JP6329725B2 - バッテリの残存電荷量推定方法およびバッテリ管理システム - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの充電および放電管理に関するものであり、特に、電流積算法とバッテリの開放電圧を用いたバッテリの残存電荷量を推定する方法および当該推定方法を用いるバッテリ管理システムに関するものである。

ハイブリッド電気自動車の電気駆動モータの動力源として用いられるリチウムイオンバッテリのような二次電池は、過放電される場合には永久的にバッテリの特性を失い、過充電される場合には爆発および火災が発生するため、充電および放電に注意を払わなければならない。バッテリの安定した充電および放電のために、バッテリの現在状態、つまり、バッテリの残存電荷量（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）を推定することは必須である。

特開２０１１−２１５１５１号公報

本発明が解決しようとする技術的課題は、安価なプロセッサおよび容量の少ないメモリを用いて残存電荷量を推定することができるバッテリの残存電荷量推定方法を提供することである。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、安価なプロセッサおよび容量の少ないメモリを用いて残存電荷量を推定することができるバッテリ管理システムを提供することである。

上記の技術的課題を達成するための、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法は、残存電荷量テーブル生成ステップと、残存電荷量計算ステップと、残存電荷量比較ステップと、処理ステップとを含む。

前記残存電荷量テーブル生成ステップは、複数の互いに異なる温度において、バッテリの充電時またはバッテリの放電時のうちの少なくとも１つの時点で、バッテリの開放電圧の変化に応じたバッテリの残存電荷量との関係を表示した２次元座標の全領域をバッテリの残存電荷量に対して複数の区間に区分し、それぞれの区間毎にバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を代表する関数情報を残存電荷量テーブルに格納する。前記残存電荷量計算ステップは、前記残存電荷量テーブルに格納された関数情報を用いて抽出した初期残存電荷量、バッテリ等価モデルに用いられた素子のパラメータ、および前記バッテリに入出力される電流量を電流積算方程式にそれぞれ適用し、バッテリの残存電荷量を計算する。前記残存電荷量比較ステップは、前記残存電荷量テーブルに格納された関数情報を用いて前記バッテリの残存電荷量を計算する当時のバッテリの電圧に対応する残存電荷量を抽出し、前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量とを比較する。前記処理ステップは、前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量との差が閾基準より小さい場合には、前記計算された残存電荷量をディスプレイする。

上記の他の技術的課題を達成するための、本発明にかかるバッテリ管理システムは、センシング抵抗と、制御スイッチ部と、プロセッサとを備える。

前記センシング抵抗は、バッテリの一端に接続される。前記制御スイッチ部は、制御信号に応答して、電流供給源から供給される電流を前記バッテリに伝達するか、前記バッテリから出力される電流を負荷に伝達する。前記プロセッサは、前記制御信号を生成し、測定されたバッテリの温度、前記バッテリの電流、および前記バッテリの開放電圧を用いて前記バッテリ等価モデルに適用された素子のパラメータを計算し、前記バッテリの温度および前記開放電圧を用いて残存電荷量テーブルを生成して格納する。

上述のように、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法およびバッテリ管理システムは、初期残存電荷量を抽出するのに用いられる残存電荷量テーブルに格納されたデータの量が少ないため、容量の少ないメモリを用いてバッテリの残存電荷量を推定することが可能であるという利点がある。

また、残存電荷量テーブルに格納されたデータを用いてバッテリの現在の残存電荷量を計算する演算の量も減少することにより、性能がやや劣るプロセッサを用いて残存電荷量の推定が可能なため、バッテリ管理システムを実現するのに必要な経費を低減することができるという利点がある。
本発明に係る

バッテリの充電時、温度に応じたバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示すグラフである。 バッテリの充電時、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法に用いる区間の区別を示す。 バッテリの充電時、３つの互いに異なる温度におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示すグラフである。 バッテリの放電時、３つの互いに異なる温度におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示すグラフである。 本発明にかかるバッテリ管理システムを示す。 本発明にかかるバッテリ管理システムの動作概念を説明する。 本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法を示す信号フロー図である。 本発明にかかるバッテリ管理システムにおいて、バッテリを充電するかバッテリを放電させる時の一定の時間期間で電流をパルス状とする方式に関するものである。 パルス状の電流およびパルス状の開放電圧を示す。 バッテリ等価モデルを示す。 バッテリ等価モデルに対するコンピュータシミュレーションの結果を示す。 充電時、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法を適用した場合を示す。 放電時、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法を適用した場合を示す。

本発明と本発明の動作上の利点および本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の例示的な実施形態を説明する添付図面および添付図面に記載された内容を参照しなければならない。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明することにより、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を示す。

図１は、バッテリの充電時、温度に応じたバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示すグラフである。

図１を参照すれば、４つの温度条件（−２０℃、０℃、２０℃、３５℃）において、ｙ軸に表示したバッテリの開放電圧の電圧レベル（ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌ）が増加する時、ｘ軸に表示したバッテリの残存電荷量（ＳＯＣ）も増加することが分かる。温度に応じて増加する傾向は互いに異なるが、バッテリの開放電圧の電圧レベルが増加する時、バッテリの残存電荷量も増加することは同様である。

本発明では、図１に示された充電時、バッテリの温度、バッテリの開放電圧、およびバッテリの残存電荷量の関係を加工し、バッテリの残存電荷量に用いられる基本データの量を最小とするだけでなく、必要な場合、バッテリの残存電荷量を演算するのに用いられる前記データのアップデートも簡単にできるようにする。

以下、特別な言及がない限り、バッテリの開放電圧は、バッテリの開放電圧の電圧レベルと同じ概念として用いられる。

発明に対する理解を容易にするために、任意の温度におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を説明する。

図２は、バッテリの充電時、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法に用いる区間の区別を示す。

バッテリの開放電圧に対応するバッテリの残存電荷量を線で結ぶと、バッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係は実線で表示することができる。実線で表示されたバッテリの残存電荷量の開放電圧が増加することによる増加傾向は区間毎に互いに異なるが、説明の便宜のために、図２には３つの区間（Ｓｔｅｐ１、Ｓｔｅｐ２、Ｓｔｅｐ３）に区別した。

垂直方向の点線で区別された３つの区間での実線は、一定の増加傾向がある。この増加傾向は非線形的な面があるとはいえ、概略的には増加傾向に対応する線形関数、すなわち、１次関数（点線）で表現することができる。１次関数は、数式１のように表現することができる。

ここで、ｘおよびｙは、変数（ｖａｒｉａｂｌｅ）、ａは、傾き（ｇｒａｄｉｅｎｔ）、そして、ｂは、切片（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）をそれぞれ意味する。

図２に示された３つの区間のうち、第１区間（Ｓｔｅｐ１）の傾きおよび切片をそれぞれａ_１およびｂ_１とする時、第２区間（Ｓｔｅｐ２）および第３区間（Ｓｔｅｐ３）の傾きおよび切片はそれぞれａ_２およびｂ_２とａ_３およびｂ_３になる。

以下、第２区間（Ｓｔｅｐ２）での傾きおよび切片を求める方法について説明する。４つのバッテリの開放電圧（ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、ｙ_４）と、これらにそれぞれ対応する４つのバッテリの残存電荷量（ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_４）によって決定される４つの点を結んだ実線線分に対応する点線線形関数の傾きａおよび切片ｂは、下記の数式２および数式３を用いて計算することができる。

ここで、ｉは、数式２および数式３に適用された４つのバッテリの残存電荷量および４つのバッテリの開放電圧を区分するための変数である。４つの地点のデータを用いる場合、ｉは１〜４の値を有することになり、したがって、自然数ｎは４になる。

残存電荷量に対するデータの精度を増加させるためには、増加傾向が互いに類似する区間を３つの区間よりも多い区間に区別すればよいが、残存電荷量テーブルに格納すべきデータが増加してしまう。したがって、残存電荷量テーブルに格納されるデータの量と残存電荷量の推定は、互いにトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）の関係にあることが分かる。

本発明では、前記のように、バッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量の特性線分を、傾きが同一または類似の複数の区間に区分し、それぞれの区間に対応する関数情報、すなわち、線形関数の傾きおよび切片を残存電荷量テーブルの作成時に適用することにより、残存電荷量テーブルに格納されるデータの量を最小化することを提案する。

図３は、バッテリの充電時、３つの互いに異なる温度におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示す。

図３の上図は、３つのバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係グラフであり、下図のテーブルは、５つの区域に区分された左側グラフを区域別関数で示したものである。

図３の上図を参照すれば、３つの実線は、充電時、３つの互いに異なるバッテリの温度（１０℃、２５℃、５０℃）におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示し、３つの点線は、３つの実線を区間毎に線形化したものである。上図の上部に示された点線は、標準温度（２５℃）の実線を線形化したものであり、中間部分の点線および下部の点線は、低い温度（１０℃）および高い温度（５０℃）の実線をそれぞれ線形化したものである。

下図に示されたテーブルを参照すれば、上図の最も上部に示された標準温度（２５℃）の線形化点線の１番目の区間での傾きおよび切片は０．４２９および３．７０３であり、３番目の区間での傾きおよび切片は０．０６８および３．７６２である。

図４は、バッテリの放電時、３つの互いに異なる温度におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示す。

図４の上図は、３つのバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係グラフであり、下図のテーブルは、５つの区域に区分された左側グラフを区域別関数で示したものである。

図４の上図を参照すれば、３つの実線は、放電時、３つの互いに異なるバッテリの温度（１０℃、２５℃、５０℃）におけるバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を示し、３つの点線は、３つの実線を区間毎に線形化したものである。上図の上部に示された点線は、高い温度（５０℃）の実線を線形化したものであり、中間部分の点線および下部の点線は、低い温度（１０℃）および標準温度（２５℃）の実線をそれぞれ線形化したものである。

下図のテーブルを参照すれば、上図の上部に示された高い温度（５０℃）の線形化点線の１番目の区間での傾きおよび切片は０．４８８および３．４６５であり、３番目の区間での傾きおよび切片は０．１１７および３．７１８である。傾きの場合、符号は省略されているが、減少する傾向を示すため、傾きは負の値を有することになる。しかし、ここでは図面の簡素化のために符号を省略した。

図３および図４に示された３つの温度に応じて異なる特性を示す線分を区分した各区間での傾きおよび切片は、数式２および数式３を利用すれば容易に求めることができるため、ここでは詳細な説明はしない。

前記説明では、各区間を１次関数に代替することについて記載したが、相対的に正確なデータが必要な場合には、これを２次関数で表現し、これらに対するデータを残存電荷量テーブルに反映することも可能であり、前記１次関数に関する説明から２次関数に対する技術的思想を誘導することが可能である。

図５は、本発明にかかるバッテリ管理システムを示す。

図５を参照すれば、本発明にかかるバッテリ管理システム５００は、温度計５０１と、電流計５０２と、電圧計５０３と、バッテリ５１０と、センシング抵抗５２０と、制御スイッチ部５３０と、電流供給源５４０と、負荷５５０と、プロセッサ５６０と、ユーザインタフェース装置５７０とを備える。

温度計５０１は、バッテリ５１０の温度を測定し、電流計５０２は、バッテリ５１０に入出力される電流の量を検出し、電圧計５０３は、バッテリの両端電圧、すなわち、開放電圧を測定する。

センシング抵抗５２０は、バッテリ５１０の一端に接続され、バッテリ５１０に供給される電流およびバッテリ５１０から出力される電流の量を測定するのに用いられる。

制御スイッチ部５３０は、プロセッサ５６０で生成された充電制御信号および放電制御信号に応答して、電流供給源５４０から供給される電流をバッテリ５１０に伝達するか、バッテリ５１０から出力される電流を負荷５５０に伝達する。制御スイッチ部５３０は、充電制御信号に応答して、電流供給源５４０から供給される電流をバッテリにスイッチングする充電制御スイッチ５３１と、放電制御信号に応答して、バッテリ５１０から出力される電流を負荷５５０にスイッチングする放電制御スイッチ５３２とを備える。

プロセッサ５６０は、第一として、充電制御信号および放電制御信号を生成し、制御スイッチ部５３０に含まれた２つのスイッチ５３１、５３２のスイッチング動作を制御する。

第二として、バッテリの温度、バッテリに供給されるかバッテリから出力される電流、およびバッテリの開放電圧をモニタし、モニタされたバッテリの温度、電流および開放電圧を用いてバッテリ等価モデルに適用された素子のパラメータを計算する。この時、等価モデルに適用された素子のパラメータを計算するために、バッテリが充電される期間中の一部期間でバッテリに供給される電流が一定の周波数を有するパルス状となるように充電制御信号を制御し、バッテリが放電される期間中の一部期間でバッテリから負荷に供給される電流が一定の周波数を有するパルス状となるように前記放電制御信号を制御する。

第三として、モニタされたバッテリの温度およびバッテリの開放電圧を用いて残存電荷量テーブルを生成して格納する。プロセッサ５６０は、複数の互いに異なる温度において、バッテリの充電時およびバッテリの放電時、バッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を２次元座標に表示し、２次元座標に表示されたデータの増加傾向または減少傾向が互いに異なる区間を区別し、それぞれの区間毎にバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を代表する線形関数の傾きおよび切片を残存電荷量テーブルに格納する。

プロセッサ５６０は、バッテリの温度、バッテリの開放電圧、および残存電荷量テーブルに格納された線形関数の傾きと切片を用いてバッテリの現在の残存電荷量を計算し、残存電荷量テーブルを参照してバッテリの残存電荷量を計算する当時のバッテリの開放電圧に応じた残存電荷量を抽出し、計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より小さい場合には、計算された残存電荷量をディスプレイすることを指示するように実現する。

計算された残存電荷量と抽出された残存電荷量との差が一定の閾値より大きい場合には、２つで動作するように選択することができる。

第一は、残存電荷量テーブルを直ちにアップデートすることを指示することである。

第二は、計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より大きいという事実と前記計算された残存電荷量とをディスプレイするように指示することである。この場合、計算された残存電荷量と抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より大きいという事実が発生したエラー回数を格納し、エラー回数が一定の基準回数より大きい場合には、残存テーブルに格納されたデータをアップデートすることを指示する。

パーソナルコンピュータのようなユーザインタフェース装置５７０は、プロセッサ５６０で果たす機能の一部を担当するものであり、必要に応じてシステムに追加して用いることができる。すなわち、複数の互いに異なる温度において、バッテリの充電時およびバッテリの放電時、バッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を表示した２次元座標の全領域を複数の区間に区分し、それぞれの区間毎にバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を代表する線形関数の傾きおよび切片を計算し、計算結果をプロセッサ５６０に伝達する。

図６は、本発明にかかるバッテリ管理システムの動作概念を説明する。

図６を参照すれば、図５に示された本発明にかかるバッテリ管理システム５００は、残存電荷量テーブル６１０の作成および格納、バッテリ等価モデルのパラメータ推定６２０、バッテリを入出力する電流量の計算６３０および残存電荷量の表示（ディスプレイ）６４０の機能を果たす。

図３および図４で説明した部分を適用すれば、残存電荷量テーブル６１０は３つの区間（Ｓｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ３）に区分し、バッテリの温度も３種類（１０℃、２５℃、５０℃）に区分した。バッテリ等価モデルのパラメータ推定６２０の実行は、再帰的最小自乗法を用いてバッテリの内部抵抗の抵抗値Ｒおよびバッテリの内部キャパシタの容量Ｃを推定する。残存電荷量テーブル６１０に格納された傾きおよび切片を用いてバッテリの初期残存電荷量ＳＯＣ_０を抽出し、バッテリを入出力する電流量を計算（６３０）した後、これらを合わせて現在のバッテリの残存電荷量を計算する。放電時、本発明にかかる残存電荷量の計算は、数式４のように表現される電流積算方程式によって求める。

ここで、ＳＯＣ（ｔ）は、時間ｔにおける残存電荷量、ＳＯＣ_０は、時間がｔ_０の時、前記残存電荷量テーブルに格納された線形関数の傾きおよび切片を用いて抽出した前記初期残存電荷量、Ｃは、バッテリ等価モデルに適用された素子の１つである内部キャパシタの容量、Ｉ（ｔ）は、時間がｔの時、バッテリに流入するかバッテリから流出する電流であり、η（ｅｔａ）は、バッテリの充放電効率をそれぞれ意味する。

数式４において、等号の右式に記載されたマイナス（−）をプラス（＋）に変えると、数式４は充電時にも適用することができる。

計算された残存電荷量は、一定の表示装置にディスプレイ（６４０）する。

図７は、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法を示す信号フロー図である。

図７を参照すれば、バッテリの残存電荷量推定方法７００は、残存電荷量テーブル生成ステップ７１０と、等価モデルに用いられた素子のパラメータ推定ステップ７２０と、残存電荷量計算ステップ７３０、７４０と、残存電荷量比較ステップ７５０と、処理ステップ７６０とを含む。

残存電荷量テーブル生成ステップ７１０は、前述のように、複数の互いに異なる温度において、バッテリの充電時およびバッテリの放電時、バッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を表示した２次元座標の全領域を複数の区間に区分し、それぞれの区間毎にバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を代表する線形関数の傾きおよび切片を残存電荷量テーブルに格納する。

パラメータ推定ステップ７２０は、バッテリの開放電圧、バッテリに流入またはバッテリから流出する電流を測定し、バッテリ等価モデルに適用された内部抵抗１００２の抵抗値Ｒおよび内部キャパシタ１００１のキャパシタンスＣを計算する。

残存電荷量計算ステップ７３０、７４０は、残存電荷量テーブルに格納された線形関数の傾きおよび切片を用いて抽出した初期残存電荷量、バッテリ等価モデルに用いられた素子のパラメータ、バッテリの開放電圧およびバッテリに入出力される電流量を数式８に表示された電流積算方程式にそれぞれ適用し、バッテリの残存電荷量を計算する。

残存電荷量比較ステップ７５０は、残存電荷量テーブルに格納された線形関数の傾きおよび切片を用いてバッテリの残存電荷量を計算する当時（ｔ）のバッテリの開放電圧に対応する残存電荷量を抽出し、抽出された残存電荷量と計算された残存電荷量とを比較し、抽出された残存電荷量と計算された残存電荷量との差が閾基準より大きい場合には、残存電荷量テーブル生成ステップを更新することを指示する。

処理ステップ７６０は、抽出された残存電荷量と計算された残存電荷量との差が閾基準より小さい場合には、計算された残存電荷量をディスプレイする。

図示していないが、処理ステップ７６０では、抽出された残存電荷量と計算された残存電荷量との差が閾基準より大きいという事実が検出されたエラー回数をさらにディスプレイさせることができる。また、検出されたエラー回数が一定の基準回数を超える場合には、残存電荷量テーブル生成ステップを更新することを指示させることも可能である。

図８は、本発明にかかるバッテリ管理システムにおいて、バッテリを充電するかバッテリを放電させる時の一定の時間期間で電流をパルス状とする方式に関するものである。

図８を参照すれば、バッテリを充電する全期間（ＣＣ充電：ＣＣ Ｃｈａｒｇｅ）中の一部期間８１０、８２０で充電制御信号を調整し、充電制御スイッチ５３１の開閉を制御することにより、電流供給源５４０からバッテリ５１０に供給される電流をパルス状とすることができる。また、バッテリ５１０が放電する全期間（ＣＶ充電：ＣＶ Ｃｈａｒｇｅ）中の一部期間８３０で放電制御信号を調整し、放電制御スイッチ５３２の開閉を制御することにより、バッテリ５１０から負荷５５０に供給する電流をパルス状とすることができる。

図９は、パルス状の電流およびパルス状の開放電圧を示す。

図９を参照すれば、電流がΔＩだけパルス状に遷移する時、これにより、開放電圧もΔＶだけパルス状に遷移する。本発明では、電流および開放電圧が遷移する期間を含む期間、すなわち、センシング期間（Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ）の電流および開放電圧のレベルを用いてバッテリ等価モデルを構成する素子のパラメータを推定することを提案する。

図８および図９に示すように、電流をパルス状に供給する理由は、供給される電流の大きさとこれに対応するバッテリの開放電圧の大きさとの関係を、バッテリ等価モデルを構成する素子のパラメータを演算する時に用いるためである。この時、パルスの周波数を調整し、バッテリに供給される電流の大きさが急に減少する時点（図示せず）の前にバッテリの開放電圧の大きさが飽和すべき条件に満足するパルス電流の周波数を決定する。

図１０は、バッテリ等価モデルを示す。

図１０を参照すれば、バッテリ等価モデル５１０は、内部抵抗１００２および内部キャパシタ１００１で定義できる。バッテリが図１０のような等価モデルで定義されると仮定する時、２つのパラメータ、すなわち、内部抵抗１００２の抵抗値Ｒおよび内部キャパシタ１００１のキャパシタンスＣは、数式５から求めることができる。バッテリ５１０に流れる電流は抵抗５２０および電流計５０２を用い、そして、バッテリ５１０の電圧は電圧計５０２を用いてそれぞれ測定する。

ここで、Ｔ_Ｓは、サンプリング時間、ｙ_ｋは、任意のサンプリング瞬間（ｋ、ｋは自然数）に測定されたバッテリの開放電圧、ｉ_ｋは、任意のサンプリング瞬間にバッテリに流れる電流、ｉ_ｋ−１は、任意のサンプリング瞬間直前のサンプリング瞬間にバッテリに流れる電流、Ｒ_０およびＣ_０はそれぞれ、内部抵抗１００２の抵抗値Ｒおよび内部キャパシタ１００１のキャパシタンスＣを求めるための初期値をそれぞれ意味し、数式５の利得Ｋ_Ｎは、数式６のように表現することができる。

数式６の補正値Ａ_Ｎは、数式７のように表現することができる。

ここで、εは、共分散値である。λは、０と１の間の値を有する忘却ファクタ（ｆｏｒｇｅｔｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）であって、既存値より現在値の重要度を定義する。

数式５ないし数式７を用いて推定した内部抵抗１００２の抵抗値Ｒおよび内部キャパシタ１００１のキャパシタンスＣを数式８に適用し、バッテリの開放電圧を計算する。

数式５ないし数式８に最小自乗法を適用すれば、数式５および数式８によって求められた２つの開放電圧ｙ、ｙ_ｋの差ｙ−ｙ_ｋが最小限になるまで、数式５の利得Ｋ_Ｎを調整する。計算された開放電圧ｙと測定された開放電圧ｙ_ｋとの差ｙ−ｙ_ｋが最小限になった時の、数式５ないし数式７から推定された内部抵抗の抵抗値Ｒおよび内部キャパシタの容量Ｃを最終的な値に固定し、これを格納して用いる。

図１１は、バッテリ等価モデルに関するコンピュータシミュレーションの結果を示す。

図１１に示されたシミュレーションの結果は、図１１に示されたバッテリ等価モデルにおいて、抵抗値を１．５Ω、キャパシタの容量を１０００ｐＦと仮定した時に得られたものである。バッテリにパルス電流Ｉを印加し、この時の電流Ｉと開放電圧Ｖを検出し、これらを数式５ないし数式７に適用すると同時に、再帰的最小自乗法で計算した。その結果、一定時間が経過した後、エラー値（ｅｒｒ）が０に収斂しながら、内部抵抗１００２の抵抗値（Ｒｅｓｕｌｔ＿Ｒ）と内部キャパシタ１００１のキャパシタンス（Ｒｅｓｕｌｔ＿Ｃ）もシミュレーションで仮定した値に近接する値（Ｒ＝１．４９９、Ｃ＝１００３）に収斂した。図９に示された実験を通じて本発明の効果を確認することができる。

図１２は、充電時、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法を適用した場合を示す。

図１３は、放電時、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法を適用した場合を示す。

図１２を参照すれば、従来のバッテリの残存電荷量テーブル１２１０には、それぞれの温度（１０℃、２５℃、５０℃）に応じた１１の残存電荷量（０、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）に対応するそれぞれ１１個ずつの開放電圧（計３３個）が格納されている。本発明にかかる残存電荷量テーブル１２２０の場合、それぞれの温度（１０℃、２５℃、５０℃）に応じた５つの区間（０〜１４、１４〜２２、２２〜６０、６０〜８０、８０〜１００）で残存電荷量（ＳＯＣ）に対応する傾きおよび切片が格納されている。従来の残存電荷量テーブル１２１０に格納されるデータ量が、本発明にかかるバッテリの残存電荷量推定方法に用いられる残存電荷量テーブル１２２０に格納されるデータ量に比べて多いことを、図１２を参照すれば容易に理解することができる。

データ量が従来の場合に比べて少ないが、本発明にかかる残存電荷量推定方法を適用し、それぞれの温度（１０℃、２５℃、５０℃）で求めた残存電荷量データ１２３０と従来の残存電荷量テーブル１２１０とを比較すると、略同じ値を有することが分かる。いくつかの区間では若干の差が存在するが、これは、線形化区間をさらに細分すれば解決できる。しかし、これは、残存電荷量テーブルの個数を増加させ、結局、メモリ領域の増加につながるため、前述のように、正確な残存電荷量の推定とメモリすべきデータ量との間には適切なトレードオフが必要である。

図１３は、図１２に関する説明を参照すれば容易に理解することができるため、ここでは詳細な説明はしない。

以上、本発明に関する技術思想を添付図面とともに述べたが、これは、本発明の好ましい実施形態を例示的に説明したものであって、本発明を限定するものではない。また、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、誰でも本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形および模倣が可能であることが自明である。

５００：バッテリ管理システム
５１０：バッテリ
５２０：センシング抵抗
５３０：制御スイッチ部
５３１：充電制御スイッチ
５３２：放電制御スイッチ
５４０：電流供給源
５５０：負荷
５６０：プロセッサ
５７０：ユーザインタフェース装置
５１０：バッテリ等価モデル
１００１：内部キャパシタ
１００２：内部抵抗

Claims (16)

1. プロセッサが、複数の互いに異なる温度において、バッテリの充電時またはバッテリの放電時のうちの少なくとも１つの時点で、バッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を表す２次元座標の全領域をバッテリの残存電荷量に対して複数の区間に区分し、それぞれの区間毎にバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を代表する関数情報を残存電荷量テーブルに格納する残存電荷量テーブル生成ステップと、
   前記プロセッサが、前記残存電荷量テーブルに格納された関数情報を用いて抽出した初期残存電荷量、バッテリ等価モデルに用いられた素子のパラメータ、前記バッテリの開放電圧、および前記バッテリに入出力される電流量を電流積算方程式に適用し、バッテリの残存電荷量を計算する残存電荷量計算ステップと、
   前記プロセッサが、前記残存電荷量テーブルに格納された関数情報を用いて前記残存電荷量計算ステップで適用された前記開放電圧に対応する残存電荷量を抽出し、前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量とを比較する残存電荷量比較ステップと、
   前記プロセッサが、前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量との差が閾基準より小さい場合には、前記計算された残存電荷量を表示装置にディスプレイする処理ステップとを含むことを特徴とするバッテリの残存電荷量推定方法。
2. 前記残存電荷量テーブル生成ステップは、
   複数の互いに異なる温度において、バッテリの開放電圧の変化に応じたバッテリの残存電荷量を測定するデータ測定ステップと、
   前記データ測定ステップで複数の互いに異なる温度別に測定されたバッテリの開放電圧の変化に応じたバッテリの残存電荷量を２次元座標に表示し、これらを線で結ぶデータ表示ステップと、
   ２次元座標に表示されたデータの増加傾向または減少傾向が互いに異なる区間を区分する区間区分ステップと、
   区分された各区間を代表する関数情報を求め、前記残存電荷量テーブルに格納する線形化係数計算ステップとを含むことを特徴とする請求項１記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
3. 前記関数情報は、線形関数の傾きおよび切片を意味し、
   前記傾きａおよび切片ｂは、数式
   

   

   

   をそれぞれ満足し、
   数式において、ｘおよびｙは、バッテリの残存電荷量およびバッテリの開放電圧をそれぞれ意味し、ｉは、前記数式に適用するためにそれぞれの区間で選択された複数のバッテリの残存電荷量およびバッテリの開放電圧を区分するための変数であり、自然数のｎは、各区間で選択されたバッテリの残存電荷量およびバッテリの開放電圧の総数であることを特徴とする請求項２記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
4. 前記残存電荷量計算ステップにおける電流積算方程式は、
   

   

   であり、
   数式において、ＳＯＣ（ｔ）は、時間ｔでの残存電荷量、ＳＯＣ_０は、時間がｔ_０の時、前記残存電荷量テーブルに格納された関数情報を用いて抽出した前記初期残存電荷量、Ｃは、バッテリ等価モデルに適用された素子の１つである内部キャパシタの容量、Ｉ（ｔ）は、時間がｔの時、バッテリに流入するかバッテリから流出する電流であり、η（ｅｔａ）は、バッテリの充放電効率であることを特徴とする請求項１記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
5. 前記プロセッサが、バッテリの開放電圧、バッテリに流入またはバッテリから流出する電流を測定し、バッテリ等価モデルに適用された抵抗の抵抗値およびキャパシタの定格容量を計算するモデルパラメータ推定ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
6. 前記モデルパラメータ推定ステップは、
   バッテリに電流を流入する場合、バッテリに電流を流入する全時間期間中の一定の時間期間には、バッテリと電流供給源との間に設けられた充電制御スイッチを、一定の周波数を有する充電制御信号を用いて開閉させることにより、バッテリに流入する電流が一定の周波数を有するパルス状となるようにし、
   バッテリから電流が流出する場合、バッテリから電流が流出する全時間期間中の一定の時間期間には、バッテリから電流が供給される負荷とバッテリとの間に設けられた放電制御スイッチを、一定の周波数を有する放電制御信号を用いて開閉させることにより、バッテリから流出する電流も一定の周波数を有するパルス状となるようにすることを特徴とする請求項５記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
7. 前記モデルパラメータ推定ステップは、
   前記パルス状の電流のレベルが遷移するとき、バッテリの電流およびバッテリの開放電圧を用いてバッテリ等価モデルに適用された抵抗の抵抗値およびキャパシタの定格容量を計算することを特徴とする請求項６記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
8. 前記処理ステップは、
   前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量との差が閾基準より大きい場合には、前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量との差が閾基準より大きいという事実と前記計算された残存電荷量とをすべてディスプレイし、
   前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量との差が閾基準より小さい場合には、前記計算された残存電荷量のみをディスプレイすることを特徴とする請求項１記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
9. 前記処理ステップは、
   前記抽出された残存電荷量と前記計算された残存電荷量との差が閾基準より大きいという事実が検出されたエラー回数をさらにディスプレイすることを特徴とする請求項８記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
10. 前記処理ステップは、
    前記検出されたエラー回数が一定の基準回数を超える場合には、前記残存電荷量テーブルに格納されたデータをアップデートすることを指示することを特徴とする請求項９記載のバッテリの残存電荷量推定方法。
11. バッテリの一端に接続され、前記バッテリに入出力される電流の量を検出するセンシング抵抗と、
    制御信号に応答して、電流供給源から供給される電流を一定の周波数のパルス状に前記バッテリに伝達するか、前記バッテリから出力される電流を一定の前記周波数のパルス状に負荷に伝達する制御スイッチ部と、
    一定の前記周波数を有する前記制御信号を生成し、温度計によって測定されたバッテリの温度、電流計によって測定された前記バッテリの電流、および電圧計によって前記バッテリの両端電圧を測定して求められた開放電圧を用いて前記バッテリの等価モデルに適用された素子のパラメータを計算し、前記バッテリの温度および前記開放電圧を用いて残存電荷量テーブルを生成し、前記残存電荷量テーブルを内部に格納するプロセッサとを備え、
    前記プロセッサは、複数の互いに異なる温度において、バッテリの充電時またはバッテリの放電時のうちの少なくとも１つの時点で、バッテリの開放電圧の変化に応じたバッテリの残存電荷量の関係を２次元座標に表し、２次元座標に表されたデータの増加傾向または減少傾向が互いに異なる区間を区別し、それぞれの区間毎にバッテリの開放電圧とバッテリの残存電荷量との関係を代表する関数情報を残存電荷量テーブルに格納することを特徴とするバッテリ管理システム。
12. 前記制御信号は、充電制御信号および放電制御信号からなり、
    前記制御スイッチ部は、
    前記充電制御信号に応答して、前記電流供給源から供給される電流を前記バッテリにスイッチングする充電制御スイッチと、
    前記放電制御信号に応答して、前記バッテリから出力される電流を前記負荷にスイッチングする放電制御スイッチとを備えることを特徴とする請求項１１記載のバッテリ管理システム。
13. 前記関数情報は、線形関数の傾きおよび切片を意味し、
    前記傾きａおよび切片ｂは、数式
    

    

    

    をそれぞれ満足し、
    数式において、ｘおよびｙは、バッテリの残存電荷量およびバッテリの開放電圧をそれぞれ意味し、ｉは、前記数式に適用するためにそれぞれの区間で選択された複数のバッテリの残存電荷量およびバッテリの開放電圧を区分するための変数であり、自然数のｎは、各区間で選択されたバッテリの残存電荷量およびバッテリの開放電圧の総数であることを特徴とする請求項１１記載のバッテリ管理システム。
14. 前記プロセッサは、
    前記バッテリの温度、前記バッテリの開放電圧、および前記残存電荷量テーブルに格納された線形関数の傾きと切片を用いてバッテリの現在の残存電荷量を計算し、前記残存電荷量テーブルを参照して前記バッテリの前記現在の残存電荷量が計算される時点のバッテリの開放電圧に応じた残存電荷量を抽出し、
    前記計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾値より大きい場合には、前記計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より大きいという事実と前記計算された残存電荷量とをディスプレイするように指示し、
    前記計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より小さい場合には、前記計算された残存電荷量をディスプレイすることを指示することを特徴とする請求項１３記載のバッテリ管理システム。
15. 前記プロセッサは、
    前記計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より大きい場合には、前記計算された残存電荷量と前記抽出された残存電荷量との差が一定の閾基準より大きいという事実が発生したエラー回数を格納し、前記エラー回数が一定の基準回数より大きい場合には、残存テーブルに格納されたデータをアップデートすることを指示することを特徴とする請求項１４記載のバッテリ管理システム。
16. 前記プロセッサは、
    前記バッテリの等価モデルに適用された素子のパラメータを計算するために、前記バッテリが充電される期間中の一部時間の間で前記バッテリに供給される電流が一定の周波数を有するパルス状となるように前記充電制御信号を制御し、前記バッテリが放電される期間中の一部時間の間で前記バッテリから負荷に供給される電流が一定の周波数を有するパルス状となるように前記放電制御信号を制御することを特徴とする請求項１２記載のバッテリ管理システム。

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