(57)【要約】【課題】モータ駆動車両等に用いる電池の劣化を検出する装置および方法を提供することを目的とする。【解決手段】解析部１４は、３つの開放電圧変動範囲に対応して、推定満充電容量Ｑａｂ、Ｑｂｃ、およびＱｃｄを求める。解析部１４は、推定満充電容量Ｑｂｃから推定満充電容量Ｑａｂを減じた第１判定値Ｄ１を求め、さらに、推定満充電容量Ｑｃｄから推定満充電容量Ｑｂｃを減じた第２判定値Ｄ２を求める。解析部１４は、第１判定値Ｄ１が所定の閾値Ｔ１より大きく、かつ、第２判定値Ｄ２が所定の閾値Ｔ２より大きいか否かを判定する。解析部１４は、第１判定値Ｄ１が所定の閾値Ｔ１より大きく、かつ、第２判定値Ｄ２が所定の閾値Ｔ２より大きいときは、故障情報記憶部２２にリチウム析出現象を検出した旨の情報を記憶させ、解析部１４は、警告装置２４を動作させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の開放電圧を測定するＯＣＶ測定手段と、
予め設定された複数の開放電圧範囲の各範囲について、測定開放電圧の開放電圧範囲内での変動に対する充電深度の変動値を、開放電圧に対する充電深度の初期特性に基づいて求めるＳＯＣ変動取得手段と、
各開放電圧範囲内の測定開放電圧の変動に対し、電池の充放電電流積算値を求める電流積算手段と、
求められた充電深度変動値および充放電電流積算値に基づいて、各開放電圧範囲に対する推定満充電容量を求める満充電容量推定手段と、
各開放電圧範囲に対して求められた推定満充電容量に基づいて前記電池の劣化を検出する劣化検出手段と、
を備えることを特徴とする電池劣化検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電池劣化検出装置において、
前記劣化検出手段は、
求められた推定満充電容量の開放電圧範囲ごとの相違に基づいて、前記電池の劣化を検出することを特徴とする電池劣化検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電池劣化検出装置において、
前記電池はリチウムイオン電池であり、
前記劣化検出手段は、
求められた推定満充電容量の開放電圧範囲ごとの相違と、リチウム析出現象が生じた場合の当該相違との比較に基づいて、リチウム析出現象を検出することを特徴とする電池劣化検出装置。
【請求項４】
モータ駆動車両に搭載され、前記電池が駆動用モータに電力を供給する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池劣化検出装置において、
前記モータ駆動車両は、
前記電池の充電深度の範囲を所定範囲に制限する充電状態制限部を備え、
前記複数の開放電圧範囲は、
前記充電状態制限部によって制限される充電深度範囲に基づいて定められた開放電圧範囲であることを特徴とする電池劣化検出装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池劣化検出装置において、
前記電池の開放電圧を変化させる充放電部を備えることを特徴とする電池劣化検出装置。
【請求項６】
電池の開放電圧を測定するステップと、
予め設定された複数の開放電圧範囲の各範囲について、測定開放電圧の開放電圧範囲内での変動に対する充電深度の変動値を、開放電圧に対する充電深度の初期特性に基づいて求めるステップと、
各開放電圧範囲内の測定開放電圧の変動に対し、電池の充放電電流積算値を求めるステップと、
求められた充電深度変動値および充放電電流積算値に基づいて、各開放電圧範囲に対する推定満充電容量を求めるステップと、
各開放電圧範囲に対して求められた推定満充電容量に基づいて前記電池の劣化を検出するステップと、
を含むことを特徴とする電池劣化検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充放電特性の変化に基づいて電池の劣化を検出する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車、電気自動車等のモータ駆動車両が広く用いられている。モータ駆動車両には、モータに電力を供給するための電池が搭載される。この電池には、リチウムイオン電池が広く用いられる。リチウムイオン電池は繰り返し充放電することが可能である。モータ駆動車両に用いられるリチウムイオン電池は、モータに電力を供給すると共に、モータの回生制動発電によって充電される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リチウムイオン電池は、過大な電流によって充電を行う等、過酷な条件で用いると、電極にリチウムが析出する。このようなリチウム析出現象は、リチウムイオン電池の電力供給性能を低下させ、モータ駆動車両の走行性能を低下させるおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、モータ駆動車両等に用いる電池の劣化を検出する装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電池の開放電圧を測定するＯＣＶ測定手段と、予め設定された複数の開放電圧範囲の各範囲について、測定開放電圧の開放電圧範囲内での変動に対する充電深度の変動値を、開放電圧に対する充電深度の初期特性に基づいて求めるＳＯＣ変動取得手段と、各開放電圧範囲内の測定開放電圧の変動に対し、電池の充放電電流積算値を求める電流積算手段と、求められた充電深度変動値および充放電電流積算値に基づいて、各開放電圧範囲に対する推定満充電容量を求める満充電容量推定手段と、各開放電圧範囲に対して求められた推定満充電容量に基づいて前記電池の劣化を検出する劣化検出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る電池劣化検出装置においては、前記劣化検出手段は、求められた推定満充電容量の開放電圧範囲ごとの相違に基づいて、前記電池の劣化を検出することが好適である。
【０００７】
また、本発明に係る電池劣化検出装置においては、前記電池はリチウムイオン電池であり、前記劣化検出手段は、求められた推定満充電容量の開放電圧範囲ごとの相違と、リチウム析出現象が生じた場合の当該相違との比較に基づいて、リチウム析出現象を検出することが好適である。
【０００８】
また、本発明は、モータ駆動車両に搭載され、前記電池が駆動用モータに電力を供給する前記電池劣化検出装置において、前記モータ駆動車両は、前記電池の充電深度の範囲を所定範囲に制限する充電状態制限部を備え、前記複数の開放電圧範囲は、前記充電状態制限部によって制限される充電深度範囲に基づいて定められた開放電圧範囲であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る電池劣化検出装置においては、前記電池の開放電圧を変化させる充放電部を備えることが好適である。
【００１０】
また、本発明は、電池の開放電圧を測定するステップと、予め設定された複数の開放電圧範囲の各範囲について、測定開放電圧の開放電圧範囲内での変動に対する充電深度の変動値を、開放電圧に対する充電深度の初期特性に基づいて求めるステップと、各開放電圧範囲内の測定開放電圧の変動に対し、電池の充放電電流積算値を求めるステップと、求められた充電深度変動値および充放電電流積算値に基づいて、各開放電圧範囲に対する推定満充電容量を求めるステップと、各開放電圧範囲に対して求められた推定満充電容量に基づいて前記電池の劣化を検出するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、リチウムイオン電池等、充放電が可能な電池の劣化を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に本発明の実施形態に係る電池劣化検出機能付き車両駆動システムの構成を示す。電池劣化検出機能付き車両駆動システムは、リチウムイオン電池を用いるモータ駆動車両に搭載され、リチウムイオン電池におけるリチウム析出現象を検出する。リチウム析出現象の検出は、使用に伴って表れる充放電性能の劣化に基づいて行う。
【００１３】
電池劣化検出機能付き車両駆動システムがリチウム析出現象の検出を行うに場合には、リチウムイオン電池１０の満充電容量の推定値を求める。そこで、ここでは満充電容量の推定値を求める基本技術について説明する。ＯＣＶ測定部１２は、リチウムイオン電池１０の開放電圧を測定し、測定結果を解析部１４に出力する。ここで、開放電圧は、モータ駆動車両の停止中等リチウムイオン電池１０に電流が流れていない状態における、リチウムイオン電池１０の出力電圧であり、一般に、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）と称される。電流計１６は、電池の正極端子に流入する向きを正として、電池に流れる電流を測定し、測定結果を解析部１４に出力する。
【００１４】
解析部１４は、開放電圧がある電圧Ｖ１であった時から、電圧Ｖ１とは異なる電圧Ｖ２となった時までの電池電流の積算値を充電量変動として求める。充電量変動は、開放電圧がＶ１からＶ２に変化するまでの間にリチウムイオン電池１０に充放電された電荷量を示す。
【００１５】
ＯＣＶ−ＳＯＣ特性記憶部２０は、測定対象のリチウムイオン電池１０について、開放電圧に対する充電深度の初期特性（ＯＣＶ−ＳＯＣ初期特性）を記憶する。ここで、充電深度は、満充電容量に対する充電電荷量の割合を百分率を以て表した値であり、一般に、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）と称される。また、初期特性とは、リチウムイオン電池１０にリチウム析出現象が生じていないときの特性、例えば、製造直後等、リチウムイオン電池１０が設計特性を満足しているときの特性をいう。
【００１６】
解析部１４は、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性記憶部２０に記憶されているＯＣＶ−ＳＯＣ初期特性を参照し、開放電圧Ｖ１および開放電圧Ｖ２に対応する充電深度を、それぞれ、第１充電深度および第２充電深度として求める。そして、第２充電深度から第１充電深度を減じたＳＯＣ変動を求める。解析部１４は、充電量変動をＳＯＣ変動で除した値に１００を乗じた値を満充電容量の推定値として求める。すなわち、推定満充電容量を、次の（数１）に基づいて求める。
（数１）推定満充電容量（Ａｈ）＝充電量変動（Ａｈ）×１００／ＳＯＣ変動
【００１７】
ここで、（数１）で求められる値を「推定値」としたのは、リチウムイオン電池１０の特性が変化した場合であってもＯＣＶ−ＳＯＣ初期特性を用いることにより、（数１）に基づいて求められる値が真の満充電容量からずれることがあるためである。電池劣化検出機能付き車両駆動システムは、このような処理によって、開放電圧がＶ１からＶ２に変化するのに伴って推定満充電容量を求める。
【００１８】
リチウムイオン電池１０はモータ駆動装置１８に接続され、モータ駆動装置１８に電力を供給し、または、モータ駆動装置１８の回生制動発電によって充電される。リチウムイオン電池１０の開放電圧は、モータ駆動車両が走行すると共に変動する。解析部１４は、予め定められた、Ｖａ〜Ｖｂ、Ｖｂ〜Ｖｃ、およびＶｃ〜Ｖｄの各開放電圧範囲について、各範囲内における開放電圧の変動に対し、上記処理に基づいて推定満充電容量を求める。これらの電圧には、Ｖａ＜Ｖｂ＜Ｖｃ＜Ｖｄの関係があるものとする。例えば、電圧ＶαおよびＶβに、Ｖａ≦Ｖα＜Ｖβ≦Ｖｂの関係がある場合において、モータ駆動車両の走行に伴って、開放電圧が電圧Ｖαから電圧Ｖβに上昇または電圧Ｖβから電圧Ｖαに下降したときは、解析部１４は、開放電圧Ｖα〜Ｖβの変動に基づいて推定満充電容量を求める。同様の処理によって、解析部１４は、開放電圧Ｖｂ〜Ｖｃの範囲内での開放電圧変動および開放電圧Ｖｃ〜Ｖｄの範囲内での開放電圧変動に対する推定満充電容量を求める。
【００１９】
電池劣化検出機能付き車両駆動システムは、各開放電圧変動範囲に対応して求められた推定満充電容量に基づいて、リチウム析出現象を検出する。以下に、その検出原理について説明する。
【００２０】
図２は、リチウムイオン電池１０の充電量に対する開放電圧ＯＣＶの特性を示す。横軸は充電量を示し縦軸は開放電圧を示す。実線は初期特性を示し、破線はリチウム析出現象が生じた後の特性を示す。充電量ＱＦは初期の満充電容量を示す。開放電圧ＶＦは、満充電時における開放電圧を示す。開放電圧ＶＥは充電量下限値（実用的な電力を得ることが困難となる値。）を示す。リチウム析出現象が生じた後の満充電容量ＱＧは、初期の満充電容量ＱＦに対しΔだけ低下する（以下、「リチウム析出現象が生じた後」という表現を、単に「リチウム析出後」とする。）。
【００２１】
図３はリチウムイオン電池１０の開放電圧に対する充電深度の特性（ＯＣＶ−ＳＯＣ特性）を示す。横軸は充電深度を示し縦軸は開放電圧を示す。実線は初期特性を示し、破線はリチウム析出後の特性を示す。初期における充電深度１００％の状態は、図２の充電量が満充電容量ＱＦに達している状態に対応し、リチウム析出後における充電深度１００％の状態は、図２の充電量が満充電容量ＱＧに達している状態に対応する。したがって、図３の特性は図２の特性の横軸を充電量から充電深度に変換したものに相当する。ハイブリッド自動車では、電池の充電深度の範囲を所定範囲に制限する充電状態制限部を備えることがある。この場合、充電深度４０％〜８０％の範囲で、リチウムイオン電池が用いられることが多い。そこで、充電深度４０％〜８０％の範囲でＯＣＶ−ＳＯＣ特性を拡大したものを図４（ａ）に示す。
【００２２】
図４（ｂ）は、リチウム析出後の特性を初期特性と重ねるため、図４（ａ）のリチウム析出後の特性を充電深度の正方向にスライドさせたものである。開放電圧Ｖａ、Ｖｂ、ＶｃおよびＶｄは、リチウム析出後の特性の傾きと、初期特性の傾きとの関係に応じて開放電圧の範囲を区切る開放電圧である。開放電圧がＶａ〜Ｖｂの範囲では、リチウム析出後の傾きは、初期の傾きよりも大きい。また、開放電圧がＶｂ〜Ｖｃの範囲では、リチウム析出後と初期とでは傾きがほぼ等しい。そして、開放電圧がＶｃ〜Ｖｄの範囲では、リチウム析出後の傾きは、初期の傾きよりも小さい。
【００２３】
（数１）に基づいて推定満充電容量を求める場合、解析部１４は、リチウム析出現象が生じたか否かに関わらず、ＯＣＶ−ＳＯＣ初期特性を参照することで開放電圧の変動に対するＳＯＣ変動を求める。したがって、リチウム析出現象によってＯＣＶ−ＳＯＣ特性の傾きが大きくなったＶａ〜Ｖｂの開放電圧範囲では、解析部１４は、ＳＯＣ変動の真値よりも大きいＳＯＣ変動を求めることとなる。また、リチウム析出現象によってＯＣＶ−ＳＯＣ特性の傾きに変化が見られないＶｂ〜Ｖｃの開放電圧範囲では、解析部１４は、ＳＯＣ変動の真値に近いＳＯＣ変動を求めることとなる。そして、リチウム析出現象によってＯＣＶ−ＳＯＣ特性の傾きが小さくなったＶｃ〜Ｖｄの開放電圧範囲では、解析部１４は、ＳＯＣ変動の真値よりも小さいＳＯＣ変動を求めることとなる。また、解析部１４が求める充電量変動は、電池電流の時間積算値に基づくため、リチウム析出現象が生じたか否かに関わらず、充放電された実際の電荷量にほぼ等しい。
【００２４】
したがって、リチウム析出後において、Ｖａ〜Ｖｂの開放電圧範囲内おいて解析部１４が求めた推定満充電容量Ｑａｂは、Ｖｂ〜Ｖｃの開放電圧範囲内において解析部１４が求めた推定満充電容量Ｑｂｃよりも小さくなる。また、リチウム析出後において、Ｖｃ〜Ｖｄの開放電圧範囲内において解析部１４が求めた推定満充電容量Ｑｃｄは、推定満充電容量Ｑｂｃよりも大きくなる。
【００２５】
本実施形態に係る電池劣化検出機能付き車両駆動システムは、このような原理を利用してリチウム析出現象を検出する。すなわち、Ｖａ〜Ｖｂ、Ｖｂ〜Ｖｃ、およびＶｃ〜Ｖｄの３つの開放電圧範囲について求められた各推定満充電容量の相違が、リチウム析出現象に基づいて見られる相違であるか否かを判断することでリチウム析出現象を検出することができる。より一般的には、電池劣化検出機能付き車両駆動システムは、開放電圧を複数の範囲に区切り、各開放電圧範囲に対して推定満充電容量を求め、各推定満充電容量の相違がリチウム析出現象に基づいて見られる相違であるか否かを判断することでリチウム析出現象を検出することができる。
【００２６】
リチウム析出現象を検出する具体的な処理について説明する。図５はその処理を示すフローチャートである。開放電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、およびＶｄは、開放電圧がＶａ〜Ｖｂの範囲において、リチウム析出後のＯＣＶ−ＳＯＣ初期特性の傾きが初期の傾きよりも大きくなり、さらに、開放電圧がＶｂ〜Ｖｃの範囲で、リチウム析出後と初期とで傾きがほぼ等しくなり、加えて、開放電圧がＶｃ〜Ｖｄの範囲で、リチウム析出後の傾きが初期の傾きよりも小さくなるように設定されるものとする。また、開放電圧Ｖａ〜Ｖｄの範囲は、ＯＣＶ−ＳＯＣ初期特性において充電深度が４０％〜８０％である範囲に対応する開放電圧範囲内に設定されることが好ましい。
【００２７】
リチウムイオン電池１０の開放電圧は、モータ駆動車両を走行させると共に変動する。解析部１４は、予め定められた、Ｖａ〜Ｖｂ、Ｖｂ〜Ｖｃ、およびＶｃ〜Ｖｄの各開放電圧範囲内での開放電圧変動に対応して、それぞれ、推定満充電容量Ｑａｂ、Ｑｂｃ、およびＱｃｄを求める（Ｓ１０１）。解析部１４は、推定満充電容量Ｑｂｃから推定満充電容量Ｑａｂを減じた第１判定値Ｄ１を求め（Ｓ１０２）、さらに、推定満充電容量Ｑｃｄから推定満充電容量Ｑｂｃを減じた第２判定値Ｄ２を求める（Ｓ１０３）。解析部１４は、第１判定値Ｄ１が所定の閾値Ｔ１より大きく、かつ、第２判定値Ｄ２が所定の閾値Ｔ２より大きいか否かを判定する（Ｓ１０４）。解析部１４は、第１判定値Ｄ１が所定の閾値Ｔ１より大きく、かつ、第２判定値Ｄ２が所定の閾値Ｔ２より大きいときは、故障情報記憶部２２にリチウム析出現象を検出した旨の情報を記憶させる（Ｓ１０５）。さらに、解析部１４は、警告装置２４を動作させる（Ｓ１０６）。故障情報記憶部２２は、モータ駆動車両に搭載される装置の故障情報を記憶する手段であり、モータ駆動車両の保守点検時に記憶内容が読み出される。警告装置２４は、インジケータの点灯、警告音の鳴動等によって、リチウム析出現象を検出した旨をユーザに報知する。解析部１４は、第１判定値Ｄ１が所定の閾値Ｔ１以下であるとき、または、第２判定値Ｄ２が所定の閾値Ｔ２以下であるときは、ステップＳ１０１の実行に戻る。
【００２８】
このような処理によれば、リチウムイオン電池１０の析出現象を検出すると共に、モータ駆動車両のユーザ、保守点検者等にリチウムイオン電池１０に析出現象が生じた旨を伝えることができる。
【００２９】
なお、モータ駆動車両の走行状況によっては、開放電圧がＶａ〜Ｖｂ、Ｖｂ〜Ｖｃ、およびＶｃ〜Ｖｄの３つの開放電圧範囲内の電圧をとる頻度が低く、リチウムイオン析出現象の検出頻度を高くすることが困難な場合がある。この問題を解決するための、応用例に係る電池劣化検出機能付き車両駆動システムの構成を図６に示す。図１の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。この構成では、リチウムイオン電池１０の開放電圧を強制的に変化させる充放電装置２６を、モータ駆動装置１８に並列に接続する。充放電装置２６は、解析部１４の制御に基づいて、開放電圧がＶａ〜Ｖｂ、Ｖｂ〜Ｖｃ、およびＶｃ〜Ｖｄの３つの開放電圧範囲内の電圧となるよう、強制的にリチウムイオン電池１０を充放電させる。解析部１４は、３つの開放電圧範囲に対して推定満充電容量を求め、上記の処理に基づいてリチウム析出現象を検出する。
【００３０】
上記では、開放電圧の範囲をリチウム析出後の特性の傾きと、初期特性の傾きとの関係に基づいて３つの範囲に区切る例について説明した。このように開放電圧範囲を３つの範囲に区切る他、各推定満充電容量の相違がリチウム析出現象に基づいて見られる相違であるか否かを判断することが可能であれば、開放電圧範囲を任意の数に区切ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態に係る電池劣化検出機能付き車両駆動システムの構成を示す図である。
【図２】リチウムイオン電池のＯＣＶ−充電量特性を示す図である。
【図３】リチウムイオン電池のＯＣＶ−ＳＯＣ特性を示す図である。
【図４】リチウムイオン電池のＯＣＶ−ＳＯＣ特性の拡大図である。
【図５】リチウム析出現象を検出する処理を示すフローチャートである。
【図６】応用例に係る電池劣化検出機能付き車両駆動システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  リチウムイオン電池、１２  ＯＣＶ測定部、１４  解析部、１６  電流計、１８  モータ駆動装置、２０  ＯＣＶ−ＳＯＣ特性記憶部、２２  故障情報記憶部、２４  警告装置、２６  充放電装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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