(57)【要約】【課題】電池温度による充電特性の変化、特に低温時における充電特性の変化に対応して、電池の充電状態を精度よく推定する。【解決手段】本発明に係る電池状態推定装置は、電池電圧に基づき算出した充電状態と電池電流を積算することによって算出した充電状態を重み付け加算し、電池温度が所定の温度閾値以下であり、かつ電池電流が所定の電流閾値以下である場合は、電池電流を積算することによって算出した充電状態の比重を大きくする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電可能な電池の充電状態を推定する装置であって、
前記電池の両端電圧を用いて前記電池の充電状態を算出するＳＯＣｖ演算部と、
前記電池に流れる電流を積算して前記電池の充電状態を算出するＳＯＣｉ演算部と、
前記ＳＯＣｖ演算部が算出した前記電池の充電状態と前記ＳＯＣｉが算出した前記電池の充電状態を重み付け加算するＳＯＣｗ演算部と、
を備え、
前記ＳＯＣｗ演算部は、
前記電池の温度が所定の温度閾値以下であり、かつ前記電池に流れる電流が所定の電流閾値以下である場合は、前記重み付け加算において、前記ＳＯＣｉが算出した前記電池の充電状態の比重をその他の場合よりも大きくする
ことを特徴とする電池状態推定装置。
【請求項２】
前記電池状態推定装置は、
前記電池の温度を計測する温度計測部と、
前記電池に流れる電流を計測する電流計測部と、
前記電池の両端電圧を計測する電圧計測部と、
前記電池の内部抵抗を計測する抵抗計測部と、
前記ＳＯＣｗ演算部が前記重み付け加算を実施する際に使用する重みを算出する重み演算部と、
を備え、
前記重み演算部は、
前記電池に流れる電流が小さいほど前記ＳＯＣｖ演算部が算出した前記充電状態に係る前記重みが大きくなり、かつ前記電池の内部抵抗が小さいほど前記ＳＯＣｖ演算部が算出した前記充電状態に係る前記重みが大きくなるように、前記重みを算出し、
前記電池の温度が所定の温度閾値以下であり、かつ前記電池に流れる電流が所定の電流閾値以下である場合は、１未満の係数を前記重みにさらに乗算することにより、前記ＳＯＣｖ演算部が算出した前記充電状態に係る前記重みを小さくして、前記ＳＯＣｉが算出した前記電池の充電状態に係る前記重みを大きくする
ことを特徴とする請求項１記載の電池状態推定装置。
【請求項３】
前記電池状態推定装置は、
前記電池の温度、前記電池に流れる電流、および前記係数の対応関係を定義した対応テーブルを記憶する記憶部を備え、
前記重み演算部は、
前記電池の温度と前記電池に流れる電流をキーにして前記対応テーブルを参照することにより、前記重みを算出する
ことを特徴とする請求項２記載の電池状態推定装置。
【請求項４】
前記重み演算部は、
前記対応テーブルが定義していない前記温度については、前記対応テーブルが定義している前記温度と前記重みの対応関係を線形補間することにより、前記重みを算出する
ことを特徴とする請求項３記載の電池状態推定装置。
【請求項５】
前記重み演算部は、
前記対応テーブルが定義していない前記電流については、前記対応テーブルが定義している前記電流と前記重みの対応関係を線形補間することにより、前記重みを算出する
ことを特徴とする請求項３または４記載の電池状態推定装置。
【請求項６】
前記電池状態推定装置は、
前記電池の温度と前記電池の内部抵抗の対応関係を定義した抵抗テーブルを備え、
前記抵抗計測部は、
前記電池の温度をキーにして前記抵抗テーブルを参照することにより、前記電池の内部抵抗を計測する
ことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の電池状態推定装置。
【請求項７】
前記電池状態推定装置は、
前記電池の開回路電圧と前記電池の充電状態の対応関係を定義したＳＯＣテーブルを備え、
前記ＳＯＣｖ演算部は、
前記電池の開回路電圧をキーにして前記ＳＯＣテーブルを参照することにより、前記電池の充電状態を算出する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の電池状態推定装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項記載の電池状態推定装置を備え、
前記電池状態推定装置が推定した前記電池の充電状態を用いて前記電池を制御する
ことを特徴とする電池制御装置。
【請求項９】
請求項８記載の電池制御装置と、
前記電池制御装置が制御する電池と、
を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項１０】
充電可能な電池の充電状態を推定する方法であって、
前記電池の両端電圧を用いて前記電池の充電状態を算出するＳＯＣｖ演算ステップ、
前記電池に流れる電流を積算して前記電池の充電状態を算出するＳＯＣｉ演算ステップ、
前記ＳＯＣｖ演算部が算出した前記電池の充電状態と前記ＳＯＣｉが算出した前記電池の充電状態を重み付け加算するＳＯＣｗ演算ステップ、
を有し、
前記ＳＯＣｗ演算ステップでは、
前記電池の温度が所定の温度閾値以下であり、かつ前記電池に流れる電流が所定の電流閾値以下である場合は、前記重み付け加算において、前記ＳＯＣｉが算出した前記電池の充電状態の比重をその他の場合よりも大きくする
ことを特徴とする電池状態推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の充電状態を推測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムニ次電池、ニッケル水素電池、鉛電池、電気二重層キャパシタなどの蓄電手段を用いた装置、例えば電池システム、分散型電力貯蔵装置、電気自動車においては、蓄電手段を安全かつ有効に使用するため、蓄電手段の状態を検知する状態検知装置が用いられている。蓄電手段の状態としては、どの程度まで充電されているか、あるいはどの程度放電可能な電荷量が残っているのかを示す充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、どの程度まで劣化しているのかを示す健康状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）などがある。
【０００３】
携帯機器用や電気自動車等の電池システムにおけるＳＯＣは、満充電からの放電電流を積算し、最大限充電可能な電荷量（全容量）に対し、蓄電手段に残っている電荷量（残存容量）の比を算出することにより検出することができる。その他、電池の両端電圧（開回路電圧）と電池の残存容量の関係をあらかじめデータテーブルなどに定義しておき、これを参照することにより、現在の残存容量を算出することもできる。さらには、これら手法を組み合わせて充電状態を求めることもできる。
【０００４】
下記特許文献１には、充電電流から求めた充電特性と電池電圧から求めた充電特性を重み付け加算し、このときの重みを、蓄電手段の出力から得られた電流値や内部抵抗に基づき決定し、充電状態を求める方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−８５５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載されている技術では、蓄電手段の電流と内部抵抗により重みを変化させているため、温度の変化による充電特性の変化に対応することが困難である。例えば電池温度が低い場合においては、内部抵抗が電池電流に応じて大きく変化する場合があるため、電池電圧から求めた充電特性の算出精度が低下し易い。特に電池温度が低く電池電流が小さい場合においては、演算結果が不安定になる傾向が顕著となる。
【０００７】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、電池温度による充電特性の変化、特に低温時における充電特性の変化に対応して、電池の充電状態を精度よく推定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電池状態推定装置は、電池電圧に基づき算出した充電状態と電池電流を積算することによって算出した充電状態を重み付け加算し、電池温度が所定の温度閾値以下であり、かつ電池電流が所定の電流閾値以下である場合は、電池電流を積算することによって算出した充電状態の比重を大きくする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る電池状態推定装置によれば、電池温度が低く電池電流が小さい場合においても、電池の充電状態を精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る電池システム１０００の構成を示すブロック図である。
【図２】電池状態推定装置１１０の詳細を示す機能ブロック図である。
【図３】電池４００の等価回路図である。
【図４】電池４００の開回路電圧ＯＣＶとＳＯＣの関係を示す図である。
【図５】電池４００の内部抵抗Ｒが電池温度Ｔによって変化する様子を示す図である。
【図６】記憶部１２０が格納している対応テーブルのデータ例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１：システム構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る電池システム１０００の構成を示すブロック図である。電池システム１０００は、電池４００が蓄積している電荷を外部装置に電力として供給するシステムであり、電池制御装置１００、計測部２００、出力部３００を備える。電池システム１０００が電力を供給する対象としては、例えば電気自動車やハイブリッド自動車、電車などが考えられる。
【００１２】
電池４００は、例えばリチウムイオン２次電池などの充電可能な電池である。その他、ニッケル水素電池、鉛電池、電気２重層キャパシタなどの電力貯蔵機能を有するデバイスに対しても、本発明を適用することができる。電池４００は、単電池セルによって構成されたものでもよいし、単セルを複数組み合わせたモジュール構造でもよい。
【００１３】
計測部２００は、電池４００の物理特性、例えば電池４００の両端電圧Ｖ、電池４００に流れる電流Ｉ、電池４００の温度Ｔ、電池４００の内部抵抗Ｒなどを計測する機能部であり、各値を計測するセンサ、必要な電気回路などによって構成されている。内部抵抗Ｒについては、後述する電池状態推定装置１１０が、その他の計測パラメータを用いて間接的に計測するようにしてもよい。本実施形態１では後者を前提とする。すなわち、本実施形態１における「抵抗計測部」は、電池状態推定装置１１０自身がこれに相当する。
【００１４】
出力部３００は、電池制御装置１００の出力を外部装置（例えば電気自動車が備える車両制御装置などの上位装置）に対して出力する機能部である。
【００１５】
電池制御装置１００は、電池４００の動作を制御する装置であり、電池状態推定装置１１０と記憶部１２０を備える。
【００１６】
電池状態推定装置１１０は、計測部２００が計測した各計測値（両端電圧Ｖ、電池電流Ｉ、電池温度Ｔ）と、記憶部１２０が格納している電池４００の特性情報（電池４００の分極電圧Ｖｐ、内部抵抗Ｒなど、詳細は後述）に基づいて、電池４００のＳＯＣを算出する。算出手法の詳細は後述する。
【００１７】
記憶部１２０は、電池４００の内部抵抗Ｒ、分極電圧Ｖｐ、充電効率、許容電流、全容量などの、あらかじめ知ることができる電池４００の特性情報を記憶している。この情報は、充電・放電の動作別に値を個別に記憶するようにしてもよいし、充電状態や温度など、電池４００の状態毎に値を個別に記憶するようにしてもよいし、電池４００のあらゆる状態に共通した１つの値を記憶するようにしてもよい。さらに記憶部１２０は、後述の図６で説明する対応テーブルを格納している。
【００１８】
電池制御装置１００および電池状態推定装置１１０は、その機能を実現する回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成してもよいし、その機能を実装したソフトウェアをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの演算装置が実行することによって構成することもできる。後者の場合は、当該ソフトウェアは例えば記憶部１２０に格納することができる。
【００１９】
記憶部１２０は、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、磁気ディスクなどの記憶装置を用いて構成される。記憶部１２０は、電池状態推定装置１１０の外部に設けてもよいし、電池状態推定装置１１０の内部に備えるメモリ装置として実現してもよい。記憶部１２０は、取り外し可能にしてもよい。取り外し可能にした場合、記憶部１２０を取り替えることによって、特性情報とソフトウェアを簡単に変更することができる。また、記憶部１２０を複数有し、特性情報とソフトウェアを取り替え可能な記憶部１２０に分散させて格納することにより、特性情報とソフトウェアを小単位毎に更新することができる。
【００２０】
図２は、電池状態推定装置１１０の詳細を示す機能ブロック図である。電池状態推定装置１１０は、ＳＯＣｖ演算部１１１、ＳＯＣｉ演算部１１２、ＩＲ演算部１１３、重み演算部１１４を備え、電池４００の充電状態を推定した結果である充電状態ＳＯＣｗを出力する。その他の演算器については後述する。
【００２１】
ＳＯＣｖ演算部１１１は、計測部２００が計測した電池４００の両端電圧Ｖを用いて、電池４００のＳＯＣを算出する。以下ではこれをＳＯＣｖとする。ＳＯＣｉ演算部１１２は、計測部２００が計測した電池４００の電池電流Ｉを積算することにより、電池４００のＳＯＣを算出する。以下ではこれをＳＯＣｉとする。ＳＯＣｖとＳＯＣｉの算出方法については後述する。ＩＲ演算部１１３は、電池電流Ｉと内部抵抗Ｒを乗算する。内部抵抗Ｒを求める方法については後述する。重み演算部１１４は、ＳＯＣｖとＳＯＣｉを重み付け加算するための重みＷを算出する。Ｗの算出方法については後述する。
【００２２】
乗算器ＭＰ１は、ＳＯＣｖと重みＷを乗算してＷ×ＳＯＣｖを求める。減算器ＤＦは、（１−Ｗ）を求める。乗算器ＭＰ２は、ＳＯＣｉと（１−Ｗ）を乗算して（１−Ｗ）×ＳＯＣｉを求める。加算器ＡＤは、これらを足し合わせてＳＯＣｗを求める。すなわち、ＳＯＣｗは下記式１によって表される。
【００２３】
ＳＯＣｗ＝Ｗ×ＳＯＣｖ＋（１−Ｗ）×ＳＯＣｉ  ・・・式１
【００２４】
＜実施の形態１：ＳＯＣｖ演算部１１１の動作＞
図３は、電池４００の等価回路図である。電池４００は、インピーダンスＺとキャパシタンス成分Ｃの並列接続対、内部抵抗Ｒ、開回路電圧ＯＣＶの直列接続によって表すことができる。電池４００に電池電流Ｉを印加すると、電池４００の端子間電圧（閉回路電圧：ＣＣＶ）は、下記式２で表される。Ｖｐは分極電圧であり、インピーダンスＺとキャパシタンス成分Ｃの並列接続対の両端電圧に相当する。
【００２５】
ＣＣＶ＝ＯＣＶ＋Ｉ・Ｒ＋Ｖｐ  ・・・式２
【００２６】
開回路電圧ＯＣＶは、後述するようにＳＯＣを求めるために用いられるが、電池４００が充放電している間は、直接測定することができない。そこでＳＯＣｖ演算部１１１は、下記式３にしたがって、閉回路電圧ＣＣＶからＩＲドロップと分極電圧Ｖｐを差し引くことにより、開回路電圧ＯＣＶを求める。
【００２７】
ＯＣＶ＝ＣＣＶ−ＩＲ−Ｖｐ  ・・・式３
【００２８】
内部抵抗Ｒと分極電圧Ｖｐは、記憶部１２０にあらかじめ特性情報として格納しておくことができる。内部抵抗Ｒと分極電圧Ｖｐは、電池４００の充電状態や温度などに応じて異なるので、これらの組合せ毎に個別の値を記憶部１２０へ格納しておくことができる。内部抵抗Ｒと電池温度Ｔの対応関係を定義する特性情報は、本実施形態１における「抵抗テーブル」に相当する。
【００２９】
図４は、電池４００の開回路電圧ＯＣＶとＳＯＣの関係を示す図である。この対応関係は電池４００の特性によって定まるので、あらかじめ記憶部１２０にその対応関係を定義するデータを格納しておくことができる。このデータは本実施形態１における「ＳＯＣテーブル」に相当する。ＳＯＣｖ演算部１１１は、上述の式３を用いて開回路電圧ＯＣＶを算出し、これをキーにしてＳＯＣテーブルを参照することにより、電池４００のＳＯＣｖを算出することができる。
【００３０】
＜実施の形態１：ＳＯＣｉ演算部１１２の動作＞
ＳＯＣｉ演算部１１２は、電池４００が充放電する電池電流Ｉを下記式４にしたがって積算することにより、電池４００のＳＯＣｉを求める。Ｑｍａｘは電池４００の満充電容量であり、あらかじめ記憶部１２０に格納しておくことができる。ＳＯＣｏｌｄは前回算出したＳＯＣの値である。
【００３１】
ＳＯＣｉ＝ＳＯＣｏｌｄ＋１００×∫Ｉ／Ｑｍａｘ  ・・・式４
【００３２】
＜実施の形態１：重み演算部１１４の動作＞
図５は、電池４００の内部抵抗Ｒが電池温度Ｔによって変化する様子を示す図である。図５に示すように、電池４００は一般的に、低ＳＯＣ状態では内部抵抗Ｒが高く、低温状態のときに内部抵抗Ｒの値が大きい。したがってこのときは、内部抵抗Ｒの誤差の影響を受け易いＳＯＣｖではなくＳＯＣｉを用いることが望ましいと考えられる。また、電池電流Ｉが小さいときは電流センサの僅かな計測誤差によって影響を受けるので、ＳＯＣｉではなくＳＯＣｖを用いることが望ましいと考えられる。
【００３３】
以上に基づき、重み演算部１１４は、電池電流Ｉが小さいときはＳＯＣｖを主に用いてＳＯＣｗを算出し、電池電流Ｉが大きいときはＳＯＣｉを主に用いてＳＯＣｗを算出するように、重みＷを求める。同様に、内部抵抗Ｒが小さいときはＳＯＣｖを主に用いてＳＯＣｗを算出し、内部抵抗Ｒが大きいときはＳＯＣｉを主に用いてＳＯＣｗを算出するように、重みＷを求める。すなわち、電池電流Ｉが小さいほどＳＯＣｖに係る重みＷを大きくし、内部抵抗Ｒが小さいほどＳＯＣｖに係る重みＷを大きくする。例えば下記式５にしたがって、重みＷを算出することができる。
【００３４】
Ｗ＝１／（１＋Ｒ・Ｉ）  ・・・式５
【００３５】
上記手法によれば、低ＳＯＣ時、低温時、劣化時、大電流の時はＷが小さくなるのでＳＯＣｉの比重が大きくなり、高ＳＯＣ時、高温時、小電流の時はＷが大きくなるのでＳＯＣｖの比重が大きくなる。
【００３６】
＜実施の形態１：重みＷの修正＞
重み演算部１１４は原則として上記のように重みＷを求めるが。電池温度Ｔが低くかつ電池電流Ｉが小さい場合は、以下の理由により重みＷを修正する必要があることを、本願発明者は見出した。
【００３７】
電池温度Ｔが低温になるほど、内部抵抗Ｒは、その時流れている電池電流Ｉに応じて大きく変化する場合がある。特に、本願発明者は、電池電流Ｉが小さく電池温度Ｔが小さい場合において、内部抵抗Ｒが極端に大きく変化し、あらかじめ求めておいた内部抵抗Ｒと電池温度Ｔの対応関係に合致しない傾向が顕著となることを見出した。
【００３８】
電池電流Ｉが小さい場合は、上記式５によれば重みＷが大きくなるので、ＳＯＣｖの比重を大きくするのが原則である。しかし、電池電流Ｉが小さく電池温度Ｔが小さい場合に関しては上述の通り内部抵抗Ｒの値が極めて不正確になるので、内部抵抗Ｒの誤差による影響を受け易いＳＯＣｖを用いるべきではない。そこでこの場合は、ＳＯＣｉを主に用いるように重みＷを修正する。
【００３９】
図６は、記憶部１２０が格納している対応テーブルのデータ例を示す図である。対応テーブルは、電池温度Ｔ、電池電流Ｉ、重みＷを修正するために用いる係数Ｗｇａｉｎの対応関係を定義するデータテーブルである。重み演算部１１４は、計測部２００から取得した電池温度Ｔと電池電流Ｉを用いて対応テーブルを参照することにより係数Ｗｇａｉｎを取得し、下記式６にしたがって重みＷを修正する。
【００４０】
Ｗ＝１／（１＋Ｒ・Ｉ）／Ｗｇａｉｎ  ・・・式６
【００４１】
上記式６および図６に示すデータ例によれば、電池温度Ｔが小さく電池電流Ｉが小さいほどＷｇａｉｎの値が大きいので、重みＷは小さくなる。すなわち、電池温度Ｔが所定閾値以下であり、かつ電池電流Ｉが所定閾値以下である場合は、１未満の係数である１／Ｗｇａｉｎを重みＷに乗算することによって重みＷを小さくし、ＳＯＣｉの比重を大きくすることができる。
【００４２】
対応テーブルに定義すべきＷｇａｉｎの値は、電池４００の特性によって異なるため、あらかじめ電池４００の特性を調査して好適な閾値を求めておくのがよい。また、図６では電池温度Ｔについては１０℃幅で定義し、電池電流Ｉについては１０Ａ幅で定義しているが、この定義幅についても同様に電池４００特性などに応じて適宜定めればよい。
【００４３】
＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る電池状態推定装置１１０は、電池温度Ｔが所定閾値よりも小さく、かつ電池電流Ｉが所定閾値よりも小さい場合は、ＳＯＣｉの比重が大きくなるように重みＷを修正する。これにより、低温かつ小電流の状況において、予測することが困難である内部抵抗Ｒによる誤差拡大の影響を最小限に抑え、ＳＯＣを精度よく推定することができる。
【００４４】
＜実施の形態２＞
実施形態１では、図６に示す対応テーブルにしたがって係数Ｗｇａｉｎを定めることを説明したが、対応テーブルに定義されていない電池温度Ｔまたは電池電流Ｉに対応するＷｇａｉｎの値については、重み演算部１１４が線形補間などの補間演算を実施することによって求めることができる。
【００４５】
例えば電池温度Ｔ＝５℃、電池電流Ｉ＝０Ａのときは、Ｔ＝０℃におけるＷｇａｉｎ＝５０とＴ＝１０℃におけるＷｇａｉｎ＝１の中間をとって、Ｗｇａｉｎ＝２５．５とすることができる。同様に電池温度Ｔ＝−４０℃、電池電流Ｉ＝５Ａのときは、Ｉ＝−１０ＡにおけるＷｇａｉｎ＝１とＩ＝０ＡにおけるＷｇａｉｎ＝１００の中間をとって、Ｗｇａｉｎ＝５０．５とすることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１００：電池制御装置、１１０：電池状態推定装置、１１１：ＳＯＣｖ演算部、１１２：ＳＯＣｉ演算部、１１３：ＩＲ演算部、１１４：重み演算部、１２０：記憶部、２００：計測部、３００：出力部、４００：電池、１０００：電池システム。
【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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