JP2009204320A - 二次電池の充電率推定装置および充電率推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電電流検出手段の故障時にも充電率推定精度の悪化を抑制できる二次電池の充電率推定装置を提供する。
【解決手段】適応デジタルフィルタを用いて、二次電池の充放電電流と端子電圧から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧から二次電池の充電率を推定する充電率推定装置において、充放電電流検出手段が故障したことを検知し、故障時には故障する直前の二次電池の内部状態パラメータに基づいて充放電電流を推定し、その推定した充放電電流に基づいて充電率を推定する。具体的には、例えば故障時には、実測した端子電圧と、充放電電流検出手段が故障する直前の二次電池の内部状態パラメータと、に基づいて充放電電流を推定し、推定した充放電電流を積算することによって充電率を推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は二次電池の充電率推定装置および充電率推定方法に関する。

下記特許文献１には、二次電池の内部抵抗推定値と端子電圧と開放電圧から充放電電流を推定し、推定した充放電電流を積分することで第１ＳＯＣ（充電率）を推定し、また、実測充放電電流と端子電圧とから内部抵抗を推定し、その内部抵抗推定値と端子電圧と開放電圧から充放電電流を推定し、推定した充放電電流を積分することで第２ＳＯＣを推定し、充放電電流を検出する電流検出手段の異常時には、上記第１ＳＯＣを選択し、電流検出手段の正常時には、上記第２ＳＯＣを選択する技術が開示されている。
特開２００４−９３５５１号公報

前記特許文献１においては、「推定充放電電流Ｉ＝（開放電圧Ｅ−端子電圧Ｖ）／内部抵抗Ｒ」の関係を用いて推定を行っているが、充放電電流と電圧との応答には時間遅れがある。つまり、後記図８に示すように、放電電流が急変する場合でも、内部抵抗の変化には遅れが生じるので、そのような場合には充放電電流値を精度良く推定することができないため、充電率の推定精度が悪くなる、という問題があった。
本発明は上記の問題を解決するものであり、電流検出手段の故障時にも充電率推定精度の悪化を抑制することの出来る二次電池の充電率推定装置および充電率推定方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては、適応デジタルフィルタ（以下、ＡＤＦと略記）を用いて、二次電池の充放電電流と端子電圧から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧から二次電池の充電率を推定する充電率推定装置において、充放電電流検出手段が故障したことを検知し、充放電電流検出手段が故障した場合には、充放電電流検出手段が故障する直前の二次電池の内部状態パラメータ（ＡＤＦで求めた内部抵抗や静電容量）に基づいて充放電電流を推定し、その推定した充放電電流に基づいて充電率を推定するように構成している。具体的には、例えば充放電電流検出手段が故障した場合には、充放電電流検出手段が故障する直前の二次電池の内部状態パラメータと、実測した端子電圧と、に基づいて充放電電流を推定し、推定した充放電電流を積算することによって充電率を推定するものである。

内部状態パラメータの値は、充放電電流検出手段の故障後も大きくは変わらないと予想されるので、ＡＤＦによって故障直前まで正しく推定していた内部状態パラメータ（例えば図６の内部抵抗Ｒ_１、Ｒ_２や静電容量Ｃ_１）と、実測した端子電圧とを用いて充放電電流を推定することが出来る。そして上記の推定した充放電電流を積算することによって充電率を推定することが出来るので、充放電電流検出手段が故障しても精度の高い充電率を推定することが可能になる、という効果がある。

（実施例１）
図１は、本発明を適用するシステムの全体の概略構成図であり、二次電池で電動機等の補機を駆動する装置を示す。
図１において、二次電池１は補機２（電動機等）に対して電力を供給するとともに補機２で発電した電力を蓄積する。二次電池１の充放電電流Ｉは電流センサ５で検出される。また、端子電圧Ｖは電圧センサ４で検出される。これらのセンサ情報は制御装置３に入力される。

図２は、本発明の一実施例を機能ブロックで表した図であり、図１の制御装置３内に設けられた二次電池の充電率推定装置の部分を示す。
図２において、充放電電流検出手段２００１は、図１の電流センサ５に相当し、二次電池（図１の１）の充放電電流Ｉを検出する。なお、充放電電流Ｉは、例えば正値のときは充電電流、負値のときは放電電流を示す。
端子電圧検出手段２００２は、図１の電圧センサ４に相当し、二次電池の端子電圧Ｖを検出する。

内部状態量推定手段２００３は、二次電池の内部状態量を推定するものであり、例えば図６の等価回路に示したような二次電池の各内部状態パラメータ（内部抵抗Ｒ_１＋Ｒ_２等）を逐次推定する。このような内部状態量推定手段２００３としては、例えば適応デジタルフィルタ（ＡＤＦ）を用いた装置（詳細後述）がある。なお、ここでは内部状態量推定手段２００３で内部状態パラメータから開路電圧Ｖ_０まで推定するものとして示している。

充電率推定手段２００４は内部状態量推定手段２００３で推定した内部状態パラメータ（開路電圧）から充電率を推定する。例えば図７に示した開路電圧Ｖ_０（通電遮断時の端子電圧であり、起電力、開放電圧とも云う）と充電率との関係から、内部状態量推定手段２００３で推定した開路電圧Ｖ_０を用いて充電率を推定する。

一方、故障検知手段２００５は、充放電電流検出手段２００１の故障（異常）を検出する。充放電電流検出手段２００１の故障は次のようにして検出することが出来る。例えば、充放電電流検出手段２００１の検出値が０または上限値に張り付いた場合は故障と判定できる。また、二次電池の負荷（図１の補機２）には独自の電流センサ（例えば負荷であるコンバータや電動機を流れる電流を計測するセンサ）が設けられていることが多いので、充放電電流検出手段２００１の検出値と負荷を流れる電流値とが対応しない場合には故障と判定できる。
なお、この故障検知手段２００５の検出信号を用いて警報装置（ランプ点灯等）を作動させることにより、充放電電流検出手段２００１の故障を外部に報知し、修理等の対策を進めさせることが出来る。

充放電電流推定手段２００６は、内部状態量推定手段２００３で推定した内部状態パラメータと端子電圧から充放電電流を推定する（詳細後述）。
故障時充電率演算手段２００７は、充放電電流推定手段２００６で推定した充放電電流値から充電率を推定する。この充電率の推定は、例えば推定した充放電電流値を積算することによって行うことが出来る（詳細後述）。
切替え手段２００８は、充放電電流検出手段２００１が正常な場合には充電率推定手段２００４で演算した充電率を選択して出力し、充放電電流検出手段２００１の故障時には故障時充電率演算手段２００７で推定した充電率を選択して出力する。 図３は、図１の制御装置３内に設けられた二次電池の充電率推定装置における制御フロー図である。図３の制御フローは所定周期（例えば０.０１［ｓｅｃ］）で処理を行う。
図３において、まず、ステップＳ１０１では、端子電圧と充放電電流を読み込み、ステップＳ１０２では電流センサ（図１の５：図２の２００１に相当）が故障しているか否かを判断し、正常であればステップＳ１０３へ、故障していればステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０３では、適応デジタルフィルタ（ＡＤＦ）を用いて内部状態パラメータを推定する（詳細後述）。
ステップＳ１０４では、推定した内部状態パラメータから開路電圧を推定する。なお、ステップＳ１０３とＳ１０４では、内部状態パラメータと開路電圧を分けて説明しているが、図２においては内部状態推定手段２００３で開路電圧までまとめて推定するように表示している。

ステップＳ１０５では、図７に示した開路電圧と充電率の関係から、ステップＳ１０４で推定した開路電圧を用いて充電率を求める。
ステップＳ１０６では、前回演算時に電流センサが故障していたか否かを判断し、前回演算時に故障していなかった場合（今回初めて故障した場合）は、ステップＳ１０７へ、前回演算時も故障していた場合はステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０７では、前回演算時にステップＳ１０３で推定した内部状態パラメータを読み込む。
ステップＳ１０８では、前回演算時の内部状態パラメータを読み込む。
ステップＳ１０９では、読み込んだ内部状態パラメータに基づいて充放電電流を推定演算する。
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０９で演算した充放電電流値を積算して充電率を演算する。

以下、上記の各ステップにおける処理を説明する。
まず、図４、図５を用いて、図３のステップＳ１０３〜Ｓ１０５に示した充放電電流検出手段２００１が正常な場合の充電率推定演算を説明する。
図４は、図３のステップＳ１０３とＳ１０４における内部状態パラメータと開路電圧推定処理の制御フローを示す図である。
適応デジタルフィルタ（ＡＤＦ）を用いた開路電圧Ｖ_０の推定演算方法については、例えば、本出願人の先願で既に特許されている特開２００４−１７８８４８号公報（特願２００２−３４０８０３号、特許３７１４３２１号）等に詳細な説明が記載されているので、ここでは基本的な数式と演算過程を示す。

図４において、まず、ステップＳ３０１で、充放電電流Ｉと端子電圧Ｖとを読み込み、ステップＳ３０２でＡＤＦを用いて内部状態パラメータを推定する。そしてステップＳ３０３で内部状態パラメータから開路電圧を推定する。
ステップＳ３０２におけるＡＤＦを用いた内部状態パラメータ推定方法は、図６に示すような二次電池の等価回路モデルを用いて内部状態パラメータを逐次推定するものであり、図６の電池モデルは（数１）式のように示すことができる。

ただし、Ｃ_１は電気二重層容量、Ｒ_１は電荷移動抵抗、Ｒ_２は純抵抗、Ｖは端子電圧、Ｉは充放電電流（正が充電、負が放電）、Ｖ_０は開路電圧、ｓはラプラス演算子
ここで、（数２）式とおくと、（数１）式は（数３）式のように表すことが出来る。

ここで端子電圧Ｖ、電流値Ｉのフィルタ出力Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を（数４）式で示すように定義する。

ただし、１／Ｇ_ｌｐ(ｓ）は観測ノイズを低減するために設けたローパスフィルタ特性の伝達関数である。
そしてＡＤＦの手法を用いて（数１）式の各定数（内部状態パラメータ）Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１を逐次推定する。この推定方法の詳細は前記特開２００４−１７８８４８号公報に記載されている。
ステップＳ３０３では、上記の推定した内部状態パラメータを用いて開路電圧Ｖ_０を推定すると、開路電圧Ｖ_０は（数５）式に示す関係となる。

上記のようにしてＡＤＦの手法を用いて推定した内部状態パラメータを用いて開路電圧Ｖ_０を推定することが出来る。

図５は、図３のステップＳ１０５における推定した開路電圧Ｖ_０から充電率を推定する演算フローを示す図である。
図５において、ステップＳ４０１では、推定した開路電圧Ｖ_０を読み込み、ステップＳ４０２では、予め求めておいた開路電圧と充電率の関係から、読み込んだ開路電圧に対応した充電率を求める。開路電圧と充電率の関係は、例えば図７に示すような特性となっており、この特性を予め求めておくことにより、推定した開路電圧から充電率を簡単に求めることが出来る。また、逆に充電率から開路電圧を推定することも出来る。

上記のようにして図３のステップＳ１０３〜Ｓ１０５に示した充放電電流検出手段２００１が正常な場合の充電率を推定することが出来る。

次に、図３のステップＳ１０７〜Ｓ１０９に示した充放電電流検出手段２００１が故障した場合の充放電電流推定演算について説明する。
内部状態量推定手段２００３においては、ＡＤＦを用いて図６に示した二次電池の等価回路の内部状態パラメータを逐次推定している。この際の電流と電圧の関係は、（数６）式（＝前記数３式）で示される。

ただし、Ｋ、Ｔ_１、Ｔ_２は（数７）式（＝数２式）で示される。

ここで、開路電圧Ｖ_０を（数８）式のように表すと、（数６）式は（数９）式のように表すことが出来る。

ただし、ｈは変数である。
（数９）式を変形すると（数１０）式となる。

充放電電流検出手段２００１（電流センサ）の故障中は、二次電池の内部状態パラメータは変わらないと仮定して、電流センサが正常に作動していた時の内部状態量、つまり電流センサ故障直前に推定した内部状態パラメータを用いて、（数１０）式を解くことで充放電電流Ｉを推定することが出来る。つまり、内部状態量推定手段２００３で推定した内部状態パラメータＲ_１、Ｒ_２、Ｃと端子電圧Ｖから（数７）式と（数１０）式を用いて充放電電流Ｉを推定することが出来る。充放電電流推定手段２００６においては、このようにして電流センサ故障中の充放電電流を推定する。

また、充放電電流推定の他の方法としては、次の方法がある。
前記（数６）式を変形すると（数１１）式のように表すことができる。

ここで前回の演算で求めた充電率を用いて図７から開路電圧Ｖ_０を推定し、その推定した開路電圧Ｖ_０と、実測した端子電圧Ｖと、推定した内部状態パラメータとから（数１１）式を用いて充放電電流Ｉを推定することが出来る。

次に、図３のステップＳ１１０における充放電電流値から充電率を演算する方法を説明する。
推定した充放電電流値Ｉから充電率ＳＯＣを求めるには、例えば（数１２）式を用いて充放電電流値Ｉを順次積算する。

ただし、ＳＯＣ(ｋ）は今回推定した充電率、ＳＯＣ(ｋ−１）は１回前の演算で推定した充電率、Ｉ(ｋ）は今回推定した充放電電流、Δｔは演算周期（例えば０.０１［ｓｅｃ］）、Ｃapは二次電池の総容量である。
つまり、１回前の演算で推定した充電率に、充放電電流と演算周期との積を総容量で除算した値を加算することにより、今回の充電率を推定することが出来る。

次に、温度によって内部状態パラメータは変化する。つまり、一般的に温度が低くなると内部状態の抵抗成分は小さくなるので、図３のステップＳ１０９で充放電電流を推定した後、予め実験などで求めておいた温度による補正を加えることにより、精度良く充放電電流を推定することが可能となり、結果として充電率推定値の精度も向上する。また、充放電電流に温度補正を行う代わりに、充電率の推定値に温度補正を加えてもよい。

図９は、本発明を適用した場合における充放電電流の推定値と、従来技術における充放電電流の推定値とを比較した特性図である。図９において、太実線は本発明の特性、細実線は従来技術の特性、破線は真の充放電電流の特性を示す。
図９から判るように、従来技術においては、充放電電流の変化があった直後は、充放電電流を小さく推定してしまい、時間が経過するにつれて大きく推定してしまう。これは図８にも示したように、見かけ上、内部抵抗の変化が遅れるので、充放電電流の変化があった直後から徐々に見かけ上の内部抵抗が大きくなることに起因する。本発明の場合には電流センサが故障する直前の内部状態パラメータを用いて充放電電流を推定しているので、従来技術よりも精度良く充放電電流を推定していることが判る。

本発明を適用するシステムの全体の概略構成図。 本発明の一実施例を機能ブロックで表した図。 図１の制御装置３内に設けられた二次電池の充電率推定装置における制御フロー図。 図３のステップＳ１０３とＳ１０４における内部状態パラメータと開路電圧推定処理の制御フロー図。 推定した開路電圧Ｖ_０から充電率を推定する制御フロー図。 二次電池の等価回路モデル図。 開路電圧と充電率との関係を示す特性図。 充放電電流と内部抵抗と端子電圧との関係を示す特性図。 本発明と従来技術とにおける充放電電流の推定値の比較図。

符号の説明

１…二次電池 ２…補機
３…制御装置 ４…電圧センサ
５…電流センサ
２００１…充放電電流検出手段 ２００２…端子電圧検出手段
２００３…内部状態量推定手段 ２００４…充電率推定手段
２００５…故障検知手段 ２００６…充放電電流推定手段
２００７…故障時充電率演算手段 ２００８…切替え手段

Claims (6)

1. 二次電池と、
   前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
   適応デジタルフィルタを用いて、前記充放電電流と前記端子電圧から前記二次電池の内部状態パラメータを推定する内部状態量推定手段と、
   前記内部状態パラメータから開路電圧を推定する開路電圧推定手段と、
   予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて、前記開路電圧から充電率を推定する充電率推定手段と、
   を備えた二次電池の充電率推定装置において、
   前記充放電電流検出手段が故障したことを検知する故障検知手段と、
   前記故障検知手段が前記充放電電流検出手段の故障を検知した場合には、前記充放電電流検出手段が故障する直前の二次電池の内部状態パラメータに基づいて充放電電流を推定する充放電電流推定手段と、
   前記充放電電流推定手段で推定した充放電電流に基づいて故障時の充電率を推定する故障時充電率推定手段と、
   を備えたことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。
2. 前記充放電電流推定手段は、前記故障検知手段が前記充放電電流検出手段の故障を検知した場合に、前記充放電電流検出手段が故障する直前の二次電池の内部状態パラメータと、前記端子電圧と、を用いて充放電電流を推定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電率推定装置。
3. 前記充放電電流推定手段は、前記故障検知手段が前記充放電電流検出手段の故障を検知した場合に、前記充放電電流検出手段が故障する直前の二次電池の内部状態パラメータと、前記端子電圧と、前回推定した充電率から推定した開路電圧と、を用いて充放電電流を推定することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電率推定装置。
4. 前記故障時充電率推定手段は、前記充放電電流推定手段が推定した充放電電流を積算することにより、故障時の充電率を推定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の二次電池の充電率推定装置。
5. 前記二次電池の温度を検出する温度検出手段を有し、
   前記充放電電流推定手段で推定した故障時の充放電電流値または前記故障時充電率推定手段で推定した故障時の充電率を、前記二次電池の温度に基づいて補正することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の二次電池の充電率推定装置。
6. 二次電池と、前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、前記二次電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、適応デジタルフィルタを用いて前記充放電電流と前記端子電圧から前記二次電池の内部状態パラメータを推定する内部状態量推定手段と、前記内部状態パラメータから開路電圧を推定する開路電圧推定手段と、予め求めた開路電圧と充電率の関係に基づいて、前記開路電圧から充電率を推定する充電率推定手段と、を備えた二次電池の充電率推定装置における充電率推定方法であって、
   前記充放電電流検出手段が故障したことを検知し、故障時には故障する直前の二次電池の内部状態パラメータに基づいて充放電電流を推定し、推定した充放電電流に基づいて充電率を推定することを特徴とする二次電池の充電率推定方法。

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