JP6413763B2

JP6413763B2 - 充電状態検出装置、充電状態検出方法、移動体

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Publication number: JP6413763B2
Application number: JP2014266029A
Authority: JP
Inventors: 英雄柳田; 雅昭吉田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP2016125882A

Description

本発明は、充電状態検出装置、充電状態検出方法、移動体に関する。

リチウムイオン二次電池に代表される蓄電デバイスは様々な機器に使用されているが、充電状態によって入出力性能が異なる性質を有するため、より正確な充電状態の推定技術が必要である。そのため、様々な方法を用いて充電状態の推定を実施している。

一例として、電池エネルギ残量を示す残容量が１０％〜９０％の間に、電池の電圧と残容量との相関関係が明確となる変化を示す変極点を複数有するリチウムイオン二次電池の電池容量検出装置を挙げることができる。

この電池容量検出装置は、電池の電圧及び電圧変化率を検出する電圧検出手段と、電圧変化率が所定の閾値を超えた点を変極点と検出する変極点検出手段と、電池の充放電電流を電流積算値として積算する電流積算手段とを有している。そして、変極点が検出された時点で、電流積算手段により積算された電流積算値に基づいて複数の変極点の何れであるかを判定すると共に、変極点に対応する電池容量を、変極点と電池容量とが対応付けられたテーブルから検索して第１電池容量とする。

又、変極点の検出時点から、電圧検出手段で検出された電圧が満充電電圧となった時点までの電流積算手段での電流積算値を第２電池容量とし、第２電池容量と第１電池容量とを加算して満充電容量を求める。

しかしながら、上記の技術では、満充電容量を精度よく求めることができるとされているが、負荷が接続された状態での充電状態については考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、負荷が接続された状態での充電状態を測定可能とする充電状態検出装置を提供するものである。

本充電状態検出装置は、負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出装置であって、充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第１時点での前記蓄電デバイスの第１電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第２時点での前記蓄電デバイスの第２電圧と、を検出する電圧検出部と、前記第２電圧から前記第１電圧を減算して電圧変化量を検出する電圧変化量検出部と、前記第１電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出部と、を有することを要件とする。

開示の技術によれば、負荷が接続された状態での充電状態を測定可能とする充電状態検出装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る充電状態検出装置が適用されるハイブリッド車両の概略構成図である。第１の実施の形態に係る電池の充電率対電圧特性を例示する図である。第１の実施の形態に係るバッテリ制御ユニットの機能ブロックを例示する図である。第１の実施の形態に係る充電状態推定の方法を示すフローチャートの例である。電池の劣化前後の充電率対電圧特性を例示する図である。第２の実施の形態に係るバッテリ制御ユニットの機能ブロックを例示する図である。第２の実施の形態に係る劣化推定の方法を示すフローチャートの例である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、各実施の形態では、一例として、ハイブリッド車両に搭載された電池の充電状態を高精度で検出可能な充電状態検出装置について説明する。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る充電状態検出装置が適用されるハイブリッド車両の概略構成図である。図１において、バッテリパック１０は、電池１１と、モニタユニット１２とを有する。なお、バッテリパック１０には、電池１１が最低１つ含まれていればよいが、高出力化のために２つ以上の電池１１を直列接続や並列接続しても構わない。

電池１１は、充放電可能な電池である。電池１１としては、例えば、リチウムイオン電池等を用いることができる。モニタユニット１２は、電池１１の状態をモニタする機能を有する。モニタユニット１２は電圧センサ、電流センサ、温度センサ等を備えていてもよい。なお、電池１１は、本発明に係る蓄電デバイスの代表的な一例である。

エンジン２０は、ガソリンや軽油等を燃料とする周知の内燃機関である。モータ３０は、電動機及び発電機として機能する周知の発電電動機である。なお、電池１１はモータ３０が電動機として機能する際に電力を供給する役割と、モータ３０が発電機として機能する際に回生エネルギを蓄える役割を担っている。

ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）やＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）を含むハイブリッド車両では、エンジン２０とモータ３０とを併用している。そして、エンジン２０から出力される動力と、モータ３０から出力される動力の少なくとも一方の動力により走行する。

システム制御ユニット４０は、モータ３０の動力のみで動作するＥＶモード（第１モード）と、モータ３０の動力とエンジン２０の動力とを併用して動作するＨＥＶモード（第２モード）との切り替えを制御可能に構成されたＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）である。システム制御ユニット４０は、電池１１の充電の制御や回生動作の制御等の他の様々な制御を可能に構成されていても構わない。

システム制御ユニット４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含むように構成することができる。この場合、システム制御ユニット４０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。システム制御ユニット４０のＣＰＵは、必要に応じてＲＡＭからデータを読み出したり、格納したりできる。システム制御ユニット４０は、本発明に係る制御部の代表的な一例である。

バッテリ制御ユニット５０は、電池１１の充放電状態を管理制御する機能を有し、充電部６０を介して電池１１を充電する。又、バッテリ制御ユニット５０は、電池１１の充電状態を検出する機能を有している。なお、ハイブリッド車両がＰＨＥＶである場合には、充電部６０には外部電源用プラグ６５が設けられており、外部電源用プラグ６５をコンセントに差し込むことで直接充電可能である。

バッテリ制御ユニット５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メインメモリ等を含むように構成してもよい。この場合、バッテリ制御ユニット５０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。バッテリ制御ユニット５０のＣＰＵは、必要に応じてＲＡＭからデータを読み出したり、格納したりできる。なお、システム制御ユニット４０やバッテリ制御ユニット５０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）等により相互にデータの送受信が可能に構成されている。

但し、バッテリ制御ユニット５０の一部の機能をシステム制御ユニット４０が担ってもよいし、システム制御ユニット４０の一部の機能をバッテリ制御ユニット５０が担ってもよい。又、システム制御ユニット４０及びバッテリ制御ユニット５０を物理的に１つのＥＣＵとして実現してもよいし、３つ以上のＥＣＵとして実現してもよい。

ここで、電池１１の充電率と電圧との関係について説明する。本実施の形態に係る電池１１において、正極又は負極に単一の活物質を使用してもよいが、正極又は負極に電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を混ぜた電極を使用してもよい。以降の説明は、電池１１において、正極又は負極に電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を混ぜた電極を使用した例について説明する。

図２は、第１の実施の形態に係る電池の充電率対電圧特性を例示する図である。図２に示す特性の電池１１は、正極又は負極中に電圧勾配の大きい活物質と電圧勾配の小さい活物質が混合されている。この場合、異なる活物質は混ざるだけで、化学反応するものではないため、充放電時の各電圧におけるイオンの出し入れは、材料固有のものとして、充電特性に現れることになる。

そのため、図２に示すように、充電状態（充電率）と電圧との関係を示す充電率対電圧曲線は、電圧変化量の異なる複数の領域を備えたものとなる。具体的には、図２の例では、比較的フラットなＢ領域及びＤ領域や、比較的傾斜の大きなＡ領域、Ｃ領域及びＥ領域が現れ、単純な減少特性等にはならない。

図２に示す特性の電池１１は、例えば、正極又は負極中に、電圧勾配の異なるリチウムイオンを脱挿入可能な材料が２つ以上混合されている非水溶媒系蓄電素子により実現できる。この場合、正極の材料の１つは、例えば、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又は該リン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物（以下、リン酸バナジウムリチウムと呼ぶ）とすることができる。

電池１１において、電池の充電状態を精度よく検出すること、例えば、ＳＯＣ（State Of Charge）を精度よく検出することは、極めて重要である。例えば、システム制御ユニット４０がＳＯＣの検出結果に基づいてＥＶモードからＨＥＶモードに切り替えを行う場合、ＳＯＣを精度よく検出できないと、本来の仕様とは異なる間違ったＳＯＣでモード切り替えが行われることになる。その結果、ＨＥＶモードでの出力特性を十分確保できなかったり、ハイブリッド車両としての走行性能を損なったりするおそれがある。

そこで、本実施の形態では、以下の方法により、ＳＯＣを精度よく検出している。図３に示すバッテリ制御ユニットの機能ブロック図、図４に示すフローチャート等を参照しながら、本実施の形態に係るＳＯＣの検出方法について説明する。なお、図３に示すバッテリ制御ユニット５０は、本発明に係る充電状態検出装置の代表的な一例である。

まず、図４のステップＳ１０１では、バッテリ制御ユニット５０の電圧検出部５１は、電池１１の電圧が予め決めていた電圧Ｖ_０に達したか否かを判定し、達していないと判定した場合（Ｎｏの場合）には、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。一方、達していたと判定した場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ１０２に移行する。

次に、ステップＳ１０２では、バッテリ制御ユニット５０の充電状態推定部５２は、電池１１の現在のＳＯＣを粗推定する。具体的には、充電状態推定部５２は、例えば、記憶部５６に記憶されている、電圧とＳＯＣとの関係を示すテーブルを読み出し、読み出したテーブルに基づいて、電圧検出部５１の検出した電池１１の電圧に対応するＳＯＣを推定する。

次に、ステップＳ１０３では、バッテリ制御ユニット５０の通信部５３は、ＳＯＣの精密な検出を開始するという情報をシステム制御ユニット４０に送り、システム制御ユニット４０に充電電流の供給の開始を要求する。そして、通信部５３から要求を受けたシステム制御ユニット４０は、充電部６０を介して電池１１の定電流充電を開始する。充電部６０から供給される電流は、例えば、パルス電流とすることができる。そして、通信部５３は、満充電に至る前の所定のタイミングで、システム制御ユニット４０に充電電流の供給の停止を要求する。

なお、本実施の形態では、所定の時点における電池１１の充電状態を検出することを目的としているので、ステップＳ１０３では電池１１を満充電まで充電するのではなく、電池１１の充電特性におけるごく限られた範囲のみを充電する。

次に、ステップＳ１０４では、バッテリ制御ユニット５０の電圧検出部５１は、電池１１の充電前後の電圧を検出する。具体的には、電池１１の充電開始時（電流の供給が開始された第１時点）の電圧（第１電圧）がＶ_１、充電終了時（電流の供給が停止された第２時点）の電圧（第２電圧）がＶ_２であるとすれば、電圧検出部５１は、電圧Ｖ_１及びＶ_２を検出する。又、電圧変化量検出部５４は、電池１１の定電流充電中の電圧変化量ΔＶ＝Ｖ_２−Ｖ_１を検出する。なお、電圧Ｖ_１及び電圧Ｖ_２は、予め決めていた電圧Ｖ_０よりも低い電圧である。

次に、ステップＳ１０５では、バッテリ制御ユニット５０の充電状態検出部５５は、ステップＳ１０４で検出した電圧Ｖ_１及び電圧変化量ΔＶに基づいて、電池１１のＳＯＣを検出する。具体的には、例えば、記憶部５６に電池１１のＳＯＣと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータ（テーブル等）を記憶しておく。ＳＯＣと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータは、例えば、ＳＯＣが２〜５％程度変化するごとのデータとすることができる。そして、充電状態検出部５５は、検出された電圧Ｖ_１及び電圧変化量ΔＶと、記憶部５６に記憶していたデータとを比較することにより、電圧Ｖ_１及び電圧変化量ΔＶに対応するＳＯＣを検出する。これにより、電池１１の現在の充電状態を検出できる。

表１は、記憶部５６に記憶するテーブルの一例である。例えば、ステップＳ１０４で検出した電圧Ｖ_１が３．８（Ｖ）、電圧変化量ΔＶが０．０３（Ｖ）であれば、表１より、ＳＯＣ＝８０％と検出することができる。この方法では、電圧Ｖ_１がほぼフラットな領域（例えば、電圧Ｖ_１＝３．８（Ｖ）近傍の領域）でもＳＯＣを正確に測定することができる。なお、表１の１つのΔＶを測定するための充電時間（第１時点から第２時点までの時間）は任意に設定できるが、例えば、０．１ｓ〜３０秒程度とすることができる。

この時、電池１１の温度に対応した、ＳＯＣと電圧及び電圧変化量との関係を示す複数のデータ（例えば、複数のテーブル等）を記憶部５６に記憶しておくことが好ましい。これにより、充電状態検出部５５は、モニタユニット１２がモニタリングした情報に基づいて電池１１の温度を検出し、現在の温度に対応したデータを記憶部５６から読み出すことで、ＳＯＣの検出精度を向上できる。

ここで、ステップＳ１０１の電圧Ｖ_０は、図２のＢ領域又はＤ領域であることが好ましが、Ａ領域、Ｃ領域、Ｅ領域であってもよい。特に、図４の方法は、比較的フラットなＢ領域又はＤ領域において精度よくＳＯＣを検出するのに有効だからである。

又、Ａ領域からＥ領域の同一領域内で複数の電圧を設定してもよい。つまり、電圧変化量ΔＶを複数回測定してもよい。例えば、電圧検出部５１が同一領域又は異なる領域の電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３を検出し、電圧変化量検出部５４がΔＶ_１＝Ｖ_２−Ｖ_１、ΔＶ_２＝Ｖ_３−Ｖ_２を検出し、電圧Ｖ_１及びＶ_２、並びに電圧変化量ΔＶ_１及びΔＶ_２に基づいて、電池１１のＳＯＣを検出することができる。

又、異なる領域にわたって複数の電圧を設定してもよい。この場合には、ステップＳ１０３では、図２の各領域の境界である何れかの変極点よりも低充電率側の所定電圧で電流の供給が開始され、この変極点よりも高充電率側の所定電圧まで充電されたときに、電流の供給を停止する。これにより、何れかの変極点を跨いで充電が行われるため、電圧変化量が大きく変わる点を検出することができる。その結果、電池１１の現在の充電状態を精度よく検出できる。

このように、第１の実施の形態では、ごく限られた所定時間、電池１１を充電して充電前後の電圧、及び充電前後の電圧変化量を測定する。この際、従来の充電状態検出方法のように、ランダムな電流により充電するのではなく、定電流充電するため、負荷が接続された状態でも、精度よく電圧及び電圧変化量を測定できる。その結果、負荷が接続された状態でも、測定した電圧及び電圧変化量に基づいて、精度よく充電状態（ＳＯＣ）を検出できる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、充電状態検出装置が電池の劣化推定機能を備えている例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

電池１１が電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を混ぜた電極を使用している場合、
活物質の種類による劣化速度の違いにより、本実施の形態に係る電池１１の初期と劣化後の充電率対電圧特性は、例えば、図５のようになる。図５の実線（Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、Ｄ領域、Ｅ領域）は、電池１１の初期（劣化前）の充電率対電圧特性を例示している。
又、図５の破線（Ａ'領域、Ｂ'領域、Ｃ'領域、Ｄ'領域、Ｅ'領域）は電池１１の劣化後の充電率対電圧特性を例示している。

図５の例では、比較的劣化し難い活物質の特性が現れているＢ領域とＤ領域では、劣化前後で充電率（フラットな領域の幅）がほとんど変化していない。これに対して、比較的劣化し易い活物質の特性が現れているＡ領域とＣ領域とＥ領域では、劣化に伴い充電率が減っている（内部抵抗の上昇により、傾斜が大きくなり幅が減っている）。

このように、劣化速度の異なる複数の活物質を含む電極を備えた電池１１は、充電率対電圧曲線において劣化速度の速い活物質の特性に依存する領域と、劣化速度の遅い活物質の特性に依存する領域とを有する。そのため、劣化が進行した場合、比較的劣化し易い活物質が先に劣化し、その活物質の特性に依存する領域の容量が初期より少なくなる。そして、各活物質の特性への寄与度は、電池電圧によって異なる。

そこで、電池１１の充電率対電圧曲線の劣化前後での特性変化により、電池１１の劣化状態を推定することができる。具体的には、以下の方法により、電池１１の劣化状態を推定することができる。

図６に示すバッテリ制御ユニットの機能ブロック図、図７に示すフローチャート等を参照しながら、本実施の形態に係る電池１１の劣化状態の推定方法について説明する。なお、図６に示すバッテリ制御ユニット５０は、本発明に係る充電状態検出装置の代表的な一例である。

まず、第１の実施の形態のステップＳ１０１からＳ１０４と同様にして、バッテリ制御ユニット５０の電圧検出部５１は、電池１１の充電前後の電圧Ｖ_１及びＶ_２を検出する。又、電圧変化量検出部５４は、電池１１の定電流充電中の電圧変化量ΔＶ＝Ｖ_２−Ｖ_１を検出する。

次に、ステップＳ２０５では、バッテリ制御ユニット５０の劣化状態検出部５７は、ステップＳ１０４で検出した電圧Ｖ_１及び電圧変化量ΔＶに基づいて、電池１１の劣化状態を検出（推定）する。具体的には、記憶部５６に、劣化前（初期）の電池１１のＳＯＣと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータ（テーブル等）と、劣化後の電池１１のＳＯＣと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータ（テーブル等）を記憶しておく。そして、劣化状態検出部５７は、検出された電圧Ｖ_１及び電圧変化量ΔＶと、記憶部５６に記憶していた劣化前後のデータとを比較することにより、現在の電池１１の劣化状態を検出することができる。

このように、第２の実施の形態では、電池の劣化状態を検出することができる。この際、第１の実施の形態と同様に、定電流充電後に電圧及び電圧変化量を測定するため、負荷が接続された状態でも、精度よく電圧及び電圧変化量を測定できる。その結果、負荷が接続された状態でも、測定した電圧及び電圧変化量に基づいて、精度よく劣化状態を検出できる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の実施の形態では、本発明に係る充電状態検出装置を電池（特に、リチウムイオン電池）に適用する例を示した。しかし、本発明に係る充電状態検出装置は、リチウムイオン電池以外の充電可能な電池、電気二重層コンデンサ等のキャパシタ等を含む様々な蓄電デバイスに適用することができる。

又、上記の実施の形態では、本発明に係る充電状態検出装置を搭載可能な移動体の一例としてＰＨＥＶやＨＥＶを用いて説明を行った。しかし、移動体は、ＰＨＥＶやＨＥＶには限られず、例えば、蓄電デバイスを使用して走行可能な機関車やバイクであってもよい。又、移動体は、蓄電デバイスを使用して走行可能な、工場等で使用される搬送用ロボットであってもよい。又、移動体は、その物体全体が移動せず、一部のみが移動するもの、例えば、工場の製造ラインに配される、蓄電デバイスを使用してアーム等が動作可能な組立ロボットであってもよい。

１０バッテリパック
１１電池
１２モニタユニット
２０エンジン
３０モータ
４０システム制御ユニット
５０バッテリ制御ユニット
５１電圧検出部
５２充電状態推定部
５３通信部
５４電圧変化量検出部
５５充電状態検出部
５６記憶部
５７劣化状態検出部
６０充電部
６５外部電源用プラグ

特許５２８２７８９号

Claims

負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出装置であって、
充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第１時点での前記蓄電デバイスの第１電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第２時点での前記蓄電デバイスの第２電圧と、を検出する電圧検出部と、
前記第２電圧から前記第１電圧を減算して電圧変化量を検出する電圧変化量検出部と、
前記第１電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出部と、を有することを特徴とする充電状態検出装置。
前記蓄電デバイスの充電状態と電圧との関係を示すデータを記憶する記憶部を有し、
前記充電状態検出部は、前記第１電圧及び前記電圧変化量と前記データとを比較することにより前記蓄電デバイスの充電状態を検出することを特徴とする請求項１記載の充電状態検出装置。
前記蓄電デバイスの充電率と電圧との関係を示す充電率対電圧曲線は、電圧変化量の異なる複数の領域を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の充電状態検出装置。
前記電流の供給の開始及び停止を要求する通信部を有し、
前記蓄電デバイスの電圧が、前記領域の境界である変極点よりも低充電率側の所定電圧の時に、前記通信部が前記電流の供給の開始を要求し、前記要求に基づいて、前記第１時点で前記電流の供給が開始され、
前記蓄電デバイスの電圧が、前記変極点よりも高充電率側の前記第２電圧まで充電されたときに、前記通信部が前記電流の供給の停止を要求し、前記要求に基づいて、前記第２時点で前記電流の供給が停止されることを特徴とする請求項３記載の充電状態検出装置。
前記蓄電デバイスの正極又は負極中に、電圧勾配の異なるリチウムイオンを脱挿入可能な材料が２つ以上混合されていることを特徴とする請求項３又は４記載の充電状態検出装置。
前記蓄電デバイスの正極の材料は、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３を基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又は該リン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物を含んでいることを特徴とする請求項５記載の充電状態検出装置。
前記第１電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの劣化状態を推定する劣化状態検出部を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の充電状態検出装置。
前記蓄電デバイスと、前記充電部と、前記蓄電デバイスから供給される電力により動作するモータと、エンジンと、請求項１乃至７の何れか一項記載の充電状態検出装置と、を有する移動体。
前記充電状態検出装置の検出結果に基づいて、前記モータの動力のみで動作する第１モードと、前記モータの動力と前記エンジンの動力とを併用して動作する第２モードと、の切り替えを制御する制御部を有する請求項８記載の移動体。
負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出方法であって、
充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第１時点での前記蓄電デバイスの第１電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第２時点での前記蓄電デバイスの第２電圧と、を検出するステップと、
前記第２電圧から前記第１電圧を減算して電圧変化量を検出するステップと、
前記第１電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出するステップと、を有することを特徴とする充電状態検出方法。