WO2016002398A1 - バッテリー劣化度推定装置およびバッテリー劣化度推定方法 - Google Patents

バッテリー劣化度推定装置およびバッテリー劣化度推定方法 Download PDF

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賢司 保坂
一真 玉井
千鶴 松山
酒井 健一
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a battery deterioration degree estimation device and a battery deterioration degree estimation method.
  • Battery secondary battery deteriorates at a speed according to the usage environment.
  • the amount of charge at full charge hereinafter referred to as “full charge capacity” as appropriate
  • the discharge characteristics deteriorate.
  • the battery mounted on the vehicle deteriorates, the running performance decreases. Therefore, it is desirable to estimate a period (remaining life) in which the battery can exhibit predetermined performance.
  • the remaining life is predicted by estimating the degree of deterioration of the battery in association with the square root of the total travel distance.
  • the present invention was made paying attention to such conventional problems.
  • the objective of this invention is providing the technique which can estimate a battery degradation degree accurately.
  • the present invention solves the above problems by the following means.
  • a battery deterioration level estimation device includes a total deterioration level detection unit that detects a current total deterioration level of a battery, and a cycle deterioration estimation unit that estimates a future cycle deterioration level due to charge / discharge of the battery. And a storage deterioration estimation unit that estimates a future storage deterioration degree occurring with time inside the battery. Further, a future battery deterioration level is estimated based on the current total deterioration level, the future cycle deterioration level, and the future storage deterioration level.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the control contents of the first embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method for setting cycle deterioration characteristics.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of storage deterioration characteristics.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an estimation result of the degree of battery deterioration in the future.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the control contents of the total deterioration level detection unit 110.
  • FIG. 6 is a flowchart of a life prediction routine executed by the controller of the battery deterioration estimation device.
  • FIG. 7 is a flowchart of a travel distance & usage time storage routine executed by the controller of the battery deterioration estimation device.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the control contents of the first embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method for setting cycle deteriorat
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the correlation between the travel distance and the use time stored in the controller.
  • FIG. 9 is a flowchart of a travel distance & usage time storage routine executed by the controller of the battery deterioration degree estimation device.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the concept of the second embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the control contents of the second embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the concept of the third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the concept of the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a block diagram showing the control contents of the fourth embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the concept of the fifth embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the concept of the sixth embodiment.
  • FIG. 17 is a block diagram showing the control contents of the sixth embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according
  • battery deterioration includes storage deterioration and cycle deterioration.
  • the storage deterioration is deterioration mainly caused by a chemical reaction occurring with time inside the battery. Storage degradation proceeds, for example, by a chemical reaction between the battery electrode and the electrolyte. The degree of progress of this storage deterioration corresponds to the square root of time.
  • cycle deterioration is deterioration caused by repeated charging and discharging of the battery.
  • Cycle deterioration mainly proceeds mechanically due to friction of electrodes and the like generated due to expansion and contraction of the inside of the battery when the battery is charged and discharged.
  • the progress degree of cycle deterioration corresponds to the number of cycles (cycle) of charging and discharging.
  • the method of estimating the degree of deterioration of the battery simply by associating it with the square root of the total travel distance has a large error although it can be roughly estimated, and it has been difficult to estimate accurately.
  • the inventors have completed the invention based on such findings. Details will be described below.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the control contents of the first embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • the battery degradation level estimation device 100 includes a total degradation level detection unit 110, a cycle degradation estimation unit 120, a storage degradation estimation unit 130, and a battery degradation estimation unit 140.
  • the total deterioration level detection unit 110 detects the current total battery deterioration level in which both cycle deterioration and storage deterioration are combined. Details will be described later.
  • the cycle deterioration estimation unit 120 estimates a future cycle deterioration degree caused by charging and discharging of the battery.
  • the cycle deterioration is a deterioration that proceeds mechanically due to friction of electrodes and the like caused by expansion and contraction of the inside of the battery when the battery is charged and discharged. Therefore, the cycle deterioration estimation unit 120 estimates the future cycle deterioration by predicting the future charge / discharge number based on the number of times of charge / discharge of the battery in a certain period (unit period) (hereinafter also referred to as a cycle). Note that the number of times the battery is charged and discharged in a certain period can be considered as an integrated value of the output characteristic (for example, power or current) for a certain period.
  • the cycle deterioration estimation unit 120 includes an output characteristic integrated value storage unit 121, an output characteristic integrated value prediction unit 122, and a cycle deterioration degree estimation unit 123.
  • the output characteristic integrated value storage unit 121 stores an integrated value per a fixed period (unit period) nearest to the output characteristic (for example, electric power or current) detected by the output characteristic detection unit. As described above, the number of times the battery is charged and discharged in a certain period (unit period) can be considered as an integrated value of the output characteristics in the certain period. Therefore, the output characteristic integrated value storage unit 121 stores the number of times the battery is charged and discharged in a certain period.
  • the output characteristic detection unit is specifically a current sensor that detects a battery current or a voltage sensor that detects a voltage. By such a sensor, the input / output current value voltage value is detected, and the power is detected.
  • Output characteristic integrated values include integrated value of charge power [kWh], integrated value of discharge power [kWh], integrated value of absolute value of charge power and discharge power [kWh], integrated value of charge current [Ah], discharge Any of the integrated value [Ah] of current and the integrated value [Ah] of absolute values of charging current and discharging current may be used.
  • the unit period to be stored can be arbitrarily set. However, a longer period is preferable to a shorter period. This is because noise may be included in a short period. For example, when the vehicle owner is changed, it is desirable to reset. This is because if the vehicle owner is changed, the state in which electric power is integrated changes.
  • the output characteristic integrated value prediction unit 122 calculates (predicts) the integrated value (future value) of the output characteristic after the desired period by multiplying the integrated value per unit period of the output characteristic by the desired period. To do.
  • the cycle deterioration degree estimation unit 123 based on the integrated value of the output characteristics after a desired period and a preset cycle deterioration characteristic, changes the cycle deterioration after a desired period (changes relative to the current deterioration degree). ).
  • the cycle deterioration characteristic is a characteristic shown in FIG. 2 and is stored in advance in a storage medium provided in the controller.
  • a method for setting the cycle deterioration characteristic will be described with reference to FIG. A general cycle test for battery evaluation in which the battery is repeatedly charged and discharged is performed, and the relationship between the cycle and the degree of deterioration is plotted. Even during this cycle test, storage deterioration proceeds due to the chemical reaction between the battery electrode and the electrolyte. Therefore, as shown in FIG.
  • the storage deterioration estimation unit 130 estimates a future storage deterioration level mainly due to a chemical reaction that occurs over time inside the battery.
  • the storage deterioration is, for example, deterioration that progresses with time due to a chemical reaction between the electrode of the battery and the electrolyte, and progresses with the passage of time from the time when the electrode contacts the electrolyte. Therefore, the storage deterioration estimation unit 130 measures an elapsed period after the electrode touches the electrolyte, obtains the current storage deterioration degree based on the period, and obtains the storage deterioration degree after a desired period. The amount of change in storage deterioration after this period is estimated (the amount of change with respect to the current degree of deterioration).
  • the storage degradation estimation unit 130 includes a storage degradation level calculation unit 131 and a storage degradation level estimation unit 132.
  • the storage deterioration degree calculation unit 131 obtains the current storage deterioration degree based on the elapsed time from the time when the electrode touches the electrolyte and a preset storage deterioration characteristic.
  • the storage deterioration characteristic is, for example, the characteristic shown in FIG. 3 and is stored in advance in a storage medium included in the controller. Such characteristics can be obtained by a general storage test for battery evaluation. From FIG. 3, it can be seen that storage degradation is a characteristic that proceeds in proportion to the square root of time.
  • the timer is a timer mounted on the vehicle. Therefore, in the battery manufacturing process, the time from when the electrode touches the electrolyte to when the vehicle timer starts timing cannot be measured.
  • the time from when the electrode touches the electrolyte to when the time is started by the vehicle timer is managed as a certain time, and the certain time is added to the time measured by the timer. It should be noted that the time from when the electrode touches the electrolyte to when the vehicle timer starts timing is minimal compared to the battery life, and can be ignored.
  • the storage deterioration level estimation unit 132 obtains a storage deterioration level after a desired period based on the storage deterioration characteristic, and estimates a storage deterioration change amount after the desired period.
  • the battery deterioration estimation unit 140 estimates the future battery deterioration degree based on the current total deterioration degree, the cycle deterioration change amount after a desired period, and the storage deterioration change amount after the desired period.
  • the estimation result is, for example, as shown in FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the control contents of the total deterioration level detection unit 110.
  • the total deterioration level detection unit 110 detects the total battery deterioration level at the present time by adding both cycle deterioration and storage deterioration.
  • the total deterioration detection unit 110 includes a cycle deterioration calculation unit 111, a storage deterioration calculation unit 112, and a total deterioration calculation unit 113.
  • the cycle deterioration calculation unit 111 calculates the current degree of cycle deterioration due to charging and discharging of the battery.
  • the cycle deterioration calculation unit 111 includes a total output characteristic integrated value storage unit 1111 and a cycle deterioration degree calculation unit 1112.
  • the total output characteristic integrated value storage unit 1111 stores the integrated value of the output characteristic detected by the output characteristic detection unit so far.
  • the output characteristic detection unit is specifically a current sensor that detects a battery current or a voltage sensor that detects a voltage. By such a sensor, the input / output current value voltage value is detected, and the power is detected. Also, as the output characteristic integrated value, the integrated value of charge power [kWh], the integrated value of discharge power [kWh], the integrated value of absolute values of charge power and discharge power [kWh], the integrated value of charge current [Ah], Either the integrated value [Ah] of the discharge current or the integrated value [Ah] of the absolute value of the charging current and the discharging current may be used.
  • the cycle deterioration degree calculation unit 1112 calculates the current cycle deterioration degree based on the total output characteristic integration and the preset cycle deterioration characteristic.
  • the cycle deterioration characteristics are as described above.
  • the storage deterioration calculation unit 112 calculates the current storage deterioration degree mainly due to a chemical reaction that occurs over time regardless of charge / discharge inside the battery.
  • the storage deterioration calculation unit 112 includes a storage deterioration degree calculation unit 1121.
  • the storage deterioration degree calculation unit 1121 obtains the current storage deterioration degree based on the elapsed time from the time when the electrode touches the electrolyte and a preset storage deterioration characteristic.
  • the storage deterioration characteristics are as described above.
  • the total deterioration calculation unit 113 calculates the current total deterioration degree based on the current cycle deterioration degree and the current storage deterioration degree.
  • FIG. 6 is a flowchart of a life prediction routine executed by the controller of the battery deterioration estimation device. The controller repeatedly executes this routine.
  • step S210 the controller estimates the degree of deterioration after a predetermined period while gradually extending the period. Specifically, for example, the degree of deterioration after a period such as one month later, two months later, and three months later is estimated.
  • step S220 the controller determines whether or not the deterioration degree after a predetermined period exceeds the use limit deterioration degree. If the determination result is negative, the controller once exits the process. If the determination result is affirmative, the controller executes the process of step S230.
  • step S230 the controller predicts, as the remaining life, the period when the deterioration degree estimated in step S210 exceeds the use limit deterioration degree for the first time.
  • the travel distance until the remaining life is reached may be predicted. Specifically, it is as follows.
  • FIG. 7 is a flowchart of a travel distance & use time storage routine executed by the controller of the battery deterioration estimation device.
  • step S310 the controller stores the correlation between the travel distance up to the present and the usage time.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the correlation between the travel distance and the usage time stored in the controller.
  • step S310 for example, the data shown in FIG. 8 is stored in the controller. Roughly, the travel distance is proportional to the usage time.
  • FIG. 9 is a flowchart of a mileage & usage time storage routine executed by the controller of the battery deterioration estimation device.
  • step S410 the controller converts the remaining life into the predicted travel distance based on the correlation stored in step S310.
  • the correlation between the travel distance and the usage time is often different depending on the user. Therefore, it is preferable to reset the data and store the correlation again at the timing when the user changes.
  • the deterioration degree of the battery is not simply estimated in association with the square root of the total travel distance.
  • the deterioration is mainly caused by the storage deterioration that progresses with time due to the chemical reaction between the battery electrode and the electrolyte, and the friction of the electrode and the like due to the expansion and contraction of the inside of the battery when the battery is charged and discharged. It was divided into cycle deterioration that mechanically progressed by the above, and each deterioration was estimated. In this way, it is possible to accurately estimate how much the battery will deteriorate in how many years from now, how much the remaining battery life is, or how much can be run.
  • the total battery deterioration level at the present time when both cycle deterioration and storage deterioration are added is detected by the method described in FIG. Thereby, the present total degree of deterioration of the battery can be detected without requiring a special device.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the concept of the second embodiment.
  • the degree of progress of storage deterioration corresponds to the square root of time, but there is also sensitivity to temperature. For example, as shown in FIG. 10, the higher the temperature, the easier the deterioration proceeds.
  • the deterioration coefficient on the vertical axis is a coefficient multiplied by the capacity maintenance rate. The smaller the deterioration coefficient, the smaller the capacity maintenance rate, that is, the degree of deterioration increases.
  • the storage deterioration is calculated by further considering the temperature history (frequency of occurrence of temperature) so far. A specific configuration will be described with reference to FIG.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the control contents of the second embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • the storage deterioration estimation unit 130 further includes a storage temperature frequency storage unit 133 in addition to the configuration of the first embodiment.
  • the storage temperature frequency storage unit 133 stores the temperature frequency so far in units of a fixed period based on the temperature information output from the temperature detection unit (battery temperature sensor) and the time information of the time measurement unit. Since the vehicle battery is an assembled battery, it is preferable that the temperature detection unit measures the hottest point where the deterioration proceeds quickly. A thermistor or the like may be used as the temperature detection unit.
  • the storage deterioration level calculation unit 131 and the storage deterioration level estimation unit 132 correct the storage deterioration level using the temperature information stored in the storage temperature frequency storage unit 133. Specifically, for example, using the stored frequency occurrence frequency information, the degree of deterioration is integrated by obtaining the time of exposure to the temperature, and the storage deterioration degree is corrected.
  • the temperature sensitivity may be negligible, so the present embodiment may be applied as appropriate according to the characteristics of the battery. Further, the concept of the present embodiment may be applied to the storage deterioration level calculation unit 1121 of the storage deterioration calculation unit 112 of the total deterioration level detection unit 110.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the concept of the third embodiment.
  • the battery temperature changes depending on the outside temperature. Therefore, as shown in FIG. 12, a temperature change due to seasonal variation that takes one cycle in one year is taken into consideration by considering a temperature change in the past year. This makes it possible to estimate the battery storage deterioration level with higher accuracy and to estimate the remaining life of the battery more accurately.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the concept of the fourth embodiment.
  • the degree of progress of storage deterioration corresponds to the square root of time, but there is also sensitivity to the battery charge rate SOC (State Of Charge). For example, as shown in FIG. 13, as the SOC increases, the deterioration easily proceeds. Therefore, in the present embodiment, the storage deterioration is calculated in consideration of the SOC history (SOC occurrence frequency) so far. A specific configuration will be described with reference to FIG.
  • FIG. 14 is a block diagram showing the control contents of the fourth embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • the storage deterioration estimation unit 130 further includes a storage SOC frequency storage unit 134 in addition to the configuration of the first embodiment.
  • the stored SOC frequency storage unit 134 stores the SOC frequency so far in units of a fixed period based on the SOC information output by the SOC detection unit and the time information of the time measuring unit.
  • the SOC detection method is a general method such as a method of measuring a voltage in a state where there is no polarization due to energization and calculating the current SOC from the relationship between the voltage and the SOC, or a method of calculating SOC from an energization amount using an ammeter or the like. May be detected by a typical method.
  • the storage deterioration level calculation unit 131 and the storage deterioration level estimation unit 132 correct the storage deterioration level using the SOC information stored in the storage SOC frequency storage unit 134. Specifically, for example, by using the stored SOC occurrence frequency information to determine the time that the battery has been exposed to the SOC, the degree of deterioration may be integrated and the degree of storage deterioration may be corrected.
  • this embodiment may be applied as appropriate according to the characteristics of the battery. Further, the concept of the present embodiment may be applied to the storage deterioration level calculation unit 1121 of the storage deterioration calculation unit 112 of the total deterioration level detection unit 110.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the concept of the fifth embodiment.
  • This fifth embodiment is a combination of the second embodiment and the fourth embodiment.
  • the temperature and the occurrence frequency of the SOC are mapped and stored.
  • the storage deterioration level calculation unit 131 and the storage deterioration level estimation unit 132 use the stored temperature and SOC occurrence frequency information to obtain the degree of deterioration by obtaining the temperature and time the battery has been exposed to the SOC. And correct the degree of storage deterioration.
  • the temperature and SOC sensitivity which are important factors for battery storage deterioration, can be applied, so that the battery storage deterioration degree can be estimated with higher accuracy. Thereby, the remaining life of the battery can be estimated more accurately.
  • the temperature sensitivity and SOC sensitivity may be negligible. Therefore, this embodiment may be applied as appropriate according to the characteristics of the battery. Further, the concept of the present embodiment may be applied to the storage deterioration level calculation unit 1121 of the storage deterioration calculation unit 112 of the total deterioration level detection unit 110.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the concept of the sixth embodiment.
  • the degree of progress of cycle deterioration corresponds to the number of cycles of charging and discharging (cycle), but there is also sensitivity to temperature. For example, as shown in FIG. 16, the higher the temperature, the easier the deterioration proceeds. Since the number of times of charging / discharging the battery can be considered as an integrated value of the output characteristics, the cycle deterioration is estimated in relation to the integrated value of the output characteristics. Therefore, in the present embodiment, the cycle deterioration is calculated by further considering the temperature history (frequency of occurrence of temperature) so far. A specific configuration will be described with reference to FIG.
  • FIG. 17 is a block diagram showing the control contents of the sixth embodiment of the battery deterioration degree estimating apparatus according to the present invention.
  • the cycle deterioration estimation unit 120 further includes a cycle temperature frequency storage unit 124 in addition to the configuration of the first embodiment.
  • the cycle temperature frequency storage unit 124 stores the frequency of the temperature so far in units of a fixed period based on the temperature information output from the temperature detection unit (battery temperature sensor) and the time information of the time measurement unit.
  • the cycle deterioration degree estimation unit 123 corrects the cycle deterioration degree using the temperature information stored in the cycle temperature frequency storage unit 124. That is, if the frequency of high temperatures is high, correction is made so that the progress of cycle deterioration proceeds.
  • this embodiment may be applied as appropriate according to the characteristics of the battery.
  • the concept of the present embodiment may be applied to the cycle deterioration degree calculation unit 1112 of the cycle deterioration calculation unit 111 of the total deterioration degree detection unit 110.

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Abstract

バッテリー劣化度推定装置は、バッテリーの現在の総劣化度を検出する総劣化度検出部110と、バッテリーの充放電に起因する将来のサイクル劣化度を推定するサイクル劣化推定部120と、バッテリーの内部で経時的に生じる将来の保存劣化度を推定する保存劣化推定部130と、現在の総劣化度と将来のサイクル劣化度と将来の保存劣化度とに基づいて将来のバッテリー劣化度を推定するバッテリー劣化推定部140と、を有する。

Description

バッテリー劣化度推定装置およびバッテリー劣化度推定方法
 この発明は、バッテリー劣化度推定装置およびバッテリー劣化度推定方法に関する。
 バッテリー(二次電池)は、使用環境に応じた速度で劣化する。劣化につれて、満充電時の充電量(以下適宜「満充電容量」と称す)が減少し、また放電特性が低下する。車両に搭載されるバッテリーが劣化すれば、走行性能が低下する。そのため、バッテリーが所定の性能を発揮可能な期間(余寿命)を推定しておくことが望ましい。JP2007-195312Aに記載された技術では、総走行距離の平方根に対応付けてバッテリーの劣化度を推定することで、余寿命を予測していた。
 しかしながら、本件発明者らは、JP2007-195312Aに開示された手法でバッテリー劣化度を推定しても誤差が大きいという課題を知見した。
 本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、バッテリー劣化度を精度よく推定することができる技術を提供することである。
 本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
 本発明の一態様におけるバッテリー劣化度推定装置は、バッテリーの現在の総劣化度を検出する総劣化度検出部と、前記バッテリーの充放電に起因する将来のサイクル劣化度を推定するサイクル劣化推定部と、前記バッテリーの内部で経時的に生じる将来の保存劣化度を推定する保存劣化推定部と、を有する。そして、さらに、前記現在の総劣化度と前記将来のサイクル劣化度と前記将来の保存劣化度とに基づいて将来のバッテリー劣化度を推定する。
図1は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第1実施形態の制御内容を示すブロック図である。 図2は、サイクル劣化特性の設定方法について説明する図である。 図3は、保存劣化特性の一例を示す図である。 図4は、将来のバッテリー劣化度の推定結果の一例を示す図である。 図5は、総劣化度検出部110の制御内容を示すブロック図である。 図6は、バッテリー劣化度推定装置のコントローラーが実行する寿命予測ルーチンのフローチャートである。 図7は、バッテリー劣化度推定装置のコントローラーが実行する走行距離&使用時間記憶ルーチンのフローチャートである。 図8は、コントローラーが記憶する、走行距離と使用時間との相関の一例を示す図である。 図9は、バッテリー劣化度推定装置のコントローラーが実行する走行距離&使用時間記憶ルーチンのフローチャートである。 図10は、第2実施形態のコンセプトを説明する図である。 図11は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第2実施形態の制御内容を示すブロック図である。 図12は、第3実施形態のコンセプトを説明する図である。 図13は、第4実施形態のコンセプトを説明する図である。 図14は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第4実施形態の制御内容を示すブロック図である。 図15は、第5実施形態のコンセプトを説明する図である。 図16は、第6実施形態のコンセプトを説明する図である。 図17は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第6実施形態の制御内容を示すブロック図である。
 以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
 (基本的なコンセプト)
 上述のように、バッテリーの余寿命をできる限り正確に推定することが望ましい。しかしながら、単に総走行距離の平方根に対応付けてバッテリーの劣化度を推定しても誤差が大きかった。これについて発明者らは、鋭意研究を重ね、バッテリーの劣化には、保存劣化とサイクル劣化とがあることを見出した。保存劣化は、バッテリーの内部で経時的に生じる主に化学反応に起因する劣化である。保存劣化は、たとえばバッテリーの電極と電解質との化学反応によって進行する。この保存劣化の進行度合は、時間の平方根に対応付く。これに対して、サイクル劣化は、バッテリーの充電及び放電が繰り返されることに起因する劣化である。サイクル劣化は、バッテリーが充電放電するときにバッテリー内部が膨張収縮することに起因して発生する電極等の摩擦などによって主に機械的に進行する。サイクル劣化の進行度合は、充電及び放電の回数(サイクル)に対応付く。そのため、単に総走行距離の平方根に対応付けてバッテリーの劣化度を推定する手法では、大まかには推定できるものの誤差が大きく、正確に推定することが困難だったのである。発明者らは、このような知見に基づいて、発明を完成させた。以下、詳細を説明する。
 (第1実施形態)
 図1は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第1実施形態の制御内容を示すブロック図である。
 バッテリー劣化度推定装置100は、総劣化度検出部110と、サイクル劣化推定部120と、保存劣化推定部130と、バッテリー劣化推定部140とを有する。
 総劣化度検出部110は、サイクル劣化及び保存劣化の両方が合わさった現在のバッテリー総劣化度を検出する。詳細は、後述される。
 サイクル劣化推定部120は、バッテリーの充電及び放電に起因する将来のサイクル劣化度を推定する。上述のように、サイクル劣化は、バッテリーが充電放電するときにバッテリー内部が膨張収縮することに起因する電極等の摩擦などによって、機械的に進行する劣化である。そこで、サイクル劣化推定部120は、一定期間(単位期間)におけるバッテリーの充電放電回数(以下、サイクルともいう)に基づいて、将来の充電放電回数を予測して、将来のサイクル劣化を推定する。なお一定期間におけるバッテリーの充電放電回数は、出力特性(たとえば電力又は電流)の一定期間の積算値と考えることができる。したがって、本実施形態では、出力特性の積算値に基づいて将来のサイクル劣化を推定する。サイクル劣化推定部120は、出力特性積算値記憶部121と、出力特性積算値予測部122と、サイクル劣化度推定部123とを有する。
 出力特性積算値記憶部121は、出力特性検出部が検出した出力特性(たとえば電力又は電流)の直近の一定期間(単位期間)当たりの積算値を記憶する。上述のように、一定期間(単位期間)におけるバッテリーの充電放電回数は、出力特性の一定期間における積算値と考えることができる。そこで、出力特性積算値記憶部121は、一定期間におけるバッテリーの充電放電回数を記憶するのである。ここで、出力特性検出部とは、具体的にはバッテリーの電流を検出する電流センサーや、電圧を検出する電圧センサーである。このようなセンサーによって、入出力の電流値電圧値を検出し、また電力を検出する。出力特性積算値としては、充電電力の積算値[kWh]、放電電力の積算値[kWh]、充電電力及び放電電力の絶対値の積算値[kWh]、充電電流の積算値[Ah]、放電電流の積算値[Ah]、充電電流及び放電電流の絶対値の積算値[Ah]のいずれであってもよい。適宜選択することで、コストをかけることなく推定精度を上げることができる。また記憶する単位期間は、任意に設定可能である。ただし、短期間よりも長期間のほうが望ましい。短期間であれば、ノイズが含まれてしまう可能性があるからである。またたとえば車両所有者が変更される場合には、リセットすることが望ましい。車両所有者が変更されれば、電力の積算される状態が変わるからである。
 出力特性積算値予測部122は、出力特性の単位期間当たりの積算値に対して、所望の期間を乗算することで、所望の期間後の出力特性の積算値(将来値)を演算(予測)する。
 サイクル劣化度推定部123は、所望の期間後の出力特性の積算値と、予め設定されているサイクル劣化特性とに基づいて、所望の期間後のサイクル劣化変化量(現在の劣化度に対する変化量)を推定する。なお、サイクル劣化特性は図2に示される特性であって、コントローラーが備える記憶媒体に予め記憶されている。ここで、図2を参照してサイクル劣化特性の設定方法について説明する。バッテリーの充電放電を繰り返す電池評価の一般的なサイクル試験を行って、サイクルと劣化度との関係をプロットする。なおこのサイクル試験中にも、バッテリーの電極と電解質との化学反応によって保存劣化が進行する。そこで、図2に示されるように、サイクル試験中の保存劣化分を除いて、サイクル劣化特性を設定することが重要である。このようにしてサイクル劣化特性をプロットすると、サイクルが多くなるにつれて、容量維持率が低下していることが判る。すなわち、サイクル劣化は、サイクルに比例して進むことが判る。
 保存劣化推定部130は、バッテリーの内部で経時的に生じる主に化学反応に起因する将来の保存劣化度を推定する。上述のように、保存劣化は、たとえばバッテリーの電極と電解質との化学反応によって経時的に進行する劣化であり、電極が電解質に触れた時点から、時間の経過とともに進行する。そこで、保存劣化推定部130は、電極が電解質に触れてからの経過期間を計測し、その期間に基づいて現在の保存劣化度を求めるとともに、所望の期間後の保存劣化度を求めて、所望の期間後の保存劣化変化量(現在の劣化度に対する変化量)を推定する。保存劣化推定部130は、保存劣化度算出部131と、保存劣化度推定部132とを有する。
 保存劣化度算出部131は、電極が電解質に触れた時点からの経過時間と、予め設定されている保存劣化特性とに基づいて、現在の保存劣化度を求める。なお保存劣化特性は、たとえば図3に示される特性であって、コントローラーが備える記憶媒体に予め記憶されている。このような特性は、電池評価の一般的な保存試験によって取得できる。図3から、保存劣化は、時間の平方根に比例して進行する特性であることが判る。計時部は、車両に搭載されたタイマーである。したがって、電池製造過程において、電極が電解質に触れた時点から車両タイマーで計時を開始するまでの時間は計時できない。そこで、電極が電解質に触れた時点から車両タイマーで計時を開始するまでの時間を一定時間に管理して、その一定時間をタイマーによる計時時間に加算すればよい。なお、電極が電解質に触れた時点から車両タイマーで計時を開始するまでの時間は、バッテリーの寿命に比すれば極小であるので無視することもできる。
 保存劣化度推定部132は、保存劣化特性に基づいて、所望の期間後の保存劣化度を求め、所望の期間後の保存劣化変化量を推定する。
 バッテリー劣化推定部140は、現在の総劣化度と、所望の期間後のサイクル劣化変化量と、所望の期間後の保存劣化変化量とに基づいて将来のバッテリー劣化度を推定する。推定結果は、たとえば、図4のようになる。
 図5は、総劣化度検出部110の制御内容を示すブロック図である。
 総劣化度検出部110は、サイクル劣化及び保存劣化の両方を足し合わせた、現時点でのバッテリー総劣化度を検出する。総劣化度検出部110は、サイクル劣化算出部111と、保存劣化算出部112と、総劣化算出部113とを有する。
 サイクル劣化算出部111は、バッテリーの充電及び放電に起因する現時点でのサイクル劣化度を算出する。サイクル劣化算出部111は、総出力特性積算値記憶部1111と、サイクル劣化度算出部1112とを有する。
 総出力特性積算値記憶部1111は、今までに出力特性検出部が検出した出力特性の積算値を記憶する。なお出力特性検出部とは、具体的にはバッテリーの電流を検出する電流センサーや、電圧を検出する電圧センサーである。このようなセンサーによって、入出力の電流値電圧値を検出し、また電力を検出する。また出力特性積算値としては、充電電力の積算値[kWh]、放電電力の積算値[kWh]、充電電力及び放電電力の絶対値の積算値[kWh]、充電電流の積算値[Ah]、放電電流の積算値[Ah]、充電電流及び放電電流の絶対値の積算値[Ah]のいずれであってもよい。
 サイクル劣化度算出部1112は、総出力特性積算と、予め設定されているサイクル劣化特性とに基づいて現時点のサイクル劣化度を算出する。なおサイクル劣化特性は、上述の通りである。
 保存劣化算出部112は、バッテリーの内部で充放電に関わらず経時的に生じる主に化学反応に起因する現時点での保存劣化度を算出する。保存劣化算出部112は、保存劣化度算出部1121を有する。
 保存劣化度算出部1121は、電極が電解質に触れた時点からの経過時間と、予め設定されている保存劣化特性とに基づいて現時点の保存劣化度を求める。なお保存劣化特性は、上述の通りである。
 総劣化算出部113は、現時点のサイクル劣化度と現時点の保存劣化度とに基づいて現在の総劣化度を算出する。
 図6は、バッテリー劣化度推定装置のコントローラーが実行する寿命予測ルーチンのフローチャートである。コントローラーは、このルーチンを繰り返し実行する。
 ステップS210において、コントローラーは、徐々に期間を延ばしながら、所定期間後の劣化度を推定する。具体的には、たとえば、1月後、2月後、3月後といった期間後の劣化度を推定する。
 ステップS220において、コントローラーは、所定期間後の劣化度が使用限界劣化度を超えたか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であれば一旦処理を抜ける。判定結果が肯であれば、コントローラーは、ステップS230の処理を実行する。
 ステップS230においてコントローラーは、ステップS210で推定した劣化度が初めて使用限界劣化度を超えたときの期間を、余寿命として予測する。
 なお、バッテリーの余寿命(期間)を求めるのに代えて、余寿命に達するまでの走行距離を予測してもよい。具体的には、以下のようにする。
 図7は、バッテリー劣化度推定装置のコントローラーが実行する走行距離&使用時間記憶ルーチンのフローチャートである。
 ステップS310において、コントローラーは、現在までの走行距離と使用時間との相関を記憶する。
 図8は、コントローラーが記憶する、走行距離と使用時間との相関の一例を示す図である。
 ステップS310によって、たとえば、図8に示されるデータがコントローラーに記憶される。大まかには、走行距離が使用時間に比例する。
 図9は、バッテリー劣化度推定装置のコントローラーが実行する走行距離&使用時間記憶ルーチンのフローチャートである。
 ステップS410において、コントローラーは、ステップS310で記憶された相関に基づいて、余寿命を走行予想距離に変換する。
 なお、図8に示されるように、走行距離と使用時間との相関は、ユーザーによって異なることが多い。そこで、ユーザーが変わるタイミングで、データをリセットして再度相関を記憶し直すことが好ましい。
 以上のように、本実施形態では、単に総走行距離の平方根に対応付けてバッテリーの劣化度を推定するのではない。本実施形態では、劣化を、主にバッテリーの電極と電解質との化学反応によって経時的に進行する保存劣化と、バッテリーが充電放電するときにバッテリー内部が膨張収縮することに起因する電極等の摩擦などによって機械的に進行するサイクル劣化と、に切り分けて、それぞれの劣化を推定するようにした。このようにすることで、バッテリーがこれから何年後にどの程度の劣化度になるのか、バッテリーの余寿命はどれくらいあるのか、またはあとどの程度走行できるのか、ということを正確に推定できるのである。
 また本実施形態では、図5に記載されている手法によって、サイクル劣化及び保存劣化の両方が足しあわされた現時点でのバッテリー総劣化度を検出する。これにより、特別な装置を必要とすることなく、現在のバッテリーの総劣化度を検出することができる。
 (第2実施形態)
 図10は、第2実施形態のコンセプトを説明する図である。
 上述のように、保存劣化の進行度合は、時間の平方根に対応付くが、他にも温度に対する感度もある。たとえば図10に示されるように温度が高いほど劣化が進行しやすくなる。なお縦軸の劣化係数は、容量維持率に乗算される係数である。劣化係数が小さいほど、容量維持率が小さく、すなわち劣化度が大きくなる。本実施形態では、これまでの温度履歴(温度の発生頻度)をさらに考慮して保存劣化を算出する。具体的な構成は、図11が参照されて説明される。
 図11は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第2実施形態の制御内容を示すブロック図である。
 なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
 本実施形態では、保存劣化推定部130は、第1実施形態の構成に加えて、保存時温度頻度記憶部133をさらに有する。保存時温度頻度記憶部133は、温度検出部(バッテリー温度センサー)が出力する温度情報と、計時部の時間情報とに基づいて、これまでの温度の頻度を一定期間単位で記憶する。なお車両用バッテリーは組電池となっているので、温度検出部は、劣化が速く進行する一番高温な個所を測定するのがよい。温度検出部としては、サーミスタなどを用いればよい。
 そして、保存劣化度算出部131及び保存劣化度推定部132は、保存時温度頻度記憶部133に記憶されている温度情報を用いて、保存劣化度を補正する。具体的には、たとえば、記憶されている温度の発生頻度情報を用いて、その温度に晒された時間を求めることで劣化度を積算し、保存劣化度を補正する。
 このようにすれば、バッテリーの保存劣化の重要な要因となる温度感度を適用できるので、バッテリー保存劣化度をさらに高精度に推定することが可能となる。結果、バッテリーの余寿命を一層正確に推定できる。なお、バッテリーの特性によっては、温度感度を無視できる場合もあるので、本実施形態は、バッテリーの特性に応じて適宜適用すればよい。また本実施形態の考え方は、総劣化度検出部110の保存劣化算出部112の保存劣化度算出部1121に適用してもよい。
 (第3実施形態)
 図12は、第3実施形態のコンセプトを説明する図である。
 バッテリー温度は、外気温に依存して推移する。そこで、図12に示されるように、過去一年間の温度推移を考慮することで、1年間で1周期となる季節変動による温度変化が考慮される。これにより、バッテリー保存劣化度をさらに高精度に推定することが可能となり、バッテリーの余寿命を一層正確に推定できる。
 (第4実施形態)
 図13は、第4実施形態のコンセプトを説明する図である。
 上述のように、保存劣化の進行度合は、時間の平方根に対応付くが、他にもバッテリー充電率SOC(State Of Charge)に対する感度もある。たとえば図13に示されるようにSOCが大きいほど劣化が進行しやすくなる。そこで、本実施形態では、これまでのSOC履歴(SOCの発生頻度)をさらに考慮して保存劣化を算出するようにした。具体的な構成は、図14が参照されて説明される。
 図14は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第4実施形態の制御内容を示すブロック図である。
 本実施形態では、保存劣化推定部130は、第1実施形態の構成に加えて、保存時SOC頻度記憶部134をさらに有する。保存時SOC頻度記憶部134は、SOC検出部が出力するSOC情報と、計時部の時間情報とに基づいて、これまでのSOCの頻度を一定期間単位で記憶する。なおSOCの検出方法は、通電による分極がない状態での電圧を測定し、電圧とSOCの関係から現在のSOCを算出する方法や、電流計などによる通電量からSOCを算出する方法など、一般的な方法で検出すればよい。
 そして、保存劣化度算出部131及び保存劣化度推定部132は、保存時SOC頻度記憶部134に記憶されているSOC情報を用いて、保存劣化度を補正する。具体的には、たとえば、記憶されているSOCの発生頻度情報を用いて、バッテリーがそのSOCに晒された時間を求めることで、劣化度を積算し、保存劣化度を補正すればよい。
 このようにすれば、バッテリーの保存劣化の重要な要因となるSOC感度を適用できるので、バッテリー保存劣化度をさらに高精度に推定することが可能となる。これにより、バッテリーの余寿命を一層正確に推定できる。なお、バッテリーの特性によっては、SOC感度を無視できる場合もある。したがって、本実施形態は、バッテリーの特性に応じて適宜適用すればよい。また本実施形態の考え方は、総劣化度検出部110の保存劣化算出部112の保存劣化度算出部1121に適用してもよい。
 (第5実施形態)
 図15は、第5実施形態のコンセプトを説明する図である。
 この第5実施形態は、第2実施形態と第4実施形態とを合わせたものである。図15に示されるように、温度及びSOCの発生頻度をマップ化して記憶しておく。そして、保存劣化度算出部131及び保存劣化度推定部132は、記憶されている温度及びSOCの発生頻度情報を用いて、バッテリーが、その温度、SOCに晒された時間を求めることで劣化度を積算し、保存劣化度を補正する。
 このようにすれば、バッテリーの保存劣化の重要な要因となる温度及びSOC感度を適用できるので、バッテリー保存劣化度をさらに高精度に推定することが可能となる。これにより、バッテリーの余寿命を一層正確に推定できる。なおバッテリーの特性によっては、温度感度、SOC感度を無視できる場合もある。したがって、本実施形態は、バッテリーの特性に応じて適宜適用すればよい。また本実施形態の考え方は、総劣化度検出部110の保存劣化算出部112の保存劣化度算出部1121に適用してもよい。
 (第6実施形態)
 図16は、第6実施形態のコンセプトを説明する図である。
 上述のように、サイクル劣化の進行度合は、充電及び放電の回数(サイクル)に対応付くが、他にも温度に対する感度もある。たとえば図16に示されるように温度が高いほど劣化が進行しやすくなる。なお、バッテリーの充電放電回数は、出力特性の積算値と考えることができるので、出力特性の積算値との関係でサイクル劣化を推定する。そこで、本実施形態では、これまでの温度履歴(温度の発生頻度)をさらに考慮してサイクル劣化を算出する。具体的な構成は、図17が参照されて説明される。
 図17は、本発明によるバッテリー劣化度推定装置の第6実施形態の制御内容を示すブロック図である。
 本実施形態では、サイクル劣化推定部120は、第1実施形態の構成に加えて、サイクル時温度頻度記憶部124をさらに有する。サイクル時温度頻度記憶部124は、温度検出部(バッテリー温度センサー)が出力する温度情報と、計時部の時間情報とに基づいて、これまでの温度の頻度を一定期間単位で記憶する。そして、サイクル劣化度推定部123は、サイクル時温度頻度記憶部124に記憶されている温度情報を用いて、サイクル劣化度を補正する。すなわち高温頻度が多ければ、サイクル劣化の進行が進むように補正される。
 このようにすれば、バッテリーのサイクル劣化の重要な要因となる温度感度を適用できるので、バッテリーサイクル劣化度をさらに高精度に推定することが可能となる。結果、バッテリーの余寿命を一層正確に推定できる。なおバッテリーの特性によっては、温度感度を無視できる場合もある。したがって、本実施形態は、バッテリーの特性に応じて適宜適用すればよい。また本実施形態の考え方は、総劣化度検出部110のサイクル劣化算出部111のサイクル劣化度算出部1112に適用してもよい。
 以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
 上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
 本願は、2014年7月1日に日本国特許庁に出願された特願2014-136070に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (13)

  1.  バッテリーの現在の総劣化度を検出する総劣化度検出部と、
     前記バッテリーの充放電に起因する将来のサイクル劣化度を推定するサイクル劣化推定部と、
     前記バッテリーの内部で経時的に生じる将来の保存劣化度を推定する保存劣化推定部と、
     前記現在の総劣化度と前記将来のサイクル劣化度と前記将来の保存劣化度とに基づいて将来のバッテリー劣化度を推定するバッテリー劣化推定部と、
    を有するバッテリー劣化度推定装置。
  2.  請求項1に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記サイクル劣化推定部は、出力特性の単位期間における積算値を求め、求めた積算値に基づいて将来の積算値を予測し、予測した積算値及び予め記憶されているサイクル劣化特性に基づいて将来のサイクル劣化度を推定する、
    バッテリー劣化度推定装置。
  3.  請求項2に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記出力特性の積算値は、充電電力の積算値、放電電力の積算値、充電電力及び放電電力の絶対値の積算値、充電電流の積算値、放電電流の積算値、充電電流及び放電電流の絶対値の積算値のいずれかである、
    バッテリー劣化度推定装置。
  4.  請求項2又は請求項3に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記サイクル劣化特性は、サイクル劣化度が、前記バッテリーの充放電回数に比例して増加する特性である、
    バッテリー劣化度推定装置。
  5.  請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記保存劣化推定部は、基準タイミングから現在までの時間及び予め記憶されている保存劣化特性に基づいて現在の保存劣化度を算出し、算出された現在の保存劣化度及び前記保存劣化特性に基づいて将来の保存劣化度を推定する、
    バッテリー劣化度推定装置。
  6.  請求項5に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記保存劣化特性は、保存劣化度が、基準タイミングからの時間の平方根に比例して増加する特性である、
    バッテリー劣化度推定装置。
  7.  請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記総劣化度検出部は、基準タイミングから現在までの総出力特性積算値を求め、求めた総出力特性積算値及び予め記憶されているサイクル劣化特性に基づいて現在のサイクル劣化度を算出し、基準タイミングから現在までの時間及び予め記憶されている保存劣化特性に基づいて現在の保存劣化度を算出し、現在のサイクル劣化度及び現在の保存劣化度に基づいてバッテリーの現在の総劣化度を検出する、
    バッテリー劣化度推定装置。
  8.  請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記バッテリー劣化推定部で推定した将来のバッテリー劣化度が、予め定められている使用限界劣化度に至るまでの時間を算出する寿命予測部を有する、
    バッテリー劣化度推定装置。
  9.  請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     車両の走行距離とその走行距離に至るまでの使用時間との相関を記憶する記憶部と、
     前記相関に基づいて、時間を走行距離に変換する変換部と、
    を有するバッテリー劣化度推定装置。
  10.  請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     所定時間内のバッテリー温度の頻度を記憶する温度記憶部を有し、
     前記保存劣化特性及び前記サイクル劣化特性の少なくともいずれか一方は、前記バッテリー温度の頻度によって補正される、
    バッテリー劣化度推定装置。
  11.  請求項10に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     前記温度記憶部は、前記バッテリーの過去1年間の温度の頻度を発生時期とともに時系列的に記憶し、
     前記保存劣化特性及び前記サイクル劣化特性の少なくともいずれか一方は、発生時期とともに記憶されたバッテリー温度の頻度を考慮して補正される、
    バッテリー劣化度推定装置。
  12.  請求項1から請求項11までのいずれか1項に記載のバッテリー劣化度推定装置において、
     所定時間内のバッテリーSOCの頻度を記憶するSOC記憶部を備え、
     前記保存劣化特性は、前記バッテリーSOCの頻度によって補正される、
    バッテリー劣化度推定装置。
  13.  バッテリーの現在の総劣化度を検出し、
     前記バッテリーの充放電に起因する将来のサイクル劣化度を推定し、
     前記バッテリーの内部で経時的に生じる将来の保存劣化度を推定し、
     前記現在の総劣化度と前記将来のサイクル劣化度と前記将来の保存劣化度とに基づいて将来のバッテリー劣化度を推定する、
    バッテリー劣化度推定方法。
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