JP5297751B2 - 電源制御装置、車両走行制御システム及び蓄電池劣化状態検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池、電気二重層キャパシタなどの充放電が可能な蓄電手段を駆動用電力の一部又はすべてとして使用する電源制御装置、車両走行制御システム及び蓄電池劣化状態検知方法に関する。

近年、一般に、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用電池として鉛電池やニッケル水素電池、リチウム二次電池などの二次電池や、キャパシタが搭載されている。特にニッケル水素電池やリチウム二次電池は鉛電池に比べてエネルギー密度が高いため、多直列・多並列構成として、主に電気自動車やハイブリッド自動車，コミュータ−カー、ハイブリッド鉄道などの車両走行用や電力貯蔵用の蓄電システムとして使用される。特に高電圧・大電流を必要とする大規模な電池システムでは、複数の蓄電手段を多直列に接続する構成をとる。

ここで、本発明における蓄電手段の定義を説明する。繰り返し充放電可能な蓄電デバイスにおいて、１対の正極負極から構成される最小の蓄電素子を単電池とする。この単電池を複数直列化して組電池としたユニット、或いはこれをさらに複数接続した構成で、外観上、単一のブロック状、或いは筐体に収容された形状で、一組の正極端子、負極端子で電流入出力経路を有するモジュールを狭義の蓄電手段とする。

二次電池は充放電を繰り返すことで、充電状態（ＳＯＣ:State of charge）や、劣化状態（ＳＯＨ:State of Health）が変化し、劣化が進行すると、充放電容量の低下や電池内部抵抗の増加を生じる。そのため、劣化に伴い、システムの出力が次第に低下する。また、保存時に自己放電による劣化が進行し、電圧の低下があることは良く知られている。

電動車両や鉄道車両等に使用される蓄電手段は大型で大容量が要求され、電池コストがシステム全体に占める割合が高く、電池の性能を生かす制御が必要であり、また、蓄電池の交換期間は長いことが望ましい。蓄電池の入出力は劣化に応じて変化するので、劣化状態を適切に検出し、種々の制御を行う必要がある。

蓄電池の劣化状態を検出するために、ハイブリッド自動車においては、特許文献１に記載されているような内部抵抗測定による方法がある。蓄電池のＳＯＣが略同一であると推定される時点での電流と電圧を測定し、それらの放電時と充電池の電圧と電流の測定値に基いて内部抵抗を検出する方法が示されている。
特開２０００−２１４５５号公報

特許文献１に代表される方法では走行中に内部抵抗を検出する。ハイブリッド自動車においてはエンジン始動後、すぐ走行しなければならないため、内部抵抗の検出は走行中に検出演算される。

ハイブリッド自動車は加減速が頻繁であり、蓄電池の入出力は図２に示すように単位時間当たりの入出力の切り替わりが多く、また使用される電流値も大きいため入出力変動が大きい。特許文献１では、その特性を利用し、放電時および充電時の電圧と対応する電流を複数収集しその電圧―電流直線の傾きにより内部抵抗を演算している。

一方、鉄道車両やＥＶ等においては、より大電流が必要とされ、図３に例示されるような電流パターンが蓄電池に要求され、入力、または出力の単位時間あたりの変動が少なく、蓄電池にとっては放電又は充電の継続時間が長くなる。そのため、走行中に単位時間当たりで放電及び充電の両方のデータを数多く収集して劣化度を演算する方式では、ハイブリッド自動車と同等量のデータを得ることが難しく、短時間走行では、電池劣化度（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を精度良く求めにくい問題があった。

また、同様に電池の概略同一ＳＯＣまで充電量と放電量を積算する方式においても、略同一積算容量の時点で、抵抗値が計算できる電流変化が必ずしも起こるとは限らないことや、また、充電電力の積算値等からＳＯＨを求める方法においては、電流の測定誤差が積算値に影響するために電流計測手段は高精度のものが必要とされるために高コスト化するなど、コストを抑えて電池劣化を精度良く求めることが難しいという問題がある。

また、とくにリチウム電池は大電流充放電が継続すると一時的に抵抗値が上昇する現象が見られ、前回走行終了後から始動までの期間が長く、システム停止中に抵抗値が減少した場合、ＳＯＣ演算や、許容入出力電流、電力について、誤差が大きくなる問題がある。

本発明は、従来のこのような問題を解決することを目的に開発されたものであって、蓄電手段の劣化を簡便な方法で測定し、蓄電池の入出力制御に反映させ、安定な車両走行システムを供給するものである。

本発明の電源制御装置は、複数の充放電可能な蓄電手段と、前記蓄電手段を充放電させる充放電部と前記蓄電手段の電流を検出する電流検出部と前記蓄電手段の温度を検出する温度検出部と前記蓄電手段の電圧を検出する電圧検出部と前記電圧計測手段の検出電圧を記録するデータ記録部と前記データ記録部に記録された電圧情報から前記蓄電手段の劣化を演算判定する状態検知部とを有し、装置待機状態で前記蓄電手段の電池劣化を確認できる専用手順を具備した劣化状態確認手段と、を備えており、前記劣化状態確認手段は、あらかじめ決められている測定電流動作パターンに従って装置待機時に前記蓄電手段の電池劣化を測定可能であることを特徴とする。

また、本発明の二次電池を使用する車両走行制御システムは、複数の充放電可能な蓄電手段と、前記蓄電手段を充放電させる充放電部と前記蓄電手段の電流を検出する電流検出部と前記蓄電手段の温度を検出する温度検出部と前記蓄電手段の電圧を検出する電圧検出部と前記電圧計測手段の検出電圧を記録するデータ記録部と前記データ記録部に記録された電圧情報から前記蓄電手段の劣化を演算判定する状態検知部とを有し、車両走行時以外の停車時状態で、電池劣化を確認できる専用手順を具備した劣化状態確認手段と、を備えており、前記劣化状態確認手段によりあらかじめ決められている測定電流動作パターンに従って否走行時に前記蓄電手段の電池劣化を測定可能な電源制御装置を備えた車両走行制御システムであって、前記劣化状態確認手段は、前記蓄電手段の蓄電池の劣化状態を走行前に確認する専用手段を備えており、前記劣化状態確認手段は前記電流検出部、前記電圧検出部、及び前記温度検出部により計測された電流、電圧、及び温度データより、抵抗を演算して、前記蓄電池の劣化状態を制御パラメータに反映させることを特徴とする。

また、本発明の電池劣化状態検知方法は、装置待機時に蓄電池の劣化を測定する専用モードを有し、その専用モードが電流を複数の電流値で所定時間流し、計測された電圧値が、測定パターン開始前の開回路電圧を規準としたＳＯＣ又は電圧に対し、制御装置の時間遅れの最大値ｔ_ｒよりも大きい所定時Δｔ経過後でかつΔｔは通電開始後、最大の電圧差分となる時間であって、その時の電流値および電圧値と、劣化測定開始時の基準となる時間における電流値および電圧値との差分を複数取得し、横軸を電流値の差分に対し、縦軸を電圧値の差分で図示したときに最小二乗法で得られる傾きまたは、電圧差分を電流差分で除した値を平均化処理することにより得られる値を蓄電池抵抗値とし、蓄電池の測定温度に応じた対象蓄電池の電池状態と抵抗値の関係式あるいは関係表から基準温度の抵抗値に換算し、あらかじめ設定された初期抵抗あるいは、初回測定時に得られた初期抵抗値と比較することで劣化度を判定、通知することを特徴とする。

本発明は、図４に示す、少なくとも蓄電手段２１を充放電させる充放電部６０と、蓄電手段２１の電圧を検出する電圧検出部３０と、複数のホールＣＴやシャント抵抗型の電流センサ等を備え、各蓄電手段の電流値を計測する電流検出部４１、４２と電圧検出部３０の検出電圧及び電流検出部の電流値を記録するデータ記録部（図示せず）と、データ記録部に記録された電圧情報から前記蓄電手段の抵抗値を演算する演算部分（図示せず）とを有し、抵抗測定用プログラムを有した構成で、電源投入時、又は及び、運行前に、簡便な選択操作により、あらかじめ測定用の電流と計測時間を設定した抵抗測定用プログラムを制御指令発生手段７０から実施して、充放電部６０で負荷電流を印加することで、変動する電圧から抵抗値を演算し、蓄電池の温度を測定する温度検出部（図示せず）の検出温度の情報から、あらかじめ内部情報として持っている抵抗値の温度換算を実施、基準抵抗値と比較することにより、電池の劣化状態を走行前に検出することで上記の課題を解決するものである。

または、始動時に始業前点検の一連の操作で抵抗測定が自動的に実施される、停車中に特定の抵抗測定プログラムを実施し、ＳＯＨを演算、次走行に電池劣化を反映させることによりその時々に最適な制御を実施することにより解決する。さらには、別に設けられた蓄電池測定モードの起動を命令する、タッチパネルや、ボタンなどに代表される起動操作部を備え、オペレータが操作することにより、始動前、あるいは停車中に任意に測定することを併用し、複数回の劣化蓄積データを取得し、比較、統計処理により蓄電池劣化を推定する。

または、さらに走行前の測定抵抗と、蓄電手段の電圧を走行中に別アルゴリズムで演算した劣化データとさらに比較し、検出した抵抗値に応じて蓄電手段の制御用パラメータを変更し、劣化及び異常を判定することによっても上記課題を解決できる。

本発明によれば、前出の図２に示されたような単位時間当たりに充電又は放電に切り替わる回数が少なく、電流変化も急峻でない電流変化をする蓄電池使用においても、電池の劣化状態を精度よく推定することが可能で、また、走行前に蓄電池の状態が判別可能であり、電池の劣化に応じた入出力制御が可能となる。走行開始前に判別できることにより、電池抵抗を使用するＳＯＣ演算の精度が向上し、電池の許容入出力を超える入出力命令が起こることがなくなり、電池が過負荷になることが防止できる。

この効果は電圧がＳＯＣに応じて大きく変化する蓄電池に、有効であり、特に電圧とＳＯＣの関係がはっきりしているタイプのリチウム電池や電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）等に有効である。過負荷によってシステム停止を引き起こすエラーがなくなり、システムがより安定すると共に、蓄電池の性能を十分引き出すことが可能となり、その時々の状態に応じた最適使用が可能になる。

特に、蓄電池のみが駆動するシステムにおいては、駆動用蓄電池の不具合による緊急システム停止は移動体の場合、移動することが不能になり致命的であるが、この不具合を回避することが可能になる。

また、エンジンシステムとの組合せのハイブリッドシステムにおいて走行中にアイドリングストップを実施する場合は、確認した抵抗を使用することで、エンジン再起動時の必要電流が確保できるか動作可否を確認することも可能となる。以上のように大規模蓄電池システムの信頼性を向上させることが可能になる。

また、本発明の蓄電池劣化測定モードの起動操作部により、オペレータが簡便に蓄電池劣化を確認することが可能であり、電池の劣化が激しいものについては走行開始前に交換することが可能となる。蓄電池の状態検知手段５０に電池劣化の情報を記録する例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等、追記可能なデータ保存システムや、ＲＯＭ（read only memory）を有しないものについても、走行前に電池の劣化状態が確認でき、データ保存システムを有している場合においては、読み出し値と現状劣化状態との比較が出来る。そのため、蓄電池交換などにより、著しく前回値と電池劣化状態が変化した場合においても、その時点での電池の状態が確認できるため、蓄電池の入出力値を蓄電池の劣化状態に合わせた制御が可能になる。よって、より制御が安定した安定走行につながり、ハイブリッドシステムの場合は燃費も向上する。また、電池劣化を記録するＲＯＭをもたない場合においても安定な走行が可能となる。

鉄道車両などの場合、ハイブリッド自動車等に比較するとより大規模な電池システムを使用し、公共交通機関に用いられるため、安定な運行は必須である。本発明は運行前の始業点検時に実施することが可能で、蓄電池の劣化推定が精度よく実施できるため、走行前の一連の点検に盛り込むことにより蓄電池に対し特別な保守作業の工数を低減することも可能になる。そして、より安定な運行を維持することが可能となる。

また、リチウム電池の場合、ＳＯＣに応じて抵抗値が変化する特性を持っており、本方法によれば、走行前の劣化測定は、ほぼ同一、または安定したＳＯＣ値から実施することが可能で、前回値との比較から、複雑なアルゴリズムを有しなくても精度良く劣化を推定反映させることが可能である。

また、大電流の継続による一時的な抵抗増加が起きる場合があり、前回走行終了後から始動までの期間が長くシステム停止中の期間に抵抗値が減少した場合、前回値を使用すると、ＳＯＣ演算や、許容入出力電流、電力について、誤差が大きくなる問題がある。この問題に対し、本発明を適用することにより、電池の実抵抗にあった入出力指令が可能となりＳＯＣ推定に基準抵抗値を使用する演算方法の場合は制御精度が向上する。

蓄電池の制御精度が向上することにより、蓄電池については過負荷を回避することが可能になり、より安定した走行を実現できる。蓄電手段の劣化が停車時に容易に判別でき保守もしやすくなるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

充放電電流の急峻な切り替わりが少なく、走行中の電流・電池劣化度が走行中に精度よく推定できない場合でも電池を安全に動作させ、電池システム全体の安定制御と、電池交換指標を簡便に得るという目的を、所定の劣化推定専用パターンを停車中に実施することによって実現した。

上記目的を達成するため、本発明によれば次のように構成される。図５に本発明の概要をエンジンと蓄電池によって駆動されるハイブリッドシステムに適用する場合について示す。電源投入後、エンジン起動を実施（ステップＮ２）、次に蓄電池劣化測定を実施（ステップＮ３）し、劣化状態を制御パラメータへ反映（ステップＮ４）し、蓄電池の劣化状態に合わせた走行制御の準備が完了する。

車両に適用した場合、システム起動後の停車した状態において、所定の劣化測定パターンを実施することにより変動する電圧、電流の値から、抵抗値を取得し、規準抵抗と比較することにより劣化度を演算、結果を制御用の許容電流や、許容出力値に反映させた後に、車両走行を開始する。

蓄電池劣化測定パターンの実施時は、図６に示すように、電流Ｉ，電圧Ｖ，電池温度Ｔの情報から、電池状態を検出し、および電池劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｅａｌｔｈ）を演算する。演算されたＳＯＨを制御用パラメータに反映し、検出された電池状態の許容電流・許容電力演算を実施、これに基いた入出力指令により、蓄電池を充放電する。

図７を用いて本発明の劣化測定時の動作を説明する。システム起動時に初期電圧Ｖｉｎｉを測定（Ｓ１）、電圧Ｖ，電流Ｉ，温度Ｔの情報から初期の電池状態ＳＯＣ_ｉｎｉを演算、その後開始電圧Ｖ_ｉｎｉ、ＳＯＣ_ｉｎｉをデータ記録部に記録後、測定パターンを読み出し（Ｓ４）、実行する（Ｓ５）。実行時の電圧、電流、温度をデータ記録し（Ｓ６）、電圧、電流データより抵抗値を算出する（Ｓ７）。得られた抵抗値よりＳＯＨを算出（Ｓ８）し、オペレータ確認用画面に表示する（Ｓ９）。また、算出されたＳＯＨが規準のＳＯＨ の変動ΔＳＯＨを閾値と比較し（Ｓ１０）、閾値より大きい場合は制御パラメータへ劣化を反映し（Ｓ１１）、履歴を記録する（Ｓ１２）。Ｓ１０においてΔＳＯＨ≦閾値の場合は、履歴を記録するのみでパラメータには反映しない。

次に、図８を用いて劣化測定パターンの実施について説明する。あらかじめ設定した複数の電流値に対し、測定開始時、電流値Ｉ _Ａ で（Ａは測定電流の回数。）定電流放電を実施（Ｓ５１）、その後定電流測定開始前の電圧Ｖ_ｉｎｉ、定電流測定開始前のＳＯＣをＳＯＣ_ｉｎｉとすると、Ｖ_ｉｎｉまたはＳＯＣ_ｉｎｉまで充電し、電池温度に対応して充電電流が十分減衰する時間を考慮して、充電終了後に放置時間ｔ_ｈｏｌｄを設定する（Ｓ５２）。放置時間ｔ_ｈｏｌｄ経過後（Ｓ５３）、測定電流の回数をＡとおくと初回電流のＡ＝１から測定最終回ｎ（ｎは整数）とすると、Ａ＝ｎになるまで次回の電流値を呼び出してＳ５１からＳ５４のステップを繰り返し、Ａ＝ｎに達した後、データ抽出ＳＯＨ演算を実施する（Ｓ５５）。

図９に、劣化測定パターンの例を示す。開始電池電圧Ｖ_ｉｎｉから放置時間ｔ_ｈｏｌｄを経過後、負荷電流０から第一の電流値で放電を実施、その後電流Ｉ_Ｃ１で充電し、電池開始電圧Ｖ_ｉｎｉ相当まで充電後、併用したＳＯＣ値がほぼ一定になるよう充電電流を減衰、無負荷状態が放置時間ｔ_ｈｏｌｄ経過後、電圧Ｖ_０ ’から第２の電流値で放電し、その後電流Ｉ_Ｃ２で充電し、同様に無負荷状態放置時間ｔ_ｈｏｌｄ経過後、電圧Ｖ_０ ”から第３の電流値で放電し、その後電流Ｉ_Ｃｎで充電する。上記劣化バターンでは放電の電流値を３種で３点としているが、３種に限定するものでなく、複数回取得になればよく、また電流値も複数電流が望ましいが、１種類で複数回取得してもよい。ここでは、各放電後の充電は電流減衰する例を示したが、図１５に示したように充電が定電流のみで実施されてもよい。

次に上記劣化測定パターンを実施したときの劣化演算の手順について図１０を使用して説明する。測定開始と同時に電圧、電流、温度を経過時間の情報とともに計測して取得、記録する（図示せず）。パターン起動開始から、機器の制御応答遅れ時間ｔ_ｒに対し、ｔ_ｒ以上の固定計測時間Δｔ、例えば２秒経過したときに計測された蓄電池電圧をＶ_１、計測電流をＩ_１とし、開始電圧からの電圧変化ΔＶを取得する（Ｓ５５１）。ここで、ΔＶ ＝Ｖ_ｉｎｉ−Ｖ_１である。同様に、電流値についても、劣化測定用設定電流値で放電開始する前の電流値をオフセット電流Ｉ_０とし、固定計測時間経過時の電流をＩ_１とし、電流変化量ΔＩを算出する。無負荷の場合は、Ｉ_０＝０となる。

同様に第２、第３の測定電流についても、計測値Ｖ_２、Ｖ_ｎ、Ｉ_２、Ｉ_ｎから電圧変化量ΔＶ，電流変化量ΔＩを算出する（Ｓ５５２）。各測定電流で得られた電圧変化量をΔＶ_１、ΔＶ_２、ΔＶ_ｎ、ΔＩ_１、ΔＩ_２、ΔＩ_ｎを図１２に示すような電流変動ΔＩに対し電圧変動ΔＶの関係を最小２乗法で１次近似し、このときの直線の傾きを蓄電池抵抗Ｒとして算出する（Ｓ５５３）。このとき完全に無負荷であれば、図１１に示したような直接電流値に対して、蓄電池電圧を最小二乗法で１次式で近似する方法で取得することもできる。

図１３に示すように蓄電池の内部抵抗は温度によって変化する特性があるためＳＯＣと温度と抵抗値の関係をあらかじめマップや演算式で求めた物を利用して、蓄電池の抵抗値を基準抵抗値Ｒ_０の取得温度を基準温度として、基準温度での抵抗値に換算する。換算された抵抗値Ｒ_Ｃを基準値Ｒ_０で除し、Ｒ_Ｃ／Ｒ_０としてＳＯＨを算出する。

以上の手順で得られたＳＯＨを電池の制御パラメータである、ＳＯＣ算出用の抵抗値、許容電流演算に反映する。この反映により、ＳＯＣ推定精度が向上し、劣化状態を反映して許容電流を減少させることができ、出入力を電池状態を反映して指令する。これにより蓄電池へ、電池が入出力可能な電流以上の過剰な電流が流れて、過負荷となって異常が発生することを防止できる。制御パラメータに反映後に走行を開始する。

上述の始動前に得たＳＯＨをＳＯＨ_ｘとし、さらに、別途、走行中の電流電圧データから別方式でのＳＯＨ演算を実施して得られる値をＳＯＨ_ｙとし、ＳＯＨ_ｘと比較し、走行中に蓄電池に急激な電池抵抗上昇が起こるなど異常検知をした場合に異常警告をシステム制御部に通信し、制御電流指令値を適正方向へ変更する。

走行終了後のＳＯＨ_ｙとＳＯＨ_ｘを状態検知部に設けたデータ記録部に記録する。記録したＳＯＨ_ｙの値により、次回のエンジン始動などのシステムが必要とする電流値の取得可否をオペレータが確認できる表示装置に表示し、始動電流値に足りない場合は、蓄電池を必要電流が確保できるＳＯＣまたは電圧まで充電してからシステムを停止する。次回走行開始時はこの記録された、ＳＯＨ_ｙとＳＯＨ_ｘを必要に応じ読み出す。次回走行前にも、前回測定のＶ_ｉｎｉを開始電圧にするよう、充電または放電を実施し、劣化測定パターンを実施して、劣化度ＳＯＨを演算する。蓄電池の劣化度にあわせた制御を実施することができ、休止期間が長かったり、蓄電池交換により、抵抗が前回値と著しく変わった場合についても、安定した制御が可能となる。

本発明により、ハイブリッド車両では、蓄電池への過剰な充放電による劣化の加速を予防し、異常停止や、過電流による過充電、過放電を防止できるため、蓄電池を適正な寿命で使用できる。特に、安全性や、再充放電の安定性から動作電圧範囲が決定されていて、０Ｖまでの放電が許容されない蓄電池に対しては、入出力電流を適正に制御できるため有効である。

図１４は本発明を適用した車両システムの構成例である。エンジン２０１及びエンジン２０１に軸で直結された発電機２０２はＵ、Ｖ、Ｗの３相の交流電力を発生し、コンバータ装置２０３はこの交流電力を直流電力に変換して出力する。インバータ装置２０４はコンバータ装置２０３から出力される交流電力を直流電力に変換して出力する。インバータ装置２０４はコンバータ装置２０３から出力される直流電力を可変電圧、可変周波数の３相交流電力に変換し、誘導電動機２０５に供給する。蓄電装置２０６はコンバータ装置２０３の出力に並列に接続され、車両の起動時に電力を補給する。平滑コンデンサ２０７はインバータ装置２０４の入力に並列に接続され、インバータ入力電圧の変動を抑制する。

一方、制御部２１０は電流検出器２０９ａで検出したコンバータ出力電流Ｉｓと電圧検出器２０８で検出した平滑コンデンサ電圧及び発電機回転周波数によりコンバータ制御演算を実行し、コンバータ装置２０３に対して、コンバータＰＷＭ制御信号を出力する。また、制御部２１０は電流検出器２０９ｂ、２０９ｃ、２０９ｄで検出した電動機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと電圧検出器２０８で検出した平滑コンデンサ電圧、及び電動機回転周波数よりインバータ制御演算を実行し、インバータ装置２０４に対して、インバータＰＷＭ制御信号を出力する。さらに制御部２１０は蓄電装置２０６から出力される蓄電装置の総電流、蓄電装置の総電圧、蓄電装置の温度により蓄電システムの稼動状態を判断、蓄電装置の充放電制御信号を出力する。

本発明の劣化測定パターンによる劣化判定は、制御部２１０よりエンジン２０１、発電機２０２およびコンバータ装置２０３を制御して、エンジンの回転数を制御することにより、負荷電流値を複数取得し、電池の放電はエンジンブレーキを動作させることで蓄電池を放電させ、充電時は電池への充電するため、放電、充電とも、専用の負荷放電用の負荷を別に構成することなく実施できる。

図１６は本発明を適用した車両システムの第２の構成例である。実施例１の図１４の構成に加え、車内の照明は空調などの補機用電力供給用のインバータ（ＳＩＶ）２１１が蓄電装置に接続されている構成となっている。本構成においては、蓄電装置２０６からＳＩＶへの放電状態における劣化測定パターンの動作は図１７に示すよう実施する。始動直後の蓄電池電圧Ｖ_ｉｎｉに対し、Ｉ_０のＳＩＶへの放電がある。蓄電池のＳＯＣが数％未満の変化となる保持時間ｔ_ｈｏｌｄを設定し、保持時間ｔ_ｈｏｌｄ経過後、第１の電流値で放電を実施する。パターン起動開始から、機器の制御応答遅れ時間ｔ_ｒに対し、ｔ_ｒ以上の固定計測時間Δｔ、例えば１秒経過したときに計測された蓄電池電圧をＶ_１、計測電流をＩ_１とし、開始電圧からの電圧変化ΔＶを取得する。

同様に、電流値についても、劣化測定用設定電流値で放電開始する前の電流値をオフセット電流Ｉ_０とし、固定計測時間経過時の電流をＩ_１とし、電流変化量ΔＩを算出する。その後電流Ｉ_Ｃ１で充電し、電池開始電圧Ｖ_ｉｎｉ相当まで充電後、併用したＳＯＣ値がほぼ一定になるよう充電し、放置時間ｔ_ｈｏｌｄ経過後、同様に電圧Ｖ_０‘から第２の電流値で放電し、その後電流Ｉ_Ｃ２で充電し、同様に時間ｔ_ｈｏｌｄ経過後、電圧Ｖ_０“から第３の電流値で放電し、その後電流Ｉ_Ｃｎで充電する第２、第３の電流値での測定についても、計測値Ｖ_２、Ｖ_ｎ、Ｉ_２、Ｉ_ｎから電圧変化量ΔＶ，電流変化量ΔＩを算出する。

このとき、固定計測時間Δｔは最も望ましくは測定用電流値の指令を受けてからの応答遅れｔ_ｒより大きく、また、最大に電圧が降下し続ける、時間当たりの電圧変化が大きい最小の時間に設定すると、蓄電池のＳＯＣの変化を少なくでき、再充電にかかる時間が短縮でき、かつ電池への容量使用負荷も小さくできるため、推定精度も向上する。

測定により得られた電流電圧変化は図１２に示したように、電流変動ΔＩに対し電圧変動ΔＶの関係を最小２乗法で１次近似し、このときの直線の傾きを蓄電池抵抗Ｒとして算出する。

得られた抵抗値は実施例１と同様、温度換算し換算抵抗値Ｒ_Ｃを算出する。得られたＳＯＨ_Ｘを、図１３に示した各温度に対し、表１に示した測定方式が異なる方式Ａ，方式Ｂ、方式Ｃで方式Ａの温度Ｔ_１の値を基準値として得られる値の換算係数αとしてそれぞれの換算関係を明らかにし、測定法Ａでの基準ＳＯＨに換算する。ここで測定法Ａは蓄電池のみを一定電圧Ｖ_０から無負荷状態を経て図１５のようなパターンで得る方法であり、方式Ｂは図１７のようなパターンで得られる抵抗測定用電流値以外にオフセット電流が流れている状態で求める方式であり、方式Ｃは走行中リアルタイムのＳＯＨを求めるＳＯＨ推定方法である。

方式Ｂ、Ｃで得られたＳＯＨを方式Ａで得られる値に換算し、走行前の測定ＳＯＨ_ＸＡと、走行中のＳＯＨ_ｙＡとする。ＳＯＨ_ＸＡが基準値より変化した変化量ΔＳＯＨ が、あらかじめ設定された閾値Ｚより大きい場合のみ、制御パラメータに反映した後、走行開始する。また走行中に得られるＳＯＨ_ｙＡとＳＯＨ_ＸＡを比較し、閾値Ｚより、大きい場合に蓄電池の状態が変化したと判定し、制御パラメータを変更する。制御パラメータの変更により、許容電流、電力が蓄電池の状態を反映するため、蓄電池の能力を最適活用した制御が実現できる。

前出の表１は複数方式のＳＯＨ測定法で、走行前停車時の測定法との換算を示すものであり、上記実施例の３方式に限定するものではない。算出方式の違いによる推定誤差を補正し基準値に対する精度を高める効果がある。

架線から電力で走行する電気鉄道において、蓄電池を備え、電気ブレーキの回生や走行アシスト、または蓄電池電力のみで走行するモードを持った車両において本発明を適用する。この場合、蓄電池への充電を架線からの電力供給によって、実施することができる。蓄電池からの放電は、架線へ電力を戻す、あるいは補機により、電力を消費することで実現する。この場合、実施例１、２に示した蓄電池への放電に基づく劣化測定パターンではなく、充電電流を変化させることで抵抗値を算出する。蓄電池のＳＯＣの調整は補機への電力供給を利用する。特別測定用のみの別蓄電池などの負荷装置を用意することなく、実施することが可能である。

図１８に、本発明を適用したときの運転室のオペレータが確認できる操作表示盤１の模式図を示す。操作表示盤にはシステム全体の始動操作スイッチ２、停車中の抵抗測定パターンを実施する起動処理操作スイッチ３、また通常の始動モードに以外で任意に抵抗測定を実施するためのＳＯＨ確認用操作スイッチ４を配し、蓄電池の状態表示装置５と任意測定ＳＯＨ表示装置６、蓄電池交換警告表示装置（図示せず）を有す。操作盤にはその他車両運行に必要な表示および操作スイッチ（図示せず）が配置されている。

システム実施例１から３において、システム起動時の始動操作スイッチ２を投入した後、起動処理スイッチ３により、一連の走行に伴うシーケンスが実施され、その中で専用劣化測定パターンによる電池状態の確認、パラメータ反映までが実施される。このとき、測定時のＳＯＣ、ＳＯＨ，電池温度などが蓄電池状態表示装置５に表示され、電池交換に関する警告表示も表示される。また、ＳＯＨ確認用スイッチ４により、起動処理とは別に、任意のタイミングでＳＯＨ測定が可能であり、任意に測定した結果は任意測定ＳＯＨ表示装置６に表示する。

任意測定は車両停車中に可能であり、専用劣化測定パターンを複数回実施して、データ取得し、取得したデータを移動平均などの統計的処理を実施することで抵抗を算出してもよい。また、鉄道車両においては、専用スイッチの操作によらず、走行時の駅停車時に車両のドア開閉のタイミングをトリガにして、停車時間内で測定可能な駅構内のみでさらに測定実施をプログラム化して実施して電池の抵抗変化を確認する方法を併用することによっても蓄電池劣化推定の精度を向上できる。

本発明における蓄電手段はリチウム二次電池に限らず、ニッケル水素電池、ＮＡＳ電池、鉛電池、電気二重層キャパシタなどの充放電可能な蓄電素子を多並列多直列に接続した電池システムすべてに適用可能であるが、とくにＳＯＣに対し開回路電圧の変化が大きい蓄電システムでより効果が高い。これらの電池システムを使用できるハイブリッド自動車、電気自動車、電動バイク、電動バス・トラック、鉄道車両、建設機械、地上給電設備、変電所、などの電池システムの大規模電池システムの安定維持について有効である。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、メインテナンスに寄与し、電池システムの信頼性を向上させることが可能になる。

図１は本発明の概要図である。 図２は走行時蓄電池電流の例を示した図である。 図３は走行時蓄電池電流の例を示した図である。 図４は本発明を適用する装置構成図である。 図５は本発明の実施例１の待機時測定の動作フローを示した図である。 図６は本発明におけるＳＯＨ反映動作フローを示した図である。 図７は本発明の本発明の劣化測定時の動作フローを示した図である。 図８は本発明の実施形態の劣化測定モードの説明図である。 図９は本発明の実施形態の劣化測定時の電流電圧波形の例である。 図１０は本発明の実施形態の抵抗算出手順を示す図である。 図１１は本発明の実施形態の抵抗算出法の例図である。 図１２は本発明の実施形態の抵抗算出法の例図である。 図１３は本発明の蓄電池の温度と抵抗の関係を示す例図である。 図１４は本発明の実施形態の装置構成例である。 図１５は本発明の実施形態の劣化測定時の電流電圧波形の例である。 図１６は本発明の実施例２の装置構成例である。 図１７は本発明の実施形態の劣化測定時の電流電圧波形の例である。 図１８は本発明の実施例３の操作表示盤の構成例である。

符号の説明

１ 操作表示盤
２ 始動スイッチ
３ 起動処理スイッチ
４ ＳＯＨ確認用スイッチ
５ 蓄電池常置表示装置
６ 任意測定ＳＯＨ表示装置
２１ 蓄電手段
３０ 電圧検出部
４１ 電流検出部
４２ 電流検出部
５０ 状態検知部
６０ 充放電部
７０ 制御指令発生手段

Claims (13)

1. 複数の充放電可能な蓄電手段と、前記蓄電手段を充放電させる充放電部と、前記蓄電手段の電流を検出する電流検出部と、前記蓄電手段の温度を検出する温度検出部と、前記蓄電手段の電圧を検出する電圧検出部と、前記電流検出部の検出電流と前記電圧検出部の検出電圧を記録するデータ記録部と、前記蓄電手段の状態を検知する状態検知部と、装置待機状態で前記蓄電手段の劣化を判定するための専用手段を具備した劣化状態確認手段と、を有する電源制御装置において、
   前記劣化状態確認手段は、所定の放電電流値による放電動作と当該放電前の電圧相当まで充電する充電動作を複数回繰り返す、または所定の充電電流値による充電動作と当該充電前の電圧相当まで放電する放電動作を複数回繰り返す測定用電流動作パターンにおいて、前記測定用電流パターンの開始から前記蓄電手段の前記電流、前記電圧、及び前記温度の計測を開始し、複数回繰り返される充放電動作のそれぞれの通電開始時から所定の固定計測時間Δｔの経過後に計測された電流値及び電圧値を用い、複数の前記電流値及び前記電圧値の組に基づいて前記蓄電手段の抵抗値を算出することで、装置待機時に前記蓄電手段の抵抗値から劣化度を判定可能であることを特徴とする電源制御装置。
2. 請求項１に記載の電源制御装置において、
   前記所定の固定計測時間Δｔが、電源制御装置の制御応答遅れ時間の最大値ｔ _ｒ よりも大きく、検出された電圧値が、前記測定電流動作パターン開始前の開回路電圧を規準としたＳＯＣ又は電圧に対し、時間あたりの電圧変化が最大となる最小の時間に設定され、
   複数回繰り返される充放電動作のそれぞれの通電開始時から前記所定の固定計測時間Δｔの経過後の前記電流値と前記電圧値と、劣化測定開始時の基準となる時間における電流値および電圧値との差分を複数組取得し、
   横軸を電流値の差分に対し、縦軸を電圧値の差分で図示したときに最小二乗法で得られる傾きまたは、電圧差分を電流差分で除した値を平均化処理することにより得られる値を前記蓄電手段の抵抗値とし、
   前記蓄電手段の測定温度に応じた対象蓄電手段の充電状態（ＳＯＣ）と抵抗値の関係式あるいは関係表から基準温度の抵抗値に換算し、あらかじめ設定された初期抵抗あるいは、初回測定時に得られた初期抵抗値と比較することで前記蓄電手段の劣化度を判定する劣化状態確認手段を備えることを特徴とする電源制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源制御装置を車両に搭載した車両走行制御システムにおいて、
   前記劣化状態確認手段の前記専用手段は、前記蓄電手段の劣化状態を車両の走行前に確認し、前記電流検出部、前記電圧検出部、及び前記温度検出部により計測された電流、電圧、及び温度データより抵抗を演算して、演算された抵抗により劣化度を算出し、前記蓄電手段の劣化度を制御パラメータに反映させることを特徴とする車両走行制御システム。
4. 請求項１または請求項２に記載の電源制御装置を車両に搭載した車両走行制御システムにおいて、
   前記劣化状態確認手段の前記専用手段は、
   前記蓄電手段の劣化状態を、車両走行制御システムを起動した後で、否車両走行時に確認できるものであって、
   前記電流検出部、前記電圧検出部、及び前記温度検出部により計測された電流値、電圧値、及び温度データより、抵抗値を演算して、
   温度とＳＯＣの関係から前記蓄電手段の抵抗値を基準温度での抵抗値に換算し、換算された当該抵抗値の基準抵抗値からの変化の割合を劣化状態として確認し、前記劣化状態を制御パラメータに反映させることを特徴とする車両走行制御システム。
5. 請求項４に記載の車両走行制御システムにおいて、
   前記劣化状態確認手段の前記専用手段は、充電電流が定電流である前記測定用電流動作パターンを用いて推定された劣化状態を、充電電流が電流減衰する前記測定用電流動作パターンを用いて推定された劣化状態に換算し、換算された当該劣化状態の、充電電流が定電流である前記測定用電流動作パターンを用いて推定された劣化状態からの変化量が閾値よりも大きい場合に、制御パラメータを変更して制御することを特徴とする車両走行制御システム。
6. 請求項５に記載の車両走行制御システムにおいて、
   蓄電手段を制御するための制御パラメータである、ＳＯＣ算出用の抵抗値及び許容電流演算に対して前期蓄電手段の劣化度を反映させ、警告表示機能によりオペレータが蓄電手段の交換時期を確認可能であることを特徴とする車両走行制御システム。
7. 請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の車両走行制御システムと、エンジンと、当該エンジンに軸で直結された発電機と、当該発電機から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、コンバータ装置から出力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するインバータ装置と、を備え、
   前記蓄電手段を前記インバータ装置の入力に並列に接続したことを特徴とするハイブリッド車両。
8. 請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の車両走行制御システムであって、
   前記蓄電手段の劣化状態を車両の走行前に確認するための専用測定手段を備え、
   前記専用測定手段の起動処理スイッチの操作に対応して、前記測定用電流動作パターンによる蓄電手段の劣化度を判定し、
   システム制御パラメータに反映させることを特徴とする車両走行制御システム。
9. 請求項８に記載の車両走行制御システムであって、
   前記蓄電手段の充電状態に対して開回路電圧の変化が大きいことを特徴とする車両走行制御システム。
10. 請求項７に記載のハイブリッド車両において、
    前記エンジンは、エンジンブレーキを動作させることで蓄電手段を放電させ、充電時は蓄電手段へ充電することにより、前記測定用電流動作パターンを生成し、前記測定用電流動作パターンにより、車両の走行前に前記蓄電手段の劣化状態を確認することを特徴とするハイブリッド車両。
11. 複数の充放電可能な蓄電手段と、前記蓄電手段を充放電させる充放電部と、前記蓄電手段の電流を検出する電流検出部と、前記蓄電手段の温度を検出する温度検出部と、前記蓄電手段の電圧を検出する電圧検出部と、前記電流検出部の検出電流と前記電圧検出部の検出電圧を記録するデータ記録部と、前記蓄電手段の状態を検知する状態検知部と、装置待機状態で前記蓄電手段の劣化を確認できる専用手段を具備した劣化状態確認手段と、を有する電源制御装置を用いて、装置待機時に前記蓄電手段の劣化を測定する専用モードを有する蓄電手段の劣化状態検知方法において、
    所定の放電電流値による放電動作と当該放電前の電圧相当まで充電する充電動作を複数回繰り返す測定電流動作パターンにおいて、複数回繰り返される充放電動作のそれぞれの通電開始時から所定の固定計測時間Δｔの経過後の電流値及び電圧値の組に基づいて、装置待機時に前記蓄電手段の劣化度を測定可能であり、
    前記所定の固定計測時間Δｔが、電源制御装置の制御応答遅れ時間の最大値ｔ _ｒ よりも大きく、検出された電圧値が、前記測定用電流動作パターン開始前の開回路電圧を規準としたＳＯＣ又は電圧に対し、時間あたりの電圧変化が最大となる最小の時間に設定され、
    複数回繰り返される充放電動作の起動開始から前記所定の固定計測時間Δｔの経過後に複数回測定した前記電流値と前記電圧値と、劣化測定開始時の基準となる時間における電流値および電圧値との差分を複数組取得し、
    横軸を電流値の差分に対し、縦軸を電圧値の差分で図示したときに最小二乗法で得られる傾きまたは、電圧差分を電流差分で除した値を平均化処理することにより得られる値を前記蓄電手段の抵抗値とし、
    前記蓄電手段の測定温度に応じた対象蓄電手段の充電状態（ＳＯＣ）と抵抗値の関係式あるいは関係表から基準温度の抵抗値に換算し、あらかじめ設定された初期抵抗あるいは、初回測定時に得られた初期抵抗値と比較することで前記蓄電手段の劣化度を判定することを特徴とする蓄電手段劣化状態検知方法。
12. 請求項１１に記載の蓄電手段劣化状態検知方法において、
    得られた蓄電手段の前記劣化度を許容充放電電力、許容充放電電流、稼動電圧を含む蓄電手段の制御パラメータに反映させることを特徴とする蓄電手段劣化状態検知方法。
13. 請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の車両走行制御システムを備え、架線からの電力で走行する鉄道車両において、
    前記劣化状態確認手段の前記専用手段により、前記蓄電手段の劣化状態を確認する際に、前記蓄電手段の放電は停車中に架線へ電気を戻すことで蓄電手段を放電させ、充電時は架線から前記蓄電手段へ充電することを特徴とする鉄道車両。

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