JP2009052925A - 二次電池の充電状態推定装置及びプログラム - Google Patents

二次電池の充電状態推定装置及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】二次電池のSOCを高精度に推定する。
【解決手段】電池ECU20内の制御部26は、二次電池20の総放電量を算出し、総放電量と所定のしきい値とを大小比較する。所定のしきい値は400Ah〜1600Ahの範囲に設定される。総放電量が所定のしきい値以上である場合に、OCV−SOCマップをメモリ効果が飽和した状態のマップに置換し、総放電量が所定のしきい値より小さい場合に、初期状態のOCV−SOCマップと飽和状態のOCV−SOCマップを所定の比率で混合したマップに補正し、補正したマップを用いてSOCを推定する。
【選択図】図2

Description

本発明はニッケル水素やリチウムイオン電池等の二次電池の充電状態を推定する技術に関する。
ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の充電状態(以下、SOCと称する)を推定し、推定したSOCに基づいて二次電池の充放電を制御する技術が知られている。特に、二次電池を駆動モータの電源として用いるハイブリッド車両等においては、二次電池のSOCに基づいて走行制御するため、SOCを高精度に推定することが必要となる。
従来より、二次電池から入出力される電流値の積算値を計測してSOCを推定する、あるいは予め定めた無負荷電圧(OCV)とSOCとの対応関係に基づいてSOCを推定する、あるいは両者を組み合わせてSOCを推定する方法等が提案されている。しかしながら、周知の如く二次電池はメモリ効果により起電力が変動するため、初期状態におけるOCVとSOCとの対応関係に基づいてSOCを推定してもその精度が低下してしまうため、メモリ効果に応じて対応関係を適宜補正することが提案されている。
下記の特許文献1には、メモリ効果に対する補正値が適用されるSOCの範囲及びOCVの範囲をメモリに記憶させておき、電池温度及び充放電電流に基づいて補正値を算出し、その補正値をメモリに記憶させたSOCの範囲及びOCVの範囲においてのみ適用させ、OCV−SOCマップを作成し、そのOCV−SOCマップに基づいてSOCを推定する技術が開示されている。
図10に、初期状態及びメモリ効果後のOCV−SOCマップを示す。図において横軸はSOC(%)、縦軸はOCV(V)であり、中央付近のSOCで繰り返し充放電を行った場合の対応関係である。放電側の電圧降下と、充電側の電圧上昇が生じている。
特開2004−22322号公報
しかしながら、電池温度及び充放電電流に基づいて補正値を算出しても、必ずしも正確な補正を行うことは保証し得ず、SOCの推定精度が向上しない問題がある。
本発明の目的は、簡易にSOCの推定精度を向上させることができる装置及びプログラムを提供することにある。
本発明は、二次電池の充電状態を推定する装置であって、無負荷電圧と充電状態との関係を示す関係情報を記憶する記憶手段と、前記二次電池の総放電量を検出する総放電量検出手段と、前記総放電量と所定しきい値との大小関係に応じて、前記関係情報を補正する補正手段と、補正された前記関係情報を用いて前記二次電池の充電状態を推定する推定手段とを有することを特徴とする。
本発明の1つの実施形態では、前記記憶手段は、前記関係情報として、メモリ効果のない初期状態の関係情報と、メモリ効果の飽和した飽和状態の関係情報を記憶し、前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値以上であれば前記初期状態の関係情報を前記飽和状態の関係情報に置換するように補正し、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を所定の比率で混合して得られる関係情報に補正する。
また、本発明は、二次電池の充電状態をコンピュータに算出させるプログラムであって、メモリに前記二次電池の電圧及び充放電電流のデータを記憶させ、プロセッサに前記メモリから前記電圧及び充放電電流のデータを読み出して回帰分析により無負荷電圧を算出させ、前記プロセッサに総放電量を算出させ、前記プロセッサに前記総放電量と所定のしきい値とを比較させ、前記総放電量と前記所定のしきい値との大小関係に応じて前記メモリに予め記憶された無負荷電圧と充電状態との関係を示す関係情報を補正させ、前記プロセッサに、補正された前記関係情報及び算出された前記無負荷電圧を用いて前記二次電池の充電状態を算出させることを特徴とする。
本発明の1つの実施形態では、前記メモリは、前記関係情報として、メモリ効果のない初期状態の関係情報と、メモリ効果の飽和した飽和状態の関係情報を記憶し、前記プロセッサに前記総放電量が前記所定しきい値以上であれば前記初期状態の関係情報を前記飽和状態の関係情報に置換するように補正させ、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を所定の比率で混合して得られる関係情報に補正させる。
本発明によれば、簡易にSOCの推定精度を向上することができる。これにより、ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両に二次電池が駆動源として組み込まれる場合等において、高精度に推定されたSOCを用いて効率的に二次電池を充放電制御できる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、ハイブリッド車両を例にとり説明する。なお、本実施形態では電動車両の1つであるハイブリッド車両を例示するが、駆動源としてモータを備える他の電動車両にも適用可能である。
図1に、本実施形態におけるハイブリッド車両の概略構成を示す。車両ECU10は、インバータ50、エンジン電子制御ユニット(エンジンECU)40を制御する。エンジンECU40は、エンジン60を制御する。電池電子制御ユニット(電池ECU)20は、二次電池30から電池電圧V、充放電電流I、電池温度T等の情報を受け、これらの情報を用いて二次電池30のSOCを推定する。また、電池ECU20は、二次電池30のSOCや電池温度などの電池情報を車両ECU10に供給する。
二次電池30は、モータ52に電力を供給する。インバータ50は、二次電池30の放電時に二次電池30から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ52に供給する。
エンジン60は、動力分割機構42、減速機44及びドライブシャフト46を介して車輪に動力を伝達する。モータ52は、減速機44及びドライブシャフト46を介して車輪に動力を伝達する。二次電池30のSOCが低下して充電が必要な場合、エンジン60の動力の一部が動力分割機構42を介して発電機54に供給され充電に利用される。
車両ECU10は、エンジンECU40からのエンジン60の運転状態の情報、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、シフトレバーで設定されるシフトレンジ等の運転情報や、電池ECU20からのSOC等の各種電池情報に基づいてエンジンECU40やインバータ50に制御命令を出力し、エンジン60やモータ52を駆動する。
図2に、二次電池30及び電池ECU20の構成を示す。二次電池30は、電池ブロックB1〜B20を直列に接続して構成される。電池ブロックB1〜B20は、電池ケース32に収容される。また、電池ブロックB1〜B20はそれぞれ2個の電池モジュールを電気的に直列接続して構成され、さらに各電池モジュールは6個の単電池を電気的に直列に接続して構成される。各単電池はニッケル水素電池やリチウムイオン電池を用いることができる。電池モジュール、単電池の数は特に限定されるものではない。
電池ケース32内には、複数の温度センサ34が配置される。複数の温度センサ34の配置は、比較的温度が近い複数の電池ブロックを1つのグループとして、あるいはいずれの電池ブロックとも比較的温度差がある1つの電池ブロックを1つのグループとして、グループ毎に1つの温度センサ34を配置することにより行われる。また、グループ分けは、事前の実験等により各電池ブロックの温度を測定することにより行われる。本実施形態では、M(Mは自然数)個の温度センサ34を備えるものとし、各温度センサ34が測定した温度をそれぞれ温度T(1)〜温度T(M)と表現する。
電池ECU20は、電圧測定部22、電流測定部23、温度測定部24、制御部26及び記憶部28を有する。電圧測定部22は、二次電池30の各電池ブロックの端子電圧を測定して制御部26に出力する。制御部26は、電圧データを記憶部28に格納する。制御部26は、記憶部28に格納された電圧データに示される各電池ブロックの端子電圧を合計することで電池電圧Vを算出する。
電流測定部23は、二次電池30の充放電時における充放電電流Iを測定する。本実施形態では、電流測定部23は、電流センサ35が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、これに基づいて充電時に二次電池30に入力された電流と、放電時に二次電池30から出力された電流とを特定する電流データを生成し、これらを制御部26に出力する。また、電流測定部23は、例えば充電時をマイナス、放電時をプラスとして電流データを生成する。電流測定部23による制御部26への電流データの出力は、予め設定された周期(例えば100ms)で行われる。
温度測定部24は、二次電池30の電池温度を測定する。本実施形態では、グループ毎に設定された各温度センサ34が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換し、これらに基づいてグループ毎の電池温度を特定する温度データを生成し、これらを制御部26に出力する。制御部26は、温度データに示される温度T(1)〜温度T(M)の平均値を算出することで電池温度Tを算出する。
制御部26は、マイクロプロセッサで構成され、機能ブロックとして無負荷電圧(OCV)算出部261及び充電状態(SOC)推定部262を有し、電池電圧V、充放電電流I、電池温度T等に基づいて二次電池30のSOCを推定する。具体的には、電池電圧V及び充放電電流Iに基づいてOCVを算出し、算出されたOCVに基づいて予め記憶部28に格納されたOCV−SOCマップを参照してSOCを仮推定し、さらに電流積算値に基づいてSOCを補正して二次電池30のSOCを推定する。電流積算のみでSOCを推定する方法では短期的には精度良くSOCを推定することができるが、電流センサの検出誤差や充電効率の変動等により長期的にはSOC精度が低下する。但し、既述したようにメモリ効果の影響で初期状態のOCV−SOCのマップは変動するため、メモリ効果に応じてOCV−SOCマップを補正する必要がある。本実施形態では、以下の事実を利用してOCV−SOCマップを補正する。なお、本実施形態におけるOCVは予め分極成分を除いたものでもよい。分極成分は所定期間の電流積算容量Qの変化量ΔQと電池温度Tに基づいて求めることができる。分極成分を求める方法は公知であり、例えば特開2003−197275号公報に記載されている。
すなわち、メモリ効果は電池初期段階では発生せず、電池が使用されるにつれて徐々に発生するが、メモリ効果による電圧低下/電圧上昇は、ある一定値以上にはならない事実がある。さらに、電池温度Tが通常の温度範囲では総放電量が400Ah(アンペア時間)〜1600Ahでメモリ効果が飽和する事実がある。この事実から、二次電池30の総放電量を算出し、総放電量が予め設定したしきい値以上か否かを判定し、しきい値を超えた場合にOCV−SOCマップをメモリ効果が飽和した場合のマップに置換し、総放電量が予め設定したしきい値より小さい場合にOCV−SOCマップをメモリ効果がない初期状態とメモリ効果が飽和した状態を所定の比率で混合し、メモリ効果がない状態から飽和した状態までの間の特定の値に補正する。このため、記憶部28には、初期状態におけるOCV−SOCマップ及びメモリ効果が飽和した場合のOCV−SOCマップを予め格納しておく。所定のしきい値は、400Ah〜1600Ahで飽和するという事実に応じて設定され、400Ah〜1600Ahの範囲で設定する。例えば400Ah〜1600Ahの平均値である1000Ahに設定する、あるいは、下限値である400Ahに設定する、あるいは上限値である1600Ahに設定する等である。要するに、メモリ効果が飽和する経験値である400Ah〜1600Ahという総放電量に基づいてしきい値を設定する。しきい値は記憶部28に格納しておく。
図3に、電池ECU20におけるSOC推定の処理フローチャートを示す。まず制御部26は、電流測定部23からの電流データに基づいて総放電量Taを算出する(S101)。具体的には、放電時の電流のみを抽出して時間積分することで総放電量Taを算出する。次に、総放電量Taとしきい値Tthとを大小比較し、Ta<Tthであるか否かを判定する(S102)。しきい値Tthは上記のように400Ah〜1600Ahの範囲のいずれかに設定する。そして、Ta<Tthである場合には、メモリ効果による電圧変動を補償するように無負荷電圧(OCV)マップ、すなわちOCV−SOCマップを補正する(S103)。より特定的には、初期状態におけるマップとメモリ効果の飽和状態におけるマップの間のマップに補正する。このような補正方法の一例は総放電量Taに応じた線形補間であるが、これに限定されるものではない。補正方法についてはさらに後述する。また、Ta≧Tthである場合には、メモリ効果による最大電圧変動を考慮した無負荷電圧(OCV)マップを選択する(S104)。総放電量Taとしきい値Tthとの大小関係に応じてOCV−SOCマップを補正あるいは選択した後、この無負荷電圧マップ(OCV−SOCマップ)に基づいてSOCを推定する(S105)。OCVは、無負荷電圧算出部261により算出され、具体的には所定期間(例えば60秒)における電池電圧Vと充放電電流Iとのペアデータを記憶部28から複数個取得し、これらのペアデータから回帰分析により1次の近似直線(電圧Vと電流Iの近似直線)を求め、V−I近似直線のV切片を無負荷電圧(OCV)として算出する。以上によりOCVに基づいてSOCが推定される。さらに、電流積算値に基づいてSOCを推定し、両者の推定値から最終的なSOCを推定してもよい。S101〜S105の処理は、制御部26がROMに格納されたプログラムを読み出して逐次実行することで実現される。
このように、本実施形態では、総放電量Taがしきい値Tthより小さい場合には、初期状態のマップとメモリ効果の飽和状態におけるマップの間のマップを用いてSOCを推定し、総放電量Taがしきい値Tth以上となった場合にメモリ効果の飽和状態におけるマップを用いてSOCを推定する。総放電量Taがしきい値Tthより小さい場合のマップの補正方法は、図4に示すように、初期状態のマップ値(図中実線で示す)とメモリ効果の飽和状態のマップ値(図中破線で示す)との間の値(図中一点鎖線で示す)になるように補正するものであり、比率係数をα(0≦α≦1であり、α=0は初期状態のマップ値、α=1は飽和状態におけるマップ値に対応)とすると、総放電量Taに応じて比率係数αを次のように変化させる。補正後のマップをS、初期状態のマップをSini、飽和状態のマップをSsatとすると、S=(1−α)・Sini+α・Ssatである。
図5は、線形補間の場合である。総放電量Taが0のときに比率係数は0(つまり初期状態のマップ)、総放電量Taがしきい値Tthのときに比率係数αは1(つまり飽和状態のマップ)であり、その間は直線的に増加する。総放電量TaがTth/2のときには補正されたマップ値は初期状態のマップ値と飽和状態のマップ値の中間値となる。
図6は、総放電量Taがしきい値Tthより小さいある値、例えば400Ah〜1600Ahの下限値である400Ahまでは比率係数αは0(つまり初期状態のマップ)であり、総放電量Taが400ah以上のときには直線的に増加する場合である。
図7は、総放電量Taがしきい値Tthより小さいある値、例えば400Ahまでは比率係数αは0(つまり初期状態のマップ)であり、総放電量Taが400Ah以上のときには比率係数αは1(つまり飽和状態のマップ)の場合である。
図8は、非線形補間の場合である。総放電量Taがしきい値より小さいある値、例えば400Ahまでは比率係数αは0からある増加率(下に凸となる増加率)に従って増加し、総放電量Taが400Ah以上のときに比率係数αは異なる増加率(上に凸となる増加率)に従って増加する。
図9は、さらに別の補間の場合である。総放電量Taがしきい値より小さい場合には比率係数αは0(つまり初期状態のマップ)であり、総放電量Taがしきい値以上となった場合に比率係数αは1(つまり飽和状態のマップ)となる場合である。
本実施形態における補正方法は、これらに限定されるものではなく、他の補正方法も可能である。例えば、非線形補間であって一定の増加率に従って比率係数αが0から1まで増加する場合である。一般に、実際のSOCよりも高めにSOCが推定される場合には、高めの推定SOCに基づいて充放電制御するため、過充電状態がより抑制される。従って、フェールセイフの観点からは、SOCは実際のSOCよりも高めに推定する方が好適であり、メモリ効果の影響を早めに考慮に入れることが好ましい。このためには、しきい値Tthは小さい方が好適であり、しきい値Tthを下限の400Ahに設定することも可能である。
本実施形態では、通常の温度範囲における所定しきい値を経験的事実から400Ah〜1600Ahの範囲から設定したが、しきい値は温度に応じて変動し得る。従って、しきい値を温度の関数として設定してもよい。一般的には温度が大きい程しきい値を小さく設定する。
また、本実施形態では、総放電量Taとしきい値Tthとの大小関係においてOCV−SOCマップを補正してSOCを推定しているが、総放電量Taと実質的に等価な物理量ないしパラメータを用いてOCV−SOCマップを補正することも可能である。例えば、単位走行距離(例えば1Km)当たりの放電量は車両毎におよそ定まっている。従って、走行距離を評価することで総放電量を評価することができ、走行距離を所定のしきい値と大小比較することでOCV−SOCマップを補正してもよい。この場合のしきい値は放電量400Ah〜1600Ahに相当する走行距離であることは言うまでもない。走行距離を用いる場合、図5〜図9の横軸の指標は、総放電量ではなく走行距離と読み替えるべきであることは当業者には自明であろう。
実施形態の全体構成図である。 二次電池及び電池ECUの構成図である。 実施形態の処理フローチャートである。 メモリ効果を考慮したマップ補正説明図である。 比率係数を示すグラフ図(その1)である。 比率係数を示すグラフ図(その2)である。 比率係数を示すグラフ図(その3)である。 比率係数を示すグラフ図(その4)である。 比率係数を示すグラフ図(その5)である。 初期状態及びメモリ効果後のOCV−SOCマップである。
符号の説明
10 車両ECU、20 電池ECU、22 電圧測定部、23 電流測定部、24 温度測定部、26 制御部、28 記憶部、30 二次電池。

Claims (12)

  1. 二次電池の充電状態を推定する装置であって、
    無負荷電圧と充電状態との関係を示す関係情報を記憶する記憶手段と、
    前記二次電池の総放電量を検出する総放電量検出手段と、
    前記総放電量と所定しきい値との大小関係に応じて、前記関係情報を補正する補正手段と、
    補正された前記関係情報を用いて前記二次電池の充電状態を推定する推定手段と、
    を有することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  2. 請求項1記載の装置において、
    前記記憶手段は、前記関係情報として、メモリ効果のない初期状態の関係情報と、メモリ効果の飽和した飽和状態の関係情報を記憶し、
    前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値以上であれば前記初期状態の関係情報を前記飽和状態の関係情報に置換するように補正し、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を所定の比率で混合して得られる関係情報に補正することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  3. 請求項1、2のいずれかに記載の装置において、
    前記所定しきい値は、400Ahから1600Ahまでの範囲のいずれかに設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  4. 請求項2記載の装置において、
    前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を前記総放電量に応じて線形補間して得られる関係情報に補正することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  5. 請求項2記載の装置において、
    前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を前記総放電量に応じて非線形補間して得られる関係情報に補正することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  6. 請求項2記載の装置において、
    前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記総放電量が400Ahまでは前記初期状態の関係情報とし、前記総放電量が400Ahから前記所定のしきい値までは前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を前記総放電量に応じて線形補間して得られる関係情報に補正することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  7. 請求項2記載の装置において、
    前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記総放電量が400Ahまでは前記初期状態の関係情報とし、前記総放電量が400Ahから前記所定のしきい値までは前記飽和状態の関係情報に置換することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  8. 請求項2記載の装置において、
    前記補正手段は、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報とすることを特徴とすることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  9. 二次電池の充電状態をコンピュータに算出させるプログラムであって、
    メモリに前記二次電池の電圧及び充放電電流のデータを記憶させ、
    プロセッサに前記メモリから前記電圧及び充放電電流のデータを読み出して回帰分析により無負荷電圧を算出させ、
    前記プロセッサに総放電量を算出させ、
    前記プロセッサに前記総放電量と所定のしきい値とを比較させ、前記総放電量と前記所定のしきい値との大小関係に応じて前記メモリに予め記憶された無負荷電圧と充電状態との関係を示す関係情報を補正させ、
    前記プロセッサに、補正された前記関係情報及び算出された前記無負荷電圧を用いて前記二次電池の充電状態を算出させる
    ことを特徴とするプログラム。
  10. 請求項9記載のプログラムにおいて、
    前記メモリは、前記関係情報として、メモリ効果のない初期状態の関係情報と、メモリ効果の飽和した飽和状態の関係情報を記憶し、
    前記プロセッサに前記総放電量が前記所定しきい値以上であれば前記初期状態の関係情報を前記飽和状態の関係情報に置換するように補正させ、前記総放電量が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を所定の比率で混合して得られる関係情報に補正させることを特徴とするプログラム。
  11. 車両に搭載された二次電池の充電状態を推定する装置であって、
    無負荷電圧と充電状態との関係を示す関係情報を記憶する記憶手段と、
    前記車両の走行距離を検出する走行距離検出手段と、
    前記走行距離と所定しきい値との大小関係に応じて、前記関係情報を補正する補正手段と、
    補正された前記関係情報を用いて前記二次電池の充電状態を推定する推定手段と、
    を有することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
  12. 請求項11記載の装置において、
    前記記憶手段は、前記関係情報として、メモリ効果のない初期状態の関係情報と、メモリ効果の飽和した飽和状態の関係情報を記憶し、
    前記補正手段は、前記走行距離が前記所定しきい値以上であれば前記初期状態の関係情報を前記飽和状態の関係情報に置換するように補正し、前記走行距離が前記所定しきい値より小さい場合には前記初期状態の関係情報と前記飽和状態の関係情報を所定の比率で混合して得られる関係情報に補正することを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
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