JP7466008B2 - 電池診断装置、電池診断方法、電池診断プログラム - Google Patents

電池診断装置、電池診断方法、電池診断プログラム Download PDF

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Description

本発明は、蓄電池を診断する技術に関するものである。
市場における蓄電池の数は増加している。蓄電池を適切に運用していくためには、蓄電池の劣化状態(State of Health、以下SOH)を把握する必要がある。SOHは、蓄電池の初期容量に対する現在の容量として表すことができる。劣化状態を判定する1つの方法は、蓄電池を満充電状態から空状態へ放電し、その間において容量を計算することである。この方法は、劣化状態を計算するために蓄電池を敢えて放電させる必要があるので、実用的ではない場合がある。特に電気自動車などの用途においては、放電によって電荷を無駄に消費することになるからである。
下記特許文献1~3は、劣化状態を判定するより実用的な方法を記載している。これら文献は、充電動作が完了した後の休止期間において、充電動作が停止してから所定時間が経過するまでの期間における電池電圧の変動を用いて、劣化状態を計算することとしている。
特開2015-094710号公報 特開2020-003218号公報 特開2019-219389号公報
特許文献1~3が記載している手法は、劣化状態を計算する際に用いる電池電圧の変動分のなかに、電池の内部抵抗による影響が含まれている可能性がある。電池電圧が内部抵抗の影響を受けると、劣化状態を判定するために適した電池電圧が得られないので、劣化状態の判定精度が低下する可能性がある。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、実用的な時間内で蓄電池の劣化状態を精度よく判定することができる技術を提供することを目的とする。
本発明に係る電池診断装置は、蓄電池に対して充電動作が実施された後の休止期間において、前記蓄電池の電圧値の第1変動分を取得し、前記蓄電池の内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を前記第1変動分から除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない劣化状態を計算する。
本発明に係る電池診断装置によれば、実用的な時間内で蓄電池の劣化状態を精度よく判定することができる。
実施形態1に係る充電器1の構成例を示す図である。 実施形態1に係る充電器1の別構成例を示す図である。 演算部12の内部構成を説明する図である。 I_thresh計算ブロック(演算部12)がI_threshを計算する手順を説明するフローチャートである。 S402において電池モジュール2の内部抵抗を推定する手順を説明する図である。 閾値データ131の構成例を示す。 SOH計算ブロック(演算部12)がSOHを計算する手順を説明するフローチャートである。 S702~S703の具体例を説明する図である。 劣化状態データ132の構成例を示す。 実施形態2に係る充電器1がSOHを計算する手順を説明するフローチャートである。 温度特性データ133の例を示す図である。 実施形態3に係る充電器1がSOHを計算する手順を説明するフローチャートである。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る充電器1の構成例を示す図である。本実施形態1において、充電器1は電池モジュール2を充電する役割を有するとともに、電池モジュール2の劣化状態を判定する電池診断装置としての役割も有する。
電圧センサ31は、電池モジュール2が出力する電圧値を計測し、その計測結果を取得部11へ出力する。温度センサ32は、電池モジュール2の温度を計測し、その計測結果を取得部11へ出力する。電流センサ33は、電池モジュール2が出力する電流値を計測し、その計測結果を取得部11へ出力する。電圧センサ31/温度センサ32/電流センサ33は、充電器1または電池モジュール2の一部として構成してもよいし、これらとは別のモジュールとして構成してもよい。
図2は、本発明の実施形態1に係る充電器1の別構成例を示す図である。電池モジュール2は、バッテリ管理システム34によって制御される場合がある。バッテリ管理システム34は、電池モジュール2を制御するために、電池モジュール2の電流値/温度/電圧値を取得する。したがって取得部11は、バッテリ管理システム34からこれら値を取得することができる。
図3は、演算部12の内部構成を説明する図である。演算部12は、後述する閾値I_threshを計算するブロックと、SOHを計算するブロックとを有する。取得部11は、電池モジュール2の電圧値V、電流値I、温度Tを、各計算ブロックへ渡す。SOH計算ブロックは、I_thresh計算ブロックが求めたI_threshを用いて、電池モジュール2のSOHを計算し、その結果を出力する。各計算ブロックによる計算手順は後述する。
図4は、I_thresh計算ブロック(演算部12)がI_threshを計算する手順を説明するフローチャートである。以下図4の各ステップを説明する。
(図4:ステップS401)
I_thresh計算ブロックは、充電器1が電池モジュール2に対する充電動作を開始したか否かを判定する。例えば電池モジュール2に対して流れ込む充電電流が所定閾値以上になったことによって、充電開始したことを検出できる。その他適当な手法によって充電開始を検出してもよい。
(図4:ステップS402)
I_thresh計算ブロックは、電池モジュール2に対する充電動作が開始された直後の期間において、電池モジュール2の内部抵抗を計算(推定)する。内部抵抗を計算する具体的手順については後述する。
(図4:ステップS403)
I_thresh計算ブロックは、記憶部13が格納している閾値データ131を用いて、I_threshを計算する。具体的な計算手順と閾値データ131の例については後述する。記憶部13は、充電器1の構成要素としてもよいし、充電器1から切り離して構成してもよい。I_thresh計算ブロックは、計算したI_threshを出力する。
図5は、S402において電池モジュール2の内部抵抗を推定する手順を説明する図である。充電動作が開始されると、充電電流が0からI_chへ上昇する。電池モジュール2の出力電圧は、充電動作が開始されるとまず急峻に上昇し、その後はなだらかに上昇する。I_thresh計算ブロックは、出力電圧が急峻に上昇する期間Δt_chにおける電圧変動ΔV_chを取得する。I_thresh計算ブロックは、内部抵抗の推定値R_estを、次式によって計算する:R_est=ΔV_ch/I_ch。
図6は、閾値データ131の構成例を示す。閾値データ131は、電池モジュール2ごとに固有の値として、V_R_threshを保持している。I_threshは電池モジュール2ごとに固有の値であるので、I_thresh計算ブロックは、閾値データ131を参照して、電池モジュール2ごとにI_threshを求める。具体的には次式にしたがってI_threshを計算する:I_thresh=V_R_thresh/R_est。V_R_threshは、例えばあらかじめ実験により取得して閾値データ131内に記録しておくことができる。
図7は、SOH計算ブロック(演算部12)がSOHを計算する手順を説明するフローチャートである。以下図7の各ステップを説明する。
(図7:ステップS701)
SOH計算ブロックは、電池モジュール2に対する充電動作が終了したか否かを判定する。具体的には、電池モジュール2に対する充電電流I_chargeが、0よりも大きい値から0に転じた時点で、充電動作が終了したことになる。あるいは充電器1から充電動作が終了した旨の通知を受信してもよい。充電動作が終了していない場合は終了するまで待機する。終了した場合はS702へ進む。
(図7:ステップS702)
SOH計算ブロックは、充電動作が終了した時点における充電電流I_charge(0に転じる直前の充電電流値)が、I_thresh未満であるか否かを判定する。I_chargeがI_thresh未満ではない場合は、S701へ戻る。I_thresh未満である場合はS703へ進む。
(図7:ステップS703)
SOH計算ブロックは、充電動作終了時点から所定時間内までの期間における、電池モジュール2の出力電圧の変動分ΔVを取得する。ΔVの具体例については後述の図面を用いて説明する。
(図7:ステップS704)
SOH計算ブロックは、記憶部13が格納している劣化状態データ132を用いて、SOHを計算する。具体的な計算手順と劣化状態データ132の例については後述する。SOH計算ブロックは、計算したSOHを出力する。
図8は、S702~S703の具体例を説明する図である。電池モジュール2に対する充電動作が終了に近づくと、充電器1は図8に示すように、充電電流I_chargeを次第に減少させるとともに、充電電圧を一定に維持する。充電動作が終了した時点で、I_chargeは0よりも大きい値から0へ転じる。I_chargeが0に転じる直前の値がI_threshであれば、S702においてYへ進むことになる。この動作により、電圧一定・電流可変の充電方式(充電電流を次第に減少させる方式)において、充電動作終了時の電圧変動に基づき以下の手順を実施することができる。
SOH計算ブロックは、充電動作が終了してから所定時間Δtが経過するまでの期間において、電池電圧の変動分ΔVを取得する。Δtは、電池電圧に対して電池モジュール2の内部抵抗が与える影響が十分小さくなるまでに必要な時間であり、典型的な電池モジュール2においては概ね2秒以下であり、1秒以下(例えば数ms~数百ms)である場合もある。
図8右下に拡大して示すように、Δtはある程度の時間幅を有する値であってもよい。すなわち、内部抵抗が電池電圧に対して与える影響が、ある程度の範囲内に収まっていればよく、その点においてΔtはある程度の許容範囲を有する値である。SOH計算ブロックは、この範囲内に収まっている期間Δtにおける電圧変動ΔVを取得する。この範囲内におけるΔVを用いてSOHを計算することにより、内部抵抗の影響を除去できることに加えて、充電終了後のごく短い時間内でSOHを計算することができる利点がある。
図9は、劣化状態データ132の構成例を示す。劣化状態データ132は、ΔVとSOHとの間の関係を、電池モジュール2ごとに記述したデータである。SOH計算ブロックは、S703において取得したΔVを用いて劣化状態データ132を参照することによりSOHを計算することができる。
<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係る充電器1は、電池モジュール2に対する充電動作が終了した時点から、電池モジュール2の内部抵抗が電池電圧に対して与える影響が十分小さくなったΔt経過までの間における、電池電圧の変動分ΔVを用いて、電池モジュール2のSOHを計算する。これにより、内部抵抗の影響を除去した正確なSOHを得ることができる。
本実施形態1に係る充電器1は、電池モジュール2に対する充電動作が終了した時点から、電池モジュール2の内部抵抗が電池電圧に対して与える影響が所定範囲内におさまっている時点までの時間長(概ね1秒~2秒以内)における、電池電圧の変動分ΔVを用いて、電池モジュール2のSOHを計算する。これにより、内部抵抗の影響を除去できることに加えて、充電終了後のごく短い時間内でSOHを計算することができる。
<実施の形態2>
図10は、本発明の実施形態2に係る充電器1がSOHを計算する手順を説明するフローチャートである。SOH計算ブロックによる計算手順以外は実施形態1と同じである。SOH計算ブロックは、図7のS703とS704の間において、新たなステップS1001を実施する。その他の計算手順は図7と同様である。
(図10:ステップS1001)
SOH計算ブロックは、記憶部13が格納している温度特性データ133を用いて、電池モジュール2の温度特性を補正する。すなわち、電池モジュール2の現在の温度におけるΔVを、電池モジュール2の標準温度T_normにおける値ΔV_normへ補正する。補正手順の例は後述する。
図11は、温度特性データ133の例を示す図である。電池モジュール2の温度とΔVとの間の関係は、1次関数(ΔV=mT+c)によって表すことができる。電池モジュール2の温度特性は、電池モジュール2の温度に依拠して、上記1次関数の傾きmは変動しないが切片cが変動する。温度特性データ133は、この温度特性を記述したデータであり、SOHごとに上記1次関数を記述している。
温度特性データ133は、電池モジュール2の現在の温度TにおけるΔVと、電池モジュール2の標準温度T_norm(例えば25℃)における値へ換算したときの値ΔV_normとの間の関係を、上記1次関数によって記述している。SOH計算ブロックは、電池モジュール2の温度T、ΔVの実測値、および標準温度T_normを用いて、温度特性データ133の温度Tに対応する部分を参照することにより、ΔV_normを計算することができる。具体的には、連立方程式を解くことにより、次式によって計算できる:ΔV_norm=m(T_norm-T)+ΔV。
電池温度が変化しても傾きmは変化しないので、上記計算式は電池温度によらず同じである。したがってSOH計算ブロックは、切片cの値によらず、上記計算式によってΔV_normを得ることができる。
SOH計算ブロックは、ΔVを標準温度T_normにおける値ΔV_normへ補正した後、そのΔV_normを用いて劣化状態データ132を参照することにより、SOHを計算する。これにより、例えば電池モジュール2の周辺温度が標準温度から大きく逸脱しているような場合においても、正確なSOHを得ることができる。
<実施の形態2:まとめ>
本実施形態2に係る充電器1は、温度特性データ133を用いて、電池モジュール2の現在の温度TにおけるΔVを、電池モジュール2の標準温度T_normにおける値ΔV_normへ換算し、その換算した値を用いてSOHを計算する。これにより、電池モジュール2の周辺温度が標準温度から大きく逸脱しているような場合においても、正確なSOHを得ることができる。
本実施形態2において、温度特性データ133が記述している1次関数(ΔV=mT+c)は、電池温度が変化すると切片が変化するが、傾きは変化しない。したがって電池温度によらず、簡易な計算式により、ΔVを標準温度における値ΔV_normへ換算することができる。
<実施の形態3>
図12は、本発明の実施形態3に係る充電器1がSOHを計算する手順を説明するフローチャートである。SOH計算ブロックによる計算手順以外は実施形態1~2と同じである。SOH計算ブロックは、図7のS703とS704の間において、新たなステップS1201を実施する。さらに本実施形態3においては、S702を省略する。その他の計算手順は図7または図10と同様である。ここでは図10と同様の計算手順を用いることとし、S1001の後にS1201を実施する例を示した。
(図12:ステップS1201)
本実施形態3においてはS702を実施しないので、ΔVは電池モジュール2の内部抵抗の影響を含んでいる可能性がある。そこでSOH計算ブロックは、本ステップにおいてその影響をΔVから除去する。具体的には、次式により内部抵抗の推定値R_estによる電圧降下分を除去する:ΔV’=ΔV-(I_charge×R_est)。R_estは、実施形態1で説明した手順によって推定できる。SOH計算ブロックは、S704においてΔV’を用いてSOHを求める。
<実施の形態3:まとめ>
本実施形態3に係る充電器1は、充電動作が終了する直後における充電電流I_chargeが閾値I_thresh未満であるか否かによらず、充電終了から所定時間経過までの電圧変動分ΔVを求める。このΔVを用いてSOHを計算することにより、実施形態1とは異なり、充電動作終了からΔtが経過するまで待機する必要はないので、SOHをさらに速やかに計算することができる。
<本発明の変形例について>
以上の実施形態において、電池モジュール2の温度特性による影響を除去するため、電池モジュール2の温度が標準温度(またはその前後の許容範囲内)であるときのみ、SOHを計算するようにしてもよい。これにより、温度特性を補正することなく、正確なSOHを得ることができる。
以上の実施形態において、充電器1が電池診断装置として動作する例を説明したが、取得部11と演算部12に相当する機能部は必ずしも充電器1内に配置する必要はない。すなわち電池モジュール2の電圧値/電流値/温度を取得することができれば、任意の場所へこれら機能部を配置することができる。さらには、電池モジュール2に対してこれら機能部が直接接続されている必要はない。
以上の実施形態において、蓄電池として電池モジュール2を例示したが、その他の蓄電池に対して本発明を適用することもできる。例えば本発明を適用する蓄電池の単位サイズは電池モジュールに限られず、電池セルや電池パックであってもよい。蓄電池の組成は任意のものであってよい。例えばリン酸鉄リチウムイオン電池(LFP)、マリモナノカーボン(MNC)電池、その他組成の電池であってもよい。
1:充電器
11:取得部
12:演算部
13:記憶部
131:閾値データ
132:劣化状態データ
133:温度特性データ
2:電池モジュール
31:電圧センサ
32:温度センサ
33:電流センサ
34:バッテリ管理システム

Claims (15)

  1. 蓄電池の劣化状態を診断する電池診断装置であって、
    前記蓄電池が出力する電圧値と前記蓄電池が出力する電流値を取得する取得部、
    前記電圧値と前記電流値を用いて前記劣化状態を計算する演算部、
    を備え、
    前記演算部は、前記蓄電池に対して充電動作が実施された後の休止期間において、前記電圧値の第1変動分を取得し、
    前記演算部は、前記第1変動分を用いて前記劣化状態を計算し、
    前記演算部は、前記劣化状態を計算する際に、前記蓄電池の内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を前記第1変動分から除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする電池診断装置。
  2. 前記演算部は、前記蓄電池に対する充電動作を停止した時点において前記電流値が閾値以下となっている、劣化状態判定条件を満たすか否かを判定し、
    前記演算部は、前記劣化状態判定条件を満たす場合は、前記充電動作を停止した時点から所定時間が経過するまでの間の期間における前記電圧値の変動分を、前記第1変動分として取得し、
    前記所定時間は、前記充電動作を停止した時点から、前記内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響が所定範囲内におさまっている時点までの、時間長である
    ことを特徴とする請求項1記載の電池診断装置。
  3. 前記所定時間は、2秒以内である
    ことを特徴とする請求項2記載の電池診断装置。
  4. 前記演算部は、前記蓄電池に対して充電動作を開始した開始時点から、前記充電動作を実施している期間内の所定時点までの間における、前記電圧値の第2変動分を取得し、
    前記演算部は、前記第2変動分を用いて前記内部抵抗を推定し、
    前記演算部は、前記推定した前記内部抵抗を用いて、前記閾値を計算する
    ことを特徴とする請求項2記載の電池診断装置。
  5. 前記電池診断装置はさらに、前記内部抵抗と前記閾値との間の関係を前記蓄電池ごとに記述した閾値データを格納する記憶部を備え、
    前記演算部は、前記閾値データが記述している前記関係にしたがって、前記閾値を計算する
    ことを特徴とする請求項2記載の電池診断装置。
  6. 前記電池診断装置はさらに、前記第1変動分と前記劣化状態との間の関係を前記蓄電池ごとに記述した劣化状態データを格納する記憶部を備え、
    前記演算部は、前記劣化状態データが記述している前記関係にしたがって、前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池診断装置。
  7. 前記蓄電池は、前記蓄電池の温度にしたがって前記第1変動分が変化する温度特性を有しており、
    前記取得部はさらに、前記蓄電池の温度を取得し、
    前記演算部は、前記温度特性にしたがって前記第1変動分を補正し、
    前記演算部は、前記補正した前記第1変動分を用いて、前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池診断装置。
  8. 前記演算部は、前記補正において、
    前記温度特性にしたがって、前記蓄電池の測定温度と前記第1変動分との間の関係を、前記蓄電池の標準温度と前記標準温度における前記第1変動分の標準値との間の関係へ変換することにより、前記第1変動分を前記標準温度における値へ換算する
    ことを特徴とする請求項7記載の電池診断装置。
  9. 前記温度特性は、前記蓄電池の温度と前記第1変動分との間の関係を1次関数によって表したものであり、
    前記温度特性は、前記蓄電池の温度に応じて前記1次関数の切片が変化するが傾きは変化しない特性を有する
    ことを特徴とする請求項7記載の電池診断装置。
  10. 前記演算部は、前記電流値にかかわらず、前記充電動作を停止した時点から所定時間が経過するまでの間の期間における前記電圧値の変動分を、前記第1変動分として取得し、
    前記演算部は、前記第1変動分のなかに含まれる、前記蓄電池の内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池診断装置。
  11. 前記演算部は、前記蓄電池に対して充電動作を開始した開始時点から、前記充電動作を実施している期間内の所定時点までの間における、前記電圧値の第2変動分を取得し、
    前記演算部は、前記第2変動分を用いて前記内部抵抗を推定し、
    前記演算部は、前記推定した前記内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を前記第1変動分から除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする請求項10記載の電池診断装置。
  12. 前記演算部は、前記蓄電池の温度が所定範囲内にある場合のみ、前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池診断装置。
  13. 蓄電池の劣化状態を診断する電池診断方法であって、
    前記蓄電池が出力する電圧値と前記蓄電池が出力する電流値を取得するステップ、
    前記電圧値と前記電流値を用いて前記劣化状態を計算するステップ、
    を有し、
    前記劣化状態を計算するステップにおいては、前記蓄電池に対して充電動作が実施された後の休止期間において、前記電圧値の第1変動分を取得し、
    前記劣化状態を計算するステップにおいては、前記第1変動分を用いて前記劣化状態を計算し、
    前記劣化状態を計算するステップにおいては、前記蓄電池の内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を前記第1変動分から除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない前記劣化状態を計算する
    ことを特徴とする電池診断方法。
  14. 蓄電池の劣化状態を診断する処理をコンピュータに実行させる電池診断プログラムであって、前記コンピュータに、
    前記蓄電池が出力する電圧値と前記蓄電池が出力する電流値を取得するステップ、
    前記電圧値と前記電流値を用いて前記劣化状態を計算するステップ、
    を実行させ、
    前記劣化状態を計算するステップにおいては、前記コンピュータに、前記蓄電池に対して充電動作が実施された後の休止期間において、前記電圧値の第1変動分を取得するステップを実行させ、
    前記劣化状態を計算するステップにおいては、前記コンピュータに、前記第1変動分を用いて前記劣化状態を計算するステップを実行させ、
    前記劣化状態を計算するステップにおいては、前記コンピュータに、前記蓄電池の内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を前記第1変動分から除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない前記劣化状態を計算するステップを実行させる
    ことを特徴とする電池診断プログラム。
  15. 蓄電池の劣化状態を診断する電池診断装置であって、
    前記蓄電池が出力する電圧値と前記蓄電池が出力する電流値を取得する取得部、
    前記電圧値と前記電流値を用いて前記劣化状態を計算する演算部、
    を備え、
    前記演算部は、前記蓄電池に対して充電動作が実施された後の休止期間において、前記電圧値の第1変動分を取得し、
    前記演算部は、前記第1変動分を用いて前記劣化状態を計算し、
    前記演算部は、前記劣化状態を計算する際に、前記蓄電池の内部抵抗が前記電圧値に対して与える影響を前記第1変動分から除去することにより、前記内部抵抗の影響を含まない前記劣化状態を計算し、
    前記内部抵抗は、前記蓄電池に対して充電動作を開始した開始時点から、前記充電動作を実施している期間内の所定時点までの間における、前記電圧値の第2変動分を用いて推定されたものである
    ことを特徴とする電池診断装置。
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