(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温時にバッテリの充放電を制御して上記バッテリの内部発熱による暖機を行なうバッテリのウォームアップ制御装置において、
上記バッテリの残存容量を、上記バッテリの充放電電流と開放電圧とに基づいて演算する残存容量演算手段と、
上記バッテリの入出力可能パワー量を、上記バッテリの充放電電流と内部インピーダンスとに基づいて演算するパワー量演算手段と、
少なくとも上記バッテリの温度と上記残存容量演算手段で演算した残存容量と上記パワー量演算手段で演算した入出力可能パワー量とを含むバッテリ状態に基づいて、上記バッテリの充電と放電とを交互にパルス状に繰返す充放電パターンの充放電の振幅が徐々に大きくなり、且つ周期が徐々に長くなるように上記充放電パターンを可変設定する充放電パターン設定手段と、
上記充放電パターンの電圧振幅を最大振幅値に規制するリミッタ値を上記バッテリの温度に応じて可変設定するリミッタ値設定手段と、
上記バッテリの温度が規定温度未満のとき、上記充放電パターン設定手段で設定した充放電パターンによる上記バッテリの充放電を、上記リミッタ値設定手段で設定したリミッタ値の範囲内で実行させ、上記バッテリの温度を上昇させるウォームアップ制御手段とを備えたことを特徴とするバッテリのウォームアップ制御装置。
【請求項２】
上記充放電パターン設定手段は、
上記残存容量と上記入出力可能パワー量との少なくとも一方が設定値に達したとき、上記バッテリを充電するモードと上記バッテリから放電するモードとを切換えることを特徴とする請求項１記載のバッテリのウォームアップ制御装置。
【請求項３】
上記充放電パターン設定手段は、
上記バッテリの充放電開始時に、上記充放電パターンの振幅及び周期を上記残存容量を基準とする値に設定し、その後、上記バッテリ状態に基づいて上記充放電パターンの振幅及び周期を徐々に大きくすることを特徴とする請求項１又は２記載のバッテリのウォームアップ制御装置。
【請求項４】
上記リミッタ値設定手段は、
上記リミッタ値を、上記バッテリの上下限電圧を上記バッテリの温度と劣化度とを考慮して補正した値として設定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のバッテリのウォームアップ制御装置。
【請求項５】
上記残存容量演算手段は、
上記バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記バッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを、上記バッテリの使用状況に応じて設定した第１のウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリの残存容量を演算することを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載のバッテリのウォームアップ制御装置。
【請求項６】
上記パワー量演算手段は、
上記バッテリの内部インピーダンスと開放電圧とに基づく第１のパワー量と上記バッテリの内部インピーダンスと充放電電流とに基づく第２のパワー量とを、上記バッテリの使用状況に応じて設定した第２のウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリの入出力可能パワー量を演算することを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載のバッテリのウォームアップ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温時にバッテリの充放電を制御してバッテリの内部発熱による暖機を行なうバッテリのウォームアップ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、バッテリは、温度が低下すると容量が低下するため、電気自動車やハイブリッド自動車等の走行用電力源として用いられた場合、始動不良や制御性の悪化を招く可能性がある。このため、従来から、ヒータやバッテリの内部抵抗を利用した発熱により、低温時にバッテリを暖機する技術が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、バッテリの温度が所定温度未満である場合、バッテリの充電又は放電の少なくとも一方を行ない、また、放電時には、バッテリの側部に配置された抵抗器により放電電力を供給して外部からバッテリを暖める技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、バッテリの温度と電圧と電流とから充電可能電力あるいは放電可能電力を演算し、その演算結果と予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値により、バッテリの暖機運転の可否を決定する技術が開示されている。
【０００５】
更に、特許文献３には、バッテリの温度が所定値以下の場合、バッテリの充電状態が予め設定された閾値以上のときには、閾値以上の所定領域内で充放電を繰り返し、充電状態が閾値未満のときには、閾値未満の所定領域内で充放電を繰り返す技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−４０５３６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３７０４号公報
【特許文献３】特開２００３−２７２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の技術は、低温時に充放電の目安として残存容量（充電状態；ＳＯＣ）１００％付近を基準としているため、バッテリ保護の観点から望ましくないばかりでなく、電圧・電流の細かい制御が困難である。また、低温でバッテリの内部抵抗が大きい場合には、最初からフル容量での充電は困難であると推測される。更には、バッテリの外部にヒータを使用した場合、バッテリ本体に霜付きが発生する虞がある。
【０００７】
特許文献２に開示の技術は、電気車のモータ単体での充放電制御であり、ハイブリッド車へ適用する場合には、装置及び制御が複雑化し、適用が困難である。更に、特許文献３に開示の技術は、バッテリの温度上昇のスピードが車両の運転状況によって大きく左右されるため、短時間で或る程度の急激な発熱が継続的に必要な低温時は（例えば、０°Ｃ以下）、すぐに熱が奪われてしまい、効率が低下する虞がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、低温時にバッテリの状態に応じて充放電を効率良く制御して内部発熱による温度上昇を促進し、バッテリ容量を早期に回復させることのできるバッテリのウォームアップ制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明によるバッテリのウォームアップ制御装置は、低温時にバッテリの充放電を制御して上記バッテリの内部発熱による暖機を行なうバッテリのウォームアップ制御装置において、上記バッテリの残存容量を、上記バッテリの充放電電流と開放電圧とに基づいて演算する残存容量演算手段と、上記バッテリの入出力可能パワー量を、上記バッテリの充放電電流と内部インピーダンスとに基づいて演算するパワー量演算手段と、少なくとも上記バッテリの温度と上記残存容量演算手段で演算した残存容量と上記パワー量演算手段で演算した入出力可能パワー量とを含むバッテリ状態に基づいて、上記バッテリの充電と放電とを交互にパルス状に繰返す充放電パターンの充放電の振幅が徐々に大きくなり、且つ周期が徐々に長くなるように上記充放電パターンを可変設定する充放電パターン設定手段と、上記充放電パターンの電圧振幅を最大振幅値に規制するリミッタ値を上記バッテリの温度に応じて可変設定するリミッタ値設定手段と、上記バッテリの温度が規定温度未満のとき、上記充放電パターン設定手段で設定した充放電パターンによる上記バッテリの充放電を、上記リミッタ値設定手段で設定したリミッタ値の範囲内で実行させ、上記バッテリの温度を上昇させるウォームアップ制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
その際、充放電パターンは、残存容量と入出力可能パワー量との少なくとも一方が設定値に達したとき、バッテリを充電するモードとバッテリから放電するモードとを切換えることが望ましく、また、バッテリの充放電開始時に、充放電パターンの振幅及び周期を残存容量を基準とする値に設定し、その後、バッテリ状態に基づいて充放電パターンの振幅及び周期を徐々に大きくすることが望ましい。また、リミッタ値は、バッテリの上下限電圧をバッテリの温度と劣化度とを考慮して補正した値として設定することが望ましい。
【００１１】
残存容量は、バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量とバッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを、バッテリの使用状況に応じて設定した第１のウェイトを用いて重み付け合成することで、高精度に演算することができる。また、入出力パワー量は、バッテリの内部インピーダンスと開放電圧とに基づく第１のパワー量とバッテリの内部インピーダンスと充放電電流とに基づく第２のパワー量とを、バッテリの使用状況に応じて設定した第２のウェイトを用いて重み付け合成することで、高精度に演算することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるバッテリのウォームアップ制御装置は、低温時にバッテリの状態に応じて充放電を効率良く制御して内部発熱による温度上昇を促進することができ、低温時に低下したバッテリ容量を早期に回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１２は本発明の実施の一形態に係わり、図１はハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図、図２は残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は電流容量テーブルの説明図、図４は等価回路モデルを示す回路図、図５はインピーダンステーブルの説明図、図６は残存容量テーブルの説明図、図７はウェイトテーブルの説明図、図８はパワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図、図９はバッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート、図１０はパルス充放電処理を示すフローチャート、図１１はパルス充放電の概要を示す説明図、図１２はパルス充放電によるバッテリ温度の上昇を示す説明図である。
【００１４】
図１は、本発明をエンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車両（ＨＥＶ）に適用した例を示し、同図において、符号１は、ＨＥＶの電源ユニットである。この電源ユニット１には、例えば複数のセルを複数個直列に接続して構成されるバッテリ２と、バッテリ２の残存容量の演算、バッテリ２の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）３とが１つの筐体内にパッケージされている。
【００１５】
演算ＥＣＵ３は、マイクロコンピュータ等から構成され、電圧センサ４で測定したバッテリ２の端子電圧Ｖ、電流センサ５で測定したバッテリ２の充放電電流Ｉ、温度センサ６で測定したバッテリ２の温度（セル温度）Ｔに基いて、バッテリ２の充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量ＳＯＣ(t)、バッテリ２における入出力可能な最大電力で示される入出力可能パワー量Ｐ(t)を演算する。尚、演算ＥＣＵ３には、１演算周期前の残存容量ＳＯＣ(t-1)及び入出力可能パワー量Ｐ(t-1)が周期的な演算におけるベース値として入力される。
【００１６】
演算ＥＣＵ３で演算した残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐは、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介してＨＥＶ制御用電子制御ユニット（ＨＥＶ制御用ＥＣＵ）１０に出力され、制御状態の表示や制御量を決定するための基本データとして使用される。ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、同様にマイクロコンピュータ等から構成され、運転者からの指令に基づいて、ＨＥＶの運転、その他、必要な制御を行う。すなわち、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、電源ユニット１からの信号や図示しないセンサ・スイッチ類からの信号により、車両の状態を検出し、バッテリ２の直流電力を交流電力に変換してモータ１５を駆動するインバータ２０を初めとして、モータ１５に連結されるエンジン３０や図示しない自動変速機等を、専用の制御ユニットを介して或いは直接的に制御する。
【００１７】
例えば、演算ＥＣＵ３で演算した残存容量ＳＯＣからは、バッテリ容量の表示用データやバッテリ容量低下を警告するための警告用データが生成され、運転者に対するバッテリ情報として用いられる。また、演算ＥＣＵ３で演算した入出力可能パワー量Ｐからは、モータ１５から出力可能な駆動トルク、モータ１５の発電による充電・回生量等が演算され、ＨＥＶの運転に必要な制御量を演算する上での直接的なパラメータとして用いられる。
【００１８】
また、演算ＥＣＵ３は、低温時に、バッテリ２を暖機（ウォームアップ）し、温度低下によって低下したバッテリ容量を早期に回復させ、始動不良や制御性の悪化を防止するようにしている。このバッテリのウォームアップは、本形態においては、インバータ２０を介した充電と放電装置２５を介した放電とを繰返して内部抵抗による発熱を生じさせ、セル温度を上昇させる方式を採用している。
【００１９】
そして、演算ＥＣＵ３は、充放電パターン設定手段としての機能により、少なくともセル温度Ｔと残存容量ＳＯＣと入出力可能パワー量Ｐとを含むバッテリ状態に基づいて、充電と放電とを交互にパルス状に繰返す充放電パターンを可変設定すると共に、リミッタ値設定手段としての機能により、充放電パターンの最大振幅を規制するリミッタ値を可変設定し、バッテリの温度が規定温度未満のとき、ウォームアップ制御手段としての機能により、充放電パターンによるバッテリの充放電をリミッタ値の範囲内で実行させ、バッテリの温度を上昇させるようにしている。これにより、充放電を効率良く制御することができ、バッテリ本来の容量を急速に回復させることができる。
【００２０】
この場合、バッテリのウォームアップを効率的に行うためには、高精度の残存容量ＳＯＣ及び入出力可能パワー量Ｐが必要とされる。本形態においては、残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐを、特有のアルゴリズムに従って高精度に演算しており、次に、本形態における残存容量ＳＯＣ及び入出力可能パワー量Ｐの演算処理について説明する。
【００２１】
先ず、残存容量ＳＯＣの演算は、図２に示す推定アルゴリズムに従って実行される。このＳＯＣ推定アルゴリズムでは、バッテリ２で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、残存容量演算手段としての機能により、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃと、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した残存容量ＳＯＣを、バッテリ２の残存容量として出力する。
【００２２】
電流Ｉの積算による残存容量ＳＯＣｃと、開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとは、それぞれに一長一短があり、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。一方、開放電圧推定による残存容量ＳＯＣｖは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。
【００２３】
従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ２の使用状況に応じて随時変化させる第１のウェイト（重み係数）としてのウェイトｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。  
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）
【００２４】
ウェイトｗは、現在のバッテリの使用状況を的確に表すことのできるパラメータを用いて決定する必要があり、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流の変化率や残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの間の偏差等を用いることが可能である。単位時間当たりの電流変化率は、バッテリの負荷変動を直接的に反映しているが、単なる電流変化率では、スパイク的に発生する電流の急激な変化の影響を受けてしまう。
【００２５】
従って、本形態においては、瞬間的に発止する電流の変化の影響を防止するため、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理を施した電流変化率を用いるようにしており、特に、電流の遅れを考慮した場合、バッテリの充放電状態の変化に対して、過去の履歴を過剰となることなく適切に反映することのできる移動平均を用いてウェイトｗを決定するようにしている。
【００２６】
この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算のウェイトを高くして開放電圧推定のウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算のウェイトを下げ、開放電圧推定のウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。
【００２７】
すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均のフィルタリングにより、走行中の負荷変動で発生する電流のスパイク成分を、遅れ成分を助長することなく除去することができる。これにより、バッテリ状態をより的確に把握することができ、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出し、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。
【００２８】
更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。以下、ＳＯＣ推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。
【００２９】
先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。  
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η  ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率
【００３０】
（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いる。
【００３１】
図３は、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納した電流容量テーブルの例を示すものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出することができる。
【００３２】
また、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的には演算ＥＣＵ３における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ-1）。従って、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。
【００３３】
一方、開放電圧Ｖｏの推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、先ず、図４に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のCole-Coleプロットをカーブフィッティングすることにより、各パラメータを決定する。
【００３４】
これらのパラメータから求められるインピーダンスＺは、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブルを作成する。そして、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。  
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ・Ｚ…（３）
【００３５】
尚、電流Ｉの移動平均値は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均して求められる。前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、後述するように、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔを用いて決定する。
【００３６】
図５は、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したインピーダンステーブルの例を示すものであり、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが同じ場合には、温度Ｔが低くなる程、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。
【００３７】
尚、図５及び後述する図６に示すテーブルにおいては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。
【００３８】
開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、平衡状態での電極電位とイオンの活量との関係を記述した周知のネルンストの式を適用し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（４）式を得ることができる。  
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（４）
但し、Ｅ  ：標準電極電位（本形態のリチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ  ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ  ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）
【００３９】
尚、（４）式におけるＹは補正項であり、常温における電圧−ＳＯＣ特性をＳＯＣの関数で表現したものである。ＳＯＣｖ＝Ｘとすると、以下の（５）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。  
Ｙ＝−１０-6Ｘ3＋９・１０-5Ｘ2＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（５）
【００４０】
以上の（４）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（４）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池特有の充放電特性や使用条件等に対する考慮が必要となる。
【００４１】
従って、以上の（４）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、常温でのＳＯＣ−Ｖｏ特性を基準として、各温度域での充放電試験或いはシミュレーションを行い、実測データを蓄積する。そして、蓄積した実測データから開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータする残存容量ＳＯＣｖのテーブルを作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求める。図６は、残存容量テーブルの例を示すものであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。
【００４２】
そして、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを算出した後は、前述の（１）式に示したように、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを、テーブル参照等によって決定したウェイトｗを用いて重み付け合成し、残存容量ＳＯＣを算出する。図７は、ウェイトｗを決定するためのウェイトテーブルの例を示し、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔをパラメータとする一次元テーブルである。このウェイトテーブルは、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、すなわち、バッテリ負荷変動が小さい程、ウェイトｗの値を小さくして電流積算による残存容量ＳＯＣｃの重みを小さくする傾向を有している。
【００４３】
一方、入出力可能パワー量Ｐの演算は、ＳＯＣ推定アルゴリズムと同様の図８に示す演算アルゴリズムに従って実行される。この演算アルゴリズムでは、バッテリ２で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、パワー量演算手段としての機能により、バッテリ２の開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶと、バッテリ２の電流Ｉに基づくパワー量ＰＣとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した値をバッテリ２のパワー量Ｐとして出力する。
【００４４】
すなわち、バッテリ２の開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。一方、バッテリ２の電流Ｉに基づくパワー量ＰＣは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。従って、本パワー量演算アルゴリズムでは、開放電圧Ｖｏに基づいて求めたパワー量ＰＶと電流Ｉに基づいて求めたパワー量ＰＣとを、バッテリ２の使用状況に応じて随時変化させる第２のウェイトとしてのウェイトｗｐにより重み付けして合成し、双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。
【００４５】
ウェイトｗｐは、残存容量ＳＯＣの合成に用いるウェイトｗと同様、電流Ｉの移動平均に基づいて決定されるものであり（ｗｐ＝０〜１）、合成後の最終的なパワー量Ｐは、以下の（６）式で与えられる。  
Ｐ＝ｗｐ・ＰＣ＋(１−ｗｐ)・ＰＶ…（６）
【００４６】
電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗｐを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを高くして開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流によって正確に反映すると共に振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを下げ、開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを高くすることにより、電流の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧に基づく正確なパワー量を算出することができる。
【００４７】
（６）式に示すパワー量Ｐは、詳細には、バッテリ２に入力（充電）可能な最大電力量で示される入力可能パワー量Ｐchargeと、バッテリ２から出力（放電）可能な最大電力量で示される出力可能パワー量Ｐdischargeとを総称するものであり、それぞれ、（６）式を基本とする以下の（７），（８）式により個別に演算される。
【００４８】
すなわち、入力可能パワー量Ｐchargeは、以下の（７）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＶchargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＣchargeとを重み付け合成した値として求められる。また、出力可能パワー量Ｐdischargeは、以下の（８）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＶdischargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＣdischargeとを重み付け合成した値として求められる。  
Ｐcharge＝ｗｐ・ＰＣcharge＋(１−ｗｐ)・ＰＶcharge…（７）
Ｐdischarge＝ｗｐ・ＰＣdischarge＋(１−ｗｐ)・ＰＶdischarge…（８）
【００４９】
各パワー量ＰＶcharge,ＰＶdischarge,ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、具体的には、バッテリ２の内部インピーダンスＺ、開放電圧Ｖｏ、予め定められたバッテリの特性を保証する上下限のバッテリ電圧である上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎ、電流Ｉの移動平均値、１演算周期前の入力可能パワー量Ｐcharge(t)、１演算期前の出力可能パワー量Ｐdischarge(t)を用いて演算される。
【００５０】
上限電圧Ｖｍａｘ、下限電圧Ｖｍｉｎは、それぞれ、残存容量ＳＯＣの上限（１００％）を与える電圧、下限（０％）を与える電圧として定義することができ、温度に依存して変化することから、温度Ｔをパラメータとするテーブルを参照して求める。上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎのテーブルは、温度Ｔをパラメータとして上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎを格納した専用のテーブルを作成しておき、この専用のテーブルを参照して求めても良いが、残存容量ＳＯＣの演算で用いる残存容量テーブル（図６参照）を利用し、所定の温度Ｔにおける開放電圧Ｖｏの上下限を参照することにより、その温度Ｔでの上限電圧Ｖｍａｘ，下限電圧Ｖｍｉｎを知ることができる。
【００５１】
そして、入力可能パワー量ＰＶchargeは、以下の（９）式に示すように、上限電圧Ｖｍａｘと開放電圧Ｖｏとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、上限電圧Ｖｍａｘを乗算した電力量として求められる。また、出力可能パワー量ＰＶdischargeは、以下の（１０）式に示すように、開放電圧Ｖｏと下限電圧Ｖｍｉｎとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、下限電圧Ｖｍｉｎを乗算した電力量として求められる。  
ＰＶcharge＝［（Ｖｍａｘ−Ｖｏ）／Ｚ］・Ｖｍａｘ…（９）
ＰＶdischarge＝［（Ｖｏ−Ｖｍｉｎ）／Ｚ］・Ｖｍｉｎ…（１０）
【００５２】
一方、電流Ｉの移動平均に基づくパワー量ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、離散時間処理における１演算周期前の合成パワー量Ｐ(t-1)をベース値として用いており（図８のブロック図における遅延演算子Ｚ-1）、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。
【００５３】
すなわち、電流Ｉの移動平均値をＩ’とすると、以下の（１１）式に示すように、１演算周期前の合成入力可能パワー量Ｐcharge(t-1)と、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺをを乗算した入力電力量Ｉ'2Ｚとにより、現時点での入力可能パワー量ＰＣchargeを求める。また、以下の（１２）式に示すように、１演算周期前の合成出力可能パワー量ＰＣdischargeと、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺを乗算した出力電力量Ｉ'2Ｚとにより、現時点での出力可能パワー量ＰＣdischargeを求める。  
ＰＣcharge＝Ｐcharge(t-1)−Ｉ'2Ｚ…（１１）
ＰＣdischarge＝Ｐdischarge(t-1)−Ｉ'2Ｚ…（１２）
【００５４】
そして、前述の（７）式に示したように、（９）式により算出した入力可能パワー量ＰＶchargeと、（１１）式により算出した入力可能パワー量ＰＣchargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、入力可能パワー量Ｐchargeを算出する。また、前述の（８）式に示したように、（１０）式により算出した出力可能パワー量ＰＶdischargeと、（１２）式により算出した出力可能パワー量ＰＣdischargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、出力可能パワー量Ｐdischargeを算出する。
【００５５】
次に、以上の残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐに基づくバッテリのウォームアップ制御処理について、図９に示すフローチャートを用いて説明する。
【００５６】
図９のフローチャートに示すウォームアップ制御処理は、電源ユニット１の演算ＥＣＵ３において、低温時に所定時間毎に実行される処理である。この処理がスタートすると、先ず、ステップＳ１において、バッテリ状態を表わす各パラメータのデータ、すなわち、セル温度Ｔ，入出力可能パワー量Ｐ，残存容量ＳＯＣを初めとする各パラメータのデータを入力する。
【００５７】
次に、ステップＳ２へ進み、セル温度Ｔが規定温度以上か否かを調べる。この規定温度は、それ以下ではバッテリ容量の低下により制御上の支障が生じる虞のある温度であり、例えば、図３の電流容量テーブルで示される特性から、予め規定温度が１０°Ｃに設定されている。そして、セル温度Ｔが規定温度以上であり、ウォームアップを要しない場合には、ステップＳ２から処理を抜け、規定温度未満の場合、ステップＳ３へ進んで、ウォームアップの充放電パターンを初期化し、ステップＳ４で、図１０に示すパルス充放電処理によりウォームアップを実行する。
【００５８】
ウォームアップの充放電パターンは、充電と放電とを交互にパルス状に繰返すパターンであり、本形態においては、効率の良い発熱を促すため、ＣＶ（Constant Voltage）充放電を採用している。このＣＶ充放電を採用する理由は、前述したように、バッテリの内部抵抗（インピーダンス）は、同じ温度では、電流変化率が小さくなる程、つまり、交流よりも直流を流したほうが大きくなることと、充放電の立ち上がり時に大電流が流れるが、時間と共に０に収束するためである。
【００５９】
最初の充放電のスタート時は、図１１に示すように、電池セルへの負担を軽減するため、そのときの残存容量ＳＯＣを基準として振幅値を小さく周期を短くするように、初期設定する。そして、パルス充放電をスタートした後は、セル温度Ｔ，残存容量ＳＯＣ，入出力可能パワー量Ｐ，電流値Ｉ，電圧Ｖ等のパラメータを監視しながら、最大振幅値内で徐々に充放電の振幅を大きくし、且つ周期を長くしていく。
【００６０】
最大振幅値は、パルス充放電における電圧振幅の上下限を規制してバッテリを保護するためのリミッタであり、温度に依存して変化する上限電圧Ｖｍａｘを劣化度を考慮して補正した上限リミッタ電圧Ｖｍａｘ’と、同じく温度に依存して変化する下限電圧Ｖｍｉｎを劣化度を考慮して補正した下限リミッタ電圧Ｖｍｉｎ’とにより、最大振幅値を設定する。
【００６１】
ここで、図１０のパルス充放電処理について説明する。この処理では、先ず、ステップＳ１１で、セル温度Ｔ，入出力可能パワー量Ｐ，残存容量ＳＯＣ等のバッテリ状態を表す最新のデータを入力し、ステップＳ１２で、バッテリ状態に基づいて、パルス充放電における振幅値や周期等のパターンを更新すると共に、上限リミッタ電圧Ｖｍａｘ’と下限リミッタ電圧Ｖｍｉｎ’とによる最大振幅値を、最新のセル温度Ｔに基づいて更新する。
【００６２】
本形態においては、パルス充放電の電圧振幅を制御周期毎に設定値ずつ大きくし、放電と充電との切換えを、入出力可能パワー量Ｐや残存容量ＳＯＣをベースとして、入出力可能パワー量Ｐと残存容量ＳＯＣとの少なくとも一方が設定値に達したときに行うようにしている。充放電を切換える設定値は、上限リミッタ電圧Ｖｍａｘ’或は下限リミッタ電圧Ｖｍｉｎ’に徐々に近づく方向に可変され、これにより、パルス充放電の電圧パルス幅が徐々に長くなる（周期が徐々に長くなる）。
【００６３】
次に、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進み、充放電パターにおける充電モードと放電モードとの切換を行うべく、入出力可能パワー量Ｐ及び残存容量ＳＯＣの少なくとも一方が規定値以上か否かを調べる。その結果、入出力可能パワー量Ｐ及び残存容量ＳＯＣの少なくとも一方が規定値を越えている場合には、ステップＳ１３からステップＳ１４へ進み、放電装置２５を介してバッテリから放電させる放電モードに移行し、入出力可能パワー量Ｐ及び残存容量ＳＯＣの双方が規定値を越えていない場合には、ステップＳ１３からステップＳ１５へ進み、インバータ２０を介してバッテリを充電する充電モードに移行する。
【００６４】
尚、放電モードと充電モードとの切換えは、現在の電流Ｉをベースとして行うようにしても良く、電流値が略収束したとき、放電から充電への切換え、或は充電から放電への切換えを行うようにしても良い。
【００６５】
以上により、充放電のモードを決定してパルス充放電を実行した後は、ウォームアップ制御処理のステップＳ５へ進み、パルス充放電により、セル温度が上昇して規定温度に到達したか否かを調べる。その結果、セル温度が規定温度に到達したときには、ステップＳ５から処理を抜けて実質的にウォームアップを終了する。
【００６６】
一方、セル温度が規定温度に到達していないときには、ステップＳ５からステップＳ６へ進み、充放電の電圧振幅が上限リミッタ電圧Ｖｍａｘ’と下限リミッタ電圧Ｖｍｉｎ’とによる最大振幅値に到達したか否かを調べる。そして、充放電の電圧振幅が最大振幅値に達していないときには、ステップＳ６からステップＳ４に戻り、セル温度Ｔ、入出力可能パワー量Ｐ、残存容量ＳＯＣ等の監視結果に応じてパルス充放電の電圧振幅や周期を可変しながら、ウォームアップを続ける。
【００６７】
また、充放電の電圧振幅が最大振幅値に達したときには、ステップＳ６から一旦処理を抜ける。これにより、次の処理周期のステップＳ３において、図１１の破線で示すように、振幅値が小さく且つ周期が短い初期状態の充放電パターンに戻され、バッテリ保護を図りながらウォームアップが続行される。
【００６８】
図１２は、以上のパルス充放電によるバッテリの温度上昇を示し、時間経過と共に徐々に可変されるパルス充放電パターンの振幅及び周期に比例するかのように、順調にセル温度が上昇しており、効率的にバッテリをウォームアップできていることがわかる。尚、図１２においては、セル温度は、ウォームアップ開始時の温度を２°Ｃを基準（座標原点）とする相対的な温度上昇を示している。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】ハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図
【図２】残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図
【図３】電流容量テーブルの説明図
【図４】等価回路モデルを示す回路図
【図５】インピーダンステーブルの説明図
【図６】残存容量テーブルの説明図
【図７】ウェイトテーブルの説明図
【図８】パワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図、
【図９】バッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート
【図１０】パルス充放電処理を示すフローチャート
【図１１】パルス充放電の概要を示す説明図
【図１２】パルス充放電によるバッテリ温度の上昇を示す説明図
【符号の説明】
【００７０】
１  電源ユニット
２  バッテリ
３  演算ユニット（残存容量演算手段、パワー量演算手段、充放電パターン設定手段、リミッタ値設定手段、ウォームアップ制御手段）
Ｉ  充放電電流
ＳＯＣ  残存容量（合成後の残存容量）
ＳＯＣｃ  残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ  残存容量（第２の残存容量）
Ｐ  パワー量（合成後のパワー量）
ＰＶ  パワー量（第１のパワー量）
ＰＣ  パワー量（第２のパワー量）
Ｖ  端子電圧
Ｖｏ  開放電圧
Ｚ  インピーダンス
ｗ  ウェイト（第１のウェイト）
ｗｐ  ウェイト（第２のウェイト）
代理人      弁理士      伊    藤      進
【図１】
0004762505.tif 000002
【図２】
0004762505.tif 000003
【図３】
0004762505.tif 000004
【図４】
0004762505.tif 000005
【図５】
0004762505.tif 000006
【図６】
0004762505.tif 000007
【図７】
0004762505.tif 000008
【図８】
0004762505.tif 000009
【図９】
0004762505.tif 000010
【図１０】
0004762505.tif 000011
【図１１】
0004762505.tif 000012
【図１２】
0004762505.tif 000013