WO2012120564A1

WO2012120564A1 - 二次電池システム

Info

Publication number: WO2012120564A1
Application number: PCT/JP2011/001365
Authority: WO
Inventors: 耕平本蔵; 佐々木　寛文; 山本　恒典; 晋山内; 賢治武田
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-13
Also published as: JPWO2012120564A1

Abstract

　エネルギー効率の向上効果を維持しつつ二次電池の劣化を抑制し、二次電池の交換期間を長くすることで車両システム全体のランニングコストの低減を図ることができる二次電池の充電制御システムを備えた二次電池装置を提供する。　二次電池と、前記二次電池を搭載した車両と、前記車両の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出した前記車両の現在位置において前記二次電池が有する電気量と、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量と、前記車両の現在位置から通過予定位置までの所要時間とに基づいて算出した電流値により、前記車両の現在位置から通過予定位置まで前記二次電池を充電する制御手段を有する。

Description

二次電池システム

　本発明は、二次電池を搭載する車両の位置検出結果を基に二次電池への充電動作を制御する二次電池システムに関する。

　近年においては、二次電池から供給される電力に基づいて駆動されるモーターを駆動源とする電気自動車や、モーターとエンジンを併用して駆動源とするハイブリッド車両などが見られる。また、架線から供給される電力に基づいて駆動されるモーターを駆動源とする鉄道車両においても、二次電池を搭載して減速時の回生エネルギーを回収し、エネルギー効率を向上させる動きが見られる。

　エネルギー効率の向上効果を得るためには個々の二次電池の充放電量はできるだけ大きいことが望ましい。ところが、二次電池は満充電状態で放置したり、過放電状態におかれたりすることによって性能劣化が進行し、充放電容量の低下や内部抵抗の増加を生じることが知られている。この劣化に伴い、エネルギー効率の向上効果が徐々に低減する。

特開２０１０－１４２１０９号公報

　特許文献１は夜間の時間帯に二次電池を充電するものであるが、二次電池の劣化の抑制の面で効果が不十分である。本発明は上述したような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の向上効果を維持しつつ二次電池の劣化を抑制することを目的とする。

　二次電池と、前記二次電池を搭載した車両と、前記車両の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により検出した前記車両の現在位置において前記二次電池が有する電気量と、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量と、前記車両の現在位置から通過予定位置までの所要時間とに基づいて算出した電流値により、前記車両の現在位置から通過予定位置まで前記二次電池を充電する制御手段を有する。

　本発明の二次電池システムは、現在位置に基づく充電制御を行うことにより、最寄りの停車駅に停車する直前に充電を完了することができる。このため、満充電状態で二次電池を保持する時間を短縮し、二次電池の劣化を抑制することができる。

二次電池を搭載した車両の充放電の概念図である。二次電池システムの構成図である。第１のデータテーブルの一例である。二次電池の電池電圧と電気量の関係を示すグラフである。第２のデータテーブルの一例である。実施例１の電流制御手段の動作フローの一例である。実施例２の電流制御手段の動作フローの一例である。

　以下、図面に基づいて実施例を説明する。

　図１は、二次電池を搭載した車両の充放電の概念図である。車両は加速時には二次電池を放電し、その後は一定速度で走行し、さらに減速時には回生エネルギーを回収することで二次電池を充電する。本発明は、二次電池の充電の制御に関するものである。

　図２は、本発明の二次電池システム１００の主構成である。二次電池システム１００は、リチウムイオン電池などの二次電池１０１と、二次電池１０１への充放電電流値を測定する電流測定手段１０２と、二次電池１０１の端子間電圧を測定する電圧測定手段１０３と、二次電池１０１を搭載しているハイブリッド鉄道車両１０４と、現在位置を検出する位置検出手段１０５と、時刻を検出する時刻検出手段１０６と、複数のデータテーブルを保持する記憶手段１０７と、位置検出手段１０５からの出力と記憶手段１０７が保持するデータテーブルとに基づいて二次電池１０１への充電電流を決定する電流制御手段１０９と、外部回路と二次電池１０１の一方の極を接続する端子１１０と、外部回路と二次電池１０１の他方の極を接続する端子１１１から構成されている。

　記憶手段１０７が記憶する第１のデータテーブルは、ハイブリッド鉄道車両１０４の通過予定位置と、ハイブリッド鉄道車両１０４の通過予定位置において二次電池１０１が有する予定の電気量と、ハイブリッド鉄道車両１０４の通過予定位置に対応する通過予定時刻との３つの情報を含む。第２のデータテーブルは、二次電池１０１の電池電圧と、その電池電圧に対応する電気量とを含む。

　図３に第１のデータテーブルの一例を示す。これはハイブリッド鉄道車両１０４がＸ駅を出発後、Ａ地点，Ｂ地点，Ｃ地点，Ｄ地点へと進み、Ｙ駅に到着するまでの各通過予定位置と、それに対応する二次電池１０１が有する予定の電気量と通過予定時刻を記憶するものである。

　ハイブリッド鉄道車両１０４はＸ駅においては満充電の状態であり、二次電池１０１は１０Ａｈの電気量を有する。ハイブリッド鉄道車両１０４がＸ駅を出発すると加速のために二次電池１０１を放電するので、二次電池１０１はＡ地点では６Ａｈの電気量を、Ｂ地点では４Ａｈの電気量を有することが想定される。Ｂ地点からＣ地点まではほぼ４Ａｈの電気量を維持し、それからＹ駅に近づくとハイブリッド鉄道車両１０４は減速するため、二次電池１０１は充電を開始しＤ地点では６Ａｈの電気量を、Ｙ駅では満充電（１０Ａｈ）の状態になることが理想的である。

　なお、ハイブリッド鉄道車両１０４の通過予定位置とは、ハイブリッド鉄道車両１０４が出発駅から到着駅までの通行路上の位置を示す位置指標である。位置指標の例としては経度と緯度の組み合わせが挙げられる。

　図４は、二次電池１０１の電池電圧と、その電池電圧に対応する電気量との関係を示すグラフである。この関係は二次電池１０１の固有のものである。図５に第２のデータテーブルの一例を示す。これは図４のグラフをデータテーブルとして整理したものである。

　図６は、電流制御手段１０９の動作フローの一例を示す。ここでは、ハイブリッド鉄道車両１０４がＸ駅を出発後、二次電池１０１が充電動作を実行するＣ地点，Ｄ地点での動作を説明する。

　ハイブリッド鉄道車両１０４がＸ駅を出発した後、Ａ地点，Ｂ地点を通過し、Ｃ地点に到着する（ステップ６０１）。

　ハイブリッド鉄道車両１０４がＣ地点に到着すると、位置検出手段１０５は現在位置を検出し電流制御手段１０９に出力する。また、電圧測定手段１０３は常時または断続的に二次電池１０１の電池電圧Ｖ_１を検出し、電流制御手段１０９に出力する（ステップ６０２）。

　電流制御手段１０９は、電圧測定手段１０３から出力された電池電圧Ｖ_１に基づいて、第２のデータテーブルを参照して、電池電圧Ｖ_１に対応する電気量Ｗ_１を取得する（ステップ６０３）。この電気量Ｗ_１が、Ｃ地点において二次電池１０１が現実に有する電気量である。

　その後、電流制御手段１０９は、第１のデータテーブルを参照してＤ地点において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄを取得する（ステップ６０４）。電流制御手段１０９は、Ｃ地点において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_１と、Ｄ地点において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄとを比較する（ステップ６０５）。

　ステップ６０５において、Ｃ地点において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_１が、Ｄ地点において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄと同じまたは大きい値である場合には充電を保留する（実行しない）。この場合、電流制御手段１０９は、電流測定手段１０２から出力された電流値Ｉ_ｏｕｔｐｕｔが充電電流を正として０以下になるように制御する。例えば二次電池１０１からの放電電流は全て外部回路に流す一方で、外部回路からもたらされる回生電流は全て熱エネルギーに変換するように指令する（ステップ６０６）。

　一方、Ｃ地点において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_１が、Ｄ地点において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄよりも小さい値である場合には充電を開始する。このとき電流制御手段１０９は、記憶手段１０７が保持する第１のデータテーブルを参照して充電電流値Ｉ_ｃｈを決定する（ステップ６０７）。

　例えば、充電電流値Ｉ_ｃｈは次のように決定することができる。Ｃ地点において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_１，現在の時刻ｔ_１，Ｄ地点において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄ，Ｄ地点の予定通過時刻ｔ_Ｄにより、充電電流値Ｉ_ｃｈを、式（Ｗ_Ｄ－Ｗ_１）／（ｔ_Ｄ－ｔ_１）により決めることができる。（ｔ_Ｄ－ｔ_１）は、ハイブリッド鉄道車両１０４のＣ地点からＤ地点までの所要時間ｔ_Ｄ１を示す。なお、ハイブリッド鉄道車両１０４が遅延することなく予定通りに走行している場合には、（ｔ_Ｄ－ｔ_１）は（ｔ_Ｄ－ｔ_Ｃ）と同じ値となる。

　電流制御手段１０９は、上記の充電電流値Ｉ_ｃｈによりハイブリッド鉄道車両１０４のＣ地点（現在位置）からＤ地点（通過予定位置）に到着するまで二次電池１０１を充電する（ステップ６０８）。

　一方、ハイブリッド鉄道車両１０４はＤ地点を通過し、さらにＹ駅へ向かう場合は、これまでと同様の処理を実行して、Ｄ地点からＹ駅に至るまでにおける充電電流値Ｉ_ｃｈを再度決定する（ステップ６０９）。

　このように充電電流値Ｉ_ｃｈによりＣ地点からＤ地点まで充電することで、Ｙ駅に到着する際に二次電池１０１が予定の電気量Ｗ_Ｂにちょうど到達するように制御することができる。すなわち、本実施形態の二次電池システム１００は、現在位置に基づく充電制御を行うことにより、最寄りの停車駅に停車する直前に充電を完了することができる。このため、充電状態で二次電池１０１を保持する時間を短縮し、二次電池１０１の劣化を抑制することができる。

　位置検出手段１０５の代替として時刻検出手段１０６により処理を進めることも可能である。実施例２は、このハイブリッド鉄道車両１０４が正確なダイヤで走行していることが前提で実現できるものであるが、位置検出手段１０５が故障等で利用できない場合にも対処できるメリットがある。このとき、実施例１の第１のデータテーブル，第２のデータテーブルに大きな変更なく利用可能である。電流制御手段１０９は位置の代わりに時刻により二次電池１０１が有する電気量，二次電池１０１が有する予定の電気量を取得すれば良い。電流制御手段１０９の動作フローは実施例１とほぼ同様であるが、以下で詳細に説明する。

　図７は、電流制御手段１０９の動作フローの一例を示す。ここでは、ハイブリッド鉄道車両１０４がＸ駅を出発後、二次電池１０１が充電動作を実行するＣ地点，Ｄ地点での動作を説明する。

　ハイブリッド鉄道車両１０４がＸ駅を１０時００分に出発した後、Ａ地点，Ｂ地点を通過し、Ｃ地点に到着する（ステップ７０１）。

　ハイブリッド鉄道車両１０４が１０時０６分になると（Ｃ地点に到着する）と、時刻検出手段１０６は現在時刻を検出し電流制御手段１０９に出力する。また、電圧測定手段１０３は常時または断続的に二次電池１０１の電池電圧Ｖ_２を検出し、電流制御手段１０９に出力する（ステップ７０２）。

　電流制御手段１０９は、電圧測定手段１０３から出力された電池電圧Ｖ_２に基づいて、第２のデータテーブルを参照して、電池電圧Ｖ_２に対応する電気量Ｗ_２を取得する（ステップ７０３）。この電気量Ｗ_２が、１０時０６分（Ｃ地点）において二次電池１０１が現実に有する電気量である。

　その後、電流制御手段１０９は、第１のデータテーブルを参照して１０時０８分（Ｄ地点）において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄを取得する（ステップ７０４）。電流制御手段１０９は、１０時０６分（Ｃ地点）において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_２と、１０時０８分（Ｄ地点）において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄとを比較する（ステップ７０５）。

　ステップ７０５において、現在の時刻である１０時０６分（Ｃ地点）において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_２が、１０時０８分（Ｄ地点）において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄよりも大きい値である場合には充電を保留する（実行しない）。この場合、電流制御手段１０９は、電流測定手段１０２から出力された電流値Ｉ_ｏｕｔｐｕｔが充電電流を正として０以下になるように制御する。例えば二次電池１０１からの放電電流は全て外部回路に流す一方で、外部回路からもたらされる回生電流は全て熱エネルギーに変換するように指令する（ステップ７０６）。

　一方、１０時０６分（Ｃ地点）において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_２が、１０時０８分（Ｄ地点）において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄと同じ値である、または１０時０８分（Ｄ地点）において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄよりも小さい値である場合には充電を開始する。このとき電流制御手段１０９は、記憶手段１０７が保持する第１のデータテーブルを参照して充電電流値Ｉ_ｃｈを決定する（ステップ７０７）。

　例えば、充電電流値Ｉ_ｃｈは次のように決定することができる。１０時０６分（Ｃ地点）において二次電池１０１が有する電気量Ｗ_２，現在の時刻ｔ_２，１０時０８分（Ｄ地点）において二次電池１０１が有する予定の電気量Ｗ_Ｄ，１０時０８分（Ｄ地点）の予定通過時刻ｔ_Ｄにより、充電電流値Ｉ_ｃｈを、式（Ｗ_Ｄ－Ｗ_２）／（ｔ_Ｄ－ｔ_２）により決めることができる。（ｔ_Ｄ－ｔ_２）は、ハイブリッド鉄道車両１０４の１０時０６分（Ｃ地点）から１０時０８分（Ｄ地点）までの差分ｔ_Ｄ２を示す。

　電流制御手段１０９は、上記の充電電流値Ｉ_ｃｈによりハイブリッド鉄道車両１０４の１０時０６分（Ｃ地点・現在位置）から１０時０８分（Ｄ地点・通過予定位置）に到着するまで二次電池１０１を充電する（ステップ７０８）。

　一方、ハイブリッド鉄道車両１０４は走行時刻が１０時０８分に達し（Ｄ地点を通過し）、さらに走行時刻が１０時１０分（Ｙ駅へ向かう）となるにあたり、これまでと同様の処理を実行して、１０時０８分（Ｄ地点）から１０時１０分（Ｙ駅）に至るまでにおける充電電流値Ｉ_ｃｈを再度決定する（ステップ７０９）。

　このように充電電流値Ｉ_ｃｈにより１０時０６分（Ｃ地点）から１０時０８分（Ｄ地点）まで充電することで、Ｙ駅に到着する際に二次電池１０１が予定の電気量Ｗ_Ｂにちょうど到達するように制御することができる。すなわち、本実施形態の二次電池システム１００は、現在時刻に基づく充電制御を行うことにより、最寄りの停車駅に停車する直前に充電を完了することができる。このため、充電状態で二次電池１０１を保持する時間を短縮し、二次電池１０１の劣化を抑制することができる。

　上述のステップ６０３，ステップ７０３では、Ｃ地点において二次電池１０１が有する電気量を取得する過程を簡単に説明したが、二次電池１０１の内部抵抗を推測することで二次電池１０１の開回路電圧，電気量をより正確に推定することができる。

　記憶手段１０７は、二次電池１０１の開回路電圧に対する二次電池１０１の内部抵抗を記録した第３のデータテーブルを保持することができる。第３のデータテーブルに保持されている開回路電圧Ｖ_ｏｃｖに対する内部抵抗値をＲ（Ｖ_ｏｃｖ）と記す。

　この場合、電圧測定手段１０３からの出力Ｖ_ｏｕｔｐｕｔおよび電流測定手段１０２からの出力Ｉ_ｏｕｔｐｕｔを用いて、電流制御手段１０９は二次電池１０１の開回路電圧をＶ_ｏｃｖ＝Ｖ_ｏｕｔｐｕｔ－Ｉ_ｏｕｔｐｕｔ×Ｒ（Ｖ_ｏｃｖ）から求めることができる。あるいは簡略化して、仮の開回路電圧をＶ_ｏｃｖ′、二次電池１０１の仮の内部抵抗をＲ′として、仮の開回路電圧をＶ_ｏｃｖ′＝Ｖ_ｏｕｔｐｕｔ－Ｉ_ｏｕｔｐｕｔ×Ｒ′として求めた後、二次電池１０１の開回路電圧をＶ_ｏｃｖ＝Ｖ_ｏｕｔｐｕｔ－Ｉ_ｏｕｔｐｕｔ×Ｒ（Ｖ_ｏｃｖ′）として求めてもよい。

　また、二次電池システム１００は、二次電池１０１の温度を検出する温度検出手段を備えることができる。電流制御手段１０９は、温度検出手段からの出力Ｔ_ｏｕｔｐｕｔに基づいて、二次電池１０１の内部抵抗を推測することができる。例えば、記憶手段１０７に保持されている二次電池１０１の内部抵抗Ｒ_ｒｏｏｍが室温環境下のものであったとして、室温を絶対温度表記でＴ_ｒｏｏｍとして、ａを定数とすると、温度Ｔ_ｏｕｔｐｕｔにおける二次電池１０１の内部抵抗の推定値Ｒ_Ｔを１／Ｒ_Ｔ＝１／Ｒ_ｒｏｏｍ×ｅｘｐ［－ａ（１／Ｔ_ｏｕｔｐｕｔ－１／Ｔ_ｒｏｏｍ）］と求めることができる。

　また、記憶手段１０７が二次電池１０１の開回路電圧に対する二次電池１０１の内部抵抗を記録したデータテーブルを保持しており、かつ二次電池システム１００が二次電池１０１の温度を検出する温度検出手段を備える構成にすることができる。この場合、例えば仮の内部抵抗が室温Ｔ_ｒｏｏｍでの値であったとして、これをＲ_ｒｏｏｍ′と表記すると、温度Ｔ_ｏｕｔｐｕｔにおける二次電池１０１の仮の内部抵抗Ｒ_Ｔ′を１／Ｒ_Ｔ′＝１／Ｒ_ｒｏｏｍ′×ｅｘｐ［－ａ（１／Ｔ_ｏｕｔｐｕｔ－１／Ｔ_ｒｏｏｍ）］と求めることができる。このように求めた仮の内部抵抗を用いて、仮の開回路電圧Ｖ_ｏｃｖ′をＶ_ｏｃｖ′＝Ｖ_ｏｕｔｐｕｔ－Ｉ_ｏｕｔｐｕｔ×Ｒ′として求めた後、二次電池１０１の開回路電圧をＶ_ｏｃｖ＝Ｖ_ｏｕｔｐｕｔ－Ｉ_ｏｕｔｐｕｔ×Ｒ（Ｖ_ｏｃｖ′）として求めてもよい。このように電池電圧と内部抵抗のデータテーブルを利用することで、より正確に二次電池１０１の開回路電圧を推測することができる。すなわち、より正確に二次電池１０１の残余充電容量を推定することができる。

１００　二次電池システム
１０１　二次電池
１０２　電流測定手段
１０３　電圧測定手段
１０４　ハイブリッド鉄道車両
１０５　位置検出手段
１０６　時刻検出手段
１０７　記憶手段
１０９　電流制御手段
１１０，１１１　端子

Claims

　二次電池と、
　前記二次電池を搭載した車両と、
　前記車両の位置を検出する位置検出手段と、
　前記位置検出手段により検出した前記車両の現在位置において前記二次電池が有する電気量と、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量と、前記車両の現在位置から通過予定位置までの所要時間とに基づいて算出した電流値により、前記車両の現在位置から通過予定位置まで前記二次電池を充電する制御手段を有することを特徴とする二次電池システム。
　請求項１に記載の二次電池システムにおいて、
　前記制御手段は、前記車両の現在位置において前記二次電池が有する電気量をＷ_１、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量をＷ_Ｄ、前記車両の現在位置から通過予定位置までの所要時間をｔ_Ｄ１としたとき、式［（Ｗ_Ｄ－Ｗ_１）／ｔ_Ｄ１］により、前記電流値を算出することを特徴とする二次電池システム。
　請求項１または２に記載の二次電池システムにおいて、
　前記車両の通過予定位置と、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量とを含む第１のデータテーブルを記憶する記憶手段を有し、
　前記制御手段は、前記第１のデータテーブルを参照して、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量を取得することを特徴とする二次電池システム。
　請求項３に記載の二次電池システムにおいて、
　前記第１のデータテーブルは、前記車両の通過予定位置に対応する通過予定時刻を含み、
　前記制御手段は、前記第１のデータテーブルを参照して、前記車両の通過予定位置に対応する通過予定時刻を取得し、前記車両の現在位置から通過予定位置までの所要時間を算出することを特徴とする二次電池システム。
　請求項１乃至４のいずれかに記載の二次電池システムにおいて、
　前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段を有し、
　前記記憶手段は、前記二次電池の電圧と電気量との関係を示す第２のデータテーブルを記憶し、
　前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出した前記二次電池の電圧に基づいて、前記第２のデータテーブルを参照して、前記二次電池が有する電気量を取得することを特徴とする二次電池システム。
　請求項１乃至５のいずれかに記載の二次電池システムにおいて、
　前記制御手段は、前記車両の現在位置において前記二次電池が有する電気量が、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量未満である場合には前記二次電池の充電を開始し、前記車両の通過予定位置において前記二次電池が有する予定の電気量以上である場合には前記二次電池の充電を保留することを特徴とする二次電池システム。