特許 7327195 電池の充電状態推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-07

(45)【発行日】2023-08-16

(54)【発明の名称】電池の充電状態推定装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/48 20060101AFI20230808BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230808BHJP

【ＦＩ】

H01M10/48 301

H01M10/48 P

H02J7/00 M

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020022364

(22)【出願日】2020-02-13

(65)【公開番号】P2021128853

(43)【公開日】2021-09-02

【審査請求日】2022-05-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】栗田 大

【審査官】下林 義明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０７２６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５３６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１４４０３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４２ － １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数個の二次電池を積層して配置し前記複数個の二次電池を電気的に接続した電池における充放電電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態を推定する充電状態推定手段と、
前記複数個の二次電池における積層方向での膨張収縮状態を検出する膨張収縮状態検出手段と、
前記膨張収縮状態検出手段による前記膨張収縮状態の変化に基づいて前記充電状態推定手段による電池の充電状態を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする電池の充電状態推定装置。

【請求項2】

前記複数個の二次電池は、一対の端板間に挟持されており、
前記膨張収縮状態検出手段は、前記一対の端板を繋ぐ連結部材に加わる歪みを検出する歪みゲージである
ことを特徴とする請求項１に記載の電池の充電状態推定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池の充電状態推定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

電流センサで検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態を推定することが行われている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１４４０３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、図７に示すごとく横軸に時間をとり、縦軸にＳＯＣ（充電率：state of charge）をとった場合に、Ｌ１０で示す充放電電流を積分することにより推定したＳＯＣは、例えば高稼働かつ満充電を待たずに充電を繰り返すと（継ぎ足し充電を繰り返し使用する場合）、Ｌ１１で示す真のＳＯＣと、Ｌ１０で示す推定したＳＯＣとの差ΔＬ１０が大きくなっていく。つまり、電流センサの電流測定誤差がそのままＳＯＣの誤差ΔＬ１０となり、時間の経過に伴ったＳＯＣの誤差ΔＬ１０も大きくなっていく。

【0005】

本発明の目的は、充電状態を誤差が少なく推定することができる電池の充電状態推定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための電池の充電状態推定装置は、複数個の二次電池を積層して配置し前記複数個の二次電池を電気的に接続した電池における充放電電流を検出する電流センサと、前記電流センサで検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態を推定する充電状態推定手段と、前記複数個の二次電池における積層方向での膨張収縮状態を検出する膨張収縮状態検出手段と、前記膨張収縮状態検出手段による前記膨張収縮状態の変化に基づいて前記充電状態推定手段による電池の充電状態を補正する補正手段と、を備えることを要旨とする。

【0007】

これによれば、複数個の二次電池が積層して配置され、複数個の二次電池を電気的に接続した電池における充放電電流が電流センサにより算出され、充電状態推定手段により、電流センサで検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態が推定される。膨張収縮状態検出手段により、複数個の二次電池における積層方向での膨張収縮状態が検出されて、補正手段により、膨張収縮状態の変化に基づいて充電状態推定手段による電池の充電状態が補正される。よって、充電状態を誤差が少なく推定することができる。

【0008】

また、電池の充電状態推定装置において、前記複数個の二次電池は、一対の端板間に挟持されており、前記膨張収縮状態検出手段は、前記一対の端板を繋ぐ連結部材に加わる歪みを検出する歪みゲージであるとよい。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、充電状態を誤差が少なく推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態における電池システムの電気的構成図。

【図2】（ａ）は電池パックの平面図、（ｂ）は電池パックの正面図、（ｃ）は電池パックの右側面図。

【図3】電池セルの斜視図。

【図4】ＳＯＣと電池体積との関係を示す特性図。

【図5】作用を説明するためのフローチャート。

【図6】実施形態におけるＳＯＣの推移を示すタイムチャート。

【図7】課題を説明するためのＳＯＣの推移を示すタイムチャート。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示す電池システム９においては、電池パック１０と、複数の負荷２０，２１と、マイコン３１とを備える。本電池システム９は電動式フォークリフトに設けられ、電池パック１０により走行モータ等を駆動することができる。

【0012】

電池パック１０は、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、複数個の電池セル１１を積層して配置し、複数個の電池セル１１を電気的に接続して構成されている。電池パック１０（電池セル１１）としてリチウムイオン二次電池を用いることができる。

【0013】

詳しくは、二次電池である電池セル１１は、図３に示すように、本体部１２と、正負の電極１３を有する。
本体部１２は、箱形をなし、図２（ａ）に示す平面視において長方形の上面及び下面を有し、図２（ｂ）に示す正面視において長方形の正面及び背面を有し、図２（ｃ）に示す側面視において長方形の左右の側面を有する。本体部１２の上面において、正負の電極１３が離間して配置されている。各電池セル１１の本体部１２は電池の充放電に伴い膨張収縮する。

【0014】

電池セル１１は複数重ね合わせて配置され、複数の電池セル１１は、隣接する電池セル１１同士の電極１３が導電体により電気的な結線状態として直列接続されている。
積層して配置される複数個の電池セル１１は、積層方向において端板１４，１５に挟み込まれている。端板１４，１５は、図２（ｂ）に示すように、正面視において長方形状をなし、電池セル１１の本体部１２よりも大きな寸法を有する。長方形状の端板１４，１５における四隅にはそれぞれ通しボルト１６が設けられている。通しボルト１６は、ナット１７とともに用いられる。通しボルト１６が端板１４，１５を貫通している。通しボルト１６の頭部１６ａが端板１５の外側面に位置し、ナット１７が端板１４の外側面において通しボルト１６のねじ部１６ｂに螺入されている。

【0015】

通しボルト１６により端板１４と端板１５との間の距離が一定に保持された状態で端板１４と端板１５との間に、積層された複数の電池セル１１が圧縮固定された状態で挟持されている。

【0016】

図１に示すように、電池パック１０の負極は接地され、正極に負荷２０、負荷２１等が並列接続されている。そして、電池パック１０から負荷２０、負荷２１等に電力が供給される。

【0017】

図１に示すように、充電ステーションにおいて電池パック１０の正極に対し充電器２５を接続することができる。そして、フォークリフトを充電ステーションまで走行し、フォークリフトに搭載した電池パック１０を充電器２５を用いて充電することができる。

【0018】

図１に示すように、フォークリフトにはマイコン３１、メモリ３２、歪みゲージ３３、ＳＯＣ表示器３４、電流センサ３５が搭載されている。マイコン３１にメモリ３２、歪みゲージ３３、ＳＯＣ表示器３４、電流センサ３５が接続されている。

【0019】

本実施形態では、マイコン３１と歪みゲージ３３と電流センサ３５により電池の充電状態推定装置３０が構成されており、電流センサ３５及び歪みゲージ３３を用いてマイコン３１で電池の充電状態としてのＳＯＣを推定してメモリ３２に保存するとともにＳＯＣ表示器３４に表示するようになっている。

【0020】

電流センサ３５により、複数個の電池セル１１を積層して配置し複数個の電池セル１１を電気的に接続した電池における充放電電流を検出することができる。
マイコン３１により、電流センサ３５で検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態であるＳＯＣを推定することができる。

【0021】

歪みゲージ３３は、図２（ａ），（ｃ）に示すように、通しボルト１６に貼り付けられており、一対の端板１４，１５間において一定の距離を保持する通しボルト１６に加わる歪みを検出する。これにより、複数個の電池セル１１における積層方向での膨張収縮状態、即ち、膨張収縮量を検出するが可能となる。具体的には、マイコン３１は、歪みゲージ３３から、電池セルの体積膨張に伴う通しボルト１６の伸縮量を検出する。詳しくは、歪みゲージ３３で検出した通しボルト１６に加わる歪み量に対応する応力を取り込むことができる。

【0022】

マイコン３１により、膨張収縮状態の変化に基づいて電池の充電状態であるＳＯＣを補正することができるようになっている。
図４は、電池セルの電池体積に関する特性を示しており、横軸にＳＯＣをとり、縦軸に電池体積をとっている。この図４において、特性線Ｌ２０として、ＳＯＣが５５％よりも小さいと電池体積が一定であり、ＳＯＣが５５％よりも大きいと電池体積が徐々に大きくなる。つまり、電池セル１１の充放電に伴い膨張収縮し、その度合いである電池体積はＳＯＣに対応しており、ＳＯＣが５５％付近において電池体積の傾きが急変する。

【0023】

次に、作用について説明する。
マイコン３１は、電流センサ３５で検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態を推定する。具体的には、次の式（１）にてＳＯＣを推定する。Ｘは電池システム９のキーオンによる起動時のＳＯＣ（残量ＳＯＣ）であり、Ｙは電池の全容量であり、Ｉは検出した充放電電流であり、ｔは時間である。

【0024】

【数1】

・・・（１）
マイコン３１は、図５に示すＳＯＣリセット処理ルーチンを実行する。この処理ルーチンは一定時間ごとに起動される。

【0025】

図６は、ＳＯＣの推移を示す。図６において横軸に時間をとり、縦軸にＳＯＣをとっている。図６において、Ｌ１で本実施形態における推定したＳＯＣを示す。また、図６において、Ｌ１１で真のＳＯＣを示す。さらに、図６において、Ｌ１０で従来方式における推定したＳＯＣ（図７のＬ１０と同じもの）を示す。

【0026】

図６においてＬ１，Ｌ１０で示すように高稼働かつ満充電（ＳＯＣ=１００％）を待たずに充電が繰り返される。即ち、継ぎ足し充電が繰り返し使用される。その結果、ＳＯＣが１００％未満かつ例えば１０％以上の範囲で、充放電が繰り返されることになる。その結果、電流センサ３５の電流測定誤差がそのままＳＯＣの誤差ΔＬ１０（図７参照）に反映される。つまり、図７において、Ｌ１１で示す真のＳＯＣとＬ１０で示す従来のＳＯＣとの差ΔＬ１０が時間の経過とともに大きくなっていく。

【0027】

マイコン３１は、図５のステップＳ１００において歪みゲージ３３から、通しボルト１６に加わる歪み量に対応する応力を取り込む。そして、マイコン３１は、ステップＳ１０１において、通しボルト１６に加わる歪み量に対応する応力の傾きが急変したか否か判定する。

【0028】

図４において充電時のＳＯＣが上昇する方向においてＳＯＣが０～５５％付近までは電池体積（歪み）に変化がない。つまり、傾きがほぼゼロであり、傾きは急変していない。同様に、図４において放電時のＳＯＣが下降する方向においてＳＯＣが１００～５５％付近までは電池体積（歪み）の変化量はほぼ一定である。つまり、ＳＯＣ５５％以上では単調増加であって、傾きはほぼ同じままであり、傾きは急変していない。図４において電池体積（歪み）の変化である傾きが急変するのはＳＯＣが５５％付近のときである。したがって、図５のステップＳ１０１では歪み量に対応する応力の傾きが急変したか否かを判定している。

【0029】

図５においてマイコン３１は、歪み量に対応する応力の傾きの急変を検出すると、ステップＳ１０２においてＳＯＣを５５％に上書きすることにより補正する。
図６で説明すると、放電時にＳＯＣが下降する方向で変化する場合には、図６のｔ１のタイミングでＳＯＣを５５％に強制的に上書きする。同様に、図６のｔ３のタイミングでＳＯＣを５５％に強制的に上書きする。

【0030】

また、充電時にＳＯＣが上昇する方向で変化する場合には、図６のｔ２のタイミングでＳＯＣを５５％に強制的に上書きする。同様に、図６のｔ４のタイミングでＳＯＣを５５％に強制的に上書きする。

【0031】

なお、図５においてステップＳ１０１からステップＳ１０２に移行する際に、ステップＳ１０１において歪み量に対応する応力の傾きが急変したことが複数回連続するとステップＳ１０２に移行してＳＯＣを５５％に上書きするようにしてもよい。

【0032】

このように、電池パックは本実施形態では、充放電に伴い膨張・収縮する電池である。加えて、図４に示すように、横軸にＳＯＣ、縦軸に電池体積としてグラフ化したときに体積膨張・収縮の傾きが急変する箇所が一点以上ある電池である。

【0033】

そして、制御の際に、電池の体積が急変するＳＯＣを予め求めておき、体積急変を検出したらＳＯＣリセットを実行する。具体的には、図４の特性を持つ電池では、体積急変を検出したらＳＯＣを５５％に上書きする。

【0034】

上述したように、電池セル１１を複数枚重ね合わせ、端板１４，１５で挟み込み、通しボルト１６で圧縮固定する。通しボルト１６には歪みゲージ３３が取り付けられ、電池セル１１の体積膨張に伴う通しボルト１６の伸縮量を検出する。電池体積とＳＯＣとの関係から歪みゲージ３３で検出した通しボルト１６にかかる応力とＳＯＣとの関係性を予め求めておく。

【0035】

従来、電流センサで検出した電流値を時間で積分（積算）しＳＯＣの変動を算出するが、この方法のみでＳＯＣを算出すると電流センサの検出誤差がそのままＳＯＣ誤差となる。また、時間が経過するほどＳＯＣ誤差が広がっていく。そこで、所定の充電シーケンスが完了したときにＳＯＣを１００％に上書きする方法やしばらく充放電せずに分極が落ち着いたタイミングでＳＯＣ－ＯＣＶ曲線からＳＯＣを上書きする方法を用いて電流センサ誤差によるＳＯＣ誤差をリセットする方法が取られる。

【0036】

本実施形態では、所定の条件を満たしたときにＳＯＣを上書きするＳＯＣリセットを行う。
利用者（例えばフォークリフトの乗員）が高稼働かつ満充電を待たずに継ぎ足し充電を繰り返し使用するような場合、ＳＯＣリセットされず、電流センサ誤差が蓄積されＳＯＣ誤差が大きくなり続ける。また、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線からＳＯＣを上書きする方法の場合、例えば常時車両走行する場合、電池を連続使用することとなり、電池を分極するタイミングがなくＳＯＣの上書きができずに、電流センサ誤差が蓄積されＳＯＣ誤差が大きくなり続ける。

【0037】

本実施形態では、ＳＯＣをリセットする機会を増やすことで、高稼働かつ継ぎ足し充電のような使い方でもＳＯＣのリセットがされやすいようにし、電流センサ誤差が蓄積し続けることを抑制することができる。

【0038】

つまり、従来のＳＯＣリセット（完全充電時、分極落着き時）ができない状況でも、複雑な制御なしにＳＯＣリセットが可能となる。また、電池パック１つにつき１つの歪みゲージ３３を追加するだけの構成で電池の充電状態を真のＳＯＣに近づけて推定することができる。

【0039】

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電池の充電状態推定装置３０の構成として、複数個の二次電池としての電池セル１１を積層して配置し複数個の電池セル１１を電気的に接続した電池における充放電電流を検出する電流センサ３５と、マイコン３１と、複数個の電池セル１１における積層方向での膨張収縮状態を検出する膨張収縮状態検出手段としての歪みゲージ３３と、を備える。充電状態推定手段としてのマイコン３１は、電流センサ３５で検出した充放電電流を積分することにより電池の充電状態としてのＳＯＣを推定する。補正手段としてのマイコン３１は、歪みゲージ３３による膨張収縮状態の変化に基づいて電池のＳＯＣを補正する。よって、膨張収縮状態の変化に基づいて電池のＳＯＣが補正され、ＳＯＣを誤差が少なく推定することができる。

【0040】

（２）複数個の電池セル１１は、一対の端板１４，１５間に挟持されており、膨張収縮状態検出手段は、一対の端板１４，１５を繋ぐ連結部材としての通しボルト１６に加わる歪みを検出する歪みゲージ３３である。よって、容易に、積層して配置した複数個の電池セル１１における積層方向での膨張収縮状態を検出することができる。

【0041】

特に、電池体積の傾きが急変するところでＳＯＣを上書きする方式を採用することにより、図４の特性線が電池の劣化によりシフトする場合にも正確にＳＯＣを上書き（補正）することができる。よって、電池の劣化の影響を受けにくくすることができる。

【0042】

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
〇 図４ではＳＯＣの変化に対し電池体積が急変する箇所は１箇所だけであったが、これに限らず電池体積が急変する箇所が複数あってもよく、傾きが急変する各箇所でＳＯＣをリセットするようにしてもよい。

【0043】

○ 電池システムは電動式フォークリフトに設けられ、電池パック１０により走行モータ等を駆動する場合に適用したが、他にも、例えば電動乗用車に設けられ、電池パックにより走行モータ等を駆動する場合に適用してもよい。特に、ハイブリッド車における電池はＳＯＣが１００％未満かつ所定ＳＯＣ以上の範囲で充放電を繰り返しており、上述した高稼働かつ満充電を待たずに継ぎ足し充電を繰り返し使用する場合と同様な課題があるが、この場合において、電池の膨張収縮状態の変化に基づいて電池の充電状態を補正することにより、充電状態を誤差が少なく推定することができる。

【0044】

〇 電池システムは電動式車両に限るものではない。
○ 二次電池はリチウムイオン二次電池以外でもよく、二次電池の種類は問わない。
〇 ＳＯＣの上書きは、図５に示した処理以外のやり方でもよく、図４の関係が予め分かっている場合に電池体積の傾きが急変する点でＳＯＣを上書き（補正）すればよい。

【0045】

〇 電池の充電状態として、上述した実施形態では満充電状態を基準に電池の残量の比率を表した状態変数であるＳＯＣ（充電率：state of charge）を用いたが、これに代わり、例えば、電池の充電状態として、放電深度ＤＯＤ（depth of discharge:１－ＳＯＣ）を用いてもよい。

【符号の説明】

【0046】

１０…電池パック、１１…電池セル（二次電池）、１４…端板、１５…端板、１６…通しボルト（連結部材）、３０…電池の充電状態推定装置、３１…マイコン（充電状態推定手段、補正手段）、３３…歪みゲージ（膨張収縮状態検出手段）、３５…電流センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】