JP2010271286A - 電池劣化判定装置、電池劣化判定方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の劣化状態を判定するための特別な装置を設けることなく、ランニング運転のまま短時間で二次電池の劣化状態を判定することができるようにする。
【解決手段】発熱量演算部２が、二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から電池セルの実測温度上昇値を演算し、ＳＯＣ演算部３が、電池セルに流れる電流の電流積算値と電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算する。一方、テーブル４は、二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均ごとの電池セルの初期特性の温度上昇値をＳＯＣごとに格納している。これによって、劣化判定部５は、テーブル４に格納されている初期特性の温度上昇値と、先に発熱量演算部２が演算した実測温度上昇値とを比較して二次電池の劣化状態を判定する。これによって、ランニング運転中において二次電池の劣化判定を短時間かつ容易に行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池の劣化状態を判定する技術に係り、特に、移動体用のリチウム電池などの二次電池の劣化状態を判定するための電池劣化判定装置、電池劣化判定方法、及びその方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。

リチウム電池などの二次電池の劣化状態を推定（判定）して、電池の管理条件への反映や状態表示を行うことは、二次電池を安全に使用したり電池交換時期を事前に知る上でユーザメリットにつながる。そこで、このような観点から、二次電池の劣化状態を推定する技術が種々報告されている。例えば、二次電池の充放電回数をカウントしたり使用時間を計測することで二次電池の劣化状態を推定する技術や、二次電池の充放電容量を直接計測したり、内部抵抗を計算したりして二次電池の劣化状態を推定する技術や、二次電池の電圧変化幅と充放電容量から全体容量を判断して、二次電池の劣化状態を推定する技術などが知られている。

また、二次電池の機能が低下した電池パックを事前に判定して適切な処理を行う技術も開示されている(例えば、特許文献１参照)。この技術によれば、二次電池が経年変化によって寿命に達し、機能が著しく低下して機能喪失の状態に陥ったと判定された場合には、その判定内容に応じて充放電の制御や強制放電の制御を適切に行うことにより、その二次電池の使用を制限しながら適切な処理を行う（例えば、再生できる場合は再生充電処理を行い、機能が不能な場合は強制放電処理を行う）ことができる。このとき、経年変化の判定には、例えば、平均周囲温度が１０℃上昇するごとに経年時間を２倍にするなど、周囲温度を考慮した劣化判定を行っている。

特許第３６３８１０２号公報

しかしながら、前記従来技術のうち、二次電池の充放電回数をカウントしたり使用時間を計測して劣化状態を推定する技術は、二次電池のセルごとの充電バラツキを捉えることができなかったり、充放電レートや充放電の深度によって劣化の異なる状態を把握することができないなどの問題がある。また、二次電池の充放電容量を直接計測して劣化状態を推定する技術は、日々のランニング運転による充放電の中では二次電池の容量変化を捉え難いので、０〜１００％の充放電が繰り返されるアプリケーションでしか適用することができないと共に、劣化状態の推定にかなりの時間がかかるなどの問題がある。

また、二次電池の内部抵抗を計算して劣化状態を推定する技術は、極めて小さな内部抵抗（例えば、リチウム電池の内部抵抗は数ｍΩ）を計測する必要があるので、高精度な電圧・電流計測が必要となるなど計測装置が高価になってしまうなどの問題がある。また、二次電池の電圧変化幅と充放電容量から全体容量を判断して二次電池の劣化状態を推定する技術は、狭い電圧変化幅から劣化状態を推定することになるので、高精度な電圧・電流計測が必要となり、前述と同様に計測装置が高価になってしまうなどの問題がある。

また、特許文献1に開示された技術によれば、周囲温度などを考慮した経年変化に基づいて、比較的高精度に二次電池の劣化状態の判定を行うことができるが、二次電池のライフサイクルをインターバルとした劣化状態の判定方法であるので、短時間に劣化状態を判定することができない。すなわち、日々のランニング運転の状態にある二次電池の劣化状態を短時間で判定することはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の劣化状態を判定するための特別な装置を設けることなく、ランニング運転のまま短時間で二次電池の劣化状態を判定することができる電池劣化判定装置、電池劣化判定方法、及びその方法をコンピュータに実行させるプログラムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置であって、前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算する発熱量演算部と、前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均ごとの前記電池セルの理論発熱量を前記ＳＯＣごとに格納するデータテーブルと、前記データテーブルに格納された理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定する劣化判定部とを備えることを特徴とする電池劣化判定装置である。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値であることを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記データテーブルは前記電池セルの周囲温度ごとに複数の種類が用意され、前記劣化判定部は、周囲温度に対応したデータテーブルを参照した前記初期特性の温度上昇値と前記実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記電池セルの周囲温度の範囲に応じて前記二次電池の劣化判定の実行可否を判断することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記データテーブルは前記電池セルの劣化度ごとに複数の種類が用意され、前記劣化判定部は、劣化度ごとのデータテーブルを参照して前記二次電池の劣化度を判定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記データテーブルは、前記電池セルの熱容量に起因する温度タイムラグを考慮した初期特性の温度上昇値のデータを格納し、前記劣化判定部は、前記温度タイムラグが考慮された初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記データテーブルは、初回の計測期間における実測値と理論値との差をオフセット誤差として格納し、前記劣化判定部は、前記データテーブルに格納されたオフセット誤差を考慮して劣化判定を行うことを特徴とする。

また本発明は、二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置であって、前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算する発熱量演算部と、前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均と前記ＳＯＣとに基づいて前記電池セルの理論発熱量を関数を用いて演算し、該演算した前記理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定する劣化判定部とを備えることを特徴とする電池劣化判定装置である。

また本発明は、上述の電池劣化判定装置において、前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値であることを特徴とする。

また本発明は、二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置の電池劣化判定方法であって、前記電池劣化判定装置の発熱量演算部が、前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算し、前記電池劣化判定装置のＳＯＣ演算部が、前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算し、前記電池劣化判定装置のデータテーブルが、前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均ごとの前記電池セルの理論発熱量を前記ＳＯＣごとに格納し、前記電池劣化判定装置の劣化判定部が、前記データテーブルに格納された理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定することを特徴とする電池劣化判定方法である。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値であることを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記データテーブルは前記電池セルの周囲温度ごとに複数の種類が用意され、前記劣化判定部は、周囲温度に対応したデータテーブルを参照した前記初期特性の温度上昇値と前記実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記電池セルの周囲温度の範囲に応じて前記二次電池の劣化判定の実行可否を判断することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記データテーブルは前記電池セルの劣化度ごとに複数の種類が用意され、前記劣化判定部は、劣化度ごとのデータテーブルを参照して前記二次電池の劣化度を判定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記データテーブルは、前記電池セルの熱容量に起因する温度タイムラグを考慮した初期特性の温度上昇値のデータを格納し、前記劣化判定部は、前記温度タイムラグが考慮された初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記データテーブルは、初回の計測期間における実測値と理論値との差をオフセット誤差として格納し、前記劣化判定部は、前記データテーブルに格納されたオフセット誤差を考慮して劣化判定を行うことを特徴とする。

また本発明は、二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置の電池劣化判定方法であって、前記電池劣化判定装置の発熱量演算部が、前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算し、前記電池劣化判定装置のＳＯＣ演算部が、前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算し、前記電池劣化判定装置の劣化判定部が、前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均と前記ＳＯＣとに基づいて前記電池セルの理論発熱量を関数により演算し、該演算した前記理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定することを特徴とする電池劣化判定方法である。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法において、前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値であることを特徴とする。

また本発明は、上述の電池劣化判定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。

本発明によれば、二次電池のセルごとの劣化状態を判定することができるので、二次電池全体が劣化する前に必要な対応を採ることができる。また、０〜１００％のサイクルで二次電池の充放電を行わなくても、ランニング運転中において二次電池の劣化状態を判定することができる。従って、二次電池の使用中において電池劣化によって機器が停止するなどのトラブルを回避することができる。

また、ランニング運転中において短時間で二次電池の劣化判定を行うことができるので、ハイブリッド自動車などのように頻繁に二次電池の充放電が繰り返えされるアプリケーションであっても、容易に二次電池の劣化判定を行うことができる。さらに、初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値は相対的に比較されるので、温度センサの絶対精度を無視することができるので、二次電池の劣化判定を行う場合に高精度は計測器を用いる必要がなくなる。

二次電池の平均電流の二乗（Ｉ^２平均）とセル温度Ｔとの関係を示す特性図である。 本発明の実施例１に係る電池劣化判定装置に適用される、ＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの初期特性の温度上昇値との関係を示すテーブルである。 本発明の実施例１に係る電池劣化判定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る電池劣化判定装置に適用されるＳＯＣ演算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る電池劣化判定装置に適用される、ＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの初期特性の温度上昇値との関係を示すテーブルである。 本発明の実施例４に係る電池劣化判定装置に適用される、ＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの劣化率ごとの温度上昇値との関係を示すテーブルである。 本発明の実施例６に係る電池劣化判定装置に適用される、電池セルの温度上昇値が飽和する前に劣化判定を行う状態を示す特性図である。

本発明の実施形態に係る電池劣化判定装置は、二次電池の温度上昇に基づいてその二次電池の劣化状態の判定（推定）を行うことを特徴としている。以下、図面を参照しながら、本発明に係る電池劣化判定装置について幾つかの実施例を詳細に説明する。

《実施例１》
〔二次電池の劣化判定方法〕
一般的に、二次電池が劣化すると内部抵抗Ｒが高くなり、電流Ｉと内部抵抗Ｒによる発熱ロス（Ｉ^２Ｒロス）によって、ランニング運転中の二次電池の温度上昇値が増加することに着目し、実施例１では、二次電池の温度上昇に基づいてその二次電池の劣化判定を行う方法について説明する。

図１は、二次電池の平均電流の二乗（Ｉ^２平均）とセル温度Ｔとの関係を示す特性図であり、横軸に時間、縦軸にＩ^２平均の大きさ、及びセル温度Ｔの高さを示している。電池セルのセル温度Ｔは、電池セルの内部抵抗Ｒと電流の二乗（Ｉ^２）との積（Ｉ^２Ｒ）によって決まるので、図１に示すように、Ｉ^２平均の増加／減少に伴ってセル温度Ｔは徐々に上昇／下降し、Ｉ^２平均が一定になればセル温度Ｔは徐々に飽和してゆく。このとき、セル温度ＴはＩ^２Ｒに比例するので、二次電池の劣化の程度によって内部抵抗Ｒが増加すればセル温度Ｔも上昇する。

従って、二次電池の劣化判定を行う場合は、先ず、二次電池をランニング運転している充放電中において、その二次電池の電流Ｉと電池セルのセル温度Ｔと周囲温度Ｔｆとを計測する。次に、二次電池の電流値積算と電池セルの電圧からＳＯＣ（State Of Charge：充電率、充電状態、残存容量）を演算する。尚、ＳＯＣの算出方法は後述する。

さらに、演算によって求めたＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの初期特性の温度上昇値との関係を示す図２のようなテーブルを用意する。すなわち、図２は、本発明の実施例１に係る電池劣化判定装置に適用される、ＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの初期特性の温度上昇値との関係を示すテーブルであり、縦の項目にＳＯＣ、横の項目にＩ^２平均を示している。図２において、例えば、ＳＯＣが２０％でＩ^２平均が２５００（電流Ｉが５０Ａ）のときは、電池セルの初期特性の温度上昇値はｂｃ（例えば、５０℃）である。

尚、ＳＯＣの刻み間の温度上昇値、及びＩ^２平均の刻み間の温度上昇値は、それぞれ直線補完されている。例えば、ＳＯＣが２０％のとき、Ｉ^２平均が２５００のときの温度上昇値ｂｃ（例えば、５０℃）と、Ｉ^２平均が１００００のときの温度上昇値ｃｃ（例えば、６０℃）との間の温度上昇は直線的に変化している（つまり、直線補完されている）。また、Ｉ^２平均が２５００のとき、ＳＯＣが２０％のときの温度上昇値ｂｃ（例えば、５０℃）と、ＳＯＣが３０％のときの温度上昇値ｂｄ（例えば、４５℃）との間の温度上昇値は直線的に変化している（つまり、直線補完されている）。

次に、先に計測した電池セルのセル温度Ｔと周囲温度Ｔｆから、電池セルの温度変化、すなわち実測温度上昇値（Ｔ−Ｔｆ）を求める。そして、実測温度上昇値（Ｔ−Ｔｆ）が図２に示すテーブルから求めた初期特性の温度上昇値に対して規定値以上高い場合は、二次電池の電池セルが劣化していると判断する。ここで、規定値とは、二次電池における電池セルの使用温度範囲の最大値と使用可能温度上限値との差である。実際には、規定値は、図２のテーブルから求められたＳＯＣごとの初期特性の温度上昇値と、寿命到達時における電池セルのＳＯＣごとの実測温度との差などから求められる値である。

以下、電池セルの温度上昇値に基づいて電池セルの劣化判定を行う具体的な例について数値を用いて説明する。例えば、二次電池における電池セルの使用温度範囲が０〜５０℃であって、その電池セルの使用可能温度上限値が６０℃であれば、使用温度範囲の最大値と使用可能温度上限値との差である規定値は１０℃である。従って、二次電池の電池セルの実測温度が６１℃であり、図２のテーブルを参照して、ＳＯＣが２０％でＩ^２平均が２５００のときの初期特性の温度上昇値ｂｃが５０℃であれば、電池セルの実測値６１℃と図２に示すテーブルから求めた初期特性の温度上昇値５０℃との差は１１℃であるので、規定値の１０℃を超えているために、その電池セルは劣化していると判定する。

このようにして、電池セルの温度上昇に基づいて二次電池の劣化状態を判定することにより、二次電池の電池セルごとの劣化判定を行うことができる。従って、二次電池全体を劣化させることなく事前に適切な対応を採ることが可能となる。また、０〜１００％のサイクル充放電をしなくても、実使用状態で二次電池の劣化判定を行うことができるので、ランニング運転中に二次電池の劣化によって負荷側の機器が停止することを防止できる。さらに、大電流が流れるアプリケーション（例えば、ハイブリッド自動車など）に適用すれば、温度の上昇速度が速くなるので、二次電池の劣化判定を短時間で行うことができる。さらに、電池セルの測定温度とテーブルの温度とは相対的に比較されるので、温度センサの絶対精度を無視することができるため、二次電池の劣化判定を行う場合に高精度は計測器を用いる必要はがない。

図３は、本発明の実施例１に係る電池劣化判定装置の構成を示すブロック図である。すなわち、実施例１の電池劣化判定装置１は、上述の内容に基づいて、図３に示すような構成によって実現することができる。

すなわち、電池劣化判定装置１は、二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から電池セルの実発熱量（実測温度上昇値）を演算する発熱量演算部２と、電池セルに流れる電流の電流積算値と電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部３と、二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均ごとの電池セルの理論発熱量（初期特性の温度上昇値）をＳＯＣごとに格納するテーブル４と、テーブル４に格納された理論発熱量（初期特性の温度上昇値）と実発熱量（実測温度上昇値）とを比較して、二次電池の劣化状態を判定する劣化判定部５と、二次電池に流れる電流Ｉの二乗の平均値（Ｉ^２平均）を求めてテーブル４に格納するＩ^２平均演算部６とを備える構成にすることができる。

このような構成の電池劣化判定装置１によれば、発熱量演算部２が、二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から電池セルの実測温度上昇値を演算し、ＳＯＣ演算部３が、電池セルに流れる電流の電流積算値と電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算する。一方、テーブル４は、二次電池に流れる電流をＩとしたとき、Ｉ^２平均演算部６がＩ^２平均を求め、一定時間におけるＩ^２平均ごとの電池セルの初期特性の温度上昇値をＳＯＣごとに格納している。これによって、劣化判定部５は、テーブル４に格納されている初期特性の温度上昇値と、先に発熱量演算部２が演算した実測温度上昇値とを比較して二次電池の劣化状態を判定する。これによって、ランニング運転中において二次電池の劣化判定を短時間かつ容易に行うことができる。

〔ＳＯＣの算出方法〕
次に、二次電池の充放電電流の電流値積算と電池セルの電圧から求めるＳＯＣの算出方法について一実施例を説明する。一般的に、二次電池のＳＯＣは二次電池の充放電電流の積分値に基づいて算出されるが、充放電電流の積分値だけで算出すると、充放電電流の積分値に電流検出誤差分が蓄積されてＳＯＣの値が実態と異なってしまう。従って、その現象を回避するために、二次電池の推定インピーダンスが小さいときに、充放電電流の積分値に基づいて算出されたＳＯＣをＳＯＣＶ（ＳＯＣ電圧）によって修正する。これによって、電流検出誤差のない状態で高精度にＳＯＣを算出することができる。

以下、図面を用いてＳＯＣの算出方法の一例について具体的に説明する。図４は、本発明の実施例１に係る電池劣化判定装置に適用されるＳＯＣ演算部の構成を示すブロック図である。

先ず、図４に示すＳＯＣ演算部４の構成について説明する。ＳＯＣ演算部４は、推定開放電圧演算部１０、推定開放電圧によるＳＯＣＶ演算部１１、推定インピーダンステーブル１２ａと推定インピーダンス電圧演算部１２ｂからなる電池インピーダンスモデル部１２、推定インピーダンス電圧静定判定部１３、実測電流積分によるＳＯＣＩ演算部１４、ＳＯＣ偏差判定部１５、ＳＯＣ切替判定部１６、及びＳＯＣ切替部１７を備えて構成されている。尚、ＳＯＣ偏差判定部１５とＳＯＣ切替判定部１６とＳＯＣ切替部１７とによってＳＯＣ決定部２０が構成されている。

推定開放電圧演算部１０は、二次電池の実測電圧ＶＡから推定インピーダンス電圧ＶＺを減算して二次電池の推定開放電圧Ｖ０を演算し、この推定開放電圧Ｖ０を推定開放電圧によるＳＯＣＶ演算部１１へ出力する。
推定開放電圧によるＳＯＣＶ演算部１１は、二次電池の推定開放電圧Ｖ０と実測温度Ｔとを入力して、自己が保有しているテーブルからＳＯＣＶ（ＳＯＣ電圧）を決定し、このＳＯＣＶをＳＯＣ切替部１７へ出力する。

電池インピーダンスモデル部１２は、推定インピーダンステーブル１２ａと推定インピーダンス電圧演算部１２ｂとからなり、推定インピーダンステーブル１２ａがＳＯＣと実測温度Ｔとを入力してテーブルから二次電池の推定インピーダンスＺを抽出し、推定インピーダンス電圧演算部１２ｂが、実測電流Ｉと推定インピーダンスＺから演算によって推定インピーダンス電圧ＶＺを求めて推定インピーダンス電圧静定判定部１３へ出力する。

推定インピーダンス電圧静定判定部１３は、推定インピーダンス電圧ＶＺの変動率の絶対値が、所定の時間以上に亘って閾値以内（又は閾値未満）のレベルを継続したときに、推定インピーダンス電圧静定信号をＳＯＣ切替判定部１６へ出力する。
実測電流積分によるＳＯＣＩ演算部１４は、充放電による実測電流Ｉの積分値からＳＯＣＩ（ＳＯＣ電流）を演算してＳＯＣ切替部１７へ出力する。尚、ＳＯＣ切替部１７がＳＯＣＶに切替わった時は初期値をＳＯＣＶとする。

ＳＯＣ偏差判定部１５は、｜ＳＯＣＶ−ＳＯＣＩ｜が閾値ΔＳＯＣ以上であるときに、偏差大信号をＳＯＣ切替判定部１６へ出力する。尚、通常は、閾値ΔＳＯＣ＝０である。
ＳＯＣ切替判定部１６は、推定インピーダンス電圧静定信号のＡＮＤ／ＯＲ出力（トータル静定信号）と、ＳＯＣ偏差大信号のＡＮＤ出力とによって、ＳＯＣ切替部１７へＳＯＣ切替信号を出力する。
ＳＯＣ切替部１７は、ＳＯＣ切替判定部１６から入力されたＳＯＣ切替信号出力に基づいて、ＳＯＣＶとＳＯＣＩとを適宜に切り替えてＳＯＣを出力する。

次に、図４に示すＳＯＣ演算部４の動作について説明する。先ず、推定インピーダンステーブル１２ａと推定インピーダンス電圧演算部１２ｂからなる電池インピーダンスモデル部１２によって推定インピーダンス電圧ＶＺを求める。この推定インピーダンス電圧ＶＺの値は推定値であるために誤差を有するが、特に、この推定インピーダンス電圧ＶＺの値が大きいときは充電率（ＳＯＣ）の修正量も大きく、充電率（ＳＯＣ）に誤差が生じやすい。

そこで、推定インピーダンス電圧ＶＺが静定（例えば、推定インピーダンス電圧ＶＺの絶対値｜ＶＺ｜が閾値以下（あるいは未満）を所定の時間継続）したら、推定インピーダンス電圧静定判定部１３からＳＯＣ切替判定部１６へ推定インピーダンス電圧静定信号を出力し、ＳＯＣ切替判定部１６から出力されたＳＯＣ切替信号によってＳＯＣ切替部１７のスイッチを切り替え、推定開放電圧によるＳＯＣＶ演算部１１からのＳＯＣＶを採用してＳＯＣ切替部１７からＳＯＣを出力する。

このとき、推定開放電圧によるＳＯＣＶ演算部１１は、実測温度Ｔと推定開放電圧Ｖ０のテーブル（事前に取得済のテーブル）からＳＯＣＶを求めてＳＯＣ切替部１７へ出力する。従って、ＳＯＣ決定部２０は、推定インピーダンス電圧静定信号を受け取ったら、充電率（ＳＯＣ）を推定開放電圧Ｖ０から求めたＳＯＣＶに変えてもよく、更に、充放電電流の積分値から求めたＳＯＣＩとの差分｜ＳＯＣＶ−ＳＯＣＩ｜が閾値ΔＳＯＣ以上（超でもよい）でＳＯＣＶに変えてもよい。尚、ＳＯＣ切替部１７がＳＯＣＶに切替えたら、充放電電流の積分値の初期値はその値に変更する。

すなわち、充放電電流の反転直後は電池のインピーダンス電圧が十分に小さくなっていないために演算したＳＯＣの値に誤差が出やすいが、上記のようにしてＳＯＣを算出することにより、推定インピーダンスＺが小さいときに充放電電流の積分値のＳＯＣをＳＯＣＶで修正することにより、ＳＯＣを誤差の少ない値にすることができる。つまり、充放電電流の積分値によるＳＯＣの修正タイミングが多く発生するために、充放電電流の積分値に誤差が蓄積されにくくなる。

尚、上記の実施例では、推定開放電圧演算部１０が、実測電圧ＶＡから推定インピーダンス電圧ＶＺを減算して推定開放電圧Ｖ０を求めているが、推定インピーダンス電圧ＶＺが小さく充放電電流の誤差が小さいと予想されるときは、実測電圧ＶＡを補正せずに、実測電圧ＶＡそのものを推定開放電圧Ｖ０と見なして、推定開放電圧Ｖ０をＳＯＣＶ演算部１１に入力してＳＯＣＶを算出し、充電率算出（ＳＯＣ算出）を行ってもよい。すなわち、ＳＯＣ算出の別の実施例として、推定インピーダンス電圧ＶＺを二次電池の開放電圧として用いなくてもよい。これによって、図４に示すＳＯＣ演算部４の構成において推定開放電圧演算部１０を省略することができるので、ＳＯＣ演算部４の構成がさらにシンプルになる。

《実施例２》
次に、本発明の実施例２に係る二次電池の劣化判定方法について説明する。前述の実施例１では、周囲温度とは無関係に、ＳＯＣとＩ^２平均とに応じて電池セルの初期特性の温度上昇値を求める１種類のテーブルを用いた。ところが、実施例２では、ＳＯＣとＩ^２平均とに応じて電池セルの初期特性の温度上昇値を求めるテーブルを周囲温度ごとに数種類用意し、テーブルから求める初期特性の温度上昇値に対して周囲温度による補正値を加えている。

図５は、本発明の実施例２に係る電池劣化判定装置に適用される、ＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの初期特性の温度上昇値との関係を示すテーブルである。つまり、図５は、周囲温度ごとに３種類に分類した初期特性の温度上昇値のテーブルを表わしていて、各テーブルの左肩に周囲温度が示されている。従って、周囲温度に応じてテーブルを使い分けて、ＳＯＣとＩ^２平均とに応じて電池セルの初期特性の温度上昇値を求めることができる。

このようにして、周囲温度に応じたテーブルから初期特性の温度上昇値を求め、その初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値と比較して電池セルの劣化判定を行うことにより、電池セルの内部インピーダンス（内部抵抗）の周囲温度による変化分を補正して劣化判定を行うことができるので、より高精度に二次電池の劣化判定を行うことが可能となる。

《実施例３》
前述の実施例２では、全ての周囲温度の範囲において、周囲温度の変化によって生じる内部インピーダンス（内部抵抗）の変化分を補正して劣化判定を行ったが、実施例３では、実際の使用状態に即して、周囲温度が規定の範囲（例えば１０〜３０℃）のみで二次電池の劣化判定を行うようにする。このように、実際の使用状態に即して初期特性の温度上昇値をテーブルから求め、その初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値とを比較して電池セルの劣化判定を行うことにより、内部インピーダンスの温度による変化が少ない周囲温度の範囲で劣化判定を行うことができるので、二次電池の劣化判定の精度が向上する。また、実施例２に比べてテーブルの容量が小さくなるので、電池劣化判定装置のメモリ容量を小さくすることができる。

《実施例４》
前述の実施例１〜３においては、ＳＯＣとＩ^２平均とに応じた電池セルの温度上昇値の初期特性のみを用意したが、実施例４では、初期特性と劣化後の特性（例えば、容量が３０％劣化後の特性）、及びその間の数点の劣化後の特性（例えば、容量劣化が１０％刻みの特性）の温度上昇値のテーブルを用意する。

図６は、本発明の実施例４に係る電池劣化判定装置に適用される、ＳＯＣとＩ^２平均と電池セルの劣化率ごとの温度上昇値との関係を示すテーブルであり、各テーブルの左肩に劣化率が示されている。図６のテーブルでは、容量の劣化率が０％（つまり、初期特性）、１５％、及び３０％のときの、ＳＯＣとＩ^２平均とに応じた電池セルの温度上昇値が示されている。

すなわち、実施例４に係る電池劣化判定装置によれば、図６に示すようなテーブルを用いることにより、それぞれのテーブルから求められる温度上昇値と電池セルの実測温度上昇値を照合することによって、ランニング運転中の任意の時点での電池セルの劣化率を求めることができる。言い換えると、二次電池の劣化判定のみではなく、運転途中における二次電池の劣化率を数値化することが可能となる。これによって、二次電池のＳＯＣ演算や残量演算の精度を一段と向上させることができる。

《実施例５》
前述の実施例１〜４においては、ＳＯＣと一定時間のＩ^２平均から電池セルの温度上昇値を求めるテーブルを用いて二次電池の劣化判定を行ったが、実施例５では、このようなテーブルを用いる代わりに、ＳＯＣと一定時間のＩ^２平均から電池セルの温度上昇値を求める関数、又はＳＯＣと一定時間のＩ^２平均と温度（電池温度または周囲温度）の少なくとも１つの計測値から電池セルの温度上昇値を求める関数を用意する。

以下、電池セルの温度上昇値を求めるための具体的な関数について説明する。
電池セルの発熱量Ｑは次の式（１）で表わされる。
Ｑ＝Ｒ×Ｉ^２（Ｗ） （１）
ここで、Ｒは電池セルの内部抵抗（Ω）であって、固定値、又はＳＯＣと温度（電池セルの温度または周囲温度）の少なくとも１つの計測値と内部抵抗のテーブル等から求められる変動値である。また、Ｉは電池セルを流れる電流（Ａ）である。

また、電池セルからの放熱量Ｗは次の式（２）で求められる。
Ｗ＝Ｋ×Ａ×ΔＴ（Ｗ） （２）
ここで、Ｋは熱伝達率（Ｗ／℃・ｍ^２）であり、例えば、自然対流の場合はＫ≒１０に設定する。Ａは伝熱面積（ｍ^２）、ΔＴは電池セルの温度と周囲温度との差（つまり、電池セルの温度上昇値）（℃）である。

次に、式（１）で求めたＱと、式（２）で求めたＷとにより、時刻ｔにおける電池セルの温度変化（温度上昇値）Ｔを次の式（３）によって求める。
Ｔ＝｛∫（Ｑ−Ｗ）ｄｔ｝／（ｃ×ｍ）（℃） （３）
ここで、ｃは電池比熱（Ｊ／（ｋｇ・℃））であり、ＭＨＩ電池の場合はｃ＝１０００ぐらいである。また、ｍは電池重量（ｋｇ）である。

すなわち、実施例１〜４で用いたテーブルの代わりに、式（３）の関数を用いて電池セルの初期特性の温度上昇値を求め、実測温度上昇値と比較して二次電池の劣化判定を行うことができる。このようにして、テーブルの代わりに関数を用いて初期特性の温度上昇値を求めることにより、電池劣化判定装置のメモリ容量を小さくすることができる。また、このような手法によれば、二次電池の劣化判定を行うための演算時間がより速くなる。但し、実施例１〜４のようにテーブルを用いて二次電池の劣化判定を行う場合に比べて測定精度はいくらか悪くなる。尚、関数を用いて電池セルの初期特性の温度上昇値を求める場合は、図３に示す電池劣化判定装置１の構成においてテーブル４を関数４と読み替えればよい。

《実施例６》
前述の実施例１〜４のようにテーブルを用いて二次電池の劣化判定を行う場合は、電池セルの電流Ｉが一定の値になってから（つまり、Ｉ^２平均が一定値になってから）、セル温度Ｔの上昇値が飽和する時間まで待った後に、電池セルのセル温度Ｔを計測しなければならないため、二次電池の劣化判定を行うのにかなりの時間がかかってしまう。そこで、実施例６では、テーブルで求めた温度変化（温度上昇値）に一次遅れを持たせて、電池セルのセル温度Ｔの計測時間を早めることによって、二次電池の劣化判定を早期に行う手法を提案する。

すなわち、電池セルの温度変化（温度上昇値）の一次遅れの時定数は、その電池セルの熱容量などによって一義的に決まるので実験によって求めることができる。従って、実験によって求めた一次遅れの時定数に基づいて応答遅れの加味された電池セルの初期特性の温度上昇値を求め、この初期特性の温度上昇値と、飽和する前に計測した実測温度上昇値とを比較すれば、二次電池の劣化判定を早期に行うことができるので、劣化判定の計測速度を速くすることができる。

図７は、本発明の実施例６に係る電池劣化判定装置に適用される、電池セルの温度上昇値が飽和する前に劣化判定を行う状態を示す特性図である。図７において、横軸は時間、縦軸はセル温度及びＩ^２平均のレベルを表わしている。

図７に示すように、Ｉ^２平均が一定値に落ち着いた後も、セル温度Ｔは上昇傾向を辿ってやがて飽和して行く。しかし、セル温度Ｔが飽和するまで待たなくて、セル温度Ｔが飽和する以前の時間ｔ１の間でセル温度Ｔを計測しても、テーブルから求めた初期特性の温度上昇値には一次遅れが持たせてあるので、実質的にはセル温度Ｔが飽和した時刻で初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値とを比較して、二次電池の劣化判定を行ったことになる。このようにして、電池セルのセル温度の応答遅れを加味して劣化判定や劣化率推定を行うことにより、高い測定精度を維持しながら、二次電池の劣化判定時間を速めることができる。

《まとめ》
以上、実施例１乃至実施例６で述べたように、本発明による電池劣化判定装置によれば、二次電池のセルごとの劣化状態を判定（推定）することができる。また、０〜１００％のサイクルで二次電池の充放電を行わなくても、実使用状態のランニング運転中において二次電池の劣化状態を判定することができる。従って、二次電池の使用中において電池劣化によって機器が停止するなどのトラブルを回避することができる。

また、大電流が流れる二次電池においては、短かい時間で温度上昇するので、二次電池の劣化判定にかかる時間を短縮することができる。従って、ハイブリッド自動車などのように頻繁に二次電池の充放電が繰り返えされるアプリケーションにおいては、短時間で二次電池の劣化判定を行うことができる。さらには、初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値は相対的に比較されるので、温度センサの絶対精度を無視することができるので、二次電池の劣化判定を行う場合に高精度は計測器を用いる必要がなくなる。

また、上記の各実施例では述べなかったが、初回の計測期間の実測値と理論値の差をオフセット誤差としてテーブルのメモリに記憶しておき、劣化判定部５が、このオフセット誤差を考慮して劣化判定を行うようにしてもよい。例えば，オフセット誤差が実測値で＋５℃であった場合は、劣化判定部５は、劣化判定時において、『実測値−５℃』の情報に基づいて劣化判定を行ってもよい。

なお、上述の電池劣化判定装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明に係る電池劣化判定装置は、ランニング運転中において短時間で二次電池の劣化判定を行うことができるので、ハイブリッド自動車や放送局の無停電電源装置などに用いられる二次電池に有効に利用することができる。

１ 電池劣化判定装置
２ 発熱量演算部
３ ＳＯＣ演算部
４ テーブル
５ 劣化判定部
６ Ｉ^２平均演算部
１０ 推定開放電圧演算部
１１ 推定開放電圧によるＳＯＣＶ演算部
１２ 電池インピーダンスモデル部
１２ａ 推定インピーダンステーブル
１２ｂ 推定インピーダンス電圧演算部
１３ 推定インピーダンス電圧静定判定部
１４ 実測電流積分によるＳＯＣＩ演算部
１５ ＳＯＣ偏差判定部
１６ ＳＯＣ切替判定部
１７ ＳＯＣ切替部
２０ ＳＯＣ決定部

Claims (19)

1. 二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置であって、
   前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算する発熱量演算部と、
   前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、
   前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均ごとの前記電池セルの理論発熱量を前記ＳＯＣごとに格納するデータテーブルと、
   前記データテーブルに格納された理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定する劣化判定部と
   を備えることを特徴とする電池劣化判定装置。
2. 前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、
   前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池劣化判定装置。
3. 前記データテーブルは前記電池セルの周囲温度ごとに複数の種類が用意され、
   前記劣化判定部は、周囲温度に対応したデータテーブルを参照した前記初期特性の温度上昇値と前記実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電池劣化判定装置。
4. 前記電池セルの周囲温度の範囲に応じて前記二次電池の劣化判定の実行可否を判断することを特徴とする請求項３に記載の電池劣化判定装置。
5. 前記データテーブルは前記電池セルの劣化度ごとに複数の種類が用意され、
   前記劣化判定部は、劣化度ごとのデータテーブルを参照して前記二次電池の劣化度を判定する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池劣化判定装置。
6. 前記データテーブルは、前記電池セルの熱容量に起因する温度タイムラグを考慮した初期特性の温度上昇値のデータを格納し、
   前記劣化判定部は、前記温度タイムラグが考慮された初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の電池劣化判定装置。
7. 前記データテーブルは、初回の計測期間における実測値と理論値との差をオフセット誤差として格納し、
   前記劣化判定部は、前記データテーブルに格納されたオフセット誤差を考慮して劣化判定を行うことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の電池劣化判定装置。
8. 二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置であって、
   前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算する発熱量演算部と、
   前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算するＳＯＣ演算部と、
   前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均と前記ＳＯＣとに基づいて前記電池セルの理論発熱量を関数を用いて演算し、該演算した前記理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定する劣化判定部と
   を備えることを特徴とする電池劣化判定装置。
9. 前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、
   前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値である
   ことを特徴とする請求項８に記載の電池劣化判定装置。
10. 二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置の電池劣化判定方法であって、
    前記電池劣化判定装置の発熱量演算部が、前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算し、
    前記電池劣化判定装置のＳＯＣ演算部が、前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算し、
    前記電池劣化判定装置のデータテーブルが、前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均ごとの前記電池セルの理論発熱量を前記ＳＯＣごとに格納し、
    前記電池劣化判定装置の劣化判定部が、前記データテーブルに格納された理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定する
    ことを特徴とする電池劣化判定方法。
11. 前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、
    前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電池劣化判定方法。
12. 前記データテーブルは前記電池セルの周囲温度ごとに複数の種類が用意され、
    前記劣化判定部は、周囲温度に対応したデータテーブルを参照した前記初期特性の温度上昇値と前記実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電池劣化判定方法。
13. 前記電池セルの周囲温度の範囲に応じて前記二次電池の劣化判定の実行可否を判断することを特徴とする請求項１２に記載の電池劣化判定方法。
14. 前記データテーブルは前記電池セルの劣化度ごとに複数の種類が用意され、
    前記劣化判定部は、劣化度ごとのデータテーブルを参照して前記二次電池の劣化度を判定する
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の電池劣化判定方法。
15. 前記データテーブルは、前記電池セルの熱容量に起因する温度タイムラグを考慮した初期特性の温度上昇値のデータを格納し、
    前記劣化判定部は、前記温度タイムラグが考慮された初期特性の温度上昇値と実測温度上昇値とを比較して前記二次電池の劣化状態を判定する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電池劣化判定方法。
16. 前記データテーブルは、初回の計測期間における実測値と理論値との差をオフセット誤差として格納し、
    前記劣化判定部は、前記データテーブルに格納されたオフセット誤差を考慮して劣化判定を行う
    ことを特徴とする請求項１０乃至１５の何れか１項に記載の電池劣化判定方法。
17. 二次電池の劣化状態を判定する電池劣化判定装置の電池劣化判定方法であって、
    前記電池劣化判定装置の発熱量演算部が、前記二次電池における電池セルのセル温度と周囲温度との測定値から該電池セルの実発熱量を演算し、
    前記電池劣化判定装置のＳＯＣ演算部が、前記電池セルに流れる電流の電流積算値と該電池セルの電圧とに基づいてＳＯＣを演算し、
    前記電池劣化判定装置の劣化判定部が、前記二次電池に流れる電流をＩとしたとき、一定時間におけるＩ^２平均と前記ＳＯＣとに基づいて前記電池セルの理論発熱量を関数により演算し、該演算した前記理論発熱量と前記実発熱量とを比較して、前記二次電池の劣化状態を判定する
    ことを特徴とする電池劣化判定方法。
18. 前記理論発熱量は前記電池セルの初期特性の温度上昇値であり、
    前記実発熱量は前記電池セルの実測温度上昇値である
    ことを特徴とする請求項１７に記載の電池劣化判定方法。
19. 請求項１０乃至１８の何れか１項に記載の電池劣化判定方法をコンピュータに実行させるプログラム。

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