JP2021035119A - 制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】経年劣化した電池の充電率を高精度に推定することができる制御装置を提供する。【解決手段】電池の充放電を制御する制御装置であって、電池の充電率を制御するDCDCコンバータの指示電圧を、複数の異なる所定の測定用電圧に順次切り替えて制御する電圧制御部と、電圧制御部によって切り替えられる測定用電圧の各々において、定電流放電を行った際の電池の端子電圧と定電流充電を行った際の電池の端子電圧とをそれぞれ取得する取得部と、取得部が新たに取得する複数の端子電圧と取得部が直近に取得した複数の端子電圧との比較に基づいて、電池の充電率と開放端電圧との関係を示すSOC−OCV特性曲線を補正する補正部と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリの充放電を制御する制御装置に関する。
車両に搭載されるバッテリとして、リン酸鉄系リチウムイオン電池(LFP電池)が用いられることがある。このリン酸鉄系リチウムイオン電池は、電池の充電率(SOC)と開放端電圧(OCV)との関係を示すSOC−OCV特性曲線に充電率に対する開放端電圧の変化率が小さい領域であるフラット領域を有するため、このフラット領域では電池の充電率を高精度に推定することが難しい。
この対策として、特許文献1には、測定した電池の開放端電圧がフラット領域以外の変化領域の値である場合に、SOC−OCV特性曲線から充電率を推定する技術が開示されている。
特開2017−167163号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、電池の経年劣化によるSOC−OCV特性曲線の変化を考慮していないため、電池の使用年数が長くなるにつれてSOC−OCV特性曲線から推定した充電率と実際の充電率との乖離が大きくなり、充電率を高精度に推定することができなくなるという課題がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、経年劣化した電池の充電率を高精度に推定することができる制御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、本発明の一態様は、電池の充放電を制御する制御装置であって、電池の充電率を制御するDCDCコンバータの指示電圧を、複数の異なる所定の測定用電圧に順次切り替えて制御する制御部と、制御部によって切り替えられる測定用電圧の各々において、定電流放電を行った際の電池の端子電圧と定電流充電を行った際の電池の端子電圧とをそれぞれ取得する取得部と、取得部が新たに取得する複数の端子電圧と取得部が直近に取得した複数の端子電圧との比較に基づいて、電池の充電率と開放端電圧との関係を示すSOC−OCV特性曲線を補正する補正部と、を備える。
上記本発明の制御装置によれば、経年劣化した電池の充電率を高精度に推定することができる。
本発明の一実施形態に係る制御装置を含む電源システムの概略構成図 リチウムイオン電池のSOC−OCV特性曲線の一例を示す図 制御装置が実行する充放電制御の処理手順を示すフローチャート 制御装置が実行する充放電制御の処理手順を示すフローチャート 充放電制御によって取得される値の一例を示す図 制御装置が実行するSOC−OCV特性曲線の補正制御の処理手順を示すフローチャート 補正制御によってSOC−OCV特性曲線を補正する具体例を示した図
本発明の車載バッテリの充放電を制御する制御装置は、車載バッテリの端子電圧を新たに取得すると、直近に取得して記憶した車載バッテリの端子電圧との乖離に基づいて車載バッテリのSOC−OCV特性曲線を適宜補正する。これにより、経年劣化した車載バッテリの充電率(SOC)を高精度に推定することができる。
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は、本発明の一実施形態に係る制御装置を含む電源システムの概略構成を示すブロック図である。図1に例示した電源システム1は、第1バッテリ10と、DCDCコンバータ20と、第2バッテリ30と、複数の車載機器40と、本実施形態の制御装置50と、を備えている。この電源システム1は、動力源として電動モーターを使用するハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、及び電気自動車(EV)などに搭載される。
第1バッテリ10は、電動モーター(図示せず)やDCDCコンバータ20に電力を供給するための高電圧バッテリである。また、第1バッテリ10は、外部電源に接続可能なプラグイン充電器(図示せず)を介して、外部電源から電力を取得することができる構成としてもよい。この第1バッテリ10には、充放電可能に構成されたリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。
DCDCコンバータ20は、第1バッテリ10と第2バッテリ30及び複数の車載機器40とを接続し、第1バッテリ10の電力を第2バッテリ30及び複数の車載機器40に供給する。電力供給の際、DCDCコンバータ20は、入力電圧である第1バッテリ10の高電圧を、制御装置50から与えられる電圧指令値に基づいて所定の低電圧に変換して出力することができる。
第2バッテリ30は、DCDCコンバータ20から出力される電力を充電したり、自らの電力を放電したりする低電圧バッテリである。一例として、図2に示すような充電率(SOC)に対する開放端電圧(OCV)の変化率が所定値以下であるフラット領域を有するSOC−OCV特性曲線を持つリン酸鉄系リチウムイオン電池(LFP電池)を、第2バッテリ30として用いることができる。
複数の車載機器40は、DCDCコンバータ20から出力される電力や第2バッテリ30の電力で動作する、車両に搭載された様々な装置である。この複数の車載機器40には、一例としてモーターやソレノイドなどのアクチュエータ類、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやクーラーなどの空調類、ステアリング、ブレーキ、及び自動運転や先進運転支援などのECU(Electronic Control Unit)類、などの装置が含まれる。
制御装置50は、DCDCコンバータ20による第2バッテリ30の充放電を制御して第2バッテリ30の状態に関する所定の情報を取得し、取得した所定の情報に基づいて第2バッテリ30のSOC−OCV特性曲線を補正することを行う。この制御装置50は、典型的にはプロセッサ、メモリ、及び入出力インタフェースなどを含んだECUとして構成され得る。制御装置50には、DCDCコンバータ20を制御できるECUや、第2バッテリ30の状態を監視できるECUなど、車両に搭載されるECUの一部又は全部を含むことができる。本実施形態の制御装置50は、メモリに格納されたプログラムをプロセッサが読み出して実行することによって、以下に説明する電圧制御部51、取得部52、及び補正部53の各機能を実現する。
電圧制御部51は、第2バッテリ30のSOC−OCV特性曲線を補正すべきか否かの判断を行う所定の期間に、DCDCコンバータ20の指示電圧を複数の異なる所定の測定用電圧に順次切り替える。所定の期間は、車両の電源が投入されている(READY−ON)状態であって、第2バッテリ30の充電率が高くかつ状態が安定しているときが好ましい。
取得部52は、電圧制御部51によって切り替えられる測定用電圧の各々において、予め定めた状態における第2バッテリ30の端子電圧を取得する。また、取得部52は、その端子電圧を取得したときの第2バッテリ30の充電率を取得する。
補正部53は、取得部52が新たに取得する複数の端子電圧と取得部52が直近に取得して記憶した複数の端子電圧との比較に基づいて、第2バッテリ30の充電率(SOC)と開放端電圧(OCV)との関係を示すSOC−OCV特性曲線を補正する。
[制御]
次に、図3A、図3B、図4、図5、及び図6をさらに参照して、本実施形態に係る制御装置50が行う制御を説明する。
図3A及び図3Bは、制御装置50が実行するDCDCコンバータ20を用いた第2バッテリ30の充放電制御の処理手順を示すフローチャートである。図3Aの処理と図3Bの処理とは、結合子Xで結ばれる。図4は、図3A及び図3Bの充放電制御によって取得される値の一例を示す図である。
図3A及び図3Bに示す充放電制御は、車両の電源システムが起動(READY−ON)している期間に少なくとも1回実行される。
ステップS301:制御装置50は、DCDCコンバータ20の指示電圧を予め定めた測定用電圧V0に設定する。この測定用電圧V0は、現在のSOC−OCV特性曲線に基づいた任意の電圧(OCV)としてよいが、第2バッテリ30の充電率を所定の目標充電率(目標SOC)に制御するための電圧とすることができる。すなわち、測定用電圧V0は、第2バッテリ30のフラット領域とフラット領域以外の変化領域との境界の充電率に制御するための電圧とすることができる。
なお、本充放電制御は、第2バッテリ30の充電率が高くかつ状態が安定しているときに開始することが好ましいが、第2バッテリ30の充電率が目標充電率から大きく離れているような状態で充放電制御を開始した場合には、所定の時間が経過した後にステップS302以降の処理を行うようにしてもよい。所定の時間は、例えば第2バッテリ30の充電率が、目標充電率に充電されるまでの時間又は目標充電率へ放電されるまでの時間とすればよい。
ステップS302:制御装置50は、DCDCコンバータ20を用いた所定の電流値による定電流放電(CC放電)を実施して、測定用電圧V0における第2バッテリ30の端子電圧、つまり最小となる閉回路電圧(Closed Circuit Voltage)であるCCV最小値Vmin0を取得する。また、制御装置50は、CCV最小値Vmin0であるときの第2バッテリ30の充電率(SOC)を取得する。充電率は、周知のOCV法や電流積算法等を用いて容易に取得することができる。
ステップS303:制御装置50は、所定の電流値による定電流充電(CC充電)を実施して、測定用電圧V0における第2バッテリ30の端子電圧、つまり最大となる閉回路電圧であるCCV最大値Vmax0を取得する。また、制御装置50は、CCV最大値Vmax0であるときの第2バッテリ30の充電率を取得する。充電率は、周知のOCV法や電流積算法等を用いて容易に取得することができる。
ステップS304:制御装置50は、DCDCコンバータ20の指示電圧を予め定めた測定用電圧V1に設定する。この測定用電圧V1は、測定用電圧V0よりも高く設定される(V1>V0)。
ステップS305:制御装置50は、DCDCコンバータ20の指示電圧を測定用電圧V1に設定した後、所定の時間が経過したか否かを判断する。所定の時間は、測定用電圧V1に追従して第2バッテリ30の充電が完了すると推定される時間に設定することができる。所定の時間が経過した場合には(ステップS305、はい)、ステップS306に処理が進む。
ステップS306:制御装置50は、DCDCコンバータ20を用いた所定の電流値による定電流放電を実施して、測定用電圧V1における第2バッテリ30の端子電圧、つまり最小となる閉回路電圧であるCCV最小値Vmin1を取得する。また、制御装置50は、CCV最小値Vmin1であるときの第2バッテリ30の充電率を取得する。充電率は、周知のOCV法や電流積算法等を用いて容易に取得することができる。
ステップS307:制御装置50は、所定の電流値による定電流充電を実施して、測定用電圧V1における第2バッテリ30の端子電圧、つまり最大となる閉回路電圧であるCCV最大値Vmax1を取得する。また、制御装置50は、CCV最大値Vmax1であるときの第2バッテリ30の充電率を取得する。充電率は、周知のOCV法や電流積算法等を用いて容易に取得することができる。
ステップS308:制御装置50は、DCDCコンバータ20の指示電圧を予め定めた測定用電圧V2に設定する。この測定用電圧V2は、測定用電圧V0よりも低く設定される(V2<V0)。
ステップS309:制御装置50は、DCDCコンバータ20の指示電圧を測定用電圧V2に設定した後、所定の時間が経過したか否かを判断する。所定の時間は、測定用電圧V2に追従して第2バッテリ30の放電が完了すると推定される時間に設定することができる。所定の時間が経過した場合には(ステップS309、はい)、ステップS310に処理が進む。
ステップS310:制御装置50は、DCDCコンバータ20を用いた所定の電流値による定電流放電を実施して、測定用電圧V2における第2バッテリ30の端子電圧、つまり最小となる閉回路電圧であるCCV最小値Vmin2を取得する。また、制御装置50は、CCV最小値Vmin2であるときの第2バッテリ30の充電率を取得する。充電率は、周知のOCV法や電流積算法等を用いて容易に取得することができる。
ステップS311:制御装置50は、所定の電流値による定電流充電を実施して、測定用電圧V2における第2バッテリ30の端子電圧、つまり最大となる閉回路電圧であるCCV最大値Vmax2を取得する。また、制御装置50は、CCV最大値Vmax2であるときの第2バッテリ30の充電率を取得する。充電率は、周知のOCV法や電流積算法等を用いて容易に取得することができる。
以上の処理によって、図4に例示するように、現在のSOC−OCV特性曲線に対して測定用電圧及び充電率に基づくCCV最小値Vmin0、Vmin1、Vmin2、CCV最大値Vmax0、Vmax1、Vmax2が取得される。
ステップS312:制御装置50は、取得した各値(CCV最小値Vmin0、Vmin1、Vmin2、及びCCV最大値Vmax0、Vmax1、Vmax2)を、図示しないメモリなどに記憶する。
ステップS313:制御装置50は、DCDCコンバータ20の指示電圧を測定用電圧V0の前に設定していた元の電圧に戻して、本充放電制御を終了する。
なお、上記実施形態では、第2バッテリ30のSOC−OCV特性曲線におけるフラット領域とフラット領域以外の領域との境界の充電率に第2バッテリ30を制御するための電圧V0、電圧V0よりも所定値だけ高い電圧V1、及び電圧V0よりも所定値だけ低い電圧V2の3つを、測定用電圧に用いた例を説明した。しかし、3つ以外の数の電圧を測定用電圧として用いても構わない。
また、上述したステップS302の放電処理とステップS303の充電処理との順序、ステップS306の放電処理とステップS307の充電処理との順序、及びステップS310の放電処理とステップS311の充電処理との順序は、それぞれ入れ替わっても構わない。また、ステップS304〜S307の測定用電圧V1による処理とステップS308〜S311の測定用電圧V2による処理との順序は、入れ替わっても構わない。
図5は、制御装置50が実行するSOC−OCV特性曲線の補正制御の処理手順を示すフローチャートである。図6は、図5の補正制御によってSOC−OCV特性曲線を補正する具体例を示した図である。
図5に示す補正制御は、例えば、上述した充放電制御によって新たに各値(CCV最小値Vmin0、Vmin1、Vmin2、及びCCV最大値Vmax0、Vmax1、Vmax2)が取得されることによって開始される。
ステップS501:制御装置50は、定電流放電において、新たに取得した今回のCCV最小値Vmin0、Vmin1、Vmin2と、直近に取得してメモリなどに記憶した前回のCCV最小値Vmin0、Vmin1、Vmin2とを、それぞれ比較する。具体的には、制御装置50は、今回のCCV最小値Vmin0と前回のCCV最小値Vmin0とを比較し、今回のCCV最小値Vmin1と前回のCCV最小値Vmin1とを比較し、今回のCCV最小値Vmin2と前回のCCV最小値Vmin2とを比較する。
ステップS502:制御装置50は、定電流充電において、新たに取得した今回のCCV最大値Vmax0、Vmax1、Vmax2と、直近に取得してメモリなどに記憶した前回のCCV最大値Vmax0、Vmax1、Vmax2とを、それぞれ比較する。具体的には、制御装置50は、今回のCCV最大値Vmax0と前回のCCV最大値Vmax0とを比較し、今回のCCV最大値Vmax1と前回のCCV最大値Vmax1とを比較し、今回のCCV最大値Vmax2と前回のCCV最大値Vmax2とを比較する。
ステップS503:制御装置50は、放電側及び充電側について今回値と前回値との間に所定の乖離があったか否かを判断する。乖離の有無は、例えば、値の乖離量(電圧差分)によって判断してもよいし、値の乖離率(電圧変化率)によって判断してもよい。また、放電側における乖離の有無と充電側における乖離の有無とを、同じ基準で判断してもよいし、異なる基準で判断してもよい。また、放電側においてVmin0の乖離の有無、Vmin1の乖離の有無、及びVmin2の乖離の有無を、同じ基準で判断してもよいし、異なる基準で判断してもよく、充電側においてVmax0の乖離の有無、Vmax1の乖離の有無、Vmax2の乖離の有無を、同じ基準で判断してもよいし、異なる基準で判断してもよい。今回値と前回値との間に所定の乖離があった場合には(ステップS503、はい)、ステップS504に進み、それ以外の場合には(ステップS503、いいえ)、SOC−OCV特性曲線を補正する必要がないとして本補正制御処理を終了する。
ステップS504:制御装置50は、今回値と前回値との間に所定の乖離があったのが、放電側及び充電側の双方なのか否かを判断する。放電側及び充電側の双方に所定の乖離があった場合には(ステップS504、はい)、ステップS505に進み、それ以外の場合、すなわち放電側又は充電側のいずれか一方のみに所定の乖離があった場合には(ステップS504、いいえ)、ステップS508に進む。
ステップS505:制御装置50は、上記ステップS503で判断した乖離の状態に基づいて、SOC−OCV特性曲線を補正する。補正の方法については、特に限定しないが、乖離量(電圧差分)の平均値、最大値、最小値、中間値などを補正量として用いることが例示できる。図6に、各値の乖離状態に基づいてSOC−OCV特性曲線を補正する一例を示す。図6の例では、CCV最小値Vmin0、Vmin1、Vmin2、CCV最大値Vmax0、Vmax1、Vmax2の全てに所定の乖離が見られたため、現在SOCの推定に使用しているSOC−OCV特性曲線(点線)を、乖離の状態に基づいて定まる補正量を用いて補正し、補正後の曲線を今以降のSOCの推定に使用するSOC−OCV特性曲線(実線)として更新している。
ステップS506:制御装置50は、補正後のSOC−OCV特性曲線から目標SOCに応じた新OCVを導出する。例えば、第2バッテリ30のフラット領域とフラット領域以外の変化領域との境界の充電率を目標SOCとしている場合には、図6では電圧V0’が新OCVとして導出される。
ステップS507:制御装置50は、導出した新OCVに基づいて、DCDCコンバータ20の指示電圧を更新する。図6の例では、DCDCコンバータ20の指示電圧が、電圧V0から電圧V0’に更新される。DCDCコンバータ20の指示電圧の更新が完了すると、本補正制御処理が終了する。
ステップS508:制御装置50は、放電側又は充電側のいずれか一方のみに所定の乖離が見られたため、第2バッテリ30に異常があると判断して、第2バッテリ30の異常を車両の乗員や外部の管理センターなどに通知する。この通知は、車両に備えられた所定の通知部(図示せず)を介して、画像表示、音声出力、光の点灯、振動などを利用した既存の技術を用いて実施することができる。第2バッテリ30に異常が通知されると、本補正制御処理が終了する。
なお、上記実施形態では、新たに取得した今回値を直近に取得して記憶した前回値と比較して乖離を判断する例を説明したが、今回値を複数の過去値と比較して総合的に乖離を判断しても構わない。
[作用・効果]
以上のように、本発明の一実施形態に係る制御装置50によれば、第2バッテリ30の端子電圧(CCV最小値、CCV最大値)を新たに取得すると、直近に取得して記憶した第2バッテリ30の端子電圧との乖離に基づいて、第2バッテリ30のSOC−OCV特性曲線を適宜補正する。これにより、経年劣化した第2バッテリ30の充電率(SOC)を高精度に推定することができる。
特に、本発明の一実施形態に係る制御装置50では、複数の測定用電圧として、第2バッテリ30のSOC−OCV特性曲線におけるフラット領域とフラット領域以外の領域との境界の充電率に第2バッテリ30を制御するための電圧V0、電圧V0よりも所定値だけ高い電圧V1、及び電圧V0よりも所定値だけ低い電圧V2の3つを用いる。この電圧V0、V1,及びV2のように複数の測定用電圧において第2バッテリ30の端子電圧を数多くサンプリングすることで、乖離の判断精度が向上し、SOC−OCV特性曲線を適切に補正することができる。これにより、制御装置50は、補正したSOC−OCV特性曲線に基づいて、第2バッテリ30の充電率を目標SOCとする最適な充放電制御を実施することができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、制御装置が実行する充放電制御方法及び補正制御方法、その制御プログラム及び制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体、あるいは制御装置を搭載した車両として捉えることができる。
本発明の制御装置は、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、及び電気自動車などに利用可能である。
1 電源システム
10 第1バッテリ
20 DCDCコンバータ
30 第2バッテリ
40 車載機器
50 制御装置
51 電圧制御部
52 取得部
53 補正部

Claims (5)

  1. 電池の充放電を制御する制御装置であって、
    前記電池の充電率を制御するDCDCコンバータの指示電圧を、複数の異なる所定の測定用電圧に順次切り替えて制御する電圧制御部と、
    前記電圧制御部によって切り替えられる前記測定用電圧の各々において、定電流放電を行った際の前記電池の端子電圧と定電流充電を行った際の前記電池の端子電圧とをそれぞれ取得する取得部と、
    前記取得部が新たに取得する複数の前記端子電圧と前記取得部が直近に取得した複数の前記端子電圧との比較に基づいて、前記電池の充電率と開放端電圧との関係を示すSOC−OCV特性曲線を補正する補正部と、を備える、
    制御装置。
  2. 前記電池の前記SOC−OCV特性曲線は、充電率に対する開放端電圧の変化率が所定値以下であるフラット領域を有しており、
    前記電圧制御部は、前記DCDCコンバータの前記測定用電圧の1つとして、前記フラット領域と前記フラット領域以外の領域との境界の充電率に前記電池を制御するための第1電圧に切り替える、
    請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記電圧制御部は、前記DCDCコンバータの前記測定用電圧として、前記第1電圧、前記第1電圧よりも所定値だけ高い第2電圧、及び前記第1電圧よりも所定値だけ低い第3電圧に切り替える、
    請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記補正部は、前記取得部が新たに取得する複数の前記端子電圧と前記取得部が直近に取得した複数の前記端子電圧との間に所定の乖離がある場合に、乖離の量に基づいて前記SOC−OCV特性曲線を補正する、
    請求項1乃至3のいずれか1項に記載の制御装置。
  5. 定電流放電を行った際の前記電池の端子電圧及び定電流充電を行った際の前記電池の端子電圧のいずれか一方だけに乖離がある場合、前記電池の異常を示す所定の通知を行う通知部をさらに備える、
    請求項4に記載の制御装置。
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