(57)【要約】【課題】  二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を精度よく推定して、二次電池の過充電、過放電を防止して、電池の損傷を防いで電池寿命の低下を防止する。【解決手段】  前件部において電池電流とセル電圧についてのメンバーシップ関数から電流グレードと電圧グレードを計算して、後件部において簡略型推論法によりＳＯＣの推定値を計算する。更に、直列接続された複数の電池モジュールのうち、その最小値と最大値を求めて、表示出力する。【選択図】    図１
2011127973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を有する蓄電設備における前記二次電池の充電状態を推定する方法であって、
前記二次電池の電流値を計測するステップと、
前記二次電池の電圧値を計測するステップと、
前件部としての、前記電流値から電流グレードを計算する電流メンバーシップ計算ステップおよび、前記電圧値から電圧グレードを計算する電圧メンバーシップ計算ステップと、
後件部としての、前記電流グレードおよび前記電流グレードからファジィ推論則によりＳＯＣメンバーシップを計算するＳＯＣメンバーシップ計算ステップとを備え、
前記前件部の計算結果と前記後件部の計算結果を合成する合成演算ステップを設けた二次電池充電状態推定方法。
【請求項２】
前記前件部において前記電流グレードと前記電圧グレードの最も小さい値をその計算結果とするステップを備えるとともに、
前記後件部において前記ＳＯＣメンバーシップ計算ステップが最も大きな値をその計算結果とするステップを備え、
前記合成演算ステップが前記ＳＯＣメンバーシップの重心を求めるステップを含む請求項１に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項３】
請求項１において計算されたＳＯＣの推定値に対して、フィルタ演算を施すステップを設けた請求項１または請求項２に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項４】
請求項２におけるフィルタ演算が一次遅れである請求項２または請求項３に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項５】
前記後件部として、
あらかじめ用意された複数の前記二次電池の前記充放電特性に基づき、前記電流値と前記電圧値から前記充放電特性毎に前記二次電池の暫定ＳＯＣ値を計算するステップと、
前記暫定ＳＯＣ値と前記電流グレード値または前記電圧グレード値とから前記ＳＯＣメンバーシップを計算するステップとを備えた請求項に請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項６】
前記ＳＯＣメンバーシップが単一の数値である請求項５に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項７】
前記暫定ＳＯＣ値の計算ステップにおいて、前記電流値の線形補間により前記暫定ＳＯＣ値を計算する請求項５または請求項６に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項８】
前記二次電池を構成する複数の電池モジュール毎に二次電池の充電状態を推定する請求項１から請求項７に記載の二次電池充電状態推定ステップを備えるとともに、
前記二次電池が充電状態にあるときは前記二次電池充電状態推定ステップの最小値を選択し、前記二次電池が放電状態にあるときは前記二次電池充電状態推定ステップの最大値を選択する選択ステップを備え、
前記選択ステップの計算結果に遅れ演算を施す遅れ演算ステップを有する請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の二次電池充電状態推定方法。
【請求項９】
二次電池を有する蓄電設備における前記二次電池の充電状態を推定する装置であって、
前記二次電池の電流値を検出する電流センサと、
前記二次電池の電圧値を検出する電圧センサと、
前件部としての、前記電流値から電流グレードを計算する電流メンバーシップ計算部と、前記電圧値から電圧グレードを計算する電圧メンバーシップ計算部と、
後件部としての、前記電流グレードおよび前記電流グレードからファジィ推論則によりＳＯＣメンバーシップを計算するＳＯＣメンバーシップ計算部とを備え、
前記前件部の出力と前記後件部の出力を合成演算するファジィ推論演算部を設けた二次電池充電状態推定装置。
【請求項１０】
前記前件部において前記電流グレードと前記電圧グレードの最も小さい値を選択する最小値選択回路を備えるとともに
前記後件部において前記ＳＯＣメンバーシップ計算部が最大値選択回路を備え、
前記合成演算部が前記ＳＯＣメンバーシップの重心を算出する重心計算部を含む請求項９に記載の二次電池充電状態推定装置。
【請求項１１】
前記ファジィ推論演算部の出力に遅れフィルタ演算部が接続されてなる請求項９または請求項１０に記載の二次電池充電状態推定装置。
【請求項１２】
前記後件部として、
あらかじめ用意された複数の前記二次電池の前記充放電特性に基づき、前記電流値と前記電圧値から前記充放電特性毎に前記二次電池のＳＯＣを計算する暫定ＳＯＣ計算部と、
前記暫定ＳＯＣ計算部の出力と前記電流グレード値または前記電圧グレード値とから単一の前記ＳＯＣメンバーシップを計算するＳＯＣ推定値計算部とを備えた請求項９〜１１のいずれか１項に記載の二次電池充電状態推定装置。
【請求項１３】
前記二次電池が複数の電池モジュールから構成され、
前記電池モジュール毎に設けた前記二次電池充電状態推定装置が最大値選択回路と最小値選択回路に接続され、
前記二次電池が充電状態にあるときは最小値選択回路の値が選択され、前記二次電池が放電状態にあるときは最大値選択回路が選択され、
前記選択回路の出力に遅れ演算部が接続されてなる請求項９〜１２のいずれか１項に記載の二次電池充電状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ；充電状態）を推定する技術に関し、具体的には二次電池の残存電気量を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電可能な二次電池としては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等がある。このような充放電可能な二次電池の用途として、電車や建設機械等の移動体に搭載される二次電池、変電所や風力発電所などの地上蓄電設備に用いられる二次電池がみられるようになってきている。
【０００３】
自動車や、建設機械などの作業機などにおいては、エンジンを駆動源とする発電機と、この発電機による発電電力を蓄電する二次電池と、この二次電池から供給される電力で駆動される電動機とを備えた、いわゆるハイブリッドシステムが採用されている。このようなハイブリッドシステムにおいては、エンジンの負荷状態に応じて二次電池の充放電に対応するため、二次電池の残存容量（充電状態：ＳＯＣ）は５０％程度に維持されることが好ましく、そのため、ＳＯＣを検出する必要がある。
【０００４】
電車などにおいては、環境への配慮から、ブレーキ時に生じる回生電力を変電所に設置した地上蓄電設備に蓄えておき、電車の動力源として使用することにより省エネが図られている。風力発電所においては電力の平準化を図るために二次電池が利用されている。このような地上蓄電設備を有効に運用するためには、地上蓄電設備に用いられる二次電池のＳＯＣが適切な範囲に維持されていることが望ましい。
【０００５】
また最近、ＬＲＶ等にみられる交通システムの調和の観点から、架線レス区間を有する路線を走行する電車に二次電池を搭載して、架線区間において充電した電気を用いて架線レス区間を運行するシステムが提案されている。このような用途に使用される二次電池は架線レス区間を走行できるに十分な充電状態でなければならず、ＳＯＣの維持・管理が必要である。
【０００６】
つまり二次電池においては、充電時期あるいは電池状態を使用者に認識させること等を目的として、何らかの手法によって現在の残存容量を推定して、エネルギー源となる二次電池の充電状態を適切な範囲内に維持することが要求される。
【０００７】
このための二次電池のＳＯＣを推定する技術に関しては、従来、二次電池の充放電電流を積算して、この積算値に基づいてＳＯＣを推定する技術が提案されている（特許文献１）。また、所定時間に渡って電流と電圧と温度とをサンプリングして、電流の分布が適正か否かを検定し、温度の分布が適正か否かを検定し、電流値を積算して得られた蓄電量の変動幅が適正化か否かを検定し、それらすべてが適正なときにサンプリングした電流と電圧とを直線近似して、その切片から起電力を、その傾きから内部抵抗を算出することにより二次電池のＳＯＣ推定する技術が提案されている（特許文献２）。
【０００８】
また、水素吸蔵合金を負極とするニッケル水素電池の残存容量を、負極に歪みゲージや圧力センサを設けることにより、充放電に伴う負極の体積変化とから推定する方法が提案されている（たとえば特許文献３）。
【０００９】
ところで、二次電池はその使用過程において入出力可能電力や満充電容量に代表される電池性能の劣化が進行するので、その性能は時系列的に変化する。特に、電池の蓄電能力を超えた電力の入出力（充放電）を行なうと、劣化が急激に促進され、著しく寿命の低下を招く。このため、常に二次電池の充電状態を正確に把握して、二次電池の充放電能力の限界量を検知することが重要なことである。
【００１０】
電池寿命の予測手段にファジィ推論を用いた技術が提案されている。たとえば特許文献４においては、ＵＰＳにファジィ推論を用いて電池寿命の判定を行う装置が開示されている。ファジィ推論はそのロジックにおいて厳密な数学モデルを必要とせず、専門家のノウハウを推論に用いることにより、専門家の感覚に近い推論結果を得ることができる。このため推論を用いた制御もしくは推定はロバスト性が高く、現代制御理論に基づく制御では得ることができない推論に対する安心感、信頼感が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２６９８２４号公報
【特許文献２】特開２０００−３２３１８３号公報
【特許文献３】特開平８−１９４０３７号公報
【特許文献４】特開平６−２４２１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
充放電時の電流値を積算し、この積算値に基づいて推定する方法（特許文献１）は
、長期間運用すると電流値に基づく検出誤差が蓄積されて、かつ、充電過程と放電過程とではＳＯＣの履歴が異なるという特性上、ＳＯＣの推定精度が次第に低下していくという問題がある。
【００１３】
また、ＳＯＣを推定する別の方法として、電池電圧とＳＯＣの相関関係に基づいて推定
する方法も提案されているが、この推定方法では、ニッケル水素二次電池のようにＳＯＣに対する電圧変化が小さい領域が存在する場合は、ＳＯＣを精度よく推定することが困難である。この傾向は、地上蓄電設備に用いられる二次電池で一般に使用されるＳＯＣの中間領域（たとえば２０〜８０％程度）において特に顕著である。
【００１４】
更には、放電時の電流−電圧特性から算出した電池の内部抵抗値と予め用意したＳＯＣとの相関関係から、電池使用時のＳＯＣを推定する方法（特許文献２）は、実際の電池の使用条件によって内部抵抗値は充放電履歴に大きく影響される。これは、電池の内部抵抗測定値には抵抗成分として反応過電圧、拡散過電圧、およびオーム損などが含まれるが、電池充放電履歴によって反応律速過程が変化すること、また、電池反応とは関係のないキャパシタ成分も含まれていることによるものと考えられる。したがって、通常、実際の使用における多様な充放電パターンに対して精度の高いＳＯＣ推定を行おうとすれば、予め用意すべき相関特性のデータ量が膨大になり、推定するためのシステムも複雑化するという課題がある。
【００１５】
特許文献３に開示されたＳＯＣの推定手法では、水素吸蔵合金の収縮・膨張は温度の影響を受けるので、負極の体積変化とＳＯＣの関係も温度に応じて変化する。負極を構成する水素吸蔵合金の体積変化のみに基づいてＳＯＣを推定しているので、高精度のＳＯＣ推定が困難である。
【００１６】
ここで、ハイブリッドシステムや地上蓄電設備において二次電池のＳＯＣを適切に管理するために、更には架線レス区間を走行する電車に搭載された二次電池の充電状態を確認するためにもＳＯＣを正確に把握することが必要なことは前述したとおりである。
【００１７】
そして、二次電池が満充電状態付近及び完全放電状態付近にある場合は、更に充電ないしは放電を行うと、二次電池は過充電ないしは過放電となり、二次電池の寿命を著しく損ねるので、かかる過充電過放電を防止するため、二次電池のＳＯＣを高い信頼性をもって把握することが要求される。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ファジィ推論を用いることにより高い信頼性と精度で電池の充電状態を推定する方法及び装置を提供し、二次電池の過充電過放電を防止して二次電池の著しい寿命の低下を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００２０】
（請求項１）
前記した目的を達成するために本発明に係る二次電池充電状態推定方法は、
二次電池を有する蓄電設備における前記二次電池の充電状態を推定する方法であって、前記二次電池の電流値を計測するステップと、前記二次電池の電圧値を計測するステップと、前件部としての、前記電流値から電流グレードを計算する電流メンバーシップ計算ステップと、前記電圧値から電圧グレードを計算する電圧メンバーシップ計算ステップと、後件部としての、前記電流グレードおよび前記電流グレードからファジィ推論則によりＳＯＣメンバーシップを計算するＳＯＣメンバーシップ計算ステップとを備えるとともに、前記前件部の計算結果と前記後件部の計算結果を合成する合成演算ステップを有している。
【００２１】
この手順によれば、二次電池を流れる電流と二次電池の端子電圧を計測して、別途用意した電流メンバーシップ関数から電流グレードを計算し、電圧メンバーシップ関数から電圧グレードを計算する前件部を有している。
【００２２】
そして、別途用意したファジィ推論則を用いて電流グレードと電圧グレードからＳＯＣメンバーシップ関数からＳＯＣの推定値を計算する後件部を有している。ファジィ推論則はif〜then〜形式定義されてもよく、好ましくは表形式で定義されてもよい。ファジィ推論則は複数のルールから成り立つのでＳＯＣの推定値は複数となり得る。
【００２３】
そして、後件部で計算された複数のＳＯＣの推定値を合成してメンバーシップ関数上のプロファイル図形として表現して二次電池の充放電状態推定値を計算する。
【００２４】
（請求項２）
本発明にかかる二次電池充電状態推定方法において、前記前件部において前記電流グレードと前記電圧グレードの最も小さい値をその計算結果とするステップを備え、前記後件部において前記ＳＯＣメンバーシップ計算ステップが最も大きな値をその計算結果とするステップを備え、前記合成演算ステップが前記ＳＯＣメンバーシップの重心を求めるステップを有していてもよい。
【００２５】
この手順によれば、前件部において電流グレードと電圧グレード小さい方の値が前件部のグレードとして選択され（いわゆるＭｉｎ法）、前記後件部において前記ＳＯＣメンバーシップ計算ステップで求めたＳＯＣの値が同一である場合、そのＳＯＣの値のグレードとして大きい方の値が後件部のグレードとして選択される（いわゆるＭａｘ法）。そして、後件部で計算されたＳＯＣのプロファイル図形の図形重心を二次電池の充放電状態推定値として計算する（いわゆる重心法）。
【００２６】
（請求項３）
本発明にかかる二次電池充電状態推定方法において、前述の方法により計算されたＳＯＣの推定値に対して、フィルタ演算を施すステップを設けてもよい。
【００２７】
この手順によれば、二次電池の充放電状態を示すＳＯＣの値は、デジタルフィルタで処理されるので、不要なノイズ成分を除去することができる。フィルタ演算は好ましくはＦＩＲにて計算されるが、ＩＩＲフィルタであってもよい。一般にフィルタ演算は時間遅れを伴うので、ＳＯＣの急激な変化は緩和される。
【００２８】
（請求項４）
本発明にかかる二次電池充電状態推定方法において、ＳＯＣの推定値に対して行うフィルタ演算が一次遅れであってもよい。
【００２９】
この手順によれば、フィルタ演算として一次遅れ演算を行えば、計算式が比較的簡単であるため処理時間が短くて済むという特徴がある。そして時間遅れの程度は一次遅れ時定数によって定めることができるので、調整可能となる。
【００３０】
（請求項５）（請求項６）
本発明にかかる二次電池充電状態推定方法において、後件部として、あらかじめ用意された複数の前記二次電池の前記充放電特性に基づき、前記電流値と前記電圧値から前記充放電特性毎に前記二次電池の暫定ＳＯＣ値を計算するステップと、前記暫定ＳＯＣ値と前記電流グレード値または前記電圧グレード値とから前記ＳＯＣメンバーシップを計算するステップを有していてもよく、簡略型ファジィ推論前記ＳＯＣメンバーシップが単一の数値であってもよい。
【００３１】
この手順によれば、簡略型推論法によるＳＯＣのシングルトンを求めることとなるので、計算が簡略化されて、計算処理時間の短縮が図られるとともに、プログラム開発時間の短縮が期待できる。
【００３２】
ここにいう充放電特性は電池電圧を縦軸に取りＳＯＣを横軸に取るいわゆるＳＯＣマップであってもよく、充電状態のマップと放電状態のマップと充放電低状態の３つのマップであってもよい。二次電池が充電状態にあるか放電状態にあるかによって暫定ＳＯＣ値を計算するマップを切り替えて、より適切なＳＯＣを求めることが可能となる。ここで求められたＳＯＣの値は最終的なＳＯＣ推定値でなく、計算処理の都合上暫定的に求めるものである。
【００３３】
（請求項７）
本発明にかかる二次電池充電状態推定方法において、前記暫定ＳＯＣ値の計算ステップが、前記電流値の線形補間により前記暫定ＳＯＣ値を計算してもよい。
【００３４】
この手順によれば、一般にＳＯＣ特性をもとめるときは、一定電流で充電するなり、一定電流で放電して、その時の経過時間、したがって電流の積分値から求めることとなる。このためＳＯＣマップは充電電流もしくは放電電流をパラメータにして表現されている。あらかじめ用意されたＳＯＣマップから、計測した電流値について線形補間を行うことによりＳＯＣマップを作成して、そのマップから暫定ＳＯＣを求める。
【００３５】
（請求項８）
本発明にかかる二次電池充電状態推定方法において、二次電池を構成する複数の電池モジュール毎に二次電池の充電状態を推定する二次電池充電状態推定ステップを備えており、前記二次電池が充電状態にあるときは前記二次電池充電状態推定ステップの最小値を選択し、前記二次電池が放電状態にあるときは前記二次電池充電状態推定ステップの最大値を選択する選択ステップが備えており、前記選択ステップの計算結果に遅れ演算を施す遅れ演算ステップを有してもよい。
【００３６】
この手順によれば、二次電池が複数の電池モジュールで構成される電池システムを構成する場合において、電池システムの充放電状態を推定することが可能となる。すなわち、電池モジュールが充電状態にあるときは、充放電状態を示す値（すなわちＳＯＣ推定値）のうち最小値を、電池システムのＳＯＣ推定値とし、放電状態にあるときはＳＯＣ推定値の最大値を、電池システムのＳＯＣ推定値とする。このようにすることにより、過充電もしくは過放電のおそれのある電池モジュールを早期に発見することが可能となる。
【００３７】
電池モジュールを構成する単位電池についてＳＯＣ推定値を計算して、充放電状態に応じて、最大もしくは最小のＳＯＣ推定値を選択可能とすれば、単位電池単位で電池システムの充放電状態が推定可能となる。
【００３８】
（請求項９）
前記目的を達成するために本発明に係る二次電池の充電状態推定装置は、二次電池を有する蓄電設備における前記二次電池の充電状態を推定する装置であって、前記二次電池の電流値を検出する電流センサと、前記二次電池の電圧値を検出する電圧センサと、前件部としての、前記電流値から電流グレードを計算する電流メンバーシップ計算部および、前記電圧値から電圧グレードを計算する電圧メンバーシップ計算部と、後件部としての、前記電流グレードおよび前記電流グレードからファジィ推論則によりＳＯＣメンバーシップを計算するＳＯＣメンバーシップ計算部とを備え、前記前件部の出力と前記後件部の出力を合成演算するファジィ推論演算部を設けている。
【００３９】
具体的に一例を挙げると、本発明に係る二次電池充電状態推定装置は、電流センサと電圧センサとコンピュータ並びに一連のデータ処理を行うソフトウエアよりなるコンピュータシステムにより構成される。
【００４０】
この構成によれば、電流メンバーシップ関数および電圧メンバーシップ関数は、例えば、コンピュータに接続された記憶装置に格納された制御データであってもよく、同様にファジィ推論則やＳＯＣメンバーシップ関数も記憶装置に格納された制御データであってもよい。制御データをプログラムに保持せず記憶装置に保管しておけばファジィ推論におけるチューニング時に便利である。
【００４１】
また、各計算部等はプログラムモジュールにより構成され、ＳＯＣ推定値は外部表示装置に表示出力される。
【００４２】
（請求項１０）
本発明にかかる二次電池充電状態推定装置において、前記前件部において前記電流グレードと前記電圧グレードの最も小さい値を選択する最小値選択回路を備えており、前記後件部において前記ＳＯＣメンバーシップ計算部が最大値選択回路を備えており、前記合成演算部が前記ＳＯＣメンバーシップの重心を算出する重心計算部を有していてもよい。
この構成によれば、最大値選択回路および最小値選択回路は電子回路で構成してもよいし、好ましくはプログラムモジュールで構成してもよい。
【００４３】
（請求項１１）
本発明にかかる二次電池充電状態推定装置において、前記ファジィ推論演算部の出力に遅れフィルタ演算部が接続されてもよい。
【００４４】
（請求項１２）
本発明にかかる二次電池充電状態推定装置において、後件部として、予め用意された複数の前記二次電池の前記充放電特性に基づき、前記電流値と前記電圧値から前記充放電特性毎に前記二次電池のＳＯＣを計算する暫定ＳＯＣ計算部と、前記暫定ＳＯＣ計算部の出力と前記電流グレード値または前記電圧グレード値とから単一の前記ＳＯＣメンバーシップを計算するＳＯＣ推定値計算部を有していてもよい。
【００４５】
この構成によれば、予め用意された充放電特性を表わすＳＯＣマップはコンピュータに接続された記憶装置にファイルとして格納されていてもよい。暫定ＳＯＣ値を計算するためのＳＯＣマップは、記憶装置にファイルとして保存されたＳＯＣマップから電流値について線形補間で求めたものであってよく、この場合線形補間で求めたＳＯＣマップはコンピュータ内の一時メモリであってもよい。
【００４６】
（請求項１３）
本発明にかかる二次電池充電状態推定装置において、前記二次電池が複数の電池モジュールで構成され、前記電池モジュール毎に設けた前記二次電池充電状態推定装置が最大値選択回路と最小値選択回路に接続され、前記二次電池が充電状態にあるときは最小値選択回路の値が選択され、前記二次電池が放電状態にあるときは最大値選択回路が選択され、前記選択回路の出力に遅れ演算部が接続されてもよい。
【発明の効果】
【００４７】
本発明は、以上に説明した手順を有し、専門家の知識データベースを反映したファジィ推論を行うことにより、信頼性の高いＳＯＣの推定を可能とし、これにより過充電過放電の防止が可能となり、これにより電池寿命の低下を防止できる。
加えて、正確なＳＯＣの推定を行うことにより、二次電池の充電状態を正確に把握して、適切なＳＯＣを保つことができ、電池の適切な運用を図ることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池の充電状態推定装置の概略を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電池モジュール計測部の概略を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電池モジュールを示す部分破断側面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る二次電池の充電状態推定方法をブロック図を用いて表したシステムブロック図である。
【図５】前件部で電流グレードを求めるメンバーシップ関数である。
【図６】前件部で電圧グレードを求めるメンバーシップ関数である。
【図７】ファジィ推論則を示す説明図である。
【図８】他の実施形態に係る後件部でＳＯＣを求めるメンバーシップ関数である。
【図９】電池電圧に対するＳＯＣを示す充放電特性図のうち充電マップを示す。
【図１０】電池電圧に対するＳＯＣを示す充放電特性図のうち放電マップを示す。
【図１１】本発明の一実施形態に係る充電状態推定方法をフローチャートで表したものである。
【図１２】本発明の一実施形態に係る充電状態推定方法に係る試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定
されるものではない。
【００５０】
図１に示すように、本実施形態に係る二次電池用充電状態推定装置1は二次電池に接続され、二次電池は複数の電池モジュールＢにより構成されているが、単一の電池モジュールで構成してもよい。電池モジュールと本発明に係る二次電池を区別するために、以降電池モジュールで構成される本発明に係る二次電池を電池システムＡと称する。
【００５１】
本実施形態では二次電池がニッケル水素電池からなるが、鉛蓄電池やリチウムイオン電池等他のタイプの二次電池であってもよい。電池モジュールは複数の単位電池を積層して構成されている。図３には、電池モジュールＢの主要部分であるモジュール本体２を部分的に破断して示している。
【００５２】
電池モジュールＢは、密閉式の角形電池である単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個積層した電池積層体３と、電池積層体３を積層方向Ｘに締め付け固定するための側面板３、圧縮板５とを主要な構成要素として備えている。
【００５３】
ここに、電池モジュールＢの電池積層体３は、図４に示すように、単位電池Ｃと放熱板６とを積層したものであって、単位電池Ｃは、隣接する単位電池Ｃの一方の面と、他方の面とが互いに対向する方向に積層されていて、それぞれの面が、単位電池Ｃの正極側端子および負極側端子を兼ねている。
【００５４】
単位電池Ｃの正極側端子と負極側端子にはそれぞれ配線（図示せず）が接続されていて、この図示しない配線を介して電圧計１３に接続されている。
【００５５】
電池モジュールＢの電力は、圧縮板５の前方および後方に配された電池端子７から外部に取り出し可能となっている。
【００５６】
図１において、複数の電池モジュールＢが直列に接続されて、その出力は図示しない負荷に接続されている。電池モジュールＢと負荷を接続する電力配線１１には電流センサ１２が取り付けられていて、電池システムＡから図示しない負荷に流れる電流値を計測可能にしている。直列接続される電池モジュールＢの数は、負荷側から要求される電圧仕様によって定まり、本実施形態においては１８直列することにより、定格１．２Ｖ×１０×１８＝２１６Ｖの電圧を負荷に供給する。
【００５７】
また、電池システムＡの負荷に接続される電力配線１１の途中には、電池システム全体の電圧を計測するためのシステム電圧センサ１０が取り付けられている。
【００５８】
これら電流センサ１２、システム電圧センサ１０は配線１２ａ、１０ａを介して推定演算処理装置２１に接続されていて、電池システムＡの電流値と電圧値が推定演算処理装置２１に内蔵された計測部２２において計測可能となっている。
【００５９】
一方、図１の電池モジュール部の詳細を示す図２において、電池モジュールＢに取り付けられた圧力センサ１５や温度センサ１４は、それぞれ配線１５ａ、１４ａを介してモジュール計測器１８に接続されていて、電池モジュールＢの圧力と温度が計測可能になっている。単位電池Ｃに取り付けられた電圧センサ１３は配線１３ａを介してモジュール計測器１８に接続されていて、単位電池Ｃの電圧がモジュール計測器１８で計測可能となっている。なお、電圧センサ１３は単位電池の数だけ用意されているので、本実施態様においては３０個の電圧センサ１３が１台の電池モジュールＢに取り付けられている。
【００６０】
各電池モジュールＢに付属するモジュール計測器１８は、通信回線１８ａを介して芋づる式に推定演算処理装置２１に内蔵された計測部２２の通信制御部２４に接続されていて、各モジュール計測器１８から送られてくる電池モジュールＢの圧力、温度と単位電池Ｃごとの電圧信号を受信して、計測部に送られてプロセスデータ（数値）に変換される。
【００６１】
本実施形態において、通信回線方式としてＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）を採用している。ＣＡＮはシリアル通信回線の一方式であるが、他の方式の通信回線であってもよいし、パラレル通信やプロセスインタフェースであってもよい。
【００６２】
計測部２２において計測されたプロセスデータは内部バス（図示せず）を経由して推定演算処理装置２１に内蔵された演算部２３に送られて、ここで電池モジュールＢ毎のＳＯＣの推定計算が実行される。
【００６３】
演算部２３は、計測部２２からのプロセスデータを受けてファジィ推論の前件部の処理を行う前件部処理部２５と、前件部処理部の計算結果とファジィ推論則からＳＯＣメンバーシップを計算する後件部処理部２６と、後件部処理部２６の計算結果からＳＯＣメンバーシップの重心を計算する合成演算部２７とを備えている。
【００６４】
更に、演算処理装置２１には、計測部２２からのプロセスデータ（電流値、電圧値）と基本特性データ格納部３０に格納されている各種ＳＯＣマップとから暫定的なＳＯＣを計算するＳＯＣ計算部２８を備えており、ＳＯＣ計算処理部で計算される暫定ＳＯＣ値は後件処理部２６に送られてＳＯＣメンバーシップの計算に使用される。
【００６５】
合成演算部２７で計算された電池モジュールＢ毎のＳＯＣの推定値は、推定結果表示器３１に、電池モジュールＢの識別番号とともに表示出力される。また、参考値として電池システムＡのＳＯＣの推定値が表示出力される。
【００６６】
本発明の実施形態に係る二次電池の充電状態推定方法を機能ブロック図に表した図４の機能ブロック図は、１のシステム構成図と対応がとれているが、必ずしも１対１に対応したものではない。
【００６７】
図４のファジィルール前件部４１において、電池電圧Ｅと電池電流Ｊとから前件部メンバーシップ計算が実行される。
【００６８】
電池電流Ｊは、電流センサ１２で計測された電流値を一定時間ごとにサンプリングした後、アンチエリアシングフィルタリング処理して得られた値である。単位電池Ｃの電圧を、電池モジュールＢの電圧と区別するためにセル電圧と称し、電池電圧Ｅは３０個のセル電圧を一定時間ごとにサンプリングした後、アンチエリアシングフィルタリング処理して得られた値を合計して３０で除した数値であり、単位電池（セル）電圧の平均値を表す。
【００６９】
このため、電池電流Ｊは１８台の電池モジュールＢに共通の値となるが、電池電圧Ｅは電池モジュール毎に異なった値を取り得る。なお、電流値はアンペアでなく電池の特性値であるＣの倍数で示してある。
【００７０】
図５および図６にそれぞれ電池電流Ｊとセル電圧Ｅのファジィ関数を示す。図５および図６ともに横軸にプロセスデータである電流Ｊとセル電圧Ｅが目盛られており、縦軸に電流グレードと電圧グレードとが０と１の間で正規化して目盛られている。
【００７１】
ファジィ関数の計算において、電池電流Ｊが−１と１の間にあるときは２つの電流グレードが、セル電圧Ｅが１．２１Ｖと１．３７Ｖの間にあるときは２つの電圧グレードがそれぞれ算出され、それ以外の範囲にあるときは１つの電流グレード又は電圧グレードが算出されることとなる。そして、電流グレードと電圧グレードの小さい方の値（最小値）が前件部のグレード値として採用される（Ｍｉｎ法）。この一連の計算処理を前件部メンバーシップ計算処理と称する。これらの処理は図１に示す推定演算処理装置２１に内蔵された演算部２３内の前件部処理部２５において計算処理される。
【００７２】
ファジィルール後件部４２のブロックは、ファジィルール前件部４１の処理結果と別途計算される暫定ＳＯＣ値とにファジィ推論則を適用してＳＯＣメンバーシップを算出する。このとき同一のＳＯＣで異なるグレードを有する場合は、最も大きなグレードをそのＳＯＣのグレードとする（Ｍａｘ法）。この一連の計算処理を後件部メンバーシップ計算処理と称し、図１に示す後件部処理部２６において計算処理される。
【００７３】
図７に本実施形態に係るファジィ推論則を一例として示す。
【００７４】
そして暫定ＳＯＣ値は、電池モジュールＢが充電状態にある場合は充電マップ５１を用いて、放電状態にある場合は放電マップ５２を用いて、電池電流Ｊがゼロかほとんどゼロの場合は充放電停止マップ５３を用いて、電池電流Ｊとセル電圧ＥからＳＯＣ計算ブロック５６、５７、５８で求められる。
【００７５】
図１０に充電マップと充放電停止マップの一例を、図９に放電マップの一例を、それぞれ縦軸にセル電圧Ｅ（Ｖ）をとり横軸にＳＯＣ（％）をとり、電池電流Ｊをパラメータに示す。これらのマップ５１，５２，５３は図１の基本特性データ格納部３０に格納されている。
【００７６】
充電マップ５１と放電マップ５２において、複数ある電流曲線から電池電流Ｊによる線形補間を行って求めた特性を使用して暫定ＳＯＣ値を計算する。
【００７７】
本実施形態において、後件部処理はいわゆる簡略型推論法によるシングルトンを計算することにより実行されている。したがって、ここで計算されるＳＯＣメンバーシップは単一の数値を持つシングルトンとなる。
【００７８】
ＳＯＣ推定ブロック４３は、ファジィルール後件部４２の処理を受けて、ＳＯＣメンバーシップの合成演算を行い、その結果をＳＯＣ推定値として出力する。本実施形態においては、好ましくは重心法により合成演算を実行している（重心法）。この処理は図１に示す合成演算部２７において計算処理される。メンバーシップがシングルトンである場合の重心は数式１により求められる。
【００７９】
【数１】
2011127973.tif 000003
ここに、ｙ１、ｙ２、・・ｙｎはシングルトン、ｈ１、ｈ２、・・ｈｎは横軸きざみ、ｙ０が求める重心である。
【００８０】
ＳＯＣ推定ブロック４３で計算されたＳＯＣ推定値は次段の遅れ処理ブロック４４で時間遅れ処理されてＳＯＣ推定結果として出力される。本実施形態において時間遅れ処理はＦＩＲフィルタによる一次時間遅れ処理されているが、これに限定するものではない。
以上一連のＳＯＣ推論処理は、電池モジュールＢ毎に実行されるので、１８台の電池モジュールＢ毎にその識別番号とともにＳＯＣ推定値が外部に表示出力される。
【００８１】
更に、電池システムＡが充電状態にある場合、１８台の電池モジュールＢのうちＳＯＣ推定値が最小となる電池モジュールＢの識別番号とそのＳＯＣ推定値が電池システムＡの推定値として、外部に表示出力される。また、電池システムＡが放電状態にある場合、ＳＯＣ推定値が最大となる電池モジュールＢの識別番号とそのＳＯＣ推定値が電池システムＡの推定値として、外部に表示出力される。
【００８２】
二次電池はその性質上、製品のバラツキを避けることが難しく、そのバラツキは製造段階で発見されず使用段階で発見されることがある。このような製品のバラツキにより、電池の充電状態は電池モジュール毎に異なったものとなることがある。蓄電設備のように電池システムとして二次電池を使用する場合、過充電もしくは過放電が最も進んだ電池モジ
ュールを検知することは、二次電池は過充電過放電により著しく損傷を受けて、電池寿命を縮めることとなる以上、重要なことであり、電池システムＡにおける、最大もしくは最小のＳＯＣ推定値を示す電池モジュールを検知することは意義があることである。
【００８３】
本実施形態に係る処理のフローチャートを図１１に示す。
【００８４】
本実施形態に係るＳＯＣ推定に関する試験結果を図１２に示す。図１２は縦軸にＳＯＣをパーセントで、横軸に時間（分：秒）を取り示してある。これは、ある電池モジュールについてＳＯＣが０％のときからの充電状態における試験結果であり、ＳＯＣ推定値を太線で示している。細線は従来方式の推定結果であり参考に示す。波線は電池電流を積算して求めたＳＯＣ計算値であり、製品初期における充電時には比較的正しい値を示すと言われている方法で計算したものである。
【００８５】
図８に他の実施形態に係る後件部のＳＯＣメンバーシップ関数を示す。ここに示す他の実施形態に係る後件部の計算処理においては、簡易型推論法の代わりに図８に示すメンバーシップ関数を用いて後件部の計算処理が行われる。この計算処理は図１の後件部処理部２６にて実行される。
【００８６】
前件部の計算において電流グレードと電圧グレードの最小値が前件部のグレード値として採用され（Ｍｉｎ法）、前件部の最小のグレード値に対応するＳＯＣメンバーシップ関数のうち最大値（Ｍａｘ法）が、後件部処理部２６の計算結果となる。
合成演算部２７においては、数式１の代わりに下記の数式２が用いられる。
【００８７】
【数２】
2011127973.tif 000004
ここに、ｙ０は求める重心であり、Ｍ（ｙ）は後件部処理部２６で求めたＳＯＣのメンバーシップ関数、ｙはＳＯＣに相当する。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明に係る二次電池の充放電状態推定方法は、二次電池を蓄電手段とする電力貯蔵供給装置に用いることができる。
【符号の説明】
【００８９】
A  電池システム
B  電池モジュール
C  単位電池
1  充電状態推定装置
2  モジュール本体
3  電池積層体
4  側面板
5  圧縮板
6  放熱板
7  電池端子
10  システム電圧センサ
11  電力配線
12  電流センサ
13  電圧センサ
14  温度センサ
15  圧力センサ
18  モジュール計測器
21  推定演算処理装置
22  計測部
23  演算部
24  通信制御部
25  前件部処理部
26  後件部処理部
27  合成演算部
28  ＳＯＣ計算部
30  基本特性データ格納部
31  推定結果表示器
41  ファジィルール前件部ブロック
42  ファジィルール後件部ブロック
43  ＳＯＣ推定ブロック
44  時間遅れ処理ブロック
45  ＳＯＣ推定値ブロック
51  充電マップ
52  放電マップ
53  充放電停止マップ
56、57、58  ＳＯＣ計算ブロック
【図１】
2011127973.tif 000005
【図２】
2011127973.tif 000006
【図３】
2011127973.tif 000007
【図４】
2011127973.tif 000008
【図５】
2011127973.tif 000009
【図６】
2011127973.tif 000010
【図７】
2011127973.tif 000011
【図８】
2011127973.tif 000012
【図１１】
2011127973.tif 000013
【図１２】
2011127973.tif 000014
【図９】
2011127973.tif 000015
【図１０】
2011127973.tif 000016