JP5292375B2

JP5292375B2 - バッテリの充電率推定装置

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Publication number: JP5292375B2
Application number: JP2010207526A
Authority: JP
Inventors: 利幸岩鼻; 謙介長村; 修一足立
Original assignee: Calsonic Kansei Corp; Keio University
Current assignee: Calsonic Kansei Corp; Keio University
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2012063244A

Description

本発明は、電気自動車等のバッテリの充電率を推定するバッテリの充電率推定装置に関する。

たとえば、電気自動車やハイブリッド電気自動車などでは、これらの車両を駆動するのに用いられる電気モータへ電力を供給（放電）したり、制動時のエネルギを発電機として機能させる電気モータから、あるいは地上に設置した電源から充電して電気エネルギを蓄積したりするため、リチャージャブル・バッテリ（二次電池）が用いられる。

この場合、長期にわたってバッテリを最適な状態に保つためには、バッテリの状態、とりわけ充電率（SOC: State of Charge）を常にモニタしてバッテリ・マネージメントを行う必要がある。ところが、バッテリを用いる場合、その充放電・蓄電が化学的作用によるので、間接的にバッテリの状態を推定せざるを得ない。この場合、温度変化の影響等も大きく、バッテリの状態は使用環境や使用履歴で絶えず変化するので、充電率の推定は大変である。そこで、従来から種々のバッテリの充電率を推定する方法が提案されてきている。

従来のバッテリの充電率推定装置は、バッテリの電流値と端子電圧値とを計測して、これらの計測値から、適応ディジタル・フィルタを用いて、抵抗とコンデンサからなるバッテリ等価回路モデルのパラメータを推定して回路電圧値（開放電圧値）を求め、この回路電圧値から、予め求めた回路電圧値と充電率との関係に基づいて、充電率を推定するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、別の従来のバッテリの充電率推定装置は、バッテリの電流値と端子電圧値とを計測して、これらの計測値から、カルマン・フィルタを用いて、抵抗とコンデンサからなるバッテリ等価回路モデルに基づき開放電圧値を推定し、予め求めた回路電圧値と充電率との関係に基づいて充電率を推定するようにしている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００１−３８４６０６号公報

Gregory L. Plett "Extended Kalman filtering for battery management systems of LiPB-based HEV battery packs" Journal of Power Sources 134(2004) 252-261

しかしながら、上記従来のバッテリの充電率推定装置には以下に説明するような問題がそれぞれある。
まず、前者の従来のバッテリの充電率推定装置にあっては、適応ディジタル・フィルタによる、等価回路モデルのパラメータ推定精度は、充放電電流の特性によって異なり、一般的に一定電流の場合は推定精度が低下してしまう。このようにパラメータの推定精度が低下すると、開放電圧値の算出精度も低下してしまうことから、この値に基づいて決める充電率の推定精度も悪くなってしまうといった問題がある。

また、後者の従来のバッテリの充電率推定装置にあっては、バッテリ等価回路の開放電圧発生部としてコンデンサで表したバッテリ等価回路モデルに基づいてカルマン・フィルタで開放電圧を推定しているが、この際、上記開放電圧発生部コンデンサの値を一定値として推定演算を行っている。しかしながら、開放電圧発生部コンデンサの値は、開放電圧の値により変化するため、開放電圧値が変化すると、充電率の演算精度も悪化してしまうといった問題がある。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、充放電電流が一定電流であっても、また開放電圧が変化しても、いずれの場合にもより精度の高い充電率を得ることができるようにしたバッテリの充電率推定装置を提供することにある。

この目的のため本発明によるバッテリの充電率推定装置は、
バッテリの充放電電流値を検出する充放電電流検出手段と、
バッテリの端子電圧値を検出する端子電圧検出手段と、
抵抗と開放電圧発生部コンデンサからなる、バッテリのバッテリ等価回路モデルに基づいて、充放電電流検出手段で検出した充放電電流値と端子電圧検出手段で検出した端子電圧値からバッテリの開放電圧推定値を推定する開放電圧推定手段と、
開放電圧推定手段で推定した開放電圧推定値から、開放電圧値とバッテリの充電率の関係データに基づいて充電率を算出する充電率算出手段と、
開放電圧推定手段で求めた開放電圧推定値の１つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を得る遅延手段と、
１つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を用いて開放電圧発生部コンデンサの容量を算出する開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段と、
を備え、
開放電圧推定手段が、開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段で得た開放電圧発生部コンデンサ容量をバッテリのバッテリ等価回路モデルに用いてバッテリの開放電圧推定値を推定する
ことを特徴とする。

本発明のバッテリの充電率推定装置にあっては、バッテリのバッテリ等価回路モデルの開放電圧発生部コンデンサの容量に、開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段で算出した、１つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値から求めた開放電圧発生部コンデンサ容量を用いて、本来逐次変化していくバッテリ等価回路モデルの開放電圧発生部コンデンサの容量に合わせてこれを可変となるようにしたので、充放電電流が一定電流であっても開放電圧が変化しても、従来技術のものより精度の高い充電率を得ることができる。

本発明の実施例１に係るバッテリの充電率推定装置の構成を示すブロック図である。実施例１のバッテリの充電率推定装置で用いるバッテリ等価回路モデルの図である。バッテリの開放電圧と充電率との関係を示すグラフである。実施例１のバッテリの充電率推定装置を構成する開放電圧推定部の構成を示すブロック線図である。図４の開放電圧推定部のカルマン・ゲイン算出部の構成を示すブロック線図である。図４の開放電圧推定部の状態量推定部の構成を示すブロック線図である。開放電圧発生部コンデンサ容量算出方法で利用する、バッテリの性質に基づく開放電圧算出のためのブロック線図である。開放電圧発生部コンデンサ容量算出方法で利用する、バッテリ等価回路モデルに基づく開放電圧算出のためのブロック線図である。開放電圧発生部コンデンサ容量部の構成を示すブロック線図である。実施例１のバッテリの充電率推定装置へ入力する入力を示す図で、（ａ）はバッテリの充放電電流を示す図、（ｂ）はバッテリの端子電圧を示す図である。図１０の入力に対する実施例１のバッテリの充電率推定装置の出力を示す図で、（ａ）はバッテリの充電率推定値を示す図、（ｂ）はそのときの充電率推定誤差を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

図１に、実施例１のバッテリ１の充電率推定装置およびこの装置が接続されるバッテリ１の構成関係およびそれらの信号の流れを示す。
実施例１のバッテリ１の充電率推定装置は、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両に用いられる。このような車両には、車両を駆動する図示しない電気モータ、バッテリ１、これらのコントローラ（図示せず）が搭載され、車両駆動時にはバッテリ１から電気モータへ電力を供給（放電）したり、制動時には電気モータを発電機として機能させそのとき得た制動エネルギを電気エネルギとしてバッテリ１へ回収（充電）したり、あるいは地上に設置した電源からバッテリ１に充電したりする。このような充放電電流のバッテリ１への出入りをバッテリ１の充電率推定装置でモニタし、バッテリ１の状態の一つである充電率を推定するものである。

まず、バッテリ１の充電率推定装置の全体構成につき説明する。
実施例１のバッテリ１の充電率推定装置は、図１に示すように、電圧センサ２、電流センサ３、開放電圧推定部４、充電率算出部５、遅延器６、および開放電圧発生部コンデンサ容量算出部７を有し、電圧センサ２および電流センサ３を介してバッテリ１に接続される。なお、開放電圧推定部４、充電率算出部５、遅延器６、および開放電圧発生部コンデンサ容量算出部７は、車載のマイクロ・コンピュータで構成する。

バッテリ１は、本実施例にあっては、リチャージャブル・バッテリ、たとえばリチウム・イオン・バッテリを用いるが、これに限られることはなく、ニッケル・水素バッテリ等、他の種類のバッテリを用いてもよいことは言うまでもない。

電流センサ２はバッテリ１から電気モータ等へ電力を供給する場合の放電電流の大きさ、および制動時に電気モータを発電機として機能させて制動エネルギの一部を回収したり地上の電源設備から充電したりする場合の充電電流の大きさを検出するもので、たとえば、シャント抵抗等を使ってバッテリ１に流れる電流値Ｉを検出する。検出した充放電電流値Ｉは、入力信号として開放電圧推定部４へ入力される。
電圧センサ３は、バッテリ１の端子間の電圧を検出するものであり、この検出した端子電圧値Ｖは開放電圧推定部４へ入力される。
なお、電流センサ２、電圧センサ３は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用でき、それぞれ本発明の充放電電流検出手段、端子電圧検出手段に相当する。

開放電圧推定部４は、バッテリ等価回路モデル４Ａ、状態量推定部４Ｂおよびカルマン・ゲイン算出部４Ｃを有するもので、電流センサ２で検出した充放電電流値Ｉと電圧センサ３で検出した端子電圧値Ｖから、バッテリ等価回路モデル４Ａのパラメータを推定し、状態量である開放電圧OCV^を求める。なお、開放電圧推定部４は、本発明の開放電圧推定検出手段に相当する。

本実施例で用いるバッテリ等価回路モデル４Ａを図２に示す。この等価回路モデル４Ａとしては、本実施例では図２に示すフォスタ型ＲＣ梯子回路（ただし１段のみ）を用いる。すなわち、この回路は、バッテリ１の電解液抵抗と結線によるオーム抵抗等の直流成分を設定するバスク抵抗（Ｒ_０）に、抵抗（Ｒ_１：ファラデー・インピーダンスでありバッテリ１中の電荷移動過程における動的振る舞いを表す反応抵抗として設定）とコンデンサ（Ｃ_１：非ファラデー・インピーダンスであり電気二重層を表わすものとして設定）の並列回路を接続したものである。また、同図中には、開放電圧部を表わす開放電圧部コンデンサ（Ｃ_ＯＣＶ）の開放電圧値をOCV、端子電圧値をＶ、上記並列回路で発生する過電圧値をＶ_１でそれぞれ表示してある。端子電圧値Ｖは、開放電圧値OCVと過電圧値Ｖ_１との合計に等しくなる。なお、Ｒ_０およびＲ_１は上記各抵抗の抵抗値を表わし、Ｃ_１およびＣ_ＯＣＶは上記各コンデンサの容量を表わす。

状態量推定部４Ｂは、本実施例ではカルマン・フィルタを用いてバッテリ等価回路モデル４Ａに基づきこの状態量を推定する。すなわち、この状態量推定部４Ｂでは、バッテリ等価回路モデル４Ａの状態方程式（離散化して用いる）を用いて、入力を充放電電流値I、出力を端子電圧値Ｖ^、状態量を開放電圧推定値OCV^として、同じ入力に対するバッテリ等価回路モデル４Ａの推定出力値Ｖ^と実際のバッテリ１の出力値Ｖとの誤差εに、カルマン・ゲイン算出部４Ｃで算出したカルマン・ゲインＬを掛けたものをフィードバックして誤差が最小になるようにバッテリ等価回路モデル４Ａを修正していき、そのときのパラメータを求めていく。この詳細構成については、後で説明する。状態量推定部４Ｂで推定した開放電圧推定値OCV^は充電率算出部５と遅延器６へそれぞれ入力する。なお、記号^は、推定を表わすが、明細書中では図中の記号とは異なり便宜上右側へずらして記載する。

カルマン・ゲイン算出部４Ｃは、バッテリ等価回路モデル４Ａの推定出力（電圧推定値Ｖ^）とバッテリ１の出力（端子電圧Ｖ）との誤差εを、フィードバックするに当たっての重みづけとなるカルマン・ゲインＬを決めるためのもので、その詳細構成については後で説明する。

充電率算出部５は、バッテリの種類ごとにあらかじめ実験等で測定した開放電圧値OCVと充電率SOCとの関係データを記憶する開放電圧値（OCV）と充電率（SOC）との関係データを記憶する関係データ記憶部５Ａを有する。この関係データの例を図３に示す。したがって、バッテリ１の開放電圧が推定されれば、この推定値OCV^から関係データに基づき充電率SOCを求めることが可能となる。この充電率SOCは、バッテリ・マネージメントに利用される。

遅延器６は、上記バッテリ等価回路モデル４Ａの離散化した状態方程式を用いて状態量推定部４Ｂで得られたｋ番目の開放電圧推定値OCV^に１／ｚ（ｚはｚ変換を示す）を掛けて、このｋ番目の１つ前であるｋ−１番目の開放電圧推定値OCV^⁻を得るものである。この１つ前であるｋ−１番目の開放電圧推定値OCV^⁻は、開放電圧部コンデンサ容量算出部７に入力される。なお、遅延器６は、本発明の遅延手段に相当する。

開放電圧部コンデンサ容量算出部７では、入力されたｋ−１番目の開放電圧推定値OCV^⁻から開放電圧部コンデンサの容量Ｃ_OCVを算出し、開放電圧推定部４に入力して、バッテリ等価回路モデル４Ａにおける開放電圧部コンデンサの容量Ｃ_OCVを絶えず更新して行く。

以上が、本実施例のバッテリの充電率推定装置の主な構成である。次に、この開放電圧推定部４にカルマン・フィルタを適用するにあたって、その考え方につき以下に説明する。

まず、カルマン・フィルタの設計にあたっては、推定対象となるシステムを以下の状態方程式で表現しなければならない。
ｄｘ／ｄｔ = Ａｘ + Ｂｕ（式１）
ｙ＝Ｃｘ + Ｄｕ（式２）
ここで、ｘはシステムの状態ベクトル（パラメータである状態量を表わす）、ｕはシステムへの入力ベクトル、ｙは出力ベクトル、Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄはシステムのダイナミックスを記述する行列であり、それぞれシステム行列、入力行列、出力行列、伝達行列であり、ｄ／ｄｔは時間微分である。

また、図２に示したバッテリ等価回路モデル４Ａでは、上記(式1)、(式2)における行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの値は次のようになる。

ただし、状態ベクトルｘ＝［過電圧値開放電圧値］^Ｔ、入力は充放電電流検出値Ｉ（充電をプラス、放電をマイナスにとる）、出力は端子電圧値Ｖである。なお、上記式中、行列の右上の添え字Ｔは、その行列の転置を意味する。

ここで、上記状態方程式の(式1)、(式2)は連続系で記述してあるので、これらを、以下のように、サンプリング時間をＴとして0次ホールドで離散化する。
なお、以下の式において、添え字ｋはサンプリングの順番の番号、ｕ_ｋはｋ番目における入力データ（本実施例では検出電流値Ｉ）、ｙ_ｋはｋ番目における出力データ（本実施例では推測端子電圧Ｖ^）、Σ^x^〜,kはｋ番目における推定誤差共分散値、Ｌ_ｋはｋ番目におけるカルマン・ゲイン、Σ_Ｖはプロセス・ノイズ、Σ_Ｗは観測ノイズ、^は推定値、_は時前推定、+は時後推定、ε_ｋはｋ番目における検出出力と推定出力の差（すなわち、本実施例では端子電圧検出値と端子電圧予測値の差）を、それぞれ表す。ただし、カルマン・フィルタを用いるにあたって、ε_ｋは平均値０、正規性白色雑音であり、またプロセス・ノイズと観測ノイズは互いに独立であると仮定してある。なお、上記記号中、^、 ^〜、 _、 + の各記号については、記載上、明細書では図中での使用とは異なり、右側へずらした位置に記載する。

離散化したカルマン・フィルタの状態方程式は、以下のように表わすことができる。

上記（式３）、(式４)中のＡ_ｋ,Ｂ_ｋ,Ｃ_ｋ,Ｄ_ｋは、それぞれ以下のようになる。

なお、上記（式５）、（式６）中におけるｅ^ＡＴは、状態遷移マトリクスである。ここで、ｅは自然数、Ｔは入出力信号のサンプリング周期（行列やベクトルの転置を表す上付き添え字Ｔとは異なる）となる番号である。

したがって、カルマン・フィルタの状態方程式は、以下のように表される。

これらの式(式９)〜(式1２)は状態量を推定するための式である。
これらの式により、カルマン・フィルタを用いる開放電圧推定部４は、図４のブロック線図にて表わすことができる。このブロック線図については後で説明する。

また、このときｋ番目の事前推定、事後推定での推定誤差共分散値およびカルマン・ゲインは以下の式で表わされる。

これらの式（式13）〜(式15)により、カルマン・ゲイン算出部４Ｃのブロック線図は、図５のように表すことができる。このブロック線図については後で説明する。

以上のように、カルマン・フィルタＫＦを用いた状態量の推定は、（式９)〜(式15)と図２のバッテリ等価モデル４Ａの状態方程式（式２）により、状態量算出部４Ｂとカルマン・ゲイン算出部４Ｃにて行う。
図４に示すように、状態量推定部４Ｂには電流センサ３で測定された充放電電流値Ｉと開放電圧部コンデンサ容量算出部７で算出された開放電圧部コンデンサ容量COCVとが入力され、後で説明する演算によって、バッテリ等価回路モデル４Ａにおける状態量として開放電圧推定値OCV^と端子電圧推定値Ｖ^を出力する。この端子電圧推定値Ｖ^は、減算器１０９に入力されて、ここで、電圧センサ３にて測定されたバッテリ１の端子電圧知値Ｖから減算されることにより、これらの誤差εが得られる。
この誤差εは、カルマン・ゲイン算出部４Ｃで算出したカルマン・ゲインＬが乗算器１０８で掛けられて、この乗算値Ｌ・εが状態量推定部４Ｂにフィードバックされる。

次に、カルマン・ゲイン算出部４Ｃにおけるカルマン・ゲインＬの推定は、（式13）〜（式15）により行なわれ、そのブロック線図を図５に示す。
同図に示すように、加算器１１０には、プロセス・ノイズΣ_Ｖに、遅延器１１２の出力であるｋ番目の一つ前(ｋ-１番目)の推定誤差共分散値Σ_ｘ ^〜 _，ｋ−１ ^＋に係数倍器１１３、１１４にてＡ_ｋ、Ａ_ｋ ^Ｔを掛けた値が加算され、ｋ番目の時前推定としての推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k ⁻として出力される（式13）。

乗算器１１１では、減算器１１５で充放電電流検出値Ｉからカルマン・ゲインＬ_ｋに行列Ｃ_ｋを掛けた積算値が減算されて得た減算値に、加算器１１０から出力された推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k ⁻が、掛け合わされ、ｋ番目の時後推定としての推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k ^＋が得られる(式14)。この推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k ^＋は、Ｚ変換による遅延器１２（Ｚ^−１を掛ける）でｋ番目の一つ前(ｋ-1番目)の推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k−１ ⁻を得る。この推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k−１ ⁻は、上記のように係数倍器１１３、１１４で、それぞれ行列Ａ_ｋおよびこの転置行列Ａ_ｋ ^Ｔが掛けられた後、この乗算値が加算器１１０に入力される。

一方、加算器１１０の出力であるｋ番目の時前推定としての推定誤差共分散値Σ_x ^〜 _,k ⁻は、係数倍器１１６にて転置行列Ｃ_ｋ ^Ｔが掛けられて除算器１１７に入力されるとともに、係数倍器１１８にて行列Ｃ_ｋが掛けられて得た積算値が加算器１１９に入力される。この積算値は、加算器１１９で観測ノイズΣ_Ｗと加算された後、この加算値が除算器１１７に入力される。除算器１１７では、係数倍器１１６からの出力を加算器１１９からの出力で割算してカルマン・ゲインＬ_ｋとして出力する(式15)。なお、このカルマン・ゲインＬ_ｋは、上述したように、係数倍器１２０にて行列Ｃ_ｋが掛けられて減算器１１５に入力される。

次に、状態量算出部４Ａにおける状態量算出は、状態量(式9)〜（式12）により行なわれ、そのブロック図を図６に示す。
同図において、入力ｕ_ｋ（＝充放電電流検出値Ｉ）は、Ｚ変換による遅延器１２２にてＺ^−１を掛けることでｋ番目の一つ前の（ｋ−１）番目の入力ｕ_ｋ−１が得られる。この入力ｕ_ｋ−１は乗算器１２３に入力され、ここで、入力ｕ_ｋ−１に行列Ｂ_ｋが掛けられてＢ_ｋｕ_ｋ−１が得られる。このＢ_ｋｕ_ｋ−１は加算器１２４に入力される。

加算器１２４では、さらに、係数倍器１２６からの出力である推定値Ａ_ｋｘ_ｋ−１^^＋が入力されて加算され、ｋ番目の時前推定の状態量ｘ_ｋ^⁻が得られる（式9）。なお、上記推定値Ａ_ｋｘ_ｋ−１^^＋は、加算器１２７から出力されたｋ番目の時後推定の状態量ｘ_ｋ^^＋（＝開放電圧推定値OCV^）に遅延器１２５でｚ^−１が掛けられることで得られた一つ前の状態量ｘ_ｋ−１^^＋に、上記のように係数倍器１２６で、行列Ａ_ｋが掛けることで得られる。

加算器１２４での推定状態量ｘ_ｋ^⁻は、加算器１２７で、カルマン・ゲイン算出部４Ｂと乗算器１０８とで得られた積算値Ｌ_ｋ・ε_ｋが加算されて、推定状態量ｘ_ｋ^^＋（＝開放電圧推定値OCV^）が得られる(式10)。この開放電圧推定値OCV^は充電率算出部５および遅延器６に入力される。

一方、加算器１２４からの出力ｘ_ｋ^⁻は、係数倍器１２８にも入力されて行列Ｃ_ｋが掛けられてＣ_ｋｘ_ｋ^⁻が得られる。このＣ_ｋｘ_ｋ^⁻は加算器１３０に入力される。この加算器１３０には、さらに、係数倍器１２９で入力ｕ_ｋ（＝充放電電流検出値Ｉ）に行列Ｄ_ｋが掛けられて得たＤ_ｋｕ_ｋが入力されて加算され、状態量Ｃ_ｋｘ_ｋ^⁻＋Ｄ_ｋｕ_ｋ、すなわちｙ_ｋ^（＝端子電圧推定値Ｖ^）が得られる（式12）。この端子電圧推定値Ｖ^は図４の減算器109に入力され、ここで端子電圧検出値Ｖから端子電圧推定値Ｖ^が減算されて端子電圧差εｋが得られる。

開放電圧推定部４は以上のように構成されるが、次に、開放電圧部コンデンサ容量算出部７における開放電圧部コンデンサ容量の算出方法につき、図７〜図９の模式図を用いて以下に説明する。

開放電圧部コンデンサ容量算出部７では、推定した1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV⁻を用いて、バッテリ１の性質に基づいた開放電圧の式と、バッテリ等価回路モデル４Ａに基づいた開放電圧の式とが等価であることから、以下能のように開放電圧部コンデンサ容量COCVを導出する。

バッテリ１の性質に基づいて算出する開放電圧OCV１は、図７に示すように、まず充放電電流Iを時間積分して、この積分値をバッテリ１の設計容量FCCで割算し、次いで百分率（％）にするため100を掛けることで充電率SOCが算出する。この充電率SOCから、関係データ記憶部５Ａ内に記憶した充電率−開放電圧の関係データを基に開放電圧OCV1を推定する。

バッテリ等価回路モデル４Ａを用いて算出する開放電圧OCV2は、開放電圧部コンデンサの電圧であることから、充放電電流値Ｉを積分して得た積分値（電荷量に相当）を開放電圧部コンデンサ容量COCVで割算することで得られる。

これら開放電圧OCV1、OCV2が等価であるので、これらを求める両式から、以下の関係式が得られる。
COCV＝FCC／｛１００×（1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV⁻のときの、充放電率に対する開放電圧の傾きSL）｝

この式から、開放電圧部コンデンサ容量算出部７のブロック線図は、図９に示すようになる。
すなわち、1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV⁻が入力されて、この開放電圧値OCV⁻から、予め実験で測定した開放電圧OCV−SL（1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV⁻のときの、充放電率に対する開放電圧の傾き）の関係データを基に、傾きSLを得る。この傾きSLは乗算器で100倍され、除算器にてバッテリ１の設計容量を100×SLの値で割算することで開放電圧部コンデンサ容量COCVが算出される。

以上のように構成した本実施例の充電率推定装置につき、バッテリ１の充放電電流値Iと端子電圧値Ｖの入力データを用いて充電率の推定を行った実験結果につき説明する。

図１０はバッテリ１と本実施例の充電率推定装置とに入力した充放電電流Ｉと電圧値Ｖを示しており、図１０(a)は横軸に時間を、また縦軸に充放電電流Iを表わし、また同図（ｂ）は横軸に時間を、また縦軸に端子電圧Ｖを表わしている。これらの入力を、上記で挙げた適応ディジタル・フィルタを用いた第１従来例、開放電圧部コンデンサ容量一定のバッテリ等価回路モデルにカルマン・フィルタを用いた第２従来例、および本実施例の充電率推定装置に、それぞれ入れて、そのとき得られた充電率を比較するようにした。
なお、充電率の真値を知るため、本実験では、車載するには高価すぎるが測定精度が非常に高い電流センサを用いて、バッテリ１の充放電電流を測定し、クーロン・カウント法（電流値を積算し、この積算値を満充電容量で割算して充電率を算出する方法）により充電率を推定し、これを充電率の真値とした。

この実験結果を図１１に示す。図１１（ａ）に、充電率の真値（実線で示す）に対する、本実施例での充電率推定値（点線で示す）、第１従来例(図では従来例１と表記)での充電率推定値（鎖線で示す）、および第２従来例（図では従来例２と表記）での充電率推定値（一点鎖線で示す）を示す。
また、図１１（ｂ）に、本実施例での充電率推定誤差（点線で示す）、第１従来例での充電率推定誤差（鎖線で示す）、および第２従来例での充電率推定誤差（一点鎖線で示す）を示す。

図１１から分かるように、第１従来例では、入力電流Ｉの変化が少なくなる、約5,000秒〜約10,000秒の区間、約15,000秒〜約20,000秒の区間、および約25,000秒〜約30,000秒の区間では、充電率推定の精度が、入力電流の変化が大きくなるそれ以外の区間での充電率推定値に比べ、悪化していることが分かる。

また、第２従来例では、バッテリ等価回路モデルの開放電圧部コンデンサの容量を一定とみなしているため、この前提と合わない開放電圧が大きく変化するような入力電流の区間では、充電率推定の精度が良くないことが分かる。

このように、図１１から、これら従来例に比較して、本実施例のバッテリの充電率推測装置では、入力される電流が一定電流であっても、またバッテリ１の開放電圧が変化しても、そのバッテリ１の充電率をより精度高く検出できることが示されていることが分かる。

以上のように、実施例１にあっては、以下の効果を得ることができる。
（１）実施例１のバッテリの充電率推定装置は、バッテリ等価回路モデル４Ａの開放電圧部コンデンサの容量COCVを可変として実際のバッテリの特性に近付けたので、入力される電流が一定電流であっても、またバッテリ１の開放電圧が変化しても、そのバッテリ１の充電率をより精度高く検出できる。

（２）また、開放電圧部コンデンサの容量COCVを、開放電圧発生部コンデンサ容量算出部７で算出した１つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値OCV^⁻から求めた開放電圧発生部コンデンサ容量を用いるようにしたので、簡単かつ精度よく開放電圧部コンデンサ容量COCVを求めることができる。

（３）開放電圧推定部４にカルマン・フィルタを用いたので、簡単かつ精度よくその時々の開放電圧を推定でき、より高い充電率推定の精度が得られる。

本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

たとえば、バッテリ等価回路モデルとしては、実施例のモデルに限られず開放電圧部にコンデンサを用いるものであれば良く、フォスタ型ＲＣ梯子回路で拡散過程における動的振る舞いを表すものとして、抵抗とコンデンサの並列回路をさらに複数段直列接続したものを用いてもよい。あるいは、フォスタ型ＲＣ梯子回路とは異なるバッテリ等価回路モデル、たとえばカウエル型梯子回路を用いてもよい。

また、開放電圧推定部４での開放電圧推定にあたっては、カルマン・フィルタに限られず、他の方法、たとえば逐次最小二乗法などを用いてもよい。

また、本発明のバッテリの充電率推定装置は、リチウム・イオン・バッテリに限らず他の種類のバッテリを対象とすることもでき、また、バッテリも電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両のみならず、地上や構造物に使用するバッテリの充電率推定にも利用できる。

１バッテリ
２電流センサ(充放電電流検出手段)
３電圧センサ(端子電圧検出手段)
４開放電圧推定部（開放電圧推定手段）
４Ａバッテリ等価回路モデル
４Ｂ状態量推定部
４Ｃカルマン・ゲイン算出部
５充電率算出部
５Ａ充電率−開放電圧関係データ記憶部
６遅延器
７開放電圧発生部コンデンサ
１０８，１１１，１２３乗算器
１０９，１１５減算器
１１０，１１９，１２４，１２７，１３０加算器
１１２，１２２，１２５遅延器
１１７除算器
１１３，１１４，１１６，１１８，１２０，１２６，１２８，１２９係数倍器

Claims

バッテリの充放電電流値を検出する充放電電流検出手段と、
前記バッテリの端子電圧値を検出する端子電圧検出手段と、
抵抗と開放電圧発生部コンデンサからなる、前記バッテリのバッテリ等価回路モデルに基づいて、前記充放電電流検出手段で検出した充放電電流値と前記端子電圧検出手段で検出した端子電圧値から前記バッテリの開放電圧推定値を推定する開放電圧推定手段と、
該開放電圧推定手段で推定した開放電圧推定値から、開放電圧値と前記バッテリの充電率の関係データに基づいて充電率を算出する充電率算出手段と、
前記開放電圧推定手段で求めた開放電圧推定値の１つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を得る遅延手段と、
該遅延手段で１つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を用いて前記開放電圧発生部コンデンサの容量を算出する開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段と、
を備え、
前記開放電圧推定手段が、前記開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段で得た開放電圧発生部コンデンサ容量を前記バッテリのバッテリ等価回路モデルに用いて前記バッテリの開放電圧推定値を推定する、
ことを特徴とするバッテリの充電率推定装置。
請求項１に記載のバッテリの充電率推定装置において、
前記開放電圧推定手段は、カルマン・フィルタである、
ことを特徴とするバッテリの充電率推定装置。