JP7234511B2 - バッテリ容量推定装置、およびバッテリ容量推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）などに搭載されるバッテリの容量を推定するバッテリ容量推定装置、およびバッテリ容量推定方法に関するものである。

ハイブリッド電気自動車などに搭載されるバッテリでは、頻繁に充放電が繰り返される。これに伴って、バッテリ容量が低下するなどの劣化が進行する。そこで、バッテリの充放電制御やバッテリ交換の必要性判定等のために、バッテリ容量を高い精度で推定することが求められる。

バッテリ容量の推定に関連した技術としては、任意の時間間隔の間に流れる電流値の時間積分値を上記時間間隔の間の端子電圧の変化量で除算して静電容量を求める技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、充電と放電とが切り替わるタイミングの端子電圧に基づいてＳＯＣ（State Of Charge）値を求め、相前後するＳＯＣ値の差で充放電電流の積算値を除算して容量値を求める技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、バッテリの機能を決定するために、電圧変化および電流変化を周期的に検出し、両者の比率に基づいてバッテリの動的内部抵抗を決定する技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

また、充放電停止状態でオフセット電流値をサンプリングし、これに基づいて検出電流値を推定する技術が知られている（例えば、特許文献４参照。）。

また、相前後する満充電時の間の検出電流を積算して、電流センサのオフセット誤差の積算値成分を得る技術が知られている（例えば、特許文献５参照。）。

特開２０１４－８１２５８号公報 国際公開第２００８／０２６４７７号 特表２００４－５２７０７６号公報 特開２０００－１３７０６２号公報 特開２００１－０７８３６５号公報

しかしながら、任意の時間間隔の間や充電と放電とが切り替わるタイミングでの端子電圧を求めてバッテリ容量等を求めたりしても、ハイブリッド車両のように充放電が頻繁に繰り返される場合などには種々のノイズや誤差の影響を抑制することは困難であり、高い精度でバッテリ容量を求めることが困難であった。この点に関しては、特許文献３～５に記載されているような動的内部抵抗やオフセット電流を検出する手法を用いても、大幅に推定精度を向上させることは困難であった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、バッテリ容量の推定を高い精度で行えるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、
第１の発明は、
バッテリの容量を推定するバッテリ容量推定装置であって、
上記バッテリの充放電電流を検出する電流センサと、
上記充放電電流の積算開始時と終了時で充電電流が等しくなる積算区間、または放電電流が等しくなる積算区間について、上記充放電電流を積算して電流積算値を求める電流積算部と、
上記バッテリの端子電圧を検出する電圧センサと、
上記端子電圧と、上記充放電電流と、上記バッテリの等価回路モデルとに基づいて、上記バッテリの起電力を算出する起電力算出部と、
上記起電力と、あらかじめ設定された、バッテリの起電力とバッテリの充電状態であるＳＯＣ値との関係に基づいて、ＳＯＣ値を求めるＳＯＣ値生成部と、
上記電流積算値を、その積算開始時のＳＯＣ値と積算終了時のＳＯＣ値との差であるΔＳＯＣで除して、上記バッテリの容量の推定値を求めるバッテリ容量推定部と、
充電時のΔＳＯＣと放電時の電流積算時間との積が、放電時のΔＳＯＣと充電時の電流積算時間との積と等しくなる充電時および放電時のバッテリ容量の推定値を平均化する平均処理部と、
を備えることを特徴とする。

これにより、等価回路モデルに基づいてバッテリの起電力が算出され、その起電力に基づいて、ＳＯＣ値、およびΔＳＯＣが求められることによって、バッテリの内部が安定状態にないようなときに端子電圧が検出された場合であっても、より適切なバッテリ容量の推定値を求めることが可能になる。しかも、上記充放電電流の積算開始時と終了時で上記充放電電流が等しくなる積算区間について、上記充放電電流を積算して電流積算値が求められるので、バッテリの等価回路モデルにおいて設定される抵抗Ｒ０の誤差の影響を抑制することができる。

第２の発明は、
第１の発明のバッテリ容量推定装置であって、
上記充放電電流の積算区間の開始時点および終了時点の少なくとも一方における上記充放電電流、および上記ΔＳＯＣを求めるための上記端子電圧、起電力、またはＳＯＣ値を補間によって求めることを特徴とする。

これにより、電流や電圧がサンプリングにより離散的に検出される場合でも、上記のように充放電電流が等しくなるようなタイミングでのサンプリングが行われるのと同様の演算を行うことができる。

本発明では、バッテリ容量の推定を高い精度で行えるようにすることができる。

バッテリ等とバッテリ容量推定装置との接続関係を示す回路図である。 充放電電流、端子間電圧、ＳＯＣの変化の例を示すグラフである。 バッテリの等価回路モデルの例を示す回路図である。 電流積算区間の調整の例を示すグラフである。 バッテリ容量の逐次平均処理部の例を示すブロック図である。 バッテリ容量の逐次平均処理の結果の例を示すグラフである。 電流積算区間の選択の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態の容量推定の対象となるバッテリ１１０は、ＨＥＶ等の車両などに搭載されるもので、例えば図１に示すように、電流センサ１３０、および切替スイッチ１４０を介して、負荷１５０または充電電源１６０に接続されるとともに、正負の電極端子に電圧センサ１２０が接続されている。バッテリ容量推定装置２１０は、上記電圧センサ１２０、および電流センサ１３０に接続され、電流積算部、起電力算出部、ＳＯＣ値生成部、バッテリ容量推定部、および平均処理部として機能して、以下のようにバッテリ１１０の容量を推定するようになっている。

（バッテリ容量推定の概要）
まず、バッテリ１１０で充放電が繰り返されて、例えば図２（ａ）（ｂ）に示すような充放電電流Ｉｓｅｎｓｅ、および端子電圧Ｖｂａｔが検出されたとすると、充電時（Ｔ１～Ｔ２）等の電流が積算（積分）されて電流積算値が求められる。

一方、充放電電流Ｉｓｅｎｓｅ、端子電圧Ｖｂａｔ、およびバッテリの等価回路モデルに基づいて、バッテリの起電力が算出される。より具体的には、上記等価回路モデルとしては、例えば図３に示すように、起電力Ｖ０の電圧源Ｅ０、並列に接続された抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１、および抵抗Ｒ０が直列に接続されたバッテリの等価回路モデルが適用され、これに基づいて、上記電流の積算開始時と終了時の起電力Ｖ０が算出される。また、あらかじめ設定された、バッテリの起電力Ｖ０とバッテリの充電状態であるＳＯＣ（ Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）値との関係に基づいて、例えば図２（ｃ）に示すようにＳＯＣ値が求められて、上記積算開始時と終了時のＳＯＣ値との差であるΔＳＯＣが求められる。

そして、下記（数１）のように上記電流積算値がΔＳＯＣで除算されて、バッテリの容量の推定値が求められる。

上記のように、バッテリの端子電圧と、充放電電流と、等価回路モデルとに基づいてバッテリの起電力が算出され、その起電力に基づいて、ＳＯＣ値、およびΔＳＯＣが求められることによって、バッテリの内部が安定状態にないようなときに端子電圧が検出された場合であっても、より適切なバッテリ容量の推定値を求めることが可能になる。

（電流積算の開始終了タイミングについて）
上記のような容量推定値は、電流積算の開始終了をどのようなタイミングで行っても原理的には可能であるが、一般に、上記（数１）の分子および分母を大きくする方が誤差を小さく抑えやすい。この点で、電流積算の開始終了時刻を電流のゼロクロスポイント、すなわち充放電電流が０になる充放電の開始時刻から終了時刻までに設定することによって、（数１）の分子および分母を最大化して容量の推定精度を向上させることが容易になる。なお、実際には、電流や電圧がサンプリングにより離散的に検出される場合には、充電と放電とが切り替わった直後および次に切り替わる直前のタイミングに設定されることが好ましい。なお、電流や電圧の補間によって、電流が０になるタイミングを求めて、これらが電流積算の開始終了タイミングに設定されたりしてもよい。

また、電流が０になるタイミングに限らず、電流積算の開始終了タイミングを充放電電流が等しくなるように設定してもよい。この場合には、下記（数２）に示すように、バッテリの等価回路モデルにおいて設定される抵抗Ｒ０の誤差の影響を抑制することができる。すなわち、抵抗Ｒ０の値が、バッテリの劣化や温度変化などによって誤差を含む値になっている場合などでも、その抵抗Ｒ０の誤差の影響を受けないようにすることができる。なお、この（数２）では、オフセット電流誤差については、その影響は積算開始終了時で等しいことから上記オフセット電流誤差による抵抗Ｒ０の誤差の影響は無視できるので、省略している。

ここで、
ＳＯＣｅｒｒ：ＳＯＣの誤差
Ｉｓｅｎｓ：充放電電流
Ｒ０ｅｒｒ：抵抗Ｒ０の誤差
ＥＰｅｒｒ：抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１に起因するＳＯＣの誤差
ΔＳＯＣｅｒｒ：積算開始終了時のＳＯＣ差の誤差
である。

なお、実際には、電流や電圧がサンプリングにより離散的に検出される場合には、必ずしも上記のように充放電電流が等しくなるようなタイミングでのサンプリングが行われるとは限らない。そのような場合には、図４および下記（表１）に示すように電流積算の開始、終了の一方または両方の充放電電流Ｉｓｅｎｓや端子電圧Ｖｂａｔ、起電力Ｖ０、またはＳＯＣ値を補間によって求めるようにしてもよい。また、補間によって前記のように積算開始終了時の充放電電流が何れも０になるようにしてもよい。

（容量推定値の平均化等について）
上記のようにして求められる容量推定値にはノイズの影響等に起因して種々の誤差やが含まれる。そのような誤差を低減するためには、得られた容量推定値を平均化してもよい。特に、充電時および放電時に求められた容量推定値を平均化することによって、電流検出時のオフセット電流誤差を低減しやすくなる。容量推定値を平均化するために、複数の容量値を単純に合計すると演算処理がオーバフローする場合などには、逐次平均処理を行うようにしてもよい。例えば、図５に示すように、カルマンフィルタにおける観測行列Ｈ（ｔ）＝１にすることによって、すなわちフィードバックされる値をそのままカルマンゲインに入力される値から減算することによって、容易に平均化処理を行うことができる。このような平均化処理によって、例えば図６に示すように容量推定値を比較的短時間に収束させることなどができる。

なお、容量推定値の平均化に際しては、計測値に基づいて得られた全ての容量推定値を平均化演算に用いるのに限らず、例えばΔＳＯＣが所定よりも小さい場合など誤差の影響が多いと考えられる計測値等に関しては、除外して演算が行われるようにしてもよい。この点に関しては、以下に説明するような容量推定値の選択等が行われる場合でも同様である。

また、平均化処理される容量推定値を選択的に演算に用いることによって推定精度を向上させることもできる。例えば、充電時のΔＳＯＣと放電時の電流積算時間との積が、放電時のΔＳＯＣと充電時の電流積算時間との積と等しくなるような充放電時間の容量推定値を平均化することによって、下記（数３）に示すようにオフセット電流誤差の影響を抑制することができる。なお、このような充放電時の容量推定値の平均値をさらに平均化処理したり、上記のような充放電時間の関係を有する複数の組の容量推定値をまとめて平均化処理したりしてもよい。また、上記のような充放電時間の関係を満たす容量推定値を得るために、電流積算の開始終了タイミングを調整するようにしたりしてもよい。

ここで、
ＣＡＰ_Ｃ、ＣＡＰ_Ｄ：充電時および放電時の容量推定値
Ｉ_{Ｃ＿ｒｅｆ}、Ｉ_{Ｄ＿ｒｅｆ}、：オフセット電流誤差のない充放電電流
Ｉ_ｅｒｒ：オフセット電流誤差（充放電時で等しい）
ΔＳＯＣ＿Ｃ、ΔＳＯＣ＿Ｄ：充電時および放電時のΔＳＯＣ
である。

また、図７に示すように、複数（１つ以上）の充電電流積算時間の合計と、複数（１つ以上）の放電電流積算時間との合計とが等しくなる充電区間や放電区間についての電流積算値やΔＳＯＣ等を選択的に演算に用い、充電時および放電時について、各電流積算値の絶対値の合計を、各ΔＳＯＣの絶対値の合計で除算して、容量推定値を求めるようにしてもよい。これによって、下記（数４）に示すようにオフセット電流誤差の影響を抑制するようにしてもよい。

ここで、
ＣＡＰ：容量推定値
Ｉ_{Ｃ＿ｒｅｆ}、Ｉ_{Ｄ＿ｒｅｆ}、：オフセット電流誤差のない充放電電流
Ｉ_ｅｒｒ：オフセット電流誤差（充放電時で等しい）
ΔＳＯＣ＿Ｃ、ΔＳＯＣ＿Ｄ：充電時および放電時のΔＳＯＣ
である。

なお、上記のような平均化処理等が行われることによる容量推定精度の向上効果は、バッテリの端子電圧と、充放電電流と、等価回路モデルとに基づいてバッテリの起電力が算出される場合に限らず、端子電圧に基づいて直接ＳＯＣ値が求められる場合などでも得ることはできる。

また、上記各例で説明した各構成要素は、論理的に可能な限り、種々組み合わせてもよい。

１１０ バッテリ
１２０ 電圧センサ
１３０ 電流センサ
１４０ 切替スイッチ
１５０ 負荷
１６０ 充電電源
２１０ バッテリ容量推定装置

Claims (3)

1. バッテリの容量を推定するバッテリ容量推定装置であって、
   上記バッテリの充放電電流を検出する電流センサと、
   充電期間における充電電流の積算開始時と積算終了時で充電電流の大きさが等しくなる積算区間、または放電期間における放電電流の積算開始時と積算終了時で放電電流の大きさが等しくなる積算区間について、上記充放電電流を積算して電流積算値を求める電流積算部と、
   上記バッテリの端子電圧を検出する電圧センサと、
   上記端子電圧と、上記充放電電流と、上記バッテリの等価回路モデルとに基づいて、上記バッテリの起電力を算出する起電力算出部と、
   上記起電力と、あらかじめ設定された、バッテリの起電力とバッテリの充電状態であるＳＯＣ値との関係に基づいて、ＳＯＣ値を求めるＳＯＣ値生成部と、
   上記電流積算値を、その積算開始時のＳＯＣ値と積算終了時のＳＯＣ値との差であるΔＳＯＣで除して、上記バッテリの容量の推定値を求めるバッテリ容量推定部と、
   充電時において求められるバッテリ容量の推定値と放電時において求められるバッテリ容量の推定値とを平均化する平均処理部と、
   を備え、
   上記平均処理部は、
   充電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際のΔＳＯＣと
   放電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際の電流積算時間との積が、
   放電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際のΔＳＯＣと
   充電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際の電流積算時間との積と等しくなるバッテリ容量の推定値を平均化することを特徴とするバッテリ容量推定装置。
2. 請求項１のバッテリ容量推定装置であって、
   上記充放電電流の積算区間の開始時点および終了時点の少なくとも一方における上記充放電電流、および上記ΔＳＯＣを求めるための上記端子電圧、起電力、またはＳＯＣ値を補間によって求めることを特徴とするバッテリ容量推定装置。
3. バッテリの容量を推定するバッテリ容量推定方法であって、
   電流センサによって検出されたバッテリの充電期間、または放電期間における充放電電流の積算開始時と終了時で上記充放電電流が等しくなる積算区間について、上記充放電電流を積算して電流積算値を求める電流積算処理と、
   電圧センサによって検出されたバッテリの端子電圧と、上記充放電電流と、上記バッテリの等価回路モデルとに基づいて、上記バッテリの起電力を算出する起電力算出処理と、
   上記起電力と、あらかじめ設定された、バッテリの起電力とバッテリの充電状態であるＳＯＣ値との関係に基づいて、ＳＯＣ値を求めるＳＯＣ値生成処理と、
   上記電流積算値を、その積算開始時のＳＯＣ値と積算終了時のＳＯＣ値との差であるΔＳＯＣで除して、上記バッテリの容量の推定値を求めるバッテリ容量推定処理と、
   充電時において求められるバッテリ容量の推定値と放電時において求められるバッテリ容量の推定値とを平均化する平均化処理と、
   を行い、
   上記平均化処理は、
   充電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際のΔＳＯＣと
   放電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際の電流積算時間との積が、
   放電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際のΔＳＯＣと
   充電時において上記バッテリ容量の推定値を求める際の電流積算時間との積と等しくなるバッテリ容量の推定値を平均化することを特徴とするバッテリ容量推定方法。

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