JP2012057998A

JP2012057998A - 二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法

Info

Publication number: JP2012057998A
Application number: JP2010199591A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Nagamura; 謙介長村; Toshiyuki Iwahana; 利幸岩鼻
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】充電率の算出精度を高めることができる二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を提供する。
【解決手段】センサ電流Iを出力する電流センサ4と、センサ電圧Vを出力する電圧センサ3と、センサ電流Iを積分器8aで積分した積分値∫Idtに基づいて充電率SOCを算出するSOC算出部8と、センサ電流Iとセンサ電圧Vとに基づいて開放電圧OCVを推定する開放電圧推定部9と、開放電圧OCVが所定の閾値を下回る領域にあるとき、積分値∫Idtをバッテリ6のOCV-SOC特性から求まる充電率に応じた電池残量RCに補正する積分値補正手段（OCV判定部10、スイッチ13）と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法に関する。

特許文献１に記載の充電率算出装置では、二次電池の充放電電流の絶対値が所定値よりも大きい場合には検出された充放電電流および端子電圧から推定した開放電圧に基づいて充電率を算出し、充放電電流の絶対値が所定値以下である場合には充放電電流の電流積分に基づいて充電率を算出している。

特表２００４−５１４２４９号公報

二次電池の開放電圧と充電率との関係を示す開放電圧−充電率特性図において、開放電圧の僅かな変化に対して充電率が大きく変動する領域では、開放電圧の推定誤差が僅かであっても充電率の算出誤差が大きくなる。これに対し、上記従来の充電率算出装置では、充放電電流の絶対値が所定値よりも大きい場合は常に開放電圧から充電率が算出されるため、充電率の算出精度が低いという問題があった。
本発明の目的は、充電率の算出精度を高めることができる二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、二次電池の充放電電流の積分値に基づいて充電率を算出し、充放電電流と端子電圧とに基づく開放電圧が所定の閾値を下回る領域にあるとき、積分値を二次電池の開放電圧と充電率との関係から求まる充電率に応じた電池残量に補正する。

よって、本発明にあっては、開放電圧が閾値を下回る領域、すなわち、開放電圧の推定誤差が充電率の算出誤差に現れにくい領域において、開放電圧から求めた精度の高い電池残量に基づいて積分値から電流積分誤差を除去できるため、充電率の算出精度を高めることができる。
また、開放電圧が閾値以上の領域、すなわち、開放電圧の推定誤差が充電率の算出誤差に大きく現れる領域における開放電圧を用いていないため、精度の低い充電率が算出されるのを回避できる。

実施例１のバッテリシステム1の構成図である。実施例１のコントローラ2の制御ブロック図である。バッテリ6の内部抵抗等価回路を示すバッテリモデル16である。逐次パラメータ推定の制御ブロック図である。バッテリ6のOCV-SOC特性図である。実施例１の積分器8aの制御ブロック図である。実施例２のコントローラ2の制御ブロック図である。実施例２のOCV判定部10の制御ブロック図である。実施例２のOCV判定部10の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明の二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を実施するための形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
まず、実施例１の構成を説明する。
図１は、実施例１のバッテリシステム1の構成図であり、電気自動車に搭載されている。
バッテリシステム1は、コントローラ2、電圧センサ（端子電圧検出手段）3、電流センサ（電流検出手段）4、バッテリ（二次電池）6および負荷7を備える。
電圧センサ3は、バッテリ6の端子電圧を検出し、センサ電圧Vを出力する。
電流センサ4は、バッテリ6の充放電電流を検出し、センサ電流Iを出力する。
バッテリ6は、リチウムイオンバッテリである。
負荷7は、電気自動車の駆動輪を駆動するモータジェネレータである。
コントローラ2は、センサ電圧Vとセンサ電流Iに基づいてバッテリ6の充電率SOC(State of charge)を演算し、ユーザーへ提示する。

図２は、実施例１のコントローラ2の制御ブロック図である。
コントローラ2は、SOC算出部（充電率算出手段）8、開放電圧推定部（開放電圧推定手段）9、OCV判定部10を備える。
SOC算出部8は、積分器8aと乗算器8bとを有する。積分器8aは、電流センサ4からのセンサ電流Iを時間積分する。乗算器8bは、積分器8aの出力をバッテリ6の満充電容量FCCで除算し、充電率SOCを出力する。

開放電圧推定部9は、パラメータ推定部9aとOCV推定部9bとを有する。
パラメータ推定部9aは、図３に示すバッテリモデル16の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を推定する。
図３は、バッテリ6の内部抵抗等価回路を示すバッテリモデル16であり、バッテリモデル16は、電解液抵抗とオーム抵抗等の直流成分を設定する抵抗R0と、電荷移動過程における動的な振る舞いを表す反応抵抗として設定する抵抗R1と、電気二重層として設定するC1と、拡散過程における動的な振る舞いを表すものとして設定するR2,C2とにより構成される。ここでは、電荷移動過程で一次の並列回路、拡散過程で二次の並列回路の等価回路モデルで表しているが、状況に応じてそれぞれの次数は変化する。

図４は、逐次パラメータ推定の制御ブロック図である。
バッテリ6は、この制御系への入力となる測定される電流（センサ電流I）を入力とし、測定されるバッテリ電圧Vを出力する。このバッテリ6は実際のバッテリを扱うものとして設定されたものである。
バッテリモデル16は、バッテリ6のモデルとなる等価回路であり、適応機構17による修正出力で等価回路のパラメータを調整し、電圧モデル推定値であるV＾を出力する。さらに、等価回路の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を出力する。なお、抵抗値R1,R2は、説明上、抵抗を示す符号と、抵抗値を示す記号の両方で用いる。
適応機構17は、バッテリ6の端子電圧とバッテリモデル16の端子電圧推定値V^との差分がなくなるように、VとV＾で演算される偏差に応じて、バッテリモデル16の演算内容を修正する出力を行い（V＾は、Vの推定値を表し、実際はVの上に＾がある表記になる）、各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を逐次修正する。これにより、現在のバッテリ6の状態に合致したバッテリモデルを得ることができる。実施例１では、適応機構17として、カルマンフィルタを用いている。

OCV推定部9bは、推定された各パラメータR0,R1,R2,C1,C2とセンサ電流Iから過電圧VRを算出し、センサ電圧Vから過電圧VRを減算して開放電圧OCVを計算する。
OCV判定部10は、開放電圧推定部9により推定された開放電圧OCVが所定の閾値を下回ったとき補正判定信号として1(true)を出力し、それ以外のとき0(false)を出力する。ここで、「開放電圧OCVが閾値を下回ったとき」とは、現在の演算周期で算出された開放電圧OCVが閾値未満であり、かつ、1演算周期前に算出された開放電圧OCVが閾値以上である場合とする。また、閾値は、バッテリ6の開放電圧OCVと充電率SOCとの関係を示すOCV-SOC特性において、充電率20%に対応する開放電圧とする。
図５は、バッテリ6のOCV-SOC特性図である。一般的に、電気自動車やハイブリッド車に適用されているリチウムイオンバッテリは、充電率SOCが低下しても走行性能が低下しないように、高出力が得られる特性のものを用いている。そして、実施例１のバッテリ6も電気自動車用であるため、開放電圧OCVは20〜100%の広範囲でほぼ一定であり、20%を切ると充電率SOCが低下するにつれて急激に低下する特性のものを用いている。
図５のOCV-SOC特性において、開放電圧OCVが閾値以上の領域は、閾値未満の領域と比較して充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が小さいため、開放電圧OCVの推定誤差に対して充電率SOCの算出誤差が大きく現れる領域である。一方、開放電圧OCVが閾値未満の領域は、閾値以上の領域と比較して充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が大きいため、開放電圧OCVの推定誤差に対して充電率SOCの算出誤差が現れにくい領域である。つまり、閾値は、OCV-SOC特性において、充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が小さな領域と大きな領域との２つに区分したとき、２つの領域の境界点となる開放電圧である。

図６は、実施例１の積分器8aの制御ブロック図であり、積分器8aは、乗算器11、加算器12、スイッチ13および遅延素子14を備える。
乗算器11は、センサ電流Iに演算周期（積分時間）Tiを乗算する。
加算器12は、乗算器11の出力と遅延素子14の出力である1演算周期前の積分値とを加算してセンサ電流Iの積分値を出力する。
スイッチ13は、OCV判定部10から出力された補正判定信号をリンク運転選択指令として入力し、リンク運転選択指令が0(false)のときは加算器12の出力を積分器8aの積分値∫Idtとして出力し、1(true)のときはあらかじめ記憶している電池残量RCを積分器8aの積分値∫Idtとして出力する。ここで、電池残量RCは、充電率20%と満充電容量FCCとの乗算値、すなわち、充電率20%のときの電池残量とする。
遅延素子14は、今回の演算周期で算出された積分値∫Idtを、1演算周期だけ遅延させ、1演算周期前の積分値を算出する。
OCV判定部10とスイッチ13により、積分値補正手段が構成される。

次に、実施例１の作用を説明する。
［充電率算出精度向上］
実施例１の充電率算出装置では、開放電圧推定部9で推定された開放電圧OCVが閾値を下回ったとき、積分器8aの積分値∫Idtを充電率20%のときの電池残量RCに補正する。よって、SOC算出部8の出力である充電率SOCは、開放電圧OCVが閾値のときの充電率(20%)となる。
図５に示したように、開放電圧OCVが閾値を下回る領域では、閾値以上の領域と比較して充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が大きいため、開放電圧OCVの推定誤差に対して充電率SOCの算出誤差が現れにくい。すなわち、開放電圧OCVが閾値を下回る領域にあるとき、開放電圧OCVからバッテリ6のOCV-SOC特性を参照して求めた充電率SOC-vは精度が高く、真値（実際の充電率C）に近い値を得ることができる。

つまり、実施例１では、開放電圧OCVが閾値を下回る都度、開放電圧OCVから求めた精度の高い電池残量RCを用いて積分値∫Idtの電流積分誤差を除去することができるため、センサ電流Iの積分値に基づく充電率SOCの算出精度を高めることができる。
また、開放電圧OCVが閾値以上の領域では、閾値を下回る領域と比較して充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が小さいため、開放電圧OCVの推定誤差に対して充電率SOCの算出誤差に大きく現れるが、実施例１では、閾値以上の開放電圧OCVを充電率SOCの算出に用いていないため、当該領域の開放電圧OCVに基づいて精度の低い充電率SOCが算出されるのを回避できる。

実施例１では、以下に列挙する効果を奏する。
(1) センサ電流Iを出力する電流センサ4と、センサ電圧Vを出力する電圧センサ3と、センサ電流Iを積分器8aで積分した積分値∫Idtに基づいて充電率SOCを算出するSOC算出部8と、センサ電流Iとセンサ電圧Vとに基づいて開放電圧OCVを推定する開放電圧推定部9と、開放電圧OCVが所定の閾値を下回る領域にあるとき、積分値∫Idtをバッテリ6のOCV-SOC特性から求まる充電率に応じた電池残量RCに補正する積分値補正手段（OCV判定部10、スイッチ13）と、を備えた。
よって、閾値を下回る開放電圧OCVから求めた精度の高い電池残量RCに基づいて積分値∫Idtから電流積分誤差を除去できるため、充電率SOCの算出精度を高めることができる。また、閾値以上の開放電圧OCVを用いていないため、精度の低い充電率SOCが算出されるのを回避できる。

(2) 積分値補正手段は、開放電圧OCVが閾値を下回ったとき、積分値∫Idtを開放電圧OCVが閾値のときにバッテリ6のOCV-SOC特性から求まる充電率(20%)に応じた電池残量RC(20%×FCC)に補正する。
よって、バッテリ6の使用時に開放電圧OCVが閾値を下回る都度、積分値∫Idtから電流積分誤差が除去されるため、充電率SOCの算出精度を高めることができる。

(3) バッテリ6のセンサ電流Iの積分値∫Idtに基づいて充電率SOCを算出するバッテリ6の充電率算出方法において、センサ電流Iとセンサ電圧Vとに基づいて開放電圧OCVを推定し、開放電圧OCVが所定の閾値を下回る領域にあるとき、積分値∫Idtをバッテリ6のOCV-SOC特性から求まる充電率に応じた電池残量RCに補正する。
よって、閾値を下回る開放電圧OCVから求めた精度の高い電池残量RCに基づいて積分値∫Idtから電流積分誤差を除去できるため、充電率SOCの算出精度を高めることができる。また、閾値以上の開放電圧OCVを用いていないため、精度の低い充電率SOCが算出されるのを回避できる。

〔実施例２〕
実施例２は、開放電圧OCVが閾値を下回る領域にあるとき、所定期間毎に積分値∫Idtを補正する例である。以下、実施例１と異なる構成について説明する。
図７は、実施例２のコントローラ2の制御ブロック図である。
実施例２のコントローラ2は、図２に示した実施例１の構成に加え、RC算出部（電池残量算出手段）15を備える。
RC算出部15は、開放電圧OCVから図５に示したバッテリ6のOCV-SOC特性図を参照して充電率SOC-vを算出し、算出した充電率SOC-vにバッテリ6の満充電容量FCCを乗算して電池残量RCを算出する。算出した電池残量RCは、図６に示した積分器8aのスイッチ13のtrue側に入力される。

実施例２のOCV判定部10は、開放電圧推定部9により推定された開放電圧OCVが閾値を下回ってから閾値以上となるまでの間、所定期間が経過する毎に判定信号1(true)を出力し、それ以外のとき判定信号0(false)を出力する。閾値は実施例１と同様、充電率20%に対応する開放電圧とする。
図８は、実施例２のOCV判定部10の制御ブロック図である。
第１開放電圧判定部21は、開放電圧OCVが閾値未満であり、かつ、1演算周期前に算出された開放電圧OCVが閾値以上であるときにF1信号として1を出力し、それ以外のときは0を出力する。
NOT回路22は、F1信号が0のとき1、1のとき0を出力する。
AND回路23は、NOT回路22の出力と遅延素子24の出力が共に1であるとき1を出力し、それ以外のときは0を出力する。
遅延素子24は、所定期間判定部25の1演算周期前の出力を出力する。
所定期間判定部25は、T1が所定期間よりも小さいときは1を出力し、それ以外のときは0を出力する。

第２開放電圧判定部26は、開放電圧OCVが閾値以上であるとき1を出力し、閾値未満のときは0を出力する。
加算器27は、遅延素子30の出力である1演算周期前のT1に演算周期を加算した値を出力する。
スイッチ28は、AND回路23から出力された信号をリンク運転選択指令として入力し、リンク運転選択指令が0のときは0を出力し、1のときは加算器27の出力を出力する。
スイッチ29は、第２開放電圧判定部26から出力された信号をリンク運転選択指令として入力し、リンク運転選択指令が0のときはスイッチ28の出力を出力し、1のときは1（0以外であればよい）を出力する。
遅延素子30は、T1の1演算周期前の値を出力する。
補正判定部31は、T1が0のとき1を出力し、それ以外のときは0を出力する。

次に、作用を説明する。
図９は、実施例２のOCV判定部10の動作を示すタイムチャートである。
時点t1よりも前の区間では、開放電圧OCVが閾値以上であるため、第２開放電圧判定部26は1を出力し、スイッチ29はT1として1を出力する。よって、補正判定部30の出力である補正判定信号は0となり、積分値∫Idtの補正は行われない。
時点t1では、開放電圧OCVが閾値以上から閾値未満に変化したため、第１開放電圧判定部21はF1信号として1を出力し、AND回路23は0を出力するため、スイッチ28は0を出力する。また、第２開放電圧判定部26は0を出力し、スイッチ29はT1としてスイッチ28の出力、すなわち0を出力する。よって、補正判定信号は1となり、積分値∫IdtはRC算出部15により算出された電池残量RCに補正される。

時点t1からt2までの区間では、開放電圧OCVの1演算周期前の値が閾値未満であるため、第１開放電圧判定部21はF1信号として0を出力する。また、T1が所定期間に達していないため、遅延素子30の出力は1である。よって、AND回路23の入力は共に1となるため、スイッチ28の出力は加算器27の出力となり、T1に演算周期が加算されていく。なお、T1は0以外であるため、積分値∫Idtの補正は行われない。
時点t2では、1演算周期前のT1が所定期間に達したため、遅延素子30の出力は0となり、AND回路23の出力が0となることでスイッチ28は0を出力し、T1はリセット(=0)される。よって、補正判定信号は1となり、積分値∫IdtはRC算出部15により算出された電池残量RCに補正される。
時点t3からt4までの区間は、時点t1からt2までの区間と同様であるため、説明を省略する。
時点t4では、開放電圧OCVが閾値以上となったため、第２開放電圧判定部26は1を出力し、スイッチ29はT1として1を出力する。よって、補正判定部30の出力である補正判定信号は0となり、積分値∫Idtの補正は行われない。

以上のように、実施例２の充電率算出装置では、開放電圧OCVが閾値を下回る領域にあるとき、所定期間毎に積分値∫Idtを開放電圧OCVに基づいて算出した電池残量RCに補正するため、開放電圧OCVが閾値を下回る領域にある間、つまり充電率が20%未満である間は、所定期間毎に積分値∫Idtから電流積分誤差を除去できる。よって、開放電圧OCVが閾値を下回った直後にのみ積分値∫Idtを補正する実施例１と比較して、充電率SOCの算出精度をより高めることができる。

実施例２では、実施例１の効果(1)〜(3)に加え、以下に列挙する効果を奏する。
(4) OCV-SOC特性に基づいて充電率SOC-vを算出し、算出したSOC-vに満充電容量FCCを乗算して電池残量RCを算出するRC算出部15を備え、積分値補正手段は、開放電圧OCVが閾値を下回る領域にあるとき、積分値∫IdtとRC算出部15により算出された電池残量RCに補正する。
開放電圧OCVが閾値を下回る領域にあるとき、RC算出部15により算出される電池残量RCは精度が高く、真値（実際の電池残量）に近い値を得ることができる。よって、積分値∫IdtをRC算出部15により算出された電池残量RCに補正することで、積分値∫Idtの電流積分誤差を精度良く取り除くことができ、充電率SOCの算出精度を高めることができる。
(5) 積分値補正手段は、所定期間毎に積分値∫Idtを補正するため、開放電圧OCVが閾値を下回る領域にある間は、所定期間毎に何度も積分値∫Idtから電流積分誤差を除去でき、充電率SOCの算出精度を高めることができる。

（他の実施例）
以上、本発明の二次電池の充電率算出装置を実施例に基づいて説明したが、具体的な構成については、実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加は許容される。
例えば、実施例では、逐次パラメータ推定にカルマンフィルタを用いたが、他の推定方法を用いてもよい。
実施例１では、閾値を、OCV-SOC特性において、充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が小さな領域と大きな領域との２つに区分したとき、２つの領域の境界点となる開放電圧としたが、閾値は、充電率SOCの変化に対する開放電圧OCVの変化が大きな領域の開放電圧としてもよい。この場合、図５では、充電率SOCが20%未満の領域の開放電圧となる。なお、閾値を小さくするほど、使用時において積分値を補正する機会が減少するため、閾値はできるだけ高い値とするのが好ましい。

3 電圧センサ（端子電圧検出手段）
4 電流センサ（電流検出手段）
6 バッテリ（二次電池）
8 SOC算出部（充電率算出手段）
9 開放電圧推定部（開放電圧推定手段）
10 OCV判定部（積分値補正手段）
13 スイッチ（積分値補正手段）
15 RC算出部（電池残量算出手段）

Claims

二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記二次電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
前記充放電電流を積分器で積分した積分値に基づいて前記二次電池の充電率を算出する充電率算出手段と、
前記充放電電流と前記端子電圧とに基づいて前記二次電池の開放電圧を推定する開放電圧推定手段と、
前記開放電圧が所定の閾値を下回る領域にあるとき、前記積分値を前記二次電池の開放電圧と充電率との関係から求まる充電率に応じた電池残量に補正する積分値補正手段と、
を備えたことを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
請求項１に記載の二次電池の充電率算出装置において、
前記積分値補正手段は、前記開放電圧が前記閾値を下回ったとき、前記積分値を前記開放電圧が前記閾値のときに前記二次電池の開放電圧と充電率との関係から求まる充電率に応じた電池残量に補正することを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
請求項１または請求項２に記載の二次電池の充電率算出装置において、
前記二次電池の開放電圧と充電率との関係に基づいて前記二次電池の充電率を算出し、算出した充電率に前記満充電容量を乗算して前記二次電池の電池残量を算出する電池残量算出手段を備え、
前記積分値補正手段は、前記開放電圧が前記閾値を下回る領域にあるとき、前記積分値を前記電池残量算出手段により算出された電池残量に補正することを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
請求項３に記載の二次電池の充電率算出装置において、
前記積分値補正手段は、所定期間毎に前記積分値を補正することを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
二次電池の充放電電流の積分値に基づいて充電率を算出する二次電池の充電率算出方法において、
前記二次電池の充放電電流と端子電圧とに基づいて開放電圧を推定し、
前記開放電圧が所定の閾値を下回る領域にあるとき、前記積分値を前記二次電池の開放電圧と充電率との関係から求まる充電率に応じた電池残量に補正することを特徴とする二次電池の充電率算出方法。