JP2018106916A - Power storage system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解液を含む充放電が可能なバッテリと、バッテリの充放電を制御する制御装置とを備える蓄電システムに関する。 The present invention relates to a power storage system including a battery that can be charged and discharged including an electrolytic solution, and a control device that controls charging and discharging of the battery.
車両を走行させる駆動源の一つとして、モータを搭載した電動車両(例えばハイブリッド自動車、電気自動車)が従来から広く知られている。こうした電動車両には、走行用モータに電力を供給し、また、当該走行用モータで生じた回生電力を受け取る車載バッテリとして、充放電可能な二次電池が搭載されている。 As one of driving sources for running a vehicle, an electric vehicle (for example, a hybrid vehicle or an electric vehicle) equipped with a motor has been widely known. In such an electric vehicle, a chargeable / dischargeable secondary battery is mounted as an in-vehicle battery that supplies electric power to the traveling motor and receives regenerative power generated by the traveling motor.
このような二次電池を備える蓄電システムでは、過放電及び過充電とならないように、二次電池の充放電が制御される。より具体的には、二次電池の入出力電力の制限等を行い、電池電圧が所定の許容電圧範囲を超えないように制御される。ここで、二次電池がより低温の環境に置かれるほど、過放電及び過充電を防ぐための二次電池の許容電圧範囲はより厳しく制限される。 In a power storage system including such a secondary battery, charging / discharging of the secondary battery is controlled so as not to cause overdischarge and overcharge. More specifically, the input / output power of the secondary battery is limited, and the battery voltage is controlled so as not to exceed a predetermined allowable voltage range. Here, as the secondary battery is placed in a lower temperature environment, the allowable voltage range of the secondary battery for preventing overdischarge and overcharge is more severely limited.
特許文献1には、二次電池の電池温度と電池電圧とを受けて、二次電池に対して入出力する電力の制限値を設定する、二次電池の入出力制御装置が記載されている。この入出力制限装置では、電池温度に応じて、電池電圧に対する当該制限値の変化の割合を変化させており、より具体的には、電池温度が低下するに従って、二次電圧の目標電圧と電池電圧との偏差に基づく制御演算に用いられる制御ゲインを小さくしている。
特許文献2には、バッテリと、バッテリの充放電を制御する制御装置とを備え、バッテリの温度が所定の温度を下回る場合は、電解液が凍結していると判定してバッテリの充放電を制限し、その後、内部抵抗の減少量が所定のしきい値よりも大きいときに電解液の凍結が解消されたと判定して、充放電の制限を解除する蓄電システムが記載されている。 Patent Document 2 includes a battery and a control device that controls charging / discharging of the battery. When the temperature of the battery is lower than a predetermined temperature, it is determined that the electrolyte is frozen and charging / discharging of the battery is performed. There is described a power storage system that restricts and then determines that the freezing of the electrolytic solution has been resolved when the amount of decrease in internal resistance is greater than a predetermined threshold value, and releases the charge / discharge restriction.
しかしながら、従来の蓄電システムでは、二次電池の電池温度が電解液の凍結温度以下となる極低温域において、入出力電力や電池電圧の許容範囲を制限しているため、二次電池の保護は図られる一方、燃費及び動力性能が低下する。特に、二次電池に含まれる電解液の一部が凍結すると、導電経路が制限されて二次電池の内部抵抗が急激に増大する。そのため、例えば、電解液の一部が凍結した状態にある二次電池を使用してモータを始動しようとしても、電池電圧の許容範囲を超えてしまい、二次電池がモータの始動に必要な電力を出力できない場合がある。 However, in the conventional power storage system, the allowable range of input / output power and battery voltage is limited in the extremely low temperature range where the battery temperature of the secondary battery is lower than the freezing temperature of the electrolyte. On the other hand, fuel consumption and power performance are reduced. In particular, when a part of the electrolyte contained in the secondary battery is frozen, the conduction path is limited and the internal resistance of the secondary battery increases rapidly. For this reason, for example, even if an attempt is made to start a motor using a secondary battery in which a part of the electrolyte is frozen, the battery voltage exceeds the allowable range, and the secondary battery requires power required for starting the motor. May not be output.
そこで、本願では、バッテリの電池温度が電解液の凍結温度以下となる範囲において、バッテリの保護を図りながら、入出力可能な電力量を増大することができる蓄電システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present application is to provide a power storage system capable of increasing the amount of power that can be input and output while protecting the battery in a range where the battery temperature of the battery is equal to or lower than the freezing temperature of the electrolyte. .
本発明に係る蓄電システムは、電解液を含む、充放電が可能なバッテリと、前記バッテリの電池温度を検出する温度検出部と、前記バッテリの電池電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が検出した前記電池電圧が、所定の下限電圧を下回らず、且つ、所定の上限電圧を上回らないように、前記バッテリの充放電を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記温度検出部が検出した電池温度が前記電解液の凍結温度以下である場合、前記電解液の凍結による前記バッテリの直流抵抗の増加分に応じた電圧補正値を、前記電池電圧から得られる前記バッテリの開放電圧と前記電池温度とに基づいて取得し、取得された前記電圧補正値により、前記下限電圧を低下させ、且つ、前記上限電圧を上昇させる補正を行う、ことを特徴とする。 The power storage system according to the present invention includes a battery that includes an electrolyte and that can be charged and discharged, a temperature detection unit that detects a battery temperature of the battery, a voltage detection unit that detects a battery voltage of the battery, and the voltage detection A control device that controls charging / discharging of the battery so that the battery voltage detected by the unit does not fall below a predetermined lower limit voltage and does not exceed a predetermined upper limit voltage. When the battery temperature detected by the temperature detection unit is equal to or lower than the freezing temperature of the electrolytic solution, a voltage correction value corresponding to an increase in the direct current resistance of the battery due to the freezing of the electrolytic solution is obtained from the battery voltage. Obtained based on the open-circuit voltage of the battery and the battery temperature, and the correction for decreasing the lower limit voltage and increasing the upper limit voltage is performed by the acquired voltage correction value. That.
本発明に係る蓄電システムによれば、電解液の凍結による電気抵抗の増加分に応じてバッテリの電池電圧の許容範囲が拡大されるため、バッテリの保護を図りながら、入出力可能な電力量を増大することができる蓄電システムを提供することができる。 According to the power storage system of the present invention, since the allowable range of the battery voltage of the battery is expanded according to the increase in the electrical resistance due to the freezing of the electrolyte, the amount of electric power that can be input and output while protecting the battery is increased. A power storage system that can be increased can be provided.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図1には、本実施形態に係る蓄電システム10の構成概略図が示されている。蓄電システム10は、回転電機16により車両駆動力を得る電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両に搭載されるものである。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a
バッテリ12は、複数の単電池を直列または並列(図示例では直列)に接続して構成されている。一つのバッテリ12を構成する単電池の個数は、バッテリ12の要求出力等に基づいて適宜設定できる。単電池は、充放電可能な二次電池、例えば、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池等である。
The
バッテリ12は、システムメインリレー(以下「SMR」と呼ぶ)18を介してインバータ14に接続されている。SMR18は、バッテリ12とインバータ14を電気的に接続または接続解除する。SMR18がオンされると、バッテリ12の充放電が許容される。ユーザは、車両を起動する際には、当該車両に搭載されたスタートスイッチをオンするが、このSMR18は、当該スタートスイッチに連動してオン/オフが切り替わる。
The
インバータ14は、バッテリ12からの直流電力(放電電力)を交流電力に変換して後述の回転電機16に供給する。これにより、回転電機16がモータとして機能し、走行用の動力を出力する。また、インバータ14は、回転電機16からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ12に供給する。回転電機16からインバータ14を介して供給される電力(充電電力)によりバッテリ12が充電される。
The
回転電機16は、バッテリ12からインバータ14を介して供給される電力により車両の走行用動力を出力する駆動源として機能する。また、回転電機16は、発電機としても機能し、インバータ14を介してバッテリ12に電力を供給する。
The rotating
バッテリ12の近傍には、温度検出部として温度センサ20が設けられている。温度センサ20はバッテリ12の温度を検出する。温度センサ20の検出温度値は、電池温度Tbとして、制御装置30に送られる。温度センサ20は、一つでもよいし、複数でもよい。温度センサ20を複数設けた場合には、複数の検出値から算出される統計値、例えば、平均値や最小値、最大値等を電池温度Tbとして用いればよく、中でも最小値を電池温度Tbとして用いることがバッテリ12の電解液の凍結を検知する観点から好ましい。
In the vicinity of the
バッテリ12には、バッテリ12の正極端子と負極端子間の電圧を検出する電圧検出部として電圧センサ22が設けられている。電圧センサ22の検出電圧値は、電池電圧Vbとして、制御装置30に送られる。電池電圧Vbは、バッテリ12の残電力量を示す指標となる。
The
バッテリ12には、充放電時にバッテリ12を流れる電流を検出する電流検出部として電流センサ24が設けられている。電流センサ24の検出電流値は、電池電流Ibとして、制御装置30に送られる。なお、電池電流Ibは、放電時に正の値であり、充電時に負の値になる。
The
なお、上述した温度センサ20、電圧センサ22、電流センサ24による各種パラメータの検出は、バッテリ12の起動期間中、所定のサンプリング周期(例えば数十msec〜数百msec)で繰り返し行われる。
The detection of various parameters by the
バッテリ12の充放電は、制御装置30により管理制御される。制御装置30は、例えば、各種演算を行うCPUと、各種プログラムやパラメータを記憶する記憶部と、を備えている。なお、図1では、制御装置30を、単一のユニットとしているが、制御装置30は、それぞれがCPUおよび記憶部を有する制御ユニットを複数、組み合わせて構成されてもよい。したがって、制御装置30は、CPUおよび記憶部を複数有する構成としてもよい。また、制御装置30の一部の機能は、車両の外部に設けられるとともに、車載の制御ユニットと通信可能な車外制御ユニットで実現されてもよい。
The charging / discharging of the
制御装置30は、回転電機16の駆動状態を制御するための制御指令を発生する。このとき、制御装置30は、バッテリ12の充放電時における電池電圧Vbの許容範囲を取得したうえで、電圧センサ22が検出したバッテリ12の電池電圧Vbが許容範囲を超えないように、回転電機16の駆動状態を制御する。電池電圧Vbの許容範囲は、上限電圧Vmax及び下限電圧Vminにより規定されており、上限電圧Vmax及び下限電圧Vminのそれぞれは、後述するように、所定の値であってもよいし、バッテリ12の電池温度Tbおよび/またはバッテリ12の開放電圧Voによって異なる値であってもよい。
The
バッテリ12の放電時には、出力電力量の増加に伴って電池電圧Vbは低下する。電池電圧Vbが下限電圧Vminを下回り、さらに過放電の状態になると、例えば、正極を構成する金属が溶出して、溶出した金属が充電時に析出して内部短絡等を引き起こす可能性があり、また、負極では負極活物質を被覆する皮膜が不可逆的に分解するなど、二次電池としての機能を損なわせる不具合が生じることがある。そこで、制御装置30は、電池電圧Vbが下限電圧Vmin未満を下回らないように、回転電機16の使用電力を制限する制御指令を発生し、電池電圧Vbを上昇させる制御を実施する。
When the
他方、バッテリ12の充電時には、入力電力量の増加に伴って電池電圧Vbが上昇する。電池電圧Vbが上限電圧Vmaxを上回り、さらに過充電の状態になると、例えば、負極表面にリチウムが析出して内部短絡等を引き起こす可能性があり、これも二次電池としての機能を損なわせる可能性がある。そこで、制御装置30は、電池電圧Vbが上限電圧Vmaxを上回らないように、回転電機16による回生電力の発生を抑制する制御指令を発生し、電池電圧Vbを低下させる制御を実施する。
On the other hand, when the
以下、従来のバッテリ12の充放電制御、および、本実施形態に係る蓄電システム10が実施する充放電制御につき、バッテリ12の放電時において、電池電圧Vbが許容範囲の下限電圧Vminを下回らないように制御する場合を例に、説明する。
Hereinafter, regarding the charge / discharge control of the
バッテリ12の電池電圧Vbは、バッテリ12の開放電圧(OCV)Voから、バッテリ12の電池電流Ibとバッテリ12の電池抵抗(内部抵抗)Rbとの積を減算した値であり、下記式(1)
Vb=Vo−Ib×Rb (1)
によって表される。バッテリ12の電池電流Ibと電池抵抗Rbとの積(Ib×Rb)は、バッテリ12の電池抵抗Rbによる開放電圧Voからの電圧低下量を表す。この電圧低下量は、バッテリ12の直流抵抗Raによるドロップ電圧Vrと、正極及び負極における分極現象による分極電圧(反応過電圧)Vpとの合計でもあるため、電池電圧Vbは、下記式(2)
Vb=Vo−(Vr+Vp) (2)
によっても表される。
The battery voltage Vb of the
Vb = Vo−Ib × Rb (1)
Represented by The product (Ib × Rb) of the battery current Ib and the battery resistance Rb of the
Vb = Vo− (Vr + Vp) (2)
Also represented by
ところで、上述のバッテリ12の過放電により生じ得る不具合は、正極及び負極での分極現象による分極電圧Vpが閾値Vp0を超えて高くなることが原因で引き起こされる。閾値Vp0は、正極及び負極の組成や結晶構造、電解液の組成等によって異なる。また、バッテリ12の電池温度Tbが低下するにつれて、分極電圧Vpの閾値Vp0もまた低下する。バッテリ12の下限電圧Vminは、バッテリ12の放電時に過放電とならないよう、分極電圧Vpの閾値Vp0に基づいて設定される。上記式(2)から分極電圧Vpが低下するにつれて電池電圧Vbは上昇するため、閾値Vp0の低下に伴い、下限電圧Vminも上昇させる必要がある。そのため、下限電圧Vminは、例えば、バッテリ12の電池温度Tbが低いほど下限電圧Vminは高くなるように設定される。また、下限電圧Vminは電池温度Tbの変化に対して不変であってもよく、この場合、バッテリ12の使用想定温度範囲の下限値(最低温度)における閾値Vp0に基づいて、下限電圧Vminが設定される。後述するように、下限電圧Vminはバッテリ12の開放電圧Voに応じて異なっていてもよい。
By the way, the malfunction that may occur due to the overdischarge of the
一方、実際のバッテリ12では、バッテリ12の電池温度Tbが低下するにつれて、バッテリ12の電池抵抗Rbが増加することが知られている。つまり、上記式(1)より、バッテリ12の電池温度Tbが低下するにつれて、バッテリ12の電池電圧Vbが低下することになる。よって、従来のバッテリ12の充放電制御では、バッテリ12の電池温度Tbが低下するほど、電池電圧Vbと下限電圧Vminとの差が小さくなり、バッテリ12が出力可能な電力量の範囲が制限されてしまう。
On the other hand, in the
このようなバッテリ12の温度低下による出力可能な電力量の制限は、バッテリ12の電池温度Tbが電解液の凍結温度Tf以下となる範囲(以下「極低温域」ともいう)において、より顕著に現れる。なぜなら、極低温域(例えば−30℃以下)において、バッテリ12に含まれる電解液の一部が凍結すると、バッテリ12の電池抵抗Rbが急激に増加し、これに伴いバッテリ12の電池電圧Vbが急激に低下するためである。なお、電解液の凍結温度Tfとは、電解液に含まれる成分の少なくとも一部が凝固する温度である。
The limitation on the amount of electric power that can be output due to the temperature drop of the
図2は、極低温域を含む温度範囲における電池温度Tbと電池抵抗Rbとの関係の一例を示すグラフである。図2において、横軸は温度の逆数を表し、縦軸は抵抗を表す。破線は電解液の凍結温度Tfを示す。電池抵抗Rbは、直流抵抗Raと、正極及び負極における分極現象による分極抵抗Rpとの合計として表されている。図2に示すように、電池温度Tbが電解液の凍結温度Tfよりも高い範囲では、電池温度Tbの低下に従い、直流抵抗Ra及び分極抵抗Rpの両者とも増加しており、直流抵抗Raと分極抵抗Rpとの比はおよそ同程度で推移している。しかしながら、電池温度Tbが凍結温度Tf以下の範囲(極低温域)では、電池温度Tbが低下するにつれて、分極抵抗Rpに比較して直流抵抗Raが急激に増加する。 FIG. 2 is a graph showing an example of the relationship between the battery temperature Tb and the battery resistance Rb in a temperature range including a very low temperature range. In FIG. 2, the horizontal axis represents the reciprocal of temperature, and the vertical axis represents resistance. The broken line indicates the freezing temperature Tf of the electrolytic solution. The battery resistance Rb is expressed as the sum of the DC resistance Ra and the polarization resistance Rp due to the polarization phenomenon in the positive and negative electrodes. As shown in FIG. 2, in the range where the battery temperature Tb is higher than the freezing temperature Tf of the electrolytic solution, both the DC resistance Ra and the polarization resistance Rp increase as the battery temperature Tb decreases, and the DC resistance Ra and the polarization are increased. The ratio with the resistance Rp is approximately the same. However, in the range where the battery temperature Tb is equal to or lower than the freezing temperature Tf (extremely low temperature range), the DC resistance Ra increases rapidly as compared with the polarization resistance Rp as the battery temperature Tb decreases.
極低温域における直流抵抗Raの増加は、次のように説明できる。直流抵抗Raには電解液の抵抗が含まれるところ、凍結温度Tf以下では、凝固した電解液が局所的に偏析する。これにより導電経路が制限され、電解液による抵抗が増加するため、電池温度Tbの低下に従って直流抵抗Raが急激に増加すると考えられる。ここで、極低温域において電解液の凍結が起きていないと仮定したときの直流抵抗Raの値を抵抗成分Ra’とする。図2において一点鎖線で示すように、抵抗成分Ra’は電池温度Tbの低下に伴って緩やかに増加すると考えられる。そして、電解液の凍結によるバッテリ12の直流抵抗Raの増加分は、直流抵抗Raと抵抗成分Ra’との差分である抵抗成分ΔRaで表される。図2に示すように、極低温域では、電池温度Tbが低下するにつれて抵抗成分ΔRaが急激に増加し、その結果、直流抵抗Raも急激に増加する。
The increase in the DC resistance Ra in the cryogenic region can be explained as follows. Where the direct current resistance Ra includes the resistance of the electrolytic solution, the solidified electrolytic solution is segregated locally below the freezing temperature Tf. As a result, the conductive path is limited, and the resistance due to the electrolytic solution increases. Therefore, it is considered that the DC resistance Ra increases rapidly as the battery temperature Tb decreases. Here, the value of the direct current resistance Ra when it is assumed that the electrolyte solution is not frozen in a cryogenic temperature region is defined as a resistance component Ra ′. As indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 2, the resistance component Ra 'is considered to increase gradually as the battery temperature Tb decreases. The increase in the DC resistance Ra of the
図3は、バッテリ12の電池温度Tbと電池電圧Vbとの関係を示すグラフである。図3に示すバッテリ12の電池温度Tbと電池電圧Vbとの関係は、図2及び上記式(1)に基づく。また、図3には、従来の充放電制御において設定される下限電圧Vminが記載されている。図3において、横軸は温度の逆数を表し、縦軸は電圧を表す。図3において、直流抵抗Raに基づくドロップ電圧Vrと、分極抵抗Rpによる分極電圧Vpとが記載されており、上記式(2)の通り、ドロップ電圧Vrと分極電圧Vpとの合計は、バッテリ12の開放電圧Voから電池電圧Vbを引いた差分である。また極低温域において、ドロップ電圧Vrは、抵抗成分Ra’による電圧成分Vr’と、抵抗成分ΔRaによる電圧成分ΔVrとの合計として表されている。即ち、Vr=Vr’+ΔVrの関係式を有する。図3では、バッテリ12の下限電圧Vminは、バッテリ12の電池温度Tbに対して一定の値を示す。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the battery temperature Tb of the
図3に示すように、極低温域では、電池温度Tbが低下するにつれて電池電圧Vbが急速に低下し、やがて下限電圧Vminに到達してしまう。この電池電圧Vbの急速な低下は、上述の通り、電解液の一部が凍結して直流抵抗Raの抵抗成分ΔRaが急激に増加し、ドロップ電圧Vrによる電池電圧Vbの低下量が急激に増加したことによる。よって、従来の蓄電システムでは、電池温度Tbが凍結温度Tf以下となる極低温域においては、バッテリ12の電池電圧Vbが下限電圧Vminに対してより一層近づく傾向にあるため、バッテリ12の出力電力量がより厳しく制限される。そのため、例えば、バッテリ12が極低温域に置かれる状況下で回転電機16を始動しようとしても、回転電機16の始動に必要な電力を出力できなくなる事態が起こり得る。
As shown in FIG. 3, in the extremely low temperature range, the battery voltage Vb rapidly decreases as the battery temperature Tb decreases, and eventually reaches the lower limit voltage Vmin. As described above, the rapid decrease in the battery voltage Vb is caused by a part of the electrolytic solution being frozen and the resistance component ΔRa of the DC resistance Ra increasing rapidly, and the amount of decrease in the battery voltage Vb due to the drop voltage Vr increasing rapidly. It depends on. Therefore, in the conventional power storage system, the battery voltage Vb of the
従来のバッテリ12の充放電制御では、下限電圧Vminと比較する電池電圧Vbとして、上記式(2)および図3に示すように、分極電圧Vpとドロップ電圧Vrとの合計量を開放電圧Voから減算した値が使用されている。しかしながら、上述の通り、バッテリ12の過放電により生じ得る不具合は、分極電圧Vpが閾値Vp0を超えることによって引き起こされるものであって、直流抵抗Raによるドロップ電圧Vrに起因しない。よって、バッテリ12の充放電制御に際し、この開放電圧Voからのドロップ電圧Vrによる低下量に応じて、下限電圧Vminを低下させることができる。特に、電池温度Tbが電解液の凍結温度Tf以下である極低温域において電解液が凍結することによって生じる、直流抵抗Raの急激な増加分(抵抗成分ΔRa)に基づく下限電圧Vminの引き下げについては、これまで考慮されていなかった。
In the conventional charge / discharge control of the
本実施形態に係る蓄電システム10におけるバッテリ12の充放電制御では、電解液の凍結によるバッテリ12の直流抵抗Raの増加分(抵抗成分ΔRa)に応じた電圧補正値Vcにより、極低温域における下限電圧Vminを低下させる補正を行うことを特徴とする。電圧補正値Vcは、温度センサ20が検出した電池温度Tbと、電圧センサ22が検出した電池電圧Vbから得られるバッテリ12の開放電圧Voとに基づいて取得される。
In the charge / discharge control of the
図4は、図3と同様、バッテリ12の電池温度Tbと電池電圧Vbとの関係を示すグラフである。図4では、極低温域における電解液の凍結によって増加する抵抗成分ΔRaに応じた電圧補正値Vcにより補正した後の下限電圧Vminも示す。図4に示すように、本実施形態に係る蓄電システム10では、バッテリ12の放電時、電池温度Tbが電解液の凍結温度Tf以下である極低温域において、電圧補正値Vcにより下限電圧Vminを低下させる補正を行う。図4に示す通り、電圧補正値Vcにより下限電圧Vminが低下すると、バッテリ12の電池電圧Vbの許容範囲が拡大される。これにより、バッテリ12の出力可能な電力量が増大するため、例えば、回転電機16の始動性を向上させることができる。また、電圧補正値Vcによる補正は、分極電圧Vpによる低下量が閾値Vp0を超えない値に設定される。そのため、電池電圧Vbが補正後の下限電圧Vminを下回らないように、制御装置30がバッテリ12の放電を制御することにより、バッテリ12を過放電から保護することができる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the battery temperature Tb of the
電圧補正値Vcにより補正される下限電圧Vminの取得について説明する。下限電圧Vminは、制御装置30に記憶されるとともに、バッテリ12の充放電制御を行うにあたり参照される。下限電圧Vminは、上述の通り、バッテリ12の電池温度Tbが低いほど下限電圧Vminが高くなるように設定されていてもよく、電池温度Tbの変化に対して不変であってもよい。また、電圧センサ22が検出する電池電圧Vbが開放電圧Voから分極電圧Vpとドロップ電圧Vrとを減算した値であることを考慮して、分極電圧Vpに対するドロップ電圧Vr(極低温域では電解液の凍結が起きていないと仮定したときの直流抵抗Ra(抵抗成分Ra’)による電圧成分Vr’)の比に基づき、下限電圧Vminを予め修正してもよい。上述の通り、開放電圧Voが低いほど分極電圧Vpに対するドロップ電圧Vr(電圧成分Vr’)の比が小さくなることから、バッテリ12の開放電圧Voが低いほど下限電圧Vminが低くなるように設定されていてもよい。
Acquisition of the lower limit voltage Vmin corrected by the voltage correction value Vc will be described. The lower limit voltage Vmin is stored in the
制御装置30は、電池温度Tbおよび開放電圧Voなどのパラメータと、下限電圧Vminとの対応関係を示すマップを記憶しており、制御装置30は、実際に検出されたパラメータの値をマップにあてはめて、下限電圧Vminを取得する。
The
下限電圧Vminの補正に用いる電圧補正値Vcは、各電池温度Tbにおける抵抗成分ΔRaに応じて、適宜設定される。例えば、電解液の凍結による直流抵抗Raの増加分である抵抗成分ΔRaのみに基づいて下限電圧Vminを補正する場合、図4に示すグラフに基づき、開放電圧Voと下限電圧Vminとの差分に{ΔVr/(Vp+Vr’)}を乗じた、下記式(3)
Vc=(Vo−Vmin)×ΔVr/(Vp+Vr’) (3)
により電圧補正値Vcを算出し、算出された電圧補正値Vcを下限電圧Vminから減算して、補正後の下限電圧Vminを取得することができる。
The voltage correction value Vc used for correcting the lower limit voltage Vmin is appropriately set according to the resistance component ΔRa at each battery temperature Tb. For example, when the lower limit voltage Vmin is corrected based only on the resistance component ΔRa, which is an increase in the DC resistance Ra due to freezing of the electrolytic solution, the difference between the open circuit voltage Vo and the lower limit voltage Vmin is calculated based on the graph shown in FIG. The following formula (3) multiplied by ΔVr / (Vp + Vr ′)}
Vc = (Vo−Vmin) × ΔVr / (Vp + Vr ′) (3)
Thus, the voltage correction value Vc can be calculated, and the calculated voltage correction value Vc can be subtracted from the lower limit voltage Vmin to obtain the corrected lower limit voltage Vmin.
また、補正前の下限電圧Vminについて、上記の分極電圧Vpに対するドロップ電圧Vr(極低温域では電圧成分Vr’)の比に基づく修正がなされていない場合、下限電圧Vminを補正するための電圧補正値Vcを、電解液の凍結による直流抵抗Raの増加分である抵抗成分ΔRaのみならず、直流抵抗Raの総量に基づいて補正してもよい。即ち、図4に示すグラフに基づき、開放電圧Voと下限電圧Vminとの差分に{Vr/Vp}を乗じた、下記式(4)
Vc=(Vo−Vmin)×Vr/Vp (4)
により電圧補正値Vcを算出し、算出された電圧補正値Vcを下限電圧Vminから減算して、補正後の下限電圧Vminを取得することができる。
Further, the voltage correction for correcting the lower limit voltage Vmin when the lower limit voltage Vmin before correction is not corrected based on the ratio of the drop voltage Vr (voltage component Vr ′ in the extremely low temperature range) to the polarization voltage Vp described above. The value Vc may be corrected based on the total amount of the DC resistance Ra as well as the resistance component ΔRa, which is an increase in the DC resistance Ra due to freezing of the electrolytic solution. That is, based on the graph shown in FIG. 4, the difference between the open circuit voltage Vo and the lower limit voltage Vmin is multiplied by {Vr / Vp} (4)
Vc = (Vo−Vmin) × Vr / Vp (4)
Thus, the voltage correction value Vc can be calculated, and the calculated voltage correction value Vc can be subtracted from the lower limit voltage Vmin to obtain the corrected lower limit voltage Vmin.
図2に示すように、極低温域においては、電池温度Tbが低下するにつれて、抵抗成分Ra’及び分極抵抗Rpのそれぞれに対する抵抗成分ΔRaの比率が高くなる。同様に、図4に示すように、極低温域においては、電池温度Tbが低下するにつれて、電圧成分Vr’及び分極電圧Vpのそれぞれに対する電圧成分ΔVrの比率が高くなる。このように、電圧補正値Vcは、バッテリ12の電池温度Tbによって異なり、電池温度Tbが低下するにつれて下限電圧Vminの電圧補正値Vcは増加する。
As shown in FIG. 2, in the cryogenic temperature range, the ratio of the resistance component ΔRa to the resistance component Ra ′ and the polarization resistance Rp increases as the battery temperature Tb decreases. Similarly, as shown in FIG. 4, in the extremely low temperature range, the ratio of the voltage component ΔVr to the voltage component Vr ′ and the polarization voltage Vp increases as the battery temperature Tb decreases. Thus, the voltage correction value Vc varies depending on the battery temperature Tb of the
また、電圧補正値Vcは、バッテリ12の開放電圧Voによって異なる。バッテリ12において、開放電圧Voが低いほど、分極電圧Vpに対するドロップ電圧Vrの比Vr/Vpが小さくなる。そのため、バッテリ12の開放電圧Voが低いほど、電圧補正値Vcは低下する。
Further, the voltage correction value Vc varies depending on the open circuit voltage Vo of the
制御装置30は、電池温度Tbおよび開放電圧Voと、電圧補正値Vcとの対応関係を示すマップを記憶しており、制御装置30は、実際に検出されたパラメータの値をマップにあてはめて、電圧補正値Vcを取得する。電池温度Tbと電圧補正値Vcとの対応関係を示すマップを作成するための、電解液の凍結によって増加する抵抗成分ΔRaの直流抵抗Raに対する比率は、以下のようにして算出される。
The
凍結温度Tfを超える温度範囲において、公知の方法によりバッテリ12の直流抵抗Raを測定する。電池温度Tbの逆数と直流抵抗Raの対数とは比例関係にあるため、これらの測定値から、例えば最小二乗法を適用することにより、回帰直線を求めることができる。このようにして得られた回帰直線を、極低温域、即ち、温度センサ20が検出した電池温度Tbが凍結温度Tf以下である場合にも適用することで、凍結温度Tf以下の電池温度Tbに対する抵抗成分Ra’を算出できる。並行して測定された極低温域における直流抵抗Raから、算出された抵抗成分Ra’を差し引くことで、極低温域における電解液の凍結によって増加する抵抗成分ΔRaを算出することができる。なお、バッテリ12の直流抵抗Raを測定する公知の方法としては、例えば、直流抵抗Raが分極抵抗Rpに対して速い時間応答性を有することに基づいて、バッテリ12の充放電開始時から短時間(例えば0.1秒以内)経過後の抵抗を測定する方法、或いは、バッテリ12の交流インピーダンス測定における周波数応答結果より直流抵抗Raを求める方法等が挙げられる。
In a temperature range exceeding the freezing temperature Tf, the direct current resistance Ra of the
バッテリ12の開放電圧Voは、電圧センサ22が検出した電池電圧Vbから得られる。バッテリ12が充放電していない場合、上記式(1)において電池電流Ib=0であるため、バッテリ12の開放電圧Voは、電圧センサ22が検出した電池電圧Vbである。バッテリ12が充放電中である場合、電池温度Tbと電池抵抗Rbとの対応関係を示すマップを予め制御装置30に記憶させておき、温度センサ20が検出した電池温度Tbをマップにあてはめて算出した電池抵抗Rb、電圧センサ22が検出した電池電圧Vb、並びに、電流センサ24が検出した電池電流Ibを上記式(1)にあてはめて、バッテリ12の開放電圧Voを算出すればよい。また、バッテリ12が充放電中である場合、その直前のバッテリ12が充放電していない期間における電圧センサ22の検出値を、バッテリ12の開放電圧Voとして使用してもよい。
The open circuit voltage Vo of the
制御装置30は、上記の下限電圧Vminを補正する一連の処理を、バッテリ12の出力開始以降、所定の周期(例えば数十msec〜数百msec)で繰り返し行ってもよい。通常、バッテリ12の出力を行うと、電解液の温度は上昇し、凍結していた電解液成分は融解するため、電解液の凍結による直流抵抗Raの増加分である抵抗成分ΔRaは減少すると考えられる。よって、バッテリ12の放電時は電圧補正値Vcが大きく変動するため、下限電圧Vminの補正を周期的に行って電池電圧Vbと対比する下限電圧Vminを更新することにより、より適切なバッテリ12の放電制御を実施することが好ましい。
The
上記で述べた、本実施形態に係る蓄電システム10が実施する放電制御および許容電圧範囲の補正は、バッテリ12の充電時においても適用することができる。即ち、本実施形態に係る蓄電システム10では、バッテリ12の充電時、電池温度Tbが電解液の凍結温度Tf以下である極低温域において、電圧補正値Vcにより上限電圧Vmaxを上昇させる補正を行うことにより、バッテリ12を過充電から保護しながら、バッテリ12の入力電力量を増大させることができる。
The above-described discharge control and allowable voltage range correction performed by the
以下、図5に示すフローチャートに従って、図1に示す蓄電システム10による下限電圧Vminの補正および放電制御にかかる一連の処理の流れについて説明する。この一連の処理は、所定の周期ごとまたは所定の条件が成立するごとにて実行される。
Hereinafter, according to the flowchart shown in FIG. 5, a flow of a series of processes related to the correction of the lower limit voltage Vmin and the discharge control by the
図1および図5を参照して、処理が開始されると、ステップS102において、温度センサ20は、バッテリ12の電池温度Tbを検出する。次に、ステップS104において、電圧センサ22は、バッテリ12の電池電圧Vbを検出する。
Referring to FIGS. 1 and 5, when the process is started,
ステップS106において、制御装置30は、電池温度Tbがバッテリ12の電解液の凍結温度Tf以下であるか否かを判定する。電解液の凍結温度Tfは例えば−30℃である。ステップS106において電池温度Tbが凍結温度Tfを超えていると判定されれば(ステップS106でNO)、ステップS118に進む。ステップS106において電池温度Tbが凍結温度Tf以下であると判定されれば(ステップS106でYES)、ステップS108に進む。ステップS106において、制御装置30は、電池温度Tbがバッテリ12の電解液の凍結温度Tf以下であるか否かの判定に代えて、バッテリ12の電解液の凝固状態を判定する公知の方法を用いてもよい。例えば、特開2016−117413号に記載されている、リチウムイオン二次電池の電解液の凝固状態を判定する方法に従って、バッテリ12の電解液の凝固状態を判定してもよい。
In step S106,
ステップS108において、制御装置30は、バッテリ12が充放電を実施しているか否かを判定する。ステップS108においてバッテリ12が充放電を実施していないと判定されれば(ステップS108でNO)、ステップS110に進み、制御装置30は、バッテリ12の電池電圧Vbを開放電圧Voとして取得する。
In step S108, the
ステップS108においてバッテリ12が充放電を実施していると判定されれば(ステップS108でYES)、ステップS112に進む。ステップS112において、制御装置30は、他の公知の方法で開放電圧Voを取得する。例えば、温度センサ20、電圧センサ22、電流センサ24が検出したパラメータ、並びに、制御装置30に記憶された電池温度Tbと電池抵抗Rbとの対応関係を示すマップおよび上記式(1)の関係式を用いて、開放電圧Voを算出する。或いは、直前の充放電を実施していない期間における電圧センサ22の検出値を開放電圧Voとして取得する。
If it is determined in step S108 that the
ステップS114において、制御装置30は、温度センサ20が検出した電池温度Tbと、ステップS110またはステップS112において取得された開放電圧Voとに基づいて、電圧補正値Vcを取得する。次いで、ステップS116において、制御装置30は、取得された電圧補正値Vcにより下限電圧Vminを低下させる補正を行う。
In step S114, the
ステップS118において、制御装置30は、電池電圧Vbが下限電圧Vminを下回るか否かを判定する。ステップS118において電池電圧Vbが下限電圧Vminを下回らないと判定されれば(ステップS118でNO)、ステップS122に進む。ステップS122において、バッテリ12について現状の使用状況が維持される。
In step S118,
ステップS118において電池電圧Vbが下限電圧Vminを下回ると判定されれば(ステップS118でYES)、ステップS120に進む。ステップS120において、制御装置30は、例えば、回転電機16の使用電力を制限する制御指令を発生し、電池電圧Vbを上昇させる制御を実施する。
If it is determined in step S118 that battery voltage Vb is lower than lower limit voltage Vmin (YES in step S118), the process proceeds to step S120. In step S120, for example, the
以上の説明から明らかな通り、本実施形態の蓄電システム10では、電池温度Tbが電解液の凍結温度以下となる範囲において、電池温度Tbと電池電圧Vbから得られるバッテリ12の開放電圧Voとに基づいて、電解液の凍結によるバッテリ12の直流抵抗Raの増加分に応じた電圧補正値Vcを取得し、取得された電圧補正値Vcにより、下限電圧Vminを低下させ、且つ、上限電圧Vmaxを上昇させる補正を行う。これにより、バッテリ12の電池電圧Vbの許容範囲が拡大されるため、バッテリ12の保護を図りながら、入出力可能な電力量を増大することができる。
As is apparent from the above description, in the
10 蓄電システム、12 バッテリ、14 インバータ、16 回転電機、18 システムメインリレー、20 温度センサ、22 電圧センサ、24 電流センサ、30 制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記バッテリの電池温度を検出する温度検出部と、
前記バッテリの電池電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部が検出した前記電池電圧が、所定の下限電圧を下回らず、且つ、所定の上限電圧を上回らないように、前記バッテリの充放電を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記温度検出部が検出した前記電池温度が前記電解液の凍結温度以下である場合、前記電解液の凍結による前記バッテリの直流抵抗の増加分に応じた電圧補正値を、前記電池電圧から得られる前記バッテリの開放電圧と前記電池温度とに基づいて取得し、取得された前記電圧補正値により、前記下限電圧を低下させ、且つ、前記上限電圧を上昇させる補正を行う、
ことを特徴とする蓄電システム。
A battery that can be charged and discharged, including an electrolyte;
A temperature detector for detecting a battery temperature of the battery;
A voltage detector for detecting a battery voltage of the battery;
A control device that controls charging and discharging of the battery so that the battery voltage detected by the voltage detection unit does not fall below a predetermined lower limit voltage and does not exceed a predetermined upper limit voltage;
When the battery temperature detected by the temperature detection unit is equal to or lower than the freezing temperature of the electrolytic solution, the control device sets a voltage correction value corresponding to an increase in the direct current resistance of the battery due to freezing of the electrolytic solution, Obtaining based on the open circuit voltage of the battery obtained from the battery voltage and the battery temperature, performing the correction to lower the lower limit voltage and raise the upper limit voltage by the acquired voltage correction value,
A power storage system characterized by that.
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