JP2012047491A

JP2012047491A - 二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法

Info

Publication number: JP2012047491A
Application number: JP2010187487A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Nagamura; 謙介長村; Toshiyuki Iwahana; 利幸岩鼻
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】端子電圧の検出異常に伴う充電率の算出精度低下を抑制できる二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を提供する。
【解決手段】センサ電流Iを検出する電流センサ4と、センサ電圧Vを検出する電圧センサ3と、センサ電流Iを積算し、電流積算充電率SOC-iを算出するSOC-i算出部8と、センサ電圧Vに基づいて開放電圧OCVを推定する開放電圧推定部9と、開放電圧充電率SOC-vを算出するSOC-v算出部10と、端子電圧Vに基づいて端子電圧Vの検出異常を判定する異常判定部11と、端子電圧Vの検出異常と判定された場合、電流積算充電率SOC-iをバッテリ6の充電率とする充電率決定部12と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法に関する。

特許文献１に記載の充電率算出装置では、二次電池の充放電電流の絶対値が閾値よりも大きい場合には検出された充放電電流および端子電圧から推定した開放電圧に基づいて充電率を算出し、充放電電流の絶対値が閾値以下である場合には充放電電流の電流積算に基づいて充電率を算出している。

特表２００４−５１４２４９号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、端子電圧の検出異常が生じた場合には、開放電圧の推定誤差が大きくなるのに対し、充放電電流が閾値よりも大きい場合は常に開放電圧から充電率が算出されるため、充電率の算出精度が低下するという問題があった。
本発明の目的は、端子電圧の検出異常に伴う充電率の算出精度低下を抑制できる二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、端子電圧の検出異常と判定された場合、電流積算に基づく充電率を二次電池の充電率とする。

よって、本発明にあっては、端子電圧の検出異常が生じたときには端子電圧に影響を受けない電流積算に基づく充電率を二次電池の充電率とするため、端子電圧の検出異常に伴う充電率の算出精度低下を抑制できる。

実施例１のバッテリシステム1の構成図である。コントローラ2の制御ブロック図である。バッテリ6の内部抵抗等価回路を示すバッテリモデル18である。逐次パラメータ推定の制御ブロック図である。バッテリ6のOCV-SOC特性図である。コントローラ2の充電率算出処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を実施するための形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
まず、実施例１の構成を説明する。
図１は、実施例１のバッテリシステム1の構成図である。
バッテリシステム1は、コントローラ2、電圧センサ（端子電圧検出手段）3、電流センサ（電流検出手段）4、バッテリ（二次電池）6および負荷7を備える。
電圧センサ3は、バッテリ6の端子電圧を検出し、センサ電圧Vを出力する。
電流センサ4は、バッテリ6の充放電電流を検出し、センサ電流Iを出力する。
コントローラ2は、センサ電圧Vとセンサ電流Iに基づいてバッテリ6の充電率SOC(State of charge)を演算し、ユーザーへ提示する。

図２は、コントローラ2の制御ブロック図である。
コントローラ2は、SOC-i算出部（電流積算充電率算出手段）8、開放電圧推定部（開放電圧推定手段）9、SOC-v算出部（開放電圧充電率算出手段）10、異常判定部（端子電圧検出異常判定手段）11、および充電率決定部（充電率決定手段）12を備える。
SOC-i算出部8は、積分器8aと乗算器8bとを有する。積分器8aは、電流センサ4からのセンサ電流Iを時間積分する。乗算器8bは、積分器8aの出力をバッテリ6の満充電容量FCCで除算し、電流積算に基づく充電率（以下、電流積算充電率）SOC-iを出力する。

開放電圧推定部9は、パラメータ推定部9aとOCV推定部9bとを有する。パラメータ推定部9aは、図３に示すバッテリモデル18の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を推定する。
図３は、バッテリ6の内部抵抗等価回路を示すバッテリモデル18であり、バッテリモデル18は、電解液抵抗とオーム抵抗等の直流成分を設定する抵抗R0と、電荷移動過程における動的な振る舞いを表す反応抵抗として設定する抵抗R1と、電気二重層として設定するC1と、拡散過程における動的な振る舞いを表すものとして設定するR2,C2とにより構成される。ここでは、電荷移動過程で一次の並列回路、拡散過程で二次の並列回路の等価回路モデルで表しているが、状況に応じてそれぞれの次数は変化する。

図４は、逐次パラメータ推定の制御ブロック図である。
バッテリ6は、この制御系への入力となる測定される電流（センサ電流I）を入力とし、測定されるバッテリ電圧Vを出力する。このバッテリ6は実際のバッテリを扱うものとして設定されたものである。
バッテリモデル18は、バッテリ6のモデルとなる等価回路であり、適応機構13による修正出力で等価回路のパラメータを調整し、電圧モデル推定値であるV＾を出力する。さらに、等価回路の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を出力する。なお、抵抗値R1,R2は、説明上、抵抗を示す符号と、抵抗値を示す記号の両方で用いる。
適応機構13は、バッテリ6の端子電圧とバッテリモデル18の端子電圧推定値V^との差分がなくなるように、VとV＾で演算される偏差に応じて、バッテリモデル18の演算内容を修正する出力を行い（V＾は、Vの推定値を表し、実際はVの上に＾がある表記になる）、各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を逐次修正する。これにより、現在のバッテリ6の状態に合致したバッテリモデルを得ることができる。実施例１では、適応機構13として、カルマンフィルタを用いている。

OCV推定部9bは、推定された各パラメータR0,R1,R2,C1,C2とセンサ電流Iから過電圧VRを算出し、センサ電圧Vから過電圧VRを減算して開放電圧OCVを計算する。
SOC-v算出部10は、あらかじめ設定されたOCV-SOC変換テーブルを用いて開放電圧OCVを開放電圧に基づく充電率（以下、開放電圧充電率）SOC-vに変換する。図５は、バッテリ6のOCV-SOC特性図であり、開放電圧OCVと充電率SOCとの関係は、温度や劣化に依らず常に一定に保たれるため、あらかじめ実験によりバッテリ6のOCV-SOC特性を測定し、OCV-SOC変換テーブルを作成しておく。

異常判定部11は、センサ電圧Vを読み込み、センサ電圧Vが所定の範囲から外れているとき、センサ電圧Vの検出異常と判定して判定信号1(true)を出力し、センサ電圧Vが所定の範囲内にあるとき、センサ電圧Vが正常に検出されていると判定して判定信号0(false)を出力する。例えば、バッテリ6が単位電池セルを100個の直列接続したリチウムイオンバッテリである場合、各セルの端子電圧は2.8〜4.2Vにあるものとし、バッテリ全体の端子電圧は、その100倍である280〜420Vに収まるのが正常と考え、その範囲を所定の範囲とする。
充電率決定部（充電率決定手段）12は、異常判定部11からの判定信号が0のとき、SOC-v算出部10により算出された開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率SOCとする。一方、判定信号が1のとき、SOC-i算出部8により算出された電流積算充電率SOC-iを最終的な充電率SOCとする。

［充電率算出処理］
図６は、コントローラ2の充電率算出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、所定の演算周期で繰り返し実行される。
ステップS1では、電圧センサ3からセンサ電圧V、電流センサ4からセンサ電流Iを読み込む。
ステップS2では、SOC-i算出部8において、センサ電流Iの積算値∫Idtに1/FCCを乗算して電流積算充電率SOC-iを算出する。
ステップS3では、パラメータ推定部9aにおいて、センサ電流Iとセンサ電圧Vとからバッテリモデル18の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を推定する。
ステップS4では、OCV推定部9bにおいて、ステップS3で推定された各パラメータR0,R1,R2,C1,C2、センサ電流Iおよびセンサ電圧Vから開放電圧OCVを算出する。
ステップS5では、SOC-v算出部10において、ステップS4で推定された開放電圧OCVから、OCV-SOC変換テーブル（図５）を参照して開放電圧充電率SOC-vを算出する。

ステップS6では、異常判定部11において、センサ電圧Vが所定の範囲(280〜420V)内にあるか否かを判定し、YESの場合にはステップS7へ進み、NOの場合にはステップS8へ進む。
ステップS7では、異常判定部11において、判定信号0を充電率決定部12へ出力する。充電率決定部12では、開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率SOCとして出力する。
ステップS8では、異常判定部11において、判定信号1を充電率決定部12へ出力する。充電率決定部12では、電流積算充電率SOC-iを最終的な充電率SOCとして出力する。

次に、実施例１の作用を説明する。
［センサ電圧検出異常時の充電率算出精度向上］
実施例１の充電率算出装置において、SOC-i算出部8とSOC-v算出部9は、電流積算充電率SOC-iと開放電圧充電率SOC-vを並行して算出し、充電率決定部12へ出力する。充電率決定部12は、異常判定部11の判定結果(false or true)に応じて入力した電流積算充電率SOC-iと開放電圧充電率SOC-vの一方を最終的な充電率SOCとして出力する。
異常判定部11は、センサ電圧Vが正常な端子電圧の範囲(280〜420V)にあるか否かを判定する。センサ電圧Vが上記範囲内にあるとき、センサ電圧Vが正常に検出されていると判定して判定信号0(false)を出力し、センサ電圧Vが上記範囲から外れているとき、センサ電圧Vの検出異常と判定して判定信号1(true)を出力する。

よって、充電率決定部12は、センサ電圧Vが正常に検出されていると判定された場合、開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率SOCとして出力する。
センサ電流Iの充放電電流を積分してバッテリ6に出入りした電荷量から充電率を求める方法（クーロンカウント法）は、バッテリ6の等価回路のモデル18を作成し、バッテリ6の内部状態を推定して充電率を求める方法（モデルベース推定法）に対し、比較的簡単に充電率を求めることができる点で優れている。ところが、クーロンカウント法では、実際の充放電電流（電流真値）に対してセンサ電流Iに誤差があると、誤差が集積されるため、センサ電流Iが小さいほど、算出した充電率に対して積算誤差の占める割合が大きくなり、充電率の算出精度が低下する。
これに対し、モデルベース推定法では、センサ誤差が蓄積されないため、一般的に、クーロンカウント法よりも実際の充電率に近い充電率を得ることができる。
そこで、実施例１では、センサ電圧Vが正常に検出されている場合には、開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率SOCとして選択することで、充電率SOCの精度良く求めることができる。

一方、充電率決定部12は、センサ電圧Vの検出異常と判定された場合、電流積算充電率SOC-iを最終的な充電率SOCとして出力する。
開放電圧充電率SOC-vを算出するためには、バッテリ6の開放電圧OCVを推定する必要があり、開放電圧OCVの推定には、電圧センサ3および電流センサ4により測定されたセンサ電圧Vおよびセンサ電流Iを用いて行われる。
開放電圧充電率SOC-vを算出するためには、バッテリ6の開放電圧OCVを推定する必要があり、開放電圧OCVの推定には、電圧センサ3および電流センサ4により計測されたセンサ電圧Vおよびセンサ電流Iが用いられる。つまり、開放電圧OCVの推定精度は、センサ電圧Vおよびセンサ電流Iの検出精度に依存している。
ここで、電圧センサ3の故障や断線等により、センサ電圧Vの検出異常が生じた場合、開放電圧OCVの推定誤差が大きくことに伴い、開放電圧充電率SOC-vの算出精度が著しく低下する。

そこで、実施例１では、センサ電圧Vの検出異常が生じた場合には、センサ電圧Vに影響を受けない電流積算充電率SOC-iをバッテリ6の充電率SOCとすることで、センサ電圧Vの検出異常に伴う充電率SOCの算出精度の低下を抑えることができる。
また、センサ電圧Vの検出異常が電圧センサ3の故障や断線等の継続的なものではなく、ノイズ等の影響による一過性のものである場合には、センサ電圧Vが所定の範囲に戻った時点で開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率SOCとするため、センサ電圧Vが正常な状態に回復した後も電流積算充電率SOC-iが選択され続けることによる充電率SOCの算出精度低下を抑制できる。

実施例１では、以下に列挙する効果を奏する。
(1) センサ電流Iを検出する電流センサ4と、センサ電圧Vを検出する電圧センサ3と、センサ電流Iを積算し、電流積算充電率SOC-iを算出するSOC-i算出部8と、センサ電圧Vに基づいて開放電圧OCVを推定する開放電圧推定部9と、開放電圧充電率SOC-vを算出するSOC-v算出部10と、端子電圧Vに基づいて端子電圧Vの検出異常を判定する異常判定部11と、端子電圧Vの検出異常と判定された場合、電流積算充電率SOC-iをバッテリ6の充電率とする充電率決定部12と、を備えた。
センサ電圧Vの検出異常が生じたときにはセンサ電圧Vに影響を受けない電流積算充電率SOC-iをバッテリ6の充電率SOCとするため、センサ電圧Vの検出異常に伴う充電率SOCの算出精度低下を抑制できる。

(2) 異常判定部11は、センサ電圧Vが所定の範囲から外れている場合、センサ電圧Vの検出異常と判定する。
センサ電圧Vが正常に検出されている場合、センサ電圧Vは所定の範囲内に収まり、この範囲は、あらかじめ実験により求めることができる。よって、センサ電圧Vが所定の範囲から外れたときにセンサ電圧Vの検出異常と判定することで、センサ電圧Vの検出異常を簡単かつ正確に判定できる。

(3) センサ電流Iを積算し、電流積算充電率SOC-iを算出するステップS2と、検出されたセンサ電圧Vから開放電圧OCVを推定し、開放電圧充電率SOC-vを算出するステップS3〜S5と、センサ電圧Vに基づいてセンサ電圧Vの検出異常を判定するステップS6と、センサ電圧Vの検出異常と判定された場合、電流積算充電率SOC-iをバッテリ6の充電率SOCとするステップS8と、を備えた。
センサ電圧Vの検出異常が生じたときにはセンサ電圧Vに影響を受けない電流積算充電率SOC-iをバッテリ6の充電率SOCとするため、センサ電圧Vの検出異常に伴う充電率SOCの算出精度低下を抑制できる。

（他の実施例）
以上、本発明の二次電池の充電率算出装置を実施例に基づいて説明したが、具体的な構成については、実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加は許容される。
例えば、実施例では、逐次パラメータ推定にカルマンフィルタを用いたが、他の推定方法を用いてもよい。

実施例では、センサ電圧Vが正常に検出されていると判定された場合は、常に開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率とする例を示したが、特表2004-514249号に開示されているように、センサ電流Iの絶対値が閾値よりも大きい場合には電流積算充電率SOC-iを最終的な充電率SOCとし、センサ電流Iの絶対値が閾値以下である場合には開放電圧充電率SOC-vを最終的な充電率SOCとしてもよい。

3 電圧センサ（端子電圧検出手段）
4 電流センサ（電流検出手段）
6 バッテリ（二次電池）
8 SOC-i算出部（電流積算充電率算出手段）
9 開放電圧推定部（開放電圧推定手段）
10 SOC-v算出部（開放電圧充電率算出手段）
11 異常判定部（端子電圧検出異常判定手段）
12 充電率決定部（充電率決定手段）

Claims

二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記二次電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
前記二次電池の充放電電流を積算し、前記二次電池の電流積算に基づく充電率である電流積算充電率を算出する電流積算充電率算出手段と、
前記端子電圧に基づいて前記二次電池の開放電圧を推定する開放電圧推定手段と、
前記二次電池の前記開放電圧に基づく充電率である開放電圧充電率を算出する開放電圧充電率算出手段と、
前記端子電圧に基づいて前記端子電圧の検出異常を判定する端子電圧検出異常判定手段と、
前記端子電圧の検出異常と判定された場合、前記電流積算充電率を前記二次電池の充電率とする充電率決定手段と、
を備えたことを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
請求項１に記載の二次電池の充電率算出装置において、
前記端子電圧検出異常判定手段は、前記端子電圧が所定の範囲から外れている場合、前記端子電圧の検出異常と判定することを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
二次電池の充放電電流を積算し、前記二次電池の電流積算に基づく充電率である電流積算充電率を算出するステップと、
検出された前記二次電池の端子電圧から開放電圧を推定し、前記二次電池の開放電圧に基づく充電率である開放電圧充電率を算出するステップと、
前記端子電圧に基づいて前記端子電圧の検出異常を判定するステップと、
前記端子電圧の検出異常と判定された場合、前記電流積算充電率を前記二次電池の充電率とするステップと、
を備えたことを特徴とする二次電池の充電率算出方法。