JP2011172415A - 二次電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 正確な放電可能容量を推定することができる二次電池装置を提供する。
【解決手段】 複数の二次電池セルBTそれぞれの電圧値、電流値、および、温度値を検出する検出手段30、40と、演算手段52と、所定の温度環境および所定の平均電流のときの二次電池セルBTの開放電圧から残容量を算出するための第1テーブル57と、第1テーブル57を用いて算出された残容量を補正する補正値を管理する第2テーブルTBLと、を備え、第2テーブルTBLには二次電池セルBTの平均電流値の範囲と、二次電池セルBTの温度値の範囲とに対応する補正値が記録され、演算手段52は、第1テーブル57を用いて残容量を算出する手段と、残容量に対応する第2テーブルTBLを選択するとともに、検出手段30、40から得られる温度値および電流値の平均値に対応する補正値を第2テーブルTBLから取得して残容量を補正する補正手段と、を備える二次電池装置。
【選択図】図1

Description

本発明は二次電池装置に関し、特に、複数の二次電池セルを含む二次電池モジュールを備えた二次電池装置に関する。
二次電池装置から給電される電子機器において様々な処理を行なう際には、各処理に使用される電力消費量が大きく異なる場合がある。そのため、上記のような電子機器では、充電が必要なタイミングや、使用可能な機能や、継続して使用可能な時間等をユーザに知らせるために、二次電池装置に放電可能容量の通知を要求する。したがって、上記のように様々な処理を行なう電子機器に搭載される二次電池装置には、精度良く放電可能容量を推定することが要求される。
一般に、学習型放電可能容量推定方法においては、内部抵抗や充放電サイクル数から劣化特性を含んだ放電可能容量が算出され、放電終止下限電圧も固定される。放電可能容量推定方法としては、放電電流における放電可能容量を、予め記憶させてある放電可能容量特性マップにより求める方法が提案されている。この方法では、次に放電電流と放電時間との積をとって、実際に放電した容量を求める。そして、実際に放電した容量が、前記で求めた放電可能容量の何%に当たるかを計算し、それを残存容量から差し引いて、新しい残存容量を求める技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。
また、電流検出手段の出力と時間に基づいて電池パックの容量を演算すると共に、電池識別手段の出力に基づいて電池パックの放電可能容量をメモリし、電池パックが所定電圧に達するまでの放電容量と前記放電可能容量とを比較しある閾値以下でLEDを点灯させる演算手段が提案されている(例えば特許文献2参照)。
特開平8−339835号公報 実開平5−14958号公報
しかしながら、上述した学習型放電可能容量推定方法においては、開放電圧から取得する電池の残容量と放電(電流)レート、温度、内部抵抗、使用下限電圧、劣化特性が可変された場合、電池の放電特性が大きく変動するため、正確に残容量を測定することが困難であった。
また放電特性のパラメータは多岐に渡るためパラメータの組み合わせは無限に存在し、全てのパラメータの検出精度を向上させることは困難であって、上記のようなパラメータを用いて劣化特性を含んだ放電可能容量を正確に推定することが難しかった。
本発明は、上記事情を鑑みて成されたものであって、正確な放電可能容量を推定することができる二次電池装置を提供することを目的とする。
本発明の態様による二次電池装置は、複数の二次電池セルと、前記複数の二次電池セルそれぞれの電圧値を検出する電圧検出手段と、前記複数の二次電池セルの電流値を検出する電流検出手段と、前記複数の二次電池セルそれぞれの温度を測定する温度検出手段と、前記電圧検出手段、前記電流検出手段、および、前記温度検出手段から電圧値、電流値、および温度値が供給される演算手段と、所定の温度環境および所定の平均電流のときの前記二次電池セルの開放電圧から残容量を算出するための第1テーブルと、前記第1テーブルを用いて算出された残容量を補正する補正値を管理する第2テーブルと、が記録された記録手段と、を備え、前記第2テーブルは前記二次電池セルの残容量の範囲毎に用意され、前記二次電池セルの平均電流値の範囲と、前記二次電池セルの温度値の範囲とに対応する前記補正値が記録され、前記演算手段は、前記第1テーブルを用いて前記残容量を算出する手段と、前記残容量に対応する前記第2テーブルを選択するとともに、前記温度検出手段から得られる温度値および前記電流検出手段から得られる電流値の平均値に対応する前記補正値を前記第2テーブルから取得して前記残容量を補正する補正手段と、を備える二次電池装置である。
本発明によれば、正確な放電可能容量を推定することができる二次電池装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。 温度環境、放電(電流)レートを変更した場合の、二次電池セルの電圧と放電容量との関係の一例を示す図である。 図1に示す二次電池装置において、二次電池セルの残容量の補正値を管理するテーブルの一例について説明するための図である。 二次電池セルの残容量(SOC)範囲毎用意された、残容量を補正する複数のテーブルの一例について説明するための図である。 図1に示す二次電池装置において、放電完了後に、二次電池セルの残容量を補正するテーブルの修正方法の一例を説明するための図である。 図1に示す二次電池装置において、二次電池セルの残容量を補正するテーブルの修正方法の一例を説明するための図である。 二次電池セルの残容量の補正値を管理するテーブルの、補正値の修正方法の一例について説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態に係る二次電池装置について図面を参照して説明する。図1に示すように、本実施形態に係る二次電池装置は、電池モジュール20と、電池監視部30と、電流検出部40と、電池管理部50と、を備えている。電池モジュール20は複数の組電池10を備えている。組電池10は、複数の二次電池セルBTを備えている。二次電池セルBTは、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池である。
電池監視部30は、複数の二次電池セルBTそれぞれの正極端子および負極端子間の電圧を検出する電圧センサ32と、複数の二次電池セルBTのそれぞれの温度を検出する温度センサ34とを備えている。温度センサ34は、二次電池セルBTの温度を測定するサーミスタを備えている。電圧センサ32によって検出された電圧値および温度センサ34によって検出された温度値は、通信手段(図示せず)を介して電池管理部50の通信インタフェース54に送信される。図1では、電池モジュール20には負荷(使用機器)60が接続されている。
電流検出部40は、電池モジュール20から出力される電流を検出可能なシャント抵抗(図示せず)を備えている。電流検出部40で検出された電流値は、電池管理部50のMPU(micro processing unit)52に供給される。
電池管理部50は、演算処理を行なうMPU52と、電池監視部30や上位制御手段(図示せず)と通信を行なう通信インタフェース54と、メモリ56と、時間管理手段58と、を備えている。
MPU52は、電池監視部30および電流検出部40から、複数の二次電池セルBTの電圧値、温度値、および、電流値をA/D変換した値を周期的に取得している。MPU52がこれらの値を取得する周期は、時間管理手段58によって管理されている。
MPU52は、二次電池セルBTの開放電圧(OCV)値に基づいて、二次電池セルBTの残容量(SOC:state of charge)を算出する手段(図示せず)と、取得した温度値、および電流値から、残容量(SOC)の値を補正して放電可能容量を算出する手段(図示せず)と、を備えている。
図2に、二次電池セルBTを一定の放電(電流)レートで放電させた場合の電圧と放電容量との特性カーブ(以下、放電特性カーブという)の一例を示す。新しい二次電池セルBTを常温環境(例えば25℃の環境)において低放電(電流)レートで放電させた場合の放電特性カーブ(OCVテーブルカーブ)は、例えばグラフ1のような特性となる。グラフ1は、常温環境での二次電池セルBTの開放電圧と放電容量との特性を示している。図2では、グラフの縦軸を電圧[V]とし横軸を放電容量[%またはA]としている。メモリ56には、例えば常温環境での二次電池セルBTの開放電圧から二次電池セルBTの残容量を算出するためのOCVテーブル57が記録されている。
使用により劣化した二次電池セルBTを低温環境において一定レートで放電した場合の放電特性カーブは、例えばグラフ2のような放電特性となる。二次電池セルBTがリチウムイオン電池であるとき、低温環境で使用される場合や劣化が進行した場合には、内部インピーダンスが増加する。したがって、グラフ1の放電特性を備える二次電池セルBTよりも、グラフ2の放電特性を備える二次電池セルBTの方の放電可能容量は小さくなる。
さらに、劣化した二次電池セルBTを低温環境において放電するときに、途中で放電(電流)レートを変更した場合の放電特性カーブは、例えばグラフ3のような放電特性となる。二次電池セルBTの放電(電流)レートが高くなると、I(電流)×R(抵抗)の特性により二次電池セルBTの起電圧が低下する。したがって、二次電池セルBTの電圧が同じ場合でも、グラフ1およびグラフ2の放電特性の場合よりもグラフ3の放電特性の場合には、さらに放電可能容量は小さくなる。
上記のように、二次電池セルBTの放電可能容量は、二次電池セルBTの温度変化や電池モジュール20の放電(電流)レート変化に伴って変化するものである。そのため、精度が要求される放電可能容量算出処理においては、例えばOCVテーブル57を用いて二次電池セルBTの開放電圧から算出された残容量を補正して放電可能容量を算出する必要がある。
そこで、本実施形態に係る二次電池装置は、温度変化や放電(電流)レート変化に対応して残容量を補正するための複数のテーブルTBLがメモリ56に記録されている。図3に、テーブルTBLの一例を示す。テーブルTBLには、予め測定された値に基づく補正値が格納されている。
図3に示すテーブルTBLの各領域には、二次電池セルBTの温度の範囲、および、放電(電流)レートの範囲に対応する補正値が格納されている。例えば、二次電池セルBTの温度がA2[℃]以上A3[℃]未満であって、電池モジュール20の放電(電流)レートがB2[A]以上B3[A]未満である場合には、MPU52は、補正値として領域Aに格納された値を取得する。
テーブルTBLは、二次電池セルBTの残容量の範囲毎に複数用意されている。図4に示す例では、メモリ56には、二次電池セルBTの残容量の範囲毎にX個のテーブルTBLが記録されている。
OCVテーブル57を用いて算出した残容量を補正する場合には、二次電池セルBTの残容量の範囲に応じて補正量も変化する。したがって、1つのテーブルTBLによって全ての残容量を補正して二次電池セルの放電可能容量を算出すると、高い精度で放電可能容量を算出することが困難となる。そこで、本実施形態に係る二次電池装置では、二次電池セルBTの残容量の範囲毎にテーブルTBLを用意し、放電可能容量を算出する精度をより向上させている。
ここで、MPU52は、予め測定された各温度環境における二次電池セルBTの開放電圧値から、温度センサ34から得られる温度値における開放電圧値を、OCVテーブル57が取得された温度環境における開放電圧値へ補正する手段(図示せず)と、二次電池セルBTの電流が安定しない場合に電流値の平均値(電流レート)を算出する手段(図示せず)と、放電(電流)レートが安定しない場合に、この放電(電流)レートを平均化する手段(図示せず)と、を備えている。
放電可能容量を算出する際には、MPU52は、温度センサ34から得られる温度値に基づいて、二次電池セルBTの開放電圧を、OCVテーブル57が取得された際の温度に対応する値に補正し、補正後の開放電圧に対応する残容量をOCVテーブル57から算出する。そして、算出された残容量に対応するテーブルTBLを選択して、温度センサ34から得られる温度値および電流検出部40から得られる電流値に基づく放電(電流)レートに対応する領域に格納された補正値を取得して、残容量を補正する。
テーブルTBLから取得される補正値が、二次電池セルBTの容量値として格納されている場合には、放電可能容量は、OCVテーブル57を用いて開放電圧から求められた残容量から補正値を加算あるいは減算した値となる(放電可能容量=残容量−補正値、あるいは、放電可能容量=残容量+補正値)。
テーブルTBLから取得される補正値が、OCVテーブル57から算出される残容量に対する割合値[%]として格納されている場合には、放電可能容量は、OCVテーブル57から求められた残容量と補正値との積を100で割った値となる(放電可能容量=残容量×補正値÷100)。
さらに、本実施形態に係る二次電池装置では、MPU52は、テーブルTBLに格納された補正値を修正する修正手段(図示せず)を備えている。図5に示すグラフ4は、所定の温度および所定の放電(電流)レートで放電させた場合について、OCVテーブル57およびテーブルTBLに基づいて得られる二次電池セルBTの放電特性カーブの一例を示している。図5に示すグラフ5は、実際に所定の残容量の二次電池セルBTを、所定の温度および所定の電流レートで放電させた場合の、電圧値の変化の一例を示している。
例えば、図5Aに示すように、OCVテーブル57およびテーブルTBLに基づく放電特性カーブと、実際の放電特性カーブとが異なる場合には、MPU52は、テーブルTBLに格納された補正値を修正するように構成されている。
以下、図7を参照して、電池モジュール20の放電時および放電後におけるMPU52の動作について説明する。まず、MPU52は、電流検出部40で検出された電流値の積算処理を行なう(ステップST1)。次に、電池モジュール20の電流が安定しているか否か判断する(ステップST2)。MPU52は、電流検出部40から供給される電流値や電流積算値が安定しているか否かを判断するための諸条件を満した場合、電流が安定していると判断する。
電流が安定していると判断された場合には、MPU52は、温度センサ34から得られる温度値に対応して、二次電池セルBTの開放電圧値を補正し、算出された開放電圧値を用いてOCVテーブル57から残容量を算出する(ステップST3)。
続いて、MPU52は、算出した残容量に対応するテーブルTBLを選択する。MPU52は、例えば残容量が最小値である二次電池セルBTに対応するテーブルTBLを参照し、電流検出部40から得られる電流値から算出された放電(電流)レート、および、温度センサ34から得られる温度値に基づいて、選択したテーブルTBLから補正値を取得して、OCVテーブル57から得られる残容量の補正を行い、放電可能容量を算出する(ステップST4)。MPU52は、必要に応じて、算出された放電可能容量を、通信インタフェース54を介して上位制御手段へ通信する。
続いて、電池モジュール20の放電時に、MPU52は電流積算処理を行ない(ステップST5)、電流積算値を内部変数としてメモリ56に記録する。次に、MPU52は、電圧センサ32から得られる二次電池セルBTの電圧値が下限電圧値に到達したか否かを判断する(ステップST6)。二次電池セルBTの電圧値が下限電圧値に到達したときに、二次電池セルBTの放電が完了する。残容量が最小値である二次電池セルBTの放電が完了するまで、放電が継続される。なお、二次電池セルBTの下限電圧の値は、二次電池セルBTを安全に使用可能な範囲で適宜変更可能である。
二次電池セルBTの電圧値が下限電圧値に到達した場合、MPU52は、記録された電流積算値に基づいて、二次電池セルBTの電圧値が下限電圧値に到達する前に、一定の放電(電流)レートが一定期間継続したか否かを判断する(ステップST7)。
一定の放電(電流)レートが一定期間継続しない場合には、MPU52は処理を終了する。一定の放電(電流)レートが一定期間継続したと判断した場合には、MPU52は、容量誤差を算出する(ステップST8)。
図5に示す例では、グラフ5に示す特性では、二次電池セルBTの電圧が下限電圧に到達する前の期間22では一定の放電(電流)レートが継続されている。図5Aに示すグラフ4とグラフ5とを比較すると、二次電池セルBTの電圧が下限電圧に到達する時間が異なっている。グラフ4およびグラフ5では共通の一定の放電(電流)レートで放電させているため、今回実際に放電された容量(電流積算値)と、OCVテーブル57およびテーブルTBLから算出された放電可能容量とに誤差が生じていることになる。MPU52は、ステップ4で算出した放電可能容量から電流積算値を減算(あるいは加算)して差分23を算出し、容量誤差とする。
続いて、MPU52は、二次電池セルBTの電圧が下限電圧に到達した後に、図5に示すように、再び電池モジュール20の電流が安定状態となる一定期間24が経過したか否かを判断する(ステップST9)。
一定期間が経過しなかった場合には、MPU52は処理を終了する。このときに、MPU52は、ステップST8で算出した容量誤差を用いて対応するテーブルTBLの領域に格納された補正値を修正してから処理を終了するように構成されてもよい。
一定期間24が経過した場合には、MPU52は、開放電圧を用いて一定の放電(電流)および一定の温度時のOCVテーブルから二次電池セルBTの残容量と、放電完了時の放電可能容量との誤差を算出する(ステップ10)。
MPU52は、ステップ10で算出された誤差と、ステップ8で算出された容量誤差と、に基づいて、テーブルTBLの対応する温度および放電(電流)レートの領域に格納された補正値を修正する(ステップ11)。なお、ステップ8で算出された容量誤差は、電流積算値の積算誤差が含まれている可能性があるが、ステップ10で算出された誤差は電流積算誤差を含まない値となる。したがって、ステップ10で誤差を算出することによって、より正確な誤差を算出することが可能となる。
テーブルTBLの領域に格納された補正値を修正するときには、MPU52は、修正値よりも小さい値をテーブルTBLの補正値に加減する(ローパスフィルタを介して修正を行なう)。例えば、修正値に1未満の係数を乗じることによって、算出された修正値よりも小さい値により補正を行う。1未満の係数は、例えば、一定値であってもよく、修正値の大きさに応じて線形的に変化する値であってもよく、非線形的に変化する値であってもよい。
このように補正値を修正することによって、例えば電圧センサ32や温度センサ34から得られた値にノイズが含まれていた場合であっても、テーブルTBLの補正値が大きく修正されることを防止して、テーブルTBLの補正値を徐々に正確な値に近づけることができる。したがって、電圧値、温度値、電流値に含まれるノイズや、電流値の積算誤差を含む修正値の影響を小さくすることができる。
MPU52は、例えば図6に示すように、テーブルTBLに格納された補正値を修正する。すなわち、所定の残容量(SOC)範囲のテーブルTBLの、所定の放電(電流)レートおよび所定の温度に対応する領域として、例えば領域Aに格納された補正値を修正する場合には、合わせて他の領域に格納された補正値も修正する。補正値の修正は、二次電池セルBTの劣化に伴うものである可能性が大きく、二次電池セルBTの劣化は他放電(電流)レートの範囲、および、他の温度範囲で放電させた場合の放電可能容量にも影響を及ぼすためである。このとき、領域A以外の領域の修正値は、領域Aの補正値の修正値を基準に決定される。
なお、このときにテーブルTBLの各領域に格納される情報として、修正後の補正値と、修正を行った時間情報、修正回数情報が記録される。このとき、MPU52は、時間情報を時間管理手段58から取得して、テーブルTBLに記録する。
このように、修正を行なった時間情報や、修正回数から、テーブルTBLの各領域の修正状態が判別可能となる。MPU52は、これらの情報に基づいて、テーブルTBLの補正値の信頼度の判断することが可能となる。MPU52は、この信頼度にしたがって、テーブルTBLの補正値を修正する領域を選択することが可能となる。
例えば、テーブルの補正値は修正された時間が新しいほど信頼度は高いと判断することが可能であり、また修正回数が多いほど信頼度が高いと判断することが可能である。このように判断された信頼度は、テーブルTBLの各領域内に記録してもよく、MPU52から適宜、通信インタフェース54を介して上位の制御手段へ通信されて参照可能としてもよい。
上記のように、MPU52が、二次電池セルBTの残容量および残容量を補正した放電可能容量を算出し、さらに、残容量を補正する補正値を修正するように構成されることによって、二次電池セルBTの劣化状態に対応した放電可能容量が算出されるようにテーブルTBLが常に修正される。したがって、本実施形態に係る二次電池装置によれば、放電可能容量の算出精度を向上させ、正確な放電可能容量を推定することができる二次電池装置を提供することができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態では、放電時のMPU52の動作について説明したが、充電時もOCVテーブル57およびテーブルTBLを用いて充電可能容量を推定することができる。
また、上記実施形態では、OCVテーブル57は常温環境において一定の放電(電流)レートで放電されたときの放電特性に対応するものであったが、複数の温度環境に対応する複数のOCVテーブルが用意され、メモリ56に記録されてもよい。これらの場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
BT…二次電池セル、TBL…テーブル(第2テーブル)、30…電池監視部、32…電圧センサ、34…温度センサ、40…電流検出部、50…電池管理部、52…MPU(演算手段)、54…通信インタフェース、56…メモリ(記録手段)、57…OCVテーブル(第1テーブル)、58…時間管理手段、60…負荷。

Claims (5)

  1. 複数の二次電池セルと、
    前記複数の二次電池セルそれぞれの電圧値を検出する電圧検出手段と、
    前記複数の二次電池セルの電流値を検出する電流検出手段と、
    前記複数の二次電池セルそれぞれの温度を測定する温度検出手段と、
    前記電圧検出手段、前記電流検出手段、および、前記温度検出手段から電圧値、電流値、および温度値が供給される演算手段と、
    所定の温度環境および所定の平均電流のときの前記二次電池セルの開放電圧から残容量を算出するための第1テーブルと、前記第1テーブルを用いて算出された残容量を補正する補正値を管理する第2テーブルと、が記録された記録手段と、を備え、
    前記第2テーブルは前記二次電池セルの残容量の範囲毎に用意され、前記二次電池セルの平均電流値の範囲と、前記二次電池セルの温度値の範囲とに対応する前記補正値が記録され、
    前記演算手段は、前記第1テーブルを用いて前記残容量を算出する手段と、前記残容量に対応する前記第2テーブルを選択するとともに、前記温度検出手段から得られる温度値および前記電流検出手段から得られる電流値の平均値に対応する前記補正値を前記第2テーブルから取得して前記残容量を補正する補正手段と、を備える二次電池装置。
  2. 前記演算手段は、前記温度検出部から得られる温度環境において前記電圧検出部から得られる電圧値を、前記所定の温度環境における前記開放電圧値に補正する電圧補正手段をさらに備えている請求項1記載の二次電池装置。
  3. 前記演算手段は、前記電流検出手段から得られる電流値を積算する電流積算手段と、前記二次電池セルの電圧値が下限電圧に到達したか否かを判断する手段と、前記二次電池セルの電圧値が下限電圧に到達した際に前記電流積算手段で積算された電流積算値と、前記補正手段により算出された容量値との容量誤差を算出する誤差算出手段と、前記容量誤差に基づいて、前記下限電圧値に到達した際の温度値と平均電流値とに対応する補正値を修正する修正手段と、をさらに備える請求項1又は請求項2記載の二次電池装置。
  4. 時間管理手段をさらに備え、
    前記演算手段は、前記修正手段により前記補正値を修正する際に、前記補正値の修正時間情報を前記時間管理手段から取得し、前記修正時間情報と、前記補正値の修正回数とを、前記補正値と合わせて前記記録手段に記録するように構成されている請求項3記載の二次電池装置。
  5. 前記修正手段は、前記下限電圧値に到達した際の温度値と平均電流値とに対応する補正値を修正する際に、他の補正値を修正するように構成されている請求項3記載の二次電池装置。
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