JP2015061426A - 二次電池システムおよびその制御方法ならびにプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直列に接続された複数の電池セル17と、電池セル17の充放電制御を行う電池管理装置11と、を含む組電池10を備え、電池管理装置11は、計測時点における組電池10の満充電時の総電力容量を算出する総電力容量算出手段111と、組電池10の目標充電量を算出する目標充電量算出手段112と、計測時点における組電池10の満充電時の総電力容量および組電池10の目標充電量をもとに組電池10のSOC目標値を設定するSOC目標値設定手段113を備え、組電池10のSOCがSOC目標値に達するまで充放電制御を行うことを特徴とする二次電池システム1を提供する。
【選択図】図1
Description
そこで、例えば内燃機関と二次電池を用いたハイブリッド車両では、SOC(State Of Charge/総電力容量に対する充電量の相対比率)の目標値を一定値、例えば50%とし充放電を行う方法などが知られている。
その一方で、二次電池が劣化するにつれて総電力容量は徐々に減少する。前述したように常にSOCの目標値を50%とすると、劣化した二次電池では新品の二次電池と比較して総電力容量が減るため、同じSOCであれば充電量が減ることとなり、新品と同等の能力を発揮できないこととなる。
そこで、例えば特許文献1には、ハイブリッド車の車両用電池において、電池の劣化の進行に応じて電池のSOCの目標値を高くすることが開示されている。
直列に接続された複数の電池セルと、前記電池セルの充放電制御を行う電池管理装置と、を含む組電池を備え、前記電池管理装置は、計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量を算出する総電力容量算出手段と、前記組電池の目標充電量を算出する目標充電量算出手段と、前記計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量および前記組電池の目標充電量をもとに前記組電池のSOC目標値を設定するSOC目標値設定手段を備え、前記組電池のSOCが前記SOC目標値に達するまで充放電制御を行うことを特徴とする二次電池システムを採用する。
さらに、組電池の劣化に応じて変化する満充電時の総電力容量をもとにSOC目標値を設定するため、組電池が劣化していない場合は組電池を低いSOCの範囲で利用できるとともに、組電池が劣化した場合においては必要な充電量が確保できる。これにより、組電池が劣化していない場合はSOCを低く抑えることができるため、二次電池システムの長寿命化がはかれる。
以下、本発明の一実施形態について、図1を用いて説明する。
図1には、本実施形態に係る二次電池システムの概略構成が示されている。
図1に示されるように、二次電池システム1は、組電池10と、モータやインバータ等の負荷20と、外部の充電器50と接続する部材である充電コンセント30と、組電池10と回路との接続を行う遮断器40とを主な構成として備えている。
また、組電池10は、電池管理装置11と、電流センサ13と、電圧検出器15と、電池セル17とを内部に備えている。直列に接続された各電池セル17毎に電圧検出器15が配置されている。直列に接続された各電池セル17の一方の端に電流センサ13が接続されており、さらに、電流センサ13は遮断器40に接続されている。
充電コンセント30が外部の充電器50に備えられた充電プラグ60と接続されることにより、二次電池システム1の充電を行う。
二次電池システム1の放電は、負荷20にて行われる。
なお、組電池10を構成する各電池セル17は二次電池であり、リチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池等であり、特に限定されないが、出力密度、エネルギー密度が高いことからリチウムイオン電池が好ましく用いられる。
電池管理装置11が充電器50に接続されている場合は、電池管理装置11は充電の制御を行う。
また、電池管理装置11は遮断器40のON/OFF制御を行う。
さらに、電池管理装置11は、電流センサ13から電流値を、電圧検出器15から電圧値を取得する。これらにより、電池管理装置11は、組電池10のSOC等といった組電池10に関する様々な情報の取得および算出、電流の保護、過充電保護、過放電保護など組電池10に関わる様々な制御を行うものである。
また、電池管理装置11は、総電力容量算出手段111、目標充電量算出手段112及びSOC目標値設定手段113の各手段を備えている。
また、SOCを検出するとともに、組電池10の劣化度を検出する。組電池10の劣化度については、満充電時の総電力容量の変化から算出できる。満充電時の総電力容量は、SOC及びそのSOCに応じた放電量から総電力容量算出手段111により算出される。
また組電池10の使用時、すなわち電気バスにおける走行中などでは、走行中に利用したSOCとその間の放電量とから総電力容量算出手段111が満充電時の組電池10の総電力容量を算出することができる。また組電池10の総電力容量は、使用に伴う劣化により値が小さくなるため、電池管理装置11は、総電力容量の減少率から組電池10の劣化度を推測することができる。
このように、組電池10の使用・不使用において互いに各値に対し補正をかけることにより、電池管理装置11は組電池10の総電力容量、計測時点でのSOC及び組電池10の劣化度をより正確に検出することができる。
そこで本発明では、SOC目標値を運用に最低限必要な充電量に対するSOCとして設定することで、SOCを低い値の範囲で運用することについて検討する。
目標充電量をWtarget[Wh]とすると、Wtargetは運用に最低限必要な充電量としたため、最低充電量(Wlowest[Wh]とする)及び予測される消費電力をもとに算出した需要予測充電量(Woperation[Wh]とする)とから目標充電量算出手段112により算出されるものとする。
よって、SOC目標値をSOCtargetとすると、SOCtargetは以下の(1)式で表される。
SOCtarget=(Wtarget/Wfull)×100
={(Wlowest+Woperation)/Wfull}×100
=SOClowest+SOCoperation・・・(1)
式(1)において、Wfull[Wh]は計測時点における満充電時の総電力容量、SOClowestは最低充電量のSOC、SOCoperationは需要予測充電量のSOCである。各SOCの詳細については後述する。
二次電池システム1において、最もSOCが低くなる時、すなわち充電直前の充電量を最低充電量とし、このSOCの値を最低充電量のSOCとする。この最低充電量は、障害発生などの非常事態時に、始発点など整備可能な箇所に到達するのに必要な電力量であるリンプホーム分充電量と、組電池10内の各電池セル17間のSOCの差を考慮したばらつき考慮分充電量との合計であるとできる。
リンプホーム分充電量をWlimp[Wh]とすると、これに対応するSOC、リンプホーム分充電量のSOCは以下の(2)式で表される。
SOClimp=(Wlimp/Wfull)×100・・・(2)
式(2)で表されるように、SOClimpは組電池10の劣化が進行すると分母であるWfullが小さくなるため、総電力容量に占めるリンプホーム分充電量の割合、すなわちSOClimpは大きくなるといえる。
SOCdispersion=(Wdispersion/Wfull)×100・・・(3)
SOClowest=SOClimp+SOCdispersion・・・(4)
電気バスに搭載された組電池10の場合、運行に必要なSOCは様々な条件により変動する。
例えば、一日の運行で最も高いSOCの値と最も低いSOCの値の差を一日のSOCの変動量であるとしSOCdayと表す。また、この時の充電量の振れ幅をWday[Wh]とする。
一日の運行に必要な充電量の振れ幅Wdayは、季節の変化によるエアコンなど補機動力の使用電力量の変動や、曜日などによる需要の波動によって日々変動するため、一定の値を設定するのには問題がある。そこで、運行に必要な充電量の振れ幅の予測値をWoperation[Wh]とし、これを推定する方法について以下に述べる。
Waverage={(Waverage-1−Wday)/Tf}+Waverage-1・・・(5)
このWaverageをWoperationとすることが考えられる。
この方法では、運行実績の中で最も大きなWdayで、Wdayのピーク値Wdaymax[Wh]を更新する。このWdaymaxはそれまでの実績の中で最も大きなWdayであるためこれをWoperationとすることにより、組電池10に対する負荷の大きな日であっても、概ね事前に設定した最低SOCを下回らないように需要予測SOCを設定することが可能であると考えられる。
但し、運行実績を通しての最大消費電力量が基準となるため、例えば補機動力の使用電力量が小さくなる季節や、乗客の少ない休日などではこの需要予測SOCは過大な値となることが予測される。
そこで、一日の運行に必要な充電量の振れ幅の平均からの乖離量をWestrangement[Wh]とする。Westrangementは以下の(6)式で表される。
Westrangement=|Wday−Waverage|・・・(6)
これを用いて、Woperationを以下の(7)式で表す。
Woperation=Waverage+Westrangement・・・(7)
これにより、平均電力を基準として、さらに余裕を見込んだ予測値を設定することができると考えられる。
SOCoperation=(Woperation/Wfull)×100・・・(8)
図2に示されるように、新品電池と劣化した劣化電池とでは、例えば目標充電量が変化しなかった場合において、新品電池におけるSOC目標値に対して劣化電池におけるSOC目標値は高いものとなる。これは、劣化により満充電量が低くなる、すなわちSOCの分母が小さくなるためである。
よって、新品電池やそれに近い状態の電池の場合は、SOCの低い範囲での運用が可能である。また、劣化した場合であっても、必要な最低限度の目標充電量が確保されるため、ある程度の劣化までは新品電池と同等な性能を発揮することができ、新品時と同等の運用が継続可能である。
さらに、組電池10の劣化に応じて変化する満充電時の総電力容量をもとにSOC目標値を設定するため、組電池10が劣化していない場合は組電池10を低いSOCの範囲で利用できる。よって、劣化の進行を最小限に抑えることができる。これとともに、組電池10が劣化した場合においては必要な充電量が確保でき、新品時と同等の運用が継続可能である。これにより、組電池10が劣化していない場合はSOCを低く抑えることができるため、二次電池システム1の長寿命化がはかれる。
補助記憶装置83には、CPU81、RAM等の主記憶装置82、及び上記処理の全て或いは一部を実現させるためのプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体が格納されており、CPU81が補助記憶装置83から主記憶装置82にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。
ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
10 組電池
11 電池管理装置
13 電流センサ
15 電圧検出器
17 電池セル
20 負荷
30 充電コンセント
40 遮断器
50 充電器
60 充電プラグ
81 CPU
82 主記憶装置
83 補助記憶装置
84 入力装置
85 出力装置
86 通信装置
111 総電力容量算出手段
112 目標充電量算出手段
113 SOC目標値設定手段
Claims (6)
- 直列に接続された複数の電池セルと、
前記電池セルの充放電制御を行う電池管理装置と、を含む組電池を備え、
前記電池管理装置は、前記組電池の計測時点における満充電時の総電力容量を算出する総電力容量算出手段と、前記組電池の目標充電量を算出する目標充電量算出手段と、前記計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量および前記組電池の目標充電量をもとに前記組電池のSOC目標値を設定するSOC目標値設定手段を備え、
前記組電池のSOCが前記SOC目標値に達するまで充放電制御を行うことを特徴とする二次電池システム。 - 前記目標充電量は、最低充電量と需要予測充電量の合計である請求項1に記載の二次電池システム。
- 前記最低充電量のSOCは、非常事態発生時に整備可能な箇所に到達するのに必要なリンプホーム分充電量のSOCと、前記各電池セル間のSOCの差を考慮したばらつき考慮分充電量のSOCとの合計である請求項2に記載の二次電池システム。
- 前記需要予測充電量は、前記組電池の前記SOC目標値までの充放電完了後、充電量を消費し次の充電が必要な場合の予測される充電量である請求項2または3に記載の二次電池システム。
- 直列に接続された複数の電池セルと、
前記電池セルの充放電制御を行う電池管理装置と、を含む組電池を備え、
前記電池管理装置は、計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量を算出する総電力容量算出ステップと、前記組電池の目標充電量を算出する目標充電量算出ステップと、前記計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量および前記組電池の目標充電量をもとに前記組電池のSOC目標値を設定するSOC目標値設定ステップを備え、
前記組電池のSOCが前記SOC目標値に達するまで充放電制御を行うことを特徴とする二次電池システムの制御方法。 - 直列に接続された複数の電池セルと、
前記電池セルの充放電制御を行う電池管理装置と、を含む組電池を備え、
前記電池管理装置は、計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量を算出する総電力容量算出プログラムと、前記組電池の目標充電量を算出する目標充電量算出プログラムと、前記計測時点における前記組電池の満充電時の総電力容量および前記組電池の目標充電量をもとに前記組電池のSOC目標値を設定するSOC目標値設定プログラムを備え、
前記組電池のSOCが前記SOC目標値に達するまで充放電制御を行う処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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