JP6670999B2 - 二次電池の状態推定装置および状態推定方法 - Google Patents

二次電池の状態推定装置および状態推定方法 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池の状態推定装置および状態推定方法に関する。
エンジンを主たる駆動源とする車両は、エンジンを始動するための電源として二次電池を搭載している。エンジンはスタータモータの駆動により始動する。二次電池としては、一般に鉛蓄電池が使用される。
近年、エンジンを主たる駆動源とする車両の排ガスを削減するために、アイドリングストップシステムが採用されている。しかし、アイドリングストップシステムに性能の低下した二次電池が使用されると、アイドリングストップシステムが正常に機能しなくなる場合がある。このような二次電池のトラブルを未然に防ぐために、車両に搭載されている二次電池の状態を推定する装置がある(例えば特許文献1を参照)。
特許文献1の電池状態推定装置は、小さなフルスケールの電流センサを用いて、スタータスイッチがオンとなる前の二次電池の電圧および電流の値を用いて電池状態のパラメータを算出する。
特開2011−257214号公報
スタータモータの始動時には、非常に大きな突入電流が発生し、これにより、大きな二次電池の電圧降下が生じる。電圧降下により、二次電池の電圧が一定値を下回ると、エンジンが始動しない、或いは、ECU(Engine Control Unit)がリセットするなどの問題が生じる場合がある。よって、スタータモータの始動時など、非常に大きな電流が生じるときの二次電池の性能をより正確に推定したいという要望がある。
しかしながら、特許文献1の電池状態推定装置では、スタータスイッチがオンとなる期間の前に、二次電池の電圧および電流の値を用いて電池状態のパラメータを算出する。このため、特許文献1の電池状態推定装置が算出した電池状態のパラメータは、大電流の出力時に生じる激しい電圧変化の時定数に対応できない。よって、このパラメータを用いて、大電流が出力されるときの二次電池の状態の推定を行うと、推定精度が低下するという問題がある。
本発明の目的は、大電流が出力されるときの二次電池の状態を高い精度で推定できる二次電池の状態推定装置および状態推定方法を提供することである。
本発明の一態様に係る二次電池の状態推定装置は、以下の構成を採る。すなわち、二次電池の端子電圧と充放電電流とを検出するセンサ部と、センサ部が検出した端子電圧と充放電電流とに基づいて二次電池の直流内部抵抗を算出する内部抵抗算出部と、を備える。内部抵抗算出部は、以下の(期間1)および(期間2)において、センサ部が検出した端子電圧および充放電電流に基づいて直流内部抵抗を算出する。(期間1)車両を走行させる駆動源の始動時の前で、且つ、二次電池の端子電圧および充放電電流が所定の変動範囲に収まる安定期間。(期間2)駆動源の始動時、二次電池から駆動源を始動させるための電力が出力され、二次電池の端子電圧が実質的に最小となる大電流出力期間。
本発明の一態様に係る二次電池の状態推定方法は、二次電池の端子電圧と充放電電流とを検出するステップと、検出された端子電圧と充放電電流とに基づいて二次電池の直流内部抵抗を算出するステップと、を備える。直流内部抵抗を算出するステップは、以下の(期間1)および(期間2)において、検出された端子電圧および充放電電流に基づいて直流内部抵抗を算出する。(期間1)車両を走行させる駆動源の始動時の前で、且つ、二次電池の端子電圧および充放電電流が所定の変動範囲内に収まる安定期間。(期間2)駆動源の始動時、二次電池から駆動源を始動させるための電力が出力され、二次電池の端子電圧が実質的に最小となる大電流出力期間。
本発明によれば、大きな充放電電流が生じるときの検出値を使用して、二次電池の直流内部抵抗が算出される。よって、算出された直流内部抵抗を用いて、大電流が出力されるときの二次電池の状態を高い精度で推定することができる。
本発明の実施の形態1に係る状態推定装置と車両の一部とを示すブロック図 クランキング時の二次電池の端子間電圧と充放電電流とを示すグラフ 図2の範囲W1の部分を拡大して示すグラフ データ取得タイミングを説明するグラフ 本発明の実施の形態2に係る状態推定装置と車両の一部とを示すブロック図 本発明の実施の形態3に係る状態推定装置と車両の一部とを示すブロック図
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、本発明の実施の形態1に係る状態推定装置と車両の一部の構成とを示すブロック図である。
本発明の実施の形態1に係る二次電池の状態推定装置10は、主にエンジンの動力で走行する車両に搭載される。車両は、状態推定装置10と、二次電池としての鉛蓄電池20と、ECU(Electronic Control Unit)30と、負荷31と、オルタネータ32と、スタータモータ33と、リレー34と、イグニションキー35とを備えている。図示は省略するが、車両は、エンジンおよび駆動輪を有する。車両は、クランキング時の二次電池の状態推定をより正確に行う必要のある、アイドリングストップシステム(ISS)を有する車両であってもよい。
スタータモータ33は、エンジンを始動させるモータである。スタータモータ33の駆動によりクランク軸が回転し、エンジン行程が開始することでエンジンが始動する。スタータモータ33の駆動によりエンジンのクランク軸を回転させることをクランキングと呼ぶ。
リレー34は、スタータモータ33を始動させるためのスイッチである。リレー34がオンしてスタータモータ33のC端子に電圧が出力されると、スタータモータ33の内部状態が切り換わって、B端子から電流を入力し、スタータモータ33が回転し始める。リレー34は、例えばECU30の作動制御信号に基づき、鉛蓄電池20の電力によってオンとオフとに切り替わる。
オルタネータ32は、クランク軸の回転動力により発電を行う。オルタネータ32は、駆動輪の回転動力により発電を行ってもよい。加えて、オルタネータ32は、発電電力の整流と、ECU30の電圧制御信号に基づく電圧の調整とを行う。
負荷31は、例えばエンジンを作動させるために必要な電気的な補機であり、例えば、燃料噴射装置、点火プラグなどを含む。補機とは、エンジン本体以外にエンジンを稼動させるために必要な周辺機器を意味する。負荷31は、車内照明、メータパネル、灯火器などの車両に搭載される様々な電気機器を含んでいてもよい。
イグニションキー35は、運転者が操作するキーであり、負荷31、オルタネータ32、およびスタータモータ33が接続される電源ラインL10と、鉛蓄電池20との接続を切り替える。例えば、イグニションキー35がオフ(OFF)に切り替えられると、接続が遮断され、オン(ON)に切り替えられると、接続される。また、イグニションキー35がスタート(START)に切り替えられると、スタータモータ33が始動される。イグニションキー35の状態は、キー情報としてECU30に伝えられる。
鉛蓄電池20は、充電と放電とが可能な電池であり、本発明に係る二次電池の一例に相当する。鉛蓄電池20は、オルタネータ32の電力により充電を行う。鉛蓄電池20は、イグニションキー35がオン又はスタートのときに、スタータモータ33、リレー34、負荷31、ECU30に電力を供給する。鉛蓄電池20は、イグニションキー35の切り替わりに関わらずに、状態推定装置10に電力を供給する。
ECU30は、エンジンの制御を行う。具体的には、ECU30は、スタータモータ33の作動制御、補機の制御、および、オルタネータ32の発電電圧の制御を行う。さらに、ECU30は、状態推定装置10から鉛蓄電池20の電池状態情報を受けて、情報に応じた制御を行う。電池状態情報には、放電性能(SOF:State of Function)が含まれる。さらに、電池状態情報には、充電率(SOC:State of Charge)が含まれていてもよい。放電性能とは、想定される大電流の出力時に、規定の電圧を維持できるかどうかの能力を表わす指標である。電池状態情報に基づき、ECU30は、放電性能が所定の第1閾値より高い場合に、アイドリングストップシステムの制御を行い、放電性能が所定の第2閾値より低い場合に、アイドリングストップシステムの制御を禁止し、警告を行う等の制御を行ってもよい。実施の形態1では、さらに、ECU30は、スタータモータ33を始動させるタイミングを示すスタート情報を、状態推定装置10へ送る。
状態推定装置10は、鉛蓄電池20の状態として、放電性能(SOF)を推定する。状態推定装置10は、さらに、鉛蓄電池20の充電率(SOC)を推定してもよい。
状態推定装置10は、タイミング判断部11、内部抵抗算出部12、状態推定部13、およびセンサ部14を備えている。状態推定装置10の各機能ブロックは、センサ部14の素子(電流検出用抵抗など)を除いて、ワンチップの半導体集積回路として構成してもよい。また、状態推定装置10は、センサ部14の素子を除いて、複数の半導体集積回路により構成してもよい。また、状態推定装置10の一部またはセンサ部14の素子を除いた全部を、ECU30或いは車両に搭載される他のECUと一緒に1つの半導体集積回路により構成してもよい。また、状態推定装置10の複数の機能ブロックは、1つの機能ブロックに統合されてもよい。
センサ部14は、鉛蓄電池20の電圧と充放電電流とを検出し、検出信号を内部抵抗算出部12と、状態推定部13とに出力する。検出される電圧は、充電時、放電時、および、端子開放時における鉛蓄電池20の端子間電圧である。
タイミング判断部11は、ECU30から送られるスタート情報に基づいて、スタータモータ33が始動するタイミングを判断し、このタイミングを内部抵抗算出部12に通知する。
内部抵抗算出部12は、タイミング判断部11により通知されたタイミングに基づいて、センサ部14から鉛蓄電池20の電圧および充放電電流の検出値を取り込み、これらを用いて鉛蓄電池20の直流内部抵抗(DCIR)を算出する。内部抵抗算出処理の詳細は後述する。
状態推定部13は、センサ部14の検出値と、内部抵抗算出部12により算出された直流内部抵抗とに基づいて、放電特性(SOF)および充電率(SOC)などの電池状態を推定する。
放電特性とは、スタータモータ33に大電流が出力される際の鉛蓄電池20の電圧降下量の予測値を示す。状態推定部13は、次式(1)に示すような算出を行って、放電特性を求める。
Vf =Vc −(Ib−Ic)× Ri ・・・(1)
ここで、Vfは放電特性、Vcはクランキング前の鉛蓄電池20の閉回路電圧(CCV:Closed Circuit Voltage)、Ibはクランキング時の直前の充放電電流、Icはクランキング時に想定される最大の充放電電流、Riは直流内部抵抗である。
状態推定部13は、推定した電池状態の情報をECU30に出力する。
<内部抵抗算出処理>
続いて、内部抵抗算出部12による鉛蓄電池20の直流内部抵抗の算出方法について説明する。
図2は、クランキング時の二次電池の端子間電圧と充放電電流とを示すグラフである。図3は、図2の範囲W1の部分を拡大して示すグラフである。
内部抵抗算出部12は、2点法により直流内部抵抗を算出する。2点法では、第1タイミングに検出された鉛蓄電池20の電圧と充放電電流と、第2タイミングに検出された鉛蓄電池20の電圧と充放電電流とを用いて、次式(2)に示すような計算を行って、直流内部抵抗が求められる。
Ri =(V1−V2)/(I1−I2) ・・・(2)
ここで、Riは直流内部抵抗、V1は第1タイミングの電圧、V2は第2タイミングの電圧、I1は第1タイミングの充放電電流、I2は第2タイミングの充放電電流である。
電圧と充放電電流とを取得するタイミングとしては、続いて説明するように、クランキングの前後の所定タイミングが採用される。
クランキングの際、スタータモータ33の回転開始時には、図2の範囲W1に示すように、非常に大きな電流がスタータモータ33に流れる。続いて、図2の範囲W2に示すように、スタータモータ33とエンジンのクランクとが数回の回転する期間を経て、エンジンが駆動する。次に、スタータモータ33の始動時の動作について詳細に説明する。
スタータモータ33を始動する際には、先ず、ECU30がリレー34をオンに切り替える作動制御信号を出力する。図3に示すように、リレー34は、僅かな期間T1に物理的に接点を移動して、オフからオンに切り換わる。この期間T1には、電力により物理的な動作を発生させるため、リレー34の動作電圧および電流は、比較的に大きく変化する。
リレー34がオンの状態に切り替わると、スタータモータ33のC端子に電圧が出力された後、僅かな安定期間T2を経て、スタータモータ33のB端子に大電流が流れてスタータモータ33が回転し始める。この安定期間T2には、リレー34に出力される電流が安定し、これにより鉛蓄電池20の電圧も安定する。この安定期間T2には、鉛蓄電池20の端子間電圧および充放電電流は、所定の変動範囲に収まる。所定の変動範囲に収まるとは、開回路電圧(OCV)に対する鉛蓄電池20の充電分極の影響を低減する作用が得られる程度に変動範囲が小さいことを示す。
内部抵抗算出部12は、クランキングの前の安定期間T2の何れかのタイミングを第1タイミングA1として、センサ部14からの電圧と充放電電流との検出値を取得する。
続く、スタータモータ33が始動する期間T3では、急激な電流がスタータモータ33へ出力され、これに伴って、鉛蓄電池20の電圧降下が生じる。
内部抵抗算出部12は、クランキング時に電圧が実質的に最も降下するタイミングを第2タイミングA2として、センサ部14からの電圧充放電電流との検出値を取得する。そして、第1タイミングA1の検出値と第2タイミングA2の検出値とから、上述の式(2)を用いて、鉛蓄電池20の直流内部抵抗を算出する。
安定した電流出力のある安定期間T2内の第1タイミングA1の検出値を使用することで、鉛蓄電池20の分極の影響を少なくした直流内部抵抗の算出が可能となる。また、クランキング時の大きな電流が出力されている第2タイミングA2の検出値を使用することで、クランキング時の大きな電流変化の時定数に対応できる直流内部抵抗の算出が可能となる。
図4は、データ取得タイミングを説明するグラフである。
クランキング時の電圧が実質的に最も下降する第2タイミングA2とは、図4に示すように、電圧が実際に最も下降したタイミングB1としてもよいし、このタイミングB1の前後に僅かに異なるタイミングとしてもよい。前後に異なるタイミングとしては、図4に示すように、タイミングB1から前の許容誤差期間T5内と、タイミングB1から後の許容誤差期間T6内のタイミングとが採用できる。これら許容誤差期間T5、T6が、鉛蓄電池20の端子電圧が実質的に最小となる大電流出力期間に相当する。
タイミングB1より前の許容誤差期間T5は、例えば5ms、より好ましくは3msである。タイミングB1より後の許容誤差期間T6は、例えば15ms、より好ましくは10msである。典型的には、前の許容誤差期間T5は、後の許容誤差期間T6より、短くなる。
検出値を取得する第2タイミングA2が、許容誤差期間T5、T6の範囲で、変化することで、算出される直流内部抵抗も変化する。しかしながら、上記のような許容誤差期間T5、T6を採用することで、直流内部抵抗の算出結果は、直流内部抵抗の許容誤差の閾値DCIRthを超えない値となる。
以上のように、本実施の形態の二次電池の状態推定装置10によれば、大きな充放電電流が生じるときの検出値を使用して、二次電池の直流内部抵抗が算出される。よって、算出された直流内部抵抗を用いて、大電流が出力されるときの二次電池の状態を高い精度で推定することができる。
(実施の形態2)
図5は、実施の形態2の状態推定装置と車両の一部を示すブロック図である。
実施の形態2の状態推定装置10Aは、タイミング判断部11Aの入力が異なるだけで、他の構成は、実施の形態1の構成と同様である。同一の構成については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
実施の形態2のタイミング判断部11Aは、センサ部14の信号を入力する。タイミング判断部11Aは、センサ部14の電圧または充放電電流の検出信号を監視し、図2と図3とに示した、鉛蓄電池20からエンジン始動時(クランキング時)の放電が行われるタイミングを判別する。そして、エンジン始動時のタイミングを内部抵抗算出部12へ通知することができる。
内部抵抗算出部12による直流内部抵抗の算出処理は、実施の形態1と同様である。
以上のように、実施の形態2の状態推定装置10Aによれば、車両のECU30からスタート情報を受けなくても、実施の形態1と同様の状態推定を行うことができる。
(実施の形態3)
図6は、実施の形態3の状態推定装置と車両の一部を示すブロック図である。
実施の形態3の状態推定装置10Bは、鉛蓄電池20の直流内部抵抗を、さらに鉛蓄電池20の温度、および、SOC(充電率:State of Charge)の情報を使用して算出する。その他の構成は、実施の形態1のものと同様である。実施の形態1と同一の構成については、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
実施の形態3の状態推定装置10Bは、タイミング判断部11、内部抵抗算出部12B、状態推定部13B、センサ部14、および、温度計15を有する。
実施の形態3の内部抵抗算出部12Bは、鉛蓄電池20の直流内部抵抗を算出する際に、温度計15の検出信号と、状態推定部13BのSOCの推定値とを入力する。
内部抵抗算出部12Bは、実施の形態1で説明した直流内部抵抗の算出を行うが、例えば、鉛蓄電池の温度が異常に高い場合、或いは、異常に低い場合には、種別判定直流内部抵抗の算出を行わない。加えて、SOCが所定の範囲にない場合には、種別判定直流内部抵抗の算出を行わない。
このように、内部抵抗算出部12Bは、鉛蓄電池の温度またはSOCが所定の範囲外にあって推定精度が低下するような場合に、直流内部抵抗の算出を行わないことで、結果として、直流内部抵抗の算出精度、および、状態推定装置10Bの状態推定精度を、より高くできる。
なお、内部抵抗算出部12Bは、SOCの替わりに、鉛蓄電池のOCV(Open Circuit Voltage)を用いて、鉛蓄電池の直流内部抵抗の算出を行ってもよい。或いは、内部抵抗算出部12Bは、SOCとOCVと温度の、全部または何れかを用いて、鉛蓄電池の直流内部抵抗の算出を行ってもよい。
さらに、内部抵抗算出部12Bは、温度、SOC又はOCVが、所定の範囲外になった場合に、直流内部抵抗の算出を行わないように構成されるほか、温度、SOC又はOCVにより、算出される直流内部抵抗の値を補正し、或いは、直流内部抵抗を算出するためのパラメータの値を補正し、直流内部抵抗の算出を行うようにしてもよい。
以上のように、実施の形態3の状態推定装置10Bによれば、激しい電流変化の時定数に対応できる鉛蓄電池20の直流内部抵抗を算出して、大電流の出力時の鉛蓄電池20の状態を高い精度で推定できる。
以上、本発明の各実施の形態について説明した。
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではない。例えば、実施の形態では、2点法を用いて直流内部抵抗を算出する方法を示したが、安定期間T2内の複数のタイミングの電圧と充放電電流と、大電流が出力されるクランキング時の許容誤差期間T5、T6内の複数のタイミングの電圧と充放電電流とを用いて、例えばIVプロット法により、直流内部抵抗を算出してもよい。
また、実施の形態では、安定期間T2として、リレー34がオンとなってからスタータモータ33に大電流が流れるまでの期間の後半の安定期間T2を示した。具体的には、安定期間T2は、スタータモータ33へ電力の出力が開始される開始タイミングの10ms前から開始タイミングまでの期間であることが好ましい。
また、実施の形態では、安定期間T2として、リレー34がオンとなってからスタータモータ33に大電流が流れるまでの期間の後半の安定期間T2を示した。しかしながら、例えば、鉛蓄電池20が長い期間放置されているときには、リレー34がオンとなる前、充放電電流と電圧とが実質的にゼロとなって安定しているときを安定期間T2として、電圧と充放電電流を検出してもよい。
また、実施の形態では、二次電池として鉛蓄電池を示したが、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池など、他の種類の二次電池を適用してもよい。
また、実施の形態では、エンジン車両のクランキング時の検出値を用いて、二次電池の直流内部抵抗を算出する方法を示した。しかしながら、例えば、モータで走行する電動車両において、車両の走行始動時に大電流が出力されるタイミングの前後の検出値を用いて、同様に二次電池の直流内部抵抗を算出してもよい。
なお、ガソリン車では、図4で示される直流内部抵抗の波形はクランキングによらずにほぼ一定になることが実験の結果、分かった。したがって、最も電圧が降下するタイミングを毎回判断、更新してもよいし、過去に判断したタイミングを用いるようにしてもよい。
その他、実施の形態で説明された具体的な構成および方法は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本発明は、例えば車両に搭載される二次電池の状態を推定する装置に利用できる。
10,10A,10B 状態推定装置
12,12B 内部抵抗算出部
13,13B 状態推定部
14 センサ部
15 温度計
20 鉛蓄電池
30 ECU
33 スタータモータ
34 リレー
35 イグニションキー
A1 第1タイミング
A2 第2タイミング
T2 安定期間
B1 タイミング
T5,T6 許容誤差期間

Claims (7)

  1. 二次電池の端子電圧と充放電電流とを検出するセンサ部と、
    前記センサ部が検出した前記端子電圧と前記充放電電流とに基づいて前記二次電池の直流内部抵抗を算出する内部抵抗算出部と、
    を備え、
    前記内部抵抗算出部は、
    車両を走行させる駆動源の始動時の前で、且つ、前記二次電池の前記端子電圧および前記充放電電流が所定の変動範囲に収まる安定期間と、前記駆動源の始動時、前記二次電池から前記駆動源を始動させるための電力が出力され、前記二次電池の端子電圧が実質的に最小となる大電流出力期間とに、前記センサ部が検出した前記端子電圧および前記充放電電流に基づいて前記直流内部抵抗を算出
    前記二次電池は、
    スタータモータへの電力の供給を可能とするリレーの開閉を切り換える電力を供給し、
    前記安定期間とは、前記リレーが閉じてから前記スタータモータが回転するまでの期間の後半部の期間である、
    二次電池の状態推定装置。
  2. 前記二次電池は、
    前記スタータモータの駆動により前記駆動源としてエンジンが始動する車両における前記スタータモータの駆動電力を供給し、
    前記大電流出力期間とは、前記スタータモータの始動により前記二次電池の前記端子電圧が実質的に最小となる期間である、
    請求項1記載の二次電池の状態推定装置。
  3. 前記大電流出力期間とは、前記二次電池の前記端子電圧が最小となるタイミングの前5msから後15msの期間である、
    請求項2記載の二次電池の状態推定装置。
  4. 前記安定期間とは、前記リレーが閉じてから前記スタータモータへ電力の出力が開始される開始タイミングの10ms前から前記開始タイミングまでの期間である、
    請求項記載の二次電池の状態推定装置。
  5. 前記二次電池の充電率、開回路電圧、および、温度の何れか1つ又は複数を検出する付加センサ部を更に備え、
    前記内部抵抗算出部は、さらに前記付加センサ部の検出結果を用いて、前記直流内部抵抗を算出する、
    請求項1記載の二次電池の状態推定装置。
  6. 算出された前記直流内部抵抗と、前記二次電池の開回路電圧とに基づいて、前記二次電池の放電性能を算出する放電性能算出部、
    をさらに備える請求項1記載の二次電池の状態推定装置。
  7. 二次電池の端子電圧と充放電電流とを検出するステップと、
    前記検出された端子電圧と充放電電流とに基づいて前記二次電池の直流内部抵抗を算出するステップと、
    を備え、
    前記直流内部抵抗を算出するステップは、
    車両を走行させる駆動源の始動時の前で、且つ、前記二次電池の前記端子電圧および前記充放電電流が所定の変動範囲内に収まる安定期間と、
    前記駆動源の始動時、前記二次電池から前記駆動源を始動させるための電力が出力され、前記二次電池の前記端子電圧が実質的に最小となる大電流出力期間とに、
    検出された前記端子電圧および前記充放電電流に基づいて前記直流内部抵抗を算出
    前記二次電池は、
    スタータモータへの電力の供給を可能とするリレーの開閉を切り換える電力を供給し、
    前記安定期間は、前記リレーが閉じてから前記スタータモータが回転するまでの期間の後半部の期間である、
    二次電池の状態推定方法。
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