JP2024005821A - 推定装置、蓄電装置、推定方法及びコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】電力供給能力を確保しながら蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する。【解決手段】推定装置2は、蓄電素子30の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部21を備える。前記制御部は、必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させ、前記必要電力SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する。【選択図】図3
Description
本発明は、推定装置、蓄電装置、推定方法及びコンピュータプログラムに関する。
近年、自動運転の実現に向け、移動体におけるブレーキやパワーステアリングといった装置の電動化が進んでいる。12ボルト(V)バッテリのような蓄電装置から、そうした電動装置(補機類とも称する)への電力供給に、より高度な安定性が求められている。そこで、12Vバッテリにおける電力供給能力、いわゆるState Of Function(SOF)を監視・推定するニーズが高まっている。
バッテリは、通電(充電及び/又は放電)と時間の経過とに伴って劣化し、その満充電容量が低下する。バッテリから補機類への安定的な電力供給のために、このように低下する満充電容量を把握する必要がある。
特許文献1には、バッテリの充電状態(SOC)を所定のSOCに高精度に設定し、バッテリの劣化判定を行う技術が開示されている。
バッテリを低SOC(例えば、SOCゼロ%近傍)まで放電させた後に満充電状態まで充電させ、低SOCから満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値からバッテリの満充電容量を推定する方法がある。この方法を、移動体向けバッテリのように、移動体がいつ起動されても所定の電力供給能力を発揮することが求められる用途の、蓄電セルや、複数の蓄電セルを含む蓄電装置に適用するための検討が、十分になされていない。以下、蓄電セル、蓄電装置を、「蓄電素子」と総称する。
本発明の一態様は、電力供給能力を確保しながら蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定できる推定装置、蓄電装置、推定方法及びコンピュータプログラムを提供する。
本発明の一態様に係る推定装置は、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備える。前記制御部は、必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ(CV放電させ)、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する。
上記態様によれば、電力供給能力(必要SOC)を確保しながら蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定できる。
以下、実施形態の概要を説明する。
(1)推定装置は、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備える。前記制御部は、必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ(CV放電させ)、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する。
(1)推定装置は、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備える。前記制御部は、必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ(CV放電させ)、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する。
ここで、「必要SOC」とは、蓄電素子が、それに接続されている電気負荷に所定の電力供給ができるように決定される、放電終止点近傍のSOCを意味する。移動体に搭載される蓄電素子においては、必要SOCは、停止していた移動体が運転を開始するための所定の電力供給を行えるSOCであってもよい。
「劣化の度合い」とは、蓄電素子の容量維持率であってもよいし、健康状態(SOH)であってもよい。
CV放電は、放電電流が閾値以下(例えば、1アンペア以下)になった時点で終了してもよい。蓄電素子は、満充電容量又は劣化の度合いを推定するための放電の過程の、全領域でCV放電されてもよいし、CC放電された後に放電終止点近傍でCV放電されてもよい(つまり、CCCV放電されてもよい)。
「劣化の度合い」とは、蓄電素子の容量維持率であってもよいし、健康状態(SOH)であってもよい。
CV放電は、放電電流が閾値以下(例えば、1アンペア以下)になった時点で終了してもよい。蓄電素子は、満充電容量又は劣化の度合いを推定するための放電の過程の、全領域でCV放電されてもよいし、CC放電された後に放電終止点近傍でCV放電されてもよい(つまり、CCCV放電されてもよい)。
上記の推定装置によれば、CV放電を用いて到達させた必要SOCに基づいて、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを精度よく推定できる。
検出される蓄電素子の電圧に基づいて放電を停止させるCC放電では、蓄電素子の運用状況(温度、電流、蓄電素子の劣化の度合い等)に応じて変化する分極特性の影響により、狙ったSOCに到達させる難易度が高い。そのため、CC放電を用いて到達させた必要SOCに基づいて、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定すると、推定精度が安定しない。
これに対し上記の推定装置は、満充電容量又は劣化の度合いを推定するために蓄電素子をCV放電させて的確に到達させた必要SOCを用いるため、推定精度が安定する。
検出される蓄電素子の電圧に基づいて放電を停止させるCC放電では、蓄電素子の運用状況(温度、電流、蓄電素子の劣化の度合い等)に応じて変化する分極特性の影響により、狙ったSOCに到達させる難易度が高い。そのため、CC放電を用いて到達させた必要SOCに基づいて、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定すると、推定精度が安定しない。
これに対し上記の推定装置は、満充電容量又は劣化の度合いを推定するために蓄電素子をCV放電させて的確に到達させた必要SOCを用いるため、推定精度が安定する。
(2)上記(1)に記載の推定装置において、前記必要SOCは、前記蓄電素子のSOC-開放電圧(OCV)プロファイルにおける非プラトー領域に含まれるように決定されてもよい。
リン酸鉄リチウム(LiFePO4)を正極活物質に含むリチウムイオン電池(いわゆる、LFP電池)は、充放電に伴う電圧変化がほとんど生じない「プラトー領域」をSOC-OCVプロファイルに含む。「非プラトー領域」とは、SOC-OCVプロファイルが所定値以上の傾き(OCVリセットが行える程度の傾き)を有する、放電終止点近傍のSOC領域を意味する。LFP電池以外の蓄電素子も、SOC-OCVプロファイルの傾きが大きいSOC領域を放電終止点近傍に持つ。その傾きが大きいSOC領域を「非プラトー領域」と呼ぶ。
上記構成によれば、必要SOCまで蓄電素子を放電させ、分極解消後に検出した蓄電素子の電圧から真値により近いSOC値(つまり、OCVリセットされたSOC値)を取得し、そのSOC値に充電電流の積算値を加算することで、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを精度よく推定できる。
(3)上記(1)又は(2)に記載の推定装置において、前記必要SOCは、放電に伴う前記蓄電素子の電圧挙動を模擬する蓄電素子モデルを用いて決定されてもよい。
蓄電素子モデルは、等価回路モデルであってもよいが、それに限定はされない。等価回路モデルは、単一の蓄電セルの電圧挙動を模擬するものであってもよいし、複数の蓄電セルを含む蓄電装置の電圧挙動を模擬するものであってもよい。
代替的に、蓄電素子モデルは、内部抵抗及び温度と、必要SOCとが対応付けて記憶されたルックアップテーブルであってもよい。
代替的に、蓄電素子モデルは、内部抵抗及び温度と、必要SOCとが対応付けて記憶されたルックアップテーブルであってもよい。
上記構成によれば、蓄電素子モデルから、蓄電素子の運用状況(温度、蓄電素子の劣化の度合い等)に応じて変化する分極特性の影響が考慮された必要SOCが導かれる。
(4)上記(3)に記載の推定装置において、前記蓄電素子モデルは、複数の蓄電セル及び導電部材を有する蓄電装置の挙動を模擬する蓄電装置モデルであってもよい。
ここで、「導電部材」とは、蓄電素子以外の、蓄電装置における導電路(パワーライン)を構成する部材を意味する。導電部材は、配線部材(例えば、配線、バスバー等)や、配線部材の接続部(例えば、溶接部や、ネジ等による接続部)や、遮断器(例えば、半導体スイッチ)を含んでもよい。
上記構成によれば、蓄電装置モデルを用いることで、必要SOCを精度よく決定して、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを精度よく推定できる。
(5)上記(4)に記載の推定装置は、前記蓄電装置モデルに、前記導電部材の抵抗成分を与えてもよい。
導電部材の抵抗成分は、個々の導電部材の抵抗値を足し合わせて求めてもよいし、試験回路から実験的に一ないし複数の抵抗値を求めてもよい。導電部材の抵抗成分は、温度に応じて複数用意されてもよい。
上記構成によれば、導電部材の抵抗成分(以下、構造抵抗とも称する)を考慮することで、必要SOCを精度よく決定して、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを精度よく推定できる。例えば、低電圧バッテリ(12Vバッテリ、48Vバッテリ等)のように、蓄電セルの総数が比較的少なく、且つ蓄電セルの内部抵抗(例えば、10mΩ)と構造抵抗(例えば、2mΩ)とのオーダーが同じで構造抵抗が無視できない場合に、適正な推定を行うことが可能となる。
(6)上記(1)~(5)のいずれかに記載の推定装置において、前記制御部は、前記非プラトー領域に含まれる複数のSOC値のいずれかから所定の順番で前記必要SOCの探索を開始してもよい。
ここで、「所定の順番」は、非プラトー領域に含まれる低SOC値、又は高SOC値から、SOC値が増える方向、又はSOC値が減る方向の順番であってもよいが、それに限定はされない。「低SOC値」は非プラトー領域の最低SOC値であってもよいし、「高SOC値」は非プラトー領域の最高SOC値であってもよいが、それに限定はされない。「低SOC値」は、「高SOC値」よりも低いSOC値に設定される。
制御部は、前記非プラトー領域に含まれる低SOC値と高SOC値とのいずれから前記必要SOCの探索を開始するかを選択可能に構成されてもよい。
制御部は、前記非プラトー領域に含まれる低SOC値と高SOC値とのいずれから前記必要SOCの探索を開始するかを選択可能に構成されてもよい。
上記構成によれば、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いの推定の精度を優先するか、短時間で推定を行うことを優先するか、といった選択が可能となる。上位装置からの指示に応じて、又は蓄電素子の運用状況に応じて、低SOC値と高SOC値とのいずれから必要SOCを探索するかが決定されてもよい。
(7)蓄電装置は、上記(1)~(6)のいずれかに記載の推定装置と、複数の蓄電セルとを備える。
(8)蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定方法は 、必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させ、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する。
(9)コンピュータプログラムは、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定するコンピュータに、必要SOC(State Of Charge)に到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する処理を実行させる。
以下、実施形態を示す図面を参照して具体的に説明する。
図1は実施形態に係る推定装置が搭載される蓄電装置1の構成例を示す斜視図、図2は蓄電装置1の構成例を示す分解斜視図である。蓄電装置1は、例えばエンジン車両、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、又はプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)に好適に搭載される、12Vバッテリ(低電圧バッテリ)である。蓄電装置1は、飛行体、鉄道列車、船舶等の他の移動体に搭載されるものであってもよい。
蓄電装置1は、推定装置2、複数の蓄電セル3、及びそれらを収容する直方体状の収容ケース40を備える。蓄電セル3は、リチウムイオン二次電池等の電池セルであってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。推定装置2は、例えば電池管理システム(BMS:Battery Management system )である。
蓄電セル3は、4個が直列接続されて組電池30を構成している。代替的に、蓄電セル3のうちのいくつかは並列に接続されてもよい。例えば、組電池30は、3並列で4直列に接続された、12個の蓄電セル3を有してもよい。
収容ケース40は合成樹脂製である。収容ケース40は、ケース本体41と、ケース本体41の開口部を閉塞する蓋部42と、蓋部42に設けられた収容部43と、収容部43を覆うカバー44と、中蓋(バスバーフレーム)45と、仕切り板46とを備える。中蓋45や仕切り板46は、設けられなくてもよい。ケース本体41の仕切り板46の間に、蓄電セル3が挿入されている。
中蓋45には、複数の金属製のバスバー61が載置されている。蓄電セル3のセル端子32が設けられている端子面付近に中蓋45が配置されて、隣り合う蓄電セル3の隣り合うセル端子32がバスバー61により接続され、蓄電セル3が直列に接続されている。バスバー61は、導電部材の一例である。
収容部43は、箱状をなし、平面視における一長辺の中央部に、外側に突出した突出部43aを有する。蓋部42における突出部43aの両側には、鉛合金等の金属製で、極性が異なる一対の外部端子62,62が設けられている。収容部43には、推定装置2が収容されている。推定装置2は、図示しない配線部材及びバスバー61を介して蓄電セル3と接続されている。推定装置2は、収容部43に収容される代わりに、例えば組電池30の上方又は側方に隣接して配置されてもよい。
蓄電セル3は、中空直方体状のケース31と、ケース31の一側面(端子面、上面)に設けられた、極性が異なる一対のセル端子32,32とを備える。ケース31には、正極、セパレータ、及び負極を積層してなる電極体33と、図示しない電解質(電解液)とが収容されている。
電極体33は、詳細は図示しないが、シート状の正極と、負極とを、2枚のシート状のセパレータを介して重ね合わせ、これらを巻回(縦巻き又は横巻き)することにより構成されている。セパレータは、多孔性の樹脂フィルムにより形成される。多孔性の樹脂フィルムとして、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂からなる多孔性樹脂フィルムを使用できる。
正極は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等からなる長尺帯状の正極基材の表面に、正極活物質層が形成された電極板である。正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質層に用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を使用できる。正極活物質としては、例えばLiFePO4が用いられるが、それに限定はされず、いわゆる3元系の正極活物質が用いられてもよい。正極活物質層は、導電助剤、バインダ等を更に含んでもよい。
負極は、例えば銅又は銅合金等からなる長尺帯状の負極基材の表面に、負極活物質層が形成された電極板である。負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を使用できる。負極活物質としては、例えば黒鉛(グラファイト)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。負極活物質層は、バインダ、増粘剤等を更に含んでもよい。
電極体33と共に収容ケース40に収容される電解質には、従来のリチウムイオン二次電池と同様のものを使用できる。例えば、電解質として、有機溶媒中に支持塩を含有させた電解質を使用できる。有機溶媒として、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒が用いられる。支持塩として、例えば、LiPF6 、LiBF4 、LiClO4 等のリチウム塩が好適に用いられる。電解質は、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含んでもよい。
図2は、蓄電セル3の一例として、巻回型の電極体33を備える角型のリチウムイオン電池を示す。代替的に、蓄電セル3は、円筒型リチウムイオン電池であってもよく、ラミネート型(パウチ型)リチウムイオン電池であってもよい。蓄電セル3は、積層型電極体を備えるリチウムイオン電池であってもよい。蓄電セル3は、固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池であってもよい。
図3は、蓄電装置1の構成例を示すブロック図である。蓄電装置1は、推定装置2、組電池30、遮断器53、電流センサ54、電圧センサ55、及び温度センサ56を備える。
蓄電装置1には、外部端子62,62を介して、車両ECU(Electronic Control Unit)150と、高電圧バッテリからの電力を変換するDC-DCコンバータ160と、車載の電気負荷170(補機類)と、が電気的に接続されている。エンジン車両では、コンバータ160に代えて、エンジンの動力により発電する発電機であるオルタネータが用いられる。
車両ECU150は、車両制御部であり、コンバータ160や電気負荷170を制御する。車両ECU150は、推定装置2から受け付けた充放電性能(電力供給能力)に関する推定結果に基づいて、コンバータ160や電気負荷170を制御することにより蓄電装置1の充電電圧や許容充放電量を制御する。車両ECU150は、「上位装置」の一例である。
推定装置2は、所定タイミングで各蓄電セル3の状態を推定し、蓄電装置1の充放電性能を推定する平板状の回路基板である。推定装置2の形状は、平板状に限定されない。推定装置2は、遮断器53、電流センサ54及び電圧センサ55等を回路基板上に搭載した回路基板ユニットとして構成されてもよい。推定装置2は、制御部21、記憶部22、及び入出力部23等を備える。
制御部21は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備える演算回路である。制御部21が備えるCPUは、ROMや記憶部22に格納された各種コンピュータプログラムを実行し、上述したハードウェア各部の動作を制御することによって、装置全体を推定装置として機能させる。制御部21は、計測開始指示を与えてから計測終了指示を与えるまでの経過時間を計測するタイマ、数をカウントするカウンタ、日時情報を出力するクロック等の機能を備えていてもよい。
記憶部22は、フラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置である。記憶部22は、制御部21が参照するプログラム及びデータを記憶する。記憶部22に記憶されるコンピュータプログラムには、蓄電装置1の充電又は放電の可否に関する情報を推定するためのプログラム221が含まれる。記憶部22に記憶されるデータには、プログラム221に用いる推定データ222、シミュレーションで用いられる蓄電装置1の蓄電装置モデルが含まれる。蓄電装置モデルは、回路構成を示す構成情報、および蓄電装置モデルを構成する各素子の値等により記述される。記憶部22には、このような蓄電装置モデルの回路構成を示す構成情報、および蓄電装置モデルを構成する各素子の値等が記憶される。
記憶部22に記憶されるコンピュータプログラム(コンピュータプログラム製品)は、当該コンピュータプログラムを読み取り可能に記録した非一時的な記録媒体Mにより提供されてもよい。記録媒体Mは、CD-ROM、USBメモリ、SD(Secure Digital)カード等の可搬型メモリである。制御部21は、図示しない読取装置を用いて、記録媒体Mから所望のコンピュータプログラムを読み取り、読み取ったコンピュータプログラムを記憶部22に記憶させる。代替的に、上記コンピュータプログラムは通信により提供されてもよい。プログラム221は、単一のコンピュータ上で、または1つのサイトにおいて配置されるか、もしくは複数のサイトにわたって分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で実行されるように展開することができる。
入出力部23は、外部装置を接続するための入出力インタフェースを備える。入出力部23には、車両ECU150、遮断器53、電流センサ54、電圧センサ55及び温度センサ56等が接続されている。
遮断器53は、例えばFETなどの半導体スイッチ、又は機械式の接点を有するリレー等を備える。遮断器53は、制御部21から出力される制御信号に応じてオン状態とオフ状態を切り替えることにより、組電池30の電流を遮断する。
電流センサ54は、組電池30に直列に接続されている。電流センサ54は、シャント抵抗であってもよい。電流センサ54は、抵抗素子の両端電圧に基づいて、蓄電セル3に流れる電流を時系列的に計測する。両端電圧の極性(正負)から、放電と充電が判別できる。代替的に、電流センサ54は磁気センサでもよい。制御部21は、入出力部23を通じて、電流センサ54により計測される電流のデータを随時取得する。
電圧センサ55は、各蓄電セル3に並列に接続されている。電圧センサ55は、各蓄電セル3の両端に夫々接続されており、各蓄電セル3の端子電圧を時系列的に計測する。制御部21は、入出力部23を通じて、電圧センサ55により計測される各蓄電セル3の電圧や組電池30の総電圧のデータを随時取得する。
温度センサ56は、蓄電セル3の近傍に設けられ、蓄電装置1に関する温度を検出する。温度センサ56は、熱電対、サーミスタ等であってもよい。蓄電装置1に関する温度は、蓄電セル3又は蓄電装置1の周囲等の温度であってもよい。制御部21は、入出力部23を通じて、温度センサ56により計測される温度のデータを随時取得する。
制御部21は、蓄電装置1における通電可否の推定結果が得られた場合、推定結果に基づく情報を入出力部23から車両ECUへ出力する。車両ECUは、推定装置2から取得した情報に基づき、各種処理を実行する。
入出力部23は、表示装置を接続するためのインタフェースを備えてもよい。表示装置の一例は、液晶ディスプレイ装置である。制御部21は、蓄電装置1における通電可否の推定結果が得られた場合、推定結果に基づく情報を入出力部23から表示装置へ出力する。表示装置は、入出力部23から出力される情報に基づき推定結果を表示する。
入出力部23は、外部装置と通信する通信インタフェースを備えてもよい。入出力部23に通信可能に接続される外部装置は、ユーザや管理者等が使用するパーソナルコンピュータ、スマートフォンなどの端末装置である。制御部21は、蓄電装置1における通電可否の推定結果が得られた場合、推定結果に基づく情報を入出力部23から端末装置へ送信する。端末装置は、入出力部23より送信される情報を受信し、受信した情報に基づき自装置のディスプレイに推定結果を表示させる。推定装置2は、蓄電装置1における通電可否の推定結果をユーザに報知するために、LEDランプやブザー等の報知部を備えてもよい。
図4は、車両ECU150(上位装置)から予告される通電パターンが放電である場合の放電性能(電力供給能力)の推定方法を説明する図である。図4中、左上のグラフは、通電に伴う蓄電装置1の電圧値の時間変化を示し、左下のグラフは、通電に伴う蓄電装置1の電流値の時間変化を示す。図4中、右上のグラフは、通電に伴う蓄電セル3の電圧値の時間変化を示し、右下のグラフは、通電に伴う蓄電セル3の電流値の時間変化を示す。
推定時点を基準として、蓄電装置1に所定の放電電流値を、所定時間(t秒間)にわたり通電する場合を想定する。図4に示すように、放電電流値を一定とすると、蓄電装置1の電圧値は、放電に伴い低下する。各蓄電セル3の電圧値も同様に、放電に伴い低下する。t秒後における推定電圧が予め設定される蓄電装置1の下限電圧よりも大きい場合には、通電可と判定できる。t秒後における推定電圧が予め設定される蓄電装置1の下限電圧よりも小さい場合には、通電不可と判定できる。
同様に、推定時点を基準として、蓄電装置1に所定の充電電流値を、所定時間にわたり通電する場合の通電可否を判定できる。t秒後における推定電圧が蓄電装置1の上限電圧よりも大きい場合には、通電不可と判定できる。
図5は、蓄電装置1の挙動を模擬する蓄電装置モデルの一例を示す回路図である。図5に示す蓄電装置モデルは、等価回路モデルであり、複数の蓄電セル3を備える蓄電装置1の電圧源、及び、抵抗やコンデンサなどの回路素子を組合せ、蓄電装置1の充放電挙動を模擬する。
図5に示す等価回路モデルは、正外部端子と負外部端子との間に直列に接続されるn個の蓄電セル3と、構造抵抗器とを備える。各蓄電セル3は、定電圧源、直流抵抗成分を模擬する直流抵抗器、及び過渡的な分極特性を模擬するためのRC並列回路を備える。
構造抵抗器は、蓄電装置1における導電部材の抵抗成分(構造抵抗)を模擬するものであり、抵抗素子Rstructを含む。抵抗素子Rstructは、例えばバスバー61、遮断器53を含む複数の部材それぞれにおける抵抗成分を表す。抵抗素子Rstructは、温度に対応して変動する値として与えられてもよい。
各蓄電セル3において、定電圧源は、直流電圧を出力する電圧源(起電力)である。定電圧源が出力する電圧は、蓄電セル3のOCVであり、VOCVと記載する。VOCVは、蓄電セル3のSOCに対応して変動する値として与えられ、例えばSOCの関数として与えられる。
各蓄電セル3において、直流抵抗器は、蓄電装置1の直流抵抗成分(直流インピーダンス)を模擬するためのものであり、抵抗素子R0を含む。抵抗素子R0は、通電電流、電圧、SOC、温度などに対応して変動する値として与えられる。直流抵抗器のインピーダンスが定まれば、この等価回路モデルに電流Iが流れたときに直流抵抗器に発生する電圧を計算できる。直流抵抗器に発生する電圧を、直流抵抗電圧R0Iと記載する。
各蓄電セル3において、RC並列回路は、並列に接続された抵抗素子R1及び容量素子C1から構成される。抵抗素子R1及び容量素子C1は、SOC、温度などに対応して変動する値として与えられる。抵抗素子R1及び容量素子C1によって、RC並列回路のインピーダンスが定まる。RC並列回路のインピーダンスが定まれば、この等価回路モデルに電流Iが流れたときにRC並列回路に発生する電圧を計算できる。RC並列回路に発生する電圧を分極電圧VR1C1と記載する。
抵抗素子Rstruct、R0、R1及び容量素子C1(以下、回路パラメータとも称する)は、公知の手法により得られる。回路パラメータは、例えばバッテリ試験の実測データを基に、温度及びSOC等の関係を考慮して設定できる。推定装置2は、得られた回路パラメータと、温度及びSOC等とを対応付けて推定データ222として記憶している。回路パラメータは、製品出荷時の検査結果や製品搭載後のセンサの計測値を用いて同定されてもよく、製品搭載後の使用履歴に基づいて適宜補正(キャリブレーション)されてもよい。
電圧総和則より、推定時点をt=0とした場合における各蓄電セル3の分極電圧VR1C1はそれぞれ、放電時に発生する蓄電セル3のセル電圧Vcellと、VOCV、I、及びR0を用いて、下記(1)式により推定できる。
セル電圧Vcell及びIには、電流センサ54及び電圧センサ55(図3参照)の計測値を用いることができる。電流値Iは、例えば充電の場合には正の値であり、放電の場合には負の値となる。VOCVは、例えばSOC-OCVテーブルを用いて、推定時点におけるSOCから求められる。SOCは、電流積算法により算出してもよい。SOC-OCVテーブルは、温度ごとに設けてもよいし、共通のテーブルを用いてもよい。温度には、温度センサ56の計測値を用いることができる。分極電圧VR1C1は、例えば逐次最小二乗法、カルマンフィルタ等の手法により求めてもよい。
推定時点から所定時間t秒間にわたり、放電電流Iを通電(予告通電パターンにより通電)する場合を想定する。図5に示すように、蓄電装置1の電圧Vbatは、n個の蓄電セル3それぞれにおけるセル電圧Vcellと、構造抵抗成分に起因する電圧とを合計することにより得られる。蓄電装置モデルを用いて、t秒後の時点における蓄電装置1の電圧Vbatは、VOCV、I、R0、R1、C1、及びRstructを用いて、下記(2)式により推定できる。
所定時間tは、上位装置から与えられる通電時間を用いることができる。t秒後の時点におけるVOCV(t)は、SOC変化を考慮して求めてもよい。
また、各蓄電セル3の挙動を模擬する蓄電セルモデルを用いて、t秒後の時点における各蓄電セル3の電圧を推定できる。t秒後の時点における各蓄電セル3の電圧Vcellはそれぞれ、VOCV、I、R0、R1及びC1を用いて、下記(3)式により推定できる。
以下、「必要SOC」の決定方法について説明する。
移動体に搭載される蓄電装置1には、いつ移動体が起動されても(放電を要求されても)、それに接続されている電気負荷に対する所定の電力供給能力を発揮することが求められる。車両に搭載される12Vバッテリでは、車載の電気負荷170の消費電力に応じて上位装置から指定される放電電流を所定時間(t秒間)にわたり放電しても、閾値(例えば9V)以上の電圧を維持していることが求められる。
バッテリを低SOCまで放電させた後に満充電状態まで充電させ、満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値から満充電容量を推定するための、放電の過程で、バッテリの電力供給能力が閾値を下回らないようにする必要がある。
バッテリの電力供給能力は、常に一定ではなく、バッテリの運用状況(温度、電流、蓄電セル3の劣化の度合い等)に応じて変化する。そこで、(2)式の蓄電装置モデル又は(3)式の蓄電セルモデルを用いて、運用状況に応じた「必要SOC」を決定する。
図6は、LFP電池(蓄電セル3)におけるSOC-OCVプロファイルの一部を示す図である。LFP電池はそのSOC-OCVプロファイルに、充放電に伴う電圧変化がほとんどない(ほぼ水平の)プラトー領域と、充放電に伴う電圧変化があり所定値以上の傾きを有する非プラトー領域とを有する。図6の例では、SOCゼロ%から所定範囲にわたり第1非プラトー領域が存在し、第1非プラトー領域からやや離れたところに第2非プラトー領域が存在する。第1非プラトー領域と第2非プラトー領域の間の領域と、第2非プラトー領域を超えた領域は、電圧がほとんど変化しないプラトー領域になっている。
本実施形態では、(2)式を用いて、第1非プラトー領域又は第2非プラトー領域に含まれるように、必要SOCを決定する。
図6に示すSOC-OCVプロファイルの、第1非プラトー領域におけるSOCとOCVとの関係を表1に示し、第2非プラトー領域におけるSOCとOCVとの関係を表2に示す。
SOC10%からSOC19%の間は、OCVがほぼ同じ(約3.2V)であるプラトー領域になっている。
本実施形態では、蓄電セル3の最低SOC値から必要SOCの探索を開始する。図7に、簡略化されたフローチャートを示す。電力供給能力の推定時点t=0におけるVOCV(0)の値として、表1におけるSOC1%に対応するOCVである2.90Vを、(2)式に適用する(図7、Step1)。
上位装置から指定される放電電流Iを所定時間(t秒間)にわたり放電したときに到達する、(2)式内での単一の蓄電セル3におけるOCV、すなわちVOCV(t)を、VOCV(SOC1%-I×t/満充電容量×100)で計算する。また、(2)式における残りの、抵抗由来の電圧降下を計算する。こうして、推定時点t=0において各蓄電セル3のSOCが1%の蓄電装置1に、予告通電パターンの通電を行った後の到達電圧Vbatが求まる。
このVbatの値が9V以上であれば、通電後の電力供給能力を確保できると判断し(図7、Step2:Yes)、SOC1%を各蓄電セル3の必要SOCに決定する。このVbatの値が9V未満であれば(図7、Step2:No)、次に、表1におけるSOC3%に対応するOCVである3.00Vを(2)式に適用し(図7、Step3)、求まる到達電圧Vbatに基づき、電力供給能力を確保できるか否かを判断する(図7、Step2)。電力供給能力を確保できるSOCが決定されるまでこの手順を繰り返す。
こうして決定された各蓄電セル3の必要SOCを狙って(各蓄電セル3が必要SOCになる、蓄電装置1のSOCを狙って)、蓄電装置3をCV放電させる(図7、Step4)。
このように、電力供給能力を確保しつつ、可能な限り低いSOC値を各蓄電セル3の必要SOCに決定することで、分極解消後に、SOC-OCVプロファイルの傾きが大きいところでOCVリセットを行うことができる。そのため、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いの推定の精度を高めることができる。
逆に、電力供給能力の推定時点t=0におけるVOCV(0)の値として、表2(第2非プラトー領域)における最高SOC値に対応するOCVである3.26Vを(2)式に適用して、最高SOC値から各蓄電セル3の必要SOCの探索を開始してもよい。これにより、短時間で必要SOCを決定し、推定に要する時間を短縮することができる。
更に代替的に、表1(第1非プラトー領域)における最高SOC値に対応するOCVである3.15Vから低SOCに向かって必要SOCを探索してもよい。表2(第2非プラトー領域)における最低SOC値に対応するOCVである3.22Vから高SOCに向かって必要SOCを探索してもよい。
図8に、放電開始SOC(推定時点t=0のSOC)から必要SOCに到るまでCV放電させた場合の蓄電セル3の電圧挙動を、一点鎖線で示す。CV放電は、放電電流が閾値以下(例えば、1A以下)になった時点で終了してもよい。図8では、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定するための放電の過程の全領域で蓄電素子をCV放電させている。代替的に、蓄電素子をCCCV放電させてもよい。
蓄電素子をCV放電させることのメリットを、図9に示すCC放電の場合を参照しながら説明する。
CC放電では、電圧センサ55(図3参照)により検出される蓄電セル3の電圧に基づいて放電を停止させる。電圧センサ55が検出するセル電圧は、内部抵抗(分極)を反映している。図9における実線(真のOCVプロファイル)と、一点鎖線(CC放電に伴うセル電圧挙動)との差が、分極を示す。この分極は、蓄電素子の運用状況(温度、電流、蓄電素子の劣化の度合い等)に応じて異なる。そのため、上述の方法(図7参照)で決定された必要SOCに向けてCC放電させる際、放電終止判断のためのセル電圧を適切に設定する難易度が高い。
CC放電では、電圧センサ55(図3参照)により検出される蓄電セル3の電圧に基づいて放電を停止させる。電圧センサ55が検出するセル電圧は、内部抵抗(分極)を反映している。図9における実線(真のOCVプロファイル)と、一点鎖線(CC放電に伴うセル電圧挙動)との差が、分極を示す。この分極は、蓄電素子の運用状況(温度、電流、蓄電素子の劣化の度合い等)に応じて異なる。そのため、上述の方法(図7参照)で決定された必要SOCに向けてCC放電させる際、放電終止判断のためのセル電圧を適切に設定する難易度が高い。
必要SOCは、上述の方法により、SOC-OCVプロファイルにおける非プラトー領域に含まれるように決定されているが、放電終止セル電圧を図9におけるV1に設定した場合、必要SOCから高SOCに向けて離れた点で放電が停止する。この場合、蓄電装置1に含まれる各蓄電セル3がプラトー領域から脱していないため、分極解消後にSOCのOCVリセットを適切に行うことができない。そのため、そこから満充電に向けて充電させても、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを精度よく推定することができない。プロセスは失敗である。
放電終止セル電圧を図9におけるV2に設定した場合、プラトー領域から脱した、必要SOCの近くで放電が停止する。そのため、分極解消後にSOCのOCVリセットを行い、そこから満充電に向けて充電させることで、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを精度よく推定できる。プロセスは成功である。
放電終止セル電圧を図9におけるV3に設定した場合、必要SOCを下回ったところで放電が停止する。この状態では、プラトー領域からは脱しているものの、所定の電力供給能力を発揮できない。プロセスは失敗である。
図9におけるV2、すなわち必要SOCに対応する電圧値を、放電終止電圧として設定することが求められるが、上述のように、蓄電素子の運用状況に応じて分極が異なるため、そのような設定を安定的に行うことは難易度が高い。
これに対し、図8に示すように、蓄電素子を必要SOCに向けてCV放電させることで、決定した必要SOCに安定的に到達させることができる。決定した必要SOCと、SOC-OCVプロファイルとが交差する点の電圧で、蓄電素子をCV放電させてもよい。代替的に、短時間で必要SOCに到達させるために、蓄電素子をCCCV放電させてもよい。
CV放電により必要SOCに到達させた後、蓄電素子を充放電させずに放置し、分極解消後に、電圧センサ55により蓄電セル3の電圧を検出することでOCV(又は、OCVとみなせる値)を取得し、SOCをOCVリセットする。このプロセスは、移動体の停止中(例えば、車両の駐車中)に行うことが好ましい。必要SOCが計算され確保されているため、移動体がいつ起動されても、蓄電素子が所定の電力供給能力を発揮できる。
図10に、必要SOCから満充電状態まで充電させる場合の蓄電セル3の電圧挙動を、一点鎖線で示す。必要SOCから満充電状態まで充電させる間の充電電流の積算値を、OCVリセットしたSOCに加算することで、蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを、精度よく推定できる。
本発明は、上述した実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。開示された蓄電装置1、推定装置2、推定方法及びコンピュータプログラムは、移動体向け以外の用途に適用されてもよい。蓄電装置は、高電圧バッテリであってもよい。
蓄電素子を、先ず満充電状態まで充電させ、次いで必要SOCまでCV放電(又は、CCCV放電)させ、放電電流の積算値に基づいて、満充電容量又は劣化の度合いを推定してもよい。
推定装置2は、蓄電素子から離れて設けられてもよい。推定方法及びコンピュータプログラムは、蓄電素子から離れて位置するコンピュータ(例えば、ECU、遠隔監視コンピュータ)により実施されてもよい。
本発明は、以下のように実施されてもよい。
(変形例1)
蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子のSOC-OCVプロファイルにおける複数の非プラトー領域のいずれかに含まれるように決定される必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定装置。
(変形例1)
蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子のSOC-OCVプロファイルにおける複数の非プラトー領域のいずれかに含まれるように決定される必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定装置。
(変形例2)
蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子のSOC-OCVプロファイルにおける非プラトー領域内のSOC値から所定の順番で探索された必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定装置。
蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
前記蓄電素子のSOC-OCVプロファイルにおける非プラトー領域内のSOC値から所定の順番で探索された必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定装置。
(変形例3)
蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
放電に伴う前記蓄電素子の電圧挙動を模擬する蓄電素子モデルを用いて決定される必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定装置。
前記蓄電素子モデルは、複数の蓄電セル及び導電部材を有する蓄電装置の挙動を模擬する蓄電装置モデルであってもよい。
前記推定装置は、前記蓄電装置モデルに、前記導電部材の抵抗成分を与えてもよい。
蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
放電に伴う前記蓄電素子の電圧挙動を模擬する蓄電素子モデルを用いて決定される必要SOCに到達するまで前記蓄電素子を放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定装置。
前記蓄電素子モデルは、複数の蓄電セル及び導電部材を有する蓄電装置の挙動を模擬する蓄電装置モデルであってもよい。
前記推定装置は、前記蓄電装置モデルに、前記導電部材の抵抗成分を与えてもよい。
1 蓄電装置
2 推定装置
21 制御部
22 記憶部
23 入出力部
221 プログラム
222 推定データ
M 記録媒体
3 蓄電セル
2 推定装置
21 制御部
22 記憶部
23 入出力部
221 プログラム
222 推定データ
M 記録媒体
3 蓄電セル
Claims (9)
- 蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する制御部を備え、
前記制御部は、
必要SOC(State Of Charge)に到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する
推定装置。 - 前記必要SOCは、前記蓄電素子のSOC-OCV(Open Circuit Voltage)プロファイルにおける非プラトー領域に含まれるように決定される、請求項1に記載の推定装置。
- 前記必要SOCは、放電に伴う前記蓄電素子の電圧挙動を模擬する蓄電素子モデルを用いて決定される、請求項1又は2に記載の推定装置。
- 前記蓄電素子モデルは、複数の蓄電セル及び導電部材を有する蓄電装置の挙動を模擬する蓄電装置モデルである、請求項3に記載の推定装置。
- 前記蓄電装置モデルに、前記導電部材の抵抗成分を与える、請求項4に記載の推定装置。
- 前記制御部は、前記非プラトー領域に含まれる複数のSOC値のいずれかから所定の順番で前記必要SOCの探索を開始する、請求項1又は2に記載の推定装置。
- 請求項1又は2に記載の推定装置と、複数の蓄電セルとを備える蓄電装置。
- 蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する推定方法であって、
必要SOC(State Of Charge)に到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ、
前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させ、
前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する
推定方法。 - 蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定するコンピュータに、
必要SOC(State Of Charge)に到達するまで前記蓄電素子を定電圧で放電させ、前記蓄電素子をその満充電状態まで充電させた場合の、前記必要SOCから前記満充電状態に到達するまでの充電電流の積算値、又は、前記満充電状態から前記必要SOCに到達するまでの放電電流の積算値、に基づいて前記蓄電素子の満充電容量又は劣化の度合いを推定する
処理を実行させるためのコンピュータプログラム。
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JP2022106216A JP2024005821A (ja) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | 推定装置、蓄電装置、推定方法及びコンピュータプログラム |
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