JP6443656B2

JP6443656B2 - 電池状態判定装置

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Publication number: JP6443656B2
Application number: JP2014137128A
Authority: JP
Inventors: 琢磨飯田; 裕行神保; 杉江　一宏; 一宏杉江
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: WO2016002115A1; EP3165933A4; EP3165933A1; US20170160349A1; CN106461735A; JP2016014606A; US10162014B2

Description

本発明は、蓄電池の劣化状態を判定する電池状態判定装置に関する。

従来、蓄電池の劣化状態（ＳＯＨ：State of Health）を算出し、算出された劣化状態に応じて正常または異常などの判定を行う装置が提案されている（特許文献１を参照）。

特許文献１の装置では、蓄電池の内部抵抗値、充電度および温度の履歴を記憶し、履歴と内部抵抗値とから蓄電池の劣化状態を算出している。

特開２０１２−１８５１２２号公報

鉛電池などの蓄電池は、集電体の腐食による劣化と、サルフェーションによる劣化と、異なる２種類の劣化がある。集電体の腐食は、内部抵抗が増大して出力が低下する。サルフェーションは、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開放電圧）が低下してＳＯＣ（State of Charge：残容量）が低下する。

従来の劣化状態の算出方法では、２種類の劣化に対応しておらず、例えばサルフェーションによる劣化が生じている場合に、劣化状態の精度が低下するという課題があった。

本発明の目的は、２種類の劣化モードを有する蓄電池の劣化状態を、高い精度で推定できる電池状態判定装置を提供することである。

本発明の一態様に係る電池状態判定装置は、蓄電池の開放電圧を測定する電圧測定部と、前記測定された開放電圧に基づき前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定部と、前記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部と、測定された前記内部抵抗から内部抵抗の劣化率を算出する算出部と、推定された前記残容量と、算出された前記内部抵抗の劣化率とに基づいて、前記蓄電池の劣化状態について第１の推定を行う推定部と、を備え、前記推定部は、算出された前記内部抵抗の劣化率が、所定の値以上のときに前記蓄電池の劣化状態について前記第１の推定を行う構成を採る。また、本発明の他の一態様に係る電池状態判定装置は、蓄電池の開放電圧を測定する電圧測定部と、前記測定された開放電圧に基づき前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定部と、前記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部と、測定された前記内部抵抗から内部抵抗の劣化率を算出する算出部と、推定された前記残容量と、算出された前記内部抵抗の劣化率とに基づいて、前記蓄電池の劣化状態について第１の推定を行う推定部と、を備え、複数の蓄電池のサンプルについて、測定された劣化状態に対する、前記推定された劣化状態の分布傾向を表わす回帰分析データを有し、前記推定部は、前記第１の推定の結果と前記回帰分析データとから前記劣化状態の第２の推定を行う構成を採る。

本発明によれば、蓄電池の劣化状態を高い精度で推定することができる。

本発明の実施形態１の電池状態判定装置を示すブロック図実施形態１の電池状態判定装置の処理を示すフローチャート実施形態１のデータテーブルを説明するグラフ実施形態２の電池状態判定処理の処理を示すフローチャート実施形態２のデータテーブルを説明するグラフ

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施形態１の電池状態判定装置１を示すブロック図である。

実施形態１の電池状態判定装置１は、車両等に搭載される鉛電池２の状態を監視し、劣化状態を判定する装置である。電池状態判定装置１は、鉛電池２の電圧を計測する電圧センサ４と、鉛電池２の電流を計測する電流センサ３とから、測定信号を入力する。

電池状態判定装置１は、開放電圧測定部１０１、残容量推定部１０２、内部抵抗測定部１０３、内部抵抗劣化率算出部１０４、データテーブル１０５、劣化状態推定部１０６、および、出力部１０７を備える。

開放電圧測定部１０１は、鉛電池２の開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を測定する。開放電圧測定部１０１は、例えば、鉛電池２の電流の計測値と電圧の計測値とから、電流がゼロのときの電圧を開放電圧として測定する。

残容量推定部１０２は、測定された開放電圧から鉛電池２の残容量（ＳＯＣ：State of Charge）を推定する。残容量推定部１０２は、鉛電池２が満充電のときに、開放電圧と残容量とは反比例すると推定する。残容量推定部１０２は、満充電のときの開放電圧を反比例の関数或いはテーブルデータに当てはめて残容量を推定する。なお、ここでいう残容量は、サルフェーションと劣化による電解液の比重の変化の影響を受けた残容量を意味する。

内部抵抗測定部１０３は、鉛電池２の内部抵抗を計測する。内部抵抗は交流内部抵抗でも直流内部抵抗でもよい。内部抵抗測定部１０３は、例えば、鉛電池２の電流の計測値と電圧の計測値とを用いて内部抵抗を計測する。

内部抵抗劣化率算出部１０４は、鉛電池２の初期の内部抵抗を記憶しており、初期の内部抵抗に対する現在の内部抵抗の割合を、劣化率として算出する。

劣化状態推定部１０６は、推定された残容量と、算出された内部抵抗劣化率と、データテーブル１０５の情報とから、鉛電池２の劣化状態（ＳＯＨ：State of Health）を推定する。詳細は後述するが、先ず、劣化状態推定部１０６は、推定された残容量と、算出された内部抵抗劣化率とから、算出によって、第１推定を行う。次いで、劣化状態推定部１０６は、算出された第１推定の結果を、データテーブル１０５を用いて換算することで、より精度の高い第２推定を行う。

データテーブル１０５は、複数のサンプルの蓄電池について、実測された劣化状態に対する第１推定の値の分布を表わす回帰分析データを記憶している。回帰分析データについては、後で、図面を用いて詳細に説明する。

出力部１０７は、劣化状態推定部１０６が推定した劣化状態を、例えば、蓄電池の制御回路および表示部などを有する装置に出力する。

［劣化状態推定］
次に、劣化状態推定部１０６が行う劣化状態の推定方法について説明する。

図２は、実施形態１の電池状態判定装置の処理を示すフローチャートである。

ステップＳＴ１０２〜ＳＴ１０５は、開放電圧測定部１０１、残容量推定部１０２、内部抵抗測定部１０３、内部抵抗劣化率算出部１０４の各処理であり、上で説明したので省略する。ステップＳ１０１のタイミングを待機する処理により、ステップＳＴ１０２、ＳＴ１０４の測定は、鉛電池２の満充電時に行われる。

ステップＳＴ１０６では、劣化状態推定部１０６は、次式（１）により、劣化状態の第１推定を行う。
第１推定ＳＯＨ＝（初期内部抵抗／現在内部抵抗）×推定ＳＯＣ・・・（１）

ここで、「初期内部抵抗／現在内部抵抗」は、内部抵抗劣化率算出部１０４が算出した内部抵抗の劣化率である。推定ＳＯＣは、残容量推定部１０２が推定した残容量［％］である。例えば、算出された内部抵抗の劣化率が、所定の値以上のときに蓄電池の劣化状態について第１推定を行うようにしてもよい。また、所定の値より低いときに出力部１０７は、蓄電池の交換通知を出力するようにしてもよい。

このように、内部抵抗の劣化率と、開放電圧から推定した残容量（ＳＯＣ）とを乗算した値を、鉛電池２の劣化状態（ＳＯＨ）の推定に使用することで、精度の高い推定を行うことができる。

ステップＳ１０７では、劣化状態推定部１０６は、第１推定ＳＯＨとデータテーブル１０５の回帰分析データを用いて換算することで、劣化状態の第２推定を行う。

図３は、データテーブルの回帰分析データを説明するグラフである。

データテーブル１０５の回帰分析データは、予め求めて、データテーブル１０５に記憶させておく。回帰分析データは、複数のサンプルについて、実際の劣化状態（ＳＯＨ）の測定値と、第１推定の結果とから、実測値と第１推定値との相関が高くなるように求めた回帰直線のデータである。回帰直線は、例えば最小二乗法により求めてもよいし、類似の方法により求めてもよい。

ここで、複数のサンプルについて、劣化状態の測定値が、例えば４０パーセント以下のものは除外すると良い。劣化状態が４０パーセント以下だと、内部抵抗の劣化率と、開放電圧から推定した残容量（ＳＯＣ）と、実際の劣化状態（ＳＯＨ）との関係の規則性が少なくなってくるためである。

さらに、劣化状態（ＳＯＨ）の測定値がゼロ点のときに、第１推定の値がゼロ点になるように、測定値が４０％以下の少なくとも１点を固定点として、回帰分析データを求めるとよい。なお、固定点は、ゼロ点に合わせる必要はなく、図３のように、ゼロ点と異なってもよい。

第２推定では、図３の直線のような回帰分析データを用いて、図３の横軸に劣化状態の第１推定値を当てはめ、この横軸の値に対応する回帰分岐データの縦軸の値を、劣化状態の第２推定値とする。なお、実際の推定処理では、グラフを用いる必要はなく、関数あるいはデータテーブルを用いて、第１推定値から第２推定値を求める。

第２推定の処理により、実測値に即した、より精度の高い劣化状態（ＳＯＨ）の推定を行うことができる。

ＳＴ１０８は、上で説明した、出力部１０７の処理である。

以上のように、実施形態１の電池状態判定装置１によれば、集電体の腐食による劣化と、サルフェーションによる劣化と、異なる２種類の劣化のある鉛電池２において、精度の高い劣化状態（ＳＯＨ）の推定を行うことができる。

この推定方法は、通常の車両の鉛電池に加え、充電と放電とが多く繰り返されるアイドリングストップ車用の鉛電池など、負荷変動の激しい鉛電池に対しても、精度の高い劣化状態（ＳＯＨ）の推定が行えるため、特に有用である。

（実施の形態２）
図４は、実施形態２の電池状態判定装置の処理を示すフローチャートである。図５は、実施形態２のデータテーブルに記憶される回帰分析データを説明するグラフである。

実施形態２は、劣化状態推定部１０６の算出式を変更したのと、この算出式の変更に合わせてデータテーブル１０５の回帰分析データを変更したものであり、他は実施形態１と同様である。同様の構成およびステップには、同一符号を付して説明を省略する。

図４のステップＳＴ２０６では、劣化状態推定部１０６は、次式（２）により、劣化状態の第１推定を行う。
第１推定ＳＯＨ＝（初期内部抵抗／現在内部抵抗）×１００−（１００−推定ＳＯＣ）・・・（２）

このように、内部抵抗の劣化率と、開放電圧から推定した残容量（ＳＯＣ）とを加算した値を劣化状態（ＳＯＨ）の推定に使用することで、精度の高い推定を行うことができる。ここで、「×１００」は単位を揃える係数であり、「１００−推定ＳＯＣ」は残容量から容量の減少量への変換を表わす。

ステップＳ２０７では、劣化状態推定部１０６は、第１推定ＳＯＨとデータテーブル１０５の回帰分析データを用いて換算することで、劣化状態の第２推定を行う。

データテーブル１０５の回帰分析データは、図５に示すように、複数のサンプルの第１推定値として、数式（２）の値に基づいて回帰分析した回帰直線を用いている。

ここで、複数のサンプルについて、劣化状態の測定値が、例えば４０パーセント以下のものは除外すると良い。さらに、劣化状態（ＳＯＨ）の測定値がゼロ点のときに、第１推定の値がゼロ点になるように、測定値が４０％以下の少なくとも１点を固定点として、回帰分析データを求めるとよい。なお、第２推定の結果である劣化状態が４０％より低いときに、出力部１０７は蓄電池の交換通知を出力してもよい。

以上のように、実施形態２の電池状態判定装置によれば、集電体の腐食による劣化と、サルフェーションによる劣化と、異なる２種類の劣化のある鉛電池２において、精度の高い劣化状態（ＳＯＨ）の推定を行うことができる。

以上、本発明の各実施の形態について説明した。

なお、上記実施の形態では、鉛電池の劣化状態（ＳＯＨ）の推定について説明したが、少なくとも異なる２種類の劣化がある蓄電池に対して、同様の作用効果を奏することができる。

また、劣化状態の第１推定の式は、次式（３）〜（５）のように変形することができる。

第１推定ＳＯＨ＝ｇ１×｛（内部抵抗劣化率×１００）−（１００−推定ＳＯＣ）｝
＋ｇ２×（内部抵抗劣化率×推定ＳＯＨ）・・・（３）
ここで、ｇ１、ｇ２は重み付け係数である。

第１推定ＳＯＨ＝α１×（内部抵抗劣化率×１００）−α２（１００−推定ＳＯＣ）・・・（４）
ここで、α１、α２は、０でない重み付け係数である。

第１推定ＳＯＨ＝β１×内部抵抗劣化率×推定ＳＯＣ＋β２・・・（５）
ここで、β１、β２は係数である。

各係数ｇ１、ｇ２、α１、α２、β１、β２は、実験等により、蓄電池に合わせて、適宜調整することができる。さらに、第１推定ＳＯＨに対して、温度補正など、別の補正式を追加してもよい。

また、上記実施の形態では、回帰分析データとして、直線にフィッティングをしたデータを示したが、カーブフィッティングをした曲線のデータとしてもよい。

また、上記実施の形態では、劣化状態の第１推定と第２推定とを行う構成を示したが、第２推定を省いてもよく、この場合でも、従前より高い精度の推定を行うことができる。

また、上記実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はハードウェアとの連携においてソフトウェアで実現することも可能である。

本発明は、蓄電池の劣化状態を判定する装置に適用できる。

１電池状態判定装置
１０１開放電圧測定部
１０２残容量推定部
１０３内部抵抗測定部
１０４内部抵抗劣化率算出部
１０５データテーブル
１０６劣化状態推定部

Claims

蓄電池の開放電圧を測定する電圧測定部と、
前記測定された開放電圧に基づき前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定部と、
前記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部と、
測定された前記内部抵抗から内部抵抗の劣化率を算出する算出部と、
推定された前記残容量と、算出された前記内部抵抗の劣化率とに基づいて、前記蓄電池の劣化状態について第１の推定を行う推定部と、
を備え、
前記推定部は、算出された前記内部抵抗の劣化率が、所定の値以上のときに前記蓄電池の劣化状態について前記第１の推定を行うことを特徴とする、
電池状態判定装置。
算出された前記内部抵抗の劣化率が、前記所定の値より低いときに前記蓄電池の交換通知を出力する出力部をさらに備えたことを特徴とする
請求項１記載の電池状態判定装置。
前記推定部は、
推定された前記残容量と、算出された前記内部抵抗の劣化率とを乗算した値を用いて、前記蓄電池の劣化状態を推定する、
請求項１記載の電池状態判定装置。
前記推定部は、
推定された前記残容量と、算出された前記内部抵抗の劣化率とを加算した値を用いて、前記蓄電池の劣化状態を推定する、
請求項１記載の電池状態判定装置。
前記推定部は、
推定された前記残容量と算出された前記内部抵抗の劣化率とを乗算した値、および、推定された前記残容量と算出された前記内部抵抗の劣化率とを加算した値を用いて、前記蓄電池の劣化状態を推定する、
請求項１記載の電池状態判定装置。
蓄電池の開放電圧を測定する電圧測定部と、
前記測定された開放電圧に基づき前記蓄電池の残容量を推定する残容量推定部と、
前記蓄電池の内部抵抗を測定する内部抵抗測定部と、
測定された前記内部抵抗から内部抵抗の劣化率を算出する算出部と、
推定された前記残容量と、算出された前記内部抵抗の劣化率とに基づいて、前記蓄電池の劣化状態について第１の推定を行う推定部と、
を備え、
複数の蓄電池のサンプルについて、測定された劣化状態に対する、前記推定された劣化状態の分布傾向を表わす回帰分析データを有し、
前記推定部は、
前記第１の推定の結果と前記回帰分析データとから前記劣化状態の第２の推定を行う、
電池状態判定装置。
前記回帰分析データは、前記測定された劣化状態が４０％より低いサンプルを除いて得られたデータである、
請求項６記載の電池状態判定装置。
前記回帰分析データは、前記測定された劣化状態が４０％より低い少なくとも１つの値に対応する前記推定された劣化状態の値を、前記推定部の推定による値と異なる固定値にして得られたデータである、
請求項６記載の電池状態判定装置。
前記第２の推定の結果、劣化状態が４０％より低いときに前記蓄電池の交換通知を出力する出力部をさらに備えた
請求項７または８記載の電池状態判定装置。