JP2014196943A

JP2014196943A - 充電可能なバッテリの状態推定方法およびその装置

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Publication number: JP2014196943A
Application number: JP2013072449A
Authority: JP
Inventors: 相原　茂; Shigeru Aihara; 茂相原; 福本　久敏; Hisatoshi Fukumoto; 久敏福本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16

Abstract

【課題】充電状態をより正確に推定する充電可能なバッテリの状態推定方法等を得る。【解決手段】充電可能なバッテリの状態推定方法であって、前記バッテリの電流からバッテリが充放電状態から充放電停止したことを判定し、前記充放電停止からの時間ｔにおける電圧低下の経時変化を計測し、計測した電圧の緩和挙動を近似曲線として緩和関数Ｆｖ(ｔ)で表し、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)から前記バッテリの充電状態量を推定し、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)が、それぞれ前記バッテリで生じる異なる事象に係る複数の異なる時定数を有する指数関数の和で表される。【選択図】図１

Description

この発明は、車載用等に用いられる充電可能なバッテリの状態推定方法等に関するものである。

近年、車載用バッテリは燃費向上のためにアイドリングストップや充電制御を行ったり、ブレーキ時の回生エネルギーを電気エネルギーとして蓄える仕組みが取り入れられることも増えてきている。そのため、以前より細かな(頻繁かつ多様な)充放電を行うことが必要となり、その充電状態(ＳＯＣ：State of Charge)を正確に把握する必要がある。このＳＯＣを推定する方法としては、様々な方法が検討されている。例えば、充放電後のバッテリの電圧を測定して、開回路電圧(ＯＣＶ：Open Circuit Voltage)を算出して、ＳＯＣを推定する方法が挙げられる(下記特許文献１参照)。

特開２０１０−１９０８１８号公報

バッテリの充放電後の電圧は様々な分極の影響を受けて、ＯＣＶより高い電圧を示し、時間が経過する毎に徐々にＯＣＶに近づいていく。特に鉛バッテリでは成層化等の影響により、電圧緩和の時間が長いことがわかっている。しかしながら、従来の状態推定方式では、あまり長時間の想定をしていないため、状態推定を正確に示すことが難しかった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、充電状態をより正確に推定する充電可能なバッテリの状態推定方法等を提供することを目的とする。

この発明は、充電可能なバッテリの状態推定方法であって、前記バッテリの電流からバッテリが充放電状態から充放電停止したことを判定し、前記充放電停止からの時間ｔにおける電圧低下の経時変化を計測し、計測した電圧の緩和挙動を近似曲線として緩和関数Ｆｖ(ｔ)で表し、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)から前記バッテリの充電状態量を推定し、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)が、それぞれ前記バッテリで生じる異なる事象に係る複数の異なる時定数を有する指数関数の和で表されることを特徴とする充電可能なバッテリの状態推定方法等にある。

この発明によれば、緩和関数を用いてバッテリの充電状態を推定することにより、精度よく充電状態を把握することが可能となる。

この発明の実施の形態１による充電可能なバッテリの状態推定方法における処理の流れを示す動作フローチャートである。この発明の実施の形態１による充電可能なバッテリの状態推定装置を含むバッテリ制御システムの概略構成図である。バッテリの充放電停止後の電圧経時変化の実測曲線の一例を示す図である。この発明の実施の形態１によるバッテリの充放電停止後の電圧経時変化を３個の時定数を有する指数関数の和で表される電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)で近似させた近似曲線図である。バッテリの充放電停止後の電圧経時変化を１個の時定数を有する指数関数で表される電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)で近似させた近似曲線図である。この発明の実施の形態１におけるバッテリのＳＯＣとＯＣＶとの関係を示す図である。この発明の実施の形態２による充電可能なバッテリの状態推定方法における処理の流れを示す動作フローチャートである。

以下、この発明による充電可能なバッテリの状態推定方法等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による充電可能なバッテリの状態推定方法における処理の流れを示す動作フローチャート、図２は該状態推定を実行する状態推定装置を含むバッテリ制御システムの概略構成図である。

最初に図２のバッテリ制御システムにおいて、充電可能なバッテリ６には、バッテリ６の充電を行う充電装置７と、バッテリ６から電力供給を受ける負荷８が接続されている。充電装置７には受電制御を行う充電制御部５が接続され、この発明によるバッテリの状態推定装置１０はバッテリ６からの検知結果に従ってバッテリの充電状態量(残容量)を推定し、例えば推定結果を充電制御部５に供給する。これにより充電制御部５は充電状態量の推定結果を考慮して充電制御を行う。

状態推定装置１０は、バッテリ６の少なくとも電圧、電流を検知する検知部２、検知結果を従ってバッテリの状態推定を行う演算部１、時間管理を行うタイマ４および各種データを格納する記憶部３を含む。検知部２は、バッテリ６の状態を検知するためのバッテリの電流、電圧、さらに後述する求めた充電状態量(残容量)の温度補償を行うためのバッテリ６の温度またはバッテリ６の環境温度(以下、まとめてバッテリの温度とする)、等を検出する各種センサ、および各種センサからの信号を受けるインタフェース等(共に図示省略)を含む。演算部１、記憶部３、タイマ４は例えばメモリを含むマイクロコンピュータで構成される。

図１は図２の状態推定装置での動作フローチャートを示す。この実施の形態による状態推定はまず、バッテリ６の端子部等に取り付けられた検知部２のセンサからの入力により、バッテリ６の電圧及び電流、温度等の情報を検知する(ステップＳ１)。

次に、検知した電流値の大きさである絶対値が、バッテリ６が充放電状態であるか否かを判定するための閾値Ｔｈ１(第１の閾値)である、例えば±１００ｍＡより大きかった場合は充放電中と判断し、この場合は再びステップＳ１に戻る。電流値の絶対値が±１００ｍＡ以下となった場合、充放電中ではない、すなわち充放電停止と判断する(ステップＳ２)。

本来であれば、電流値０ｍＡの状態を充放電中ではない状態とみなすべきであるが、例えば車の停車、エンジン停止状態においても、時刻の維持や状態記憶のために微細な電流(暗電流)が流れているため、完全に電流値０ｍＡの状態となることは難しいためである。

充放電中ではないと判断した場合は、このときの電圧値をＶ_ｍ，０(ｎ＝０)とし、充放電停止直後の初回になるので時間ｔ＝０(秒)、このときのバッテリ温度Ｔと共に記憶部３に記憶する(ステップＳ３)。そして、時間Δｔ秒後に再度、電圧、電流、温度の計測をおこなう(ステップＳ４)。計測した電流値より閾値Ｔｈ１に基づき充放電中ではないと判断したら(ステップＳ５)、ステップＳ３に戻り、このときの電圧値をＶ_ｍ，ｎ、時間ｔ＝ｔ＋Δｔ、温度Ｔとして記憶する。このステップＳ３からＳ５の操作を充放電が再開されるまで繰り返し行う。すなわち充放電停止後の時間ｔにおける電圧低下の経時変化を計測する。

そして、充放電が再開されたときは(ステップＳ５)、時間ｔに対して記憶してきた電圧値Ｖ_ｍ，ｎから、電圧の緩和関数Ｆｖ(ｔ)を最小自乗法等を用いて曲線回帰により作成する(ステップＳ６)。

そして、この電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)から緩和後の開回路電圧(ＯＣＶ)を得る(ステップＳ７)。そしてこのＯＣＶから、例えば予め記憶部３に記憶された関係関数(下記式(４)参照)より充電状態量(残容量)ＳＯＣを推定する(ステップＳ８)。

ここで、電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)は、充放電後の反応の緩和過程や物質移動の緩和過程などを表すため、一つの事象を示す近似式としては以下の式(１)を用いることが望ましい。

ここで、Ａ，Ｂは係数で、τは時定数を示す。通常この緩和過程は複数の事象が連続的にかつ並行して生じるため、電圧の緩和関数Ｆｖ(ｔ)は以下の式(２)ように表される。

ここで、ｎは１からｉ個の事象を示し、Ａ_ｎ，Ｂ_ｎは各事象の係数で、τ_ｎは各事象の時定数、Ｖ_０はＯＣＶ(開回路電圧)を示す。特にこの電圧緩和過程では、実験検証を重ねた結果、例えば、バッテリを使用するにつれて下部に高濃度の電解液が蓄積して上下に濃度の差が生じる成層化、バッテリの正極と負極の間で生じる電解液のイオン濃度差、バッテリの正極もしくは負極内部における電解液のイオン濃度差、等の３個の事象が生じていると考えられ、電圧の緩和関数Ｆｖ(ｔ)は以下の式(３)ように表すことがより望ましい。

なお、曲線回帰は、回帰分析により測定されたデータに最もよく当てはまる曲線(例えば最小自乗法等により求めた偏差の最も少ない曲線)を求める。曲線あてはめによって得られた曲線が上記近似式(近似曲線)であり、特に回帰分析を用いた場合に回帰曲線といわれる。

ここで図３に充放電停止後の電圧低下の経時変化の一例を示す。図３に示した充放電停止後の電圧−時間曲線の実測線より、電圧は指数関数的に減衰することがわかる。この曲線に近似式をたてて近似曲線を描く場合、指数関数で近似すればよいことがわかる。しかし、式(２)のｎ＝１およびｎ＝２では実測の電圧曲線に当てはめることは難しい。そこでｎ＝３以上であれば、実測の電圧曲線に比較的合わせることができる。また、ｎ＝４以上では実測の電圧曲線により正確に合わせることが可能になるが、項数が増えるため、係数などの数も増え、近似式を推定するために多くの時間を有する。例えば車載バッテリの状態推定を行う場合、項数が多いと状態推定用演算素子の大きさが大きくなったり、演算に多くの時間を費やすため、素早い状態推定に応答できないなどの問題がある。

また、図３のバッテリの電圧−時間曲線の実測線より、時間が５０００００秒経過後も電圧は徐々に低下しており、鉛バッテリの電圧緩和は非常に長い時間がかかることがわかる。特に１０００００秒以上時間を必要とする現象としては成層化現象(電解液上下間の濃度差)とわかっており、鉛バッテリ特有の現象である。よって、この成層化現象を含めた電圧緩和過程を考慮する場合は、１０００００秒以上の時定数の項を含む必要がある。

例えば図３の実測値に対して時定数としてτ１＝１５００(秒)、τ２＝５００００(秒)、τ３＝２０００００(秒)と３個の時定数を有する指数関数の和で表される電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)で近似させた近似曲線が図４になる。図３とほぼ同程度の曲線になることがわかる。一方、例えば図３の実測値に対して時定数としてτ＝２０００００(秒)のみを有する指数関数で表される電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)で近似させた近似曲線が図５になる。このように一項のみの近似式では実測値とは異なる曲線になる。この緩和過程の時間が長いため、計測時間は長いほどより正確な値に近づく。例えば、車両が夜停車して、朝まで１２時間停車した場合を想定すると、時間は４３２００秒となり、数時間の停車(＝７０００〜１００００秒)より精度は上昇する。

このように電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)を精度良く導き出すためには時間がかかるため、図１の動作フローチャートのステップＳ６では、充放電再開後に近似式を計算することになっているが、電圧緩和関数を導出するのに好ましい所定の間隔(第１の時間間隔)の時間経過後に予め近似式を計算することにより、近似計算を早めることも可能である。

この電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)を実測値からの曲線回帰により作成し、式(３)に示す緩和後の電圧Ｖ_０(ＯＣＶ：開回路電圧)を推定する。

この鉛バッテリのＯＣＶとＳＯＣの関係は図６に示すようにＳＯＣ５０％以上の領域ではほぼ線形の関係にあるため、この関係よりＯＣＶからＳＯＣを推定することが可能となる。関係式としては以下のようになる。

Ｆ_ＳＯＣ(Ｔ)＝Ｃ(ＯＣＶ)＋Ｄ (４)

ここで、Ｆ_ＳＯＣ(Ｔ)はバッテリ温度ＴにおけるＳＯＣ(充電状態量)、(ＯＣＶ)は開回路電圧、Ｃは係数、Ｄは定数、Ｔはバッテリ温度。この関数はバッテリ温度Ｔに依存するため、各温度にて予め計測を行い、各温度における定数Ｄを決定しておく。そして検知されたバッテリ温度Ｔ(又は測定されたバッテリの環境温度から推定されたバッテリ(推定)温度)に従って定数Ｄを定める。バッテリ温度Ｔは測定期間中の所定のタイミングの値(初期値、最新値、または中間点での値等)、または測定期間中での平均値を求めて使用する。記憶部３には、上記式(４)と各温度Ｔにおける定数Ｄを格納しておき、温度Ｔに従って定数Ｄを決定する。

なお、上記式(４)では定数Ｄにより充電状態量の温度補償を行っているが、充放電停止後の各電圧降下時でのバッテリ温度Ｔの変化にあまり変化がない場合には温度補償を省略して式(４)を

Ｆ_ＳＯＣ＝Ｃ(ＯＣＶ) (５)

として温度補償を省略することもできる。この場合には、温度Ｔの検知も不要となる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による充電可能なバッテリの状態推定方法では、電圧緩和曲線のサンプルをルックアップテーブル(ＬＵＴ)にして予め記憶部に格納しておき、これを使用する。その他の部分は上記実施の形態と基本的に同じてある。ＬＵＴには、予め車載用バッテリを用いて温度、ＳＯＣを変化させて電圧緩和曲線を測定し、上記式(３)を前提とした電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)として近似式化しておき、これを数値化して表にまとめたものを格納しておく。

図７はこの発明の実施の形態２による充電可能なバッテリの状態推定方法における処理の流れを示す動作フローチャートである。状態推定装置の構成は図２に示したものと基本的に同じであり、記憶部３には電圧緩和曲線のためのＬＵＴが格納されている。

図７の動作フローチャートにおいて、ステップＳ１からステップＳ５までは上記実施の形態１と同じである。そして、ステップＳ５で充放電が再開されたときは、ステップＳ１０に進み、時間ｔに対して記憶してきた電圧値Ｖ_ｍ，ｎから、予め作成されたＬＵＴを参照し、最も一致する曲線を電圧の緩和関数Ｆｖ(ｔ)として選定する。ステップＳ１１では、実施の形態１のステップＳ７と同様に上記式(３)に基づき、選定した電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)から緩和後の開回路電圧(ＯＣＶ)を得る。そしてステップＳ１２では、実施の形態１のステップＳ８と同様に上記式(４)に基づき、得られた開回路電圧ＯＣＶから充電状態量ＳＯＣを予め記憶された関係関数より推定する。

ＬＵＴとしては、予め車載用バッテリを用いて温度、ＳＯＣを変化させて電圧緩和曲線を測定し、式(３)を前提とした電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)として近似式化しておき、これを数値化して表にまとめたものとする。このＬＵＴを用いて電圧緩和関数Ｆｖ(ｔ)を作成することにより、近似曲線を最小自乗法等による計算を用いて求めるよりも格段に速くすることが可能となる。

なお上記実施の形態と同様に、充電状態量ＳＯＣの温度補償を省略する場合には、上記式(５)よりＳＯＣ(充電状態量)を求め、温度Ｔの検知、およびＬＵＴでの温度毎のデータは不要となる。

また、図１、７のステップＳ１〜Ｓ２が充放電判定部を構成し、ステップＳ３〜Ｓ５が電圧経時変化計測部、温度経時変化計測部を構成し、図１のステップＳ６〜Ｓ８、図７のステップＳ１０〜Ｓ１２が充電状態量推定部を構成し、これらは演算部１で実行される。

１演算部、２検知部、３記憶部、４タイマ、５充電制御部、６バッテリ、７充電装置、８負荷、１０状態推定装置。

Claims

充電可能なバッテリの状態推定方法であって、
前記バッテリの電流からバッテリが充放電状態から充放電停止したことを判定し、
前記充放電停止からの時間ｔにおける電圧低下の経時変化を計測し、
計測した電圧の緩和挙動を近似曲線として緩和関数Ｆｖ(ｔ)で表し、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)から前記バッテリの充電状態量を推定し、
前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)が、それぞれ前記バッテリで生じる異なる事象に係る複数の異なる時定数を有する指数関数の和で表されることを特徴とする充電可能なバッテリの状態推定方法。
前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)が

ここで、Ｖ_０は緩和後のバッテリの開回路電圧、Ａ_ｎ，Ｂ_ｎは係数、ｎは１からｎ(ｎは正の整数)個の事象、τ_ｎは各事象の時定数、
からなり、開回路電圧Ｖ_０からバッテリの充電状態量を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の充電可能なバッテリの状態推定方法。
前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)が３つの事象の異なる時定数を有する指数関数の和で表されることを特徴とする請求項１または２に記載の充電可能なバッテリの状態推定方法。
前記バッテリが鉛バッテリからなり、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)の少なくとも１つの時定数が１０００００秒以上であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１に記載の充電可能なバッテリの状態推定方法。
前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)を、計測した電圧から曲線回帰により作成することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の充電可能なバッテリの状態推定方法。
前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)を、充電状態量を変化させた時のそれぞれの測定された電圧緩和曲線に基づき予め作成された緩和関数を含むＬＵＴを参照し、計測した電圧と最も一致する曲線を電圧の緩和関数として選定して求めることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の充電可能なバッテリの状態推定方法。
前記バッテリの温度も検知し、前記充電状態量の温度補償を行うことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の充電可能なバッテリの状態推定方法。
充電可能なバッテリの状態推定装置であって、
前記バッテリの少なくとも電圧と電流を検知する検知部と、
前記バッテリの電流からバッテリが充放電状態から充放電停止したことを判定する充放電判定部と、
前記充放電停止からの時間ｔにおける電圧低下の経時変化を計測して記憶部に記憶する電圧経時変化計測部と、
計測した電圧の経時変化の緩和挙動を近似曲線として緩和関数Ｆｖ(ｔ)に変換し、前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)から前記バッテリの充電状態量を推定する充電状態量推定部と、
を備え、
前記緩和関数Ｆｖ(ｔ)が、それぞれ前記バッテリで生じる異なる事象に係る複数の異なる時定数を有する指数関数の和で表されることを特徴とする充電可能なバッテリの状態推定装置。