JP6733485B2

JP6733485B2 - 二次電池の充電状態推定システム

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Publication number: JP6733485B2
Application number: JP2016199688A
Authority: JP
Inventors: 裕之海谷; 高橋　賢司; 賢司高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: JP2018063115A

Description

本開示は、二次電池の充電状態推定システムに関する。

車両に搭載される二次電池は、車両走行に伴う充放電が頻繁に生じるので、その残容量または充電状態であるＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）の推定が重要である。推定方法の１つは、二次電池の開放回路電圧（ＶｏｌｔａｇｅｏｆＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔ：ＶＯＣ）とＳＯＣとの関係を予め求めてマップ化しておき、ＶＯＣに対応するＳＯＣを求める方法である。もう１つは、初期状態からの二次電池の充放電電流を積算し、これをＳＯＣの初期値に加算する方法である。

特許文献１では、オリビン鉄系リチウムイオン電池は、コバルト系の電極材料を用いるリチウムイオン電池に比べコストが安く安全性が高く、電池電圧がＳＯＣに対しほぼ一定のプラトー領域を広く取れることを述べている。プラトー領域が広いとＶＯＣの変化が少ない領域が広くなり、ＶＯＣによるＳＯＣの推定が困難である。したがって、車両走行において通常は充放電電流の積算によるＳＯＣ推定を行うこととするが、充放電電流の積算が続くとその積算誤差が大きくなる。そこで、充放電電流の積算期間が所定の制限期間を超えると、積算誤差の補正のためにＳＯＣを高めまたは低めに移動させて、誤差の少ないＶＯＣによるＳＯＣの推定を行うことを開示している。

特開２０１０−２８３９２２号公報

ＳＯＣを推定する方法において、ＶＯＣによる方法は、二次電池を開放状態にする必要があり、また、二次電池の電流電圧特性にはヒステリシスがあるので、充電状態か放電状態かで、ＶＯＣに対応するＳＯＣが異なることがある。充放電電流の積算による方法は、二次電池を充放電しつつ行えるが、長期に渡る充放電電流の積算では、ＳＯＣの推定に誤差が生じ得る。充放電電流の積算が長期に渡る場合に、ＶＯＣによる方法で適宜補正しようとしても、車両に搭載される二次電池は過充電や過放電を防止するため、ＳＯＣが所定の範囲になるように充放電が制限されるので、プラトー領域の外側での充放電が困難なことがある。そこで、プラトー領域の広い二次電池についても適切にＳＯＣを推定できる二次電池の充電状態推定システムが望まれる。

本開示に係る二次電池の充電状態推定システムは、二次電池に関する充放電電流、端子間電圧、及び電池温度を検出する電池状態検出部と、二次電池の内部抵抗と充電状態との間の関係を第１充電状態特性として、電池温度毎の第１充電状態特性を記憶する記憶部と、二次電池の充電状態を推定する推定装置と、を備え、推定装置は、予め定めた所定の取得時期において電池状態検出部から二次電池に関する充放電電流、端子間電圧、及び電池温度を取得し、取得した二次電池の充放電電流と端子間電圧とから二次電池の内部抵抗を算出し、算出された二次電池の内部抵抗を検索キーとして記憶部を検索し、対応する電池温度の第１充電状態特性における対応充電状態を取得し、取得した対応充電状態が１つである第１の場合は、その対応充電状態を二次電池の充電状態と推定し、取得した対応充電状態が２つである第２の場合は、所定の取得時期の直前において予め定めた時間範囲の間で充放電電流を取得しその積算値を求め、積算値の増加と共に内部抵抗が増加するかまたは減少するかに基づいて２つの対応充電状態の内のいずれか１を二次電池の充電状態と推定する。

上記構成によれば、積算誤差が生じ得る充放電電流の積算による充電状態（ＳＯＣ）の推定を行わずに、充放電時の電流と電圧とから二次電池の内部抵抗を算出し、内部抵抗とＳＯＣとの間の関係を利用して、ＳＯＣを推定する。充放電時の電圧変動は静止時の電圧変動よりも大きいので、開放回路電圧であるＶＯＣを用いて充電状態を推定する方法に比べ、電圧検出手段の誤差の影響を受けにくく、ＳＯＣの推定精度が向上する。

ＳＯＣが大きくなると内部抵抗がどのように変化するかについては、内部抵抗の単純増加または単純減少のみではなく、内部抵抗が一旦増加しその後減少する場合や、これとは逆に、内部抵抗はいったん減少しその後増加する場合がある。単純な増加及び単純な減少でない場合には、１つの内部抵抗について２つの対応ＳＯＣがあることになり、内部抵抗の算出のみではＳＯＣを１つに特定できない。ＳＯＣは充放電電流の積算値と密接に関連するので、充放電電流の積算値が増加するときに内部抵抗が増加する場合は、ＳＯＣが増加するときに内部抵抗が増加することに相当する。逆に、充放電電流の積算値が増加するときに内部抵抗が減少する場合は、ＳＯＣが増加するときに内部抵抗が減少することに相当する。この関係を利用して、１つの内部抵抗について２つの対応ＳＯＣがあるときは、積算値の増加と共に内部抵抗が増加するかまたは減少するかに基づいて２つの対応ＳＯＣの内のいずれか１を二次電池のＳＯＣと推定する。これにより、プラトー領域の広い二次電池についても適切にＳＯＣを推定できる。

また、本開示に係る二次電池の充電状態推定システムにおいて、記憶部は、二次電池の初期値からの充放電電流の積算値と充電状態との間の関係を第２充電状態特性として、電池温度毎の第２充電状態特性を記憶し、推定装置は、第１充電状態特性に基づいて推定された第１推定充電状態と、第２充電状態特性に基づいて推定された第２推定充電状態とについて、充放電電流、電池温度、内部抵抗の変化率の内のいずれか１に基づいて定めた重み係数を第１推定充電状態に乗算した第１項に、（１−重み係数）を第２推定充電状態に乗算した第２項を加算して、二次電池の充電状態と推定する。

上記構成によれば、内部抵抗に基づいて推定される第１推定充電状態と、充放電電流の積算値に基づいて推定される第２推定充電状態とを併用して、二次電池のＳＯＣを推定する。内部抵抗に基づくＳＯＣの推定は、充放電時の電圧変動が大きい状態のときに推定精度が比較的高くなると考えられる。充放電時の電圧変動は、充放電電流が大きいほど、電池温度が低いほど、内部抵抗の変化率が大きいほど、大きくなる。そこで、充放電時の電圧変動が大きくなる条件の下では、第１推定充電状態の寄与率を第２推定充電状態の寄与率よりも高くなる重み係数を用いることで、ＳＯＣの推定精度をさらに向上できる。

本開示に係る二次電池の充電状態推定システムは、プラトー領域の広い二次電池についても適切にＳＯＣを推定できる。

実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムの構成図である。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムが好適に適用される二次電池について、ＳＯＣとＶＯＣとの関係を示す特性図である。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムにおける二次電池のＳＯＣ推定の手順を示すフローチャートである。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムの記憶部に記憶される第１充電状態特性の例を示す図である。第１充電状態特性について図４とは別の例を示す図である。図５（ａ）は、図４に対応する図で、（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図５のＢ，Ｃにおける充放電電流の積算値の変化と内部抵抗の変化との間の関係を示す図である。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムの記憶部に記憶される第２充電状態特性の例を示す図である。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムにおいて、第１推定充電状態と第２推定充電状態とを併用するときの充放電電流の大小に関する重み係数の関数形の４つの例を示す図である。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムにおいて、第１推定充電状態と第２推定充電状態とを併用するときの電池温度の高低に関する重み係数の関数形の４つの例を示す図である。実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムにおいて、第１推定充電状態と第２推定充電状態とを併用するときの内部抵抗の変化率に関する重み係数の関数形の例を示す図である。

以下に図面を用いて実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムにつき、詳細に説明する。以下では、ハイブリッド車両に搭載される二次電池について述べるが、これは説明のための例示であって、充放電状態が頻繁に生じる二次電池であればよく、例えば、据置型の二次電池であってもよい。以下では、二次電池として、ＳＯＣの変化に対するＶＯＣの変化が少ないプラトー領域が広い特性を有する種類のリチウムイオン電池を述べるが、これは説明のための例示である。過充電や過放電を防止するためのＳＯＣ制御範囲がプラトー領域にある動作を行う二次電池であればよい。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システム１０の構成図である。二次電池の充電状態推定システム１０は、ハイブリッド車両に搭載される二次電池２０の充電状態を推定するシステムである。以下では、特に断らない限り、ハイブリッド車両を、単に車両と呼び、二次電池の充電状態推定システム１０を、推定システム１０と呼ぶ。推定システム１０は、二次電池２０と、推定装置３０と、記憶部４０とを含む。

充電状態は、ＳＯＣと呼ばれるので、以下では、「充電状態」と「ＳＯＣ」とを同義語として、適宜使い分けて述べる。例えば、「推定充電状態」は「推定ＳＯＣ」と同義語であり、「対応充電状態」は「対応ＳＯＣ」と同じである。但し、「充電状態特性」についてはそのまま用いて「ＳＯＣ特性」とは呼ばない。

図１では、推定システム１０の構成要素ではないが、二次電池２０の負荷としてのインバータ１２と、ＭＧと示す回転電機１４とが図示される。インバータ１２は、二次電池２０と回転電機１４との間に設けられる交流直流電力変換回路である。インバータ１２は、車両が走行中のとき、二次電池２０が放電する直流電力を交流電力に変換して回転電機１４に供給し、車両が制動中のとき、回転電機１４の回生エネルギである交流電力を直流電力に変換して二次電池２０を充電する。回転電機１４は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータであって、ハイブリッド車両が走行中は電動機として作用し、車両が制動中は発電機として作用する三相同期型回転電機である。

二次電池２０は、複数の電池セル２２を組み合わせた組電池である。電池セル２２としては、リチウムイオン電池セルが用いられ、二次電池２０は、リチウムイオン組電池である。１つの電池セル２２の端子間電圧であるセル電圧ｖは、約３〜４Ｖ程度で、二次電池２０は、これを複数個組み合わせて、所定の高電圧、大電流を出力可能にした高電圧電池である。二次電池２０の端子間電圧の一例は、約２００〜３００Ｖである。図１では、複数の電池セル２２を直列接続した二次電池２０を示したが、出力される高電圧、大電流の仕様に応じ、直列接続と並列接続とを適宜組み合わせた二次電池２０であってよい。

図２は、二次電池２０のＳＯＣとＶＯＣとの関係を示す特性図である。横軸はＳＯＣで、縦軸はＶＯＣである。二次電池２０は、ＳＯＣ＝０％のときにＶＯＣ＝０Ｖであるが、ＳＯＣ＝０％から増加するに連れてＶＯＣも増加し、やがてＶＯＣが飽和する。その後は、ＳＯＣが増加してもＶＯＣはほとんど変化せず、プラトー領域と呼ばれる領域になる。プラトー領域を越えてさらにＳＯＣが増加するとＶＯＣも増加を始め、ＳＯＣ＝１００％のときに最大のＶＯＣとなる。ハイブリッド車両は、二次電池２０が過充電や過放電とならないように、車両走行中の二次電池２０の充放電を制御し、ＳＯＣが所定の制御範囲となるようにする。ＳＯＣ制御範囲の一例を挙げると、約３０％から８０％である。図２に、ＳＯＣ制御範囲を示すが、プラトー領域は、ＳＯＣ制御範囲よりも広い。プラトー領域では、ＶＯＣに基づいてＳＯＣを推定することができない。そこで充放電電流の積算法によってＳＯＣを推定することになるが、車両走行中におけるＳＯＣ制御範囲はプラトー領域に含まれているので、車両走行中はずっと充放電電流の積算法でＳＯＣを推定することになる。長期に渡る積算は誤差も累積するので、適宜ＶＯＣで補正したいが、プラトー領域の両側でＶＯＣ法が使える領域はＳＯＣ制御範囲の外側である。換言すると、車両が走行中でＳＯＣ制御範囲にあるときは、ＶＯＣでの補正が困難である。

車両のＳＯＣ制御範囲を含むような広いプラトー領域を有する特性の二次電池２０としては以下のリチウムイオン電池が知られている。それは、正極活物質にリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ₄）や、マンガン酸ニッケル酸リチウム（ＬｉＭｎ_1.5Ｎｉ_0.5Ｏ₄）を用い、負極活物質にグラファイトやチタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）を用いるものである。

図１に戻り、セル電圧検出部２３は、各電池セル２２のそれぞれのセル電圧ｖを検出する複数の電圧検出手段の集合体である。電圧検出部２４は、二次電池２０の端子間電圧Ｖを検出する電圧検出手段で、１つの組電池である二次電池２０の正極側母線と負極側母線との間に設けられる。電池温度検出部２６は、各電池セル２２のそれぞれの電池温度θを検出する温度検出手段である。電池温度検出部２６は、各電池セル２２毎に設けるものとしたが、場合によっては、二次電池２０の全体に渡って所定の個数で設けてもよい。例えば、二次電池２０の両端部と中間部の３カ所に設けてもよい。充放電電流検出部２８は、二次電池２０の充放電電流Ｉを検出する電流検出手段で、二次電池２０の負極側母線に設けられる。

セル電圧検出部２３、電圧検出部２４、電池温度検出部２６、充放電電流検出部２８は、二次電池２０についての電池状態検出部と呼ぶことができる。セル電圧検出部２３が検出するセル電圧ｖ、電圧検出部２４が検出する二次電池２０の端子間電圧Ｖ、電池温度検出部２６が検出する電池温度θ、充放電電流検出部２８が検出する充放電電流Ｉは、それぞれ適当な信号線を介して推定装置３０に伝送される。

推定装置３０は、図２のような広いプラトー領域を有する二次電池２０のＳＯＣを推定する演算装置である。かかる推定装置３０としては、車両搭載に適したコンピュータが用いられる。推定装置３０は、独立の装置としてもよいが、車両に搭載される他の制御装置に含ませてもよい。例えば、車両の駆動制御装置、車両の統合制御装置等に、推定装置３０を含ませてもよい。

推定装置３０は、電池状態検出部から二次電池２０に関する充放電電流Ｉ、端子間電圧Ｖ、及び電池温度θを取得する電池状態取得部３２と、充放電電流Ｉと端子間電圧Ｖとから二次電池２０の内部抵抗Ｒを算出する内部抵抗算出部３４を含む。さらに、内部抵抗Ｒに基づいて、二次電池２０のＳＯＣを推定する充電状態推定部３６を含む。推定装置３０のこれらの機能は、推定装置３０がソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、推定装置３０が充電状態推定処理プログラムの各処理手順を実行することで実現される。上記機能の一部をハードウェアで実現してもよい。

推定装置３０に接続される記憶部４０は、推定装置３０において用いられるプログラムを格納し、また、データ処理の結果を一時的に記憶するメモリである。ここでは、ＳＯＣを推定するために用いられる幾つかのファイルを記憶する。第１ファイル４２は、内部抵抗ＲとＳＯＣとの間の関係を第１充電状態特性として、電池温度θ毎に第１充電状態特性をマップ化したファイルである。第２ファイル４４は、充放電電流の積算値ΣＩとＳＯＣとの間の関係を第２充電状態特性として、電池温度θ毎に第２充電状態特性をマップ化したファイルである。第３ファイル４６は、第１充電状態特性に基づき推定される第１推定ＳＯＣと、第２充電状態特性に基づき推定される第２推定ＳＯＣとを用いて充電状態を推定するときの第１推定ＳＯＣと第２推定ＳＯＣとの間の重み係数をマップ化したファイルである。

上記では、第１ファイル４２、第２ファイル４４、第３ファイル４６をマップ化したファイルとした。マップ化ファイルの例は、ルックアップテーブル形式の関係マップである。マップ化ファイルの他に、数式化ファイルであってもよい。あるいは、内部抵抗Ｒ、充放電電流の積算値ΣＩ等を入力するとＳＯＣの推定値が出力されるＲＯＭ形式を用いてもよい。

上記構成の作用、特に、推定装置３０の各機能と、記憶部４０に記憶される各ファイルの内容について、図３〜図９を用いてさらに詳細に説明する。

図３は、推定システム１０における二次電池２０のＳＯＣ推定の手順を示すフローチャートである。各手順は、充電状態推定処理プログラムの各処理手順に対応する。二次電池２０は広いプラトー領域を有するので、ＶＯＣに基づくＳＯＣ推定が行うことができず、ＳＯＣ制御範囲はプラトー領域に含まれるので、充放電電流の積算に基づくＳＯＣ推定を行うと、積算誤差が生じ得、これを補正するためのＶＯＣを用いにくい。そこで、二次電池２０の内部抵抗ＲとＳＯＣとの間の関係を利用してＳＯＣを推定する。この方法によれば、充放電時の電圧変動は静止時の電圧変動よりも大きいので、開放回路電圧であるＶＯＣを用いてＳＯＣを推定する方法に比べ、電圧検出手段の誤差の影響を受けにくく、ＳＯＣの推定精度が向上する。

二次電池２０の内部抵抗Ｒを利用するＳＯＣ推定の手順の最初は、充放電電流Ｉ、端子間電圧Ｖ、及び電池温度θの取得である（Ｓ１０）。この処理手順は、推定装置３０の電池状態取得部３２の機能によって実行される。具体的には、充放電電流検出部２８から伝送されてくる充放電電流Ｉ、電圧検出部２４から伝送されてくる二次電池２０の端子間電圧Ｖ、電池温度検出部２６から伝送されてくる電池温度θを取得する。二次電池２０は、複数の電池セル２２で構成されているので、セル電圧検出部２３から伝送されてくる各電池セル２２のセル電圧ｖを取得することが好ましいが、以下では、端子間電圧Ｖに各電池セル２２のセル電圧ｖを代表させることとする。

Ｓ１０は、予め定めた所定の取得時期に行われる。所定の取得時期は、予め定めた取得周期毎の時期である。取得周期は、車両のＳＯＣ制御の周期に基づいて定められる。常に最新の推定ＳＯＣに基づいてＳＯＣ制御を行うときは、ＳＯＣ制御周期とＳ１０の取得周期は同じである。他の例として、ＳＯＣの１０制御周期毎にＳＯＣの推定値を更新するときは、Ｓ１０の取得周期は、ＳＯＣ制御周期の１０倍である。上記の取得周期の長さは例示であって、これらと異なる長さであってもよい。

Ｓ１０の次に、取得した二次電池２０の充放電電流Ｉと端子間電圧Ｖとから二次電池２０の内部抵抗Ｒを算出する（Ｓ１２）。この処理手順は、推定装置３０の内部抵抗算出部３４の機能によって実行される。具体的には、内部抵抗Ｒ＝｛（端子間電圧Ｖ）／（充放電電流Ｉ）｝の式を用いて内部抵抗Ｒを算出する。以下では、場合に応じて、内部抵抗Ｒを単にＲと示す。

算出された内部抵抗ＲをＲ₁とすると、Ｒ＝Ｒ₁を検索キーとして記憶部４０の第１ファイル４２の第１充電状態特性を検索する（Ｓ１４）。そして、対応する電池温度θにおける対応ＳＯＣを取得する。第１充電状態特性は、Ｒの変化に対するＳＯＣの変化を示す特性である。二次電池２０は電池の種類が異なる場合や、同じ種類であっても経時変化が異なる場合等によって、第１充電状態特性が異なってくる。

第１充電状態特性の代表例を図４と図５（ａ）に示す。これらの図の横軸はＳＯＣ、縦軸はＲである。図４の特性５０は、ＳＯＣの増加に対し、Ｒが単純増加する特性である。図５（ａ）の特性５２は、ＳＯＣの増加に対し、Ｒは減少した後増加に転じ、Ｒ−ＳＯＣ平面で下側凸の関数形を有する特性である。なお、特性５０，５２は、電池温度θによって異なるが、図４、図５（ａ）では、Ｓ１０で取得した電池温度θの条件の下の特性５０，５２を示す。以下においても、特に断らないが、第１充電状態特性等の充電状態特性、及び、推定されたＳＯＣは、Ｓ１０で取得した電池温度θの下におけるものである。

Ｓ１２で算出された内部抵抗Ｒ＝Ｒ₁であるので、図４において、Ｒ＝Ｒ₁の直線を引くと、特性５０と交わるのは、点Ａの１つだけで、点Ａにおける対応ＳＯＣは、ＳＯＣ（Ａ）である。これに対し、図５（ａ）について、Ｒ＝Ｒ₁の直線を引くと、特性５２と交わるのは、点Ｂと点Ｃの２つである。点Ｂにおける対応ＳＯＣは、ＳＯＣ（Ｂ）であり、点Ｃにおける対応ＳＯＣは、ＳＯＣ（Ｂ）である。

このように、第１充電状態特性が特性５０のように、ＳＯＣの増加に対しＲが単純増加する特性の場合には、Ｒ＝Ｒ₁を与えたときの対応ＳＯＣは１つだけなので、ＳＯＣが推定できる。特性５０とは逆に、第１充電状態特性がＳＯＣの増加に対しＲが単純減少する特性の場合も同じである。これに対し、第１充電状態特性が特性５２のように、Ｒ−ＳＯＣ平面で下側凸の関数形を有する特性の場合には、Ｒ＝Ｒ₁を与えると対応ＳＯＣが２つ現われ、そのままではＳＯＣの推定ができない。この場合、２つの対応ＳＯＣのいずれが適切な推定ＳＯＣかの特定をする必要がある。特性５２とは逆に、第１充電状態特性がＲ−ＳＯＣ平面で上側凸の関数形を有する特性の場合も同じである。

図３に戻り、Ｓ１４でＲ＝Ｒ₁を検索キーとして第１充電状態特性を検索した後、検索された対応ＳＯＣは１つでなく２つか否かが判定される（Ｓ１６）。判定が否定されるときは、検索された対応ＳＯＣは１つで、その対応ＳＯＣを二次電池２０のＳＯＣと推定する。これは図４の例に相当し、検索された１つの対応ＳＯＣであるＳＯＣ（Ａ）が二次電池２０のＳＯＣと推定される。推定されたＳＯＣは、第１充電状態特性によって推定されたＳＯＣであるので、第１推定ＳＯＣと呼ぶ（Ｓ２０）。

Ｓ１６の判定が肯定されると、２つの対応ＳＯＣのいずれが適切な推定ＳＯＣかの特定をするために、直前の充放電電流の積算値ΣＩと、Ｒとの間の関係を確認する（Ｓ１８）。ＳＯＣは充放電電流の積算値ΣＩと密接に関連するので、充放電電流の積算値ΣＩが増加するときに内部抵抗Ｒが増加する場合は、ＳＯＣが増加するときに内部抵抗Ｒが増加することに相当する。逆に、充放電電流の積算値ΣＩが増加するときに内部抵抗Ｒが減少する場合は、ＳＯＣが増加するときに内部抵抗Ｒが減少することに相当する。この関係を利用して、１つの内部抵抗Ｒ＝Ｒ₁について２つの対応ＳＯＣがあるときは、充放電電流の積算値ΣＩの増加と共に内部抵抗Ｒが増加するかまたは減少するかに基づいて２つの対応ＳＯＣの内のいずれか１を二次電池２０のＳＯＣと推定する。

図５において、２つの対応ＳＯＣであるＳＯＣ（Ｂ）とＳＯＣ（Ｃ）のそれぞれについて、直前のΣＩとＲとの関係を図５（ｂ）と（ｃ）に示す。図５（ｂ）、（ｃ）の横軸はΣＩ、縦軸はＲである。直前のΣＩとは、Ｓ１０でＩ，Ｖ，θを取得した取得時期の直前において予め定めた時間範囲の間で充放電電流Ｉを取得し、それを積算した値である。Ｉ，Ｖ，θを取得するのは、取得周期で繰り返されるので、予め定めた時間範囲は、予め定めた取得周期の数に相当する時間範囲となる。図６の例におけるΣＩは、Ｓ１０でＩ，Ｖ，θを取得した取得時期から６取得周期分を遡り、そこからＳ１０でＩ，Ｖ，θを取得した取得時期までの期間における充放電電流Ｉを取得し、それを積算した値となる。６取得周期分遡るのは、説明のための例示であり、積算誤差があまり大きくならない範囲で、遡る取得周期の数を定めることができる。一例を挙げると、５取得周期から１０取得周期の範囲とできる。長期に渡るΣＩは、積算誤差が大きくなるが、Ｓ１８におけるΣＩは、例えば取得周期の５〜１０倍程度の短期間であるので、積算誤差がほとんど生じない。

図５（ｂ）は、ＳＯＣが増加するときに内部抵抗Ｒが減少する点Ｂに関するので、充放電電流の積算値ΣＩの増加と共に内部抵抗Ｒが減少している。（ｃ）は、ＳＯＣが増加するときに内部抵抗Ｒが増加する点Ｃに関するので、充放電電流の積算値ΣＩの増加と共に内部抵抗Ｒが増加している。この関係を用い、Ｒ＝Ｒ₁を与えたときに対応ＳＯＣが２つ現われるときは、その直前の充放電電流の積算値ΣＩと、Ｒとの間の関係を確認し、図５（ｂ）の関係であるときは、点Ｂに対応するＳＯＣ（Ｂ）が適切な推定ＳＯＣとなる。逆に、確認された積算値ΣＩとＲとの間の関係が図５（ｃ）の関係であるときは、点Ｃに対応するＳＯＣ（Ｃ）が適切な推定ＳＯＣとなる。このようにして、２つの対応ＳＯＣの内の１つが適切な推定ＳＯＣと特定される。推定されたＳＯＣは、第１充電状態特性に基づいて推定されたＳＯＣであるので、第１推定ＳＯＣである（Ｓ２０）。

第１充電状態特性の他にもＳＯＣを推定する方法があるので、それらによって推定されたＳＯＣを考慮して第１推定ＳＯＣを適切に補正して二次電池２０のＳＯＣの推定精度を向上させることができる。そこで、Ｓ２０の次に、ＳＯＣの推定精度をさらに向上させるか否かの判定が行われる（Ｓ２２）。この判定は、ユーザが行ってもよいが、推定装置３０が予め定めた判定基準を用いて行うことがよい。例えば、各取得周期毎に推定される第１推定ＳＯＣの推移に基づき、推移の変化量が所定変化量を超えるときに、Ｓ２２の判定を肯定する。

Ｓ２２の判定が否定されるときは、第１推定ＳＯＣの推定精度がＳＯＣ制御にとって十分な場合であるので、第１推定ＳＯＣを、二次電池２０のＳＯＣと推定する（Ｓ３２）。Ｓ２２の判定が肯定されるときは、第１充電状態特性の他のＳＯＣ推定方法を用いて、第１推定ＳＯＣとは別の推定ＳＯＣを求める。第１充電状態特性の他のＳＯＣ推定方法としては、ＶＯＣに基づく方法があるが、図２で説明したように、プラトー領域が広い二次電池２０については余り適切ではない。もう１つの方法は、充放電電流の積算値ΣＩに基づいてＳＯＣを推定する方法である。ここでは、充放電電流の積算値ΣＩとＳＯＣとの間の関係を第２充電状態特性として、これに基づいて推定されるＳＯＣを用いる。

図６は、第２充電状態特性の例を示す図である。横軸は充放電電流の積算値ΣＩで、縦軸はＳＯＣである。特性５４は、初期状態のＳＯＣであるＳＯＣ₀を初期値として、初期状態からのΣＩが増加するに連れて、ＳＯＣが次第に増加する。第２充電状態特性は、予め求められて、記憶部４０の第２ファイル４４に記憶される。

初期値のＳＯＣ₀は、車両の運行開始時点のＳＯＣとすることができる。例えば、車両においてイグニッションスイッチ等の始動スイッチをオンした時点の二次電池２０のＶＯＣに基づいてＳＯＣを推定し、これをＳＯＣ₀とする。この時点からＳ１０は定められた取得周期でＩ，Ｖ，θの取得を行う。取得したＩ，Ｖ，θは、記憶部４０の図示しない電池状態データファイルに逐次記憶されるので、そのデータを用いて、それぞれの取得周期におけるΣＩを算出する（Ｓ２４）。

算出された充放電電流の積算値を（ΣＩ）₁とすると、ΣＩ＝（ΣＩ）₁を検索キーとして記憶部４０の第２ファイル４４の第２充電状態特性を検索する（Ｓ２６）。そして、対応する電池温度θにおける対応ＳＯＣを取得する。図６の特性５４を用いると、ΣＩ＝（ΣＩ）₁の直線を引いて特性５４と交わる点ＤのＳＯＣが対応ＳＯＣ（Ｄ）である。これを第２充電状態特性に基づく推定ＳＯＣとして、第２推定ＳＯＣと呼ぶ（Ｓ２８）。

第２推定ＳＯＣが求められると、次に、第１推定ＳＯＣとの間で重みづけ加算を行い（Ｓ３０）、その結果を二次電池２０の推定ＳＯＣとする（Ｓ３２）。

Ｓ３０の重みづけ加算は、重み係数ｋを用い、次のようにして行う。重み係数ｋは、０から１の間の値である。すなわち、Ｓ２０の第１推定ＳＯＣにｋを乗算して第１項とし、Ｓ２８の第２推定ＳＯＣに（１−ｋ）を乗算して第２項とし、第１項と第２項とを加算する。加算した結果が二次電池２０の推定ＳＯＣとなる。

重み係数ｋは、内部抵抗Ｒに基づくＳＯＣの推定の特質に基づいて定めることができる。内部抵抗Ｒに基づくＳＯＣの推定においては、充放電時の電圧変動が大きい状態のときに推定精度が比較的高くなると考えられる。充放電時の電圧変動は、充放電電流Ｉが大きいほど、電池温度θが低いほど、内部抵抗Ｒの変化率ΔＲが大きいほど、大きくなる。そこで、充放電時の電圧変動が大きくなる条件の下では、第１推定ＳＯＣの寄与率を第２推定ＳＯＣの寄与率よりも高くなるように重み係数ｋを定める。

図７は、充放電電流Ｉの大小に関する重み係数ｋの関数形の４つの例を示す図である。これらの図において、横軸は充放電電流Ｉで、縦軸は重み係数ｋである。図７（ａ）において、重み係数ｋの関数形ｆ１は、充放電電流Ｉの増減に対し線形で増減する。（ｂ）の関数形ｆ２は、充放電電流Ｉの増減に対し、２乗で増減する。（ｃ）の関数形ｆ３は、充放電電流Ｉの増減に対し、指数関数的に増減する。（ｄ）の関数形ｆ４は、充放電電流Ｉの増減に対し、階段状に増減する。いずれの関数形が適切かは、実験等によって定めることができる。いずれの関数形も、充放電電流Ｉが増加するほど、重み係数ｋが増大し、二次電池２０の推定ＳＯＣにおける第１推定ＳＯＣの寄与率が高まる。

図８は、電池温度θの高低に関する重み係数ｋの関数形の４つの例を示す図である。これらの図において、横軸は電池温度θで、縦軸は重み係数ｋである。図８（ａ）において、重み係数ｋの関数形ｇ１は、電池温度θが低温になるに連れて線形で大きくなる。（ｂ）の関数形ｇ２は、電池温度θが低温になるに連れて反比例的に大きくなる。（ｃ）の関数形ｇ３は、電池温度θが低温になるに連れ、指数関数的に大きくなる。（ｄ）の関数形ｇ４は、電池温度θが低温になると、階段状に大きくなる。いずれの関数形が適切かは、実験等によって定めることができる。いずれの関数形も、電池温度θが低温になるに連れ、重み係数ｋが増大し、二次電池２０の推定ＳＯＣにおける第１推定ＳＯＣの寄与率が高まる。

図９は、内部抵抗Ｒの変化率ΔＲに関する重み係数ｋの関数形の例を示す図である。横軸は内部抵抗Ｒの変化率ΔＲで、縦軸は重み係数ｋである。図８の関数形ｈ１は、ΔＲが大きくなるに連れて大きくなる。すなわち、内部抵抗Ｒの変化率が大きいほど、重み係数ｋが増大し、二次電池２０の推定ＳＯＣにおける第１推定ＳＯＣの寄与率が高まる。

このように、第１推定ＳＯＣと第２推定ＳＯＣの併用において、適切な重み係数ｋを用いることで、二次電池２０のＳＯＣの推定精度がさらに向上する。

本実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システム１０は、二次電池２０に関する充放電電流Ｉ、端子間電圧Ｖ、及び電池温度θを検出する電池状態検出部を備える。さらに、二次電池２０の内部抵抗Ｒと充電状態であるＳＯＣとの間の関係を第１充電状態特性として、電池温度θ毎の第１充電状態特性を記憶する記憶部４０と、二次電池２０の充電状態であるＳＯＣを推定する推定装置３０とを備える。推定装置３０は、電池状態検出部から二次電池２０に関する充放電電流Ｉ、端子間電圧Ｖ、及び電池温度θを取得し、取得した二次電池２０の充放電電流Ｉと端子間電圧Ｖとから二次電池の内部抵抗Ｒを算出する。そして、算出された二次電池２０の内部抵抗Ｒを検索キーとして記憶部４０を検索し、対応する電池温度θの第１充電状態特性において対応充電状態である対応ＳＯＣを取得する。取得した対応充電状態が１つである第１の場合は、その対応充電状態を二次電池２０の充電状態であるＳＯＣと推定する。取得した対応充電状態である対応ＳＯＣが２つである第２の場合は、その時点から予め定めた時間範囲の間で充放電電流Ｉを取得しその積算値ΣＩを求める。そして、積算値ΣＩの増加と共に内部抵抗Ｒが増加するかまたは減少するかに基づいて２つの対応充電状態の内のいずれか１を二次電池２０の充電状態であるＳＯＣと推定する。

１０（二次電池の充電状態）推定システム、１２インバータ、１４回転電機、２０二次電池、２２電池セル、２３セル電圧検出部、２４電圧検出部、２６電池温度検出部、２８充放電電流検出部、３０推定装置、３２電池状態取得部、３４内部抵抗算出部、３６充電状態推定部、４０記憶部、４２第１ファイル、４４第２ファイル、４６第３ファイル、５０，５２，５４特性。

Claims

二次電池に関する充放電電流、端子間電圧、及び電池温度を検出する電池状態検出部と、
前記二次電池の内部抵抗と充電状態との間の関係を第１充電状態特性として、前記電池温度毎の第１充電状態特性を記憶する記憶部と、
前記二次電池の前記充電状態を推定する推定装置と、
を備え、
前記推定装置は、
予め定めた所定の取得時期において前記電池状態検出部から前記二次電池に関する前記充放電電流、前記端子間電圧、及び前記電池温度を取得し、
取得した前記二次電池の前記充放電電流と前記端子間電圧とから前記二次電池の前記内部抵抗を算出し、
算出された前記二次電池の前記内部抵抗を検索キーとして前記記憶部を検索し、対応する前記電池温度の前記第１充電状態特性における対応充電状態を取得し、
取得した前記対応充電状態が１つである第１の場合は、その該対応充電状態を前記二次電池の前記充電状態と推定し、
取得した前記対応充電状態が２つである第２の場合は、前記所定の取得時期の直前において予め定めた時間範囲の間で前記充放電電流を取得しその積算値を求め、該積算値の増加と共に前記内部抵抗が増加するかまたは減少するかに基づいて２つの前記対応充電状態の内のいずれか１を前記二次電池の前記充電状態と推定する、二次電池の充電状態推定システム。
前記記憶部は、
前記二次電池の初期値からの前記充放電電流の積算値と前記充電状態との間の関係を第２充電状態特性として、前記電池温度毎の前記第２充電状態特性を記憶し、
前記推定装置は、
前記第１充電状態特性に基づいて推定された第１推定充電状態と、前記第２充電状態特性に基づいて推定された第２推定充電状態とについて、前記充放電電流、前記電池温度、前記内部抵抗の変化率の内のいずれか１に基づいて定めた重み係数を前記第１推定充電状態に乗算した第１項に、（１−重み係数）を前記第２推定充電状態に乗算した第２項を加算して、前記二次電池の前記充電状態と推定する、請求項１に記載の二次電池の充電状態推定システム。