JP5994680B2 - 電池残容量推定方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池の電池残容量推定方法及び装置に関する。
電池の残容量の推定は、電池の満充電容量に対する残存充電量の比率である充電率(SOC:State Of Charge)により推定することができる。充電率(SOC)は、充電状態とも称され、ここでは充電率(SOC)を残容量(SOC)とも称する。
リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの残容量(SOC)の推定では、一般的に、閉回路電圧(CCV:Closed Circuit Voltage)から開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)を推定する。そして、残容量(SOC)と開回路電圧(OCV)とを対応付けたSOC−OCV特性のマップデータを参照して、開回路電圧(OCV)から残容量(SOC)を推定する。
SOC−OCV特性を求める際に、電池の開回路電圧(OCV)の値は、例えば温度25度で通電停止から3時間経過後の電池の電圧値により求めている。しかし、SiO負極を採用したリチウムイオン電池等では、通電停止から3時間経過した後でも分極が完全に解消していないため、厳密な開回路電圧(OCV)とはならない。
そのため、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池では、図8に示すように、充電時に測定した充電側SOC−OCV特性81と放電時に測定した放電側SOC−OCV特性82とで、ヒステリシスが大きく異なる特性となり、開回路電圧(OCV)から残容量(SOC)を推定することが困難となる。
そこで、閉回路電圧(CCV)と残容量(SOC)とを対応付けたSOC−CCV特性を使用する残容量(SOC)の推定が検討されている。SOC−CCV特性は、充電中と放電中とで特性が異なるが、該SOC−CCV特性を使用して残容量(SOC)の推定する技術は、下記の引用文献1等に記載されている。
特許文献1には、ランダムに充放電が繰り返される電池に対して、放電時の電池電圧に基づいてSOC−CCV特性を参照してその残容量SOCxを求め、該残容量SOCxが、記憶手段に記憶された最小残容量SOCminを下回るとき、該残容量SOCxを現在の残容量SOCとして出力し、該残容量SOCにて最小残容量SOCminを更新する充電状態管理装置が記載されている。
特開2000−078757号公報
閉回路電圧(CCV)と残容量(SOC)とを対応付けたSOC−CCV特性の一例を図9の(a)に示す。図9の(a)において、91は充電時に測定した充電側SOC−CCV特性、92は放電時に測定した放電側SOC−CCV特性を示している。
SOC−CCV特性を使用する残容量(SOC)の推定において、満充電状態から放電のみを行い、電池の全容量を使い切る場合は、その途中の閉回路電圧(CCV)から放電側SOC−CCV特性92を参照して、その途中の残容量(SOC)を推定することができる。
また、完全放電状態から充電のみを行い、満充電状態にする場合は、その途中の閉回路電圧(CCV)から充電側SOC−CCV特性91を参照して、その途中の残容量(SOC)を推定することができる。
しかし、図9の(b)に示すように、完全放電状態に至る前に放電の途中で充電が開始された場合、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との対応は、放電側SOC−CCV特性92から充電側SOC−CCV特性91へと、過渡的な曲線93に沿って推移することが実験により確かめられている。
また、満充電状態に至る前に充電の途中で放電が開始された場合は、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との対応は、充電側SOC−CCV特性91から放電側SOC−CCV特性92へと、過渡的な曲線94に沿って推移することが実験により確かめられている。
従って、完全放電状態に至る前に放電の途中で充電が開始された場合、又は満充電状態に至る前に充電の途中で放電が開始された場合は、充電側SOC−CCV特性91及び放電側SOC−CCV特性92の何れにも、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との対応が当てはまらず、残容量(SOC)の推定の精度が悪化する問題があった。
上記課題に鑑み、本発明は、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池に対して、完全放電状態に至る前に放電の途中で充電を開始した場合、又は満充電状態に至る前に充電の途中で放電を開始した場合でも、電池の閉回路電圧(CCV)から該電池の残容量(SOC)を精度良く推定することができる電池残容量推定方法及び装置を提供する。
本発明に係る電池残容量推定方法は、完全放電状態から満充電状態まで充電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す充電側SOC−CCV特性、及び満充電状態から完全放電状態まで放電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す放電側SOC−CCV特性のマップデータに基づいて、前記電池の充放電を切替えたとき、前記充電側SOC−CCV特性及び放電側SOC−CCV特性の一方から他方へ移行する、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との相関を示す過渡特性を生成し、前記電池の充放電を切替えたとき、該電池の分極が飽和した状態になるまで、前記過渡特性を用いて前記閉回路電圧(CCV)から前記電池の残容量(SOC)を推定するものである。
また、本発明に係る電池残容量推定装置は、完全放電状態から満充電状態まで充電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す充電側SOC−CCV特性、及び満充電状態から完全放電状態まで放電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す放電側SOC−CCV特性のSOC−CCVマップデータを記憶したSOC−CCVマップデータ記憶手段と、前記電池の充放電を切替えたとき、前記SOC−CCVマップデータに基づいて、前記充電側SOC−CCV特性及び放電側SOC−CCV特性の一方から他方へ移行する、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との相関を示す過渡特性を生成する過渡特性生成手段と、前記電池の充放電を切替えたとき、該電池の分極が飽和した状態になるまで、前記過渡特性を用いて前記閉回路電圧(CCV)から前記電池の残容量(SOC)を推定する残容量(SOC)推定手段と、を備えたものである。
本発明によれば、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池に対して、完全放電状態に至る前に放電の途中で充電を開始した場合、又は満充電状態に至る前に充電の途中で放電を開始した場合でも、電池の閉回路電圧(CCV)から該電池の残容量(SOC)を精度良く推定することができる。
充放電が途中で切替わった場合の過渡特性の生成の例を示す図である。 分極が飽和する前に充放電を切替えた場合の過渡特性の生成の例を示す図である。 過渡特性の曲線の具体的な生成方法の説明図である。 過渡特性の曲線の具体的な生成方法の説明図である。 過渡特性の曲線の具体的な生成方法の説明図である。 電池残容量推定の動作例のフローを示す図である。 電池残容量推定装置の機能ブロックの構成例を示す図である。 充電側SOC−OCV特性と放電側SOC−OCV特性とを示す図である。 充電側SOC−CCV特性と放電側SOC−CCV特性とを示す図である。
本発明では、電池の充放電が切替わったとき、充電側SOC−CCV特性91及び放電側SOC−CCV特性92の一方の曲線上の点から他方の曲線上の点へ移行する、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との相関を示す新たなSOC−CCV特性を過渡特性として生成し、該過渡特性を残容量(SOC)の推定に使用する。
図1は、充放電が途中で切替わった場合の過渡特性の生成の例を示す。図1に示す充電側SOC−CCV特性91のデータは、予め充電器で所定の電流を流して充電のみを行いながら残容量(SOC)を測定し、該残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)とを対応付けたマップデータを図示省略の記憶部に記憶させておく。
また、放電側SOC−CCV特性92のデータは、電池の典型的な使用パターンもしくは電池の典型的な使用パターンでの放電レートで放電のみを行いながら残容量(SOC)を測定し、該残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)とを対応付けたマップデータを図示省略の記憶部に記憶させておく。
放電が途中で停止して充電が開始された場合、図1の(a)に示すように、放電側SOC−CCV特性92上の、放電が途中で停止したときの点P1から、点P1と同一の残容量(SOC)の充電側SOC−CCV特性91の曲線上の点P2に向かって垂直に立ち上がり、電池の分極が反転して飽和した状態となる点P3で、充電側SOC−CCV特性91の曲線に滑らかに接する新たなSOC−CCV特性を過渡特性11として作成する。
図1の(b)は、新たに生成した過渡特性11の例を示している。放電が途中で停止して充電が開始されたとき、電池の分極が反転して飽和した状態となるまで、過渡特性11を用い、分極が飽和した状態となった後は、充電側SOC−CCV特性91を用い、閉回路電圧(CCV)から電池の残容量(SOC)を推定する。なお、放電の途中で充電が開始される場合には、外部の充電器による充電のほかに、電動車両の減速時に発生する回生電流による充電も含まれる。
充電が途中で停止して放電が開始された場合、図1の(c)に示すように、充電側SOC−CCV特性91上の、充電が途中で停止したときの点Q1から、点Q1と同一の残容量(SOC)の放電側SOC−CCV特性92の曲線上の点Q2に向かって垂直に立ち下がり、電池の分極が反転して飽和した状態となる点Q3で、放電側SOC−CCV特性92に滑らかに接する新たなSOC−CCV特性を過渡特性12として作成する。
図1の(d)は、新たに生成した過渡特性12の例を示している。充電が途中で停止して放電が開始されたとき、電池の分極が反転して飽和した状態となるまで、過渡特性12を用い、分極が飽和した状態となった後は、放電側SOC−CCV特性92を用い、閉回路電圧(CCV)から電池の残容量(SOC)を推定する。なお、充電が停止し、放電が開始される場合には、外部の充電器による充電の停止のほかに、電動車両の減速時に発生する回生電流による充電の停止も含まれる。
図2は分極が飽和する前に充放電を切替えた場合の過渡特性の生成の例を示す。図2の(a)は、図1で説明した、放電が途中で停止して充電が開始されたときに生成した過渡特性11を示している。充電が開始された後、電池の分極が飽和した状態となる前の過渡期間において放電が開始された場合、図2の(b)に示すように、過渡特性11の曲線上の、放電に移行する点R1から、点R1と同一の残容量(SOC)の放電側SOC−CCV特性92の曲線上の点R2に向かって垂直に立ち下がり、電池の分極が反転して飽和した状態となる点R3で、放電側SOC−CCV特性92に滑らかに接する新たなSOC−CCV特性を過渡特性13として作成する。
生成する過渡特性の曲線として、実測データに沿った滑らかな曲線を生成すれば、残容量(SOC)の推定精度をより向上させることができる。しかし、そのような曲線の生成には、種々の条件で測定した実測データが必要となり、過渡特性の曲線の生成が複雑なものとなる。従って、過渡特性の曲線の生成の複雑さと、要求される残容量(SOC)の精度との兼ね合いで、過渡特性の曲線を、直線や2次関数等で近似した種々の擬似曲線により生成してもよい。
ここで、過渡特性の曲線の具体的な生成方法について図3〜図5を参照して説明する。過渡特性は、図3の(a)に示すように、放電中に充電に切替わった場合の過渡特性11と、充電中に放電に切替わった場合の過渡特性12とがあるが、以下の説明では、放電中に充電に切替わった場合の過渡特性11の生成について説明する。充電中に放電に切替わった場合の過渡特性12についても、同様の方法により生成することができる。
今、図3の(b)に示すように、放電側SOC−CCV特性92の曲線上の残容量SOC1、閉回路電圧CCV1の点P1で、充電が開始されたとする。このとき、過渡特性の生成に使用されるデータは、充電開始時の残容量SOC1、閉回路電圧CCV1、及び充電側SOC−CCV特性91である。
まず、放電側SOC−CCV特性92の曲線上の充電開始直前の点P1(SOC1,CCV1)と同一の残容量SOC1で、充電側SOC−CCV特性91の点P2(SOC1,CCV2)を特定する。
次に、充電開始直前の残容量SOC1に、分極反転後に飽和状態となるのに必要な残容量の変化量ΔSOCを加えた残容量SOC3(=SOC1+ΔSOC)を求める。該分極反転後に飽和状態となるのに必要な残容量の変化量ΔSOCは、予め測定し、充放電切替え時の残容量SOCに対応付けて、分極反転変化量マップデータとして記憶部に予め記憶しておく。次に、充電側SOC−CCV特性91の曲線上における上述の残容量SOC3の点P3(SOC3,CCV3)を特定する。
上述の方法により、図4の(a)に示すように、横軸をSOC、縦軸をCCVとする平面上に、P1,P2,P3の3つの点が特定される。該3つの点から点P1から点P3に至る過渡特性の曲線を生成する。該過渡特性の曲線は、図4の(b)に示すように、点P1では、点P1から点P2へ向かうベクトルV1の向きに、点P3では、点P2から点P3へ向かうベクトルV2の向きになる滑らか曲線となるよう生成される。
上述の曲線は、例えば、B−スプライン曲線やベジェ曲線を作成する方法でも良いし、処理負荷を低減させるために、より簡易で擬似的な曲線を生成し、点P1、点P3においてベクトルV1,V2の向きに完全に一致しない擬似曲線であってもよい。
なお、過渡特性の生成において、電池の化学反応による分極の影響のほかに、電池の内部抵抗による電圧降下又は電圧上昇の影響を組入れて過渡特性を生成する。電池の内部抵抗は、電池仕様を基に又は充放電中に電圧及び電流を測定することにより求めることができる。内部抵抗による電圧降下又は電圧上昇分は、残容量(SOC)とは無関係であるため、図5の(a)に示すように、過渡特性上では、垂直な直線51として表される。
従って、内部抵抗による影響を組入れた過渡特性は、充放電の切替え直前の残容量SOC1及び閉回路電圧CCV1の点P1から、該点P1の残容量SOC1と同一の点であって、該点P1と前述の点P2との間の点P4まで、直線状となるような特性として生成される。
さらに、前述の点P4として、図5の(b)に示すように、電池の残容量(SOC)と該電池の開回路電圧(OCV)との相関を表すSOC−OCV特性52上の点P5とすることができる。点P1で放電が停止した後、暫く電池が放置された場合、電池の電圧は、開回路電圧(OCV)に近づく。
電池の充放電が行われず、放置されている状態では、残容量(SOC)の変動は無い。従って、少なくとも、電池電圧が開回路電圧(OCV)と等しくなるP5の点までは、P1の点から垂直に立ち上がる直線となるよう、過度特性の曲線を生成する。こうすることにより、放電停止後、暫く放置されてから充電が行われた場合でも、精度よく残容量(SOC)を推定することができる過渡特性が生成される。
図6は、本発明による電池残容量推定の動作例のフローを示す。図6に示すように、充放電が開始されると(ステップS61)、電池の閉回路電圧(CCV)の測定値から、SOC−CCV特性を参照して残容量(SOC)を推定する(ステップS62)。
そして、充電から放電へ又は放電から充電へと、充放電の状態が変化したか否かを判定し(ステップS63)、充放電の状態が変化した場合(YESの場合)、前述の方法により過渡特性を生成する(ステップS64)。過渡特性を生成した後、ステップS62に戻って同様の動作フローを繰り返す。また、前述のステップS63で、充放電の状態が変化していないと判定された場合(NOの場合)も、ステップS62に戻って同様の動作フローを繰り返す。
図7は、本発明の電池残容量推定装置の機能ブロックの構成例を示す。本発明の電池残容量推定装置は、SOC−CCVマップデータ記憶部71、過渡特性生成部72、分極反転変化分マップデータ記憶部73、及び残容量(SOC)推定部74を備える。
SOC−CCVマップデータ記憶部71は、完全放電状態から満充電状態まで充電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す充電側SOC−CCV特性のマップデータを記憶する。
また、SOC−CCVマップデータ記憶部71は、満充電状態から完全放電状態まで放電のみを行った場合の電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す放電側SOC−CCV特性のマップデータを記憶する。
また、SOC−CCVマップデータ記憶部71は、電池の残容量(SOC)と該電池の開回路電圧(OCV)との相関を表すSOC−OCV特性のマップデータを記憶する。
分極反転変化分マップデータ記憶部73は、充放電状態が変化し、分極が反転して飽和状態に達するのに必要な残容量(SOC)の変化分と、充放電状態の変化時の残容量(SOC)とを対応付けたマップテーブルを記憶する。
過渡特性生成部72は、充放電状態が変化したときの残容量(SOC)から、分極反転変化分マップデータ記憶部73の記憶データを参照して、分極が反転して飽和状態になるまでに要する残容量(SOC)の変化分を特定する。
過渡特性生成部72は、電池の充放電が切替わって充放電状態に変化があったとき、前述の方法により、SOC−CCVマップデータ記憶部71及び分極反転変化分マップデータ記憶部73を参照し、放電側及び充電側のSOC−CCV特性の一方から他方へ移行する、残容量(SOC)と閉回路電圧(CCV)との相関を示す過渡特性の曲線を生成する。
残容量(SOC)推定部74は、充放電状態が変化したとき、分極が反転して飽和状態になるまで、過渡特性生成部72で生成された過渡特性を用いて、閉回路電圧(CCV)から電池の残容量(SOC)を推定する。分極が飽和状態に達した後は、充電側SOC−CCV特性又は放電側SOC−CCV特性を用いて、閉回路電圧(CCV)から電池の残容量(SOC)を推定する。
SOC−CCVマップデータ記憶部71及び分極反転変化分マップデータ記憶部73は、磁気メモリ又は半導体メモリ等による種々の記憶装置75を用いて構築することができる。また、過渡特性生成部72及び残容量(SOC)推定部74は、プログラムによって種々の演算処理が可能なプロセッサやプログラム可能なロジックデバイス等による制御装置76を用いて構築することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。
11,12,13 過渡特性
51 垂直な直線
52 SOC−OCV特性
71 SOC−CCVマップデータ記憶部
72 過渡特性生成部
73 分極反転変化分マップデータ記憶部
74 残容量(SOC)推定部
75 記憶装置
76 制御装置
81 充電側SOC−OCV特性
82 放電側SOC−OCV特性
91 充電側SOC−CCV特性
92 放電側SOC−CCV特性
93,94 過渡的な曲線

Claims (6)

  1. 完全放電状態から満充電状態まで充電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す充電側SOC−CCV特性、及び満充電状態から完全放電状態まで放電のみを行った場合の、電池の残容量と該電池の閉回路電圧との相関を表す放電側SOC−CCV特性のマップデータに基づいて、
    前記電池の充放電を切替えたとき、前記充電側SOC−CCV特性及び放電側SOC−CCV特性の一方から他方へ移行する、残容量と閉回路電圧との相関を示す過渡特性を生成し、
    前記電池の充放電を切替えたとき、該電池の分極が飽和した状態になるまで、前記過渡特性を用いて前記閉回路電圧から前記電池の残容量を推定し、
    前記過渡特性の生成において、前記電池の充放電を切替えたときの、前記充電側SOC−CCV特性及び放電側SOC−CCV特性の一方のSOC−CCV特性上の切替え直前の残容量及び閉回路電圧の第1の点から、他方のSOC−CCV特性における同一の残容量の点である第2の点の近傍を通過し、前記他方のSOC−CCV特性上の点で、前記第2の点から分極が反転して飽和状態となるのに要する残容量の変化分だけ移動した第3の点で、前記他方のSOC−CCV特性に滑らかに接する過渡特性を生成する
    ことを特徴とする電池残容量推定方法。
  2. 前記分極が反転して飽和状態となるのに要する残容量の変化分と、前記電池の充放電を切替えたときの残容量とを対応付けた、分極反転変化分マップデータを記憶しておき、
    前記電池の充放電を切替えたときの残容量から、前記分極反転変化分マップデータを参照して、前記分極が反転して飽和状態となるのに要する残容量の変化分を特定することを特徴とする請求項記載の電池残容量推定方法。
  3. 前記切替え直前の残容量及び閉回路電圧の第1の点から、該第1の点の残容量と同一の点であって、前記電池の残容量と該電池の開回路電圧との相関を表すSOC−OCV特性上の点まで、直線状となる過渡特性を生成することを特徴とする請求項1又は2記載の電池残容量推定方法。
  4. 完全放電状態から満充電状態まで充電のみを行った場合の、電池の残容量(SOC)と該電池の閉回路電圧(CCV)との相関を表す充電側SOC−CCV特性、及び満充電状態から完全放電状態まで放電のみを行った場合の、電池の残容量と該電池の閉回路電圧との相関を表す放電側SOC−CCV特性のSOC−CCVマップデータを記憶したSOC−CCVマップデータ記憶手段と、
    前記電池の充放電を切替えたとき、前記SOC−CCVマップデータに基づいて、前記充電側SOC−CCV特性及び放電側SOC−CCV特性の一方から他方へ移行する、残容量と閉回路電圧との相関を示す過渡特性を生成する過渡特性生成手段と、
    前記電池の充放電を切替えたとき、該電池の分極が飽和した状態になるまで、前記過渡特性を用いて前記閉回路電圧から前記電池の残容量を推定する残容量推定手段と、
    を備え
    前記過渡特性生成手段は、前記電池の充放電を切替えたときの、前記充電側SOC−CCV特性及び放電側SOC−CCV特性の一方のSOC−CCV特性上の切替え直前の残容量及び閉回路電圧の第1の点から、他方のSOC−CCV特性における同一の残容量の点である第2の点の近傍を通過し、前記他方のSOC−CCV特性上で、前記第2の点から分極が反転して飽和状態となるのに要する残容量の変化分だけ移動した第3の点で、前記他方のSOC−CCV特性に滑らかに接する過渡特性を生成することを特徴とする電池残容量推定装置。
  5. 前記分極が反転して飽和状態となるのに要する残容量の変化分と、前記電池の充放電を切替えたときの残容量とを対応付けた、分極反転変化分マップデータを記憶した分極反転変化分マップデータ記憶手段を備え、
    前記過渡特性生成手段は、前記電池の充放電を切替えたときの残容量から、前記分極反転変化分マップデータを参照して、前記分極が反転して飽和状態となるのに要する残容量の変化分を特定することを特徴とする請求項記載の電池残容量推定装置。
  6. 前記過渡特性生成手段は、前記切替え直前の残容量及び閉回路電圧の第1の点から、該第1の点の残容量と同一の点であって、前記電池の残容量と該電池の開回路電圧との相関を表すSOC−OCV特性上の点まで、直線状となる過渡特性を生成することを特徴とする請求項4又は5記載の電池残容量推定装置。
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