JP6452403B2 - 二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 - Google Patents

二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法に関するものである。
特許文献1には、二次電池の放電時における開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)を測定し、予め設定された二次電池のOCVと充電率SOC(State of Charge)との関係に基づいてSOCを求め、求めたSOCに基づいて二次電池を充電するとともに、SOCを求める際に、所定時間におけるOCVの変化とSOCの変化とを測定して、予め設定された二次電池のOCVとSOCとの関係を補正する技術が開示されている。
特開2001−351698号公報
ところで、特許文献1に開示された技術では、任意のOCVにおけるSOCが不明である場合、OCVとSOCの関係を示す一次関数の傾きを推定できたとしても、切片を推定することができないため、二次電池のSOCを正確に推定できないという問題点がある。
本発明は、二次電池の充電率を正確に検出することが可能な二次電池検出装置および二次電池状態検出方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明は、二次電池の開回路電圧OCVを所定の一次関数に適用して充電率SOCを求める二次電池状態検出装置において、予め求めた前記一次関数の傾きと切片の関係を示す情報を記憶する記憶手段と、前記二次電池の電圧および充放電電流に基づいて前記一次関数の傾きを求出する求出手段と、前記求出手段によって求出された前記傾きに対応する前記切片を、前記記憶手段から特定する特定手段と、前記二次電池の開回路電圧を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された前記開回路電圧を、前記求出手段によって求出された傾きと、前記特定手段によって特定された切片を有する前記一次関数に適用して充電率SOCを算出する算出手段と、を有し、前記求出手段は、所定の期間内における前記充放電電流の積算値と満充電時放電可能容量を示すSOHの比から求めたSOCの差分値ΔSOCと、前記所定の期間の始期のOCVと終期のOCVの差分値ΔOCVとの比から前記傾きを求める、ことを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池の充電率を正確に検出することが可能となる。
また、本発明は、前記所定の期間は、予め定められた固定の期間であることを特徴とする。
このような構成によれば、期間を基準とすることで、簡易な構成によって、傾きを正確に求めることができる。
また、本発明は、前記所定の期間は、前記二次電池の状態が所定量変化する期間であることを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池の状態変化に応じて、適切なタイミングで傾きを正確に求めることができる。
また、本発明は、前記二次電池の状態は、SOCまたはOCVであることを特徴とする。
このような構成によれば、二次電池の状態量のいずれかを指標として、適切なタイミングで傾きを正確に求めることができる。
また、本発明は、前記所定の期間は、ΔSOCが所定値以上となり、かつ、予め定められた固定の期間以内の期間であることを特徴とする。
このような構成によれば、ΔSOCが所定値以上であっても、所定の期間が長期となり、SOHが変化することによって、計算精度に影響を及ぼすことを避けることができる。
また、本発明は、二次電池の開回路電圧OCVを所定の一次関数に適用して充電率SOCを求める二次電池状態検出方法において、予め求めた前記一次関数の傾きと切片の関係を示す情報を記憶手段に記憶させる記憶ステップと、前記二次電池の電圧および充放電電流に基づいて前記一次関数の傾きを求出する求出ステップと、前記求出ステップにおいて求出された前記傾きに対応する前記切片を、前記記憶手段から特定する特定ステップと、前記二次電池の開回路電圧を測定する測定ステップと、前記測定ステップにおいて測定された前記開回路電圧を、前記求出ステップにおいて求出された傾きと前記特定ステップによって特定された切片を有する前記一次関数に適用して充電率SOCを算出する算出ステップと、を有し、前記求出ステップは、所定の期間内における前記充放電電流の積算値と満充電時放電可能容量を示すSOHの比から求めたSOCの差分値ΔSOCと、前記所定の期間の始期のOCVと終期のOCVの差分値ΔOCVとの比から前記傾きを求める、ことを特徴とする。
このような方法によれば、二次電池の充電率を正確に検出することが可能となる。
本発明によれば、二次電池の充電率を正確に検出することが可能な二次電池検出装置および二次電池状態検出方法を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置の構成例を示す図である。 図1の制御部の詳細な構成例を示すブロック図である。 SOCとOCVの関係式のEとFの関係を示す図である。 OCVとSOCの関係の時間的変化を示す図である。 図1に示す実施形態において実行される処理の一例を示す図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。
(A)本発明の実施形態の構成の説明
図1は、本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置を有する車両の電源系統を示す図である。この図において、二次電池状態検出装置1は、制御部10、電圧センサ11、電流センサ12、温度センサ13、および、放電回路15を主要な構成要素としており、二次電池14の状態を検出する。ここで、制御部10は、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13からの出力を参照し、二次電池14の状態を検出する。電圧センサ11は、二次電池14の端子電圧を検出し、制御部10に通知する。電流センサ12は、二次電池14に流れる電流を検出し、制御部10に通知する。温度センサ13は、二次電池14自体または周囲の環境温度を検出し、制御部10に通知する。放電回路15は、例えば、直列接続された半導体スイッチと抵抗素子等によって構成され、制御部10によって半導体スイッチがオン/オフ制御されることにより二次電池14を間欠的に放電させる。
二次電池14は、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、または、リチウムイオン電池等によって構成され、オルタネータ16によって充電され、スタータモータ18を駆動してエンジンを始動するとともに、負荷19に電力を供給する。オルタネータ16は、エンジン17によって駆動され、交流電力を発生して整流回路によって直流電力に変換し、二次電池14を充電する。
エンジン17は、例えば、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等のレシプロエンジンまたはロータリーエンジン等によって構成され、スタータモータ18によって始動され、トランスミッションを介して駆動輪を駆動し車両に推進力を与えるとともに、オルタネータ16を駆動して電力を発生させる。スタータモータ18は、例えば、直流電動機によって構成され、二次電池14から供給される電力によって回転力を発生し、エンジン17を始動する。負荷19は、例えば、電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等によって構成され、二次電池14からの電力によって動作する。
図2は、図1に示す制御部10の詳細な構成例を示す図である。この図に示すように、制御部10は、CPU(Central Processing Unit)10a、ROM(Read Only Memory)10b、RAM(Random Access Memory)10c、通信部10d、I/F(Interface)10eを有している。ここで、CPU10aは、ROM10bに格納されているプログラム10baに基づいて各部を制御する。ROM10bは、半導体メモリ等によって構成され、プログラム10ba等を格納している。RAM10cは、半導体メモリ等によって構成され、プログラム10baを実行する際に生成されるデータや、後述するテーブルまたは数式等のパラメータ10caを格納する。通信部10dは、上位の装置であるECU(Electronic Control Unit)等との間で通信を行い、検出した情報を上位装置に通知する。I/F10eは、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13から供給される信号をデジタル信号に変換して取り込むとともに、放電回路15に駆動電流を供給してこれを制御する。
(B)実施形態の動作の説明
つぎに、図を参照して、本発明の実施形態の動作について説明する。開回路電圧OCVと充電率SOCとの間には以下の一次関数が成立することが知られている。
SOC=E×OCV+F ・・・(1)
ここで、Eは傾きであり、Fは切片である。本願発明者は、異なる種類および状態の二次電池を多数測定し、前述した式(1)の傾きEと切片Fの間には、図3に示すような関係が存在することを見いだした。図3の横軸は傾きEを示し、縦軸は切片Fを示している。本願発明者は、製造メーカ、初期容量、および、劣化状態等が異なる270個の二次電池を測定し、図3の座標軸上に菱形としてプロットしたところ、傾きEと切片Fの間には、実線で示す関係が存在し、寄与率は0.99989であることを見いだした。つまり、傾きEと切片Fの間には、二次電池14の種類によらず、図3に示す関係が成立することが明らかになった。
本実施形態では、二次電池14を実測することによって傾きEを求めるとともに、図3に示す関係を用いて、傾きEに対応する切片Fを求める。そして、求めたこれらの傾きEおよび切片Fを式(1)に代入し、この式(1)に測定したOCVを代入することで、二次電池14の充電率SOCを正確に求めることができる。
つぎに、本実施形態の動作の詳細について説明する。本実施形態では、車両の製造工程において二次電池14が車両に取り付けられた場合、または、整備工場等において二次電池14が交換された場合に、CPU10aは、電圧センサ11の出力を参照し、二次電池14の開回路電圧であるOCV1を測定する。また、CPU10aは、放電回路15によって二次電池14を所定の周期でパルス放電させ、そのときの電圧と電流を電圧センサ11および電流センサ12によって測定し、内部インピーダンスを測定する。内部インピーダンスの測定が完了すると、CPU10aは、測定した内部インピーダンスに基づいて、二次電池14の満充電時放電可能容量を示すSOH(State of Health)を求める。なお、SOHの求め方はこれ以外の方法でもよい。
つぎに、CPU10aは、二次電池14に流れる電流値の時間積算値ΔDODを求める。より詳細には、CPU10aは、電流センサ12の出力を参照し、その出力値を時間積分することでΔDODを求める。つぎに、CPU10aは、電圧センサ11の出力を参照し、二次電池14の開回路電圧であるOCV2を測定する。
つぎに、CPU10aは、ΔDODとSOHからΔSOCを以下の式(2)により求める。そして、CPU10aは、ΔSOCが所定の値(例えば、20%)以上になるまでΔDODの測定を継続する。ΔSOCが所定の値以上になると、CPU10aは、前回、SOHを推定してから所定の期間(例えば、数日〜数ヶ月)以内であれば、後述する処理によってOCV2,F,Fの値を計算し、所定の期間を超えている場合には、前述したOCV1,SOH,ΔDOD等を計算する処理を再度実行する。なお、前回、SOHを推定してから所定の期間が経過している場合に、OCV1,SOH,ΔDOD等の値を再度計算するのは、時間の経過によってSOHが変化し、計算結果が誤差を生じることを防ぐためである。
ΔSOC=ΔDOD/SOH ・・・(2)
つぎに、CPU10aは、OCV1とOCV2からΔOCVを以下の式(3)により求める。
ΔOCV=OCV1−OCV2 ・・・(3)
つぎに、CPU10aは、以下の式(4)に、式(2)で求めたΔSOCと、式(3)で求めたΔOCVを代入し、傾きEを求める。
E=ΔSOC/ΔOCV ・・・(4)
傾きEが求まると、CPU10aは、図3に示すグラフを参照し、傾きEに対応する切片Fを求める。以上のようにして、傾きEと切片Fとが求まると、これらの傾きEと切片Fとを式(1)に代入する。このようにして得た式(1)に対して、測定したOCVを適用することで、その時点のSOCを正確に求めることができる。なお、本実施形態では、SOHを一定の値として計算に用いているため、前述した所定の期間は、SOHが大きく変化しない期間に設定することが好ましい。
ところで、式(1)の傾きEと切片Fの値は、二次電池14の劣化に伴って変化する。このため、例えば、所定の時間が経過した場合や、二次電池14の状態が変化した場合には、前述した処理が再度実行されて、傾きEと切片Fの値が新たに求められる。図4に示すように、ある時点におけるOCVとSOCの関係を示す実線は、時間が経過すると一点鎖線のように変化する。このとき、ΔOCVが同じ場合、ΔSOCは実線ではΔSOC1となり、一点鎖線ではΔSOC2となる。このため、これらの結果から求めた式(1)は、実線ではSOC=E×OCV+Fとなり、一点鎖線ではSOC=E’×OCV+F’となる。ここで、E≠E’かつF≠F’である。このように、二次電池14の状態の変化に応じて傾きEおよび切片Fを再度求めることで、二次電池14の状態変化に応じた式(1)を求め、SOCを常に正確に求めることができる。
以上に説明したように、式(1)に示す傾きEを実測により求め、図3に示す関係に、求めた傾きEを適用して切片Fを求めるようにしたので、式(1)を正確に求めるとともに、式(1)を用いることでOCVからSOCを正確に求めることができる。また、図3に示す関係は、二次電池14の種類や経年変化によらず成立することから、どのような二次電池14を使用した場合であっても、SOCを正確に求めることができる。さらに、二次電池14の状態が変化した場合には、傾きEと切片Fを再度求めることで、OCVからSOCを常に正確に求めることができる。
つぎに、図5を参照して、図1および図2に示す実施形態において実行される処理の一例について説明する。図5に示す処理は、図2に示すROM10bに格納されているプログラム10baをCPU10aが読み出して実行することにより実現される。この図5の処理は、車両の組み立て工程において二次電池14が搭載された場合、または、整備工場等において二次電池14が交換された場合に初回処理が実行される。なお、その後は、例えば、所定の周期で図5に示す処理が実行される。図5に示す処理が開始されると、以下のステップが実行される。
ステップS10では、CPU10aは、電圧センサ11の出力を参照し、二次電池14の開回路電圧を求め、求めた開回路電圧をOCV1とする。なお、二次電池14の充放電が実行されてからあまり時間が経過していない場合には、成層化および分極等によって、開回路電圧を正確に測定することができないので、エンジン17が停止されてから所定の時間(例えば、数時間)が経過してから、開回路電圧を測定することが望ましい。
ステップS11では、CPU10aは、ステップS14で求めた内部インピーダンスを参照して、二次電池14の劣化状態SOHを求める。より詳細には、例えば、導電抵抗および液抵抗であるR_ohmを参照することで、SOHを求めることができる。もちろん、これ以外の方法によってSOHを求めるようにしてもよい。
ステップS12では、CPU10aは、所定の期間内において二次電池14に流れる充放電電流の時間積算値ΔDODを求める。いまの例では、所定の期間内において二次電池14に流れる電流を電流センサ11によって検出して時間積分する。
ステップS13では、CPU10aは、SOH推定時からの経過時間を測定する。より詳細には、CPU10aは、ステップS11においてSOHを推定してから経過した時間を測定する。
ステップS14では、CPU10aは、電圧センサ11の出力を参照し、二次電池14の開回路電圧を求め、求めた開回路電圧をOCV2とする。なお、エンジン17が停止されてから所定の時間(例えば、数時間)が経過してから、電圧を測定することが望ましいことは、ステップS10で説明したのと同様である。
ステップS15では、CPU10aは、ステップS12で求めたΔDODと、ステップS11で求めたSOHを式(2)に代入し、得られた値をΔSOCとする。
ステップS16では、CPU10aは、ΔSOCが所定の閾値以上になったか否かを判定し、ΔSOCが所定の閾値以上になったと判定した場合(ステップS16:Yes)にはステップS17に進み、それ以外の場合(ステップS16:No)にはステップS12に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返す。例えば、ΔSOCが20%以上になった場合にはYesと判定してステップS17に進む。なお、20%は一例であって、これ以外の値を用いるようにしてもよい。
ステップS17では、CPU10aは、前回、SOHを推定してから所定の期間以内であるか否かを判定し、所定の期間以内であると判定した場合(ステップS17:Yes)にはステップS18に進み、それ以外の場合(ステップS17:No)にはステップS10に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返す。より詳細には、前回SOHを推定してから、例えば、数日〜数ヶ月が経過した場合にはYesと判定してステップS10に戻って、SOH等の値を再計算する。このような処理を実行する理由は、所定の期間を超えている場合には、SOHの値が変化している可能性があり、その場合、計算結果に誤差を生じるからである。すなわち、本実施形態では、SOHを一定の値として計算に用いているため、所定の期間を超えた場合には、SOHが変化して計算結果に誤差を生じる可能性があることから、SOH等の値を再度計算する。
ステップS18では、CPU10aは、ステップS10で求めたOCV1と、ステップS14で求めたOCV2を式(3)に代入し、得られた値をΔOCVとする。
ステップS19では、CPU10aは、ステップS15で求めたΔSOCと、ステップS18で求めたΔOCVを式(4)に代入し、得られた値を傾きEとする。
ステップS20では、CPU10aは、ステップS19で求めた傾きEに対応する切片Fを図3に示す関係から求める。より詳細には、図3に示す関係に対応する数値を格納したテーブルまたは関係を示す関係式を、RAM10cのパラメータ10caとして格納しておき、CPU10aは、ステップS19で求めた傾きEに対応する切片Fを、テーブルまたは関係式から求める。
ステップS21では、CPU10aは、ステップS19で求めた傾きEと、ステップS20で求めた切片Fを式(1)に代入することで、OCVとSOCの関係を示す式を得ることができる。このようにして得た式(1)に対して、測定によって得られたOCVを代入することで、その時点におけるSOCを正確に推定することができる。
以上に説明したように、本発明の実施形態では、OCVとSOCの関係を示す式(1)の傾きEを実測によって求めるとともに、図3に示す傾きEと切片Fの関係に基づいて切片Fを求めるようにした。このため、SOCを正確に求めることができる。
また、本発明の実施形態では、図3に示す関係は、二次電池14の種類や状態に拘わらず不変であることから、二次電池14の種類や状態に拘わらず、式(1)の傾きEおよび切片Fを正確に求めることができる。
(C)変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、ステップS16の処理では、ΔSOCが所定の値以上になった場合にステップS18に進むようにしたが、例えば、ΔOCVが所定の閾値を超えた場合に、ステップS18に進むようにしてもよい。このような方法によれば、異なる2点のデータを確実に取得することができる。
また、ステップS11では、二次電池14の内部インピーダンスからSOHを求めるようにしたが、これ以外の方法によってSOHを求めるようにしてもよい。
また、ステップS19では、傾きEを直接求めるようにしたが、例えば、過去に求めた傾きEの経時的変化から、新たな傾きEの値を推定するようにしてもよい。
また、ステップS20では、数式に基づいて切片Fを求めるようにしたが、傾きEと切片Fの関係をテーブルとして格納しておき、このテーブルに基づいて、切片Fを求めるようにしてもよい。
また、図5に示す処理を実行する頻度としては、例えば、SOHが所定の閾値以上変化した場合や、減液量が所定の閾値以上になった場合、または、積算温度が所定の閾値以上になった場合に処理を実行して傾きEおよび切片Fを更新するようにしてもよい。そのような構成によれば、二次電池14の状態が変化したタイミングで、傾きEおよび切片Fを更新することで、SOCを恒常的に正しく求めることができる。
また、以上の実施形態では、二次電池14の温度については言及していないが、温度センサ13の出力によって二次電池14の温度を推定し、推定した温度に基づいて、二次電池14のパラメータを補正するようにしてもよい。このような構成によれば、環境温度によらず、SOCを正しく求めることができる。
1 二次電池状態検出装置
10 制御部
10a CPU(求出手段、特定手段、算出手段)
10b ROM
10c RAM(記憶手段)
10d 通信部
10e I/F
11 電圧センサ(測定手段)
12 電流センサ
13 温度センサ
14 二次電池
15 放電回路
16 オルタネータ
17 エンジン
18 スタータモータ
19 負荷

Claims (6)

  1. 二次電池の開回路電圧OCVを所定の一次関数に適用して充電率SOCを求める二次電池状態検出装置において、
    予め求めた前記一次関数の傾きと切片の関係を示す情報を記憶する記憶手段と、
    前記二次電池の電圧および充放電電流に基づいて前記一次関数の傾きを求出する求出手段と、
    前記求出手段によって求出された前記傾きに対応する前記切片を、前記記憶手段から特定する特定手段と、
    前記二次電池の開回路電圧を測定する測定手段と、
    前記測定手段によって測定された前記開回路電圧を、前記求出手段によって求出された傾きと、前記特定手段によって特定された切片を有する前記一次関数に適用して充電率SOCを算出する算出手段と、を有し、
    前記求出手段は、所定の期間内における前記充放電電流の積算値と満充電時放電可能容量を示すSOHの比から求めたSOCの差分値ΔSOCと、前記所定の期間の始期のOCVと終期のOCVの差分値ΔOCVとの比から前記傾きを求める、
    ことを特徴とする二次電池状態検出装置。
  2. 前記所定の期間は、予め定められた固定の期間であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池状態検出装置。
  3. 前記所定の期間は、前記二次電池の状態が所定量変化する期間であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池状態検出装置。
  4. 前記二次電池の状態は、SOCまたはOCVであることを特徴とする請求項3に記載の二次電池状態検出装置。
  5. 前記所定の期間は、ΔSOCが所定値以上となり、かつ、予め定められた固定の期間以内の期間であることを特徴とする請求項4に記載の二次電池状態検出装置。
  6. 二次電池の開回路電圧OCVを所定の一次関数に適用して充電率SOCを求める二次電池状態検出方法において、
    予め求めた前記一次関数の傾きと切片の関係を示す情報を記憶手段に記憶させる記憶ステップと、
    前記二次電池の電圧および充放電電流に基づいて前記一次関数の傾きを求出する求出ステップと、
    前記求出ステップにおいて求出された前記傾きに対応する前記切片を、前記記憶手段から特定する特定ステップと、
    前記二次電池の開回路電圧を測定する測定ステップと、
    前記測定ステップにおいて測定された前記開回路電圧を、前記求出ステップにおいて求出された傾きと前記特定ステップによって特定された切片を有する前記一次関数に適用して充電率SOCを算出する算出ステップと、を有し、
    前記求出ステップは、所定の期間内における前記充放電電流の積算値と満充電時放電可能容量を示すSOHの比から求めたSOCの差分値ΔSOCと、前記所定の期間の始期のOCVと終期のOCVの差分値ΔOCVとの比から前記傾きを求める、
    ことを特徴とする二次電池状態検出方法。
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