JP6806002B2 - 温度推定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両等に搭載される電池の温度を推定する温度推定装置の技術分野に関する。
この種の装置では、例えば電池のインピーダンスから電池の温度を推定するものが知られている。例えば特許文献1では、交流インピーダンスの虚数成分の絶対値の極大値に対応する特徴値、負極電気量、及び電池の温度の相関関係を示す相関データを用いて電池の温度を推定する装置が開示されている。特許文献2では、リップル周波数における交流インピーダンスと電池の温度との関係を用いて電池の温度を推定することが開示されている。特許文献3では、内部抵抗マップから求められた電池の内部抵抗に基づいて、電池の発熱量を算出することが開示されている。
また、特許文献4では、その他の電池の温度を推定する方法として、冷却装置で冷却した場合に検出される温度変化を示す第一温度変化関数と、冷却装置の冷却能力に基づき冷却時の電池の温度変化を示す第二温度変化関数とを算出し、第一温度変化関数と第二温度変化関数との差分等を用いて電池の温度を推定することが開示されている。
国際公開2013/114669号 特開2014−126532号公報 国際公開2013/018641号 特開2008−157757号公報
上述した特許文献1から3に記載の技術によれば、例えば熱電対を利用した温度センサを用いずとも、電池の温度を推定することが可能とされている。しかしながら、これらの技術は、比較的高度且つ複雑な演算処理が要求される等の技術的問題点を有しており、十分に改善の余地が残されている。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電池の温度を容易且つ正確に推定することが可能な温度推定装置を提供することを課題とする。
本発明の一態様に係る温度推定装置は、相異なる複数の温度で取得された電池の複素インピーダンスの所定周波数における値と、前記複素インピーダンスが取得された際の前記電池の温度とに基づいて、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値と、前記電池の温度の逆数との関係を示す傾き関数を導出する導出手段と、(i)前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値を測定し、(ii)該測定された複素インピーダンスの前記所定周波数における値を前記傾き関数に代入して、測定時の前記電池の温度を推定する推定手段とを備える。
本実施形態に係る温度推定装置の構成を示すブロック図である。 20℃、25℃、30℃の温度条件下で測定した複素インピーダンスの波形を示すグラフである。 40℃、45℃、50℃の温度条件下で測定した複素インピーダンスの波形を示すグラフである。 本実施形態に係る温度推定装置による傾き関数導出処理の流れを示すフローチャートである。 複素インピーダンスの絶対値と温度の逆数との関係を示すグラフである。 複素インピーダンスの実数成分と温度の逆数との関係を示すグラフである。 複素インピーダンスの虚数成分と温度の逆数との関係を示すグラフである。 相異なるSOCで測定された複素インピーダンスの値と温度の逆数との関係を示すグラフである。 本実施形態に係る温度推定装置による温度推定処理の流れを示すフローチャートである。
図面を参照しながら、本発明の温度推定装置の実施形態について説明する。以下では、温度推定装置が、車両のバッテリの温度を推定する装置として構成されている場合を例に挙げて説明する。
(1)装置構成
まず、本実施形態に係る温度推定装置100の構成について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る温度推定装置100の構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態に係る温度推定装置100は、車両のバッテリ10に電気的に接続された電子ユニットであり、バッテリ10の温度を推定する装置として構成されている。なお、バッテリ10は、後述する付記における「電池」の一具体例であり、例えばリチウムイオン電池等の充電可能な液系二次電池として構成されている。
温度推定装置100は、その内部に実現される論理的な又は物理的な処理ブロックとして、インピーダンス取得部110、温度取得部120、傾き関数算出部130、温度推定部140を備えて構成されている。
インピーダンス取得部110は、バッテリ10の複素インピーダンスを取得可能に構成されている。インピーダンス取得部110は、例えばバッテリ10に対して周波数を変化させながら交流電圧を印加することで、複素インピーダンスを取得する。なお、複素インピーダンスの取得方法には既存の技術を適宜採用できるため、ここでの詳細な説明は省略する。インピーダンス取得部110で取得されたバッテリ10の複素インピーダンスは、傾き関数導出部130及び温度推定部140に出力される構成となっている。
温度取得部120は、バッテリ10の温度(好適には電極の温度)を取得可能に構成されている。温度取得部120は特に、インピーダンス取得部110がバッテリ10の複素インピーダンスを取得した時の温度を取得する。なお、温度取得部120は、例えば熱電対を利用した温度センサ等を含んで構成されるが、後述する温度推定部140によって温度が推定される際には、温度取得部120で取得された温度は直接的に利用されない。温度取得部120で取得されたバッテリ10の温度は、傾き関数導出部130に出力される構成となっている。
傾き関数算出部130は、後述する付記における「導出手段」の一具体例であり、インピーダンス取得部110で取得したバッテリ10の複素インピーダンスと、温度取得部120で取得したバッテリ10の温度との関係を示す傾き関数を導出する。傾き関数については後に詳述するが、バッテリ10の複素インピーダンスと、バッテリ10の温度の逆数とが直線的な関係になることを示す関数である。傾き関数算出部130で算出された傾き関数は、温度推定部140に出力される構成となっている。
温度推定部140は、後述する付記における「推定手段」の一具体例であり、傾き関数算出部130で導出された傾き関数を利用して、バッテリ10の複素インピーダンスから、複素インピーダンス測定時の電池の温度を推定する。温度推定部140で推定されたバッテリ10の温度を示す値は装置外部に出力され、例えばバッテリ10の現在の状態を推定するためのパラメータとして用いられる。
(2)複素インピーダンスの温度依存性と問題点
次に、バッテリ10の複素インピーダンスの温度依存性について、図2及び図3を参照して説明する。図2は、20℃、25℃、30℃の温度条件下で測定した複素インピーダンスの波形を示すグラフである。また図3は、40℃、45℃、50℃の温度条件下で測定した複素インピーダンスの波形を示すグラフである。なお、図2及び図3で示されているデータは、バッテリ10のSOCが95%時に測定されたものである。
図2及び図3に示すように、バッテリ10の温度が20℃、25℃、30℃、及び40℃、45℃、50℃の状態で取得された複素インピーダンスを複素平面上に夫々プロットすると、温度が低くなる毎に右側にスライドするような別曲線として描かれる。これは、バッテリ10の複素インピーダンスが大きな温度依存性を有していることを示している。複素インピーダンスの温度依存性は、バッテリ10内部の電荷移動やリチウムイオンの拡散に起因している。
このようにバッテリ10の複素インピーダンスは、測定時のバッテリ10の温度に依存して大きく変化する。このため、バッテリ10における複素インピーダンスと温度との相対関係が予め正確に分かっている場合には、複素インピーダンスから温度を推定することができる。しかしながら、複素インピーダンスと温度との関係を調べるためには、例えばフィッティング解析等によってバッテリ10の複数の抵抗成分を分離する等の比較的複雑な処理が要求され、既存の技術を利用して車両10に搭載されるシステムとして構築するのは非常に困難であった。
なお、バッテリ10の温度は、例えば熱電対を利用した温度センサによっても測定可能であるが、動作中のバッテリ10には、その内部に温度バラツキが生ずることがあり、測定すべき温度(具体的には、電極の温度)を正確に測定できない場合がある。つまり、温度センサで測定された温度と、実際バッテリ10の電極の温度との間にずれが生じてしまう場合がある。
本実施形態に係る温度推定装置100は、上記のような問題点を解決するために以下に詳述する動作を実行する。
(3)傾き関数の導出
本実施形態に係る温度推定装置100が実行する傾き関数を導出する処理について、図4を参照して説明する。図4は、本実施形態に係る温度推定装置による傾き関数導出処理の流れを示すフローチャートである。
図4において、本実施形態に係る温度推定装置は、バッテリ10の温度を推定する前に、傾き関数(即ち、バッテリ10の温度を推定するための関数)を導出する処理を行う。具体的には、まず複数の温度条件下で複数の複素インピーダンスを取得する(ステップS11)。より具体的には、バッテリ10の複素インピーダンスがインピーダンス取得部110によって取得されると共に、その時のバッテリ10の温度が温度取得部120によって取得されていく。
取得されたバッテリ10の複素インピーダンスは、周波数ごとに分離することができ、以下の処理では、所定周波数における複素インピーダンスが取得される。この場合、所定周波数における複素インピーダンスの絶対値、実数成分(即ち、実数部)及び虚数成分(即ち、虚数部)が取得される。なお、ここでの「所定周波数」は、Cole−Coleプロットした複素インピーダンスの傾き成分(即ち、図2及び図3の直線部分)に対応する周波数である。
取得されたバッテリ10の複素インピーダンス(以下、その値を、Z0と表記する)、及び複素インピーダンスを取得した際のバッテリ10の温度(以下、その値を、T0と表記する)は、傾き関数算出部130に入力され、複素インピーダンスを推定するための傾き関数が導出される。傾き関数算出部130は、バッテリ10の所定周波数における複素インピーダンスの値Z0と、複素インピーダンスが取得された時のバッテリ10の温度T0とを、予め記憶された数式(後述の数式(1))に代入する(ステップS12)。
本願発明者の研究するところによれば、所定周波数における複素インピーダンスの値Zと、バッテリ10の温度Tとの間には下記数式(1)の関係が成立することが判明している。
logZ=A×(1/T)+B ・・・(1)
よって、実際に取得したバッテリ10の複素インピーダンスの値Z0及び温度T0を数式(1)に代入した後、傾きA及び切片Bを求めれば(ステップS13)、バッテリ10の複素インピーダンスの値Z及び温度Tとの関係を示す傾き関数を導出することができる。
この傾き関数は、後述するようにバッテリ10の正確な温度を推定するために利用される。よって、傾き関数を算出する際に取得されるデータ(即ち、複素インピーダンスの値Z0と、複素インピーダンスが取得された時のバッテリ10の温度T0)は、少なくとも部分的に測定精度が保証される温度で測定される。なお、「測定精度が保証される温度」とは、測定精度が低下する原因となるような事象が発生している可能性が低いと考えられる状況に対応したバッテリ10の温度である。
例えば、バッテリ10は、温度変化によって内部に温度バラツキが生じることがあり、温度取得部120によって温度Tを正確に測定できなくなってしまうことがある。よって、このような状況下で測定されたデータを利用すると、正確な傾き関数を導出することはできない。従って、傾き関数を導出する場合には、バッテリ10の内部に温度バラツキが生じていないような状況で測定されたデータを少なくとも部分的に用いる。なお、バッテリ10の内部に温度バラツキが生じていない状況の一例としては、バッテリ10を搭載している車両の起動直後等が挙げられる。よって、傾き関数を算出するためのデータは、車両の起動直後等に測定されることが好ましい。
次に、傾き関数のより具体的な導出方法について、図5から図8を参照して説明する。図5は、複素インピーダンスの絶対値と温度の逆数との関係を示すグラフであり、図6は、複素インピーダンスの実数成分と温度の逆数との関係を示すグラフである。また図7は、複素インピーダンスの虚数成分と温度の逆数との関係を示すグラフであり、図8は、相異なるSOCで測定された複素インピーダンスの値と温度の逆数との関係を示すグラフである。なお、図5から図8各々の横軸の数値は、温度Tを絶対温度で計算した場合の数値である。
図5から図7に示すように、傾き関数は、複素インピーダンスの絶対値|Z|、実数成分Z’、及び虚数成分Z”の各々を用いて複数種類導出される。即ち、絶対値|Z|と温度Tとの関係を示す傾き関数と、実数成分Z’と温度Tとの関係を示す傾き関数と、虚数成分Z”と温度Tとの関係を示す傾き関数とが別々に導出される。ただし、必ずしも絶対値|Z|、実数成分Z’、及び虚数成分Z”のすべてについて傾き関数が導出されずともよく、絶対値|Z|、実数成分Z’、及び虚数成分Z”の少なくとも1つについて傾き関数を導出するようにしてもよい。
図5において、バッテリ10の温度Tが20℃〜50℃の範囲内で測定された複素インピーダンスの絶対値|Z|は、温度Tの変動に対して直線的に変化する。具体的には、同一周波数に対応する点を結ぶと直線(図中の破線参照)を描くことができる。このように、複素インピーダンスの絶対値|Z|と、その値が取得された際の温度Tとを用いれば、それらをプロットした点を結ぶ近似直線を求めることで、複素インピーダンスの絶対値|Z|と温度Tとの関係を示す傾き関数を導出できる。
図6において、バッテリ10の温度Tが20℃〜50℃の範囲内で測定された複素インピーダンスの実数成分Z’も、図5で示した絶対値|Z|と同様に、温度Tの変動に対して直線的に変化する。よって、複素インピーダンスの実数成分Z’と、その値が取得された際の温度Tとを用いれば、それらをプロットした点を結ぶ近似直線を求めることで、複素インピーダンスの実数成分Z’と温度Tとの関係を示す傾き関数を導出できる。
図7において、バッテリ10の温度Tが20℃〜50℃の範囲内で測定された複素インピーダンスの虚数成分Z”も、図5で示した絶対値|Z|及び図6で示した実数成分Z’と同様に、温度Tの変動に対して直線的に変化する。よって、複素インピーダンスの虚数成分Z”と、その値が取得された際の温度Tとを用いれば、それらをプロットした点を結ぶ近似直線を求めることで、複素インピーダンスの虚数成分Z”と温度Tとの関係を示す傾き関数を導出できる。
図8では、相異なるSOC(即ち、95%、60%、10%)でバッテリ10の複素インピーダンスの値Z0及び温度T0が取得された場合の各グラフに、同じ傾き関数に対応する直線を重ねて図示している。すると、絶対値|Z|、実数成分Z’、及び虚数成分Z”の各グラフで、同一周波数に対応する複数の点が直線によって結ばれていることが分かる。
これは、SOCが互いに異なる状況下でも、絶対値|Z|、実数成分Z’、及び虚数成分Z”の各々で同じ傾き関数が導出されることを示している。
ただし、虚数成分Z”については、SOC10%時のデータにおいて大きく直線からずれている部分がある。つまり、虚数成分Z”については、測定時の状況に応じて無視できない誤差が生じる可能性がある。よって、算出しようとするインピーダンスの値Zが、絶対値|Z|及び実数成分Z’だけでも足りるような状況下では、絶対値|Z|及び実数成分Z’の少なくとも一方のみについて傾き関数を導出する(即ち、虚数成分Z”については傾き関数を導出しない)ようにしてもよい。
なお、図5から図7に示す例では、複数の点を結ぶ近似直線として傾き関数を導出しているが、すでに傾き関数の傾きA又は切片Bのいずれかが既知である場合には、1つの点からでも近似直線(即ち、傾き関数)を導出することができる。言い換えれば、傾き関数の傾きA又は切片Bが既知であれば、複数の複素インピーダンスの値Z0及び温度T0を取得する必要はなく、1組の複素インピーダンスの値Z0及び温度T0からだけでも傾き関数を導出できる。
ただし、複数の点を利用しない場合には、バッテリ10の複素インピーダンス及び温度を測定(取得)する際の測定誤差の影響が大きくなることが想定される。具体的には、複数の点を利用してノイズの影響を除去することができなくなる。このため、1点から傾き関数を導出する場合には、測定精度が保証される温度を用いる
(4)バッテリ温度の推定
次に、本実施形態に係る温度推定装置100が実行するバッテリ10の温度を推定する処理について、図9を参照して説明する。図9は、本実施形態に係る温度推定装置による温度推定処理の流れを示すフローチャートである。
本実施形態に係る温度推定装置100は、上述した傾き関数を用いて、バッテリ10の温度を推定する処理を実行する。具体的には、まずインピーダンス取得部110がバッテリ10の複素インピーダンスを取得する(ステップS21)。ここで取得された複素インピーダンスは、温度推定部140に出力される。
温度推定部140は、取得した複素インピーダンスの所定周波数における値(以下、その値を、Z1と表記する)を、図4で示す処理で導出した傾き関数に代入する(ステップS22)。このようにして、温度推定部140は、複素インピーダンスの値Z1に対応する温度T1を算出する(ステップS23)。推定された温度T1は、複素インピーダンスの値Z1に対応する値である。即ち、温度T1は、複素インピーダンスの値Z1が取得された際のバッテリ10の温度Tである。
上述した一連の処理は、典型的には車両の走行中に所定周期で繰り返し実行される。即ち、バッテリ10の温度T1は定期的に推定される。なお、推定に用いる傾き関数は、バッテリ10の構成が変わらなければ変化しない。即ち、バッテリ10が新たなものに交換されない限りは、同じ傾き関数を利用してバッテリ10の温度T1を推定することが可能である。よって、一度傾き関数を導出してしまえば、その都度新たな傾き関数を導出する必要はない。
仮に、複数種類のバッテリ10の温度T1を推定する場合には、複数種類のバッテリ10の各々に対応する複数の傾き関数を利用すればよい。この場合、傾き関数はバッテリ10の種類が変更されたタイミングで新たに導出されてもよいし、予め複数種類のバッテリ10に対応する複数の傾き関数を導出して記憶しておき、その中から適宜利用すべき傾き関数を選択するようにしてもよい。
記憶された複数の傾き関数から利用すべき傾き関数を選択するためには、測定精度が保証される温度条件下で、バッテリ10の複素インピーダンスの値Zを測定すればよい。このようにして測定された複素インピーダンスの値Zと温度Tは測定精度が高く正確な値であるため、これらの値を代入して成立する傾き関数を見つければ、利用すべき傾き関数(即ち、その時のバッテリ10に対応した傾き関数)を適切に選択することができる。
(5)技術的効果
以上説明したように、本実施形態に係る温度推定装置によれば、バッテリ10の複素インピーダンスの値Zと温度Tの逆数との関係を示す傾き関数を利用することにより、バッテリ10の温度Tを好適に推定することができる。
特に、本実施形態で利用される傾き関数は、比較的単純な関数であるため、容易に導出でき、且つ傾き関数を用いてバッテリ10の温度を推定(算出)する際も単純な処理で済む。従って、装置のコストや大型化を抑制することができ、車両内部という限られたスペースにも容易に搭載することができる。
<付記>
以上説明した実施形態から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。
(付記1)
付記1に記載の温度推定装置は、相異なる複数の温度で取得された電池の複素インピーダンスの所定周波数における値と、前記複素インピーダンスが取得された際の前記電池の温度とに基づいて、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値と、前記電池の温度の逆数との関係を示す傾き関数を導出する導出手段と、(i)前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値を測定し、(ii)該測定された複素インピーダンスの前記所定周波数における値を前記傾き関数に代入して、測定時の前記電池の温度を推定する推定手段とを備える。
付記1に記載の温度推定装置によれば、相異なる複数の温度で取得された電池の複素インピーダンスの所定周波数における値と、複素インピーダンスが取得された際の電池の温度とに基づいて傾き関数が導出される。この傾き関数は、複素インピーダンスの所定周波数における値と、電池の温度の逆数との関係を示す関数として導出される。よって、傾き関数を利用すれば、複素インピーダンスの所定周波数における値から、複素インピーダンス測定時の電池の温度を推定することができる。即ち、傾き関数が導出された状態であれば、温度センサを用いずとも電池の温度を推定することが可能となる。
(付記2)
付記2に記載の温度推定装置では前記導出手段は、前記複素インピーダンスの絶対値及び実数成分の少なくとも一方を、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値として用いる。
付記2に記載の温度推定装置によれば、複素インピーダンスの絶対値及び実数成分の少なくとも一方を用いることで、例えば複素インピーダンスの虚数成分を用いる場合と比べて、相対的に高い精度で電池の温度を推定することが可能である。
(付記3)
付記3に記載の温度推定装置では、前記傾き関数は、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値をZ、前記電池の温度をTとすると、傾きA及び切片Bを含む下記数式logZ=A×(1/T)+Bとして表される。
付記3に記載の温度推定装置によれば、傾き関数が一次関数として導出されるため、極めて容易に電池の温度を推定することが可能である。
(付記4)
付記4に記載の温度推定装置では、前記導出手段は、前記傾きA又は前記切片Bの一方が既知である場合、測定精度が保証される前記電池の温度と、該測定精度が保証される前記電池の温度で取得された前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値とを用いて、前記傾きA又は前記切片Bの他方を算出する。
付記4に記載の温度推定装置によれば、測定精度が保証される電池の温度と、測定精度が保証される電池の温度で取得された複素インピーダンスの所定周波数における値とを用いることで、正確な傾きA又は切片Bを算出することができる。
(付記5)
付記5に記載の温度推定装置は、前記推定手段は、前記導出手段が予め導出した複数種類の電池の各々に対応する複数の前記傾き関数を記憶しており、測定精度が保証される前記電池の温度と、該測定精度が保証される前記電池の温度で取得された前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値とに基づいて、前記記憶している複数の前記傾き関数の中から、前記電池の温度の推定に用いる前記傾き関数を決定する。
付記5に記載の温度推定装置によれば、測定精度が保証される電池の温度と、測定精度が保証される電池の温度で取得された複素インピーダンスの所定周波数における値とに基づいて、温度を推定しようとする電池の種類に応じた適切な傾き関数が決定される。よって、複数種類の電池(より具体的には、相異なる傾き関数が導出される複数の電池)が複素インピーダンスの推定対象となるような場合であっても、正確に電池の温度を推定することができる。
本発明は、請求の範囲及び明細書全体から読み取るこのできる発明の要旨又は思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う温度推定装置もまた本発明の技術思想に含まれる。
10 バッテリ
100 温度推定装置
110 インピーダンス取得部
120 温度取得部
130 傾き関数算出部
140 温度推定部

Claims (5)

  1. 相異なる複数の温度で取得された電池の複素インピーダンスの所定周波数における値と、前記複素インピーダンスが取得された際の前記電池の温度とに基づいて、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値と、前記電池の温度の逆数との関係を示す傾き関数を導出する導出手段と、
    (i)前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値を測定し、(ii)該測定された複素インピーダンスの前記所定周波数における値を前記傾き関数に代入して、測定時の前記電池の温度を推定する推定手段と
    を備え
    前記所定周波数は、Cole−Coleプロットした複素インピーダンスの傾き成分に対応する周波数である
    ことを特徴とする温度推定装置。
  2. 前記導出手段は、前記複素インピーダンスの絶対値及び実数成分の少なくとも一方を、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値として用いることを特徴とする請求項1に記載の温度推定装置。
  3. 前記傾き関数は、前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値をZ、前記電池の温度をTとすると、傾きA及び切片Bを含む下記数式
    logZ=A×(1/T)+B
    として表されることを特徴とする請求項1又は2に記載の温度推定装置。
  4. 前記導出手段は、前記傾きA又は前記切片Bの一方が既知である場合、測定精度が保証される前記電池の温度と、該測定精度が保証される前記電池の温度で取得された前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値とを用いて、前記傾きA又は前記切片Bの他方を算出することを特徴とする請求項3に記載の温度推定装置。
  5. 前記推定手段は、
    前記導出手段が予め導出した複数種類の電池の各々に対応する複数の前記傾き関数を記憶しており、
    測定精度が保証される前記電池の温度と、該測定精度が保証される前記電池の温度で取得された前記複素インピーダンスの前記所定周波数における値とに基づいて、前記記憶している複数の前記傾き関数の中から、前記電池の温度の推定に用いる前記傾き関数を決定する
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の温度推定装置。
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