JP6879126B2

JP6879126B2 - 電池の充電量の推定方法および推定装置

Info

Publication number: JP6879126B2
Application number: JP2017164760A
Authority: JP
Inventors: 貴一本園
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: JP2019045155A

Description

本発明は、電池の充電量の推定方法に関する。

蓄電池は、そのＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）を測定し、これと予め作成されたＯＣＶ−ＳＯＣ特性マップとに基づいてＳＯＣ（State Of Charge：充電量）を推定することができる。しかし、このようなＯＣＶの測定によってＳＯＣを推定する場合、ＯＣＶが収束するまで、対象の電池を電源システムから開放しなければならず、開放中は電源システムの稼働に影響が発生することがある。

そのため、特許文献１は、蓄電池の温度制御を行って、電池を閉状態から開放した後の電池内部の分極の緩和を促進して、ＯＣＶの収束を早め、ＳＯＣ推定に要する時間を短縮することを開示している。また、特許文献２は、複数の時点で測定したＯＣＶの値と所定の数式モデルとに基づいて、ＯＣＶの収束値の推定値を計算することで、ＳＯＣ推定に要する時間を短縮することを開示している。

特開２０１５−１６１６２４号公報特開２０１５−１５２５７３号公報

ＯＣＶは、電池の開放直後は、変化が大きく、その後徐々に安定して、一定の収束値に収束する。開放直後の変化が大きい期間のＯＣＶを、収束値の推定に用いると、十分な精度が得られず、ＳＯＣの推定精度も十分でなくなるおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、電源システムにおいて、電池のＯＣＶの収束値およびＳＯＣの推定精度を向上した推定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一局面は、開放可能な電池を含む電源システムにおける、電池の充電量の推定方法である。本方法では、電池を開放し、電池の開回路電圧を複数回測定し、閉回路電圧の変化速度を計算し、計算した開回路電圧の変化速度の大きさが第１の所定値以下となってから、第１の所定値より小さい第２の所定値以下となるまでの間の、開回路電圧と、所定の数式モデルとに基づいて、開回路電圧の収束値を推定し、推定した開回路電圧の収束値に基づいて、電池の充電量を推定する。

これによれば、電池開放直後の変化が大きい期間のＯＣＶを、収束値の推定に用いないため、ＯＣＶの収束値の推定精度を向上させることができ、ＳＯＣの推定精度も向上させることができる。

本発明によれば、上述のように電源システムにおいて、電池のＯＣＶの収束値およびＳＯＣの推定精度を向上した推定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電源システムの機能ブロック図本発明の一実施形態に係る電池の等価回路を示す図本発明の一実施形態に係る電池の簡易等価回路を示す図本発明の一実施形態に係る電池のＳＯＣ推定方法を示すフローチャート本発明の一実施形態に係る電池のＯＣＶ測定値と、簡易モデルをフィッティングしたグラフとを示す図

（概要）
本発明に係るＳＯＣ推定方法においては、対象の電池のＯＣＶの変化速度の大きさが第１の所定値以下となってから、これより小さい第２の所定値以下となるまでの間の、ＯＣＶ測定値に、所定の数式モデルをフィッティングさせて収束値を推定する。このように、電池開放直後の変化が大きく、かつ、数式モデルに適合しない部分のＯＣＶを推定に用いないことで、ＯＣＶの収束値の推定精度を向上し、かつＳＯＣの推定精度を向上することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態）
＜構成＞
図１に、本実施形態に係る電源システム１００の機能ブロック図を示す。電源システム１００はジェネレータ１０３、第１の電池１０１、第２の電池１０２、測定部１０４、開閉部１０５、電圧計１０６、電流計１０７を備える。ジェネレータ１０３はオルタネータであってもよい。また、第１の電池１０１は一例として鉛蓄電池であり、第２の電池１０２は一例としてリチウム蓄電池である。開閉部１０５は第２の電池１０２の電気的切り離しおよび接続を行う。開閉部１０５は、機械的スイッチとして実現してもよくＤＣＤＣコンバーターによって実現されてもよい。電圧計１０６、電流計１０７は、それぞれ、第２の電池１０２の電圧、電流を測定する。測定部１０４は、電圧計１０６、電流計１０７の測定値の取得、開閉部１０５による開閉等の制御、第２の電池１０２のＯＣＶの収束値の推定等を行う。また、複数の手段に分割されてもよい。ジェネレータ１０３、第１の電池１０１、第２の電池１０２は並列に接続され、外部の負荷２００に対して電力を供給する。

＜電池モデルとＯＣＶ特性＞
第２の電池１０２のＯＣＶが収束するまでの変動には主に以下の３つの要因がある。

（要因１）電極表面に生じた電気二重層の解消
（要因２）電極と電解液との間に生成される、ＳＥＩと呼ばれる数１０ｎｍ程度の厚さの表面膜のリチウムイオンの移動抵抗
（要因３）電解液中のリチウムイオンの移動抵抗

図２に、第２の電池１０２の等価回路モデルの一例を示す。この等価回路１１０２においては、キャパシタ１１１および抵抗１１２が並列接続され電極表面の電気二重層をモデル化した第１モデル部１１０と、キャパシタ１２１および抵抗１２２が並列接続され表面膜の電気二重層をモデル化した第２モデル部１２０と、キャパシタ１３１および抵抗１３２が並列接続され、電解液中のリチウムイオンの拡散をモデル化した第３モデル部１３０と、電圧源１５０とが直列に接続されている。上述の（要因１、２、３）は、第１〜第３モデル部１１０、１２０、１３０によってモデル化される。

上述の各要因による影響は、電池開放（ｔ＝０）と同時に発生するが、その特性は以下のように異なる。すなわち、（要因１）によるＯＣＶの変化は短時間で収束するが、変化量が大きく、また推定が困難である。また、（要因２）によるＯＣＶの変化量はＳＥＩの厚さに依存するが、（要因１）による変化より収束の速度が遅く、推定が容易である。また、（要因３）による変化は、通常の条件下では、収束するまで最も時間がかかるが変化量は小さい。また、（要因１）、（要因３）の影響は（要因２）より、全体的には小さく、（要因２）を主要因とみなすことができる。

そのため、（要因２）による変動が収束したときのＯＣＶを精度よくＯＣＶ推定値として求めることができれば、ＯＣＶの最終的な収束値（真値）に十分近い推定値を得ることができる。

＜ＯＣＶの簡易モデル＞
そこで、本実施形態では、（要因２）による変動を表す簡易モデルを用いて、（要因２）による変動が収束したときの収束値を推定する。図３に、この簡易モデルに対応する簡易等価回路２１０２を示す。簡易等価回路２１０２は、等価回路１１０２において、第１モデル部１１０、第３モデル部１３０を省略したものである。このモデルにおいて時刻ｔ＝０に電池開放された場合の電圧Ｖ_ＭＤＬは、キャパシタ１２１の容量値で定まる定数ａと、キャパシタ１２１の容量値および抵抗１２２の抵抗値で定まる定数ｂと電圧源１５０の電圧ｃを用いて、以下の数式のように時刻ｔの関数として表される。

第２の電池１０２のＯＣＶの複数の時点での測定値に、上述の式をカーブフィッティングすることで電圧ｃを推定収束値として求めることができる。また、電池開放直後の（要因１）によるＯＣＶの急峻な変化が発生している間の測定値を計算に用いないことで、推定の精度を向上することができる。

＜処理＞
図４に、本実施形態に係る、第２の電池１０２のＳＯＣ推定処理のフローチャートを示す。また図５に、第２の電池１０２のＯＣＶの変化と、上述の簡易モデルがフィッティングされたグラフとを示す。図１、図４および図５を参照して、ＳＯＣ推定処理を説明する。

ステップＳ１０１：測定部１０４は、第２の電池１０２を電源システム１００から切り離して開放してもよいか否か判定する。この判定は、例えば負荷の稼働状況や第１の電池１０１のＳＯＣ等の情報に基づいて行うことができるが、判定に必要な情報は、電源システム１００の内外の各部から適宜取得する。測定部１０４は、このような情報を取得するため、図１に図示しない信号線を適宜備えてもよい。切り離してはいけない場合ステップＳ１０２に進み、切り離してもよい場合ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０２：本ステップＳ１０２では第２の電池１０２を開放することができないので、測定部１０４は、ＯＣＶの測定をせず、電流計１０７が測定する第２の電池１０２の電流の積算値に基づいて、ＳＯＣの推定を行い、処理を終了する。なお、減少前の初期値は、前回ＯＣＶに基づいて推定したＳＯＣ等、別の方法で求めておいたものを用いることができる。

ステップＳ１０３：測定部１０４は、開閉部１０５を制御して第２の電池１０２を開放し、電源システム１００から切り離す。

ステップＳ１０４：測定部１０４は、電圧計１０６が測定する第２の電池１０２のＯＣＶの測定値の取得を開始する。取得は例えば一定期間ごとに行う。また、測定部は、ＯＣＶの測定値の変化速度を計算する。なお測定値の変化速度は、測定値の揺らぎの影響を排除するため、所定の手法で平滑化することが好ましい。

ステップＳ１０５：測定部１０４は、ＯＣＶの測定値の変化速度の大きさが第１の所定値以下か否かを判定する。第１の所定値は、上述の（要因１）によるＯＣＶの変化の影響が小さくなったと判断できる程度の値に設定すればよい。図５に示す期間Ｔ１においては、グラフの傾斜が急であるため、変化速度が第１の所定値より大きいと判断される変化速度が第１の所定値以下である場合、ステップＳ１０６に進み、そうでない場合、本ステップＳ１０５を繰り返す。なお、期間Ｔ１は例えば１秒程度の期間である。

ステップＳ１０６：測定部１０４は、本ステップＳ１０６以降は、収束値の推定計算に用いる値とＯＣＶの測定値を取得する。

ステップＳ１０７：測定部１０４は、ＯＣＶの測定値の変化速度の大きさが第２の所定値以下か否かを判定する。第２の所定値は、例えば、変化速度がこの値以下になるまでの間に、上述のカーブフィッティング計算の精度が得られる程度に十分に測定値が取得できると判断できる値に設定すればよい。変化速度が第２の所定値以下である場合、ステップＳ１０８に進み、そうでない場合、本ステップＳ１０７を繰り返す。なお、ＯＣＶは徐々に収束するので、第２の所定値は第１の所定値より小さく設定することになる。

ステップＳ１０８：測定部１０４は、ＯＣＶの測定を終了する。この時点までに、図５に示す期間Ｔ２における測定値が収束値の推定計算に用いる値として取得されたとすると、その後の期間Ｔ３では測定は行われない。なお、期間Ｔ２は例えば１〜１０秒程度の期間である。

ステップＳ１０９：測定部１０４は、収束値の推定計算に用いる値として取得したＯＣＶの値に基づいて、上述のカーブフィッティングを行い、ＯＣＶの推定収束値を算出する。また、予め作成されたＯＣＶとＳＯＣとの対応関係を定めたＯＣＶ−ＳＯＣ特性マップを参照して、ＯＣＶの推定収束値に対応するＳＯＣの値を求め、処理を終了する。

（効果）
以上の処理により、開放直後の変化が大きく、かつ、簡易化された数式モデルに適合しない期間のＯＣＶを、収束値の推定に用いないため、ＯＣＶの収束値の推定精度を向上させることができ、ＳＯＣの推定精度も向上させることができる。

以上の実施形態において説明したＳＯＣ推定処理およびその適用対象である電源システムは一例であって、適宜変形可能である。例えば、電源システムにおいて、電池は２つに限定されず、１つでもよいし３つ以上でもよい。また、ＳＯＣ推定処理を実行する測定部は、電源システムに備えるのではなく、電源システムの外部から接続されてもよい。また、同様の処理が実行できれば、複数の手段を組み合わせて実行してもよい。

また、本発明は、ＳＯＣ推定方法として捉えるだけでなく、ＳＯＣ推定方法を実行可能な電源システムとして捉えることができるし、プロセッサを備える推定部にＳＯＣ推定ステップを実行させるプログラムとして捉えることができる。

本発明は、車両等の、電池を用いた電源システムに有用である。

１００電源システム
１０１第１の電池
１０２第２の電池
１０３ジェネレータ
１０４測定部
１０５開閉部
１０６電圧計
１０７電流計
１１１、１２１、１３１キャパシタ
１１２、１２２、１３２抵抗
１１０第１モデル部
１２０第２モデル部
１３０第３モデル部
１５０電圧源
２００負荷
１１０２等価回路
２１０２簡易等価回路

Claims

開放可能な電池を含む電源システムにおける、電池の充電量の推定方法であって、
前記電池を開放し、その後の前記電池の開回路電圧を複数回測定し、
前記開回路電圧の変化速度を計算し、
計算した前記開回路電圧の変化速度の大きさが、前記電池の電極表面に生じた電気二重層の解消による前記開回路電圧の変化の影響が小さくなったと判断できる第１の所定値以下となってから、前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下となるまでの間の、前記開回路電圧と、所定の数式モデルとに基づいて、前記開回路電圧の収束値を推定し、
推定した前記開回路電圧の収束値に基づいて、前記電池の充電量を推定する、電池の充電量の推定方法。
開放可能な電池を含む電源システムにおける、電池の充電量を推定する推定装置であって、
前記電池を開放し、その後の前記電池の開回路電圧を複数回測定し、
前記開回路電圧の変化速度を計算し、
計算した前記開回路電圧の変化速度の大きさが、前記電池の電極表面に生じた電気二重層の解消による前記開回路電圧の変化の影響が小さくなったと判断できる第１の所定値以下となってから、前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下となるまでの間の、前記開回路電圧と、所定の数式モデルとに基づいて、前記開回路電圧の収束値を推定し、
推定した前記開回路電圧の収束値に基づいて、前記電池の充電量を推定する推定部を備える、推定装置。
前記所定の数式モデルは、
前記電池を、電圧源と前記電圧源にそれぞれ直列に接続された互いに並列なキャパシタおよび抵抗とを備える等価回路によってモデル化し、
時刻ｔ＝０に電池開放された場合の電圧Ｖ_ＭＤＬを、前記キャパシタの容量値で定まる定数ａと、前記キャパシタの容量値および前記抵抗の抵抗値で定まる定数ｂと、前記電圧源の電圧ｃとを用いて、以下の数式により時刻ｔの関数として表したモデルである、請求項２に記載の推定装置。