KR20150119016A - 축전 디바이스 열화 추정 장치 및 축전 디바이스 열화 추정 방법 - Google Patents

축전 디바이스 열화 추정 장치 및 축전 디바이스 열화 추정 방법 Download PDF

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Abstract

축전 디바이스(2)의 전압이 상한 전압인 상태에서 방전을 개시하고 나서 전압이 하한 전압이 될 때까지의 사이에, 적어도 1번은 충방전 회로(17)의 저항값이 바뀌도록, 회로 선택부(13)는, 스위치(S1, S2)의 온과 오프를 전환한다. 전기량 추정부(14)는, 방전 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출하고, 전기량과 축전 디바이스(2)의 전압의 관계를 산출한다. 내부 저항 추정부(15)는, 상기 저항값이 상이한 시점의 축전 디바이스(2)의 전압과 전류에 근거하여 내부 저항을 산출한다. 전력량 추정부(16)는, 상기 전기량과 전압의 관계, 축전 디바이스(2)의 전류 및 내부 저항에 근거하여, 전기량과 개방 전압의 관계를 산출한다. 축전 디바이스(2)의 충방전시에, 전력량 추정부(16)는, 전기량과 개방 전압의 관계, 내부 저항, 및 충방전 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다.

Description

축전 디바이스 열화 추정 장치 및 축전 디바이스 열화 추정 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING ELECTRIC STORAGE DEVICE DEGRADATION}
본 발명은, 축전 디바이스의 전력량을 추정하는, 축전 디바이스 열화 추정 장치 및 축전 디바이스 열화 추정 방법에 관한 것이다.
축전 디바이스의 충방전을 제어하기 위해서는, 방전 가능 전력 및 충전 가능 전력을 정확하게 파악할 필요가 있다. 즉, 개방 전압(개회로 전압), 내부 저항, 및 SOC(State Of Charge : 충전 상태)를 정확하게 파악할 필요가 있다.
축전 디바이스의 충전 상태를 직접 측정하는 것은 곤란하다. 그러나, 축전 디바이스의 SOC와 개방 전압의 사이에는, 어느 정도의 상관 관계가 인정되고 있다. 그래서 특허 문헌 1에 개시되는 전기 자동차용 2차 전지의 SOC 연산 방법에 있어서는, 소정 저항값, 전지 온도에 근거하는 제 1 저항비, 및 주어진 기준 충전 상태에 근거하는 제 2 저항비를 곱하여, 2차 전지의 전지 내부 저항을 산출한다. 그리고, 산출된 전지 내부 저항과 충방전시의 전지의 전류 및 전압으로부터 개방 전압을 산출하고, 개방 전압과 SOC의 상관 관계에 근거하여, 전지의 SOC를 산출한다.
특허 문헌 2에 개시되는 전지 잔존 용량 검출 장치는, 2차 전지에 부하 저항을 접속하고, 정전류 방전시켜, 정전류 방전 개시 직후 및 일정 시간 경과 후의 단자간 전압에 근거하여, 2차 전지에 있어서의 전극 내 반응 물질이 반응 부위까지 얼마나 쉽게 이동하는지에 근거하는 내부 물질 이동 지배의 분극값 또는 내부 물질 이동 지배의 저항값을 검출한다. 그리고, 내부 물질 이동 지배의 분극값 또는 내부 물질 이동 지배의 저항값에 근거하여 2차 전지의 SOC를 검출한다.
특허 문헌 3에 개시되는 전지 열화 측정 장치는, 상이한 충전 전류값을 공급한 경우의 전지 전압에 근거하여 전지의 내부 저항을 산출하고, 초기 상태의 내부 저항과의 비에 근거하여 전지 셀의 열화율을 산출한다.
특허 문헌 4에 개시되는 배터리의 열화도 추정 장치는, 상이한 열화도마다 전하량과 개방 전압값의 관계를 미리 측정하여 얻은 관계 데이터를 이용하여, 전류 센서에서 검출한 충방전 전류값을 시간 적산하여 산출한 배터리의 전하에 근거하여 배터리의 열화도를 산출한다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2000-258513호 공보
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 2007-017357호 공보
(특허 문헌 3) 일본 특허 공개 2008-123961호 공보
(특허 문헌 4) 일본 특허 공개 2012-057956호 공보
예컨대 전지 내부의 충방전 가능한 반응점의 일부에 있어서 기계적 손상이나 박리가 생겼기 때문에, 축전 디바이스의 용량이 감소하는 열화가 일어나는 일이 있다. 그 경우에는, 특허 문헌 1, 2에 개시되는 기술과 같이, 내부 저항에 근거하여 축전 디바이스의 열화를 추정하는 방법으로는, 축전 디바이스의 열화의 추정이 곤란하게 된다.
특허 문헌 3에 개시되는 전지 열화 측정 장치에서는, 축전 디바이스의 용량의 열화와 내부 저항의 증대가 동시에 진행되지 않는 경우에는, 축전 디바이스의 열화의 추정이 곤란하게 된다.
특허 문헌 4에 개시되는 배터리의 열화도 추정 장치에서는, 미리 열화도마다 전하량과 개방 전압의 관계를 취득하기 때문에, 실사용 조건에서의 여러 가지의 열화의 메커니즘을 사전에 예측하여 데이터를 취득하는 것이 필요하다. 그러나, 실사용 조건에서의 열화의 메커니즘을 충분히 예측하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 축전 디바이스의 전력량을 추정하는 정밀도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 축전 디바이스 열화 추정 장치는, 충방전 회로, 스위치, 전압 검출부, 전류 검출부, 회로 선택부, 전기량 추정부, 내부 저항 추정부, 및 전력량 추정부를 구비한다. 충방전 회로는, 저항을 구비하고, 축전 디바이스에 접속된다. 스위치는, 충방전 회로의 전로를 전환하여 충방전 회로의 저항값을 변경한다. 전압 검출부는, 축전 디바이스의 전압을 검출한다. 전류 검출부는, 축전 디바이스에 흐르는 전류를 검출한다. 회로 선택부는, 전압이 제 1 임계값 이상인 상태에서 축전 디바이스의 방전을 개시하고 나서, 전압이 제 2 임계값 이하가 될 때까지의 사이, 또는, 전압이 제 3 임계값 이하인 상태에서 축전 디바이스의 충전을 개시하고 나서, 전압이 제 4 임계값 이상이 될 때까지의 사이에 충방전 회로의 저항값이 적어도 1번은 바뀌도록 스위치를 전환한다. 전기량 추정부는, 방전 또는 충전의 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출하고, 전기량과 전압의 관계를 산출한다. 내부 저항 추정부는, 방전 또는 충전의 개시 이후의 충방전 회로의 저항값이 상이한 시점의 전압 및 전류에 근거하여, 축전 디바이스의 내부 저항을 산출한다. 전력량 추정부는, 전기량과 전압의 관계, 전류 및 내부 저항에 근거하여, 전기량과 축전 디바이스의 개방 전압의 관계를 산출하고, 전기량과 개방 전압의 관계, 내부 저항, 및 방전 또는 충전시에 축전 디바이스에 흐르는 전류에 근거하여, 축전 디바이스의 전력량을 추정한다.
본 발명에 의하면, 축전 디바이스의 전력량을 추정하는 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시의 형태 1에 있어서의 축전 디바이스에 흐르는 전류와 축전 디바이스의 전압의 변화의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시의 형태 1에 있어서의 전기량의 산출의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시의 형태 1에 있어서의 전기량의 산출의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시의 형태 1에 있어서의 전기량과 축전 디바이스의 전압의 관계 및 전기량과 내부 저항의 관계의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시의 형태 1에 있어서의 축전 디바이스의 전력량의 추정의 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 측정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 8은 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 전력량 추정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 9는 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치의 상이한 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 10은 실시의 형태 1에 있어서의 축전 디바이스에 흐르는 전류와 축전 디바이스의 전압의 변화의 상이한 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 12는 실시의 형태 2에 있어서의 축전 디바이스의 온도와 내부 저항의 관계의 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시의 형태 2에 있어서의 전기량과 내부 저항의 관계의 예를 나타내는 도면이다.
도 14는 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 측정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 15는 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 전력량 추정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한 도면 중, 동일 또는 동등한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
(실시의 형태 1)
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다. 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)는, 전압 검출부(11), 전류 검출부(12), 회로 선택부(13), 전기량 추정부(14), 내부 저항 추정부(15), 전력량 추정부(16), 저항 R1, R2, 및 스위치 S1, S2를 구비한다. 축전 디바이스(2)는 2차 전지이고, 예컨대 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등이다. 축전 디바이스(2)의 충방전을 반복하면, 충방전의 반복에 따른 열화에 의해, 축전 디바이스(2)의 용량이 감소하여, 저장할 수 있는 전력량이 감소한다. 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)는, 축전 디바이스(2)의 열화를 추정, 즉 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다.
저항 R1 및 스위치 S1로 이루어지는 회로와, 저항 R2 및 스위치 S2로 이루어지는 회로로 구성되는 충방전 회로(17)의 일단은 축전 디바이스(2)의 양극에 접속되고, 타단은 축전 디바이스(2)의 음극에 접속된다. 저항 R1, R2의 일단은, 축전 디바이스(2)의 양극에 접속되고, 타단은 스위치 S1, S2에 접속된다. 스위치 S1, S2는, 임의의 스위칭 소자이고, 예컨대 트랜지스터를 이용할 수 있다. 도 1의 예에서는, 스위치 S1, S2의 콜렉터 단자는, 저항 R1, R2에 각각 접속되고, 스위치 S1, S2의 이미터 단자는, 전류 검출부(12)를 통해서 축전 디바이스(2)의 음극에 접속되어 있다. 스위치 S1, S2의 베이스 단자는, 회로 선택부(13)에 접속되어 있다. 스위치 S1, S2의 온과 오프가 전환되는 것에 의해, 전로가 바뀌어, 충방전 회로(17)의 저항값이 변화한다.
전압 검출부(11)는, 축전 디바이스(2)의 양극과 음극의 사이의 전압(이하, 간단히 전압이라고 한다)을 검출한다. 전류 검출부(12)는, 축전 디바이스(2)에 흐르는 전류(이하, 간단히 전류라고 한다)를 검출한다. 회로 선택부(13)는, 임의로 정한 제어 패턴에 따라서 스위치 S1, S2에 게이트 신호를 출력하여, 스위치 S1, S2의 온과 오프를 전환한다. 스위치 S1, S2의 제어 패턴은, 충방전 중에 적어도 1번은 충방전 회로(17)의 저항값이 변화하도록, 임의로 정한 제어 패턴이다. 전기량 추정부(14)는, 축전 디바이스(2)의 방전 또는 충전의 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 전류를 시간 적분하여, 방전 또는 충전된 전기량(단위 : Ah)을 산출하고, 전기량과 전압의 관계를 산출한다.
내부 저항 추정부(15)는, 충방전 회로(17)의 저항값이 상이한 시점의 전압 및 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 내부 저항을 산출한다. 전력량 추정부(16)는, 전기량 추정부(14)에서 산출한 전기량과 전압의 관계, 전류 및 내부 저항에 근거하여, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계를 산출한다.
상술한 바와 같이 산출한 값에 근거하여, 축전 디바이스(2)를 방전 또는 충전할 때에, 전력량 추정부(16)는, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계, 내부 저항, 및 축전 디바이스(2)를 방전 또는 충전할 때의 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다.
도 2는 실시의 형태 1에 있어서의 축전 디바이스에 흐르는 전류와 축전 디바이스의 전압의 변화의 예를 나타내는 도면이다. 상단이 전류를 나타내고, 하단이 전압을 나타낸다. 가로축이 시간이고, 상단의 세로축이 전류이고, 하단의 세로축이 전압이다. 전압이 제 1 임계값 이상인 상태에서 방전을 개시하고, 전압이 제 2 임계값 이하가 될 때까지 방전을 계속하는 경우를 예로 하여 설명한다. 또 제 1 임계값 및 제 2 임계값은, 임의로 정할 수 있다. 예컨대 제 1 임계값을 축전 디바이스(2)의 상한 전압으로 하고, 제 2 임계값을 축전 디바이스(2)의 하한 전압으로 한다. 또 방전 전류를 양으로 나타내고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전압은 상한 전압 VUL로부터, 하한 전압 VLL까지 변화한다.
전압이 상한 전압 VUL인 상태로서, 스위치 S1, S2가 오프인 상태로부터, 시각 T1에 있어서, 스위치 S1을 온으로 하고, 축전 디바이스(2)의 방전을 개시한다. 시각 T1로부터 시각 T2까지의 사이, 전류는 I11이고, 시각 T1로부터 시각 T2에 걸쳐 전압은 V11까지 감소한다. 시각 T2에 있어서, 스위치 S2를 추가적으로 온으로 하면, 전류는 I21이 되고, 전압은 V21이 된다. 시각 T2로부터 시각 T3까지의 사이, 전류는 I21이고, 시각 T2로부터 시각 T3에 걸쳐 전압은 감소한다. 시각 T3에 있어서 스위치 S2를 오프로 하면, 전류는 I12가 되고, 전압은 V21 정도까지 증가한다. 시각 T3으로부터 시각 T4까지의 사이, 전류는 I12이고, 시각 T3으로부터 시각 T4에 걸쳐 전압은 V12까지 감소한다. 시각 T4에 있어서 스위치 S2를 온으로 하면, 전류는 I22가 되고, 전압은 V22가 된다. 시각 T4 이후, 전압이 하한 전압에 도달할 때까지, 전압 검출부(11) 및 전류 검출부(12)는, 임의로 정한 간격으로 전압 및 전류를 검출한다.
내부 저항 추정부(15)는, 충방전 회로(17)의 저항값이 서로 상이한 시점, 예컨대 시각 T2의 직전과 직후에 있어서의 전압 및 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 내부 저항을 산출한다. 시각 T2의 직전과 직후의 전압 및 전류에 근거하는 내부 저항 RB1은, RB1=｜V11-V21｜/｜I11-I21｜로 표현된다. 또한 시각 T4의 직전과 직후의 전압 및 전류에 근거하는 내부 저항 RB2는, RB2=｜V12-V22｜/｜I12-I22｜로 표현된다. 스위치 S1, S2를 전환하는 임의의 시점의 직전의 전압을 V1n, 직전의 전류를 I1n으로 하고, 직후의 전압을 V2n, 직후의 전류를 I2n으로 하면, 임의의 시점의 직전과 직후에 있어서의 전압 및 전류에 근거하는 내부 저항 RBn은, RBn=｜V1n-V2n｜/｜I1n-I2n｜으로 표현된다.
도 3 및 도 4는 실시의 형태 1에 있어서의 전기량의 산출의 예를 나타내는 도면이다. 전기량 추정부(14)는, 방전을 개시한 시각 T1로부터, 예컨대 시각 T2까지의 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출한다. 시각 T1로부터 시각 T2까지의 전류에 근거하여 산출한 전기량 Q1은, 도 3에 있어서 사선으로 나타내는 부분의 면적에 상당한다. 또한 전기량 추정부(14)는, 방전을 개시한 시각 T1로부터, 예컨대 시각 T4까지의 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출한다. 시각 T1로부터 시각 T4까지의 전류에 근거하여 산출한 전기량 Q2는, 도 4에 있어서 사선으로 나타내는 부분의 면적에 상당한다.
전기량 추정부(14)는, 시각 T2의 직전에 있어서의 전압 V11과 시각 T1로부터 시각 T2까지의 전류에 근거하는 전기량 Q1을 대응시키고, 시각 T4의 직전에 있어서의 전압 V12와 시각 T1로부터 시각 T4까지의 전류에 근거하는 전기량 Q2를 대응시킨다. 전기량 추정부(14)는, 상술한 바와 같이 방전의 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 전류에 근거하여 전기량을 산출하고, 전기량과 전압의 관계를 산출한다. 도 5는 실시의 형태 1에 있어서의 전기량과 축전 디바이스의 전압의 관계 및 전기량과 내부 저항의 관계의 예를 나타내는 도면이다. 도 5의 상단의 실선의 그래프는 전기량과 전압의 관계를 나타낸다. 전기량 추정부(14)는, 예컨대 도 5의 상단의 실선의 그래프와 같은 전기량과 전압의 관계를 산출한다.
시각 T1로부터 시각 T2까지의 전류에 근거하는 전기량은 Q1이고, 시각 T1로부터 시각 T4까지의 전류에 근거하는 전기량은 Q2이다. 또한 시각 T2의 직전과 직후의 전압 및 전류에 근거하는 내부 저항은 RB1이고, 시각 T4의 직전과 직후의 전압 및 전류에 근거하는 내부 저항은 RB2이다. 따라서, 내부 저항과 전기량의 관계는, 도 5의 하단과 같이 나타내어진다. 내부 저항 추정부(15)가 소정의 타이밍의 전압과 전류에 근거하여 산출한 내부 저항을 기준으로 하여, 보간 처리를 행하면, 예컨대 도 5의 하단의 그래프와 같은 전기량과 내부 저항의 관계를 얻을 수 있다.
전력량 추정부(16)는, 도 5의 상단에 실선으로 나타내는 전기량과 전압의 관계, 전류 및 내부 저항에 근거하여, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계를 산출한다. 전기량 Q1에 대응하는 축전 디바이스(2)의 개방 전압 E1은, E1=V11+I11ㆍRB1로 표현된다. 또한 전기량 Q2에 대응하는 축전 디바이스(2)의 개방 전압 E2는, E2=V12+I12ㆍRB2로 표현된다. 임의의 시점의 직전과 직후에 있어서의 전압 및 전류에 근거하는 내부 저항 RBn에 대응하는 전기량을 Qn으로 하면, 전기량 Qn에 대응하는 축전 디바이스(2)의 개방 전압 En은, En=V1n+I1nㆍRBn으로 표현된다. 전력량 추정부(16)는, 상술한 바와 같이 전기량에 대한 개방 전압을 구하고, 도 5의 상단에 파선으로 나타내는 바와 같이 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계를 산출한다.
상기와 같이 산출한 값에 근거하여, 전력량 추정부(16)는 축전 디바이스(2)의 사용시에, 사용 조건에 근거하여 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다. 전력량의 추정에 대하여 이하에 설명한다. 축전 디바이스(2)의 전압이 상한 전압인 상태로부터 방전 전류를 일정값 I로 하여 전압이 하한 전압에 도달할 때까지 축전 디바이스(2)의 방전을 행하는 경우를 예로 하여 설명한다. 전력량 추정부(16)는, 방전 전류값 I를 취득하고, 방전시의 축전 디바이스(2)의 상한 전압 VUL' 및 하한 전압 VLL'를 취득한다. 도 6은 실시의 형태 1에 있어서의 축전 디바이스의 전력량의 추정의 예를 나타내는 도면이다. 파선의 그래프는, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계를 나타낸다. 방전 전류를 I로 하면, 전압 강하가 생기기 때문에, 전기량 Q1에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 V1은, V1=E1-IㆍRB1로 표현된다. 또한 전기량 Q2에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 V2는, V2=E2-IㆍRB2로 표현된다.
마찬가지로, 전기량에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압을 산출한다. 예컨대 전기량 Qn에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 Vn은, Vn=En-IㆍRBn으로 표현된다. 상술한 바와 같이, 전력량 추정부(16)는, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계, 내부 저항 및 방전 전류 I에 근거하여, 전기량과 방전 전류를 일정값 I로 한 경우의 방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압의 관계를 산출한다. 방전 전류를 일정값 I로 한 경우의 방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압은, 도 6의 실선으로 나타내는 그래프와 같이 변화한다. 전력량 추정부(16)는, 상한 전압 VUL' 및 하한 전압 VLL'로 정해지는 범위 내에 있어서, 전기량에 대한 방전 전류를 일정값 I로 한 경우의 방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압을 적분하고, 축전 디바이스(2)의 전력량(단위 : Wh)을 추정한다. 축전 디바이스(2)의 전력량은, 도 6에 있어서 사선으로 나타내는 부분의 면적에 상당한다.
또 전력량 추정부(16)는, 축전 디바이스(2)의 전압을 충전할 때에도 상술한 예와 마찬가지로, 충전의 조건에 따라서, 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정할 수 있다. 충전 전류를 I로 하면, I는 음의 값이기 때문에, 전기량 Q1에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 V1은, V1=E1+IㆍRB1로 표현된다. 또한 전기량 Q2에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 V2는, V2=E2+IㆍRB2로 표현된다. 또 적분의 대상이 되는 범위는, 전기량에 근거하여 결정하더라도 좋다.
실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)에 의하면, 전압 검출부(11) 및 전류 검출부(12)에서 측정한 전압 및 전류에 근거하여 전기량과 개방 전압의 관계를 산출하고, 내부 저항에 의한 전압 강하의 영향을 제외하여, 방전 또는 충전 조건마다 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정할 수 있기 때문에, 축전 디바이스(2)의 전력량의 추정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 7은 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 측정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다. 축전 디바이스(2)의 전압이 제 1 임계값 이상인 상태에서 방전을 개시하고, 축전 디바이스(2)의 전압이 제 2 임계값 이하가 될 때까지 방전을 행하는 경우를 예로 하여 설명한다. 축전 디바이스(2)의 전압이 상한 전압에 도달하고 있는 상태로서, 스위치 S1, S2가 오프인 상태로부터, 스위치 S1을 온으로 하고, 축전 디바이스(2)의 방전을 개시한다(스텝 S110). 전압 검출부(11)는 축전 디바이스(2)의 전압을 검출하고, 전류 검출부(12)는 축전 디바이스(2)에 흐르는 전류를 검출한다(스텝 S120). 전압이 하한 전압에 도달하고 있지 않은 동안은(스텝 S130; 아니오), 스텝 S120의 처리를 반복한다.
전압이 하한 전압에 도달한 경우에는(스텝 S130; 예), 내부 저항 추정부(15)는, 충방전 회로(17)의 저항값이 서로 상이한 시점의 전압 및 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 내부 저항을 산출한다(스텝 S140). 전기량 추정부(14)는, 방전의 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출하고, 전기량과 전압의 관계를 산출한다(스텝 S150). 전력량 추정부(16)는, 전기량과 전압의 관계, 전류 및 내부 저항에 근거하여, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계를 산출한다(스텝 S160). 스텝 S160의 처리가 완료되면, 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)는, 측정 처리를 종료한다. 스텝 S140의 내부 저항 산출 처리, 및 스텝 S150의 전기량 산출 처리의 실행의 순서는 임의이고, 병행하여 처리를 행하더라도 좋다.
도 8은 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 전력량 추정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다. 전력량 추정부(16)는, 충방전 전류를 취득하고, 충방전시의 축전 디바이스(2)의 상한 전압 및 하한 전압을 취득한다(스텝 S210). 전력량 추정부(16)는, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계, 내부 저항 및 충방전 전류에 근거하여, 전기량과 충방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압의 관계를 산출한다(스텝 S220). 전력량 추정부(16)는, 상한 전압 및 하한 전압으로 정해지는 범위 내에 있어서, 전기량에 대한 충방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압을 적분하고, 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다(스텝 S230).
상술한 예에서는, 축전 디바이스(2)의 방전 중에 검출한 전압 및 전류에 근거하여, 내부 저항 및 전기량과 개방 전압의 관계를 산출했지만, 축전 디바이스(2)의 충전 중에 검출한 전압 및 전류에 근거하여, 내부 저항 및 전기량과 개방 전압의 관계를 산출하더라도 좋다. 도 9는 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치의 상이한 구성예를 나타내는 블록도이다. 축전 디바이스(2)는, 충전 장치(3)에 의해 충전된다. 도 9에 나타내는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)의 각 부의 동작은, 도 1에 나타내는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)와 동일하다.
도 10은 실시의 형태 1에 있어서의 축전 디바이스에 흐르는 전류와 축전 디바이스의 전압의 변화의 상이한 예를 나타내는 도면이다. 상단이 전류를 나타내고, 하단이 전압을 나타낸다. 가로축이 시간이고, 상단의 세로축이 전류이고, 하단의 세로축이 전압이다. 전압이 제 3 임계값 이하인 상태에서 충전을 개시하고, 전압이 제 4 임계값 이상이 될 때까지 충전을 행하는 경우를 예로 하여 설명한다. 또 제 3 임계값 및 제 4 임계값은, 임의로 정할 수 있다. 예컨대 제 3 임계값을 축전 디바이스(2)의 하한 전압으로 하고, 제 4 임계값을 축전 디바이스(2)의 상한 전압으로 한다. 또 충전 전류를 음으로 나타내고 있다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 전압은 하한 전압 VLL로부터, 상한 전압 VUL까지 변화한다.
전압이 하한 전압 VLL인 상태로서, 스위치 S1, S2가 오프인 상태로부터, 시각 T1에 있어서, 스위치 S1을 온으로 하고, 축전 디바이스(2)의 충전을 개시한다. 시각 T1로부터 시각 T2까지의 사이, 전류는 -I11이고, 시각 T1로부터 시각 T2에 걸쳐 전압은 V11까지 증가한다. 시각 T2에 있어서, 스위치 S2를 추가적으로 온으로 하면, 전류는 -I21이 되고, 전압은 V21이 된다. 시각 T2로부터 시각 T3까지의 사이, 전류는 -I21이고, 시각 T2로부터 시각 T3에 걸쳐 전압은 증가한다. 시각 T3에 있어서 스위치 S2를 오프로 하면, 전류는 -I12가 되고, 전압은 V21 정도까지 감소한다. 시각 T3으로부터 시각 T4까지의 사이, 전류는 -I12이고, 시각 T3으로부터 시각 T4에 걸쳐 전압은 V12까지 증가한다. 시각 T4에 있어서 스위치 S2를 온으로 하면, 전류는 -I22가 되고, 전압은 V22가 된다. 시각 T4 이후, 전압이 상한 전압에 도달할 때까지, 전압 검출부(11) 및 전류 검출부(12)는, 임의로 정한 간격으로 전압 및 전류를 검출한다.
내부 저항 추정부(15)는, 상술한 방전의 경우와 마찬가지로, 충방전 회로(17)의 저항값이 서로 상이한 시점, 예컨대 시각 T2의 직전과 직후에 있어서의 전압 및 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 내부 저항을 산출하고, 시각 T4의 직전과 직후에 있어서의 전압 및 전류에 근거하여, 축전 디바이스(2)의 내부 저항을 산출한다. 전기량 추정부(14)는, 충전을 개시한 시각 T1로부터, 예컨대 시각 T2까지의 전류의 절대값을 시간 적분하여 전기량을 산출한다. 또한 전기량 추정부(14)는, 충전을 개시한 시각 T1로부터, 예컨대 시각 T4까지의 전류의 절대값을 시간 적분하여 전기량을 산출한다. 전기량 추정부(14)는, 상술한 방전의 경우와 마찬가지로, 전기량과 전압의 관계를 산출한다.
전력량 추정부(16)는, 상술한 방전의 경우와 마찬가지로, 전기량과 전압의 관계, 전류 및 내부 저항에 근거하여, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계를 산출한다. 그리고 산출한 값에 근거하여, 전력량 추정부(16)는 축전 디바이스(2)의 사용시에, 사용 조건에 근거하여 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다. 축전 디바이스(2)의 충전 중에 산출한 값에 근거해서도, 상술한 방전의 경우와 마찬가지로 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)에 의하면, 축전 디바이스(2)의 전력량의 추정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
(실시의 형태 2)
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다. 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)는, 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)의 구성에 더하여, 온도 검출부(18)를 더 구비한다. 실시의 형태 1과 상이한 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)의 동작에 대하여 설명한다.
온도 검출부(18)는, 임의로 정한 시점에 있어서의 축전 디바이스(2)의 표면 온도를 검출, 또는 축전 디바이스(2)의 내부 온도를 추정한다. 온도 검출 또는 온도 추정에는, 임의의 종래 기술을 이용한다. 온도 검출부(18)는, 예컨대 내부 저항의 산출 시점에 맞추어, 축전 디바이스(2)의 표면 온도를 검출한다. 전압 및 전류가 도 2와 같이 변화하는 경우에는, 온도 검출부(18)는, 예컨대 시각 T2에 있어서의 축전 디바이스(2)의 표면 온도를 검출한다.
내부 저항 추정부(15)는, 실시의 형태 1과 마찬가지로 내부 저항을 산출한다. 온도가 상이한 조건에 있어서, 내부 저항의 산출을 행하고, 온도 검출부(18)에서 검출한 온도와 내부 저항의 관계를 산출한다. 도 12는 실시의 형태 2에 있어서의 축전 디바이스의 온도와 내부 저항의 관계의 예를 나타내는 도면이다. 내부 저항 추정부(15)는, 도 12에 검은 원으로 나타내는 바와 같이, 각 온도에 대한 내부 저항을 얻는다. 내부 저항 추정부(15)는, 얻어진 내부 저항의 값을 보간하여, 도 12에 실선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 온도와 내부 저항의 관계를 산출한다.
혹은, 내부 저항 추정부(15)는, 미리 정한 온도와 내부 저항의 관계를, 온도 검출부(18)에서 검출한 온도와 실시의 형태 1과 동일하게 산출한 내부 저항에 근거하여 보정한다. 도 12에 파선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 내부 저항 추정부(15)는, 미리 정한 온도와 내부 저항의 관계를 유지하고 있다. 온도 검출부(18)에서 검출한 온도가 Th1인 경우에 있어서의, 전압 및 전류에 근거하여 산출한 내부 저항과, 미리 정한 온도와 내부 저항의 관계에 근거하는 내부 저항의 차이 RD에 근거하여, 미리 정한 온도와 내부 저항의 관계를 보정하고, 도 12에 실선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 온도와 내부 저항의 관계를 얻는다.
상기와 같이 산출한 값에 근거하여, 전력량 추정부(16)는 축전 디바이스(2)의 사용시에, 사용 조건에 근거하여 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다. 전력량의 추정에 대하여 이하에 설명한다. 전력량 추정부(16)는, 방전 또는 충전시의 축전 디바이스(2)의 온도, 및 산출한 온도와 내부 저항의 관계 또는 보정한 온도와 내부 저항의 관계에 근거하여, 내부 저항을 보정한다. 축전 디바이스(2)의 전압이 상한 전압인 상태로부터 방전 전류를 일정값 I로 하여 전압이 하한 전압에 도달할 때까지 축전 디바이스(2)의 방전을 행하는 경우를 예로 하여 설명한다. 방전 개시시의 온도를 Th2로 하면, 도 12에 나타내는 산출한 온도와 내부 저항의 관계 또는 보정한 온도와 내부 저항의 관계에 나타내는 바와 같이, 내부 저항은 RB1'이다.
도 13은 실시의 형태 2에 있어서의 전기량과 내부 저항의 관계의 예를 나타내는 도면이다. 전력량 추정부(16)는, 방전 개시시의 온도 Th2 및 도 12에 나타내는 산출한 온도와 내부 저항의 관계 또는 보정한 온도와 내부 저항의 관계에 근거하여, 도 13에 파선으로 나타내는 전기량과 내부 저항의 관계를 보정하고, 도 13에 실선으로 나타내는 전기량과 내부 저항의 관계를 산출한다. 실시의 형태 1과 마찬가지로, 전력량 추정부(16)는, 방전 전류값 I를 취득하고, 방전시의 축전 디바이스(2)의 상한 전압 VUL' 및 하한 전압 VLL'를 취득한다. 방전 전류를 I로 하면, 전압 강하가 생기기 때문에, 전기량 Q1에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 V1은, V1=E1-IㆍRB1'로 표현된다. 또한 전기량 Q2에 대응하는 축전 디바이스(2)의 전압 V2는, V2=E2-IㆍRB2'로 표현된다. RB1' 및 RB2'는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 방전 개시시의 온도에 근거하여 보정된 내부 저항이다. 또 방전 개시시의 온도에 한하지 않고, 방전 개시로부터 임의로 정한 시간 경과 후의 온도나 방전 개시로부터 일정 시간의 온도의 평균값에 근거하여, 전기량과 내부 저항의 관계를 보정하더라도 좋다.
상술한 바와 같이, 전력량 추정부(16)는, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계, 방전 개시시의 온도에 근거하여 보정된 내부 저항 및 방전 전류 I에 근거하여, 전기량과 방전 전류를 일정값 I로 한 경우의 방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압의 관계를 산출한다. 전력량 추정부(16)는, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 상한 전압 VUL' 및 하한 전압 VLL'로 정해지는 범위 내에 있어서, 전기량에 대한 방전 전류를 일정값 I로 한 경우의 방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압을 적분하고, 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정한다.
또 전력량 추정부(16)는, 축전 디바이스(2)의 전압을 충전할 때에도 상술한 예와 마찬가지로, 충전의 조건에 따라서, 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정할 수 있다. 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)에 의하면, 전압 검출부(11) 및 전류 검출부(12)에서 측정한 전압 및 전류에 근거하여 전기량과 개방 전압의 관계를 산출하고, 축전 디바이스(2)의 온도에 의해 변화하는 내부 저항에 의한 전압 강하의 영향을 제외하여, 방전 또는 충전 조건마다 축전 디바이스(2)의 전력량을 추정할 수 있기 때문에, 축전 디바이스(2)의 전력량의 추정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 14는 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 측정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다. 스텝 S110~S160은, 도 7에 나타내는 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)가 행하는 스텝 S110~160의 처리와 동일하다. 내부 저항 추정부(15)는, 온도 검출부(18)에서 검출한 온도와 실시의 형태 1과 동일하게 산출한 내부 저항의 관계를 산출, 또는, 미리 정한 온도와 내부 저항의 관계를, 온도 검출부(18)에서 검출한 온도와 실시의 형태 1과 동일하게 산출한 내부 저항에 근거하여 보정한다(스텝 S170).
도 15는 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 전력량 추정의 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다. 전력량 추정부(16)는, 방전 개시시의 온도, 및, 산출한 온도와 내부 저항의 관계 또는 보정한 온도와 내부 저항의 관계에 근거하여, 전기량과 내부 저항의 관계를 보정한다(스텝 S201). 스텝 S210의 처리는, 도 8에 나타내는 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)가 행하는 동작과 동일하다. 전력량 추정부(16)는, 전기량과 축전 디바이스(2)의 개방 전압의 관계, 방전 개시시의 온도에 근거하여 보정된 내부 저항 및 충방전 전류에 근거하여, 전기량과 충방전 중의 축전 디바이스(2)의 전압의 관계를 산출한다(스텝 S221). 스텝 S230의 처리는, 도 8에 나타내는 실시의 형태 1과 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)가 행하는 동작과 동일하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시의 형태 2와 관련되는 축전 디바이스 열화 추정 장치(1)에 의하면, 축전 디바이스(2)의 전력량의 추정 정밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시의 형태는 상술한 실시의 형태로 한정되지 않는다. 충방전 회로(17)의 구성은, 도 1의 구성으로 한정되지 않고, 충방전 회로(17)의 저항값을 변경할 수 있는 임의의 회로를 이용할 수 있다. 저항 R1, R2의 저항값은, 축전 디바이스(2)의 규모에 맞추어 정한 임의의 값이다. 축전 디바이스(2)는, 단일 셀 또는 복수의 셀을 구비한다. 또한 스위치 S1, S2를 전환하는 시점이나 순서도 상술한 실시의 형태로 한정되지 않고, 임의이다.
상술한 실시의 형태에 있어서는, 전기량 추정부(14)는 전기량의 단위로서 Ah를 이용했지만, 전기량의 단위는 Ah로 한정되지 않고, 축전 디바이스(2)의 충방전 레이트에 맞춘 단위를 이용할 수 있다. 예컨대 축전 디바이스(2)의 내부 저항이 매우 작고, 충방전 레이트가 비교적 높은 경우에는, 수 시간의 측정 시간은 필요 없기 때문에, As나 Amin을 이용할 수 있다. 회로 선택부(13)는, 전기량 추정부(14)에서 산출한 전기량이 임의로 정한 임계값에 도달한 시점에, 스위치 S1, S2를 전환하도록 하더라도 좋다.
축전 디바이스(2)가 전기 철도 차량, 자동차 등을 구동하는 경우에는, 예컨대 야간의 수 시간의 정차 시간을 이용하여, 축전 디바이스(2)의 전력량을 날마다 산출하는 것에 의해, 날마다의 축전 디바이스(2)의 열화의 정도를 정확하게 파악할 수 있다.
상기 실시의 형태는, 모두 본 발명의 취지의 범위 내에서 각종 변형이 가능하다. 상기 실시의 형태는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것을 의도한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 실시 형태보다 첨부한 청구항에 의해 나타난다. 청구항의 범위 내, 및 발명의 청구항과 균등의 범위에서 이루어진 각종 변형은 본 발명의 범위에 포함된다.
(산업상이용가능성)
본 발명은, 축전 디바이스의 전력량을 추정하는 축전 디바이스 열화 추정 장치에 적합하게 채용될 수 있다.
1 : 축전 디바이스 열화 추정 장치
2 : 축전 디바이스
3 : 충전 장치
11 : 전압 검출부
12 : 전류 검출부
13 : 회로 선택부
14 : 전기량 추정부
15 : 내부 저항 추정부
16 : 전력량 추정부
17 : 충방전 회로
18 : 온도 검출부
R1, R2 : 저항
S1, S2 : 스위치

Claims (3)

  1. 저항을 구비하고, 축전 디바이스에 접속되는 충방전 회로와,
    상기 충방전 회로의 전로를 전환하여 상기 충방전 회로의 저항값을 변경하는 스위치와,
    상기 축전 디바이스의 전압을 검출하는 전압 검출부와,
    상기 축전 디바이스에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와,
    상기 전압이 제 1 임계값 이상인 상태에서 상기 축전 디바이스의 방전을 개시하고 나서, 상기 전압이 제 2 임계값 이하가 될 때까지의 사이, 또는, 상기 전압이 제 3 임계값 이하인 상태에서 상기 축전 디바이스의 충전을 개시하고 나서, 상기 전압이 제 4 임계값 이상이 될 때까지의 사이에 상기 충방전 회로의 저항값이 적어도 1번은 바뀌도록 상기 스위치를 전환하는 회로 선택부와,
    상기 방전 또는 상기 충전의 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 상기 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출하고, 상기 전기량과 상기 전압의 관계를 산출하는 전기량 추정부와,
    상기 방전 또는 상기 충전의 개시 이후의 상기 충방전 회로의 저항값이 상이한 시점의 상기 전압 및 상기 전류에 근거하여, 상기 축전 디바이스의 내부 저항을 산출하는 내부 저항 추정부와,
    상기 전기량과 상기 전압의 관계, 상기 전류 및 상기 내부 저항에 근거하여, 상기 전기량과 상기 축전 디바이스의 개방 전압의 관계를 산출하고, 상기 전기량과 상기 개방 전압의 관계, 상기 내부 저항, 및 방전 또는 충전시에 상기 축전 디바이스에 흐르는 전류에 근거하여, 상기 축전 디바이스의 전력량을 추정하는 전력량 추정부
    를 구비하는 축전 디바이스 열화 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축전 디바이스의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 구비하고,
    상기 내부 저항 추정부는, 값이 상이한, 상기 온도 및 상기 내부 저항에 근거하여 보간을 행하여 온도와 내부 저항의 관계를 산출하거나, 또는, 미리 정한 온도와 내부 저항의 관계를 상기 온도 및 상기 내부 저항에 근거하여 보정하고,
    상기 전력량 추정부는, 방전 또는 충전시의 상기 축전 디바이스의 온도, 및 상기 산출한 온도와 내부 저항의 관계 또는 상기 보정한 온도와 내부 저항의 관계에 근거하여, 상기 내부 저항을 보정하고, 상기 전기량과 상기 축전 디바이스의 개방 전압의 관계, 상기 보정한 상기 내부 저항, 및 방전 또는 충전시에 상기 축전 디바이스에 흐르는 전류에 근거하여, 상기 축전 디바이스의 전력량을 추정하는
    축전 디바이스 열화 추정 장치.
  3. 저항을 구비하고, 축전 디바이스에 접속되는 충방전 회로와,
    상기 충방전 회로의 전로를 전환하여 상기 충방전 회로의 저항값을 변경하는 스위치
    를 구비하는 축전 디바이스 열화 추정 장치가 행하는 축전 디바이스의 열화 추정 방법으로서,
    상기 축전 디바이스의 전압을 검출하는 전압 검출 스텝과,
    상기 축전 디바이스에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 스텝과,
    상기 전압이 제 1 임계값 이상인 상태에서 상기 축전 디바이스의 방전을 개시하고 나서, 상기 전압이 제 2 임계값 이하가 될 때까지의 사이, 또는, 상기 전압이 제 3 임계값 이하인 상태에서 상기 축전 디바이스의 충전을 개시하고 나서, 상기 전압이 제 4 임계값 이상이 될 때까지의 사이에 상기 충방전 회로의 저항값이 적어도 1번은 바뀌도록 상기 스위치를 전환하는 회로 선택 스텝과,
    상기 방전 또는 상기 충전의 개시 시점으로부터 임의로 정한 시점까지의 상기 전류를 시간 적분하여 전기량을 산출하고, 상기 전기량과 상기 전압의 관계를 산출하는 전기량 추정 스텝과,
    상기 방전 또는 상기 충전의 개시 이후의 상기 충방전 회로의 저항값이 상이한 시점의 상기 전압 및 상기 전류에 근거하여, 상기 축전 디바이스의 내부 저항을 산출하는 내부 저항 추정 스텝과,
    상기 전기량과 상기 전압의 관계, 상기 전류 및 상기 내부 저항에 근거하여, 상기 전기량과 상기 축전 디바이스의 개방 전압의 관계를 산출하고, 상기 전기량과 상기 개방 전압의 관계, 상기 내부 저항, 및 방전 또는 충전시에 상기 축전 디바이스에 흐르는 전류에 근거하여, 상기 축전 디바이스의 전력량을 추정하는 전력량 추정 스텝
    을 구비하는 축전 디바이스 열화 추정 방법.
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