JP5090865B2 - 起電力演算装置および充電状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の起電力を演算する起電力演算装置および起電力演算装置で演算された二次電池の起電力に基づいて二次電池の充電状態を推定する充電状態推定装置に関する。

電動機により車両駆動力を得ている電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の電動車両は、二次電池を搭載し、この二次電池に蓄えられた電力により電動機を駆動している。このような電動車両は、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。ここで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。

二次電池は過放電、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；state of charge）を把握し充電あるいは放電を調節する必要がある。特に、車載された熱機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを二次電池に充電することができる形式のハイブリッド電気自動車においては、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、その充電状態を満蓄電の状態（１００％）と、全く蓄電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御される場合がある。この場合、二次電池のＳＯＣをより正確に検出することが望まれる。

特許文献１には、二次電池に対する充放電電流を測定し、その電流値（充電の場合はマイナス、放電の場合はプラスの符号を有する）に所定の充電効率ηを乗算し、その乗算値をある時間期間に亘って積算することにより、積算容量を計算し、この積算容量に基づいてＳＯＣを推定する方法が開示されている。

特許文献１では、二次電池の起電力Ｖｅに応じて充電効率ηを補正することで、推定されるＳＯＣの精度を向上させているが、このように充電効率ηを補正することでＳＯＣの精度を向上させるためには、充電効率ηの補正パラメータとなる起電力Ｖｅを精度よく算出することが重要となる。

起電力Ｖｅは、例えば、次のように求められる。すなわち、所定期間（例えば、６０ｓｅｃ）に二次電池の端子電圧Ｖと充放電電流Ｉとのペアデータを複数個取得して記憶し、そのペアデータから、回帰分析により１次の近似直線（電圧Ｖ−電流Ｉ近似直線）を求め、Ｖ−Ｉ近似直線のＶ切片を無負荷電圧Ｖ０として求める。また、電流Ｉを所定期間積算することで積算容量Ｑを計算し、当該所定期間における積算容量Ｑの変化量ΔＱと電池温度Ｔとに基づいて電池の分極電圧Ｖｐを求め、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算して、起電力Ｖｅを求める（特許文献２などを参照）。

上記のように、分極電圧Ｖｐを考慮して起電力Ｖｅを算出することで、算出される起電力Ｖｅの精度を向上させることができる。しかし、特許文献２の図２に示すように、分極電圧Ｖｐは、積算容量の変化量ΔＱから数十秒遅れて変化する。この遅れは、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとの関係においても時間的なずれを発生させる。よって、この時間的なずれを考慮しなければ、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算して得られる起電力Ｖｅには誤差が生じることになる。

そこで、特許文献１や２では、起電力Ｖｅの算出工程において、分極電圧Ｖｐに対して時間遅延を補正する処理を行うことが開示されている。

特開２００３−１９７２７２号公報 特開２００３−１９７２７５号公報 特開２００５−６５４８２号公報 特開２０００−３２３１８３号公報 特開２００３−１４９３０７号公報

しかしながら、特許文献１、２のように、起電力Ｖｅを算出する際に、分極電圧Ｖｐに対して時間遅延を補正する処理を行ったとしても、その補正が十分でなく、算出される起電力Ｖｅに誤差が生じることがある。

本発明は、演算により求められる二次電池の起電力Ｖｅの誤差を低減することを目的とする。

本発明に係る起電力演算装置は、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Ｖ０と、前記二次電池の分極電圧Ｖｐとに基づいて、前記二次電池の起電力を計時的に演算する起電力演算部と、前回演算された起電力Ｖｅｂに対する今回演算された起電力Ｖｅの変化量が所定の制限値Ｖｔを超える場合、前記変化量が前記制限値Ｖｔを超えないように、前記起電力Ｖｅを補正する起電力補正部と、を備え、前記起電力補正部は、前記起電力Ｖｅｂ、及び前回演算されてから今回演算されるまでの期間における前記二次電池の積算容量Ｑの変化量ΔＱをパラメータとして前記制限値Ｖｔを設定することを特徴とする。

本発明に係る起電力演算装置の１つの態様では、前記起電力演算部は、前記二次電池に流れる電流Ｉと、前記電流Ｉに対応する前記二次電池の端子電圧Ｖとの組データを所定期間に亘って複数個取得し、取得した複数個の組データに基づく統計処理により前記無負荷電圧Ｖ０を演算する無負荷電圧演算部と、前記電流Ｉを前記所定期間に亘って積算して積算容量Ｑを算出し、前回の積算容量Ｑとの差である積算容量変化量ΔＱに基づいて前記分極電圧Ｖｐを演算する分極電圧演算部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る起電力演算装置の１つの態様では、前記起電力補正部は、前記二次電池が充電時には、前記起電力Ｖｅｂに前記制限値Ｖｔを加算することで補正し、前記二次電池が放電時には、前記起電力Ｖｅｂから前記制限値Ｖｔを減算することで補正することを特徴とする。

本発明に係る起電力演算装置は、充電状態を所定の許容範囲に維持するように充電あるいは放電が制御される二次電池の起電力を計時的に演算する起電力演算部と、前回演算された起電力Ｖｅｂに対する今回演算された起電力Ｖｅの変化量が、前記二次電池の充電状態に応じて設定される制限値Ｖｔを超えないように、前記起電力Ｖｅを補正する起電力補正部と、を備え、前記起電力補正部は、前記起電力Ｖｅｂ、及び前回演算されてから今回演算されるまでの期間における前記二次電池の積算容量Ｑの変化量ΔＱをパラメータとして前記制限値Ｖｔを設定することを特徴とする。

本発明に係る充電状態推定装置は、前記起電力演算装置から取得した二次電池の起電力に基づいて前記二次電池の充電状態を推定する充電状態推定装置であって、前記起電力の変化量が前記制限値Ｖｔを超える場合、補正後の起電力Ｖｅ’に基づいて前記二次電池の充電状態を推定し、前記起電力の変化量が前記制限値Ｖｔ以内の場合、前記起電力Ｖｅに基づいて前記二次電池の充電状態を推定することを特徴とする。

本発明によれば、演算により求められる二次電池の起電力Ｖｅの誤差を低減することができる。

また、本発明の１つの態様によれば、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとに基づいて演算された起電力Ｖｅに対して、前回起電力Ｖｅｂ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う。これにより、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとの時間的なずれにより生じる起電力Ｖｅの誤差を抑制することができる。

本発明を実施するための最良の形態を具体的に示した実施形態について、ハイブリッド電気自動車を例に、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、電動車両の１つであるハイブリッド電気自動車を例に説明するが、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本実施形態は適用可能である。

図１は、本実施形態に係るハイブリッド電気自動車の概略構成を示す図である。図１において、電池電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと称す）２０は、二次電池１０から電池電圧、電池温度などの情報を受けて、二次電池１０のＳＯＣを計時的に推定し、推定したＳＯＣや電池電圧、電池温度などの情報をハイブリッド電子制御ユニット（以下、ＨＶ−ＥＣＵと称す）４０に送信する。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。

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、２個の電池モジュールを電気的に直列接続して構成されており、更に、各電池モジュールは、６個の単電池を電気的に直列に接続して構成されている。なお、電池ブロック、電池モジュール、単電池の数は特に限定されるものではない。二次電池の構成も上記した例に限定されるものではない。二次電池１０は、具体的には、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などである。

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（内燃機関）６０と接続される。

また、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を検知する。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ごとに１つずつ配置される。あるいは比較的温度差がある電池ブロックごとに１つずつ配置してもよい。グループ分けや検知対象の電池ブロックの選択は、事前の実験等によって各電池ブロックの温度を測定することによって行えばよい。

また、電圧センサ３４は、電池ブロックごとに設けられ、各電池ブロックの端子電圧Ｖｂを検知する。さらに、電流センサ３６は、二次電池１０に流れる充放電電流Ｉを検知する。

温度センサ３２、電圧センサ３４、電流センサ３６から出力された温度データＴｂ（ｎ）、端子電圧データＶｂ（ｎ）、電流データＩ（ｎ）は、それぞれ所定のサンプリング周期（例えば、１００ｍｓｅｃ）で電池ＥＣＵ２０に入力され、電池ＥＣＵ２０は、各センサから入力された各データに基づいて二次電池１０のＳＯＣを推定する。

次に、本実施形態における電池ＥＣＵ２０の構成について、図２に示す機能ブロック図を用いて説明する。

電圧測定部２０２は、各電圧センサ３４により検出された各電池ブロックの端子電圧Ｖｂを所定のサンプリング周期（例えば、１００ｍｓｅｃ）で端子電圧データＶｂ（ｎ）として測定し、各電池ブロックの端子電圧データＶｂ（ｎ）を合計して二次電池１０の電圧データＶ（ｎ）を測定する。電流測定部２０４は、電流センサ３６により検出された二次電池１０の充放電電流を所定のサンプリング周期（例えば、１００ｍｓｅｃ）で電流データＩ（ｎ）（その符号は充電方向か放電方向かを表す）として測定する。温度測定部２０６は、各温度センサ３２により検出された温度データＴｂ（ｎ）の代表値（例えば、平均値）を二次電池１０の温度データＴ（ｎ）として測定する。

起電力演算部２１０は、無負荷電圧Ｖ０を算出するための組データ選別部２１１、無負荷電圧演算部２１２、及び無負荷電圧判定部２１３を含み、さらに、分極電圧Ｖｐを算出するための分極電圧演算部２１４を含む。

電圧測定部２０２からの電圧データＶ（ｎ）と、電流測定部２０４からの電流データＩ（ｎ）は、組データとして、組データ選別部２１１に入力される。組データ選別部２１１では、選別条件として、充電方向（−）と放電方向（＋）における電流データＩ（ｎ）の値が所定の範囲内（例えば、±５０Ａ）にあり、充電方向と放電方向における電流データＩ（ｎ）の個数が所定数以上（例えば、６０サンプル中の各１０個）あり、また組データ取得中の積算容量の変化量ΔＱが所定の範囲内（例えば、０．３Ａｈ）にある場合に、電圧データＶ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データが有効であると判断され、それらを選択して有効な組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））として出力される。

さて、組データ選別部２１１から出力される有効な組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））は、無負荷電圧演算部２１２に入力される。無負荷電圧演算部２１２では、図３に示すように、有効な組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））から、最小二乗法を用いた統計処理により、１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（電圧（Ｖ）切片）である無負荷電圧Ｖ０が算出される。

無負荷電圧演算部２１２から出力された無負荷電圧Ｖ０は、次に、無負荷電圧判定部２１３に入力される。無負荷電圧判定部２１３では、判定条件として、近似直線に対する組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））の分散値が求められ、この分散値が所定の範囲内にあるか、または近似直線と組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））との相関係数を求め、この相関係数が所定値以上である場合に、算出された無負荷電圧Ｖ０が有効であると判断し、出力する。

なお、無負荷電圧演算部２１２における無負荷電圧Ｖ０の算出方法は上記の方法に限定されるものではない。

一方、分極電圧演算部２１４は、二次電池１０の分極電圧Ｖｐを演算する。分極電圧Ｖｐは、図４Ａに示すように、例えば、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に、徐々に減少しながら０へ向かう。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成分Ｖｐｏと充電停止以降の成分である分極減衰成分Ｖｐｄ（分極発生成分Ｖｐｏに対しマイナス符号を有する）とを含む。なお、図４Ａにおいて、電圧Ｖｉｒは、二次電池１０の定電流による充電を開始した際に、二次電池１０の内部抵抗により生じる電圧を示す。なお、二次電池１０の定電流による放電を継続した場合には、図４Ａの横軸に対してほぼ対照的な電圧の経時変化を示すので詳細な説明は省略する。

そこで、分極電圧演算部２１４は、例えば、分極発生成分Ｖｐｏと分極減衰成分Ｖｐｄとをそれぞれ演算し、それらを加算することで分極電圧Ｖｐを演算する。

ハイブリッド電気自動車に搭載された二次電池１０の充放電制御は、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、分極発生成分Ｖｐｏ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ため、分極電圧演算部２１４は、分極発生成分Ｖｐｏを次式（１）により算出する。

Ｖｐｏ＝ｈ×∫Ｉ ・・・（１）
ここで、ｈは、電池温度をパラメータとして、予め実験等により求められた関数ｆ（Ｔ）に基づいて算出される分極電圧発生係数であり、∫Ｉは、電流データＩ（ｎ）の電流積算値、つまり、積算容量Ｑを示す。

また、一般的に電池の分極減衰成分Ｖｐｄは、図４Ｂに示すように、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。ここで、各成分の分極減衰率は、ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ）で表されるため、各成分を合成した分極電圧の分極減衰率は、次式（２）により表される。

分極減衰率＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ１）＋Ａ２×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ２）＋Ａ３×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ３）＋・・・＋Ａｎｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ） ・・・（２）
ここで、（Ａ１，Ａ２，・・・・Ａｎ）＞０であり、Ａ１＋Ａ２＋・・・＋Ａｎ＝１である。また、Ａ１〜ＡｎおよびＴ１〜Ｔｎは、電池特性により予め実験等により求める値である。さらに、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を示す。

さて、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、分極減衰成分Ｖｐｄは次式（３）により算出することができる。

Ｖｐｄ＝Ｖｐｏ×（Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ１）＋Ａ２×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ２）＋Ａ３×ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ３）＋・・・＋Ａｎｅｘｐ（−ｔ／Ｔｎ）） ・・・（３）

以上の通り、分極電圧演算部２１４は、式（１）および式（３）に基づいて、分極発生成分Ｖｐｏと分極減衰成分Ｖｐｄとを演算した後、これらを加算することで、分極電圧Ｖｐ（＝Ｖｐｏ＋Ｖｐｄ）を演算する。

また、分極電圧演算部２１４は、上記の算出方法以外に、例えば、次のように分極電圧Ｖｐを算出してもよい。

すなわち、分極電圧演算部２１４は、電流測定部２０４から入力された電流データＩ（ｎ）の所定期間（例えば、６０ｓｅｃ）における電流積算に基づいて今回の積算容量Ｑを算出し、前回の所定期間（例えば、６０ｓｅｃ）における積算容量Ｑとの差である積算容量の変化量ΔＱを求める。次いで、分極電圧演算部２１４は、参照テーブル（ＬＵＴ）に予め記憶されている、温度をパラメータとして積算容量の変化量ΔＱに対する分極電圧Ｖｐの特性曲線または式から温度データＴ（ｎ）に基づいて分極電圧Ｖｐを算出する。ここで、図５に、温度が２５℃の場合のΔＱに対する分極電圧Ｖｐの特性曲線を示す。なお、図５には、２５℃の場合の特性曲線しか示していないが、実際には、例えば、ハイブリッド電気自動車用途の場合、−３０℃〜＋６０℃までの範囲をカバーできるような特性曲線が参照データとしてＬＵＴに格納されている。

なお、分極電圧演算部２１４における分極電圧Ｖｐの算出方法は上記の方法に限定されるものではない。

以上のように分極電圧Ｖｐを算出した後、分極電圧演算部２１４は、算出した分極電圧Ｖｐに対して時間遅延処理を行い、無負荷電圧Ｖ０とのタイミング合わせを行った後、分極電圧Ｖｐを出力する。後述するが、本実施形態では、分極電圧演算部２１４において時間遅延処理が十分に行われずに、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとの時間的なずれが発生した場合に、これらに基づいて算出される起電力Ｖｅの誤差を抑制する。

減算器２１６は、無負荷電圧判定部２１３から出力された無負荷電圧Ｖ０から、分極電圧演算部２１４から出力された分極電圧Ｖｐを減算することで得られる起電力Ｖｅを出力する。減算器２１６から出力された起電力Ｖｅは、起電力補正部２１７に入力される。

起電力補正部２１７は、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとの時間的なずれにより起電力Ｖｅに生じる誤差を抑制するように起電力Ｖｅに対して補正を行い、補正後の起電力Ｖｅ’を出力する。

図６は、二次電池１０としてニッケル水素電池を用いた場合におけるＳＯＣと起電力Ｖｅとの関係を示す図である。図６に示す通り、起電力Ｖｅの変化量はＳＯＣの変化量に依存する。例えば、ハイブリッド電気自動車の場合、ＳＯＣを所定の許容範囲を示す中間領域に維持しながら二次電池１０の充電あるいは放電を制御するが、図６に示す通り、ＳＯＣの中間領域では起電力の変化は小さい。よって、例えば、ＳＯＣが５０％前後であるにも拘わらず、急激に起電力が増減することは通常の制御では起こることは希である。そのため、例えば、ＳＯＣが５０％前後であるにも拘わらず、前回算出された起電力Ｖｅｂに対して、比較的短期間（例えば、６０ｓｅｃ）後に算出された今回の起電力Ｖｅがあまりにも大きい場合、つまり、起電力の変化量があまりにも大きい場合、算出された起電力Ｖｅは誤差を多く含むことが考えられる。

そこで、本実施形態では、上記のようなＳＯＣと起電力との関係を考慮して、起電力補正部２１７は、前回起電力記憶部２１８に記憶されている前回起電力Ｖｅｂと今回の起電力Ｖｅとを比較し、その変化量が所定の変化制限値Ｖｔより大きい場合には、前回起電力Ｖｅｂからの変化量を変化制限値Ｖｔ以内に制限する。

より具体的には、充電側において、起電力Ｖｅから前回起電力Ｖｅｂを減算した値の絶対値（｜Ｖｅ−Ｖｅｂ｜）が変化制限値Ｖｔを超えていれば、補正後の起電力Ｖｅ’をＶｅｂ＋Ｖｔとする。一方、放電側において、絶対値（｜Ｖｅ−Ｖｅｂ｜）が変化制限値Ｖｔを超えていれば、補正後の起電力Ｖｅ’をＶｅｂ−Ｖｔとする。なお、｜Ｖｅ−Ｖｅｂ｜）が変化制限値Ｖｔ以内であれば、補正後の起電力Ｖｅ’は、そのままＶｅとする。ここで二次電池が充電側か放電側かの判断は、電流データＩ（ｎ）に基づいて行えばよい。すなわち、前回の起電力Ｖｅｂを算出してから今回の起電力Ｖｅを算出するまでの間に測定された電流データＩ（ｎ）の積算値の符号がマイナスであれば充電側、逆にプラスであれば放電側と判断すればよい。

なお、前回起電力Ｖｅｂからの変化量が変化制限値Ｖｔ以内に制限されていればよいため、必ずしも充電側では補正後の起電力Ｖｅ’をＶｅｂ＋Ｖｔとし、放電側では補正後の起電力Ｖｅ’をＶｅｂ−Ｖｔとしなくてもよい。

許容できる起電力の変化量は、二次電池１０のＳＯＣ値やＳＯＣの変化量によって異なる。また、ＳＯＣ値は起電力と相関関係があり、ＳＯＣの変化量は積算容量Ｑの変化量ΔＱと相関関係がある。つまり、許容できる起電力の変化量は、前回起電力Ｖｅｂの大きさや、前回起電力Ｖｅｂを算出してから今回の起電力Ｖｅを算出するまでの間における積算容量Ｑの変化量ΔＱに応じて異なる。そのため、変化制限値Ｖｔは、前回起電力Ｖｅｂの大きさや、積算容量Ｑの変化量ΔＱに応じて変更することが好ましい。

そこで、本実施形態では、起電力補正部２１７は、変化制限値Ｖｔを、図７Ａや図７Ｂに示す参照テーブル（ＬＵＴ）に基づいて決定する。図７Ａは、放電時に参照される参照テーブルであり、図７Ｂは、充電時に参照される参照テーブルである。図７Ａ、図７Ｂに示すように、変化制限値Ｖｔは、前回起電力Ｖｅｂの大きさや、変化量ΔＱをパラメータとして求められる。例えば、図７Ａにおいて、前回起電力Ｖｅｂの大きさがＶ５からＶ６の間であり、変化量ΔＱが１．５Ａｈから２．０Ａｈの間であれば、この時の変化制限値Ｖｔは０．０２Ｖとなる。

さらに、想定される起電力の変化量は、電池温度によっても異なる。例えば、低温時（−３０℃）でＳＯＣが高い状態における起電力の変化量は、常温時（２５℃）での起電力の変化量に比べて大きくなる。したがって、電池温度によっても変化制限値Ｖｔを変更することが好ましい。そこで、図８に示すように、電池温度によって、各変化制限値Ｖｔに対応する前回起電力Ｖｅｂの大きさを変更してもよい。例えば、電池温度が０℃以上の場合には、図７Ａや図７Ｂに示す参照テーブル中のＶ５を１６．０Ｖ、Ｖ６を１６．２Ｖに設定し、電池温度が−１５℃以上０℃未満の場合には、Ｖ５を１６．１、Ｖ６を１６．４に設定する。

以上の通り、起電力補正部２１７において、起電力Ｖｅを補正することで、たとえ無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとの時間的なずれが発生した場合であっても、これらに基づいて算出される起電力Ｖｅの誤差を抑制することができる。

なお、上記の通り、起電力Ｖｅの変化量はＳＯＣの変化量に依存する。よって、例えば、ＳＯＣと変化制限値Ｖｔとの相関関係を示す参照テーブル（ＬＵＴ）を予め用意しておき、当該参照テーブルを参照して変化制限値ＶｔをＳＯＣの大きさに応じて設定しても構わない。

さて、上記の通り、起電力補正部２１７で補正され出力された起電力Ｖｅ’は、前回起電力記憶部２１８に入力されるとともに、電流積算係数補正部２２０に入力される。前回起電力記憶部２１８は、新たな起電力Ｖｅ’が入力されると、現在記憶している前回起電力Ｖｅｂを、新たに入力された起電力Ｖｅ’に書き換える。また、電流積算係数補正部２２０は、起電力Ｖｅ’に応じて、電流積算係数ｋに対する補正量αを決定する。起電力Ｖｅ’に対する補正量αは１次式で表され、この１次式は系の収束性を考慮して決定される。電流積算係数補正部２２０で求められた補正量αは、充電効率算出部２２２から出力される充電効率ηと加算器２２４により加算または減算あるいは乗算されて、電流積算係数ｋとなる。

加算器２２４からの電流積算係数ｋは、ＳＯＣ推定部２３０に入力される。ＳＯＣ推定部２３０では、電流測定部２０４からの電流データＩ（ｎ）に電流積算係数ｋが乗算されて、所定期間における電流積算により、残存容量ＳＯＣが推定される。

また、このＳＯＣ推定値は、上記の充電効率算出部２２２に入力され、充電効率算出部２２２では、予め記憶されている、温度をパラメータとしたＳＯＣ推定値に対する充電効率ηの特性曲線から、温度測定部２０６で測定された温度データＴ（ｎ）に基づいて、充電効率ηが算出される。なお、二次電池１０が放電状態にある場合は、充電効率ηは１に固定され、二次電池１０が充電状態にある場合に、充電効率算出部２２２により算出された充電効率ηが用いられる。

以上のように、電池ＥＣＵ２０の内部に設けられる各部がそれぞれ処理を実行することで、電池ＥＣＵ２０は、温度センサ３２、電圧センサ３４、電流センサ３６から出力された温度データＴｂ（ｎ）、端子電圧データＶｂ（ｎ）、電流データＩ（ｎ）に基づいて二次電池１０のＳＯＣを推定する。

次に、以上のように構成された電池ＥＣＵ２０が二次電池のＳＯＣを推定する際の処理手順について、図９のフローチャートを参照して説明する。

図９において、まず、電圧データＶ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）を組データとして測定する（Ｓ１００）。次に、ステップＳ１００で測定された電圧データＶ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データが、有効な組データであるか否かを調べるために、それらが上記したような選別条件を満たすか否かを判断する（Ｓ１０２）。ステップＳ１０２の判断で、選別条件を満たさない場合（ステップＳ１０２の判定結果が、否定「Ｎ」）、ステップＳ１００に戻って、電圧データＶ（ｎ）と電流データＩ（ｎ）の組データを再度測定する。一方、ステップＳ１０２の判断で、選別条件を満たす場合（ステップＳ１０２の判定結果が、肯定「Ｙ」）、複数個（例えば、６０サンプル中の充電および放電方向で各１０個）の有効な組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））を取得する（Ｓ１０４）。

次に、有効な組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））から、最小二乗法を用いた統計処理により、１次の近似直線（Ｖ−Ｉ直線）を求め、その近似直線のＶ切片を無負荷電圧Ｖ０として算出する（Ｓ１０６）。次に、無負荷電圧Ｖ０が有効であるか否かを調べるために、無負荷電圧Ｖ０が上記したような判定条件を満たすか否かを判断する（Ｓ１０８）。ステップＳ１０８の判断で、判定条件を満たさない場合（ステップＳ１０８の判定結果が、否定「Ｎ」）、ステップＳ１０４に戻って、別の複数個（例えば、６０サンプル中の別の各１０個）の有効な組データＳ（Ｖ（ｎ），Ｉ（ｎ））を取得して、ステップＳ１０４、Ｓ１０６を繰り返す。一方、ステップＳ１０８の判断で、算出した無負荷電圧Ｖ０が判定条件を満たす場合（ステップＳ１０８の判定結果が、肯定「Ｙ」）、算出した無負荷電圧Ｖ０を起電力Ｖｅの算出に採用する。

次いで、ステップＳ１００で測定された電流データＩ（ｎ）から過去の所定期間（例えば、６０ｓｅｃ）における積算容量Ｑを算出し、その積算容量Ｑに基づいて、上記の通り、分極電圧Ｖｐを算出する（Ｓ１１０）。次に、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算することで、起電力Ｖｅを算出し（Ｓ１１２）、さらに、起電力Ｖｅの補正処理を実行する（Ｓ１１４）。

ここで、起電力Ｖｅの補正処理の手順について、図１０に示すフローチャートを用いてさらに説明する。

まず、Ｖｅフラグがオンか否かの判定を行うことで、起電力Ｖｅが算出されたか否かを判定する（Ｓ２００）。ここで、Ｖｅフラグは、起電力Ｖｅが算出されるとオンになるフラグである。上記の通り、起電力Ｖｅを算出するには、無負荷電圧Ｖ０を算出する必要があり、無負荷電圧Ｖ０は、複数個の端子電圧Ｖと電流Ｉとのペアデータを用いて統計処理により求められる。つまり、無負荷電圧Ｖ０は常時算出されているわけでない。そこで、まず、Ｖｅフラグがオンか否かの判定を行う。そして、Ｖｅフラグがオフであれば（ステップＳ２００の判定結果が、否定「Ｎ」）、そのまま処理を終了する。

一方、Ｖｅフラグがオンであれば（ステップＳ２００の判定結果が、肯定「Ｙ」）、次に、補正対象の起電力Ｖｅがイグニッションスイッチをオンしてから最初に算出された起電力か否かを判定する（Ｓ２０２）。判定の結果、最初であれば（ステップＳ２０２の判定結果が、肯定「Ｙ」）、前回の起電力Ｖｅは存在しないため、起電力Ｖｅの補正は行わずに（Ｓ２１４）、処理を終了する。

一方、最初でなければ（ステップＳ２０２の判定結果が、否定「Ｎ」）、上記の通り、前回起電力Ｖｅｂの大きさ、積算容量Ｑの変化量ΔＱ、温度データＴ（ｎ）に基づいて、変化制限値Ｖｔを設定する（Ｓ２０４）。

次いで、起電力Ｖｅから前回起電力Ｖｅｂを減算した値の絶対値（｜Ｖｅ−Ｖｅｂ｜）が変化制限値Ｖｔを超えているか否を判定し（Ｓ２０６）、変化制限値Ｖｔ以内であれば、起電力Ｖｅの補正は行わずに（Ｓ２１４）、処理を終了する。

一方、変化制限値Ｖｔを超えていれば、起電力Ｖｅは、二次電池１０が放電時に算出されたか、充電時に算出されたかを判定し（Ｓ２０８）、放電時であれば、補正後の起電力Ｖｅ’をＶｅｂ−Ｖｔとする（Ｓ２１０）。また、充電時であれば、補正後の起電力Ｖｅ’をＶｅｂ＋Ｖｔとする（Ｓ２１２）。

以上のように、補正後の起電力Ｖｅ’を求めた後、前回起電力記憶部２１８に記憶されている前回起電力Ｖｅｂを補正後の起電力Ｖｅ’に置き換えることで、前回起電力Ｖｅｂを更新し（Ｓ２１６）、起電力Ｖｅの補正処理を終了する。

さて、図９に戻り、上記の通り、起電力Ｖｅの補正処理が行われた後、補正後の起電力Ｖｅ’に応じて、電流積算係数ｋに対する補正量αを算出する（Ｓ１１６）。また、測定した温度データＴ（ｎ）に基づいて、現在推定しているＳＯＣ推定値から充電効率ηを算出する（Ｓ１１８）。次に、ステップＳ１１８で求めた補正量αとステップＳ１２０で求めた充電効率ηとを加算して、電流積算係数ｋを算出する（Ｓ１２０）。最後に、電流積算係数ｋを電流データＩ（ｎ）に乗算して、所定期間における電流積算により、ＳＯＣを推定する（１２２）。

以上のように、本実施形態によれば、無負荷電圧Ｖ０から分極電圧Ｖｐを減算することで求められた起電力Ｖｅに対して、前回起電力Ｖｅｂ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う。これにより、無負荷電圧Ｖ０と分極電圧Ｖｐとの時間的なずれにより生じる起電力Ｖｅの誤差を抑制することができる。よって、起電力Ｖｅに基づいて推定されるＳＯＣの精度の向上を図ることができる。

なお、上記の実施形態では、演算された起電力に基づいてＳＯＣを推定する場合を例に説明したが、起電力はＳＯＣを推定する際のパラメータ以外の用途に利用しても構わない。

本実施形態に係るハイブリッド電気自動車の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る電池ＥＣＵの機能ブロックを示す図である。 本実施形態における、電圧データと電流データとの組データと、それから統計処理により無負荷電圧を求めるための近似直線とを示す図である。 二次電池の分極電圧Ｖｐの演算手法について説明するための図である。 二次電池の分極電圧Ｖｐの演算手法について説明するための図である。 本実施形態における、温度をパラメータとした変化量ΔＱに対する分極電圧ｐの特性曲線の一例を示す図である。 二次電池の起電力とＳＯＣとの関係を示す図である。 変化制限値Ｖｔを決定する際に参照される放電時の参照テーブルの一例を示す図である。 変化制限値Ｖｔを決定する際に参照される充電時の参照テーブルの一例を示す図である。 各変化制限値Ｖｔに対応する前回起電力Ｖｅｂの大きさを設定する際に参照する参照テーブルの一例を示す図である。 本実施形態において、電池ＥＣＵが二次電池のＳＯＣを推定する際に実行する処理手順を示すフローチャートである。 本実施形態において、電池ＥＣＵが起電力の補正を行う際に実行する処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

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、２０２ 電圧測定部、２０４ 電流測定部、２０６ 温度測定部、２１０ 起電力演算部、２１１ 組データ選別部、２１２ 無負荷電圧演算部、２１３ 無負荷電圧判定部、２１４ 分極電圧演算部、２１６ 減算器、２１７ 起電力補正部、２１８ 前回起電力記憶部、２２０ 電流積算係数補正部、２２２ 充電効率算出部、２２４ 加算器、２３０ ＳＯＣ推定部。

Claims (5)

1. 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Ｖ０と、前記二次電池の分極電圧Ｖｐとに基づいて、前記二次電池の起電力を計時的に演算する起電力演算部と、
   前回演算された起電力Ｖｅｂに対する今回演算された起電力Ｖｅの変化量が所定の制限値Ｖｔを超える場合、前記変化量が前記制限値Ｖｔを超えないように、前記起電力Ｖｅを補正する起電力補正部と、
   を備え、
   前記起電力補正部は、
   前記起電力Ｖｅｂ、及び前回演算されてから今回演算されるまでの期間における前記二次電池の積算容量Ｑの変化量ΔＱをパラメータとして前記制限値Ｖｔを設定する
   ことを特徴とする起電力演算装置。
2. 請求項１に記載の起電力演算装置において、
   前記起電力演算部は、
   前記二次電池に流れる電流Ｉと、前記電流Ｉに対応する前記二次電池の端子電圧Ｖとの組データを所定期間に亘って複数個取得し、取得した複数個の組データに基づく統計処理により前記無負荷電圧Ｖ０を演算する無負荷電圧演算部と、
   前記電流Ｉを前記所定期間に亘って積算して積算容量Ｑを算出し、前回の積算容量Ｑとの差である積算容量変化量ΔＱに基づいて前記分極電圧Ｖｐを演算する分極電圧演算部と、
   を備えることを特徴とする起電力演算装置。
3. 請求項１または２に記載の起電力演算装置において、
   前記起電力補正部は、
   前記二次電池が充電時には、前記起電力Ｖｅｂに前記制限値Ｖｔを加算することで補正し、
   前記二次電池が放電時には、前記起電力Ｖｅｂから前記制限値Ｖｔを減算することで補正する、
   ことを特徴とする起電力演算装置。
4. 充電状態を所定の許容範囲に維持するように充電あるいは放電が制御される二次電池の起電力を計時的に演算する起電力演算部と、
   前回演算された起電力Ｖｅｂに対する今回演算された起電力Ｖｅの変化量が、前記二次電池の充電状態に応じて設定される制限値Ｖｔを超えないように、前記起電力Ｖｅを補正する起電力補正部と、
   を備え、
   前記起電力補正部は、
   前記起電力Ｖｅｂ、及び前回演算されてから今回演算されるまでの期間における前記二次電池の積算容量Ｑの変化量ΔＱをパラメータとして前記制限値Ｖｔを設定する
   ことを特徴とする起電力演算装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の起電力演算装置から取得した二次電池の起電力に基づいて前記二次電池の充電状態を推定する充電状態推定装置であって、
   前記起電力の変化量が前記制限値Ｖｔを超える場合、補正後の起電力Ｖｅ’に基づいて前記二次電池の充電状態を推定し、
   前記起電力の変化量が前記制限値Ｖｔ以内の場合、前記起電力Ｖｅに基づいて前記二次電池の充電状態を推定する、
   ことを特徴とする充電状態推定装置。

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