JP2004028861A - Method and detector for detecting voltage in batteries connected in parallel - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、並列に接続された電池の電圧検出方法および電圧検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車などのように、充電可能な二次電池を電源として負荷を駆動する技術が知られている。電池は、負荷を駆動する放電動作と電池を充電する充電動作とを繰り返し行う。このような電池の放電時の開放電圧および充電時の開放電圧は、それぞれが電池使用時の電圧下限値と上限値とで示される電圧範囲に収まるように制御される。電池の開放電圧を検出する方法として、電池の放電中に測定した端子電圧Vおよび放電電流Iに基づいてIV特性を直線回帰演算する方法が提案されている(たとえば、特開2000−261901号公報など)。一般に、リチウムイオン電池やニッケル水素電池は、電池の放電深度(DOD)が所定の領域(たとえば、0〜60%)で充電時と放電時の内部抵抗がほぼ一致する上に、充放電時のIV特性の直線性がよい。そこで、電池の放電中に測定した端子電圧Vを縦軸に、放電電流Iを横軸にそれぞれ記し、得られたIV特性から回帰直線を求める。この回帰直線を放電側の領域および充電側の領域へそれぞれ延長すると、V軸切片が電池の開放電圧を表す。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
複数の二次単電池を並列に接続した電池を上記電源に使用したいという要求がある。電池を並列に接続すると、電圧が高い側の電池から電圧が低い側の電池へ電流が流れる。この電流は調整電流と呼ばれ、電池間の端子電圧を合わせるように流れる。したがって、単電池を並列に接続した並列電池の端子電圧を測定しても単電池ごとの実際の開放電圧がわからないため、従来の方法では個々の単電池の開放電圧を得ることが困難である。
【0004】
本発明の目的は、並列に接続された単電池ごとの開放電圧を得るようにして電圧を検出することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の二次単電池を並列に接続した電池の電圧検出に関し、並列電池の電圧と単電池ごとの電流とをそれぞれ複数回検出し、検出した電圧および電流から単電池ごとの内部抵抗をそれぞれ算出し、算出した内部抵抗、並列電池の電圧、および単電池ごとの電流を用いて単電池の開放電圧を推定して得るようにしたものである。
【0006】
【発明の効果】
本発明によれば、並列接続電池の単電池ごとの開放電圧を得ることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施の形態による組電池の電圧監視システムの構成図である。なお、本システムは、組電池を電源として使用する電気自動車などに搭載される。図1において、電圧監視システムは、電圧センサ103と、電流センサ102と、セルコントローラ10と、バッテリコントローラ20とを有する。
【0008】
電池モジュールBMは、n個のセルC11〜セルC1n、n個のセルC21〜セルC2n、…、n個のセルCm1〜セルCmnが、それぞれ並列に接続される。セルC11〜セルC1nによる並列電池をC(P1)と記す。同様に、セルC21〜セルC2nによる並列電池をC(P2)と記し、セルCm1〜セルCmnによる並列電池をC(Pm)と記す。並列電池C(P1)、C(P2)、…、およびC(Pm)は、それぞれ直列に接続されて電池モジュールBMを構成する。組電池は、上述した電池モジュールBMを複数組用いて構成される。なお、並列電池のセル数n、および直列に接続する並列電池の数mは、電池モジュールBMの仕様に応じて適宜設定される。図1は、組電池を構成する電池モジュールBMの中で1組の電池モジュールBMのみを示した図である。
【0009】
電流センサ102および電圧センサ103は、各電池モジュールBMに対応してそれぞれ配設されている。電流センサ102は、電池モジュールBMを構成するm×n個の各セルに流れる電流をそれぞれ検出し、検出信号をセルコントローラ10へ出力する。電圧センサ103は、上記m組の並列電池C(P1)、C(P2)、…、およびC(Pm)の端子電圧をそれぞれ検出し、検出信号をセルコントローラ10へ出力する。
【0010】
セルコントローラ10は、各電池モジュールBMに対応してそれぞれ配設されている。セルコントローラ10は、CPU101および電池温度センサ104を有し、モジュール電池BM内のm×n個のセルを管理する。CPU101は、電流センサ102からの電流検出信号より各セルの電流値を求め、セルごとの電流情報をバッテリコントローラ20へ送出する。CPU101はさらに、電圧センサ103からの電圧検出信号より並列電池の端子電圧値を求め、並列電池ごとの電圧情報をバッテリコントローラ20へ送出する。電池温度センサ104は、電池モジュールBM内のセルの温度を検出し、温度検出信号をCPU101へ送出する。CPU101は、電池温度センサ104からの検出信号によりセルの温度を求め、セルの温度情報をバッテリコントローラ20へ送出する。
【0011】
セルコントローラ10は、バッテリコントローラ20によって管理される。バッテリコントローラ20は、CPU201、メモリ202、および通信部203を含む。通信部203は、シリアル通信により各セルコントローラと通信を行う。バッテリコントローラ20は、シリアル通信によって各セルコントローラへ指令を送信するとともに、シリアル通信によって各セルコントローラから送信される電圧情報、電流情報および温度情報を受信し、受信情報に基づいて各電池モジュールを管理する。
【0012】
バッテリコントローラ20のCPU201は、通信部203を介して入力された各セルコントローラからの電圧情報、電流情報、および温度情報をメモリ202内に逐次記憶(蓄積)する。CPU201は、メモリ202に記憶された各情報を用いて電池モジュールBMの放電容量や充電容量などを演算し、演算結果をバッテリ情報として不図示の車両コントローラへ送信する。バッテリ情報には、出力/回生制限要求も含まれる。セルコントローラ10からバッテリコントローラ20へ異常データが送られると、CPU201は出力/回生制限などのフェイルセーフ動作を行う。
【0013】
メモリ202には、電池の劣化特性を示す情報があらかじめ記憶されている。記憶情報には、たとえば、温度補正係数A、電池電圧補正係数Bが含まれる。温度補正係数Aは、温度に依存した電池の内部抵抗の変化を示すパラメータである。一般に、電池の内部抵抗は電池温度の上昇とともに減少する。そこで、あらかじめ温度−内部抵抗の関係を実測してテーブル化し、温度に応じたテーブル参照値を温度補正係数Aとしてメモリ202に記憶させておく。図2は、電池温度と内部抵抗値との相関を示すグラフの一例である。
【0014】
電池電圧補正係数Bは、電池電圧に依存した電池の内部抵抗の変化を示すパラメータである。一般に、電池の内部抵抗は当該電池の放電による電池電圧の低下とともに増加する。そこで、あらかじめ電池電圧−内部抵抗の関係を実測してテーブル化し、電池電圧に応じたテーブル参照値を電池電圧補正係数Bとしてメモリ202に記憶させておく。図3は、電池電圧と内部抵抗値との相関を示すグラフの一例である。図3において、保証電圧上限値は電池が満充電時の電圧に対応する。保証電圧下限値は、電池の放電停止(終止)電圧に対応する。
【0015】
車両コントローラ(不図示)は、上述したバッテリコントローラ20から送信されたバッテリ情報、ならびにアクセル操作量センサ(不図示)、ブレーキ操作量センサ(不図示)、および車速センサ(不図示)による各検出値を用いて車両の走行制御を行う。
【0016】
本発明は、上記組電池の電圧監視システムで行われるバッテリ情報の演算に特徴を有し、とくに、並列電池を構成する各セルごとの内部抵抗値から各セルの開放電圧を推定するようにしたものである。
【0017】
図4は、CPU201によって行われるセル監視処理の流れを説明するフローチャートである。図4による処理は、車両走行時(電池モジュールBMの放電時)および電池モジュールBMの充電時に繰り返し行われる。図4のステップS11において、CPU201は、電池特性の劣化率を算出する。CPU201は、メモリ202に蓄積されている電流情報による各セルの電流値、電圧情報による各並列電池の端子電圧値、温度情報によるセルの温度、ならびに電池の劣化特性を示す情報を用いて電池特性劣化率を算出し、算出結果をメモリ202に記憶(蓄積)する。CPU201は、算出結果をメモリ202に記憶するとステップS12へ進む。なお、電池特性劣化率の算出の詳細については後述する。
【0018】
ステップS12において、CPU201は、メモリ202に蓄積されている各セルの電流値、各並列電池の端子電圧値、電池特性劣化率、およびメモリ202にあらかじめ格納されている上記テーブル参照値を引用して各セルの内部抵抗値を算出し、算出結果をメモリ202に記憶(蓄積)する。CPU201は、算出結果をメモリ202に記憶するとステップS13へ進む。
【0019】
内部抵抗の算出について説明する。図5は、単セルの放電時の電圧挙動を説明する図である。図5において、横軸は経過時間(sec)を表し、縦軸はセルの端子電圧(V)を表す。負荷時電圧V1は、当該セルが放電を開始すると開放電圧V0から徐々に低下し、図5の破線付近を境に低下率が変化する。そこで、CPU201は、メモリ202に蓄積されている各セルの電流値、各並列電池の端子電圧値のうち、負荷時電圧の低下率が変化した後のデータを用いて次式(1)により内部抵抗値rを算出する。
【数1】
V1=V0−I×r (1)
ただし、V1は負荷時電圧値、V0は開放電圧値、Iはセルに流れる電流値、rはセルの内部抵抗値である。開放電圧値V0は、電流値I=0時の検出電圧値で与えられる。
【0020】
図6は、単セルの充電時の電圧挙動を説明する図である。図6において、横軸は経過時間(sec)を表し、縦軸はセル電圧(V)を表す。負荷時電圧V1は、当該セルが充電を開始すると開放電圧V0から徐々に上昇し、図6の破線付近を境に上昇率が変化する。そこで、CPU201は、メモリ202に蓄積されている各セルの電流値、各並列電池の端子電圧値のうち、負荷時電圧の上昇率が変化した後のデータを用いて上式(1)により内部抵抗値rを算出する。
【0021】
CPU201は、算出した各セルの内部抵抗値rをメモリ202に蓄積されている電池特性劣化率、およびメモリ202に格納されている上記テーブル参照値を引用してそれぞれ補正し、補正後の内部抵抗値rcをそれぞれメモリ202に記憶する。
【0022】
ステップS13において、CPU201は、メモリ202に蓄積されている各セルごとの補正後の内部抵抗値rc、各セルの電流値、および各並列電池の端子電圧値とを用いてセルごとの開放電圧をそれぞれ算出し、算出結果をメモリ202に記憶(蓄積)する。CPU201は、算出結果をメモリ202に記憶するとステップS14へ進む。
【0023】
ステップS14において、CPU201は、メモリ202に蓄積された各セルの開放電圧が電池の使用温度範囲(保証温度範囲)から外れないように監視処理を行う。CPU201は、車両走行時および電池充電時に上記ステップS11〜ステップS14の処理を繰り返す。なお、開放電圧の監視処理の詳細については後述する。
【0024】
次に、図4のステップS11の電池特性劣化率の算出の詳細について、図7のフローチャートを参照して説明する。図7のステップS21において、CPU201は、メモリ202に蓄積されている電流情報による各セルの電流値と、電圧情報による各並列電池の電圧値と、温度情報によるセル温度とを用いてサイクル劣化率を算出し、算出結果をメモリ202に記憶(蓄積)する。
【0025】
サイクル劣化率は、電池の充放電サイクルに起因する電池の内部抵抗の変化を示すものである。一般に、電池の内部抵抗は当該電池の充放電サイクル数が増えると増加する。そこで、CPU201は、メモリ202に蓄積されている電流値および電圧値より充放電サイクル数を求め、この充放電サイクル数−内部抵抗増加量の関係、すなわち、サイクル劣化率を算出する。電池から流れ出る向きの電流は、電池の放電を示す。電池に流れ込む向きの電流は、電池の充電を示す。電池の放電による電圧の低下および電池の充電による電圧の上昇を1サイクルとしてカウントすると、充放電サイクル数を求められる。電池の内部抵抗値は、充放電が繰り返される電池の温度によって異なるので、検出したセル温度を用いて内部抵抗値rを補正する。温度補正は、上記温度補正係数Aを参照して行う。CPU201は、サイクル劣化率の算出結果をメモリ202に蓄積するとステップS22へ進む。図8は、算出した充放電サイクル数と内部抵抗増加量との相関を示すグラフの一例である。
【0026】
ステップS22において、CPU201は、充電開始時もしくは放電(車両走行)開始時に検出された各並列電池の電圧値とセル温度とを用いて保存劣化率を算出し、算出結果をメモリ202に記憶(蓄積)する。
【0027】
保存劣化率は、電池の充放電を行っていない放置時間の長さに起因する電池の内部抵抗の変化を示すものである。一般に、電池の内部抵抗は当該電池の放置時間が長くなると増加する。そこで、CPU201は、電池放置後に検出した電圧値および温度より保存期間(日数)を求め、この保存期間−内部抵抗増加量の関係、すなわち、保存劣化率を算出する。電池が放置された場合の電池電圧は、電池の充電状態(SOC)による電池電圧と、電池放置時の電池温度とに依存して所定の変化率を有するので、電池放置後(再び放電もしくは充電が開始されたとき)の電池電圧および温度から放置期間を算出できる。CPU201は、保存劣化率の算出結果をメモリ202に蓄積するとステップS23へ進む。図9は、算出した保存期間(日数)と内部抵抗増加量との相関を示すグラフの一例である。なお、電池放置後にセル温度を検出する代わりに、CPU201内のタイマ回路(不図示)を用いて電池放置中の所定時間ごとにセル温度を検出するようにしてもよい。この場合には、放置中の温度変動を考慮して電池の放置時間を算出することができる。
【0028】
ステップS23において、CPU201は、メモリ202に蓄積されているサイクル劣化率および保存劣化率を用いて特性劣化率を算出する。特性劣化率は、サイクル劣化率および保存劣化率の両劣化要因による電池の内部抵抗増加量を統合することにより、電池使用日数と内部抵抗増加量との関係として表したものである。両劣化率の統合は、たとえば、充放電サイクル数が10サイクルで内部抵抗値が1Ω増加し、保存期間が10日で内部抵抗値が1Ω増加する場合に、10サイクル=10日を換算率として用いる。図10は、換算後の電池使用日数と内部抵抗増加量との相関を示すグラフの一例である。
【0029】
開放電圧監視処理の詳細について、図11のフローチャートを参照して説明する。CPU201は、通信部203を介して入力される電圧情報(並列電池の負荷時電圧値)を受信してステップS42へ進む。ステップS42において、CPU201は、負荷時電圧値V1が第1の許容電圧範囲内であるか否かを判定する。第1の許容電圧範囲は、あらかじめメモリ202に記憶されている。CPU201は、負荷時電圧値V1が第1の許容電圧範囲内である場合にステップS42を肯定判定してステップS43へ進み、負荷時電圧値V1が第1の許容電圧範囲外である場合にステップS42を否定判定してステップS49へ進む。
【0030】
ステップS43において、CPU201は、メモリ202に記憶されている各セルの補正後の内部抵抗値rcを読み出してステップS44へ進む。ステップS44において、CPU201は、読み出した内部抵抗値rcと負荷時電圧V1とを用いて各セルごとの理論電流値Itを次式(2)を用いて算出し、ステップS45へ進む。
【数2】
It=V1/rc (2)
【0031】
ステップS45において、CPU201は、通信部203を介して入力される電流情報(各セルの実電流値Ir)を受信してステップS46へ進む。ステップS46において、CPU201は、理論電流値Itと実電流値Irとが同符号か否かを判定する。CPU201は、両電流値が同符号(流れる向きが同じ)の場合にステップS46を肯定判定して図11による処理を終了し、両電流値が異符号(流れる向きが逆)の場合にステップS46を否定判定してステップS47へ進む。
【0032】
両電流値が同符号になる場合は、並列電池の放電時に当該並列電池を構成する全てのセルが放電する、もしくは、並列電池の充電時に当該並列電池を構成する全てのセルが充電する場合である。このとき、CPU201はセルを正常とみなす。一方、両電流値が異符号になる場合は、並列電池の放電時に当該並列電池を構成するセルのいずれかが充電する、もしくは、並列電池の充電時に当該並列電池を構成するセルのいずれかが放電する場合である。このとき、CPU201は当該セルの開放電圧値を調べるためにステップS47へ進む。
【0033】
ステップS47において、CPU201は、上記電流値の符号が異符号と判定したセルについて、内部抵抗値rcおよび実電流値Irを上式(1)に代入して開放電圧値V0eを推定し、ステップS48へ進む。ステップS48において、CPU201は、推定開放電圧値V0eが第2の許容電圧範囲内であるか否かを判定する。第2の許容電圧範囲は、電池使用時の保証電圧上限値および下限値によって表され、あらかじめメモリ202に記憶されている。CPU201は、推定開放電圧値V0eが第2の許容電圧範囲内である場合にステップS48を肯定判定して図11による処理を終了し、推定開放電圧値V0eが第2の許容電圧範囲外である場合にステップS48を否定判定してステップS49へ進む。
【0034】
CPU201は、推定開放電圧値V0eが第2の許容電圧範囲内である場合に当該セルを正常とみなす。一方、推定開放電圧値V0eが第2の許容電圧範囲外である場合は、CPU201が当該セルを異常とみなし、ステップS49で異常発生時の処理を行う。ステップS49において、CPU201は、不図示の表示装置にセル異常を表示するように指令を出して図11による処理を終了する。
【0035】
以上説明した実施の形態についてまとめる。
(1)単セルC11〜C1nを並列に接続した並列電池C(P1)と、単セルC21〜C2nを並列に接続した並列電池C(P2)と、…、単セルCm1〜Cmnを並列に接続した並列電池C(Pm)とをそれぞれ直列に接続して電池モジュールBMを構成する。
(2)上記単セルごとに流れる電流を電流センサ102でそれぞれ検出し、上記並列電池ごとの端子電圧を電圧センサ103でそれぞれ検出する。各検出値は、セルコントローラ10からバッテリコントローラ20へ送り、バッテリコントローラ20のメモリ202に蓄積する。バッテリコントローラ20のCPU201は、複数回の測定によってメモリ202に蓄積されている各セルごとの電流値および電圧値を用いて各セルの内部抵抗値rを算出する。電流センサ102でセルごとに流れる電流を検出するようにしたので、各セルごとの内部抵抗値rを算出することが可能になる。
【0036】
(3)CPU201は、算出した各セルの内部抵抗値rをメモリ202に蓄積されている電池特性劣化率、およびメモリ202にあらかじめ格納されているテーブル参照値を引用してそれぞれ補正し、補正後の各セルの内部抵抗値rcをメモリ202にそれぞれ記憶する。電池特性劣化率は、電池の充放電サイクル数に起因する電池の内部抵抗増加量と、電池の放置時間(放置日数)に起因する電池の内部抵抗増加量とを統合したものである。テーブル参照値は、電池の温度に依存する電池の内部抵抗の変化、および電池電圧に依存する電池の内部抵抗の変化をそれぞれ補正するものである。上記(2)で算出した内部抵抗値rを補正することにより、電池の使用状態に起因する内部抵抗値の変動分を除去した内部抵抗値rcを得ることができる。
【0037】
(4)CPU201は、並列電池の負荷時電圧値V1が第1の許容電圧範囲内であるか否かを判定し(ステップS42)、第1の許容電圧範囲内に収まる場合に当該並列電池内の各セルに流れる実際の電流の向きが理論電流値の向きと一致するか否かを判定するようにした(ステップS46)。理論電流値は並列電池の負荷時電圧値V1を内部抵抗値rcで除して求める。これにより、並列電池の放電時に当該並列電池を構成するセルのいずれかが充電する、もしくは、並列電池の充電時に当該並列電池を構成するセルのいずれかが放電する場合を検出することができる(ステップS46を否定判定)。
【0038】
(5)CPU201は、上記(4)でステップS46の否定判定に対応するセルについて、負荷時電圧V1、当該セルの内部抵抗値rcおよび当該セルの電流値Irを用いて算出した推定開放電圧値V0eが第2の許容電圧範囲内であるか否かを判定する。推定開放電圧V0eが電池使用時の保証電圧上限値および下限値から外れるセルは、これを検出して異常判定を行う(ステップS49)。この結果、並列電池を構成する全てのセルについて、開放電圧が保証電圧範囲内に収まるように適切な領域で電池を使用することができ、電池の劣化を防止できる。
【0039】
上記(5)について補足説明する。図12は、2つの単セルC1および単セルC2が並列に接続された並列電池を示す図である。この並列電池に負荷を接続すると、並列電池は電流Iを負荷へ流す。図1の電圧センサ103は、負荷時の端子電圧Vを検出する。単セルC1のSOC(充電状態)が単セルC2のSOCより高く、単セルC1から単セルC2側へ容量調整電流が流れる状態では、単セルC1の電流I1の一部が単セルC2側へ流れる。並列電池の中で単セルの電圧のばらつきに起因して電圧が高い側の電池から電圧が低い側の電池へ調整電流が流れる場合、2つの単セルの開放電圧は異なる値をとる。
【0040】
図13は、時間の経過とともに電圧センサ103で検出される端子電圧、および各単セルの開放電圧を示す図である。図13において、横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。曲線Vは並列電池の端子電圧(負荷時電圧)を、破線V01は単セルC1の開放電圧を、破線V02は単セルC2の開放電圧をそれぞれ示す。単セルC1の内部抵抗値はr1、単セルC2の内部抵抗値はr2である。図13は、並列電池の負荷時電圧Vが電池使用時の保証電圧下限値を下回らない状態でも、単セルC2の開放電圧V02が保証電圧下限値より低くなる場合があることを示している。本発明は、並列電池のうちセル電圧が低い方の単セルの開放電圧が下限値を下回らないように各セルの開放電圧を監視するものである。
【0041】
特許請求の範囲における各構成要素と、発明の実施の形態における各構成要素との対応について説明する。二次単電池は、たとえば、セルC11〜Cmnが対応する。並列電池は、たとえば、セルC11〜C1nを並列に接続した並列電池C(P1)、セルC21〜C2nを並列に接続した並列電池C(P2)、…、セルCm1〜Cmnを並列に接続した並列電池C(Pm)が対応する。温度に依存した電池の内部抵抗の変化を示す情報は、たとえば、温度補正係数Aのテーブル参照値が対応する。電池電圧に依存した電池の内部抵抗の変化を示す情報は、たとえば、電池電圧補正係数Bのテーブル参照値が対応する。また、電圧検出手段は電圧センサ103が、電流検出手段は電流センサ102が、内部抵抗算出手段および開放電圧推定手段はCPU201が、それぞれ対応する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による方法で組電池の電圧検出を行う組電池の電圧監視システムの構成図である。
【図2】電池温度と内部抵抗値との相関の一例を示す図である。
【図3】電池電圧と内部抵抗値との相関の一例を示す図である。
【図4】CPUによって行われるセル監視処理の流れを説明するフローチャートである。
【図5】単セルの放電時の電圧挙動を説明する図である。
【図6】単セルの充電時の電圧挙動を説明する図である。
【図7】電池特性劣化率の算出の詳細を説明するフローチャートである。
【図8】充放電サイクル数と内部抵抗増加量との相関の一例を示す図である。
【図9】保存日数と内部抵抗増加量との相関の一例を示す図である。
【図10】電池使用日数と内部抵抗増加量との相関の一例を示す図である。
【図11】開放電圧監視処理の詳細を説明するフローチャートである。
【図12】2つの単セルが並列に接続された並列電池を示す図である。
【図13】時間の経過とともに検出される端子電圧および各単セルの開放電圧を示す図である。
【符号の説明】
10…セルコントローラ、 20…バッテリコントローラ、
101、201…CPU、 102…電流センサ、
103…電圧センサ、 104…電池温度センサ、
202…メモリ、 203…通信部、
C11〜Cmn…セル、 BM…電池モジュール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage detection method and a voltage detection device for batteries connected in parallel.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A technology for driving a load using a rechargeable secondary battery as a power source, such as an electric vehicle, is known. The battery repeatedly performs a discharging operation for driving the load and a charging operation for charging the battery. The open-circuit voltage at the time of discharging and the open-circuit voltage at the time of charging of such a battery are controlled so as to fall within a voltage range indicated by a lower voltage limit and an upper limit value when the battery is used. As a method of detecting the open voltage of a battery, a method of linearly regressing the IV characteristic based on a terminal voltage V and a discharge current I measured during discharging of the battery has been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-261901). Such). Generally, in a lithium ion battery or a nickel hydride battery, when the depth of discharge (DOD) of the battery is within a predetermined region (for example, 0 to 60%), the internal resistance at the time of charging and the internal resistance at the time of discharging substantially match, and Good linearity of IV characteristics. Therefore, the terminal voltage V measured during battery discharge is plotted on the vertical axis, and the discharge current I is plotted on the horizontal axis, and a regression line is obtained from the obtained IV characteristics. When this regression line is extended to the discharge-side region and the charge-side region, the V-axis intercept represents the open circuit voltage of the battery.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
There is a demand to use a battery in which a plurality of secondary cells are connected in parallel for the power supply. When batteries are connected in parallel, current flows from the battery with the higher voltage to the battery with the lower voltage. This current is called an adjustment current and flows so as to match the terminal voltage between the batteries. Therefore, even if the terminal voltages of the parallel cells in which the cells are connected in parallel are measured, the actual open voltage of each cell is not known, and it is difficult to obtain the open voltages of the individual cells by the conventional method.
[0004]
An object of the present invention is to detect a voltage by obtaining an open-circuit voltage for each unit cell connected in parallel.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to voltage detection of a battery in which a plurality of secondary cells are connected in parallel, and detects the voltage of a parallel battery and the current of each cell a plurality of times, respectively, and detects the internal voltage of each cell from the detected voltage and current. The resistance is calculated, and the open voltage of the cell is estimated and obtained using the calculated internal resistance, the voltage of the parallel cell, and the current of each cell.
[0006]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the open circuit voltage for every unit cell of a parallel connection battery can be obtained.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an assembled battery voltage monitoring system according to an embodiment of the present invention. The present system is mounted on an electric vehicle or the like using a battery pack as a power source. In FIG. 1, the voltage monitoring system has a voltage sensor 103, a current sensor 102, a
[0008]
In the battery module BM, n cells C11 to C1n, n cells C21 to C2n,..., N cells Cm1 to Cmn are respectively connected in parallel. A parallel battery composed of cells C11 to C1n is referred to as C (P1). Similarly, a parallel battery composed of cells C21 to C2n is represented as C (P2), and a parallel battery composed of cells Cm1 to Cmn is represented as C (Pm). The parallel batteries C (P1), C (P2),..., And C (Pm) are connected in series to form a battery module BM. The assembled battery is configured using a plurality of sets of the battery module BM described above. The number n of cells in the parallel battery and the number m of parallel batteries connected in series are appropriately set according to the specifications of the battery module BM. FIG. 1 is a diagram showing only one battery module BM among the battery modules BM constituting the battery pack.
[0009]
The current sensor 102 and the voltage sensor 103 are provided corresponding to each battery module BM. The current sensor 102 detects a current flowing through each of the m × n cells constituting the battery module BM, and outputs a detection signal to the
[0010]
The
[0011]
The
[0012]
The
[0013]
Information indicating the deterioration characteristics of the battery is stored in the
[0014]
The battery voltage correction coefficient B is a parameter indicating a change in the internal resistance of the battery depending on the battery voltage. Generally, the internal resistance of a battery increases as the battery voltage decreases due to the discharge of the battery. Therefore, the relationship between the battery voltage and the internal resistance is actually measured and tabulated, and a table reference value corresponding to the battery voltage is stored in the
[0015]
The vehicle controller (not shown) transmits the battery information transmitted from the above-described battery controller 20 and the respective detection values obtained by the accelerator operation amount sensor (not shown), the brake operation amount sensor (not shown), and the vehicle speed sensor (not shown). Is used to control the running of the vehicle.
[0016]
The present invention has a feature in the calculation of battery information performed in the voltage monitoring system of the assembled battery, and particularly, the open-circuit voltage of each cell is estimated from the internal resistance value of each cell constituting the parallel battery. Things.
[0017]
FIG. 4 is a flowchart illustrating the flow of the cell monitoring process performed by the
[0018]
In step S12, the
[0019]
The calculation of the internal resistance will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating the voltage behavior at the time of discharging a single cell. In FIG. 5, the horizontal axis represents elapsed time (sec), and the vertical axis represents terminal voltage (V) of the cell. When the cell starts discharging, the load voltage V1 gradually decreases from the open voltage V0, and the rate of decrease changes near the broken line in FIG. Therefore, the
(Equation 1)
V1 = V0−I × r (1)
Here, V1 is a load voltage value, V0 is an open voltage value, I is a current value flowing through the cell, and r is an internal resistance value of the cell. The open-circuit voltage value V0 is given as a detected voltage value when the current value I = 0.
[0020]
FIG. 6 is a diagram illustrating voltage behavior during charging of a single cell. In FIG. 6, the horizontal axis represents elapsed time (sec), and the vertical axis represents cell voltage (V). The load voltage V1 gradually increases from the open voltage V0 when the cell starts charging, and the rate of increase changes near the broken line in FIG. Therefore, the
[0021]
The
[0022]
In step S13, the
[0023]
In step S14, the
[0024]
Next, details of the calculation of the battery characteristic deterioration rate in step S11 in FIG. 4 will be described with reference to the flowchart in FIG. In step S21 of FIG. 7, the
[0025]
The cycle deterioration rate indicates a change in the internal resistance of the battery caused by the charge / discharge cycle of the battery. Generally, the internal resistance of a battery increases as the number of charge / discharge cycles of the battery increases. Therefore, the
[0026]
In step S22, the
[0027]
The storage deterioration rate indicates a change in the internal resistance of the battery due to the length of time the battery has not been charged or discharged. In general, the internal resistance of a battery increases as the standing time of the battery increases. Therefore, the
[0028]
In step S23, the
[0029]
Details of the open-circuit voltage monitoring process will be described with reference to the flowchart in FIG. The
[0030]
In step S43, the
(Equation 2)
It = V1 / rc (2)
[0031]
In step S45, the
[0032]
When the two current values have the same sign, all the cells constituting the parallel battery are discharged when the parallel battery is discharged, or all the cells constituting the parallel battery are charged when the parallel battery is charged. is there. At this time, the
[0033]
In step S47, the
[0034]
When the estimated open-circuit voltage value V0e is within the second allowable voltage range, the
[0035]
The embodiments described above are summarized.
(1) A parallel battery C (P1) in which the single cells C11 to C1n are connected in parallel, a parallel battery C (P2) in which the single cells C21 to C2n are connected in parallel,..., The single cells Cm1 to Cmn are connected in parallel The parallel battery C (Pm) is connected in series to form a battery module BM.
(2) The current flowing through each single cell is detected by the current sensor 102, and the terminal voltage of each parallel battery is detected by the voltage sensor 103. Each detected value is sent from the
[0036]
(3) The
[0037]
(4) The
[0038]
(5) For the cell corresponding to the negative determination in step S46 in the above (4), the
[0039]
The above (5) will be supplementarily described. FIG. 12 is a diagram illustrating a parallel battery in which two single cells C1 and two single cells C2 are connected in parallel. When a load is connected to the parallel battery, the parallel battery passes a current I to the load. The voltage sensor 103 in FIG. 1 detects a terminal voltage V under load. In a state where the SOC (charging state) of the single cell C1 is higher than the SOC of the single cell C2 and a capacity adjustment current flows from the single cell C1 to the single cell C2, a part of the current I1 of the single cell C1 flows to the single cell C2. Flows. When the adjustment current flows from the battery with the higher voltage to the battery with the lower voltage due to the variation in the voltage of the single cells in the parallel batteries, the open voltages of the two single cells take different values.
[0040]
FIG. 13 is a diagram showing the terminal voltage detected by the voltage sensor 103 over time and the open voltage of each single cell. In FIG. 13, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents voltage. The curve V indicates the terminal voltage (load voltage) of the parallel battery, the broken line V01 indicates the open voltage of the single cell C1, and the broken line V02 indicates the open voltage of the single cell C2. The internal resistance of the single cell C1 is r1, and the internal resistance of the single cell C2 is r2. FIG. 13 shows that the open-circuit voltage V02 of the single cell C2 may be lower than the guaranteed voltage lower limit even when the load voltage V of the parallel battery does not fall below the guaranteed voltage lower limit when the battery is used. The present invention monitors the open-circuit voltage of each cell so that the open-circuit voltage of a single cell having a lower cell voltage among the parallel batteries does not fall below the lower limit.
[0041]
Correspondence between each component in the claims and each component in the embodiment of the invention will be described. For example, cells C11 to Cmn correspond to the secondary cells. The parallel batteries include, for example, a parallel battery C (P1) in which cells C11 to C1n are connected in parallel, a parallel battery C (P2) in which cells C21 to C2n are connected in parallel,..., A parallel battery in which cells Cm1 to Cmn are connected in parallel. Battery C (Pm) corresponds. The information indicating the change in the internal resistance of the battery depending on the temperature corresponds to, for example, a table reference value of the temperature correction coefficient A. The information indicating the change in the internal resistance of the battery depending on the battery voltage corresponds to, for example, a table reference value of the battery voltage correction coefficient B. The voltage sensor corresponds to the voltage sensor 103, the current sensor corresponds to the current sensor 102, and the internal resistance calculator and the open-circuit voltage estimator correspond to the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an assembled battery voltage monitoring system that detects the assembled battery voltage by the method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a correlation between a battery temperature and an internal resistance value.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a correlation between a battery voltage and an internal resistance value.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a flow of a cell monitoring process performed by a CPU.
FIG. 5 is a diagram illustrating a voltage behavior during discharging of a single cell.
FIG. 6 is a diagram illustrating voltage behavior during charging of a single cell.
FIG. 7 is a flowchart illustrating details of calculation of a battery characteristic deterioration rate.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a correlation between the number of charge / discharge cycles and the amount of increase in internal resistance.
FIG. 9 is a diagram showing an example of a correlation between the number of storage days and the amount of increase in internal resistance.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a correlation between the number of days of battery use and the amount of increase in internal resistance.
FIG. 11 is a flowchart illustrating details of an open-circuit voltage monitoring process.
FIG. 12 is a diagram showing a parallel battery in which two single cells are connected in parallel.
FIG. 13 is a diagram showing a terminal voltage and an open-circuit voltage of each single cell detected over time.
[Explanation of symbols]
10: cell controller, 20: battery controller,
101, 201: CPU, 102: current sensor,
103: voltage sensor 104: battery temperature sensor
202: memory, 203: communication unit,
C11 to Cmn: cell, BM: battery module
Claims (8)
前記並列電池の電圧を検出し、
前記単電池ごとの電流をそれぞれ検出し、
複数回検出した前記電流および前記電圧から前記単電池ごとの内部抵抗をそれぞれ算出し、
前記内部抵抗、前記並列電池の電圧、および前記単電池ごとの電流を用いて前記単電池の開放電圧を推定することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。In a method of detecting a voltage of a battery in which a plurality of secondary cells are connected in parallel,
Detecting the voltage of the parallel battery,
Detecting the current of each cell,
Calculate the internal resistance of each of the single cells from the current and the voltage detected a plurality of times, respectively,
A voltage detection method for batteries connected in parallel, comprising estimating an open voltage of the cells using the internal resistance, the voltage of the cells in parallel, and the current of each cell.
複数回検出した前記電流、および前記電圧を用いて前記並列電池の充放電サイクル数を算出し、
前記充放電サイクル数と前記単電池の内部抵抗増加量との相関を算出し、
前記算出した内部抵抗を、前記充放電サイクル数と前記内部抵抗増加量との相関を用いて補正することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。The method for detecting voltage of batteries connected in parallel according to claim 1,
Calculate the number of charge / discharge cycles of the parallel battery using the current detected multiple times and the voltage,
Calculating the correlation between the number of charge / discharge cycles and the increase in the internal resistance of the cell,
A method for detecting voltage of batteries connected in parallel, wherein the calculated internal resistance is corrected using a correlation between the number of charge / discharge cycles and the increase in internal resistance.
前記並列電池の温度をさらに検出し、
充電開始時もしくは放電開始時に検出した前記電圧、および前記温度を用いて前記並列電池の放置期間を算出し、
前記放置期間と前記単電池の内部抵抗増加量との相関を算出し、
前記算出した内部抵抗を、前記放置期間と前記内部抵抗増加量との相関を用いて補正することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。The voltage detection method for batteries connected in parallel according to claim 1 or 2,
Further detecting the temperature of the parallel battery,
Using the voltage detected at the start of charging or at the start of discharging, and the temperature, calculate the idle period of the parallel battery,
Calculating the correlation between the leaving period and the increase in the internal resistance of the cell,
A voltage detection method for batteries connected in parallel, wherein the calculated internal resistance is corrected using a correlation between the idle period and the increase in the internal resistance.
温度に依存した前記単電池の内部抵抗の変化を示す情報をあらかじめ記憶し、
前記並列電池の温度をさらに検出し、
前記算出した内部抵抗を、前記記憶されている温度に依存した内部抵抗の変化を示す情報と前記検出温度とに基づいて補正することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。The voltage detection method for batteries connected in parallel according to claim 1 or 2,
Information indicating a change in the internal resistance of the cell depending on the temperature is stored in advance,
Further detecting the temperature of the parallel battery,
A method for detecting voltage of batteries connected in parallel, wherein the calculated internal resistance is corrected based on the stored temperature-dependent information indicating a change in internal resistance and the detected temperature.
温度に依存した前記単電池の内部抵抗の変化を示す情報をあらかじめ記憶し、
前記算出した内部抵抗を、前記記憶されている温度に依存した内部抵抗の変化を示す情報と前記検出温度とに基づいて補正することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。The method for detecting voltage of batteries connected in parallel according to claim 3,
Information indicating a change in the internal resistance of the cell depending on the temperature is stored in advance,
A method for detecting voltage of batteries connected in parallel, wherein the calculated internal resistance is corrected based on the stored temperature-dependent information indicating a change in internal resistance and the detected temperature.
電池電圧に依存した前記単電池の内部抵抗の変化を示す情報をあらかじめ記憶し、
前記算出した内部抵抗を、前記記憶されている電池電圧に依存した内部抵抗の変化を示す情報と前記検出電圧とに基づいて補正することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。A voltage detecting method for batteries connected in parallel according to any one of claims 1 to 5,
Information indicating a change in the internal resistance of the cell depending on the battery voltage is stored in advance,
A voltage detection method for batteries connected in parallel, wherein the calculated internal resistance is corrected based on the stored information indicating the change in internal resistance depending on the battery voltage and the detected voltage.
前記推定した開放電圧に応じて前記単電池の異常の有無を判定することを特徴とする並列接続された電池の電圧検出方法。The voltage detection method for batteries connected in parallel according to any one of claims 1 to 6,
A method for detecting voltage of batteries connected in parallel, wherein the presence or absence of abnormality of the single battery is determined according to the estimated open circuit voltage.
前記並列電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記単電池ごとの電流を検出する電流検出手段と、
前記電圧検出手段および前記電流検出手段で複数回検出した前記電圧および前記電流に基づいて、前記単電池ごとの内部抵抗をそれぞれ算出する内部抵抗算出手段と、
前記内部抵抗、前記並列電池の電圧、および前記単電池ごとの電流を用いて、前記単電池の開放電圧を推定する開放電圧推定手段と、
を備えることを特徴とする並列接続電池の電圧検出装置。A parallel battery in which a plurality of secondary cells are connected in parallel;
Voltage detection means for detecting the voltage of the parallel battery,
Current detection means for detecting a current for each of the cells,
Based on the voltage and the current detected a plurality of times by the voltage detecting means and the current detecting means, an internal resistance calculating means for calculating an internal resistance for each unit cell,
Using the internal resistance, the voltage of the parallel battery, and the current of each cell, an open-circuit voltage estimating means for estimating the open-circuit voltage of the cell,
A voltage detecting device for a parallel-connected battery, comprising:
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