(57)【要約】【課題】パワー対容量特性の精度向上を図ることができる電池特性演算装置の提供。【解決手段】パワー対容量特性の初期特性を電池温度に基づく温度補正係数で補正して、温度補正されたパワー対容量特性を算出する電池特性演算装置において、電池の劣化度βに応じて温度補正係数を補正し、その補正された温度補正係数に基づいて初期特性Wh(P)を補正するようにした。すなわち、出力劣化係数βが基準値β2より大きい場合には劣化時の値α’を温度補正係数とし、出力劣化係数βが基準値β2以下の場合には初期値α0を温度補正係数とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー対容量特性の初期特性を電池温度に基づく温度補正係数で補正して、温度補正されたパワー対容量特性を算出する電池特性演算装置において、
電池の劣化度に応じて前記温度補正係数を補正する補正手段を備え、
前記補正手段で補正された温度補正係数に基づいて前記初期特性を補正することを特徴とする電池特性演算装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電池特性演算装置において、
前記劣化度は、前記電池の内部抵抗の変化に基づいて算出されることを特徴とする電池特性演算装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電池特性演算装置において、
電池の劣化度が所定の基準値を超えているか否かを判定する判定手段を備え、
前記補正手段は、前記判定手段により前記基準値を超えていると判定されると前記温度補正係数を補正することを特徴とする電池特性演算装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電池特性演算装置において、
劣化度増大時と劣化度減少時とで前記基準値が異なり、劣化度減少時の基準値を劣化度増大時の基準値より小さく設定したことを特徴とする電池特性演算装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池特性演算装置により算出されたパワー対容量特性に基づいて、電池の容量を算出することを特徴とする電池容量演算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池のパワー対容量特性を算出する電池特性演算装置、および、そのパワー対容量特性に基づいて電池の容量を算出する電池容量演算装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気車両における組電池の容量を推定する場合には、放電により得られる電池の劣化度に応じた補正係数を用いて、初期電池の出力特性および容量特性に対して補正するようにしている。また、電池はその温度により出力特性が変化するため、温度に応じた温度補正係数を用いて出力特性の補正を行うようにもしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８９７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電池劣化にともない温度特性が変化することがあり、そのような場合、電池温度による温度補正を行うことでかえって電池特性の算出精度を低下させてしまうという問題があった。電池特性算出精度の低下は容量の算出精度の低下を招き、容量表示計の動きが不自然なものとなり、電池の実力値よりも過小に容量が表示されたり、逆に、過大な容量が表示計に表示されてしまうおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明は、パワー対容量特性の初期特性を電池温度に基づく温度補正係数で補正して、温度補正されたパワー対容量特性を算出する電池特性演算装置に適用され、電池の劣化度に応じて前記温度補正係数を補正する補正手段を備え、補正手段で補正された温度補正係数に基づいて初期特性を補正することを特徴とする。
請求項５の発明による電池容量演算装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池特性演算装置により算出されたパワー対容量特性に基づいて、電池の容量を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電池の劣化度に応じて補正された温度補正係数に基づいてパワー対容量特性が算出されるので、パワー対容量特性の精度向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による電池容量演算装置の一実施の形態を説明するブロック図である。図１は電気車両に搭載される電池容量演算装置を例に示したものであり、車両駆動用の電池１にはリチウムイオン二次電池を用いた組電池が使用されている。
【０００８】
電池１の温度Tは温度センサ２により検出され、充放電時の電圧Vおよび電流Iは電圧検出部３および電流検出部４により検出される。これらの温度T，電圧Vおよび電流Iは残存容量の演算等を行う演算装置５に入力される。演算装置５には、演算部５１および記憶部５２が設けられている。演算装置５で演算された残存容量は容量計６へと出力され、容量計６により残存容量が表示される。記憶部５２には、後述するパワー対容量特性の初期特性や温度補正係数αなどが記憶されている。なお、本発明におけるパワーとは電池が入力可能な電力を意味し、以下では単にパワーと記載する。
【０００９】
本実施の形態の電池容量演算装置では、電池仕様に基づくパワー対容量特性の初期特性を電池１の状態に応じて補正し、その補正されたパワー対容量特性を用いて残存容量を算出するようにしている。まず、パワー対容量特性の補正方法について説明する。図２（ａ）の特性曲線L1は電池１の初期特性（初期電池のパワー対容量特性）を示しており、Whiniは初期容量である。縦軸の出力（パワー）の単位はkW、横軸の容量の単位はA・hまたはkW・hである。なお、入力の場合も出力の場合も同様に考えることができ、以下では出力の場合を例に説明する。
【００１０】
通常、パワー対容量特性Wh(P)はパワーPのｎ次式で表すことができ、特に、リチウムイオン二次電池の場合には、次式（１）のように近似することができる。ここで、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは初期電池の特性から決定される。
Wh1(P)＝a×P3+b×P2＋c×P＋d      …（１）
【００１１】
電池１が劣化していない電池初期時には、温度補正係数αを用いて初期特性曲線L1の出力特性を図２（ａ）の特性曲線L2に示すように補正する。電池１の初期特性をWh1(P)、特性曲線L2の特性式をWh2(P)と表すと、Wh2(P)は次式（２）のように表される。
Wh2(P)＝Wh1(P／α)
＝a(P／α)3＋b(P／α)2＋c(P／α)＋d      …（２）
【００１２】
また、電池１が劣化している場合には、特性曲線L1を劣化による出力劣化係数βおよび容量劣化係数γで補正した後に、さらに、温度補正係数αで温度補正するようにしている。図２（ｂ）において特性曲線L3は、初期特性曲線L1を出力劣化係数βおよび容量劣化係数γで補正したものである。特性曲線L3の特性式Wh3(P)は、次式（３）のように表せる。
Wh3(P)＝Wh1(P／β)×γ      …（３）
【００１３】
さらに、この特性曲線L3を温度補正係数αで補正したものが特性曲線L4である。そして、この特性曲線L4に基づいて残存容量を算出する。特性曲線L4の特性式Wh4(P)は、次式（４）で表される。
Wh4(P)＝Wh1(P／αβ)×γ      …（４）
【００１４】
ただし、初期電池（劣化していない電池）を用いても、実車にて使用可能な容量は図２（ａ）に示した初期容量Whini（＝Wh1(0))とはならず、図３に示すようなPminとの交点におけるWh1(Pmin)となる。劣化後においてはWh2(Pmin)となる。ここで、Pminは車両として最低限必要な最低保証出力であり、電池の劣化度および電池温度によらず常に一定の値となる。
【００１５】
ところで、温度補正係数αは、電池劣化により変化する場合がある。そこで、本実施の形態では、電池劣化による温度補正係数αの変化も考慮してパワー対容量特性Whを補正するようにした。本実施の形態では、電池劣化の程度に応じて、初期値α0（初期電池の温度補正係数）および劣化時の値α’のいずれかを選択して用いる場合を例に説明する。なお、温度補正係数αの初期値α0および劣化時の値α’は、それぞれ記憶部５２にテーブルとして予め記憶されている。
【００１６】
図６は、劣化補正係数βの変化に対する初期値α0および劣化時の値α’の変化を示す図である。記憶部５２には、これらの曲線に対応する温度補正テーブルが記憶されている。α0およびα’は、基準温度T1の時の値を１として表され、温度が高くなるほど大きくなるように設定されている。すなわち、電池温度が基準温度T1よりも高いときには出力が大きくなるように補正され、電池温度が基準温度T1よりも低いときには出力が小さくなるように補正される。そして、劣化時には、その補正の程度が初期時に比べて大きくなる。
【００１７】
［残存容量算出の説明］
図４は、演算部５１で処理される残存容量算出の手順を示すフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートは放電時にも充電時にも適用できるものであり、起動中は繰り返し実行される。ステップＳ１では放電中または充電中の電流および電圧の変化をサンプリングし、サンプリングデータとして記憶部５２にストックする。そして、そのストックされたサンプリングデータを用いて、それが放電中のデータであれば出力可能パワーPmax(out)を、また、充電中のデータであれば入力可能パワーPmax(in)を算出する。
【００１８】
ここで、出力可能パワーPmax(out)の演算は次のように行われる。規定の放電電流毎に図５（ａ）のようにIV特性を一次回帰演算して、そのＩＶ特性（回帰直線）と放電下限電圧（車両システムとしての使用下限電圧）Vminとの交点から、出力可能パワーPmax(out)を次式（５）のように算出する。一方、入力可能パワーPmax(in)の場合も同様で、図５（ｂ）に示すようなIV特性を一次回帰演算し、充電上限電圧Vmaxとの交点から次式（６）のように入力可能パワーPmax(in)を算出する。
Pmax(out)＝Vmin×Imax(out)      …（５）
Pmax(in)＝Vmax×Imax(in)      …（６）
【００１９】
ステップＳ２では、出力劣化係数β(out)または入力劣化係数β(in)を算出する。出力劣化係数β(out)の算出手順について説明すると、まず、ある特定SOC（充電率：Stateof Charge）区間にて算出される内部抵抗R(out)を求める。特定SOCとは、例えば、満充電区間と定められた区間などであり、その区間において上述した一次回帰演算を行ってIV特性を求め、その回帰直線の傾きから内部抵抗R(out)を算出する。
【００２０】
内部抵抗R(out)は電池温度Tに依存するので、式（７）のように温度補正係数α(out)を用いて基準温度での内部抵抗R’(out)を算出する。なお、α(out)は出力時の温度補正係数であって、後述するα(in)は入力時の温度補正係数である。式（７）の温度補正係数α(out)には、初期値α0(out)が用いられる。算出された内部抵抗R’(out)と初期電池の基準温度での内部抵抗である初期値Rini(out)とから、式（８）のように出力劣化係数β(out)を算出する。
R’(out)＝R(out)÷α(out)      …（７）
β(out)＝Rini(out)／R’(out)      …（８）
【００２１】
なお、入力劣化係数β(in)についても同様であって、ある特定SOC区間の充電中のデータを用いて一次回帰演算を行い、図５（ｂ）に示す回帰直線の傾きから充電時における内部抵抗R(in)を算出する。放電時の場合と同様に、この内部抵抗R(in)を温度補正係数α(in)で補正して基準温度での内部抵抗R’(in)を算出し（式（９）参照）、式（１０）により出力劣化係数β(in)を算出する。
R’(in)＝R(in)÷α(in)      …（９）
β(in)＝Rini(in)／R’(in)      …（１０）
【００２２】
図４に戻って、ステップＳ３では容量劣化係数γ(out)またはγ(in)を算出する。容量劣化係数γ(out)，γ(in)については、一般的にγ(out)=β(out)，γ(in)＝β(in)を基本とするが、実際には電池特性を考慮して次式（１１），（１２）により算出する。ここで、η(out)，η(in)は電池固有の出力劣化係数β(out)，β(in)に対する容量劣化特性係数であり、記憶部５２に予め記憶されている。
γ(out)＝β(out)×η(out)      …（１１）
γ(in)＝β(in)×η(in)        …（１２）
【００２３】
続くステップＳ４からステップＳ８までは温度補正係数α(out)，α(in)を求めるための処理であり、図７を参照しながら説明する。前述したように、電池劣化の程度に応じて、温度補正係数αとして初期値α0(out)，α0(in)または劣化時の値α’(out)，α’(in)のいずれかを用いるようにしている。電池劣化の程度は、出力劣化係数β(out)または入力劣化係数β(in)により表される。
【００２４】
図７は、出力劣化係数β(out)と温度補正係数α(out)，α’(out)との関係を示す図である。入力劣化係数β(in)についても同様であり、図中のα(out)，α’(out)，β1(out)，β2(out)の各々をα(in)，α’(in)，β1(in)，β2(in)で置き換えれば良い。なお、温度補正係数α(out)，α(in)のいずれの場合も同様の処理が行われるので、ステップＳ４〜Ｓ８では、これらの記号の代わりに記号α，βを共通の記号として示した。なお、各処理の説明では、出力に関する温度補正係数α(out)を例に説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ４では、ステップＳ２で算出された出力劣化係数β(out)が前回算出された出力劣化係数β’(out)以上であるか否かを判定する。すなわち、出力劣化係数β(out)の変化が、図７の下側のＡ→Ｂ，Ｂ→Ｃのような変化なのか、上側のＣ→Ｂ，Ｂ→Ａのような変化なのかを判定する。ステップＳ４において、β(out)≧β’(out)と判定されるとステップＳ５へと進み、β(out)＜β’(out)と判定されるとステップＳ７へ進む。
【００２６】
図７のＡ→Ｂ，Ｂ→Ｃのように出力劣化係数β(out)が増加している場合には、ステップＳ４からステップＳ５へと進み、出力劣化係数β(out)が基準値β2(out)を超えているか否かを判定する。基準値β2(out)は予め設定されており、例えば、劣化度が１０％の場合の出力劣化係数の値を用いる。ステップＳ５でβ(out)＞β2(out)と判定されるとステップＳ６へ進み、劣化時のα’(out)のテーブルを用いて算出される値を温度補正係数αとして採用する。一方、β(out)≦β2(out)と判定されるとステップＳ８へ進み、初期値α0(out)のテーブルを用いて算出される値を温度補正係数αとして採用する。
【００２７】
一方、出力劣化係数β’(out)が図７の上側のＣ→Ｂ，Ｂ→Ａのように変化してステップＳ７に進んだ場合には、ステップＳ７において出力劣化係数β(out)が基準値β1(out)を下回っているか否かを判定する。この基準値β1(out)は基準値β2(out)よりも小さく設定されている。ステップＳ７でβ(out)＜β1(out)と判定されるとステップＳ８へ進み、初期値α0(out)のテーブルを用いて算出される値を温度補正係数αとして採用する。一方、β(out)≧β1(out)と判定されるとステップＳ６へ進み、劣化時補正係数α’(out)のテーブルを用いて算出される値を温度補正係数αとして採用する。
【００２８】
すなわち、出力劣化係数βが図７の下側のＡ→Ｂ→Ｃのように変化する場合には、テーブル変更の基準値をβ2(out)とし、上側のＣ→Ｂ→Ａのように変化する場合には、変更の基準値をβ1(out)とする。
【００２９】
一般に、電池劣化が徐々に進行していても、算出誤差によって出力劣化係数βがばらつくために劣化が見かけ上回復することがある。そのため、温度補正係数αの変更基準点付近において、温度補正係数αが頻繁に変更されるというハンチング現象が生じる。しかしながら、温度補正係数αの変更に際して、上述したようなヒステリシスを設けたことにより、そのようなハンチング現象を防止することができる。
【００３０】
例えば、出力劣化係数βが図７のＢの状態からＣの状態に変化した後、演算誤差によってＢの状態が出現した場合でも温度補正係数αはα’に維持されたままで、安定した温度補正係数αを得ることができる。なお、ここでは劣化時の温度補正係数を一種類のα’としたが、大きさの異なる複数の温度補正係数α’を設定しても良い。
【００３１】
上述したステップＳ６またはステップＳ８の処理が終了したならば、ステップＳ９へと進む。ステップＳ９では、算出された出力劣化係数β(out)，容量劣化係数γ(out)および温度補正係数α(out)を、上述した式（４）に適用することで、式（１３）に示す補正されたパワー対容量特性Wh(P)が求まる。また、式（１４）のように、充電中に得られる入力可能パワーPmax(in)に関するβ(in)，γ(in)およびα(in)を用いることで、入力時のパワー対容量特性Wh(P)が求まる。
Wh(P)＝Wh1(P／α(out)β(out))×γ(out)      …（１３）
Wh(P)＝Wh1(P／α(in)β(in))×γ(in)         …（１４）
【００３２】
ステップＳ１０では、車両として必要な最低保証パワーPminが設定されるとともに、この最低保証パワーPminと算出されたパワー対容量特性Wh(P)とから、Pminに到達するまでの容量Wh(Pmin)が算出される。ステップＳ１１では、次式（１５）を用いて容量計６のEMPTYランプ点灯時の容量WhCを算出する。ここで、ΔWhはEMPTY点灯後に保証する電力量であり、EMPTY点灯後もΔWhの分だけ走行ができる。
WhC＝Wh(Pmin)−ΔWh      …（１５）
【００３３】
ステップＳ１２では、算出された出力可能パワーPmax(out)とパワー対容量特性Wh(P)とから、現在までの放電電力量WhR＝Wh(Pmax)を算出する。次いで、ステップＳ１３では、電池の残存容量を次式（１６）により算出する。図８は、上述した一連の処理で算出される量（WhC等）の間の関係をパワー対容量特性と対比させて示したものである。
（残存容量）＝WhC−WhR      …（１６）
【００３４】
図９は、電池劣化時に劣化時の値α’を用いた場合と、従来のように初期値α0を用いた場合を比較する図である。電池劣化時においては、曲線L3は温度補正係数αで補正する前のパワー対容量特性を示しており、曲線L4は初期値α0で温度補正した場合のパワー対容量特性を、曲線L4’は劣化時の値α’で温度補正した場合のパワー対容量特性をそれぞれ示している。
【００３５】
図９からも分かるように、温度補正係数αの影響により、曲線L4，L4’と最低保証パワーPminの直線と交わる位置（容量）が異なる。その結果、どちらを採用するかによって走行可能距離が異なることになる。図９に示したケースでは、電池劣化後の走行可能容量の実力値Wh4’に対して、従来手法により求めた走行可能容量Wh4のほうが大きいため、実際に走行できる容量よりもより多くの容量があると車両システムが認識してしまうこととなる。この結果、従来の算出方法を用いると、残容量がほとんど無いにもかかわらず、車両の容量計ではまだ走行できると表示されてしまうことになる。
【００３６】
上述した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
（１）パワー対容量特性の初期特性Wh(P)を電池温度に基づく温度補正係数αで補正して、温度補正されたパワー対容量特性を算出する電池特性演算装置において、電池の劣化度に応じて温度補正係数αを補正する補正手段５を備え、その補正手段５で補正された温度補正係数α’に基づいて初期特性Wh(P)を補正するようにしたので、パワー対容量特性の精度向上を図ることができる。
（２）判定手段５により、電池の劣化度βが所定の基準値β2を超えていると判定された場合に、温度補正係数αを補正するようにしているので、劣化度に応じて連続的に温度補正係数を変更した場合に生ずる計算のループを防止することができる。
（３）さらに、劣化度減少時の基準値β1と劣化度増大時の基準値β2とを設け、基準値β1を基準値β2より小さく設定し、基準値にヒステリシスを設けるようにしたので、演算誤差により劣化度βにバラツキが生じた場合でも、基準値付近において温度補正係数の変更が頻繁に発生するのを防止することができる。
（４）また、このような電池特性演算装置により算出されたパワー対容量特性に基づいて、電池の容量を算出することで、容量算出の精度を高めることができる。
【００３７】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、演算装置５は補正手段および判定手段を構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による電池容量演算装置の一実施の形態を説明するブロック図である。
【図２】パワー対容量特性の補正方法を示す図であり、（ａ）は初期時の補正を示し、（ｂ）劣化時の補正を示す。
【図３】最低保証出力と容量との関係を示す図である。
【図４】演算部５１で処理される残存容量算出の手順を示すフローチャートである。
【図５】回帰直線を説明する図であり、（ａ）は放電時を、（ｂ）は充電時を示す。
【図６】劣化補正係数βの変化に対する初期値α0および劣化時の値α’の変化を示す図である。
【図７】出力劣化係数β(out)と温度補正係数α(out)，α’(out)との関係を示す図である。
【図８】残存容量の算出を説明する図である。
【図９】温度補正係数αとして劣化時の値α’を用いた場合と初期値α0を用いた場合の、走行可能容量への影響を説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：電池、２：温度センサ、３：電圧検出部、４：電流検出部、５：演算装置、６：容量計、５１：演算部、５２：記憶部
【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】
2008051750.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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