JP5719236B2

JP5719236B2 - 二次電池の制御装置

Info

Publication number: JP5719236B2
Application number: JP2011121180A
Authority: JP
Inventors: 将義豊田
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP2012247374A

Description

本発明は二次電池の制御装置に関し、特に二次電池の充電状態（ＳＯＣ）の算出に関する。

ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電力源として利用されている。また、二次電池は、燃料電池や太陽電池、風量発電機等と組み合わされ、効率的な電源システムとして利用されている。

二次電池は、過放電や過充電により電池性能が低下してしまうことから、二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を正確に把握する必要がある。また、ハイブリッド自動車においては、二次電池のＳＯＣが４０％〜７０％の範囲内に収まるように充放電制御することから、その前提として二次電池のＳＯＣを正確に把握する必要がある。

二次電池のＳＯＣを算出する方法として、いくつかの方法が知られている。第１の方法は、二次電池の充放電時の電流を積算してＳＯＣを算出する方法である。この方法では、充放電された電池の電流値を測定し、測定された電流値が充電時の電流の場合は充電効率を乗算した上で、得られた電流値を設定された時間にわたって積算し、積算容量を算出する。第２の方法は、二次電池の充放電履歴に基づいてＳＯＣを算出する方法である。電池ブロック毎に充放電された電流と端子電圧とのペアデータを複数取得し、これらを充放電履歴として記憶する。そして、記憶されたペアデータの中から代表となる電池ブロックの平均的なペアデータを選択し、回帰分析を用いて１次の近似直線を求める。求めた近似直線から電流値がゼロに対応する電圧値を無負荷電圧として求め、無負荷電圧から分極電圧を減算して起電力を算出し、起電力とＳＯＣの二次元マップから対応するＳＯＣを算出する。

以下の特許文献１には、上記の第１の方法でＳＯＣを算出するとともに第２の方法でＳＯＣを算出し、第１の方法で算出したＳＯＣと第２の方法で算出したＳＯＣとを比較し、これらの差が基準値より大きい場合に、二次電池を使用する機器に対して二次電池のＳＯＣの変動幅を増加させるように二次電池の使用を指示する技術が開示されている。

特開２００７−１７１０４４号公報

上記の第１の方法と第２の方法でＳＯＣを算出し、これらを適宜組み合わせて最終的なＳＯＣを算出する方法は有効であるが、その前提として、これらの方法で算出されたＳＯＣの精度が確保されていることが必要である。

ところが、特に第２の方法では、二次電池の充放電履歴によりＳＯＣを算出するものであり、充放電電流と端子電圧のペアデータから回帰分析により無負荷電圧を算出しているため、回帰分析の精度が直接的にＳＯＣの推定精度に影響を及ぼす。したがって、充放電電流と端子電圧のペアデータが適度に分散している場合にはともかく、充放電電流と端子電圧のペアデータが偏っている場合には、ＳＯＣの算出精度が低下してしまう問題がある。

本発明の目的は、少なくとも二次電池の充放電履歴により充電状態を算出する技術を含む場合において、充放電電流と端子電圧のペアデータが偏っているような場合においても高精度に充電状態を算出することができる装置を提供することにある。

本発明は、二次電池の制御装置であって、二次電池の充放電電流を検出する手段と、前記二次電池の端子電圧を検出する手段と、前記二次電池を定電流で充電した場合の端子電圧と充電状態との関係、又は前記二次電池を定電流で放電した場合の端子電圧と充電状態との関係を記憶する記憶手段と、前記二次電池の充電電流又は放電電流を所定時間にわたって積算することで第１の充電状態を算出する第１充電状態算出手段と、前記二次電池の前記充電電流又は放電電流の変動が所定値以下である状態が一定時間以上継続する場合に、前記記憶手段に記憶された関係を用いて前記二次電池の端子電圧から前記二次電池の第２の充電状態を算出し、それ以外の場合に、前記二次電池の充電電流又は放電電流と端子電圧のペアデータを用いて前記二次電池の第２の充電状態を算出する第２充電状態算出手段と、前記第１充電状態と前記第２充電状態とを用いて前記二次電池の充電状態を算出する手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、二次電池の充電状態を高精度に算出することができる。したがって、二次電池の充電状態に応じて充放電を制御する場合においても、高精度に算出された充電状態を用いた信頼性の高い制御が可能となる。

実施形態のシステム構成図である。実施形態のＳＯＣ算出処理フローチャートである。図２における第２ＳＯＣ算出処理の詳細フローチャートである。二次電池の電流、電圧、ＳＯＣの時間変化を示すグラフである。定電流での充電特性及び放電特性を示すグラフ図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本構成及び基本原理＞
まず、本実施形態の基本構成及び基本原理について説明する。

本実施形態では、二次電池の電流及び電圧（端子電圧）、さらには必要に応じて温度をそれぞれセンサで検出して取得する。そして、これら電流値と電圧値を用いて、二次電池の制御装置としての電池ＥＣＵが二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を算出する。ＳＯＣは、満充電状態を１００とした場合の残存容量の比率（％）で表現されるが、充電状態を残存容量の絶対値（Ａ・ｈ）で算出してもよい。算出されたＳＯＣは、上位の制御装置、例えば二次電池が車両に搭載される場合には、車両の走行を制御する車両ＥＣＵに供給する。

本実施形態における電池ＥＣＵは、従来におけるＳＯＣ算出の２つの方法を基本的に用いてＳＯＣを算出する。すなわち、電流積算を用いた第１の方法と、充放電履歴を用いた第２の方法とを併用する。但し、第２の方法でＳＯＣを算出する場合に、充放電電流と端子電圧のペアデータが適度に分散している場合と偏っている場合とで、ＳＯＣの算出方法を切り替える。具体的には、充放電電流と端子電圧のペアデータが適度に分散しており回帰分析の精度が担保される場合には、従来の第２の方法をそのまま援用してＳＯＣを算出する。一方、充放電電流と端子電圧のペアデータが偏っていて回帰分析の精度が確保されない場合には、電流値の変動幅が所定値以下であり、かつ、電流積算で得られたＳＯＣの変化量が所定量以上であるとの条件の下で、端子電圧とＳＯＣの２次元マップを用いてＳＯＣを算出する。

電流値の変動幅が所定値以下であり、かつ、ＳＯＣの変化量が所定値以上である場合とは、一定時間以上定電流状態が継続する場合であり、このようにほぼ定電流の充電若しくは放電が継続すると、分極が充電若しくは放電側で安定して発生してくるため、既知の定電流の充電若しくは放電曲線にほぼ合致してくる。

本実施形態では、このような原理に基づき、ほぼ定電流の充電若しくは放電が継続した場合に、既知の充電曲線若しくは放電曲線を用いてＳＯＣを算出するのである。既知の充電曲線及び放電曲線は、予め記憶手段にテーブルあるいはマップとして記憶しておく。

本実施形態では、第２の方法で算出する場合に、場合に応じてさらに２つの方法（これを便宜上、Ａ方法とＢ方法と称する）で算出するといえる。

そして、第１の方法でＳＯＣを算出し、第２の方法（Ａ方法あるいはＢ方法のいずれか、あるいはＡ方法とＢ方法をともに用いて）でＳＯＣを算出すると、これらの方法で算出したＳＯＣを用いて補正演算を行う。

補正演算は、第１の方法で算出したＳＯＣを、第２の方法で算出したＳＯＣで補正することにより実行される。すなわち、第１の方法で算出したＳＯＣと第２の方法で算出したＳＯＣとの差に応じて、補正係数を第１の方法で算出したＳＯＣに乗算することで補正する。補正係数は、予め充放電実験等を行うことにより求めてテーブルとして記憶しておく。

以上のようにして補正されたＳＯＣを最終的な推定ＳＯＣとして出力する。

本実施形態では、従来の第２の方法でＳＯＣを算出する場合において、回帰分析の精度が担保されないような場合に、他の方法でＳＯＣを算出して精度を確保できるため、結果として最終的に算出されるＳＯＣの精度低下を効果的に抑制することができる。

次に、ハイブリッド自動車に搭載される場合を例にとり、本実施形態をより具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
本実施形態のハイブリッド自動車は、駆動輪に動力を伝達する動力源としてエンジンとモータを備え、モータへの電力源として二次電池が搭載される。二次電池に充電が必要な場合には、エンジンの動力の一部が発電機に伝達され、発電機で生じた電力が二次電池に供給される。また、ハイブリッド車両の減速時や制動時においても、モータが発電機として利用され、モータにより発生した電力も二次電池に供給される。二次電池の入出力、すなわち充放電は、電池ＥＣＵにより制御され、モータは車両ＥＣＵにより制御される。

図１に、本実施形態のシステム構成図を示す。二次電池１０は、電池ブロックを直列に接続して構成される。各電池ブロックは、１個または複数の電池モジュールを電気的に直列に接続して構成され、各電池モジュールは、さらに１個または複数の単電池（セル）を電気的に直列に接続して構成される。単電池はニッケル水素電池やリチウムイオン電池等である。二次電池１０には、電池ＥＣＵ１２が接続される。

電池ＥＣＵ１２は、電流測定部１６と、電圧測定部１８と、温度測定部２０と、制御部２２と、記憶部３４を備える。

電流測定部１６は、二次電池１０の充放電電流を測定する。具体的には、電流センサで測定したアナログ電流値をデジタル電流データに変換して制御部２２に出力する。

電圧測定部１８は、二次電池１０の端子電圧を測定する。具体的には、電圧センサで各電池ブロック毎に測定したアナログ端子電圧値をデジタル電圧データに変換して制御部２２に出力する。

温度測定部２０は、二次電池１０の温度を測定する。具体的には、温度センサで二次電池１０の特定箇所あるいは複数個所で測定したアナログ温度値をデジタル温度データに変換して制御部２２に出力する。

制御部２２は、第１ＳＯＣ算出部２４と、第２ＳＯＣ算出部２６と、補正部３２を備える。また、第２ＳＯＣ算出部２６は、Ａ算出部２８と、Ｂ算出部３０を備える。

第１ＳＯＣ算出部２４は、電流測定部１６からの電流データに基づき、第１の方法で二次電池１０のＳＯＣを算出する。第１の方法とは、二次電池１０の充放電時の電流を積算してＳＯＣを算出する方法である。具体的には、第１ＳＯＣ算出部２４は、記憶部３４に記憶された電流データを読み出し、電流値が充電時（放電時を＋、充電時を−とする）の場合に充電効率を乗算する。得られた電流値を設定時間にわたって積算して積算容量Ｑを算出する。そして、予め実験により求められた満充電時の容量と積算容量Ｑとの差を求め、満充電時の容量に対する差の比率（％）としてＳＯＣを算出する。第１ＳＯＣ算出部２４は、算出したＳＯＣを補正部３２に出力する。

第２ＳＯＣ算出部２６は、電流測定部１６からの電流データ、電圧測定部１８からの電圧データ、温度測定部２０からの温度データに基づき、Ａ方法あるいはＢ方法で二次電池１０のＳＯＣを算出する。

Ａ方法は、Ａ算出部２８で算出される方法であり、二次電池１０の充放電履歴に基づいてＳＯＣを算出する方法である。Ａ算出部２８は、二次電池１０の電池ブロック毎に充放電された電流と端子電圧のペアデータを複数取得し、これらを充放電履歴として記憶部３４に記憶する。そして、記憶されたペアデータの中から代表となる電池ブロックの平均的なペアデータを選択し、回帰分析を用いて１次の近似直線を求める。求めた近似直線から電流値がゼロに対応する電圧値を無負荷電圧として求め、、無負荷電圧とＳＯＣの二次元マップから対応するＳＯＣを算出する。

Ｂ方法は、Ｂ算出部３０で算出される方法であり、二次電池１０のほぼ定電流での充電若しくは放電の状態が一定時間継続して続く場合にＳＯＣを算出する方法である。一般に、充放電を繰り返している場合には、分極の影響が不明であるため、二次電池１０の端子電圧からＳＯＣを算出することは困難であるが、ほぼ定電流の充電若しくは放電が一定時間以上継続すると、分極が充電若しくは放電側に安定して発生し、ほぼ定電流の充電若しくは放電曲線にほぼ合致するようになる。定電流での充電曲線若しくは定電流での放電特性は、予め実験により求めることができるから、予め求められた定電流での充電曲線及び放電曲線を記憶部３４に記憶しておけば、これを用いて二次電池１０の端子電圧からＳＯＣを算出することができる。

このように、第２ＳＯＣ算出部２６は、Ａ算出部２８またはＢ算出部３０でＳＯＣを算出して補正部３２に出力する。すなわち、第２ＳＯＣ算出部２６は、ほぼ定電流での充電若しくは放電が一定時間以上継続している場合にはＢ算出部３０で算出されたＳＯＣを選択的に出力し、それ以外の場合にはＡ算出部２８で算出されたＳＯＣを選択的に出力する。ほぼ定電流での充電若しくは放電が一定時間以上継続している場合には、電流値の変動幅が所定値以下であり、かつ、電流積算により得られたＳＯＣの変化量が所定値以上となるため、第２ＳＯＣ算出部２６は、この条件を満たすか否かにより出力を切り替える。この処理についてはさらに後述する。

補正部３２は、第１ＳＯＣ算出部２４から出力されたＳＯＣ（以下、これを第１ＳＯＣと称する）と、第２ＳＯＣ算出部２６から出力されたＳＯＣ（以下、これを第２ＳＯＣと称する）に基づき、最終的なＳＯＣを算出して車両ＥＣＵ１４に二次電池１０のＳＯＣとして出力する。具体的には、第１ＳＯＣと、第２ＳＯＣとの差に応じた補正係数を第１ＳＯＣに乗算することにより補正する。第１ＳＯＣと第２ＳＯＣの差と補正係数との関係は、予め実験的に求めて記憶部３４にテーブルとして記憶させておく。

図２に、本実施形態におけるＳＯＣ算出処理の処理フローチャートを示す。まず、電池ＥＣＵ１２は、二次電池１０の電流データ、電圧データ（端子電圧データ）、温度データを所定の制御タイミングで取得し、記憶部３４に順次記憶する（Ｓ１０１）。次に、電池ＥＣＵ１２内の第１ＳＯＣ算出部２４は、記憶部３４に記憶された電流データを用いて第１ＳＯＣを算出する（Ｓ１０２）。また、これと並行して、第２ＳＯＣ算出部２６は、記憶部３４に記憶された電流データ、電圧データ、温度データを用いて第２ＳＯＣを算出する（Ｓ１０３）。第２ＳＯＣは、上記のとおり、Ａ算出部２８及びＢ算出部３０で算出され、これらを充放電状態に応じて適応的に切り替えて出力されたＳＯＣである。第１ＳＯＣ算出部２４で算出された第１ＳＯＣ、及び第２ＳＯＣ算出部２６で算出された第２ＳＯＣは、ともに補正部３２に供給される。

次に、電池ＥＣＵ１２内の補正部３２は、第１ＳＯＣと第２ＳＯＣを用いて補正演算を行って最終的なＳＯＣを算出する（Ｓ１０４）。補正部３２は、補正演算して得られた最終的な結果を二次電池１０のＳＯＣとして車両ＥＣＵ１４に出力する（Ｓ１０５）。

図３に、図２におけるＳ１０３の処理、すなわち第２ＳＯＣ算出処理の詳細フローチャートを示す。まず、第２ＳＯＣ算出部２６は、記憶部３４から電流データ、電圧データ、温度データを読み出して取得する（Ｓ２０１）。次に、第２ＳＯＣ算出部２６は、電流値の変動幅が所定量以下であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。この判定は、実質的に定電流であるか否かを判定するものであり、電流値の変動幅を所定の閾値と大小比較することにより行われる。電流幅の変動幅が所定量以下である場合には、次に電流積算ＳＯＣの変化量が所定量以上であるか否かを判定する（Ｓ２０３）。この判定は、実質的に定電流での充電若しくは放電が一定時間以上継続しているか否かを判定するものであり、例えば、電流積算ＳＯＣの変化量が５％以上であるか否かを判定する。電流積算ＳＯＣは第１ＳＯＣ算出部２４で算出される第１ＳＯＣをそのまま利用することができる。

なお、５％は例示であり、適宜設定することができる。但し、充放電が繰り返されることによる分極の影響が少なくなって定電流による充電曲線若しくは放電曲線に合致するには３〜１０％、特に５％程度が適当であるとの知見が実験的に得られている。この所定量を超えるようなＳＯＣの変化量が存在すると、定電流での充電曲線若しくは放電曲線を利用することが可能であるが、所定量を大きくしすぎると（例えば２０％等とすると）、条件を満たす状況が出現する頻度が著しく低下してしまう。以上より、ＳＯＣの変化量としては３〜１０％、特に５％前後が好適である。

電流値の変動幅が所定量以下であり、かつ、電流積算ＳＯＣの変化量が所定量以上であれば、Ｂ算出部３０で算出されたＳＯＣを選択して出力する（Ｓ２０４）。一方、この条件を満たさない場合には、Ａ算出部２８で算出されたＳＯＣを選択して出力する（Ｓ２０５）。

以上のように、本実施形態によれば、第１ＳＯＣと第２ＳＯＣを用いて二次電池１０のＳＯＣを算出する際に、第２ＳＯＣの算出精度が低下するような場合、すなわちほぼ定電流の充電若しくは放電が一定時間以上継続するような場合に、定電流での充電曲線若しくは放電曲線を用いて端子電圧からＳＯＣを算出し、これをもって第２ＳＯＣとして算出するので、従来においてＳＯＣの算出精度低下を招くような場合においてもこれを抑制し、高精度にＳＯＣを算出できる。

図４に、二次電池１０の電流、電圧、ＳＯＣの時間変化の一例を示す。図４（ａ）は電流変化、図４（ｂ）は電圧変化、図４（ｃ）はＳＯＣ変化である。図中、Ｂ区間が実質的にほぼ定電流の区間であり、この区間の開始から一定時間経過した後に、Ａ算出部２８で算出されたＳＯＣからＢ算出部３０で算出されたＳＯＣに切り替わる。

図５に、定電流での充電曲線及び定電流での放電曲線を示す。図において、横軸はＳＯＣ（％）、縦軸は端子電圧（Ｖ）であり、放電曲線１００及び充電曲線２００をそれぞれ示す。放電曲線１００に着目すると、定電流での放電に伴って、ＳＯＣが減少し、端子電圧もこれに応じて一義的に減少していく。一方、充放電が繰り返された場合、分極の発生が一定でないために、同じＳＯＣでも端子電圧は大きく変動するため、必ずしも曲線１００上に沿って変動するわけではないが、一定時間以上の定電流の放電が行われ、ＳＯＣが所定量以上（例えば５％以上）変化すると、図の曲線１５０のようにＳＯＣと端子電圧との関係が変化し、やがて分極の発生が安定して曲線１００に合致するようになる（図において、Ｐ点を合致点としてを示す）。このように、分極の発生が安定して端子電圧とＳＯＣとの関係が放電曲線１００に合致するようになると、予め求められた放電曲線１００に従ってＳＯＣを算出できる。

充電側も放電側と同様であり、定電流での充電が一定時間以上継続すると、曲線２５０のようにＳＯＣと端子電圧との関係が変化し、やがて分極の発生が安定して曲線２００に合致するようになる（図において、Ｒ点を合致点として示す）。そして、端子電圧とＳＯＣとの関係が曲線２００で規定されるような状況において、予め求められた充電曲線２００に従ってＳＯＣを算出できる。

なお、ほぼ定電流での充電若しくは放電は、ＳＯＣが高い状態のときにエアコンが動作した状態のまま信号待ち等でエンジンが停止した状態となるとき、あるいはＳＯＣが低下している状態のときにエンジンが動作した状態での停車が続いたとき、あるいは高速道路等の一定速度で負荷の変化が少ないようなときに出現する。また、電気自動車の場合には、一定速度で走行するときに定電流での放電が続く。したがって、このような走行状況のときにＢ算出部３０で算出されたＳＯＣを用いて二次電池１０のＳＯＣを算出するといえる。

本実施形態では、充放電電流の変動が所定値以上である状態が一定時間以上継続する場合にＢ算出部３０を用いているが、充電電流のみ、又は放電電流のみの変動に着目し、当該電流の変動が所定値以上である状態が一定時間以上継続する場合に、Ｂ算出部３０を用いてもよい。この場合、記憶部３４には、二次電池を定電流で充電した場合の端子電圧と充電状態との関係か、定電流で放電した場合の端子電圧と充電状態との関係のうち、対応するいずれか一方の関係のみを記憶しておけばよい。また、第１ＳＯＣ算出部２４による第１ＳＯＣの算出方法は、充放電電流の積算による方法に限られず、その他周知の方法を用いてもよい。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、図３のＳ２０３の処理で電流積算ＳＯＣの変化量が所定量以上であるか否かを判定しているが、この処理に代えて、電流値の変動幅が所定量以下の状態が一定時間以上継続しているか否かを判定する処理に代えてもよい。

＜第３実施形態＞
また、第１実施形態では、第２ＳＯＣ算出部２６のＡ算出部２８あるいはＢ算出部３０で二次電池１０のＳＯＣを算出しているが、第２ＳＯＣ算出部２６としてＢ算出部３０のみを備え、第１ＳＯＣ算出部２４からの第１ＳＯＣと、Ｂ算出部３０からの第２ＳＯＣに基づいて二次電池１０のＳＯＣを算出してもよい。

＜第４実施形態＞
さらに、第１実施形態において、車両が特定の走行状況にある場合に、Ｂ算出部３０からの第２ＳＯＣを二次電池１０の最終的なＳＯＣとして出力することもできる。この場合、第１ＳＯＣ算出部２４、Ａ算出部２８、補正部３２は不要となる。

１０二次電池、１２電池ＥＣＵ、１４車両ＥＣＵ、１６電流測定部、１８電圧測定部、２０温度測定部、２２制御部、２４第１ＳＯＣ算出部、２６第２ＳＯＣ算出部、２８Ａ算出部、３０Ｂ算出部、３２補正部、３４記憶部。

Claims

二次電池の制御装置であって、
二次電池の充放電電流を検出する手段と、
前記二次電池の端子電圧を検出する手段と、
前記二次電池を定電流で充電した場合の端子電圧と充電状態との関係、又は前記二次電池を定電流で放電した場合の端子電圧と充電状態との関係を記憶する記憶手段と、
前記二次電池の充電電流又は放電電流を所定時間にわたって積算することで第１の充電状態を算出する第１充電状態算出手段と、
前記二次電池の前記充電電流又は放電電流の変動が所定値以下である状態が一定時間以上継続する場合に、前記記憶手段に記憶された関係を用いて前記二次電池の端子電圧から前記二次電池の第２の充電状態を算出し、それ以外の場合に、前記二次電池の充電電流又は放電電流と端子電圧のペアデータを用いて前記二次電池の第２の充電状態を算出する第２充電状態算出手段と、
前記第１充電状態と前記第２充電状態とを用いて前記二次電池の充電状態を算出する手段と、
を備えることを特徴とする二次電池の制御装置。