JP5740798B2 - 二次電池最大容量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池最大容量測定装置に関し、詳しくは、二次電池の使用中でもその最大容量を測定できる装置に関する。

繰り返し充電が行える二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの走行モータ駆動電源として用いられるとともに、化石燃料に頼らない太陽発電や風力発電などの環境負荷が比較的少ないエネルギーを蓄えることができるという視点からも、産業界や公共機関や一般家庭などでも広く用いられつつある。

一般に、これらの二次電池は、所定数の電池セルを直列に接続することで所望の出力電圧が得られる電池モジュールとして構成され、所望の出力電圧が得られる所定数の電池モジュールを並列に接続することで所望の電流容量（Ａｈ）が得られる電池パックとして構成されている。

たとえば自動車に走行モータ駆動電源として搭載される二次電池は、充電時間、航続距離などの利便性から、当面はリチウムイオン電池が主流になると考えられている。

ところで、二次電池の性能を表す指標のひとつに、電池の最大容量がある。この最大容量は、電池の開回路電圧が最大電圧から使用可能な最小電圧に低下するまでの間に出力される電気量（Ａｈ）と定義することができる。

図１６は、使用中における二次電池の最大容量を測定する従来の二次電池最大容量測定装置の一例を示すブロック図である。図１６において、電流センサ１は使用中の二次電池（以下ＤＵＴという）に流れる電流を測定し、電圧センサ２は使用中の二次電池ＤＵＴの端子間電圧を測定する。

ΔＱ演算部３は、電流センサ１で測定した電流値を積算し、ある時間の間にＤＵＴに流れた電気量ΔＱを求める。

ＯＣＶ演算部４は、電圧センサ２で測定した電圧値と、電流センサ１で測定した電流値から、ある時間の間のＤＵＴの開回路電圧ＯＣＶ（Open Cell Voltage）を求める。

ΔＳＯＣ演算部５は、ＯＣＶ演算部４で求めた開回路電圧ＯＣＶから、ある時間の間の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）の変動ΔＳＯＣを求める。ここで、充電状態ＳＯＣは既知の充電状態ＳＯＣと開回路電圧ＯＣＶの関係を利用して求めることができる。

最大容量測定部６は、ＤＵＴの最大容量Ｑ’ｍａｘを次の式より求める。
Ｑ’ｍａｘ［Ａｈ］＝ΔＱ［Ａｈ］×１００［％］/ΔＳＯＣ［％］

表示部７は、最大容量測定部６で測定された最大容量Ｑ’ｍａｘをたとえば液晶ディスプレイなどで表示する。

特許文献１には、車載バッテリの劣化度を複雑な演算を行うことなく判定する技術が記載されている。

特開２００９−７１９８６号

しかし、ＤＵＴの開回路電圧を求めるためには、出力電流が０Ａである時間が一定時間必要になる。車載電池の場合には、いつかは停車によってオフラインになるが、たとえば住宅の電源として用いられる定置用電池の場合は、空調などの負荷が常にかかる可能性があることから、出力電流が必ずしも０Ａになるとは限らない。

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、出力電流が０Ａにならないような二次電池の使用環境においてもその二次電池の最大容量を測定できる二次電池最大容量測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
使用中の二次電池の最大容量を測定する二次電池最大容量測定装置であって、
前記二次電池から時間変化しない一定の電流を取り出している期間内における電圧変化量に基づき前記二次電池の端子間電圧を負荷電流に依存しない値に変換し、負荷電流から演算された充電状態に基づく前記二次電池の開回路電圧を同一の手段を用いて変換された端子間電圧と比較できる値に変換する電流依存性処理手段と、
この電流依存性処理手段で変換された前記二次電池の端子間電圧と開回路電圧の誤差を演算する誤差演算手段、
を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の二次電池最大容量測定装置において、
前記電圧変化量として、前記二次電池から時間変化しない一定の電流を取り出している期間内における始点の電圧と終点の電圧の差分を測定することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の二次電池最大容量測定装置において、
前記電圧変化量として、前記二次電池から時間変化しない一定の電流を取り出している期間内における電圧を微分することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の二次電池最大容量測定装置において、
前記電流依存性処理手段は、温度を含む環境要素の測定データを取り込んで処理することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の二次電池最大容量測定装置において、
充電状態の予測値波形における充電状態の分布と対充電状態−開回路電圧特性の特徴点の分布に基づき前記二次電池の最大容量測定の可否を判断する測定可否判定手段を設けたことを特徴とする。

これらにより、二次電池の使用環境においてもその二次電池の最大容量を測定できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図１の動作の流れを説明するフローチャートである。 図１のＲＡＭ１３に逐次記憶格納される記録データの説明図である。 図１の電流依存性処理部１７の具体例を示すブロック図である。 図４のＯＣＶ波形演算部１７ｂにおけるデータ列の具体例を示す説明図である。 図１の測定可否判定部１８の具体例を示すブロック図である。 図１の電流依存性処理部１７の他の具体例を示すブロック図 ある市販二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電状態ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶの勾配を充電状態ＳＯＣ０％〜１００％にわたって測定した特性例図である。 二次電池における端子間電圧Ｖと開回路電圧ＯＣＶの関係の一例を示す特性図である。 二次電池使用中における電圧変化特性例図である。 二次電池のパラメータと充電状態ＳＯＣの関係を示す特性例図である。 二次電池のパラメータと開回路電圧ＯＣＶの関係を示す特性例図である。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。 図１３の動作の流れを説明するフローチャートである。 図１３の電流温度依存性処理部２０の具体例を示すブロック図である。 従来の二次電池最大容量測定装置の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。図１において、プロセッサ１１は、最大容量測定装置１０全体の動作を制御する。プロセッサ１１には、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、表示部１４、電流センサ１５、電圧センサ１６、電流依存性処理部１７、測定可否判定部１８などが接続されている。

ＲＯＭ１２は、実行プログラムやＤＵＴの特性データなどが不揮発的に格納されるものであり、プロセッサ１１からのアクセスが可能である。なお、不揮発的な格納手段としては、磁気ディスク記憶装置やフラッシュメモリ装置などの書き換え可能な不揮発性メモリを含むことができる。

ＲＡＭ１３は、揮発性のデータ記憶手段であり、プロセッサ１１からのアクセスが可能である。ＲＡＭ１３には、電流センサ１５で取得された電流値の測定データや電圧センサ１６で取得された電圧値の測定データなどが履歴測定データとして記憶格納されるとともに、電流依存性処理部１７で測定された最大容量測定値やＳＯＣ測定値なども最大容量・ＳＯＣ前回測定値として記憶格納される。ＲＡＭ１３としては、高速ランダムアクセスメモリを含むことができる。また、磁気ディスク記憶装置やフラッシュメモリ装置などの書き換え可能な不揮発性メモリを含むこともできる。

表示部１４は、装置１０とユーザ間における出力インタフェースとして機能するものであって、プロセッサ１１との間で電気信号を授受することにより、ＤＵＴの最大容量測定値、ＳＯＣ測定値、それらの測定可否判定結果などを表示する。表示部１４としては、たとえば液晶ディスプレイや有機ＬＥＤなどを用いることができる。

電流センサ１５は、ＤＵＴに流れる電流を検出してデジタルデータ化する機能を有するものである。プロセッサ１１は、電流センサ１５の電流値を読み取ることができる。

電圧センサ１６は、ＤＵＴの端子間電圧を検出してデジタルデータ化する機能を有するものである。プロセッサ１１は、電圧センサ１６の電圧値を読み取ることができる。

電流依存性処理部１７は、ＲＡＭ１３に記憶格納されている電流値と電圧値の履歴測定データに基づき、ＤＵＴの最大容量測定値やＳＯＣ測定値などを求める。具体的には、プロセッサ１１から出力される処理開始指令に基づき最大容量測定値やＳＯＣ測定値などを求めるための所定の演算処理を実行し、それらの演算処理が終了すると測定終了信号を出力する。これらの演算結果はプロセッサ１１を介してＲＡＭ１３に逐次記憶格納され、必要に応じて読み出される。

測定可否判定部１８は、ＲＡＭ１３に記憶格納されている電流値と電圧値の履歴測定データに基づき、最大容量測定の可否を判定する。具体的には、プロセッサ１１から出力される処理開始指令に基づき最大容量測定の可否を判定するための所定の演算処理を実行し、その演算処理が終了すると判定終了信号を出力する。この判定結果はプロセッサ１１を介してＲＡＭ１３に逐次記憶格納され、必要に応じて読み出される。

図２は、図１の動作の流れを説明するフローチャートである。図１において、はじめにプロセッサ１１は電流値と電圧値を取得する（ステップＳ１）。すなわち、プロセッサ１１は、電流センサ１５を介して電流値Ｉｍｏｎを取得するとともに電圧センサ１６を介して電圧値Ｖｍｏｎを取得し、さらに、それらの測定値と同時にプロセッサ１１の内部または外部に設けられている時計機能部を介して時刻データｔｍｏｎも取得する。

プロセッサ１１は、取得した電流値Ｉｍｏｎと電圧値Ｖｍｏｎを、時刻データｔｍｏｎの履歴順序に従って、ＲＡＭ１３に逐次記憶格納する（ステップＳ３）。

図３はＲＡＭ１３に逐次記憶格納されるこれら記録データの説明図であり、測定時刻データｔｉと電流値Ｉｉと電圧値Ｖｉからなるデータ列（ｉ＝１〜Ｎ）であって、（Ａ）は電流値と電圧値の履歴を示し、（Ｂ）は電流値の履歴を示し、（Ｃ）は電圧値の履歴を示している。ここで、電流値Ｉｉと電圧値Ｖｉの履歴はリングバッファとして記録されていて、データ長がバッファの長さを超えるときにはもっとも古いデータが削除される。

再び図２において、プロセッサ１１は、ＲＡＭ１３に逐次記憶格納される電流値Ｉｉと電圧値Ｖｉの履歴データ、最後に測定された最大容量や充電状態を表すＳＯＣ測定値などの各種データに基づき、測定可否判定部１８を介してＤＵＴの最大容量が測定可能かどうかを判定し（ステップＳ４）、この測定可否判定もＲＡＭ１３に逐次記憶格納する。

最大容量測定可能と判断した場合、プロセッサ１１は電流依存性処理部１７を介してＤＵＴの最大容量と充電状態ＳＯＣを測定する（ステップＳ５）。プロセッサ１１はＲＡＭ１３に格納記憶されている電流値と電圧値の履歴データを電流依存性処理部１７に転送するとともに、電流依存性処理部１７に測定開始指令を出力する。

電流依存性処理部１７は、測定開始指令に基づくＤＵＴの最大容量と充電状態ＳＯＣの測定処理が終了すると、プロセッサ１１に対して測定終了信号を出力する。プロセッサ１１は測定終了信号を確認すると、電流依存性処理部１７から最大容量測定値とＳＯＣ測定値を取得してＲＡＭ１３に逐次記憶格納する。

測定可否判定部１８が最大容量測定不可能と判断した場合には、ステップＳ１に戻って電流値と電圧値の取得を継続する。

プロセッサ１１は表示部１４を制御し、ＲＡＭ１３に記憶格納されているＤＵＴの最大容量値とＳＯＣ値および測定の可否判定結果を表示する（ステップＳ５）。

これら一連の動作を、処理終了と判断するまで繰り返し実行する（ステップＳ６）。

図４は、電流依存性処理部１７の具体例を示すブロック図である。図４において、電流依存性処理部１７は、最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａと、ＯＣＶ波形演算部１７ｂと、ＯＣＶ波形抽出部１７ｃと、電圧波形抽出部１７ｄと、誤差演算部１７ｅとで構成されている。

最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａは、プロセッサ１１から出力される測定開始指令信号Ｓ１に基づき測定動作を開始し、装置に接続されたＤＵＴの現在の最大容量の測定値を表す最大容量測定値Ｍ１と、現在記憶されている電流値と電圧値の履歴Ｘの最新時刻tNにおけるＳＯＣの測定値を表すＳＯＣ測定値Ｍ２を決定する。

最大容量測定値Ｍ１とＳＯＣ測定値Ｍ２の決定にあたっては、誤差演算部１７ｄから出力される評価値が最小になる仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせが求められるまで、以下の手順を繰り返す。

１）仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４を決定する。
２）仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせをＯＣＶ波形演算部１７ｂに出力する。
３）ＯＣＶ波形演算部１７ｂはこれら仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせとプロセッサ１１から入力される電流波形Ｗ１に基づいてＯＣＶ波形Ｗ２を演算し、ＯＣＶ波形抽出部１７ｃに出力する。

４）ＯＣＶ波形抽出部１７ｃはＯＣＶ波形演算部１７ｂから入力されるＯＣＶ波形Ｗ２とプロセッサ１１から入力される電流波形Ｗ１に基づいてＯＣＶ由来カーブＣＶ１を抽出し、誤差演算部１７ｅに出力する。
５）電圧波形抽出部１７ｄはプロセッサ１１から入力される電流波形Ｗ１と電圧波形Ｗ３に基づいて電圧由来カーブＣＶ２を抽出し、誤差演算部１７ｅに出力する。
６）誤差演算部１７ｅはＯＣＶ波形抽出部１７ｃから入力されるＯＣＶ由来カーブＣＶ１と電圧波形抽出部１７ｄから入力される電圧由来カーブＣＶ２に基づき誤差の評価値Ｍ５を演算し、その演算結果を最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａに入力する。

７）最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａは評価値Ｍ５が最小になる仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせを最大容量測定値Ｍ１とＳＯＣ測定値Ｍ２としてプロセッサ１１に出力する。ここで、ＳＯＣ測定値Ｍ２は、仮電気量Ｍ４を仮最大容量Ｍ３で除算した値である。この機能は最大容量と電気量を係数とした典型的なカーブフィッティングであり、さまざまなアルゴリズムが適用できる。

たとえばＤＵＴとして、運用開始時の最大容量が２５００ｍＡｈで、劣化により２０００ｍＡｈまで低下するような二次電池が接続されている場合は、以下のような手順で最大容量測定値Ｍ１とＳＯＣ測定値Ｍ２を求めることができる。

ａ）仮最大容量Ｍ３を５ｍＡｈ間隔で２０００ｍＡｈから２５００ｍＡｈまで変化させ、仮電気量Ｍ４を２５ｍＡｈ刻みで０ｍＡｈから２５００ｍＡｈまで変化させる。
ｂ）それぞれの組み合わせについて評価値Ｍ５を演算し、演算結果を組み合わせとともに記憶する。
ｃ）すべての組み合わせについて計算し終えたら、もっとも評価値Ｍ５の小さい組み合わせを探し、その仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４をそれぞれ最大容量測定値Ｍ１とＳＯＣ測定値Ｍ２とする。

ＯＣＶ波形演算部１７ｂは、時間変化する開回路電圧であるＯＣＶ波形Ｗ２を求める。ＯＣＶ波形Ｗ２は、図５（Ｂ）に示すように、時刻ｔｉと、その時刻ｔｉにおけるＤＵＴの開回路電圧ＯＣＶであるＯＣＶｉ（ｉ＝１〜Ｎ）からなる。

ＤＵＴの０〜１００％にわたる充電状態ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶを事前に求めておき、時刻ｔｉにおける充電状態ＳＯＣであるＳＯＣｉからＯＣＶ特性を参照して求める。ＳＯＣ波形Ｗ４は、図５（Ａ）に示すように、時刻ｔｉと、その時刻におけるＤＵＴの充電状態ＳＯＣであるＳＯＣｉ（ｉ＝１〜Ｎ）からなる。

ＳＯＣ波形Ｗ４は、次式に示すように、電流波形Ｗ１、仮最大容量Ｍ３、仮電気量Ｍ４を使い、電流値の積算により求めることができる。
ＳＯＣｉ＝（仮電気量Ｍ４＋Σ((Ｉｊ−１)×(ｔｊ−(ｔｊ−１1))))/仮最大容量Ｍ３

ＯＣＶ波形抽出部１７ｃは、電流波形Ｗ１に応じてＯＣＶ波形Ｗ２からＯＣＶデータを抽出し、ＯＣＶ由来カーブＣＶ１として誤差演算部１７ｅに出力する。

ＯＣＶ由来カーブＣＶ１は、値Ｙｋ（ｋ＝１〜Ｍ）の列からなる。本ブロックは、電圧Ｖｉの時間に対する勾配が、同時刻ｔｉの開回路電圧ＯＣＶの時間に対する勾配と一致すると判断されるとき、ＯＣＶｉを抽出し、ＯＣＶ由来カーブＣＶ１に加える。これらの判断は、電流波形Ｗ１に応じて行われる。

ｉ＝１〜Ｎの時間変化にしたがって、ＯＣＶ波形Ｗ２から時刻ｔｉとその時刻ｔｉにおけるＤＵＴの開回路電圧ＯＣＶであるＯＣＶiを抽出する。電流が一定以上変化したと判断されると、その後過渡応答時間の間だけ抽出をやめる。過渡応答時間は、変化した電流ΔIに比例して決定する。過渡応答時間は、電流が変化したと判断された回数だけ存在する。

また、開回路電圧ＯＣＶを連続して抽出する各区間において、その区間の先頭の開回路電圧ＯＣＶを区間全体の開回路電圧ＯＣＶから引いて相対電圧Ｙｋを決定する。
Ｙｋ＝ＯＣＶｉ−ＯＣＶ０ （※ｔｋ＝ｔｉのとき）
ＯＣＶ０：開回路電圧ＯＣＶを連続して抽出する各区間の先頭の開回路電圧ＯＣＶ

電圧波形抽出部１７ｄは、電流波形Ｗ１に応じて電圧波形Ｗ３から電圧データを抽出して、電圧由来カーブＣＶ２として誤差演算部１７ｅに出力する。

電圧由来カーブＣＶ２は、値Ｚｋ（ｋ＝１〜Ｍ）からなる。本ブロックは、電圧Ｖｉの時間に対する勾配が、同時刻ｔｉの開回路電圧ＯＣＶの時間に対する勾配と一致すると判断されるとき、電圧Ｖiを抽出し、電圧由来カーブに加える。これらの判断は、電流波形Ｗ１に応じて行われる。

ｉ＝１〜Ｎの時間変化にしたがって、電圧波形Ｗ３から時刻ｔｉとその時刻における電圧Ｖiを抽出する。電流が一定以上変化したと判断されると、その後過渡応答時間の間だけ抽出をやめる。過渡応答時間は変化した電流ΔＩに比例して決定する。過渡応答時間は電流が変化したと判断された回数だけ存在する。

また、電圧を連続して抽出する各区間において、その区間の先頭の電圧を区間全体の電圧から引いて相対電圧Ｚｋを決定する。
Ｚｋ＝Ｖｉ−Ｖ０ （※ｔｋ＝ｔｉのとき）
Ｖ０：電圧を連続して抽出する各区間の先頭の電圧

誤差演算部１７ｅは、ＯＣＶ由来カーブＣＶ１と電圧由来カーブＣＶ２の一致度を評価値Ｍ５として求める。評価値Ｍ５が小さいほどＯＣＶ由来カーブＣＶ１と電圧由来カーブＣＶ２が一致していることになる。このような評価値Ｍ５を求める単純な例は、相対電圧ＹｋとΔＺｋの差の二乗をｋ＝１〜Ｍにわたり求め、すべての和を取ることである。

８）最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａは、一連の測定処理が完了すると、測定終了信号Ｓ２をプロセッサ１１に出力する。

図６は、測定可否判定部１８の具体例を示すブロック図である。図６において、測定可否判定部１８は、ＳＯＣ波形演算部１８ａと、ＳＯＣ判定部１８ｂとで構成されている。

ＳＯＣ波形演算部１８ａは、プロセッサ１１から出力される判定開始指令信号Ｓ３にしたがって動作を開始する。最大容量も充電状態ＳＯＣも前回の測定からの変化は微小であるとする前提でｔｉ（ｉ＝１〜Ｎ）における充電状態ＳＯＣを予測し、ＳＯＣ予測値波形Ｗ５として出力する。

ＳＯＣ予測値波形Ｗ５は、時刻ｔｉとその時刻におけるＤＵＴの充電状態ＳＯＣの予測値ＳＯＣ'ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）からなる。ＳＯＣ波形演算部１８ａには、ＲＡＭ１３に記録格納されている最後に測定された最大容量が電池容量前回値Ｍ６として入力され、ＲＡＭ１３に記録格納されている最後に測定された充電状態ＳＯＣがＳＯＣ前回値Ｍ７として入力され、さらにＲＡＭ１３に記録格納されている電流波形Ｗ１も入力される。

予測値ＳＯＣ'ｉは、次式のように計算する。
ＳＯＣ'ｉ＝ＳＯＣ前回値Ｍ７
−（Σ((Ij-1)×(tj−(tj-1))) (j=1〜N))/電池容量前回値Ｍ６
＋（Σ((Ij-1)×(tj−(tj-1))) (j=1〜i))/電池容量前回値Ｍ６

ＳＯＣ判定部１８ｂは、ＳＯＣ予測値波形Ｗ５における充電状態ＳＯＣの分布と対ＳＯＣ-ＯＣＶ特性の特徴点の分布を比べ、最大容量測定の可否を反転する。たとえば、特徴点がＳＯＣ２０％から６０％の間に含まれているとき、予測値ＳＯＣ'ｉに２０〜６０％の値が含まれていなければ測定不可能であると判断する。

判定処理が終了したら、判定結果を判定可否信号Ｓ４としてプロセッサ１１に出力するとともに、さらに判定終了信号Ｓ５をプロセッサ１１に出力する。

図７は電流依存性処理部１７の他の具体例を示すブロック図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図７において、電流依存性処理部１７は、最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａと、ＯＣＶ波形演算部１７ｂと、ＯＣＶ勾配波形抽出部１７ｆと、電圧勾配波形抽出部１７ｇと、誤差演算部１７ｅとで構成されている。

ＯＣＶ勾配波形抽出部１７ｆは、電流波形Ｗ１に応じてＯＣＶ波形Ｗ２からＯＣＶデータを抽出し、ＯＣＶ由来カーブＣＶ１として出力する。ＯＣＶ由来カーブＣＶ１は、電圧値Ｙｋ（ｋ＝１〜Ｍ）の列からなる。本ブロックは、電圧Ｖｉの時間に対する勾配が同時刻ｔｉの開回路電圧ＯＣＶの時間に対する勾配と一致すると判断されるとき時刻ｔｉにおける開回路電圧ＯＣＶであるＯＣＶｉを抽出し、ＯＣＶ由来カーブＣＶ１に加える。

上記判断は、電流波形Ｗ１に応じて行われる。ｉ＝１〜Ｎの時間変化にしたがって、ＯＣＶ波形Ｗ２から時刻ｔｉと時刻ｔｉにおける開回路電圧ＯＣＶであるＯＣＶｉを抽出する。電流が一定以上変化したと判断されると、その後、過渡応答時間の間だけ抽出をやめる。

過渡応答時間は、変化した電流ΔＩに比例して決定する。過渡応答時間は電流が変化したと判断された回数だけ存在する。
ＯＣＶｉを時間で微分した値をＹｋとすると、Ｙｋは次式で表すことができる。このＹｋは、相対電圧に相当する。
Ｙｋ＝（OCVi−(OCVi−1))/(ti−(ti-1)) (※tk＝tiのとき)

電圧勾配波形抽出部１７ｇは、電流波形Ｗ１に応じて、電圧波形Ｗ３から電圧データを抽出し、電圧由来カーブＣＶ２として出力する。電圧由来カーブＣＶ２は、値Ｚｋ（ｋ＝１〜Ｍ）の列からなる。本ブロックは、電圧Ｖｉの時間に対する勾配が同時刻ｔｉの開回路電圧ＯＣＶの時間に対する勾配と一致すると判断されるとき、時刻ｔｉにおける電圧ＶであるＶｉを抽出し、電圧由来カーブＣＶ２に加える。

上記判断は、電流波形Ｗ１に応じて行われる。ｉ＝１〜Ｎの時間変化にしたがって、電圧波形Ｗ２から時刻ｔｉと時刻ｔｉにおける電圧Ｖｉを抽出する。電流が一定以上変化したと判断されると、その後、過渡応答時間の間だけ抽出をやめる。

過渡応答時間は、変化した電流ΔＩに比例して決定する。過渡応答時間は電流が変化したと判断された回数だけ存在する。
ここで、電圧Ｖiを時間で微分した値をＺｋとすると、Ｚｋは次式で表すことができる。このＺｋも相対電圧に相当する。
Ｚｋ＝(Vi−(Vi-1))/(ti−(ti−1)) (※tk＝tiのとき)

これらの構成により、以下のような効果が得られる。
＜Ａ．内部抵抗の負荷依存性＞
一般に、二次電池に時間変化しない一定の電流Ｉを流した場合の端子間電圧Ｖは、時間経過に伴う過渡現象を経たあと、Ｖ＝ＯＣＶ−Ｉ×Ｒに近づく。ここでＯＣＶは開回路電圧であり、Ｒは二次電池の内部抵抗を表す。

内部抵抗Ｒが電流によらず一定の時、電流Ｉと端子間電圧Ｖの関係から内部抵抗Ｒを求め、端子間電圧ＶにＩ×Ｒを足すことで開回路電圧ＯＣＶを求めることができる。

さらに、電池の充電状態ＳＯＣと開回路電圧ＯＣＶの関係が既知であれば、開回路電圧ＯＣＶから充電状態ＳＯＣを求めることができる。充電状態ＳＯＣを求めることで、最大容量の測定が可能であることは、前述のとおりである。

しかし、実際には、内部抵抗Ｒは一定ではなく電流Ｉに依存することが知られている。つまり、端子間電圧Ｖは、Ｖ＝ＯＣＶ−Ｉ×Ｒ（Ｉ）と置き換えられるべきである。すると、上記の本発明に基づく手段は使えなくなる。内部抵抗Ｒの電流依存性により、端子間電圧Ｖから開回路電圧ＯＣＶを求めることができなくなるからである。

上記の本発明に基づく手段は、充電状態ＳＯＣによって変化する開回路電圧ＯＣＶの特性を利用して、内部抵抗Ｒの負荷依存性の影響を全く受けることなく、開回路電圧ＯＣＶや最大容量の値を特定できるものである。

なお、充電状態ＳＯＣによって変化するのは必ずしも開回路電圧ＯＣＶの絶対値だけではない。ある充電状態ＳＯＣから別の充電状態ＳＯＣに至るまでに変化する開回路電圧ＯＣＶの変化量や、充電状態ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶの勾配もまた充電状態ＳＯＣによって変化する開回路電圧ＯＣＶの特性である。さらに、充電状態ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶの勾配も、一般的に充電状態ＳＯＣとともに変化する。

本発明は、二次電池のこのような特性を利用したものである。開回路電圧ＯＣＶの絶対値ではなく、ある充電状態ＳＯＣから別の充電状態ＳＯＣに至るまでに変化する開回路電圧ＯＣＶの変化量や、充電状態ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶの勾配を利用することで、内部抵抗Ｒの電流依存性の影響を受けることなく、的確に特定できる。

図８は、市販されているある二次電池の開回路電圧ＯＣＶと充電状態ＳＯＣに対する開回路電圧ＯＣＶの勾配を、充電状態ＳＯＣ０％〜１００％にわたって測定した結果の一例を示している。このＤＵＴの場合、開回路電圧ＯＣＶの勾配は全充電状態ＳＯＣにわたって変化しており、特に充電状態ＳＯＣ１０％〜２０％付近、充電状態ＳＯＣ５０％〜６０％付近において、勾配の変化に特徴がみられる。

＜Ｂ．内部抵抗の電流負荷依存性のキャンセル＞
図９は、二次電池における端子間電圧Ｖと開回路電圧ＯＣＶの関係の一例を示す特性図である。二次電池から時間変化しない一定の電流Ｉを流す時間が十分に長いと、電池の充電状態ＳＯＣ（ｔ）は変化し、この充電状態ＳＯＣ（ｔ）の変化に伴って開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）も変化する。
このとき、端子間電圧Ｖが近づいていく電圧Ｖ（ｔ）は、次式で表すことができる。
Ｖ（ｔ）＝ＯＣＶ（ｔ）−Ｉ×Ｒ（Ｉ）

ここで、右辺の電流Ｉも内部抵抗Ｒ（Ｉ）もＩ×Ｒ（Ｉ）も一定であり、定数とみなすことができるので、電圧Ｖ（ｔ）は開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）をＩ×Ｒ（Ｉ）だけオフセットした値であるといえる。

それは電圧Ｖ（ｔ）を微分した次式の結果からもうかがえる。
dV(t)/dt＝dOCV'(t)/dt−d(I×R(I))/dt＝dOCV'(t)/dt

つまり電圧Ｖ（ｔ）から開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）の絶対値を求めることはできないが、開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）をオフセットした値や、開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）を時間で微分した値は求めることができる。

そしてそれらの値は、充電状態ＳＯＣによって変化する開回路電圧ＯＣＶの特性を含んでいる。なぜなら充電状態ＳＯＣ（ｔ）もまた時間によって変化しているからである。
もしここで、電流Ｉが一定ではなく微小な時間変化を伴っていたり、または内部抵抗Ｒが時間依存性を持っていたとしても、次式が成り立つ程度であれば、許容できる。
dOCV(t)/dt≪d(I×R(I))/dt

すなわち、本発明によれば、電圧Ｖ（ｔ）から、開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）をオフセットした値や、開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）を時間で微分した値を求めることで、負荷に依存することなく開回路電圧ＯＣＶの特性を求めることができる。

＜Ｃ．実運用波形＞
図１０は、二次電池使用中における電圧変化特性例図である。二次電池の使用にあたっては、二次電池に流れる電流が一定の期間が繰り返して発生したり、もしくは時間変化せず一定とみなせるほどに電流変化の少ない期間が発生する。これら電流一定の区間それぞれにおいて、上記の電圧Ｖ（ｔ）と開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）の関係が成り立っている。

そこで、上記で説明したように、本発明に基づき運用中の電池の端子間電圧Ｖ（ｔ）を監視しながら時間変化する波形として逐次記録格納することで、充電状態ＳＯＣ（ｔ）の測定に使うことができる。

＜Ｄ．カーブフィッティング＞
図１１は二次電池のパラメータと充電状態ＳＯＣの関係を示す特性例図であり、図１２は二次電池のパラメータと開回路電圧ＯＣＶの関係を示す特性例図である。二次電池における電圧Ｖ（ｔ）も開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）もベクトルであり、充電状態ＳＯＣを直接求めることは困難である。

そこで、カーブフィッティングの手法を使い、充電状態ＳＯＣを探索する手法を取る。
充電状態ＳＯＣ（ｔ）を決定づけるのは、次の２つのパラメータである。
ａ）最大容量
ｂ）ｔ＝０の電気量（放電可能な最大の電気量）
本発明では、上記のようにこれら２つのパラメータを仮に決めることで、充電状態ＳＯＣ（ｔ）を計算できる。そしてパラメータの真値からのずれは充電状態ＳＯＣ（ｔ）のずれとして反映され、さらに充電状態ＳＯＣ（ｔ）のずれは開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）のずれとして反映される。

このとき、電圧Ｖ（ｔ）と開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）について、抵抗の負荷依存性を取り除いたうえで誤差の二乗和を取ることにより、開回路電圧ＯＣＶ（ｔ）の真値と計算値のずれをスカラ値にすることができる。これは、前記パラメータが真値に近いほど小さくなるフィードバックであって、カーブフィッティングのアルゴリズムを駆動する評価値である。

一般に、二次電池の内部抵抗Ｒは電流だけではなく、電池の温度にも依存する。たとえ電流が時間変化せず一定であっても、温度が変化してしまうと内部抵抗Ｒが変化し、
dV(t)/dt＝dOCV(t)/dt
の関係が成り立たなくなってしまう。

この場合、図１の最大容量測定装置１０を、電流が一定の時間内だけで電圧の相対値Zkを求めるのではなく、電流も温度も同時に一定の時間内だけでZkを求めるように改良することで問題を解決できる。

ここで、この手法は温度以外の環境要素についても同様に適用できる。二次電池の内部抵抗Ｒが温度以外の環境要素に影響を受けるのであれば、温度センサをその環境要素を測定するセンサに置き換えればよい。

図１３は本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図１３の違いは、温度センサ１９と、電流依存性処理部１７に代えて電流温度依存性処理部２０が設けられていることである。図１３において、温度センサ１９はＤＵＴの温度を検出してデジタルデータ化するものであり、温度センサ１９が測定した温度データはプロセッサ１１から読み取ることができる。

図１４は、図１３の動作の流れを説明するフローチャートである。図１４において、はじめにプロセッサ１１は電流値と電圧値を取得する（ステップＳ１）。すなわち、プロセッサ１１は、電流センサ１５を介して電流値Ｉｍｏｎを取得するとともに電圧センサ１６を介して電圧値Ｖｍｏｎを取得し、それらの測定値と同時にプロセッサ１１の内部または外部に設けられている時計機能部を介して時刻データｔｍｏｎも取得する。

プロセッサ１１は、取得した電流値Ｉｍｏｎと電圧値Ｖｍｏｎを、時刻データｔｍｏｎの履歴順序に従って、ＲＡＭ１３に逐次記憶格納する（ステップＳ３）。

プロセッサ１１は、さらに温度センサ１９を介して温度値Ｔｍｏｎも取得し（ステップＳ４）、取得した温度値Ｔｍｏｎを、時刻データｔｍｏｎの履歴順序に従って、ＲＡＭ１３に逐次記憶格納する（ステップＳ４）。ＲＡＭ１３に逐次記憶格納される温度の記録データは測定時刻データtiと温度値Ｔｉからなるデータ列（ｉ＝１〜Ｎ）であり、温度値Ｔｉの履歴もリングバッファとして記録されていて、データ長がバッファの長さを超えるときにはもっとも古いデータが削除される。

プロセッサ１１は、ＲＡＭ１３に逐次記憶格納される電流値Ｉｉと電圧値Ｖｉと温度値Ｔｉの履歴データ、最後に測定された最大容量や充電状態を表すＳＯＣ測定値などの各種データに基づき、測定可否判定部１８を介してＤＵＴの最大容量が測定可能かどうかを判定し（ステップＳ５）、この測定可否判定もＲＡＭ１３に逐次記憶格納する。

最大容量測定可能と判断した場合、プロセッサ１１は電流依存性処理部１７を介してＤＵＴの最大容量とＳＯＣを測定する（ステップＳ６）。プロセッサ１１はＲＡＭ１３に格納記憶されている電流値と電圧値と温度値の履歴データを電流温度依存性処理部２０に転送し、電流温度依存性処理部２０に測定開始指令を出力する。電流温度依存性処理部２０は測定開始指令に基づくＤＵＴの最大容量とＳＯＣの測定処理が終了すると、プロセッサ１１に対して測定終了信号を出力する。プロセッサ１１は測定終了信号を確認すると電流温度依存性処理部２０から最大容量測定値とＳＯＣ測定値を取得してＲＡＭ１３に逐次記憶格納する。

測定可否判定部１８が最大容量測定不可能と判断した場合には、ステップＳ１に戻って電流値と電圧値の取得を継続する。

プロセッサ１１は表示部１４を制御し、ＲＡＭ１３に記憶格納されているＤＵＴの最大容量値とＳＯＣ値および測定の可否判定結果を表示する（ステップＳ７）。

これら一連の動作を、処理終了と判断するまで繰り返し実行する（ステップＳ８）。

図１５は、電流温度依存性処理部２０の具体例を示すブロック図である。図１５において、電流温度依存性処理部２０は、最大容量・ＳＯＣ最適値演算部２０ａと、ＯＣＶ波形演算部２０ｂと、ＯＣＶ波形抽出部２０ｃと、電圧波形抽出部２０ｄと、誤差演算部２０ｅとで構成されている。

最大容量・ＳＯＣ最適値演算部２０ａは、プロセッサ１１から出力される測定開始指令信号Ｓ１に基づき測定動作を開始し、装置に接続されたＤＵＴの現在の最大容量の測定値を表す最大容量測定値Ｍ１と、現在記憶されている電流値と電圧値の履歴Ｘの最新時刻tNにおけるＳＯＣの測定値を表すＳＯＣ測定値Ｍ２を決定する。

最大容量測定値Ｍ１とＳＯＣ測定値Ｍ２の決定にあたっては、誤差演算部２０ｄから出力される評価値が最小になる仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせが求められるまで、以下の手順を繰り返す。

１）仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４を決定する。
２）仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせをＯＣＶ波形演算部２０ｂに出力する。
３）ＯＣＶ波形演算部２０ｂはこれら仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせとプロセッサ１１から入力される電流波形Ｗ１に基づいてＯＣＶ波形Ｗ２を演算し、ＯＣＶ波形抽出部２０ｃに出力する。

ＯＣＶ波形演算部２０ｂは、時間変化する開回路電圧であるＯＣＶ波形Ｗ２を求める。ＯＣＶ波形Ｗ２は、前記図５（Ｂ）に示すように、時刻ｔｉと、その時刻ｔｉにおけるＤＵＴの開回路電圧ＯＣＶであるＯＣＶｉ（ｉ＝１〜Ｎ）からなる。

４）ＯＣＶ波形抽出部２０ｃはＯＣＶ波形演算部２０ｂから入力されるＯＣＶ波形Ｗ２とプロセッサ１１から入力される電流波形Ｗ１および温度波形Ｗ６に基づいてＯＣＶ由来カーブＣＶ１を抽出し、誤差演算部２０ｅに出力する。

ＯＣＶ由来カーブＣＶ１は、値Ｙｋ（ｋ＝１〜Ｍ）の列からなる。本ブロックは、電圧Ｖｉの時間に対する勾配が、同時刻ｔｉの開回路電圧ＯＣＶの時間に対する勾配と一致すると判断されるとき、ＯＣＶｉを抽出し、ＯＣＶ由来カーブＣＶ１に加える。

上記判断は、電流波形Ｗ１と温度波形Ｗ６に応じて行われる。ｉ=１〜Ｎの時間変化にしたがって、ＯＣＶ波形Ｗ２から温度ｔｉと開回路電圧ＯＣＶｉを抽出する。電流が一定以上変化したり、または温度が一定以上変化したと判断されると、その後過渡応答時間の間だけ抽出をやめる。

過渡応答時間は、変化した電流ΔＩまたは温度ΔＴに比例して決定する。過渡応答時間は、電流や温度が変化したと判断された回数だけ存在する。また、開回路電圧ＯＣＶを連続して抽出する各区間において、その区間の先頭の開回路電圧ＯＣＶを区間全体の開回路電圧ＯＣＶから引いてYkを決定する。
Ｙｋ＝ＯＣＶｉ−ＯＣＶ０ (※tk＝tiのとき)
ＯＣＶ０：開回路電圧ＯＣＶを連続して抽出する各区間の先頭の開回路電圧ＯＣＶ

５）電圧波形抽出部２０ｄはプロセッサ１１から入力される電流波形Ｗ１と電圧波形Ｗ３と温度波形Ｗ６に基づいて電圧波形Ｗ３から電圧由来カーブＣＶ２を抽出し、誤差演算部２０ｅに出力する。電圧由来カーブＣＶ２は、値Zk(k = 1〜M)からなる。

本ブロックは、電圧Ｖｉの時間に対する勾配が同時刻tiの開回路電圧ＯＣＶの時間に対する勾配と一致すると判断されるときに電圧Ｖｉを抽出し、電圧由来カーブＣＶ２に加える。

上記判断は、電圧波形Ｗ３と温度波形Ｗ６に応じて行われる。ｉ=１〜Ｎの時間変化にしたがって電圧波形Ｗ３から温度ｔｉと電圧Ｖｉを抽出する。電流が一定以上変化したまたは温度が一定以上変化したと判断されると、その後過渡応答時間の間だけ抽出をやめる。

過渡応答時間は、変化した電流ΔＩまたは温度ΔＴに比例して決定する。過渡応答時間は電流が変化したと判断された回数だけ存在する。また、電圧を連続して抽出する各区間において、その区間の先頭の電圧を区間全体の電圧から引いてZkを決定する。
Ｚｋ＝Ｖｉ−Ｖ０ (※tk＝tiのとき)
V0 : 電圧を連続して抽出する各区間の先頭の電圧
６）誤差演算部２０ｅはＯＣＶ波形抽出部２０ｃから入力されるＯＣＶ由来カーブＣＶ１と電圧波形抽出部２０ｄから入力される電圧由来カーブＣＶ２に基づき誤差の評価値Ｍ５を演算し、その演算結果を最大容量・ＳＯＣ最適値演算部２０ａに入力する。

７）最大容量・ＳＯＣ最適値演算部２０ａは評価値Ｍ５が最小になる仮最大容量Ｍ３と仮電気量Ｍ４のペアの組み合わせを最大容量測定値Ｍ１とＳＯＣ測定値Ｍ２としてプロセッサ１１に出力する。ここで、ＳＯＣ測定値Ｍ２は、仮電気量Ｍ４を仮最大容量Ｍ３で除算した値である。この機能は最大容量と電気量を係数とした典型的なカーブフィッティングであり、さまざまなアルゴリズムが適用できる。

８）最大容量・ＳＯＣ最適値演算部１７ａは、一連の測定処理が完了すると、測定終了信号Ｓ２をプロセッサ１１に出力する。

以上説明したように、本発明によれば、出力電流が０Ａにならないような二次電池の使用環境においても、その二次電池の最大容量を測定できる二次電池最大容量測定装置を実現することができる。

１０ 電池最大容量測定装置
１１ プロセッサ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 表示部
１５ 電流センサ
１６ 電圧センサ
１７ 電流依存性処理部
１７ａ 最大容量・ＳＯＣ最適値演算部
１７ｂ ＯＣＶ波形演算部
１７ｃ ＯＣＶ波形抽出部
１７ｄ 電圧波形抽出部
１７ｅ 誤差演算部
１７ｆ ＯＣＶ勾配波形抽出部
１７ｇ 電圧勾配波形抽出部
１８ 測定可否判定部
１８ａ ＳＯＣ波形演算部
１８ｂ ＳＯＣ判定部
１９ 温度センサ
２０ 電流温度依存性処理部
２０ａ 最大容量・ＳＯＣ最適値演算部
２０ｂ ＯＣＶ波形演算部
２０ｃ ＯＣＶ波形抽出部
２０ｄ 電圧波形抽出部
２０ｅ 誤差演算部

Claims (5)

1. 使用中の二次電池の最大容量を測定する二次電池最大容量測定装置であって、
   前記二次電池から時間変化しない一定の電流を取り出している期間内における電圧変化量に基づき前記二次電池の端子間電圧を負荷電流に依存しない値に変換し、負荷電流から演算された充電状態に基づく前記二次電池の開回路電圧を同一の手段を用いて変換された端子間電圧と比較できる値に変換する電流依存性処理手段と、
   この電流依存性処理手段で変換された前記二次電池の端子間電圧と開回路電圧の誤差を演算する誤差演算手段、
   を設けたことを特徴とする二次電池最大容量測定装置。
2. 前記電圧変化量として、前記二次電池から時間変化しない一定の電流を取り出している期間内における始点の電圧と終点の電圧の差分を測定することを特徴とする請求項１記載の二次電池最大容量測定装置。
3. 前記電圧変化量として、前記二次電池から時間変化しない一定の電流を取り出している期間内における電圧を微分することを特徴とする請求項１記載の二次電池最大容量測定装置。
4. 前記電流依存性処理手段は、温度を含む環境要素の測定データを取り込んで処理することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の二次電池最大容量測定装置。
5. 充電状態の予測値波形における充電状態の分布と対充電状態−開回路電圧特性の特徴点の分布に基づき前記二次電池の最大容量測定の可否を判断する測定可否判定手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の二次電池最大容量測定装置。