JP6575548B2

JP6575548B2 - 電池状態推定装置

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Publication number: JP6575548B2
Application number: JP2017056058A
Authority: JP
Inventors: 泰正小熊; 逢坂　哲彌; 哲彌逢坂; 時彦横島; 信悟津田; 和明内海; 大吉向山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: CN108627771A; JP2018159586A; CN108627771B; US10649036B2; US20180275201A1

Description

本発明は、車両等に搭載される電池の状態を推定する電池状態推定装置の技術分野に関する。

この種の装置として、電池のインピーダンスを解析することで、電池の充電量や劣化状態等を推定するものが知られている。例えば特許文献１では、周波数の異なる２つ以上の複素インピーダンスを結んだ直線の傾き角度から、電池の充電量を検出するという技術が提案されている。また特許文献２では、蓄電装置内のイオンが追従し難い周波数の信号で内部インピーダンスを測定し、測定値から蓄電装置内部の温度を算出するという技術が提案されている。

また、電池のインピーダンスを算出する方法として、例えば特許文献３では、入力した矩形波信号に対する応答信号をフーリエ変換し、算出された周波数特性に基づいて電気化学セルのインピーダンス特性を算出するという技術が開示されている。

国際公開２０１３／１１４６６９号国際公開２０１３／０１８６４１号特開２０１４−１２６５３２号公報

電池のインピーダンスは、電荷移動等に起因するため、温度依存性が極めて大きい。このため、例えば±５℃程度の温度変化でも、インピーダンスに基づいて電池の状態を推定することは難しくなる。

電池の温度は温度センサ等を用いて検出することもできるが、このようなセンサで検出された温度と、実際の電池内部の温度とは必ずしも一致しない。また、電池内には面内或いは空間内温度バラツキが存在しているため、インピーダンスと対応づけるべき温度をピンポイントで検出することも難しい。なお、特許文献２に記載の技術では、温度依存性の影響を受け難い周波数領域を用いて電池の内部温度を検出しているが、高い周波数領域の抵抗成分には、端子抵抗、電極体内部の電子抵抗、電解質抵抗があり、温度依存性を示す電解質抵抗以外の抵抗が変化すると、測定精度が極端に低下してしまう。

特許文献１に記載の技術では、インピーダンスを用いて電池の状態を検出するものであるが、電池の温度については何ら考慮されていない。このため、周波数が同一であっても電池の温度次第では検出されるインピーダンスの値が異なる値となり、結果として、電池の状態を正確に検出できなくなるという技術的問題点が生ずる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、インピーダンスを用いて電池の状態を正確に推定することが可能な電池状態推定装置を提供することを課題とする。

＜１＞
相異なる複数の温度で電池の複素インピーダンスを取得する取得手段と、前記複素インピーダンスの実数成分及び虚数成分を軸とする複素平面上で、前記取得された複数の前記複素インピーダンスの第１所定周波数における値を互いに結んだ第１直線の傾き、又は、前記複数の複素インピーダンスの第２所定周波数における値を互いに結んだ直線と前記実数成分の軸との交点が前記第２所定周波数を変化させた場合に収束する点と、前記複数の複素インピーダンスの少なくとも一つの前記第２所定周波数における値とを結んだ第２直線の傾きを、インピーダンス傾きとして算出する算出手段と、前記電池の温度が所定の温度領域にあるか否かを判定する判定手段と、前記インピーダンス傾きと、前記電池に係る電池状態との関係を予め記憶する記憶手段と、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定された場合に、前記算出手段で算出された前記インピーダンス傾きと、前記記憶手段に記憶された前記関係とに基づいて、前記電池に係る電池状態を推定する推定手段とを備える。

本発明の電池状態推定装置によれば、相異なる複数の温度で取得された複素インピーダンスから、複素平面上でのインピーダンス傾きが算出される。具体的には、インピーダンス傾きは、複数の複素インピーダンスの第１所定周波数における値を互いに結んだ第１直線（近似直線でもよい）の傾き、又は、複数の複素インピーダンスの第２所定周波数における値を互いに結んだ直線（近似直線でもよい）と実数成分の軸との交点が第２所定周波数を変化させた場合に収束する点と、複数の複素インピーダンスの少なくとも一つの第２所定周波数における値とを結んだ第２直線（近似直線でもよい）の傾きとして算出される。

本願発明者の研究するところによれば、インピーダンス傾きを用いれば、複素インピーダンスの温度依存性による影響を排除して、正確な電池状態を推定できることが判明している。即ち、電池の温度によらず電池状態を推定することができる。なお「電池状態」とは、例えば、充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）や劣化状態（ＳＯＨ：State Of Health）などの、時間の経過と共に変化し得る或いは時刻により異なり得る、電池の定量的な或いは定性的な性質をいい、ここでは特にデータとして示されるものをいう。

他方で、仮にインピーダンス傾きを用いて温度依存性を排除できたとしても、特定の温度領域においては、正確に電池状態を推定できないことも判明している。このため本発明では、電池の温度が所定の温度領域にあると判定された場合に、インピーダンスの傾きに基づいて電池状態が推定される。ここに「所定の温度領域」とは、インピーダンス傾きを利用することで、電池の温度によらずに電池状態を推定可能な温度領域（言い換えれば、電池状態を正確に推定できない領域以外の領域）として設定されている。また、判定手段における電池の温度に関する判定は、電池の温度が上述した電池状態を正確に推定できない温度領域であるか否かを判定できるような情報であればよく、具体的な温度を示すような情報を用いることは求められない。従って、本発明によれば、電池状態を推定するに際し、高精度な温度検出や温度調整等を行うことなく、好適に電池状態を推定できる。

＜２＞
本発明の電池状態推定装置の一態様では、前記推定手段は、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定された場合に、前記電池に係る電池状態を推定しない。

この態様によれば、電池の温度が所定の温度領域でない場合には、電池状態が推定されないため、誤った電池状態が推定されてしまうことを防止できる。

＜３＞
上述した判定手段を含む態様では、前記判定手段は、（ｉ）前記第１又は第２直線と、前記実数成分の軸との交点に関する情報を取得し、（ｉｉ）前記交点が所定範囲内に収まる場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定し、（ｉｉｉ）前記交点が前記所定範囲内に収まらない場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定してもよい。

この場合、第１又は第２直線と、複素平面を規定する実数軸との交点が所定範囲内に収まるか否かによって、電池の温度が所定の温度領域であるか否かが判定される。ここに「所定範囲」とは、電池の温度が所定の温度領域である場合に、上記交点の分布が収束する範囲として設定されるものである。交点の分布は温度依存性を有しているため、交点の分布が収束するか否かによって、電池の温度を間接的に推定できる。よって本態様では、電池の温度を直接検出するようなことをせずとも、複素インピーダンスから電池の温度が所定の温度領域であるか否かを判定できる。従って、極めて好適に推定処理を実行するか否かを判断することができる。

＜４＞
上述した判定手段を含む態様では、前記判定手段は、（ｉ）前記第１又は第２直線の傾きに関する情報を取得し、（ｉｉ）前記第１又は第２直線の傾きが所定の傾き範囲内にある場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定し、（ｉｉｉ）前記第１又は第２直線の傾きが所定の傾き範囲内にない場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定してもよい。

この場合、第１又は第２直線の傾きが所定の傾き範囲内にあるか否かによって、電池の温度が所定の温度領域であるか否かが判定される。ここに「所定の傾き範囲」とは、電池の温度が所定の温度領域である場合の、第１又は第２直線の傾きに対応する値を示す範囲として設定されるものである。本態様では、電池の温度を直接検出するようなことをせずとも、複素インピーダンスから電池の温度が所定の温度領域であるか否かを判定できる。従って、極めて好適に推定処理を実行するか否かを判断することができる。

＜５＞
上述した判定手段を含む態様では、前記判定手段は、（ｉ）前記取得手段が前記複数の複素インピーダンスを取得したときの又は取得する前の前記電池の温度である取得温度を取得し、（ｉｉ）前記取得温度が前記所定の温度領域にある場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定し、（ｉｉｉ）前記取得温度が前記所定の温度領域にない場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定してもよい。

この場合、複素インピーダンスが取得されたとき、又は取得される前（好ましくは直前）の電池の温度である取得温度が所定の温度領域にあるか否かによって、電池の温度が所定の温度領域であるか否かが判定される。従って、好適に推定処理を実行するか否かを判断することができる。

＜６＞
本発明の電池状態推定装置の他の態様では、前記算出手段は、前記取得手段が取得した前記複数の複素インピーダンスのうち、（ｉ）前記電池の温度が前記所定の温度領域にある状態で取得された複素インピーダンスを用いる一方で、（ｉｉ）前記電池の温度が前記所定の温度領域にない状態で取得された複素インピーダンスを用いることなく、前記インピーダンス傾きを算出する。

この態様によれば、取得された複数の複素インピーダンスのうち、電池の温度が所定の温度領域にない状態で取得された複素インピーダンスが、インピーダンス傾きの算出に用いられない。即ち、取得された複数の複素インピーダンスのうち、電池の温度が所定の温度領域にある状態で取得された複素インピーダンスのみから、インピーダンス傾きが算出される。これにより、電池状態の推定に利用すべきでない複素インピーダンスの影響を排除して電池状態を推定することができ、結果的に正確な電池状態を推定することが可能となる。

＜７＞
本発明の電池状態推定装置の他の態様では、前記電池状態は、前記電池の充電量を示す値を含む。

この態様によれば、電池の充電量を示す値（例えば、ＳＯＣ）を推定することができる。

＜８＞
本発明の電池状態推定装置の他の態様では、前記電池状態は、前記電池の劣化度を示す値を含む。

この態様によれば、電池の劣化状態を示す値（例えば、ＳＯＨ）を推定することができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

第１実施形態に係る電池状態推定装置の構成を示すブロック図である。ＳＯＣ９０％時のインピーダンス傾きの一例を示すグラフである。ＳＯＣ９５％時のインピーダンス傾きの一例を示すグラフである。ＳＯＣ１００％時のインピーダンス傾きの一例を示すグラフである。インピーダンス傾きとＳＯＣとの関係を示すマップである。インピーダンス傾きとＳＯＨとの関係を示すマップである。インピーダンス傾きを示す直線とＸ軸との交点を示すグラフである。インピーダンス傾きを示す直線とＸ軸との交点の分布が、特定の周波数帯で収束することを示すグラフである。原点からのインピーダンス傾きの周波数特性を示す図である。補正基準点からのインピーダンス傾きの周波数特性を示す図である。バッテリ温度と補正基準点との関係を示すマップである。バッテリ温度と補正基準点からの傾きとの関係を示すマップである。第１実施形態に係る電池状態推定装置の動作の流れを示すフローチャートである。第２実施形態に係る電池状態推定装置の動作の流れを示すフローチャートである。第３実施形態に係る電池状態推定装置の動作の流れを示すフローチャートである。第４実施形態に係る電池状態推定装置の動作の流れを示すフローチャートである。

図面を参照しながら、本発明の電池状態推定装置の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る電池状態推定装置１００について説明する。以下では、電池状態推定装置１００が、車両のバッテリに係る電池状態を推定する装置として構成されている場合を例に挙げて説明する。

（１）装置構成
まず、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００は、車両のバッテリ１０に電気的に接続された電子ユニットであり、バッテリ１０の電池状態であるＳＯＣを推定する装置として構成されている。なお、バッテリ１０は、「電池」の一具体例であり、例えばリチウムイオン電池等の充電可能な液系二次電池として構成されている。

電池状態推定装置１００は、その内部に実現される論理的な又は物理的な処理ブロックとして、インピーダンス取得部１１０、傾き算出部１２０、温度判定部１３０、記憶部１４０、電池状態推定部１５０を備えて構成されている。

インピーダンス取得部１１０は、「取得手段」の一具体例であり、バッテリ１０の複素インピーダンスを取得可能に構成されている。インピーダンス取得部１１０は、例えばバッテリ１０に対して周波数を変化させながら交流電圧を印加することで、複素インピーダンスを取得する。なお、複素インピーダンスの取得方法には既存の技術を適宜採用できるため、ここでの詳細な説明は省略する。インピーダンス取得部１１０で取得されたバッテリ１０の複素インピーダンスは、傾き算出部１２０に出力される構成となっている。

傾き算出部１２０は、「算出手段」の一具体例であり、バッテリ１０のインピーダンス傾きを算出可能に構成されている。傾き算出部１２０は、インピーダンス取得部１１０で取得された複数の複素インピーダンスについて、複素平面上で第１所定周波数に対応する値同士を結ぶ直線（近似直線でもよい）を描き、その直線の傾きをインピーダンス傾きとして算出する。「第１所定周波数」は、インピーダンス傾きを算出するために予め設定される値であり、複素インピーダンスを取得するためにバッテリ１０に印加される交流電圧の周波数の範囲内から適宜選択される。傾き算出部１２０で算出されたインピーダンス傾きは、温度判定部１３０及び電池状態推定部１５０に出力される構成となっている。

温度判定部１３０は、「判定手段」の一具体例であり、傾き算出部１２０で算出されたインピーダンス傾きに基づいて、バッテリ１０の温度が所定の温度領域内であるか否かを判定可能に構成されている。「所定の温度領域」は、インピーダンス傾きからバッテリ１０のＳＯＣやＳＯＨを推定するのに適した温度領域として予め設定されている。温度判定部１３０による判定処理の具体的な内容については、後に詳述する。温度判定部１３０による判定結果は、電池状態推定部１５０に出力される構成となっている。

記憶部１４０は、「記憶手段」の一具体例であり、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んで構成されている。記憶部１４０は、事前のシミュレーション結果等から導き出されたバッテリ１０のインピーダンス傾きと、ＳＯＣ又はＳＯＨとの関係を記憶している。より具体的には、例えばＳＯＣが判明している状態でインピーダンス傾きを算出するという作業を、ＳＯＣを変化させながら繰り返し、その際のインピーダンス傾きとＳＯＣとを関連付けたものが、記憶部１４０に記憶されている。なお、インピーダンス傾きとＳＯＣ又はＳＯＨとの関係が特定の数式で表せるような場合には、記憶部１４０は、その数式を記憶していてもよい。記憶部１４０に記憶された情報は、電池状態推定部１５０に適宜出力される構成となっている。

電池状態推定部１５０は、「推定手段」の一具体例であり、バッテリ１０のインピーダンス傾きから、ＳＯＣ又はＳＯＨ（即ち、「電池状態」）を推定可能に構成されている。電池状態推定部１５０は、傾き算出部１２０で算出された複素インピーダンスと、記憶部１４０から読み出した複素インピーダンス及びＳＯＣの関係とに基づいて、バッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する。ただし、電池状態推定部１５０がバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する処理を実行するか否かは、後述するように温度判定部１３０の判定結果によって決定される。電池状態推定部１５０は、推定したバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨの値を出力可能に構成されている。

（２）インピーダンス傾き
次に、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００で用いられるインピーダンス傾きについて、図２から図４を参照して説明する。図２は、ＳＯＣ９０％時のインピーダンス傾きの一例を示すグラフである。図３は、ＳＯＣ９５％時のインピーダンス傾きの一例を示すグラフである。図４は、ＳＯＣ１００％時のインピーダンス傾きの一例を示すグラフである。

なお、図２から図４では、説明の便宜上、バッテリ１０のＳＯＣが正確に分かっている状態で取得された複素インピーダンスが示されている。また、複素インピーダンスが取得された際のバッテリ１０の温度についても、５℃、０℃、−５℃と正確に分かっている状態であるが、インピーダンス傾きを算出する際には、必ずしもバッテリ１０の正確な温度が判明していることは要求されない（即ち、相異なる温度で取得されたものであれば、具体的な温度の値は不明であってもよい）。

図３に示すように、バッテリ１０のＳＯＣが９０％である場合、バッテリ１０の温度が５℃、０℃、−５℃の状態で取得された複素インピーダンスを複素平面上に夫々プロットすると、温度が低くなる毎に右側にスライドするような別曲線として描かれる。これらの複素インピーダンスの第１所定周波数（ここでは、１５．８ｍＨｚ）に対応する値を結ぶ直線（具体的には、当該値から導出される近似直線）を描くと、その直線の傾きは“−０．１６３”となる。よって、この場合のインピーダンス傾きは、“−０．１６３”として算出される。

図４に示すように、バッテリ１０のＳＯＣが９５％である場合、バッテリ１０の温度が５℃、０℃、−５℃の状態で取得された複素インピーダンスを複素平面上に夫々プロットし、これらの複素インピーダンスの第１所定周波数（即ち、１５．８ｍＨｚ）に対応する値を結ぶ直線を描くと、その直線の傾きは“−０．１８７”となる。よって、この場合のインピーダンス傾きは、“−０．１８７”として算出される。

図５に示すように、バッテリ１０のＳＯＣが１００％である場合、バッテリ１０の温度が５℃、０℃、−５℃の状態で取得された複素インピーダンスを複素平面上に夫々プロットし、これらの複素インピーダンスの第１所定周波数（即ち、１５．８ｍＨｚ）に対応する値を結ぶ直線を描くと、その直線の傾きは“−０．３１２”となる。よって、この場合のインピーダンス傾きは、“−０．３１２”として算出される。

以上のように、本実施形態に係る「インピーダンス傾き」は、複数の温度条件下で取得されたバッテリ１０の複素インピーダンスについて、第１所定周波数に対応する値を結ぶ直線の傾きとして算出される。

（３）ＳＯＣ及びＳＯＨの算出方法
次に、上述したインピーダンス傾きを用いて、バッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを算出する方法について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、インピーダンス傾きとＳＯＣとの関係を示すマップである。図６は、インピーダンス傾きとＳＯＨとの関係を示すマップである。

図５に示すように、本願発明者の研究するところによれば、バッテリ１０のＳＯＣが大きくなるほど、インピーダンス傾きの絶対値も大きくなることが判明している。この関係は、図２から図４に示すデータからも明らかであり、ＳＯＣが９０％、９５％、１００％と上昇するのに応じて、インピーダンス傾きも“−０．１６３”、“−０．１８７”、“−０．３１２”と、その絶対値が徐々に大きくなっている。

この結果、相異なる複数の温度で取得された複素インピーダンスを用いて、インピーダンス傾きを算出できれば、その傾きの値から、バッテリ１０のＳＯＣを好適に推定することが可能である。具体的には、記憶部１３０が図６に示すようなマップを記憶していれば、算出されたインピーダンス傾きに対応するＳＯＣの値を簡単に導き出せる。

また、複素インピーダンスそのものは温度依存性を有する値であるが、本実施形態では、図２から図４で説明したようにインピーダンス傾きを算出したことで、インピーダンス傾きとＳＯＣとの関係が、ほとんど温度依存性を有しないものとなっている。即ち、バッテリ１０の温度が変化したとしても、図５に示す関係に変化はほとんど生じない。よって、例えばバッテリ１０の正確な温度の検出が困難な状況であっても、バッテリ１０のＳＯＣを正確に推定することができる。

図６に示すように、本願発明者の研究するところによれば、バッテリ１０のＳＯＣとインピーダンス傾きとの関係は、バッテリ１０が初期品であるか、それとも劣化品であるかによって異なるものとなることが判明している。これは、バッテリ１０のＳＯＨによって、バッテリ１０から取得される複素インピーダンスが変化することに起因している。

バッテリ１０の初期品と劣化品とでは、各ＳＯＣに対応するインピーダンス傾きの値も異なるが、その変化傾向も異なっている。具体的には、ＳＯＣが８０％から９０％に変化する場合、初期品ではＳＯＣの増加に伴いインピーダンス傾きが減少するが、劣化品ではＳＯＣの増加に伴いインピーダンス傾きも増加している。このため、ＳＯＣが増減する場合のインピーダンス傾きの変動傾向に着目すれば、バッテリ１０のＳＯＨを推定することができる。

なお、バッテリ１０のＳＯＨとインピーダンス傾きとの関係についても、温度依存性の影響は排除されている。よって、インピーダンス傾きを利用すれば、バッテリ１０の温度によらず、正確にバッテリ１０のＳＯＨを推定することが可能である。

（４）インピーダンス傾きの補正
次に、インピーダンス傾きをより一層適切な値とするための補正処理について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、インピーダンス傾きを示す直線とＸ軸との交点を示すグラフである。図８は、インピーダンス傾きを示す直線とＸ軸との交点の分布が、特定の周波数帯で収束することを示すグラフである。

すでに説明したように、インピーダンス傾きを利用すれば、温度依存性の影響を抑制しつつ、バッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定することができる。しかしながら、上述したように、複素インピーダンスの第１所定周波数の値を結んだ直線の傾きを利用するだけでは、温度依存性の影響を完全に排除することができない場合がある。このため、傾き算出部１２０は、以下に詳述するように、算出したインピーダンス傾きを補正する処理を行ってもよい。

図７に示すように、インピーダンス傾きを補正する際には、傾き算出部１２０は、複数の複素インピーダンスの第２所定周波数に対応する値を互いに結ぶ直線を算出し、その直線と複素平面のＸ軸（即ち、実数成分の軸）との交点を算出する。図７に示す例では、第２所定周波数が、０．０１Ｈｚ、０．１Ｈｚ、１Ｈｚの３つに変更され、３本の直線及びそれらの直線とＸ軸との交点である３つの交点が算出されている。ここで、本願発明者の研究するところによれば、複数の直線とＸ軸との交点は、特定の周波数範囲において１つの点に収束することが判明している。

図８に示すように、第２所定周波数が０．０１Ｈｚから０．１Ｈｚの範囲内では、複数の交点が極めて狭い範囲に収束している。傾き算出部１２０は、このように複数の交点が収束する点を補正基準点として決定する。傾き算出部１２０は、例えば収束する複数の交点（即ち、図中の破線で囲んだ交点）の位置を平均した値を、補正基準点の位置として決定することができる。

補正基準点が決定されると、傾き算出部１２０は、補正基準点に基づいてインピーダンス傾きを補正する。より具体的には、補正基準点と、複数の複素インピーダンスのうちいずれかの第１所定周波数に対応する値とを結ぶ直線（具体的には、近似直線）の傾きを、インピーダンス傾きとする。つまり、インピーダンス傾きは、補正基準点を通る直線の傾きとして補正される。

次に、補正基準点を用いた補正によって得られる技術的効果について、図９及び図１０を参照して詳細に説明する。図９は、原点からのインピーダンス傾きの周波数特性を示す図である。図１０は、補正基準点からのインピーダンス傾きの周波数特性を示す図である。

図９に示すように、原点からのインピーダンス傾きの周波数特性は、０℃の場合を基準とすると、５℃の場合、及び−５℃の場合いずれにおいても、ある程度の角度差（傾きの差）が生じたものとなる。これは、単に原点からのインピーダンス傾きを算出しただけでは、温度依存性の影響が排除できていないことを示している。

一方、図１０に示すように、補正基準点からのインピーダンス傾きの周波数特性は、０．０１Ｈｚから０．１Ｈｚの範囲（図中の破線で囲んだ範囲）で、０℃を基準とした場合の角度差が消失している。これは、補正基準点を通る直線でインピーダンス傾きを補正したことで、０．０１Ｈｚから０．１Ｈｚの範囲における温度依存性の影響をほぼ完全に排除できたことを示している。この効果は、第１所定周波数の値を結ぶ直線から複素インピーダンスを算出した場合と比べても高くなる。

以上説明したように、補正基準点を利用してインピーダンス傾きを補正すれば、より好適にバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定することが可能となる。

（４）電池状態の推定時に発生し得る問題点
次に、インピーダンス傾きを利用してバッテリ１０のＳＯＣやＳＯＨを推定する場合に起こり得る問題点について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は、バッテリ温度と補正基準点との関係を示すマップである。図１２は、バッテリ温度と補正基準点からの傾きとの関係を示すマップである。

本願発明者の研究するところによれば、仮にインピーダンス傾きを用いて温度依存性を排除できたとしても、一部の温度領域においては、正確に電池状態を推定できないことが判明している。具体的には、バッテリ１０の温度が所定の温度領域内である場合には、複素インピーダンスとＳＯＣ又はＳＯＨとの関係が安定するため、正確にバッテリ１０の電池状態を推定できる一方で、所定の温度領域以外の一部の領域では、複素インピーダンスとＳＯＣ又はＳＯＨとの関係が安定せず、結果としてバッテリ１０の電池状態を正確に推定できなくなるおそれがあることが分かっている。

例えば図１１に示すデータは、相異なる複数の温度で取得された複数のインピーダンスについて、０．０３Ｈｚに対応する値を結ぶ直線と、Ｘ軸との交点（即ち、補正基準点）を算出して、バッテリ１０の温度との関係をマッピングしたものである。なお、図１１のグラフにおける温度は、補正基準点を算出する際に用いた複数のインピーダンスの中心温度に対応している。例えば、温度２０℃に対応する補正基準点は、２０℃±５℃（即ち、１５℃、２０℃、２５℃）で取得された複素インピーダンスを用いて算出されたものである。

図を見ても分かるように、例えば−１０℃から１０℃の第１範囲、２０℃から３０℃の第２範囲、４０℃から５０℃の第３範囲の各々では、バッテリ１０の温度が変化しても交点の位置は殆ど変化しない（即ち、一定である）。しかしながら、第１範囲及び第２範囲の中間に位置するバッテリ１０の温度が１０℃から２０℃の範囲では、Ｘ軸との交点の位置は大きく変動している。また、第２範囲及び第３範囲の中間に位置するバッテリ１０の温度が３０℃から４０℃の範囲でも、比較的小さい変動ではあるが、明らかにＸ軸との交点の位置は変動している。これは、０．０３Ｈｚとは異なる周波数に対応する値を結ぶ直線と、Ｘ軸（即ち、実数成分軸）との交点についても同様である。

図１２に示すように補正基準点の位置が変動することにより、当該交点が収束する補正基準点もまたバッテリ１０の温度によって変動する。その結果、補正基準点と複数の複素インピーダンスのうち、いずれかの第１所定周波数に対応する値とを結ぶ直線の傾き（つまり、図７及び図８で説明した補正後のインピーダンス傾きに対応する値）もバッテリ１０の温度によって変動する。更には、複数の複素インピーダンスの第１所定周波数に対応する値を結ぶ直線の傾き（つまり、補正前のインピーダンス傾き）も当然に、バッテリ１０の温度によって変動する。このため、インピーダンス傾きが一定となる領域以外の領域、具体的には変動幅が比較的大きい第１変動領域及び変動幅は比較的小さい第２変動領域では、インピーダンス傾きとＳＯＣ又はＳＯＨとの関係が崩れ、バッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＣを正確に推定することができない。言い換えれば、第１変動領域及び第２変動領域で、他の温度領域と同様にＳＯＣやＳＯＨを推定してしまうと、実際の値とは異なる誤った値が推定されてしまうおそれがある。

本実施形態に係る電池状態推定装置１００は、このような技術的問題点を解決するために、以下に詳述する動作を実行する。

（６）動作説明
第１実施形態に係る電池状態推定装置１００の具体的な動作の流れについて、図１３を参照して簡単に説明する。図１３は、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。

図１３に示すように、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作時には、まずインピーダンス取得部１１０が、バッテリ１０の複素インピーダンスを、バッテリ１０の内部温度が相異なる複数の温度条件下で取得する（ステップＳ１０１）。即ち、インピーダンス取得部１１０は、相異なる温度に対応する複数の複素インピーダンスを取得する。この際、複数の複素インピーダンスの各々は、推定しようとする電池状態（即ち、ＳＯＣやＳＯＨ）が互いに同じ、或いはほとんど同じとみなせる状態で夫々取得されることが好ましい。よって、複数の複素インピーダンスが長期間かけて取得されることは好ましくない。なお、バッテリ１０の温度は極めて少量の放電等でも大きく変動するため、ＳＯＣやＳＯＨがほぼ同じ状態でも、相異なる複数の温度条件下で複素インピーダンスを取得することができる。

複素インピーダンスが取得されると、傾き算出部１２０は、取得された複数の複素インピーダンスから、インピーダンス傾きを算出する（ステップＳ１０２）。即ち、図２から図４に示したように、複数の複素インピーダンスの第１所定周波数に対応する値を結ぶ直線の傾きを、インピーダンス傾きとして算出する。また、傾き算出部１２０は、算出したインピーダンス傾きについて、図７及び図８で説明した補正処理を行ってもよい。即ち、インピーダンス傾きは、補正基準点を基準とした傾きに補正されてもよい。

インピーダンス傾きが算出されると、温度判定部１３０が、複数の補正基準点が所定範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。即ち、インピーダンス傾きを補正する際に算出された複数の補正基準点が、予め設定された範囲内に収束しているか否かが判定される。「所定範囲」は、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適しているか否かを判定するために予め設定される範囲である。なお、補正基準点が１つしか算出されていない場合、或いはインピーダンス傾きの補正処理が実行されていない場合には、この段階で新たに複数の補正基準点が算出されればよい。

すでに図１１に示したように、バッテリのＳＯＣやＳＯＨを推定するのに適した温度領域では、補正基準点が一定の値に収束することが分かっている。このため、補正基準点が所定範囲に収束しているか否かによって、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適した範囲であるか否かを判定できる。

補正基準点が所定範囲内に収まっていると判定された場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、電池状態推定部１５０は、記憶部１４０から、予め記憶されたインピーダンス傾きとＳＯＣとの関係を読み出し（ステップＳ１０４）、算出されたインピーダンス傾きから、現在のバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する（ステップＳ１０５）。続いて、電池状態推定部１５０は、推定したバッテリ１０のＳＯＣの値を外部に出力する（ステップＳ１０６）。出力されたＳＯＣの値は、例えば車両の搭乗者が視認可能なディスプレイに表示されたり、車両の走行制御に利用されたりする。

他方で、補正基準点が所定範囲に収まっていないと判定された場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適した領域ではないと判断され、ステップＳ１０４からＳ１０６の処理は実行されない。このため、正確でないＳＯＣやＳＯＨが出力されてしまうことを防止できる。なお、第１実施例に係るバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する一連の処理は以上で終了となるが、例えば所定期間経過後に、再びステップＳ１０１から処理が開始されてもよい。

以上説明したように、第１実施形態に係る電池状態推定装置１００によれば、インピーダンス傾きと、補正基準点から判定されるバッテリ１０の温度領域を利用することで、好適にバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定することができる。なお、本実施形態では、バッテリ１０の温度が適切な領域であるかを判定するために、バッテリ１０の温度を直接的或いは間接的に示すパラメータを取得することが要求されるが、バッテリ１０の温度が所定の温度領域内であるか否かを判定できる程度の情報であればよく、例えばバッテリ１０の温度を高精度で検出することが要求されるわけではない。このため、バッテリ１０の正確な温度を検出できないような状況下でも、好適にＳＯＣ又はＳＯＨを推定することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る電池状態推定装置について説明する。なお、第２実施形態は、上述した第１実施形態と比べて、一部の動作が異なるのみであり、その他の部分については概ね同様である。このため、以下では、すでに説明した第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

第２実施形態に係る電池状態推定装置１００の具体的な動作の流れについて、図１４を参照して簡単に説明する。図１４は、第２実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。なお、図１４では、図１３で示した処理と同様の処理に同一の参照符号を付している。

図１４に示すように、第２実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作時には、まずインピーダンス取得部１１０が、バッテリ１０の複素インピーダンスを、バッテリ１０の内部温度が相異なる複数の温度条件下で取得する（ステップＳ１０１）。そして、複素インピーダンスが取得されると、傾き算出部１２０は、取得された複数の複素インピーダンスから、インピーダンス傾きを算出する（ステップＳ１０２）。即ち、ここまでは第１実施形態と同様の処理が実行される。

インピーダンス傾きが算出されると、温度判定部１３０が、算出されたインピーダンス傾きが所定の傾き範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。なお、「所定の傾き範囲」は、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適しているか否かを判定するために予め設定される範囲である。

すでに図１２に示したように、バッテリのＳＯＣやＳＯＨを推定するのに適した温度領域におけるインピーダンス傾きの値は、事前のシミュレーション等によって知ることができる。このため、傾き算出部１２０で算出されたインピーダンス傾きから、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適した範囲であるか否かを判定できる。具体的には、算出されたインピーダンス傾きが、図１２の第１範囲、第２範囲、第３範囲に対応するような値となっていれば、バッテリ１０の温度が推定に適した値であると判定できる。一方で、インピーダンス傾きが、図１２の第１範囲、第２範囲、第３範囲に対応するような値となっていなければ（言い換えれば、第１変動領域又は第２変動領域に対応するような値となっていれば）、バッテリ１０の温度が推定に適した値ではないと判定できる。

インピーダンス傾きが所定の傾き範囲内であると判定された場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、電池状態推定部１５０は、記憶部１４０から、予め記憶されたインピーダンス傾きとＳＯＣとの関係を読み出し（ステップＳ１０４）、算出されたインピーダンス傾きから、現在のバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する（ステップＳ１０５）。続いて、電池状態推定部１５０は、推定したバッテリ１０のＳＯＣの値を外部に出力する（ステップＳ１０６）。

他方で、インピーダンス傾きが所定の傾き範囲内でないと判定された場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適した領域ではないと判断され、ステップＳ１０４からＳ１０６の処理は実行されない。このため、正確でないＳＯＣやＳＯＨが出力されてしまうことを防止できる。なお、第２実施例に係るバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する一連の処理は以上で終了となるが、例えば所定期間経過後に、再びステップＳ１０１から処理が開始されてもよい。

以上説明したように、第２実施形態に係る電池状態推定装置１００によれば、インピーダンス傾きと、インピーダンス傾きから判定されるバッテリ１０の温度領域を利用することで、好適にバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定することができる。なお、第２実施形態においても、バッテリ１０の温度が適切な領域であるかを判定するために、バッテリ１０の温度を直接的或いは間接的に示すパラメータを取得することが要求されるが、バッテリ１０の温度が所定の温度領域内であるか否かを判定できる程度の情報であればよく、例えばバッテリ１０の温度を高精度で検出することが要求されるわけではない。このため、バッテリ１０の正確な温度を検出できないような状況下でも、好適にＳＯＣ又はＳＯＨを推定することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る電池状態推定装置について説明する。なお、第３実施形態は、上述した第１及び第２実施形態と比べて、一部の動作が異なるのみであり、その他の部分については概ね同様である。このため、以下では、すでに説明した第１及び第２実施形態と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

第３実施形態に係る電池状態推定装置１００の具体的な動作の流れについて、図１５を参照して簡単に説明する。図１５は、第３実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。なお、図１５では、図１３で示した処理と同様の処理に同一の参照符号を付している。

図１５に示すように、第３実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作時には、まずインピーダンス取得部１１０が、バッテリ１０の複素インピーダンスを、バッテリ１０の内部温度が相異なる複数の温度条件下で取得する（ステップＳ１０１）。即ち、第１及び第２実施形態と同様の処理が実行される。

その後、第３実施形態では特に、温度判定部１３０が、複素インピーダンスを取得した時のバッテリ１０の温度が所定の温度領域内であるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。なお、ここで利用するバッテリ１０の温度は、例えば温度センサ等を利用してバッテリ１０から直接検出される。このため、第１実施形態のようにインピーダンス傾きを算出せずとも、バッテリ１０の温度がＳＯＣやＳＯＨを推定するのに適した領域であるか否かを判定できる。また、バッテリ１０の温度は実際に複素インピーダンスが取得される時点の値であることが好ましいが、複素インピーダンスが取得される前に検出されたものであってもよい。

バッテリ１０の温度が所定の温度領域内であると判定された場合（ステップＳ３０１：ＹＥＳ）、傾き算出部１２０は、取得された複数の複素インピーダンスから、インピーダンス傾きを算出する（ステップＳ１０２）。その後、電池状態推定部１５０は、記憶部１４０から、予め記憶されたインピーダンス傾きとＳＯＣとの関係を読み出し（ステップＳ１０４）、算出されたインピーダンス傾きから、現在のバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する（ステップＳ１０５）。そして、電池状態推定部１５０は、推定したバッテリ１０のＳＯＣの値を外部に出力する（ステップＳ１０６）。

一方、バッテリ１０の温度が所定の温度領域内でないと判定された場合（ステップＳ３０１：ＮＯ）、傾き算出部１２０は、バッテリ１０の温度がＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適した領域ではないと判断され、ステップＳ１０４からＳ１０６の処理は実行されない。このため、正確でないＳＯＣやＳＯＨが出力されてしまうことを防止できる。なお、第３実施例に係るバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する一連の処理は以上で終了となるが、例えば所定期間経過後に、再びステップＳ１０１から処理が開始されてもよい。

以上説明したように、第３実施形態に係る電池状態推定装置１００によれば、バッテリ１０から検出した温度を用いて、バッテリ１０の温度に関する判定処理が実行される。よって、不適切な温度領域でバッテリ１０のＳＯＣやＳＯＨが推定されてしまうことを防止できる。なお、第３実施形態で検出されるバッテリ１０の温度についても、バッテリ１０の温度が適切な温度領域であるか否かを判定できる程度のものであればよいため、高精度で温度を検出するような構成は要求されない。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係る電池状態推定装置について説明する。なお、第４実施形態は、上述した第１から第３実施形態と比べて、一部の動作が異なるのみであり、その他の部分については概ね同様である。このため、以下では、すでに説明した第１から第３実施形態と異なる部分について詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。

第４実施形態に係る電池状態推定装置１００の具体的な動作の流れについて、図１６を参照して簡単に説明する。図１６は、第３実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。なお、図１６では、図１３で示した処理と同様の処理に同一の参照符号を付している。

図１６に示すように、第４実施形態に係る電池状態推定装置１００の動作時には、まずインピーダンス取得部１１０が、バッテリ１０の複素インピーダンスを、バッテリ１０の内部温度が相異なる複数の温度条件下で取得する（ステップＳ１０１）。即ち、第１から第３実施形態と同様の処理が実行される。

その後、第４実施形態では特に、温度判定部１３０が、取得された複素インピーダンスの値に外れ値があるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。なお、ここでの「外れ値」とは、バッテリ１０の温度が所定の温度領域ではない状態で取得された複素インピーダンスの値を意味している。外れ値であるか否かについては、取得時のバッテリ１０の温度を直接検出して判定してもよいし、取得した複素インピーダンスの値からバッテリ１０の温度が推定できるような場合には、その推定値を用いて判定してもよい。

取得した複素インピーダンスに外れ値があると判定された場合（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、取得した複数の複素インピーダンスから外れ値が除外され（ステップＳ４０２）、外れ値以外の値が傾き算出部１２０に出力される。一方で、取得した複素インピーダンスに外れ値がないと判定された場合（ステップＳ４０１：ＮＯ）、上述した除外処理は実行されず、取得した複素インピーダンスのすべてが傾き算出部１２０に出力される。

続いて、傾き算出部１２０は、入力された複素インピーダンスを利用して、インピーダンス傾きを算出する（ステップＳ１０２）。ここで特に、インピーダンス傾きを算出するのに用いられる複素インピーダンスからは、上述したステップＳ４０１及びＳ４０２の処理によって外れ値が除外されている。このため、インピーダンス傾きは、バッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定するのに適した温度領域で取得された複素インピーダンスのみから算出される。

その後、電池状態推定部１５０は、記憶部１４０から、予め記憶されたインピーダンス傾きとＳＯＣとの関係を読み出し（ステップＳ１０４）、算出されたインピーダンス傾きから、現在のバッテリ１０のＳＯＣ又はＳＯＨを推定する（ステップＳ１０５）。そして、電池状態推定部１５０は、推定したバッテリ１０のＳＯＣの値を外部に出力する（ステップＳ１０６）。

以上説明したように、第４実施形態に係る電池状態推定装置１００によれば、インピーダンス傾きが算出される前に、取得された複素インピーダンスから外れ値が除外される。よって、適切でない温度領域で取得された複素インピーダンスが一部存在しているような場合であっても、不適切な外れ値だけを除外して、正確にバッテリのＳＯＣ又はＳＯＨを推定することができる。

本発明は、請求の範囲及び明細書全体から読み取るこのできる発明の要旨又は思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電池状態推定装置もまた本発明の技術思想に含まれる。

１０バッテリ
１００電池状態推定装置
１１０インピーダンス取得部
１２０傾き算出部
１３０温度判定部
１４０記憶部
１５０電池状態推定部

Claims

相異なる複数の温度で電池の複素インピーダンスを取得する取得手段と、
前記複素インピーダンスの実数成分及び虚数成分を軸とする複素平面上で、前記取得された複数の前記複素インピーダンスの第１所定周波数における値を互いに結んだ第１直線の傾き、又は、前記複数の複素インピーダンスの第２所定周波数における値を互いに結んだ直線と前記実数成分の軸との交点が前記第２所定周波数を変化させた場合に収束する点と、前記複数の複素インピーダンスの少なくとも一つの前記第２所定周波数における値とを結んだ第２直線の傾きを、インピーダンス傾きとして算出する算出手段と、
前記電池の温度が所定の温度領域にあるか否かを判定する判定手段と、
前記インピーダンス傾きと、前記電池に係る電池状態との関係を予め記憶する記憶手段と、
前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定された場合に、前記算出手段で算出された前記インピーダンス傾きと、前記記憶手段に記憶された前記関係とに基づいて、前記電池に係る電池状態を推定する推定手段と
を備えることを特徴とする電池状態推定装置。
前記推定手段は、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定された場合に、前記電池に係る電池状態を推定しないことを特徴とする請求項１に記載の電池状態推定装置。
前記判定手段は、（ｉ）前記第１又は第２直線と、前記実数成分の軸との交点に関する情報を取得し、（ｉｉ）前記交点が所定範囲内に収まる場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定し、（ｉｉｉ）前記交点が前記所定範囲内に収まらない場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池状態推定装置。
前記判定手段は、（ｉ）前記第１又は第２直線の傾きに関する情報を取得し、（ｉｉ）前記第１又は第２直線の傾きが所定の傾き範囲内にある場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定し、（ｉｉｉ）前記第１又は第２直線の傾きが所定の傾き範囲内にない場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池状態推定装置。
前記判定手段は、（ｉ）前記取得手段が前記複数の複素インピーダンスを取得したときの又は取得する前の前記電池の温度である取得温度を取得し、（ｉｉ）前記取得温度が前記所定の温度領域にある場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にあると判定し、（ｉｉｉ）前記取得温度が前記所定の温度領域にない場合に、前記電池の温度が前記所定の温度領域にないと判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池状態推定装置。
前記算出手段は、前記取得手段が取得した前記複数の複素インピーダンスのうち、（ｉ）前記電池の温度が前記所定の温度領域にある状態で取得された複素インピーダンスを用いる一方で、（ｉｉ）前記電池の温度が前記所定の温度領域にない状態で取得された複素インピーダンスを用いることなく、前記インピーダンス傾きを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の電池状態推定装置。
前記電池状態は、前記電池の充電量を示す値を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電池状態推定装置。
前記電池状態は、前記電池の劣化度を示す値を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電池状態推定装置。