JP2008157757A

JP2008157757A - バッテリ状態判定方法、バッテリ状態判定装置及びバッテリ電源システム

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Publication number: JP2008157757A
Application number: JP2006347080A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Iwane; 典靖岩根; Keiko Chikasawa; 啓子近澤; Keisuke Morii; 啓介森井
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP4495141B2

Abstract

【課題】バッテリの温度及び充電率の変化による内部抵抗又は内部インピーダンスへの影響を補正してバッテリの放電能力又は劣化度を高精度に判定することが可能なバッテリ状態判定方法等を提供する。
【解決手段】内部インピーダンス、温度、及び充電率の測定値をステップＳ１３で内部インピーダンス算出式に代入し、ステップＳ１４の逐次演算によりパラメータＣの値を算出して内部インピーダンスの確定算出式を決定する。次に、バッテリ１０１の劣化度を判定する場合には、ステップＳ２２で劣化度を判定するための基準温度及び基準充電率を内部インピーダンスの確定算出式に代入し、劣化度を判定するための内部インピーダンスを算出する。この内部インピーダンスを、ステップＳ２３で劣化度判定閾値と比較することにより、バッテリ１０１の劣化度を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの放電能力又は劣化度を判定するバッテリ状態判定方法、バッテリ状態判定装置及びバッテリ電源システムの技術分野に関するものである。

近年、電子機器として携帯端末等の使用が拡大しており、携帯端末等に搭載されるバッテリの重要性が高まっている。また自動車分野においては、アイドルストップの普及などに伴って、バッテリの状態を的確に把握できる技術が強く望まれるようになってきている。このように、バッテリの重要性が高まるのに伴って、バッテリ状態をモニタして状態検知する必要性が急速に高まりつつあり、これに対応してバッテリの劣化度（ＳＯＨ）あるいは放電能力（ＳＯＦ）を予測する技術がこれまでに多数提案されている。

バッテリの劣化度あるいは放電能力を予測する方法として、バッテリの内部抵抗あるいは内部インピーダンスを指標とする方法が、従来から種々考案されている。この方法では、内部抵抗あるいは内部インピーダンスの値が、バッテリの温度や充電率の影響を受けるため、真の劣化状態あるいは放電能力を判定するのが困難となる、といった問題があった。このような問題を解決するために、例えば特許文献１、２のような技術が提案されている。

特許文献１では、内部抵抗に対して温度補正を行い、これを充電率に応じて決定された判定閾値と比較する方法が提案されている。また、特許文献２では、高精度にインピーダンスを温度補正する方法が具体的に示されており、これにより温度補正を高精度に行うことが可能となっている。
特開２００１−２２８２２６号特開２００５−０９１２１７号

しかしながら、上記従来の技術では、以下のような問題があった。特許文献１に開示されている技術では、内部抵抗に対し温度補正を行う具体的な方法が開示されておらず、また内部抵抗に対してだけでなく判定閾値に対しても補正を行うといった煩雑な方法となっているため取り扱いが困難になるといった問題があった。さらに、この方法を用いて放電能力を予測するためには、バッテリの使用過程を刻々と追跡計算する必要があり、そのためには各時点における温度、充電率でインピーダンス値を予測計算する必要があった。従って、現実的には特許文献１の技術では放電能力の評価に対応しきれないといった問題があった。

また、特許文献２に開示されている技術では、充電率の影響については述べられておらず、充電率の影響が大きいときには劣化度や放電能力の判定に十分対応できないといった問題があった。充電率の影響が大きくなるのは充電率が低い場合であり、このような状態で使用されることが前提となっているバッテリに対しては、特許文献２の技術では十分な対応が困難となる。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、バッテリの温度及び充電率の変化による内部抵抗又は内部インピーダンスへの影響を補正してバッテリの放電能力又は劣化度を高精度に判定することが可能なバッテリ状態判定方法等を提供することを目的とする。

この発明のバッテリ状態判定方法の第１の態様は、所定の温度及び充電率（ＳＯＣ）におけるバッテリの内部抵抗又は内部インピーダンスを推定し、前記推定された内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として前記バッテリの状態判定を行うバッテリ状態判定方法であって、前記温度及び前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含み、かつ係数が１つのパラメータの関数で表わされる前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスの算出式を事前に作成し、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とを同時に測定してそれぞれの測定値を取得し、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とのそれぞれの前記測定値を前記算出式に代入して前記パラメータの値を算出し、前記算出されたパラメータ値から決定される前記係数を用いた前記算出式（以下では確定算出式という）に前記所定の温度及び充電率を代入して前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定することを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定方法の他の態様は、前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの劣化判定を行なう基準温度及び基準充電率を用い、前記確定算出式に前記基準温度及び基準充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの劣化度を判定することを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定方法の他の態様は、前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの放電能力判定時点の温度及び充電率を用い、前記確定算出式に前記放電能力判定時点の温度及び充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの放電能力を判定することを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定方法の他の態様は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第１の関数で表され、かつ前記第１の関数の係数の少なくとも１つが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数で表され、さらに前記第１の関数及び前記第２の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされていることを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定方法の他の態様は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第３の関数で表され、かつ前記第３の関数の係数の少なくとも１つが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第４の関数で表され、さらに前記第３の関数及び前記第４の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされていることを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定装置の第１の態様は、所定の温度及び充電率におけるバッテリの内部抵抗又は内部インピーダンスを推定し、前記推定された内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として前記バッテリの状態判定を行うバッテリ状態判定装置であって、前記バッテリのインピーダンス又は内部抵抗を測定するインピーダンス測定手段と、前記バッテリの温度を測定する温度センサと、前記バッテリの充電率を測定する充電率センサと、前記温度及び前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含み、かつ係数が１つのパラメータの関数で表わされた前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスの算出式を事前に作成して保存し、前記インピーダンス測定手段と前記温度センサと前記充電率センサとから同時に測定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とのそれぞれの測定値を入力し、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とのそれぞれの前記測定値を前記算出式に代入して前記パラメータ値を算出し、前記算出されたパラメータ値から決定される前記係数を用いた確定算出式に前記所定の温度及び充電率を代入して前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定する制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定装置の他の態様は、前記制御部は、前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの劣化判定を行なう基準温度及び基準充電率を用い、前記確定算出式に前記基準温度及び基準充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの劣化度を判定していることを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定装置の他の態様は、前記制御部は、前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの放電能力判定時点の温度及び充電率を用い、前記確定算出式に前記放電能力判定時点の温度及び充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの放電能力を判定していることを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定装置の他の態様は、前記制御部は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式として、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第１の関数で表され、かつ前記第１の関数の係数の少なくとも１つが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数で表され、さらに前記第１の関数及び前記第２の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされる前記算出式を用いていることを特徴とする。

この発明のバッテリ状態判定装置の他の態様は、前記制御部は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式として、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第３の関数で表され、かつ前記第３の関数の係数の少なくとも１つが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第４の関数で表され、さらに前記第３の関数及び前記第４の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされる前記算出式を用いていることを特徴とする。

この発明のバッテリ電源システムの第１の態様は、前記いずれかのバッテリ状態判定装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、バッテリの温度及び充電率の変化による内部抵抗又は内部インピーダンスへの影響を、多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む算出式で補正することにより、任意の温度及び充電率における内部抵抗又は内部インピーダンスを高精度に推定することが可能となる。これにより、推定された内部抵抗又は内部インピーダンスを用いて、バッテリの放電能力又は劣化度を高精度に判定することが可能となる。

また、内部抵抗又は内部インピーダンスの算出式は、実測データに合わせるための調整パラメータを有していることから、バッテリの経年変化等があっても、調整パラメータを調整することで内部抵抗又は内部インピーダンスを高精度に推定することが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるバッテリ状態判定方法、バッテリ状態判定装置及びバッテリ電源システムの構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の実施の形態に係るバッテリ状態判定装置及びバッテリ電源システムの概略の構成を図２に示す。同図は、本実施形態に係るバッテリ電源システム１００及びバッテリ状態判定装置１０１の概略構成を示すブロック図である。バッテリ電源システム１００は、バッテリ１０１と、充電回路１０２とバッテリ状態判定装置１１０とを備え、負荷１０に接続されている。

バッテリ状態判定装置１１０は、バッテリ１０１のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定手段１１１と、温度を測定するための温度センサ１１２と、充電率を測定するための充電率センサ１１３と、バッテリ１０１の劣化度又は放電能力を判定するための各種処理を行う制御部１１４と、制御部１１４での処理に必要な各種データや各種測定データ等を記憶させるための記憶部１１５とを備えている。

次に、制御部１１４において、バッテリ１０１の劣化度又は放電能力を判定する方法について、以下に詳細に説明する。バッテリ１０１の劣化度又は放電能力を判定するために、本実施形態では、バッテリ１０１の内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として用いている。内部抵抗又は内部インピーダンスは、バッテリ１０１の温度及び充電率によって変化することから、劣化度又は放電能力を判定するための条件に合った温度及び充電率での内部抵抗又は内部インピーダンスの値を求める必要がある。

内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として劣化度を判定する場合には、バッテリ１０１が予め決定された基準状態にあるときの内部抵抗又は内部インピーダンスを求める必要があり、これを劣化度を判定するための所定の閾値と比較することで、バッテリ１０１が劣化しているか否かを判定することができる。ここで、基準状態にあるときの内部抵抗又は内部インピーダンスとは、バッテリ１０１の温度及び充電率が所定の基準温度及び基準充電率にあるときの内部抵抗又は内部インピーダンスを意味する。

また、内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として放電能力を判定する場合には、放電能力の判定を行おうとする時点のバッテリ１０１の温度及び充電率における内部抵抗又は内部インピーダンスを求める必要があり、これを放電能力に係る所定の閾値と比較することで、バッテリ１０１の放電能力が適切に確保されているか否かを判定することができる。

上記の通り、バッテリ１０１の劣化度あるいは放電能力を高精度に判定可能とするためには、バッテリ１０１の任意の温度及び充電率における内部抵抗又は内部インピーダンスを高精度に推定できることが必要となる。以下では、バッテリ１０１の内部インピーダンスを対象に、任意の温度及び充電率における値を高精度に推定する方法を説明する。なお、内部抵抗に対しても、以下と同様にして高精度に推定することが可能である。

上記説明の通り、バッテリの内部インピーダンスは温度及び充電率によって変化するが、さらに劣化度によっても変化する。そこで、バッテリが劣化していない新品のときの内部インピーダンスの変化と、バッテリが使用されて劣化した劣化品の内部インピーダンスの変化を、それぞれ図３、４に示す。同図はともに、温度と充電率に対する内部インピーダンスの変化を３次元的に表示したものである。

図３、４より、内部インピーダンスは温度によって比較的大きく変化することがわかる。また、充電率が変化することによっても内部インピーダンスが変化することが示されている。さらに、図３と図４とを比較することにより、バッテリの劣化が進むことで内部インピーダンスが大きくなることがわかる。とくに、内部インピーダンスの温度及び充電率に対する依存性も、劣化度によって変化しており、劣化が大きくなると温度及び充電率に対する内部インピーダンスの変化が大きくなることがわかる。

そこで、本実施形態では、内部インピーダンスを温度及び充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む関数で表わすようにしている。そして、その関数に含まれる係数が、さらに１つのパラメータ（以下ではＣとする）の関数で表わされるようにしている。上記説明のバッテリ１０１の劣化による温度及び充電率に対する依存性の変化は、パラメータＣによって調整することが可能となっている。

より具体的には、内部インピーダンスを温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第１の関数で表し、この第１の関数の係数の少なくとも１つを充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数で表し、さらに第１の関数及び第２の関数の係数をパラメータＣの関数で表わすものとしている。

あるいは、内部インピーダンスを充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第３の関数で表し、この第３の関数の係数の少なくとも１つを温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第４の関数で表し、さらに第３の関数及び第４の関数の係数をパラメータの関数で表わすようにしてもよい。

以下では、１例として、内部インピーダンスを温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第１の関数で表したときの内部インピーダンス算出式について説明する。内部インピーダンスをＺとし、温度をＴとしたとき、内部インピーダンスＺを温度Ｔの多項式関数で表した例を次式に示す。
［数１］
Ｚ＝ＡＣ０＋ＡＣ１・Ｔ＋ＡＣ２・Ｔ^２＋ＡＣ３・Ｔ^３（式１）
ここで、ＡＣ０、ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３は各項の係数を表している。

図３に示した新品のバッテリ１０１の内部インピーダンスについて、（式１）を用いてフィッティングした例を図５に示す。同図に示すように、内部インピーダンスＺは、温度Ｔの３次多項式により高精度に近似されることが確認できる。

また、内部インピーダンスＺを温度Ｔの逆数関数を含む式で表した例を次式に示す。
［数２］
Ｚ＝１／（ＡＨ１・Ｔ＋ＡＨ２）＋ＡＨ３（式２）
ここで、ＡＨ１、ＡＨ２、ＡＨ３は各項の係数を表している。同じく新品のバッテリ１０１の内部インピーダンスについて、（式２）を用いてフィッティングした例を図６に示す。同図に示すように、逆数関数を用いても内部インピーダンスＺを温度Ｔの関数として高精度に近似できることがわかる。

さらに、内部インピーダンスＺを温度Ｔの指数関数を含む式で表した例を次式に示す。
［数３］
Ｚ＝ＡＥ１・ｅｘｐ（−Ｔ／ＡＥ２）＋ＡＥ３（式３）
ここで、ＡＥ１、ＡＥ２、ＡＥ３は各項の係数を表している。同じく新品のバッテリ１０１の内部インピーダンスについて、（式３）を用いてフィッティングした例を図７に示す。同図に示すように、指数関数を用いても内部インピーダンスＺを温度Ｔの関数として高精度に近似できることがわかる。

本実施形態では、上記（式１）〜（式３）に含まれる係数ＡＣ０〜ＡＣ３、ＡＨ１〜ＡＨ３、あるいはＡＥ１〜ＡＥ３を、さらに充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数でそれぞれ表すこととする。

以下では、一例として指数関数を用いた（式３）を適用した場合について、係数ＡＥ１〜ＡＥ３を決定する方法を説明する。係数ＡＥ１〜ＡＥ３は、充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数で表されるが、ここでは簡単のため、係数ＡＥ３のみが上記いずれかの関数で表されるものとする。

充電率をＳで表したとき、係数ＡＥ３を充電率Ｓの多項式関数で表した例を次式に示す。
［数４］
ＡＥ３＝ＢＣ０＋ＢＣ１・Ｓ＋ＢＣ２・Ｓ^２＋ＢＣ３・Ｓ^３（式４）
ここで、ＢＣ０、ＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３は各項の係数を表している。（式４）を用いて係数ＡＥ３をフィッティングした例を図８に示す。同図に示すように、係数ＡＥ３は、充電率Ｓの３次多項式により高精度に近似されることが確認できる。

また、係数ＡＥ３を充電率Ｓの逆数関数を含む式で表した例を次式に示す。
［数５］
ＡＥ３＝１／（ＢＨ１・Ｓ＋ＢＨ２）＋ＢＨ３（式５）
ここで、ＢＨ１、ＢＨ２、ＢＨ３は各項の係数を表している。（式５）を用いて係数ＡＥ３をフィッティングした例を図９に示す。同図に示すように、逆数関数を用いても係数ＡＥ３を充電率Ｓの関数として高精度に近似できることがわかる。

さらに、係数ＡＥ３を充電率Ｓの指数関数を含む式で表した例を次式に示す。
［数６］
ＡＥ３＝ＢＥ１・ｅｘｐ（−Ｓ／ＢＥ２）＋ＢＥ３（式６）
ここで、ＢＥ１、ＢＥ２、ＢＥ３は各項の係数を表している。（式６）を用いて係数ＡＥ３をフィッティングした例を図１０に示す。同図に示すように、指数関数を用いても係数ＡＥ３を充電率Ｓの関数として高精度に近似できることがわかる。

さらに、本実施形態では、上記（式１）〜（式６）に含まれる各係数を、１つのパラメータＣの関数で表わすものとしている。ここでは、一例として（式３）を用い、係数ＡＥ３を（式６）で表わしたときの算出式について説明する。なお、簡単のため（式３）に含まれる係数ＡＥ１とＡＥ２のみがパラメータＣの関数で表されるものとする。また、Ｃの関数としてここでは一次式を用いるものとする。

上記説明のように、（式３）と（式６）を用い、係数ＡＥ１とＡＥ２とをパラメータＣの一次式で表したとき、内部インピーダンスＺは次式で表される。
［数７］
Ｚ＝（ＣＥ１＋ＣＥ２・Ｃ）・ｅｘｐ｛−Ｔ／（ＣＥ３＋ＣＥ４・Ｃ）｝
＋ＢＥ１・ｅｘｐ（−Ｓ／ＢＥ２）＋ＢＥ３（式７）
（式７）では、ＡＥ１＝ＣＥ１＋ＣＥ２・Ｃとし、ＡＥ２＝ＣＥ３＋ＣＥ４・Ｃとしている。また、ＣＥ１、ＣＥ２、ＣＥ３、ＣＥ４は事前に決定された定数である。

本実施形態のバッテリ状態判定装置１１０の制御部１１４では、バッテリ１０１の温度及び充電率が所定の値のときの内部インピーダンスを、例えば（式７）を用いて算出している。（式７）を用いるためには、パラメータＣの値が決定されていなければならない。そこで、制御部１１４では、所定のタイミングでインピーダンス測定手段１１１、温度センサ１１２、及び充電率センサ１１３から、同時測定された内部インピーダンス、温度、及び充電率の各測定値を入力し、これを（式７）に代入することでパラメータＣの値を算出している。

このように、内部インピーダンスの算出式に含まれる調整パラメータＣを、実測データを用いて調整することにより、バッテリ１０１の最新の状態に対応した内部インピーダンスを高精度に推定することが可能となる。従って、バッテリ１０１が経年劣化等によって内部インピーダンスの特性が変化していても、本実施形態の内部インピーダンス算出式を用いることにより、所定の温度及び充電率の内部インピーダンスを高精度に推定することが可能となる。

（式７）は非線形な関数形となっているため解析解を求めることはできないが、例えばＮｅｗｔｏｎ法等を用いて逐次演算を行うことでパラメータＣの値を求めることが可能である。このようにして算出されたパラメータＣの値を（式７）に代入することで、（式７）は温度Ｔと充電率Ｓのみを変数とする内部インピーダンスＺの確定算出式となる。確定算出式の右辺に所定の温度Ｔ及び充電率Ｓを代入することで、その時のバッテリ１０１の内部インピーダンスＺを求めることが可能となる。

上記のようにして求めた内部インピーダンス算出式について、その精度を確認するために、代表的な温度及び充電率におけるバッテリ１０１の内部インピーダンスを測定し、これをもとにパラメータＣの値を決定して内部インピーダンスの確定算出式を決定し、この内部インピーダンス確定算出式を用いて所定の基準温度及び基準充電率における内部インピーダンスを推定した結果を図１１に示す。同図において、（ａ）は新品バッテリを対象に内部インピーダンスを推定した結果を示しており、（ｂ）は劣化バッテリを対象にした結果を示している。

図１１では、バッテリの温度としてー１０℃〜４５℃までの５点の温度を、また充電率として１００％〜３０％までの４点をそれぞれ選択し、それぞれの温度と充電率のときの内部インピーダンスを測定した結果を各欄の上段に示している。そして、各温度、充電率、内部インピーダンスの測定値をもとにパラメータＣの値を決定して内部インピーダンスの確定算出式を導出している。

さらに、基準温度及び基準充電率を、ここではそれぞれ２５℃と１００％とし、上記の各温度、充電率、内部インピーダンスの測定値をもとに導出した内部インピーダンスの確定算出式を用いて、上記の基準温度及び基準充電率での内部インピーダンスを推定した結果を各欄の下段に示している。

基準温度及び基準充電率のときの測定内部インピーダンスと推定内部インピーダンスは、当然ながら一致している。また、それ以外の温度及び充電率で導出した確定算出式を用いた場合でも、基準温度及び基準充電率における内部インピーダンスを高精度に推定できていることが確認できる。これにより、本実施形態で用いている内部インピーダンス推定方法によれば、任意の温度及び充電率の内部インピーダンスを高精度に推定できることが確認できる。

制御部１１４でバッテリ１０１の劣化度を判定する場合には、上記の内部インピーダンスＺの確定算出式において、右辺の温度Ｔ及び充電率Ｓに劣化判定のための基準温度及び基準充電率を代入することで、基準温度及び基準充電率における内部インピーダンスＺを算出する。基準温度及び基準充電率における内部インピーダンスに対する劣化判定閾値を例えば記憶部１１５に事前に記憶させておき、制御部１１４では、記憶部１１５から劣化判定閾値を読み込んで上記で算出された内部インピーダンスＺと比較する。これにより、算出された内部インピーダンスが劣化判定閾値より大きいときにバッテリ１０１が劣化していると判定することが可能となる。

同様にして、制御部１１４でバッテリ１０１の放電能力を判定する場合には、上記の内部インピーダンスＺの確定算出式において、右辺の温度Ｔ及び充電率Ｓに放電能力判定時点の温度及び充電率を代入することで、放電能力判定時点の内部インピーダンスＺを算出する。放電能力を判定するための内部インピーダンスに対する閾値（以下では放電能力判定閾値という）を例えば記憶部１１５に事前に記憶させておき、制御部１１４では、記憶部１１５から放電能力判定閾値を読み込んで上記で算出された内部インピーダンスＺと比較する。これにより、算出された内部インピーダンスが放電能力判定閾値より大きいときにバッテリ１０１の放電能力が低下していると判定することが可能となる。

本実施形態におけるバッテリ状態判定方法について、図１に示す流れ図を用いてさらに詳細に説明する。なお、ここでも内部インピーダンスを例に説明しているが、内部抵抗を用いる場合も同様に処理可能である。図１（ａ）では、バッテリ１０１の測定データに基づいてパラメータＣを算出して内部インピーダンスの確定算出式を決定する処理の流れを示しており、図１（ｂ）には、バッテリ１０１の劣化度を判定する処理の流れ図を示している。なお、バッテリ１０１の放電能力を判定する場合でも、図１（ｂ）と同様の処理の流れで実現できる。

図１（ａ）の内部インピーダンスの確定算出式を決定する処理の流れでは、まずステップＳ１１において、記憶部１１５から内部インピーダンス算出式を読み込む。内部インピーダンス算出式として、例えば（式７）を用いることができる。

次に、ステップＳ１２では、インピーダンス測定手段１１１、温度センサ１１２、及び充電率センサ１１３を用いてバッテリ１０１の内部インピーダンス、温度、及び充電率を同時に測定させ、それぞれの測定値を入力する。そして、入力した各測定値をステップＳ１３で内部インピーダンス算出式に代入する。これにより、パラメータＣのみを変数とする１つの方程式が得られる。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３で得られたパラメータＣのみを変数とする方程式に対し、逐次演算を行うことによってパラメータＣの値を求める。逐次演算として、例えばＮｅｗｔｏｎ法を用いることができる。ステップｓ１５では、これにより得られたパラメータＣの値を内部インピーダンス算出式に代入することで内部インピーダンスの確定算出式を求め、これを記憶部１１５に保存させる。

次に、図１（ｂ）のバッテリ１０１の劣化度を判定する処理の流れでは、まずステップＳ２１において、記憶部１１５から内部インピーダンスの確定算出式を読み込む。そして、次のステップＳ２２では、劣化度を判定するための基準温度及び基準充電率を内部インピーダンスの確定算出式に代入することにより、劣化度を判定するための内部インピーダンスを算出する。

ステップＳ２３では、ステップＳ２２で算出した内部インピーダンスを劣化度判定閾値と比較し、内部インピーダンスが劣化度判定閾値以下の場合には、ステップＳ２４でバッテリ１０１の劣化度が小さいと判定する。一方、ステップＳ２３の比較で内部インピーダンスが劣化度判定閾値より大きい場合には、ステップＳ２５でバッテリ１０１の劣化度が大きいと判定する。この場合には、例えば警告を表示させるようにすることができる。

上記説明のように、本発明によれば、バッテリの温度及び充電率の変化による内部抵抗又は内部インピーダンスへの影響を、多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む算出式で補正することにより、任意の温度及び充電率における内部抵抗又は内部インピーダンスを高精度に推定することが可能となる。これにより、推定された内部抵抗又は内部インピーダンスを用いて、バッテリの放電能力又は劣化度を高精度に判定することが可能となる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るバッテリ状態判定方法、バッテリ状態判定装置及びバッテリ電源システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるバッテリ状態判定方法等の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態におけるバッテリ状態判定方法の処理の流れを示す流れ図である。本発明の実施形態にかかるバッテリ電源システム及びバッテリ状態判定装置の概略構成を示すブロック図である。新品バッテリにつき、温度と充電率に対する内部インピーダンスの変化を３次元的に表示した図である。劣化バッテリにつき、温度と充電率に対する内部インピーダンスの変化を３次元的に表示した図である。新品バッテリの内部インピーダンスを、多項式関数でフィッティングした結果を示す図である。新品バッテリの内部インピーダンスを、逆数関数でフィッティングした結果を示す図である。新品バッテリの内部インピーダンスを、指数関数でフィッティングした結果を示す図である。係数ＡＥ３を、多項式関数でフィッティングした結果を示す図である。係数ＡＥ３を、逆数関数でフィッティングした結果を示す図である。係数ＡＥ３を、指数関数でフィッティングした結果を示す図である。内部インピーダンス確定算出式を用いて内部インピーダンスを推定した結果を示す表である。

符号の説明

１０負荷
１００バッテリ電源システム
１０１バッテリ
１０２充電回路
１１０バッテリ状態判定装置
１１１インピーダンス測定手段
１１２温度センサ
１１３充電率センサ
１１４制御部
１１５記憶部

Claims

所定の温度及び充電率（ＳＯＣ）におけるバッテリの内部抵抗又は内部インピーダンスを推定し、前記推定された内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として前記バッテリの状態判定を行うバッテリ状態判定方法であって、
前記温度及び前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含み、かつ係数が１つのパラメータの関数で表わされる前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスの算出式を事前に作成し、
前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とを同時に測定してそれぞれの測定値を取得し、
前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とのそれぞれの前記測定値を前記算出式に代入して前記パラメータの値を算出し、
前記算出されたパラメータ値から決定される前記係数を用いた前記算出式（以下では確定算出式という）に前記所定の温度及び充電率を代入して前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定する
ことを特徴とするバッテリ状態判定方法。
前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの劣化判定を行なう基準温度及び基準充電率を用い、
前記確定算出式に前記基準温度及び基準充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、
前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの劣化度を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ状態判定方法。
前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの放電能力判定時点の温度及び充電率を用い、
前記確定算出式に前記放電能力判定時点の温度及び充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、
前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの放電能力を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ状態判定方法。
前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第１の関数で表され、かつ前記第１の関数の係数の少なくとも１つが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数で表され、さらに前記第１の関数及び前記第２の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバッテリ状態判定方法。
前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第３の関数で表され、かつ前記第３の関数の係数の少なくとも１つが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第４の関数で表され、さらに前記第３の関数及び前記第４の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバッテリ状態判定方法。
所定の温度及び充電率におけるバッテリの内部抵抗又は内部インピーダンスを推定し、前記推定された内部抵抗又は内部インピーダンスを指標として前記バッテリの状態判定を行うバッテリ状態判定装置であって、
前記バッテリのインピーダンス又は内部抵抗を測定するインピーダンス測定手段と、
前記バッテリの温度を測定する温度センサと、
前記バッテリの充電率を測定する充電率センサと、
前記温度及び前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含み、かつ係数が１つのパラメータの関数で表わされた前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスの算出式を事前に作成して保存し、前記インピーダンス測定手段と前記温度センサと前記充電率センサとから同時に測定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とのそれぞれの測定値を入力し、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスと前記温度と前記充電率とのそれぞれの前記測定値を前記算出式に代入して前記パラメータ値を算出し、前記算出されたパラメータ値から決定される前記係数を用いた確定算出式に前記所定の温度及び充電率を代入して前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定する制御部と、を備える
ことを特徴とするバッテリ状態判定装置。
前記制御部は、前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの劣化判定を行なう基準温度及び基準充電率を用い、前記確定算出式に前記基準温度及び基準充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの劣化度を判定している
ことを特徴とする請求項６に記載のバッテリ状態判定装置。
前記制御部は、前記所定の温度及び充電率として前記バッテリの放電能力判定時点の温度及び充電率を用い、前記確定算出式に前記放電能力判定時点の温度及び充電率を代入することによって前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを推定し、前記推定された前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを指標として前記バッテリの放電能力を判定している
ことを特徴とする請求項６に記載のバッテリ状態判定装置。
前記制御部は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式として、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第１の関数で表され、かつ前記第１の関数の係数の少なくとも１つが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第２の関数で表され、さらに前記第１の関数及び前記第２の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされる前記算出式を用いている
ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載のバッテリ状態判定装置。
前記制御部は、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスを算出するための前記算出式として、前記内部抵抗又は前記内部インピーダンスが前記充電率に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第３の関数で表され、かつ前記第３の関数の係数の少なくとも１つが前記温度に関する多項式関数、逆数関数、指数関数の少なくとも１つを含む第４の関数で表され、さらに前記第３の関数及び前記第４の関数の係数が前記パラメータの関数で表わされる前記算出式を用いている
ことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載のバッテリ状態判定装置。
請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載のバッテリ状態判定装置を備えたバッテリ電源システム。