WO2020209200A1 - 電池システム、鉄道車両および電池管理方法 - Google Patents

電池システム、鉄道車両および電池管理方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2020209200A1
WO2020209200A1 PCT/JP2020/015341 JP2020015341W WO2020209200A1 WO 2020209200 A1 WO2020209200 A1 WO 2020209200A1 JP 2020015341 W JP2020015341 W JP 2020015341W WO 2020209200 A1 WO2020209200 A1 WO 2020209200A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
life
current
usage conditions
shortage
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/015341
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雅浩 米元
洋平 河原
智晃 高橋
石川　勝美
Original Assignee
株式会社日立製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Priority to EP20787625.1A priority Critical patent/EP3955409A4/en
Publication of WO2020209200A1 publication Critical patent/WO2020209200A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B60L50/61—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries by batteries charged by engine-driven generators, e.g. series hybrid electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/16—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to battery ageing, e.g. to the number of charging cycles or the state of health [SoH]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/443—Methods for charging or discharging in response to temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/005—Detection of state of health [SOH]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/007188—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
    • H02J7/007192—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature
    • H02J7/007194—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature of the battery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/549—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

本発明は、蓄電池の寿命を目標寿命まで確実に持たせることを目的とする。このため、代表的な本発明の電池システムの一つは、繰り返し使用可能な電池と、電池の寿命劣化に係る電池使用条件を制約することにより、電池の寿命を制御する電池制御部と、電池使用条件の制約によって得られる電池の推定寿命を算出する推定部と、算出された推定寿命に基づいて、電池の目標寿命に不足する不足寿命を求め、不足寿命を削減する方向に、電池制御部の電池使用条件を制限して再設定する制限部とを備える。

Description

電池システム、鉄道車両および電池管理方法
　本発明は、電池システム、鉄道車両および電池管理方法に関する。
　エンジン発電機と二次電池とを相補的に使用することにより、低燃費、低排出ガス、低騒音を実現する、環境にやさしいハイブリッド鉄道車両が開発されている。
　一般に、この種の二次電池は、充放電や温度などの使用環境によっては、劣化が速く進み、二次電池の寿命が短くなりやすい。
　そこで、二次電池に設計上要求される電池寿命を確実に達成するため、二次電池を余分に搭載する、あるいは二次電池の使用環境を事前に制限して劣化を遅らせるなどの対策がとられている。
　例えば、特許文献１には、二次電池の寿命が短い場合、劣化を遅らせるために、電流を制限する制御技術が開示される。
特開２０１６－１６３５３２号公報
　上述したハイブリッド鉄道車両では、保守性を考慮して、その他の電気部品の交換と一緒に、二次電池の交換が行われる。しかしながら、二次電池の電池寿命が設計時の想定ギリギリで電池システムを設計した場合、目標とする期間（以下「目標寿命」）よりも前に電池寿命に到達してしまう可能性がある。
　そこで、本発明は、電池寿命を目標寿命に近づける技術を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、代表的な本発明の電池システムの一つは、電池使用条件により電池の寿命を制御する電池制御部と、電池の推定寿命を算出する推定部と、算出された推定寿命が電池の目標寿命を下回る場合に、電池の寿命を延ばして目標寿命の不足分（以下「不足寿命」）を削減する方向に、電池制御部の電池使用条件を再設定する制限部とを備える。
　本発明によれば、電池寿命を目標寿命に近づけることが可能になる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
鉄道車両１００の構成を示す図である。 電池使用条件の再設定を説明する流れ図である。 推定寿命の予測処理の一例を説明する図である。 電池寿命の延命を説明する図である。 温度制御の一例を説明する図である。 列車編成の構成を説明する図である。 不足電流の融通動作を説明する流れ図である。
　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
＜実施例１の構成＞
　図１は、鉄道車両１００の構成を示す図である。
　同図において、鉄道車両１００は、電池システム２００、車両機関３００とを備えて構成される。
　電池システム２００は、一体交換可能な電池交換パッケージ２００ｂの中に、二次電池２００ａ（例えば、リチウムイオン二次電池セル）、電池制御部２１０、推定部２２０、および制限部２３０を内蔵して構成される。
　例えば、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはＣＰＵなどの処理装置（メモリを含む）をソフトウェアにより稼働させることにより、これらの電池制御部２１０、推定部２２０、および制限部２３０の機能を実現してもよい。
　二次電池２００ａは、充放電により繰り返し使用可能な電池である。この二次電池２００ａには、温度管理するための機構（ペルチェ素子、ヒーター、冷却ファン、空冷、液冷など）や、電気的特性を測定するための電流センサ、電圧センサ、温度センサなどが、必要に応じて設けられる。
　電池制御部２１０は、この二次電池２００ａの充放電制御や使用温度などの電池の寿命劣化に係る電池使用条件を制約するように初期設定され、二次電池２００ａの寿命を目標寿命から延長する方向に制御する。以下、本開示において『制約』とは、電池の寿命劣化に係る電池使用条件について上下限などの制限を設定して電池を使用することをいう。
　推定部２２０は、二次電池２００ａから電気的特性などの電池情報を取得する電池情報取得部２２１と、二次電池２００ａの使用に係る時刻情報を取得する時刻情報取得部２２２と、電池情報や時刻情報や電池使用条件の履歴を記憶する履歴記憶部２２３と、履歴記憶部２２３の履歴に基づいて二次電池２００ａの推定寿命を求める寿命予測部２２４とを備える。
　制限部２３０は、電池交換パッケージ２００ｂの交換期間である目標寿命が設定される目標寿命設定部２３１と、二次電池２００ａに予測される不足寿命を推定寿命と目標寿命との差に基づいて求める不足寿命演算部２３２と、不足寿命を削減する方向に電池制御部２１０の電池使用条件を制限して再設定する制限設定部２３３とを備える。
　車両機関３００は、ディーゼルエンジンなどの燃料機関３００ａ（ディーゼルエンジンなど）と、燃料機関３００ａの動力により三相電力を発電する発電機３１０と、主変換装置３３０（コンバータ・インバータ）と、鉄道車両１００の推進力などを発生させる鉄道車両モータ３５０と、鉄道車両１００内の電源ライン３６０（ドア開閉装置、エアコンなどの電源）とを備える。
　主変換装置３３０は、発電機３１０で発電される三相電力を直流電力に変換するコンバータ機能と、変換された直流電力を電池制御部２１０を介して二次電池２００ａに充電する充電機能と、二次電池２００ａの直流電力を電池制御部２１０を介して三相電力に変換するインバータ機能と、鉄道車両モータ３５０および電源ライン３６０に供給する各種電力の供給元を、発電機３１０側と二次電池２００ａ側との間で相補的に切り替えるハイブリッド機能とを備える。
＜電池使用条件の再設定＞
　図２は、電池使用条件の再設定を説明する流れ図である。
　同図に示すステップ番号に沿って、実施例１の動作を説明する。
ステップＳ１０１：　電池情報取得部２２１は、二次電池２００ａまたはその周辺に取り付けられた電流センサ、電圧センサ、温度センサなどから電気的特性（電流値Ｉ、電圧値Ｖ、温度Ｔ）を取得し、履歴記憶部２２３へ出力する。履歴記憶部２２３は、「電気的特性」、「時刻情報」、「過去の電池使用条件」などの情報をセットにして電池情報として履歴記憶する。つまり、ステップＳ１０１では、定期的に電池情報を取得して履歴に保存する。
ステップＳ１０２：　寿命予測部２２４は、内部に電池劣化データベースを保持する。寿命予測部２２４は、履歴記憶部２２３に保存された電池情報の履歴を、電池劣化データベースに照合することにより、二次電池２００ａの劣化度を求める。つまり、ステップＳ１０２では、電池情報（の履歴）から劣化度を求める。
ステップＳ１０３：　寿命予測部２２４は、劣化度の進み具合（劣化度情報）を、時刻情報と共に履歴記憶部２２３に履歴として保存する。つまり、ステップ１０３では、劣化度を保存する。
ステップＳ１０４：　推定部２２０は、電池の劣化度の進み具合や、予め定められた期間に基づいて、電池使用条件の再設定時期か否かを判定する。
　電池使用条件の再設定時期でない場合、推定部２２０は、ステップＳ１０１に動作を戻す。一方、電池使用条件の再設定時期と判定された場合、推定部２２０は、ステップＳ１０５に動作を移行する。
　この再設定時期は、一定間隔おきや、予め定められた不等な時間間隔おきや、不定期に定めてもよい。また、劣化度が一定量や所定量進むたびに再設定時期としてもよい。
ステップＳ１０５：　寿命予測部２２４は、現在の電池使用条件による劣化度の進み具合に基づいて、推定寿命を予測する。
　図３は、推定寿命の予測処理の一例を説明する図である。
　同図の横軸は使用年数を示し、縦軸は性能指標を示す。なお、縦軸の上限は二次電池２００ａの初期性能であって劣化度ゼロに相当し、縦軸の下限は二次電池２００ａの性能下限値であって劣化度の上限に相当する。
　同図において、実線で示す実績の劣化カーブは、ステップＳ１０３で履歴記憶部２２３に格納された現在の電池使用条件のもとにおける劣化カーブである。一方、点線で示す劣化カーブ（予測）は、現在以降の二次電池２００ａの進み具合を予測するものである。
　一般に、リチウムイオン二次電池などでは、電池使用時間の（１／２）乗に劣化度が正比例するという「ルート則の劣化カーブ」が実験的に知られている。そこで、現在の電池使用条件のもとにおける劣化カーブ（実線）に、このルート則の劣化カーブを当てはめることにより、現在以降における点線で示す劣化カーブ（予測）を得ることができる。
　この劣化カーブ（予測）が、劣化度の上限（図３の性能下限値）に到達した使用年数が、推定寿命となる。
　なお、ルート則は劣化特性の一般例であるため、現実の二次電池２００ａについて求めた劣化則を使用することが好ましい。
ステップＳ１０６：　不足寿命演算部２３２は、目標寿命から推定寿命を減算することにより、不足寿命を求める。つまり、ステップＳ１０６では、推定寿命に基づいて、目標寿命を下回る（予測）不足寿命を求める。
ステップＳ１０７：　制限設定部２３３は、不足寿命の次回までの削減分（つまり電池寿命の延長分）を決定する。このとき、予測される不足寿命を一度にゼロにせず、現在から目標寿命までの期間に不足寿命の削減分をバランスよく配分し、電池寿命を段階的に延長してもよい。例えば、不足寿命の所定割合（例えば１０％～９０％、好ましくは２５％～７５％、さらに好ましくは４０％～６０％）を、不足寿命の次回までの削減分（電池寿命の延長分）として決定する。また、目標寿命を迎えるまでの最終期間においては、この所定割合を１００％近くまで変化させることにより電池寿命を目標寿命に略一致させる。
ステップＳ１０８：　制限設定部２３３は、不足寿命の次回までの延命分を実現するように、現在の電池使用条件を制限する。ここで制限する電池使用条件としては、次の少なくとも１つ、または２つ以上の組合せが選択される。
・充電電圧の制約
・放電電流の制約
・充電電流の制約
・電池ＳＯＣの制約
・電池温度の制約
　このような電池使用条件の制限は、劣化カーブ（予測）の変化を事前に二次電池２００ａのシミュレータや劣化加速実験で試行しておくことによって適切に設定できる。
ステップＳ１０９：　制限した電池使用条件の候補は、複数通り存在する。この候補のどれを選択するかにより、二次電池２００ａの使用効率と、それに伴う燃料機関３００ａの燃費悪化が変化する。そこで、制限設定部２３３は、候補の中から、燃料機関３００ａの燃費計画の悪化を最小化（つまり最適化）する候補を、制限した電池使用条件として選択する。この選択動作は、設計者などによる事前の燃費計画のシミュレーションにより作成されたルールに基づいて行われる。
ステップＳ１１０：　制限設定部２３３は、制限した電池使用条件を、次回の再設定時期までの電池使用条件として、電池制御部２１０に再設定する。
　この電池使用条件の再設定を完了すると、図２に示すステップＳ１１０から動作をステップＳ１０１に戻す。この動作により、電池使用条件を制限する再設定を段階的に繰り返す。
　図４は、電池寿命の延命を説明する図である。
　同図では、使用開始時から目標寿命までの期間が複数区分され、電池使用条件の再設定時期（図４中の白丸）が設けられる。この再設定時期ごとに、不足寿命の推定と、電池使用条件の再設定とが行われ、電池寿命の延命が行われる。
　この動作は、目標寿命（交換期間）に達して、電池交換パッケージ２００ｂが交換されるまで継続する。
＜電池の上限温度を制約する動作＞
　次に、二次電池２００ａが冷却機構（ペルチェ素子、冷却ファン、液冷など）を有しない場合に、二次電池２００ａの上限温度を制約する動作について説明する。
　図５の［Ａ］は、横軸に不足寿命を示し、縦軸に上限温度を示す図である。
　電池制御部２１０は、この図５の［Ａ］に示すように、不足寿命が大きいほど、電池の上限温度を低くなるように電池使用条件の再設定を行う。つまり、図の［Ａ］は、不足寿命による上限温度の再設定の例を示したものである。
　図５の［Ｂ］は、横軸に（上限温度－現在温度）を示し、縦軸に電池の電流量を示す図である。
　電池制御部２１０は、二次電池２００ａの現在温度が上限温度に迫ると、図５の［Ｂ］に示すように、二次電池２００ａの充放電の電流量を下げることにより二次電池２００ａの発熱量を抑制し、現在温度が上限温度を超えないようにする。つまり、図５の［Ｂ］は、上限温度を超えないための電流制御の例を示したものである。
　このような電池制御部２１０の動作により、二次電池２００ａの上限温度を制約することが可能になる。
＜実施例１の効果＞
　以下、実施例１の効果について説明する。
（１）実施例１では、二次電池２００ａの電池寿命を延命する方向に、電池制御部２１０の電池使用条件を再設定する。この電池使用条件の再設定により、二次電池２００ａの寿命を目標寿命まで持たせることができる。
（２）実施例１では、電池使用条件として、例えば、充電電圧を制限する。この充電電圧の上限を低くして二次電池２００ａの劣化を遅らせることにより、電池寿命は目標寿命まで延長される。あるいは、充電電圧の下限を高くして二次電池２００ａの劣化を遅らせることにより、電池寿命は目標寿命まで延長される。
（３）実施例１では、電池使用条件として、例えば、放電電流を制限する。この放電電流を制限して二次電池２００ａの劣化を遅らせることにより、電池寿命は目標寿命まで延長される。
（４）実施例１では、電池使用条件として、例えば、充電電流を制限する。この充電電流を制限して二次電池２００ａの劣化を遅らせることにより、電池寿命は目標寿命まで延長される。
（５）実施例１では、電池使用条件として、例えば、電池ＳＯＣ（States Of Charge：充電状態）を制限する。この電池ＳＯＣを低くして二次電池２００ａの劣化を遅らせることにより、電池寿命は目標寿命まで延長される。
（６）実施例１では、電池使用条件として、例えば、電池温度を制限する。この電池温度を制限して二次電池２００ａの劣化を遅らせることにより、電池寿命は目標寿命まで延長される。
（７）実施例１では、制限する電池使用条件やその組合せの候補が複数ある場合に、燃料機関３００ａの燃費悪化が最小化するものを選択する。この選択動作によって燃費悪化を最小限に抑えることが可能になる。
（８）実施例１では、現在の電池使用条件を使用した実績の劣化カーブ（図３、図４の実線カーブ）に対して、二次電池２００ａの予測の劣化カーブ（図３、図４の点線カーブ）を当てはめると同等の演算処理により、現在の電池使用条件を使用した場合の推定寿命を求める。
　一般に、推定寿命の算出には、他の劣化要因（例えば、鉄道車両１００の速度や移動距離や、鉄道車両１００の重量負荷、特急や各駅停車といった速度変化の違いなど）が関係するため、推定寿命の算出は複雑になる。しかしながら、これら劣化要因が反映された、実績の劣化カーブ（図３、図４の実線カーブ）に予測の劣化カーブを当てはめることにより、推定寿命の算出を簡易にかつ正確に行うことが可能になる。
（９）実施例１では、図４に示すように、電池使用条件の再設定を段階的に行う。電池寿命の推定精度は、電池情報の履歴が蓄積されるほど正確になる。そのため、目標寿命に近づくに従って電池寿命の推定と電池使用条件の再設定を段階的に繰り返すことより、電池寿命を目標寿命に正確に略一致させることが可能になる。
（１０）実施例１では、電池使用条件の再設定を段階的に行うため、比較的に早い段階から電池使用条件の再設定を開始する。そのため、電池性能に比較的余裕がある段階から電池寿命の延命化を徐々に開始することが可能になり、最終局面において電池寿命が目標寿命に足りないなどの事態を防止することができる。
（１１）実施例１では、上述したように、電池寿命が目標寿命（電池交換パッケージ２００ｂの交換期間）に略一致する。そのため、電池交換パッケージ２００ｂの交換により、二次電池２００ａ、電池制御部２１０、推定部２２０、および制限部２３０を一緒に交換することが可能になり、鉄道車両１００における電池交換のメンテナンス性が向上する。
　次に、実施例２として、列車編成された車両の間で、電池使用条件の制約に伴う電流不足を相互に補う動作を説明する。
＜実施例２の構成＞
　図６は、列車編成の構成を説明する図である。
　なお、図６において、実施例１と同じ構成については同一の参照符号を付与し、ここでの重複説明を省略する。
　列車編成として、鉄道車両１００の前後には、機械連結器などを介して複数の連結車両１０が一列に連結される。
　個々の連結車両１０には、鉄道車両１００と同様の電池システム２００（電池制御部２１０，二次電池２００ａなど）および車両機関３００がそれぞれ設けられる。
　これら車両は、電池システム２００の交換時期が互いに異なるため、電池使用条件の制約も車両ごとに異なるものとなる。
　これら車両の間では、機械連結器に併設される電気連結器やジャンバ連結器などを介して、制御系統Ｃおよび電力系統Ｅが接続される。
＜実施例２の動作＞
　図７は、不足電流の融通動作を説明する流れ図である。
　以下、図７に示すステップ番号に沿って、動作を説明する。
ステップＳ２０１：　電池制御部２１０は、現在の電池使用条件の制約に基づいて、二次電池２００ａから出力可能な放電電流の上限値を取得する。
ステップＳ２０２：　鉄道車両１００の電池制御部２１０は、車両速度の加速や減速などの鉄道車両の運行状態に応じて、二次電池２００ａに必要とされる放電電流の量を推定する。
ステップＳ２０３：　鉄道車両１００の電池制御部２１０は、Ｓ２０１で求めた放電電流の必要な値と、ステップＳ２０２で求めた上限値とを比較する。電池制御部２１０は、上限値よりも大きな放電電流が必要な場合、鉄道車両１００では放電電流が不足すると判断してステップＳ２０４に動作を移行する。一方、電池制御部２１０は、上限値よりも小さな放電電流で足りる場合、鉄道車両１００は放電電流に余裕があると判断してステップＳ２０６に動作を移行する。つまり、ステップＳ２０３では、「必要な放電電流＞上限値」がＹＥＳの場合はＳ２０４に移行し、ＮＯの場合には、Ｓ２０６に移行することなる。
ステップＳ２０４：　鉄道車両１００の電池制御部２１０は、鉄道車両１００だけでは放電電流が不足する旨を別の連結車両１０の群に制御系統Ｃを介して情報伝達する。別の連結車両１０の内、放電電流に余裕がある二次電池２００ａを有する連結車両１０は、電力系統Ｅに対して放電電流の余裕分を配分する。つまり、ステップＳ２０４では、電流不足を別の連結車両に情報伝達する。
ステップＳ２０５：　鉄道車両１００の電池制御部２１０は、放電電流に余裕がある別の連結車両１０の二次電池２００ａから放電電流の供給を電力系統Ｅを介して受け、放電電流の不足を補う。この動作の後に、鉄道車両１００の電池制御部２１０は、ステップＳ２０１に戻って動作を繰り返す。
ステップＳ２０６：　鉄道車両１００の電池制御部２１０は、放電電流に余裕がある状況で、制御系統Ｃを介して別の連結車両１０から電流不足の情報伝達を受けると、放電電流の余裕分を電力系統Ｅを介して別の連結車両１０に配分する。この動作の後に、鉄道車両１００の電池制御部２１０は、ステップＳ２０１に戻って動作を繰り返す。
＜実施例２の効果＞
　上述した一連の動作により、実施例２では、実施例１の効果に加えて次の効果を得ることができる。
（１）実施例２では、電池使用条件の制約により不足する二次電池２００ａの放電電流を、電流に余裕がある別の連結車両１０の電池から供給を受けて補うことができる。
（２）実施例２では、放電電流が不足しても別の連結車両１０から補うことができるため、燃料機関３００ａによる一時的な発電を頻繁に行う必要がなくなり、燃料の消費量を下げることができる。
（３）実施例１で説明した車両別の電池使用条件の再設定と、実施例２で説明した車両間の一時的な放電電流の融通とは同時に行われる。そのため、車両別に二次電池２００ａの寿命管理を行いつつ、列車編成の全体において車両ごとの電流不足を解消するというバランスのよい電池管理が実現する。
＜補足事項＞
　なお、上述した実施形態では、燃料機関３００ａを搭載したハイブリッド鉄道車両への応用について説明した。しかし、本発明の適用分野はこれに限定されない。
　例えば、架線や給電レールなどから給電を受ける運行区間においては給電力および電池電力によって運行し、給電手段のない運行区間においては電池電力のみで運行する鉄道車両に本発明を適用してもよい。
　なお、実施形態では、電池システム２００において、二次電池２００ａの状態監視、電池使用条件の再設定、二次電池２００ａの充放電制御や温度制御、不足電流の融通などを行っているが、本発明はこれに限定されない。例えば、これらの機能の一部または全部を鉄道車両１００の制御装置で分担してもよい。
　また、実施形態の実施例２では、車両と車両の間において不足電流の融通を行っているが、本発明はこれに限定されない。例えば、鉄道車両１００内に交換時期の異なる複数の二次電池２００ａを搭載し、電池制御部２１０によって複数の二次電池２００ａの間で不足電流の融通を行ってもよい。
　上記の通り、種々の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
　例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
　さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
Ｃ…制御系統、Ｅ…電力系統、１０…連結車両、１００…鉄道車両、２００…電池システム、２００ａ…二次電池、２００ｂ…電池交換パッケージ、２１０…電池制御部、２２０…推定部、２２１…電池情報取得部、２２２…時刻情報取得部、２２３…履歴記憶部、２２４…寿命予測部、２３０…制限部、２３１…目標寿命設定部、２３２…不足寿命演算部、２３３…制限設定部、３００…車両機関、３００ａ…燃料機関、３１０…発電機、３３０…主変換装置、３５０…鉄道車両モータ、３６０…電源ライン

Claims (11)

  1. 　繰り返し使用可能な電池を備えた電池システムであって、
    　前記電池の寿命劣化に係る電池使用条件を制約して設定することにより、前記電池の寿命を制御する電池制御部と、
    　前記電池使用条件の制約によって得られる前記電池の推定寿命を算出する推定部と、
    　算出された前記推定寿命が前記電池の目標寿命を下回る場合に、前記電池の寿命を延ばして前記目標寿命の不足分（以下「不足寿命」）を削減する方向に、前記電池制御部の前記電池使用条件を制限して再設定する制限部と、
    　を備えたことを特徴とする電池システム。
  2. 　請求項１に記載の電池システムにおいて、
    　前記電池制御部は、
    　　前記電池使用条件の制約により不足する前記電池の電流分を、電流に余裕がある別の電池から供給を受けることにより、前記電流分の不足を補う
    　ことを特徴とする電池システム。
  3. 　請求項２に記載の電池システムにおいて、
    　前記電池は、
    　　鉄道車両に使用される鉄道車両用電池であり、
    　前記電池制御部は、
    　　前記電池使用条件の制約により不足する前記電池の電流分を、電流に余裕がある別の連結車両の電池から供給を受けることにより、前記電流分の不足を補う
    　ことを特徴とする電池システム。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の電池システムにおいて、
    　前記制限部は、
    　　前記電池使用条件を制限する再設定を段階的に行い、前記電池の前記不足寿命を段階的になくす
    　ことを特徴とする電池システム。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の電池システムにおいて、
    　前記制限部において制限する再設定を行う前記電池使用条件は、
    　　充電電圧の制約、放電電流の制約、充電電流の制約、電池ＳＯＣ（States Of Charge：充電状態）の制約、および電池温度の制約からなるグループの少なくとも一つである
    　ことを特徴とする電池システム。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の電池システムにおいて、
    　前記制限部は、
    　　前記不足寿命に応じて、前記電池の上限温度の制約を決定し、
    　前記電池制御部は、
    　　前記電池の現在温度をモニタリングし、前記上限温度と前記現在温度との差異に応じて、前記電池の充放電の電流を制御する
    　ことを特徴とする電池システム。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の電池システムにおいて、
    　前記電池に対して、前記電池制御部、前記推定部、前記制限部は一体に構成され、
    　前記電池の寿命交換に際して、前記電池システムを一体に交換可能とする
    　ことを特徴とする電池システム。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の電池システムと、
    　前記電池システムの前記電池を電源の少なくとも一つとして使用する車両部と、
    　を備えたことを特徴とする鉄道車両。
  9. 　繰り返し使用可能な電池を使用する電池管理方法であって、
    　前記電池の寿命劣化に係る電池使用条件を制約して設定することにより、前記電池の寿命を制御する電池制御ステップと、
    　前記電池使用条件の制約によって得られる前記電池の推定寿命を算出する推定ステップと、
    　算出された前記推定寿命が前記電池の目標寿命を下回る場合に、前記電池の寿命を延ばして前記目標寿命の不足分（以下「不足寿命」）を削減する方向に、前記電池制御ステップの前記電池使用条件を制限して再設定する制限ステップと、
    　を備えたことを特徴とする電池管理方法。
  10. 　請求項９に記載の電池管理方法において、
    　前記電池制御ステップは、
    　　前記電池使用条件の制約により不足する前記電池の電流分を、電流に余裕がある別の電池から供給を受けることにより、前記電流分の不足を補う
    　ことを特徴とする電池管理方法。
  11. 　請求項９～１０のいずれか１項に記載の電池管理方法において、
    　前記電池は、
    　　鉄道車両に使用される鉄道車両用電池であり、
    　前記電池制御ステップは、
    　　前記電池使用条件の制約により不足する前記電池の電流分を、電流に余裕がある別の連結車両の電池から供給を受けることにより、前記電流分の不足を補う
    　ことを特徴とする電池管理方法。
PCT/JP2020/015341 2019-04-12 2020-04-03 電池システム、鉄道車両および電池管理方法 WO2020209200A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20787625.1A EP3955409A4 (en) 2019-04-12 2020-04-03 BATTERY SYSTEM, RAIL CAR AND BATTERY MANAGEMENT PROCEDURES

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019076064A JP7254597B2 (ja) 2019-04-12 2019-04-12 電池システム、鉄道車両および電池管理方法
JP2019-076064 2019-04-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020209200A1 true WO2020209200A1 (ja) 2020-10-15

Family

ID=72751538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/015341 WO2020209200A1 (ja) 2019-04-12 2020-04-03 電池システム、鉄道車両および電池管理方法

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3955409A4 (ja)
JP (1) JP7254597B2 (ja)
WO (1) WO2020209200A1 (ja)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007259612A (ja) * 2006-03-24 2007-10-04 Hitachi Ltd 電源制御装置
DE102009023340A1 (de) * 2009-05-29 2011-02-03 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Fahrzeugantriebseinheit
WO2011118294A1 (ja) * 2010-03-23 2011-09-29 日本電気株式会社 リチウムイオン二次電池の充放電方法及び充放電システム
WO2012128285A1 (ja) * 2011-03-23 2012-09-27 三菱重工業株式会社 電池システム
JP2014079066A (ja) * 2012-10-09 2014-05-01 Mitsubishi Motors Corp 電力制御装置
JP2014078358A (ja) * 2012-10-09 2014-05-01 Mitsubishi Motors Corp 電力制御装置
JP2016163532A (ja) 2015-03-05 2016-09-05 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池管理装置、電池システムおよびハイブリッド車両制御システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5679738B2 (ja) * 2010-08-26 2015-03-04 株式会社日立製作所 電池制御装置及びこの電池制御装置を搭載した車両システム
JP5105031B2 (ja) * 2011-01-24 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 蓄電システム
US9263912B2 (en) * 2013-02-05 2016-02-16 Dell Products, L.P. Mitigating premature wear out of a rechargeable battery
US9331503B2 (en) * 2014-03-06 2016-05-03 Nissan North America, Inc. Systems and methods of controlling battery deterioration by controlling battery state-of-health during power exchange
JP6441188B2 (ja) * 2015-09-01 2018-12-19 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池管理装置、電池システムおよびハイブリッド車両制御システム
EP3424771A1 (en) * 2017-07-03 2019-01-09 Ningbo Geely Automobile Research & Development Co. Ltd. Method and electronic device for managing a power limit

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007259612A (ja) * 2006-03-24 2007-10-04 Hitachi Ltd 電源制御装置
DE102009023340A1 (de) * 2009-05-29 2011-02-03 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Fahrzeugantriebseinheit
WO2011118294A1 (ja) * 2010-03-23 2011-09-29 日本電気株式会社 リチウムイオン二次電池の充放電方法及び充放電システム
WO2012128285A1 (ja) * 2011-03-23 2012-09-27 三菱重工業株式会社 電池システム
JP2014079066A (ja) * 2012-10-09 2014-05-01 Mitsubishi Motors Corp 電力制御装置
JP2014078358A (ja) * 2012-10-09 2014-05-01 Mitsubishi Motors Corp 電力制御装置
JP2016163532A (ja) 2015-03-05 2016-09-05 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池管理装置、電池システムおよびハイブリッド車両制御システム

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3955409A4

Also Published As

Publication number Publication date
JP7254597B2 (ja) 2023-04-10
EP3955409A4 (en) 2023-01-25
EP3955409A1 (en) 2022-02-16
JP2020174490A (ja) 2020-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8587260B2 (en) Method and system for control of a vehicle energy storage device
US8063609B2 (en) Method and system for extending life of a vehicle energy storage device
KR102385058B1 (ko) 에너지 스토리지 시스템을 가지는 차량 추진 시스템 및 그 동작을 제어하는 최적화 방법
US8204640B2 (en) Vehicle drive power generation control apparatus
JP5980457B1 (ja) 電源装置、該電源装置を有する輸送機器、蓄電部の充電率と開放端電圧の相関情報を推定する推定方法、および該相関情報を推定するためのプログラム
US20160052505A1 (en) Vehicle propulsion system having an energy storage system and optimized method of controlling operation thereof
US20160052410A1 (en) Vehicle propulsion system having an energy storage system and optimized method of controlling operation thereof
JP2016047005A (ja) エネルギー貯蔵システムを有する車両推進システムおよびその動作を制御する最適化された方法
US20200086761A1 (en) Electrically powered vehicle
JP2023532481A (ja) 電気駆動システムを作動させるための方法
ES2940508T3 (es) Vehículo y procedimiento para su funcionamiento
KR20160038010A (ko) 발전 제어 장치 및 발전 제어 방법
JP2020174489A (ja) 電池システム、鉄道車両および電池管理方法
WO2020209200A1 (ja) 電池システム、鉄道車両および電池管理方法
US20200039355A1 (en) Switching control device and switching control method
KR102656116B1 (ko) 멀티 세트의 하이브리드 전원에 의해 구동되는 전기 트램의 에너지 관리 시스템
KR20220027308A (ko) 하이브리드 차량의 동력 분배 장치 및 방법
US20230398906A1 (en) Method for controlling a power assembly
AU2014202139B2 (en) Method and system for control of a vehicle energy storage device
GB2601224A (en) Vehicle control device and vehicle control method
JP2018182855A (ja) 鉄道車両用駆動システムおよび鉄道車両用蓄電装置の制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20787625

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020787625

Country of ref document: EP

Effective date: 20211112