JP6927000B2 - Deterioration state estimation method for secondary batteries - Google Patents
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Description
本開示は、二次電池の劣化状態推定方法に関し、より特定的には、車両に搭載された二次電池の劣化状態を推定するための二次電池の劣化状態推定方法に関する。 The present disclosure relates to a method for estimating a deterioration state of a secondary battery, and more specifically, to a method for estimating a deterioration state of a secondary battery for estimating the deterioration state of a secondary battery mounted on a vehicle.
近年、走行用の二次電池が搭載された車両の普及が進んでいる。これらの車両に搭載された二次電池は、使用方法または使用環境に伴い、あるいは時間の経過に伴い劣化し得るため、二次電池の劣化状態を高精度に推定することが求められている。そこで、二次電池のインピーダンス(内部抵抗)に基づいて二次電池の劣化状態を推定する方法が提案されている。 In recent years, vehicles equipped with a secondary battery for traveling have become widespread. Since the secondary batteries mounted on these vehicles can deteriorate with the usage method or environment, or with the passage of time, it is required to estimate the deterioration state of the secondary batteries with high accuracy. Therefore, a method of estimating the deterioration state of the secondary battery based on the impedance (internal resistance) of the secondary battery has been proposed.
たとえば、特開2005−221487号公報(特許文献1)に開示された方法によれば、周期性を持たない多様な波形の充放電電流が二次電池を流れる状態で電流値および電圧値が測定される。そして、測定された電流値および電圧値のフーリエ変換を行なうことにより、フーリエ変換後の電流値および電圧値から周波数毎のインピーダンス成分が算出される。 For example, according to the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-221487 (Patent Document 1), the current value and the voltage value are measured in a state where charge / discharge currents having various waveforms having no periodicity flow through the secondary battery. Will be done. Then, by performing the Fourier transform of the measured current value and voltage value, the impedance component for each frequency is calculated from the current value and voltage value after the Fourier transform.
本発明者らは、所定周波数域におけるインピーダンス成分(後述する反応抵抗)が電流依存性および温度依存性を有する点に着目した。反応抵抗の電流依存性および温度依存性を考慮しないと、反応抵抗を高精度に算出することができなくなる可能性がある。その結果、二次電池の劣化状態の推定精度が低下してしまう可能性がある。 The present inventors have focused on the fact that the impedance component (reaction resistance described later) in a predetermined frequency range has current dependence and temperature dependence. If the current dependence and temperature dependence of the reaction resistance are not taken into consideration, it may not be possible to calculate the reaction resistance with high accuracy. As a result, the accuracy of estimating the deteriorated state of the secondary battery may decrease.
本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、車両に搭載された二次電池の劣化状態を推定するための劣化状態推定方法において、二次電池の劣化状態の推定精度を向上させることである。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to use a deterioration state estimation method for estimating a deterioration state of a secondary battery mounted on a vehicle, in which the deterioration state of the secondary battery is determined. It is to improve the estimation accuracy.
本開示のある局面に従う二次電池の劣化状態推定方法は、車両に搭載された二次電池について制御装置により実行される。二次電池の劣化状態推定方法は、第1〜第6のステップを含む。第1のステップは、二次電池の電圧値および電流値を所定期間に複数回取得してメモリに格納するステップである。第2のステップは、所定期間における、二次電池の電流変化幅、二次電池の温度変化幅および二次電池のSOC変化幅を算出するステップである。第3のステップは、所定期間における二次電池の温度、電流またはSOC毎に定められた、電流変化幅の許容上限を示す許容電流変化幅、温度変化幅の許容上限を示す許容温度変化幅、および、SOC変化幅の許容上限を示す許容SOC変化幅を二次電池の温度、電流またはSOCから取得するステップである。第4のステップは、電流変化幅が許容電流変化幅を下回るとの電流条件、温度変化幅が許容温度変化幅を下回るとの温度条件、および、SOC変化幅が許容SOC変化幅を下回るとのSOC条件がいずれも成立する場合に、メモリに格納された二次電池の複数回の電圧値および電流値の周波数変換を行なうことにより、周波数変換された電圧値および電流値から二次電池の周波数域毎のインピーダンス成分を算出するステップである。第5のステップは、所定期間における二次電池の温度、および、所定周波数域の電流値に従って、その所定周波数域に対応するインピーダンス成分である反応抵抗を補正する補正処理を実行するステップである。第6のステップは、周波数域毎のインピーダンス成分を用いて、各周波数域に応じた劣化モードの二次電池の劣化状態を推定するステップである。補正処理は、所定周波数域の電流値が小さいほど反応抵抗が低くなるように反応抵抗を補正し、かつ、所定期間における二次電池の温度が低いほど反応抵抗が低くなるように反応抵抗を補正する処理である。 The method for estimating the deterioration state of the secondary battery according to a certain aspect of the present disclosure is executed by the control device for the secondary battery mounted on the vehicle. The method for estimating the deterioration state of the secondary battery includes the first to sixth steps. The first step is a step of acquiring the voltage value and the current value of the secondary battery a plurality of times in a predetermined period and storing them in the memory. The second step is a step of calculating the current change width of the secondary battery, the temperature change width of the secondary battery, and the SOC change width of the secondary battery in a predetermined period. The third step is the permissible current change width indicating the permissible upper limit of the current change width and the permissible temperature change width indicating the permissible upper limit of the temperature change width, which are determined for each secondary battery temperature, current or SOC in a predetermined period. In addition, it is a step of acquiring the allowable SOC change width indicating the allowable upper limit of the SOC change width from the temperature, current, or SOC of the secondary battery. The fourth step is the current condition that the current change width is less than the permissible current change width, the temperature condition that the temperature change width is less than the permissible temperature change width, and the SOC change width is less than the permissible SOC change width. When all the SOC conditions are satisfied, the frequency of the secondary battery is converted from the frequency-converted voltage value and current value by performing frequency conversion of the voltage value and current value of the secondary battery stored in the memory multiple times. This is a step of calculating the impedance component for each region. The fifth step is a step of executing a correction process for correcting the reaction resistance, which is an impedance component corresponding to the predetermined frequency range, according to the temperature of the secondary battery in the predetermined period and the current value in the predetermined frequency range. The sixth step is a step of estimating the deterioration state of the secondary battery in the deterioration mode corresponding to each frequency range by using the impedance component for each frequency range. The correction process corrects the reaction resistance so that the smaller the current value in the predetermined frequency range, the lower the reaction resistance, and the lower the temperature of the secondary battery in the predetermined period, the lower the reaction resistance. It is a process to do.
上記方法によれば、二次電池を流れる電流が小さいほど反応抵抗が高くなる点に着目し、所定期間における温度および所定周波数域の電流に基づいて反応抵抗が補正される(詳細は後述)。このように、反応抵抗の電流依存性および温度依存性を考慮することで、反応抵抗の算出精度を向上させることができる。したがって、二次電池の劣化状態の推定精度を向上させることができる。 According to the above method, paying attention to the fact that the smaller the current flowing through the secondary battery, the higher the reaction resistance, the reaction resistance is corrected based on the temperature in a predetermined period and the current in a predetermined frequency range (details will be described later). In this way, the accuracy of calculating the reaction resistance can be improved by considering the current dependence and the temperature dependence of the reaction resistance. Therefore, the accuracy of estimating the deteriorated state of the secondary battery can be improved.
本開示によれば、二次電池の劣化状態の推定精度を向上させることができる。 According to the present disclosure, it is possible to improve the estimation accuracy of the deteriorated state of the secondary battery.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
[実施の形態]
<二次電池システムの構成>
図1は、本実施の形態に係る二次電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示す図である。図1を参照して、車両1は、ハイブリッド車両である。しかし、本開示に係る電池システムが搭載可能な車両はハイブリッド車両(プラグインハイブリッド車を含む)に限られない。本開示に係る電池システムは、二次電池システムから供給される電力を用いて駆動力を発生させる車両全般に搭載可能である。そのため、車両1は、電気自動車またな燃料電池車であってもよい。
[Embodiment]
<Configuration of secondary battery system>
FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a vehicle equipped with a secondary battery system according to the present embodiment. With reference to FIG. 1,
車両1は、二次電池システム2と、パワーコントロールユニット(PCU:Power Control Unit)30と、モータジェネレータ41,42と、エンジン50と、動力分割装置60と、駆動軸70と、駆動輪80とを備える。二次電池システム2は、バッテリ10と、監視ユニット20と、電子制御装置(ECU:Electronic Control Unit)100とを備える。
The
エンジン50は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギーをピストンおよびロータなどの運動子の運動エネルギーに変換することによって動力を出力する内燃機関である。
The
動力分割装置60は、たとえば、サンギヤ、キャリア、リングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車機構(図示せず)を含む。動力分割装置60は、エンジン50から出力される動力を、モータジェネレータ41を駆動する動力と、駆動輪80を駆動する動力とに分割する。
The
モータジェネレータ41,42の各々は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石(図示せず)が埋設された三相交流同期電動機である。モータジェネレータ41は、主として、動力分割装置60を経由してエンジン50により駆動される発電機として用いられる。モータジェネレータ41が発電した電力は、PCU30を介してモータジェネレータ42またはバッテリ10に供給される。
Each of the
モータジェネレータ42は、主として電動機として動作し、駆動輪80を駆動する。モータジェネレータ42は、バッテリ10からの電力およびモータジェネレータ41の発電電力の少なくとも一方を受けて駆動され、モータジェネレータ42の駆動力は駆動軸70に伝達される。一方、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、モータジェネレータ42は、発電機として動作して回生発電を行なう。モータジェネレータ42が発電した電力は、PCU30を介してバッテリ10に供給される。
The
バッテリ10は、複数のセルを含んで構成される組電池である。各セル12は、たとえばリチウムイオン二次電池またはニッケル水素電池などの二次電池である。バッテリ10は、モータジェネレータ41,42を駆動するための電力を蓄え、PCU50を通じてモータジェネレータ41,42へ電力を供給する。また、バッテリ10は、モータジェネレータ41,42の発電時にPCU30を通じて発電電力を受けて充電される。
The
監視ユニット20は、電圧センサ21と、電流センサ22と、温度センサ23とを含む。電圧センサ21は、バッテリ10の電圧VBを検出する。電流センサ22は、バッテリ10に入出力される電流IBを検出する。温度センサ23は、バッテリ10の温度TBを検出する。各センサは、その検出結果を示す信号をECU100に出力する。なお、バッテリ10および監視ユニット20の構成については図2にて、より詳細に説明する。
The
PCU30は、ECU100からの制御信号に従って、バッテリ10とモータジェネレータ41,42との間で双方向の電力変換を実行する。PCU30は、モータジェネレータ41,42の状態を別々に制御可能に構成されており、たとえば、モータジェネレータ41を回生状態(発電状態)にしつつ、モータジェネレータ42を力行状態にすることができる。PCU30は、たとえば、モータジェネレータ41,42に対応して設けられる2つのインバータと、各インバータに供給される直流電圧をバッテリ10の出力電圧以上に昇圧するコンバータ(いずれも図示せず)とを含んで構成される。
The
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)101と、メモリ(ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory))101と、各種信号が入出力される入出力ポート(図示せず)とを含んで構成される。ECU100は、各センサから受ける信号ならびにメモリ102に記憶されたプログラムおよびマップに基づいて、車両1を所望の状態に制御するための各種処理を実行する。
The
より具体的には、ECU100は、エンジン50およびPCU30を制御することによってバッテリ10の充放電を制御する。また、ECU100は、バッテリ10のSOC(State Of Charge)を推定する。SOCの推定には、電流積算法、OCV−SOCカーブを用いる手法など公知の手法を用いることができる。さらに、ECU100は、バッテリ10のインピーダンス(内部抵抗)を算出する。バッテリ10のインピーダンスは、電圧VBと電流IBとの比(=VB/IB)から算出することができる。インピーダンスの算出については後に詳細に説明する。
More specifically, the
図2は、バッテリ10および監視ユニット20の構成をより詳細に示す図である。図1および図2を参照して、バッテリ10は、直列接続されたM個のブロック11を含む。各ブロック11は、並列接続されたN個のセル12を含む。M,Nは、2以上の自然数である。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the
電圧センサ21は、各ブロック11の電圧を検出する。電流センサ22は、すべてのブロック11を流れる電流IBを検出する。温度センサ23は、バッテリ10の温度を検出する。ただし、電圧センサの監視単位はブロックに限定されず、セル12毎であってもよいし、隣接する複数(ブロック内のセル数未満の数)のセル12毎であってもよい。また、温度センサ23の監視単位も特に限定されず、たとえばブロック毎(あるいはセル毎)の温度が検出されてもよい。
The
このようなバッテリ10の内部構成および監視ユニット20の監視単位は例示に過ぎず、特に限定されるものではない。したがって、以下では、複数のブロック11を互いに区別したり複数のセル12を互いに区別したりせず、単にバッテリ10と包括的に記載する。また、監視ユニット20は、バッテリ10の電圧VB,電流IBおよび温度TBを監視すると記載する。
The internal configuration of the
<車両走行中における電圧および電流の変化>
以上のように構成された車両1の走行中においては、バッテリ10の電圧VB、電流IB、温度TBおよびSOCが時間経過とともに変化し得る。なお、車両1の「走行中」とは、車両1がイグニッションオンされて走行可能な状態であればよく、車両1が一時停止した状態が含まれていてもよい。
<Changes in voltage and current while the vehicle is running>
While the
図3は、車両1の走行中におけるバッテリ10の電流IB、温度TBおよびSOCの時間変化の一例を示す図である。図3および後述する図12において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、上から順に、電流IB、温度TBおよびSOCを示す。なお、電圧VBも電流IBと同様に不規則に変化し得るが、図面が煩雑になるのを防ぐため、以下では電圧VBについては図示を省略する。
FIG. 3 is a diagram showing an example of time changes in the current IB, temperature TB, and SOC of the
図3を参照して、温度TBおよびSOCの変化にはある程度の時間を要し、温度TBおよびSOCは比較的滑らかに変化する場合が多い。これに対し、車両1の走行中には、モータジェネレータ42が発生させる駆動力が調整されるのに伴いバッテリからの放電電流が変動したり、モータジェネレータ42の回生発電に伴いバッテリ10に充電電流が流れたりすることで、電流IBが不規則に変化する可能性がある。このように不規則に変化する電流IBに基づいてバッテリ10のインピーダンスを算出する際に、本実施の形態では以下に説明するように、インピーダンス成分の周波数依存性が考慮される。
With reference to FIG. 3, it takes a certain amount of time for the temperature TB and SOC to change, and the temperature TB and SOC often change relatively smoothly. On the other hand, while the
<インピーダンス算出>
図4は、バッテリ10のインピーダンス成分を説明するための図である。図4には、バッテリ10(より詳細には各セル12)の正極、負極およびセパレータの等価回路図の一例が示されている。一般に、二次電池のインピーダンス成分は、直流抵抗RDCと、反応抵抗Rcと、拡散抵抗Rdとに大別される。
<Impedance calculation>
FIG. 4 is a diagram for explaining the impedance component of the
直流抵抗RDCとは、正極と負極との間でのイオンおよび電子の移動に関連するインピーダンス成分である。直流抵抗RDCは、二次電池に高負荷が印加された場合(高電圧が印加されたり大電流が流れたりした場合)の電解液の塩濃度分布等の偏りによる増加する。直流抵抗RDCは、図4に示す等価回路図において、正極の活物質抵抗Ra1、負極の活物質抵抗Ra2およびセパレータの電解液抵抗R3として表される。 The DC resistance R DC is an impedance component related to the movement of ions and electrons between the positive electrode and the negative electrode. The DC resistance R DC increases due to a bias in the salt concentration distribution of the electrolytic solution when a high load is applied to the secondary battery (when a high voltage is applied or a large current flows). The DC resistance R DC is represented in the equivalent circuit diagram shown in FIG. 4 as the active material resistance Ra1 of the positive electrode, the active material resistance Ra2 of the negative electrode, and the electrolyte resistance R3 of the separator.
反応抵抗Rcとは、電解液と活物質界面との界面(正極活物質および負極活物質の表面)における電荷の授受(電荷移動)に関連するインピーダンス成分である。反応抵抗Rcは、高SOC状態の二次電池が高温環境下にある場合に活物質/電解液界面に被膜が成長することなどにより増加する。反応抵抗Rcは、等価回路図において、正極の抵抗成分Rc1および負極の抵抗成分Rc2として表される。 The reaction resistance R c is an impedance component related to charge transfer (charge transfer) at the interface between the electrolytic solution and the active material interface (the surface of the positive electrode active material and the negative electrode active material). The reaction resistance R c increases due to the growth of a film at the active material / electrolyte interface when the secondary battery in a high SOC state is in a high temperature environment. The reaction resistance R c is represented as a positive electrode resistance component Rc1 and a negative electrode resistance component Rc2 in the equivalent circuit diagram.
拡散抵抗Rdとは、電解液中での塩または活物質中の電荷輸送物質の拡散に関連するインピーダンス成分である。拡散抵抗Rdは、高負荷印加時の活物質割れなどにより増加する。拡散抵抗Rdは、正極に発生する平衡電圧Veq1と、負極に発生する平衡電圧Veq2と、セル内に発生する塩濃度過電圧Vov3(セパレータ内で活物質の塩濃度分布が生じることに起因する過電圧)とから定まる。 The diffusion resistance R d is an impedance component related to the diffusion of a salt in an electrolytic solution or a charge transporting substance in an active material. The diffusion resistance R d increases due to cracking of the active material when a high load is applied. The diffusion resistance R d is the equilibrium voltage Veq1 generated in the positive electrode, the equilibrium voltage Veq2 generated in the negative electrode, and the salt concentration overvoltage Vov3 generated in the cell (overvoltage caused by the salt concentration distribution of the active material in the separator). ) And it is decided.
バッテリ10のインピーダンスには上記のような様々なインピーダンス成分が含まれるところ、電流IBの変化に対する応答時間がインピーダンス成分毎に異なる。応答時間が相対的に短いインピーダンス成分は、電圧VBの高周波数での変化に追従可能である。一方、応答時間が相対的に長いインピーダンス成分は、高周波数での電圧VBの変化には追従することができない。したがって、以下に説明するように、低周波域、中周波域および高周波域の周波数域毎に、その周波数域において支配的なバッテリ10のインピーダンス成分が存在する。
Where the impedance of the
図5は、バッテリ10のインピーダンス成分の周波数依存性を説明するための図である。図5において、横軸は電流IB(または電圧VB)の周波数を示し、縦軸はバッテリ10のインピーダンスを示す。
FIG. 5 is a diagram for explaining the frequency dependence of the impedance component of the
以下では、電流IBの周波数が高周波域に含まれる場合に測定されるインピーダンスを「高周波インピーダンス成分」と称する。電流IBの周波数が中周波域に含まれる場合に測定されるインピーダンスを「中周波インピーダンス成分」と称する。電流IBの周波数が低周波域に含まれる場合に測定されるインピーダンスを「低周波インピーダンス成分」と称する。 Hereinafter, the impedance measured when the frequency of the current IB is included in the high frequency region is referred to as a “high frequency impedance component”. The impedance measured when the frequency of the current IB is included in the medium frequency range is referred to as a "medium frequency impedance component". The impedance measured when the frequency of the current IB is included in the low frequency region is referred to as a "low frequency impedance component".
図5に示すように、高周波インピーダンス成分には、主としてバッテリ10の直流抵抗RDCが反映されている。中周波インピーダンス成分には、主としてバッテリ10の反応抵抗Rcと直流抵抗RDCとが反映されている。そのため、中周波インピーダンス成分と高周波インピーダンス成分との差分から反応抵抗Rcを求めることができる。低周波インピーダンス成分には、バッテリ10の反応抵抗Rc、直流抵抗RDCおよび拡散抵抗Rdがいずれも反映されている。そのため、低周波インピーダンス成分と中周波インピーダンス成分との差分から拡散抵抗Rdを求めることができる。 As shown in FIG. 5, the DC resistance R DC of the battery 10 is mainly reflected in the high frequency impedance component. The medium frequency impedance component mainly reflects the reaction resistance R c and the DC resistance R DC of the battery 10. Therefore, the reaction resistance R c can be obtained from the difference between the medium frequency impedance component and the high frequency impedance component. The low-frequency impedance component reflects the reaction resistance R c , the DC resistance R DC, and the diffusion resistance R d of the battery 10. Therefore, the diffusion resistance R d can be obtained from the difference between the low frequency impedance component and the medium frequency impedance component.
このように、周波数域毎にインピーダンス成分を算出することにより、直流抵抗RDC、反応抵抗Rcおよび拡散抵抗Rdの各抵抗を切り分けることができる。そして、これらの各抵抗は、バッテリ10の異なる劣化の要因(劣化モード)に対応する。したがって、現時点での抵抗(直流抵抗RDC、反応抵抗Rcおよび拡散抵抗Rdのいずれか)がバッテリ10の初期状態における抵抗からどの程度増加したかを求めることによって(あるいは増加率を求めることによって)、バッテリ10の劣化の要因を推定したり、要因毎の劣化の進行度合いを推定したりすることができる。つまり、バッテリ10の劣化状態を高精度に推定することが可能になる。
By calculating the impedance component for each frequency range in this way, each of the DC resistance R DC , the reaction resistance R c, and the diffusion resistance R d can be separated. Then, each of these resistors corresponds to a different deterioration factor (deterioration mode) of the
<フーリエ変換>
本実施の形態においては、前述のような周波数域毎のインピーダンス成分の算出にフーリエ変換が用いられる。
<Fourier transform>
In the present embodiment, the Fourier transform is used to calculate the impedance component for each frequency range as described above.
図6は、フーリエ変換による周波数域毎のインピーダンス成分の算出手法を説明するための概念図である。図6に示すように、電流IB(および電圧VB)にフーリエ変換を施すことにより、電流IBを低周波成分と中周波成分と高周波成分とに分解することができる。このように分解された電圧VBおよび電流IBに基づいて、周波数域毎にインピーダンス成分を算出することができる。 FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a method of calculating an impedance component for each frequency domain by Fourier transform. As shown in FIG. 6, by applying a Fourier transform to the current IB (and voltage VB), the current IB can be decomposed into a low frequency component, a medium frequency component, and a high frequency component. The impedance component can be calculated for each frequency range based on the voltage VB and the current IB decomposed in this way.
なお、以下では、電圧VBおよび電流IBに対して高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)を実施することによりインピーダンス成分を算出する例について説明する。ただし、フーリエ変換のアルゴリズムはFFTに限定されず、離散フーリエ変換(DFT:Discrete Fourier Transform)であってもよい。 In the following, an example of calculating the impedance component by performing a fast Fourier transform (FFT) on the voltage VB and the current IB will be described. However, the Fourier transform algorithm is not limited to the FFT, and may be a Discrete Fourier Transform (DFT).
図7は、インピーダンス成分の算出結果の一例を示す図である。図7において、横軸は、周波数を対数目盛りで示す。低周波域は、たとえば0.001Hz以上かつ0.1Hz未満の周波数域である。中周波域は、たとえば1Hz以上かつ10Hz未満の周波数域である。高周波域は、たとえば100Hz以上かつ1kHz未満の周波数域である。図7の縦軸は、インピーダンスを示す。 FIG. 7 is a diagram showing an example of the calculation result of the impedance component. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the frequency on a logarithmic scale. The low frequency range is, for example, a frequency range of 0.001 Hz or more and less than 0.1 Hz. The medium frequency range is, for example, a frequency range of 1 Hz or more and less than 10 Hz. The high frequency range is, for example, a frequency range of 100 Hz or more and less than 1 kHz. The vertical axis of FIG. 7 shows impedance.
図7に示すように、各周波数域において、周波数が異なる多数のインピーダンス成分が算出される。そのため、ECU100は、低周波域、中周波域および高周波数域の各々について、多数のインピーダンス成分から代表値を決定する。
As shown in FIG. 7, a large number of impedance components having different frequencies are calculated in each frequency range. Therefore, the
たとえばインピーダンス成分の最大値を代表値とする場合には、ECU100は、低周波域におけるインピーダンス成分の最大値を低周波インピーダンス成分ZLに決定する。また、ECU100は、中周波域におけるインピーダンス成分の最大値を中周波インピーダンス成分ZMに決定するとともに、高周波域におけるインピーダンス成分の最大値を高周波インピーダンス成分ZHに決定する。なお、最大値を代表値とすることは一例であり、各周波数域内におけるインピーダンス成分の平均値を代表値としてもよいし中間値を代表値としてもよい。
For example, when the maximum value of the impedance component is used as a representative value, the
<データ取得期間>
FFTの精度を確保するためには、サンプリング周期毎に繰り返し取得されたデータ(電圧VBおよび電流IB)を、ある程度の期間、ECU100のメモリ102に格納した上でFFTを実施することが求められる。このようにデータを取得してメモリ102に格納する期間を「データ取得期間」とも記載する。なお、データ取得期間は、本開示に係る「所定期間」に相当する。
<Data acquisition period>
In order to ensure the accuracy of the FFT, it is required to store the data (voltage VB and current IB) repeatedly acquired for each sampling cycle in the
バッテリ10のインピーダンス(各周波数域のインピーダンス成分)は、電流依存性、温度依存性およびSOC依存性を有し得る。そのため、あるデータ取得期間中にバッテリ10の電流IB、温度TBおよびSOCのいずれかが過度に変化した場合には、そのデータ取得期間中のある期間(変化前の期間)と別の期間(変化後の期間)とでは依存性(電流依存性、温度依存性またはSOC依存性)の影響が異なるにもかかわらず一括してフーリエ変換(FFT)が実施されることになるので、高精度にインピーダンスを算出することができなくなる可能性がある。
The impedance of the battery 10 (impedance component in each frequency range) may have current dependence, temperature dependence and SOC dependence. Therefore, if any of the current IB, temperature TB, and SOC of the
このような事情に鑑み、FFTの対象とするデータには、データ取得期間中にバッテリ10の電流IB、温度TBおよびSOCがいずれも大きく変化していないとの条件を課すこととする。この条件が成立しているか否かは、電流変化幅ΔIB、温度変化幅ΔTBおよびSOC変化幅ΔSOCに基づいて判定される。
In view of such circumstances, the data subject to the FFT is subject to the condition that the current IB, the temperature TB, and the SOC of the
より詳細には、電流変化幅ΔIBは、あるデータ取得期間(nを自然数として、データ取得期間Pnと記載する)におけるバッテリ10の充電方向および放電方向の両方向を考慮した上で、電流IBの変化幅(充電方向の最大電流と放電方向の最大電流との差)から算出することができる。温度変化幅ΔTBは、データ取得期間Pnにおける最高温度(温度TBの最高値)と最低温度(温度TBの最低値)との差分から算出することができる。SOC変化幅ΔSOCは、データ取得期間Pnにおける最高SOCと最低SOCとの差分から算出することができる。
More specifically, the current change width ΔIB is the current IB after considering both the charging direction and the discharging direction of the
<反応抵抗の電流依存性および温度依存性>
前述のように、バッテリ10の周波数毎のインピーダンス成分(低周波インピーダンス成分ZL、中周波インピーダンス成分ZMおよび高周波インピーダンス成分ZH)をFFTにより算出し、さらに、各インピーダンス成分を比較することでバッテリ10の直流抵抗RDC、反応抵抗Rcおよび拡散抵抗Rdを求めることができる。具体的には、高周波インピーダンス成分ZHから直流抵抗RDCが算出される(RDC=ZH)。中周波インピーダンス成分ZMと高周波インピーダンス成分ZHとの差分から反応抵抗Rcが算出される(Rc=ZM−ZH)。低周波インピーダンス成分ZLと中周波インピーダンス成分ZMとの差分から拡散抵抗Rdが算出される(Rd=ZL−ZM)。
<Current dependence and temperature dependence of reaction resistance>
As described above, the impedance components (low-frequency impedance component Z L , medium-frequency impedance component Z M, and high-frequency impedance component Z H ) for each frequency of the
ここで、本発明者らは、反応抵抗Rcが以下に説明するような電流依存性および温度依存性を有する点に着目した。 Here, the present inventors have focused on the fact that the reaction resistance R c has current dependence and temperature dependence as described below.
図8は、反応抵抗Rcの電流依存性を説明するための図である。図8において、横軸は電流IBを示し、縦軸は反応抵抗Rcを示す。この図に示す反応抵抗Rcの特性は、バッテリ10の温度TBを−30℃に維持した状態で電流IBを調整することで測定されたものである。図8に示すように、バッテリ10が低温(たとえば氷点下)である場合、電流IBが小さいほど反応抵抗Rcは高くなる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the current dependence of the reaction resistor Rc. In FIG. 8, the horizontal axis represents the current IB and the vertical axis represents the reaction resistance R c . The characteristics of the reaction resistance R c shown in this figure are measured by adjusting the current IB while maintaining the temperature TB of the
そこで、本実施の形態においては、反応抵抗Rcの電流依存性および温度依存性を考慮して反応抵抗Rcを補正する構成を採用する。より具体的には、周波数成分毎のインピーダンス成分の比較に基づく反応抵抗Rcの算出値(すなわち、Rc=ZM−ZH)を基準として、反応抵抗Rcに対応する中周波域の電流(以下、「中周波電流成分」とも称する)が小さいほど反応抵抗Rcが低くなるように反応抵抗Rcを補正する。さらに、データ取得期間Pnにおける平均温度TBaveが低いほど反応抵抗Rcが低くなるように(言い換えると、反応抵抗Rcの補正量が大きくなるように)反応抵抗Rcを補正する。これにより、反応抵抗Rcの算出精度が向上するため、バッテリ10の劣化状態の推定精度を向上させることができる。
Therefore, in the present embodiment adopts a configuration of correcting the reaction resistance R c in consideration of the current dependence and temperature dependence of the reaction resistance Rc. More specifically, the calculated value of the reaction resistance R c based on a comparison of the impedance component of each frequency component (i.e., R c = Z M -Z H ) as a reference, the current frequency range in corresponding to the reaction resistance Rc The reaction resistance R c is corrected so that the smaller the value (hereinafter, also referred to as “medium frequency current component”), the lower the reaction resistance R c. Further, the reaction resistance R c is corrected so that the lower the average temperature TB ave in the data acquisition period P n, the lower the reaction resistance R c (in other words, the larger the correction amount of the reaction resistance R c ). As a result, the calculation accuracy of the reaction resistance R c is improved, so that the estimation accuracy of the deteriorated state of the
<バッテリの劣化状態の判定フロー>
図9は、本実施の形態におけるバッテリ10の劣化状態の判定方法を示すフローチャートである。このフローチャートは、車両1の走行中に所定周期が経過する度にメインルーチンから呼び出されて実行される。各ステップ(Sと略す)は、基本的にはECU100によるソフトウェア処理によって実現されるが、ECU100内に作製された電子回路によるハードウェア処理によって実現されてもよい。
<Battery deterioration status judgment flow>
FIG. 9 is a flowchart showing a method of determining a deteriorated state of the
図9を参照して、ECU100は、あるデータ取得期間Pnにおいて、バッテリ10の監視ユニット20内の各センサから予め定められたサンプリング周期で電圧VBおよび電流IBを取得する(S1)。ECU100により取得されたすべてのデータ(電圧VBおよび電流IBの取得結果)は、メモリ102に一時的に格納される。なお、データ取得期間Pnの長さは、たとえば数秒〜数十秒程度に設定することができる。サンプリング周期は、たとえばミリ秒オーダー〜数百ミリ秒オーダーに設定することができる。
With reference to FIG. 9, the
S2において、ECU100は、データ取得期間Pnにおける電流IBの変化幅を示す電流変化幅ΔIBを算出する。また、ECU100は、データ取得期間Pnにおける温度TBの変化幅を示す温度変化幅ΔTBを算出する。さらに、ECU100は、データ取得期間Pnにおけるバッテリ10のSOCの変化幅を示すSOC変化幅ΔSOCを算出する。
In S2,
ECU100のメモリ102には、データ取得期間Pnにおける平均温度TBaveと、許容電流変化幅ΔIBmaxとの間の対応関係が規定されたマップMP1が不揮発的に記憶されている。許容電流変化幅ΔIBmaxとは、S1にてメモリ102に格納されたデータをインピーダンス算出に使用するか否かの判定基準となるパラメータであり、電流変化幅ΔIBの許容上限を示すものである。
The
図10は、マップMP1の一例を示す図である。図10に示すように、マップMP1では、データ取得期間Pnにおけるバッテリ10の平均温度TBaveの範囲毎に、データ取得期間Pnにおける許容電流変化幅ΔIBmaxが定められている。マップMP1には、許容温度変化幅ΔTBmaxおよび許容SOC変化幅ΔSOCmaxについても平均温度TBaveの範囲毎の値が定められている。なお、図10に示した具体的な数値は、マップMP1の理解を容易にするための例示に過ぎないことに留意すべきである。
FIG. 10 is a diagram showing an example of the map MP1. As shown in FIG. 10, the map MP1, each range of the average temperature TB ave of the
S3において、ECU100は、マップMP1を参照することによって平均温度TBaveから許容電流変化幅ΔIBmaxを取得する。また、温度変化幅ΔTBおよびSOC変化幅ΔSOCについても同様に、ECU100は、マップMP1を参照することによって平均温度TBaveから許容温度変化幅ΔTBmaxおよび許容SOC変化幅ΔSOCmaxをそれぞれ取得する。
In S3, the
図9に戻り、S4において、ECU100は、電流変化幅ΔIBが許容電流変化幅ΔIBmax未満であるか否かを判定する。さらに、ECU100は、温度変化幅ΔTBが許容温度変化幅ΔTBmax未満であるか否かを判定するとともに、SOC変化幅ΔSOCが許容SOC変化幅ΔSOCmax未満であるか否かを判定する。
Returning to FIG. 9, in S4, the
電流変化幅ΔIB、温度変化幅ΔTBおよびSOC変化幅ΔSOCがいずれも対応する許容変化幅未満である場合、すなわち、ΔIB<ΔIBmaxとの電流条件が成立し、かつ、ΔTB<ΔTBmaxとの温度条件が成立し、かつΔSOC<ΔSOCmaxとのSOC条件が成立する場合(S4においてYES)、ECU100は、S1にてメモリ102に蓄積されたデータ(電圧VBおよび電流IB)に対してFFTを実施する(S5)。
When the current change width ΔIB, the temperature change width ΔTB and the SOC change width ΔSOC are all less than the corresponding allowable change widths, that is, the current condition of ΔIB <ΔIB max is satisfied and the temperature is ΔTB <ΔTB max. When the condition is satisfied and the SOC condition of ΔSOC <ΔSOC max is satisfied (YES in S4), the
S6において、ECU100は、FFT後の電圧成分および電流成分に基づいて、周波数毎にインピーダンス成分を算出する(インピーダンス成分の詳細な算出式については、たとえば特許文献1を参照)。さらに、ECU100は、周波数域毎のインピーダンス成分からバッテリ10の直流抵抗RDC、反応抵抗Rcおよび拡散抵抗Rdを算出する。この算出手法については図5にて詳細に説明したため、ここでは説明は繰り返さない。
In S6, the
S7において、ECU100は、補正マップMP2を参照することによって、S6にて算出された反応抵抗Rcを補正する。この処理は、本開示に係る「補正処理」に相当する。
In S7, the
図11は、補正マップMP2の一例を示す概念図である。図11に示すように、補正マップMP2においては、事前の実験結果(交流インピー測定結果)に基づいて、データ取得期間Pnにおける平均温度TBaveと、中周波電流成分(中周波域の電流)と、補正係数との間の対応関係が規定されている。補正マップMP2を参照することで、平均温度TBaveおよび中周波電流成分から補正係数が算出される。そして、S6にて算出された反応抵抗Rcに補正係数を乗算することにより、反応抵抗Rcが補正される。 FIG. 11 is a conceptual diagram showing an example of the correction map MP2. As shown in FIG. 11, in the correction map MP2, the average temperature TB ave in the data acquisition period Pn and the medium frequency current component (current in the medium frequency range) are based on the preliminary experimental results (AC impedance measurement results). And the correspondence between the correction coefficient are defined. By referring to the correction map MP2, the correction coefficient is calculated from the average temperature TB ave and the medium frequency current component. Then, by multiplying the correction factor to the reaction resistance R c calculated in S6, the reaction resistance R c is corrected.
なお、マップMP2ではデータ取得期間Pnにおける平均温度TBaveを用いる例を説明するが、平均温度TBaveに代えて、たとえば、データ取得期間Pnにおける最高温度または最低温度を用いてもよいし温度TBの最頻値を用いてもよい。また、補正マップMP2に代えて、関数または変換式を用いた反応抵抗Rcの補正も可能である。 Incidentally, an example will be described using the average temperature TB ave in the map MP2 the data acquisition period P n, instead of the average temperature TB ave, for example, may be used the maximum temperature or minimum temperature in the data obtaining period P n The mode value of temperature TB may be used. Further, instead of the correction map MP2, the reaction resistance R c can be corrected by using a function or a conversion formula.
その後、ECU100は、メモリ102に格納されたデータ(電圧VBおよび電流IBの取得結果)を破棄する(S8)。なお、S4にて電流変化幅ΔIB、温度変化幅ΔTBおよびSOC変化幅ΔSOCのうちの少なくとも1つが対応する許容変化幅以上である場合(S4においてNO)、すなわち、データ取得期間Pnの間に電流IB、温度TBまたはSOCがある程度大きく変動した場合には、ECU100は、S5〜S7の処理を実行することなく処理をS8に進め、メモリ102に格納されたデータを破棄する。
After that, the
S9において、ECU100は、S7にて算出された各抵抗成分(直流抵抗RDC、反応抵抗Rcおよび拡散抵抗Rd)に基づいて、バッテリ10の劣化状態を推定する。具体的には、ECU100は、直流抵抗RDCと許容値XHとを比較し、反応抵抗Rcと許容値XMとを比較し、拡散抵抗Rdと許容値XLとを比較する。そして、少なくとも1つの抵抗成分が許容値よりも高い場合、ECU100は、バッテリ10の劣化が進行していると判定する。一方、すべての抵抗成分が許容値以下である場合には、ECU100は、バッテリ10の劣化は進行していないと判定する。
In S9, the
なお、S10におけるバッテリ10の劣化状態の推定処理は別フローにて実行されてもよい。つまり、各抵抗成分の算出結果が蓄積されるまでS5〜S7の処理を繰り返し実行し、各抵抗成分の算出結果が蓄積されてからバッテリ10の劣化状態を推定してもよい。
The process of estimating the deterioration state of the
また、S10にてバッテリ10の劣化が進行していると判定された場合、ECU100は、バッテリ10の充放電を抑制することができる。具体的には、ECU100は、通常時(バッテリ10の劣化が進行していないと判定された場合)と比べて、バッテリ10の充放電電力の制限上限値(充電電力制御上限値および放電電力制御上限値)を低く設定する。これにより、バッテリ10の劣化のさらなる進行を抑制したり、バッテリ10の劣化速度を低減したりすることができる。さらに、ECU100は、バッテリ10の充放電を速やかに停止するための制御を実行してもよい。たとえば、ECU100は、車両1をフェールセーフモードへと遷移させ、それにより、ディーラ(あるいは修理工場等)へと車両1を持ち込んで適切な点検を受けるように車両1のユーザに報知する。
Further, when it is determined in S10 that the deterioration of the
図12は、比較例および本実施の形態における反応抵抗Rcの算出結果を比較するための図である。図12において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、バッテリ10の反応抵抗Rcを示す。図12では、一般的な交流インピーダンス測定によって精密に求められた反応抵抗Rcが「真値」として破線で示されている。
FIG. 12 is a diagram for comparing the calculation results of the reaction resistance R c in the comparative example and the present embodiment. In FIG. 12, the horizontal axis indicates the elapsed time. The vertical axis shows the reaction resistance R c of the
図12を参照して、比較例における反応抵抗Rcの算出結果、すなわち、S7における補正が行なわれなかった場合の反応抵抗Rcと、真値との間には誤差が生じている。これに対し、本実施の形態では、S7の処理を行なった結果、補正後の反応抵抗Rcと真値とがよく一致していることが分かる。 With reference to FIG. 12, there is an error between the calculation result of the reaction resistance R c in the comparative example, that is, the reaction resistance R c when the correction in S7 is not performed and the true value. On the other hand, in the present embodiment, as a result of performing the treatment of S7, it can be seen that the corrected reaction resistance R c and the true value are in good agreement.
以上のように、本実施の形態によれば、バッテリ10の温度TBが氷点下などの低温である場合に電流IB(より特定的には中周波電流成分)が小さいほど反応抵抗Rcは高くなる点に着目し、データ取得期間Pnにおける平均温度TBaveおよび中周波電流成分に基づいて反応抵抗Rcを補正する(図11に示した補正マップMP2を参照)。このように、反応抵抗Rcの電流依存性および温度依存性を考慮することで、反応抵抗Rcの算出精度を向上させることができる。その結果、バッテリ10の劣化状態の推定精度を向上させることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, when the temperature TB of the
また、本実施の形態によれば、データ取得期間中にバッテリ10の電流IB、温度TBおよびSOCのうちの少なくとも1つが対応する許容変化幅(ΔIBmax,ΔTBmax,ΔSOCmax)よりも大きく変化した場合には、そのデータ取得期間に取得されたデータ(電圧VBおよび電流IB)はFFTの対象から外され、インピーダンスの算出には用いられない。これにより、バッテリ10のインピーダンスの算出結果に電流依存性、温度依存性およびSOC依存性を適切に反映させることが可能になるので、バッテリ10の劣化状態の推定精度を向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, at least one of the current IB, the temperature TB and the SOC of the
なお、本実施の形態では、ハイブリッド車である車両1の走行中に生じる不規則な電流波形(および電圧波形)を用いてバッテリ10のインピーダンス成分を算出する構成について説明した。図示しないが、車両1がプラグインハイブリッド車または電気自動車である場合、すなわち、車両外部に設けられた電源(外部電源)から供給される電力によりバッテリ10を充電可能な構成(いわゆる外部充電が可能な構成)を車両1が有する場合には、外部充電時に外部電源から供給される電流波形によりインピーダンス成分を算出してもよい。外部電源からの一定の電流波形の電力を供給するのに代えて、周波数域が低周波域〜高周波域に亘る電流波形(サイン波、矩形波または三角波など)とすることによって、各周波数域におけるインピーダンス成分を算出することが可能になる。
In the present embodiment, a configuration for calculating the impedance component of the
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is shown by the scope of claims rather than the description of the embodiment described above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1 車両、2 二次電池システム、10 バッテリ、11 ブロック、12 セル、20 監視ユニット、21 電圧センサ、22 電流センサ、23 温度センサ、30 PCU、41,42 モータジェネレータ、50 エンジン、60 動力分割装置、70 駆動軸、80 駆動輪、100 ECU、101 CPU、102 メモリ。 1 vehicle, 2 rechargeable battery system, 10 batteries, 11 blocks, 12 cells, 20 monitoring units, 21 voltage sensors, 22 current sensors, 23 temperature sensors, 30 PCUs, 41, 42 motor generators, 50 engines, 60 power dividers. , 70 drive shafts, 80 drive wheels, 100 ECUs, 101 CPUs, 102 memories.
Claims (1)
前記二次電池の電圧値および電流値を所定期間に複数回取得してメモリに格納するステップと、
前記所定期間における、前記二次電池の電流変化幅、前記二次電池の温度変化幅および前記二次電池のSOC変化幅を算出するステップと、
前記所定期間における前記二次電池の温度、電流またはSOC毎に定められた、前記電流変化幅の許容上限を示す許容電流変化幅、前記温度変化幅の許容上限を示す許容温度変化幅、および、前記SOC変化幅の許容上限を示す許容SOC変化幅を前記二次電池の温度、電流またはSOCから取得するステップと、
前記電流変化幅が前記許容電流変化幅を下回るとの電流条件、前記温度変化幅が前記許容温度変化幅を下回るとの温度条件、および、前記SOC変化幅が前記許容SOC変化幅を下回るとのSOC条件がいずれも成立する場合に、前記メモリに格納された前記二次電池の前記複数回取得した電圧値および電流値の周波数変換を行なうことにより、周波数変換された電圧値および電流値から前記二次電池の周波数域毎のインピーダンス成分を算出するステップと、
前記所定期間における前記二次電池の温度、および、所定周波数域の電流値に従って、前記所定周波数域に対応するインピーダンス成分である反応抵抗を補正する補正処理を実行するステップと、
算出された周波数域毎のインピーダンス成分および前記補正処理による補正後の反応抵抗を用いて、各周波数域に応じた劣化モードの前記二次電池の劣化状態を推定するステップとを含み、
前記補正処理は、前記所定周波数域の電流値が小さいほど前記反応抵抗が低くなるように前記反応抵抗を補正し、かつ、前記所定期間における前記二次電池の温度が低いほど前記反応抵抗が低くなるように前記反応抵抗を補正する処理である、二次電池の劣化状態推定方法。 It is a method of estimating the deterioration state of the secondary battery, which is executed by the control device for the secondary battery mounted on the vehicle.
A step of acquiring the voltage value and the current value of the secondary battery a plurality of times in a predetermined period and storing them in the memory.
A step of calculating the current change width of the secondary battery, the temperature change width of the secondary battery, and the SOC change width of the secondary battery in the predetermined period, and
The permissible current change width indicating the permissible upper limit of the current change width, the permissible temperature change width indicating the permissible upper limit of the temperature change width, and the permissible temperature change width indicating the permissible upper limit of the current change width, which are determined for each of the temperature, current or SOC of the secondary battery in the predetermined period. The step of acquiring the permissible SOC change width indicating the permissible upper limit of the SOC change width from the temperature, current or SOC of the secondary battery, and
The current condition that the current change width is less than the allowable current change width, the temperature condition that the temperature change width is less than the allowable temperature change width, and the SOC change width are less than the allowable SOC change width. When all the SOC conditions are satisfied, the frequency conversion of the voltage value and the current value acquired a plurality of times of the secondary battery stored in the memory is performed, and the frequency-converted voltage value and the current value are used. Steps to calculate the impedance component for each frequency range of the secondary battery,
A step of executing a correction process for correcting the reaction resistance, which is an impedance component corresponding to the predetermined frequency range, according to the temperature of the secondary battery and the current value in the predetermined frequency range in the predetermined period.
It includes a step of estimating the deterioration state of the secondary battery in the deterioration mode corresponding to each frequency range by using the calculated impedance component for each frequency range and the reaction resistance after the correction by the correction process.
In the correction process, the reaction resistance is corrected so that the smaller the current value in the predetermined frequency range is, the lower the reaction resistance is, and the lower the temperature of the secondary battery in the predetermined period is, the lower the reaction resistance is. A method for estimating a deterioration state of a secondary battery, which is a process of correcting the reaction resistance so as to be.
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