二次電池の分極電圧演算装置及び充電状態推定装置
【課題】二次電池の分極電圧を精度よく算出する。
【解決手段】二次電池１０の温度、電流、電圧をそれぞれ温度センサ３２、電圧センサ３４、電流センサ３６で検出する。電池ＥＣＵ２０は、電流に基づいて分極電圧を算出するとともに、分極電圧の上限値及び下限値を二次電池１０の温度特性に応じて適応的に設定する。算出した分極電圧を上限値及び下限値と比較して補正し、補正後の分極電圧を用いてＳＯＣを推定する。
【解決手段】二次電池１０の温度、電流、電圧をそれぞれ温度センサ３２、電圧センサ３４、電流センサ３６で検出する。電池ＥＣＵ２０は、電流に基づいて分極電圧を算出するとともに、分極電圧の上限値及び下限値を二次電池１０の温度特性に応じて適応的に設定する。算出した分極電圧を上限値及び下限値と比較して補正し、補正後の分極電圧を用いてＳＯＣを推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の分極電圧を演算する装置、及び演算された分極電圧に基づいて二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を推定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機により駆動力を得ている電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両は、二次電池を搭載し、二次電池に蓄えられた電力により電動機を駆動する。電動車両は、回生制動、すなわち車両制動時に電動機を発電機として機能させ、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換することにより制動する機能を備えている。変換された電気エネルギは二次電池に蓄えられ、加速を行う時などに再利用される。
【０００３】
二次電池は過放電や過充電を行うと電池性能を劣化させることになるため、二次電池の充電状態ＳＯＣを把握して充電あるいは放電を調整する必要がある。特に、ハイブリッド自動車においては、二次電池が回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるようにするために、その充電状態を満充電状態（１００％）とか、まったく蓄電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御されることが多く、この場合、ＳＯＣをより正確に検出ないし推定することが望まれる。
【０００４】
特許文献１には、走行中のバッテリ電流を観測することにより局部的な電解液の濃度変化を予測することにより分極の度合いを推定し、充電状態に応じた補正項及び電圧値のマップを参照しつつ分極の影響が小さい時を狙って測定した電圧−電流特性から充電状態を推定することが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、電圧からバッテリの内部抵抗に起因するバッテリ内部の電圧降下を減算して得られる起電圧が所定値以上または以下になったことでＳＯＣを判定する際に、起電圧に含まれるバッテリセルの分極に基づく分極起電圧を考慮することが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、バッテリ内の分極の指数が下限値以上で上限値以下となるように発電機の発電電力を制御し、このような分極の指数のもとにバッテリのＳＯＣを推定することが開示されている。
【０００７】
特許文献４には、バッテリを構成するバッテリ構成部材がそれぞれ有する異なる分極特性を考慮することにより、分極起電圧の推定演算をより正確に行うことが開示されている。
【０００８】
特許文献５には、フィルタリング処理した積算容量の変化量から参照テーブルに基づいて分極電圧を求め、有効な無負荷電圧から分極電圧を減算して電池起電力を求め、電池起電力から参照テーブルに基づいてＳＯＣを推定することが開示されている。
【０００９】
特許文献６には、無負荷電圧から分極電圧を減算することで起電力を求め、前回演算された起電力と今回演算された起電力との変化量が、所定の制限値を超えないように今回演算された起電力に対して補正を行い、補正された起電力に基づいてＳＯＣを推定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３１９１００号公報
【特許文献２】特開２０００−２５８５１４号公報
【特許文献３】特開２００１−９７１５０号公報
【特許文献４】特開２００３−６８３７０号公報
【特許文献５】特開２００３−１９７２７５号公報
【特許文献６】特開２００８−１８０６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
二次電池の充電状態ＳＯＣは、上記のように、二次電池の無負荷電圧を算出し、無負荷電圧から分極電圧を減算することで二次電池の起電力を算出し、算出した二次電池の起電力から推定することができるが、この演算過程から明らかなように、分極電圧の算出精度がＳＯＣの算出精度に大きく影響することになる。特許文献３には、分極の指数が下限値と上限値の間にあるように発電機を制御するとともに、この条件下でＳＯＣを推定することが開示されているが、二次電池の特性は温度等により変化し得るものであり、分極電圧を演算する際に、このような二次電池の特性を考慮することは開示されていない。また、二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を演算する際、電流の計測値自体の誤差や計測タイミングのずれによって、誤った電流値を取得する場合がある。この誤った電流値から算出された分極電圧に基づいてＳＯＣを算出すれば、二次電池が過放電や過充電になる場合が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、二次電池の特性を考慮することで、ＳＯＣを推定するための前提となる二次電池の分極電圧を高精度に演算する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、二次電池の分極電圧を演算する分極電圧演算装置であって、前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段とを備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の１つの実施形態では、前記しきい値は、さらに前記二次電池の前回の充電状態ＳＯＣに応じ、前記充電状態ＳＯＣが相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定される。
【００１５】
また、本発明の１つの実施形態では、前記しきい値は、さらに前記二次電池の端子電圧に応じ、端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定される。
【００１６】
また、本発明の１つの実施形態では、前記分極電圧補正手段は、算出された前記分極電圧の絶対値が前記しきい値を超える場合に前記分極電圧を前記しきい値に置換し、算出された前記分極電圧の絶対値が前記しきい値以下の場合に前記分極電圧をそのまま維持する。
【００１７】
また、本発明の１つの実施形態では、前記しきい値は、充電側しきい値と放電側しきい値からなる。
【００１８】
また、本発明は、二次電池の充電状態ＳＯＣを推定する装置であって、前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段と、前記二次電池に流れる電流がゼロの時における前記二次電池の端子電圧を表す無負荷電圧を算出する無負荷電圧算出手段と、算出された前記無負荷電圧と、算出された前記分極電圧とに基づいて前記二次電池の起電力を算出する起電力算出手段と、算出された前記起電力に基づいて前記二次電池の充電状態ＳＯＣを算出するＳＯＣ算出手段とを備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、二次電池の分極電圧を高精度に演算できる。また、本発明によれば、高精度に演算された分極電圧を用いて二次電池の充電状態ＳＯＣを高精度に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態のハイブリッド自動車の概略構成図である。
【図２】実施形態の電池ＥＣＵの機能ブロック図である。
【図３】温度をパラメータとした充放電電流と分極電圧の関係を示すグラフ図である。
【図４Ａ】実施形態の処理フローチャート（その１）である。
【図４Ｂ】実施形態の処理フローチャート（その２）である。
【図５】温度と分極電圧の上限値並びに下限値の関係を示すグラフ図である。
【図６】分極電圧の上限値及び下限値の二次元テーブルを示すグラフ図である。
【図７】変化容量と分極電圧の関係を示すグラフ図である。
【図８】無負荷電圧算出方法を示すグラフ図である。
【図９】起電力とＳＯＣ値の関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、ハイブリッド自動車に搭載される場合を例にとり説明する。但し、本発明はハイブリッド自動車に搭載される場合に限定されるものではなく、駆動源としてモータジェネレータを備える他の電動車両にも同様に適用可能である。
【００２２】
図１に、ハイブリッド自動車の概略構成を示す。電池電子制御ユニット（電池ＥＣＵ）２０は、二次電池１０から電池電圧、電池温度等のデータを受けて、二次電池１０のＳＯＣを推定し、推定したＳＯＣや電池電圧、電池温度などのデータをハイブリッド電子制御ユニット（ＨＶ−ＥＣＵ）４０に出力する。ＨＶ−ＥＣＵ４０は、インバータ５０、駆動力分配機構５６、エンジン６０を制御する。
【００２３】
二次電池１０は、複数の電池ブロックを直列に接続して構成される。各電池ブロックは、それぞれ複数の電池モジュールを電気的に直列接続して構成され、各電池モジュールは、それぞれ複数の単電池（セル）を電気的に直列接続して構成される。二次電池１０は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池である。
【００２４】
二次電池１０は、リレー３８、インバータ５０を介してモータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）５２に接続される。モータジェネレータ５２は、遊星ギア機構を含む駆動力分配機構５６を介してエンジン６０に接続される。
【００２５】
温度センサ３２は、二次電池１０の少なくとも１箇所に設けられ、二次電池１０の所定部位の電池温度Ｔｂを検出する。温度センサ３２を複数設ける場合、温度センサ３２は、例えば比較的温度が近い複数の電池ブロックを１つのグループとしてグループ毎に１つずつ配置するのが好適である。
【００２６】
電圧センサ３４は、電池ブロック毎に設けられ、各電池ブロックの端子電圧Ｖｂを検出する。
【００２７】
電流センサ３６は、二次電池１０に流れる充放電電流Ｉを検出する。
【００２８】
温度センサ３２、電圧センサ３４、電流センサ３６で検出された温度データＴｂ、端子電圧データＶｂ、電流データＩは、それぞれ所定のサンプリング周期、例えば１００ｍｓｅｃで電池ＥＣＵ２０に供給される。サンプリングタイミングで順次検出された温度データ、端子電圧データ、電流データをそれぞれＴｂ（ｎ）、Ｖｂ（ｎ）、Ｉ（ｎ）とする。電池ＥＣＵ２０は、各センサからのデータに基づいて二次電池１０のＳＯＣを経時的に推定する。
【００２９】
図２に、電池ＥＣＵ２０の機能ブロック図を示す。電池ＥＣＵ２０は、無負荷電圧算出部、起電力算出部、ＳＯＣ推定部、積算容量算出部、変化容量算出部及び分極電圧算出部を備える。
【００３０】
電圧センサ３４で検出された二次電池１０の電圧データＶｂ（ｎ）は、無負荷電圧算出部に供給される。電流センサ３６で検出された二次電池１０の電流データＩ（ｎ）は、無負荷電圧算出部に供給されるとともに、積算容量算出部に供給される。温度センサ３２で検出された二次電池１０の温度データＴｂ（ｎ）は、分極電圧算出部に供給される。
【００３１】
積算容量算出部は、電流データＩ（ｎ）を積算することで所定期間における積算容量Ｑを算出する。積算容量算出部は、算出した積算容量Ｑを変化容量算出部に出力する。
【００３２】
変化容量算出部は、所定期間（例えば１分間）における積算容量Ｑの変化量ΔＱを算出する。変化容量算出部は、算出した積算容量の変化量ΔＱを分極電圧算出部に出力する。
【００３３】
分極電圧算出部は、積算容量の変化量ΔＱに基づいて分極電圧Ｖｐを算出する。また、分極算出電圧部は、算出した分極電圧が上限値と下限値の間にあるか否かを判定することで算出した分極電圧が妥当な値であるか否かを判定し、妥当でない場合に算出した分極電圧を補正する。図３に、二次電池１０の充放電電流と分極電圧の関係を、二次電池１０の温度をパラメータとして示す。図において、横軸は充放電電流（プラス側を充電側、マイナス側を放電側とする）、縦軸は分極電圧（プラス側を充電側、マイナス側を放電側とする）を示し、二次電池１０の温度が−１０℃、２０℃、４０℃の場合の充放電電流と分極電圧の関係を示す。二次電池１０の温度が高いほど、分極電圧の値（絶対値）は小さくなる。本実施形態では、このような二次電池１０の温度特性を考慮して、ルックアップテーブルを参照して求めた分極電圧が妥当な値であるか否かを判定するための上限値及び下限値を固定とするのではなく適応的に変化させて補正する。上限値及び下限値については、さらに後述する。分極電圧算出部は、求めた分極電圧Ｖｐを起電力算出部に出力する。
【００３４】
無負荷電圧算出部は、組データとして検出された電圧データＶｂ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）を最小二乗法を用いた統計処理により一次の電圧−電流直線を求め、電流がゼロのときの電圧値（Ｖ切片）として無負荷電圧を算出する。無負荷電圧算出部は、算出した無負荷電圧を起電力算出部に出力する。
【００３５】
起電力算出部は、算出された無負荷電圧と分極電圧算出部で算出された分極電圧から二次電池１０の起電力を算出する。すなわち、無負荷電圧から分極電圧を減算することにより起電力を算出する。起電力は、充電時には無負荷電圧から分極電圧の絶対値分だけ小さくなり、放電時には無負荷電圧から分極電圧の絶対値分だけ大きくなる。起電力算出部は、算出した起電力をＳＯＣ推定部に出力する。
【００３６】
ＳＯＣ推定部は、二次電池１０の起電力とＳＯＣとの関係をルックアップテーブルとして予めメモリに記憶しており、このメモリを参照することで、起電力算出部から供給された起電力に対応するＳＯＣを求める。また、ＳＯＣ推定部は、既に算出済みの前回のＳＯＣ推定値と変化容量とからＳＯＣを算出し、両ＳＯＣに基づいて今回のＳＯＣを推定してＨＶ−ＥＣＵ４０に出力する。
【００３７】
図４Ａ及び図４Ｂに、本実施形態の電池ＥＣＵ２０での詳細処理フローチャートを示す。まず、図４Ａにおいて、温度データＴｂ（ｎ）、電圧データＶｂ（ｎ）、電流データＩ（ｎ）を入力する（Ｓ１０１）。次に、分極電圧算出部は、前回算出されたＳＯＣ値（算出されたＳＯＣ値は順次、分極電圧算出部のメモリに記憶しておく）と温度データＴｂ（ｎ）に基づいて、分極電圧の上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定する（Ｓ１０２）。具体的には、予め前回ＳＯＣ値と温度データＴｂ（ｎ）及び上限値Ｖｐｍａｘ、下限値Ｖｐｍｉｎの関係を示すルックアップテーブルをメモリに記憶しておき、このメモリを参照することで、前回のＳＯＣ値及び今回の温度データＴｂ（ｎ）に応じた上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定する。
【００３８】
図５に、二次電池１０の温度と上限値Ｖｐｍａｘとの関係、及び二次電池１０の温度と下限値Ｖｐｍｉｎとの関係を示す。上限値Ｖｐｍａｘは充電側の分極電圧の上限値であり、下限値は放電側の分極電圧の下限値である。図３に示すように、二次電池１０の温度が高くなるほど、分極電圧の値（絶対値）は小さくなる傾向にある。したがって、このことに対応して、二次電池１０の温度が高いほど、上限値Ｖｐｍａｘの絶対値を小さく設定するとともに、下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さく設定する。温度に応じて上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを適応的に変化させることで、分極電圧Ｖｐを二次電池１０の温度特性に応じてより正確に算出することができる。
【００３９】
図６に、ルックアップテーブルの一例を模式的に示す。ルックアップテーブルは二次元テーブル（マップ）であり、前回のＳＯＣ値及び今回の温度データＴｂ（ｎ）に対応する上限値Ｖｐｍａｘと下限値Ｖｐｍｉｎが規定される。上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値は、ともに温度が高いほど小さくなるように設定され、かつ、前回のＳＯＣ値に応じて変動させる。具体的には、ＳＯＣ値が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも小さくなるように設定される。温度が高いほど上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さくする理由は、上記のとおり温度が高いほど分極電圧の絶対値は小さくなるからである。また、ＳＯＣ値が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さくする理由は、ＳＯＣ値が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも分極電圧は発生しにくくなることが実験により明らかとなっているからである。なお、電池種によっては、ＳＯＣ値が高い程分極電圧が発生しにくくなるものがある。この場合には、ＳＯＣ値が高い程上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さくしてもよい。
【００４０】
再び図４に戻り、上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定した後、分極電圧算出部は、電池温度Ｔｂ（ｎ）及び変化容量ΔＱを用いて分極発生量ΔＶｐを算出する（Ｓ１０３）。また、分極電圧算出部は、前回の分極の減衰量Ｖｐｄｅｃを算出する（Ｓ１０４）。そして、分極電圧算出部は、分極発生量ΔＶｐと減衰処理値（減衰量）Ｖｐｄｅｃとを加算することで、今回の分極電圧Ｖｐを算出する（Ｓ１０５）。
【００４１】
ここで、分極電圧の算出方法自体は、例えば特開２００８−１８０６９２号公報に記載されているように公知であるが、以下に説明する。分極電圧Ｖｐは、二次電池１０の定電流による充電を継続すると、徐々に増加し、充電が終了した後も直ちに解消せず、徐々に減少しながらゼロに向かう。つまり、分極電圧Ｖｐは、定電流による充電を開始してから終了するまでの成分である分極発生量ΔＶｐと、充電停止以降の成分である減衰量Ｖｐｄｅｃとを含む。ハイブリッド自動車に搭載された二次電池１０は、実際には定電流ではなく、短時間で充電または放電を頻繁に繰り返すため、分極発生量ΔＶｐは、近似的に一定時間内の充放電電流Ｉの積分量に係数ｈを乗算し、ある値で制限することで得られる。すなわち、分極発生量ΔＶｐは、
Ｖｐ＝ｈ×∫Ｉｄｔ
で算出される。ｈは、電池温度をパラメータとして、予め実験などにより求められた関数に基づいて算出される。∫Ｉｄｔは、電流データＩ（ｎ）の積算値である。
【００４２】
一方、減衰量Ｖｐｄｅｃは、短期的に減衰する成分から長期的に減衰する成分までｎ個の成分（Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎ）を合成したものである。各成分の減衰率は、ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ）で表されるため、各成分を合成した減衰率は、
減衰率＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ１）＋Ａ２×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ２）＋・・・
＋Ａｎ×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ）
となる。ここで、（Ａ１、Ａ２、・・・Ａｎ）＞０であり、Ａ１＋Ａ２＋・・・＋Ａｎ＝１である。また、Ａ１〜Ａｎ及びＴ１〜Ｔｎは、電池特性により予め実験などにより求められる。ｔは、二次電池１０の充電あるいは放電が終了してからの経過時間である。
【００４３】
分極電圧は、充電あるいは放電の間に発生した分極電圧に対して減衰するので、減衰量Ｖｐｄｅｃは、
Ｖｐｄｅｃ＝Ｖｐ×減衰率
となる。分極電圧Ｖｐは、以上のようにして算出される分極発生量ΔＶｐと減衰量Ｖｐｄｅｃを加算することで算出される。
【００４４】
分極電圧Ｖｐを算出した後、分極電圧算出部は、Ｓ１０２でルックアップテーブルを参照することで設定した上限値Ｖｐｍａｘと下限値Ｖｐｍｉｎをそれぞれ分極電圧Ｖｐと大小比較する。すなわち、まず、Ｖｐ＜Ｖｐｍｉｎであるか否かを判定する（Ｓ１０６）。Ｖｐ＜Ｖｐｍｉｎであれば、下限値を下回る（Ｖｐの絶対値が下限値の絶対値を超える）ことを意味するため、算出された分極電圧Ｖｐを下限値Ｖｐｍｉｎに置換する（Ｓ１０７）。次に、Ｖｐ＞Ｖｐｍａｘであるか否かを判定する（Ｓ１０８）。Ｖｐ＞Ｖｐｍａｘであれば、上限値を超えることを意味するため、算出された分極電圧Ｖｐを上限値Ｖｐｍａｘに置換する（Ｓ１０９）。算出された分極電圧Ｖｐが、下限値と上限値の間、つまりＶｐｍｉｎ≦Ｖｐ≦Ｖｐｍａｘであれば、置換することなくそのまま維持する。分極電圧算出部は、以上のようにして分極電圧Ｖｐを算出する。分極電圧算出部は、電流データＩ（ｎ）に基づき算出された分極電圧Ｖｐを、上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを用いて上限値と下限値の間に収まるように補正する。
【００４５】
なお、分極電圧算出部は、二次電池１０の温度をパラメータとして積算容量の変化容量ΔＱと分極電圧Ｖｐとの関係を示すルックアップテーブルをメモリに予め記憶しておき、このルックアップテーブルを参照することで、温度データと変化容量算出部で算出された変化容量ΔＱから分極電圧Ｖｐを求めてもよい。図７に、変化容量ΔＱと分極電圧Ｖｐの関係を一例として示す。電池温度が２５℃の場合の例である。
【００４６】
次に、図４Ｂに示すように、無負荷電圧算出部は、電圧データＶｂ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データから無負荷電圧を算出する（Ｓ１１０）。
【００４７】
図８に、電圧データＶｂ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データをプロットした結果を示す。これらの組データから、最小二乗法を用いた統計処理により、一次の電圧−電流直線（近似直線）が求められ、電流がゼロの時の電圧値（Ｖ切片）として無負荷電圧Ｖ０が算出される。
【００４８】
なお、無負荷電圧算出部は、組データのうち有効な組データのみを選択して無負荷電圧Ｖ０を算出してもよい。例えば、電流データＩ（ｎ）の値が所定範囲内であり、組データ取得中の積算容量の変化量ΔＱが所定の範囲内である場合に組データを有効とみなし、それ以外は排除するなどである。
【００４９】
再び図４Ｂに戻り、無負荷電圧Ｖ０を算出した後、起電力算出部は、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐから起電力を算出する（Ｓ１１１）。具体的には、起電力算出部は、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算することで起電力を算出する。
【００５０】
次に、ＳＯＣ推定部は、前回のＳＯＣ値に変化容量ΔＱを加算することで電流積算のＳＯＣ値を算出する（Ｓ１１２）。また、ＳＯＣ推定部は、起電力算出部で算出された起電力に基づき、予めメモリに記憶された起電力とＳＯＣとの関係を示すルックアップテーブルを参照して、算出した起電力に対応するＳＯＣ値を求める。図９に、起電力ＶｅとＳＯＣ値との関係を一例として示す。そして、電流積算のＳＯＣ値と、起電力から求めたＳＯＣ値から、今回のＳＯＣ値を推定する（Ｓ１１３）。具体的には、ＳＯＣ推定部は、電流積算のＳＯＣ値と起電力から求めたＳＯＣ値の平均を算出して今回のＳＯＣ値を推定する。なお、ＳＯＣ推定部は、電流積算のＳＯＣ値と起電力から求めたＳＯＣ値の重み付け平均により今回のＳＯＣ値を推定してもよく、あるいは起電力から求めたＳＯＣ値をそのまま今回のＳＯＣ値としてもよい。ＳＯＣ推定部は、推定したＳＯＣ値をＨＶ−ＥＣＵ４０に出力する。また、ＳＯＣ推定部は、今回のＳＯＣ値を分極電圧算出部に出力する。分極電圧算出部は、ＳＯＣ推定部から供給された今回のＳＯＣ値をメモリに記憶する。メモリに記憶した今回のＳＯＣ値は、次回の分極電圧を算出する際の上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定するために用いられる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態では、ＳＯＣ値を推定するために必要な二次電池１０の起電力を算出するための分極電圧Ｖｐを算出する際に、二次電池１０の特性を考慮した上限値及び下限値を用いることで、分極電圧Ｖｐの算出精度を向上することができる。起電力は、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算して算出されるものであり、分極電圧Ｖｐを高精度に算出することで起電力の算出精度が向上し、結果としてＳＯＣ値の算出精度も向上する。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５３】
例えば、本実施形態では、図６に示すように、分極電圧Ｖｐの上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定するためのテーブルを、今回の温度と前回のＳＯＣ値の二次元テーブルとしているが、ＳＯＣ値と端子電圧との間には正の相関があることから、今回の温度と前回の端子電圧の二次元テーブルとしてもよい。すなわち、温度が高い程、及び端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さく設定する。なお、電池種によっては温度が高い程、及び端子電圧が高い程、上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さく設定してもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、無負荷電圧算出部で組データを最小二乗法で統計処理することで無負荷電圧Ｖ０を算出しているが、算出された無負荷電圧Ｖ０に対し、その近似直線に対する組データの分散値を求め、この分散値が所定の範囲内にあるか、あるいは近似直線と組データの相関係数を求め、この相関係数が所定値以上ある場合に、無負荷電圧Ｖ０が有効とすることで、無負荷電圧の算出精度を確保してもよい。起電力は、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐから算出されるものであり、本実施形態により分極電圧Ｖｐの精度が確保され、さらに無負荷電圧Ｖ０の精度も併せて確保することで、起電力の算出精度が向上する。
【００５５】
また、本実施形態では、分極電圧Ｖｐの上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを二次元テーブルを用いて設定しているが、ある基準温度に対する基準上限値及び基準下限値を設定しておき、この基準温度からの温度変化量に応じて基準上限値及び基準下限値を変化させることで、温度に応じて上限値及び下限値を適応的に設定してもよい。例えば、温度２５℃を基準とし、このときの基準上限値及び基準下限値を予め設定しておくとともに、２５℃からの温度変化量に応じて基準上限値及び基準下限値を増減調整する。温度が２５℃以上であれば基準上限値および基準下限値の絶対値を減少調整し、温度が２５℃以下であれば基準上限値および基準下限値の絶対値を増大調整する。また、本実施形態では、上限値及び下限値と表現しているが、上限値を充電側のしきい値、下限値を放電側のしきい値とし、充電時及び放電時それぞれの分極電圧のしきい値あるいは許容値を設定すると表現することもできる。
【００５６】
また、本実施形態では充電状態ＳＯＣを推定しているが、充電状態ＳＯＣには二次電池１０の残存容量も含まれる。
【００５７】
さらに、本実施形態では、起電力算出部で算出された起電力に基づいてＳＯＣ値を推定しているが、特開２００８−１８０６９２号公報に示されるように、起電力算出部で算出された起電力に対し、前回の起電力を基準として許容できる変化量を超えないように補正を行い、補正後の起電力に基づいてＳＯＣ値を推定してもよい。但し、本実施形態では、分極電圧Ｖｐを高精度に算出することが可能であり、これによって起電力の算出精度も確保されることから、このような起電力の補正は一般的に不要となろう。起電力補正処理を省略し得ることは本実施形態の効果の一つである。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 二次電池、２０ 電池ＥＣＵ、３２ 温度センサ、３４ 電圧センサ、３６ 電流センサ、３８ リレー、５０ インバータ、５２ モータジェネレータ、５６ 駆動力分配機構、６０ エンジン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の分極電圧を演算する装置、及び演算された分極電圧に基づいて二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を推定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機により駆動力を得ている電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両は、二次電池を搭載し、二次電池に蓄えられた電力により電動機を駆動する。電動車両は、回生制動、すなわち車両制動時に電動機を発電機として機能させ、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換することにより制動する機能を備えている。変換された電気エネルギは二次電池に蓄えられ、加速を行う時などに再利用される。
【０００３】
二次電池は過放電や過充電を行うと電池性能を劣化させることになるため、二次電池の充電状態ＳＯＣを把握して充電あるいは放電を調整する必要がある。特に、ハイブリッド自動車においては、二次電池が回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるようにするために、その充電状態を満充電状態（１００％）とか、まったく蓄電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御されることが多く、この場合、ＳＯＣをより正確に検出ないし推定することが望まれる。
【０００４】
特許文献１には、走行中のバッテリ電流を観測することにより局部的な電解液の濃度変化を予測することにより分極の度合いを推定し、充電状態に応じた補正項及び電圧値のマップを参照しつつ分極の影響が小さい時を狙って測定した電圧−電流特性から充電状態を推定することが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、電圧からバッテリの内部抵抗に起因するバッテリ内部の電圧降下を減算して得られる起電圧が所定値以上または以下になったことでＳＯＣを判定する際に、起電圧に含まれるバッテリセルの分極に基づく分極起電圧を考慮することが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、バッテリ内の分極の指数が下限値以上で上限値以下となるように発電機の発電電力を制御し、このような分極の指数のもとにバッテリのＳＯＣを推定することが開示されている。
【０００７】
特許文献４には、バッテリを構成するバッテリ構成部材がそれぞれ有する異なる分極特性を考慮することにより、分極起電圧の推定演算をより正確に行うことが開示されている。
【０００８】
特許文献５には、フィルタリング処理した積算容量の変化量から参照テーブルに基づいて分極電圧を求め、有効な無負荷電圧から分極電圧を減算して電池起電力を求め、電池起電力から参照テーブルに基づいてＳＯＣを推定することが開示されている。
【０００９】
特許文献６には、無負荷電圧から分極電圧を減算することで起電力を求め、前回演算された起電力と今回演算された起電力との変化量が、所定の制限値を超えないように今回演算された起電力に対して補正を行い、補正された起電力に基づいてＳＯＣを推定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３１９１００号公報
【特許文献２】特開２０００−２５８５１４号公報
【特許文献３】特開２００１−９７１５０号公報
【特許文献４】特開２００３−６８３７０号公報
【特許文献５】特開２００３−１９７２７５号公報
【特許文献６】特開２００８−１８０６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
二次電池の充電状態ＳＯＣは、上記のように、二次電池の無負荷電圧を算出し、無負荷電圧から分極電圧を減算することで二次電池の起電力を算出し、算出した二次電池の起電力から推定することができるが、この演算過程から明らかなように、分極電圧の算出精度がＳＯＣの算出精度に大きく影響することになる。特許文献３には、分極の指数が下限値と上限値の間にあるように発電機を制御するとともに、この条件下でＳＯＣを推定することが開示されているが、二次電池の特性は温度等により変化し得るものであり、分極電圧を演算する際に、このような二次電池の特性を考慮することは開示されていない。また、二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を演算する際、電流の計測値自体の誤差や計測タイミングのずれによって、誤った電流値を取得する場合がある。この誤った電流値から算出された分極電圧に基づいてＳＯＣを算出すれば、二次電池が過放電や過充電になる場合が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、二次電池の特性を考慮することで、ＳＯＣを推定するための前提となる二次電池の分極電圧を高精度に演算する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、二次電池の分極電圧を演算する分極電圧演算装置であって、前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段とを備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の１つの実施形態では、前記しきい値は、さらに前記二次電池の前回の充電状態ＳＯＣに応じ、前記充電状態ＳＯＣが相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定される。
【００１５】
また、本発明の１つの実施形態では、前記しきい値は、さらに前記二次電池の端子電圧に応じ、端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定される。
【００１６】
また、本発明の１つの実施形態では、前記分極電圧補正手段は、算出された前記分極電圧の絶対値が前記しきい値を超える場合に前記分極電圧を前記しきい値に置換し、算出された前記分極電圧の絶対値が前記しきい値以下の場合に前記分極電圧をそのまま維持する。
【００１７】
また、本発明の１つの実施形態では、前記しきい値は、充電側しきい値と放電側しきい値からなる。
【００１８】
また、本発明は、二次電池の充電状態ＳＯＣを推定する装置であって、前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段と、前記二次電池に流れる電流がゼロの時における前記二次電池の端子電圧を表す無負荷電圧を算出する無負荷電圧算出手段と、算出された前記無負荷電圧と、算出された前記分極電圧とに基づいて前記二次電池の起電力を算出する起電力算出手段と、算出された前記起電力に基づいて前記二次電池の充電状態ＳＯＣを算出するＳＯＣ算出手段とを備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、二次電池の分極電圧を高精度に演算できる。また、本発明によれば、高精度に演算された分極電圧を用いて二次電池の充電状態ＳＯＣを高精度に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態のハイブリッド自動車の概略構成図である。
【図２】実施形態の電池ＥＣＵの機能ブロック図である。
【図３】温度をパラメータとした充放電電流と分極電圧の関係を示すグラフ図である。
【図４Ａ】実施形態の処理フローチャート（その１）である。
【図４Ｂ】実施形態の処理フローチャート（その２）である。
【図５】温度と分極電圧の上限値並びに下限値の関係を示すグラフ図である。
【図６】分極電圧の上限値及び下限値の二次元テーブルを示すグラフ図である。
【図７】変化容量と分極電圧の関係を示すグラフ図である。
【図８】無負荷電圧算出方法を示すグラフ図である。
【図９】起電力とＳＯＣ値の関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、ハイブリッド自動車に搭載される場合を例にとり説明する。但し、本発明はハイブリッド自動車に搭載される場合に限定されるものではなく、駆動源としてモータジェネレータを備える他の電動車両にも同様に適用可能である。
【００２２】
図１に、ハイブリッド自動車の概略構成を示す。電池電子制御ユニット（電池ＥＣＵ）２０は、二次電池１０から電池電圧、電池温度等のデータを受けて、二次電池１０のＳＯＣを推定し、推定したＳＯＣや電池電圧、電池温度などのデータをハイブリッド電子制御ユニット（ＨＶ−ＥＣＵ）４０に出力する。ＨＶ−ＥＣＵ４０は、インバータ５０、駆動力分配機構５６、エンジン６０を制御する。
【００２３】
二次電池１０は、複数の電池ブロックを直列に接続して構成される。各電池ブロックは、それぞれ複数の電池モジュールを電気的に直列接続して構成され、各電池モジュールは、それぞれ複数の単電池（セル）を電気的に直列接続して構成される。二次電池１０は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池である。
【００２４】
二次電池１０は、リレー３８、インバータ５０を介してモータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）５２に接続される。モータジェネレータ５２は、遊星ギア機構を含む駆動力分配機構５６を介してエンジン６０に接続される。
【００２５】
温度センサ３２は、二次電池１０の少なくとも１箇所に設けられ、二次電池１０の所定部位の電池温度Ｔｂを検出する。温度センサ３２を複数設ける場合、温度センサ３２は、例えば比較的温度が近い複数の電池ブロックを１つのグループとしてグループ毎に１つずつ配置するのが好適である。
【００２６】
電圧センサ３４は、電池ブロック毎に設けられ、各電池ブロックの端子電圧Ｖｂを検出する。
【００２７】
電流センサ３６は、二次電池１０に流れる充放電電流Ｉを検出する。
【００２８】
温度センサ３２、電圧センサ３４、電流センサ３６で検出された温度データＴｂ、端子電圧データＶｂ、電流データＩは、それぞれ所定のサンプリング周期、例えば１００ｍｓｅｃで電池ＥＣＵ２０に供給される。サンプリングタイミングで順次検出された温度データ、端子電圧データ、電流データをそれぞれＴｂ（ｎ）、Ｖｂ（ｎ）、Ｉ（ｎ）とする。電池ＥＣＵ２０は、各センサからのデータに基づいて二次電池１０のＳＯＣを経時的に推定する。
【００２９】
図２に、電池ＥＣＵ２０の機能ブロック図を示す。電池ＥＣＵ２０は、無負荷電圧算出部、起電力算出部、ＳＯＣ推定部、積算容量算出部、変化容量算出部及び分極電圧算出部を備える。
【００３０】
電圧センサ３４で検出された二次電池１０の電圧データＶｂ（ｎ）は、無負荷電圧算出部に供給される。電流センサ３６で検出された二次電池１０の電流データＩ（ｎ）は、無負荷電圧算出部に供給されるとともに、積算容量算出部に供給される。温度センサ３２で検出された二次電池１０の温度データＴｂ（ｎ）は、分極電圧算出部に供給される。
【００３１】
積算容量算出部は、電流データＩ（ｎ）を積算することで所定期間における積算容量Ｑを算出する。積算容量算出部は、算出した積算容量Ｑを変化容量算出部に出力する。
【００３２】
変化容量算出部は、所定期間（例えば１分間）における積算容量Ｑの変化量ΔＱを算出する。変化容量算出部は、算出した積算容量の変化量ΔＱを分極電圧算出部に出力する。
【００３３】
分極電圧算出部は、積算容量の変化量ΔＱに基づいて分極電圧Ｖｐを算出する。また、分極算出電圧部は、算出した分極電圧が上限値と下限値の間にあるか否かを判定することで算出した分極電圧が妥当な値であるか否かを判定し、妥当でない場合に算出した分極電圧を補正する。図３に、二次電池１０の充放電電流と分極電圧の関係を、二次電池１０の温度をパラメータとして示す。図において、横軸は充放電電流（プラス側を充電側、マイナス側を放電側とする）、縦軸は分極電圧（プラス側を充電側、マイナス側を放電側とする）を示し、二次電池１０の温度が−１０℃、２０℃、４０℃の場合の充放電電流と分極電圧の関係を示す。二次電池１０の温度が高いほど、分極電圧の値（絶対値）は小さくなる。本実施形態では、このような二次電池１０の温度特性を考慮して、ルックアップテーブルを参照して求めた分極電圧が妥当な値であるか否かを判定するための上限値及び下限値を固定とするのではなく適応的に変化させて補正する。上限値及び下限値については、さらに後述する。分極電圧算出部は、求めた分極電圧Ｖｐを起電力算出部に出力する。
【００３４】
無負荷電圧算出部は、組データとして検出された電圧データＶｂ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）を最小二乗法を用いた統計処理により一次の電圧−電流直線を求め、電流がゼロのときの電圧値（Ｖ切片）として無負荷電圧を算出する。無負荷電圧算出部は、算出した無負荷電圧を起電力算出部に出力する。
【００３５】
起電力算出部は、算出された無負荷電圧と分極電圧算出部で算出された分極電圧から二次電池１０の起電力を算出する。すなわち、無負荷電圧から分極電圧を減算することにより起電力を算出する。起電力は、充電時には無負荷電圧から分極電圧の絶対値分だけ小さくなり、放電時には無負荷電圧から分極電圧の絶対値分だけ大きくなる。起電力算出部は、算出した起電力をＳＯＣ推定部に出力する。
【００３６】
ＳＯＣ推定部は、二次電池１０の起電力とＳＯＣとの関係をルックアップテーブルとして予めメモリに記憶しており、このメモリを参照することで、起電力算出部から供給された起電力に対応するＳＯＣを求める。また、ＳＯＣ推定部は、既に算出済みの前回のＳＯＣ推定値と変化容量とからＳＯＣを算出し、両ＳＯＣに基づいて今回のＳＯＣを推定してＨＶ−ＥＣＵ４０に出力する。
【００３７】
図４Ａ及び図４Ｂに、本実施形態の電池ＥＣＵ２０での詳細処理フローチャートを示す。まず、図４Ａにおいて、温度データＴｂ（ｎ）、電圧データＶｂ（ｎ）、電流データＩ（ｎ）を入力する（Ｓ１０１）。次に、分極電圧算出部は、前回算出されたＳＯＣ値（算出されたＳＯＣ値は順次、分極電圧算出部のメモリに記憶しておく）と温度データＴｂ（ｎ）に基づいて、分極電圧の上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定する（Ｓ１０２）。具体的には、予め前回ＳＯＣ値と温度データＴｂ（ｎ）及び上限値Ｖｐｍａｘ、下限値Ｖｐｍｉｎの関係を示すルックアップテーブルをメモリに記憶しておき、このメモリを参照することで、前回のＳＯＣ値及び今回の温度データＴｂ（ｎ）に応じた上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定する。
【００３８】
図５に、二次電池１０の温度と上限値Ｖｐｍａｘとの関係、及び二次電池１０の温度と下限値Ｖｐｍｉｎとの関係を示す。上限値Ｖｐｍａｘは充電側の分極電圧の上限値であり、下限値は放電側の分極電圧の下限値である。図３に示すように、二次電池１０の温度が高くなるほど、分極電圧の値（絶対値）は小さくなる傾向にある。したがって、このことに対応して、二次電池１０の温度が高いほど、上限値Ｖｐｍａｘの絶対値を小さく設定するとともに、下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さく設定する。温度に応じて上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを適応的に変化させることで、分極電圧Ｖｐを二次電池１０の温度特性に応じてより正確に算出することができる。
【００３９】
図６に、ルックアップテーブルの一例を模式的に示す。ルックアップテーブルは二次元テーブル（マップ）であり、前回のＳＯＣ値及び今回の温度データＴｂ（ｎ）に対応する上限値Ｖｐｍａｘと下限値Ｖｐｍｉｎが規定される。上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値は、ともに温度が高いほど小さくなるように設定され、かつ、前回のＳＯＣ値に応じて変動させる。具体的には、ＳＯＣ値が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも小さくなるように設定される。温度が高いほど上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さくする理由は、上記のとおり温度が高いほど分極電圧の絶対値は小さくなるからである。また、ＳＯＣ値が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さくする理由は、ＳＯＣ値が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも分極電圧は発生しにくくなることが実験により明らかとなっているからである。なお、電池種によっては、ＳＯＣ値が高い程分極電圧が発生しにくくなるものがある。この場合には、ＳＯＣ値が高い程上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さくしてもよい。
【００４０】
再び図４に戻り、上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定した後、分極電圧算出部は、電池温度Ｔｂ（ｎ）及び変化容量ΔＱを用いて分極発生量ΔＶｐを算出する（Ｓ１０３）。また、分極電圧算出部は、前回の分極の減衰量Ｖｐｄｅｃを算出する（Ｓ１０４）。そして、分極電圧算出部は、分極発生量ΔＶｐと減衰処理値（減衰量）Ｖｐｄｅｃとを加算することで、今回の分極電圧Ｖｐを算出する（Ｓ１０５）。
【００４１】
ここで、分極電圧の算出方法自体は、例えば特開２００８−１８０６９２号公報に記載されているように公知であるが、以下に説明する。分極電圧Ｖｐは、二次電池１０の定電流による充電を継続すると、徐々に増加し、充電が終了した後も直ちに解消せず、徐々に減少しながらゼロに向かう。つまり、分極電圧Ｖｐは、定電流による充電を開始してから終了するまでの成分である分極発生量ΔＶｐと、充電停止以降の成分である減衰量Ｖｐｄｅｃとを含む。ハイブリッド自動車に搭載された二次電池１０は、実際には定電流ではなく、短時間で充電または放電を頻繁に繰り返すため、分極発生量ΔＶｐは、近似的に一定時間内の充放電電流Ｉの積分量に係数ｈを乗算し、ある値で制限することで得られる。すなわち、分極発生量ΔＶｐは、
Ｖｐ＝ｈ×∫Ｉｄｔ
で算出される。ｈは、電池温度をパラメータとして、予め実験などにより求められた関数に基づいて算出される。∫Ｉｄｔは、電流データＩ（ｎ）の積算値である。
【００４２】
一方、減衰量Ｖｐｄｅｃは、短期的に減衰する成分から長期的に減衰する成分までｎ個の成分（Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎ）を合成したものである。各成分の減衰率は、ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ）で表されるため、各成分を合成した減衰率は、
減衰率＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ１）＋Ａ２×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ２）＋・・・
＋Ａｎ×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ）
となる。ここで、（Ａ１、Ａ２、・・・Ａｎ）＞０であり、Ａ１＋Ａ２＋・・・＋Ａｎ＝１である。また、Ａ１〜Ａｎ及びＴ１〜Ｔｎは、電池特性により予め実験などにより求められる。ｔは、二次電池１０の充電あるいは放電が終了してからの経過時間である。
【００４３】
分極電圧は、充電あるいは放電の間に発生した分極電圧に対して減衰するので、減衰量Ｖｐｄｅｃは、
Ｖｐｄｅｃ＝Ｖｐ×減衰率
となる。分極電圧Ｖｐは、以上のようにして算出される分極発生量ΔＶｐと減衰量Ｖｐｄｅｃを加算することで算出される。
【００４４】
分極電圧Ｖｐを算出した後、分極電圧算出部は、Ｓ１０２でルックアップテーブルを参照することで設定した上限値Ｖｐｍａｘと下限値Ｖｐｍｉｎをそれぞれ分極電圧Ｖｐと大小比較する。すなわち、まず、Ｖｐ＜Ｖｐｍｉｎであるか否かを判定する（Ｓ１０６）。Ｖｐ＜Ｖｐｍｉｎであれば、下限値を下回る（Ｖｐの絶対値が下限値の絶対値を超える）ことを意味するため、算出された分極電圧Ｖｐを下限値Ｖｐｍｉｎに置換する（Ｓ１０７）。次に、Ｖｐ＞Ｖｐｍａｘであるか否かを判定する（Ｓ１０８）。Ｖｐ＞Ｖｐｍａｘであれば、上限値を超えることを意味するため、算出された分極電圧Ｖｐを上限値Ｖｐｍａｘに置換する（Ｓ１０９）。算出された分極電圧Ｖｐが、下限値と上限値の間、つまりＶｐｍｉｎ≦Ｖｐ≦Ｖｐｍａｘであれば、置換することなくそのまま維持する。分極電圧算出部は、以上のようにして分極電圧Ｖｐを算出する。分極電圧算出部は、電流データＩ（ｎ）に基づき算出された分極電圧Ｖｐを、上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを用いて上限値と下限値の間に収まるように補正する。
【００４５】
なお、分極電圧算出部は、二次電池１０の温度をパラメータとして積算容量の変化容量ΔＱと分極電圧Ｖｐとの関係を示すルックアップテーブルをメモリに予め記憶しておき、このルックアップテーブルを参照することで、温度データと変化容量算出部で算出された変化容量ΔＱから分極電圧Ｖｐを求めてもよい。図７に、変化容量ΔＱと分極電圧Ｖｐの関係を一例として示す。電池温度が２５℃の場合の例である。
【００４６】
次に、図４Ｂに示すように、無負荷電圧算出部は、電圧データＶｂ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データから無負荷電圧を算出する（Ｓ１１０）。
【００４７】
図８に、電圧データＶｂ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データをプロットした結果を示す。これらの組データから、最小二乗法を用いた統計処理により、一次の電圧−電流直線（近似直線）が求められ、電流がゼロの時の電圧値（Ｖ切片）として無負荷電圧Ｖ０が算出される。
【００４８】
なお、無負荷電圧算出部は、組データのうち有効な組データのみを選択して無負荷電圧Ｖ０を算出してもよい。例えば、電流データＩ（ｎ）の値が所定範囲内であり、組データ取得中の積算容量の変化量ΔＱが所定の範囲内である場合に組データを有効とみなし、それ以外は排除するなどである。
【００４９】
再び図４Ｂに戻り、無負荷電圧Ｖ０を算出した後、起電力算出部は、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐから起電力を算出する（Ｓ１１１）。具体的には、起電力算出部は、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算することで起電力を算出する。
【００５０】
次に、ＳＯＣ推定部は、前回のＳＯＣ値に変化容量ΔＱを加算することで電流積算のＳＯＣ値を算出する（Ｓ１１２）。また、ＳＯＣ推定部は、起電力算出部で算出された起電力に基づき、予めメモリに記憶された起電力とＳＯＣとの関係を示すルックアップテーブルを参照して、算出した起電力に対応するＳＯＣ値を求める。図９に、起電力ＶｅとＳＯＣ値との関係を一例として示す。そして、電流積算のＳＯＣ値と、起電力から求めたＳＯＣ値から、今回のＳＯＣ値を推定する（Ｓ１１３）。具体的には、ＳＯＣ推定部は、電流積算のＳＯＣ値と起電力から求めたＳＯＣ値の平均を算出して今回のＳＯＣ値を推定する。なお、ＳＯＣ推定部は、電流積算のＳＯＣ値と起電力から求めたＳＯＣ値の重み付け平均により今回のＳＯＣ値を推定してもよく、あるいは起電力から求めたＳＯＣ値をそのまま今回のＳＯＣ値としてもよい。ＳＯＣ推定部は、推定したＳＯＣ値をＨＶ−ＥＣＵ４０に出力する。また、ＳＯＣ推定部は、今回のＳＯＣ値を分極電圧算出部に出力する。分極電圧算出部は、ＳＯＣ推定部から供給された今回のＳＯＣ値をメモリに記憶する。メモリに記憶した今回のＳＯＣ値は、次回の分極電圧を算出する際の上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定するために用いられる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態では、ＳＯＣ値を推定するために必要な二次電池１０の起電力を算出するための分極電圧Ｖｐを算出する際に、二次電池１０の特性を考慮した上限値及び下限値を用いることで、分極電圧Ｖｐの算出精度を向上することができる。起電力は、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算して算出されるものであり、分極電圧Ｖｐを高精度に算出することで起電力の算出精度が向上し、結果としてＳＯＣ値の算出精度も向上する。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５３】
例えば、本実施形態では、図６に示すように、分極電圧Ｖｐの上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを設定するためのテーブルを、今回の温度と前回のＳＯＣ値の二次元テーブルとしているが、ＳＯＣ値と端子電圧との間には正の相関があることから、今回の温度と前回の端子電圧の二次元テーブルとしてもよい。すなわち、温度が高い程、及び端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりも上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さく設定する。なお、電池種によっては温度が高い程、及び端子電圧が高い程、上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎの絶対値を小さく設定してもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、無負荷電圧算出部で組データを最小二乗法で統計処理することで無負荷電圧Ｖ０を算出しているが、算出された無負荷電圧Ｖ０に対し、その近似直線に対する組データの分散値を求め、この分散値が所定の範囲内にあるか、あるいは近似直線と組データの相関係数を求め、この相関係数が所定値以上ある場合に、無負荷電圧Ｖ０が有効とすることで、無負荷電圧の算出精度を確保してもよい。起電力は、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐから算出されるものであり、本実施形態により分極電圧Ｖｐの精度が確保され、さらに無負荷電圧Ｖ０の精度も併せて確保することで、起電力の算出精度が向上する。
【００５５】
また、本実施形態では、分極電圧Ｖｐの上限値Ｖｐｍａｘ及び下限値Ｖｐｍｉｎを二次元テーブルを用いて設定しているが、ある基準温度に対する基準上限値及び基準下限値を設定しておき、この基準温度からの温度変化量に応じて基準上限値及び基準下限値を変化させることで、温度に応じて上限値及び下限値を適応的に設定してもよい。例えば、温度２５℃を基準とし、このときの基準上限値及び基準下限値を予め設定しておくとともに、２５℃からの温度変化量に応じて基準上限値及び基準下限値を増減調整する。温度が２５℃以上であれば基準上限値および基準下限値の絶対値を減少調整し、温度が２５℃以下であれば基準上限値および基準下限値の絶対値を増大調整する。また、本実施形態では、上限値及び下限値と表現しているが、上限値を充電側のしきい値、下限値を放電側のしきい値とし、充電時及び放電時それぞれの分極電圧のしきい値あるいは許容値を設定すると表現することもできる。
【００５６】
また、本実施形態では充電状態ＳＯＣを推定しているが、充電状態ＳＯＣには二次電池１０の残存容量も含まれる。
【００５７】
さらに、本実施形態では、起電力算出部で算出された起電力に基づいてＳＯＣ値を推定しているが、特開２００８−１８０６９２号公報に示されるように、起電力算出部で算出された起電力に対し、前回の起電力を基準として許容できる変化量を超えないように補正を行い、補正後の起電力に基づいてＳＯＣ値を推定してもよい。但し、本実施形態では、分極電圧Ｖｐを高精度に算出することが可能であり、これによって起電力の算出精度も確保されることから、このような起電力の補正は一般的に不要となろう。起電力補正処理を省略し得ることは本実施形態の効果の一つである。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 二次電池、２０ 電池ＥＣＵ、３２ 温度センサ、３４ 電圧センサ、３６ 電流センサ、３８ リレー、５０ インバータ、５２ モータジェネレータ、５６ 駆動力分配機構、６０ エンジン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の分極電圧を演算する分極電圧演算装置であって、
前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、
前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、
算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段と、
を備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の前回の充電状態ＳＯＣに応じ、前記充電状態ＳＯＣが相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の端子電圧に応じ、端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記分極電圧補正手段は、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値を超える場合に前記分極電圧を前記しきい値に置換し、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値以下の場合に前記分極電圧をそのまま維持する
ことを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
前記しきい値は、充電側しきい値と放電側しきい値からなることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項６】
二次電池の充電状態ＳＯＣを推定する装置であって、
前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、
前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、
算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段と、
前記二次電池に流れる電流がゼロの時における前記二次電池の端子電圧を表す無負荷電圧を算出する無負荷電圧算出手段と、
算出された前記無負荷電圧と、算出された前記分極電圧とに基づいて前記二次電池の起電力を算出する起電力算出手段と、
算出された前記起電力に基づいて前記二次電池の充電状態ＳＯＣを算出するＳＯＣ算出手段と、
を備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の前回の充電状態ＳＯＣに応じ、前記充電状態ＳＯＣが相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項８】
請求項６記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の端子電圧に応じ、端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の装置において、
前記分極電圧補正手段は、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値を超える場合に前記分極電圧を前記しきい値に置換し、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値以下の場合に前記分極電圧をそのまま維持する
ことを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかに記載の装置において、
前記しきい値は、充電側しきい値と放電側しきい値からなることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項１】
二次電池の分極電圧を演算する分極電圧演算装置であって、
前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、
前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、
算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段と、
を備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の前回の充電状態ＳＯＣに応じ、前記充電状態ＳＯＣが相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の端子電圧に応じ、端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記分極電圧補正手段は、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値を超える場合に前記分極電圧を前記しきい値に置換し、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値以下の場合に前記分極電圧をそのまま維持する
ことを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
前記しきい値は、充電側しきい値と放電側しきい値からなることを特徴とする二次電池の分極電圧演算装置。
【請求項６】
二次電池の充電状態ＳＯＣを推定する装置であって、
前記二次電池に流れる電流に基づいて分極電圧を算出する分極電圧算出手段と、
前記分極電圧のしきい値を設定するしきい値設定手段と、
算出された前記分極電圧と前記しきい値とを比較することで前記分極電圧を補正する分極電圧補正手段と、
前記二次電池に流れる電流がゼロの時における前記二次電池の端子電圧を表す無負荷電圧を算出する無負荷電圧算出手段と、
算出された前記無負荷電圧と、算出された前記分極電圧とに基づいて前記二次電池の起電力を算出する起電力算出手段と、
算出された前記起電力に基づいて前記二次電池の充電状態ＳＯＣを算出するＳＯＣ算出手段と、
を備え、前記しきい値は、前記二次電池の温度特性に応じ、温度が高くなるほどその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の前回の充電状態ＳＯＣに応じ、前記充電状態ＳＯＣが相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項８】
請求項６記載の装置において、
前記しきい値は、さらに前記二次電池の端子電圧に応じ、端子電圧が相対的に低領域及び高領域において中領域よりもその絶対値が小さくなるように設定されることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれかに記載の装置において、
前記分極電圧補正手段は、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値を超える場合に前記分極電圧を前記しきい値に置換し、算出された前記分極電圧が前記しきい値の絶対値以下の場合に前記分極電圧をそのまま維持する
ことを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかに記載の装置において、
前記しきい値は、充電側しきい値と放電側しきい値からなることを特徴とする二次電池の充電状態推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１３３４１４（Ｐ２０１１−１３３４１４Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９４４４０（Ｐ２００９−２９４４４０）
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（３９９１０７０６３）プライムアースＥＶエナジー株式会社 (193)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２５日（２００９．１２．２５）
【出願人】（３９９１０７０６３）プライムアースＥＶエナジー株式会社 (193)
【Ｆターム（参考）】
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