JP2018205230A

JP2018205230A - 電池劣化推定装置

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Publication number: JP2018205230A
Application number: JP2017113284A
Authority: JP
Inventors: 真吾槌矢; Shingo Tsuchiya; 鎌田　誠二; Seiji Kamata; 誠二鎌田
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】バッテリを外部から充電することでバッテリの劣化状態を推定する場合において、当該バッテリの劣化状態を従来よりも高い精度で推定することができる。【解決手段】組電池が外部から定電流でパルス充電される場合に、電流検出部で検出された電流値の立上がり又は立下がりからの予め定められた期間内において、電圧検出部にて単電池の端子間電圧値が複数回検出されることで得られる前記端子間電圧値の変化量に基づいて、前記単電池の劣化状態を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池劣化推定装置に関する。

従来から、バッテリの内部抵抗値に基づいてバッテリの劣化状態を推定する方法が知られている。
上記バッテリの内部抵抗値を求める方法として、バッテリの内部抵抗に電流を流すことで、当該バッテリの端子間に電圧（端子間電圧）を発生させ、その発生させた端子間電圧値と上記内部抵抗に流れた電流値とに基づいて、バッテリの内部抵抗値を推定する方法がある。

例えば、特許文献１には、バッテリから電流（出力電流）を放電させることでバッテリの内部抵抗に出力電流を流し、その出力電流値と端子間電圧値とに基づいてバッテリの内部抵抗値を推定する方法が記載されている。

特開２０１３−２２１７９０号公報

一方、特許文献１と異なる方法として、バッテリから電流（出力電流）を放電するのではなく、バッテリを外部から充電することでバッテリの内部抵抗に一定の電流を流し、その電流値と端子間電圧値とに基づいて、バッテリの内部抵抗値を推定する方法が考えられる。しかしながら、バッテリを外部から充電する場合において、充電開始時などに過度な電流がバッテリに流れてしまう場合がある。そのため、バッテリの内部抵抗値を精度良く推定できず、バッテリの劣化状態を正しく推定できない場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、バッテリを外部から充電することでバッテリの劣化状態を推定する場合において、当該バッテリの劣化状態を従来よりも高い精度で推定することができる電池劣化推定装置を提供することである。

本発明の一態様は、組電池のうち、少なくとも１つの単電池の端子間電圧値を検出する電圧検出部と、前記単電池に流れる電流値を検出する電流検出部と、前記端子間電圧値と前記電流値とに基づいて、前記単電池の劣化状態を推定する電池劣化推定部とを備える電池劣化推定装置であって、前記電池劣化推定部は、前記組電池が外部から定電流でパルス充電される場合に、前記電流検出部で検出された前記電流値の立上がり又は立下がりからの予め定められた期間内において、前記電圧検出部にて前記端子間電圧値が複数回検出されることで得られる前記端子間電圧値の変化量に基づいて、前記単電池の劣化状態を推定することを特徴とする電池劣化推定装置である。

本発明の一態様は、上述の電池劣化推定装置であって、前記電池劣化推定部は、前記端子間電圧値の変化量から前記単電池のＣＲ時定数を算出し、前記算出したＣＲ時定数に基づいて、前記単電池の劣化状態を推定する。

本発明の一態様は、上述の電池劣化推定装置であって、前記予め定められた期間は、前記端子間電圧値の立上がり又は立下がりの過渡応答の期間を含む。

以上説明したように、本発明によれば、バッテリを外部から充電することでバッテリの劣化状態を推定する場合において、当該バッテリの劣化状態を従来よりも高い精度で推定することができる。

本発明の一実施形態に係る電池劣化推定装置を備えた車両システムＡの概略構成図である。本発明の一実施形態に係る１つの単電池１０における外部充電時の端子間電圧値と充電電流値とのグラフである。本発明の一実施形態に係る電池劣化推定装置９の外部充電における動作の流れを示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電池劣化推定装置を、図を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電池劣化推定装置を備えた車両システムＡの概略構成図である。この車両システムＡは、例えば、図示しないハイブリッド自動車、電気自動車、又は燃料電池自動車等の車両に搭載される。

車両システムＡは、組電池１（バッテリ）、インバータ２、モータ３、第１のリレー４、第２のリレー５、充電器６、充放電制御部７、電流センサ８、及び電池劣化推定装置９を備える。

組電池１は、複数の単電池１０−１，１０−２，…，１０−ｎ（ｎは２以上の整数）を備える。この複数の単電池１０−１，１０−２，…，１０−ｎは、それぞれ直列に接続されている。なお、複数の単電池１０−１，１０−２，…，１０−ｎのそれぞれを区別しない場合には、単に「単電池１０」と標記する。例えば、単電池１０は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池である。

インバータ２は、第１のリレー４を介して組電池１に接続されている。インバータ２は、組電池１から出力される直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給する。

モータ３は、例えば、三相交流モータであり、組電池１に蓄えられた電力により駆動する。具体的には、モータ３は、インバータ２から供給された交流電力により駆動する。そして、モータ３の駆動力は、車両の車輪（不図示）に伝えられる。

第１のリレー４は、組電池１とインバータ２との間に接続されている。第１のリレー４は、充放電制御部７により、オン状態又はオフ状態に制御される。第１のリレー４がオン状態である場合、組電池１とインバータ２とは電気的に接続される。したがって、組電池１からインバータ２に直流電力が放電される。一方、第１のリレー４がオフ状態である場合、組電池１とインバータ２とは電気的に非接続となる。したがって、組電池１からインバータ２に直流電力が放電されない。

第２のリレー５は、充電器６と組電池１との間に接続されている。第２のリレー５は、充放電制御部７により、オン状態又はオフ状態に制御される。第２のリレー５がオン状態である場合には、組電池１と充電器６とは電気的に接続される。一方、第２のリレー５がオフ状態である場合には、組電池１と充電器６とは電気的に非接続となる。

充電器６は、外部電源Ｄから供給される交流電力を所定の直流電力に変換する。そして、充電器６は、変換した直流電力を第２のリレー５を介して組電池１に供給することで、組電池１を充電する。この外部電源Ｄの電力を組電池１に充電することを、外部充電という。充電器６が組電池１を充電する充電モードは、パルス充電であってもよいし、定電圧充電であってもよい。充電器６は、充放電制御部７によって動作が制御される。例えば、充電器６の充電モードは、充放電制御部によって、切り替えられる。ここで、本実施形態に係るパルス充電は、定電流での充電状態（定電流状態）と充電しない休止状態とを交互に繰り返すことである。

本実施形態では、一例として、充電器６は、定電流定電圧充電方式（ＣＣＣＶ（Constant Current Constant Voltage））にて外部充電を行う。すなわち、充電器６は、外部充電開始後、まず、パルス充電で外部充電を行い、単電池１０の端子間電圧が予め設定された値に到達すると定電圧充電に切り替えて単電池１０の端子間電圧が所定の電圧（例えば、満充電の電圧）に到達するまで充電する。

外部電源Ｄは、車外に設けられた商用電源であって、例えば、充電スタンドである。

充放電制御部７は、組電池１の充放電を制御する。具体的には、充放電制御部７は、第１のリレー４のオン状態又はオフ状態を制御することで、組電池１からインバータ２への電力の放電を制御する。また、充放電制御部７は、第２のリレー５のオン状態又はオフ状態を制御することで、組電池１への充電を制御する。
充放電制御部７は、充電器６の充電モードを切り替える。本実施形態では、充放電制御部７は、充電器６の充電モードを、パルス充電又は定電圧充電に切り替える。

充放電制御部７は、電池劣化推定装置９と情報を送受する。例えば、充放電制御部７は、組電池１の充放電に関する情報を電池劣化推定装置９と送信する。具体的には、組電池１の充放電に関する情報とは、外部充電の開始を示す情報（充電開始信号）や、外部充電の停止を示す情報（充電停止信号）等である。

電流センサ８は、組電池１を流れる電流を検出する。例えば、外部充電されている場合には、電流センサ８で検出される電流は充電電流である。一方、組電池１から電力が放電される場合には、電流センサ８で検出される電流は放電電流である。電流センサ８は、検出した電流に応じた検出信号を電池劣化推定装置９に出力する。例えば、電流センサ８は、カレントトランス、ロゴスキーコイル、又はシャント抵抗等である。

図１に示すように、電池劣化推定装置９は、電圧検出部９１、電流検出部９２、及び電池劣化推定部９３を備える。

電圧検出部９１は、組電池１のうち、少なくとも１つの単電池１０の端子間電圧値を検出する。例えば、電圧検出部９１は、複数の単電池１０の各端子（正極端子及び負極端子）にそれぞれ接続されている。そして、電圧検出部９１は、各単電池１０の端子電圧値の差分を取ることにより各単電池１０の端子間電圧値を検出する。

電流検出部９２は、電流センサ８から出力される検出信号に基づいて、組電池１を流れる電流値を検出する。組電池１を流れる電流値とは、単電池１０のそれぞれに流れる電流値である。

電池劣化推定部９３は、外部充電時における、電圧検出部９１が検出した単電池１０の端子間電圧値と電流検出部９２により検出された電流値とに基づいて、組電池１の劣化状態を推定する。より具体的には、電池劣化推定部９３は、組電池１がパルス充電される場合に、電流検出部９２にて検出された電流値の立上がり又は立下がりからの予め定められた期間内において、電圧検出部９１にて端子間電圧値が複数回検出されることで得られる端子間電圧値の変化量に基づいて、単電池１０の劣化状態を推定する。なお、以下の説明において、外部充電時において電流検出部９２により検出される電流値を充電電流値Ｉｂという。
以下に、電池劣化推定部９３における単電池１０の劣化状態を推定する方法を、図２を用いて具体的に説明する。

図２は、１つの単電池１０における外部充電時の端子間電圧値Ｖｂと充電電流値Ｉｂとのグラフを示す図である。
図２に示すように、電池劣化推定部９３は、パルス充電が開始されて電流検出部９２で充電電流値Ｉｂの立上がりが検出された場合には、その立上がりが検出された時間ｔ_０から予め定められた期間（時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｋ（ｋは１以上の整数）までの期間）内において、電圧検出部９１で複数回検出された端子間電圧値Ｖｂ（Ｖ_０〜Ｖ_ｋ）を取得する。そして、電池劣化推定部９３は、取得した複数の端子間電圧値Ｖ_０〜Ｖ_ｋから、上記予め定められた期間内における端子間電圧Ｖｂの変化量を算出する。

電池劣化推定部９３は、算出した端子間電圧Ｖｂの変化量に基づいて、単電池１０のＣＲ時定数τを算出する。このＣＲ時定数τは、単電池１０の内部の抵抗（内部抵抗）Ｒと容量Ｃとからなる時定数である。そのため、電池劣化推定部９３は、算出したＣＲ時定数τに基づいて、電池の劣化状態を推定することができる。ここで、予め定められた期間とは、端子間電圧値Ｖｂの過渡応答の期間（過渡応答期間）を含む。

より具体的には、電池劣化推定部９３は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｋまでの間において_、複数の端子間電圧値Ｖ_０〜Ｖ_ｋを取得する。そして、電池劣化推定部９３は、取得した端子間電圧値Ｖ_０〜Ｖ_ｋに基づいて端子間電圧値Ｖｂが飽和した電圧（飽和電圧）Ｖｓｔを決定し、充電電流値Ｉｂの立上がりを検出したときの端子電圧Ｖ_０を基準として飽和電圧Ｖｓｔの例えば約６０％になる端子電圧が得られる時間を算出する。

ここで、端子電圧Ｖ_０を基準として飽和電圧Ｖｓｔの約６０％になる端子電圧とは、端子電圧Ｖ_０からの変化量が、端子電圧Ｖ_０から飽和電圧Ｖｓｔに変化した変化量の約６０％となる端子電圧Ｖｂである。
例えば、端子電圧Ｖ_０を基準として飽和電圧Ｖｓｔの約６０％になる端子電圧が端子電圧Ｖ_２である場合には、ＣＲ時定数τは時間ｔ_２−時間ｔ_１となる。

なお、電池劣化推定部９３は、電流検出部９２にて検出された充電電流値Ｉｂの立下がりからの予め定められた期間内における端子間電圧値Ｖｂの変化量に基づいて、ＣＲ時定数τを求めてもよい。すなわち、本発明において、電池劣化推定部９３で算出するＣＲ時定数τは、端子間電圧値Ｖｂの立上がりＣＲ時定数でもよいし、立下がりＣＲ時定数であってもよい。換言すれば、上記予め定められた期間とは、端子間電圧値Ｖｂの立上がり又は立下がりの過渡応答期間を含む。

次に、電池劣化推定装置９の外部充電における動作について、図３を用いて説明する。なお、外部充電を行う場合には、充放電制御部７は、第１のリレー４をオフ状態に制御し、第２のリレー５をオン状態に制御する。そして、充放電制御部７は、充電器６に対して外部充電を開始させ、電池劣化推定装置９に充電開始信号を出力する。

電池劣化推定部９３は、充放電制御部７から充電開始信号を取得した後、現在の外部充電における充電モードが、定電流でのパルス充電と定電圧充電とのいずれかであるかを判定する（ステップＳ１０１）。具体的には、充放電制御部７は、パルス充電又は定電圧充電を判別する判別信号を電池劣化推定部９３に出力する。したがって、電池劣化推定部９３は、この判別信号に基づいて、現在の外部充電における充電モードが、定電流でのパルス充電と定電圧充電とのいずれかであるかを判定することができる。

電池劣化推定部９３は、現在の外部充電における充電モードがパルス充電であると判定した場合には、１パルス分のパルス充電において、そのパルスの立上がり又は立下がりからの予め定められた期間内において、電圧検出部９１で複数回検出された端子間電圧Ｖｂを取得する（ステップＳ１０２）。ここで、パルスとは、電流検出部９２で検出された充電電流値Ｉｂのパルスである。

電池劣化推定部９３は、取得した複数の端子間電圧Ｖｂから端子間電圧Ｖｂの変化量を算出する。そして、電池劣化推定部９３は、その端子間電圧の変化量に基づいて、単電池１０のＣＲ時定数τを算出する（ステップＳ１０３）。

電池劣化推定部９３は、算出したＣＲ時定数τが予め設定された閾値（時定数閾値）未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。電池劣化推定部９３は、算出したＣＲ時定数τが時定数閾値未満であると判定した場合には、単電池１０が劣化していないを判定する。一方、電池劣化推定部９３は、算出したＣＲ時定数τが時定数閾値以上であると判定した場合には、単電池１０が異常状態である、すなわち劣化していると判定し（ステップＳ１０５）、その単電池１０の異常を報知する（ステップＳ１０６）。この報知は、音声でもよいし、表示でもよいし、音声及び表示の組み合わせでもよい。この表示とは、例えば、車両に搭載された異常ランプの点灯である。

電池劣化推定部９３は、ステップ１０１において、現在の外部充電における充電モードが定電圧充電であると判定した場合には、単電池１０の内部抵抗Ｒを算出する。例えば、電池劣化推定部９３は、定電圧充電のある時刻において電圧検出部９１で検出された端子間電圧値Ｖｂから、単電池１０の開放電圧を減算する。そして、電池劣化推定部９３は、その減算された値に対して、上記と同時刻において電流検出部９２で検出された充電電流値Ｉｂで除算することで、内部抵抗Ｒを算出する。なお、開放電圧とは、組電池１に対して充放電されていないときの単電池の端子間電圧であって、例えば、第１のリレー４と第２のリレー５とがそれぞれオフ状態の場合に電圧検出部９１で検出される端子間電圧である。

電池劣化推定部９３は、算出した内部抵抗Ｒが予め設定された閾値（内部抵抗閾値）未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。電池劣化推定部９３は、算出した内部抵抗Ｒが内部抵抗閾値未満であると判定した場合には、単電池１０が劣化していないを判定する。一方、電池劣化推定部９３は、算出した内部抵抗Ｒが内部抵抗閾値以上であると判定した場合には、単電池１０が異常状態である、すなわち劣化していると判定し（ステップＳ１０９）、その単電池１０の異常を報知する（ステップＳ１１０）。この報知は、音声でもよいし、表示でもよいし、音声及び表示の組み合わせでもよい。この表示とは、例えば、車両に搭載された異常ランプの点灯である。

上述したように、本実施形態に係る電池劣化推定装置９は、組電池１が外部から定電流でパルス充電された場合に、端子間電圧値Ｖｂの立上がり又は立下がりの過渡応答期間を含む期間において、電圧検出部９１にて検出された端子間電圧値Ｖｂの変化量に基づいて、単電池１０の劣化状態を推定する。したがって、電池劣化推定装置９は、充電開始時などの過度な電流が組電池１に流れる期間ではなく、端子間電圧値Ｖｂの立上がり又は立下がりの過渡応答期間を含む期間において、電圧検出部９１にて検出される端子間電圧値Ｖｂの変化量に基づいて、組電池１の劣化状態を推定する。これにより、電池劣化推定装置９は、充電開始時などの過度な電流の影響を受けずに、従来よりもバッテリの劣化状態を高い精度で推定することが可能となる。

また、上述の電池劣化推定装置９は、複数の単電池１０を備える組電池１において、単電池１０ごとに劣化状態を推定することができる。そのため、電池劣化推定装置９は、組電池１の劣化状態をより高い精度で推定することができる。

なお、上述の電池劣化推定装置９は、端子電圧Ｖ_０を基準として飽和電圧Ｖｓｔの約６０％になる端子電圧Ｖｂがデータとして取得していない場合には、電池劣化推定部９３は、時刻ｔ_０から時刻ｔ_ｋと端子間電圧値Ｖ_０〜Ｖ_ｋとからＣＲ時定数τを算出してもよいし、データとして取得した端子間電圧Ｖ_０〜Ｖ_ｋの中から、飽和電圧Ｖｓｔの約６０％になる端子電圧Ｖｂに最も近い端子電圧を選択し、その選択した端子電圧が得られた時間からＣＲ時定数τを算出してもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１組電池１（バッテリ）
２インバータ
３モータ
４第１のリレー
５第２のリレー
６充電器
７充放電制御部
８電流センサ
９電池劣化推定装置
９１電圧検出部
９２電流検出部
９３電池劣化推定部

Claims

組電池のうち、少なくとも１つの単電池の端子間電圧値を検出する電圧検出部と、前記単電池に流れる電流値を検出する電流検出部と、前記端子間電圧値と前記電流値とに基づいて、前記単電池の劣化状態を推定する電池劣化推定部とを備える電池劣化推定装置であって、
前記電池劣化推定部は、
前記組電池が外部から定電流でパルス充電される場合に、前記電流検出部で検出された前記電流値の立上がり又は立下がりからの予め定められた期間内において、前記電圧検出部にて前記端子間電圧値が複数回検出されることで得られる前記端子間電圧値の変化量に基づいて、前記単電池の劣化状態を推定することを特徴とする電池劣化推定装置。
前記電池劣化推定部は、前記端子間電圧値の変化量から前記単電池のＣＲ時定数を算出し、前記算出したＣＲ時定数に基づいて、前記単電池の劣化状態を推定することを特徴とする請求項１に記載の電池劣化推定装置。
前記予め定められた期間は、前記端子間電圧値の立上がり又は立下がりの過渡応答の期間を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池劣化推定装置。