JP7240893B2 - 電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池制御装置に関する。

近年、移動体向け蓄電装置や系統連系安定化用蓄電装置、非常用蓄電装置といった多数の電池を内蔵する電池制御装置の利用が拡大している。これら電池制御装置の性能を引き出すために、電池の充電状態（以下、ＳＯＣ）や劣化状態（以下、ＳＯＨ）、充放電可能な最大電流（許容電流値）などを適切に算出する必要がある。

電池電圧が上限または下限を逸脱しない最大電流を演算するためには、電池の開回路電圧（ＯＣＶ）や内部抵抗等の電池の内部状態やパラメータを使う必要がある。特に、常時不規則な電流が流れている移動体向けや系統連係安定化用蓄電装置では、電池に電流を流した瞬間に生じる電圧変化をもたらす内部抵抗（直流抵抗）に加えて、電流を流し続ける場合の電圧変化をもたらす内部抵抗（分極抵抗）の影響を考慮する必要がある。

直流抵抗や分極抵抗などのパラメータは一般に、電池のＳＯＣおよび温度によって変化する。そこで、バッテリコントローラは種々のＳＯＣおよび温度において、直流抵抗および分極抵抗などのパラメータがどのような値を示すかをデータテーブルまたはデータを表す関数として保持しておく。そして、セルコントローラから送られてくる情報に基づいて、ＳＯＣを推定したうえで、データテーブルまたは関数からパラメータの値を特定することが一般的である。しかし、これらのパラメータは電池の初期状態において測定されるため、電池が劣化した場合には実際の値とは異なる値がデータテーブルまたは関数から読み込まれてしまい、ＳＯＣ、電池電圧値、許容電流値等を誤って算出してしまう。

電池の劣化に応じて、直流抵抗成分と分極抵抗成分のデータテーブルを更新する手法も提案されている。例えば特許文献１には、初期状態の直流抵抗と拡散係数のデータテーブルを保有する一方で、充放電中の電池電圧波形の測定値と所定の電池モデルに基づく計算で同定した直流抵抗と拡散係数の値に応じて、測定されたＳＯＣと温度に対応する箇所のデータテーブルを更新する学習型のアルゴリズムが提案されている。

特開２０１３－４４５９８号公報

電池が劣化した場合に応じて、電池のデータを簡便に修正することができず、計算負荷が大きい。

本発明による電池制御装置は、初期状態の電池の正極および負極のそれぞれについて、直流抵抗成分と充放電量の関係、分極抵抗成分と充放電量の関係を含む正極および負極データを記憶する記憶部と、現在の電池の劣化状態を推定する劣化状態推定部と、前記記憶部に記憶された前記正極および前記負極データを基に、前記劣化状態推定部で推定された現在の電池の劣化状態に応じて、直流抵抗成分と充放電量の関係、分極抵抗成分と充放電量の関係を含む電池の電池データを算出するパラメータ計算部とを備える。

本発明によれば、電池が劣化した場合に応じて、電池のデータを簡便に修正することができ、そのための計算負荷も少ない。

電池システムの構成図である。 バッテリコントローラの機能ブロック図である。 （Ａ）（Ｂ）電池に矩形波電流を印加した場合の電池の電圧挙動を示す図である。 電池の等価回路モデルを示す図である。 正極データテーブルおよび負極データテーブルを示す図である。 （Ａ）（Ｂ）２５℃における正極・負極の放電量と分極抵抗を示すグラフである。 電池データテーブルを示す図である。 電池の初期状態と劣化後における電池の分極抵抗の電池データテーブルの例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、電池システム１００の構成図である。電池システム１００は、電池制御装置１、インバータ２、モータなどの負荷３、上位コントローラ４を備える。電池制御装置１の出力電圧は、電池の残容量や出力電流等により変動する直流電圧のため、負荷３に直接電力を供給するには適さない場合がある。そこで、図１に示す例では、インバータ２により電池制御装置１の出力電圧を三相交流に変換し、負荷３に供給している。電池制御装置１、インバータ２は、上位コントローラ４により制御される。

なお、負荷３に直流電圧や他の多相交流、単相交流を供給する場合も同様の構成となる。また、負荷３が電力を出力する場合には、インバータ２を双方向インバータとすることにより、負荷３が出力した電力を電池制御装置１内の電池モジュールに蓄えることができる。また、インバータ２と並列に充電システムを接続することで、必要に応じて電池モジュールを充電することも可能である。

電池制御装置１は、インバータ２や負荷３の制御に有用な電池の充電率（ＳＯＣ）や劣化率（ＳＯＨ）、電池に流すことができる最大充放電電流（許容電流値）、電池温度、電池異常の有無等の電池状態に関する情報を、上位コントローラ４に送信する。上位コントローラ４は、これらの情報に基づき、エネルギーマネージメントや異常検知等を行う。また、上位コントローラ４は、電池制御装置１をインバータ２または負荷３から切り離すべきと判断した場合は、切断指示を電池制御装置１に対し送信する。

電池制御装置１は、複数個の電池からなる１台以上の電池モジュール１１と、電池制御装置１の状態を監視・推定・制御するバッテリコントローラ１２と、電池制御装置１の出力を断続するリレー１３と、電池モジュール１１に流れた電流を計測する電流センサ１４と、電池モジュール１１の電圧を計測する電圧センサ１５と、電池制御装置１とアースとの間の絶縁抵抗を計測する漏電センサ１６と、電池温度を計測する温度センサ１７と、電池制御装置１の出力電圧に応じ制御される遮断器１８とを備えている。図１に示す電池制御装置１は、遮断器１８を介して直列接続された２台の電池モジュール１１を備えている。

バッテリコントローラ１２は、各種演算を行うＣＰＵ１２１、後述するデータテーブルが記憶される記憶部１２２を備えている。

電池モジュール１１は複数個の単位電池を有し、電池モジュール１１内部の温度や各単位電池の電圧を計測する回路、および、必要に応じ単位電池毎での充放電を行う回路を備えている。これにより単位電池毎での電圧監視や電圧調整が可能となり、また温度に応じて特性が変化する電池状態の推定に必要な温度情報が計測可能となる。

直列接続された電池モジュール１１には、電流センサ１４と一対のリレー１３とが直列に接続される。電流センサ１４は、電池モジュール１１の状態を監視・推定するために必要な電流値を計測する。一対のリレー１３の開閉を上位コントローラ４の指令に基づき制御することで、電池制御装置１の出力を遮断または接続することができる。電池モジュール１１の電圧が例えば１００Ｖ以上の高電圧となる場合には、電池制御装置１への電力入出力を人力で遮断するためのスイッチをリレー１３と直列に追加することがある。スイッチを用いて強制的に遮断を行うことで、電池制御装置１の組み立て時や解体時、電池制御装置１を搭載した装置の事故対応時に短絡などの発生を防ぐことが可能となる。

なお、電池モジュール１７が複数台並列に接続されている場合は、各列にリレー１３、スイッチ、電流センサ１４を設けてもよいし、電池制御装置１の出力部分にのみリレー１３、スイッチ、電流センサ１４を設けてもよい。また、各列および電池制御装置１の出力部の両方にリレー１３、スイッチ、電流センサ１４を設けてもよい。

リレー１３は１台のリレーで構成してもよいし、メインリレーとプリチャージリレー、抵抗の組で構成してもよい。後者の構成ではプリチャージリレーと直列に抵抗を配置し、これらをメインリレーと並列接続する。そしてリレー１３を接続する場合、まずプリチャージリレーを接続する。プリチャージリレーを流れる電流は直列接続した抵抗により制限されるため、前者の構成で生じうる突入電流を制限することができる。そしてプリチャージリレーを流れる電流が十分小さくなったのちにメインリレーを接続する。メインリレー接続のタイミングはプリチャージリレーを流れる電流を基準にしてもよいし、抵抗にかかる電圧やメインリレーの端子間電圧を基準にしてもよい。また、プリチャージリレーを接続してから経過した時間を基準にしてもよい。

電圧センサ１５は、電池モジュール１１の状態監視・推定に必要な電圧値を計測する。電圧センサ１５は、１台または複数台の電池モジュール１１に対して並列接続される。また、電池モジュール１１には漏電センサ１６が接続され、漏電が生じる前に漏電が生じうる状態、すなわち絶縁抵抗が低下した状態を検知し、事故の発生を予防可能にする。

電池モジュール１１、電流センサ１４、電圧センサ１５、漏電センサ１６の計測値はバッテリコントローラ１２に送信される。バッテリコントローラ１２は、受信した計測値に基づいて、電池モジュール１１の電池状態の監視や推定、および制御を行う。ここで制御とは、例えば、各単位電池の電圧を均等化するための単位電池毎の充放電や、各センサの電源制御、各センサのアドレッシング、バッテリコントローラ１２に接続されたリレー１３の制御等を指す。電池状態の監視や推定、制御に必要な演算はＣＰＵ１２１が行う。

なお、電池制御装置１にはシステム冷却用のファンが含まれてもよく、その制御をバッテリコントローラ１２が行うこともある。このように冷却まで電池制御装置１が行うことで、上位コントローラ４との通信量を削減することが可能となる。

図１に示す例では、電圧センサ１５や漏電センサ１６をバッテリコントローラ１２とは別部品とすることで自由度を持たせているが、バッテリコントローラ１２に電圧センサ１５や漏電センサ１６を内蔵する構成としても良い。内蔵構成とすることで、個別のセンサを用意する場合に較べてハーネス本数が減り、センサ取り付けの手間も削減できる。ただし、センサを内蔵することで対応可能な電池制御装置１の規模（最大出力電圧、電流等）が限定されてしまう場合もあるので、そのような場合には別部品とするのが望ましい。

図２は、バッテリコントローラ１２の機能ブロック図である。バッテリコントローラ１２は、例えば、許容電流値を演算する。許容電流値の演算は、ＣＰＵ１２１において行われる。ＣＰＵ１２１は、機能構成として、劣化状態推定部１２０１、充電状態推定部１２０２、パラメータ計算部１２０３、許容電流演算部１２０４を備え、記憶部の構成として、電池データテーブル１２０５、正極データテーブル１２０６、負極データテーブル１２０７、パラメータ保持部１２０８を備えている。

劣化状態推定部１２０１、充電状態推定部１２０２には、電流センサ１４、電圧センサ１５、温度センサ１７などのセンサ群から電流、電圧、温度の各値が入力される。

劣化状態推定部１２０１は、センサ群から出力される電流Ｉ、電圧Ｖ、および温度Ｔに基づき電池の状態を推定する。推定する対象は電池の状態を表す指標を任意に選んでよいが、例えば電池の容量減少を推定する。電池の容量減少の推定としては、例えば以下の方法がある。

ある時点Ａから別の時点Ｂまでの充放電量Ｑ＿ＡＢを積算する。また充電状態推定部１２０２を参照し、時点ＡにおけるＯＣＶ＿Ａと時点ＢにおけるＯＣＶ＿Ｂを計算し、初期状態の電池データテーブル１２０５を参照して、ＯＣＶ＿Ａに対応する充放電量Ｑ＿ＡＢとＯＣＶ＿Ｂに対応する充放電量Ｑ’＿ＡＢを求める。その上で、Ｑ’＿ＡＢ／Ｑ＿ＡＢを容量減少率とする。この容量減少率をＳＯＨとする。本実施例では、この容量減少率、あるいは容量減少率に電池の初期容量Ｑ＿０を掛けた容量減少量Ｑ_degを電池の劣化状態の指標とする。

なお、ＳＯＨは抵抗上昇率によって求めてもよい。例えば、電池の初期状態における内部抵抗と現在の内部抵抗の比を抵抗上昇率とし、この抵抗上昇率をＳＯＨとする。さらに、電池の正極と負極それぞれの容量減少率や抵抗上昇率に基づいて、電池の正極と負極のＳＯＨを求めてもよい。

充電状態推定部１２０２は、センサ群から出力される電流Ｉ、電圧Ｖ、および温度Ｔと電池の等価回路モデルに基づき電池の充電状態を推定する。ここで、等価回路モデルについて、図３、４を参照して説明する。

図３は、電池に矩形波電流を印加した時の電池の電圧挙動の一例を示す図である。図３（Ａ）は電池に印加した矩形波電流Ｉを示す、図３（Ｂ）は電池の電圧Ｖを示す。いずれも横軸は経過時間である。電池に対して、例えば図３（Ａ）のグラフ３１に示す矩形波の電流Ｉを印加すると、電池の電圧Ｖ、すなわち電池のＣＣＶ（閉回路電圧）は、図３（Ｂ）のグラフ３２に示すように変化する。この電圧Ｖの変化は、図３（Ｂ）に示すように、直流電圧成分Ｉ×Ｒ０、分極電圧成分Ｖｐ、ＯＣＶ変動成分ΔＯＣＶの３つの成分に大別される。Ｒ０は直流抵抗成分である。

１つ目の成分である直流電圧成分Ｉ×Ｒ０は、電流Ｉの変化に対して瞬間的に応答する。すなわち、電流Ｉの立ち上がりに応じて瞬間的に上昇し、一定のレベルで推移した後に、電流Ｉの立ち下がりと共に消滅する。２つ目の成分である分極電圧成分Ｖｐは、電流Ｉの変化に対して遅延して変動する。すなわち、電流Ｉの立ち上がり後に徐々に上昇し、電流Ｉの立ち下がり後に徐々に低下する。３つ目の成分であるＯＣＶ変動成分ΔＯＣＶは、電池のＯＣＶの変化を表しており、充電開始前のＯＣＶ値であるＯＣＶ１と充電開始後のＯＣＶ値であるＯＣＶ２との差に相当する。このＯＣＶ変動成分ΔＯＣＶは、充放電量に応じた電池の充電状態の変化量に対応する。

図４は、電池の等価回路モデルの一例を示す図である。図４において、Ｒ０は直流抵抗成分を表している。この直流抵抗成分Ｒ０に電流Ｉをかけることで、直流電圧成分Ｉ×Ｒ０が求められる。一方、Ｒｐは分極抵抗成分、Ｃｐは分極容量成分をそれぞれ表しており、これらの値と電流Ｉと充放電時間tから分極電圧成分Ｖｐが求められる。また、ＯＣＶの変化量からＯＣＶ変動成分ΔＯＣＶが求められる。また、図４に示した等価回路より、分極電圧成分Ｖｐは時定数ＲｐＣｐにおける指数関数的な変動を示す。

充電状態推定部１２０２は、例えば、第一の方式では、等価回路モデルで電池のＣＣＶを解析することによって求めた電池のＯＣＶに基づいて、電池のＳＯＣとＯＣＶの関係を示す後述の電池データテーブル１２０５を参照してＳＯＣを演算する。なお、第二の方式として、電流Ｉを積算した充放電電気量ΔＱに基づいて、充放電電気量とＳＯＣの関係に基づいてＳＯＣを演算してもよい。または、両方式を組み合わせてＳＯＣを演算してもよい。本実施形態では第一の方式の例で説明する。

正極データテーブル１２０６、負極データテーブル１２０７には、電池の初期状態における直流抵抗成分、分極抵抗成分、分極容量成分がそれぞれの温度と充放電量とＯＣＶとの関係で記憶されている。

図５は、正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７を示す図である。テーブルの項目は、温度Ｔ(℃)、充放電量Ｑｉ(Ah)、ＯＣＶＶｉ(V)、直流抵抗Ｒｏｉ(Ω)、分極抵抗Ｒｐｉ(Ω)、分極容量Ｃｐｉ(F)である。ここで、テーブル内の添え字iは正極pos、負極negのいずれかを示す。正極データテーブル１２０６では、iは正極posを、負極データテーブル１２０７では、iは負極negである。図５では、正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７を統一的に図示するが、正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７はそれぞれ独立して設けられている。なお、正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７は、データテーブルの形式で記憶してもよく、またはデータを表す関数として記憶してもよい。

正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７は、温度Ｔ（℃）がＴ1において、充放電量ＱｉがＱｉ,1～Ｑｉ,n、ＯＣＶがＶｉ,1～Ｖｉ,nにおける直流抵抗Ｒｏｉ(Ω)、分極抵抗Ｒｐｉ(Ω)、分極容量Ｃｐｉ(F)を記憶している。そして、温度Ｔ(℃)がＴｍまで、充放電量ＱｉがＱｉ,1～Ｑｉ,n、ＯＣＶがＶｉ,1～Ｖｉ,nにおける直流抵抗Ｒｏｉ(Ω)、分極抵抗Ｒｐｉ(Ω)、分極容量Ｃｐｉ(F)を記憶している。

図６（Ａ）（Ｂ）は、２５℃における正極・負極の充放電量（Ah）と分極抵抗Ｒｐの一例を示すグラフである。図６（Ａ）は、２５℃における正極の充放電量Ｑ＿pos（Ah）と分極抵抗Ｒｐ＿posの電池の初期状態におけるグラフであり、図６（Ｂ）は、２５℃における負極の充放電量Ｑ＿neg（Ah）と分極抵抗Ｒｐ＿negの電池の初期状態におけるグラフである。分極抵抗Ｒｐの例を示したが、直流抵抗Ｒｏｉ(Ω)、分極容量Ｃｐｉ(F)も同様に、これらのグラフを基に電池の正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７を作成する。

パラメータ計算部１２０３は、劣化状態推定部１２０１で推定した電池の劣化状態と、正極データテーブル１２０６、負極データテーブル１２０７に基づき電池データテーブル１２０５の値を、例えば、以下の式（１）～（５）を用いて計算する。
Ｑ＿cell=Ｑ_pos*Ａ_pos+Ｂ_pos=Ｑ_neg*Ａ_neg+Ｂ_neg ・・・（１）
ＯＣＶ_cell=ＯＣＶ_pos-ＯＣＶ_neg ・・・（２）
Ｒｏ_cell=Ｒｏ_pos*Ｄ_pos+Ｒｏ_neg*Ｄ_neg ・・・（３）
Ｒｐ_cell=Ｒｐ_pos*Ｅ_pos+Ｒｐ_neg*Ｅ_neg ・・・（４）
Ｃｐ_cell=Max(Ｃｐ_pos*Ｒｐ_pos*Ｆ_pos、Ｃｐ_neg*Ｒｐ_neg*Ｆ_neg)/Ｒｐ_cell
・・・（５）

ここで、パラメータＡ_pos、Ｂ_pos、Ａ_neg、Ｂ_neg、Ｄ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_neg、Ｆ_pos、Ｆ_negは各成分の変化率であり、その初期値はパラメータ保持部１２０８に予め記憶されている。

値Ｑ_pos、Ｑ_neg、ＯＣＶ_pos、ＯＣＶ_neg、Ｒｏ_pos、Ｒｏ_neg、Ｒｐ_pos、Ｒｐ_neg、Ｃｐ_pos、Ｃｐ_negは、正極データテーブル１２０６もしくは負極データテーブル１２０７より読み出す。

また、式（５）において、Max(Ｃｐ_pos*Ｒｐ_pos*Ｆ_pos、Ｃｐ_neg*Ｒｐ_neg*Ｆ_neg)は、いずれか大きい値を用いることを意味する。

また、パラメータ計算部１２０３は、劣化状態推定部１２０１で推定した電池の劣化状態に基づき、パラメータＡ_pos、Ｂ_pos、Ａ_neg、Ｂ_neg、Ｄ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_neg、Ｆ_pos、Ｆ_negの少なくとも１つを更新する。例えば、電池の劣化状態を反映した容量減少量Ｑ_degをＢ_negの初期値から差し引き、Ｂ_negを更新し、その他のパラメータは初期値を用いる。また例えば、容量減少量Ｑ_degをＢ_negの初期値から差し引き、Ｂ_negを更新した後、式（１）～（５）を用いて仮の電池データテーブル１２０５を計算し、仮の電池データテーブル１２０５において所定のOCVに対応する電池の内部抵抗（Ｒｏ_cell+Ｒｏ_cell）を抽出し、抽出した電池の内部抵抗と初期の電池の内部抵抗の比をＤ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_negにそれぞれ乗じてＤ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_negを更新する。また例えば、センサ群からの入力を処理して電池の充放電量Ｑ_cellと電池のＯＣＶ:ＯＣＶ_cell（Ｖ）、および直流抵抗Ｒｏｉ(Ω)、分極抵抗Ｒｐｉ(Ω)の関係テーブルの観測値を構築し、式（１）～(５)と正極データテーブルと負極データテーブルによって計算される電池の充放電量Ｑ_cellと電池のＯＣＶ:ＯＣＶ_cell（Ｖ）、および直流抵抗Ｒｏｉ(Ω)、分極抵抗Ｒｐｉ(Ω)の関係テーブルの計算値が上記観測値に一致するようにパラメータＡ_pos、Ｂ_pos、Ａ_neg、Ｂ_neg、Ｄ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_neg、Ｆ_pos、Ｆ_negを計算で探索し、更新する。このように、パラメータ計算部１２０３は、パラメータ保持部１２０８に保持していた初期値を、劣化状態推定部１２０１で推定した現在の電池の劣化状態のパラメータに更新する。そして、正極データテーブル１２０６もしくは負極データテーブル１２０７を参照して、式（１）～（５）を用いて計算する。これにより、電池の正極および負極の充放電量Ｑ_pos、Ｑ＿negとＯＣＶ_pos、ＯＣＶ_negの関係、電池の正極および負極の充放電量Ｑ_pos、Ｑ＿negと直流抵抗成分Ｒｏ_pos、Ｒｏ_negの関係、電池の正極および負極の充放電量Ｑ_pos、Ｑ＿negと分極抵抗成分Ｒｐ_pos、Ｒｐ_negの関係と、所定のモデル、例えば式（１）～（５）、に基づいて、電池の充放電量Ｑ＿cellとＯＣＶ_cellの関係、電池の充放電量Ｑ＿cellと直流抵抗成分Ｒｏ_cellの関係、電池の充放電量Ｑ＿cellと分極抵抗成分Ｒｐ_cellの関係、正極と負極と電池との充放電量Ｑ_pos、Ｑ＿neg、Ｑ＿cellの対応関係を決定する。計算結果は電池データテーブル１２０５に記憶する。

図７は、電池データテーブル１２０５を示す図である。テーブルの項目は、温度Ｔ(℃)、充放電量Ｑ_cell(Ah)、ＯＣＶ_cell(V)、直流抵抗Ｒｏ_cell(Ω)、分極抵抗Ｒｐ_cell(Ω)、分極容量Ｃｐ_cell(F)である。電池データテーブル１２０５は、温度Ｔ(℃)がＴ1において、充放電量Ｑ_cellがＱ1～Ｑn、ＯＣＶ_cellがＶ1～Ｖnにおける直流抵抗Ｒｏ_cell(Ω)、分極抵抗Ｒｐ_cell(Ω)、分極容量Ｃｐ_cell(F)を記憶している。そして、温度Ｔ(℃)がＴｍまで、充放電量Ｑ_cellがＱ1～Ｑn、ＯＣＶ_cellがＶ1～Ｖnにおける直流抵抗Ｒｏ_cell(Ω)、分極抵抗Ｒｐ_cell(Ω)、分極容量Ｃｐ_cell(F)を記憶している。

許容電流演算部１２０４は、電池データテーブル１２０５に記憶された電池の直流抵抗、分極抵抗、分極容量を現在の電池の温度に基づいて参照し、電池の許容電流を演算する。許容電流の演算は、電池の過電圧を防ぐ安全機能の一部として、許容電流値を超えないように電流を制限することで、電池制御装置１の安全性を維持するために行われる。以下に許容電流の演算の一例を示す。

充電許容電流は、例えば以下の式（６）を用いて算出する。
Ｉcmax＝（Ｖmax－ＯＣＶ）/Ｒ ・・・（６）
ここで、Ｖmaxは上限電圧、Ｒは電池の内部抵抗である。
放電許容電流は、例えば以下の式（７）を用いて算出する。
Ｉdmax＝（ＯＣＶ－Ｖmin）/Ｒ ・・・（７）
ここで、Ｖminは下限電圧、Ｒは電池の内部抵抗である。

電池の内部抵抗Ｒは、例えば以下の式（８）を用いて算出する。

ここで、Ｒｏ、Ｒｐ、Ｃｐは電池データテーブル１２０５を参照して求める。ｔは時間（秒）である。

また、許容電流演算部１２０４は、電池データテーブル１２０５に記憶された電池の直流抵抗、分極抵抗、分極容量に基づき、電池の許容入力、許容出力を演算する。以下に演算の一例を示す。
許容入力は、例えば以下の式（９）を用いて算出する。
Ｉcmax*Ｖmax ・・・（９）
ここで、Ｉcmaxは充電許容電流、Ｖmaxは上限電圧である。

許容出力は、例えば以下の式（１０）を用いて算出する。
Ｉdmax*Ｖmin ・・・（１０）
ここで、Ｉdmaxは放電許容電流、Ｖminは下限電圧である。

次に、本実施形態の動作について説明する。
まず、電池の初期状態において、図５に示す正極データテーブル１２０６、負極データテーブル１２０７に、電池の初期状態における直流抵抗成分、分極抵抗成分、分極容量成分をそれぞれの温度と充放電量とＯＣＶとの関係に対応付けて予め記憶する。

また、パラメータ保持部１２０８に、式（１）～（５）に用いるパラメータＡ_pos、Ｂ_pos、Ａ_neg、Ｂ_neg、Ｄ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_neg、Ｆ_pos、Ｆ_negの初期値を予め記憶する。

電池の初期状態から電池の使用を継続し、例えばエンジン始動時、外部電源による電池充電時、定期点検時などの時点において、パラメータ計算部１２０３は、以下の処理を実行する。

まず、パラメータ計算部１２０３は、パラメータ保持部１２０８に保持していた初期値を、劣化状態推定部１２０１で推定した現在の電池の劣化状態に応じたパラメータに更新する。具体的には、パラメータ計算部１２０３は、指定した電池温度に対応する正極データテーブル１２０６、負極データテーブル１２０７の値を抽出する。

さらに、劣化状態推定部１２０１で推定した現在の電池の劣化状態に応じて、パラメータ保持部１２０８内のパラメータを更新する。例えば、電池の劣化状態を反映した容量減少量Ｑ_degをＢ_negの初期値から差し引き、Ｂ_negを更新する。その他のパラメータは初期値を用いる。また例えば、容量減少量Ｑ_degをＢ_negの初期値から差し引き、Ｂ_negを更新した後、式（１）～（５）を用いて仮の電池データテーブル１２０５を計算し、仮の電池データテーブル１２０５において所定のOCVに対応する電池の内部抵抗（Ｒｏ_cell+Ｒｏ_cell）を抽出し、抽出した電池の内部抵抗と初期の電池の内部抵抗の比をＤ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_negにそれぞれ乗じてＤ_pos、Ｄ_neg、Ｅ_pos、Ｅ_negを更新する。

そして、抽出した正極データテーブル１２０６もしくは負極データテーブル１２０７の値と更新したパラメータを参照して、式（１）～（５）を用いて充放電量Ｑ_cell(Ah)、ＯＣＶ_cell(V)、直流抵抗Ｒｏ_cell(Ω)、分極抵抗Ｒｐ_cell(Ω)、分極容量Ｃｐ_cell(F)を計算する。計算結果は電池データテーブル１２０５に記憶する。このように、電池が劣化した場合に応じた電池の等価回路パラメータを簡便に修正することができ、そのための計算負荷も少なくできる。

また、充電状態推定部１２０２は、等価回路モデルで電池のＣＣＶを解析することによって求めた電池のＯＣＶに基づいて、、電池の温度に対応する電池データテーブル１２０５を参照して電池の現在のＳＯＣを演算する。具体的には、充電状態推定部１２０２は、センサ群１４、１５、１７により検出された電池の温度、電流、電圧と、パラメータ計算部１２０３で計算された電池のデータを用いて電池の充電状態を推定する。あるいは、電流Ｉを積算した充放電電気量ΔＱに基づいて、充放電電気量とＳＯＣの関係に基づいてＳＯＣを演算する。あるいは、両方式を組み合わせてＳＯＣを演算する。

次に、許容電流演算部１２０４は、電池データテーブル１２０５に記憶された電池の直流抵抗、分極抵抗、分極容量に基づき、式（６）～（８）を用いて電池の充電許容電流、放電許容電流を演算する。また、式（９）～（１０）を用いて許容入力Ｉin、許容出力Ｉoutを演算する。

図８（Ａ）（Ｂ）は、電池の初期状態と劣化後における電池の分極抵抗の電池データテーブル１２０５の例を示す。図８（Ａ）は、初期状態の電池の分極抵抗の電池データテーブル１２０５、図８（Ｂ）は、劣化後の電池の分極抵抗の電池データテーブル１２０５を示す。ここではＡ_pos、Ａ_neg、Ｂ_pos、Ｅ_pos、Ｅ_negは劣化の前後で変化せず、電池の劣化状態を反映するプロセスでは、電池容量減少量Ｑ_degを用いてＢ_negを初期値Ｂ_neg_0から劣化後の値Ｂ_neg_1=Ｂ_neg_0+Ｑ_degに変更した場合を示した。

図８に示すように、正極と負極の放電量の対応関係が劣化によって変化し、それによって電池の分極抵抗の放電量依存性が変化する様子を電池データテーブル１２０５に反映させることができる。ＯＣＶ、直流抵抗、分極容量についても同様に電池の劣化状態を反映して計算することができる。

なお、電池の充放電量を、満充電状態を１００%、全放電状態を０%として定義するＳＯＣに変換したい場合には、例えば満充電状態と全放電状態に対応するＯＣＶ_c、ＯＣＶ_dをそれぞれ定めておき、電池の劣化状態を反映した充放電量とＯＣＶのデータテーブルにおいて、ＯＣＶ_cとＯＣＶ_dに相当する充放電量のＱ_cとＱ_dを抽出し、Ｑ_cとＱ_dの間を百分割すればよい。また、この百分割した充放電量のそれぞれに対応するＯＣＶを抽出することによって、劣化状態を反映したＳＯＣとＯＣＶのデータテーブルを抽出することもできる。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電池制御装置１は、初期状態の電池の正極および負極のそれぞれについて、直流抵抗成分と充放電量の関係、分極抵抗成分と充放電量の関係を含む正極および負極データを記憶する正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７と、現在の電池の劣化状態を推定する劣化状態推定部１２０１と、正極データテーブル１２０６および負極データテーブル１２０７に記憶された正極および負極データを基に、劣化状態推定部１２０１で推定された現在の電池の劣化状態に応じて、直流抵抗成分と充放電量の関係、分極抵抗成分と充放電量の関係を含む電池の電池データ（電池データテーブル１２０５）を算出するパラメータ計算部１２０３とを備える。これにより、電池が劣化した場合に応じて、電池のデータを簡便に修正することができ、そのための計算負荷も少ない。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ 電池制御装置
２ インバータ
３ 負荷
４ 上位コントローラ
１１ 電池モジュール
１２ バッテリコントローラ
１３ リレー
１４ 電流センサ
１５ 電圧センサ
１６ 漏電センサ
１７ 温度センサ
１８ 遮断器
１００ 電池システム
１２１ ＣＰＵ
１２２ 記憶部
１２０１ 劣化状態推定部
１２０２ 充電状態推定部
１２０３ パラメータ計算部
１２０４ 許容電流演算部
１２０５ 電池データテーブル
１２０６ 正極データテーブル
１２０７ 負極データテーブル
１２０８ パラメータ保持部

Claims (7)

1. 初期状態の電池の正極および負極のそれぞれについて、直流抵抗成分と充放電量の関係、分極抵抗成分と充放電量の関係を含む正極データおよび負極データを記憶する記憶部と、
   現在の前記電池の劣化状態を推定する劣化状態推定部と、
   前記記憶部に記憶された前記正極データおよび前記負極データを基に、前記劣化状態推定部で推定された現在の前記電池の劣化状態に応じて、前記直流抵抗成分と充放電量の関係、前記分極抵抗成分と充放電量の関係を含む前記電池の電池データを算出するパラメータ計算部とを備える電池制御装置。
2. 請求項１に記載の電池制御装置において、
   前記電池の温度、電流、電圧を検出する検出部と、
   前記電池の充電状態の推定を行う充電状態推定部とを備え、
   前記充電状態推定部は、前記検出部により検出された前記電池の温度、電流、電圧と、前記パラメータ計算部で計算された前記電池データを用いて前記電池の充電状態を推定する電池制御装置。
3. 請求項１に記載の電池制御装置において、
   前記電池の温度、電流、電圧を検出する検出部と、
   前記電池の許容電流もしくは許容入出力の演算を行う許容電流演算部とを備え、
   前記許容電流演算部は、前記検出部により検出された前記電池の温度、電流、電圧と、前記パラメータ計算部で計算された前記電池データを用いて前記電池の許容電流もしくは許容入出力を演算する電池制御装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電池制御装置において、
   前記記憶部に記憶されている前記正極データおよび前記負極データは、複数の温度における前記直流抵抗成分と充放電量の関係、複数の温度における前記分極抵抗成分と充放電量の関係を示すデータであり、
   前記パラメータ計算部は、前記電池の温度に対応する前記記憶部に記憶された前記正極データおよび前記負極データを基に、前記劣化状態推定部で推定された現在の前記電池の劣化状態に応じて、前記直流抵抗成分と充放電量の関係、前記分極抵抗成分と充放電量の関係を含む前記電池データを算出する電池制御装置。
5. 請求項４に記載の電池制御装置において、
   前記パラメータ計算部は、前記電池の所定の温度に対応する前記記憶部に記憶された前記正極データおよび前記負極データを基に、前記劣化状態推定部で推定された現在の前記電池の劣化状態に応じて、前記直流抵抗成分と充放電量と温度の関係、前記分極抵抗成分と充放電量と温度の関係を含む前記電池データを算出する電池制御装置。
6. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電池制御装置において、
   前記パラメータ計算部は、前記電池の充放電量とＯＣＶの関係、前記電池の充放電量と直流抵抗成分の関係、前記電池の充放電量と分極抵抗成分の関係の少なくとも１つと、前記電池の正極および負極の充放電量とＯＣＶの関係、前記電池の正極および負極の充放電量と直流抵抗成分の関係、前記電池の正極および負極の充放電量と分極抵抗成分の関係の少なくとも１つと、所定のモデルに基づいて、正極と負極と前記電池との充放電量の対応関係を決定する電池制御装置。
7. 請求項１に記載の電池制御装置において、
   前記劣化状態推定部は、前記電池の容量減少量を推定し、
   前記パラメータ計算部は、前記記憶部に記憶された前記正極および前記負極データを前記電池の前記容量減少量を用いて修正して、前記電池データを算出する電池制御装置。

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