(57)【要約】【課題】バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、小さい演算処理量で精度良く推定することができる開放電圧推定方法の提供。【解決手段】バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を推定する開放電圧推定方法。バッテリの分極が解消するときの電圧値の時系列的変化に近似し、時間変数を指数とする項を複数有する指数関数を作成し、作成した指数関数に基づくカルマンフィルタを作成しておき、所定周期で検出したバッテリの電流値が、所定電流値よりも小さい（Ｓ５）期間に、電圧値を前記所定周期以上の周期でサンプリングし（Ｓ７）、サンプリングした電圧値、及び前記期間の経過時間をカルマンフィルタに逐次適用させる（Ｓ９〜Ｓ１５）ことにより、指数関数の各係数を逐次推定し（Ｓ１１）、推定された各係数が規定する指数関数に基づき、バッテリの開放電圧値を逐次推定する（Ｓ１７）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を検出して推定する開放電圧推定方法において、
バッテリの前記分極が解消して行くときの電圧値の時系列的変化に近似し、異なる時間変数を指数とする項を複数有する指数関数を作成し、作成した指数関数に基づくカルマンフィルタを作成しておき、所定周期で検出した前記電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定し、所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した前記電圧値を前記所定周期以上の周期でサンプリングし、サンプリングした前記電圧値、及び前記期間の最初からの経過時間を前記カルマンフィルタに逐次適用させることにより、前記指数関数の各係数を逐次推定し、推定された各係数が規定する前記指数関数に基づき、前記バッテリの分極が解消したときの開放電圧値を逐次推定することを特徴とする開放電圧推定方法。
【請求項２】
前記経過時間に基づき前記指数関数の項数及び指数を変更し、変更した指数関数に基づき前記カルマンフィルタを変更する請求項１記載の開放電圧推定方法。
【請求項３】
バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を検出して推定する電源装置において、
バッテリの前記分極が解消して行くときの電圧値の時系列的変化に近似し、異なる時間変数を指数とする項を複数有する指数関数を記憶する手段と、該手段が記憶する指数関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶する手段と、所定周期で検出した前記電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定する手段と、該手段が所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した前記電圧値を前記所定周期以上の周期でサンプリングする手段と、該手段がサンプリングした電圧値、及び前記期間の最初からの経過時間を前記カルマンフィルタに逐次適用して、前記指数関数の各係数を逐次推定する手段と、該手段が推定した各係数に規定された前記指数関数に基づき、前記バッテリの分極が解消したときの開放電圧値を逐次推定する手段とを備えることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
前記経過時間に基づき前記指数関数の項数及び指数を変更する手段と、該手段が変更した指数関数に基づき前記カルマンフィルタを変更する手段とを更に備える請求項３記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に使用されるバッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、バッテリの電流値及び電圧値を検出して推定する開放電圧推定方法及び電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
充電した後のバッテリの開放電圧値（電流が流れていないときの端子電圧値）は、図５に示すように、充電によるバッテリ液の分極が解消（拡散）するのに伴い下降して行き、分極が解消した平衡状態で一定電圧値に収束する。一方、放電された後のバッテリの開放電圧値は、図８に示すように、放電によるバッテリ液の分極が解消（拡散）するのに伴い上昇して行き、分極が解消した平衡状態で一定電圧値に収束する。
【０００３】
バッテリの平衡状態における開放電圧値は、バッテリの充電状態を示すものであり、バッテリの残容量（ＳＯＣ（State Of Charge））を知る為に必要なものである。しかし、車両等に使用されるバッテリでは、充放電が終了してから平衡状態に落ち着く迄には、通常２４時間程度掛かるので、車両等の使用形態では、それ迄に充放電が再開されることが多く、平衡状態の開放電圧値を直接検出するのは不可能である。その為、予測により間接的に平衡状態の開放電圧値を検出する方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、充放電終了後の所定時間内に、時間軸上で二次電池の複数の電圧測定値を取得して逐次計算を行い、二次電池の開回路電圧の時間特性を近似する４次以上の指数減衰関数の係数を決定し、決定した係数に基づき二次電池の開回路電圧の収束値を求め、求めた収束値に基づき充電率を推定する充電率推定方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−４３３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された充電率推定方法では、制御部が多くの指数減衰関数の係数を決定する為に、最小自乗法及び時定数の演算等、演算処理量が大きくなるという問題がある。また、決定した係数で指数減衰関数が開放電圧値に収束する保証はなく、発散する可能性も有り、このような場合、多くの係数を特定することができない。
【０００６】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１，２発明では、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、小さい演算処理量で精度良く推定することができる開放電圧推定方法を提供することを目的とする。
第３，４発明では、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、小さい演算処理量で精度良く推定することができる電源装置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】
【０００７】
第１発明に係る開放電圧推定方法は、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を検出して推定する開放電圧推定方法において、バッテリの前記分極が解消して行くときの電圧値の時系列的変化に近似し、異なる時間変数を指数とする項を複数有する指数関数を作成し、作成した指数関数に基づくカルマンフィルタを作成しておき、所定周期で検出した前記電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定し、所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した前記電圧値を前記所定周期以上の周期でサンプリングし、サンプリングした前記電圧値、及び前記期間の最初からの経過時間を前記カルマンフィルタに逐次適用させることにより、前記指数関数の各係数を逐次推定し、推定された各係数が規定する前記指数関数に基づき、前記バッテリの分極が解消したときの開放電圧値を逐次推定することを特徴とする。
【０００８】
第２発明に係る開放電圧推定方法は、前記経過時間に基づき前記指数関数の項数及び指数を変更し、変更した指数関数に基づき前記カルマンフィルタを変更することを特徴とする。
【０００９】
第３発明に係る電源装置は、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を検出して推定する電源装置において、バッテリの前記分極が解消して行くときの電圧値の時系列的変化に近似し、異なる時間変数を指数とする項を複数有する指数関数を記憶する手段と、該手段が記憶する指数関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶する手段と、所定周期で検出した前記電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定する手段と、該手段が所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出した前記電圧値を前記所定周期以上の周期でサンプリングする手段と、該手段がサンプリングした電圧値、及び前記期間の最初からの経過時間を前記カルマンフィルタに逐次適用して、前記指数関数の各係数を逐次推定する手段と、該手段が推定した各係数に規定された前記指数関数に基づき、前記バッテリの分極が解消したときの開放電圧値を逐次推定する手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
第１発明に係る開放電圧推定方法及び第３発明に係る電源装置では、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、バッテリの電流値及び電圧値を検出して推定する。バッテリの充放電による分極が解消して行くときの電圧値の時系列的変化に近似すると共に、異なる時間変数を指数とする項を複数有する指数関数を記憶し、この記憶する指数関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶しておく。所定周期で検出したバッテリの電流値が所定電流値よりも小さいか否かを判定し、所定電流値よりも小さいと判定している期間に、検出したバッテリの電圧値をその所定周期以上の周期でサンプリングする。サンプリングした電圧値と、所定電流値よりも小さいと判定している期間の最初からの経過時間とを、記憶しているカルマンフィルタに逐次適用して、記憶している指数関数の各係数を逐次推定する。また、逐次推定した各係数に規定された指数関数に基づき、バッテリの分極が解消したときの開放電圧値を逐次推定する。
【００１１】
第４発明に係る電源装置は、前記経過時間に基づき前記指数関数の項数及び指数を変更する手段と、該手段が変更した指数関数に基づき前記カルマンフィルタを変更する手段とを更に備えることを特徴とする。
【００１２】
第２発明に係る開放電圧推定方法及び第４発明に係る電源装置では、所定電流値よりも小さいと判定している期間の最初からの経過時間が、予め定めてある１又は複数の時間に達したときは、記憶している指数関数の項数及び指数を変更し、変更した指数関数に基づきカルマンフィルタを変更する。
【発明の効果】
【００１３】
第１，２発明に係る開放電圧推定方法によれば、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、小さい演算処理量で精度良く推定することができ、バッテリの残容量を正確に推定することができる。
【００１４】
第３，４発明に係る電源装置によれば、バッテリの充放電による分極が解消したときの開放電圧値を、小さい演算処理量で精度良く推定することができ、バッテリの残容量を正確に推定することができる電源装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る開放電圧推定方法及び電源装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
この電源装置が開放電圧値を推定する対象は車両用のバッテリ２である。バッテリ２及びオルタネータ（車載発電機、交流発電機）３は、電気負荷であるエアコン（エアコンディショナ）／ヒータ１０、ヘッドライト１１、フォグランプ１２及びデフォガ１３等に、イグニッションスイッチ７（ここでは、アクセサリスイッチも含むものとする）を通じて電力を供給する。
【００１６】
バッテリ２は、２つの作用極を有する蓄電池であって、一方の端子はイグニッションスイッチ７に接続され、他方の端子は接地されている。オルタネータ３は、車両のエンジン４に連動して、バッテリ２を適宜充電する。
開放電圧推定部１は、マイクロコンピュータで構成されており、電圧検出部６が検出したバッテリ２の両極間の電圧値Ｖ、及び電流検出部５が検出したバッテリ２を流れる電流値Ｉが与えられる。
開放電圧推定部１が推定した、分極が解消した平衡状態での開放電圧値は、バッテリ２の残容量の指標として、又は残容量に換算されて表示部９に表示される。
【００１７】
開放電圧推定部１は、記憶部１ａを備えており、記憶部１ａは、バッテリ２の分極が解消して行くときの電圧値の時系列的変化に近似した指数関数を記憶している。この指数関数は、例えば式（１）に示すように、ネイピア数ｅを底とし、時間変数−ｂ0 ｔn ，−ｂ1 ｔn ，−ｂ2 ｔn ，−ｂ3 ｔn ，−ｂ4 ｔnを指数として、係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3 ，ａ4を有する５つの項と定数項ｄとを備えている。
【００１８】
【数１】
2010002227.tif 000003
【００１９】
記憶部１ａは、また、式（１）に示す指数関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶している。
式（１）に示す指数関数の右辺は、式（２）に示す行列Ｈt と式（３）に示す行列ｘt との乗算により、式（４）に示すように表現することができる。
【００２０】
【数２】
2010002227.tif 000004
【００２１】
【数３】
2010002227.tif 000005
【００２２】
ここで、観測量（検出したバッテリ２の電圧値Ｖ）をｙt とすると、記憶部１ａが記憶しているカルマンフィルタの観測方程式は、式（５）で示される。式（５）に示すｖtは、共分散行列Ｒ及び０平均のガウス分布に従う雑音である。Ｒは、時間により変化する行列を示す。
【００２３】
【数４】
2010002227.tif 000006
【００２４】
このカルマンフィルタの、時点ｔ＋１における状態ｘt+1 を１サンプリング前の時点ｔの状態ｘt により表現する状態方程式（システム方程式）は、式（６）で示される。式（６）に示すｗtは、共分散行列Ｑ及び０平均のガウス分布に従う雑音であり、Ｆ，Ｇ，Ｑは、時間により変化する行列を示す。
【００２５】
【数５】
2010002227.tif 000007
【００２６】
ここで、式（３）のｘt が収束するとき、ｘt+1 ，ｘtの各最尤値は等しく、Ｇ＝０であるので、式（６）からＦは式（７）に示すような単位行列になる。
【００２７】
【数６】
2010002227.tif 000008
【００２８】
このカルマンフィルタの初期条件は、ｘt については式（８）のように設定されている。
【００２９】
【数７】
2010002227.tif 000009
【００３０】
また、このカルマンフィルタの初期条件は、誤差の共分散行列Σt|t-1 については式（９）のように設定されている。
【００３１】
【数８】
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【００３２】
尚、開放電圧値は、バッテリ２に電流が流れていないときの電圧であるが、車両では、イグニッションスイッチ７を経由せず、また、通常はオフにできない電気負荷（時計、マイクロコンピュータ等）が有るので、実際には、バッテリ２の電流を０にするのは困難である。その為、本発明では、電流検出部５が検出した電流値Ｉが、前記電気負荷を考慮した所定電流値Ｉ１より小さい期間に、電圧検出部６が検出した電圧値Ｖを開放電圧値の近似値として使用する。
【００３３】
以下に、このような構成の電源装置の開放電圧推定部１の動作を、それを示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。
開放電圧推定部１は、先ず、イグニッションスイッチ７がオフにされたか否かを判定し（Ｓ１）、オフにされないときは繰り返し判定する。オフにされたときは（Ｓ１）、所定時間（例えば数秒間）待機した（Ｓ２）後、電流検出部５で検出したバッテリ２を流れる電流値Ｉを読込む（Ｓ３）。
開放電圧推定部１は、次に、読込んだ電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さいか否かを判定する（Ｓ５）。電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さければ、電圧検出部６で検出したバッテリ２の電圧値Ｖ（＝観測値ｙt ）と、そのときの電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さくなって（Ｓ５）からの経過時間ｔnとを読込む（Ｓ７）。
【００３４】
開放電圧推定部１は、次に、読込んだ経過時間ｔn を使用して、式（１０）により最適カルマンゲインＫtを算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ９）。
【００３５】
【数９】
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【００３６】
開放電圧推定部１は、次に、読込んだ観測値ｙt （Ｓ７）、及び算出した最適カルマンゲイン（Ｓ９）を使用して式（１１）を演算し、式（１）に示す指数関数の各係数ａ0，ａ1 ，ａ2 ，ａ3 ，ａ4 ，ｄの推定値を算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ１１）。
【００３７】
【数１０】
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【００３８】
開放電圧推定部１は、次に、算出した最適カルマンゲイン（Ｓ９）を使用して式（１２）を演算し、誤差行列Σt|t を算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ１３）。
【００３９】
【数１１】
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【００４０】
開放電圧推定部１は、次に、算出した誤差行列Σt|t （Ｓ１３）を使用して式（１３）を演算し、更新された誤差行列Σt+1|tを算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ１５）。更新された誤差行列Σt+1|tは、次回のサンプリング時に、式（１０）による最適カルマンゲインＫtの算出（Ｓ９）に使用される。
尚、式（３）のｘt が収束するとき、式（１３）において、Ｆ＝ＦT ＝１，Ｇ＝ＧT＝０である。
【００４１】
【数１２】
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【００４２】
開放電圧推定部１は、また、算出した指数関数（式（１））の各係数の行列ｘt （Ｓ１１）を使用して、式（６）の状態方程式（システム方程式）を演算し、更新された各係数の行列ｘt+1を算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ１５）。更新された各係数の行列ｘt+1 は、次回のサンプリング時に、式（１１）による指数関数（式（１））の各係数ａ0，ａ1 ，ａ2 ，ａ3 ，ａ4 ，ｄの推定値の算出（Ｓ１１）に使用される。
尚、式（３）のｘt が収束するとき、式（６）において、Ｆ＝ＦT ＝１，Ｇ＝ＧT＝０であるので、式（１４）に示すようになる。
【００４３】
【数１３】
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【００４４】
開放電圧推定部１は、次に、算出した各係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3，ａ4 ，ｄの推定値（Ｓ１１）を使用して、式（１）に示す指数関数の時間変数ｔn を無限大にしたときの開放電圧の収束値を算出し（Ｓ１７）、表示部９に表示する（Ｓ１９）。次いで、電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さくなって（Ｓ５）からの経過時間ｔnが所定時間（例えば数十日間）以上であるか否かを判定し（Ｓ２１）、所定時間以上でなければ、再度、イグニッションスイッチ７がオフにされたか否かを判定する（Ｓ１）。
【００４５】
開放電圧推定部１は、電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さくなって（Ｓ５）からの経過時間ｔn が所定時間（例えば数十日間）以上であれば（Ｓ２１）、記憶部１ａに記憶した内容をリセット（初期化）した（Ｓ２３）後、再度、イグニッションスイッチ７がオフにされたか否かを判定する（Ｓ１）。
開放電圧推定部１は、読込んだ電流値Ｉが所定電流値Ｉ１より小さくなければ（Ｓ５）、記憶部１ａに記憶した内容をリセット（初期化）した（Ｓ２３）後、再度、イグニッションスイッチ７がオフにされたか否かを判定する（Ｓ１）。
【００４６】
図３，４の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、式（１）に示す指数関数において、バッテリの充電分極の際に、以上のようにカルマンフィルタを適用した場合の、係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3，ａ4 ，ｄの各推移を示すグラフである。ここでは、ｂ0 ＝０．０１，ｂ1 ＝０．００１，ｂ2＝０．０００１，ｂ3 ＝０．００００１，ｂ4 ＝０．０００００１としている。
図５は、図３，４の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3，ａ4 ，ｄがそれぞれ推移した場合のバッテリの推定電圧値を示すグラフであり、式（１）に示す指数関数の項数を５項、４項、３項とした各場合と、実電圧値とを示す。カルマンフィルタを適用することにより、充電分極の際のバッテリの電圧値を精度良く再現できていることが分かる。
【００４７】
図６，７の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、式（１）に示す指数関数において、バッテリの放電分極の際に、以上のようにカルマンフィルタを適用した場合の、係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3，ａ4 ，ｄの各推移を示すグラフである。ｂ0 ，ｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 ，ｂ4 の値は図３，４の場合と同じである。
図８は、図６，７の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 ，ａ3，ａ4 ，ｄがそれぞれ推移した場合のバッテリの推定電圧値を示すグラフであり、式（１）に示す指数関数の項数を５項、４項、３項とした各場合と、実電圧値とを示す。カルマンフィルタを適用することにより、放電分極の際のバッテリの電圧値を精度良く再現できていることが分かる。また、以上から、バッテリの充電放電に関係なく、本発明に係る開放電圧推定方法を適用できることが分かる。
【００４８】
尚、指数の計算は時間を要するので、演算容量の小さなマイクロコンピュータでは、上述したようなアルゴリズムを搭載できない可能性もある。このような場合、５項を３項にして計算量を減らしたり、指数の計算をマップ方式にすることにより、解決することができる。
尚、上述した実施の形態では、電流値Ｉの大きさを判定する都度、カルマンフィルタを適用しているが、例えば、電流値Ｉの大きさを数回〜数十回判定する毎に、カルマンフィルタを適用するようにすることも可能である。
【００４９】
また、例えば、最初は、式（１）をｂ0 ＝０．０１，ｂ1 ＝０．００１の指数関数として、カルマンフィルタを適用し、７００秒（１１．７分）後以降は、ｂ1＝０．００１，ｂ2 ＝０．０００１，ｂ3 ＝０．００００１の指数関数として、カルマンフィルタを適用する。
７０００秒（１．９時間）後以降は、式（１）をｂ2 ＝０．０００１，ｂ3 ＝０．００００１，ｂ4＝０．０００００１の指数関数として、カルマンフィルタを適用し、７００００秒（１９時間）後以降は、ｂ3 ＝０．００００１，ｂ4＝０．０００００１の指数関数として、カルマンフィルタを適用する。
７０００００秒（８．１日）後以降は、式（１）をｂ4 ＝０．０００００１の指数関数として、カルマンフィルタを適用し、７００００００秒（２．７ヶ月）後以降は、計算終了することにより、計算量を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る開放電圧推定方法及び電源装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る電源装置の動作の例を示すフローチャートである。
【図３】式（１）に示す指数関数において、バッテリの充電分極の際に、カルマンフィルタを適用した場合の、各係数の推移例を示すグラフである。
【図４】式（１）に示す指数関数において、バッテリの充電分極の際に、カルマンフィルタを適用した場合の、各係数の推移例を示すグラフである。
【図５】図３，４に示すように各係数が推移した場合のバッテリの推定電圧値を示すグラフである。
【図６】式（１）に示す指数関数において、バッテリの放電分極の際に、カルマンフィルタを適用した場合の、各係数の推移例を示すグラフである。
【図７】式（１）に示す指数関数において、バッテリの放電分極の際に、カルマンフィルタを適用した場合の、各係数の推移例を示すグラフである。
【図８】図５，６に示すように各係数が推移した場合のバッテリの推定電圧値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１  開放電圧推定部
１ａ  記憶部
２  バッテリ
３  オルタネータ
５  電流検出部
６  電圧検出部
７  イグニッションスイッチ
９  表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010002227.tif 000019
【図５】
2010002227.tif 000020
【図６】
2010002227.tif 000021
【図７】
2010002227.tif 000022
【図８】
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