WO2022025167A1

WO2022025167A1 - 蓄電池システムおよび蓄電池の容量劣化診断方法

Info

Publication number: WO2022025167A1
Application number: PCT/JP2021/028051
Authority: WO
Inventors: 雅浩米元; 智晃高橋; 駿弥内藤; 健志篠宮
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2022-02-03
Also published as: JP2022025810A

Abstract

本発明は、充放電が繰り返される蓄電池について、正確に容量劣化を診断する技術を提供することを目的とする。このため、本発明の蓄電池システムは、蓄電池管理装置が、第１の時刻（ｔ１）において開回路電圧推定値から求める第１の充電率（ＳＯＣ（ｔ１））と、第２の時刻（ｔ２）において開回路電圧推定値から求める第２の充電率（ＳＯＣ（ｔ２））と、第１の時刻（ｔ１）から第２の時刻（ｔ２）までの電流の積算値とから、容量劣化率を演算し、第１の時刻（ｔ１）の前に第１の充放電禁止期間を設定し、第２の時刻（ｔ２）の前に第２の充放電禁止期間を設定し、第１の時刻（ｔ１）と第２の充放電禁止期間の間に充電禁止期間と放電禁止期間のいずれか１つを設定する禁止期間設定部を有する。

Description

蓄電池システムおよび蓄電池の容量劣化診断方法

　本発明は、蓄電池システムおよび蓄電池の容量劣化診断方法に関する。

　リチウムイオン電池を代表とする蓄電池は、蓄電池の劣化を抑制するために充電率を正確に把握し、適切な範囲で使用することが求められる。充電率の推定方法は、電池の開回路電圧を推定してから、開回路電圧と充電率の関係を参照して充電率を推定する方式と、電流の積算値を基に充電率を推定する方式と、前記２方式を状況に応じて組み合わせて演算する方式の３種類に大別される。

　大電流の充放電中は、電流の積算値を基に充電率を演算する方式が有効であるが、この方式は蓄電池の容量劣化を加味する必要があり、この点で蓄電池の容量劣化診断技術が重要となる。

　そこで、蓄電池の容量劣化診断のために、２つの時刻（ｔ１，ｔ２）において開回路電圧推定値から求める２つの充電率（ＳＯＣｖ（ｔ１），ＳＯＣｖ（ｔ２））と、前記２つの時刻（ｔ１，ｔ２）の間の電流積算値と、から容量劣化を診断することが一般的に行われている。

　例えば、特許文献１には、蓄電池の充電前後の開回路電圧推定値から求める２つの充電率（ＳＯＣｖ（ｔ１），ＳＯＣｖ（ｔ２））と、２つの時刻（ｔ１，ｔ２）の間の電流積算値と、から容量劣化を診断する技術が開示される。

特許第５６７３６５４号公報

　蓄電池のみを動力源とするＥＶや蓄電池電車などの場合は、蓄電池の使用率が高いことから、短時間で急速充電を行うことが多い。そして、急速充電時には、短時間のうちに充電率が大きく変化するため、このタイミングで上記の容量劣化診断手法を適用するのが有効である。
　一方、エンジン出力を蓄電池がアシストするようなハイブリッド自動車やハイブリッド気動車などの場合は、外部電源を用いた急速充電のようなケースが少なく、ＥＶや蓄電池電車に比べて、狭い充電率の範囲で充放電が繰り返されることが多い。そして、このような充放電管理は、上位制御装置によって制御される。
　このため、ハイブリッド自動車やハイブリッド気動車などの場合は、容量劣化診断に適したタイミングが存在しないことから、十分な容量劣化診断精度を確保できないといった課題がある。

　そこで、本発明は、充放電が繰り返される蓄電池について、正確に容量劣化を診断す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、代表的な本発明の蓄電池システムの一つは、蓄電池管理装置が、第１の時刻（ｔ１）において開回路電圧推定値から求める第１の充電率（ＳＯＣ（ｔ１））と、第２の時刻（ｔ２）において開回路電圧推定値から求める第２の充電率（ＳＯＣ（ｔ２））と、第１の時刻（ｔ１）から第２の時刻（ｔ２）までの電流の積算値とから、容量劣化率を演算し、第１の時刻（ｔ１）の前に第１の充放電禁止期間を設定し、第２の時刻（ｔ２）の前に第２の充放電禁止期間を設定し、第１の時刻（ｔ１）と第２の充放電禁止期間の間に充電禁止期間と放電禁止期間のいずれか１つを設定する禁止期間設定部を有する。

　本発明によれば、充放電が繰り返される蓄電池について、正確に容量劣化を診断することが可能となる。

　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、実施例の蓄電池システムの構成を示す図である。図２は、蓄電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性の例を示す図である。図３は、容量劣化診断モードにおける蓄電池管理装置の動作の例を示すフローチャートである。図４Ａは、容量劣化診断モードにおける蓄電池の充電率（ＳＯＣ）の推移の例を示す図である。図４Ｂは、容量劣化診断モードにおける蓄電池の充電率（ＳＯＣ）の推移の例を示す図である。

　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。

＜蓄電池システムの全体構成＞
　まず、実施例の蓄電池システムの全体構成について説明する。
　図１は、実施例の蓄電池システムの構成を示す図である。同図において、蓄電池システム１００は、１つまたは複数の蓄電池１０１と、蓄電池１０１に流れる電流値を測定する電流センサ１０２と、蓄電池の電圧を測定する電圧センサ１０３と、蓄電池の温度を測定する温度センサ１０４と、蓄電池管理装置１０５から構成され、蓄電池の充放電電流、または充放電電力を直接制御する上位制御装置１０６に接続可能である。そして、蓄電池管理装置１０５は、禁止期間設定部１０５ａを有する。

　蓄電池１０１は、リチウムイオン電池や、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などが挙げられるが、これらに限定されない。

　電流センサ１０２は、ホール型センサやシャント型センサなどが挙げられるが、これらに限定されない。

　蓄電池管理装置１０５は、蓄電池１０１の電流、電圧、温度を監視し、蓄電池１０１の充電率や劣化率等の内部状態を推定演算し、上位制御装置１０６に送る。そして、禁止期間設定部１０５ａは、充放電禁止期間、充電禁止期間または放電禁止期間を設定する。

　上位制御装置１０６は、下位制御装置である蓄電池管理装置１０５などから送信された情報を基に蓄電池１０１の充放電電流または充放電電力を決定する。

＜充電率（ＳＯＣ）の推定＞
　次に、蓄電池１０１の充電率（ＳＯＣ）の推定について説明する。
　まず、電圧センサ１０３により蓄電池１０１の閉回路電圧を測定し、電流センサ１０２により蓄電池１０１に流れる電流値を測定する。そして、閉回路電圧と電流値とから、蓄電池１０１の開回路電圧（ＯＣＶ）を推定する。次に、開回路電圧推定値から、蓄電池１０１の充電率（ＳＯＣ）を推定する。
　推定の方法としては、例えば、閉回路電圧から、電流値と蓄電池１０１のモデル化した抵抗値との積を差し引いて、開回路電圧（ＯＣＶ）を推定し、そして、開回路電圧推定値から、図２に示すような蓄電池１０１のＳＯＣ－ＯＣＶ特性を参照して、蓄電池１０１の充電率（ＳＯＣ）を推定する方法などがある。

＜蓄電池管理装置の動作＞
　次に、蓄電池管理装置１０５の動作について説明する。
　図３は、容量劣化診断モードにおける蓄電池管理装置の動作の例を示すフローチャートである。
　また、図４Ａおよび図４Ｂは、容量劣化診断モードにおける蓄電池の充電率（ＳＯＣ）の推移の例を示す図である。図４Ａは、容量劣化診断モードに入った後に充電率（ＳＯＣ）が第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達する場合の例であり、図４Ｂは、容量劣化診断モードに入った後に充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達する場合の例を示したものである。

　まず、蓄電池管理装置１０５を動作させる前に、蓄電池を使用する充電率（ＳＯＣ）の範囲内に、第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）および第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）を設定する。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）は第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）より大きいとする。第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）および第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）は、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性の傾き（ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣ）が大きい位置を選ぶとよい。これにより、開回路電圧推定値から蓄電池１０１のＳＯＣ－ＯＣＶ特性を参照して、蓄電池１０１の充電率（ＳＯＣ）を正確に推定することができる。
　また、第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）および第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）は、第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）と第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）の差が大きい位置を選ぶとよい。これにより、蓄電池１０１の容量劣化率を正確に推定することができる。

　なお、蓄電池管理装置１０５は、例えば、前回の診断から所定の時間が経過した、あるいは、蓄電池１０１の温度が所定の範囲内にあるなどの条件を満たした場合に、容量劣化を診断する容量劣化診断モードに入ることができる。そして、容量劣化診断モードに入った後に、図３に示す動作を開始する。容量劣化診断モードとなった後、充電率（ＳＯＣ）は、図４Ａに示すように、第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達する場合と、図４Ｂに示すように、第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達する場合とがある。

＜＜充電率が第１の閾値に達する場合＞＞
　まず、図４Ａに示すように、容量劣化診断モードとなった後、充電率（ＳＯＣ）が第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達する場合について説明する。
　ステップ２０１では、図１に示す禁止期間設定部１０５ａが、第１の充放電禁止期間ａ（図４Ａにおいて、一点鎖線により区分された第１の期間）を設定する。充電率（ＳＯＣ）が第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達すると、所定の時間、例えば１０分間充放電を禁止して、過去の電流の影響が小さくなるのを待つ。これにより、正確な開回路電圧を推定することができる。

　ステップ２０２では、第１の充放電禁止期間の終了時を第１の時刻（ｔ１）とし、蓄電池管理装置１０５が、第１の時刻（ｔ１）において、開回路電圧推定値から第１の充電率（ＳＯＣ（ｔ１））を求め、電流の積算を開始する。

　ステップ２０３では、禁止期間設定部１０５ａが、第１の時刻（ｔ１）の後に、充電禁止期間ｂ（図４Ａにおいて、一点鎖線により区分された第２の期間）を設定する。これにより、短時間で充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達することができる。

　ステップ２０４では、禁止期間設定部１０５ａが、充電禁止期間の後に第２の充放電禁止期間ｃ（図４Ａにおいて、一点鎖線により区分された第３の期間）を設定する。充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達すると、所定の時間、例えば１０分間充放電を禁止して、過去の電流の影響が小さくなるのを待つ。これにより、正確な開回路電圧を推定することができる。

　ステップ２０５では、第２の充放電禁止期間の終了時を第２の時刻（ｔ２）とし、蓄電池管理装置１０５が、第２の時刻（ｔ２）において、開回路電圧推定値から第２の充電率（ＳＯＣ（ｔ２））を求め、電流の積算を終了する。

　ステップ２０６では、蓄電池管理装置１０５が、第１の充電率（ＳＯＣ（ｔ１））と、第２の充電率（ＳＯＣ（ｔ２））と、電流の積算値とから、容量劣化率を演算する。例えば、電流の積算値を第１の充電率（ＳＯＣ（ｔ１））と第２の充電率（ＳＯＣ（ｔ２））の差で除し、さらに初期容量で除して、容量劣化率を求める。

＜＜充電率が第２の閾値に達する場合＞＞
　次に、図４Ｂに示すように、容量劣化診断モードとなった後、充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達する場合について説明する。
　なお、以下では図３のステップ２０１、ステップ２０３およびステップ２０４をそれぞれ、ステップ２０１ａ、ステップ２０３ａおよびステップ２０４ａと読み替えて説明する。

　ステップ２０１ａでは、禁止期間設定部１０５ａが、第１の充放電禁止期間Ａ（図４Ｂにおいて、一点鎖線により区分された第１の期間）を設定する。充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達すると、所定の時間、例えば１０分間充放電を禁止して、過去の電流の影響が小さくなるのを待つ。これにより、正確な開回路電圧を推定することができる。

　ステップ２０３ａでは、禁止期間設定部１０５ａが、第１の時刻（ｔ１）の後に、放電禁止期間Ｂ（図４Ｂにおいて、一点鎖線により区分された第２の期間）を設定する。これにより、短時間で充電率（ＳＯＣ）が第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達することができる。

　ステップ２０４ａでは、禁止期間設定部１０５ａが、放電禁止期間の後に第２の充放電禁止期間Ｃ（図４Ｂにおいて、一点鎖線により区分された第３の期間）を設定する。充電率（ＳＯＣ）が第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達すると、所定の時間、例えば１０分間充放電を禁止して、過去の電流の影響が小さくなるのを待つ。これにより、正確な開回路電圧を推定することができる。

　以上のとおりの動作により、蓄電池管理装置１０５は、正確な容量劣化率を推定することができる。
　なお、蓄電池管理装置１０５は、充放電禁止期間、充電禁止期間または放電禁止期間において、許容充電電力または許容放電電力を所定の値、例えば０に設定して上位制御装置１０６へ送信してもよい。具体的には、充放電禁止期間において、許容充電電力および許容放電電力を所定の値、例えば０に設定して上位制御装置１０６へ送信してもよく、充電禁止期間において、許容充電電力を所定の値、例えば０に設定して上位制御装置１０６へ送信してもよく、放電禁止期間において、許容放電電力を所定の値、例えば０に設定して上位制御装置１０６へ送信してもよい。

　このようにすると、上位制御装置１０６の構成を変更することなく、充放電禁止期間、充電禁止期間または放電禁止期間を自在に設定することができる。

　また、蓄電池管理装置１０５は、充電禁止期間において充電率推定値よりも高い値の充電率情報を上位制御装置１０６へ送信してもよく、放電禁止期間において充電率推定値よりも低い値の充電率情報を上位制御装置１０６へ送信してもよい。

　このようにすると、充電禁止期間または放電禁止期間を確実に設定することができる。

　当然ながら、本発明は、ハイブリッド自動車やハイブリッド気動車などの用途に限らず、蓄電池システム一般に適用することが可能である。

　また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。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。実施例では、容量劣化診断モードとなった後、充電率（ＳＯＣ）が、図４Ａに示すように、第１の閾値（ＳＯＣｔｈ１）に達する場合と、図４Ｂに示すように、第２の閾値（ＳＯＣｔｈ２）に達する場合との両方の場合に容量劣化率を推定する構成について説明したが、いずれか一方の場合にのみ容量劣化率を推定する構成としてもよい。また、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。

１００…蓄電池システム、１０１…蓄電池、１０２…電流センサ、１０３…電圧センサ、１０４…温度センサ、１０５…蓄電池管理装置、１０５ａ…禁止期間設定部、１０６…上位制御装置

Claims

　蓄電池と、
　前記蓄電池に流れる電流を測定する電流センサと、
　前記蓄電池の電圧を測定する電圧センサと、
　前記蓄電池の電流および電圧を監視し、前記蓄電池の充電率を推定し、容量劣化率を演算する蓄電池管理装置と、
　を有する蓄電池システムであって、
　前記蓄電池管理装置は、第１の時刻において開回路電圧推定値から求める第１の充電率と、第２の時刻において開回路電圧推定値から求める第２の充電率と、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの電流の積算値とから、容量劣化率を演算し、
　前記第１の時刻の前に第１の充放電禁止期間を設定し、前記第２の時刻の前に第２の充放電禁止期間を設定し、前記第１の時刻と前記第２の充放電禁止期間の間に充電禁止期間と放電禁止期間のいずれか１つを設定する禁止期間設定部を有する、
　蓄電池システム。
　請求項１に記載の蓄電池システムであって、
　前記蓄電池の充放電電流または充放電電力を制御する上位制御装置に接続可能であり、
　前記蓄電池管理装置は、前記第１の充放電禁止期間、前記第２の充放電禁止期間、前記充電禁止期間または前記放電禁止期間において、許容充電電力または許容放電電力を所定の値に設定し、設定された許容充電電力または許容放電電力を前記上位制御装置へ送信する、
　蓄電池システム。
　請求項２に記載の蓄電池システムであって、
　前記蓄電池管理装置は、前記第１の充放電禁止期間または前記第２の充放電禁止期間において、許容充電電力および許容放電電力を所定の値に設定し、設定された許容充電電力および許容放電電力を前記上位制御装置へ送信する、
　蓄電池システム。
　請求項２または請求項３に記載の蓄電池システムであって、
　前記蓄電池管理装置は、前記充電禁止期間において、許容充電電力を所定の値に設定し、設定された許容充電電力を前記上位制御装置へ送信する、
　蓄電池システム。
　請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の蓄電池システムであって、
　前記蓄電池管理装置は、前記放電禁止期間において、許容放電電力を所定の値に設定し、設定された許容放電電力を前記上位制御装置へ送信する、
　蓄電池システム。
　請求項２に記載の蓄電池システムであって、
　前記蓄電池管理装置は、前記充電禁止期間において充電率推定値よりも高い値の充電率情報を前記上位制御装置へ送信する、
　蓄電池システム。
　請求項２に記載の蓄電池システムであって、
　前記蓄電池管理装置は、前記放電禁止期間において充電率推定値よりも低い値の充電率情報を前記上位制御装置へ送信する、
　蓄電池システム。
　蓄電池と、
　前記蓄電池に流れる電流を測定する電流センサと、
　前記蓄電池の電圧を測定する電圧センサと、
　前記蓄電池の電流および電圧を監視し、前記蓄電池の充電率を推定し、容量劣化率を演算する蓄電池管理装置と、
　を有する蓄電池システムにおける蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池管理装置が禁止期間設定部を有し、
　前記禁止期間設定部が、第１の充放電禁止期間を設定するステップと、
　前記第１の充放電禁止期間の終了時を第１の時刻とし、前記蓄電池管理装置が、前記第１の時刻において、開回路電圧推定値から第１の充電率を求め、電流の積算を開始するステップと、
　前記禁止期間設定部が、前記第１の時刻の後に、充電禁止期間と放電禁止期間のいずれか１つを設定するステップと、
　前記禁止期間設定部が、前記充電禁止期間と前記放電禁止期間のいずれか１つの後に第２の充放電禁止期間を設定するステップと、
　前記第２の充放電禁止期間の終了時を第２の時刻とし、前記蓄電池管理装置が、前記第２の時刻において、開回路電圧推定値から第２の充電率を求め、電流の積算を終了するステップと、
　前記蓄電池管理装置が、前記第１の充電率と、前記第２の充電率と、電流の積算値とから、容量劣化率を演算するステップと、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。
　請求項８に記載の蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池システムは、前記蓄電池の充放電電流または充放電電力を制御する上位制御装置に接続可能であり、
　前記蓄電池管理装置が、前記第１の充放電禁止期間、前記第２の充放電禁止期間、前記充電禁止期間または前記放電禁止期間において、許容充電電力または許容放電電力を所定の値に設定し、設定された許容充電電力または許容放電電力を前記上位制御装置へ送信するステップ、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。
　請求項９に記載の蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池管理装置が、前記第１の充放電禁止期間または前記第２の充放電禁止期間において、許容充電電力および許容放電電力を所定の値に設定し、設定された許容充電電力および許容放電電力を前記上位制御装置へ送信するステップ、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。
　請求項９または請求項１０に記載の蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池管理装置が、前記充電禁止期間において、許容充電電力を所定の値に設定し、設定された許容充電電力を前記上位制御装置へ送信するステップ、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。
　請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池管理装置が、前記放電禁止期間において、許容放電電力を所定の値に設定し、設定された許容放電電力を前記上位制御装置へ送信するステップ、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。
　請求項９に記載の蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池管理装置が、前記充電禁止期間において充電率推定値よりも高い値の充電率情報を前記上位制御装置へ送信するステップ、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。
　請求項９に記載の蓄電池の容量劣化診断方法であって、
　前記蓄電池管理装置が、前記放電禁止期間において充電率推定値よりも低い値の充電率情報を前記上位制御装置へ送信するステップ、
　を有する蓄電池の容量劣化診断方法。