JP2007292648A - 二次電池の充電状態推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出されたバッテリ状態量（電流、電圧、温度等）に基づき、分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて充電状態（ＳＯＣ）を正確に推定する。
【解決手段】電池ＥＣＵは、現時点のバッテリ状態量に基づく分極値ｆｄｙｎを推定し（Ｓ１７０）、分極値補正率ｋｆの乗算により分極値ｆｄｙｎを補正する（Ｓ１９０）。さらに、逐次推定された分極値を所定時定数に従って減衰させた上で時間積分することにより、バッテリの充放電履歴を反映した分極起電圧Ｖｄｙｎが推定される（Ｓ２００）。電池ＥＣＵは、推定された分極起電圧Ｖｄｙｎを反映して開路電圧Ｖｏｃｖを算出し（Ｓ２２０）、さらにＳＯＣを算出する（Ｓ２３０）。電池ＥＣＵは、今回のＳＯＣ推定ルーチンが一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化したケースで実行されているかどうかを判定し（Ｓ１１０〜Ｓ１６０）、このようなケースでは、分極値補正率ｋｆをｋｆ＞１．０に設定する（Ｓ１８０）。
【選択図】図５

Description

この発明は、二次電池の充電状態推定装置に関し、より特定的には、二次電池内部の分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて、二次電池の充電状態（以下、ＳＯＣ：State of Chargeとも称する）を推定する二次電池の充電状態推定装置に関する。

従来より、二次電池（以下、単にバッテリとも称する）の充電状態（ＳＯＣ）を推定する充電状態推定装置が知られている。この装置は、満充電からの放電電流を積算してＳＯＣを検出する方式が一般的であるが、たとえばエンジン出力による発電機を搭載するハイブリッド車両においては、バッテリのＳＯＣが５０％程度に維持されるように充放電を制御するため、長期間バッテリが満充電とならない。その結果、バッテリの充放電電流を長期間積算することにより、積算誤差が大きくなってしまう可能性がある。このため、電流積算のみに基づくＳＯＣ推定は、上述のような充放電制御が行なわれるハイブリッド車両へ搭載されるバッテリへの適用が困難である。

一方、バッテリの充放電電流および内部抵抗を乗算することによりバッテリ内部における電圧降下が算出でき、この電圧降下分をバッテリ電圧から減算することでバッテリの起電圧が検出できる。このため、センサによって検知されるバッテリの状態量（代表的には、電圧、電流、温度）に基づき、バッテリの開路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を正確に推定し、推定した開路電圧を用いてバッテリの充電状態（ＳＯＣ）を検出する方法が用いられている。

ここで、バッテリは、各バッテリセルにおける電極活物質の各部変化によって起電力を発生しているところ、電極活物質の化学反応はその表面付近で起こりやすい一方で、電極内部における反応には拡散のための遅延時間が生じる。そこで、この電極内部と表面部における不均衡（分極）に起因して、同じＳＯＣであっても起電力に差が生じることが知られている。そして、この分極に起因する電圧変化は、時間が経過することで解消すると考えられる動的なものである。そこで、このような分極起電圧を考慮に入れてバッテリの開路電圧を推定することにより、ＳＯＣ推定精度を向上させる構成が提案されている（たとえば特許文献１〜４）。

特に、特許文献１（特開２０００−２５８５１４号公報）に開示された充電状態検出装置では、予め求められた分極起電圧の電流依存性に基づき、現時点でのバッテリ電流に対応した分極値ｆ{ｉ（ｔ）}を各時点で逐次求め、かつ、この逐次求めた分極値を時間軸方向に減衰させた上で時間積分していくことによって、過去の充放電履歴を反映した分極起電圧Ｖｄｙｎを算出する。そして、算出された分極起電圧Ｖｄｙｎは、開路電圧およびＳＯＣの推定に用いられる。

また、特許文献２（特開２００３−６８３７０号公報）に開示された充電状態検出装置では、上記特許文献１における各時点での分極値の算出を、バッテリ電流およびバッテリ温度に基づいて行なうことが開示されている。また、この特許文献２では、バッテリ低温時における分極起電圧の推定精度を向上するために、各時点で算出した上記分極値を時間時間積分する際における減衰の時定数をバッテリの構成部材毎に複数個設定する。そして、これら複数の時定数に従ってそれぞれ算出された分極起電圧の平均値を用いることにより、分極起電圧の推定精度を向上させることが開示されている。
特開２０００−２５８５１４号公報 特開２００３−６８３７０号公報 特開２００４−９３５５１号公報 特開平１１−３４６４４４号公報

上記のように、特許文献１および２に開示されたバッテリの充電状態検出装置では、現時点のバッテリ状態量（電流，温度）に対応する分極値を逐次算出し、各時点で算出された分極値を所定時定数による減衰を伴って時間軸積分することによって、過去の充放電履歴を反映した分極起電圧を推定している。

しかしながら、このような推定によれば、過去の充放電履歴の反映は、もっぱら積分演算により実現されている。すなわち、各時点における分極値の推定は、過去の充放電履歴を反映したものとはなっておらず、同一のバッテリ状態量の下では、それまでの充放電状態に拘らず同一値が推定される。

したがって、このような充電状態検出装置では、充放電の切換時、特に、一定電流放電が行なわれた後でバッテリ電流が急変した場合には、分極起電圧の変化を過小に推定することにより、この急変時点において分極起電圧の推定誤差が大きくなってしまう可能性がある。このような分極起電圧の推定誤差により、開路電圧（ＯＣＶ）ひいては充電状態（ＳＯＣ）の推定精度が低下するおそれがある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、検出された二次電池（バッテリ）の状態量（電流、電圧、温度等）に基づき、分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて充電状態（ＳＯＣ）を正確に推定することである。

この発明による二次電池の充電状態推定装置は、状態量取得手段と、一定電流状態検知手段と、一定電流継続時間検出手段と、内部抵抗推定手段と、分極起電圧推定手段と、開路電圧検出手段と、充電状態推定手段とを備える。状態量取得手段は、現時点での二次電池の電圧、電流および温度を取得するように構成される。一定電流状態検知手段は、二次電池の電流が所定以下の時間的変化にて継続している一定電流状態を検知するように構成される。一定電流継続時間検出手段は、一定電流状態検知手段により一定電流状態が一旦検知された後に電流が変化したときに、一定電流状態の継続時間を検出するように構成される。内部抵抗推定手段は、少なくとも状態量取得手段により取得された温度に基づいて、二次電池の内部抵抗を推定するように構成される。分極起電圧推定手段は、現時点までの二次電池の充放電の履歴に基づき、二次電池の分極起電圧を推定するように構成される。開路電圧検出手段は、状態量取得手段により取得された電圧および電流、内部抵抗推定手段により推定された内部抵抗、ならびに、分極起電圧推定手段により推定された分極起電圧に基づき、二次電池の開路電圧を検出するように構成される。充電状態推定手段は、開路電圧検出手段により検出された開路電圧を用いて、二次電池の充電状態を推定するように構成される。特に、分極起電圧推定手段は、一定電流状態検知手段により一定電流状態が一旦検知された後に電流が変化したときに、一定電流継続時間検出手段により検出された継続時間を反映して分極起電圧を推定するように構成される。

この二次電池の充電状態推定装置によれば、バッテリ電流が一定電流状態後に変化した際に、この一定電流状態の継続時間を反映して、分極起電圧の推定を行なうことができる。これにより、上記一定電流状態からバッテリ電流が変化した際における分極起電圧の推定誤差を抑制することにより、分極起電圧の推定精度を向上させて、開路電圧（ＯＣＶ）および二次電池の充電状態（ＳＯＣ）の推定精度を向上させることができる。

好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、分極起電圧推定手段は、分極値推定手段と、分極値補正手段と、起電圧推定手段とを含む。分極値推定手段と、少なくとも状態量取得手段により取得された電流に基づいて、現時点の電流が一定に継続した場合における分極起電圧の収束値に対応する分極値を逐次推定するように構成される。分極値補正手段と、一定電流状態が一旦検知された後に電流が変化したときに、少なくとも継続時間に基づいて、分極値推定手段によって推定された分極値を補正するように構成される。起電圧推定手段は、分極値推定手段および分極値補正手段によって逐次推定された分極値を、推定時点から現時点までの経過時間に応じて所定時定数に従って減衰させた上で積分することにより、現時点での分極起電圧を推定するように構成される。

この構成によれば、通常時にはバッテリ状態量（少なくともバッテリ電流）に基づいて各時点での分極値を推定する一方で、一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化した際には、通常時に求められる分極値を一定電流状態の継続時間に基づいて補正することによって、分極起電圧の推定精度を向上することが可能となる。すなわち、通常の分極起電圧推定に対して、一定電流状態からバッテリ電流が変化した際に分極値を補正するという簡易な制御構成によって分極起電圧の推定精度を向上することができる。

さらに好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、分極値補正手段は、継続時間ならびに、一定電流状態における電流および状態量取得手段により取得された温度に基づき、分極値推定手段によって推定された分極値を補正する。

このような構成によれば、上記一定電流状態の継続時間および電流ならびに、その時点でのバッテリ温度に基づき、分極値の補正度合を決定するので、分極起電圧の推定精度をさらに向上させることができる。

あるいは、さらに好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、分極値推定手段は、状態量取得手段により取得された電流および温度に基づき分極値を推定する。

このような構成によれば、バッテリ電流およびバッテリ温度に基づき基本的な分極値を推定することにより、分極起電圧の推定精度を向上させることができる。

また好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、二次電池は、リチウムイオンバッテリにより構成される。

このような構成によれば、二次電池が充電状態（ＳＯＣ）と開路電圧との相関性が高いリチウムイオン電池により構成されるので、分極起電圧の推定精度向上による回路電圧の推定精度向上による、充電状態（ＳＯＣ）の推定精度向上の効果が高い。すなわち、本発明による二次電池の充電状態推定装置は、リチウムイオン電池への適用に好適である。

この発明による二次電池の充電状態推定装置によれば、検出された二次電池（バッテリ）の状態量（電流、電圧、温度等）に基づき、分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて充電状態（ＳＯＣ）を正確に推定することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。

（全体システム構成例の説明）
図１は、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置をハイブリッド車両に適用したシステムの構成を示すブロック図である。

バッテリ１０は、多数のバッテリセルからなっている。代表的には、このバッテリ１０は、リチウムイオンバッテリから構成される。リチウムイオンバッテリは、周知のように、ＳＯＣと開路電圧（ＯＣＶ）との相関が高い。したがって、図２に示すように、ＳＯＣに対する開路電圧Ｖｏｃｖを予め測定しておくことにより、バッテリ１０の状態量（電流、電圧、温度等）に基づき推定された開路電圧Ｖｏｃｖに基づき、充電状態としてのＳＯＣを推定することができる。このように、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置は、ＳＯＣおよび開路電圧の相関性が高いリチウムイオンバッテリの充電状態推定に好適である。ただし、ＳＯＣおよび開路電圧の相関性がリチウムイオンバッテリ程高くない、ニッケル水素バッテリ等の他の形式のバッテリに対しても、分極起電圧推定を含む開路電圧（ＯＣＶ）推定に基づくＳＯＣ推定を、充放電電流積算によるＳＯＣ推定等の他のＳＯＣ推定手法と組み合わせることにより、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置を適用することが可能である。

バッテリ１０の各ブロック毎の電圧および全体の電圧は、電圧検出器１２で計測され、電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１４に供給される。以下では、この全体の電圧Ｖｂをバッテリ電圧Ｖｂと称する。なお、ブロック毎の電圧は、各バッテリセルにおける過放電の検出等にも用いることができる。

電池ＥＣＵ１４には、バッテリ温度Ｔｂを検出する温度センサ１６、およびバッテリ電流Ｉｂを検出する電流検出器１８が、さらに接続される。バッテリ温度Ｔｂおよびバッテリ電流Ｉｂについても電池ＥＣＵ１４に入力される。なお、バッテリ温度Ｔｂについては複数箇所（たとえば、ブロック毎に１個または複数個配置）に温度センサ１６を配置してもよい。また、バッテリ電流Ｉｂについては、放電時にＩｂ＞０であり、放電時にＩｂ＜０であると定義する。

電池ＥＣＵ１４は、各検出器およびセンサから入力されるバッテリ状態量である、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂに基づいて、バッテリ１０の充電状態（ＳＯＣ）を検出し、これをＨＶＥＣＵ２０へ供給する。

ＨＶＥＣＵ２０は、アクセル開度、ブレーキ踏込み量および車速等の情報に基づいて決定されたトルク指令に従って、負荷２２を制御する。負荷２２は、たとえば、図示しないインバータおよびモータを含んで構成される。このような構成では、バッテリ１０からの直流電力は、インバータにより交流電力に変換されてモータを駆動する。ＨＶＥＣＵ２０からの制御信号によりインバータの動作が制御されることで、モータよりトルク指令に合致したトルクを出力することができる。特に、ＨＶＥＣＵ２０からの制御信号により、モータが現在の回転方向と反対方向のトルクを出力するようにインバータのスイッチングを制御することにより、モータによる回生制動も行なわれる。モータの回生制動による発電電力は、インバータにより直流電力に変換して、バッテリ１０の充電に用いることができる。

なお、本実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置が搭載されるハイブリッド車両では、エンジン（図示せず）およびエンジン駆動のジェネレータ（図示せず）を搭載しており、ジェネレータの発電電力によりバッテリ１０の充電ができるとともに、エンジンによりモータ出力軸を回転できるように構成されてもよい。また、モータおよびジェネレータは、モータジェネレータとして構成してもよい。

そして、ＨＶＥＣＵ２０は、電池ＥＣＵ１４から供給されるバッテリ１０のＳＯＣの値に従って、モータ出力、エンジン出力などを制御して、バッテリ１０のＳＯＣが目標値付近になるように制御している。なお、バッテリセルの過放電（または、ＳＯＣの下限範囲外れ）が検出された際には、バッテリ１０からの放電が禁止され、バッテリセルの過充電（または、ＳＯＣの上限範囲外れ）が検出された場合には、バッテリ１０への放電が禁止される。たとえば、図２に例示されるように、ＳＯＣ＝５０％を目標値とし、かつ、ＳＯＣ＝２０％および８０％をそれぞれ下限および上限として、ＳＯＣは制御される。

（ＳＯＣ推定手法の説明）
以下に、電池ＥＣＵ１４によるバッテリ１０のＳＯＣ推定について説明する。

ここで、バッテリ１０の電流・電圧特性は、バッテリ１０の内部抵抗Ｒを用いて、下記（１）式で示される。

Ｖｂ＝Ｖｏ−Ｉｂ・Ｒ …（１）
（１）式中において、Ｖｏはバッテリにおける起電圧を示す。起電圧Ｖｏは、バッテリ電流Ｉｂ＝０のときのバッテリ電圧Ｖｂに相当する。

ここで、内部抵抗Ｒは、温度依存性を有するので、バッテリ温度Ｔｂの変化に応じて補正する必要がある。たとえば、バッテリ温度Ｔｂに対する内部抵抗Ｒの変化を予め実験的に測定し、この測定結果に基づく内部抵抗Ｒのマップが、電池ＥＣＵ１４に予め格納される。これにより、電池ＥＣＵ１４は、温度センサ１６によって検出されたバッテリ温度Ｔｂに基づいて、上記マップの参照により現時点での内部抵抗Ｒを求めることができる。なお、以下では、バッテリ１０の全体についてのＳＯＣ推定を説明するので、温度センサ１６が複数箇所に配置された場合には、これら複数のセンサによる検出温度の平均値等により、バッテリ温度Ｔｂが定義される。

ＳＯＣおよび開路電圧Ｖｏｃｖとの間には、図２に示すような関係がある。ここで、開路電圧Ｖｏｃｖは、上記起電圧Ｖｏと分極起電圧Ｖｄｙｎとを用いて、下記（２）式のように表わされる。

Ｖｏ＝Ｖｏｃｖ＋Ｖｄｙｎ …（２）
したがって、（１）および（２）式より、下記（３）式が得られる。

Ｖｏｃｖ＝Ｖｂ＋Ｉｂ・Ｒ−Ｖｄｙｎ …（３）
上述のように、リチウムイオンバッテリでは、ＶｏｃｖはＳＯＣの関数として示される。また、ニッケル水素バッテリ等では、Ｖｏｃｖは、ＳＯＣおよびバッテリ温度Ｔｂに依存する電圧となる。したがって、開路電圧Ｖｏｃｖの推定により、ＳＯＣを推定できる。

（２），（３）式中の分極起電圧Ｖｄｙｎは、充放電履歴により動的な電圧変動である。上述のように、バッテリ１０は、各バッテリセルにおける電極活物質の化学変化によって起電力を発生しているが、電極活物質の化学反応はその表面付近で起こりやすく、電極内部における反応には拡散のための遅延時間が生じる。そこで、この電極内部と表面部との間における不均衡（分極）に起因して、同じＳＯＣであっても起電力に差が生じる。そしてこの分極に起因する電圧変化は、時間経過に伴い解消すると考えられる動的なものである。

たとえば、図３（ａ）に示すようにバッテリ電流Ｉｂが変化した場合、図３（ｂ）に示すように、分極による起電圧Ｖｄｙｎは、放電の継続により負電圧方向に変化し、充電の継続により正電圧方向に変化する。すなわち、バッテリ電流Ｉｂ＞０のとき（放電時）には、その時点での分極起電圧Ｖｄｙｎの変化量は基本的に負となり、バッテリ電流Ｉｂ＜０のとき（充電時）には、その時点での分極起電圧Ｖｄｙｎの変化量は基本的に正となる。また、バッテリ電流Ｉｂが一定のまま十分な時間が経過すれば、分極起電圧Ｖｄｙｎは、バッテリ電流Ｉｂに依存した一定値に収束する。また、充放電の切換え時には、分極起電圧Ｖｄｙｎは大きく変化する。

このように、分極起電圧Ｖｄｙｎの大きさは過去の充放電の履歴に応じて決定されると考えられる。また、その時点に近いほど影響は大きく、充電または放電の電流量が大きいほど影響は大きいと考えられる。そこで、本実施の形態では、分極起電圧Ｖｄｙｎを、次の（４）式によって求める。

（４）式において、Ｖｄｙｎ（ｔｏ）は、時間ｔ＝ｔｏでの分極起電圧を示し、τは時定数を示す。さらに、ｆｄｙｎ{ｓｔ（ｔ）}は、予め求められた、バッテリ状態量に対する分極起電圧の依存性を示す。以下に説明するように、ここでのバッテリ状態量は、少なくともバッテリ電流Ｉｂを含み、好ましくは、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂの両方を含む。図３ならびに特許文献１および２にも示されるように、バッテリ電流Ｉｂが一定のまま時間が十分に経過すれば、分極起電圧Ｖｄｙｎは、バッテリ電流Ｉｂに依存した一定値に収束する。すなわち、ｆｄｙｎ{ｓｔ（ｔ）}は、現時点でのバッテリ状態量（少なくともバッテリ電流Ｉｂ）が一定のまま時間が十分に経過した場合における分極起電圧Ｖｄｙｎの収束値に対応する。以下では、このｆｄｙｎを分極値とも称する。

（４）式によれば、特許文献１および２と同様に、現時点でのバッテリ状態量に基づいて分極値ｆｄｙｎ（特許文献１および２におけるｆ{ｉ（ｔ）}に相当）を逐次推定し、推定された分極値ｆｄｙｎを、時間軸方向に沿って時定数τによる減衰を伴って積分することにより、任意の時点ｔｏにおける分極起電圧Ｖｄｙｎ（ｔ０）を求めることができる。

さらに、特許文献１および２と同様に、コンピュータにより所定周期Δｔ毎の離散的データ処理によって分極起電圧Ｖｄｙｎを逐次推定するために、式（４）を離散化することによって、下記（５）式が得られる。

式（５）によれば、分極起電圧Ｖｄｙｎの初期値を設定しておけば、その後は、現時点での分極値ｆｄｙｎ{ｓｔ（ｔ０）}および、分極起電圧Ｖｄｙｎの前回推定値を用いて、現時点での分極起電圧Ｖｄｙｎ（ｔ０）を逐次推定することができる。

なお、式（４），（５）中の分極値ｆｄｙｎについては、バッテリ電流Ｉｂを一定にして分極起電圧を測定する実験を予め実施することにより、バッテリ電流Ｉｂに基づき分極値ｆｄｙｎを求めるマップを予め作成することができる。また、同一のバッテリ電流Ｉｂであっても、分極の発生度合いにはバッテリ温度Ｔｂが影響を与えることから、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂに基づいて分極値ｆｄｙｎを推定することが好ましい。この場合には、実験結果に基づいて、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂを変数として分極値ｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）を求めるマップを予め作成しておくことが可能である。

図４には、分極値ｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）のマップイメージが示されている。基本的に、放電時（Ｉｂ＞０）にはｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）＜０に設定され、充電時（Ｉｂ＜０）にはｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）＞０に設定される。なお、放電、充電時の電流が大きいほど分極値の絶対値｜ｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）｜は相対的に大きく設定される。また、温度に関しては、バッテリ温度Ｔｂが低いほど分極値の絶対値｜ｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）｜は相対的に大きく設定される。そして、ＳＯＣ推定が実行される各時点において、その時点でのバッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂに基づき、上記マップを参照して、式（５）中でのｆｄｙｎ{ｓｔ（ｔ０）}に相当する、分極値ｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）が読出される。

図５は、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置におけるＳＯＣ推定を説明するフローチャートである。

図５に示すＳＯＣ推定ルーチンは、電池ＥＣＵ１４に予め格納されたプログラムの実行により、所定周期Δｔ毎に実行される。

図５を参照して、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１００により、電圧検出器１２、温度センサ１６および電流検出器１８より、バッテリ状態量としてのバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂを取得する。

電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１１０により、バッテリ電流Ｉｂが前回のＳＯＣ推定ルーチン実行時から所定以上変化しているか否かを判定する。具体的には、前回のＳＯＣ推定ルーチン実行時にステップＳ１００で取得されたバッテリ電流Ｉｂ（前回値）と、ステップＳ１００により今回取得されたバッテリ電流Ｉｂとの間の変化量または変化率が所定値以下であるか否かにより、ステップＳ１１０の判定は実行される。

バッテリ電流Ｉｂに変化がない場合、すなわちステップＳ１１０がＮＯ判定である場合には、バッテリ電流Ｉｂが所定以下の時間的変化にて継続している一定電流状態であると判定されて、電池ＥＣＵ１４は、以下のステップＳ１２０〜Ｓ１３５を実行する。

電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１２０では、電流継続フラグＦＬＧを“オン”とし、さらにステップＳ１３０により、一定電流継続状態の継続時間を計測するためのタイマー値をカウントアップする。さらに、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１３５により、このときのバッテリ電流Ｉｂを一定電流状態における一定電流Ｉｂｃｎとして記憶する。

一方、ステップＳ１１０のＹＥＳ判定時、すなわちバッテリ電流Ｉｂが変化しているときには、電池ＥＣＵ１４は、まずステップＳ１４０により、電流継続フラグＦＬＧが“オン”であるかどうかを判定する。

ステップＳ１４０のＹＥＳ判定時、すなわち一定電流状態からバッテリ電流が変化した場合（充放電の切換時に相当）には、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１５０により、一定電流状態時にカウントアップされたタイマー値を、一定電流状態の継続時間ｔｃｎとして記憶する。そして、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１６０にてタイマー値をクリアする。さらに、電流継続フラグＦＬＧについて、次回の一定電流継続状態を検知するために“オフ”に初期化する。

これに対して、ステップＳ１４０のＮＯ判定時、すなわち一定電流状態が解除されるのではなく、連続的にバッテリ電流Ｉｂが変化している場合には、電池ＥＣＵ１４は、上述のステップＳ１５０およびＳ１６０の処理をスキップする。この場合には、上記継続時間ｔｃｎ＝０となる。

上述したステップＳ１１０〜Ｓ１６０の処理により、電池ＥＣＵ１４は、今回のＳＯＣ推定ルーチンが一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化したケースで実行されるものか否か識別するとともに、このようなケースに該当する場合には、一定電流状態の継続時間ｔｃｎおよび一定電流状態時でのバッテリ電流Ｉｂｃｎを取得する。

さらに電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１７０では、図４に示したマップ等を参照することにより、現時点のバッテリ状態量（バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂ）に基づき分極値ｆｄｙｎ（Ｉｂ，Ｔｂ）を推定する。

そして電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１８０により、分極値補正率ｋｆを算出する。さらに、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ１９０により、ステップＳ１７０で推定した分極値ｆｄｙｎおよびステップＳ１８０で設定した分極値補正率ｋｆの積により、現時点（ｔ＝ｔ０）における分極値ｆｄｙｎ（ｔ０）を算出する。

図６には、分極値補正率の設定マップの構成イメージが示される。図６に示すように、分極値補正率ｋｆは、少なくともステップＳ１５０で求められた一定電流状態の継続時間ｔｃｎに応じて設定される。

図６を参照して、分極値補正率ｋｆは継続時間ｔｃｎ＝０のとき、すなわちバッテリ電流Ｉｂが連続的に変化している場合にはｋｆ＝１．０に設定される。これに対して、一定電流状態の継続後にバッテリ電流Ｉｂが変化した場合には、その継続時間ｔｃｎに応じて、分極値補正率ｋｆ＞１．０に設定される。これにより、一定電流での充放電が継続された後に充放電が切換えられた際に、現時点のバッテリ状態量（バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂ）に基づいて推定される分極値ｆｄｙｎを補正することができる。特に、分極値補正率ｋｆ＞１．０としているので、上述のような充放電の切換えの際において、分極起電圧を過小に推定することが回避される。

なお、上記のような分極値ｆｄｙｎの過小設定は、バッテリ温度Ｔｂの低温時ほど、また一定電流状態時における充放電電流の絶対値｜Ｉｂｃｎ｜が大きいほど顕著となる。したがって、図６に示すように、一定電流状態時の一定電流｜Ｉｂｃｎ｜およびバッテリ温度Ｔｂをさらに反映して、分極値補正率ｋｆのマップを構成することが好ましい。すなわち、分極値補正率マップは、少なくとも一定電流状態の継続時間ｔｃｎ対する特性を反映して構成され、より好ましくは、一定電流｜Ｉｂｃｎ｜およびバッテリ温度Ｔｂに対する特性をさらに反映して構成される。

再び図５を参照して、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ２００により、ステップＳ１９０で求めた現時点での分極値ｆｄｙｎ（ｔ０）を、式（５）のｆｄｙｎ{ｓｔ（ｔ０）}として代入することにより、現時点での分極起電圧Ｖｄｙｎ（ｔ０）＝Ｖｄｙｎを算出する。

電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ２１０では、少なくともバッテリ温度Ｔｂに基づき、バッテリ１０の内部抵抗Ｒを推定する。さらに、電池ＥＣＵ１４は、ステップＳ２２０により、ステップＳ１００で取得されたバッテリ電圧Ｖｂおよびバッテリ電流Ｉｂ、ステップＳ２１０により推定された内部抵抗Ｒ、ならびにステップＳ２００で求められた分極起電圧Ｖｄｙｎにより、上記（３）式に従って開路電圧Ｖｏｃｖを算出する。

電池ＥＣＵ１４は、さらにステップＳ２３０により、開路電圧Ｖｏｃｖを用いてバッテリ１０のＳＯＣを推定する。

ステップＳ２３０において、上述のように、ＳＯＣおよび開路電圧の相関性が高いリチウムイオンバッテリでは、図２に示した特性に基づきバッテリ１０のＳＯＣ推定値を算出できる。また、ＳＯＣおよび開路電圧の相関性がリチウムイオンバッテリ程高くない、ニッケル水素バッテリ等の他の形式のバッテリでは、バッテリ電流Ｉｂの積算によるＳＯＣ変化量を積算したＳＯＣ推定と、開路電圧に基づくＳＯＣ推定とを組み合せて、ステップＳ２３０での処理を実行してもよい。なお、Ｓ２３０によるＳＯＣの推定処理は、上記のように推定された分極起電圧を反映したものであれば、バッテリ１０の特性を考慮して、任意の推定手法に基づいて実行できる。

図７には、一定電流状態継続後にバッテリ電流が変化した場合における、バッテリ電圧の測定値および上記ＳＯＣ推定ルーチンでの分極起電圧推定を反映した推定値の比較が示される。特に、バッテリ電圧推定値については、上記の分極値補正率ｋｆを考慮しない場合（符号５０）および考慮する場合（符号６０）の間の両方が示される。

図７を参照して、バッテリ１０は、時刻ｔａ〜ｔｂの間、一定電流Ｉｂｎを継続時間ｔｃｎに亘って放電する。バッテリ電圧Ｖｂは、放電の開始に伴って時刻ｔａで急激に低下し、かつ、放電の継続に伴って時刻ｔｂにかけて、さらに徐々に低下する。そして、時刻ｔｂにおいて放電が停止されると、バッテリ電圧Ｖｂは復帰する。この際の電圧変化には、一定電流状態継続後の電流変化による分極起電圧の変化も反映されている。ここで、バッテリ電圧Ｖｂの測定値は、電圧検出器１２による実際の検出値に対応する。

一方、バッテリ電圧Ｖｂの推定値は、上記分極起電圧Ｖｄｙｎの推定を反映して、上記式（３）を変形した下記式（６）により求められる。

Ｖｂ＝Ｖｏｃｖ−Ｉｂ・Ｒ＋Ｖｄｙｎ …（６）
式（６）中において、開路電圧Ｖｏｃｖは、ＳＯＣに基づき推定できる。特に、図７に例示した放電状態では、時刻ｔａ〜ｔｂ間でのＳＯＣ変化量すなわち、開路電圧の変化量については、正確に把握することが可能である。

時刻ｔｂ時点において、分極値補正率ｋｆを導入することなく分極値マップの参照（ステップＳ１７０）によって、バッテリ電流Ｉｂ（または、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂ）のみに基づいて分極起電圧を推定すると、図７中に符号５０（点線）で示されるように、分極起電圧Ｖｄｙｎを過小に推定することにより、バッテリ電圧Ｖｂの推定誤差が大きくなる。

これに対して、本実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置のように、一定電流状態の継続後に充放電が切換わった場合には、分極値補正率ｋｆを導入して分極起電圧を推定すれば、図７中に符号６０（実線）で示されるように、バッテリ電圧Ｖｂの推定誤差が小さくなっている。すなわち、時刻ｔｂ以降における分極起電圧の推定精度が向上されている。

このように、この実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置によれば、一定電流による充放電が継続した電流一定状態からバッテリ電流が変化した際に、分極起電圧をより正確に推定して、開路電圧（ＯＣＶ）および充電状態（ＳＯＣ）の推定精度を向上することができる。

なお、分極起電圧は、ある程度以上大きくはならないので、推定された分極起電圧の絶対値｜Ｖｄｙｎ｜が過大とならないように、予め設定した最大値および最小値の範囲内で分極起電圧Ｖｄｙｎが推定されるようなガードを設けておくことが好ましい。

また、本実施の形態では、バッテリ１０全体でのＳＯＣ推定を行なったが、各バッテリセルに共通であるバッテリ電流Ｉｂと、バッテリセル毎に検知したバッテリ電圧およびバッテリ温度を用いて、分極起電圧推定ならびに、開路電圧およびＳＯＣの推定をバッテリセル毎に実行する制御構成とすることも可能である。

ここで図５に示したフローチャートと、本発明の構成との対応関係について説明すると、ステップＳ１００が本発明での「状態量取得手段」に対応し、ステップＳ１１０は「一定電流状態検知手段」に対応し、ステップＳ１４０，Ｓ１５０は本発明での「一定電流継続時間検出手段」に対応する。さらに、ステップＳ１７０〜Ｓ２００の処理は、本発明での「分極起電圧推定手段」に対応し、特に、ステップＳ１７０が「分極値推定手段」に対応し、ステップＳ１８０，Ｓ１９０が「分極値補正手段」に対応し、ステップＳ２００が「起電圧推定手段」に対応する。また、ステップＳ２１０が本発明での「内部抵抗推定手段」に対応し、ステップＳ２２０は本発明における「開路電圧検知手段」に対応し、ステップＳ２３０は本発明での「充電状態推定手段」に対応する。

上述のように、本実施の形態においては、ハイブリッド車両に搭載されたバッテリの充電状態（ＳＯＣ）を推定する充電状態推定装置について説明したが、本発明の適用はこのような場合に限られるものではない。すなわち、本発明は、分極起電圧の推定を伴って充電状態（ＳＯＣ）が推定されるバッテリについて、バッテリの使用形態すなわち負荷の形態を特に限定することなく適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置をハイブリッド車両に適用したシステムの構成を示すブロック図である。 ＳＯＣと開路電圧（ＯＣＶ）との対応関係例を示すグラフである。 バッテリ電流の変化と分極起電圧の変化との関係を説明する波形図である。 バッテリ電流およびバッテリ温度に基づき分極値を求めるマップの構成イメージを説明する概念図である。 本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置におけるＳＯＣ推定を説明するフローチャートである。 分極値補正率の設定イメージを説明する概念図である。 一定電流状態継続後にバッテリ電流が変化した場合における、バッテリ電圧の測定値および本発明の実施の形態に従う分極起電圧推定を反映した推定値を比較する波形図である。

符号の説明

１０ バッテリ、１４ 電池ＥＣＵ、１２ 電圧検出器、１６ 温度センサ、１８ 電流検出器、２２ 負荷、ｆｄｙｎ 分極値、ＦＬＧ 電流継続フラグ、Ｉｂ バッテリ電流、Ｉｂｃｎ 一定電流状態時バッテリ電流、ｋｆ 分極値補正率、Ｒ バッテリ内部抵抗、Ｔｂ バッテリ温度、ｔｃｎ 継続時間（一定電流状態）、Ｖｂ バッテリ電圧、Ｖｄｙｎ 分極起電圧、Ｖｏｃｖ 開路電圧、Δｔ ＳＯＣ推定周期、τ 時定数。

Claims (5)

1. 現時点での二次電池の電圧、電流および温度を取得するための状態量取得手段と、
   前記二次電池の電流が所定以下の時間的変化にて継続している一定電流状態を検知するための一定電流状態検知手段と、
   前記一定電流状態検知手段により前記一定電流状態が一旦検知された後に前記電流が変化したときに、前記一定電流状態の継続時間を検出するための一定電流継続時間検出手段と、
   少なくとも前記状態量取得手段により取得された前記温度に基づいて、前記二次電池の内部抵抗を推定するための内部抵抗推定手段と、
   現時点までの前記二次電池の充放電の履歴に基づき、前記二次電池の分極起電圧を推定するための分極起電圧推定手段と、
   前記状態量取得手段により取得された前記電圧および前記電流、前記内部抵抗推定手段により推定された前記内部抵抗、ならびに、前記分極起電圧推定手段により推定された前記分極起電圧に基づき、前記二次電池の開路電圧を検出するための開路電圧検出手段と、
   前記開路電圧検出手段により検出された前記開路電圧を用いて、前記二次電池の充電状態を推定するための充電状態推定手段とを備え、
   前記分極起電圧推定手段は、前記一定電流状態検知手段により前記一定電流状態が一旦検知された後に前記電流が変化したときに、前記一定電流継続時間検出手段により検出された前記継続時間を反映して前記分極起電圧を推定する、二次電池の充電状態推定装置。
2. 前記分極起電圧推定手段は、
   少なくとも前記状態量取得手段により取得された前記電流に基づいて、現時点の前記電流が一定に継続した場合における前記分極起電圧の収束値に対応する分極値を逐次推定するための分極値推定手段と、
   前記一定電流状態が一旦検知された後に前記電流が変化したときに、少なくとも前記継続時間に基づいて、前記分極値推定手段によって推定された前記分極値を補正するための分極値補正手段と、
   前記分極値推定手段および前記分極値補正手段によって逐次推定された前記分極値を、推定時点から前記現時点までの経過時間に応じて所定時定数に従って減衰させた上で積分することにより、前記現時点での前記分極起電圧を推定する起電圧推定手段とを含む、請求項１記載の二次電池の充電状態推定装置。
3. 前記分極値補正手段は、前記継続時間ならびに、前記一定電流状態における前記電流および前記状態量取得手段により取得された前記温度に基づき、前記分極値推定手段によって推定された前記分極値を補正する、請求項２記載の二次電池の充電状態推定装置。
4. 前記分極値推定手段は、前記状態量取得手段により取得された前記電流および前記温度に基づき前記分極値を推定する、請求項２記載の二次電池の充電状態推定装置。
5. 前記二次電池は、リチウムイオンバッテリにより構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池の充電状態推定装置。

Images