JP7047717B2 - 電池制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載されるリチウムイオン電池を制御する電池制御装置に関する。
車両に用いられる鉛電池などの補機バッテリーは、例えば駐車で長期間放置されてバッテリーの出力が低下している状態でも車両の始動ができるように、バッテリーの劣化を精度よく判定し、走行中などの充電可能なときにバッテリーの蓄電量(SOC)を所定の高SOC状態に保持しておくことが要求される。近年では、この補機バッテリーとして、鉛電池に代えてリチウムイオン電池を採用することが検討されている。
リチウムイオン電池の劣化を判定する技術が特許文献1に開示されている。この技術では、リチウムイオン電池の開放端電圧(OCV)と周知の電流積算法で推定した蓄電量とに基づいて、電池の劣化を判断する。これにより、リチウムイオン電池の劣化を精度よく判定している。
特開2010-066232号公報
リチウムイオン電池は、鉛電池とは特性が異なり、長期間放置された場合においては、
低SOC状態に比べて高SOC状態である方が電池の劣化が進行する(図2を参照)。このため、リチウムイオン電池を補機バッテリーとして用いる場合には、リチウムイオン電池の劣化を精度よく判定することに加えて、電池の蓄電量の制御をリチウムイオン電池に適した制御に改善する余地がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、リチウムイオン電池の蓄電量を適切に制御し、リチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる、電池制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、車両に搭載されるリチウムイオン電池を、所定の基準蓄電量を制御中心として充放電制御する電池制御装置であって、リチウムイオン電池の容量維持率を推定する第1の処理部と、リチウムイオン電池の使用時間に対して、リチウムイオン電池の蓄電量が所定の蓄電量以下となる時間の割合を判断する第2の処理部と、第1の処理部が推定したリチウムイオン電池の容量維持率が、リチウムイオン電池の使用時間に基づいて定まる所定の劣化許容値未満であるか否かを判定する第3の処理部と、第3の処理部がリチウムイオン電池の容量維持率が劣化許容値未満であると判定した場合、第2の処理部が所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えると判断していれば基準蓄電量を所定量だけ低くする第4の処理部と、を備える。
上記本発明の電池制御装置によれば、リチウムイオン電池の劣化状態が劣化許容値未満であり、かつ、リチウムイオン電池が所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超える場合には、基準蓄電量を所定量だけ低くする。この制御によって、リチウムイオン電池が長期間放置された場合でも電池が劣化する程度を小さくできるので、リチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる。
本実施形態に係る電池制御装置を含む電源システムの概略構成のブロック図 電池の蓄電量を変化させたときの経年劣化特性の一例を示す図 電池の環境温度を変化させたときの経年劣化特性の一例を示す図 電池制御装置が実行するLi電池のSOC制御方法の処理フローチャート 電流積算法に基づくLi電池の満充電容量の算出手法を説明する図 電池の蓄電量ごとの存在時間を算出した例を示す図 電池の蓄電量ごとの存在頻度を算出した例を示す図 図7のLi電池の蓄電量ごとの存在頻度をグラフ化した図 電池の容量維持率の設計想定範囲の一例を示す図 図8において車両が長期間放置される頻度を判定する一例を示す図
[実施形態]
本発明の車両に搭載されるリチウムイオン電池を制御する電池制御装置は、リチウムイオン電池の容量維持率が電池の使用時間に基づいて経年劣化特性から求めた劣化許容値未満である場合には、リチウムイオン電池の使用時間に対して所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えていれば電池の充放電制御の中心値である基準蓄電量を低く制御する。この制御により、長期間放置された場合には電池が劣化する程度が小さくなるため、リチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる。
<構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る電池制御装置50を含んだ車両用の電源システム1の概略構成のブロック図である。図1に例示した電源システム1は、電力供給部10と、DCDCコンバーター(DDC)20と、Li電池30と、複数の負荷機器40と、電池制御装置50と、を備えている。
電力供給部10は、DCDCコンバーター20に電力を供給することができる。この電力供給部10には、例えばリチウムイオン電池などの、充放電可能に構成された高圧バッテリーが用いられる。
DCDCコンバーター20は、電力供給部10から供給される高電圧の電力を所定の低電圧の電力へ降圧して、Li電池30及び複数の負荷機器40に出力する電力変換器である。
Li電池30は、複数の負荷機器40に電力を供給するためのバッテリーである。このLi電池30には、リチウムイオン電池が用いられる。Li電池30は、DCDCコンバーター20から出力される電力を蓄えること(充電)ができ、また自らが蓄えている電力を複数の負荷機器40に出力(放電)することができる。
このリチウムイオン電池は、鉛電池とは特性が異なり、長期間放置された場合においては低SOC状態に比べて高SOC状態である方が、電池の劣化が進行する。例えば、図2に、同じ温度環境下においてリチウムイオン電池を、蓄電量(SOC)20%の状態で長期間放置した場合とSOC60%の状態で長期間放置した場合とSOC100%の状態で長期間放置した場合とにおける、経過日数に伴う容量維持率の変化を示した経年劣化特性を示している。容量維持率は、劣化時の満充電容量を新品時の満充電容量で除算して求まる。図2に示すように、環境温度が同じである電池の容量維持率は、SOC20%にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、240日経過後には91%の劣化で済むが(○プロット)、SOC100%にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、240日経過後には83%まで劣化が進む(*プロット)。よって、長期間放置されることを想定した適切なリチウムイオン電池の蓄電量制御が重要となる。
また、リチウムイオン電池は、鉛電池と同様に、低温時よりも高温時の方が電池の劣化が進行する特性を有している。例えば、図3に、同じ蓄電量(SOC)の電池をそれぞれ温度0℃、10℃、25℃、45℃、60℃、70℃の環境に長期間放置した場合における経年劣化特性を示している。図3に示すように、蓄電量が同じである電池の容量維持率は、電池の環境温度を0℃にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、240日経過後には93%の劣化で済むが(○プロット)、電池の環境温度を70℃にした状態で充電を一切行うことなく長期間放置した場合、120日経過時点で既に62%まで劣化が進む(×プロット)。よって、リチウムイオン電池も、鉛電池と同様に環境温度の適切な管理も重要となる。
複数の負荷機器40は、車両に搭載される様々な車載装置である。負荷機器40には、一例としてモーターやソレノイドなどのアクチュエータ類、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやエアコンなどの空調類、ステアリング、ブレーキ、及び自動運転支援などのECU(Electronic Control Unit)類、などの装置が含まれる。
電池制御装置50は、DCDCコンバーター20及びLi電池30の状態や動作などを管理し、Li電池30を所定の基準蓄電量を制御中心として充放電制御することができる。特に本実施形態の電池制御装置50では、Li電池30の蓄電量を適切に制御し、Li電池30の劣化の進行を抑えるための制御を実行する。電池制御装置50は、典型的にはCPU(Central Processing Unit)、メモリ、及び入出力インタフェースなどを含んだECUとして構成され得る。この電池制御装置50には、Li電池30の電圧、電流、及び温度を各種のセンサーを用いて監視する監視ECUや、DCDCコンバーター20の出力電圧を制御する電源ECUなど、車両に搭載されるECUの一部又は全部を含むことができる。
この電池制御装置50は、Li電池30に関して、満充電容量の学習、容量維持率の算出、使用時間のカウント、SOC頻度分布の計算、容量維持率が劣化許容値以上であるかの判断、蓄電量がSOC頻度分布において所定SOC以下となる割合の判断、充放電制御の中心値となる基準蓄電量が所定蓄電量以下であるかの判断、及び基準蓄電量の変更など、所定の処理を実行する。これらの処理について以降に説明する。
<制御>
図4乃至図10をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る電池制御装置50が実行する制御を説明する。図4は、電池制御装置50が実行するLi電池30のSOC制御方法の処理フローチャートである。図5は、電流積算法に基づくLi電池30の満充電容量の算出手法を説明する図である。図6は、蓄電量(SOC)ごとの存在時間を算出した例を示す図である。図7は、Li電池30の蓄電量(SOC)ごとの存在頻度を算出した例を示す図である。図8は、図7のLi電池30の蓄電量(SOC)ごとの存在頻度をグラフ化した図である。図9は、Li電池30の容量維持率の劣化許容値の一例を示す図である。図10は、図8のグラフにおいて車両が長期間放置される頻度を判定する一例を示す図である。
図4に示す処理は、車両が走行可能な状態(READY_ON)になると開始される。
ステップS401:電池制御装置50は、Li電池30の満充電容量を学習して、Li電池30の容量維持率を算出する。Li電池30の満充電容量(単位:Ah)は、下記の式[1]によって算出される。電流積算値(単位:Ah)は、Li電池30を意図的に放電又は充電させることによって蓄電量を大きく変化させたとき、その変化中に放電又は充電される電流IBを積算した値(ΣIB)である。ΔSOCは、放電又は充電を開始してから終了するまでのLi電池30の蓄電量の変化量である。
満充電容量=電流積算値/ΔSOC×100 … [1]
図5は、Li電池30を放電させた場合におけるΔSOC(=開始SOC-終了SOC)の取得例である。この例では、放電を終了した後、分極が解消してLi電池30が安定したときに終了SOCを取得している。電池制御装置50は、Li電池30の満充電容量を定期的に学習する。
また、Li電池30の容量維持率(単位:%)は、上記学習したLi電池30の満充電容量を用いて、下記の式[2]によって算出される。新品時の満充電容量は、Li電池30が未使用の新品であるときの満充電容量である。劣化が生じている学習時の満充電容量を新品時の満充電容量で除算することによって、日々の使用でLi電池30がどれだけ劣化したかを推定することができる。
容量維持率=学習時の満充電容量/新品時の満充電容量×100 … [2]
Li電池30の満充電容量が学習されかつ容量維持率が算出されて、Li電池30の劣化状態が推定されると、ステップS402に処理が進む。
ステップS402:電池制御装置50は、Li電池30の使用時間をカウントする。この使用時間は、Li電池30が使用開始されてから経過した時間である。このカウントには、車両に搭載される時計装置やナビゲーション装置などの日付時刻機能を用いることができる。使用時間がカウントされると、ステップS403に処理が進む。
ステップS403:電池制御装置50は、Li電池30のSOC頻度分布を解析する。SOC頻度分布とは、車両が使用開始されてから現在までの間にLi電池30がどのような蓄電状態で使用されているかを表す情報である。このSOC頻度分布を解析するにあたって、電池制御装置50は、まず図6に例示するように、予め設定した蓄電量区分(SOC~SOC)ごとにその状態であった時間を累積した「存在時間」を算出する。蓄電量区分は、1%単位や10%単位など任意に設定可能である。例えば図6では、車両の使用開始から現在までにLi電池30がSOCの蓄電量で使用されていた存在時間がtであることを示している。
次に、電池制御装置50は、図6で示した蓄電量区分ごとの存在時間を車両の使用開始から現在までの経過時間でそれぞれ除算して、図7に例示するように蓄電量区分ごとの存在頻度(=存在時間/経過時間)を算出する。経過時間には、ステップS402で算出した使用時間を用いることができる。上述した存在時間及び存在頻度は、ステップS403の解析を実行するたびに計算してもよいし、車両の使用中に逐次計算して保存しておいてもよい。例えば図7では、車両の使用開始から現在までにLi電池30がSOCの蓄電量で使用されていた存在頻度がp(=t/経過時間)であることを示している。このようにして求めた蓄電量区分それぞれの存在頻度を解析して求められる分布イメージを図8に示す。SOC頻度分布の解析が行われると、ステップS404に処理が進む。
ステップS404:電池制御装置50は、ステップS401で算出した容量維持率が、ステップS402で算出した使用時間に照らし合わせて設計の想定範囲である劣化許容値未満であるか否かを判断する。この判断は、Li電池30の劣化が平均的な使用に比べて進行しているか否かを判断するために行われる。劣化許容値は、Li電池30の平均的な使用による経年劣化から求まる容量維持率(通常値)よりも低く設定した容量維持率(下限値)が用いられる。容量維持率の下限値については、車種、負荷機器40の数、及びLi電池30の容量などに応じて、適切に定義することができる。
例えば、図9の実線で示すように、平均的な使用による容量維持率の通常値(△プロット)よりも低い容量維持率の下限値(×プロット)未満(図9の網掛け領域以外)でLi電池30の蓄電量が推移していれば、Li電池30の劣化が進行していると判断される。容量維持率が劣化許容値以上である場合は(S404、はい)、ステップS407に処理が進み、容量維持率が劣化許容値未満である場合は(S404、いいえ)、ステップS405に処理が進む。
ステップS405:電池制御装置50は、ステップS403で算出したSOC頻度分布において、Li電池30の蓄電量が所定のSOC以下となる割合が所定値を超えるか否かを判断する。この判断は、この車両が利用者によって長期間放置される頻度が高いか低いかを判定するために行われる。Li電池30の蓄電量が低いと車両が使用されずに長期間放置されている(充電の機会がない)と推定することができ、Li電池30の蓄電量が高いと車両が頻繁に使用されている(充電の機会がある)と推定できる。よって、例えば、図10に示す網掛け部分の面積が小さければ小さいほど、車両が長期間放置される頻度が低いと判定することができる。所定値は、Li電池30の容量や特性などに応じて任意に設定することができる。
Li電池30の蓄電量が所定のSOC以下となる割合が所定値を超える場合は(S405、はい)、ステップS406に処理が進む。一方、Li電池30の蓄電量が所定のSOC以下となる割合が所定値を超えない場合は(S405、いいえ)、本処理が終了する。
ステップS406:電池制御装置50は、Li電池30の充放電制御における制御中心値となる基準蓄電量を、所定のシフト蓄電量だけ低くする。例えば、90%の基準蓄電量であった場合、シフト蓄電量10%を低くして80%の基準蓄電量に設定を変更することなどが考えられる。初期の基準蓄電量及びシフト蓄電量は、Li電池30の容量や特性などに応じて任意に設定することができる。基準蓄電量が変更されると、本処理が終了する。これにより、その後に車両がREADY_OFF状態となって長期間放置されても、基準蓄電量を低く変化させなかった場合と比べてリチウムイオン電池の劣化の進行を抑えることができる。
ステップS407:電池制御装置50は、Li電池30の充放電制御における制御中心値となる基準蓄電量が、所定の蓄電量以下であるか否かを判断する。この判断は、これまでに実施した制御によってすでに基準蓄電量が下げられているか否かを判断するために行われる。所定の蓄電量は、Li電池30の容量や特性などに応じて任意に設定することができる。基準蓄電量が所定の蓄電量以下である場合は(S407、はい)、ステップS408に処理が進み、基準蓄電量が所定の蓄電量以下でない場合は(S407、いいえ)、本処理が終了する。
ステップS408:電池制御装置50は、Li電池30の充放電制御における制御中心値となる基準蓄電量を、所定のシフト蓄電量だけ上昇させる。例えば、50%の基準蓄電量であった場合、シフト蓄電量20%を上昇させて70%の基準蓄電量に設定を変更することなどが考えられる。このシフト蓄電量は、Li電池30の容量や特性などに応じて任意に設定することができ、上記ステップS406で説明したシフト蓄電量と同じであってもよいし異なってもよい。この処理により、容量維持率が一旦劣化許容値未満になったとしても、その後に容量維持率が劣化許容範囲以上に回復した場合には、基準蓄電量に戻す方向に制御することができる。基準蓄電量が変更されると、本処理が終了する。
[作用・効果]
以上のように、本発明の一実施形態に係る電池制御装置50によれば、Li電池30の満充電容量、容量維持率、使用時間、SOC頻度分布、劣化許容値、蓄電量、及び基準蓄電量に基づいて、Li電池30の容量維持率が劣化許容値以上か否かを判定し、リチウムイオン電池が長期間放置される頻度を推定する。そして、Li電池30の容量維持率が劣化許容値未満であり、かつ、リチウムイオン電池の使用時間に対して所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えていれば(長期間放置される頻度が高いと推定されれば)、充放電制御の中心値である基準蓄電量を所定値だけ低く変更して、長期間放置された場合でもLi電池30が劣化する程度が小さくなるように制御する。これにより、Li電池30の劣化の進行を抑えることができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、電池制御装置、電池制御装置を含んだ車両用電源システム、電池制御装置が実行する基準蓄電量の制御方法、基準蓄電量の制御プログラム及び当該プログラムを記憶したコンピューター読み取り可能な非一時的な記録媒体、あるいは電池制御装置を搭載した車両として捉えることができる。
本発明の電池制御装置は、補機バッテリーとしてリチウムイオン電池を搭載した車両などに利用可能である。
1 電源システム
10 電力供給部
20 DCDCコンバーター(DDC)
30 Li電池
40 負荷機器
50 電池制御装置

Claims (1)

  1. 車両に搭載されるリチウムイオン電池を、所定の基準蓄電量を制御中心として充放電制御する電池制御装置であって、
    前記リチウムイオン電池の容量維持率を推定する第1の処理部と、
    前記リチウムイオン電池の使用時間に対して、前記リチウムイオン電池の蓄電量が所定の蓄電量以下となる時間の割合を判断する第2の処理部と、
    前記第1の処理部が推定した前記リチウムイオン電池の容量維持率が、前記リチウムイオン電池の使用時間に基づいて定まる所定の劣化許容値未満であるか否かを判定する第3の処理部と、
    前記第3の処理部が前記リチウムイオン電池の容量維持率が前記劣化許容値未満であると判定した場合、前記第2の処理部が前記所定の蓄電量以下となる時間の割合が所定値を超えると判断していれば前記基準蓄電量を所定量だけ低くする第4の処理部と、を備える、
    電池制御装置。
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