JP5832380B2 - 組電池のセルの状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、組電池を構成するセルごとにそれらの状態を推定可能な組電池のセルの状態推定装置に関する。

従来の組電池のセルの状態推定装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。この従来の組電池のセルの状態推定装置は、充電率(SOC：State of Charge)を推定するコンポーネントと、健全度(SOH State of Health)を推定するコンポーネントと、を備えている。
SOCを推定するコンポーネントは、SOCが電池の内部状態の予測を行うコンポーネントと、上記内部状態の予測の不確実性の予測するコンポーネントと、内部状態の予測と不確実性の予測を補正するコンポーネントと、カルマン・フィルタあるいは拡張カルマン・フィルタの少なくとも一方で構成されて上記補正を繰り返すアルゴリズムを適用してSOCに対して行う推定とSOC推定に対する不確実性を算出するコンポーネントと、を有している。

特表２００８−５２２１５２号公報

しかしながら、上記従来の組電池のセルの状態推定装置には以下に説明するような問題がある。
上記従来の組電池のセルの状態推定装置では、現在の電池の状態を複数のセルから構成された組電池全体の全体電圧（総合電圧）から算出するようにしている。この場合、組電池を構成するセル間に残量のばらつきがあると、組電池の使用可能な正しい残量を求めることができない。
すなわち、複数のセルが直列に接続された組電池の場合、組電池の使用可能量は残量の少ないセルに依存する一方、充電可能量は残量が多いセルに依存する。この結果、充放電時にあって組電池の状態を正確に把握するには、セルごとの残量を知る必要がある。
この場合、上記従来の組電池のセルの状態推定装置で実行している充電率推定方法を用いてセルごとにその充電率を算出しようとすると、電気自動車用組電池のようにセルが多い場合にはその演算処理が大変となる。

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、組電池を構成する各セルの充電率を、より簡単に推定することができるようにした組電池のセルの状態推定装置を提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明による組電池のセルの状態推定装置は、
組電池を構成する各セルの端子電圧をそれぞれ検出する各セル端子電圧検出手段と、
組電池を流れる充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
組電池を構成する複数のセルのうちの基準セルの現在の充電率を、各セル端子電圧検出手段で組電池の起動時に検出した基準セルの初期端子電圧と充放電電流検出手段で検出した基準セルの充放電電流とに基づいて算出する基準セル充電率算出手段と、
各セル端子電圧検出手段で検出した基準セルの現在の端子電圧から、基準セル充電率算出手段で算出した基準セルの現在の充電率に基づいて算出した基準セルの現在の開放電圧を減算することで基準セルの現在の過電圧を算出する基準セル過電圧算出手段と、
各セル端子電圧検出手段で検出した、基準セル以外の各セルの端子電圧から、基準セル過電圧算出手段で算出した現在の過電圧を減算して各セルの現在の開放電圧を算出する各セル開放電圧算出手段と、
各セル開放電圧算出手段で算出した基準セル以外の各セルの現在の開放電圧に基づいて基準セル以外の各セルの充電率を算出する各セル充電率算出手段と、
を備えていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明の組電池のセルの状態推定装置は、
請求項１に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
基準セル充電率算出手段が、
各セル端子電圧検出手段で検出した基準セルの初期端子電圧に基づいて基準セルの初期充電率を算出する基準セル初期充電率算出手段と、
充放電電流検出手段で検出した充放電電流を積算した電荷変化量に基づいて基準セルの充電率変化量を算出する基準セル充電率変化量算出手段と、
基準セル初期充電率算出手段で算出した基準セルの初期充電率に基準セル充電率変化量算出手段で算出した基準セルの充電率変化量を加算して基準セルの現在の充電率を算出する加算手段と、
を備えていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明の組電池のセルの状態推定装置は、
請求項１または２に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
基準セル過電圧算出手段が、
各セル端子電圧検出手段で検出した基準セルの現在の端子電圧から、基準セル充電率算出手段で算出した基準セルの現在の充電率に基づいて算出した基準セルの現在の開放電圧を減算することで基準セルの過電圧を得る、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、組電池のうちの基準セルを着目して、この基準セルの初期充電率と充放電電流とに基づいて基準セルの現在の充電率を算出する。他のセルの現在の充電率は、各セル端子電圧検出手段で検出した基準セル以外の端子電圧から基準セル過電圧算出手段で算出した過電圧を減算することで得た基準セル以外の各セルの開放電圧に基づいて算出するようにした。
したがって、各セルの充電率を求めるにあたって、過電圧を基準セルだけで求めればよく、各セルすべてについて複雑な演算をしなくて済むようになる。したがって、簡単な演算処理で組電池の各セルの残量をより正確に推測することが可能となる。

請求項２に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、基準セルの現在の充電率を精度よく算出することができるようになる。

請求項３に記載の本発明の組電池のセルの状態推定装置にあっては、基準セルの現在の過電圧を容易に算出することができ、この結果、この基準セルの現在の過電圧を用いて他のセルの開放電圧を簡単に算出することができるようになる。

第１発明の実施例１に係る組電池のセルの状態推定装置の機能構成を示すブロック図である。 実施例１の組電池のセルの状態推定装置で用いる組電池の残容量の変化の例を模式的に示した図であり、(a)は充放電前の状態を、また（ｂ）は所定条件で放電した後の状態を示す図である。

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。なお、以下の説明および図中において実質的に同じ構成のものについては同じ符号を付し、その説明を省略する。

まず、第１発明の実施例１に係る組電池のセルの状態推定装置の全体構成を図１に基づいて説明する。

この実施例１の組電池1のセルの状態推定装置は、複数（n個：nは２以上の整数）のセル1a、1b、・・・、1m、1nを直列接続して構成した組電池１に接続されて、これら各セル1a〜1nの内部状態を推測する。
なお、本実施例では、組電池１は、電気自動車の電源として用いる。
また、組電池1のうちの１個、すなわち本実施例ではたとえばセル1aを、基準セルとして扱う。

この実施例１の組電池１のセルの状態推定装置は、端子電圧検出部2と、充放電電流検出部3と、マイクロ・コンピュータ5と、を備えている。
マイクロ・コンピュータ5は、基準セル充電率算出部6と、充電率−開放電圧算出部13と、基準セル過電圧算出部14と、各セル開放電圧算出部15と、開放電圧−充電率算出部16と、を有する。

端子電圧検出部2は、各セル1a〜1nに対応して各セルの端子電圧を検出するｎ個のセル電圧検出部2a、2b、・・・、2m、2nからなり、これらのセル電圧検出部2a〜2nのうち基準セル1aに対応したセル電圧検出部2aで検出した端子電圧vaは、基準セル充電率算出部6および基準セル過電圧算出部14へ出力し、残りのセル電圧検出部2b〜2nで検出した端子電圧vb〜vnは各セル開放電圧算出部15へ出力する。
なお、端子電圧検出部2は、本発明の各セル端子電圧検出手段に相当する。

充放電流検出部3は、組電池１に直列接続されて組電池1を流れる充放電電流iを検出し、この値を基準セル充電率変化量算出部10へ出力する。
なお、充放電流検出部3は、本発明の充放電電流検出手段に相当する。

まず、基準セル充電率算出部6の構成について説明する。
基準セル充電率算出部6は、基準セル初期電圧保存部7と、開放電圧−充電率算出部8と、加算部9と、基準セル充電率変化量算出部10と、を有している。
基準セル初期電圧保存部7は、図示しないイグニッション・キーにより電源起動が行われると、この電源起動時における基準セル1aの端子電圧vaを、セル電圧検出部2aから読み込み、初期端子電圧として記憶保存する。
なお、電源起動時におけるこの初期端子電圧は、充放電が所定時間以上なされず分極反応が緩和している場合には、開放電圧（OCV：Open Circuit Voltage）に等しいとみなせる。したがって、初期電圧保存部7は、電源起動時における基準セル1aの初期開放電圧を記憶保持することと等価となり、この値を開放電圧−充電率算出部8へ出力する。

開放電圧−充電率算出部8は、あらかじめ実験で得た、開放電圧OCVと充電率SOCとの関係データを記憶している。初期電圧保存部7から入力された基準セルの初期開放電圧から、基準セル1aの初期開放電圧充電率SCell-SOC-intを算出する。この値は加算部10へ出力する。
なお、加算部12については、後でより詳しく説明する。

一方、基準セル充電率変化量算出部10は、電流積算部11と、除算部12と、を有する。
電流積算部11は、電流検出部3から入力される充放電電流iを電源起動時から現在の観測点まで積算していき、この電流積算量（すなわち電荷変化量）を除算部12へ出力する。

除算部12は、電流積算部11で算出した電流積算量を、あらかじめ設定した基準セル1aの設計容量で除算して、基準セル1aの電流積算充電率変化量ΔSOCを得、この値を基準セル充電率算出部6の加算部9へ出力する。

加算部9は、開放電圧−充電率算出部8で算出した基準セル1aの初期開放電圧充電率SCell-SOC-intに、除算部12で算出した基準セル1aの電流積算充電率変化量ΔSOCを加算して、基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCを得る。この値は、基準セル1aの現在の充電率として用いられるとともに、残りのセル1b〜1nの現在の充電率Cell-x-SOC（ただし、xはb〜n）をそれぞれ演算するために充電率−開放電圧算出部13へ出力する。
ここで、各セル1a〜1nの現在の充電率、SCell-SOCおよびCell-x-SOCは、各セル1a〜1nの残量を知るために利用され、この残量を知ることで車両の走行可能距離の推定、充電時における充電可能量の推定等に利用される。
なお、加算部9は、本発明の加算手段に相当する。

充電率−開放電圧算出部13は、あらかじめ実験で得た、充電率SOCと開放電圧OCVとの関係データを記憶している。なお、これらのデータはたとえばテーブル形式で記憶されており、開放電圧−充電率算出部8の関係データと共用している。
充電率−開放電圧算出部13では、加算部9から入力された基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCから基準セル1aの現在の開放電圧SCell-OCVを算出し、この値を基準セル過電圧算出部14へ出力する。

基準セル過電圧算出部14は、基準セル1aのセル電圧検出部2aから入力された基準セル1aの現在の端子電圧vaから、充電率−開放電圧算出部13で算出された基準セル1aの現在の開放電圧SCell-OCVを減算することで、基準セル1aの現在の過電圧ηsを算出し、各セル開放電圧算出部15へ出力する。
なお、基準セル過電圧算出部14は、本発明の基準セル過電圧算出に相当する。

各セル開放電圧算出部15は、基準セル1a以外のセル1b〜1nのセル電圧検出部2b〜2nからそれぞれ入力された現在の端子電圧vb〜vnから、基準セル過電圧算出部14で算出された基準セル1aの過電圧ηsを減算することで、基準セル1a以外のセル1b〜1nの開放電圧Cell-x-OCVを算出し、これらの値を開放電圧−充電率算出部16へ出力する。
なお、各セル開放電圧算出部15は、本発明の各セル開放電圧算出手段に相当する。

開放電圧−充電率算出部16は、あらかじめ実験で得た、開放電圧OCVと充電率SOCとの関係データを記憶している。この関係データは、開放電圧−充電率算出部8や充電率−開放電圧算出部13で用いる関係データと共用する。
開放電圧−充電率算出部16では、各セル開放電圧算出部15から入力された基準セル1a以外の各セル1b〜1nの現在の開放電圧Cell-x-OCVを基にして基準セル1a以外の各セル1b〜1nの現在の充電率Cell-x-SOCを算出して、これらの値を出力する。
これらの出力された値は、上述したように各セル1b〜1nの残量を知るため等に用いられる。

ここで、組電池１にあっては、各セル1a〜1n間で、満充電容量にばらつきがあって、これらの値が異なることが避けられない。
たとえば、図２に模式的に示すように、３個のセルがいずれも充電率50%で同じだとしても満充電容量がセル１〜３でそれぞれ20Ah、16Ah、10Ahであるとすると、この場合、それらの残量はそれぞれ10Ah、8Ah、5Ah（単位Ahはアンペア・アワー）となり、異なることになる。
この状態から、たとえば5Aで１時間放電したとすると、各セル１〜３の内部状態は図２（ｂ）で示すようになる。
すなわち、セル１では残量5Ahで充電率25%、セル２では残量3Ahで充電率19%、セル３では残量0Ahで充電率0%となる。

この結果、セル１、２ではまだ放電可能であるにもかかわらず、セル３ではもはや放電不可の状態になってしまう。
逆に、充電する場合には、セル３では満充電容量まで達しても（充電率100%）、その他のセル１、２では満充電用容量に達せずセル１で充電率75%、セル２で充電率81.25%である。
したがって、十歩電管理を正確に行うためには、セル１〜３の個々の充電率を知る必要がある。
そこで、各セルにつき充電率を算出するにあたって、本発明、したがって本実施例では、セルには満充電容量にばらつきはあるものの、それらは同じ種類・構成のものであることから、現在の過電圧はほぼ同じと見なしても大きな誤差は生じないとの仮定およびその実験結果をもとに、基準セル（本実施例ではセル１a）のみについて過電圧ηsを算出して、他のセル（本実施例では1b〜1n）の過電圧は基準セルの過電圧ηsと同じと見なすことで、それらの過電圧算出演算を不要としている。

一方、電池、したがって各セル1a〜1nには、端子電圧＝開放電圧＋過電圧の関係があることから、各セルの開放電圧は、各セルの端子電圧から過電圧を減算することで得るようにして、これらの開放電圧から各セルの充電率を算出するようにする。
そして、この場合、基準セルの過電圧ηsは、上記基準セル充電率算出部6や基準セル充電率変化量算出部10を用いてできるだけ正確に算出するようにしている。

次に、実施例１の組電池のセルの状態推定装置の作用について説明する。
図示しないイグニッション・キーを回して起動させると、イグニッション信号（IGN信号）がマイクロ・コンピュータ5の基準セル充電率算出部6の基準セル初期電圧保存部7へ出力される。

また、各セル電圧検出部2a〜2nは、それぞれセル1a〜1nの現在の端子電圧va〜vnを検出する。
基準セル1aのセル電圧検出部2aで検出した端子電圧vaは、基準セル初期電圧保存部7および基準セル過電圧算出部14へ出力する。
その他のセル1b〜1nのセル電圧検出部2b〜2nで検出した現在の端子電圧vb〜vnは、各セル開放電圧算出部15へ出力する。
また、充放電電流検出部3で検出した充放電電流iは、基準セル充電率変化量算出部10の電流積算部11へ出力する。

基準セル初期電圧保存部7は、イグニッション信号の入力を受けると、そのときの、セル電圧検出部2aで検出した端子電圧vaを初期電圧として記憶保存する。
このときの初期電圧は、電源起動時の端子電圧であるが、それ以前に所定時間以上充放電がなくセル1a〜1nの内部状態が安定していると見なせる場合、その検出した基準セル1aの端子電圧は基準セル1aの開放電圧SCell-OCV-intに等しいとみなすことができる。

開放電圧−充電率算出部8では、上記初期電圧SCell-OCV-intに基づき、あらかじめ測定して記憶した開放電圧−充電率の関係データのテーブルを用いて、基準セル1aの初期充電率SCell-SOC-intを算出する。
一方、基準セル充電率変化量算出部10の電流積算部11では、充放電電流検出部3から入力されて来る充放電電流iを起電時から現在まで積算して電荷容量の変化分を算出する。除算部12では、その電荷容量の変化分を基準セル1aの設計容量で除算して基準セル1aの充電率変化量ΔSOCを算出し、加算部9へ出力する。

加算部9では、開放電圧−充電率算出部8から入力された基準セル1aの初期充電率Scell-SOC-intに、除算部12で算出された基準セル1aの充電率変化量ΔSOCを加算することで、基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCを得る。
この基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCは、基準セル1aの残量を知るために用いられるとともに、充電率−開放電圧算出部13へ出力されて他のセル1b〜1nの充電率を求めるのに利用する。

充電率−開放電圧算出部13では、加算部9から入力された基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCに基づき、あらかじめ測定して記憶した充電率−開放電圧の関係データのテーブルを用いて、基準セル1aの現在の開放電圧SCell-OCVを算出する。この値は、基準セル過電圧算出部14へ出力する。

基準セル過電圧算出部14では、基準セル1aのセル電圧検出部2aで検出された基準セル1aの現在の電圧vaが入力され、この値から充電率−開放電圧算出部13で算出した基準セル1aの現在の開放電圧SCell-OCVを減算して基準セル1aの過電圧ηsを算出する。
なお、この過電圧ηsは、基準セル1a以外の各セル1b〜1nの過電圧に等しいとみなし、各セル開放電圧算出部15へ出力する。

各セル開放電圧算出部15では、基準セル1a以外の各セル1b〜1nのセル電圧検出部2b〜2nで検出された現在のセル電圧vb〜vnが入力され、これらの端子電圧から基準セル過電圧算出部15で算出した過電圧ηsをそれぞれ減算して、基準セル1a以外の各セル1b〜1nの開放電圧Cell-x-OCVを算出する。これらの値は、開放電圧−充電率算出部16へ出力する。

開放電圧−充電率算出部16では、各セル開放電圧算出部15から入力された基準セル1a以外の各セル1b〜1nの開放電圧Cell-x-OCVに基づき、あらかじめ測定して記憶した開放電圧−充電率の関係データのテーブルを用いて、基準セル1a以外の各セル1b〜1nの現在の充電率Cell-x--SOCを算出する。
これらの充電率Cell-x-SOCおよび加算部9で得た基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCは、各セル1a〜1nの残量の推定等に利用される。

以上の説明から分かるように、実施例１の組電池のセルの状態推定装置にあっては、組セル1を構成する複数のセル1a〜1nのうちの基準セル1aについて、その初期充電率や現在の充電率を算出する。また、その基準セル1aの現在の充電率を用いてその過電圧ηsを算出し、これが他のセル1b〜1nの過電圧に等しいとして、他のセル1b〜1nについては、これらの端子電圧から上記過電圧ηsを減算してそれぞれの開放電圧を算出し、これらからそれらの充電率Cell-x-SOCを算出するようにした。
したがって、基準セル1aのみについて正確に現在の充電率を求めれば、他のセル1b〜1nの充電率の演算については基準セル1aの場合での演算よりもより簡単に算出することができる。
これによりマイクロ・コンピュータ5の処理演算能力はより低いものでも使用することが可能となる。

また、基準セル充電率算出部6を、基準セル1aのセル電圧検出部2aで検出した初期端子電圧に基づいて基準セル1aの初期充電率SCell-SOC-intを算出する基準セル初期充電率算出部７、8と、充放電電流検出部3で検出した充放電電流iを積算した電荷変化量に基づいて基準セル1aの充電率変化量ΔSOCを算出する基準セル充電率変化量算出部10と、基準セル1aの初期充電率SCell-SOC-intに基準セルの充電率変化量ΔSOCを加算して基準セルの現在の充電率SCell-SOCを算出する加算部9と、で構成したので、基準セルの現在の充電率を精度よく算出することができるようになる。

また、基準セル過電圧算出手部14を、基準セル1aの現在の端子電圧vaから、基準セル充電率算出部6で算出した基準セル1aの現在の充電率SCell-SOCに基づいて算出した基準セル12aの現在の開放電圧SCell-OCVを減算することで基準セルの過電圧を得るようにしたので、基準セル1aの現在の過電圧ηsを容易に算出することができ、この結果、この基準セル1aの現在の過電圧ηsを用いて他のセル1b〜1nの開放電圧Cell-x-OCVを簡単に算出することができるようになる。

以上、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、基準セルは実施例では1aを用いたが別のセルでも良い。
また、基準セルの現在の充電率の算出は、実施例の電流積算法と電池等価モデルを用いたカルマン・フィルタ等の適応フィルタを利用する方法であっても良い。

また、本発明の組電池のセルの状態推定装置は、電気自動車の組電池に限られず、電気モータと内燃機関を備えたハイブリッド車、あるいはその他の装置の組電池の状態を推定する装置にも適用することができる。

1 組電池
1a、1b、1m、1n セル
2 端子電圧検出部（開放電圧検出手段）
2a、2b、2m、2n セル電圧検出部（開放電圧検出手段）
3 充放電電流検出部（充放電電流検出手段）
5 マイクロ・コンピュータ
6 基準セル充電率算出部（基準セル充電率算出手段）
7 基準セル初期電圧保存部（基準セル初期充電率算出手段）
8 開放電圧−充電率算出部（基準セル初期充電率算出手段）
9 加算部（加算手段）
10 基準セル充電率変化量算出部
11 電流積算部
12 除算部
13 充電率−開放電圧算出部
14 基準セル過電圧算出部（基準セル過電圧算出手段）
15 各セルの開放電圧算出部（各セル開放電圧算出手段）
16 開放電圧−充電率算出部

Claims (2)

1. 組電池を構成する各セルの端子電圧をそれぞれ検出する各セル端子電圧検出手段と、
   前記組電池を流れる充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
   前記組電池を構成する前記複数のセルのうちの基準セルの現在の充電率を、前記各セル端子電圧検出手段で前記組電池の起動時に検出した基準セルの初期端子電圧と前記充放電電流検出手段で検出した基準セルの充放電電流とに基づいて算出する基準セル充電率算出手段と、
   前記各セル端子電圧検出手段で検出した前記基準セルの現在の端子電圧から、前記基準セル充電率算出手段で算出した前記基準セルの現在の充電率に基づいて算出した前記基準セルの現在の開放電圧を減算することで前記基準セルの現在の過電圧を算出する基準セル過電圧算出手段と、
   前記各セル端子電圧検出手段で検出した、前記基準セル以外の前記各セルの端子電圧から、前記基準セル過電圧算出手段で算出した前記現在の過電圧を減算して前記各セルの現在の開放電圧を算出する各セル開放電圧算出手段と、
   該各セル開放電圧算出手段で算出した前記基準セル以外の前記各セルの現在の開放電圧に基づいて前記基準セル以外の前記各セルの充電率を算出する各セル充電率算出手段と、
   を備えたことを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。
2. 請求項１に記載の組電池のセルの状態推定装置において、
   前記基準セル充電率算出手段が、
   前記各セル端子電圧検出手段で検出した前記基準セルの初期端子電圧に基づいて基準セルの初期充電率を算出する基準セル初期充電率算出手段と、
   前記充放電電流検出手段で検出した前記充放電電流を積算した電荷変化量に基づいて前記基準セルの充電率変化量を算出する基準セル充電率変化量算出手段と、
   前記基準セル初期充電率算出手段で算出した前記基準セルの前記初期充電率に前記基準セル充電率変化量算出手段で算出した前記基準セルの前記充電率変化量を加算して前記基準セルの現在の充電率を算出する加算手段と、
   を備えたことを特徴とする組電池のセルの状態推定装置。

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