(57)【要約】【課題】電池の劣化度を正確に測定することが可能な電池劣化度測定装置および測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】電池１０の一端は、電流計１２を介して放電制御部１４の一端に接続される。電池１０の他端は、放電制御部１４の他端に接続される。電流計１２は電池１０に流れる電流を測定し、測定結果を解析部１８に出力する。電圧計１６は、電池１０の出力電圧を測定し、測定結果を解析部１８に出力する。放電制御部１４は、解析部１８の制御に基づいて電池１０に流れる電流を制御する。解析部１８は、放電制御部１４によって電池１０を放電させ、電池電流の時間積分値に対する電池出力電圧の時間積分値の比に基づいて、電池１０の劣化度を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の劣化度を測定する電池劣化度測定装置において、
基準電圧と前記電池の出力電圧との差違電圧を測定する差違電圧測定部と、
前記差違電圧の時間積分値を求める電圧積算部と、
前記電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
前記電圧積算部が時間積分を行う時間帯における、測定電流の時間積分値を求める電流積算部と、
前記差違電圧の時間積分値に対する、その時間積分値が求められる時間帯における電池電流の時間積分値の比を、劣化前の前記電池について取得し、当該比を評価基準値として設定する評価基準値設定部と、
前記電流積算部が求めた時間積分値に対する前記電圧積算部が求めた時間積分値の比と、前記評価基準値と、に基づいて、前記電池の劣化度を測定する測定部と、
を備えることを特徴とする電池劣化度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電池劣化度測定装置において、
前記電池の温度を検出する温度検出部を備え、
前記評価基準値取得部は、
前記電池の温度に対応した前記評価基準値を取得し、
前記測定部は、
前記電流積算部が求めた時間積分値に対する前記電圧積算部が求めた時間積分値の比と、前記温度検出部によって検出された温度に対応する前記評価基準値と、に基づく測定を行うことを特徴とする電池劣化度測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電池劣化度測定装置において、
前記電池の開放電圧を測定する開放電圧測定部を備え、
前記基準電圧は、
前記開放電圧測定部によって測定された開放電圧であり、
前記差違電圧測定部は、
前記開放電圧測定部によって測定された開放電圧から前記電池の出力電圧を減じた電圧を前記差違電圧として測定することを特徴とする電池劣化度測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電池劣化度測定装置において、
前記電池の出力電圧を測定する出力電圧測定部を備え、
前記開放電圧測定部は、
前記電流測定部および前記出力電圧測定部の各測定結果に基づいて開放電圧を求めることを特徴とする電池劣化度測定装置。
【請求項５】
電池の劣化度を測定する電池劣化度測定方法において、
基準電圧と前記電池の出力電圧との差違電圧の時間積分値を求める電圧積算ステップと、
前記差違電圧の時間積分を行う時間帯における、前記電池に流れる電流の時間積分値を求める電流積算ステップと、
前記差違電圧の時間積分値に対する、その時間積分値が求められる時間帯における電池電流の時間積分値の比を、劣化前の前記電池について取得し、当該比を評価基準値として設定する評価基準値設定ステップと、
前記電流積算ステップによって求められた時間積分値に対する前記電圧積算ステップによって求められた時間積分値の比と、前記評価基準値と、に基づいて、前記電池の劣化度を測定する測定ステップと、
を含むことを特徴とする電池劣化度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の出力電圧および電流に基づいて、電池の劣化度を測定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等、繰り返し充放電することが可能であるものが用いられる。モータ駆動車両に搭載された電池は、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。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３３８９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電池は、充放電を繰り返すことにより電解液中のイオンが偏在し、内部抵抗が増加することがある。これによって電池が出力することが可能な電力が低下し、車両の走行性能に影響を与えることがある。
【０００５】
そこで、電池電流の時間変化に対する電池出力電圧の時間変化の比を電池の内部抵抗として測定し、内部抵抗の増加に基づいて電池の劣化度を測定する方法が考え出されている。これによって、電池電流の変化に対して出力電圧が線形に変化しない場合であっても、電池の内部抵抗を定義し測定することができる。しかし、この方法では、電池電流が一定である期間では、内部抵抗を求める際の分母となる電池電流の時間変化が著しく小さくなり、内部抵抗を正確に求めることが困難となる。これによって、電池の劣化度を測定することが困難となる。
【０００６】
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、電池の劣化度を正確に測定することが可能な電池劣化度測定装置および測定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】
【０００７】
本発明は、電池の劣化度を測定する電池劣化度測定装置において、基準電圧と前記電池の出力電圧との差違電圧を測定する差違電圧測定部と、前記差違電圧の時間積分値を求める電圧積算部と、前記電池に流れる電流を測定する電流測定部と、前記電圧積算部が時間積分を行う時間帯における、測定電流の時間積分値を求める電流積算部と、前記差違電圧の時間積分値に対する、その時間積分値が求められる時間帯における電池電流の時間積分値の比を、劣化前の前記電池について取得し、当該比を評価基準値として設定する評価基準値設定部と、前記電流積算部が求めた時間積分値に対する前記電圧積算部が求めた時間積分値の比と、前記評価基準値と、に基づいて、前記電池の劣化度を測定する測定部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電池劣化度測定装置においては、前記電池の温度を検出する温度検出部を備え、前記評価基準値取得部は、前記電池の温度に対応した前記評価基準値を取得し、前記測定部は、前記電流積算部が求めた時間積分値に対する前記電圧積算部が求めた時間積分値の比と、前記温度検出部によって検出された温度に対応する前記評価基準値と、に基づく測定を行うことが好適である。
【０００９】
また、本発明に係る電池劣化度測定装置においては、前記電池の開放電圧を測定する開放電圧測定部を備え、前記基準電圧は、前記開放電圧測定部によって測定された開放電圧であり、前記差違電圧測定部は、前記開放電圧測定部によって測定された開放電圧から前記電池の出力電圧を減じた電圧を前記差違電圧として測定することが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る電池劣化度測定装置においては、前記電池の出力電圧を測定する出力電圧測定部を備え、前記開放電圧測定部は、前記電流測定部および前記出力電圧測定部の各測定結果に基づいて開放電圧を求めることが好適である。
【００１１】
また、本発明は、電池の劣化度を測定する電池劣化度測定方法において、基準電圧と前記電池の出力電圧との差違電圧の時間積分値を求める電圧積算ステップと、前記差違電圧の時間積分を行う時間帯における、前記電池に流れる電流の時間積分値を求める電流積算ステップと、前記差違電圧の時間積分値に対する、その時間積分値が求められる時間帯における電池電流の時間積分値の比を、劣化前の前記電池について取得し、当該比を評価基準値として設定する評価基準値設定ステップと、前記電流積算ステップによって求められた時間積分値に対する前記電圧積算ステップによって求められた時間積分値の比と、前記評価基準値と、に基づいて、前記電池の劣化度を測定する測定ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電池の劣化度を正確に検出することが可能な電池劣化度測定装置および測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に本発明の実施形態に係る電池劣化度測定装置の構成を示す。電池劣化度測定装置は、放電制御部１４によって電池１０を放電させ、電池電流の時間積分値に対する電池出力電圧の時間積分値の比に基づいて、電池１０の劣化度を測定するものである。測定対象とする電池１０は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池である。
【００１４】
電池１０の一端は、電流計１２を介して放電制御部１４の一端に接続される。電池１０の他端は、放電制御部１４の他端に接続される。電流計１２は電池１０に流れる電流を測定し、測定結果を解析部１８に出力する。電圧計１６は、電池１０の出力電圧を測定し、測定結果を解析部１８に出力する。放電制御部１４は、解析部１８の制御に基づいて電池１０に流れる電流を制御する。
【００１５】
解析部１８は、ある時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間、所定の時間波形を有する電流が電池１０に流れるよう、放電制御部１４を制御する。図２（ａ）に電池電流の時間波形の例を示す。横軸は時間を示し、縦軸は電池１０の正極端子に流入する方向を正としたときの電池電流を示す。図２（ａ）は、放電制御部１４によって時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間、−Ｉ０の電流が電池１０に流れることを示す。モータ駆動車両に用いる電池の場合、例えば、Ｉ０＝２００Ａとし、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの時間を、例えば、３秒から１０秒とする。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す電流が電池１０に流れたときにおける電池１０の出力電圧の時間波形を示す。図２（ｂ）の横軸は時間を示し、縦軸は出力電圧を示す。電池１０がモータ駆動車両に用いられるものであり、複数のセルから構成される場合には、１つのセルあたりの開放出力電圧は３Ｖ〜４Ｖであり、図２（ｂ）の縦軸の範囲は、１つのセルに対する出力電圧を表すものとした場合、おおよそ、２．８Ｖ〜４Ｖである。ただし、本発明が対象とする電池の出力電圧は、この範囲に限定されない。電池１０の内部抵抗がオームの法則に従わないことにより、電池１０の出力電圧は、同一の電池電流値に対して必ずしも同一の値とはならない。
【００１６】
本実施形態に係る電池劣化測定装置が、電池の劣化度を測定する原理について説明する。一般に、図２（ａ）に示す時間波形を有する電流を電池に流した場合、劣化の程度が大きい電池は、劣化の程度が小さい電池に比べて出力電圧の変化が大きくなる傾向がある。図３は、その様子を示す。電圧波形Ｌ０は初期特性を示す。ここで、初期特性とは、電池が劣化していないときの特性、例えば、製造直後等、電池が設計特性を満足しているときの特性をいう。図３の電圧波形Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３は、図２（ａ）に示す電流波形による時刻ｔ１〜時刻ｔ２に亘る放電を１回の放電として、放電回数を電圧波形Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の順に増加させた場合の特性である。これより、放電が繰り返され電池の劣化度が大きくなる程、出力電圧の変化が大きくなることが判る。
【００１７】
本実施形態では、電池１０を放電させると共に、電流積分値に対する電圧積分値の比を評価値として求める。ここで、電流積分値は、電池電流の大きさが所定の測定開始閾値Ａを超えた時を積分開始時刻ｔ０として、電池電流を時間積分した値である。電流積分値は、図２（ａ）の閾値−Ａを示す直線と電流波形との間に挟まれた領域の面積を表す。また、電圧積分値は、電池電流の大きさが所定の測定開始閾値Ａを超えた時を積分開始時刻ｔ０として、電池１０の出力電圧を基準電圧Ｖｓから減じた差違電圧を時間積分した値である。ここで、基準電圧Ｖｓは、電池１０の劣化を求めるために設定される値であり、例えば、電池１０の開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）が設定される。基準電圧Ｖｓの設定については後述する。電圧積分値は、図３の基準電圧Ｖｓを示す直線と出力電圧波形との間に挟まれた領域の面積を表す。
【００１８】
図４は、横軸に積分時間をとり、縦軸に評価値をとった評価値−積分時間特性である。特性線Ｅ０は初期特性を示す。上記に例示した電池電流および出力電圧の値に基づき評価値を求めた場合、図４の縦軸の範囲は０〜６×１０-3となる。特性線Ｅ２は、特性線Ｅ１を求める対象とした電池の放電回数より放電回数を多くした電池についての特性である。図４から判るように、放電が繰り返され電池の劣化度が大きくなるに従って評価値の値が大きくなる。したがって、電池の評価値を求め、初期評価値からの増加の程度を求めることで、電池の劣化度を測定することができる。評価値は、電流積分値に対する電圧積分値の比である。そのため、電流積分値が有意な値であれば、電流の時間変化が小さい場合であっても、誤差の小さい評価値を求めることができる。
【００１９】
なお、評価値は、電池電流が時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間で変動した場合であっても、電池電流が時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間で一定値をとった場合とほぼ同一の値が得られることが確かめられている。図５（ａ）の実線は、図２（ａ）と同一の電池電流波形を、図５（ａ）の破線は、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間、意図的に電流の値を変動させた場合の電池電流波形を示す。図５（ｂ）の実線で示される特性は、図５（ａ）の実線で示される電池電流に対して求められた評価値−積分時間特性を示し、破線で示される特性は、図５（ａ）の破線で示される電池電流に対して求められた評価値−積分時間特性を示す。
【００２０】
このような原理に基づき、電池劣化測定装置が実行する処理について説明する。図６は、解析部１８が実行する処理を示すフローチャートである。解析部１８は、電流計１２が出力する測定電流値の大きさが測定開始閾値Ａを超えたときは、その時を積分開始時刻ｔ０として、電流計１２が出力する測定電流値の積分を開始する。そして、積分時間に対する電流積分値を示す、電流積分値−積分時間特性を求める（Ｓ１０１）。さらに、解析部１８は、電圧計１６が出力する測定電圧値を基準電圧Ｖｓから減じた差違電圧を求め、基準時刻ｔ０からの差違電圧の積分を開始する。そして、積分時間に対する電圧積分値を示す、電圧積分値−積分時間特性を求める（Ｓ１０２）。
【００２１】
解析部１８は、電圧積分値−積分時間特性の各時刻における電圧積分値を、対応する時刻における電流積分値−積分時間特性の電流積分値で除した、評価値−積分時間特性を求める（Ｓ１０３）。
【００２２】
初期特性記憶部２０は、評価値−積分時間特性の初期特性を記憶する。この記憶内容は、電池劣化測定装置の製造時に予め記憶させておく。解析部１８は、初期特性記憶部２０から、評価値−積分時間特性の初期特性を読み込む（Ｓ１０４）。解析部１８は、ステップＳ１０３で求められた評価値−積分時間特性における比較基準時刻ｔｄでの評価値から、ステップＳ１０４で読み込んだ評価値−積分時間特性における比較基準時刻ｔｄでの評価値を減算した判定値Ｄを求める（Ｓ１０５）。ここで、比較基準時刻ｔｄは、積分時間範囲内において任意に設定することができる時刻である。比較基準時刻ｔｄとしては、積分終了時刻が好適である。解析部１８は、判定値Ｄが所定の閾値Ｂを超えるか否かを判定する（Ｓ１０６）。判定値Ｄが所定の閾値Ｂを超えるときは、表示部２２に、電池１０が劣化した旨の情報および判定値Ｄを出力する（Ｓ１０７、Ｓ１０８）。一方、判定値Ｄが所定の閾値Ｂ以下であるときは、表示部２２に、判定値Ｄを出力する（Ｓ１０８）。表示部２２は解析部１８から出力された情報を表示する。
【００２３】
このような処理によれば、比較基準時刻ｔｄにおける評価値が、初期評価値よりも所定の閾値Ｂよりも大きいか否かに基づいて電池１０の劣化を検出することができる。また、表示部２２に判定値Ｄを表示することができる。判定値Ｄは、その値が大きい程電池の劣化度が大きいことを示す。モータ駆動車両のユーザ、保守点検者等は、判定値Ｄに基づいて電池１０の劣化度を知ることができる。
【００２４】
なお、ここでは、電流積分値−積分時間特性および電圧積分値−積分時間特性に基づいて評価値−積分時間特性を求め、評価値−積分時間特性の比較基準時刻ｔｄにおける評価値に基づいて判定値Ｄを取得する処理について説明した。このような処理の他、電流計１２が出力する測定電流値の大きさが測定開始閾値Ａを超えた時から比較基準時刻ｔｄまでの電流積分値および電圧積分値を求め、電圧積分値の電流積分値に対する比を評価値として求めてもよい。この場合、その評価値から初期評価値を減算した値を電池の劣化度を示す値とすればよい。
【００２５】
上記のように、解析部１８は、基準電圧Ｖｓから電池１０の出力電圧の測定値を減算した値を時間積分した値を用いて、電池１０の劣化度を測定する。電池１０の出力電圧は、解析部１８の処理時における電池電流のみならず電池電流の履歴等、様々な条件によって変化する。そこで、基準電圧Ｖｓを次のように設定することが好ましい。
【００２６】
図７（ａ）は、横軸に時間をとり、縦軸に電圧計１６の測定電圧値および電流計１２の測定電流値をとったものである。電圧計１６および電流計１２は、時間に対して離散的に測定を行うものとする。図７（ａ）の黒丸は測定電圧値を示し、白丸は測定電流値を示す。黒丸を結ぶ実線および白丸を結ぶ破線は、離散的に測定された値を連続的なものとして把握するために、測定値を補間して示したものである。
【００２７】
解析部１８は、測定電流値の大きさが測定開始閾値Ａを超えたときの測定電流値−Ｉ１、および測定電流値−Ｉ１の直前に出力された測定電流値−Ｉ０、ならびに、測定電流値の大きさが測定開始閾値Ａを超えたときの測定電圧値Ｖ１、および測定電圧値Ｖ１の直前に出力された測定電圧値Ｖ０に基づいて、図７（ｂ）に示す出力電圧−電池電流特性の切片を基準電圧Ｖｓとして求める。基準電圧Ｖｓは、電池１０の開放電圧に相当する。この特性は、電池１０がオームの法則に従う内部抵抗を有するものと仮定した場合において、出力電圧−電池電流特性を求めたものである。出力電圧−電池電流特性は、出力電圧がＶ０であり電池電流が−Ｉ０である点と、出力電圧がＶ１であり電池電流が−Ｉ１である点とを結ぶ直線の式で表される。解析部１８は、この直線の縦軸切片を、測定電流値−Ｉ０および−Ｉ１、ならびに測定電圧値Ｖ０およびＶ１を用いて求める。
【００２８】
上記では、電池１０の温度変化に基づく評価値−積分時間特性の変化を考慮しないものとした。しかしながら、より厳密な測定を行うためには、評価値−積分時間特性の電池１０の温度に応じた変化を考慮することが好ましい。そこで、電池１０の温度を考慮した測定を行う、応用例に係る電池劣化測定装置の構成を図８に示す。図１の電池劣化測定装置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。
【００２９】
電池温度計２４は電池１０の温度を測定し、測定結果を解析部１８に出力する。初期特性記憶部２０は、複数の温度について評価値−積分時間特性の初期特性を記憶する。この初期特性は製造時に予め記憶させておく。図９は、温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３について記憶された評価値−積分時間特性の例を示したものである。これらの温度にはＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係がある。図９に示されるように、電池の温度が高い程、評価値が小さくなる。
【００３０】
解析部１８は、図６に示すステップＳ１０４においては、電池温度計２４の測定結果に基づいて、電池１０の温度に対応する評価値−積分時間特性の初期特性を読み込む。
【００３１】
このような構成および処理によれば、電池１０の温度に応じた評価値−積分時間特性の初期特性を用い、電池１０の劣化度を測定することができる。これによって、より厳密な測定を行うことができる。
【００３２】
次に、本実施形態に係るハイブリッド車両駆動システムについて説明する。図１０にハイブリッド車両駆動システムの構成を示す。この車両駆動システムは、電池劣化検出装置の測定結果をハイブリッド自動車の制御に用いるものである。図１の電池劣化測定装置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。
【００３３】
操作部３４は、アクセル、ブレーキ、ギアチェンジレバーを含み、運転操作指令をコントロールユニット２６に出力する。コントロールユニット２６は、ハイブリッド自動車の走行状態および運転操作指令に基づいて、エンジン３２およびモータ制御部２８を制御する。
【００３４】
エンジン３２は、コントロールユニット２６の制御に応じて、ハイブリッド自動車を駆動する。モータ制御部２８は、コントロールユニット２６の制御に応じて、電池１０の電力をモータ３０に供給し、モータ３０の回生制動発電電力を電池１０に供給する。モータ３０はモータ制御部２８の制御に応じて、ハイブリッド自動車を加速し、または回生制動する。
【００３５】
このような構成によって、ハイブリッド車両駆動システムは、ハイブリッド自動車の走行状態および運転操作指令に基づいて、モータ３０の車両駆動力への寄与、およびエンジン３２の車両駆動力への寄与を調整し、エネルギー効率を高める。
【００３６】
本実施形態に係るハイブリッド車両駆動システムでは、解析部１８は、上記の判定値Ｄをコントロールユニット２６に出力する。コントロールユニット２６は、判定値Ｄに応じて、モータ３０の車両駆動力への寄与、およびエンジン３２の車両駆動力への寄与を調整する。すなわち、判定値Ｄが大きくなったときには、モータ３０の車両駆動力への寄与が制限されるよう、モータ３０およびエンジン３２の車両駆動力への寄与を調整する。例えば、判定値Ｄが所定の値を超えたときには、電池１０からモータ３０に所定値以上の電力が供給されないよう、モータ制御部２８を制御し、代わりにエンジン３２の駆動力を増大させる。
【００３７】
このようなシステム構成によれば、電池１０の劣化により電力供給性能が低下し、モータ駆動力が低下したとしても、エンジン３２の駆動力でその低下分を補うことができる。これによって、ハイブリッド自動車の走行性能が低下することを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態に係る電池劣化測定装置の構成を示す図である。
【図２】電池電流波形および電池の出力電圧を示す図である。
【図３】電池劣化時の出力電圧の傾向を示す図である。
【図４】評価値−積分時間特性を示す図である。
【図５】意図的に電流の値を変動させた場合の電池電流波形、および、それに対する評価値−積分時間特性を示す図である。
【図６】電池劣化測定に際して解析部が実行する処理を示すフローチャートである。
【図７】基準電圧の設定について説明する図である。
【図８】応用例に係る電池劣化測定装置の構成を示す図である。
【図９】複数の温度について評価値−積分時間特性の初期特性を示す図である。
【図１０】実施形態に係るハイブリッド車両駆動システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電池、１２  電流計、１４  放電制御部、１６  電圧計、１８  解析部、２０  初期特性記憶部、２２  表示部、２４  電池温度計、２６  コントロールユニット、２８  モータ制御部、３０  モータ、３２  エンジン、３４  操作部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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