JP2008122165A

JP2008122165A - 電池の劣化度の検出方法

Info

Publication number: JP2008122165A
Application number: JP2006304600A
Authority: JP
Inventors: Shinya Inui; 真也乾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP5004557B2

Abstract

【課題】電池の充放電を制限することなく、劣化度を正確に検出する。
【解決手段】電池の劣化度の検出方法は、電池の電流、温度からカウントされる劣化度ＳＯＨ１と、電池の内部抵抗から得られる劣化度ＳＯＨ２の両方から電池の劣化度ＳＯＨを演算する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電池の劣化度の検出方法に関し、とくに電動車両を走行させる電源装置に内蔵される電池の劣化度の検出に最適な電池の劣化度の検出方法に関する。

ハイブリッドカー等の電動車両に搭載される電池は、時間経過や充放電を繰り返すに従って劣化する。劣化した電池は、出力電力が小さくなる。出力が小さくなった電池は、ハイブリッドカーのエンジンを始動できなくなり、また加速特性などが低下する。この用途に使用される電池は、最大出力電力から劣化度が特定される。劣化度を検出して、電池の寿命を推定できる。たとえば、５年後の劣化度を５０％とする電池は、同じ充放電特性で使用して、その後、５年間使用できることが推定できる。しかしながら、４年後の劣化度が８０％である電池は、その後、約２年しか使用できないことが推定できる。このことから、電池の劣化度を検出し、劣化度から電池の充放電電力をコントロールして電池の寿命を特定の期間に制御できる。ただ、このことを実現するために、電池の劣化度を正確に検出することが大切となる。

電池の劣化度を内部抵抗から判定する方法は、特許文献１に記載される。しかしながら、内部抵抗から電池の劣化度を判定する方式は、内部抵抗が大きくなる終期以外では正確に判定できない欠点がある。この弊害を解消する方法が特許文献２に記載される。特許文献２の方法は、満充電状態から所定の放電電圧値までの放電可能電力量である現容量を放電電圧Ｖおよび放電量Ａｈに基づいて演算し、この現容量と、電池の初期時の満充電状態からの上記所定の放電電圧値までの放電可能電力量である初期容量との割合として電池の劣化度を算出する。
特開平８−２５４５７３号公報特開２０００−１３１４０４号公報

特許文献２の方法は、初期の劣化度を、内部抵抗による方法よりも正確に検出できる。ただ、この方法は、電池を満充電状態から放電して劣化度を検出するので、ハイブリッドカーの走行状態において電池の劣化度を検出するのが難しい。ハイブリッドカーが、電池の劣化をできる限り少なくし、常に出力・回生を行うことができる状態を保つために、電池の残容量を約５０％付近に制御して、車両を走行させるからである。電池は、満充電される状態で劣化しやすくなる。したがって、電池の劣化度を検出するために、電池を満充電すると、この状態における劣化が大きくなる。また、ハイブリッドカーは、走行状態で電池の充放電をコントロールするので、電池を満充電するためには、電池からモータへの電力供給を制限し、エンジンで発電機を駆動して、電池を充電する必要がある。この状態は、車両の走行状態を制限し、特に加速や登坂能力を低下させることになって、トライバーに違和感を与え、さらに、通常の走行状態と異なることから、安全性も低下する等の弊害がある。

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池の充放電を制限することなく、劣化度を正確に検出できる電池の劣化度の検出方法を提供することにある。

本発明の電池の劣化度の検出方法は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
本発明の請求項１の電池の劣化度の検出方法は、電池の電流、温度からカウントされる劣化度ＳＯＨ１と、電池の内部抵抗から得られる劣化度ＳＯＨ２の両方から電池の劣化度ＳＯＨを演算する。

本発明の請求項２の検出方法は、請求項１に加えて、以下の式で電池の劣化度ＳＯＨを演算する。
劣化度ＳＯＨ＝ウェイト１×劣化度ＳＯＨ１＋ウェイト２×劣化度ＳＯＨ２
ただし、ウェイト１＋ウェイト２＝１である。
この方法は、ウェイト１とウェイト２の比率を変更して、正確に劣化度ＳＯＨを判定できる。

とくに、本発明の請求項３の検出方法は、請求項２に加えて、電池の内部抵抗が大きくなるにしたがって、ウェイト２を大きくするので、内部抵抗が小さいときから大きくなるまで、劣化度ＳＯＨを正確に判定できる。

また、本発明の請求項４の検出方法は、請求項１に加えて、出力電力が最低出力電力となる状態を電池の劣化度ＳＯＨを０％とするので、電池の劣化度ＳＯＨから出力電力を正確に判定できる。

さらに、本発明の請求項５の検出方法は、電流と温度から得られる劣化度ＳＯＨ１を以下の式で演算する。
劣化度ＳＯＨ１＝前回の劣化度ＳＯＨ＋α（電流値により特定される係数）
＋β（温度により特定される係数）
ただし、αとβは負の値である。
この方法は、電池を充放電する電流と温度から、簡単で正確に劣化度ＳＯＨ１を判定できる。

また、本発明の請求項６の検出方法は、電池の内部抵抗から特定される劣化度ＳＯＨ２を、ＬＵＴを使用して推定するので、内部抵抗から簡単に劣化度ＳＯＨ２を得ることができる。

また、本発明の請求項７の検出方法は、劣化度ＳＯＨを演算する電池を、電動車両を走行させる電池とするので、ハイブリッドカー等に搭載される電池がいつまで使用できるかを正確に推定できる特徴がある。

本発明の電池の劣化度の検出方法は、電池の充放電を制限することなく、劣化度を正確に検出できる特徴がある。それは、本発明の検出方法が、電池の電流、温度からカウントされる劣化度ＳＯＨ１と、電池の内部抵抗から得られる劣化度ＳＯＨ２の両方から劣化度ＳＯＨを演算するからである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の劣化度の検出方法を例示するものであって、本発明は電池の劣化度の検出方法を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１は、本発明の電池の劣化度の検出方法に使用する電源装置のブロック図である。この図は、ハイブリッドカーに搭載される電池１の劣化度を判定するブロック図を示している。この電池１は、車両の走行用のモータ６に電力を供給して放電され、また、発電機７で充電されて、残容量が約５０％の付近に保持される。電池１の劣化度ＳＯＨ（State of Health）は、判定回路２で検出される。判定回路２は、電池１の劣化度ＳＯＨを検出するために、電池１に流れる充放電の電流を検出する電流検出回路３と、電池１の温度を検出する温度センサ４と、電池１の電圧を検出する電圧検出回路５とを接続している。

車両側は、電池１から供給される電力をモータ６に供給し、また発電機７の電力を電池１に供給する双方向電力変換装置８を備える。双方向電力変換装置８は、電池１の直流電力を三相の交流電力に変換してモータ６に供給し、発電機７から出力される交流を直流に変換して電池１に供給する。この双方向電力変換装置８は、制御回路９で制御されて、電池１からモータ６への供給電力と、発電機７から電池１への充電電力をコントロールする。制御回路９は、電源装置側の判定回路２から通信回線１０を介して伝送される電池１の劣化度ＳＯＨを考慮して、双方向電力変換装置８をコントロールする。電池１の劣化度ＳＯＨが予想される正常状態にあるとき、制御回路９は双方向電力変換装置８を正常モードでコントロールする。ただ、電池１の劣化度ＳＯＨが予想される正常状態よりも小さいとき、制御回路９は双方向電力変換装置８を正常モードよりも充放電の電力を小さくする制限モードでコントロールする。反対に、電池１の劣化度ＳＯＨが予想される正常状態よりも大きいときは、制御回路９は双方向電力変換装置８を正常モードよりも充放電の電力を大きくする加速モード、あるいは正常モードでコントロールする。このように、制御回路９が双方向電力変換装置８を介して、モータ６や発電機７の出力をコントロールすることで、電池１の寿命を目標年度に近づけることができる。

判定回路２は、ＥＥＰＲＯＭを内蔵しており、このＥＥＰＲＯＭに劣化度ＳＯＨ１と劣化度ＳＯＨ２と劣化度ＳＯＨを記憶し、記憶する劣化度ＳＯＨを通信回線１０を介して車両側の制御回路９に伝送する。電池１の充放電の電流と温度からカウントされる劣化度ＳＯＨ１と、電池１の内部抵抗から得られる劣化度ＳＯＨ２の両方から劣化度ＳＯＨを演算する。この判定回路２は、以下の式で電池１の劣化度ＳＯＨを演算する。
劣化度ＳＯＨ＝ウェイト１×劣化度ＳＯＨ１＋ウェイト２×劣化度ＳＯＨ２
ただし、ウェイト１＋ウェイト２＝１である。

ウェイト１とウェイト２は、図２に示すグラフに示すように、電池１の内部抵抗によって特定する。この図は、横軸を電池１の内部抵抗の相対値として、縦軸にウェイト１とウェイト２を示している。ただし、この図は、電池１の劣化度ＳＯＨを０％とする状態、いいかえると寿命の尽きた電池１の内部抵抗を１００としている。この図に示すように、電池１の劣化が進んで劣化度ＳＯＨが小さくなるにしたがって、ウェイト１を小さく、ウェイト２を大きくする。電池１は、内部抵抗が大きくなって劣化が進んだ状態では、内部抵抗が劣化度ＳＯＨを正確に特定するからである。この方法は、電池１の内部抵抗からウェイト１とウェイト２を特定する。ただ、本発明の検出方法は、電池１の内部抵抗から特定される劣化度ＳＯＨ２から、ウェイト１とウェイト２を特定し、あるいは劣化度ＳＯＨ１と劣化度ＳＯＨ２から判定される劣化度ＳＯＨからウェイト１とウェイト２を特定することもできる。この場合も、劣化度ＳＯＨ２が小さくなり、あるいは劣化度ＳＯＨが小さくなる、いいかえると寿命末期に近づくにしたがって、ウェイト１を小さくしてウェイト２を大きくする。

さらに、判定回路２は、劣化度ＳＯＨ１を以下の式で判定する。
劣化度ＳＯＨ１（％）＝前回の劣化度ＳＯＨ１（％）
＋α｛電流値により特定される係数（％）｝
＋β｛温度により特定される係数（％）｝
ただし、αとβは負の値である。

電池１の劣化は、充放電される電流が大きいほど進行する。したがって、電流値により特定される負の係数α（％）は、たとえば以下のように設定して、大きな電流で充放電されるにしたがって大きくする。判定回路２は、電池１の１秒間における電流と温度を検出し、検出された電流から１秒間におけるα１（％）〜α４（％）を以下の値として、劣化度ＳＯＨ１を演算する。
α１（電流値が０Ａ以上で２０Ａ未満）＝ −１３２×０．００００１／３６００（％）
α２（電流値が２０Ａ以上で４０Ａ未満）＝ −５２８×０．００００１／３６００（％）
α３（電流値が４０Ａ以上で１００Ａ未満）＝−２４６０×０．００００１／３６００（％）
α４（電流値が１００Ａ以上）＝−５２８０×０．００００１／３６００（％）

以上の電池１は、たとえば１秒間、電流１００Ａが流れると、１秒間の劣化度（％）が、５２８０×０．００００１／３６００％となる。

さらに、電池１の劣化は、電池温度が高いほど進行する。したがって、電池温度により特定される負の係数β（％）は、たとえば以下のように設定して、高い温度で充放電されるにしたがって大きくする。判定回路２は、電池１の１秒間における電流と温度を検出し、検出された温度から１秒間におけるβ１（％）〜β４（％）を以下の値として、劣化度ＳＯＨ１を演算する。
β１（温度が−４０℃以上で０℃未満）＝ −３．３×０．００００１／３６００（％）
β２（温度が０℃以上で２０℃未満）＝ −１３．３×０．００００１／３６００（％）
β３（温度が２０℃以上で４０℃未満）＝ −５３．３×０．００００１／３６００（％）
β４（温度が４０℃以上）＝ −４２６．７×０．００００１／３６００（％）

以上の電池１は、たとえば電池温度が３０℃で１秒間経過すると、１秒間の劣化度（％）は、５３．３×０．００００１／３６００％となる。

電池は、種類によりαとβが異なる。したがって、前記のαとβの値は、電池を現実に充放電し、また電池温度を検出して、電流と温度から測定して特定する。

判定回路２は、ハイブリッドカーのイグニッションスイッチがオンの状態にあって、車両の走行状態にあるとき、１秒間隔で、電池１の電流と温度を検出して、１秒毎に以上の式で劣化度ＳＯＨ１を演算する。ただし、判定回路２が劣化度ＳＯＨ１を演算するタイミングは、１秒に特定しないで、１秒よりも短く、あるいは長く、たとえば、０．１秒〜１０秒、好ましくは０．３秒〜５秒、さらに好ましくは、０．３秒〜３秒とすることもできる。イグニッションスイッチがオフに切り換えられる状態にあっては、判定回路２は、数時間、たとえば、１〜５時間毎に、電池１の平均温度を検出して、劣化度ＳＯＨ１を演算する。イグニッションスイッチがオフの状態で、電池１の電流は流れないので、αは計算しないでβ１〜β４のみから劣化度ＳＯＨ１を演算する。

さらに、判定回路２は、電池１の内部抵抗を検出し、内部抵抗から劣化度ＳＯＨ２を判定する。内部抵抗を有する電池１の等価回路を図３に示す。この等価回路の電池１を充放電して、電流Ｉと出力電圧ＶLを検出すると図４に示すようになる。図４において、電池１の電流−電圧特性を示すラインＡの傾きから内部抵抗Ｒ0が演算される。
電池１の開放電圧をＶoとし、電流Ｉのときに電圧をＶLとすれば、
ＶL＝Ｖo−Ｒ0×Ｉ
この式から、
Ｒ0＝（Ｖo−ＶL）／I で演算される。

電池１の内部抵抗に対する電池１の劣化度ＳＯＨ２はあらかじめ測定されて、判定回路２のＬＵＴに記憶され、あるいは判定回路２は、内部抵抗に対する劣化度ＳＯＨ２を関数として記憶している。ＬＵＴに記憶され、あるいは関数として記憶される、内部抵抗に対する劣化度ＳＯＨ２は図５に示す値とする。この図から、たとえば、電池１の内部抵抗が３００ｍΩであるとき、劣化度ＳＯＨ２は６０％とする。

判定回路２は、以上の方法で劣化度ＳＯＨ１と劣化度ＳＯＨ２を演算し、演算された劣化度ＳＯＨ１と劣化度ＳＯＨ２からウェイト１とウェイト２を特定して、電池１の劣化度ＳＯＨを判定する。判定回路２が、劣化度ＳＯＨを演算するフローチャートを図６に示す。
［ｎ＝１のステップ］
このステップで、判定回路２は内蔵するＥＥＰＲＯＭのデータから、劣化度ＳＯＨ１、劣化度ＳＯＨ２、劣化度ＳＯＨを初期化する。
［ｎ＝２のステップ］
このステップで、判定回路２は電池１の電流と電圧から内部抵抗を演算する。このとき、温度によるフィルタリングをして、測定精度を高くする。内部抵抗が温度により変化するからである。温度によるフィルタリングは、電池１の内部抵抗を検出するときの電池温度を検出し、検出される内部抵抗を温度を関数として設定温度における内部抵抗に変換する。内部抵抗をフィルタリングする判定回路２は、温度に対する内部抵抗の変化を、関数として、あるいはＬＵＴに記憶している。この記憶値から、内部抵抗を設定温度の内部抵抗にフィルタリングして補正する。
［ｎ＝３のステップ］
電池１が充放電される電流と温度と、さらに内部抵抗を測定し、これをフィルタリングする。
［ｎ＝４のステップ］
１秒経過するまで、ｎ＝２〜４のステップをループする。
［ｎ＝５のステップ］
１秒経過すると、このステップにおいて、１秒間における平均電流、平均温度、内部抵抗を演算する。
［ｎ＝６のステップ］
このステップで、判定回路２は、１秒間の平均電流と電池温度から劣化度ＳＯＨ１を計算する。判定回路２は、前述した以下の式で劣化度ＳＯＨ１を計算する。
劣化度ＳＯＨ１（％）＝前回の劣化度ＳＯＨ１（％）
＋α｛電流値により特定される係数（％）｝
＋β｛温度により特定される係数（％）｝
［ｎ＝７のステップ］
さらに、判定回路２は、記憶しているＬＵＴや関数に基づいて、内部抵抗から劣化度ＳＯＨ２を演算する。
［ｎ＝８のステップ］
このステップで、判定回路２は、劣化度ＳＯＨ１と劣化度ＳＯＨ２のウェイト１とウェイト２を特定する。ウェイト１とウェイト２は、図２から特定する。
［ｎ＝９のステップ］
判定回路２は、ウェイト１及び劣化度ＳＯＨ１と、ウェイト２及び劣化度ＳＯＨ２から劣化度ＳＯＨを演算する。
目安としては、電池使用条件にもよるが、１日２時間の運転で、５年間運転して、劣化度は、１００％から約７０％程度になる。
［ｎ＝１０のステップ］
劣化度ＳＯＨ１を劣化度ＳＯＨに近づけるために、演算された劣化度ＳＯＨから劣化度ＳＯＨ１を補正する。

判定回路２は、以上のようにして電池１の劣化度ＳＯＨを判定し、判定された劣化度ＳＯＨを通信回線１０を介して車両側の制御回路９に伝送する。
このような劣化度ＳＯＨを検出することにより、電池の寿命を知ることができる。また、各劣化度ＳＯＨにおける各種のパラメータ（たとえば、その劣化度における電圧と電池容量（SOC）との関係、その劣化度における満充電容量等）を予め保存しておき、判定、検出されたその時点における劣化度ＳＯＨに応じて、このような保存されたパラメータを利用することができる。

本実施例においては、劣化度として以下のものを利用している。
劣化度ＳＯＨ（％）＝｛１−[初期のMAXPOWER（SOC５０％時点）−その時点でのMAXPOWER（SOC５０％時点）]／[初期のMAXPOWER（SOC５０％時点）−末期のMAXPOWER（SOC５０％時点）]｝×１００
すなわち、この劣化度ＳＯＨは、初期状態を１００％とし、時間経過と共に減少して０％となる。なお、末期のMAXPOWER（SOC５０％時点）とは、デザインライフ中にわたって要求される最低限のMAXPOWER（SOC５０％時点）であり、寿命初期から寿命末期にかけてMAXPOWERが減少していくので末期のMAXPOWER（SOC５０％時点）がデザインライフ中のMAXPOWER（SOC５０％）の最小値となる。

ちなみに、劣化度ＳＯＨの例として、使用初期頃、使用中期頃、使用末期頃で、具体的な数字では、以下のように例示できる。
（１）使用初期頃
初期のMAXPOWER（SOC５０％）＝４０ｋＷ
その時点でのMAXPOWER（SOC５０％）＝４０ｋＷ
末期のMAXPOWER（SOC５０％）＝２０ｋＷ、とすると
劣化度ＳＯＨ＝｛１−（４０−４０）／（４０−２０）｝×１００＝１００（％）
（２）使用中期頃
初期のMAXPOWER（SOC５０％）＝４０ｋＷ
その時点でのMAXPOWER（SOC５０％）＝３０ｋＷ
末期のMAXPOWER（SOC５０％）＝２０ｋＷ、とすると
劣化度ＳＯＨ＝｛１−（４０−３０）／（４０−２０）｝×１００＝５０（％）
（３）使用末期頃
初期のMAXPOWER（SOC５０％）＝４０ｋＷ
その時点でのMAXPOWER（SOC５０％）＝２０ｋＷ
末期のMAXPOWER（SOC５０％）＝２０ｋＷ、とすると
劣化度ＳＯＨ＝｛１−（４０−２０）／（４０−２０）｝×１００＝０（％）

ここで、MAXPOWERは、電池容量（SOC）が５０％の状態において、一定電力(または電流)にて放電(または充電)を特定の持続時間だけ行うことを電力（または電流）を振ることにより求まる。そして、本実施例においては、実際に電池を使用し、あるいは加速テスト条件にて電池を加速使用し、電池のMAXPOWER等を測定することにより、その電池の劣化度を求めるとともに、その時点での本実施例の劣化度ＳＯＨ（＝ウェイト１×劣化度ＳＯＨ１＋ウェイト２×劣化度ＳＯＨ２）を演算することで、本実施例で判定されたＳＯＨと、実際の電池にて測定されたMAXPOWER等によるＳＯＨとの整合性を得ることができた。

本実施例の劣化度ＳＯＨについては、上述の劣化度だけでなく、以下に説明する電池容量の劣化度にも利用することが可能である。
（電池容量の劣化度ＳＯＨ）＝｛（その時点での電池容量）／（初期の電池容量）｝×１００（％）

本発明の一実施例にかかる電池の劣化度の検出方法に使用する電源装置のブロック図である。ウェイト１とウェイト２を示すグラフである。内部抵抗を有する電池の等価回路を示す図である。電池の充放電時における電流−電圧特性を示すグラフである。内部抵抗に対する劣化度ＳＯＨ２を示すグラフである。判定回路が劣化度ＳＯＨを演算するフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…判定回路
３…電流検出回路
４…温度センサ
５…電圧検出回路
６…モータ
７…発電機
８…双方向電力変換装置
９…制御回路
１０…通信回線

Claims

電池の電流、温度からカウントされる劣化度ＳＯＨ１と、電池の内部抵抗から得られる劣化度ＳＯＨ２の両方から劣化度ＳＯＨを演算する電池の劣化度の検出方法。
以下の式で電池の劣化度ＳＯＨを演算する請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。
劣化度ＳＯＨ＝ウェイト１×劣化度ＳＯＨ１＋ウェイト２×劣化度ＳＯＨ２
ただし、ウェイト１＋ウェイト２＝１である。
内部抵抗が大きくなるにしたがって、ウェイト２を大きくする請求項２に記載される電池の劣化度の検出方法。
出力電力が最低出力電力となる状態を電池の劣化度ＳＯＨを０％とする請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。
電流と温度から得られる劣化度ＳＯＨ１を以下の式で演算する請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。
劣化度ＳＯＨ１＝前回の劣化度ＳＯＨ１＋α（電流値により特定される係数）
＋β（温度により特定される係数）
ただし、αとβは負の値である。
劣化度ＳＯＨ２を、ＬＵＴを使用して電池の内部抵抗から推定する請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。
劣化度ＳＯＨの演算される電池が、電動車両を走行させる電池である請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。