开路电压推断装置、状态推断装置及开路电压推断方法

技术领域

本发明涉及对蓄电元件的开路电压进行推断的技术。

背景技术

一直以来，都在应用二次电池等可反复使用的蓄电元件。蓄电元件当 前在电动汽车等的使用领域广泛应用。

以往，已知对蓄电元件的内部状态进行推断的技术(例如、专利文献 1)。在该技术中，利用蓄电元件的开路电压和内部状态的相关关系来推 断蓄电元件的内部状态。即、对蓄电元件的开路电压进行测量，并根据该 测量的蓄电元件的开路电压、预先得到的蓄电元件的开路电压和内部状态 的相关关系来推断蓄电元件的内部状态。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】JP特开2009-204314号公报

由于蓄电元件的开路电压是在充放电结束后稳定的蓄电元件的端子 电压，因此在现有技术中在测量蓄电元件的开路电压时，需要在蓄电元件 的充放电结束后等到蓄电元件的端子电压稳定为止。因此，现有技术中， 在蓄电元件的端子电压处于稳定状态之前无法测量蓄电元件的开路电压， 产生无法提前对蓄电元件的内部状态进行推断的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提前对蓄电元件的开路电压进行推断的 技术。

【用于解决课题的技术方案】

本发明的开路电压推断装置对蓄电元件的开路电压进行推断，其具 备：电压测量部，其测量所述蓄电元件的端子电压；和控制部，所述控制 部具有执行如下处理的结构：电压测量处理，在所述蓄电元件的充放电结 束后测量所述端子电压，与从所述蓄电元件的充放电结束定时起的经过时 间建立关联进行存储；直线算出处理，计算从所述蓄电元件的充放电结束 后开始规定的经过时间处的所述端子电压的近似直线的近似式；时间算出 处理，根据所述规定的经过时间、和基于所述蓄电元件的活性物质及所述 规定的经过时间而确定的系数来对算出时间进行计算；和电压推断处理， 将在所述近似式中代入所述算出时间而得到的结果推断为所述开路电压。

一般，在蓄电元件中，在充放电结束后，直至端子电压经过比较长的 经过时间而变化至开路电压为止，例如通过充电而端子电压较之开路电压 而有所上升的情况下，经过端子电压减少的过程而端子电压收敛于开路电 压。此外，在通过放电而端子电压较之开路电压有所下降的情况下，经过 端子电压增大的过程而端子电压收敛于开路电压。

发明者针对根据充放电结束后直至端子电压收敛于开路电压为止的 经过期间中所测量的端子电压来推断开路电压的技术进行了反复研究。其 结果发现了：经过期间中的规定的经过时间处的端子电压的近似直线的近 似式的倾斜度与该规定的经过时间处的端子电压和开路电压之差存在比 例关系。并且，还发现了：该常数与蓄电元件的内部状态无关，而根据蓄 电元件的活性物质及该规定的经过时间来确定。

在该开路电压推断装置中，根据上述规定的经过时间处的端子电压的 近似直线的近似式、和基于蓄电元件的活性物质及该规定的经过时间而确 定的系数来推断开路电压。因此，如果得到经过期间中的规定的经过时间 处的近似式及系数，则无需在整个经过期间进行端子电压的测量，能够提 早推断开路电压。

在上述开路电压推断装置中，也可以具有在所述直线算出处理中利用 由常用对数表示所述经过时间而得到的值来算出所述近似式的结构。根据 该开路电压推断装置，通过利用经过时间的常用对数值，容易计算出经历 比较长的时间平缓地变化的端子电压的近似直线的近似式。

在上述开路电压推断装置中，所述控制部还可以执行极值点检测处 理，在该极值点检测处理中对所述端子电压的倾斜度的绝对值为最大的极 值点进行检测，在所述直线算出处理及所述时间算出处理中，具有将从所 述蓄电元件的充放电结束后起至所述极值点为止的经过时间作为所述规 定的经过时间执行处理的结构。

在蓄电元件中，具有在充放电结束后直至端子电压收敛于开路电压为 止的经过期间中存在极值点的情况。例如通过充电而端子电压较之开路电 压有所上升的情况下，端子电压开始下降而端子电压的时间变化的绝对值 增大的第1过程、和端子电压的时间变化的绝对值开始减少而端子电压收 敛于开路电压的第2过程以该顺序存在。此外，在通过放电而端子电压较 之开路电压有所下降的情况下，端子电压开始增加而其倾斜度的绝对值增 大的第1过程、和端子电压的倾斜度的绝对值开始减少而端子电压收敛于 开路电压的第2过程以该顺序存在。也就是说，在蓄电元件中，在充放电 结束后，从第1过程转移至第2过程时，经过端子电压的倾斜度的绝对值 为最大的极值点。

在该开路电压推断装置中，在该极值点处推断开路电压。即、由于利 用端子电压的极值点这一蓄电元件的特定状态下的近似式等推断开路电 压，因此能够高精度推断开路电压。

在上述开路电压推断装置中，还可以具备温度测量部，其对所述蓄电 元件的温度进行测量，所述系数是根据所述蓄电元件的温度而确定的，所 述控制部具有在所述时间算出处理中根据所述规定的经过时间处的所述 蓄电元件的温度决定所述系数来计算所述算出时间的结构。根据该开路电 压推断装置，根据规定的经过时间处的蓄电元件的温度来决定系数，从而 能够高精度地推断开路电压。

在上述开路电压推断装置中，所述控制部可以具有在所述电压测量处 理中以所述经过时间已经过了预先确定的规定时间为条件结束所述端子 电压的测量的结构。根据该开路电压推断装置，能够以经过了规定时间为 条件来结束端子电压的测量，无需将端子电压的测量维持到测量开路电压 为止。

在上述开路电压推断装置中，还可以具备：电流检测部，其检测所述 蓄电元件的充放电电流，所述控制部具有在所述电压测量处理中根据所述 电流检测部的检测结果来检测所述充放电结束定时的结构。根据该开路电 压推断装置，能够利用电流检测部正确地检测充放电结束定时。

本发明也可以具体化为利用了上述的开路电压推断装置的状态推断 装置。本发明的状态推断装置具备：开路电压推断装置；和存储器，其存 储与所述蓄电元件的开路电压和内部状态之间的相关关系有关的信息，所 述控制部具有进一步执行状态推断处理的结构，在该状态推断处理中根据 由所述电压推断处理推断出的所述开路电压、和所述存储器中存储的与所 述相关关系有关的信息来推断所述蓄电元件的内部状态。根据该状态推断 装置，能够利用提早推断出的开路电压来提早推断蓄电元件的内部状态。

本发明此外还具体化为利用了上述的开路电压推断装置的开路电压 推断方法。本发明的开路电压推断方法对蓄电元件的开路电压进行推断， 其具备：电压测量步骤，在所述蓄电元件的充放电结束后测量所述蓄电元 件的端子电压，与从所述蓄电元件的充放电结束定时开始的经过时间建立 关联进行存储；直线算出步骤，计算从所述蓄电元件的充放电结束后开始 规定的经过时间处的所述端子电压的近似直线的近似式；时间算出步骤， 根据所述规定的经过时间、和基于所述蓄电元件的活性物质及所述规定的 经过时间而确定的系数来对算出时间进行计算；和电压推断步骤，将在所 述近似式中代入所述算出时间而得到的结果推断为所述开路电压。

此外。在上述开路电压推断方法中，可以构成为在所述直线算出步骤 中，利用由常用对数表示所述经过时间的而得到的值来计算所述近似式。

此外，在上述开路电压推断方法中，可以构成为：还具备：极值点检 测步骤，检测所述端子电压的倾斜度的绝对值为最大的极值点，在所述直 线算出步骤及所述时间算出步骤中，将从所述蓄电元件的充放电结束后开 始至所述极值点为止的经过时间作为所述规定的经过时间来执行处理。

此外，在上述开路电压推断方法中，可以构成为：所述系数是根据所 述蓄电元件的温度而确定的，在所述时间算出步骤中，根据所述规定的经 过时间处的所述蓄电元件的温度决定所述系数来计算所述算出时间。

此外，在上述开路电压推断方法中，可以构成为：在所述电压测量步 骤中，以所述经过时间已经过了预先确定的规定时间为条件结束所述端子 电压的测量。

此外，在上述开路电压推断方法中，可以构成为：在所述电压测量步 骤中，根据检测所述蓄电元件的充放电电流而得到的结果，来检测所述充 放电结束定时。

【发明的效果】

根据本发明，能够提早推断蓄电元件的开路电压。

附图说明

图1是表示电池系统的结构的概略图。

图2是表示状态推断处理的流程图。

图3是充电结束后的单电池的电压值的变化。

图4是放电结束后的单电池的电压值的变化。

图5是单电池的开路电压与SOC的相关关系表。

【符号说明】

10：电池系统、12：电池组、14：单电池、20：BMS、22：电流传感 器、24：电压测量电路、26：温度传感器、30：控制单元、32：CPU、34： 存储器、36：ADC、C：系数、D：温度、I：电流值、P：极值点、T：经 过时间、V：电压值、W：算出时间

具体实施方式

<实施方式>

以下，参照图1～图5来说明一实施方式。

1.状态推断装置的结构

图1是表示本实施方式中的电池系统10的结构的图。本实施方式的电 池系统10是搭载于例如电动汽车或混合动力汽车并向以电能进行工作的 动力源供给电力的系统。

如图1所示，电池系统10具备电池组12和电池管理装置(以下为 BMS)20。电池组12是多个单电池14被串联连接的结构，各单电池是可 反复充放电的二次电池，更为具体而言是充满电时的两端间的电压值大致 为4V的锂离子电池。电池组12经由连接端子16而与设置在电动汽车等 的内部或者外部的充电装置18、或者设置在电动汽车等的内部的动力源等 的负载18连接。BMS20控制电池组12的充放电，并且推断各单电池14 的开路电压Y及剩余容量(内部状态的一例，以下称为SOC)。单电池 14是蓄电元件的一例。BMS20是开路电压推断装置的一例，是状态推断 装置的一例。

如图1所示，BMS20包括控制单元30、电流传感器22、电压测量电 路24和温度传感器26。控制单元30具有：中央处理装置(以下称为CPU) 32、ROM或RAM等的存储器34、模拟-数字变换器(以下称为ADC)36。 存储器34中存储用于控制BMS20的动作的各种程序(包括电池管理程 序)，CPU32按照从存储器34中读出的程序，执行后述的状态推断处理 等，进行各部的控制。存储器34中还存储与各单电池14的活性物质相关 的信息及系数C，并且存储各单电池14的开路电压Y与SOC的相关关系 表(参照图5)。控制单元30是控制部的一例，电流传感器22是电流检 测部的一例，电压测量电路24是电压测量电路的一例，温度传感器26是 温度测量部的一例。

电流传感器22经由对连接端子16和电池组12进行连接的布线52， 按每个规定期间对电池组12中流动的充电电流或者放电电流(以下称为 充放电电流)的电流值I进行检测，将与其检测出的电流值I[A]相应的模 拟信号发送至ADC36。

电压测量电路24与电池组12中包含的各单电池14的两端连接，按 每个规定期间对各单电池14的两端间的电压值V[V]进行测量，将与其测 量出的电压值V相应的模拟信号发送至ADC36。各单电池14的两端间的 电压值V是端子电压的一例。

温度传感器26以接触式或者非接触式按每个规定期间对电池组12中 含有的各单电池14的温度D[℃]进行测量，将与其测量出的温度D相应 的模拟信号发送至ADC36。

ADC36将从电流传感器22、电压测量电路24、及温度传感器26发 送来的模拟信号变换为数字信号，并将表示电流值I、电压值V、及温度 D的数字数据存储在存储器34中。

再者，电池系统10中还设置用于受理来自用户的输入的操作部(未 图示)、用于显示电池组12的劣化状态等的由液晶显示器构成的显示部 (未图示)。

2.状态推断处理

利用图2至图5来说明在电池组12的充放电结束后由BMS20进行的 状态推断处理。图2中表示由BMS20的CPU32所执行的状态推断处理的 流程图。该状态推断处理中，根据各单电池14的电压值V来推断该单电 池14的开路电压Y，基于推断出的开路电压Y对该单电池14的SOC进 行推断。单电池14的SOC推断按电池组12中包含的各单电池14的每一 个依次进行。

例如在接通电动汽车的电源、或者开始对电动汽车的充电等、由用户 起动电池系统10开始对电池组12的充放电时，CPU32起动BMS20，控 制单元30开始状态推断处理。具体而言，CPU32从存储器34读出上述程 序，执行图2所示的状态推断处理。CPU32开始状态推断处理时，开始单 电池14的温度D及电压值V的测量，并开始电流值I的测量(S2)。

CPU32利用电流值I来检测对电池组12的充放电是否结束(S4：否)。 CPU32在例如电动汽车停止、或者对电动汽车的充电结束等电流值I成为 零时(S4：是)，检测出对电池组12的充放电已结束。在此，所谓“电流 值I为零”的状态不仅是指电流值I完全为零的状态，还指电流值I大致为 零的状态、即成为预先规定的充电结束电流以下的状态。

CPU32计测从电流值I为零的定时(以下为充放电结束定时)开始的 经过时间T(S6)，并且在充放电结束定时后也持续单电池14的温度D 及电压值V的测量。CPU32在充放电结束定时后，将所测量的温度D及 电压值V与经过时间T建立关联并存储在存储器34中(S8)。CPU32持 续单电池14的温度D及电压值V的测量(S10：否)，直到经过时间T 达到预先确定的规定时间KT为止。规定时间TK按单电池14的活性物质、 及每个单电池14的SOC而设定。

在经过时间T达到规定时间KT时，CPU32结束单电池14的温度D 及电压值V的测量(S10：是)，执行检测极值点P(Tp、Vp)的处理(S12)。 CPU32计算以常用对数表示经过时间T的经过时间X，并执行在与该经过 时间X的关系中检测所测量的电压值V的倾斜度的绝对值最大的极值点P (Tp(Xp)、Vp)的处理。在此，Tp(Xp)是指直至电压值V成为极值 点P为止的经过时间T(X)，Vp是指极值点P处的电压值V。

X＝log₁₀T

图3中表示充电结束后的电压值V的变化。图3表示从SOC10％充电 至SOC30％后的电压值V的变化。图3中，将横轴设为由常用对数表示的 经过时间T(也就是经过时间X)，将纵轴表示为电压值V。如图3所示， 在充电结束定时，电压值V成为比开路电压Y高的值，在充电结束定时 后，电压值V开始减少，并且具有负值的倾斜度逐渐地减少。再者，在经 过时间T为Tp、达到倾斜度极小的极值点P时，倾斜度的绝对值为最大。 在经过极值点P后，电压值V的倾斜度开始增大，电压值V收敛于开路 电压Y。

此外，图4表示放电结束后的电压值V的变化。图4表示从SOC70％ 放电至SOC50％后的电压值V的变化。图4中，也将横轴表示为由常用对 数表示的经过时间T(也就是经过时间X)，将纵轴表示为电压值V。如 图4所示，在放电结束定时，电压值V成为比开路电压Y低的值，在放电 结束定时后，电压值V开始增大，并且具有正值的倾斜度逐渐地增大。进 而，在经过时间T为Tp、达到倾斜度极大的极值点P时，倾斜度的绝对 值为最大。在经过极值点P后，电压值V的倾斜度开始减少，电压值V 收敛于开路电压Y。

也就是说，如图3、4所示，在充放电结束后的电压值V达到开路电 压Y之前，达到倾斜度的绝对值为最大的极值点P，在经过极值点P之后 收敛于开路电压Y。

CPU32利用经过时间X计算按每个规定时间测量出的电压值V的倾 斜度，并利用该倾斜度的绝对值检测是否达到了极值点P。CPU32在直至 规定时间KT为止测量出的电压值V的倾斜度的绝对值持续增大的情况 下，判断为不存在极值点P(S12：否)，结束状态推断处理。再者，电 压值V既可以按每个规定时间进行测量，也可以连续地测量。

另一方面，CPU32在直至规定时间KT为止测量出的电压值V的倾斜 度的绝对值存在转变为减少的部分的情况下，判断为存在极值点P(S12： 是)，并检测电压值V的倾斜度的绝对值成为最大的极值点P，并且检测 极值点P处的温度Dp。

接下来，CPU32从存储器34读出单电池14的系数C，对算出时间W 进行计算。系数C是与单电池14的活性物质的种类建立对应而决定的常 数，作为各单电池14的极值点P处的系数C而存储在存储器34中。此外， 系数C是根据单电池14的温度D而确定的常数，与单电池14的温度D 建立对应而存储在存储器34中。例如，在作为正极活性物质使用含锂的 金属氧化物、作为负极活性物质使用碳材料的锂离子电池中，在温度D为 25℃的情况下，系数C为1.48(无单位)，在温度D为0℃的情况下，系 数C为1.38(无单位)。

CPU32选出与极值点P处的温度Dp建立对应地存储在存储器34中 的系数C(S13)，计算对极值点P的经过时间X即Xp乘以系数C而得 到的算出时间W(S14)。

W＝C*Xp

接下来，CPU32计算极值点P处的近似直线的近似式(S16)。作为 计算近似式的方法，例如可以在将横轴设为经过时间X、将纵轴设为电压 值V来表示的曲线中以直线连接在极值点P的紧跟前所测量的电压值V 及经过时间X、和在极值点P的紧后面所测量的电压值V及经过时间X 而得到的结果作为极值点P的近似直线，来计算其近似式。此外，也可以 将针对在极值点P和极值点P的紧跟前及紧后面所测量的电压值V及经过 时间X利用最小二乗法等公知的方法计算出的近似式作为极值点P的近似 式。在将极值点P处的倾斜度设为A，将截距设为B时，近似式表示为下 述公式。

V＝A*X+B

接着，CPU32推断开路电压Y(S18)。CPU30将算出时间W代入 近似式的电压值X，将此时得到的电压值V推断为开路电压Y(参照图 3、4)。

接下来，CPU32根据推断出的开路电压Y来推断单电池14的SOC (S20)。CPU32从存储器34读出图5所示的单电池14的开路电压Y与 SOC之间的相关关系表，将该相关关系表中与推断出的开路电压Y建立 了对应的SOC推断为单电池14的SOC。

再者，存储器34中所存储的系数C是利用同一单电池14决定之后而 存储在存储器34中的、或者利用具有同一活性物质的其他单电池14而决 定的。在测量系数C的情况下，在单电池14的使用开始时等的任意基准 时，测量充放电结束后的温度D及电压值V，并求出该测量出的极值点P (Tp、Vp)、极值点P处的温度Dp、极值点P处的近似直线的近似式及 开路电压Y，可利用上述公式决定。

3.本实施方式的效果

(1)在本实施方式的电池系统10中，根据极值点P处的近似直线的 近似式、和基于单电池14的活性物质而决定的系数C来推断开路电压Y。 因此，如果得到极值点P及该极值点P处的近似式，则在极值点P经过后 直至电压值V收敛于开路电压Y为止不需要持续进行电压值V的测量， 能够提早推断开路电压Y。例如，在现有技术中，在25℃，需要3％程度 的精度的情况下，需要持续进行40分钟左右的电压值V的测量，但在本 实施方式的电池系统中，需要3％程度的精度的情况下，能够将电压值V 的测量缩短至100秒以下。

特别地，在开路电压Y的推断中，会出现单电池14无法进行充放电 的所谓的不能使用期间。若不能使用期间比较长地存在，则单电池14的 使用效率下降。在本实施方式的电池系统中，能够缩短在推断开路电压Y (或者SOC)时的不能使用期间，能够提高单电池14的使用效率。

(2)在本实施方式的电池系统10中，利用根据单电池14的活性物 质所决定的系数C来推断开路电压Y。由于系数C是与单电池14的活性 物质的种类建立对应而决定的常数，因此如果单电池14的活性物质的种 类已辨明，则无需在每次充放电都求出系数C，能够提早推断开路电压Y。

(3)在本实施方式的电池系统10中，由于基于温度传感器26所测 量的极值点P处的温度Dp来选出系数C，并利用该选出的系数C来推断 开路电压Y，因此能够高精度地推断开路电压Y。

(4)在本实施方式的电池系统10中，由于在整个规定时间TK中持 续进行温度D及电压值V的测量后，结束温度D及电压值V的测量，因 此较之电压值V收敛于开路电压Y为止持续地测量电压值V的情况，能 够提早推断开路电压Y。

(5)在本实施方式的电池系统10中，由于根据电流传感器22检测 的电流值I成为零的定时来检测充放电结束定时，因此能够正确地检测充 放电结束定时。

(6)在本实施方式的电池系统10中，由于利用使用极值点P处的近 似直线的近似式、和根据单电池14的活性物质所决定的系数C提早推断 出的开路电压Y来推断单电池14的SOC，因此能够提早推断出单电池14 的SOC。

<其他实施方式>

本说明书所公开的技术并不限定于通过上述记述和附图所说明的实 施方式，例如如下的各种方式也包含在本发明的技术范围内。

(1)在上述实施方式中，作为蓄电元件的一例而示出了二次电池的 单电池14，但并不限于此，蓄电元件可以是伴随着电化学现象的电容器等。

(2)在上述实施方式中，利用根据极值点P处的近似直线的近似式、 和极值点P处的系数C来推断开路电压Y的例子进行了说明。但是，在 对电池组12的充放电结束后，求出近似直线的定时并不限于极值点P，可 以根据电压值V收敛于开路电压Y之前的任意定时处的近似直线的近似 式来推断开路电压Y。

在该情况下，系数C除了与单电池14的活性物质、温度D对应以外， 还与从充放电结束定时起的经过时间T(X)建立对应后存储在存储器34 中。在CPU32算出近似直线的近似式之后，选出与该近似直线所涉及的 经过时间T建立对应而存储在存储器34中的系数C，对算出时间W进行 计算。并且，根据该近似式和算出时间W来推断开路电压Y。

(3)在上述实施方式中，如图3、4所示，在设定电压值V的近似直 线时，利用在与通过常用对数表示经过时间T的经过时间X之间的关系中 设定近似直线来求取其近似式的例子进行了说明。但是，在设定近似直线 时，如果可直接利用经过时间T，则可以在与通过自然对数表示经过时间 T的结果之间的关系中，来设定近似直线。

(4)在上述实施方式中，在根据推断出的单电池14的开路电压Y来 推断该单电池14的SOC时，利用采用开路电压Y与SOC之间的相关关 系表来推断SOC的例子进行了说明。但是，推断SOC的方法并不限于此， 可利用根据开路电压Y来推断的SOC的公知方法。

(5)在上述实施方式中，利用在检测充放电结束定时的过程中将 BMS20所具有的电流传感器22测量出的电池组12的电流值I为零的定时 检测为充放电结束定时的例子进行了说明。但是，检测充放电结束定时的 方法并不限于此，可以基于例如从管理电池系统10的管理装置输入的系 统状况信息等来检测充放电结束定时。

(6)在上述实施方式中，利用基于极值点P处的温度Dp来选出系数 C的例子进行了说明，但是也未必一定要基于温度Dp来选出系数。此外， 与系数C的选出相关的温度D并不限于极值点P处的温度Dp，也可以在 充放电结束定时后基于直至测量出极值点P的经过时间Xp为止所测量的 单电池14的温度D来选出系数C。

(7)在上述实施方式中，作为控制部的一例，列举出具备1个CPU32 等的控制单元30。但是，控制部也可以是具备多个CPU的结构、或具备 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等的硬件电路的结构、或者 具备硬件电路及CPU的双方的结构。总之，控制部只要是利用软件处理 或者硬件电路来执行上述的状态推断处理的部件即可。

(8)再有，也可以不执行状态推断处理的全部处理。例如，除去推 断SOC的处理(S20)以外的处理，可以用作对单电池14的开路电压Y 进行推断的开路电压推断处理。

(9)在上述实施方式中，作为CPU32读入并执行的程序而列举了存 储器34中所存储的程序。但是，程序并不限于此，也可以存储在硬盘装 置、闪存(注册商标)等的非易失性存储器、CD-R等的存储介质等中。 此外，存储器34也未必设置在控制单元30的内部，可以设置在控制单元 30的外部。