WO2015008620A1 - 二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 - Google Patents

二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法 Download PDF

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直也 高嶋
岩根 典靖
浩一 横山
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Definitions

  • the present invention relates to a secondary battery state detection device and a secondary battery state detection method.
  • Patent Document 1 discloses an open-circuit voltage estimation apparatus including means for detecting battery (secondary battery) voltage and means for detecting battery current flowing to the load of the vehicle, wherein the load of the vehicle and the operation of the battery monitoring device A device is disclosed that has a function to estimate the dark current that occurs, the battery temperature that occurs with it, and the voltage drop in each battery state of charge using a map, add this correction voltage to the detected voltage, and estimate the open circuit voltage. .
  • Patent Document 2 discloses a secondary battery state detection method and state detection apparatus that corrects a voltage change due to dark current to perform state detection of the secondary battery with high accuracy. There is disclosed a technique in which the correlation is prepared in advance as a correlation equation, and in the case where the correlation fluctuates depending on the charging rate and temperature of the secondary battery, at least one of the charging rate and temperature is included in the linear correlation equation as a variable.
  • a state vector having at least an adjustment parameter of the equivalent circuit and a predetermined function of this adjustment parameter is set, and the calculated current value and voltage value are calculated by a predetermined SOC calculation method.
  • SOC as an observation value
  • the state vector is estimated from this observation value, and the adjustment parameter that is an element of the estimated state vector is applied to the equivalent circuit and discharged with a predetermined current pattern, the response voltage to the required load current
  • a battery discharge capacity determination method is disclosed that can determine the discharge capacity of a battery by estimating.
  • Patent Documents 1 and 2 in order to cope with various secondary batteries, it is necessary to prepare a map of correction voltage and a correlation equation of correction for each type of secondary battery or each deterioration state. There is a problem that there is. Further, the technique disclosed in Patent Document 3 has a problem that an error becomes large in a minute current region.
  • An object of the present invention is to provide a secondary battery state detection device and a secondary battery state detection method capable of accurately detecting various types of secondary battery states even in a minute current region.
  • the present invention provides a secondary battery state detection device for detecting a state of a secondary battery mounted in a vehicle, wherein the current detection means detects a value of current flowing in the secondary battery; Calculation means for calculating an equivalent circuit component constituting the equivalent circuit of the secondary battery, and a value of the current detected by the current detection means, the dark current flowing in the secondary battery after the vehicle is stopped Value and the equivalent circuit component calculated by the calculation means, which is derived from the value of the dark current based on the equivalent circuit component in which the element value changes non-linearly according to the value of the dark current
  • the apparatus may further include estimation means for estimating a voltage drop value, and state detection means for detecting a state of the secondary battery based on the voltage drop value estimated by the estimation means. According to such a configuration, it is possible to accurately detect the states of various types of secondary batteries even in a minute current region.
  • one aspect of the present invention is characterized in that the equivalent circuit component includes at least a reaction resistance. According to such a configuration, the state of the secondary battery can be accurately detected in consideration of the influence of the reaction resistance in which the element value changes non-linearly according to the dark current value.
  • one aspect of the present invention is characterized in that the equivalent circuit component includes at least one of a conductive resistance and an electric double layer capacitance. According to such a configuration, it is possible to accurately detect the state of the secondary battery in consideration of the influence of at least one of the conductive resistance and the electric double layer capacitance in which the element value changes non-linearly according to the dark current value. it can.
  • the estimation means represents the equivalent circuit component in which an element value changes non-linearly according to the dark current value by an exponential function using the value of the current as a parameter. I assume. According to such a configuration, it is possible to easily and accurately detect the state of the secondary battery by reproducing the non-linear change of the equivalent circuit component according to the dark current value using the exponential function.
  • the estimation means represents the equivalent circuit component in which an element value changes non-linearly according to the dark current value by a logarithmic function using the value of the current as a parameter. I assume. According to such a configuration, it is possible to easily and accurately detect the state of the secondary battery by reproducing the non-linear change of the equivalent circuit component according to the dark current value using a logarithmic function.
  • one aspect of the present invention is characterized in that the equivalent circuit component is corrected using at least one of variation factors of the secondary battery. According to such a configuration, it is possible to more accurately detect the state of the secondary battery in consideration of the variation factor.
  • one aspect of the present invention is characterized in that the voltage drop value caused by the dark current is corrected using at least one of the fluctuation factors of the secondary battery. According to such a configuration, it is possible to correct the voltage drop value based on the variation factor and to obtain a more accurate voltage drop value.
  • one aspect of the present invention is characterized in that the equivalent circuit component and the voltage drop value caused by the dark current are corrected using at least one of the fluctuation factors of the secondary battery. According to such a configuration, it is possible to obtain a more accurate voltage drop value by correcting the equivalent circuit component and the voltage drop value caused by the dark current using at least one of the fluctuation factors of the secondary battery. it can.
  • the variation factor includes at least one of a temperature, a state of charge, and a stratification voltage of the secondary battery. According to such a configuration, it is possible to accurately detect the state of the secondary battery in consideration of the temperature, the state of charge, and the stratification voltage which are fluctuation factors.
  • a current detection step for detecting a value of current flowing through the secondary battery, and an equivalent of the secondary battery
  • the method may include an estimation step, and a state detection step of detecting a state of the secondary battery based on the voltage drop value estimated in the estimation step. According to such a method, it is possible to accurately detect the states of various types of secondary batteries even in a minute current region.
  • the present invention it is possible to provide a secondary battery state detection device and a secondary battery state detection method capable of accurately detecting various types of secondary battery states even in a minute current region.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of modules realized by cooperation of hardware and software when the program shown in FIG. 2 is executed. It is a figure which shows an example of the equivalent circuit of a secondary battery. It is a figure which shows the relationship between the electric current of the secondary battery at the time of weak current flowing, and the element value of reaction resistance. It is a figure which shows the relationship between the electric current of a secondary battery at the time of weak current flowing, and electrode potential. It is an example of the flowchart for demonstrating the operation
  • FIG. 1 is a diagram showing a power supply system of a vehicle having a secondary battery state detection device according to a first embodiment of the present invention.
  • the secondary battery state detection device 1 mainly includes a control unit 10, a voltage sensor 11, a current sensor 12, a temperature sensor 13, and a discharge circuit 15, and detects the state of the secondary battery 14.
  • the control unit 10 detects the state of the secondary battery 14 with reference to the outputs from the voltage sensor 11, the current sensor 12, and the temperature sensor 13.
  • the voltage sensor 11 detects the terminal voltage of the secondary battery 14 and notifies the control unit 10 of it.
  • the current sensor 12 detects the current flowing through the secondary battery 14 and notifies the control unit 10 of the current.
  • the temperature sensor 13 detects the ambient temperature of the secondary battery 14 itself or its surroundings, and notifies the control unit 10 of the temperature.
  • the discharge circuit 15 includes, for example, a semiconductor switch and a resistor element connected in series, and the control unit 10 intermittently discharges the secondary battery 14 by the semiconductor switch being on / off controlled.
  • the secondary battery 14 is composed of, for example, a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, or a lithium ion battery, and is charged by the alternator 16 to drive the starter motor 18 to start the engine. Power the The alternator 16 is driven by the engine 17, generates alternating current power, converts it into direct current power by the rectification circuit, and charges the secondary battery 14.
  • the engine 17 is composed of, for example, a reciprocating engine such as a gasoline engine and a diesel engine, or a rotary engine, etc., and is started by the starter motor 18, drives driving wheels through a transmission to provide propulsion to the vehicle, and Drive to generate power.
  • the starter motor 18 is formed of, for example, a direct current motor, generates rotational power by the power supplied from the secondary battery 14, and starts the engine 17.
  • the load 19 is configured by, for example, an electric steering motor, a defogger, an ignition coil, a car audio, a car navigation, and the like, and operates by the power from the secondary battery 14. An electric motor may be used instead of the engine 17.
  • FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration example of the control unit 10 shown in FIG.
  • the control unit 10 includes a central processing unit (CPU) 10a, a read only memory (ROM) 10b, a random access memory (RAM) 10c, a communication unit 10d, and an interface (I / F) 10e.
  • the CPU 10a controls each unit based on the program 10ba stored in the ROM 10b.
  • the ROM 10 b is constituted by a semiconductor memory or the like, and stores the program 10 ba or the like.
  • the RAM 10 c is configured by a semiconductor memory or the like, and stores data generated when the program ba is executed, and parameters 10 ca such as formulas described later.
  • the communication unit 10d communicates with an upper device such as an electronic control unit (ECU) or the like, and notifies the upper device of detected information.
  • the I / F 10 e converts the signals supplied from the voltage sensor 11, the current sensor 12 and the temperature sensor 13 into digital signals and takes them in, and supplies a drive current to the discharge circuit 15 to control the same.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the processing module 110 realized by cooperation of software and hardware when the program 10 ba shown in FIG. 2 is executed.
  • the processing module 110 includes a voltage acquisition module 111, a current acquisition module 112, a variation factor acquisition module 113, an equivalent circuit component calculation module 114, an equivalent circuit component correction module 115, a voltage drop value calculation module 116, A voltage drop correction module 117 and an open circuit voltage calculation module 118 are included.
  • the voltage acquisition module 111 acquires the value of the terminal voltage of the secondary battery 14 detected by the voltage sensor 11.
  • the current acquisition module 112 acquires the value of the current flowing through the secondary battery 14 detected by the current sensor 12.
  • the variable factor acquisition module 113 acquires a temperature, a charge state, and a stratification voltage that are fluctuation factors of the state of the secondary battery 14.
  • the equivalent circuit component calculation module 114 calculates an equivalent circuit component of the secondary battery 14.
  • an equivalent circuit of the secondary battery 14 for example, an equivalent circuit in which the electric double layer capacitance Cd and the reaction resistance Rc are connected in parallel and the conduction resistance Rs is connected in series as shown in FIG. 4 can be used.
  • the equivalent circuit component calculation module 114 calculates element values of the electric double layer capacitance Cd, the reaction resistance Rc, and the conductive resistance Rs as equivalent circuit components constituting the equivalent circuit shown in FIG. 4.
  • the equivalent circuit component correction module 115 corrects each equivalent circuit component based on the variation factor acquired by the variation factor acquisition module 113.
  • the voltage drop value calculation module 116 calculates a voltage drop value based on the equivalent circuit component calculated by the equivalent circuit component calculation module 114 or the equivalent circuit component corrected by the equivalent circuit component correction module 115.
  • the voltage drop value correction module 117 corrects the voltage drop value calculated by the voltage drop value calculation module 116 based on the variation factor acquired by the variation factor acquisition module 113.
  • the open circuit voltage calculation module 118 calculates the open circuit voltage of the secondary battery 14 based on the voltage drop value calculated by the voltage drop value calculation module 116 or the voltage drop value corrected by the voltage drop value correction module 117. .
  • the CPU 10a determines that the dark current is flowing due to the stop state of the engine 17, and in order to estimate the state of the secondary battery 14, as described below,
  • the open circuit voltage OCV Open Circuit Voltage
  • the element value of the reaction resistance which is one of the equivalent circuit components of the secondary battery 14 as shown in FIG. Increase. More specifically, as shown in FIG. 6, when the current flowing through the secondary battery 14 changes, particularly in the minute current range, the electrode potential of the secondary battery 14 significantly changes nonlinearly with the change in current. In FIG. 6, the minus of the sign of the current indicates the discharge, and the plus indicates the charge. Further, Eeq indicates an equilibrium potential at which the current value becomes 0A. Furthermore, as shown in FIG. 5, in the region where the current is weak, the value of the reaction resistance is specifically increased near zero.
  • the reaction resistance refers to a resistance component represented by Rc when the secondary battery 14 is represented by an equivalent circuit as shown in FIG. 4.
  • Rs shows a conductive resistance
  • Cd shows an electric double layer capacity
  • the detailed operation will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • the vehicle is stopped, the engine 17 is stopped, and a predetermined time (for example, one hour) elapses, and the current flowing from the secondary battery 14 to the load 19 becomes less than a predetermined threshold (for example, less than several hundred mA) If so, the flowchart shown in FIG. 7 is started, and the following steps are performed.
  • a predetermined time for example, one hour
  • a predetermined threshold for example, less than several hundred mA
  • step S10 the voltage acquisition module 111 acquires the voltage value V of the secondary battery 14 detected by the voltage sensor 11, and the current acquisition module 112 detects the current value I flowing to the secondary battery 14 detected by the current sensor 12.
  • the variable factor acquisition module 113 acquires a temperature T, which is a variation factor of the state of the secondary battery 14, a state of charge SOC (State of Charge), and a stratified voltage Vs. More specifically, the variation factor acquisition module 113 acquires the temperature T of the secondary battery 14 from the output of the temperature sensor 13. Also, the variation factor acquisition module 113 acquires, for example, the SOC from the value obtained by integrating the current flowing to the secondary battery 14. Furthermore, the variation factor acquisition module 113 calculates the stratification voltage of the secondary battery 14 from the charge capacity and the discharge capacity while the vehicle is traveling. Of course, the SOC and the stratification voltage may be obtained by other methods.
  • the equivalent circuit component calculation module 114 causes, for example, the secondary battery 14 to perform a pulse-like discharge by the discharge circuit 15 to detect a voltage and a current, and based on the voltage and the current, the equivalent shown in FIG.
  • the element values of the circuit component Z (the element values of the conductive resistance Rs, the reaction resistance Rc, and the electric double layer capacitance Cd) are obtained.
  • requiring an equivalent circuit component there exists a method of calculating
  • step S13 when the current I flows in the secondary battery 14, the voltage drop value calculation module 116 calculates the voltage drop value ⁇ V due to the equivalent circuit component Z.
  • voltage drop value ⁇ V is calculated based on the following equation (1).
  • the coefficient A (T, SOC, Vs, Z) is a coefficient determined by the temperature T, the charging rate SOC, the stratified voltage Vs, and the equivalent circuit component Z
  • EXP (T, SOC, Z, I) is ,
  • the temperature T, the charging rate SOC, the equivalent circuit component Z, and the exponential function with the current I as parameters, and the internal variables (T, SOC, Z) are the temperature T, the charging rate SOC, and the equivalent circuit component Z Is an offset component determined by
  • ⁇ V coefficient A (T, SOC, Vs, Z) ⁇ EXP (T, SOC, Z, I) + Internal variable (T, SOC, Z) (1)
  • the voltage drop value ⁇ V is determined by the exponential function of the current I, so that a non-linear relationship is established between them. Therefore, it is possible to reflect the properties shown in FIGS. 5 and 6 in which the voltage changes non-linearly with respect to the change of current.
  • the temperature of the secondary battery 14 is 25 ° C., and the SOC is 100%, and the relationship between the dark current value flowing in the three different types of secondary batteries 14 and the voltage drop value ⁇ V is measured. It is the figure which compared the result.
  • squares, triangles, and diamonds indicate the measurement results of each of the three secondary battery types, and a solid line indicates the estimation result of each of the secondary battery types according to the above-described equation (1).
  • the relationship between the dark current value and the voltage drop value differs depending on the type of secondary battery 14 (eg, capacity, battery size, manufacturer, charge state, etc.). Also, since the actual measurement results (squares, triangles, and rhombuses) and the estimation results (solid line) are in good agreement, the voltage drop in formula (1) differs for various types of secondary battery 14 It can be seen that ⁇ V is well represented. In FIG. 8, the broken line indicates the result of estimation of the relationship between the dark current value and the voltage drop value ⁇ V of the secondary battery type 2 by a linear expression with the temperature and the SOC as variables.
  • step S14 the open circuit voltage calculation module 118 obtains an open circuit voltage OCV from the voltage drop ⁇ V obtained in step S13.
  • the open circuit voltage OCV can be obtained.
  • the state of the secondary battery 14 can be accurately known.
  • the voltage drop value ⁇ V of the secondary battery 14 is calculated based on the equation (1) in which the nonlinearity of the equivalent circuit component Z is considered. Therefore, for example, after the engine 17 of the vehicle is stopped, the voltage drop value ⁇ V of the secondary battery 14 can be accurately calculated and the open circuit voltage OCV can be accurately determined even in a state where a weak current flows. Becomes possible. Thus, the state of the secondary battery 14 can be accurately detected in the stopped state in which the dark current is flowing.
  • step S12 the equivalent circuit component of the target secondary battery 14 is calculated based on the actual measurement, and in step S13, the temperature T, the charging rate SOC, the stratification voltage Vs, etc. Since the voltage drop value ⁇ V is calculated based on the equation (1) including the variation factor of the secondary battery 14 as a parameter, it is possible to accurately detect the state of various types of secondary batteries 14 become.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining an example of the flow of processing performed in the second embodiment.
  • parts corresponding to FIG. 7 are assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
  • the process of step S13 is replaced with step S23 as compared with FIG. 7.
  • FIG. 9 Other than that is the same as FIG. So, below, it explains focusing on step S23.
  • step S10 When the process of FIG. 9 is started, the voltage value I and the current value V are detected in step S10, the temperature T, the charging rate SOC, and the stratified voltage Vs are acquired in step S11, and the equivalent circuit component in step S12. Z is calculated, and in step S23, a voltage drop value ⁇ V is calculated based on the following equation (2).
  • the internal variables (T, SOC, Z) are the same as in equation (1).
  • ln (T, SOC, Z, I) is a logarithmic function using the temperature T, the charging rate SOC, the equivalent circuit component Z, and the current I as parameters.
  • coefficient A (T, SOC, Vs, Z) is not included.
  • ⁇ V internal variable (T, SOC, Z) -ln (T, SOC, Z, I) (2)
  • step S23 when the voltage drop value ⁇ V is calculated, the open circuit voltage OCV is calculated based on the voltage drop value ⁇ V.
  • the equivalent circuit component Z By considering the non-linearity, the voltage drop value ⁇ V of the secondary battery 14 can be accurately calculated.
  • the equivalent circuit component of the target secondary battery 14 in step S12, is calculated based on actual measurement, and in step S23, the temperature T, the charging rate SOC, the stratification voltage Vs, etc. Since the voltage drop value ⁇ V is calculated based on the equation (2) including the fluctuation factor of the secondary battery 14 as a parameter, it is possible to accurately detect the state of various types of secondary batteries 14 become.
  • the equivalent circuit component Z calculated in step S12 is used as it is, but, for example, the equivalent circuit component Z calculated in step S12 may be converted to the temperature T which is a variation factor, the charging rate The correction may be made based on the SOC and the stratification voltage Vs.
  • the equivalent circuit component correction module 115 can correct the equivalent circuit component Z calculated by the equivalent circuit component calculation module 114 in step S12 based on the variation factor acquired by the variation factor acquisition module 113. .
  • the calculated equivalent circuit component in order to correspond to, for example, correction can be made using a correction table.
  • the voltage drop value ⁇ V calculated in step S13 or step S23 is used as it is, but the voltage drop value ⁇ V may be corrected according to the variation factor as in the equivalent circuit component described above. Good.
  • the voltage drop value correction module 117 corrects the voltage drop value ⁇ V calculated by the voltage drop value calculation module 116 in step S13 or step S23 based on the variation factor acquired by the variation factor acquisition module 113. be able to.
  • correction for example, when the calculated voltage drop value ⁇ V is a reference temperature (for example, 25 ° C.), a reference charging rate (for example, 100%), and a reference stratification voltage (for example, 0 V)
  • a reference temperature for example, 25 ° C.
  • a reference charging rate for example, 100%
  • a reference stratification voltage for example, 0 V
  • correction may be made using a correction table. It should be noted that both the correction for such a voltage drop value and the correction for the equivalent circuit component may be performed.

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Abstract

【課題】様々な種類の二次電池の状態を微少電流領域でも正確に検出すること。 【解決手段】二次電池14に流れる電流の値を検出する電流検出手段(電流センサ12)と、二次電池の等価回路を構成する等価回路成分を算出する算出手段(等価回路成分算出モジュール114)と、電流検出手段によって検出された電流の値であって、車両を停車した後に二次電池に流れる暗電流の値と、算出手段によって算出された等価回路成分であって、暗電流の値に応じて素子値が非線形に変化する等価回路成分と、に基づいて暗電流の値に起因する電圧降下値を推測する推測手段(電圧降下値計算モジュール116)と、推測手段によって推測された電圧降下値に基づいて二次電池の状態を検出する状態検出手段(開回路電圧計算モジュール118)と、を有する。

Description

二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法
 本発明は、二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法に関するものである。
 特許文献1には、バッテリ(二次電池)電圧を検出する手段と、車両の負荷へ流れるバッテリ電流を検出する手段とを備えた開放電圧推定装置において、車両の負荷およびバッテリ監視装置の動作によって生じる暗電流と、それに伴って生じる各バッテリ温度と各バッテリ充電状態における電圧降下をマップによって推定し、この補正電圧を検出電圧に加え、開放電圧を推定する機能を備えた装置が開示されている。
 また、特許文献2には、暗電流による電圧変化を補正して二次電池の状態検知を高精度に行う二次電池の状態検知方法および状態検知装置において、暗電流値と電圧補正値との相関を相関式として事前に準備し、二次電池の充電率や温度によって相関が変動する場合は、充電率および温度の少なくとも一つを変数として線形相関式に含める技術が開示されている。
 また、特許文献3には、少なくとも等価回路の調整パラメータおよびこの調整パラメータの所定の関数を要素とする状態ベクトルを設定し、測定された電流値および電圧値と所定のSOC算出方法で算出されたSOCとを観測値とし、この観測値から状態ベクトルを推定し、推定された状態ベクトルの要素である調整パラメータを等価回路に適用して所定の電流パターンで放電したときの要求負荷電流に対する応答電圧を推定してバッテリの放電能力を判定することが可能なバッテリ放電能力判定方法が開示されている。
特開2007-174865号公報 特開2010-25563号公報 特開2007-187534号公報
 ところで、特許文献1,2に開示された技術では、様々な二次電池に対応するためには、二次電池の種類毎または劣化状態毎に補正電圧のマップや補正の相関式を準備する必要があるという問題点がある。また、特許文献3に開示された技術では、微少電流領域において誤差が大きくなるという問題点がある。
 本発明は、様々な種類の二次電池の状態を微少電流領域でも正確に検出することが可能な二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法を提供することを目的としている。
 上記課題を解決するために、本発明は、車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置において、前記二次電池に流れる電流の値を検出する電流検出手段と、前記二次電池の等価回路を構成する等価回路成分を算出する算出手段と、前記電流検出手段によって検出された電流の値であって、前記車両を停車した後に前記二次電池に流れる暗電流の値と、前記算出手段によって算出された前記等価回路成分であって、前記暗電流の値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分と、に基づいて前記暗電流の値に起因する電圧降下値を推測する推測手段と、前記推測手段によって推測された前記電圧降下値に基づいて前記二次電池の状態を検出する状態検出手段と、を有することを特徴とする。
 このような構成によれば、様々な種類の二次電池の状態を微少電流領域でも正確に検出することが可能となる。
 また、本発明の一側面は、前記等価回路成分は、少なくとも反応抵抗を含むことを特徴とする。
 このような構成によれば、暗電流値に応じて素子値が非線形に変化する反応抵抗の影響を考慮して、二次電池の状態を正確に検出することができる。
 また、本発明の一側面は、前記等価回路成分は、導電抵抗および電気二重層容量の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
 このような構成によれば、暗電流値に応じて素子値が非線形に変化する導電抵抗および電気二重層容量の少なくとも一方の影響を考慮して、二次電池の状態を正確に検出することができる。
 また、本発明の一側面は、前記推測手段は、前記電流の値をパラメータとする指数関数によって、前記暗電流値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分を表現することを特徴とする。
 このような構成によれば、暗電流値に応じた等価回路成分の非線形な変化を、指数関数を用いて再現することで、二次電池の状態を容易かつ正確に検出することができる。
 また、本発明の一側面は、前記推測手段は、前記電流の値をパラメータとする対数関数によって、前記暗電流値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分を表現することを特徴とする。
 このような構成によれば、暗電流値に応じた等価回路成分の非線形な変化を、対数関数を用いて再現することで、二次電池の状態を容易かつ正確に検出することができる。
 また、本発明の一側面は、前記等価回路成分が、前記二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて補正されることを特徴とする。
 このような構成によれば、変動因子を考慮して、二次電池の状態をより正確に検出することができる。
 また、本発明の一側面は、前記暗電流に起因した前記電圧降下値が、前記二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて補正されることを特徴とする。
 このような構成によれば、変動因子に基づいて電圧降下値を補正し、より正確な電圧降下値を求めることができる。
 また、本発明の一側面は、前記等価回路成分、および前記暗電流に起因した前記電圧降下値が、前記二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて補正されることを特徴とする。
 このような構成によれば、二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて、等価回路成分および暗電流に起因した電圧降下値を補正することで、より正確な電圧降下値を求めることができる。
 また、本発明の一側面は、前記変動因子は、前記二次電池の温度、充電状態、および、成層化電圧の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
 このような構成によれば、変動因子である温度、充電状態、および、成層化電圧を考慮して二次電池の状態を正確に検出することができる。
 また、本発明は、車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出方法において、前記二次電池に流れる電流の値を検出する電流検出ステップと、前記二次電池の等価回路を構成する等価回路成分を算出する算出ステップと、前記電流検出ステップにおいて検出された電流の値であって、前記車両を停車した後に前記二次電池に流れる暗電流の値と、前記算出ステップにおいて算出された前記等価回路成分であって、前記暗電流の値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分と、に基づいて前記暗電流の値に起因する電圧降下値を推測する推測ステップと、前記推測ステップにおいて推測された前記電圧降下値に基づいて前記二次電池の状態を検出する状態検出ステップと、を有することを特徴とする。
 このような方法によれば、様々な種類の二次電池の状態を微少電流領域でも正確に検出することが可能となる。
 本発明によれば、様々な種類の二次電池の状態を微少電流領域でも正確に検出することが可能な二次電池状態検出装置および二次電池状態検出方法を提供することが可能となる。
本発明の実施形態に係る二次電池状態検出装置の構成例を示す図である。 図1の制御部の詳細な構成例を示すブロック図である。 図2に示すプログラムが実行された場合に、ハードウエアとソフトウエアが協働して実現されるモジュールの一例を示す図である。 二次電池の等価回路の一例を示す図である。 微弱な電流が流れる際の二次電池の電流と反応抵抗の素子値との関係を示す図である。 微弱な電流が流れる際の二次電池の電流と電極電位との関係を示す図である。 第1実施形態の動作を説明するためのフローチャートの一例である。 第1実施形態における暗電流値と電圧降下値との関係を示す図である。 第2実施形態の動作を説明するためのフローチャートの一例である。
 次に、本発明の実施形態について説明する。
(A)第1実施形態の構成の説明
 図1は、本発明の第1実施形態に係る二次電池状態検出装置を有する車両の電源系統を示す図である。この図において、二次電池状態検出装置1は、制御部10、電圧センサ11、電流センサ12、温度センサ13、および、放電回路15を主要な構成要素としており、二次電池14の状態を検出する。ここで、制御部10は、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13からの出力を参照し、二次電池14の状態を検出する。電圧センサ11は、二次電池14の端子電圧を検出し、制御部10に通知する。電流センサ12は、二次電池14に流れる電流を検出し、制御部10に通知する。温度センサ13は、二次電池14自体または周囲の環境温度を検出し、制御部10に通知する。放電回路15は、例えば、直列接続された半導体スイッチと抵抗素子等によって構成され、制御部10によって半導体スイッチがオン/オフ制御されることにより二次電池14を間欠的に放電させる。
 二次電池14は、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、または、リチウムイオン電池等によって構成され、オルタネータ16によって充電され、スタータモータ18を駆動してエンジンを始動するとともに、負荷19に電力を供給する。オルタネータ16は、エンジン17によって駆動され、交流電力を発生して整流回路によって直流電力に変換し、二次電池14を充電する。
 エンジン17は、例えば、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジン等のレシプロエンジンまたはロータリーエンジン等によって構成され、スタータモータ18によって始動され、トランスミッションを介して駆動輪を駆動し車両に推進力を与えるとともに、オルタネータ16を駆動して電力を発生させる。スタータモータ18は、例えば、直流電動機によって構成され、二次電池14から供給される電力によって回転力を発生し、エンジン17を始動する。負荷19は、例えば、電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等によって構成され、二次電池14からの電力によって動作する。なお、エンジン17の代わりに電動モータを使用するようにしてもよい。
 図2は、図1に示す制御部10の詳細な構成例を示す図である。この図に示すように、制御部10は、CPU(Central Processing Unit)10a、ROM(Read Only Memory)10b、RAM(Random Access Memory)10c、通信部10d、I/F(Interface)10eを有している。ここで、CPU10aは、ROM10bに格納されているプログラム10baに基づいて各部を制御する。ROM10bは、半導体メモリ等によって構成され、プログラム10ba等を格納している。RAM10cは、半導体メモリ等によって構成され、プログラムbaを実行する際に生成されるデータや、後述する数式等のパラメータ10caを格納する。通信部10dは、上位の装置であるECU(Electronic Control Unit)等との間で通信を行い、検出した情報を上位装置に通知する。I/F10eは、電圧センサ11、電流センサ12、および、温度センサ13から供給される信号をデジタル信号に変換して取り込むとともに、放電回路15に駆動電流を供給してこれを制御する。
 図3は、図2に示すプログラム10baが実行された場合に、ソフトウエアとハードウエアとが協働することにより実現される処理モジュール110を説明するための図である。この図3に示すように、処理モジュール110は、電圧取得モジュール111、電流取得モジュール112、変動因子取得モジュール113、等価回路成分算出モジュール114、等価回路成分補正モジュール115、電圧降下値計算モジュール116、電圧降下値補正モジュール117、および、開回路電圧計算モジュール118を有している。
 ここで、電圧取得モジュール111は、電圧センサ11によって検出された二次電池14の端子電圧の値を取得する。電流取得モジュール112は、電流センサ12によって検出された二次電池14に流れる電流の値を取得する。変動因子取得モジュール113は、二次電池14の状態の変動因子である温度、充電状態、および、成層化電圧を取得する。等価回路成分算出モジュール114は、二次電池14の等価回路成分を算出する。なお、二次電池14の等価回路としては、例えば、図4に示す、電気二重層容量Cdおよび反応抵抗Rcが並列接続され、導電抵抗Rsが直列接続された等価回路を用いることができる。等価回路成分算出モジュール114は、図4に示す等価回路を構成する等価回路成分としての、電気二重層容量Cd、反応抵抗Rc、および、導電抵抗Rsの素子値を算出する。
 等価回路成分補正モジュール115は、変動因子取得モジュール113によって取得された変動因子に基づいて、各等価回路成分を補正する。電圧降下値計算モジュール116は、等価回路成分算出モジュール114によって算出された等価回路成分または等価回路成分補正モジュール115によって補正された等価回路成分に基づいて、電圧降下値を計算する。電圧降下値補正モジュール117は、変動因子取得モジュール113によって取得された変動因子に基づいて、電圧降下値計算モジュール116によって計算された電圧降下値を補正する。開回路電圧計算モジュール118は、電圧降下値計算モジュール116によって計算された電圧降下値または電圧降下値補正モジュール117によって補正がされた電圧降下値に基づいて二次電池14の開回路電圧を計算する。
(B)第1実施形態の動作の説明
 つぎに、第1実施形態の動作について説明する。車両が停車され、エンジン17が停止されると、負荷19である電動ステアリングモータ、デフォッガ、イグニッションコイル、カーオーディオ、および、カーナビゲーション等の動作が停止され、時計、カーセキュリティシステム、および、二次電池状態検出装置等のみの動作となるので、二次電池14から負荷19に流れる電流は、暗電流と呼ばれる微弱な電流(数mA~数百mA程度の電流)のみとなる。そこで、車両のエンジン17が停止されてから一定の時間(例えば、1時間)が経過するとともに、二次電池14から負荷19に流れる電流が所定の閾値未満(例えば、数百mA未満)になった場合には、CPU10aは、エンジン17の停止状態であって、暗電流が流れている状態になったと判定し、二次電池14の状態を推定するために、以下に説明するように、二次電池14の開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)を測定する。
 ところで、暗電流のような微弱な電流が流れる状態では、図5に示すように二次電池14の等価回路成分の一つである反応抵抗の素子値は、電流の変化に対して非線形に大きく増大する。より詳細には、図6に示すように、二次電池14に流れる電流が変化すると、特に微小電流域において、二次電池14の電極電位は、電流の変化に伴って非線形に著しく変化する。なお、図6において、電流の符号のマイナスは放電を示し、プラスは充電を示す。また、Eeqは、電流値が0Aとなる平衡電位を示す。さらに、図5に示すように、電流が微弱な領域では、反応抵抗の値が0近傍で特異的に大きくなる。ここで、反応抵抗とは、二次電池14を図4に示すような等価回路で表した場合に、Rcで示される抵抗成分をいう。なお、図4において、Rsは導電抵抗を示し、Cdは電気二重層容量を示す。
 本実施形態では、エンジン17の停止後であって、暗電流が流れている場合に、図5および図6に示すような、二次電池における電位と電流の非線形の関係及び微小電流域の特異な性質を考慮して、二次電池14の回路開放電圧OCVを求めることで、非線形な挙動を考慮した正確な回路開放電圧OCVを求めるとともに、求めた開回路電圧OCVに基づいて二次電池14の状態を推定する。
 詳細な動作を図7に示すフローチャートを参照して説明する。車両が停車されて、エンジン17が停止され、一定時間(例えば、1時間)が経過するとともに、二次電池14から負荷19に流れる電流が所定の閾値未満(例えば、数百mA未満)になった場合に、図7に示すフローチャートが開始され、以下のステップが実行される。
 ステップS10では、電圧取得モジュール111が電圧センサ11によって検出された二次電池14の電圧値Vを取得するとともに、電流取得モジュール112が電流センサ12によって検出された二次電池14に流れる電流値Iを取得する。
 ステップS11では、変動因子取得モジュール113が二次電池14の状態の変動因子である温度T、充電率SOC(State of Charge)、および、成層化電圧Vsを取得する。より詳細には、変動因子取得モジュール113は、温度センサ13の出力から二次電池14の温度Tを取得する。また、変動因子取得モジュール113は、例えば、二次電池14に流れる電流を積算した値からSOCを取得する。さらに、変動因子取得モジュール113は、車両が走行中における充電容量および放電容量から二次電池14の成層化電圧を計算する。もちろん、これ以外の方法によって上記SOC及び成層化電圧を取得してもよい。
 ステップS12では、等価回路成分算出モジュール114は、例えば、放電回路15によって二次電池14にパルス状の放電をさせて電圧と電流を検出し、その電圧と電流に基づいて、図4に示す等価回路成分Zの各素子値(導電抵抗Rs、反応抵抗Rc、および、電気二重層容量Cdの素子値)を求める。なお、等価回路成分を求める方法としては、例えば、カルマンフィルタやサポートベクターマシン等を用いた学習処理によって、等価回路成分を求める方法がある。
 ステップS13では、電圧降下値計算モジュール116が、二次電池14に電流Iが流れた際に、等価回路成分Zによる電圧降下値ΔVを計算する。具体的には、以下の式(1)に基づいて電圧降下値ΔVを計算する。なお、係数A(T,SOC,Vs,Z)は、温度T、充電率SOC、成層化電圧Vs、および、等価回路成分Zによって定まる係数であり、EXP(T,SOC,Z,I)は、温度T、充電率SOC、等価回路成分Z、および、電流Iをパラメータとする指数関数であり、内部変数(T,SOC,Z)は、温度T、充電率SOC、および、等価回路成分Zによって定まるオフセット成分である。
ΔV=係数A(T,SOC,Vs,Z)×EXP(T,SOC,Z,I)
   +内部変数(T,SOC,Z) ・・・(1)
 式(1)では、電圧降下値ΔVは、電流Iの指数関数によって定まることから、これらの間には非線形の関係が成立する。このため、電流の変化に対して電圧が非線形に変化する、図5および図6で示した性質を、反映することができる。図8は、二次電池14の温度を25℃、SOCを100%の状態として、異なる3タイプの二次電池14で流れる暗電流値と、電圧降下値ΔVとの関係を測定し、それぞれの結果を比較した図である。この図8において、四角、三角、および、菱形は3つの二次電池タイプそれぞれの実測結果を示し、実線は前述した式(1)による各二次電池タイプの推定結果を示している。この図8に示すように、暗電流値と電圧降下値との関係は、二次電池14のタイプ(例えば、容量、電池サイズ、製造メーカ、充電状態等)によって異なる。また、それぞれの実測結果(四角、三角、および、菱形)と、推定結果(実線)とがよく一致していることから、式(1)が二次電池14の様々なタイプで異なった電圧降下ΔVをよく表していることが分かる。なお、図8において、破線は、二次電池タイプ2の暗電流値と電圧降下値ΔVの関係を、温度とSOCを変数とした一次式で推定した結果を示している。温度とSOCのみをパラメータとした一次式で電圧降下ΔVを推定した場合では、推定した二次電池タイプ2と異なるタイプ1、3の実測値(四角、菱形)だけでなく、推定したいタイプ2の実測値(三角)とも乖離を生じることが分かる。
 ステップS14では、開回路電圧計算モジュール118は、ステップS13から求めた電圧降下ΔVから開回路電圧OCVを求める。
 以上の処理により、開回路電圧OCVを求めることができる。このようにして求めた開回路電圧OCVを用いることで、二次電池14の状態を正確に知ることができる。
 以上に説明したように、本発明の第1実施形態によれば、等価回路成分Zの非線形性を考慮した式(1)に基づいて、二次電池14の電圧降下値ΔVを算出するようにしたので、例えば、車両のエンジン17を停止した後に、微弱な電流が流れている状態においても、二次電池14の電圧降下値ΔVを正確に算出するとともに、開回路電圧OCVを正確に求めることが可能になる。これにより、暗電流が流れている停車状態において、二次電池14の状態を正確に検出することができる。
 また、第1実施形態では、ステップS12において、対象となる二次電池14の等価回路成分を実測に基づいて算出するとともに、ステップS13において、温度T、充電率SOC、および、成層化電圧Vs等の二次電池14の変動因子をパラメータとして含む式(1)に基づいて、電圧降下値ΔVを算出するようにしたので、様々な種類の二次電池14の状態も正確に検出することが可能になる。
(C)第2実施形態の説明
 つぎに、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態と比較すると、構成は図1~図3に示す場合と同様であるが、制御部10において実行される処理が異なっている。図9は、第2実施形態において実行される処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。なお、図9において、図7と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図9では、図7と比較すると、ステップS13の処理がステップS23に置換されている。それ以外は、図7と同様である。そこで、以下では、ステップS23を中心に説明する。
 図9の処理が開始されると、ステップS10で電圧値I、電流値Vが検出され、ステップS11で温度T、充電率SOC、および、成層化電圧Vsを取得し、ステップS12で等価回路成分Zを算出し、ステップS23で、以下の式(2)に基づいて電圧降下値ΔVを計算する。ここで、内部変数(T,SOC,Z)は式(1)と同様である。また、ln(T,SOC,Z,I)は、温度T、充電率SOC、等価回路成分Z、および、電流Iをパラメータとする対数関数である。なお、式(2)では、係数A(T,SOC,Vs,Z)は含まれていない。
ΔV=内部変数(T,SOC,Z)-ln(T,SOC,Z,I)   ・・・(2)
 ステップS23において、電圧降下値ΔVが算出されると、この電圧降下値ΔVに基づいて、開回路電圧OCVが算出される。
 第2実施形態では、対数関数を含む式に基づいて、電流Iと電圧降下値ΔVを求めることから、暗電流のように微弱な電流が流れている場合であっても、等価回路成分Zの非線形性を考慮することで、二次電池14の電圧降下値ΔVを正確に算出することができる。また、第2実施形態では、ステップS12において、対象となる二次電池14の等価回路成分を実測に基づいて算出するとともに、ステップS23において、温度T、充電率SOC、および、成層化電圧Vs等の二次電池14の変動因子をパラメータとして含む式(2)に基づいて、電圧降下値ΔVを算出するようにしたので、様々な種類の二次電池14の状態も正確に検出することが可能になる。
(D)変形実施形態の説明
 以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の第1実施形態では、式(1)には係数A(T,SOC,Vs)を含むようにしたが、含まないようにしてもよい。また、式(2)には係数A(T,SOC,Vs)を含まないようにしたが、含むようにしてもよい。内部変数(T,SOC,Z)についても同様に、式(1)および式(2)に含まないようにしてもよい。
 また、以上の各実施形態では、ステップS12において算出された等価回路成分Zをそのまま用いるようにしたが、例えば、ステップS12において算出された等価回路成分Zを、変動因子である温度T、充電率SOC、および、成層化電圧Vsに基づいて補正するようにしてもよい。具体的には、ステップS12において等価回路成分算出モジュール114が算出した等価回路成分Zを、等価回路成分補正モジュール115が、変動因子取得モジュール113によって取得された変動因子に基づいて補正することができる。なお、補正の方法としては、例えば、算出された等価回路成分を、基準温度(例えば、25℃)、基準充電率(例えば、100%)、および、基準成層化電圧(例えば、0V)の場合に対応するように、例えば、補正テーブルを用いて補正するようにすることができる。
 また、以上の各実施形態では、ステップS13またはステップS23で算出された電圧降下値ΔVはそのまま用いるようにしたが、前述した等価回路成分と同様に、変動因子に応じて補正するようにしてもよい。具体的には、ステップS13またはステップS23において電圧降下値計算モジュール116が算出した電圧降下値ΔVを、電圧降下値補正モジュール117が、変動因子取得モジュール113によって取得された変動因子に基づいて補正することができる。補正の方法としては、例えば、算出された電圧降下値ΔVを、基準温度(例えば、25℃)、基準充電率(例えば、100%)、および、基準成層化電圧(例えば、0V)の場合に対応するように、例えば、補正テーブルを用いて補正するようにすることができる。なお、このような電圧降下値に対する補正と、等価回路成分に対する補正との双方を実行するようにしてもよい。
 また、以上の各実施形態では、等価回路成分として、図4に示す全ての成分を用いるようにしたが、例えば、これらを任意の組み合わせで用いるようにしてもよい。例えば、反応抵抗Rcのみを用いたり、あるいは、反応抵抗Rcおよび導電抵抗Rsのみを用いたりすることができる。もちろん、これ以外の組み合わせであってもよい。
 1 二次電池状態検出装置
 10 制御部
 10a CPU
 10b ROM
 10c RAM
 10d 通信部
 10e I/F
 11 電圧センサ
 12 電流センサ(電流検出手段)
 13 温度センサ
 14 二次電池
 15 放電回路
 16 オルタネータ
 17 エンジン
 18 スタータモータ
 19 負荷
 111 電圧取得モジュール
 112 電流取得モジュール
 113 変動因子取得モジュール
 114 等価回路成分算出モジュール(算出手段)
 115 等価回路成分補正モジュール
 116 電圧降下値計算モジュール(推測手段)
 117 電圧降下値補正モジュール
 118 開回路電圧計算モジュール(検出手段)

Claims (10)

  1.  車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出装置において、
     前記二次電池に流れる電流の値を検出する電流検出手段と、
     前記二次電池の等価回路を構成する等価回路成分を算出する算出手段と、
     前記電流検出手段によって検出された電流の値であって、前記車両を停車した後に前記二次電池に流れる暗電流の値と、前記算出手段によって算出された前記等価回路成分であって、前記暗電流の値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分と、に基づいて前記暗電流の値に起因する電圧降下値を推測する推測手段と、
     前記推測手段によって推測された前記電圧降下値に基づいて前記二次電池の状態を検出する状態検出手段と、
     を有することを特徴とする二次電池状態検出装置。
  2.  前記等価回路成分は、少なくとも反応抵抗を含むことを特徴とする請求項1に記載の二次電池状態検出装置。
  3.  前記等価回路成分は、導電抵抗および電気二重層容量の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項2に記載の二次電池状態検出装置。
  4.  前記推測手段は、前記電流の値をパラメータとする指数関数によって、前記暗電流値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分を表現することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  5.  前記推測手段は、前記電流の値をパラメータとする対数関数によって、前記暗電流値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分を表現することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  6.  前記等価回路成分が、前記二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて補正されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  7.  前記暗電流に起因した前記電圧降下値が、前記二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて補正されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  8.  前記等価回路成分、および前記暗電流に起因した前記電圧降下値が、前記二次電池の変動因子の少なくとも一つを用いて補正されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  9.  前記変動因子は、前記二次電池の温度、充電状態、および、成層化電圧の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の二次電池状態検出装置。
  10.  車両に搭載される二次電池の状態を検出する二次電池状態検出方法において、
     前記二次電池に流れる電流の値を検出する電流検出ステップと、
     前記二次電池の等価回路を構成する等価回路成分を算出する算出ステップと、
     前記電流検出ステップにおいて検出された電流の値であって、前記車両を停車した後に前記二次電池に流れる暗電流の値と、前記算出ステップにおいて算出された前記等価回路成分であって、前記暗電流の値に応じて素子値が非線形に変化する前記等価回路成分と、に基づいて前記暗電流の値に起因する電圧降下値を推測する推測ステップと、
     前記推測ステップにおいて推測された前記電圧降下値に基づいて前記二次電池の状態を検出する状態検出ステップと、
     を有することを特徴とする二次電池状態検出方法。
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