JP5017084B2 - 電池制御方法及びそのシステム - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池の劣化判定を行う電池制御方法及びそのシステムに関する。
自動車や鉄道などの動力機器やバックアップ用のUPSなどに搭載される鉛,ニッケル水素,リチウム電池などの2次電池に関し、その劣化状態を判定する技術が知られている。
一般に、二次電池の内部抵抗は、二次電池の劣化状態と関係があり、劣化度は基準となる内部抵抗からの上昇率で知ることができる。そのため、二次電池の内部抵抗を測定することにより、二次電池の劣化度を得ることが可能である。
そして、二次電池の内部抵抗は、二次電池の充電量や特に温度に依存して、大きく変化することから、温度補正を行うことにより、正確な内部抵抗を求め、劣化状態を判定する技術も知られている(特許文献1)。
特開2005−091217号公報
しかしながら、特許文献1が開示する方式では、20kHz以上のサンプリングが必要となるため、高速,高精度なセンサとともに、マイコンの処理能力も要求される。また、動作中に内部抵抗を測定する際には、内部抵抗の測定中に電池状態が変化してしまうため、内部抵抗の測定値及び劣化度の精度が向上できないという問題が発生していた。
本発明の目的は、電池の劣化判定を行い、電池状態を正確に測定することを実現する電池制御方法及びそのシステムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明では少なくとも1つ以上の電池と、制御回路とを備えた電池制御システムにおいて、電池の電池状態情報を検出するセンサと、センサからの電池状態情報から内部抵抗値を算出する内部抵抗計算手段と、この内部抵抗値を電池の温度域毎に保持し、各温度領域に更新された測定内部抵抗値の時間を保持する内部抵抗保持手段と、電池の温度域毎の基準内部抵抗値と算出した内部抵抗値とを比較する劣化判定手段とを備えて、電池の劣化度を判定するものである。
また、上記課題を解決するために、本発明では少なくとも1つ以上の電池からなる組電池と制御回路との組を2つ以上接続された電池制御システムにおいて、組電池の電圧を含む電池状態情報を検出するセンサと、センサからの電池状態情報から内部抵抗値を算出する内部抵抗計算手段と、予め記憶された基準内部抵抗値と算出された内部抵抗値とを比較して、電池の劣化度を判定する劣化判定手段と、を有し、電圧センサの検知結果として、電圧が所定の範囲外となった場合には、組電池の劣化度を増加させることを特徴とするものである。
また、上記課題を解決するために、本発明では、少なくとも1つ以上の電池からなる組電池と制御回路との組を2つ以上接続された電池制御システムにおいて、組電池の電池状態情報を検出するセンサと、センサからの電池状態情報から内部抵抗値を算出する内部抵抗計算手段と、予め記憶された基準内部抵抗値と算出された内部抵抗値とを比較して、電池の劣化度を判定する劣化判定手段と、組電池は、並列に接続された少なくとも2つ以上の電池を有し、センサは、組電池の電圧を検知する電圧センサと、組電池の電流を検知する電流センサと、を有し、劣化判定手段は、劣化度及び前記組電池の充電量を判定し、判定された劣化度及び充電量に基づいて算出された組電池の電圧及び電流の予測値と、電圧センサ及び電流センサで検知された測定値とを比較し、比較した結果に基づいて劣化度を調整するものである。

本発明によれば、一定時間内では、サンプル数が少なく推定誤差が大きくなってしまう場合においても、温度ごとに内部抵抗テーブルを蓄積することで、サンプル数を稼ぐことができるため、内部抵抗の推定誤差を小さくすることを実現したものである。
以下、図面を用いて、本発明に関わる二次電池の劣化推定方式の実施の形態について説明する。
図1に電池制御システム1000の構成図を示す。
電池制御システム1000は、電池システム1と電池制御装置2から構成され、電池システム1は、組電池10とセンサ100からなる。組電池10は、複数の単電池11を直列に接続された構成である。また、センサ100は、組電池10を流れる電流を測定する電流センサ101と、組電池10の総電圧を測定する102と、組電池10の温度を測定する温度センサ103から構成される。なお、温度センサ103は、各単電池11のうち最も高い温度または、それが推測できるように組電池10に設置されている。
電池制御装置2は、A/D変換器21と電池状態推定装置20から構成され、A/D変換器21は、センサ100からのアナログデータであるセンサ情報を周期τでサンプリング・ディジタルデータ化し、電池状態推定装置20に出力する。
以後、電流センサ101からの電流データのディジタルサンプリングデータを{Ik}、電圧センサ102からの電圧データのディジタルサンプリングデータを{CC k}、温度センサ102からの温度データのディジタルサンプリングデータを{Tk}とおく。
電池状態推定装置20は、劣化推定装置201と充電状態推定手段202,基準内部抵抗値テーブル210から構成される。充電状態推定装置202は、組電池10の充電量(SOC)や許容充放電電流量をA/D変換器21を介したセンサ100からの情報から推定している。
劣化推定装置201は、内部抵抗計算手段2000と、測定内部抵抗値保持手段2100と基準内部抵抗値保持手段2110と劣化推定計算手段2200,測定内部抵抗値保管手段2120と基準内部抵抗値保管手段2130から構成されている。内部抵抗計算手段2000と劣化推定計算手段2200は、演算周期τで周期的に演算を行っている。
二次電池の劣化度は、基準となる内部抵抗からの上昇率で求まることから、内部抵抗計算手段2000で計算された内部抵抗を、測定内部抵抗値保持手段に保持させると同時に、同じ条件(同じ充電量,同じ温度)時の基準内部抵抗値を基準内部抵抗値テーブル210から読み出し、基準内部抵抗値保持手段2110に保持させる。劣化推定計算手段2200は、測定内部抵抗値保持手段に一定数貯まったところで、測定内部抵抗値保持手段2100内の内部抵抗値と、基準内部抵抗値保持手段2110内の基準内部抵抗値から、組電池10の劣化度を求める。
二次電池の劣化度は、内部抵抗が基準内部抵抗からの上昇率で求められる。
図2に、基準となる内部抵抗の温度および充電量による変化を示す。基準となる内部抵抗はこのように非線形な性質をもつため、一般に温度・充電量に対する内部抵抗値のテーブルとしてもつ。また、メモリサイズの制約から、温度と充電量の間隔をあまり細かく取れず、粗い格子点のデータから線形補完で求めるため、基準内部抵抗値にも誤差が存在する。特に、二次電池の電池状態が大きく変化する場合では、この基準内部抵抗値の誤差がより大きくなる。それに加え、センサ100の持つセンサ誤差の影響で、数点での内部抵抗値から推定する劣化度では、計算するごとに、数10%以上大きく変動してしまうことが発生する。しかし、実際には、通常の範囲内の使用では、劣化度は1%/月ぐらいの上昇であるため、このような求め方では、精度のよい劣化度が得られたとはいえない。
そこで、本特許では、内部抵抗値の測定点を増やし、その平均と基準内部抵抗値保持手段全体と比較して、どれくらい内部抵抗が上昇しているかを判断することで、誤差の影響を最小化し、劣化度の変動を数%以内に抑えることが実現している。
以下に、劣化推定装置201における処理を述べる。
内部抵抗計算手段2000では、センサ100によりサンプリングデータから、内部抵抗{Rk}を求め、測定内部抵抗値保持手段2100への登録処理と、充電状態計算手段202からの充電量をもとに基準内部抵抗値テーブル210より基準内部抵抗値を取り出し、基準内部抵抗値保持手段2110に登録する。
(式1)に内部抵抗Rkを求める式を示す。なお、電流差(Ik−Ik-1)は分母であるため、電流差が小さい場合、計算誤差が拡大するため、電流差がI0以上のときに内部抵抗を計算する。
Figure 0005017084
この式(式1)は、下記のように導ける。まず、組電池10は、単電池11の直列構成であり、図3に示す等価回路で表せる。図3において、1101は起電力(OCV)、1102は内部抵抗(R)、1103はインピーダンス(Z)、1104はキャパシタンス成分(C)である。インピーダンス1103とキャパシタンス成分1104の並列接続対と内部抵抗1102,起電力1101の直列接続で表されている。また、(式2)に、組電池10に電流Iを印加すると、組電池10の端子間電圧(CCV)を求める式を示す。
Figure 0005017084
ここで、Vpは分極電圧であり、ZとCの並列接続対の電圧に相当する。また、充電状態推定手段202では、OCVを用いて充電量(SOC)や許容充放電電流の演算に用いられるが、組電池10が充放電されている状況では、OCVを直接測定することが不可能である。このため、(式3)の様にCCVからIRドロップとVpを差し引いてOCVが算出される。なお、充電状態推定手段における充電量や許容充放電電流の演算に関しては、特開2003−303627号公報に開示されている技術が適用できる。
Figure 0005017084
(式4)に、内部抵抗Rを直前のサンプリング値との差から求める式を示す。これは、(式2)より、
Figure 0005017084
ここで、(式4)の測定不可データである第二項は、電池の電流Ikに依存しているが、キャパシタ成分であり、第一項の数%以内程度に収まる様に、演算周期および計算電流値を抑えることで、センサ誤差の範囲内とみなすことができる。以上より、内部抵抗値は(式1)で表現できる。
続いて、図4に測定内部抵抗値保持手段2100を、図5に基準内部抵抗値保持手段2110を示す。測定内部抵抗値保持手段2100は、複数の測定内部抵抗値を保存する保持手段2101を持つ。保持手段2101の個数は、基準内部抵抗値テーブルに準じ、ここでは、以後、10℃単位の温度域として説明する。
また、基準内部抵抗値保持手段2110は、同様に、複数の測定内部抵抗値を保存する保持手段2111を持ち、保持手段2111の個数は、測定内部抵抗値保持手段2100と同じであることが望ましい。
なお、内部抵抗は電池の充電量と特に温度に依存して、抵抗値が大きく変動する。そこで、誤差の影響を小さくするため、図2に示す内部抵抗の特性から、温度域ごとに充電量の変化により内部抵抗の変動がほとんどない充電量の範囲を決め、電池の充電量がその範囲にあるときにのみ、求めた内部抵抗Rを測定内部抵抗保持手段2100に保持する。また、内部抵抗は低温になるほど、充電量による内部抵抗が大きくなり、測定内部抵抗保持手段2100に保持できる充電量の範囲が狭くなる。そのため、測定内部抵抗保持手段2100が保持する充電量の範囲が狭い(たとえば20%未満)温度以下では、測定内部抵抗保持手段2100への保持は対象外とする。
この範囲は、電池の持つ特性で決めることができるため、内部抵抗保持手段2100に保持する温度範囲および充電量範囲は、事前に決めておくことができる。なお、本実施例では、0℃以上とした。
また、充電量の利用範囲においても、内部抵抗が変動する場合には、図6に示すように充電量も温度と同様にパラメータとして分けて保持することで、測定内部抵抗保持手段2100が保持する測定内部抵抗値の数を増やすことができる。測定内部抵抗値保持手段2100への登録処理は、以下のとおりである。内部抵抗計算手段2000により計算された内部抵抗Rkは、温度センサ103からの温度データを基に、測定内部抵抗値保持手段2100の該当する温度域の保持手段2101に保持される。例えば、温度センサ103からの温度データが23℃の場合には、20℃域の2101−3に保持される。同様に基準内部抵抗テーブル210から、同じ条件(同じ充電量,同じ温度)の基準内部抵抗値を読み出し、基準内部抵抗値保持手段2110への基準抵抗値が登録される。この登録も同様に、基準内部抵抗値保持手段2110の該当する温度域の保持手段2111に保持される。また、内部抵抗値保持手段の構成を図7に示すように、温度毎の保持手段2101の構成を累積値2102と個数2103とする。これは、抵抗値の登録の際に、当該抵抗値を累積値2102に加えるとともに、個数2103に1を加えることで実現できる。
(式5)に、劣化推定計算手段2200での演算が温度域毎の平均値を求める式を示す。
Figure 0005017084
また、累積値2102を固定小数点に保持する場合には、bit数の制限があるため(例えば、16bitデータなら、unsigned型で、0〜65535)、累積値の2102のオーバーフローが存在する。それに備え、あらかじめ、累積値2102の上限値と、超えた場合に削減する個数の値を決めて置き、累積値2102が上限値を超えた場合には、個数2103を削減する個数の値に減らす。(式6)に変更の式を示す。このように、平均値が同じになるように、累積値2102を変更することで、オーバーフローを回避することができる。
Figure 0005017084
続いて、劣化推定計算手段2200について述べる。劣化推定計算手段2200は、測定内部抵抗値保持手段2100より、内部抵抗データを読み込み、例えば、温度ごとに平均などの演算をした後、温度間で平均を取り、測定内部抵抗値の手段の代表値を求める(詳細は後述)。また、基準内部抵抗値保持手段2110についても同様に、例えば、温度ごとに平均などの演算をした後、温度間で平均をとり、基準内部抵抗値の代表値を求める(詳細は後述)。
測定内部抵抗値手段2100に保持されている複数の測定内部抵抗値から、代表値となる測定内部抵抗値の代表値を求める。これは、測定内部抵抗値保持手段2100に温度域(2101)ごとに保持されている複数の抵抗値から、平均や最小二乗法などの演算を行い、各温度域の代表抵抗値を求める。その後、求めたその各温度域の代表抵抗値間で平均を取り、1つの測定内部抵抗値の代表値を求める。また、基準内部抵抗値保持手段2110においても、同様に、温度域(2111)ごとに平均や最小二乗法などの演算を行い、各温度域の代表抵抗値を求めた後、各温度域の代表抵抗値間で平均をとり、基準内部抵抗値の代表値を求める。
(式7)に示すとおり、劣化度は、2つの代表値の比から求められる。このように、複数の内部抵抗値の平均値から、代表値の比で求めることにより、各測定点の劣化度の平均を取ることに比べ、センサ誤差や演算誤差,基準内部抵抗値テーブルの誤差の影響を小さくすることができ、精度向上が実現できる。
Figure 0005017084
(式8)に代表値を求める式を示す。なお、a温度域のデータ数をna、a温度域のi番目のデータをra,jとする。
Figure 0005017084
また、(式9)に、各温度域のデータ数naによる重み平均をとる場合の代表値を求める式を示す。
Figure 0005017084
また、夏と冬では組電池10の使用温度範囲が異なる。例えば電池温度が60℃域になるのは夏のみである場合、普通に温度間の平均をとると、冬では夏での60℃域の測定内部抵抗値をそのまま利用してしまう。そこで、図8に示すように、測定内部抵抗値保持手段2100及び基準内部抵抗値保持手段2110に各温度域に更新時間2105を記録する機能を持たせ、内部抵抗計算手段2000が、測定内部抵抗値保持手段2100,基準内部抵抗値保持手段2110に内部抵抗値を内部抵抗値データ2104として書き込む際に、更新時間2105の値を変更する。また、内部抵抗計算手段2000は、更新時間2105の値を調べ、更新時間が古い場合には、測定内部抵抗値保持手段2100,基準内部抵抗値保持手段2110の内部抵抗値を内部抵抗値データ2104の値をクリアしてから書き込む、又は、圧縮することにより、以前の抵抗値データの影響を小さくする処理を行う。
また、測定内部抵抗値保持手段2100,基準内部抵抗値保持手段2110に更新時間を保持することで、劣化推定計算手段2200は、内部抵抗の代表値を計算する際に、更新時間に応じて、その温度域の重みを変えることが可能となる。これにより、たとえば、冬に内部抵抗代表値を計算する際に、夏に更新された60℃域の抵抗値データの重みを小さくして計算することで実現出来る。また、電池が劣化すると内部抵抗の上昇に伴い、温度上昇も速くなるため、冬でも電池温度が60℃域に達する場合が発生するので、更新時間を考慮し劣化に応じて内部抵抗代表値の計算を実現できる。
(式10)に、以上を考慮し、各温度域の計算及び代表値の計算を一般化し、関数で行う場合を示す。
Figure 0005017084
以上のように、内部抵抗値が温度に関して依存性が高い場合には、温度ごとに内部抵抗値を集め、温度ごとに計算した後、温度全体で計算を行うことで、センサや温度などの誤差を小さくすることが可能となる。
図9に電池システム1の実現方法を示す。電池システム1は、組電池10とセンサ100から、電池制御装置2は、A/D変換器21,演算手段22,記憶手段23,不揮発性記憶手段24から構成されている。また、図10に示すようにA/D変換器21は、電池システム1側にあってもよい。
図11に図9における電池制御装置2の構成を示す。
演算手段22は、内部抵抗計算手段2000,劣化推定計算手段2200及び、起動終了処理手段2300を持ち、処理内容を記述したプログラム2140及びワークエリア2150を実行することにより実現する。
なお、内部抵抗値保持手段2100,2110は揮発性のメモリである記憶手段23上に置かれるため、電源OFF時に内部抵抗値データが消えてしまう。それを防ぐため、起動終了処理手段2300は、電源OFFとなる前に内部抵抗値保持手段2100,2110の内部抵抗値データを、不揮発性記憶手段24内の内部抵抗値保管手段2120,2130に退避させる。また、起動時には、起動終了処理手段2300は内部抵抗値保管手段2120,2130から、内部抵抗値保持手段2100,2110に戻す。これにより、電源OFFに伴う内部抵抗値保持手段2100,2110のデータ消滅を避けることができる。
このとき、抵抗値データを変換(圧縮)し、内部抵抗値保管手段2120,2130に待避させることで、不揮発性記憶手段24で必要なサイズを削減することが可能となる。変換方式として、例えば、温度ごとの平均値と個数などである。
記憶手段23は、SRAMやDRAMなどの揮発性のメモリから構成されており、測定内部抵抗値保持手段2100,基準内部抵抗値保持手段2110及びワークエリア2150を持つ。また、不揮発記憶手段24は、フラッシュメモリやハードディスクなどの不揮発性のメモリから構成されており、基準内部抵抗値テーブル210,測定内部抵抗値保管手段2120,基準内部抵抗値保管手段2130及びプログラム2140を持つ。
なお、一般に揮発性メモリのほうが、不揮発性メモリよりアクセス速度が速い。それを利用し、起動終了処理手段2300が、不揮発性記憶手段24内の基準内部抵抗値テーブル210及びプログラム2140を記憶手段23内にコピーすることで、演算手段22の処理性能を向上させることが可能となる。
尚、上述した実施例において、充電量においても同様に内部抵抗の変動が大きい場合には、基準内部抵抗値保持手段2110について充電量ごとに内部抵抗テーブルを蓄積することで、充電量の変動による内部抵抗の推定誤差を小さくすることも可能である。
電池においては、電池の保護のため、CCVが所定の電圧範囲内になるように、充放電電流量を制限している。また、(式2)に示すとおり、電流が0のときと比べ、CCVは充電時は高くなり、放電時は低くなる性質がある。
(式11)の充電側、(式12)に放電側の最大充放電電流を求める式を示す。
Figure 0005017084
Figure 0005017084
ただし、Vmax,Vminは、電池電圧の最大,最小値、R0は当該電池状態における基準内部抵抗値となる。
しかし、劣化度が実際よりも小さく判定されている場合、電池状態推定装置20において、(式11)および(式12)より、最大充放電電流が大きく流せると判断される。そのため、電圧変動幅が大きくなり、CCVが所定の電圧範囲外になる可能性がある。
そこで、CCVが所定の電圧範囲外となった場合には、電池状態推定回路20では、劣化度の推定が失敗したとみなし、劣化度を上昇させる処理を取る。
これにより、使用開始時など劣化度が正しく推定されていないときでも、電池を保護することが可能となる。
以上、説明したように本発明の実施例によれば、一定時間内では、サンプル数が少なく推定誤差が大きくなってしまう場合においても、温度ごとに内部抵抗テーブルを蓄積することで、サンプル数を稼ぐことができるため、内部抵抗の推定誤差を小さくすることを実現したものである。
また、本発明の実施例によれば、動作中の電池の情報(電圧,電流,温度など)から、内部抵抗を求めることが可能となるため、従来の技術で特定のパターンが作れない場合においても二次電池の内部抵抗及び劣化度の推定を実現したものである。
また、本発明の実施例によれば、基準となる内部抵抗値との上昇率で求める劣化度に関しても、サンプリングポイントごとの内部抵抗値で比較せず、サンプリング全体の平均値を用いることで、各種センサの誤差の影響を小さくすること実現したものである。
また、本発明の実施例によれば、内部抵抗保持手段にある各種抵抗値の情報を、利用することで、ある温度領域の抵抗値が他の温度領域に比べ差があるときには、その電池制御システムに異常が発生したと判断し、利用者に知らせるとともに、定期メンテナンスの際にその内部抵抗値を確認することで、異常の兆候を早めに察知することを実現したものである。
図12に電池システム1を用いたハイブリッド鉄道車両を示す。
ハイブリッド鉄道車両3000は、エンジン3100,発電機3110,コンバータ3120,インバータ3130,交流モータ3140,駆動輪3150、ブレーキ3160,電車制御部3200及び、複数(K個)の電池制御システム1000と操作3210,保守手段3300から構成されている。
エンジン3100と発電機3110とコンバータ3120は接続されており、エンジン3100が回ることにより、発電機3110から交流電力が発生し、コンバータ3120により直流電力に変換され出力される。コンバータ3120、各電池制御システム1000内の組電池11とインバータ3130は接続されている。また、インバータ3130と交流モータ3140,駆動輪3150は接続されており、鉄道車両3000が加速する場合には、インバータ3130は、コンバータ3120および組電池10から直流電力を受け、交流電力に変換し、交流モータ3140及び動輪3150を回転させ加速する。また、減速する場合には、交流モータ3140を発電機として利用し、発生した交流電力をインバータ3130で直流電力に変換し、組電池10に充電させる。
これらのエンジン3100及びインバータ3130のコントロールは、操作盤からの指令を受けた電車制御部3200が行う。電車制御部3200は、操作盤3210からの指令に合うようにインバータ3130の制御をするとともに、各電池制御システム1000内の電池制御装置20から各組電池10の状態情報(充電量,許容電流,劣化度,温度など)を受け、各組電池の電池状態に見合った充放電量になるように、エンジン3100及びブレーキ3160の制御を行う。
操作盤3210には、速度などの従来の運行情報を表示する表示板3220に加え、電池制御システム1000からの情報を表示する表示板3230をもつ。また、運転手が速度やブレーキを調整するマスコン3240がある。
また、メンテナンス用の整備手段3300を電車制御部3200に接続することで、整備員は、整備手段3300を介して、各電池制御システム1000内の抵抗値データも含め、ハイブリッド鉄道車両3000の各種状態情報を見ることができる。
なお、電車制御部3200は、各電池制御部20内の劣化推定計算手段2200から、各温度域の劣化推定値を入手し、劣化推定値間の差を調べ、異常がないかどうか調べる。大きな差(例えば、10〜20%程度)がないかチェックする。このチェック自体は、劣化推定計算手段2200にて行う場合もある。違いがないかを調べる。
もし、ある温度域の劣化推定値が他の温度域に比べ、大きな差があった場合には、その組電池10に異常があると判断し、操作盤3210にその旨を表示板3230に表示するとともに、電車制御部3200は、鉄道車両3000の制御パターンを変更する。
また、通常より電池温度上昇が速い場合には、その旨を表示板3230に表示するとともに、電池制御部3200は、鉄道車両3000の制御パターンを変更する。
1つは、その組電池10を含む当該電池制御システム1000の切り離しを行い、残りの電池制御システム1000で鉄道車両3000の運行を続ける。また、その温度域に当該組電池10の温度がならないように制御できる(例えば温度60℃域が異常)場合には、当該組電池10の温度がその温度域まで上がらない(下がらない)用に制御する。
また、表示板3230で、運転手が各組電池10の電池状態を確認できるように、各組電池10の充電量,温度,電圧,電流値に加え、劣化度も表示させる。このとき、運転開始時など、各電池制御部20内の測定内部抵抗保持手段2100には、特定の温度域しか抵抗データがない場合がある。その場合には、劣化度の信頼度が低めであることを含めて表示板3230に表示する。
また、メンテナンスの際に、整備手段3300を介して、各電池制御システム1000内のデータを調査することで、各組電池10の劣化状況を調べ、温度域間の劣化推定値にばらつきが大きいなど、異常があれば当該組電池10の交換などを行う目安にすることが可能となる。
以上のように、電池制御部20にて温度ごとに内部抵抗の測定結果を保持することが可能となる。この処理は、二次電池を搭載するハイブリッド自動車や無停電装置(UPS),ダンプトラックなどにも適応可能である。
図13に、各組電池10が並列に接続された電池システムの構成図を示す。(式13)に、この電池システムでの各組電池10を流れる充放電電流{Ik}を求める式を示す。
なお、各組電池10の劣化状態を{SOHk}、全体の充放電電流をIとし、各組電池10を流れる充放電電流{Ik}は各組電池10の内部抵抗比で分配されることから、求められる。
Figure 0005017084
また、(式14)に、全体の最大充放電電流Ilimitを求める式を示す。これは、各組電池10の最大充放電電流を{Ilimit k}とおくと、(式13)から(式14)が求められる。
Figure 0005017084
また、温度上昇による電流制限がある場合には、各組電池での内部抵抗の消費電力が、新品時と同じになるように計算することで、劣化時の電池システムにおける電流制限値が求められる。
(式15)に、新品時の内部抵抗による発熱量、各組電池10の劣化時の内部抵抗の発熱量{Pm}を求める式を示す。
(式16)に、各組電池10が新品時の最大充放電電流の合計をIlimit 0と、劣化時の最大充放電電流Ilimitの関係を示す。これは、電池状態に対応する新品時の内部抵抗をr0 とおくと、劣化時の組電池10の内部抵抗は、{r0×SOHk}となることから、消費電力P0と劣化状態での内部抵抗の消費電力の最大値が等しくなればよいので、P0=maxPkから、(式15)(式16)が導ける。
Figure 0005017084
Figure 0005017084
図14に、組電池10もしくは、組電池10を複数並列接続した電池ブロック1100に電圧を昇降圧する電力変換装置であるDC/DCコンバータ1020を接続し、それらを並列接続した新たな電池システムの構成図を示す。
この構成では、DC/DCコンバータ1020により、電池ブロック1100を流れる電流の制御(潮流制御)が可能となる。これにより、電池ブロックごとに、発熱量が新品時の発熱量P0と同じになるように、各電池ブロック1100の充放電電流を制御することができる。そのため、電池ブロック1100間で劣化度に違いがあっても、その影響を最小限に抑えることができる。
たとえば、複数の組電池10をDC/DCコンバータ1020を介して並列接続した場合についての電池システムにおける最大許容電流Ilimitは下記のように求められる。
(式17)に、電池ブロック1100−mを流れる充放電電流imおよび、DC/DCコンバータ1020の電流{Im}としたときの、この電池システムにおける全体の充放電電流Iの式を示す。なお、各DC/DCコンバータ1020の効率および昇圧率をそれぞれ、{ηm},{αm}とする。
Figure 0005017084
また、(式18)に、各DC/DCコンバータ1020の電流{Im}を求める式を示す。なお、各組電池10の劣化度を{SOHm}、電池状態に対応する新品時の内部抵抗をr0、各電池ブロック1100の発熱量{Pm}とすると、(式17)と、すべてのPmが等しいことから求められる。
Figure 0005017084
また、(式19)に新品時の最大充放電電流Ilimit 0時の内部抵抗による消費電力をP0と、劣化時の最大充放電電流Ilimit時の内部抵抗による消費電力Pmを求める式を示す。
Figure 0005017084
以上から、(式20)に、新品時の最大充放電電流Ilimit 0と劣化時の最大充放電電流量Ilimitの関係式を示す。
Figure 0005017084
たとえば、同じ10並列の組電池で構成の場合において、9本がSOH=150%、1本がSOH=100%の場合、図13と図14の電池システムと比較する。
図13の並列接続の電池システムの場合、劣化に伴う電流制限率は、(式16)より、Ilimit/Ilimit 0=70.0%となる。
一方、図14のDC/DCによる潮流制御可能な電池システムの場合、(式20)より、Ilimit/Ilimit 0=83.5%となる。
このように、DC/DCによる潮流制御により、SOHの低い(内部抵抗の小さな組電池)への電流集中を回避することができる。これにより、DC/DCを用いた電池システムでは、劣化のアンバランスによる出力低下を小さくすることが可能となる。
本実施例では、電池制御システム1000を複数接続した電池制御システムにおいて、各電池制御システム1000が推定した劣化度(SOH)の精度向上、およびセンサの異常診断を実現する手法について、説明する。
図15に、複数の電池制御システム1000−1,1000−2,・・・1000−nを直列に接続した直列電池制御システム10000の構成図を示す。直列電池制御システムは、電池制御システム1000−1,1000−2,・・・1000−nに加え、直列電池状態演算装置5000を有し、各電池制御システム1000内の電池制御装置2と接続されている。
また、各電池制御システム1000には、電流センサ101と電圧センサ102と温度センサ103があり、これらのセンサ情報をA/D変換器21を介したセンサ100からの情報から、電池状態推定装置20は、組電池10の充電量(SOC)、許容充放電電流量、および劣化度(SOH)を推定している。
さらに、電池制御装置2は通信回路22を持ち、推定した充電量(SOC)、許容充放電電流量、および劣化度(SOH)の情報を直列制御装置5000に送信するとともに、直列制御装置5000からのコマンドを受信する。
一方、直列制御装置5000は、各電池制御システム1000−1,1000−2,・・・1000−nからの充電量(SOC),許容充放電電流量、および劣化度(SOH)の情報を基に、直列電池制御システム10000の状態を算出するとともに、各電池制御システム1000に対し、個別またはすべてにコマンドを作成・送信する。
直列制御装置5000が出力するコマンドは、SOH初期化要求,SOH増加要求,SOH減少要求,増加・減少分の設定などがある。
劣化度の推定値の誤差および異常値となる原因として、電池自体の異常に加え、各電池制御システム1000に属する各種センサ(電流センサ101,電圧センサ102,温度センサ103)の故障や異常がある。そこで、各種センサの誤差・異常による推定される劣化度の影響を小さくすることが必要となる。そこで、今回は、直列接続システムおよび並列接続システムにおける劣化度の精度向上手法について、述べる。
まず、直列接続システムにおける劣化度(SOH)精度向上の方法について、説明する。
電池制御システム10000においては、組電池10は直列接続のため、各組電池10を流れる電流は同じである。そのため、各組電池10の劣化推移状況は同じように推移すると予測される。また、電池の劣化は緩やかに進むため、一日で大きく変化することはない。
そこに注目し、各組電池10の劣化度における時系列変化の比較、組電池10間の劣化度の比較を行うことで、各組電池10の劣化度の精度を向上させることが可能となる。
(1)組電池10の時系列変化の比較による精度向上
各電池制御システム1000における劣化度の精度向上処理であり、各電池制御システム1000内の電池状態推定装置20は、図1で説明した測定内部抵抗値保管手段2120や、基準抵抗値保管手段2130を持ち、前回の電源OFF時に、算出した劣化度(SOH)を保管する機能を持つ。
そこで、電池状態推定装置20は、算出した劣化度と前回の電源OFF時の劣化度とを比較し、その差が所定の値以上ある場合には、劣化度を更新せず、前回電源OFF時の劣化度をそのまま利用する。
また、電圧センサ102の出力値と比較し、組電池10の電圧(CCV)が所定の電圧範囲外になると、電池状態推定回路20は、劣化度の推定値が低めに出ていると判断し、劣化度を上昇させる。なお、劣化度の上昇分は、一律にする以外に、所定の電圧範囲からのCCVのはずれ具合に応じて変化させることも可能である。
また、使用中または、終了時の劣化度値が、前回電源OFF時の劣化度より所定の値(例えば、10〜20%)以上に差がある場合には、センサ系(101〜103)または電池に異常があると判断する。
(2)組電池10間の劣化度比較による精度向上
直列制御装置5000は、劣化度の推定誤差も加味し、各電池制御システム1000から来る劣化度の情報を比較、所定の値(たとえば20%以上)より大きい場合、上記のセンサ誤差やセンサの故障・異常の影響で、推定誤差が発生していると判断することが出来る。
ただ、1回目は一時的な異常とも考えられるため、直列電池制御装置5000は当該劣化度を出力した2つの電池制御システム1000に対して、劣化度の再計算要求を送信する。
この劣化度の再計算要求を受信した電池制御システム1000は、電池状態推定装置20内の測定内部抵抗値保持手段2100と基準内部抵抗値保持手段2110をクリアし、劣化度を再度計算し直す。なお、再計算時の劣化度の初期値は、各電池制御システム1000で推定された劣化度の平均値や、固定の初期値などを設定する。
再計算後の劣化度を再び比較し、劣化度の再計算後も劣化状況が同じである場合、センサの出力調整(キャリブレーション)を行った後、劣化度を再度計算しなおす。それでも劣化状況が同じである場合には、電池またはセンサに異常が起きたと判断する。これにより、センサ自体を二重化することなしに、電池異常やセンサ故障を判定することが可能となる。
また、異常の判定を行う回数を2回目に限らず、3回以上の所定の回数再計算してもよい。なお、異常と検出された際には、電車制御部3200に報告し、電池制御システム1000からの情報を表示する表示板3230にその旨を表示するとともに、メンテナンス時にメンテナンス用の整備手段3300で各組電池10の劣化情報や劣化度のバラつきを見ることができる。
続いて、並列接続システムにおける劣化度の精度向上方法について、説明する。
図13に、各組電池10が並列に接続された電池システムの構成図を示す。また、(式13)に示すとおり、各組電池10の劣化度{SOHk}が推定できれば、全体の電流Iから、各組電池10を流れる充放電電流{Ik}を推定することができる。また、(式21)に充放電電流予測値{I′k}をより精度良く求める式を示す。なお、先述の(式13)は、この(式21)において、OCVjおよび基準抵抗値R0が全組電池10間で等しいと置いて求めた近似式である。なお、Rk=SOHk×R0である。
Figure 0005017084
この充放電電流の推定値{I′k}と、実際の電流センサ101で測定した電流{Ik}を比較することで、各電圧センサ102の誤差修正・故障判定、ならびに、各組電池10の劣化度{SOHk}の誤差を修正、劣化度{SOHk}の精度を向上させることができる。
まず、電圧センサ102の誤差修正・故障判定について説明する。各組電池10は並列に接続されているため、各組電池の電圧{CCVk}は同じである。そこで、各組電池10に属する電圧センサ102の出力の差が拡大し、ある電圧センサ102の出力値と電圧センサ102の出力値の平均との差分が、所定の範囲(たとえば、5%)を越えた場合、この電圧センサ102は調整要とみなし、センサ出力調整(キャリブレーション)を行う。その後も、電圧センサ102が所定の範囲外となった場合には、当該電圧センサ102が故障とみなし、その列を切り離すか、待機系の電圧センサ102に切り替える。
次に、電圧センサ102の出力と電流センサ101の出力を利用したSOH精度向上の方法について説明する。2つの手法が存在する。
電圧予測値{CCV′k}、および電流予測値{I′k}を直列ごとに算出する。電圧予測値は(式2)より、電流予測値は(式13)を求める。次に、(式22),(式23)に示すように、電流センサ101の出力{Ik}と電圧センサの102の出力{CCVk}と比較し、電圧差分{ΔCCVk}および電流差分{ΔIk}を求める。なお、ΔCCVkは各列の劣化度SOHkで、また、ΔIkは各列のSOHkの関係(相対比)で決まる。
Figure 0005017084
Figure 0005017084
手法1:ΔCCVkとΔIkを利用し、劣化度の推定誤差を修正,精度を向上する。
手法2:ΔIkとCCVkを利用し、劣化度の推定誤差を修正,精度を向上する。
まず、手法1について説明する。図16に、手法1で利用する電圧差分{ΔCCVk}および電流差分{ΔIk}を登録する差分テーブルの構成を示す。この差分テーブルは各直列の電圧差分ΔCCVkおよび電流差分ΔIkを保持するとともに、その値が、所定の範囲外にあるかどうかの判定結果(+方向で範囲外なら+(1)、−方向で範囲外なら−(−1)、範囲内なら0)を保持する。なお、センサ誤差の影響を回避するため、ΔCCVkおよびΔIkは一定時間内の平均値を用いる。また、劣化に伴い内部抵抗が上昇する性質から、下記に示すΔCCVkとΔIkの結果と劣化度(SOH)との関係が導ける。
Figure 0005017084
そこで、手法1では、ステップ1)で電圧差分(ΔCCVk)を用い、各直列のSOHkを一様に調整した後、ステップ2)により、電流差分(ΔIk)により、直列間のSOHkを調整する。
図17に手法1のアルゴリズムを示す。
ステップ1) 全直列に対して、電圧差分の判定結果が、
a)すべて+ならば、全SOHkを増加
b)すべて−ならば、全SOHkを減少
これを、何周期か繰り返し、電圧差分の判定結果が、a)b)の条件以外になるまで、繰り返し、各直列のSOHkを一様に調整する。
ステップ2) 各直列に対して、電圧差分と電流差分の判定結果が、
+−(電圧差分結果+,電流差分結果−)ならば、当該直列のSOHkを増加
−+(電圧差分結果−,電流差分結果+)ならば、当該直列のSOHkを減少
を行い、直列間のSOHkの調整し、ステップ1)に戻る。
以上のステップ1),ステップ2)を繰り返すことにより、劣化度(SOHk)の調整を行い、精度向上を図る。
一方、手法2では、電圧センサ102および充電量の精度により、電圧差分ΔCCVkの誤差が大きい場合に、組電池10の電圧であるCCVkを代わりに利用する手法である。手法1に比べ収束は遅いが、もともと数%程度の誤差を調整するものであることを考慮すると、本手法も有効と考えられる。
手法2では、まずステップ1)にて、電流差分(Ik)の差が最も大きな2つの劣化度(SOH)を調整することで、直列間のSOHバランスを調整するともに、ステップ2)にて、各直列の電圧CCVkを観測し、所定の範囲外となった場合には、全直列の劣化度(SOH)を一律に増加させる。
図18に手法2のアルゴリズムを示す。
ステップ1) 電流差分が所定の範囲外の直列に対して、
最大の直列のSOHkを減少
最小の直列のSOHkを増加
ステップ2) 各電池制御システムに属する電圧センサ102の出力が、所定の範囲外となる直列が存在したら、すべてのSOHkを増加させ、ステップ1)に戻る。
以上のステップ1),2)を繰り返すことにより、劣化度(SOHk)の調整を行い、精度向上を図る。
手法1,手法2とも、SOHの増減分は1%などの固定値とする。なお、起動時など電池制御システム1000にてSOHが求められていない場合には、実際の電池の劣化度との乖離が大きく、組電池の電圧であるCCVkが利用可能な範囲を大きく、逸脱する場合が考えられる。その場合には、その逸脱具合に応じ、SOHの増減分を求めることで、組電池10に大きな負荷がかからないようにする。
続いて、組電池10を直並列に複数接続する構成について、説明する。この構成の場合、直列分を図15に示すように、各電池制御システム1000に電流センサ101や電圧センサ102が存在し、各種センサの数が多くなり、電池システム自体のコストを押し上げる原因となっている。
そこで、図19に、直列接続である利点を生かし、電流センサ101の共通化した構成を示す。なお、図19では、多重化のため両端に電流センサ101を取り付け、電流センサ101の2重化を測っている。
また、電圧センサ102の削減方法について説明する。各組電池10を流れる電流が同じであることから、各直列単位で組電池10を更新することで、劣化度の推移状況を同じとし、各組電池10の電圧をほぼ等しく維持することができる。
そこで、図20に示すように、直列接続された組電池10全体の総電圧を電圧センサ102で測ることで、電圧センサ102を一本化し、各組電池10の電圧として、総電圧を組電池10の直列数で割った値を利用する。さらに、電池制御状態推定装置20は通信回路22をもち、他の電池状態推定装置20と通信を行う機能を持たせ、電流センサ101と電圧センサ102を1つの電池制御状態推定装置20に接続、電池センサ101および電圧センサ102が測定した電流、電圧値をディジタル化した後、他の電池状態推定装置20に送信することで、電池センサ101と電流センサ102の接続本数を削減することが可能となる。また、逆に、温度センサ103により測定した各組電池10の温度を、電池制御システム1003−1に送信し、電池制御システム1003−1で直列分の充電量、許容充放電電流量、劣化度の推定を行うことも可能である。
しかし、この構成では、すべての組電池10の直列での電圧しか測定できず、各組電池10の異常を検出する能力の低下が心配される。
そこで、図21に示すように、各電池制御システム1000に、組電池10を構成する各セルの電圧を測定するセル電圧測定手段104を設ける。また、電池状態推定装置20にもう一つの通信回路23を設け、セル電池測定手段104と通信することで、セル単位にきめの細かな電圧監視を行うことで、より安全な電池制御システムを構築することが可能となる。
この直並列接続システムにおいては、先述の直列接続システムおよび並列接続システムの劣化度(SOH)精度向上手法(アルゴリズム)を組み合わせることで、各組電池10の劣化度(SOH)の精度の向上を実現することが出来る。これは、直列ごとに各組電池10の劣化度(SOH)の精度の調整の後、直列間で劣化度の調整を行う。なお、直列間の劣化度の調整時には、対応する直列の劣化度調整は、その直列に含まれる組電池10の劣化度に対して、行われる。
本発明によれば、電池を並列に接続した電池システムにおいて、推定した内部抵抗を利用することで、電池システムとして充放電可能な電流量を推定することが可能となる。また、電力変換器を介して並列に接続することで、各電池の充放電電流を制御でき、内部抵抗の低い電池への電流集中を防止し、電池の温度を一定にまたは、電池の最大温度を制御することが可能となる。
これにより、電池の能力を最大限に引き出すとともに、電池の長寿命化が実現できる。
また、並列および直列に接続された電池システムにおいて、推定した内部抵抗の精度を向上させるため、推定した内部抵抗値から各電池の電圧,電流を予測し、これと各電池の推定に利用する電圧および電流センサの値と比較することで、内部抵抗の精度を向上させることが可能となる。
本発明は、電池を制御するシステム及び方法において、電池の劣化度を精度良く求めることを実現して、電池制御システムの製造,販売,メンテナンスに寄与する。
本発明に係わる電池制御システム1000のブロック図である。 本発明に係わる基準内部抵抗値テーブルの構成を示す図である。 本発明に係わる組電池の等価回路を示す回路図である。 本発明に係わる基準内部抵抗値保持手段の構成を示す図である。 本発明に係わる基準内部抵抗値保持手段の構成を示す図である。 本発明に係わる温度及び充電量別に内部抵抗値を保持する測定内部抵抗値保持手段の構成を示す図である。 本発明に係わる各温度で累積値と個数を保持する測定内部抵抗値保持手段の構成を示す図である。 本発明に係わる各温度で更新時間を記録する機能を持つ測定内部抵抗値保持手段の構成を示す図である。 本発明に係わる電池システムと電池制御部の構成を示すブロック図である。 本発明に係わる電池システムと電池制御部の構成を示す別のブロック図である。 本発明に係わる電池制御部の構成を示す別のブロック図である。 本発明をハイブリッド鉄道車両に適応した際のブロック図である。 本発明をハイブリッド鉄道車両に適応した際の組電池のブロック図である。 本発明に係わる組電池を複数並列接続した電池システムの構成図である。 本発明に係わる電池制御システムの他の実施例を示すブロック図である。 本発明に係わる差分テーブルの一構成例を示す図である。 本発明に係わる劣化度の推定誤差の修正アルゴリズムを示す図である。 本発明に係わる劣化度の推定誤差の他の修正アルゴリズムを示す図である。 本発明に係わる電池制御システムの他の実施例を示すブロック図である。 本発明に係わる電池制御システムの他の実施例を示すブロック図である。 本発明に係わる電池制御システムの他の実施例を示すブロック図である。
符号の説明
1 電池システム
2 電池制御装置
10 組電池
100 センサ
201 劣化推定装置
210 内部抵抗値テーブル
1000 電池制御システム
2000 内部抵抗計算手段
2110 内部抵抗値保持手段
2200 劣化推定計算手段

Claims (11)

  1. 少なくとも1つ以上の電池と、
    制御回路とを備えた電池制御システムにおいて、
    前記電池の電池状態情報を検出するセンサと、
    前記センサからの電池状態情報から内部抵抗値を算出する内部抵抗計算手段と、
    該内部抵抗値を前記電池の温度域毎に保持し、各温度領域に更新された測定内部抵抗値の時間を保持する内部抵抗保持手段と、
    前記電池の温度域毎の基準内部抵抗値と算出した内部抵抗値とを比較する劣化判定手段とを備えて、
    前記電池の劣化度を判定することを特徴とする電池制御システム。
  2. 請求項1において、
    前記劣化判定手段は、前記内部抵抗保持手段により内部抵抗値を温度領域毎に演算した後に、全ての温度領域で演算して前記電池の内部抵抗値を求めて、基準内部抵抗値と比較することで、劣化度を求めることを特徴とする電池制御システム。
  3. 請求項2において、
    全ての温度領域に対応した前記基準内部抵抗値を記憶する基準内部抵抗値テーブルを備えて、
    該基準内部抵抗値テーブルの基準内部抵抗値を用いることを特徴とする電池制御システム。
  4. 少なくとも1つ以上の電池を備え、
    該電池を制御する電池制御方法において、
    前記電池の電池状態情報をセンサにより検出すること、
    前記電池状態情報から内部抵抗値を算出すること、
    該内部抵抗値を前記電池の温度域毎に保持すること、
    各温度領域に更新された測定内部抵抗値の時間を保持すること、
    前記電池の温度域毎の基準内部抵抗値と算出した内部抵抗値とを比較して劣化状態を判定することを特徴とする電池制御方法。
  5. 請求項4において、
    内部抵抗値を温度領域毎に演算した後に、全ての温度領域で演算して前記電池の内部抵抗値を求めて、基準内部抵抗値と比較することで、劣化状態を判定することを特徴とする電池制御方法。
  6. 請求項5において、
    全ての温度領域に対応した前記基準内部抵抗値を記憶した基準内部抵抗値テーブルを備えること、
    該基準内部抵抗値テーブルの基準内部抵抗値を用いることを特徴とする電池制御方法。
  7. 少なくとも1つ以上の電池からなる組電池と制御回路との組を2つ以上接続された電池制御システムにおいて、
    前記組電池の電圧を含む電池状態情報を検出するセンサと、
    前記センサからの電池状態情報から内部抵抗値を算出する内部抵抗計算手段と、
    予め記憶された基準内部抵抗値と算出された内部抵抗値とを比較して、前記電池の劣化度を判定する劣化判定手段と、を有し、前記電圧センサの検知結果として、電圧が所定の範囲外となった場合には、前記組電池の劣化度を増加させることを特徴とする電池制御システム。
  8. 少なくとも1つ以上の電池からなる組電池と制御回路との組を2つ以上接続された電池制御システムにおいて、
    前記組電池の電池状態情報を検出するセンサと、
    前記センサからの電池状態情報から内部抵抗値を算出する内部抵抗計算手段と、
    予め記憶された基準内部抵抗値と算出された内部抵抗値とを比較して、前記電池の劣化度を判定する劣化判定手段と、
    前記組電池は、並列に接続された少なくとも2つ以上の電池を有し、
    前記センサは、前記組電池の電圧を検知する電圧センサと、前記組電池の電流を検知する電流センサと、を有し、
    前記劣化判定手段は、劣化度及び前記組電池の充電量を判定し、
    判定された前記劣化度及び前記充電量に基づいて算出された前記組電池の電圧及び電流の予測値と、前記電圧センサ及び前記電流センサで検知された測定値とを比較し、比較した結果に基づいて前記劣化度を調整することを特徴とする電池制御システム。
  9. 請求項8において、
    前記予測値と前記測定値の差が、予め定められた所定値以上の場合は、前記予測値と前記測定値との大小関係で、劣化度を調整することを特徴とする電池制御システム。
  10. 請求項9において、
    電圧において、前記予測値が前記測定値より大きい場合は、前記劣化度を減少させ、前記予測値が前記測定値より小さい場合は、前記劣化度を増加させることを特徴とする電池制御システム。
  11. 請求項9において、
    電流において、前記予測値が前記測定値より大きい場合は、前記劣化度を増加させ、前記予測値が前記測定値より小さい場合は、前記劣化度を減少させることを特徴とする電池制御システム。
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