特許 7636310 電池の充電方法

(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】2025-02-17

(45)【発行日】2025-02-26

(54)【発明の名称】電池の充電方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/44 20060101AFI20250218BHJP

   H01M 10/42 20060101ALI20250218BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20250218BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20250218BHJP

   H02J 7/04 20060101ALI20250218BHJP

【ＦＩ】

H01M10/44 Q

H01M10/42 P

H01M10/48 P

H02J7/00 Y

H02J7/04 A

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021156024

(22)【出願日】2021-09-24

(65)【公開番号】P2023047092

(43)【公開日】2023-04-05

【審査請求日】2024-02-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福元 俊吏

(72)【発明者】

【氏名】上井 健太

【審査官】早川 卓哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０６４７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０８６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１３１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１３５５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１４７９７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０９２８１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２０２２９９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ１０／４２－１０／４８

Ｈ０２Ｊ７／００－７／１２

Ｈ０２Ｊ７／３４－７／３６

Ｇ０１Ｒ３１／３６－３１／３９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池の充電方法であって、
前記電池の容量劣化の度合を示す容量劣化係数を推定するステップと、
前記電池の経時劣化の度合いを示す経時劣化係数を算出するステップと、
前記容量劣化係数と前記経時劣化係数とのうち小さい方の係数に基づいて制限電流値を算出し、その算出した制限電流値で前記電池の充電を行うステップとを含む
ことを特徴とする電池の充電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池の充電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、電池の状態（使用履歴、劣化状態）に基づいて、充電時の最大充電電流値を算出することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１０８６０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の構成では、電池の劣化状態を考慮して充電時の電流値を算出しているものの、電池の劣化状態を正確に把握することは難しい。そのため、電池容量の推定誤差が大きく、容量劣化状態の推定精度が低い場合には、充電電流値が許容電流値を超過してしまい、あるいは予め必要以上に許容電流値を制限することになるので、適切な充電を行うことができない虞がある。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電池容量の推定誤差が大きい場合でも適切な充電を行うことができる電池の充電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、電池の充電方法であって、前記電池の容量劣化の度合を示す容量劣化係数を推定するステップと、前記電池の経時劣化の度合いを示す経時劣化係数を算出するステップと、前記容量劣化係数と前記経時劣化係数とのうち小さい方の係数に基づいて制限電流値を算出し、その算出した制限電流値で前記電池の充電を行うステップとを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明では、容量劣化係数と経時劣化係数とのうち小さい方の係数を用いて充電電流値を設定するので、電池容量の推定誤差が大きい場合でも適切な充電を行うことができる。電池容量の推定誤差が大きく、容量劣化係数が実際の劣化状態よりも大きな値に推定された場合には、小さい方の係数である経時劣化係数を用いて制限電流値を算出するため、電池の劣化状態に応じた適切な充電を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態における充電システムを模式的に示す図である。

【図2】図２は、電池温度が２５℃の場合の許容電流値マップを示すマップ図である。

【図3】図３は、推定誤差がない時の容量維持率と容量劣化係数との関係を示す図である。

【図4】図４は、推定誤差Ｘ％時の容量維持率と容量劣化係数との関係を示す図である。

【図5】図５は、推定誤差１０％時の容量維持率と容量劣化係数との関係を示す図である。

【図6】図６は、容量推定の推定誤差を反映した容量維持率と容量劣化係数との関係を示すマップ図である。

【図7】図７は、経時劣化係数マップを示すマップ図である。

【図8】図８は、電池の充電方法を示すフローチャート図である。

【図9】図９は、容量劣化係数と経時劣化係数とを併用した場合を示すマップ図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における電池の充電方法について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

【0010】

図１は、実施形態における充電システムを模式的に示す図である。充電システム１は、電池２の充電を行う際に、電池２と充電器３とが電気的に接続された状態となる。この充電システム１は、充電制御装置１０を備え、充電時に充電制御装置１０が充電電流値を制御する。

【0011】

電池２は、二次電池であり、例えばリチウムイオン電池などにより構成されている。この電池２は、複数の電池セルにより構成された組電池である。放電時、電池２に蓄えられた電力がモータなどに供給される。充電時、充電システム１では充電器３を介して外部電源から供給される電力が電池２に蓄えられる。

【0012】

充電器３は、外部電源の電力を電池２に供給することができる装置である。電池２の充電を行う場合、電池２を搭載する装置に充電器３を取り付け、充電器３を介して電池２と外部電源とが電気的に接続される。電池２の充電を行わない場合、電池２を搭載する装置から充電器３を取り外すことが可能である。

【0013】

充電システム１では、図１に示すように、電池２を搭載する装置に設けられた第１接続部２１に、充電器３に設けられた第２接続部３１が接続される。第１接続部２１は、電池２側の接続部であって、電池２の正極に接続された正極側接続部２１ａと、電池２の負極に接続された負極側接続部２１ｂとを含む。第２接続部３１は、充電器３側の接続部であって、第１接続部２１の正極側接続部２１ａに接続される正極側接続部３１ａと、第１接続部２１の負極側接続部２１ｂに接続される負極側接続部３１ｂとを含む。そして、電池２側の正極側接続部２１ａと充電器３側の正極側接続部３１ａとが接続され、かつ電池２側の負極側接続部２１ｂと充電器３側の負極側接続部３１ｂとが接続されることにより、充電時の電気回路が形成される。

【0014】

例えば電池２を搭載した装置が車両である場合、電池２は車載バッテリであり、充電器３が充電スタンドなどの充電設備である。この場合、放電時には電池２に蓄えられた電力を走行用モータに供給することができる。充電時には、充電器３に設けられた充電ケーブルが、車両に設けられた充電ポートに接続されることにより、電池２と外部電源とが電気的に接続されて充電可能状態となる。これにより、外部電源から供給される電力を電池２に充電することができる。

【0015】

充電制御装置１０は、電池２の状態に基づいて充電電流値を制御する電子制御装置である。この電子制御装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェースを備えたマイクロコンピュータを含んで構成されている。そのため、充電制御装置１０はＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行う。例えば、充電制御装置１０は、電池２を搭載した装置に設けられている。

【0016】

また、充電制御装置１０には、各種センサからの信号が入力される。例えば、電池２の電圧と温度とを検出する電圧・温度検出装置４や、充電時の電流値を検出する電流検出装置５からの信号が充電制御装置１０に入力される。電圧・温度検出装置４は、電池２が複数のセルにより構成されている場合、各セルの電圧と温度とをそれぞれ検出する。電流検出装置５は、電池２と充電器３とが電気的に接続された電気回路を流れる電流の値を検出する。この電流検出装置５は、図１に示すよう、電池２の負極側に配置されており、充電器３側から電池２に流れ込む電流の値を検出する。

【0017】

そして、充電制御装置１０は、電圧・温度検出装置４および電流検出装置５から入力された信号に基づいて充電制御を実行する。すなわち、充電制御装置１０は、現在の電池２の状態に応じた充電制御を実行する。充電制御は、充電電流値が電池２の許容電流値Ｉｄｃを超えない範囲で充電を行うための制御である。充電制御装置１０は、充電中に現在の電池２の状態に応じた所望の電流値に充電電流値を制御する。その際、充電制御装置１０は、充電電流値を制御するために、充電器３に制御信号を出力する。

【0018】

図１に示すように、充電制御装置１０は、演算部１１を備えている。

【0019】

演算部１１は、電圧・温度検出装置４により検出した電池２の電圧と温度とに基づいて、電池２の充電状態であるＳＯＣ（State of charge）を算出する。電圧・温度検出装置４によって充電中の電池２の電圧と温度とを検出できるため、演算部１１は充電中の電池２の電圧と温度とに基づいた現在のＳＯＣを算出することができる。

【0020】

また、演算部１１は、電池２の容量維持率などの使用履歴に基づいて電池２の劣化量（劣化状態）を推定する。つまり、演算部１１は、電池２の容量劣化の度合を示す係数である容量劣化係数Ｄｃａｐを推定する。

【0021】

また、演算部１１は、電池２を使用開始してからの時間経過による劣化係数を算出する。つまり、演算部１１は、電池２の経時劣化の度合を示す係数である経時劣化係数Ｄｔｉｍｅを算出する。

【0022】

そして、充電制御装置１０が充電制御を実行する際、演算部１１は現在の電池状態（温度、ＳＯＣ）に基づいて許容電流値Ｉｄｃを算出する。さらに、演算部１１は、現在の容量推定値に応じた容量劣化係数Ｄｃａｐと、電池２を使用開始からの経過時間に応じた経時劣化係数Ｄｔｉｍｅとのうち、小さい方の係数を許容電流値Ｉｄｃに掛け合わせた制限電流値Ｉｌｉｍを算出する。そして、充電制御装置１０は制限電流値Ｉｌｉｍで電池２の充電を行う。つまり、充電時、充電制御装置１０により充電電流値が制限電流値Ｉｌｉｍに制御される。

【0023】

ここで、図２～図７を参照して、許容電流値マップと、容量劣化係数Ｄｃａｐと、経時劣化係数Ｄｔｉｍｅとについてより詳細に説明する。

【0024】

まず、図２を参照して、許容電流値マップについて説明する。

【0025】

許容電流値マップは、電池２の温度およびＳＯＣごとに予め設定されたマップである。実施形態における充電方法では、現在の電池２の状態（温度、ＳＯＣ）に応じた許容電流値Ｉｄｃを算出する際、予め設定された許容電流値マップを参照する。すなわち、充電制御装置１０は許容電流値Ｉｄｃを算出する際に許容電流値マップを用いる。

【0026】

例えば、電池２の温度が２５℃の場合、ＳＯＣごとに充電レートが設定されている。充電レートは、充電のスピードを表すものであり、電流値の大きさを相対的に表現したものである。定電流充放電測定の場合、電池２の理論容量を維持時間で完全に充電させる電流値の大きさを１Ｃと定義する。充電時の１Ｃは、１時間で完全に放電した状態から満充電状態になる時の電流値である。図２に示すように、電池温度が２５の場合、ＳＯＣが３０％程度よりも小さい場合に充電レートは１Ｃとなり、ＳＯＣが３０％程度よりも大きい場合に充電レートは１Ｃ未満となる。この例では、ＳＯＣ３０％程度を境にして充電レートが１Ｃとなる場合と１Ｃ未満となる場合とに分かれる。ＳＯＣが３０％程度よりも大きい範囲では、ＳＯＣが増加するにつれて充電レートが徐々に小さくなる。

【0027】

許容電流値マップの作成方法について説明すると、劣化してない電池２において、電池２の各温度とＳＯＣごとにリチウム析出が発生しない許容電流値Ｉｄｃを実験により求める。そして、実験により求められた許容電流値Ｉｄｃを電池２の各温度とＳＯＣごとにマップ化する。これにより、充電制御装置１０は、電池２の各温度とＳＯＣごとに許容電流値マップを予め設定することができる。

【0028】

次に、図３～図６を参照して、容量劣化係数Ｄｃａｐについて説明する。図３は、推定誤差がない時の容量維持率と容量劣化係数との関係を示す図である。図４は、推定誤差Ｘ％時の容量維持率と容量劣化係数との関係を示す図である。図５は、推定誤差１０％時の容量維持率と容量劣化係数との関係を示す図である。図６は、容量推定の推定誤差を反映した容量維持率と容量劣化係数との関係を示すマップ図である。

【0029】

容量劣化係数マップは、使用履歴等から算出した電池容量の推定値に基づいて求められる容量維持率と、その劣化係数である容量劣化係数Ｄｃａｐとの関係を示すマップである。電池２の容量維持率は、容量推定の推定誤差を反映した値に設定される。

【0030】

例えば、容量推定の推定誤差がない場合、図３に示すように、容量維持率が「１００」％の時に容量劣化係数Ｄｃａｐは「１．００」に設定され、容量維持率が「５０」％の時に容量劣化係数Ｄｃａｐが「０．５」に設定される。

【0031】

容量推定の推定誤差が「Ｘ％」の場合、図４に示すように、容量維持率は推定誤差Ｘ％を反映した「５０＋Ｘ」％や「６０＋Ｘ」％のように推定誤差を加算した値により表すことができる。そして、容量維持率が「５０＋Ｘ」の場合には容量劣化係数Ｄｃａｐは「０．５０」に設定され、容量維持率が「６０＋Ｘ」の場合には容量劣化係数Ｄｃａｐは「０．６０」に設定される。

【0032】

そのため、容量推定の推定誤差を「１０％」の場合には、図５に示すように、容量維持率は推定誤差１０％を反映した「６０」％の場合に容量劣化係数Ｄｃａｐは「０．５０」に設定され、容量維持率は推定誤差１０％を反映した「７０」％の場合に容量劣化係数Ｄｃａｐは「０．６０」に設定される。ただし、この状態だと、初期状態から、最大の容量劣化係数Ｄｃａｐが「０．９」になってしまう。

【0033】

そして、容量劣化係数Ｄｃａｐのマップは、図６に示すように、電池容量の推定誤差が反映された容量維持率に基づいて容量劣化係数Ｄｃａｐを決定することができるマップになっている。

【0034】

次に、図７を参照して、経時劣化係数Ｄｔｉｍｅについて説明する。図７は、経時劣化係数マップを示すマップ図である。

【0035】

経時劣化係数マップは、電池２を使用開始してからの経過時間と、その劣化係数である経時劣化係数Ｄｔｉｍｅとの関係を示すマップである。経過時間は、経時情報を用いて求めることが可能である。

【0036】

経時情報として、電池２を使用開始してからの経過日数を用いることができる。経過日数は、充電制御装置１０が、電池２の使用開始からの経過時間を算出することにより求めることができる。

【0037】

例えば、電池２を搭載した装置が運用される中で、最も厳しい条件で運用された時の経過日数と、電池２の寿命から計算される劣化係数とを用いて、図７に示すように、経過日数に応じた経時劣化係数マップを作成する。経時劣化係数マップは、容量推定誤差の影響を受けない。そのため、図７に示すように、経過日数が「０」日の場合に経時劣化係数Ｄｔｉｍｅは「１．００」に設定される。そして、経過日数の増加に伴い経時劣化係数Ｄｔｉｍｅは小さくなり続ける。

【0038】

このように構成された充電制御装置１０は、予め設定された許容電流値マップと、現在の電池２の状態に応じて設定された容量劣化係数Ｄｃａｐおよび経時劣化係数Ｄｔｉｍｅとを用いて、充電時の制限電流値Ｉｌｉｍを算出する。この制限電流値Ｉｌｉｍに基づいて電池２を充電する充電方法の一例を図８に示す。

【0039】

図８は、電池の充電方法を示すフローチャート図である。図８に示す制御は、充電制御装置１０により実施される。

【0040】

充電制御装置１０は、電池２の温度とＳＯＣとに応じた許容電流値Ｉｄｃを算出する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、電圧・温度検出装置４により検出した電圧と温度とに基づいてＳＯＣが算出されるとともに、そのＳＯＣと電池温度とに基づいて許容電流値マップを参照して許容電流値Ｉｄｃが算出される。この許容電流値マップは、予め設定されたマップである。

【0041】

充電制御装置１０は、容量劣化係数Ｄｃａｐが経時劣化係数Ｄｔｉｍｅよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、容量推定の推定誤差を反映した容量維持率に基づいて容量劣化係数マップを参照し、容量劣化係数Ｄｃａｐが決定される。さらに、ステップＳ２では、経時劣化係数マップを参照し、経過日数に応じた経時劣化係数Ｄｔｉｍｅが決定される。このように現在の電池２の状態に応じた容量劣化係数Ｄｃａｐと経時劣化係数Ｄｔｉｍｅとが決定され、その劣化係数の大きさが比較される。

【0042】

容量劣化係数Ｄｃａｐが経時劣化係数Ｄｔｉｍｅよりも大きいと判定された場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、充電制御装置１０は、相対的に小さい方の係数となる経時劣化係数Ｄｔｉｍｅを用いて、経時劣化係数Ｄｔｉｍｅと許容電流値Ｉｄｃとが掛け合わされた制限電流値Ｉｌｉｍを算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、現在の電池２における経時劣化の度合を示す経時劣化係数Ｄｔｉｍｅと、ステップＳ１で算出された許容電流値Ｉｄｃとが掛け合わされる。

【0043】

容量劣化係数Ｄｃａｐが経時劣化係数Ｄｔｉｍｅ以下であると判定された場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、充電制御装置１０は、相対的に小さい方の係数となる容量劣化係数Ｄｃａｐを用いて、容量劣化係数Ｄｃａｐと許容電流値Ｉｄｃとが掛け合わされた制限電流値Ｉｌｉｍを算出する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、現在の電池２における容量劣化の度合を示す容量劣化係数Ｄｃａｐと、ステップＳ１で算出された許容電流値Ｉｄｃとが掛け合わされる。

【0044】

ステップＳ３，Ｓ４のいずれかの処理が実施されると、充電制御装置１０は、制限電流値Ｉｌｉｍで充電を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５では、電池２の充電電流値が制限電流値Ｉｌｉｍに制御されることにより、許容電流値Ｉｄｃを超えない範囲で充電が行われる。

【0045】

そして、充電制御装置１０は、電池２の充電量が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６では、現在の電池２の充電量が算出されるとともに、その充電量が予め設定された所定値以上であるか否かが判定される。例えば、充電制御装置１０は、現在のＳＯＣに基づいて電池２の充電量を算出することができる。あるいは、充電制御装置１０は、電流検出装置５から入力される充電電流の検出値と、電圧・温度検出装置４から入力される電圧および温度の検出値とを用いて、電池２の充電量を算出してもよい。

【0046】

電池２の充電量が所定値以上であると判定された場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、この制御ルーチンは終了する。この場合、充電制御装置１０は電池２の充電を終了する。

【0047】

電池２の充電量が所定値以上ではないと判定された場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ１にリターンする。

【0048】

以上説明した通り、実施形態によれば、容量劣化係数Ｄｃａｐと経時劣化係数Ｄｔｉｍｅとのうち小さい方の係数を用いて充電電流値を設定するので、電池容量の推定誤差が大きい場合でも適切な充電を行うことができる。

【0049】

つまり、電池容量の推定誤差が大きく、容量劣化係数Ｄｃａｐが実際の劣化状態よりも大きな値に推定された場合には、小さい方の係数である経時劣化係数Ｄｔｉｍｅを用いて制限電流値Ｉｌｉｍを算出するため、電池２の劣化状態に応じた適切な充電を行うことが可能である。これにより、劣化した電池２であっても、電池２の許容電流値Ｉｄｃを超過しない範囲で充電できるとともに、必要以上に電池２の充電電流値を制限することがなくなるので充電時間を短縮させることができる。

【0050】

なお、変形例として、容量劣化係数Ｄｃａｐに経時劣化係数Ｄｔｉｍｅを併用したマップを用いることが可能である。経時劣化係数Ｄｔｉｍｅが推定誤差を含まない係数であるのに対して、容量劣化係数Ｄｃａｐは電池容量の推定誤差を反映させた係数であるために、電池容量の推定誤差によって初期状態から容量劣化係数Ｄｃａｐが「１．００」よりも小さい値に設定される。そこで、変形例としてこの併用マップを作成することができる。この併用マップの一例を図９に示す。

【0051】

図９は、容量劣化係数と経時劣化係数とを併用した場合を示すマップ図である。容量劣化係数マップをそのまま使用すると、推定誤差が１０％の場合には容量維持率が「１００」％に決定され、容量劣化係数Ｄｃａｐが「０．９０」に設定されるため、初期状態から電池２の能力を使いきることができない場合がある。そこで、図９に示すように、容量劣化係数Ｄｃａｐと経時劣化係数Ｄｔｉｍｅと併用する劣化係数マップを作成する。

【0052】

例えば、容量推定の推定誤差がＸ％の場合、推定容量の容量維持率が「１００－Ｘ」％になる時まで、経時劣化係数Ｄｔｉｍｅを持っていれば、推定容量の容量維持率が「１００－Ｘ」％になるまでは、容量劣化係数マップの推定誤差を無視できる。つまり、容量劣化係数Ｄｃａｐに経時劣化係数Ｄｔｉｍｅを併用することで、初期の劣化係数を必要以上に小さくする必要がなくなる。一方、容量劣化係数Ｄｃａｐのみの場合には初期状態から劣化係数を必要以上に制限してしまう。反対に、経時劣化係数Ｄｔｉｍｅのみで制御すると、想定以上に劣化が進行した際に、許容電流値Ｉｄｃを超える虞がある。なお、図９に示すマップは、電池２を搭載した装置が運用される中で、最も厳しい条件で電池２が運用された場合の劣化係数マップに作成されている。

【0053】

また、電池２が車両に搭載される例について説明したが、その車両は電気自動車であってもよく、プラグインハイブリッド車両であってもよい。

【0054】

また、電池２が搭載される装置は車両に限定されず、移動体や、持ち運びが可能な電気機器などであってもよい。

【符号の説明】

【0055】

１ 充電システム
２ 電池
３ 充電器
４ 電圧・温度検出装置
５ 電流検出装置
１０ 充電制御装置
１１ 演算部
２１ 第１接続部
２１ａ 正極側接続部
２１ｂ 負極側接続部
３１ 第２接続部
３１ａ 正極側接続部
３１ｂ 負極側接続部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】