JP2014032021A - 電流値演算装置及び蓄電装置の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサを用いることなく、二次電池等の蓄電装置の電流値を取得する。
【解決手段】電流値演算部１４は、電圧検出部１０で検出した電圧Ｖ（ｋ）と、抵抗値推定部１６で温度に応じて推定された抵抗値Ｒ（ｋ）と、記憶部２０に記憶された前回のＳＯＣ値であるＳＯＣ（ｋ−１）に基づいて今回の電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を算出する。ＳＯＣ演算部１８は、Ｉｅｓｔ（ｋ）を用いて今回のＳＯＣ（ｋ）を算出し、記憶部２０に記憶する。ＳＯＣ（ｋ）は、次回の電流値Ｉｅｓｔ（ｋ＋１）の演算に用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置の電流値を演算により算出する装置に関する。

従来から、車両に搭載されるリチウムイオン電池等の二次電池の発熱による劣化を防止するためのシステムが提案されている。

下記の特許文献１には、車両を走行させるためのモータに電力を供給する電池と、電池に通電する充放電電流を検出するための電流検出部と、電流検出部で検出された電流から充放電電流の実効値を演算するための実効電流演算部と、演算された実効電流値に基づいて、電池を冷却するための冷却部の冷却能力を制御する車両用電源装置の冷却方法が記載されている。充放電電流の実効値は二乗平均値としている。

特開２０１０−２２６８９４号公報

上記の従来術では、実効電流値に基づいて冷却能力を制御することで電池の発熱による劣化を防止しているが、その前提として電池の充放電電流を検出しており、電流検出部が必須の構成となるため更なる構成の簡略化及びこれに伴うコスト低下が困難である。

本発明の目的は、二次電池等の蓄電装置の電流（充放電電流）を検出するための電流検出器あるいは電流センサを不要とし、安価に電流値を演算により取得することができる装置及びこれを用いた蓄電装置の冷却装置を提供することにある。

本発明の電流値演算装置は、蓄電装置の端子電圧を検出する電圧検出手段と、前記蓄電装置の前回の充電状態を示す値（ＳＯＣ）を記憶する記憶手段と、前記電圧検出手段で検出された端子電圧と、前記蓄電装置の抵抗値と、前記記憶手段に記憶された前回の充電状態を示す値を用いて、前記蓄電装置の電流値を演算する電流値演算手段と、前記電流値演算手段で演算された電流値を用いて、前記蓄電装置の今回の充電状態を示す値を演算し、得られた充電状態を示す値を前記記憶手段に記憶する充電状態演算手段とを備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記蓄電装置の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された温度を用いて、前記蓄電装置の抵抗値を推定する抵抗値推定手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態では、前記蓄電装置の抵抗値を予め記憶する抵抗値記憶手段を備えることを特徴とする。

また、本発明の１つの実施形態では、前記電流値演算手段は、ａ、ｂ、ｃを定数、Ｒ（ｋ）を蓄電装置の抵抗値、Δｔを微小時間、ＳＯＣ（ｋ−１）を蓄電装置の前回の充電状態を示す値、Ｖ（ｋ）を蓄電装置の端子電圧として、
Ｉｅｓｔ（ｋ）＝｛Ｖ（ｋ）−ａ×ＳＯＣ（ｋ−１）−ｂ｝／（ａ×Δｔ×ｃ＋Ｒ（ｋ））
により電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算することを特徴とする。

また、本発明の蓄電装置の冷却装置は、上記の電流値演算装置と、演算された電流値を用いて蓄電装置の発熱量を演算する発熱量演算手段と、演算された発熱量に応じて前記蓄電装置を冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、電流検出器あるいは電流センサを用いることなく、低コストで蓄電装置の電流値を取得することができる。また、本発明によれば、演算により取得した電流値を用いて蓄電装置を冷却することができる。

実施形態の構成ブロック図である。 実施形態の処理フローチャートである。 ＳＯＣとＯＣＶとの関係を示すグラフ図である。 他の実施形態の構成ブロック図である。 さらに他の実施形態の構成ブロック図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における蓄電装置の電流値演算装置の構成ブロック図を示す。なお、蓄電装置の典型例は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されるリチウムイオン電池である。

電流値演算装置は、電圧検出部１０と、温度検出部１２と、電流値演算部１４と、抵抗値推定部１６と、ＳＯＣ演算部１８と、記憶部２０を備える。

電圧検出部１０は、リチウムイオン電池の端子電圧Ｖ（ｋ）を検出する。電圧検出部１０は、検出した電圧Ｖ（ｋ）を電流値演算部１４に出力する。ここで、添字ｋは、所定周期で順次検出される物理量のｋ番目の値であることを示す。

温度検出部１２は、リチウムイオン電池の温度Ｔ（ｋ）を検出する。温度検出部１２は、検出した温度Ｔ（ｋ）を抵抗値推定部１６に出力する。

抵抗値推定部１６は、温度検出部１２で検出された温度Ｔ（ｋ）を用い、この温度Ｔ（ｋ）におけるリチウムイオン電池の内部抵抗Ｒ（ｋ）を推定する。リチウムイオン電池の内部抵抗は、温度依存性のあることが知られており、一般に温度が減少するほど内部抵抗も増大する。抵抗値推定部１６は、予め温度Ｔ（ｋ）と抵抗値との関係を関数として、あるいはマップとしてメモリに記憶しており、温度Ｔ（ｋ）と抵抗値との関係を用いて検出された温度Ｔ（ｋ）に対応する抵抗値Ｒ（ｋ）をメモリから読み出す。例えば、基準電池の温度を種々変化させてそれぞれの温度における内部抵抗を測定し、（温度、内部抵抗）の組データとしてメモリに記憶しておく。抵抗値推定部１６は、推定した抵抗値を電流値演算部１４に出力する。基準となる温度における内部抵抗値と、温度変化に対する内部抵抗変化率を関数として記憶しておいてもよい。

電流値演算部１４は、電圧検出部１０からの電圧Ｖ（ｋ）と、抵抗値推定部１６からの抵抗Ｒ（ｋ）と、記憶部２０に記憶された前回のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）値であるＳＯＣ（ｋ−１）を用いて、リチウムイオン電池の電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算する。電流値演算部１４は、リチウムイオン電池のＳＯＣと、リチウムイオン電池の開放端電圧ＯＣＶとの間には一定の比例関係があることを利用して、リチウムイオン電池の電流値を演算する。電流値演算部１４での具体的な演算方法についてはさらに後述する。電流値演算部１４は、演算して得られた電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）をＳＯＣ演算部１８に出力する。

ＳＯＣ演算部１８は、電流値演算部１４からの電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を用いてリチウムイオン電池のＳＯＣであるＳＯＣ（ｋ）を演算する。算出されたＳＯＣ（ｋ）は、リチウムイオン電池の充電状態を示す指標として他の制御装置に供給されるとともに、記憶部２０にも供給されて記憶される。記憶部２０に記憶されたＳＯＣ（ｋ）は、次の演算周期において演算される次回の電流値Ｉｅｓｔ（ｋ＋１）の演算に用いられる。

図１における電流値演算部１４、抵抗推定部１６、ＳＯＣ演算部１８及び記憶部２０は、マイクロプロセッサ２２で構成することができる。

図２に、本実施形態における電流値演算処理のフローチャートを示す。電流値演算の処理フローは、所定周期で繰り返し実行される。

まず、電圧検出部１０及び温度検出部１２で、それぞれ電圧Ｖ（ｋ）及び温度Ｔ（ｋ）を測定する（Ｓ１０１）。

次に、抵抗値推定部１６で、測定された温度Ｔ（ｋ）を用いてリチウムイオン電池の内部抵抗Ｒ（ｋ）を推定する（Ｓ１０２）。すなわち、抵抗値推定部１６は、予め温度と抵抗値との関係をメモリに記憶しておき、記憶された関係を用いて温度Ｔ（ｋ）に対応する抵抗値Ｒ（ｋ）をメモリから読み出すことで推定する。抵抗値は、メモリに記憶された値から線形補間で推定してもよい。

次に、電流値演算部１４は、記憶部２０から前回のＳＯＣ値であるＳＯＣ（ｋ−１）を読み出し（Ｓ１０３）、電圧Ｖ（ｋ）と、抵抗値Ｒ（ｋ）と、ＳＯＣ（Ｋ−１）を用いてリチウムイオン電池の電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算する（Ｓ１０４）。

具体的には、以下のようにして電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算する。リチウムイオン電池においては、充電状態ＳＯＣと開放端電圧ＯＣＶとの間に一定の比例関係があることが知られているから、ＳＯＣとＯＣＶとの関係を
ＯＣＶ＝ａ×ＳＯＣ＋ｂ ・・・（１）
と定義する。ここで、ａ、ｂは定数である。

図３に、ＳＯＣとＯＣＶとの関係の一例を示す。図において、横軸はＳＯＣ（％）であり、縦軸はＯＣＶ（Ｖ）である。比例定数をａ、切片をｂとすると、一般に（１）式のようにＳＯＣとＯＣＶとの関係を規定できる。

一方、ＯＣＶは、リチウムイオン電池の端子電圧から内部抵抗による電圧降下分を減算して得られるから、端子電圧Ｖ（ｋ−１）及びＶ（ｋ）は、
Ｖ（ｋ−１）＝ａ×ＳＯＣ（ｋ−１）＋ｂ＋Ｒ（ｋ）×Ｉｅｓｔ（ｋ−１） ・・（２）
Ｖ（ｋ）＝ａ×ＳＯＣ（ｋ）＋ｂ＋Ｒ（ｋ）×Ｉｅｓｔ（ｋ） ・・・（３）
で与えられる。上式において、Ｖ（ｋ−１）、Ｖ（ｋ）は測定値であって既知であり、Ｉｅｓｔ（ｋ−１）も前回の処理により既知であるとする。なお、最初の演算周期の場合にはＩｅｓｔ（ｋ−１）は一般に存在しないが、これについては後述する。

微小時間ΔｔでのＳＯＣ変化を考慮すると、ＳＯＣは電流の時間積算であるから、
ＳＯＣ（ｋ）＝ＳＯＣ（ｋ−１）＋Δｔ×Ｉｅｓｔ（ｋ）×ｃ ・・・（４）
と表現できる。ここで、ｃは充電効率を示す定数である。
（３）式のＳＯＣ（ｋ）に（４）式を代入すると、
Ｖ（ｋ）＝ａ×｛ＳＯＣ（ｋ−１）＋Δｔ×Ｉｅｓｔ（ｋ）×ｃ｝＋ｂ＋Ｒ（ｋ）×Ｉｅｓｔ（ｋ） ・・・（５）
となる。（５）式を変形すると、
Ｉｅｓｔ（ｋ）＝｛Ｖ（ｋ）−ａ×ＳＯＣ（ｋ−１）−ｂ｝／（ａ×Δｔ×ｃ＋Ｒ（ｋ）） ・・・（６）
となる。電流値演算部１４は、（６）式を用いて、電圧Ｖ（ｋ）と、抵抗値Ｒ（ｋ）と、前回のＳＯＣ値であるＳＯＣ（ｋ−１）から電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算する。

電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算した後、次に、ＳＯＣ（ｋ）を演算する（Ｓ１０５）。具体的には、（３）式を変形すると、
ＳＯＣ（ｋ）＝｛Ｖ（ｋ）−ｂ−Ｒ（ｋ）×Ｉｅｓｔ（ｋ）｝／ａ ・・・（７）
となる。ＳＯＣ演算部１８は、（７）式を用いて、電圧Ｖ（ｋ）と、抵抗値Ｒ（ｋ）と、Ｉｅｓｔ（ｋ）からＳＯＣ（ｋ）を演算する。

最後に、演算されたＳＯＣ（ｋ）を記憶部２０に記憶する（Ｓ１０６）。記憶されたＳＯＣ（ｋ）は、次の演算周期において、Ｉｅｓｔ（Ｋ＋１）を演算するために用いられる。
すなわち、次の制御周期における電流値Ｉｅｓｔ（ｋ＋１）は、（６）式を用いて
Ｉｅｓｔ（ｋ＋１））＝｛Ｖ（ｋ＋１）−ａ×ＳＯＣ（ｋ）−ｂ｝／（ａ×Δｔ×ｃ＋Ｒ（ｋ））
・・・（８）
により演算される。

以上のように、図２に示されたフローチャートを所定周期で繰り返し実行することで、Ｉｅｓｔ（ｋ−１），Ｉｅｓｔ（ｋ），Ｉｅｓｔ（ｋ＋１），・・・が順次演算されて出力され、かつ、ＳＯＣ（ｋ−１），ＳＯＣ（ｋ），ＳＯＣ（ｋ＋１），・・・が順次演算されて出力される。

演算されたＳＯＣ（ｋ）は、例えばリチウムイオン電池の充放電を制御するために用いられる。車載のリチウムイオン電池で走行用モータを駆動する際には、リチウムイオン電池の劣化を抑制すべく、リチウムイオン電池のＳＯＣが一定の範囲内に収まるように制御する。演算されたリチウムイオン電池のＳＯＣ（ｋ）に基づいてリチウムイオン電池の充放電量を制御することができる。

本実施形態では、電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）のみならず、ＳＯＣ（ｋ）を演算する際にも、電流検出器あるいは電流センサを用いていない点に留意されたい。すなわち、本実施形態では、リチウムイオン電池の電流を直接的に検出することなく、リチウムイオン電池の端子電圧を検出することでリチウムイオン電池の電流値を演算により得ることができ、システム全体のコストを低減できる。

ところで、最初の演算周期では、記憶部２０には前回のＳＯＣ値であるＳＯＣ（ｋ−１）が存在していないので、これを用いることができない。そこで、最初の制御周期では、電流＝０のときのＳＯＣ値をＳＯＣ（１）として、（３）式より、
Ｖ（１）＝ａ×ＳＯＣ（１）＋ｂ＋Ｒ（ｋ）×０
＝ａ×ＳＯＣ（１）＋ｂ ・・・（９）
であり、これを変形して
ＳＯＣ（１）＝｛Ｖ（１）−ｂ｝／ａ ・・・（１０）
となる。ＳＯＣ演算部１８は、（１０）式を用いて、電圧Ｖ（１）からＳＯＣ（１）を演算する。演算して得られたＳＯＣ（１）は、記憶部２０に記憶される。次の演算周期では、電流値演算部１４は、記憶部２０に記憶されたＳＯＣ（１）を用いてＩｅｓｔ（２）を演算する。また、ＳＯＣ演算部２０は、Ｉｅｓｔ（２）を用いてＳＯＣ（２）を演算する。演算して得られたＳＯＣ（２）は、記憶部２０に記憶される。以下、同様にして、Ｉｅｓｔ（１）（＝０），Ｉｅｓｔ（２），Ｉｅｓｔ（３），・・・が演算され、かつ、ＳＯＣ（１），ＳＯＣ（２），ＳＯＣ（３），・・・が演算される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では蓄電装置の一例としてリチウムイオン電池を用いて説明したが、蓄電装置の抵抗値との間に温度依存性があり、かつ、蓄電装置のＳＯＣと蓄電装置の開放端電圧ＯＣＶとの間に一定の関係がある蓄電装置であれば他の種類の二次電池でもよく、あるいはキャパシタでもよい。

また、本実施形態では、最初の演算周期においてＩｅｓｔ（１）＝０としてＳＯＣ（１）をＶ（１）から演算しているが、前回のＳＯＣの値が記憶部２０に記憶されている場合には、これをＳＯＣ（０）として用いてもよい。例えば、前回の走行時において最後に演算したＳＯＣをＳＯＣ（０）として用いる等である。

また、本実施形態では、順次演算したＳＯＣ（ｋ）を記憶部２０に記憶しているが、前回値ＳＯＣ（ｋ−１）と別個のアドレスに記憶する他、前回値ＳＯＣ（ｋ−１）と同一アドレスに上書き記憶してもよい。次回の演算周期では、直前のＳＯＣの値しか用いないからである。

また、本実施形態では、温度検出部１２で温度Ｔ（ｋ）を検出し、抵抗値推定部１６でこの温度Ｔ（ｋ）に対応する抵抗Ｒ（ｋ）を推定しているが、抵抗値Ｒ（ｋ）の値は比較的小さいため、所定の固定値を用いてもよい。この場合には、蓄電装置のＳＯＣと蓄電装置の開放端電圧ＯＣＶとの間に一定の関係がある蓄電装置であれば、蓄電装置の抵抗値との間に温度依存性がある二次電池、キャパシタはもちろんのこと、温度依存性がない二次電池、あるいはキャパシタを用いてもよい。

図４に、この場合の構成図を示す。図１における温度検出部１２及び抵抗値推定部１６に代え、抵抗値記憶部１７が設けられる。抵抗値記憶部１７は、固定の抵抗値Ｒ（ｋ）を記憶しており、この抵抗値Ｒ（ｋ）を電流値演算部１４に供給する。電流値演算部１４は、固定の抵抗値Ｒ（ｋ）を用いて、（６）式によりＩｅｓｔ（ｋ）を演算する。

固定の抵抗値Ｒ（ｋ）は、例えばＪＩＳに規定されている内部抵抗測定方法に準拠して測定して得られた値を用いることができる。具体的には、充電した二次電池を、５時間率(公称容量を５時間で充電する電流値)で放電したときの１０秒後の電圧と、その直後に放電電流を１時間率に相当する電流値に上げ、１ 秒経過後の電圧を計測し、その電圧変化を電流値の変化で割ることにより、内部抵抗を求めることができる。

なお、図１の構成において、抵抗値推定部１６が温度検出部１２で検出された温度Ｔ（ｋ）に応じ、固定的な抵抗値Ｒ（ｋ）を出力するか、あるいは温度Ｔ（ｋ）に応じた抵抗値Ｒを出力するかを適応的に切り替えることも可能であろう。すなわち、温度が特定の範囲内にある場合には固定的な抵抗値Ｒ（ｋ）を出力し、温度が下限温度以下、あるいは上限温度以上となった場合には温度に応じた可変的な抵抗値Ｒ（ｋ）を出力する等である。温度の時間変化量に応じて切り替えてもよい。

また、本実施形態において、電流値演算部１４で演算された電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）は、ＳＯＣを演算するために用いる他に、二次電池等の蓄電装置の発熱量を演算するために用いることもできる。

図５に、蓄電装置の冷却装置の構成ブロック図を示す。図１に示す電流値演算装置の構成に加え、さらに、発熱量演算部２４と冷却部２６とを備える。

発熱量演算部２４は、電流値演算部１４で演算された電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を用いて蓄電装置の発熱量を演算する。発熱量は、蓄電装置の抵抗Ｒ（ｋ）に電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）の２乗を乗じることで演算される。発熱量演算部２４は、演算して得られた発熱量に基づいて、蓄電装置を冷却する冷却部２６の冷却能力を増減調整するための指令値を出力する。冷却部２６の一例は冷却ファンであり、発熱量演算部２４は、演算して得られた発熱量に基づいて、冷却ファンのファン回転数を増減調整することで冷却能力を調整する。

１０ 電圧検出部、１２ 温度検出部、１４ 電流値演算部、１６ 抵抗値推定部、１８ ＳＯＣ演算部、２０ 記憶部、２２ マイクロコンピュータ。

Claims (5)

1. 蓄電装置の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記蓄電装置の前回の充電状態を示す値を記憶する記憶手段と、
   前記電圧検出手段で検出された端子電圧と、前記蓄電装置の抵抗値と、前記記憶手段に記憶された前回の充電状態を示す値を用いて、前記蓄電装置の電流値を演算する電流値演算手段と、
   前記電流値演算手段で演算された電流値を用いて、前記蓄電装置の今回の充電状態を示す値を演算し、得られた充電状態を示す値を前記記憶手段に記憶する充電状態演算手段と、
   を備えることを特徴とする電流値演算装置。
2. 請求項１記載の電流値演算装置において、
   前記蓄電装置の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出された温度を用いて、前記蓄電装置の抵抗値を推定する抵抗値推定手段と、
   を備えることを特徴とする電流値演算装置。
3. 請求項１記載の電流値演算装置において、
   前記蓄電装置の抵抗値を予め記憶する抵抗値記憶手段
   を備えることを特徴とする電流値演算装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電流値演算装置において、
   前記電流値演算手段は、ａ、ｂ、ｃを定数、Ｒ（ｋ）を蓄電装置の抵抗値、Δｔを微小時間、ＳＯＣ（ｋ−１）を蓄電装置の前回の充電状態を示す値、Ｖ（ｋ）を蓄電装置の端子電圧として、
   Ｉｅｓｔ（ｋ）＝｛Ｖ（ｋ）−ａ×ＳＯＣ（ｋ−１）−ｂ｝／（ａ×Δｔ×ｃ＋Ｒ（ｋ））
   により電流値Ｉｅｓｔ（ｋ）を演算する
   ことを特徴とする電流値演算装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電流値演算装置と、
   演算された電流値を用いて蓄電装置の発熱量を演算する発熱量演算手段と、
   演算された発熱量に応じて前記蓄電装置を冷却する冷却手段と、
   を備えることを特徴とする蓄電装置の冷却装置。

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