JP4668306B2

JP4668306B2 - 二次電池の寿命推定装置および二次電池の寿命推定方法

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Publication number: JP4668306B2
Application number: JP2008217948A
Authority: JP
Inventors: 明宏谷口; 琢磨飯田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP2009080104A; US20090070052A1; US8060323B2

Description

本発明は、二次電池を用いた機器の二次電池の寿命推定装置およびその寿命推定方法に関する。

近年、二次電池は、太陽電池や発電装置と組み合わされ、電源システムとして利用されることがある。発電装置は、風力や水力といった自然エネルギーや内燃機関等の人工的な動力によって駆動される。このような蓄電装置を組み合わせた電源システムは、余剰な電力を蓄電装置に蓄積し、負荷装置が必要な時に蓄電装置から電力を供給することによって、エネルギー効率の向上を図っている。

このようなシステムの一例としては、太陽光発電システムが挙げられる。太陽光発電システムは、太陽光による発電量が、負荷装置の電力消費量に比べて、大きい場合には、余剰電力で蓄電装置に充電を行う。逆に、発電量が負荷装置の消費電力より小さい場合には、不足の電力を補うために蓄電装置から出力して、負荷装置を駆動する。

このように、太陽光発電システムにおいては、従来利用されていなかった余剰電力を蓄電装置に蓄積できるため、従来の電源システムに比べて、エネルギー効率を高めることができる。

このように、太陽光発電システムにおいては、余剰電力を効率良く蓄電装置に充電するため、蓄電装置の充電状態（以下、ＳＯＣ：ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）が１００％とならないようにも制御が行われている。また、必要な時に負荷装置を駆動できるように、ＳＯＣが０（ゼロ）とならないようにも制御が行われている。具体的には、通常、蓄電装置においては、ＳＯＣが２０％〜８０％の範囲で推移するように制御が行われている。

また、エンジンとモータを用いたハイブリット自動車（ＨＥＶ；ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）もこのような原理を利用している。ＨＥＶは、走行に必要な動力に対してエンジンからの出力が大きい場合には、余剰の電力で発電機を駆動し、蓄電装置を充電する。また、ＨＥＶは、車両の制動や減速時には、モータを発電機として利用することによって蓄電装置を充電する。

さらに、夜間電力の有効活用をした負荷平準化電源やプラグインハイブリット車も最近注目されている。

負荷平準化電源は、電力消費が少なく、電力料金が安い夜間に蓄電装置に電力を貯蔵し、電力消費がピークとなる日中に、貯蔵した電力を活用するシステムである。電力の消費量を平滑化することにより、電力の発電量を一定にし、電力設備の効率的運用や設備投資の削減に貢献することを目的としている。

また、プラグインハイブリット車は夜間電力を活用し、燃費が悪い市街地走行時には蓄電装置から電力を供給するＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）走行を主体とし、長距離走行時には、エンジンとモータを活用したＨＥＶ走行を行うことにより、トータルのＣＯ_２の排出量を削減することができる。

ところで、蓄電素子は使用するにつれて劣化し、容量が減少し、インピーダンスが増大する。容量が基準値以下に、インピーダンスが基準値以上に達したら、その蓄電素子は交換しなければならない。もし基準値を超えて劣化した蓄電素子をそのまま使用していると、例えば、非常用のバックアップ電源ではトラブルを引き起こしかねないので、使用している蓄電素子の容量やインピーダンスを常に把握していることが必要となる。

しかし、蓄電素子の容量を正確に測定しようとすれば、通常、長い時間を必要とする。例えば、小型のニッケル水素蓄電池では、セルの端子電圧を１．０Ｖまで放電させた後、０．１Ｃ（ｍＡ）で１６時間充電する。そして、１時間、充放電を休止した後、０．２Ｃ（ｍＡ）でセルの端子電圧を１．０Ｖまで放電させて、そのとき取り出された放電容量を実容量とする。ここで、１Ｃ（＝１Ｉｔ）は、二次電池の公称容量値を定電流で放電して、１時間で二次電池の残容量がゼロとなる電流値である。

そのため容量の測定には約１日を要することになる。しかも電池は容量の測定中は、本来の目的には使えないのであるから、あまり頻繁に容量を実測することは好ましくない。また、特に大型の電池で放電させるために専用の擬似負荷を設けた場合、大電流対応の負荷が必要となり、コストの上昇をもたらすことになる。

この問題を解決するため、より短時間に二次電池の容量を推定する方法が考案されてきた。例えば、電池の放電容量を実測することなく、ニッケル水素電池の容量を短時間に精度よく推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案によれば、ニッケル水素電池を充電した後、充電終了時から一定時間後の電圧変化と容量との相関から、電池の容量を推定することができると述べられている。

また、鉛蓄電池の寿命を推定する目的で、内部インピーダンスを用いた容量推定法が実用化され、推定容量の時間変化を外挿して寿命を予測する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００５−２３５４２０号公報「辻川知伸、本図有、中村邦夫：ＮＴＴＲ＆Ｄ、第５０巻、第８号、第５６９頁（２００１）」

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、満充電直後と満充電になってから一定時間経過したときとで二回電池電圧を測定する必要があり、電池電圧の測定処理が増大する。

特に、電気自動車のように、例えば２８８Ｖ〜６００Ｖといった高電圧が必要となる用途では、例えば１個１．２Ｖセルを複数、例えば２４０個〜５００個直列接続して二次電池モジュールを構成する。このような二次電池モジュールの出力電圧は、高電圧であるため、耐電圧の低い電圧検出回路では二次電池モジュールの出力電圧全体を１度に測定することが困難である。そのため、複数回に分けて、例えばセル毎の端子電圧を測定することになる。そうすると、例えば直列セル数が５００個の場合に二回電池電圧を測定しようとすると、１０００回電池電圧の測定を行う必要が生じるため、影響が大きい。

また、非特許文献１に記載の発明でも、電池の内部抵抗を計算する必要があり、計算処理が煩雑であるという課題を有していた。

そこで、本発明の目的は、簡易に二次電池の寿命を推定することができる二次電池の寿命推定装置および寿命推定方法を提供することである。

本発明に係る二次電池の寿命推定装置は、測定対象の二次電池の端子電圧を測定する電圧測定部と、劣化していない二次電池が満充電になった後放電する前における、当該劣化していない二次電池の端子電圧Ｖ０を予め記憶する第１メモリと、前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前における当該測定対象の二次電池の端子電圧Ｖと前記端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶと、当該測定対象の二次電池における残寿命とを対応付けたルックアップテーブルである寿命推定データマップを予め記憶する第２メモリと、前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前において前記電圧測定部によって測定された端子電圧Ｖと前記第１メモリに記憶されている端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶを用いて前記第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから前記測定対象の二次電池の残寿命を充放電サイクル数として推定するＣＰＵとを備える。

また、本発明に係る二次電池の寿命推定方法は、電圧測定部が、測定対象の二次電池の端子電圧を測定するステップと、第１メモリが、劣化していない二次電池が満充電になった後放電する前における、当該劣化していない二次電池の端子電圧Ｖ０を予め記憶するステップと、第２メモリが、前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前における当該測定対象の二次電池の端子電圧Ｖと前記端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶと、当該測定対象の二次電池における残寿命とを対応付けたルックアップテーブルである寿命推定データマップを予め記憶するステップと、ＣＰＵが、前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前において前記電圧測定部によって測定された端子電圧Ｖと前記第１メモリに記憶されている端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶを用いて前記第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから前記測定対象の二次電池の残寿命を充放電サイクル数として推定するステップとを含む。

この構成によれば、ＣＰＵが、測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前において電圧測定部によって測定された端子電圧Ｖと第１メモリに記憶されている端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶを用いて第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから測定対象の二次電池の残寿命を充放電サイクル数として推定することができるので、背景技術のように二回電池電圧を測定する技術と比べて簡易に二次電池の寿命を推定することができる。

また、前記ＣＰＵは、前記測定対象の二次電池が満充電になった後、当該二次電池の端子電圧が安定する時間として予め設定された時間が経過したときであって、かつ放電する前に前記電圧測定部によって前記端子電圧Ｖを測定させることが好ましい。

この構成によれば、測定対象の二次電池が満充電になった後、端子電圧が安定してから電圧測定部によって前記端子電圧Ｖが測定されるので、端子電圧Ｖの測定精度が向上する結果、寿命の推定精度を向上することができる。

また、前記測定対象の二次電池の温度を測定する温度測定部をさらに備え、前記寿命推定データマップは、前記電圧差ｄＶと前記測定対象の二次電池の温度とを、当該測定対象の二次電池における残寿命と対応付けるルックアップテーブルであり、前記ＣＰＵは、前記第２メモリに記憶された推定データマップにおいて、前記算出された電圧差ｄＶ、及び前記温度測定部によって測定された温度と対応付けられた前記残寿命を取得することにより、当該測定対象の二次電池の残寿命を推定することが好ましい。

この構成によれば、電圧差ｄＶと二次電池の温度とに基づいて測定対象の二次電池の残寿命が推定されるので、電圧差ｄＶのみに基づいて二次電池の残寿命を推定する場合よりも、温度が端子電圧に与える影響が低減される結果、寿命の推定精度を向上することが可能となる。

また、前記寿命推定データマップは、前記電圧差ｄＶが大きいほど短い残寿命を示すルックアップテーブルであることが好ましい。

二次電池は、劣化が進むほど電圧差ｄＶが大きくなるので、電圧差ｄＶが大きいほど短い残寿命を示すルックアップテーブルは、寿命推定データマップとして好適である。

また、前記寿命推定データマップは、前記電圧差ｄＶが大きいほど短く、かつ前記測定対象の二次電池の温度と所定の基準温度との差が大きくなるほど長い残寿命を示すルックアップテーブルであることが好ましい。

このような寿命推定データマップは、温度が低下すると内部抵抗が増大して電圧差ｄＶが見かけ上増大する特性と、温度が上昇すると電池の自己放電が増大して電圧差ｄＶが見かけ上増大する特性とを有する二次電池の寿命を推定する場合に、電池の温度に対する内部抵抗及び自己放電の変化が電圧差ｄＶに与える影響を低減することができる結果、残寿命の算出精度を向上することができる。

また、前記二次電池は、ニッケル水素二次電池であることが好ましい。

ニッケル水素二次電池は、温度が低下すると内部抵抗が増大して電圧差ｄＶが見かけ上増大する特性と、温度が上昇すると電池の自己放電が増大して電圧差ｄＶが見かけ上増大する特性とを有しているので、上述の寿命推定データマップが適している。

また、前記二次電池は、複数の素電池から構成される電池ブロックであることが好ましい。

この構成によれば、複数の素電池から構成される電池ブロックが、前記二次電池として用いられる。

また、前記二次電池が複数組み合わされて二次電池モジュールが構成され、前記電圧測定部は、前記複数の二次電池の端子電圧をそれぞれ測定し、前記ＣＰＵは、前記複数の二次電池の残寿命をそれぞれ推定し、当該推定された各残寿命のうち最短のものを前記二次電池モジュールの寿命として推定することが好ましい。

この構成によれば、複数の素電池から構成される電池ブロックである二次電池が、さらに複数組み合わされて二次電池モジュールが構成される。そして、このような二次電池モジュールの寿命を推定する際に、端子電圧の測定は、電池ブロック毎に行われるので、素電池毎に端子電圧を測定する場合と比べて端子電圧の測定回数を減少させることができる。

また、予め設定された第１の電流値の充電電流を当該二次電池に供給して充電し、前記電圧測定部により測定される前記二次電池の端子電圧が満充電電圧になると当該二次電池の充電電流を前記第１の電流値より小さい第２の電流値に減少させて充電し、前記電圧測定部により測定される前記二次電池の端子電圧が再び満充電電圧になると、さらに当該二次電池の充電電流を前記第２の電流値より小さい第３の電流値に減少させて予め設定された充電設定時間充電することにより、当該二次電池を満充電にする充放電制御装置をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、充電電流を徐々に減少させながら、最後に最も微少の電流値での充電を予め設定された充電設定時間だけ継続することで、二次電池の内部抵抗で生じる電圧降下の影響を低減して精度よく二次電池を満充電にすることが可能となる。

このような構成の二次電池の寿命推定装置および二次電池の寿命推定方法は、ＣＰＵが、測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前において電圧測定部によって測定された端子電圧Ｖと第１メモリに記憶されている端子電圧Ｖ_０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶを用いて第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから測定対象の二次電池の残寿命を推定することができるので、背景技術のように二回電池電圧を測定する技術と比べて簡易に二次電池の寿命を推定することができる。

本発明者らは、寿命推定装置を、測定対象の二次電池または二次電池モジュールの電圧を測定する電圧測定部と、測定対象の二次電池または二次電池モジュールの温度を測定する温度測定部と、メモリを備えたＣＰＵとからなり、前記メモリには前記二次電池または二次電池モジュールの未劣化品の放電開始前の電圧Ｖ０と寿命推定データマップとが記憶されており、前記ＣＰＵは前記電圧測定部で測定した放電開始前の電圧Ｖと未劣化品の電圧Ｖ０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶと前記温度測定部からの温度情報を用いて前記寿命推定データマップにより残寿命の推定を行う構成とすると、満充電後の電圧を１点だけ測定することにより簡易に二次電池の寿命を推定することができることを見出したものである。以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における二次電池の寿命推定装置を含む電源システムのブロック図である。図１において、電源システム１００は、制御部８と二次電池モジュール１０、統合制御ＥＣＵ７、発電装置２０、充放電制御装置４０、負荷装置３０から構成される。二次電池モジュール１０は、充放電制御装置４０を介して負荷装置３０に電力を供給する。

発電装置２０が出力した電力のうち負荷装置３０に対して余剰となる分が、充放電制御装置４０を介して二次電池モジュール１０に入力され、これによって二次電池モジュール１０の充電が行われる。また、負荷装置３０の消費電流が急激に増大したり、または、発電装置２０の発電量が低下し、負荷装置３０が要求する電力が発電装置２０の出力を超えたりすると、二次電池モジュール１０から不足の電力が充放電制御装置４０を介して負荷装置３０に供給される。

発電装置２０としては、具体的には、太陽光発電装置（太陽電池）などの自然エネルギーを活用した発電装置やエンジンを動力源とする発電機などが挙げられる。

この電源システム１００の通常の使われ方は、二次電池モジュール１０のＳＯＣが２０〜８０％程度の範囲になるように制御が行われている。

また夜間電力の有効活用をした負荷平準化電源やプラグインハイブリット車などでは、二次電池モジュール１０がＳＯＣ１００％の状態まで充電され、負荷装置３０でエネルギーが必要な時に放電されるようになっている。

電源システム１は、制御部８と二次電池モジュール１０とを備える。二次電池モジュール１０は、直列に接続された少なくとも一個または複数個の二次電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮから構成される。二次電池ブロックＢ１〜ＢＮは、図略のボックスに収納されている。二次電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮはそれぞれ直列に接続された少なくとも一個または複数個の二次電池１１から構成される。すなわち、二次電池モジュール１０は一個または複数個接続された二次電池１１から構成される。

二次電池１１としては、ニッケル水素電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン電池、鉛蓄電池などを用いることができる。この場合、二次電池１１、二次電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮ、及び二次電池モジュール１０が、それぞれ請求項における二次電池の一例に相当している。

二次電池モジュール１０には、二次電池モジュール１０の温度を検出する温度センサ１２が取り付けられている。なお、以下の説明において、電池ブロックＢ１，Ｂ２，・・・，ＢＮを総称する場合には添え字を省略して電池ブロックＢと記載し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

制御部８は、電圧測定部２、温度測定部３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４、メモリ４１（第１及び第２メモリ）、タイマ回路４２、及び通信部６を備える。

電圧測定部２は、複数の二次電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮのそれぞれの端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮを測定する。温度測定部３は、温度センサ１２を用いて二次電池モジュール１０の温度を測定する。ＣＰＵ４は電圧測定部２から出力される端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮの電圧値と、温度測定部３から出力される二次電池モジュール１０の温度値とに基づいてデータの記憶、演算を行うことで、二次電池モジュール１０の残寿命を推定する。

メモリ４１は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）やＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）等の不揮発性の記憶素子を用いて構成されている。メモリ４１には、劣化していない未劣化二次電池（二次電池ブロックＢ１、Ｂ２、・・・、ＢＮ）が満充電になった後放電する前における、当該劣化していない二次電池の端子電圧が、放電開始前電圧Ｖ_０として予め記憶されている。

メモリ４１には、寿命推定を行う際に必要となるルックアップテーブルである寿命推定データマップが記憶されている。通信部６は、統合制御ＥＣＵ（上位システム）７に、電圧、温度などの測定値や電流センサなどの故障情報を送信し、統合制御ＥＣＵ（上位システム）７では、送信データに基づいてシステム全体の制御を行う。本発明に係る寿命推定装置は、電圧測定部２、温度測定部３、メモリ４１、及びＣＰＵ４からなり、さらに充放電制御装置４０を備えて構成されていてもよい。

統合制御ＥＣＵ（上位システム）７と通信部６との通信手段は、ＣＡＮ（登録商標）（Controller Area Network）およびＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）であってもよく、無線などであってもよい。

以下、寿命推定装置の各部について説明する。電圧測定部２は、例えば、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮのうちいずれか一つを選択する図略の切換回路や、切換回路で選択された電圧をデジタル値に変換してＣＰＵ４へ出力するアナログデジタルコンバータ等を用いて構成されている。電圧測定部２は、端子電圧Ｖ１〜ＶＮの電圧値を示す電圧データを生成し、これをＣＰＵ４に出力している。電圧測定部２によるＣＰＵ４への電圧データの出力は、予め設定された周期で行われている。

温度測定部３は、例えば温度センサ１２の出力電圧をデジタル値に変換してＣＰＵ４へ出力するアナログデジタルコンバータ等を用いて構成されている。温度センサ１２及び温度測定部３は、複数の二次電池１１の温度や二次電池ブロックＢ１，Ｂ２，・・・，ＢＮの温度をそれぞれ測定する構成であってもよく、二次電池モジュール１０全体の温度を測定する構成であってもよい。温度測定部３は、温度データをデジタル信号化し、予め設定された周期でＣＰＵ４へ出力する。

次に寿命推定の方法について説明する。まず、電圧測定部２では、二次電池モジュール１０が満充電になってから所定時間経過後の各二次電池ブロックＢ１，Ｂ２，・・・，ＢＮの端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮを測定し、その端子電圧を示す電圧データをＣＰＵ４に送信する。ＣＰＵ４は、前記所定時間経過後の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮと新品電池（劣化していない二次電池ブロック）における満充電になってから所定時間経過後の端子電圧である放電開始前電圧Ｖ_０との差である電圧差ｄＶを演算する。

そして、温度測定部３では、各二次電池の温度、例えば二次電池ブロックＢ１，Ｂ２，・・・，ＢＮの温度Ｔを測定し、その温度データをＣＰＵ４に送信する。ＣＰＵ４では、図２に示すｄＶと温度の関係からなる寿命推定データマップを参照し、二次電池の寿命、例えば二次電池モジュール１０の寿命を出力する。

図２は、メモリ４１に記憶されている寿命推定データマップの一例を示す説明図である。図２に示す寿命推定データマップは、縦軸が電圧差ｄＶ（ｍＶ）、横軸が電池温度Ｔ（℃）を示しており、電圧差ｄＶと温度Ｔとを、残寿命係数Ｋと対応付けている。残寿命係数Ｋは、値が小さいほど残寿命が短いことを示している。

そして、二次電池ブロックＢ１，Ｂ２，・・・，ＢＮの残寿命は、下記の式（１）に基づき算出される。

残寿命（年）＝Ｋ×新品寿命（年）・・・（１）
ここで、新品寿命とは、新品の劣化していない二次電池ブロックを、予め設定された温度環境において、予め設定された充放電条件で使用した場合に、容量やインピーダンスが予め設定された基準を満たさなくなる期間である。なお、残寿命を期間で示す例を示したが、例えば充放電サイクル数等、別の指標によって残寿命を表すようにしてもよい。

図２は、ニッケル水素二次電池の場合の例を示しており、残寿命係数Ｋは、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ＞Ｆの関係を有する記号で示されている。図２に示すように、寿命推定データマップは、２０℃を基準温度とした場合に、電圧差ｄＶが大きいほど残寿命係数Ｋが小さく（残寿命が短く）、かつ電池温度Ｔと基準温度２０℃との差が大きくなるほど残寿命係数Ｋが大きい（残寿命が長い）ルックアップテーブルである。

ここで、ニッケル水素二次電池の電圧差ｄＶは、電池温度Ｔが低下すると内部抵抗が増大して電圧差ｄＶが見かけ上増大する特性と、電池温度Ｔが上昇すると電池の自己放電が増大して電圧差ｄＶが見かけ上増大する特性とを有している。そのため、電池温度Ｔに対する内部抵抗の影響と、電池温度Ｔに対する自己放電の影響とがバランスして電圧差ｄＶが最小になる電池温度Ｔが存在し、このような電池温度Ｔが上記基準温度Ｔとして予め設定されている。

そして、図２に示す寿命推定データマップは、電圧差ｄＶが大きいほど残寿命係数Ｋが小さく（残寿命が短く）、かつ電池温度Ｔと基準温度２０℃との差が大きくなるほど残寿命係数Ｋが大きくなる（残寿命が長い）ように残寿命係数Ｋを設定することで、電池温度Ｔに対する内部抵抗及び自己放電の変化が電圧差ｄＶに与える影響を低減することができる結果、残寿命係数Ｋの算出精度を向上することができる。

次に、本発明の実施の形態における二次電池１１の寿命推定方法について、主に二次電池を満充電する際の動作について説明する。

ステップ１：まず、二次電池を満充電になるまで充電する。具体的には、ＣＰＵ４は、充放電制御装置４０によって、予め設定された第１の電流値の充電電流を二次電池モジュール１０に供給させて各二次電池１１を充電させる。そして、電圧測定部２によって測定された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮのうち、少なくとも１つが二次電池ブロックＢの満充電電圧になると、ＣＰＵ４は、充放電制御装置４０によって、二次電池モジュール１０の充電電流を第１の電流値より小さい第２の電流値に減少させて充電させる。

二次電池に充電電流が流れると、二次電池の端子電圧は、二次電池のＯＣＶ（Open circuit voltage）に内部抵抗で生じた電圧降下が加算された値になる。従って、充電電流が第１の電流値のときに端子電圧が満充電電圧になっても、まだＯＣＶは満充電電圧になっておらず、二次電池ブロックＢも満充電になっていない。そこで、充電電流を第２の電流値に減少させると、内部抵抗で生じる電圧降下が減少して二次電池ブロックＢの端子電圧が満充電電圧を下回る。

次に、電圧測定部２によって測定された端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮのうち、少なくとも１つが再び二次電池ブロックＢの満充電電圧になると、ＣＰＵ４は、充放電制御装置４０によって、二次電池モジュール１０の充電電流を第２の電流値より小さい第３の電流値に減少させてトリクル充電させる。そして、ＣＰＵ４は、タイマ回路４２によってトリクル充電の継続時間を計時させ、トリクル充電が予め設定された充電設定時間だけ継続すると、充放電制御装置４０によって、充電電流をゼロにさせて充電を終了させる。

このように、充電電流を徐々に減少させながら、最後に微少電流値のトリクル充電を予め設定された充電設定時間だけ継続することで、二次電池の内部抵抗で生じる電圧降下の影響を低減して精度よく二次電池モジュール１０を満充電にすることが可能となる。

ステップ２：電圧測定部２は、トリクル充電が充電してから所定時間経過後の二次電池の端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮを測定し、その電圧データをＣＰＵ４に送信する。

ステップ３：温度測定部３は、二次電池の温度Ｔを測定し、その温度データをＣＰＵ４に送信する。

ステップ４：ＣＰＵ４では、電圧差ｄＶと温度Ｔとの関係からなる寿命推定データマップを参照し、二次電池の寿命を出力する。

本実施の形態における二次電池の寿命推定方法は、図１に示した本実施の形態における制御ＣＰＵ４を動作させることによって実施される。よって、以下においては、適宜図１を参照しながら、図１に示す制御部８の動作、特に上述のステップ２〜４の動作について、詳述する。

ステップ５：まず、上述のステップ１によって、二次電池の充電を開始する。

ステップ６：ＣＰＵ４は、電圧測定部２を用いて、各ブロック電圧の測定を開始する。それと同時にタイマーをスタートさせる。

ステップ７：ＣＰＵ４は、まず二次電池ブロックＢ１から電圧検査を開始し、二次電池ブロックＢＮまで、順次端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮを取得する。

ステップ８：ＣＰＵ４は、各二次電池の充電信号がＯＮしているか判定する。

ステップ９：ＣＰＵ４は、充電信号がＯＮの場合、ステップ１に記載したように、満充電かどうか判定する。

ステップ１０：ＣＰＵ４は、ステップ１に記載したように、トリクル充電において満充電に達したら、充電信号をＯＦＦして充放電制御装置４０によるトリクル充電を終了させる。

ステップ１１：ＣＰＵ４は、上述のステップ２において、トリクル充電を終了したとき、すなわち二次電池モジュール１０が満充電になったときからの経過時間を、タイマ回路４２によって計時させる。そして、電圧測定部２は、タイマ回路４２により計時された経過時間が二次電池ブロックＢの端子電圧が安定する時間として予め設定された時間ｔｓ以上になると、ＣＰＵ４からの指示に応じて、端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮを測定し、その電圧データをＣＰＵ４へ送信する。所定時間後であれば電圧測定の時間ｔｓは特に限定しない。

ステップ１２：ＣＰＵ４は、未劣化電池の満充電後所定時間後の電圧Ｖ_０との差ｄＶを算出する。具体的には、ＣＰＵ４は、ステップ１１で得られた端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮから、放電開始前電圧Ｖ_０を減算することで、二次電池ブロックＢ１，Ｂ２，・・・，ＢＮにそれぞれ対応する電圧差ｄＶを算出する。

ステップ１３：温度測定部３は、ＣＰＵ４からの指示に応じて二次電池モジュール１０の温度Ｔを測定し、その測定データをＣＰＵ４に送信する。

ステップ１４：ＣＰＵ４は、メモリ４１に記憶されている推定データマップにおいて、ステップ１２で算出された各二次電池ブロックＢの電圧差ｄＶ及びステップ１３で得られた温度Ｔと、対応付けられた残寿命係数Ｋを取得する。そして、ＣＰＵ４は、このようにして得られた各二次電池ブロックＢの残寿命係数Ｋを、上述の式（１）に代入することにより、各二次電池ブロックＢの残寿命を推定する。さらにＣＰＵ４は、このようにして推定された各二次電池ブロックＢの残寿命のうち最短のものを二次電池モジュール１０の寿命として推定する。

以上、ステップ１〜１４によれば、ステップ１１において二次電池モジュール１０が満充電になってから時間ｔｓ経過したときの端子電圧Ｖ１，Ｖ２，・・・，ＶＮを、１回測定するだけで、二次電池モジュール１０の寿命を推定することができるので、背景技術のように二回電池電圧を測定する技術と比べて簡易に二次電池の寿命を推定することができる。

充電終了後の所定時間ｔｓは、３０分以上とすることが望ましい。二次電池の電圧は充電終了後３０分程度たつと安定するためである。

なお、本実施の形態においては、制御部８の構成は上記に限定されるものではなく、同等の機能を有するものであれば構わない。また、図２に示すように、温度Ｔの変化に伴う残寿命係数Ｋの変化は、電圧差ｄＶと比べて小さい。従って、電圧差ｄＶのみに基づいて残寿命を推定するようにしてもよい。しかしながら、電圧差ｄＶと温度Ｔとに基づいて残寿命を推定することで、残寿命の推定精度が向上する。

また、本発明において、電池電圧検出のステップと電池温度検出のステップは逆でも良く、また同時であっても構わない。

例えば、本実施の形態における制御部８は、ＣＰＵ４に図１に示す各種処理を具現化させるプログラムをインストールし、このプログラムを実行することによって実現することができる。この場合、マイクロコンピュータのＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ）が演算部として機能する。また、電圧センサの接続回路とＣＰＵ４とが電圧測定部として機能してもよく、ＣＰＵ４が備える各種メモリが記憶部（メモリ）として機能してもよい。

更に、充放電制御装置４０が、制御部８としても機能する態様が考えられる。この態様においては、本実施の形態における制御部８は、充放電制御装置４０を構成するマイクロコンピュータに、図１に示す各種処理を具現化させるプログラムをインストールし、このプログラムを実行することによって、実現することができる。

また、二次電池の寿命推定は、制御部８が実行する例に限定するものでなく、制御部８から二次電池情報を得て充放電制御装置４０、負荷装置３０で行ってもよく、その他であっても問題ない。

本発明に係る二次電池の寿命推定装置および寿命推定方法は、電源システムの太陽電池や発電装置と組み合わされた二次電池の残寿命を推定するために有用である。

本発明の一実施形態に係るシステムの概略構成図である。本発明の一実施形態に係る寿命推定データマップの概略図である。

符号の説明

１，１００電源システム
２電圧測定部
３温度測定部
４ＣＰＵ
６通信部
７統合制御ＥＣＵ（上位システム）
８制御部
１０二次電池モジュール
１１二次電池
１２温度センサ
２０発電装置
３０負荷装置
４０充放電制御装置
４１メモリ
４２タイマ回路
Ｂ１，Ｂ２，・・・，ＢＮ二次電池ブロック

Claims

測定対象の二次電池の端子電圧を測定する電圧測定部と、
劣化していない二次電池が満充電になった後放電する前における、当該劣化していない二次電池の端子電圧Ｖ０を予め記憶する第１メモリと、
前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前における当該測定対象の二次電池の端子電圧Ｖと前記端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶと、当該測定対象の二次電池における残寿命とを対応付けたルックアップテーブルである寿命推定データマップを予め記憶する第２メモリと、
前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前において前記電圧測定部によって測定された端子電圧Ｖと前記第１メモリに記憶されている端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶを用いて前記第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから前記測定対象の二次電池の残寿命を充放電サイクル数として推定するＣＰＵと
を備えることを特徴とする二次電池の寿命推定装置。
前記ＣＰＵは、
前記測定対象の二次電池が満充電になった後、当該二次電池の端子電圧が安定する時間として予め設定された時間が経過したときであって、かつ放電する前に前記電圧測定部によって前記端子電圧Ｖを測定させること
を特徴とする請求項１記載の二次電池の寿命推定装置。
前記測定対象の二次電池の温度を測定する温度測定部をさらに備え、
前記寿命推定データマップは、
前記電圧差ｄＶと前記測定対象の二次電池の温度とを、当該測定対象の二次電池における残寿命と対応付けるルックアップテーブルであり、
前記ＣＰＵは、
前記第２メモリに記憶された推定データマップにおいて、前記算出された電圧差ｄＶ、及び前記温度測定部によって測定された温度と対応付けられた前記残寿命を取得することにより、当該測定対象の二次電池の残寿命を推定すること
を特徴とする請求項１又は２記載の二次電池の寿命推定装置。
前記寿命推定データマップは、
前記電圧差ｄＶが大きいほど短い残寿命を示すルックアップテーブルであること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の二次電池の寿命推定装置。
前記寿命推定データマップは、
前記電圧差ｄＶが大きいほど短く、かつ前記測定対象の二次電池の温度と所定の基準温度との差が大きくなるほど長い残寿命を示すルックアップテーブルであること
を特徴とする請求項３記載の二次電池の寿命推定装置。
前記二次電池は、ニッケル水素二次電池であること
を特徴とする請求項５記載の二次電池の寿命推定装置。
前記第２メモリに記憶されている寿命推定データマップでは、前記電圧差ｄＶと、前記残寿命として残寿命係数とが対応付けられており、
前記ＣＰＵは、前記電圧差ｄＶを算出し、前記第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから前記電圧差ｄＶに対応付けられた残寿命係数を取得し、取得された前記残寿命係数と前記劣化していない二次電池の新品寿命とを乗算することにより前記測定対象の二次電池の残寿命を推定し、
前記新品寿命は、前記劣化していない二次電池を、予め設定された温度環境において、予め設定された充放電条件で使用した場合に、容量またはインピーダンスが予め設定された基準を満たさなくなる充放電サイクル数であること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池の寿命推定装置。
前記二次電池は、複数の素電池から構成される電池ブロックであること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の二次電池の寿命推定装置。
前記二次電池が複数組み合わされて二次電池モジュールが構成され、
前記電圧測定部は、
前記複数の二次電池の端子電圧をそれぞれ測定し、
前記ＣＰＵは、
前記複数の二次電池の残寿命をそれぞれ推定し、当該推定された各残寿命のうち最短のものを前記二次電池モジュールの寿命として推定すること
を特徴とする請求項８記載の二次電池の寿命推定装置。
予め設定された第１の電流値の充電電流を当該二次電池に供給して充電し、前記電圧測定部により測定される前記二次電池の端子電圧が満充電電圧になると当該二次電池の充電電流を前記第１の電流値より小さい第２の電流値に減少させて充電し、前記電圧測定部により測定される前記二次電池の端子電圧が再び満充電電圧になると、さらに当該二次電池の充電電流を前記第２の電流値より小さい第３の電流値に減少させて予め設定された充電設定時間充電することにより、当該二次電池を満充電にする充放電制御装置をさらに備えること
を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の二次電池の寿命推定装置。
電圧測定部が、測定対象の二次電池の端子電圧を測定するステップと、
第１メモリが、劣化していない二次電池が満充電になった後放電する前における、当該劣化していない二次電池の端子電圧Ｖ０を予め記憶するステップと、
第２メモリが、前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前における当該測定対象の二次電池の端子電圧Ｖと前記端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶと、当該測定対象の二次電池における残寿命とを対応付けたルックアップテーブルである寿命推定データマップを予め記憶するステップと、
ＣＰＵが、前記測定対象の二次電池が満充電になった後放電する前において前記電圧測定部によって測定された端子電圧Ｖと前記第１メモリに記憶されている端子電圧Ｖ０との電圧差ｄＶを算出し、この電圧差ｄＶを用いて前記第２メモリに記憶されている寿命推定データマップから前記測定対象の二次電池の残寿命を充放電サイクル数として推定するステップと
を含むことを特徴とする二次電池の寿命推定方法。