特許 7375473 蓄電量推定装置、蓄電量推定方法及びコンピュータプログラム

(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】2023-10-30

(45)【発行日】2023-11-08

(54)【発明の名称】蓄電量推定装置、蓄電量推定方法及びコンピュータプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/3842 20190101AFI20231031BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20231031BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231031BHJP

   G01R 31/367 20190101ALI20231031BHJP

【ＦＩ】

G01R31/3842

H01M10/48 P ZHV

H02J7/00 X

G01R31/367

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019199098

(22)【出願日】2019-10-31

(65)【公開番号】P2021071415

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2022-09-08

(73)【特許権者】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】西村 直人

(72)【発明者】

【氏名】鵜久森 南

【審査官】島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１４８４９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０５３０７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０１４６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０６９４５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／０４５７０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１６４１４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／３８４２

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｇ０１Ｒ ３１／３６７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量推定装置であって、
放電過程における少なくとも２つの時点間の擬似開放電圧の変化量と放電量との比を算出し、算出された比と、放電開始時の蓄電量ごとに予め記憶された蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係とに基づいて、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定する決定部と、
放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定する推定部と
を備える、蓄電量推定装置。

【請求項2】

前記相関関係は、蓄電素子の定格容量比と擬似開放電圧との線形比例関係を示す特性曲線である、請求項１に記載の蓄電量推定装置。

【請求項3】

前記予め記憶された蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係は、前記特性曲線の勾配を含み、
前記決定部は、前記算出された比と、予め記憶された前記特性曲線の勾配とを比較することで、前記放電開始時の蓄電量に対応する前記相関関係を決定する、請求項２に記載の蓄電量推定装置。

【請求項4】

蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量推定方法であって、
放電過程における少なくとも２つの時点間の擬似開放電圧の変化量と放電量との比を算出し、算出された比と、放電開始時の蓄電量ごとに予め記憶された蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係とに基づいて、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定するステップと、
放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定するステップと
を有する、蓄電量推定方法。

【請求項5】

蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量を推定するコンピュータに、
放電過程における少なくとも２つの時点間の擬似開放電圧の変化量と放電量との比を算出し、算出された比と、放電開始時の蓄電量ごとに予め記憶された蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係とに基づいて、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定し、
放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定する
処理を実行させる、コンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電素子のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）等の蓄電量を推定する蓄電量推定装置、蓄電量推定方法及びコンピュータプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、リチウムイオン電池に代表される二次電池において、電池のＳＯＣを高精度に推定する技術が求められている。二次電池におけるＳＯＣを推定する方法として、ＯＣＶ法及び電流積算法が広く用いられている。ＯＣＶ法では、二次電池のＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）とＳＯＣが一対一対応する相関関係（ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線）に基づいてＳＯＣを推定する。電流積算法では、二次電池の充放電電流値を積算してＳＯＣを算出する。

【0003】

電流積算法によってＳＯＣを算出する場合、下記の式（１）を逐次計算する。
ＳＯＣ_i＝ＳＯＣ_i-1＋Ｉ_i×Δｔ_i/Ｑ×１００ （１）
ＳＯＣ_i：更新後のＳＯＣ
ＳＯＣ_i-1：直前のＳＯＣ
Ｉ_i：電流値
Δｔ_i：時間間隔
Ｑ：電池容量（Ａｖａｉｌａｂｌｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ）

【0004】

電流積算法では、充放電電気量の積算値から現時点のＳＯＣを推定し、一般的に、高性能な電流計からデータを取得できる場合に精度が高く、リアルタイムでＳＯＣを監視できる。しかし、長期間にわたってＳＯＣを推定する場合に、推定誤差が蓄積するため、期間が長くなるほど、その精度が低下するという問題がある。そこで、過去の履歴情報を使用せず、現在得られる情報のみを用いてＳＯＣを推定するＯＣＶ法を組み合わせて用いることで、累積した推定誤差をリセットする方法をとる場合がある。

【0005】

しかし、リン酸鉄リチウムなどの正極活物質では、充電履歴及び放電履歴に依存して、同一のＳＯＣに対する電圧値や電気化学的特性が変化する、ヒステリシスという性質を有する。従って、これらの正極活物質を蓄電素子に用いた場合、電池の充放電履歴によってＳＯＣ－ＯＣＶ曲線が変化し、ＯＣＶとＳＯＣとの一対一対応の関係が崩れるため、ＯＣＶ法を用いて蓄積した誤差を精度よくリセットすることができない。このように、ＳＯＣ推定の精度が悪く、電池の制御が困難であるという問題がある。

【0006】

特許文献１には、充放電の履歴を考慮してＯＣＶを精度よく推定する技術が提案されている。特許文献１に開示された蓄電部材状態推定方法は、蓄電部材の電流値に基づいて算出されたパラメータに基づいて、蓄電部材のＯＣＶ補正量を求め、ＯＣＶのヒステリシスによる誤差を低減するヒステリシス補正を行う。

【0007】

特許文献２には、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を正確に関数化することにより、蓄電素子のＳＯＣの推定精度を向上させる技術が提案されている。特許文献２に開示された近似関数作成方法では、蓄電素子のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線のデータを取得する。取得されたデータにより示されるＳＯＣ－ＯＣＶ曲線のＳＯＣに対するＯＣＶの変化率が所定の閾値以下となる範囲内で、中間点を移動させる。中間点の位置ごとに、中間点を境として前記範囲を分割した各分割範囲の特性曲線をそれぞれ近似した近似曲線と、当該近似曲線の近似に用いたデータとの類似度を算出する。算出される類似度が最も中間点を境とした各分割範囲の近似直線を用いて特性曲線を近似した近似関数を生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１５－１６６７１０

【文献】特許６１７１８９７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１では、充電された後に放電に切り替わった時点の積算電気量及び平均電流値に基づいてＯＣＶを補正するが、様々なパターンに対応できるようにするために膨大なデータを事前に取得する必要があるなか、積算電気量や平均電流値といった過去から現在に至るまでの積算値に基づいてＯＣＶを補正するため、逐次計算による計算誤差が蓄積しやすく、正確なＳＯＣを精度よく推定することができない。

【0010】

特許文献２では、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を表現する近似関数を得るが、入力データに履歴情報が入らない段階で、履歴によって変化するヒステリシス挙動を表現することが不可能であり、正確なＳＯＣを精度よく推定することができない。

【0011】

本発明は、複雑な使用履歴を経た後においても、蓄電量を高精度に推定できる蓄電量推定装置、蓄電量推定方法及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。ここで、蓄電量とは、ＳＯＣ、残存放電容量、定格容量比などを意味する。定格容量比とは、定格容量に対する電池の残存放電容量の比をいい、定格容量を基準に電池の残存放電容量を０～１の間で規格化したものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係る蓄電量推定装置は、蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量推定装置であって、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定する決定部と、放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定する推定部とを備える。

【発明の効果】

【0013】

上記構成により、蓄電量－電圧値特性がヒステリシスを示す活物質を有する蓄電素子の蓄電量を高精度に推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】充放電履歴によるＳＯＣ－ＯＣＶ曲線の変化を示すグラフである。

【図2】充放電履歴による定格容量比ｒ－ＯＣＶ曲線の変化を示すグラフである。

【図3】ｒ－ＯＣＶ曲線を決定する説明図である。

【図4】蓄電モジュールの一例を示す図である。

【図5】蓄電モジュールの他の例を示す図である。

【図6】蓄電モジュールの分解斜視図である。

【図7】蓄電モジュールのブロック図である。

【図8】ＣＰＵによる蓄電量推定処理の手順を示すフローチャートである。

【図9】ＳＯＣ変動試験により取得された充放電曲線である。

【図10】ＳＯＣ変動試験による総ＳＯＣ変動量を示す図である。

【図11】ｒ－ＯＣＶ曲線を決定する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（実施形態の概要）
実施形態に係る蓄電量推定装置は、蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量推定装置であって、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定する決定部と、放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定する推定部とを備える。

【0016】

ここで、擬似開放電圧とは、休止期間を経て取得されたＯＣＶと、例えば暗電流のように小さい電流で蓄電素子が使用され、休止期間を経ずに取得された電圧（擬似的なＯＣＶ）とを含む。以下の説明では、単に「ＯＣＶ」という。
特許文献１の推定方法では、ＯＣＶヒステリシスが平均電流値及び積算電流値に依存すると考えている。しかし、本願の発明者等は、ＯＣＶヒステリシスが電流値に依存せず、放電開始時の蓄電量がＯＣＶヒステリシスに与える影響を考慮しなければ、ヒステリシスの挙動を詳細に把握することはできないことを見出した。さらに、本願の発明者等は、所定の電圧区間において、蓄電量と擬似開放電圧との間に極めて強い線形比例関係があることを見出した。このように、ヒステリシスにより変化する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を考慮して、所定の電圧区間でＯＣＶ法を実施することにより、蓄電素子の蓄電量を精度良く求めることが可能になる。
上記構成によれば、ヒステリシスを考慮して、放電開始時の蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定し、所定電圧区間でＯＣＶ法を実施するので、電流積算時の誤差の蓄積の影響を最小限にとどめることができ、蓄電素子の蓄電量を精度よく推定することができる。

【0017】

上記蓄電量推定装置において、前記決定部は、放電開始時の蓄電量ごとに予め記憶された蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係と、放電過程における少なくとも２つの時点間の擬似開放電圧の変化量及び放電量とに基づいて、前記放電開始時の蓄電量に対応する前記相関関係を決定してもよい。

【0018】

上記構成によれば、現時点の放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係が予め記憶されていない場合でも、２つの時点間の擬似開放電圧の変化量及び放電量のみを用いて現時点の蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を得ることができる。言い換えれば、放電開始時の蓄電量が分からなくても、２時点間のデータのみで蓄電量を推定することができる。

【0019】

上記蓄電量推定装置において、前記相関関係は、蓄電素子の定格容量比と擬似開放電圧との線形比例関係を示す特性曲線であってもよい。

【0020】

上記構成によれば、２つの時点間の擬似開放電圧の変化量及び放電量から求めた勾配を用いて、現時点の蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を精度よく決定することができる。

【0021】

実施形態に係る蓄電量推定方法は、蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量推定方法であって、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定するステップと、放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定するステップとを有する。

【0022】

上記構成によれば、ヒステリシスを考慮して、所定電圧区間でＯＣＶ法を実施することにより、蓄電素子の蓄電量を精度よく推定することができる。

【0023】

実施形態に係るコンピュータプログラムは、蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する蓄電素子の蓄電量を推定するコンピュータに、放電開始時の蓄電量に対応する蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係を決定し、放電過程における擬似開放電圧が所定範囲である場合に、該擬似開放電圧及び決定された前記相関関係に基づいて、放電過程における蓄電量を推定する処理を実行させる。

【0024】

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
本実施形態に係る蓄電素子は、蓄電量及び擬似開放電圧の相関関係に充放電履歴によるヒステリシスを有する正極活物質を含む。

【0025】

充放電履歴によって、蓄電素子のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線が変化する。図１は、充放電履歴によるＳＯＣ－ＯＣＶ曲線の変化を示すグラフである。図１には、横軸はＳＯＣ（％）、縦軸はＯＣＶ（Ｖ）である。曲線ＣはＳＯＣ０％～１００％の充電時のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を示す。曲線ＤはＳＯＣ１００～０％の放電時のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を示す。曲線Ｄ３０はＳＯＣ３０％～０％の放電時のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を示す。

【0026】

図１に示すように、充電時のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線Ｃと放電時のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線Ｄとは異なる。曲線Ｃ及び曲線Ｄにおいて、同一ＯＣＶに対するＳＯＣにΔＳＯＣ１の差がある。放電開始ＳＯＣが異なる場合に、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線も異なる。曲線Ｄ及び曲線Ｄ３０において、同一ＯＣＶに対するＳＯＣにΔＳＯＣ２の差がある。ここで、放電開始ＳＯＣとは、蓄電素子が充電された後に放電に切替わった時点のＳＯＣをいう。即ち、曲線Ｄ３０は放電開始ＳＯＣが３０％である場合のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を示し、曲線Ｄは放電開始ＳＯＣが１００％である場合のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を示す。

【0027】

充放電履歴によって、蓄電素子の定格容量比ｒとＯＣＶとの相関関係（以下、r－ＯＣＶ曲線と記す）も変化する。図２は充放電履歴による定格容量比r－ＯＣＶ曲線の変化を示すグラフである。図２において、横軸は定格容量比ｒ、縦軸はＯＣＶ（Ｖ）である。曲線Ｃ０はＳＯＣ０～１００％の充電時のr－ＯＣＶ曲線を示す。曲線Ｄ１０はＳＯＣ１００～０％の放電時のr－ＯＣＶ曲線を示す。各点は放電開始ＳＯＣがそれぞれ２０％、３０％、４０％、６０％、７０％及び９０％である場合の測定点を示す。これらの測定点に対し、線形近似を行った場合、所定の電圧区間において、ｒに対するＯＣＶが良好な線形性を示すことが見出された。ここで、所定の電圧区間は、３．２２０Ｖ～３．２９５Ｖが好ましい。下限は、３．２３０、３．２２５、３．２２０の順により好ましい。上限は３．２８０、３．２９０、３．２９５の順により好ましい。

【0028】

図２には、線形近似した後の各放電開始ＳＯＣに対応するｒ－ＯＣＶ曲線が示されている。Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ９はそれぞれ、放電開始ＳＯＣが２０％、３０％、４０％、６０％、７０％、９０％である場合のｒ－ＯＣＶ曲線を示す。図２において、放電開始ＳＯＣがそれぞれ２０％、３０％、４０％、６０％、７０％及び９０％の場合に、線形近似は良好なフィッテング精度を得た。

【0029】

以上のように、所定の電圧空間において、蓄電素子の定格容量比ｒとＯＣＶとの間に極めて強い線形比例関係がある。従って、放電過程におけるｒ－ＯＣＶ曲線、即ちヒステリシスを加味したｒ－ＯＣＶ曲線が決定できれば、ＯＣＶ法によって蓄電素子の蓄電量を精度よく求めることが可能になる。

【0030】

本実施の形態では、上記所定の電圧空間における定格容量比ｒとＯＣＶとの線形比例関係を利用して、ヒステリシスを加味したｒ－ＯＣＶ曲線を決定する。

【0031】

図３はｒ－ＯＣＶ曲線を決定する説明図である。横軸は定格容量比ｒ、縦軸はＯＣＶ（Ｖ）である。放電過程における２つの時点ｔ０、ｔ１ぞれぞれで取得されたＯＣＶを、ＯＣＶ_ｔ０及びＯＣＶ_ｔ１とする場合、時点ｔ０からｔ１までの期間におけるＯＣＶの変化量ΔＶ及び放電量Δｒは、式（２）で求められる。

【0032】

【数1】

【0033】

ここで、Ｉは電流、r_０は定格容量であり、放電方向を正とする。
以上のように、図３における２つの測定点を通る直線の勾配ΔＶ／Δｒは求められる。求められた勾配ΔＶ／Δｒを用いて、予め取得されている参照ｒ－ＯＣＶ曲線を参照して、放電過程におけるｒ－ＯＣＶ曲線を決定することができる。

【0034】

以下、参照ｒ－ＯＣＶ曲線について説明する。
参照ｒ－ＯＣＶ曲線とは、放電開始ＳＯＣ毎に、予め実験により得られた複数のｒ－ＯＣＶ曲線をいう。例えば、蓄電素子を所定のＳＯＣまで充電した後に複数の時点で放電させ、放電過程において、各時点で蓄電素子の端子電圧及び電流を測定することで、各測定点の座標（ＯＣＶ，ｒ）を取得する。各測定点に対し線形近似をして線形近似曲線を得て、当該線形近似曲線を所定の放電開始ＳＯＣに対応するｒ－ＯＣＶ曲線とする。

【0035】

本実施の形態では、放電開始ＳＯＣがそれぞれ２０％、３０％、４０％、…、１００％の場合に測定された複数のｒ－ＯＣＶ曲線を参照ｒ－ＯＣＶ曲線とする。当該参照ｒ－ＯＣＶ曲線に係るデータは、後述する蓄電量推定装置のメモリ６３のテーブル６３ｂに格納されている。例えば、メモリのテーブルにこれらのｒ－ＯＣＶ曲線の勾配及び切片を放電開始ＳＯＣと関連付けて格納されている。表１は、参照ｒ－ＯＣＶ曲線テーブルの一例である。

【0036】

【表1】

【0037】

以下、参照ｒ－ＯＣＶ曲線に基づく放電過程におけるｒ－ＯＣＶ曲線の決定方法について説明する。
上述したようにして求めた勾配ΔＶ／Δｒをテーブルに格納された勾配と比較する。求めた勾配ΔＶ／Δｒが、テーブルに格納された勾配に一致する場合には、テーブルに格納された勾配及び対応した切片を使用してｒ－ＯＣＶ曲線を作成することができる。求められた勾配ΔＶ／Δｒが、テーブルに格納された勾配に一致しない場合には、参照ｒ－ＯＣＶ曲線テーブルに基づく内挿計算又は外挿計算によって、ｒ－ＯＣＶ曲線を決定することができる。決定されたｒ－ＯＣＶ曲線をテーブルに記憶してもよい。これにより、充放電が切り替わるまでは、当該ｒ－ＯＣＶ曲線を使用することが可能である。

【0038】

例えば、求められた勾配ΔＶ／Δｒがテーブルにおいて隣り合う２つの勾配間にある場合には、内挿計算によってｒ－ＯＣＶ曲線を決定するが、求められた勾配ΔＶ／Δｒがテーブルにおける最小ＳＯＣに対応した勾配より大きい場合には、外挿計算によってｒ－ＯＣＶ曲線を決定する。本実施の形態では、テーブルに参照ｒ－ＯＣＶ曲線が離散的に格納されているが、離散的でなく、全ての放電開始ＳＯＣに対応したｒ－ＯＣＶ曲線が連続的に格納されてもよい。

【0039】

決定されたｒ－ＯＣＶ曲線を用いて、現時点のＯＣＶに基づいて、現時点の残存放電容量の推定を実施することができ、さらに残存放電容量からＳＯＣの推定を実施することができる。現時点のＯＣＶは、取得した電圧及び電流からを算出する。ＯＣＶの算出は、複数の電圧及び電流のデータから回帰直線を用いて、電流がゼロである場合の電圧を推定すること等により得られる。また、電流が暗電流のように小さい場合、又は電流がゼロであり電圧が安定化する途中の場合でも休止時間が比較的長い場合は、取得した電圧をＯＣＶに読み替えることもできる。
決定したｒ－ＯＣＶ曲線において、ＯＣＶからｒを読み取る。定格容量比ｒは式（３）で示される。定格容量比ｒは式（３）で示される。

【0040】

【数2】

ｆ_ｒ-OCVは、参照ｒ－ＯＣＶ曲線、又は勾配及び切片を内挿計算することによって得たｒ－ＯＣＶ曲線であり、ＯＣＶを引数とする定格容量比の関数である。

【0041】

以上の方法により、蓄電素子にヒステリシスを有する材料を用いた場合において、放電方向で取得された２点間のＯＣＶの変化量ΔＶ及び放電量Δｒによって計算された勾配を用いて、現時点のｒ－ＯＣＶ曲線を推定することができる。これにより、高精度に蓄電素子の残存放電容量やＳＯＣなどの蓄電量を検知することができる。

【0042】

蓄電システムに搭載された蓄電素子の蓄電量をヒステリシスによるＯＣＶ変化を考慮して、高精度に監視することができる。

【0043】

さらに、ヒステリシスを有する蓄電素子においても、放電過程中のｒ－ＯＣＶ曲線を推定することができるため、当該放電過程中の任意期間には、ＯＣＶを測定できれば、残存放電容量やＳＯＣを推定することができる。

【0044】

さらに、高精度に蓄電量を推定できるため、蓄電素子のＳＯＣ範囲中に含まれる余分なマージン領域を削減することができ、実質利用可能な体積エネルギー密度を向上させることができる。例えば、ＳＯＣ推定誤差がある場合、蓄電素子の劣化分を考慮すると、余裕を持ってＳＯＣの使用範囲を制限することが多い。本発明の推定方法によれば、ＳＯＣの使用範囲をできるだけ広く設定することができ、余分なマージン領域を削減することができる。

【0045】

（実施形態１）
以下、実施形態１として、車両に搭載される蓄電モジュールを例に挙げて説明する。
図４は蓄電モジュールの一例を示す。蓄電モジュール５０は、複数の蓄電素子２００と、監視装置１００と、それらを収容する収容ケース３００とを備えている。蓄電モジュール５０は、電気自動車（ＥＶ）や、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）の動力源として使用されてもよい。
蓄電素子２００は、角形セルに限定されず、円筒形セルやパウチセルであってもよい。

【0046】

監視装置１００は、複数の蓄電素子２００と対向して配置される回路基板であってもよい。監視装置１００は、蓄電素子２００の状態を監視する。監視装置１００が、蓄電量推定装置であってもよい。代替的に、監視装置１００と有線接続または無線接続されるコンピュータやサーバが、監視装置１００が出力する情報に基づいて蓄電量推定方法を実行してもよい。

【0047】

図５は蓄電モジュールの他の例を示す。蓄電モジュール１は、エンジン車両に好適に搭載される、１２ボルト電源や、４８ボルト電源であってもよい。図５は１２Ｖ電源用の蓄電モジュール１の斜視図、図６は蓄電モジュール１の分解斜視図、図７は蓄電モジュール１のブロック図である。

【0048】

蓄電モジュール１は直方体状のケース２を有する。ケース２に複数のリチウムイオン二次電池（以下、電池という）３、複数のバスバー４、ＢＭＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）６、電流センサ７が収容される。

【0049】

電池３は、直方体状のケース３１と、ケース３１の一側面に設けられた、極性が異なる一対の端子３２，３２とを備える。ケース３１には、正極板、セパレータ、及び負極板を積層した電極体３３が収容されている。

【0050】

電極体３３の正極板は、充放電の推移に応じて蓄電量－電圧値特性がヒステリシスを有する活物質を含む。正極活物質としては、ＬｉＦｅＰＯ₄、Ｌｉ（Ｍｎ_1-xＦe_x）ＰＯ₄、Ｌｉ₂ＭｎＳｉＯ₄などのオリビン型構造を有する正極活物質が挙げられる。

【0051】

ケース２は合成樹脂製である。ケース２は、ケース本体２１と、ケース本体２１の開口部を閉塞する蓋部２２と、蓋部２２の外面に設けられたＢＭＵ収容部２３と、ＢＭＵ収容部２３を覆うカバー２４と、中蓋２５と、仕切り板２６とを備える。中蓋２５や仕切り板２６は、設けられなくてもよい。ケース本体２１の各仕切り板２６の間に、電池３が挿入されている。

【0052】

中蓋２５には、複数の金属製のバスバー４が載置されている。電池３の端子３２が設けられている端子面に中蓋２５が配置されて、隣り合う電池３の隣り合う端子３２がバスバー４により接続され、電池３が直列に接続されている。

【0053】

ＢＭＵ収容部２３は箱状をなし、一長側面の中央部に、外側に角型に突出した突出部２３ａを有する。蓋部２２における突出部２３ａの両側には、鉛合金等の金属製で、極性が異なる一対の外部端子５，５が設けられている。ＢＭＵ６は、基板に情報処理部６０、電圧計測部８、及び電流計測部９を実装してなる。ＢＭＵ収容部２３にＢＭＵ６を収容し、カバー２４によりＢＭＵ収容部２３を覆うことにより、電池３とＢＭＵ６とが接続される。

【0054】

図７に示すように、情報処理部６０は、ＣＰＵ６２と、メモリ６３とを備える。
メモリ６３には、本実施形態に係る蓄電量推定プログラム６３ａと、参照ｒ－ＯＣＶ曲線に係るデータが格納されたテーブル６３ｂとが記憶されている。蓄電量推定プログラム６３ａは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭやＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体７０に格納された状態で提供され、ＢＭＵ６にインストールすることによりメモリ６３に格納される。また、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから蓄電量推定プログラム６３ａを取得し、メモリ６３に記憶させることにしてもよい。

【0055】

ＣＰＵ６２はメモリ６３から読み出した蓄電量推定プログラム６３ａに従って、後述する蓄電量推定処理を実行する。

【0056】

電圧計測部８は、電圧検知線を介して電池３の両端に夫々接続されており、各電池３の電圧を所定時間間隔で測定する。
電流計測部９は、電流センサ７を介して電池３に流れる電流を所定時間間隔で計測する。

【0057】

蓄電モジュール１の外部端子５，５は、エンジン始動用のスターターモータ及び電装品等の負荷１１に接続されている。ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０は、ＢＭＵ６及び負荷１１に接続されている。

【0058】

以下、本実施形態に係る蓄電量推定方法について説明する。
図８は、ＣＰＵ６２による蓄電量推定処理の手順を示すフローチャートである。ＣＰＵ６２は、所定の、又は適宜の時間間隔でＳ１からの処理を繰り返す。

【0059】

ＣＰＵ６２は、２つの時点で電圧計測部８により計測された電圧及び電流計測部９により計測された電流を取得する（Ｓ１）。
ＣＰＵ６２は、取得された電圧及び電流に基づいて、２つの時点間のＯＣＶの変化量ΔＶ及び放電量Δｒを算出し（Ｓ２）、ｒ－ＯＣＶ曲線の勾配ΔＶ／Δｒを算出する（Ｓ３）。

【0060】

ＣＰＵ６２は、算出された勾配ΔＶ／Δｒと、テーブル６３ｂにおける勾配とを比較して、一致する場合に（Ｓ４：ＹＥＳ）、テーブル６３ｂを参照して、算出された勾配に対応するｒ－ＯＣＶ曲線を特定する（Ｓ５）。

【0061】

ＣＰＵ６２は、特定されたｒ－ＯＣＶ曲線に基づいて、残存放電容量を推定してＳＯＣを算出し（Ｓ６）、処理を終了する。

【0062】

一致しない場合に（Ｓ４：ＮＯ）、ＣＰＵ６２は、テーブル６３ｂから算出された勾配の数値に近い勾配データを読み出して、これらのデータを使用して内挿計算を実行することで放電開始ＳＯＣを推定する（Ｓ７）。

【0063】

ＣＰＵ６２は、推定されたＳＯＣに基づいて参照テーブルから傾きと切片を決定し、それらから決定されるｒ－ＯＣＶ曲線を推定し（Ｓ８）、テーブル６３ｂに記憶し（Ｓ９）、処理をＳ６に移行させる。

【0064】

以下、本願の推定方法による蓄電量推定の精度を検証する。
図９はＳＯＣ変動試験により取得された充放電曲線である。図１０はＳＯＣ変動試験による総ＳＯＣ変動量を示す図である。図９において、横軸はＳＯＣ（％）、縦軸は電圧（Ｖ）である。図１０において、横軸は総ＳＯＣ変動量（％）、縦軸は電圧（Ｖ）である。電流が０．１ＣＡ及び１ＣＡそれぞれの場合に、双方ともに総ＳＯＣ変動量が等しくなるように、充電調整及び放電調整を行ってＳＯＣを変動させた。各調整後には、所定の休止時間を経て端子電圧をＯＣＶとして取得した。

【0065】

本実施の形態では、ＳＯＣ０～１００％の範囲内で不規則にＳＯＣを変動させ、３．２２～３．２８Ｖ区間でＯＣＶを得た。また、所定の休止時間は通電終了後２時間とした。

【0066】

ＳＯＣ変動試験において３．２２～３．２８Ｖ区間で取得された各放電過程における直近２測定点のＯＣＶ（Ｖ１、Ｖ２）及び２点間Ｐの放電量Δｒは、表２に示す。

【0067】

【表2】

【0068】

本実施の形態では、表２におけるＰ３について残存放電容量Ｑを推定する。図１１はｒ－ＯＣＶ曲線を決定する説明図である。図１１には、横軸が定格容量比ｒ、縦軸がＯＣＶ（Ｖ）であり、Ｐ３に対応する２つの測定点及び参照ｒ－ＯＣＶ曲線の一部が示されている。２つの測定点を通る直線の勾配は下記のようにして求められる。

【0069】

ΔＶ／Δｒ＝（３．２６７３－３．２３０６）／０．０８１９≒０．４４８（Ｖ）

【0070】

表１の参照ｒ－ＯＣＶ曲線テーブルを参照すると、求められた勾配が表１における０．４７２と０．４１１との間にあるため、Ｐ３に対応した放電開始ＳＯＣ(定格容量比)は、３０％～４０％（ｒ＝０．３～０．４）の範囲に入ると判断できる。以上のように、表１におけるデータを使用して内挿計算を行って、r－ＯＣＶ曲線の勾配及び切片を特定した上、放電開始ＳＯＣを３３．９％、残存放電容量Ｑを３．３４Ａｈと推定した。実測された残存放電容量Ｑの３．３１Ａｈと比較すると、ＳＯＣ換算誤差はただ０．３％に過ぎず、推定精度が高い。

【0071】

表３は、表２のＰ１～Ｐ７について算出された勾配、ＳＯＣ及び切片である。

【0072】

【表3】

【0073】

表４は、表２、３に基づいて推定された残存放電容量Ｑと実測された残存放電容量Ｑとこれらに基づいて算出された誤差である。

【0074】

【表4】

【0075】

表３及び表４において、Ｐ６及びＰ７に対応する勾配が表１における定格容量比０．２に対応する勾配より大きいため、推定ＳＯＣ及び推定Ｑは外挿計算によって得られた。ＳＯＣ誤差は従来のＯＣＶ法（充放電平均ＯＣＶ）により求めたＳＯＣの実測値に対する誤差である。表３及び表４に基づいて、本願に係る推定方法は、ＯＣＶヒステリシスを考慮しない従来のＯＣＶ法と比較して、精度よく残存放電容量を推定することができる。

【0076】

本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0077】

本発明に係る蓄電量推定装置は、車載用のリチウムイオン二次電池に適用される場合に限定されず、鉄道用回生電力貯蔵装置、太陽光発電システム等の他の蓄電モジュールにも適用できる。微小電流が流れる蓄電モジュールにおいては、蓄電素子の正極端子・負極端子間の電圧、又は、蓄電モジュールの正極端子・負極端子間の電圧をＯＣＶとみなすことができる。

【0078】

蓄電素子は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、ヒステリシス特性を有する他の二次電池や電気化学セルであってもよい。

【0079】

監視装置１００又はＢＭＵ６が蓄電量推定装置である場合に限定されない。ＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）が蓄電量推定装置であってもよい。蓄電量推定装置は、監視装置１００等が組み込まれた蓄電モジュールの一部であってもよい。蓄電量推定装置は、蓄電素子や蓄電モジュールとは別個に構成されて、蓄熱量推定対象の蓄電素子を含む蓄電モジュールに、蓄熱量の推定時に接続されてもよい。蓄熱量推定装置は、蓄電素子や蓄電モジュールを遠隔監視してもよい。

【符号の説明】

【0080】

１、５０ 蓄電モジュール
２ ケース
２００ 蓄電素子
２１ ケース本体
２２ 蓋部
２３ ＢＭＵ収容部
２４ カバー
２５ 中蓋
２６ 仕切り板
３ 電池（蓄電素子）
３１ ケース
３２ 端子
３３ 電極体
４ バスバー
５ 外部端子
６ ＢＭＵ（蓄電量推定装置）
６０ 情報処理部
６２ ＣＰＵ（決定部、推定部）
６３ メモリ
６３ａ 蓄電量推定プログラム
６３ｂ テーブル
７ 電流センサ
８ 電圧計測部
９ 電流計測部
１０ ＥＣＵ
７０ 記録媒体
１００ 監視装置（蓄電量推定装置）
３００ 収容ケース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】