(57)【要約】  二次電池の充電状態を精度良く推定することのできる二次電池の充電状態推定装置及び充電状態推定方法を提供する。二次電池を構成する電池セル１の状態量の測定データに基づいて、二次電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定部８と、少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性情報が記憶された電池特性情報記憶部１０と、電池特性情報記憶部１０の電池特性テーブルから、ＳＯＨ推定部８で推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求め、当該内部状態パラメータに基づいて二次電池の充電率を算出するＳＯＣ推定部１１と、を備える。
2016059869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池を構成する電池セルの状態量の測定データに基づいて、二次電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定部と、
少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性情報が記憶された記憶部と、
前記記憶部の電池特性情報から、前記ＳＯＨ推定部で推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求め、当該内部状態パラメータに基づいて二次電池の充電率を算出するＳＯＣ推定部と、
を備えたことを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項２】
前記ＳＯＣ推定部は、前記記憶部の異なる劣化状態に対する内部状態パラメータに基づき内挿又は外挿により、前記ＳＯＨ推定部で推定した劣化状態に対応する内部状態パラメータを算出すること、
を特徴とする請求項１記載の二次電池の充電状態推定装置。
【請求項３】
二次電池を構成する各電池セルの端子間電圧を測定する電圧測定部と、
電流経路に挿入され、前記電池セルへの充放電電流を測定する電流測定部と、
を備え、
前記ＳＯＨ推定部は、前記電圧測定部及び前記電流測定部からの各測定値に基づいて二次電池の内部抵抗を算出し、当該内部抵抗に基づき二次電池の劣化状態を推定すること、
を特徴とする請求項１又は２記載の二次電池の充電状態推定装置。
【請求項４】
前記ＳＯＨ推定部は、前記二次電池が無電流状態にある場合には、定電流パルス法により前記内部抵抗を算出すること、
を特徴とする請求項３記載の二次電池の充電状態推定装置。
【請求項５】
前記ＳＯＨ推定部は、前記電圧測定部及び前記電流測定部により測定された電圧の計測波形及び電流の計測波形からウェーブレット変換により前記内部抵抗を算出すること、
を特徴とする請求項３記載の二次電池の充電状態推定装置。
【請求項６】
前記電池セルの温度を測定する温度測定部を備え、
前記ＳＯＨ推定部は、前記温度測定部で測定された温度での前記内部抵抗を基準温度の内部抵抗に換算すること、
を特徴する請求項３〜５の何れかに記載の二次電池の充電状態推定装置。
【請求項７】
前記ＳＯＨ推定部は、算出した内部抵抗に基づき、初期の内部抵抗に対する内部抵抗の比率と、初期の電池容量に対する電池容量の維持率との相関から、二次電池の劣化状態を推定すること、
を特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の二次電池の充電状態推定装置。
【請求項８】
二次電池を構成する電池セルの状態量の測定データに基づいて、二次電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定ステップと、
少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性情報から、前記ＳＯＨ推定ステップで推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求め、当該内部状態パラメータに基づいて二次電池の充電率を算出するＳＯＣ推定ステップと、
を備えたことを特徴とする二次電池の充電状態推定方法。
【請求項９】
前記ＳＯＣ推定ステップは、異なる劣化状態に対する内部状態パラメータに基づき内挿又は外挿により、前記ＳＯＨ推定ステップで推定した劣化状態に対応する内部状態パラメータを算出すること、
を特徴とする請求項８記載の二次電池の充電状態推定方法。
【請求項１０】
二次電池を構成する各電池セルの端子間電圧を測定する電圧測定ステップと、
電流経路に挿入され、前記電池セルへの充放電電流を測定する電流測定ステップと、
を備え、
前記ＳＯＨ推定ステップは、前記電圧測定ステップ及び前記電流測定ステップからの各測定値に基づいて二次電池の内部抵抗を算出し、当該内部抵抗に基づき二次電池の劣化状態を推定すること、
を特徴とする請求項８又は９記載の二次電池の充電状態推定方法。
【請求項１１】
前記ＳＯＨ推定ステップは、前記二次電池が無電流状態にある場合には、定電流パルス法により前記内部抵抗を算出すること、
を特徴とする請求項１０記載の二次電池の充電状態推定方法。
【請求項１２】
前記ＳＯＨ推定ステップは、前記電圧測定ステップ及び前記電流測定ステップにより測定された電圧の計測波形及び電流の計測波形からウェーブレット変換により前記内部抵抗を算出すること、
を特徴とする請求項１０記載の二次電池の充電状態推定方法。
【請求項１３】
前記電池セルの温度を測定する温度測定ステップを備え、
前記ＳＯＨ推定ステップは、前記温度測定ステップで測定された温度での前記内部抵抗を基準温度の内部抵抗に換算すること、
を特徴する請求項１０〜１２の何れかに記載の二次電池の充電状態推定方法。
【請求項１４】
前記ＳＯＨ推定ステップは、算出した内部抵抗に基づき、初期の内部抵抗に対する内部抵抗の比率と、初期の電池容量に対する電池容量の維持率との相関から、二次電池の劣化状態を推定すること、
を特徴とする請求項１０〜１３の何れかに記載の二次電池の充電状態推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力系統等につながる電力貯蔵用二次電池システム等において、二次電池の充電状態推定装置及びその充電状態推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車のバッテリとしてや、定置型の電力貯蔵用二次電池システムに用いられている。二次電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）は充電率で表され、二次電池を放電終止電圧（完放電）まで放電した状態をＳＯＣ  ０％と定義し、逆に充電終止電圧（満充電）まで充電した状態をＳＯＣ  １００％と定義する。換言すると、充電率は、電池容量に対する現在の充電量の割合ということができる。【０００３】
二次電池の充電率は、二次電池の充放電可能容量を推定するために重要であり、車載用二次電池の場合は航続可能距離の算出に大きな影響を与える。また、定置型二次電池システムでは、充電率の推定値において誤差が生じると、充放電が予期せず停止したり、二次電池を効率的に利用できなかったりする等の問題が発生する。【０００４】
二次電池の充電率を算出する方法としては様々な方法が提案されている。例えば、電流積算方法がある。この方法は、二次電池の充放電電流を電流センサーで計測し、その電流値を積算することで二次電池の充電率を算出する方法である。しかし、この電流積算方法では、電流センサーの計測誤差が蓄積し、充電率の測定値に大きな誤差が生じてしまう。【０００５】
そのため、電流積算法で求めた充電率に対して、無電流時の開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ  Ｃｕｉｒｃｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）から充電率を補正する方法がある。この方法は、電池の各充電率（例えば、ＳＯＣ１０％毎等）での開放電圧を予め測定し、電池特性を取得しておく。充電中は電流積算法で充電率を測定し、充放電が行われない無電流時に電池セルの開放電圧を測定し、予め取得した上記の電池特性（ＯＣＶ−ＳＯＣ特性）から電池の充電率を補正するものである。【０００６】
その他、二次電池の等価回路モデルでシミュレーションし、充放電電流と電池温度から二次電池の閉路電圧（ＣＣＶ：Ｃｌｏｓｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を推定し、計測された電池電圧からカルマン・フィルタを用いて充電率を補正する方法がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｌ．  Ｐｌｅｔｔ，“Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｋａｌｍａｎ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ｆｏｒ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｍａｎｅｇｅｍｅｎｔ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｏｆ  ＬｉＰＢ−ｂａｓｅｄ  ＨＥＶ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｐａｃｋｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １３４（２００４）２７７−２９２．
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第５２９２３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の通り、二次電池の使用をする上で、二次電池の充電率を正確に推定することは重要である。二次電池の充電率を算出する方法としては様々な方法が提案されているが、中でも電池特性を用いて充電率を推定する方法では、電池の劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ）を考慮する必要がある。ところが、従来の電池特性を用いて充電率を推定する方法は、電池の劣化を考慮したものではなく、初期の電池特性のみを用いて充電率を算出していたため、推定誤差が拡大するという問題が生じていた。【００１０】
本実施形態に係る二次電池の充電状態推定装置及び充電状態推定方法は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、二次電池の充電状態を精度良く推定することのできる二次電池の充電状態推定装置及び充電状態推定方法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】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本実施形態の二次電池の充電状態推定装置は、二次電池を構成する電池セルの状態量の測定データに基づいて、二次電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定部と、少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性情報が記憶された記憶部と、前記記憶部の電池特性情報から、前記ＳＯＨ推定部で推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求め、当該内部状態パラメータに基づいて二次電池の充電率を算出するＳＯＣ推定部と、を備えたことを特徴とする。【００１２】
また、本実施形態の二次電池の充電状態推定方法は、二次電池を構成する電池セルの状態量の測定データに基づいて、二次電池の劣化の指標を定量的に算出し、二次電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定ステップと、少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性情報から、前記ＳＯＨ推定ステップで推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求め、当該内部状態パラメータに基づいて二次電池の充電率を算出するＳＯＣ推定ステップと、を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】二次電池の等価回路モデルを示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る二次電池の充電状態推定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図３】定電流パルス法を用いた内部抵抗算出を説明するための図である。
【図４】内部抵抗比率と電池容量維持率との相関を示す図である。
【図５】電池特性情報記憶部に記憶されているＯＣＶ−ＳＯＣ特性テーブルを示す図である。
【図６】電池特性情報記憶部に記憶されている反応抵抗特性テーブルを示す図である。
【図７】ＳＯＣ推定部の詳細ブロック図である。
【図８】第１の実施形態に係る二次電池の充電状態推定装置の動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［１．第１の実施形態］
以下では、図１〜図８を参照しつつ、本実施形態の二次電池の充電状態推定装置について説明する。まず、本実施形態を概略的に説明し、次いで、その構成について詳細に説明する。
【００１５】
［１−１．概略］
本実施形態の二次電池の充電状態推定装置は、二次電池の充電率を常に精度良く推定するものである。そのために、まず、二次電池の劣化状態（ＳＯＨ）を推定し、次に、予め用意しておいた、少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値との関係を示す電池特性テーブルから、推定した劣化状態に応じた二次電池の内部状態パラメータを求め、当該パラメータを用いて等価回路モデル及びカルマン・フィルタ方式により充電率（ＳＯＣ）の推定を行う。
【００１６】
二次電池の劣化とは、時間経過若しくは充放電の繰り返し、又はその両方に伴う電池性能の低下をいう。二次電池の劣化状態は、例えば、初期の電池性能に対する現在の電池性能に基づき表され、電池性能としては、例えば、電池容量、内部抵抗、定電流入流に対する充電時間などが挙げられる。
【００１７】
本実施形態では、二次電池の劣化状態の推定は、二次電池の劣化を示す指標を定量的に算出することにより行う。二次電池の劣化を示す指標とは、電池容量、内部抵抗、定電流注入に対する充電時間、又は少なくともこれらの何れかを加味したものとすることができる。本実施形態では、二次電池の劣化を示す指標として、内部抵抗に着目する。
【００１８】
充電率の推定には、二次電池の等価回路モデルを用いる。図１は、二次電池を等価回路で表したモデルであり、起電力（開放電圧（ＯＣＶ））、反応抵抗Ｒａ、及び、互いに並列接続された拡散抵抗Ｒｂ及びキャパシタ成分Ｃが、それぞれ直列接続されて表される。反応抵抗Ｒａは、電流パルス印加直後に瞬時に上昇する抵抗成分であり、電池内部のセパレータ部分でのイオン電導抵抗、正極／負極の電荷移動抵抗である。拡散抵抗Ｒｂは、電流印加中に緩やかに増加する抵抗成分であり、正負極活物質粒子内部でのイオンの拡散遅れによる抵抗成分である。
【００１９】
等価回路モデルで示した起電力（開放電圧（ＯＣＶ））、反応抵抗Ｒａ、及び拡散抵抗Ｒｂは、二次電池の内部状態を示すパラメータであり、電池の劣化状態によって変化するものである。従って、電池の劣化状態を考慮せず初期状態におけるパラメータを用いて等価回路モデルで充電率の推定を行うと推定誤差が拡大してしまう。そこで、本実施形態では、現在の電池の劣化状態を推定し、その推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求める。そして、現在の劣化状態に応じた内部状態パラメータを用いて、二次電池を構成する電池セルの端子間電圧（以下、電池電圧という）を推定し、推定した電池電圧と測定した電池電圧の差にカルマンゲインを掛けて、充電率を補正するカルマン・フィルタ方式により充電率の推定を行う。
【００２０】
［１−２．詳細構成］
本実施形態の二次電池の充電状態推定装置の全体構成を説明する。図２は、その全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態の充電状態推定装置は、二次電池を構成する電池セル１の状態量を測定するための測定部３〜５を備えている。
【００２１】
具体的には、充電状態推定対象となる、直列或いは並列に接続された複数の電池セル１からなる組電池２に対して、各電池セル１の端子間電圧を測定する電圧測定部３が接続されている。電圧測定部３は、電圧計測センサを含み構成され、電圧計測センサにより、電池セル１の正極端子と負極端子間の端子間電圧（電池電圧）が測定される。
【００２２】
また、組電池２の電流経路には、電池セル１への充放電電流を測定する電流測定部４が挿入されている。電流測定部４は、電池セル１への充電電流又は電池セル１の放電電流を測定する電流計測センサを含み構成される。さらに、組電池２の近傍には、電池セル１の温度を測定する温度測定部５が設けられている。温度測定部５は、温度計測センサを含み構成される。なお、温度計測センサは組電池２の温度を計測しても良く、電池セル１の温度には、単に電池セル１の温度をいう他、組電池２の温度も含まれる。なお、電池セル１又は組電池２の温度を電池温度ともいう場合がある。
【００２３】
これらの測定部３〜５には、組電池２を監視制御する監視制御ユニット６が接続されている。監視制御ユニット６は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータを含み構成され、プログラムをＨＤＤやＳＳＤ等に記憶して、ＲＡＭに適宜展開し、ＣＰＵで処理することにより、ＳＯＨの推定、ＳＯＣの推定等を行う。
【００２４】
具体的には、監視制御ユニット６は、測定部３〜５からの測定データの取得を制御する電池状態取得部７と、各測定データに基づいて電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定部８と、電池状態を記憶する電池状態記憶部９と、各内部状態パラメータの特性テーブルを有する電池特性情報記憶部１０と、推定されたＳＯＨに応じて充電率（ＳＯＣ）を推定するＳＯＣ推定部１１と、を備える。また、監視制御ユニット６には、外部との通信を行うための通信インターフェイス部１２が接続されている。
【００２５】
電池状態取得部７は、例えばインターフェイス及びドライバを含み構成され、インターフェイスを介して測定部３〜５と接続されており、ドライバに従って測定部３〜５の測定データを所定の時間間隔或いはタイミングで取得する。また、電池状態取得部７は、取得した測定データをＳＯＨ推定部８及び電池状態記憶部９に出力する。
【００２６】
ＳＯＨ推定部８は、ＣＰＵ及びプログラムを含み構成され、所定の時間間隔或いはタイミングで得られた測定データを基にして、二次電池の劣化の指標を定量的に算出することで二次電池の劣化状態を推定する。本実施形態では、まず、所定の時間間隔或いはタイミングで得られた電池状態取得部７の電流Ｉ、電池電圧Ｖを入力として、組電池２の内部抵抗値Ｒを算出する。すなわち、二次電池の内部抵抗値は、電池の経年劣化や充放電サイクルに伴って増加するため、算出された現在の内部抵抗値Ｒを初期状態の内部抵抗値ＲＢＯＬで除した内部抵抗値の比率（Ｒ／ＲＢＯＬ）を電池劣化の指標として捉え、電池の劣化状態（ＳＯＨ）を推定する。
【００２７】
内部抵抗値を求める方法は、いくつかあるが、ここでは二つの方法について説明する。一つは、交流インピーダンス法であり、もう一つは、定電流パルス法である。交流インピーダンス法は、電池をポテンショスタットに接続し、正弦波の電圧を印加することで、電流出力の交流成分を取り出す方法である。正弦波の周波数を変えることで電池材料毎の抵抗成分を解析することができる。但し、専用の測定装置を用いることが望ましい。
【００２８】
定電流パルス法は、特別な装置を用いなくても良い。この方法は、図３に示すように、電池にパルス状の一定電流を印加し、その時の電池電圧を測定することで、オームの法則から内部抵抗値を算出するものである。例えば、蓄電池を太陽光発電の変動抑制に利用する場合、蓄電池は夜間待機状態となる。すなわち、待機中は無電流状態となる。待機中の蓄電池システムに対して、定電流パルスの充放電指令を与え、印加した一定電流と、測定した電池電圧とから内部抵抗値を得る。なお、電池に定電流パルスを印加し、定電流パルス印加時の立ち上りの電圧変化や、印加中に緩やかに増加する電圧変化などから内部抵抗値を求めても良い。
【００２９】
定電流パルス法は、電池の内部抵抗値が印加電流に依存しないことを前提としている。定電流パルスの印加時間は評価方法に依存するが、例えば電気自動車用バッテリでは電池出力が重要な特性の一つであるため、電流パルス印加後１０秒目の電圧が用いられている。
【００３０】
電池の内部抵抗値は、電池温度や充電率（ＳＯＣ）によって変化する。そのため、定電流パルス印加時の電池状態（電池温度及びＳＯＣ）を同一条件に合わせて算出する。しかし、電池温度は周囲環境温度の影響を受けるため、同一温度条件での算出は困難な場合がある。そこで、温度補正を用いて基準温度での内部抵抗値に換算しても良い。
【００３１】
内部抵抗値の温度補正は、温度補正係数Ｋｔにより補正する。すなわち、基準温度（例えば電池温度２５℃）における内部抵抗値に対する各電池温度における内部抵抗値の比率を予め求めておく。この比率が温度補正係数Ｋｔであり、電池温度に依存する。そして、電池温度ＴＡが測定された時の電池電圧により算出された内部抵抗値に対し、温度補正係数Ｋｔ（ＴＡ）を乗ずることによって、基準温度における内部抵抗値に換算する。なお、内部抵抗値算出の際に充電率（ＳＯＣ）を同一条件に揃えるためには、ＳＯＣ推定部１１から得られたフィードバックされた推定値から基準となるＳＯＣにおける内部抵抗値に換算する。
【００３２】
上記のように温度補正した複数の内部抵抗値を平均化処理しても良い。この場合、このための処理をする平均化処理部（不図示）を監視制御ユニット６に別途設けても良いし、ＳＯＨ推定部８内部に別途設けても良い。ＳＯＨ推定部８内部に設ける場合、例えば、ＳＯＨ推定部８のプログラムに平均化処理するためのプログラムを含め、ＣＰＵにより処理することにより構成することができる。ここでは、平均化処理部は一例としてＳＯＨ推定部８内部に設けられているものとする。平均化処理としては、１〜３週間単位等の所定期間で得られた複数の内部抵抗値の平均を求めても良いし、移動平均などにより求めても良く、その他公知の平均化方法を用いても良い。
【００３３】
次に、ＳＯＨ推定部８は、初期（ＢＯＬ：Ｂｅｇｉｎ  ＯＦ  Ｌｉｆｅ）の内部抵抗値ＲＢＯＬを基準とした各測定時点における内部抵抗値Ｒの比率（Ｒ／ＲＢＯＬ）を算出し、当該内部抵抗比率と電池容量維持率との相関から、電池の劣化状態（ＳＯＨ）を推定する。
【００３４】
すなわち、二次電池のＳＯＨの推定方法としては、初期の電池容量ＣａｐＢＯＬ（Ａｈ）に対する各測定時点での電池容量Ｃａｐ（Ａｈ）の電池容量比率（Ｃａｐ／ＣａｐＢＯＬ）を電池劣化の指標とし、式（１）により求める方法があるが、二次電池は、その正極及び負極表面の被膜生成等を要因として劣化するとともに内部抵抗値が上昇し、さらに内部抵抗値の上昇とともに電池容量が低下していく。
【数１】
2016059869.tif 000003
【００３５】
そこで、本実施形態では、算出した内部抵抗比率（Ｒ／ＲＢＯＬ）から、図４に示すような内部抵抗比率と電池容量維持率との相関に基づいて劣化状態（ＳＯＨ）を推定する。初期の内部抵抗値ＲＢＯＬ及び測定時の内部抵抗値Ｒは同条件で統一し例えば基準温度２５℃、ＳＯＣ５０％とする。電池容量維持率とは、初期の電池容量ＣａｐＢＯＬ（Ａｈ）に対する現在の電池容量Ｃａｐ（Ａｈ）の割合（％）であり、上記式（１）と同義である。
【００３６】
例えば、図４のように、内部抵抗比率と電池容量維持率のデータ点を予め測定する等して複数用意しておき、算出した内部抵抗比率と同一又は最も近いデータ点から電池容量維持率（すなわちＳＯＨ）を推定する。
【００３７】
或いは、内部抵抗比率と電池容量維持率のデータ点を統計処理等により導いた内部抵抗比率と電離容量維持率との関係式から、算出した内部抵抗比率から劣化状態（ＳＯＨ）を推定する。例えば、下記の式（２）からＳＯＨを求めることができる。α、βは例えば最小二乗法で求められる係数である。
【数２】
2016059869.tif 000004
【００３８】
なお、内部抵抗比率と電池容量維持率との相関関係は、ＳＯＨ推定部８が予め保持していても良いし、電池状態記憶部９など他の構成要素に記憶させておき、取得できるようにしても良い。また、内部抵抗比率と電池容量維持率の関係式は、データ点を追加して、所定間隔で更新するようにしても良い。
【００３９】
また、ＳＯＨ推定部８は、後述するように充電率（ＳＯＣ）の推定のため、推定した現在のＳＯＨ値及び式（１）から現在の電池容量Ｃａｐを算出する。内部抵抗の算出に誤差が含まれる場合には電池容量にも誤差が含まれてしまうため、ＳＯＨの推移を長期的に観測し現在の電池容量を求めるようにしても良い。すなわち、１〜数週間単位や月単位での移動平均を求めるようにしても良い。
【００４０】
ＳＯＨ推定部８は、電池状態記憶部９及びＳＯＣ推定部１１と接続されており、上記のように得られたＳＯＨを電池状態記憶部９及びＳＯＣ推定部１１に出力する。
【００４１】
電池状態記憶部９は、例えばＨＤＤやＳＳＤ等の記録媒体を含み構成され、電池状態取得部７から入力された測定データと、ＳＯＨ推定部８及びＳＯＣ推定部１１で推定されたＳＯＨ及びＳＯＣの値を逐次記憶する。また、電池状態記憶部９には、ＳＯＨ推定部８で用いる初期の電池容量ＣａｐＢＯＬ、及び初期の内部抵抗値ＲＢＯＬ、並びにＳＯＨ推定部１１で用いる初期の充電率が予め記憶されている。電池状態記憶部９は、ＳＯＨ推定部８及びＳＯＣ推定部１１に対して記憶された電池状態を示すデータを出力する。
【００４２】
電池特性情報記憶部１０は、例えばＨＤＤやＳＳＤ等の記録媒体を含み構成される。電池特性情報記憶部１０には、少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性情報が記憶されている。電池特性情報は、例えば、劣化状態、電池温度、及びＳＯＣに対応付けられた内部状態パラメータの値を有する電池特性テーブル又は劣化状態、電池温度、及びＳＯＣの３変数に対して内部状態パラメータの値を与える関数であり、二次電池の内部状態パラメータの種類毎にそれぞれ記憶されている。本実施形態では、電気特性テーブルが記憶されており、これを例により具体的に説明する。
【００４３】
電池特性テーブルは、例えば図５及び６に示すように、電池温度及びＳＯＣ毎に対応する内部状態パラメータの値を有する。電池特性テーブルの種類としては、例えば、起電力（開放電圧ＯＣＶ）、反応抵抗Ｒａ、及び拡散抵抗Ｒｂの特性テーブルが挙げられる。
【００４４】
また、各種類の電池特性テーブルは、異なる劣化状態毎に存在する。例えば、図５、６に示すＯＣＶ−ＳＯＣ特性テーブル及び反応抵抗Ｒａ特性テーブルでは、初期（ＢＯＬ）のＳＯＨ＝１００％のテーブルと、終期（ＥＯＬ）のＳＯＨ＝７０％のテーブルが記憶されている。これに限定されず、ＳＯＨが初期のテーブルと終期のテーブルの間を埋める中期（例えば７０％＜ＳＯＨ＜１００％）のテーブルが複数備えられていても良い。
【００４５】
ＳＯＣ推定部１１は、ＣＰＵ及びプログラムを含み構成され、現在の劣化状態に基づいて現在の内部状態パラメータを求め、等価回路モデルにより、電池電圧及び充電率（ＳＯＣ）を推定する。そのための構成としては、ＳＯＣ推定部１１は、図７に示すように、内部状態パラメータ特定部１１ａ、電池電圧シミュレータ１１ｂ、及びカルマン・フィルタ１１ｃを有する。
【００４６】
内部状態パラメータ特定部１１ａは、電池特性情報記憶部１０から、電池電圧シミュレータ１１ｂで用いられる、ＳＯＨ推定部８で推定された現在の劣化状態に対応する現在の内部状態パラメータを求める。
【００４７】
その方法としては、例えば、入力された測定データ及びＳＯＨ推定部８で推定された現在の劣化状態に基づき、対応する劣化状態の電池特性テーブルから内部状態パラメータを取得する。また、各内部状態パラメータの劣化状態の異なる二以上の特性テーブルから、内挿（補間）又は外挿（補外）により対応する劣化状態の内部状態パラメータを算出するようにしても良い。すなわち、既知の劣化状態の異なる二以上の特性テーブルから、その範囲内又は範囲外で予想される現在の劣化状態に対応する内部状態パラメータ値を求めるようにしても良い。例えば、反応抵抗Ｒａは、二次電池のＢＯＬ時に比べてＥＯＬ時の値が数倍に増加する。そこで、例えば、ＢＯＬ時の反応抵抗Ｒａ特性テーブルとＥＯＬ時の反応抵抗Ｒａ特性テーブルとが記憶されている場合に、線形補間により、現在の劣化状態に対応する内部状態パラメータを算出する。このように、内挿や外挿は、測定等により予め判明している内部状態パラメータと劣化状態の相関或いはその相関から導かれる関係式に基づいて行うと、現在の内部状態パラメータの推定を正確に行うことができる。
【００４８】
内部状態パラメータ特定部１１ａは、現在の内部状態パラメータを求めると、当該パラメータを電池電圧シミュレータ１１ｂに出力する。このように、内部状態パラメータ特定部１１ａにより、内部状態パラメータが、過去の劣化状態に対応したものから現在の劣化状態に対応したものに更新できる。
【００４９】
電池電圧シミュレータ１１ｂは、求めた内部状態パラメータ並びに電流値、電池温度、及び電池電圧の測定データを入力として、電池電圧を推定する。ここで、時刻ｔにおける電池の内部状態をｘｔ、システムノイズをｗｔ、次の観測時点ｔ＋１における入力データｕｔ＋１とし、観測時点ｔの電池の内部状態ｘｔから観測時点ｔ＋１のｘｔ＋１を求める関数をｆとすると、観測時点ｔ＋１における電池の内部状態ｘｔ＋１は、下記の式（３）の方程式で表される。つまり、観測時点ｔ＋１の入力データｕｔ＋１、その前の観測時点ｔの電池の内部状態ｘｔから、次の観測時点ｔ＋１での電池の内部状態を求めるための関数ｆ及びシステムノイズｗｔに基づいて、観測時点ｔ＋１における電池の内部状態を求める。
【数３】
2016059869.tif 000005
【００５０】
図１に示す等価回路モデルを離散化すると、下記の式（４）のような状態方程式で表すことができる。
【数４】
2016059869.tif 000006
ＳＯＣｔ      ：時刻ｔにおける電池の充電率
Δｔ          ：サンプリング周期時間
Ｉｔ          ：時刻ｔにおける電池の充放電電流
Ｃａｐ        ：電池容量（Ａｈ）
ｗ１ｔ、ｗ２ｔ  ：時刻ｔにおけるシステムノイズ
Ｖｔ＋１        ：時刻ｔ＋１における電池電圧（閉路電圧）
ＯＣＶ        ：開放電圧
Ｒａ          ：反応抵抗
Ｒｂ          ：拡散抵抗
Ｃ            ：キャパシタ成分
ω            ：周波数
【００５１】
なお、ＯＣＶ、Ｒａ、Ｒｂは、時刻ｔにおける充電率、劣化状態、及び電池温度（ＳＯＣｔ、ＳＯＨｔ、Ｔｔ）によって変化する関数である。キャパシタ成分Ｃは本実施形態では劣化状態に依存しないので一定値を用いるが、劣化に伴い変化する場合は電池特性情報記憶部１０に劣化状態に応じた値を有するデータを記憶させておき、劣化状態に応じた値を求め、ＳＯＣを算出しても良い。
【００５２】
電池容量Ｃａｐは、劣化状態に応じて変化するものであるので、ＳＯＨ推定部８で推定した現在の電池容量や所定期間のサンプルの電池容量平均値を用いる。これによりＳＯＣの推定精度を向上させることができる。システムノイズｗ１ｔ、ｗ２ｔは、例えば、測定器３〜５の計測ノイズである。
【００５３】
電池電圧シミュレータ１１ｂは、各測定データと現在の内部状態パラメータの入力を受けて、式（４）の下式によって電池電圧を推定し、カルマン・フィルタ１１ｃに出力する。カルマン・フィルタ１１ｃは、カルマン・フィルタを用いた状態推定方式により、時刻ｔにおける推定値を時刻ｔ＋１における最新の測定データを用いて更新する。すなわち、カルマンゲインをＫ、予測誤差ｗｔとすると、時刻ｔ＋１における推定値は、下記の式（５）で表される。
【数５】
2016059869.tif 000007
【００５４】
具体的には、時刻ｔ＋１時点で測定した電池電圧をＶｍｅｓ（ｔ＋１）、式（４）で算出（推定）した電池電圧をＶｅｓｔ（ｔ＋１）とすると、これらの差ｗをフィードバックし、時刻ｔ＋１におけるＳＯＣ推定値は下記の式（６）で求められる。
【数６】
2016059869.tif 000008
【００５５】
なお、カルマンゲインＫは、ＳＯＣ推定部１１に保持されていても良いし、電池状態記憶部９に予め記憶されていても良い。また、カルマンゲインＫは固定値としても良いし、逐一算出するようにしても良い。なお、カルマン・フィルタ１１ｃは初期の充電率（ＳＯＣ）を電池状態記憶部９から取得する。
【００５６】
ＳＯＣ推定部１１は、上記のように求めたＳＯＣの推定値を電池状態記憶部９及び通信インターフェイス部１２に出力する。通信インターフェイス部１２は、ＳＯＣ推定値を上位装置（ＥＭＳエネルギーマネジメントシステムや、蓄電池全体を統括する制御システム等）に入力するための媒体である。
【００５７】
（作用）
本実施形態の二次電池の充電状態推定装置の動作を説明する。図８は、本実施形態の二次電池充電状態推定装置の動作フローチャートである。
【００５８】
まず、電池セル１或いは組電池２に対し、測定部３〜５により充放電電流、電池電圧、電池温度を測定し、測定部３〜５から電池状態取得部７が所定のタイミングで各測定データを取得する（ステップＳ０１）。次に、電池状態取得部７は、取得した各測定データをＳＯＨ推定部８及び電池状態記憶部９に出力する（ステップＳ０２）。ＳＯＨ推定部８は、各測定データを基に、内部抵抗値を算出し（ステップＳ０３）、温度補正を行う（ステップＳ０４）。
【００５９】
ここで、所定期間内で複数（例えば、５つ）の内部抵抗値が得られていない場合は（ステップＳ０５のＮＯ）、ステップＳ０１に戻る。一方、所定期間内で複数（例えば、５つ）の内部抵抗値が得られたら（ステップＳ０５のＹＥＳ）、ＳＯＨ推定部８内部の平均化処理部により平均化し（ステップＳ０６）、ＳＯＨ推定部８がＳＯＨ値の推定を行い、当該推定値をＳＯＣ推定部１１に出力する（ステップＳ０７）。
【００６０】
ＳＯＣ推定部１１の内部状態パラメータ特定部１１ａは、電池状態記憶部９からの各測定データ及びＳＯＨ推定部８からのＳＯＨの入力を受けて、その各測定データ、現在のＳＯＨ、電池特性情報記憶部１０の電池特性テーブルに基づき、現在の内部状態パラメータ（反応抵抗Ｒａ、拡散抵抗Ｒｂ、開放電圧ＯＣＶ）を決定する（ステップＳ０８）。この決定された現在の内部状態パラメータは電池電圧シミュレータ１１ｂに出力される。
【００６１】
電池電圧シミュレータ１１ｂは、現在の内部状態パラメータ及び等価回路モデルに基づいて、電池電圧Ｖｅｓｔを推定する（ステップＳ０９）。さらに、この推定値Ｖｅｓｔをカルマン・フィルタ１１ｃに出力する。カルマン・フィルタ１１ｃは、入力された推定値Ｖｅｓｔと測定値Ｖｍｅｓの推定誤差にカルマンゲインＫを掛けて、式（６）に基づき、ＳＯＣを推定する（ステップＳ１０）。
【００６２】
（効果）
（１）本実施形態の二次電池の充電状態推定装置は、二次電池を構成する電池セル１の状態量の測定データに基づいて、二次電池の劣化の指標を定量的に算出することで二次電池の劣化状態を推定するＳＯＨ推定部８と、少なくとも劣化状態と二次電池の内部状態パラメータの値とが関連付けられた電池特性テーブルが記憶された電池特性情報記憶部１０と、電池特性情報記憶部１０の電池特性テーブルから、ＳＯＨ推定部８で推定した劣化状態に応じた内部状態パラメータを求め、当該内部状態パラメータに基づいて二次電池の充電率を算出するＳＯＣ推定部１１と、を備えるようにした。これにより、現在の電池劣化状態に基づいた内部状態パラメータにより充電率を推定できるので、二次電池の充電状態を精度良く推定することができる。
【００６３】
（２）ＳＯＣ推定部８は、電池特性情報記憶部１０の異なる劣化状態に対する内部状態パラメータに基づき内挿又は外挿により、ＳＯＨ推定部８で推定した劣化状態に対応する内部状態パラメータを算出するようにした。これにより、現在の劣化状態に応じた内部状態パラメータを求めることができるので、初期状態の電池特性テーブルしかない場合よりも精度良く充電率を推定することができる。
【００６４】
（３）二次電池を構成する各電池セル１の端子間電圧を測定する電圧測定部３と、電流経路に挿入され、電池セル１への充放電電流を測定する電流測定部４と、を備え、ＳＯＨ推定部８は、電圧測定部３及び電流測定部４からの各測定値に基づいて二次電池の内部抵抗を算出し、当該内部抵抗に基づき二次電池の劣化状態を推定するようにした。これにより、電流値を積算して電池容量を求め、劣化状態を推定する場合と比べて、電流測定部４の計測ノイズが蓄積することがないので、劣化状態の推定を精度良く行うことができる。
【００６５】
（４）ＳＯＨ推定部８は、二次電池が無電流状態にある場合には、定電流パルス法により内部抵抗を算出するようにした。これにより、簡易な方法により内部抵抗を算出することで二次電池の劣化状態を推定することができる。
【００６６】
（５）電池セル１の温度を測定する温度測定部５を備え、ＳＯＨ推定部８は、温度測定部５で測定された温度での内部抵抗を基準温度の内部抵抗に換算するようにした。これにより、正確な劣化状態の推定を行うことができる。
【００６７】
（６）ＳＯＨ推定部８は、算出した内部抵抗に基づき、初期の内部抵抗に対する内部抵抗の比率と、初期の電池容量に対する電池容量の維持率との相関から、二次電池の劣化状態を推定するようにした。これにより、測定と、統計的な相関の双方を用いるので、正確な劣化状態の推定が可能になる。また、電池容量を直接的に求めることができない場合であっても、内部抵抗から劣化状態を推定することができる。
【００６８】
［第１の実施形態の変形例］
（構成）
第１の実施形態の変形例は、ＳＯＨ推定部８の内部抵抗値の算出に関する。基本構成は第１の実施形態と同じであるので、同じ部分についての構成や動作の説明は適宜省略する。本変形例は、例えば、蓄電池を風力発電の変動抑制に利用する場合等、第１の実施形態で示した定電流パルス法による内部抵抗の算出が困難である場合に有効である。
【００６９】
本変形例のＳＯＨ推定部８は、一定期間内で測定された電流Ｉ、電池電圧Ｖを入力して、二次電池の内部抵抗値Ｒを算出する点は第１の実施形態と同様であるが、本変形例では、測定部３、４により計測された充放電電流波形と電池電圧波形を、それぞれウェーブレット変換により周波数毎の信号強度に変換し、それぞれのウェーブレット係数の相関が高い周波数において、下記の式（７）に示す内部抵抗Ｒを推定する。
【数７】
2016059869.tif 000009
【００７０】
ここで、（ＷΨｉ）（ａ，ｂ）は、電流の計測波形をウェーブレット変換したものであり、各解析レベルａ、シフトｂのウェーブレット係数を表す。（ＷΨｖ）（ａ，ｂ）は、電池セルの電圧計測波形をウェーブレット変換したものであり、各解析レベルａ、シフトｂのウェーブレット係数を表す。ここで算出された内部抵抗値は、定電流パルス法で算出された内部抵抗値に相当するが、低い解析レベルで算出された内部抵抗値が反応抵抗を表している。また、解析レベルａによっては、計測ノイズ等の影響を受けて、電流と電圧の相関が低い場合があり、相関が高い解析レベルａで内部抵抗値を算出する。この場合、相関が高いとは、決定係数が所定の値以上であることをいい、その値は予め設計する。
【００７１】
ＳＯＨ推定部８は、上記のようにウェーブレット変換を用いて内部抵抗値を求め、初期（ＢＯＬ）の内部抵抗値を基準として、各測定時点における内部抵抗の推定結果からその比率を算出する。また、上記式（２）により、ＳＯＨ値を推定する。
【００７２】
（作用・効果）
本変形例では、ＳＯＨ推定部８は、電圧測定部３及び電流測定部４により測定された電圧の計測波形及び電流の計測波形からウェーブレット変換を用いて内部抵抗を算出するようにした。これにより、蓄電池のシステムが稼働している場合でも内部抵抗値を推定することができるので、システムを停止させる必要がなくなる。
【００７３】
［その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００７４】
例えば、第１の実施形態では、二次電池の劣化状態の推定は、内部抵抗に基づいて行ったが、これに限られず、公知の推定方法を用いることができる。この場合、電池特性情報記憶部１０の特性テーブルも、その推定方法の劣化状態の定義に沿ったものとする。公知の劣化状態の推定方法としては、例えば、電流積算又は電力積算等、測定した電流値又は電圧値だけで電池容量を求めることができる。すなわち、劣化の指標として、測定した電流値又は電圧値を積算することによって内部抵抗を求めないで電池容量を直接求め、上記式（１）から劣化状態を推定しても良い。また、予め行った特性試験等により、二次電池の状態量を示す測定データと、二次電池の劣化状態との間に関係性（例えばグラフなど）が判明している場合には、電池の状態量を示す測定データ及び当該関係性に基づいて、二次電池の劣化状態を推定するようにしても良い。
【符号の説明】
【００７５】
１…電池セル
２…組電池
３…電圧測定部
４…電流測定部
５…温度測定部
６…監視制御ユニット
７…電池状態取得部
８…ＳＯＨ推定部
９…電池状態記憶部
１０…電池特性情報記憶部
１１…ＳＯＣ推定部
１１ａ…内部状態パラメータ特定部
１１ｂ…電池電圧シミュレータ
１１ｃ…カルマン・フィルタ
１２…通信インターフェイス部
【図２】
2016059869.tif 000010
【図３】
2016059869.tif 000011
【図５】
2016059869.tif 000012
【図６】
2016059869.tif 000013
【図７】
2016059869.tif 000014
【図８】
2016059869.tif 000015
【図１】
2016059869.tif 000016
【図４】
2016059869.tif 000017
【国際調査報告】
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2016059869.tif 000019
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