JP2013221790A

JP2013221790A - 車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置

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Publication number: JP2013221790A
Application number: JP2012092061A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Tsutake; 隆広都竹; Mamoru Kuraishi; 守倉石; Katsunori Tanaka; 克典田中
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】バッテリの充電率および内部抵抗の値を正確に推定することができる、車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置を提供する。
【解決手段】内部状態推定ユニット１０は、バッテリ２０の端子電圧を測定する電圧測定手段１１と、バッテリ２０の出力電流を所望の値に調整する電流調整手段１２と、開放端子電圧に基づいてバッテリ２０の充電率を推定する充電率推定手段１４と、出力電流および端子電圧並びに開放端子電圧に基づいてバッテリ２０の内部抵抗Ｒの値を推定する内部抵抗推定手段１５とを備えている。充電率推定手段１４および内部抵抗推定手段１５は、バッテリ２０と電力コンバータ２１やモータジェネレータ２２等の車両負荷との間で電力の授受が行われていない状態において、バッテリ２０の充電率および内部抵抗Ｒの値をそれぞれ推定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置に関する。

電気モータによって走行する電気自動車（ＥＶ車）や電気モータとガソリンエンジンとの併用によって走行するプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ車）が普及してきている。これらＥＶ車やＰＨＶ車には、電気モータを駆動する電力を蓄えるための充放電可能なバッテリが搭載されている。

ＥＶ車やＰＨＶ車を効率良く走行させるためには、バッテリの充電率や内部抵抗の値等のバッテリの内部状態を正確に把握する必要がある。特許文献１には、バッテリの開放端子電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）に基づいて、バッテリの充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を推定する事項が記載されている。また、特許文献２には、バッテリの端子電圧および出力電流を測定し、それらの値を所定の電池モデル式に入力し、バッテリの内部抵抗の推定値を導出する事項が記載されている。

特開２０００−２２１２４９号公報特開２０１０−２０３９３５号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されている発明では、車両の走行時においては、電気モータ等のバッテリからの電力供給を受けて動作する車両負荷の変動が激しいために、バッテリの端子電圧や出力電流を安定して測定することができず、その充電率や内部抵抗の値を正確に推定するのが困難であるという問題がある。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、バッテリの充電率および内部抵抗の値を正確に推定することができる、車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置は、バッテリの端子電圧を測定する電圧測定手段と、バッテリの出力電流を所望の値に調整する電流調整手段と、電流調整手段によって出力電流をゼロにした状態における開放端子電圧を電圧測定手段によって測定し、当該開放端子電圧に基づいてバッテリの充電率を推定する充電率推定手段と、電流調整手段によって出力電流をゼロから所定値に変化させた状態における端子電圧を電圧測定手段によって測定し、当該所定値の出力電流および端子電圧並びに開放端子電圧に基づいて、バッテリの内部抵抗の値を推定する内部抵抗推定手段とを備え、充電率推定手段および内部抵抗推定手段は、バッテリと車両負荷との間で電力の授受が行われていない状態において、充電率および内部抵抗の値をそれぞれ推定することを特徴とする。

内部抵抗推定手段は、電流調整手段によって出力電流をゼロから所定値に変化させた状態における端子電圧を電圧測定手段によって複数回測定し、所定値の出力電流、複数の端子電圧、および開放端子電圧に基づいて、内部抵抗の値を推定してもよい。

内部抵抗推定手段は、電流調整手段によって出力電流をゼロから所定値に変化させて一定時間継続させることを繰り返しながら、電圧測定手段によって端子電圧を複数回測定し、所定値の出力電流、出力電流の変化から第１所定時間が経過する前に測定される複数の端子電圧、および開放端子電圧に基づいて、内部抵抗の直流抵抗成分の値を推定すると共に、所定値の出力電流、出力電流の変化から第２所定時間が経過した後に測定される複数の端子電圧、開放端子電圧、および直流抵抗成分の値に基づいて、内部抵抗の分極抵抗成分の値を推定してもよい。

この発明に係る車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置によれば、バッテリの充電率および内部抵抗の値を正確に推定することができる。

この発明の実施の形態１に係る車載バッテリの内部状態推定ユニットを搭載した電気自動車の電気系統の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る車載バッテリの内部状態推定ユニットによって実行される推定処理を示すフローチャートである。一般的なバッテリの開放端子電圧と充電率との関係を示す図である。この発明の実施の形態１に係る車載バッテリの内部状態推定ユニットによって実行される推定処理時におけるバッテリ諸量の時間変化を示す図である。この発明の実施の形態２に係る車載バッテリの内部状態推定ユニットによって実行される推定処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２に係る車載バッテリの内部状態推定ユニットによって実行される推定処理時におけるバッテリ諸量の時間変化を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る車載バッテリの内部状態推定ユニット１０を搭載した電気自動車の電気系統の構成を図１に示す。

図１に示されるように、電気自動車の電気系統には、直流電力を充放電可能なバッテリ２０と、インバータおよびコンバータとして動作可能な電力変換ユニット２１と、電動機および発電機として動作可能なモータジェネレータ２２とが含まれており、内部状態推定ユニット１０はバッテリ２０に接続されている。ここで、電力変換ユニット２１とモータジェネレータ２２は、バッテリ２０との間で電力の授受を行う車両負荷である。

電気自動車の通常走行時においては、バッテリ２０から供給される直流電力が電力変換ユニット２１によって交流電力に変換され、この交流電力によってモータジェネレータ２２が電動機として動作して電気自動車の車輪が駆動される。一方、電気自動車の回生走行時においては、モータジェネレータ２２が発電機として動作して交流電力を発電し、この交流電力が電力変換ユニット２１によって直流電力に変換されてバッテリ２０への充電が行われる。

内部状態推定ユニット１０は、電圧測定手段１１と、電流調整手段１２と、マイクロコンピュータ１３とから構成されており、マイクロコンピュータ１３の内部には、充電率推定手段１４と、内部抵抗推定手段１５と、制御手段１６とが含まれている。

電圧測定手段１１は、周知の電圧センサによって構成されており、バッテリ２０の端子電圧を測定する。

電流調整手段１２は、周知の電流センサと可変抵抗とによって構成されており、バッテリ２０の出力電流を所望の値に調整する。

充電率推定手段１４は、電流調整手段１２によってバッテリ２０の出力電流をゼロにした状態における開放端子電圧（ＯＣＶ）を電圧測定手段１１によって測定し、当該開放端子電圧に基づいてバッテリ２０の充電率（ＳＯＣ）を推定する。

内部抵抗推定手段１５は、電流調整手段１２によってバッテリ２０の出力電流をゼロから所定値に変化させた状態における端子電圧を電圧測定手段１１によって測定し、当該所定値の出力電流および端子電圧並びに上記開放端子電圧に基づいて、バッテリ２０の内部抵抗の値を推定する。

制御手段１６は、内部状態推定ユニット１０の全体の動作を制御する。

なお、図１のバッテリ２０の内部に示されるように、本願発明においてはバッテリ２０の等価回路として、開放端子電圧Ｖｏを出力する電圧源と内部抵抗Ｒとが直列に接続された回路を考え、内部抵抗Ｒは直流抵抗成分Ｒｄと分極抵抗成分Ｒｐとから構成され、Ｒ＝Ｒｄ＋Ｒｐの関係が成り立つ。直流抵抗成分Ｒｄの値は、バッテリ２０の出力電流の大きさに依存することなく常に一定であるが、分極抵抗成分Ｒｐの値は、バッテリ２０の出力電流の大きさに依存し、出力電流が変化する際にはその変化に瞬時に応答せず、時間の経過と共に徐々に変化して一定値に飽和する。

次に、この実施の形態１に係る内部状態推定ユニット１０によるバッテリ２０の内部状態の推定処理について、図２〜図４を参照して説明する。

内部状態推定ユニット１０は、電気自動車が走行中であるか停止中であるかに依らず、図２のフローチャートに示される推定処理ルーチンを所定の時間間隔で常に実行する。以下、この推定処理ルーチンにおける各ステップの詳細について、順次説明する。

まず、ステップＳ１１において、制御手段１６はバッテリ２０が使用中でないか、すなわちバッテリ２０と電力変換ユニット２１やモータジェネレータ２２等の車両負荷との間で電力の授受が行われていないかを調べる。そして、バッテリ２０が使用中でない場合にはステップＳ１２〜Ｓ１７の処理を実行し、バッテリ２０が使用中である場合には推定処理ルーチンを終了する。

ステップＳ１２において、充電率推定手段１４は、電流調整手段１２を制御することによってバッテリ２０の出力電流をゼロにする（バッテリ２０と電力変換ユニット２１やモータジェネレータ２２等の車両負荷との間で電力の授受が行われていない状態では、バッテリ２０から電流調整手段１２に流れる電流をゼロにすれば、バッテリ２０の出力電流はゼロになる）。そして、その状態におけるバッテリ２０の端子電圧を電圧測定手段１１によって測定し、開放端子電圧Ｖｏとして記憶する。

ステップＳ１３において、充電率推定手段１４は、上記開放端子電圧Ｖｏに基づいてバッテリ２０の充電率を推定する。図３に示されるように、バッテリ２０の開放端子電圧Ｖｏと充電率との間には１対１の対応関係が存在するため、開放端子電圧Ｖｏから充電率を容易に推定することができる。

次に、ステップＳ１４において、内部抵抗推定手段１５は、電流調整手段１２を制御することによってバッテリ２０の出力電流をゼロから所定値Ｉｃに変化させ、ステップＳ１５〜Ｓ１６において、一定時間３０００ｍｓが経過するまでの間、バッテリ２０の端子電圧を電圧測定手段１１によって繰り返し測定する。この際のバッテリ２０の諸量の時間変化は図４に示されるようになり、時刻ｔ_０において出力電流がゼロからＩｃに変化した後、時刻ｔ_１〜ｔ_５の各時刻における端子電圧Ｖ_１〜Ｖ_５が測定される。

ステップＳ１７において、内部抵抗推定手段１５は、ステップＳ１５〜Ｓ１６で各時刻ｔ_１〜ｔ_５において測定された端子電圧Ｖ_１〜Ｖ_５、所定値Ｉｃの出力電流、およびステップＳ１２で推定された開放端子電圧Ｖｏに基づいて、バッテリ２０の内部抵抗Ｒ＝Ｒｄ＋Ｒｐの値を推定する。上述したように、本願発明では内部抵抗Ｒを直流抵抗成分Ｒｄと分極抵抗成分Ｒｐとによって構成されていると考えるが、実施の形態１ではこれらをまとめて取り扱い、直流抵抗成分Ｒｄと分極抵抗成分Ｒｐとの和として内部抵抗Ｒの値を推定する。

詳細には、まず、各時刻ｔ_１〜ｔ_５における内部抵抗Ｒの値Ｒ_１〜Ｒ_５を以下の式に従って算出する。

Ｒ_ｉ＝（Ｖｏ−Ｖ_ｉ）／Ｉｃ

ただし、上式において、ｉ＝１〜５である。図４に示されるように、時刻ｔ_０においてバッテリ２０の出力電流がゼロから所定値Ｉｃに変化すると、内部抵抗Ｒの値は或る初期値から徐々に増加してやがて一定値に飽和する。これは、内部抵抗Ｒにおける直流抵抗成分Ｒｄの値は出力電流に依存することなく常に一定であるのに対して、分極抵抗成分Ｒｐの値は出力電流に依存し、出力電流が変化する際には時間の経過と共に徐々に変化していくためである。ここでは、内部抵抗Ｒの値が一定値であると考えた時に、上記Ｒ_１〜Ｒ_５を最も良く近似する値を最小二乗法により決定し、これを内部抵抗Ｒの推定値とする。

以上説明したように、この実施の形態１に係る車載バッテリの内部状態推定ユニット１０では、バッテリ２０が使用中でない状態、すなわちバッテリ２０と電力コンバータ２１やモータジェネレータ２２等の車両負荷との間で電力の授受が行われておらず、車両負荷の変動の影響を受けない状態において、ステップＳ１２〜Ｓ１３における充電率の推定、およびステップＳ１４〜Ｓ１７における内部抵抗Ｒの値の推定を行う。これにより、バッテリ２０の充電率および内部抵抗Ｒの値を正確に推定することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る車載バッテリの内部状態推定ユニット１０について説明する。実施の形態１に係る内部状態推定ユニット１０では、バッテリ２０の内部抵抗Ｒにおける直流抵抗成分Ｒｄと分極抵抗成分Ｒｐとをまとめて取り扱い、それらの和として内部抵抗Ｒの値を推定したが、実施の形態２に係る内部状態推定ユニット１０では、直流抵抗成分Ｒｄの値と分極抵抗成分Ｒｐの値とを別々に推定する。なお、実施の形態１と２では、内部状態推定ユニット１０の構成は同一であり実行する推定処理の内容のみが異なるため、以降では、実施の形態２に係る内部状態推定ユニット１０によるバッテリ２０の内部状態の推定処理についてのみ、図５〜図６を参照して説明する。

実施の形態２に係る内部状態推定ユニット１０は、電気自動車が走行中であるか停止中であるかに依らず、図５のフローチャートに示される推定処理ルーチンを所定の時間間隔で常に実行する。以下、この推定処理ルーチンにおける各ステップの詳細について、順次説明する。

まず、ステップＳ２１において、制御手段１６はバッテリ２０が使用中でないか、すなわちバッテリ２０と車両負荷との間で電力の授受が行われていないかを調べる。そして、バッテリ２０が使用中でない場合にはステップＳ２２〜Ｓ２９の処理を実行し、バッテリ２０が使用中である場合には推定処理ルーチンを終了する。

ステップＳ２２において、充電率推定手段１４は、電流調整手段１１によってバッテリ２０の出力電流をゼロにした状態における開放端子電圧Ｖｏを電圧測定手段１２によって測定し、ステップＳ２３において、当該開放端子電圧Ｖｏに基づいてバッテリ２０の充電率を推定する。

次に、ステップＳ２４〜Ｓ２８において、内部抵抗推定手段１５は、電流調整手段１２を制御することによってバッテリ２０の出力電流をゼロから所定値Ｉｃに変化させてその状態を一定時間３０００ｍｓ継続させることを所定回数繰り返しながら、電圧測定手段１１によってバッテリ２０の端子電圧を複数回測定する。この際のバッテリ２０の諸量の時間変化は図６に示されるようになり、時刻ｔ_０において出力電流がゼロからＩｃに変化した後、時刻ｔ_１〜ｔ_５の各時刻における端子電圧Ｖ_１〜Ｖ_５が測定され、時刻ｔ_０’において出力電流がゼロからＩｃに変化した後、時刻ｔ_６〜ｔ_１０の各時刻における端子電圧Ｖ_６〜Ｖ_１０が測定され、時刻ｔ_０”において出力電流がゼロからＩｃに変化した後、時刻ｔ_１１〜ｔ_１５の各時刻における端子電圧Ｖ_１１〜Ｖ_１５が測定される。

ステップＳ２９において、内部抵抗推定手段１５は、ステップＳ２４〜Ｓ２８で各時刻ｔ_１〜ｔ_１５において測定された端子電圧Ｖ_１〜Ｖ_１５、所定値Ｉｃの出力電流、およびステップＳ２で推定された開放端子電圧Ｖｏに基づいて、バッテリ２０の内部抵抗Ｒにおける直流抵抗成分Ｒｄの値と分極抵抗成分Ｒｐの値とを別々に推定する。

詳細には、まず、図６において出力電流がゼロから所定値Ｉｃに変化した直後における内部抵抗Ｒは主に直流抵抗成分Ｒｄによるものであり、分極抵抗成分Ｒｐは未だ飽和状態に達していないと考えられる。そのため、出力電流の変化から第１所定時間１０ｍｓが経過する前に測定された端子電圧Ｖ_１，Ｖ_６，Ｖ_１１に基づいて、直流抵抗成分Ｒｄの値Ｒｄ_１，Ｒｄ_６，Ｒｄ_１１を以下の式に従って算出する。

Ｒｄ_ｉ＝（Ｖｏ−Ｖ_ｉ）／Ｉｃ

ただし、上式において、ｉ＝１，６，１１である。そして、直流抵抗成分Ｒｄの値が一定値であると考えた時に、上記Ｒｄ_１，Ｒｄ_６，Ｒｄ_１１を最も良く近似する値を最小二乗法により決定し、これを直流抵抗成分Ｒｄの推定値とする。

また、図６において出力電流がゼロから所定値Ｉｃに変化してから十分に時間が経過した後における内部抵抗Ｒは直流抵抗成分Ｒｄと一定値に飽和した分極抵抗成分Ｒｐとの和になると考えられる。そのため、出力電流の変化から第２所定時間２０００ｍｓが経過した後に測定された端子電圧Ｖ_５，Ｖ_１０，Ｖ_１５と上記で推定した直流抵抗成分Ｒｄの推定値とに基づいて、分極抵抗成分Ｒｐの値Ｒｐ_５，Ｒｐ_１０，Ｒｐ_１５を以下の式に従って算出する。

Ｒｐ_ｊ＝｛（Ｖｏ−Ｖ_ｊ）／Ｉｃ｝−Ｒｄ

ただし、上式において、ｊ＝５，１０，１５である。そして、分極抵抗成分Ｒｐの値が飽和状態の一定値であると考えた時に、上記Ｒｐ_５，Ｒｐ_１０，Ｒｐ_１５を最も良く近似する値を最小二乗法により決定し、これを分極抵抗成分Ｒｐの推定値とする。

以上説明したように、この実施の形態２に係る車載バッテリの内部状態推定ユニット１０では、バッテリ２０が使用中でない状態において、出力電流の変化から第１所定時間１０ｍｓが経過する前に測定される端子電圧Ｖ_１，Ｖ_６，Ｖ_１１に基づいて、直流抵抗成分Ｒｄの値を推定すると共に、第２所定時間２０００ｍｓが経過した後に測定される端子電圧Ｖ_５，Ｖ_１０，Ｖ_１５に基づいて、分極抵抗成分Ｒｐの値を推定する。これにより、バッテリ２０の内部抵抗Ｒにおける直流抵抗成分Ｒｄの値と分極抵抗成分Ｒｐの値とを別々に推定することができる。なお、上記における第１所定時間と第２所定時間の値は一例であり、測定対象のバッテリの特性に応じて適宜設定することが好ましい。

その他の実施の形態．
実施の形態１，２においては、電流調整手段１２の負荷として可変抵抗を使用しているが、車両に予め搭載されている負荷を利用して電流調整手段を構成してもよい。例えば、車両にペルチェ素子を使用した冷却ユニットが搭載されている場合には、この冷却ユニットを電流調整手段の負荷として利用することにより、本願発明の実施に必要な部品数を少なくすることができる。

１０内部状態推定ユニット（内部状態推定装置）、１１電圧測定手段、１２電流調整手段、１４充電率推定手段、１５内部抵抗推定手段、２０バッテリ、Ｒ内部抵抗、Ｒｄ直流抵抗成分、Ｒｐ分極抵抗成分、Ｖｏ開放端子電圧。

Claims

車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置であって、
前記バッテリの端子電圧を測定する電圧測定手段と、
前記バッテリの出力電流を所望の値に調整する電流調整手段と、
前記電流調整手段によって前記出力電流をゼロにした状態における開放端子電圧を前記電圧測定手段によって測定し、該開放端子電圧に基づいて前記バッテリの充電率を推定する充電率推定手段と、
前記電流調整手段によって前記出力電流をゼロから所定値に変化させた状態における前記端子電圧を前記電圧測定手段によって測定し、該所定値の出力電流および該端子電圧並びに前記開放端子電圧に基づいて、前記バッテリの内部抵抗の値を推定する内部抵抗推定手段と
を備え、
前記充電率推定手段および前記内部抵抗推定手段は、前記バッテリと車両負荷との間で電力の授受が行われていない状態において、前記充電率および前記内部抵抗の値をそれぞれ推定することを特徴とする、車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置。
前記内部抵抗推定手段は、
前記電流調整手段によって前記出力電流をゼロから所定値に変化させた状態における前記端子電圧を前記電圧測定手段によって複数回測定し、
前記所定値の出力電流、前記複数の端子電圧、および前記開放端子電圧に基づいて、前記内部抵抗の値を推定することを特徴とする、請求項１に記載の車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置。
前記内部抵抗推定手段は、
前記電流調整手段によって前記出力電流をゼロから所定値に変化させて一定時間継続させることを繰り返しながら、前記電圧測定手段によって前記端子電圧を複数回測定し、
前記所定値の出力電流、前記出力電流の変化から第１所定時間が経過する前に測定される前記複数の端子電圧、および前記開放端子電圧に基づいて、前記内部抵抗の直流抵抗成分の値を推定すると共に、
前記所定値の出力電流、前記出力電流の変化から第２所定時間が経過した後に測定される前記複数の端子電圧、前記開放端子電圧、および前記直流抵抗成分の値に基づいて、前記内部抵抗の分極抵抗成分の値を推定することを特徴とする、請求項１に記載の車両に搭載されるバッテリの内部状態推定装置。