JP5367320B2

JP5367320B2 - 二次電池の状態検知方法、状態検知装置及び二次電池電源システム

Info

Publication number: JP5367320B2
Application number: JP2008183432A
Authority: JP
Inventors: 悦藏佐藤; 竹三杉村; 真道露木
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP2010025563A

Description

本発明は、二次電池の状態検知を行う状態検知方法等に関し、特に二次電池の充電状態を検知する二次電池の状態検知方法、状態検知装置及び二次電池電源システムの技術分野に関するものである。

近年、自動車の安全性、快適性の一層の向上のために多くの電気デバイスが用いられており、これに対応して搭載される二次電池電源の重要性がますます高まっている。一例として、電動ブレーキに代表される安全系の部品が電気で制御されるようになってきており、また省エネや二酸化炭素の排出規制等に対応して、交差点などでアイドリングストップが行われるようになっている。このように、二次電池電源の重要性が高まるのに伴って、二次電池の充電率を高精度に推定する技術が強く望まれている。

二次電池の充電率（ＳＯＣ）を推定する方法として、二次電池の安定時の開放端電圧（ＯＣＶ）を用いる方法が知られている。ここで、開放端電圧とは、二次電池の両端子が開放されて通電されていないときの電圧である。この安定ＯＣＶとＳＯＣとの間には略線形の関係があることが知られており、この関係を用いることによりＯＣＶの測定値からＳＯＣを推定する方法が開示されている。

一例として、安定ＯＣＶを推定して充電率を求める方法が、特許文献１に開示されている。ここでは、二次電池のＯＣＶの時間特性を近似する４次以上の指数減衰関数の係数を決定し、少なくとも決定した係数に基づき二次電池のＯＣＶの収束値を求め、ＯＣＶの収束値に基づき充電率を推定している。
特開２００５−４３３３９

しかしながら、自動車のエンジンが停止されて二次電池が休止状態になった後も、電気デバイスにはメモリ機能維持等を目的に微小な電流（暗電流という）が供給されている。そのため、二次電池の電圧測定値は開放端電圧から変化しており安定電圧になっていない。

特許文献１では、充放電終了後の所定時間測定した電池電圧を用いて安定電圧（電圧の収束値）を推定する方法が提案されている。しかしながら、特許文献１に記載の検出方法では、暗電流による電圧変動の補正が考慮されていない。このように、従来の二次電池の状態検知方法では、暗電流による電圧変動を補正することなく安定電圧としていたため、暗電流の影響を受けやすい条件では、ＳＯＣの推定誤差が著しく増大するといった問題がある。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、暗電流による電圧変化を補正して二次電池の状態検知を高精度に行う二次電池の状態検知方法、状態検知装置及び二次電池電源システムを提供することを目的とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の第１の態様は、二次電池から放電される暗電流による電圧低下を補正して状態検知を行う二次電池の状態検知方法であって、前記暗電流の電流値（暗電流値）と前記暗電流による電圧低下を補正する電圧補正値との相関を表す第１の相関式を、前記二次電池の充電率が高くなるにつれて前記電圧補正値が大きくなるように予め作成し、前記暗電流値及び前記充電率を所定の方法で取得し、前記第１の相関式を用いて前記暗電流値及び前記充電率から前記電圧補正値を推定することを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記第１の相関式は、前記二次電池の温度を変数として含んでいることを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記第１の相関式に含まれる前記充電率には、直前に前記二次電池の充放電電流を積算して算出または、推定された値を用いることを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記暗電流値として、前記二次電池が通常の充放電を休止させている状態で前記二次電池に付設されている状態検知センサから取得される前記二次電池の電流測定値を用いることを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記二次電池が通常の充放電を休止させている状態で前記二次電池に付設されている状態検知センサとは別の電流センサを用いて取得した前記二次電池の電流測定値を基準暗電流値とし、前記暗電流値として前記基準暗電流値を用いることを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、事前に設定された暗電流の標準値を基準暗電流値とし、前記暗電流値として前記基準暗電流値を用いることを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記二次電池が通常の充放電を休止させている状態において、所定の状態検知センサから取得した第１の電流測定値と前記基準暗電流値が決定された時点で前記状態検知センサから取得した第２の電流測定値との電流差を求め、該電流差で前記基準暗電流値を補正して前記暗電流値とすることを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記電圧補正値を、少なくとも１つの補正量として前記二次電池の安定電圧を推定することを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知方法の他の態様は、前記二次電池の充電率と安定電圧とを予め第２の相関式で表現し、前記第２の相関式に前記推定された安定電圧を代入して前記充電率を推定することを特徴とする。

この発明の二次電池の状態検知装置の第１の態様は、二次電池の電圧、電流、及び温度を測定する状態検知センサと、前記二次電池から放電される暗電流の電流値（暗電流値）と前記暗電流による電圧低下を補正する電圧補正値との相関が前記二次電池の充電率が高くなるにつれて前記電圧補正値が大きくなるように表された第１の相関式を事前に記憶する記憶部と、所定の方法で取得した前記暗電流値及び前記充電率を前記第１の相関式に代入して電圧補正値を推定する演算処理部と、を備えることを特徴とする。

この発明の二次電池電源システムの第１の態様は、前記二次電池と、上記の二次電池状態検知装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の二次電池の状態検知方法、状態検知装置及び二次電池電源システムによれば、暗電流を推定して所定の相関式から電圧補正値を高精度に推定することにより、暗電流による電圧変化を補正して二次電池の状態検知を高精度に行うことが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における二次電池の状態検知方法、状態検知装置及び二次電池電源システムの構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。以下では、自動車に搭載された二次電池を一例に説明するが、これに限定されるものではなく、別の用途に用いられる二次電池にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る二次電池の状態検知方法を以下に説明する。自動車のエンジンを停止して休止状態となった後も、二次電池の電流は完全にゼロとはなっておらず、車載の電気デバイスに暗電流が供給されている。暗電流は、電気デバイスのメモリ機能維持等のために必要な電力供給を行っているものである。

二次電池の状態検知を精度良く行うためには、暗電流の影響のない安定電圧を用いる必要がある。本実施形態の状態検知方法では、暗電流による電圧低下を補正する電圧補正値を推定し、この電圧補正値で電圧測定値を補正して安定電圧を推定している。また、安定電圧と充電率との相関を用いて充電率を推定し、これより二次電池の充電率等の状態検知を行うことができる。

発明者は、暗電流による電圧低下を補正するための電圧補正値が、暗電流の大きさ（暗電流値）との間に図１に示すような相関があることを見出した。図１では、縦軸を暗電流による電圧低下を補正する電圧補正値[Ｖ]とし、横軸を暗電流値［ｍＡ］としたときの両者の相関を示している。

図１において、符号１１〜１３は、二次電池の温度が２５℃で充電率がそれぞれ８０％、６０％、４０％のときの電圧と暗電流値を測定し、別途求めたそのときの安定電圧から電圧補正値を算出して暗電流値との相関を示したものである。また、直線１４〜１６は、符号１１〜１３の測定データをそれぞれ暗電流値の一次式でフィッティングしたものである。同図より、電圧補正値は暗電流値に対しほぼ直線状に変化することが分かる。

本実施形態では、暗電流値と電圧補正値との相関を第１の相関式として事前に作成している。一例として、図１に示すような実測データを所定の関数で近似したものを第１の相関式とすることができる。図１では、測定データ１１〜１３を直線１４〜１６で近似しているが、たとえばこの直線１４〜１６を表す一次式を第１の相関式に用いることができる。

図１では、暗電流値と電圧補正値との相関が充電率によって異なることを示したが、これに限定されず、二次電池の温度によっても両者の相関が変化することが確認されている。図１に示した測定データは、二次電池の温度Ｔが２５℃のときのものである。そこで、本実施形態では、第１の相関式が二次電池の充電率および温度の少なくともいずれか１つを変数として含むようにしている。二次電池に付設されている状態検知センサは二次電池の温度も測定していることから、第１の相関式が温度を変数に含んでいる場合には、状態検知センサで測定した温度を電圧補正値の推定に用いることができる。

また、第１の相関式が二次電池の充電率を変数（以下ではＳＯＣとする）として含む場合は、第１の相関式の算出に用いるＳＯＣとして、直前に算出された値を用いることができる。エンジンを停止して休止状態になった後ＳＯＣの更新が行われていない場合には、エンジン停止直前まで電流測定値を用いて算出されていたＳＯＣを第１の相関式の算出に用いる。また、エンジン停止後電圧補正値の推定が行われ、これから安定電圧を推定し、さらに後述のように安定電圧からＳＯＣが推定されている場合には、直前に推定されたＳＯＣを用いるのがよい。

第１の相関式から電圧補正値を算出するのに用いる暗電流値の決定方法を、以下に説明する。暗電流値を決める第１の方法として、二次電池に付設されている状態検知センサを用いて休止状態のときに測定した電流値を用いる方法がある。通常、暗電流値は数十ｍＡ以下の極めて小さい値となっている。これに対し、通常運転時は、最大１０００Ａ程度の極めて大きな電流が放電されている。そのため、二次電池に付設されている状態検知センサは、このような大電流が測定可能となっており、数十ｍＡ程度の低電流の測定では測定誤差が大きくなってしまうことがある。

状態検知センサを用いた暗電流の測定では十分な精度の暗電流値が得られない場合、これに代わる別の暗電流値の決定方法を用いることができる。以下では、別の暗電流値の決定方法として、第２〜第４の方法を説明する。暗電流値を決定する第２の方法として、数十ｍＡ程度の低電流を測定するのに好適な別の電流センサを用いて事前に暗電流値を測定しておく方法がある。別の電流センサを用いて事前に測定した暗電流値を基準暗電流値として記憶し、二次電池の状態検知を行うときはこの基準暗電流値をそのときの暗電流値として用いる。基準暗電流値を第１の相関式に代入して電圧補正値を求めることができ、これを用いて二次電池の状態検知を行うことができる。

暗電流値を決定する第３の方法として、自動車の車種やグレード等によってあらじかじめ定められている暗電流の標準値を用いる方法がある。車種等によって自動車に標準的に搭載されている電気デバイスが決まっており、各電気デバイスの暗電流の標準値もあらかじめ決まっていることから、各電気デバイスの暗電流標準値を合計したものを基準暗電流値として記憶する。そして、二次電池の状態検知を行うときは、この基準暗電流値をそのときの暗電流値として用いる。

上記の第２の方法または第３の方法で暗電流値を決定した場合、暗電流値を決定した時点以降に暗電流の大きさが変化してもこれを反映することができない。例えば、基準暗電流値を決定した後、電気デバイスが追加されたり廃棄された場合には、それ以降の暗電流値は基準暗電流値から変化してしまう。

そこで、暗電流値を決定する第４の方法として、暗電流値の変化のみを二次電池に付設されている状態検知センサを用いて測定する。すなわち、上記第２の方法または第３の方法で基準暗電流値を決定した時点において、状態検知センサを用いてそのときの暗電流値を測定して記憶させておく。その後電源オフの状態で二次電池の状態検知を行うときに、状態検知センサを用いて暗電流値を測定し、この暗電流値と記憶させておいた暗電流値との差を求め、これを基準暗電流値に加算したものを電圧補正値の推定に用いる。

状態検知センサで暗電流値を測定した場合、電流値が小さいことによる測定誤差は、どの時点で測定した場合もほぼ同程度と考えられる。従って、電流測定値には同程度の測定誤差が含まれているものの、異なる時点における電流測定値間で減算して暗電流の変化量を求めた場合には、測定誤差が相殺されて変化量に含まれている測定誤差が小さくなると考えられる。暗電流の電流測定値の変化量に含まれる測定誤差が比較的小さいことに着目し、暗電流値を決定する第４の方法では、第２の方法または第３の方法で用いられる基準暗電流値を、状態検知センサで測定した暗電流値の変化量で補正するようにしたものである。

上記の第１から第４の方法のいずれかを用いて暗電流値が決定されると、この暗電流値を第１の相関式に代入して電圧補正値を推定することができる。そして、この電圧補正値を少なくとも１つの補正量として、そのときの電圧測定値から二次電池の安定電圧を推定することができる。電圧測定値に電圧補正値を加算することで、暗電流の放電による電圧低下を補正することができる。

電圧補正値で補正して求めた安定電圧は、二次電池の充電率ＳＯＣを推定するのに用いることができる。安定電圧と充電率との間には、図２に示すような相関がある。この相関を第２の相関式を用いて表現し、第２の相関式に上記で求めた安定電圧を代入することによりＳＯＣを算出するようにすることができる。このＳＯＣを用いた二次電池の状態検知方法として、充電率が適切に維持されているか、あるいは充電を行う必要があるかを判定することができる。

充電率が適切かを判定する方法の一例として、算出されたＳＯＣを所定の閾値ＳＯＣｔｈと比較し、ＳＯＣがＳＯＣｔｈ以上の場合には適切な充電率が維持されていると判定し、ＳＯＣｔｈ未満の場合には充電が必要と判定することができる。

本実施形態の二次電池の状態検知方法の処理の流れを、図３に示す流れ図を用いて説明する。以下では、暗電流を上記の第４の方法で求める場合を例に説明しているが、他の方法を用いる場合も、暗電流の求め方以外は同様の処理の流れで状態検知を行うことができる。

本実施形態の二次電池の状態検知方法は、自動車の充放電が休止状態のときに以下の処理を行う。ステップＳ１では、休止状態か否かを判定し、休止状態でないときは処理を行わずに終了し、休止状態のときにステップＳ２以降の処理を行う。
なお、休止状態か否かを判定する方法としては、例えば、電流測定値の絶対値｜Ｉｍ｜を用いる方法がある。すなわち、電流測定値の絶対値｜Ｉｍ｜が所定の閾値Ｉｔｈより大きい場合は、充放電が行われている状態（起動、走行状態）と判定し、絶対値｜Ｉｍ｜が所定の閾値Ｉｔｈ以下の場合は、休止状態（充放電が実質的に行われておらず、暗電流のみが流れている状態）にあると判定する。

ステップＳ２では、あらかじめ決定および測定して記憶装置等に記憶させておいた基準暗電流値Ｉｓ、および基準暗電流値を決定した時点において状態検知センサを用いて測定した暗電流初期値Ｉ０を読み込む。ここでは、暗電流値を上記の第４の方法で求めるために暗電流初期値Ｉ０を読み込んでいるが、第２の方法または第３の方法で暗電流を求める場合には暗電流初期値Ｉ０は不要である。さらに、第１の方法で暗電流を求める場合には、ステップＳ２の処理自体が不要となる。

ステップＳ３において、状態検知センサから二次電池の電圧Ｖｍおよび電流Ｉｍを取得する。つぎのステップＳ４では、測定電流Ｉｍと暗電流初期値Ｉ０との差、すなわち暗電流変化量ΔＩを求め、ステップＳ５で基準暗電流値Ｉｓに暗電流変化量ΔＩを加算して最新の暗電流値Ｉｘを求める。ステップＳ３およびＳ４は、第４の方法で暗電流を求める場合だけ行われる処理であり、第１の方法ではＩｘ＝Ｉｍ、第２および第３の方法ではＩｘ＝Ｉｓとして最新の暗電流値Ｉｘを求める。

ステップＳ５までで暗電流値Ｉｘが決定されると、ステップＳ６において第１の相関式ＦＡに暗電流値Ｉｘを代入して電圧補正値ΔＶを算出する。電圧補正値ΔＶが求まると、ステップＳ７で電圧測定値Ｖｍに電圧補正値ΔＶを加算することで、暗電流による電圧低下分を補正した安定電圧が求まる。この安定電圧を第２の相関式ＦＳに代入することで、充電率ＳＯＣを求めることができる。

ステップＳ８では、ステップＳ７で推定された充電率ＳＯＣを所定の閾値ＳＯＣｔｈと比較し、ＳＯＣがＳＯＣｔｈより大きいときには二次電池の充電状態が良好であると判定する（ステップＳ９）一方、ＳＯＣがＳＯＣｔｈ以下のときには充電が必要と判定する（ステップＳ１０）。

本発明の実施形態に係る二次電池状態検知装置及び二次電池電源システムを、図４を用いて以下に説明する。本実施形態の二次電池電源システム１００は、二次電池１０１と本実施形態の二次電池状態検知装置１１０とを有している。また、本実施形態の二次電池状態検知装置１１０は、状態検知センサ１１１と演算処理部１１２と記憶部１１３とを有している。

状態検知センサ１１１は、二次電池１０１の電圧、電流、温度を測定するそれぞれ電圧センサ１１１ａ、電流センサ１１１ｂ、温度センサ１１１ｃを備えている。記憶部１１３は、基準暗電流値Ｉｓ、暗電流初期値Ｉ０、演算処理部１１２での演算に必要な第１の相関式ＦＡ（Ｉ）、第２の相関式ＦＳ（Ｖｔ）等を事前に記憶する。

演算処理部１１２は、記憶部１１３から基準暗電流値Ｉｓ、暗電流初期値Ｉ０、第１の相関式ＦＡ（Ｉ）、第２の相関式ＦＳ（Ｖｔ）等を読み込んだ後、上記実施形態のバッテリ状態検知方法による処理を行う。すなわち、所定のタイミングで、状態検知センサ１１１から二次電池１０１の電圧、電流等を読み込み、例えば図３に示した処理手順に従って二次電池１０１の充電率ＳＯＣを推定して状態検知を行う。これにより、二次電池１０１の充電不足を早期に検出することが可能となる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る二次電池の状態検知方法、状態検知装置及び二次電池電源システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における二次電池の状態検知方法等の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施の形態に係る二次電池の状態検知方法で用いる暗電流値と電圧補正値との相関を示すグラフである。二次電池の安定電圧と充電率との相関を示すグラフである。実施形態に係る二次電池の状態検知方法の処理の流れを示す流れ図である。本発明の実施形態に係る二次電池状態検知装置及び二次電池電源システムの概略の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００二次電池電源システム
１０１二次電池
１１０二次電池状態検知装置
１１１状態検知センサ
１１１ａ電圧センサ
１１１ｂ電流センサ
１１１ｃ温度センサ
１１２演算処理部
１１３記憶部

Claims

二次電池から放電される暗電流による電圧低下を補正して状態検知を行う二次電池の状態検知方法であって、
前記暗電流の電流値（暗電流値）と前記暗電流による電圧低下を補正する電圧補正値との相関を表す第１の相関式を、前記二次電池の充電率が高くなるにつれて前記電圧補正値が大きくなるように予め作成し、
前記暗電流値及び前記充電率を所定の方法で取得し、
前記第１の相関式を用いて前記暗電流値及び前記充電率から前記電圧補正値を推定する
ことを特徴とする二次電池の状態検知方法。
前記第１の相関式は、前記二次電池の温度を変数として含んでいる
ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の状態検知方法。
前記第１の相関式に含まれる前記充電率には、直前に前記二次電池の充放電電流を積算して算出または、推定された値を用いる
ことを特徴とする請求項２に記載の二次電池の状態検知方法。
前記暗電流値として、前記二次電池が通常の充放電を休止させている状態で前記二次電池に付設されている状態検知センサから取得される前記二次電池の電流測定値を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池の状態検知方法。
前記二次電池が通常の充放電を休止させている状態で前記二次電池に付設されている状態検知センサとは別の電流センサを用いて取得した前記二次電池の電流測定値を基準暗電流値とし、前記暗電流値として前記基準暗電流値を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池の状態検知方法。
事前に設定された暗電流の標準値を基準暗電流値とし、前記暗電流値として前記基準暗電流値を用いる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池の状態検知方法。
前記二次電池が通常の充放電を休止させている状態において、所定の状態検知センサから取得した第１の電流測定値と前記基準暗電流値が決定された時点で前記状態検知センサから取得した第２の電流測定値との電流差を求め、該電流差で前記基準暗電流値を補正して前記暗電流値とする
ことを特徴とする請求項５または６に記載の二次電池の状態検知方法。
前記電圧補正値を、少なくとも１つの補正量として前記二次電池の安定電圧を推定する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の二次電池の状態検知方法。
前記二次電池の充電率と安定電圧とを予め第２の相関式で表現し、前記第２の相関式に前記推定された安定電圧を代入して前記充電率を推定する
ことを特徴とする請求項８に記載の二次電池の状態検知方法。
二次電池の電圧、電流、及び温度を測定する状態検知センサと、
前記二次電池から放電される暗電流の電流値（暗電流値）と前記暗電流による電圧低下を補正する電圧補正値との相関が前記二次電池の充電率が高くなるにつれて前記電圧補正値が大きくなるように表された第１の相関式を事前に記憶する記憶部と、
所定の方法で取得した前記暗電流値及び前記充電率を前記第１の相関式に代入して電圧補正値を推定する演算処理部と、を備える
ことを特徴とする二次電池の状態検知装置。
前記二次電池と、請求項１０に記載の二次電池状態検知装置と、を備える
ことを特徴とする二次電池電源システム。