JP2013238403A - 組電池のセルの状態推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 組電池のセルごとの容量維持率を簡単に推定可能な組電池のセルの状態推定装置を提供する。
【解決手段】
組電池のセル1a〜1nの状態推定装置は、充放電流測定手段3と、電流積算充電率算出手段7と、電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの充放電電流を積算して電流積算充電率変化量を算出する電流積算充電率変化量算出手段8と、組電池を構成するセルごとに、電源起動時および電源停止時後一定時間以上の経過時の端子電圧をそれぞれ測定する各セルの開放電圧測定手段2と、各セルの開放電圧から各セルの開放電圧充電率をそれぞれ算出する各セルの開放電圧充電率算出手段6と、各セルの開放電圧充電率から各セルの開放電圧充電率変化量を算出する各セルの開放電圧充電率変化量算出手段9と、電流積算充電率変化量および各セルの開放電圧充電率変化量から各セルの容量維持率をそれぞれ算出する各セルの容量維持率算出手段10と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池を構成するセルごとにその状態推定する組電池のセルの状態推定装置に関する。

従来の組電池のセルの状態推定装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。この従来の組電池のセルの状態推定装置では、充電部による電池の充電期間内における所定電流積算期間の積算値に基づいて電流積算充電率変化量を算出する。一方、電池の状態に基づいて所定電流積算期間の開始時および終了時の開放電圧を推定し、これらの推定した開放電圧から上記開始時および終了時の充電率を求め、これら両者の差分から開放電圧変化量変化量を算出する。続いて、開放電圧変化量変化量に対する電流積算充電率変化量の比である容量維持率を算出し、この値に電池の初期電池容量を乗算して、電池の電池容量を算出する。

特開２０１１−２１５１２５号公報

しかしながら、上記従来の組電池のセルの状態推定装置にあっては、以下の問題がある。
すなわち、上記従来の組電池のセルの状態推定装置では、電池の状態は、組電池を構成するセルごとの電圧に測定して推定しているわけではなく、組電池全体としての総合電圧から推定している。
セルを直列に接続した組電池の場合、セルにはばらつきがあるため、組電池として使用可能な容量は、一番小さな容量のセルに依存してしまう。この結果、総合電圧から組電池全体の残量を推定しようとしても、正確な推定を行うことはできない。

なお、上記従来の組電池のセルの状態推定装置で用いた同じ推定手法で、セルごとにその内部状態（残量、健全度（SOH: State of Health)、劣化度(1-SOH)等）を推定しようとすると、個々のセルの電流積算充電率変化量と開放電圧充電率変化量とを算出し、前者を後者で除算しなければならず、電気自動車用組電池のようにセルが多いと、その演算処理が大変となる。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、複数のセルを接続して構成された組電池に用いられたセルごとの容量維持率（健全度SOH）をより簡単に推定することができるようにした組電池のセルの状態推定装置を提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明による組電池のセルの状態推定装置は、
組電池の充放電電流を測定する充放電流測定手段と、
充放電流測定手段で測定した充放電電流を積算してこの積算値に基づいて電流積算充電率を算出する電流積算充電率算出手段と、
電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの充放電電流を積算してこの積算値に基づいて電流積算充電率の変化量を算出する電流積算充電率変化量算出手段と、
組電池を構成するセルごとに、電源起動時および電源停止時後一定時間以上の経過時の端子電圧をそれぞれ測定する各セルの開放電圧測定手段と、
各セルの開放電圧測定手段で測定した各セルの開放電圧から各セルの開放電圧充電率をそれぞれ算出する各セルの開放電圧充電率算出手段と、
各セルの開放電圧充電率算出手段で求めた各セルの開放電圧充電率から各セルの開放電圧充電率変化量を算出する各セルの開放電圧充電率変化量算出手段と、
電流積算充電率変化量算出手段で得た電流積算充電率変化量および各セルの開放電圧充電率変化量算出手段で得た各セルの開放電圧充電率変化量から各セルの容量維持率をそれぞれ算出する各セルの容量維持率算出手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明による組電池のセルの状態推定装置は、
請求項１に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの時間が一定時間を越す場合には、各セルの容量維持率の推定処理を実施しない、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明による組電池のセルの状態推定装置は、
請求項１又は２に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの期間内における電流積算充電率変化量が所定値より小さい場合には、各セルの容量維持率の推定処理を実施しない、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、複数のセルを接続して構成された組電池に用いられたセルごとの容量維持率を算出する際、電流積算充電率変化量には個々のセルの値ではなく、組電池全体の値を用いるようにしたので、各セルの容量維持率を従来技術に比べてより簡単に推定することができる。

請求項２に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの時間が一定時間を越す場合には、各セルの容量維持率の推定処理を実施しないようにしたので、推定精度が低下するのを避けることができる。

請求項３に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの期間内における電流積算充電率変化量が所定値より小さい場合には、各セルの容量維持率の推定処理を実施しないようにしたので、推定精度が低下するのを避けることができる。

本発明の実施例１の組電池のセルの状態推定装置の全体構成を示すブロック図である。 電源起動時から電源停止後、次の電源起動時の間における車両充放電電流と充電率との一例を示す図である。 実施例１の組電池のセルの状態推定装置で実行される推定処理のフローチャートを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。なお、以下の説明および図中における「Cell-」の記号は「各セルの」を表す。

まず、実施例１の組電池のセルの状態推定装置の全体構成を説明する。
この実施例１の組電池1のセルの状態推定装置は、複数（n個：nは２以上の整数）のセル1a、1b、・・・、1m、1nを直列接続して構成した組電池１に接続されて、これら各セル1a〜1nの内部状態を推測する。
なお、本実施例では、組電池１は、電気自動車の電源として用いる。

組電池1のセルの状態推定装置は、端子電圧測定部2と、充放電電流測定部3と、マイクロ・コンピュータ4と、を備えている。

マイクロ・コンピュータ4は、測定電圧保持部5と、開放電圧−充電率算出部6と、電流積算部７と、第１除算部8と、減算部9と、第２除算部10と、を有する各セルの健全度算出部4Aを備えている。

端子電圧測定部2は、各セル1a〜1nに対応して各セルの端子電圧を測定するｎ個のセル電圧測定部2a、2b、・・・、2m、2nからなり、これらのセル電圧測定部2a〜2nは測定した各セル1a〜1nの端子電圧を測定電圧保持部5へ入力する。
端子電圧測定部2は、本発明の各セルの開放電圧測定手段に相当する。

充放電流測定部3は、組電池１に直列接続されて組電池1を流れる充放電電流を測定し、この値を電流積算部7へ出力する。
充放電流測定部3は、本発明の充放電電流測定手段に相当する。

測定電圧保存部5は、電源起動時、すなわち放電が始可能になる時点（図２中のAで示す時点）、および車両停止放置後、すなわち車両走行で放電した後、電流が流れていない期間が所定時間以上経過した時点(図２中のBで示す時点で、本実施例では次の電源起動時)でそれぞれ発せられる起動信号に応じて、そのときの各セル1a〜1nの端子電圧を記憶保存する。

すなわち、測定電圧保存部5は、時点Aでの電源起動時にあっては、高充電率（SOC: State of Charge）状態となっている各セルの開放（端子）電圧値Cell-OCV-Hiを記憶保存し、時点Bでの所定時間以上にわたる電源停止時にあっては、車両走行による放電で低SOC状態となっている各セルの開放（端子）電圧Cell-OCV-Loを記憶保存する。

ここで、上記のように、充放電が所定時間以上なされず分極反応が緩和している場合の端子電圧は、開放電圧（OCV：Open Circuit Voltage）に等しくなり、したがって上記時点A、Bで測定した端子電圧は、開放電圧とみなせる。
なお、上記電源起動時や車両停止放置後の開放電圧の測定方法の詳細については、後で説明する。

開放電圧−充電率算出部6は、あらかじめ実験で得た、開放電圧OCVと充電率SOCとの関係のデータを記憶してある。測定電圧保存部5から入力された、高SOC時における各セル1a〜1nの開放電圧値Cell-OCV-Hiに基づいてそのセルの高SOC時の開放電圧充電率Cell-SOC-Hiを、またその低SOC時における各セル1a〜1nの開放電圧Cell-OCV-Loに基づいてそのセルの低SOC時の開放電圧充電率Cell-SOC-Loを、それぞれ算出する。これらの開放電圧充電率Cell-OCV-Hi、Cell-SOC-Loは、減算部9へ出力される。

減算部9は、セル1a〜1nごとに、高SOC時の開放電圧充電率Cell-SOC-Hiから低SOC時の開放電圧充電率Cell-SOC-Loから減算して、各セルの開放電圧充電率変化量Cell-ΔSOC_Ｖをそれぞれ得る。
この値は、第２除算部10へ出力される。

一方、電流積算部７は、充放電測定部３から入力した充放電電流を上記時点Aから時点Bまでの期間、積算して組電池１に出入りした電荷量を算出し、この電流積算量（電荷変化量）を第１除算部8へ出力する。

第１除算部8は、電流積算部７から入力された電流積算量を、あらかじめ設定した設計容量で除算して電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉを得、この値を第２除算部10へ出力する。

第２除算部10は、第１除算部8で得た電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉを、減算部9で得た各セルの開放電圧充電率変化量Cell-ΔSOC_Ｖで除算し、各セルの健全度Cell-SOHを得る。

すなわち、各セルの健全度SOH＝（電流積算量／設計容量）÷（時点Aでの各セルの開放電圧充電率−時点Bでの各セルの開放電圧充電率）＝電流積算充電率変化量／開放電圧充電率変化量で算出する（％表示の場合は、上記SOHの値に100を掛ける）。

開放電圧充電率変化量ΔSOC_Vには健全度SOHが含まれているものの、電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉには健全度SOHが含まれていないことから、上記式から健全度SOHを算出することが可能となる。

次に、上記測定電圧保存部5が電圧を記憶する時点A、Bについて、図２に基づいて説明する。

同図は、横軸に時間を、縦軸の上半部に充放電電流を、また縦軸の下半部に電流積算充電率SOC_ｉをそれぞれ表したグラフで、データは一例を表す。
同図に示すように、図示しないスタート・スイッチをオンにすると、電源が起動される。この時点がAである。このときの各セル1a〜1nの端子電圧を開放電圧として測定電圧保存部5に記憶する。

車両が走行すると、電気モータの駆動等のため放電電流が生じる。走行中、制動を行うと、電気モータがジェネレータとして機能しエネルギの回生を行い、充電電流となる。このように走行中は、充放電が繰り返されるものの、放電量が多くなるため、電流積算充電率SOC_ｉは低下していく。
その後、車両がC時点で停止し電源も停止させられると、充放電電流は０となり、電流積算充電率SOC_ｉは最低値となる。

そのまま停車放置し時点Bで電源を起動し、充電を開始する。この開始直前に、測定電圧保存部5は、各セル1a〜1nの端子電圧を開放電圧として測定電圧保存部5に記憶する。
充電中は、充電電流が供給され、これにつれて電流積算充電率SOC_ｉも上昇していく。

ここで、測定電圧保存部5による時点Bでの測定電圧の記憶保持は、図２に示すように、時点A〜時点B間の時間（図２中にDで示す）が所定時間内である場合のみ測定電圧を記憶保持し、所定時間を超える場合には時点Bでの測定電圧の記憶保持は行わないようにして、電流積算による累積誤差や自己放電による充電率変化の悪影響を少なくするようにしている。

また、時点A〜時点B間での電流積算充電率変化量ΔSOCｉが所定値以上の場合に時点Bでの測定電圧の記憶保持を行い、所定値より小さい場合は、時点Bでの測定電圧の記憶保持は行わないようにして、推定精度が低くならないようにしている。

また、時点Cから時点Bまでの期間が、電流が流れておらず、その期間が一定時間以上の場合に時点Bでの測定電圧の記憶保持を行い、一定時間より短い場合は、時点Bでの測定電圧の記憶保持は行わないようにして、推定精度が低くならないようにしている。

次に、上記マイクロ・コンピュータで実行するSOHの推定処理を、図３のフローチャートに基づいて説明する。

ステップS1では、各セルの健全度算出部4Aが電源の起動直後であるか否かを判断する。
判断結果がYESであればステップS2へ進み、判断結果がNOであればステップS14へ進む。

ステップS2では、図２中の時点Cから時点Bの間の停止期間が一定時間以上経過したか否かを判断する。
判断結果がYESであればステップS3へ進み、判断結果がNOであれば最初に戻る。

ステップS3では、測定電圧保持部5が、時点Aでの各セルの電圧Cell-OCV-Hiを取得した否かを判断する。
この判断では、A時点取得フラグが１であるか、あるいは０であるか、をみて判断を行う。A時点取得フラグが１になっている場合は各セルの電圧Cell-OCV-Hiを取得済みであることを、またA時点取得フラグが０になっている場合は各セルの電圧Cell-OCV-Hiを未取得であることを表す。
判断結果がYESであればステップS4に進み、判断結果がNOであればステップS11に進む。

ステップS4では、時点Aから時点Bまでの経過時間（図２中のD）が所定時間内であるか否かを判断する。
この判断結果がYESであればステップS5に進み、判断結果がNOであればステップS10に進む。

ステップS5では、電流積算部７で得た電流積算値を、第１除算部８にて設計容量で除算して時点Aでの電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉを算出する。
続いて、ステップS6へ進む。

ステップS6では、電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉ（図２中のE）が所定値以上あるか否かを判断する。
判断結果がYESであればステップS7に進み、判断結果がNOであれば最初に戻る。

ステップ７では、測定電圧保持部5が、時点Bでの各セルの開放（端子）電圧Cell-OCV-Loを取得し記憶保存する。
続いて、ステップS8に進む。

ステップS8では、時点A、時点Bにおける各セルの開放電圧Cell-OCV-Hi、Cell-OCV-Loから開放電圧−充電率部６で各セルの開放電圧充電率Cell-SOC-Hi、Cell-SOC-Loを得、減算部９にてこれらの差分をとって各セルの開放電圧充電率変化量Cell-ΔSOC_Ｖを算出する。
続いて、ステップS9に進む。

ステップS9では、第２除算部10が電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉを各セル1a〜1nの開放電圧充電率変化量ΔSOC_ｖでそれぞれ除算して、セル1a〜1nごとの健全度SOHを算出する。
続いてステップS10に進む。

ステッS10では、A時点取得フラグを０にする。その後、最初に戻る。

一方、ステップS3においてA時点で各セル1a〜1nのセル電圧を取得していないと判断された場合、ステップS11に進み、このステップで、電流積算部7での電流積算値をリセットするとともに、時間計測値もリセットした後、この時点から時間計測を新たに始める。
続いて、ステップS12に進む。

ステップS12では、時点Aでの各セル1a〜1nのセル電圧を取得する。
続いて、ステップS13に進む。

ステップS13では、A時点取得フラグを１に設定する。
その後、最初に戻る。

また、ステップS1において電源起動直後ではないと判断された場合には、車両走行中や一時停車中等であるということで、ステップS14に進み、このステップで、電流積算処理および時間計測処理を続けて行う。
その後、最初に戻る。

このようにして得られた各セル1a〜1nの健全度Cell-SOHは、組電池１の正確な残量やセルごとの劣化警報等に利用される。

実施例１の組電池のセルの状態推定装置は、以下の効果を有する。
セル1a〜1nごとの健全度Cell-SOHを推測するにあたって、従来技術のようにセルごとに電流積算充電率変化量を計算する必要がなく、推定のための演算処理量が少なくて済み、マイクロ・コンピュータ4の処理負荷が小さくなる。
このように、セル1a〜1nごとに健全度Cell-SOHを推測することができるので、組電池１の正確な残量を推測でき、またセルごとの劣化警報を行うことが可能となる。

また、電源起動時（時点A）から電源停止時後一定時間以上の経過時（時点B）までの時間が一定時間を越す場合には、電流積算充電率変化量ΔSOC_ｉを算出しないことで、各セル1a〜1nの容量維持率（健全度）Cell-SOHの推定処理を実施しないようにしたので、長時間にわたる電流積算の累積誤差が入らないようにでき、また自己放電による充電率変化の悪影響を受けないにして、高精度で容量維持率Cell-SOHを得ることができる。

また、電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの期間内における電流積算充電率変化量が所定値より小さい場合には、時点Bでのセル電圧の取得を行わないことで各セルの容量維持率の推定処理を実施しないようにしたので、高精度で容量維持率Cell-SOHを得ることができる。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、本発明の組電池のセルの状態推定装置は、電気自動車の組電池に限られず、電気モータと内燃機関を備えたハイブリッド車、あるいはその他の装置の組電池の状態を推定する装置にも適用することができる。

1 組電池
1a、1b、1m、1n セル
2 端子電圧測定部（開放電圧測定手段）
2a、2b、2m、2n セル電圧測定部（開放電圧測定手段）
3 充放電電流測定部（充放電電流測定手段）
4 マイクロ・コンピュータ
4A 各セルの健全度算出部
5 測定電圧保持部
6 開放電圧−充電率算出部
7 電流積算部
8 第１除算部
9 減算部
10 第２除算部

Claims (3)

1. 組電池の充放電電流を測定する充放電流測定手段と、
   該充放電流測定手段で測定した前記充放電電流を積算してこの積算値に基づいて電流積算充電率を算出する電流積算充電率算出手段と、
   電源起動時から電源停止時後一定時間以上の経過時までの前記充放電電流を積算してこの積算値に基づいて電流積算充電率の変化量を算出する電流積算充電率変化量算出手段と、
   前記組電池を構成するセルごとに、前記電源起動時および前記電源停止時後一定時間以上の経過時の端子電圧をそれぞれ測定する各セルの開放電圧測定手段と、
   該各セルの開放電圧測定手段で測定した前記各セルの開放電圧から各セルの開放電圧充電率をそれぞれ算出する各セルの開放電圧充電率算出手段と、
   該各セルの開放電圧充電率算出手段で求めた前記各セルの開放電圧充電率から各セルの開放電圧充電率変化量を算出する各セルの開放電圧充電率変化量算出手段と、
   前記電流積算充電率変化量算出手段で得た前記電流積算充電率変化量および前記各セルの開放電圧充電率変化量算出手段で得た前記各セルの開放電圧充電率変化量から各セルの容量維持率をそれぞれ算出する各セルの容量維持率算出手段と、
   を備えたことを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。
2. 請求項１に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
   前記電源起動時から前記電源停止時後一定時間以上の経過時までの時間が一定時間を越す場合には、前記各セルの容量維持率の推定処理を実施しない、
   ことを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
   前記電源起動時から前記電源停止時後一定時間以上の経過時までの期間内における前記電流積算充電率変化量が所定値より小さい場合には、前記各セルの容量維持率の推定処理を実施しない、
   ことを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。

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