JP2012135168A - 電動車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電動車両10は、バッテリ11の各正極および負極および電解液毎の劣化度と容量維持率とに関係性を有する周波数に応じた交流インピーダンス値の単位時間当たりの変移挙動と、バッテリ11の状態に基づく使用履歴との対応関係を示す変移挙動マップを記憶する第1記憶部と、バッテリ11の使用履歴に応じて変移挙動マップを参照して、バッテリ11の正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値を推定する相関抵抗値推定部と、正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値に基づいてバッテリ11の正極の劣化状態と負極の劣化状態とのバランスを示す劣化バランスを算出し、該劣化バランスに基づいて目標充電状態を設定する目標充電状態設定部とを備える。
【選択図】図1
Description
また、従来、例えばリチウムイオン電池の劣化の程度を示す内部抵抗が、電解液のリチウムイオン濃度に応じて変化することに基づき、リチウムイオン濃度を適正値に設定する所定の充放電を行なうことでリチウムイオン電池の状態を回復させる方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
つまり、適宜の時点での残容量や温度が同一であっても、この時点に到るまでの劣化の条件が異なる場合には内部状態が異なり、劣化速度や寿命期間などの将来における状態の変化が内部状態に応じて異なる。
このため、上記従来技術に係る充電方法によれば、リチウムイオン電池の残価値に関連する将来的な容量(あるいは容量維持率)の劣化を適正に考慮して、劣化抑制などの制御を適切に行なうことができないという問題が生じる。
と、前記相関抵抗値推定手段により推定された前記正極側相関抵抗値および前記負極側相関抵抗値に基づいて前記2次電池の前記正極の劣化状態と前記負極の劣化状態とのバランスを示す劣化バランスを算出し、該劣化バランスに基づいて前記目標充電状態を設定する目標充電状態設定手段(例えば、実施の形態での目標充電状態設定部42)とを備える。
そして、これらの正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値に基づいて、2次電池の正極の劣化状態と負極の劣化状態との劣化バランスを算出することで、劣化バランスを整えるようにして目標充電状態を設定することができる。
つまり、2次電池の劣化速度や寿命期間などの残価値を目標充電状態に反映させることで、充電状態の制御を適正に行なうことができる。
そして、劣化バランスを整えるようにして目標充電状態を設定することによって、2次電池の内部状態を良好な状態に維持することができ、2次電池の設計時に過剰な耐久性を確保する必要無しに設計マージンを減少させることができ、2次電池の出力性能を向上させることができる。
また、電動機12は、例えば電動車両10の減速時などにおいて駆動輪W側から電動機12側に駆動力が伝達されると、発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
また、PDU13は、例えば電動機12の発電時には、電動機12から出力される交流の発電(回生)電力を直流電力に変換してバッテリ11を充電する。
D/V14は、バッテリ11の端子間電圧あるいはPDU13や充電器17の端子間電圧を所定の電圧値まで降圧して12Vバッテリ15を充電可能である。
なお、例えばバッテリ11の残容量(SOC:State Of Charge)が低下している場合などにおいては、12Vバッテリ15の端子間電圧を昇圧してバッテリ11を充電可能にしてもよい。
充電器17は、例えば外部給電装置1から給電される交流電力を直流電力に変換するインバータなどを備え、外部給電装置1からの給電によってバッテリ11を充電する。
そして、充電器17は、CPL信号から給電側の定格電流の情報などを取得して充電準備を開始し、充電準備が完了するとCPL信号の電圧を変化させて、充電準備の完了を充電ケーブル2のCCIDに通知する。
そして、充電ケーブル2のCCIDは、外部給電装置1から電動車両10に給電するためにリレーなどの接点を接続して充電を開始する。
また、制御装置18は、D/V14の電力変換動作を制御することで12Vバッテリ15の充電を制御する。
さらに、制御装置18は、バッテリ11の状態を検出して残容量(SOC:State Of Charge)などの各種の状態量を算出し、例えば充電器17などによる充電時のバッテリ11の充電状態を制御する。
開路電圧推定部23は、抵抗推定部22から出力されるバッテリ11の内部抵抗の推定結果に基づき、バッテリ11の開路電圧(バッテリ11の無負荷状態での端子電圧)を推定し、この推定結果を出力する。
残容量推定部24は、予め設定されたバッテリ11の開路電圧と残容量SOCとの対応関係を示す所定のマップまたは数式などのデータを用いて、開路電圧推定部23から出力されるバッテリ11の開路電圧の推定結果に対応する残容量SOCを推定し、この推定結果を出力する。
また、記憶部26は、例えば、変移挙動マップを記憶する第1記憶部51と、劣化度マップを記憶する第2記憶部52とを備えている。
そして、バッテリ11の使用履歴の演算結果に応じて、第1記憶部51に記憶されている変移挙動マップを参照して、バッテリ11の正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値および電解液相関抵抗値を推定する。
このデータは、予め実施される試験の試験結果などに基づいて作成されている。
なお、各成分に関連する抵抗値の具体例は、例えばバッテリ11の種別や構成などに応じて適宜に設定される。
本発明の相関抵抗値推定部41は、交流インピーダンス分析を実行せずに、バッテリ11の各正極および負極および電解液毎の劣化度と容量維持率とに関係性を有する周波数に応じた交流インピーダンス値による各相間抵抗値を、バッテリ11の使用履歴の演算結果に応じて変移挙動マップを参照して推定する。
また、バッテリ11の容量は、各時点(初期時や劣化時など)において、バッテリ11の満充電状態での所定の電位差(満充電側電位差)に対応する充電量(例えば、図4に示す各充電量A4または充電量A3など)と、満放電状態での所定の電位差(満放電側電位差)に対応する充電量(例えば、図4に示す各充電量A1または充電量A2など)との差である。
相関抵抗値推定部41は、バッテリ11の各正極および負極および電解液毎にバッテリ11の使用履歴の演算結果に応じて第1データおよび第2データを参照して、各第1データおよび第2データ毎に抽出した各相関抵抗値を用いた加算モデルによる演算により、バッテリ11の正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値および電解液相関抵抗値を推定する。
この第1データは、例えば、正極側相関抵抗値の単位時間当たりの変移挙動に関連する係数kと、バッテリ11の温度TBと、バッテリ11の残容量SOCとの対応関係を示すデータである。
この第2データは、例えば、正極側相関抵抗値の単位時間当たりの変移挙動に関連する係数kと、バッテリ11の温度TBと、バッテリ11の電流IBとの対応関係を示すデータである。
この加算モデルによる演算では、例えば、逐次繰り返す推定の処理において、変移挙動マップとして第1データまたは第2データの何れを参照したかにかかわらずに、前回の推定時における変移挙動マップに基づく各相関抵抗値の推定結果を基点として、今回の推定時において状態検出部21から出力されたバッテリ11の状態の検出結果に応じて変移挙動マップから検索して得た係数kによって今回の推定時における各相関抵抗値を推定する。
このデータは、例えば無負荷状態などのバッテリ11に対して予め実施される試験の試験結果などに基づいて作成されている。
そして、劣化バランスBAの算出を目的とするタイミングでの各相関抵抗値(正極側相関抵抗値R1および負極側相関抵抗値R2)と基準値BA0とによって、劣化バランスBA(=(R2/R1)/BA0)を算出する。
つまり、劣化バランスBAは、基準タイミングでの初期値を1として、目的とするタイミングにおいて劣化バランスBAが初期値(=1)よりも大きい場合は、負極の劣化度が正極の劣化度よりも大きいアンバランスな劣化状態を示し、目的とするタイミングにおいて劣化バランスBAが初期値(=1)よりも小さい場合は、正極の劣化度が負極の劣化度よりも大きいアンバランスな劣化状態を示している。
そして、例えば、バッテリ11の正極のみが劣化した場合に、劣化の無い初期時などにおける満充電側電位差(満充電状態での正極と負極との電位差)と同一の電位差を確保するためには、満充電状態での正極の電位を所定の電位Va(初期時)から電位Vb(劣化時;Vb>Va)へと過剰に増大させる必要が生じ、正極の劣化が、より一層、促進されることになる。
一方、例えば劣化バランスBAが初期値(=1)を含む所定範囲(例えば、1−α≦BA≦1+αなど)外の値であれば、第2記憶部52に記憶されているSOCマップを参照して、バッテリ11の残容量SOCに対する目標値である目標SOCを設定する。
一方、劣化バランスBAが所定のロー側閾値(=1−α)よりも小さい場合には、負極側に比べて正極側の劣化をより抑制するようにして、例えば所望の残容量SOCを確保する際に負極側相関抵抗値の劣化速度に比べて正極側相関抵抗値の劣化速度がより遅くなるようにして、目標充電状態としてSOCマップから目標SOCを検索する。
この判定結果が「NO」の場合には、エンドに進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS02に進む。
次に、ステップS03においては、後述する目標SOC設定の処理を実行する。
次に、ステップS04においては、外部給電装置1からの給電によってバッテリ11の充電を開始する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS05の判定を繰り返し実行することによって、バッテリ11の充電を継続する。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS06に進む。
そして、ステップS06においては、バッテリ11の充電を停止し、エンドに進む。
先ず、例えば図8に示すステップS11においては、後述する正極及び負極相関抵抗値R1,R2推定の処理を実行する。
次に、ステップS12においては、劣化バランスBAが初期値(=1)を含む所定範囲(1−α≦BA≦1+α)内の値であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS13に進み、このステップS13においては、バッテリ11に対する通常の充電を許可して、リターンに進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS14に進む。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS15に進み、このステップS15においては、正極側に比べて負極側の劣化をより抑制するようにして、例えば所望の残容量SOCを確保する際に正極側相関抵抗値の劣化速度に比べて負極側相関抵抗値の劣化速度がより遅くなるようにして、目標充電状態としてSOCマップから目標SOCを検索する。
一方、この判定結果が「NO」の場合つまり劣化バランスBAが所定のロー側閾値(=1−α)よりも小さい場合には、ステップS16に進み、このステップS16においては、負極側に比べて正極側の劣化をより抑制するようにして、例えば所望の残容量SOCを確保する際に負極側相関抵抗値の劣化速度に比べて正極側相関抵抗値の劣化速度がより遅くなるようにして、目標充電状態としてSOCマップから目標SOCを検索する。
先ず、例えば図9に示すステップS21においては、バッテリ11の各種の状態(例えば、温度TB、電流IB、電圧VB、使用時間、残容量SOCなど)の検出結果および推定結果を取得する。
そして、これらの正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値に基づいて、バッテリ11の正極の劣化状態と負極の劣化状態との劣化バランスBAを算出することで、正極の劣化状態と負極の劣化状態とのバランスを整えるようにして目標充電状態として目標SOCを設定することができる。
そして、正極の劣化状態と負極の劣化状態とのバランスを整えるようにして目標SOCを設定することによって、バッテリ11の内部状態を良好な状態に維持することができ、バッテリ11の設計時に過剰な耐久性を確保する必要無しに設計マージンを減少させることができ、バッテリ11の出力性能を向上させることができる。
しかも、実際に交流インピーダンス測定機によって測定を行なうだけでは把握することが困難である各劣化状態と容量維持率と交流インピーダンス値の単位時間当たりの変移挙動との関連性をバッテリ11の使用履歴から取得することができ、各正極および負極毎の劣化状態を容易に推定することができる。
この場合、目標充電状態設定部42は、例えば下記表3に示すような、相関抵抗値推定部41により推定された各相間抵抗値(例えば、初期値である1を基点とした各相関抵抗値増加量)と、各正極および負極の劣化度(正極劣化度PBおよび負極劣化度NB)との対応関係を示す劣化度マップを参照して、劣化バランスBAを算出する。
この劣化度マップのデータは、予め実施される試験の試験結果などに基づいて作成される。
この上述した実施の形態の変形例に係る電動車両10は、例えば図10に示すように、バッテリ11と、電動機12と、パワードライブユニット(PDU)13と、ダウンバータ(D/V)14と、12Vバッテリ15と、内燃機関61と、発電機62と、パワードライブユニット(PDU)63と、制御装置18とを備えて構成されている。
なお、上述した実施の形態の電動車両10と同一部分については同じ符号を配した。
そして、内燃機関61の動力により発電機62が発電する場合には、パワードライブユニット(PDU)63は発電機62から出力される交流の発電電力を直流電力に変換して、バッテリ11を充電、あるいは電動機12のPDU13やD/V14に電力を供給する。
次に、ステップS32においては、バッテリ11の入出力制限値を算出する。
次に、ステップS33においては、バッテリ11の残容量SOCを算出する。
そして、ステップS34においては、上述した実施の形態でのステップS03と同一の目標SOC設定の処理を実行し、リターンに進む。
次に、ステップS42においては、上述したステップS32にて算出した残容量SOC(算出SOC)と、上述したステップS33にて算出した目標SOCとの差などに応じて、発電機62に対する発電要求値を算出する。
次に、ステップS44においては、発電機62の発電電力量を確保するために要する内燃機関61の出力量を設定し、リターンに進む。
同様に、上述した実施の形態においては、電解液相関抵抗値を交流インピーダンス値の実数成分としたが、これに限定されず、例えば、虚数成分や、実数成分と虚数成分との複合的な値としてもよい。
同様に、上述した実施の形態においては、第2データは、係数kと、バッテリ11の温度TBと、バッテリ11の電流IBとの対応関係を示すデータであるとしたが、これに限定されず、例えば、係数kと、バッテリ11の各種の状態(例えば、温度TB、電流IB、電圧VB、使用時間など)の適宜の組み合わせとの対応関係を示すデータであってもよい。
10 電動車両
11 バッテリ(2次電池)
18 制御装置
20 充電制御装置
21 状態検出部(状態検出手段)
25 内部状態推定部
27 充電制御部(充電制御手段、発電制御手段)
31 電流センサ(電流検出手段)
32 電圧センサ(電圧検出手段)
33 温度センサ(温度検出手段)
34 タイマー(時間検出手段)
41 相関抵抗値推定部(相関抵抗値推定手段)
42 目標充電状態設定部(目標充電状態設定手段)
51 第1記憶部(記憶手段)
Claims (3)
- 2次電池を搭載し、該2次電池の劣化状態を推定することで、目標充電状態を制御する電動車両であって、
前記2次電池の状態を検出する状態検出手段として、少なくとも、前記2次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記2次電池の電流を検出する電流検出手段と、前記2次電池の温度を検出する温度検出手段と、前記2次電池の使用時間を検出する時間検出手段とを具備し、
前記2次電池の各正極および負極および電解液毎の劣化度と容量維持率とに関係性を有する周波数に応じた交流インピーダンス値の単位時間当たりの変移挙動と、前記状態検出手段により検出される前記2次電池の状態に基づく前記2次電池の使用履歴との対応関係を示すデータからなる変移挙動データを記憶する記憶手段と、
前記状態検出手段により検出された前記2次電池の状態に基づく前記2次電池の使用履歴に応じて前記変移挙動データを参照して、前記2次電池の正極側相関抵抗値および負極側相関抵抗値を推定する相関抵抗値推定手段と、
前記相関抵抗値推定手段により推定された前記正極側相関抵抗値および前記負極側相関抵抗値に基づいて前記2次電池の前記正極の劣化状態と前記負極の劣化状態とのバランスを示す劣化バランスを算出し、該劣化バランスに基づいて前記目標充電状態を設定する目標充電状態設定手段と
を備えることを特徴とする電動車両。 - 前記電動車両は、前記2次電池に充電する電力を前記電動車両の外部から供給する外部給電装置を接続可能であって、
該外部給電装置が前記電動車両に接続されて前記外部給電装置によって前記2次電池の充電が開始された場合に、前記2次電池の充電状態が前記目標充電状態に到達した時点で充電を停止させる充電制御手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の電動車両。 - 前記電動車両は、発電電力により前記2次電池を充電可能な発電装置と、前記2次電池の充電状態を前記目標充電状態に収束させるようにして前記発電装置の発電を制御する発電制御手段とを備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電動車両。
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