JP2019049482A

JP2019049482A - 電池出力監視装置及び方法

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Publication number: JP2019049482A
Application number: JP2017174122A
Authority: JP
Inventors: 林玉孫; Linyu Sun
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: CN109507604A; EP3461680A1; JP6834864B2; US10530180B2; CN109507604B; US20190081501A1; EP3461680B1

Abstract

【課題】電池が所定の電力を所定期間維持できるか否かを判定する電池出力監視装置を提供する。
【解決手段】電池出力監視装置は、電池の電流および電圧の測定値の組を複数取得し、測定値の組に基づいて、電池の内部抵抗値と無電流時の電圧とを推定する電池特性推定部と、内部抵抗値と無電流時の電圧とに基づいて、所定の最低電圧において電池の現在出力可能な電力である現在電力を計算する現在電力計算部と、少なくとも内部抵抗値に基づいて、電池に出力が要求される電力である要求電力を所定期間のあいだ最低電圧において出力するために、電池が現在出力可能であることが要求される電力である警戒電力を、少なくとも電池の所定期間における蓄電量の低下および分極の進行に対応して要求電力よりも大きく計算する警戒電力計算部と、現在電力と警戒電力との差分値が所定値より小さい場合、外部の報知機器に報知動作を指示する判定部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される電池の出力を監視する装置および方法に関する。

車両に搭載される電池に関して、その効率的な利用や適切な管理のための各種技術が提案されている。引用文献１は、電池の現在の最大出力を計算し、所定の要求出力との大小比較に応じて実使用時のＳＯＣの下限値を変更することで、要求出力を満たしつつ、充電の頻度を抑制して電池の劣化を抑制することを開示している、また、引用文献２は、組電池に含まれる各電池ブロックの容量や内部抵抗のばらつきに基づいてメンテナンスの要否を判定し、メンテナンスが必要な場合通知することを開示している。

特開２０１０−２２０３９１号公報特開２０１５−７３４２７号公報

車両に搭載される電池は、車両の仕様に応じて、一定の蓄電量を保持し、つねに所定の電力を所定期間維持できることが求められる場合がある。例えば、各車輪の高さを電池からの供給電力によって制御することで姿勢を維持する機構を有する車両の場合、車両になんらかの異常が発生した際、停車するのに要する期間、この機構を動作させる電力を維持することが電池に求められる。このような電力の維持が困難になりそうな場合、早めにユーザーに通知することで、電力が維持できるあいだに停車することを促すことができる。しかし、上述の技術では、電池が、所定の電力を現在から所定期間維持できるか否かを実際に判定したり判定結果をユーザーに通知したりすることはできない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、電池が所定の電力を所定期間維持できるか否かを判定する電池出力監視装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一局面は、電池の電流および電圧の測定値の組を複数取得し、測定値の組に基づいて、電池の内部抵抗値と無電流時の電圧とを推定する電池特性推定部と、内部抵抗値と無電流時の電圧とに基づいて、所定の最低電圧において電池の現在出力可能な電力である現在電力を計算する現在電力計算部と、少なくとも内部抵抗値に基づいて、電池に出力が要求される電力である要求電力を所定期間のあいだ最低電圧において出力するために、電池が現在出力可能であることが要求される電力である警戒電力を、少なくとも電池の所定期間における蓄電量の低下および分極の進行に対応して要求電力よりも大きく計算する警戒電力計算部と、現在電力と警戒電力との差分値が所定値より小さい場合、外部の報知機器に報知動作を指示する判定部とを備える、電池出力監視装置である。

これにより、電池が所定の電力を所定期間維持できるか否かを判定することができ、また、維持できなくなる前にその旨を通知することができる。

また、複数の測定値の組は、電池の充電中の測定値の組と放電中の測定値の組とを含んでもよい。

これにより、電池の特性をより正確に反映した測定値の組を得ることができる。

また、電池特性推定部は、内部抵抗値を、線形回帰によって求めた電流に対する電圧の変化率の大きさに１より大きい係数を乗算することで推定してもよい。

これにより、内部抵抗値の算出期間中の変化、またはセンサ誤差による内部抵抗値を過小評価するおそれを低減できる。

また、電池特性推定部は、測定値の組を随時取得して、新たに取得した測定値に基づいて推定した内部抵抗値および無電流時の電圧と、前回までに推定した内部抵抗値および無電流時の電圧とを平滑化することで、内部抵抗値および無電流時の電圧の推定値を更新してもよい。

これにより、推定値の急進な変化を抑制しつつより正確な推定を行うことができる。

また、警戒電力計算部は、内部抵抗値に基づいて、要求電力を最低電圧において出力可能であるときの開放電圧である第１の開放電圧を算出し、予め作成されたマップに基づいて、第１の開放電圧に対応する蓄電率を算出し、要求電力に基づいて、電池が所定期間に出力すべきエネルギーを算出し、電池の満充電容量と公称電圧との積を、電池が保持可能な総エネルギーとして算出し、総エネルギーに対する所定期間に出力すべきエネルギーの比を蓄電率に加算し、マップに基づいて、加算後の蓄電率に対応する開放電圧である第２の開放電圧を算出し、第２の開放電圧に、所定の方法で算出した分極値を加算した第３の開放電圧を算出し、第３の開放電圧と内部抵抗値とに基づいて、最低電圧における電池の電力を、警戒電力として算出してもよい。

これにより、電池が所定の電力を所定期間維持できるか否かを電池の蓄電率の減少や分極の進行を考慮に入れて高精度に判定することができる。

本発明の他の局面は、電池出力監視装置の制御部が実行する、電池出力監視方法であって、電池の電流および電圧の測定値の組を複数取得し、測定値の組に基づいて、電池の内部抵抗値と無電流時の電圧とを推定する電池特性推定ステップと、内部抵抗値と無電流時の電圧とに基づいて、所定の最低電圧において電池の現在出力可能な電力である現在電力を計算する現在電力計算ステップと、少なくとも内部抵抗値に基づいて、電池に出力が要求される電力である要求電力を所定期間のあいだ最低電圧において出力するために、電池が現在出力可能であることが要求される電力である警戒電力を、少なくとも電池の所定期間における蓄電量の低下および分極の進行に対応して要求電力よりも大きく計算する警戒電力計算ステップと、現在電力と警戒電力との差分値が所定値より小さい場合、外部の報知機器に報知動作を指示する判定ステップとを含む、電池出力監視方法である。

以上のように、本発明によれば、電池が所定の電力を所定期間維持できるか否かを判定する電池出力監視装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る車両に搭載される装置を示すブロック図本発明の一実施形態に係る電池出力監視処理を示すフローチャート本発明の一実施形態に係る電池出力監視処理に用いる計算値を示すグラフ

（概要）
本発明に係る電池出力監視処理は、電池が所定の電力を所定期間出力するために現在出力可能であることが要求される電力を計算し、現在実際に出力可能な電力と比較する。とくに、このような電力の計算において、電池の蓄電率の減少や分極の進行を考慮に入れる。これにより、所定の電力を現在から所定期間維持できなくなる前にユーザーに通知し停車等を促すことができる。

（実施形態）
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜構成＞
図１に、本実施形態における車両に搭載される各種装置を示すブロック図を示す。車両には、電池２００、機器３００、電池出力監視装置１００、報知機器４００が搭載されている。電池２００は、機器３００に電力を供給する。異常発生時には機器３００に所定の電力が所定期間供給されることが要求される。機器３００は複数あってもよい。また、電池２００は、異常発生までは、図示しない他の機器にも電力を供給してもよい。電池出力監視装置１００は、電池特性推定部１０１と現在電力計算部１０２と警戒電力計算部１０３と判定部１０４とを含み、電池２００の監視を行う。報知機器４００は、電池出力監視装置１００からの指示を受けてユーザーへの報知動作を行う。

＜処理＞
本実施形態に係る電池出力監視処理の一例を以下に説明する。図２は、電池出力監視装置１００の各部が実行する電池出力監視処理を示すフローチャートである。図３は、横軸に電流Ｉ、縦軸に電圧Ｖを取ったグラフであり、電池出力監視処理に用いる各計算値を示すグラフである。以下に説明する処理は、定期的に繰り返し実行することで電池２００の電力を随時監視することができる。

（ステップＳ１）：電池特性推定部１０１は、電池２００の出力をモニタし、電流値および電圧値の測定値の組を複数取得する。電池特性推定部１０１は、これに基づいて、最小二乗法等の手法を用いて、線形回帰（直線フィッティング）を行い、直線の傾き（電流に対する電圧の変化率）の大きさを電池２００の内部抵抗値Ｒの推定値として計算し、Ｙ軸（Ｉ＝０）との切片を無電流時の電圧Ｖ_０の推定値として計算する。このときの電流Ｉ、電圧Ｖの関係は、Ｖ＝Ｖ_０−ＲＩとなる。図３に、Ｖ＝Ｖ_０−ＲＩのグラフを示す。ここでＶ_０は電池２００の現在の開放電圧ＯＣＶ_０から現在の分極値μを引いた値、すなわちＶ_０＝ＯＣＶ_０−μとなる。なお電池２００が複数のセルを含む場合、セルごとに内部抵抗値を推定し、各値の総和を内部抵抗値Ｒとする。

計算に用いる測定値の組は、電流値に拡がりがあるほうが、より高精度の内部抵抗値を推定することができる。また、放電時（電流値が正）だけでなく充電時（電流値が負）であるときの測定値の組も得るほうが電池２００の特性をより正確に反映した測定値の組を取得できる。これらの理由により、計算に用いる測定値の組は、電流値の分散が所定値以上であり、平均値が所定値以下であることが好ましい。

また、線形回帰によって計算した内部抵抗値Ｒに１より大きい係数を乗算した値Ｒ’（＝αＲ（１＜α））を、内部抵抗の推定値としてもよい。これにより、内部抵抗値を大きめに見積もり、電池２００の電圧および電池２００に流れる電流を計測する際に発生する誤差や、内部抵抗を推定する際に、電池２００の内部抵抗が変化する事によって出力低下を過小評価するおそれを低減できる。図３に、Ｖ＝Ｖ_０−Ｒ’Ｉのグラフを示す。以降、推定した内部抵抗値としてＲ’を用いる例を説明する。

また、電流値および電圧値の測定値の組を随時取得して、新たに取得した測定値を用いて推定した内部抵抗値および無電流時の電圧値と、前回までに推定した内部抵抗値および無電流時の電圧値とを平滑化することで、内部抵抗値および無電流時の電圧値の推定値を更新することが好ましい。これにより、内部抵抗値および無電流時の電圧値の急峻な変化を抑制しつつ、より正確な推定値を得ることができ、また、後述する各処理における各計算値を安定させつつ、判定部１０４による正確な判定を行うことができる。

（ステップＳ２）：現在電力計算部１０２は、電池２００が現在供給可能な電力を計算する。計算に用いる電圧をＶ_ｌｏｗとする。Ｖ_ｌｏｗは機器３００が動作可能な下限電圧であり、実際に機器３００に供給される電圧である。この電圧Ｖ_ｌｏｗにおいて電池２００が現在出力可能な電力Ｗ_ｎｏｗは以下の（式１）により計算できる。
Ｗ_ｎｏｗ＝（Ｖ_０−Ｖ_ｌｏｗ）／Ｒ’×Ｖ_ｌｏｗ（式１）

（ステップＳ３）：警戒電力計算部１０３は、異常発生時において電池２００が出力することが要求されるエネルギーＷｈを計算する。電池２００に要求される所定の電力をＷ_{ｔａｒｇｅｔ}とし、その電力の維持が要求される所定期間の長さをＴとすると、エネルギーＷｈは以下の（式２）により計算できる。
Ｗｈ＝Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}×Ｔ（式２）

（ステップＳ４）：警戒電力計算部１０３は、電池２００の満充電時に蓄えられるエネルギー量Ｗｈ_ａｌｌを計算する。満充電容量をＦＣＣとし、公称電圧をＶ_{ｎｏｍｉｎａｌ}とすると、エネルギー量は以下の（式３）により計算できる。
Ｗｈ_ａｌｌ＝ＦＣＣ×Ｖ_{ｎｏｍｉｎａｌ} （式３）

（ステップＳ５）：警戒電力計算部１０３は、電池２００の満充電時に蓄えられるエネルギー量Ｗｈ_ａｌｌに対する上述のエネルギーＷｈの比率である蓄電率ΔＳＯＣを計算する。蓄電率ΔＳＯＣは以下の（式４）により計算できる。
ΔＳＯＣ＝Ｗｈ／Ｗｈ_ａｌｌ（式４）

（ステップＳ６）：警戒電力計算部１０３は、電池２００の所定期間ＴにエネルギーＷｈを出力した時点の分極値の推定値μ’を計算する。分極値は、電池２００の温度と所定期間Ｔに出力するエネルギーＷｈに相関がある。所定期間Ｔに出力するエネルギーＷｈはシステム要求によって決まっているため、電池の温度と分極値との対応関係を予め定めたマップを用いて推定できる。マップを参照して得られる、電池の最低温度ＴＢ_ｍｉｎのときの分極値をμ＝ＴＥＭＰ＿μ＿ＭＡＰ（ＴＢ_ｍｉｎ）と書くことにすると、推定される分極値μ’は、以下の（式５）のように表せる。
μ’＝ＴＥＭＰ＿μ＿ＭＡＰ（ＴＢ_ｍｉｎ）（式５）

（ステップＳ７）：警戒電力計算部１０３は、電池２００が所定の電力Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}を電圧Ｖ_ｌｏｗにおいて出力可能であるときの、開放電圧ＯＣＶ_{ｌｉｍｉｔ}（第１の開放電圧）を計算する。電圧ＯＣＶ_{ｌｉｍｉｔ}は以下の（式６）により計算できる。
ＯＣＶ_{ｌｉｍｉｔ}＝Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}／Ｖ_ｌｏｗ×Ｒ’＋Ｖ_ｌｏｗ（式６）

（ステップＳ８）：警戒電力計算部１０３は、電池２００の開放電圧が電圧ＯＣＶ_{ｌｉｍｉｔ}であるときの蓄電率ＳＯＣ_{ｌｉｍｉｔ}を計算する。蓄電率は、電池２００の開放電圧ＯＣＶに相関があるため、開放電圧ＯＣＶと蓄電率ＳＣＯとの対応関係を予め定めたマップを用いて計算できる。マップを参照して得られる開放電圧ＯＣＶのときの蓄電率をＳＯＣ＝ＯＣＶ＿ＳＯＣ＿ＭＡＰ（ＯＣＶ）と書くことにすると、蓄電率ＳＯＣ_{ｌｉｍｉｔ}は、以下の（式７）のように表せる。
ＳＯＣ_{ｌｉｍｉｔ}＝ＯＣＶ＿ＳＯＣ＿ＭＡＰ（ＯＣＶ_{ｌｉｍｉｔ}）（式７）

（ステップＳ９）：警戒電力計算部１０３は、電池２００が蓄電率ΔＳＯＣに相当するエネルギーＷｈを出力する所定期間Ｔにおいて、所定の電力Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}を電圧Ｖ_ｌｏｗにおいて出力可能であるために電池２００が保持すべき蓄電率ＳＯＣ_ｈｏｌｄを計算する。蓄電率ＳＯＣ_ｈｏｌｄは以下の（式８）により計算できる。
ＳＯＣ_ｈｏｌｄ＝ＳＯＣ_{ｌｉｍｉｔ}＋ΔＳＯＣ（式８）

（ステップＳ１０）：警戒電力計算部１０３は、電池２００が蓄電率ＳＯＣ_ｈｏｌｄを保持するために電池２００が保持すべき開放電圧ＯＣＶ_ｈｏｌｄを計算する。開放電圧ＯＣＶと蓄電率ＳＯＣとの対応関係を予め定めたマップを参照して得られる、蓄電率ＳＯＣのときの開放電圧ＯＣＶをＯＣＶ＝ＳＯＣ＿ＯＣＶ＿ＭＡＰ（ＳＯＣ）と書くことにすると、ＯＣＶ_ｈｏｌｄ（第３の開放電圧）は、分極を考慮すると、ＳＯＣ＿ＯＣＶ＿ＭＡＰ（ＳＯＣ_ｈｏｌｄ）（第２の開放電圧）に、推定された分極値μ’を加算して、以下の（式９）のように表せる。
ＯＣＶ_ｈｏｌｄ＝ＳＯＣ＿ＯＣＶ＿ＭＡＰ（ＳＯＣ_ｈｏｌｄ）＋μ’ （式９）

（ステップＳ１１）：警戒電力計算部１０３は、電池２００が、開放電圧ＯＣＶ_ｈｏｌｄの場合における電圧Ｖ_ｌｏｗにおける電力を、最低電圧Ｖ_ｌｏｗを所定期間Ｔのあいだ維持可能であるために現在出力可能であることが要求される電力である警戒電力Ｗ_ｈｏｌｄとして計算する。警戒電力Ｗ_ｈｏｌｄは以下の（式１０）により計算できる。警戒電力Ｗ_ｈｏｌｄは、電池の所定期間Ｔにおける蓄電量の低下ΔＳＯＣおよび分極の進行μ’に対応して要求電力Ｗ_{ｔａｒｇｅｔ}よりも大きな値となる。
Ｗ_ｈｏｌｄ＝（ＯＣＶ_ｈｏｌｄ−Ｖ_ｌｏｗ）／Ｒ’×Ｖ_ｌｏｗ（式１０）

（ステップＳ１２）：判定部１０４は、現在出力可能な電力Ｗ_ｎｏｗと現在出力可能であることが要求される警戒電力Ｗ_ｈｏｌｄとの差が所定値より小さいか否かを判定する。所定値より小さければ、ステップＳ１３に進む。所定値以上であれば、電圧Ｖ_ｌｏｗを所定期間Ｔのあいだ出力することが可能であると判断し処理を終了する。

（ステップＳ１３）：Ｗ_ｏｕｔとＷ_ｈｏｌｄとの差が所定値より小さければ電圧Ｖ_ｌｏｗを所定期間Ｔのあいだ出力することが困難になりつつあると判定することができる。そのため、判定部１０４は、外部の報知機器４００に対して報知を行う指示を行い、報知動作を実行させる。これにより、処理を終了する。ユーザーは報知に応じて車両を停止させる等の操作を早めに行うことができる。

＜効果＞
以上のように、電池出力監視装置１００は、電池２００が、所定の電力を現在から所定期間維持できるか否かを、電池２００の蓄電率の減少や分極の進行を考慮に入れて高精度に具体的に判定することができる。そのため、電力の維持が困難になりそうな場合、早めにユーザーに通知することで、電力が維持できるあいだに停車等の退避操作を行うことを促すことができる。

なお、以上の各ステップの処理は一例であって、上述の警戒電力が計算できれば、具体的な計算方法は適宜変更してもよい。また、計算に支障がない限り各ステップの実行の順序を入れ替えてもよい。また、本発明は、電池出力監視装置として捉えるだけでなく、制御部を備えるコンピューターが上述の各部の機能を実行する電池出力監視方法やその処理を記載した電池出力監視プログラムとして捉えることも可能である。

本発明は、車両等における電池の電力監視に有用である。

１００電池出力監視装置
１０１電池特性推定部
１０２現在電力計算部
１０３警戒電力計算部
１０４判定部
２００電池
３００機器
４００報知機器

Claims

電池の電流および電圧の測定値の組を複数取得し、前記測定値の組に基づいて、前記電池の内部抵抗値と無電流時の電圧とを推定する電池特性推定部と、
前記内部抵抗値と前記無電流時の電圧とに基づいて、所定の最低電圧において前記電池の現在出力可能な電力である現在電力を計算する現在電力計算部と、
少なくとも前記内部抵抗値に基づいて、前記電池に出力が要求される電力である要求電力を所定期間のあいだ前記最低電圧において出力するために、前記電池が現在出力可能であることが要求される電力である警戒電力を、少なくとも前記電池の前記所定期間における蓄電量の低下および分極の進行に対応して前記要求電力よりも大きく計算する警戒電力計算部と、
前記現在電力と前記警戒電力との差分値が所定値より小さい場合、外部の報知機器に報知動作を指示する判定部とを備える、電池出力監視装置。
前記複数の測定値の組は、前記電池の充電中の測定値の組と放電中の測定値の組とを含む、請求項１に記載の電池出力監視装置。
前記電池特性推定部は、前記内部抵抗値を、線形回帰によって求めた前記電流に対する前記電圧の変化率の大きさに１より大きい係数を乗算することで推定する、請求項１または２に記載の電池出力監視装置。
前記電池特性推定部は、前記測定値の組を随時取得して、新たに取得した測定値に基づいて推定した内部抵抗値および無電流時の電圧と、前回までに推定した内部抵抗値および無電流時の電圧とを平滑化することで、内部抵抗値および無電流時の電圧の推定値を更新する、請求項１〜３のいずれかに記載の電池出力監視装置。
前記警戒電力計算部は、
前記内部抵抗値に基づいて、前記要求電力を前記最低電圧において出力可能であるときの開放電圧である第１の開放電圧を算出し、予め作成されたマップに基づいて、前記第１の開放電圧に対応する蓄電率を算出し、
前記要求電力に基づいて、前記電池が前記所定期間に出力すべきエネルギーを算出し、
前記電池の満充電容量と公称電圧との積を、前記電池が保持可能な総エネルギーとして算出し、
前記総エネルギーに対する前記所定期間に出力すべきエネルギーの比を前記蓄電率に加算し、前記マップに基づいて、加算後の前記蓄電率に対応する開放電圧である第２の開放電圧を算出し、
前記第２の開放電圧に、所定の方法で算出した分極値を加算した第３の開放電圧を算出し、
前記第３の開放電圧と前記内部抵抗値とに基づいて、前記最低電圧における前記電池の電力を、前記警戒電力として算出する、請求項１〜４のいずれかに記載の電池出力監視装置。
電池出力監視装置の制御部が実行する、電池出力監視方法であって、
電池の電流および電圧の測定値の組を複数取得し、前記測定値の組に基づいて、前記電池の内部抵抗値と無電流時の電圧とを推定する電池特性推定ステップと、
前記内部抵抗値と前記無電流時の電圧とに基づいて、所定の最低電圧において前記電池の現在出力可能な電力である現在電力を計算する現在電力計算ステップと、
少なくとも前記内部抵抗値に基づいて、前記電池に出力が要求される電力である要求電力を所定期間のあいだ前記最低電圧において出力するために、前記電池が現在出力可能であることが要求される電力である警戒電力を、少なくとも前記電池の前記所定期間における蓄電量の低下および分極の進行に対応して前記要求電力よりも大きく計算する警戒電力計算ステップと、
前記現在電力と前記警戒電力との差分値が所定値より小さい場合、外部の報知機器に報知動作を指示する判定ステップとを含む、電池出力監視方法。