JP6534746B2 - 電池制御装置及び電池システム - Google Patents
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Description
また、本発明の第2の態様による電池制御装置は、電池の電流及び電圧を含む状態量を検出する検出部と、前記状態量に基づき、前記電池の充電状態を出力する電池制御部とを備え、前記電池制御部は、放電後の前記電池の充電状態と、前記電池の充電状態変化量とに基づいて前記電池の第1充電状態を演算する第1充電状態演算部と、充電後の前記電池の充電状態と、前記充電状態変化量とに基づいて前記電池の第2充電状態を演算する第2充電状態演算部と、前記第1充電状態演算部で演算された第1充電状態と前記第2充電状態演算部で演算された第2充電状態とに基づいて前記電池の充電状態を演算する第3充電状態演算部とを備える。
図1を基に全体の構成を説明する。図1に示すように、電池システム100には、リレー300、310を介して、インバータ400が接続される。インバータ400には、モータジェネレータ410が接続される。また、電池システム100は、リレー320、330を介して充電器500と接続される。なお、モータジェネレータ410は図示省略した電動車両の駆動源となるものである。
電池システム100は、複数の単電池111から構成される組電池110と、単電池111の状態を監視する単電池制御部120と、電池システム100に流れる電流を検知する電流検知部130と、組電池110の総電圧を検知する電圧検知部140と、組電池110の制御を行う組電池制御部150と、組電池110、単電池111、単電池群112a、112bの電池特性に関する情報を格納する記憶部180と、車両停止時から次回車両起動時までの時間を計測する車両停止時間計測部190で構成される。
組電池制御部150と単電池制御部120は、フォトカプラのような絶縁素子170を介して、信号通信部160により信号の送受信を行う。絶縁素子170を設けるのは、組電池制御部150と単電池制御部120とで、動作電源が異なるためである。すなわち、単電池制御部120は、組電池110から電力をうけて動作するのに対して、組電池制御部150は、車載補機用のバッテリ(例えば12V系バッテリ)を電源として用いている。絶縁素子170は、単電池制御部120を構成する回路基板に実装しても良いし、組電池制御部150を構成する回路基板に実装しても良い。尚、システム構成によっては、絶縁素子170を省略することも可能である。
次に、組電池制御部150で行うSOCの演算について説明する。SOCを演算する手法には、以下の2つの手法がある。尚、以降の説明では、電池に流れる充電電流を正、放電電流を負として取り扱う。
まず、1つ目の手法であるSOCの演算1について説明する。この演算1では、充放電中の組電池110もしくは単電池111の電池電圧と電流から、電池のOCVを逐次演算する。
そして、記憶部180に記憶されているSOCとOCVの対応関係に基づいて、演算したOCVをSOCへ換算する。
(数1)
CCV(t) = OCV(t) + Vo(t) + Vp(t) ・・・ 式(1)
(数2)
OCV(t) = CCV(t) - Vo(t) - Vp(t) ・・・ 式(2)
図4に示した抵抗成分Ro、Rp、Cは単電池111から抽出した特性情報であり、単電池111を充放電させることで実験的に予め求めておき、SOCや温度、電流などに応じた特性データとして記憶部180に格納されている。端子間電圧CCVは電圧検知部140による計測結果であり、電流Iは電流検知部130による計測結果であり、CCVとIと電池特性データとを用いて、OCVを算出する。そして、図3に示すSOCとOCVの対応関係から、算出したOCVをSOCへ換算することで、式(3)に示すように、単電池111のSOCを推定することができる。
(数3)
SOCv(t) = f(OCV(t)) ・・・ 式(3)
次に、SOCを演算する2つ目の手法であるSOCの演算2について説明する。図6(a)は、電流の時間変化を示すもので、横軸に時間を、縦軸の+側は充電を、縦軸の−側は放電を表す。図6(b)は、横軸に時間を、縦軸に電流積算によるSOCの推定値を示す。演算2では、リレー300、310、320、330を閉じる前、すなわち、電池を充放電する前の電流が流れていない状態で測定される電池電圧から、SOCとOCVとの対応関係に基づき、算出したSOCv(SOCv(0))を起点 (この時の時刻を0とする)とする。その後は単電池111に出入りする電流を積分(∫I(t)dt)して単電池111の満充電容量(Qmax)で除算することでSOCv(0)からのSOC変化(ΔSOC(t))を求める。そして、SOCv(0)とΔSOC(t)に基づいて、式(4)に示すように、SOCを演算する。以下では、この演算2で得られるSOCをSOCiとする。
(数4)
SOCi(t) = SOCv(0) + ΔSOC(t) ・・・ 式(4)
SOCv(0) = f(OCV(0))
ΔSOC(t) = 100×∫I(t)dt / Qmax
本実施形態では、高度なモデルを用いず、簡素な処理で、誤差を拡大させることなくSOCiを求める。以下、その手法について説明する。
図9(a)は、放電時における単電池111の電圧変化を示す図である。図9(a)の横軸は、休止(無負荷)もしくは電流絶対値が所定値以下の場合から放電が行われ、その後、再び休止(無負荷)もしくは電流絶対値が所定値以下になった場合を示している。ここで、電流絶対値が所定値以下とは、電流検知部130が測定した電流値であって、内部抵抗による電圧変化が無視出来る程、十分に小さいと見做せる電流値である。本実施形態では、充電時の電流を正、放電時の電流を負として説明しているため、電流が流れていない約0A(アンペア)の状態を表現するために電流絶対値が所定値以下と表現する。図9(b)は、充電時における単電池111の電圧変化を示す図である。図9(b)の横軸は、休止(無負荷)もしくは電流絶対値が所定値以下の場合から充電が行われ、その後、再び休止(無負荷)もしくは電流絶対値が所定値以下になった場合を示している。
極性判定部155は、充放電終了時のセル電圧と、その後の充放電開始時のセル電圧との差分に基づいて、取得した各セルの起動時セル電圧Vaが放電方向と充電方向いずれの分極電圧を含むものであるかを判断する。具体的には、極性判定部155は、(起動時平均セル電圧Vb − 前回走行終了時平均セル電圧Vc) > 0のとき、起動時の分極電圧の極性が負、すなわち放電方向の分極電圧が残存していると判断する。逆に、(起動時平均セル電圧Vb − 前回走行終了時平均セル電圧Vc) < 0のとき、起動時の分極電圧の極性が正、すなわち充電方向の分極電圧が残存していると判断する。尚、起動時平均セル電圧Vb、前回走行終了時平均セル電圧Vcは共に電圧検出誤差を含むので、これらの差分にも誤差が含まれる。このため、起動時平均セル電圧Vbと前回走行終了時平均セル電圧Vcの差分に対して無視する範囲を設けても良い。極性判定部155は、例えば、充電方向の分極電圧が残存している場合には、「1」を、放電方向の分極電圧が残存している場合には、「2」を設定し、充電/放電履歴判定結果1として、重み係数演算部156へ出力する。
図11(a)は、放電後の単電池111の電圧変化を示す図であり、図11(b)は、充電後の単電池111の電圧変化を示す図である。
(数5)
w = 車両停止時間1 / ( 車両停止時間1+車両停止時間2 ) ・・・式(5)
(数6)
SOCc(t) = w×SOCi1(t) + (1-w)×SOCi2(t) ・・・ 式(6)
の残存分極電圧を含むSOC初期値であるSOC02に基づいてSOCi2(t)を演算する。その結果、グラフS1に示すように、時刻t3から演算結果のSOCi2(t)が得られる。その結果、充電/放電のペアが揃うため、本実施形態による組合せ演算が可能となる。重み係数演算部156は、式5に基づいて重み係数を算出する。そして、SOCc演算部157は、SOCi1(t)とSOCi2(t)と重み係数wを基に、式(6)に基づいてSOCc(t)を演算する。この結果、グラフS3に示すように、時刻t5から演算結果のSOCc(t)が得られる。
第2の実施形態について、図13から図15に基づき述べる。本実施形態におけるプラグインハイブリッド自動車の電動システムの構成例は、第1の実施形態で述べた図1と同様の構成とし、第1の実施形態と比較して異なる点を中心に述べる。
図14は、放電、電流小、充電、電流小の順番で電流流れた場合の(a)電圧の推移、(b)電流絶対値判定結果、(c)経過時間の算出結果を示している。
極性判定部155’は、電圧と電流絶対値判定部158からの出力結果を入力とし、電流絶対値判定部158からの出力結果が「0」から「1」へ立ち上がった時点での電池電圧(電流絶対値が所定値以下となった直後の電池電圧)を取得する。この後、電流絶対値判定部158からの出力結果が「1」から「0」へ立ち下がった時点での電池電圧(電流絶対値が所定値より大きくなる直前の電池電圧)を取得して、両者の差分を算出し、電流絶対値が所定値より大きくなる直前の電池電圧 −電流絶対値が所定値以下となった直後の電池電圧> 0のとき、放電後の分極電圧が残存していると判断する。逆に、電流絶対値が所定値より大きくなる直前の電池電圧−電流絶対値が所定値以下となった直後の電池電圧< 0のとき、充電後の分極電圧が残存していると判断する。
(数7)
w = 経過時間1 / ( 経過時間1+ 経過時間2 ) ・・・式(7)
第3の実施形態について、図16から図20に基づき述べる。本実施形態におけるプラグインハイブリッド自動車の電動システムの構成例は、第1の実施形態及び第2の実施形態で述べた図1と同様の構成とし、第1の実施形態及び第2の実施形態と比較して異なる点を中心に述べる。
(数8)
w = kT1×車両停止時間1 /
(kT1×車両停止時間1+kT2×車両停止時間2) ・・・式(8)
(数9)
w = kSOC1×車両停止時間1 /
(kSOC1×車両停止時間1+kSOC2×車両停止時間2) ・・・式(9)
(数10)
w = kT1×kSOC1×車両停止時間1 /
(kT1×kSOC1×車両停止時間1+kT2×kSOC2×車両停止時間2) ・式(10)
上述した、電池温度、SOCの他にも劣化状態に応じて分極緩和時間が異なる場合は、上述した電池温度やSOCと同様の考え方で、重み係数の調整係数を設定すればよい。
(1)本実施形態による電池制御装置は、電池の電流及び電圧を含む状態量を検出する検出部(単電池制御部120)と、前記状態量に基づき、電池の充電状態を出力する電池制御部(組電池制御部150)と、を有し、前記電池制御部(組電池制御部150)は、電流絶対値が所定値以下、かつ、安定した電池電圧に対して放電方向の分極電圧を含む電池電圧から算出した第1の充電状態初期値と、前記第1の充電状態初期値と前記状態量から推定される第1の充電状態と、電流絶対値が所定値以下となってから、第1の充電状態初期値を取得するまでの第1の経過時間と、電流絶対値が所定値以下、かつ、安定した電池電圧に対して充電方向の分極電圧を含む電池電圧から算出した第2の充電状態初期値と、前記第2の充電状態初期値と前記状態量から推定される第2の充電状態と、電流絶対値が所定値以下となってから、第2の充電状態初期値を取得するまでの第2の経過時間と、を検出し、前記第1の充電状態と前記第2の充電状態に基づき、前記第1の経過時間と前記第2の経過時間に応じた、第3の充電状態を算出し、出力する。これにより、電池の充電状態を高精度に推定することができる。そのため、電池制御装置を電動車両システムに適用した場合は、電動車両システムの信頼性を確保すると共に効率的に電池を使用することが出来る。
(2)本実施形態による電池制御装置は、電池(単電池111)の電流及び電圧を含む状態量を検出する検出部(単電池制御部120)と、状態量に基づき、電池の充電状態(SOC)を出力する電池制御部(組電池制御部150)とを備え、電池制御部(組電池制御部150)は、放電後の電池の充電状態(SOC01)と、電池の充電状態変化量(ΔSOC(t))とに基づいて電池の第1充電状態(SOCi1(t))を演算する第1充電状態演算部(第1SOCi演算部153)と、充電後の電池の充電状態(SOC02)と、充電状態変化量(ΔSOC(t))とに基づいて電池の第2充電状態(SOCi2(t))を演算する第2充電状態演算部(第2SOCi演算部154)と、第1充電状態演算部(第1SOCi演算部153)で演算された第1充電状態(SOCi1(t))と第2充電状態演算部(第2SOCi演算部154)で演算された第2充電状態(SOCi2(t))とに基づいて電池の充電状態(SOC)を演算する第3充電状態演算部(SOCc演算部157)とを備える。これにより、電池の充電状態を高精度に推定することができる。そのため、電池制御装置を電動車両システムに適用した場合は、電動車両システムの信頼性を確保すると共に効率的に電池を使用することが出来る。
110 組電池
111 単電池
112a、112b 単電池群
120 単電池制御部
121a、121b 単電池制御部
122 電圧検出回路
123 制御回路
124 信号入出力回路
125 温度検知部
130 電流検知部
140 電圧検知部
150 組電池制御部
151 SOC初期値演算部
152 ΔSOC演算部
153 第1SOCi演算部
154 第2SOCi演算部
155、155’極性判定部
156 重み係数演算部
157 SOCc演算部
158 電流絶対値判定部
159 経過時間計測部、
160 信号通信部
170 絶縁素子
180 記憶部
190 車両停止時間計測部
200 車両制御部
300、310、320、330 リレー
400 インバータ
410 モータジェネレータ
420 インバータ制御部
500 充電器
Claims (8)
- 電池の電流及び電圧を含む状態量を検出する検出部と、
前記状態量に基づき、前記電池の充電状態を出力する電池制御部と、を有し、
前記電池制御部は、
前記電池の放電後に前記電流の絶対値が所定値以下であるときに検出された放電方向の分極電圧を含む前記電圧に基づいて、前記電池の第1の充電状態初期値を算出し、
前記第1の充電状態初期値と前記状態量とに基づいて、前記電池の第1の充電状態を推定し、
前記電流の絶対値が所定値以下となってから、前記第1の充電状態初期値を取得するまでの第1の経過時間を検出し、
前記電池の充電後に前記電流の絶対値が所定値以下であるときに検出された充電方向の分極電圧を含む前記電圧に基づいて、前記電池の第2の充電状態初期値を算出し、
前記第2の充電状態初期値と前記状態量とに基づいて、前記電池の第2の充電状態を推定し、
前記電流の絶対値が所定値以下となってから、前記第2の充電状態初期値を取得するまでの第2の経過時間を検出し、
前記第1の充電状態および前記第2の充電状態と、前記第1の経過時間および前記第2の経過時間とに基づいて、前記電池の第3の充電状態を算出し、出力する電池制御装置。 - 請求項1に記載の電池制御装置において、
前記電池制御部は、
前記第1の充電状態初期値と前記電池の電流を積算した結果に基づき、前記第1の充電状態を推定し、
前記第2の充電状態初期値と前記電池の電流を積算した結果に基づき、前記第2の充電状態を推定する電池制御装置。 - 請求項1または2に記載の電池制御装置において、
前記電池制御部は、前記第1の経過時間と前記第2の経過時間のうち、経過時間が長い方の充電状態に基づいて推定された前記第1の充電状態または前記第2の充電状態に対する重みが大きくなるような重み係数を設定し、前記重み係数に基づいて、前記第1の充電状態と前記第2の充電状態を重み付け合成して、前記第3の充電状態を算出し、出力する電池制御装置。 - 請求項1から3の何れか一項に記載の電池制御装置において、
前記電池制御部は、前記電池の充放電終了時の前記電圧と充放電開始時の前記電圧との差分、または前記電流の絶対値が前記所定値以下となった直後の前記電圧と前記所定値より大きくなる直前の前記電圧との差分に基づいて、前記電圧が前記放電方向の分極電圧または前記充電方向の分極電圧のいずれを含むかを判断する電池制御装置。 - 請求項3に記載の電池制御装置において、
前記電池の温度を検出する温度検出部を有し、
前記電池制御部は、前記第1の経過時間及び前記第2の経過時間内におけるそれぞれの前記電池の温度に応じた温度補正係数を算出し、前記算出した温度補正係数をもとに、前記重み係数を設定する電池制御装置。 - 請求項3に記載の電池制御装置において、
前記電池制御部は、前記第1の経過時間及び前記第2の経過時間内におけるそれぞれの前記電池の充電状態に応じた充電状態補正係数を算出し、前記算出した充電状態補正係数をもとに、前記重み係数を設定する電池制御装置。 - 請求項1に記載の電池制御装置と、
前記電池が複数接続された組電池と、を備え、
前記電池制御装置は、前記電池および前記組電池を制御することを特徴とする電池システム。 - 電池の電流及び電圧を含む状態量を検出する検出部と、
前記状態量に基づき、前記電池の充電状態を出力する電池制御部とを備え、
前記電池制御部は、
放電後の前記電池の充電状態と、前記電池の充電状態変化量とに基づいて前記電池の第1充電状態を演算する第1充電状態演算部と、
充電後の前記電池の充電状態と、前記充電状態変化量とに基づいて前記電池の第2充電 状態を演算する第2充電状態演算部と、
前記第1充電状態演算部で演算された第1充電状態と前記第2充電状態演算部で演算された第2充電状態とに基づいて前記電池の充電状態を演算する第3充電状態演算部と、
前記電池の放電後からの第1経過時間および充電後からの第2経過時間を計測する計測部を備え、
前記第3充電状態演算部は、前記第1充電状態と前記第2充電状態に、前記計測部で計測された前記第1経過時間と前記第2経過時間に基づく重み付けを行って前記電池の充電状態を演算する電池制御装置。
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