JP2016217951A - 蓄電器管理装置及び蓄電器管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化状態によって特性が変化する蓄電器の全容量を正確に推定可能な蓄電器管理装置及び蓄電器管理方法を提供すること。【解決手段】劣化状態によって特性が変化する蓄電器の蓄電器管理装置は、蓄電器の充放電電流の変化量を算出する電流変化量算出部と、蓄電器の充電状態を示す充電状態変数の変化量を算出する充電状態変化量算出部と、蓄電器の劣化の進行によって変化する特性の変化量がしきい値以下となる条件を満たすときに限り、電流変化量算出部が算出した充放電電流の変化量と、充電状態変化量算出部が算出した充電状態変数の変化量とに基づいて、蓄電器の全容量を推定する全容量推定部とを備える。【選択図】図６

Description

本発明は、劣化状態によって特性が変化する蓄電器の蓄電器管理装置及び蓄電器管理方法に関する。

特許文献１には、蓄電器の電池状態を推定する電池状態推定装置が記載されている。この電池状態推定装置は、蓄電器の端子管電圧である実電圧の微分値及び蓄電器の充放電電流である実電流の微分値に基づいて、逐次最小二乗法により仮内部抵抗を推定し、仮内部抵抗を実電圧の微分値及び実電流の微分値に基づいて一次補正することにより一次内部抵抗を推定する同定部と、一次内部抵抗を二次補正することにより二次内部抵抗を推定する抵抗補正部と、実電圧及び二次内部抵抗に基づいて蓄電器の充放電電流の推定値である推定電流を算出する電流推定演算部と、推定電流及び実電流に基づいて、逐次最小二乗法により抵抗補正係数を推定する抵抗補正係数演算部とを備え、蓄電器の非線形な特性を考慮して蓄電器の電池状態を高精度に推定するものである。

特許第５２７８９５７号公報

特許文献１に記載の電池状態推定装置は、蓄電器の充放電電流を積算した電流量の変化量と、蓄電器の推定充電率の変化量とに基づいて、蓄電器の全容量を推定している。蓄電器の推定充電率は、推定電流と実電流との差が所定値未満である場合には、蓄電器の開路電圧と充電率との特性情報を参照して、蓄電器の開路電圧から導出されている。したがって、蓄電器の全容量を高精度に推定するためには、特性情報を参照して開放電圧から導出される推定充電率の精度が一定以上である必要があり、特許文献１に記載の電池状態推定装置は、開放電圧と充電率との関係が一意である蓄電器を対象としている。しかし、開放電圧と充電率との関係が劣化状態によって大きく変化する蓄電器を対象とする場合、特許文献１に記載の蓄電容量管理装置では、この蓄電器の全容量を正確に推定できない場合がある。

本発明の目的は、劣化状態によって特性が変化する蓄電器の全容量を正確に推定可能な蓄電器管理装置及び蓄電器管理方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
劣化状態によって特性が変化する蓄電器（例えば、後述の実施形態での蓄電器１０３）の蓄電器管理装置（例えば、後述の実施形態での蓄電器管理装置１０９）であって、
前記蓄電器の充放電電流の変化量を算出する電流変化量算出部（例えば、後述の実施形態での演算部１１２）と、
前記蓄電器の充電状態を示す充電状態変数（例えば、後述の実施形態でのＳＯＣ）の変化量を算出する充電状態変化量算出部（例えば、後述の実施形態での演算部１２１）と、
前記蓄電器の劣化の進行によって変化する前記特性の変化量がしきい値（例えば、後述の実施形態でのしきい値ｔｈｄ）以下となる条件を満たすときに限り、前記電流変化量算出部が算出した前記充放電電流の変化量と、前記充電状態変化量算出部が算出した前記充電状態変数の変化量と、に基づいて、前記蓄電器の全容量を推定する全容量推定部（例えば、後述の実施形態での全容量推定部１２３）と、を備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記蓄電器の開放電圧を算出する開放電圧算出部（例えば、後述の実施形態での開放電圧算出部１１７）を備え、
前記特性の変化量は、前記蓄電器の劣化に伴う前記開放電圧の変化に対する前記充電状態変数の変化の変化量である。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、
前記全容量推定部は、前記開放電圧が前記条件を満たす範囲内の値であるときに限り、前記蓄電器の全容量を推定する。

請求項４に記載の発明は、
劣化状態によって特性が変化する蓄電器（例えば、後述の実施形態での蓄電器１０３）の蓄電器管理方法であって、
前記蓄電器の充放電電流の変化量を算出する電流変化量算出ステップと、
前記蓄電器の充電状態を示す充電状態変数（例えば、後述の実施形態でのＳＯＣ）の変化量を算出する充電状態変化量算出ステップと、
前記蓄電器の劣化の進行によって変化する前記特性の変化量がしきい値（例えば、後述の実施形態でのしきい値ｔｈｄ）以下となる条件を満たすときに限り、前記電流変化量算出ステップで算出した前記充放電電流の変化量と、前記充電状態変化量算出ステップで算出した前記充電状態変数の変化量と、に基づいて、前記蓄電器の全容量を推定する全容量推定ステップと、
を有する。

請求項１及び４の発明によれば、蓄電器の劣化の進行によって変化する当該蓄電器の特性の変化量がしきい値以下となる条件を満たすときに限り、蓄電器の全容量が推定される。このように、蓄電器の全容量が推定される際の蓄電器の特性の変化量は小さいため、劣化状態によって特性が変化する蓄電器の全容量を正確に推定することができる。

請求項２の発明によれば、蓄電器の劣化に伴う開放電圧の変化に対する充電状態変数の変化の変化量がしきい値以下であるときに限り、蓄電器の全容量が推定される。このように、劣化状態によらず開放電圧に対する充電状態変数が一定に変化するときに限り全容量が推定されるため、蓄電器の全容量は正確に推定される。

請求項３の発明によれば、開放電圧が上記条件を満たす範囲内の値であるときに限り、蓄電器の全容量が推定される。このように、劣化状態によらず充電状態変数が一定に変化する開放電圧の範囲内で全容量が推定されるため、蓄電器の全容量は正確に推定される。

一実施形態の蓄電器管理装置を搭載した車両の概略構成図である。 蓄電器が新品時及び劣化時の、実ＳＯＣに対する開放電圧の変化特性を示す図である。 蓄電器の劣化が進行した際のｄＳＯＣ／ｄＯＣＶの変化量が蓄電器の開放電圧によって異なることを示す図である。 蓄電器管理装置の内部構成を示すブロック図である。 蓄電器が新品時、劣化時及び劣化進行時の、制御ＳＯＣに対する開放電圧の変化特性を示す図である。 図２に示した特性図と図３に示した特性図との関係を表した図である。 蓄電器のＳＯＣの差分値ΔＳＯＣと充放電電流Ｉｂの積分値の差分値ΔＡｈとの関係の一例を示す図である。 蓄電器管理装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。以下説明する実施形態の蓄電器管理装置は、蓄電器から供給された電力によって駆動する電動機が駆動源として設けられたＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）等の車両に搭載されている。

図１は、一実施形態の蓄電器管理装置を搭載した車両の概略構成図である。図１に示す車両は、電動機Ｍと、変速機構ＴＭと、駆動輪Ｗと、電力制御装置１０１と、蓄電器１０３と、電流センサ１０５と、電圧センサ１０７と、蓄電器管理装置１０９とを主に備える。この車両では、電動機Ｍからの駆動力が変速機構ＴＭを介して駆動輪Ｗに伝達される。また、減速時に駆動輪Ｗ側から電動機Ｍ側に駆動力が伝達されると、電動機Ｍが発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを回生エネルギーとして蓄電器１０３に回収する。

以下、車両が備える各構成要素について説明する。

電力制御装置１０１は、電動機Ｍの駆動に係る蓄電器１０３から電動機Ｍへの電力供給、及び電動機Ｍから蓄電器１０３への回生エネルギーの回収を制御する。

蓄電器１０３は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池である。２次電池である蓄電器１０３を利用するにあたっては、蓄電器１０３の残容量（ＳＯＣ：State of Charge）を常に監視し、過充電や過放電の防止制御を行う必要がある。蓄電器１０３は、こういった制御が行われた上で、蓄電器１０３を使用可能なＳＯＣの範囲内で充放電が繰り返される。蓄電器１０３のＳＯＣは、蓄電器１０３の充放電電流の積算値及び／又は蓄電器１０３の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）に基づいて導出される。

また、蓄電器１０３の開放電圧とＳＯＣとの関係は、図２に示すように、蓄電器１０３の劣化状態によって異なる。このため、蓄電器１０３の開放電圧に対するＳＯＣは、蓄電器１０３が新品時と劣化時とでは異なる。但し、図２に示されるように、蓄電器１０３の劣化が進行しても「開放電圧の微分値に対するＳＯＣの微分値（ｄＳＯＣ／ｄＯＣＶ）」、すなわち、図２に示すＳＯＣ−ＯＣＶカーブの傾きがほとんど変化しない領域がある。図３は、蓄電器１０３の劣化が進行した際のｄＳＯＣ／ｄＯＣＶの変化量が蓄電器１０３の開放電圧によって異なることを示す図である。図３に示すように、蓄電器１０３の劣化が進行した際のｄＳＯＣ／ｄＯＣＶの変化量は、蓄電器１０３の開放電圧が所定範囲（ＯＣＶ１〜ＯＣＶ２）ではしきい値ｔｈｄ以下である。

電流センサ１０５は、蓄電器１０３の充放電電流Ｉｂを検出する。充放電電流Ｉｂは、蓄電器１０３から電動機Ｍに供給される放電電流、及び回生動作を行う電動機Ｍから蓄電器１０３に供給される充電電流を含む。

電圧センサ１０７は、蓄電器１０３の端子電圧Ｖｂ（閉路電圧（ＣＣＶ：Closed Circuit Voltage）ともいう。）を検出する。電流センサ１０５の検出タイミングと電圧センサ１０７の検出タイミングは略同時である。

蓄電器管理装置１０９は、蓄電器１０３のＳＯＣを導出して、満充電時の蓄電器１０３の容量を推定する。図４は、蓄電器管理装置１０９の内部構成を示すブロック図である。図５に示すように、蓄電器管理装置１０９は、電流／電圧取得部１１１と、演算部１１２と、微分演算部１１３と、内部抵抗算出部１１５と、開放電圧算出部１１７と、ＳＯＣ導出部１１９と、演算部１２１と、全容量推定部１２３と、劣化判定部１２５とを有する。

電流／電圧取得部１１１は、電流センサ１０５が検出した充放電電流Ｉｂ及び電圧センサ１０７が検出した端子電圧Ｖｂを取得する。演算部１１２は、電流／電圧取得部１１１が取得した充放電電流Ｉｂの積分値の単位時間当たりの差分値ΔＡｈを演算する。微分演算部１１３は、電流／電圧取得部１１１が取得した充放電電流Ｉｂ及び端子電圧Ｖｂをそれぞれ微分演算する。内部抵抗算出部１１５は、微分演算部１１３が算出した充放電電流Ｉｂの微分値ΔＩｂ及び端子電圧Ｖｂの微分値ΔＶｂに基づいて、以下の式（１）より蓄電器１０３の内部抵抗Ｒｎを算出する。
Ｒｎ＝ΔＶｂ／ΔＩｂ …（１）

開放電圧算出部１１７は、内部抵抗算出部１１５が算出した内部抵抗Ｒｎ、並びに、電流／電圧取得部１１１が取得した充放電電流Ｉｂ及び端子電圧Ｖｂに基づいて、以下の式（２）より蓄電器１０３の開放電圧ＯＣＶを算出する。
ＯＣＶ＝Ｖｂ＋Ｉｂ×Ｒｎ …（２）

ＳＯＣ導出部１１９は、蓄電器１０３の充放電電流の積算値及び／又は蓄電器１０３の開放電圧に基づいて、蓄電器１０３のＳＯＣを導出する。蓄電器１０３の充放電電流の積算値に基づく場合、ＳＯＣ導出部１１９は、蓄電器１０３が放電時の充放電電流Ｉｂを正値、充電時の充放電電流Ｉｂを負値としたときの充放電電流Ｉｂの積算値を所定値によって除算した値を、ＳＯＣ導出部１１９が導出したＳＯＣの前回値から減算することによってＳＯＣを算出する。一方、蓄電器１０３の開放電圧に基づく場合、ＳＯＣ導出部１１９は、開放電圧に対するＳＯＣを示したマップを用いて、開放電圧算出部１１７が算出した開放電圧からＳＯＣを導出する。このマップの具体例としては、図５に示すように、蓄電器１０３の劣化状態によって変化する制御ＳＯＣ−ＯＣＶカーブのうち、新品の蓄電器１０３のカーブと劣化した蓄電器１０３のカーブの中間のカーブが示す値に基づいて作成されている。新品時のカーブと劣化時のカーブの中間のカーブを用いることによって、ＳＯＣ導出部１１９が導出したＳＯＣに含まれる誤差を、新品時のカーブを用いた場合や劣化時のカーブを用いた場合と比較して、小さくすることができる。

演算部１２１は、ＳＯＣ導出部１１９が導出したＳＯＣの単位時間当たりの差分値ΔＳＯＣを演算する。

全容量推定部１２３は、図２に示した特性図と図３に示した特性図との関係を表した図６に示すように、蓄電器１０３の劣化に伴うｄＳＯＣ／ｄＯＣＶの変化量がしきい値ｔｈｄ以下であるとき、すなわち、蓄電器１０３の開放電圧が所定範囲（ＯＣＶ１〜ＯＣＶ２）内の値であるときに限り、満充電であるときの蓄電器１０３の容量である蓄電器１０３の全容量を推定する。具体的には、全容量推定部１２３は、演算部１１２が算出した充放電電流Ｉｂの積分値の差分値ΔＡｈ及び演算部１２１が算出したＳＯＣの差分値ΔＳＯＣをサンプルとして複数取得して、差分値ΔＡｈと差分値ΔＳＯＣとの関係を示した複数のサンプルから、逐次最小二乗法により、蓄電器１０３の全容量を推定する。図７は、蓄電器１０３のＳＯＣの差分値ΔＳＯＣと充放電電流Ｉｂの積分値の差分値ΔＡｈとの関係の一例を示す図である。図７において、一次直線の傾きに１００を乗じた値が、蓄電器１０３の全容量に相当する。つまり、「蓄電器１０３の全容量（ＣＡＰＡ）＝（ΔＡｈ／ΔＳＯＣ）×１００」の関係式が成立する。

劣化判定部１２５は、全容量推定部１２３が推定した蓄電器１０３の全容量（ＣＡＰＡ）に基づいて、蓄電器１０３が劣化（容量劣化）しているか否かを判定する。この判定には、容量劣化判定しきい値ｔｈｃが用いられ、劣化判定部１２５は、蓄電器１０３の全容量（ＣＡＰＡ）が容量劣化判定しきい値ｔｈｃ未満（ＣＡＰＡ＜ｔｈｃ）である場合には、蓄電器１０３が劣化していると判定する。

図８は、蓄電器管理装置１０９の動作を示すフローチャートである。図８に示すように、蓄電器管理装置１０９の電流／電圧取得部１１１は、電流センサ１０５が検出した充放電電流Ｉｂ及び電圧センサ１０７が検出した端子電圧Ｖｂを取得する（ステップＳ１０１）。次に、演算部１１２が、充放電電流Ｉｂの積分値の差分値ΔＡｈを演算する（ステップＳ１０２）。次に、微分演算部１１３が、充放電電流Ｉｂ及び端子電圧Ｖｂをそれぞれ微分演算して、内部抵抗算出部１１５が、充放電電流Ｉｂの微分値ΔＩｂ及び端子電圧Ｖｂの微分値ΔＶｂから蓄電器１０３の内部抵抗Ｒｎを算出する（ステップＳ１０３）。次に、開放電圧算出部１１７は、内部抵抗Ｒｎ、充放電電流Ｉｂ及び端子電圧Ｖｂに基づいて、蓄電器１０３の開放電圧ＯＣＶを算出する（ステップＳ１０５）。

次に、ＳＯＣ導出部１１９は、蓄電器１０３の充放電電流Ｉｂの積算値及び／又は蓄電器１０３の開放電圧ＯＣＶからＳＯＣを導出する（ステップＳ１０７）。次に、演算部１２１は、蓄電器１０３のＳＯＣの差分値ΔＳＯＣを演算する（ステップＳ１０９）。次に、全容量推定部１２３は、ステップＳ１０５で算出した蓄電器１０３の開放電圧ＯＣＶが所定範囲（ＯＣＶ１〜ＯＣＶ２）内の値であるか否かを判別し（ステップＳ１１１）、開放電圧ＯＣＶが所定範囲内の値であればステップＳ１１３に進み、所定範囲内の値でなければステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１１３では、全容量推定部１２３は、ステップＳ１０２で算出した充放電電流Ｉｂの積分値の差分値ΔＡｈの変化及びステップＳ１０９で算出したＳＯＣの差分値ΔＳＯＣの変化に基づいて、蓄電器１０３の全容量を推定する。

次に、劣化判定部１２５は、ステップＳ１１３で推定した蓄電器１０３の全容量（ＣＡＰＡ）が容量劣化判定しきい値ｔｈｃ未満（ＣＡＰＡ＜ｔｈｃ）であるか否かを判定し（ステップＳ１１５）、ＣＡＰＡ≦ｔｈｃであればステップＳ１１７に進み。ＣＡＰＡ＞ｔｈｃであればステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１１７では、劣化判定部１２５は、蓄電器１０３が劣化していると判定する。

以上説明したように、本実施形態では、蓄電器１０３の劣化に伴うｄＳＯＣ／ｄＯＣＶの変化量がしきい値ｔｈｄ以下であるとき、すなわち、蓄電器１０３の開放電圧が所定範囲（ＯＣＶ１〜ＯＣＶ２）内の値であるときに限り、蓄電器１０３の全容量が推定される。蓄電器１０３の全容量は、充放電電流Ｉｂの積分値の差分値ΔＡｈと、蓄電器１０３のＳＯＣの差分値ΔＳＯＣとに基づいて推定され、本実施形態で全容量が推定される際の差分値ΔＳＯＣに係る蓄電器１０３の特性は、劣化状態によらず一定である。したがって、劣化状態によって開放電圧とＳＯＣとの関係が異なる蓄電器１０３の全容量を正確に推定することができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１０１ 電力制御装置
１０３ 蓄電器
１０５ 電流センサ
１０７ 電圧センサ
１０９ 蓄電器管理装置
１１１ 電流／電圧取得部
１１２ 演算部
１１３ 微分演算部
１１５ 内部抵抗算出部
１１７ 開放電圧算出部
１１９ ＳＯＣ導出部
１２１ 演算部
１２３ 全容量推定部
１２５ 劣化判定部
Ｍ 電動機
ＴＭ 変速機構
Ｗ 駆動輪

Claims (4)

1. 劣化状態によって特性が変化する蓄電器の蓄電器管理装置であって、
   前記蓄電器の充放電電流の変化量を算出する電流変化量算出部と、
   前記蓄電器の充電状態を示す充電状態変数の変化量を算出する充電状態変化量算出部と、
   前記蓄電器の劣化の進行によって変化する前記特性の変化量がしきい値以下となる条件を満たすときに限り、前記電流変化量算出部が算出した前記充放電電流の変化量と、前記充電状態変化量算出部が算出した前記充電状態変数の変化量と、に基づいて、前記蓄電器の全容量を推定する全容量推定部と、
   を備える、蓄電器管理装置。
2. 請求項１に記載の蓄電器管理装置であって、
   前記蓄電器の開放電圧を算出する開放電圧算出部を備え、
   前記特性の変化量は、前記蓄電器の劣化に伴う前記開放電圧の変化に対する前記充電状態変数の変化の変化量である、蓄電器管理装置。
3. 請求項２に記載の蓄電器管理装置であって、
   前記全容量推定部は、前記開放電圧が前記条件を満たす範囲内の値であるときに限り、前記蓄電器の全容量を推定する、蓄電器管理装置。
4. 劣化状態によって特性が変化する蓄電器の蓄電器管理方法であって、
   前記蓄電器の充放電電流の変化量を算出する電流変化量算出ステップと、
   前記蓄電器の充電状態を示す充電状態変数の変化量を算出する充電状態変化量算出ステップと、
   前記蓄電器の劣化の進行によって変化する前記特性の変化量がしきい値以下となる条件を満たすときに限り、前記電流変化量算出ステップで算出した前記充放電電流の変化量と、前記充電状態変化量算出ステップで算出した前記充電状態変数の変化量と、に基づいて、前記蓄電器の全容量を推定する全容量推定ステップと、
   を有する、蓄電器管理方法。

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