JP2023154612A - 電池残量推定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】2次電池の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の2次電池の特定残量に基づいて、2次電池の残量を推定する電池残量推定装置において、2次電池の残量を推定する精度を向上させる。
【解決手段】電池残量推定装置(50)は、2次電池(41)の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の2次電池の特定残量に基づいて、2次電池の残量を推定する。電池残量推定装置は、2次電池の残量が特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、2次電池の充電を開始する時までの所定期間における残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部(52)と、判定部により所定条件を満たすと判定された場合に、2次電池の充電中に所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の2次電池の残量を特定残量に基づいて推定する推定部(53)と、を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】電池残量推定装置(50)は、2次電池(41)の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の2次電池の特定残量に基づいて、2次電池の残量を推定する。電池残量推定装置は、2次電池の残量が特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、2次電池の充電を開始する時までの所定期間における残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部(52)と、判定部により所定条件を満たすと判定された場合に、2次電池の充電中に所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の2次電池の残量を特定残量に基づいて推定する推定部(53)と、を備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、2次電池の残量を推定する装置に関する。
従来、電圧検出部により検出される2次電池の電圧の変化量が極大値となる特異点が出現した時に、その時の2次電池の残存容量を特異点に対応した残存容量と推定する装置がある(特許文献1参照)。
ところで、2次電池の充電時に上記特異点を検出する場合、充電前の2次電池の放電状態によっては特異点が出現した時の残存容量(残量)が特異点に対応した残存容量から乖離することに、本願発明者は着目した。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、2次電池の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の2次電池の特定残量に基づいて、2次電池の残量を推定する電池残量推定装置において、2次電池の残量を推定する精度を向上させることにある。
上記課題を解決するための第1の手段は、
2次電池(41)の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の前記2次電池の特定残量に基づいて、前記2次電池の残量を推定する電池残量推定装置(50)であって、
前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記2次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部(52)と、
前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の前記2次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する推定部(53)と、
を備える。
2次電池(41)の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の前記2次電池の特定残量に基づいて、前記2次電池の残量を推定する電池残量推定装置(50)であって、
前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記2次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部(52)と、
前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の前記2次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する推定部(53)と、
を備える。
上記構成によれば、電池残量推定装置は、2次電池の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の前記2次電池の特定残量に基づいて、前記2次電池の残量を推定する。
ここで、本願発明者は、2次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くなると、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離することに着目した。この点、判定部は、前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記2次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量(以下、「充電前放電での残量変化量」という)が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する。このため、判定部は、前記2次電池の充電を開始する時までの所定期間における放電時の前記残量の変化量に基づいて、2次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。
そして、推定部は、前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の前記2次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する。このため、2次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くない状態で、充電中に所定パラメータが特異な変化をした時の残量を特定残量に基づいて推定することができる。したがって、2次電池の残量を推定する精度を向上させることができる。
第2の手段では、前記2次電池の残量は、電流と時間との積で表される前記2次電池の残容量、又は前記2次電池の満容量に対する残容量の比率を表す充電率である。
上記構成によれば、電流と時間との積で表される前記2次電池の残容量、又は前記2次電池の満容量に対する残容量の比率を表す充電率を用いて、2次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。
2次電池の内部には抵抗の高い部分と低い部分とがあり、充放電を行うと抵抗の低い部分に電流が集中して部分的に容量(蓄電量)の高い部分と低い部分とが生じる(容量ムラが発生する)。そして、容量ムラが発生した状態では、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離することに、本願発明者は着目した。容量ムラは、2次電池の残量に対する所定パラメータの変化率が所定変化率よりも高い高変化率部分を越えると解消しやすく、反対に2次電池の残量に対する所定パラメータの変化率が所定変化率以下である低変化率部分では解消しにくい。このため、低変化率部分での放電が長くなるほど容量ムラが発生しやすくなり、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離しやすくなる。
この点、第3の手段では、前記所定変化量は、前記2次電池の残量が前記特定残量よりも少ない範囲に存在する、前記2次電池の残量に対する前記所定パラメータの変化率が所定変化率以下である低変化率部分の幅に対応する前記2次電池の前記残量以下に設定されている。このため、2次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が、低変化率部分の幅に対応する前記2次電池の前記残量以下の状態で、前記2次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定することができる。したがって、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離することを抑制することができ、2次電池の残量を推定する精度が低下することを抑制することができる。
容量ムラは、2次電池の温度が高いほど解消しやすく、2次電池の温度が低いほど解消しにくい。
この点、第4の手段では、前記所定変化量は、前記2次電池の温度が低いほど、少ない変化量に設定される。こうした構成によれば、前記2次電池の温度が低いほど、充電前放電での残量変化量が少ないことを、上記所定条件として要求することができる。したがって、2次電池の温度が低い場合であっても、2次電池の残量を推定する精度が低下することを抑制することができる。
容量ムラは、放電速度が所定放電速度よりも低い状態(2次電池が放電されていない状態を含む)で維持された時間が長いほど解消しやすく、放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間が短いほど解消しにくい。
この点、第5の手段では、前記所定変化量は、前記2次電池の充電を開始する時までに放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間(以下、「低放電時間」という)が短いほど、少ない変化量に設定される。こうした構成によれば、前記2次電池の充電を開始する時までに低放電時間が短いほど、充電前放電での残量変化量が少ないことを、上記所定条件として要求することができる。したがって、前記2次電池の充電を開始する時までに低放電時間が短い場合であっても、2次電池の残量を推定する精度が低下することを抑制することができる。
2次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧は、2次電池の残量が上記特定残量を跨ぐ際に大きく変化することに、本願発明者は着目した。
この点、第6の手段では、前記所定パラメータは、前記2次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、前記判定部は、前記開回路電圧が所定電圧よりも高い場合に前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多いと判定し、前記開回路電圧が前記所定電圧よりも低い場合に前記2次電池の残量が前記特定残量よりも少ないと判定する。こうした構成によれば、開回路電圧を用いて、前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多いか少ないかを容易に判定することができる。
2次電池の残量が上記特定残量を挟んで少ない側と多い側とに、2次電池の残量に対する開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分が存在することに、本願発明者は着目した。
この点、第7の手段では、前記2次電池には、前記2次電池の残量に対する前記開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分が2つ存在し、前記所定電圧は、2つの前記低変化率部分にそれぞれ対応する前記開回路電圧の間に設定されている。こうした構成によれば、開回路電圧を用いて、前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。
第8の手段では、前記特定残量は、2つの前記低変化率部分の間に対応する残量である。
上記構成によれば、2つの前記低変化率部分に基づいて、特定残量を高精度に規定することができる。
2次電池が、黒鉛を含む負極を有するリチウムイオン電池である場合、リチウムイオンは黒鉛の層状構造の層間に吸蔵される。2次電池は、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に存在する、リチウムイオンが吸蔵されていない層間の数に応じて負極のステージが変化し、2次電池の残量に応じてステージ及び開回路電圧が変化する。そして、上記特定残量は特定のステージと相関することに、本願発明者は着目した。
この点、第9の手段では、前記2次電池は、黒鉛を含む負極を有するリチウムイオン電池であり、前記リチウムイオンは前記黒鉛の層状構造の層間に吸蔵され、各層間に前記リチウムイオンが吸蔵されたステージ1、前記リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が1つ存在するステージ2、前記リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が2つ存在するステージ3、及び前記リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が3つ存在するステージ4に変化し、前記所定電圧は、前記ステージ3と前記ステージ2とが共存する領域に対応する前記開回路電圧と、前記ステージ2と前記ステージ1とが共存する領域に対応する前記開回路電圧との間に設定されている。こうした構成によれば、2次電池の負極のステージと開回路電圧と特定残量との関係を用いて、前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。
第10の手段では、前記特定残量は、前記ステージ3と前記ステージ2とが共存する領域と、前記ステージ2と前記ステージ1とが共存する領域との間に対応する残量である。
上記構成によれば、2次電池の負極のステージに基づいて、特定残量を高精度に規定することができる。
具体的には、第11の手段のように、前記所定パラメータは、前記2次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、前記判定部は、前記開回路電圧に基づいて、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する、といった構成を採用することができる。
2次電池の残量に対するインピーダンスの変化率は、2次電池の残量が上記特定残量を跨ぐ際に大きく変化することに、本願発明者は着目した。
この点、第12の手段では、前記所定パラメータは、前記2次電池のインピーダンスであり、前記判定部は、前記2次電池の残量に対するインピーダンスの変化率に基づいて、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する。こうした構成によれば、2次電池の残量に対するインピーダンスの変化率を用いて、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを高精度に判定することができる。
具体的には、第13の手段のように、第6の手段において、前記2次電池は、リチウム、鉄、及びリンを含む正極を有するリチウムイオン電池である、といった構成を採用することができる。
(第1実施形態)
以下、電気自動車に搭載されるバッテリ制御装置に具現化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
以下、電気自動車に搭載されるバッテリ制御装置に具現化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、バッテリ制御装置100は、バッテリ40の容量や充放電状態を監視する装置である。バッテリ40は、充放電可能なリチウムイオン電池であり、具体的には、複数のリチウムイオン電池41が直列接続された組電池である。本実施形態では、リチウムイオン電池41(2次電池)として、正極活物質にリン酸鉄リチウム(リチウム、鉄、及びリンを含む)、負極活物質にグラファイト(黒鉛)を使用したものが用いられている。
バッテリ40は、インバータ20を介して、回転電機10に接続されている。回転電機10は、バッテリ40との間で電力の入出力を行うものであり、力行時には、バッテリ40から供給される電力により車両に推進力を付与し、回生時には、車両の減速エネルギーを用いて発電を行い、バッテリ40に電力を出力する。
バッテリ制御装置100は、電圧センサ30と、電流センサ31と、第1~第4リレースイッチ32~35と、電池監視装置としてのBMU(Battery Management Unit)50と、を備えている。
電圧センサ30は、バッテリ40を構成するリチウムイオン電池41それぞれの端子間電圧を検出し、これらの端子間電圧を合計したバッテリ電圧VBを検出する。電流センサ31は、バッテリ40とインバータ20とを接続する接続線LC上に設けられており、バッテリ40に対して流入及び流出する電流である充放電電流ISの大きさと向きを検出する。各センサの検出値は、BMU50に入力される。
バッテリ40は、第1,第2外部充電端子TA,TBを介して車外充電器200に接続可能に構成されている。車外充電器200は、例えばDC急速充電器である。バッテリ40は、第1,第2外部充電端子TA,TBに車外充電器200が接続されると、車外充電器200から入力される高圧の直流電力により定電流充電又は定電圧充電される。
第1,第2外部充電端子TA,TBは、第1,第2充電経路LA,LBを介して接続線LCに接続されている。具体的には、第1外部充電端子TAは、第1充電経路LAを介して、接続線LCにおけるバッテリ40の正極端子とインバータ20との間の第1接点PAに接続されている。第2外部充電端子TBは、第2充電経路LBを介して、接続線LCにおけるバッテリ40の負極端子とインバータ20との間の第2接点PBに接続されている。
第1リレースイッチ32は、接続線LCにおける第1接点PAとインバータ20との間に設けられており、第2リレースイッチ33は、接続線LCにおける第2接点PBとインバータ20との間に設けられている。第1,第2リレースイッチ32,33は、バッテリ40と回転電機10との接続状態を切り替える。また、第3リレースイッチ34は、第1充電経路LAに設けられており、第4リレースイッチ35は、第2充電経路LBに設けられている。第3,第4リレースイッチ34,35は、バッテリ40と車外充電器200との接続状態を切り替える。
BMU50は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インターフェースなどから構成される制御装置である。BMU50は、各センサから入力された検出値に基づいて、リチウムイオン電池41(バッテリ40)の容量を算出する。BMU50は、算出されたリチウムイオン電池41の容量に基づいて、リチウムイオン電池41の劣化状態を示すSOH(State Of Health)を算出する。SOH[%]は、リチウムイオン電池41の(現在の満容量/新品の満容量)×100で表され、新品のリチウムイオン電池41の満容量に対する現在のリチウムイオン電池41の満容量の比率を表す。BMU50は、後述する判定部52及び推定部53を備えている。なお、判定部52及び推定部53により、電池残量推定装置が構成されている。
また、BMU50は、第1~第4リレースイッチ32~35に接続されており、バッテリ40の容量に基づいて、第1~第4リレースイッチ32~35の接続状態を切り替える。さらに、BMU50は、車載ネットワークインタフェース51を介して、走行制御ECU70と通信可能に接続されており、バッテリ40の容量に基づいて回転電機10を制御する指令を走行制御ECU70に出力する。走行制御ECU70は、BMU50からの指令に基づき、回転電機10の制御量をその指令に従って制御すべく、インバータ20を制御する。制御量は、例えばトルクである。
ところで、リチウムイオン電池41(バッテリ40)の容量を算出する方法として、リチウムイオン電池41の充電状態を示すSOC(State Of Charge)と開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)との相関関係を示すSOC-OCV特性を用いる方法が知られている。開回路電圧OCVは、リチウムイオン電池41に負荷をかけていない状態(リチウムイオン電池41の回路を開いた状態)における両端子間の電圧である。なお、SOC(充電率)[%]は、リチウムイオン電池41の(残容量/満容量)×100で表され、リチウムイオン電池41の満容量に対する残容量の比率を表す。
本実施形態では、バッテリ40を構成するリチウムイオン電池41として、正極活物質にリン酸鉄リチウム、負極活物質にグラファイト(黒鉛)を使用したものを用いている。これらの活物質を用いたリチウムイオン電池41では、SOC(又は電池容量)の広い範囲で開回路電圧OCVが安定しており、SOCの変化に伴う開回路電圧OCVの変化が小さい領域、すなわちプラトー領域PRを有する。プラトー領域PR(低変化率部分)は、リチウムイオン電池41の容量(残量)に対する開回路電圧OCV(所定パラメータ)の変化率が所定変化率以下である。プラトー領域PRでは、SOC-OCV特性を用いてリチウムイオン電池41のSOCを算出し、容量を算出することが難しい。
図2は、初期及び劣化後のリチウムイオン電池41の容量QとOCVとの関係を示すグラフである。プラトー領域PR1とプラトー領域PR21,PR22との間において、リチウムイオン電池41の容量に対する開回路電圧OCVの変化率Rvが、プラトー領域PR1,PR21,PR22における変化率Rvよりも大きくなる。詳しくは、プラトー領域PR1とプラトー領域PR21,PR22との間において、容量Aで変化率Rvが極大値をとる(図3の破線参照)。さらに、変化率Rvが極大値をとる時のリチウムイオン電池41の容量A(特定残量)は、初期のリチウムイオン電池41と劣化後のリチウムイオン電池41とでほぼ同一である。このため、変化率Rvが極大値をとった時に、その時のリチウムイオン電池41の容量を容量Aであると推定することができる。容量Aは、リチウムイオン電池41の負極の構造変化により定まる容量であり、その詳細については後述する。
ここで、本願発明者は、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が多くなると、充電中にOCVの変化率Rvが極大値をとる(特異な変化をする)時の容量が容量Aから乖離することに着目した。図3は、容量Aに対応する変化率Rvの極大値がずれる態様を示すグラフである。同図は、リチウムイオン電池41を容量0付近まで放電させた後に充電した例を示しており、変化率Rvの極大値をとる時の容量が容量Aから低容量側へずれている。この場合に、変化率Rvが極大値をとった時のリチウムイオン電池41の容量を容量Aと推定すると、推定した容量が正しい容量からずれることとなる。
図4は、リチウムイオン電池41の容量ムラを示す模式図である。同図の左に示すように、リチウムイオン電池41を充放電しない状態(充放電速度が所定速度よりも低い状態)で長時間放置すると、リチウムイオン電池41の内部の容量は均一になる。
続いて、リチウムイオン電池41を充放電すると、同図の中に示すように、リチウムイオン電池41の内部に容量の高い部分と低い部分とが生じる(容量ムラが発生する)。容量ムラが発生する原因は、リチウムイオン電池41の内部には抵抗の高い部分と低い部分とがあり、充放電を行うと抵抗の低い部分に電流が集中することによる。
その後、リチウムイオン電池41を充放電しない状態で放置すると、同図の右に示すように、放置時間が長くなるにつれてリチウムイオン電池41の内部の容量は均一になる。
図5は、容量ムラが発生しやすい領域を示すグラフである。容量ムラは、充放電中において、リチウムイオン電池41の容量に対するOCVの変化率Rvが高いほど解消しやすく、低いほど解消しにくい。すなわち、容量ムラは、充放電中において、リチウムイオン電池41の容量に対するOCVの変化率Rvが所定変化率よりも高い高変化率部分を越えると解消しやすく、反対にリチウムイオン電池41の容量に対するOCVの変化率Rvのが所定変化率以下である低変化率部分では解消しにくい。このため、同図にハッチングで示すプラトー領域PR1,PR2での放電が長くなるほど、容量ムラが発生しやすくなる。そして、リチウムイオン電池41に容量ムラが発生した状態では、充電中に変化率Rvが極大値をとる時の容量が容量Aから乖離することに、本願発明者は着目した。
図6は、リチウムイオン電池41の状態と容量Aの検出精度との関係を示す模式図である。なお、同図は、リチウムイオン電池41の状態を模式的に表したもの(イメージ図)であり、必ずしもリチウムイオン電池41の状態を正確に表すものではない。充電開始時にリチウムイオン電池41に容量ムラが生じていると、容量Aの検出誤差が大きくなる。また、充電開始時の容量が容量Aから離れているほど、容量Aの検出誤差が大きくなる。このため、リチウムイオン電池41に容量ムラが発生していない状態で、容量Aに近い容量から充電を行うと、容量Aを高精度に検出することができる。
図7は、容量Aの検出に適した放電状態を示す模式図である。なお、同図は、リチウムイオン電池41の状態を模式的に表したもの(イメージ図)であり、必ずしもリチウムイオン電池41の状態を正確に表すものではない。放電時に、リチウムイオン電池41の容量に対するOCVの変化率Rvが高いOCV変化部(高変化率部分)を越えると、容量ムラは解消しやすい。そこで、容量Aからの放電量が少ない場合に、容量ムラが発生しにくく、充電中の容量Aの検出に適した状態となる。
図8は、容量Aの検出条件を示す図である。上記を踏まえて、BMU50は、以下の3条件を満たす場合に、充電中に容量Aを検出(推定)する。
条件1.放電開始時のリチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも高容量側であること、
条件2.放電終了までの放電量が小さいこと、
条件3.放電終了時のリチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも低容量側であること。
条件2.放電終了までの放電量が小さいこと、
条件3.放電終了時のリチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも低容量側であること。
図9は、容量A検出及びSOH更新の手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、BMU50によって実行される。
まず、OCVを取得可能であるか否か判定する(S10)。詳しくは、電気自動車が休止状態において走行開始時又は充電開始時にOCVを取得可能であると判定し、それ以外の場合にOCVを取得不能であると判定する。この判定において、OCVを取得可能でないと判定した場合(S10:NO)、電流と時間とを積算して電流積算値を算出する(S18)。
続いて、電流積算値が所定値aよりも大きいか否か判定する(S19)。図14に示すように、所定値aは、プラトー領域PR1の幅に対応する容量以下に設定されており、例えばプラトー領域PR1の幅に対応する容量の半分や2/3を採用することができる。この判定において、電流積算値が所定値aよりも大きいと判定した場合(S19:YES)、容量A検出許可フラグをOFFにする(S20)。容量A検出許可フラグは、容量Aの検出を許可する場合にONになり、許可しない場合にOFFになるフラグである。一方、この判定において、電流積算値が所定値aよりも大きくないと判定した場合(S19:NO)、S21の処理へ進む。
また、S10の判定において、OCVを取得可能であると判定した場合(S10:YES)、バッテリ40に電流が流れていない状態で現在のOCVであるOCV(n)を電圧センサ30により検出(算出)する(S11)。なお、図10に示すように、電気自動車の走行中に電流と電圧とを検出し、電流0における電圧の切片をOCVとすることもできる。また、図11に示すように、電気自動車の走行中に電圧センサ30により検出した電圧(CCV:Closed Circuit Voltage)に、リチウムイオン電池41の電流と抵抗との積を加算してOCVとすることもできる。
続いて、検出したOCV(n)から現在の容量領域(n)を判定する(S12)。
図12に示すように、リチウムイオン電池41では、リチウムイオンはグラファイト(黒鉛)の層状構造の層間に吸蔵される。リチウムイオン電池41は、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に存在する、リチウムイオンが吸蔵されていない層間の数に応じて負極のステージが変化する。具体的には、ステージ1では、グラファイトの各層間にリチウムイオンが吸蔵されている。ステージ2では、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が1つ存在する。ステージ3では、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が2つ存在する。そして、ステージ4では、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が3つ存在する。
図13は、負極のステージとOCVと容量Aとの関係を示すグラフである。OCVが大きく変化する(OCVの変化率が極大値をとる)容量Aは、ステージ3とステージ2とが共存する領域と、ステージ2とステージ1とが共存する領域との間に対応している。ステージ3とステージ2とが共存する領域に対応するOCVと、ステージ2とステージ1とが共存する領域に対応するOCVとの間に、ハッチングで示すように所定電圧Vjが設定されている。
図9に戻り、S12の処理では、OCV(n)が所定電圧Vjよりも高い場合に現在の容量領域(n)が容量Aよりも多いと判定し、OCV(n)が所定電圧Vjよりも低い場合に現在の容量領域(n)が容量Aよりも少ないと判定する。
続いて、現在の容量領域(n)が容量A以上であるか否か判定する(S13)。この判定において、現在の容量領域(n)が容量A以上であると判定した場合(S13:YES)、電流と時間との積算値である電流積算値を0にリセットする(S14)。一方、この判定において、現在の容量領域(n)が容量A以上でないと判定した場合(S13:NO)、S15の処理へ進む。
続いて、現在の容量領域(n)が容量A以下、且つ現在が充電開始タイミングであるか否か判定する(S15)。具体的には、車外充電器200により充電が開始された場合に、現在が充電開始タイミングであると判定する。この判定において、肯定判定した場合(S15:YES)、電流積算値が所定値a以下であるか否か判定する(S16)。所定値aは、S19の判定と共通である。なお、S14の処理において電流積算値をリセットしてから充電開始までの期間が、所定期間に相当する。
S16の判定において、電流積算値が所定値a以下であると判定した場合(S16:YES)、容量A検出許可フラグをONにする(S17)。図15に示すように、電流積算値は、S14の処理でリセットされた後に増加し、それに伴ってリチウムイオン電池41の電圧が上昇する。リチウムイオン電池41の電圧は、OCVでもよいし、CCVでもよい。なお、S15及びS16の条件が所定条件に相当する。
一方、S15の判定において、否定判定した場合(S15:NO)、S21の処理へ進む。
続いて、容量A検出許可フラグがONであり、且つバッテリ40の充電中であり、且つ容量Aの検出可能タイミングであるか否か判定する(S21)。具体的には、図16に示すように、電圧の電流積算値による微分値(リチウムイオン電池41の容量に対する電圧の変化率、所定パラメータ)が極大値をとった時に、容量Aの検出可能タイミングであると判定する。
S21の判定において、肯定判定した場合(S21:YES)、電圧の微分値が極大値をとった時に、その時のリチウムイオン電池41の容量が容量Aであると検出(推定)する(S22)。すなわち、リチウムイオン電池41の充電中に電圧の微分値が特異な変化をした時に、その時のリチウムイオン電池41の容量を容量Aに基づいて推定する。続いて、リチウムイオン電池41の現在の容量を容量Aに更新する(S23)。一方、S21の判定において、否定判定した場合(S21:NO)、S24の処理へ進む。
続いて、容量A検出許可フラグがONであり、且つ充電が完了しているか否か判定する(S24)。この判定において、肯定判定した場合(S24:YES)、SOHを算出しSOHを更新する(S25)。具体的には、リチウムイオン電池41の現在の容量を容量Aに更新した時から電流積算値を加算して、充電完了時の容量を現在の満容量として算出する。SOH[%]=リチウムイオン電池41の(現在の満容量/新品の満容量)×100の式により、現在のSOHを算出する。そして、源左のSOHを算出したSOHに更新する。その後、この一連の処理を終了する(END)。なお、この一連の処理は、各リチウムイオン電池41について実行する。また、S12~S17の処理が判定部としての処理に相当し、S21~S23の処理が推定部としての処理に相当する。
図17は、容量A検出及びSOH更新の態様を示すタイムチャートである。
時刻t11よりも前において、電気自動車は休止状態であり、容量領域は不定であり、容量A検出許可フラグはOFFであり、リチウムイオン電池41の容量は容量Aよりも多い。
時刻t11において、電気自動車の休止状態から走行が開始されると、OCV取得が許可される。そして、リチウムイオン電池41のOCVが取得され、容量領域が容量A以上であると判定される。なお、容量領域は、この時点では容量領域(n)であるが、次に容量領域が判定される(時刻t12)と1つ前の容量領域(n-1)となる。また、電流積算値が0にリセットされる。なお、電流積算値は、放電時に正の値になり、充電時に負の値になる。
時刻t11~t12において、電気自動車が走行状態となり、電流積算値が増加し、リチウムイオン電池41の容量が減少する。なお、回転電機10により回生発電が行われた場合は、リチウムイオン電池41の容量が増加する。その後、電気自動車が休止状態になる。
時刻t12において、電気自動車の休止状態からバッテリ40の充電が開始されると、OCV取得が許可される。そして、リチウムイオン電池41のOCVが取得され、現在の容量領域(n)が容量A以下であると判定される。さらに、電流積算値が所定値a以下であると判定され、容量A検出許可フラグがONにされる。
時刻t12~t13において、バッテリ40が充電され、リチウムイオン電池41の電圧の微分値が極大値をとった時に、容量Aの検出可能タイミングであると判定される。そして、容量Aが検出され、その時のリチウムイオン電池41の容量が容量Aに更新される。
時刻t13において、充電が完了され、SOHの算出及びSOHの更新が実行される。
以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。
・本願発明者は、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が多くなると、充電中にOCVの変化率Rv(所定パラメータ)が特異な変化をする時の容量が容量Aから乖離することに着目した。この点、判定部52は、リチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、リチウムイオン電池41の充電を開始する時までの所定期間における容量の変化量(以下、「充電前放電での容量変化量」という)が所定値a以下である、という所定条件を満たすことを判定する。このため、判定部52は、リチウムイオン電池41の充電を開始する時までの所定期間における放電時の容量の変化量に基づいて、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。
・推定部53は、判定部52により所定条件を満たすと判定された場合に、リチウムイオン電池41の充電中にOCVの変化率Rvが特異な変化をした時に、その時のリチウムイオン電池41の容量を容量Aに基づいて推定する。このため、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が多くない状態で、充電中にOCVの変化率Rvが特異な変化をした時の容量を容量Aに基づいて推定することができる。したがって、リチウムイオン電池41の容量を推定する精度を向上させることができる。なお、充電中にOCVの変化率Rvが特異な変化をした時のリチウムイオン電池41の容量を、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量に基づいて補正した容量Aと推定することもできる。
・電流と時間との積で表される電流積算値(リチウムイオン電池41の容量)を用いて、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。
・所定値aは、リチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも少ない範囲に存在する、リチウムイオン電池41の容量に対するOCVの変化率Rvが所定変化率以下であるプラトー領域PR1(低変化率部分)の幅に対応するリチウムイオン電池41の容量以下に設定されている。このため、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が、プラトー領域PR1の幅に対応するリチウムイオン電池41の容量以下の状態で、リチウムイオン電池41の容量を容量Aに基づいて推定することができる。したがって、充電中にOCVの変化率Rvが特異な変化をする時の容量が容量Aから乖離することを抑制することができ、リチウムイオン電池41の容量を推定(検出)する精度が低下することを抑制することができる。
・所定パラメータは、リチウムイオン電池41に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧OCVであり、判定部52は、開回路電圧OCVが所定電圧Vjよりも高い場合にリチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも多いと判定し、開回路電圧OCVが所定電圧Vjよりも低い場合にリチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも少ないと判定する。こうした構成によれば、開回路電圧OCVを用いて、リチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも多いか少ないかを容易に判定することができる。
・リチウムイオン電池41は、グラファイト(黒鉛)を含む負極を有するリチウムイオン電池であり、リチウムイオンはグラファイトの層状構造の層間に吸蔵され、各層間にリチウムイオンが吸蔵されたステージ1、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が1つ存在するステージ2、リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が2つ存在するステージ3、及びリチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が3つ存在するステージ4に変化する。所定電圧Vjは、ステージ3とステージ2とが共存する領域に対応する開回路電圧OCVと、ステージ2とステージ1とが共存する領域に対応する開回路電圧OCVとの間に設定されている。こうした構成によれば、リチウムイオン電池41の負極のステージと開回路電圧OCVと容量Aとの関係を用いて、リチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。
・容量Aは、ステージ3とステージ2とが共存する領域と、ステージ2とステージ1とが共存する領域との間に対応する容量である。上記構成によれば、リチウムイオン電池41の負極のステージに基づいて、容量Aを高精度に規定することができる。
(第2実施形態)
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。第1実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。第1実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図18に示すように、リチウムイオン電池41の容量が容量Aを挟んで少ない側と多い側とに、リチウムイオン電池41の容量に対する開回路電圧OCVの変化率Rvが所定変化率以下であるプラトー領域PR1,PR2(低変化率部分)が存在することに、本願発明者は着目した。
そこで、所定電圧Vjを、プラトー領域PR1,PR2にそれぞれ対応する開回路電圧OCVの間に設定している。そして、この所定電圧Vjを用いて、図9のS12の判定を実行する。こうした構成によれば、開回路電圧OCVを用いて、リチウムイオン電池41の容量が容量Aよりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。
そして、容量Aを、プラトー領域PR1,PR2の間に対応する容量としている。上記構成によれば、プラトー領域PR1,PR2に基づいて、容量Aを高精度に規定することができる。なお、電圧の変化率Rvが極大値をとった時から、リチウムイオン電池41を容量0まで放電させることにより、電圧の変化率Rvが極大値をとった時に対応する容量A(特定残量)を規定することもできる。
(第3実施形態)
以下、第3実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。第1実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
以下、第3実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。第1実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図19に示すように、リチウムイオン電池41の容量に対するリチウムイオン電池41のインピーダンスの実部Zre(インピーダンス)の変化率(傾き)は、リチウムイオン電池41の容量が容量Aを跨ぐ際に大きく変化することに、本願発明者は着目した。なお、交流電圧の振幅及び交流電流の振幅に基づいて、インピーダンスを算出することができる。
そこで、リチウムイオン電池41の容量(残量)に相関する所定パラメータとして、リチウムイオン電池41のインピーダンスの実部Zreを採用する。そして、判定部52は、リチウムイオン電池41の容量に対するインピーダンスの実部Zreの変化率に基づいて、リチウムイオン電池41の充電中に所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する。具体的には、図20に示すように、インピーダンスの実部Zreの電流積算値による微分値の変化量が所定値x以上である場合に、所定パラメータが特異な変化をしたと判定する。そして、図9のS22の処理において、インピーダンスの実部Zreの微分値の変化量が所定値x以上になった時に、その時のリチウムイオン電池41の容量が容量Aであると検出(推定)する。こうした構成によれば、リチウムイオン電池41の容量に対するインピーダンスの実部Zreの変化率を用いて、リチウムイオン電池41の充電中に所定パラメータが特異な変化をしたことを高精度に判定することができる。
なお、リチウムイオン電池41のインピーダンスの実部Zreに代えて、インピーダンスの虚部Zimや、インピーダンスの絶対値、インピーダンスの位相を用いることもできる。
なお、第1~第3実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。第1~第3実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
・容量ムラは、リチウムイオン電池41の温度が高いほど解消しやすく、リチウムイオン電池41の温度が低いほど解消しにくい。そこで、図9のS16及びS19の処理において電流積算値の大きさを判定する所定値aを、リチウムイオン電池41の温度が低いほど、小さい値(少ない変化量)に設定してもよい。具体的には、図21に示すように、S15の処理とS16の処理との間に、リチウムイオン電池41の温度を取得するS15Aの処理と、取得した温度に基づき所定値aを設定するS15Bの処理とを挿入する。所定値aは、図22に示す表に基づいて設定する。こうした構成によれば、リチウムイオン電池41の温度が低いほど、充電前放電での電流積算値が小さい(容量変化量が少ない)ことを要求することができる。したがって、リチウムイオン電池41の温度が低い場合であっても、リチウムイオン電池41の容量を検出(推定)する精度が低下することを抑制することができる。なお、リチウムイオン電池41の温度は、リチウムイオン電池41に取り付けた温度センサ等により測定してもよいし、気温センサにより測定された気温をリチウムイオン電池41の温度として使用してもよい。また、電圧の変化率やインピーダンスの変化率(所定パラメータ)が特異な変化をした時のリチウムイオン電池41の容量を、リチウムイオン電池41の温度に基づいて補正した容量Aと推定することもできる。
・容量ムラは、放電速度が所定放電速度よりも低い状態(リチウムイオン電池41が放電されていない状態を含む)で維持された時間が長いほど解消しやすく、放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間が短いほど解消しにくい。そこで、所定値aを、リチウムイオン電池41の充電を開始する時までに放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間(以下、「低放電時間」という)が短いほど、小さい値(少ない変化量)に設定してもよい。こうした構成によれば、リチウムイオン電池41の充電を開始する時までに低放電時間が短いほど、充電前放電での電流積算値が小さい(容量変化量が少ない)ことを要求することができる。したがって、リチウムイオン電池41の充電を開始する時までに低放電時間が短い場合であっても、リチウムイオン電池41の容量を検出(推定)する精度が低下することを抑制することができる。また、電圧の変化率やインピーダンスの変化率(所定パラメータ)が特異な変化をした時のリチウムイオン電池41の容量を、低放電時間に基づいて補正した容量Aと推定することもできる。
・リチウムイオン電池41の充電を開始する時までの所定期間における電流積算値(容量の変化量)が所定値a(所定変化量)以下であるか判定する際に、所定期間を以下のように変更することもできる。図23に示すように、リチウムイオン電池41の容量が容量Aを下回る直前の時刻t31から、容量Aを下回った直後の時刻t32までの任意の時点から、充電開始まで期間を所定期間とすることができる。こうした構成によっても、リチウムイオン電池41を放電する際に容量が容量Aよりも少なくなってからの放電量が多くないことを、ある程度の精度で判定することができる。
・リチウムイオン電池41の残量として、電流積算値に代えてSOCを用いることもできる。そして、SOCを用いて、リチウムイオン電池41の充電を開始するまでの所定期間における残量の変化量が所定変化量以下であることを判定することができる。また、SOCに対する電圧の変化率Rv(所定パラメータ)が極大値をとった(特異な変化をした)時に、その時のリチウムイオン電池41の残量を特定SOC(特定残量)と推定することができる。特定SOCは、容量Aに対応するSOCである。
・リチウムイオン電池41として、正極活物質にCo、Mn、Niの元素を含むリチウム含有金属酸化物を用いた3元系のリチウムイオン電池を採用することもできる。
40…バッテリ、41…リチウムイオン電池、50…BMU、52…判定部、53…推定部。
Claims (13)
- 2次電池(41)の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の前記2次電池の特定残量に基づいて、前記2次電池の残量を推定する電池残量推定装置(50)であって、
前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記2次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部(52)と、
前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の前記2次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する推定部(53)と、
を備える電池残量推定装置。 - 前記2次電池の残量は、電流と時間との積で表される前記2次電池の残容量、又は前記2次電池の満容量に対する残容量の比率を表す充電率である、請求項1に記載の電池残量推定装置。
- 前記所定変化量は、前記2次電池の残量が前記特定残量よりも少ない範囲に存在する、前記2次電池の残量に対する前記所定パラメータの変化率が所定変化率以下である低変化率部分(PR1)の幅に対応する前記2次電池の前記残量以下に設定されている、請求項1又は2に記載の電池残量推定装置。
- 前記所定変化量は、前記2次電池の温度が低いほど、少ない変化量に設定される、請求項1又は2に記載の電池残量推定装置。
- 前記所定変化量は、前記2次電池の充電を開始する時までに放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間が短いほど、少ない変化量に設定される、請求項1又は2に記載の電池残量推定装置。
- 前記所定パラメータは、前記2次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、
前記判定部は、前記開回路電圧が所定電圧よりも高い場合に前記2次電池の残量が前記特定残量よりも多いと判定し、前記開回路電圧が前記所定電圧よりも低い場合に前記2次電池の残量が前記特定残量よりも少ないと判定する、請求項1又は2に記載の電池残量推定装置。 - 前記2次電池には、前記2次電池の残量に対する前記開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分(PR1,PR2)が2つ存在し、
前記所定電圧は、2つの前記低変化率部分にそれぞれ対応する前記開回路電圧の間に設定されている、請求項6に記載の電池残量推定装置。 - 前記特定残量は、2つの前記低変化率部分の間に対応する残量である、請求項7に記載の電池残量推定装置。
- 前記2次電池は、黒鉛を含む負極を有するリチウムイオン電池であり、前記リチウムイオンは前記黒鉛の層状構造の層間に吸蔵され、各層間に前記リチウムイオンが吸蔵されたステージ1、前記リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が1つ存在するステージ2、前記リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が2つ存在するステージ3、及び前記リチウムイオンが吸蔵された2つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が3つ存在するステージ4に変化し、
前記所定電圧は、前記ステージ3と前記ステージ2とが共存する領域に対応する前記開回路電圧と、前記ステージ2と前記ステージ1とが共存する領域に対応する前記開回路電圧との間に設定されている、請求項6に記載の電池残量推定装置。 - 前記特定残量は、前記ステージ3と前記ステージ2とが共存する領域と、前記ステージ2と前記ステージ1とが共存する領域との間に対応する残量である、請求項9に記載の電池残量推定装置。
- 前記所定パラメータは、前記2次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、
前記判定部は、前記開回路電圧に基づいて、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する、請求項1又は2に記載の電池残量推定装置。 - 前記所定パラメータは、前記2次電池のインピーダンスであり、
前記判定部は、前記2次電池の残量に対するインピーダンスの変化率に基づいて、前記2次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する、請求項1又は2に記載の電池残量推定装置。 - 前記2次電池は、リチウム、鉄、及びリンを含む正極を有するリチウムイオン電池である、請求項6に記載の電池残量推定装置。
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