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JP7016704B2 - 二次電池システム - Google Patents
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Description

本発明は、二次電池システムに関する。
電池等の蓄電手段を用いた電源装置、分散型電力貯蔵装置、電気自動車等においては、蓄電手段を安全に且つ有効に使用するために、蓄電手段の状態を検知する状態検知装置が用いられている。蓄電手段の状態としては、どの程度まで充電されているか、あるいはどの程度放電可能な電荷量が残っているのかを示す充電状態(State of Charge:SOC)や、蓄電装置の温度などがある。
SOCを推定する方法の一つとしては、電池に出入りした電流値を測定して積分する方法がある。しかしながら、この方法では、電流の測定値に含まれる測定誤差も積分してしまうため、時間の経過と共にSOC誤差が拡大するという課題がある。
上記課題を解決する手段として、特許文献1においては、次のような発明が開示されている。
二次電池の充放電電流を積算して第1の積算値を求め、二次電池の容量値で除算した結果をSOC初期値に加算することにより、第1のSOC値を継続的に算出する。充電と放電とが切り替わるタイミングで得た二次電池の端子電圧を開放電圧に近づける補正をしてからその時点でのSOCを第2のSOC値として求め、第2のSOC値を求めるたびに、SOC初期値をその第2のSOC値で更新して第1の積算値の積算演算を再開始させる。これにより、電流測定値を積算していくに従って拡大するSOC誤差を、充放電が切り替わるタイミングで更新できるため、最新のSOC値を精度よく推定できる。
特許第5051661号公報
特許文献1に記載の発明においては、充放電が切り替わるタイミングで得た端子電圧を補正するための補正値を算出している。そのため、充電あるいは放電が続く際のSOC算出が困難である。さらに、端子電圧にも誤差が生じるため、SOC誤差を大幅に解消することは期待できない。
本発明の目的は、二次電池システムを構成する複数個の二次電池のうち、温度の測定又は推定をするための手段を設けていない二次電池の充電状態を高い精度で推定することにある。
本発明の二次電池システムは、直列に接続された複数個の二次電池と、電流検知部と、電圧検出部と、二次電池の充電状態の初期値及び電池容量の初期値のデータを含むデータベースを有する記憶部と、複数個の二次電池のうち少なくとも一個の二次電池である第一の二次電池の温度の測定又は推定をする温度検知部と、制御部と、を備え、制御部は、温度検知部により取得された第一の二次電池の温度、並びに電流検知部により取得された電流及び電圧検出部により取得された第一の二次電池の電圧から算出された内部抵抗から、第一の二次電池の充電状態を算出し、複数個の二次電池のうち温度の測定又は推定をしていない二次電池である第二の二次電池の充電状態の初期値及び電池容量の初期値のデータ並びに第一の二次電池の充電状態を用いて、第二の二次電池の充電状態を算出する。
本発明によれば、二次電池システムを構成する複数個の二次電池のうち、温度の測定又は推定をするための手段を設けていない二次電池の充電状態を高い精度で推定することができる。
本発明に係る二次電池システム及びその周辺の構成を示す概略図である。 図1の単電池制御部とその周辺の回路構成を示す概略図である。 本発明において用いるSOCテーブルの例を示すグラフである。 本発明において用いるそれぞれの単電池のSOC及び温度を算出する方法を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態に係る二次電池システムについて説明する。
<実施形態>
二次電池システムは、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV)等に好適に適用される。
図1は、本発明の二次電池システム及びこれに接続された機器を示す概略構成図である。
本図において、二次電池システム100は、モータジェネレータ410をPWM制御するインバータ400に、リレー300、310を介して接続されている。また、二次電池システム100は、リレー320、330を介して充電器420に接続されている。
二次電池システム100は、組電池110、単電池管理部120、電流検知部130、電圧検知部140、組電池制御部150、記憶部180、及びフォトカプラに代表される絶縁素子170を備えている。
車両制御部200は、組電池制御部150、充電器420及びインバータ400と通信できるようになっている。
組電池110は、複数の単電池群から構成されている。ここでは、2つの単電池群112a、112bを示しているが、3つ以上であってもよい。単電池群112a、112bはそれぞれ、複数の単電池111から構成されている。
電流検知部130は、組電池110に流れる電流を検知する。電圧検知部140は、組電池110の電圧を検知する。
記憶部180には、組電池110、単電池111、単電池群112a、112bの満充電時の容量(電池容量)、SOCと開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)との対応関係、SOCを推定する際に必要な各種設定値などの情報が格納される。さらに、単電池管理部120、単電池制御部121a、121b、組電池制御部150などの特性情報についても、記憶部180にあらかじめ記憶することができる。二次電池システム100や組電池制御部150等の動作が停止しても、記憶部180に記憶した各種情報は保持される。なお、記憶部180は、SOCと開回路電圧との対応関係を示すものとして、SOCテーブルを格納している。記憶部180は、単電池111(二次電池)のSOCの初期値及び電池容量の初期値のデータを含むデータベースを有する。データベースは、複数の温度条件を含む環境条件における単電池111のSOC、内部抵抗及び電池容量のデータ、言い換えると、単電池111のSOC、内部抵抗及び温度の関係を示すマップのデータ、並びにこれに対応する電池容量のデータを含むことが望ましい。更に詳しくは、図3の説明箇所で述べる。
単電池管理部120は、単電池群112aに対応する単電池制御部121aと、単電池群112bに対応する単電池制御部121bと、を含む。単電池制御部121a、121bはそれぞれ、単電池群112a、112bを構成する単電池111の電池電圧や温度などの測定や、異常が生じていないかの監視等を行う。
単電池管理部120は、単電池制御部121a、121bを管理することで、間接的に単電池111を管理する。
組電池制御部150は、単電池管理部120が絶縁素子170を介して送信する単電池111の電池電圧や温度、電流検知部130が送信する組電池110に流れる電流値、電圧検知部140が送信する組電池110の電圧値、車両制御部200が適宜送信する指令等を信号として受信する。
組電池制御部150は、単電池管理部120、電流検知部130、電圧検知部140、車両制御部200から受信した上述の信号、および、記憶部180に格納されているSOCテーブルなどを用いて、組電池110のSOC、SOH、充電・放電可能な電流や電力、異常状態、充放電量などを検知するための演算などを実行する。組電池制御部150は、上述の演算結果に基づいて、単電池制御部121a、121bが単電池111や単電池群112a、112bを管理するための指令を単電池管理部120に送信する。また、組電池制御部150は、上述の演算結果や演算結果に基づく指令などを車両制御部200に送信する他、必要に応じて記憶部180に上述の演算結果を記憶させる。
車両制御部200は、組電池制御部150から受信した情報を用いて、インバータ400および充電器420を制御する。車両走行中には、二次電池システム100は、インバータ400と接続され、組電池110が蓄えているエネルギーを用いて、モータジェネレータ410を駆動する。充電の際には、二次電池システム100は、充電器420と接続され、家庭用の電源または充電スタンドからの電力供給によって充電される。この際、充電器420からの電力は、組電池110に蓄えられる。
本実施形態では、充電器420は、車両制御部200からの指令に基づき、充電電圧や充電電流などを制御する構成としているが、組電池制御部150からの指令に基づき、制御を実施してもよい。また、充電器420は、車両の構成、充電器420の性能、使用目的、外部の電源の設置条件などに応じて、車両内部に設置してもよいし、車両の外部に設置することもできる。
二次電池システム100を有する車両システムが始動して走行する場合には、車両制御部200の管理のもと、二次電池システム100は、インバータ400に接続され、組電池110が蓄えているエネルギーを用いてモータジェネレータ410を駆動する。回生時には、モータジェネレータ410の発電電力により、組電池110が充電される。
二次電池システム100を備えた車両が家庭用の電源または充電スタンドに代表される外部の電源と接続された際には、車両制御部200が発信する情報に基づき、二次電池システム100と充電器420とが接続され、組電池110が所定の条件になるまで充電される。充電によって組電池110に蓄えられたエネルギーは、次回の車両走行時に利用されるか、車両内外の電装品等を動作させるためにも利用される。さらに、必要に応じて、家庭用の電源に代表される外部電源へも放出する場合がある。
図2は、1つの単電池制御部を示す概略構成図である。
本図において、単電池制御部121iは、電圧検出回路122(電圧検出部)、制御回路123、信号入出力回路124及び温度検知部125を備えている。
電圧検出回路122は、各単電池111の端子間電圧を測定する。
温度検知部125は、単電池群112iの一部又は全ての電池の温度について測定あるいは推定をし、単電池群112iを構成する単電池111の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部125が測定した温度は、単電池111、単電池群112i、または組電池110の状態を検知するための各種演算に用いられる。ここで、温度検知部125による温度の測定又は推定の対象となっている単電池111を「第一の二次電池」と呼ぶ。一方、温度検知部125による温度の測定又は推定の対象となっていない単電池111を「第二の二次電池」と呼ぶ。
制御回路123は、電圧検出回路122および温度検知部125から測定結果を受け取り、信号入出力回路124を介して組電池制御部150(図1)に送信する。また、信号入出力回路124からの情報に基づいて、電圧検出回路122および温度検知部125に情報を発信することも可能である。なお、単電池制御部121iやその周辺に一般的に実装されるバランシング回路、すなわち、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池111間の電圧やSOCばらつきを均等化する回路については、記載を省略した。
なお、上述の説明においては、実施形態に係る二次電池システムは、単電池制御部121i、これに含まれる制御回路123、組電池制御部150等の制御部を有するが、本発明における演算や制御を行う制御部は、これらのいずれであってもよい。よって、本明細書において「制御部」と総称する場合は、上記の制御部のいずれかを指すものとする。
図3は、図1の記憶部180に格納されているSOCテーブル(データベース)の一例をグラフ化したものである。横軸に図1に示す単電池111のSOC、縦軸に単電池111のOCVをとっている。
データ形式は任意であるが、ここでは、説明の便宜上、グラフ形式で示している。なお、本実施形態では、データテーブルを用いているが、数式などを用いることでOCVとSOCとの対応関係を表現することもできる。OCVからSOC、またはSOCからOCVへと変換できる方法であれば他の方法を用いてもよい。
ここで、本発明におけるSOCの算出法を述べる前提として、一般的なSOCの算出方法について述べる。
単電池111のOCVを取得して、図3に示すSOCテーブルからOCVを取得した時刻tにおけるSOCを取得する。SOCテーブルから取得されたSOCを「SOC」を呼ぶ。時刻tにおけるSOCは、下記式(1)のように表される。
Figure 0007016704000001
式中、Mapは、図3の曲線に対応する関数を表す。
上記式(1)だけでは、時刻tにおけるSOCしか得られない。そこで、下記式(2)に示すように、充放電電流の積算値を用いて、時刻tから時刻tまでの時間におけるSOCの変化分ΔSOC(t)を算出する。そして、ΔSOC(t)をSOC(t)に加算することにより、下記式(3)に示すように、時刻t以降の時々刻々とした時刻tにおけるSOC(以下「SOC」と呼ぶ。)を得る。
Figure 0007016704000002
Figure 0007016704000003
ここで、Qは、単電池111(図1)の満充電容量である。また、以下では、上記式(2)に記載されている積分値(式中の分子の積分の値であり、時刻tから時刻tまでの時間における電荷の変化分)を「ΔS」又は「電流積算値」と呼ぶ。
以上が、一般的なSOCの算出方法であり、電流積算法と呼ばれるものである。
上述の一般的なSOCの算出方法によって得られるSOCには、以下に述べる第一のSOC誤差および第二のSOC誤差が含まれる。
<第一のSOC誤差について>
電流検知部130は、測定誤差を含む形で充放電電流I(t)を検知する。これは、上記式(2)に示す充放電電流の時間積算値ΔSOC(t)が誤差を含むことを意味する。充放電電流I(t)としては小さい誤差であっても、充放電電流の時間積算値ΔSOC(t)としては、積算時間が長いほど誤差が累積され、大きな誤差となりうる。本明細書では、ΔSOC(t)に含まれる誤差を「第一のSOC誤差」と呼ぶ。後述するように、本発明では、第一のSOC誤差を除去する。
<第二のSOC誤差について>
OCVは、充放電電流が生じておらず、かつ、時間変動がない端子間電圧と定義される。図1に示すリレー300、310、320、330が開いている時で、かつ、単電池111の電圧が時間変動しない時において測定した単電池111の端子間電圧がOCVである。また、リレー300、310、320、330が閉じているが組電池110の充放電が開始されていないか、開始された後でも充放電を停止後に長時間放置して、単電池111の電圧が時間変動しない時において測定した単電池111の端子間電圧がOCVと見なせる。
しかし、組電池110を利用している時は、リレー300、310、320、330が閉じている。また、上述した充放電が全く行われないことは頻繁には起こらない。すなわち、組電池110の利用中に、結果としてOCVを取得できる機会はほとんどない。
本発明では、ΔSOC(t)に含まれる第一のSOC誤差を除去することを目的としている。このためには、組電池110の利用中(リレー300、310、320、330を閉としている状態である。)に、電池電圧からSOCを検知し直す必要がある。しかしながら、上述したように、リレー300、310、320、330が閉じた状態でOCVを取得できる機会はほとんどない。
そこで、組電池(二次電池モジュール)を構成する少なくとも一つの二次電池の温度を当該二次電池に設置した温度センサにより又は推定により取得し、全ての二次電池(単電池)のSOCをより正確に取得することを考える。
以下、電流、単電池の電圧及び単電池の温度を入力し、全ての単電池のSOC、温度、直流抵抗等を取得する例について説明する。
図4は、直列に接続された複数の二次電池(単電池)で構成された組電池におけるそれぞれの単電池のSOC及び温度を算出する方法を示すフローチャートである。
先ず、二次電池のSOC、直流抵抗R及び温度Tの関係を示すマップ(データベース)を用意する(S100)。このマップは、電池の劣化に対応するものが好ましい。ここでは、二次電池は、単電池とする。なお、一般には、二次電池が直列又は並列に接続された単電池群に相当するものであっても、本図に示す考え方を同様に適用することができる。
また、マップは、製品試験の際に、例えば、抽出した単電池について試験を行い、詳細なデータを収集し、データベースとしてまとめたものであってもよい。この場合は、抽出した単電池と、実際に組電池に用いた複数の単電池のそれぞれとは、厳密には異なる。このため、データベースに含まれる値を用いて算出されたSOC、抵抗、温度等の値は、実際の単電池の値とは異なり、厳密には誤差を含むものである。この誤差は、上記の第一のSOC誤差とは異なるものである。このようなマップと実際の単電池の値との誤差は、「第二のSOC誤差」と呼ぶことにする。
二次電池に流れた電流I及びその際の電圧Vから、それぞれの二次電池の直流抵抗Rを求める(S110)。ここで、下付き文字のiは、直列のi番目の二次電池を表している。また、電流I及び電圧Vは、図1及び2に示すようにして実測した値を用いることが望ましい。電圧Vは、通電中の値であってもよく、マップを用いて内部抵抗を取得し、これを直流抵抗Rとしてもよい。
次に、直流抵抗Rと、実測又は推定により得られた一部又は全部の二次電池の温度Tsensor,iと、をマップに入力し、SOCsensor,iを出力する(S120)。このSOCsensor,iは、誤差が蓄積される充放電電流の積算から求めたSOCではなく、実際の二次電池を用いて事前に測定した結果に基づいて作成したマップから出力されたSOCであり、誤差の蓄積が生じない値である。なお、二次電池の温度Tsensor,iは、温度センサを用いて測定することが望ましい。また、「マップに入力すること」又は「マップから出力すること」は、「マップ(データベース)を用いて計算を行うこと」と同じ意味である。
一方、S120で対象としたものと同じ二次電池のSOCについて、別途、上記式(2)及び(3)の電流積算法により算出する(S130)。以下では、電流積算法により算出したSOCを「SOCint」と呼ぶ。また、直列のi番目の二次電池のSOCは、「SOCint,i」と呼ぶ。
そして、SOCsensor,iとSOCint,iとを比較する(S140)。これらの値が等しくない場合(これらの値の差が所定の値を超える場合)は、この差が所定の値以下になるように、上記式(2)の電流積算値ΔSを補正する(S150)。言い換えると、電流検知部(電流センサ)の誤差によるΔSの誤差を低減する。補正方法は、電流積算法によるSOC算出(S130)の結果であるSOCint,iをSOCsensor,iに置き換えて、電流積算値を逆算すればよい。
二次電池モジュールを構成するそれぞれの二次電池は直列でつながっているため、それぞれの二次電池におけるΔSの値は共通であり、全電池に補正したΔSを適用することが可能である。よって、高い精度でそれぞれの二次電池のSOCint,i(i=1,2,3,…)を求めることができる(S160)。言い換えると、すべての二次電池のSOCint,iは、補正されたΔSの値を用いて、電流積算法により求めることができる。
その次に、それぞれの二次電池のSOCint,i及び直流抵抗Rをマップに入力し、それぞれの二次電池の温度Tを出力する(S170)。言い換えると、SOCint,i及びRに対応するマップの値(温度T)を取得することにより、温度センサを設けていない二次電池の温度を高精度で推定することができる。この場合に、実測した電圧Vを演算に用いてもよい。
これにより、全電池に温度センサを設置しなくても全電池の温度を把握することができ、温度センサ削減によるコスト低減が可能となる。また、それらの温度に応じて電流を制限することができるため、高安全かつ長寿命の二次電池システムを実現することが可能となる。さらに、それぞれの電池温度を把握することにより、効率よく電池を冷却し、長寿命かつ低コストの二次電池システムを実現することが可能となる。
なお、本発明においては、図4に示すS130、S140、S150及びS160の工程を省略し、S120の工程で得られたSOCsensor,iのデータをSOCint,iの代わりに用いて、S170の工程でマップを用いて温度Tを取得してもよい。ただし、この場合は、S150等の補正の工程を経ていないため、S140の工程で比較するSOCsensor,iとSOCint,iとの差についての許容値を大きくすることが考えられる。当該補正をしていない分、温度Tの誤差は大きくなる傾向はあるが、本発明の方法を適用することができる。
以上、本発明について、実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
また、上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ICカード、DVDなどの記憶媒体に格納することができる。
以上に示す実施形態では、一個のリチウムイオン二次電池(二次電池)を単電池とし、これを直列に接続して組電池を構成したが、単電池を並列接続したものを一個の二次電池とみなして、これを直列接続して組電池を構成してもよいし、直列接続した単電池を並列接続して組電池を構成してもよい。並列接続を含むと、単電池に流れる充放電電流に個体差が生じる可能性が出てくるが、その際は、電流検知部の設置の数を変更して単電池毎に流れる充放電電流値を検知するか、単電池に流れる平均的な電流を求めるかして、これに基づいてSOC計算を実行すればよい。
したがって、本明細書においては、組電池を構成する二次電池とみなされるものは、単電池であっても、単電池群であってもよく、「二次電池」と総称した場合には、一個の二次電池とみなされる単電池群を含むものとする。
また、以上に示す実施形態では、組電池のSOCを検知することについて本発明を考えたが、単電池や単電池群で本発明を考えることもできる。
なお、電流積算法により算出されたSOCint,i(図4)に基づいて、複数個の二次電池のすべての充電状態が所定の値に達するように、言い換えると、複数個の二次電池の充電状態をそろえるように、複数個の二次電池のそれぞれに対して充電をすることが望ましい。これにより、二次電池システム全体として充放電可能な容量を増加させることができる。
また、本発明によれば、電流積算法により算出された第一の二次電池の充電状態の変化に基づいて、二次電池の寿命を判定することができる。
さらに、二次電池の寿命の判定結果に基づいて、二次電池(単電池)を個別に交換することが可能となる。
100:二次電池システム、110:組電池、111:単電池、112a、112b、112i:単電池群、120:単電池管理部、121a、121b、121i:単電池制御部、122:電圧検出回路、123:制御回路、124:信号入出力回路、125:温度検知部、130:電流検知部、140:電圧検知部、150:組電池制御部、170:絶縁素子、180:記憶部、200:車両制御部、300、310、320、330:リレー、400:インバータ、410:モータジェネレータ、420:充電器。

Claims (7)

  1. 直列に接続された複数個の二次電池と、
    電流検知部と、
    電圧検出部と、
    前記二次電池の充電状態の初期値及び電池容量の初期値のデータを含むデータベースを有する記憶部と、
    前記複数個の二次電池のうち少なくとも一個の二次電池である第一の二次電池の温度の測定又は推定をする温度検知部と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記温度検知部により取得された前記第一の二次電池の前記温度、並びに前記電流検知部により取得された電流及び前記電圧検出部により取得された前記第一の二次電池の電圧から算出された内部抵抗から、前記第一の二次電池の充電状態を算出し、前記複数個の二次電池のうち前記温度の測定又は推定をしていない二次電池である第二の二次電池の前記充電状態の前記初期値及び前記電池容量の前記初期値の前記データ並びに前記第一の二次電池の前記充電状態を用いて、前記第二の二次電池の充電状態を算出する、二次電池システム。
  2. 前記制御部は、前記第一の二次電池の前記充電状態を電流積算法により算出し、前記電流積算法により算出された前記第一の二次電池の前記充電状態と、前記温度及び前記内部抵抗から算出された前記第一の二次電池の前記充電状態との差が所定の値以下になるように電流積算値を補正し、前記電流積算値を用いて前記第二の二次電池の前記充電状態を算出する、請求項1記載の二次電池システム。
  3. 前記電流積算法により算出された前記第一の二次電池の前記充電状態に基づいて、前記複数個の二次電池のすべてについて前記充電状態が所定の値に達するように、前記第一の二次電池及び前記第二の二次電池のそれぞれに対して充電をする、請求項2記載の二次電池システム。
  4. 前記電流積算法により算出された前記第一の二次電池の前記充電状態の変化に基づいて、前記二次電池の寿命を判定する、請求項2記載の二次電池システム。
  5. 前記寿命の判定結果に基づいて、前記二次電池を個別に交換する、請求項4記載の二次電池システム。
  6. 前記データベースは、前記二次電池の充電状態、内部抵抗及び温度のデータを含み、
    前記制御部は、該データを用いて前記第一の二次電池の前記充電状態を算出する、請求項2記載の二次電池システム。
  7. 前記制御部は、前記第二の二次電池の前記充電状態から前記第二の二次電池の温度を算出する、請求項6記載の二次電池システム。
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