JP2001223033A

JP2001223033A - 電池システム及び電池の状態検出方法

Info

Publication number: JP2001223033A
Application number: JP2000034314A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kinoshita; 拓哉木下; Akihiko Emori; 昭彦江守; Hideki Miyazaki; 英樹宮崎; Noboru Akiyama; 秋山　　登
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2001-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】電池の状態を精度良く検出する。【解決手段】電池の温度と電流の関数で電池の電圧を電
圧測定の度に分極補正し、補正した電圧と電流のデータ
を回帰分析した結果と電池特性を比較する事で、電池の
残量と劣化を検出する。【効果】電池の状態を高速に精度良く検出する事ができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電池システムに係わ
り、特に、電池を集合させた組電池の状態を管理するシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電池電圧，充放電電流と温度を測
定して電池の状態を検出する電池状態検出方法があっ
た。例えば特開平10−106635号公報に開示される技術が
知られている。従来の電池状態検出方法では、まず所定
期間に電池電圧と電流を測定し、結果を平均してから分
極電圧を補正する。その後、所定の平均電流−補正電圧
データを回帰分析して電池の起電圧と直流抵抗を求め、
直流抵抗から電池の劣化を、起電圧から電池の残量を算
出する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の電池状態検出方
法では、平均処理をした電池電圧毎に分極電圧を演算し
ているので、常に変化している分極電圧の影響を正確に
補正できなかった。その影響で回帰分析によって求める
起電圧と直流抵抗に誤差が生じていた。また、電池を大
電流用途に用いる場合、一般的には安全性の確保や品質
保持のために、使用できる最大電圧と最小電圧が規定さ
れている。これらの結果、誤差が出ても使用電圧範囲を
外れないために保護マージンを大きくとる必要があり、
電池の使用温度範囲と電流範囲が過剰に制限されてい
た。

【０００４】本発明は上記課題を考慮してなされたもの
であり、電池の状態を精度良く検出する手段を提供する
ことを目的とする。

【０００５】本発明の他の目的は、温度変化や経時変化
により電池の特性が変化しても、精度を落すことなく電
池の状態を検出する方法を提供する事にある。

【０００６】本発明の他の目的は、電流源を用いずに電
池を定電流で充電することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電池システ
ムは、電池と、電池の充放電電流を検出する電流検出装
置と、電池の電池電圧を検出する電圧検出装置と、電池
の温度を検出する温度検出装置と、一定周期毎に充放電
電流と電池電圧と電池温度をサンプルするサンプラーと
を有する。さらに本システムは、サンプル時間又は回数
と充放電電流と電池電圧と温度を変数とし電池の起電圧
や内部抵抗等の状態を推定する演算式を記憶した記憶装
置と、演算式を用いて電池の状態を演算する状態演算装
置とを有する。

【０００８】好ましくは、記憶装置は分極電圧を記憶
し、演算式は分極電圧を更新する分極電圧更新演算式
と、電池電圧と分極電圧を変数とし、補正電圧を演算す
る補正演算式とを含む。ここで、分極電圧更新演算式は
過去の分極電圧演算結果を変数とする。

【０００９】また、演算式はサンプルした電池電圧と充
放電電流のデータを充放電電流値の複数の区間で分割
し、分割されたデータそれぞれを平均する処理を含むこ
とが好ましい。

【００１０】さらに好ましくは、電流源を用いずに電池
を定電流で充電するために、電池を充電する電圧源を有
し、電圧源の指令値が電池状態検出結果に基づいてい
る。

【００１１】また、電池の状態を精度良く検出するため
に、本発明による電池の状態検出方法は、電池電圧と充
放電電流に基づいて電池の分極電圧を補正する。分極電
圧は、過去の分極電圧演算結果を変数とする分極電圧更
新演算式で更新される。

【００１２】また本発明による電池の状態検出方法は、
電池電圧と充放電電流に基づいて、電池の状態を回帰分
析する。回帰分析はサンプルした電池電圧と充放電電流
のデータを充放電電流値の複数の区間で分割し、分割さ
れたデータそれぞれを平均する処理を行う。

【００１３】さらに、温度が変化しても上記目的を達成
するために、電池の温度をサンプルすると共に、補正係
数が温度の関数となっていることが好ましい。

【００１４】また、経時変化により電池の特性が変化し
ても電池の状態を精度良く検出するために、電池に最大
定格電流の１０％以上の電流を１秒以上の期間連続する
充放電電流を流し、その後１０秒以上の期間、前記電流
値よりも小さい電流を連続して流す電流パターンを有す
る。また、充放電電流を最大定格電流の１％以下にして
いる期間内に、所定の時間間隔で電池電圧をサンプルす
ることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】図３は電池の等価回路を示す図で
ある。

【００１６】図３（ａ）は電池の簡略化した等価回路モ
デルである。Ｖ＋端子３３５とＶ−端子３３６はそれぞ
れ電池の正，負極端子、Ｅは電池の起電圧、Ｒは内部抵
抗、Ｃは寄生容量、Ｒｃは寄生容量の放電抵抗である。
これらのうち、Ｅは残量に、Ｒは劣化に対応する。Ｖ＋
端子３３５〜Ｖ−端子３３６間の電池電圧Ｖと、電池を
流れる電流Ｉ、電池の筐体外部の温度Ｔは直接測定可能
な状態量である。また、ＶｃはＣの分極電圧、ＩＲは内
部抵抗Ｒと充放電電流Ｉにより発生する電圧で、Ｅ，
Ｒ，Ｃ，Ｒｃ，Ｖｃ等は直接測定が困難な状態量であ
る。

【００１７】電池の容量に対して十分に小さい電流で電
池を充放電させる場合、ＶｃやＩＲがＥに対して十分に
小さいため、Ｖ≒Ｅと近似する事ができる。しかし、大
電流の場合はＶｃやＩＲが大きく、Ｖ≠Ｅとなる。

【００１８】そこで、ＥやＲを求めるには、先ずＶｃを
電流履歴から推定してＶを補正する（Ｖ′＝Ｖ―Ｖ
ｃ）。次にＶ′＝ＩＲ＋Ｅと近似し、切片と傾きからＥ
とＲを推定する。

【００１９】この時、一般的な電池では、図３（ｂ）の
ようにＣ１〜Ｃ３やＲｃ１〜Ｒｃ３のように異なる時定
数の寄生容量と放電抵抗を有する。このような場合は、
時定数の異なる複数のＶｃ１〜３があるため、分極電圧
の補正には注意を要する。

【００２０】図１は本発明の実施例である電池システム
を示す図である。直列に接続された複数の電池１０１
と、それぞれの電池１０１に接続された電池制御装置１
２１によって構成されている。

【００２１】電池制御装置１２１にはＩを測定する電流
検出装置１０２，複数の電池１０１それぞれのＶを測定
する電圧検出装置１０３，Ｔを測定する温度検出装置１
０４，所定期間内に流れた電流の積算値∫Ｉを測定する
積算電流検出装置１１０，各検出装置がデータをサンプ
ルしてくるタイミングを決定するサンプラー１０６，状
態演算装置１２２，保護判定装置１１５，放電回路１０
５，スイッチ１０７、及び周辺装置１２４からなる。

【００２２】状態演算装置１２２は分極補正装置１１
２，回帰分析装置１１３，残量推定装置１１４，記憶装
置１２３で構成されている。

【００２３】分極補正装置１１２は、Ｔ，Ｖ，∫Ｉを各
検出装置から、Ｖｃを記憶装置から受取り、Ｔ，Ｖ，∫
Ｉ，Ｖｃの関数を演算してＶｃを更新し、新しいＶｃを
記憶装置１２３に出力する。また、補正電圧（Ｖ′＝Ｖ
―Ｖｃ）を演算して出力する。

【００２４】回帰分析装置１１３は分極補正装置１１２
からＶ′を、電流検出装置１０２からＩを受取り、Ｖ′
―Ｉデータを例えば６０秒分記憶し、回帰分析を行って
ＥとＲを推定し、出力する。

【００２５】残量推定装置１１４は、回帰分析装置１１
３からＥ、温度検出装置１０４からＴ、積算電流検出装
置１１０から∫Ｉを受取り、前回の残量とＥ，Ｔ，∫Ｉ
の関数から残量を推定し、出力する。

【００２６】ここで、残量推定装置１１４と共に内部抵
抗から劣化を推定する装置を組み込んでもよい。また、
内部分極が小さい電池に対しては分極補正装置１１２を
含まなくても、Ｖを直接回帰分析する事で十分な精度の
Ｅを求める事ができる。また、Ｒの変化が小さい電池で
は回帰分析装置を含まなくても、Ｖ′と既知のＲからＥ
を求める事ができる。

【００２７】周辺装置１２４は、表示装置１１６，通信
装置１１７，冷却装置１１８，バランス補償装置１１
９，電流遮断装置１２０から成る。

【００２８】保護判定装置１１５は、回帰分析装置１１
３からＥ，Ｒを、残量推定装置114から残量を受取り、
Ｅ，Ｒ，残量が使用範囲に入っているかを判定し、表示
装置１１６，通信装置１１７，冷却装置１１８，バラン
ス補償装置１１９，電流遮断装置１２０に保護指令を出
力する。

【００２９】また、表示装置１１６は保護指令だけでな
く残量も表示し、通信装置１１７は保護指令と必要に応
じて残量等も出力する。

【００３０】冷却装置１１８は、保護判定装置１１５の
指令に基づいて電池を冷却する。

【００３１】バランス補償装置１１９は、保護判定装置
の指令に基づいて、電池に並列に接続された放電回路１
０５を制御する。

【００３２】電流遮断装置１２０は電池１０１の電流経
路上に設けられたスイッチ１０７を制御する。

【００３３】電池制御装置１２１の動作は、まず運転開
始とともに、サンプラー１０６と電圧検出装置１０３，
電流検出装置１０２，積算電流検出装置１１０，温度検
出装置１０４により例えば１秒間毎にＶとＩ，∫Ｉ，Ｔ
を測定する。

【００３４】次に、分極補正装置１１２で記憶装置１１
３に記憶された分極電圧更新演算式に基づき∫ＩとＴに
よりＶｃ(ｔ)を更新し、補正演算式でＶを補正する。

【００３５】ここで分極電圧更新演算式は次式で示され
る。

【００３６】Ｖｃ(ｔ)＝ｋ１（Ｔ，η，残量）×∫Ｉ＋ｋ２（Ｔ，η，残量）×Ｖｃ(ｔ−１) …（１）ｋ１とｋ２は温度Ｔや劣化η、残量に依存する電池特性
データより定まり、ｋ１（Ｔ，η，残量）は０.０００
１〜０.００００００１、ｋ２(Ｔ，η，残量)は０〜１
の値を用いる。

【００３７】また、∫ＩはＩや、Ｉ(ｔ)と１秒前のＩ
(ｔ−１)の平均値等を用いてもよい。（１)式は前回の
演算結果から減衰した分極電圧ｋ２(Ｔ，η，残量)×Ｖ
ｃ(ｔ−１）と、新たに発生した分極電圧ｋ１（Ｔ，
η，残量）×∫Ｉの成分を計算し、加算した事に相当す
る。

【００３８】図３（ｂ）の様に、時定数の異なるＶｃ成
分が多数ある場合でも、Ｖｃとｋ１（Ｔ，η，残量）を
ベクトル、ｋ２（Ｔ，η，残量）を対角行列として計算
すればよい。

【００３９】また、ｋ１，ｋ２は温度や劣化の関数とし
て記憶装置に保持させたが、電池特性の変化が小さい場
合は定数を用いてもよい。

【００４０】次にＶｃの更新後、補正演算式Ｖ′＝Ｖ−
Ｖｃ(ｔ)より補正電圧Ｖ′を得る。その後、得られた
Ｖ′とＩを記憶装置に保持させ、６１秒前のＶ′とＩを
記憶装置から消去する。

【００４１】この様に本実施例によれば、データ計測の
度に、データ計測前の分極電圧Ｖｃ（ｔ−１）と∫Ｉを
もってデータ計測時の分極電圧Ｖｃ(ｔ)を求め、Ｖを逐
次補正することができる。このため、分極電圧の推定に
おいて、複数存在するパラメータの内、ｋ１（Ｔ，η，
残量）とｋ２（Ｔ，η，残量）及びＶｃ（ｔ−１）と∫
Ｉと少ないパラメータで分極電圧を補正できる。この結
果、従来時定数の長いＶｃの推定には時定数の数倍長い
期間の電流履歴データが必要だったのに対し、本実施例
によれば少ないパラメータで精度良く推定する事が可能
となる。

【００４２】次に回帰分析装置１１３で、６０秒分の
Ｖ′−Ｉデータを回帰分析してＲ及びＥを推定する。

【００４３】図４は回帰分析の方法を示す図である。縦
軸はＶ′、横軸はＩである。状態推定装置１２２では実
際に作図は行わないが、説明のために図を用いている。
先ず、各データの電流値と電流の中心値Ｉｃとを比較
し、その大小でデータを２分割する。次に、２分割され
たデータ群の平均値を求めて直線で結び、切片Ｅと傾き
Ｒを求める。

【００４４】ここで、各データと比較する基準は電流の
中心値Ｉｃで示されているが、データの平均値やあらか
じめ設定された基準値を用いても実現可能である。ま
た、データを電流値で２分割する場合について示されて
いるが、電流値に対し多数の区間で分割し、それぞれの
区間内のデータを平均してから、最小二乗法などの手法
で回帰直線を求めてもよい。

【００４５】回帰分析装置１１３は回帰分析を行う動作
モードと行わないモードを切替える。このモードの切替
えは、データサンプル毎にＩの分散や変化量を判定して
行う。データが揃わないスタートから６０秒間と、６０
秒のサンプル期間にＩが所定の変化をしなかった場合に
回帰分析を行わないモードになる。

【００４６】回帰分析を行わない動作モードでは、直前
に推定したＲを残量や温度の関数で補正した抵抗値と
Ｖ′とＩからＥを推定し、保護判定装置１１５や残量推
定装置１１４に出力する。また、Ｉが所定の値未満でＩ
Ｒが十分小さい時はＶ′をＥとして出力してもよい。ま
た、動作モードを残量推定装置１１４や保護判定装置１
１５に出力してもよい。

【００４７】６０秒のサンプル期間にＩが所定の変化を
した場合に回帰分析を行うモードになる。

【００４８】上記動作を実施する一つの手法として、記
憶装置１２３にカウント用の変数ａ，ｂを用意してお
く。スタート時は変数をａ＝６０，ｂ＝６０にする。ス
タートから６０秒をカウントするために、回帰分析装置
１１５にデータが入力される度にａを１減らし、ａ＝０
になるまでは回帰分析を行わない。また、Ｉが所定の変
化をした時にはｂを０にクリアし、変化をしなかった時
にはｂには１が足される。ｂが６０以上なら回帰分析を
行わず、ｂが６０未満なら回帰分析を行う。

【００４９】この様に本実施例によれば、回帰分析を行
うモードと行わないモードを切替える事で、どんな電流
パターンを電池に印加しても、常に精度良く電池の状態
が検出される。

【００５０】また、従来用いられていた最小二乗法の場
合、（２）式に示した通り各データの乗算（専用乗算器
を持たないマイコンでは最も重い）処理が入るので回帰
分析のデータ数が多くなると、処理量が飛躍的に増える
難点がある。そのため、回帰分析を行う前にデータを平
均処理し、回帰分析を行うデータ数を少なくする工夫が
なされている。それに対して、本実施例において回帰分
析装置１１３の演算は主に平均処理である。そのため、
回帰分析の前にデータ数を事前に減らす必要がない。

【００５１】

【００５２】この様に本実施例によれば、回帰分析を行
うデータ数に制限を受けることがないので、より多くの
データを回帰分析し、精度良くＥとＲが推定される。

【００５３】次に保護判定装置１１５では、回帰分析装
置１１３で求められたＥを設定上（下）限と比較する。
設定値を超えていれば過充電（過放電）と判定して、充
電禁止信号（放電禁止信号）を電流遮断装置１２０、又
は通信装置１１７、又は表示装置１１６に出力する。

【００５４】また、Ｒが設定上限を超えていれば、電池
劣化と判定し、電池劣化信号を通信装置１１７又は表示
装置１１６に出力する。

【００５５】残量推定装置１１４では、測定されたＴ、
回帰分析装置１１３により求められたＥと、記憶装置１
２３に記憶された残量−Ｔ−Ｅテーブルから現在のＥに
対応する残量を求める。テーブルの代りにＴとＥを変数
とする関数を用いて残量を求めてもよい。

【００５６】また、残量推定装置１１４では、前回の残
量推定結果を、測定電流値や複数の電流値の平均値，電
流積算値などの関数で補正して現在の残量を推定する。

【００５７】次に、上記２通りの方式で求められた残量
を重み付平均し、現在の残量を算出して、保護判定装置
１１５，表示装置１１６，通信装置１１７等に送信す
る。

【００５８】次に保護判定装置１１５では、残量が設定
上下限に入っているか判定し、上下限を超えた場合は表
示装置１１６，通信装置１１７等に異常警報を送信し、
電流遮断装置１２０に電流遮断命令を出す。複数の電池
を制御している場合には、残量のばらつきを評価し、ば
らつきが設定上限を超えていれば、バランス補償装置１
１８にばらつき補正命令を出す。

【００５９】残量推定と同様の方法でＲから劣化推定を
行い、保護判定に用いる。この場合、前回の劣化推定結
果をＩ等で補正する必要はない。

【００６０】以上の方法により、電気自動車の走行中に
Ｖ，Ｉ，Ｔを１秒毎に測定し、Ｅを求めた結果Ａを図５
に示す。また、回帰分析に用いたＶ′データも示す。加
えて、比較のため従来の推定法Ｂで求めた結果を併記す
る。推定法Ｂは以下の様に求める。

【００６１】１）１秒毎に測定したＶ−Ｉデータ１０個
を平均処理、２）過去５分間の電流履歴でＶの平均値を分極補正して
Ｖ′を求め、３）６０秒分のＶ′−Ｉデータ（６ポイント）を最小二
乗法で回帰分析。

【００６２】図５において、Ｖ′がＥ推定結果から大き
く離れる理由は、ＩＲ電圧のためである。従ってその期
間は、電流が流れている。その直後では、残量の変化に
伴いＥも変化している。Ｖ′の変化とＥ推定値の比較か
ら、ＢよりもＡの方が残量の変化に対する応答が速い事
が分かる。この特徴は、ハイブリッド電気自動車の様な
急峻な電流・電圧変動が生じる電池負荷に対し特に有効
である。そして、電池の残量を応答良く把握する事によ
り、残量のマージンを少なくする事ができ、搭載する電
池の容量を小さくする事ができる。

【００６３】図６は１回の回帰分析に用いるＶ′−Ｉデ
ータの例を示した図で、縦軸が電圧、横軸が電流であ
る。理想的にはＶ′＝ＲＩ＋Ｅの関数になるので、各ポ
イントを結ぶ直線はｙ切片がＥ、傾きがＲになる。Ｂで
は回帰分析を行う前にデータを平均処理しているため
に、データが電流０Ａ付近に集まり、Ｒ計算の時に誤差
が生じやすい。

【００６４】図７は本発明による推定法Ａと従来の推定
法ＢによってＲを算出した結果を示した図で、縦軸が抵
抗、横軸が時間である。この電池の内部抵抗は実測値で
0.7Ω程度であった。これに対し、本発明による推定法
では、０.７〜０.８Ωと算出されるが、Ｂでは０.８５
〜１.０５Ωと算出される。

【００６５】この様に本実施例によれば、１回のＶ測定
毎にＶｃを算出しているので、常に変化しているＶｃを
精度良く補正することができる。さらに、多くのデータ
を用いて回帰分析を行う事ができるので、Ｖ＝ＲＩ＋Ｅ
のグラフをより正確に描くことができ、ｙ切片Ｅと傾き
Ｒをより正確に求めることができる。さらに、精度の高
い電池の状態推定結果を電池の保護に用いる事により、
保護マージンを少なくする事ができ、電池の使用可能な
容量を大きくする事ができる。

【００６６】図２は本発明の実施例である電池の状態検
出方法を示すフローチャートである。図１の各ブロック
と図２の処理の対応関係は、サンプラー１０６と電流検
出装置１０２と電圧検出装置１０３と温度検出装置１０
４と積算電流検出装置１１０が＜データ計測＞２２３，
分極補正装置１１２が＜分極補正＞２２４，回帰分析装
置１１３が＜回帰分析＞２２５，残量推定装置１１４が
＜Ｅから残量推定＞２２７と＜∫Ｉから残量推定＞２２
８と＜残量推定＞２２９，保護判定装置115が＜保護判
定＞２２６にそれぞれ対応している。以降、図２のフロ
ーチャートに沿って電池の状態検出方法を説明する。

【００６７】スタート２２２から処理を開始する。＜デ
ータ計測＞２２３では運転開始とともに、１秒毎にＶと
Ｉ，∫Ｉ，Ｔを測定する。

【００６８】次に＜分極補正＞２２４では、先ず∫Ｉと
ＴによりＶｃ(ｔ)を（１）式を用いて更新し演算する。

【００６９】次にＶｃの更新後、補正電圧Ｖ′＝Ｖ−Ｖ
ｃ(ｔ)を演算する。

【００７０】この様に本実施例によれば、データ計測の
度に、データ計測前の分極電圧Ｖｃ（ｔ−１）と∫Ｉを
もってデータ計測時の分極電圧Ｖｃ(ｔ)を求め、Ｖを逐
次補正することができる。このため、分極電圧の推定に
おいて、複数存在するパラメータの内、ｋ１（Ｔ，η，
残量）とｋ２（Ｔ，η，残量）及びＶｃ（ｔ−１）と∫
Ｉと少ないパラメータで分極電圧を補正できる。この結
果、従来時定数の長いＶｃの推定には長い期間の電流履
歴データが必要だったのに対し、本実施例によれば少な
いパラメータで正確に推定する事が可能となった。

【００７１】次に＜回帰分析＞２２５では、Ｉと演算で
求められたＶ′は記憶され、６１秒前のＶ′−Ｉデータ
が消去される。次に６０秒分のＶ′−Ｉデータを回帰分
析してＲ及びＥを推定する。回帰分析の具体的な手法
は、図４について前述したとおりである。

【００７２】＜保護判定＞２２６では、求められたＥを
設定上（下）限と比較する。設定値を超えていれば過充
電（過放電）と判定して、充電禁止信号（放電禁止信
号）を出力する。また、Ｒが設定上限を超えていれば、
電池劣化と判定し、電池劣化信号を出力する。

【００７３】＜Ｅから残量推定＞２２７では、測定され
たＴ、演算により求められたＥと、残量−Ｔ−Ｅテーブ
ルから現在のＥに対応する残量を求める。テーブルの代
りにＴとＥを変数とする関数を用いて残量を求めてもよ
い。

【００７４】＜Ｉから残量推定＞２２８では、前回の残
量推定結果を、測定電流値や複数の電流値の平均値，電
流積算値などの関数で補正して現在の残量を推定する。

【００７５】＜残量推定＞２２９では、ＥとＩから推定
された残量を重み付平均し、現在の残量を算出する。

【００７６】＜保護判定＞２２６−２では、残量が設定
上下限に入っているか判定し、上下限を超えた場合は異
常警報を送信、電流遮断命令を出す。複数の電池を制御
している場合には、残量の電池間ばらつきを評価し、ば
らつきが設定上限を超えていれば、バランス補償命令を
出す。

【００７７】図には示していないが、残量推定と同様の
方法でＲから劣化推定を行い、保護判定に用いることが
できる。

【００７８】以上の処理を終了し、リターン２３０に処
理が移ったら、スタート２２２に戻り、処理を開始す
る。

【００７９】この様に本実施例によれば、図１の実施例
と同様に、ＥとＲを正確に求めることができるととも
に、電池の保護マージンを少なくする事ができ、電池の
使用可能な容量を大きくする事ができる。

【００８０】図８はより多くの電池を制御するために、
本発明による電池制御装置１２１を各電池毎の処理と組
電池全体に対する処理に分け、役割を分散させた電池シ
ステムを示す図である。

【００８１】複数の電池モジュール８３７が直列に接続
された構成から成る組電池８３８は、スイッチ１０７を
介して電圧変換や交流直流変換，周波数変換等を行う変
換器８４２に接続されている。また、変換器８４２は商
用電源８４３や電気機器844,モーター８４５等に接続さ
れている。

【００８２】そして、それぞれの電池モジュール８３７
は、電池毎の処理を担当するセルコントローラユニット
ＣＣＵ８４６とそれぞれ接続され、各ＣＣＵ８４６は組
電池全体に対する処理を担当するバッテリーコントロー
ラＢＣ８４１と接続されている。

【００８３】更に、ＢＣ８４１は組電池８３８の充放電
経路上に設置された電流検出装置１０２及び表示装置１
１６，変換器８４２，電流遮断装置１２０とも接続され
ている。

【００８４】ＢＣ８４１はＩや∫Ｉ等を測定する。ま
た、変換器８４２に電池状態を集計して送信し、異常発
生時には電流遮断装置１２０に遮断命令を出す。また、
集計された電池状態や保護判定結果を、必要に応じて表
示装置１１６に表示させる。

【００８５】ＣＣＵ８４６は、各電池１０１の端子間電
圧を検出する電圧検出装置１０３と、各電池１０１とそ
れぞれ並列に接続された放電回路１０５と、電池１０１
の近傍に設置されＣＣ８３９に接続された温度検出装置
１０４と、セルコントローラＣＣ８３９とバッテリコン
トローラＢＣ８４１に接続された絶縁通信装置PC840か
らなっている。

【００８６】電圧検出装置１０３は、各電池１０１のＶ
をＣＣ８３９の指令により測定し、測定結果をＣＣ８３
９から読み出し可能とする。温度検出装置１０４は電池
モジュール８３７近傍の温度をＣＣ８３９の指令により
測定し、ＣＣ８３９から読み出し可能とする。ＣＣ８３
９の指令により、放電回路１０５は各々に接続されてい
る電池１０１を放電させる。

【００８７】電圧検出装置１０３や放電回路１０５は複
数の電池１０１を１ブロックとして、各ブロック毎の正
負極に接続することもできる。

【００８８】温度検出装置１０４は電池モジュール８３
７内に複数設けることもでき、それぞれの温度検出結果
の平均値，最低値，最高値，分散等を用いることもでき
る。温度検出装置１０４の数を増やすことで、電池毎の
発熱のばらつきを演算し、劣化判定や異常判定に利用し
て安全性を増すことができる。

【００８９】図９は図８におけるＣＣ８３９とＢＣ８４
１の処理を示すフローチャートである。ＣＣ８３９とＢ
Ｃ８４１の処理について図９を用いて説明する。

【００９０】＜データ計測＞運転開始とともに１秒毎に
計測開始信号をＢＣ８４１がＣＣ８３９に送信し、ＢＣ
８４１は送信終了割込みの後にＩを、ＣＣ８３９は受信
終了割込みの後に各電池１０１のＶと各電池モジュール
８３７のＴを測定する。ＢＣ８４１は電流測定結果と電
流積算値をＣＣ８３９に送信する。

【００９１】ほぼ同時に起るＢＣ８４１の送信終了割込
みとＣＣ８３９の受信終了割込みの直後にＩとＶを測定
する事で、ＩとＶをほぼ同時に測定することが可能とな
る。送信終了割込みと受信終了割込みが同時でない時
も、時間のずれがあらかじめ分かっているので、待機時
間を作って調整する事が可能である。

【００９２】＜分極補正＞，＜回帰分析＞，＜保護判定
＞，＜残量推定＞については、前述と同様に動作する。

【００９３】図９でＣＣ８３９は図２の実施例と同じ動
作をする。ＢＣ８４１はＣＣ８３９から送られてきた残
量を集計して電池システム全体の残量を演算する。

【００９４】また、残量ばらつき判定は、電池モジュー
ル８３７内だけでなく、ＢＣ８４１でも電池モジュール
８３７間の残量ばらつきを判定する。残量が大きいと判
定された電池モジュール８３７に接続されたＣＣ８３９
には、全ての電池を放電する指令が出される。また、Ｃ
Ｃ８３９での保護判定結果はＢＣ８４１を介して電流遮
断装置や変換器に送信される。

【００９５】この様に図９の実施例によれば、ＢＣ８４
１はＣＣ８３９に電流値を定期的に送信するだけで個々
の電池状態を受信することができる。ＣＣ８３９の中で
電池の製品毎に固有のパラメータを用いた処理をすべて
終える事ができるので、電池メーカーが作成した使用条
件で他のメーカーが電池モジュール８３７とＣＣＵ８４
６を使用することができる。また、ＢＣ８４１や電流検
出装置１０２，電流遮断装置１２０は変換器８４２で兼
ねることもでき、制御部を簡略化，低コスト化すること
もできる。

【００９６】図１０はＣＣ８３９とＢＣ８４１の処理を
示すフローチャートである。CC839とＢＣ８４１の処理
について図１０を用いて説明する。

【００９７】図１０で、＜データ計測＞と＜分極補正＞
と＜回帰分析＞は前述と同様に動作する。図９の場合と
は異なり、ＣＣ８３９は＜残量推定＞を行わず、＜回帰
分析＞までを行い、結果のＥとＲをＢＣ８４１に送信す
る。ＢＣ８４１では、＜保護判定＞と＜残量推定＞を行
う。全ての＜保護判定＞はＢＣ８４１で行われ、ＣＣ８
３９での＜保護指令＞はＢＣ８４１からバランス補償命
令を受信し、放電回路１０５に放電指令を出すことに限
られる。

【００９８】この様に図１０の実施例によれば、図９の
処理では各ＣＣ８３９に残量−Ｅ−Ｔテーブルを必要と
していたのに対し、図１０の処理では、ＢＣ８４１に残
量−Ｅ−Ｔテーブルを集約するので、メモリーの必要量
が少なくなる。

【００９９】図１１は組電池８３８を変換器８４２に接
続した電池システムの実施例を示す図である。電圧検出
装置１０３，電流検出装置１０２，温度検出装置１０４
が組電池８３８に取付けられている。また、組電池８３
８の電流経路上に突入電流防止抵抗１０５４，変換器ス
イッチ１０５２，電流遮断スイッチ１０５１が設置され
ている。また、電流遮断スイッチ１０５１と突入電流防
止抵抗１０５４を介して組電池８３８と並列に、平滑コ
ンデンサ１０５５が接続されている。ここでは電池制御
装置１２１の図示は省略されている。

【０１００】図１２は図１１においてｋ１，ｋ２の抽出
の際に電池を流れる電流波形と電圧波形の一例を示す図
である。横軸に時間、縦軸に電流と電圧を示している。

【０１０１】劣化とともに変化する電池特性データｋ
１，ｋ２を更新するために定期的に行われるｋ１，ｋ２
の抽出方法について図１１と図１２を用いて説明する。

【０１０２】分極補正に用いる係数ｋ１，ｋ２の抽出方
法では、まず、変換器スイッチ1052や電流遮断スイッチ
１０５１を制御して図１２に示した電流波形を組電池８
３８に印加する。電流経路の一例としては、電流遮断ス
イッチ１０５１と変換器スイッチ１０５２の全てをオン
にし、主に突入電流防止抵抗だけのインピーダンスの電
流経路を用いる事ができる。電流０になった後、ほぼ変
化が無くなるまでＶを測定する。

【０１０３】この時、Ｖｃの変化を測定するので、Ｖｃ
に大きな変化をさせるためには、ＩＨは電池の定格を超
えない範囲でできるだけ大きい方が望ましく、ton も分
極の時定数よりも長い時間を取る事が望ましい。ＩＬは
０に近い方が望ましく、toffはＶｃがほぼ０に近づく期
間待つほうが望ましい。

【０１０４】まず電流０時のＶｃの減衰から、測定周期
でのＶｃ減衰率ｋ２を求める。

【０１０５】次に、電流遮断直後のＶｃとＩＨに応じて ton が測定周期×１：ｋ１×ＩＨ＝Ｖｃ×２：ｋ１×Ｉ
Ｈ＋ｋ２×ｋ１×ＩＨ＝ｋ１×ＩＨ×（１＋ｋ２）＝Ｖ
ｃ×３：ｋ１×ＩＨ×（１＋ｋ２＋ｋ２²）＝Ｖｃの関係からｋ１を求める。

【０１０６】この様に本実施例によれば、電池交換や劣
化により電池特性が変化しても、精度を落すことなくＥ
やＲを推定する事が可能となる。例えば電池の寿命が５
年、制御回路の寿命が１０年であった場合、電池の保護
方式が同一であれば、使用開始から５年目に電池をバー
ジョンアップして、制御回路は交換しないことが可能と
なり、消費者の経済的負担が軽減する。

【０１０７】図１３は電池システムに電圧源を付加した
システムの実施例を示す図である。組電池８３８と電池
制御装置１２１に加えて、組電池と並列に電圧源１２５
９が接続され、その出力電圧は電池制御装置１２１から
指令できるようになっている。

【０１０８】電圧源１２５９だけを用いて組電池８３８
を充電する場合、定電圧充電はできても、定電流充電を
行うことはできない。しかし、電池制御装置でＥとＲ、
Ｖｃが分かっているので、電流値Ｉから電圧源１２５９
の電圧（Ｅ＋ＩＲ＋Ｖｃ）を逆算して指令することで、
電圧源１２５９を用いた定電流充電を行うことができ
る。

【０１０９】この様に本実施例によれば、電圧源１２５
９に電池制御装置１２１から指令を出す事により、電流
源を用いないで組電池８３８に定電流充電を行う事がで
きる。

【０１１０】

【発明の効果】本発明によれば、電池の分極電圧の影響
を正確に補正できるので、求める起電圧と直流抵抗に生
じる誤差が小さくなる。

【０１１１】また本発明によれば、温度変化や経時変化
による電池の特性変化にかかわらず、電池の状態を精度
良く検出できる。

【０１１２】また、本発明によれば、電圧源を用いて電
池を定電流充電する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である電池システムを示す図で
ある。

【図２】本発明の実施例である電池の状態検出方法のフ
ローチャートを示す図である。

【図３】電池の等価回路を示す図である。

【図４】実施例における回帰分析の方法を示す図であ
る。

【図５】起電圧推定結果を示す図である。

【図６】１回の回帰分析に用いるＶ′−Ｉデータの例を
示す図である。

【図７】Ｒを算出した結果を示す図である。

【図８】電池制御装置を分散させた電池システムの実施
例を示す図である。

【図９】図８におけるセルコントローラとバッテリコン
トローラの他の処理を示すフローチャートである。

【図１０】図８におけるセルコントローラとバッテリコ
ントローラの他の処理を示すフローチャートである。

【図１１】組電池を変換器に接続した電池システムの実
施例を示す図である。

【図１２】図１１における、ｋ１，ｋ２の抽出の際に電
池を流れる電流波形と電圧波形の一例を示す図である。

【図１３】電池システムに電圧源を付加したシステムの
実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０１…電池、１０２…電流検出装置、１０３…電圧検
出装置、１０４…温度検出装置、１０５…放電回路、１
０６…サンプラー、１１０…積算電流検出装置、１１２
…分極補正装置、１１３…回帰分析装置、１１４…残量
推定装置、115…保護判定装置、１１６…表示装置、１
１７…通信装置、１１８…冷却装置、１１９…バランス
補償装置、１２０…電流遮断装置、１２１…電池制御装
置、１２２…状態演算装置、１２３…記憶装置、１２４
…周辺装置、８３７…電池モジュール、８３８…組電
池、８３９…セルコントローラ、８４０…絶縁通信装
置、８４１…バッテリーコントローラ、８４２…変換
器、８４３…商用電源、844…電気機器、８４５…モー
ター、８４６…セルコントロールユニット、１０５１…
電流遮断スイッチ、１０５２…変換器スイッチ、１０５
４…突入電流防止抵抗、１０５５…コンデンサ、１２５
９…電圧源。

フロントページの続き (72)発明者宮崎英樹茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者秋山登茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 2G016 CB12 CB13 CB21 CB22 CB31 CB32 CC01 CC04 CC06 CC13 CC27 CE00 5H030 AA08 AS20 FF22 FF42 FF43 FF44 FF52

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池と、前記電池の充放電電流を検出する
電流検出装置と、前記電池の電池電圧を検出する電圧検
出装置と、一定周期毎に充放電電流と電池電圧をサンプ
ルするサンプラーと、サンプル時間又は回数と充放電電
流と電池電圧を変数とし前記電池の起電圧や内部抵抗等
の状態を推定する演算式を記憶した記憶装置と、前記演
算式を用いて電池の状態を演算する状態演算装置とを有
する電池システム。
【請求項２】電池と、前記電池の充放電電流を検出する
電流検出装置と、前記電池の電池電圧を検出する電圧検
出装置と、前記電池の温度を検出する温度検出装置と、
一定周期毎に充放電電流と電池電圧と電池温度をサンプ
ルするサンプラーと、サンプル時間又は回数と充放電電
流と電池電圧と温度を変数とし前記電池の起電圧や内部
抵抗等の状態を推定する演算式を記憶した記憶装置と、
前記演算式を用いて電池の状態を演算する状態演算装置
とを有する電池システム。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記記憶
装置は分極電圧を記憶し、前記演算式は分極電圧を更新
する分極電圧更新演算式と、電池電圧から分極電圧分を
補正し補正電圧を演算する補正演算式とを含み、前記分
極電圧更新演算式は過去の分極電圧演算結果を変数とす
る電池システム。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、前記演
算式はサンプルした電池電圧と充放電電流のデータを充
放電電流値の複数の区間で分割し、分割されたデータそ
れぞれを平均する処理を含む電池システム。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、前記電
池を充電する電圧源を有し、前記電圧源の指令値が前記
電池状態演算結果に基づいている電池システム。
【請求項６】電池電圧と充放電電流に基づいて、電池の
分極電圧を補正する電池の状態検出方法であって、過去
の分極電圧演算結果を変数とする分極電圧更新演算式で
分極電圧を更新する電池の状態検出方法。
【請求項７】請求項６において、前記分極電圧更新演算
式が電池の温度を変数とする事を特徴とする電池の状態
検出方法。
【請求項８】電池電圧と充放電電流に基づいて、電池の
状態を回帰分析する電池の状態検出方法であって、前記
回帰分析は電池電圧と充放電電流のデータを充放電電流
値の複数の区間で分割し、分割されたデータそれぞれを
平均する処理を含む電池の状態検出方法。
【請求項９】電池電圧と充放電電流に基づいて、電池の
状態を回帰分析する電池の状態検出方法であって、過去
の分極電圧演算結果を変数とする分極電圧更新演算式で
分極電圧を更新し、前記回帰分析は電池電圧と充放電電
流のデータを充放電電流値の複数の区間で分割し、分割
されたデータそれぞれを平均する処理を含む電池の状態
検出方法。