JP2019158597A - 二次電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
例えば特許文献1に記載された二次電池システムでは、二次電池の充電時に電池容量Qを算出すると共に、電池電圧Vの変化量dVに対する電池容量Qの変化量dQの割合である微分値dQ/dVを求め、微分値dQ/dVと電池電圧Vとの関係から微分曲線V-dQ/dVを算出している。
また、特許文献2に記載された二次電池システムでは、微分曲線V-dQ/dVに現れる特徴点から、詳しくは微分曲線V-dQ/dVの極大点の微分値dQ/dV(極大値)から二次電池の劣化指標を求めている。
このように、上記特許文献1及び2に記載された二次電池システムは、劣化指標の推定精度に関して十分に満足できるものではなかった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、二次電池の劣化指標を高い精度で推定することができる二次電池システムを提供することにある。
これにより、微分曲線V-dQ/dVのピーク部と所定の直線との交点である特徴点を、容易に特定することができる。
好ましくは、前記特徴点特定部は、前記ピーク部と前記所定の半径の円との接点のうち、低電圧側の接点を前記特徴点として特定するとよい。
また、前記微分曲線算出部は、前記所定の領域より低い電池電圧から前記二次電池を充電して前記微分曲線を算出するとよい。
これにより、ピーク部と所定の半径の円との2つの接点のうち、低電圧側の接点を特徴点として特定することと合わせて、充電時に電池電圧の所定の領域で比較的早期に特徴点を特定して、二次電池の劣化指標を早期に推定することができる。
これにより、広い温度範囲で二次電池の劣化指標の推定精度を向上させることができる。
図1は本実施形態の二次電池システムを示す概略構成図である。
本実施形態の二次電池システム1は電気自動車に搭載されており、走行用動力源である走行モータに電力を供給している。全体として二次電池システム1は、その全体を統合制御するメインコントローラ2、及びメインコントローラ2に並列に接続された複数の二次電池モジュール3から構成されている。
組電池4は、所期の電池容量及び出力電圧を達成するために複数の単電池を組み合わせて構成されている。本実施形態の組電池4は、その正極電極板にLiMn2O4及びLiMO2(Mは、Co,Ni,Al,Mn,Feの内、少なくとも1つを含む遷移金属元素)が含まれている。
サブコントローラ5は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM,RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等から構成されている。サブコントローラ5は充放電制御部6を駆動して組電池4の充放電を制御する機能を奏し、充放電制御の際には、組電池4の劣化指標に応じて最大許容電流や最大許容電圧を調整する。なお、本実施形態においては、組電池4の劣化指標として、新品時の満充電容量に対する現状の満充電容量の比率であるSOH(State of Health)を使用する。
なおサブコントローラ5は、組電池4の充放電に伴う入出力電流Iを所定時間毎に積算して組電池4のSOCを算出し、その情報もメインコントローラ2に出力する。
メインコントローラ2は、入出力部12、データ保存部13、特徴点特定部15、SOH推定部16(劣化指標推定部)及び充放電指令部17を備えている。
基準データの作成処理は、以下の通りである。
そして、上記した微分曲線算出部10の処理と同じく、充放電により得られた電池電圧V及び電池容量Qに基づき微分値dQ/dVを算出し、電池電圧Vと微分値dQ/dVとの関係を示す微分曲線V-dQ/dVを算出した上で、微分曲線V-dQ/dV上に出現した特定の特徴点Ptの位置(V,dQ/dV)を求める。結果として特定の特徴点Ptの電圧値Vtと組電池4のSOHとの相関関係が温度域毎に定められ、各二次電池モジュール3の共通の基準データとして予めデータ保存部13に記憶される。
なお、各SOH間及び各温度域間は基準データを特定できないため、補間処理により基準データを算出してもよい。
なお、以上の説明では、各二次電池モジュール3の組電池4全体を対象として、電池電圧V、入出力電流I及び温度Tの検出処理、微分曲線V-dQ/dVの算出処理、SOHの推定処理を実施したが、これに限るものではない。例えば、組電池4を構成する単電池毎に各処理を実施したり、或いは複数の単電池からなる単電池群毎に各処理を実施したりしてもよい。また、微分曲線算出部10、データ保存部13、特徴点特定部15、SOH推定部16は必ずしもメインコントローラ2やサブコントローラ5に存在する必要は無く、外部PCのソフトウェアなどでこれらの処理を行ってもよい。
組電池4は、例えばSOH100%、電池温度Tが摂氏25℃において図2に示す微分曲線V-dQ/dVが得られている。そして、本実施形態の二次電池システムは、微分曲線V-dQ/dV上に出現している複数の特徴点の中から、SOHの推定に好適な特徴点として、電池電圧Vの所定範囲において現れるピーク部Pに内接する円Aとの接点を特徴点Ptとした。
そこで、本実施形態では、完全放電状態から充電を開始して微分曲線V-dQ/dVにおける電池電圧Vの所定範囲において現れる上向きのピーク部Pに内接する所定の半径Rの円Aと微分曲線V-dQ/dVとの2つの接点のうち、電池電圧Vの低い側の接点を特徴点Ptとした。
図7に示すように、組電池4を、電池温度Tが摂氏0度の場合と、電池温度Tが摂氏25度の場合の夫々において、複数のSOHで特徴点Ptの位置(電圧値Vt及び微分値dQ/dV)を実測したところ、特徴点Ptは電池温度T毎に略直線上に並んだ。
本実施形態では、例えば工場等において、組電池4に対し、あらかじめ判明している複数のSOHにおいて、微分曲線V-dQ/dVを夫々計測し、内接する一定の円Aを設定し、その中心Cを結ぶ直線Lを、適宜設定した電池温度T毎に演算する。そして、この直線Lを、特徴点Ptの電圧値Vtと微分値dQ/dVとの関係を示すデータとしてデータ保存部13に記憶しておく。なお、この直線Lについては、同一の仕様の組電池4については同一のものであり共用可能である。
詳しくは、充放電指令部17は、組電池4が完全放電状態または完全放電に近い所定量以下の充電状態から、充放電制御部6を介して組電池4を充電させる。そして、微分曲線算出部10において微分曲線V-dQ/dVを算出する。なお、微分曲線V-dQ/dVを算出する際にフィルタを用いてもよい。
SOH推定部16は、データ保存部13にあらかじめ記憶しておいた基準データから、温度センサ9から入力した電池温度Tに基づく基準データを読み出し、当該基準データを用いて、特徴点Ptの電圧値Vtに基づいてSOHを推定する。なお、この電池温度Tは、充電中に変化することが予想されるので、充電中において電池電圧Vの検出とともに電池温度Tを検出して記憶しておき、変化量最大電圧値Vsにおける電池温度Tを用いればよい。
また、図7に示すように、電池温度Tが摂氏0℃と25℃では、変化量最大電圧値VtとSOHとの相関関係の差が少ない組電池4に対しては、例えば摂氏0℃から25℃の間の温度領域では、基準データをまとめることができ、データ保存部13におけるメモリ容量を抑えることができるとともに、SOH推定部16においてSOHを推定する際の演算負荷を抑制することができる。
ところで、微分曲線V-dQ/dVにおいて微分値dQ/dVのピーク部にノイズが乗ることで、微分値dQ/dVのピーク値が変動する可能性がある。したがって、特許文献1のように微分値dQ/dVのピークにおける電圧値に基づいて電池のSOHを推定したり、特許文献2のように微分値dQ/dVのピーク値に基づいて電池のSOHを推定したりすると、推定精度が低下する虞がある。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、微分曲線V-dQ/dVを算出する際に、組電池4を完全放電状態または完全放電に近い充電状態から充電を行うが、ピーク部Pが確実に表れる電圧Vの範囲で充電すればよい。例えば、図2〜6に示すような微分曲線V-dQ/dVとなる本実施形態の組電池4では、3.8Vから4.1V付近の電圧Vの範囲で充電すれば、ピーク部Pが現れる。これにより、SOHを推定する際に完全放電する必要がなく、SOHの推定時間を短縮することができる。
また、本実施形態では、電気自動車に搭載された二次電池システム1として本発明を具体化したが、本発明は車両用に限定されるものではなく、例えば、工場や店舗等で利用される定置型の二次電池システムに具体化してもよい。
6 充放電制御部
9 温度センサ(温度検出部)
10 微分曲線算出部
15 特徴点特定部
16 SOH推定部(劣化指標推定部)
Claims (5)
- 二次電池の充放電を制御する充放電制御部と、
二次電池の電池電圧Vと、前記電池電圧Vの変化量dVに対する前記二次電池の電池容量Qの変化量dQの割合である微分値dQ/dVとの関係を示す微分曲線V-dQ/dVを算出する微分曲線算出部と、
前記電池電圧Vの所定の領域において現れる前記微分曲線V-dQ/dVのピーク部と、前記電池電圧Vが増加するに伴って前記微分値dQ/dVが減少するように傾斜する所定の直線との交点を特徴点として特定する特徴点特定部と、
前記電池電圧Vの所定の領域において現れる前記微分曲線V-dQ/dVのピーク部に内接する所定の半径の円の接点を特徴点として特定する特徴点特定部と、
前記特徴点の電池電圧に基づいて、前記二次電池の劣化指標を推定する劣化指標推定部と、
を備えたことを特徴とする二次電池システム。 - 前記特徴点特定部は、前記微分曲線V-dQ/dVの前記ピーク部に内接する所定の半径の円の接点を前記特徴点として特定することを特徴とする請求項1に記載の二次電池システム。
- 前記特徴点特定部は、前記ピーク部と前記所定の半径の円との2つの接点のうち、低電圧側の接点を前記特徴点として特定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池システム。
- 前記微分曲線算出部は、前記所定の領域より低い電池電圧から前記二次電池を充電して前記微分曲線を算出することを特徴とする請求項3に記載の二次電池システム。
- 前記二次電池の温度を検出する温度検出部を備え、
前記劣化指標推定部は、前記特徴点の電池電圧と前記二次電池の温度とに基づいて、前記二次電池の劣化指標を推定することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の二次電池システム。
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