JP2011215151A - 二次電池の充電状態推定装置および充電状態推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の使用状態に合わせた適切なＳＯＣ推定方式を適用して、その推定精度を向上させる。
【解決手段】バッテリ電流Ｉｂが、バッテリ温度Ｔｂに応じて設定される制限電流｜Ｉｊｄ｜以下であり、かつバッテリ温度Ｔｂに応じて設定される一定時間以上継続して流れている場合に、二次電池１０を安定状態であると判定する（Ｓ１００）。二次電池１０が安定状態のときには、バッテリ電圧Ｖｂ＝開放電圧ＯＣＶとみなして、開放電圧−ＳＯＣ特性に基づいてＳＯＣ推定を行なう（Ｓ１１０）。二次電池の内部抵抗の温度依存性に対応させて制限電流｜Ｉｊｄ｜を設定することによって、内部抵抗と制限電流｜Ｉｊｄ｜との積をほぼ一定値（一定電圧）とすることにより、安定状態では、バッテリ電圧Ｖｂを開放電圧ＯＣＶとみなしてＳＯＣ推定を行なっても推定誤差を一定範囲内にできる。
【選択図】図１０

Description

この発明は、二次電池の充電状態推定装置および充電状態推定方法に関し、より特定的には、二次電池の残存容量（充電率）を示すＳＯＣ（State of Charge）を逐次演算する
二次電池の充電状態推定装置および充電状態推定方法に関する。

充放電可能な二次電池によって負荷機器へ電源を供給し、かつ必要に応じて当該負荷機器の運転中にも当該二次電池を充電可能な構成とした電源システムが用いられている。代表的には、二次電池によって駆動される電動機を車両駆動力源の１つとして備えたハイブリッド自動車や電気自動車等がこのような電源システムを搭載している。

ハイブリッド自動車の電源システムでは、二次電池の蓄積電力が車両駆動力用電動機の駆動電力として用いられる他、この電動機が回生発電したときの発電電力やエンジンの回転に伴って発電する発電機の発電電力によってこの二次電池が充電される。このような電源システムでは、二次電池の充電状態（代表的には、充電率を示すＳＯＣ）を把握して、電池の劣化を招くような過酷な使用状況とならないように配慮する必要がある。すなわち、残存容量の推定値に基づき、二次電池から出力を得る車両駆動用電動機の出力制限や、二次電池の充電要求、充放電禁止指令等を生成する必要があるため、残存容量の推定は高精度に行なわれる必要がある。

しかしながら、ハイブリッド自動車への搭載時に代表される、二次電池の使用条件や出力条件が広範にわたり、かつ、比較的高電力密度の充放電が繰り返し実行される使用状況では、残存容量推定が一般に困難となるためその推定精度向上が課題となる。

したがって、最も基本的な手法である入出力電流積算に基づいて残存容量の変化量を逐次演算する方式の他に、高精度に残存容量を推定するための手法が種々提案されている。

たとえば、特開２０００−３０６６１３号公報（特許文献１）には、バッテリ使用中に測定したバッテリ電流（充放電電流）およびバッテリ電圧（端子間電圧）の関係から二次電池の内部抵抗を演算し、バッテリ電流・電圧および演算した内部抵抗を用いて開放電圧（ＯＣＶ）を演算し、この開放電圧からバッテリ容量（ＳＯＣ）を推定するバッテリ状態監視装置が開示されている。さらに、このバッテリ状態監視装置は、バッテリ電流が所定範囲外に逸脱した場合には、逸脱直前のバッテリ容量（ＳＯＣ）に対して、以降のバッテリ電流積算値を加算することによってバッテリ容量（ＳＯＣ）を推定する。すなわち、特開２０００−３０６６１３号公報（特許文献１）では、バッテリ電流範囲に従って、推定方式を切換えることによって、推定精度向上を図っている。

同様に、特開２０００−１５０００３号公報（特許文献２）には、バッテリ電流積算に基づくＳＯＣ算出手法およびその他のＳＯＣ算出手法を備えた充電量演算装置が開示されている。この充電量演算装置では、バッテリ電流範囲ならびにバッテリ電流積算に基づくＳＯＣ算出値と他の手法に基づくＳＯＣ算出値との誤差に基づいて、使用するＳＯＣ算出手法が決定される。

特開２０００−３０６６１３号公報 特開２０００−１５０００３号公報

特開２０００−３０６６１３号公報（特許文献１）に開示されたバッテリ状態監視装置では、充放電に従って逐次変化する内部抵抗を、充放電中に測定したバッテリ電圧およびバッテリ電流の複数組の傾きによって算出している。

しかしながら、充放電中の二次電池のバッテリ電圧（端子間電圧）の変化は、バッテリ電流の変化に対して遅れを有することが知られている。すなわち、一定のバッテリ電流が流れ始めたとき、あるいは、バッテリ電流が停止されたときに、緩和時間と呼ばれる一定時間が経過するまでの間はバッテリ電圧が安定状態になく変動しているため、当該緩和時間が経過する前にバッテリ電圧を測定すると、二次電池の正確な出力電圧を測定することができない。

また、バッテリ電流およびバッテリ電圧の間に内部抵抗に従った直線性が表れる領域についても、二次電池の温度領域によって変化する。たとえば、リチウムイオン二次電池は、低温領域では、電極表面でのイオン交換電流密度減少により、バッテリ電流およびバッテリ電圧の間に直線性が表れ難くなる。

これに対して、特開２０００−３０６６１３号公報（特許文献１）は、内部抵抗演算に基づく推定方式およびバッテリ電流積算に基づく推定方式をバッテリ電流範囲に従って切換えることを開示するものの、二次電池の温度条件およびバッテリ電流の継続時間に着目したＳＯＣ推定は行なわれていない。したがって、内部抵抗の推定誤差によって二次電池の開放電圧、ひいては残存容量（ＳＯＣ）推定に誤差が発生する可能性がある。

さらに、特開２０００−１５０００３号公報（特許文献２）に開示されたハイブリッド車の充電量演算装置では、複数のＳＯＣ算出手法間の切換を、バッテリ電流範囲ならびにバッテリ電流積算に基づくＳＯＣ算出値と他の手法に基づくＳＯＣ算出値との誤差に基づいて判定している。このため、内部抵抗が高い電池低温時に大電流が流れ終わった直後では、バッテリ電流積算に基づくＳＯＣ算出手法から他のＳＯＣ算出手法に切換えられるが、その際に、特許文献１で説明したのと同様の理由により内部抵抗の推定誤差によってＳＯＣ推定に大きな誤差を生じる可能性が否定できない。また、特開２０００−１５０００３号公報（特許文献２）についても、ＳＯＣ推定における二次電池の温度条件およびバッテリ電流の継続時間の考慮は十分になされていないため、残存容量（ＳＯＣ）推定に誤差が発生する可能性がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、二次電池の使用状態に合わせて適切なＳＯＣ推定方式を適用して、その推定精度を向上させることである。

この発明による二次電池の充電状態推定装置は、入出力電流、出力電圧および電池温度を検出可能な検出器が設けられた二次電池の充電状態推定装置であって、特性記憶手段と、安定状態判定手段と、第１および第２の充電状態推定手段とを備える。特性記憶手段は、二次電池の開放電圧と残存容量との間の特性を記憶する。安定状態判定手段は、入出力電流が電池温度に応じて設定される制限電流以下である状態が、電池温度に応じて設定される電圧安定時間以上継続している安定状態であるか否かを判定する。第１の充電状態推定手段は、安定状態と判定されたときに、出力電圧を開放電圧とみなして、特性記憶手段に記憶された特性に基づいて二次電池の残存容量を推定する。第２の充電状態推定手段は、安定状態と判定されないときに、第１の充電状態推定手段とは異なる手法に基づいて、二次電池の残存容量を推定する。

この発明による二次電池の充電状態推定方法は、入出力電流、出力電圧および電池温度を検出可能な検出器が設けられた二次電池の充電状態推定方法であって、安定状態判定ステップと、第１の充電状態推定ステップと、第２の充電状態推定ステップとを備える。安定状態判定ステップは、入出力電流が電池温度に応じて設定される制限電流以下である状態が、電池温度に応じて設定される電圧安定期間以上継続している安定状態であるか否かを判定する。第１の充電状態推定ステップは、安定状態と判定されたときに、出力電圧を二次電池の開放電圧とみなして、二次電池の開放電圧と残存容量との間の特性に基づいて二次電池の残存容量を推定する。第２の充電状態推定ステップは、安定状態と判定されないときに、第１の充電状態推定ステップとは異なる手法に基づいて、二次電池の残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、二次電池の出力電圧が安定しており、かつ内部抵抗における電圧変化が小さい状態（安定状態時）には、出力電圧を開放電圧とみなして、開放電圧−残存容量（ＳＯＣ）特性を参照して二次電池のＳＯＣを推定する。ここで、緩和時間（電圧安定時間）および内部抵抗が電池温度に応じて変化する点を考慮して上記安定状態を判定するので、特に開放電圧および残存容量の間に強い相関関係がある二次電池について、安定状態時には簡易かつ確実な方式によってＳＯＣを一定誤差内で高精度に推定することができる。

好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定装置では、第２の充電状態推定手段は、入出力電流の積算値に基づいて残存容量の変化量を逐次算出する手法、または、入出力電流、出力電圧および電池温度を入力変数とする電池モデルに基づく手法によって、二次電池の残存容量を推定する。

好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定方法では、第２の充電状態推定ステップは、入出力電流の積算値に基づいて残存容量の変化量を逐次算出する手法、または、入出力電流、出力電圧および電池温度を入力変数とする電池モデルに基づく手法によって、二次電池の残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、上記安定状態以外のときには、電池モデル式に基づく手法または電流積算に基づく手法により、二次電池のＳＯＣを高精度に推定することができる。

また好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定装置では、第２の充電状態推定手段は、入出力電流の積算値に基づいて残存容量の変化量を算出することによって二次電池の残存容量を推定する第１の推定手段と、入出力電流、出力電圧および電池温度を入力変数とする電池モデルに基づいて、二次電池の残存容量を推定する第２の推定手段と、第１の推定手段による残存容量推定の連続実行期間を計時する計時手段とを含む。さらに、第２の充電状態推定手段は、連続実行期間が第１の制限期間以下であるときに、第１の推定手段を選択して残存容量を推定する一方で、連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるときに、第２の推定手段を選択して残存容量を推定する。

また好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定方法では、第２の充電状態推定ステップは、入出力電流の積算値に基づいて残存容量の変化量を算出することによって二次電池の残存容量を推定する第１の推定ステップと、入出力電流、出力電圧および電池温度を入力変数とする電池モデルに基づいて、二次電池の残存容量を推定する第２の推定ステップと、第１の推定ステップによる残存容量推定の連続実行期間を計時する計時ステップとを含む。さらに、第２の充電状態推定ステップは、連続実行期間が第１の制限期間以下であるときに、第１の推定ステップを選択して残存容量を推定する一方で、連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるときに、第２の推定ステップを選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定が制限期間（第１の制限期間）以上連続して実行される場合には、入出力電流が電池モデル使用可能範囲であることを条件に、電池モデルに基づく残存容量推定を実行することができる。これにより、電流センサの検出誤差（オフセット）に起因して、電流積算に基づくＳＯＣ推定を長期間連続することによるＳＯＣ推定誤差の拡大を防止できる。さらに、入出力電流が電池モデル使用可能範囲外のときには、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を無理に選択しないので、不適切なＳＯＣ推定方式の選択による推定誤差の増大を防止できる。

さらに好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定装置では、第２の充電状態推定手段は、連続実行期間が第１の制限期間よりも長い第２の制限期間を超えた場合には、入出力電流にかかわらず、第２の推定手段を選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定が限界（第２の制限期間）を超えて継続された場合には、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を一旦実行することができる。したがって、電流センサの検出誤差（オフセット）に起因するＳＯＣ推定誤差が許容値を超えないようにＳＯＣ推定を実行できる。

あるいは、さらに好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定装置では、第２の充電状態推定手段は、連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲外であるときに、第１の推定手段を選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定が制限期間（第１の制限期間）を超えて継続した場合には、入出力電流が電池モデルの使用可能範囲内であるときに限定して電池モデル式に基づくＳＯＣ推定を実行する。したがって、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を無理に実行して、ＳＯＣ推定誤差が大きな値となることを防止できる。

好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定装置では、安定状態判定手段での制限電流は、電池温度の上昇に従って、相対的に大きく設定される。

好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定方法では、安定状態判定ステップでの制限電流は、電池温度の上昇に従って、相対的に大きく設定される。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、電池温度の上昇に従って二次電池の内部抵抗が低下し、反対に電池温度の低下に従って内部抵抗が上昇することを反映することにより、安定状態時における内部抵抗での電圧変化が所定電圧以下に収まるように制限電流を設定できる。したがって、二次電池の出力電圧を開放電圧と見なすＳＯＣ推定による推定誤差を所定範囲内に抑えることが可能となる。

また好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定装置では、安定状態判定手段での電圧安定時間は、電池温度の上昇に従って、相対的に短く設定される。

また好ましくは、この発明による二次電池の充電状態推定方法では、安定状態判定ステップでの電圧安定期間は、電池温度の上昇に従って、相対的に短く設定される。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、二次電池の出力電圧が安定するまでの緩和時間が電池温度の上昇に従って短くなり、反対に電池温度の下降に従って長くなる点を反映して、出力電圧が安定した状態で端子間電圧を開放電圧と見なすＳＯＣ推定を実行することが可能となる。

この発明の他の構成による二次電池の充電状態推定装置は、入出力電流、出力電圧および電池温度を検出可能な検出器が設けられた二次電池の充電状態推定装置であって、第１の推定手段と、第２の推定手段と、計時手段と、選択手段とを備える。第１の推定手段は、入出力電流の積算値に基づいて残存容量の変化量を算出することによって二次電池の残存容量を推定する。第２の推定手段は、入出力電流、出力電圧および電池温度を入力変数とする電池モデルに基づいて、二次電池の残存容量を推定する。計時手段は、第１の推定手段による充電状態推定の連続実行期間を計時する。選択手段は、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるか否かの判定と、計時手段により求められた連続実行期間とに基づいて、第１および第２の推定手段の一方を選択して残存容量を推定する。

この発明の他の局面による二次電池の充電状態推定方法は、入出力電流、出力電圧および電池温度を検出可能な検出器が設けられた二次電池の充電状態推定方法であって、第１の推定ステップと、第２の推定ステップと、計時ステップと、選択ステップとを備える。第１の推定ステップは、入出力電流の積算値に基づいて残存容量の変化量を算出することによって二次電池の残存容量を推定する。第２の推定ステップは、入出力電流、出力電圧および電池温度を入力変数とする電池モデル式に基づいて、二次電池の残存容量を推定する。計時ステップは、第１の推定ステップによる残存容量推定の連続実行期間を計時する。選択ステップは、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるか否かの判定と、計時ステップにより求められた連続実行期間とに基づいて、第１および第２の推定ステップの一方を選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定と電池モデルに基づくＳＯＣ推定とを、電流積算に基づくＳＯＣ推定の連続実行期間および、入出力電流が電池モデルによる推定精度を確保できる電池モデル使用可能範囲内であるか否かに基づいて選択的に使用してＳＯＣを推定できる。したがって、上記２つのＳＯＣ推定方式を切換えてＳＯＣ推定を行なう構成において、不適切なＳＯＣ推定方式の選択による推定誤差の増大を防止して、ＳＯＣ推定精度を向上することができる。

好ましくは、この発明の他の構成による二次電池の充電状態推定装置では、選択手段は、連続実行期間が第１の制限期間以下であるときに、第１の推定手段を選択して残存容量を推定する一方で、連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるときに、第２の推定手段を選択して残存容量を推定する。

好ましくは、この発明の他の局面による二次電池の充電状態推定方法では、選択ステップは、連続実行期間が第１の制限期間以下であるときに、第１の推定ステップを選択して残存容量を推定する一方で、連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるときに、第２の推定ステップを選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定が制限期間（第１の制限期間）を超えて連続して実行される場合には、入出力電流が電池モデル使用可能範囲であることを条件に、電池モデルに基づく残存容量推定を実行することができる。これにより、電流センサ計の検出誤差（オフセット）に起因して、電流積算に基づくＳＯＣ推定を長期間連続することによるＳＯＣ推定誤差の拡大を防止できる。さらに、入出力電流が電池モデル使用可能範囲外のときには、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を無理に選択しないので、不適切なＳＯＣ推定方式の選択による推定誤差の増大を防止できる。

さらに好ましくは、この発明の他の構成による二次電池の充電状態推定装置では、選択手段は、連続実行期間が第１の制限期間よりも長い第２の制限期間を超えた場合には、入出力電流にかかわらず、第２の推定手段を選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定が限界（第２の制限期間）を超えて継続された場合には、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を一旦実行することができる。したがって、電流センサの検出誤差（オフセット）に起因するＳＯＣ推定誤差が許容値を超えないようにＳＯＣ推定を実行できる。

あるいはさらに好ましくは、この発明の他の構成による二次電池の充電状態推定装置では、選択手段は、連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲外であるときに、第１の推定手段を選択して残存容量を推定する。

上記二次電池の充電状態推定装置によれば、電流積算に基づくＳＯＣ推定が制限期間（第１の制限期間）を超えて継続した場合には、入出力電流が電池モデルの使用可能範囲内であるときに限定して電池モデル式に基づくＳＯＣ推定を実行する。したがって、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を無理に実行して、ＳＯＣ推定誤差が大きな値となることを防止できる。

好ましくは、本発明の適用において、二次電池は、リチウムイオン電池である。
上記二次電池の充電状態推定装置によれば、開放電圧と残存容量との間の相関関係が強いリチウムイオン電池の残存容量（ＳＯＣ）を高精度に推定することができる。

この発明による二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によれば、二次電池の使用状態に合わせて適切なＳＯＣ推定方式を適用して推定精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に従う二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によって残存容量（ＳＯＣ）が推定される二次電池を含む電源システムの構成を説明する概略ブロック図である。 図１に示したＳＯＣ推定部の機能ブロック図である。 安定電流範囲の設定を説明する概念図である。 電圧安定時間の設定を説明する概念図である。 二次電池の内部抵抗の温度依存性を説明する概念図である。 二次電池での緩和時間の温度依存性を説明する概念図である。 電池モデルに基づくＳＯＣ推定手法の一例を説明する概念図である。 電池モデルの一例を示す回路図である。 図８に示した電池モデル中の回路定数算出手法の一例を説明する概念図である。 本発明の実施の形態によるＳＯＣ推定を説明する第１のフローチャートである。 本発明の実施の形態によるＳＯＣ推定を説明する第２のフローチャートである。 電池モデルに基づくＳＯＣ推定が可能な電流範囲の設定を説明する概念図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う二次電池の充電状態推定装置または充電状態推定方法によってその残存容量（ＳＯＣ）が推定される二次電池を含む電源システムの構成を説明する概略ブロック図である。

図１を参照して、電源システム５は、二次電池１０と、負荷２０とを備える。
充放電可能な二次電池１０としては、代表的にはリチウムイオン電池が用いられるが、二次電池の種類や形式については特に限定されるものではない。なお、リチウムイオン電池は、開放電圧（ＯＣＶ）と残存容量（ＳＯＣ）との間に強い相関関係を有するため、本発明の適用に適している。

二次電池１０には、バッテリ温度Ｔｂを測定する温度センサ３０と、二次電池１０の入出力充放電）電流Ｉｂ（以下、バッテリ電流Ｉｂとも称する）を測定する電流センサ３２と、正極および負極間の端子間電圧Ｖｂ（以下、バッテリ電圧Ｖｂとも称する）を測定する電圧センサ３４とが設けられている。

負荷２０は、二次電池１０からの出力電力によって駆動される。また、図示しない発電・給電要素が、負荷２０に含まれるように設けられ、あるいは、負荷２０とは別個に設けられるものとし、二次電池１０は、当該発電・給電要素からの充電電流によって充電可能であるものとする。したがって、二次電池１０の放電時にはバッテリ電流Ｉｂ＜０であり、二次電池１０の充電時にはバッテリ電流Ｉｂ＞０である。

電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）５０は、「充電状態推定装置」に相当するＳＯＣ推定部６０と、制御部７０とを含む。制御部７０は、ＳＯＣ推定部６０によって推定されたＳＯＣ（％）に基づき、二次電池１０の充放電制限・禁止や充電要求を発生する。なお、ＥＣＵ５０は、代表的には、予めプログラムされた所定シーケンスおよび所定演算を実行するためのマイクロコンピュータおよびメモリ（ＲＡＭ，ＲＯＭ等）を含んで構成される。ＥＣＵ５０へは、二次電池１０に設けられたセンサ群３０，３２，３４からの検出値が入力される。

本発明の実施の形態では、ＳＯＣ推定部６０は、図２に示す機能ブロック図に従って、複数のＳＯＣ推定手法を二次電池１０の状態に応じて選択的に切換えてＳＯＣを推定する。

図２を参照して、ＳＯＣ推定部６０は、ＳＯＣ推定ブロック１００，１１０，１２０と、ＳＯＣ推定ブロック１００〜１２０間の選択を切換える選択切換部１３０とを含む。ＳＯＣ推定ブロック１００〜１２０は、入力された二次電池１０の状態量に応じてそれぞれ異なる手法でＳＯＣを推定する。選択切換部１３０によって指定されたＳＯＣ推定ブロック１００〜１２０のうちの１つの出力が、ＳＯＣ推定部６０による推定残存容量（ＳＯＣ）として出力される。

以下、各ＳＯＣ推定ブロック１００〜１２０によるＳＯＣ推定手法について順に説明していく。

ＳＯＣ推定ブロック１００は、予め測定された、二次電池１０の開放電圧ＯＣＶとＳＯＣ（％）との間の特性関係を格納したマップ１０２を有し、二次電池１０の端子間電圧であるバッテリ電圧Ｖｂを開放電圧ＯＣＶとみなしてマップ１０２を参照することにより、二次電池１０のＳＯＣを推定する。

ＳＯＣ推定ブロック１００は、バッテリ電流Ｉｂが、図３に示す安定電流範囲１０５内であり、かつ、図４に示す電圧安定時間Ｔｓｔ以上継続している状態（以下、安定状態ともいう）であるときに、選択切換部１３０によって選択される。

図３を参照して、安定電流範囲１０５は、バッテリ温度Ｔｂに応じて設定される制限電流｜Ｉｊｄ｜に対して、バッテリ電流｜Ｉｂ｜＜｜Ｉｊｄ｜の範囲で定義される。制限電流｜Ｉｊｄ｜は、バッテリ温度Ｔｂが相対的に上昇するに従って大きく設定され、バッテリ温度Ｔｂが相対的に低下するに従って小さく設定される。

これは、図５に示されるように、二次電池１０の内部抵抗ｒｂが温度依存性を有し、高温領域で低抵抗であるのに対し低温領域で高抵抗であることを反映している。すなわち、図３に示すように、内部抵抗ｒｂの温度依存性に対応させて、バッテリ温度Ｔｂが高くなるに従って制限電流｜Ｉｊｄ｜を相対的に大きく設定し、バッテリ温度Ｔｂが相対的に低くなるに従って制限電流｜Ｉｊｄ｜を相対的に小さく設定することにより、内部抵抗ｒｂと電流制限値｜Ｉｊｄ｜との積をほぼ一定値（一定電圧）とすることができる。たとえば、この一定電圧は、許容されるＳＯＣ推定誤差をマップ１０２上で開放電圧ＯＣＶに換算した電圧に対応させて設定される。

これにより、安定電流範囲１０５内であれば、内部抵抗での電圧変化ｒｂ・｜Ｉｂ｜が一定量以下とみなすことが可能となる。したがって、安定電流範囲１０５内であれば、バッテリ電圧Ｖｂを開放電圧ＯＣＶとみなして、マップ１０２に基づくＳＯＣ推定を実行しても、ＳＯＣ推定誤差を制限電流｜Ｉｊｄ｜の設定によって把握可能な一定範囲内（許容誤差範囲内）に収めることができる。

また、図６に示されるように、バッテリ電流Ｉｂの変化に伴うバッテリ電圧Ｖｂの変化は、一定の遅れをもっており、緩和時間と呼ばれる一定時間の経過後にバッテリ電圧Ｖｂが安定する。この緩和時間は、温度依存性を有することが知られている。具体的には、図６に示すように、バッテリ温度Ｔｂが相対的に高温領域（Ｔ１→Ｔ２→Ｔ３）となるに従って緩和時間は短くなり、相対的に低温領域（Ｔ３→Ｔ２→Ｔ１）なるに従って緩和時間は長くなる。

上記のような緩和時間の温度依存性に従い、図４に示すように、電圧安定時間Ｔｓｔは、バッテリ温度Ｔｂが高くなるに従って相対的に短く設定され、バッテリ温度Ｔｂが相対的に低くなるに従って相対的に長く設定される。これにより、バッテリ電流Ｉｂが電圧安定時間Ｔｓｔ以上継続した場合には、その時点におけるバッテリ電圧Ｖｂは、整定した安定状態値とみなすことができる。

したがって、上記のように、バッテリ電流Ｉｂが、安定電流範囲１０５（図３）以内であり、かつ、電圧安定時間Ｔｓｔ（図４）以上継続している安定状態では、バッテリ電圧Ｖｂを開放電圧ＯＣＶとみなしてＳＯＣを推定する簡易な推定方式（ＳＯＣ推定ブロック１００）によっても、ＳＯＣ推定誤差を許容誤差内に維持することが可能となる。

再び図２を参照して、ＳＯＣ推定ブロック１１０は、電流センサ３２によって検出されたバッテリ電流Ｉｂの積算値ΣＩｂをＳＯＣの変化量ΔＳＯＣとして、前回のＳＯＣ算出値とＳＯＣ変化量ΔＳＯＣとを加算することにより、二次電池１０のＳＯＣを逐次推定する。

ただし、電流積算に基づくＳＯＣ推定では、短期間内のＳＯＣ変化量を精度よく推定できるものの、電流センサ３２の測定誤差（特にオフセット）の影響により、長時間連続してＳＯＣ推定を行なった場合には、ＳＯＣ推定時にバイアス状誤差が発生する可能性がある。したがって、電流積算に基づくＳＯＣ推定については、長時間連続して推定を継続することがないように配慮する必要がある。

ＳＯＣ推定ブロック１２０は、以下に説明するように、センサによって検出された二次電池１０の状態量を入力変数とする、予め作製された電池モデルに基づくオンライン推定によって二次電池１０のＳＯＣを推定する。なお、以下に説明する電池モデル式は一例に過ぎず、ＳＯＣ推定ブロック１２０で用いられる電池モデルについては、二次電池１０の状態量（Ｔｂ，Ｖｂ，Ｉｂ等）を入力変数として、開放電圧および／またはＳＯＣを算出可能に構成された電池モデルであれば、任意のモデルを適用することが可能である。

本実施の形態では、図７に示すように、ＳＯＣ推定ブロック１２０は、二次電池１０の状態量（Ｔｂ，Ｖｂ，Ｉｂ）を入力変数として二次電池１０の内部抵抗での電圧変化ΔＶを推定することによって、その時点での開放電圧（ＯＣＶ＝Ｖｂ−ΔＶ）を推定する。さらに、推定された開放電圧（図７でのＶａ，Ｖｂ）を用いて、マップ１０２と同様の開放電圧−ＳＯＣ特性に基づいて二次電池１０のＳＯＣを推定する。

図８を参照して、ＳＯＣ推定ブロック１２０で用いられる等価回路モデル１５０は、開放電圧ＯＣＶとバッテリ電圧Ｖｂとの電圧差ΔＶ＝Ｖｂ−ＯＣＶを求めるためのＲＣ直並列回路モデルである。等価回路モデル１５０において、Ｒｓは電解液抵抗を示し、Ｃ１〜Ｃ３は電気二重層容量を示し、Ｒ１〜Ｒ３は反応抵抗を示している。

電解液抵抗の直流抵抗成分である抵抗Ｒｓは温度依存性を有する。したがって、バッテリ温度Ｔｂを引数として電解液抵抗Ｒｓを求めるマップ（図示せず）を予め作成して、電解液抵抗Ｒｓを逐次求めることが好ましい。

同様に、反応抵抗Ｒ１〜Ｒ３についても温度依存性およびＳＯＣ依存性を有するため、その時点におけるＳＯＣ推定値およびバッテリ温度Ｔｂを引数とする二次元マップ（図示せず）を予め作成して、当該マップの参照により逐次反応抵抗Ｒ１〜Ｒ３を求めることが好ましい。同様に、電気二重層容量Ｃ１〜Ｃ３も温度依存性およびＳＯＣ依存性を有するため、その時点におけるＳＯＣ推定値およびバッテリ温度Ｔｂを引数とする二次元マップ（図示せず）を予め作成して、当該マップの参照により逐次電気二重層容量Ｃ１〜Ｃ３を求めることが好ましい。

なお、等価回路モデル１５０における電気二重層容量Ｃ１〜Ｃ３および反応抵抗Ｒ１〜Ｒ３については、一般的な二次電池の評価手法である交流インピーダンス応答を測定することによって、予め求めることができる。交流インピーダンス測定では、図９に示すように異なる周波数の交流信号を入力し、インピーダンスの実軸成分ＲｅＺおよび虚軸成分−ＩｍＺとをプロットしていくことにより、得られたプロット波形より、交流回路定数としての、反応抵抗Ｒ１〜Ｒ３および電気二重層容量Ｃ１〜Ｃ３を得ることができる。

図８に示した等価回路モデル１５０によって、下記（１）式に従って求めることができる。

ΔＶ＝Ｉｂ・Ｒｓ＋ΔＶ１＋ΔＶ２＋ΔＶ３ …（１）
ＲＣ並列回路における電圧変化ΔＶ１〜ΔＶ３については、以下の方法により近似的に求めことができる。

ＲＣ並列回路の電流Ｉ（等価回路モデル１５０ではバッテリ電流Ｉｂに相当）および電圧Ｖ（ΔＶ１〜ΔＶ３を総称するもの）の間には、抵抗値Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３を総括的に表記するもの）およびキャパシタ容量Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３を総称的に表記するもの）とすると、下記（２）式で示される。

式（２）に従う微分方程式をオンラインで解くと計算機負荷が高くなるため、以下に示すように近似式を導入する。

微小時間における電圧Ｖの変動をΔＶとし、時間変化をΔｔとすると、ｄＶ／ｄｔ＝ΔＶ／Δｔを（２）式に代入することにより下記（３）式が得られる。

すなわち（３）式に従えば、電圧変化ΔＶ１〜ΔＶ３のそれぞれについて、所定周期毎にバッテリ電流Ｉｂをサンプリングすることにより、回路定数Ｃ１〜Ｃ３，Ｒ１〜Ｒ３を用いた（３）式に基づいて、前回演算時から今回演算時までの電圧変化量を得ることができる。

このため、上記（１）式中のΔＶ１〜ΔＶ３は、下記（４）〜（６）式に従って求めることができる。なお、（４）〜（６）式中においてΔｔは演算周期を示す。

このように、所定周期で等価回路モデル１５０に基づく演算を行なうことにより、（１）式に従ってバッテリ電圧Ｖｂに対する内部抵抗での電圧変化ΔＶを推定できる。これにより、その時点での開放電圧（ＯＣＶ＝Ｖｂ−ΔＶ）を推定して、開放電圧−ＳＯＣ特性に基づくＳＯＣ推定を行なうことができる。

ただし、電池モデルに基づくＳＯＣ推定では、バッテリ電流Ｉｂが過大である場合には、推定誤差が大きくなる可能性がある。したがって、電池モデルに基づくＳＯＣ推定を行なう場合には、バッテリ電流Ｉｂが一定範囲内であることを条件とすることが好ましい。

次に、図１０および図１１を用いて、本発明の実施の形態によるＳＯＣ推定を詳細に説明する。図１０および図１１に示されるフローチャートは、ＳＯＣ推定部６０により所定プログラムに従って所定周期で実行されるものとする。

図１０を参照して、本実施の形態によるＳＯＣ推定ルーチンでは、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ１００により、バッテリ電流Ｉｂが、図３に示した安定電流範囲１０５内で、図４に示した電圧安定時間Ｔｓｔ以上継続して流れているかどうかを判定する。

ステップＳ１００のＹＥＳ判定時には、ＳＯＣ推定部６０は、二次電池１０を安定状態であると判定する。上述のように、安定状態では、バッテリ電圧Ｖｂを開放電圧ＯＣＶとみなしてＳＯＣ推定を行なってもＳＯＣ推定誤差が許容誤差以内である。したがって、ＳＯＣ推定部６０は、二次電池１０を安定状態のときには、ステップＳ１１０により、バッテリ電圧Ｖｂ＝開放電圧ＯＣＶとみなしてＳＯＣ推定を行なう。すなわち、選択切換部１３０により、ＳＯＣ推定ブロック１００が選択される。

そして、ＳＯＣ推定部６０は、ＳＯＣ推定ブロック１００によるＳＯＣ推定実行時には、ステップＳ１２０により、ＳＯＣ推定ブロック１１０による電流積算に基づくＳＯＣ推定の実行時に、電流積算に基づくＳＯＣ推定が連続して実行される期間を示す電流積算連続期間をカウントするためのタイマ値Ｔｃｎｔをリセットする（Ｔｃｎｔ＝０）。

一方、ステップＳ１００のＮＯ判定時、すなわち、二次電池１０が安定状態でないときには、ＳＯＣ推定部６０は、図１１に示したフローチャートに従って、電流積算に基づくＳＯＣ推定（ＳＯＣ推定ブロック１１０）または、電池モデルに基づくＳＯＣ推定（ＳＯＣ推定ブロック１２０）のいずれかによってＳＯＣを推定する。

図１１を参照して、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ１５０により、電流積算によるＳＯＣ推定が制限時間Ｔｌｍｔ１を超えて実行されていないかどうかを判定する。すなわち、ステップＳ１５０では、タイマ値Ｔｃｎｔ＜Ｔｌｍｔ１であるかどうかが判定される。

電流積算連続時間が制限時間Ｔｌｍｔ１以内である場合には（ステップＳ１５０におけるＹＥＳ判定）、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ２００により、ＳＯＣ推定ブロック１１０による電流積算に基づくＳＯＣ演算を優先的に実行する（ステップＳ２００）。さらに、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ２１０により、電流積算によるＳＯＣ推定実行時にはタイマ値Ｔｃｎｔを更新（増加）する。

これに対して、ステップＳ１５０のＮＯ判定時、すなわち電流積算によるＳＯＣ推定が制限時間Ｔｌｍｔ１を超えて連続的に実行されている場合には、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ１６０およびＳ１７０による判定に従って、電流積算に基づくＳＯＣ推定に代えて電池モデルに基づくＳＯＣ推定（ＳＯＣ推定ブロック１２０）を実行するか、それとも電流積算によるＳＯＣ推定（ＳＯＣ推定ブロック１１０）を継続するかを判定する。

ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ１６０によりバッテリ電流Ｉｂが図１２に示す電池モデル使用可能範囲１２５に収まっているかどうかを判定する。

図１２を参照して、電池モデル使用可能範囲１２５は、内部抵抗の温度依存性を考慮して設定される。すなわち、内部抵抗が相対的に大きく電池モデルによる推定誤差が発生しやすい低温領域では、ごく低電流範囲に限定して電池モデルによるＳＯＣ推定を許可するように、電池モデル使用可能範囲１２５が設定される。これに対して、内部抵抗が相対的に小さく電池モデルによる推定誤差が小さくなると予測される高温領域では、定常使用範囲内のバッテリ電流であれば電池モデルに基づくＳＯＣ推定が許可されるように、電池モデル使用可能範囲１２５が設定される。

再び図１１を参照して、ステップＳ１６０のＹＥＳ判定時、すなわち、バッテリ電流Ｉｂが電池モデル使用可能範囲内である場合には、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ２２０により、電池モデルに基づくＳＯＣ推定（ＳＯＣ推定ブロック１２０）を実行する。ＳＯＣ推定部６０は、電池モデルに基づくＳＯＣ推定の実行時には、ステップＳ２３０により、電流積算連続期間を示すタイマ値Ｔｃｎｔをリセットする（Ｔｃｎｔ＝０）。

これに対して、ステップＳ１６０のＮＯ判定時、すなわちバッテリ電流Ｉｂが電池モデル使用可能範囲外（図１２）である場合には、ＳＯＣ推定部６０は、さらにステップＳ１７０を実行して、電流積算連続時間が最終制限時間Ｔｌｍｔ２（Ｔｌｍｔ２＞Ｔｍｌｔ１）以内であるかどうかを判定する。

なお、制限時間Ｔｌｍｔ１および最終制限時間Ｔｌｍｔ２は、事前に把握される電流センサ３２の最大オフセット誤差とＳＯＣ推定の許容誤差との関係から予め求めることができる。また、電流積算連続時間に代えて、電流積算中の充放電回数や充放電時間が制限値を超えないように、ステップＳ１５０，Ｓ１７０の判定を実行することも可能である。

そして、ステップＳ１７０のＮＯ判定時、すなわち電流積算連続時間が制限時間Ｔｌｍｔ１以上であるものの、最終制限時間Ｔｌｍｔ２以内であるときには、ＳＯＣ推定部６０は、電池モデルに基づくＳＯＣ推定誤差の方が電流積算を継続することによるＳＯＣ推定誤差よりも大きいと判断して、ステップＳ２００により電流積算に基づくＳＯＣ推定を継続的に実行する。このときには、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ２１０によりタイマ値Ｔｃｎｔを更新（増加）する。

一方、ステップＳ１７０のＹＥＳ判定時、すなわちバッテリ電流が電池モデル使用可能範囲外であっても、電流積算連続時間が最終制限時間Ｔｌｍｔ２を超えた場合には、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ２２０により電池モデルに基づくＳＯＣ推定（ＳＯＣ推定ブロック１２０）を実行する。これにより、電流積算によるＳＯＣ推定の継続による誤差の拡大を考慮して、その時点で一旦電池モデルに基づくＳＯＣ推定が実行される。このとき、ＳＯＣ推定部６０は、ステップＳ２３０により、電流積算連続期間を示すタイマ値Ｔｃｎｔをリセットする（Ｔｃｎｔ＝０）。

このような制御構造とすることにより、内部抵抗における電圧変化がＳＯＣの許容推定誤差に対応する所定電圧以下である場合（すなわち安定状態時）には、電池モデル等を用いることなく、より簡易かつ確実な方式に従って二次電池１０のＳＯＣを許容誤差内で推定することができる。

さらに、電流センサのオフセット誤差を考慮した電流積算連続時間の制限、およびバッテリ温度に応じたバッテリ電流制限に従う電池モデルの使用制限により、電池モデルに基づくＳＯＣ推定および電流積算に基づくＳＯＣ推定について、それぞれの誤差要因が拡大しないように両者の使用を選択することができる。

また、たとえば、開放電圧とＳＯＣとの間の相関関係があまり強くない二次電池等では、図１０のフローチャートの処理を省略して、図１１のフローチャートに従った、電池モデルに基づくＳＯＣ推定および電流積算に基づくＳＯＣ推定の選択によってＳＯＣ推定を実行することも可能である。

なお、本発明は、たとえばハイブリッド自動車または電気自動車に搭載された二次電池の充電状態推定に適用可能である。ただし、電気自動車に搭載された二次電池では、一般に、満充電（ＳＯＣ≒１００％）後には、ＳＯＣを一定目標値に維持するような充放電制御は行なわれず、再充電の必要を検知するために放電の進行によるＳＯＣ低下を的確に推定することが要求される。これに対して、ハイブリッド自動車に搭載された二次電池では、回生制動時の回生電力を充電するための一定余裕を維持するように、ＳＯＣを一定目標値（たとえばＳＯＣ＝６０％）に維持するような充放電制御が必要とされる。したがって、ハイブリッド自動車では二次電池の充放電が頻繁に繰り返されることとなり、電気自動車と比較してＳＯＣ推定誤差の発生が顕著となる。したがって、本発明による二次電池の充電状態推定装置および充電状態推定方法は、ハイブリッド自動車への適用により適していると言える。

ここで本発明の実施の形態と本発明との関係について説明すると、図２に示したマップは本発明における「特性記憶手段」に対応し、図１０のステップＳ１００は本発明での「安定状態判定手段（安定状態判定ステップ）」に対応する。また、ステップＳ１１０は本発明での「第１の充電状態推定手段（第１の充電状態推定ステップ）」に対応し、図１１のステップＳ２００およびＳ２２０は、本発明での「第２の充電状態推定手段（第２の充電状態推定ステップ）」に対応する。特に、ステップＳ２００が本発明での「第１の推定手段（第１の推定ステップ）」に対応する一方で、ステップＳ２２０は本発明における「第２の推定手段（第２の推定ステップ）」に対応する。さらに、図１１におけるステップＳ１２０、Ｓ２１０およびＳ２３０は、本発明での「計時手段（計時ステップ）」に対応し、ステップＳ１６０およびＳ１７０は、本発明での「選択手段（選択ステップ）」に対応する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 電源システム、１０ 二次電池、２０ 負荷、３０ 温度センサ、３２ 電流センサ、３４ 電圧センサ、６０ ＳＯＣ推定部、７０ 制御部、１００，１１０，１２０ ＳＯＣ推定ブロック、１０２ マップ、１０５ 安定電流範囲、１２５ 電池モデル使用可能範囲、１３０ 選択切換部、１５０ 等価回路モデル、Ｉｂ バッテリ電流、Ｉｊｄ，−Ｉｊｄ 制限電流、ＯＣＶ 開放電圧、Ｒ１〜Ｒ３ 反応抵抗、ｒｂ 内部抵抗、Ｒｓ 電解液抵抗、Ｔｂ バッテリ温度、Ｔｃｎｔ タイマ値（電流積算連続時間）、Ｔｌｍｔ１ 制限時間（電流積算連続時間）、Ｔｌｍｔ２ 最終制限時間（電流積算連続時間）、Ｔｓｔ 電圧安定時間、Ｖｂ バッテリ電圧（端子間電圧）。

Claims (8)

1. 入出力電流、出力電圧および電池温度を検出可能な検出器が設けられた二次電池の充電状態推定装置であって、
   前記入出力電流の積算値に基づいて前記二次電池の残存容量の変化量を算出することによって前記二次電池の残存容量を推定する第１の推定手段と、
   前記入出力電流、前記出力電圧および前記電池温度を入力変数とする電池モデルに基づいて、前記二次電池の残存容量を推定する第２の推定手段と、
   前記第１の推定手段による充電状態推定の連続実行期間を計時する計時手段と、
   前記入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるか否かの判定と、前記計時手段により求められた前記連続実行期間とに基づいて、前記第１および第２の推定手段の一方を選択して前記残存容量を推定する選択手段とを備える、二次電池の充電状態推定装置。
2. 前記選択手段は、前記連続実行期間が第１の制限期間以下であるときに、前記第１の推定手段を選択して前記残存容量を推定する一方で、前記連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、前記入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるときに、前記第２の推定手段を選択して前記残存容量を推定する、請求項１記載の二次電池の充電状態推定装置。
3. 前記選択手段は、前記連続実行期間が第１の制限期間よりも長い第２の制限期間を超えた場合には、前記入出力電流にかかわらず、前記第２の推定手段を選択して前記残存容量を推定する、請求項２記載の二次電池の充電状態推定装置。
4. 前記選択手段は、前記連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、前記入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲外であるときに、前記第１の推定手段を選択して前記残存容量を推定する、請求項２記載の二次電池の充電状態推定装置。
5. 前記二次電池は、リチウムイオン電池である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池の充電状態推定装置。
6. 入出力電流、出力電圧および電池温度を検出可能な検出器が設けられた二次電池の充電状態推定方法であって、
   前記入出力電流の積算値に基づいて前記二次電池の残存容量の変化量を算出することによって前記二次電池の残存容量を推定する第１の推定ステップと、
   前記入出力電流、前記出力電圧および前記電池温度を入力変数とする電池モデル式に基づいて、前記二次電池の残存容量を推定する第２の推定ステップと、
   前記第１の推定ステップによる残存容量推定の連続実行期間を計時する計時ステップと、
   前記入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるか否かの判定と、前記計時ステップにより求められた前記連続実行期間とに基づいて、前記第１および第２の推定ステップの一方を選択して前記残存容量を推定する選択ステップとを備える、二次電池の充電状態推定方法。
7. 前記選択ステップは、前記連続実行期間が第１の制限期間以下であるときに、前記第１の推定ステップを選択して前記残存容量を推定する一方で、前記連続実行期間が第１の制限期間を超え、かつ、前記入出力電流が所定の電池モデル使用可能範囲内であるときに、前記第２の推定ステップを選択して前記残存容量を推定する、請求項６に記載の二次電池の充電状態推定方法。
8. 前記二次電池は、リチウムイオン電池である、請求項６または７に記載の二次電池の充電状態推定方法。

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