JP2007292778A

JP2007292778A - 電池充電状態の推定方法

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Publication number: JP2007292778A
Application number: JP2007157034A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kuroda; 幸男黒田; Nobuo Watanabe; 修夫渡辺; Yoshiteru Kikuchi; 義晃菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2018-06-02
Also published as: JP4793332B2; JPH11346444A

Abstract

【課題】充放電が短い周期で切り替わり、繰り返されても正確にＳＯＣを推定することができる電池充電状態の推定方法を提供する。
【解決手段】疑似ＳＯＣ推定手段１４、起電力推定手段１６、電圧変動推定手段１８、動的電圧変動推定手段２０、加算器２２によって構成される電池モデルで、電池の推定電圧Ｖｅｓｔを推定する場合に使用される初期値を、電池の充放電履歴や自己放電履歴の動作履歴を考慮して初期ＳＯＣ推定モデル３０で推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は電池充電状態の推定方法、特に推定誤差を小さくするために電池モデルを使用した電池充電状態の推定方法の改良に関する。

従来より、電池の充電状態（ＳＯＣ）を推定する方法として、電池の初期のＳＯＣに対して、充放電電流値の積分値を加えていく方法が知られている。しかし、この方法では、充放電電流値の積分誤差が蓄積されるとともに、電池の未使用状態での自己放電によるＳＯＣの初期値の変化等もあり、電池のＳＯＣを正確に推定することが困難であった。

そこで、電池電圧からもＳＯＣを推定し、充放電電流値の積分により得られたＳＯＣの推定結果を補正して推定精度を向上させる方法も行われていた。例えば、下記特許文献１にも、このような推定方法の改良技術が開示されている。

特開平９−９６６６５号公報

しかし、上記従来例のように、電池電圧からＳＯＣを推定し、これにより充放電電流値の積算誤差を補正する方法によっても、必ずしも高い推定精度を得ることは困難であった。これは、電池電圧からＳＯＣを推定すること自体が困難であるためである。

図８には、ＳＯＣが６８％である電池における電池電流と電池電圧の変化の関係が示される。図８に示されるように、電池の電流−電圧の関係は線形ではなく、大きなヒステリシスを有している。従って、この電流−電圧の関係からＳＯＣを推定した場合には、電池電流と電池電圧とがどのように変化した時点でＳＯＣを判定したかにより大きな誤差が生じることになる。図８に示された例では、実際のＳＯＣが６８％であるにもかかわらず、充電電流が増加していく段階ではＳＯＣが８０％と判定され、放電電流が増加していく段階ではＳＯＣが２０％と判定されている。

このように、ＳＯＣが同じでも直前までの充放電電流の状態を反映して電池電圧が大きく変化するので、電池電圧からＳＯＣを推定すると大きな誤差が生じることになる。従って、従来の方法では正確にＳＯＣを推定することができなかった。特に、充放電が短い周期で切り替わり、繰り返されるハイブリッド車においては、ＳＯＣの推定値の誤差が大きくなるという問題があった。

さらに、電池のＳＯＣを推定する際の初期値としては、通常前回使用終了時のＳＯＣを使用するが、ＳＯＣは前回使用時の充放電履歴や前回使用終了時から今回使用開始時までの自己放電により変動する。従って、正確なＳＯＣの推定には、これらのことも考慮してＳＯＣの初期値を決定する必要がある。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、充放電が短い周期で切り替わり、繰り返されても正確にＳＯＣを推定することができる電池充電状態の推定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電池充電状態の推定方法であって、使用開始時に充放電電流が０であるときの電池の開放電圧を求め、電池の充電状態（ＳＯＣ）の前回使用時の充放電電流に基づき求めた充放電履歴及び前回使用終了時から今回使用開始時までの自己放電履歴を用いて前記開放電圧の修正量を算出し、前記開放電圧を前記修正量により修正して修正電圧を求め、前記修正電圧から今回使用開始時のＳＯＣを推定することを特徴とする。

また、上記電池充電状態の推定方法において、前記修正量は、前回使用時の前記充放電電流から状態方程式に基づき求めた値と前記自己放電履歴から求めた自己放電量との和であることを特徴とする。

また、上記電池充電状態の推定方法において、今回使用時の充放電電流に基づいて前記充放電履歴を次回使用時のために更新することを特徴とする。

また、上記電池充電状態の推定方法において、前記自己放電量を、使用終了後に電池の開放電圧を定期的に測定して関数近似計算する方法と、電池温度から計算する方法と、タイマにより得られる経過時間から計算する方法と、のうちの少なくとも一つの方法によって求めることを特徴とする。

また、電池充電状態の推定方法であって、上記推定されたＳＯＣを初期値とし、ＳＯＣの初期値と充放電電流値の積算とからＳＯＣの一応の値として疑似ＳＯＣを求めるとともに、この疑似ＳＯＣと電池の状態の変動とを考慮して電池電圧を推定する電池モデルにより電池電圧を推定し、実際の電池電圧を測定し、推定された電池電圧と実際に測定された電池電圧とが等しくなるように疑似ＳＯＣを修正して実際のＳＯＣを推定することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、電池のＳＯＣを推定する際の初期値として、前回使用時の充放電履歴や前回使用終了後から今回使用開始時までの自己放電履歴などを考慮して初期ＳＯＣを推定するので、初期ＳＯＣとして正確な値が得られ、更に電池の充放電電流の変化等の動的な電池状態の変動を考慮して電池のＳＯＣの推定を行うので、ハイブリッド車のように充放電が短い周期で切り替わり、繰り返されるような使用条件下でも、高い精度でＳＯＣの推定を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

実施形態１．
図１には、本発明に係る電池充電状態の推定方法の実施形態１を実施するための構成のブロック図が示される。図１において、電池の充放電電流は電流検出手段１０により検出される。また、そのときの電池電圧は電圧検出手段１２により検出される。

電流検出手段１０により検出された充放電電流値は、疑似ＳＯＣ推定手段１４で積分され、あらかじめ初期ＳＯＣ推定モデル３０で求められていた電池のＳＯＣの初期値に加算されてＳＯＣの一応の値である疑似ＳＯＣが推定される。このようにして求めた疑似ＳＯＣに基づき、起電力推定手段１６により、その疑似ＳＯＣに対応する電池電圧を推定する。この起電力推定手段１６によって推定される電池電圧は、電池の開放電圧の推定値Ｖｏｃである。このような開放電圧Ｖｏｃは、例えば、あらかじめＳＯＣと開放電圧とのマップを電池毎に求めておき、疑似ＳＯＣ推定手段１４から与えられる疑似ＳＯＣに対応する開放電圧Ｖｏｃとして推定することができる。

また、電流検出手段１０によって検出された電池の充放電電流値から、電池の内部抵抗による電圧変動が電圧変動推定手段１８により推定される。この電圧変動推定手段１８では、下に示す式により内部抵抗による電池電圧の変動を推定する。

ここでＶｒが電圧変動推定手段１８によって推定される内部抵抗による電圧変動である。なお、電池の内部抵抗ｒは、あらかじめ電池毎に決定しておく。また、電流値Ｉｂは、電流検出手段１０によって検出された充放電電流値である。

さらに、動的電圧変動推定手段２０により、電池の充放電電流の変化に基づいた電池電圧の変動が推定される。動的電圧変動推定手段２０では、下に示す式により電池の動的な電圧変動分Ｖｄｙｎを推定する。

動的電圧変動推定手段２０では、上記の状態方程式に基づいて、電池の過渡的な電圧の変動Ｖｄｙｎを推定する。この場合、係数マトリックスＡ，Ｂ，Ｃは各電池毎にその特性の測定からあらかじめ決定しておく。

次に、上述した起電力推定手段１６、電圧変動推定手段１８、動的電圧変動推定手段２０の出力値を加算器２２で加算し、電池電圧の推定値である推定電圧Ｖｅｓｔを求める。すなわち、

となる。

なお、以上に述べた疑似ＳＯＣ推定手段１４、起電力推定手段１６、電圧変動推定手段１８、動的電圧変動推定手段２０、加算器２２により、実際の電池をモデル化した電池モデルが構成される。

上述した電池モデルにより推定された電池の推定電圧Ｖｅｓｔは、比較器２４で、電圧検出手段１２によって検出された実際の電池の測定電圧Ｖｍｅｓと比較され、その差がＳＯＣ修正量算出手段２６に入力される。ＳＯＣ修正量算出手段２６では、測定電圧Ｖｍｅｓと推定電圧Ｖｅｓｔとが等しくなるように電池のＳＯＣの修正量を算出する。この修正量を使用して、下に示す式により電池のＳＯＣの推定値が算出される。

上式において、疑似ＳＯＣ（ＳＯＣ_ｐ）は疑似ＳＯＣ推定手段１４の出力値である。また、ＳＯＣ修正量算出手段２６では、上式の第２項及び第３項すなわち比較器２４によって求められた推定電圧Ｖｅｓｔと測定電圧Ｖｍｅｓとの差（Ｖｍｅｓ−Ｖｅｓｔ）に比例する成分と、この差の積分値に比例する成分とを算出する。ここで、係数Ｋｐ，Ｋｉはそれぞれあらかじめ電池特性から決定しておく。ＳＯＣ修正量算出手段２６によって算出された上記各成分は、上式に示されるように、加算器２８により疑似ＳＯＣ推定手段１４の出力値ＳＯＣ_ｐに加算される。これにより電池のＳＯＣの推定値を得ることができる。

このように本実施形態においては、電池モデルを使用し、疑似ＳＯＣから電池の起電力を推定するとともに、電池電圧の内部抵抗による変動分と、充放電電流の変化による動的な電圧変動分とを推定し、これらの合計として電池の電圧を推定する。すなわち、電池モデルにより、疑似ＳＯＣとともに電池の状態の変動を考慮して電池電圧Ｖｅｓｔを推定する。次に、この推定電圧Ｖｅｓｔが実際に測定された電池の電圧Ｖｍｅｓと等しくなるように疑似ＳＯＣを修正して電池のＳＯＣを推定している。したがって、単に充放電電流の積算のみならず、内部抵抗や電池の状態の変動を考慮したＳＯＣの修正が行われるので、電池のＳＯＣの推定精度を著しく向上することができる。

このような電池のＳＯＣの推定には、上述したように初期ＳＯＣ推定モデル３０でＳＯＣの初期値を求め、これを疑似ＳＯＣ推定手段１４に供給している。ＳＯＣの推定精度を上げるためには、このＳＯＣの初期値を正確な値とする必要がある。

ＳＯＣの初期値の決定方法としては、電圧検出手段１２により使用開始前の電池の開放電圧を測定し、予め求めておいた開放電圧とＳＯＣとの関係のマップによりＳＯＣの初期値を決定する方法がある。この場合、電池は使用開始前であるので、充放電電流の変化に基づいた電池電圧の動的な変動の影響を受けずＳＯＣの初期値を求めることができる。

しかし、電池の使用開始前の開放電圧は、同じＳＯＣの場合でも前回使用時の充放電履歴及び電池の前回使用終了時から今回使用開始時までの自己放電履歴により変化する。従って、本実施形態では、初期ＳＯＣの推定値の精度を向上させるため、電池の前回使用時における充放電履歴及び電池の前回使用終了時から今回使用開始時までの自己放電履歴を電池の動作履歴として考慮して初期ＳＯＣを推定している。

図２には、図１に示された初期ＳＯＣ推定モデル３０の構成のブロック図が示される。図２に示されるように、電流検出手段１０によって検出される電池の充放電電流Ｉｂから、予め電池の充放電履歴を計算しておき、次回使用時の充放電履歴として使用する。また、上述したような自己放電に基づく自己放電履歴も計算して、充放電履歴と加算することにより今回使用時の電池の動作履歴を算出する。次に、この動作履歴に基づいて電池の使用開始時の履歴電圧すなわち動作履歴による電池の開放電圧の修正値を求める。電池の開放電圧は、電池の使用開始時において、ハイブリッド車のイグニッションがＯＮとなったときすなわち充放電電流が０であるときの電池電圧として電圧検出手段１２により求める。この開放電圧に、上述した履歴電圧を加算器３２によって加算し、開放電圧を履歴電圧で修正した修正電圧を求める。このような修正電圧により、所定の電圧とＳＯＣとのマップから初期ＳＯＣを算出する。なお、電流検出手段１０からの電流値は、電池の使用中も常時初期ＳＯＣ推定モデル３０に入力されており、充放電履歴については常に更新されている。

このように、本実施形態では、電池の動作履歴を考慮してＳＯＣの初期値を算出するので、動作履歴に基づく誤差をなくすことができ、より正確なＳＯＣの初期値の算出を行うことができる。

図３には、図２に示された動作履歴の計算を行うモデルの例が示される。図３において、まず電流検出手段１０によって検出された充放電電流に基づき、充放電履歴の動的モデルを使用して充放電履歴に基づく電池の開放電圧の修正量を算出する。この充放電履歴の動的モデルは、図４に示されるような充電動作時及び放電動作時における電池電圧の変動データから決定される状態方程式として与えられる。図４では、図１に示された電圧検出手段１２による測定電圧Ｖｍｅｓと、電池モデルによって推定された推定電圧Ｖｅｓｔとの差を求め、この結果から充放電履歴の動的モデルとしての状態方程式を得るための同定モデル電圧をフィッティングの手法により決定している。このようにして得られた同定モデル電圧に基づき、図３の充放電履歴の動的モデルとして示される状態方程式の各係数を決定していく。したがって、図３に示された状態方程式は、このような充放電履歴に基づく電池のＳＯＣの変動を、電池電圧のかたちで表現したものとなっている。

なお、図３の状態方程式は、離散型で示されている。この状態方程式は、図１に示された動的電圧変動推定手段２０における充放電電流の変化に基づいた電池電圧の変動を推定する際の状態方程式に比べて、時定数の長いモデルとなっている。したがって、長時間にわたるゆっくりとした変化に対応できる状態方程式となっている。

また、前述したように、電池は前回の使用修了後から今回の使用開始時までの間に自己放電が起こる。そこで、電圧検出手段１２により使用終了時すなわちイグニッションスイッチがＯＦＦとなった後の電池の開放電圧を定期的に測定し、これらのデータを関数近似計算することにより得られる修正電圧、あるいは電池温度やタイマにより得られる経過時間より計算される修正電圧として自己放電履歴が電圧のかたちで得られる。

さらに、電池の前回使用終了時の電池電圧を記憶しておき、これを前回履歴として使用する。動作履歴を計算する場合には、まずこの前回履歴に自己放電履歴を加算器３４で加え、この加算器３４の出力に充放電履歴の動的モデルによって算出した充放電履歴に基づく修正電圧を加算器３６で加える。これにより履歴電圧を得ることができる。

図５には、図１〜図３に示された本実施形態に係る電池充電状態の推定方法の工程のフローが示される。図５において、イグニッションスイッチがＯＮとなった場合（Ｓ１）、電流検出手段１０により充放電電流Ｉｂ＝０であることを確認し（Ｓ２）、電圧検出手段１２により電池の開放電圧が測定される（Ｓ３）。次に不揮発性メモリから前回履歴が読み出され、さらに充放電履歴の動的モデルにより充放電履歴に基づく電圧の修正量と自己放電履歴に基づく電圧の修正量が算出され（Ｓ４）、これらから履歴電圧が算出される。この履歴電圧により電圧検出手段１２で検出された開放電圧を修正し、この修正電圧から初期のＳＯＣが算出される（Ｓ５）。

このようにしてＳＯＣの初期値がセットされ（Ｓ６）、図１に示された疑似ＳＯＣ推定手段１４により疑似ＳＯＣが算出される。この後は図１で説明したとおり、電池モデルにより推定電圧Ｖｅｓｔを算出し、これと測定電圧Ｖｍｅｓとが一致するようにＳＯＣ修正量算出手段２６によりＳＯＣ修正量を算出し、これによって疑似ＳＯＣを修正してＳＯＣの推定値を算出する（Ｓ７）。

なお、電池の使用時においても、充放電履歴の動的モデルにより電池の充放電履歴の算出は続行される（Ｓ８）。

次に、イグニッションスイッチがＯＦＦとなったか否かが確認され（Ｓ９）、ＯＦＦとなっていない場合にはＳ７、Ｓ８のステップが繰り返される。また、イグニッションスイッチがＯＦＦとなった場合には（Ｓ９）、その時点での電池履歴が不揮発性メモリに書き込まれ（Ｓ１０）、次回の使用時に前回履歴として使用される。

実施形態２．
図６には、本発明に係る電池充電状態の推定方法の実施形態２を実施するための構成のブロック図が示され、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。図６において特徴的な点は、初期ＳＯＣ推定モデル３０において、ＳＯＣの初期値を設定するだけでなく、使用中に電流検出手段１０から入力される充放電電流値Ｉｂにより使用中でも電池の充放電履歴を計算し、これに基づいて履歴電圧を求め、この履歴電圧により電池モデルで推定した推定電圧を補正することにある。これにより、電池モデルで推定される推定電圧Ｖｅｓｔの値が電池の充放電履歴によって補正されることになり、電池のＳＯＣの推定精度を更に向上させることができる。この履歴電圧は、加算器３８により電池モデルの推定電圧Ｖｅｓｔに加算される。

図７には、図６に示された初期ＳＯＣ推定モデル３０の構成のブロック図が示される。図７においては、図２と同じ構成であるが、電池の使用中にも電池電流Ｉｂにより充放電履歴の計算が続行され、算出された履歴電圧が電池モデルの推定電圧Ｖｅｓｔに加算される構成となっている。

本発明に係る電池充電状態の推定方法の実施形態１を実施するための構成のブロック図である。図１に示された初期ＳＯＣ推定モデルの構成のブロック図である。図２に示された動作履歴の計算を行うための構成のブロック図である。図３に示された充放電履歴の動的モデルを決定するための充放電履歴と電圧との関係を示す図である。本発明に係る電池充電状態の推定方法の工程のフロー図である。本発明に係る電池充電状態の推定方法の実施形態２を実施するための構成のブロック図である。図６に示された初期ＳＯＣ推定モデルの構成のブロック図である。電池電流と電池電圧の変化の関係を示す図である。

符号の説明

１０電流検出手段、１２電圧検出手段、１４疑似ＳＯＣ推定手段、１６起電力推定手段、１８電圧変動推定手段、２０動的電圧変動推定手段、２２，２８，３２，３４，３６，３８加算器、２４比較器、２６ＳＯＣ修正量算出手段、３０初期ＳＯＣ推定モデル。

Claims

使用開始時に充放電電流が０であるときの電池の開放電圧を求め、
電池の充電状態（ＳＯＣ）の前回使用時の充放電電流に基づき求めた充放電履歴及び前回使用終了時から今回使用開始時までの自己放電履歴を用いて前記開放電圧の修正量を算出し、
前記開放電圧を前記修正量により修正して修正電圧を求め、
前記修正電圧から今回使用開始時のＳＯＣを推定することを特徴とする電池充電状態の推定方法。
請求項１記載の電池充電状態の推定方法において、前記修正量は、前回使用時の前記充放電電流から状態方程式に基づき求めた値と前記自己放電履歴から求めた自己放電量との和であることを特徴とする電池充電状態の推定方法。
請求項１記載の電池充電状態の推定方法において、今回使用時の充放電電流に基づいて前記充放電履歴を次回使用時のために更新することを特徴とする電池充電状態の推定方法。
請求項１記載の電池充電状態の推定方法において、前記自己放電量を、使用終了後に電池の開放電圧を定期的に測定して関数近似計算する方法と、電池温度から計算する方法と、タイマにより得られる経過時間から計算する方法と、のうちの少なくとも一つの方法によって求めることを特徴とする電池充電状態の推定方法。
請求項１において推定されたＳＯＣを初期値とし、
前記ＳＯＣの初期値と充放電電流値の積算とからＳＯＣの一応の値として疑似ＳＯＣを求めるとともに、前記疑似ＳＯＣと電池の状態の変動とを考慮して電池電圧を推定する電池モデルにより電池電圧を推定し、
実際の電池電圧を測定し、
前記推定された電池電圧と実際に測定された電池電圧とが等しくなるように前記疑似ＳＯＣを修正して実際のＳＯＣを推定することを特徴とする電池充電状態の推定方法。