JP5445505B2 - 電流プロファイルの更新による電池制御 - Google Patents

電流プロファイルの更新による電池制御 Download PDF

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Description

本発明は、最適な電流プロファイルで電池を充電するシステムおよび充電方法に関する。
例えば、充電スタンド等において自動車に搭載された電池に充電をする場合など、一般的に電池を充電するときには、例えば、一定電流で充電を開始する。充電開始とともに電圧が増加し、一定電圧に落ち着いて満充電と呼ばれる状態に達すると、徐々に電流を減少させるという電流プロファイルを使用する。この電流プロファイルは充電プロファイルとも呼ばれ、充電時間と電流との関係のことを示す。
電池の容量は、時間積分すると電池に蓄積された電荷となることから電荷容量とも称される。電池が劣化するにつれて蓄積できる電荷は減少するため、その容量プロファイルもまた変化するが、その変化は未知である。電池が劣化して容量プロファイルが変化した状態において、劣化前と同様の電流プロファイルを使用して充電すると、過充電の状態を引き起こし、電池の劣化をはやめることになる。そのため、容量値の変化に合わせて充電電流の値を変化させる、つまり、早めに充電電流を減少させるような制御を行うことが必要となる。
劣化に伴う電池の容量変化を推定するために、従来から様々な試みがなされてきた。
例えば、特許文献１には、二次電池の劣化状態を推定する方法およびその方法を実現可能な判別装置が開示されている。この方法は、二次電池を一定電流で充電しながら二次電池の電圧を連続的に計測する工程と、連続的に計測した電圧を充電時間に関連付けて記憶しておく工程と、連続的に計測した二次電池の電圧が所定電圧に達したときに、それ以前に記憶しておいた二次電池の電圧の計時的変化をデータから、充電時間に対する電圧変化率を算出する工程と、算出した電圧変化率から、二次電池の満充電容量を推定する工程を備えている。
また、特許文献２には、リチウムイオン電池の劣化を判定するために必須となる、リチウムイオン電池の容量推定を簡便に行う方法および電池の劣化を警告する手段を備えたリチウムイオン電池パックが開示されている。この方法によれば、リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流（ＣＣ）から定電圧（ＣＶ）に切り替えた時点から時間ｔだけ経過した時点における充電電流値Ｉｔを求め、該充電電流値Ｉｔを用いて該リチウムイオン電池の容量Ｃｔを推定している。
さらに、特許文献３には、不活性劣化を考慮してバッテリの充電状態、開回路電圧をより正確に推定できるバッテリの充電状態推定方法および開回路電圧推定方法ならびに劣化度算出方法および装置が開示されている。この方法によれば、バッテリの充電状態推定方法および開回路電圧推定方法は、任意時点でのバッテリの充放電可能な総電気量の、比劣化時のバッテリにおける初期電気量に対する割合を劣化度として算出し、この劣化度を用いて任意時点のバッテリの充電状態や開回路電圧を推定するものである。
これらの技術は、いずれも電池の劣化状態や劣化に伴う電池の容量の変化を推定できるものの、その変化に応じて、充電方法を変化させる制御を実施することに関しては言及されていない。
特開２００７−１６６７８９号公報 特開２００１−２５７００８号公報 特開２００４−３５４０５０号公報
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、電池の劣化で容量プロファイルが変化した場合にも最適な電流プロファイルで充電するシステムおよび方法を提供することを目的とする。
そして、本発明の態様の一つであるシステムは、ＳＯＣを取得し、前記取得されたＳＯＣから容量プロファイルを推定するＳＯＣ取得部と、前記推定された容量プロファイルから電流プロファイルを算出する推定部と、前記算出された電流プロファイルに基づいて充電を実施する充電部と、を含むことを特徴とするものである。
なお、上述した本発明に係るシステムにおいて、ＳＯＣ取得部によって取得された充電中の電池の電流、電圧、温度を利用して、前記容量プロファイルを推定するように構成してもよい。
また、前述した本発明に係るシステムにおいて、格納されていた電流プロファイルを、前記推定部によって算出された前記電流プロファイルで書き換える更新部をさらに含むように構成してもよい。
なお、このとき、前記推定部によって算出された前記電流プロファイルを格納する保存部をさらに含み、前記充電部は、前記保存部から前記電流プロファイルを読み込むように構成してもよい。
また、本発明の態様のひとつである方法は、ＳＯＣを取得するステップと、前記取得されたＳＯＣから容量プロファイルを推定するステップと、前記推定された容量プロファイルから電流プロファイルを算出するステップと、前記算出された電流プロファイルに基づいて充電を実施するステップと、を含むようにすることを特徴とするものである。
なお、上述した本発明に係る方法において、充電中の電池の電流、電圧、温度を利用して前記容量プロファイルを推定するステップをさらに含むようにしてもよい。
また、前述した本発明に係る方法において、格納されていた電流プロファイルを、前記算出された電流プロファイルで更新するステップをさらに含むようにしてもよい。
なお、このとき、前記算出された電流プロファイルを格納するステップと、前記格納された電流プロファイルを読み込むステップと、をさらに含むようにしてもよい。
なお、上述した本発明に係る方法をコンピュータに行わせるためのプログラムであっても、このプログラムを当該コンピュータによって実行させることにより、上述した本発明に係る方法と同様の作用・効果を奏するので、前述した課題が解決される。
本発明によれば、以上のようにすることにより、電池の劣化で容量プロファイルが変化した場合にも最適な電流プロファイルで充電することを可能にし、それによって過充電を防ぎ、電池の寿命を最大限に生かすことができるという効果を奏する。
また、電池の容量プロファイルに関する情報を履歴や電池のＩＤとして管理することによって、電池認証として充電時などに活用することが可能となる。
本発明の一実施形態に従って電池の充電を実施する際のブロック図である。 劣化による容量プロファイルの変化とそれに応じて算出される電流プロファイルを示す図である。 ＳＯＣ取得部１および推定部２の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に従って、容量プロファイルから電流プロファイルを算出し、保存するフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、本発明の実施に必要な事柄は、本技術分野における従来技術に基づいて、当業者に理解されうる。本発明は、本明細書に開示されている内容と本技術分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
図１は、本発明の一実施形態に従って電池の充電を実施する際のブロック図である。
ＳＯＣ取得部１は、電池のＳＯＣを取得する。続いて、取得されたＳＯＣから容量プロファイルを推定して、推定された容量プロファイルを推定部２へと送信する役割を担う。ここで、ＳＯＣとは、Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅのことを示し、電池の充電状態を表す指標として用いられる。
推定部２は、ＳＯＣ取得部１によって推定された容量プロファイルを実現するための電流プロファイルを算出する。
更新部３は、保存されている既存の電流プロファイルを、推定部２によって算出された電流プロファイルで書き換える。
保存部４は、推定部２によって算出され、更新部３によって更新された電流プロファイルを格納する。
充電部５は、保存部４に格納された電流プロファイルを読み込み、当該電流プロファイルに基づいて充電を実施する。推定部２によって算出された電流プロファイルに従って、充電電流値をコンピュータによって制御する方法については、従来技術を利用する。
続いて、図２は、劣化による容量プロファイルの変化とそれに応じて算出される電流プロファイルを示す図である。なお、図２の上図は、劣化による容量プロファイルの変化を示しており、下図は、推定された劣化後の容量プロファイルから算出される電流プロファイルを示す。横軸は充電時間（ｈ）、左の縦軸は電圧（Ｖ）、右の縦軸は電流（ｍＡ）および容量（ｍＡｈ）を表す。
図２の上図において、点線６は電圧プロファイルを、実線７は劣化前の充電時の電流プロファイルを、実線８は劣化前の容量プロファイルを、破線９は推定された劣化後の容量プロファイルを示す。図２の下図においては、点線６、実線７、実線８、破線９は上図と同様であり、一点鎖線１０は、推定された劣化後の容量プロファイルから算出された電流プロファイルを示す。
まず、図２の上図において、実線７で示されるように、一定電流で充電を開始する。その結果、点線６で示されるように充電開始とともに電圧が増加し、ある時刻、図２においては約１．０ｈで一定電圧に落ち着いて満充電と呼ばれる状態に達する。満充電の状態に達すると、徐々に電流を減少させるという電流プロファイルを使用する。
電池が劣化するにつれて蓄積できる電荷は減少するため、その容量プロファイルは、実線８から破線９で示されるように変化すると考えられるが、容量がどう変化するかに関しては未知であり、さらにその変化を直接計測することは困難であるため、実線７で示された電流プロファイルを使用して充電している際に、電池電流、電圧、温度を計測して、ＳＯＣを求める従来技術を利用してＳＯＣを取得する。
例えば、次のような方法を利用する。端子電圧、電流およびセル温度を読み込み、端子電圧に基づいて開放電圧を推定する。また、電流変化率に基づいてサンプリング時間が算出され、サンプリング時間を用いて電流平均値が算出される。続いて、電流平均値とセル温度とに基づいて、所定の電流容量テーブルを参照することによって、満充電容量を算出することができる。そして、満充電容量、開放電圧、上限電圧および下限電圧に基づいて残存する電流容量を算出することができる。一例として、このような方法を利用して、ＳＯＣを取得する。
ＳＯＣは、電池の充電状態を表す指標であり、本来の電池の容量に対してどの程度充電されているかを示すものであるため、ＳＯＣの値に基づいて、破線９に示されるような劣化後の容量プロファイルを推定することができると考えられる。ここでは、図２の上図に矢印で示されるように、定常値すなわち、満充電状態における容量値の下落度合いを電池の劣化度とする。
破線９で示されるように、電池が劣化して容量プロファイルが変化した状態で、実線７で示された劣化前と同様の電流プロファイルを使用して充電すると、過充電の状態を引き起こし、電池の劣化をはやめることになる。そのため、容量値の変化に合わせて充電電流の値を変化させる、つまり、最適な電流プロファイルを使用することが重要となる。
図２の下図において、破線９で示された、推定された容量プロファイルを時間微分することによって、一点鎖線１０に示されるような、劣化後の最適な電流プロファイルを算出することができる。この電流プロファイルを利用することによって、容量プロファイルの変化に合わせて、早めに充電電流を減少させるような制御を行うことが可能となる。
なお、電圧の上限値は、２０％程度のマージンを最初から設定しているため、電池が劣化した状態においても、点線６で示された電圧プロファイルは変化していないものと仮定する。
図３は、ＳＯＣ取得部１および推定部２の構成を示すブロック図である。
ＳＯＣ取得部１は、電流計測部１１、電圧計測部１２、温度計測部１３および容量推定部１４を備える。また、推定部２は、電流プロファイル計算部１５を備える。
電流計測部１１は、充電中の電池に流れる電流を計測する。電圧計測部１２は充電中の電池電圧を計測する。温度計測部１３は充電中の電池温度を計測する。ＳＯＣ取得部１は、これら３つの計測部によって計測された電流の積算値、電圧、温度からＳＯＣを求める従来技術を利用してＳＯＣを取得する。また、容量推定部１４は、取得されたＳＯＣに基づいて容量プロファイルを推定し、電流プロファイル計算部１５へと送信する。
電流プロファイル計算部１５は、容量推定部１４によって推定された容量プロファイルを時間微分することによって、当該容量プロファイルに応じた電流プロファイルを計算する。
図４は、本発明の一実施形態に従って、容量プロファイルから電流プロファイルを算出し、保存するフローチャートである。
まず、充電開始とともに制御を開始する（ステップＳ１）。続いて、ＳＯＣ取得部1内にある電流計測部１１が充電中の電池に流れる電流を計測し（ステップＳ２）、電圧計測部１２が充電中の電池電圧を計測し（ステップＳ３）、温度計測部１３が充電中の電池温度を計測することによってＳＯＣを求める（ステップＳ４）。続いて、容量推定部１４は、ステップＳ４において取得されたＳＯＣに基づいて容量プロファイルを推定する（ステップＳ５）。
その後、ＳＯＣ取得部１は充電が完了したか否かを判断し（ステップＳ６）、充電が完了している場合にはステップＳ７に進み、完了していない場合にはステップＳ２に戻る。ステップＳ７においては、容量推定部１４によって推定された容量プロファイルが保存部４に保存される。
続いて、容量推定部１４によって推定された容量プロファイルを時間微分することによって、推定部２内の電流プロファイル計算部１５は当該容量プロファイルに応じた電流プロファイルを計算する（ステップＳ８）。続いて、更新部３は、保存されている既存の電流プロファイルを、電流プロファイル計算部１５によって計算された電流プロファイルで書き換えることによって更新する（ステップＳ９）。さらに、保存部４は、推定部２内の電流プロファイル計算部１５によって計算され、更新部３によって更新された電流プロファイルを保存する（ステップＳ１０）。その後、ステップＳ１１に進み、制御は終了する。
本発明によれば、以上のようにすることにより、電池の劣化で容量プロファイルが変化した場合にも最適な電流プロファイルで充電することを可能にし、それによって過充電を防ぎ、電池の寿命を最大限に生かすことができるという効果を奏する。
また、電池の容量プロファイルに関する情報を履歴や電池のＩＤとして管理することによって、電池認証として充電時などに活用することが可能となる。
１ ＳＯＣ取得部
２ 推定部
３ 更新部
４ 保存部
５ 充電部
６ 電圧プロファイル
７ 劣化前の充電時の電流プロファイル
８ 劣化前の容量プロファイル
９ 推定された劣化後の容量プロファイル
１０ 算出された電流プロファイル
１１ 電流計測部
１２ 電圧計測部
１３ 温度計測部
１４ 容量推定部
１５ 電流プロファイル計算部

Claims (8)

  1. ＳＯＣを取得し、前記取得されたＳＯＣから容量プロファイルを推定するＳＯＣ取得部と、
    前記推定された容量プロファイルを時間微分して電流プロファイルを算出する推定部と、
    前記算出された電流プロファイルに基づいて充電を実施する充電部と、
    を含む、
    ことを特徴とするシステム。
  2. ＳＯＣ取得部によって取得された充電中の電池の電流、電圧、温度を利用して、前記容量プロファイルを推定する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 格納されていた電流プロファイルを、前記推定部によって算出された前記電流プロファイルで書き換える更新部をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
  4. 前記推定部によって算出された前記電流プロファイルを格納する保存部をさらに含み、
    前記充電部は、前記保存部から前記電流プロファイルを読み込む、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
  5. ＳＯＣを取得するステップと、
    前記取得されたＳＯＣから容量プロファイルを推定するステップと、
    前記推定された容量プロファイルを時間微分して電流プロファイルを算出するステップと、
    前記算出された電流プロファイルに基づいて充電を実施するステップと、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
  6. 充電中の電池の電流、電圧、温度を利用して前記容量プロファイルを推定するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 格納されていた電流プロファイルを、前記算出された電流プロファイルで更新するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
  8. 前記算出された電流プロファイルを格納するステップと、
    前記格納された電流プロファイルを読み込むステップと、
    をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
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