JP5320953B2 - 組電池の性能検出装置及び制御装置 - Google Patents
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Description
この発明は、組電池の性能検出装置及び制御装置に関する。
電池要素を収納する電池缶の表面に歪み検出器を配置した据置型金属−水素蓄電池が知られている(特許文献1)。
特許文献1の技術では、電池を動作させた後に、歪み検出器にて電池缶の体積変化を感知することにより、電池の過充電を防止したり、電池の寿命終期を予測することができる。
ところで、非水素系の電池を長期間放置すると、電池内部にガスが貯まって電池の内部圧力が上昇し、電池が膨張することがある。このように膨張した電池を動作(例えば充電)させると膨張によりシールの開封や弁の開裂といった組電池1の故障を来たす可能性がある。このような理由から、近年、電池を動作させる前(例えば無負荷時)に、その電池の性能を把握することが要望されている。
発明が解決しようとする課題は、電池を動作させる前に電池の性能を正確に検出することができる装置及び方法を提供することである。またこの発明は、電池の故障を防止することができる装置及び方法を提供することも目的とする。
この発明は、組電池を構成するセルの開放端子電圧と、セルの無負荷時変形量に基づいて推定したセルの無負荷時内部抵抗値及び容量維持率の少なくともいずれかに基づいて組電池の性能を検出することによって、上記課題を解決する。
また、前記セルの開放端子電圧と、セルの無負荷時変形量に基づいて推定したセルの無負荷時内部抵抗値及び容量維持率の少なくともいずれかに基づいて算出した前記セルが出力可能な最大電力値が負荷からの要求電力値より小さい場合に前記負荷に対する出力電力を制限することによって、上記課題を解決する。
上記発明によれば、無負荷状態でセルの変形量を検出して内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定するので、例えば起動直後などの電池を動作させる前に、電池性能を正確に検出することができる。
また、組電池の出力可能な最大電力値が負荷からの要求電力値より小さい場合に負荷に対する出力電力を制限するので、電池の膨張によるシールの開封や弁の開裂といった電池の故障を防止することができる。
以下、発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第1実施形態》
図1に示すように、本例の組電池の性能検出装置100(性能検出装置及び制御装置)は、電気自動車、ハイブリッド車両、エンジン車両のバッテリのほか、車両以外の装置に用いられるバッテリに適用することができる。本例では、装置100を車両に適用する場合を例示する。
図1に示すように、本例の組電池の性能検出装置100(性能検出装置及び制御装置)は、電気自動車、ハイブリッド車両、エンジン車両のバッテリのほか、車両以外の装置に用いられるバッテリに適用することができる。本例では、装置100を車両に適用する場合を例示する。
バッテリとしての組電池1は、二次電池であるセル(単位電池)11を32個直列に接続した一組の直列セルブロックで構成されている。ただし、組電池1の直列接続数は32個に限定されるものではない。また組電池1は、上述した直列セルブロックを任意の数で並列に接続した直並列セルブロックで構成してもよい。
本例の各セル111〜1132(以下、代表して「11n」ともいう。「n」はn番目のセル11を意味する。)は、例えば、非水素系の一例であるリチウム系、平板状、積層タイプの充放電可能な薄型二次電池で構成することができる。
図2及び図3に示すように、本例のセル11nは、電池要素250、外装ケース260、正極リード(正極端子)270及び負極リード(負極端子)280を有する。
電池要素250は、正極活物質層251を集電体252上に有する正極板と、負極活物質層253を集電体252上に有する負極板とを、電解質を保持するセパレータ(電解質層)254を介して積層することで構成されている。
正極活物質層251は、正極活物質、導電助剤、バインダ等を含む。正極活物質としては、例えばLiMn2 O4 等のリチウム−遷移金属複合酸化物などが挙げられる。導電助剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブなどが挙げられる。バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリイミドなどが挙げられる。
負極活物質層253は、負極活物質、導電助剤、バインダ等を含む。負極活物質としては、例えば黒鉛系炭素材料(グラファイト系)や、ハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)、リチウム−遷移金属複合酸化物などが挙げられる。本例では、特に黒鉛系炭素材料を負極活物質に含有させる場合に有効に作用する。黒鉛系炭素材料を負極活物質に含有させた負極板を有する場合、セル11nの充電状態によって電極の厚みが変動しやすい。
集電体252は、例えばアルミニウム箔、銅箔、ステンレススチール箔、チタン箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、ステンレススチールとアルミニウムのクラッド材あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などで構成される。なお、上記材質のうち、正極の集電体252は正極電位で、負極の集電体252では負極の電位で安定な材質が選択され、一般的には、正極の集電体252にはアルミニウム箔が、負極の集電体252には銅箔が用いられる。
セパレータ254は、電解質を保持する役割を果たし、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミドなどで構成される。
セパレータ254に保持される電解質(電解液)は、液体系あるいは流動性を有するゲルポリマー系であり、例えば有機溶媒、支持塩及び少量の界面活性剤等を含む。有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート(PC)やエチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類などが挙げられる。支持塩としては、例えばリチウム塩(LiPF6 )等の無機酸陰イオン塩、LiCF3 SO3 等の有機酸陰イオン塩などが挙げられる。ゲルポリマー電解質は、電解液、ホストポリマー等を含む。ホストポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVDF−HFP)、PAN(ポリアクリロニトリル(PAN)、PMMA(ポリメチルメタクリレート(PMMA)等のリチウムイオン伝導性を持たない高分子、PEO(ポリエチレンオキシド)やPPO(ポリプロピレンオキシド)等のイオン伝導性を有する高分子(固体高分子電解質)などが挙げられる。
外装ケース260は、シート状の外装材262の周縁を、熱溶着によって接合することで袋状に形成されており、電池要素250を収容するために使用される。外装材262は、例えば三層構造を有する高分子−金属複合ラミネートフィルムであり、金属層264と、この金属層264の両面に配置される高分子樹脂層266とで構成されている。金属層264としては、例えばアルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属箔などで構成することができる。高分子樹脂層266としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン、アイオノマー、エチレンビニルアセテート等の熱溶着性樹脂フィルムなどで構成することができる。なお、外装材262の接合は、熱溶着を適用することに限定されない。
正極リード270及び負極リード280は、電池要素250の集電体252に接続され、電池要素250から電流を引き出すために、外装ケース260の内部から外部に延長している。
図2〜図4に示すように、本例の各セル11nには、歪ゲージ800(セル変形量検出手段)が配置されている。セル11nが長期間放置(所定の期間以上充放電がされていない状態。以下同じ。)されると、セル11nが例えば厚み方向に膨張する。セル11nが長期間放置された場合、外装ケース260内部にガスが貯まって内圧が上昇したり、また温度変化によりセル11nの内部ガスが熱膨張する。このように膨張したセル11nを使用(例えば充電)すると、膨張によりシールの開封や弁の開裂といった組電池1の故障を来たす可能性がある。
そこで本例では、各セル11nに歪みゲージ800を配置し、外装ケース260の例えば厚み方向の歪み量(単位:「マイクロひずみ」)を検知する。歪ゲージ800の配置位置は特に限定されないが、セル11nの変形を検知しやすく、しかも各セル11nを積層する場合に影響が少ない部分、例えばタブ溶接部付近(図2及び図3参照)に配置されていることが好ましい。なお、本例では、セル11n毎に1つの歪ゲージ800を配置しているが、2つ以上の歪ゲージ800を配置してもよい。また、各セル11nに配置するとともに、組電池1の外部を覆う電池筐体(図示省略)にも歪ゲージ800を配置してもよい。さらには各セル11nには歪ゲージ800を配置せず、組電池1の電池筐体の表面に1つ又は複数の歪ゲージ800を配置してもよい。
図1に戻り、組電池1は、電流センサ2とDC−DCコンバータ3を介してインバータ4に接続され、インバータ4へ直流電力を供給する。
電流センサ2は、組電池1からDC−DCコンバータ3及びインバータ4へと流れる放電電流と、インバータ4及びDC−DCコンバータ3から組電池1へと流れる充電電流とを検出し、CPU71へ出力する。
DC−DCコンバータ3は、組電池1の電力を適切に使い分けるために設けられており、組電池1から入力された直流電力を調整してインバータ4に出力する機能と、インバータ4から入力された直流電力を調整して組電池1に出力する機能を有する。DC−DCコンバータ3の機能により、組電池1の充放電が実現される。DC−DCコンバータ3による直流電力の入出力の調整は、CPU71からの指令により行われる。
インバータ4は、DC−DCコンバータ3から入力された直流電力を交流電力に変換して走行駆動用交流モータ5に印加し、モータ5を駆動して車両を走行させる。インバータ4はまた、車両の制動時にモータ5で発生する交流回生電力を直流電力に変換し、DC−DCコンバータ3に出力する。
車両制御装置6(負荷)は、組電池1が出力可能な最大電力値Pmaxに関する出力がバッテリコントローラ7から入力されるとともに、バッテリコントローラ7に対して、所定の電力値P1の出力要求を行う。
本例のバッテリーコントローラ7は、CPU71、RAM(メモリ)72、電圧センサ73、セル電圧検出部74、温度センサ8を備えている。本例のバッテリコントローラ7は、少なくとも無負荷時(例えば起動直後)における組電池1の性能を検出する。
セル電圧検出部74(セル電圧検出手段)は、各セル11nの端子電圧Vc1〜Vc32(以下、代表してVcnともいう。Vcnはn番目のセル11の電圧を意味する。)を検出し、CPU71へ出力する。
電圧センサ73は、例えばセル電圧検出部74による検出と同じタイミングで、組電池1の総電圧Vt、つまり組電池1全体の端子電圧を検出し、CPU71へ出力する。なお、本例では、組電池1の総電圧Vtの検出に、必ずしも電圧センサ73を使用することを要しない。すなわち電圧センサ73を介さず、セル電圧検出部74からの出力に基づきセル11n毎の端子電圧Vcnを積算し、これを組電圧1の総電圧Vtとしてもよい。
温度センサ8(セル温度検出手段)は、組電池1の温度T、例えば組電池1の外部を覆う電池筐体の温度を検出し、CPU71へ出力する。
CPU71(セル性能推定手段、セル体積増加量算出手段、補正変形量算出手段、出力可能電力算出手段)は、歪ゲージ800で検出された各セル11nの変形量と、セル電圧検出部74で検出された各セル11nの端子電圧Vcnや温度センサ8で検出された組電池1の温度Tなどとに基づいて、所定の処理(性能検出処理及び出力制御処理)を実行する。その詳細は後述する。
なお、バッテリーコントローラ7は、容量調整部9などをさらに備えていてもよく、組電池1の性能検出の他に、組電池1の充放電と容量調整を制御するものであってもよい。この場合、容量調整部9は、セル電圧検出部74で検出したセル11nの端子電圧Vcnに基づいて各セル11n間の充電容量(SOC:State Of Charge)のバラツキを補正する。各セル11nのSOCバラツキを補正するには、SOCの大きな任意のセル11nを放電させて平準化する場合と、SOCの小さな任意のセル11nを充電して平準化する場合とがある。容量調整部9は、組電池1の各セル11n単位で容量調整を行い、いずれかのセル11nが過充電状態または過放電状態になって組電池1の容量が十分に利用できなくなることを防止する。容量調整部9は、抵抗器とトランジスタ(いずれも図示省略)の直列回路で構成することができる。この直列回路は、各セル11nに対してそれぞれ並列に接続されており、各セル11nのSOCを放電するための回路である。抵抗器は放電抵抗であり、トランジスタは放電と停止を行うためのスイッチング素子である。なお、スイッチング素子として、トランジスタに代えてFETなどの半導体スイッチング素子や、リレーなどを用いることもできる。
容量調整部9を備える場合のCPU71は、後述する組電池1の性能予測の他に、トランジスタのベースへ信号を送り、トランジスタのオン(導通)とオフ(非導通)を制御する。トランジスタがオンすると、指定されたセル11nの充電電力が抵抗器を介して放電し、放電分だけ充電容量SOCが減少する。CPU71は、トランジスタのオンとオフを繰り返してデューティー制御を行う。このデューティー比は、指定されたセル11nの放電容量と放電時間(容量調整時間)とに基づいて決定する。また、トランジスタのコレクターとエミッター間には、電圧センサ(図示省略)が接続されている。トランジスタがオンするとコレクター〜エミッター間電圧がほぼ0Vになり、オフするとコレクター〜エミッター間電圧が各セル11のセル両端電圧になる。CPU71は、不図示の電圧センサによりトランジスタのコレクター〜エミッター間電圧をモニターし、トランジスタの動作状況、つまり各セル11nの容量調整状況を確認しながら各セル11n間のSOCバラツキを調整する。
《性能検出処理及び出力制御処理》
次に、本例に係る性能検出処理及び出力制御処理を説明する。なお、本例での処理は、すべて起動直後の無負荷の状態で行われる。
次に、本例に係る性能検出処理及び出力制御処理を説明する。なお、本例での処理は、すべて起動直後の無負荷の状態で行われる。
《ステップS1〜S6》
まず、イグニッションキースイッチ(IGN。図示省略)がオンされてバッテリコントローラ7に電源が供給されると、ステップS1の処理が開始される。
まず、イグニッションキースイッチ(IGN。図示省略)がオンされてバッテリコントローラ7に電源が供給されると、ステップS1の処理が開始される。
図5に示すように、ステップS1にて、各歪ゲージ800は、各セル11nの無負荷時変形量d11〜d132(以下、代表して「第1変形量d1n」ともいう。「n」はn番目のセル11の補正前変形量を意味する。)を検出し、これをCPU71へ出力する。
第1変形量d1nの検出順序は特に限定されず、順序を決めてセル11n毎に検出してもよく、あるいは全てのセル11nを同時に検出してもよい。
次にステップS2にて、温度センサ8は、組電池1の無負荷時温度Ttを検出し、これをCPU71へ出力する。本来ならば、セル11n毎の温度Tcn毎を検出すべきであるが、本例では組電池1の無負荷時温度Ttを検出し、これを各セル11nの無負荷時温度Tcnとみなす場合を例示する。
次にステップS3にて、セル電圧検出部74は、各セル11nの端子電圧(本例では開放電圧)Vcnを検出し、これをCPU71へ出力する。S3で検出される各セル11nの端子電圧Vcnは、各セル11nの起電力E1〜E32(以下、代表して「起電力En」ともいう。「n」はn番目のセル11の起電力を意味する。)に等しい。本例では、すべてのセル11nが同一の起電力を持つ場合を例示する。
次にステップS4にて、電圧センサ73は、セル電圧検出部74による検出と同じタイミングで、組電池1の開放総電圧(無負荷時電圧)Vtを検出し、これをCPU71へ出力する。
次にステップS5にて、CPU71は、ステップS2で検出された組電池1の温度Ttに基づいて、ステップS1で検出された各セル11nの第1変形量d1nを温度補正して、各セル11nの補正後無負荷時変形量d21〜d232(以下、代表して「第2変形量d2n」ともいう。「n」はn番目のセル11の補正後変形量を意味する。)を算出する。
第1変形量d1nに温度補正を施すのは、組電池1の温度Tt(すなわち各セル11nの温度Tcn)如何により、各セル11nの変形度合いに変動を生ずるので、これを補正するものである。
次にステップS6にて、CPU71は、ステップS5で算出された各セル11nの第2変形量d2nに基づいて、各セル11nの体積増加量VOL1〜VOL32(以下、代表して「体積増加量VOLn」ともいう。「n」はn番目のセル11の体積増加量を意味する。)を算出する。
体積増加量VOLn(単位はcm3 )の算出は、RAM72に予め格納されるセル11n毎の、第2変形量d2n−体積増加量VOLnの相関図(図示省略)に基づいて行うことができる。
《ステップS7》
次にステップS7にて、CPU71は、ステップS6で算出した各セル11nの体積増加量VOLnに基づいて、各セル11nの内部抵抗R1〜R32(以下、代表して「内部抵抗Rn」ともいう。「n」はn番目のセル11の内部抵抗を意味する。)を推定する。通常、内部抵抗Rnはセル11nの使用時間の経過とともに高くなるので、基本的には新品時の内部抵抗値が最小となる。
次にステップS7にて、CPU71は、ステップS6で算出した各セル11nの体積増加量VOLnに基づいて、各セル11nの内部抵抗R1〜R32(以下、代表して「内部抵抗Rn」ともいう。「n」はn番目のセル11の内部抵抗を意味する。)を推定する。通常、内部抵抗Rnはセル11nの使用時間の経過とともに高くなるので、基本的には新品時の内部抵抗値が最小となる。
内部抵抗Rn(単位はΩ)の推定は、RAM72に予め格納されるセル11n毎の、体積増加量VOLn−内部抵抗Rnの相関図(例えば図6参照)に基づいて行うことができる。
図6に示すように、セル11nの体積増加量VOLnが大きいほど、セル11nの内部抵抗Rnは大きくなる傾向にある。内部抵抗Rnが増加すると、十分な充電容量SOCがあっても、電流が流れた場合にセル11nの端子電圧が急激に低下する。このため必要な電流を十分に取り出せず、出力可能パワーが低下する。なお、図6の縦軸に示す内部抵抗Rnは、任意のセル11nの新品時の内部抵抗初期値を1とし、これに対する測定時の内部抵抗値の相対的な値を示している。
《ステップS8》
次にステップS8にて、CPU71は、ステップS7で推定された各セル11nの内部抵抗Rnと、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnとに基づいて、組電池1の性能を検出する。
次にステップS8にて、CPU71は、ステップS7で推定された各セル11nの内部抵抗Rnと、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnとに基づいて、組電池1の性能を検出する。
本例では、組電池1の性能の一例として、各セル11nが放電終止電圧Vcmin(例えば2.0V)に至った場合に、各セル11nが放電可能な最大電流値Imaxを算出する場合を例示する。
なお、「放電終止電圧」とは、放電中のセル11nの端子電圧がこの電圧以下に低下した場合に放電を強制的に停止すべき電圧の値を意味する。
ここで、電池の端子電圧をV(単位はV)、電池の起電力をE(単位はV)、電流をI(単位はA)、電池の内部抵抗をr(単位はΩ)とした場合に、端子電圧Vが下記式1で算出されることは周知である。
[数1] V=E−Ir …(1)
式1を本例に当てはめると、VがVcmin、EがVcn、IがImax、rがRnであり、これらは下記式2の関係となる。
式1を本例に当てはめると、VがVcmin、EがVcn、IがImax、rがRnであり、これらは下記式2の関係となる。
[数2] Vcmin=Vcn−(Imax・Rn) …(2)
式2より、Imaxは下記式3で算出される。
式2より、Imaxは下記式3で算出される。
[数3] Imax=(Vcn−Vcmin)/Rn …(3)
本ステップで実行する最大電流値Imaxの算出は、RAM72に予め格納される上記式3の演算式に基づいて行うことができる。
本ステップで実行する最大電流値Imaxの算出は、RAM72に予め格納される上記式3の演算式に基づいて行うことができる。
《ステップS9》
次にステップS9にて、CPU71は、ステップS8で算出された各セル11nに流せる最大電流値Imaxと、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnとに基づいて、各セル11nの現在の出力可能な最大電力値Pmax(単位はkW/h)を算出する。
次にステップS9にて、CPU71は、ステップS8で算出された各セル11nに流せる最大電流値Imaxと、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnとに基づいて、各セル11nの現在の出力可能な最大電力値Pmax(単位はkW/h)を算出する。
本ステップで実行する最大電力値Pmaxの算出は、RAM72に予め格納される下記式4の演算式に基づいて行うことができる。
[数4] Pmax=Vcn・Imax …(4)
《ステップS10〜S13》
次にステップS10にて、CPU71は、車両制御装置6からの所定電力P1(単位はkW/h)の出力要求を取得する。
《ステップS10〜S13》
次にステップS10にて、CPU71は、車両制御装置6からの所定電力P1(単位はkW/h)の出力要求を取得する。
次にステップS11にて、CPU71は、ステップS10で取得した電力P1と、ステップS9で算出されたPmaxとを比較する。その結果、Pmaxが、P1より小さい(P1>Pmax)の場合には(S11にてNo)、ステップS12へ進み、P1以上(P1≦Pmax)の場合には(S11にてYes)、ステップS13へ進む。
ステップS12では、CPU71は、DC−DCコンバータ3に対して、組電池1の出力がPmaxとなる電流Iをインバータ4を介してモータ5に印加する信号を送出し、本処理を終了する。すなわち、車両制御装置6への出力要求を制限する。なお、これとともに、図示省略の冷却装置(例えば冷却ファンなど)に対して指令信号を送出し、組電池1を積極的に冷却してもよい。
ステップS13では、CPU71は、DC−DCコンバータ3に対して、車両制御装置6からの要求通りの出力P1となる電流Iをインバータ4を介してモータ5に印加する信号を送出し、本処理を終了する。すなわち、車両制御装置6への出力要求を制限しない。
以上説明したように、本例(ステップS1〜S8)によれば、起動直後の無負荷状態において、各セル11nが放電可能な最大電流値Imaxを算出することによって、組電池1の性能を検出することができる。従って、組電池1が長期間放置されていた場合でも、正確にその組電池1の性能を把握することができる。
また、本例(ステップS9〜S13)によれば、組電池1の無負荷時の最大電力値Pmaxが、車両制御装置6からの要求電力値P1より小さい場合に、組電池1の出力が要求電力値P1より小さいPmaxとなる電流Iを流す、すなわち車両制御装置6に対して負荷に対する出力電力を制限する信号を送出するので、組電池1の膨張によるシールの開封や弁の開裂といった組電池1の故障を効果的に防止することができる。
《第2実施形態》
本例では、図5のステップS7以降が異なる他の態様について説明する。なお、他の構成については第1実施形態と同様であるので、その説明を割愛する。
本例では、図5のステップS7以降が異なる他の態様について説明する。なお、他の構成については第1実施形態と同様であるので、その説明を割愛する。
第1実施形態と同様に、IGNがオンされてバッテリコントローラ7に電源が供給された後に、図7に示すように、図5のステップS1〜S6と同様の処理を実行してステップS71へ進む。
《ステップS71》
次にステップS71にて、CPU71は、ステップS6で算出した各セル11nの体積増加量VOLnに基づいて、各セル11nの容量維持率Ck1〜Ck32(以下、代表して「容量維持率Ckn」ともいう。「n」はn番目のセル11の容量維持率を意味する。)を推定する。通常、容量維持率Cknはセル11nの使用時間の経過とともに低下するので、基本的には新品時の容量維持率が最大となる。
次にステップS71にて、CPU71は、ステップS6で算出した各セル11nの体積増加量VOLnに基づいて、各セル11nの容量維持率Ck1〜Ck32(以下、代表して「容量維持率Ckn」ともいう。「n」はn番目のセル11の容量維持率を意味する。)を推定する。通常、容量維持率Cknはセル11nの使用時間の経過とともに低下するので、基本的には新品時の容量維持率が最大となる。
容量維持率Ckn(単位は%)の推定は、RAM72に予め格納されるセル11n毎の、体積増加量VOLn−容量維持率Cknの相関図(例えば図8参照)に基づいて行うことができる。
図8に示すように、セル11nの体積増加量VOLnが大きいほど、セル11nの容量維持率Cknは小さくなる傾向がある。容量維持率Cknが低下すると、見掛け上十分なSOCがあっても、取り出せすことができる電流が低くなる。このため、出力可能パワーが低下する。なお、図8の縦軸に示す容量維持率Cknは、任意のセル11nの新品時の容量維持率初期値を1とし、これに対する測定時の容量維持率の相対的な値を示している。
《ステップS72》
次にステップS72にて、CPU71は、ステップS71で推定された各セル11nの容量維持率Cknと、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnとに基づいて、組電池1の性能を検出する。
次にステップS72にて、CPU71は、ステップS71で推定された各セル11nの容量維持率Cknと、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnとに基づいて、組電池1の性能を検出する。
本例では、組電池1の性能の一例として、各セル11nの容量劣化を考慮した実際上のSOCを算出する場合を例示する。この実際上のSOCは、例えば以下の手順に従って算出することができる。
まず、CPU71は、ステップS3で検出された各セル11nの端子電圧Vcnに基づいて、セル11n毎のSOC(以下「第1SOC」という。)を算出する。第1SOCは、各セル11nの容量劣化を考慮していない、いわば「見掛け上のSOC」である。第1SOCの算出は、RAM72に予め格納されるセル11n毎の、セルの端子電圧Vcn−残存容量SOC相関図(図示省略)に基づいて行うことができる。
次に、CPU71は、算出した各セル11nの第1SOC(見掛けSOC)を、ステップS71で推定した各セル11nの容量維持率Cknを用いて補正することにより、別のSOC(以下、「第2SOC」という。)を算出する。第2SOCは、セル11n毎の容量劣化を考慮した、「実際上のSOC」である。すなわち、実際上のSOCの算出は、上述した手順に従って算出することができる。
《ステップS73》
次にステップS73にて、CPU71は、RAM72に予め格納される各セル11nの新品時(容量劣化前)の容量C0(本例では、各セル11nとも同一設計である場合を例示する)を取得する。
次にステップS73にて、CPU71は、RAM72に予め格納される各セル11nの新品時(容量劣化前)の容量C0(本例では、各セル11nとも同一設計である場合を例示する)を取得する。
《ステップS81》
次にステップS81にて、CPU71は、ステップS73で取得したセルの新品時の容量C0に、ステップS71で推定された各セル11nの容量維持率Cknを乗じて、各セル11nの容量劣化後の満充電容量(単位はAh)を算出する。
次にステップS81にて、CPU71は、ステップS73で取得したセルの新品時の容量C0に、ステップS71で推定された各セル11nの容量維持率Cknを乗じて、各セル11nの容量劣化後の満充電容量(単位はAh)を算出する。
《ステップS91》
次にステップS91にて、CPU71は、ステップS81で算出した各セル11nの容量劣化後の満充電容量と、ステップS72で算出された各セル11nの実際上のSOCとに基づいて、出力可能な最大電力値Pmaxを算出する。
次にステップS91にて、CPU71は、ステップS81で算出した各セル11nの容量劣化後の満充電容量と、ステップS72で算出された各セル11nの実際上のSOCとに基づいて、出力可能な最大電力値Pmaxを算出する。
最大電力値Pmaxの算出は、第1実施形態と同様に、各セル11nの内部抵抗Rnや、端子電圧Vcnなどを考慮して、算出することができる。
そして、以降、図5のステップS10〜S13と同様の処理を実行する。
本例のステップS12,S13では、CPU71は、電流センサ2が検出する、組電池1からインバータ4へ流れる放電電流の値を積算し、この電流の積算値と、容量劣化後の満充電容量に基づいて、各セル11nの実際上のSOCを再演算することにより、各セル11nに充電されている電気量の変動によるSOCへの影響を演算してもよい。
なお、容量劣化後の満充電容量を考慮するのは、同じ低電流による放電でも、SOCの減少が、新品時、すなわち容量劣化前のセルでは例えば5%となるのに対し、容量劣化後のセルでは、例えば10%に増大する場合があるからである。
以上説明したように、本例(ステップS1〜S6,S71,S72)によれば、起動直後の無負荷状態において、各セル11nの実際上のSOCを算出することによって、組電池1の性能を検出することができる。従って、第1実施形態に加えて、例えば車両として用いる場合などは、車両の発進前に走行可能距離を適切に表示することができるので、修理の必要性を車両の発進前に知ることができる。。
また、本例(ステップS73,S81,S91,S10〜S13)によっても、第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
100…組電池の性能検出装置(性能検出装置及び制御装置)
1…組電池
111〜1132(11n)…セル
2…電流センサ
3…DC−DCコンバータ
4…インバータ
5…モータ
6…車両制御装置(負荷)
7…バッテリーコントローラ
71…CPU(セル性能推定手段、セル体積増加量算出手段、補正変形量算出手段、出力可能電力算出手段)
72…RAM
73…電圧センサ
74…セル電圧検出部(セル電圧検出手段)
8…温度センサ(セル温度検出手段)
9…容量調整部
800…歪ゲージ(セル変形量検出手段)
1…組電池
111〜1132(11n)…セル
2…電流センサ
3…DC−DCコンバータ
4…インバータ
5…モータ
6…車両制御装置(負荷)
7…バッテリーコントローラ
71…CPU(セル性能推定手段、セル体積増加量算出手段、補正変形量算出手段、出力可能電力算出手段)
72…RAM
73…電圧センサ
74…セル電圧検出部(セル電圧検出手段)
8…温度センサ(セル温度検出手段)
9…容量調整部
800…歪ゲージ(セル変形量検出手段)
Claims (10)
- 複数のセルを直列に接続して構成される組電池の無負荷時における性能を検出する装置であって、
前記セルの変形量を検出するセル変形量検出手段と、
前記セルの端子電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記セルの変形量に基づいて、前記セルの内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定するセル性能推定手段とを有し、
前記セルの端子電圧と、内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかに基づいて、前記組電池の性能を検出することを特徴とする組電池の性能検出装置。 - 請求項1記載の組電池の性能検出装置であって、
前記セル変形量検出手段は、前記組電池を構成する各セルの変形量を検出することを特徴とする組電池の性能検出装置。 - 請求項1又は2記載の組電池の性能検出装置であって、
前記セルの変形量に基づいて、前記セルの体積増加量を算出するセル体積増加量算出手段を有し、
前記セル性能推定手段は、前記セルの体積増加量に基づいて、前記セルの内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定することを特徴とする組電池の性能検出装置。 - 請求項1又は2記載の組電池の性能検出装置であって、
前記セルの温度を検出するセル温度検出手段と、
前記セルの温度に基づいて、前記セルの変形量を補正し、前記セルの補正変形量を算出する補正変形量算出手段とを有し、
前記セル性能推定手段は、前記セルの補正変形量に基づいて、前記セルの内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定することを特徴とする組電池の性能検出装置。 - 請求項4記載の組電池の性能検出装置であって、
前記セルの補正変形量に基づいて、前記セルの体積増加量を算出するセル体積増加量算出手段を有し、
前記セル性能推定手段は、前記セルの体積増加量に基づいて、前記セルの内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定することを特徴とする組電池の性能検出装置。 - 請求項1〜5の何れか一項記載の組電池の性能検出装置と、
前記セルの端子電圧と、内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかに基づいて、前記セルが出力可能な最大電力値を算出する出力可能電力算出手段とを有し、
前記セルの最大電力値が負荷からの要求電力値より小さい場合に、前記負荷に対する出力電力を制限することを特徴とする組電池の制御装置。 - 請求項6記載の組電池の制御装置であって、
前記出力可能電力算出手段は、前記セルの端子電圧及び内部抵抗値に基づいて、放電終止電圧に至った場合に前記セルが放電可能な最大電流値を算出し、その後、前記セルの最大電流値及び端子電圧に基づいて、前記最大電力値を算出することを特徴とする組電池の制御装置。 - 請求項6記載の組電池の制御装置であって、
前記出力可能電力算出手段は、前記セルの端子電圧及び容量維持率に基づいて、前記セルの容量劣化後の充電容量を算出するとともに、前記セルの容量劣化前の容量及び容量維持率に基づいて前記セルの容量劣化後の容量を算出し、その後、前記セルの容量劣化後の充電容量及び容量に基づいて、前記最大電力値を算出することを特徴とする組電池の制御装置。 - 複数のセルを直列に接続して構成される組電池の無負荷時における性能を検出する方法であって、
前記セルの変形量を検出する工程と、
前記セルの端子電圧を検出する工程と、
前記セルの変形量に基づいて、前記セルの内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定する工程とを有し、
前記セルの端子電圧と、内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかに基づいて、前記組電池の性能を検出することを特徴とする組電池の性能検出方法。 - 複数のセルを直列に接続して構成される組電池の負荷開始時における出力を制御する方法であって、
前記セルの変形量を検出する工程と、
前記セルの端子電圧を検出する工程と、
前記セルの変形量に基づいて、前記セルの内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかを推定する工程と、
前記セルの端子電圧と、内部抵抗値及び容量維持率の少なくとも何れかに基づいて、前記セルが出力可能な最大電力値を算出する工程とを有し、
前記セルの最大電力値が負荷からの要求電力値より小さい場合に、前記負荷に対する出力電力を制限することを特徴とする組電池の制御方法。
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