(57)【要約】【課題】充電／放電の切替時においても充電率を速やかに正しい値に収束できる二次電池の充電率推定装置を提供する。【解決手段】充電から放電へ、放電から充電への切り替わり時に、電流の極性から充電と放電の極性が切り替わったことを判別し、予め記憶しておいた充電時の時定数と放電時の時定数のうち、切り替わった後の極性に対応した時定数を、電池モデル式の時定数の推定値の初期値として代入するように構成した二次電池の充電率推定装置。充放電の切替時にも時定数推定値は真値に素早く到達し、ノイズが小さくなるという効果がある。【選択図】図１
2008151725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の電流と端子電圧とを計測し、適応デジタルフィルタを用いて、前記電流と端子電圧の計測値から少なくとも時定数を含む電池モデル式中の各パラメータを推定し、推定したパラメータを前記電池モデル式に代入して開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて充電率を推定する充電率推定装置であって、
前記電流の極性から充電と放電の極性が切り替わったことを判別し、充電と放電の極性の切り替わり時に、予め記憶しておいた充電時の時定数と放電時の時定数のうち、切り替わった後の極性に対応した時定数を、前記電池モデル式の時定数の推定値の初期値として代入する手段を備えたことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。
【請求項２】
前記充電時の時定数と放電時の時定数は、電流の大きさに応じた値であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電率推定装置。
【請求項３】
充電と放電の切り替わり後に、前記適応デジタルフィルタで推定した時定数が安定に収束した後の値に基づいて、前記予め記憶しておいた充電時の時定数と放電時の時定数の値を補正すること特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池の充電率推定装置。
【請求項４】
電流の極性が切り替わる直前と直後の電流値の絶対値が所定値以上の場合にのみ、前記時定数の代入を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の二次電池の充電率推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の充電率（ＳＯＣ）を推定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば下記特許文献１に記載の様に、電池モデル式（例えば後記数８式）中のパラメータ（内部抵抗、時定数）を適応デジタルフィルタを用いて推定し、推定したパラメータと電流、端子電圧を上記（数８）式に代入して開路電圧を推定し、予め実験等によって求めた開路電圧−充電率の関係と推定した開路電圧とを用いて二次電池の充電率を推定する充電率推定装置が知られている。
【特許文献１】特開２００３−３４６９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、充電／放電の切り替わり時にはパラメータ中の時定数が変化しやすいので、前記のような二次電池の充電率推定装置を実際に適用した場合には、実際の時定数と推定値とに一時的に差が生じ、時定数の推定値がノイズ化（振動）しやすい。特に充電／放電の切り替わり時に時定数が大きく変化する電池（例えば鉛酸電池等）の場合には、実際の時定数と推定値とに一時的に大きな差が生じ、時定数の推定値が振動して、推定値の真値への収束が遅くなるので影響が大きくなるという問題があった。  
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、充電／放電の切替時においても充電率およびその他のパラメータの推定値を速やかに正しい値に収束することの出来る二次電池の充電率推定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】
【０００４】
上記の目的を達成するため、本発明においては充電から放電へ、放電から充電への切り替わり時に、その切り替わりに応じた時定数の変化を予め記憶しておき、充放電が切り替わった（電流値の正負が切り替わった）時に、切り替わった後の極性に対応した時定数の値を推定値の初期値として電池モデル式に代入するように構成している。
【発明の効果】
【０００５】
本発明においては、充放電の切り替わり時に、その切り替わりに応じた時定数の変化を予め記憶しておき、充放電が切り替わった時に、上記の記憶した時定数の値を推定値の初期値として電池モデル式に代入するので、時定数推定値は真値に素早く到達し、ノイズが小さくなるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明の一実施例を機能ブロックで表した図である。図１において、１は電池の電流を検出する電流検出手段、２は電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段、３はパラメータ推定手段〔適応デジタルフィルタ：パラメータθ(ｋ）を推定〕、４は開路電圧演算手段〔Ｖ０(ｋ）を演算〕、５は開路電圧から充電率を演算する充電率（ＳＯＣ）推定手段、６は充放電の履歴判定、つまり電池の充電状態と放電状態とが切り替わった（電流の極性が正から負または負から正へが切り替わった）ことを判定し、予め記憶しておいた時定数の値を、パラメータ推定手段３の電池モデル式中の時定数推定値の初期値として代入する履歴判定手段である。なお、電池の充電状態と放電状態との切り替わり時における時定数の値は、例えば後記図６のような電流値に応じた時定数の特性を予め実験等によって求めて時定数テーブル等に記憶しておき、切り替わり時にその値を読み出してパラメータ推定手段（適応デジタルフィルタ）中の電池モデル式の時定数推定値の初期値として代入（初期化）する。なお、この詳細については後述する。
【０００７】
図２は、実施例の具体的な構成を示すブロック図である。この実施例は、二次電池でモータ等の負荷を駆動したり、モータの回生電力で二次電池を充電するシステムに、二次電池の充電率推定装置を設けた例を示す。  
図２において、１０は二次電池（単に電池ともいう）、２０はモータ等の負荷、３０は電池の充電状態を推定する電子制御ユニットで、プログラムを演算するＣＰＵやプログラム等を記憶したＲＯＭや演算結果を記憶するＲＡＭから成るマイクロコンピュータと電子回路等で構成される。４０は電池から充放電される電流を検出する電流計、５０は電池の端子電圧を検出する電圧計であり、それぞれ電子制御ユニット３０に接続される。上記の電子制御ユニット３０は前記図１のパラメータ推定手段３、開路電圧演算手段４、充電率推定手段５および履歴判定手段６の部分に相当する。また、電流計４０は電流検出手段１に、電圧計５０は端子電圧検出手段２に、それぞれ相当する。
【０００８】
本発明は、通電中の二次電池の端子電圧Ｖと電流Ｉの計測データから、適応デジタルフィルタを用いて開路電圧Ｖ０を推定し、予め測定しておいた開路電圧Ｖ０と充電率ＳＯＣの関係から充電率を推定する装置であり、二次電池の電池モデルを（数１）式に示すように定義し、開路電圧Ｖ０を（数２）式で近似することで（数１）式を（数３）式とし、（数３）式と等価な（数４）式に対して適応デジタルフィルタ演算を行い、Ａ(ｓ)とＢ(ｓ)の係数パラメータを一括推定し、これらの推定値を（数１）式と等価な（数５）式に代入してＧｌｐ(ｓ)・Ｖ０を算出し、これを開路電圧Ｖ０の代用として、予め求めた開路電圧Ｖ０と充電率ＳＯＣとの関係に基づいて充電率を推定するものである。ただし、各式においてＡ(ｓ）、Ｂ(ｓ）は下記（数６）式で示す。また、Ｇｌｐ(ｓ)はローパスフィルタを示す。
【０００９】
【数１】
2008151725.tif 000003
【００１０】
【数２】
2008151725.tif 000004
【００１１】
【数３】
2008151725.tif 000005
【００１２】
【数４】
2008151725.tif 000006
【００１３】
【数５】
2008151725.tif 000007
【００１４】
【数６】
2008151725.tif 000008
上記の内容を具体的に説明すると次のようになる。  
まず、本実施例で用いる「電池モデル」を説明する。  
図３は、二次電池の等価回路モデルを示す図であり、図３の電池モデルは下記（数７）式で示される。
【００１５】
【数７】
2008151725.tif 000009
（数７）式において、モデル入力は電流Ｉ［Ａ］（正値は充電、負値は放電）、モデル出力は端子電圧Ｖ［Ｖ］、Ｒ１〔Ω］は電荷移動抵抗、Ｒ２［Ω］は純抵抗、Ｃ１［Ｆ］は電気二重層容量、Ｖ０［Ｖ］は開路電圧である。なお、ｓはラプラス演算子である。本モデルは、正極、負極を特に分離していないリダクションモデル（一次）であるが、実際の電池の充放電特性を比較的正確に示すことが可能である。このように本実施例においては、電池モデルの次数を１次にした構成を例として説明する。
【００１６】
なお、前記（数１）式は電池モデルの一般式（連続時間系）であり、（数１）式のＡ(ｓ）、Ｂ(ｓ）を、それぞれ
Ａ(ｓ）＝Ｔ１・ｓ＋１
Ｂ(ｓ）＝Ｋ(Ｔ２・ｓ＋１）
ただし、Ｔ１＝Ｃ１・Ｒ１    Ｔ２＝Ｃ１・Ｒ１・Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２）
Ｋ＝Ｒ１＋Ｒ２
とおけば、前記（数１）式は（数７）式、（数８）式と等しくなり、前記（数３）式は後記（数１０）式に等しくなる。ただし、Ｔ１、Ｔ２は時定数、Ｋは内部抵抗であり、適応デジタルフィルタで推定するパラメータである。
【００１７】
上記（数７）式の電池モデルから適応デジタルフィルタまでの導出を最初に説明する。  
（数７）式を変形すると（数８）式になる。
【００１８】
【数８】
2008151725.tif 000010
ただし、Ｔ１＝Ｃ１・Ｒ１、    Ｔ２＝Ｃ１・Ｒ１・Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２）
Ｋ＝Ｒ１＋Ｒ２
開路電圧Ｖ０は、電流Ｉに可変な効率ｄを乗じたものを、ある初期状態から積分したものと考えれば、（数９）式で書ける。
【００１９】
【数９】
2008151725.tif 000011
（数９）式を（数８）式に代入すれば（数１０）式になり、整理すれば（数１１）式になる。
【００２０】
【数１０】
2008151725.tif 000012
【００２１】
【数１１】
2008151725.tif 000013
安定なローパスフィルタＧｌｐ(ｓ)を（数１１）式の両辺に乗じて、整理すれば（数１２）式になる。
【００２２】
【数１２】
2008151725.tif 000014
実際に計測可能な電流Ｉや端子電圧Ｖに、ローパスフィルタやバンドパスフィルタを処理した値を、下記（数１３）式のように定義する。なお、ローパスフィルタの具体例は後述する。
【００２３】
【数１３】
2008151725.tif 000015
上記変数を用いて（数１２）式を書き直せば（数１４）式になる。
【００２４】
【数１４】
2008151725.tif 000016
更に変形すれば（数１５）式になる。
【００２５】
【数１５】
2008151725.tif 000017
（数１５）式は、計測可能な値と未知パラメータの積和式になっているので、一般的な適応デジタルフィルタの標準形（数１６）式と一致する。
【００２６】
【数１６】
2008151725.tif 000018
ただし、ｙ＝Ｖ２、    ωＴ＝［Ｖ３，Ｉ３，Ｉ２，Ｉ１］
θ＝［−Ｔ１，Ｋ・Ｔ２，Ｋ，ｄ］
従って、電流Ｉと端子電圧Ｖにフィルタ処理した信号を、適応デジタルフィルタ演算に用いることで、未知パラメータベクトルθを推定する。本実施例では、単純な「最小二乗法による適応デジタルフィルタ」の論理的な欠点（一度推定値が収束すると、その後パラメータが変化しても再度正確な推定ができないこと）を改善した「両限トレースゲイン方式」を用いる。  
（数１６）式を前提に未知パラメータベクトルθを推定するためのパラメータ推定アルゴリズムは下記（数１７）式となる。ただし、ｋ時点のパラメータ推定値をθ(ｋ)とする。
【００２７】
【数１７】
2008151725.tif 000019
ただし、λ１、λ３(ｋ)、γＵ、γＬは初期設定値で、０＜λ１＜１、０＜λ３(ｋ)＜∞とする。Ｐ(０)は十分大きな値、θ(０)は非ゼロな十分小さな値を初期値とする。trace｛Ｐ｝は行列Ｐのトレースを意味する。  
以上が、電池モデルから適応デジタルフィルタまでの導出である。
【００２８】
図５は、電子制御ユニット３０のマイコンが行う処理のフローチャートであり、同図のルーチンは一定周期Ｔ０毎に実施される。例えば、Ｉ(ｋ）は今回の値、Ｉ(ｋ−１）は１回前の値を意味する。  
まず、ステップＳ１０では、電流Ｉ(ｋ）、端子電圧Ｖ(ｋ）を計測する。  
ステップＳ２０では、二次電池の遮断リレーのオン、オフを判断する。電子制御ユニット３０は二次電池の遮断リレーの制御も行っており、リレーオフ時（電流Ｉ＝０）はステップＳ３０へ進む。リレーオン時はステップＳ４０へ進む。  
ステップＳ３０では、端子電圧Ｖ(ｋ）を端子電圧初期値Ｖ_iniとして記憶する。
【００２９】
ステップＳ４０では、端子電圧差分値△Ｖ(ｋ）を算出する。  
ただし、  △Ｖ(ｋ）＝Ｖ(ｋ）−Ｖ_ini
これは、適応デジタルフィルタ内の推定パラメータの初期値を約０としているので、推定演算開始時に推定パラメータが発散しないように、入力を全て０とするためである。リレーオフ時はステップＳ３０を通るので、Ｉ＝０かつ△Ｖ(ｋ）＝０なので、推定パラメータは初期状態のままである。
【００３０】
ステップＳ５０では、電流Ｉ(ｋ）と端子電圧差分値△Ｖ(ｋ）に、（数１３）式に基づきローパスフィルタＧｌｐ(ｓ)、バンドパスフィルタｓＧｌｐ(ｓ)及びｓ２Ｇｌｐ(ｓ)のフィルタ処理を施した下記（数１８）式からＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｖ２、Ｖ３を算出する。ここで（数１７）式のパラメータ推定アルゴリズムの推定精度を良くするために、観測ノイズを低減するようローパスフィルタＧｌｐ(ｓ)の応答性を遅く設定する。ただし、電池の応答特性よりは速くする。（数１８）式のｐは、Ｇｌｐ(ｓ)の応答性を決める定数である。
【００３１】
【数１８】
2008151725.tif 000020
ステップＳ６０では、ノイズの影響による誤判定（チャタリング）を避けるため、ステップＳ５０でローパスフィルタ処理された電流Ｉ１から充放電履歴（充電から放電へ、または放電から充電へ）を判定する。充放電の切り替わり時はステップＳ７０へ進み、それ以外はステップＳ８０へ進む。
【００３２】
ステップＳ７０では、充放電履歴により充放電の切り替わり時には時定数推定値を初期化する。電池パラメータの中でも時定数に関しては、実際値の変化が大きいと推定値がノイズ化するからである。  
上記の時定数の初期値は、実験等によって予め測定した充電時と放電時の時定数の値をマップ等に記憶しておき、それを読み出して用いる。
【００３３】
図６は、充放電履歴による実際の時定数変化の一例を示す図である。ただし、図６においては充電電流を＋、放電電流を−と定義している。図６に示すように、時定数Ｔ１、Ｔ２の値は、例えば放電時（放電電流＝−Ｉα）よりも充電時（充電電流＝＋Ｉβ）の方が大きくなる。また、放電電流と充電電流が小さい範囲（例えば絶対値が５Ａ以下の範囲）では、時定数の変化は小さい。したがって放電電流と充電電流の絶対値が小さい範囲では時定数を初期化する必要は少ないので、初期化を省略してもよい。
【００３４】
また、電池モデル式において時定数推定値を初期化する場合、具体的には、前記（数１７）式中におけるθ(ｋ−１）のうち時定数Ｔ１、Ｔ２に相当する値を初期化する。  
なお、適応デジタルフィルタは、本来実際のパラメータ変化に追従するので、内部抵抗に関しては問題を生じないが、時定数は変化に追従出来ずノイズ化（振動）する傾向がある。
【００３５】
次に、ステップＳ８０では、ステップＳ５０で算出したＩ１〜Ｉ３及びＶ２〜Ｖ３を前記（数１７）式に代入し、パラメータ推定値θ(ｋ）を算出する。  
ただし、ｙ＝Ｖ２、ωＴ＝［Ｖ３，Ｉ３，Ｉ２，Ｉ１］
θ＝［−Ｔ１，Ｋ・Ｔ２，Ｋ，ｄ］
なお、上記のように、充放電が切り替わった直後は、時定数Ｔ１、Ｔ２についてはステップＳ７０で初期化した値になる。
【００３６】
ステップＳ９０では、ステップＳ８０で算出したパラメータ推定値θ(ｋ）の中からＴ１，Ｋ・Ｔ２，Ｋと、（数１８）式で算出したＩ１〜Ｉ２及びＶ１〜Ｖ２を（数１９）式に代入する。（数１９）式は前出の電池モデル（数８）式を変形し、ローパスフィルタＧｌｐ(ｓ）を両辺に乗じた式であり、△Ｖ０を開路電圧Ｖ０の代用とする。開路電圧Ｖ０は変化が緩やかなので、Ｇｌｐ(ｓ)・Ｖ０で代用できる。
【００３７】
【数１９】
2008151725.tif 000021
ただし、ここで求まるのは推定演算開始時からの開路電圧推定値の変化分△Ｖ０(ｋ）であるため、後段のステップＳ１００で初期値を加算する必要がある。
【００３８】
ステップＳ１００では、ステップＳ９０で算出した△Ｖ０(ｋ）に開路電圧初期値すなわち端子電圧初期値Ｖ_iniを加算して、開路電圧推定値Ｖ０(ｋ）を下記（数２０）式から算出する。  
Ｖ０(ｋ）＝△Ｖ０(ｋ）十Ｖ_ini    …（数２０）
ステップＳ１１０では、図４に示す開路電圧と充電率の相関マップを用いて、ステップＳ１００で算出したＶ０(ｋ）から充電率ＳＯＣ(ｋ）を算出する。ただし、図４のＶＬはＳＯＣ＝０％に、ＶＨはＳＯＣ＝１００％に相当する開路電圧である。  
ステップＳ１２０では、次回演算に必要な数値を保存して、今回演算を終了する。以上を、実施例の動作の説明とする。
【００３９】
上記のように、本実施例は、二次電池の充放電電流の極性（正負）が切り替わる際に、図６のような予め実験等によって求めた時定数テーブルに基づいて適応デジタルフィルタ中の電池モデル式の時定数を初期化するものである。具体的には、例えば図６に示したように、電流値が−Ｉα（放電）から＋Ｉβ（充電）に切り替わった際に、切り替わった時点の時定数Ｔ１、Ｔ２の推定値を図６のテーブルから求めた時定数に置き換えるものである。
【００４０】
なお、図６に示した特性においては、時定数Ｔ１、Ｔ２の値が±５Ａ以上の範囲で略一定値となっているが、精度向上のためには、電流値に対応した正確な値にすることが望ましい。  
また、電池の劣化状態等によっても時定数が変化するので、時定数の推定値が安定に収束（すなわち、真値を推定）した後に、図６のテーブルを収束値に合わせて補正するように構成することも出来る。
【００４１】
また、電流の極性切り替わり時の充電及び放電電流の絶対値が小さい範囲（図６において−５Ａ以上＋５Ａ以下の範囲）では、時定数の差が大きく変化しないので、この場合には時定数の初期化を行わないように構成することも出来る。
【００４２】
上記のように本実施例においては、充放電履歴による時定数の値を予めテーブル化しておき、履歴に応じて時定数推定値をテーブル引きした数値で初期化する構成であるため、時定数推定値は真値に早く到達し、ノイズが小さくなるという効果がある。
【００４３】
図７は、従来例によるパラメータ推定結果を示す図、図８は本実施例によるパラメータ推定結果を示す図である。  
図７に示した従来例においては、充放電の切り替わり時における実際の時定数変化が大きいため、時定数推定値は変化に追従できず、図中に波線で示したように振動しノイズ化する。これに対して図８に示した本実施例においては、充放電の切り替わり時における実際の時定数変化は大きいが、履歴に応じて時定数推定値をテーブル引きした数値で初期化するため、時定数推定値は真値に早く到達しノイズが小さくなるという効果がある。
【００４４】
また、放電／充電の切り替わり時に、時定数推定値の収束値に基づいて推定値のテーブルを補正する構成の場合には、電池の劣化状態等によって時定数が変化した場合でも、時定数の変化に常に追従して最適な初期値を与えることが出来るので、時定数推定値は、より早く真値に到達しノイズが更に小さくなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例を機能ブロックで表した図。
【図２】実施例の具体的な構成を示すブロック図。
【図３】二次電池の等価回路モデルを示す図。
【図４】開路電圧と充電率の相関マップ。
【図５】実施例における処理のフローチャート。
【図６】充放電履歴による実際の時定数変化の一例を示す図。
【図７】従来例によるパラメータ推定結果を示す図。
【図８】本実施例によるパラメータ推定結果を示す図。
【符号の説明】
【００４６】
１…電流検出手段                    ２…端子電圧検出手段
３…パラメータ推定手段              ４…開路電圧演算手段
５…充電率推定手段                  ６…履歴判定手段
１０…二次電池                            ２０…負荷
３０…電子制御ユニット                    ４０…電流計
５０…電圧計
【図１】
2008151725.tif 000022
【図２】
2008151725.tif 000023
【図３】
2008151725.tif 000024
【図４】
2008151725.tif 000025
【図５】
2008151725.tif 000026
【図６】
2008151725.tif 000027
【図７】
2008151725.tif 000028
【図８】
2008151725.tif 000029