JP2002122642A - 二次電池の容量決定方法 - Google Patents
二次電池の容量決定方法Info
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
容量決定方法を提供すること。 【解決手段】電池の電流、電圧のデータペアを多数測定
して記憶し(ST1)、各電流、電圧のデータペアに基
づいて電池の電圧・電流特性を求め(ST4)、電圧・
電流特性に基づいて最大放電可能電力Poutmax及び最大
充電可能電力Pinmaxを求め(ST5、ST6)、最大放
電可能電力Poutmax及び最大充電可能電力Pinmaxの両方
に基づいて電池のSOCを推定する(ST9)。
Description
定方法に関する。
ばエンジンと充放電可能な電池によって駆動する電気モ
ータを組み合わせたハイブリッド自動車や、燃料電池と
負荷急変に対応する二次電池とを組み合わせた燃料電池
車のように発電手段と二次電池とを搭載する発電型電気
自動車に搭載する二次電池の容量制御に利用することが
できる。
ンと電池によって駆動するモータとを装備するHV(ハ
イブリッド)自動車が注目を集めている。HV自動車に
搭載される電池は、主に、加速時等の高負荷運転時には
電池から放電され、減速時や一定速度走行等の低負荷運
転時には電池が充電される。このような電池の充放電を
安定に行うにはSOC(State Of Charg
e/充電状態)を所定の一定値でバランスさせることが
必要であるため、SOCの検出は電池制御において不可
欠の技術となっている。
方法としては、充放電電流の積算による方法(以下、電
流積算SOC算出方式ともいう)や、電池電圧に基づい
てSOCを推定する方法(以下、電圧推定SOC算出方
式ともいう)が知られている。
池の充放電電流を逐次検出してこれをSOCの初期値に
無限に累算(積算)する方法であるため、次第に積算処
理誤差が累積してしまい、正確な検出値が得られいくい
という問題があった。
ル水素合金電池のように充電分極作用が大きく、電池電
圧とSOCとの関係がその充放電履歴により大きく変化
してしまうタイプの電池(大ヒステリシス電池ともい
う)では、電池電圧とSOCとの関係、あるいは電池電
圧と電流と容量との関係をマップとしてあらかじめ記憶
していても、充放電履歴が異なるため、電圧データ又は
電圧・電流データをこのマップに入れて容量を推定して
も、期待した精度が得られないという問題があった。
ら検出した多数の電流と電圧とのペアのデータ(電流ー
電圧データともいう)から最小二乗法などを用いて電圧
・電流特性を示す特性直線を決定し、この特性直線に基
づいて最大放電可能電力を算出し、この最大放電可能電
力に基づいてSOCを求めるSOC算出方法(最大放電
可能電力SOC算出方式)を提案している。
電可能電力SOC算出方式もまた、精度が実用上十分で
はないという問題があった。
あり、二次電池の容量を高精度に検出する二次電池の容
量決定方法を提供することを、その目的としている。
の請求項1記載の二次電池の容量決定方法は、前記電池
の電流、電圧のデータペアを多数測定して記憶し、各前
記電流、電圧のデータペアに基づいて前記電池の電圧・
電流特性を求め、前記電圧・電流特性に基づいて最大放
電可能電力Poutmax及び最大充電可能電力Pinmaxを求
め、前記最大放電可能電力Poutmax及び最大充電可能電
力Pinmaxの両方に基づいて前記電池のSOCを推定する
ことを特徴としている。
電流特性から求めた最大放電可能電力Poutmax及び最大
充電可能電力Pinmaxの両方に基づいてSOCを演算する
ために、上記した最大放電可能電力とSOCとの関数関
係のみを利用してSOCを演算する従来の最大放電可能
電力SOC算出方式に比較して、精度を向上することが
できる。以下、更に説明する。
理解されるようにSOCと正の相関を有しており、SO
Cの増加により単調に増加する関数関係をもつ。逆に、
最大充電可能電力Pinmaxは、定性的にも理解されるよう
にSOCと負の相関を有しており、SOCの増加により
単調に減少する。したがって、これら最大放電可能電力
Poutmax及び最大充電可能電力PinmaxのどちらかとSO
Cとの関係をマップ記憶しておけば、SOCを判定する
ことができる。しかし、本発明では、SOCと単調な相
関関係をもつ2つの変数を両方用いてSOCを判定する
ので、一層高精度にSOCを決定することができる。す
なわち、放電時の電流ー電圧データだけでなく、充電時
の電流ー電圧データも用いることができるので、検出精
度を向上することができる。
た最大充電可能電力Pinmax及び最大放電可能電力Poutma
xとSOCとの間の三元マップ、もしくは、最大充電可
能電力Pinmaxの所定の補正値及び最大放電可能電力Pout
maxの所定の補正値とSOCとの間の三元マップに、今
回演算して求めた最大放電可能電力Poutmax及び最大充
電可能電力Pinmax又はそれらの補正値を代入してSOC
を決定することができる。
最大充電可能電力Pinmax及び最大放電可能電力Poutmax
と現在の電池の充放電電力(以下、現在電力Pnowともい
う、絶対値でもよい)との差により、現在電力Pnowから
追加可能な充電電力である追加可能充電電力(充電電力
マージンPcmともいう)と、現在電力Pnowから追加可能
な放電電力である追加可能放電電力(放電電力マージン
Pdmともいう)を求め、これら追加可能充電電力及び追
加可能放電電力とSOCとの間の三元マップ、もしく
は、追加可能放電電力の所定の補正値及び追加可能充電
電力の所定の補正値とSOCとの間の三元マップに、今
回算出した追加可能充電電力及び追加可能放電電力を代
入してSOCを決定することができる。
の二次電池の容量決定方法において更に、前記最大充電
可能電力Pinmax又はその所定の補正値と、前記最大放電
可能電力Poutmax又はその所定の補正値とをそれぞれ変
数とする関数を求め、前記関数と前記SOCとの間の二
元マップに、前記関数の今回値を代入して前記SOCを
決定することを特徴としている。
化に対して逆方向に単調変化することを利用して、これ
ら両変数を1変数に置換したものであり、マップを簡素
化することができるので、装置構成を簡素化し、高速演
算が可能となる。
の二次電池の容量決定方法において更に、前記関数が、
前記最大放電可能電力Poutmax又はその補正値と、前記
最大充電可能電力Pinmax又はその補正値との差又は比で
あることを特徴としている。
nmaxー最大放電可能電力Poutmaxとした場合、この差
は、SOCが小さい場合に正値となり、SOCが増加す
ると0となり、更に増加すると負値となるように単調変
化する。
nmax/最大放電可能電力Poutmaxとした場合、この比
は、SOCが小さい場合に大きな値となり、SOCが増
加すると1となり、更に増加すると0に近づくように単
調変化する。このようにすれば、小規模のマップで高精
度にSOCを推定することができる。
の二次電池の容量決定方法において更に、前記最大放電
可能電力Poutmax又は前記最大充電可能電力Pinmaxの両
方に基づいて前記電池の劣化の程度を判定する。電池の
劣化により、最大放電可能電力Poutmax及び最大充電可
能電力Pinmaxはそれぞれ単調に小さくなるので、これら
両変数を用いれば電池の交換必要な劣化を判定すること
ができる。
充電可能電力Pinmaxの一方だけでも電池劣化と判定する
ことができるが、両方の変数を用いることにより、検出
精度を向上することができる。
の二次電池の容量決定方法において更に、前記最大放電
可能電力Poutmaxと前記最大充電可能電力Pinmaxの差
(算術的には和)が所定値以下の場合に前記電池の交換
を要する劣化と判定することを特徴としている。本構成
によれば、一方の変数を用いる場合よりも判定精度を向
上することができる。
実施例を参照して説明する。
ハイブリッド車の他、燃料電池及びその発電電力と負荷
の要求電力とのアンバランスを吸収する電池とをもつ燃
料電池車などがある。
ブリッド自動車の構成例を図1に示す。
動力の一部で発電する交流形式の発電機、13は発電機
12から出力される交流電力を直流電力に変換するイン
バータ、14はニッケル水素電池で構成した組み電池か
らなる電池装置(単に電池ともいう)である。エンジン
11の出力は、トルク分配機、ギヤを介して、車輪に伝
えられる。インバータ13は、発電機12及び電池14
から給電されてモータ16を駆動して車輪にトルクを伝
え、あるいは車輪から駆動されるモータ16で回生され
た電力で電池14を充電する。17は、電池14を管理
する電池コントローラ、18はインバータ16やエンジ
ン11を制御する車両コントローラである。車両コント
ローラ18は電池14のSOCが60%となるように、
エンジン11、発電機12、モータ16を制御してい
る。この制御はこの実施例の要旨ではないので、説明を
省略する。
る電池14のSOC算出動作を以下に説明する。算出さ
れたSOCは車両コントローラ18に送られ、車両コン
トローラ18は入力SOCが目標SOC(60%)に収
束するように上記制御を行う。
コン)27により行われる制御動作を示すフローチャー
トである。なお、直前の所定回の定期サンプリングによ
り検出した組電池の電圧VB、電流IB、温度Tの所定
個数のデータセットは不揮発メモリに保存されているも
のとする。
IB、温度Tの今回のデータセットを検出する。
トが、電圧VB、電流IB、温度Tをそれぞれパラメー
タ(独立変数、次元)とする三次元空間内の所定の適正
範囲(三次元領域)内にあるかどうかを判定し、適正範
囲内になければ異常データセットと判定してST12に
進み、後述するフェール処理を行う。なお、ここでいう
適正範囲とは、組電池の電圧・電流特性(V−I特性)
の決定に適するデータセットを含み、適さない異常デー
タセットを含まない三次元データ空間を意味する。たと
えばきわめて低温あるいは高温でのデータは異常データ
セットであり適正範囲外と判定する。
正範囲内にあれば、次のST4にて、不揮発メモリに保
存されている過去のデータセットのうち今回検出した温
度に一致する温度の各電流ー電圧データと、今回検出し
た電流ー電圧データとを用いて、今回検出した温度にお
ける電圧・電流特性を決定する。この電圧・電流特性の
決定は、従来のように最小二乗法を用いて行ってもよ
く、あるいは、ニューラルネット回路を用いた学習技術
により行ってもよい。最小二乗法を用いた回帰直線の決
定自体は周知であるので説明を省略する。
流特性に基づいてマップより今回の電池温度に対する最
大放電可能電力Poutmaxを求める。
電流特性に基づいて今回の電池温度に対する最大充電可
能電力Pinmaxを求める。
に具体的に説明する。
特性を表現する二次元マップである。L1、L2、L3
はそれぞれ異なる電池又は同一電池の異なる劣化度合い
で求めた電圧・電流特性である。PW1〜PW3はそれ
ぞれ異なる所定放電電力値を示す定放電電力曲線であ
り、PW5〜PW7はそれぞれ異なる所定充電電力値を
示す定充電電力曲線である。
であったとする。この電圧・電流特性L2が、あらかじ
め定められた許容最大電圧値Vmaxと交差する点を通過
する上記定充電電力曲線PW6の電力値が、今回の最大
充電可能電力Pinmaxとなる。同様に、この電圧・電流特
性L2が、あらかじめ定められた許容最小電圧値Vmin
と交差する点を通過する上記定充電電力曲線PW2の電
力値が、今回の最大放電可能電力Poutmaxとなる。
可能電力Poutmaxは上記した許容最大電圧値Vmaxや許容
最小電圧値Vminの他に、あらかじめ定められた許容最
大充電電流値Icmaxやあらかじめ定められた許容最大放
電電流値Idmaxによっても制限される。
ある場合、特性曲線L3は、あらかじめ定められた許容
最大電圧値Vmaxと交差する前にあらかじめ定められた
許容最大充電電流値Icmaxと交差する場合、この交点を
通過する上記定充電電力曲線PW5の電力値が、今回の
最大充電可能電力Pinmaxとなる。同様に、この電圧・電
流特性L3が、あらかじめ定められた許容最小電圧値V
minと交差する点を通過する上記定充電電力曲線PW3
の電力値が、今回の最大放電可能電力Poutmaxとなる。
1である場合、特性曲線L1はあらかじめ定められた許
容最大電圧値Vmaxと交差する点を通過する上記定充電
電力曲線PW7の電力値が、今回の最大充電可能電力Pi
nmaxとなる。同様に、この電圧・電流特性L1は、あら
かじめ定められた許容最小電圧値Vminと交差する前に
あらかじめ定められた許容最大放電電流値Idmaxと交差
する。したがって、この交点を通過する上記定充電電力
曲線PW1の電力値が、今回の最大放電可能電力Poutma
xとなる。
いて求めた今回の電池温度に対する最大充電可能電力Pi
nmax、最大放電可能電力Poutmaxに対する電池の充電分
極やメモリ効果の影響が従来の電圧推定SOC算出方式
に比較してかなり小さいことである。すなわち、検出し
た電流ー電圧データ中の電圧データが充電分極やメモリ
効果の影響によって変動しても、多少は電圧・電流特性
は変化するものの、この電圧・電流特性とVmax、Vmi
n、Icmax、Idmaxと交差する交点を通過する定放電電
力曲線又は定充電電力曲線の大きさの変化は小さい。こ
れは、電圧・電流特性は多数の電流ー電圧データにより
形成されるために、一部の電流ー電圧データの電圧デー
タが充電分極やメモリ効果の影響をもっていても、全体
としての影響が小さいためである。その結果、充電分極
やメモリ効果の影響が小さい最大充電可能電力Pinmax、
最大放電可能電力Poutmaxを得ることができるわけであ
る。もちろん、電圧・電流特性(たとえばL1、L2,
L3など)からなんらかの手段で充電分極やメモリ効果
の影響を積極的にキャンセルすれば更に精度は向上す
る。
電流IBのデータにより現在充電又は放電している現在
電力Pnow(今回検出した電圧VB×今回検出した電流I
B)を求め、この現在電力Pnowと上記最大放電可能電力
Poutmaxとの差を放電電力マージンPdmとし、現在電力Pn
owと上記最大充電可能電力Pinmaxとの差を充電電力マー
ジンPcmとする。
力マージンPdm及び充電電力マージンPcmにより、ST
5,ST6にて求めた最大充電可能電力Pinmax及び最大
放電可能電力Poutmaxを補正して、現在の充電又は放電
条件(負荷条件)で実際に安全に出力可能な最大充電電
力Pi、最大放電電力Poを求める。すなわち、最大充電
電力Piを充電電力マージンPcmで補正して実際に安全に
充電可能な最大充電電力Piを求め、最大放電可能電力P
outmaxを放電電力マージンPdmで補正して実際に安全に
放電可能な最大放電可能電力Poutmaxを求める。
iは、充電電力マージンPcmと最大充電可能電力Pinmaxと
から次のように求める。
した電流及び電圧に含まれるノイズ成分による検出誤差
や演算エラーによる誤差を低減するために、あらかじめ
電池温度で定まる上限値Pcmmax、下限値Pcmminを
設定しておく。
xと下限値Pcmminとの範囲内に有れば、充電電力マ
ージンPcmを書き換えず、充電電力マージンPcmがこの上
限値Pcmmaxより大きい場合には充電電力マージンPcm
を上限値とし、充電電力マージンPcmがこの下限値Pcmm
inより小さい場合には充電電力マージンPcmを下限値
とする。
ンPcmに対し、電池温度、電池電圧より定まるあらかじ
め設定された安全率KCを掛けて得た値を、最大充電可
能電力Pinmaxより減算し、これにより最大充電電力Pi
を算出する。
ジンPdmと最大放電可能電力Poutmaxから次のように求め
る。
した電流及び電圧に含まれるノイズ成分による検出誤差
や演算エラーによる誤差を低減するために、あらかじめ
電池温度で定まる上限値Pdmmax、下限値Pdmminを
設定しておく。
xと下限値Pdmminとの範囲内に有れば、放電電力マ
ージンPdmを書き換えず、放電電力マージンPdmがこの上
限値Pdmmaxより大きい場合には放電電力マージンPdm
を上限値とし、放電電力マージンPdmがこの下限値Pdmm
inより小さい場合には放電電力マージンPdmを下限値
とする。
ンPdmに対し、電池温度、電池電圧より定まるあらかじ
め設定された安全率KDを掛けて得た値を、最大放電可
能電力Poutmaxより減算し、これにより最大放電電力P
oを算出する。
電電力Pi、最大放電電力Poにより、現在の電池温度に
おけるSOCを求める。
SOCは最大追加充電電力Piの変化に連動して所定の
充電電力ーSOC特性Xで単調に変化し、最大追加放電
電力Poの変化に連動して所定の放電電力ーSOC特性
Yで単調に変化する。
め、関数である電力差(PiーPo)とSOCとの関係を
二次元マップとして記憶しておき、今回求めた電力差
(PiーPo)をこのマップに代入してSOCを求める。
比率Pi/Poを用いてもよく、あるいはPi、Po、SO
Cの三元マップを用いてもよい。
電電力Pi、最大放電電力Po及び両者の差PoーPiが、
所定の適正領域内にあるかどうかを求める。なお、ここ
でいう所定の適正領域とは、Pi、Po、PoーPiをそれ
ぞれパラメータ(独立変数、次元)とする三次元空間内
の所定の適正範囲(三次元領域)内にあるかどうかを判
定し、適正範囲内にあればST11に進み、なければ異
常データと判定してST12に進んでフェール処理を行
う。
た各データを次回のSOC算出のために上記した不揮発
メモリに記憶する。
おける上記各データが異常値を示す場合に、この異常値
を正常な値に回復する方向に電池の充放電を指令するも
のであるが、本発明の要旨ではないので説明を省略す
る。なお、このフェール時には、適正なSOCの算出が
できなかったわけであるので、別に行う電流積算SOC
算出方式で求めたSOCを後述するST13にて仮に出
力して、上記回復指令を省略することも可能である。
を車両コントローラに送信し、また表示パネルに表示し
て、ST1にリターンする。
電力Po、補正最大充電可能電力Piを用いてSOCを求
めたが、最大放電可能電力Poutmax及び最大充電可能電
力Pinmaxを用いて同様の処理によりSOCを求めてもよ
い。
に説明する。なお、この実施例は、図2に示す実施例1
のフローチャートにおいて、ST9の直後に、図5に示
す電池劣化判定ステップST100を追加した点をその
特徴としている。
Piの絶対値とPoの絶対値との和が、電池劣化時に小さ
くなることを利用したものであり、Piの絶対値とPoの
絶対値との和が所定しきい値Pth以下なら、電池劣化と
判定して劣化をアラームする。
代わりに、図3における電圧・電流特性の直線(たとえ
ば、L1、L2、L3)を用いてもよい。電池劣化が大
きいほど傾斜率K=(ΔV/ΔI)は大きくなるので、
傾斜率が所定値以上となった場合に、電池劣化を検出す
ることができる。
イブリッド自動車の構成例を示すブロック図である。
ーチャートである。
力Poutmax及び最大充電可能電力Pinmaxを求めるための
マップを示す電流ー電圧特性図である。
能電力PiとSOCとの関係を示す図である。
チャートである。
Claims (5)
- 【請求項1】前記電池の電流、電圧のデータペアを多数
測定して記憶し、 各前記電流、電圧のデータペアに基づいて前記電池の電
圧・電流特性を求め、 前記電圧・電流特性に基づいて最大放電可能電力Poutma
x及び最大充電可能電力Pinmaxを求め、 前記最大放電可能電力Poutmax及び最大充電可能電力Pin
maxの両方に基づいて前記電池のSOCを推定すること
を特徴とする二次電池の容量決定方法。 - 【請求項2】請求項1記載の二次電池の容量決定方法に
おいて、 前記最大充電可能電力Pinmax又はその所定の補正値と、
前記最大放電可能電力Poutmax又はその所定の補正値と
をそれぞれ変数とする関数を求め、 前記関数と前記SOCとの間の二元マップに、前記関数
の今回値を代入して前記SOCを決定することを特徴と
する二次電池の容量決定方法。 - 【請求項3】請求項2記載の二次電池の容量決定方法に
おいて、 前記関数は、前記最大放電可能電力Poutmax又はその補
正値と、前記最大充電可能電力Pinmax又はその補正値と
の差又は比であることを特徴とする二次電池の容量決定
方法。 - 【請求項4】請求項1記載の二次電池の容量決定方法に
おいて、 前記最大放電可能電力Poutmax又は前記最大充電可能電
力Pinmaxの両方に基づいて前記電池の劣化の程度を判定
することを特徴とする二次電池の容量決定方法。 - 【請求項5】請求項4記載の二次電池の容量決定方法に
おいて、 前記最大放電可能電力Poutmaxと前記最大充電可能電力P
inmaxの差が所定値以下の場合に前記電池の交換を要す
る劣化と判定することを特徴とする二次電池の容量決定
方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000315336A JP2002122642A (ja) | 2000-10-16 | 2000-10-16 | 二次電池の容量決定方法 |
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