(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-07
(45)【発行日】2023-11-15
(54)【発明の名称】電源装置、推定方法及びコンピュータプログラム
(51)【国際特許分類】
H02J 7/00 20060101AFI20231108BHJP
H01M 10/48 20060101ALI20231108BHJP
B60R 16/04 20060101ALI20231108BHJP
【FI】
H02J7/00 Y
H01M10/48 P
B60R16/04 W
(21)【出願番号】P 2019191472
(22)【出願日】2019-10-18
【審査請求日】2022-09-08
(73)【特許権者】
【識別番号】507151526
【氏名又は名称】株式会社GSユアサ
(74)【代理人】
【識別番号】100114557
【氏名又は名称】河野 英仁
(74)【代理人】
【識別番号】100078868
【氏名又は名称】河野 登夫
(72)【発明者】
【氏名】尾郷 航
(72)【発明者】
【氏名】柏 雄太
(72)【発明者】
【氏名】松井 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】落合 誠二郎
【審査官】鈴木 大輔
(56)【参考文献】
【文献】特開2007-189760(JP,A)
【文献】特開2008-148389(JP,A)
【文献】特開2014-110131(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B60L 1/00-3/12
7/00-13/00
15/00-58/40
B60R 16/00-17/02
H01M 10/42-10/48
H02J 7/00-7/12
7/34-7/36
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1蓄電素子と、
前記第1蓄電素子とは種類が異なり、前記第1蓄電素子へ電力を供給可能な第2蓄電素子と、
前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する推定部と
を備え
、
前記推定部は、所定期間内の前記第1蓄電素子の平均温度、又は、前記充電のレートを算出し、
算出した前記平均温度又は前記充電のレートに応じて異なる閾値を読み出し、
前記充電の回数が、読み出した閾値以上であるか否かを判断し、
前記充電の回数が、読み出した閾値以上であると判断した場合、劣化していると推定する、電源装置。
【請求項2】
前記閾値は、平均温度及び/又は充電のレート毎に異なる、前記所定期間内における容量低下率と充電の回数との関係に基づき、許容容量低下率を超える回数として記憶してある、請求項1に記載の電源装置。
【請求項3】
第1蓄電素子とは種類が異なる第2蓄電素子から供給される電力により前記第1蓄電素子を充電し、
所定期間内の前記第1蓄電素子の平均温度、又は、前記充電のレートを算出し、
算出した前記平均温度又は前記充電のレートに応じて異なる閾値を読み出し、
前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数
が、読み出した閾値以上であるか否かを判断し、
前記充電の回数が、読み出した閾値以上であると判断した場合、前記第1蓄電素子が劣化していると推定する、推定方法。
【請求項4】
第1蓄電素子とは種類が異なる第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電
を制御するコンピュータに、
所定期間内の前記第1蓄電素子の平均温度、又は、前記充電のレートを算出し、
算出した前記平均温度又は前記充電のレートに応じて異なる閾値を読み出し、
前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数が、読み出した閾値以上であるか否かを判断し、
前記充電の回数が、読み出した閾値以上であると判断した場合、前記第1蓄電素子が劣化していると推定する
処理をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置、推定方法、及びコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
鉛蓄電池は、車両等の各種移動体に用いられて、様々な負荷に電源を供給している。典型的に、鉛蓄電池は内燃機関(以下、単に「エンジン」という)の始動時に、スタータへ電源を供給する。鉛蓄電池は、種々の原因により過放電状態となり、サルフェーションが生じて容量が低下し、エンジン始動ができなくなることがある。
鉛蓄電池は、寿命末期であることを示す現象が現れることなく、突然使用できなくなることがある。鉛蓄電池は、交換のタイミングを適切に判定するのが困難である。
【0003】
鉛蓄蓄電池の使用の可否、使用方法、交換タイミング等を決定する上で、電池のSOH(State of Health:容量維持率、容量低下率、抵抗値等)を簡便に、かつ適正に推定することは重要である。
【0004】
特許文献1の状態判定装置においては、鉛蓄電池等のサブバッテリ、及びメインバッテリを、メインリレーと双方向コンバータとを介して接続している。車両停止時、即ちメインリレーがオフ状態の場合、双方向コンバータを介してサブバッテリから平滑コンデンサに電力を供給し、その時の電流及び電圧からサブバッテリの内部抵抗値を推定し、劣化を推定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1の状態判定装置においては、サブバッテリから平滑コンデンサに電力を供給し、電流及び電圧を検出してサブバッテリの劣化を推定するので、回路の構成が複雑であり、推定の処理が煩雑である。簡単な構成で、簡便に、かつ適正に、鉛蓄電池等の蓄電素子の劣化を推定することが望まれている。
【0007】
本発明の目的は、蓄電素子の劣化を簡単な構成で、簡便に、かつ適正に推定することが可能な電源装置、推定方法、及びコンピュータプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様に係る電源装置は、第1蓄電素子と、前記第1蓄電素子とは種類が異なり、前記第1蓄電素子へ電力を供給可能な第2蓄電素子と、前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。
【0009】
本発明の一態様に係る推定方法は、第1蓄電素子とは種類が異なる第2蓄電素子から供給される電力により前記第1蓄電素子を充電し、前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する。
【0010】
本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、第1蓄電素子とは種類が異なる第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する処理をコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【0011】
上記構成により、蓄電素子の劣化を簡単な構成で、簡便に、かつ適正に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】実施形態に係る電源システムを備える車両の構成を示すブロック図である。
【
図2】1週間以内の充電の回数nと容量低下率との第1関係を示すグラフである。
【
図3】制御部による第1電池の劣化の推定処理の手順を示すフローチャートである。
【
図4】スイッチをオンにし、第2電池から第1電池への充電を行う状態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
(実施形態の概要)
電源装置は、第1蓄電素子と、前記第1蓄電素子とは種類が異なり、前記第1蓄電素子へ電力を供給可能な第2蓄電素子と、前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する推定部とを備える。
【0014】
本発明者等は、第1蓄電素子と、その第1蓄電素子へ電力を供給可能な第2蓄電素子とを備えた電源装置において、第1蓄電素子のSOC(State Of Charge)が低くなって第2蓄電素子から充電される回数が多くなった場合、第1蓄電素子が劣化していると判定できることを見出した。
上記構成によれば、充電の回数に基づいて、簡単な構成で、簡便に、かつ適正に第1蓄電素子の劣化を推定できる。
【0015】
上述の電源装置において、前記推定部は、所定期間内の前記充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定してもよい。
【0016】
所定期間内の充電の回数が多い、即ち充電の頻度が高い場合、第1蓄電素子の劣化が進行していると考えられる。上記構成によれば、充電の回数の頻度に基づいて、より適正に第1蓄電素子の劣化を推定できる。
【0017】
上述の電源装置において、前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて前記第1蓄電素子の劣化を報知する報知部を備えてもよい。
【0018】
上記構成によれば、第1蓄電素子の劣化の報知により、ユーザは、第1蓄電素子の使用の可否、今後の使用方法、交換タイミング等を決定することができる。
従来、鉛蓄電池のユーザは、交換タイミング等の意思決定をするための客観的な情報を知り得なかった。上記構成により、第2蓄電素子から第1蓄電素子への充電の回数という客観的な情報をユーザが知ることができ、意思決定に役立てることができる。
【0019】
推定方法は、第1蓄電素子とは種類が異なる第2蓄電素子から供給される電力により前記第1蓄電素子を充電し、前記第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する。
【0020】
コンピュータプログラムは、第1蓄電素子とは種類が異なる第2蓄電素子から前記第1蓄電素子への充電の回数に基づいて、前記第1蓄電素子の劣化を推定する処理をコンピュータに実行させる。
【0021】
(実施形態の詳細)
図1は、実施形態に係る電源システム1を備える車両の構成を示すブロック図である。
車両は、電源システム1と、イグニッションスイッチ(以下、IGNという)11と、制御装置12と、オルタネータ13と、スタータ14と、補機15とを備える。
電源システム1は、第1電池2と、CMU(Cell Monitoring Unit)3、5と、第2電池4と、電流センサ6、7と、スイッチ部8と、制御装置9とを備える。第1電池2が鉛蓄電池である場合、制御装置12がCMU3の機能を兼ねてもよい。代替的に、CMU3、5の機能を制御装置9が兼ねる場合、個別の電池2、4にCMU3、5は設けられなくてもよい。制御装置9の機能を、第2電池4に搭載される回路基板が兼ねる場合、制御装置9は設けられなくてもよい。
本実施形態においては、制御装置9が推定部として機能する。代替的に、電源システム1の外部に配置される制御装置12が、制御装置9が出力する情報に基づいて劣化推定を実行してもよい。また、制御装置9又は制御装置12と有線接続若しくは無線接続されるコンピュータやサーバが、制御装置9が出力する情報に基づいて劣化推定を実行してもよい。
【0022】
IGN11により、車両は、車両停止のオフ状態、車両走行前及び車両走行時のオン状態、エンジン始動時のスタート状態に切り換わる。オルタネータ13は、制動時及びアクセルオフ時にエンジンの回転力を回生電力に変換する。スタータ14は、エンジンを始動する。IGN11によりスタート状態に切り換えられ、第1電池2からスタータ14へ電力が供給されることで、スタータ14が回転し、クランクシャフトを介してスタータ14の回転力がエンジンに伝達され、エンジンが始動する。補機15としては、例えばルームランプ、各種ライト、エアコンディショナ、ファン、ラジオ、テレビ、CDプレーヤ、カーナビゲーションシステム等が挙げられる。
【0023】
制御装置12は、制御部12a、表示部12b、及び通信部12cを備える。
図1において、記憶部、計時部、入力部等は省略している。
制御部12aは、例えばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)等により構成され、車両の動作を制御する。
表示部12bは、液晶パネル又は有機EL(Electro Luminescence)表示パネル等で構成することができる。制御部12aは、表示部12bに所要の情報を表示するための制御を行う。
通信部12cは、ネットワークを介して制御装置9等の他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
【0024】
本実施形態では、第1電池2は鉛蓄電池である。第1電池2は、ケースと、正極端子と、負極端子と、ケース内の複数のセル室に夫々収容された極板群とを備える。セル室には、希硫酸を含む電解液が収容されており、極板群の全体が電解液中に浸漬している。極板群は、複数の正極板と、複数の負極板と、セパレータとを備える。複数の正極板及び複数の負極板は、交互に並ぶように配置されている。
【0025】
第2電池4はリチウムイオン二次電池である。第2電池4は、セルを複数直列に接続してなる組電池であってもよい。セルは、ケースと、蓋板と、蓋板に設けられた正極端子及び負極端子と、電極体とを備える。セルは、プリズマティックセルに限定されず、パウチセルであってもよいし、円筒型セルであってもよい。電極体は正極板、セパレータ、及び負極板を積層してなり、ケースに収容されている。電極体は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平状に巻回して得られるものであってもよい。電極体は、巻回型に限定されず、矩形状の正極板、セパレータ、及び負極板を積層した積層型のものであってもよい。
【0026】
スイッチ部8は、直列に接続された2つのスイッチ81とスイッチ82とを備えてもよい。
図1において、充電制御回路は省略している。スイッチ81及びスイッチ82は、大電流を流せる、リレーや、パワーMOSFET等のスイッチング素子からなる。スイッチ81とスイッチ82との接続点は、スタータ14及び補機15、並びにオルタネータ13に接続されている。スイッチ81の他端、スイッチ82の他端は、第1電池2の正極端子、第2電池4の正極端子に夫々接続されている。
【0027】
オルタネータ13から供給される回生電力を電源システム1で受け入れる場合、スイッチ81及びスイッチ82の一方をオンにすることで、オルタネータ13に、第1電池2及び第2電池4の一方を接続する。
電源システム1から、スタータ14又は補機15に放電する場合、スイッチ81及びスイッチ82の一方をオンにすることで、スタータ14又は補機15に、第1電池2及び第2電池4の一方を接続する。
図1においては、スイッチ81がオンであり、第1電池2からスタータ14へ電力が供給されている状態を示している。
【0028】
CMU3、5は、第1電池2、第2電池4の電圧、電流等の状態を監視する電子制御装置(監視基板)である。CMU3、5は夫々電圧センサを備え、第1電池2、第2電池4の電圧を検出する。電流センサ6はCMU3に接続されており、CMU3は、第1電池2に流れる電流を検出する。電流センサ7はCMU5に接続されており、CMU5は、第2電池4に流れる電流を検出する。
【0029】
制御部91は、制御部12aと同様の構成を有してもよく、電源システム1の動作を制御する。
制御部91は、後述する劣化推定プログラム97を読み出して実行することにより、劣化推定の処理を実行する。
【0030】
計時部93は経過時間をカウントする。
入力部94は、CMU3、CMU5から、第1電池2、第2電池4の電流及び電圧の検出結果の入力を受け付ける。
通信部95は、ネットワーク10を介して制御装置12等の他の装置との間で通信を行う機能を有し、所要の情報の送受信を行うことができる。
【0031】
記憶部92は、各種のプログラム及びデータを記憶する。記憶部92には、劣化推定プログラム97が格納されている。劣化推定プログラム97は、例えばCD-ROMやDVD-ROM、USBメモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体96に格納された状態で提供され、制御装置9にインストールすることにより記憶部92に格納される。また、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから劣化推定プログラム97を取得し、記憶部92に記憶させてもよい。
【0032】
記憶部92には充放電の履歴データ98も記憶されている。充放電の履歴とは、第1電池2及び第2電池4の動作履歴であり、第1電池2及び第2電池4が充電又は放電を行った期間(使用期間)を示す情報、使用期間において第1電池2及び第2電池4が行った充電又は放電に関する情報、第2電池4から第1電池2への充電に関する情報等を含む。第1電池2及び第2電池4の使用期間を示す情報とは、充電又は放電の開始及び終了の時点を示す情報、第1電池2及び第2電池4が使用された累積使用期間等を含む情報である。第1電池2及び第2電池4が行った充電又は放電に関する情報とは、第1電池2及び第2電池4が行った充電時又は放電時の電圧、レート等を示す情報である。第2電池4から第1電池2への充電に関する情報とは、充電の前の第1電池2の電圧、SOC、充電の1週間以内の回数n等を含む情報である。
【0033】
記憶部92には閾値テーブル99も記憶されている。
予め実験により、1週間等の所定期間内の第2電池4から第1電池2への充電の回数と、容量低下率との第1関係を求めておく。
図2は、1週間以内の充電の回数nと容量低下率との第1関係を示すグラフである。横軸は充電の回数n、縦軸は容量低下率(%)である。制御部91は、容量低下率の許容量を超えた場合のnを閾値bとして求め、閾値テーブル99に記憶する。第1関係は、第1電池2の平均温度、レート等の使用条件毎に求め、閾値bを複数、閾値テーブル99に記憶してもよい。第1関係としては、充電の回数と、容量維持率又は抵抗値との関係を求めてもよい。
【0034】
図3は、制御部91による第1電池2の劣化の推定処理の手順を示すフローチャートである。制御部91は、所定のサンプリング時間毎に、以下の処理を繰り返す。
制御部91は、リセット時間であるか否かを判定する(S1)。例えば、制御部91が、1週間毎に、第2電池4から第1電池2への充電の回数nを計数して、劣化を判定する。制御部91は、前回のリセットから1週間が経過したか否かを判定することにより、リセット時間であるか否かを判定する。
【0035】
制御部91はリセット時間でないと判定した場合(S1:NO)、処理をS3へ進める。
制御部91はリセット時間であると判定した場合(S1:YES)、充電の回数nを「0」にリセットする(S2)。
制御部91は、エンジンが停止したか否かを判定する(S3)。制御部91は、エンジンが停止していないと判定した場合(S3:NO)、処理を終了する。
【0036】
制御部91は、エンジンが停止したと判定した場合(S3:YES)、CMU3により第1電池2の電圧を取得する(S4)。
制御部91は、SOC-OCV(開回路電圧)曲線等から、第1電池2のSOCを取得する。制御部91は、取得したSOCが閾値a以下であるか否かを判定する(S5)。閾値aは、第2電池4から第1電池2への充電を要するSOCである。制御部91は、SOCが閾値a以下でないと判定した場合(S5:NO)、処理を終了する。
制御部91は、SOCが閾値a以下であると判定した場合(S5:YES)、スイッチ81及び82をともにオンにし、第2電池4から第1電池2への充電を行う(S6)。
図4は、スイッチ81及び82をオンにし、第2電池4から第1電池2への充電を行う状態を示すブロック図である。
【0037】
制御部91は、充電の回数nを「1」、インクリメントする(S7)。
制御部91は、閾値テーブル99を読み出して閾値bを取得し、nがb以上であるか否かを判定する(S8)。閾値テーブル99が、第1電池2の平均温度、スタータ14への充電のレート等の使用条件毎に求められている場合、制御部91は、条件に応じて、閾値bを取得する。
【0038】
制御部91は、nがb以上であると判定した場合(S8:YES)、制御装置12の制御部12aへ第1電池2が劣化していることを報知し(S9)、処理をS10へ進める。制御部12aは表示部12bにおいて、第1電池2が劣化していることを表示する。ユーザへの報知手段としては、音声で知らせる、カーナビゲーションシステムのディスプレイへのメッセージ表示を行う等してもよい。なお、報知はエンジン作動時に行ってもよい。制御装置9が表示部又は音声出力部を備える場合、該表示部又は音声出力部により報知を行ってもよい。
【0039】
制御部91は、充電を終了するか否かを判定する(S10)。制御部91は、充電時間が所定時間を超えたか否かを判定する、又は第2電池4の残存容量が閾値以下になったか否かを判定する等して、充電を終了するか否かを判定する。制御部91は充電を終了しないと判定した場合(S10:NO)、この判定処理を繰り返す。
制御部91は充電を終了すると判定した場合(S10:YES)、処理を終了する。
【0040】
本実施形態によれば、1週間以内の充電の回数nに基づいて、簡単な構成で、簡便に、かつ適正に第1電池2の劣化を推定できる。
劣化の報知により、ユーザは、第1電池2の使用の可否、今後の使用方法、交換等を決定することができる。上述したように、鉛蓄電池は交換のタイミングが分かり難いが、劣化の報知により、ユーザは交換のタイミングを知ることができる。
【0041】
前記実施形態は、制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1週間以内の充電の回数nに基づいて、劣化を推定する場合に限定されない。所定の期間内の充電の回数に基づいて、劣化を推定できる。所定の期間の経過時の充電の回数に基づいて、劣化を推定してもよい。また、期間を区切らず、充電の初回からの合計の回数を計数し、計数した回数が、予め実験により求めた閾値を超えたか否かを判定して、劣化を推定してもよい。
【0042】
本発明に係る推定方法は、エンジン車両以外の車両(ハイブリッド電気自動車(HEV)、プラグインハイブリッド電気自動車(PHEV))、車両以外の移動体、発電設備、電力需要設備、鉄道用回生電力貯蔵装置等の電源装置にも適用できる。
第1電池2は鉛蓄電池に限定されず、第2電池4はリチウムイオン二次電池には限定されない。第1電池2及び第2電池4は、他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
【符号の説明】
【0043】
1 電源システム(電源装置)
2 第1電池(蓄電素子)
3、5 CMU
4 第2電池(蓄電素子)
6、7 電流センサ
8 スイッチ部
81、82 スイッチ
9、12 制御装置
91、12a 制御部
92 記憶部
93 計時部
94 入力部
95、12c 通信部
96 記録媒体
97 劣化推定プログラム
98 履歴データ
99 閾値テーブル
12b 表示部