JP2018132393A - 二次電池装置および二次電池のｓｏｃ算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い二次電池装置および二次電池のＳＯＣ算出方法を提供する。【解決手段】複数の二次電池セルを含む組電池と、組電池の充電電流および放電電流を検出する電流センサと、電流センサで検出された充電電流および放電電流の値を取得するとともに、複数の二次電池セルそれぞれの電圧を検出する電池監視回路と、複数の二次電池セルの開回路電圧とＳＯＣとの特性を記憶し、組電池の充電流又は放電中において、電池監視回路から取得した充電電流および放電電流の値を積算して組電池の現在のＳＯＣ値を算出し、複数の二次電池セルのいずれかの電圧を用いて開回路電圧とＳＯＣとの特性に基づくＣＣＶ＿ＳＯＣ値を算出し、組電池が充電中であり現在のＳＯＣ値がＣＣＶ＿ＳＯＣ値より大きいときに現在のＳＯＣ値を小さくし、組電池が放電中であり現在のＳＯＣ値がＣＣＶ＿ＳＯＣ値より小さいときに現在のＳＯＣ値を大きくする電池管理装置と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、二次電池装置および二次電池のＳＯＣ算出方法に関する。

二次電池を電源として用いる機器では、二次電池の残容量（ＳＯＣ：state of charge）を算出し、充電や放電の制御を行っている。二次電池のＳＯＣは、例えば、二次電池の充電電流および放電電流を積算することにより算出することができる。

また、二次電池のＳＯＣと、二次電池の開回路電圧（ＯＣＶ：open circuit voltage）とは対応していることが知られている。このことを利用して、二次電池が充電および放電を行っていない状態では、二次電池のＳＯＣ−ＯＣＶ特性を用いて、測定したＯＣＶからＳＯＣを算出することが可能である。

特開２０１３−２１３８０８号公報

しかしながら、電流積算により算出されるＳＯＣの値は、電流センサによる電流検出の精度やノイズなどの影響により、誤差を含む。長期間に渡って、電流積算によりＳＯＣを算出すると誤差が蓄積し、実際のＳＯＣ（ＯＣＶに対するＳＯＣ値）と算出した電流積算値によるＳＯＣ値とが乖離してしまうことがある。

より正確なＳＯＣを算出するために、二次電池が充放電を休止している期間にＯＣＶを測定し、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性により算出した値によりＳＯＣを補正するＯＣＶ補正により、電流積算による誤差を抑制することが可能である。しかしながら、例えば、携帯基地局向け電池システムなどの充放電の休止期間がないシステムの場合、ＯＣＶ補正を行うことが困難であるため電流積算法のみによりＳＯＣを算出することとなり、電流積算値と実際のＳＯＣ（ＳＯＣ−ＯＣＶ特性によるＳＯＣ値）との差を小さくすることが難しかった。

また、充放電中の二次電池の閉回路電圧（ＣＣＶ：close circuit voltage）と、電流値と、そのときの電池抵抗とのデータを用いて、ＳＯＣの推定値を演算する方法も提案されている。しかしながら、電池抵抗は二次電池の温度、残容量、充放電継続時間により変化するため、閉回路電圧と、電流値と、そのときの電池抵抗とのデータを用いて算出したＳＯＣの推定値の信頼性が低下する可能性があった。また、電池抵抗は二次電池の性能劣化でも変化するため、それぞれの条件でのデータ収集が必要となり、新たに搭載した二次電池に対して適用することが困難であった。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、信頼性の高い二次電池装置および二次電池のＳＯＣ算出方法を提供することを目的とする。

実施形態による二次電池装置は、複数の二次電池セルを含む組電池と、前記組電池の充電電流および放電電流を検出する電流センサと、前記電流センサで検出された充電電流および放電電流の値を取得するとともに、前記複数の二次電池セルそれぞれの電圧を検出する電池監視回路と、前記複数の二次電池セルの開回路電圧とＳＯＣとの特性を記憶し、前記組電池の充電流又は放電中において、前記電池監視回路から取得した充電電流および放電電流の値を積算して前記組電池の現在のＳＯＣ値を算出し、前記複数の二次電池セルのいずれかの電圧を用いて前記開回路電圧とＳＯＣとの特性により前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値を算出し、前記組電池が充電中であり、かつ、前記現在のＳＯＣ値が前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値より大きいときに前記現在のＳＯＣ値を小さくし、前記組電池が放電中であり、かつ、前記現在のＳＯＣ値が前記組電池の閉回路電圧に基づくＣＣＶ＿ＳＯＣ値より小さいときに前記現在のＳＯＣ値を大きくする電池管理装置と、を備える。

図１は、実施形態の二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、二次電池セルを充電および放電したときの実際のＳＯＣと、ＣＣＶに対応するＳＯＣとの一例を示す図である。 図３は、実施形態の二次電池のＳＯＣの算出方法の一例を説明するフローチャートである。

以下、実施形態の二次電池装置および二次電池のＳＯＣの算出方法について図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の二次電池装置は、組電池ＢＴと、電池監視回路（ＣＭＵ：Cell Monitoring Unit）１０と、電池管理装置（ＢＭＵ：Battery Management Unit）２０と、電流センサＳＣと、を備えている。

組電池ＢＴは、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎ（ｎは２以上の正の整数）を備えている。本実施形態では、二次電池セルＣ１〜Ｃｎは例えばリチウムイオン電池である。組電池ＢＴの正極端子は、切替器ＳＷを介して正側の主回路と電気的に接続する。組電池ＢＴの負極端子は、電流センサＳＣを介して負側の主回路と電気的に接続する。

電流センサＳＣは組電池ＢＴに流れる充電電流および放電電流を検出し、電池監視回路１０へ供給する。
電池監視回路１０は、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎ夫々の、正極端子電圧と負極端子電圧とを周期的に検出する。また、電池監視回路１０は、電流センサＳＣから組電池ＢＴの充電電流および放電電流を周期的に取得する。電池監視回路１０は、電池管理装置２０と通信可能に構成され、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの正極端子電圧および負極端子電圧と、充電電流および放電電流と、に相当する値を電池管理装置２０へ周期的に送信する。

なお、電池監視回路１０は、図示しない温度センサを備えてもよい。この場合、温度センサは、組電池ＢＴの温度を１又は複数の箇所において検出するように配置される。電池監視回路１０は取得した組電池ＢＴの温度を、電圧および電流と合わせて周期的に電池管理装置２０へ送信する。

電池管理装置２０は、例えば、１又は複数のプロセッサ（図示せず）と、メモリ（図示せず）と、を備えた演算装置である。メモリは、複数の二次電池セルＣ１〜ＣｎのＳＯＣ−ＯＣＶ特性を記憶している。電池管理装置２０は、電池監視回路１０から送信される電流および電圧の値を用いて、組電池ＢＴのＳＯＣ（若しくは複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの夫々のＳＯＣ）を演算する。電池管理装置２０は、図示しない上位制御装置と通信可能に構成され、演算したＳＯＣを上位制御装置へ通知するとともに、上位制御装置からの制御信号に従って切替器ＳＷを開閉可能である。

切替器ＳＷは導通状態と非導通状態とを電気的に切替え可能であり、例えば電磁接触器を用いることができる。
なお、図１に示す二次電池装置は組電池ＢＴと電池監視回路１０とをそれぞれ１つ有しているが、組電池ＢＴと電池監視回路１０とを合わせて電池モジュールとし、電池モジュールが複数の組電池ＢＴを備えていてもよく、二次電池装置が複数の電池モジュールを備えていても構わない。その場合には、電池管理装置２０は、複数の電池モジュール夫々から複数の二次電池セルの電圧と組電池の電流とを取得可能に構成される。例えば、複数の電池モジュールの電池監視回路のそれぞれと、電池管理装置２０とが通信可能に構成されてもよい。複数の電池監視回路間で通信可能に構成されている場合には、少なくとも１つの電池監視回路と電池管理装置２０とが通信可能に構成されていればよい。

以下に、上述の電池管理装置２０において、二次電池セルＣ１〜ＣｎのＳＯＣを算出する方法の一例について説明する。
図２は、二次電池セルを充電および放電したときの実際のＳＯＣと、ＣＣＶに対応するＳＯＣとの一例を示す図である。

図２には、二次電池セルＣ１〜Ｃｎと同じリチウムイオン電池の任意の二次電池セルについて、０．１Ｃ、０．５Ｃ、１Ｃにて充電した後に放電したときの、ＣＣＶに対するＳＯＣの例と、実際のＳＯＣ（ＯＣＶに対するＳＯＣ）との例を示している。なお、ＣＣＶに対するＳＯＣは、予め測定した二次電池セルＣ１〜ＣｎのＳＯＣ−ＯＣＶ特性においてＯＣＶに代えてＣＣＶを用いて算出した、閉回路電圧に基づくＳＯＣ値（以降、ＣＣＶ＿ＳＯＣ値と呼称する）である。

二次電池セルのＳＯＣが所定の値であるとき、二次電池セルを充電および放電している際に測定される閉回路電圧（ＣＣＶ）は、開回路電圧（ＯＣＶ）とは異なる値となる。しかしながら、二次電池セルを充電又は放電する際の電流が小さいとき（例えば１Ｃ以下の場合）は、ＣＣＶとＯＣＶとの差が小さく、ＣＣＶ＿ＳＯＣ値は、ＯＣＶを用いてＳＯＣ−ＯＣＶ特性を参照して取得される実際のＳＯＣ値から１０％未満の乖離となった。なお、充電から放電へ切替えた直後（若しくは放電から充電へ切替えた直後）は、ＳＯＣの変化が特に顕著であった。

図２によれば、二次電池セルを充電しているときには、ＣＣＶを用いて算出したＳＯＣの値は、実際のＳＯＣよりも大きくなっている。二次電池セルを放電しているときには、ＣＣＶを用いて算出したＳＯＣの値は、実際のＳＯＣよりも小さくなっている。また、図２によれば、ＣＣＶを用いて算出したＳＯＣの値と実際のＳＯＣとの差は、充放電電流が大きいほど大きくなっている。

本実施形態では、上記の特性を利用して、電流積算により算出される二次電池セルのＳＯＣ値が実際のＳＯＣと乖離することを抑制している。
図３は、実施形態の二次電池セルのＳＯＣの算出方法の一例を説明するフローチャートである。ここでは、組電池ＢＴを充電又は放電しているときの二次電池セルのＳＯＣの算出方法について説明する。

電池管理装置２０は、データの有効性をチェックする（ステップＳ１）。例えば、電池管理装置２０は、電池監視回路１０から取得した二次電池セルＣ１〜Ｃｎの正極端子電圧と負極端子電圧との値が無効な値（正常な範囲外の値）であるか否かを確認してもよい。また、電池監視回路１０から複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの正極端子電圧と負極端子電圧とを取得し、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を算出する。電池管理装置２０は、算出した複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎが、例えば二次電池セルの最大電圧を超えているか否か、二次電池セルの最小電圧未満であるか否かを判断する。

電池管理装置２０は、データが有効か否かを判断し（ステップＳ２）、有効でないと判断したときには、処理を終了する。
電池管理装置２０がデータは有効であると判断したときには、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧を比較して、例えば最も小さい電圧（ＣＣＶ）を用いてＳＯＣ−ＯＣＶ特性からＣＣＶ＿ＳＯＣ値を取得する（ステップＳ３）。ここで、最も小さい電圧（ＣＣＶ）とすると、ステップＳ３で得られるＣＣＶ＿ＳＯＣ値は全ての二次電池セルＣ１〜Ｃｎに対するＣＣＶ＿ＳＯＣ値の中の最小値となる。

例えばステップＳ３において最も小さい電圧（ＣＣＶ）を取得してＳＯＣ−ＯＣＶ特性からＣＣＶ＿ＳＯＣ値を取得し、最も電圧の小さいセルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値から組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ（＝セルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値×組電池ＢＴのセル数）を算出すると、組電池ＢＴが放電可能な容量の概略値を知ることができる。

なお、ステップＳ３において、電池管理装置２０は、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎを比較して、例えば最も大きい電圧（ＣＣＶ）を用いてＳＯＣ−ＯＣＶ特性からセルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値を取得してもよい。最も電圧の大きいセルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値から組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ（＝セルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値×組電池ＢＴのセル数）を算出すると、組電池ＢＴが充電可能な容量の概略値を知ることができる。

また、電池管理装置２０は、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧（ＣＣＶ）の平均値を用いて、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性からセルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値を取得してもよい。いずれの場合であっても、電池管理装置２０は、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの電圧（ＣＣＶ）からＳＯＣ−ＯＣＶ特性により二次電池セルＣ１〜ＣｎのＣＣＶ＿ＳＯＣを取得し、組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ（＝セルのＣＣＶ＿ＳＯＣ値×組電池ＢＴのセル数）を算出する。
また、電池管理装置２０は、組電池ＢＴの正極端子の電圧（ＣＣＶ）と負極端子との電圧（ＣＣＶ）とを用いて、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性から組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値を取得してもよい。

続いて、電池管理装置２０は、電池監視回路１０から取得した組電池ＢＴの電流値（充電電流又は放電電流）を加算することにより電流積算値を更新し、組電池ＢＴの現在のＳＯＣ値（電流積算値）を取得する（ステップＳ４）。
続いて、電池管理装置２０は、電池監視回路１０から取得した組電池ＢＴの電流値から、組電池ＢＴが充電中であるか放電中であるか判断する（ステップＳ５）。

組電池ＢＴが充電中であるときには、電池管理装置２０は、ステップＳ４にて電流積算により算出した現在のＳＯＣの値が、ステップ３で算出した組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ６）。
電池管理装置２０は、現在のＳＯＣの値が組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値以下であるときには、ステップＳ４で算出した現在のＳＯＣの値を修正せずにＳＯＣの算出処理を終了する。

電池管理装置２０は、現在のＳＯＣの値が組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値より大きいときには、ステップＳ４で算出した現在のＳＯＣの値を所定の値だけ小さくして（ステップＳ７）、その後、ＳＯＣの算出処理を終了する。ここで、現在のＳＯＣの値を小さくするときには、現在のＳＯＣの値から予め設定した値を減じてもよく、現在のＳＯＣの値に予め設定した１未満の係数を乗じてもよい。また、現在のＳＯＣの値が急激に変動することを回避するために、現在のＳＯＣの変動が、満充電時のＳＯＣの値を１００％として１０％未満（例えば最大２％程度）となることが望ましい。

組電池ＢＴが放電中であるときには、電池管理装置２０は、ステップＳ４にて電流積算により算出した現在のＳＯＣの値が組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値未満か否かを判断する（ステップＳ８）。
電池管理装置２０は、現在のＳＯＣの値が組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値以上であるときには、ステップＳ４で算出した現在のＳＯＣの値を修正せずにＳＯＣの算出処理を終了する。

電池管理装置２０は、現在のＳＯＣの値が組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値未満であるときには、ステップＳ４で算出した現在のＳＯＣの値を所定の値だけ大きくして（ステップＳ９）、その後、ＳＯＣの算出処理を終了する。ここで、現在のＳＯＣ値を大きくするときには、現在のＳＯＣの値から予め設定した値を加算してもよく、現在のＳＯＣに予め設定した１より大きい係数を乗じてもよい。また、現在のＳＯＣ値が急激に変動することを回避するために、現在のＳＯＣの変動が、満充電時のＳＯＣ値を１００％として１０％未満（例えば最大２％程度）となることが望ましい。

上記のように、電池管理装置２０が組電池ＢＴのＣＣＶ＿ＳＯＣ値に基づいて現在のＳＯＣを修正することにより、電流積算により算出した組電池ＢＴの現在のＳＯＣ値がＯＣＶに対するＳＯＣの値（実際のＳＯＣ値）から乖離することを抑制することができる。特に、組電池ＢＴの充電や放電が停止している期間が短い機器に搭載され、電流積算により算出した組電池ＢＴのＳＯＣ値を、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性により補正することが難しい状況であっても、電流積算によるＳＯＣの値の誤差が蓄積することを回避することができ、二次電池装置の信頼性を担保することができる。

また、電流積算により算出した組電池ＢＴのＳＯＣ値が急激に変化することを回避することができ、二次電池装置の信頼性を担保することができる。

さらに、上記のように組電池ＢＴのＳＯＣ値を算出すると、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの電池抵抗などのデータを用いる必要がないため、新たな二次電池セルＣ１〜Ｃｎを用いた場合であっても、二次電池装置の信頼性を担保することができる。

すなわち、本実施形態によれば、信頼性の高い二次電池装置および二次電池のＳＯＣ算出方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電池監視回路、２０…電池管理装置、ＢＴ…組電池、Ｃ１〜Ｃｎ…二次電池セル、ＳＣ…電流センサ、ＳＷ…切替器。

Claims (4)

1. 複数の二次電池セルを含む組電池と、
   前記組電池の充電電流および放電電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサで検出された充電電流および放電電流の値を取得するとともに、前記複数の二次電池セルそれぞれの電圧を検出する電池監視回路と、
   前記複数の二次電池セルの開回路電圧とＳＯＣとの特性を記憶し、前記組電池の充電中又は放電中において、前記電池監視回路から取得した充電電流および放電電流の値を積算して前記組電池の現在のＳＯＣ値を算出し、前記複数の二次電池セルのいずれかの電圧を用いて前記開回路電圧とＳＯＣとの特性により前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値を算出し、前記組電池が充電中であり、かつ、前記現在のＳＯＣ値が前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値より大きいときに前記現在のＳＯＣ値を小さくし、前記組電池が放電中であり、かつ、前記現在のＳＯＣ値が前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値より小さいときに前記現在のＳＯＣ値を大きくする電池管理装置と、を備えた二次電池装置。
2. 前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値は、前記複数の二次電池セルの閉回路電圧のうちの最も小さい値を用いて、前記開回路電圧とＳＯＣとの特性に基づいて算出された値である請求項１記載の二次電池装置。
3. 複数の二次電池セルを含む組電池が充電中又は放電中において、前記組電池の充電電流および放電電流の値を積算して前記組電池の現在のＳＯＣ値を算出し、
   前記複数の二次電池セルのいずれかの電圧を用いて、前記複数の二次電池セルの開回路電圧とＳＯＣとの特性により前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値を算出し、
   前記組電池が充電中であり、かつ、前記現在のＳＯＣ値が前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値より大きいときに、前記現在のＳＯＣ値を小さくし、
   前記組電池が放電中であり、かつ、前記現在のＳＯＣ値が前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値より小さいときに、前記現在のＳＯＣ値を大きくする、二次電池のＳＯＣ算出方法。
4. 前記複数の二次電池セルの電圧のうちの最も小さい値を用いて、前記開回路電圧とＳＯＣとの特性に基づいて前記組電池の閉回路電圧に基づくＳＯＣ値を算出する、請求項３記載の二次電池のＳＯＣ算出方法。