(57)【要約】【課題】蓄電システムにおいて、電流センサ、電圧センサの数を最小限として各電池セルの間のＳＯＣのばらつきの有無を検出することである。【解決手段】蓄電システム１０は、互いに並列に接続された複数の電池セル２２で構成される蓄電装置２０を含む。そして、蓄電装置２０の端子間電圧を検出する１つの電圧センサ３０と、蓄電装置２０の両端子間に流れる充放電電流を検出する１つの電流センサ３２と、判定制御装置４０とを備える。判定制御装置４０は、データ取得部４２と、複数のデータセットから充放電時における端子間電圧と充放電電流との間の線形近似を求める線形近似処理部４４とを含む。さらに、線形近似の２つの定数の比に基づいて、複数の電池セル２２の間のＳＯＣのばらつきの有無を判定する判定部４６を備える。【選択図】図１
2018100841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに並列に接続された複数の電池セルで構成される蓄電装置と、
前記蓄電装置の端子間電圧を検出する１つの電圧センサと、
前記蓄電装置の両端子間に流れる充放電電流を検出する１つの電流センサと、
予め定めた判定時間範囲内の複数の検出タイミングのそれぞれにおいて、前記電圧センサの検出値と前記電流センサの検出値とを同時に取得し、複数の電圧・電流データセットを取得するデータ取得部と、
取得した前記複数の電圧・電流データセットについて、充放電時における前記端子間電圧をＹとし、前記充放電電流をＸとして、Ｙ＝ａＸ＋ｂの関数形で１次形の線形近似を行い、定数ａ，ｂ、及び、２つの定数の比である（ｂ／ａ）を求める線形近似処理部と、
求められた前記定数の比（ｂ／ａ）と所定の定数比範囲とを比較し、求められた前記定数の比（ｂ／ａ）が前記所定の定数比範囲内であるときは、前記複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していないと判定し、求められた前記定数の比（ｂ／ａ）が前記所定の定数比範囲に含まれないときは、前記複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していると判定する判定部と、
を備える、蓄電システム。
【請求項２】
前記判定部は、
前記充放電電流Ｘがゼロのときの前記端子間電圧Ｙを前記蓄電装置の開放回路電圧ＯＣＶとして、前記所定の定数比範囲を、（ＯＣＶ／ａ）に推定誤差範囲を加えた範囲とする、請求項１に記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記データ取得部は、
前記複数の電池セルのそれぞれについての前記充電状態の変動が予め定めた変動範囲に留まる時間範囲を予め定めた前記判定時間範囲として設定する、請求項１に記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、蓄電システムに係り、特に、並列に接続された複数の電池セルで構成される蓄電装置を含む蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
出力電流が小さい電池セルを複数個並列接続して１つの蓄電装置とすることで、所望の大電流出力が可能となる。並列接続された複数の電池セルについて、それぞれの電池セルの充電状態（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）が異なると、充放電時に一部の電池セルが先に空充電や満充電となり、蓄電装置の全体としての充放電特性が低下する。そこで、各電池セルのＳＯＣ間のばらつきの有無を検出したうえで、蓄電装置の充放電制御を行う必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電池セルとＳＯＣ調整手段とを直列接続したものを１つの組とし、複数の組が互いに並列に接続された蓄電装置について、各電池セルの経年劣化特性に応じた充放電制御を行っている。各電池セルのＳＯＣは、各電池セルについての充放電電流積算値や、開放回路電圧（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ）に基づいて求められるとしている。
【０００４】
本開示に関連する技術として、特許文献２には、複数の電池セルを直列接続したモジュールについて、モジュール全体におけるセル電圧ばらつき幅を所定範囲内に収めるために、各電池セルのセル電圧を電圧センサで取得することが述べられている。また、特許文献３には、複数の電池セルを並列に接続された蓄電ブロックの複数個を直列に接続した蓄電装置について、電流経路が遮断された電池セルの有無の検出を行う方法として、各蓄電ブロックのＳＯＣの変化量を比較することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１０２５６３号公報
【特許文献２】特開２０１６−０１９４１９号公報
【特許文献３】特開２０１５−０６１５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
並列接続された複数の電池セルの間のＳＯＣのばらつきの有無を検知するには、各電池セルにそれぞれ電流センサを設けて各電池セルについて充放電電流の積算値に基づくＳＯＣを求め、各電池セルのＳＯＣを比較する。なお、並列接続された複数の電池セルについては、１つの電圧センサによって、全部の電池セルの各電圧を検出できる。このように、並列接続された複数の電池セルの間のＳＯＣのばらつきの有無を検知するには、各電池セルの数と同じ数の電流センサが必要になり、蓄電装置が大型化し、コストが高くなる。そこで、電流センサの数を最小限として各電池セルの間のＳＯＣのばらつきの有無を検出できる蓄電システムが要望される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
出願人は、複数の電池セルを並列接続した蓄電装置において、各電池セルの電流を用いずに、蓄電装置の電流と電圧のみを用いて各電池セルにおけるＳＯＣのばらつきを検出できないかについて検討した。そこで、充放電電流を流したときの端子間電圧であるＣＣＶ（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）とＯＣＶと電池の内部抵抗Ｒと充放電電流Ｉの関係式を、複数の電池セルを並列接続する場合に適用して解析した。その結果、１つの電流センサと１つの電圧センサを用いて、各電池セルの間のＳＯＣのばらつきの有無を検出できる知見を得た。以下の開示は、かかる知見に基づくものである。
【０００８】
本開示に係る蓄電システムは、互いに並列に接続された複数の電池セルで構成される蓄電装置と、蓄電装置の端子間電圧を検出する１つの電圧センサと、蓄電装置の両端子間に流れる充放電電流を検出する１つの電流センサと、予め定めた判定時間範囲内の複数の検出タイミングのそれぞれにおいて、電圧センサの検出値と電流センサの検出値とを同時に取得し、複数の電圧・電流データセットを取得するデータ取得部と、取得した複数の電圧・電流データセットについて、充放電時における端子間電圧をＹとし、充放電電流をＸとして、Ｙ＝ａＸ＋ｂの関数形で１次形の線形近似を行い、定数ａ，ｂ、及び、２つの定数の比である（ｂ／ａ）を求める線形近似処理部と、求められた定数の比（ｂ／ａ）と所定の定数比範囲とを比較し、求められた定数の比（ｂ／ａ）が所定の定数比範囲内であるときは、複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していないと判定し、求められた定数の比（ｂ／ａ）が所定の定数比範囲に含まれないときは、複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していると判定する判定部と、を備える。
【０００９】
本開示に係る蓄電システムにおいて、判定部は、充放電電流Ｘがゼロのときの端子間電圧Ｙを蓄電装置の開放回路電圧ＯＣＶとして、所定の定数比範囲を、（ＯＣＶ／ａ）に推定誤差範囲を加えた範囲とすることが好ましい。
【００１０】
本開示に係る蓄電システムにおいて、データ取得部は、複数の電池セルのそれぞれについての充電状態の変動が予め定めた変動範囲に留まる時間範囲を予め定めた判定時間範囲として設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成に係る蓄電システムによれば、１つの電圧センサ、１つの電流センサを用いて各電池セルの間のＳＯＣのばらつきの有無を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る蓄電システムの構成図である。
【図２】蓄電装置をモデル化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に図面を用いて、実施の形態につき、詳細に説明する。以下で、電池セルの数等は、説明のための例示であって、蓄電システムの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、蓄電システム１０の構成図である。蓄電システム１０は、互いに並列に接続された複数の電池セル２２で構成される蓄電装置２０と、蓄電装置２０の端子間電圧Ｖを検出する１つの電圧センサ３０とを備える。さらに、蓄電装置２０の両端子に流れる充放電電流Ｉを検出する１つの電流センサ３２と、複数の電池セル２２の間のＳＯＣのばらつきの有無を判定する判定制御装置４０を備える。
【００１５】
蓄電装置２０は、互いに並列に接続された複数の電池セル２２で構成される組電池である。この蓄電装置２０を複数個用いて互いに直列接続することで高電圧を出力することができ、これをさらに並列接続することで、大電流高電圧を出力できるので、例えば、車両に搭載して、車両駆動用の回転電機の電源等に用いることができる。これは蓄電装置２０の用途の一例であって、車両搭載以外の用途に用いてもよい。
【００１６】
図１では、電池セル２２の並列接続数をｎで示す。ｎの一例を挙げると、ｎ＝１５である。これは例示であって、ｎは１５以外の他の数であってもよい。電池セル２２は、充放電可能な二次電池で、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル等が用いられる。これ以外の二次電池であっても構わない。例えば、鉛蓄電池、キャパシタであってもよい。
【００１７】
電圧センサ３０は、蓄電装置２０の端子間電圧Ｖを検出する電圧検出手段である。電圧センサ３０は、１つの蓄電装置２０に対し１つ用いられる。蓄電装置２０に充放電電流Ｉが流れているときには、電圧センサ３０は蓄電装置２０のＣＣＶ（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を検出し、蓄電装置２０に充放電電流Ｉが流れないときには、電圧センサ３０は蓄電装置２０のＯＣＶを検出する。
【００１８】
判定制御装置４０は、データ取得部４２と、線形近似処理部４４と、判定部４６を備える。  かかる判定制御装置４０としては、適当なコンピュータを用いることができる。例えば、蓄電装置２０が車載用であるときは、車両搭載に適したコンピュータを用いることができる。その場合、判定制御装置４０は、独立の装置としてもよいが、場合によっては、車両に搭載される他の制御装置の一部としてもよい。例えば、車両の統合制御装置の一部を判定制御装置４０としてもよい。
【００１９】
判定制御装置４０のデータ取得部４２は、予め定めた判定時間範囲内の複数の検出タイミングのそれぞれにおいて、電圧センサ３０の検出値と電流センサ３２の検出値とを同時に取得し、複数の電圧・電流データセットとして取得する。線形近似処理部４４は、取得した複数の電圧・電流データセットについて、充放電時における端子間電圧をＹとし、充放電電流をＸとして、Ｙ＝ａＸ＋ｂの関数形で１次形の線形近似を行い、定数ａ，ｂと、２つの定数の比である（ｂ／ａ）を求める。判定部４６は、求められた定数の比（ｂ／ａ）と所定の定数比範囲とを比較し、求められた定数の比（ｂ／ａ）が所定の定数比範囲内であるときは、複数の電池セル２２の間に充電状態のばらつきが発生していないと判定する。求められた定数の比（ｂ／ａ）が所定の定数比範囲に含まれないときは、複数の電池セル２２の間に充電状態のばらつきが発生していると判定する。
【００２０】
かかる機能は、判定制御装置４０に搭載されたソフトウェアを実行することで実現される。具体的には、判定制御装置４０がソフトウェアとしてのＳＯＣばらつき検出プログラムを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００２１】
上記構成の作用効果、特に、判定制御装置４０の各機能について、１つの電圧センサ３０と１つの電流センサ３２とを用いて各電池セル２２の間のＳＯＣのばらつきの有無を検出できる原理を、図２のモデル図に従って詳細に説明する。
【００２２】
図２は、蓄電装置２０における端子間電圧Ｖと充放電電流Ｉを取得するときの各電池セル２２の状態をモデル化した図である。充放電電流Ｉが流れているときの端子間電圧ＶはＣＣＶである。図２において、Ｃ１〜Ｃｎは、並列接続数をｎ個として、各電池セル２２を示す。ＯＣＶ１〜ＯＣＶｎは、各電池セル２２のＯＣＶであり、Ｉ１〜Ｉｎは、各電池セルに流れる充放電電流であり、Ｒ１〜Ｒｎは、各電池セル２２の内部抵抗である。
【００２３】
複数の電池セル２２が並列に接続された蓄電装置２０においては、各電池セル２２の内部抵抗Ｒｎがそれぞれ異なるとすると、各電池セル２２に流れる充放電電流Ｉｎも異なる。各電池セル２２において充放電電流Ｉｎが流れるときの各電池セルにおける端子間電圧をＣＣＶｎとする。各電池セル２２に充放電電流Ｉｎが流れないときの端子間電圧は各電電池セル２２の開放回路電圧ＯＣＶｎであるので、各電池セル２２についてＣＣＶｎ＝（ＯＣＶｎ−ＲｎＩｎ）が成立する。ここで、各電池セル２２は互いに並列に接続されているので、全ての電池セル２２についてＣＣＶｎは同じで、蓄電装置２０の端子間電圧ＣＣＶと同じとなり、式（１）が成立する。
【数１】
2018100841.tif 000003
【００２４】
各電池セル２２は互いに並列に接続されているときは、各電池セル２２の充放電電流Ｉｎの総和が蓄電装置２０の充放電電流であるので、式（２）が成立する。
【数２】
2018100841.tif 000004
【００２５】
式（１）を書き直すと、Ｉｎ＝−（ＣＣＶ／Ｒｎ）＋（ＯＣＶｎ／Ｒｎ）となる。これを用いて（２）式の演算を実行すると、式（３）を得る。
【数３】
2018100841.tif 000005
【００２６】
ここで、蓄電装置２０について、ＣＣＶを１つの電圧センサ３０によって検出し、充放電電流Ｉを１つの電流センサ３２によって検出する。そして、予め定めた判定時間範囲内における複数の検出タイミングのそれぞれにおいて、電圧センサ３０によるＣＣＶ検出値と、電流センサ３２によるＩ検出値とを同時に取得する。取得した複数の（ＣＣＶ，Ｉ）データセットを、複数の電圧・電流データセットとする。この処理手順は、判定制御装置４０のデータ取得部４２の機能によって実行される。
【００２７】
データ取得部４２は、複数の電池セル２２の全体を１つの電池とみなしたときの充電状態（ＳＯＣ）の変動が予め定めた変動範囲に留まる時間範囲を、予め定めた判定時間範囲として設定する。すなわち、複数の電圧・電流データセットは、一定の判定時間範囲間に取得する必要がある。一例を挙げると、各電池セル２２のＳＯＣばらつきの有無を判定するために許容できるＳＯＣの変動範囲を１％以下とするときは、各電池セル２２の満充電容量の１％のアンペアアワー（Ａｈ）をそれぞれ求める。そして、求められたアンペアアワー（Ａｈ）の全部の電池セル２２についての合算値を、車両走行時の充放電電流Ｉの時間積分値（Ａｈ）として、ＳＯＣの変動範囲が１％に留まる時間範囲とし、これを予め定めた判定時間範囲として設定する。これは説明のための例示であり、これ以外に、実験やシミュレーション等によって、予め定めた判定時間範囲の設定を行ってよい。
【００２８】
取得された複数の電圧・電流データセットを用いて、ＣＣＶとＩとの間の関係を推定する。蓄電装置２０のＣＣＶとＩについては、式（４）の１次形の線形近似とする。
【数４】
2018100841.tif 000006
複数の電圧・電流データセットである複数の（ＣＣＶ，Ｉ）データセットから式（４）の近似式の２つの定数ａ，ｂを算出する方法としては、最小二乗法を用いることができる。これ以外の回帰分析法等を用いてもよい。この処理手順は、判定制御装置４０の線形近似処理部４４の機能によって実行される。
【００２９】
ここで、式（３）と式（４）を比較することで、２つの定数ａ，ｂは、それぞれ式（５）、式（６）で表されることが分かる。
【数５】
2018100841.tif 000007
【数６】
2018100841.tif 000008
【００３０】
式（５），（６）から２つの定数の比について式（７）を得る。
【数７】
2018100841.tif 000009
【００３１】
ここで、複数の電池セル２２のそれぞれの開放回路電圧ＯＣＶｎが全て同じであると仮定すると、蓄電装置２０の開放回路電圧ＯＣＶは、各電池セルの開放回路電圧ＯＣＶｎと同じである。すなわち、上記の仮定が正しいとすると、式（８）が成立する。
【数８】
2018100841.tif 000010
【００３２】
上記仮定が正しいとして、式（８）を式（７）に代入すると、式（９）を得る。
【数９】
2018100841.tif 000011
【００３３】
式（９）に式（５）を代入すると、式（１０）を得る。
【数１０】
2018100841.tif 000012
【００３４】
式（１０）の右辺において、蓄電装置２０のＯＣＶは推定可能である。例えば、電流センサ３２によって時々刻々取得した充放電電流Ｉを積算して蓄電装置２０のＳＯＣを求めることができ、ＳＯＣとＯＣＶの間の関係は、予め実験やシミュレーションによって求められる。車両に搭載される蓄電装置２０は、過放電や過充電を避けて適切なＳＯＣ範囲で充放電を行うようにＳＯＣの監視が行われているので、その監視データに基づいて蓄電装置２０のＳＯＣやＯＣＶを推定することもできる。また、式（１０）の右辺において、定数ａは、複数の（電圧ＣＣＶ、充放電電流Ｉ）のデータセットから最小二乗法等を用いて算出された値である。
【００３５】
したがって、１次形の線形近似によって式（４）から求められた２つの定数の比｛−（ｂ／ａ）｝が、推定と演算によって求められる所定値である式（１０）の右辺の値と一致するか否かに基づいて、各電池セル２２の間のＳＯＣばらつきの有無が判定できる。すなわち、１次形の線形近似によって求められた２つの定数の比｛−（ｂ／ａ）｝が、所定値である式（１０）の右辺の値と一致しないときは、上記の仮定が誤りで、各電池セル２２のＯＣＶｎは同じでない。上記のようにＯＣＶとＳＯＣとは密接な関係があるので、各電池セル２２のＯＣＶｎが同じでないときは、各電池セル２２の間でＳＯＣばらつきが有ることにある。１次形の線形近似によって求められた２つの定数の比｛−（ｂ／ａ）｝が、所定値である式（１０）の右辺の値と一致するときは、上記の仮定が正しく、各電池セル２２のＯＣＶｎが同じで、各電池セル２２の間でＳＯＣばらつきが無いことになる。
【００３６】
１次形の線形近似によって求められた２つの定数の比｛−（ｂ／ａ）｝には、検出ばらつき等の誤差があり、所定値である式（１０）の右辺の値にも演算誤差や推定誤差等が含まれる。したがって、所定値である式（１０）の右辺の値に推定誤差範囲を加えたものを所定の定数比範囲とし、求められた定数の比｛−（ｂ／ａ）｝と所定の定数比範囲とを比較する。比較の結果、求められた定数の比｛−（ｂ／ａ）｝が所定の定数比範囲内であるときは、複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していないと判定する。求められた定数の比｛−（ｂ／ａ）｝が所定の定数比範囲に含まれないときは、複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していると判定する。比較の際に、負の符号を所定の定数比範囲に移して、２つの定数比を単に（ｂ／ａ）とし、これらを比較しても同じである。また、両辺のａを消去して、ｂ＝ＯＣＶの正誤を判定しても同じである。この処理手順は、判定制御装置４０の判定部４６の機能によって実行される。
【００３７】
本実施の形態における蓄電システム１０は、互いに並列に接続された複数の電池セル２２で構成される蓄電装置２０を含む。そして、蓄電装置２０の端子間電圧を検出する１つの電圧センサ３０と、蓄電装置２０の両端子間に流れる充放電電流を検出する１つの電流センサ３２とを備える。蓄電システム１０は、判定制御装置４０として、データ取得部４２と、線形近似処理部４４と、判定部４６を備える。データ取得部４２は、予め定めた判定時間範囲内の複数の検出タイミングのそれぞれにおいて、電圧センサの検出値と電流センサの検出値とを同時に取得し、複数の電圧・電流データセットを取得する。線形近似処理部４４は、取得した複数の電圧・電流データセットについて、充放電時における端子間電圧をＹとし、充放電電流をＸとして、Ｙ＝ａＸ＋ｂの関数形で１次形の線形近似を行い、定数ａ，ｂ、及び、２つの定数の比である（ｂ／ａ）を求める。判定部４６は、求められた定数の比（ｂ／ａ）と所定の定数比範囲とを比較する。比較の結果、求められた定数の比（ｂ／ａ）が所定の定数比範囲内であるときは、複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していないと判定する。比較の結果、求められた定数の比（ｂ／ａ）が所定の定数比範囲に含まれないときは、複数の電池セルの間に充電状態のばらつきが発生していると判定する。
【００３８】
上記構成に係る蓄電システム１０によれば、１つの電圧センサ３０、１つの電流センサ３２を用いて各電池セル２２の間のＳＯＣのばらつきの有無を検出できる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  蓄電システム、２０  蓄電装置、２２  電池セル、３０  電圧センサ、３２  電流センサ、４０  判定制御装置、４２  データ取得部、４４  線形近似処理部、４６  判定部、６０  判定制御装置。
【図１】
2018100841.tif 000013
【図２】
2018100841.tif 000014