JP2005341759A - ハイブリッド車のバッテリ管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリのインピーダンスの変化を正確に把握し、バッテリ管理に反映させる。
【解決手段】インピーダンス算出のための発電要求を出して発電を行い、発電開始から設定値ＴＧＥＮで与えられる時間が経過したとき、バッテリの電流Ｉ１と電圧Ｖ１とを計測して発電を終了し、発電終了後、設定値ＴＮＬＤで与えられる時間が経過したとき、再度、バッテリの電流Ｉ２と電圧Ｖ２とを計測する。そして、計測した電流Ｉ１，Ｉ２、電圧Ｖ１，Ｖ２から算出したインピーダンスと、初期状態で求めた基準インピーダンスとを比較してインピーダンスの補正値を算出し、インピーダンスのテーブル値から開放電圧を推定して残存容量を算出する際のテーブル値の補正に使用することにより、バッテリ劣化時にも残存容量の精度を維持する等して、バッテリ管理に反映させる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、ハイブリッド車に搭載されるバッテリのインピーダンスを算出してバッテリ管理に反映させるハイブリッド車のバッテリ管理装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、ガソリン等を燃料とするエンジンを動力源とするものに対し、低公害、省資源の促進を目的として、バッテリからの電力によって駆動力を発生するモータをエンジンに加えて搭載し、エンジンとモータとを併用するハイブリッド車が開発されている。このようなハイブリッド車では、バッテリ状態を正確に把握して管理することが重要であり、バッテリの電圧、電流、温度といった基本的なパラメータに加えて、残存容量等を算出するようにしているが、残存容量はバッテリの劣化によって変化するため、長期間に渡って精度を維持することは困難である。

これに対処するに、例えば、特許文献１には、電気自動車の車両停止時の電池電圧から求めた開放電圧により停止時残存容量を求めると共に、電池の放電電流の積算値に基づいて放電電気容量を検出し、この放電電気容量と停止時残存容量とから満充電容量を算出し、この満充電容量と公称の満充電容量とから劣化度を算出し、この劣化度を考慮した残存容量を検出する技術が開示されている。
特開平６−２４２１９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、車両停止時の電池電圧から開放電圧を求めているが、バッテリの劣化時には内部インピーダンスが増大して開放電圧が変化する点が考慮されておらず、また、電気自動車においては、モータが停止していてもインバータ等の負荷には電流が流れていることから、必ずしも正確な開放電圧を検出できるとは限らない。すなわち、特許文献１に開示の技術では、適用範囲が限定されてしまい、ハイブリッド車に搭載されているバッテリの状態を的確に管理するには、不十分である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、バッテリのインピーダンスの変化を正確に把握し、バッテリ管理に反映させることのできるハイブリッド車のバッテリ管理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるハイブリッド車のバッテリ管理装置は、走行駆動力を発生するモータに電力を供給すると共に、上記モータと別体で配置された発電機からの発電電力によって充電されるバッテリの状態を管理するハイブリッド車のバッテリ管理装置であって、少なくとも上記バッテリの残存容量と電流と温度とが設定範囲内にあるとき、上記発電機を規定の発電量で発電動作させ、規定の発電量で発電中の上記バッテリの電圧・電流と、規定の発電量での発電が終了した後の上記バッテリの電圧・電流とを計測し、計測した電圧・電流から上記バッテリのインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、上記インピーダンス算出手段で算出したインピーダンスと、予め上記バッテリの初期状態で求めた基準インピーダンスとを比較し、上記バッテリの劣化度に応じたインピーダンスの補正値を求めるインピーダンス補正値算出手段とを備えたことを特徴とする。

その際、発電機が作動していない運転状態では、インピーダンス算出用に予め設定した発電量で発電機を強制的に発電動作させ、発電機が作動している運転状態では、モータの要求電力とインピーダンス算出用に予め設定した発電量とを加算した発電量で発電機を発電動作させることが望ましい。

インピーダンスは、発電中と発電終了後との電圧差を、発電中と発電終了後との電流差で除算して算出することができ、また、算出したインピーダンスと基準インピーダンスとの差を加重平均した値、或いは、算出したインピーダンスと基準インピーダンスとの比を加重平均した値により、バッテリの劣化度に応じたインピーダンスの補正値を求めることができる。このインピーダンスの算出に係わる動作は、バッテリの電流を監視し、バッテリの電流が設定範囲外になったときには、強制的に終了させることが望ましい。

また、バッテリの残存容量を算出する際には、テーブルから読出したインピーダンスを、バッテリの劣化度に応じた補正値で補正することが望ましく、補正したインピーダンスを用いて推定した開放電圧から高精度の残存容量を算出することができる。この残存容量は、バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量とバッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを、バッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成することで、電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かした均一な精度の残量容量を得ることができる。

本発明によるハイブリッド車のバッテリ管理装置は、バッテリのインピーダンスの変化を正確に把握することができ、バッテリの残存容量や劣化度等の管理に反映させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１１は本発明の実施の一形態に係り、図１はハイブリッド車のシステム構成図、図２はバッテリ残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は電流容量テーブルの説明図、図４は等価回路モデルを示す回路図、図５はインピーダンステーブルの説明図、図６は温度補正値の特性を示す説明図、図７は残存容量テーブルの説明図、図８はウェイトテーブルの説明図、図９及び図１０はインピーダンス算出処理を示すフローチャート、図１１はインピーダンス算出時のシステム動作状態を示す説明図である。

図１は、ハイブリッド（ＨＥＶ）車のシステム構成を示し、本形態においては、走行駆動用のモータ（交流モータ）１と、このモータ１と別体で配置されたジェネレータ（発電機）２と、ジェネレータ２を駆動するエンジン３とを備えたシリーズハイブリッド車である。モータ１は、バッテリ４からの直流電力を交流電力に変換するインバータ５によって駆動され、出力軸に連結されるギヤ６からファイナルギヤ７を介して図示しない駆動輪に走行駆動力を伝達する。バッテリ４は、複数のセルを封止した電池パックを複数個直列に接続して構成され、インバータ５を介してモータ１に電力を供給すると共に、ジェネレータ２で発電した交流電力を直流電力に変換するインバータ８によって充電される。

また、バッテリ４には、バッテリ４からの高電圧の直流電圧を低電圧系（１２Ｖ系）の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ９が接続されており、このＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して図示しない低圧系（１２Ｖ系）の補機類やバッテリ等に電源が供給される。更に、バッテリ４には、マイクロコンピュータ等からなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が接続されており、このＥＣＵ２０により、バッテリ４の管理、エンジン３やインバータ５，８に対するＨＥＶ制御が行なわれる。

ＥＣＵ２０によるバッテリ管理としては、バッテリ４の充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量、バッテリ４における入出力可能な最大電力で示される入出力可能パワー量、バッテリ４の劣化度等によるバッテリ状態の把握、このバッテリ状態を把握した上でのバッテリ４の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等があり、基本的に、インピーダンス算出手段としての機能により、シリーズハイブリッド車の特徴を活かした一定の条件下でバッテリ４のインピーダンス（内部インピーダンス）を算出し、バッテリ管理に反映させる。

すなわち、バッテリのインピーダンスは、充放電中の電流、端子電圧、開放電圧の関係より求めることができるが、残存容量、温度、電流等の多くのパラメータに依存するため、車両運転中に適宜算出するためには、複雑な計算が必要となる。しかしながら、シリーズハイブリッド車では、駆動用のモータと発電機（ジェネレータ）とが機械的に結合していないという特徴があることから、その特徴を活かし、バッテリのインピーダンス算出時は、常に同じ条件の充電状態を強制的に作り出す。そして、この一定の条件下で測定したバッテリの電流及び電圧に基づいてインピーダンスを算出することができる。

このような一定の条件下で算出したインピーダンスは、残存容量、入出力可能パワー量、劣化度等を求める場合に直接的に利用することも可能であるが、あくまで一定の条件下で求めたインピーダンスであることから、インピーダンス補正値算出手段としての機能により、予めバッテリが初期状態（劣化していない状態）のときに求めてＥＣＵ２０内に記憶させてある基準インピーダンスと比較することにより、バッテリの劣化に応じたインピーダンスの補正値として利用することが有効である。

以下、本形態においては、一定の条件下でのインピーダンスの算出結果を、バッテリ４の残存容量を高精度に算出する処理に適用する例について説明する。

周知のように、バッテリの残存容量は、充放電電流の積算値や、インピーダンスから求めた開放電圧に基づいて算出することができるが、バッテリが劣化するとインピーダンスが増大するため、バッテリの劣化時には残存容量の推定精度が悪化する。従って、インピーダンスの変化を算出して残存容量の推定アルゴリズムに反映させることにより、バッテリの劣化時にも残存容量の算出精度を高精度に維持することができる。

本形態における残存容量は、図２に示す推定アルゴリズムに従って算出される。この推定アルゴリズムでは、バッテリ４で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、残存容量算出手段としての機能により、所定時間ｔ毎に、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖ(t)とを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した残存容量ＳＯＣ(t)を、バッテリ４の残存容量としている。

電流Ｉの積算による残存容量ＳＯＣｃと、開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとは、それぞれに一長一短があり、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。一方、開放電圧推定による残存容量ＳＯＣｖは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。

従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ４の使用状況に応じて随時変化させるウェイト（重み係数）ｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ(t)，ＳＯＣｖ(t)双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）

ウェイトｗは、現在のバッテリの使用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り、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流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。

従って、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、バッテリの充放電状態の変化に対して、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。

この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算のウェイトを高くして開放電圧推定のウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算のウェイトを下げ、開放電圧推定のウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。

すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均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、バッテリ状態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、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。

更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。以下、本推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。

先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率

（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いている。

図３は、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納した電流容量テーブルの例を示すものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出することができる。

また、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的にはＥＣＵ２０における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ^-1）。従って、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。

一方、開放電圧Ｖｏの推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、バッテリのインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。但し、電流Ｉは放電側を＋とする。
Ｖｏ＝Ｉ・Ｚ＋Ｖ…（３）

バッテリのインピーダンスＺは、図４に示す等価回路モデルを用いて作成したインピーダンステーブルを用いて求めることができる。図４の等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、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り、各パラメータを決定する。

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、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉ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、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブルを作成する。

尚、電流Ｉの移動平均値は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均して求められる。前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔを用いて決定する。

図５は、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、インピーダンスＺを格納したインピーダンステーブルの例を示すものであり、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、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。尚、図５及び後述する図７に示すテーブルにおいては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。

以上のインピーダンステーブルは、バッテリ４が初期状態（劣化していない状態）であることを前提として作成したテーブルである。従って、長期間の使用を考慮した場合、インピーダンスのテーブル値Ｚを、バッテリ４の劣化度合いに応じて補正する必要があり、この補正を行うことにより、バッテリ４が劣化しても残存容量ＳＯＣの推定精度を高精度に維持することができる。

インピーダンスのテーブル値Ｚに対する補正は、シリーズハイブリッド車特有の特徴を活かして作り出した一定の条件下で算出したインピーダンスＲｎを用いて行うことができる。このインピーダンス算出処理の詳細についは後述するが、基本的には、バッテリ４の充放電電流が所定範囲内で、且つ電気負荷による外乱がない条件下で、ジェネレータ２を駆動して予め設定された発電量を設定時間だけ強制的に発電させ、発電中の電流Ｉ１及び電圧Ｖ１を測定し、また、発電終了後の電流Ｉ２及び電圧Ｖ２を計測する。そして、計測した電流Ｉ１，Ｉ２、電圧Ｖ１，Ｖ２を用い、以下の（４）式によりインピーダンスＲｎを算出する。
Ｒｎ＝│Ｖ１−Ｖ２│／│Ｉ１−Ｉ２│…（４）

更に、以下の（５−１）式に示すように、算出したインピーダンスＲｎと補正計算用の基準インピーダンスＲｒとの差Ｒｅを求め、以下の（６−１）式に示すように、差Ｒｅの加重平均値Ｒｃを、インピーダンス補正用の学習値として算出する。基準インピーダンスＲｒは、バッテリ４の初期状態（劣化していない状態）で、上述と同一の条件下で算出したインピーダンスである。
Ｒｅ＝Ｒｎ−Ｒｒ…（５−１）
但し、Ｒｅ＞０
Ｒｃ＝（１−ａ）・Ｒｃ＋ａ・Ｒｅ…（６−１）
但し、ａ：加重平均の重み（０＜ａ＜１；例えば、ａ＝１／１６）

そして、以上の学習値Ｒｃを用いてインピーダンスのテーブル値Ｚを補正し、上述の開放電圧Ｖｏの推定値を求める（３）式を、以下の（３−１）式に置き換えて開放電圧Ｖｏを求めることにより、バッテリの劣化に応じて変化するインピーダンスの変化を適正に反映させることができる。
Ｖｏ＝Ｉ・（Ｚ＋Ｒｃ）＋Ｖ…（３−１）

この場合、以下の（３−２）式に示すように、温度をパラメータとした温度補正値ＫＴを用いても良い。この温度補正値ＫＴは、図６に示すように、所定の基準温度においてＫＴ＝１に設定されており、基準温度より低くなる程、温度補正値ＫＴを大きくし、基準温度より高くなる程、温度補正値ＫＴを小さくすることで、温度に依存して変化するインピーダンスを補償するものである。
Ｖｏ＝Ｉ・（Ｚ＋Ｒｃ・ＫＴ）＋Ｖ…（３−２）

また、インピーダンス補正用として、インピーダンスＲｎと基準インピーダンスＲｒとの差Ｒｅではなく、以下の（５−２）式に示すインピーダンスＲｎと基準インピーダンスＲｒとの比Ｋｒｅを用い、以下の（６−２）式に示すように、比Ｋｒｅの加重平均値Ｋｒｃを学習値としても良い。
Ｋｒｅ＝Ｒｎ／Ｒｒ…（５−２）
但し、Ｋｒｅ＞１
Ｋｒｃ＝（１−ａ）・Ｋｒｃ＋ａ・Ｋｒｅ…（６−２）
但し、ａ：加重平均の重み（０＜ａ＜１；例えば、ａ＝１／１６）

算出したインピーダンスＲｎと基準インピーダンスＲｒとの比Ｋｒｅを用いることは、温度の影響が相殺されることから、インピーダンス補正に際して温度補正の必要が無いことを意味する。インピーダンスのテーブル値Ｚから開放電圧Ｖｏの推定値を求める上述の（３）式は、以下の（３−３）式によって置き換えることができ、温度条件に依存せずにより簡単な方法で劣化に対する補正を行うことができる。
Ｖｏ＝Ｉ・Ｚ・Ｋｒｃ＋Ｖ…（３−３）

開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、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し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（７）式を得ることができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（７）
但し、Ｅ ：標準電極電位（例えば、リチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）

尚、（７）式における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（８）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０^-6Ｘ³＋９・１０^-5Ｘ²＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（８）

以上の（７）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（７）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池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。

従って、以上の（７）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、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。図７は、残存容量テーブルの例を示すものであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。

そして、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを算出した後は、前述の（１）式に示したように、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを、テーブル参照等によって決定したウェイトｗを用いて重み付け合成し、残存容量ＳＯＣを算出する。図８は、ウェイトｗを決定するためのウェイトテーブルの例を示し、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る。このウェイトテーブルは、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、バッテリ負荷変動が小さい程、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。

次に、バッテリの劣化に伴って変化するインピーダンスの算出処理について、図９及び図１０に示すインピーダンス算出処理のフローチャートを用いて説明する。尚、一般的に、バッテリの劣化は、緩やかに進行することから、本処理による実質的なインピーダンス算出制御の実行頻度は、補正用として使用する場合には、低頻度（例えば１回の運転で１回程度のインピーダンス算出頻度）であっても良い。

図９及び図１０のインピーダンス算出処理がスタートすると、先ず、ステップＳ１において、カウンタＣＮＴ（初期値０）をインクリメントする（ＣＮＴ＝ＣＮＴ＋１）。このカウンタは、インピーダンス算出を実施するためにシステムの状態が安定化するまでの時間を計時するものである。

次に、ステップＳ２へ進み、インピーダンス算出制御中か否かを判定する。そして、既にインピーダンス算出制御中である場合には、ステップＳ８へジャンプし、インピーダンス算出制御中でない場合、ステップＳ３で、カウンタＣＮＴが設定値ＴＣＳＴに達したか否かを調べる。設定値ＴＣＳＴは、インピーダンス算出処理を実質的に最初に実行する際に、システムが安定状態になっていると見做し得る経過時間、例えば、システムが起動してからエンジン３の暖機が完了し、システムの安定化に充分な経過時間（数十分〜１時間程度）を与えるものである。

ステップＳ３において、ＣＮＴ＜ＴＣＳＴの場合には、一旦、本処理を抜け、ＣＮＴ≧ＴＣＳＴの場合、ステップＳ４へ進んで、現在の運転状態がジェネレータ２が駆動されている発電状態であるか否かを判断する。その結果、システム要求によりジェネレータ２が駆動されており、発電状態である場合には、同様に、本処理を抜け、発電状態でない場合、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、インピーダンスに影響を及ぼす各パラメータ、すなわち、バッテリの残存容量ＳＯＣ、電流Ｉ、温度Ｔが設定範囲内（例えば、残存容量ＳＯＣ：５０〜６０％、電流Ｉ：−５〜＋５Ａ、温度Ｔ：３０〜４０°Ｃ）にあるか否かを調べる。そして、残存容量ＳＯＣ、電流Ｉ、温度Ｔの何れかが設定範囲から外れている場合には、ステップＳ５から処理を抜け、残存容量ＳＯＣ、電流Ｉ、温度Ｔが全て設定範囲内にある場合、ステップＳ５からステップＳ６へ進み、変数クリア等の初期化を行ってインピーダンス算出制御を開始する。

尚、インピーダンス算出制御開始の条件として、ステップＳ４で発電状態を判断しているが、この発電状態を判断するステップＳ４を省略し、発電状態であっても、インピーダンス算出制御を開始するようにしても良い。その場合には、後述するインピーダンス算出用の強制的な発電において、駆動用のモータ１の要求電力にインピーダンス算出のための発電量を上乗せした発電量で発電を実施する。

ステップＳ６に続くステップＳ７では、制御カウンタＣＩＣをクリアし（ＣＩＣ＝０）、ステップＳ８で、電気負荷による外乱を抑えてバッテリ電流を安定させるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９をＯＦＦさせる。そして、ステップＳ９で、制御カウンタＣＩＣをインクリメント（ＣＩＣ＝ＣＩＣ＋１）した後、ステップＳ１０へ進む。制御カウンタは、以下に説明するインピーダンス算出制御において、発電中及び発電終了後の時間を監視するためのものである。

ステップＳ１０では、バッテリ電流を監視して設定範囲内にあるか否かを調べる（監視手段としての機能）。このバッテリ電流の監視は、インピーダンス算出制御の開始直後から終了まで行われ、制御開始当初の発電用のインバータ８からの電流がなく（ジェネレータ２が発電状態にない）、且つＤＣ−ＤＣコンバータ９への電流がない条件下では、バッテリ電流は駆動用のインバータ５に流れる電流（モータ１による負荷電流）のみであることから、駆動用インバータ電流がインピーダンス算出に支障のない電流、例えば、クリープ走行程度の僅かな電流以下の範囲内にあるか否かを監視する。また、以下に説明するように、予め設定した発電量で発電を実施している状態では、発電用のインバータ８からの充電電流と駆動用のインバータ５への放電電流との差と等価であるバッテリ電流が、インピーダンス算出に支障のない範囲内にあるか否かを監視する。

そして、バッテリ電流が設定範囲内にあるときには、ステップＳ１０からステップＳ１１以降へ進んで、設定量の発電と電流・電圧の計測処理を実行する。この処理中に、システム要求等によりバッテリ電流が設定範囲外になったときには、ステップＳ１０からステップＳ２０へジャンプしてインピーダンス算出制御を終了し、ステップＳ２１でＤＣ−ＤＣコンバータ９をＯＮして本処理を抜ける。この場合には、後述するインピーダンスの算出結果に基づく学習値の更新は行わず、外乱の入力によるインピーダンスの誤補正を回避することができる。

ステップＳ１１以降では、規定の発電量及び設定時間で発電を行い、電流、電圧を計測する。すなわち、ステップＳ１１で制御カウンタＣＩＣが発電時間（例えば、１０秒）を与える設定値ＴＧＥＮ以下か否かを調べ、ＣＩＣ＞ＴＧＥＮの場合、ステップＳ１３へジャンプし、ＣＩＣ≦ＴＧＥＮの場合、ステップＳ１２へ進み、発電要求を出してエンジン３によりジェネレータ２を駆動し、規定量の発電を実施する。

この場合、上述のステップＳ４の条件、すなわち、発電状態でない条件下でインピーダンス算出制御を開始した場合には、インピーダンス算出用に予め設定した発電量を規定の発電量として強制的な発電を行う。一方、上述のステップＳ４の条件を入れないでインピーダンス算出制御を開始した場合、すなわち、ジェネレータ２が駆動されて発電している状態でインピーダンス算出制御を開始した場合には、駆動用のモータ１の要求電力にインピーダンス算出用に予め設定した発電量を上乗・加算した発電量を規定の発電量として、ジェネレータ２の発電量を指示する。

そして、発電を実施した後は、ステップＳ１３へ進み、制御カウンタＣＩＣが設定値ＴＧＥＮに等しくなったか否かを調べる。その結果、ＣＩＣ≠ＴＧＥＮの場合には、ステップＳ１３からステップＳ１６へジャンプし、ＣＩＣ＝ＴＧＥＮとなったとき、ステップＳ１３からステップＳ１４へ進んで、その時点（発電開始から予め設定した発電時間が経過した時点）でのバッテリの電流Ｉ１と電圧Ｖ１とを計測して記録し、ステップＳ１５で規定量の発電を終了させる。

尚、発電状態でインピーダンス算出制御を開始し、駆動用のモータ１の要求電力にインピーダンス算出用の発電量を上乗せした量で発電している場合には、ジェネレータ２の発電量指示を通常のＨＥＶ制御の要求発電量に戻すことにより、インピーダンス算出制御のための発電を終了する。

その後、ステップＳ１６へ進み、制御カウンタＣＩＣが、発電時間を与える設定値ＴＧＥＮと、発電終了後の設定時間（例えば、１０秒）を与える設定値ＴＮＬＤとの加算値（ＴＧＥＮ＋ＴＮＬＤ）に達したか否かを調べる。そして、ＣＩＣ≠（ＴＧＥＮ＋ＴＮＬＤ）の場合には、処理を抜け、ＣＩＣ＝（ＴＧＥＮ＋ＴＮＬＤ）になったとき、ステップＳ１７へ進んで、その時点（発電終了から設定時間が経過した時点）でのバッテリの電流Ｉ２と電圧Ｖ２とを計測して記録する。

すなわち、図１１に示すように、インピーダンス算出のための発電要求を出して発電を行い、発電開始から設定値ＴＧＥＮで与えられる時間が経過したとき、バッテリの電流Ｉ１と電圧Ｖ１とを計測して発電を終了し、発電終了後、設定値ＴＮＬＤで与えられる時間が経過したとき、再度、バッテリの電流Ｉ２と電圧Ｖ２とを計測することにより、電流・電圧計測にディレイを持たせている。これにより、安定した条件下で計測を行うことができ、インピーダンスの算出精度を向上させることができる。

その後、ステップＳ１８へ進み、計測した電流Ｉ１，Ｉ２、電圧Ｖ１，Ｖ２を用い、前述の（４）式によりインピーダンスＲｎを算出した後、ステップＳ１９で、前述の（５−１）式及び（６−１）式による学習値Ｒｃ、或いは、（５−２）式及び（６−２）式による学習値Ｋｒｃを算出して前回までの学習値を更新する。そして、ステップＳ２０でインピーダンス算出制御を終了し、ステップＳ２１でＤＣ−ＤＣコンバータ９をＯＮして本処理を抜ける。尚、インピーダンス算出の頻度を上げる場合には、ステップ２１において、カウンタＣＮＴをクリアする。

インピーダンスの学習値は、前述したように、残存容量ＳＯＣを求める際に、バッテリ劣化を補償する補正値として用いることができ、これにより、バッテリ劣化時にも高精度の残存容量ＳＯＣを得ることができる。しかも、駆動用のモータ１が動作している状態でも、バッテリのインピーダンスを算出することが可能であり、補正の機会を増やして精度をより確保することができる。

以上のように、本実施の形態においては、バッテリのインピーダンスの変化を的確に捉えることができ、このインピーダンス変化を、残存容量、入出力可能パワー量、劣化度等のバッテリ状態を表すパラメータに反映することで、常に的確なバッテリ管理を行うことができる。

尚、以上の実施の形態では、シリーズハイブリッド車について説明したが、本発明は、シリーズハイブリッド車に限定されることなく、シリーズ・パラレルハイブリッド車にも適用可能である。

シリーズハイブリッド車のシステム構成図 バッテリ残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図 電流容量テーブルの説明図 等価回路モデルを示す回路図 インピーダンステーブルの説明図 温度補正値の特性を示す説明図 残存容量テーブルの説明図 ウェイトテーブルの説明図 インピーダンス算出処理を示すフローチャート インピーダンス算出処理を示すフローチャート（続き） インピーダンス算出時のシステム動作状態を示す説明図

符号の説明

１ モータ
２ ジェネレータ（発電機）
４ バッテリ
２０ 電子制御ユニット（インピーダンス算出手段、インピーダンス補正値算出手段、監視手段、残存容量算出手段）
Ｒｎ インピーダンス
Ｒｒ 基準インピーダンス
Ｚ インピーダンス（テーブル値）
ＳＯＣｃ 残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ 残存容量（第２の残存容量）
ｗ ウェイト
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (9)

1. 走行駆動力を発生するモータに電力を供給すると共に、上記モータと別体で配置された発電機からの発電電力によって充電されるバッテリの状態を管理するハイブリッド車のバッテリ管理装置であって、
   少なくとも上記バッテリの残存容量と電流と温度とが設定範囲内にあるとき、上記発電機を規定の発電量で発電動作させ、規定の発電量で発電中の上記バッテリの電圧・電流と、規定の発電量での発電が終了した後の上記バッテリの電圧・電流とを計測し、計測した電圧・電流から上記バッテリのインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、
   上記インピーダンス算出手段で算出したインピーダンスと、予め上記バッテリの初期状態で求めた基準インピーダンスとを比較し、上記バッテリの劣化度に応じたインピーダンスの補正値を求めるインピーダンス補正値算出手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車のバッテリ管理装置。
2. 上記インピーダンス算出手段は、
   上記発電機が作動していない運転状態のとき、インピーダンス算出用に予め設定した発電量を規定の発電量として上記発電機を強制的に発電動作させることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
3. 上記インピーダンス算出手段は、
   上記発電機が作動している運転状態のとき、上記モータの要求電力とインピーダンス算出用に予め設定した発電量とを加算した値を規定の発電量として上記発電機を発電動作させることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
4. 上記インピーダンス算出手段は、
   規定の発電量での発電中と発電終了後との電圧差を、規定の発電量での発電中と発電終了後との電流差で除算して上記インピーダンスを算出することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
5. 上記インピーダンス補正値算出手段は、
   上記インピーダンス算出手段で算出したインピーダンスと上記基準インピーダンスとの差を加重平均した値を、上記補正値として算出することを特徴とする請求項１又は４に記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
6. 上記インピーダンス補正値算出手段は、
   上記インピーダンス算出手段で算出したインピーダンスと上記基準インピーダンスとの比を加重平均した値を、上記補正値として算出することを特徴とする請求項１又は４に記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
7. 上記バッテリの電流を監視し、上記バッテリの電流が設定範囲外になったとき、上記インピーダンスの算出に係わる動作を強制的に終了させる監視手段を、更に備えたことを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
8. 予め保有するテーブルから読出したインピーダンスを、上記インピーダンス補正値算出手段で算出した上記補正値を用いて補正し、補正したインピーダンスを用いて上記バッテリの開放電圧を推定し、推定した開放電圧に基づいてバッテリの残存容量を算出する残存容量算出手段を、更に備えたことを特徴とする請求項１〜７の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。
9. 上記残存容量算出手段は、
   上記バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記バッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを、上記バッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリの残存容量を算出することを特徴とする請求項８記載のハイブリッド車のバッテリ管理装置。

Images