JP2016125882A - 充電状態検出装置、充電状態検出方法、移動体 - Google Patents

充電状態検出装置、充電状態検出方法、移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】負荷が接続された状態での充電状態を測定可能とする充電状態検出装置を提供する。【解決手段】本充電状態検出装置50は、負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出装置であって、充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第1時点での前記蓄電デバイスの第1電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第2時点での前記蓄電デバイスの第2電圧と、を検出する電圧検出部51と、前記第2電圧から前記第1電圧を減算して電圧変化量を検出する電圧変化量検出部54と、前記第1電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出部55と、を有する。【選択図】図3

Description

本発明は、充電状態検出装置、充電状態検出方法、移動体に関する。
リチウムイオン二次電池に代表される蓄電デバイスは様々な機器に使用されているが、充電状態によって入出力性能が異なる性質を有するため、より正確な充電状態の推定技術が必要である。そのため、様々な方法を用いて充電状態の推定を実施している。
一例として、電池エネルギ残量を示す残容量が10%〜90%の間に、電池の電圧と残容量との相関関係が明確となる変化を示す変極点を複数有するリチウムイオン二次電池の電池容量検出装置を挙げることができる。
この電池容量検出装置は、電池の電圧及び電圧変化率を検出する電圧検出手段と、電圧変化率が所定の閾値を超えた点を変極点と検出する変極点検出手段と、電池の充放電電流を電流積算値として積算する電流積算手段とを有している。そして、変極点が検出された時点で、電流積算手段により積算された電流積算値に基づいて複数の変極点の何れであるかを判定すると共に、変極点に対応する電池容量を、変極点と電池容量とが対応付けられたテーブルから検索して第1電池容量とする。
又、変極点の検出時点から、電圧検出手段で検出された電圧が満充電電圧となった時点までの電流積算手段での電流積算値を第2電池容量とし、第2電池容量と第1電池容量とを加算して満充電容量を求める。
しかしながら、上記の技術では、満充電容量を精度よく求めることができるとされているが、負荷が接続された状態での充電状態については考慮されていない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、負荷が接続された状態での充電状態を測定可能とする充電状態検出装置を提供するものである。
本充電状態検出装置は、負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出装置であって、充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第1時点での前記蓄電デバイスの第1電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第2時点での前記蓄電デバイスの第2電圧と、を検出する電圧検出部と、前記第2電圧から前記第1電圧を減算して電圧変化量を検出する電圧変化量検出部と、前記第1電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出部と、を有することを要件とする。
開示の技術によれば、負荷が接続された状態での充電状態を測定可能とする充電状態検出装置を提供できる。
第1の実施の形態に係る充電状態検出装置が適用されるハイブリッド車両の概略構成図である。 第1の実施の形態に係る電池の充電率対電圧特性を例示する図である。 第1の実施の形態に係るバッテリ制御ユニットの機能ブロックを例示する図である。 第1の実施の形態に係る充電状態推定の方法を示すフローチャートの例である。 電池の劣化前後の充電率対電圧特性を例示する図である。 第2の実施の形態に係るバッテリ制御ユニットの機能ブロックを例示する図である。 第2の実施の形態に係る劣化推定の方法を示すフローチャートの例である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、各実施の形態では、一例として、ハイブリッド車両に搭載された電池の充電状態を高精度で検出可能な充電状態検出装置について説明する。
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係る充電状態検出装置が適用されるハイブリッド車両の概略構成図である。図1において、バッテリパック10は、電池11と、モニタユニット12とを有する。なお、バッテリパック10には、電池11が最低1つ含まれていればよいが、高出力化のために2つ以上の電池11を直列接続や並列接続しても構わない。
電池11は、充放電可能な電池である。電池11としては、例えば、リチウムイオン電池等を用いることができる。モニタユニット12は、電池11の状態をモニタする機能を有する。モニタユニット12は電圧センサ、電流センサ、温度センサ等を備えていてもよい。なお、電池11は、本発明に係る蓄電デバイスの代表的な一例である。
エンジン20は、ガソリンや軽油等を燃料とする周知の内燃機関である。モータ30は、電動機及び発電機として機能する周知の発電電動機である。なお、電池11はモータ30が電動機として機能する際に電力を供給する役割と、モータ30が発電機として機能する際に回生エネルギを蓄える役割を担っている。
PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)やHEV(Hybrid Electric Vehicle)を含むハイブリッド車両では、エンジン20とモータ30とを併用している。そして、エンジン20から出力される動力と、モータ30から出力される動力の少なくとも一方の動力により走行する。
システム制御ユニット40は、モータ30の動力のみで動作するEVモード(第1モード)と、モータ30の動力とエンジン20の動力とを併用して動作するHEVモード(第2モード)との切り替えを制御可能に構成されたECU(Electronic Control Unit:電子制御ユニット)である。システム制御ユニット40は、電池11の充電の制御や回生動作の制御等の他の様々な制御を可能に構成されていても構わない。
システム制御ユニット40は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、メインメモリ等を含むように構成することができる。この場合、システム制御ユニット40の各種機能は、ROM等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることによって実現できる。システム制御ユニット40のCPUは、必要に応じてRAMからデータを読み出したり、格納したりできる。システム制御ユニット40は、本発明に係る制御部の代表的な一例である。
バッテリ制御ユニット50は、電池11の充放電状態を管理制御する機能を有し、充電部60を介して電池11を充電する。又、バッテリ制御ユニット50は、電池11の充電状態を検出する機能を有している。なお、ハイブリッド車両がPHEVである場合には、充電部60には外部電源用プラグ65が設けられており、外部電源用プラグ65をコンセントに差し込むことで直接充電可能である。
バッテリ制御ユニット50は、例えば、CPU、ROM、RAM、メインメモリ等を含むように構成してもよい。この場合、バッテリ制御ユニット50の各種機能は、ROM等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることによって実現できる。バッテリ制御ユニット50のCPUは、必要に応じてRAMからデータを読み出したり、格納したりできる。なお、システム制御ユニット40やバッテリ制御ユニット50は、CAN(Controller Area Network)等により相互にデータの送受信が可能に構成されている。
但し、バッテリ制御ユニット50の一部の機能をシステム制御ユニット40が担ってもよいし、システム制御ユニット40の一部の機能をバッテリ制御ユニット50が担ってもよい。又、システム制御ユニット40及びバッテリ制御ユニット50を物理的に1つのECUとして実現してもよいし、3つ以上のECUとして実現してもよい。
ここで、電池11の充電率と電圧との関係について説明する。本実施の形態に係る電池11において、正極又は負極に単一の活物質を使用してもよいが、正極又は負極に電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を混ぜた電極を使用してもよい。以降の説明は、電池11において、正極又は負極に電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を混ぜた電極を使用した例について説明する。
図2は、第1の実施の形態に係る電池の充電率対電圧特性を例示する図である。図2に示す特性の電池11は、正極又は負極中に電圧勾配の大きい活物質と電圧勾配の小さい活物質が混合されている。この場合、異なる活物質は混ざるだけで、化学反応するものではないため、充放電時の各電圧におけるイオンの出し入れは、材料固有のものとして、充電特性に現れることになる。
そのため、図2に示すように、充電状態(充電率)と電圧との関係を示す充電率対電圧曲線は、電圧変化量の異なる複数の領域を備えたものとなる。具体的には、図2の例では、比較的フラットなB領域及びD領域や、比較的傾斜の大きなA領域、C領域及びE領域が現れ、単純な減少特性等にはならない。
図2に示す特性の電池11は、例えば、正極又は負極中に、電圧勾配の異なるリチウムイオンを脱挿入可能な材料が2つ以上混合されている非水溶媒系蓄電素子により実現できる。この場合、正極の材料の1つは、例えば、Li(POを基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又は該リン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物(以下、リン酸バナジウムリチウムと呼ぶ)とすることができる。
電池11において、電池の充電状態を精度よく検出すること、例えば、SOC(State Of Charge)を精度よく検出することは、極めて重要である。例えば、システム制御ユニット40がSOCの検出結果に基づいてEVモードからHEVモードに切り替えを行う場合、SOCを精度よく検出できないと、本来の仕様とは異なる間違ったSOCでモード切り替えが行われることになる。その結果、HEVモードでの出力特性を十分確保できなかったり、ハイブリッド車両としての走行性能を損なったりするおそれがある。
そこで、本実施の形態では、以下の方法により、SOCを精度よく検出している。図3に示すバッテリ制御ユニットの機能ブロック図、図4に示すフローチャート等を参照しながら、本実施の形態に係るSOCの検出方法について説明する。なお、図3に示すバッテリ制御ユニット50は、本発明に係る充電状態検出装置の代表的な一例である。
まず、図4のステップS101では、バッテリ制御ユニット50の電圧検出部51は、電池11の電圧が予め決めていた電圧Vに達したか否かを判定し、達していないと判定した場合(Noの場合)には、ステップS101の処理を繰り返す。一方、達していたと判定した場合(Yesの場合)には、ステップS102に移行する。
次に、ステップS102では、バッテリ制御ユニット50の充電状態推定部52は、電池11の現在のSOCを粗推定する。具体的には、充電状態推定部52は、例えば、記憶部56に記憶されている、電圧とSOCとの関係を示すテーブルを読み出し、読み出したテーブルに基づいて、電圧検出部51の検出した電池11の電圧に対応するSOCを推定する。
次に、ステップS103では、バッテリ制御ユニット50の通信部53は、SOCの精密な検出を開始するという情報をシステム制御ユニット40に送り、システム制御ユニット40に充電電流の供給の開始を要求する。そして、通信部53から要求を受けたシステム制御ユニット40は、充電部60を介して電池11の定電流充電を開始する。充電部60から供給される電流は、例えば、パルス電流とすることができる。そして、通信部53は、満充電に至る前の所定のタイミングで、システム制御ユニット40に充電電流の供給の停止を要求する。
なお、本実施の形態では、所定の時点における電池11の充電状態を検出することを目的としているので、ステップS103では電池11を満充電まで充電するのではなく、電池11の充電特性におけるごく限られた範囲のみを充電する。
次に、ステップS104では、バッテリ制御ユニット50の電圧検出部51は、電池11の充電前後の電圧を検出する。具体的には、電池11の充電開始時(電流の供給が開始された第1時点)の電圧(第1電圧)がV、充電終了時(電流の供給が停止された第2時点)の電圧(第2電圧)がVであるとすれば、電圧検出部51は、電圧V及びVを検出する。又、電圧変化量検出部54は、電池11の定電流充電中の電圧変化量ΔV=V−Vを検出する。なお、電圧V及び電圧Vは、予め決めていた電圧Vよりも低い電圧である。
次に、ステップS105では、バッテリ制御ユニット50の充電状態検出部55は、ステップS104で検出した電圧V及び電圧変化量ΔVに基づいて、電池11のSOCを検出する。具体的には、例えば、記憶部56に電池11のSOCと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータ(テーブル等)を記憶しておく。SOCと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータは、例えば、SOCが2〜5%程度変化するごとのデータとすることができる。そして、充電状態検出部55は、検出された電圧V及び電圧変化量ΔVと、記憶部56に記憶していたデータとを比較することにより、電圧V及び電圧変化量ΔVに対応するSOCを検出する。これにより、電池11の現在の充電状態を検出できる。
Figure 2016125882
表1は、記憶部56に記憶するテーブルの一例である。例えば、ステップS104で検出した電圧Vが3.8(V)、電圧変化量ΔVが0.03(V)であれば、表1より、SOC=80%と検出することができる。この方法では、電圧Vがほぼフラットな領域(例えば、電圧V=3.8(V)近傍の領域)でもSOCを正確に測定することができる。なお、表1の1つのΔVを測定するための充電時間(第1時点から第2時点までの時間)は任意に設定できるが、例えば、0.1s〜30秒程度とすることができる。
この時、電池11の温度に対応した、SOCと電圧及び電圧変化量との関係を示す複数のデータ(例えば、複数のテーブル等)を記憶部56に記憶しておくことが好ましい。これにより、充電状態検出部55は、モニタユニット12がモニタリングした情報に基づいて電池11の温度を検出し、現在の温度に対応したデータを記憶部56から読み出すことで、SOCの検出精度を向上できる。
ここで、ステップS101の電圧Vは、図2のB領域又はD領域であることが好ましが、A領域、C領域、E領域であってもよい。特に、図4の方法は、比較的フラットなB領域又はD領域において精度よくSOCを検出するのに有効だからである。
又、A領域からE領域の同一領域内で複数の電圧を設定してもよい。つまり、電圧変化量ΔVを複数回測定してもよい。例えば、電圧検出部51が同一領域又は異なる領域の電圧V、V、Vを検出し、電圧変化量検出部54がΔV=V−V、ΔV=V−Vを検出し、電圧V及びV、並びに電圧変化量ΔV及びΔVに基づいて、電池11のSOCを検出することができる。
又、異なる領域にわたって複数の電圧を設定してもよい。この場合には、ステップS103では、図2の各領域の境界である何れかの変極点よりも低充電率側の所定電圧で電流の供給が開始され、この変極点よりも高充電率側の所定電圧まで充電されたときに、電流の供給を停止する。これにより、何れかの変極点を跨いで充電が行われるため、電圧変化量が大きく変わる点を検出することができる。その結果、電池11の現在の充電状態を精度よく検出できる。
このように、第1の実施の形態では、ごく限られた所定時間、電池11を充電して充電前後の電圧、及び充電前後の電圧変化量を測定する。この際、従来の充電状態検出方法のように、ランダムな電流により充電するのではなく、定電流充電するため、負荷が接続された状態でも、精度よく電圧及び電圧変化量を測定できる。その結果、負荷が接続された状態でも、測定した電圧及び電圧変化量に基づいて、精度よく充電状態(SOC)を検出できる。
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、充電状態検出装置が電池の劣化推定機能を備えている例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
電池11が電池電圧に対して出力特性の異なる活物質を混ぜた電極を使用している場合、
活物質の種類による劣化速度の違いにより、本実施の形態に係る電池11の初期と劣化後の充電率対電圧特性は、例えば、図5のようになる。図5の実線(A領域、B領域、C領域、D領域、E領域)は、電池11の初期(劣化前)の充電率対電圧特性を例示している。
又、図5の破線(A'領域、B'領域、C'領域、D'領域、E'領域)は電池11の劣化後の充電率対電圧特性を例示している。
図5の例では、比較的劣化し難い活物質の特性が現れているB領域とD領域では、劣化前後で充電率(フラットな領域の幅)がほとんど変化していない。これに対して、比較的劣化し易い活物質の特性が現れているA領域とC領域とE領域では、劣化に伴い充電率が減っている(内部抵抗の上昇により、傾斜が大きくなり幅が減っている)。
このように、劣化速度の異なる複数の活物質を含む電極を備えた電池11は、充電率対電圧曲線において劣化速度の速い活物質の特性に依存する領域と、劣化速度の遅い活物質の特性に依存する領域とを有する。そのため、劣化が進行した場合、比較的劣化し易い活物質が先に劣化し、その活物質の特性に依存する領域の容量が初期より少なくなる。そして、各活物質の特性への寄与度は、電池電圧によって異なる。
そこで、電池11の充電率対電圧曲線の劣化前後での特性変化により、電池11の劣化状態を推定することができる。具体的には、以下の方法により、電池11の劣化状態を推定することができる。
図6に示すバッテリ制御ユニットの機能ブロック図、図7に示すフローチャート等を参照しながら、本実施の形態に係る電池11の劣化状態の推定方法について説明する。なお、図6に示すバッテリ制御ユニット50は、本発明に係る充電状態検出装置の代表的な一例である。
まず、第1の実施の形態のステップS101からS104と同様にして、バッテリ制御ユニット50の電圧検出部51は、電池11の充電前後の電圧V及びVを検出する。又、電圧変化量検出部54は、電池11の定電流充電中の電圧変化量ΔV=V−Vを検出する。
次に、ステップS205では、バッテリ制御ユニット50の劣化状態検出部57は、ステップS104で検出した電圧V及び電圧変化量ΔVに基づいて、電池11の劣化状態を検出(推定)する。具体的には、記憶部56に、劣化前(初期)の電池11のSOCと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータ(テーブル等)と、劣化後の電池11のSOCと電圧及び電圧変化量との関係を示すデータ(テーブル等)を記憶しておく。そして、劣化状態検出部57は、検出された電圧V及び電圧変化量ΔVと、記憶部56に記憶していた劣化前後のデータとを比較することにより、現在の電池11の劣化状態を検出することができる。
このように、第2の実施の形態では、電池の劣化状態を検出することができる。この際、第1の実施の形態と同様に、定電流充電後に電圧及び電圧変化量を測定するため、負荷が接続された状態でも、精度よく電圧及び電圧変化量を測定できる。その結果、負荷が接続された状態でも、測定した電圧及び電圧変化量に基づいて、精度よく劣化状態を検出できる。
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上記の実施の形態では、本発明に係る充電状態検出装置を電池(特に、リチウムイオン電池)に適用する例を示した。しかし、本発明に係る充電状態検出装置は、リチウムイオン電池以外の充電可能な電池、電気二重層コンデンサ等のキャパシタ等を含む様々な蓄電デバイスに適用することができる。
又、上記の実施の形態では、本発明に係る充電状態検出装置を搭載可能な移動体の一例としてPHEVやHEVを用いて説明を行った。しかし、移動体は、PHEVやHEVには限られず、例えば、蓄電デバイスを使用して走行可能な機関車やバイクであってもよい。又、移動体は、蓄電デバイスを使用して走行可能な、工場等で使用される搬送用ロボットであってもよい。又、移動体は、その物体全体が移動せず、一部のみが移動するもの、例えば、工場の製造ラインに配される、蓄電デバイスを使用してアーム等が動作可能な組立ロボットであってもよい。
10 バッテリパック
11 電池
12 モニタユニット
20 エンジン
30 モータ
40 システム制御ユニット
50 バッテリ制御ユニット
51 電圧検出部
52 充電状態推定部
53 通信部
54 電圧変化量検出部
55 充電状態検出部
56 記憶部
57 劣化状態検出部
60 充電部
65 外部電源用プラグ
特許5282789号

Claims (10)

  1. 負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出装置であって、
    充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第1時点での前記蓄電デバイスの第1電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第2時点での前記蓄電デバイスの第2電圧と、を検出する電圧検出部と、
    前記第2電圧から前記第1電圧を減算して電圧変化量を検出する電圧変化量検出部と、
    前記第1電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出部と、を有することを特徴とする充電状態検出装置。
  2. 前記蓄電デバイスの充電状態と電圧との関係を示すデータを記憶する記憶部を有し、
    前記充電状態検出部は、前記第1電圧及び前記電圧変化量と前記データとを比較することにより前記蓄電デバイスの充電状態を検出することを特徴とする請求項1記載の充電状態検出装置。
  3. 前記蓄電デバイスの充電率と電圧との関係を示す充電率対電圧曲線は、電圧変化量の異なる複数の領域を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の充電状態検出装置。
  4. 前記電流の供給の開始及び停止を要求する通信部を有し、
    前記蓄電デバイスの電圧が、前記領域の境界である変極点よりも低充電率側の所定電圧の時に、前記通信部が前記電流の供給の開始を要求し、前記要求に基づいて、前記第1時点で前記電流の供給が開始され、
    前記蓄電デバイスの電圧が、前記変極点よりも高充電率側の前記第2電圧まで充電されたときに、前記通信部が前記電流の供給の停止を要求し、前記要求に基づいて、前記第2時点で前記電流の供給が停止されることを特徴とする請求項3記載の充電状態検出装置。
  5. 前記蓄電デバイスの正極又は負極中に、電圧勾配の異なるリチウムイオンを脱挿入可能な材料が2つ以上混合されていることを特徴とする請求項3又は4記載の充電状態検出装置。
  6. 前記蓄電デバイスの正極の材料は、Li(POを基本骨格とするリン酸バナジウムリチウム又は該リン酸バナジウムリチウムの構造の一部を変性した類似化合物を含んでいることを特徴とする請求項5記載の充電状態検出装置。
  7. 前記第1電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの劣化状態を推定する劣化状態検出部を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項記載の充電状態検出装置。
  8. 前記蓄電デバイスと、前記充電部と、前記蓄電デバイスから供給される電力により動作するモータと、エンジンと、請求項1乃至7の何れか一項記載の充電状態検出装置と、を有する移動体。
  9. 前記充電状態検出装置の検出結果に基づいて、前記モータの動力のみで動作する第1モードと、前記モータの動力と前記エンジンの動力とを併用して動作する第2モードと、の切り替えを制御する制御部を有する請求項8記載の移動体。
  10. 負荷が接続された状態で蓄電デバイスの充電状態を検出する充電状態検出方法であって、
    充電部から前記蓄電デバイスを定電流充電する電流の供給が開始された第1時点での前記蓄電デバイスの第1電圧と、前記電流の供給が停止された、満充電に至る前の第2時点での前記蓄電デバイスの第2電圧と、を検出するステップと、
    前記第2電圧から前記第1電圧を減算して電圧変化量を検出するステップと、
    前記第1電圧及び前記電圧変化量に基づいて、前記蓄電デバイスの充電状態を検出するステップと、を有することを特徴とする充電状態検出方法。
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