JP5354787B2

JP5354787B2 - 蓄電器管理装置

Info

Publication number: JP5354787B2
Application number: JP2009157946A
Authority: JP
Inventors: 紀之清水; 義一西田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011014395A

Description

本発明は、蓄電器の内部温度を推定する蓄電器管理装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）等の車両には、電動機等に電力を供給する蓄電器が搭載される。蓄電器には、直列及び並列に接続された複数の蓄電セルが外装体内に設けられている。蓄電セルには、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池が用いられる。このような蓄電器の信頼性や安全性を損なわないためには、蓄電器の内部温度を監視する必要がある。

従来は、蓄電器の外装体に取り付けられた温度センサの検出温度を蓄電器の内部温度として扱うことが一般的だった。しかし、当該温度センサは、蓄電器の内部に設けられている訳ではないため、あくまでも外装体の温度を検出しているに過ぎない。しかも、蓄電器内部の熱が外装体に伝達するまでの時間差、及び蓄電器内部から外装体に伝達するまでの熱損失のために、当該温度センサの検出温度からは蓄電器の正確な内部温度が適時に得られない。

特開２００６−１０１６７４号公報特許第３１７５５５８号明細書

図５は、特許文献１に開示された密閉形蓄電池の一部断面を示す斜視図である。図５に示すように、当該特許文献１の密閉形蓄電池では、蓋４の極柱部近傍に電池内方向に突出する有底の中空突出部６が少なくとも１ヵ所に形成され、中空突出部６に挿入された温度検知機が電極群２及びリード部を含む極柱全体部の温度を測定する。しかし、当該温度検知機は、蓄電池の内部により近い位置で温度を測定するが、原理的には蓄電池の外部から温度を測定する。このため、当該温度検知機は、上述した熱伝達及び熱損失の影響を受けてしまう。

また、特許文献２に開示されたハイブリッドＥＣＵ（充放電制御装置）は、バッテリの電解質の内部抵抗等によって影響される電池発熱損失等から、以下に示す式によりバッテリ推定温度Tb(K)を計算する。
・Ploss(K)=R・Ib(K)²
・dTb（K）/dt=X(K)={Ploss(K)-(Tb(K-1)-Ta(K))・ｈ・S}/Cb
・Tb(K)=Tb(K-1)+Δt・X(K)

上記式において、Ploss(K)はバッテリの内部発熱量、Rはバッテリの内部抵抗値、Ib(K)はバッテリの電流値、Ta(K)は外気温、ｈはバッテリの放熱係数、Sはバッテリの投下放熱面積、Cbはバッテリの熱容量である。なお、バッテリの内部抵抗値R、バッテリの放熱係数ｈ、バッテリの等価放熱面積S、バッテリの熱容量Cbは、バッテリの冷却ファンの動作状況、バッテリ温度及び外気温に依存するため、これらの状態で適宜修正演算される。

しかし、上記式は複雑であり、外因等によって誤差を生じるパラメータを多く含むため、ハイブリッドＥＣＵによって算出されたバッテリ推定温度の精度は高いとは言えない。

本発明の目的は、蓄電器の内部温度を高い精度で適時推定可能な蓄電器管理装置を提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の蓄電器管理装置は、充電状態と開回路電圧の間に相関関係を有し、当該相関関係が温度に依存して変化する蓄電器（例えば、実施の形態での蓄電器１０３）を管理する蓄電器管理装置（例えば、実施の形態での蓄電器管理装置１１３）であって、前記蓄電器の端子電圧及び前記蓄電器の外装体又はその周辺の温度と、前記蓄電器の温度に依存する前記相関関係とに基づいて、前記蓄電器の初期充電状態を導出する初期充電状態導出部（例えば、実施の形態での初期ＳＯＣ導出部２０１）と、前記初期充電状態及び前記蓄電器の充放電電流に基づいて、前記蓄電器の充電状態を示す値を算出する充電状態算出部（例えば、実施の形態での電池容量算出部２０３、ＳＯＣ変化量算出部２０５及びＳＯＣ補正部２０７）と、前記蓄電器の開回路電圧を算出する開回路電圧算出部（例えば、実施の形態での内部抵抗推定部２０９、電圧降下量算出部２１３及び電圧補正部２１５）と、前記充電状態算出部が算出した前記充電状態を示す値及び前記開回路電圧算出部が算出した前記開回路電圧と、前記蓄電器の温度に依存する前記相関関係とに基づいて、前記蓄電器の推定内部温度を導出する推定内部温度導出部（例えば、実施の形態での推定内部温度導出部２１７）と、を備えたことを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の蓄電器管理装置では、前記蓄電器は、当該蓄電器の内部温度に対する開回路電圧の変化率が、当該蓄電器管理装置が識別可能な前記内部温度の最小単位に対する当該蓄電器管理装置が識別可能な前記開回路電圧の最小単位の比以上の特性を有することを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の蓄電器管理装置では、前記蓄電器は、当該蓄電器の内部温度に対する充電状態を示す値の変化率が、当該蓄電器管理装置が識別可能な前記内部温度の最小単位に対する当該蓄電器管理装置が識別可能な前記充電状態を示す値の最小単位の比以上の特性を有することを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の蓄電器管理装置では、前記開回路電圧算出部は、前記蓄電器の前記充放電電流及び端子電圧に応じて、前記開回路電圧を算出することを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の発明の蓄電器管理装置では、当該蓄電器管理装置は、前記推定内部温度導出部が導出した前記推定内部温度が第１のしきい値以上のとき、前記蓄電器を冷却する手段（例えば、実施の形態での冷却ファン１１５）を駆動することを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の発明の蓄電器管理装置では、当該蓄電器管理装置は、前記推定内部温度導出部が導出した前記推定内部温度が第２のしきい値以上のとき、前記蓄電器の入出力電力を制限することを特徴としている。

請求項１〜６に記載の発明の蓄電器管理装置によれば、蓄電器の内部温度を高い精度で適時推定できる。

請求項５及び６に記載の発明の蓄電器管理装置によれば、蓄電器の信頼性及び安全性を損なうことなく、当該蓄電器を利用できる。

一実施形態の蓄電器管理装置１１３を搭載したＥＶの概略構成図蓄電器１０３における充電深度（ＳＯＣ）と開回路電圧（ＯＣＶ）と内部温度の相関関係を示すグラフ蓄電器管理装置１１３の内部構成を示すブロック図蓄電器１０３の内部温度に対する開回路電圧（ＯＣＶ）の変化量を示すグラフ特許文献１に開示された密閉形蓄電池の一部断面を示す斜視図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。以下説明する実施形態の蓄電器管理装置は、蓄電器から供給された電力によって駆動する電動機が駆動源として設けられたＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）等の車両に搭載されている。

図１は、一実施形態の蓄電器管理装置を搭載したＥＶの概略構成図である。図１に示すＥＶ（以下、単に「車両」という）は、電動機Ｍと、変速機構Ｔと、駆動輪Ｗと、電力制御装置１０１と、蓄電器１０３と、メモリ１０５と、電流センサ１０７と、電圧センサ１０９と、温度センサ１１１と、蓄電器管理装置１１３と、冷却ファン１１５とを主に備える。当該車両では、電動機Ｍの駆動力は変速機構Ｔを介して駆動輪Ｗに伝達される。また、減速時に駆動輪Ｗ側から電動機Ｍ側に駆動力が伝達されると、電動機Ｍは発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして蓄電器１０３に回収する。

電力制御装置１０１は、電動機Ｍの駆動に係る蓄電器１０３から電動機Ｍへの電力供給、及び電動機Ｍから蓄電器１０３への回生エネルギーの回収を制御する。

蓄電器１０３は、例えば負極にチタン酸リチウム（Li4Ti5O12）及び正極にリチウム遷移金属酸化物を用いたリチウムイオン電池、又は金属水素化物を陰極活物質とするＮｉ−ＭＨ（nickel-metal hydride）電池等である。蓄電器１０３は、高電圧（例えば１００〜２００Ｖ）を出力するために、直列及び並列に接続された複数の蓄電セルを外装体内に有する。したがって、蓄電器１０３は大型である。

図２は、蓄電器１０３における充電深度（ＳＯＣ）と開回路電圧（ＯＣＶ）と内部温度の相関関係を示すグラフである。図２に示すように、蓄電器１０３の特性として、充電深度（ＳＯＣ：State of Charge）と開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の関係を示す曲線は、蓄電器１０３の内部温度によって異なる。すなわち、これら２つの値の相関特性は蓄電器１０３の内部温度に依存する。したがって、蓄電器１０３の充電深度（ＳＯＣ）及び開回路電圧（ＯＣＶ）の２つの値から、蓄電器１０３の内部温度が求まる。

メモリ１０５は、蓄電器１０３の充電深度（ＳＯＣ）と開回路電圧（ＯＣＶ）と内部温度の相関関係を示す３次元マップ、又は温度を変数とした充電深度（ＳＯＣ）及び開回路電圧（ＯＣＶ）の各関数を記憶する。また、メモリ１０５は、車両のイグニッションがオンされた直後のＳＯＣの履歴を走行毎に記憶する。なお、本明細書における「走行」とは、車両のイグニッションがオンされて再びオフされるまでの期間をいう。さらに、メモリ１０５は、車両が走行時に使用した電気量を走行毎に記憶する。

電流センサ１０７は、蓄電器１０３の充放電電流Ｉを検出する。なお、充放電電流Ｉは、蓄電器１０３から電動機Ｍに供給される放電電流、及び回生動作を行う電動機Ｍから蓄電器１０３に供給される充電電流を含む。電圧センサ１０９は、蓄電器１０３の端子電圧Ｖを検出する。温度センサ１１１は、蓄電器１０３の外装体又はその周辺に取り付けられている。温度センサ１１１は、蓄電器１０３の外装体又はその周辺の温度Ｔを検出する。

蓄電器管理装置１１３は、蓄電器１０３の充電深度（ＳＯＣ）及び開回路電圧（ＯＣＶ）を推定し、かつ、これら２つの推定値から蓄電器１０３の推定内部温度を導出する。図３は、蓄電器管理装置１１３の内部構成を示すブロック図である。図３に示すように、蓄電器管理装置１１３は、初期ＳＯＣ導出部２０１と、電池容量算出部２０３と、ＳＯＣ変化量算出部２０５と、ＳＯＣ補正部２０７と、内部抵抗推定部２０９と、ＬＰＦ（Low Pass Filter）２１１と、電圧降下量算出部２１３と、電圧補正部２１５と、推定内部温度導出部２１７とを有する。

初期ＳＯＣ導出部２０１は、走行開始時、すなわち、車両のイグニッションがオンされた直後に動作する。車両のイグニッションがオンされた時点では、前回の走行終了時から十分に時間が経過していると考えられる。したがって、このとき温度センサ１１１が検出した温度Ｔは、蓄電器１０３の内部温度とみなすことができる。また、走行開始時は、蓄電器１０３にとっての負荷が略０と考えられる。したがって、このとき電圧センサ１０９が検出した端子電圧Ｖは、蓄電器１０３の開回路電圧（ＯＣＶ）とみなすことができる。

したがって、初期ＳＯＣ導出部２０１は、走行開始時に電圧センサ１０９が検出した端子電圧Ｖ及び温度センサ１１１が検出した温度Ｔと、メモリ１０５に記録されている蓄電器１０３の充電深度（ＳＯＣ）と開回路電圧（ＯＣＶ）と内部温度の相関関係を示す３次元マップ又は関数とに基づいて、初期ＳＯＣを導出する。なお、初期ＳＯＣ導出部２０１は、導出した初期ＳＯＣの値をメモリ１０５に記録する。

電池容量算出部２０３も、走行開始時に動作する。電池容量算出部２０３は、初期ＳＯＣ導出部２０１が導出した初期ＳＯＣと、メモリ１０５が記憶する前回走行開始時の初期ＳＯＣの差を算出する。さらに、電池容量算出部２０３は、メモリ１０５が記憶する前回走行で使用された電気量を当該初期ＳＯＣの差で除算する。この演算で得られる値は、蓄電器１０３の容量（以下「電池容量」という）である。

ＳＯＣ変化量算出部２０５は、電流センサ１０７が検出した充放電電流Ｉに演算単位時間を乗算して電気量を導出する。当該電気量は、演算単位時間中に蓄電器１０３が消費した又は蓄電器１０３に回生された電気量である。また、ＳＯＣ変化量算出部２０５は、走行開始時からの経過時間に応じて、各演算単位時間の電気量を積算する。さらに、ＳＯＣ変化量算出部２０５は、電気量の積算値を電池容量算出部２０３で算出された電池容量で除算する。この演算で得られる値は、走行開始時からの蓄電器１０３のＳＯＣ変化量（ΔＳＯＣ）である。

ＳＯＣ補正部２０７は、初期ＳＯＣ導出部２０１が導出した初期ＳＯＣを、ＳＯＣ変化量算出部２０５が算出したＳＯＣ変化量（ΔＳＯＣ）で補正する。ＳＯＣ補正部２０７は、当該補正によって得られた値を「推定ＳＯＣ」として出力する。なお、ＳＯＣ補正部２０７は、初期ＳＯＣをＳＯＣ変化量（ΔＳＯＣ）で補正した値のバラツキが所定範囲内に収束した後に推定ＳＯＣを出力する。

内部抵抗推定部２０９は、電圧センサ１０９が検出した端子電圧Ｖを微分した値（ΔＶ）を、電流センサ１０７が検出した充放電電流Ｉを微分した値（ΔＩ）で除算する。この演算で得られる値は、蓄電器１０３の内部抵抗の推定値（Ｒｉｎ）である。ＬＰＦ２１１は、内部抵抗推定部２０９によって得られた内部抵抗推定値（Ｒｉｎ）をフィルタ処理することによって平滑化する。電圧降下量算出部２１３は、平滑化された内部抵抗推定値に電流センサ１０７が検出した充放電電流Ｉを乗算する。この演算で得られる値は、蓄電器１０３の内部抵抗による電圧降下量（ΔＶｄ）である。

電圧補正部２１５は、電圧センサ１０９が検出した端子電圧Ｖを、電圧降下量算出部２１３が算出した電圧降下量（ΔＶｄ）で補正する。電圧補正部２１５は、当該補正によって得られた値を「推定ＯＣＶ」として出力する。なお、電圧補正部２１５は、端子電圧Ｖを電圧降下量（ΔＶｄ）で補正した値のバラツキが所定範囲内に収束した後に推定ＯＣＶを出力する。

推定内部温度導出部２１７は、ＳＯＣ補正部２０７から出力された推定ＳＯＣ及び電圧補正部２１５から出力された推定ＯＣＶと、メモリ１０５に記録されている蓄電器１０３の充電深度（ＳＯＣ）と開回路電圧（ＯＣＶ）と内部温度の相関関係を示す３次元マップ又は関数とに基づいて、蓄電器１０３の推定内部温度を導出する。

図４は、蓄電器１０３の内部温度に対する開回路電圧（ＯＣＶ）の変化量を示すグラフである。なお、図４に示されたグラフ中の点線で区切られた縦軸の一目盛り「ａ」は、蓄電器管理装置１１３が識別可能な開回路電圧（ＯＣＶ）の最小単位を示す。すなわち、蓄電器管理装置１１３における開回路電圧（ＯＣＶ）の分解能は「ａ［Ｖ／ＬＳＢ］」である。一方、図４に示されたグラフ中の区切られた横軸の一目盛り「ｂ」は、蓄電器管理装置１１３が識別可能な内部温度の最小単位を示す。すなわち、蓄電器管理装置１１３における内部温度の分解能は「ｂ［℃／ＬＳＢ］」である。なお、ＬＳＢは「Less Significant Bit」の略記である。

また、図４には、蓄電器１０３の内部温度に対する開回路電圧（ＯＣＶ）の変化率の絶対値｜ｋ｜［Ｖ／℃］が３種類、すなわち｜ｋ｜＞｜ａ／ｂ｜、｜ｋ｜＝｜ａ／ｂ｜及び｜ｋ｜＜｜ａ／ｂ｜の各特性を示す線Ａ，Ｂ，Ｃが示されている。｜ｋ｜＞｜ａ／ｂ｜の特性を示す線Ａによれば、開回路電圧（ＯＣＶ）が１ＬＳＢ（ａ［ｖ］）変化したときの内部温度の変化量は１ＬＳＢ（ｂ［℃］）未満（１ＬＳＢの約半分）である。また、｜ｋ｜＝｜ａ／ｂ｜の特性を示す線Ｂによれば、開回路電圧（ＯＣＶ）が１ＬＳＢ（ａ［ｖ］）変化したときの内部温度の変化量は１ＬＳＢ（ｂ［℃］）である。また、｜ｋ｜＜｜ａ／ｂ｜の特性を示す線Ｃによれば、開回路電圧（ＯＣＶ）が１ＬＳＢ（ａ［ｖ］）変化したときの内部温度の変化量は２ＬＳＢ（２ｂ［℃］）である。

このように、｜ｋ｜＜｜ａ／ｂ｜の場合、開回路電圧（ＯＣＶ）が１ＬＳＢ（ａ［ｖ］）変化したときの内部温度の真の値は、２ＬＳＢ（２ｂ［℃］）の範囲内にあるはずであるが、蓄電器管理装置１１３が有する図４に示した内部温度の分解能では、蓄電器１０３の内部温度の真の値を判別できない。したがって、蓄電器１０３の開回路電圧（ＯＣＶ）の変化に対する内部温度を蓄電器管理装置１１３が演算によってより正確に求めるためには、開回路電圧（ＯＣＶ）が１ＬＳＢ（ａ［ｖ］）変化したときの内部温度の変化量が１ＬＳＢ（ｂ［℃］）以内である必要がある。

このように、蓄電器１０３の特性として、内部温度に対する開回路電圧（ＯＣＶ）の変化量｜ｋ｜は、｜ａ／ｂ｜以上（｜ｋ｜≧｜ａ／ｂ｜）であることが望ましい。蓄電器管理装置１１３は、当該変化量｜ｋ｜が大きいほど、より高精度に蓄電器１０３の内部温度を導出できる。

なお、蓄電器管理装置１１３は、上記説明と同様に、内部温度に対する充電深度（ＳＯＣ）の変化量の絶対値が大きい特性の蓄電器であるほど、より高精度に当該蓄電器の内部温度を導出できる。

図１に示した冷却ファン１１５及び電力制御装置１０１は、蓄電器管理装置１１３が導出した蓄電器１０３の推定内部温度に応じて制御される。例えば、蓄電器管理装置１１３は、蓄電器１０３の推定内部温度が第１のしきい値以上のときには、冷却ファン１１５を駆動する。また、蓄電器管理装置１１３は、蓄電器１０３の推定内部温度が第２のしきい値以上のときには、蓄電器１０３の入出力電力を制限するよう電力制御装置１０１を制御する。さらに、蓄電器管理装置１１３は、蓄電器１０３の推定内部温度が第３のしきい値以上のときには、蓄電器１０３と電動機Ｍの間の経路を遮断するよう電力制御装置１０１を制御する。したがって、蓄電器１０３の信頼性及び安全性を損なうことなく、当該蓄電器１０３を利用できる。なお、上記第１のしきい値、第２のしきい値及び第３のしきい値は、「第１のしきい値＜第２のしきい値＜第３のしきい値」の関係を有する。

以上説明したように、本実施形態の蓄電器管理装置１１３は、蓄電器１０３の充放電電流Ｉ及び端子電圧Ｖ等の情報に基づいて蓄電器１０３の充電深度（ＳＯＣ）及び開回路電圧（ＯＣＶ）を推定し、かつ、これら２つの推定値から蓄電器１０３の推定内部温度を導出する。電流センサ１０７及び電圧センサ１０９によって検出される蓄電器１０３の充放電電流Ｉ及び端子電圧Ｖは遅延なく得られる情報であるため、蓄電器管理装置１１３は、蓄電器１０３の内部温度を適宜推定できる。また、充放電電流Ｉ及び端子電圧Ｖは外因等によって発生する誤差が小さいため、蓄電器管理装置１１３は、高精度かつ安定して蓄電器１０３の内部温度を推定できる。

Ｍ電動機
Ｔ変速機構
Ｗ駆動輪
１０１電力制御装置
１０３蓄電器
１０５メモリ
１０７電流センサ
１０９電圧センサ
１１１温度センサ
１１３蓄電器管理装置
１１５冷却ファン
２０１初期ＳＯＣ導出部
２０３電池容量算出部
２０５ＳＯＣ変化量算出部
２０７ＳＯＣ補正部
２０９内部抵抗推定部
２１１ＬＰＦ
２１３電圧降下量算出部
２１５電圧補正部
２１７推定内部温度導出部

Claims

充電状態と開回路電圧の間に相関関係を有し、当該相関関係が温度に依存して変化する蓄電器を管理する蓄電器管理装置であって、
前記蓄電器の端子電圧及び前記蓄電器の外装体又はその周辺の温度と、前記蓄電器の温度に依存する前記相関関係とに基づいて、前記蓄電器の初期充電状態を導出する初期充電状態導出部と、
前記初期充電状態及び前記蓄電器の充放電電流に基づいて、前記蓄電器の充電状態を示す値を算出する充電状態算出部と、
前記蓄電器の開回路電圧を算出する開回路電圧算出部と、
前記充電状態算出部が算出した前記充電状態を示す値及び前記開回路電圧算出部が算出した前記開回路電圧と、前記蓄電器の温度に依存する前記相関関係とに基づいて、前記蓄電器の推定内部温度を導出する推定内部温度導出部と、
を備えたことを特徴とする蓄電器管理装置。
請求項１に記載の蓄電器管理装置であって、
前記蓄電器は、当該蓄電器の内部温度に対する開回路電圧の変化率が、当該蓄電器管理装置が識別可能な前記内部温度の最小単位に対する当該蓄電器管理装置が識別可能な前記開回路電圧の最小単位の比以上の特性を有することを特徴とする蓄電器管理装置。
請求項１又は２に記載の蓄電器管理装置であって、
前記蓄電器は、当該蓄電器の内部温度に対する充電状態を示す値の変化率が、当該蓄電器管理装置が識別可能な前記内部温度の最小単位に対する当該蓄電器管理装置が識別可能な前記充電状態を示す値の最小単位の比以上の特性を有することを特徴とする蓄電器管理装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電器管理装置であって、
前記開回路電圧算出部は、前記蓄電器の前記充放電電流及び端子電圧に応じて、前記開回路電圧を算出することを特徴とする蓄電器管理装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電器管理装置であって、
当該蓄電器管理装置は、前記推定内部温度導出部が導出した前記推定内部温度が第１のしきい値以上のとき、前記蓄電器を冷却する手段を駆動することを特徴とする蓄電器管理装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電器管理装置であって、
当該蓄電器管理装置は、前記推定内部温度導出部が導出した前記推定内部温度が第２のしきい値以上のとき、前記蓄電器の入出力電力を制限することを特徴とする蓄電器管理装置。