JPWO2014122721A1 - 電池制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施形態1に係る電池システム100とその周辺の構成を示す図である。電池システム100はリレー300と310を介してインバータ400に接続され、リレー320と330を介して充電器420に接続される。電池システム100は、組電池110、単電池管理部120、電流検知部130、電圧検知部140、組電池制御部150、記憶部180を備える。
図6は、電池状態演算部151が単電池111のSOCを演算するその他の手法を説明する図である。単電池111のSOCは、下記式1に基づき組電池110に流れる電流値を積算することによって求めることができる。電池状態演算部151は、例えば閉回路電圧CCVからIRドロップとVpを差し引くことによりOCVを求め、これをSOCテーブル181に適用して単電池111のSOCを求めることもできるが、本実施形態1では、単電池111の最終的なSOCは、下記式1にしたがって求めることとする。
図7は、電池状態演算部151が単電池111のSOHを演算する手法を説明する図である。電池状態演算部151は、単電池111の内部抵抗の上昇率をSOHと定義し、下記式2にしたがってSOHを求める。
電池状態演算部151は、単電池111の両端電圧が上限電圧または下限電圧を超過しないため、充放電期間中の単電池111のSOC、SOH、電池温度を用いて、許容充電電流と許容放電電流を演算する。許容放電電流Idmaxは下記式5aで、許容充電電流は下記式5bで、それぞれ求めることができる。
図8は、単電池111の等価回路図である。図8に示す等価回路は、電池の開回路電圧OCVを模擬した直流電源、電極や電解液などの電気抵抗を表すRo、および電池の電気化学的な反応に伴う損失分を表すRpとCの並列回路を直列に接続した回路構成となっている。パラメータ演算部152は、図8に示す等価回路に電流Iが通電した場合の閉回路電圧CCVを、下記式6に基づき計算することができる。
確からしさ診断部153は、単電池制御部121aと121bが送信する単電池111の両端電圧(以降、実電圧)とパラメータ演算部152が演算したモデル電圧を比較することにより、パラメータ演算部152が演算したSOHの確からしさを診断する。本実施形態1では、実電圧とモデル電圧との間の差分を検知することにより、これを診断する。以下、実電圧とモデル電圧との間の差分を検知する手法を説明する。
図10は、確からしさ診断部153がSOH演算結果の確からしさを診断する別手法を説明する図である。図10では、電池状態演算部151が演算する許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が流れた場合の実電圧に着目する。許容充放電電流が流れるときの実電圧は、単電池111の両端電圧として許容される上限電圧または下限電圧としてあらかじめ確からしさ診断部153の内部レジスタなどの記憶装置内に定義されているものとする。
図9〜図10で説明した診断手法は、充放電にともなう単電池111の発熱の影響が小さい条件下、例えば車両起動時に実施することが好ましい。図11を用いてこの理由を以下に説明する。
以上のように、本実施形態1に係る電池システム100は、SOCとSOHの演算結果を用いて算出したモデル電圧と実電圧を比較することにより、SOH演算結果の確からしさを診断することができる。これにより、電池システム100の信頼性を確保することができる。
実施形態1の図9〜図12では、SOHの確からしさについて診断することを説明したが、同様の手法によりSOCの確からしさを診断することもできる。本発明の実施形態2では、SOCの確からしさを診断する手法について説明する。電池システム100の構成は実施形態1と同様である。
実施形態1では、モデル電圧と実電圧を比較することによりSOHの確からしさを診断する手法を説明した。本発明の実施形態3では、単電池111の実温度とその予測値を比較することにより、SOHの確からしさを診断する手法を説明する。
パラメータ演算部152は、下記式7に基づき、単電池111の温度T(t)を算出することができる。これは、単電池111の内部抵抗によって生じるジュール熱を積算することにより温度T(t)を算出することに相当する。
パラメータ演算部152はSOCとSOHを用いて単電池111の温度を演算すると共に、これと比較するための単電池111の実温度を測定する必要がある。しかし、充放電期間中には、単電池111の内部に温度分布が生じるため、単電池111の表面温度を計測する温度検知部125は、単電池111の電池温度(実温度)を正確に取得することが出来ない可能性がある。また、充放電期間中は組電池110内に温度分布が生じるため、単電池111毎に温度は異なる。このため、温度に応じてSOH演算結果の確からしさを正確に診断するには、単電池111毎の温度情報が必要となる。最も単純には、単電池111毎に温度検知部125を設ければよいが、これはコスト高である。さらにこのような構成を採用すると、パラメータ演算部153も、電池システム100内の温度分布の影響や単電池111内の温度分布の影響を考慮して、高精度な演算モデルに基づき温度演算値を求める必要が生じる。このため、単純に式7で演算した温度と温度検知部125の温度計測値を比較して、確からしさを診断するのは困難である。
確からしさ診断部153は、あらかじめ充電開始時のSOC、SOH、温度に応じた充電プロファイルのデータベースから読み出した温度(以降、実温度)とパラメータ演算部152が演算した温度演算値を比較することにより、式7に含まれるSOH演算結果の確からしさを診断する。本実施形態3では、実温度と温度演算値との間の差分を検知することにより、これを診断する。以下、実温度と温度演算値との間の差分を検知する手法を説明する。
以上のように、本実施形態3に係る電池システム100は、SOCとSOHの演算結果を用いて算出した電池温度と実温度に基づき、SOH演算結果の確からしさを診断することができる。
実施形態1〜3では、確からしさ診断部153は診断結果に応じて警告を発することを説明したが、診断結果の原因については通知していない。本発明の実施形態4では、SOH(またはSOC)演算結果が測定タイミングの同時性ズレに起因して不正確になっている場合、その旨を通知する動作例を説明する。電池システム100の構成は実施形態1〜3と同様である。
以上のように、本実施形態4に係る電池システム100は、モデル電圧とOCVの大小関係、および実電圧とOCVの大小関係が反転しているか否かにより、SOH演算結果の確からしさについての診断結果の原因を判定する。これにより、測定タイミングの同時性ズレに起因する診断結果をユーザに通知するなどして適切な措置を促すことができる。
電圧として許容される上限電圧または下限電圧としてあらかじめ確からしさ診断部153の内部レジスタなどの記憶装置内に定義されているものとする。
[0052]
SOHが正確に演算されていた場合、許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が流れると、実電圧はちょうど上限電圧または下限電圧に一致するはずである。しかし、SOHが真値よりも大きく演算されていた場合、式5で示した許容充電電流または許容放電電流の値が小さくなるため、許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が通電したとき、図10(a)に示すように実電圧は上限電圧または下限電圧に到達せず、充放電時の電圧変動幅が真の値よりも小さくなる。SOHが真値よりも小さく演算されていた場合、式5で示した許容充電電流または許容放電電流の値が大きくなるため、許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が通電したとき、図10(b)に示すように実電圧は上限電圧を上回るかまたは下限電圧を下回り、充放電時の電圧変動幅が真の値よりも大きくなる。
[0053]
確からしさ診断部153は、図10に示す現象を検知することにより、SOH演算結果の確からしさを診断することができる。具体的には、モデル電圧が許容充放電電流に対応する値であるとき、実電圧が上下限電圧に到達しているか否かによって、SOH演算結果の確からしさを診断することができる。
[0054]
<実施の形態1:SOHの確からしさを診断する手法その3>
図9〜図10で説明した診断手法は、充放電にともなう単電池111の発熱の影響が小さい条件下、例えば車両起動時に実施することが好ましい。図11を用いてこの理由を以下に説明する。
[0055]
図11は、充放電にともなう単電池111の両端電圧と温度の変化を示す図である。図11上図は電池電流の変化を示す。図11中図は電池温度の変化を示し、実線は温度検知部125による検出値、点線は単電池111の内部温度である。図11下図は単電池111の両端電圧の変化を示す、点線はモデル電圧、実線は実電圧である。
[0056]
単電池111は充放電に伴って発熱し温度が上昇する。この時、単電池111の内部には温度分布が生じ、単電池111の内部は温度が高く、表面に近づくほど低くなる。温度検知部125が取得するのは、単電池111の表面の温度であり、単電池111の内部の温度ではないため、内部と表面との温度差が生じ、これが演算結果の誤差をもたらす。
[0057]
式5や式6において用いられる単電池111の内部抵抗値(RMap、RoMap、RpMap)は、温度検知部152の検出結果に依拠して決定される。温度検知部152が取得する値は、単電池111の内部温度よりも低くなる。一般に電池の内部抵抗は、温度が低いほど高くなる傾向があるため、温度検知部152の情報に基づき内部抵抗を決定すると、内部抵抗値は高く見積もられることになる。従って、充放電が進み電池の表面と内部の間に温度差が生じると、図11に示すように、SOHの演算結果が正しいとしても、式5のモデル電圧は、充電時は実電圧よりも高く演算され、放電時は実電圧よりも低く演算されることになる。よって、図9と図10で説明した診断手法は、単電池111の発熱の影響が小さい条件下で実施することが好ましいといえる。
[0058]
ここで、SOHを真値よりも小さく演算した場合について考える。図12は、SOHを真値よりも小さく演算した場合における単電池111の両端電圧と温度の変化を示す図である。単電池111の発熱の影響が大きく図9〜図10で説明した手法を実施することが好ましくない条件下においても、図12に示すように充放電時におけるモデル電圧と実電圧の大小関係が本来起こり得る図11とは逆転した場合、つまり、単電池111のモデル電圧が実電圧よりも低い場合については、SOHの演算結果を小さく見積もっていると判断出来る。このため、確からしさ診断部153は、図12に示す現象を検知した場合には、図9〜図10で説明した手法を実施することが望ましくない条件下においても、SOH演算結果の確からしさを診断することができる。
[0059]
<実施の形態1:まとめ>
[0064]
<実施の形態3>
実施形態1では、モデル電圧と実電圧を比較することによりSOHの確からしさを診断する手法を説明した。本発明の実施形態3では、単電池111の実温度とその予測値を比較することにより、SOHの確からしさを診断する手法を説明する。
[0065]
図14は、本実施形態3における組電池制御部150の制御ブロック図である。組電池制御部150の構成は実施形態1〜2と同様であるが、各部に対する入力パラメータが異なる。その他の構成については実施形態1〜2と同様である。
[0066]
電池状態演算部151の機能は実施形態1で説明したものと同様である。パラメータ演算部152は、電流検知部130が出力する電池電流値、電池状態演算部151が出力するSOC演算結果とSOH演算結果に基づき、現在の単電池111の電池温度を演算し、演算結果を確からしさ診断部153へ出力する。確からしさ診断部153は、パラメータ演算部152が演算した温度演算値と単電池管理部120が出力する電池温度(実温度)を比較することにより、SOH演算結果の確からしさを診断する。
[0067]
<実施の形態3:単電池111の温度演算値を求める手法>
パラメータ演算部152は、下記式7に基づき、単電池111の温度T(t)を算出することができる。これは、単電池111の内部抵抗によって生じるジュール熱を積算することにより温度T(t)を算出することに相当する。
[数7]
[0068]
T(t)は温度演算値[℃]、Qp(t)は電池の内部抵抗に電流が流れた場合に生じるジュール熱[J]、Qs(t)は電池の電気化学的な反応に伴う熱量[J]、Qb(t)は周囲温度と電池温度との差分に基づく放熱量[J]、HCは熱容量[J/K]を示す。Qp(t)、Qs(t)、Qb(t)はそれぞれ下記式8で表わされる。
すことにより、単電池111毎の実温度を間接的に求めることができる。
[0072]
<実施の形態3:SOHの確からしさを診断する手法>
確からしさ診断部153は、あらかじめ充電開始時のSOC、SOH、温度に応じた充電プロファイルのデータベースから読み出した温度(以降、実温度)とパラメータ演算部152が演算した温度演算値を比較することにより、式7に含まれるSOH演算結果の確からしさを診断する。本実施形態3では、実温度と温度演算値との間の差分を検知することにより、これを診断する。以下、実温度と温度演算値との間の差分を検知する手法を説明する。
[0073]
図15は、充電器420による充電中の電流、電圧、温度の波形を示す図である。ここでは、ある一定電流で目標となる電池電圧に到達するまで充電した後、電池電圧を一定に保って充電するCC−CV(Constant Current−Constant Voltage)充電を実施した際の波形を例示した。その他の充電方法としては、一定電力で所定の電圧まで充電した後、電池電圧を一定に保つCP−CV(Constant Power−Constant Voltage)充電などがある。
[0074]
図15に示すように、充電中は発熱の影響により単電池111の温度が上昇していく。式7に含まれるSOH演算結果が正確でない場合、式7によって演算される温度演算値と実温度との間にズレ(誤差)が生じる。
[0075]
SOH演算結果が真値よりも低い場合、式8のQp(t)の演算結果が真値よりも低くなるため、温度演算結果は実温度よりも低くなる。SOHの演算結果が真値よりも高い場合、Qp(t)の演算結果が真値よりも高くなるため、温度演算結果は実温度よりも高くなる。すなわち、SOH演算結果に含まれる誤差の影響が温度演算値に反映されるため、実温度と温度演算値を比較することにより、SOH演算結果の確からしさを診断することができる。具体的には、両者の差分が所定閾値以上である場合は、SOH演算結果が真値からずれていると診断することができる。
[0076]
<実施の形態3:まとめ>
以上のように、本実施形態3に係る電池システム100は、SOCとSO
Claims (10)
- 電池の動作を制御する装置であって、
前記電池の充電状態と劣化状態を演算する状態演算部と、
前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態を用いて前記電池の測定パラメータを演算により求めるパラメータ演算部と、
前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する診断部と、
を備え、
前記診断部は、
前記パラメータ演算部が演算した前記電池の測定パラメータとその測定値を比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断し、その診断結果を出力する
ことを特徴とする電池制御装置。 - 前記電池制御装置は、前記電池の両端電圧を検出する電圧検知部を備え、
前記パラメータ演算部は、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態と劣化状態を用いて前記電池の両端電圧を演算により求め、
前記診断部は、前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧と、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧とを比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する
ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。 - 前記診断部は、
前記電池の放電時においては、
前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上大きい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断し、
前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上小さい場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断し、
前記電池の充電時においては、
前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上大きい場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断し、
前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上小さい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断する
ことを特徴とする請求項2記載の電池制御装置。 - 前記電池制御装置は、
前記電池の両端電圧を検出する電圧検知部と、
前記電池に流れる電流を検出する電流検知部と、
を備え、
前記診断部は、
前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合において前記電池の両端電圧を前記パラメータ演算部が演算した結果と、前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合において前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧とを比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する
ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。 - 前記診断部は、
前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合に相当する前記電池の両端電圧を前記パラメータ演算部が演算した期間において、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧の変動量が、前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧の変動量を所定閾値以上超過している場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断し、
前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合に相当する前記電池の両端電圧を前記パラメータ演算部が演算した期間において、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧の変動量が、前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧の変動量を所定閾値以上下回っている場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断する
ことを特徴とする請求項4記載の電池制御装置。 - 前記診断部は、
前記電池が充電または放電を実施している場合において、前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも小さい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断する
ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。 - 前記電池制御装置は、前記電池に流れる電流を検出する電流検知部を備え、
前記診断部は、
前記電池に電流が流れていないか、または前記電池に流れる電流が所定閾値以下であり前記電池に電流が流れていないものとみなせる場合は、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態の確からしさを診断し、
前記電池が充電または放電を実施している場合は、前記状態演算部が演算した前記電池の劣化状態の確からしさを診断する
ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。 - 前記電池制御装置は、前記電池の温度を検出する温度検知部を備え、
前記パラメータ演算部は、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態と劣化状態を用いて前記電池の内部温度を演算により求め、
前記診断部は、前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の内部温度と、前記温度検知部が検出した前記電池の温度をもとに算出した前記電池の内部温度とを比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する
ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。 - 前記診断部は、前記電池の充電時において、
前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の内部温度が、前記温度検知部が検出した前記電池の温度を基に算出した前記電池の内部温度よりも所定閾値以上大きい場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断し、
前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の内部温度が、前記電流検知部が検出した前記電池に流れる電流を用いて算出した前記電池の内部温度よりも所定閾値以上小さい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断する
ことを特徴とする請求項8記載の電池制御装置。 - 前記電池制御装置は、
前記電池の両端電圧を検出する電圧検知部と、
前記電池に流れる電流を検出する電流検知部と、
を備え、
前記診断部は、
前記状態検知部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態が正確ではないと診断した場合は、
前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧と前記電池の開回路電圧のうちいずれが大きいかを示す第1大小関係、および前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧と前記電池の開回路電圧のうちいずれが大きいかを示す第2大小関係を取得し、
前記第1大小関係が示す大小関係と、前記第2大小関係が示す大小関係とが反対である場合は、前記電流検知部の検出タイミングと前記電圧検知部の検出タイミングがズレていることにより、前記状態検知部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態が不正確になったと診断し、その旨の診断結果を出力する
ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
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