずみゲージ１２と測定装置１３との間の配線が短くなり、その結果、外乱ノイズが抑制されるとともに、ひずみゲージ１２の検出感度が向上する。さらに、上記実施の形態にかかるバッテリ装置１では、バッテリセル１１によって中間ＳＯＣでの充放電が繰り返される場合でも、電流積算のような誤差蓄積がないため、測定装置１３によるＳＯＣの測定精度が安定する。

【0088】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

【0089】

さらに本開示は、測定装置１３の処理の一部又は全部を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することが可能である。

【0090】

上述したプログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ－Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）又はその他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。

【符号の説明】

【0091】

１ バッテリ装置
１１ バッテリセル
１２ ひずみゲージ
１３ 測定装置
１４ 結合部材
１１１ 正極層
１１２ 負極層
１１３ セパレータ
１１４ 電解液
１１５ 筐体
１１６ リチウムイオン
１３１ アナログ処理回路
１３２ デジタル処理回路
１３３ 通信インタフェース
１３１１ 電圧検出回路
１３１２ マルチプレクサ
１３１３ プログラマブルアンプ
１３１４ ＡＤ変換器
１３１５ 温度センサ
Ｒ１～Ｒ４ 抵抗素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】