JP2006017682A - 蓄電デバイスの残存容量演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流積算による誤差の累積や負荷変動の影響を回避し、常に安定した高精度な残存容量を求める。
【解決手段】開放電圧に基づく基準残存容量ＳＯＣＶを算出し、この基準残存容量ＳＯＣＶに基づいて、電流積算に基づく残存容量に含まれる電流誤差ＩＤを算出する。そして、電流誤差ＩＤを用いて電流センサで計測した電流値ＩＢを補正するための電流補正値ＩＨを算出し、この電流補正値ＩＨにより電流センサで計測した電流値ＩＢを補正して電流推定値ＩＳを求め、この電流推定値ＩＳを積算して最終的な残存容量ＳＯＣを算出する。これにより、バッテリ電流の積算値に基づく残存容量を主体としつつ、電流積算による誤差の累積や負荷変動の影響を回避し、常に安定した高精度な残存容量を求めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池や電気化学キャパシタ等の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、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学キャパシタといった蓄電デバイスの小型軽量化・高エネルギー密度化が進み、携帯型の情報通信機器から電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として活発に利用されている。

このような蓄電デバイスを有効に活用するには、その残存容量を正確に把握することが重要であり、従来から、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や、開放電圧に基づいて残存容量を求める技術が知られている。

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、この満充電容量と放電電気容量とから残存容量を求める技術が開示されている。

また、特許文献２には、リチウムイオン電池のような電池容量と電池電圧とに直線的な比例関係があるものにおいて、任意の時間のあいだ放電または充電したときの電流積算量と、放電または充電前の電圧、放電または充電後の電圧より、残存容量を求める技術が開示されている。

更に、特許文献３には、電池の充放電電流を積分して求めた残存容量と、電池の開放端子電圧に基づいて推定した残存容量との差の変化率に基づいて、残存容量の演算方法を補正する技術が開示されている。
特開平６−２４２１９３号公報 特開平８−１７９０１８号公報 特開平１１−２２３６６５号公報

しかしながら、充放電電流を積算して残存容量を求める技術と開放電圧の推定値に基づいて残存容量を求める技術とは、それぞれに一長一短があり、前者は、突入電流等の負荷変動に強く、安定した残存容量が得られる反面、誤差が累積し易い（特に、高負荷継続時には誤差が大きくなる）という欠点があり、また、後者は、通常の使用時において、正確な値を求めることができる反面、短時間で負荷が大きく変動した場合に演算値が変動しやすいという欠点がある。

従って、特許文献１，２，３のように、単に、両者の技術を組合わせただけでは、電流積算による誤差の累積を排除することは困難である。特に、ハイブリッド車等のように充放電が連続する状態では、残存容量の演算精度が低下したり、残存容量の演算値が急激に変化するといった事態が生じる虞があり、安定した精度を確保することは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電流積算による誤差の累積や負荷変動の影響を回避し、常に安定した高精度な残存容量を求めることのできる蓄電デバイスの残存容量演算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、本発明による蓄電デバイスの残存容量演算装置は、蓄電デバイスの開放電圧に基づく残存容量を、基準残存容量として算出する基準残存容量算出手段と、上記基準残存容量算出手段で算出した基準残存容量と上記蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づく残存容量との容量差に基づいて、上記充放電電流の電流誤差を算出する電流誤差算出手段と、上記電流誤差算出手段で算出した電流誤差に基づいて、上記充放電電流の計測値を補正するための電流補正値を算出する電流補正値算出手段と、上記電流補正値算出手段で算出した電流補正値により、上記充放電電流の計測値を補正した電流推定値を算出する電流推定値算出手段と、上記電流推定値算出手段で算出した電流推定値を積算し、上記蓄電デバイスの最終的な残存容量として算出する残存容量算出手段とを備えたことを特徴とする。

その際、電流補正値を電流誤差の比例積分制御によって算出することが望ましく、比例積分制御の係数は、蓄電デバイスの充放電電流の電流変化率に基づいて算出することが望ましい。また、電流誤差を学習し、その学習結果に応じて電流補正値を学習補正することが望ましく、その場合には、学習補正した電流補正値と電流誤差の学習値とを用いて電流推定値を算出する。学習条件が成立するか否かは、蓄電デバイスの充放電電流の電流変化率に基づいて判定することが望ましい。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、電流積算による誤差の累積や負荷変動の影響を回避することができ、常に、安定した高精度な残存容量を求めることができる。

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わり、図１はハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図、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はバッテリ容量と温度との関係を示す説明図、図４は比例係数の特性を示す説明図、図５は積分係数の特性を示す説明図、図６は等価回路モデルを示す回路図、図７は基準残存容量と開放電圧との関係を示す説明図、図８はバッテリ残存容量算出処理のフローチャート、図９はインピーダンステーブルの説明図、図１０は基準残存容量テーブルの説明図、図１１は基準残存容量と電流補正後の残存容量とを示す説明図である。

図１は、本発明をエンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車両（ＨＥＶ）に適用した例を示し、同図において、符号１は、ＨＥＶの電源ユニットである。この電源ユニット１には、蓄電デバイスとして例えば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るバッテリ２と、バッテリ２の残存容量の演算、バッテリ２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のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）３とが１つの筐体内にパッケージされている。

尚、本形態においては、蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例に取って説明するが、本発明による残存容量の演算手法は、電気化学キャパシタやその他の二次電池にも適用可能である。

演算ＥＣＵ３は、マイクロコンピュータ等から構成され、電圧センサ４で測定したバッテリ２の端子電圧ＶＢ、電流センサ５で測定したバッテリ２の充放電電流ＩＢ、温度センサ６で測定したバッテリ２の温度（セル温度）温度ＴＢに基いて、所定時間毎に充電状態(State of charge;SOC）すなわち残存容量ＳＯＣを演算する。この残存容量ＳＯＣは、電源ユニット１の演算ＥＣＵ３から、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介してＨＥＶ制御用電子制御ユニット（ＨＥＶ制御用ＥＣＵ）１０に出力され、車両制御用の基本データ、バッテリ残量や警告用の表示用データ等として使用される。

ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、同様にマイクロコンピュータ等から構成され、運転者からの指令に基づいて、ＨＥＶの運転、その他、必要な制御を行う。すなわち、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、電源ユニット１からの信号や図示しないセンサ・スイッチ類からの信号により、車両の状態を検出し、バッテリ２の直流電力を交流電力に変換してモータ１５を駆動するインバータ２０を初めとして、図示しないエンジンや自動変速機等を、専用の制御ユニットを介して或いは直接的に制御する。

演算ＥＣＵ３における残存容量ＳＯＣの演算は、図２のブロック図に示す推定アルゴリズムに従って実行される。このＳＯＣ推定アルゴリズムでは、バッテリ電流の積算値に基づく残存容量を主体とし、この電流積算に基づく残存容量に対して、バッテリの開放電圧に基づく残存容量を基準とした電流誤差の補正処理を行って最終的な残存容量ＳＯＣを得るようにしている。尚、以下では、バッテリの開放電圧に基づく残存容量を、適宜、「基準残存容量」と称する。

一般的に、バッテリの残存容量を算出する技術としては、バッテリ電流の積算値に基づて残存容量を求める技術と、バッテリの開放電圧に基づいて残存容量を求める技術とがあり、それぞれに一長一短がある。前者は、突入電流等の負荷変動に強く、安定した残存容量が得られる反面、電流誤差が累積し易い（特に、高負荷継続時には誤差が大きくなる）という欠点がある。また、後者は、電流が安定している領域では、正確な値を求めることができる反面、短時間で負荷が大きく変動した場合には、バッテリの開放電圧を推定する際のインピーダンスを正確に求めることができず、残存容量の算出値が振動し易いという欠点がある。

従って、演算ＥＣＵ３には、ＳＯＣ推定アルゴリズムを形成する各機能として、開放電圧に基づく基準残存容量ＳＯＣＶを算出する基準残存容量算出手段として基準残存容量算出部３ａ、電流積算に基づく残存容量に含まれる電流誤差ＩＤを、電流誤差の累積がない基準残存容量ＳＯＣＶに基づいて算出する電流誤差算出手段としての電流誤差算出部３ｂ、電流誤差ＩＤを用いて電流センサ５で計測した電流値ＩＢを補正するための電流補正値ＩＨを算出する電流補正値算出手段としての電流補正値算出部３ｃ、この電流補正値ＩＨにより電流センサ５で計測した電流値ＩＢを補正し、計測誤差を排除した電流値としての電流推定値ＩＳを算出する電流推定値算出手段としての電流推定値算出部３ｄ、電流推定値ＩＳを積算して最終的な残存容量ＳＯＣを算出する残存容量算出手段としての残存容量算出部３ｅが備えられている。

詳細には、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣＩは、バッテリ電流Ｉにより、初期値ＳＯＣＩ(0)をベース値として以下の（１）式によって表現することができる。尚、以下の各式における電流Ｉ，電圧Ｖ，温度Ｔは、理論上のパラメータを表すものとする。
ＳＯＣＩ＝ＳＯＣＩ(0)−∫[(１００×η×Ｉ／ＡＨ)＋ＳＤ]ｄｔ／３６００…（１）
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

電流効率η及び自己放電率ＳＤは、本形態のリチウムイオン電池では、それぞれ定数と見なすことができ、実用上、η＝１、ＳＤ＝０とすることができる。従って、（１）式は、以下の（１’）式で表現することができる。
ＳＯＣＩ＝ＳＯＣ(0)−(∫Ｉｄｔ)／(ＡＨ×３６００)…（１’）

ここで、バッテリ電流に誤差ＩＤが重合されている場合の残存容量ＳＯＣＩは、以下の（２）式で表すことができる。
ＳＯＣＩ＝ＳＯＣＩ(0)−[(∫Ｉｄｔ)／(ＡＨ×３６００)＋(∫ＩＤｄｔ)／(ＡＨ×３６００)]…（２）

（２）式における誤差成分(∫ＩＤｄｔ)／(ＡＨ×３６００)は、全体の残存容量として考えた場合、電流ベースで発生している累積誤差による容量分を示し、電流誤差が累積されない基準残存容量ＳＯＣＶと電流積算に基づく残存容量ＳＯＣＩとの容量差ＥＳＯＣであると推定することができる。従って、この容量差ＥＳＯＣを用いて、誤差成分(∫ＩＤｄｔ)／(ＡＨ×３６００)を電流誤差ＩＤについて表現すると、以下の（３）式で表現することができる。
ＩＤ＝ｄ(ＥＳＯＣ)／ｄｔ×(ＡＨ×３６００)…（３)
但し、ＥＳＯＣ＝ＳＯＣＶ−ＳＯＣＩ

この場合、前述したように、開放電圧に基づく基準残存容量ＳＯＣＶは、負荷変動による振動成分を含んでいる可能性がある。従って、フィルタを導入すると共に、（３）式をラプラス変換し、以下の（４）式によって電流誤差ＩＤを表現する。
ＩＤ(ｓ)＝[ｓ／(ａ×ｓ＋１)]×ＥＳＯＣ(ｓ)×(ＡＨ×３６００)…（４）
但し、ｓ：ラプラス演算子
ａ：フィルタ定数

更に、連続時間系で表現される（４）式を、周期的な演算処理で算出するため、サンプル時間ｋ毎の演算周期ＤＬＴＴで離散化し、以下の（５）式に簡略化する。
ＩＤ(k)＝(１−ＫＡ×ＤＬＴＴ)×ＩＤ(k-1)＋ＫＡ×(ＡＨ×３６００)×[ＥＳＯＣ(k)−ＥＳＯＣ(k-1)]…（５）
但し、ＫＡ：定数（例えば、ＫＡ＝１／ａ）

尚、周期的な離散時間演算処理においては、（５）式における容量差ＥＳＯＣは、基準残存容量ＳＯＣＶと、電流推定値ＩＳの積算による残存容量である最終的な残存容量ＳＯＣとの容量差を用いている。

また、バッテリの電流容量ＡＨは、図３に示すように、温度に依存して変化し、低温になる程、バッテリ容量が減少するため、例えば、温度ＴＢをパラメータとするテーブルを作成しておき、このテーブルを参照して電流容量ＡＨを算出する。

そして、（５）式から算出した電流誤差ＩＤを用い、電流センサ５によって計測したバッテリ電流を補正するための電流補正値ＩＨを算出する。この電流補正値ＩＨは、以下の（６）式に示すように、比例係数ＫＰによる比例補正量（ＫＰ×ＩＤ）と積分係数ＫＩによる積分補正量（ＫＩ×ＳＩＤ）との比例積分制御によって算出する。
ＩＨ(k)＝ＫＰ×ＩＤ(k)＋ＫＩ×ＳＩＤ(k)…（６）
但し、ＳＩＤ(k)＝ＳＩＤ(k-1)＋ＩＤ(k)×ＤＬＴＴ

そして、電流センサ５によるバッテリ電流の計測値ＩＢと、電流誤差ＩＤから算出した電流補正値ＩＨとを用いて、計測誤差を排除した電流値としての電流推定値ＩＳを以下の（７）式によって求めた後、この電流推定値ＩＳを前述の（１）式に適用して離散化した以下の（８）式により、最終的な残存容量ＳＯＣを算出する。
ＩＳ(k)＝ＩＢ(k)−ＩＨ(k)…（７）
ＳＯＣ(k)＝ＳＯＣ(k-1)＋ＩＳ(k)×ＤＬＴＴ／(ＡＨ×３６００)…（８）

尚、詳細は後述するが、電流補正値ＩＨを算出する際に電流誤差ＩＤを学習するようにしても良い。電流推定値ＩＳは、学習結果を反映した電流補正値ＩＨと、電流誤差ＩＤを学習した学習値とを用いて算出することになる。

比例係数ＫＰ及び積分係数ＫＩは、バッテリの充放電状態を反映するパラメータとして、電流の変化率を用いて決定する。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。このスパイク的な電流の影響は、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理により軽減することができるが、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比例係数ＫＰ及び積分係数ＫＩを決定するようにしている。

具体的には、比例係数ＫＰ，積分係数ＫＩは、バッテリ電流の移動平均値をＩＭとすると、この移動平均値ＩＭの時間ｔにおける電流変化率ΔＩＭ／Δｔに基づいて、予め実験或いはシミュレーション等を実施して作成したテーブル等に格納しておく。

図４，図５は、移動平均による電流変化率ΔＩＭ／Δｔに依存して変化する比例係数ＫＰ、電流変化率ΔＩＭ／Δｔに依存して変化する積分係数ＫＩの特性をそれぞれ示している。バッテリの負荷変動が小さく安定している状態（ΔＩＭ／Δｔが小さく、電流変化が小さい状態）では、電圧ベースで算出される電流誤差（開放電圧に基づく残存容量ＳＯＣＶを基準とする電流誤差）ＩＤの補正効果が大きくなるよう、比例係数ＫＰ，積分係数ＫＩは大きい値に設定され、誤差の累積を抑制する。逆に、負荷変動が大きい状態（ΔＩＭ／Δｔが大きく、電流変化が大きい状態）では、電圧ベースで算出される電流誤差ＩＤによる補正を抑制するよう、比例係数ＫＰ，積分係数ＫＩは小さい値に設定され、負荷変動時にも正確且つ追従性の良い残存容量を算出可能とする。

これにより、バッテリの充放電状態をより的確に把握し、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣＩを主体として、電流積算による誤差の累積を抑制すると共に、外乱が発生した場合にも、安定した正確な残存容量を求めることができる。

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するようにしており、バッテリ開放電圧ＶＯＣに基づく基準残存容量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基準残存容量ＳＯＣＶの演算について詳述する。

基準残存容量ＳＯＣＶを求めるには、先ず、図６に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、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、前述の移動平均による電流変化率ΔＩＭ／Δｔを周波数成分の置き換えとして採用し、電流変化率ΔＩＭ／Δｔと温度ＴＢ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ＴＢと電流変化率ΔＩＭ／Δｔとに基づいてインピーダンスＺのテーブル（後述する図９のインピーダンステーブル）を作成し、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求める。

そして、テーブルから求めたインピーダンスＺと、電圧センサ４によって測定した端子電圧ＶＢと、電流センサ５によって測定した電流ＩＢとを、バッテリの端子電圧Ｖ、電流Ｉ、インピーダンスＺ、開放電圧ＶＯＣの関係を表現した以下の（９）式に適用し、開放電圧ＶＯＣの推定値を求める。
ＶＯＣ＝Ｖ＋Ｉ×Ｚ…（９）

尚、（９）式における電流値Ｉは、電流センサ５による計測値ＩＢに代えて、前述の電流推定値ＩＳを用いても良い。また、バッテリの内部インピーダンスＺは、詳細には、低温になるほど増加し、これに伴って電流変化率が小さくなることから、後述するように、直接的には、電流変化率ΔＩＭ／Δｔを温度補正した補正後電流変化率ＴＫΔＩＭ／Δｔを用いてインピーダンスＺを決定する。

開放電圧ＶＯＣの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて基準残存容量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ＶＯＣと基準残存容量ＳＯＣＶとの関係を表すと、以下の（１０）式を得ることができる。
ＶＯＣ＝Ｅ＋[(Ｒｇ×Ｔ／Ｎｅ×Ｆ)×ｌｎＳＯＣＶ／(１００−ＳＯＣＶ)]＋Ｙ…（１０）
但し、Ｅ ：標準電極電位（本形態の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、（１０）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（１１）式に示すように、ＳＯＣＶの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０^-6Ｘ³＋９・１０^-5Ｘ²＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（１１）

以上の（１０）式で表現される開放電圧ＶＯＣと基準残存容量ＳＯＣＶとの具体的な相関関係は、電池の種類や特性によって異なり、例えば、リチウムイオン電池では、図７に示すような曲線で表すことができる。図７に示す開放電圧ＶＯＣと基準残存容量ＳＯＣＶとの関係は、開放電圧ＶＯＣの変化に対して基準残存容量ＳＯＣＶの変化が平坦となることなく、単調変化する曲線によって表される相関関係であり、開放電圧ＶＯＣの値を知ることで基準残存容量ＳＯＣＶの値を明確に把握することができる。

また、基準残存容量ＳＯＣＶは、開放電圧ＶＯＣのみならずバッテリ温度との間にも強い相関性があり、図７に示すように、開放電圧ＶＯＣが同じ値であっても、バッテリ温度が下がると基準残存容量ＳＯＣＶが減少する。この場合、開放電圧ＶＯＣと温度ＴＢとをパラメータとして、直接、（１０）式を用いて基準残存容量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（１０）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ＳＯＣＶ−ＶＯＣ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ＶＯＣと温度ＴＢとをパラメータする基準残存容量ＳＯＣＶのテーブル（後述する図１０の基準残存容量テーブル）を作成しておき、このテーブルを利用して基準残存容量ＳＯＣＶを求める。この基準残存容量ＳＯＣＶは、以上に説明したように、電流誤差ＩＤを算出する際に用いられ、電流誤差ＩＤに基づく電流推定値ＩＳを積算することにより、最終的な残存容量ＳＯＣが算出される。

次に、以上の電流補正によるバッテリの残存容量ＳＯＣの算出処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。尚、図８に示す残存容量算出処理では、電流誤差ＩＤの学習制御を取入れている。

図８のフローチャートは、電源ユニット１の演算ＥＣＵ３における残存容量推定の基本的な処理を示すものであり、所定時間毎（例えば、０．１ｓｅｃ毎）に実行される。この処理がスタートすると、先ず、ステップＳ１において、バッテリ２の端子電圧ＶＢ、電流ＩＢ、温度ＴＢ、及び、前回の演算処理時に算出した残存容量ＳＯＣ及び基準残存容量ＳＯＣＶのデータを読込む。尚、端子電圧ＶＢは複数の電池パックの平均値、電流ＩＢは複数の電池パックの電流の総和を取り、それぞれ、例えば０．１ｓｅｃ毎にデータを取得するものとする。また、温度ＴＢは、例えば１０ｓｅｃ毎に取得するものとする。

次に、ステップＳ２へ進み、電流ＩＢを移動平均して単位時間当りの電流変化率ΔＩＭ／Δｔを取得する。電流ＩＢの移動平均は、例えば、電流ＩＢ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する。更に、ステップＳ３において、バッテリ等価回路のインピーダンスＺを、図９に示すインピーダンステーブルを参照して算出する。図９のインピーダンステーブルは、電流変化率ΔＩＭ／Δｔを温度補正した補正後電流変化率ＴＫΔＩＭ／Δｔと温度ＴＢとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したものであり、概略的には、補正後電流変化率ＴＫΔＩＭ／Δｔが同じ場合には、温度ＴＢ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ＴＫΔＩＭ／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。

ステップＳ３に続くステップＳ４では、算出したインピーダンスＺを用い、前述の（９）式に従って、バッテリ２の開放電圧ＶＯＣを算出し、温度ＴＢと開放電圧ＶＯＣとをパラメータとして、図１０に示す基準残存容量テーブルを参照し、基準残存容量ＳＯＣＶを算出する。この基準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ＴＢ及び開放電圧ＶＯＣが低くなる程、基準残存容量ＳＯＣＶが小さくなり、温度ＴＢ及び開放電圧ＶＯＣが高くなる程、基準残存容量ＳＯＣＶが大きくなる傾向を有している。

尚、図９，１０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。

その後、ステップＳ５へ進み、バッテリ温度ＴＢをパラメータとしてバッテリの電流容量ＡＨをテーブル参照等により求めた後、ステップＳ６で、電流容量ＡＨ、演算周期ＤＬＴＴ、基準残存容量ＳＯＣＶと最終的な残存容量ＳＯＣとの容量差ＥＳＯＣを用い、前述の（５）式に従って、電流誤差ＩＤを算出する。更に、ステップＳ７で、電流変化率ΔＩＭ／Δｔに基づいてテーブル参照等により比例係数ＫＰ及び積分係数ＫＩを算出し、前述の（６）式に従って、比例係数ＫＰ及び積分係数ＫＩを用いた比例積分制御により電流補正値ＩＨを算出する。

電流補正値ＩＨを算出した後は、ステップＳ８へ進み、電流誤差ＩＤの学習条件が成立するか否かを判定する。具体的には、電流変化率ΔＩＭ／Δｔが設定範囲にある状態が、設定時間Ｔ１経過後、更に別の設定時間Ｔ２まで継続しているか否かを判定することにより、学習条件の成否を判定する。そして、学習条件が成立する場合、ステップＳ８からステップＳ９へ進み、設定時間Ｔ１，Ｔ２の期間内での電流誤差ＩＤの平均値ＩＤＭＮを算出し、以下の（１２）式に示すように、電流誤差ＩＤの平均値ＩＤＭＮにゲインＫＬを乗算した値を、前回の電流誤差学習値ＩＤＬに加算し、前回までの電流誤差学習値を更新してステップＳ１０へ進む。また、学習条件が成立しない場合には、電流誤差学習値ＩＤＬの更新は行わず、ステップＳ８からステップＳ１１へジャンプする。
ＩＤＬ＝ＩＤＬ＋ＫＬ×ＩＤＭＮ…（１２）

ステップＳ１０では、電流誤差学習値ＩＤＬの更新を受けて、ステップＳ７で算出した電流補正値ＩＨを学習制御により増減し、演算上の連続性を確保する。すなわち、前述の（６）式による電流補正値ＩＨは、積分補正量として、電流誤差ＩＤを積算した積分値ＳＩＤを用いていることから、電流誤差学習値ＩＤＬを積分係数ＫＩで除算した値だけ積分値ＳＩＤを増減することで、次のステップＳ１１において電流補正値ＩＨにより電流推定値ＩＳを算出する際の段差をなくし、演算上の連続性を確保する。

その後、ステップＳ１１へ進み、バッテリ電流の計測値ＩＢ、電流補正値ＩＨ、電流誤差学習値ＩＤＬを用い、前述の（７）式に電流誤差学習値ＩＤＬを取入れた以下の（１３）式により、電流推定値ＩＳを算出する。そして、ステップＳ１２で、前述の（８）式に従って電流推定値ＩＳを積算し、最終的な残存容量ＳＯＣを算出して１サイクルの本処理を終了する。
ＩＳ＝ＩＢ−（ＩＨ＋ＩＤＬ）…（１３）

尚、学習制御を行わない場合には、上述のステップＳ８〜Ｓ１０を省略し、ステップＳ７で算出した電流補正値ＩＨとバッテリ電流の計測値ＩＢとから、前述の（７）式、すなわち（１３）式においてＩＤＬ＝０とした式に従って、電流推定値ＩＳを算出する。そして、この電流推定値ＩＳを積算して最終的な残存容量ＳＯＣを算出する。

以上の電流補正処理による残存容量ＳＯＣは、開放電圧ＶＯＣに基づく基準残存容量ＳＯＶＣ、電流の計測値を積算した従来の残存容量と共に、図１１に示される。同図中に破線で示す従来の残存容量は、電流誤差が累積してゆき、基準残存容量ＳＯＣＶとのずれが大きくなって行くが、電流誤差を補正して電流を積算した本形態の残存容量ＳＯＣでは、基準残存容量ＳＯＣＶのように負荷による振動もなく、正確且つ安定した残存容量を得ることができる。

ハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図 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 バッテリ容量と温度との関係を示す説明図 比例係数の特性を示す説明図 積分係数の特性を示す説明図 等価回路モデルを示す回路図 基準残存容量と開放電圧との関係を示す説明図 バッテリ残存容量算出処理のフローチャート インピーダンステーブルの説明図 基準残存容量テーブルの説明図 基準残存容量と電流補正後の残存容量とを示す説明図

符号の説明

１ 電源ユニット
２ バッテリ
３ 演算ユニット
３ａ 基準残存容量算出部
３ｂ 電流誤差算出部
３ｃ 電流補正値算出部
３ｄ 電流推定値算出部
３ｅ 残存容量算出部
ＶＯＣ バッテリ開放電圧
ＳＯＣＶ 基準残存容量
ＳＯＣ 残存容量
ＥＳＯＣ 容量差
ＩＢ バッテリ電流の計測値
ＩＤ 電流誤差
ＩＤＬ 電流誤差学習値
ＩＨ 電流補正値
ＩＳ 電流推定値
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (5)

1. 蓄電デバイスの開放電圧に基づく残存容量を、基準残存容量として算出する基準残存容量算出手段と、
   上記基準残存容量算出手段で算出した基準残存容量と上記蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づく残存容量との容量差に基づいて、上記充放電電流の電流誤差を算出する電流誤差算出手段と、
   上記電流誤差算出手段で算出した電流誤差に基づいて、上記充放電電流の計測値を補正するための電流補正値を算出する電流補正値算出手段と、
   上記電流補正値算出手段で算出した電流補正値により、上記充放電電流の計測値を補正した電流推定値を算出する電流推定値算出手段と、
   上記電流推定値算出手段で算出した電流推定値を積算し、上記蓄電デバイスの最終的な残存容量として算出する残存容量算出手段とを備えたことを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
2. 上記電流補正値算出手段は、
   上記電流補正値を、上記電流誤差の比例積分制御によって算出することを特徴とする請求項１記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置。
3. 上記電流補正値算出手段は、
   上記電流補正値を算出する際の上記電流誤差に対する比例積分制御の係数を、上記蓄電デバイスの充放電電流の電流変化率に基づいて算出することを特徴とする請求項２記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置。
4. 上記電流補正値算出手段は、
   上記電流誤差を学習し、その学習結果に応じて上記電流補正値を学習補正し、
   上記電流推定値算出手段は、
   学習補正した上記電流補正値と上記電流誤差の学習値とを用いて上記電流推定値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蓄電デバイスの残存容量演算装置。
5. 上記電流補正値算出手段は、
   上記電流誤差の学習条件が成立するか否かを、上記蓄電デバイスの充放電電流の電流変化率に基づいて判定することを特徴とする請求項４記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置。