JP5163542B2 - 二次電池の入出力可能電力推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の入出力可能電力推定装置に関するものである。

二次電池の制御装置として、所定の電池モデル式を用いた適応デジタルフィルタ演算により、二次電池の内部抵抗および時定数を含むパラメータを一括推定し、推定したパラメータと、二次電池の電流および端子電圧の計測値とから、二次電池の開路電圧を推定して、推定した内部抵抗および開路電圧と、予め定められた上下限電圧とに基づいて、二次電池の入出力可能電力を推定する制御装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−２３２８６号公報

一方で、リチウムイオン電池などの二次電池においては、充放電電流の変化に対する端子電圧の変化の勾配は一定ではないという特性があり、上記従来技術においては、このような特性を考慮したものでないため、上記従来技術では、入出力可能電力の推定精度が必ずしも十分でな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、二次電池の入出力可能電力の推定精度が向上された二次電池の入出力可能電力推定装置を提供することである。

本発明は、予め記憶された複数の電流−電圧特性と、二次電池の内部抵抗の推定値とに基づいて、二次電池の現在の状態に応じた電流−電圧特性を推定し、推定した二次電池の電流−電圧特性と、二次電池の開路電圧の推定値と、予め定められた二次電池の上下限電圧とに基づいて、二次電池の入出力可能電力を推定することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、予め記憶された複数の電流−電圧特性を用いて、二次電池の入出力可能電力を推定することにより、二次電池の実際の電流−電圧特性に応じた入出力可能電力を推定することができ、これにより、二次電池の入出力可能電力の推定精度を向上させることができる。

図１は、本実施形態に係る二次電池の制御システムの構成を示す図である。 図２は、本実施形態に係る電子制御ユニット３０の機能ブロック図である。 図３は、二次電池の電池モデルを示す等価回路モデルを示す図である。 図４は、本実施形態における複数の電流−電圧特性を示す図である。 図５は、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づいて求められる電流−電圧傾きの一例を示す図である。 図６は、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づいて求められる電流−電圧傾きの他の例を示す図である。 図７は、本実施形態における最大充放電可能電流の算出方法を説明するための図である。 図８は、本実施形態における入出力可能電力推定処理を示すフローチャートである。 図９は、入出力可能電力推定処理のシミュレーション結果を示す図である。

図１は、本実施形態に係る二次電池の制御システムの構成を示す図である。図１に示す制御システムは、二次電池でモータ等の負荷を駆動したり、モータの回生による電力やエンジンを動力源としてオルタネータで発電した電力で二次電池を充電するシステムに、本発明に係る入出力可能電力推定装置を適用した例である。

二次電池１０は、複数の単位電池を直列に接続してなるものであり、二次電池１０を構成する単位電池としては、たとえば、リチウムイオン二次電池などのリチウム系二次電池などが挙げられる。負荷２０としては、たとえば、モータなどが挙げられる。

電流計４０は、二次電池１０に流れる充放電電流を検出するセンサであり、電流計４０により検出された信号は、電子制御ユニット３０へ送出される。また、電圧計５０は、二次電池１０の端子電圧を検出するセンサであり、電圧計５０により検出された信号は、電子制御ユニット３０へ送出される。

電子制御ユニット３０は、二次電池１０の入出力可能電力を推定するための制御ユニットであり、プログラムを演算するＣＰＵ、プログラムや演算結果を記憶するＲＯＭおよびＲＡＭから構成されるマイクロコンピュータと電子回路等で構成される。図２に、電子制御ユニット３０の機能ブロック図を示す。

図２に示すように、電子制御ユニット３０は、電流検出部３０１、電圧検出部３０２、適応デジタルフィルタ演算部３０３、電流平均値算出部３０４、内部抵抗推定値記憶部３０５、内部抵抗推定値選択部３０６、最大充放電可能電流推定部３０７、入出力可能電力推定部３０８を備える。

電流検出部３０１は、電流計４０からの信号を所定周期で取得し、電流計４０からの信号に基づき、二次電池１０に流れる充放電電流を検出することにより、電流計測値Ｉ（ｋ）を取得する。電流検出部３０１は、取得した電流計測値Ｉ（ｋ）を適応デジタルフィルタ演算部３０３および電流平均値算出部３０４に送出する。

電圧検出部３０２は、電圧計５０からの信号を所定周期で取得し、電圧計５０からの信号に基づき、二次電池１０の端子電圧を検出することにより、電圧計測値Ｖ（ｋ）を取得する。電圧検出部３０２は、取得した電流計測値Ｖ（ｋ）を適応デジタルフィルタ演算部３０３に送出する。

適応デジタルフィルタ演算部３０３は、二次電池１０の電池モデルを定義し、電流検出部３０１により検出された電流計測値Ｉ（ｋ）および電圧検出部３０２により検出された電圧計測値Ｖ（ｋ）から、適応デジタルフィルタ演算により、二次電池１０の電池モデルのパラメータを一括推定することで、二次電池１０の内部抵抗、および開路電圧を推定し、内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）、および開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）を算出する。

そして、適応デジタルフィルタ演算部３０３は、算出した内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を内部抵抗推定値記憶部３０５および内部抵抗推定値選択部３０６に、算出した開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）を最大充放電可能電流推定部３０７に、それぞれ送出する。なお、適応デジタルフィルタ演算部３０３による二次電池１０の内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）および開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）の算出方法については後述する。また、Ｒ＾（ｋ）、Ｖ_０＾（ｋ）における右肩に付した「＾」は、その値が推定値であることを示す。なお、図２中では、推定値である「＾」を、それぞれ、Ｒ（ｋ）の「Ｒ」の真上、Ｖ_０＾（ｋ）の「Ｖ」の真上にしているが、下記式（１）に示すように、これはＲ＾（ｋ）、Ｖ_０＾（ｋ）と同義である。以下、Ｒ_ｓ＾（ｋ）、Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）、Ｐ_ｉｎ＾（ｋ）、Ｐ_ｏｕｔ＾（ｋ）、Ｖ_０＾（ｔ）、θ＾（ｋ）においても同様である。

電流平均値算出部３０４は、電流検出部３０１により検出された電流計測値Ｉ（ｋ）を所定周期で取得し、所定時間ｔにおける電流計測値Ｉ（ｋ）を積算し、得られた積算電流値を所定時間ｔで除算することにより、所定時間ｔにおける電流計測値Ｉ（ｋ）の平均値である電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）を算出する。電流平均値算出部３０４は、算出した電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）を内部抵抗推定値記憶部３０５および内部抵抗推定値選択部３０６に送出する。なお、電流平均値算出部３０４による電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の算出は、電流計測値Ｉ（ｋ）を取得の取得周期に応じて、適時行われる（すなわち、電流計測値Ｉ（ｋ）を取得する度に、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の算出が行われる。）。また、電流平均値算出部３０４により電流計測値Ｉ（ｋ）の積算および平均値の算出を行うための所定時間ｔとしては特に限定されず、適宜設定すればよいが、たとえば、電流計測値Ｉ（ｋ）の傾向（たとえば、電流計測値Ｉ（ｋ）の大きさの傾向）が電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）に十分に反映可能されるような長さとすればよい。

内部抵抗推定値記憶部３０５は、電流平均値算出部３０４により算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）を取得し、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０以下であるか否かを判断し、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０以下である場合には、適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を、内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍとして保存する。そして、内部抵抗推定値記憶部３０５は、記憶した内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを内部抵抗推定値選択部３０６に送出する。一方、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０を超えている場合には、適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を保存せずに、既に保存されている内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを読み出して、これを内部抵抗推定値選択部３０６に送出する。なお、所定の閾値Ｉ_０としては、特に限定されないが、後述する電流−電圧特性記憶部３０９に記憶された複数の電流−電圧特性において、電流の変化に対する電圧の変化がほぼ直線状となる範囲内に設定することが望ましい。

内部抵抗推定値選択部３０６は、電流平均値算出部３０４により算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）に応じて、最大充放電可能電流推定部３０７により最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）を選択する。具体的には、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０以下である場合には、今回の処理において適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を、最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）として、そのまま選択する。一方、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０を超える場合には、最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）として、内部抵抗推定値記憶部３０５から取得した内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを選択する。そして、内部抵抗推定値選択部３０６は、選択した最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）を、最大充放電可能電流推定部３０７に送出する。

最大充放電可能電流推定部３０７は、適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）、内部抵抗推定値選択部３０６により選択された内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）、および、予め定められた二次電池１０の上下限電圧Ｖ_ＭＡＸ、Ｖ_ＭＩＮに基づき、二次電池１０に対して充電可能な電流の最大値、および二次電池１０により放電可能な電流の最大値を推定する。すなわち、最大充放電可能電流推定部３０７は、最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）を算出する。そして、最大充放電可能電流推定部３０７は、算出した最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）を入出力可能電力推定部３０８に送出する。なお、最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）の算出方法については、後述する。また、最大充放電可能電流推定部３０７は、図２に示すように、電流−電圧特性記憶部３０９を備えており、電流−電圧特性記憶部３０９は、二次電池１０の複数の電流−電圧特性（電流−電圧特性についても後述する。）を記憶するものである。

入出力可能電力推定部３０８は、最大充放電可能電流推定部３０７により算出された最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）に基づき、二次電池１０に入力可能な電力、および二次電池１０から出力可能な電力を推定する。すなわち、入出力可能電力推定部３０８は、最大入力可能電力推定値Ｐ_ｉｎ＾（ｋ）および最大出力可能電力推定値Ｐ_ｏｕｔ＾（ｋ）を算出する。具体的には、入出力可能電力推定部３０８は、最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）に、予め定められた二次電池１０の上限電圧Ｖ_ＭＡＸを積算することで、最大入力可能電力推定値Ｐ_ｉｎ＾（ｋ）を算出する。同様に、入出力可能電力推定部３０８は、最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）に、予め定められた二次電池１０の下限電圧Ｖ_ＭＩＮを積算することで、最大出力可能電力推定値Ｐ_ｏｕｔ＾（ｋ）を算出する。

次に、適応デジタルフィルタ演算部３０３により、二次電池１０の内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）および開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）を算出する方法について、説明する。まず、本実施形態で用いる「電池モデル」について、説明する。図３は、二次電池１０の電池モデルを示す等価回路モデルであり、図３に示す等価回路モデルは、下記式（２）で表される。

ここで、モデル入力は電流Ｉ［Ａ］（正値は充電、負値は放電）、モデル出力は端子電圧Ｖ［Ｖ］であり、Ｒ_１〔Ω］は電荷移動抵抗、Ｒ_２［Ω］は純抵抗、Ｃ_１［Ｆ］は電気二重層容量、Ｖ_０［Ｖ］は開路電圧である。また、上記式中、ｓは微分オペレータである。なお、本実施形態に係る電池モデルは、正極、負極を特に分離していないリダクションモデル（１次）であるが、実際の電池の充放電特性を比較的正確に示すことが可能である。このように本実施形態においては、電池モデルの次数を１次にした構成を例として説明する。

ここで、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１を下記式（３）のように表すと、上記式（２）は、下記式（４）で表されることとなる。

次いで、上記式（４）に示される電池モデルから、適応デジタルフィルタを用いた電池パラメータ（Ｋ，Ｔ_１，Ｔ_２）の推定方法について、説明する。開路電圧Ｖ_０（ｔ）は、電流Ｉ（ｔ）に可変なパラメータｈを乗じたものをある初期状態から積分したものと考えれば、開路電圧Ｖ_０（ｔ）は、下記式（５）で表すことができる。

そして、上記式（４）に、上記式（５）を代入すると、下記式（６）となり、これを整理すると下記式（７）となる。

さらに、上記式（７）の両辺に安定なローパスフィルタ１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）を乗じて、整理すると下記式（８）となる。

なお、本実施形態においては、ローパスフィルタ１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）として、下記式（９）に示すものを用いたが、下記式（９）に示すものに限定はされない。下記式（９）において、τはフィルタの時定数である。

ここで、電流検出部３０１で検出した電流計測値Ｉ（ｔ）、および電圧検出部３０２で検出した電圧計測値Ｖ（ｔ）に、ローパスフィルタを施した値を下記式（１０）で定義する。

上記式（８）を上記式（１０）で書き直し、これをＶ_２（ｔ）について整理すると、下記式（１１）となる。

そして、上記式（１１）は、計測可能な値（Ｉ_１(ｔ）、Ｉ_２(ｔ）、Ｉ_３(ｔ）、Ｖ_２(ｔ）、Ｖ_３(ｔ））と未知パラメータ（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｋ，ｈ）との積和式になっているため、適応デジタルフィルタの標準形である下記式（１２）と一致する。

ただし、上記式（１２）中、ｙ＝Ｖ_２(ｔ）、 ω^Ｔ＝［Ｖ_３(ｔ），Ｉ_３(ｔ），Ｉ_２(ｔ），Ｉ_１(ｔ）］、θ＝［−Ｔ_１，Ｋ・Ｔ_２，Ｋ，ｈ］ である。

したがって、電流検出部３０１で検出した電流計測値Ｉ（ｔ）、および電圧検出部３０２で検出した電圧計測値Ｖ（ｔ）にフィルタ処理した信号を、適応デジタルフィルタ演算に用いることで、電池内部状態を表す内部抵抗Ｋ、時定数Ｔ_１およびＴ_２、パラメータｈから構成される未知パラメータベクトルθを一括推定することができる。

本実施形態では、単純な「最小二乗法による適応デジタルフィルタ」の論理的な欠点（一度推定値が収束すると、その後パラメータが変化しても再度正確な推定ができないこと）を改善した「両限トレースゲイン方式」を用いる。すなわち、上記式（１２）を前提にすると、適応デジタルフィルタにより未知パラメータベクトルθを推定するためのアルゴリズムは、下記式（１３）となる。ここで、ｋ時点の電池パラメータ推定値をθ＾（ｋ）とする。

上記式（１３）において、ｔｒａｃｅ｛Ｑ(ｋ）｝は行列Ｑ(ｋ）のトレース（対角要素の和）を意味する。また、λ_１、λ_３、γ_Ｕ、γ_Ｌは設計パラメータであり、０＜λ_１＜１、０＜λ_３＜∞とする。λ_３は適応デジタルフィルタの推定速度を設定する定数（調整ゲイン）であり、値を大きくすることにより推定速度は速くなるが、その反面ノイズの影響を受けやすくなる。γ_Ｕおよびγ_Ｌはそれぞれ行列Ｑ(ｋ）のトレースの上下限を規定するパラメータであり、０＜γ_Ｌ＜γ_Ｕとなるように設定する。また、Ｐ(０）は十分大きな値を初期値とし、θ＾（０）は非ゼロな十分小さな値を初期値とする。このようにして、適応デジタルフィルタ演算部３０３により、適応デジタルフィルタを用いた電池パラメータ（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｋ，ｈ）の推定が行われる。そして、このようにして推定された電池パラメータのうち、内部抵抗Ｋを内部抵抗推定値として採用することにより、内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を求めることができる。

また、適応デジタルフィルタ演算部３０３は、次のようにして、推定した電池パラメータから、二次電池１０の開路電圧Ｖ_０を算出する。まず、上記式（４）を開路電圧Ｖ_０について整理すると、下記式（１４）となる。

開路電圧Ｖ_０（ｔ）の変化は比較的に穏やかであるため、上記式（１４）の両辺に安定なローパスフィルタ１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）を乗じ、１／Ｇ_ｌｐ（ｓ）を乗じて得られた値を開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｔ）として、下記式（１５）によって推定する。

そして、上記式（１５）に、上記式（１０）を代入すると、下記式（１６）となる。

よって、上記式（１６）に、適応デジタルフィルタを用いて推定した電池パラメータ推定値（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｋ）とローパスフィルタの出力（Ｉ_１(ｋ）、Ｉ_２(ｋ）、Ｖ_１(ｋ）、Ｖ_２(ｋ））を代入することで開路電圧の推定を行うことでき、これにより開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｔ）を求めることができる。

次に、最大充放電可能電流推定部３０７による最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）の算出方法について、説明する。

まず、最大充放電可能電流推定部３０７は、内部抵抗推定値選択部３０６により選択された内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）から、電流−電圧特性記憶部３０９に記憶されている二次電池１０の複数の電流−電圧特性に基づいて、二次電池１０の現在の状態における電流−電圧特性Ｓ_ｐを推定する。図４に、電流−電圧特性記憶部３０９に記憶されている二次電池１０の複数の電流−電圧特性を示す。図４に示すように、電流−電圧特性記憶部３０９には、予め実験により得られた二次電池１０の４つの電流−電圧特性（第１電流−電圧特性Ｓ_１、第２電流−電圧特性Ｓ_２、第３電流−電圧特性Ｓ_３、および第４電流−電圧特性Ｓ_４）が記憶されている。なお、図４においては、４つの電流−電圧特性が記憶されている態様を例示したが、電流−電圧特性記憶部３０９に記憶される電流−電圧特性の数は２以上であればよく特に限定されない。

ここで、二次電池１０の電流−電圧特性（すなわち、二次電池１０の充放電電流の変化に対する二次電池１０の端子電圧の変化）は、二次電池１０の内部抵抗に影響を与える要因、たとえば、二次電池１０の温度や劣化度合いなどの二次電池１０の使用環境や内部状態に応じて変化するものである。

たとえば、二次電池１０の温度について例示すると、二次電池１０の温度が比較的高い状態においては、二次電池１０の電流−電圧特性は、第１電流−電圧特性Ｓ_１となり、二次電池１０の温度が降下すると、温度降下にしたがって、二次電池１０の電流−電圧特性は、第２電流−電圧特性Ｓ_２、第３電流−電圧特性Ｓ_３、さらには第４電流−電圧特性Ｓ_４に変化していく傾向にある。

同様に、二次電池１０の劣化度合いについて例示すると、二次電池１０の劣化度合いが小さい場合には、二次電池１０の電流−電圧特性は第１電流−電圧特性Ｓ_１であり、使用により二次電池１０が劣化していくと、二次電池１０の内部抵抗は上昇していく傾向にあるため、劣化度合いにしたがって、二次電池１０の電流−電圧特性は、第２電流−電圧特性Ｓ_２、第３電流−電圧特性Ｓ_３、さらには第４電流−電圧特性Ｓ_４に変化していく傾向にある。

また、二次電池１０の温度と、二次電池１０の劣化度合いとがともに変化した場合や、その他の二次電池１０の使用環境や内部状態が変化した場合にも、同様に、二次電池１０の電流−電圧特性は変化することとなる。そのため、本実施形態においては、このような変化に対応するために、二次電池１０の温度や劣化度合いなどの二次電池１０の使用環境や内部状態に応じた複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４を備えるものであり、これを用いて、二次電池１０の現在の状態における電流−電圧特性Ｓ_ｐを算出するものである。

なお、電流−電圧特性記憶部３０９に記憶されている複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４は、図４に示すように、二次電池１０の充放電電流と、端子電圧と開路電圧Ｖ_０との差（端子電圧−開路電圧Ｖ_０）との関係で表されたものである。すなわち、複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４は、二次電池１０の端子電圧と開路電圧との差分を用いて正規化したものとなっている。複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４を端子電圧と開路電圧Ｖ_０との差で正規化することにより、二次電池１０の作動電圧に応じた電流−電圧特性を記憶する必要がなくなるため、これを記憶するための記憶領域を小さなものとすることができる。

そして、電流−電圧特性記憶部３０９による、二次電池１０の現在の状態における電流−電圧特性Ｓ_ｐの具体的な推定方法は、次のとおりである。すなわち、まず、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）は、電流の変化に対する電圧の変化の傾きに相当するため、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）から、電流の変化に対する電圧の変化の傾きである電流−電圧傾きを求める。図５に、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づく電流−電圧傾きの一例を示す。そして、複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４のうち、充放電電流および端子電圧−開路電圧の絶対値が低い領域（すなわち、複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４において、電流の変化に対する電圧の変化がほぼ直線状となる範囲）において、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づく電流−電圧傾きと一致する傾きを有する電流−電圧特性を選択し、これを、二次電池１０の現在の状態における電流−電圧特性Ｓ_ｐとする。

たとえば、図５に示す例においては、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づく電流−電圧傾きは、第３電流−電圧特性Ｓ_３と一致するため、第３電流−電圧特性Ｓ_３を二次電池１０の現在の状態における電流−電圧特性Ｓ_ｐとする。あるいは、図６示すように、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づく電流−電圧傾きが、複数の電流−電圧特性Ｓ_１〜Ｓ_４のうち、いずれとも一致しない場合には、これらのうち近い値を示す２つの電流−電圧特性を線形補間することにより、図７に示すような電流−電圧特性Ｓ_ｐを求めることができる。なお、図６は、内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）に基づく電流−電圧傾きの他の例を示す図である。また、図７は、本実施形態における最大充放電可能電流の算出方法を説明するための図であって、図６に示す場合における電流−電圧特性Ｓ_ｐに基づいた最大充放電可能電流の算出方法を説明するための図である。

そして、最大充放電可能電流推定部３０７は、上記方法により求められた二次電池１０の現在の状態に応じた電流−電圧特性Ｓ_ｐ、適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）、および予め定められた二次電池１０の上下限電圧Ｖ_ＭＡＸ、Ｖ_ＭＩＮに基づき、二次電池１０に対して充電可能な電流の最大値である最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および二次電池１０により放電可能な電流の最大値である最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）を算出する。具体的には、図７に示すように、電流−電圧特性Ｓ_ｐ、および予め定められた二次電池１０の上限電圧Ｖ_ＭＡＸと開路電圧Ｖ_０との差（上限電圧Ｖ_ＭＡＸ−開路電圧Ｖ_０）とに基づき、これらの交点から、最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）を算出する。同様に、電流−電圧特性Ｓ_ｐ、および予め定められた二次電池１０の下限電圧Ｖ_ＭＩＮと開路電圧Ｖ_０との差（下限電圧Ｖ_ＭＩＮ−開路電圧Ｖ_０）とに基づき、これらの交点から、最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）を算出する。

以上のようにして、最大充放電可能電流推定部３０７による最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）の算出が行われる。そして、入出力可能電力推定部３０８により、算出された最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）に、上限電圧Ｖ_ＭＡＸを積算することで、二次電池１０に入力可能な電力である最大入力可能電力推定値Ｐ_ｉｎ＾（ｋ）が算出される。また、同様に、算出された最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）に、下限電圧Ｖ_ＭＩＮを積算することで、二次電池１０から出力可能な電力である最大出力可能電力推定値Ｐ_ｏｕｔ＾（ｋ）が算出される。

次いで、本実施形態における、入出力可能電力の推定処理を、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図８に示す処理は一定周期毎（本実施形態では、１００ｍｓｅｃ毎）に実施される。以下の説明においては、Ｉ(ｋ）は今回の実行周期の電流値（今回の計測値）、Ｉ(ｋ−１）は１回前の実行周期での電流値（前回の計測値）とし、電流以外の値に関しても同様に表記する。なお、以下に説明する処理は、電子制御ユニット３０により行われる。

まず、ステップＳ１では、電流検出部３０１、および電圧検出部３０２により、電流計測値Ｉ（ｋ）、および電圧計測値Ｖ（ｋ）の取得が行われる。電流計測値Ｉ（ｋ）は適応デジタルフィルタ演算部３０３および電流平均値算出部３０４に、電圧計測値Ｖ（ｋ）は適応デジタルフィルタ演算部３０３に、それぞれ送出される。

ステップＳ２では、適応デジタルフィルタ演算部３０３により、ステップＳ１で取得した電流計測値Ｉ（ｋ）、および電圧計測値Ｖ（ｋ）に基づき、上述した方法にしたがい、適応デジタルフィルタ演算により、二次電池１０の内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）および開路電圧推定値Ｖ_０（ｋ）の算出が行われる。算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）は内部抵抗推定値記憶部３０５および内部抵抗推定値選択部３０６に、開路電圧推定値Ｖ_０（ｋ）は最大充放電可能電流推定部３０７に、それぞれ送出される。

ステップＳ３では、電流平均値算出部３０４により、所定時間ｔにおける電流計測値Ｉ（ｋ）の平均値である電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の算出が行われる。算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）は内部抵抗推定値記憶部３０５および内部抵抗推定値選択部３０６に送出される。

ステップＳ４では、内部抵抗推定値記憶部３０５および内部抵抗推定値選択部３０６により、ステップＳ３で算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が、所定の閾値Ｉ_０以下であるか否かの判定が行われる。電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が、所定の閾値Ｉ_０以下である場合にはステップＳ５に進み、所定の閾値Ｉ_０を超える場合にはステップＳ７に進む。

ここで、図５に示すように、適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された内部抵抗推定値に基づく電流−電圧傾きは、電流値の絶対値が小さい領域においては、第３電流−電圧特性Ｓ_３と一致する一方で、電流値の絶対値が大きい領域においては、第３電流−電圧特性Ｓ_３から乖離する傾向にある。そのため、本実施形態では、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が、所定の閾値Ｉ_０以下であるか否かを判定し、その後の処理を異ならせている。

ステップＳ５では、ステップＳ３で算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が、所定の閾値Ｉ_０以下であるため、内部抵抗推定値記憶部３０５は、ステップＳ２で算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を、内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍとして保存し、ステップＳ６に進む。また、ステップＳ６では、内部抵抗推定値選択部３０６は、ステップＳ２で算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を、最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）として選択し、これを最大充放電可能電流推定部３０７に送出する。

一方、ステップＳ７では、ステップＳ３で算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が、所定の閾値Ｉ_０を超えるものであるため、最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）として、内部抵抗推定値記憶部３０５により記憶されている内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを選択し、これを最大充放電可能電流推定部３０７に送出する。すなわち、ステップＳ７では、前回以前の処理のうち、直近の処理において、電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０であると判断されたときの内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）（＝内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍ）を、最大充放電可能電流の算出に用いるための内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）として選択する。ステップＳ３で算出された電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が、所定の閾値Ｉ_０を超えるものである場合においても、内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを用いて、その後の処理を継続することにより、本実施形態の入出力可能電力推定処理を連続的に行うことができる。

ステップＳ８では、最大充放電可能電流推定部３０７により、ステップＳ２で算出された開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）、およびステップＳ６またはステップＳ７で選択された内部抵抗推定値Ｒ_ｓ＾（ｋ）を用いて、上述した方法にしたがって、最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）の算出が行われる。

そして、ステップＳ９では、入出力可能電力推定部３０８により、ステップＳ８で算出された最大充電可能電流推定値Ｉ_ＭＡＸ＾（ｋ）、および最大放電可能電流推定値Ｉ_ＭＩＮ＾（ｋ）に基づき、最大入力可能電力推定値Ｐ_ｉｎ＾（ｋ）、および最大出力可能電力推定値Ｐ_ｏｕｔ＾（ｋ）の算出が行われる。
本実施形態では、以上のようにして二次電池１０の入出力可能電力の推定が行われる。

図９に、電池モデルを用いたシミュレーションにより、本実施形態の効果を検証した結果を示す。図９においては、上から電流の変化を示すプロファイル、電圧の変化を示すプロファイル、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎおよび最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔを示しており、これらのうち、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎおよび最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔについては、真値（点線）、本実施形態の入出力可能電力推定装置を用いて得られた推定値（実線）、従来技術１に係る方法により得られた推定値（一点鎖線）、および従来技術２に係る方法により得られた推定値（二点鎖線）を示した。また、図９においては、二次電池１０に対して充電する方向の電流値をプラスで表し、二次電池１０にから放電する方向の電流値をマイナスで表した。そのため、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎおよび最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔについても、これに応じて、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎをプラスで表し、最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔをマイナスで表した。

ここで、従来技術１に係る方法は、本実施形態のように電流−電圧特性記憶部３０９に記憶された複数の電流−電圧特性を用いることなく、適応デジタルフィルタ演算により得られた内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）、開路電圧推定値Ｖ_０＾（ｋ）および予め定められた上下限電圧Ｖ_ＭＡＸ、Ｖ_ＭＩＮのみに基づいて、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎおよび最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔを推定する方法であり、この結果を図９に示した。また、従来技術２に係る方法は、本実施形態のように電流−電圧特性記憶部３０９に記憶された複数の電流−電圧特性を用いる代わりに、予め計測した電流−内部抵抗特性を用い、この電流−内部抵抗特性と予め定められた上下限電圧Ｖ_ＭＡＸ、Ｖ_ＭＩＮとに基づいて、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎおよび最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔを推定する方法であり、同様に、この結果を図９に示した。

図９に示すように、従来技術１および従来技術２においては、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎ、最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔともに、真値から乖離した結果となる一方で、本実施形態の入出力可能電力推定装置によれば、最大入力可能電力Ｐ_ｉｎ、最大出力可能電力Ｐ_ｏｕｔともに真値をほぼ正確に推定することが可能となることが確認できる。

本実施形態によれば、二次電池１０の温度や劣化度合いなどの二次電池１０の使用環境や内部状態に応じた複数の電流−電圧特性を予め記憶しておき、これに基づいて、二次電池１０の現在の状態に応じた電流−電圧特性を推定し、推定された電流−電圧特性に基づいて、最大充放電可能電流、さらには、最大入出力可能電力を推定するものである。すなわち、二次電池１０の内部抵抗に影響を与える要因、たとえば、二次電池１０の温度や劣化度合いなどの二次電池１０の使用環境や内部状態に応じた最大充放電可能電流、さらには、最大入出力可能電力を推定するものである。そのため、本実施形態によれば、最大充放電可能電流、さらには最大入出力可能電力の推定精度の向上が可能となる。

また、本実施形態によれば、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタ演算により、二次電池１０の内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を求めるものであるため、二次電池１０の内部抵抗に影響を与える要因を直接計測することなく（すなわち、二次電池１０の温度を直接計測したり、あるいは二次電池１０の劣化度を直接計測することなく）、二次電池１０の内部抵抗に影響を与える要因が加味された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を、逐次測定することができるため、これにより、最大充放電可能電流および最大入出力可能電力の推定精度の更なる向上が可能となる。

さらに、本実施形態によれば、所定時間ｔにおける電流計測値Ｉ（ｋ）の平均値である電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０以下である条件において算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を用いるため、最大充放電可能電流および最大入出力可能電力の推定精度の更なる向上が可能となる。加えて、本実施形態によれば、所定時間ｔにおける電流計測値Ｉ（ｋ）の平均値である電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０を超える場合には、直近の処理において求められた内部抵抗推定値を用いて、最大充放電可能電流および最大入出力可能電力の推定を行うため、二次電池１０の内部抵抗に影響を与える要因の変化の影響を小さくすることができ、これにより、最大充放電可能電流および最大入出力可能電力の推定精度の更なる向上が可能となる。

なお、上述した実施形態において、適応デジタルフィルタ演算部３０３は本発明の内部抵抗推定手段および開路電圧推定手段に、電流−電圧特性記憶部３０９は本発明の記憶手段に、最大充放電可能電流推定部３０７は本発明の電流−電圧特性推定手段に、入出力可能電力推定部３０８は本発明の入出力可能電力推定手段に、電流検出部３０１および電圧検出部３０２は本発明の検出手段に、電流平均値算出部３０４は本発明の電流平均値算出手段に、それぞれ相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

たとえば、上述の実施形態においては、電流計測値Ｉ（ｋ）の平均値である電流平均値Ｉ_ａｖｅ（ｋ）の絶対値が所定の閾値Ｉ_０以下であるか否かに基づき、適応デジタルフィルタ演算部３０３により算出された内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を用いるか、あるいは、内部抵抗推定値記憶部３０５により記憶されている内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを用いるか、を選択するような構成としたが、たとえば、電流計測値Ｉ（ｋ）の平均値ではなく、電流計測値Ｉ（ｋ）自体が所定の閾値Ｉ_０以下であるか否かに基づいて、内部抵抗推定値Ｒ＾（ｋ）を用いるか、あるいは内部抵抗記憶値Ｒ_Ｍを用いるかの選択を行うような構成をしてもよい。

１０…二次電池
２０…負荷
３０…電子制御ユニット
３０１…電流検出部
３０２…電圧検出部
３０３…適応デジタルフィルタ演算部
３０４…電流平均値算出部
３０５…内部抵抗推定値記憶部
３０６…内部抵抗推定値選択部
３０７…最大充放電可能電流推定部
３０８…入出力可能電力推定部
３０９…電流−電圧特性記憶部
４０…電流計
５０…電圧計

Claims (9)

1. 二次電池の内部抵抗を推定する内部抵抗推定手段と、
   前記二次電池の開路電圧を推定する開路電圧推定手段と、
   前記二次電池に充放電される電流と、前記二次電池の端子電圧との関係を示す電流−電圧特性を複数記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された複数の電流−電圧特性と、前記内部抵抗推定手段により推定された前記二次電池の内部抵抗とに基づいて、前記二次電池の現在の状態に応じた電流−電圧特性を推定する電流−電圧特性推定手段と、
   前記電流−電圧特性推定手段により推定された前記二次電池の電流−電圧特性と、前記開路電圧推定手段により推定された前記二次電池の開路電圧と、予め定められた前記二次電池の上下限電圧とに基づいて、前記二次電池の入力可能電力および出力可能電力を推定する入出力可能電力推定手段と、
   を備えることを特徴とする二次電池の入出力可能電力推定装置。
2. 前記記憶手段に記憶される複数の電流−電圧特性は、それぞれ、前記二次電池の温度および前記二次電池の劣化度に応じたものであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
3. 前記二次電池の電流および端子電圧を検出する検出手段をさらに有し、
   前記内部抵抗推定手段は、前記検出手段により検出された電流および端子電圧の計測値に基づいて、前記二次電池の内部抵抗を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
4. 前記記憶手段に記憶される複数の電流−電圧特性は、前記二次電池の端子電圧と開路電圧との差を用いて正規化されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
5. 前記内部抵抗推定手段は、前記二次電池の電池モデルを定義し、前記検出手段により検出された電流および端子電圧の計測値から、前記電池モデルを用いて適応デジタルフィルタ演算を行って、内部抵抗を含む前記電池モデルのパラメータを一括推定することで、前記二次電池の内部抵抗を推定することを特徴とする請求項３または４に記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
6. 前記開路電圧推定手段は、前記内部抵抗推定手段により一括推定した前記二次電池の内部状態に基づいて、前記二次電池の開路電圧を推定することを特徴とする請求項５に記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
7. 前記電流−電圧特性推定手段は、前記二次電池の電流の計測値が所定値以下である条件において推定された内部抵抗を用いて、前記二次電池の電流−電圧特性の推定を行うことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
8. 前記検出手段により、所定時間において検出された前記二次電池の電流の平均値を算出する電流平均値算出手段をさらに有し、
   前記電流−電圧特性推定手段は、前記電流平均値算出手段により算出された電流の平均値が所定値以下である条件において推定された内部抵抗を用いて、前記二次電池の電流−電圧特性の推定を行うことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。
9. 前記電流−電圧特性推定手段は、前記電流平均値算出手段により算出された電流の平均値が所定値を超える場合には、前記電流平均値算出手段により算出された電流の平均値が所定値以下である条件において推定された内部抵抗のうち、直近のものを用いて、前記二次電池の電流−電圧特性の推定を行うことを特徴とする請求項８に記載の二次電池の入出力可能電力推定装置。

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