JP7428135B2 - 蓄電素子の管理装置、蓄電装置、車両、及び、蓄電素子の管理方法 - Google Patents
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Description
本明細書では、電流値に基づいて蓄電素子の充電状態を推定する場合のゼーベック効果の影響を簡素な構成で抑制する技術を開示する。
(1)蓄電素子の管理装置であって、前記蓄電素子と直列に接続されている抵抗体を有し、前記抵抗体において電流の流れ方向に離間した二つの位置の電位差を検出して電流値を計測する電流センサと、管理部と、を備え、前記管理部は、前記電流値に基づいて推定された前記蓄電素子の充電状態を、前記二つの位置の間の温度勾配に起因して生じた前記電流センサの計測誤差に基づいて補正する補正処理を実行する。
すなわち、上記の管理装置によると、従来のように抵抗体に伝熱阻害手段を設けて電流値の計測誤差を低減しなくてもゼーベック効果の影響を抑制できるので、電流値に基づいて蓄電素子の充電状態を推定する場合のゼーベック効果の影響を簡素な構成で抑制できる。
一般にゼーベック効果による電流値の計測誤差は微小であるが、充電状態の推定に高い精度が求められる場合は、車両が駐車されてから生じた計測誤差は以下の理由から充電状態の推定誤差要因として無視できない。
理由1:駐車された後に蓄電素子から車両に流れる暗電流の電流値は数十mAと微小であるため、ゼーベック効果の影響が相対的に大きくなる。本願発明者らが実験したところでは、1℃の温度勾配によって10mA程度の計測誤差が生じた。通常、車両が駐車されると2℃~3℃の温度勾配が生じる。暗電流が20mAであるとすると、計測される電流値は本来計測されるべき電流値(20mA)の2倍以上になる可能性がある。
理由2:一般に車両は走行している時間よりも駐車されている時間の方が長いため、車両が駐車されてから生じた計測誤差は充電状態の推定誤差に大きく影響する。
上記の管理装置によると、車両が駐車されてから生じた充電状態の推定誤差を補正するので、ゼーベック効果の影響を抑制する効果が顕著となる。
上記の管理装置によると、電流値が第1の閾値以下である期間に生じた計測誤差に基づいて充電状態を補正するので、ゼーベック効果の影響を抑制する効果が顕著となる。
ゼーベック効果が生じているか否かは、電流センサによって計測された電流値の単位時間当たりの変化量(横軸を時間、縦軸を電流値としたグラフの傾き)から判断できる。具体的には、抵抗体の二つの位置の間に温度勾配が生じている場合(ゼーベック効果が生じている場合)は時間の経過に伴ってそれら二つの位置の温度が徐々に均一になるため、ゼーベック効果が徐々に収束する。このため、ゼーベック効果が生じている場合は時間の経過に伴って電流値が変化する。このため、計測される電流値の単位時間当たりの変化量がある程度大きくなる。このため、電流値の単位時間当たりの変化量が第2の閾値より大きいか否かにより、ゼーベック効果が生じているか否かを判断できる。
上記の管理装置によると、電流値の単位時間当たりの変化量が第2の閾値より大きい場合(ゼーベック効果が生じている場合)に充電状態を補正するので、ゼーベック効果が生じていないにもかかわらず補正が行われることを抑制できる。
上記の管理装置によると、上述した三角形の面積を補正値とするので、電流センサの計測誤差に基づいて充電状態を補正できる。
上記の管理装置によると、電流値が第1の閾値以下まで低下した後、電流センサによって計測された電流値の単位時間当たりの変化量が第2の閾値以下になる前(ゼーベック効果が収束する前)に第1の閾値より大きい電流値が計測された場合は補正処理を中止するので、無用な補正を抑制できる。
上記の管理装置によると、二つの位置の温度差に基づいて充電状態を補正するので、ゼーベック効果が生じていないにもかかわらず補正が行われることを抑制できる。
上記の管理装置によると、上述した三角形の面積を補正値とするので、電流センサの計測誤差に基づいて充電状態を補正できる。
上記の管理装置によると、電流値が第1の閾値以下まで低下した後、温度センサによって計測された二つの位置の温度差が第3の閾値以下になる前(ゼーベック効果が収束する前)に第1の閾値より大きい電流値が計測された場合は補正処理を中止するので、無用な補正を抑制できる。
上記の管理装置によると、電流値が第1の閾値以下まで低下した後、所定時間(ゼーベック効果の収束に要する時間として予め実験などによって決定された時間)が経過する前に蓄電素子が使用された場合は補正処理を中止するので、充電状態が不適切に補正される可能性を低減できる。
しかしながら、図12に示すように、蓄電素子の中には開放電圧と充電状態との関係を表すOCV-SOCカーブがプラトー領域を有しているものがある(例えば鉄系の蓄電素子)。プラトー領域とは、OCVとSOCとの相関関係を表すOCV-SOCカーブにおいてSOCの変化量に対するOCVの変化量が小さい領域のことをいう。具体的には例えば、SOCの変化量に対するOCVの変化量が2[mV/%]以下の領域をプラトー領域という。
OCV-SOCカーブがプラトー領域を有している場合は開放電圧に対応する充電状態を精度よく特定することが難しい。このため、OCV-SOCカーブがプラトー領域を有している蓄電素子の場合は電流積算法の推定精度を向上させることがより求められている。
上記の蓄電装置によると、二つの位置の間の温度勾配に起因して生じた電流センサの計測誤差に基づいて充電状態を補正するので、充電状態を精度よく推定できる。このため、OCV-SOCカーブがプラトー領域を有している蓄電素子の場合に特に有用である。
上記の車両によると、二つの位置の間の温度勾配に起因して生じた電流センサの計測誤差に基づいて充電状態を補正するので、蓄電素子がエンジンの収容室内に収容されていても充電状態を精度よく推定できる。
一実施形態を図1ないし図10によって説明する。
図1を参照して、実施形態1に係る蓄電装置1、及び、蓄電装置1を備える自動車2(車両の一例)について説明する。図1に示す自動車2はエンジン自動車であり、エンジンを始動させるスタータを備えている。蓄電装置1は自動車2に搭載されてスタータに電力を供給する始動用の蓄電装置である。図1では蓄電装置1がエンジンルーム2A(収容室の一例)に収容されている場合を示しているが、蓄電装置1は居室の床下やトランクに収容されてもよい。
図2に示すように、蓄電装置1は外装体10と、外装体10の内部に収容される複数の蓄電素子12とを備える。外装体10は合成樹脂材料からなる本体13と蓋体14とで構成されている。本体13は有底筒状であり、平面視矩形状の底面部15とその4辺から立ち上がって筒状となる4つの側面部16とで構成される。4つの側面部16によって上端部分に上方開口部17が形成されている。
電極体23は、詳細については図示しないが、銅箔からなる基材に活物質を塗布した負極要素と、アルミニウム箔からなる基材に活物質を塗布した正極要素との間に多孔性の樹脂フィルムからなるセパレータを配置したものである。これらはいずれも帯状であり、セパレータに対して負極要素と正極要素とを幅方向の反対側にそれぞれ位置をずらした状態で、ケース本体24に収容可能となるように扁平状に巻回されている。
図6に示すように、蓄電装置1は前述した複数の蓄電素子12と、それらの蓄電素子12を管理するBMS(Battery Management System)50とを備えている。BMS50は管理装置の一例である。
電流センサ51は蓄電素子12と直列に接続されている。電流センサ51は蓄電素子12の充放電電流を計測して管理部55に出力する。電流センサの具体的な構成については後述する。
電圧センサ52は各蓄電素子12に並列に接続されている。電圧センサ52は各蓄電素子12の端子電圧を計測して管理部55に出力する。
図7を参照して、電流センサ51の構成について説明する。電流センサ51は蓄電素子12と直列に接続されているシャント抵抗60(抵抗体の一例)と、シャント抵抗60において互いに電流の流れ方向に離間した二つの計測位置61(61L,61R)の電位差を検出する検出回路62とを有しており、シャント抵抗60の抵抗値と二つの計測位置61の電位差とから電流値を算出する。二つの計測位置61はそれぞれ位置の一例である。
管理部55は、次に説明する推定処理及び補正処理を実行する。
推定処理は、電流積算法によって蓄電素子12のSOCを推定する処理である。電流積算法は、電流センサ51によって蓄電素子12の充放電電流を常時計測することで蓄電素子12に出入りする電力量を計測し、これを初期容量から加減することでSOCを推定する方法である。電流積算法によって推定されたSOCは「電流値に基づいて推定された蓄電素子の充電状態」の一例である。
図7に示すように、シャント抵抗60の両端にはバスバーB1,B2が接続されている。ここで、図7においてシャント抵抗60の左側は蓄電素子12側であり、右側は負極外部端子21側である。図7に示す例ではシャント抵抗60の左側に接続されているバスバーB1の方が右側に接続されているバスバーB2より熱容量が小さいと仮定する。
図8は電流値が大きく計測される計測誤差が生じる場合の例である。図8において実線65は電流センサ51によって計測された電流値(ゼーベック効果による計測誤差を含んだ電流値)を示しており、点線66はゼーベック効果が生じていない場合に計測される電流値(本来計測されるべき電流値)を示している。実線65と点線66との差は、二つの計測位置61の間の温度勾配に起因して生じた電流センサ51の計測誤差に相当する。
時点T2は電流値が第1の閾値(例えば100mA)以下まで低下した時点である。第1の閾値は100mAに限定されるものではなく、適宜に決定できる。時点T1から時点T2までの期間もゼーベック効果による電流値の計測誤差が生じるが、この期間は比較的短く、且つ、電流値も比較的大きいのでSOCの推定誤差要因としては無視できる程度である。このため、管理部55は、自動車2が駐車されても時点T1から時点T2までの期間についてはSOCの補正を行わない。
図10を参照して、補正処理のフローについて説明する。以下の説明では自動車2の駐車中は電流センサ51によって数秒~数十秒間隔で電流値が計測されるものと仮定する。
具体的には、管理部55は自動車2のECUからエンジンの状態を示す信号を一定時間間隔で受信しており、自動車2が駐車されたか否かを当該信号から判断する。自動車2が駐車されたか否かを判断する方法はこれに限られるものではなく、適宜の方法で判断できる。例えばエンジンの振動が検出されなくなったら自動車2が駐車されたと判断してもよい。
管理部55は、自動車2が駐車された場合はS102に進み、駐車されていない場合は所定時間が経過した後に再度S101を実行する。
S103では、管理部55は計測された電流値が100mA以下であるか否かを判断し、100mA以下である場合はS104に進み、100mAより大きい場合はS102に戻って処理を繰り返す。
例えば前回計測された電流値が103mAであり、今回計測された電流値が98mAであるとする。この場合、管理部55は前述したS103において電流値が100mA以下まで低下したと判断し、S104において時間のカウントを開始するとともに、98mAをRAM55Dに記憶する。
S107では、管理部55は計測された電流値が100mAより大きいか否かを判断する。管理部55は、電流値が100mA以下の場合は蓄電素子12が使用されていないと判断してS108に進み、100mAより大きい場合は蓄電素子12が使用されたと判断して本処理を中止する。
具体的には、ゼーベック効果が収束すると電流値が概ね20mAで一定となるので、電流値の傾きの絶対値がほぼ0になる。このため、管理部55は前回計測された電流値と今回計測された電流値とから電流値の傾きを計算する。今回を含む直近の3回以上の計測によって計測された電流値から傾きを計算してもよい。
管理部55は、計算した電流値の傾きの絶対値が第2の閾値以下であるか否かを判断し、第2の閾値以下である場合はゼーベック効果が収束したと判断してS109に進み、第2の閾値より大きい場合はS106に戻って処理を繰り返す。
具体的には、管理部55はS104でRAM55Dに記憶した電流値(例えば98mA)から、その後に電流値の傾きの絶対値が第2の閾値以下になった時点T4(ゼーベック効果が収束した時点)の電流値を減じることによってその間の電流値の変化量(三角形67の高さ)を求める。管理部55は、時点T2から時点T4までの時間(三角形67の底辺)と、上述した電流値の変化量との積を2で除算することによって補正値(三角形67の面積)を決定する。補正値は、二つの計測位置61の間の温度勾配に起因して生じた電流センサ51の計測誤差を積算した値と言い換えることもできる。
前述した図9に示すように、電流値が小さく計測される計測誤差が生じている場合は、S104でRAM55Dに記憶した電流値から時点T5(ゼーベック効果が収束した時点)の電流値を減じると電流値の変化量がマイナスの値となるので、補正値もマイナスの値となる。この場合、SOCから補正値を減算するとマイナスの値を減算することになるため、結果としてプラスの補正値が加算される。
BMS50によると、電流積算法によって推定されたSOCを、シャント抵抗60の二つの計測位置61の間の温度勾配に起因して生じた電流センサ51の計測誤差に基づいて補正するので、従来のようにシャント抵抗60に伝熱阻害手段を設けて電流値の計測誤差を低減しなくてもゼーベック効果の影響を抑制できる。このため、電流積算法によってSOCを推定する場合のゼーベック効果の影響を簡素な構成で抑制できる。
図11に示すように、実施形態2に係るBMS50は、シャント抵抗60の計測位置61L近傍の温度を計測する温度センサ70、及び、計測位置61R近傍の温度を計測する温度センサ71を備えている。実施形態2に係る管理部55はゼーベック効果が生じているか否かをそれら二つの計測位置61の温度差から判断する。
実施形態3では、実験などによって予めSOCの補正値を決定してROM55Cに記憶させておく。管理部55は、電流値が100mA以下まで低下し、且つ、ゼーベック効果が生じている場合(電流値の傾きの絶対値が第2の閾値より大きい場合、あるいは二つの計測位置61の温度差が第3の閾値より大きい場合)は、その補正値を用いてSOCを補正する。
多くの場合、補正値は概ね一定の値になる。このため、実験などによって予め補正値を決定してROM55Cに記憶させておけば、補正の度に補正値を求めなくてよい。このため補正処理が簡素になる。
本明細書によって開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本明細書によって開示される技術的範囲に含まれる。
あるいは、電流値が100mA以下まで低下したか否かの判断は行わないようにしてもよい。具体的には、管理部55は、自動車2が駐車されると、電流値が100mA以下まで低下したか否かによらず、ゼーベック効果が生じているか否かを判断してもよい。
ただし、ゼーベック効果が収束したときの暗電流は車種によって異なる可能性がある。このため、電流値が所定の暗電流±2mA以内になるとゼーベック効果が収束したと判断する場合は車種毎に所定の暗電流を記憶しておくことが望ましい。これに対し、ゼーベック効果が収束したか否かを電流値の傾きから判断すると、ゼーベック効果が収束したか否かを車種によらず判断できるので、より汎用的である。
電流値が100mA以下まで低下したときから、電流値の傾きが第2の閾値以下になったときまでの間の電流値の変化量をROM55Cに記憶させる一方、ゼーベック効果が収束するまでの時間については実際に計測してもよい。
蓄電素子12は無停電電源装置(UPS:Uninterruptible Power Supply)に用いられるものであってもよいし、携帯端末などに用いられるものであってもよい。ピークシフトに用いられる蓄電装置でもよいし、再生可能エネルギーを蓄電する蓄電装置でもよい。
そこで、電流センサ51によって計測された電流値を計測誤差に基づいて補正し、補正後の電流値を用いることでスリープモードから通常モードに復帰することを回避してもよい。これによりバッテリ上がりになることを防ぐことが出来る。
Claims (16)
- 車両に搭載される蓄電素子の管理装置であって、
前記蓄電素子と直列に接続されている抵抗体を有し、前記抵抗体において電流の流れ方向に離間した二つの位置の電位差を検出して電流値を計測する電流センサと、
管理部と、
を備え、
前記管理部は、前記電流値に基づいて推定された前記蓄電素子の充電状態を、前記二つの位置の間の温度勾配に起因して生じた前記電流センサの計測誤差に基づいて補正する補正処理を実行し、
前記補正処理において、前記車両が駐車されてから生じた前記計測誤差に基づいて補正する、管理装置。 - 請求項1に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記蓄電素子は前記車両のエンジンを始動させるスタータに電力を供給する始動用の蓄電素子である、管理装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記補正処理において、前記電流センサによって計測された電流値が第1の閾値以下である期間に生じた前記計測誤差に基づいて前記充電状態を補正する、管理装置。 - 請求項3に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記電流センサによって計測された電流値の単位時間当たりの変化量が第2の閾値より大きい場合に前記充電状態を補正する、管理装置。 - 請求項4に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記補正処理において、前記電流センサによって計測された電流値が前記第1の閾値以下まで低下したときから、その後に電流値の単位時間当たりの変化量が前記第2の閾値以下になったときまでの時間と、その間の電流値の変化量とに基づいて前記充電状態の補正値を決定する、管理装置。 - 請求項5に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記電流センサによって計測された電流値の単位時間当たりの変化量が前記第2の閾値以下になる前に前記電流センサによって前記第1の閾値より大きい電流値が計測された場合は前記補正処理を中止する、管理装置。 - 請求項3に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記補正処理において、前記計測誤差と前記二つの位置の温度差とに基づいて前記充電状態を補正する、管理装置。 - 請求項7に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記二つの位置の温度を計測する温度センサを備え、
前記管理部は、前記補正処理において、前記二つの位置の温度差が第3の閾値より大きい場合に前記充電状態を補正する、管理装置。 - 請求項8に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記補正処理において、前記電流センサによって計測された電流値が前記第1の閾値以下まで低下したときから、その後に前記二つの位置の温度差が前記第3の閾値以下になったときまでの時間と、その間の電流値の変化量とに基づいて前記充電状態の補正値を決定する、管理装置。 - 請求項9に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記温度センサによって計測された前記二つの位置の温度差が前記第3の閾値以下になる前に前記電流センサによって前記第1の閾値より大きい電流値が計測された場合は前記補正処理を中止する、管理装置。 - 請求項3に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記充電状態の補正に用いる補正値を記憶する記憶部を備え、
前記管理部は、前記補正処理において、前記記憶部に記憶されている前記補正値を用いて前記充電状態を補正する、管理装置。 - 請求項11に記載の蓄電素子の管理装置であって、
前記管理部は、前記電流センサによって計測された電流値が前記第1の閾値以下まで低下した後、所定時間が経過する前に前記電流センサによって前記第1の閾値より大きい電流値が計測された場合は前記補正処理を中止する、管理装置。 - 蓄電素子と、
請求項1乃至請求項12のいずれか一項に記載の管理装置と、
を備える蓄電装置。 - 請求項13に記載の蓄電装置であって、
前記蓄電素子は、充電状態の変化に対して開放電圧の変化が小さいプラトー領域を有する、蓄電装置。 - 請求項13又は請求項14に記載の蓄電装置を備える車両であって、
前記蓄電装置は当該車両のエンジンが収容されている収容室内に収容されている、車両。 - 車両に搭載される蓄電素子の管理方法であって、
前記蓄電素子と直列に接続されている抵抗体を有し、前記抵抗体において電流の流れ方向に離間した二つの位置の電位差を検出して電流値を計測する電流センサによって計測された電流値に基づいて前記蓄電素子の充電状態を推定する推定ステップと、
前記二つの位置の間の温度勾配に起因して生じた前記電流センサの計測誤差に基づいて前記充電状態を補正する補正ステップと、
を含み、
前記補正ステップにおいて、前記車両が駐車されてから生じた前記計測誤差に基づいて補正する、管理方法。
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