JP2014196943A - 充電可能なバッテリの状態推定方法およびその装置 - Google Patents
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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)。
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。
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。
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Vm,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Vm,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Vm,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、An,Bnは各事象の係数で、τnは各事象の時定数、V0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V0(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。
FSOC(T)=C(OCV)+D (4)
ここで、FSOC(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
FSOC=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。
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Vm,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 (8)
- 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。
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JP2013072449A JP2014196943A (ja) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | 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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CN113702844A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-26 | 荣盛盟固利新能源科技股份有限公司 | 评估整车回馈过充行为对电池寿命影响的方法 |
WO2022254900A1 (ja) * | 2021-06-02 | 2022-12-08 | 株式会社日立製作所 | 状態判定装置、二次電池システム及び状態判定方法 |
WO2024122165A1 (ja) * | 2022-12-08 | 2024-06-13 | 株式会社日立製作所 | 二次電池の診断装置及び二次電池の診断方法 |
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2013
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CN113702844B (zh) * | 2021-08-02 | 2024-04-16 | 荣盛盟固利新能源科技股份有限公司 | 评估整车回馈过充行为对电池寿命影响的方法 |
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