JP6026316B2 - Secondary battery control device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、二次電池を昇温するための二次電池制御装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a secondary battery control device for heating a secondary battery.
二次電池を低温環境下で使用する場合、内部抵抗が高くなるため所望の電流を出力できないという問題があった。この問題に対し、従来では、ヒーター装置等を用いることで電池を温めてから使用する手法が提案されているが、ヒーターによって電池を温めるときの熱エネルギーのロスが大きいという課題があった。そこで、二次電池の充放電の繰り返しを二次電池と直流コンデンサとの間で実施するという昇温方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 When the secondary battery is used in a low temperature environment, there is a problem that a desired current cannot be output because the internal resistance increases. Conventionally, a method of using the heater device or the like after warming the battery has been proposed for this problem, but there is a problem that a loss of heat energy when the battery is warmed by the heater is large. In view of this, there has been proposed a temperature raising method in which the secondary battery is repeatedly charged and discharged between the secondary battery and the DC capacitor (see, for example, Patent Document 1).
ところが、上記昇温方法では、電池を短時間で昇温するのに必要な大電流の充放電に対して、コンデンサの容量を相当大きくする必要があり、体積やコストの点で課題となる。 However, in the above temperature raising method, it is necessary to considerably increase the capacity of the capacitor with respect to charge and discharge of a large current necessary for raising the temperature of the battery in a short time, which is a problem in terms of volume and cost.
本実施形態の目的は、短時間に効率良く二次電池を昇温可能な二次電池制御装置を提供することにある。 The objective of this embodiment is to provide the secondary battery control apparatus which can heat up a secondary battery efficiently in a short time.
本実施形態に係る二次電池制御装置は、第1の二次電池と第2の二次電池を制御する装置であって、前記第1及び第2の二次電池間を接続し、互いに一方の二次電池が放電した電力によって他方の二次電池を充電する充放電手段と、前記第1の二次電池のSOCを推定する第1のSOC推定手段と、前記第2の二次電池のSOCを推定する第2のSOC推定手段と、予め取得した前記第1及び第2の二次電池の出力可能なSOC領域に基づいて目標SOCを表す直線を決定し、前記第1及び第2のSOC推定手段で推定されたSOCの和が一定値を維持したまま、それぞれのSOCが前記直線上の目標SOCになるように前記充放電手段を制御する充放電制御手段とを具備するものである。 The secondary battery control device according to the present embodiment is a device that controls the first secondary battery and the second secondary battery, and connects the first and second secondary batteries to each other. Charging / discharging means for charging the other secondary battery with the electric power discharged by the secondary battery, first SOC estimating means for estimating the SOC of the first secondary battery, and the second secondary battery A straight line representing a target SOC is determined on the basis of second SOC estimation means for estimating the SOC and the SOC regions that can be output from the first and second secondary batteries acquired in advance, and the first and second Charge / discharge control means for controlling the charge / discharge means so that each SOC becomes the target SOC on the straight line while maintaining a constant value of the SOC estimated by the SOC estimation means. .
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る二次電池制御装置を説明する。 Hereinafter, the secondary battery control device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1に、本実施形態に係る二次電池制御装置を用いた二次電池システムを示す。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a secondary battery system using the secondary battery control device according to the present embodiment.
第1の二次電池2a及び第2の二次電池2b(二次電池と総称する)は、電気的に多直列多並列に接続された二次電池セル1から構成され、内部に二次電池SOC推定部3と、少なくとも1つの二次電池の温度測定部4とを含む。二次電池の電圧や容量は異なっていてもよく、温度測定部4としては、例えば、サーミスタや熱電対を用いる。二次電池SOC推定部3は、セル電圧や電池の通電電流、温度等を用いて電池エネルギー残量(SOC:State of Charge)を推定する。
A first
負荷装置5には、二次電池の電力もしくは充電器8により電力が供給される。負荷装置5は直流電力を交流電力に変換するインバータや直流電圧を変化させるDC/DCコンバータ等の電力変換器を含む。充放電器6は、第1の二次電池2aと第2の二次電池2bとの間で電力のやり取りを行う。この充放電器6は、半導体スイッチを内部に有し、スイッチングタイミングを変化させることで出力電力や電流を変化させる。また、図1では、充放電器6は、一台であるが、片方向のコンバータを組み合わせもよい。さらに、充放電器6は、二次電池の電流を計測する電池電流計測部12と、二次電池の電圧を計測する電池電圧計測部13を含む。
The
充放電器制御装置7は、充放電器6に昇温開始を指令する昇温指令部9と、充放電器6の充放電を制御する充放電器制御部10と、負荷装置5に電気エネルギーを出力させる負荷出力指令部11を含む。
The charger / discharger control device 7 supplies electrical energy to the
充放電器6は、充放電器制御装置7の昇温指令部9からの昇温開始指令もしくは、二次電池の温度測定部4の測定温度が所定の温度より低下したことを起点として、昇温動作を開始し、二次電池SOC推定部3で推定されるSOCが、後述する充放電器制御装置7により設定される目標SOCとなるように、充放電器6により二次電池に交互にパルスの電流を流す。パルス時間は一定値(例えば40sec)でもよいし、電池電圧がそれぞれの二次電池の使用電圧範囲外になった時点で停止してもよい。しかし、このようなパルス充放電をSOCの管理をせずに行った場合、電池の温度が上昇しても、所望する出力を得るのに必要なSOCに達していないことがあるため、さらに電池のSOCを調整する時間がかかる場合がある。
The charger /
以下に、この問題を解決するために、充放電器制御装置7の充放電器制御部10が行う充放電制御処理を図2及び図3を用いて説明する。所望の出力を得るのに必要な二次電池のSOCは、その二次電池自身の温度に応じて決まり、一般に、温度が低いほど高いSOCを必要とし、温度が高くなるにつれて必要なSOCは低下する傾向を示す。そして、所定の温度において、所望の出力を得るのに必要なSOCに達している状態にあれば、この二次電池は高出力可能領域にあるとし、そうでなければ高出力不可領域にあるとする。
Below, in order to solve this problem, the charging / discharging control process which the charger /
図2は、低温環境(例えば−30℃)における2つの二次電池2a及び2bのそれぞれの高出力可能領域及び高出力不可領域、ならびに目標SOC直線設定の一例を示す図である。この事例では、低温環境で所望の出力を得るのに必要なSOCは、いずれの二次電池も80%としている。高出力可能領域16は、第1の二次電池2aの高出力不可領域14と第2の二次電池2bの高出力不可領域15以外の部分で表す。図2の場合、2つの高出力不可領域14,15の交点P1と2つの電池のSOCが0%である点とを結んだ直線を、目標SOC直線17と表す。昇温動作中の充電器8の充電電流や負荷装置5での消費電流に応じて二次電池のSOCは一定とならない場合があるが、目標SOCをこのように直線とすることで、二次電池のSOCが変化しても目標SOCをこの直線上で逐次変化することができる。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the high output possible region and the high output impossibility region of each of the two
図3に、低温(例えば上記した−30℃)の時点から開始する昇温動作の例を示す。昇温開始時の2組の二次電池のSOC状態がP2(第1の二次電池2aのSOC=5%、第2の二次電池2bのSOC=70%)にあるものとする。2つの二次電池に対して、外部からのエネルギーの出入りや充放電器6の変換損失や二次電池の発熱損失を無視した場合、第1の二次電池2aのSOC+第2の二次電池2bのSOC=一定値となる。そして、このSOCの一定値を維持したまま、それぞれの二次電池のSOCが目標SOC直線17上の値となるように、二次電池間で充放電制御を行う。図3の事例では、第2の二次電池2bから第1の二次電池2aへ放電を行う。また、この時の充放電制御の際に、電池電圧が二次電池の動作電圧を超えない限り目標SOCになるまでは、充放電を切り替えないものとする。これによって、それぞれの二次電池のSOCは、図3中のP2から目標SOC直線17に向けて、矢線の方向に昇温しながら移動していく。
FIG. 3 shows an example of the temperature raising operation starting from the time of low temperature (for example, the above-described −30 ° C.). It is assumed that the SOC state of the two sets of secondary batteries at the start of temperature increase is P2 (SOC of the first
そして、一度目標SOCに到達した後は、パルス充放電の幅を一定値(例えば40s)とし、相互に充放電動作を継続することによって、更に所期の値に昇温させる。このパルス幅が大きいと目標SOC直線から離れることになり、短すぎると十分な昇温効果が得られない。これらの関係からΔSOCを設定するとより効果的である。 Once the target SOC is reached, the pulse charge / discharge width is set to a constant value (for example, 40 s), and the charge / discharge operation is continued to increase the temperature further to an expected value. If this pulse width is large, the target SOC line is separated, and if it is too short, a sufficient temperature rise effect cannot be obtained. From these relationships, it is more effective to set ΔSOC.
以上述べたように、上記第1実施形態によれば、各二次電池の目標SOCを管理しながら充放電制御による昇温を行うので、それぞれの二次電池では所望する出力を得るのに必要なSOCが確保されつつ昇温されていく。従って、昇温後にSOCを再調整する必要はなく、二次電池の昇温開始から使用可能になるまでの時間を短縮することができる。 As described above, according to the first embodiment, since the temperature is increased by charge / discharge control while managing the target SOC of each secondary battery, each secondary battery is necessary to obtain a desired output. The temperature is increased while ensuring a sufficient SOC. Therefore, there is no need to readjust the SOC after the temperature rise, and the time from the start of the temperature rise of the secondary battery until it can be used can be shortened.
(第2実施形態)
二次電池の特性から電池温度が上がると二次電池の高出力不可領域は低減していく。また、双方の二次電池の温度上昇は、電池の構成、設置場所、冷却環境、電池残量等によって異なる。このことから、より短時間で高出力可能領域に到達させるためには、温度上昇に応じて目標SOCを変化させていくことが望ましい。
(Second Embodiment)
When the battery temperature rises due to the characteristics of the secondary battery, the high output impossible area of the secondary battery decreases. Moreover, the temperature rise of both secondary batteries changes with battery structures, installation locations, cooling environments, remaining battery levels, and the like. Therefore, in order to reach the high output possible region in a shorter time, it is desirable to change the target SOC according to the temperature rise.
図4に、第1の二次電池2aが−20℃、第2の二次電池2bが−10℃の時の特性の例を示す。双方の二次電池2a,2bが−30℃から昇温を開始する場合の目標SOCをP4とすると、第1の二次電池2aが−20℃、第2の二次電池2bが−10℃になった時は、第1の二次電池2aと第2の二次電池2bの高出力不可領域の違いからP3を通るように目標SOC直線を算出すると新たに目標値が変化することになる。目標値の更新タイミングは、現在の目標値と更新後の目標値のSOC差が一定値以上離れた時点や昇温開始から一定時間ごとに更新してもよい。
FIG. 4 shows an example of characteristics when the first
(第3実施形態)
図5に、SOCによる昇温効果特性を示す。図5において、高昇温効果領域19は、電池の昇温時には大電流を一定時間流すことで大きな昇温効果が得られる。一方、SOCが極端に高い領域と極端に低い領域からなる低昇温効果領域18においては、昇温効果が低い。これらの特性を事前に試験等で取得しておくと、さらに効率良く昇温可能となる。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows the temperature rise effect characteristic by SOC. In FIG. 5, a large temperature increase effect region 19 can obtain a large temperature increase effect by flowing a large current for a certain period of time when the battery is heated. On the other hand, the temperature increase effect is low in the low temperature increase effect region 18 composed of an extremely high SOC region and an extremely low region. If these characteristics are acquired in advance by a test or the like, the temperature can be increased more efficiently.
図6を用いて、図5の特性を考慮したときの目標SOCの設定方法を説明する。第1の実施形態によれば、目標SOC直線17は、P6を通る直線で表されるが、第3実施形態では、昇温前のSOCがP5にあるとき、P5と高出力不可領域の交点から算出した目標SOCはP7を通る直線を目標SOC直線とする。
A method of setting the target SOC when considering the characteristics of FIG. 5 will be described with reference to FIG. According to the first embodiment, the target SOC
(第4実施形態)
図7を用いて、第4実施形態を説明する。いずれかの負荷装置5の出力のみが過大に必要な場合、充放電器6を用いた電力の供給が可能である。図7の電圧制御部102では、第1の二次電池2aの電圧を取得して電圧指令値101との差分をPI制御器を通して電流制御部104に入力する電流指令値を計算する。第1の二次電池2aの電圧が低い場合、電圧指令値101を高く設定することで第2の二次電池2bから第1の二次電池2aへの充電電流を大きくすることが可能である。リミッタ103では、電圧制御部102で演算された電流値がある電流以上の値が流れないように制限するものであり、電流の供給量の最大値を決定することができる。図7の電流制御部104では、第1の二次電池2aに流れる電流と電圧制御部101から得られた電流指令値の差分をPI制御器で演算結果をゲート信号生成部105に入力することにより、所望の電流を発生させる半導体デバイスへのスイッチング信号を生成することができる。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment will be described with reference to FIG. When only the output of any one of the
このような方法で、昇温後に所望の出力を得るために必要なSOCが、第1の二次電池2aの方が第2の二次電池2bより小さい場合の昇温可能領域の変化を図8を用いて説明する。上記図2に示したのが第1の二次電池2a、第2の二次電池2b共に電池温度が−30℃の時の高出力可能領域16であるとき、上記のように充放電器による電力の融通を行った場合の高出力可能領域16は図8のように変化する。電力を第1の二次電池2aから第2の二次電池2bに供給する場合を前提としているので、第1の二次電池2aの目標SOCは低下させ、第2の二次電池2bの目標SOCは増加させる必要がある。これに伴い、第1の電池2aの高出力不可領域14は減少し、第2の二次電池2bの高出力不可領域15は増加する。
In this way, the change in the temperature rise possible region when the SOC required for obtaining a desired output after the temperature rise is smaller in the first
この割合は電流指令値のリミッタ103で設定可能であるため、第2の二次電池2bを使用しない場合は、最大限リミットを大きく設定できる。第2の二次電池2bが出力可能な電流はSOCと温度によって変化するため予め電池特性を取得したテーブルを用いて設定することが望ましい。以上により、昇温することなく二次電池のいずれかの出力を本来の電池能力より大きくとることができる。出力時に電力を片方に融通することができることを前提にすれば、目標SOC直線も図8のP8を通るように変化させることが効果的である。
Since this ratio can be set by the current
なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…二次電池セル、2a…第1の二次電池、2b…第2の二次電池、3…二次電池SOC推定部、4…温度測定部、5…負荷装置、6…充放電器、7…充放電器制御装置、8…充電器、9…昇温指令部、10…充放電器制御部、11…負荷出力指令部、12…電池電流計測部、13…電池電圧計測部、14…電池1の高出力不可領域、15…電池2の高出力不可領域、16…第1の二次電池と第2の二次電池の高出力可能領域、17…目標SOC直線、18…低昇温効果領域、19…高昇温効果領域。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1及び第2の二次電池間を接続し、互いに一方の二次電池が放電した電力によって他方の二次電池を充電する充放電手段と、
前記第1の二次電池のSOCを推定する第1のSOC推定手段と、
前記第2の二次電池のSOCを推定する第2のSOC推定手段と、
予め取得した前記第1及び第2の二次電池の出力可能なSOC領域に基づいて目標SOCを表す直線を決定し、前記第1及び第2のSOC推定手段で推定されたSOCの和が一定値を維持したまま、それぞれのSOCが前記直線上の目標SOCになるように前記充放電手段を制御する充放電制御手段と
を具備することを特徴とする二次電池制御装置。 An apparatus for controlling a first secondary battery and a second secondary battery,
Charging / discharging means for connecting the first and second secondary batteries and charging the other secondary battery with electric power discharged by the one secondary battery;
First SOC estimating means for estimating the SOC of the first secondary battery;
Second SOC estimating means for estimating the SOC of the second secondary battery;
A straight line representing the target SOC is determined based on the SOC regions that can be output from the first and second secondary batteries acquired in advance, and the sum of the SOCs estimated by the first and second SOC estimating means is constant. A secondary battery control device comprising charge / discharge control means for controlling the charge / discharge means so that each SOC becomes a target SOC on the straight line while maintaining the value .
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