(57)【要約】【課題】バッテリーパックの点検及び修理を早期に行うことができ、バッテリーパックの劣化による車両の性能低下を防止することができる車両用バッテリーのセル劣化診断方法の提供。【解決手段】バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を測定し、測定された電流及び電圧のそれぞれの値を用いて、最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を推定する内部抵抗推定ステップと、推定された各内部抵抗における使用可能容量及び使用可能出力を、格納されている内部抵抗と使用可能容量及び使用可能出力のデータテーブルから導き出す使用可能容量及び使用可能出力算出ステップと、導き出された使用可能容量及び使用可能出力によって各単位セルが劣化しているか否かを診断するセル劣化診断ステップと、を含む車両用バッテリーのセル劣化診断方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を測定し、測定された前記電流及び電圧のそれぞれの値を用いて、最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を推定する内部抵抗推定ステップと、
推定された各内部抵抗における使用可能容量及び使用可能出力を、格納されている内部抵抗と使用可能容量及び使用可能出力のデータテーブルから導き出す使用可能容量及び使用可能出力算出ステップと、
前記導き出された使用可能容量及び使用可能出力によって、各単位セルが劣化しているか否かを診断するセル劣化診断ステップと、
を含むことを特徴とする車両用バッテリーのセル劣化診断方法。
【請求項２】
前記セル劣化診断ステップは、
前記導き出された使用可能容量及び使用可能出力によって、各単位セルが劣化しているか否かを診断するセル劣化確認ステップと、
前記セル劣化確認ステップで劣化していないと判断されれば、前記各単位セルの内部抵抗が、すべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗の２倍を超過するか否かを確認する内部抵抗確認ステップと、
前記セル劣化確認ステップで劣化していると判断されるか、または、前記内部抵抗確認ステップで前記内部抵抗が平均抵抗の２倍を超過すれば、前記単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップと、
からなることを特徴とする、請求項１に記載の車両用バッテリーのセル劣化診断方法。
【請求項３】
前記内部抵抗推定ステップにおいて、
前記バッテリーパックの温度が２５℃以上、３０℃未満であり、
前記バッテリーパックの各単位セルの充電状態が５０％以上、７０％未満である場合に内部抵抗を算出することを特徴とする、請求項１に記載の車両用バッテリーのセル劣化診断方法。
【請求項４】
バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を測定し、測定された前記電流及び電圧のそれぞれの値を用いて、最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を推定する内部抵抗推定ステップと、
前記推定された各単位セルの内部抵抗と、すべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗と比べて、各単位セルの劣化を診断するセル劣化診断ステップと、
を含むことを特徴とする車両用バッテリーのセル劣化診断方法。
【請求項５】
前記セル劣化診断ステップは、
前記推定された各単位セルの内部抵抗が、前記すべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗の２倍を超過する値であるか否かを確認する内部抵抗確認ステップと、
前記内部抵抗確認ステップで前記内部抵抗が平均抵抗の２倍を超過すれば、超過した単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップと、
からなることを特徴とする、請求項４に記載の車両用バッテリーのセル劣化診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用バッテリーのセル劣化診断方法に係り、より詳しくは、充放電可能な多数の二次電池単位セルを直列に連結して形成されたバッテリーパックにおいて、セルの劣化を判定するための車両用バッテリーのセル劣化診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、地球温暖化防止のための自動車の排出ガス規制が盛んに行われている。
このような状況下にあって、ガソリンエンジンと電動機を協働させるハイブリッド車両や、電動機のみで走行する電気自動車は、排気ガスの低減や燃費の向上を図る上で有効であり、急速に普及しつつある。
【０００３】
このようなハイブリッド車両や電気自動車で用いられる高電圧バッテリーは、充放電可能な多数の二次電池単位セルを直列に連結して形成されたバッテリーパックとなっている。
そして、バッテリーパックの性能管理は、パックごともしくはいくつかのセルを単位とするモジュールごとに行われるのが一般的である（特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、高電圧バッテリーに用いられる二次電池は、電気化学反応によって電力を発生させるため、使用時間が増加するほど内部の可逆反応によって劣化してしまう。バッテリーパックを構成する単位セルにおいて、同じ単位セルで同じ条件下であれば、単位セルの劣化は同じように進むが、各単位セルをすべて同じ条件で動作させることはできないため、各単位セルの劣化状態には偏差が発生する。
【０００５】
バッテリーパック内の単位セルの劣化偏差は、各単位セルの出力及び容量の偏差であり、バッテリーパックシステムの能力低下、ひいては車両性能の低下に結びつく。
しかしながら、従来のバッテリーパックの管理方法である、バッテリーパックごとの劣化管理では、バッテリーパックが大幅な性能低下をきたすまでパックの点検修理が行われず、バッテリーパックの劣化による車両の性能低下を防止するために、パック点検及び修理を早期に行うことは難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３０３４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上述した従来の問題点を解決するためのものであって、本発明は、パック点検及び修理を早期に行い、バッテリーパックの劣化による車両の性能低下を防止することができる車両用バッテリーのセル劣化診断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】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を測定し、測定された電流及び電圧のそれぞれの値を用いて、最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を推定する内部抵抗推定ステップと、推定された各内部抵抗における使用可能容量及び使用可能出力を、格納されている内部抵抗と使用可能容量及び使用可能出力のデータテーブルから導き出す使用可能容量及び使用可能出力算出ステップと、導き出された使用可能容量及び使用可能出力によって各単位セルが劣化しているか否かを診断するセル劣化診断ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、セル劣化診断ステップは、導き出された使用可能容量および使用可能出力によって各単位セルが劣化しているか否かを診断するセル劣化確認ステップと、セル劣化確認ステップで劣化していないと判断されれば、各単位セルの内部抵抗が、すべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗の２倍を超過するか否かを確認する内部抵抗確認ステップと、セル劣化確認ステップで劣化していると判断されるか、または内部抵抗確認ステップで内部抵抗が平均抵抗の２倍を超過すれば、単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップからなることが好ましい。
【００１０】
さらに、内部抵抗推定ステップにおいて、バッテリーパックの温度が２５℃以上、３０℃未満であり、バッテリーパックの各単位セルの充電状態が５０％以上７０％未満である場合に、内部抵抗を算出することが好ましい。
【００１１】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を測定し、測定された電流及び電圧のそれぞれの値を用いて、最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を推定する内部抵抗推定ステップと、推定された各単位セルの内部抵抗と、すべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗に比べて、各単位セルの劣化を診断するセル劣化診断ステップと、を含むことが好ましい。
【００１２】
セル劣化診断ステップは、推定された各単位セルの内部抵抗が、すべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗の２倍を超過する値であるか否かを確認する内部抵抗確認ステップと、内部抵抗確認ステップで内部抵抗が平均抵抗の２倍を超過すれば、超過した単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップと、からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を用いて内部抵抗を算出し、これにより単位セルが劣化しているか否かを判定して、これを運転手に知らせることにより、パック点検及び修理を早期に行うことができ、バッテリーパックの劣化による車両性能の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を示すフローチャートである。
【図２】図１の内部抵抗推定ステップにおいて内部抵抗を推定するための電流及び電圧データ分布グラフである。
【図３】本発明の他の実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、本願明細書において、類似の構成及び動作を表すものについては同じ図面符号を付与した。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を示すフローチャートである。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）、及びセル劣化診断ステップ（Ｓ３Ａ）で構成されている。
本発明の一実施形態で用いている車両用バッテリーは、高電圧バッテリーであり、また、高電圧バッテリーは、直列に連結する複数の単位セルからなるバッテリーパックである。
【００１７】
本発明のセル劣化診断方法における内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）は、高電圧バッテリーの各単位セルの電流及び電圧を測定し、測定された電流及び電圧のそれぞれの値を用いて最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を推定するステップである。
【００１８】
上記内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）は、各単位セルの電流と電圧を測定するセル電流電圧測定ステップ（Ｓ１１）、各単位セルの状態が内部抵抗を算出するための条件を満たしているか否かを確認する内部抵抗条件確認ステップ（Ｓ１２）、及び各単位セルの電流と電圧のそれぞれの値を用いて最小二乗法によって各単位セルの内部抵抗を算出する内部抵抗算出ステップ（Ｓ１３）からなる。
【００１９】
ここで、各単位セルの電流および電圧は、各単位セルに連結した電流センサ及び電圧センサによって測定され、車両の運行中においても測定が可能であり、また、電流センサと電圧センサは、一定の周期で、かつリアルタイムで各単位セルの電流と電圧を１秒間以上測定するので、データの信頼性の低下を防止することができる。
【００２０】
次の内部抵抗条件確認ステップ（Ｓ１２）は、後のステップで行われる各単位セルの内部抵抗の推定が、極端な条件に偏り、誤った推定を行わないようにするために、バッテリーが正常駆動する温度範囲であること、各単位セルの充電状態（ＳＯＣ；Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が通常使用範囲内であることを確認するステップである。
具体的には、バッテリーの温度が、２５℃以上、３０度未満であるか否か、及び各単位セルの充電状態（ＳＯＣ）が５０％以上７０％未満であるか否かを確認する。
【００２１】
内部抵抗条件確認ステップ（Ｓ１２）において、バッテリーの温度及び充電状態が前記条件の範囲内であることが確認できれば、内部抵抗算出のための内部抵抗算出ステップ（Ｓ１３）を実行し、前記条件の範囲外であれば、診断開始ステップ（Ｓ）に戻り、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）を再度実行する。
【００２２】
そして、内部抵抗算出ステップ（Ｓ１３）では、次の方法で内部抵抗を算出する。
すなわち、セル電流電圧測定ステップ（Ｓ１１）で測定された電流値及び電圧値を図２のようにプロットし、この電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）分布を線形に近似させた直線の勾配（Ｒ）から、各単位セルの内部抵抗成分を推定する。
電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）分布の線形近似は、最小二乗法（ｌｅａｓｔ  ｓｑｕａｒｅ  ｍｅｔｈｏｄ）によって線形方程式である１次式に近似化して行い、得られた１次式より各単位セルの内部抵抗を求める。
【００２３】
次の使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）では、内部抵抗算出ステップ（Ｓ１３）において最小二乗法により算出した内部抵抗値を用い、格納されている内部抵抗と使用可能容量及び使用可能出力のデータテーブルから、各単位セルの使用可能容量及び使用可能出力を求める。
【００２４】
ここで、前記データテーブルは、制御部（図示せず）に格納されており、内部抵抗と使用可能容量のテーブルと、内部抵抗と使用可能出力のテーブルとからなる。
このようなデータテーブルは、同じ構成の単位セルにより、内部抵抗を変えて試験を行った時の測定データを用いて作成される。
【００２５】
さらに次のステップである劣化診断ステップ（Ｓ３Ａ）では、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で求めた使用可能容量及び使用可能出力によって、各単位セルが劣化しているか否かを診断する。
【００２６】
このセル劣化診断ステップ（Ｓ３Ａ）は、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で求めた使用可能容量及び使用可能出力が、基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力よりも小さいか否かを確認するセル劣化確認ステップ（Ｓ３１Ａ）と、得られた使用可能容量及び使用可能出力が、基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力よりも小さいと確認された単位セルについて、この単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップ（Ｓ３２Ａ）からなる。
【００２７】
上記基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力は、未使用の初期単位セルの容量及び出力の８０％の値で設定することが好ましい。
ここで、基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力を初期単位セルの容量及び出力の８０％の値で設定した場合、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で求めた使用可能容量及び使用可能出力が、初期単位セルの容量及び出力の８０％の値より小さいときには、該当する単位セルが劣化していると判断して診断を終了し、その結果をクラスタなどを通じて知らせると共に、バッテリー点検を行う必要があることを知らせる、点検終了及び点検誘導ステップ（Ｅ）を実行する。
【００２８】
また、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で求めた使用可能容量及び使用可能出力が、初期単位セルの容量及び出力の８０％の値より大きいか同じであるときには、該当する単位セルは正常駆動していると判断して診断開始ステップ（Ｓ）に移動し、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）を再実行する。
【００２９】
上述の車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を用いて内部抵抗を算出し、算出した内部抵抗より使用可能容量及び使用可能出力を求め、これによってセルが劣化しているか否かを判定してこれを運転手に知らせることにより、パック点検及び修理の早期実施が可能となり、バッテリーパックの劣化による車両の性能の低下を防止することができる。
【００３０】
図３は、本発明における他の実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を示すフローチャートである。
図３に示すように、本発明における他の実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）、及びセル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）からなる。
【００３１】
内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）は、図１のフローチャートにおけるものと同様のため説明を省略し、ここでは、セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）について説明する。
【００３２】
セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）では、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）で算出された各単位セルの内部抵抗によって、各単位セルが劣化しているか否かを診断する。
【００３３】
セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）では、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）で算出された各単位セルの内部抵抗が、すべての単位セルの内部抵抗を平均して求めた平均抵抗に比べ、異常に大きい値であるか否かを確認し、平均抵抗に比べて異常に大きい抵抗値である単位セルは、劣化していると判断する。
すなわち、バッテリーパック内のセルにおいて、劣化したセルは、加速度的に劣化が進むため、内部抵抗が平均抵抗に比べて異常に大きな値となることから、各単位セルの内部抵抗によってセルが劣化しているか否かを判断する。
【００３４】
このようなセル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）は、バッテリーパックのすべての単位セルの内部抵抗の平均である平均抵抗を算出し、算出された平均抵抗を２倍した値と各単位セルの内部抵抗を比べる内部抵抗確認ステップ（Ｓ３１Ｂ）と、単位セルの内部抵抗が、平均抵抗の２倍を超過したと確認された単位セルについて、この単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップ（Ｓ３２Ｂ）からなる。
【００３５】
セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）において、内部抵抗が平均抵抗の２倍よりも小さいと判断された単位セルは、正常駆動していると判断して診断開始ステップ（Ｓ）に移動し、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）を再実行する。
【００３６】
また、セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｂ）において、内部抵抗が平均抵抗の２倍よりも大きい値であると判断された単位セルは、劣化していると判断してバッテリーセルの劣化診断を終了し、その結果をクラスタなどを通じて知らせると共に、バッテリー点検を早期に行う必要があることを知らせる点検終了及び誘導ステップ（Ｅ）を実行する。
【００３７】
上述の車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を用いて内部抵抗を算出し、これによってセルが劣化しているか否かを判定してこれを運転手に知らせることにより、パック点検及び修理を早期に行うことができ、バッテリーパックの劣化による車両の性能低下を防止することができる。
【００３８】
図４には、本発明におけるさらに別の実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を示すフローチャートが示されている。
図４に示すように、本発明における別の実施形態に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）、及びセル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｃ）で構成されている。
【００３９】
内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）及び使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）は、図１のフローチャートにおけるステップと同様のため説明を省略し、ここでは、セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｃ）について説明する。
【００４０】
セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｃ）では、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で導き出された使用可能容量及び使用可能出力と、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）で算出された各単位セルの内部抵抗によって、各単位セルが劣化しているか否かを診断する。
【００４１】
セル劣化診断ステップ（Ｓ３Ｃ）は、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で導き出された使用可能容量及び使用可能出力が、基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力よりも小さいか否かを確認するセル劣化確認ステップ（Ｓ３１Ｃ）、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）で算出された各単位セルの内部抵抗が、すべての単位セルの内部抵抗を平均して求めた平均抵抗に比べ、異常に大きい値であるか否かを確認する内部抵抗確認ステップ（Ｓ３２Ｃ）と、導き出された使用可能容量と使用可能出力が基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力よりも小さいと確認された単位セル、及び内部抵抗が平均抵抗の２倍を超過したと確認された単位セルについて、これらの単位セルが劣化していると判断するセル劣化判断ステップ（Ｓ３３Ｃ）からなる。
【００４２】
セル劣化確認ステップ（Ｓ３１Ｃ）において、基準バッテリー容量及び基準バッテリー出力を初期単位セルの容量及び出力の８０％の値で設定した場合、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で求めた使用可能容量及び使用可能出力が、初期単位セルの容量及び出力の８０％の値より小さいときには、バッテリー劣化を判断するセル劣化判断ステップ（Ｓ３３Ｃ）を実行する。
そして、セル劣化判断ステップ（Ｓ３３Ｃ）を実行した後には車両用バッテリーのセル劣化診断を終了し、その結果をクラスタなどを通じて知らせると共に、バッテリー点検を早期に行う必要があることを知らせる点検終了及び点検誘導ステップ（Ｅ）を実行する。
【００４３】
また、セル劣化確認ステップ（Ｓ３１Ｃ）において、使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ（Ｓ２）で求めた使用可能容量及び使用可能出力が、初期単位セルの容量及び出力の８０％の値より大きいか同じである単位セルは、次に、内部抵抗による劣化判断のために、内部抵抗確認ステップ（Ｓ３２Ｃ）を実行する。
【００４４】
この内部抵抗確認ステップ（Ｓ３２Ｃ）において、内部抵抗が平均抵抗の２倍よりも大きい値であると確認された単位セルは、セルの劣化判断を行うセル劣化判断ステップ（Ｓ３３Ｃ）に進む。そして、セル劣化判断ステップ（Ｓ３３Ｃ）を実行した後、車両用バッテリーのセル劣化診断を終了し、その結果をクラスタなどを通じて知らせると共に、バッテリー点検を早期に行う必要があることを知らせる点検終了及び点検誘導ステップ（Ｅ）を実行する。
【００４５】
また、内部抵抗確認ステップ（Ｓ３２Ｃ）で、各単位セルの内部抵抗のうちで平均抵抗の２倍よりも小さいと判断された単位セルは、正常駆動していると判断して診断開始ステップ（Ｓ）に移動し、内部抵抗推定ステップ（Ｓ１）を再実行する。
【００４６】
上述の車両用バッテリーのセル劣化診断方法は、バッテリーパックの各単位セルの電流及び電圧を用いて内部抵抗を算出し、さらに算出した内部抵抗より使用可能容量及び使用可能出力を求め、これらによってセルが劣化しているか否かを判定して、これを運転手に知らせることにより、パック点検及び修理を早期に行うことができ、バッテリーパックの劣化による車両の性能低下を防止することができる。
【００４７】
以上で説明した内容は、本発明に係る車両用バッテリーのセル劣化診断方法を実施するための好ましい一実施形態であり、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲における本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、当該発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば誰でも様々な変更実施が可能な範囲まで含むものである。
【符号の説明】
【００４８】
Ｅ                      ・・・点検終了及び点検誘導ステップ
Ｓ                      ・・・診断開始ステップ
Ｓ１                    ・・・内部抵抗推定ステップ
Ｓ１１                  ・・・セル電流電圧測定ステップ
Ｓ１２                  ・・・内部抵抗条件確認ステップ
Ｓ１３                  ・・・内部抵抗算出ステップ
Ｓ２                    ・・・使用可能容量及び使用可能出力算出ステップ
Ｓ３Ａ、Ｓ３Ｂ、Ｓ３３Ｃ・・・セル劣化診断ステップ
Ｓ３１Ａ、Ｓ３１Ｃ      ・・・セル劣化確認ステップ
Ｓ３１Ｂ、Ｓ３２Ｃ      ・・・内部抵抗確認ステップ
Ｓ３２Ａ、Ｓ３２Ｂ、    ・・・セル劣化判断ステップ
【図１】
2011257372.tif 000003
【図２】
2011257372.tif 000004
【図３】
2011257372.tif 000005
【図４】
2011257372.tif 000006