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JP2014039434A - Soc推定装置及びsoc推定方法 - Google Patents

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JP2014039434A JP2012181590A JP2012181590A JP2014039434A JP 2014039434 A JP2014039434 A JP 2014039434A JP 2012181590 A JP2012181590 A JP 2012181590A JP 2012181590 A JP2012181590 A JP 2012181590A JP 2014039434 A JP2014039434 A JP 2014039434A
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皓子 安谷屋
Takahiro Tsutake
隆広 都竹
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Abstract

【課題】充放電が可能な2次電池のSOC(充電状態)を推定するSOC推定装置及びSOC推定方法に関し、SOCの推定を精度良く行い、かつSOCの推定に要する時間を短縮する。
【解決手段】計測手部1−1で、バイパス回路B1〜B5に流れるバイパス電流の流出開始時の各セルC1〜C5のOCVの値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する。変動推移推定部1−2で、セルのSOCとOCVとの対応関係を示す既知のSOC−OCV特性情報と、バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後のセルのOCVの値の変動の推移を推定する。OCV値推定部1−3で、OCVの値の変動の推移を基に、バイパス電流の流出中断時のOCVの値を推定する。SOC値推定手段1−4で、OCV値推定部1−3で推定されたOCVの値から、SOC−OCV特性情報を基に、バイパス電流の流出中断時のSOCの値を推定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、充放電が可能な2次電池のSOC(State Of Charge:充電状態)を推定するSOC推定装置及びSOC推定方法に関する。
複数のセル(単電池)を直列に接続したバッテリ(組電池)は、充放電中又は放置中に、各セルのSOCに差が生じることがあり、電圧が高いセルに対して抵抗を接続してバイパス電流を流し、全てのセルのSOCが均一となるよう、セルバランス制御を行っている(例えば下記の特許文献1,2等参照)。
図6は、抵抗を用いたバイパス回路によるセルバランス回路の構成例を示している。各セルC1〜C5には、それぞれ、抵抗R1〜R5とスイッチング素子Sw1〜Sw5とを直列に接続したバイパス回路B1〜B5を並列に接続し、スイッチング素子Sw1〜Sw5を閉路して、抵抗R1〜R5を通してセルC1〜C5の電荷を放電させる。
セルバランス制御を行うに当たって、スイッチング素子Sw1〜Sw5の閉路時間を適切に決定して効率よくセルバランス制御を行うため、或いは充放電の状態を適正に管理するために、各セルC1〜C5のSOCを短時間で推定することが必要となる。
各セルC1〜C5のSOCを推定する手法として、充放電電流の電流積算によりSOCを推定する手法や、予めセルのOCV(Open Circuit Voltage:開放電圧)とSOCとの対応関係(SOC−OCV特性)を観測し、該対応関係をマッピングしたSOC−OCV特性情報をメモリに記憶し、各セルのOCVを測定し、該OCVの値から該SOC−OCV特性情報を参照して、SOCを推定する手法などが知られている(例えば下記の特許文献3等参照)。
特開2009−038876号公報 特開2011−234506号公報 特開2012−026771号公報
セルの充放電電流の電流積算により該セルのSOCを推定する手法は、セルが満充電や完全放電に至ることが少ない場合、SOCの基準点を定めることが困難であり、電流積算誤差が累積し、高精度の推定を行なうことが困難となる。
また、OCVを用いてSOCを推定する場合、セルバランス実施中のセルに対して、セルバランスの実施を中断し、バイパス電流をゼロとし、OCVを測定しようとしても、該セルの電圧がCCV(Closed Circuit Voltage:閉路電圧)からOCVに収束するまでに、或る程度の長さの時間を要し、直ちにSOCを推定することができない。
図7は、セルバランス実施時のセルの電圧の変動の一例を示す。図7において横軸は、セルバランスの実施開始時からの経過時間を示し、縦軸はセルの電圧を示している。7−1の実線は、セルバランス実施中のセル電圧(CCV)及びセルバランス中断後の実際のセル電圧を表している。
セルバランス実施中、CCVは、セルの内部抵抗及び分極の影響により、OCVより常に低い電圧となる。セルバランスの実施を中断し、セルの端子を開放しても、その後、セルの電圧は直ちにOCVに収束することなく、分極解消に或る程度の長さの時間twを要し、セルの電圧が収束したOCVとなるまでに所定の時間twを待たなければならない。そのため、使用中のセルに対して、OCVの測定により直ちにSOCを推定することが困難であった。
上記課題に鑑み、本発明は、SOCの推定を精度良く行い、かつ推定に要する時間を短縮することができるSOC推定装置及びSOC推定方法を提供する。
本発明の一実施形態であるSOC推定装置は、既知の抵抗値のバイパス回路が接続され、該バイパス回路にバイパス電流を流出してセルバランスを行う二次電池(セル)の充電状態(SOC)を推定するSOC推定装置であって、前記バイパス電流の流出開始時の該セルの開放電圧(OCV)の値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する計測手段と、前記セルのSOCとOCVとの対応関係を示すSOC−OCV特性情報と、前記バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後の該セルのOCVの値の変動の推移を推定する変動推移推定手段と、前記計測手段で計測したバイパス電流の流出開始時のOCVの値と前記バイパス電流の流出時間とから、前記変動推移推定手段で推定したOCVの値の変動の推移を基に、該バイパス電流の流出時間後のOCVの値を推定するOCV値推定手段と、前記OCV値推定手段で推定されたOCVの値から、前記SOC−OCV特性情報を基に、前記バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定するSOC値推定手段と、を備えたものである。
この構成により、セルバランスの実施後に、セルバランス実施中のOCVの値を推定して求め、該推定したOCVの値を用いて、直ちにSOC推定を行うことが可能となる。
また、他の実施形態のSOC推定装置は、バイパス電流の流出開始時の該セルの開放電圧(OCV)の値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する計測手段と、前記セルのSOCとOCVとの対応関係を示すSOC−OCV特性情報と、前記バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後の該セルのOCVの値の変動の推移を推定する変動推移推定手段と、前記変動推移推定手段で推定された前記セルのOCVの値から、前記バイパス電流の値の推移を推定し、該バイパス電流の値を積算する電流積算値推定手段と、前記電流積算値推定手段で積算された積算値を、前記バイパス電流の流出開始時の前記セルのSOCの値から減算し、前記バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定するSOC値推定手段と、を備えたものである。
この構成により、セルバランスの実施後に、セルバランス実施中のOCVの値を推定して求め、該推定したOCVの値からバイパス電流として流出した電流を積算し、該積算した電流値を、セルバランス開始時のSOC値から減算することにより、直ちにSOC推定を行うことが可能となる。
また、前記変動推移推定手段は、前記セルの満充電状態から完全放電状態に亘って、前記バイパス電流の流出開始後の前記OCVの値と、該バイパス電流の流出時間との対応関係とを、予めマッピングしたOCVマッピング情報をメモリから読み出し、前記セルのOCVの値の変動の推移を推定するものである。
この構成により、バイパス電流の流出開始後のOCVの値の変動の推移を、メモリに記憶されたOCVマッピング情報を参照することにより、短時間で推定することが可能となる。
本発明によれば、セルバランス等の実施後に、バイパス電流の流出中のOCVの値の変動を推定して求め、該推定により求めたOCVの値を用いてSOC推定を行うことにより、セルバランス等の実施の中断時でも分極解消のために或る程度の時間を待つことなく、直ちにSOC推定を行うことが可能となり、精度の良いSOC推定を短時間で行うことが可能となる。
本発明の第1の実施形態のSOC推定装置の構成例を示す図である。 SOCの変化分ΔSOCによるOCVの変動の一例を示す図である。 SOC−OCV特性を基に推定したOCVの値の変動の推移の一例を示す図である。 バイパス電流の変動の推移及び消費SOCの一例を示す図である。 本発明の第2の実施形態のSOC推定装置の構成例を示す図である。 抵抗を用いたバイパス回路によるセルバランス回路の構成例を示す図である。 セルバランス実施時のセルの電圧の変動の一例を示す図である。
以下、図面を参照して実施の形態について詳細に説明する。図1はSOC推定装置の構成例を示す。図1において、各スイッチング素子によるバイパス回路の構成及びその動作は、図6を参照して説明した構成及び動作と同様であるので重複した説明は省略する。
本発明のSOC推定装置によるSOC推定の対象となるセルC1〜C5は、既知の抵抗値の抵抗R1〜R5を介してバイパス電流を流出させるバイパス回路B1〜B5が接続されたセルである。なお、図示の例では、セルC1〜C5の5個のセルを直列接続した構成例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルの個数は任意である。
本発明のセルSOC推定装置1は、計測部1−1と変動推移推定部1−2とOCV値推定部1−3とSOC推定部1−4とを備える。計測部1−1は、バイパス回路B1〜B5に流れるバイパス電流の流出開始時の各セルC1〜C5のOCVの値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する。
変動推移推定部1−2は、セルC1〜C5のSOCとOCVとの対応関係を示す既知のSOC−OCV特性情報と、計測部1−1で計測されたバイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後のセルのOCVの値の変動の推移を推定する。
OCV値推定部1−3は、計測部1−1で計測されたバイパス電流の流出開始時のOCVの値とバイパス電流の流出時間とから、変動推移推定部1−2で推定したOCVの値の変動の推移を基に、該バイパス電流の流出時間後(セルバランス中断時、又はセルバランス終了時)のOCVの値を推定する。SOC値推定手段1−4は、OCV値推定部1−3で推定されたOCVの値から、前述のSOC−OCV特性情報を基に、バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定する。
ここで、前述の変動推移推定部1−2によるバイパス電流の流出開始後のセルのOCVの値の変動の推移を推定の動作について詳しく説明する。バイパス回路B1〜B5の抵抗R1〜R5の値をR、バイパス電流の流出開始時のセルのOCVの値をVとすると、この時のバイパス電流Iは、I=V/Rである。従って、バイパス電流Iを微少時間t流したときの該セルのSOCの変化分ΔSOCは、(V/R)・tとして推定される。
SOCの変化分ΔSOCによるOCVの推測の態様を、図2を参照して説明する。図2は、OCVに対する既知のSOCの関係(SOC−OCV特性)の一例を示している。図2に示すように、SOC−OCV特性を基に、ΔSOCの変化によりOCVの値がVとなることが推定される。
同様に、OCVの値がVのとき、バイパス電流IはI=V/Rであるから、バイパス電流Iを微少時間t流したときの該セルのSOCの変化分ΔSOCは、(V/R)・tとして推定される。そして、SOC−OCV特性を基に、ΔSOCの変化によりOCVの値がVとなることが推定される。
以下、同様にして、バイパス電流の流出開始時の該セルのOCVの値Vと、バイパス電流の流出開始からの経過時間tとから、SOC−OCV特性を基に、OCVの値Vを推定することができる。なお、上述の微少時間t,t,・・・は、既知のSOC−OCV特性が直線近似される微少の時間幅である。
図3は、上述の手法により推定したOCVの値の変動の推移の一例を示す。図3において、曲線3−1は推定したOCVの値の変動の推移を示し、曲線7−1は図7で説明した実際の電圧(CCV)を参考までに示している。図3に示すように、例えば、セルバランスを時刻Tで開始し、そのときのOCVの値がVであったとする。そして、セルバランスの開始時刻Tから時間t経過後の時刻Tでセルバランスを中断したとする。すると、セルバランス開始時のOCVの値Vとセルバランス実施時間tとから、上述の演算によりセルバランス中断時のOCVの値Vを推定する。
なお、OCVの値Vを推定する際に、上述のようにSOC−OCV特性を基に演算によって、OCVの値Vを推定する構成に代えて、予めSOC−OCV特性を基に、満充電状態から完全放電状態までの、セルバランス実施時間とOCVとの対応関係(OCV−時間特性)を上述の演算により予め算定してその対応関係をマッピングしてメモリに記憶しておき、該メモリを読み出してOCVの値を取得する構成とすることができる。
上述のセルバランス開始時のOCVの値とセルバランス実施時間とから取得した、セルバランス実施時間経過後のOCVの値を基に、既知のSOC−OCV特性を参照して、直ちにセルバランス実施後のSOCを推定することが可能となる。なお、上述の説明において、簡明化のためセルの内部抵抗の影響については説明を省いたが、より精度良くOCVを推定する場合には、上述の抵抗値Rとしてセルの内部抵抗の値を加算した値とすることができる。
更に図4を参照して他の実施形態について説明する。前述したように、バイパス電流IとOCVの値Vと既知の抵抗値Rとの間には、I=V/Rの関係がある。従って、セルバランス実施時のOCVの推定と同様に、この関係式を用いてセルバランス実施時のバイパス電流Iの変動を推定することができる。図4の(a)は、セルバランス実施時のバイパス電流Iの変動の推移の一例を曲線4−1により示している。
時刻Tでセルバランスを開始し、時刻Tでセルバランスの実施が中断された場合、時刻Tでのバイパス電流Iから、セルバランス実施時間t経過後の時刻Tでバイパス電流Iまで、推定されたバイパス電流−時間変動特性4−1を参照して、通電済みのバイパス電流を積算する。図4の(a)では、該積算電流を、砂地模様を付して示している。図4(a)の電流値I、I、・・・Iは図3の電圧値V、V、・・・Vに対応する電流値である。
該積算電流は、消費したSOCに相当するので、該積算電流からセルバランスの実施によって消費したSOCを推定することができる。従って、図4の(b)に示すように、セルバランス実施前のセルのSOCの値から、電流積算によって推定した消費SOC(図4の(b)の砂地模様部分)を減算することにより、セルバランス中断時のSOCの値を推定することができる。
図5は、上述したバイパス電流の積算によりSOCを推定する第2の実施形態のSOC推定装置の構成例を示す。この実施形態のSOC推定装置2は、計測部1−1と変動推移推定部1−2と電流積算推定部2−1とSOC推定部2−2とを備える。計測部1−1及び変動推移推定部1−2は、図1におけるものと同様であるので、重複した説明は省略する。
電流積算値推定部2−1は、計測部1−1で計測されたバイパス電流の流出開始時のOCVの値と、変動推移推定部1−2で推定したOCVの値の変動の推移とを基に、I=V/Rの関係から該バイパス電流の流出後のバイパス電流の変動を推定し、セルバランス実施時間t経過後における通電済みのバイパス電流を積算し、消費SOCを推定する。
詳しくは、バイパス電流の流出開始時のセルのOCVの値をVとすると、この時のバイパス電流Iは、I=V/Rである。従って、バイパス電流Iを徴小時間t流したときの該セルのSOCの変化分ΔSOCは、I・tとして推定される。図2に示すように、SOC−OCV特性を基に、ΔSOCの変化によりOCVの値がVとなることが推定される。
同様に、OCVの値がVのとき、バイパス電流IはI=V/Rであるから、バイパス電流Iを微少時間t流したときの該セルのSOCの変化分ΔSOCは、I・tとして推定される。
以下、同様にして、セルバランス中断までの変化分ΔSOC、ΔSOC、・・・を推定し加算することでセルバランス実施時間t経過後における消費SOCを推定する。
SOC推定部2−2は、セルバランス実施開始時のOCVの値から、既知のSOC−OCV特性情報を基にセルバランス実施開始時のSOCの値を求め、該セルバランス実施開始時のSOCの値から、上記消費SOCを減算し、バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定する。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または実施形態を取ることができる。
1,2 SOC推定装置
1−1 計測部
1−2 変動推移推定部
1−3 OCV値推定部
1−4 SOC推定部
2−1 電流積算値推定部
2−2 SOC推定部

Claims (6)

  1. 既知の抵抗値のバイパス回路が接続され、該バイパス回路にバイパス電流を流出してセルバランスを行う二次電池(以下「セル」という)の充電状態(以下「SOC」という)を推定するSOC推定装置であって、
    前記バイパス電流の流出開始時の該セルの開放電圧(以下「OCV」という)の値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する計測手段と、
    前記セルのSOCとOCVとの対応関係を示すSOC−OCV特性情報と、前記バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後の該セルのOCVの値の変動の推移を推定する変動推移推定手段と、
    前記計測手段で計測したバイパス電流の流出開始時のOCVの値と前記バイパス電流の流出時間とから、前記変動推移推定手段で推定したOCVの値の変動の推移を基に、該バイパス電流の流出時間後のOCVの値を推定するOCV値推定手段と、
    前記OCV値推定手段で推定されたOCVの値から、前記SOC−OCV特性情報を基に、前記バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定するSOC値推定手段と、
    を備えたことを特徴とするSOC推定装置。
  2. 既知の抵抗値のバイパス回路が接続され、該バイパス回路にバイパス電流を流出してセルバランスを行う二次電池(以下「セル」という)の充電状態(以下「SOC」という)を推定するSOC推定装置であって、
    前記バイパス電流の流出開始時の該セルの開放電圧(以下「OCV」という)の値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する計測手段と、
    前記セルのSOCとOCVとの対応関係を示すSOC−OCV特性情報と、前記バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後の該セルのOCVの値の変動の推移を推定する変動推移推定手段と、
    前記変動推移推定手段で推定された前記セルのOCVの値から、前記バイパス電流の値の推移を推定し、該バイパス電流の値を積算する電流積算値推定手段と、
    前記電流積算値推定手段で積算された積算値を、前記バイパス電流の流出開始時の前記セルのSOCの値から減算し、前記バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定するSOC値推定手段と、
    を備えたことを特徴とするSOC推定装置。
  3. 前記変動推移推定手段は、前記セルの満充電状態から完放電状態に亘って、前記バイパス電流の流出開始後の前記OCVの値と、該バイパス電流の流出時間との対応関係とを、予めマッピングしたOCVマッピング情報をメモリから読み出し、前記セルのOCVの値の変動の推移を推定することを特徴とする請求項1又は2に記載のSOC推定装置。
  4. 既知の抵抗値のバイパス回路が接続され、該バイパス回路にバイパス電流を流出してセルバランスを行う二次電池(以下「セル」という)の充電状態(以下「SOC」という)を推定するSOC推定方法であって、
    前記バイパス電流の流出開始時の該セルの開放電圧(以下「OCV」という)の値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する第1のステップと、
    前記セルのSOCとOCVとの対応関係を示すSOC−OCV特性情報と、前記バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後の該セルのOCVの値の変動の推移を推定する第2のステップと、
    前記第1のステップで計測したバイパス電流の流出開始時のOCVの値と前記バイパス電流の流出時間とから、前記第2のステップで推定したOCVの値の変動の推移を基に、該バイパス電流の流出時間後のOCVの値を推定する第3のステップと、
    前記第3のステップ推定されたOCVの値から、前記SOC−OCV特性情報を基に、前記バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定する第4のステップと、
    を含むことを特徴とするSOC推定方法。
  5. 既知の抵抗値のバイパス回路が接続され、該バイパス回路にバイパス電流を流出してセルバランスを行う二次電池(以下「セル」という)の充電状態(以下「SOC」という)を推定するSOC推定方法であって、
    前記バイパス電流の流出開始時の該セルの開放電圧(以下「OCV」という)の値と、該バイパス電流の流出時間とを計測する第1のステップと、
    前記セルのSOCとOCVとの対応関係を示すSOC−OCV特性情報を基と、前記バイパス電流の流出開始時のOCVの値とを基に、該バイパス電流の流出開始後の該セルのOCVの値の変動の推移を推定する第2のステップと、
    前記第2のステップで推定された前記セルのOCVの値から、前記バイパス電流の値の推移を推定し、該バイパス電流の値を積算する第3のステップと、
    前記第3のステップで積算された積算値を、前記バイパス電流の流出開始時の前記セルのSOCの値から減算し、前記バイパス電流の流出時間後のSOCの値を推定する第4のステップと、
    を含むことを特徴とするSOC推定方法。
  6. 前記第2のステップにおいて、前記セルの満充電状態から完放電状態に亘って、前記バイパス電流の流出開始後の前記OCVの値と、該バイパス電流の流出時間との対応関係とを、予めマッピングしたOCVマッピング情報をメモリから読み出し、前記セルのOCVの値の変動の推移を推定することを特徴とする請求項4又は5に記載のSOC推定方法。
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