WO2018181129A1 - 蓄電素子管理装置及び蓄電素子管理方法 - Google Patents

蓄電素子管理装置及び蓄電素子管理方法 Download PDF

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有希子 藤野
雄太 柏
侑輝 杉山
貴葉 荒木
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株式会社Ｇｓユアサ
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the technology disclosed in the present specification obtains the state of charge (SOC: State Of Charge) of a power storage element such as a lithium ion battery, and predicts the deterioration characteristics of the power storage element by predicting its time-varying characteristics. Or it is related with the technique notified to a user based on deterioration prediction information.
  • SOC State Of Charge
  • Storage devices such as secondary batteries are also widely used as stationary storage devices for vehicles such as electric vehicles, and for homes and power leveling. It is highly necessary to always know exactly what ratio is.
  • One example of a method for obtaining the SOC is the OCV method. This is because, for example, there is a relatively accurate correlation between the open circuit voltage (OCV) and the remaining capacity of the battery, as in the technique described in JP 2009-104983 A, for example. Is used to determine the SOC. Specifically, the battery voltage when no current is flowing through the battery, that is, the open circuit voltage is measured, and the correlation between the OCV that has been measured and stored in advance and the remaining capacity is referred to. Find the corresponding remaining capacity. Then, the SOC (%) is obtained by dividing the remaining capacity by the capacity at full charge.
  • the initial battery is as shown by the solid line in FIG. 2, and for example, the battery after the 2250 hour cycle test is as shown by the broken line.
  • the SOC error increases particularly in the high capacity region due to the deterioration of the battery.
  • the reason is considered to be that, for example, in a lithium ion battery using an iron phosphate-based positive electrode active material, since the positive electrode potential does not change depending on the discharge capacity, the deterioration of the negative electrode directly leads to a decrease in capacity.
  • an application in which a technology capable of acquiring an accurate SOC even when a power storage element is degraded is disclosed, a degradation prediction based on accurate SOC estimation is performed, and a user is notified.
  • a power storage element management device disclosed in the present specification includes a voltage sensor that detects a voltage of a power storage element, a memory that stores information about a correlation between the voltage of the power storage element and a remaining capacity, an information processing unit, The information processing unit obtains the remaining capacity from the correlation between the voltage of the power storage element stored in the memory and the remaining capacity based on the voltage of the power storage element detected by the voltage sensor. Determining the state of charge based on a ratio between the remaining capacity and a reference capacity set to a predetermined amount smaller than the remaining capacity at the time of full charge. Based on the comparison with the obtained state of charge, the state of the power storage element is determined.
  • SOC which is a ratio of the remaining capacity to the reference capacity
  • the voltage of the power storage element may be stored. If it carries out like this, SOC can be acquired directly based on the voltage of an electrical storage element.
  • a power storage element management device disclosed in the present specification includes a voltage sensor that detects a voltage of a power storage element, a memory that stores information about a correlation between the voltage of the power storage element and a remaining capacity, an information processing unit, The information processing unit obtains the remaining capacity from the correlation between the voltage of the power storage element stored in the memory and the remaining capacity based on the voltage of the power storage element detected by the voltage sensor. And determining the state of charge based on a ratio (ratio) between the remaining capacity and a reference capacity set to a predetermined amount smaller than the remaining capacity at the time of full charge. The state of the power storage element is determined based on the comparison with the state of charge obtained by the method.
  • the memory may store information on the correlation between the SOC, which is the ratio of the remaining capacity to the reference capacity, and the voltage of the power storage element. Then, the SOC can be acquired directly based on the voltage of the storage element.
  • the power storage element may be a lithium ion secondary battery using lithium iron phosphate as a positive electrode active material, and the negative electrode active material may be amorphous carbon. This is because in the lithium ion secondary battery using these active materials, the change in OCV-residual capacity characteristics due to deterioration is large.
  • the reference capacity is appropriately set in this way, the change in the OCV-remaining capacity characteristic is small even when the storage element is deteriorated, and as a result, the SOC can be accurately determined.
  • the battery module of this embodiment includes a plurality of secondary batteries 30 connected in series, a battery manager (hereinafter referred to as BM) 50 that manages these secondary batteries 30, and a secondary battery.
  • BM battery manager
  • a current sensor 40 that detects a current flowing through the current sensor 30;
  • the BM 50 is an example of a “storage element management device”.
  • the secondary battery 30 is an example of a “storage element”, is charged by a charger (not shown), and supplies DC power to an inverter (illustrated as a load 10) that drives a motor for driving a vehicle.
  • This secondary battery 30 is a lithium ion battery using LiFePO 4 as a positive electrode active material and amorphous carbon as a negative electrode active material.
  • OCV-SOC correlation a correlation between the open circuit voltage (OCV) and the state of charge (SOC) defined as described later. And the information in which the relationship is tabulated is stored in the memory 63.
  • the BM 50 includes a control unit 60, a voltage measurement unit 70 that measures the voltage across each cell of the secondary battery 30, and a current measurement unit 80 that measures the current flowing through the secondary battery 30 based on a signal from the current sensor 40.
  • the control unit 60 includes a central processing unit (hereinafter referred to as CPU) 61 as an information processing unit and a memory 63.
  • the memory 63 stores various programs for controlling the operation of the BM 50 in addition to the above OCV-SOC correlation, and the CPU 61 determines the SOC according to the program read from the memory 63.
  • the SOC of the secondary battery is generally defined as a ratio (%) of the remaining capacity of the secondary battery to the full charge capacity at a certain point in time, but in the technology disclosed herein, the SOC is not the full charge capacity. It is defined as the ratio (%) of the remaining capacity of the secondary battery 30 at a certain point in time to a smaller “reference capacity”.
  • the SOC based on this definition will be referred to as “converted SOC”.
  • the OCV at the full charge capacity is V1
  • the OCV corresponding to the reference capacity is V2.
  • the OCV-converted SOC correlation of the secondary battery 30 is measured in advance as follows.
  • Full charge is V1 constant voltage charge 3 hours after 1C charge. Charging to the reference capacity performs constant voltage charging of V2 after 3 hours of 1C charging.
  • (1) 1/10 capacity of each rechargeable battery 30 with full charge capacity and reference capacity is charged at 25 ° C. and 10 A, and (2) left for 4 hours and averaged for the last 30 minutes as OCV. To do. By repeating (1) and (2) 10 times, the OCV-SOC correlation of the secondary battery 30 can be measured.
  • the 10th charge is V1 or V2 constant current and constant voltage charge.
  • the full charge capacity of the secondary battery 30 decreases.
  • the SOC is conventionally obtained by dividing the current charge capacity of the secondary battery by the full charge capacity, if the OCV of the secondary battery is the same, the SOC of the secondary battery whose battery performance is reduced is the secondary battery. Compared with the SOC in the initial state of the battery, it is estimated to be large. For example, when the measured cell voltage of the secondary battery 30 is V3 lower than V2, the SOC is estimated to be about 40% in the initial state of the secondary battery 30 as apparent from FIG. In the secondary battery 30 whose battery performance has deteriorated, the SOC is estimated to be about 50%.
  • the partial charge capacity (reference capacity) until the voltage of the secondary battery 30 reaches V2 is charged / discharged for the initial state of the secondary battery 30 and for the time shown in the figure. Even if the comparison is repeated, the error in the change in the charge capacity due to the deterioration of the secondary battery 6 is below the reference value. That is, paying attention to the OCV-converted SOC characteristics of the secondary battery 30, there is almost no difference between the initial state of the secondary battery 6 and the one after repeated charge and discharge.
  • OCV V2
  • the OCV-converted SOC correlation of the present embodiment is as shown in FIG. A solid line indicates the initial product of the secondary battery 30, and a broken line indicates, for example, that of the secondary battery 30 after a cycle test of 2250 hours.
  • the SOC can be accurately determined from the OCV regardless of whether or not the secondary battery 30 is deteriorated. Thereby, there exist the following effects. -When the BM50 is applied to an in-vehicle battery module, the calculation accuracy of the EV travelable distance is improved. -The secondary battery 30 can be prevented from running out of battery. -When the usable capacity of the secondary battery 30 is small, it is not necessary to have an extra reserve for suppressing the reduction of the battery life, and the use area of the secondary battery 30 can be set.
  • test batteries A and B were prototyped, and the OCV-charge capacity (Ah) characteristics were measured in the same manner as described above. This is to confirm the influence on the SOC error due to the variation in the coating amount of the active material.
  • Test battery A The coating amount of the positive electrode active material was + several% relative to the design value, and the coating amount of the negative electrode active material was ⁇ several% relative to the design value.
  • Test battery B The coating amount of the positive electrode active material was set to ⁇ several percent with respect to the design value, and the coating amount of the negative electrode active material was set to + several percent with respect to the design value.
  • the OCV-charge capacity characteristics of both batteries A and B were as shown in FIG.
  • the battery B is large and the battery A is small.
  • the “reference capacity” of the present embodiment is a value smaller than the full charge capacity, but the present technology is provided for a lithium ion battery using LiFePO 4 as a positive electrode active material and amorphous carbon as a negative electrode active material.
  • the maximum charge capacity at which the cell voltage of the secondary battery 30 is V2 is defined as the “reference capacity”.
  • the specific numerical values may vary depending on the type of active material. A change in capacity due to a cycle test may be measured and determined as the maximum charge capacity in a region where capacity deterioration is unlikely to occur as shown in FIG. As shown in FIG. 3, in the iron phosphate-based positive electrode active material, the flat region is wide in the correlation between the battery voltage and the -capacity. For this reason, in view of the progress of deterioration due to the negative electrode balance deviation in the region, the maximum capacity corresponding to the OCV (V2 in the present embodiment) of the flat region can be set.
  • the “reference capacity” is set to a value smaller than the full charge capacity according to the type of active material, the SOC error can be reduced.
  • the value is not limited to a constant value, and gradually increases as the battery deteriorates. It may be changed to a small value.
  • the present invention is not limited to this, and may be a battery using another positive electrode active material or a negative electrode active material, or an electrochemical reaction. It can also be applied to a capacitor with
  • a combination in which the negative electrode has a graph shape including a change region (in other words, a tilted region) (a combination in which the graph shape changes in the SOC-OCV curve on the high SOC side as compared with other SOC regions in the high SOC side) is considered. It is done.
  • the active material examples include a phosphate-based positive electrode active material (iron part is Mn, Co, Ni) as a positive electrode active material, and SiO4, PO4, P2O7, etc. in addition to phosphate.
  • the negative electrode active material examples include non-graphitizable carbon and graphitizable carbon.
  • the positive electrode is a graph shape including a change region (in other words, a tilted region), and the negative electrode is a graph shape including a flat region (or a region close to flat).
  • the active material include a layered oxide-based positive electrode as the positive electrode active material.
  • the negative electrode active material include Gr, Si, and SiO.
  • the tabulated information on the correlation (OCV-converted SOC characteristics) between the cell voltage and the SOC (the ratio of the remaining capacity to the reference capacity) is stored in the memory 63 of the BM 50 and is referred to.
  • the converted SOC is immediately determined from the OCV.
  • the present invention is not limited to this, information on the correlation between the cell voltage and the remaining capacity is stored in the memory, the remaining capacity is determined from the OCV with reference to the information, and the remaining capacity is divided by the reference capacity.
  • the converted SOC may be determined.
  • the information stored in the memory is not limited to information in which the correlation is tabulated, but is converted by storing the converted SOC and a mathematical expression representing the remaining capacity as a function of the cell voltage, and inputting the cell voltage to the function.
  • An SOC or the like may be calculated.
  • the remaining capacity is obtained from the correlation between the voltage of the power storage element and the remaining capacity, and the reference capacity of the remaining capacity (set to a predetermined amount smaller than the remaining capacity at the time of full charge).
  • the ratio By calculating the ratio to, a converted SOC with a small error can be calculated.
  • a method for estimating deterioration (prediction), deterioration diagnosis (determination), and notification to a user or the like of a power storage device using the converted SOC will be described.
  • the voltage value of the storage element and the converted SOC have a substantially one-to-one relationship regardless of the number of charge / discharge cycles of the storage element (and hence the deterioration of the storage element).
  • each voltage of the power storage element is measured at two time points t1 and t2 to obtain two converted SOC values, and a difference ⁇ SOC is calculated (this is calculated as ⁇ SOC (v )).
  • the current change into and out of the electric storage element between times t1 and t2 is measured and integrated by a current sensor to calculate the SOC change between both times t1 and t2 (this is ⁇ SOC (i)).
  • This method is well known as a method for calculating the SOC change by the current integration method.
  • two SOC changes ⁇ SOC (v), ⁇ SOC (i)
  • the probe of the sensor or the like the sensor is abnormal, the capacitor is deteriorated, or the like
  • the processing unit is abnormal.
  • the relationship between the voltage and capacity of the storage element is the number of charge / discharge cycles (ie It can be seen that it varies depending on the deterioration of the storage element. That is, as shown in FIG. 1, there is a phenomenon in which the capacity at which the voltage on the vertical axis suddenly changes (rapidly increases) decreases depending on the number of cycles of the storage element (deterioration of the storage element).
  • the state of the power storage element for example, abnormality of the power storage element, estimation of deterioration of the power storage element (prediction),
  • the lifetime (replacement time) of the storage element can be determined. Specifically, by comparing the voltage change value ( ⁇ V / ⁇ Ah) per change in capacity with a predetermined threshold value, it is possible to numerically determine the degree to which the storage element is completely deteriorated or approached complete deterioration. Using this determination as a trigger, the state of the storage element (for example, abnormality of the storage element, estimation (prediction) of deterioration of the storage element, life of the storage element (replacement time), etc.) is determined. Can be notified. Appropriate judgment can be made for the notification.
  • notification may be performed using a certain threshold as a judgment material, or notification may be performed in stages by providing a plurality of thresholds. For example, if the determination is made with the voltage value, the determination may be made with a plurality of voltage values. In the change amount of the voltage value of the power storage element with respect to the change amount of the charging state, a plurality of change amounts may be provided as threshold values. In this way, an appropriate decision may be made step by step upon receiving the stepwise notification.
  • Step-by-step notification to the user for example, the storage element is approaching the end of its life, the replacement period of the storage element is near, the storage element is at the end of its life, replace the storage element, dealer (dealer)
  • dealer By contacting the customer, stopping the use, etc., it is possible to take appropriate measures such as replacing the storage element without panicking the user.
  • the notification may be sent not only to the user but also to the dealer (manufacturer) using communication.
  • the state of the storage element is set to the state detection mode (when the user designates or the detection mode is activated every predetermined period), the voltage value is increased to a value that can be taken when the converted SOC is 100% or more, and the change of the voltage value The state may be judged. Specifically, the voltage change value during a certain predetermined period may be acquired, and the state of the storage element may be determined from the magnitude. For example, the power storage element is operated in the state detection mode. Under the condition where the voltage value is increased to the voltage V2 or higher in FIG. 1, a voltage change value in a predetermined period is acquired, and the state of the storage element is determined based on the voltage change value.
  • a reference voltage change value for example, a voltage change value of a storage element that is not substantially deteriorated
  • the threshold may be provided and compared).
  • the predetermined threshold may be the previous voltage change value.
  • some categories may be classified, and stepwise notification (detection) may be received to make appropriate decisions step by step. For example, the storage element is approaching the end of its life, the replacement period of the storage element is near, the storage element is at the end of its life, replace the storage element, contact the dealer (dealer), stop using Please do something like that.
  • the dealer (manufacturer) side knows the state of the electricity storage element in advance or notifies the user, so that not only can a sudden failure / failure be avoided, but the dealer (maker) side can also prepare for maintenance in advance. The user can also do it. It is possible to check stock of spare parts, obtain and prepare for transportation, secure maintenance personnel in advance, and provide smooth service to the user on the dealer (manufacturer) side. Alternatively, the dealer (manufacturer) can obtain a large amount of information on the deterioration characteristics of the power storage elements and the characteristics information of the power storage elements at the time of replacement of the power storage elements. Thereby, for example, a new service can be provided by estimating the state of the storage element using big data.
  • This technology is not limited to cars and motorcycles.
  • the present invention can be applied in a wide range of fields using storage batteries, such as railway vehicles, port transportation vehicles (systems), industrial batteries, power supply devices, and household power storage systems. This technology is also applicable to fault diagnosis devices and chargers.
  • (Configuration Example 1) A voltage sensor that detects a voltage of a power storage element, a memory that stores information about a correlation between the voltage of the power storage element and a remaining capacity, and an information processing unit, The information processing unit acquires the remaining capacity from the correlation between the voltage of the power storage element stored in the memory and the remaining capacity based on the voltage of the power storage element detected by the voltage sensor, and the remaining capacity
  • a storage element management device that calculates a ratio of the reference capacity to a reference capacity, and that the reference capacity is set to a predetermined amount smaller than the remaining capacity at the time of full charge.
  • (Configuration Example 2) A voltage sensor that detects a voltage of a storage element, a memory that stores information on a correlation between a charge state that is a ratio of a remaining capacity to a reference capacity and a voltage of the storage element, and an information processing unit And The information processing unit acquires the state of charge from the correlation between the voltage of the power storage element stored in the memory and the remaining capacity based on the voltage of the power storage element detected by the voltage sensor, and the reference A storage element management device whose capacity is set to a predetermined amount smaller than the remaining capacity when fully charged.
  • the said electrical storage element is an electrical storage element management apparatus which is a lithium ion secondary battery which uses lithium iron phosphate as a positive electrode active material.
  • the said electrical storage element is an electrical storage element management apparatus which is a lithium ion secondary battery which uses soft carbon as a negative electrode active material.
  • Configuration example 5 A power storage element; A power storage module including the power storage element management device according to any one of the above configuration examples. According to such configuration examples 1 to 5, an accurate SOC can be obtained even if the performance of the power storage element is degraded.
  • Structure Example 6 A storage element management method including determining a state of a storage element because a voltage value of the storage element at a predetermined value of the reference capacity is a predetermined value or a predetermined value or more.
  • a storage element management method further comprising: (Structure Example 8) Power storage further comprising: determining a state of the power storage element from a voltage value of the power storage element at a predetermined capacity larger than the reference capacity and smaller than the remaining capacity when the power storage element is fully charged Element management method.
  • the information processing unit has a change amount of a voltage value of the storage element with respect to a change amount of the charge state in a predetermined capacity that is larger than the reference capacity and smaller than a remaining capacity when the storage element is fully charged.
  • a storage element management method including: (Structure Example 11) A storage element management method further comprising: determining a state of a storage element from a change amount of a voltage value of the storage element with respect to a change amount of the charge state. According to the configurations of the configuration examples 6 to 11, it is possible to notify the user that the storage device is in a state that hinders normal use or a desired performance cannot be obtained due to a decrease in the performance of the storage element. Therefore, it is possible to take appropriate measures such as replacement of the power storage element or suspension of use.
  • Battery module 30 Secondary battery (storage element) 40: Current sensor 50: Battery-manager 60: Control unit 61: CPU (information processing unit) 63: Memory 70: Voltage measurement unit (voltage sensor)

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Abstract

電圧計測部７０により検出した二次電池３０の電圧に基づき、メモリ６３に記憶された二次電池３０の電圧と残存容量との相関関係から残存容量を取得し、その残存容量の基準容量に対する比率であるＳＯＣを求める。基準容量は満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定されている。さらに情報処理部は、前記ＳＯＣと、他の方法により求められたＳＯＣとの比較に基づいてモジュールの異常を判断する。

Description

蓄電素子管理装置及び蓄電素子管理方法
　本明細書によって開示される技術は、リチウムイオン電池等の蓄電素子の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を取得すると共に、その経時変化特性を予測することで、蓄電素子の劣化予測を行う、或いは、劣化予測情報を基にして使用者へ通知する技術に関する。
　二次電池等の蓄電素子は電気自動車等の車両用途や、住宅用や電力平準化用の定置型の蓄電装置としても広く利用されており、それらの蓄電素子のＳＯＣ（満充電状態に対してどの程度の割合となっているか）を常時正確に把握する必要性は高い。そのＳＯＣを取得する手法の一例としてＯＣＶ法がある。これは、例えば下記の特開２００９－１０４９８３号公報に記載の技術のように、電池の開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）と残存容量との間には比較的精度の良い相関関係があることを利用してＳＯＣを求めるものである。具体的には、電池に電流が流れていないときの電池電圧、すなわち開放電圧を測定し、予め測定・記憶しておいたＯＣＶと残存容量との相関関係を参照して、測定されたＯＣＶに対応する残存容量を求める。そして、その残存容量を満充電時の容量で除算してＳＯＣ（％）を求めるのである。
特開２００９－１０４９８３号公報
　本発明者らの研究によれば、ＯＣＶと残存容量との相関関係は電池等の劣化に伴って徐々に変化するため、それを不変のものとしてＳＯＣを算出すると、ＳＯＣ算出の精度が悪くなるという現象が見出された。例えばＬｉＦｅＰＯ４などのリン酸鉄系の正極活物質とソフトカーボンを負極活物質として使用したリチウムイオン電池では、図１に示すように変化していた。すなわち、初期のＯＣＶ－残存容量特性が実線で示すものであったときに、それぞれ７５０時間、１５００時間、２２５０時間、３０００時間、３７５０時間のサイクル試験後では変化していた。これを基にＳＯＣを計算してＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係を描くと、初期の電池では図２に示す実線の通りとなり、例えば２２５０時間サイクル試験後の電池では破線の通りとなる。ＯＣＶ法では電池の劣化によって、特に高容量領域でのＳＯＣの誤差が大きくなることが明らかである。
　その理由は、例えば、リン酸鉄系の正極活物質を使用したリチウムイオン電池では、正極電位が放電容量によって変化しない領域が広いため、負極の劣化が容量低下に直結するためと考えられる。
　本明細書では、蓄電素子の劣化があっても正確なＳＯＣを取得できる技術を開示し、正確なＳＯＣ推定に基づく劣化予測を行い、使用者に通知する、といったアプリケーションを開示する。
　本明細書によって開示される蓄電素子管理装置は、蓄電素子の電圧を検出する電圧センサと、前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部と、を備え、前記情報処理部は、前記電圧センサにより検出した前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記残存容量を取得して、その残存容量と、前記満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定された基準容量との比率に基づいて充電状態を求め、さらに情報処理部は、前記充電状態と、他の方法により求められた充電状態との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する。
　前記メモリには、前記基準容量に対する残存容量の比率であるＳＯＣと前記蓄電素子の電圧との相関関係についての情報が記憶されていてもよい。こうすると、蓄電素子の電圧に基づき直接的にＳＯＣを取得できる。
　本明細書によって開示される技術によれば、正確なＳＯＣ推定に基づく劣化予測が可能になる。
サイクル試験によるリチウムイオン電池の容量変化を示すグラフ サイクル試験によって変化したＯＣＶ－ＳＯＣ特性を示すグラフ リチウムイオン電池の単極電位と容量との関係を示すグラフ 実施形態の二次電池モジュールを示すブロック図 実施形態の二次電池のＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係を示すグラフ 実施形態における電池Ａ及びＢのＯＣＶ－充電容量の相関関係を示すグラフ 実施形態における電池Ａ及びＢのＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係を示すグラフ
（実施形態の概要）
　本明細書によって開示される蓄電素子管理装置は、蓄電素子の電圧を検出する電圧センサと、前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部と、を備え、前記情報処理部は、前記電圧センサにより検出した前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記残存容量を取得して、その残存容量と、前記満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定された基準容量との比率（割合）に基づいて充電状態を求め、さらに情報処理部は、前記充電状態と、他の方法により求められた充電状態との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する。
　メモリには、前記基準容量に対する残存容量の比率であるＳＯＣと前記蓄電素子の電圧との相関関係についての情報が記憶されていてもよい。そうすると、蓄電素子の電圧に基づき直接的にＳＯＣを取得できる。
　前記蓄電素子は、リン酸鉄リチウムを正極活物質とするリチウムイオン二次電池であってもよく、負極活物質が非晶質炭素であってもよい。これらの活物質を使用したリチウムイオン二次電池においては、劣化によるＯＣＶ－残存容量特性の変化が大きいからである。
　このようにして基準容量を適切に設定すると、蓄電素子の劣化があってもＯＣＶ－残存容量特性の変化が少なく、その結果、ＳＯＣを正確に決定できる。
（実施形態の詳細）
　以下、本明細書で開示される技術を電動車両駆動用の電池モジュールに適用した実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
　本実施形態の電池モジュールは、図４に示すように、直列接続された複数個の二次電池３０と、これら二次電池３０を管理するバッテリ－マネージャー（以下、ＢＭ）５０、及び二次電池３０に流れる電流を検出する電流センサ４０を有する。ＢＭ５０は「蓄電素子管理装置」の一例である。
　二次電池３０は「蓄電素子」の一例であり、図示しない充電器によって充電され、車両駆動用のモータを駆動するインバータ（負荷１０として図示する）に直流電力を供給する。この二次電池３０は、正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ４、負極活物質として非晶質炭素を使用したリチウムイオン電池である。
　この二次電池３０に関しては、その開放電圧（ＯＣＶ）と後述するように定義された充電状態（ＳＯＣ）との間には相関関係（ここでは「ＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係」と呼ぶ）があることが判っており、その関係をテーブル化した情報がメモリ６３に記憶されている。
　ＢＭ５０は、制御部６０と、二次電池３０の各セルの両端電圧を測定する電圧計測部７０と、電流センサ４０からの信号に基づき二次電池３０に流れる電流を測定する電流計測部８０とを備える。制御部６０は情報処理部としての中央処理装置（以下、ＣＰＵ）６１と、メモリ６３とを含む。メモリ６３には、上記のＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係の他、ＢＭ５０の動作を制御するための各種のプログラムが記憶されており、ＣＰＵ６１はメモリ６３から読み出したプログラムに従ってＳＯＣを決定する。
（二次電池３０のＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係）
　二次電池のＳＯＣは一般に、ある時点での二次電池の残存容量の満充電容量に対する比率（％）として定義されるが、本明細書で開示する技術では、ＳＯＣを、満充電容量ではなくそれより小さい「基準容量」に対するある時点での二次電池３０の残存容量の比率（％）として定義する。この定義によるＳＯＣを「換算ＳＯＣ」と呼ぶこととする。本実施形態の二次電池３０において、満充電容量におけるＯＣＶをＶ１とし、基準容量に対応するＯＣＶをＶ２とする。この二次電池３０のＯＣＶ－換算ＳＯＣ相関関係は、予め次のようにして測定したものである。
　満充電は、１Ｃ充電３時間後にＶ１の定電圧充電を行う。基準容量への充電は、１Ｃ充電３時間後にＶ２の定電圧充電を行う。（１）満充電容量及び基準容量の各二次電池３０に関して１／１０容量分を２５℃１０Ａで充電し、（２）４時間放置して最後の３０分間の電圧を平均したものをＯＣＶとする。（１）（２）を１０回繰り返すことで、二次電池３０のＯＣＶ－ＳＯＣ相関関係を測定できる。１０回目の充電は、Ｖ１又はＶ２の定電流定電圧充電とする。
　二次電池３０が劣化すると、二次電池３０の満充電容量が減少する。二次電池３０の使用期間が長く、電池が劣化するほど、二次電池３０（各セル）の電圧が満充電電圧であるＶ１になるまでの二次電池３０の満充電容量は減少していく。
　ＳＯＣは、従来、二次電池の現在の充電容量を満充電容量で除算することによって求められていため、二次電池のＯＣＶが同じ場合、電池性能が低下した二次電池のＳＯＣは、二次電池の初期状態でのＳＯＣに比べて、大きく推定されてしまう。例えば、測定した二次電池３０のセル電圧がＶ２より低いＶ３の場合、図２から明らかなように、二次電池３０の初期状態では、ＳＯＣは約４０％であると推定されるのに対し、電池性能が低下した二次電池３０では、ＳＯＣは約５０％であると推定されてしまう。
　一方、図１に示す通り、二次電池３０の電圧がＶ２になるまでの部分的な充電容量（基準容量）は、二次電池３０の初期状態と、同図に記載の時間だけ充放電を繰り返した後とを比較しても、二次電池６の劣化による充電容量変化の誤差は基準値以下である。つまり、二次電池３０のＯＣＶ－換算ＳＯＣ特性に着目すると、二次電池６の初期状態のものと、充放電を繰り返した後のものとでは、ほとんど変わらない。
　本実施形態では、この基準容量を使って換算ＳＯＣを定義してある。即ち、基準容量（ＯＣＶ＝Ｖ２）での二次電池３０の換算ＳＯＣを１００％と定義する。その結果、本実施形態のＯＣＶ－換算ＳＯＣ相関関係は図５に示す通りになる。実線は二次電池３０の初期品のものを示し、破線は例えば２２５０時間のサイクル試験後の二次電池３０のものを示す。図から明らかなように、二次電池３０の劣化の有無に関わらず、ＯＣＶから精度良くＳＯＣを決定できる。これにより、以下のような効果を奏する。
・ＢＭ５０を車載用の電池モジュールに適用した場合に、ＥＶ走行可能距離の算出精度が向上する。
・二次電池３０の電池切れを防止できる。
・二次電池３０の使用可能容量が少ない場合に、電池寿命が削られることを抑制するための余分なリザーブを持たずに済み、二次電池３０の使用領域ギリギリの設定ができる。
　本実施形態の二次電池３０について、以下の試験電池Ａ及びＢを試作し、先の説明と同様にしてＯＣＶ－充電容量（Ａｈ）特性を測定した。これは活物質の塗工量のバラツキによるＳＯＣ誤差への影響を確認するためである。
　試験電池Ａ：正極活物質の塗工量を設計値に対して＋数％とし、負極活物質の塗工量を設計値に対して－数％とした。
　試験電池Ｂ：正極活物質の塗工量を設計値に対して－数％とし、負極活物質の塗工量を設計値に対して＋数％とした。
　両電池Ａ，ＢのＯＣＶ－充電容量特性は、図６に示す通りであった。満充電容量（ＯＣＶ＝Ｖ１）は正極塗工量に依存して電池Ａが大きく、電池Ｂが小さくなる。一方、基準容量（ＯＣＶ＝Ｖ２）は負極塗工量に依存し、逆に電池Ｂが大きく電池Ａが小さくなる。
　残存容量と基準容量との比率を換算ＳＯＣと定義してＯＣＶ－換算ＳＯＣ相関関係を描くと、図７に示す通りとなり、両電池Ａ，Ｂの差はほとんどないことが判る。このことは、本実施形態の換算ＳＯＣの定義とすれば、製造バラツキによるＳＯＣ誤差を抑えることができることを意味する。
　本実施形態の「基準容量」は満充電容量よりは小さな値であるが、正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ４、負極活物質として非晶質炭素を使用したリチウムイオン電池に本明細書の技術を提供した本実施形態では、二次電池３０のセル電圧がＶ２である最大の充電容量を「基準容量」とした。その具体的な数値は、活物質の種類により様々に異なり得る。サイクル試験による容量変化を測定し、図１に示されるように容量劣化が起こりにくい領域の最大の充電容量として決定してもよい。図３に示されるようにリン酸鉄系の正極活物質では電池電圧と－容量との相関関係において平坦領域が広い。このため、その領域で負極のバランスずれによって劣化が進行することに鑑みると、その平坦領域のＯＣＶ（本実施形態ではＶ２）に対応する最大容量に設定することもできる。
　「基準容量」は活物質の種類に応じて満充電容量よりも小さな値として設定すればＳＯＣ誤差を小さくできるが、その値は常に一定にしておくに限らず、電池の劣化に併せて徐々に小さな値に変化させてもよい。
　本実施形態では蓄電素子として上記のリチウムイオン電池を使用する場合について説明したが、これに限られず、他の正極活物質、或いは負極活物質を使用した電池であってもよいし、電気化学反応を伴うキャパシタに適用することもできる。
　次に、他の正極活物質、或いは負極活物質の一例を挙げる。例えば、正極活物質および負極活物質の組み合わせとしては、図３のような、縦軸が単極電位で横軸が容量のグラフにおいて、正極が平坦な領域（あるいは平坦に近い領域）を含むグラフ形状で、負極が変化領域（言い換えると傾斜した領域）を含むグラフ形状である組み合わせ（高ＳＯＣ側のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線において、劣化度合いでグラフ形状が他のＳＯＣ領域よりも変化する組み合わせ）が考えられる。活物質例としては、正極活物質として、リン酸塩系正極活物質（鉄の部分がＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）、リン酸塩以外にＳｉＯ４、ＰＯ４、Ｐ２Ｏ７等があげられる。負極活物質としては、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素が挙げられる。
　縦軸が単極電位で横軸が容量のグラフにおいて、正極が変化領域（言い換えると傾斜した領域）を含むグラフ形状で、負極が平坦な領域（あるいは平坦に近い領域）を含むグラフ形状である組み合わせ（低ＳＯＣ側のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線において、劣化度合いで曲線形状が他のＳＯＣ領域よりも変化する組み合わせ）が考えられる。活物質例としては、正極活物質として、層状酸化物系正極等があげられる。負極活物質としては、Ｇｒ、Ｓｉ、ＳｉＯが挙げられる。
　上記実施形態では、ＢＭ５０のメモリ６３に、セル電圧とＳＯＣ（基準容量に対する残存容量の比率）との相関関係（ＯＣＶ－換算ＳＯＣ特性）についてのテーブル化した情報を記憶しておき、それを参照してＯＣＶから換算ＳＯＣを直ちに決定するようにした。しかしながら、これに限らず、メモリにセル電圧と残存容量との相関関係についての情報を記憶しておき、それを参照してＯＣＶから残存容量を決定し、その残存容量を基準容量で除算して換算ＳＯＣを決定してもよい。
　メモリに記憶する情報は相関関係をテーブル化した情報とするに限らず、セル電圧の関数として換算ＳＯＣや残存容量を表した数式を記憶しておき、その関数にセル電圧を入力することで換算ＳＯＣ等を算出してもよい。
　上述のように、本発明では、蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から残存容量を求め、その残存容量の基準容量（満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定されている）に対する比率を算出することで、誤差の小さな換算ＳＯＣを算出できる。その換算ＳＯＣを利用して、蓄電素子の劣化推定（予測）、劣化診断（判断）、および使用者などへの通知方法について説明する。
　換算ＳＯＣが１００％以下では、蓄電素子の充放電サイクル数（ひいては蓄電素子の劣化）に依らず、蓄電素子の電圧値と換算ＳＯＣとはほぼ１対１の関係がある。換算ＳＯＣが１００％以下の領域において、例えば時刻ｔ１及びｔ２の二時点において蓄電素子の各電圧を測定して二つの換算ＳＯＣの値を取得し、その差ΔＳＯＣを算出する（これをΔＳＯＣ（ｖ）とする）。その一方で、時刻ｔ１とｔ２間における蓄電素子への電流の出入りを電流センサによって測定積算して両時刻ｔ１，ｔ２間のＳＯＣ変化（これをΔＳＯＣ（ｉ）とする）を算出する。この方法は電流積算法によるＳＯＣ変化の算出方法として周知である。
　二つのＳＯＣ変化（ΔＳＯＣ（ｖ）、ΔＳＯＣ（ｉ））を比較して、両者の差異が所定値以上であるときには、蓄電素子が異常である、蓄電素子が劣化した、センサなどの探査子（プローブ）が異常である、或いは処理部が異常である等、少なくとも何れかの部位が異常であると判断できる。
　その判断結果を外部に通知したり、使用者に通知することで、不具合に対する適切な対応を取る、蓄電素子を交換したりする等、といったことが可能となる。
　図１において、例えば基準容量（ＯＣＶ＝Ｖ２）等の所定容量に対する比率としてのＳＯＣが１（或いは１００％）以上の領域においては、蓄電素子の電圧と容量との関係が充放電サイクル数（すなわち蓄電素子の劣化）に依存して変化することがわかる。すなわち、図１に示すように、縦軸である電圧が急変（急増）する容量が蓄電素子のサイクル数（蓄電素子の劣化）に依存して小さくなる現象がある。このため、充電状態の変化量に対する蓄電素子の電圧値の変化量が急激な変化をする値を測定することで蓄電素子の状態（例えば、蓄電素子の異常、蓄電素子の劣化推定（予測）、および蓄電素子の寿命（交換時期）等）を判断できる。具体的には、容量変化あたりの電圧変化の値（ΔＶ／ΔＡｈ）を所定の閾値と比較することで、蓄電素子の完全劣化或いは完全劣化に近付いた程度を数値的に判定できる。
　この判定をトリガーとして、蓄電素子の状態（例えば、蓄電素子の異常、蓄電素子の劣化推定（予測）、および蓄電素子の寿命（交換時期）等）を判断し、使用者や外部機器に対して通知できる。その通知に対して、適切な判断を行うことができる。
　通知については、ある閾値を判断材料にして通知を行っても良いし、閾値を複数設けて段階的に通知を行っても良い。例えば、電圧値で判断するのであれば、複数の電圧値で判断しても良い。充電状態の変化量に対する蓄電素子の電圧値の変化量において、複数の変化量を閾値として設けていても良い。そのようにして、段階的な通知を受けて、段階的に適切な判断を行っても良い。使用者に対して段階的な通知、例えば、蓄電素子の寿命が近づいて来た、蓄電素子の交換時期が近い、蓄電素子の寿命である、蓄電素子を交換してください、ディーラー（販売店）に連絡してください、使用を停止してください等、といったことを行うことで、使用者が慌てることなく、蓄電素子の交換等、適切な処置を行うことができる。通知は使用者だけでなく、通信を用いてディーラー（メーカー）側に通知しても良い。
　蓄電素子の状態を判断する方法について、他の方法も考えられる。例えば、蓄電素子を状態検知モードとして（ユーザーの指定時、或いは所定期間毎に検知モードが起動）、換算ＳＯＣが１００％以上において取り得る値まで電圧値を上げ、電圧値の変化から蓄電素子の状態を判断しても良い。
　具体的には、ある所定期間における電圧変化値を取得し、その大きさから蓄電素子の状態を判断しても良い。例えば、蓄電素子を状態検知モードで作動させる。図１の電圧Ｖ２以上まで電圧値を上げた条件下で、ある所定期間における電圧変化値を取得し、その電圧変化値で蓄電素子の状態を判断する。或いは、ある容量変化における電圧変化値（ΔＶ／ΔＡｈ）を取得してもよい。その場合、容量変化は電流積算法を用いれば良い。これら電圧変化値の判定において、基準となる電圧変化値（例えば、略劣化していない蓄電素子の電圧変化値）を事前に取得しておき、今回取得した電圧変化値との比較（例えば、所定の閾値を設けておき比較する）を行ってもよい。所定の閾値は直前の電圧変化値であっても良い。上述のように、これら電圧変化値の判定において、幾つかのカテゴリー分けを行い、段階的な通知（検知）を受けて、段階的に適切な判断を行っても良い。例えば、蓄電素子の寿命が近づいて来た、蓄電素子の交換時期が近い、蓄電素子の寿命である、蓄電素子を交換してください、ディーラー（販売店）に連絡してください、使用を停止してください等、といったことを行う。
　以上より、蓄電素子の状態を事前にディーラー（メーカー）側が把握する、あるいはユーザーに通知することで、突然の故障・不具合を回避できるだけでなく、メンテナンスのための事前準備をディーラー（メーカー）側もユーザー側も行うことができる。補給部品の在庫確認、入手や輸送の準備、メンテナンス要員の確保などを事前に行うことができ、スムーズなサービスをディーラー（メーカー）側はユーザー側に提供できる。或いは、ディーラー（メーカー）側は蓄電素子の劣化特性や蓄電素子の交換時期における蓄電素子の特性情報を大量に入手できる。それにより、例えばビッグデータを使った蓄電素子の状態推定による新たなサービス提供を行うことができる。
　本技術は、自動車や二輪車だけに限定されない。鉄道用車両や港湾用輸送車両（システム）、産業用電池、電源装置、家庭用蓄電システム等、蓄電池を用いる幅広い分野で適用可能である。故障診断器や充電機への組み込みも本技術の適用範囲である。
　上述した実施の形態から、以下であってもよい。
（構成例１）蓄電素子の電圧を検出する電圧センサと、前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部とを備え、
　前記情報処理部は、前記電圧センサにより検出した前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記残存容量を取得して、その残存容量の基準容量に対する比率を算出し、かつ、前記基準容量が満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定されている蓄電素子管理装置。
（構成例２）蓄電素子の電圧を検出する電圧センサと、基準容量に対する残存容量の比率である充電状態と前記蓄電素子の電圧との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部とを備え、
　前記情報処理部は、前記電圧センサにより検出した前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記充電状態を取得し、かつ、前記基準容量が満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定されている蓄電素子管理装置。
（構成例３）前記蓄電素子は、リン酸鉄リチウムを正極活物質とするリチウムイオン二次電池である蓄電素子管理装置。
（構成例４）前記蓄電素子は、ソフトカーボンを負極活物質とするリチウムイオン二次電池である蓄電素子管理装置。
（構成例５）蓄電素子と、
上記構成例の何れかに記載の蓄電素子管理装置と、を含む蓄電モジュール。
　このような構成例１ないし５によれば、蓄電素子の性能低下があっても正確なＳＯＣを取得できる。
（構成例６）前記基準容量の所定値における前記蓄電素子の電圧値が所定値、或いは所定値以上であることから、蓄電素子の状態を判断することと、を含む蓄電素子管理方法。
（構成例７）前記基準容量より大きく、前記蓄電素子が満充電時の残存容量よりも小さい所定容量において、前記蓄電素子の電圧値に関係する物理量から、蓄電素子の状態を判断することと、を更に含む蓄電素子管理方法。
（構成例８）前記基準容量より大きく、前記蓄電素子が満充電時の残存容量よりも小さい所定容量において、前記蓄電素子の電圧値から、蓄電素子の状態を判断することと、を更に含む蓄電素子管理方法。
（構成例９）前記情報処理部は、前記基準容量より大きく、前記蓄電素子が満充電時の残存容量よりも小さい所定容量において、前記充電状態の変化量に対する前記蓄電素子の電圧値の変化量から、蓄電素子の状態を判断することと、を更に含む蓄電素子管理方法。
（構成例１０）前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記充電状態を取得することと、
　前記蓄電素子の電圧値が所定値以上となる前記充電状態において、蓄電素子を使用しないことと、
を含む蓄電素子管理方法。
（構成例１１）前記充電状態の変化量に対する前記蓄電素子の電圧値の変化量から、蓄電素子の状態を判断することと、を更に含む蓄電素子管理方法。
　このような構成例６ないし１１の構成によれば、蓄電素子の性能低下により、通常的な使用に支障をきたす状態や所望の性能が得られない状態であることを使用者に通知することができ、蓄電素子の交換や使用停止などといった適切な対応を取ることができる。
２０：電池モジュール　３０：二次電池（蓄電素子）　４０：電流センサ　５０：バッテリ－マネージャー　６０：制御部　６１：ＣＰＵ（情報処理部）　６３：メモリ　７０：電圧計測部（電圧センサ）

Claims (8)

  1. 　蓄電素子の電圧を検出する電圧センサと、前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部と、を備え、
    前記情報処理部は、前記電圧センサにより検出した前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記残存容量を取得して、その残存容量と、前記満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定された基準容量との比率に基づいて充電状態を求め、
    　さらに情報処理部は、前記充電状態と、他の方法により求められた充電状態との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する蓄電素子管理装置。
  2. 　前記他の方法により求められた充電状態は、前記蓄電素子への入出力電流の測定に基づいて積算した充電状態である請求項１記載の蓄電素子管理装置。
  3. 　前記情報処理部は、さらに、前記基準容量より大きく前記蓄電素子の満充電時の残存容量よりも小さい所定容量において、前記充電状態の変化量に対する前記蓄電素子の電圧値の変化量から、蓄電素子の状態を判断する請求項１又は２記載の蓄電素子管理装置。
  4. 　蓄電素子の満充電容量よりも小さい所定量に設定された基準容量と前記蓄電素子の電圧から求められる容量との比率によって前記蓄電素子の充電状態を求め、前記蓄電素子が前記基準容量以下となっている領域において、前記蓄電素子の電圧から求められる容量による充電状態と、他の方法によって求められる充電状態との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する蓄電素子管理方法。
  5. 　蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部と、を備え、
    　前記情報処理部は、蓄電素子の電圧を検出する電圧センサにより検出された前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記残存容量を取得して、その残存容量と、前記満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定された基準容量との比率に基づいて充電状態を求め、
    さらに情報処理部は、前記充電状態と、他の方法により求められた充電状態との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する蓄電素子管理装置。
  6. 　蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係についての情報が記憶されるメモリと、情報処理部と、を備え、
    　前記情報処理部は、蓄電素子の電圧を検出する電圧センサにより検出された前記蓄電素子の電圧に基づき、前記メモリに記憶された前記蓄電素子の電圧と残存容量との相関関係から前記残存容量を取得して、その残存容量と、前記満充電時の残存容量よりも小さい所定量に設定された基準容量との比率に基づいて充電状態を求め、
    さらに情報処理部は、前記比率に基づいた充電状態よりも大きな充電状態で前記電圧センサから取得した前記蓄電素子の電圧値情報と、予め取得した閾値との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する蓄電素子管理装置。
  7. 　前記電圧値情報は、所定期間における電圧変化値、或いは所定容量変化値における電圧変化値である請求項６記載の蓄電素子管理装置。
  8. 　蓄電素子の満充電容量よりも小さい所定量に設定された基準容量と前記蓄電素子の電圧から求められる容量との比率によって前記蓄電素子の充電状態を求め、前記蓄電素子が前記基準容量以下となっている領域よりも大きな領域において、前記蓄電素子の電圧値情報と、予め取得した閾値との比較に基づいて前記蓄電素子の状態を判断する蓄電素子管理方法。
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