WO2012046285A1

WO2012046285A1 - バッテリの状態推定方法及び電源システム

Info

Publication number: WO2012046285A1
Application number: PCT/JP2010/067332
Authority: WO
Inventors: 竹三杉村; 悦藏佐藤
Original assignee: 古河電気工業株式会社; 古河As株式会社
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-04-12
Also published as: EP2626715A1; EP2626715B1; US20120187917A1; CN102576053B; US9304172B2; EP2626715A4; CN102576053A

Abstract

　繰り返し放電による応答電圧の過渡的な変化を低減してバッテリの劣化度または放電能力を高精度に推定できるバッテリの状態推定方法及び電源システムを提供する。　本実施形態のバッテリの状態推定方法では、放電後の回復時間が放電回数とともに長くなるようにしており、放電回数と回復時間との関係を指数関数を用いて近似している。この近似式から求めた回復時間を用いて図１に示すような放電パターンを形成し、この放電パターンに従ってバッテリの放電を行うことで、略一定の応答電圧が得られる。そして、測定された応答電圧と放電電流から準安定時のインピーダンスを算出し、これからバッテリの劣化度または放電能力を判定している。

Description

バッテリの状態推定方法及び電源システム

　本発明は、負荷に電力を供給するバッテリの劣化度または放電能力等の状態を推定するバッテリの状態推定方法及び電源システムの技術分野に関し、特に、バッテリのインピーダンスを推定することで劣化度または放電能力を推定するバッテリの状態推定方法等の技術分野に関するものである。

　自動車等に搭載されるバッテリの劣化度または放電能力を推定する技術は従来から知られており、例えば、特許文献１に記載されているものがある。

　一般に、バッテリのインピーダンスは、バッテリの劣化度または放電能力と強い相関があることから、バッテリのインピーダンスを検知することができれば、検知されたインピーダンスを用いてバッテリの劣化度または放電能力を推定することが可能となる。バッテリの劣化度または放電能力を推定することで、バッテリが劣化が進んでいるか、あるいは放電能力が低下しているか、を判定することができ、劣化が進んでいたり放電能力が低下している場合には、ユーザに対してバッテリの交換を促すことができる。

　バッテリを備えた電源システムにおいて、該バッテリの劣化度または放電能力を推定する方法として、バッテリに所定の充電電流または放電電流を流し、そのときの電流及び電圧を測定し、測定された電流及び電圧から所定の演算によりインピーダンスを算出する方法が従来から知られている。

　バッテリのインピーダンスは、実験室等の条件が整えられた環境では正確にバッテリの劣化度や放電能力を示す指標となるが、実際に使用される環境、代表的な例として自動車に搭載されて使用される環境では、自動車用バッテリのインピーダンス測定が、電装機器等により発生するノイズにさらされた環境で行われることになる。そのため、例えば特許文献１に記載のバッテリの劣化判定方法では、一定周期で放電させることで一定周波数の放電電流を流し、放電電流の電流波形及び電圧波形をフーリエ変換してインピーダンスを求める方法が提案されている。

特許第３３６７３２０号公報

　しかしながら、上記従来のインピーダンスの測定方法では、次のような問題があった。バッテリのインピーダンスは、ノイズ等の影響だけでなく、バッテリの充電状態や分極状態によっても影響を受ける。このような影響を除いてインピーダンスを高精度に求めるためには、例えば図２に示すように、充電電気量と放電電気量とが等しくなるように電流を流すのが好ましい。バッテリにこのような電流を流すことは、実験室等の環境では容易に実現できるが、実際の車両に搭載されているバッテリでは、図２に示すような正／負に交互に変化する電流を通電させることはできない。このような電流を通電させるためには、いわゆるバイポーラ電源を車両に搭載する必要があり、高コストとなってしまう。

　そこで、車両に搭載されたバッテリでは、図３に示すような放電のみによる電流・電圧応答を測定し、測定された電流・電圧からインピーダンスを算出する方法が、一般に広く用いられている。このような放電のみによる応答からインピーダンスを算出する場合、バッテリに対し放電のみを繰り返し行うことから、その応答電圧幅が図４に示すように次第に低下していくことが知られている。電圧幅がこのような応答を示す場合には、単純に応答電圧を印加電流で除して算出したインピーダンスが、応答電圧の変化とともに変化することになる。従って、このようにして求めたインピーダンスからは、バッテリの劣化度や放電能力を正確に推定することはできない。

　そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、繰り返し放電による応答電圧の過渡的な変化を低減してバッテリの劣化度または放電能力を高精度に推定できるバッテリの状態推定方法及び電源システムを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明のバッテリの状態推定方法の第１の態様は、バッテリを所定の放電パターンで放電させたときの前記バッテリの電流値と応答電圧とから前記バッテリのインピーダンスを推定し、該インピーダンスを用いて前記バッテリの劣化度または放電能力を判定するバッテリの状態推定方法であって、前記放電時の応答電圧が略一定となるように、前記放電パターンを形成することを特徴とする。

　本発明のバッテリの状態推定方法の他の態様は、放電する電流幅及び時間幅を一定とし、前記放電時の応答電圧が略一定となるように、前記放電を休止させている回復時間を調整して前記放電パターンを形成することを特徴とする。

　本発明のバッテリの状態推定方法の他の態様は、前記放電時の応答電圧が略一定となるように、前記回復時間を順次長くして前記放電パターンを形成することを特徴とする。

　本発明のバッテリの状態推定方法の他の態様は、放電回数をＮ、調整パラメータをＡ及びＢ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ａ＋Ｂ×ｅｘｐ（Ｎ）
より算出することを特徴とする。

　本発明のバッテリの状態推定方法の他の態様は、放電回数をＮ、調整パラメータをＣ及びＤ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、放電回数Ｎが所定回数以下のときは前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ｃ＋Ｄ×Ｎ
より算出することを特徴とする。

　本発明の電源システムの第１の態様は、バッテリと、前記バッテリから所定の電流値で放電させるための放電回路と、前記バッテリの電流を測定する電流センサと、前記バッテリの電圧を測定する電圧センサと、前記放電回路を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電圧センサを用いて測定した放電時の応答電圧が略一定となるように前記放電回路を制御していることを特徴とする。

　本発明の電源システムの他の態様は、前記制御手段は、放電電流幅及び時間幅を一定とする放電要求信号を、所定の回復時間毎に前記放電回路に出力していることを特徴とする。

　本発明の電源システムの他の態様は、前記制御手段は、前記回復時間を順次長くしながら前記放電要求信号を前記放電回路に出力していることを特徴とする。

　本発明の電源システムの他の態様は、放電回数をＮ、調整パラメータをＡ及びＢ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、前記制御手段は、前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ａ＋Ｂ×ｅｘｐ（Ｎ）
で決定して前記放電要求信号を前記放電回路に出力していることを特徴とする。

　本発明の電源システムの他の態様は、放電回数をＮ、調整パラメータをＣ及びＤ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、前記制御手段は、放電回数Ｎが所定回数以下のときは前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ｃ＋Ｄ×Ｎ
で決定して前記放電要求信号を前記放電回路に出力していることを特徴とする。

　本発明によれば、繰り返し放電による応答電圧の過渡的な変化を低減してバッテリの劣化度または放電能力を高精度に推定できるバッテリの状態推定方法及び電源システムを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るバッテリの状態推定方法に用いる放電パターンの一例を示すグラフである。充電電気量と放電電気量とが等しくなるように形成された放電パターンの一例を示すグラフである。従来の放電のみによる放電パターンの一例を示すグラフである。従来の放電のみによる放電パターンを用いたときの応答電圧を示すグラフである。一定のパルス放電後の回復時間を示すグラフである。放電回数とともに回復時間を長くした印加電流パターンを示すグラフである。放電回数とともに回復時間を長くした放電パターンを用いたときの応答電圧を示すグラフである。第１の実施形態に係るバッテリの状態推定方法の処理の流れを示す流れ図である。本発明の第２の実施形態に係るバッテリの状態推定方法に用いる放電パターンの一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る電源システムの概略の構成を示すブロック図である。

　本発明の好ましい実施の形態におけるバッテリの状態推定方法及び電源システムについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

（第１実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係るバッテリの状態推定方法を、図１、図５乃至図８を用いて説明する。バッテリに対し放電のみを繰り返し行った場合には、応答電圧幅が図４に示すように次第に低下していくことを説明したが、これはバッテリ内部での分極や成層化等の影響によるものであり、このような影響が低減して安定した状態に戻るまでには所定の時間がかかる。また、安定した状態に戻るまでに要する時間は、放電回数を増やすほど長くなるといった特性がある。一例として、一定のパルス放電を行った後、元の電圧に復帰するまでに要する回復時間を測定した結果を図５に示す。同図に示すように、放電後の回復時間は、放電回数が増えるほど長くなり、しかも放電回数が多くなると回復時間の増加量が加速度的に大きくなることがわかる。

　そこで、本実施形態のバッテリの状態推定方法では、図５に示すようなバッテリの回復時間の特性を考慮して、バッテリから放電する時間間隔を放電回数とともに長くするようにしている。印加電流として、図６に示すように、印加を行う時間幅（以下ではＴ１とする）及び電流幅（以下ではＩ１とする）を一定としたとき、印加を行う間隔を放電回数とともに適切に長くして行くと、図７に示すように、応答電圧が略一定となるようにすることができる。

　上記のように、一定の印加電流（印加時間幅Ｔ１及び電流幅Ｉ１が一定）に対して一定の応答電圧が得られると、応答電圧を印加電流で除することで、インピーダンスとして一定値が得られる。この場合、バッテリは分極や成層化等が解消された安定した状態とはなっていないため、安定時のインピーダンスとはなっていない。そこで、上記のようにして算出したインピーダンスを、以下では準安定時のインピーダンスと称することとする。安定時のインピーダンスとバッテリの劣化度または放電能力との間には１対１の関係があり、この関係を用いて安定時のインピーダンスからバッテリの劣化度または放電能力を検知することができる。

　しかしながら、本実施形態のバッテリの状態推定方法では、一定の印加電流に対して一定の応答電圧が得られることから、このときの準安定時のインピーダンスとバッテリの劣化度または放電能力との間でも１対１の関係が成立している。そこで、本実施形態のバッテリの状態推定方法では、準安定時のインピーダンスとバッテリの劣化度または放電能力との関係を事前に求めておき、これを用いて準安定時のインピーダンスからバッテリの劣化度または放電能力を検知するようにしている。準安定時のインピーダンスとバッテリの劣化度または放電能力との関係として、以下では事前に作成した関係式Ｆ（Ｘ）（Ｘは準安定時のインピーダンス）を用いてバッテリの劣化度または放電能力を推定するものとする。

　本実施形態のバッテリの状態推定方法では、図５に示した放電回数と放電開始までの回復時間との関係を次式で近似している。
　　Ｔｈ（Ｎ）＝Ａ＋Ｂ×ｅｘｐ（Ｎ）　　　　　　　　　　　　（１）
ここで、Ｎが放電回数を表し、Ｔｈ（Ｎ）がＮ回目の放電を開始するまでの回復時間を表している。本実施形態では、図５に示した回復時間の変化を指数関数を用いて近似しており、図５の回復時間のデータを用いて式（１）を最適近似することで、式（１）のパラメータＡ，Ｂを決定している。式（１）を用いて回復時間Ｔｈ（Ｎ）を決定した放電パターンの一例を図１に示す。

　図１に示す放電パターン１０を用いてバッテリの放電を行うことで、測定される応答電圧が略一定値となる。そして、測定された応答電圧と図１に示した放電電流から準安定時のインピーダンスＸを算出することができる。これより、関係式Ｆ（Ｘ）を用いてバッテリの劣化度または放電能力を判定することができる。

　本実施形態のバッテリの状態推定方法を、図８に示す流れ図を用いて詳細に説明する。ここでは、式（１）の放電回数と放電開始までの回復時間との関係式Ｔｈ（Ｎ）、及び準安定時のインピーダンスＸとバッテリの劣化度または放電能力との関係式Ｆ（Ｘ）は、事前に作成されており、これを用いてバッテリの状態推定を行っている。

　バッテリの状態検知が開始されると、まずステップＳ１で放電回数Ｎを１に初期化する。次のステップＳ２において、放電幅Ｉ１で放電時間幅Ｔ１の放電をバッテリに対し行う。スッテプＳ３では、ステップＳ２で行った放電期間中、応答電圧を測定する。ステップＳ４では、ステップＳ２の放電期間中、測定した応答電圧を所定のメモリ等に保存する。保存する応答電圧として、図７に示した応答電圧例では、例えば最も低い応答電圧を選択することができる。あるいは、放電期間中の測定電圧の平均値を用いるようにすることもできる。いずれの応答電圧を用いる場合でも、それに合わせてインピーダンスＸとバッテリの劣化度または放電能力との関係式Ｆ（Ｘ）を事前に作成しておく必要がある。

　ステップＳ５では、放電回数Ｎが目標回数（Ｎｍａｘとする）に達したか否かを判定し、目標回数に達していない場合は、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では放電回数Ｎに１を加算し、次のステップＳ７でＮ回目の放電を開始するまでの回復時間Ｔｈ（Ｎ）を算出する。そして、ステップＳ８において、回復時間Ｔｈ（Ｎ）が経過するのを待つ。回復時間Ｔｈ（Ｎ）が経過すると、再びステップＳ２に戻り、ステップＳ４までの処理を繰り返し行う。

　一方、ステップＳ５において放電回数Ｎが目標回数Ｎｍａｘに達したと判定されると、次にステップＳ９に進み、ステップＳ４で保存した応答電圧をすべて読み出す。そして、ステップＳ１０において、読み出した応答電圧の平均値Ｖａを算出する。本実施形態の状態推定方法では、放電回数Ｎにかかわらずほぼ一定の応答電圧が得られるが、ここでは応答電圧の測定値のばらつきを低減するためにその平均値を算出している。応答電圧の測定値のばらつきが十分小さい場合には、ステップＳ１０の処理は必ずしも必要ではなく、いずれかの応答電圧を用いればよい。

　さらに、ステップＳ１１では、ステップＳ１０で算出した応答電圧Ｖａと放電幅Ｉ１とから、インピーダンスＸを次式で算出する。
Ｘ＝Ｖａ／Ｔ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　上式で算出したインピーダンスＸを用いて、ステップＳ１２ではＦ（Ｘ）を判定（所定の閾値との比較）してバッテリの劣化度または放電能力を判定する。

　なお、上記処理の流れでは、ステップＳ１１のインピーダンスＸの算出に放電幅Ｉ１を用いたが、これに代えて、電流測定値を用いることも可能である。その場合には、ステップＳ３において応答電圧とともに電流も測定し、ステップＳ４で応答電圧とともに電流測定値もメモリに保存する。これにより、ステップＳ１１では、メモリに保存されている電流測定値を用いてインピーダンスＸを算出することが可能となる。

　上記の説明のように、本実施形態のバッテリの状態推定方法によれば、繰り返し放電による応答電圧の過渡的な変化を低減してこれをほぼ一定とすることができ、この応答電圧を用いてバッテリの劣化度または放電能力を高精度に推定することが可能となる。

（第２実施形態）
　本発明の第２の実施形態に係るバッテリの状態推定方法を、図９を用いて説明する。本実施形態のバッテリの状態推定方法では、放電回数Ｎと放電開始までの回復時間との関係を、第１の実施形態の式（１）代えて、下記の式（３）を用いている。
　　　Ｔｈ（Ｎ）＝Ｃ＋Ｄ×Ｎ　　　（Ｎ≦Ｎｂのとき）　　　　　（３）
　または
Ｔｈ（Ｎ）＝Ａ＋Ｂ×ｅｘｐ（Ｎ）　（Ｎ＞Ｎｂのとき）　　　　　（４）

　式（３）は、放電回数Ｎが所定の回数Ｎｂ以下の場合に、回復時間Ｔｈ（Ｎ）を放電回数Ｎの一次式で近似して算出するようにしている。放電回数Ｎが所定の回数Ｎｂより大きいときは、第１の実施形態と同様に、式（４）に示す放電回数Ｎの指数関数で回復時間Ｔｈ（Ｎ）を算出する。本実施形態のバッテリの状態推定方法で用いる放電パターンの一例を図９に示す。同図において、放電を開始した初期の放電パターン２０ａは、上記の式（３）を用いて回復時間を算出したものであり、放電パターン２０ｂは、上記の式（４）を用いて回復時間を算出したものである。

　本実施形態のバッテリの状態推定方法では、放電回数が少ないときは式（３）に示す一次式を用いて回復時間を算出するようにすることで、回復時間Ｔｈ（Ｎ）を算出するのに用いる演算処理装置の負荷を軽減することが可能となる。

　本発明の電源システムの実施形態を、図１０を用いて以下に説明する。図１０は、本実施形態の電源システム１００の構成を示すブロック図である。電源システム１００は、バッテリ１０１と、バッテリ１０１に充電を行うオルタネータ１０２と、バッテリ１０１から所定の放電電流で放電を行う放電回路１０３と、バッテリ１０１の状態推定を行うバッテリ状態推定装置１１０とを備えている。また、バッテリ１０１には、負荷１０５が接続されている。

　またバッテリ状態推定装置１１０は、電流センサ１１１と電圧センサ１１２と、制御手段１１３と、メモリ１１４とを備えている。第１の実施形態及び第２の実施形態のバッテリの状態推定方法は、制御手段１１３を用いて処理される。すなわち、制御手段１１３から放電回路１０３に放電幅Ｉ１、放電時間幅Ｔ１の放電要求信号を出力して放電させ、その間の電流及び応答電圧をそれぞれ電流センサ１１１及び電圧センサ１１２を用いて測定する。また、放電開始までの回復時間を制御手段１１３で算出し、回復時間に達した時点で再び放電回路１０３に放電要求信号を出力して放電を行わせる。電流センサ１１１及び電圧センサ１１２で測定された電流及び応答電圧は、メモリ１１４に保存され、すべての放電が終了した後にインピーダンスＸの算出に用いられる。

　上記のように構成された本実施形態の電源システムでは、第１の実施形態及び第２の実施形態のバッテリの状態推定方法を用いてバッテリ１０１の状態推定を高精度に行うことが可能となり、バッテリ１０１の劣化度または放電能力をユーザに適切に通知することが可能となる。

　なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るバッテリの状態推定方法及び電源システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるバッテリの状態推定方法等の細部構成及び詳細な動作などに関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１００・・・電源システム
１０１・・・バッテリ
１０２・・・オルタネータ
１０３・・・放電回路
１０５・・・負荷
１１０・・・バッテリ状態推定装置
１１１・・・電流センサ
１１２・・・電圧センサ
１１３・・・制御手段
１１４・・・メモリ

Claims

　バッテリを所定の放電パターンで放電させたときの前記バッテリの電流値と応答電圧とから前記バッテリのインピーダンスを推定し、該インピーダンスを用いて前記バッテリの劣化度または放電能力を判定するバッテリの状態推定方法であって、
　前記放電時の応答電圧が略一定となるように、前記放電パターンを形成する
ことを特徴とするバッテリの状態推定方法。
　放電する電流幅及び時間幅を一定とし、前記放電時の応答電圧が略一定となるように、前記放電を休止させている回復時間を調整して前記放電パターンを形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリの状態推定方法。
　前記放電時の応答電圧が略一定となるように、前記回復時間を順次長くして前記放電パターンを形成する
ことを特徴とする請求項２に記載のバッテリの状態推定方法。
　放電回数をＮ、調整パラメータをＡ及びＢ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式Ｔｈ（Ｎ）＝Ａ＋Ｂ×ｅｘｐ（Ｎ）
より算出する
ことを特徴とする請求項２または３に記載のバッテリの状態推定方法。
　放電回数をＮ、調整パラメータをＣ及びＤ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、放電回数Ｎが所定回数以下のときは前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ｃ＋Ｄ×Ｎ
より算出する
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のバッテリの状態推定方法。
　バッテリと、
　前記バッテリから所定の電流値で放電させるための放電回路と、
　前記バッテリの電流を測定する電流センサと、
　前記バッテリの電圧を測定する電圧センサと、
　前記放電回路を制御する制御手段と、を備え、
　前記制御手段は、前記電圧センサを用いて測定した放電時の応答電圧が略一定となるように前記放電回路を制御している
ことを特徴とする電源システム。
　前記制御手段は、放電電流幅及び時間幅を一定とする放電要求信号を、所定の回復時間毎に前記放電回路に出力している
ことを特徴とする請求項６に記載の電源システム。
　前記制御手段は、前記回復時間を順次長くしながら前記放電要求信号を前記放電回路に出力している
ことを特徴とする請求項７に記載の電源システム。
　放電回数をＮ、調整パラメータをＡ及びＢ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、前記制御手段は、前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ａ＋Ｂ×ｅｘｐ（Ｎ）
で算出して前記放電要求信号を前記放電回路に出力している
ことを特徴とする請求項７または８に記載の電源システム。
　放電回数をＮ、調整パラメータをＣ及びＤ、Ｎ回目の放電を開始するまでの前記回復時間をＴｈ（Ｎ）、とするとき、前記制御手段は、放電回数Ｎが所定回数以下のときは前記回復時間Ｔｈ（Ｎ）を次式
Ｔｈ（Ｎ）＝Ｃ＋Ｄ×Ｎ
で算出して前記放電要求信号を前記放電回路に出力している
ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電源システム。