WO2020079978A1 - バッテリマネジメントシステム、バッテリマネジメント方法およびバッテリマネジメントプログラム - Google Patents

バッテリマネジメントシステム、バッテリマネジメント方法およびバッテリマネジメントプログラム Download PDF

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battery management
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cells
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    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to a battery management system, a battery management method, and a battery management program.
  • a storage battery system is being developed in which cells of multiple rechargeable batteries such as lithium-ion batteries that can be charged and discharged are connected in series.
  • Cell deterioration includes capacity deterioration in which the amount of charge that can be stored decreases and output deterioration in which the amount of voltage change from the open circuit voltage increases due to an increase in internal resistance.
  • Output deterioration becomes a problem when a large output is obtained from a storage battery system. For example, even if the remaining capacity of the cell is sufficient, if the cell voltage falls below the lower limit voltage due to a voltage drop due to internal resistance, the storage battery system will stop. Therefore, various techniques for calculating the internal resistance of the cell have been proposed (for example, refer to Patent Documents 1-3).
  • the storage battery system is operated by connecting multiple cells in series. Therefore, the storage battery system itself cannot be used even if an abnormality occurs in one cell.
  • Patent Documents 1-3 it is possible to determine the presence / absence of a cell having output deterioration by calculating the internal resistance of the cell.
  • adding various configurations for calculating the internal resistance as disclosed in Patent Documents 1-3, complicates the configuration and processing. In turn, resulting in an increase in processing load and cost.
  • An object of the present disclosure made in view of the above problems is to suppress the complication of the configuration and the processing, and to determine the presence or absence of a cell in which output deterioration has occurred, a battery management system, a battery management method, and To provide a battery management program.
  • a battery management system for performing cell balance control for balancing the remaining capacity or cell voltage of each of a plurality of chargeable and dischargeable cells connected in series, and after the cell balance control.
  • a voltage comparison unit that determines the presence / absence of a cell in which output deterioration has occurred due to an increase in internal resistance, based on the cell voltage of each of the plurality of cells in a predetermined charge state. According to the battery management system having such a configuration, it is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, based on the cell voltage of each cell after cell balance control that is generally performed. It is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, while suppressing the complication of.
  • the voltage comparison unit determines whether or not there is a cell in which the output degradation has occurred, based on a cell voltage of each of the plurality of cells after the cell balance control in a state of charge lower than a predetermined threshold value.
  • a battery management method is a battery management method in a battery management system that manages a plurality of chargeable and dischargeable cells connected in series, wherein the remaining capacity or cell voltage of each of the plurality of cells is Based on the cell voltage in a predetermined state of charge of each of the plurality of cells after performing the cell balance control to balance the cell balance control, it is determined whether there is a cell in which output deterioration due to an increase in internal resistance has occurred. And a step.
  • the battery management method having such a configuration it is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, based on the cell voltage of each cell after cell balance control that is generally performed. It is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, while suppressing the complication of.
  • a battery management program a computer, a process of performing cell balance control for balancing the remaining capacity or cell voltage of each of a plurality of chargeable and dischargeable cells connected in series, and the cell balance control. Then, a process of determining the presence or absence of a cell in which output deterioration due to an increase in internal resistance has occurred based on the cell voltage of each of the plurality of cells in a predetermined charge state is executed.
  • the battery management program having such a configuration, it is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, based on the cell voltage of each cell after cell balance control that is generally performed. It is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, while suppressing the complication of.
  • the battery management system the battery management method, and the battery management program according to the present disclosure, it is possible to determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, while suppressing complication of the configuration and processing.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of SOC-cell voltage characteristics in the initial state of the cell shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of SOC-cell voltage characteristics in a state where output degradation of the cell shown in FIG. 1 has occurred.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of SOC-cell voltage characteristics after cell balance control of the cell shown in FIG. 1.
  • 3 is a flowchart for explaining a battery management method in the battery management system shown in FIG. 1.
  • 6 is a flowchart for explaining cell balance control by the cell balance circuit shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining comparison of cell voltages by a voltage comparison unit shown in FIG. 1. It is a figure which shows the structural example of the storage battery system containing the conventional battery management system.
  • the management system monitors and manages the states of a plurality of cells in a storage battery system including a plurality of secondary battery cells connected in series.
  • BMS battery management system
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a storage battery system 1A including a conventional battery management system 10A.
  • the storage battery system 1A shown in FIG. 8 includes a storage battery module 2A, a power conditioner (Power Conditioning System: PCS) 6, and a control device 7.
  • PCS Power Conditioning System
  • the storage battery module 2A includes a battery unit 4 in which a plurality of chargeable and dischargeable cells 3 such as a lithium-ion battery are connected in series, a current sensor 5, and a battery management system 10A.
  • the storage battery module 2A is capable of accumulating electric power in the cells 3 forming the battery unit 4 and outputting the electric power accumulated in the cells 3.
  • the battery unit 4 is configured by connecting a plurality (for example, hundreds) of cells 3 in series.
  • the battery unit 4 is configured by, for example, connecting a plurality of modules in which cells 3 are connected in series in units of several tens of cells in series.
  • the current sensor 5 detects the current flowing through the cell 3.
  • the battery management system 10A manages a plurality of cells 3 that constitute the battery unit 4.
  • the battery management system 10A includes a voltage measurement unit 11a, a current measurement unit 11b, a temperature measurement unit 11c, an SOC (State of Charge) determination unit 11d, a cell balance circuit 11e, and a status storage unit 11f.
  • the voltage measuring unit 11a measures the voltage (cell voltage) of each of the plurality of cells 3 forming the battery unit 4.
  • the current measuring unit 11b uses the current sensor 5 to measure the current flowing through the cell 3 that constitutes the battery unit 4.
  • the temperature measuring unit 11c measures the temperature at a typical position in the battery unit 4.
  • the representative position is the position of the cell 3 having the highest temperature or the position of the cell 3 having the lowest temperature among all the cells 3 of the battery unit 4. 3 is the position where the temperature change can be detected.
  • the representative position means the position of all cells 3.
  • a typical position is predetermined at the time of design.
  • the SOC determination unit 11d determines the state of charge (SOC) of each of the plurality of cells 3 forming the battery unit 4.
  • the cell balance circuit 11e determines that the SOC balance is lost between the plurality of cells 3 configuring the battery unit 4, the cell balance circuit 11e balances the remaining capacities or cell voltages of the plurality of cells 3 (remaining of the plurality of cells 3).
  • Cell balance control is performed to equalize the capacity or cell voltage.
  • the cell balance control method includes, for example, a method in which a resistance is connected to each cell 3 and a charge is discharged through the resistance in each cell 3, and a method in which a charge is applied between the cells 3 or between the modules by a transformer or the like. There are various methods such as a method of exchanging.
  • the status storage unit 11f stores the state of the storage battery module 2A, for example, the state of each cell 3 forming the battery unit 4.
  • the PCS 6 controls charging / discharging by the storage battery module 2A.
  • the control device 7 controls the operation of the entire storage battery system 1A.
  • the control device 7 communicates with the battery management system 10A and acquires various measurement results by the battery management system 10A and information such as the state of the storage battery module 2A. Further, the control device 7 controls the operations of the battery management system 10A and the PCS 6 based on the acquired information.
  • the storage battery system 1 shown in FIG. 1 is different from the storage battery system 1A shown in FIG. 8 in having a battery management system 10 in place of the battery management system 10A.
  • the battery management system 10 is different from the battery management system 10A in that it has a voltage comparison unit 11g.
  • the voltage comparison unit 11g compares the cell voltage of each of the plurality of cells 3 forming the battery unit 4 and determines whether or not there is the cell 3 in which the output deterioration due to the increase of the internal resistance has occurred. Specifically, the voltage comparison unit 11g determines the presence or absence of the cell 3 in which the output deterioration has occurred, based on the cell voltage at the predetermined SOC of each of the plurality of cells 3 after the cell balance control by the cell balance circuit 11e. .
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of SOC-cell voltage characteristics of the cell 3 in the initial state of the storage battery system 1.
  • two cells 3 will be described as an example.
  • the two cells 3 are referred to herein as cell i and cell j.
  • the cell i and the cell j have the same SOC-cell voltage characteristics.
  • the cell i and the cell j have the same SOC-cell voltage characteristics. Therefore, as shown in FIG. It is substantially the same as the voltage Vj (Vi ⁇ Vj).
  • the internal resistance of the cell j becomes larger than the internal resistance of the cell i due to deterioration as a result of repeating charging and discharging of the storage battery system 1 from the initial state. Further, it is assumed that a difference in SOC-cell voltage characteristics occurs between cell i and cell j due to variations in self-discharge and progress of deterioration. In this case, even if the cells are charged and discharged with the same current, the SOC is not the same in the cell i and the cell j due to the variation in the characteristics, and the balance between the cell i and the cell j is lost. As a result, as shown in FIG.
  • the cell voltage Via of the cell i becomes smaller than the cell voltage Vja of the cell j (Via ⁇ Vja), and another SOC (b%). Then, the cell voltage vib of the cell i and the cell voltage vjb of the cell j become substantially the same (Vi ⁇ Vj), so that the magnitude relationship between the cell voltage Vi and the cell voltage Vj changes depending on the SOC. There is.
  • the voltage comparison unit 11g compares the cell voltages of the cells 3 after the cell balance control to determine the presence or absence of the cell 3 in which the output deterioration has occurred. By doing so, the battery management system 10 according to the present embodiment can determine the presence or absence of the cell 3 having the increased internal resistance, that is, the cell 3 having the output deterioration, in any SOC.
  • the voltage comparison unit 11g performs, for example, statistical processing, and determines a cell having a cell voltage that deviates from the average value by a predetermined threshold value or more as an abnormal cell in which output degradation occurs.
  • the status storage unit 11f initializes the stored status (step S101).
  • the voltage measuring unit 11a measures the cell voltage of each of the plurality of cells 3 forming the battery unit 4.
  • the current measuring unit 11b measures the current flowing through the cells 3 forming the battery unit 4.
  • the temperature measuring unit 11c measures the temperature at a predetermined position in the battery unit 4 (step S102).
  • Each of the voltage measuring unit 11a, the current measuring unit 11b, and the temperature measuring unit 11c determines whether or not the measured value is an abnormal value (a value outside the specifications) (step S103).
  • the voltage measurement unit 11a, the current measurement unit 11b, and the temperature measurement unit 11c each update the status stored in the status storage unit 11f.
  • Step S104 For example, the voltage measurement unit 11a, the current measurement unit 11b, and the temperature measurement unit 11c each determine the cell 3 determined to be an abnormal value among the bits corresponding to each of the plurality of cells 3 configuring the battery unit 4. The bit corresponding to is set to "1", and the bit corresponding to the other cell 3 is set to "0". Then, the battery management system 10 notifies the control device 7 of the measurement results of the voltage measuring unit 11a, the current measuring unit 11b, and the temperature measuring unit 11c and the updated status (step S105).
  • the battery management system 10 determines whether to end the process (step S106). Specifically, the battery management system 10 determines whether or not an end command has been received from the control device 7.
  • step S106: Yes the battery management system 10 ends the process.
  • step S106 When it is determined that the process is not ended (step S106: No), the process returns to step S102, and the voltage measuring unit 11a, the current measuring unit 11b, and the temperature measuring unit 11c respectively perform measurement.
  • the voltage comparison unit 11g determines whether the cell balance control by the cell balance circuit 11e is being performed (step S107). Specifically, the voltage comparison unit 11g determines whether or not the cell balance control by the cell balance circuit 11e is completed.
  • step S107 Yes
  • the battery management system 10 proceeds to the process of step S105.
  • the battery management system 10 stores the measurement results of the voltage measurement unit 11a, the current measurement unit 11b, and the temperature measurement unit 11c in the status storage unit 11f, and notifies the control device 7 of the updated status.
  • step S107: No the voltage comparison unit 11g has already compared the cell voltages of the plurality of cells 3 configuring the battery unit 4. It is determined whether there is any (step S108).
  • the voltage comparison unit 11g compares the cell voltages at the predetermined SOCs of the plurality of cells 3 (step S109). Then, the presence or absence of the cell 3 in which the output deterioration has occurred is determined. In the SOC-cell voltage characteristic of the cell 3, there is a region where the cell voltage gradually changes, such as a region where the SOC is from a% to b% shown in FIG. The voltage comparison unit 11g compares the cell voltages of the plurality of cells 3 in a predetermined SOC in such a region.
  • the plurality of cells 3 forming the battery unit 4 are connected in series. Therefore, the current flowing through each of the plurality of cells 3 is the same. Therefore, when the cell voltage of a certain cell 3 is higher than the cell voltage of another cell 3 by more than a specified value, the voltage comparison unit 11g has a high internal resistance of the cell 3 and a cell 3 (abnormal cell) in which output deterioration occurs. Can be determined.
  • the voltage comparison unit 11g updates the status stored in the status storage unit 11f (step S110). Specifically, the voltage comparison unit 11g updates the status of whether or not all the cells 3 forming the battery unit 4 are abnormal cells. In this case, the voltage comparison unit 11g sets “1” to the bit corresponding to the cell 3 determined to be the abnormal cell among the bits corresponding to each of the plurality of cells 3 included in the battery unit 4, and The bit corresponding to cell 3 of is set to "0". Further, the voltage comparison unit 11g stores in the status storage unit 11f that the cell voltages have been compared.
  • the SOC determination unit 11d determines the SOC of each of the plurality of cells 3. It is determined whether the determination condition for is satisfied (step S111). Specifically, the SOC determination unit 11d determines whether or not the determination condition is satisfied, depending on whether the cell voltage or SOC of each cell 3 satisfies a predetermined condition.
  • step S111: Yes the SOC determination unit 11d determines the SOC of each of the plurality of cells 3 and updates the status stored in the status storage unit 11f. (Step S112).
  • the cell balance circuit 11e determines whether or not cell balance control is necessary (Ste S113). Specifically, the cell balance circuit 11e determines that the cell balance control is necessary when the SOC of each cell 3 varies from the specified value.
  • step S113 the battery management system 10 proceeds to the process of step S105.
  • the battery management system 10 stores the measurement results of the voltage measurement unit 11a, the current measurement unit 11b, and the temperature measurement unit 11c in the status storage unit 11f, and notifies the control device 7 of the updated status.
  • step S113 When it is determined that the cell balance control is necessary (step S113: Yes), the cell balance circuit 11e performs the cell balance control (step S114). After that, the battery management system 10 proceeds to the process of step S105. In this case, the battery management system 10 notifies the control device 7 of the measurement results of the voltage measurement unit 11a, the current measurement unit 11b, and the temperature measurement unit 11c, and notifies the control device 7 of the updated status such as during cell balance control. Notice.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining cell balance control by the cell balance circuit 11e.
  • the cell balance circuit 11e registers that the cell balance control is being performed in the status storage unit 11f and updates the status (step S201). Then, the cell balance circuit 11e starts cell balance control (step S202).
  • the cell balance circuit 11e determines whether or not the cell balance control is completed (step S203).
  • step S203 When it is determined that the cell balance control is not completed (step S203: No), the cell balance circuit 11e repeats the process of step S203. Normally, cell balance control takes time. Therefore, when the cell balance circuit 11e starts the cell balance control, the battery management system 10 proceeds to the process of step S105 shown in FIG. 5 without waiting for the end of the cell balance control. Therefore, after the cell balance control is started, the flow shown in FIG. 5 and the flow shown in FIG. 6 operate in parallel. In addition, there is a method in which the cell balance control is not performed during the operation of the storage battery system 1 (during charging and discharging of the storage battery module 2). In this method, when the time required for cell balance control does not affect the status update time of the system, the flow shown in FIG. 5 and the flow shown in FIG. 6 do not have to be operated in parallel. In this case, cell balance control may be executed in the process of step S107.
  • step S203 When it is determined that the cell balance control is completed (step S203: Yes), the cell balance circuit 11e indicates that the cell balance control is completed and that the cell voltages of the cells 3 have not been compared. To update the status (step S204). By doing so, the voltage comparison unit 11g can determine whether or not the cell balance control is being performed by referring to the status.
  • the cell voltage magnitude relationship may change depending on the SOC, as shown in FIG. 7, even if cell balance control is performed.
  • the cell voltage Vi of the cell i is lower than the cell voltage Vj of the cell j (Vi ⁇ Vj) until the SOC is d%, and the cell voltage Vj of the cell j is the cell i when the SOC is d% or more. Is smaller than the cell voltage Vi.
  • d is, for example, a value corresponding to the SOC when the cell 3 is fully charged or close to it.
  • the voltage comparison unit 11g may compare the cell voltages in a region where the SOC is c% or less, which is smaller than d%. That is, the voltage comparison unit 11g may determine the presence / absence of a cell in which output degradation has occurred, based on the cell voltage of each of the plurality of cells after cell balance control at an SOC lower than a predetermined threshold value. By doing so, it is possible to determine the presence / absence of the cell 3 in which the output deterioration has occurred, even if the inversion of the cell voltage magnitude relationship due to the capacity deterioration occurs as shown in FIG. 7.
  • the battery management system 10 includes a cell balance circuit 11e that performs cell balance control for balancing the remaining capacities or cell voltages of the plurality of chargeable / dischargeable cells 3 connected in series.
  • a voltage comparison unit 11g is provided that determines the presence or absence of the cell 3 in which output degradation has occurred, based on the cell voltage at a predetermined SOC of each of the plurality of cells 3 after cell balance control.
  • the battery management method in the battery management system 10 includes a process of performing cell balance control for balancing the remaining capacity or cell voltage of each of the plurality of cells 3 (step 114), and a plurality of processes after cell balance control. Processing for determining the presence or absence of the cell 3 in which the output degradation has occurred, based on the cell voltage of each of the cells 3 at the predetermined SOC (step S109).
  • cell balance control is also performed in the conventional battery management system 10A.
  • the presence or absence of the cell 3 in which the output deterioration occurs can be determined by the simple configuration and process of comparing the cell voltages of the cells 3 after the cell balance control. Therefore, the processing time for determining the presence / absence of the cell 3 in which the output deterioration occurs can be shortened as compared with the related art.
  • the cell balance control is a control that is conventionally performed, and is not a control that is performed only for determining the presence or absence of the cell 3 in which the output deterioration has occurred. Therefore, in the present embodiment, the time required to determine the presence or absence of the cell 3 in which the output deterioration has occurred is dominated by the time required to compare the cell voltages of the cells 3 after the cell balance control.
  • the process of calculating the open-circuit voltage based on the regression line is repeated while measuring a plurality of voltages, so that the output deterioration is compared with the present disclosure.
  • the battery management system 10 has been described above, but a computer can be preferably used to function as the battery management system 10.
  • a computer stores a battery management program that describes processing contents for realizing each function of the battery management system 10 in a storage unit of the computer, and the CPU of the computer reads and executes the battery management program. It can be realized by
  • the battery management program may be recorded in a computer-readable recording medium.
  • the battery management program can be installed in the computer.
  • the recording medium in which the battery management program is recorded may be a non-transitory recording medium.
  • the non-transitory recording medium is not particularly limited, but may be a recording medium such as a CD-ROM or a DVD-ROM.

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Abstract

本開示に係るバッテリマネジメントシステム(10)は、直列に接続された充放電可能な複数のセル(3)それぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行うセルバランス回路(11e)と、セルバランス制御後の複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定する電圧比較部(11g)と、を備える。

Description

バッテリマネジメントシステム、バッテリマネジメント方法およびバッテリマネジメントプログラム 関連出願の相互参照
 本出願は、2018年10月17日に出願された日本国特許出願第2018-195933号に基づく優先権を主張するものであり、この特許出願の明細書全体を参照によって本願明細書に引用する。
 本開示は、バッテリマネジメントシステム、バッテリマネジメント方法およびバッテリマネジメントプログラムに関する。
 効率的なエネルギー利用などを目的として、リチウムイオン電池などの充放電可能な複数の二次電池のセルを直列に接続した蓄電池システムの開発が進められている。
 上述したような蓄電池システムにおいては、使用によりセルの劣化が生じる。セルの劣化には、蓄積することができる電荷量が減少する容量劣化と、内部抵抗の増加により開放電圧からの電圧変化量が増加する出力劣化とがある。出力劣化は、蓄電池システムにより大出力を得る際に問題となる。例えば、セルの残存容量が十分であっても、内部抵抗による電圧降下でセル電圧が下限電圧を下回ると、蓄電池システムが停止してしまう。そこで、セルの内部抵抗を算出するための種々の技術が提案されている(例えば、特許文献1-3参照)。
特許第4872513号 特開2004-279242号公報 特開2000-021455号公報
 上述したように、蓄電池システムは、複数のセルを直列に接続して運用される。そのため、1つのセルに異常が発生するだけで、蓄電池システム自体が利用不能となってしまう。この問題に対し、特許文献1-3に開示されているように、セルの内部抵抗を算出することで、出力劣化が生じたセルの有無を判定することが考えられる。しかしながら、出力劣化が生じたセルの有無を判定するために、特許文献1-3に開示されているように、内部抵抗を算出するための種々の構成を追加することは、構成および処理の複雑化を招き、ひいては、処理負荷およびコストの増加を招いてしまう。
 上記のような問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、構成および処理の複雑化を抑制しつつ、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができるバッテリマネジメントシステム、バッテリマネジメント方法およびバッテリマネジメントプログラムを提供することにある。
 幾つかの実施形態に係るバッテリマネジメントシステムは、直列に接続された充放電可能な複数のセルそれぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行うセルバランス回路と、前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定する電圧比較部と、を備える。
 このような構成を有するバッテリマネジメントシステムによれば、一般的に行われるセルバランス制御後の各セルのセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができるので、構成および処理の複雑化を抑制しつつ、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができる。
 一実施形態において、前記電圧比較部は、所定の閾値よりも低い充電状態における、前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれのセル電圧に基づき、前記出力劣化が生じたセルの有無を判定する。
 このような構成により、容量劣化によるセル電圧の大小関係の逆転が発生しても、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができる。
 幾つかの実施形態に係るバッテリマネジメント方法は、直列に接続された充放電可能な複数のセルを管理するバッテリマネジメントシステムにおけるバッテリマネジメント方法であって、前記複数のセルそれぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行うステップと、前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定するステップと、を含む。
 このような構成を有するバッテリマネジメント方法によれば、一般的に行われるセルバランス制御後の各セルのセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができるので、構成および処理の複雑化を抑制しつつ、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができる。
 幾つかの実施形態に係るバッテリマネジメントプログラムは、コンピュータに、直列に接続された充放電可能な複数のセルそれぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行う処理と、前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定する処理と、を実行させる。
 このような構成を有するバッテリマネジメントプログラムによれば、一般的に行われるセルバランス制御後の各セルのセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができるので、構成および処理の複雑化を抑制しつつ、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができる。
 本開示に係るバッテリマネジメントシステム、バッテリマネジメント方法およびバッテリマネジメントプログラムによれば、構成および処理の複雑化を抑制しつつ、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができる。
本開示の一実施形態に係るバッテリマネジメントシステムを含む蓄電池システムの構成例を示す図である。 図1に示すセルの初期状態での、SOC-セル電圧特性の一例を示す図である。 図1に示すセルの出力劣化が生じた状態での、SOC-セル電圧特性の一例を示す図である。 図1に示すセルのセルバランス制御後の、SOC-セル電圧特性の一例を示す図である。 図1に示すバッテリマネジメントシステムにおけるバッテリマネジメント方法について説明するためのフローチャートである。 図1に示すセルバランス回路によるセルバランス制御について説明するためのフローチャートである。 図1に示す電圧比較部によるセル電圧の比較について説明するための図である。 従来のバッテリマネジメントシステムを含む蓄電池システムの構成例を示す図である。
 以下、本開示を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図中、同一符号は、同一または同等の構成要素を示している。
 本開示に係るマネジメントシステムは、直列に接続された複数の二次電池のセルを備える蓄電池システムにおいて、複数のセルの状態の監視および管理などを行うものである。
 まず比較のために、従来のバッテリマネジメントシステム(Battery Management System:BMS)10Aについて、図8を参照して説明する。
 図8は、従来のバッテリマネジメントシステム10Aを含む蓄電池システム1Aの構成例を示す図である。
 図8に示す蓄電池システム1Aは、蓄電池モジュール2Aと、パワーコンディショナ(Power Conditioning System:PCS)6と、制御装置7とを備える。
 蓄電池モジュール2Aは、リチウムイオン電池などの充放電可能な複数のセル3が直列に接続された電池部4と、電流センサ5と、バッテリマネジメントシステム10Aとを備える。蓄電池モジュール2Aは、電池部4を構成するセル3により電力を蓄積するとともに、セル3に蓄積された電力を出力することが可能である。
 電池部4は、複数(例えば、数百個)のセル3が直列に接続されて構成される。電池部4は、例えば、数十個単位でセル3が直列に接続されたモジュールを直列に複数接続することで構成される。
 電流センサ5は、セル3を流れる電流を検出する。
 バッテリマネジメントシステム10Aは、電池部4を構成する複数のセル3を管理する。バッテリマネジメントシステム10Aは、電圧測定部11aと、電流測定部11bと、温度測定部11cと、SOC(State of Charge)判定部11dと、セルバランス回路11eと、ステータス記憶部11fとを備える。
 電圧測定部11aは、電池部4を構成する複数のセル3それぞれの電圧(セル電圧)を測定する。
 電流測定部11bは、電流センサ5を用いて、電池部4を構成するセル3に流れる電流を測定する。
 温度測定部11cは、電池部4における代表的な位置での温度を測定する。代表的な位置とは、電池部4の全てのセル3のうち、常に温度が最大になるセル3の位置、または、常に温度が最小になるセル3の位置のことであり、いずれかのセル3に温度変化があった場合にそれを検知することができる位置のことである。また、そのような条件となるセル3が存在しない場合には、代表的な位置は、全てのセル3の位置を意味する。代表的な位置は、設計時に予め定められる。
 SOC判定部11dは、電池部4を構成する複数のセル3それぞれの充電状態(SOC)を判定する。
 セルバランス回路11eは、電池部4を構成する複数のセル3間でSOCのバランスが崩れたと判定すると、複数のセル3それぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとる(複数のセル3それぞれの残存容量またはセル電圧を均等にする)セルバランス制御を行う。セルバランス制御の方式としては、例えば、セル3ごとに抵抗を接続し、セル3ごとに抵抗を介して電荷を放電する方式、および、トランスなどにより、セル3間で、あるいは、モジュール間で電荷をやりとりする方式など種々の方式がある。
 ステータス記憶部11fは、蓄電池モジュール2Aの状態、例えば、電池部4を構成する各セル3の状態などを記憶する。
 PCS6は、蓄電池モジュール2Aによる充放電を制御する。
 制御装置7は、蓄電池システム1A全体の動作を制御する。例えば、制御装置7は、バッテリマネジメントシステム10Aと通信を行い、バッテリマネジメントシステム10Aによる各種の測定結果および蓄電池モジュール2Aの状態などの情報を取得する。また、制御装置7は、取得した情報に基づき、バッテリマネジメントシステム10AおよびPCS6の動作を制御する。
 次に、図1を参照して、本実施形態に係るバッテリマネジメントシステム10を含む蓄電池システム1の構成について説明する。
 図1に示す蓄電池システム1は、図8に示す蓄電池システム1Aと比較して、バッテリマネジメントシステム10Aに代えてバッテリマネジメントシステム10を有する点が異なる。バッテリマネジメントシステム10は、バッテリマネジメントシステム10Aと比較して、電圧比較部11gを有する点が異なる。
 電圧比較部11gは、電池部4を構成する複数のセル3それぞれのセル電圧を比較して、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセル3の有無を判定する。具体的には、電圧比較部11gは、セルバランス回路11eによるセルバランス制御後の、複数のセル3それぞれの、所定のSOCにおけるセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセル3の有無を判定する。
 次に、本実施形態に係るバッテリマネジメントシステム10の動作について説明する。
 図2は、蓄電池システム1の初期状態におけるセル3のSOC-セル電圧特性の一例を示す図である。以下では、簡略化のため、2つのセル3を例として説明する。2つのセル3を、ここでは、セルiおよびセルjという。初期状態では、セルiとセルjとでSOC-セル電圧特性は同じであるとする。
 蓄電池システム1の充電を開始すると、セルiとセルjとでSOC-セル電圧特性は同じであるため、図2に示すように、どのSOCにおいても、セルiのセル電圧Viとセルjのセル電圧Vjとは略同じ(Vi≒Vj)となる。
 初期状態から蓄電池システム1の充放電を繰り返した結果、劣化により、セルjの内部抵抗がセルiの内部抵抗よりも大きくなったとする。また、自己放電のばらつきおよび劣化の進行などにより、セルiとセルjとでSOC-セル電圧特性に差が生じたとする。この場合、同じ電流で充放電したとしても、特性のばらつきにより、セルiとセルjとでSOCが同じにならず、セルiとセルjとの間でバランスが崩れてしまう。その結果、図3に示すように、例えば、あるSOC(a%)では、セルiのセル電圧Viaがセルjのセル電圧Vjaよりも小さく(Via<Vja)なり、別のSOC(b%)では、セルiのセル電圧vibとセルjのセル電圧vjbとが略同じ(Vi≒Vj)になるというように、SOCによって、セル電圧Viとセル電圧Vjとの大小関係が変化してしまうことがある。
 ここで、複数の抵抗を直列に接続した回路に電流を流した場合、抵抗値の大きい抵抗に印加される電圧が大きくなるので、印加される電圧値に基づいて、各抵抗の抵抗値の違いを判別することができる。この性質を利用して、従来のバッテリマネジメントシステム10Aにおいては、あるSOCにおける各セル3のセル電圧を比較することで、出力劣化が生じたセルの有無を判定することが考えられる。しかしながら、セルバランスが崩れることにより、図3に示すように、SOCによって、セル電圧の大小関係が変化してしまうと、あるSOCでのセル電圧を比較するだけでは、内部抵抗の違いを判別することができない。
 セル3の劣化状態からセルバランス制御が行われると、図4に示すように、いずれのSOCにおいても、内部抵抗が上昇したセルjのセル電圧Vjは、セルiのセル電圧Viよりも高くなる(Vi<Vj)。そこで、本実施形態においては、電圧比較部11gは、セルバランス制御後の各セル3のセル電圧を比較することで、出力劣化が生じたセル3の有無を判定する。こうすることで、本実施形態に係るバッテリマネジメントシステム10は、任意のSOCにおいて、内部抵抗の上昇したセル3、すなわち、出力劣化が生じたセル3の有無を判定することができる。なお、図2から図4においては、セル3が2つである例を用いて説明したが、上述したように、実際の蓄電池モジュール2では、多数の(例えば、数百個程度の)セル3が直列に接続される。この場合、各セル3のセル電圧を単純に比較することはできない。そこで、電圧比較部11gは、例えば、統計処理を行い、平均値よりも所定の閾値以上外れたセル電圧のセルを出力劣化が生じた異常セルと判定する。
 次に、本実施形態に係るバッテリマネジメントシステム10におけるバッテリマネジメント方法について、図5に示すフローチャートを参照して説明する。
 ステータス記憶部11fは、記憶しているステータスを初期化する(ステップS101)。
 次に、電圧測定部11aは、電池部4を構成する複数のセル3それぞれのセル電圧を測定する。また、電流測定部11bは、電池部4を構成するセル3を流れる電流を測定する。また、温度測定部11cは、電池部4における予め定められた位置の温度を測定する(ステップS102)。
 電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cはそれぞれ、測定値が異常な値(仕様から外れた値)であるか否かを判定する(ステップS103)。
 測定値が異常な値であると判定した場合には(ステップS103:Yes)、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cはそれぞれ、ステータス記憶部11fに記憶されているステータスを更新する(ステップS104)。例えば、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cはそれぞれ、電池部4を構成する複数のセル3それぞれに対応するビットのうち、測定値が異常な値であると判定したセル3に対応するビットについては「1」とし、他のセル3に対応するビットについては「0」とする。そして、バッテリマネジメントシステム10は、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cの測定結果および更新したステータスを制御装置7に通知する(ステップS105)。
 次に、バッテリマネジメントシステム10は、処理を終了するか否かを判定する(ステップS106)。具体的には、バッテリマネジメントシステム10は、制御装置7から終了指令を受信したか否かを判定する。
 処理を終了すると判定した場合には(ステップS106:Yes)、バッテリマネジメントシステム10は、処理を終了する。
 処理を終了しないと判定した場合には(ステップS106:No)、ステップS102の処理に戻り、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cがそれぞれ、測定を行う。
 測定値が異常な値でないと判定された場合には(ステップS103:No)、電圧比較部11gは、セルバランス回路11eによるセルバランス制御中であるか否かを判定する(ステップS107)。具体的には、電圧比較部11gは、セルバランス回路11eによるセルバランス制御が終了したか否かを判定する。
 セルバランス制御中であると判定された場合には(ステップS107:Yes)、バッテリマネジメントシステム10は、ステップS105の処理に進む。この場合、バッテリマネジメントシステム10は、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cの測定結果をステータス記憶部11fに記憶し、更新したステータスを制御装置7に通知する。
 セルバランス制御中でない(セルバランス制御が終了した)と判定した場合には(ステップS107:No)、電圧比較部11gは、電池部4を構成する複数のセル3それぞれのセル電圧を比較済みであるか否かを判定する(ステップS108)。
 複数のセル3それぞれのセル電圧を比較済みでないと判定した場合には(ステップS108:No)、電圧比較部11gは、複数のセル3それぞれの所定のSOCにおけるセル電圧を比較し(ステップS109)、出力劣化が生じたセル3の有無を判定する。セル3のSOC-セル電圧特性には、図4に示すSOCがa%からb%までの領域のように、セル電圧が緩やかに変化する領域がある。電圧比較部11gは、このような領域内の所定のSOCにおける、複数のセル3それぞれのセル電圧を比較する。
 上述したように、電池部4を構成する複数のセル3は直列に接続されている。そのため、複数のセル3それぞれに流れる電流は同じである。したがって、電圧比較部11gは、あるセル3のセル電圧が他のセル3のセル電圧より規定値を超えて高い場合、そのセル3は内部抵抗が高く出力劣化が生じたセル3(異常セル)であると判定することができる。
 次に、電圧比較部11gは、ステータス記憶部11fに記憶されているステータスを更新する(ステップS110)。具体的には、電圧比較部11gは、電池部4を構成する複数のセル3全てについて、異常セルであるか否かのステータスを更新する。この場合、電圧比較部11gは、例えば、電池部4を構成する複数のセル3それぞれに対応するビットのうち、異常セルであると判定したセル3に対応するビットについては「1」とし、他のセル3に対応するビットについては「0」とする。また、電圧比較部11gは、セル電圧が比較済みであることをステータス記憶部11fに記憶する。
 複数のセル3それぞれのセル電圧が比較済みであると判定された場合(ステップS108:Yes)、または、ステップS110の処理の後、SOC判定部11dは、複数のセル3それぞれのSOCを判定するための判定条件が満たされているか否かを判定する(ステップS111)。具体的には、SOC判定部11dは、各セル3のセル電圧あるいはSOCが所定の条件を満たすか否かにより、判定条件が満たされているか否かを判定する。
 SOCの判定条件が満たされていると判定した場合(ステップS111:Yes)、SOC判定部11dは、複数のセル3それぞれのSOCを判定し、ステータス記憶部11fに記憶されているステータスを更新する(ステップS112)。
 SOCの判定条件が満たされていないと判定された場合(ステップS111:No)、または、ステップS112の処理の後、セルバランス回路11eは、セルバランス制御が必要であるか否かを判定する(ステップS113)。具体的には、セルバランス回路11eは、各セル3のSOCが規定値よりばらついている場合には、セルバランス制御が必要であると判定する。
 セルバランス制御が必要でないと判定された場合には(ステップS113:No)、バッテリマネジメントシステム10は、ステップS105の処理に進む。この場合、バッテリマネジメントシステム10は、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cの測定結果をステータス記憶部11fに記憶し、更新したステータスを制御装置7に通知する。
 セルバランス制御が必要であると判定した場合には(ステップS113:Yes)、セルバランス回路11eは、セルバランス制御を行う(ステップS114)。その後、バッテリマネジメントシステム10は、ステップS105の処理に進む。この場合、バッテリマネジメントシステム10は、電圧測定部11a、電流測定部11bおよび温度測定部11cの測定結果を制御装置7に通知するとともに、セルバランス制御中であるなど更新したステータスを制御装置7に通知する。
 図6は、セルバランス回路11eによるセルバランス制御について説明するためのフローチャートである。
 セルバランス回路11eは、セルバランス制御中であることをステータス記憶部11fに登録して、ステータスを更新する(ステップS201)。そして、セルバランス回路11eは、セルバランス制御を開始する(ステップS202)。
 次に、セルバランス回路11eは、セルバランス制御が終了したか否かを判定する(ステップS203)。
 セルバランス制御が終了していないと判定した場合(ステップS203:No)、セルバランス回路11eは、ステップS203の処理を繰り返す。通常、セルバランス制御には時間がかかる。そのため、バッテリマネジメントシステム10は、セルバランス回路11eがセルバランス制御を開始すると、セルバランス制御の終了を待たずに、図5に示すステップS105の処理に進む。したがって、セルバランス制御の開始後は、図5に示すフローと、図6に示すフローとが並行して動作することになる。なお、蓄電池システム1の運用中(蓄電池モジュール2の充放電中)には、セルバランス制御を行わない方式もある。この方式では、セルバランス制御にかかる時間がシステムのステータス更新時間に影響を与えない場合、図5に示すフローと、図6に示すフローとは並行して動作させなくてもよい。この場合、ステップS107の処理において、セルバランス制御を実行すればよい。
 セルバランス制御が終了したと判定した場合(ステップS203:Yes)、セルバランス回路11eは、セルバランス制御が終了し、また、各セル3のセル電圧の比較が済んでいないことをステータス記憶部11fに登録して、ステータスを更新する(ステップS204)。こうすることで、電圧比較部11gは、ステータスを参照することで、セルバランス制御中であるか否かを判定することができる。
 なお、内部抵抗の低いセル3に容量劣化が生じると、セルバランス制御を行っても、図7に示すように、SOCによっては、セル電圧の大小関係が変化することがある。図7の例では、SOCがd%まではセルiのセル電圧Viがセルjのセル電圧Vjよりも小さく(Vi<Vj)、SOCがd%以上では、セルjのセル電圧Vjがセルiのセル電圧Viよりも小さくなっている。なお、dは、例えば、セル3が満充電あるいはそれに近い状態でのSOCに相当する値である。
 この場合、電圧比較部11gは、SOCがd%よりも小さいc%以下の領域で、セル電圧の比較を行うようにしてもよい。すなわち、電圧比較部11gは、セルバランス制御後の複数のセルそれぞれの、所定の閾値よりも低いSOCにおけるセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセルの有無を判定してもよい。こうすることで、図7に示すような、容量劣化によるセル電圧の大小関係の逆転が発生しても、出力劣化が生じたセル3の有無を判定することができる。
 このように、本実施形態に係るバッテリマネジメントシステム10は、直列に接続された充放電可能な複数のセル3それぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行うセルバランス回路11eと、セルバランス制御後の複数のセル3それぞれの、所定のSOCにおけるセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセル3の有無を判定する電圧比較部11gを備える。
 また、本実施形態に係るバッテリマネジメントシステム10におけるバッテリマネジメント方法は、複数のセル3それぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行う処理(ステップ114)と、セルバランス制御後の複数のセル3それぞれの、所定のSOCにおけるセル電圧に基づき、出力劣化が生じたセル3の有無を判定する処理(ステップS109)とを含む。
 図8を参照して説明したように、セルバランス制御は、従来のバッテリマネジメントシステム10Aにおいても行われる。本実施形態においては、セルバランス制御後の各セル3のセル電圧を比較するという簡易な構成および処理により、出力劣化が生じたセル3の有無を判定することができる。そのため、従来と比べて、出力劣化が生じたセル3の有無の判定の処理時間を短縮することができる。
 具体的には、上述したように、セルバランス制御は従来から行われる制御であり、出力劣化が生じたセル3の有無の判定のためだけに行われる制御ではない。そのため、本実施形態においては、出力劣化が生じたセル3の有無の判定に要する時間は、セルバランス制御後の各セル3のセル電圧の比較に要する時間が支配的となる。これに対して、例えば、特許文献1に開示されている技術では、複数の電圧を測定しつつ、回帰直線に基づいて開放電圧を算出する処理を繰り返すため、本開示と比較して、出力劣化が生じたセル3の有無の判定に、例えば、10倍以上の処理時間がかかることが考えられる。また、特許文献1に開示されている技術では、回帰直線を用いた演算を行うために、回帰直線をメモリに格納しておく必要があるが、本開示ではそのような演算を行わないため、回帰直線をメモリに格納しておく必要がない。そのため、本開示によれば、構成および処理の複雑化を抑制しつつ、出力劣化が生じたセルの有無を判定することができる。
 以上、バッテリマネジメントシステム10について説明したが、バッテリマネジメントシステム10として機能させるために、コンピュータを好適に用いることが可能である。そのようなコンピュータは、バッテリマネジメントシステム10の各機能を実現する処理内容を記述したバッテリマネジメントプログラムを、該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのCPUによってこのバッテリマネジメントプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。
 また、バッテリマネジメントプログラムは、コンピュータが読取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。このような記録媒体を用いれば、バッテリマネジメントプログラムをコンピュータにインストールすることが可能である。ここで、バッテリマネジメントプログラムが記録された記録媒体は、非一過性の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、CD-ROMあるいはDVD-ROMなどの記録媒体であってもよい。
 本開示は、上述した各実施形態で特定された構成に限定されず、請求の範囲に記載した開示の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部などを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
 1,1A  蓄電池システム
 2,2A  蓄電池モジュール
 3  セル
 4  電池部
 5  電流センサ
 6  パワーコンディショナ
 7  制御装置
 10,10A  バッテリマネジメントシステム
 11a  電圧測定部
 11b  電流測定部
 11c  温度測定部
 11d  SOC判定部
 11e  セルバランス回路
 11f  ステータス記憶部
 11g  電圧比較部

Claims (4)

  1.  直列に接続された充放電可能な複数のセルそれぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行うセルバランス回路と、
     前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定する電圧比較部と、を備えるバッテリマネジメントシステム。
  2.  請求項1に記載のバッテリマネジメントシステムにおいて、
     前記電圧比較部は、所定の閾値よりも低い充電状態における、前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれのセル電圧に基づき、前記出力劣化が生じたセルの有無を判定する、バッテリマネジメントシステム。
  3.  直列に接続された充放電可能な複数のセルを管理するバッテリマネジメントシステムにおけるバッテリマネジメント方法であって、
     前記複数のセルそれぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行うステップと、
     前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定するステップと、を含むバッテリマネジメント方法。
  4.  コンピュータに、
     直列に接続された充放電可能な複数のセルそれぞれの残存容量またはセル電圧のバランスをとるセルバランス制御を行う処理と、
     前記セルバランス制御後の前記複数のセルそれぞれの、所定の充電状態におけるセル電圧に基づき、内部抵抗の上昇による出力劣化が生じたセルの有無を判定する処理と、を実行させるバッテリマネジメントプログラム。
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