JP2015094710A - バッテリの健全度推定装置及び健全度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリを放電することなくバッテリの健全度を推定する健全度推定装置及び健全度推定方法を提供する。
【解決手段】バッテリの健全度推定装置１１は、バッテリの充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量と、健全度と、の関係を示す第１の情報を予め記憶する記憶部１４と、バッテリ１０の端子電圧を測定する端子電圧測定部１２と、バッテリ１０の充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量を算出する電圧変化量算出部１３と、第１の情報に基づいて端子電圧変化量に応じた健全度を算出する健全度算出部１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの健全度を推定する健全度推定装置及び健全度推定方法に関する。

従来、バッテリの劣化の程度（健全度）を推定する装置が知られている。例えば、特許文献１には、二次電池を定電流でパルス放電させて二次電池の内部抵抗値を算出し、得られた内部抵抗値を予め設定されたデータテーブルと比較して二次電池の劣化の程度を診断する装置が記載されている。

特開２０００−１２１７１０号公報

しかしながら、二次電池をパルス放電させる必要があるため、二次電池の電力を消費してしまう。例えば、二次電池を搭載する電気自動車等において、二次電池の劣化の程度を診断するために電力が消費されることは望ましいものでなかった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、バッテリを放電することなくバッテリの健全度を推定する健全度推定装置及び健全度推定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明に係るバッテリの健全度推定装置は、
バッテリの充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量と、健全度と、の関係を示す第１の情報を予め記憶する記憶部と、
バッテリの端子電圧を測定する端子電圧測定部と、
前記バッテリの充電終了直後の時点から前記所定時間が経過するまでの端子電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、
前記第１の情報に基づいて前記端子電圧変化量に応じた健全度を算出する健全度算出部と、を備える
ことを特徴とする。

また、第２の発明に係るバッテリの健全度推定装置において、
前記充電終了とは、定電流定電圧充電における満充電による終了である
ことを特徴とする。

また、第３の発明に係るバッテリの健全度推定装置において、
前記記憶部は、バッテリの端子電圧変化量を補正する温度補正係数と、バッテリの温度と、の関係を示す第２の情報を予め記憶しており、
前記健全度推定装置は、
前記バッテリの温度を測定する温度測定部と、
前記第２の情報に基づいて前記温度に応じた温度補正係数を算出する温度補正係数算出部と、
前記温度補正係数を用いて前記端子電圧変化量を補正する温度補正部と、を更に備え、
前記健全度算出部は、補正した端子電圧変化量に応じた健全度を算出する
ことを特徴とする。

また、第４の発明に係るバッテリの健全度推定方法は、
バッテリの充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量と、健全度と、の関係を示す情報を予め記憶部に記憶するステップと、
バッテリの端子電圧を測定するステップと、
前記バッテリの充電終了直後の時点から前記所定時間が経過するまでの端子電圧変化量を算出するステップと、
前記情報に基づいて前記端子電圧変化量に応じた健全度を算出するステップと、を含む
ことを特徴とする。

第１の発明に係るバッテリの健全度推定装置によれば、記憶部が記憶する情報に基づいて端子電圧変化量Δｖに応じたバッテリの健全度ＳＯＨを算出するため、充電後のバッテリを放電させることなくバッテリの健全度ＳＯＨを推定可能である。

また、第２の発明に係るバッテリの健全度推定装置によれば、満充電の際には電池の状態が安定しているため、充電終了後における端子電圧変動の再現性を向上し、健全度の推定精度を向上可能である。

また、第３の発明に係るバッテリの健全度推定装置によれば、バッテリの温度Ｔに応じて変動する端子電圧変化量Δｖの温度依存性を補正するため、バッテリの健全度の推定精度を向上可能である。

また、第４の発明に係るバッテリの健全度推定方法によれば、端子電圧変化量Δｖに基づいてバッテリの健全度ＳＯＨを決定するため、充電後のバッテリを放電させることなくバッテリの健全度ＳＯＨを推定可能である。

バッテリに接続した本発明の実施の形態１に係るバッテリの健全度推定装置の機能ブロックを示す図である。 健全度の異なるバッテリの端子電圧と時間との関係を示す図である。 端子電圧変化量と健全度との関係を示す図である。 図１の健全度推定装置の動作を示すフローチャートである。 バッテリに接続した本発明の実施の形態２に係るバッテリの健全度推定装置の機能ブロックを示す図である。 バッテリの温度と温度補正係数との関係を示す図である。 図５の健全度推定装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る健全度推定装置について説明する。図１は、実施の形態１に係る健全度推定装置の機能ブロック図である。

図１に示すように、バッテリ１０に接続した健全度推定装置１１は、端子電圧測定部１２と、電圧変化量算出部１３と、記憶部１４と、健全度算出部１５と、を備える。

バッテリ１０は、充電可能な二次電池であって、例えば定電流定電圧充電（ＣＣＣＶ充電）により充電される。定電流定電圧充電では、充電開始後に充電電流を一定の値に維持するように、除々に充電電圧を増加して充電を行う。充電が進行し、充電電圧が所定の電圧値（例えば、４．２Ｖ）に達すると、充電電圧を該所定値に維持するように、除々に充電電流を減少して充電を行う。そして、充電電流が所定の電流値以下となったときをバッテリの満充電と定めて、充電を終了する。バッテリ１０は、本実施の形態においてリチウム・イオン・バッテリであるものとして説明するが、他の種類のバッテリを用いてもよい。

端子電圧測定部１２は、例えば電圧センサであって、バッテリ１０の端子電圧を測定する。

電圧変化量算出部１３は、バッテリ１０の充電終了を検出する。また、電圧変化量算出部１３は、バッテリ１０の充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧の変化量を算出する。例えば、電圧変化量算出部１３は、バッテリ１０の充電が終了すると、充電終了直後の時刻ｔ_０における端子電圧ｖ_ｔ０を、電圧測定部から取得する。電圧変化量算出部１３は、時刻ｔ_０から、所定時間（例えば、５秒）経過した時刻ｔ_１における端子電圧ｖ_ｔ１を、電圧測定部から取得する。そして、電圧変化量算出部１３は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの端子電圧変化量Δｖ＝ｖ_ｔ０−ｖ_ｔ１を算出する。

ここで、図２を参照して、充電終了後のバッテリの端子電圧について説明する。図２は、時刻ｔ_０を基準時刻（０秒）と定めて、基準時刻からの時間経過によるバッテリの端子電圧の変化を示す。また、図２は、３つの異なる健全度ＳＯＨにおける同一のバッテリの端子電圧を示す。健全度ＳＯＨ（State of Health）は、設計容量ＤＣ（Design Capacity）と満充電容量ＦＣＣ（Full Charge Capacity）との比で定義され、バッテリの劣化の度合いを示す値である。健全度ＳＯＨは、値が１００％であるときにバッテリは劣化していないことを示し、健全度ＳＯＨの値が低いほど、バッテリの劣化が進んでいることを示す。

図２に示すように、バッテリの端子電圧は、充電終了後、例えば１，２秒間程度の比較的短時間において急激な変動により減少し（図２の符号Ａ参照）、その後緩やかな変動により除々に減少して（図２の符号Ｂ参照）、一定の電圧値に漸近するように変動する。

急激な変動による端子電圧の減少の程度は、バッテリの健全度ＳＯＨによって異なり、健全度ＳＯＨが大きいほど、即ちバッテリの劣化が少ないほど、端子電圧は大きく減少する。一方、緩やかな変動による端子電圧の減少は、健全度ＳＯＨの値によらず同程度である。したがって、時刻ｔ_０における端子電圧ｖ_ｔ０と、端子電圧が緩やかに変動している時刻ｔ_１における端子電圧ｖ_ｔ１との差、即ち時刻ｔ_０から所定時間（例えば、５秒）経過した時刻ｔ_１までの端子電圧変化量Δｖは、バッテリの健全度ＳＯＨに依存する（図３参照）。端子電圧変化量Δｖと健全度ＳＯＨとの対応関係は、実験又はシミュレーションにより算出可能である。

記憶部１４は（図１参照）、健全度データテーブル１６を予め記憶する。

健全度データテーブル１６は、実験又はシミュレーションにより算出した、バッテリの充電終了直後の時刻ｔ_０から所定時間（例えば、５秒）経過した時刻ｔ_１までの端子電圧変化量Δｖと、健全度ＳＯＨと、の関係を示す情報（第１の情報）を含むルックアップテーブルである。健全度データテーブル１６において、健全度ＳＯＨの値は、端子電圧変化量Δｖの値に対して一意に定まる。

健全度算出部１５は（図１参照）、記憶部１４が記憶する第１の情報に基づいて端子電圧変化量Δｖに応じたバッテリ１０の健全度ＳＯＨを算出する。詳細には、健全度算出部１５は、電圧変化量算出部１３が算出する端子電圧変化量Δｖに対応する健全度ＳＯＨを、記憶部１４が記憶する健全度データテーブル１６から抽出する。健全度算出部１５は、抽出した健全度ＳＯＨを、推定したバッテリ１０の健全度ＳＯＨとして出力する。

次に、図４を参照して、本実施の形態の健全度推定装置１１が実行する処理について説明する。当該処理は、電圧変化量算出部１３がバッテリ１０の充電終了を検出すると開始する。

はじめに、電圧変化量算出部１３は、バッテリ１０の充電終了直後の時点（時刻ｔ０）における端子電圧ｖ_ｔ０を、端子電圧測定部１２から取得する（ステップＳ１００）。

続いて、電圧変化量算出部１３は、時刻ｔ_０から所定時間（例えば、５秒）が経過するまで待機する（ステップＳ１０１）。

続いて、電圧変化量算出部１３は、時刻ｔ_０から所定時間が経過した時点（時刻ｔ_１）における端子電圧ｖ_ｔ１を、端子電圧測定部１２から取得する（ステップＳ１０２）。

続いて、電圧変化量算出部１３は、ステップＳ１００の端子電圧ｖ_ｔ０からステップＳ１０２の端子電圧ｖ_ｔ１を減算して、端子電圧変化量Δｖを算出する（ステップＳ１０３）。

そして、健全度算出部１５は、ステップＳ１０３の端子電圧変化量Δｖに対応する健全度ＳＯＨを、記憶部１４が記憶する健全度データテーブル１６から抽出する（ステップＳ１０４）。

このように、本実施の形態に係るバッテリの健全度推定装置１１によれば、記憶部１４が記憶する情報に基づいて端子電圧変化量Δｖに応じたバッテリの健全度ＳＯＨを算出するため、充電後のバッテリを放電させることなくバッテリの健全度ＳＯＨを推定可能である。また、バッテリの充電は頻繁に行われることが一般的であり、特別な操作を要することなく充電の度に健全度ＳＯＨを推定可能である。また、特別な追加の装置を要さないため、簡素な構成で健全度ＳＯＨを推定可能である。また、複数のセルを直列接続したバッテリの場合、健全度ＳＯＨを推定するために各セルの内部抵抗を推定する必要があった従来の一般技術と比較して、処理負担を低減可能である。

また、バッテリの健全度推定装置１１は、定電流定電圧充電における満充電による充電終了の直後を時刻ｔ_０と定めて、健全度の推定処理を開始する。定電流定電圧充電において充電が進行すると、定電圧充電による穏やかな充電に切替るため、満充電の際には電池の状態が安定している。このため、充電終了後における端子電圧変動の再現性を向上し、健全度の推定精度を向上可能である。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る健全度推定装置について説明する。図５は、実施の形態２に係る健全度推定装置の機能ブロック図である。以下、実施の形態１と同一の構成については同一の符号を付し、説明は省略する。実施の形態２に係る健全度推定装置１１０は、端子電圧測定部１２と、電圧変化量算出部１３と、記憶部１４０と、健全度算出部１５と、温度測定部１７０と、温度補正係数算出部１８０と、温度補正部１９０と、を備える。端子電圧測定部１２、電圧変化量算出部１３、及び健全度算出部１５は、実施の形態１と同様である。

記憶部１４０は、健全度データテーブル１６と、温度補正係数データテーブル２００と、を予め記憶する。健全度データテーブル１６は、実施の形態１の同様である。

温度補正係数データテーブル２００は、バッテリの端子電圧変化量Δｖを補正する温度補正係数ｃと、バッテリの温度Ｔと、の関係を示す情報（第２の情報）を含むルックアップテーブルである。温度補正係数ｃは、端子電圧変化量Δｖの温度依存性を補正するためのパラメータである。

一般に、バッテリの温度Ｔと、充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量Δｖと、は相関関係を有しており、バッテリの温度Ｔが低下すると端子電圧変化量Δｖは増加する。本実施の形態において、温度補正係数ｃは、基準温度における端子電圧変化量Δｖ_０に対する測定時のバッテリの温度Ｔにおける端子電圧変化量Δｖの割合である。基準温度は、健全度データテーブル１６生成時のバッテリの温度である。温度補正係数ｃとバッテリの温度Ｔとの関係は、例えば図６に示すように、基準温度（例えば、２５℃）における温度補正係数ｃの値が１に定められる。温度Ｔが基準温度よりも低い値となるにつれて温度補正係数ｃの値は増加し、特に−１０℃から−２０℃にかけて大きく増加する。一方、温度Ｔが基準温度よりも高い値となるにつれて温度補正係数ｃの値は低下する。

温度測定部１７０は（図５参照）、例えば温度センサであって、バッテリ１０の温度を測定する。

温度補正係数算出部１８０は、記憶部１４０が記憶する第２の情報に基づいてバッテリの温度Ｔに応じた温度補正係数ｃを算出する。詳細には、温度補正係数算出部１８０は、バッテリ１０の充電終了直後の時刻ｔ_０から所定時間（例えば、５秒）経過した時刻ｔ_１におけるバッテリ１０の温度Ｔを温度測定部１７０から取得して、温度Ｔに対応する温度補正係数ｃを、記憶部１４０が記憶する温度補正係数データテーブル２００から抽出する。

温度補正部１９０は、温度補正係数算出部１８０が算出した温度補正係数を用いて、電圧変化量算出部１３が算出した端子電圧変化量Δｖを補正する。例えば、温度補正部１９０は、端子電圧変化量Δｖを温度補正係数ｃで除算して、補正した端子電圧変化量Δｖ_０を算出する。換言すると、温度補正部１９０は、温度補正係数ｃを用いて、測定時のバッテリの温度Ｔにおける端子電圧変化量Δｖを基準温度における端子電圧変化量Δｖ_０に換算する。

次に、図７を参照して、本実施の形態の健全度推定装置１１０が実行する処理について説明する。当該処理は、電圧変化量算出部１３がバッテリ１０の充電終了を検出すると開始する。

はじめに、ステップＳ２００からステップＳ２０３において、実施の形態１のステップＳ１００からステップＳ１０３と同様の処理が行われる。

次に、温度補正係数算出部１８０は、バッテリ１０の充電終了直後の時点（時刻ｔ_０）から所定時間が経過した時点（時刻ｔ_１）におけるバッテリの温度Ｔを、温度測定部１７０から取得する（ステップＳ２０４）。

続いて、温度補正係数算出部１８０は、ステップＳ２０４において取得した温度Ｔに対応する温度補正係数ｃを、記憶部１４０が記憶する温度補正係数データテーブル２００から抽出する（ステップＳ２０５）。

次に、温度補正部１９０は、ステップＳ２０５において抽出した温度補正係数ｃを用いて、ステップＳ２０３において算出した端子電圧変化量Δｖを補正する（ステップＳ２０６）。例えば、温度補正部１９０は、端子電圧変化量Δｖを温度補正係数ｃで除算して、補正した端子電圧変化量Δｖ_０を算出する。

そして、健全度算出部１５は、ステップＳ２０６において補正した端子電圧変化量Δｖ_０に対応する健全度ＳＯＨを、記憶部１４０が記憶する健全度データテーブル１６から抽出する（ステップＳ２０７）。

このように、本実施の形態に係るバッテリの健全度推定装置１１０によれば、バッテリの温度Ｔに応じて変動する端子電圧変化量Δｖの温度依存性を補正するため、バッテリの健全度ＳＯＨの推定精度を向上可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

また、上述の実施の形態において、電圧変化量算出部１３は、時刻ｔ_０から所定時間が経過した時点（時刻ｔ_１）における端子電圧ｖ_ｔ１を端子電圧測定部１２から取得する構成について説明したが、端子電圧ｖ_ｔ１を算出する構成も可能である。例えば、電圧変化量算出部１３は、時刻ｔ_１の前後１秒の各時点におけるバッテリ１０の端子電圧を端子電圧測定部１２から取得して、これらの平均値を算出して端子電圧ｖ_ｔ１と定めてもよい。

また、上述の実施の形態において、記憶部１４，１４０が、端子電圧変化量Δｖと健全度ＳＯＨとの関係を示す情報（第１の情報）を含むルックアップテーブルを記憶する構成について説明したが、例えば図３に示す端子電圧変化量Δｖと健全度ＳＯＨとの関係を近似した数式を第１の情報として記憶する構成であってもよい。この場合、健全度算出部１５は、電圧変化量算出部１３又は温度補正部１９０から取得した端子電圧変化量Δｖ又はΔｖ０を当該近似式に代入して、健全度ＳＯＨを算出する。同様に、実施の形態２において、記憶部１４０が、温度補正係数ｃとバッテリの温度Ｔとの関係を示す情報（第２の情報）を含むルックアップテーブルを記憶する構成について説明したが、例えば図６に示す温度補正係数ｃと温度Ｔとの関係を近似した数式を第２の情報として記憶する構成であってもよい。この場合、温度補正係数算出部１８０は、温度測定部１７０から取得したバッテリ１０の温度Ｔを当該近似式に代入して、温度補正係数ｃを算出する。

また、上述の実施の形態において、定電流定電圧充電において満充電となった時点を充電終了と定めたが、他の時点を充電終了と定めてもよい。例えば、定電流充電から定電圧充電に切替った時点で充電を終了し、当該時点を時刻ｔ_０とする構成であってもよい。また、定電流定電圧充電以外の他の充電方法を採用してもよい。

また、上述の実施の形態において、充電直後の時刻ｔ_０から５秒経過した時点を時刻ｔ_１と定めたが、任意の時間が経過した時点を時刻ｔ_１と定めてもよい。例えば、充電直後の１，２秒間において端子電圧ｖは急激に変動するため（図２の符号Ａ参照）、バッテリの分極緩和が進行し端子電圧ｖが安定している充電後２秒以上経過した時点を時刻ｔ_１と定めてもよい。或いは、バッテリの特性又は使用状況に応じて、充電直後の１，２秒以内の時点を時刻ｔ_１と定めてもよい。

また、上述の実施の形態２において、記憶部１４０が健全度データテーブル１６及び温度補正係数データテーブル２００を記憶する構成について説明したが、例えば２つの記憶部が健全度データテーブル１６及び温度補正係数データテーブル２００をそれぞれ記憶する構成であってもよい。

１０ バッテリ
１１，１１０ 健全度推定装置
１２ 端子電圧測定部
１３ 電圧変化量算出部
１４，１４０ 記憶部
１５ 健全度算出部
１６ 健全度データテーブル
１７０ 温度測定部
１８０ 温度補正係数算出部
１９０ 温度補正部
２００ 温度補正係数データテーブル

Claims (4)

1. バッテリの充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量と、健全度と、の関係を示す第１の情報を予め記憶する記憶部と、
   バッテリの端子電圧を測定する端子電圧測定部と、
   前記バッテリの充電終了直後の時点から前記所定時間が経過するまでの端子電圧変化量を算出する電圧変化量算出部と、
   前記第１の情報に基づいて前記端子電圧変化量に応じた健全度を算出する健全度算出部と、
   を備えるバッテリの健全度推定装置。
2. 請求項１に記載の健全度推定装置であって、前記充電終了とは、定電流定電圧充電における満充電による終了である、健全度推定装置。
3. 請求項１又は２に記載の健全度推定装置であって、
   前記記憶部は、バッテリの端子電圧変化量を補正する温度補正係数と、バッテリの温度と、の関係を示す第２の情報を予め記憶しており、
   前記健全度推定装置は、
   前記バッテリの温度を測定する温度測定部と、
   前記第２の情報に基づいて前記温度に応じた温度補正係数を算出する温度補正係数算出部と、
   前記温度補正係数を用いて前記端子電圧変化量を補正する温度補正部と、を更に備え、
   前記健全度算出部は、補正した端子電圧変化量に応じた健全度を算出する、健全度推定装置。
4. バッテリの充電終了直後の時点から所定時間が経過するまでの端子電圧変化量と、健全度と、の関係を示す情報を予め記憶部に記憶するステップと、
   バッテリの端子電圧を測定するステップと、
   前記バッテリの充電終了直後の時点から前記所定時間が経過するまでの端子電圧変化量を算出するステップと、
   前記情報に基づいて前記端子電圧変化量に応じた健全度を算出するステップと、
   を含むバッテリの健全度推定方法。
   

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