(57)【要約】【課題】充電池の残存容量を正しく推定するために必要な電流と電圧の測定範囲を確保しつつ、充電池の内部抵抗値を正しく算出して劣化判定を行う。【解決手段】充放電可能なリチウムイオン電池１とインバータ６が接続されたときのリチウムイオン電池１の電流と電圧の変動成分を、交流増幅器１４、１３によりそれぞれ増幅して、マイクロプロセッサ１１により取得する。こうして取得した増幅後の電流と電圧の各変動成分に基づいて、マイクロプロセッサ１１によりリチウムイオン電池１の内部抵抗値を算出し、算出した内部抵抗値に基づいてリチウムイオン電池１の劣化判定を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な蓄電池の電流と電圧の変動成分をそれぞれ増幅し、
前記増幅された前記電流の変動成分と、前記増幅された前記電圧の変動成分とをコンピュータにより取得し、
前記取得した増幅後の電流と電圧の各変動成分に基づいて、前記コンピュータにより前記蓄電池の内部抵抗値を算出し、
前記算出した前記蓄電池の内部抵抗値に基づいて、前記コンピュータにより前記蓄電池の劣化判定を行う蓄電池の劣化判定方法。
【請求項２】
充放電可能な蓄電池が搭載された車両において前記蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、
前記蓄電池の電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出手段と、
前記蓄電池の電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出手段と、
前記蓄電池に接続される充放電負荷と、
前記蓄電池と前記充放電負荷の接続状態を切り替える切替手段と、
前記切替手段により前記蓄電池と前記充放電負荷が接続されたときに、前記電流検出信号の変動成分を増幅して出力する電流増幅手段と、
前記切替手段により前記蓄電池と前記充放電負荷が接続されたときに、前記電圧検出信号の変動成分を増幅して出力する電圧増幅手段と、
前記電流増幅手段により増幅された前記電流検出信号の変動成分と、前記電圧増幅手段により増幅された前記電圧検出信号の変動成分とに基づいて、前記蓄電池の内部抵抗値を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記蓄電池の内部抵抗値に基づいて、前記蓄電池の劣化判定を行う判定手段とを備えることを特徴とする充放電制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の充放電制御装置において、
前記蓄電池がリチウムイオン電池であり、前記充放電負荷が前記車両に搭載されたモータに接続されたインバータであることを特徴とする充放電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される蓄電池の劣化判定方法および充放電制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車やハイブリッド自動車における蓄電池の劣化を判定するために、蓄電池とインバータが接続されたときの突入電流発生時の電流値と電圧値を測定し、これらに基づいて蓄電池の内部抵抗値を算出する方法が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７９２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示される方法では、充電池の種類によっては、突入電流発生時の電流と電圧を正確に測定することが困難であるために内部抵抗値を正しく算出できないことがある。たとえば、リチウムイオン電池、特に非晶質系の炭素を負極材料に用いると共にマンガン系のリチウムを正極材料に用いたリチウムイオン電池などでは、その残存容量に応じた開回路電圧の変化がニッケル水素電池等と比較して大きいため、残存容量を正しく推定するために、電圧の測定範囲を比較的広く取る必要がある。しかし、このように測定範囲を広く取るとその分だけ測定分解能が低下するため、突入電流発生時の電圧の変化を正確に測定できず、その結果、充電池の内部抵抗値を正しく算出できなくなる場合がある。本発明の目的は、充電池の残存容量を正しく推定するために必要な電流と電圧の測定範囲を確保しつつ、充電池の内部抵抗値を正しく算出して劣化判定を行うことのできる蓄電池の劣化判定方法及び充放電制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による蓄電池の劣化判定方法は、充放電可能な蓄電池の電流と電圧の変動成分をそれぞれ増幅し、増幅された電流の変動成分と、増幅された電圧の変動成分とをコンピュータにより取得し、取得した増幅後の電流と電圧の各変動成分に基づいて、コンピュータにより蓄電池の内部抵抗値を算出し、算出した蓄電池の内部抵抗値に基づいて、コンピュータにより蓄電池の劣化判定を行うものである。
本発明による充放電制御装置は、充放電可能な蓄電池が搭載された車両において蓄電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、蓄電池の電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出手段と、蓄電池の電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出手段と、蓄電池に接続される充放電負荷と、蓄電池と充放電負荷の接続状態を切り替える切替手段と、切替手段により蓄電池と充放電負荷が接続されたときに、電流検出信号の変動成分を増幅して出力する電流増幅手段と、切替手段により蓄電池と充放電負荷が接続されたときに、電圧検出信号の変動成分を増幅して出力する電圧増幅手段と、電流増幅手段により増幅された電流検出信号の変動成分と、電圧増幅手段により増幅された電圧検出信号の変動成分とに基づいて、蓄電池の内部抵抗値を算出する算出手段と、算出手段により算出された蓄電池の内部抵抗値に基づいて、蓄電池の劣化判定を行う判定手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、充電池の残存容量を正しく推定するために必要な電流と電圧の測定範囲を確保しつつ、充電池の内部抵抗値を正しく算出して劣化判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態による充放電制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による充放電制御装置において用いられる交流増幅器の内部回路の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による充放電制御装置における突入電流発生時の電流検出値の例を示す特性線図である。
【図４】本発明の一実施形態による充放電制御装置における突入電流発生時の電圧検出値の例を示す特性線図である。
【図５】従来の充放電制御装置の構成例を示す図である。
【図６】従来の充放電制御装置における突入電流発生時の電流検出値の例を示す特性線図である。
【図７】従来の充放電制御装置における突入電流発生時の電圧検出値の例を示す特性線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本発明の一実施形態による充放電制御装置の構成を示す図である。この充放電制御装置は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されており、車両のモータ７を駆動したり、モータ７により発生された回生電力を回収したりする際に、リチウムイオン電池１の充放電制御を行う。充放電制御装置は、抵抗２、リレー３〜５、インバータ６、コンデンサ８、総電圧検出回路９、電流センサ１０、マイクロプロセッサ１１、温度センサ１２および交流増幅器１３、１４を有している。
【０００９】
リチウムイオン電池１は、正極にマンガン系材料を、負極に非晶質系炭素材料をそれぞれ用いた複数のセル、たとえば９６個のセルが直列に接続されて構成されている。リチウムイオン電池１の定格容量はたとえば５．５Ａｈ、であり、定格電圧はたとえば３．６Ｖである。
【００１０】
リチウムイオン電池１とインバータ６は、リレー３〜５を介して接続される。インバータ６の入力端子側には、パルス状の充放電電流を平滑化するための大容量のコンデンサ８が接続されている。リチウムイオン電池１とインバータ６の間には、突入電流防止用の抵抗２が設けられている。抵抗２は、たとえば３９０Ωの抵抗値を有する。リチウムイオン電池１からインバータ６への通電開始時には、リレー４、５が閉じられることにより、リチウムイオン電池１とインバータ６が抵抗２を介して接続される。これにより、コンデンサ８に流れる突入電流が制限され、リレー３〜５の接点が保護される。その後、リレー３が閉じられると共にリレー４が開放されることで、リチウムイオン電池１とインバータ６が抵抗２を介さずに接続される。このようにして、リレー３〜５によりリチウムイオン電池１とインバータ６の接続状態が切り替えられる。
【００１１】
インバータ６は、車両に搭載されたモータ７と接続されており、リチウムイオン電池１から出力される直流電力を３相交流電力に変換してモータ７に出力し、モータ７を駆動する。また、モータ７を発電機として発生された回生電力を直流電力に変換してリチウムイオン電池１に出力し、リチウムイオン電池１を充電する。すなわち、インバータ６は双方向型の入出力特性を有しており、リチウムイオン電池１の充放電負荷として機能する。
【００１２】
総電圧検出回路９は、リチウムイオン電池１の総電圧を検出し、その検出値に応じた電圧を電圧検出信号として出力する。電流センサ１０は、リチウムイオン電池１に入出力される電流を検出し、その検出値に応じた電圧を電流検出信号として出力する。温度センサ１２は、リチウムイオン電池１の温度を検出し、その検出値に応じた電圧を温度検出信号として出力する。総電圧検出回路９、電流センサ１０および温度センサ１２からそれぞれ出力された各検出信号は、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子１〜３においてそれぞれ入力される。また、総電圧検出回路９からの電圧検出信号と、電流センサ１０からの電流検出信号とは、交流増幅器１３、１４にもそれぞれ入力される。
【００１３】
交流増幅器１３、１４は、リチウムイオン電池１とインバータ６が接続されたときに、総電圧検出回路９と電流センサ１０からそれぞれ入力された電圧検出信号と電流検出信号の交流成分、すなわち各検出信号の変動成分を、所定の増幅率、たとえば１００倍で増幅して出力する。なお、交流増幅器１３、１４は、リチウムイオン電池１とインバータ６が接続されたときに限定して作動するものであってもよく、常時作動するものであってもよい。交流増幅器１３、１４によってそれぞれ増幅された電圧検出信号と電流検出信号の各変動成分は、マイクロプロセッサ１１のＡＤ入力端子４、５にそれぞれ入力される。
【００１４】
マイクロプロセッサ１１は、ＡＤコンバータを内蔵している。総電圧検出回路９、電流センサ１０および温度センサ１２からの各検出信号と、交流増幅器１３、１４によってそれぞれ増幅された電圧検出信号と電流検出信号の各変動成分とは、ＡＤ入力端子１〜５を介してマイクロプロセッサ１１のＡＤコンバータにそれぞれ入力される。ＡＤコンバータは、これらの信号を所定の測定範囲、たとえば０〜５Ｖの測定範囲内で測定してデジタル値に変換する。このデジタル変換後の測定値に基づいて、マイクロプロセッサ１１はリチウムイオン電池１の総電圧、入出力電流および温度を測定すると共に、総電圧と入出力電流の変動成分を測定する。さらに、これらの測定結果に基づいてインバータ６の動作を制御することにより、リチウムイオン電池１の充放電制御を行う。
【００１５】
なお、マイクロプロセッサ１１における各信号の測定分解能は、ＡＤコンバータが行うＡＤ変換のビット数に応じて決定される。たとえば、総電圧の測定分解能は０．４９３Ｖであり、入出力電流の測定分解能は０．４８８Ａである。一方、総電圧と入出力電流の変動成分については、ＡＤ変換のビット数と交流増幅器１３、１４の増幅率に応じて測定分解能が決定される。すなわち、前述のように交流増幅器１３、１４の増幅率が１００倍であれば、総電圧と入出力電流の変動成分に対する測定分解能は、上記の例においてそれぞれ１００倍ずつ向上し、０．００４９３Ｖ、０．００４８８Ａとなる。
【００１６】
交流増幅器１３、１４の内部回路構成を図２に示す。入力端子に入力された総電圧検出回路９からの電圧検出信号または電流センサ１０からの電流検出信号は、コンデンサ１５を介して演算増幅器１６の＋側入力端子に入力される。演算増幅器１６の出力端子はマイクロプロセッサ１１に接続されると共に、抵抗１７を介して演算増幅器１６の−側入力端子に接続されている。演算増幅器１６の−側入力端子には抵抗１８も接続されている。この抵抗１８には、＋側入力端子に接続された抵抗１９と共に所定のバイアス電源が印加される。バイアス電源の電圧には、マイクロプロセッサ１１が有するＡＤコンバータの測定範囲内の電圧、たとえば測定範囲内で略中間の電圧が予め設定される。
【００１７】
以上説明した回路構成により、演算増幅器１６によって増幅された電圧検出信号または電流検出信号の変動成分がバイアス電圧に重畳され、交流増幅器１３、１４から出力される。この増幅された変動成分をマイクロプロセッサ１１において測定することで、リチウムイオン電池１の総電圧および入出力電流の変化分に対するマイクロプロセッサ１１の測定分解能を高くすることができる。
【００１８】
以上説明した充放電制御装置を用いて、リチウムイオン電池１とインバータ６を接続した際の突入電流発生時の電流および電圧をマイクロプロセッサ１１において検出した結果の例を図３、４に示す。図３は、突入電流発生時の電流変化とその検出値の例を示す特性線図であり、図４は、突入電流発生時の電圧変化とその検出値の例を示す特性線図である。なお、これらの検出値はいずれも所定の測定間隔、たとえば１ｍｓｅｃ間隔で測定されたものである。
【００１９】
図３において、実際の電流変化が０．８８５Ａであり、電流変化検出値が０．８７９Ａであったとする。また図４において、実際の電圧変化が０．２０２Ｖであり、電圧変化検出値が０．２０２Ｖであったとする。すなわち、実際のリチウムイオン電池１の内部抵抗値が下記の式（１）より２２８ｍΩであるのに対して、図１の充放電制御装置により求められる内部抵抗値は、下記の式（２）より２３０ｍΩである。
０．２０２／０．８８５＝０．２２８  ・・・（１）
０．２０２／０．８７９＝０．２３０  ・・・（２）
【００２０】
マイクロプロセッサ１１は、交流増幅器１４、１３によってそれぞれ増幅された電流検出信号および電圧検出信号の各変動成分に基づいて、以上説明したような方法により、リチウムイオン電池１の内部抵抗値を算出する。さらに、こうして算出されたリチウムイオン電池１の内部抵抗値に基づいて、マイクロプロセッサ１１はリチウムイオン電池１の劣化判定を行い、その判定結果を外部へ出力する。すなわち、内部抵抗値が所定のしきい値を超えた場合に、リチウムイオン電池１が劣化したと判定する。
【００２１】
一方、交流増幅器１３、１４を備えていない従来の充放電制御装置では、リチウムイオン電池１の総電圧と入出力電流に対するマイクロプロセッサ１１の測定分解能が前述のように比較的低いため、突入電流発生時の電流および電圧の変化を正確に測定することができない。したがって、マイクロプロセッサ１１においてリチウムイオン電池１の内部抵抗値を正しく算出することができず、その結果、リチウムイオン電池１の劣化判定を適切に行うことができない。その様子を以下に説明する。
【００２２】
図５は、従来の充放電制御装置の構成例を示している。この充放電制御装置は、交流増幅器１３、１４を備えていない点以外は、図１に示した本発明の一実施形態による充放電制御装置と同一の構成を有している。
【００２３】
図５に示した充放電制御装置を用いて突入電流発生時の電流および電圧を検出した結果の例を図６、７に示す。図６は、突入電流発生時の電流変化とその検出値の例を示す特性線図であり、図７は、突入電流発生時の電圧変化とその検出値の例を示す特性線図である。なお、これらの検出値はいずれも図３、４と同様に、所定の測定間隔、たとえば１ｍｓｅｃ間隔で測定されたものである。
【００２４】
図６において、実際の電流変化は図３と同様に０．８８５Ａである。しかし、前述のようにマイクロプロセッサ１１における入出力電流の測定分解能が０．４８８Ａであることから、電流変化検出値は０．９７７Ａとなる。また図７において、実際の電圧変化は図４と同様に０．２０２Ｖである。しかし、前述のようにマイクロプロセッサ１１における総電圧の測定分解能が０．４９３Ｖであることから、電圧変化を検出することができない。したがって、内部抵抗値の算出は不可能である。このように、従来の充放電制御装置では、リチウムイオン電池１の内部抵抗値を正しく算出することができない。
【００２５】
なお、図５に示すような従来の充放電制御装置でも、マイクロプロセッサ１１におけるリチウムイオン電池１の総電圧と入出力電流の測定分解能を十分に高くすることができれば、リチウムイオン電池１の内部抵抗値を正しく算出することができるようになる。しかし、このように測定分解能を高くするためには、マイクロプロセッサ１１においてＡＤコンバータが行うＡＤ変換のビット数を上げるか、別途高分解能のＡＤコンバータを用いなければならない。これは高コスト化につながるという問題が生じる。
【００２６】
以上説明した実施の形態によれば、充放電可能なリチウムイオン電池１とインバータ６が接続されたときのリチウムイオン電池１の電流と電圧の変動成分を、交流増幅器１４、１３によりそれぞれ増幅して、マイクロプロセッサ１１により取得する。こうして取得した増幅後の電流と電圧の各変動成分に基づいて、マイクロプロセッサ１１によりリチウムイオン電池１の内部抵抗値を算出し、算出した内部抵抗値に基づいてリチウムイオン電池１の劣化判定を行う。このようにしたので、リチウムイオン電池１の残存容量を正しく推定するために必要な電流と電圧の測定範囲を確保しつつ、リチウムイオン電池１の内部抵抗値を正しく算出して劣化判定を行うことができる。
【００２７】
なお、本発明は、リチウムイオン電池以外の充電池を使用するシステムや、インバータおよびモータを使用しないシステム、たとえば電気自動車以外のシステム等においても適用可能である。すなわち、充電池と負荷を接続した際に突入電流が発生するシステムである限り、どのようなシステムにおいても適用可能である。さらに、突入電流の発生時に限らず、負荷の使用状況に応じて瞬間的に生じる電流と電圧の変化を検出して内部抵抗値を算出するものである限り、本発明は適用可能である。上記の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２８】
１  リチウムイオン電池
２  突入電流防止用抵抗
３〜５  リレー
６  インバータ
７  モータ
８  コンデンサ
９  総電圧検出回路
１０  電流センサ
１１  マイクロプロセッサ
１２  温度センサ
１３、１４  交流増幅器
１５  コンデンサ
１６  演算増幅器
１７〜１９  抵抗
【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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