JP5040733B2

JP5040733B2 - 電池の充放電可能電力推定方法

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Publication number: JP5040733B2
Application number: JP2008055366A
Authority: JP
Inventors: 康郎松永; 宇貴上島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-03-05
Also published as: JP2009210478A

Description

本発明は電池の充放電可能電力推定方法に関するものである。

電気車両用組電池などの組電池において、組電池の充放電電流および電池電圧のデータをサンプリングし、サンプリングした充放電電流および電池電圧のデータに基づいて組電池の内部抵抗を推定し、これにより組電池の放電可能電力を推定する技術が知られている（特許文献１）。

特許第３５３８４２８号公報

しかしながら、従来の手法では、充放電電流および電池電圧のデータをサンプリングする際に、所定の電流範囲に渡ってデータのサンプリングが必要となること、および組電池に流れる電流が安定した状態で測定が行われる必要があることなどから、サンプリングデータ自体が最新の組電池の状態を反映したものとなり難く、結果として、充放電可能電力の推定精度が悪いという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、電気車両用組電池などの電池の充放電可能電力を適切に推定する方法を提供することである。

本発明は、電池を流れる充放電電流の電流値、および電流積算容量から求められる開放電圧に基づき、電池の充放電可能電力を推定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、電池を流れる充放電電流の電流値から推定した内部抵抗、および電流積算容量から求められる開放電圧に基づいて、電池の充放電可能電力を推定するため、充放電電流および電池電圧のサンプリング数に依存することなく、現在の電池の使用状況に基づいて電池の充放電可能電力を逐次推定することができ、これにより電池の充放電可能電力を適切に推定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定方法を電気車両用の組電池に適用した場合の強電システムの構成図である。

図１に示すように、組電池１０１は、複数のセル１０７を直列に接続してなり、正極（＋）側および負極（−）側に接続された強電ハーネス１０２，１０３を介してインバータ１０４および車両駆動用モータ１０５に電力を供給する。なお、車両駆動用モータ１０５へ供給される電力は、インバータ１０４により直流から交流に変換された状態で、モータ電源ハーネス１０６を介して供給される。

強電ハーネス１０２，１０３には、電流供給を開始／遮断するためのリレー１０８，１０９が設置され、リレー１０８，１０９のＯＮ／ＯＦＦは、電池制御装置１１０のリレー制御信号線１１１からのリレー制御信号によって行われる。また、電池制御装置１１０は、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を備え、電圧センサ入力信号線１１３を介して電圧センサ１１２から入力される入力信号、電流センサ入力信号線１１５を介して電流センサ１１４から入力される入力信号、およびセンサ周囲温度検出信号線１１７を介してサーミスタ１１６から入力される入力信号を基に、組電池１０１の総電圧、充放電電流およびセンサ周囲温度を規定周期でサンプリングする。また、組電池１０７には、組電池１０７の温度を測定するための温度センサとしてのサーミスタ１１８が配置されており、サーミスタ１１８により測定された温度データは、電池温度検出信号線１１９を介して、電池制御装置１１０に入力される。さらに、電池制御装置１１０は、通信線１２１を介して上位制御器である車両制御コントローラ１２０から入力される入力信号を基に、起動またはシャットダウンされるようになっている。組電池１０１を構成するセル１０７としては特に限定されず、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などの各種二次電池を用いることができるが、本実施形態では、リチウムイオン二次電池が好ましい。

次に、本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定方法を図２，３，９に示すフローチャートを用いて説明する。図２は、本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定処理を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１では、電気車両の起動により、図１に示す電池制御装置１１０の電源を入れ、電池制御装置１１０を起動し、充放電可能電力推定処理を開始する。

ステップＳ２では、電圧センサ１１２で検出された組電池１０１の総電圧のデータ、および電流センサ１１４で検出された組電池１０１の充放電電流のデータを、所定の時間間隔で電池制御装置１１０へ入力する。総電圧のデータは電圧センサ１１２から電圧センサ入力信号線１１３を介して、また、充放電電流のデータは電流センサ１１４から電流センサ入力信号１１５を介して、それぞれ電池制御装置１１０へ入力する。なお、総電圧のデータおよび充放電電流のデータの入力周期は、たとえば数１００ｍ秒〜数秒程度である。

ステップＳ３では、電池制御装置１１０に入力された組電池１０１の総電圧や充放電電流のデータに基づき、電流積算容量（電流積算ＳＯＣ）演算に用いる電流積算容量初期値（電流積算ＳＯＣ初期値）を設定する。一般に、電池の開放電圧Ｅ_０と、電池の電流積算容量（充電状態）とは一定の相関関係があり、たとえば、組電池１０１の開放電圧がわかれば、組電池１０１の電流積算容量もわかることとなる。また逆に、組電池１０１の電流積算容量がわかれば、組電池１０１の開放電圧もわかることとなる。そして、ステップＳ３では、たとえば、組電池１０１の無負荷状態における総電圧などから、公知の電流積算容量と開放電圧Ｅ_０との相関マップなどを用いて、電流積算容量初期値を設定し、電池制御装置１１０に記憶させる。

ステップＳ４では、電池制御装置１１０に入力された充放電電流のデータから、組電池１０１に流れた電流の電流量を積算することにより、電流積算容量（ＢＡＴＡＨ）を求める。そして、ステップＳ３で求めた電流積算容量初期値に対して、電流積算容量（ＢＡＴＡＨ）を加減算することにより、電流積算容量を演算する。

ステップＳ５では、ステップＳ４で算出した電流積算容量（ＢＡＴＡＨ）から組電池１０１の開放電圧Ｅ_０を推定する。開放電圧Ｅ_０は、公知の電流積算容量と開放電圧Ｅ_０との相関マップなどに基づいて推定することができる。

ステップＳ６では、電池制御装置１１０に記憶されている演算条件成立情報にアクセスし、演算条件（＃Ａ）が成立しているか否かの情報を入手する。そして、演算条件（＃Ａ）が成立している旨の情報を入手した場合には、ステップＳ７に進む。一方、演算条件（＃Ａ）が不成立である旨の情報を入手した場合には、ステップＳ１０に進む。なお、演算条件（＃Ａ）が成立しているか否かは、図３に示すフローチャートに基づいて判断される。

ここで、演算条件（＃Ａ）の判定処理手順について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。図３は、演算条件（＃Ａ）の判定処理手順を示すフローチャートである。なお、図３に示す演算条件（＃Ａ）の判定処理は、図２に示す充放電可能電力推定処理と別個に独立して行われる。

まず、ステップＳ１０１では、電気車両の起動により、図１に示す電池制御装置１１０の電源を入れ、電池制御装置１１０を起動し、演算条件（＃Ａ）の判定処理を開始する。

ステップＳ１０２では、組電池１０１の充放電の切り替わりにより（すなわち、無負荷状態から充電あるいは放電が開始した場合、充電から放電に切り替わった場合、または放電から充電に切り替わった場合）、タイマカウント（ＴＩＭＣＮＴ）を開始する。なお、タイマカウント（ＴＩＭＣＮＴ）の単位は秒であり、充放電の切り替わりが行われるたびに、タイマカウント（ＴＩＭＣＮＴ）は０にリセットされる。

ステップＳ１０３では、電圧センサ１１２および電流センサ１１４の周囲温度のデータの入力を開始する。電圧センサ１１２および電流センサ１１４の周囲温度は、電圧センサ１１２および電流センサ１１４の周囲に配置されたサーミスタ１１６により測定され、センサ周囲温度検出信号線１１７を介して電池制御装置１１０に入力される。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で入力を開始した電圧センサ１１２および電流センサ１１４で測定された周囲温度のうち、初期の値を温度初期値（ＴＥＭＰ１＃）とし、電池制御装置１１０に記憶させる。

ステップＳ１０５では、サーミスタ１１６により測定された測定温度と、ステップＳ１０４で設定した温度初期値（ＴＥＭＰ１＃）と、の差を算出することにより、温度変化量（ＤＬＴＡＴＭＰ）を求める。すなわち、温度変化量（ＤＬＴＡＴＭＰ）を「温度変化量（ＤＬＴＡＴＭＰ）＝｜測定温度−温度初期値（ＴＥＭＰ１＃）｜」により求める。

ステップＳ１０６では、温度変化量（ＤＬＴＡＴＭＰ）が所定の温度変化量閾値（ＭＡＸＤＴＭＰ＃）を超えているか否かを判断する。すなわち、「ＤＬＴＡＴＭＰ＞ＭＡＸＤＴＭＰ＃」となっているか否かを判断する。「ＤＬＴＡＴＭＰ＞ＭＡＸＤＴＭＰ＃」となっている場合には、電圧センサ１１２および電流センサ１１４の周囲温度の温度変化が大きすぎると判断して、ステップＳ１１０に進んで、演算条件（＃Ａ）が成立していないと判断する。そして、ステップＳ１１０において、演算条件（＃Ａ）が不成立である旨を内容とする演算条件成立情報を電池制御装置１１０に記憶させる。一方、「ＤＬＴＡＴＭＰ＞ＭＡＸＤＴＭＰ＃」となっていない場合には、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、タイマカウント（ＴＩＭＣＮＴ）のカウント数が、所定のタイマカウント閾値（ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃）を超えているか否かを判断する。すなわち、「ＴＩＭＣＮＴ＞ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃」となっているか否かを判断する。「ＴＩＭＣＮＴ＞ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃」となっている場合には、充放電切り替わりからの時間が長く経ちすぎていると判断し、ステップＳ１１０に進んで、演算条件（＃Ａ）が不成立である旨を内容とする演算条件成立情報を電池制御装置１１０に記憶させる。一方、「ＴＩＭＣＮＴ＞ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃」となっていない場合には、ステップＳ１０８に進む。なお、上述の温度変化量閾値（ＭＡＸＤＴＭＰ＃）およびタイマカウント閾値（ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃）は、後述する拡散抵抗Ｒ_ｄｉｆの算出が可能か否かを基準として設定される値である。

ステップＳ１０８では、「ＤＬＴＡＴＭＰ＞ＭＡＸＤＴＭＰ＃」および「ＴＩＭＣＮＴ＞ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃」を満たしてない場合に、演算条件（＃Ａ）が成立していると判断し、演算条件（＃Ａ）が成立している旨を内容とする演算条件成立情報を池制御装置１１０に記憶させ、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、電池制御装置１１０が、車両制御コントローラ１２０から通信線１２１を介してシャットダウン要求信号を受信しているか否かを判断する。電池制御装置１１０が、シャットダウン要求信号を受信している場合には、ステップＳ１１２に進み、制御を中止する。一方、シャットダウン要求信号を受信していない場合には、ステップＳ１０５に戻り、再び所定の周期で演算条件（＃Ａ）が成立しているか否かを判断し続ける。

一方、「ＤＬＴＡＴＭＰ＞ＭＡＸＤＴＭＰ＃」または「ＴＩＭＣＮＴ＞ＭＡＸＴＩＭＣＮＴ＃」となった場合には、ステップＳ１１０に進み、演算条件（＃Ａ）が成立していないと判断し、演算条件（＃Ａ）が不成立である旨を内容とする演算条件成立情報を電池制御装置１１０に記憶させる。そして、ステップＳ１１１に進み、電池制御装置１１０が、車両制御コントローラ１２０から通信線１２１を介してシャットダウン要求信号を受信しているか否かを判断する。電池制御装置１１０が、シャットダウン要求信号を受信している場合には、ステップＳ１１２に進み、制御を中止する。一方、シャットダウン要求信号を受信していない場合には、ステップＳ１０２に戻り、組電池１０１の充放電電流が切り替わった時点から、処理を再開する。

上記のようにして、演算条件（＃Ａ）が成立しているか否かが判断される。そして、図２に示すフローチャートのステップＳ６において、演算条件（＃Ａ）が成立していると判断された場合には、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、下記式（３）にしたがって、拡散抵抗Ｒ_ｄｉｆを算出する。
Ｒ_ｄｉｆ＝ｍ×Ａ／√（１／ｔ） …（３）

式（３）中、ｍは電流補正係数であり、電流センサ１１４で検出された組電池１０１の充放電電流の絶対値が大きければ大きくなり、一方、組電池１０１の充放電電流の絶対値が小さくなれば小さくなる補正係数である。電流補正係数ｍは、たとえば、電流センサ１１４で検出された組電池１０１の充放電電流の値から、充放電電流と電流補正係数との相関テーブルにより求められる。

また、式（３）中、Ａはワールブルグ係数（Ｔ）である。ここで、図４に、電気車両における組電池の充放電電流波形の一例を表すグラフを示す。図４に示すように、実際の電気車両に搭載される組電池は、電気車両の走行中には、充放電が頻繁に行われることとなる。そして、このような電気車両における組電池の充放電電流波形は、図５に示すように、交流波形に近似させることができ、そのため、半周期Ｔ／２を角速度ω＝２π／ｔとすれば、このような短い周期の充放電を、ワールブルグ係数を用いて演算することが適当であると判断できる。なお、ワールブルグ係数Ａは、組電池１０１についてインピーダンス特性を測定し、ｃｏｌｅ−ｃｏｌｅプロットに基づいて算出することができる。

さらに、式（３）中、ｔは充放電変化点からの所定時間を示すものであり、たとえば、現時点から５秒後までの充放電可能電力を推定する場合には、充放電の切り替わりからの時間をカウントしたものであるタイマカウント（ＴＩＭＣＮＴ）を用いて、ｔは、ｔ＝ＴＩＭＣＮＴ＋５秒で表される。ここで、タイマカウント（ＴＩＭＣＮＴ）は、図３に示すフローチャートのステップＳ１０２によりカウントされたものを用いることができる。本実施形態では、このように式（３）中に、充放電変化点からの所定時間を表すｔを導入し、たとえば、ｔ＝ＴＩＭＣＮＴ＋５秒とすることにより、現時点から５秒先までの充放電可能電力を推定するために適した値を求めることができる。特に、組電池１０１がリチウムイオン電池である場合に、上記式（３）を用いることにより、拡散抵抗Ｒ_ｄｉｆを好適に求めることができる。なお、Ｎ秒先までの充放電可能電力を推定する場合には、ｔ＝ＴＩＭＣＮＴ＋Ｎ秒とすればよい。

ステップＳ８では、組電池１０１の内部抵抗Ｒを下記式（４）にしたがって、算出する。
Ｒ＝ｈ×ｋ×（Ｒ_ｏｈｍ＋Ｒ_ｃｔ＋Ｒ_ｄｉｆ） …（４）

式（４）中、ｈは温度補正係数、ｋは劣化補正係数、Ｒ_ｏｈｍは電気抵抗および電解液抵抗の合計、Ｒ_ｃｔは電荷移動抵抗である。温度補正係数ｈは、たとえば、サーミスタ１１８で測定された組電池１０１の温度に基づき、電池温度と温度補正係数との相関テーブルなどを用いて求めることができる。また、劣化補正係数ｋは、たとえば、組電池１０１の初期抵抗値と、組電池１０１の直前の抵抗値とに基づき、抵抗値と劣化補正係数との相関テーブルなどを用いて求めることができる。さらに、電気抵抗および電解液抵抗の合計Ｒ_ｏｈｍ、電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔは、上述のワールブルグ係数Ａと同様に、組電池１０１についてインピーダンス特性を測定し、ｃｏｌｅ−ｃｏｌｅプロットに基づいて算出することができる。

ステップＳ９では、ステップＳ５にて算出した開放電圧Ｅ_０、およびステップＳ８で算出した組電池１０１の内部抵抗Ｒの値を用いて、下記式（１）、（２）にしたがって、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、および充電可能電力Ｐ_ｉｎを算出する。放電可能電力Ｐ_ｏｕｔは、組電池１０１が放電できる最大の電力であり、充電可能電力Ｐ_ｉｎは、組電池１０１が充電できる最大の電力である。
Ｐ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｍｉｎ×（Ｅ_０−Ｖ_ｍｉｎ）／Ｒ …（１）
Ｐ_ｉｎ＝Ｖ_ｍａｘ×（Ｖ_ｍａｘ−Ｅ_０）／Ｒ …（２）

なお、式（１）中、Ｖ_ｍｉｎは組電池１０１の下限電圧であり、組電池１０１を構成するセル１０７の種類に応じて適宜設定される。また、式（２）中、Ｖ_ｍａｘは組電池１０１の上限電圧であり、同様に、組電池１０１を構成するセル１０７の種類に応じて適宜設定される。本実施形態によれば、上記式（１）、（２）により、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、および充電可能電力Ｐ_ｉｎを算出することにより、組電池１０１の総電圧が制限電圧に達する頻度を軽減することができ、組電池１０１の寿命を向上させることができる。また、電池容量のマージンを低く設定することも可能となる。

上記式（１）は、次のようにして求められる計算式である。すなわち、組電池１０１を放電電流Ｉで放電すると、放電による電圧降下が起こる（下記式（５）参照）。そして、放電による電圧降下の結果、下限電圧Ｖ_ｍｉｎとなる場合の放電電流をＩ_ｍａｘとした場合に、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔは、下記式（６）で表される。ここで、下限電圧Ｖ_ｍｉｎおよび放電電流Ｉ_ｍａｘは下記式（７）を満足するため、下記式（６）、（７）より、上記式（１）が求められることとなる。また、上記式（２）も同様にして求めることができる。
Ｖ＝Ｅ_０−Ｉ×Ｒ …（５）
Ｐ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｍｉｎ×Ｉ_ｍａｘ …（６）
Ｖ_ｍｉｎ＝Ｅ_０−Ｉ_ｍａｘ×Ｒ …（７）

そして、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎを算出した後、ステップＳ１１に進み、電池制御装置１１０が、車両制御コントローラ１２０から通信線１２１を介してシャットダウン要求信号を受信しているか否かを判断する。電池制御装置１１０が、シャットダウン要求信号を受信している場合には、ステップＳ１２に進み、制御を中止する。一方、シャットダウン要求信号を受信していない場合には、ステップＳ４に戻り、処理を続行する。

このようにして、本実施形態では、図３に示すフローチャートより判断される演算条件（＃Ａ）が成立し続ける限り、図２に示すフローチャートのステップＳ４〜Ｓ９にしたがい、逐次、その時点における充放電可能電力を求めていくこととなる。特に、本実施形態によれば、ステップＳ７、Ｓ８において、逐次、その時点から５秒後（「ｔ＝ＴＩＭＣＮＴ＋５秒」とした場合）の内部抵抗Ｒの推定を行い、得られた内部抵抗Ｒを用いて、逐次、その時点における充放電可能電力を求めることにより、組電池１０１のパラメータ変化に追従することができ、車両の運転状態に合わせて充放電可能電力を推定することができる。

図６に、内部抵抗と放電可能電力との関係を表すグラフを示す。なお、図６は、本実施形態による充放電可能電力推定処理により求められる、一定電流で放電を行った場合における、放電時間に対する内部抵抗Ｒおよび放電可能電力Ｐ_ｏｕｔの変化を示すグラフである。本実施形態によれば、図６に示すように、その時点から５秒後の内部抵抗Ｒを逐次推定し、その結果に基づき、その時点における充放電可能電力を逐次求めることにより、放電中の任意の時間における放電可能電力Ｐ_ｏｕｔを測定することができる。また、組電池１０１のパラメータ変化、特に内部抵抗の変化にも適切に対応することができる。

一方で、たとえば、従来のように、直線回帰演算により組電池１０１の内部抵抗を求め、これにより、充放電可能電力を求める場合には、まず、複数の放電電流データおよび電池電圧データをサンプリングし、図７に示すように、放電電流データＩ１，Ｉ２，Ｉ３および電池電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を、Ｖ−Ｉグラフにプロットし、直線回帰させる。そして、得られた回帰直線の傾きより内部抵抗の推定値を求め、これに基づき、所定の目標放電時間（たとえば、５秒）放電する際における、放電可能電力が求められる。しかしながら、このような直線回帰演算による方法では、組電池１０１の放電が継続すると、図８に示すように、電流誤差および電圧誤差の影響により、得られる回帰直線が実際の電池状態から乖離してしまうため、充放電可能電力を正確に推定することが困難となる。そのため、図６に示すように、直線回帰演算により、放電可能電力を求める場合には、目標放電時間（放電開始からの所定時間）における放電可能電力（図中の「Ｐ_ｏｕｔ’」）のみしか求められない。すなわち、直線回帰演算により充放電可能電力を推定する方法では、組電池１０１が放電状態にある場合に、組電池１０１の放電時間に追従して放電可能電力を精度良く求めることは困難である。このことは、放電可能電力だけでなく、充電可能電力についても同様である。上記に加えて、回帰直線を求めることにより、充放電可能電力を推定する方法においては、多数の放電電流データおよび電池電圧データをサンプリングし、これに基づき充放電可能電力を推定するものであるため、充放電可能電力の推定精度は、データのサンプル数に影響されることとなる。

これに対して、本実施形態による充放電可能電力推定処理によれば、直線回帰演算により充放電可能電力を推定する方法と異なり、組電池１０１の最新の状態に基づく充放電可能電力の推定が可能であり、そのため、適切に組電池１０１の充放電可能電力を推定することができる。

一方、図２に示すフローチャートのステップＳ６において、演算条件（＃Ａ）が成立していないと判断された場合には、ステップＳ１０に進む。そして、この場合には、上述のステップＳ７〜Ｓ９による本実施形態の充放電可能電力の推定処理を行うことが困難であるため、演算条件（＃Ａ）が成立していないと判断された場合のみに限り、あくまでも保証的に、回帰直線演算による放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、および充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出を行う。以下、回帰直線演算による、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出処理について、図９に示すフローチャートにしたがって説明する。

まず、ステップＳ２０１では、図２に示すフローチャートのステップＳ６において、演算条件（＃Ａ）が成立していないと判断された場合に、回帰直線演算による、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出処理を開始する。

ステップＳ２０２では、回帰直線演算用電圧Ｖのデータ、および回帰直線演算用電流Ｉのデータの電池制御装置１１０へのストアを開始する。回帰直線演算用電圧Ｖのデータおよび回帰直線演算用電流Ｉのデータは、それぞれ、電圧センサ１１２により測定された電圧データおよび電流センサ１１４により測定された電流データを用いることができる。なお、回帰直線演算用電圧Ｖのデータ、および回帰直線演算用電流Ｉのデータのストア周期は、数１００ｍ秒〜数秒程度とすればよい。

ステップＳ２０３では、回帰直線演算条件が成立しているか否かを判断する。具体的には、ステップＳ２０２において回帰直線を演算するために必要となる量のデータがストアされた場合（具体的には、広い電流範囲に渡り、多数のデータがストアされた場合）には、回帰直線演算条件が成立していると判断する。一方で、回帰直線を演算するために必要となる量のデータがストアされなかった場合には、回帰直線演算条件は成立していないと判断する。そして、回帰直線演算条件が成立していると判断された場合には、ステップＳ２０４に進む。一方、回帰直線演算条件が成立していないと判断された場合には、ステップＳ２０３に戻り、さらにデータのストアを継続する。

ステップＳ２０４では、ステップＳ２０２において、電池制御装置１１４にストアされた回帰直線演算用電圧Ｖのデータおよび回帰直線演算用電流Ｉのデータを用いて、直線回帰演算を実行し、組電池１０１の内部抵抗および開放電圧の推定値を算出する。具体的には、図７に示すように、ステップＳ２０２においてストアされた各放電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３における電池電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を、Ｖ−Ｉグラフにプロットし、直線回帰させる。そして、得られた回帰直線の傾きより内部抵抗の推定値を求めることができ、さらに、回帰直線の電圧軸の切片（Ｉ＝０とした場合のＶの値）から、電池の開放電圧Ｅ_０の推定値を求めることができる。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０４にて得られた回帰直線から算出した組電池１０１の開放電圧Ｅ_０の推定値と、図２に示すフローチャートのステップＳ５において、電流積算容量から算出した開放電圧Ｅ_０とを比較し、回帰直線から算出した組電池１０１の開放電圧Ｅ_０の推定値が許容範囲内にあるか否かを判断する。すなわち、図８に示すように、回帰直線から算出した組電池１０１の開放電圧Ｅ_０の推定値が、電流積算容量から算出した開放電圧Ｅ_０（図８に示す回帰直線（期待値）における切片と実質的に同様）から求められるＥ_０の許容範囲内にあるか否か（すなわち、図８中のＥ_０ｍｉｎとＥ_０ｍａｘとの間の値となるか否か）に基づき判断し、これによりステップＳ２０４にて得られた回帰直線の妥当性を判定する。そして、回帰直線から算出した組電池１０１の開放電圧Ｅ_０の推定値が許容範囲内にあると判断された場合には、ステップＳ２０６に進み、内部抵抗Ｒの値を回帰直線の傾きとし、ステップＳ２０８において、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出を行う。一方、回帰直線から算出した組電池１０１の開放電圧Ｅ_０の推定値が許容範囲内にないと判断された場合には、ステップＳ２０７に進み、内部抵抗Ｒの値として、直線回帰演算の結果を利用せず、内部抵抗Ｒの値を前回算出した内部抵抗の値とし、ステップＳ２０８において、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出を行う。

ステップＳ２０８では、図１に示すフローチャートのステップＳ９と同様にして、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出を行う。ただし、ステップＳ２０８においては、内部抵抗Ｒとして、回帰直線の傾きから算出された値（ステップＳ２０６）、または前回算出した内部抵抗の値（ステップＳ２０７）を用いる。

ステップＳ２０９では、次回の演算処理に備えて、電池制御装置１１０にストアされている回帰直線演算用電圧Ｖのデータおよび回帰直線演算用電流Ｉのデータをクリアし、ステップＳ２１０に進み、回帰直線演算による、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、充電可能電力Ｐ_ｉｎの算出処理を終了する。そして、図２に示すフローチャートのステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、電池制御装置１１０が、車両制御コントローラ１２０から通信線１２１を介してシャットダウン要求信号を受信しているか否かを判断し、シャットダウン要求信号を受信している場合には、ステップＳ１２に進み、制御を中止する。一方、シャットダウン要求信号を受信していない場合には、ステップＳ４に戻り、処理を続行する。

以上のように、本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定方法によれば電流積算容量から求められる開放電圧Ｅ_０、および現在の電池の使用状況に基づいて算出される内部抵抗Ｒに基づいて、電池の充放電可能電力を推定するため、充放電電流および電池電圧のサンプリング数に依存することなく、現在の電池の使用状況に基づいて電池の充放電可能電力を逐次推定することができ、これにより電池の充放電可能電力を適切に推定することができる。さらに、本実施形態によれば、充電または放電が継続した場合でも、充電または放電に伴う電池のパラメータ変化に追従して充放電可能電力を推定でき、そのため、たとえば、車両の運転状態にあわせて充放電可能電力を推定することができる。しかも、本実施形態によれば、複雑な演算処理が不要であるため、電池制御装置１１０のＣＰＵ負荷の低減およびメモリ容量の低減が可能となる。

特に、電気車両用の組電池１０１においては、たとえば、放電可能な電力の範囲で駆動モータを制御しないと、急な電力不足により駆動力制限となってしまうため、運転性上好ましくない。よって、電気車両においては、常に放電可能電力の範囲内で走行するようモータを制御することが必要であり、そのためには、充放電可能電力が適切に推定できることが重要となり、そのため、本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定方法を、好適に適用することができる。また、回生ブレーキについても、同様に、急な回生抜けが生じないようにするために、充電可能電力の範囲内での回生ブレーキを目標とするものであり、同様に、充放電可能電力が適切に推定できることが重要となるため、同様に、本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定方法を、好適に適用することができる。

また、本実施形態では、ワールブルグ係数Ａ、電気抵抗および電解液抵抗の合計Ｒ_ｏｈｍ、電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔなどの電池定数を、組電池１０１についてインピーダンス特性を測定することで求めることにより、これら電池定数取得のための工数を低減することも可能となる。

《第２実施形態》
上述の第１実施形態では、拡散抵抗Ｒ_ｄｉｆを算出する際における、充放電変化点からの所定時間ｔを任意の時間（たとえば、現時点から５秒）とする場合を例示した。これに対し、第２次実施形態では、充放電変化点からの所定時間ｔを、ユーザが設定した要求充放電時間、または車両制御コントローラ１２０が学習した車両の走行モード（走行シーン）に応じた要求充放電時間とし、要求充放電時間に応じた充電または放電を保証可能な充放電可能電力を推定する。

たとえば、車両の状態が高負荷モード（たとえば、スポーツモードなど）にある場合には、車両制御コントローラ１２０から電池制御装置１１０に、要求充放電時間を３秒とする旨を送信する。そして、電池制御装置１１０は、充放電変化点からの所定時間ｔを、現時点から３秒となるように設定し（ｔ＝ＴＩＭＣＮＴ＋３秒）、連続３秒間の充放電が可能な充放電可能電力を算出し、算出結果を車両制御コントローラ１２０に送信する。あるいは、車両の状態が低負荷モード（たとえば、ＥＶモードなど）にある場合には、要求充放電時間を３０秒として、同様の制御が行われる。そして、上述した第１実施形態と同様にして、ユーザまたは車両制御コントローラ１２０からの要求充放電時間に応じて、放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、および充電可能電力Ｐ_ｉｎの推定を行う。

ここで、要求充放電時間は、ユーザが設定することも可能であるし、または車両制御コントローラ１２０から送信することもできる。たとえば、ユーザによるシフト操作などにより車両の走行状態を設定することにより、要求充放電時間を設定することができる。あるいは、走行中において、モータアシスト力が大きいときに、車両制御コントローラ１２０は、スポーツモードであると判定し、要求充放電時間を設定することもできるし、さらには、アクセル開度の変化量から、車両制御コントローラ１２０が車両の走行状態を判定し、要求充放電時間を設定することもできる。そして、このような構成を採用することにより、ユーザの要求や車両の要求に応じた適切な充放電可能電力の予測制御を実現することができる。

また、第２実施形態においては、組電池１０１の充放電が行われ、充放電時間が上記要求充放電時間を経過した際に、実際に行われた充放電の充放電電力と充放電時間とから求められる充放電電力量Ｐ_１（充放電電力量Ｐ_１＝充放電電力×充放電時間）が、要求充放電時間と、要求充放電時間の充電または放電を保証可能な充放電可能電力から求められる充放電可能電力量Ｐ_０（充放電可能電力量Ｐ_０＝充放電可能電力×充放電時間）よりも小さい場合に、充放電可能電力を再度演算し、実際に行われた充放電の充放電電力で継続して充電または放電を行うことができる充放電継続可能時間を求めることが望ましい。

たとえば、車両の状態がスポーツモードであり、電池制御装置１１０により推定された要求充放電時間３秒を放電可能な放電電力が３０ｋＷであったにもかかわらず、実際の組電池１０１の放電が、放電電力２０ｋＷで行われ、２０ｋＷの放電が３秒継続した場合に、２０ｋＷ、３秒経過後に、放電可能電力を再度演算する。すなわち、電池制御装置１１０により推定された放電可能電力より求められる放電可能電力量Ｐ_{０（ｏｕｔ）}は９０ｋＷ・ｓ（＝３０ｋＷ×３秒）であり、放電電力量Ｐ_{１（ｏｕｔ）}は６０ｋＷ・ｓ（＝２０ｋＷ×３秒）となる。そして、２０ｋＷの放電を継続した場合に、あと、２０ｋＷの放電を何秒継続できるか（放電継続可能時間）、さらには、２０ｋＷの放電を続けることにより、あと何ｋｍ走行できるか（走行可能距離）を求める。そして、このような構成を採用することにより、ユーザの要求や車両の要求に応じた充放電可能電力の予測制御を、より適切に実現することができる。

本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定方法を電気車両用の組電池に適用した場合の強電システムの構成図である。本実施形態に係る電池の充放電可能電力推定処理を示すフローチャートである。演算条件（＃Ａ）の判定処理手順を示すフローチャートである。電気車両における組電池の充放電電流波形の一例を表すグラフである。電気車両における充放電電流波形に、交流波形を組み合わせた図である。内部抵抗と放電可能電力との関係を表すグラフである。Ｖ−Ｉ特性からサンプリングしたデータを直線回帰した図である。電圧誤差および電流誤差が、回帰直線演算に及ぼす影響を示す図である。回帰直線演算による充放電可能電力推定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１…組電池
１０２，１０３…強電ハーネス
１０４…インバータ
１０５…車両駆動用モータ
１０７…セル
１１０…電池制御装置
１１２…電圧センサ
１１４…電流センサ
１１６，１１８…サーミスタ
１２０…車両制御コントローラ

Claims

電池の充放電可能電力を推定する方法であって、
電池に流れる充放電電流の電流値を検出し、前記充放電電流の電流値から算出される電流積算容量に基づき、電池の開放電圧を求め、
前記電流値から推定した内部抵抗と、前記開放電圧とに基づき、電池の充放電変化点からの所定時間における充放電可能電力を推定する電池の充放電可能電力推定方法。
電池の放電可能電力をＰ_ｏｕｔ、充電可能電力をＰ_ｉｎ、上限電圧をＶ_ｍａｘ、下限電圧をＶ_ｍｉｎ、前記開放電圧をＥ_０、内部抵抗をＲとした場合に、前記放電可能電力Ｐ_ｏｕｔ、前記充電可能電力Ｐ_ｉｎを、それぞれ下記式（１）および（２）で算出するとともに、前記内部抵抗Ｒとして、下記式（３）により算出される拡散抵抗Ｒ_ｄｉｆを考慮して求められたものを用いる請求項１に記載の電池の充放電可能電力推定方法。
Ｐ_ｏｕｔ＝Ｖ_ｍｉｎ×（Ｅ_０−Ｖ_ｍｉｎ）／Ｒ …（１）
Ｐ_ｉｎ＝Ｖ_ｍａｘ×（Ｖ_ｍａｘ−Ｅ_０）／Ｒ …（２）
Ｒ_ｄｉｆ＝ｍ×Ａ／√（１／ｔ） …（３）
（式（３）中、ｍは電流補正係数、Ａはワールブルグ係数、ｔは充放電変化点からの所定時間）
前記内部抵抗Ｒは、下記式（４）にしたがって求められる請求項２に記載の電池の充放電可能電力推定方法。
Ｒ＝ｈ×ｋ×（Ｒ_ｏｈｍ＋Ｒ_ｃｔ＋Ｒ_ｄｉｆ） …（４）
（式（４）中、ｈは温度補正係数、ｋは劣化補正係数、Ｒ_ｏｈｍは電気抵抗および電解液抵抗の合計、Ｒ_ｃｔは電荷移動抵抗）
前記電気抵抗および電解液抵抗Ｒ_ｏｈｍ、前記電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔ、ならびに前記ワールブルグ係数Ａは、電池のインピーダンス特性データから求められる請求項３に記載の電池の充放電可能電力推定方法。
ユーザまたは車両コントローラから要求された要求充放電時間に対し、前記要求充放電時間の充電または放電を保証可能な充放電可能電力を推定する請求項２〜４のいずれかに記載の電池の充放電可能電力推定方法。
前記要求充放電時間と、前記要求充放電時間の充電または放電を保証可能な充放電可能電力とから求められる充放電可能電力量をＰ_０とし、
前記要求充放電時間の充放電が行われた際に、実際に行われた充放電の充放電電力と充放電時間とから求められる充放電電力量をＰ_１とした場合に、
前記充放電電力量Ｐ_１が前記充放電可能電力量Ｐ_０より小さい場合に、充放電可能電力を再度演算し、実際に行われた充放電の充放電電力で継続して充電または放電を行うことができる充放電継続可能時間を求める請求項５に記載の充放電可能電力推定方法。