JP3750567B2

JP3750567B2 - 二次電池の出力劣化演算装置および方法

Info

Publication number: JP3750567B2
Application number: JP2001194254A
Authority: JP
Inventors: 康平鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003018756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電を行うことができる二次電池の出力劣化演算装置と出力劣化演算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド電気自動車を含む電気自動車に搭載された二次電池の出力劣化演算方法として、特開２０００−２６１９０１号公報に記載されているものがある。この従来の方法では、二次電池に蓄えられた電力を用いてモータを駆動する時、すなわち、二次電池の放電時における電流および電圧を検知し、電圧値と電流値を複数点サンプリングして電池の放電特性を示す回帰直線を求める。求めた回帰直線から、電池劣化演算時の二次電池の内部抵抗を算出して初期状態の内部抵抗との比を算出することにより、二次電池の劣化係数を求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二次電池の劣化演算方法では、電流を検知する際の電流センサによる誤差と、電圧を検知する際の電圧センサによる誤差とが重畳されたものをサンプリング点として検出してしまう可能性がある。この場合、回帰直線から算出した内部抵抗は、実際の内部抵抗と異なる値になるので、正確な劣化係数を求めることができないという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、二次電池の劣化演算を精度良く行うことができる二次電池の出力劣化演算装置および出力劣化演算方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１を参照して本発明を説明する。
（１）本発明は、二次電池１５の劣化時電池出力と初期電池出力との出力比から電池出力劣化を算出する二次電池の出力劣化演算方法において、二次電池１５の開放電圧および二次電池１５を一定電力で充電している時の二次電池１５の電圧のみを検出し、検出した二次電池１５の開放電圧および一定電力で充電している時の二次電池１５の電圧と、一定電力とに基づいて、二次電池の内部抵抗Ｒｃ１を求め、求めた二次電池１５の内部抵抗Ｒｃ１、および、二次電池１５の初期状態の内部抵抗Ｒｉ０の比を算出することにより、出力比を演算することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、二次電池１５の劣化時電池出力と初期電池出力との出力比から電池出力劣化を算出する二次電池の出力劣化演算装置において、二次電池１５の電圧を検出する電圧検出手段１９と、二次電池１５が一定電力で充電されるように制御する制御手段１６と、電圧検出手段１９によって検出される二次電池１５の開放電圧、および、制御手段１６によって一定電力にて充電されている時の二次電池１５の電圧と、制御手段１６によって制御される一定電力とに基づいて、出力比を演算する演算手段１６とを備え、演算手段１６は、電圧検出手段１９によって検出される二次電池の開放電圧に基づいて、二次電池１５の初期状態の内部抵抗Ｒｉ０を算出するとともに、開放電圧、一定電力にて充電されている時の二次電池１５の電圧、および、一定電力に基づいて二次電池１５の内部抵抗Ｒｃ１を算出し、算出した２つの内部抵抗の比を演算することにより、出力比を演算することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２の二次電池の出力劣化演算装置において、演算手段１６は、一定電力にて充電されている時の二次電池１５の電圧Ｖ１と開放電圧Ｖ０との差に、電圧Ｖ１を乗じた値を、一定電力Ｐ０で除算することにより、二次電池１５の内部抵抗Ｒｃ１を算出することを特徴とする。
（４）請求項２または３の二次電池の出力劣化演算装置において、二次電池１５は、ハイブリッド電気自動車に搭載されている電動機に電力を供給する二次電池１５であることを特徴とする。
【０００６】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明をわかりやすく説明するために実施の形態の図１と対応づけたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）請求項１の発明によれば、二次電池の電圧のみを検出して出力劣化演算を行うので、電流センサを設ける必要がない。従って、電流センサによって電流を検出する際の検出誤差の影響を受けることがないので、電流を検出して出力劣化演算を行う方法と比べて劣化演算の精度を向上させることができる。
（２）請求項２の発明によれば、二次電池の開放電圧と、一定電力にて二次電池を充電する時の電圧と、一定電力とに基づいて出力劣化演算を行うので、放電時の電圧値と電流値とをサンプリングして回帰直線を求める方法よりも、演算精度を向上させることができる。また、高負荷時の演算誤差の影響を考慮する必要もない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による二次電池の出力劣化演算装置をハイブリッド電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図である。図中、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示している。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。この車両のパワートレインは、モータ１、エンジン２、クラッチ３、モータ４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８を備える。モータ１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されている。また、クラッチ３の出力軸、モータ４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【０００９】
クラッチ３締結時はエンジン２とモータ４の両方、またはエンジン２のみが車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２および／またはモータ４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。油圧装置９のオイルポンプ（不図示）は、モータ１０により駆動され、圧油を無段変速機５に供給する。
【００１０】
モータ１，４，１０は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機である。モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ４は主として車両の推進と制動に用いられる。モータ１０は油圧装置９のオイルポンプを駆動するためのものである。なお、モータ１，４，１０には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ３締結時に、モータ１を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００１１】
クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ３に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００１２】
インバータ１１，１２，１３は、それぞれモータ１，４，１０を駆動制御する。なお、モータ１，４，１０に直流電動機を用いる場合には、インバータの代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。インバータ１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリ１５に接続されており、メインバッテリ１５の直流充電電力を交流電力に変換してモータ１，４，１０へ供給する。また、モータ１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリ１５を充電する。なお、インバータ１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力を、メインバッテリ１５を介さずに直接力行運転中のモータへ供給することができる。メインバッテリ１５には、リチウム・イオン電池、ニッケル・水素電池、鉛電池などの各種電池や、電気二重層キャパシタなどのいわゆるパワーキャパシタを用いることができる。
【００１３】
電流センサ１８は、メインバッテリ１５の充放電時の電流を検出し、電圧センサ１９は、メインバッテリ１５の端子電圧を検出する。なお、後述するように、電流センサ１８は設けなくても良い。車速センサ２０は、車両の車速を検出する。それぞれのセンサの検出値は、コントローラ１６に入力される。コントローラ１６は、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン２の回転速度や出力トルク、クラッチ３の伝達トルク、モータ１，４，１０の回転速度や出力トルク、無段変速機５の変速比などを制御する。
【００１４】
図２，図３は、本発明による二次電池の出力劣化演算装置の一実施の形態の制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１から始まる制御は、車両起動時にコントローラ１６により行われる。以下、ステップＳ１から順に説明する。ステップＳ１では、図示しないイグニッションスイッチ（ＩＧＮ−ＳＷ）がオンになっているか否かを判定する。オンになっていると判定するとステップＳ２に進む。オンになっていないと判定すると、オンになるまでステップＳ１で待機する。
【００１５】
ステップＳ２では、車速センサ２０により車速を検出する。検出した車速はコントローラ１６に入力される。次のステップＳ３では、車両が停止しているか否かを判定する。この判定は、ステップＳ２で検出した車速に基づいて行われる。車両が停止していないとき、すなわち車両走行中はバッテリ１５の充放電を行っている可能性が高く、バッテリ１５の開放電圧を検知することができない。従って、車両が停止していない（走行中である）と判定すると本制御を終了し、車両が停止していると判定するとステップＳ４に進む。
【００１６】
ステップＳ４では、発電を行うモータ１（以下、発電モータ１と呼ぶ）が作動しているか否かを判定する。コントローラ１６は、インバータ１１に発電モータ１の制御指令信号を送信して発電モータ１の制御を行っている。すなわち、コントローラ１６が送信する発電モータ１の制御指令信号に基づいて、発電モータ１が作動しているか否かを判定する。発電モータ１が作動していれば、バッテリ１５の充電を行っているので、発電モータ１の発電動作を停止させてまで電池の劣化演算を行う必要はない。仮に、発電モータ１の作動を停止させて電池の劣化演算を行う場合でも、バッテリ１５の電圧を検出するためには電圧が安定するまで待つ必要がある。これらの事を考慮して、発電モータ１が作動していると判定すると、電池の劣化演算を行うことなく本制御を終了する。発電モータ１が作動していないと判定すると、ステップＳ５に進む。
【００１７】
ステップＳ５では、電圧センサ１９によってバッテリ１５の開放電圧Ｖ０を検出する。開放電圧Ｖ０を検出するとステップＳ６に進む。ステップＳ６では、ステップＳ５で検出した開放電圧Ｖ０に基づいて、バッテリ１５の内部抵抗Ｒｉを検出する。この方法を、図４に示す二次電池の電圧−内部抵抗特性曲線を用いて説明する。図４に示す二次電池の電圧−内部抵抗特性曲線のうち、実線は電池が新品の状態、すなわち二次電池の初期特性を示すグラフであり、点線は電池が劣化した時のグラフを表している。この実線で表された初期特性を示すグラフを用いて、ステップＳ５で検出した開放電圧Ｖ０に対応する内部抵抗Ｒｉを検出する。内部抵抗Ｒｉを検出すると、ステップＳ７に進む。
【００１８】
ステップＳ７では、ステップＳ６で検出した内部抵抗Ｒｉに対して温度補正を行う。すなわち、不図示の温度センサによって検出した電池の温度に基づいた温度係数αを用いて次式（１）により、温度補正後の内部抵抗Ｒｉ０を算出して記憶する。
Ｒｉ０＝Ｒｉ×α／１００ …（１）
温度補正後の内部抵抗Ｒｉ０を算出するとステップＳ８に進む。ステップＳ８では、エンジンを始動してステップＳ９に進む。ステップＳ９では、インバータ１１に発電モータ１の駆動指令信号を送信して、発電モータ１を駆動させる。ここでは、発電モータ１による出力値（電力）をＰ０に保つように駆動させる。発電モータ１により発電される一定電力Ｐ０は、バッテリ１５に蓄電される。
【００１９】
ステップＳ１０では、電圧センサ１９によって、充電中のバッテリ１５の電圧値Ｖ１を検出する。検出した電圧値Ｖ１は、コントローラ１６に入力される。次のステップＳ１１では、ステップＳ１０で検出した充電中のバッテリ１５の電圧値Ｖ１から、内部抵抗Ｒｃ１を演算して記憶する。
【００２０】
図５は、発電モータ１による出力値がＰ０であるときの、バッテリ１５から流れる電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示すグラフである。二次電池の出力劣化演算時の内部抵抗Ｒｃ１は、次式（２）により算出することができる。
Ｒｃ１＝Ｖ１・（Ｖ１−Ｖ０）／Ｐ０ …（２）
上式（２）から分かるように、内部抵抗Ｒｃ１は、図５において点（Ｉ，Ｖ１）と点（０，Ｖ０）とを結ぶ直線の傾きを示している。電池の劣化が進行した時の電圧値をＶ１'とすると、出力劣化進行時の内部抵抗Ｒｃ１'は次式（３）により算出することができる。
Ｒｃ１'＝Ｖ１'・（Ｖ１'−Ｖ０）／Ｐ０ …（３）
この場合も、内部抵抗Ｒｃ１'は、点（Ｉ'，Ｖ１'）と点（０，Ｖ０）とを結ぶ直線の傾きを示している。図５から分かるように、電池の劣化が進行すると内部抵抗は大きくなる。
【００２１】
内部抵抗Ｒｃ１を算出すると、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、電池の初期状態時の内部抵抗Ｒｉ０と出力劣化演算時の内部抵抗Ｒｃ１とを用いて、出力劣化係数γを算出する。電池の出力劣化状態を示す出力劣化係数γは、次式（４）により算出することができる。
γ＝Ｐｃ／Ｐｉｎｔ＝Ｒｉ０／Ｒｃ１×１００ …（４）
ただし、Ｐｉｎｔは電池の初期状態における放電可能出力、Ｐｃは電池劣化時の放電可能出力である。式（４）から分かるように、二次電池の出力劣化が進行すると内部抵抗Ｒｃ１は大きくなるので、出力劣化係数γは小さくなる。出力劣化係数γを算出すると、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した出力劣化係数γをコントローラ１６内のメモリ２１に記憶する。この出力劣化係数γは、次に車両が停止するまで用いる。出力劣化係数γをメモリ２１に記憶すると、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、発電モータ１の作動を停止させる指令信号をインバータ１１に送る。発電モータ１１の作動が停止すると、本制御を終了する。
【００２２】
本発明による二次電池の出力劣化演算装置によれば、車両起動時に電池の劣化演算制御を開始する（ステップＳ１）。車両が停止しており、かつ、発電モータ１が作動していない状態におけるバッテリ１５の開放電圧Ｖ０を検出する（ステップＳ２〜ステップＳ５）。開放電圧Ｖ０に基づいてバッテリ１５の内部抵抗Ｒｉを算出した後、温度補正後の内部抵抗Ｒｉ０を算出する（ステップＳ６〜ステップＳ７）。その後、エンジンを作動させてバッテリ１５を一定電力Ｐ０にて充電している時の電圧値Ｖｉを検出する（ステップＳ８〜ステップＳ１０）。検出した電圧値Ｖｉを用いて内部抵抗Ｒｃ１を演算した後、内部抵抗Ｒｉ０と内部抵抗Ｒｃ１を用いて出力劣化係数γを算出する（ステップＳ１１〜ステップＳ１２）。算出した出力劣化係数γをメモリ２１に記憶して、発電モータ１の作動を停止させると本制御を終了する。
【００２３】
従来の二次電池の出力劣化演算制御では、車両が急加速をする時や急勾配の坂を登る時などの高負荷走行時には、演算誤差が生じていた。これは、高負荷走行時にはバッテリ１５からの放電電流が大きくなるので、複数の電流値、電圧値のサンプリング点を用いて得られる回帰直線に誤差が生じることに起因する。従って、高負荷時に電池の出力劣化演算を行うと、実際の電池の劣化状態と異なる演算結果が算出される。しかし、本発明による二次電池の出力劣化演算制御においては、発電モータ１による出力が一定値（Ｐ０）である時の電流−電圧特性曲線から内部抵抗を演算して電池の劣化演算を行っているので、車両の高負荷走行による影響を受けることはない。
【００２４】
また、従来の劣化演算制御のように回帰演算を行わないので、回帰演算を行うことによる演算誤差を生じることもない。すなわち、回帰演算を行う場合、電圧値と電流値をサンプリングする複数の点がばらついていれば、回帰演算により得られる回帰直線は実際の電流−電圧特性を示す直線とは異なるものとなる。本発明による二次電池の出力劣化演算制御では、回帰演算を行わないので、従来の劣化演算制御に比べて演算精度は高い。
【００２５】
さらに、開放電圧Ｖ０、発電モータ１による一定出力値Ｐ０、そのときの電圧値Ｖ１とを用いて電池の内部抵抗を演算するので、電池の内部抵抗を求める際に電流値を検出する必要がない。従って、電流センサを設ける必要がなく、仮に電流センサを設ける場合でも電流検出精度を高くする必要がない。これにより、電流センサのコストを削減することができる。また、電流を検出して劣化演算を行う方法では、電流検出時の検出誤差が生じることがあるが、本発明による二次電池の出力劣化演算制御では、そのような検出誤差が生じることもないので、演算精度を向上させることができる。
【００２６】
本発明は、上述した実施の形態に何ら限定されることはない。上述した実施の形態では、二次電池の出力劣化演算装置をハイブリッド電気自動車に適用した例について説明したが、電気自動車に適用することもできる。すなわち、車両外部に設置されている充電器でバッテリ１５（二次電池）の充電を行う際に、電池の劣化演算を同じように行うことができる。また、充放電できる電池を搭載するものであれば、車両に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二次電池の出力劣化演算装置を適用したハイブリッド電気自動車の一実施の形態の構成を示す図
【図２】本発明による二次電池の出力劣化演算装置の一実施の形態の制御手順を示すフローチャート
【図３】図２に続く制御手順を示すフローチャート
【図４】二次電池の初期状態と劣化時の電圧−内部抵抗特性を示すグラフ
【図５】二次電池の電流−電圧特性を示すグラフ
【符号の説明】
１…発電モータ、２…エンジン、３…クラッチ、４…モータ、５…無断変速機、６…減速装置、７…差動装置、８…駆動輪、９…油圧装置、１０…モータ、１１…インバータ、１２…インバータ、１３…インバータ、１４…ＤＣリンク、１５…バッテリ、１６…コントローラ、１７…コンプレッサ、１８…電流センサ、１９…電圧センサ、２０…車速センサ、２１…メモリ

Claims

二次電池の劣化時電池出力と初期電池出力との出力比から電池出力劣化を算出する二次電池の出力劣化演算方法において、
前記二次電池の開放電圧および前記二次電池を一定電力で充電している時の二次電池の電圧のみを検出し、
検出した二次電池の開放電圧および一定電力で充電している時の二次電池の電圧と、前記一定電力とに基づいて、二次電池の内部抵抗Ｒｃ１を求め、
求めた二次電池の内部抵抗Ｒｃ１、および、二次電池の初期状態の内部抵抗Ｒｉ０の比を算出することにより、前記出力比を演算することを特徴とする二次電池の出力劣化演算方法。
二次電池の劣化時電池出力と初期電池出力との出力比から電池出力劣化を算出する二次電池の出力劣化演算装置において、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記二次電池が一定電力で充電されるように制御する制御手段と、
前記電圧検出手段によって検出される二次電池の開放電圧、および、前記制御手段によって一定電力にて充電されている時の二次電池の電圧と、前記制御手段によって制御される一定電力とに基づいて、前記出力比を演算する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記電圧検出手段によって検出される二次電池の開放電圧に基づいて、前記二次電池の初期状態の内部抵抗Ｒｉ０を算出するとともに、前記開放電圧、前記一定電力にて充電されている時の二次電池の電圧、および、前記一定電力に基づいて前記二次電池の内部抵抗Ｒｃ１を算出し、算出した２つの内部抵抗の比を演算することにより、前記出力比を演算することを特徴とする二次電池の出力劣化演算装置。
請求項２に記載の二次電池の出力劣化演算装置において、
前記演算手段は、前記一定電力にて充電されている時の二次電池の電圧Ｖ１と前記開放電圧Ｖ０との差に、前記電圧Ｖ１を乗じた値を、前記一定電力Ｐ０で除算することにより、前記二次電池の内部抵抗Ｒｃ１を算出することを特徴とする二次電池の出力劣化演算装置。
請求項２または３に記載の二次電池の出力劣化演算装置において、
前記二次電池は、ハイブリッド電気自動車に搭載されている電動機に電力を供給する二次電池であることを特徴とする二次電池の出力劣化演算装置。