JP5799922B2 - 内部抵抗推定回路および内部抵抗推定方法 - Google Patents

Description

電池の内部抵抗を推定する内部抵抗推定回路および内部抵抗推定方法に関する。

電池の劣化状態を表す指標として内部抵抗の値を用いることが知られている。閉回路における電池の内部抵抗は、例えば、電池の電圧と電流を複数計測して複数の座標を決定し、それらの座標を用いて近似式を求め、求めた近似式の傾きを内部抵抗としている。しかし、電池に流れる電流が低いときに比べて電池に流れる電流が高くなるにつれ計測精度が低下するため、内部抵抗の推定精度も低下してしまう。

関連する技術として、電流がゼロのときの開路電圧ＯＣＶと充放電しているときの閉路電圧ＣＣＶと電流Ｉｃとから内部抵抗を算出するものがある。例えば、特許文献１を参照。

特開２００９−０５２９７５号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、内部抵抗の推定精度を向上させる内部抵抗推定回路および内部抵抗推定方法を提供することを目的とする。

本発明の態様のひとつである内部抵抗推定回路は、電圧計測部、電流計測部、分類部、生成部、推定部を有している。
電圧計測部は電池の電圧を計測し、電流計測部は電池に流れる電流を計測する。

分類部は、計測した電圧と電流により決まる座標を、決められた１つ以上の電流値を示す閾値を用いて、複数の範囲に分類する。
生成部は、分類した範囲内の座標を用いて、電池に電圧と電流が供給されていない場合に電池の内部抵抗が０オームであることを表す原点を通る近似式を、範囲ごとに生成する。

推定部は範囲ごとに生成した近似式の傾きを取得する。続いて、範囲各々と、近似式の傾き各々を補正する重み付け係数と、が関連付けられて記憶される係数情報を参照して、範囲に対応する重み付け係数を取得する。そして、範囲ごとに対応する近似式の傾きと重み付け係数を乗算し、範囲ごとに乗算した値を加算して内部抵抗を推定する。

本実施形態によれば、内部抵抗の推定精度を向上させることができるという効果を奏する。

内部抵抗推定回路の一実施例を示す図である。 制御部の一実施例を示す図である。 電圧と電流により決まる座標の一実施例を示す図である。 範囲ごとの近似式に対応する直線の一実施例を示す図である。 制御部の動作の一実施例を示す図である。 分類情報のデータ構造の一実施例を示す図である。 傾き情報、係数情報、内部抵抗情報のデータ構造の一実施例を示す図である。

以下図面に基づいて、実施形態について詳細を説明する。
図１は、内部抵抗推定回路の一実施例を示す図である。図１の内部抵抗推定回路は電池ブロックの電池Ｂ１〜Ｂ８それぞれの内部抵抗を推定する回路で、制御部１、記憶部２、電流計測部３、電圧計測部４ａ〜４ｈを有している。なお、電池の数は８個に限定されるものではない。

制御部１（コンピュータ）は、例えば、Central Processing Unit（ＣＰＵ）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（Field Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）、Programmable Logic Device（ＰＬＤ）など）を用いることが考えられる。また、制御部１は記憶部を有してもよいし、制御部１とは別に設けた記憶部と接続してもよい。

記憶部２、例えばRead Only Memory（ＲＯＭ）、Random Access Memory（ＲＡＭ）などのメモリやハードディスクなどが考えられる。なお、記憶部２にはパラメータ値、変数値などのデータを記録してもよいし、実行時のワークエリアとして用いてもよい。

電池ブロックの電池Ｂ１〜Ｂ８は直列に接続されている。電池Ｂ１〜Ｂ８は二次電池などを用いることが考えられる。二次電池として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池などが考えられる。

また、電池ブロックの端子Ｐ１、Ｐ２は負荷または電力供給源に接続され、電池ブロックは充放電をする。
電流計測部３は電池に流れる電流を計測する。また、電流計測部３が計測したデータは制御部１に出力される。電流計測部３は、例えば、電流計などが考えられる。

電圧計測部４ａ〜４ｈは電池Ｂ１〜Ｂ８各々の電圧を計測する。また、電圧計測部４ａ〜４ｈが計測したデータは制御部１に出力される。電圧計測部４ａ〜４ｈは、例えば、電圧計などが考えられる。

制御部について説明する。
図２は、制御部の一実施例を示す図である。例えば、充電装置の閉回路において、制御部１は電圧計測部４ａ〜４ｈが計測した電池Ｂ１〜Ｂ８の閉回路電圧（ＣＣＶ）と、電流計測部３が計測した電池に流れる電流を取得する。また、制御部１は後述する分類部２０１、生成部２０２、推定部２０３などを有している。

分類部２０１は、計測した電圧と電流により決まる複数の座標（電流値，電圧値）を、決められた１以上の電流値を示す閾値を用いて、複数の範囲に分類する。
座標は図３に示す破線３０１で囲まれている点で、計測した電流値（Ｘ軸）と電圧値（Ｙ軸）により決まる。

閾値Ｉｓａ〜Ｉｓｄは電池の特性または実験などにより決められる値である。また、主に使用される電流値がある場合には、その電流値が中心にくるように閾値を決めることが望ましい。なお、閾値Ｉｓａ〜Ｉｓｄは電圧計測部４ａ〜４ｈや電流計測部３の測定許容範囲や周囲温度などを加味して決めてもよい。

複数の範囲は、図３に示す電流値を示す閾値Ｉｓａ〜Ｉｓｄにより決まる範囲Ｉｒａ〜Ｉｒｄである。図３は、電圧と電流により決まる座標の一実施例を示す図である。また、図３では範囲Ｉｒａ〜Ｉｒｄは連続して設定されているが、範囲は連続していなくてもよい。例えば、範囲Ｉｒａと、範囲Ｉｒｂ、Ｉｒｃ、Ｉｒｄのうち何れかを組み合わせて用いてもよい。なお、本例では４つの範囲について説明しているが４つに限定されるものではない。

生成部２０２は、範囲Ｉｒａ、ＩＲｂ、Ｉｒｃ、Ｉｒｄそれぞれに対して原点を通る近似式を生成する。すなわち、範囲内の座標を用いて原点を通る近似式を、範囲Ｉｒａ〜Ｉｒｄごとに生成する。

ここで、原点とは図３、図４に示す座標（０，０）である。すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ８に電圧と電流が供給されていない場合に電池Ｂ１〜Ｂ８の内部抵抗が０オームであることを表す。また、近似式は原点を通る一次関数で表される直線で、例えば回帰分析などを用いて、切片０のときの傾きを求める。図４は、範囲ごとの近似式に対応する直線の一実施例を示す図である。図４のＡには、範囲Ｉｒａ内の座標と原点を用いて生成した近似式を表す直線４０１が示されている。図４のＢには、範囲Ｉｒｂ内の座標と原点を用いて生成した近似式を表す直線４０２が示されている。図４のＣには、範囲Ｉｒｃ内の座標と原点を用いて生成した近似式を表す直線４０３が示されている。図４のＤには、範囲Ｉｒｄ内の座標と原点を用いて生成した近似式を表す直線４０４が示されている。

推定部２０３は範囲Ｉｒａ、Ｉｒｂ、Ｉｒｃ、Ｉｒｄごとに生成した近似式の傾きを取得する。続いて、推定部２０３は範囲Ｉｒａ、Ｉｒｂ、Ｉｒｃ、Ｉｒｄ各々の近似式の傾き各々を補正する重み付け係数が関連付けられている係数情報を参照して、範囲ごとに対応する重み付け係数を取得する。その後、範囲ごとに近似式の傾きと重み付け係数とを乗算する。そして、範囲ごとに乗算した値を加算して内部抵抗を推定する。

なお、係数情報に記憶される重み付け係数は、閾値Ｉｓａ〜Ｉｓｄのうち最も小さい第１の閾値Ｉｓａより電流が小さい場合に分類に用いられる範囲Ｉｒａ（第１の範囲）に対応する近似式の傾きを基準として、範囲Ｉｒａに近いほど範囲各々に対応付ける重み付け係数の重みを大きくする。すなわち、電流の小さい範囲ほど重み付け係数の重みを大きくする。例えば、範囲Ｉｒａの重み付け係数δ１（＝１）、範囲Ｉｒｂの重み付け係数δ２、範囲Ｉｒｃの重み付け係数δ３、範囲Ｉｒｄの重み付け係数δ４とした場合、δ１＝１≧δ２≧δ３≧δ４＞０とする。重み付け係数δ１、δ２、δ３、δ４は電池の特性、実験、周囲環境などを加味して求める。

制御部の動作について説明する。
図５は、制御部の動作の一実施例を示す図である。ステップＳ５０１では、制御部１が電流計測部３から電流値を取得する。

ステップＳ５０２では、制御部１が電池Ｂ１〜Ｂ８各々の電圧値を計測部４ａ〜４ｈ各々から取得する。
ステップＳ５０３では、制御部１が取得した電圧値と電流値を分類して記憶部２に記憶する。すなわち、電池Ｂ１〜Ｂ８各々について計測した電圧値と電流値を用いて決定した座標を、電流値を基準に範囲ごとに分類し、記憶部２の分類情報６０１に記憶する。図６は、分類情報のデータ構造の一実施例を示す図である。分類情報６０１は、「電池」「電圧」「範囲Ｉｒａ」「範囲Ｉｒｂ」「範囲Ｉｒｃ」「範囲Ｉｒｄ」に記憶される情報を有している。「電池」には電池を識別する識別情報が記憶さている。本例では、識別情報として「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」・・・・などが記憶されている。

「電圧」には計測した電池各々に対応する閉回路電圧値が記憶されている。本例では、電池「Ｂ１」に関連する計測した電圧値を表す「ＶＢ１１」「ＶＢ１２」「ＶＢ１３」「ＶＢ１４」「ＶＢ１５」「ＶＢ１６」「ＶＢ１７」・・・・が「電圧」に記憶されている。また、電池「Ｂ２」に関連する計測した電圧値を表す「ＶＢ２１」「ＶＢ２２」「ＶＢ２３」「ＶＢ２４」「ＶＢ２５」「ＶＢ２６」「ＶＢ２７」・・・・が「電圧」に記憶されている。また、電池「Ｂ３」に関連する計測した電圧値を表す「ＶＢ３１」「ＶＢ３２」「ＶＢ３３」「ＶＢ３４」「ＶＢ３５」「ＶＢ３６」「ＶＢ３７」・・・・が「電圧」に記憶されている。

「範囲Ｉｒａ」「範囲Ｉｒｂ」「範囲Ｉｒｃ」「範囲Ｉｒｄ」には、計測した電池に流れる電流値が範囲ごとに分類されて記憶されている。「範囲Ｉｒａ」には図３、図４に示す範囲Ｉｒａに分類された座標の電流値が、「電圧」に記憶されている電圧値に対応付けられて記憶されている。本例では、電池「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」・・・に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ１１」「ＶＢ２１」「ＶＢ３１」・・・に関連付けられている「範囲Ｉｒａ」に電流値を示す「ＩＢ１」が記憶されている。

「範囲Ｉｒｂ」には図３、図４に示す範囲Ｉｒｂに分類された座標の電流値が、「電圧」に記憶されている電圧値に対応付けられて記憶されている。本例では、電池「Ｂ１」に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ１２」「ＶＢ１３」「ＶＢ１５」に関連付けられている「範囲Ｉｒｂ」に電流値を示す「ＩＢ２」「ＩＢ３」「ＩＢ５」が記憶されている。電池「Ｂ２」に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ２２」「ＶＢ２３」「ＶＢ２５」に関連付けられている「範囲Ｉｒｂ」に電流値を示す「ＩＢ２」「ＩＢ３」「ＩＢ５」が記憶されている。電池「Ｂ３」に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ３２」「ＶＢ３３」「ＶＢ３５」に関連付けられている「範囲Ｉｒｂ」に電流値を示す「ＩＢ２」「ＩＢ３」「ＩＢ５」が記憶されている。

「範囲Ｉｒｃ」には図３、図４に示す範囲Ｉｒｃに分類された座標の電流値が、「電圧」に記憶されている電圧値に対応付けられて記憶されている。本例では、電池「Ｂ１」に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ１４」「ＶＢ１６」に関連付けられている「範囲Ｉｒｃ」に電流値を示す「ＩＢ４」「ＩＢ６」が記憶されている。本例では、電池「Ｂ２」に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ２４」「ＶＢ２６」に関連付けられている「範囲Ｉｒｃ」に電流値を示す「ＩＢ４」「ＩＢ６」が記憶されている。本例では、電池「Ｂ３」に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ３４」「ＶＢ３６」に関連付けられている「範囲Ｉｒｄ」に電流値を示す「ＩＢ４」「ＩＢ６」が記憶されている。

「範囲Ｉｒｄ」には図３、図４に示す範囲Ｉｒｄに分類された座標の電流値が、「電圧」に記憶されている電圧値に対応付けられて記憶されている。本例では、電池「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」・・・に対応する各「電圧」に記憶されている電圧値「ＶＢ１７」「ＶＢ２７」「ＶＢ３７」・・・に関連付けられている「範囲Ｉｒｄ」に電流値を示す「ＩＢ７」が記憶されている。

ステップＳ５０４では、制御部１が分類情報を参照して各電池の範囲ごとに原点を通る近似式を生成する。例えば、回帰分析などにより図４のＡ〜Ｄに示す直線４０１〜４０４に対応する原点を通る近似式を求める。

ステップＳ５０５では、制御部１が各電池の範囲ごとに近似式の傾きを取得する。例えば、電池の識別番号と近似式の傾きを関連付けて記憶する。図７は、傾き情報、係数情報、内部抵抗情報のデータ構造の一実施例を示す図である。図７の傾き情報７０１は、「電池」「範囲Ｉｒａ」「範囲Ｉｒｂ」「範囲Ｉｒｃ」「範囲Ｉｒｄ」に記憶される情報を有している。「電池」には電池を識別する識別情報が記憶さている。本例では、識別情報として「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」・・・・などが記憶されている。「範囲Ｉｒａ」「範囲Ｉｒｂ」「範囲Ｉｒｃ」「範囲Ｉｒｄ」には電池各々の範囲各々に対応するステップＳ５０４で求めた近似式の傾きが記憶されている。本例では、範囲Ｉｒａを表す「範囲Ｉｒａ」には電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・・に対応する「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」「Ｂ４」「Ｂ５」・・・・それぞれに関連付けられて範囲Ｉｒａの傾き「ＲＢ１１」「ＲＢ２１」「ＲＢ３１」「ＲＢ４１」「ＲＢ５１」が記憶されている。範囲Ｉｒｂを表す「範囲Ｉｒｂ」には電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・・に対応する「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」「Ｂ４」「Ｂ５」・・・・それぞれに関連付けられて範囲Ｉｒｂの傾き「ＲＢ１２」「ＲＢ２２」「ＲＢ３２」「ＲＢ４２」「ＲＢ５２」が記憶されている。範囲Ｉｒｃを表す「範囲Ｉｒｃ」には電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・・に対応する「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」「Ｂ４」「Ｂ５」・・・・それぞれに関連付けられて範囲Ｉｒｃの傾き「ＲＢ１３」「ＲＢ２３」「ＲＢ３３」「ＲＢ４３」「ＲＢ５３」が記憶されている。範囲Ｉｒｄを表す「範囲Ｉｒｄ」には電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・・に対応する「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」「Ｂ４」「Ｂ５」・・・・それぞれに関連付けられて範囲Ｉｒｄの傾き「ＲＢ１４」「ＲＢ２４」「ＲＢ３４」「ＲＢ４４」「ＲＢ５４」が記憶されている。

ステップＳ５０６では制御部１が各範囲の重み付け係数を記憶部２などから取得する。例えば、係数情報７０２から各範囲に関連付けられている重み付け係数を取得する。本例では、係数情報７０２は「範囲Ｉｒａ」「範囲Ｉｒｂ」「範囲Ｉｒｃ」「範囲Ｉｒｄ」に記憶される情報を有している。「範囲Ｉｒａ」には重み付け係数を示す「δ１」が記憶され、「範囲Ｉｒｂ」には重み付け係数を示す「δ２」が記憶され、「範囲Ｉｒｃ」には重み付け係数を示す「δ３」が記憶され、「範囲Ｉｒｄ」には重み付け係数を示す「δ４」が記憶されている。

なお、電池の種類が異なる場合には電池の種類ごとに係数情報を有してもよい。また、電池の劣化により特性が変化することが分かっている場合には、劣化により特性を加味した係数情報も記憶し、劣化を検知した時点で係数情報を切り替えてもよい。

ステップＳ５０７では制御部１が各電池の内部抵抗を求める。例えば、電池Ｂ１の内部抵抗ＲＢ１は（Ｒ１１×δ１＋Ｒ１２×δ２＋Ｒ１３×δ３＋Ｒ１４×δ４）／（δ１＋δ２＋δ３＋δ４）を計算して求める。電池Ｂ２の内部抵抗ＲＢ２は（Ｒ２１×δ１＋Ｒ２２×δ２＋Ｒ２３×δ３＋Ｒ２４×δ４）／（δ１＋δ２＋δ３＋δ４）を計算して求める。電池Ｂ３の内部抵抗ＲＢ３は（Ｒ３１×δ１＋Ｒ３２×δ２＋Ｒ３３×δ３＋Ｒ３４×δ４）／（δ１＋δ２＋δ３＋δ４）を計算して求める。電池Ｂ４の内部抵抗ＲＢ４は（Ｒ４１×δ１＋Ｒ４２×δ２＋Ｒ４３×δ３＋Ｒ４４×δ４）／（δ１＋δ２＋δ３＋δ４）を計算して求める。求めた電池ごとの内部抵抗は、例えば、図７の内部抵抗情報７０３に記憶する。本例では、電池Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５・・・・を識別する識別情報「Ｂ１」「Ｂ２」「Ｂ３」「Ｂ４」「Ｂ５」それぞれに関連付けて求めた内部抵抗を示す「ＲＢ１」「ＲＢ２」「ＲＢ３」「ＲＢ４」「ＲＢ５」・・・・が記憶されている。すなわち、各範囲の近似式の傾きと重み付け係数を乗算し、乗算して得られた値を加算して内部抵抗を推定する。重み付け係数の総和（δ１＋δ２＋δ３＋δ４）が１でない場合は、加算して得られた値を重み付け係数の総和で除算して内部抵抗を推定する。
また、重み付け係数の総和で除算しなくてもいいように、重み付け係数（δ１〜δ４）を総和が１になるような係数にしてもよい。この場合でも、δ１≧δ２≧δ３≧δ４とし、電流の小さい範囲ほど重み付け係数の重みを大きくする。

ステップＳ５０８では、制御部１が計測を終了するか否かを判定し、計測を終了する場合（Ｙｅｓ）には計測を終了し、計測を継続する場合（Ｎｏ）にはステップＳ５０１に移行して計測を継続する。

本実施形態によれば、電流の低い範囲では閉回路電圧に対する分極の影響が小さいことを利用して内部抵抗の推定精度を向上させることができるという効果を奏する。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 制御部、
２ 記憶部、
３ 電流計測部、
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ 電圧計測部、
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ 電池、
２０１ 分類部、
２０２ 生成部、
２０３ 推定部、
６０１ 分類情報、
７０１ 傾き情報、
７０２ 係数情報、
７０３ 内部抵抗情報、

Claims (4)

1. 電池の電圧を計測する電圧計測部と、
   前記電池に流れる電流を計測する電流計測部と、
   計測した電圧と電流により決まる座標を、決められた１つ以上の電流値を示す閾値を用いて、複数の範囲に分類する分類部と、
   分類した前記範囲内の座標を用いて、前記電池に電圧と電流が供給されていない場合に前記電池の内部抵抗が０オームであることを表す原点を通る近似式を、前記範囲ごとに生成する生成部と、
   前記範囲ごとに生成した前記近似式の傾きを取得し、前記範囲各々と、前記近似式の傾き各々を補正する重み付け係数と、が関連付けられて記憶される係数情報を参照して、前記範囲に対応する重み付け係数を取得し、前記範囲ごとに対応する前記近似式の傾きと重み付け係数を乗算し、前記範囲ごとに乗算した値を加算して内部抵抗を推定する推定部と、
   を備えることを特徴とする内部抵抗推定回路。
2. 前記係数情報に記憶される重み付け係数は、
   前記閾値のうち最も小さい第１の閾値より前記電流が小さい場合に分類に用いられる第１の範囲に近いほど前記範囲各々に対応付ける重み付け係数の重みを大きくする、ことを特徴とする請求項１に記載の内部抵抗推定回路。
3. 充電装置の内部抵抗推定方法であって、
   コンピュータが、
   電池の電圧を計測する電圧計測部と、前記電池に流れる電流を計測する電流計測部と、により計測した電圧と電流により決まる座標を、決められた１つ上の電流値を示す閾値を用いて、複数の範囲に分類し、
   分類した前記範囲内の座標を用いて、前記電池に電圧と電流が供給されていない場合に前記電池の内部抵抗が０オームであることを表す原点を通る近似式を、前記範囲ごとに生成し、
   前記範囲ごとに生成した前記近似式の傾きを取得し、
   前記範囲各々と、前記近似式の傾き各々を補正する重み付け係数と、が関連付けられて記憶される係数情報を参照して、前記範囲に対応する重み付け係数を取得し、
   前記範囲ごとに対応する前記近似式の傾きと重み付け係数を乗算し、
   前記範囲ごとに乗算した値を加算して内部抵抗を推定する、
   処理を実行することを特徴とする内部抵抗推定方法。
4. 前記係数情報に記憶される重み付け係数は、
   前記閾値のうち最も小さい第１の閾値より前記電流が小さい場合に分類に用いられる第１の範囲に近いほど前記範囲各々に対応付ける重み付け係数の重みを大きくする、ことを特徴とする請求項３に記載の内部抵抗推定方法。
   

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