JP6183336B2 - 充電率算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池の充電率を算出する充電率算出装置に関する。

蓄電池の充電率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）は、ＳＯＣと相関関係を有する開放電圧（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ）から算出できる。

しかし蓄電池の動作中（充放電中）はＯＣＶを直接測定できない。そこで従来から、蓄電池の閉回路電圧（Ｃｌｏｓｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：ＣＣＶ）を、ＯＣＶと、蓄電池の内部抵抗と、蓄電池の分極抵抗及びキャパシタンス成分の並列接続対とを直列接続した等価回路で表現する。そして等価回路を用いてＣＣＶからＯＣＶを算出し、当該ＯＣＶからＳＯＣを算出している（特許文献１参照）。

特開２０１０−７１７０３号公報

しかし蓄電池の動作中に同じ充放電状態が継続される場合には、等価回路のキャパシタンス成分が飽和状態となり、等価回路で表現されるＣＣＶの算出精度が低下し、ひいては、ＯＣＶに基づくＳＯＣの算出精度が低下するおそれがある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり蓄電池における充電率の算出精度を向上できる充電率算出装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、蓄電池（１０）の開放電圧（ＯＣＶ）と、前記蓄電池の内部抵抗（Ｒｓ）と、前記蓄電池の分極抵抗（Ｒ１，Ｒ２）及びキャパシタンス成分（Ｃ１，Ｃ２）の並列接続対との直列接続で表現される前記蓄電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）の等価回路（９０）に基づいて、前記開放電圧を算出する開放電圧算出手段（７１）と、前記開放電圧から、前記蓄電池の充電率を第１充電率として算出する第１充電率算出手段（７２）と、前記キャパシタンス成分が飽和状態であるか否かを判定する飽和状態判定手段（８０）と、前記キャパシタンス成分が飽和状態でないと判定した際に、前記第１充電率算出手段で算出した第１充電率が適正値であると判定し、前記キャパシタンス成分が飽和状態であると判定した際に、前記第１充電率算出手段で算出した前記第１充電率が適正値ではないと判定する充電率判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、等価回路におけるキャパシタンス成分が飽和状態であるか否かを判定し、キャパシタンス成分が飽和状態ではないと判定した場合には、開放電圧から算出した第１充電率が適正値であると判定し、キャパシタンス成分が飽和状態であると判定した場合には、開放電圧から算出した第１充電率が適正値ではないと判定するようにした。この場合、キャパシタンス成分が飽和状態の際に算出した第１充電率が使用されないこととなり、キャパシタンス成分が飽和状態となることに起因して充電率の算出精度が低下することを抑えられる。

電池システムの概略構成図。 制御装置の機能ブロック図。 ＯＣＶに基づく充電率の算出精度に関する説明図。 ＣＣＶの算出誤差の説明図。 制御装置による判定処理のフローチャート。 ＯＣＶ−ＳＯＣの演算マップ。

本実施形態の充電率算出装置について図面に基づき説明する。なお本実施形態の電池システム１００は、蓄電池１０の電力を例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の外部装置に供給するシステムであるとする。

図１において、蓄電池１０は、例えばリチウムイオン二次電池等の充放電可能な電池であり、単位電池にて構成されたものであってもよく、複数個の単位電池の直列接続体として構成された組電池等であってもよい。

蓄電池１０は、交流‐直流変換を行うインバータ１１を介して、発電機１２に接続されており、発電機１２から供給される電力で充電される。また蓄電池１０は、電気負荷２０に接続され、電気負荷２０に対して電力を供給する。

電池システム１００には、蓄電池１０の各種物理特性を検出する各種センサが接続されている。例えば、蓄電池１０の両端の電圧Ｖを計測する電圧センサ２１、蓄電池１０に流れる電流Ｉを計測する電流センサ２２、蓄電池１０の温度Ｔを検出する温度センサ２３が設けられている。

制御装置５０は、ＣＰＵ、記憶部等から構成される周知のマイクロコンピュータであり、上述の各種センサからの入力信号に基づき、記憶部が記憶する蓄電池１０の内部抵抗特性、満充電時の容量、分極特性、ＳＯＣとＯＣＶの対応関係等の各種情報を用いて、蓄電池１０の充電率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）などの各種パラメータを算出する。

図２に本実施形態の制御装置５０の機能ブロック図を示す。制御装置５０は、検出電流に基づき充電率を算出する充電率算出部６０、検出電圧に基づき充電率を算出する充電率算出部７０、充電率算出部６０で算出したＳＯＣ（以下、ＳＯＣｉと称する）及び充電率算出部７０で算出したＳＯＣ（以下、ＳＯＣｖと称する）のいずれを使用するかを判定する充電率判定部８０を備えている。なお、本実施形態では、ＳＯＣｉが第２充電率に相当し、ＳＯＣｖが第１充電率に相当する。

充電率算出部６０は、電流センサ２２で検出された電流積算によりＳＯＣｉを算出する。例えば、充電率算出部６０は、電流Ｉの検出値を式（１）に従って積算することでＳＯＣｉを求める。

ＳＯＣｉ［％］＝ＳＯＣ０＋１００×∫Ｉｄｔ／Ｑｍａｘ・・・（１）
ここで、Ｑｍａｘは蓄電池１０の満充電量であり、ＳＯＣ０は、前回算出したＳＯＣ値である。

充電率算出部７０は、ＯＣＶ推定部７１と、ＯＣＶ推定部７１で推定されたＯＣＶからＳＯＣｖを算出するＳＯＣｖ算出部７２とを備えている。

ＯＣＶ推定部７１は、蓄電池１０の等価回路９０を用いてＯＣＶを算出する。すなわち図３に示すように、蓄電池１０の端子間電圧である閉回路電圧（Ｃｌｏｓｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：ＣＣＶ）は、ＯＣＶと、電極や電解液等の電気抵抗を表す内部抵抗Ｒｓと、蓄電池１０の電気化学的な反応に伴う損失分を表す分極抵抗及びキャパシタンスのＲＣ並列接続対７３とを直列接続した等価回路９０で表される。

なおＲＣ並列接続対７３は、時定数τ１を有する分極抵抗Ｒ１及びキャパシタンス成分Ｃ１の第１並列接続対７３ａと、時定数τ２（＞τ１）を有する分極抵抗Ｒ２及びキャパシタンス成分Ｃ２の第２並列接続対７３ｂとを備えており、第１並列接続対７３ａと第２並列接続対７３ｂとは直列接続されている。このように、異なる時定数τ１，τ２を有する複数のＲＣ並列接続対７３が設けられる場合、蓄電池１０のＣＣＶの算出精度を向上できる。

蓄電池１０の動作中（充放電中）に電流Ｉが印加された場合、ＣＣＶは式（２）で表される。

ＣＣＶ＝ＯＣＶ＋Ｖｓ＋Ｖｐ・・・（２）
ここで、Ｖｓは内部抵抗Ｒｓで生じる電圧降下（Ｖｓ＝Ｒｓ×Ｉ）であり、分極電圧Ｖｐは、第１並列接続対７３ａ及び第２並列接続対７３ｂで生じる電圧降下、すなわち第１並列接続対７３ａにかかる電圧Ｖ１と、第２並列接続対７３ｂにかかる電圧Ｖ２との加算値（Ｖｐ＝Ｖ１＋Ｖ２）に相当する。

ＯＣＶ推定部７１は、蓄電池１０の動作中（充放電中）に検出したＣＣＶから、式（３）を用いてＯＣＶを算出する。

ＯＣＶ＝ＣＣＶ−（Ｖｓ＋Ｖｐ）・・・（３）
なお内部抵抗Ｒｓ及び分極電圧Ｖｐ，Ｖｓは、蓄電池１０の充電状態や温度等に応じて異なる。そこで、本実施形態の記憶部には、温度Ｔに応じて異なる内部抵抗Ｒｓ及び分極電圧Ｖｐ，Ｖｓの個別の値が記憶されている。そして、温度センサ２３による温度Ｔの検出結果に基づいて、記憶部から該当する内部抵抗Ｒｓ及び分極電圧Ｖｐ，Ｖｓの値が呼び出されるようになっている。

ＳＯＣｖ算出部７２は、ＯＣＶ推定部７１が算出したＯＣＶを、記憶部に記憶されているＯＣＶとＳＯＣｖとの相関関係を示すマップに当てはめることで、ＳＯＣｖを算出する（図６参照）。

ところで、蓄電池１０の動作中に同じ充放電状態が継続された場合、第１並列接続対７３ａ，第２並列接続対７３ｂの各々におけるキャパシタンス成分Ｃ１，Ｃ２の蓄電量が飽和することが生じうる。例えば図４に示すように、時刻ｔ１で蓄電池１０が充電状態となり、時刻ｔ２で蓄電池１０が放電状態となった場合において、キャパシタンス成分が飽和していない状態（時刻ｔ３以前）では、電圧センサ２１によるＣＣＶの検出値と、図３の等価回路９０で算出されたＣＣＶとが略一致する。しかし放電状態が継続されることで、時刻ｔ３でキャパシタンス成分が飽和した状態となると、それ以降において、電圧センサ２１によるＣＣＶの検出値と、等価回路９０で算出されたＣＣＶとの誤差ΔＤが拡大する。そして、このことがＣＣＶからＯＣＶを算出し、そしてＯＣＶからＳＯＣｖを算出する際の精度に影響する。

そこで本実施形態では、充電率の算出に際して、充電率判定部８０を用いて、等価回路９０のキャパシタンス成分の蓄電量が飽和状態であるか否かに基づき、充電率算出部６０で算出したＳＯＣｉ、充電率算出部７０で算出したＳＯＣｖのうちいずれが充電率として適正値であるかを判定し、適正値であると判定した充電率を使用する。なお本実施形態では、最も時定数の大きい第２並列接続対７３ｂのキャパシタンス成分Ｃ２を用いて、キャパシタンス成分の蓄電量が飽和状態であるかを判定する。

次に、本実施形態に係る充電率の判定処理を図５のフローチャートを用いて説明する。なお図５の処理は、図２に示す各機能を実現するものであり、制御装置５０が所定周期で繰り返し実施する。

まず、電流Ｉに基づいて電流積算でＳＯＣｉを算出する（Ｓ１１）。次にＯＣＶからＳＯＣｖを算出する（Ｓ１２）。次にキャパシタンス成分Ｃ２が飽和状態であるか否かを判定する（Ｓ１３）。本処理では、等価回路９０のキャパシタンス成分Ｃ２の現在の蓄電量Ｑ１、キャパシタンス成分Ｃ２が飽和状態の際の蓄電量Ｑ２とした場合、その比率（Ｑ１／Ｑ２）が所定の判定値α未満であるか否かに基づき、飽和状態であるか否かを判定する。なお、飽和状態の際の蓄電量Ｑ２は、Ｑ２＝Ｉ×Ｒ２×Ｃ２で算出され、記憶部に記憶されている。キャパシタンス成分Ｃ２の現在の蓄電量Ｑ１は式（４）で算出できる。

Ｑ１＝∫（Ｖ２／Ｒ２）ｅｘｐ（−ｔ／Ｒｓ・Ｃ２）・・・（４）
Ｑ１／Ｑ２≧αの場合には、キャパシタンス成分Ｃ２は飽和状態であると判定して、ＳＯＣｖが適正値であると判定する（Ｓ１４）。Ｑ１／Ｑ２＜αの場合には、ＯＣＶ−ＳＯＣｖマップを用いて、ＳＯＣｖの変化量に対してＯＣＶの変化量が所定の判定値β未満であるか否かを判定する（Ｓ１５）。

すなわち図６のＯＣＶ−ＳＯＣｖマップにおいて、ＯＣＶがＳＯＣｖのプラトー領域（出力安定領域Ｂ）に対応する場合、ＳＯＣｖの変化量に対してＯＣＶの変化量が小さく、ＯＣＶに基づくＳＯＣｖの算出精度が低下するおそれがある。そこで本実施形態では、ＯＣＶの変化量が所定の判定値β未満であるか否かを判定する。なお判定値βは、出力安定領域ＢにおけるＯＣＶの変化量を予め計測すること等に基づき設定できる。ＯＣＶの変化量＜βの場合には、キャパシタ成分の飽和状態にかかわらず、ＳＯＣｉが適正値であると判定する（Ｓ１６）。ＯＣＶの変化量≧βの場合、すなわち、図６において領域Ａ、または、領域Ｄに対応する場合には、ＳＯＣｖが適正値であると判定する（Ｓ１４）。

上記によれば以下の優れた効果を奏することができる。

・蓄電池１０の動作中は蓄電池１０の開放電圧を直接計測できない。そこで、蓄電池１０の開放電圧（ＣＣＶ）を蓄電値の閉回路電圧（ＯＣＶ）と、蓄電池の内部抵抗（Ｒｓ）と、蓄電池１０の分極抵抗（Ｒ）及びキャパシタンス成分（Ｃ）のＲＣ並列接続対７３との直列接続で示される等価回路として表し、当該等価回路を用いて開放電圧を算出し、当該開放電圧から充電率を算出している。しかし蓄電池の動作中において同じ充放電状態が継続されると、キャパシタンス成分が飽和状態となり、等価回路を用いた開放電圧の算出精度が低下する。そこで、等価回路におけるキャパシタンス成分が飽和状態であるか否かを判定し、キャパシタンス成分が飽和状態ではないと判定した場合には、開放電圧から算出した第１充電率（ＳＯＣｖ）が適正値であると判定し、キャパシタンス成分が飽和状態であると判定した場合には、開放電圧から算出した第１充電率が適正値ではないと判定するようにした。この場合、キャパシタンス成分が飽和状態の際に算出した第１充電率が使用されないこととなり、キャパシタンス成分が飽和状態となることに起因して充電率の算出精度の低下を抑えられる。

・蓄電池１０を流れる電流値（Ｉ）から蓄電池１０の第２充電率（ＳＯＣｉ）を算出する充電率算出部６０を備える場合、キャパシタンス成分が飽和状態でないと判定した場合には第１充電率が適正値であると判定し、キャパシタンス成分が飽和状態であると判定した場合には第２充電率が適正値であると判定するようにした。この場合、キャパシタンスが飽和状態であることに起因する第１充電率の算出精度の低下による影響を抑えて、充電率の精度を高めることができる。

・キャパシタンス成分が飽和状態ではない場合においても、第１充電率の変化量に対して開放電圧の変化量が小さい場合には、開放電圧に基づく第１充電率の算出精度が低下するおそれがある。そこで、第１充電率の変化量に対して開放電圧の変化量が小さい場合には、第２充電率が適正値であると判定するようにした。この場合、開放電圧に基づく第１充電率の算出精度が低い場合において、充電率の精度を高められる。

・キャパシタンス成分が飽和状態の場合における第２蓄電量に対する現在のキャパシタンス成分に蓄えられている第１蓄電量の比率が所定の判定値以上であるか否かに応じて、キャパシタンス成分の飽和状態を判定できる。

・異なる時定数を有する複数のＲＣ並列接続対７３がある場合において、最も時定数の大きいＲＣ並列接続対７３におけるキャパシタンス成分を用いて、飽和状態の判定を行うようにした場合、第１充電率の使用頻度を高めることができる。

本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。なお以下の説明において上記と同じ構成には同じ図番号を付し、詳述は省略する。

・上記では、蓄電池１０の等価回路９０における分極電圧Ｖｐを、異なる時定数τ１，τ２を有する第１並列接続対７３ａ（Ｒ１・Ｃ１）と、第２並列接続対７３ｂ（Ｒ２・Ｃ２）とで表現している。これ以外にも等価回路９０の分極電圧Ｖｐは、少なくとも一つのＲＣ並列接続対で表現されればよい。また、異なる時定数τを有する複数の並列接続対の搭載数を増加させるほど、演算に係る負荷は増加するが、蓄電池１０のＣＣＶ（ＯＣＶ）の算出精度を高めることができる。

・上記のＳ１３では、複数のＲＣ並列接続対が有する複数のキャパシタンス成分のうち、最も時定数の大きい並列接続対におけるキャパシタンス成分を用いて、飽和状態を判定している。これ以外にも、複数の並列接続対が有する複数のキャパシタンス成分の平均値を用いて、キャパシタンス成分の飽和状態を判定してもよい。図３の例を挙げて説明すると、キャパシタンス成分Ｃ１，Ｃ２の平均値Ｃａｖｅを算出し、平均値Ｃａｖｅにおける蓄電量から飽和状態を判定してもよい。

・上記のＳ１３では、複数のキャパシタンス成分のうち、現時点で蓄電量が最大であるキャパシタンス成分を判定し、当該キャパシタンス成分を用いて飽和状態を判定してもよい。

・上記では、充電率算出部６０が電流積算にてＳＯＣｉを算出する例を示した。これ以外にも、充電率算出部６０は、電流ＩとＳＯＣｉとの対応関係を示すマップを用いて、電流ＩからＳＯＣｉを算出するものであってもよい。

・上記では、充電率算出部６０と、充電率算出部７０とを備え、各充電率算出部のいずれかで算出したＳＯＣｉ又はＳＯＣｖを適正値として判定する例を説明した。これ以外にも、充電率算出部７０のみを備える制御装置５０においても本実施形態の構成を適用可能である。この場合、等価回路９０におけるキャパシタンス成分が飽和状態の場合には、その際に充電率算出部７０で算出したＯＣＶからＳＯＣｖを算出しない。又は、ＯＣＶから算出したＳＯＣｖを無効とする。この場合、キャパシタンス成分が飽和状態ではない場合に取得したＳＯＣｖが保持される等により、充電率が設定される。

・上記のＳ１３では、キャパシタンス成分の蓄電量を用いて、キャパシタンス成分の飽和状態を判定しているが、等価回路９０における各ＲＣ並列接続対７３の電圧を用いて、キャパシタンス成分の飽和状態を判定してもよい。例えば、図３において、第２並列接続対７３ｂのキャパシタンス成分Ｃ２を用いて飽和状態を判定する場合には、第２並列接続対７３ｂの現在の電圧Ｖ２ａと、キャパシタンス成分Ｃ２が飽和状態の場合における電圧Ｖ２ｂとの比率（Ｖ２ａ／Ｖ２ｂ）を算出し、当該比率（Ｖ２ａ／Ｖ２ｂ）を用いて、キャパシタンス成分Ｃ２の飽和状態を判定してもよい。

・上記において、Ｓ１５の処理を省略してもよい。この場合、Ｓ１３で、キャパシタンス成分が飽和状態と判定した場合には、ＳＯＣｖが適正値であると判定する。一方、キャパシタンス成分が飽和状態ではないと判定した場合には、ＳＯＣｉが適正値であると判定する。

１０…蓄電池、７１…ＯＣＶ推定部、７３ｂ…第２並列接続対、８０…充電率判定部、９０…等価回路、Ｃ１…キャパシタンス成分、Ｃ２…キャパシタンス成分、Ｒ１…分極抵抗、Ｒ２…分極抵抗、Ｒｓ…内部抵抗。

Claims (5)

1. 蓄電池（１０）の開放電圧（ＯＣＶ）と、前記蓄電池の内部抵抗（Ｒｓ）と、前記蓄電池の分極抵抗（Ｒ１，Ｒ２）及びキャパシタンス成分（Ｃ１，Ｃ２）の並列接続対との直列接続で表現される前記蓄電池の閉回路電圧（ＣＣＶ）の等価回路（９０）に基づいて、前記開放電圧を算出する開放電圧算出手段（７１）と、
   前記開放電圧から、前記蓄電池の充電率を第１充電率として算出する第１充電率算出手段（７２）と、
   前記キャパシタンス成分が飽和状態であるか否かを判定する飽和状態判定手段（８０）と、
   前記キャパシタンス成分が飽和状態でないと判定した際に、前記第１充電率算出手段で算出した第１充電率が適正値であると判定し、前記キャパシタンス成分が飽和状態であると判定した際に、前記第１充電率算出手段で算出した前記第１充電率が適正値ではないと判定する充電率判定手段と、
   を備えることを特徴とする充電率算出装置。
2. 前記蓄電池を流れる電流値から、前記蓄電池の充電率を第２充電率として算出する第２充電率算出手段（６０）を備え、
   前記充電率判定手段は、前記キャパシタンス成分が飽和状態ではないと判定した場合には前記第１充電率が適正値であると判定し、前記キャパシタンス成分が飽和状態であると判定した場合には前記第２充電率が適正値であると判定する請求項１に記載の充電率算出装置。
3. 前記充電率判定手段は、前記飽和状態判定手段により前記キャパシタンス成分が飽和状態ではないと判定された場合において、前記第１充電率の変化量に対して開放電圧の変化量が所定未満の場合には、前記第２充電率が適正値であると判定する請求項２に記載の充電率算出装置。
4. 前記飽和状態判定手段は、現在の前記キャパシタンス成分に蓄えられている第１蓄電量（Ｑ１）を算出する蓄電量算出手段を備え、
   前記キャパシタンス成分が飽和状態の場合における前記キャパシタンス成分の第２蓄電量（Ｑ２）に対する前記第１蓄電量の比率が所定の判定値（α）未満の場合に、前記キャパシタンス成分が飽和状態ではないと判定し、前記第２蓄電量に対する前記第１蓄電量の比率が所定の判定値以上の場合に、前記キャパシタンス成分が飽和状態であると判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の充電率算出装置。
5. 前記等価回路は、異なる時定数を有する複数の並列接続対を備えており、前記飽和状態判定手段は、最も時定数の大きい前記並列接続対における前記キャパシタンス成分を用いて、飽和状態を判定する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の充電率算出装置。

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