JP2014232649A - 電池温度推定装置及び電池温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池温度を精度良く推定する。【解決手段】電池温度の推定演算を周期的に繰り返す電池温度推定装置において、電流値Ｉを検出する電流検出手段３と、電池１の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段Ｂ１と、内部抵抗値Ｒ及び電流値Ｉとを用いて演算周期中の電池１の発熱量Ｑｒｈを算出する発熱量算出手段Ｂ２を備える。さらに、発熱量Ｑｒｈに基づいて電池１の温度変化量ΔＴｅを推定する温度変化量推定手段Ｂ５と、電池１の温度変化量ΔＴｅを電池温度推定値Ｔｅの前回値に加算したものを電池温度推定値Ｔｅの今回値とする電池温度推定値更新手段Ｂ６とを備える。そして、内部抵抗値算出手段Ｂ１は、電池温度推定値Ｔｅの前回値に基づいて、電池温度推定値Ｔｅの前回値が高いほど小さくなるように電池１の前記内部抵抗値Ｒを算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、電池の温度を推定する装置及び方法に関する。

例えばリチウムイオン電池のような二次電池を車両に搭載する場合には、電池セルの満充電容量、現在の残容量、内部抵抗値等といった多くのパラメータを算出する電池用の制御装置が必要となる。上記のパラメータを算出するに際し、特に諸特性の温度依存性が高いリチウムイオン電池の場合には、電池の正確な温度を取得する必要がある。

すなわち、電池温度を正確に算出することが、各パラメータを正確に算出することにつながり、ひいては電池の制御精度の向上につながる。

この点、特許文献１には、内部抵抗値の推定値と電流値を用いて内部抵抗に電流が流れることによる発熱量を算出し、これと電池セル温度の初期値とを用いて電池温度を推定することが記載されている。

特開２００６−１０１６７４

しかしながら、上記文献のように電池温度を推定すると、内部抵抗値の推定値に誤差が含まれていた場合には発熱量の算出結果にも誤差が含まれることとなり、この誤差を含んだまま電池温度推定のための演算を繰り返すことになる。すなわち、電池温度を精度良く推定することが困難である。また、上記文献においてはバッテリの温度を検出する温度センサを備え、所定のタイミングで温度センサの検出値に基づいて内部抵抗を補正しているが、温度センサの検出値に定常的に誤差が生じている場合には、やはり内部抵抗値の推定値（補正値）に誤差が発生する。したがって、温度センサの検出値に基づいて内部抵抗値を補正しても、温度センサの検出誤差に起因した内部抵抗の推定値（補正値）に誤差が発生し、電池温度を精度良く推定することが困難である。そこで、電池温度を精度良く推定することを目的とする。

本発明のある態様によれば、電池温度の推定演算を周期的に繰り返す電池温度推定装置が提供される。この電池温度推定装置は、電流値を検出する電流検出手段と、電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、内部抵抗値及び電流値を用いて演算周期中の電池の発熱量を算出する発熱量算出手段と、発熱量に基づいて電池の温度変化量を推定する温度変化量推定手段を備える。さらに、電池の温度変化量を電池温度推定値の前回値に加算したものを電池温度推定値の今回値とする電池温度推定値更新手段を備える。そして、内部抵抗値算出手段は、電池温度推定値の前回値に基づいて、電池温度推定値の前回値が高いほど小さくなるように前記電池の前記内部抵抗値を算出する。

上記態様によれば、内部抵抗値算出手段が電池温度推定値の前回値に基づいて内部抵抗値を算出し、この内部抵抗値に基づいて電池温度推定値の今回値を推定するので、温度推定演算に負帰還がかかり、電池温度を精度良く推定することができる。

図１は、第１実施形態を適用する冷却システムの構成図である。 図２は、第１実施形態の温度推定部の概略構成を示すブロック図である。 図３は、内部抵抗補正推定値を算出するのに用いるテーブルの一例である。 図４は、第２実施形態の温度推定部の概略構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を適用するシステムの一例を示す構成図である。本システムは、電動車に搭載されたリチウムイオン電池（以下、単に「電池」という）１を、冷却ファン５を用いて冷却する冷却システムである。例えば、電池１の温度が予め設定した温度まで上昇したら、冷却ファン５をＯＮにする。ＯＮ状態での回転数は固定値としてもよいし、電池１の温度に応じて高温になるほど回転数を高めるようにしてもよい。

上記のような冷却ファン５の制御は、ファン制御部１０によって実行される。そして、ファン制御部１０は、温度推定部２０が推定した電池温度に基づいて冷却ファン５のＯＮ／ＯＦＦ及び回転数を設定する。

温度推定部２０は、電池１の電圧値Ｖを検出する電圧センサ２、電池１の電流値Ｉを検出する電流センサ３、及び電池１の設置場所の環境温度Ｔａを検出する温度センサ４の検出値を読み込み、後述する演算により電池１の温度を推定する。

また、ファン制御部１０は、冷却ファン５のＯＮ／ＯＦＦ及び回転数を設定したら、それらの情報を温度推定部２０へ出力する。

なお、ファン制御部１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ファン制御部１０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

次に、温度推定部２０による電池温度の推定演算について説明する。

図２は、温度推定部２０の概略構成を示すブロック図である。電池温度推定演算は、システム稼働中に所定の周期で繰り返し実行される。所定の周期は、例えば数十ミリ秒から数秒の間で任意に設定する。なお、図２に示す各ブロックは、温度推定部２０の機能を仮想的なユニットとして示したものであり、物理的な存在を意味しない。

温度推定部２０は、温度推定部２０とは別の演算部から読み込んだ内部抵抗推定値Ｒｅを電池温度に基づいて補正して内部抵抗補正推定値Ｒを算出する内部抵抗演算部Ｂ１と、通電時の内部抵抗による発熱量Ｑｒｈを演算する発熱量演算部Ｂ２を備える。また、電池１の化学反応による吸熱量と発熱量の収支（以下「熱収支」という）Ｑｃｒを演算する熱収支演算部Ｂ３と、熱拡散による冷却を含む冷却量Ｑｃを演算する冷却量演算部Ｂ４を備える。さらに、発熱量Ｑｒｈ、熱収支Ｑｃｒ及び冷却量Ｑｃから電池１の温度変化量△Ｔｅを算出する温度変化量演算部Ｂ５と、温度変化量△Ｔｅを前回演算により推定した電池温度に加算して得られる電池温度推定値Ｔｅを今回演算の温度推定値として更新する電池温度推定値更新部Ｂ６を備える。以下、各部での演算について詳細に説明する。

（内部抵抗演算部Ｂ１）
内部抵抗演算部Ｂ１は、内部抵抗推定値Ｒｅを読み込む。内部抵抗推定値Ｒｅは、図示しない他の制御部にて、例えば数十分から数時間、あるいは数日といった長い周期の電流測定値及び電圧測定値の時間的変化に基づいて、移動平均等を用いて更新演算される。したがって、内部抵抗推定演算に比べて充分演算周期が短い電池温度推定演算においては、内部抵抗推定値Ｒｅを固定値と考えても差し支えない。なお、内部抵抗推定値Ｒｅは電流変化に対する電圧変化を直線近似したＩＶ直線の傾きに基づいて演算したり、電圧値と電流値とをパラメータとした電池モデル式に代入して演算する等、公知の手法により演算される。

また、内部抵抗演算部Ｂ１は、電池温度推定値Ｔｅの前回値も読み込む。システム稼働後の初回演算時は、電池温度推定値Ｔｅの前回値（すなわち初期値）を次のように設定する。まず、前回の走行が終了してから所定時間以上経過している場合には環境温度Ｔａを電池温度推定値Ｔｅの前回値とする。一方、所定時間より短い場合には、前回走行終了時の電池温度推定値Ｔｅと、前回走行終了からの経過時間と、環境温度Ｔａを用いて推定した温度を前回推定値とする。ここでいう所定時間は、走行終了から電池温度が環境温度まで低下するのに要する時間であり、例えば２−３時間とする。このようにして初回演算時に用いる電池温度推定値Ｔｅの前回値を設定することで、実際の電池温度に近い温度を用いて温度推定演算を開始することができる。

そして、内部抵抗推定値Ｒｅ、電池温度推定値Ｔｅの前回値、及び内部抵抗の電池温度に対する特性に基づいて、内部抵抗補正推定値Ｒを算出する。

図３は、内部抵抗補正推定値Ｒを算出するのに用いるテーブルの一例である。縦軸は内部抵抗Ｒ、横軸は電池温度Ｔである。

内部抵抗演算部Ｂ１は、まず、読み込んだ内部抵抗推定値Ｒｅと電池温度推定値Ｔｅの前回値から図３の点Ａを決定する。そして、温度変化に対する内部抵抗の変化の特性Ｒ＝ｆ（Ｔ）を予め実験等により調べておき、点Ａを通り、かつ変化の特性がＲ＝ｆ（Ｔ）となる曲線を作成する。

このようにして作成した曲線が電池１の内部抵抗の温度依存特性線であり、次回以降の演算では、この温度依存特性線と後述する電池温度推定値更新部Ｂ６で更新した電池温度推定値Ｔｅを用いて内部抵抗を推定する。すなわち、内部抵抗補正推定値Ｒは、内部抵抗推定値Ｒｅを電池温度推定値Ｔｅ及び温度依存特性線を用いて補正したものといえる。なおここで、図３に示す通り、一般的に電池の内部抵抗は温度が高くなるほど小さく、温度が低くなるほど大きくなる。したがって、電池温度推定値Ｔｅに基づいて温度依存特性線を参照して内部抵抗推定値Ｒｅを補正すると、内部抵抗推定値Ｒｅは温度が高くなるほど小さく、温度が低くなるほど大きく補正されて内部抵抗補正推定値Ｒが算出される。

（発熱量演算部Ｂ２）
発熱量演算部Ｂ２は、内部抵抗に電流が流れることによる発熱量Ｑｒｈを、内部抵抗補正推定値Ｒ、電流センサ３の検出値である電流値Ｉ、及び係数ｋ１に基づいて、式（１）により算出する。

Ｑｒｈ＝ＲＩ^２×ｋ１ ・・・（１）

（熱収支演算部Ｂ３）
熱収支演算部Ｂ３は、電池１の内部での化学反応による熱収支Ｑｃｒを、電流センサ３の検出値である電流値Ｉと係数ｋ２に基づいて、式（２）により算出する。係数ｋ２は充電か放電かによって、また、使用する素材によっても異なる。

なお、式（２）にかえて、電流値Ｉに対する吸熱量及び発熱量を予めマップ化しておき、読み込んだ電流値Ｉでマップ検索するようにしてもよい。

Ｑｃｒ＝Ｉ×ｋ２ ・・・（２）

（冷却量演算部Ｂ４）
冷却量演算部Ｂ４は、冷却ファン５の稼働状態を示す冷却制御状態Ｓｃと環境温度センサ４の検出値である環境温度Ｔａを読み込み、冷却制御状態Ｓｃ及び環境温度Ｔａに応じた熱拡散係数を用いて冷却量Ｑｃを算出する。冷却量Ｑｃは、冷却ファン５が稼働していない場合より稼働している場合の方が大きく、稼働している場合は回転数が高い方がより大きくなる。また、冷却量Ｑｃは環境温度が低いほど大きくなる。

（温度変化量演算部Ｂ５）
温度変化量演算部Ｂ５は、発熱量Ｑｒｈに熱収支Ｑｃｒを加算し、そこから冷却量Ｑｃを減算することで前回演算時から変化した熱量を算出し、さらに、電池１の比熱等を用いて、熱量の変化による電池１の温度変化量△Ｔｅを算出する。

（電池温度推定値更新部Ｂ６）
電池温度推定値更新部Ｂ６は、電池温度推定値Ｔｅの前回値に温度変化量演算部Ｂ５で算出した温度変化量△Ｔｅを加算したものを新たな電池温度推定値Ｔｅとして更新する。そして、更新された電池温度推定値Ｔｅを、ファン制御部１０及び内部抵抗演算部Ｂ１へ出力する。

次に、上記した電池温度推定演算による作用・効果について説明する。

（１）本実施形態では、電池温度推定値の前回値に基づいて内部抵抗Ｒを算出し、内部抵抗Ｒと電流値Ｉとを用いて発熱量Ｑｒｈを算出し、発熱量Ｑｒｈに基づいて電池１の温度変化量△Ｔｅを算出し、この温度変化量△Ｔｅを電池温度推定値Ｔｅの前回値に加算して電池温度推定値の今回値とする。これによる効果は以下の通りである。

一般的に、電池１の内部抵抗は温度が高くなるほど小さく、温度が低くなるほど大きくなる。ここで、ある演算サイクルの電池温度推定値Ｔｅが真の値より低くなるよう誤差を含んでいた場合を仮定する。この場合、次のサイクルでは内部抵抗Ｒを真の値より低い電池温度推定値Ｔｅを用いて算出するので、真の値より大きな内部抵抗Ｒが算出される。発熱量Ｑｒｈは内部抵抗Ｒに比例するので、発熱量Ｑｒｈも真の値より大きくなり、このサイクルでは真の値より大きな温度変化量△Ｔｅが算出される。そして、真の値より低い電池温度推定値Ｔｅに、真の値より大きい温度変化量△Ｔｅを加算したものが、新たな電池温度推定値Ｔｅとなる。

一方、ある演算サイクルの電池温度推定値Ｔｅが真の値より高くなるよう誤差を含んでいた場合は、上記とは逆に、真の値より小さい発熱量Ｑｒｈが算出され、温度変化量△Ｔｅも真の値より小さくなる。そして、真の値より高い電池温度推定値Ｔｅに、真の値より小さい温度変化量△Ｔｅを加算したものが、新たな電池温度推定値Ｔｅとなる。

いずれの場合も、今回の演算サイクルで算出する電池温度推定値Ｔｅは、前回値に比べて真の値に近づくことになる。このように演算に負帰還がかかることにより、安定した正確な電池温度の推定が可能となる。

また、初回演算に用いる電池温度に誤差が含まれていても、演算を繰り返すことで徐々に真の値に近づき、当該誤差をキャンセルすることが可能となる。

（２）温度変化量演算部Ｂ５は、内部抵抗による発熱量Ｑｒｈに加えて電池１の冷却量Ｑｃを用いて温度変化量△Ｔｅを算出するので、発熱量Ｑｒｈのみに基づいて推定するよりも高い精度で電池１の温度を推定することができる。

（３）温度変化量演算部Ｂ５は、発熱量Ｑｒｈ及び冷却量Ｑｃに加え、さらに化学反応による熱収支Ｑｃｒを用いて温度変化量△Ｔｅを算出するので、さらに高い精度で電池１の温度を推定することができる。

（４）システム稼働後の初回演算時に使用する温度推定値Ｔｅの前回値を、前回の走行終了からの経過時間に応じて設定するので、実際の電池温度に近い値を用いて演算を開始することができる。その結果、温度推定演算の初期から、推定誤差をより小さくすることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態と同様の冷却システムにおける電池１の温度推定に関するものであり、電池温度推定演算の一部が第１実施形態と異なる。

図４は、温度推定部２０の概略構成を示すブロック図である。発熱量演算部Ｂ２、熱収支演算部Ｂ３、冷却量演算部Ｂ４、温度変化量演算部Ｂ５、及び電池温度推定値更新部Ｂ６は、図２と同様なので説明を省略する。

内部抵抗演算部Ｂ１’は、電池温度推定値Ｔｅの前回値及び内部抵抗推定値Ｒｅの他に、電池１の劣化度Ｄ_Ｒを読み込む。劣化度Ｄ_Ｒは、内部抵抗推定値Ｒｅと同様に他の制御部にて算出される。劣化度Ｄ_Ｒは公知の手法で算出すればよく、例えば、充電時の電流積算値と電池温度推定値Ｔｅの前回値から電池１の空き容量を求め、内部抵抗推定値Ｒｅと空き容量から劣化度を算出することができる。

そして、読み込んだ電池温度推定値Ｔｅの前回値と内部抵抗推定値Ｒｅを用いて、第１実施形態と同様に電池１の内部抵抗の温度依存特性線を作成する。ここで作成されるのは、現在の劣化度Ｄ_Ｒにおける温度依存特性線である。

次回の演算では、劣化度Ｄ_Ｒが現在の値から変化していなければ、今回作成した温度依存特性線を用いて第１実施形態と同様に内部抵抗補正推定値Ｒを算出する。

一方、劣化度Ｄ_Ｒが変化している場合は、劣化が進むほど内部抵抗が大きくなるという特性に基づき、劣化度Ｄ_Ｒに応じた温度依存特性線を新たに作成して、内部抵抗補正推定値Ｒを算出する。新たな温度依存特性線は、例えば、図４に示すように最初に作成した温度依存特性線を同一温度での内部抵抗が大きくなる方向に移動させたものである。移動量は劣化度Ｄ_Ｒに応じて定まるものであり、劣化度Ｄ_Ｒの変化量と内部抵抗の変化量の関係に基づいて予め設定しておく。

上記のように、内部抵抗補正推定値Ｒを算出するための変数に劣化度Ｄ_Ｒを含めて内部抵抗補正推定値Ｒを算出することで、電池温度の推定精度がより向上する。

なお、第１実施形態及び第２実施形態では冷却ファンの制御への適用について説明したが、電池１の温度推定は他にも多くの制御演算で必要となる。したがって、電池１の温度推定の精度が向上すれば、多くの演算精度が向上することとなる。以下、電池１の温度推定の精度が向上することで演算精度が向上する例について説明する。

（充電電荷量）
電池１の残容量、ＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）といった充電電荷量は、通常は電流センサ３で検出した電流測定値を積算した電流積算値を用いて増加分と減少分を算出し続けている。しかし、電流測定値のオフセット誤差やゲイン誤差等の誤差成分が徐々に蓄積されていく。そのため、定期的に誤差成分を取り除くためのリセット処理を実行する必要がある。一般的には、ＯＣＶ（開放電圧）とＳＯＣの関係を示すテーブルを用いてＳＯＣをリセットするが、テーブルを電池温度に基づいて補正する必要がある。このため、温度推定の精度が高いことが求められる。

（内部抵抗値）
上述した実施形態でも説明したように、内部抵抗は電流測定値と電圧測定値の時間的変化から算出する。また、内部抵抗値は電池１の温度への依存性が高い。内部抵抗値に基づいて劣化や異常を判定する際には、基準温度（例えば２５℃）での内部抵抗値に換算してから判定することで、正確に判定することができるが、この換算のために、温度推定の精度が高いことが求められる。

（出力可能電力値）
電池１の出力可能電力値は、その時点での電池１のＳＯＣや温度に基づいて算出される。また、電池１の出力を制限する出力制限値は電池１の内部抵抗値に大きく依存し、内部抵抗値は電池１の温度に大きく依存するため、出力可能電力値も電池１の温度に大きく依存することとなる。そして、出力可能電力値は車両性能の大きく影響を与える演算値なので、電池性能を十分に引き出すためには誤差が少ないことが求められる。このため、温度推定の精度が高いことが求められる。

（入力可能電力）
電池１の入力可能電力値は、その時点での電池１のＳＯＣや温度に基づいて算出される。また、電池１への入力を制限する入力可能制限値は電池１の内部抵抗に大きく依存し、内部抵抗値は電池１の温度に大きく依存するため、入力可能電力値も電池１の温度に大きく依存することとなる。したがって、出力可能電力値と同様に、温度推定の精度が高いことが求められる。

（走行可能距離）
電池１を駆動源とする車両の走行可能距離は、その時点での電池１のＳＯＣ、平均電流値及び内部抵抗値に基づいて算出される。内部抵抗値は電池１の温度に大きく依存するため、走行可能距離も電池１の温度に大きく依存することとなる。したがって、出力可能電力値と同様に、温度推定の精度が高いことが求められる。

（充電残時間）
満充電状態になるまでに要する時間である充電残時間は、その時点での電池１のＳＯＣ、内部抵抗値に基づいて算出される。そして、内部抵抗値は電池１の温度に大きく依存する。そのため、充電残時間の算出においても、温度推定の精度が高いことが求められる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ リチウムイオン電池
２ 電圧センサ
３ 電流センサ（電流検出手段）
４ 温度センサ
５ 冷却ファン
１０ ファン制御部
２０ 温度推定部
Ｂ１ 内部抵抗演算部（内部抵抗算出手段）
Ｂ２ 発熱量演算部（発熱量算出手段）
Ｂ３ 熱収支演算部（化学反応熱算出手段）
Ｂ４ 冷却量演算部（放熱量算出手段）
Ｂ５ 温度変化量演算部（温度変化量推定部）
Ｂ６ 電池温度推定値更新部（電池温度推定値更新手段）

Claims (6)

1. 電池温度の推定演算を周期的に繰り返す電池温度推定装置において、
   電池に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
   前記内部抵抗値算出手段が算出した内部抵抗値と前記電流検出手段が検出した電流値とを用いて、演算周期中の前記電池の発熱量を算出する発熱量算出手段と、
   前記発熱量算出手段が算出した発熱量に基づいて前記電池の温度変化量を推定する温度変化量推定手段と、
   前記温度変化量推定手段が推定した前記電池の温度変化量を電池温度推定値の前回値に加算したものを電池温度推定値の今回値とする電池温度推定値更新手段と、
   を備え、
   前記内部抵抗値算出手段は、電池温度推定値の前回値に基づいて、前記電池温度推定値の前回値が高いほど小さくなるように前記電池の前記内部抵抗値を算出する電池温度推定装置。
2. 請求項１に記載の電池温度推定装置において、
   前記演算周期中の前記電池の放熱量を算出する放熱量算出手段をさらに備え、
   前記温度変化量推定手段は、前記放熱量算出手段が算出した放熱量と、前記発熱量算出手段が算出した発熱量と、に基づいて前記温度変化量を推定する電池温度推定装置。
3. 請求項２に記載の電池温度推定装置において、
   前記演算周期中の前記電池の化学反応熱を算出する化学反応熱算出手段をさらに備え、
   前記温度変化量推定手段は、前記放熱量算出手段が算出した放熱量と、前記発熱量算出手段が算出した発熱量と、前記化学反応熱算出手段が算出した化学反応熱と、に基づいて前記温度変化量を推定する電池温度推定装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電池温度推定装置において、
   前記内部抵抗値算出手段は、前記電池温度推定値に加え、さらに前記電池の劣化度に基づいて前記電池の内部抵抗値を算出する電池温度推定装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電池温度推定装置において、
   前記電池温度推定値更新手段は、初回演算時の前記電池温度推定値を、前記電池を含むシステムの前回停止から始動までの条件に応じて設定する電池温度推定装置。
6. 電池温度の推定演算を周期的に繰り返す電池温度推定方法において、
   電池に流れる電流値を検出する電流検出ステップと、
   前記電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出ステップと、
   前記内部抵抗値算出ステップで推定した内部抵抗値と前記電流検出ステップで検出した電流値とを用いて、演算周期中の前記電池の発熱量を算出する発熱量算出ステップと、
   前記発熱量算出ステップで算出した発熱量に基づいて前記演算周期中の前記電池の温度変化量を推定する温度変化量推定ステップと、
   前記温度変化量推定ステップで推定した前記電池の温度変化量を電池温度推定値の前回値に加算して電池温度推定値を更新する電池温度更新ステップと、
   を有し、
   前記内部抵抗値算出ステップでは、前記電池温度更新ステップで更新した電池温度推定値に基づいて、前記電池温度推定値が高いほど小さくなるように前記電池の前記内部抵抗値を算出する電池温度推定方法。

Images