(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次電池の放電深度が基準値未満のときに、前記２次電池の初期内部抵抗と劣化時内部抵抗とのパーセント比で表される出力劣化係数を学習演算するとともに、前記放電深度が基準値以上のときに、前記２次電池の劣化時放電電力量と初期放電電力量とのパーセント比で表される容量劣化係数を学習演算し、前記学習演算された出力劣化係数および容量劣化係数に基づいて、前記２次電池の初期電池特性を補正して劣化時の電池特性を算出する２次電池の電池特性算出方法において、
１乃至２回の充放電で前記２次電池の容量劣化係数が学習演算可能な出力劣化係数値および容量劣化係数値を設定し、前記容量劣化係数が１００％で、かつ、前記出力劣化係数が前記出力劣化係数値となったならば、前記容量劣化係数を１００％から前記容量劣化係数値へと変更することを特徴とする２次電池の電池特性算出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電池特性算出方法において、
前記容量劣化係数値を６０％としたことを特徴とする２次電池の電池特性算出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電池特性算出方法において、
前記出力劣化係数値を６０％としたことを特徴とする２次電池の電池特性算出方法。
【請求項４】
２次電池で電動機を駆動する電気車に搭載され、前記２次電池を制御する電池制御装置であって、
前記２次電池の初期電池特性が予め記憶されていて、前記２次電池の電池特性を請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電池特性算出方法により算出し、その算出した電池特性に基づいて前記２次電池を制御することを特徴とする電池制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車等の電気車に用いられる２次電池の電池特性算出方法、および２次電池の電池制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）には、モータ駆動用の２次電池が搭載されている。この２次電池の電池特性は、一般的に放電電力量と出力との関係を示す「放電電力量−出力特性」によって表される。２次電池の劣化時の電池特性（劣化時電池特性）は、電池が新品の時の特性（初期電池特性）を出力劣化係数および容量劣化係数で補正したものが用いられている。このような補正方法としては、特開平１０−２８９７３４号公報や特開平１１−５５８０２号公報に開示されているものがある。
【０００３】
出力劣化係数は、放電深度(DOD)が０〜５０％のときに正確に求められることから、出力劣化演算は放電深度(DOD)が０〜５０％の範囲のときに行うようにしている。一方、容量劣化係数は放電深度(DOD)が５０〜１００％のときに正確に求められることから、容量劣化演算は放電深度(DOD)が５０〜１００％の範囲のときに行うようにしている。各劣化演算とも、演算を繰り返し行う際に、それ以前に求められた劣化係数に基づいて、次の新たな劣化係数を演算する、いわゆる学習演算を行って、正確な出力劣化係数および容量劣化係数が速やかに算出されるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような演算は２次電池を制御する電池制御装置（バッテリーコントローラと呼ばれる）によって行われ、算出された各劣化係数はバッテリーコントローラに記憶される。出力劣化係数および容量劣化係数は、電池が新品時の値を１００としたパーセンテージで表され、新品時のバッテリーコントローラには、出力劣化係数および容量劣化係数の値として１００％が記憶されている。そのため、バッテリーコントローラを新品のものに交換した場合、電池の劣化状態がどのような状態であっても、交換当初は、このバッテリーコントローラに記憶されている１００％という値を用いた初期特性が電池の特性と見なされる。
【０００５】
そして、放電深度(DOD)＝０％から５０％まで放電する際に出力劣化係数の学習演算が行われ、その後、放電深度(DOD)＝５０％から１００％まで放電する際に容量劣化係数の学習演算が行われる。これにより、電池特性は初期特性から実際の電池特性へ近づくことになる。ここで、放電深度の算出は次々と更新される電池特性に基づいて行われるが、容量劣化係数の演算が開始される放電深度(DOD)の基準値(DOD)＝５０％は初期特性で算出した場合の値である。
【０００６】
しかしながら、電池が容量劣化係数５０％未満に容量劣化しているときに、新品のバッテリーコントローラと交換した場合には、電池が放電終了状態となるまで放電しても放電深度(DOD)の算出値は基準値（５０％）以下とならず、出力劣化係数しか更新されないことになる。その結果、容量劣化係数の値は１００％を維持したままとなり、正確な電池特性が算出できないという欠点があった。
【０００７】
本発明の目的は、電池が容量劣化係数５０％未満に容量劣化しているときに、電池制御装置が新品のものと交換された場合でも、正確な電池特性を算出することができる電池特性算出方法および電池制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１および図８に対応付けて説明する。
（１）請求項１に発明は、２次電池１１の放電深度が基準値（５０％）未満のときに、２次電池１１の初期内部抵抗と劣化時内部抵抗とのパーセント比で表される出力劣化係数Ｂを学習演算するとともに、放電深度が基準値（５０％）以上のときに、２次電池１１の劣化時放電電力量と初期放電電力量とのパーセント比で表される容量劣化係数Ａを学習演算し、学習演算された出力劣化係数Ｂおよび容量劣化係数Ａに基づいて、２次電池１１の初期電池特性ｆ０を補正して劣化時の電池特性ｆを算出する２次電池１１の電池特性算出方法に適用される。そして、１乃至２回の充放電で２次電池の容量劣化係数が学習演算可能な出力劣化係数値および容量劣化係数値を設定し、容量劣化係数Ａが１００％で、かつ、出力劣化係数Ｂが出力劣化係数値（６０％）となったならば、そのときの放電深度に関わらず容量劣化係数Ａを１００％から容量劣化係数値（６０％）へと変更することにより上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明では、請求項１に記載の電池特性算出方法において、容量劣化係数値を６０％とした。
（３）請求項３の発明では、請求項１または請求項２に記載の電池特性算出方法において、出力劣化係数値を６０％とした。
（４）請求項４の発明の電池制御装置は、２次電池１１で電動機１３を駆動する電気車に搭載され、２次電池１１を制御する電池制御装置１６であって、２次電池１１の初期電池特性ｆ０が予め記憶されていて、２次電池１１の電池特性を請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電池特性算出方法により算出し、その算出した電池特性に基づいて２次電池１１を制御することにより上述の目的を達成する。
【０００９】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、容量劣化係数が１００％で、かつ、出力劣化係数が所定の出力劣化係数値となったならば、そのときの放電深度に関わらず容量劣化係数は１００％から所定の容量劣化係数値へと変更される。その結果、例えば、２次電池の容量劣化係数が５０％未満であるときに、算出された容量劣化係数や出力劣化係数が記憶される電池制御装置が、容量劣化係数および出力劣化係数が共に１００％に設定されている新品の電池制御装置と交換されても、充放電によって、容量劣化係数は１００％から電池の実際の容量劣化係数へと近づくように演算される。
特に、請求項２の発明のように、所定の容量劣化係数値を６０％と設定したり、請求項３の発明のように、所定の出力劣化係数値を６０％と設定することにより、１，２回の充放電で正確な容量劣化係数を素早く演算することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による電池特性算出方法を適用した電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロック図である。２次電池１１はインバータ１２に直流電力を供給し、インバータ１２は直流電力を交流電力に変換してモータ１３を駆動し、走行エネルギーを発生させる。回生時には車両の走行エネルギーがモータ１３およびインバータ１２を介して電気エネルギーに逆変換され、電池１１が充電されるとともに車両に回生ブレーキがかかる。電圧センサ１４は電池１１の両端電圧Ｖを検出し、電流センサ１５は電池１１に流れる電流Ｉを検出する。１８は電池１１の温度Ｔを検出する温度センサである。
【００１２】
電池制御装置であるバッテリーコントローラ１６は、電圧センサ１４，電流センサ１５および温度センサ１８により検出された電圧Ｖ，電流Ｉおよび温度Ｔに基づいて、後述するように電池特性を演算するとともに、その演算結果に基づいて電池１１の残存容量の算出や、インバータ１２の出力制御や回生制御などを行なう。セルコントローラ１７は、電池１１を構成する各単セル１１１〜１１ｎを管理コントロールする装置であり、各単セル１１１〜１１ｎの端子電圧を検出したり、各単セル１１１〜１１ｎの充放電制御を行ったりする。
【００１３】
次に、バッテリーコントローラ１６で行われる、２次電池１１の初期特性に対する出力劣化補正および容量劣化補正について説明する。図２は、電池１１の放電電力量（Wh）と出力Ｐ（パワー演算値Ｐ）（W）との関係「放電電力量−出力特性」を示したものである。「放電電力量−出力特性」は放電電力量＝ｆ（Ｐ）のように表すことができ、図２のｆ0は電池が新品の時の初期特性を示し、ｆ3は電池が劣化したときの特性である。なお、走行時に得られるパワー演算値Ｐの測定方法もしくは演算方法は周知でありここでは説明を省略するが、パワー演算値Ｐは車両システムの最低電圧を保証できる電池の放電可能パワーを表す。
【００１４】
容量劣化係数Ａおよび出力劣化係数Ｂは初期時の値を１００としたパーセンテージで表されるが、初期値を１として表した容量劣化係数β（＝Ａ／１００）、出力劣化係数γ（＝Ｂ／１００）を用いると、図２に示した劣化時特性ｆ3（Ｐ）は、初期特性ｆ0（Ｐ）を次のように補正することにより求めることができる。
【数１】
ｆ3（Ｐ）＝β・ｆ0（Ｐ／γ）    …（１）
すなわち、容量劣化に対しては、ｆ1（Ｐ）＝ｆ0（Ｐ／γ）のように補正し、出力劣化に対してはｆ2（Ｐ）＝β・ｆ0（Ｐ）のように補正する。
【００１５】
（出力劣化係数Ｂの演算方法）
出力劣化係数Ｂ（またはγ）は内部抵抗に比例するパラメータであり、この内部抵抗の変化に伴って、放電時のＩＶ特性は図３（ａ）のように変化する。図３（ａ）において、Ｌ０は初期時の特性を、Ｌ１は劣化時の特性をそれぞれ示したものである。これらのＩＶ特性は、走行時の電池１１の電流変化を捉えて電流Ｉおよび電圧Ｖをサンプリングし、そのＩ，Ｖから一次回帰演算することにより得られる。ＩＶ特性直線の傾きは電池１１の内部抵抗を表しており、特性直線Ｌ１から劣化時内部抵抗Ｒが得られる。一方、初期時の内部抵抗Ｒ０の値は、バッテリーコントローラ１６に記憶されており、次式（２）により出力劣化係数Ｂが算出される。
【数２】
Ｂ＝（Ｒ０／Ｒ）×１００  (%)  …（２）
【００１６】
また、電池１１の内部抵抗は放電深度(DOD)に応じて図３（ｂ）のように変化する。図３（ｂ）において、Ｌ１０は電池初期時の抵抗Ｒ０を示し、Ｌ１１は劣化時の抵抗Ｒを示している。内部抵抗Ｒ０，Ｒは、放電深度(DOD)が０〜５０％の範囲であれば一定値を示すという特性を有している。そのため、より正確な出力劣化係数Ｂが得られるように、出力劣化係数Ｂの学習演算は、放電深度(DOD)が０〜５０％のときに行うようにする。
【００１７】
（容量劣化係数Ａの演算方法）
図４（ａ）のｆ0は、図２の場合と同様に電池初期時の「放電電力量−出力特性」を表しており、この初期特性ｆ0はバッテリーコントローラ１６に記憶されている。次に、容量劣化係数Ａの算出方法を説明するが、実際の電池特性は図４のｆ1であるとして考える。車両走行時に、出力Ｐ（パワー演算値Ｐ）が得られ、その時までの放電量電力量Whが得られたとする。当然ながら、座標（Wh，Ｐ）は電池特性ｆ1上にある。一方、初期特性ｆ0に基づく出力Ｐのときの初期放電量Wh0は、図４（ａ）のようにバッテリーコントローラ１６に記憶されている初期特性ｆ0から算出される。このようにして得られた値Wh，Wh0から、次式（３）により容量劣化係数Ａが算出される。
【数３】
Ａ＝（Wh／Wh0）×１００  (%)  …（３）
【００１８】
上述した容量劣化演算における、出力Ｐの放電深度(DOD)に対する演算精度は、図４（ｂ）に示すように、放電深度(DOD)が浅い状態（パーセンテージが小さい状態）ほど誤差｜±ΔＰ｜が大きくなる。そのため、より正確な初期放電量Wh0を算出して精度の高い容量劣化係数Ａを演算するためには、出力Ｐの演算精度の高い放電深度(DOD)領域で演算を行わなければならない。そこで、容量劣化係数Ａの学習演算は、放電深度(DOD)が５０〜１００％の範囲のときに行う。
【００１９】
なお、電池１１の「放電電力量−出力特性」は電池温度により変化し、それは内部抵抗の変化として表される。すなわち、温度補正係数をαとすれば、ｆ（Ｐ）＝ｆ0（Ｐ／α）、と補正され、この温度補正された特性に対して上述の容量劣化補正および出力劣化補正が行われる。上述した初期特性ｆ0を温度補正後の特性であるとみなせば、上述した議論がそのまま成り立つので、ここでは、温度補正に関しての説明は省略する。このパラメータαは、温度に応じたテーブル参照値としてバッテリーコントローラ１６に記憶されている。また、上述した特性ｆは、必ずしもｆ（Ｐ）のように出力Ｐの関数（例えば、Ｐのｎ次式で近似した式）で表す必要はなく、例えば、出力Ｐと放電電力量の関係をテーブルとして持てば、補間計算を用いることによって上述したものと同様の演算を行うことができる。
【００２０】
ところで、従来の電池特性演算方法では、上述した容量劣化演算および出力劣化演算を図５に示すような手順で行っていた。ステップＳ１は電池の放電深度(DOD)が５０％以上であるか否かを判断するステップであり、ＤＯＤ≧５０％と判断されるとステップＳ２へ進んで容量劣化係数Ａの演算を行い、ＤＯＤ＜５０％と判断されるとステップＳ３へ進んで出力劣化係数Ｂの演算を行う。ステップＳ２またはステップＳ３の処理を終了したならば、ステップＳ１へ戻る。すなわち、ＤＯＤ≧５０％となった時に初めて容量劣化係数Ａの演算が行われる。そのため、図６のｆ4のように電池の容量劣化係数Ａが５０％未満に容量劣化しているときに、今まで使用していたバッテリーコントローラ１６を新品のバッテリーコントローラと交換した場合は、以下のような不具合が生じる。
【００２１】
図６において、一点鎖線で示すラインは、新品のバッテリーコントローラ（Ｂ／Ｃ）に交換した後の放電深度(DOD)＝５０％を示している。すなわち、バッテリーコントローラ交換直後の電池特性は初期特性ｆ0となっており、初期特性ｆ0から得られる電池容量（Ｐ＝０のときの放電電力量）の半分まで放電した状態が放電深度(DOD)＝５０％に相当する。図５のステップＳ３で出力劣化係数Ｂの演算が行われる度に出力劣化係数Ｂは真の値（特性ｆ4の出力劣化係数Ｂの値）に近づき、電池特性はｆ11，ｆ12のように変化する。この段階では、まだ容量劣化演算は行われないので、容量劣化係数Ａは新品のバッテリーコントローラに記憶されているＡ＝１００％のままであり、放電深度(DOD)＝５０％のラインは図６の一点鎖線に示す位置を保ったままである。
【００２２】
そのため、電池１１の放電が終了した段階の特性ｆ１３においても、計算上の放電深度(DOD)は５０％より小さな状態を保っており、図５のステップＳ２に進まないまま放電終了となってしまい、容量劣化演算が行われない。そのため、得られる電池特性ｆ１３は実際の特性ｆ４と異なってしまうという欠点があった。
【００２３】
本実施の形態の電池特性演算方法では、このような欠点を解消すべく、図７に示すような手順で容量劣化演算および出力劣化演算を行うようにした。図７のステップＳ１１は電池の放電深度(DOD)が５０％以上であるか否かを判断するステップであり、ＤＯＤ＜５０％と判断されるとステップＳ１２へ進んで出力劣化係数Ｂの演算を行い、ＤＯＤ≧５０％と判断されるとステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３は、電池の出力劣化係数Ｂが６０％以下で、かつ、容量劣化係数Ａが１００％であるか否かを判断するステップであり、ｙｅｓと判断されるとステップＳ１４に進んで容量劣化係数Ａを６０％に設定し、ｎｏと判断されるとステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５は上述したステップＳ１１と同様の判断を行うステップであり、ＤＯＤ＜５０％と判断されるとステップＳ１２へ戻り、ＤＯＤ≧５０％と判断されるとステップＳ１６へ進んで容量劣化係数Ａの演算を行った後にステップＳ１１へ戻る。
【００２４】
図７に示す手順を、具体的な例を用いて説明する。図８の特性ｆは、容量劣化係数Ａ＝５０％，出力劣化係数Ｂ＝５０％に劣化した電池の「放電電力−出力特性」を示したものである。図８において、横軸は放電電力量（Wh）および初期特性に基づいて算出される放電深度(DOD)（電池初期DODと記す）を表しており、縦軸は容量劣化係数Ａ、出力劣化係数Ｂおよび、次々と算出される電池特性に基づいた放電深度(DOD)を表している。すなわち、破線Ｌ２０は電池初期DODに対する実際の放電深度の変化を示したものであり、一点鎖線Ｌ(A)は繰り返し行われる容量劣化演算による容量劣化係数Ａの変化を、実線Ｌ(B)は繰り返し行われる出力劣化演算による出力劣化係数Ｂの変化をそれぞれ示したものである。
【００２５】
劣化した電池１１に対して、バッテリーコントローラ１６を新品のものと交換すると、新品のバッテリーコントローラはＡ＝Ｂ＝１００％と設定されている。このときの電池１１の放電深度を０％（満充電状態）として考えると、交換直後は、図７のステップＳ１１からステップＳ１２へ進んだ後、ステップＳ１２→ステップＳ１３→ステップＳ１５→ステップＳ１２の処理を繰り返す。この段階では、ステップＳ１２の出力劣化係数Ｂの演算を行う度に、図８のＬ(B)のように出力劣化係数Ｂは１００％から減少する。一方、容量劣化係数ＡはＡ＝１００％のまま推移する。
【００２６】
電池初期DODが１０％になると出力劣化係数Ｂは６０％に等しくなるので、図７のステップＳ１３からステップＳ１４へ進んで容量劣化係数Ａが６０％に設定され、図８の一点鎖線Ｌ(A)は６０％へと変化する。なお、放電深度(DOD)は、電流Ｉおよび電圧Ｖから積算される電力積算値（Wh）と電池特性から推定される電池容量（Wh）との比をパーセンテージで表したものである。すなわち、図８において、放電深度０〜１０％までは初期特性ｆ０に基づいて放電深度(DOD)が算出されるが、電池初期DOD＝１０％になって容量劣化係数Ａが１００％から６０％へとシフトすると、Ａ＝Ｂ＝６０％の電池特性（不図示）に基づいて放電深度(DOD)が算出されるようになる。
【００２７】
新たに得られたこの電池特性に基づく電池容量は初期特性のものより小さく推定されるので、電池初期DOD＝１０％において放電深度(DOD)が急激に変化し、図８では４０％に増加する。その後は、再びステップＳ１２へと戻った後、放電深度(DOD)が５０％以上となるまで、ステップＳ１２→ステップＳ１３→ステップＳ１５→ステップＳ１２の処理を繰り返し、出力劣化係数Ｂは真の値（５０％）へとさらに近づく。
【００２８】
次いで、放電深度(DOD)＝５０％となったときには、図７のステップＳ１５からステップＳ１６へ進んで、容量劣化係数Ａの演算が行われる。その後、放電が進み放電深度(DOD)≧５０％となるので、ステップＳ１１→ステップＳ１３→ステップＳ１５→ステップＳ１６→ステップＳ１１の処理を繰り返し行い、容量劣化係数Ａは真の値（５０％）へとさらに近づく。
【００２９】
図９は、電池の容量劣化係数Ａおよび出力劣化係数ＢがそれぞれＡ＝７５％、Ｂ＝４０％の場合について、Ｌ２０，Ｌ(A)，Ｌ(B)の変化を示したものである。この場合、容量劣化係数Ａは、出力劣化係数Ｂ＝６０％で１００％から６０％にシフトした後、放電深度(DOD)≧５０％（縦軸）における容量劣化演算により６０％から７０％（真の値）へと増加する。
【００３０】
このように、図７の手順に従って電池特性を算出すれば、電池１１の容量劣化係数Ａが５０％未満に容量劣化しているときに、新品のバッテリーコントローラと交換した場合であっても、電池特性を精度良く演算することができる。容量劣化係数Ａが１００％から６０％へとシフトするタイミングを出力劣化係数Ｂ＝６０％とした理由は、容量劣化係数Ａが約３５％〜１００％に劣化した電池においても、充放電を１回若しくは２回行う間に、正確な容量劣化係数Ａを素早く演算することが可能になるためである。このことは、容量劣化係数Ａを６０％へシフトさせる理由でもある。
【００３１】
例えば、容量劣化係数Ａを１００％→８０％とシフトさせた場合、このときの放電深度(DOD)の変化は図８の場合より小さなものとなる。その結果、その後、放電深度(DOD)が５０％となるまでにはかなりの時間を要することになり、上述したように正確な容量劣化係数Ａを素早く演算することができなくなる。また、容量劣化係数Ａと出力劣化係数Ｂとは、一般的にＡ≒Ｂのように劣化するが、図９に示したように、Ａ≒Ｂでない特性をもった電池であっても１回若しくは２回の充放電により容量劣化係数Ａを学習演算できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電池特性算出方法を適用した電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロック図。
【図２】電池１１の「放電電力量−出力特性」を示す図。
【図３】出力劣化演算を説明する図であり、（ａ）は電池１１のＩＶ特性を示し、（ｂ）は放電深度(DOD)に対する内部抵抗の変化を示す。
【図４】容量劣化演算を説明する図であり、（ａ）は「放電電力量−出力特性」を示し、（ｂ）は出力Ｐの誤差と放電深度(DOD)との関係を示す。
【図５】従来の電池特性演算方法における、演算手順を示すフローチャート。
【図６】従来の電池特性演算方法において、バッテリーコントローラを新品のものに交換した場合を説明する図。
【図７】本発明による電池特性演算方法における、演算手順を示すフローチャート。
【図８】図７の演算手順の第１の具体例を説明する図。
【図９】図７の演算手順の第２の具体例を説明する図。
【符号の説明】
１１  ２次電池
１３  モータ
１４  電圧センサ
１５  電流センサ
１６  バッテリーコントローラ
１７  セルコントローラ
１８  温度センサ
１１１〜１１ｎ  単セル
【図１】
0003879358.tif 000002
【図２】
0003879358.tif 000003
【図３】
0003879358.tif 000004
【図４】
0003879358.tif 000005
【図５】
0003879358.tif 000006
【図６】
0003879358.tif 000007
【図７】
0003879358.tif 000008
【図８】
0003879358.tif 000009
【図９】
0003879358.tif 000010