JP2010019595A - 蓄電デバイスの残存容量演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流で充放電された場合であっても残存容量を精度良く演算する。
【解決手段】バッテリの残存容量ＳＯＣを求める際には、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃと開放電圧に基づく残存容量ＳＯＣｖとが重み付け合成される。残存容量ＳＯＣｖを求める際には、バッテリの等価回路モデルからインピーダンスが求められ、このインピーダンスを用いてバッテリの開放電圧が推定される。しかし、等価回路モデルは微少電流を前提として決定されており、継続的な大電流を考慮したものではないため、急速充電時等においては開放電圧の推定精度が低下して残存容量ＳＯＣｖが実際よりも高く演算される。そこで、残存容量ＳＯＣｖから残存容量ＳＯＣを減算して容量差ΔＳＯＣを算出し(Ｓ１４)、この容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１を上回る場合には(Ｓ１５)、残存容量ＳＯＣｖの重みを引き下げるように、重み付け合成時のウェイトｗが補正される(Ｓ１８)。
【選択図】図１０

Description

本発明は、蓄電デバイスの残存容量を演算する蓄電デバイスの残存容量演算装置に関する。

近年、リチウムイオン二次電池といった蓄電デバイスの小型軽量化や高エネルギー密度化が進み、携帯型機器、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電源として採用されている。この蓄電デバイスを有効に活用する為には、蓄電デバイスの残存容量を正確に把握することが重要となっており、蓄電デバイスの充放電電流を積算して残存容量を求める技術(例えば、特許文献１参照)や、蓄電デバイスの開放電圧に基づいて残存容量を求める技術(例えば、特許文献２参照)が提案されている。しかしながら、電流積算を用いた演算方法にあっては、突入電流等の負荷変動に強い反面、誤差が累積し易いという課題を有しており、開放電圧を用いた演算方法にあっては、電流が安定している領域では有効性が高い反面、突入電流等の負荷変動に弱いという課題を有している。そこで、蓄電デバイスの充放電状況に応じて、電流積算に基づく残存容量と開放電圧に基づく残存容量とを合成し、残存容量の演算精度を向上させるようにした技術が提案されている(例えば、特許文献３および４参照)。
特開平１１−１０３５０５号公報 特開２００２−１８９０６６号公報 特開２００２−２２２６６８号公報 特開２００２−３０５０３９号公報

ところで、開放電圧に基づいて残存容量を求める際には蓄電デバイスの開放電圧を推定する必要があるが、開放電圧を推定するためには蓄電デバイスの電流および端子電圧に加えて内部抵抗(インピーダンス)が必要である。この内部抵抗は蓄電デバイスの等価回路モデルを用いて算出することが可能であるが、蓄電デバイスの等価回路モデルは微少電流を供給した状態で決定されるものであり、継続的に大電流が供給される状況を考慮した等価回路モデルとはなっていない。したがって、急速充電等によって継続的に大電流が供給された場合には、蓄電デバイスの開放電圧が実際よりも高く推定されるため、開放電圧に基づく残存容量が実際よりも高く演算されていた。このように、急速充電時に残存容量が高く演算してしまうことは、実際の満充電状態に達する前に急速充電を終了させてしまう原因となっており、蓄電デバイスの容量を十分に活用することを困難とするものであった。特に、過充電状態が劣化を招いてしまうリチウムイオン二次電池にあっては、満充電状態の近傍における残存容量を精度良く演算しながら、過充電状態を招くことなく確実に満充電状態まで充電を実施することが望まれている。

本発明の目的は、大電流による充放電が継続的に行われる場合であっても、蓄電デバイスの残存容量を精度良く演算することにある。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づいて、前記蓄電デバイスの第１残存容量要素を演算する第１要素演算手段と、前記蓄電デバイスのインピーダンスから推定される開放電圧に基づいて、前記蓄電デバイスの第２残存容量要素を演算する第２要素演算手段と、前記蓄電デバイスの充放電状況に基づいて、前記残存容量要素のウェイトを設定するウェイト設定手段と、前記ウェイトを用いて前記第１残存容量要素と前記第２残存容量要素とを重み付け合成し、前記蓄電デバイスの残存容量を演算する残存容量演算手段と、前記残存容量と前記第２残存容量要素との差が所定値を上回る場合に、前記第１残存容量要素の重みを増すように前記ウェイトを補正するウェイト補正手段とを有することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記ウェイト補正手段は、前記残存容量と前記第２残存容量要素との差が所定値を上回る状態が所定時間に渡って継続された場合に、前記ウェイトの補正を実行することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記ウェイト補正手段は、前記残存容量が所定容量を上回る状態のもとで前記残存容量と前記第２残存容量要素との差を判定し、前記ウェイトの補正を実行することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記ウェイト補正手段は、前記蓄電デバイスの温度を加味して前記残存容量と前記第２残存容量要素との差を判定し、前記ウェイトの補正を実行することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記ウェイト設定手段は、前記充放電電流の移動平均処理した変化率に基づいて前記ウェイトを設定することを特徴とする。

本発明によれば、充放電電流の積算値に基づく第１残存容量要素と、開放電圧に基づく第２残存容量要素とを、ウェイトを用いて重み付け合成して蓄電デバイスの残存容量を演算している。そして、残存容量と第２残存容量要素との差が所定値を上回る場合には、第１残存容量要素の重みを増すようにウェイトを補正するようにしたので、大電流による充放電の影響を受けることなく残存容量を演算することができ、残存容量の演算精度を高めることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である蓄電デバイスの残存容量演算装置が適用される電気自動車１０を示す概略図である。図１に示すように、電気自動車１０には車輪１１を駆動するモータジェネレータ１２が搭載されている。このモータジェネレータ１２に電力を供給するため、電気自動車１０には蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池等のバッテリ１３が搭載されている。モータジェネレータ１２とバッテリ１３との間にはインバータ１４が設けられており、バッテリ１３とインバータ１４とは通電ケーブル１５，１６を介して接続されている。バッテリ１３から供給される直流電流は、インバータ１４を介して交流電流に変換された後に、モータジェネレータ１２に対して供給される。

また、バッテリ１３の残存容量ＳＯＣを演算するとともに、バッテリ１３の充放電状態を制御するため、バッテリ１３にはバッテリ制御ユニット(ＢＣＵ)２０が接続されている。さらに、インバータ１４の駆動状態やメインリレー２１の作動状態等を制御するため、電気自動車１０には車両制御ユニット(ＥＶＣＵ)２２が設けられている。これらのバッテリ制御ユニット２０、車両制御ユニット２２、インバータ１４等は、通信ネットワーク２３を介して互いに接続されている。なお、バッテリ制御ユニット２０や車両制御ユニット２２は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラムやテーブルデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。

また、バッテリ１３に対する急速充電を可能とするため、車体には急速充電用の受電側コネクタ２４が設置されている。この受電側コネクタ２４は一対の接続端子２５，２６を有しており、一方の接続端子２５は通電ケーブル１５に接続され、他方の接続端子２６は通電ケーブル１６に接続されている。そして、バッテリ１３に対して急速充電を施す際には、急速充電器２７が設置される給電ステーション等において、急速充電器２７から延びる給電側コネクタ２８が車体の受電側コネクタ２４に接続される。これにより、交流電源から急速充電器２７に供給される低電圧(例えば２００Ｖ)の交流電流は、バッテリ１３に対応する高電圧(例えば４００Ｖ)の直流電流に変換された後にバッテリ１３に対して供給される。また、バッテリ制御ユニット２０と急速充電器２７とは通信ネットワーク２３を介して接続され、バッテリ制御ユニット２０から出力される残存容量ＳＯＣ等に基づき急速充電器２７の作動状態が制御されることになる。なお、電気自動車１０に対して車載充電器を搭載することにより、家庭用電源を用いてバッテリ１３を充電しても良い。この場合には、車載充電器によって低電圧(例えば１００Ｖ)の交流電流から高電圧(例えば４００Ｖ)の直流電流が生成される。

続いて、バッテリ制御ユニット２０によって実行される残存容量ＳＯＣの演算処理について説明する。図２はバッテリ制御ユニット２０のシステム構成図であり、図３は残存容量ＳＯＣの演算アルゴリズムを示すブロック図であり、図４はバッテリ１３の等価回路モデルを示す回路図である。まず、図２に示すように、バッテリ制御ユニット２０には、バッテリ１３の端子電圧Ｖを検出する電圧センサ３０、バッテリ１３の充放電電流Ｉを検出する電流センサ３１、バッテリ１３のセル温度Ｔを検出する温度センサ３２が接続されている。また、バッテリ制御ユニット２０には、マイクロコンピュータ等によって構成される演算部３３が設けられている。この演算部３３は、各種センサ３０〜３２から入力される端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔに基づいて、所定時間ｔ毎に残存容量ＳＯＣ(ｔ)を演算する。この残存容量ＳＯＣ(ｔ)は、バッテリ１３の充放電状態を制御する際の基本データとして利用されるだけでなく、バッテリ制御ユニット２０から車両制御ユニット２２に対して出力され、車両制御用の基本データやバッテリ残量の表示用データ等として利用される。なお、後述するように、残存容量ＳＯＣ(ｔ)は、周期的な演算における１周期前の残存容量ＳＯＣ(ｔ−１)としても利用されることになる。

演算部３３による残存容量ＳＯＣの演算処理は、図３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１３の端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、充放電電流の積算値に基づく第１残存容量要素としての残存容量ＳＯＣｃと、推定されるバッテリ１３の開放電圧Ｖｏに基づく第２残存容量要素としての残存容量ＳＯＣｖとが並行して演算される。ところで、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃは、突入電流等の負荷変動に強い反面、誤差が累積し易いという特性を有しており、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖは、電流が安定している領域では有効性が高い反面、突入電流等の負荷変動に弱いという特性を有している。そこで、バッテリ制御ユニット２０は、バッテリ１３の充放電状況に応じて重み付け係数であるウェイトｗを設定し、このウェイトｗを用いて残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖを重み付け合成することにより、バッテリ１３の残存容量ＳＯＣを演算している。ウェイトｗは０〜１の間で設定され、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣは、以下の式(１)で与えられる。これにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの欠点を打ち消して互いの利点を最大限に引き出すことができ、残存容量ＳＯＣの演算精度を高めることが可能となる。このように、バッテリ制御ユニット２０は、第１要素演算手段、第２要素演算手段、ウェイト設定手段、および残存容量演算手段として機能することになる。
ＳＯＣ(ｔ)＝ｗ・ＳＯＣｃ(ｔ)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ …(１)

以下、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃ、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖ、充放電状況に応じて設定されるウェイトｗの演算方法について詳細に説明する。

電流積算による残存容量ＳＯＣｃ(ｔ)は、以下の式(２)に示すように、ウェイトｗを用いて合成された残存容量ＳＯＣ(ｔ−１)を基準値とし、この基準値に対して所定時間毎に電流Ｉを積算することによって算出される。ただし、式(２)において、ηは電流効率であり、Ａｈは電流容量(温度による変数)であり、ＳＤは自己放電率である。
ＳＯＣｃ(ｔ)＝ＳＯＣ(ｔ−１)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳＤ]ｄｔ／３６００ …(２)

この式(２)において、電流効率ηおよび自己放電率ＳＤについては、定数と見なすことが可能であるが(例えば、η＝１、ＳＤ＝０)、電流容量Ａｈについては、温度に依存して変化する変数である。そこで、残存容量ＳＯＣｃ(ｔ)の算出に用いられる電流容量Ａｈについては、温度Ｔによるセル容量の変動を関数化して求められる電流容量が用いられている。また、残存容量ＳＯＣｃ(ｔ)の演算は、演算部３３によって離散時間処理され、１周期前の残存容量ＳＯＣ(ｔ−１)は、電流積算の基準値として用いられる(図３に示す遅延演算子Ｚ^−１)。これにより、誤差が累積したり、発散したりすることがないため、万一、残存容量ＳＯＣｃ(ｔ)の初期値が真値と大きく異なっていても、所定時間経過後(例えば、数分後)には真値に収束させることができる。

続いて、開放電圧Ｖｏによる残存容量ＳＯＣｖの演算方法について説明する。推定される開放電圧Ｖｏに基づいて残存容量ＳＯＣｖを求める際には、端子電圧Ｖから開放電圧Ｖｏを推定するため、図４の等価回路モデルを用いることによってバッテリ１３のインピーダンスＺが求められる。この等価回路モデルは、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２(ただし、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分)の各パラメータを直列および並列に組み合わせた等価回路モデルである。等価回路モデルの各パラメータは、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って決定される。

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１３の温度Ｔ、電気化学的な反応速度、電流Ｉの周波数成分によって大きく変化する。したがって、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、電流変化率ΔＩ／Δｔの移動平均値を周波数成分に置き換えて採用し、電流変化率ΔＩ／Δｔ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、電流変化率ΔＩ／Δｔの移動平均値と温度Ｔとに基づいてインピーダンスＺのテーブル(後述する図７のインピーダンステーブル)が作成される。そして、インピーダンステーブルから求められるインピーダンスＺ、実測される端子電圧Ｖ、実測される電流Ｉから、以下の式(３)を用いて開放電圧Ｖｏが推定される。なお、バッテリ１３が低温になる程、バッテリ１３のインピーダンスＺが増加して電流変化率ΔＩ／Δｔが小さくなるため、後述するように、インピーダンスＺを求める際には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率(変化率)ＫΔＩ／Δｔが用いられている。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ×Ｚ …(３)

そして、開放電圧Ｖｏが推定された後には、バッテリ１３内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖが演算される。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することにより、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の式(４)を得ることができる。ここで、Ｅは標準電極電位(本形態のリチウムイオン二次電池では、Ｅ＝３．７４５Ｖ)であり、Ｒｇは気体定数(８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ)である。また、Ｔは温度(絶対温度Ｋ)であり、Ｎｅはイオン価数(本形態のリチウムイオン二次電池では、Ｎｅ＝１)であり、Ｆはファラデー定数(９６４８５Ｃ／ｍｏｌ)である。なお、式(４)の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、以下の式(５)に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ …(４)
Ｙ＝−１０^−６Ｘ^３＋９・１０^−５Ｘ^２＋０．０１３Ｘ−０．７３１１ …(５)

残存容量ＳＯＣｖを算出する際には、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、式(４)に基づいて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用するバッテリ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。そこで、以上の式(４)の関係から実際の充放電特性等を把握するため、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(後述する図８の残存容量テーブル)を作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求めるようにしている。

次いで、ウェイトｗの演算方法について説明する。ウェイトｗは、現在のバッテリ１３の充放電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る。このパラメータとしては、単位時間当たりの電流Ｉ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１３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。

そこで、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１３の充放電状況の変化に対して、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。

このように、電流変化率を移動平均処理してウェイトｗを決定することにより、電流変化率が大きいときにはウェイトｗを引き上げ、電流変化率が小さいときにはウェイトｗを引き下げるようにしている。これにより、負荷変動が大きく電流変化率が大きくなる場合には、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃの重みを引き上げる一方、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの重みを引き下げ、負荷変動に強い電流積算によって残存容量ＳＯＣを正確に反映させるとともに、振動する開放電圧Ｖｏの影響を回避することができる。逆に、負荷変動が小さく電流変化率が小さくなる場合には、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃの重みを引き下げる一方、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの重みを引き上げ、電流積算時の誤差の累積による影響を回避するとともに、精度良く推定される開放電圧Ｖｏによって正確な残存容量ＳＯＣを算出することができる。

すなわち、電流変化率に対する移動平均処理は、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１３の充放電状況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ＳＯＣの推定精度を大幅に向上させることが可能となる。

次いで、バッテリ１３の残存容量ＳＯＣの演算方法について詳細に説明する。ここで、図５は残存容量ＳＯＣの演算手順を示すフローチャートであり、図６は電流容量テーブルを示す説明図であり、図７はインピーダンステーブルを示す説明図である。また、図８は残存容量テーブルを示す説明図であり、図９はウェイトテーブルを示す説明図である。なお、図５のフローチャートにおいては、説明の都合上、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃを演算した後に、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算を行うようにしているが、実際には、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖは並行して演算されている。また、図５のフローチャートは、所定時間毎(例えば、０．１秒毎)に残存容量ＳＯＣを更新するように、所定時間毎に実行されている。なお、図７および図８については、説明に使用する範囲内でデータを示しており、他の範囲のデータについては記載を省略している。

図５に示すように、ステップＳ１においては、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔ、および前回の残存容量ＳＯＣ(ｔ−１)が入力されているか否かが判定される。なお、端子電圧Ｖや電流Ｉについては例えば０．１秒毎に新たなデータが取得され、温度Ｔについては例えば１０秒毎に新たなデータが取得されるものとする。ステップＳ１において、各種データが入力されていないと判定された場合には、そのままルーチンを抜ける一方、各種データが入力されていると判定された場合には、ステップＳ２に進み、バッテリ１３の電流容量Ａｈが算出される。

ステップＳ２においては、図６に示す電流容量テーブルを参照することにより、バッテリ１３の電流容量Ａｈが算出される。この電流容量テーブルは、温度Ｔをパラメータとして、基準となる所定の定格電流容量に対する容量比Ａｈ’を格納したものである。なお、基準となる定格電流容量とは、常温(２５℃)におけるバッテリ１３の電流容量であり、予め充放電試験やシミュレーション等によって求められるものである。図６に示すように、常温(２５℃)における容量比Ａｈ’(＝１．００)に対し、温度Ｔが低くなる程にバッテリ１３の電流容量Ａｈが減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなるように設定されている。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’によって定格電流容量を除算することにより、測定された温度Ｔにおける電流容量Ａｈが演算される。

続いて、ステップＳ３に進み、電流容量Ａｈ、電流Ｉ、残存容量ＳＯＣ(ｔ−１)を用い、前述の式(２)に従って、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃ(ｔ)を算出する。次いで、ステップＳ４に進み、移動平均処理された単位時間当りの電流変化率ΔＩ／Δｔが算出される。例えば、電流Ｉを０．１秒毎にサンプリングし、電流積算を０．５秒毎に演算する場合には、５個の電流変化率データが移動平均処理される。続くステップＳ５では、電流変化率ΔＩ／Δｔを温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが算出される。

続いて、ステップＳ６では、温度Ｔと補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔとに基づき、図７のインピーダンステーブルを参照することにより、バッテリ１３のインピーダンスＺが算出される。このインピーダンステーブルは、温度Ｔと補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔとをパラメータとして、等価回路モデルのインピーダンスＺを格納したものであり、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が低くなる程にインピーダンスＺが増加し、温度Ｔが同じ場合には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程にインピーダンスＺが増加する傾向を有している。続くステップＳ７では、前述した式(３)を用いることにより、インピーダンスＺ、端子電圧Ｖ、電流Ｉに基づいて、バッテリ１３の開放電圧Ｖｏが推定される。

続いて、ステップＳ８では、温度Ｔと開放電圧Ｖｏとに基づき、図８の残存容量テーブルを参照することにより、残存容量ＳＯＣｖが算出される。この残存容量テーブルは、前述したように、ネルンストの式に基づいてバッテリ１３内の電気化学的な状態を把握して作成したテーブルであり、概略的には、温度Ｔおよび開放電圧Ｖｏが低くなる程に残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔおよび開放電圧Ｖｏが高くなる程に残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。

続いて、ステップＳ９では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔに基づき、図９のウェイトテーブルを参照することにより、残存容量ＳＯＣｃと残存容量ＳＯＣｖとを合成する際に使用されるウェイトｗが算出される。このウェイトテーブルは、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り、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１３の負荷変動が小さくなる程に、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。そして、ステップＳ１０では、前述の式(１)を用いることにより、残存容量ＳＯＣｃと残存容量ＳＯＣｖとが重み付け合成され、バッテリ１３の最終的な残存容量ＳＯＣが演算されることになる。

ところで、前述の説明では、バッテリ１３の開放電圧Ｖｏを推定する際に、等価回路モデルからインピーダンスＺを求めているが、バッテリ１３の等価回路モデルは微少電流を供給した状態で決定されるものであり、継続的に大電流が供給される状況を考慮した等価回路モデルとはなっていない。すなわち、急速充電等によって継続的に大電流が供給される状況のもとでは、インピーダンスＺを精度良く求めることが困難となっており、バッテリ１３の開放電圧Ｖｏが高く推定されるとともに、この開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖが高く演算されてしまうおそれがある。

このように、実際よりも高く演算される残存容量ＳＯＣｖを用いてしまうと、実際にバッテリ１３が満充電状態に達する前に、満充電状態であると誤判定されてしまうため、バッテリ１３を満充電状態まで充電することができなくなる。特に、急速充電されたバッテリ１３にあっては、充電直後に端子電圧Ｖが高い状態であったとしても、時間経過に伴って端子電圧Ｖが実際の値まで低下するため(電圧ヒステリシス)、残存容量ＳＯＣを精度良く演算することが重要となっている。そこで、本発明の残存容量演算装置は、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖが実際よりも高く演算される状況のもとでは、最終的な残存容量ＳＯＣが適切に重み付け合成されるように、重み付けに用いられるウェイトｗの補正処理を実行するようにしている。

以下、急速充電時等において実行されるウェイトｗの補正処理について説明する。図１０はウェイト補正処理の実行手順の一例を示すフローチャートである。このウェイト補正処理は、ウェイト補正手段として機能するバッテリ制御ユニット２０によって実行されている。

図１０に示すように、ステップＳ１１では、残存容量ＳＯＣが入力されているか否かが判定される。ステップＳ１１において、残存容量ＳＯＣが入力されていないと判定された場合には、そのままルーチンを抜ける一方、残存容量ＳＯＣが入力されていると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、残存容量ＳＯＣが９５％(所定容量)以上であるか否かが判定される。ステップＳ１２において、残存容量ＳＯＣが９５％を下回ると判定された場合には、そのままルーチンを抜ける一方、残存容量ＳＯＣが９５％以上であると判定された場合には、ステップＳ１３に進み、タイマリセット処理が実行される。なお、残存容量ＳＯＣが９５％を下回ると判定された場合には、急速充電等によって残存容量ＳＯＣｖが高く演算されたとしても、バッテリ１３の満充電状態まで余裕があるため、ウェイトｗを補正することなくそのままルーチンを抜けるようにしている。一方、残存容量ＳＯＣが９５％以上であると判定された場合には、バッテリ１３が満充電状態に近いことから、ステップＳ１３以降でウェイトｗを補正することにより、残存容量ＳＯＣを精度良く演算するようにしている。

次いで、ステップＳ１４では、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖから最終的な残存容量ＳＯＣが減算され、残存容量ＳＯＣｖと残存容量ＳＯＣとの差である容量差ΔＳＯＣが算出される。続くステップＳ１５では、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１以上であるか否かが判定される。ステップＳ１５において、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１以上であると判定された場合には、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖが高く演算されている状況であるため、ステップＳ１６に進み、タイマカウント処理が実行される。続くステップＳ１７では、タイマＴｉが所定時間Ｔ１以上であるか否かが判定される。ステップＳ１７において、タイマＴｉが所定時間Ｔ１以上であると判定された場合には、ステップＳ１８に進み、ウェイトｗの増加補正処理が実行されることになる。一方、ステップＳ１７において、タイマＴｉが所定時間Ｔ１に達していないと判定された場合には、再びステップＳ１４において容量差ΔＳＯＣが演算され、ステップＳ１５において容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１以上であるか否かが判定される。

一方、ステップＳ１５において、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１を下回ると判定された場合には、ステップＳ１９に進み、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１よりも低い所定値Ｖ２以下であるか否かが判定される。ステップＳ１９において、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ２以下であると判定された場合には、ステップＳ２０に進み、ウェイトｗの通常算出処理が実行され、図９のウェイトテーブルから得られたウェイトｗがそのまま利用される。一方、ステップＳ１９において、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ２を上回る場合には、そのままルーチンを抜けることになる。

ここで、図１１は容量差ΔＳＯＣ、ウェイトｗ、残存容量ＳＯＣの各変動状況を示す説明図である。図１１に示すように、容量差ΔＳＯＣの大きな状況が継続される場合には(符号α１，α２)、残存容量ＳＯＣｃの重みを増すようにウェイトｗが増加補正される(符号β１，β２)。これにより、大電流での充放電によって演算精度が低下する残存容量ＳＯＣｖではなく、残存容量ＳＯＣｃに近づくように残存容量ＳＯＣ(一点鎖線)が演算されることになる。一方、従来のように容量差ΔＳＯＣを考慮することなく、電流変化率等に応じて単にウェイトｗを設定していた場合には(符号γ１，γ２)、残存容量ＳＯＣｃから離れるように残存容量ＳＯＣ(二点鎖線)が演算されてしまうことになる。

これまで説明したように、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１以上となる状態が、所定時間Ｔ１に渡って継続されている場合には、残存容量ＳＯＣｖが高く演算されている状況であるため、残存容量ＳＯＣｃの重みを増すようにウェイトｗが増加補正され、残存容量ＳＯＣを合成する際の残存容量ＳＯＣｖの重みが引き下げられる。これにより、不要に高く演算された残存容量ＳＯＣｖの影響を受けることなく、精度良く残存容量ＳＯＣを演算することが可能となる。これにより、急速充電等を実施する際には、過充電状態を回避しながらバッテリ１３を満充電状態まで充電することができるため、バッテリ１３の性能を最大限に活用することが可能となる。

また、前述の説明では、容量差ΔＳＯＣが所定値Ｖ１を上回ることによって、ウェイトｗの増加補正処理を実行しているが、バッテリ１３の温度Ｔに基づいて増加補正処理を実行する際の感度を変化させても良い。ここで、図１２は温度補正係数テーブルを示す説明図である。図１２に示すように、温度補正係数テーブルには、容量差ΔＳＯＣに乗算される温度補正係数ｋが格納されており、温度Ｔが低い程に温度補正係数ｋが大きくなる傾向を有している。すなわち、バッテリ１３の温度Ｔが低い場合には、補正後の容量差ΔＳＯＣ_Ｒ(＝ΔＳＯＣ×ｋ)が大きく設定されるため、早期にウェイトｗの増加補正処理が実行されることになる。バッテリ１３の温度Ｔが低下している場合には、開放電圧Ｖｏが大きく推定される傾向にあることから、ウェイトｗの増加補正処理を早期に実行することにより、残存容量ＳＯＣを精度良く演算することが可能となる。

また、バッテリ１３の温度Ｔに基づいてウェイトｗを増加補正する際の感度を変えるだけでなく、容量差ΔＳＯＣ_Ｒが所定値Ｖ１以上となる継続時間Ｔａに基づいて、ウェイトｗを増加補正する際の感度を変えるようにしても良い。ここで、図１３はウェイト補正係数テーブルを示す説明図である。図１３に示すように、ウェイト補正係数テーブルには、ウェイトｗに乗算されるウェイト補正係数ｇが格納されており、継続時間Ｔａが長くなる程にウェイト補正係数ｇが大きくなる傾向を有している。すなわち、容量差ΔＳＯＣ_Ｒが所定値Ｖ１以上となる状況が、長時間に渡って継続された場合には、ウェイトｗ(＝ｗ×ｇ)が大きく補正されるため、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃの重みが増すことになる。容量差ΔＳＯＣ_Ｒの大きな状態が長時間に渡って継続する場合とは、残存容量ＳＯＣｖが不要に高く演算されている状況であるため、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃの重みを増すことにより、残存容量ＳＯＣを精度良く演算することが可能となる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図示する場合には、電気自動車１０に搭載されるバッテリ１３に対して本発明を適用しているが、これに限られることはなく、ハイブリッド自動車や携帯機器等に搭載されるバッテリに対して本発明を適用しても良い。また、蓄電デバイスとしては、前述したリチウムイオン二次電池に限られることはなく、他の形式のバッテリやキャパシタに対して本発明を適用しても良い。

また、前述の説明では、バッテリ１３に大電流が供給される状況として急速充電を挙げているが、これに限られることはなく、継続して急加速を行うことにより、バッテリ１３から大電流が放出される状況であっても良く、継続して急減速を行うことにより、バッテリ１３に対して大電流が供給される状況であっても良いことはいうまでもない。また、図１０のフローチャートに示すように、ステップＳ１１，Ｓ１２において、ウェイト補正前にバッテリ１３の残存容量ＳＯＣを判定しているが、バッテリ１３の残存容量ＳＯＣを判定することなくウェイト補正処理を実施するようにしても良い。

本発明の一実施の形態である蓄電デバイスの残存容量演算装置が適用される電気自動車を示す概略図である。 バッテリ制御ユニットのシステム構成図である。 残存容量ＳＯＣの演算アルゴリズムを示すブロック図である。 バッテリの等価回路モデルを示す回路図である。 残存容量ＳＯＣの演算手順を示すフローチャートである。 電流容量テーブルを示す説明図である。 インピーダンステーブルを示す説明図である。 残存容量テーブルを示す説明図である。 ウェイトテーブルを示す説明図である。 ウェイト補正処理の実行手順の一例を示すフローチャートである。 容量差ΔＳＯＣ、ウェイトｗ、残存容量ＳＯＣの各変動状況を示す説明図である。 温度補正係数テーブルを示す説明図である。 ウェイト補正係数テーブルを示す説明図である。

符号の説明

１３ バッテリ(蓄電デバイス)
２０ バッテリ制御ユニット(第１要素演算手段，第２要素演算手段，ウェイト設定手段，残存容量演算手段，ウェイト補正手段)
ＳＯＣｃ 残存容量(第１残存容量要素)
ＳＯＣｖ 残存容量(第２残存容量要素)
ＳＯＣ 残存容量
ΔＳＯＣ 容量差(差)
Ｉ 充放電電流
Ｚ インピーダンス
Ｖｏ 開放電圧
ｗ ウェイト
Ｖ１ 所定値
Ｔ１ 所定時間
ＫΔＩ／Δｔ 補正後電流変化率(変化率)

Claims (5)

1. 蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づいて、前記蓄電デバイスの第１残存容量要素を演算する第１要素演算手段と、
   前記蓄電デバイスのインピーダンスから推定される開放電圧に基づいて、前記蓄電デバイスの第２残存容量要素を演算する第２要素演算手段と、
   前記蓄電デバイスの充放電状況に基づいて、前記残存容量要素のウェイトを設定するウェイト設定手段と、
   前記ウェイトを用いて前記第１残存容量要素と前記第２残存容量要素とを重み付け合成し、前記蓄電デバイスの残存容量を演算する残存容量演算手段と、
   前記残存容量と前記第２残存容量要素との差が所定値を上回る場合に、前記第１残存容量要素の重みを増すように前記ウェイトを補正するウェイト補正手段とを有することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
2. 請求項１記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
   前記ウェイト補正手段は、前記残存容量と前記第２残存容量要素との差が所定値を上回る状態が所定時間に渡って継続された場合に、前記ウェイトの補正を実行することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
3. 請求項１または２記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
   前記ウェイト補正手段は、前記残存容量が所定容量を上回る状態のもとで前記残存容量と前記第２残存容量要素との差を判定し、前記ウェイトの補正を実行することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
   前記ウェイト補正手段は、前記蓄電デバイスの温度を加味して前記残存容量と前記第２残存容量要素との差を判定し、前記ウェイトの補正を実行することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
   前記ウェイト設定手段は、前記充放電電流の移動平均処理した変化率に基づいて前記ウェイトを設定することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。

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