JP5498149B2 - 二次電池装置および車両 - Google Patents

Description

本発明は二次電池装置および車両に関し、特に、複数の二次電池セルを含む組電池を備えた二次電池装置、および、その二次電池装置を備えた車両に関する。

近年、二次電池は、高電圧、高エネルギー密度を有するものの研究が進み、コードレス携帯型電子機器の電源、さらには電気自動車などの車両駆動用の電源などとして注目されている。高い出力が要求される場合には、二次電池セルを複数個、直列や並列に接続した組電池を構成し、この組電池を複数個組み合わせて二次電池パックとして搭載されている。

特に、高い出力が要求される二次電池装置では、二次電池セルの出力電流の大きさから二次電池セルの劣化の程度を確認するために、所定秒後の二次電池セルの内部抵抗を推定することが要求されている。

例えば特許文献１では、二次電池セルの電圧及び電流値から内部抵抗を算出し、この値と放電電荷とから内部抵抗カーブを求めることが提案されている。また、特許文献２では、電圧−電流特性から直線回帰して内部抵抗や最大放電電力を求めることが提案されている。

特開平８−２５４５７３号公報 特開平９−２９７１６３号公報

しかし、二次電池セルの内部抵抗は、二次電池セルの温度やＳＯＣ（State of Charge：残容量）の影響を受けるため、一意に決定される値として扱うことが困難である。また、二次電池セルの内部抵抗は、電流変化後の経過時間や周波数に依存するものである。したがって、より正確な内部抵抗の値を推定するためには、充電時あるいは放電時の電流の周波数特性やパルス幅による変化を考慮する必要がある。

例えば、ある時点において１０秒間放電できる最大電流を求める場合、１０秒後の電圧に対応した内部抵抗値を把握しておくことが必要となる。定電流パルス放電を行う場合、電池電圧は放電直後から経時的に低下するので、放電開始後何秒目の電圧に基づくのかによって、得られる内部抵抗値は異なることになる。なお、ここではある時点からｘ秒後の電圧をもとにした内部抵抗値を「ｘ秒抵抗」と呼ぶことにする。

上記特許文献１および特許文献２に開示された技術では、内部抵抗値の時間特性を考慮せずに内部抵抗の値を推定しているため、任意の数ｘに対する「ｘ秒抵抗」の推定精度が低下することがあった。二次電池セルの内部抵抗を推定する精度が低下すると、二次電池セルの劣化の程度を精度良く推定することができなかった。推定された内部抵抗値が実際の値よりも小さくなると、二次電池セルは要求された出力を供給することができなくなる。この場合には、二次電池装置を搭載する機器が起動されないときがあった。

また、現実に電池が使用されている系において、「ｘ秒抵抗」を測定する際に理想的なパルスを入力し、その応答を得る機会はなく、測定のためには実用環境とは別に測定機会を設ける必要があった。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、二次電池セルの内部抵抗を統計的に求め、二次電池セルの劣化の程度を推定可能とする二次電池装置および車両を提供することを目的とする。

本発明の第１態様による二次電池装置は、複数の二次電池セルを含む組電池と、前記二次電池セルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記組電池の電流を測定する電流測定手段と、前記電圧測定手段により測定された測定電圧値と、前記電流測定手段により測定された測定電流値とを記憶する記憶手段と、前記電圧測定手段、前記電流測定手段、および前記記憶手段の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１期間毎に前記測定電圧値及び前記測定電流値を前記記憶手段に記憶し、複数の前記第１期間を含む第２期間に測定された複数の前記測定電圧値の平均電圧値と複数の前記測定電流値の平均電流値とを算出し、連続する前記第２期間の平均電圧値の差分値と、連続する前記第２期間の平均電流値の差分値とを算出し、複数の前記第２期間を含む第３期間における平均電圧値の差分値と平均電流値の差分値との複数の組から回帰直線の傾きを算出する内部抵抗算出部を備えることを特徴とする二次電池装置である。

本発明の第２態様による車両は、上記第１態様による二次電池装置を備える車両である。

本発明によれば、二次電池セルの内部抵抗を統計的に求め、二次電池セルの劣化の程度を推定可能とする二次電池装置および車両を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る車両の一構成例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２Ａに示す二次電池装置の、組電池監視部の一構成例を説明するための図である。 二次電池セルの等価回路の一例を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池装置の二次電池セルの電圧の時間経過の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池装置において、一定周期における二次電池セルの平均電圧値の差分値と平均電流値の差分値との組を示す散布図である。 一定期間にサンプリングされた二次電池セルの電圧値と電流値との組を示す散布図である。 定電流パルスを印加した場合の二次電池セルの電圧値の一例を示す図である。 図７Ａに示す電圧値および電流値から算出された、一定周期における平均電圧値および平均電流値の一例を示す図である。 図７Ｂに示す平均電圧値および平均電流値から算出された、連続する２周期の平均電圧値の差分および平均電流値の差分の一例を示す図である。 図７Ｃに示す平均電圧値および平均電流値の複数の組を示す散布図、および、平均電圧値および平均電流値の複数の組から算出される回帰直線の一例を示す図である。 図７Ａに示す電圧値および電流値のサンプリング値の一部をプロットした散布図の一例を示す図である。 定電流パルスを印加した場合の二次電池セルの電圧値の他の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池装置のサンプリング周期毎の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る二次電池装置の一定周期毎の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る二次電池装置の内部抵抗値を算出する動作の一例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態に係る二次電池装置および車両ついて、図面を参照して説明する。図１に、発明の一実施形態に係る二次電池装置が車両１００に搭載された例を示す。但し、図１は車両１００、車両１００への二次電池装置の搭載個所、及び車両１００の駆動モータなどは概略的に示している。

二次電池装置は、複数の組電池モジュール１０１（１）、１０１（２）…１０１（４）が互いに直列接続されている。組電池モジュール１０１（１）、１０１（２）…１０１（４）は、それぞれ独立して取り離すことが可能であり、別の組電池モジュールと交換することができる。

二次電池装置の下位側（電圧が低い方を下位と称する）の組電池モジュール１０１（１）の負極端子には、接続ライン３１の一方の端子が接続されている。この接続ライン３１は、後述する電池管理装置６０内の電流測定回路６０２を介してインバータ４０の負極入力端子に接続されている。

また二次電池装置の上位側（電圧が高い方を上位と称する）の組電池モジュール１０１（４）の正極端子には、接続ライン３２の一方の端子が、スイッチ装置３３を介して接続されている。接続ライン３２の他方の端子は、インバータ４０の正極入力端子に接続されている。

スイッチ装置３３は、電池への充電が行われるときにオンするプリチャージスイッチＳＷＰ（図２Ａに示す）、電池出力が負荷へ供給されるときにオンするメインスイッチＳＷＭ（図２Ａに示す）を含む。プリチャージスイッチＳＷＰおよびメインスイッチＳＷＭは、スイッチ素子が近傍に配置されたコイルに供給される信号によりオンおよびオフされるリレー回路を備える。

インバータ４０は、入力した直流電圧をモータ駆動用の３相の交流（ＡＣ）の高電圧に変換する。このインバータ４０は、後述する電池管理装置（ＢＭＵ：Battery Management Unit）６０あるいは車両全体動作を制御するための電気制御装置７１からの制御信号に基づいて、出力電圧が制御される。インバータ４０の３相の出力端子は、モータ４５の各３相の入力端子に接続されている。モータの回転は、例えば差動ギアユニットを介して、駆動輪ＷＲ、ＷＬに伝達される。

電池管理装置６０には、独立した外部電源７０が接続されている。外部電源７０は定格１２Ｖの鉛蓄電池である。また、電池管理装置６０には、運転者などの操作入力に応答して車両全体の管理を行う上位制御手段としての電気制御装置７１も接続されている。

図２Ａに電池管理装置６０の全体ブロックを示す。図２Ａに示すように、電池管理装置６０は、電流測定回路６０２と、コネクタ５１〜５４を介して組電池監視回路２１〜２４の通信部２１１と接続されたインタフェース回路６０４と、組電池監視回路２１〜２４の診断用回路（図示せず）から出力された脈動信号が供給され、アラート信号を出力するアラートシグナルプロセッサ６０５と、外部電源７０から電源電圧が供給される電源供給管理部６０６と、コンタクタ駆動回路６０８と、メモリ６０７と、二次電池装置の動作を制御する制御回路（ＭＰＵ）ＣＴＲとを備えている。

メモリ６０７は、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）である。メモリ６０７には、制御回路ＣＴＲの動作を規定するプログラムや、組電池監視回路２１〜２４から電池管理装置６０に供給された組電池１１〜１４の測定データ（電圧、電流、温度等のデータ）が記録されている。

電池管理装置６０には、コネクタＣＮ１を介して、電源電圧、イグニッション信号ＩＧＮ、および外部充電器信号ＣＨＧが、外部電源７０、イグニッション（図示せず）、および、外部充電器（図示せず）から供給されている。また、電池管理装置６０は、コネクタＣＮ２を介して、電気制御装置７１との間で信号の送信および受信を行っている。また、電池管理装置６０は、コネクタＣＮ２を介して、電気制御装置７１との間で各種データ信号の送信および受信を行なっている。

アラートシグナルプロセッサ６０５は、インタフェース回路６０４から供給された脈動信号および制御回路ＣＴＲから供給されたアラート信号が正常か異常かを判断する。脈動信号が正常である場合には、アラートシグナルプロセッサ６０５は一定周波数でオンおよびオフするアラート信号を出力する。脈動信号が異常である場合には、アラートシグナルプロセッサ６０５は、一定値のアラート信号を出力する。

アラートシグナルプロセッサ６０５から出力されたアラート信号は、制御回路ＣＴＲ、コンタクタ駆動回路６０８、および、コネクタＣＮ２を介して接続された電気制御装置７１に供給される。

コンタクタ駆動回路６０８は、制御回路ＣＴＲの制御により、スイッチ装置３３のプリチャージスイッチＳＷＰの動作を制御する信号Ｓ１と、メインスイッチＳＷＭの動作を制御する信号Ｓ２とを出力する。

信号Ｓ１、Ｓ２は、コネクタＣＮ１を介してスイッチ装置３３に供給される。プリチャージスイッチＳＷＰおよびメインスイッチＳＷＭは、近傍に配置されたコイルに供給される信号Ｓ１、Ｓ２によって、オンあるいはオフされる。

例えば、脈動信号が異常である場合には、制御回路ＣＴＲは、供給されたアラート信号より対応する組電池監視回路に異常があると判断し、コンタクタ駆動回路６０８を制御して、プリチャージスイッチＳＷＰおよびメインスイッチＳＷＭをオフさせる。

電源供給管理部６０６は、電流測定回路６０２、インタフェース回路６０４、アラートシグナルプロセッサ６０５、メモリ６０７、および、制御回路ＣＴＲに電源電圧を供給する。電源供給管理部６０６は、制御回路ＣＴＲへの電源電圧供給をオンあるいはオフする切替回路６０６Ｓと、タイマＴＭとを備えている。

タイマＴＭには、外部電源７０から出力された１２Ｖの電源電圧が、タイマＴＭの前段に配置されたＤＣ/ＤＣ回路ＣＡにより５Ｖの直流電圧に変換されて供給される。切替回路６０６Ｓには、イグニッション信号ＩＧＮ、外部充電器信号ＣＨＧ、および制御回路ＣＴＲからの切替制御信号、タイマＴＭからのウェイクアップ信号、および、外部電源７０からの電源電圧が供給されている。

なお、タイマＴＭからのウェイクアップ信号は、設定された時間毎にオン（＝１）となる信号である。ウェイクアップ信号がオンとなるタイミングは制御回路ＣＴＲによって設定される。

イグニッション信号ＩＧＮは、イグニッションにキーが差込まれたらオン（所定電圧以上）となり、キーが取り外されたらオフ（所定電圧未満）となる信号である。外部充電器信号ＣＨＧは、外部充電器が二次電池装置に接続されたらオン（所定電圧以上）となり、接続が解除されたらオフ（所定電圧未満）となる信号である。ウェイクアップ信号、イグニッション信号ＩＧＮ、および、外部充電器信号ＣＨＧは制御回路ＣＴＲにも供給されている。

なお、二次電池装置が車両以外の機器に搭載される場合には、イグニッション信号は、二次電池装置が搭載された機器の電源オン操作が成された場合にオンとなり、電源オフ操作が成された場合にオフとなる信号である。

イグニッション信号ＩＧＮ、外部充電器信号ＣＨＧ、および、ウェイクアップ信号、の少なくとも１つがオンとなることにより、切替回路６０６Ｓは、外部電源７０から供給された電源電圧を内部のＤＣ/ＤＣ回路によって５Ｖの直流電圧に変換して、アラートシグナルプロセッサ６０５および制御回路ＣＴＲに供給する。

また、イグニッション信号ＩＧＮ、外部充電器信号ＣＨＧ、および、ウェイクアップ信号、の少なくとも１つがオンとなることにより、切替回路６０６Ｓは、外部電源７０から供給された電源電圧を内部のＤＣ/ＤＣ回路によって所定の大きさの直流電圧に変換して、インタフェース回路６０４および電流測定回路６０２に供給する。

ここで、イグニッション信号ＩＧＮ、外部充電器信号ＣＨＧ、および、ウェイクアップ信号のいずれかがオンとなって切替回路６０６Ｓがオンとなり給電が開始された場合、制御回路ＣＴＲはどの信号がオンとなったことにより電源電圧が供給されたのかを確認する。

制御回路ＣＴＲには、タイマＴＭからウェイクアップ信号が供給され、コネクタＣＮ１を介してイグニッション信号ＩＧＮ、および、外部充電器信号ＣＨＧが供給される。従って、制御回路ＣＴＲは、いずれの信号により切替回路６０６Ｓがオンされたかを確認することができる。いずれの信号により電源電圧が供給されたか確認できたら、制御回路ＣＴＲは、切替制御信号をオンとし、電源電圧が供給されている状態を維持させる。

制御回路ＣＴＲは、ウェイクアップ信号、イグニッション信号ＩＧＮ、および、外部充電器信号ＣＨＧを監視し、すべての信号がオフされたら、切替制御信号をオフとし、切替回路６０６Ｓをオフさせる。したがって、制御回路ＣＴＲ、アラートシグナルプロセッサ６０５、インタフェース回路６０４、および、電流測定回路６０２への電源電圧の供給が停止される。

制御回路ＣＴＲは、二次電池装置を起動する際に、組電池監視回路２１〜２４の動作を開始させるロジック信号を出力する。図２Ｂに、組電池監視回路２１の概略的な構成例を示す。なお、組電池監視回路２２〜２４は、組電池監視回路２１と同様の構成である。組電池監視回路２１は、組電池１１と、組電池１１を構成する二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）の電圧を測定する電圧測定回路２１２と、組電池１１の近傍に配置された温度センサＴ（１）〜Ｔ（ｘ）により組電池１１近傍の温度を測定する温度測定回路２１４と、脈動信号を出力する図示しない診断回路とを備えている。

なお、本実施形態では、温度センサＴ（１）〜Ｔ（ｘ）は、各二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）近傍に配置されているが、温度センサＴ（１）〜Ｔ（ｘ）の数は二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）の数よりも少なくても良い。

直列に接続された複数の二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）は、組電池１１を構成している。二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）夫々の正極端子と負極端子は、電圧測定回路２１２に接続されている。

電圧測定回路２１２は、各二次電池セルの二次電池セルの正負極端子間電圧を個別に測定する。また二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）夫々の近傍に、温度センサＴ（１）〜Ｔ（ｘ）が配置されている。各温度センサＴ（１）〜Ｔ（ｘ）の出力端子は、温度測定回路２１４に接続されている。温度測定回路２１４は、各温度センサＴ（１）〜Ｔ（ｘ）の出力をデータ化し、通信部に出力する。

組電池監視回路２１〜２４からインタフェース回路６０４には、二次電池セルの電圧値、組電池の温度値等のデータ、診断回路（図示せず）から出力された脈動信号、および、通信用電源電圧信号が、コネクタ５１〜５４を介して供給される。インタフェース回路６０４から組電池監視回路２１〜２４には、クロック信号、データ信号、シャットダウン信号（ＳＨＤＮ）がコネクタ５１〜５４を介して供給される。

インタフェース回路６０４は、二次電池セルの電圧値、組電池の温度値等のデータを例えばＩ^２Ｃ通信により制御回路ＣＴＲに供給し、組電池監視回路２１〜２４から出力された脈動信号をアラートシグナルプロセッサ６０５に供給する。制御回路ＣＴＲは、供給された二次電池セルの電圧値、組電池の温度値等のデータをメモリ６０７に記憶させる。

また組電池１１〜１４に流れている電流は、電流測定回路６０２で測定されて、制御回路ＣＴＲに取り込まれる。組電池１１の下位側の出力端子は電流測定回路６０２を介してインバータ４０に接続されている。制御回路ＣＴＲは、供給された電流値をメモリ６０７に記憶させる。

制御回路ＣＴＲは、メモリ６０７に記憶された二次電池セルの電圧値、および、電流値を用いて、二次電池セルの所定時間後の内部抵抗値を算出する内部抵抗算出部６０９を備えている。

図３に、二次電池セルの等価回路を示す。図３に示すように、例えば１つの二次電池セルの等価回路は、電池Ｖと、第１抵抗Ｒｓ、第１抵抗Ｒｓに直列に接続された第２抵抗Ｒ１と、第２抵抗Ｒ１と並列に接続されたコンデンサＣ１とから構成される。二次電池セルの内部抵抗は、第１抵抗Ｒｓが主に影響する場合と、第１抵抗Ｒｓと第２抵抗Ｒ１との和が主に影響する場合とがある。なお、本質的には電池の内部抵抗は複素数、即ちインピーダンスとして捕らえるべきものであるが、ここでは直流成分のみ着目し、内部抵抗と呼ぶ。

ここで、二次電池セルに流れる電流値と二次電池セルの電圧値との組を複数用いて、Ｖ−Ｉ特性から回帰直線の数式を算出してその傾きにより内部抵抗値を算出すると、電流急変時の過渡特性と一定電流時の静定状態時の特性とを混在させて内部抵抗値を算出することとなり、算出精度を低下させる可能性がある。

そこで、本実施形態に係る二次電池装置および車両では、二次電池セルの電圧値の一定時間における変化量（差分値）、および、電流値の一定時間における変化量(差分値)の組を複数用いて、その特性から回帰直線の数式を算出して傾きにより内部抵抗値を算出している。このことによって、内部抵抗の時間特性を考慮するとともに、特定の電流パルス幅に対応した内部抵抗を推定可能としている。

すなわち、内部抵抗算出部６０９は、電圧測定回路２１２および電流測定回路６０２で、電圧値および電流値をサンプリングする周期Ｔｓ（第１期間）を複数含む一定期間Ｔａ（第２期間）毎に、各期間Ｔａ内にサンプリングされた電圧値および電流値を平均化した平均電圧値Ｖａｖｅおよび平均電流値Ｉａｖｅを算出するように構成されている。本実施形態では、電圧値および電流値をサンプリングする周期Ｔｓは０．１秒であって、一定期間Ｔａは３０秒である。

（すなわち、二次電池セル１１（１）〜１１（ｘ）の電圧値および電流値が平滑化フィルタを介して、一定期間Ｔａをサンプリング周期として測定することと同様である。これによって、一定期間Ｔａより短期間における変動の影響を抑制している。）ここで、本実施形態では、一定期間Ｔａは、算出する内部抵抗がＴ０秒抵抗である場合、期間Ｔａが開始してからＴ０秒後の電圧値と、期間Ｔａにおける平均電圧値とが一致するように設定される。

さらに、内部抵抗算出部６０９は、複数の期間Ｔａを含む第３期間において算出された複数の平均電圧値Ｖａｖｅおよび複数の平均電流値Ｉａｖｅから、連続する期間Ｔａの電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとを算出して、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの複数の組の特性から最小二乗法により回帰直線の傾きの値を算出するように構成されている。内部抵抗算出部６０９は、算出された回帰直線の数式から、その傾きの値を、「Ｔ０秒抵抗」値として電気制御装置７１へ出力する。

例えば図４に示すように、二次電池セルの電圧値が得られた場合、内部抵抗算出部６０９は、期間Ｔａ（Ｎ−１）乃至期間Ｔａ（Ｎ＋４）のそれぞれにおいて、サンプリングされた複数の電圧値の平均電圧値Ｖａｖｅ（Ｎ−１）乃至平均電圧値Ｖａｖｅ（Ｎ＋４）を算出する。

そして、内部抵抗算出部６０９は、算出された平均電圧値Ｖａｖｅ（Ｎ−１）乃至平均電圧値Ｖａｖｅ（Ｎ＋４）から、連続する２つの期間Ｔａについての平均電圧値Ｖａｖｅの差分を算出する。例えば、平均電圧値Ｖａｖｅ（Ｎ）から平均電圧値Ｖａｖｅ（Ｎ−１）を引いて、電圧差分値ΔＶａｖｅ（Ｎ）を算出する。内部抵抗算出部６０９は、複数の期間Ｔａについて電圧差分値ΔＶａｖｅを算出する。

同様に、内部抵抗算出部６０９は、期間Ｔａ（Ｎ−１）乃至期間Ｔａ（Ｎ＋４）のそれぞれにおいてサンプリングされた複数の電流値の平均電流値Ｉａｖｅ（Ｎ−１）乃至平均電流値Ｉａｖｅ（Ｎ＋４）を算出し、算出された平均電流値Ｉａｖｅ（Ｎ−１）乃至平均電流値Ｉａｖｅ（Ｎ＋４）から、連続する２つの期間Ｔａについての平均電流値Ｉａｖｅの差分（電流差分値ΔＩａｖｅ）を算出する。

図５に、各期間Ｔａについて算出された電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとを組として、複数の期間Ｔａを含む期間（第３期間）において算出された、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの複数の組の散布図を示す。内部抵抗算出部６０９は、最小二乗法により、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの複数の組の値から、回帰直線Ｌ１の数式を算出する。

内部抵抗算出部６０９は、算出した回帰直線Ｌ１の数式から、その傾き値をＴ０秒抵抗値として出力する。内部抵抗算出部６０９から出力された内部抵抗値は、コネクタＣＮ２を介して電気制御装置７１へ供給される。

ここで、図６に、サンプリング周期Ｔｓでサンプリングされた電圧値と電流値との組を散布図で示す。図５および図６に示す散布図を比較すると、図５に示す場合では、回帰直線Ｌ１が原点を通る線となっている。また、図５に示す回帰直線Ｌ１の傾きは、図６に示す回帰直線Ｌ２の傾きよりも小さくなる。

回帰直線Ｌ１の方が回帰直線Ｌ２よりも傾きが小さくなる理由は、回帰直線Ｌ１の場合は電流が変化したときのみ横軸（差分電流値の軸）上で原点から離れた位置にプロットが存在することになるのであるが、これは即ち図３に示した二次電池セルの等価回路における抵抗Ｒｓに主に依存するものである。これに対し、回帰直線Ｌ２の場合、内部抵抗は抵抗Ｒｓと、抵抗Ｒｓおよび抵抗Ｒ１の和（Ｒｓ＋Ｒ１）との両方の影響を受ける値である。したがって、回帰直線Ｌ１では、回帰直線Ｌ２の場合と比較して抵抗Ｒ１の影響が無い分だけ内部抵抗値が小さい値となるため、傾きが小さくなる。

以上のように、測定された電圧Ｖと電流Ｉとの値でなく、これら平均値の時間的な変化量（ΔＶａｖｅ、ΔＩａｖｅ）を用いた回帰直線を算出することによって、回帰直線の相関係数も大きくなり、かつその傾きの算出もより容易となる。

なお、上記の説明では、最小二乗法により回帰直線の数式を算出して、その傾きを内部抵抗とする場合について説明したが、プロット群同士の重心を利用した重心法により回帰直線を算出することも可能である。その場合には、内部抵抗算出部６０９は、測定された電圧Ｖと電流Ｉとの平均値の時間的な差分値（ΔＶａｖｅ、ΔＩａｖｅ）の複数の組を散布図で示した場合に、第１象限にあるプロット（充電時の電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの組に対応）の重心と、原点とを通る直線（回帰直線）、あるいは、第１象限にあるプロットの重心と第３象限にあるプロット（放電時の電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの組に対応）の重心とを通る直線（回帰直線）の数式を算出し、その数式の傾きを内部抵抗として出力する。

このように重心法によって回帰直線の数式を算出する場合、最小二乗法による場合よりもより容易に回帰直線の数式を算出することができ、測定された電圧Ｖと電流Ｉとの平均値の時間的な変化分（ΔＶａｖｅ、ΔＩａｖｅ）によりＴ０秒後の内部抵抗値を精度良く算出することができる。

次に、図１、図２Ａおよび図２Ｂの構成にて、二次電池セルのＴ０秒抵抗を推定する場合の動作について説明する。

図７Ｆに示すように、例えば定電流パルスの立上りタイミングと、一定期間Ｔａの区切りタイミングとが同期している場合には、一定期間Ｔａにおける平均電圧値ＶａｖｅがＴ０秒後の電圧値となるように期間Ｔａが設定される。

例えば期間Ｔａ１での平均電流値Ｉａｖｅ１は定電流パルスの電流値Ｉ１と等しく、期間Ｔａ１での平均電圧値Ｖａｖｅは期間Ｔａ１の電圧波形の平均電圧値Ｖａｖｅ１となる。この平均値Ｖａｖｅ１は、期間Ｔａ１の開始タイミングから期間Ｔ０だけ経過した時点における電圧値に等しい。一定期間Ｔａの開始から期間Ｔ０秒までにおける平均電圧値Ｖａｖｅ１と電圧値との差分値を積分した値（図７Ｆに示す領域Ａ１の面積）と、期間Ｔ０秒から一定期間Ｔａが終了するまでにおける平均電圧値Ｖａｖｅ１と電圧値との差分値を積分した値（図７Ｆに示す領域Ａ２の面積）とが等しくなるように期間Ｔａが設定されている。

即ち、平均電圧値Ｖａｖｅ１を平均電流値Ｉ１で除した値（Ｖａｖｅ１/Ｉａｖｅ１）が意味する抵抗値は、パルス幅Ｔ０に対応した“Ｔ０秒抵抗”に相当することになる。期間ＴａとＴ０秒間との関係が３：１であると仮定すると、期間Ｔａを３０秒とすることによって１０秒（＝Ｔ０）に相当する内部抵抗値、即ち１０秒抵抗が推定できる。

ここでは、例えば図７Ａに示すように、定電流パルスの立上りタイミングと、一定期間Ｔａの区切りタイミングとが異なる場合でかつ、一定期間Ｔａの１周期幅と定電流パルス幅とが等しい場合を想定して、詳細に説明する。なお、図７Ｆに示したように、定電流パルスの立上りタイミングと、一定期間Ｔａの区切りタイミングとが同じである場合であっても、以下と同様にＴ０秒抵抗を推定することが可能である。

処理は大きく３つに分かれている。１つ目は、サンプリング周期Ｔｓ毎の処理である。２つ目は、一定期間Ｔａ毎の処理である。３つ目は、内部抵抗値を要求されたタイミングで行う直流抵抗（内部抵抗）推定処理である。

サンプリング周期Ｔｓ毎の処理は、図８に示すように、まず、内部抵抗算出部６０９は、電圧測定回路２１２で測定され、インタフェース回路６０４から電池管理装置６０に供給される二次電池セルの電圧値を読込み（ステップＳＴＡ１）、電流測定回路６０２で測定され電池管理装置６０に供給される電流値を読込む（ステップＳＴＡ２）。

次に、内部抵抗算出部６０９は、ステップＳＴＡ１で読み込んだ電圧値データに、読込み時刻データ（タイムスタンプ）を付与してメモリ６０７に記憶する（ステップＳＴＡ３）。さらに、内部抵抗算出部６０９は、ステップＳＴＡ２で読み込んだ電流値データに、読込み時刻データ（タイムスタンプ）を付与してメモリ６０７に記憶する（ステップＳＴＡ４）。内部抵抗算出部６０９は、サンプリング周期Ｔｓ毎に、上記ステップＳＴＡ１〜ステップＳＴＡ４を行なう。

一定期間Ｔａ毎の処理として、例えば期間Ｔａ１における処理について説明する。図９に示すように、内部抵抗算出部６０９は、期間Ｔａ１内にサンプリング周期Ｔｓ毎に読み込んだ電圧値の合計をそのデータ数で除算し、期間Ｔａ１内の平均電圧値Ｖａｖｅ（１）を求める（ステップＳＴＢ１）。図７Ｂに、期間Ｔａ０〜期間Ｔａ３について算出した平均電圧値Ｖａｖｅを示す。

同様に、内部抵抗算出部６０９は、期間Ｔａ（例えば期間Ｔａ０）内にサンプリング周期Ｔｓ毎に読み込んだ電流値の合計をそのデータ数で除算し、直前の期間Ｔａ内の平均電流値Ｉａｖｅ（１）を求める（ステップＳＴＢ２）。図７Ｂに、期間Ｔａ０〜期間Ｔａ３について算出した平均電流値Ｉａｖｅを示す。

次に、内部抵抗算出部６０９は、ステップＳＴＢ１およびステップＳＴＢ２で求めた平均電圧値Ｖａｖｅ（１）および平均電流値Ｉａｖｅ（１）をメモリ６０７に記憶する（ステップＳＴＢ３）。

続いて、メモリ６０７に記憶された平均電圧値Ｖａｖｅ（０）を読み出して、ステップＳＴＢ１で算出した平均電圧値Ｖａｖｅ（１）から平均電圧値Ｖａｖｅ（０）を引いて電圧差分値ΔＶａｖｅ（１）を算出する（ステップＳＴＢ４）。図７Ｃに、期間Ｔａ０〜期間Ｔａ３について算出した電圧差分値ΔＶａｖｅを示す。

同様に、メモリ６０７に記憶された平均電流値Ｉａｖｅ（０）を読み出して、ステップＳＴＢ２で算出した平均電流値Ｉａｖｅ（１）から平均電流値Ｉａｖｅ（０）を引いて電流差分値ΔＩａｖｅ（１）を算出する（ステップＳＴＢ５）。図７Ｃに、期間Ｔａ０〜期間Ｔａ３について算出した電流差分値ΔＩａｖｅを示す。

次に、内部抵抗算出部６０９は、ステップＳＴＢ４およびステップＳＴＢ５で算出した電圧差分値ΔＶａｖｅ（１）と電流差分値ΔＩａｖｅ（１）とをメモリ６０７に記憶する（ステップＳＴＢ６）。内部抵抗算出部６０９は、一定期間Ｔａ毎に、上記ステップＳＴＢ１〜ステップＳＴＢ６を行ない、電圧差分値ΔＶａｖｅ（０）〜ΔＶａｖｅ（３）および電流差分値ΔＩａｖｅ（０）〜ΔＩａｖｅ（３）をメモリ６０７に記憶する。

そして、例えば、電気制御装置７１から内部抵抗値の値を要求された場合に、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの最新のデータの複数の組をメモリから読み出して、回帰直線の数式を算出する。例えば、内部抵抗算出部６０９は、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの最新のデータの２０組をメモリから読み出して、２０組のデータから回帰直線の数式を算出している。

ここでは、期間Ｔａ０〜期間Ｔａ３について算出した電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの組を用いて説明する。内部抵抗算出部６０９は、期間Ｔａ０〜期間Ｔａ３について算出した電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの組によって描かれる図７Ｄに示すような回帰曲線の数式を算出する（ステップＳＴＣ１）。

ここで、単に電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）との特性をプロットする場合、期間Ｔａ１に対応したプロットが複数存在し、それら複数のプロットは二次元に広がりを持った分布となる。例えば、単にサンプリング周期Ｔｓ毎の電流測定値と電圧測定値の複数の組を利用して電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性を散布図に示すと、同一の電流値Ｉ_１に対して電圧値はＶ_１からＶ_２へと漸増していく為、図７Ｅに示すように期間Ｔａ１に対して座標（Ｉ、Ｖ）のプロットが複数プロットされることとなる。なお、図７Ｅでは説明のため３つのプロットのみ示している。

これら複数のプロットは、横軸（電流に対応する軸）の値がゼロあるいはＩ１となり、縦軸（電圧に対応する軸）の値は電圧の変化に応じた値となる。したがって複数のプロットは、図７Ｅに示すように、横軸がゼロあるいはＩ１を通る縦軸に平行な直線上に配置されることになる。

このような散布図のプロットの回帰直線の傾きは、直線Ｌ３と直線Ｌ４との間の傾きとなる。電流パルス幅が長くなるほど直線Ｌ３と直線Ｌ４との傾きの差は大きくなり、回帰直線（すなわち内部抵抗値）の推定の精度が低下する。これは、例えばパルス幅Ｔ０に相当した抵抗値が直線Ｌ４の傾きであるときでも、回帰直線から求まる傾きはＬ３とＬ４の間の傾きとなるためである。

これに対し、図７Ｄの電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの特性を示す散布図では期間Ｔａ１に対応したプロットは一点となる。したがって、Ｔａを適切に選べば電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの特性を用いて回帰直線を算出する場合には、より高い精度で算出することが可能である。

続いて、内部抵抗算出部６０９は、ステップＳＴＣ１で算出した回帰直線の数式から、回帰直線の傾きの値を内部抵抗値とし（ステップＳＴＣ２）、内部抵抗値をメモリ６０７に記憶する（ステップＳＴＣ３）。

図７Ｄに示すように、本実施形態に係る二次電池装置において算出される内部抵抗値は、ほぼ原点を通る回帰直線の傾きから求められる。原点を通る場合、回帰直線を求めることはより容易となる。なお、引き続く期間Ｔａ２、および期間Ｔａ３では図７Ｄに示すように、原点を通る回帰直線から若干離れて分布するものの回帰直線の上下にほぼ均等に存在する為大きな誤差要因とはならない。

以上説明したように、本実施形態に係る二次電池装置およびその二次電池装置を備える車両によれば、二次電池セルの電圧値と電流値とに関する時系列に隣接した期間Ｔａにおける平均値の変化量である電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとを利用し、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの特性の回帰直線の傾きによって、特定の時間Ｔ０に対応した“Ｔ０秒抵抗”の推定が可能となる。例えば、時間Ｔ０を１０秒として１０秒抵抗の値を求める為には、期間Ｔａを３０秒等の実測した電圧のステップ応答波形に応じた適切な値にすればよい。

また、図７Ｄに示すように、本実施形態では、電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの複数の組から算出される回帰直線は、原理的に散布図の原点座標を通ることになる。これは、二次電池セルに電流が流れていない安定状態のときは電圧差分値ΔＶａｖｅと電流差分値ΔＩａｖｅとの両方がゼロであることから明らかである。したがって、散布図の回帰が良好であれば、例えば電流差分値ΔＩａｖｅが正の領域（第１象限）のプロット群の重心と原点を結ぶ直線の数式を算出することにより、より容易に回帰直線を算出することができる。

すなわち、本実施形態に係る二次電池装置および車両によれば、二次電池セルの内部抵抗を統計的に求め、二次電池セルの劣化の程度を推定可能とする二次電池装置および車両を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

なお、推定目標とするＴ０秒抵抗のＴ０の値と、一定期間Ｔａとの関係は、定電流パルスに対する電圧応答波形によって定まるものであり一意には決定することが困難である。しかし、二次電池セルの種類が決まれば、例えば温度とＳＯＣ（state of charge,充電残量或いは充電状態）に基づき既知のある特定の値になると考えられる。したがって、二次電池セルの種類、温度、ＳＯＣによって適切な一定期間Ｔａの値を選定することが可能である。一般的な二次電池セルにおいては期間Ｔａの値はＴ０の値の２乃至１０倍の範囲内に存在することが期待されている。

また、上記の二次電池装置の動作の説明では、定電流パルスと一定期間Ｔａとのタイミングが異なる場合について説明したが、定電流パルスのパルス幅と一定期間Ｔａの期間幅が等しく、かつ、そのタイミングが等しい場合であっても、上記説明の動作により二次電池セルの内部抵抗値を算出可能である。この場合、散布図で示した場合には、図７Ｄに示す場合よりも期間Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔａ３の各区間の電圧差分値ΔＶａｖｅおよび電流差分値ΔＩａｖｅのプロットの上下のバラツキがさらに小さくなり、単に電圧と電流との特性により内部抵抗を算出する場合のように経時的な変動が直接的に散布図上のプロットのばらつきとして現れることはなくなる。定電流パルスのパルス幅と一定期間Ｔａの期間幅とが異なる場合でも同様である。但し、電流は極めて短いパルスのみしか存在しない場合はより長いＴ０秒抵抗の推定は本質的に不可能であるが、実際の自動車等の車両用の場合にはこうした例はまず考えられず、実用的には問題ない。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

ＣＴＲ…制御回路（制御部）、Ｔｓ…サンプリング周期（第１期間）、Ｔａ…一定期間（第２期間）、Ｖａｖｅ…平均電圧値、Ｉａｖｅ…平均電流値、１１〜１４…組電池、２１〜２４…組電池監視回路、６０…電池管理装置、７１…電気制御装置、１００…車両、２１２…電圧測定回路（電圧測定手段）、６０２…電流測定回路（電流測定手段）、６０４…インタフェース回路、６０９…内部抵抗算出部、６０７…メモリ

Claims (4)

1. 複数の二次電池セルを含む組電池と、
   前記二次電池セルの電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記組電池の電流を測定する電流測定手段と、
   前記電圧測定手段により測定された測定電圧値と、前記電流測定手段により測定された測定電流値とを記憶する記憶手段と、
   前記電圧測定手段、前記電流測定手段、および前記記憶手段の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、第１期間毎に前記測定電圧値及び前記測定電流値を前記記憶手段に記憶し、複数の前記第１期間を含む第２期間に測定された複数の前記測定電圧値の平均電圧値と複数の前記測定電流値の平均電流値とを算出し、連続する前記第２期間の平均電圧値の差分値と、連続する前記第２期間の平均電流値の差分値とを算出し、複数の前記第２期間を含む第３期間における平均電圧値の差分値と平均電流値の差分値との複数の組から回帰直線の傾きを算出する内部抵抗算出部を備えることを特徴とする二次電池装置。
2. 前記内部抵抗算出部は、平均電圧値の差分と平均電流値の差分との複数の組から、最小二乗法により回帰直線を算出するように構成された請求項１記載の二次電池装置。
3. 前記内部抵抗算出部は、平均電圧値の差分と平均電流値の差分との複数の組を散布図に示した場合に充電側のプロットあるいは放電側のプロットの重心となる座標を算出し、算出された座標と原点とを通る直線の数式を回帰直線の数式として算出するように構成された請求項１記載の二次電池装置。
4. 請求項１記載の二次電池装置を備えた車両。

Images