JP2009264962A - 二次電池の残存容量推定方法及び装置 - Google Patents

二次電池の残存容量推定方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ハイブリッド車両(HEV)等に搭載される二次電池のSOCを正確に推定すること。
【解決手段】二次電池10aに充放電電流が流れていないノー・バッテリカレント状態において、二次電池10aの端子電圧Vの変動量ΔVを測定する電圧変動測定部と、該変動量ΔVを用いて分極電圧Vpを算出する分極電圧算出部とを有する分極電圧演算部100と、充放電経路の遮断状態における無負荷電圧Voから分極電圧Vpを減算することにより、二次電池10aの起電力Veを算出する起電力算出部14dと、該起電力Veに基づいて、二次電池10aの残存容量(SOC)を推定するSOC推定部17とを備えた二次電池の残存容量推定装置を解決手段とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池の残存容量推定方法及び装置に関し、詳しくは、電気自動車(PEV)やハイブリッド車両(HEV)等に、モータの動力源および各種負荷の駆動源として搭載される二次電池の残存容量(SOC:State of Charge)を推定する方法及び同残存容量を推定するための装置に関する。
従来より、ハイブリッド車両(HEV)では、走行に必要な動力と比較してエンジンからの出力が大きい場合には、余剰の動力で発電機を駆動して二次電池(例えば、ニッケル−水素バッテリ[略称:Ni−MH])の充電が行われる。これと反対に、エンジンからの出力が小さい場合には、二次電池の電力を用いてモータを駆動してエンジンをアシストする。この場合、二次電池の放電が行われる。HEVでは、このように充放電等を制御して二次電池を適正な作動状態に維持することが要求される。
そのために、二次電池に関わる充放電電流I、端子電圧V、二次電池の温度T等の各種の検出データを用い、制御装置及び制御プログラムにより二次電池の残存容量(以下、「SOC」と称す。)を推定し、HEVの燃料消費効率が最良となるように、且つ、加速時のモータ駆動によるパワーアシスト(動力補助)及び減速時のエネルギー回収(回生制動)をバランス良く動作させるように、SOC制御が行われている(例えば、特許文献1を参照)。
具体的には、このSOC制御によって、例えば、SOCが50%から60%の範囲内になるように二次電池の充放電を調節している。即ち、SOCが低下し、50%以下になった場合には、充電を優先させる制御を行い、逆に、SOCが上昇して60%以上になった場合には放電を優先させる制御を行っている。
このようなSOC制御を正確に行うために、従来、例えば、以下のような方法でSOCが推定されている。
まず、所定期間Δt(ここでは、60sec)に端子電圧Vと充放電された充放電電流Iとの組データを複数個取得して記憶し、その組データから、最小二乗法を用いた統計処理により1次の近似直線(電圧V−電流I近似直線)を演算し、このV−I近似直線のV切片を無負荷電圧Voとして求める。
次に、(1)充放電電流Iを前記所定期間積算して積算容量Q(=∫I)を求め、当該所定期間における積算容量Qの変化量ΔQ(前回に所定期間で積算した積算容量Qと、今回に所定期間で積算した積算容量Qとの差)と二次電池の温度T(例えば、−30℃≦T≦60℃)に基づいて二次電池の分極電圧Vpを演算する。或いは、(2)所定の計算式を用いて分極電圧Vpの減衰量及び発生量ΔVpを算出し、当該減衰量及び発生量ΔVpに基づいて二次電池の分極電圧Vpを演算する。ここで、分極電圧Vpとは、起電力Veから決まる理論的な二次電池の開放電圧(OCV)と実際の二次電池の開放電圧との差である。
そして、無負荷電圧Voから分極電圧Vpを減算することで、電池の起電力Veを求める。次に、予め用意されている起電力Ve−SOC特性テーブルを参照し、求められた起電力VeからSOCを推定する。
ところで、従来のHEVのSOC制御においては、HEVの起動時(イグニッションスイッチのオン時)に分極電圧Vpの推定を行ってからエンジンを始動させるまでの期間等では、二次電池は充放電が行われている充放電状態(以下、「バッテリカレント状態」と称す。)にあると看做し、この状態を想定して分極電圧Vpが演算されている(例えば、特許文献2を参照)。
特開2007−292648号公報 特開2003−197275号公報
しかしなから、発明者らが鋭意探究した結果、HEVの起動時からエンジンを始動させるまでクランクシャフトが回転していない期間や、HEVを走行状態から駐停車を行い、エンジンを停止させてからの期間では、二次電池は充放電が行われていない非充放電状態であるノー・バッテリカレント状態が長時間に亘って継続していることを確認した。
バッテリカレント状態では、二次電池が充放電を煩雑に繰り返していることにより、分極電圧Vpを発生させる原因となる電極反応界面のイオン種が速やかに消失するため、分極電圧Vpの減衰速度が速い。これに対し、ノー・バッテリカレント状態では二次電池に電流が流れないため、電極反応界面のイオン種が消失しにくい。このためバッテリカレント状態に比べ、著しく分極電圧Vpの減衰速度が遅い。
したがって、このようなノー・バッテリカレント状態においても、上述した分極電圧Vpの減衰状態での演算法をそのまま用いると、分極電圧Vpを実際よりも過度に減衰させてしまい、演算される分極電圧Vpが実際と乖離するようになって、前記した方法により算出される起電力Ve、及び、推定されるSOC(SOC推定値)に誤差を生じることとなる。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、HEV等に搭載される二次電池のSOCを正確に推定しうる二次電池の残存容量推定方法及び装置を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、二次電池の無負荷電圧Voを算出する無負荷電圧算出ステップと、二次電池に充放電電流が流れていないノー・バッテリカレント状態と、二次電池に充放電電流が流れているバッテリカレント状態とを判別するバッテリカレント状態判別ステップと、前記ノー・バッテリカレント状態において、二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVを測定する電圧変動測定ステップと、同ノー・バッテリカレント状態において、該変動量ΔVに基づき、前記ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1を算出する静的減衰量算出ステップと、前記バッテリカレント状態において、分極電圧Vpの動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3を算出する動的減衰量・発生量算出ステップと、前記減衰量ΔVp1、又は、前記減衰量ΔVp2及び発生量ΔVp3を用いて分極電圧Vpを算出する分極電圧算出ステップと、前記無負荷電圧Voから前記分極電圧Vpを減算することにより、前記二次電池の起電力Veを算出する起電力算出ステップと、前記起電力Veに基づいて、前記二次電池の残存容量(SOC)を推定する残存容量推定ステップと、を備える二次電池の残存容量推定方法、を要旨とする。
同構成によれば、ノー・バッテリカレント状態において測定され、二次電池に充放電電流が流れず(即ち、充放電電流が「0」)、その起電力Veに変動がないために分極電圧Vpの減衰のみが寄与すると考えられる二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVに基づいて分極電圧Vpが算出される。このため、算出される分極電圧Vpが過度に減衰することがなく、ノー・バッテリカレント状態における実際の分極電圧値に近づくようになる。この結果、起電力Veが正確に算出されるとともに、SOCが正確に推定されるようになる。また、二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVに基づき、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1が算出されるとともに、該ΔVp1に基づいて分極電圧Vpが算出される。このような静的減衰量ΔVp1を用いることにより、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpが的確に算出されるようになる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の二次電池の残存容量推定方法において、前記分極電圧算出ステップでは、前記静的減衰量ΔVp1を、下式1、ΔVp1=ΔV・補正係数Ka…(式1)によって算出するとともに、前記分極電圧Vpを、下式2、今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp1…(式2)によって算出するようにしたこと、を要旨とする。
同構成によれば、静的減衰量ΔVp1が、ΔVp1=ΔV・補正係数Kaによって算出されるとともに、分極電圧Vpが、今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp1によって算出される。このような計算式を用いることにより、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpが的確に算出されるようになる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の二次電池の残存容量推定方法において、前記補正係数Kaは、二次電池の温度に依存する自己放電量に応じて決定するようにしたこと、を要旨とする。
同構成によれば、ノー・バッテリカレント状態において静的減衰量ΔVp1の計算に用いる補正係数Kaが、二次電池の温度に依存する自己放電量に応じて決定されるようになる。
請求項4に記載の発明は、二次電池の無負荷電圧Voを算出する無負荷電圧算出部と、二次電池に充放電電流が流れていないノー・バッテリカレント状態と、二次電池に充放電電流が流れているバッテリカレント状態とを判別するバッテリカレント状態判別部と、前記ノー・バッテリカレント状態において、二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVを測定する電圧変動測定部と、同ノー・バッテリカレント状態において、該変動量ΔVに基づき、前記ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1を算出する静的減衰量算出部と、前記バッテリカレント状態において、分極電圧Vpの動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3を算出する動的減衰量・発生量算出部と、前記減衰量ΔVp1、又は、前記減衰量ΔVp2及び発生量ΔVp3を用いて分極電圧Vpを算出する分極電圧算出部と、前記無負荷電圧Voから前記分極電圧Vpを減算することにより、前記二次電池の起電力Veを算出する起電力算出部と、前記起電力Veに基づいて、前記二次電池の残存容量(SOC)を推定する残存容量推定部と、を備える二次電池の残存容量推定装置、を要旨とする。
同構成によれば、ノー・バッテリカレント状態において測定され、二次電池に充放電電流が流れず、その起電力Veに変動がないために分極電圧Vpの減衰のみが寄与すると考えられる二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVに基づいて分極電圧Vpが算出される。このため、算出される分極電圧Vpが過度に減衰することがなく、ノー・バッテリカレント状態における実際の分極電圧値に近づくようになる。この結果、起電力Veが正確に算出されるとともに、SOCが正確に推定されるようになる。
本発明の二次電池の残存容量推定方法及び装置によれば、HEV等に搭載される二次電池のSOCを正確に推定することができる。
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
図1に示すように、電池パックシステム1は、ハイブリッド車両(HEV)に搭載された場合、通常、モータに対する所定の出力を得るため、例えば、各々がニッケル−水素バッテリである複数の単電池が電気的に直列接続された電池モジュールがさらに複数個電気的に直列接続されて構成される二次電池10aと、該二次電池10aの充放電に寄与させるために同二次電池10aのSOCを推定する残存容量推定装置としての電池ECU10とから構成される。
電池ECU10は、電圧センサ(不図示)により検出された二次電池10aの端子電圧Vを所定のサンプリング周期(例えば、0.1sec)で電圧データV(n)(nはサンプリング回数、以下同様。)として測定する電圧測定部11と、電流センサ(図示せず)により検出された二次電池10aの充放電電流Iを所定のサンプリング周期(例えば、0.1sec)で電流データI(n)(充電方向は−、放電方向は+の符号となる。)として測定する電流測定部12と、温度センサ(不図示)により検出された二次電池10aの温度を所定のサンプリング周期(例えば、0.1sec)で温度データT(n)として測定する温度測定部13とを備えている。
電池ECU10は、起電力演算部14と、電流積算係数補正部15と、加算器16と、SOC推定部(残存容量推定部)17と、参照テーブル(LUT)18aを有する充電効率算出部18と、参照テーブル(LUT)19aを有する分極電圧推定部19とをさらに備えている。ここで、起電力演算部14は、組データ選別部14aと、無負荷電圧算出部14bと、無負荷電圧判定部14cと、減算器14eを有する起電力算出部14dと、図2に詳細を示す、分極電圧Vpを演算して出力する分極電圧演算部100とを備えている。
電圧測定部11からの電圧データV(n)と、電流測定部12からの電流データI(n)とは、所定期間Δt(ここでは、60sec)に組データとして、組データ選別部14aに入力される。組データ選別部14aは、選別条件として、充電方向(−)と放電方向(+)における電流データI(n)の値が所定の範囲内(例えば、±50A)であり、充電方向と放電方向における電流データI(n)の個数が所定数以上(例えば、60サンプル中の充電及び放電方向で各10個)であり、また組データ取得中の積算容量Qの変化量ΔQが所定の範囲内(例えば、0.3Ah)である場合に、電圧データV(n)と電流データI(n)の組データが有効であると判断され、それらを選別して有効な組データS(V(n),I(n))として出力する。ここで、積算容量Qは、充放電電流Iを前記所定期間Δtで積算して得られる物理量であり、変化量ΔQは、前回に所定期間Δtで積算した積算容量Q(i―1)と、今回に所定期間Δtで積算した積算容量Q(i)との差(Q(i)−Q(i−1))である。
組データ選別部14aからの有効な組データS(V(n),I(n))は、無負荷電圧算出部14bに入力される。無負荷電圧算出部14bでは、図3に示すように、有効な組データS(V(n),I(n))から、最小二乗法を用いた統計処理により、1次の電圧−電流直線(電圧V−電流I近似直線)を演算し、このV−I近似直線のV切片を、充放電電流が「0」のときの二次電池10aの無負荷電圧Voとして求める。従って、本実施形態における「0」の意味は、二次電池10aに入出力される充放電電流Iが事実上ゼロ(零)であることを厳密に意味するのではなく、充放電電流Iが統計上ゼロに相当することを意味することになる。
無負荷電圧算出部14bからの無負荷電圧Voは、次に、無負荷電圧判定部14cに入力される。無負荷電圧判定部14cでは、判定条件として、近似直線に対する組データS(V(n),I(n))の分散値が求められ、この分散値が所定の範囲内にあるか、又は、近似直線と組データS(V(n),I(n))との相関係数を求め、この相関係数が所定値以上である場合に、算出された無負荷電圧Voが有効であると判断され、起電力算出部14dに出力される。
電圧測定部11からの電圧データV(n)と、電流測定部12からの電流データI(n)と、温度測定部13からの温度データT(n)とは、前記所定期間Δtに分極電圧演算部100に入力され、後述する方法によって分極電圧Vpが演算され、出力される。
そして、起電力算出部14d(減算器14e)において、無負荷電圧判定部14cからの有効な無負荷電圧Voより、分極電圧演算部100からの分極電圧Vpが減算され、起電力Veとして出力される。
図2に示すように、前記した分極電圧演算部100は、バッテリカレント状態判別部101と、電圧変動測定部102と、参照テーブル(LUT)103aを有する静的減衰量算出部103と、参照テーブル(LUT)104aを有する動的減衰量・発生量算出部104と、分極電圧算出部100aとを備えている。この分極電圧算出部100aは、今回の分極電圧Vp(j)(jは各所定期間Δtごとに設定される制御周期の回数である。以下同様。)に対して、前回(1制御周期前)の分極電圧Vp(j−1)を記憶する前回分極電圧記憶部107と、一対の減算器105,106(減算器106は加算器としても機能する。)とを備えている。この一対の減算器105,106には、前回分極電圧記憶部107から前回の分極電圧Vp(j−1)が出力され、今回の分極電圧Vp(j)が演算される。
バッテリカレント状態判別部101には、電圧測定部11からの電圧データV(n)と、電流測定部12からの電流データI(n)と、温度測定部13からの温度データT(n)とが入力される。そして、同バッテリカレント状態判別部101では、二次電池10aに充放電電流Iが流れていないノー・バッテリカレント状態と、二次電池10aに充放電電流Iが流れているバッテリカレント状態とが判別される。
電圧変動測定部102には、電圧測定部11からの電圧データV(n)が入力され、該V(n)に基づき、二次電池の所定期間Δt(ここでは、60sec)における端子電圧Vの変動量ΔVが測定され、静的減衰量算出部103に出力される。
ここで、図4を参照しながら該変動量ΔVについて説明すると、図4(a)(i)に示すように、HEVを走行状態、即ち、二次電池10aにおいて充放電が行われているバッテリカレント状態から駐停車を行い、エンジンを停止させると、二次電池10aに充放電電流Iが流れていないノー・バッテリカレント状態が発生する。この状態では、二次電池に充放電電流Iが流れず、その起電力Veに変動がないために、停止直前の制御周期において、充電過多の制御が行われていた場合には、図4(a)(ii)に示すように、時間tの経過に従い、二次電池10aの端子電圧Vは減少し、次第に0[V]に接近する二次電池10aの端子電圧Vの変動量ΔVには、起電力Veは寄与せず、分極電圧Vpの減衰が主として寄与するといえる。従って、図4(b)に示すように、当該変動量ΔVに、二次電池10aの温度Tに依存する自己放電量に応じた補正係数Kaを乗算することによって分極電圧Vpの減衰量(静的減衰量ΔVp1)を得ることができる。尚、図4(b)に示す分極電圧Vpの減衰は、二次電池10aの充電分極での状態を示しており、同図の上方向(+)から下方向(−)に向けて、時間tの経過に従い、次第に0[V]に接近するようになる。また、補正係数Kaは、二次電池10aの温度Tに依存する自己放電量に応じて算出される。具体的には、静的減衰量算出部103の参照テーブル(LUT)103aに記憶された、同補正係数Kaと二次電池10aの温度Tとの関係を示すマップに基づいて算出される。このマップは予め実験等により求めておくことができる。尚、二次電池10aの放電分極の状態では、図4(b)の下方向(−)から上方向(+)に向けて、時間tの経過に従い、次第に0[V]に接近するようになる。
図2に戻り、分極電圧演算部100において、静的減衰量算出部103には、バッテリカレント状態判別部101から電流データI(n)及び温度データT(n)、並びに、電圧変動測定部102からの変動量ΔVが入力される。そして、同静的減衰量算出部103では、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1が前述のようにして算出され、出力される。
分極電圧演算部100において、動的減衰量・発生量算出部104には、バッテリカレント状態判別部101から電流データI(n)及び温度データT(n)が入力され、バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての動的減衰量ΔVp2及びバッテリカレント状態における分極電圧Vpの発生量としての動的発生量ΔVp3が算出され、出力される。この動的減衰量ΔVp2は、動的減衰量・発生量算出部104の参照テーブル(LUT)104aに記憶された、後述する減衰係数Kbと、所定時間ΔT(ここでは、60sec)における積算容量の変化量ΔQ及び二次電池10aの温度Tとの関係を示すマップに基づいて算出される。詳しくは、バッテリカレント状態において、分極電圧演算部100は、前記所定時間ΔTにおける(1制御周期毎の)充放電が充電過多か放電過多かにより、充電分極と放電分極のいずれが主に発生しているかを判断する。そして、当該分極の減衰状態を考慮した分極電圧Vpaが、動的減衰量・発生量算出部104の参照テーブル(LUT)104aに記憶された、同分極電圧Vpaと、積算容量の変化量ΔQと温度Tとの関係を示すマップに基づいて算出される。そして、後述する(式3)によって、動的減衰量ΔVp2が求められる。尚、これらのマップは予め実験等により求めておくことができる。さらに、動的発生量ΔVp3は、動的減衰量・発生量算出部104の参照テーブル(LUT)104aに記憶された、後述する分極電圧発生係数hと、所定時間ΔT(ここでは、60sec)における積算容量Qに基づいて、後述する(式3a)によって求めることができる。
また、動的減衰量・発生量算出部104には、前回分極電圧記憶部107から前回の分極電圧Vp(j−1)が入力される。そして、分極電圧算出部100aでは、静的減衰量算出部103からの静的減衰量ΔVp1、又は、動的減衰量・発生量算出部104からの動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3が、それぞれ、減算器105,106に入力される。そして、同減算器105,106において、前回分極電圧記憶部107から出力される前回の分極電圧Vp(j−1)から静的減衰量ΔVp1が減算されるか、或いは、前回の分極電圧Vp(j−1)から動的減衰量ΔVp2が減算されるとともに、前回の分極電圧Vp(j−1)に動的発生量ΔVp3が加算されることで、今回の分極電圧Vp(j)が演算され、起電力算出部14d(減算器14e)に出力される。尚、本実施形態においては、同減算器105,106に入力される減衰量(静的減衰量ΔVp1又は動的減衰量ΔVp2)は、充電分極の場合は符号が+(プラス)となり、放電分極の場合は符号が−(マイナス)となる。
そして、起電力算出部14d(減算器14e)において、無負荷電圧判定部14cからの有効な無負荷電圧Voより、分極電圧演算部100からの分極電圧Vp(j)が減算され、起電力Ve(=Vo−Vp(j))として出力される。
さらに、この起電力算出部14d(起電力演算部14)からの起電力Veは、電流積算係数補正部15に入力される。電流積算係数補正部15では、起電力Veに応じて、電流積算係数κに対する補正量αが決定される。起電力Veに対する補正量αは1次式で表され、この1次式は系の収束性を考慮して決定される。電流積算係数補正部15で求められた補正量αは、充電効率算出部18から出力される充電効率ηと、加算器16において加算されて、電流積算係数κとなる。
加算器16からの電流積算係数κは、SOC推定部17に入力される。SOC推定部17では、電流測定部12からの電流データI(n)に電流積算係数κが乗算されて、前記所定期間Δtにおける電流積算により、残存容量SOCが推定される。
また、このSOC推定値は、前記した充電効率算出部18及び分極電圧推定部19に入力される。
そして、充電効率算出部18では、参照テーブル(LUT)18aに記憶されている、温度TをパラメータとしたSOC推定値に対する充電効率ηの特性曲線から、温度測定部13で測定された温度データT(n)に基づいて、充電効率ηが算出される。尚、電池パックシステム1が放電状態にある場合は、充電効率ηは1に固定され、電池パックシステム1が充電状態にある場合に、充電効率算出部18により算出された充電効率ηが用いられる。
また、分極電圧推定部19では、参照テーブル(LUT)19aに記憶されている、SOC推定値と起電力Veとの関係に基づいて、現在(初期状態)のSOC推定値から現在の起電力Veが推定(演算)され、当該起電力Veを無負荷電圧Voから減算することによって分極電圧Vp(j)の初期値としてのVp(0)が算出される。このVp(0)は、それ以外の分極電圧Vp(j)(j>0)と同様、前回分極電圧記憶部107に入力され、一時的に記憶された後、前記したように、一対の減算器105,106に出力される。
次に、以上のように構成された電池パックシステム1におけるSOC推定の処理手順について、図5を参照して説明する。
まず、ステップS1において、上述したように、電圧データV(n)と電流データI(n)を組データとして測定する(S1)。
続いて、ステップS1aにおいて、二次電池10aが、充放電電流Iが流れていないノー・バッテリカレント状態であるか、或いは、充放電電流Iが流れているバッテリカレント状態にあるかが判別される(S1a;バッテリカレント状態判別ステップ)。具体的には、前記所定期間Δt(ここでは、60sec)を1制御周期として電流測定部12からバッテリカレント状態判別部101に入力される電流データI(n)が、常時0[A]近傍(ここでは、−1[A]<I(n)<1[A])であるか否かが同バッテリカレント状態判別部101において判断される。その結果、同所定期間Δtに電流データI(n)が、常時0[A]近傍である場合に、二次電池10aが、ノー・バッテリカレント状態であると判断され、それ以外の場合にバッテリカレント状態であると判断される。具体的には、図6に示すように、バッテリカレント状態からノー・バッテリカレント状態に移行してからΔt(ここでは、60sec)時間経過以降に当該ノー・バッテリカレント状態での制御が行なわれる。
このステップS1aにおいて、二次電池10aが、ノー・バッテリカレント状態であると判断された場合(判断結果が肯定「YES」)には、ステップS6に進み、バッテリカレント状態であると判断された場合(判断結果が否定「NO」)には、ステップS2に進む。
次に、ステップS2では、ステップS1で測定された電圧データV(n)と電流データI(n)の組データが、有効な組データであるか否かを調べるために、それらが上述した選別条件を満たすか否かを判断する(S2)。
このステップS2の判断で、選別条件を満たさない場合(判断結果が否定「NO」)、ステップS2aに進み、電圧データV(n)と電流データI(n)を組データとして再度測定し(S2a)、その後S2に移行する。一方、ステップS2の判断で、選別条件を満たす場合(判断結果が肯定「YES」)には、ステップS3に進み、複数個(例えば、60サンプル中の充電及び放電方向で各10個)の有効な組データS(V(n),I(n))を取得する(S3)。
次に、有効な組データS(V(n),I(n))から、上述したように、最小二乗法を用いた統計処理により、1次の電圧−電流直線(電圧V−電流I近似直線)を求め、そのV−I近似直線のV切片を無負荷電圧Voとして算出する(S4;無負荷電圧算出ステップ)。
次いで、ステップS4で算出した無負荷電圧Voが有効であるか否かを調べるために、それが上述した判定条件を満たすか否かを判断する(S5)。このステップS5の判断で、判定条件を満たさない場合(判断結果が否定「NO」)には、ステップS3に戻り、別の複数個(例えば、60サンプル中の別の充電及び放電方向で各10個)の有効な組データS(V(n),I(n))を取得して、ステップS4、S5の処理を繰り返す。一方、ステップS5の判断で、算出した無負荷電圧Voが判定条件を満たす場合(判断結果が肯定「YES」)には、算出した無負荷電圧Voを起電力Veの計算に用いる。
ステップS6では、ノー・バッテリカレント状態であるため、最初の所定時間Δt(Δt)の初期の端子電圧Vを無負荷電圧Voとする。
続くステップS7aでは、二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVを測定する(S7a;電圧変動測定ステップ)。具体的には、ノー・バッテリカレント状態において、電圧測定部11から電圧変動測定部102に入力される電圧データV(n)に基づき、図4(a)(ii)に示す所定期間Δtの変動量ΔVを測定する。
そして、ステップS8aでは、同変動量ΔVに基づき、静的減衰量算出部103において、静的減衰量ΔVp1を下式1によって算出するとともに、該静的減衰量ΔVp1に基づいて分極電圧Vpを算出する(S8a;静的減衰量算出ステップ,分極電圧算出ステップ)。
ΔVp1=ΔV・補正係数Ka …(式1)
ここで、補正係数Kaは、前述したとおり、二次電池10aの温度Tに依存する自己放電量に応じて決定される。
そして、同ステップS8aでは、この静的減衰量ΔVp1に基づいて分極電圧Vpを算出する(分極電圧算出ステップ)。具体的には、前記した減算器105,106及び前回分極電圧記憶部107によって、分極電圧Vpを下式2によって算出し、ステップS9に進む。
今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp1 …(式2)
ここで、jは1制御周期に対応させている。また、分極電圧Vp(j)の初期値としてのVp(0)は上述した方法により算出される。
一方、ステップS7bでは、バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量を算出する(S7b;動的減衰量・発生量算出ステップ)。具体的には、動的減衰量・発生量算出部104において、バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての動的減衰量ΔVp2を下式3によって算出する。
ΔVp2=分極電圧Vpa・減衰係数Kb …(式3)
ここで、減衰係数Kbは、二次電池10aが充放電の行われているバッテリカレント状態にあることを想定して決定されたものであり、充放電電流Iの積算容量Q及び二次電池10aの温度Tに応じて決定される。具体的には、減衰係数Kbは、動的減衰量・発生量算出部104の参照テーブル(LUT)104aに記憶された、同減衰係数Kbと、充放電電流Iの積算容量Q及び二次電池10aの温度Tの関係を示すマップに基づいて算出される。
また、動的減衰量・発生量算出部104は、動的発生量ΔVp3をバッテリカレント状態における分極電圧Vpの発生量としての動的発生量ΔVp3を下式3aによって算出する。このように、1制御周期の動的発生量ΔVp3は、充放電電流Iの積分量に係数hを乗算し、ある値で制限することによって得られる。
ΔVp3=h・∫I …(式3a)
ここで、hは、二次電池10aの温度Tをパラメータとして、予め実験等によって求められた関数f(T)に基づいて算出される分極電圧発生係数であり、∫Iは、電流データI(n)の電流積算値、つまり、積算容量Qを示す。
尚、一般に、正極(電極)、負極(電極)、セパレータ、及び電解液からなる二次電池において、バッテリカレント状態では、二次電池10aが充放電を煩雑に繰り返していることにより、分極電圧Vpを発生させる原因となる電極反応界面のイオン種が速やかに消失するため、分極電圧Vpの減衰速度が速い。これに対し、ノー・バッテリカレント状態では二次電池10aに電流が流れないため、電極反応界面のイオン種が消失しにくい。このためバッテリカレント状態に比べ、著しく分極電圧Vpの減衰速度が遅い。したがって、ノー・バッテリカレント状態においても、上式3で算出した動的減衰量ΔVp2を使用して分極電圧Vpを算出すれば、つまり、ノー・バッテリカレント状態においても、動的減衰量・発生量算出ステップとしてのステップS7bにおける動的減衰量ΔVp2を用いて分極電圧Vpを算出すれば、ノー・バッテリカレント状態においては、静的減衰量ΔVp1を使用した場合と比較して分極電圧Vpは過度に減衰してしまうことになる。そして、演算される分極電圧Vpが実際と乖離するようになって、前記した方法により算出される起電力Ve、及び、推定されるSOC(SOC推定値)に誤差を生じることとなる。
次に、ステップS8bにおいて、この動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3に基づいて分極電圧Vpを算出する(S8b;分極電圧算出ステップ)。具体的には、前記した分極電圧算出部100aによって、分極電圧Vpを下式4によって算出し、ステップS9に進む。
今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp2+ΔVp3 …(式4)
すると、図6に示すように、二次電池10aに充放電電流Iが流れなくなり、ノー・バッテリカレント状態になってからの最初の所定期間Δto(=60sec)、つまり、最初の制御周期では、分極電圧Vpは、計算上、動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3に従い、急峻に減少することがあるが、同所定期間Δtoを過ぎると、静的減衰量ΔVp1に従い、緩やかに減少するようになる。
ステップS9では、有効な無負荷電圧VoからステップS8a又はステップS8bで得られた分極電圧Vpを減算し、起電力Veとする(S9;起電力算出ステップ)。尚、ここでは、充電方向に分極電圧Vpが生じていれば、起電力Veが実際値より高めに算出され、放電方向に分極電圧Vpが生じていれば、起電力Veが実際値より低めに算出されることになる。
次のステップS10では、起電力Veに応じて、電流積算係数κに対する補正量αを算出する(S10)。また、測定した温度データT(n)に基づいて、現在推定している残存容量SOC(SOC推定値)から充電効率ηを算出する(S11)。次に、ステップS10で求めた補正量αとステップS11で求めた充電効率ηとを加算して、電流積算係数κを算出する(S12)。最後に、電流積算係数κを電流データI(n)に乗算して、各所定期間Δtにおける電流積算により、残存容量SOCを推定する(S13;残存容量推定ステップ)。
本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。
(1)ノー・バッテリカレント状態において測定され、二次電池10aに充放電電流Iが流れず、その起電力Veに変動がないために分極電圧Vpの減衰のみが寄与すると考えられる二次電池10aの端子電圧Vの変動量ΔVに基づいて分極電圧Vpが算出される。このため、算出される分極電圧Vpが過度に減衰することがなく、ノー・バッテリカレント状態における実際の分極電圧値に近づくようになる。この結果、起電力Veが正確に算出されるとともに、SOCが正確に推定されるようになる。また、二次電池10aの端子電圧Vの変動量ΔVに基づき、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1が算出されるとともに、該ΔVp1に基づいて分極電圧Vpが算出される。このような静的減衰量ΔVp1を用いることにより、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpが的確に算出されるようになる。
(2)静的減衰量ΔVp1が、ΔVp1=ΔV・補正係数Kaによって算出されるとともに、分極電圧Vpが、今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp1によって算出される。このような計算式を用いることにより、ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpが的確に算出されるようになる。
(3)ノー・バッテリカレント状態において静的減衰量ΔVp1の計算に用いる補正係数Kaが、二次電池10aの温度Tに依存する自己放電量に応じて決定される。これにより、分極電圧Vpを得るための静的減衰量ΔVp1が正確に算出されるようになる。
(4)動的減衰量ΔVp2が、ΔVp2=分極電圧Vpa・減衰係数Kbによって算出され、動的発生量ΔVp3が、ΔVp3=h・∫Iによって算出されるとともに、分極電圧Vpが、今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp2+ΔVp3によって算出される。このような計算式を用いることにより、二次電池10aにおいて、バッテリカレント状態とノー・バッテリカレント状態が明確に区分され、且つ、バッテリカレント状態における分極電圧Vpが的確に算出されるようになる。
(5)バッテリカレント状態において動的減衰量ΔVp2の計算に用いる減衰係数Kbが、二次電池10aに流れる充放電電流Iの積算容量Q及び二次電池10aの温度Tに応じて決定される。これにより、分極電圧Vpを得るための動的減衰量ΔVp2が正確に算出されるようになる。
尚、上記実施形態は以下のように変形してもよい。
・上記実施形態では、HEVを走行状態から駐停車を行い、エンジンを停止させてからの期間において発生するノー・バッテリカレント状態を想定したが、これに限られず、HEVの起動時からエンジンを始動させるまでクランクシャフトが回転していない期間において発生するノー・バッテリカレント状態を想定することも可能である。尚、後者の場合、ノー・バッテリカレント状態が、分極電圧Vpの推定を開始した時点(イグニッションスイッチのオン時)から継続しているので、前者の場合(図6参照)に比較して、分極電圧Vpの減衰は緩やかとなる。
・上記実施形態では、1制御周期を所定期間Δt(=60sec)に設定した。しかしこれに限られず、算出される分極電圧Vpを過度に減衰させない限り、例えば、10min(=600sec)の範囲内で任意に設定することができる。
・上記実施形態では、補正係数Kaは、二次電池10aの温度Tに依存する自己放電量に応じて決定するようにしたが、これに限られず、積算容量Q及び二次電池10aの温度Tや、さらにそれに加え、前回の分極電圧Vp(j−1)に応じて決定することも可能である。
・上記実施形態では、起電力演算部14から出力される起電力Veに対して何ら補正を行うことなく電流積算係数補正部15に入力した。しかしこれに限られず、起電力演算部14から出力される起電力Veに対して、同起電力Veの1制御周期ごとの変化量ΔVeが所定の制限値Vtを超える場合、同変化量ΔVeが当該制限値Vtを超えないように、起電力Veを補正してもよい。具体的には、二次電池10aが充電側であって、変化量ΔVeが当該制限値Vtを超える場合に、今回の起電力Ve=前回の起電力Ve+Vtとし、二次電池10aが放電側であって、変化量ΔVeが当該制限値Vtを下回る場合に、今回の起電力Ve=前回の起電力Ve−Vtとすることが挙げられる。
・上記実施形態では、電池パックシステム1をハイブリッド車両(HEV)に搭載する場合について説明した。しかしこれに限られず、本発明の技術的思想は、電池パックシステム1を電気自動車(PEV)に搭載する場合について適用することも勿論可能である。
・上記実施形態では、本発明の技術的思想をニッケル−水素バッテリにより構成された電池パックシステム1に適用した。しかしこれに限られず、本発明の技術的思想は、その他の蓄電池、例えば、リチウムイオンバッテリ、金属リチウムバッテリ、ニッケル亜鉛電池により構成される電池パックシステム1に対しても同様に適用することができることは勿論である。
さらに、前記した実施形態および変形例より把握できる技術的思想について以下に記載する。
○請求項2に記載の二次電池の残存容量推定方法において、
前記分極電圧算出ステップでは、前記動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3を、下式3及び式3a、
ΔVp2=分極電圧Vpa・減衰係数Kb …(式3)
ΔVp3=h・∫I …(式3a)
(ここで、分極電圧Vpaは、充放電電流Iの積算容量の変化量と二次電池の温度Tとの関係を示すマップに基づいて算出される。また、減衰係数Kbは、充放電電流Iの積算容量及び二次電池の温度Tに応じて決定される。さらに、hは、二次電池の温度Tをパラメータとして、予め実験等によって求められた関数f(T)に基づいて算出される分極電圧発生係数であり、∫Iは、充放電電流Iの積算容量を示す。)
によって算出するとともに、前記分極電圧Vpを、下式4、
今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp2+ΔVp3 …(式4)
によって算出するようにした二次電池の残存容量推定方法。
同構成によれば、動的減衰量ΔVp2が、ΔVp2=分極電圧Vpa・減衰係数Kbによって算出され、動的発生量ΔVp3が、ΔVp3=h・∫Iによって算出されるとともに、分極電圧Vpが、今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp2+ΔVp3によって算出される。このような計算式を用いることにより、二次電池において、バッテリカレント状態とノー・バッテリカレント状態が明確に区分され、且つ、バッテリカレント状態における分極電圧Vpが的確に算出されるようになる。
○上記技術的思想の二次電池の残存容量推定方法において、
前記減衰係数Kbは、二次電池に流れる充放電電流の積算容量及び二次電池の温度に応じて決定するようにした二次電池の残存容量推定方法。
同構成によれば、バッテリカレント状態において動的減衰量ΔVp2の計算に用いる減衰係数Kbが、二次電池に流れる充放電電流の積算容量及び二次電池の温度に応じて決定される。これにより、分極電圧Vpを得るための動的減衰量ΔVp2が正確に算出されるようになる。
本発明の実施形態に係る電池パックシステムの電気的構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る分極電圧演算部の電気的構成を示すブロック図。 電圧データV(n)と電流データI(n)の組データと、統計処理により無負荷電圧Voを求めるための近似直線とを示すグラフ図。 (a)(i)(ii)は、ノー・バッテリカレント状態での二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVを示すグラフ図、(b)は、同状態での分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1を示すグラフ図。 二次電池のSOC推定方法の処理手順を示すフローチャート図。 ノー・バッテリカレント状態での二次電池の分極電圧Vpの減衰を示すグラフ図(Aは同減衰を示す部分拡大図)。
符号の説明
1…電池パックシステム、10…電池ECU、14…起電力演算部、14d…起電力算出部、14e,105,106…減算器、16…加算器、17…SOC推定部、18a,19a,103a,104a…参照テーブル(LUT)、100…分極電圧演算部、100a…分極電圧算出部、102…電圧変動測定部、103…静的減衰量算出部、104…動的減衰量・発生量算出部。

Claims (4)

  1. 二次電池の無負荷電圧Voを算出する無負荷電圧算出ステップと、
    二次電池に充放電電流が流れていないノー・バッテリカレント状態と、二次電池に充放電電流が流れているバッテリカレント状態とを判別するバッテリカレント状態判別ステップと、
    前記ノー・バッテリカレント状態において、二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVを測定する電圧変動測定ステップと、同ノー・バッテリカレント状態において、該変動量ΔVに基づき、前記ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1を算出する静的減衰量算出ステップと、
    前記バッテリカレント状態において、分極電圧Vpの動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3を算出する動的減衰量・発生量算出ステップと、
    前記減衰量ΔVp1、又は、前記減衰量ΔVp2及び発生量ΔVp3を用いて分極電圧Vpを算出する分極電圧算出ステップと、
    前記無負荷電圧Voから前記分極電圧Vpを減算することにより、前記二次電池の起電力Veを算出する起電力算出ステップと、
    前記起電力Veに基づいて、前記二次電池の残存容量(SOC)を推定する残存容量推定ステップと、を備える二次電池の残存容量推定方法。
  2. 請求項1に記載の二次電池の残存容量推定方法において、
    前記分極電圧算出ステップでは、前記静的減衰量ΔVp1を、下式1、
    ΔVp1=ΔV・補正係数Ka …(式1)
    によって算出するとともに、前記分極電圧Vpを、下式2、
    今回の分極電圧Vp(j)=前回の分極電圧Vp(j−1)−ΔVp1 …(式2)
    によって算出するようにした二次電池の残存容量推定方法。
  3. 請求項2に記載の二次電池の残存容量推定方法において、
    前記補正係数Kaは、二次電池の温度に依存する自己放電量に応じて決定するようにした二次電池の残存容量推定方法。
  4. 二次電池の無負荷電圧Voを算出する無負荷電圧算出部と、
    二次電池に充放電電流が流れていないノー・バッテリカレント状態と、二次電池に充放電電流が流れているバッテリカレント状態とを判別するバッテリカレント状態判別部と、
    前記ノー・バッテリカレント状態において、二次電池の端子電圧Vの変動量ΔVを測定する電圧変動測定部と、同ノー・バッテリカレント状態において、該変動量ΔVに基づき、前記ノー・バッテリカレント状態における分極電圧Vpの減衰量としての静的減衰量ΔVp1を算出する静的減衰量算出部と、
    前記バッテリカレント状態において、分極電圧Vpの動的減衰量ΔVp2及び動的発生量ΔVp3を算出する動的減衰量・発生量算出部と、
    前記減衰量ΔVp1、又は、前記減衰量ΔVp2及び発生量ΔVp3を用いて分極電圧Vpを算出する分極電圧算出部と、
    前記無負荷電圧Voから前記分極電圧Vpを減算することにより、前記二次電池の起電力Veを算出する起電力算出部と、
    前記起電力Veに基づいて、前記二次電池の残存容量(SOC)を推定する残存容量推定部と、を備える二次電池の残存容量推定装置。
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