JP2016024162A - 充電率推定装置及び電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池が有する複数の電池セルの充電率を平準化する構成における当該組電池全体の充電率の推定をより精度良く行うことができる充電率推定装置、及びこの充電率推定装置を備えた電源システムを提供する。【解決手段】電源システム１は、複数の電池セル１２のそれぞれの蓄電残量Ｅｋにおける充電率ＳＯＣｋの平準化に伴う損失を考慮して組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌを推定する。【選択図】図６

Description

本発明は、複数の電池セルを備える組電池の充電率を推定する充電率推定装置及びそれを備えた電源システムに関する。

電動モータを用いて走行する電気自動車（ＥＶ）や、エンジンと電動モータとを併用して走行するハイブリッド自動車（ＨＥＶ）などの各種車両には、電動モータの動力源として、リチウムイオン充電池やニッケル水素充電池などの二次電池からなる電池セル（単位セル）を複数有する組電池を備えた電池モジュールが搭載されている。

このような電池モジュールの複数の電池セルは、個体差や周囲温度の偏りなどを原因として、一部の電池セルの劣化が他の電池セルに比べて早く進むことがある。そして、劣化した電池セルは、充電可能な容量（電流容量、電力容量）が減少してしまうことから、劣化の進んでいない他の電池セルの充電が満了する前に充電が満了してしまったり、他の電池セルが放電しきる前に放電しきってしまったりする。そして、電池モジュールは、その充放電について、劣化した電池セルにあわせて行われるため、劣化の進んでいない他の電池セルを十分に使い切ることができず、劣化した電池セルに合わせて電池モジュール全体の容量が実質的に減少してしまうことになる。

そのため、このような劣化した電池セルを含む電池モジュールは、当該劣化した電池セルの充電が満了したとき（充電率１００％）、他の電池セルの充電が満了していなくても電池モジュール全体の充電が満了したものとし、当該劣化した電池セルが放電しきったとき（充電率０％）、他の電池セルが放電しきっていなくても電池モジュール全体が放電しきったものとしているので、各電池セルを十分に使用することができなかった。そして、このような構成では、劣化した電池セルの充電率を電池モジュール全体の充電率として推定していた。

そこで、例えば、特許文献１に記載されている技術では、複数の電池セルのうちの任意の電池セルを選択的にインダクタに接続し、電圧の高い電池セルのエネルギーをインダクタに蓄電し、インダクタに蓄電したエネルギーを電圧の低い電池セルに移送することにより、効率よく各電池セルの電圧を均一にしている。これにより、電池モジュールの充電率にばらつきが生じたときに、電圧の高い電池セルから電圧の低い電池セルにエネルギーを移送することにより、複数の電池セルの充電率を平準化（バランシング）することができる。

特開２０１３−１３２９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術を用いることにより、複数の電池セルの充電率を平準化して均一にする構成において、電池モジュール全体の充電率の推定を精度良く行うことができなかった。

本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、組電池が有する複数の電池セルの充電率を平準化する構成における当該組電池全体の充電率の推定をより精度良く行うことができる充電率推定装置、及びこの充電率推定装置を備えた電源システムを提供することを目的としている。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、充電率が平準化される複数の電池セルを有する組電池全体の充電率を推定する充電率推定装置であって、前記複数の電池セルの個数をｎ、前記複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量をＥ１〜Ｅｎ、前記複数の電池セルのそれぞれの現在蓄電可能容量をＣ１〜Ｃｎ、前記複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量Ｅ１〜Ｅｎの平均値をＥａ、充電率の平準化に伴う蓄電残量の損失係数をＬとしたとき、以下の式を用いて、前記組電池全体の充電率ＳＯＣａｌｌを推定する充電率推定手段を有していることを特徴とする充電率推定装置である。
ＳＯＣａｌｌ＝［（Ｅ１＋・・・＋Ｅｎ）
−Ｌ×（｜Ｅ１−Ｅａ｜＋・・・＋｜Ｅｎ−Ｅａ｜）／２］
／（Ｃ１＋・・・＋Ｃｎ）

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記充電率推定手段が、前記複数の電池セルのそれぞれの現在蓄電可能容量を、前記複数の電池セルのそれぞれの初期蓄電可能容量及び劣化度を互いに乗じて算出し、前記複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量を、前記複数の電池セルのそれぞれの現在蓄電可能容量及び充電率を互いに乗じて算出するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、上記目的を達成するために、組電池と、前記組電池が備える複数の電池セルの充電率を平準化する充電率平準化装置と、前記組電池全体の充電率を推定する充電率推定装置とを備えた電源システムであって、前記充電率推定装置が、請求項１又は２に記載の充電率推定装置で構成されていることを特徴とする電源システムである。

本発明によれば、複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量（電池セルに蓄えられている電荷量）における充電率の平準化に伴う損失を考慮して組電池全体の充電率を推定するので、当該組電池全体の充電率の推定をより精度良く行うことができる。

本発明の一実施形態の電源システムの概略構成を示す図である。 図１の電源システムの組電池が備える電池セルの両電極間の電圧と充電率との関係の一例を模式的に示す図である。 図１の電源システムの制御装置の制御部が行う充電率平準化処理の一例を示すフローチャートである。 図１の電源システムにおける電池セルから補助電池への電荷の移送を模式的に示す図である。 図１の電源システムにおける補助電池から電池セルへの電荷の移送を模式的に示す図である。 図１の電源システムの制御装置の制御部が行う充電率推定処理の一例を示すフローチャートである。 組電池が有する複数の電池セルの状態を模式的に示す図である。 組電池が有する複数の電池セルの他の状態を模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態の充電率推定装置及びそれを備えた電源システムについて、図１〜図６を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の電源システムの概略構成を示す図である。図２は、図１の電源システムの組電池が備える電池セルの両電極間の電圧と充電率との関係の一例を模式的に示す図である。図３は、図１の電源システムの充電率平準化装置の制御部が行う充電率平準化処理の一例を示すフローチャートである。図４は、図１の電源システムにおける電池セルから補助電池への電荷の移送を模式的に示す図である。図５は、図１の電源システムにおける補助電池から電池セルへの電荷の移送を模式的に示す図である。図６は、図１の電源システムの制御装置の制御部が行う充電率推定処理の一例を示すフローチャートである。図７、図８は、組電池が有する複数の電池セルの状態を模式的に示す図である。

本実施形態の電源システムは、例えば、電気自動車などの車両に搭載され、当該車両の電動モータ等の高圧系電装品に電力を供給するとともに、電源システムの組電池が備える複数の電池セルの充電率を平準化（バランシング）させて、より多くの電力を出力できるようにするものである。また、組電池全体の充電率を推定するものである。勿論、本発明は、電気自動車などの車両以外の装置、システムなどに適用してもよい。

電池セルの充電率（ＳＯＣ；Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）には、蓄電可能電流容量に対する現在の蓄電電流量の割合（ＳＯＣｉ）や、蓄電可能電力容量に対する現在の蓄電電力量の割合（ＳＯＣｐ）などがあるが、いずれの充電率であってもよく、本実施形態では単に充電率（ＳＯＣ）としている。組電池の充電率ＳＯＣａｌｌについても同様である。また、電池セルの劣化度（ＳＯＨ；Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）は、初期の蓄電可能容量に対する現在の蓄電可能容量の割合である。

図１に示すように、本実施形態の電源システム（図中、符号１で示す）は、電池モジュール１０と、補助電池１７と、充電率平準化装置及び充電率推定装置としての制御装置２０と、を備えている。

電池モジュール１０は、組電池１１と、組電池１１と高圧系電装品Ｌ１との間に直列に接続された遮断機１５と、を有している。組電池１１は、複数の電池セル１２を有しており、これら複数の電池セル１２はそれぞれが直列に接続されている。電池セル１２として、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられている。電池セル１２は、単セルでもよく、または、複数の単セルが並列または直列に接続されて組み合わされたものであってもよい。

このような電池セル１２は、電圧を生じる起電力部ｅと内部抵抗ｒとを有している。電池セル１２は、両電極間に電圧ｖを生じ、この電圧ｖは、起電力部ｅによる起電力によって生じる電圧ｖｅと内部抵抗ｒに電流が流れることにより生じる電圧ｖｒとによって決定される（ｖ＝ｖｅ＋ｖｒ）。電池セル１２は、劣化度ＳＯＨに応じて内部抵抗ｒが変化し、つまり、内部抵抗ｒによって電池セル１２の劣化度ＳＯＨを推定することができる。

補助電池１７は、車両の低圧系電装品Ｌ２に電力を供給する鉛蓄電池などから構成されている。補助電池１７は、後述する制御装置２０にも電源を供給している。補助電池１７は、鉛蓄電池以外にもリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池を用いてもよい。

制御装置２０は、セル監視ユニット２１と、スイッチアレイ２２と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３と、制御部３０と、を有している。

セル監視ユニット２１は、例えば、複数のアナログスイッチやリレー装置などで構成され、組電池１１が有する複数の電池セル１２のそれぞれを選択的に後述する制御部３０に接続可能に設けられている。セル監視ユニット２１は、制御部３０からの制御信号により接続を切り替えて、複数の電池セル１２のうちの当該制御信号で指定された１つの電池セル１２を制御部３０に接続する。制御部３０は、接続された電池セル１２の両電極間の電圧を検出する。

スイッチアレイ２２は、例えば、複数のアナログスイッチやリレー装置などで構成され、組電池１１が有する複数の電池セル１２のそれぞれを選択的に後述する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続可能に設けられている。スイッチアレイ２２は、制御部３０からの制御信号により接続を切り替えて、複数の電池セル１２のうちの当該制御信号で指定された１つの電池セル１２を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続する。スイッチアレイ２２は、電池セル１２と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３との間で両方向に通電可能である。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、一方の端子から入力された直流電圧を変換して他方の端子から異なる直流電圧として出力しかつ他方の端子から入力された直流電圧を変換して一方の端子から異なる直流電圧として出力する電圧変換器である。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、一方の端子がスイッチアレイ２２を介して組電池１１が有する複数の電池セル１２に選択的に接続され、他方の端子が補助電池１７に接続されている。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、電池セル１２からの電力により補助電池１７を充電し、補助電池１７からの電力により電池セル１２を充電する。本実施形態において、補助電池１７は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３と低圧系電装品Ｌ２とに接続されるものであったが、これに限定するものではない。例えば、補助電池１７は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３のみに接続されて、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３及びスイッチアレイ２２を介して電池セル１２との間で充電及び放電をするように構成されていてもよい。

制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵したマイクロコンピュータなどで構成されており、電源システム１全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを充電率推定手段などの各種手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されている。ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより上記各種手段として機能する。また、ＲＯＭには、後述する充電率平準化処理及び充電率推定処理で用いられる各種パラメータ（基準充電率範囲、差分上限値、複数の電池セル１２の個数ｎ、複数の電池セル１２のそれぞれの初期蓄電可能容量Ｃｐ（複数の電池セル１２の全てで共通）など）が記憶されている。

制御部３０は、複数の出力ポートを備えており、これら出力ポートは、セル監視ユニット２１、スイッチアレイ２２及び双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続されている。制御部３０は、出力ポートから制御信号を出力して、セル監視ユニット２１及びスイッチアレイ２２の接続を切り替えたり、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３の動作を制御したりする。また、制御部３０の出力ポートは、電池モジュール１０の遮断機１５にも接続されており、出力ポートから制御信号を出力して、遮断機１５の動作を制御する。

制御部３０は、入力ポートを備えており、この入力ポートはセル監視ユニット２１を介して電池セル１２に接続されている。制御部３０は、入力ポートに入力された電圧をアナログ−デジタル変換して、当該電池セル１２の両電極間の電圧を示す値を取得する。

制御部３０は、他の入力ポートを備えており、この入力ポートは組電池１１（即ち、電池セル１２）を流れる電流に応じた電圧となる信号を出力する図示しない電流検出回路に接続されている。制御部３０は、他の入力ポートに入力された信号をアナログ−デジタル変換して、電池セル１２を流れる電流を示す値を取得する。

制御部３０は、電池セル１２の両電極間の電圧及びそのときに流れる電流を取得し、これら電圧及び電流の複数の組み合わせに基づいて、電池セル１２の劣化度ＳＯＨを推定する。具体的には、電圧と電流とを互いに直交する座標とした系において、電圧及び電流の組み合わせを座標とする２点をプロットし（各組み合わせにおいて電圧が異なる）、これら２点を結ぶ直線の傾きを、内部抵抗ｒとして得ることができる。そして、内部抵抗ｒに対応するＳＯＨの換算テーブルをあらかじめＲＯＭに記憶しておき、内部抵抗ｒを当該換算テーブルに当てはめることによりＳＯＨを推定する。

制御部３０は、電池セル１２の両電極間の電圧に基づいて、当該電池セル１２の充電率ＳＯＣｋ（ｋ＝１〜ｎ）を検出する。本実施形態において、電池セル１２の両電極間の電圧について充電上限電圧Ｖｔｈを４．０Ｖ、放電下限電圧Ｖｔｌを３．０Ｖとしており、これら充電上限電圧Ｖｔｈと放電下限電圧Ｖｔｌとの間で電圧が充電率ＳＯＣｋに対して図２のグラフに示すように変化するものとしている。この電池セル１２の両電極間の電圧と充電率ＳＯＣｋとの関係を示す充電率関係情報は、予備計測やシミュレーションなどにより予め取得して情報テーブル形式などでＲＯＭに記憶しておき、この情報テーブルに電圧を当てはめることにより充電率ＳＯＣｋを検出する。勿論、これは一例であって、これ以外にも、電池セル１２の電圧と充電率ＳＯＣｋとがリニアに変化する場合などにおいては、電池セル１２の電圧が４．０Ｖであるとき充電率ＳＯＣｋが１００％とし、電圧が３．５Ｖであるとき充電率ＳＯＣｋが５０％とし、電圧が３．０Ｖであるとき充電率ＳＯＣｋが０％としてもよい。充電率ＳＯＣｋを検出するときの電圧として、電池セル１２の開放電圧（両電極を開放した状態（またはそれに近い状態）での当該量電極間の電圧）を用いることで、高精度で充電率ＳＯＣｋを検出できる。

制御部３０の通信ポートは、図示しない車両内ネットワーク（例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）など）に接続されており、当該車両内ネットワークを通じて車両のコンビネーションメータなどの表示装置に接続される。制御部３０のＣＰＵは、通信ポート及び車両内ネットワークを通じて、組電池１１の状態等を表示装置に送信し、この表示装置において当該信号に基づき組電池１１の状態等を表示する。

制御部３０は、補助電池１７の充電率も検出している。一例として、制御部３０は、車両内ネットワークを通じて、補助電池１７の制御を行う電子制御装置などから補助電池１７の充電率を示す信号を受信することにより、当該補助電池１７の充電率を検出する。

次に、上述した制御装置２０の制御部３０が実行する処理（充電率平準化処理）の一例について、図３のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１１０では、組電池１１の複数の電池セル１２のうちの両電極間の電圧が最も高い電池セル１２（以下、「最高電圧電池セル１２Ｈ」という）及び両電極間の電圧が最も低い電池セル１２（以下、「最低電圧電池セル１２Ｌ」という）を検出する。具体的には、制御部３０が、セル監視ユニット２１に制御信号を出力して、複数の電池セル１２を順に制御部３０に接続するとともに、複数の電池セル１２のそれぞれの両電極間の電圧を検出する。そして、制御部３０が、すべての複数の電池セル１２の両電極間の電圧を検出した後、当該電圧の最も高い電池セル１２を最高電圧電池セル１２Ｈとして検出し、当該電圧の最も低い電池セル１２を最低電圧電池セル１２Ｌとして検出する。そして、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、最高電圧電池セル１２Ｈの充電率ＳＯＣＨ及び最低電圧電池セル１２Ｌの充電率ＳＯＣＬを検出する。具体的には、制御部３０が、最高電圧電池セル１２Ｈの両電極間の電圧に基づいて、その充電率ＳＯＣＨを検出し、同様に、最低電圧電池セル１２Ｌの電圧に基づいて、その充電率ＳＯＣＬを検出する。そして、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、制御部３０が、最高電圧電池セル１２Ｈの充電率ＳＯＣＨ及び最低電圧電池セル１２Ｌの充電率ＳＯＣＬの少なくとも一方が、基準充電率範囲から外れているか否かを判定する。本実施形態において、基準充電率範囲は、一例として、上限が９０％で下限が１０％に設定されている。そして、充電率ＳＯＣＨ及び充電率ＳＯＣＬの少なくとも一方が、基準充電率範囲から外れていると、ステップＳ１４０に進み（Ｓ１３０でＹ）、これら充電率ＳＯＣＨ及び充電率ＳＯＣＬが共に基準充電率範囲内にあると、ステップＳ１１０に戻る（Ｓ１３０でＮ）。

ステップＳ１４０では、制御部３０が、充電率ＳＯＣＨと充電率ＳＯＣＬとの差分値ΔＳＯＣが、差分上限値を超えているか否かを判定する。本実施形態において、差分上限値は、一例として、２％に設定されている。そして、差分値ΔＳＯＣが差分上限値を超えていると、ステップＳ１５０に進み（Ｓ１４０でＹ）、差分値ΔＳＯＣが差分上限値以下だと、ステップＳ１１０に戻る（Ｓ１４０でＮ）。

ステップＳ１５０では、制御部３０が、スイッチアレイ２２に制御信号を出力して、最高電圧電池セル１２Ｈを双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続する。そして、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、制御部３０が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に制御信号を出力して、最高電圧電池セル１２Ｈの電力により補助電池１７を充電するように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３を動作させる。そして、ステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１７０では、補助電池１７を所定量充電したか否かを判定する。具体的には、制御部３０が、セル監視ユニット２１に制御信号を出力して、最高電圧電池セル１２Ｈを制御部３０に接続するとともに、最高電圧電池セル１２Ｈの両電極間の電圧を検出し、この電圧に基づいて最高電圧電池セル１２Ｈの充電率ＳＯＣＨを検出する。そして、制御部３０が、この充電率ＳＯＣＨが充電開始から所定値分（例えば、１％）減少したか否かを判定して、所定値分減少していなかったら、補助電池１７を所定量充電していないものとして判定を繰り返し（Ｓ１７０でＮ）、所定値分減少していたら、補助電池１７を所定量充電したものと判定してステップＳ１８０に進む。（Ｓ１７０でＹ）。なお、ステップＳ１７０では、制御部３０は、補助電池１７の充電率も検出しており、補助電池１７の充電率が増加して１００％に達した場合も、補助電池１７の充電を停止すべく、ステップＳ１８０に進む。

ステップＳ１８０では、制御部３０が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に制御信号を出力して、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３を停止させる。そして、ステップＳ１９０に進む。

ステップＳ１９０では、制御部３０が、スイッチアレイ２２に制御信号を出力して、最低電圧電池セル１２Ｌを双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続する。そして、ステップＳ２００に進む。

ステップＳ２００では、制御部３０が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に制御信号を出力して、補助電池１７の電力により最低電圧電池セル１２Ｌを充電するように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３を動作させる。そして、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、最低電圧電池セル１２Ｌを所定量充電したか否かを判定する。具体的には、制御部３０が、セル監視ユニット２１に制御信号を出力して、最低電圧電池セル１２Ｌを制御部３０に接続するとともに、最低電圧電池セル１２Ｌの両電極間の電圧を検出し、この電圧に基づいて最低電圧電池セル１２Ｌの充電率ＳＯＣＬを検出する。そして、制御部３０が、この充電率ＳＯＣＬが充電開始から所定値分（Ｓ１６０〜Ｓ１８０において最高電圧電池セル１２Ｈから補助電池１７に移送した容量（電荷）と同一の容量に対応する充電率分）増加したか否かを判定して、所定値分増加していなかったら、最低電圧電池セル１２Ｌを所定量充電していないものとして判定を繰り返し（Ｓ２１０でＮ）、所定値分増加していたら、最低電圧電池セル１２Ｌを所定量充電したものと判定してステップＳ２２０に進む（Ｓ２１０でＹ）。換言すると、ステップＳ２１０では、最高電圧電池セル１２Ｈから補助電池１７に充電した容量と同一の容量を、補助電池１７から最低電圧電池セル１２Ｌに充電するまで充電動作を継続する。なお、ステップＳ２１０では、制御部３０は、補助電池１７の充電率も検出しており、補助電池１７の充電率が減少して所定の下限値（例えば９０％）に達した場合も、最低電圧電池セル１２Ｌの充電を停止すべく、ステップＳ２２０に進む。

ステップＳ２２０では、制御部３０が、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に制御信号を出力して、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３を停止させる。そして、再度、充電率平準化処理を実行するため、ステップＳ１１０に戻る。

制御部３０が、上述したステップＳ１１０を実行することで電池セル検出手段として機能し、上述したステップＳ１２０を実行することで充電率検出手段として機能し、上述したステップＳ１５０及びＳ１９０を実行することで接続切替制御手段として機能する。

次に、上述した電源システム１（制御装置２０）の複数の電池セル１２の充電率平準化の動作の一例について説明する。

制御装置２０は、電池モジュール１０の組電池１１が有する複数の電池セル１２のそれぞれの両電極間の電圧を検出し、この電圧の最も高い最高電圧電池セル１２Ｈの充電率ＳＯＣＨ及びこの電圧の最も低い最低電圧電池セル１２Ｌの充電率ＳＯＣＬを検出する（Ｓ１１０、Ｓ１２０）。

そして、例えば、充電率ＳＯＣＨが９１％でかつ充電率ＳＯＣＬが８７％だったとき、充電率ＳＯＣＨが基準充電率範囲を外れており（Ｓ１３０でＹ）、充電率ＳＯＣＨと充電率ＳＯＣＬとの差分値が差分上限値を超えているので（Ｓ１４０でＹ）、最高電圧電池セル１２Ｈの電力により補助電池１７を充電して充電率ＳＯＣＨを減少させ（９１％→９０％）（Ｓ１５０〜Ｓ１８０、図４）、そのあと、補助電池１７の電力により最低電圧電池セル１２Ｌを充電して充電率ＳＯＣＬを増加させる（Ｓ１９０〜Ｓ２２０、図５）。このときの最低電圧電池セル１２Ｌの充電率ＳＯＣＬは、最高電圧電池セル１２Ｈから補助電池１７に移送した容量（電荷）と同一の容量に対応する充電率分だけ増加する。

または、例えば、充電率ＳＯＣＨが１３％でかつ充電率ＳＯＣＬが９％だったとき、充電率ＳＯＣＬが基準充電率範囲を外れており（Ｓ１３０でＹ）、充電率ＳＯＣＨと充電率ＳＯＣＬとの差分値が差分上限値を超えているので（Ｓ１４０でＹ）、最高電圧電池セル１２Ｈの電力により補助電池１７を充電して充電率ＳＯＣＨを減少させ（１３％→１２％）（Ｓ１５０〜Ｓ１８０、図４）、そのあと、補助電池１７の電力により最低電圧電池セル１２Ｌを充電して充電率ＳＯＣＬを増加させる（Ｓ１９０〜Ｓ２２０、図５）。このときの最低電圧電池セル１２Ｌの充電率ＳＯＣＬは、最高電圧電池セル１２Ｈから補助電池１７に移送した容量（電荷）と同一の容量に対応する充電率分だけ増加する。

このようにすることで、組電池１１が有する複数の電池セル１２の充電率を平準化できる。

次に、上述した制御装置２０の制御部３０が実行する処理（充電率推定処理）の一例について、図６のフローチャートを参照して説明する。この充電率推定処理は、上述した充電率平準化処理とは別に独立して実行される。

ステップＴ１１０では、複数の電池セル１２のそれぞれの充電率ＳＯＣｋ（ｋ＝１〜ｎ；ｎは電池セル１２の個数）を検出する。具体的には、制御部３０は、セル監視ユニット２１に制御信号を出力して、複数の電池セル１２を順に制御部３０に接続するとともに、複数の電池セル１２のそれぞれの両電極間の電圧を検出する。そして、制御部３０が、すべての複数の電池セル１２の両電極間の電圧を検出した後、両電極間の電圧に基づいて、それらの充電率ＳＯＣｋを検出する。そして、ステップＴ１２０に進む。

ステップＴ１２０では、複数の電池セル１２のそれぞれの劣化度ＳＯＨｋ（ｋ＝１〜ｎ；ｎは電池セル１２の個数）を検出する。具体的には、制御部３０が、セル監視ユニット２１に制御信号を出力して、各電池セル１２を制御部３０に順次接続するとともに、各電池セル１２の両電極間の電圧及び当該電圧検出時の電流を、充電率ＳＯＣが変化しない短時間で二回検出（但し、各検出において電圧が異なること）して、これら電圧及び電流から各電池セル１２の内部抵抗ｒを求めるとともに、この内部抵抗ｒに基づいて劣化度ＳＯＨｋを検出する。なお、電池セル１２の劣化度ＳＯＨは、急激に変化するものではないので、例えば、車両のイグニッションがＯＮになったタイミングで、複数の電池セル１２のそれぞれの劣化度ＳＯＨｋを検出して、ＲＡＭに記憶し、当該イグニッションＯＮの間はＲＡＭに記憶した劣化度ＳＯＨを用いるようにしてもよい。そして、ステップＴ１３０に進む。

ステップＴ１３０では、組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌを推定する。具体的には、制御部３０は、以下の式を用いて、組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌを推定する。以下の式において、Ｌは充電率ＳＯＣｋの平準化に伴う蓄電残量Ｅｋの損失係数であり、つまり、平準化に伴って移動される電荷の損失度合いを表す係数で有り、例えば、Ｌが０．１のとき、平準化に伴って移動される電荷全体のうち１０％が失われることを示す。
電池セルの現在蓄電可能容量Ｃｋ（ｋ＝１〜ｎ）
＝初期蓄電可能容量Ｃｐ×劣化度ＳＯＨｋ
電池セルの蓄電残量Ｅｋ（ｋ＝１〜ｎ）
＝現在蓄電可能容量Ｃｋ×充電率ＳＯＣｋ
電池セルの蓄電残量Ｅ１〜Ｅｎの平均値Ｅａ＝（Ｅ１＋・・・＋Ｅｎ）／ｎ
組電池全体の充電率ＳＯＣａｌｌ＝［（Ｅ１＋・・・＋Ｅｎ）
−Ｌ×（｜Ｅ１−Ｅａ｜＋・・・＋｜Ｅｎ−Ｅａ｜）／２］
／（Ｃ１＋・・・＋Ｃｎ）

そして、充電率ＳＯＣａｌｌを推定した後、ステップＴ１１０に戻り、再度、充電率推定処理を実行する。

制御部３０が、上述したステップＴ１１０〜Ｔ１３０を実行することで充電率推定手段として機能する。

次に、上述した電源システム１（制御装置２０）の組電池１１の充電率推定の動作の一例について説明する。ここでは、組電池１１が５つの電池セル１２を有し（ｎ＝５）、損失係数Ｌを０．１とする構成として説明する。

制御装置２０は、電池モジュール１０の組電池１１が有する複数の電池セル１２のそれぞれの両電極間の電圧を検出し、この電圧に基づいて複数の電池セル１２のそれぞれの充電率ＳＯＣｋを検出する（Ｔ１１０）。そして、制御装置２０は、複数の電池セル１２のそれぞれの電圧及び電流を検出して、この電圧及び電流に基づいて複数の電池セル１２のそれぞれの劣化度ＳＯＨｋを検出する（Ｔ１２０）。

そして、例えば、図７に示すように、各電池セルの現在蓄電可能容量Ｃｋ、劣化度ＳＯＨｋ、充電率ＳＯＣｋ、蓄電残量Ｅｋがそれぞれ、以下に示す値だったものとする。
Ｃ１＝１００Ａｈ、ＳＯＨ１＝１００％、ＳＯＣ１＝３０％、Ｅ１＝３０Ａｈ
Ｃ２＝１００Ａｈ、ＳＯＨ２＝１００％、ＳＯＣ２＝３０％、Ｅ２＝３０Ａｈ
Ｃ３＝１００Ａｈ、ＳＯＨ３＝１００％、ＳＯＣ３＝３０％、Ｅ３＝３０Ａｈ
Ｃ４＝１００Ａｈ、ＳＯＨ４＝１００％、ＳＯＣ４＝３０％、Ｅ４＝３０Ａｈ
Ｃ５＝ ４０Ａｈ、ＳＯＨ５＝ ４０％、ＳＯＣ５＝ ０％、Ｅ５＝ ０Ａｈ

これら値を上述した式に当てはめる。
Ｅａ＝（３０＋３０＋３０＋３０＋０）／５＝２４
ＳＯＣａｌｌ＝［（３０＋３０＋３０＋３０＋０）
−０．１×（｜３０−２４｜＋｜３０−２４｜＋｜３０−２４｜
＋｜３０−２４｜＋｜０−２４｜）／２］
／（１００＋１００＋１００＋１００＋４０）＝２６．７％

したがって、組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌとして２６．７％が得られる。

または、例えば、図８に示すように、各電池セルの現在蓄電可能容量Ｃｋ、劣化度ＳＯＨｋ、充電率ＳＯＣｋ、蓄電残量Ｅｋがそれぞれ、以下に示す値だったものとする。
Ｃ１＝１００Ａｈ、ＳＯＨ１＝１００％、ＳＯＣ１＝ ７０％、Ｅ１＝７０Ａｈ
Ｃ２＝１００Ａｈ、ＳＯＨ２＝１００％、ＳＯＣ２＝ ７０％、Ｅ２＝７０Ａｈ
Ｃ３＝１００Ａｈ、ＳＯＨ３＝１００％、ＳＯＣ３＝ ７０％、Ｅ３＝７０Ａｈ
Ｃ４＝１００Ａｈ、ＳＯＨ４＝１００％、ＳＯＣ４＝ ７０％、Ｅ４＝７０Ａｈ
Ｃ５＝ ４０Ａｈ、ＳＯＨ５＝ ４０％、ＳＯＣ５＝１００％、Ｅ５＝４０Ａｈ

これら値を上述した式に当てはめる。
Ｅａ＝（７０＋７０＋７０＋７０＋４０）／５＝６４
ＳＯＣａｌｌ＝［（７０＋７０＋７０＋７０＋４０）
−０．１×（｜７０−６４｜＋｜７０−６４｜＋｜７０−６４｜
＋｜７０−６４｜＋｜４０−６４｜）／２］
／（１００＋１００＋１００＋１００＋４０）＝７２．２％

したがって、組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌとして７２．２％が得られる。

以上より、本実施形態によれば、複数の電池セル１２のそれぞれの蓄電残量Ｅｋにおける充電率ＳＯＣｋの平準化に伴う損失を考慮して組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌを推定するので、当該組電池１１全体の充電率ＳＯＣａｌｌの推定をより精度良く行うことができる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の充電率推定装置及び電源システムはこれらの実施形態の構成に限定されるものではない。上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の充電率推定装置及び電源システムの構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１、２ 電源システム
１０ 電池モジュール
１１ 組電池
１２ 電池セル
１２Ｈ 最高電圧電池セル
１２Ｌ 最低電圧電池セル
１５ 遮断機
１７ 補助電池
１８ オルタネータ
２０、２０Ａ 制御装置（充電率平準化装置、充電率推定装置）
２１ セル監視ユニット
２２ スイッチアレイ
２３ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０、３０Ａ 制御部（充電率推定手段）
Ｌ１ 高圧系電装品
Ｌ２ 低圧系電装品
Ｃｋ 電池セルの初期蓄電可能容量
Ｅｋ 電池セルの蓄電残量
Ｅａ 複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量の平均値
ＳＯＨｋ 電池セルの劣化度
ＳＯＣｋ 電池セルの充電率
ＳＯＣａｌｌ 組電池全体の充電率
Ｌ 損失係数

Claims (3)

1. 充電率が平準化される複数の電池セルを有する組電池全体の充電率を推定する充電率推定装置であって、
   前記複数の電池セルの個数をｎ、前記複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量をＥ１〜Ｅｎ、前記複数の電池セルのそれぞれの現在蓄電可能容量をＣ１〜Ｃｎ、前記複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量Ｅ１〜Ｅｎの平均値をＥａ、充電率の平準化に伴う蓄電残量の損失係数をＬとしたとき、以下の式を用いて、前記組電池全体の充電率ＳＯＣａｌｌを推定する充電率推定手段を有していることを特徴とする充電率推定装置。
   ＳＯＣａｌｌ＝［（Ｅ１＋・・・＋Ｅｎ）
   −Ｌ×（｜Ｅ１−Ｅａ｜＋・・・＋｜Ｅｎ−Ｅａ｜）／２］
   ／（Ｃ１＋・・・＋Ｃｎ）
2. 前記充電率推定手段が、
   前記複数の電池セルのそれぞれの現在蓄電可能容量を、前記複数の電池セルのそれぞれの初期蓄電可能容量及び劣化度を互いに乗じて算出し、
   前記複数の電池セルのそれぞれの蓄電残量を、前記複数の電池セルのそれぞれの現在蓄電可能容量及び充電率を互いに乗じて算出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の充電率推定装置。
3. 組電池と、前記組電池が備える複数の電池セルの充電率を平準化する充電率平準化装置と、前記組電池全体の充電率を推定する充電率推定装置とを備えた電源システムであって、
   前記充電率推定装置が、請求項１又は２に記載の充電率推定装置で構成されていることを特徴とする電源システム。

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