JP5307269B1

JP5307269B1 - 組電池のセルの状態推定装置

Info

Publication number: JP5307269B1
Application number: JP2012109456A
Authority: JP
Inventors: 吉広枝本
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: JP2013238405A

Abstract

【課題】組電池を構成する各セルの充電率を、より簡単に推定することが可能な組電池のセルの状態推定装置を提供する。
【解決手段】
組電池のセルの状態推定装置は、複数のセル1a〜1nから構成された組電池1の全体内部抵抗を算出する全体内部抵抗算出手段8と、各セル1a〜1nの過電圧比をそれぞれ算出する各セル過電圧比算出手段11と、全体内部抵抗算出手段8で得た全体内部抵抗に各セル過電圧比算出手段で得た過電圧比を乗算して各セルの内部抵抗をそれぞれ求める各セル内部抵抗算出手段12と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池を構成するセルごとにそれらの状態を推定可能な組電池のセルの状態推定装置に関する。

従来の組電池のセルの状態推定装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。この従来の組電池のセルの状態推定装置は、充電率(SOC：State of Charge)を推定するコンポーネントと、健全度(SOH State of Health)を推定するコンポーネントと、を備えている。
SOCを推定するコンポーネントは、SOCが電池の内部状態の予測を行うコンポーネントと、上記内部状態の予測の不確実性の予測するコンポーネントと、内部状態の予測と不確実性の予測を補正するコンポーネントと、カルマン・フィルタあるいは拡張カルマン・フィルタの少なくとも一方で構成されて上記補正を繰り返すアルゴリズムを適用してSOCに対して行う推定とSOC推定に対する不確実性を算出するコンポーネントと、を有している。

特表２００８−５２２１５２号公報

しかしながら、上記従来の組電池のセルの状態推定装置には以下に説明するような問題がある。
上記従来の組電池のセルの状態推定装置では、現在の電池の状態を複数のセルから構成された組電池全体の全体電圧（総合電圧）から算出するようにしている。この場合、組電池を構成するセル間に残量のばらつきがあると、組電池の使用可能な正しい残量を求めることができない。
すなわち、複数のセルが直列に接続された組電池の場合、組電池の使用可能量は残量の少ないセルに依存する一方、充電可能量は残量が多いセルに依存する。この結果、充放電時にあって組電池の状態を正確に把握するには、セルごとの残量を知る必要がある。
この場合、上記従来の組電池のセルの状態推定装置で実行している充電率推定方法を用いてセルごとにその充電率を算出しようとすると、電気自動車用組電池のようにセルが多い場合にはその演算処理が大変となる。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、組電池を構成する各セルの充電率を、より簡単に推定することができるようにした組電池のセルの状態推定装置を提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明による組電池のセルの状態推定装置は、
複数のセルから構成された組電池の全体内部抵抗を算出する全体内部抵抗算出手段と、
各セルの過電圧比をそれぞれ算出する各セル過電圧比算出手段と、
全体内部抵抗算出手段で得た全体内部抵抗に各セル過電圧比算出手段で得た過電圧比を乗算して各セルの内部抵抗をそれぞれ求める各セル内部抵抗算出手段と、
備えていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明の組電池のセルの状態推定装置は、
請求項１に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
各セル過電圧比算出手段が、
各セルの端子電圧をそれぞれ検出する各セル端子電圧検出手段と、
各セルの開放電圧を算出する各セル開放電圧算出手段と、
各セルにつき各セル端子電圧検出手段で得た端子電圧から各セル開放電圧算出手段で得た開放電圧を減算して各セルの過電圧をそれぞれ得る各セル過電圧算出手段と、
各セルの過電圧をこれらの合計値である全体過電圧で除算して各セルの過電圧比を算出する除算手段と、
を備えていることを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、簡単な処理で組電池を構成するセルごとに、それらの内部抵抗を算出することができる。

請求項２に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、各セルの過電圧比を確実かつ容易に算出することができる。

本発明の実施例１に係る組電池のセルの状態推定装置の構成を示すブロック図である。実施例１の組電池のセルの状態推定装置で用いる各セルの充電率を算出するための構成を示すブロック図である。実施例１の組電池のセルの状態推定装置で用いる各セルの健全度を算出するための構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

まず、第１発明の実施例１に係る組電池のセルの状態推定装置の全体構成を、図１に基づいて説明する。なお、以下の説明および図中において実質的に同じ構成のものについては同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以下の説明および図中おける「Cell-」の記号は「各セルの」を表し、「Total-」は「全体の」を表す。

この実施例１の組電池1のセルの状態推定装置は、複数（n個：nは２以上の整数）のセル1a、1b、・・・、1m、1nを直列接続して構成した組電池１に接続されて、これら各セル1a〜1nの内部状態を推測する。
なお、本実施例では、組電池１は、電気自動車の電源として用いる。

この実施例１の組電池１のセルの状態推定装置は、端子電圧検出部2と、充放電電流検出部3と、全体電圧検出部4と、マイクロ・コンピュータ5と、を備えている。
また、上記マイクロ・コンピュータ5は、各セル充電率算出部6と、各セル内部抵抗算出部7と、全体内部抵抗算出部8と、を有している。
また、上記各セル充電率算出部6は、充電率−開放電圧算出部9と、減算部10と、各セル過電圧比算出部11と、乗算部12と、を有する。
また、各セル内部抵抗算出部7は、充電率−開放電圧算出部9と、減算部10と、各セル過電圧比算出部11と、乗算部12と、を有する。

以下、上記各部の構成につき、より詳細に説明していく。
端子電圧検出部2は、各セル1a〜1nに対応して各セルの端子電圧を検出するｎ個のセル電圧検出部2a、2b、・・・、2m、2nからなり、これらのセル電圧検出部2a〜2nは検出した各セル1a〜1nの端子電圧を各セルの充電率算出部6に入力する。
なお、端子電圧検出部2は、本発明の各セル端子電圧検出手段に相当する。

充放電流検出部3は、組電池１に直列接続されて組電池1を流れる充放電電流を検出し、この値を全体内部抵抗算出部8に入力する。
なお、全体内部抵抗算出部8は、本発明の全体抵抗算出手段に相当する。

全体電圧検出部4は、組電池１の全体端子電圧を検出し、この値を全体内部抵抗算出部8に入力する。

マイクロ・コンピュータ5の各部は、以下のように構成してある。
まず、各セル充電率算出部6は、電源起動時(図示しないイグニッション・キー・オン時)にセル電圧検出部2a〜2nで検出した各セル1a〜1nの端子電圧（初期開放電圧に相当）および充放電流検出部3で検出した充放電電流に基づいて、観測点での各セルの充電率をそれぞれ算出して各セル内部抵抗算出部7の充電率−開放電圧算出部9に入力する。
なお、各セル充電率算出部6の詳細構成については、後で図２に基づいて説明する。

次に、各セル内部抵抗算出部7の各部について説明する。
充電率−開放電圧算出部9は、あらかじめ実験で得た、充電率SOCと開放電圧OCV（Open Circuit Voltage）との関係データを記憶している。ここでは、各セル充電率算出部6から入力された各セル1a〜1nの充電率Cell-SOCに基づいて、これらに対応する各セル1a〜1nの開放電圧Cell-OCVを算出する。
これらの各セルの開放電圧Cell-OCVは、減算部9に入力する。

減算部10は、各セル1a〜1nについて、セル電圧検出部2a〜2nで検出した端子電圧から充電率−開放電圧算出部9で得た開放電圧をそれぞれ減算して、各セル1a〜1nの過電圧を得る。
これらの各セルの過電圧は、各セル過電圧比算出部11に入力する。
なお、減算部10は本発明の各セル過電圧算出手段に相当する。

各セル過電圧比算出部11は、減算部10で得た各セルの過電圧の合計値で、減算部10で得た各セルの過電圧を除算することでセルごとの過電圧比を算出する。
これらの過電圧比は、乗算部12に入力する。

一方、全体内部抵抗算出部8は、電池１の電池等価回路モデルを有し、カルマ・フィルタを用いて、全体電圧検出部4で検出した全体電圧および充放電電流検出部3で検出した充放電電流に基づいて電池の内部状態を推定し、組電池１の全体内部抵抗を推定・算出する。
この全体内部抵抗推定値は、乗算部12に入力する。
なお、全体内部抵抗算出部8は、本発明の全体内部抵抗算出手段に相当し、各セル充電率算出部6および充電率−開放電圧算出部9は本発明の各セル開放電圧算出手段に相当する。

各セル内部抵抗算出部7の乗算部12は、全体内部抵抗算出部8で得た全体内部抵抗推定値に各セル過電圧比算出部11で得た各セルの過電圧比をそれぞれ乗算することで、各セルの内部抵抗を算出する。
すなわち、（カルマ・フィルタを用いた全体内部抵抗算出部8で得た全体抵抗）×（各セルの内部抵抗／全体の内部抵抗）＝各セルの内部抵抗となり、ここで後者は（各セルの過電圧／過電圧合計）と等しいとみなるので、乗算部12での演算により各セル1a〜1nの内部抵抗を算出できることになる。
なお、乗算部12は各セル内部抵抗算出部手段に相当する。

次に、上記各セル充電率算出部6の詳細について、図２に基づいて説明する。
同図に示すように、各セル充電率算出部6は、各セル初期充電率算出部13と、充電率変化量算出部14と、各セル健全度算出部15と、減算部18と、を備えている。
上記各セル初期充電率算出部13は、初期電圧保持部16と、開放電圧−充電率算出部17と、を有し、上記充電率変化量算出部14は、電流積算部19と、除算部20と、乗算部21と、を有する。

初期電圧保存部16は、図示しないイグニッション・キーにより電源起動が行われたとき、イグニッション信号を受けて電源起動時における各セル1a〜1nの端子電圧を、セル電圧検出部2a〜2nからそれぞれ読み込み、記憶保存する。

なお、電源起動時におけるこれらの端子電圧は、充放電が所定時間以上なされず分極反応が緩和しているので、開放電圧に等しいとみなせる。したがって、初期電圧保存部16は、電源起動時における各セルの初期開放電圧を記憶保持することとなり、これらの値を開放電圧−充電率算出部17に入力する。

開放電圧−充電率算出部17は、あらかじめ実験で得た、開放電圧OCVと充電率SOCとの関係データを記憶している。初期電圧保存167から入力された各セルの初期開放電圧Cell-OCVから、各セルの初期開放電圧充電率Cell-SOC-intをそれぞれ算出する。これらの値は減算部18に入力される。
なお、開放電圧−充電率算出部17で記憶している開放電圧−充電率の関係のデータは、充電率−開放電圧算出部9で記憶している充電率−開放電圧の関係のデータと同じものを用いる。

一方、電流積算充電率変化量算出部14の電流積算部19は、電流検出部3から入力される充放電電流を電源起動時から現在の観測点まで積算していくことで電流積算量（電荷変化量）を得る。
この電流積算量は、除算部20に入力する。

乗算部21は、予め記憶している電池の設計容量に、各セル健全度算出部15で算出した各セル1a〜1nの健全度Cell-SOHを掛け合わせて各セルについて現在の電池容量を算出する。
これらの現在の電池容量は、除算部20に入力される。

ここで、各セル健全度算出部15は、セル電圧検出部2a〜2nから得た各セルの高充電率時の電圧および低充電率時の電圧と、電流検出部3で得た充放電電流とに基づいて、各セルの健全度Cell-SOHを算出する。
これらの各セルの健全度Cell-SOHは、上述のように、乗算部21に入力する。
なお、各セル健全度算出部15の詳細な説明については、図３に基づいて後で説明する。

除算部20は、電流積算部19で算出した電流積算量を、乗算部21で算出した現在の電池容量で除算することで、各セルの充電率変化量Cell-ΔSOCを算出する。
これら各セルの充電率変化量Cell-ΔSOCは、減算部18に入力する。

減算部1８は、開放電圧−充電率算出部17から得た各セルの初期充電率Cell-SOC-intから除算部20で得た各セルの電流積算充電率変化量Cell-ΔSOCを減算して、各セル1a〜1nの現在の観測点における充電率Cell-SOCをそれぞれ算出する。

次に、各セル健全度算出部15の詳細な構成について説明する。
図３に示すように、各セル健全度算出部15は、測定電圧保存部22と、開放電圧−充電率算出部23と、減算部24と、除算部25と、電流積算部26と、除算部27と、を有している。

測定電圧保存部22は、電源起動時点、また車両停止放置後、すなわち車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点(本実施例では次の電源起動時)でそれぞれ発せられる起動信号に応じて、そのときの各セル1a〜1nの端子電圧を、高充電率時の各セルの開放電圧Cell-OCV-Hi、また低充電率時の各セルの開放電圧Cell-OCV-Loとして、それぞれ記憶保存する。
これらの値は、開放電圧−充電率算出部23に入力される。
なお、開放電圧−充電率算出部23の開放電圧−充電率の関係データは、充電率−開放電圧算出部9および開放電圧−充電率算出部17のものと同じである。

ただし、上記両時点は、組電池のセルの状態推定装置が各セルの充電率を推定する期間の１サイクル前のものであり、各セルの充電率の推定にあっては、その１サイクル前に演算して得た健全度を乗算部21で用いることになる。この場合、健全度は急激に変化する値ではないので、問題はない。

開放電圧−充電率算出部23では、入力された高充電率時の各セルの開放電圧Cell-OCV-Hiおよび低充電率時の各セルの開放電圧Cell-OCV-Loに基づいて、高充電率時の各セルの充電率Cell-SOC-Hiおよび低充電率時の各セルの充電率Cell-SOC-Loを算出する。
これらの充電率は、減算部24に入力する。

減算部24では、各セル1a〜1nにつき、高充電率時の充電率Cell-SOC-Hiから低充電率時の充電率Cell-SOC-Loを減算して各セルの開放電圧充電率変化量Cell-ΔSOC_Ｖをそれぞれ得る。
これらの変化量の値は、除算部25に入力される。

一方、電流積算部26は、図２の電流積算部19と同じで、実際にあっては、これらは別々ではなく共用して使われる。
除算部27は、電流積算部26で得た電流積算量をあらかじめ設定した設計容量で除算して電流積算充電率変化量ΔSOCiを得る。
この電流積算充電率変化量ΔSOCiは、除算部25に入力する。

除算部25は、減算部24で得た各セルの開放電圧充電率変化量Cell-ΔSOC_Ｖを除算部27で得た電流積算充電率変化量ΔSOCiで除算することで、各セルの健全度Cell-SOHをそれぞれ算出する。
これらの値は、前述したように、充電率変化量算出部14の乗算部21に入力する。

なお、各セル健全度算出部15で上記各セルの健全度Cell-SOHの推定を行うにあたっては、上記両時点間の時間が所定時間内である場合のみ検出電圧を記憶保持し、所定時間を超える場合には車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点での検出電圧の記憶保持は行わないようにして、電流積算による累積誤差や自己放電による充電率変化の悪影響を少なくするようにしている。
また、上記両時点間での電流積算充電率変化量ΔSOCｉが所定値以上の場合に車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点での検出電圧の記憶保持を行い、所定値より小さい場合は、車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点での検出電圧の記憶保持は行わないようにして、推定精度が低くならないようにしている。

さらに、電源停止時から車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点までの期間が、電流が流れておらず、その期間が一定時間以上の場合に車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点での検出電圧の記憶保持を行い、一定時間より短い場合は、車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点での検出電圧の記憶保持は行わないようにして、推定精度が低くならないようにしている。
以上のような場合には、その前に算出した各セルの健全度を用いる。

以上、説明したように、実施例１の組電池のセルの状態推定装置では、全体内部抵抗算出手部8が、電池等価モデルを有してカルマン・フィルタにより全体抵抗を推定する。
一方、各セル充電率算出部6が各セルの電圧および充放電電流に基づいて各セルの充電率Cell-SOCを算出する。
各セル内部抵抗算出部7は、各セルの充電率Cell-SOCに基づいて充電率−開放電圧算出部9が各セルの開放電圧Cell-OCVを算出し、減算部10が各セルの端子電圧から各セルの開放電圧Cell-OCVを減算することで各セルの過電圧を算出し、これらの値を用いて各セル過電圧比算出部11が各セルの過電圧比を算出し、乗算部12が全体内部抵抗推定値に各セルの過電圧比を乗算して、各セルの内部抵抗を算出する。

この結果、各セルの内部抵抗を知ることができるので、これらの各セルの内部抵抗を用いると、入出電力の管理、たとえば最大充放電電力を、最も内部抵抗が大きい（最大電力が小さい）セルについて計算することができ、これにより過充電、過放電を防ぐことが可能となる。

以上、説明したように、実施例１の組電池の状態推定装置にあっては、全体抵抗推定値と各セル1a〜1nの過電圧比を算出して、これらを乗算することにより各セルの内部抵抗を算出するようにしたので、従来技術のように複雑で演算回数が多い処理を行うことなく、各セルの内部抵抗を精度よく推定することができる。
この結果、これらの内部抵抗を用いて充放電時における過充電や過放電を避けることができるようになる。

また、各セル過電圧比算出部7を、各セル1a〜1nの端子電圧をそれぞれ検出する各セル端子電圧検出部2a〜2nと、各セルの開放電圧を算出する各セル充電率算出部6および充電率−開放電圧算出部9と、各セルにつき各セル端子電圧検出部で得た端子電圧2a〜2nから充電率−開放電圧算出部9で得た開放電圧を減算して各セルの過電圧をそれぞれ得る減算部10と、各セルの過電圧をこれらの合計値である全体過電圧で除算して各セルの過電圧比を算出する除算部11とで、構成したので、簡単な構成で各セルの過電圧比を算出することができる。

また、各セル充電率算出部6では、各セル健全度算出部15で各セルの健全度を算出して、各セルの充電率変化量を算出し、減算部18で各セルの初期充電率から減算して各セルの観測点における充電率を算出するようにしているので、精度よく各セルの充電率を算出することができる。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、本発明の組電池のセルの状態推定装置は、実施例１では、組電池が電気自動車の電源用のものであったが、内燃機関と電気モータとで駆動走行するハイブリッド電気自動車はもちろん、自動車以外の組電池であっってもよい。

1 組電池
1a〜1b セル
2 端子電圧検出部（各セル端子電圧検出手段）
2a〜2n セル電圧検出部（各セル端子電圧検出手段）
3 充放電電流検出部
4 全体電圧検出部
5 マイクロ・コンピュータ
6 各セル充電率算出部（各セル端子電圧検出手段）
7 各セル内部抵抗算出部（各セル内部抵抗算出手段）
8 全体内部抵抗算出部（全体内部抵抗算出手段）
9 充電率―開放電圧算出部（各セル端子電圧検出手段）
10 減算部（各セル開放電圧算出手段）
11 各セル過電圧比算出部（各セル過電圧比算出手段）
12 乗算部（各セル内部抵抗算出手段）
13 各セル初期充電率算出部
14 充電率変化量算出部
15 各セル健全度算出部
16 初期電圧保存部
17 開放電圧−充電率算出部
18 減算部
19 電流積算部
20 除算部
21 乗算部
22 測定電圧保存部
23 開放電圧―充電率算出部
24 減算部
25 除算部
26 電流積算部
27 除算部

Claims

複数のセルから構成された組電池の全体内部抵抗を算出する全体内部抵抗算出手段と、
前記各セルの過電圧比をそれぞれ算出する各セル過電圧比算出手段と、
前記全体内部抵抗算出手段で得た全体内部抵抗に前記各セル過電圧比算出手段で得た過電圧比を乗算して前記各セルの内部抵抗をそれぞれ求める各セル内部抵抗算出手段と、
備えていることを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。
請求項１に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
前記各セル過電圧比算出手段は、
前記各セルの端子電圧をそれぞれ検出する各セル端子電圧検出手段と、
前記各セルの開放電圧を算出する各セル開放電圧算出手段と、
前記各セルにつき前記各セル端子電圧検出手段で得た端子電圧から前記各セル開放電圧算出手段で得た開放電圧を減算して前記各セルの過電圧をそれぞれ得る各セル過電圧算出手段と、
前記各セルの過電圧をこれらの合計値である全体過電圧で除算して各セルの過電圧比を算出する除算手段と、
を備えていることを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。