JP2022167921A - 蓄電池制御装置および制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】SOHQ演算方法において、2点のSOCvとその間での電流積算値により満充電容量を算出する方法が知られているが、OCV推定誤差等の多様な誤差要因によりSOHQの精度が低下してしまう課題がある。【解決手段】電池情報取得部と、SOCを演算するSOC演算部と、電流積算量を出力する電流積算部と、SOHRとSOHQとの相関関係及び前記SOHRの現在値を元に第1のSOHQを演算する第1のSOHQ演算部と、前記電流積算量及び前記SOCを元に第2のSOHQを演算する第2のSOHQ演算部と、前記第1のSOHQと前記第2のSOHQを用いて第3のSOHQを出力する第3のSOHQ演算部と、前記SOHRの変化を検知するSOHR変化検知部と、を備え、前記SOHR変化検知部が所定の状態を検知した場合、前記第3のSOHQ演算部は、前記第1のSOHQは用いずに前記第2のSOHQを用いて前記第3のSOHQを演算する。【選択図】図7

Description

本発明は、リチウムイオン電池等を用いた蓄電池システムの、特に劣化状態を推定する方法に関する。
近年、地球温暖化問題に対応するため、エネルギーの有効利用が可能な蓄電池に注目が集まっている。特に、移動体向け蓄電装置や系統連系安定化用蓄電装置といった電池システムは、化石燃料への依存度を下げることが可能であるため、一層の普及が期待されている。これらシステムの性能を引き出すには電池の充電率(State of Charge、以下SOCと略す)や劣化度(State of Health、以下SOHと略す)、充放電可能な最大電流(許容電流)といったパラメータを用いた適切な充放電制御や、各電池の充電率均等化が必要である。これらを実現するため各電池には電池電圧計測用の回路(セルコントローラ)が取り付けられ、これらセルコントローラから送信される情報に基づき中央演算処理装置(CPU)を搭載したバッテリコントローラが前記演算や動作を実行する。
中でも寿命到達まで電池を有効に使用するために重要な指標となるSOH演算には、抵抗(内部抵抗)の劣化率(以下SOHRと略す)と容量の劣化率(以下SOHQと略す)の2種類があり、それぞれによって把握できる電池性能は異なる。SOHRでは、現在の抵抗を知ることが出来るため、現在の電池が出力できる電力を知ることで出力性能の把握が可能である。一方でSOHQでは、現在の満充電容量を知ることができるため、現在の電池の負担できる電力量を知ることで容量性能の把握が可能である。
このSOHQを演算する方法として、充放電中の電圧から推定した2点の開放電圧(Open Circuit Voltage、以下OCVと略す)を元に算出したSOC(以下SOCvと略す)と、その2点間の電流積算値に基づいて現在の満充電容量を推定し、電池の初期満充電容量と比較することでSOHQを演算する方法が知られている。しかし、電池が充放電されている状態でOCVを正確に推定することは困難である上に、電圧センサの誤差や電流センサの誤差等多くの誤差要因により、SOHQの真値を精度よく推定できず、真値から大きく乖離した外れ値を出力してしまう課題を有している。
SOHQ演算に関する先行技術には特許文献1がある。この文献では、SOCvと電流積算値によって演算したSOHQと、電池の使用が開始されてから現在までの総放電容量に基づいて推定したSOHQを組み合わせることで、SOHQの外れ値を除外し高精度化を図っている。一方で、総放電容量に基づいて推定したSOHQとは、電池の代表的な特性値からSOHQと総放電容量の関係式を導いているため、電池のSOHQの個体差や総放電容量に依らない劣化要因には対応できないという課題を有している。
特開2016-070682
SOHQ演算方法においては、2点のSOCvとその間での電流積算値により満充電容量を算出する方法が知られているが、OCV推定誤差等の多様な誤差要因によりSOHQの精度低下が課題であった。また、このSOHQと総放電容量から算出したSOHQを組み合わせることでこの精度向上を図る方法も知られているが、電池の個体差や総放電容量に依らない劣化要因に対応できないという課題を有している。故に、SOHQ演算には、SOHQの精度が向上することと、電池個体差や電池の多様な劣化要因にも対応可能である必要がある。
電流センサ、温度センサ及び電圧センサを含む電池情報取得部と、前記電池情報取得部で取得した電流値、電圧値及び温度から推定した開放電圧であるOCVを元に電池の充電率であるSOCを演算するSOC演算部と、前記電流センサが取得した電流値から電流積算量を出力する電流積算部と、前記電池の抵抗の劣化率であるSOHRと前記電池の容量の劣化率であるSOHQとの相関関係及び前記SOHRの現在値を元に第1のSOHQを演算する第1のSOHQ演算部と、前記電流積算量及び前記SOCを元に第2のSOHQを演算する第2のSOHQ演算部と、前記第1のSOHQと前記第2のSOHQを用いて第3のSOHQを出力する第3のSOHQ演算部と、前記SOHRの変化を検知するSOHR変化検知部と、を備え、前記SOHR変化検知部が所定の状態を検知した場合、前記第3のSOHQ演算部は、前記第1のSOHQは用いずに前記第2のSOHQを用いて前記第3のSOHQを演算する。
本発明によれば、電池のSOHQを高精度に演算することが可能であり、且つ、電池情報から直接的に推定している内部抵抗の劣化指標SOHRに基づくSOHQ閾値を用いることで、電池個体差や多様な劣化要因にも対応可能である。
蓄電池システムの構成例 SOCv演算部の構成例 SOHRとSOHQの相関関係に基づくSOHQ演算部の例 SOCvに基づくSOHQとSOHRに基づくSOHQの差による重み付け例 SOHRとSOHQの相関関係の例 電池の使用履歴に対応するSOHQ演算部の例 SOHRの急変に対応するSOHQ演算部の例
以下、本発明について説明する。
≪実施例1≫
以下、第一の実施例について、図1から4を用いて説明する。図1に本発明にかかる電池システムを示す。この構成は移動体向け蓄電装置、系統連系安定化用蓄電装置等幅広い用途で使用される形態であり、電力を蓄える電池システム1と、電池システム1に対し充放電を行うインバータ104と、インバータに接続された負荷105と、電池システム1やインバータ104を制御する上位コントローラ103から構成される。
電池システム1は、電力の蓄電や放電及びこれらに必要な制御値であるSOCや、電池の現在の性能把握に必要な制御値であるSOH許容電流等の電池の制御値演算を行う。上位コントローラ103は、負荷105の状態や電池システム1が出力した電池の制御値、その他外部からの指令に応じ蓄電池モジュール100の制御や、インバータ104に対する電力の入出力指令を行う。インバータ104は上位コントローラ103からの指令に従い、蓄電池モジュール100及び負荷105に対して電力の入出力を行う。負荷105は例えば三相交流モータや電力系統である。
蓄電池モジュール100の出力する電圧は充電率に応じて変化する直流電圧であり、多くの場合交流を必要とする負荷105へ電力を直接提供することはできない。そこで、インバータ104は必要に応じ直流から交流への変換や電圧の変換を行う。このような構成にすることで、電池システムは負荷に適した出力を適宜供給することが可能となる。以下、この構成を実現するための電池システム1の構成について述べる。
電池システム1は蓄電池モジュール100と、蓄電池情報取得部101と、バッテリーマネジメントシステム102から構成され、電力の蓄電・放電をし、SOC・許容電流といった電池の制御値を演算する。
蓄電池モジュール100は複数の蓄電池から構成される。各蓄電池は蓄電池モジュール100に要求される出力電圧や容量に応じ、直列、又は並列に接続されている。この直列数は、蓄電池の出力電圧がそのSOCに応じ変化することを考慮して決定する。
蓄電池情報取得部101は、蓄電池に流れる電流値を測定する電流センサ106、蓄電池表面温度を測定する温度センサ107、蓄電池電圧を測定する電圧センサ108から成る。
電流センサ106は蓄電池モジュール100と外部との間に1つ、もしくは複数設置する場合がある。1つ設置した場合にはコストを最小限に抑えることが可能である。複数設置した場合には並列接続している蓄電池間の電流配分を把握することが可能である。
電圧センサ108は各蓄電池に1つ設置する。これにより各蓄電池間の電圧差測定が可能となり、これを元にした各蓄電池電圧の均等化制御が可能となる。
温度センサ107も蓄電池モジュール100内の温度差を把握するために1つ、もしくは複数設置する。1つ設置した場合には、最小限のコストで蓄電池モジュール100内の最高温度になる予測できる地点の温度を計測できる。複数設置した場合には、蓄電池モジュール100内の温度ばらつきを計測することで、最低温度や最高温度を考慮した制御構築が可能となる。
バッテリーマネジメントシステム102は主にSOC演算部109、SOH演算部110、許容電流演算部111から成る。SOC演算部109は電流積算量からSOCを演算するSOCi演算部112と、電池の電圧、電流、温度から推定したOCVを元にSOCを演算するSOCv演算部113から成る。SOH演算部110は、これら電池取得部101からの情報とSOCを元に、抵抗(内部抵抗)の劣化率であるSOHRを演算するSOHR演算部114と容量の劣化率であるSOHQを演算するSOHQ演算部115から成る。許容電流演算部111はこのSOH及び電池情報を元にして充放電可能な最大電流である許容電流を演算する。バッテリーマネジメントシステム102は、これらSOC演算部109とSOH演算部110、許容電流演算部111が演算した電池のSOCやSOH、許容電流を上位コントローラに出力する。このように上位コントローラ103に蓄電池の制御に必要な情報を出力する構成にすることで、上位コントローラ103は蓄電池状態を考慮した上で、負荷に対応した電力出力指令を蓄電池に送ることができる。
SOCv演算部113は蓄電池の等価回路を用いてSOCを演算している。演算に用いる電池等価回路モデルの構成を図2に示す。本実施例で使用する電池等価回路モデルは、OCVを電圧源200で、電解液の抵抗等を表現する直流抵抗を抵抗201で、電解液中のイオンの濃度分極等に由来する分極部202の抵抗成分を抵抗203で、分極容量成分をキャパシタ204でそれぞれ表現し、これらの足し合わせで電池の現在の電圧(Closed circuit voltage、以下CCVと略す)を表現する。尚本実施例では分極項を1個としているが、複数個用いて高精度化を図ってもよい。この等価回路モデルを用いることで、前述した蓄電池情報取得部101で測定した電流値、電圧値、温度の各電池情報から、現在の蓄電池のOCVを推定することでSOCを演算することが可能となる。
SOHQ演算部115の構成を図3に示す。SOHQ演算部115では、まずSOCv演算部113から逐次出力されるSOCvの中から演算に適切な2点のSOCv1、2をSOCv2点演算部300によって選択する。前述したようにSOCvとは電池の等価回路モデルを用いることでOCVを推定しSOCを算出している。この電池の等価回路モデルに誤差が少なく、SOC真値とSOCvが近い値を選択することが重要となる。また、このSOCv1、2間で流れた電流値を積算する電流積算部301によってSOCv1、2間の充放電容量∫Idtが演算される。このSOCv1、2と∫Idtを用いて電池情報から直接的に算出するSOHQ(以下SOHQSOCvと略す)がSOHQSOCv演算部302で演算する。このSOHQSOCvの演算式は以下の数(1)の通りである。
Figure 2022167921000002
Qmaxとは電池の初期の満充電容量である。このSOHQSOCvとは別にSOHR演算部114で演算されたSOHRとSOHQの相関関係により算出するSOHQ(以下SOHQSOHRと略す)をSOHQSOHR閾値演算部303が現在のSOHR値を元に演算する。この相関関係は、例えば反比例の関係式で簡易的に示しても良い。一般的にSOHRとSOHQの関係はこの反比例の関係に近いことが知られているため、代表電池を評価せずとも相関関係を容易に設定する事が可能である。
一方、代表電池のSOHRとSOHQの相関関係を測定しているのであれば、SOHRとSOHQの推移を測定した結果を相関式として導入しても良い。簡易的な反比例式よりも、作製した実電池の挙動を踏まえた相関関係を導入できるため、代表電池を測定しているのであればこちらを採用するのが良い。これらSOHQSOCvとSOHQSOHRを用いて最終的なSOHQ演算部304にて演算が完了しSOHQが外部に出力する。
最終的なSOHQ演算部304で行っている演算内容例を示す。図4に示すようにSOHQSOCvとSOHQSOHRの一致度αを定義する。この図4のAはSOHR演算やSOHQSOCvとSOHQSOHRの演算誤差を、BはSOHQがSOHRとの相関関係から最高でもB%乖離しうるという値で定めている。SOHQSOHRはαに用いられるのみで最終的な演算結果に直接反映させない処置としたため、SOHRとSOHQの代表電池の相関関係から乖離した劣化モードにも対応可能である。この一致度αを用いてSOHQ演算の前回結果SOHQ_zと(数2)で示す平均化処理を行うことで最終的なSOHQを演算している。
Figure 2022167921000003
Nとは平均化のサンプリング数である。SOHQは急激に変動しないため、SOHQ前回値とNを使用し、演算値の平滑化を図っている。
このような構成によって、SOHQSOHRによって劣化の起こりうる範囲を限定することが可能であるため、SOHQSOCvの課題であった誤差要因を低減し、高精度なSOHQ演算が可能である。
≪実施例2≫
以下、第二の実施例について、図5を用いて説明する。実施例1ではSOHRとSOHQの相関関係式を一つとして考え、そこから算出したSOHQSOHRとSOHQSOCvの差に応じて平均化処理を行っているが、SOHRとSOHQの関係式は複数持っても良い。本実施例では意図的に代表電池の相関関係から容量の劣化よりも抵抗(内部抵抗)の劣化が起こりやすいような場合と抵抗(内部抵抗)よりも容量の劣化が起こりやすい場合を想定して決定した相関関係を示す。出荷直後の電池はSOHRもSOHQも100%前後であるため劣化する以前はSOHRとSOHQの相関関係から大きく乖離することはない。しかし、劣化が進行するにつれて電池の使用方法によってはSOHQとSOHRは相関関係から大きく乖離してしまう。この乖離の挙動をあらかじめデータとして持っておくことが可能であれば図5のような閾値を設け、2つの曲線内であれば一致度αを1にするというようにしても良い。実施例1でも述べたようにSOHQとSOHR自体も演算誤差を持つため、この誤差を考慮し図5の曲線からC%乖離しても一致度αは1であるといいうようにしても良い。このようにすることで、SOHQ閾値演算部で出力する閾値が多様な劣化モードに対応可能で、且つ、劣化範囲を実施例1よりも高精度に把握可能となる。
≪実施例3≫
以下、第三の実施例について、図6を用いて説明する。SOHQSOHRとSOHQSOCvを比較する際の閾値は電池の使用履歴に基づいて狭めても良い。この構成に関して図6に示す。電流、温度、電圧情報を元に電池の使用温度、充放電回数等の使用履歴を記憶する使用履歴記憶部600が、履歴情報を履歴に基づくSOHQSOHR閾値演算部 601に出力する構成が図3との違いである。実施例2に示したように電池の複数の劣化モードを想定して曲線を決めている場合、電池の使用履歴によって想定される劣化モードの範囲が限定できる。例えば図5に示した抵抗劣化が起こりやすいような電池に近い使用履歴であった場合に、抵抗劣化が起こりやすい電池の曲線に近い範囲に劣化モードの範囲を限定することが可能である。このように動的に履歴情報から劣化範囲を特定していくことにより、実施例2よりもSOHQ演算の高精度化が可能である。
≪実施例4≫
以下、第四の実施例について、図7を用いて説明する。本実施例ではSOHRの演算値が急激に変化した場合には、SOHQの演算にSOHRの結果を使用しない構成に関して説明する。この構成に関して図7に示す。実施例1の構成との差は、SOHR演算値を逐次検知し急変か否かを判定するSOHR急変検知部700があることである。SOHRは基本的に急激に変化することはないため、SOHQSOHR閾値演算部の出力値も急変しない。しかし、例えば長時間電池が使用されず放置されていた場合に長時間の保存劣化の影響でSOHR演算値が急激に変動する場合がある。この時、急変するSOHR演算値によってSOHQ閾値も急変してしまうと、SOHQ演算が安定しない。故に、SOHRが急変しているとSOHR急変検知部701が判定した場合にはSOHQSOHRを使用せず、SOHQSOCvの結果のみを使用する構成とした。このようにすることで、SOHRの急変の影響を受けずに演算が可能である。
以上、本発明について簡単にまとめる。本発明では、電池の電流値及び/又は電圧値を含む値に基づいてSOHQを演算するSOHQ演算部と、電池の内部抵抗に基づいてSOHQ閾値を決定する閾値決定部と、SOHQ演算部によるSOHQとSOHQ閾値との比較に基づいてSOHQを決定するSOHQ決定部と、を備える。このような構成にすることによって、電池個体差や多様な劣化要因にも対応可能である。
また、本発明では、SOHQとSOHQ閾値との比較方法は電池の内部抵抗に応じて変化する。このような構成にすることによって、抵抗劣化が起こりやすいような電池に近い使用履歴であった場合に、抵抗劣化が起こりやすい電池の曲線に近い範囲に劣化モードの範囲を限定することが可能となる。
また、本発明では、電池制御装置は記憶部を有し、SOHQ閾値はあらかじめ記憶部に内蔵しておいた1つ以上の電池の劣化特性に基づいて決定する。
また、本発明では、電池制御装置は電池の現在までの温度や使用履歴によって、記憶部に内蔵されている電池の劣化特性のうち、最も劣化傾向の似ている電池データに基づきSOHQ閾値を決定する。このように動的に履歴情報から劣化範囲を特定していくことにより、よりSOHQ演算の高精度化が可能となる。
また、本発明では、電池制御装置は、内部抵抗の変化が急激であった場合にはSOHQ演算部のみに基づいて最終的なSOHQを演算する。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1 :電池システム100:蓄電池モジュール101:蓄電池情報取得部102:バッテリーマネジメントシステム103:上位コントローラ104:インバータ105:負荷106:電流センサ107:温度センサ108:電圧センサ109:SOC演算部110:SOH演算部111:許容電流演算部112:SOCi演算部113:SOCv演算部114:SOHR演算部115:SOHQ演算部200:OCV201:直流抵抗202:分極項203:分極抵抗204:分極キャパシタ300:SOCv2点選択部 301:電流積算部302:SOHQSOCv演算部303:SOHQSOHR閾値演算部304:最終的なSOHQ演算部600:使用履歴記憶部 601:履歴に基づくSOHQSOHR閾値演算部700:SOHR急変検知部

Claims (4)

  1. 電流センサ、温度センサ及び電圧センサを含む電池情報取得部と、
    前記電池情報取得部で取得した電流値、電圧値及び温度から推定した開放電圧であるOCVを元に電池の充電率であるSOCを演算するSOC演算部と、
    前記電流センサが取得した電流値から電流積算量を出力する電流積算部と、
    前記電池の抵抗の劣化率であるSOHRと前記電池の容量の劣化率であるSOHQとの相関関係及び前記SOHRの現在値を元に第1のSOHQを演算する第1のSOHQ演算部と、
    前記電流積算量及び前記SOCを元に第2のSOHQを演算する第2のSOHQ演算部と、
    前記第1のSOHQと前記第2のSOHQを用いて第3のSOHQを出力する第3のSOHQ演算部と、
    前記SOHRの変化を検知するSOHR変化検知部と、を備え、
    前記SOHR変化検知部が所定の状態を検知した場合、前記第3のSOHQ演算部は、前記第1のSOHQは用いずに前記第2のSOHQを用いて前記第3のSOHQを演算することを特徴とする電池制御装置。
  2. 請求項1に記載の電池制御装置において、
    前記第3のSOHQ演算部は、前記第2のSOHQと前記第1のSOHQの差と、前記第2のSOHQの現在値と、前記第3のSOHQの前回値と、を用いて、前記第3のSOHQの現在値を演算することを特徴とする電池制御装置。
  3. 請求項1に記載の電池制御装置において、
    前記相関関係は、抵抗劣化が起こりやすい場合のものと容量劣化が起こりやすい場合のものとを含む電池制御装置。
  4. 請求項3に記載の電池制御装置において、
    前記電池取得部が取得した電流値、電圧値及び温度から使用履歴を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記第1のSOHQ演算部は、前記使用履歴によって、抵抗劣化が起こりやすい場合の相関関係または容量劣化が起こりやすい場合の相関関係に限定し、前記第1のSOHQを演算することを特徴とする電池制御装置。
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