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JP7620939B2 - 電池管理装置、演算システム、電池の劣化予測方法、及び電池の劣化予測プログラム - Google Patents
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電池管理装置、演算システム、電池の劣化予測方法、及び電池の劣化予測プログラム Download PDF

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Description

本開示は、電池の劣化予測を行うための電池管理装置、演算システム、電池の劣化予測方法、及び電池の劣化予測プログラムに関する。
近年、ハイブリッド車(HV)、プラグインハイブリッド車(PHV)、電気自動車(EV)が普及してきている。これらの電動車両にはキーデバイスとして、リチウムイオン電池などの二次電池が搭載される。
リチウムイオン電池などの二次電池を低温下で繰り返し充放電すると、容量の急激な劣化(以下、急劣化または三次劣化という)が発生しやすくなる。また二次電池をハイレートで繰り返し充放電する場合も、容量の急劣化が発生しやすくなる。容量の急劣化は、電解液の減少、極板反応面積の低下などに起因して発生する。容量の急劣化後は、入出力性能が著しく低下する。また急劣化に伴い、イオンとして溶けているリチウムが金属として析出する現象が発生しやすくなる。金属リチウムが析出すると、金属リチウムがセパレータを貫通し、正極と負極を短絡させる可能性がある。このように容量の急劣化後は、二次電池の安定性、安全性が低下するため、基本的に二次電池の使用を終了させる。
二次電池の急劣化を検出する方法として、二次電池の満充電容量(FCC:Full Charge Capacity)又は容量維持率(SOH:State Of Health)と使用経過時間を入力とし、経過時間に対する満充電容量又は容量維持率の変化量を線形回帰した直線の傾きの変化量が、閾値を超えた場合に急劣化が発生したと判定する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
国際公開第17/098686号
走行中の電動車両の測定データをもとに算出されるFCC、SOC(State Of Charge)、SOHの値は、センサの測定誤差やノイズの影響を受ける。誤差やノイズの影響が大きい場合、上述したFCC又はSOCの変化量を線形回帰させる方法では、誤判定する可能性が高くなる。
本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電池の急劣化を高精度に検出する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電池管理装置は、電池の電圧と電流を少なくとも測定する測定部と、前記電池の測定データをもとに、前記電池のSOHを推定するSOH推定部と、前記電池の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池の劣化回帰曲線を生成する劣化回帰曲線生成部と、第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池に急劣化が発生しているか否かを判定する急劣化判定部と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本開示の表現を方法、装置、システム、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
本開示によれば、電池の急劣化を高精度に検出することができる。
実施の形態に係る、事業者により利用される演算システムを説明するための図である。 実施の形態に係る、電動車両に搭載された電池システムの詳細な構成を説明するための図である。 実施例1に係る電池制御部の構成例を示す図である。 FCCの推定方法を説明するための図である。 二次電池の劣化曲線をグラフで示した図である。 二次電池に急劣化が発生した場合の劣化曲線の一例をグラフで示した図である。 データ区間が異なる複数の劣化曲線の具体例をグラフで示した図である。 データ区間の第1の区切り方法の具体例を示す図である。 データ区間の第2の区切り方法の具体例を示す図である。 電池管理部による電池モジュールの急劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。 実施例2に係る演算システムの構成例を示す図である。
図1は、実施の形態に係る、事業者により利用される演算システム1を説明するための図である。事業者は、複数の電動車両3を保有し、複数の電動車両3を活用して事業を営んでいる。例えば、事業者は複数の電動車両3を活用して、配送事業(宅配事業)、タクシー事業、レンタカー事業、又はカーシェアリング事業を営んでいる。本実施の形態では、電動車両3として、エンジンを搭載しない純粋なEVを想定する。
演算システム1は、事業者の業務を管理するためのシステムである。演算システム1は、1台または複数台の情報処理装置(例えば、サーバ、PC)で構成される。演算システム1を構成する情報処理装置の一部または全部はデータセンタに存在していてもよい。例えば、データセンタ内のサーバ(自社サーバ、クラウドサーバ、又はレンタルサーバ)と、事業者内のクライアントPCの組み合わせで構成されてもよい。
複数の電動車両3は、待機中は、事業者の営業所の駐車場や車庫内に駐車されている。複数の電動車両3は無線通信機能を有し、演算システム1と無線通信が可能である。複数の電動車両3は、搭載している二次電池の運用データを含む走行データを演算システム1に送信する。電動車両3は走行中に、演算システム1を構成するサーバに走行データを、ネットワークを介して無線送信してもよい。例えば、10秒に1回の頻度で走行データを都度送信してもよい。また、1日1回の所定のタイミングに(例えば、営業時間の終了時に)、1日分の走行データをバッチ送信してもよい。
また、演算システム1が営業所に設置された自社のサーバ又はPCで構成される場合、電動車両3は、営業終了後に営業所に帰還した後、1日分の走行データを当該自社のサーバ又はPCに送信してもよい。その場合、当該自社のサーバ又はPCに無線で送信してもよいし、当該自社のサーバ又はPCと有線接続して有線経由で送信してもよい。また、走行データが記録された記録メディアを経由して、当該自社のサーバ又はPCにデータを送信してもよい。また、演算システム1がクラウドサーバと営業者内のクライアントPCの組み合わせで構成される場合、電動車両3は、営業者内のクライアントPCを経由して、走行データをクラウドサーバに送信してもよい。
図2は、実施の形態に係る、電動車両3に搭載された電池システム40の詳細な構成を説明するための図である。電池システム40は、第1リレーRY1及びインバータ35を介してモータ34に接続される。インバータ35は力行時、電池システム40から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ34に供給する。回生時、モータ34から供給される交流電力を直流電力に変換して電池システム40に供給する。モータ34は三相交流モータであり、力行時、インバータ35から供給される交流電力に応じて回転する。回生時、減速による回転エネルギーを交流電力に変換してインバータ35に供給する。
第1リレーRY1は、電池システム40とインバータ35を繋ぐ配線間に挿入されるコンタクタである。車両制御部30は、走行時、第1リレーRY1をオン状態(閉状態)に制御し、電池システム40と電動車両3の動力系を電気的に接続する。車両制御部30は非走行時、原則として第1リレーRY1をオフ状態(開状態)に制御し、電池システム40と電動車両3の動力系を電気的に遮断する。なおリレーの代わりに、半導体スイッチなどの他の種類のスイッチを用いてもよい。
電池システム40は、電動車両3の外に設置された充電器4と充電ケーブル38で接続することにより商用電力系統9から充電することができる。充電器4は商用電力系統9に接続され、充電ケーブル38を介して電動車両3内の電池システム40を充電する。電動車両3において、電池システム40と充電器4を繋ぐ配線間に第2リレーRY2が挿入される。なおリレーの代わりに、半導体スイッチなどの他の種類のスイッチを用いてもよい。電池システム40の電池管理部42は充電開始前に、第2リレーRY2をオン状態(閉状態)に制御し、充電終了後にオフ状態(開状態)に制御する。
一般的に、普通充電の場合は交流で、急速充電の場合は直流で充電される。交流で充電される場合、第2リレーRY2と電池システム40との間に挿入されるAC/DCコンバータ(不図示)により、交流電力が直流電力に変換される。
電池システム40は、電池モジュール41と電池管理部42を備え、電池モジュール41は、直列接続された複数のセルE1-Enを含む。なお電池モジュール41は、複数の電池モジュールが直列/直並列接続されて構成されていてもよい。セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル(公称電圧:3.6-3.7V)を使用する例を想定する。セルE1-Enの直列数は、モータ34の駆動電圧に応じて決定される。
複数のセルE1-Enと直列にシャント抵抗Rsが接続される。シャント抵抗Rsは電流検出素子として機能する。なおシャント抵抗Rsの代わりにホール素子を用いてもよい。また電池モジュール41内に、複数のセルE1-Enの温度を検出するための複数の温度センサT1、T2が設置される。温度センサは電池モジュールに1つ設置されてもよいし、複数のセルごとに1つ設置されてもよい。温度センサT1、T2には例えば、サーミスタを使用することができる。
電池管理部42は、電圧測定部43、温度測定部44、電流測定部45及び電池制御部46を備える。直列接続された複数のセルE1-Enの各ノードと、電圧測定部43との間は複数の電圧線で接続される。電圧測定部43は、隣接する2本の電圧線間の電圧をそれぞれ測定することにより、各セルE1-Enの電圧を測定する。電圧測定部43は、測定した各セルE1-Enの電圧を電池制御部46に送信する。
電圧測定部43は電池制御部46に対して高圧であるため、電圧測定部43と電池制御部46間は絶縁された状態で、通信線で接続される。電圧測定部43は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)または汎用のアナログフロントエンドICで構成することができる。電圧測定部43はマルチプレクサ及びA/D変換器を含む。マルチプレクサは、隣接する2本の電圧線間の電圧を上から順番にA/D変換器に出力する。A/D変換器は、マルチプレクサから入力されるアナログ電圧をデジタル値に変換する。
温度測定部44は分圧抵抗およびA/D変換器を含む。A/D変換器は、複数の温度センサT1、T2と複数の分圧抵抗によりそれぞれ分圧された複数のアナログ電圧を順次、デジタル値に変換して電池制御部46に出力する。電池制御部46は当該デジタル値をもとに複数のセルE1-Enの温度を推定する。例えば電池制御部46は、各セルE1-Enの温度を、各セルE1-Enに最も隣接する温度センサで測定された値をもとに推定する。
電流測定部45は差動アンプ及びA/D変換器を含む。差動アンプはシャント抵抗Rsの両端電圧を増幅してA/D変換器に出力する。A/D変換器は、差動アンプから入力される電圧をデジタル値に変換して電池制御部46に出力する。電池制御部46は当該デジタル値をもとに複数のセルE1-Enに流れる電流を推定する。
なお電池制御部46内にA/D変換器が搭載されており、電池制御部46にアナログ入力ポートが設置されている場合、温度測定部44及び電流測定部45はアナログ電圧を電池制御部46に出力し、電池制御部46内のA/D変換器でデジタル値に変換してもよい。
電池制御部46は、電圧測定部43、温度測定部44及び電流測定部45により測定された複数のセルE1-Enの電圧、温度、及び電流をもとに複数のセルE1-Enの状態を管理する。電池制御部46と車両制御部30間は、車載ネットワークにより接続される。車載ネットワークとして例えば、CAN(Controller Area Network)やLIN(Local Interconnect Network)を使用することができる。
図3は、実施例1に係る電池制御部46の構成例を示す図である。電池制御部46は、処理部461及び記憶部462を備える。処理部461は、SOC推定部4611、FCC推定部4612、SOH推定部4613、劣化回帰曲線生成部4614、急劣化判定部4615及びデータ送信部4616を含む。処理部461の機能はハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、又はハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源として、CPU、ROM、RAM、ASIC、FPGA(Field Programmable Gate Array)、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
記憶部462は、SOC-OCV(Open Circuit Voltage)特性保持部4621、電池データ保持部4622及び時系列SOH値保持部4623を含む。記憶部462は、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、NAND型フラッシュメモリ等の不揮発性の記録媒体を含み、各種のプログラム及びデータを記録する。
SOC-OCV特性保持部4621には、複数のセルE1-EnのSOC-OCVカーブの特性データが記述されている。複数のセルE1-EnのSOC-OCVカーブは、電池メーカにより予め作成され、出荷時にSOC-OCV特性保持部4621に登録される。電池メーカは各種の試験を行って、セルE1-EnのSOC-OCVカーブを導出している。
電池データ保持部4622は、複数のセルE1-Enの電圧、電流、温度を含む電池データを時系列に記録する。なお電池データには、SOC推定部4611により推定されるSOCがさらに含まれていてもよい。
時系列SOH値保持部4623は、SOH推定部4613により推定されるSOHの時系列データを保持する。SOHの時系列データは、例えば、1日に1回、数日に1回、又は1週間に1回の頻度で記録される。なお、時系列SOH値保持部4623と電池データ保持部4622は、1つのテーブルに統合されていてもよい。
SOC推定部4611は、複数のセルE1-EnのそれぞれのSOCを推定する。SOC推定部4611は、OCV法、電流積算法、又は両者を組み合わせてSOCを推定する。OCV法は、電圧測定部43により測定される各セルE1-EnのOCVと、SOC推定部4611に保持されるSOC-OCVカーブの特性データをもとにSOCを推定する方法である。電流積算法は、各セルE1-Enの充放電開始時のOCVと、電流測定部45により測定される電流の積算値をもとにSOCを推定する方法である。電流積算法は、充放電時間が長くなるにつれて、電流測定部45の測定誤差が累積していく。従って、OCV法により推定されたSOCを用いて、電流積算法により推定されたSOCを補正することが好ましい。
FCC推定部4612は、SOC推定部4611に保持されるSOC-OCVカーブの特性データと、電圧測定部43により測定されるセルの2点のOCVをもとに当該セルのFCCを推定することができる。
図4は、FCCの推定方法を説明するための図である。FCC推定部4612は、セルの2点のOCVを取得する。FCC推定部4612は、SOC-OCVカーブを参照して、2点の電圧にそれぞれ対応する2点のSOCを特定し、2点のSOCの差分ΔSOCを算出する。図4に示す例では2点のSOCは20%と75%であり、ΔSOCは55%である。
FCC推定部4612は、電流測定部45により測定される電流の推移をもとに、2点のOCVを取得した2点の時刻の間の期間の電流積算量(=充放電容量)Qを算出する。FCC推定部4612は、下記(式1)を算出してFCCを推定することができる。
FCC=Q/ΔSOC ・・・(式1)
SOH推定部4613は、推定されたFCCをもとにSOHを推定する。SOHは、初期のFCCに対する現在のFCCの比率で規定され、数値が低いほど(0%に近いほど)劣化が進行していることを示す。SOH推定部4613は、下記(式2)を算出してSOHを推定することができる。
SOH=現在のFCC/初期のFCC ・・・(式2)
また、SOHは、完全充放電による容量測定により求めてもよいし、保存劣化とサイクル劣化を合算することにより求めてもよい。保存劣化はSOC、温度、及び保存劣化速度をもとに推定することができる。サイクル劣化は、使用するSOC範囲、温度、電流レート、及びサイクル劣化速度をもとに推定することができる。保存劣化速度およびサイクル劣化速度は、予め実験やシミュレーションにより導出することができる。SOC、温度、SOC範囲、及び電流レートは測定により求めることができる。
またSOHは、セルの内部抵抗との相関関係をもとに推定することもできる。内部抵抗は、セルに所定の電流を所定時間流した際に発生する電圧降下を、当該電流値で割ることにより推定することができる。内部抵抗は温度が上がるほど低下する関係にあり、SOHが低下するほど増加する関係にある。
SOH推定部4613は、推定したSOHを時系列SOH値保持部4623に保存する。SOH推定部4613は、例えば、1日に1回、数日に1回、又は1週間に1回の頻度でSOHを推定し、時系列SOH値保持部4623に保存する。
劣化回帰曲線生成部113は、電池モジュール41の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、電池モジュール41の劣化回帰曲線を生成する。曲線回帰には例えば、最小二乗法を使用することができる。
図5は、二次電池の劣化曲線をグラフで示した図である。二次電池の劣化は、下記(式3)に示すように、時間の平方根(0.5乗則)に比例して進行することが知られている。
SOH=w+w√t ・・・(式3)
は初期値、wは劣化係数。
劣化回帰曲線生成部4614は、時間tを独立変数、SOHを従属変数とする、0.5乗の指数曲線回帰により、上記(式3)の劣化係数wを求める。wは共通であり、通常、1.0~1.1の範囲に設定される。実際の初期容量と公称値が一致している場合はw=1.0に設定され、公称値が最低保証量に設定され、実際の初期容量より低く設定されている場合は、1.0より大きい値が設定される。
図6は、二次電池に急劣化が発生した場合の劣化曲線の一例をグラフで示した図である。図6では、P1点で急劣化が発生した例を示している。上述のように低温または高温環境下での充放電、ハイレートでの充放電など、二次電池にとって負担が大きい使用方法が繰り返し行われると、急劣化が発生しやすくなる。急劣化が発生すると、基本的に二次電池が使用できなくなるため二次電池の寿命が短くなる。急劣化の主な要因は電解液の減少にあるが、電解液の量を直接測定するには二次電池を分解する必要がある。電池モジュール41の使用中に各セルE1-Enを分解するのは現実的ではなく、各セルE1-Enを分解せずに急劣化を判定する方法が求められる。これに対して本実施の形態では、電池モジュール41のSOHが、劣化曲線から大きく外れることを検出することにより急劣化の発生を検出する。
急劣化判定部4615は、第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される電池モジュール41の劣化回帰曲線の劣化係数wと、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される電池モジュール41の劣化回帰曲線の劣化係数wとの差または比率をもとに、電池モジュール41に急劣化が発生しているか否かを判定する。急劣化判定部4615は、当該差または当該比率が所定範囲を逸脱しているとき、電池モジュール41に急劣化が発生していると判定する。即ち、急劣化判定部4615は、当該差または当該比率の絶対値が閾値を超えているとき急劣化が発生していると判定し、当該閾値以下のとき急劣化が発生していないと判定する。当該閾値には、実験やシミュレーションにより導出された値を使用することができる。なお、急劣化の判定はセル単位で実行されてもよい。
図7は、データ区間が異なる複数の劣化曲線の具体例をグラフで示した図である。図7に示す劣化回帰曲線(SOH=w+w√t)のwは、1.05に設定されている。これは、電池モジュール41の実際の初期容量が公称値より大きいことを示している。図7に示す例では、過去100点のSOHにもとづく劣化曲線、過去200点のSOHにもとづく劣化曲線、過去300点のSOHにもとづく劣化曲線、及び全点のSOHにもとづく劣化曲線を重畳して描いている。過去200点にもとづく劣化曲線、過去300点にもとづく劣化曲線、及び全点にもとづく劣化曲線はほぼ同じであり、各劣化曲線の劣化係数wもほぼ同じ値になっている。これに対して、過去100点にもとづく劣化曲線の劣化係数wは、他の3本の劣化曲線の劣化係数wより小さな値になっている。
図7に示す例では、点線丸で囲った領域R1に含まれるSOHが、それ以前の領域のSOHより大きく低下していることが分かる。従って、領域R1のどこかの地点で急劣化が発生したと推定できる。上記閾値を例えば、過去100点にもとづく劣化曲線の劣化係数wと過去200点にもとづく劣化曲線の劣化係数wとの領域R1における差分に対応する値に設定すれば、両者の劣化係数wを比較することにより、領域R1を検出することができる。
図8は、データ区間の第1の区切り方法の具体例を示す図である。第1の区切り方法は、複数のデータ区間の終点を共通にして、過去に遡るデータの個数を変えるものである。例えば、第1のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間に設定される。第2のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去b(b>a)個のSOHを含む区間に設定される。第3のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去c(c>b>a)個のSOHを含む区間に設定される。図8に示す例では、a=100、b=200、c=300である。
図9は、データ区間の第2の区切り方法の具体例を示す図である。第2の区切り方法は、複数のデータ区間の個数を共通にして、過去に順次遡る区切り方法である。第1のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間に設定される。第2のデータ区間は、第1のデータ区間に含まれるSOHを除いて、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間に設定される。第3のデータ区間は、第1のデータ区間及び第2のデータ区間に含まれるSOHを除いて、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間に設定される。図9に示す例では、a=100である。
図3に戻る。電池制御部46のデータ送信部4616は、複数のセルE1-Enの電圧、電流、温度、SOC、FCC、SOHを、車載ネットワークを介して車両制御部30に通知する。車両制御部30は、電池データと車両データを含む走行データを生成する。電池データには、複数のセルE1-Enの電圧、電流、温度が含まれる。なお電池システム40によっては、電池データに電圧、電流、温度に加えてSOCを含めることができる機種もある。さらに、電圧、電流、温度、SOCに加えて、FCC及びSOHの少なくとも一方を含めることができる機種もある。車両データには、平均速度、走行距離、走行ルート等を含めることができる。
急劣化判定部4615により電池モジュール41の急劣化が検出された場合、データ送信部4616は急劣化検出信号を、車載ネットワークを介して車両制御部30に通知する。車両制御部30は電池モジュール41の急劣化検出信号を受信すると、運転席に設けられたメーターパネル内の、電池モジュール41の異常を示す警告ランプを点灯させて、運転者に電池モジュール41の異常を通知する。また車両制御部30は、音声合成出力により電池モジュール41の異常を運転者に通知してもよい。
無線通信部36は、アンテナ36aを介してネットワークに無線接続するための信号処理を行う。本実施の形態では、無線通信部36は、車両制御部30から取得した走行データを演算システム1に無線送信する。また、無線通信部36は、車両制御部30から取得した電池モジュール41の急劣化検出信号を演算システム1に無線送信する。電動車両3が無線接続可能な無線通信網として、例えば、携帯電話網(セルラー網)、無線LAN、ETC(Electronic Toll Collection System)、DSRC(Dedicated Short Range Communications)、V2I(Vehicle-to-Infrastructure)、V2V(Vehicle-to-Vehicle)を使用することができる。
図10は、電池管理部42による電池モジュール41の急劣化判定処理の流れを示すフローチャートである。SOH推定部4613は、電池モジュール41の測定データをもとに電池モジュール41のSOHを推定する(S10)。
電池モジュール41の急劣化の有無を判定するタイミングにおいて、劣化回帰曲線生成部4614は、電池モジュール41の第1のデータ区間の複数のSOHを曲線回帰して、電池モジュール41の第1の劣化回帰曲線を生成する(S11)。同時に、劣化回帰曲線生成部4614は、電池モジュール41の第2のデータ区間の複数のSOHを曲線回帰して、電池モジュール41の第2の劣化回帰曲線を生成する(S12)。
急劣化判定部4615は、第1の劣化回帰曲線の劣化係数wと第2の劣化回帰曲線の劣化係数wとの差を算出する(S13)。急劣化判定部4615は、当該差の絶対値が閾値以下のとき(S14のN)、電池モジュール41に急劣化が発生していないと判定する(S15)。急劣化判定部4615は、当該差の絶対値が当該閾値を超えるとき(S14のY)、電池モジュール41に急劣化が発生していると判定する(S16)。
上述した実施例1では、電池モジュール41の急劣化判定処理を電池管理部42が行う例を説明した。この点、電池モジュール41の急劣化判定処理を演算システム1が行ってもよい。
図11は、実施例2に係る演算システム1の構成例を示す図である。演算システム1は、処理部11、記憶部12、表示部13及び操作部14を備える。処理部11は、データ取得部111、SOH特定部112、劣化回帰曲線生成部113、急劣化判定部114、操作受付部115及び表示制御部116を含む。処理部11の機能はハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、又はハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源として、CPU、GPU(Graphics Processing Unit)、ROM、RAM、ASIC、FPGA、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。
記憶部12は、走行データ保持部121、運転者データ保持部122、SOC-OCV特性保持部123及び時系列SOH値保持部124を含む。記憶部12は、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等の不揮発性の記録媒体を含み、各種のプログラム及びデータを記録する。
走行データ保持部121は、事業者が保有している複数の電動車両3から収集した走行データを保持する。運転者データ保持部122は、事業者に所属する複数の運転者のデータを保持する。例えば、運転者ごとに、運転した電動車両3ごとの累計走行距離を管理する。
SOC-OCV特性保持部123は、事業者が保有している複数の電動車両3にそれぞれ搭載された複数の電池モジュール41のSOC-OCV特性を保持する。電池モジュール41のSOC-OCV特性は、各電動車両3から取得したものを使用してもよいし、各電動車両3から収集された走行データをもとに推定したものを使用してもよい。
後者の場合、処理部11のSOC-OCV特性推定部(不図示)は、取得された電池データに含まれる複数の時刻のSOCと電圧の組から、電池モジュール41が休止状態とみなせる期間のSOCと電圧(≒OCV)の組を抽出し、抽出した複数組のSOCとOCVをもとにSOC-OCV特性を近似する。なおSOC-OCV特性推定部は、同種別の電池モジュール41を搭載した複数の電動車両3から取得されたSOCとOCVの組データをもとに、当該種別の電池モジュール41の共通のSOC-OCV特性を生成してもよい。なお、SOC-OCV特性はセル単位で保持されてもよい。
時系列SOH値保持部124は、電池モジュール41ごとのSOHの時系列データを保持する。SOHの時系列データは、例えば、1日に1回、数日に1回、又は1週間に1回の頻度で記録される。
表示部13は液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ等のディスプレイを備え、処理部11により生成された画像を表示する。操作部14はキーボード、マウス、タッチパネル等のユーザインタフェースであり、演算システム1のユーザの操作を受け付ける。
データ取得部111は、複数の電動車両3にそれぞれ搭載された電池モジュール41の電池データを含む走行データを取得し、取得した走行データを走行データ保持部121に保存する。SOH特定部112は、データ取得部111により取得された走行データに含まれる電池データをもとに、各電動車両3に搭載された電池モジュール41のSOHを特定する。SOH特定部112は、特定したSOHを時系列SOH値保持部124に保存する。
取得された電池データにSOHが含まれる場合、SOH特定部112は、取得したSOHをそのまま使用することができる。取得された電池データにSOHが含まれないが、電圧、電流、温度、SOCが含まれる場合、上記(式1)及び(式2)をもとにSOHを算出することができる。即ち、SOH特定部112は、電池データに含まれる電流の推移をもとに、2点のOCVを取得した2点の時刻の間の期間の電流積算量Qを算出し、算出した電流積算量Qを上記(式1)に適用してFCCを推定する。SOH特定部112は、算出したFCCを上記(式2)に適用してSOHを算出する。
取得された電池データにSOCもSOHも含まれない場合、SOH特定部112は、電池モジュール41が休止状態とみなせる期間の電圧(≒OCV)を、SOC-OCV特性に適用してSOCを推定する。または、SOH特定部112は、一定期間の電流値を積算してSOCを推定する。SOH特定部112は、推定したSOCを使用して、電池データにSOCが含まれる場合と同様にSOHを算出する。
劣化回帰曲線生成部113は、各電池モジュール41の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、各電池モジュール41の劣化回帰曲線を生成する。急劣化判定部114は、特定の電池モジュール41の時系列のSOHにおける、第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される当該電池モジュール41の劣化回帰曲線の劣化係数wと、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される当該電池モジュール41の劣化回帰曲線の劣化係数wとの差または比率を算出する。急劣化判定部114は、算出した差または比率をもとに、当該電池モジュール41に急劣化が発生しているか否かを判定する。
操作受付部117は、操作部14に対するユーザの操作を受け付ける。表示制御部118は、各種の情報を表示部13に表示させる。実施例2では、各電池モジュール41の急劣化の判定結果を表示させる。
以上説明したように本実施の形態によれば、データ区間を変えて生成した複数の劣化回帰曲線の劣化係数wの差または比率を参照することにより、電池モジュール41を分解せずに、電池モジュール41の急劣化を高精度に検出することができる。電動車両3に搭載された電池モジュール41のように、SOHの推定誤差を含むデータを使用する場合でも、頑健な検出を行うことができる。本発明者の実験によれば、100点程度のSOHがあれば、最大誤差を5%程度に抑えることができることが分かった。SOHを1日1回の頻度で推定すれば、3ヶ月強で急劣化を高精度に検出できる状態になる。なお、SOHの数が多くなるほど誤差が低減される。
電池モジュール41のFCC又はSOHの変化量を線形回帰した直線の傾きの変化量をもとに急劣化を判定する方法も考えられる。この方法は、誤差やノイズが小さい場合には有効に機能すると考えられるが、誤差やノイズが大きい場合には、急劣化の判定が不安定になる可能性がある。
これに対して本実施の形態では、時系列のSOHのデータ区間を区切って劣化回帰曲線を生成する。通常劣化であれば、劣化回帰曲線の劣化係数w1に実質的な変化は発生しない。劣化回帰曲線の劣化係数w1をパラメータとして使用することにより、急劣化に起因する劣化回帰曲線そのものの変化を検出することができる。劣化回帰曲線そのものの変化を検出することにより、FCC又はSOHの変化量を線形回帰した直線の傾きの変化を検出する場合と比較し、頑健な検出を行うことができる。
電動車両3に搭載された電池モジュール41に急劣化が発生すると、電動車両3の走行可能距離が急減する。急劣化を検出することで電動車両3の適切な時期での交換や、使用方法の変更などを行うことができる。このように電池モジュール41の急劣化を検出することにより、電池モジュール41の使用に対する安全性を向上させることができる。
また、電動車両3内の電池管理部42ではなく、電動車両3から送信された測定データをもとに演算システム1が急劣化の有無を判定する場合、多数の電動車両3を保有する事業者の車両管理を効率化することができる。
以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
上述の実施の形態では、データ区間をSOHの個数で区切る例を説明した。この点、データ区間を日数(例えば、100日など)で区切ってもよい。この場合、電池モジュール41の急劣化の有無の確認を、定期的な車両点検の項目の一つとして設定しやすくなる。
上述の実施の形態では、劣化回帰曲線生成部4614は、第1のデータ区間のデータにもとづく劣化係数wと第2のデータ区間のデータにもとづく劣化係数wとを比較した。この点、劣化回帰曲線生成部4614は、第1のデータ区間のデータにもとづく劣化係数wと、複数のデータ区間のデータにもとづく複数の劣化係数wを統計的に処理した値(例えば、平均値、分散値、標準偏差値)とを比較してもよい。
分散値で比較する場合、劣化回帰曲線生成部4614は、第1のデータ区間のデータにもとづく劣化係数wの偏差の二乗値と、複数のデータ区間のデータにもとづく複数の劣化係数wの分散値とを比較する。標準偏差値で比較する場合、劣化回帰曲線生成部4614は、第1のデータ区間のデータにもとづく劣化係数wの偏差の絶対値と、複数のデータ区間のデータにもとづく複数の劣化係数wの標準偏差値とを比較する。これらの場合、より高精度に急劣化を検出することができる。
上述の実施の形態に係る急劣化の判定方法と、別の急劣化の判定方法と組み合わせて使用してもよい。例えば、電池モジュール41の外部から、電解液が反応する周波数帯(例えば、100Hz~10kHz)の交流信号を印加して、電池モジュール41の交流インピーダンス値を測定し、測定した交流インピーダンス値が閾値以上であるか否かに応じて、電池モジュール41の急劣化を検出または予測する方法がある。この方法では、電池モジュール41に交流信号を印加し、交流インピーダンス値を測定する回路が必要になる。一方、本実施の形態に係る急劣化の判定方法では、当該回路は不要である。
本実施の形態に係る急劣化の判定方法により急劣化が発生していると判定された場合、電池モジュール41の交流インピーダンス値を測定可能な回路装置を有している施設(例えば、カーディーラ)に電動車両3を移動させ、交流インピーダンス値による急劣化の判定を行ってもよい。
電池モジュール41に急劣化が発生してから早期に、ユーザに警告を通知するには、急劣化の判定処理を高頻度に行う必要がある。本実施の形態に係る急劣化の判定方法を高頻度に行うと(例えば、データが1個増えるごとに行うと)、実際には急劣化が発生していないにも関わらず急劣化が発生していると誤判定する確率が高くなる。
これに対して、実施の形態に係る急劣化の判定処理を1次判定、交流インピーダンス値による急劣化の判定処理を2次判定と位置づければ、本実施の形態に係る急劣化の判定方法を高頻度で行っても、誤判定する確率が低くなる。即ち、電池モジュール41の急劣化を早期に高精度で検出することができる。
上述の実施の形態では、電動車両3に搭載された電池モジュール41の急劣化を判定する例を想定した。この点、電動車両3は二輪の電動バイク(電動スクータ)または電気自転車であってもよい。また、電動車両3には、ゴルフカートや、ショッピングモールやエンタテイメント施設などで使用されるランドカーなどの低速の電動車両3も含まれる。
また、電池モジュール41が搭載される対象は電動車両3に限るものではない。例えば、電動船舶、鉄道車両、マルチコプタ(ドローン)などの電動移動体も含まれる。また、電池モジュール41が搭載される対象には、定置型蓄電システム、民生用の電子機器(スマートフォン、ノートPCなど)も含まれる。
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
[項目1]
電池(E1、41)の電圧と電流を少なくとも測定する測定部(43-45)と、
前記電池(E1、41)の測定データをもとに、前記電池(E1、41)のSOH(State Of Health)を推定するSOH推定部(4613)と、
前記電池(E1、41)の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線を生成する劣化回帰曲線生成部(4614)と、
第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池(E1、41)に急劣化が発生しているか否かを判定する急劣化判定部(4615)と、
を備えることを特徴とする電池管理装置(42)。
電池(E1、41)は、セルE1であってもよいし、モジュール41であってもよい。
これによれば、電池(E1、41)の急劣化を高精度に検出することができる。
[項目2]
前記急劣化判定部(4615)は、前記差または前記比率が所定範囲を逸脱しているとき、前記電池(E1、41)に急劣化が発生していると判定する、
項目1に記載の電池管理装置(42)。
これによれば、通常劣化から外れたことを検出することにより、急劣化を高精度に検出することができる。
[項目3]
前記第1のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間であり、
前記第2のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去b(b>a)個のSOHを含む区間である、
ことを特徴とする項目1または2に記載の電池管理装置(42)。
これによれば、データ区間を重複させることにより、安定した検出を行うことができる。
[項目4]
前記第1のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間であり、
前記第2のデータ区間は、前記第1のデータ区間を除いた、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間である、
ことを特徴とする項目1または2に記載の電池管理装置(42)。
これによれば、データ区間を重複させないことにより、早期検出を実現することができる。
[項目5]
前記第2のデータ区間は複数のデータ区間を含み、
前記第2のデータ区間の劣化係数は、前記複数のデータ区間の各劣化係数を統計的に処理した値である、
ことを特徴とする項目1または2に記載の電池管理装置(42)。
これによれば、検出精度をさらに向上させることができる。
[項目6]
電池(E1、41)の測定データを取得するデータ取得部(111)と、
前記電池(E1、41)の測定データをもとに、前記電池(E1、41)のSOHを特定するSOH特定部(112)と、
前記電池(E1、41)の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線を生成する劣化回帰曲線生成部(113)と、
第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池(E1、41)に急劣化が発生しているか否かを判定する急劣化判定部(114)と、
を備えることを特徴とする演算システム(1)。
これによれば、電池(E1、41)の急劣化を高精度に検出することができる。
[項目7]
電池(E1、41)の測定データをもとに、前記電池(E1、41)のSOHを特定するステップと、
前記電池(E1、41)の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線を生成するステップと、
第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池(E1、41)に急劣化が発生しているか否かを判定するステップと、
を有することを特徴とする電池(E1、41)の劣化予測方法。
これによれば、電池(E1、41)の急劣化を高精度に検出することができる。
[項目8]
電池(E1、41)の測定データをもとに、前記電池(E1、41)のSOHを特定する処理と、
前記電池(E1、41)の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線を生成する処理と、
第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池(E1、41)の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池(E1、41)に急劣化が発生しているか否かを判定する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする電池(E1、41)の劣化予測プログラム。
これによれば、電池(E1、41)の急劣化を高精度に検出することができる。
1 演算システム、 E1-En セル、 T1,T2 温度センサ、 RY1,RY2 リレー、 3 電動車両、 4 充電器、 11 処理部、 111 データ取得部、 112 SOH特定部、 113 劣化回帰曲線生成部、 114 急劣化判定部、 115 操作受付部、 116 表示制御部、 12 記憶部、 121 走行データ保持部、 122 運転者データ保持部、 123 SOC-OCV特性保持部、 124 時系列SOH値保持部、 13 表示部、 14 操作部、 30 車両制御部、 34 モータ、 35 インバータ、 36 無線通信部、 36a アンテナ、 38 充電ケーブル、 40 電池システム、 41 電池モジュール、 42 電池管理部、 43 電圧測定部、 44 温度測定部、 45 電流測定部、 46 電池制御部、 461 処理部、 4611 SOC推定部、 4612 FCC推定部、 4613 SOH推定部、 4614 劣化回帰曲線生成部、 4615 急劣化判定部、 4616 データ送信部、 462 記憶部、 4621 SOC-OCV特性保持部、 4622 電池データ保持部、 4623 時系列SOH値保持部。

Claims (8)

  1. 電池の電圧と電流を少なくとも測定する測定部と、
    前記電池の測定データをもとに、前記電池のSOH(State Of Health)を推定するSOH推定部と、
    前記電池の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池の劣化回帰曲線を生成する劣化回帰曲線生成部と、
    第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池に急劣化が発生しているか否かを判定する急劣化判定部と、
    を備えることを特徴とする電池管理装置。
  2. 前記急劣化判定部は、前記差または前記比率が所定範囲を逸脱しているとき、前記電池に急劣化が発生していると判定する、
    請求項1に記載の電池管理装置。
  3. 前記第1のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間であり、
    前記第2のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去b(b>a)個のSOHを含む区間である、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電池管理装置。
  4. 前記第1のデータ区間は、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間であり、
    前記第2のデータ区間は、前記第1のデータ区間を除いた、最後に特定されたSOHから過去a個のSOHを含む区間である、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電池管理装置。
  5. 前記第2のデータ区間は複数のデータ区間を含み、
    前記第2のデータ区間の劣化係数は、前記複数のデータ区間の各劣化係数を統計的に処理した値である、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電池管理装置。
  6. 電池の測定データを取得するデータ取得部と、
    前記電池の測定データをもとに、前記電池のSOHを特定するSOH特定部と、
    前記電池の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池の劣化回帰曲線を生成する劣化回帰曲線生成部と、
    第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池に急劣化が発生しているか否かを判定する急劣化判定部と、
    を備えることを特徴とする演算システム。
  7. 電池の測定データをもとに、前記電池のSOHを特定するステップと、
    前記電池の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池の劣化回帰曲線を生成するステップと、
    第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池に急劣化が発生しているか否かを判定するステップと、
    を有することを特徴とする電池の劣化予測方法。
  8. 電池の測定データをもとに、前記電池のSOHを特定する処理と、
    前記電池の時系列に特定された複数のSOHを曲線回帰して、前記電池の劣化回帰曲線を生成する処理と、
    第1のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数と、第2のデータ区間の複数のSOHをもとに生成される前記電池の劣化回帰曲線の劣化係数との差または比率をもとに、前記電池に急劣化が発生しているか否かを判定する処理と、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする電池の劣化予測プログラム。
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