JP2021069159A - 電源装置、推定方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子の劣化を簡単な構成で、簡便に、かつ適正に推定することが可能な電源装置、推定方法、及びコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】電源装置１は、第１蓄電素子２と、第１蓄電素子２とは種類が異なり、第１蓄電素子２へ電力を供給可能な第２蓄電素子４と、第２蓄電素子４から第１蓄電素子２への充電の回数に基づいて、第１蓄電素子２の劣化を推定する推定部９１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置、推定方法、及びコンピュータプログラムに関する。

鉛蓄電池は、車両等の各種移動体に用いられて、様々な負荷に電源を供給している。典型的に、鉛蓄電池は内燃機関（以下、単に「エンジン」という）の始動時に、スタータへ電源を供給する。鉛蓄電池は、種々の原因により過放電状態となり、サルフェーションが生じて容量が低下し、エンジン始動ができなくなることがある。
鉛蓄電池は、寿命末期であることを示す現象が現れることなく、突然使用できなくなることがある。鉛蓄電池は、交換のタイミングを適切に判定するのが困難である。

鉛蓄蓄電池の使用の可否、使用方法、交換タイミング等を決定する上で、電池のＳＯＨ（State of Health：容量維持率、容量低下率、抵抗値等）を簡便に、かつ適正に推定することは重要である。

特許文献１の状態判定装置においては、鉛蓄電池等のサブバッテリ、及びメインバッテリを、メインリレーと双方向コンバータとを介して接続している。車両停止時、即ちメインリレーがオフ状態の場合、双方向コンバータを介してサブバッテリから平滑コンデンサに電力を供給し、その時の電流及び電圧からサブバッテリの内部抵抗値を推定し、劣化を推定する。

特開２０１４−２３０３４３号公報

特許文献１の状態判定装置においては、サブバッテリから平滑コンデンサに電力を供給し、電流及び電圧を検出してサブバッテリの劣化を推定するので、回路の構成が複雑であり、推定の処理が煩雑である。簡単な構成で、簡便に、かつ適正に、鉛蓄電池等の蓄電素子の劣化を推定することが望まれている。

本発明の目的は、蓄電素子の劣化を簡単な構成で、簡便に、かつ適正に推定することが可能な電源装置、推定方法、及びコンピュータプログラムを提供することにある。

本発明の一態様に係る電源装置は、第１蓄電素子と、前記第１蓄電素子とは種類が異なり、前記第１蓄電素子へ電力を供給可能な第２蓄電素子と、前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。

本発明の一態様に係る推定方法は、第１蓄電素子とは種類が異なる第２蓄電素子から供給される電力により前記第１蓄電素子を充電し、前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する。

本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、第１蓄電素子とは種類が異なる第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する処理をコンピュータに実行させる。

上記構成により、蓄電素子の劣化を簡単な構成で、簡便に、かつ適正に推定することができる。

実施形態に係る電源システムを備える車両の構成を示すブロック図である。 １週間以内の充電の回数ｎと容量低下率との第１関係を示すグラフである。 制御部による第１電池の劣化の推定処理の手順を示すフローチャートである。 スイッチをオンにし、第２電池から第１電池への充電を行う状態を示すブロック図である。

（実施形態の概要）
電源装置は、第１蓄電素子と、前記第１蓄電素子とは種類が異なり、前記第１蓄電素子へ電力を供給可能な第２蓄電素子と、前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。

本発明者等は、第１蓄電素子と、その第１蓄電素子へ電力を供給可能な第２蓄電素子とを備えた電源装置において、第１蓄電素子のＳＯＣ（State Of Charge）が低くなって第２蓄電素子から充電される回数が多くなった場合、第１蓄電素子が劣化していると判定できることを見出した。
上記構成によれば、充電の回数に基づいて、簡単な構成で、簡便に、かつ適正に第１蓄電素子の劣化を推定できる。

上述の電源装置において、前記推定部は、所定期間内の前記充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定してもよい。

所定期間内の充電の回数が多い、即ち充電の頻度が高い場合、第１蓄電素子の劣化が進行していると考えられる。上記構成によれば、充電の回数の頻度に基づいて、より適正に第１蓄電素子の劣化を推定できる。

上述の電源装置において、前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて前記第１蓄電素子の劣化を報知する報知部を備えてもよい。

上記構成によれば、第１蓄電素子の劣化の報知により、ユーザは、第１蓄電素子の使用の可否、今後の使用方法、交換タイミング等を決定することができる。
従来、鉛蓄電池のユーザは、交換タイミング等の意思決定をするための客観的な情報を知り得なかった。上記構成により、第２蓄電素子から第１蓄電素子への充電の回数という客観的な情報をユーザが知ることができ、意思決定に役立てることができる。

推定方法は、第１蓄電素子とは種類が異なる第２蓄電素子から供給される電力により前記第１蓄電素子を充電し、前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する。

コンピュータプログラムは、第１蓄電素子とは種類が異なる第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する処理をコンピュータに実行させる。

（実施形態の詳細）
図１は、実施形態に係る電源システム１を備える車両の構成を示すブロック図である。
車両は、電源システム１と、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧＮという）１１と、制御装置１２と、オルタネータ１３と、スタータ１４と、補機１５とを備える。
電源システム１は、第１電池２と、ＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）３、５と、第２電池４と、電流センサ６、７と、スイッチ部８と、制御装置９とを備える。第１電池２が鉛蓄電池である場合、制御装置１２がＣＭＵ３の機能を兼ねてもよい。代替的に、ＣＭＵ３、５の機能を制御装置９が兼ねる場合、個別の電池２、４にＣＭＵ３、５は設けられなくてもよい。制御装置９の機能を、第２電池４に搭載される回路基板が兼ねる場合、制御装置９は設けられなくてもよい。
本実施形態においては、制御装置９が推定部として機能する。代替的に、電源システム１の外部に配置される制御装置１２が、制御装置９が出力する情報に基づいて劣化推定を実行してもよい。また、制御装置９又は制御装置１２と有線接続若しくは無線接続されるコンピュータやサーバが、制御装置９が出力する情報に基づいて劣化推定を実行してもよい。

ＩＧＮ１１により、車両は、車両停止のオフ状態、車両走行前及び車両走行時のオン状態、エンジン始動時のスタート状態に切り換わる。オルタネータ１３は、制動時及びアクセルオフ時にエンジンの回転力を回生電力に変換する。スタータ１４は、エンジンを始動する。ＩＧＮ１１によりスタート状態に切り換えられ、第１電池２からスタータ１４へ電力が供給されることで、スタータ１４が回転し、クランクシャフトを介してスタータ１４の回転力がエンジンに伝達され、エンジンが始動する。補機１５としては、例えばルームランプ、各種ライト、エアコンディショナ、ファン、ラジオ、テレビ、ＣＤプレーヤ、カーナビゲーションシステム等が挙げられる。

制御装置１２は、制御部１２ａ、表示部１２ｂ、及び通信部１２ｃを備える。図１において、記憶部、計時部、入力部等は省略している。
制御部１２ａは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成され、車両の動作を制御する。
表示部１２ｂは、液晶パネル又は有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示パネル等で構成することができる。制御部１２ａは、表示部１２ｂに所要の情報を表示するための制御を行う。
通信部１２ｃは、ネットワークを介して制御装置９等の他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。

本実施形態では、第１電池２は鉛蓄電池である。第１電池２は、ケースと、正極端子と、負極端子と、ケース内の複数のセル室に夫々収容された極板群とを備える。セル室には、希硫酸を含む電解液が収容されており、極板群の全体が電解液中に浸漬している。極板群は、複数の正極板と、複数の負極板と、セパレータとを備える。複数の正極板及び複数の負極板は、交互に並ぶように配置されている。

第２電池４はリチウムイオン二次電池である。第２電池４は、セルを複数直列に接続してなる組電池であってもよい。セルは、ケースと、蓋板と、蓋板に設けられた正極端子及び負極端子と、電極体とを備える。セルは、プリズマティックセルに限定されず、パウチセルであってもよいし、円筒型セルであってもよい。電極体は正極板、セパレータ、及び負極板を積層してなり、ケースに収容されている。電極体は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平状に巻回して得られるものであってもよい。電極体は、巻回型に限定されず、矩形状の正極板、セパレータ、及び負極板を積層した積層型のものであってもよい。

スイッチ部８は、直列に接続された２つのスイッチ８１とスイッチ８２とを備えてもよい。図１において、充電制御回路は省略している。スイッチ８１及びスイッチ８２は、大電流を流せる、リレーや、パワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子からなる。スイッチ８１とスイッチ８２との接続点は、スタータ１４及び補機１５、並びにオルタネータ１３に接続されている。スイッチ８１の他端、スイッチ８２の他端は、第１電池２の正極端子、第２電池４の正極端子に夫々接続されている。

オルタネータ１３から供給される回生電力を電源システム１で受け入れる場合、スイッチ８１及びスイッチ８２の一方をオンにすることで、オルタネータ１３に、第１電池２及び第２電池４の一方を接続する。
電源システム１から、スタータ１４又は補機１５に放電する場合、スイッチ８１及びスイッチ８２の一方をオンにすることで、スタータ１４又は補機１５に、第１電池２及び第２電池４の一方を接続する。
図１においては、スイッチ８１がオンであり、第１電池２からスタータ１４へ電力が供給されている状態を示している。

ＣＭＵ３、５は、第１電池２、第２電池４の電圧、電流等の状態を監視する電子制御装置（監視基板）である。ＣＭＵ３、５は夫々電圧センサを備え、第１電池２、第２電池４の電圧を検出する。電流センサ６はＣＭＵ３に接続されており、ＣＭＵ３は、第１電池２に流れる電流を検出する。電流センサ７はＣＭＵ５に接続されており、ＣＭＵ５は、第２電池４に流れる電流を検出する。

制御部９１は、制御部１２ａと同様の構成を有してもよく、電源システム１の動作を制御する。
制御部９１は、後述する劣化推定プログラム９７を読み出して実行することにより、劣化推定の処理を実行する。

計時部９３は経過時間をカウントする。
入力部９４は、ＣＭＵ３、ＣＭＵ５から、第１電池２、第２電池４の電流及び電圧の検出結果の入力を受け付ける。
通信部９５は、ネットワーク１０を介して制御装置１２等の他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。

記憶部９２は、各種のプログラム及びデータを記憶する。記憶部９２には、劣化推定プログラム９７が格納されている。劣化推定プログラム９７は、例えばＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢメモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体９６に格納された状態で提供され、制御装置９にインストールすることにより記憶部９２に格納される。また、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから劣化推定プログラム９７を取得し、記憶部９２に記憶させてもよい。

記憶部９２には充放電の履歴データ９８も記憶されている。充放電の履歴とは、第１電池２及び第２電池４の動作履歴であり、第１電池２及び第２電池４が充電又は放電を行った期間（使用期間）を示す情報、使用期間において第１電池２及び第２電池４が行った充電又は放電に関する情報、第２電池４から第１電池２への充電に関する情報等を含む。第１電池２及び第２電池４の使用期間を示す情報とは、充電又は放電の開始及び終了の時点を示す情報、第１電池２及び第２電池４が使用された累積使用期間等を含む情報である。第１電池２及び第２電池４が行った充電又は放電に関する情報とは、第１電池２及び第２電池４が行った充電時又は放電時の電圧、レート等を示す情報である。第２電池４から第１電池２への充電に関する情報とは、充電の前の第１電池２の電圧、ＳＯＣ、充電の１週間以内の回数ｎ等を含む情報である。

記憶部９２には閾値テーブル９９も記憶されている。
予め実験により、１週間等の所定期間内の第２電池４から第１電池２への充電の回数と、容量低下率との第１関係を求めておく。
図２は、１週間以内の充電の回数ｎと容量低下率との第１関係を示すグラフである。横軸は充電の回数ｎ、縦軸は容量低下率（％）である。制御部９１は、容量低下率の許容量を超えた場合のｎを閾値ｂとして求め、閾値テーブル９９に記憶する。第１関係は、第１電池２の平均温度、レート等の使用条件毎に求め、閾値ｂを複数、閾値テーブル９９に記憶してもよい。第１関係としては、充電の回数と、容量維持率又は抵抗値との関係を求めてもよい。

図３は、制御部９１による第１電池２の劣化の推定処理の手順を示すフローチャートである。制御部９１は、所定のサンプリング時間毎に、以下の処理を繰り返す。
制御部９１は、リセット時間であるか否かを判定する（Ｓ１）。例えば、制御部９１が、１週間毎に、第２電池４から第１電池２への充電の回数ｎを計数して、劣化を判定する。制御部９１は、前回のリセットから１週間が経過したか否かを判定することにより、リセット時間であるか否かを判定する。

制御部９１はリセット時間でないと判定した場合（Ｓ１：ＮＯ）、処理をＳ３へ進める。
制御部９１はリセット時間であると判定した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、充電の回数ｎを「０」にリセットする（Ｓ２）。
制御部９１は、エンジンが停止したか否かを判定する（Ｓ３）。制御部９１は、エンジンが停止していないと判定した場合（Ｓ３：ＮＯ）、処理を終了する。

制御部９１は、エンジンが停止したと判定した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、ＣＭＵ３により第１電池２の電圧を取得する（Ｓ４）。
制御部９１は、ＳＯＣ−ＯＣＶ（開回路電圧）曲線等から、第１電池２のＳＯＣを取得する。制御部９１は、取得したＳＯＣが閾値ａ以下であるか否かを判定する（Ｓ５）。閾値ａは、第２電池４から第１電池２への充電を要するＳＯＣである。制御部９１は、ＳＯＣが閾値ａ以下でないと判定した場合（Ｓ５：ＮＯ）、処理を終了する。
制御部９１は、ＳＯＣが閾値ａ以下であると判定した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、スイッチ８１及び８２をともにオンにし、第２電池４から第１電池２への充電を行う（Ｓ６）。
図４は、スイッチ８１及び８２をオンにし、第２電池４から第１電池２への充電を行う状態を示すブロック図である。

制御部９１は、充電の回数ｎを「１」、インクリメントする（Ｓ７）。
制御部９１は、閾値テーブル９９を読み出して閾値ｂを取得し、ｎがｂ以上であるか否かを判定する（Ｓ８）。閾値テーブル９９が、第１電池２の平均温度、スタータ１４への充電のレート等の使用条件毎に求められている場合、制御部９１は、条件に応じて、閾値ｂを取得する。

制御部９１は、ｎがｂ以上であると判定した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、制御装置１２の制御部１２ａへ第１電池２が劣化していることを報知し（Ｓ９）、処理をＳ１０へ進める。制御部１２ａは表示部１２ｂにおいて、第１電池２が劣化していることを表示する。ユーザへの報知手段としては、音声で知らせる、カーナビゲーションシステムのディスプレイへのメッセージ表示を行う等してもよい。なお、報知はエンジン作動時に行ってもよい。制御装置９が表示部又は音声出力部を備える場合、該表示部又は音声出力部により報知を行ってもよい。

制御部９１は、充電を終了するか否かを判定する（Ｓ１０）。制御部９１は、充電時間が所定時間を超えたか否かを判定する、又は第２電池４の残存容量が閾値以下になったか否かを判定する等して、充電を終了するか否かを判定する。制御部９１は充電を終了しないと判定した場合（Ｓ１０：ＮＯ）、この判定処理を繰り返す。
制御部９１は充電を終了すると判定した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、処理を終了する。

本実施形態によれば、１週間以内の充電の回数ｎに基づいて、簡単な構成で、簡便に、かつ適正に第１電池２の劣化を推定できる。
劣化の報知により、ユーザは、第１電池２の使用の可否、今後の使用方法、交換等を決定することができる。上述したように、鉛蓄電池は交換のタイミングが分かり難いが、劣化の報知により、ユーザは交換のタイミングを知ることができる。

前記実施形態は、制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１週間以内の充電の回数ｎに基づいて、劣化を推定する場合に限定されない。所定の期間内の充電の回数に基づいて、劣化を推定できる。所定の期間の経過時の充電の回数に基づいて、劣化を推定してもよい。また、期間を区切らず、充電の初回からの合計の回数を計数し、計数した回数が、予め実験により求めた閾値を超えたか否かを判定して、劣化を推定してもよい。

本発明に係る推定方法は、エンジン車両以外の車両（ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ））、車両以外の移動体、発電設備、電力需要設備、鉄道用回生電力貯蔵装置等の電源装置にも適用できる。
第１電池２は鉛蓄電池に限定されず、第２電池４はリチウムイオン二次電池には限定されない。第１電池２及び第２電池４は、他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。

１ 電源システム（電源装置）
２ 第１電池（蓄電素子）
３、５ ＣＭＵ
４ 第２電池（蓄電素子）
６、７ 電流センサ
８ スイッチ部
８１、８２ スイッチ
９、１２ 制御装置
９１、１２ａ 制御部
９２ 記憶部
９３ 計時部
９４ 入力部
９５、１２ｃ 通信部
９６ 記録媒体
９７ 劣化推定プログラム
９８ 履歴データ
９９ 閾値テーブル
１２ｂ 表示部

Claims (5)

1. 第１蓄電素子と、
   前記第１蓄電素子とは種類が異なり、前記第１蓄電素子へ電力を供給可能な第２蓄電素子と、
   前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する推定部と
   を備える、電源装置。
2. 前記推定部は、所定期間内の前記充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１蓄電素子の劣化を報知する報知部を備える、請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 第１蓄電素子とは種類が異なる第２蓄電素子から供給される電力により前記第１蓄電素子を充電し、
   前記第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する、推定方法。
5. 第１蓄電素子とは種類が異なる第２蓄電素子から前記第１蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第１蓄電素子の劣化を推定する
   処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。

Images