(57)【要約】【課題】組電池の電池特性を精度よく推定する。【解決手段】組電池システムにおいて、複数の電池セルが直列に接続された組電池２と、少なくとも時間をパラメータとし、組電池２の電池特性を規定する電池特性モデルを記憶した記憶部３と、時間をカウントするクロック部４と、クロック部４によりカウントされた現在の時間と、記憶部３に記憶された電池特性モデルとに基づいて、現時点における組電池の電池特性を推定する制御部２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池システムにおいて、
複数の電池セルが直列に接続された組電池と、
少なくとも時間をパラメータとし、前記組電池の電池特性を規定する電池特性モデルを記憶した記憶部と、
時間をカウントするクロック部と、
前記クロック部によりカウントされた現在の時間と、前記記憶部に記憶された前記電池特性モデルとに基づいて、現時点における前記組電池の電池特性を推定する制御部と
を有することを特徴とする組電池システム。
【請求項２】
前記組電池から放電される放電電流または前記組電池に充電される充電電流の少なくとも一方の電流値を検出する電流センサをさらに有し、
前記制御部は、前記電流センサによって検出された電流値に基づいて、前記組電池の電気特性を推定することを特徴とする請求項１に記載された組電池システム。
【請求項３】
前記電池セルの温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記制御部は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記組電池の電気特性を推定することを特徴とする請求項１または２に記載された組電池システム。
【請求項４】
前記電池特性モデルは、時間の平方根と前記組電池の蓄積容量と関係を規定した寿命モデルを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された組電池システム。
【請求項５】
前記電池特性モデルは、時間の平方根と前記組電池の入出力特性との関係を規定した入出力特性モデルを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された組電池システム。
【請求項６】
前記電池特性モデルは、時間の平方根と無負荷状態における前記組電池の残存容量との関係を規定した残存容量特性モデルを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載された組電池システム。
【請求項７】
前記電池特性モデルは、時間の平方根と前記組電池の充放電効率との規定した充放電効率モデルを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された組電池システム。
【請求項８】
前記記憶部に前記電池特性モデルを記憶させると同期して、前記クロック部による時間のカウントを開始することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載された組電池システム。
【請求項９】
前記電池セルは、リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載された組電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池システムに係り、特に、組電池における電池特性の推定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題などから、ハイブリッド自動車や電気自動車等が注目されており、そのために各種の二次電池が開発されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、密閉性に優れ、かつ、メンテナンスフリーであるため、ハイブリッド自動車や電気自動車用のバッテリとして優れているが、大型のものは実用化されていない。そこで、複数個の小型の電池セルを直列または並列に接続することにより組電池化し、この組電池ユニットを用いて所望の電圧や容量を確保している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、組電池の電池特性は経時的に変化していく。例えば、組電池と負荷とを含む組電池システムを稼働させた場合、その稼働時間の経過とともに、組電池の残存容量も少なくなっていく。また、組電池の容量や放電出力も経時的に劣化していく。そのため、現時点における組電池の電池特性を精度よく推定する必要がある。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、組電池の電池特性を精度よく推定することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明は、複数の電池セルが直列に接続された組電池と、少なくとも時間をパラメータとし、組電池の電池特性を規定する電池特性モデルを記憶した記憶部と、時間をカウントするクロック部と、クロック部によりカウントされた現在の時間と、記憶部に記憶された電池特性モデルとに基づいて、現時点における組電池の電池特性を推定する制御部とを有する組電池システムを提供する。
【０００６】
ここで、上記構成に加えて、組電池から放電される放電電流または組電池に充電される充電電流の少なくとも一方の電流値を検出する電流センサをさらに設けてもよい。この場合、制御部は、電流センサによって検出された電流値に基づいて、組電池の電気特性を推定することが好ましい。
【０００７】
また、電池セルの温度を検出する温度センサをさらに設けてもよい。この場合、制御部は、温度センサによって検出された温度に基づいて、組電池の電気特性を推定することが望ましい。
【０００８】
また、上記電池特性モデルは、時間の平方根と組電池の蓄積容量と関係を規定した寿命モデルを含むことが好ましい。
【０００９】
また、上記電池特性モデルは、時間の平方根と組電池の入出力特性との関係を規定した入出力特性モデルを含むことが望ましい。
【００１０】
また、上記電池特性モデルは、時間の平方根と無負荷状態における組電池の残存容量との関係を規定した残存容量特性モデルを含んでいてもよい。
【００１１】
さらに、上記電池特性モデルは、時間の平方根と組電池の充放電効率との規定した充放電効率モデルを含んでいてもよい。
【００１２】
また、上記記憶部に上述した電池特性モデルを記憶させると同期して、クロック部による時間のカウントを開始することが望ましい。
【００１３】
さらに、上記電池セルは、電池特性の再現性に優れたリチウムイオン電池であることが特に好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、ハイブリッド自動車に適用される組電池システムの構成図である。この組電池システムは、各種の装置１〜８が内蔵された組電池ユニットと、組電池ユニットより電力が供給される、例えば車両駆動用モータといった電気負荷７と、組電池ユニットとの間でデータの入出力を行う外部装置８とで構成されている。この組電池ユニットは、組電池１とＣＰＵ等の制御部２とを主体に構成されており、半導体メモリ等の記憶部３、クロック部４、電流センサ５および温度センサ６を含む。組電池１は、複数の電池セルを直列に接続することによって、所定の高電圧を発生する。本実施形態では、マンガン系、コバルト系、ニッケル系等に代表されるリチウムイオン電池をラミネートシートで覆った薄板状のラミネートセルを用いている。このリチウムイオン電池は、電池特性に関して比較的高い再現性を有する。
【００１５】
制御部２は、組電池ユニットの全体的な制御を行うとともに、残存容量（ＳＯＣ）や電池寿命といった電池特性の推定を行う。記憶部３には、これらの電池特性の推定に必要な電池特性モデル、すなわち、寿命モデル、入出力特性モデル、残存容量特性モデル、充放電効率モデルが記憶されているとともに、時間のカウント開始時点における初期残存容量や履歴等も記憶される。クロック部４は、現在の時間をカウントする。なお、工場において、記憶部３に電池特性モデルを書き込む初期状態の記憶動作を実施する際、これと同期して、クロック部４による時間のカウントを開始することが好ましい。これにより、組電池１の実際の経年変化とクロック部４による時間のカウントとのずれをなくす。その際、経年日の初期値として、組電池１の組立から初期設定までのタイムラグを考慮して、クロック部４の時間を設定することが望ましい。
【００１６】
電流センサ５は、組電池１に接続された電気負荷７に供給される放電電流、または、図示しない発電機や他の電源から供給される充電電流の少なくとも一方を計測する。また、温度センサ６は、組電池１を構成する電池セルの温度を計測する。制御部４は、記憶部３に記憶された電池特性モデルと、クロック部４によりカウントされた時間とに基づいて、現時点における組電池の電池特性を推定する。その際、電流センサ５によって検出された電流値や温度センサ６によってのセル温度等も適宜考慮される。すなわち、本実施形態の特徴の一つは、クロック部４によりカウントされる時間によって自動生成される組電池１に関する容量特性、出力特性、充放電効率、寿命等から、現在の時間における組電池１の残存容量、寿命を推定する点にある。そして、これらの残存容量や寿命を図示しない表示装置等に表示することにより、これらの情報をドライバに提供する。
【００１７】
図２は、記憶部３に記憶された寿命モデルの説明図である。この寿命モデルは、時間の平方根と組電池１の蓄積容量と関係をセル温度毎に規定している。具体的には、このモデルは、放置時間の平方根に比例して、組電池１の蓄積容量が低下していく関係を、セル温度毎にマップまたは一次関数で表現している。なお、同図の太線Ｘで示したように、通常、セル温度は常に変動するため、組電池１の実際の低下過程は折れ線状になる。また、図３は、劣化過程における放電特性として、放電容量と組電池端子電圧との関係を示す図である。同図に示した特性Ａ，Ｂ，Ｃは、図２に示した対応する点Ａ，Ｂ，Ｃにおける特性に相当する。また、図４は、無負荷時および所定負荷時における放電特性を示す。制御部２は、寿命モデルより、クロック部４によりカウントされた経年日に対応する蓄積容量を算出する。算出された蓄積容量は、ドライバに情報として提供するために、インパネ等の表示部に適宜表示される。
【００１８】
図５および図６は、記憶部３に記憶された入出力特性モデルに関するものであり、図６は、組電池１の初期出力特性の説明図であり、図７は、出力劣化係数の説明図である。入出力特性モデルは、時間の平方根と組電池１の入出力特性との関係をマップまたは一次関数で規定したものである。具体的には、図６に示す初期出力特性は、劣化が開始する時点、すなわち、初期状態における組電池１の残存容量（ＳＯＣ）と充放電出力との関係を規定している。ＳＯＣが大きくなるに従い（すなわち、組電池１の残存容量が大きい程）、放電出力は一次関数的に増加し、充電出力（回生出力）は一次関数的に減少する。なお、充電出力（回生出力）とは、組電池１の充電の受け入れの度合いを示し、電力をどの程度蓄えられるのかを示す。また、図７に示す出力劣化係数は、時間の平方根に比例して一次関数的に減少していく。制御部２は、クロック部４によりカウントされた経年日に対応する出力劣化係数を求め、この劣化係数によって初期出力特性を補正することにより、現時点における入出力特性を算出する。算出された入出力特性は、ドライバに情報として提供するために、表示部に適宜表示される。
【００１９】
また、記憶部３には、残存容量特性モデルが記憶されている。このモデルは、時間の平方根と無負荷状態における組電池１の残存容量との関係を規定している。制御部２は、クロック部４によりカウントされた経年日に対応する残存容量特性を算出する。算出された残存容量特性は、ドライバに情報として提供するために、表示部に適宜表示される。
【００２０】
図７および図８は、記憶部３に記憶された充放電効率特性モデルに関するものであり、図７は、充放電効率劣化係数の説明図であり、図８は、充放電効率の説明図である。充放電効率特性モデルは、時間の平方根と組電池１の充放電効率特性との関係をマップまたは一次関数で規定したものである。具体的には、図７に示す充放電効率劣化係数は、時間の平方根に比例して一次関数的に減少していく。制御部２は、クロック部４によりカウントされた経年日に対応する充放電効率劣化係数を求める。図８に示す充放電効率特性は、劣化が開始する時点、すなわち、初期状態における組電池１の充放電電流と充放電効率との関係を規定している。制御部２は、算出された充放電効率劣化係数に基づいた補正を行うことで、現時点における充放電効率特性を算出する。算出された充放電効率特性は、ドライバに情報として提供するために、表示部に適宜表示される。
【００２１】
制御部２は、クロック部４が所定の値を記録したとき、その時点における時計情報を履歴として記憶部３に記憶する。また、制御部２は、クロック部４が示す時間に所定の時間αを加算した時間Ｔｎから、その時間における組電池１の蓄積容量、入出力特性、残存容量特性を自動的に算出する。
【００２２】
具体的には、制御部２は、組電池１の充放電電流の積算量Ｑｔ（Ｑｔ＝所定時間×電流＋Ｑｔ−１）を算出し、時間Ｔｎにおける蓄電容量から残存容量を算出する。その際、時間がＴｎのときは充放電電流の積算量を算出する際の初期値を初期残存容量とする。また、残存容量が時間Ｔｎにおける蓄電容量を超えるときは、蓄電容量に変える。
【００２３】
また、制御部２は、組電池１の充放電電流の積算量Ｑｔ（Ｑｔ＝所定時間×電流＋Ｑｔ−１）を算出し、この算出値に応じた残存容量を出力する。その際、組電池１の充放電電流が、所定の充放電電流以下になったことを検知した場合、その時点で、上述した自動生成制した残存容量特性から、この時点の端子電圧に対応した残存容量を取得する。そして、この残存容量出力を積算量から算出した残存容量出力に代わる代表値とする。
【００２４】
これ以外の方法としては、組電池１の充放電電流の積算量を算出する際、上述した充放電効率モデルから得られる充放電電流に対する充放電効率Ｋｃｄを算出するとともに、積算量Ｑｔ（Ｑｔ＝所定時間×電流＋Ｑｔ−１）を算出する。そして、放電時の残存容量は積算量を直接表示し、組電池１の放電電流が所定の放電電流以下になったか否かを検知する。そして、これが検知された時点で、上記自動生成された残存容量特性より、この時点の端子電圧に対応した残存容量を取得する。この残存容量出力を積算量から算出した残存容量との容量差ΔＱｄを記憶する。組電池１が充電状態にあり、充電が終了したときに、この容量差ΔＱｄを、積算量に補正し（Ｑｔ＝所定時間×電流×Ｋｃｄ＋Ｑｔ−１＋ΔＱｄ）、残存容量出力とする。
【００２５】
さらに、組電池１の充電電流が所定の充電電流以下になったことを検知した場合、上記自動生成された残存容量特性より、この時点の端子電圧に対応した残存容量を取得する。そして、算出した残存容量出力を積算量から算出した残存容量との容量差ΔＱｃを記憶する。組電池１の充電が終了したときに、この容量差ΔＱｃを積算量に補正し（Ｑｔ＝所定時間×電流×Ｋｃｄ＋Ｑｔ−１＋ΔＱｄ＋ΔＱｃ）、残存容量出力とする。
【００２６】
また、図９の部分放置特性の説明図に示すように、上記検知時において、前回と今回との充放電電流の積算量の絶対値差から、時間Ｔｎにおける蓄電容量を取得する。算出された蓄電容量が時刻Ｔｎで規定されている蓄電容量との差を算出する。この蓄電容量の差から寿命モデルにおける該当蓄電容量を算出する。算出された蓄電容量に相当する寿命時間を算出する。そして、この寿命時間をクロック部４の時間に合わせる補正を行う。
【００２７】
また、記憶部３に予め記憶されている入出力特性の劣化係数マップから時間Ｔｎに相当する劣化係数Ｋｎ（Ｔｎ）を算出する。また、初期入出力特性マップから初期放電出力マップと充電出力マップとを読み取り、読み取った各初期入出力マップ値に順次、係数Ｋｎ（Ｔｎ）を積算し、時間Ｔｎにおける新たな入出力マップを作成する。これにより、必要に応じて、その時間における組電池１が入出力可能な最大入出力パワーを参照することができる、
【００２８】
このように、本実施形態によれば、絶対的なパラメータである時間を用いることにより、組電池の残存容量や寿命といった電池特性を精度よく推定することが可能となる。また、再現性のよりリチウムイオン電池の特性を、時間をパラメータとすることで簡単に再現することが可能となる。さらに、時間を精度よく組電池の寿命に対応させることが可能になる。
【発明の効果】
本発明によれば、絶対的なパラメータである時間を用いることにより、組電池の残存容量や寿命といった電池特性を精度よく推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】組電池システムの構成図
【図２】寿命モデルの説明図
【図３】劣化過程における放電特性の説明図
【図４】放電特性の説明図
【図５】初期出力特性の説明図
【図６】出力劣化係数の説明図
【図７】充放電効率劣化係数の説明図
【図８】充放電効率の説明図
【図９】部分放置特性の説明図
【符号の説明】
１　組電池
２　制御部
３　記憶部
４　クロック部
５　電流センサ
６　温度センサ
７　電気負荷
８　外部装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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