JP2010078530A - 電池の劣化度の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化度を検出するためにカウント値を記憶することなく、つねに電池の劣化を正確に検出する。
【解決手段】電池の劣化度の検出方法は、電池１の満充電容量の変化値から得られる第１の劣化度ＳＯＨ１と、電池１の放電内部抵抗から得られる第２の劣化度ＳＯＨ２と、電池１の充電内部抵抗から得られる第３の劣化度ＳＯＨ３とから劣化度ＳＯＨを演算する。
【効果】電池の満充電容量と、充電内部抵抗及び放電内部抵抗から劣化度ＳＯＨを検出するので、電流や温度などのカウント値を記憶することなく、初期から終期まで正確に電池の劣化度を検出できる。満充電容量に加えて、充電内部抵抗と放電内部抵抗の両方の内部抵抗から劣化度を検出するので、終期の残容量を極めて正確に検出できる特
【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。

電池の劣化度は１００％〜０％で表され、劣化しない電池の劣化度は１００％、劣化して使用できなくなった電池の劣化度は０％となる。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したがって劣化する。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年後に劣化度が２０％に劣化する電池は、１年に２０％の割合で劣化するので、劣化度が０％になるまでに、その後、約１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が、終期の劣化度を正確に検出するのが難しい。さらに、この欠点を解消することを目的として、電池の電流、温度からカウントされる第１の劣化度ＳＯＨ１と、電池の内部抵抗から得られる第２の劣化度ＳＯＨ２の両方から電池の劣化度ＳＯＨを演算する方法が開発されている。（特許文献３参照）
特開平８−２５４５７３号公報 特開２０００−１３１４０４号公報 特開２００８−１２２１６５号公報

特許文献３の検出方法は、電池の初期と終期の劣化度を正確に検出できる特徴がある。しかしながら、この方法は、第１の劣化度ＳＯＨ１を検出するために、電池の電流、温度のカウント値を不揮発性メモリに記憶することから、このメモリが故障すると第１の劣化度ＳＯＨ１を正確に検出できなくなって、劣化度ＳＯＨの検出精度が低下する欠点がある。電池の電流、温度のカウント値から検出される劣化度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。

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、劣化度を検出するためにカウント値を記憶することなく、つねに電池の劣化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。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の電池の劣化度の検出方法は、電池１の満充電容量の変化値から得られる第１の劣化度ＳＯＨ１と、電池１の放電内部抵抗から得られる第２の劣化度ＳＯＨ２と、電池１の充電内部抵抗から得られる第３の劣化度ＳＯＨ３とから劣化度ＳＯＨを演算する。

以上の検出方法は、電池の満充電容量と、充電内部抵抗及び放電内部抵抗から劣化度ＳＯＨを検出するので、従来のように電流や温度などのカウント値を記憶することなく、初期から終期まで正確に電池の劣化度を検出できる特徴がある。とくに、以上の方法は、満充電容量に加えて、充電内部抵抗と放電内部抵抗の両方の内部抵抗から劣化度を検出するので、終期の残容量を極めて正確に検出できる特徴がある。

本発明の電池の劣化度の検出方法は、以下の式で電池１の劣化度ＳＯＨを演算することができる。
劣化度ＳＯＨ＝ウェイト１×第１の劣化度ＳＯＨ１
＋ウェイト２×第２の劣化度ＳＯＨ２
＋ウェイト３×第３の劣化度ＳＯＨ３
ただし、ウェイト１＋ウェイト２＋ウェイト３＝１である。
この検出方法は、ウェイト１とウェイト２とウェイト３の比率を変更して、正確に劣化度ＳＯＨを判定できる。

本発明の電池の劣化度の検出方法は、電池１の内部抵抗が大きくなるにしたがって、ウェイト２とウェイト３を大きくすることができる。
この検出方法は、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。

本発明の電池の劣化度の検出方法は、出力電力が最低出力電力となる状態における電池１の劣化度ＳＯＨを０％とすることができる。
この検出方法は、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、本発明の電池の劣化度の検出方法は、電池１の充電内部抵抗が最高値となるときの電池１の第２の劣化度ＳＯＨ２を０％とすることができる。

さらにまた、本発明の電池の劣化度の検出方法は、電池１の放電内部抵抗が最高値となるときの電池１の第３の劣化度ＳＯＨ３を０％とすることができる。

さらに、本発明の電池の劣化度の検出方法は、電池１の満充電容量を残容量（％）と電池電圧から演算して第１の劣化度ＳＯＨ１を検出することができる。

さらに、本発明の電池の劣化度の検出方法は、互いに直列に接続してなる各々の素電池１１の劣化度ＳＯＨを検出し、最低の劣化度ＳＯＨを電池１の劣化度ＳＯＨと判定することができる。

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。本発明は、劣化度を検出する電池の用途を特定するものではないが、ハイブリッドカーや電気自動車、あるいはその他の電動車両に搭載される電池の劣化度の検出に最適である。

電池１は、リチウムイオン二次電池またはリチウムポリマー電池である。リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池は、残容量に対する電圧変化が大きく、満充電容量を正確に検出して劣化度も正確に検出できる。ただ、本発明の検出方法は、劣化度を検出する電池をリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池には特定しない。電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池とすることができる。電池１は、ひとつまたは複数の充電できる素電池１１を直列または並列に接続している。素電池１１を直列に接続している電池１は、各々の素電池１１の劣化度を検出して、最低の劣化度を電池１の劣化度とする。

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、すなわち劣化が甚だしいとき、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、すなわち劣化が少ないときは、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、電池１の劣化度を検出して、検出される劣化度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。判定回路２は、電池１の満充電容量から検出される第１の劣化度ＳＯＨ１と、電池１の放電内部抵抗から得られる第２の劣化度ＳＯＨ２と、充電内部抵抗から得られる第３の劣化度ＳＯＨ３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×第１の劣化度ＳＯＨ１
＋ウェイト２×第２の劣化度ＳＯＨ２
＋ウェイト３×第３の劣化度ＳＯＨ３
ただし、ウェイト１＋ウェイト２＋ウェイト３＝１である。

ウェイト１とウェイト２とウェイト３は、図２の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、横軸を電池の放電内部抵抗と充電内部抵抗の平均値の相対値として、縦軸にウェイト１とウェイト２とウェイト３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とウェイト３を大きくする。電池１は、充電内部抵抗と放電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。また、図２は、放電内部抵抗と充電内部抵抗の平均値に対するウェイト２とウェイト３とを同じ値としているが、ウェイト２とウェイト３は、放電内部抵抗と充電内部抵抗に対して、各々最適な値とすることができる。

以上の方法は、電池１の内部抵抗からウェイト１とウェイト２とウェイト３を特定する。ただ、本発明の検出方法は、電池１の放電内部抵抗と充電内部抵抗から特定される第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３から、ウェイト１〜ウェイト３を特定し、あるいは第１〜第３の劣化度から判定される劣化度ＳＯＨからウェイト１〜ウェイト３を特定することもできる。この場合も、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とウェイト３を大きくする。

さらに、判定回路２は、第１の劣化度ＳＯＨ１を以下の式で判定する。
第１の劣化度ＳＯＨ１（％）＝
１００×［現在の満充電容量（Ａｈf）−終期の満充電容量（Ａｈe）］／
［初期の満充電容量（Ａｈs）−終期の満充電容量（Ａｈe）］

たとえば、初期の満充電容量（Ａｈs）が５［Ａｈ］、終期の満充電容量（Ａｈe）を２．５［Ａｈ］とする電池の現在の満充電容量（Ａｈf）が３．７５［Ａｈ］であると、前記の式から劣化度ＳＯＨは以下の式で、５０％と演算される。
劣化度ＳＯＨ＝１００×［５−３．７５］／［５−２．５］＝５０％

判定回路２は、電池１の現在の満充電容量（Ａｈf）を、以下の方法で検出する。
図３に示すように、第１の検出タイミング（ｔ_１）と第２の検出タイミング（ｔ_２）との間において、充放電される電池の充電電流と放電電流の積算値から電池の容量変化値（δＡｈ）を演算する。さらに、第１の検出タイミング（ｔ_１）における電池の第１の開放電圧（Ｖ_ＯＣＶ１）と第２の検出タイミング（ｔ_２）における電池の第２の開放電圧（Ｖ_ＯＣＶ２）を検出して、検出される第１の開放電圧（Ｖ_ＯＣＶ１）から電池の第１の残容量（ＳＯＣ_１［％］）を判定すると共に、第２の開放電圧（Ｖ_ＯＣＶ２）から電池の第２の残容量（ＳＯＣ_２［％］）を判定する。開放電圧（Ｖ_ＯＣＶ）に対する残容量（ＳＯＣ）は、あらかじめ測定して記憶している。判定される第１の残容量（ＳＯＣ_１［％］）と第２の残容量（ＳＯＣ_２［％］）の差から残容量の変化率（δＳ［％］）を演算する。以上のようにして検出される残容量の変化率（δＳ［％］）と容量変化値（δＡｈ）から、下記の式で電池の現在の満充電容量（Ａｈf）を演算することができる。
満充電容量（Ａｈf）＝δＡｈ／（δＳ／１００）

以上の方法で電池の満充電容量（Ａｈf）を検出する方法は、たとえば第１の検出タイミング（ｔ_１）を、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチをオンに切り換える所定のタイミングであって、電池の負荷電流を遮断するタイミングとし、第２の検出タイミング（ｔ_２）を、イグニッションスイッチをオフに切り換えた後とする。また、第１の検出タイミング（ｔ_１）と第２の検出タイミング（ｔ_２）の間を一定の時間とし、あるいは又、第１の検出タイミング（ｔ_１）の後、容量変化値（δＡｈ）が所定の値になったタイミングを第２の検出タイミング（ｔ_２）とすることで、現在の満充電容量（Ａｈf）をより正確に検出することができる。

さらに、判定回路２は、電池１の放電内部抵抗と充電内部抵抗を検出し、放電内部抵抗から第２の劣化度ＳＯＨ２を、充電内部抵抗から第３の劣化度ＳＯＨ３を判定する。内部抵抗（Ｒ）を有する電池１の等価回路を図４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５と図６に示すようになる。図５において、電池の電流−電圧特性を示すラインＡの傾きから放電内部抵抗（Ｒｄ）が演算され、図６において、電池の電流−電圧特性を示すラインＢの傾きから充電内部抵抗（Ｒｃ）が演算される。

電池１の開放電圧をＶoとし、放電電流Ｉｄのときに電圧をＶLとすれば、
ＶL＝Ｖo−Ｒｄ×Ｉｄ
この式から、放電内部抵抗（Ｒｄ）は
Ｒｄ＝（Ｖo−ＶL）／Iｄ で演算される。

また、電池１の開放電圧をＶoとし、充電電流Ｉｃのときに電圧をＶLとすれば、
ＶL＝Ｖo＋Ｒｃ×Ｉｃ
この式から、充電内部抵抗（Ｒｃ）は
Ｒｃ＝（ＶL−Ｖo）／Iｃ で演算される。

電池１の放電内部抵抗と充電内部抵抗に対する電池の第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３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、放電内部抵抗と充電内部抵抗に対する第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３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、放電内部抵抗と充電内部抵抗に対する第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３は図７に示す値とする。この図から、たとえば、電池の放電内部抵抗や充電内部抵抗が３００ｍΩであるとき、第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３は６０％とする。さらに、電池１の放電内部抵抗や充電内部抵抗が最高値となるときの第２の劣化度ＳＯＨと第３の劣化度ＳＯＨ３を０％とする。図７は、わかりやすくするために、放電内部抵抗と充電内部抵抗に対する第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３とを同じ値としているが、放電内部抵抗と充電内部抵抗に対する第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３は、現実に使用される電池を測定して、各々最適な値とすることができる。

判定回路２は、以上の方法で第１の劣化度ＳＯＨ１と第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３を演算し、演算された第１の劣化度ＳＯＨ１と第２の劣化度ＳＯＨ２と第３の劣化度ＳＯＨ３から、ウェイト１とウェイト２とウェイト３を特定して、電池の劣化度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８に示す。

［ｎ＝１のステップ］
このステップで、判定回路２は電池の現在の満充電容量（Ａｈf）を検出して、検出される満充電容量（Ａｈf）から第１の劣化度ＳＯＨ１を判定する。第１の劣化度ＳＯＨ１は、以下の式で検出される。
第１の劣化度ＳＯＨ１（％）＝
１００×［現在の満充電容量（Ａｈf）−終期の満充電容量（Ａｈe）］／
［初期の満充電容量（Ａｈs）−終期の満充電容量（Ａｈe）］
以上の式において、初期の満充電容量（Ａｈs）と終期の満充電容量（Ａｈe）はあらかじめ特定されている。

［ｎ＝２のステップ］
このステップで、判定回路２は、放電している電池の電流と電圧から放電内部抵抗を演算し、充電している電池の電流と電圧から放電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。放電内部抵抗と充電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、電池の放電内部抵抗及び充電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］
さらに、判定回路２は、記憶しているＬＵＴや関数に基づいて、放電内部抵抗から第２の劣化度ＳＯＨ２を、充電内部抵抗から第３の劣化度ＳＯＨ３を演算する。
［ｎ＝４のステップ］
このステップで、判定回路２は、ウェイト１とウェイト２とウェイト３を特定する。ウェイト１とウェイト２とウェイト３は、図２から特定する。
［ｎ＝５のステップ］
判定回路２は、ウェイト１及び第１の劣化度ＳＯＨ１と、ウェイト２及び第２の劣化度ＳＯＨ２と、ウェイト３と第３の劣化度ＳＯＨ３から電池１の劣化度ＳＯＨを演算する。判定回路２は、以下の式で劣化度ＳＯＨを演算する。
劣化度ＳＯＨ＝ウェイト１×第１の劣化度ＳＯＨ１
＋ウェイト２×第２の劣化度ＳＯＨ２
＋ウェイト３×第３の劣化度ＳＯＨ３

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。

判定回路２は、出力電力が最低出力電力となる状態における電池１の劣化度ＳＯＨを０％とする。このような劣化度ＳＯＨを検出することにより、電池１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ＳＯＨにおける電圧と電池容量（ＳＯＣ）との関係、その劣化度ＳＯＨにおける満充電容量（Ａｈf）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。

電動車両は、多数の素電池１１を直列に接続して、電池１の出力電圧を高くしている。この電池１の劣化度は、各々の素電池１１の劣化度を検出して、劣化度が最低となる素電池１１の劣化度を電池１の劣化度とする。

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。 内部抵抗の相対値に対するウェイト１とウェイト２とウェイト３を示すグラフである。 電池の現在の満充電容量（Ａｈf）を検出する原理を示す図である。 内部抵抗を有する電池の等価回路を示す図である。 電池の放電時における電流−電圧特性を示すグラフである。 電池の充電時における電流−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、ＳＯＨ３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
１１…素電池

Claims (8)

1. 電池の満充電容量の変化値から得られる第１の劣化度ＳＯＨ１と、電池の放電内部抵抗から得られる第２の劣化度ＳＯＨ２と、電池の充電内部抵抗から得られる第３の劣化度ＳＯＨ３とから劣化度ＳＯＨを演算する電池の劣化度の検出方法。
2. 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×第１の劣化度ＳＯＨ１
   ＋ウェイト２×第２の劣化度ＳＯＨ２
   ＋ウェイト３×第３の劣化度ＳＯＨ３
   ただし、ウェイト１＋ウェイト２＋ウェイト３＝１である。
3. 内部抵抗が大きくなるにしたがって、ウェイト２とウェイト３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。
4. 出力電力が最低出力電力となる状態における電池の劣化度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。
5. 電池の充電内部抵抗が最高値となるときの電池の第２の劣化度ＳＯＨ２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。
6. 電池の放電内部抵抗が最高値となるときの電池の第３の劣化度ＳＯＨ３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。
7. 電池の満充電容量を残容量（％）と電池電圧から演算して第１の劣化度ＳＯＨ１を検出する請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。
8. 互いに直列に接続してなる各々の素電池の劣化度ＳＯＨを検出し、最低の劣化度ＳＯＨを電池の劣化度ＳＯＨと判定する請求項１に記載される電池の劣化度の検出方法。

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