JP2011103748A - 電池の充放電可能電流演算方法及び電源装置並びにこれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電の電流や電圧に基づいて、電池の充放電可能な電流の最大値を正確に特定する。
【解決手段】抵抗値Ｒを、物理的な抵抗値Ｒ_oと化学的な抵抗値Ｒ_pに分割する工程と、特定の時間ｔ₂における使用可能最大電流Ｉ_{_target}を予測するため、複数の設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおける電池の開放電圧Ｖ_oを補正する工程と、補正された物理的な抵抗値Ｒ_o、化学的な抵抗値Ｒ_p、電池の開放電圧Ｖ_oに基づいて、複数の設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおける、到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xを求める工程と、設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xならびに到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xに基づいて、電池の電流−電圧曲線を作成し、各温度における上下限電圧Ｖ_max，Ｖ_minにおける上下限電流Ｉ_max，Ｉ_minを求め、上限電流Ｉ_maxを充電における使用可能最大電流Ｉ_{_target}とし、下限電流Ｉ_minを放電における使用可能最大電流Ｉ_{_target}とする工程とを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、電池を充放電可能な電流の最大値を推定する充放電可能電流演算方法及び電源装置並びにこれを備える車両に関し、例えば車両走行用モータを駆動する電源装置に含まれる電池の最大電流を推定する充放電可能電流演算方法及び電源装置並びにこれを備える車両に関する。

電池は、残容量の少ないときに大きな電流で放電し、あるいは残容量が大きいときに大きな電流で充電すると電気特性が低下する性質がある。このため、例えば車両のモータを駆動する電源装置の電池は、残容量によって最大の充電電流と放電電流を制限することが重要となる。最大電流を制限しないと、電池の残容量が小さいときに、車両が急加速されると放電電流によって電池電圧が急激に低下すると、あるいは車両に急ブレーキをかけた際、残容量が大きい電池が大電流で充電されて電池電圧が急激に上昇すると、電池の特性が著しく低下する等の弊害が発生する。特に、車両用の電源装置は、極めて大きな電流で電池を充放電するので、最大電流を制限しないと、電池の寿命が極めて短くなる。このことは、電池から大出力が要求される用途、例えば自動車等の車両、自転車、電動工具等に使用される電源装置において、特に大切である。

一方で、電源装置で駆動される接続機器側では可能な限り大きな電流を利用したいという要求がある。このため、電池の電気特性を低下させることのない範囲で、可能な限り大きな電流で充放電するよう、現在の電源装置で利用可能な最大電流を正確に把握することが重要となる。このような電流演算方法としては、検出された電池の残容量（state-of-charge：ＳＯＣ）や充放電量、電池温度等に基づいて、予め測定されたテーブルを参照して充放電電流制限値を特定する方法や、電池電圧（例えば開路電圧（Open circuit voltage：ＯＣＶ；Ｖ_o））を測定し、予め決められたモデル（例えば数式）に基づいて充放電電流制限値を演算する方法が知られている。

しかしながら、テーブルを参照する方法では、電池のヒステリシス変化に対応できず、残容量、温度計測の誤差をダイレクトに反映させてしまう問題がある。

一方、モデルに基づく方法では、電流、電圧測定の同期性ズレによる抵抗値の測定誤差が残容量検出に大きく影響し、また、電池のヒステリシスの状態によっては過大な電流を許可することがある。

このように電池の残容量の検出を誤って過大な電流を許可すると、電池の充放電の際に過大な負荷がかかる動作を行ってしまうことがあり、電池の寿命を著しく低下させる原因となる。また一方で、電池が自己放電することによっても残容量が変化する。これらの要因によって電池の残容量の推測は困難となり、正確な残容量を把握することは極めて困難であった。

特開２００６−１９７７２７号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、充放電の電流、電圧、温度に基づいて、電池の充放電可能な電流の最大値を正確に特定可能な電池の充放電可能電流演算方法及び電源装置並びにこれを備える車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、電池の充放電において使用可能な最大電流値を、電池の電流、電圧、温度の少なくともいずれかに基づいて推定する充放電可能電流演算方法であって、所定の時間における平均電流値Ｉ₁，Ｉ₂と平均電圧Ｖ₁，Ｖ₂に基づいて、抵抗値Ｒを演算する工程と、演算された抵抗値Ｒを、物理的な抵抗値Ｒ_oと化学的な抵抗値Ｒ_pに分割する工程と、過去から現在までのパルス放電又は充電時間ｔ₁に基づいて、化学的な抵抗値Ｒ_pを補正する工程と、過去の充放電履歴による電圧変動Ｖ_hを求める工程と、検出された電池温度及び電池の残容量ＳＯＣから、物理的な抵抗値Ｒ_oを補正する工程と、各抵抗値Ｒ_o，Ｒ_pと電流Ｉ、電圧Ｖ、電圧変動Ｖ_hから、電池の開放電圧Ｖ_oを推定する工程と、特定の時間ｔ₂における使用可能最大電流Ｉ_{_target}を予測するため、複数の設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおける電池の開放電圧Ｖ_oを補正する工程と、前記補正された物理的な抵抗値Ｒ_o、化学的な抵抗値Ｒ_p、電池の開放電圧Ｖ_oに基づいて、複数の設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおける、到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xを求める工程と、前記設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xならびに到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xに基づいて、電池の電流−電圧曲線を作成し、各温度における上下限電圧Ｖ_max，Ｖ_minにおける上下限電流Ｉ_max，Ｉ_minを求め、上限電流Ｉ_maxを充電における使用可能最大電流Ｉ_{_target}とし、下限電流Ｉ_minを放電における使用可能最大電流Ｉ_{_target}とする工程と、を含むことができる。これにより、充放電での使用可能最大電流値を正確に演算できる。

また、第２の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、さらに特定の時間ｔ₂における使用可能最大電流Ｉ_{_target}を予測するため、推定時間ｔ₂、又は現在までのパルス時間と推定時間の和ｔ₁＋ｔ₂に基づいて化学的な抵抗値Ｒ_pを補正し、さらに複数の設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおける電池の残容量ＳＯＣ_a〜ＳＯＣ_n及び電池の温度に基づいて、物理的な抵抗値Ｒ_oを補正する工程とを含むことができる。これにより、化学的な抵抗値及び物理的な抵抗値をさらに補正できる。

さらに、第３の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記抵抗値Ｒを、過去に求めた抵抗値Ｒ_oldと現在求めた抵抗値Ｒ_nowの重み付け平均値とできる。

さらにまた、第４の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記電圧変動Ｖ_hを、所定の回数の過去の充放電パルス時の時間補正された化学的な抵抗値Ｒ_p、電流Ｉならびに該充放電パルス終了後時間に依存する係数の積の総和とできる。

さらにまた、第５の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記下限電圧Ｖ_minを、電池の電流−電圧曲線の直線性を維持可能な電圧に設定することができる。

さらにまた、第６の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記下限電圧Ｖ_minが、電池の電流−電圧曲線の直線性を維持できない低い電圧に設定されたとき、前記到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xを補正することができる。

さらにまた、第７の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xを補正するため、前記到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xと直線性を維持可能な下限電圧Ｖ_minとの差、比率に基づいて補正することができる。

さらにまた、第８の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記下限電圧Ｖ_minとの差、比率に基づいて、電圧を補正し、又は化学的な抵抗値Ｒ_p、物理的な抵抗値Ｒ_oを補正し、再度到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xを求めることができる。

さらにまた、第９の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、測定された電圧Ｖが設定電圧Ｖ_x以下の場合、化学的な抵抗値Ｒ_pを補正することができる。

さらにまた、第１０の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、前記電池をリチウムイオン二次電池とできる。

さらにまた、第１１の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、さらに推定された充放電可能電流値を、情報処理系を持つ接続機器に送信する工程を含むことができる。これにより、例えばＨＥＶ車両等の接続機器に対して、適切な使用可能最大電流を逐次報告できる。

さらにまた、第１２の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、電池の充放電において使用可能な最大電流値を、電池の電流、電圧、温度の少なくともいずれかに基づいて推定する充放電可能電流演算方法であって、電池の電圧Ｖ_nを検出する工程と、電池の電流−電圧曲線において、勾配が急峻に変化する電圧である所定の設定電圧Ｖ_xを予め設定しておき、前記検出された電圧Ｖ_nが、該設定電圧Ｖ_xよりも低い範囲となるように、充放電可能電流値を演算する工程と、前記演算された充放電可能電流値を、接続機器側に出力する工程と、を含むことができる。これにより、より広い電圧範囲での電池の利用が可能となり、これに応じた高い充放電電流を設定できる。

さらにまた、第１３の側面に係る電池の充放電可能電流演算方法によれば、さらに前記演算された充放電可能電流値における電圧値から、さらに電池によって決定される所定の電圧値ΔＶ_{W_max}を減算した補正電圧値を演算する工程と、該補正後の補正電圧値を接続機器側に出力する工程と、を含むことができる。これにより、意図的に電圧を低く設定することで、電流を上げて結果的により高い電力を出力することが可能となる。

さらにまた、第１４の側面に係る電源装置によれば、複数の二次電池を備える電池ユニット２０と、前記電池ユニット２０に含まれる二次電池の電圧を検出するための電圧検出部１２と、前記電池ユニット２０に含まれる二次電池の温度を検出するための温度検出部１４と、前記電池ユニット２０に含まれる二次電池に流れる電流を検出するための電流検出部１６と、前記電圧検出部１２と温度検出部１４と電流検出部１６から入力される信号を演算して二次電池の最大制限電流値を検出する演算部１８と、前記演算部１８で演算された残容量や最大制限電流値を接続機器に伝送する通信処理部１９とを備えており、前記演算部１８が、電池の電流−電圧曲線において、勾配が急峻に変化する電圧である所定の設定電圧Ｖ_xよりも、前記電圧検出部で検出された電圧Ｖ_nが低い範囲となるように、充放電可能電流値を演算可能とできる。これにより、より広い電圧範囲での電池の利用が可能となり、これに応じた高い充放電電流を設定できる。

さらにまた、第１５の側面に係る電源装置によれば、前記演算部１８が、前記演算された充放電可能電流値における電圧値から、さらに電池によって決定される所定の電圧値ΔＶ_{W_max}を減算した補正電圧値を、接続機器側に出力可能に構成できる。これにより、意図的に電圧を低く設定することで、電流を上げて結果的により高い電力を出力することが可能となる。

さらにまた、第１６の側面に係る車両によれば、上記いずれかの電源装置を備えることができる。

本発明の一実施の形態に係る電池の制限電流制御方法に使用する電源装置の一例を示すブロック図である。 電池セルの電圧Ｖの時間変化を示すグラフである。 電池セルの放電に伴う電流Ｉと電圧Ｖの関係を示すグラフである。 電池セルの電圧Ｖと、その電圧において出力可能な電力Ｗの関係を示すグラフである。 電池の充放電可能電流演算方法を示すフローチャートである。 エンジンとモータの走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための二次電池の電力制御方法及び電源装置を例示するものであって、本発明は二次電池の電力制御方法及び電源装置を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（電源装置１００）

図１は、本発明の一実施の形態に係る電池の充放電可能電流演算方法に使用する電源装置の構成を示すブロック図である。この図に示す電源装置１００は、二次電池２２を含む電池ユニット２０と、残容量検出装置１０とを備える。残容量検出装置１０は、電池の電圧を検出する電圧検出部１２と、電池の温度を検出する温度検出部１４と、電池に流れる電流を検出する電流検出部１６と、電圧検出部１２と温度検出部１４と電流検出部１６から入力される信号を演算して電池の残容量を検出すると共に、残容量や電池温度から電池ユニット２０の最大制限電流値を検出する演算部１８と、演算された残容量や最大制限電流値を接続機器ＥＤに伝送する通信処理部１９とを備えている。通信処理部１９は接続機器通信端子３０に接続している。通信処理部１９は、接続機器通信端子３０を介して接続機器に接続されて、残容量や最大制限電流値を示す信号を接続機器に伝送する。この例では、接続機器として自動車等の車両を用い、電源装置１００を車両に搭載して車両を走行させるモータＭを駆動する。通信処理部１９は、車両に設けられた車両側制御部と接続されて通信を行う。以下、車両用の電源装置について説明する。

電池ユニット２０に内蔵される二次電池２２は、リチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池は、ニッケル水素電池等に比べ、ＳＯＣとＯＣＶの関係が特定しやすい利点がある。逆にニッケル水素電池は、ＳＯＣとＯＣＶの関係があいまいで変動することがあるため、適用は容易でない。また、電池セルは一つ又は複数を直列、または並列あるいは直列と並列を組み合わせて接続している。電池セルは複数の電池セルを連結したモジュール乃至電池ブロックで構成され、複数のモジュールを連結して電池ユニット２０を構成している。

電圧検出部１２は、電池ユニット２０に内蔵される二次電池２２の電圧を検出する。図の電池ユニット２０は、複数の二次電池２２の各セル電圧を検出している。ただ、すべての電池電圧を検出する構成のみならず、代表的な電池セルの電圧のみ、あるいは電池ユニット２０を構成する電池モジュール毎に電圧を検出する構成としてもよい。電圧検出部１２は、検出した電圧をアナログ信号として演算部１８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して演算部１８に出力する。電圧検出部１２は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池電圧を検出して、検出した電圧を演算部１８に出力する。演算部１８は設定時間帯に入力される複数回の電圧値を平均して、電池の電圧として残容量を演算して、残容量を正確に演算できる。この方法は設定時間帯を、たとえば０．５秒〜５秒間に設定し、あるいは１〜１０秒間に設定する。

温度検出部１４は、電池ユニット２０に内蔵される電池の温度を検出する温度センサ１７を備える。温度センサ１７は、電池の表面に接触し、あるいは熱伝導材を介して電池に接触し、あるいはまた電池の表面に接近して電池に熱結合されて電池温度を検出する。温度センサ１７はサーミスタである。ただし、温度センサ１７には、ＰＴＣやバリスタ等、温度を電気抵抗に変換できるすべての素子を使用できる。また、温度センサ１７には、電池から放射される赤外線を検出して電池に非接触な状態で温度を検出できる素子も使用できる。温度検出部１４も、検出した電池温度をアナログ信号で演算部１８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して演算部１８に出力する。温度検出部１４は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池温度を検出して、検出した電池温度を演算部１８に出力する。

電流検出部１６は、電池と直列に抵抗素子を接続し、この抵抗素子の両端に誘導される電圧を検出して、電池に流れる放電電流を検出する。抵抗素子は低抵抗な抵抗器である。ただ抵抗素子には、トランジスタやＦＥＴ等の半導体も使用できる。電池の充電電流と放電電流は電流が流れる方向が逆であるから、抵抗素子に誘導される正負の極性が反転する。したがって、抵抗素子の極性で放電電流と判定して、抵抗素子に誘導される電圧で電流を検出できる。電流が抵抗素子に誘導される電圧に比例するからである。この電流検出部１６は、電池の放電電流を正確に検出できる。ただし、電流検出部１６は、リード線に流れる電流で外部に漏れる磁束を検出して電流を検出する構造とすることもできる。電流検出部１６も、検出した放電電流をアナログ信号で演算部１８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して演算部１８に出力する。電流検出部１６は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に放電電流を検出して、検出した放電電流を演算部１８に出力する。

電圧検出部１２と温度検出部１４と電流検出部１６から、一定のサンプリング周期でデジタル値の信号を演算部１８に出力する装置は、各々の検出部から演算部１８にデジタル信号を出力するタイミングをずらせて、順番にデジタル信号を演算部１８に出力する。演算部１８は、電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して残容量を演算する。また演算部１８は、各演算に必要な値やデータ、設定、ルックアップテーブルＬＵＴ等を、演算部１８に接続しているメモリ１１に記憶している。メモリ１１はＥ²ＰＲＯＭ等の不揮発性メモリやＲＡＭなどの揮発性メモリが利用できる。
（電池の充放電可能電流演算方法）

車両のモータを駆動する電源装置は、電池の残容量でもって、電池の充放電電流制限値を決定し、この充放電電流制限値を最大値として、これ以下の電流値で充放電させる。従来、充放電電流制限値は、電池の劣化を抑制しつつ、電池を充放電できる最大電流に設定されていた。特に二次電池としてニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池を用いた電源装置においては、過充電や過放電による電池の劣化を抑制することに重点が置かれてきた。一方、本発明者が行った試験によれば、リチウムイオン二次電池においては、ニッケル水素電池などに比べ、電池電圧をより大きく設定しても、実用上の問題なく使用を継続できることを見出した。またニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池においては、ＳＯＣとＯＣＶの関係に幅があり、一義的に決定するのが困難であったのに対し、リチウムイオン二次電池ではＳＯＣとＯＣＶの関係をほぼ特定できることから、より正確な電池電圧や電流制御が可能であることを見出した。本発明は、このような知見に基づいて、電池の劣化に注意しつつも、従来よりもより大電流での充放電を可能とした充放電可能電流の演算方法を見出したものである。

図２に、電池セルの電圧Ｖの時間変化を示す。電圧Ｖは、電流Ｉで放電を開始すると共に、降下していく。このときの降下分ΔＶは、２つの成分ΔＶ_OとΔＶ_pに分けることが出来る。この内、ΔＶ_Oはほぼ一定の成分であり、その降下分は抵抗による電圧降下として表現できる。すなわち、電流Ｉを一定とすると、ΔＶ_O＝Ｒ_O＊Ｉで表現できる。ここでＲ_Oは、抵抗値Ｒの内、一定成分を示している。

一方、ΔＶ_Pは時間と共に変化する成分であり、その値は抵抗成分Ｒの内、時間変化成分Ｒ_Pを用いて、ΔＶ_P＝Ｒ_P＊Ｉで表現できる。このように、電池セルの抵抗値Ｒを一定成分Ｒ_oと、時間変化成分Ｒ_pとに分割して考えると、Ｒ_oは物理的な抵抗値であり、環境温度や経年劣化を無視すれば、ほぼ一定とみなせるオーミック抵抗である。一方Ｒ_pは、化学的な抵抗値であり、分極抵抗と考えられる。このように抵抗成分を分割し、さらに各抵抗成分を補正することで、より正確な充放電可能電流の最大値を推定できると考えられる。

さらに図３に、電池セルの放電に伴う電流Ｉと電圧Ｖの関係（電池の電流−電圧曲線；Ｉ−Ｖプロット）を模式的に示す。この図に示すように、電圧Ｖは放電される電流Ｉが大きくなるにつれてほぼ一定の勾配で低下していき、ある電圧（設定電圧）Ｖ_xで勾配が急峻に変化する。このため、充放電可能電圧としては、設定電圧Ｖ_xを目標として推定することになる。特に従来のニッケル水素電池では、電圧がＶ_xよりも低くなると、電池の劣化が進むと考えられ、設定電圧Ｖ_xを充放電可能電圧の目標とする制御、演算が行われてきた。これに対し本発明者が行った試験によれば、リチウムイオン二次電池では、電圧が設定電圧Ｖ_xを下回っても電池寿命に与える影響は問題ないとの知見を得た。よって電圧が下限電圧Ｖ’_Xに達しない範囲であれば低い電圧範囲であっても利用することができ、これによってより広い電圧範囲での電池の利用を図ることもできる。いいかえると、従来の設定電圧Ｖ_x以上を利用範囲とする制御に加え、電圧Ｖ’_X以上を利用可能とする制御も可能となる。この場合、Ｉ−Ｖプロットを、一点鎖線に示す直線で近似した制御も可能となる。

さらにまた図４に、電池セルの電圧Ｖと、その電圧において出力可能な電力Ｗの関係を模式的に示す。電力Ｗは電圧Ｖにその時点での電流Ｉを乗算して求められる。例えば充放電可能な電圧値がＶ_maxであると推定された場合、該推定電圧Ｖ_maxよりもさらにΔＶ_{W_max}だけ低い電圧Ｖ_{W_max}で、利用可能な電力Ｗのピーク値が得られることを本願発明者は見出した。よって、推定電圧Ｖ_maxよりも意図的にΔＶ_{W_max}だけ低い電圧Ｖ_{W_max}に設定することで、電圧値が低くとも電流値を高くし、結果的により多くの電力を出力できる。ΔＶ_{W_max}は、リチウムイオン二次電池の場合、約０．２Ｖである。

以下、電池の充放電可能電流演算方法を図５のフローチャートに基づいて説明する。
（ステップＳ１ 抵抗値算出）

まず、抵抗値を算出する。ここでは、２つの平均電流値Ｉ₁、Ｉ₂と、そのときの平均電圧Ｖ₁、Ｖ₂に基づいて、抵抗値Ｒを演算する。ここで、Ｉ₂、Ｖ₂は、−２秒〜０秒までの２秒間の平均電流と平均電圧であり、Ｉ₁、Ｖ₁は−４秒〜−２秒までの２秒間の平均電流と平均電圧である。また、電池セル温度も検出しておく。これらを用いて、現在の抵抗値Ｒ_nowを次式で算出する。

なお、本発明者の行った試験によれば、平均電流及び平均電圧を求める時間幅は、０．５秒〜５秒とすることで、良好な結果が得られることを確認した。サンプリング周期を短くすると正確な制御が行える反面、間隔が０．５秒よりも短いと平均化の効果が薄れ、また５秒よりも長いと、車両側に逐次送信する充放電可能電流の情報の更新頻度が低くなり、精度が低下する。好ましくは、２秒程度とする。次に、この現在の抵抗値Ｒ_nowと、以前の抵抗値Ｒ_oldを用いて、重み付けにより抵抗値Ｒを次式で演算する。

上式において、ａ₁は重み付けを決める係数であり、０〜１の範囲で決定される。この例では、０．０５に設定している。すなわち、以前の演算で得られた抵抗値Ｒ_oldを９５％、新たに得られた抵抗値Ｒ_nowを５％、それぞれ考慮することになる。
（ステップＳ２ 抵抗値分割）

次にステップＳ２では、ステップＳ１で演算された抵抗値の抵抗成分を、物理的な抵抗値Ｒ_oと、化学的な抵抗値Ｒ_pとに分割する。ここでは、物理的な抵抗値Ｒ_oは、ほぼ一定のオーミック抵抗であり、時間によって変化しないと仮定する。厳密には、経時劣化によって抵抗値が変化するが、ここでは考慮しないこととする。要するに、時間変化しない一定分を物理的な抵抗値Ｒ_oと定義する。

一方の化学的な抵抗値Ｒ_pは、分極抵抗であり、時間によって変化する抵抗成分である。これら物理的な抵抗値Ｒ_oと化学的な抵抗値Ｒ_pとを、次式で演算する。

ここで、Ｒ_ini、Ｒ_{o ini}、Ｒ_{p ini}はそれぞれ、電池温度に基づいて予め作成されたルックアップテーブルＬＵＴに基づいて決定される。また、ｔ_{au t}も化学的抵抗値Ｒ_pのサンプリング時間に基づいてルックアップテーブルＬＵＴで決定される。この例では、サンプリング時間を２秒としているため、ｔ_{au t}はＬＵＴの２秒の欄に該当する値を引いて決定される。
（ステップＳ３ 検出電圧Ｖ_nと設定電圧Ｖ_xとの比較）

さらに、検出された電圧Ｖ_nを、所定の設定電圧Ｖ_xと比較する。ここで設定電圧Ｖ_xは、図３に示すＩ−Ｖプロット勾配の変化する電圧である。この比較の結果、測定電圧Ｖ_n≧設定電圧Ｖ_xの場合は、ステップＳ４−１に進み、測定電圧Ｖ_n＜設定電圧Ｖ_xの場合は、ステップＳ４−２に進む。
（ステップＳ４−１ 化学的抵抗値Ｒｐの補正）

次に、現在までのパルス放電又は充電時間ｔ₁に基づいて、化学的抵抗値Ｒ_pを補正する。具体的には、測定電圧Ｖ_n≧設定電圧Ｖ_xの場合、現在の化学的抵抗値Ｒ_pであるＲ_{p now}を、次式から演算する。

ここで、ｔ_{au t}の時間ｔは、現在の放電または充電の継続時間とする
（ステップＳ４−２ 化学的抵抗値Ｒ_pの補正）

また、測定電圧Ｖ_n＜設定電圧Ｖ_xの場合、Ｒ_{p now}を、次式から演算する。

ここでａ_{_Rp}は、Ｖ_x／Ｖ_n比に依存した係数であり、ＬＵＴまたは近似式により決定される。またＶ_xは、図３に示すＩ−Ｖプロットの直線性が保たれる最低電圧とする。
（ステップＳ５ 過去の充放電履歴に基づく電圧変動Ｖ_hの演算）

次いで、過去の充放電履歴に基づいて電圧変動Ｖ_hを求める。具体的には、過去ｎ回分の充放電パルス毎に、（化学的抵抗値Ｒ_p）＊（電流値Ｉ）を記録する。そして、個々のパルス充放電終了後の時間ｔに依存して決定されるＬＵＴまたは計算式（時間減衰式）に基づいてＶ_{h_t}を決定し、電圧変動Ｖ_hは次式で演算できる。

この電圧変動Ｖ_hを、ｎ回分の充放電パルス毎にそれぞれ求め、ΣＶ_hを得る。ここでの電流値Ｉ、化学的抵抗値Ｒ_pは、個々の充放電パルスの最終値とする。この例では、過去５回分の充放電パルスにて演算している。
（ステップＳ６ 補正後の物理的抵抗値Ｒ_{o_now}、化学的抵抗値Ｒ_{p_now}の演算）

次いで、温度、ＳＯＣに基づいて、物理的な抵抗値Ｒ_oを補正したＲ_{o_now}を算出する。具体的には、次式でＲ_{o_now}を演算する。

ここで、ａ_{_SOC_T}は、ＳＯＣ、温度に依存するＬＵＴにて決定する。

さらに、化学的抵抗値Ｒ_pを補正したＲ_{p_now}を演算することもできる。例えば、ある時間ｔ₂における使用可能最大電流を予測するため、推定時間ｔ₂または現在までのパルス時間と推定時間の和（ｔ₁＋ｔ₂）に基づいて化学的な抵抗Ｒ_pを補正する。
（ステップＳ７ 開放電圧Ｖ_oの推定）

次に、開放電圧Ｖ_oを、次式で演算する。

以上のようにして得られた物理的抵抗値Ｒ_oと化学的抵抗値Ｒ_p、電流Ｉ、電圧Ｖ、電圧変動Ｖ_hから、開放電圧Ｖ_oを推定する。具体的に、開放電圧Ｖ_oは、次式で演算される。

ここで、Ｖ、Ｉは測定値である。

また物理的抵抗値Ｒ_oを、さらにＳＯＣ等により補正することもできる。例えば、ある時間ｔ₂における使用可能最大電流を予測するため、いくつかの設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおけるＳＯＣであるＳＯＣ_a〜ＳＯＣ_n、温度に基づいて、物理的な抵抗値Ｒ_oを補正する。
（ステップＳ８ 推定時間ｔ₂における使用可能電流Ｉ_{_target}の算出）

次に、推定時間ｔ₂における使用可能電流Ｉ_{_target}を算出する。ここでは、まずある時間ｔ₂における使用可能最大電流Ｉ_{_target}を予測するため、上記で得られた補正後のＲ_o，Ｒ_p，Ｖ_oに基づいて、いくつかの設定電流Ｉ_a〜Ｉ_xにおける、到達予測電圧Ｖ_a〜Ｖ_xを求める。具体的には、ｎ個の電流Ｉ₁〜Ｉ_nを設定し、Ｉ₁〜Ｉ_nまでの推定電圧Ｖ₁〜Ｖ_nを次式から演算する。

ここで、ΔＶ_oは、Ｉ_n＊ｔ₂の容量増減をＶ_o変化量としたものである。またａ_{_SOC_T}は、Ｉ_n＊ｔ₂の容量増減を加味した補正係数である。さらにｔ_{au t}についても、ｔ₁＋ｔ₂にて補正する。

次に、Ｉ_a〜Ｉ_xならびにＶ_a〜Ｖ_xに基づいて、Ｉ−Ｖプロットを作成し、各温度における上下限電圧Ｖ_max，Ｖ_minにおける電流Ｉ_max，Ｉ_minを求める。そして得られたＩ_maxを、充電での使用可能最大電流とし、さらにＩ_minを、放電での使用可能最大電流とする。具体的には、Ｉ₁〜Ｉ_n，Ｖ₁〜Ｖ_nのＩ−ＶプロットからＶ_max，Ｖ_minにおけるＩ_{_target}を、近似式または２点間の内挿、外挿等を用いて求める。
（Ｉ−Ｖプロットの直線性）

なお、得られたＩ−Ｖプロットの直線性が、Ｖ_minにおいてよくない場合は、次式にてＶ₁〜Ｖ_nを補正する。

ここで、ａ_{_Vmin}はＶ_x／Ｖ_n比に依存した係数であり、ＬＵＴまたは近似式により求める。またＶ_xは、Ｉ−Ｖプロットの直線性が保たれる最低電圧とする。

あるいは、Ｉ−Ｖプロットの直線性が、Ｖ_minにおいてよくない場合、次式にてＶ₁〜Ｖ_nを補正する。

ここで、ａ_{_Rp}はＶ_x／Ｖ_n比に依存した係数であり、ＬＵＴまたは近似式により求める。またＶ_xは上記と同様、Ｉ−Ｖプロットの直線性が保たれる最低電圧とする。
（充放電可能電流値）

演算部は、以上のようにして、電流、電圧、温度に基づいて充放電可能電流値を決定する。さらに演算部は、得られたＩ_maxを、充電での使用可能最大電流とし、Ｉ_minを、放電での使用可能最大電流とする。決定された充放電可能電流値は、通信処理部１９を介して接続機器通信端子３０から車両側制御部に送信される。このようにして充放電可能電流値を特定し、特定された充放電可能電流値に基づいて、電池を充放電させる電流の最大値を制限して、電池の出力を最大限活用できる。

以上の電源装置は、車載用のバッテリシステムとして利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。

図６に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給する電源装置１００Ｂと、電源装置１００Ｂの電池を充電する発電機９４とを備えている。電源装置１００Ｂは、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００Ｂの電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ９３は、電源装置１００Ｂから電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置１００Ｂの電池を充電する。

また図７に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給する電源装置１００Ｃと、この電源装置１００Ｃの電池を充電する発電機９４とを備えている。モータ９３は、電源装置１００Ｃから電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００Ｃの電池を充電する。

本発明に係る電池の充放電可能電流演算方法及び電源装置並びにこれを備える車両は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。また車両用電源装置に限られず、高出力、大電流の電源装置として好適に適用できる。

１００、１００Ｂ、１００Ｃ…電源装置
１０…残容量検出装置
１１…メモリ
１２…電圧検出部
１４…温度検出部
１６…電流検出部
１７…温度センサ
１８…演算部
１９…通信処理部
２０…電池ユニット
２２…二次電池
３０…接続機器通信端子
９３…モータ
９４…発電機
９５…ＤＣ／ＡＣインバータ
９６…エンジン
ＥＶ、ＨＶ…車両
ＥＤ…接続機器

Claims (16)

1. 電池の充放電において使用可能な最大電流値を、電池の電流、電圧、温度の少なくともいずれかに基づいて推定する充放電可能電流演算方法であって、
   所定の時間における平均電流値(I₁,I₂)と平均電圧(V₁,V₂)に基づいて、抵抗値(R)を演算する工程と、
   演算された抵抗値(R)を、物理的な抵抗値(R_o)と化学的な抵抗値(R_p)に分割する工程と、
   過去から現在までのパルス放電又は充電時間(t₁)に基づいて、化学的な抵抗値(R_p)を補正する工程と、
   過去の充放電履歴による電圧変動(V_h)を求める工程と、
   検出された電池温度及び電池の残容量(SOC)から、物理的な抵抗値(R_o)を補正する工程と、
   各抵抗値(R_o,R_p)と電流(I)、電圧(V)、電圧変動(V_h)から、電池の開放電圧(V_o)を推定する工程と、
   特定の時間(t₂)における使用可能最大電流(I_{_target})を予測するため、複数の設定電流(I_a-I_x)における電池の開放電圧(V_o)を補正する工程と、
   前記補正された物理的な抵抗値(R_o)、化学的な抵抗値(R_p)、電池の開放電圧(V_o)に基づいて、複数の設定電流(I_a-I_x)における、到達予測電圧(V_a-V_x)を求める工程と、
   前記設定電流(I_a-I_x)ならびに到達予測電圧(V_a-V_x)に基づいて、電池の電流−電圧曲線を作成し、各温度における上下限電圧(V_max,V_min)における上下限電流(I_max,I_min)を求め、上限電流(I_max)を充電における使用可能最大電流(I_{_target})とし、下限電流(I_min)を放電における使用可能最大電流(I_{_target})とする工程と、
   を含むことを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
2. 請求項１に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、さらに
   特定の時間(t₂)における使用可能最大電流(I_{_target})を予測するため、推定時間(t₂)、又は現在までのパルス時間と推定時間の和(t₁+t₂)に基づいて化学的な抵抗値(R_p)を補正し、さらに複数の設定電流(I_a-I_x)における電池の残容量(SOC_a-SOC_n)及び電池の温度に基づいて、物理的な抵抗値(R_o)を補正する工程と、
   を含むことを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
3. 請求項１又は２に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   前記抵抗値(R)が、過去に求めた抵抗値(R_old)と現在求めた抵抗値(R_now)の重み付け平均値であること特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   前記電圧変動(V_h)が、所定の回数の過去の充放電パルス時の時間補正された化学的な抵抗値(R_p)、電流(I)ならびに該充放電パルス終了後時間に依存する係数の積の総和となることを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   前記下限電圧(V_min)を、電池の電流−電圧曲線の直線性を維持可能な電圧に設定することを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   前記下限電圧(V_min)が、電池の電流−電圧曲線の直線性を維持できない低い電圧に設定されたとき、前記到達予測電圧(V_a-V_x)を補正することを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
7. 請求項６に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   前記到達予測電圧(V_a-V_x)を補正するため、前記到達予測電圧(V_a-V_x)と直線性を維持可能な下限電圧(V_min)との差、比率に基づいて補正することを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
8. 請求項７に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   前記下限電圧(V_min)との差、比率に基づいて、電圧を補正し、又は化学的な抵抗値(R_p)、物理的な抵抗値(R_o)を補正し、再度到達予測電圧(V_a~V_x)を求めることを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
9. 請求項１から８のいずれか一に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
   測定された電圧(V)が設定電圧(V_x)以下の場合、化学的な抵抗値(R_p)を補正することを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
10. 請求項１から９のいずれか一に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、
    前記電池がリチウムイオン二次電池であることを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、さらに、
    推定された充放電可能電流値を、情報処理系を持つ接続機器に送信する工程
    を含むことを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
12. 電池の充放電において使用可能な最大電流値を、電池の電流、電圧、温度の少なくともいずれかに基づいて推定する充放電可能電流演算方法であって、
    電池の電圧(V_n)を検出する工程と、
    電池の電流−電圧曲線において、勾配が急峻に変化する電圧である所定の設定電圧(V_x)を予め設定しておき、前記検出された電圧(V_n)が、該設定電圧(V_x)よりも低い範囲となるように、充放電可能電流値を演算する工程と、
    前記演算された充放電可能電流値を、接続機器側に出力する工程と、
    を含むことを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
13. 請求項１２に記載の電池の充放電可能電流演算方法であって、さらに、
    前記演算された充放電可能電流値における電圧値から、さらに電池によって決定される所定の電圧値(_ΔV_{W_max})を減算した補正電圧値を演算する工程と、
    該補正後の補正電圧値を接続機器側に出力する工程と、
    を含むことを特徴とする電池の充放電可能電流演算方法。
14. 複数の二次電池を備える電池ユニット(20)と、
    前記電池ユニット(20)に含まれる二次電池の電圧を検出するための電圧検出部(12)と、
    前記電池ユニット(20)に含まれる二次電池の温度を検出するための温度検出部(14)と、
    前記電池ユニット(20)に含まれる二次電池に流れる電流を検出するための電流検出部(16)と、
    前記電圧検出部(12)と温度検出部(14)と電流検出部(16)から入力される信号を演算して二次電池の最大制限電流値を検出する演算部(18)と、
    前記演算部(18)で演算された残容量や最大制限電流値を接続機器に伝送する通信処理部(19)とを備えており、
    前記演算部(18)が、
    電池の電流−電圧曲線において、勾配が急峻に変化する電圧である所定の設定電圧(V_x)よりも、前記電圧検出部で検出された電圧(V_n)が低い範囲となるように、充放電可能電流値を演算可能であることを特徴とする電源装置。
15. 請求項(14)に記載の電源装置であって、
    前記演算部(18)が、
    前記演算された充放電可能電流値における電圧値から、さらに電池によって決定される所定の電圧値(_ΔV_{W_max})を減算した補正電圧値を、接続機器側に出力可能に構成してなることを特徴とする電源装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の電源装置を備える車両。

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