JP2018169284A - 蓄電池制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＨＱ演算方法において、２点のＳＯＣｖとその間での電流積算値により満充電容量を算出する方法が知られているが、ＯＣＶ推定誤差等の多様な誤差要因によりＳＯＨＱの精度が低下してしまう課題がある。【解決手段】電池の電流値及び／又は電圧値を含む値に基づいてＳＯＨＱを演算するＳＯＨＱ演算部と、前記電池の内部抵抗に基づいてＳＯＨＱ閾値を決定する閾値決定部と、前記ＳＯＨＱ演算部による前記ＳＯＨＱと前記ＳＯＨＱ閾値との比較に基づいてＳＯＨＱを決定するＳＯＨＱ決定部と、を備える電池制御装置。【選択図】 図３

Description

本発明は、リチウムイオン電池等を用いた蓄電池システムの、特に劣化状態を推定する方法に関する。

近年、地球温暖化問題に対応するため、エネルギーの有効利用が可能な蓄電池に注目が集まっている。特に、移動体向け蓄電装置や系統連系安定化用蓄電装置といった電池システムは、化石燃料への依存度を下げることが可能であるため、一層の普及が期待されている。これらシステムの性能を引き出すには電池の充電率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、以下ＳＯＣと略す）や劣化度（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ、以下ＳＯＨと略す）、充放電可能な最大電流（許容電流）といったパラメータを用いた適切な充放電制御や、各電池の充電率均等化が必要である。これらを実現するため各電池には電池電圧計測用の回路（セルコントローラ）が取り付けられ、これらセルコントローラから送信される情報に基づき中央演算処理装置（ＣＰＵ）を搭載したバッテリコントローラが前記演算や動作を実行する。

中でも寿命到達まで電池を有効に使用するために重要な指標となるＳＯＨ演算には、抵抗（内部抵抗）の劣化率（以下ＳＯＨＲと略す）と容量の劣化率（以下ＳＯＨＱと略す）の２種類があり、それぞれによって把握できる電池性能は異なる。ＳＯＨＲでは、現在の抵抗を知ることが出来るため、現在の電池が出力できる電力を知ることで出力性能の把握が可能である。一方でＳＯＨＱでは、現在の満充電容量を知ることができるため、現在の電池の負担できる電力量を知ることで容量性能の把握が可能である。

このＳＯＨＱを演算する方法として、充放電中の電圧から推定した２点の開放電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ、以下ＯＣＶと略す）を元に算出したＳＯＣ（以下ＳＯＣｖと略す）と、その２点間の電流積算値に基づいて現在の満充電容量を推定し、電池の初期満充電容量と比較することでＳＯＨＱを演算する方法が知られている。しかし、電池が充放電されている状態でＯＣＶを正確に推定することは困難である上に、電圧センサの誤差や電流センサの誤差等多くの誤差要因により、ＳＯＨＱの真値を精度よく推定できず、真値から大きく乖離した外れ値を出力してしまう課題を有している。

ＳＯＨＱ演算に関する先行技術には特許文献１がある。この文献では、ＳＯＣｖと電流積算値によって演算したＳＯＨＱと、電池の使用が開始されてから現在までの総放電容量に基づいて推定したＳＯＨＱを組み合わせることで、ＳＯＨＱの外れ値を除外し高精度化を図っている。一方で、総放電容量に基づいて推定したＳＯＨＱとは、電池の代表的な特性値からＳＯＨＱと総放電容量の関係式を導いているため、電池のＳＯＨＱの個体差や総放電容量に依らない劣化要因には対応できないという課題を有している。

特開２０１６−０７０６８２

ＳＯＨＱ演算方法においては、２点のＳＯＣｖとその間での電流積算値により満充電容量を算出する方法が知られているが、ＯＣＶ推定誤差等の多様な誤差要因によりＳＯＨＱの精度低下が課題であった。また、このＳＯＨＱと総放電容量から算出したＳＯＨＱを組み合わせることでこの精度向上を図る方法も知られているが、電池の個体差や総放電容量に依らない劣化要因に対応できないという課題を有している。故に、ＳＯＨＱ演算には、ＳＯＨＱの精度が向上することと、電池個体差や電池の多様な劣化要因にも対応可能である必要がある。

電池の電流値及び／又は電圧値を含む値に基づいてＳＯＨＱを演算するＳＯＨＱ演算部と、前記電池の内部抵抗に基づいてＳＯＨＱ閾値を決定する閾値決定部と、前記ＳＯＨＱ演算部による前記ＳＯＨＱと前記ＳＯＨＱ閾値との比較に基づいてＳＯＨＱを決定するＳＯＨＱ決定部と、を備える電池制御装置。

本発明によれば、電池のＳＯＨＱを高精度に演算することが可能であり、且つ、電池情報から直接的に推定している内部抵抗の劣化指標ＳＯＨＲに基づくＳＯＨＱ閾値を用いることで、電池個体差や多様な劣化要因にも対応可能である。

蓄電池システムの構成例 ＳＯＣｖ演算部の構成例 ＳＯＨＲとＳＯＨＱの相関関係に基づくＳＯＨＱ演算部の例 ＳＯＣｖに基づくＳＯＨＱとＳＯＨＲに基づくＳＯＨＱの差による重み付け例 ＳＯＨＲとＳＯＨＱの相関関係の例 電池の使用履歴に対応するＳＯＨＱ演算部の例 ＳＯＨＲの急変に対応するＳＯＨＱ演算部の例

以下、本発明について説明する。

≪実施例１≫
以下、第一の実施例について、図１から４を用いて説明する。図１に本発明にかかる電池システムを示す。この構成は移動体向け蓄電装置、系統連系安定化用蓄電装置等幅広い用途で使用される形態であり、電力を蓄える電池システム１と、電池システム１に対し充放電を行うインバータ１０４と、インバータに接続された負荷１０５と、電池システム１やインバータ１０４を制御する上位コントローラ１０３から構成される。

電池システム１は、電力の蓄電や放電及びこれらに必要な制御値であるＳＯＣや、電池の現在の性能把握に必要な制御値であるＳＯＨ許容電流等の電池の制御値演算を行う。上位コントローラ１０３は、負荷１０５の状態や電池システム１が出力した電池の制御値、その他外部からの指令に応じ蓄電池モジュール１００の制御や、インバータ１０４に対する電力の入出力指令を行う。インバータ１０４は上位コントローラ１０３からの指令に従い、蓄電池モジュール１００及び負荷１０５に対して電力の入出力を行う。負荷１０５は例えば三相交流モータや電力系統である。

蓄電池モジュール１００の出力する電圧は充電率に応じて変化する直流電圧であり、多くの場合交流を必要とする負荷１０５へ電力を直接提供することはできない。そこで、インバータ１０４は必要に応じ直流から交流への変換や電圧の変換を行う。このような構成にすることで、電池システムは負荷に適した出力を適宜供給することが可能となる。以下、この構成を実現するための電池システム１の構成について述べる。

電池システム１は蓄電池モジュール１００と、蓄電池情報取得部１０１と、バッテリーマネジメントシステム１０２から構成され、電力の蓄電・放電をし、ＳＯＣ・許容電流といった電池の制御値を演算する。

蓄電池モジュール１００は複数の蓄電池から構成される。各蓄電池は蓄電池モジュール１００に要求される出力電圧や容量に応じ、直列、又は並列に接続されている。この直列数は、蓄電池の出力電圧がそのＳＯＣに応じ変化することを考慮して決定する。

蓄電池情報取得部１０１は、蓄電池に流れる電流値を測定する電流センサ１０６、蓄電池表面温度を測定する温度センサ１０７、蓄電池電圧を測定する電圧センサ１０８から成る。

電流センサ１０６は蓄電池モジュール１００と外部との間に１つ、もしくは複数設置する場合がある。１つ設置した場合にはコストを最小限に抑えることが可能である。複数設置した場合には並列接続している蓄電池間の電流配分を把握することが可能である。

電圧センサ１０８は各蓄電池に１つ設置する。これにより各蓄電池間の電圧差測定が可能となり、これを元にした各蓄電池電圧の均等化制御が可能となる。

温度センサ１０７も蓄電池モジュール１００内の温度差を把握するために１つ、もしくは複数設置する。１つ設置した場合には、最小限のコストで蓄電池モジュール１００内の最高温度になる予測できる地点の温度を計測できる。複数設置した場合には、蓄電池モジュール１００内の温度ばらつきを計測することで、最低温度や最高温度を考慮した制御構築が可能となる。

バッテリーマネジメントシステム１０２は主にＳＯＣ演算部１０９、ＳＯＨ演算部１１０、許容電流演算部１１１から成る。ＳＯＣ演算部１０９は電流積算量からＳＯＣを演算するＳＯＣｉ演算部１１２と、電池の電圧、電流、温度から推定したＯＣＶを元にＳＯＣを演算するＳＯＣｖ演算部１１３から成る。ＳＯＨ演算部１１０は、これら電池取得部１０１からの情報とＳＯＣを元に、抵抗（内部抵抗）の劣化率であるＳＯＨＲを演算するＳＯＨＲ演算部１１４と容量の劣化率であるＳＯＨＱを演算するＳＯＨＱ演算部１１５から成る。許容電流演算部１１１はこのＳＯＨ及び電池情報を元にして充放電可能な最大電流である許容電流を演算する。バッテリーマネジメントシステム１０２は、これらＳＯＣ演算部１０９とＳＯＨ演算部１１０、許容電流演算部１１１が演算した電池のＳＯＣやＳＯＨ、許容電流を上位コントローラに出力する。このように上位コントローラ１０３に蓄電池の制御に必要な情報を出力する構成にすることで、上位コントローラ１０３は蓄電池状態を考慮した上で、負荷に対応した電力出力指令を蓄電池に送ることができる。

ＳＯＣｖ演算部１１３は蓄電池の等価回路を用いてＳＯＣを演算している。演算に用いる電池等価回路モデルの構成を図２に示す。本実施例で使用する電池等価回路モデルは、ＯＣＶを電圧源２００で、電解液の抵抗等を表現する直流抵抗を抵抗２０１で、電解液中のイオンの濃度分極等に由来する分極部２０２の抵抗成分を抵抗２０３で、分極容量成分をキャパシタ２０４でそれぞれ表現し、これらの足し合わせで電池の現在の電圧（Ｃｌｏｓｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、以下ＣＣＶと略す）を表現する。尚本実施例では分極項を１個としているが、複数個用いて高精度化を図ってもよい。この等価回路モデルを用いることで、前述した蓄電池情報取得部１０１で測定した電流値、電圧値、温度の各電池情報から、現在の蓄電池のＯＣＶを推定することでＳＯＣを演算することが可能となる。

ＳＯＨＱ演算部１１５の構成を図３に示す。ＳＯＨＱ演算部１１５では、まずＳＯＣｖ演算部１１３から逐次出力されるＳＯＣｖの中から演算に適切な２点のＳＯＣｖ１、２をＳＯＣｖ２点演算部３００によって選択する。前述したようにＳＯＣｖとは電池の等価回路モデルを用いることでＯＣＶを推定しＳＯＣを算出している。この電池の等価回路モデルに誤差が少なく、ＳＯＣ真値とＳＯＣｖが近い値を選択することが重要となる。また、このＳＯＣｖ１、２間で流れた電流値を積算する電流積算部３０１によってＳＯＣｖ１、２間の充放電容量∫Ｉｄｔが演算される。このＳＯＣｖ１、２と∫Ｉｄｔを用いて電池情報から直接的に算出するＳＯＨＱ（以下ＳＯＨＱ_ＳＯＣｖと略す）がＳＯＨＱ_ＳＯＣｖ演算部３０２で演算する。このＳＯＨＱ_ＳＯＣｖの演算式は以下の数（１）の通りである。

Ｑｍａｘとは電池の初期の満充電容量である。このＳＯＨＱ_ＳＯＣｖとは別にＳＯＨＲ演算部１１４で演算されたＳＯＨＲとＳＯＨＱの相関関係により算出するＳＯＨＱ（以下ＳＯＨＱ_ＳＯＨＲと略す）をＳＯＨＱ_ＳＯＨＲ閾値演算部３０３が現在のＳＯＨＲ値を元に演算する。この相関関係は、例えば反比例の関係式で簡易的に示しても良い。一般的にＳＯＨＲとＳＯＨＱの関係はこの反比例の関係に近いことが知られているため、代表電池を評価せずとも相関関係を容易に設定する事が可能である。

一方、代表電池のＳＯＨＲとＳＯＨＱの相関関係を測定しているのであれば、ＳＯＨＲとＳＯＨＱの推移を測定した結果を相関式として導入しても良い。簡易的な反比例式よりも、作製した実電池の挙動を踏まえた相関関係を導入できるため、代表電池を測定しているのであればこちらを採用するのが良い。これらＳＯＨＱ_ＳＯＣｖとＳＯＨＱ_ＳＯＨＲを用いて最終的なＳＯＨＱ演算部３０４にて演算が完了しＳＯＨＱが外部に出力する。

最終的なＳＯＨＱ演算部３０４で行っている演算内容例を示す。図４に示すようにＳＯＨＱ_ＳＯＣｖとＳＯＨＱ_ＳＯＨＲの一致度αを定義する。この図４のＡはＳＯＨＲ演算やＳＯＨＱ_ＳＯＣｖとＳＯＨＱ_ＳＯＨＲの演算誤差を、ＢはＳＯＨＱがＳＯＨＲとの相関関係から最高でもＢ％乖離しうるという値で定めている。ＳＯＨＱ_ＳＯＨＲはαに用いられるのみで最終的な演算結果に直接反映させない処置としたため、ＳＯＨＲとＳＯＨＱの代表電池の相関関係から乖離した劣化モードにも対応可能である。この一致度αを用いてＳＯＨＱ演算の前回結果ＳＯＨＱ＿ｚと（数２）で示す平均化処理を行うことで最終的なＳＯＨＱを演算している。

Ｎとは平均化のサンプリング数である。ＳＯＨＱは急激に変動しないため、ＳＯＨＱ前回値とＮを使用し、演算値の平滑化を図っている。

このような構成によって、ＳＯＨＱ_ＳＯＨＲによって劣化の起こりうる範囲を限定することが可能であるため、ＳＯＨＱ_ＳＯＣｖの課題であった誤差要因を低減し、高精度なＳＯＨＱ演算が可能である。

≪実施例２≫
以下、第二の実施例について、図５を用いて説明する。実施例１ではＳＯＨＲとＳＯＨＱの相関関係式を一つとして考え、そこから算出したＳＯＨＱ_ＳＯＨＲとＳＯＨＱ_ＳＯＣｖの差に応じて平均化処理を行っているが、ＳＯＨＲとＳＯＨＱの関係式は複数持っても良い。本実施例では意図的に代表電池の相関関係から容量の劣化よりも抵抗（内部抵抗）の劣化が起こりやすいような場合と抵抗（内部抵抗）よりも容量の劣化が起こりやすい場合を想定して決定した相関関係を示す。出荷直後の電池はＳＯＨＲもＳＯＨＱも１００％前後であるため劣化する以前はＳＯＨＲとＳＯＨＱの相関関係から大きく乖離することはない。しかし、劣化が進行するにつれて電池の使用方法によってはＳＯＨＱとＳＯＨＲは相関関係から大きく乖離してしまう。この乖離の挙動をあらかじめデータとして持っておくことが可能であれば図５のような閾値を設け、２つの曲線内であれば一致度αを１にするというようにしても良い。実施例１でも述べたようにＳＯＨＱとＳＯＨＲ自体も演算誤差を持つため、この誤差を考慮し図５の曲線からＣ％乖離しても一致度αは１であるといいうようにしても良い。このようにすることで、ＳＯＨＱ閾値演算部で出力する閾値が多様な劣化モードに対応可能で、且つ、劣化範囲を実施例１よりも高精度に把握可能となる。

≪実施例３≫
以下、第三の実施例について、図６を用いて説明する。ＳＯＨＱ_ＳＯＨＲとＳＯＨＱ_ＳＯＣｖを比較する際の閾値は電池の使用履歴に基づいて狭めても良い。この構成に関して図６に示す。電流、温度、電圧情報を元に電池の使用温度、充放電回数等の使用履歴を記憶する使用履歴記憶部６００が、履歴情報を履歴に基づくＳＯＨＱ_ＳＯＨＲ閾値演算部 ６０１に出力する構成が図３との違いである。実施例２に示したように電池の複数の劣化モードを想定して曲線を決めている場合、電池の使用履歴によって想定される劣化モードの範囲が限定できる。例えば図５に示した抵抗劣化が起こりやすいような電池に近い使用履歴であった場合に、抵抗劣化が起こりやすい電池の曲線に近い範囲に劣化モードの範囲を限定することが可能である。このように動的に履歴情報から劣化範囲を特定していくことにより、実施例２よりもＳＯＨＱ演算の高精度化が可能である。

≪実施例４≫
以下、第四の実施例について、図７を用いて説明する。本実施例ではＳＯＨＲの演算値が急激に変化した場合には、ＳＯＨＱの演算にＳＯＨＲの結果を使用しない構成に関して説明する。この構成に関して図７に示す。実施例１の構成との差は、ＳＯＨＲ演算値を逐次検知し急変か否かを判定するＳＯＨＲ急変検知部７００があることである。ＳＯＨＲは基本的に急激に変化することはないため、ＳＯＨＱ_ＳＯＨＲ閾値演算部の出力値も急変しない。しかし、例えば長時間電池が使用されず放置されていた場合に長時間の保存劣化の影響でＳＯＨＲ演算値が急激に変動する場合がある。この時、急変するＳＯＨＲ演算値によってＳＯＨＱ閾値も急変してしまうと、ＳＯＨＱ演算が安定しない。故に、ＳＯＨＲが急変しているとＳＯＨＲ急変検知部７０１が判定した場合にはＳＯＨＱ_ＳＯＨＲを使用せず、ＳＯＨＱ_ＳＯＣｖの結果のみを使用する構成とした。このようにすることで、ＳＯＨＲの急変の影響を受けずに演算が可能である。

以上、本発明について簡単にまとめる。
本発明では、電池の電流値及び／又は電圧値を含む値に基づいてＳＯＨＱを演算するＳＯＨＱ演算部と、電池の内部抵抗に基づいてＳＯＨＱ閾値を決定する閾値決定部と、ＳＯＨＱ演算部によるＳＯＨＱとＳＯＨＱ閾値との比較に基づいてＳＯＨＱを決定するＳＯＨＱ決定部と、を備える。このような構成にすることによって、電池個体差や多様な劣化要因にも対応可能である。

また、本発明では、ＳＯＨＱとＳＯＨＱ閾値との比較方法は電池の内部抵抗に応じて変化する。このような構成にすることによって、抵抗劣化が起こりやすいような電池に近い使用履歴であった場合に、抵抗劣化が起こりやすい電池の曲線に近い範囲に劣化モードの範囲を限定することが可能となる。

また、本発明では、電池制御装置は記憶部を有し、ＳＯＨＱ閾値はあらかじめ記憶部に内蔵しておいた１つ以上の電池の劣化特性に基づいて決定する。

また、本発明では、電池制御装置は電池の現在までの温度や使用履歴によって、記憶部に内蔵されている電池の劣化特性のうち、最も劣化傾向の似ている電池データに基づきＳＯＨＱ閾値を決定する。このように動的に履歴情報から劣化範囲を特定していくことにより、よりＳＯＨＱ演算の高精度化が可能となる。

また、本発明では、電池制御装置は、内部抵抗の変化が急激であった場合にはＳＯＨＱ演算部のみに基づいて最終的なＳＯＨＱを演算する。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ ：電池システム
１００：蓄電池モジュール
１０１：蓄電池情報取得部
１０２：バッテリーマネジメントシステム
１０３：上位コントローラ
１０４：インバータ
１０５：負荷
１０６：電流センサ
１０７：温度センサ
１０８：電圧センサ
１０９：ＳＯＣ演算部
１１０：ＳＯＨ演算部
１１１：許容電流演算部
１１２：ＳＯＣｉ演算部
１１３：ＳＯＣｖ演算部
１１４：ＳＯＨＲ演算部
１１５：ＳＯＨＱ演算部
２００：ＯＣＶ
２０１：直流抵抗
２０２：分極項
２０３：分極抵抗
２０４：分極キャパシタ
３００：ＳＯＣｖ２点選択部
３０１：電流積算部
３０２：ＳＯＨＱ_ＳＯＣｖ演算部
３０３：ＳＯＨＱ_ＳＯＨＲ閾値演算部
３０４：最終的なＳＯＨＱ演算部
６００：使用履歴記憶部
６０１：履歴に基づくＳＯＨＱ_ＳＯＨＲ閾値演算部
７００：ＳＯＨＲ急変検知部

Claims (5)

1. 電池の電流値及び／又は電圧値を含む値に基づいてＳＯＨＱを演算するＳＯＨＱ演算部と、前記電池の内部抵抗に基づいてＳＯＨＱ閾値を決定する閾値決定部と、前記ＳＯＨＱ演算部による前記ＳＯＨＱと前記ＳＯＨＱ閾値との比較に基づいてＳＯＨＱを決定するＳＯＨＱ決定部と、を備える電池制御装置。
2. 請求項１に記載の電池制御装置において、前記ＳＯＨＱと前記ＳＯＨＱ閾値との比較方法は前記電池の内部抵抗に応じて変化することを特徴とする電池制御装置。
3. 請求項１に記載の電池制御装置において、当該電池制御装置はさらに記憶部を有し、前記ＳＯＨＱ閾値はあらかじめ前記記憶部に内蔵しておいた１つ以上の電池の劣化特性に基づいて決定する事を特徴とする電池制御装置。
4. 請求項３に記載の電池制御装置において、前記電池の現在までの温度や使用履歴によって、前記記憶部に内蔵されている電池の劣化特性の内、最も劣化傾向の似ている電池データに基づき前記ＳＯＨＱ閾値を決定する事を特徴とする電池制御装置。
5. 請求項１に記載の電池制御装置において、内部抵抗の変化が急激であった場合には前記ＳＯＨＱ演算部のみに基づいて最終的なＳＯＨＱを演算することを特徴とする電池制御装置。

Images