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JP2011038878A - 二次電池の劣化度判定方法および二次電池装置 - Google Patents

二次電池の劣化度判定方法および二次電池装置 Download PDF

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JP2011038878A JP2009185773A JP2009185773A JP2011038878A JP 2011038878 A JP2011038878 A JP 2011038878A JP 2009185773 A JP2009185773 A JP 2009185773A JP 2009185773 A JP2009185773 A JP 2009185773A JP 2011038878 A JP2011038878 A JP 2011038878A
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Abstract

【課題】二次電池を完全放電させることなく、その劣化度または実力容量(最大充電容量)を簡易に、かつ正確に求め得る劣化度判定方法を提供する。
【解決手段】二次電池の放電電流を積算して求められる満充電状態からの放電容量Cdcと該二次電池の初期容量Cintとから容量消費率Cを算出すると共に、予め求められた前記二次電池の開放端子電圧OCVと該二次電池の残容量率SOCとの関係を示すテーブルを参照して、前記容量消費率Cを求めた時点での前記二次電池の開放端子電圧OCVから該二次電池の残容量率SOCを求める。そしてこの残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度または実力容量を求めることを特徴とする。
【選択図】図3

Description

本発明は、二次電池を完全放電させることなく、その劣化度や実力容量を求めることのできる二次電池の劣化度判定方法および二次電池装置に関する。
二次電池に充電可能な最大容量(実力容量;満充電容量)は、その使用(充放電)に伴って次第に劣化することが否めない。従って二次電池を各種装置の電源として使用する上で、その劣化度や実力容量を正確に把握し得ることが望ましい。ちなみに二次電池の劣化度は、例えば予め求められている二次電池の初期時における満充電容量(初期容量)と、二次電池の充放電に伴って学習される学習容量(実力容量)との比(百分率)として求められる。
尚、二次電池の学習容量は、基本的には完全に放電した二次電池を満充電まで充電した際に充電電流を積算した充電容量として、或いは満充電状態にある二次電池を放電終止まで放電させた際に放電電流を積算した放電容量として求められる。しかしこの場合には、一旦、二次電池を完全放電させる必要があるので、二次電池を放電終止状態まで使い切ると不具合が生じる用途に用いるような場合には問題がある。
この点、例えば特許文献1には、完全放電状態または満充電状態に至ることなく充放電が繰り返される二次電池の学習容量(実力容量)を求めるべく、該二次電池の充電容量の積算値が予め求められている容量、具体的にはその時点で求められている学習容量に達する都度、これを1サイクルとして当該学習容量を所定量(所定割合)だけ低減し、学習容量(実力容量)を逐次補正することが提唱されている。
特開2002−236154号公報
しかしながら特許文献1に開示される手法は、二次電池を放電終止状態まで使い切ることなくその学習容量を簡単に求め得ると言う利点はある。しかし前述した1サイクル毎に学習容量を補正する上での補正量(サイクル劣化容量)は、厳密には二次電池の種類やその使用環境等によって異なるので、必ずしも正確に二次電池の実力容量(学習容量)を求め得るとは言えない。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池を完全放電させることなく、その劣化度や実力容量を簡易に、しかも正確に求めることのできる二次電池の劣化度判定方法および二次電池装置を提供することにある。
本発明は、二次電池の残容量率(残容量/実力容量)SOCと該二次電池の開放端子電圧OCVとが所定の相関関係を有し、その相関関係は電池性能が劣化しても維持されること、また二次電池が完全放電に至る前の満充電状態からの放電容量Cdc自体は電池性能の低下とは無関係であり、該放電容量Cdcと残容量との合計が前記二次電池の実力容量であることに着目している。
そこで前述した目的を達成するべく、本発明に係る二次電池の劣化度判定方法は、二次電池の放電電流を積算して求められる満充電状態からの放電容量Cdcと該二次電池の初期満充電容量Cintとから容量消費率Cを算出し、一方、予め求められた前記二次電池の開放端子電圧OCVと該二次電池の残容量率SOCとの関係を示すテーブルを参照して、前記容量消費率Cを求めた時点での前記二次電池の開放端子電圧OCVから該二次電池の残容量率SOCを求め、この残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度または実力容量を求めることを特徴としている。
ちなみに前記放電容量Cdcは、前記二次電池が完全放電状態に至る前の放電停止時に求められる。また前記容量消費率Cは、満充電状態から前記二次電池の放電が停止した時点までの放電容量Ccdに基づいて算出されるものであって、前記二次電池の開放端子電圧OCVは、上記放電停止から所定時間を経過した時点で求められるものである。
また本発明に係る二次電池装置は、二次電池と、この二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、予め求められた前記二次電池の開放端子電圧OCVと該二次電池の残容量率SOCとの関係を記憶したテーブルと、このテーブルを参照して前記二次電池の放電電流と端子電圧とに基づいて前記二次電池の劣化度または実力容量を求める演算・制御手段とを具備し、
前記演算・制御手段は、前記二次電池の放電電流を積算して満充電状態からの放電容量Cdcを求める第1の処理手段と、求められた放電容量Cdcと前記二次電池の初期満充電容量Cintとから該二次電池の容量消費率Cを算出する第2の処理手段と、前記容量消費率Cを求めた時点における前記二次電池の開放電圧OCVに従って前記テーブルを参照して該二次電池の残容量率SOCを求める第3の処理手段と、求められた残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度または実力容量を求める第4の処理手段とを備えることを特徴としている。
好ましくは前記演算・制御手段は、更に前記二次電池の満充電を検出して前記第1の処理手段を作動させる第1の制御手段と、完全放電状態に至る前の前記二次電池の放電停止を検出して前記第2の処理手段を作動させる第2の制御手段と、前記二次電池の放電停止から所定時間の経過後に該二次電池の開放電圧OCVを求めて前記第3の処理手段を作動させる第3の制御手段とを備えて構成される。
本発明によれば、例えば二次電池が完全放電に至る前の或る状態まで放電させた際の該二次電池の放電容量Cdcと該二次電池の初期満充電容量Cintとから容量消費率Cを算出すると共に、予め求められた開放端子電圧OCVと残容量率SOCとの関係を示すテーブルを参照して上記容量消費率Cを算出した状態における前記二次電池の開放端子電圧OCVに従って該二次電池の残容量率SOCを求めるだけで、この残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度を、ひいてはその実力容量を簡易に、しかも精度良く求めることができる。
しかも二次電池を完全放電させることなく、二次電池の劣化度または実力容量(満充電容量)を精度良く求めることができるので、二次電池を放電終止状態まで使い切ると不具合が生じるような場合に該二次電池の劣化度を判定する上で好適である。
本発明の一実施形態に係る二次電池装置の概略構成図。 図1に示す二次電池装置における制御・演算部の構成を示す図。 本発明に係る二次電池の劣化度判定方法を示すものであって、図1に示す二次電池装置において実施される二次電池の劣化度判定の処理手順の一例を示す図。 二次電池の開放端子電圧OCVと残容量率SOCとの関係を示す図。
以下、図面を参照して本発明に係る二次電池の劣化度判定方法および二次電池装置について説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る二次電池装置の概略構成図であって、10は二次電池装置としてのパック電池、20は前記パック電池10が着脱自在に装着されるパーソナルコンピュータ(PC)や携帯端末等の負荷機器である。パック電池(二次電池装置)10は、基本的には二次電池(BAT)11と、該二次電池11の充放電を制御する制御部(マイクロプロセッサユニット;MPU)12とを備えて構成され、負荷機器20に装着して使用される。
尚、負荷機器20としては、例えば電動アシスト自転車のようなものであっても良い。また前記パック電池10における二次電池11は、例えば2600mAh/セル程度のリチウムイオン電池からなる複数の電池セルを2個ずつ並列に接続すると共に、これらの並列接続された電池セルを3段直列に接続した、いわゆる3直2並タイプのものからなる。尚、ここでは3直2並タイプの二次電池11を例に説明するが、電池セルの並列接続数および直列接続段数は、電池仕様として与えられる定格出力電圧および定格出力電流容量に応じて決定すれば良いものである。
さてパック電池10における二次電池11の充放電路には、その充放電を制御するFET等のスイッチ素子13が直列に介装されると共に、充放電電流を検出する電流検出部14が直列に介挿されている。また前記パック電池10における制御部(MPU)12は、その主体部である、いわゆるマイコンによる充電制御手段としての制御・演算部15と、前記二次電池11の端子電圧、具体的には各段の電池セルの端子電圧(セル電圧)をそれぞれ検出する電圧検出部16、および前記負荷機器20との間で情報通信する通信処理部17と、後述するテーブル18とを具備して構成される。尚、このテーブル18は、メモリー素子に保存されて与えられるものであって、後述するように予め求められた前記二次電池11の開放端子電圧OCVと、該二次電池11の残容量率(残容量/実力容量)SOCとの関係を記述したものである。
そして前記制御・演算部15は、基本的にはサーミスタ等の温度検出素子19にて検出される前記二次電池11の温度(電池温度)、前記電圧検出部16にて検出されるセル電圧、および前記電流検出部14にて検出される充放電電流に応じて前記スイッチ素子13をオン・オフ制御すると共に、通信処理部17を介して前記負荷機器20側に制御指令を与えて前記二次電池11に対する充電電圧や充電電流を制御する役割を担う。このような基本機能に加えて前記制御・演算部15は、後述するように二次電池11の劣化度を求めると共に、該二次電池11の実力容量を求め、これを前記負荷機器20側に通知する機能を備える。
一方、前記負荷機器20は、基本的には外部電力(図示せず;商用電源)を受けて該負荷機器20の本体部である負荷21を駆動すると共に、前記パック電池10に対して電力を供給して前述した二次電池11を充電する制御・電源部22を備えて構成される。また制御・電源部22は、例えば外部電力の供給が途絶えたとき、前記パック電池10の二次電池11から供給される電力にて前記負荷21を駆動する役割を担う。ちなみに前記制御・電源部22による二次電池11の充電は、該二次電池11がリチウムイオン電池である場合には、例えば最大電流(一般的には0.5〜1C程度)および最大電圧(一般的には約4.2V/セル程度)をそれぞれ規制した定電流・定電圧充電により行われる。
尚、制御・電源部22は、前記パック電池10における通信処理部17との間で、例えばデータラインSDAおよびクロックラインSCLを介してSMBUS方式にて情報通信する機能を備える。前記パック電池10の制御部(MPU)12は上記情報通信機能を利用して前記制御・電源部22の作動を制御し、該制御・電源部22による前記二次電池11の充電電圧や充電電流を可変設定する。この制御・電源部22の制御により前記二次電池11に対する充電が制御される。
さて本発明に係る二次電池装置(パック電池)10が有する特徴的な機能、即ち、二次電池11の劣化度を判定する機能は、前記制御・演算部15によって実現される。制御・演算部15に設けられる劣化度の判定機能は、例えば図2にその概念を示すように、
<1> 前記二次電池11の放電電流Iを積算して満充電状態からの放電容量Cdcを求める積算容量算出手段(第1の処理手段)15aと、
<2> 求められた放電容量Cdcと前記二次電池11の予め求められている初期容量Cintとから該二次電池11の容量消費率Cを算出する容量消費率算出手段(第2の処理手段)15b、
<3> 前記容量消費率Cを求めた時点における前記二次電池11の開放端子電圧OCVを求め、この開放端子電圧OCVに従って前記テーブル18を参照して前記二次電池11の残容量率SOCを求める残容量率検出手段(第3の処理手段)15cと、
<4> 求められた残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度または実力容量を求める劣化度判定手段(第4の処理手段)15dとにより実現される。
尚、前記演算・制御部15は、更に
<5> 前記二次電池11が満充電まで充電されたことを検出して前記積算容量算出手段(第1の処理手段)15aを作動させる満充電検出手段(第1の制御手段)15eと、
<6> 前記二次電池11の放電停止を検出して前記容量消費率算出手段(第2の処理手段)15bを作動させる放電停止検出手段(第2の制御手段)15fと、
<7> 前記二次電池11の放電停止から経過時間を監視し、所定時間経過後に該二次電池11の開放電圧OCVを求めて前記残容量率検出手段(第3の処理手段)15cを作動させる経過時間判定手段(第3の制御手段)15gとを備える。
そして前記演算・制御部15は、これらの第1〜第3の制御手段15a,15b,15cの制御の下で前述した第1〜第4の処理手段15a,15b,15c,15dの作動をそれぞれ制御することで、例えば図3に示す処理手順に従って前記二次電池11の劣化度を判定し、更には必要に応じて該二次電池11の実力容量(最大充電容量)を求めるものとなっている。
ここで先ず前記テーブル18に記述される二次電池11の開放端子電圧OCVと、該二次電池11の残容量率SOCとの関係について説明する。二次電池11の残容量率SOCを予め電池仕様として定められた満充電容量(既定値)Cfullを基準として求めた場合、該二次電池11の開放端子電圧OCVとの関係は、例えば図4(a)に示すように二次電池11が新しい場合[特性α]と、使用に伴って電池性能が劣化した場合[特性β]とで変化する。尚、二次電池11が新しい場合の特性αが0%を越えてマイナス領域に達しているのは、前記満充電容量(既定値)Cfullよりも実際に充電可能な容量が大きい為であり、また電池性能が劣化した場合の特性βが0%に到達しないのは、前記満充電容量(既定値)Cfullよりも実際に充電可能な容量が小さい為である。
しかし二次電池11を満充電から完全放電に至るまでの全放電容量に着目して二次電池11の残容量率SOCを求めた場合、二次電池11の開放端子電圧OCVとの関係は図4(b)に示すように電池性能の変化に拘わらず一定となる[特性γ]。しかもこの場合、残容量と残容量率との関係が正常に保たれる。ちなみに上記満充電から完全放電に至るまでの全放電容量は、二次電池11の最大充電容量(実力容量)そのものに等しい。従って予め二次電池11の開放端子電圧OCVと、該二次電池11の残容量率(残容量/実力容量)SOCとの関係を求めておけば、二次電池11の開放端子電圧OCVを計測することで該開放端子電圧OCVから前記二次電池11の残容量率(残容量/実力容量)SOCを求めることができる。前述したテーブル18は、このような二次電池11の開放端子電圧OCVと該二次電池11の残容量率(残容量/実力容量)SOCとの関係を、例えば表形式として、或いは特性カーブ(対応曲線)等して登録したものである。
このようなテーブル18を参照して前記演算・制御部15にて実行される二次電池の劣化度判定処理を、図3に示す処理手順に沿って説明する。演算・制御部15においては、先ず二次電池11の充放電電流から該二次電池11が充電中であるか、或いは放電中であるかを判定する<ステップS1,S2>。この判定は充放電電流が流れているか否か、また充放電電流が流れている場合にはその極性を調べることによって行われる。そして充電中である場合には、前述した満充電検出手段(第1の制御手段)15eを作動させて二次電池11が満充電に達したか否かを判定し<ステップS3>、満充電に達したならば劣化度判定の為の初期設定として放電容量Cdcを零[0]とし、また制御フラグFを[1]に設定する<ステップS4>。この初期設定処理によって二次電池11の劣化度を判定する為の準備が整えられる。尚、満充電に達したならば、前述した演算・制御部15による充放電制御の下でその充電が停止される。
しかる後、今度は前記二次電池11が放電中であるか否かを判定する<ステップS2>。そして二次電池11が放電中である場合には、前述した積算容量算出手段(第1の処理手段)15aを作動させてその放電電流を積算して該二次電池11の放電容量Cdcを求める<ステップS5>。この処理は前記放電停止検出手段(第2の制御手段)15fによって前記二次電池11の放電停止が検出されるまで繰り返し行われる<ステップS2,S5>。この結果、積算容量算出手段(第1の処理手段)15aにより二次電池11が満充電から、完全放電に至る前の放電停止時までの放電容量Cdcが求められることになる。
さて上述した如くして二次電池11の放電停止が検出されると、今度は前記経過時間判定手段(第3の制御手段)15gによって放電停止からの経過時間が監視される。そして、例えば放電停止から所定時間(例えば1時間)が経過して二次電池11の内部状態が安定し、かつ該二次電池11の端子電圧が規定の電圧範囲にあることが確認され、更に前述した制御フラグFが[1]である場合には<ステップS6>、前述した容量消費率算出手段(第2の処理手段)15b、残容量率検出手段(第3の処理手段)15c、および劣化度判定手段(第4の処理手段)15dを順次作動させて以下に示すようにして二次電池11の劣化度の判定処理を実行する。
具体的には先ず前述した如く求められた前記二次電池11が満充電から放電停止時までの放電容量Cdcに基づいて、該二次電池の容量消費率Cを算出する。この容量消費率Cは、予め求められている二次電池11の使用開始時における最大充電容量Cintを初期容量として、
容量消費率C=放電容量Cdc÷初期容量Cint
つまり
C=Cdc[mAh]/Cint[mAh]×100[%]
として計算される<ステップS7>。
一方、二次電池11の放電停止から一定時間が経過した後の該二次電池11の開放端子電圧OCVを計測し、この開放端子電圧OCVに従って前述したテーブル18を参照することで該開放端子電圧OCVと所定の相関関係にある該二次電池11の残容量率SOC[%]を求める<ステップS8>。この残容量率SOCは、二次電池11の放電が停止した時点において該二次電池11に残されている容量と、該二次電池11の真の最大充電容量(実力容量;未知)との比を示すものである。
そこで次に上述した如く求められた残容量率SOCと、前述した如く算出された容量消費率Cとに従って二次電池11の劣化度Dを
劣化度D=容量消費率C[%]÷(100−残容量率SOC)[%]
として計算する<ステップS9>。ちなみに二次電池11の残容量率SOCは、二次電池11の実力容量Ctrueと該二次電池11に残されている容量(残容量)との比を示すものであり、二次電池11の残容量は該二次電池11の実力容量Ctrueから前述した如く求められた満充電からの放電容量Cdcを差し引いたものである。従って二次電池11の残容量率SOCは、
残容量率[%]=(実力容量−放電容量)/実力容量×100[%]
なる意味を持つ。
これ故、100[%]から残容量率SOCを差し引いて求められる真の放電容量率は
(100−残容量率)[%]=(放電容量/実力容量)[%]
として表すことができる。
この結果、前述した如く計算される劣化度Dは、
劣化度=容量消費率[%]÷(100−残容量率)[%]
=(放電容量/初期容量)÷(放電容量/実力容量)
=実力容量/初期容量
となり、二次電池11の劣化度そのものを示すことになる。
そしてこのようにして二次電池11の劣化度を求めたならば、例えばその劣化度を前述した負荷機器20に出力し、前述した制御フラグを[1]に設定して劣化度判定処理を終了する。尚、上述した如くして劣化度が求められたならば、この劣化度を前記初期容量Cintに乗じることで、その時点での二次電池11の実力容量(真の最大充電容量)Ctrueを求め、これを出力するようにしても良い。
具体的には二次電池11の初期容量Cintが2000mAhであって、劣化度判定時における放電容量Cdcが500mAhとして求められ、またこのときの開放端子電圧OCVから前述したテーブル18を参照して該二次電池11の残容量率SOCが33.3%として求められた場合、容量消費率Cは
容量消費率C=500[mAh]/2000[mAh]×100=25[%]
として求められる。
一方、開放電圧OCVに基づいて求められた残容量率SOC(=33.3%)から、そのときの実力容量をxとして
残容量率SOC=(x−500[mAh])/x×100[%]=33.3[%]
が求められ、劣化度Dが
D=容量消費率[%]÷(100−残容量率)[%]
=25[%]÷(100−33.3)[%]=75[%]
として計算される。そしてこの劣化度から二次電池11の実力容量xが
75[%]=x[mAh]/2000[mAh]×100[%]
x[mAh]=1500[mAh]
として算出することが可能となる。
以上のように本発明においては、二次電池11を満充電状態から放電させ、完全放電に至る前に放電を停止した時点までの放電容量Cdcと、その放電停止時における二次電池11の開放端子電圧OCVに基づいてテーブル18を参照して該二次電池11の残容量率SOCを求めるだけで、簡易に、しかも正確に二次電池11の劣化度を判定(検出)することができる。更にはその時点における二次電池11の実力容量Ctrueを簡易に求めることができるので、その実用的利点が絶大である。また上述したように簡易に、信頼性良く二次電池の劣化度を判定することができるので、さほど前記演算・処理部15での処理負担増を招くことがない等の効果が奏せられる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば二次電池装置(パック電池)を電源アダプタに装着する等して充電した後、これを電源として使用し、二次電池の残容量が低下したときに再充電に供するような、例えば電動アシスト自転車に適用すれば、パック電池が完全放電する前に再充電の必要性を知らしめることができるので、その利点が絶大である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
11 二次電池
14 電流検出部
15 演算・制御部
15a 積算容量算出手段(第1の処理手段)
15b 容量消費率算出手段(第2の処理手段)
15c 残容量率検出手段(第3の処理手段)
15d 劣化度判定手段(第4の処理手段)
15e 満充電検出手段(第1の制御手段)
15f 放電停止検出手段(第2の制御手段)
15g 経過時間判定手段(第3の制御手段)
16 電圧検出部
18 テーブル

Claims (5)

  1. 二次電池の放電電流を積算して求められる満充電状態からの放電容量Cdcと該二次電池の初期容量Cintとから容量消費率Cを算出し、
    一方、予め求められた前記二次電池の開放端子電圧OCVと該二次電池の残容量率SOCとの関係を示すテーブルを参照して、前記容量消費率Cを求めた時点での前記二次電池の開放端子電圧OCVから該二次電池の残容量率SOCを求め、この残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度または実力容量を求めることを特徴とする二次電池の劣化度判定方法。
  2. 前記放電容量Cdcは、前記二次電池が完全放電状態に至る前の放電停止時に求められるものである請求項1に記載の二次電池の劣化度判定方法。
  3. 前記容量消費率Cは、満充電状態から前記二次電池の放電が停止した時点までの放電容量Ccdに基づいて算出されるものであって、前記二次電池の開放端子電圧OCVは、上記放電停止から所定時間を経過した時点で求められるものである請求項1に記載の二次電池の劣化度判定方法。
  4. 二次電池と、この二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、前記二次電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、予め求められた前記二次電池の開放端子電圧OCVと該二次電池の残容量率SOCとの関係を記憶したテーブルと、このテーブルを参照して前記二次電池の放電電流と端子電圧とに基づいて前記二次電池の劣化度または実力容量を求める演算・制御手段とを具備し、
    前記演算・制御手段は、前記二次電池の放電電流を積算して満充電状態からの放電容量Cdcを求める第1の処理手段と、求められた放電容量Cdcと前記二次電池の初期容量Cintとから該二次電池の容量消費率Cを算出する第2の処理手段と、前記容量消費率Cを求めた時点における前記二次電池の開放端子電圧OCVに従って前記テーブルを参照して該二次電池の残容量率SOCを求める第3の処理手段と、求められた残容量率SOCと前記容量消費率Cとから前記二次電池の劣化度または実力容量を求める第4の処理手段とを備えることを特徴とする二次電池装置。
  5. 前記演算・制御手段は、更に前記二次電池の満充電を検出して前記第1の処理手段を作動させる第1の制御手段と、完全放電状態に至る前の前記二次電池の放電停止を検出して前記第2の処理手段を作動させる第2の制御手段と、前記二次電池の放電停止から所定時間の経過後に該二次電池の開放電圧OCVを求めて前記第3の処理手段を作動させる第3の制御手段とを備えたものである請求項4に記載の二次電池装置。
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