JP2013148452A

JP2013148452A - Ｓｏｈ推定装置

Info

Publication number: JP2013148452A
Application number: JP2012008844A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Tanaka; 克典田中
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】電池の健全度を示すＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置において、回路規模やコストの増大を抑える。
【解決手段】電池６の電圧を検出する電圧検出部２と、電池６の充電が終了すると、電圧検出部２から電圧Ｖ１を取得するとともに分極回復時間ｔｐの計測を開始し、電圧Ｖ１と電圧検出部２から再度取得した電圧Ｖ２との差分ΔＶが所定電圧Ｖｔｈ以上になると、分極回復時間ｔｐの計測を終了し、その計測した分極回復時間ｔｐに基づいて電池６のＳＯＨを推定する演算部４とを備えてＳＯＨ推定装置１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の健全度を示すＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置に関する。

プラグインハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載される電池は、車両内の様々な箇所に搭載される走行用モータや電装機器などに長時間電力を供給する必要があるため高出力で、かつ、大容量であることが望まれている。また、このような電池を搭載する車両では、走行可能距離や電装機器の使用可能時間などを計算するために電池の充電率を示すＳＯＣ（State Of Charge）や電池の健全度（劣化度）を示すＳＯＨ（State Of Health）などをモニタする装置が備えられている。なお、例えば、ＳＯＣは満充電容量に対する現在の充電容量の割合とし、ＳＯＨは劣化前の満充電容量に対する現在の満充電容量の割合と定義することができる。

ＳＯＨを推定する装置としては、従来から様々なものが考えられている（例えば、特許文献１〜４参照）。
例えば、電池の劣化とともに上昇する電池の直流内部抵抗成分に基づいてＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置がある。

図７（ａ）は、このようなＳＯＨ推定装置がＳＯＨを推定する際の電池電圧の変動例を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す破線枠内の拡大図である。
例えば、ＳＯＨ推定装置は、充電後の電池の分極解消時から一定期間ｔｃが経過するまで一定電流Ｉｃで電池を放電させて、その一定期間ｔｃにおける電池電圧の変化量ΔＶを求める。

次に、ＳＯＨ推定装置は、その電池電圧の変化量ΔＶを一定電流Ｉｃで割ることにより現在の直流内部抵抗成分Ｒを求める。
そして、ＳＯＨ推定装置は、現在の直流内部抵抗成分Ｒから劣化前の直流内部抵抗成分Ｒを減算することにより直流内部抵抗成分Ｒの変化量ΔＲを求め、劣化前の直流内部抵抗成分Ｒに対する変化量ΔＲの割合をＳＯＨとする。

しかしながら、このようなＳＯＨ推定装置では、分極が解消したタイミングを検出するための構成や電池を一定電流Ｉｃで一定期間ｔｃ放電させるための構成を、さらに追加する必要があるため、その分回路規模やコストが増大してしまうという問題がある。

特開２００７−１７８３３３号公報特開２０１１−１４２０３６号公報特開２０１１−１１２４５３号公報特開２００６−１４７２２４号公報

本発明は、電池の健全度を示すＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置において、回路規模やコストの増大を抑えることを目的とする。

本発明のＳＯＨ推定装置は、電池の健全度を示すＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置であって、前記電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電池の充電が終了すると、前記電圧検出手段から第１電圧を取得するとともに分極回復時間の計測を開始し、前記第１電圧と前記電圧検出手段から再度取得した第２電圧との差分が所定電圧以上になると、前記分極回復時間の計測を終了し、該分極回復時間に基づいて前記電池のＳＯＨを推定する演算手段とを備える。

例えば、前記演算手段は、前記電池が劣化する前の前記分極回復時間に対する前記計測した分極回復時間の割合を、前記電池のＳＯＨとする。
これにより、分極が解消したタイミングを検出するための構成や電池を一定電流で一定期間放電させるための構成を、さらにＳＯＨ推定装置に追加する必要がないため、ＳＯＨ推定装置の回路規模やコストの増大を抑えることができる。

また、本発明のＳＯＨ推定装置は、記録手段と、前記電池の周辺温度を検出する温度検出手段とをさらに備え、前記演算手段は、前記温度検出手段により検出される周辺温度及び前記第２電圧に対応する補正値を前記記録手段から取り出し、その取り出した補正値に基づいて前記計測した分極回復時間を補正するように構成してもよい。

これにより、ＳＯＨ推定の精度を向上させることができる。

本発明によれば、電池の健全度を示すＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置において、回路規模やコストを抑えることができる。

本発明の第１実施形態のＳＯＨ推定装置を示す図である。第１実施形態の演算部の動作を説明するためのフローチャートである。本実施形態においてＳＯＨ推定する際の電池電圧の変動例を示す図である。本発明の第２実施形態のＳＯＨ推定装置を示す図である。第２実施形態の演算部の動作を説明するためのフローチャートである。データテーブルの一例を示す図である。電池の直流内部抵抗成分を用いてＳＯＨを推定する際の電池電圧の変動例を示す図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態のＳＯＨ推定装置を示す図である。
図１に示すＳＯＨ推定装置１は、例えば、プラグインハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載され、電圧検出部２（電圧検出手段）と、記録部３（記録手段）と、演算部４（演算手段）とを備える。

電圧検出部２は、例えば、周知の電圧計により構成されることが可能であり、電池６の電圧Ｖを検出する。なお、電池６は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの複数の電池セル（６−１〜６―ｎ）が互いに直列接続されて構成される。また、電池６に接続されるリレー７は、演算部４や充電器１０の動作を制御する制御回路８などから出力される制御信号によりオン、オフが制御される。例えば、リレー７がオフからオンに切り替わると、電池６とインバータ９とが互いに接続されるとともに、電池６と充電器１０とが互いに接続される。このとき、電池６は、インバータ９や走行用モータ／発電機（Ｍ／Ｇ）１１又はその他の不図示の負荷に電力を供給することが可能な状態になる。また、リレー７がオンしているとき、車両のブレーキ動作などにより走行用モータ／発電機１１で回生電力が発生すると、その回生電力がインバータ９及びリレー７を介して電池６に供給される。また、リレー７がオンしているとき、充電器１０が動作して外部の充電設備１２からの電力が充電器１０に供給されると、その電力が充電器１０により電池６の充電用電力に変換されリレー７を介して電池６に供給される。

記録部３は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリやハードディスクなどにより構成され、演算部４により実行されるプログラムや各種データテーブルなどを記録している。

演算部４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成され、記録部３に記録されているプログラムを読み出して実行することによりＳＯＨ推定を行う。

図２は、第１実施形態の演算部４の動作を説明するためのフローチャートである。
まず、演算部４は、制御回路８などから電池６の充電が終了した旨の信号を受け取ると（Ｓ１がＹｅｓ）、リレー７をオフにし（Ｓ２）、電圧検出部２により電池６の電圧Ｖ（以下、充電終了時において電圧検出部２により検出される電池６の電圧Ｖを電圧Ｖ１とする）（第１電圧）を取得し（Ｓ３）、分極回復時間ｔｐの計測を開始する（Ｓ４）。

次に、演算部４は、再度、電圧検出部２により電池６の電圧Ｖ（以下、分極回復時間ｔｐの計測中において電圧検出部２から新規に取得した電池６の電圧Ｖを電圧Ｖ２とする）（第２電圧）を取得する（Ｓ５）。

そして、演算部４は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差分ΔＶを計算し（Ｓ６）、その差分ΔＶが閾値Ｖｔｈ（所定電圧）以上になると（Ｓ７がＹｅｓ）、分極回復時間ｔｐの計測を終了し（Ｓ８）、その計測した分極回復時間ｔｐを一旦記録部３に記録し（Ｓ９）、その記録した分極回復時間ｔｐに基づいてＳＯＨを推定する（Ｓ１０）。なお、閾値Ｖｔｈは、例えば、充電直後の電池６の直流内部抵抗成分Ｒに充電時の電流が流れることによって生じる損失で電池６の電圧が降下するときのその電圧変動幅とし、予め実験などにより求めておき演算部４の内部又は外部に格納しておいてもよい。

図３（ａ）は、本実施形態においてＳＯＨを推定する際の電池６の電圧Ｖの変動例を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す破線枠内の拡大図である。
まず、演算部４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、電池６の充電が終了した時刻ｔ１において、電圧検出部２から電圧Ｖ１を取得する。

次に、演算部４は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、電池６の充電が終了した時刻ｔ１から差分ΔＶが閾値Ｖｔｈ以上になったときの時刻ｔ２まで計測した分極回復時間ｔｐを記録部３に記録する。

そして、演算部４は、基準分極回復時間ｔｒｅｆ（例えば、電池６が劣化する前に求められた分極回復時間ｔｐ）に対する分極回復時間ｔｐの変化量の割合を計算し、その計算結果をＳＯＨとする。

電池６が劣化することにより電池６の直流内部抵抗成分Ｒが増加すると、電池６の単位時間当たりの損失が増えて電池６の単位時間当たりの電圧下降量が増えるため、分極回復時間ｔｐは短くなる。すなわち、電池６の健全度と分極回復時間ｔｐとの間で相関関係が存在する。これにより、電池６が劣化する前と後の直流内部抵抗成分Ｒの変化量を、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量に置き換えることができる。そのため、例えば、演算部４は、（（基準分極回復時間ｔｒｅｆ）−（分極回復時間ｔｐ））／（基準分極回復時間ｔｒｅｆ）×１００の計算結果をＳＯＨとすることができる。

このように、第１実施形態のＳＯＨ推定装置１は、電池６が劣化する前と後の直流内部抵抗成分Ｒの変化量を、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量に置き換え、その分極回復時間ｔｐの変化量に基づいてＳＯＨを推定する構成であるため、充電後の電池６の分極が解消したタイミングを検出するための構成や電池６を一定電流Ｉｃで一定期間ｔｃ放電させるための構成を、さらに追加する必要がない。そのため、第１実施形態のＳＯＨ推定装置１は、回路規模やコストの増大を抑えることができる。
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態のＳＯＨ推定装置を示す図である。なお、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

図４に示す第２実施形態のＳＯＨ推定装置１において、図１に示す第１実施形態のＳＯＨ推定装置１と異なる点は、温度検出部５（温度検出手段）をさらに備えている点である。

温度検出部５は、電池６の周辺温度Ｔを検出する。例えば、温度検出部５として、温度上昇に伴って抵抗値が減少するサーミスタを採用し、そのサーミスタに定電流Ｉを流す。この場合、演算部４は、温度取得タイミングになると、サーミスタにかかる電圧を定電流Ｉで割ることによりサーミスタの抵抗値を求め、その抵抗値に対応する温度を演算部４の内部又は外部にあるデータテーブルから取り出し、その取り出した温度を電池６の周辺温度Ｔとする。

図５は、第２実施形態の演算部４により行われるＳＯＨ推定を説明するためのフローチャートである。なお、図５に示すフローチャートのＳ１〜Ｓ９は、図２に示すフローチャートのＳ１〜Ｓ９と同様でありその説明を省略する。

図５のフローチャートにおいて、演算部４は、分極回復時間ｔｐを記録部３に記録すると（Ｓ９）、温度検出部５により電池６の周辺温度Ｔを取得し（Ｓ１０）、その周辺温度Ｔ及びＳ５で取得した電圧Ｖ２に対応する補正値を記録部３に予め記録されているデータテーブルから取り出し（Ｓ１１）、その取り出した補正値を用いてＳ９で記録した分極回復時間ｔｐを補正する（Ｓ１２）。

そして、演算部４は、その補正した分極回復時間ｔｐに基づいてＳＯＨを推定する（Ｓ１３）。
図６は、Ｓ１１で使用されるデータテーブルの一例を示す図である。

図６に示すデータテーブルには、周辺温度Ｔ及び電圧Ｖ２に対応する補正値が複数格納されている。
常温（例えば、２５℃）よりも周辺温度Ｔが高くなると、電池６の直流内部抵抗成分Ｒも高くなり分極回復時間ｔｐがさらに短くなるため、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量が増大する。そのため、常温よりも周辺温度Ｔが高くなったときのＳＯＨは常温のときのＳＯＨよりも大きくなってしまう。すなわち、周辺温度Ｔが高くなる程、電池６の劣化が進んでいるように見えてしまう。そのため、周辺温度Ｔの変化に伴うＳＯＨの誤差をできるだけ小さくするために、周辺温度Ｔが高くなっても補正後の分極回復時間ｔｐが変化しないように、分極回復時間ｔｐを補正する必要がある。例えば、分極回復時間ｔｐと補正値との乗算結果を補正後の分極回復時間ｔｐとする場合、周辺温度Ｔが高くなる程、補正値が小さくなるように、図４に示すデータテーブルに格納される各補正値を設定する。これにより、常温よりも周辺温度Ｔが高くなってもＳＯＨを変化させないようにすることができる。

また、常温（例えば、２５℃）よりも周辺温度Ｔが低くなると、電池６の直流内部抵抗成分Ｒも低くなり分極回復時間ｔｐが長くなる。そのため、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量が減少するため、常温よりも周辺温度Ｔが低くなったときのＳＯＨは常温のときのＳＯＨよりも小さくなってしまう。すなわち、周辺温度Ｔが低くなる程、電池６の劣化が進んでいないように見えてしまう。そのため、周辺温度Ｔの変化に伴うＳＯＨの誤差をできるだけ小さくするために、周辺温度Ｔが低くなっても補正後の分極回復時間ｔｐが変化しないように、分極回復時間ｔｐを補正する必要がある。例えば、分極回復時間ｔｐと補正値との乗算結果を補正後の分極回復時間ｔｐとする場合、周辺温度Ｔが低くなる程、補正値が大きくなるように、図４に示すデータテーブルに格納される各補正値を設定する。これにより、常温よりも周辺温度Ｔが低くなってもＳＯＨを変化させないようにすることができる。

また、基準のＳＯＣ（例えば、６０［％］）よりもＳＯＨ推定時の電池６のＳＯＣが高くなると、電池６の直流内部抵抗成分Ｒが低くなり分極回復時間ｔｐが長くなる。そのため、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量が減少するため、基準のＳＯＣよりもＳＯＣが高くなったときのＳＯＨは基準のＳＯＣのときのＳＯＨよりも小さくなってしまう。すなわち、ＳＯＣが高くなる程、電池６の劣化が進んでいないように見えてしまう。そのため、ＳＯＣの変化に伴うＳＯＨの誤差をできるだけ小さくするために、ＳＯＣが高くなっても補正後の分極回復時間ｔｐが変化しないように、分極回復時間ｔｐを補正する必要がある。例えば、分極回復時間ｔｐと補正値との乗算結果を補正後の分極回復時間ｔｐとする場合、ＳＯＣに対応する電圧Ｖ２が高くなる程、補正値が大きくなるように、図４に示すデータテーブルに格納される各補正値を設定する。これにより、基準のＳＯＣよりもＳＯＨ推定時のＳＯＣが高くなってもＳＯＨを変化させないようにすることができる。

また、基準のＳＯＣ（例えば、６０［％］）よりもＳＯＨ推定時の電池６のＳＯＣが低くなると、電池６の直流内部抵抗成分Ｒが高くなり分極回復時間ｔｐがさらに短くなる。そのため、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量が増大するため、基準のＳＯＣよりもＳＯＣが低くなったときのＳＯＨは基準のＳＯＣのときのＳＯＨよりも大きくなってしまう。すなわち、ＳＯＣが高くなる程、電池６の劣化が進んでいるように見えてしまう。そのため、ＳＯＣの変化に伴うＳＯＨの誤差をできるだけ小さくするために、ＳＯＣが低くなっても補正後の分極回復時間ｔｐが変化しないように、分極回復時間ｔｐを補正する必要がある。例えば、分極回復時間ｔｐと補正値との乗算結果を補正後の分極回復時間ｔｐとする場合、ＳＯＣに対応する電圧Ｖ２が低くなる程、補正値が小さくなるように、図４に示すデータテーブルに格納される各補正値を設定する。これにより、基準のＳＯＣよりもＳＯＨ推定時のＳＯＣが低くなってもＳＯＨを変化させないようにすることができる。

このように、第２実施形態のＳＯＨ推定装置１は、第１実施形態のＳＯＨ推定装置１と同様に、電池６が劣化する前と後の直流内部抵抗成分Ｒの変化量を、電池６が劣化する前と後の分極回復時間ｔｐの変化量に置き換え、その分極回復時間ｔｐの変化量に基づいてＳＯＨを推定する構成であるため、充電後の電池６の分極が解消したタイミングを検出するための構成や電池６を一定電流Ｉｃで一定期間ｔｃ放電させるための構成を、さらに追加する必要がない。そのため、第２実施形態のＳＯＨ推定装置１は、回路規模やコストの増大を抑えることができる。

また、第２実施形態のＳＯＨ推定装置１では、電池６の周辺温度Ｔや電池６のＳＯＣの変化に応じて分極回復時間ｔｐを補正しているため、ＳＯＨ推定の精度を向上させることができる。

１ＳＯＨ推定装置
２電圧検出部
３記録部
４演算部
５温度検出部
６電池
６−１電池セル
６−２電池セル
６−ｎ電池セル
７リレー
８制御回路
９インバータ
１０充電器
１１走行用モータ／発電機
１２充電設備

Claims

電池の健全度を示すＳＯＨを推定するＳＯＨ推定装置であって、
前記電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電池の充電が終了すると、前記電圧検出手段から第１電圧を取得するとともに分極回復時間の計測を開始し、前記第１電圧と前記電圧検出手段から再度取得した第２電圧との差分が所定電圧以上になると、前記分極回復時間の計測を終了し、該計測した分極回復時間に基づいて前記電池のＳＯＨを推定する演算手段と、
を備えることを特徴とするＳＯＨ推定装置。
請求項１に記載のＳＯＨ推定装置であって、
記録手段と、
前記電池の周辺温度を検出する温度検出手段と、
をさらに備え、
前記演算手段は、前記温度検出手段により検出される周辺温度及び前記第２電圧に対応する補正値を前記記録手段から取り出し、その取り出した補正値に基づいて前記計測した分極回復時間を補正する
ことを特徴とするＳＯＨ推定装置。
請求項１又は請求項２に記載のＳＯＨ推定装置であって、
前記演算手段は、前記電池が劣化する前の前記分極回復時間に対する前記計測した分極回復時間の割合を、前記電池のＳＯＨとする
ことを特徴とするＳＯＨ推定装置。