JP7397701B2

JP7397701B2 - 充電状態推定装置

Info

Publication number: JP7397701B2
Application number: JP2020016126A
Authority: JP
Inventors: 優矢口
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2023-12-13
Anticipated expiration: 2040-02-03
Also published as: JP2021125914A

Description

本発明は、充電状態推定装置に関する。

特許文献１には、ハイブリッド車両が記載されている。このハイブリッド車両は、走行用モータに電力を供給する組電池の電流値を検出する電流センサと、電流センサが異常状態であるか否かを判別するコントローラと、を備えている。コントローラは、電流センサが異常状態であると判別したときに、組電池の電流値を推定すると共に、推定された電流値を用いた電流積算値に基づいて、組電池のＳＯＣを推定する。

特開２０１５－２３１７６３号公報

上述したようなハイブリッド車両や電動車両では、動力源であるバッテリの容量（充電状態）は航続距離に影響する。したがって、上述したコントローラのように、運用中に充電状態を推定する必要がある。不正確なＳＯＣの推定値は、容量が残っているにも関わらず走行できなくなったり、充電の余地があるにも関わらずに充電できなくなったり等、航続距離の短縮の原因となる。したがって、上記技術分野にあっては、正確なＳＯＣの推定が望まれる。

そこで、本発明は、二次電池の充電状態を正確に推定可能な充電状態推定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る充電状態推定装置は、二次電池の充電状態を推定するための充電状態推定装置であって、充電状態の推定時刻である第１時刻と第１時刻から一定時間前の第２時刻との間の時間における二次電池の電流値に基づいた回帰式を用いて、二次電池の変動電圧を推定する変動電圧推定部と、第１時刻における二次電池の電圧値から変動電圧を減算することにより、第１時刻における二次電池の開回路電圧を算出する開回路電圧算出部と、第１時刻における開回路電圧に基づいて、第１時刻における充電状態を推定する充電状態推定部と、を備える。

この装置では、充電状態の推定に際して、まず、充電状態の推定を行う第１時刻（任意の時刻であるが便宜的に「現在」と称する）と、現在の一定時間前の第２時刻との間の時間における電流値に基づいた回帰式を用いて、二次電池の変動電圧を推定する。そして、推定された変動電圧を現在の電圧値から減算して二次電池の現在の開回路電圧を算出し、算出された開回路電圧から現在の充電状態を推定する。このように、一定の時間間隔の電流値に基づいた回帰式を用いれば、正確な変動電圧を推定可能であり、ひいては、正確な充電状態を推定可能である。

なお、例えば、従来の手法として、二次電池の起動時に開回路電圧から充電状態を推定し、推定された起動時の充電状態に対して、現在に至るまでの電流積算を行うことにより、現在の充電状態を推定し得る。しかし、この手法では、二次電池の起動時の開回路電圧が分極の影響で正確でないおそれがあるうえに、起動時から現在に至るまでの電流積算の際にセンサ誤差も積算される結果、推定された充電状態が不正確である場合がある。本発明に係る充電状態推定装置によれば、このような手法に対して、より正確に充電状態を推定可能である。

本発明に係る充電状態推定装置は、第１時刻と第２時刻との間の時間を複数の時間領域に分割し、時間領域のそれぞれにおいて二次電池の電流値を積算することによって、時間領域のそれぞれにおける電流量を取得する電流量取得部をさらに備え、変動電圧推定部は、第１時刻における二次電池の電流値、及び、時間領域のそれぞれにおける電流量を説明変数とし、変動電圧を目的変数とする回帰式を用いて、変動電圧を推定してもよい。このように、変動電圧の推定に用いる回帰式において、電流量を説明変数として用いることができる。なお、ここでは、電流量の取得のために電流値の積算を行うが、上述した従来の手法のように、二次電池の起動時から現在に至るまでの電流積算を行う場合と比較して、一定の時間間隔をさらに複数に分割した時間領域の中での電流値の積算であるため、誤差の影響が極めて小さい。

本発明に係る充電状態推定装置は、二次電池の起動時における開回路電圧から推定された起動時充電状態に、起動時から第１時刻までの電流量を積算することにより、第１時刻における仮の充電状態である仮充電状態を算出する仮充電状態算出部をさらに備え、変動電圧推定部は、回帰式において、仮充電状態をさらに説明変数として用いてもよい。このように、変動電圧の推定に用いる回帰式においては、上述した従来の手法により推定された充電状態を、仮充電状態として説明変数にさらに用いることができる。

本発明に係る充電状態推定装置では、変動電圧推定部は、回帰式において、第１時刻における二次電池の温度をさらに説明変数として用いてもよい。このように、変動電圧の推定に用いる回帰式に対して、二次電池の温度をさらに説明変数として用いることにより、より正確な変動電圧の推定を行うことができる。

本発明によれば、充電状態を正確に推定可能な充電状態推定装置を提供することができる。

一実施形態に係るバッテリシステムの構成を示す模式図である。図２は、図１に示された充電状態推定装置の機能的な構成を示す模式図である。図３は、バッテリの電流値の時間変化を示すグラフである。図４は、バッテリの電圧値及び電流値の時間変化を示すグラフである。

以下、図面を参照した詳細な説明を行う。各図において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

図１は、一実施形態に係るバッテリシステムの構成を示す模式図である。図１に示されるバッテリシステム１００は、例えば、ハイブリッド車両や電動車両等の車両に搭載されている。バッテリシステム１００は、バッテリ５０を備えている。バッテリ５０は、任意の二次電池であり、一例としてリチウムイオン二次電池である。バッテリ５０は、インバータ６０を介してモータ７０に電気的に接続されている。バッテリ５０は、モータ７０に電力を供給する。モータ７０は、例えば上述した車両の駆動に用いられる。

バッテリシステム１００は、バッテリ５０の充電状態（ＳＯＣ：States Of Charge）を推定するための充電状態推定システム１０を備えている。充電状態推定システム１０は、充電状態推定装置１と、電流センサ２０と、電圧センサ３０と、を有している。電流センサ２０は、バッテリ５０に接続され、バッテリ５０の充放電の際の電流値を検出する。電圧センサ３０は、バッテリ５０に接続され、バッテリ５０の電圧値を検出する。充電状態推定装置１は、電流センサ２０及び電圧センサ３０に電気的に接続されている。

充電状態推定装置１は、電流センサ２０及び電圧センサ３０から検出結果を示す情報を取得し、取得した情報に基づいてバッテリ５０の充電状態を推定する。充電状態推定装置１は、例えば、バッテリ監視システム（Battery Management System）に構成され得る。また、充電状態推定装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する電子制御ユニットにおいて構成され得る。充電状態推定装置１の後述する各機能部は、ＲＯＭに記録されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより実現され得る。

図２は、図１に示された充電状態推定装置の機能的な構成を示す模式図である。図３は、バッテリの電流値の時間変化を示すグラフである。図２，３に示されるように、充電状態推定装置１は、電流量取得部２、仮充電状態算出部３、変動電圧推定部４、開回路電圧算出部５、充電状態推定部６、及び、温度推定部７を有している。以下、バッテリ５０の充電状態を推定する場合の充電状態推定装置１の各部の動作について説明するが、充電状態の推定時刻（一例として現在時刻）を第１時刻Ｔ１とする。

電流量取得部２は、バッテリ５０の充放電の電流値Ｉ（Ａ）に基づいて、第１時刻Ｔ１と第１時刻Ｔ１から一定時間（例えば１００秒～２００秒）前の第２時刻Ｔ２との間の時間ｔ_ｎにおけるバッテリ５０の電流量を取得する。より具体的には、電流量取得部２は、第１時刻Ｔ１と第２時刻Ｔ２の間の時間ｔ_ｎを、複数の時間領域ｍ_１、ｍ_２、…、ｍ_ｎに分割する。そして、電流量取得部２は、時間領域ｍ_１、ｍ_２、…、ｍ_ｎのそれぞれにおいて、バッテリ５０の電流値Ｉを積算（積分）することによって、時間領域ｍ_１、ｍ_２、…、ｍ_ｎのそれぞれにおける電流量Ｘ_１（Ａｈ）、Ｘ_２（Ａｈ）、…、Ｘ_ｎ（Ａｈ）を取得する。

仮充電状態算出部３は、バッテリ５０の起動時における開回路電圧から推定された充電状態である起動時充電状態に、起動時から第１時刻Ｔ１までの電流量を積算することにより、第１時刻Ｔ１における仮の充電状態である仮充電状態を算出する。開回路電圧からの充電状態の推定は、例えば、予め用意されたマップを参照することにより行うことができる。

変動電圧推定部４は、第１時刻Ｔ１と第２時刻Ｔ２との間の時間ｔ_ｎにおけるバッテリ５０の電流値Ｉに基づいた回帰式を用いて、バッテリ５０の変動電圧（ドロップ電圧）を推定する。より具体的には、変動電圧推定部４は、第１時刻Ｔ１におけるバッテリ５０の電流値Ｉ、及び、時間領域ｍ_１、ｍ_２、…、ｍ_ｎのそれぞれにおける電流量Ｘ_１、Ｘ_２、…Ｘ_ｎを説明変数とし、変動電圧Ｖ_ｄを目的変数とする回帰式（下記式（１））を用いて、変動電圧Ｖ_ｄを推定する。下記式（１）におけるａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、回帰係数である。
Ｖ_ｄ＝ａＩ+ｂＸ_１+ｃＸ_２+…+ｄＸ_ｎ+ｅ・・・（１）

なお、変動電圧推定部４は、上記式（１）において、仮充電状態算出部３が算出した仮充電状態をさらに説明変数として用いることができる。

開回路電圧算出部５は、第１時刻Ｔ１におけるバッテリ５０の電圧値から変動電圧Ｖ_ｄを減算することにより、第１時刻Ｔ１におけるバッテリ５０の開回路電圧を算出する。充電状態推定部６は、開回路電圧算出部５が算出した第１時刻Ｔ１における開回路電圧に基づいて、第１時刻Ｔ１における充電状態を推定する。一例として、充電状態推定部６は、開回路電圧と充電状態とが関連付けられたマップを参照することにより、開回路電圧から充電状態を推定することができる。

以上説明したように、充電状態推定装置１では、充電状態の推定に際して、まず、充電状態の推定を行う第１時刻Ｔ１と、第１時刻Ｔ１の一定時間前の第２時刻Ｔ２との間の時間ｔ_ｎにおける電流値Ｉに基づいた回帰式を用いて、バッテリ５０の変動電圧Ｖ_ｄを推定する。そして、推定された変動電圧Ｖ_ｄを現在の電圧値から減算してバッテリ５０の現在の開回路電圧を算出し、算出された開回路電圧から現在の充電状態を推定する。このように、一定の時間間隔の電流値に基づいた回帰式を用いれば、正確な変動電圧Ｖ_ｄを推定可能であり、ひいては、正確な充電状態を推定可能である。

なお、例えば、従来の手法として、バッテリ５０の起動時に開回路電圧から充電状態を推定し、推定された起動時の充電状態に対して、第１時刻Ｔ１に至るまでの電流積算を行うことにより、第１時刻Ｔ１の充電状態（上述した仮充電状態）を推定し得る。しかし、この手法では、バッテリ５０の起動時の開回路電圧が分極の影響で正確でないおそれがあるうえに、起動時から第１時刻Ｔ１に至るまでの電流積算の際にセンサ誤差も積算される結果、推定された仮充電状態が真の充電状態から乖離して不正確な場合がある。これに対して、充電状態推定装置１によれば、このような手法に対して、より正確に充電状態を推定可能である。

また、充電状態推定装置１は、第１時刻Ｔ１と第２時刻Ｔ２との間の時間ｔ_ｎを複数の時間領域ｍ_１、ｍ_２、…ｍ_ｎに分割し、時間領域ｍ_１、ｍ_２、…ｍ_ｎのそれぞれにおいてバッテリ５０の電流値Ｉを積算することによって、時間領域ｍ_１、ｍ_２、…ｍ_ｎのそれぞれにおける電流量Ｘ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_ｎを取得する電流量取得部２をさらに備える。

そして、変動電圧推定部４は、第１時刻Ｔ１におけるバッテリ５０の電流値Ｉ、及び、時間領域ｍ_１、ｍ_２、…ｍ_ｎのそれぞれにおける電流量Ｘ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_ｎを説明変数とし、変動電圧Ｖ_ｄを目的変数とする回帰式を用いて、変動電圧Ｖ_ｄを推定する。このように、変動電圧Ｖ_ｄの推定に用いる回帰式において、電流量Ｘ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_ｎを説明変数として用いることができる。なお、ここでは、電流量Ｘ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_ｎの取得のために電流値の積算を行うが、上述した従来の手法のように、バッテリ５０の起動時から現在に至るまでの電流積算を行う場合と比較して、一定の時間間隔をさらに複数に分割した時間領域ｍ_１、ｍ_２、…ｍ_ｎの中での電流値の積算であるため、誤差の影響が極めて小さい。

さらに、充電状態推定装置１では、変動電圧Ｖ_ｄの推定（すなわち、充電状態の推定）に際して、一定の時間間隔での電流値Ｉの積算を行うため、バッテリ５０の電流値Ｉを一定の時間間隔で連続的に取得する必要があるものの、バッテリ５０の電圧値については、連続的に取得する必要が。このため、回帰式を用いた変動電圧Ｖ_ｄの推定に際して、記憶容量及び計算の負荷の増大が避けられる。

以上の実施形態は、本発明の一形態について説明したものである。したがって、本発明は、上述した充電状態推定装置１を任意に変形したものとされ得る。以下では、充電状態推定装置１の変形例について説明する。

図２に示されるように、充電状態推定装置１は、バッテリ５０の内部の温度を推定する温度推定部７をさらに備えることができる。温度推定部７は、バッテリ５０の内部の温度を推定する。この場合、充電状態推定装置１では、変動電圧推定部４が、上記式（１）において、温度推定部７が推定したバッテリ５０の内部の温度をさらに説明変数として用いることができる。温度推定部７は、例えば、上述したような回帰式を用いてバッテリ５０の内部の温度を推定することができる。この点についてより詳細に説明する。

図４は、バッテリの電圧値及び電流値の時間変化を示すグラフである。温度推定部７は、バッテリ５０の電圧値Ｖが一定以上変化したときに、電圧値Ｖの変化が生じた第１時刻Ｔ３と第１時刻Ｔ３から一定時間前の第２時刻Ｔ４との間の時間ｔ_ｍにおけるバッテリ５０の電流値Ｉ、及び、電圧値Ｖの変化量Ｖ_ｍに基づいた回帰式を用いて、バッテリ５０の温度を推定する。なお、一例として、第１時刻Ｔ３は第１時刻Ｔ１と同一でもよく、第２時刻Ｔ４は第２時刻Ｔ２と同一でもよい。

より具体的には、この場合には、電流量取得部２が、第１時刻Ｔ３と第２時刻Ｔ４との間の時間ｔ_ｍを複数の時間領域ｎ_１、ｎ_２、…、ｎ_ｎに分割し、時間領域ｎ_１、ｎ_２、…、ｎ_ｎのそれぞれにおいてバッテリ５０の電流値Ｉを積算（積分）することによって、時間領域ｎ_１、ｎ_２、…、ｎ_ｎのそれぞれにおける電流量Ｙ_１（Ａｈ）、Ｙ_２（Ａｈ）、…Ｙ_ｎ（Ａｈ）を取得する。そして、温度推定部７は、電圧値Ｖの変化量Ｖ_ｍ（ｖ）、及び、時間領域ｎ_１、ｎ_２、…、ｎ_ｎのそれぞれにおける電流量Ｙ_１、Ｙ_２、…Ｙ_ｎを説明変数とし、温度Ｗ（℃）を目的変数とする回帰式（下記式（２））を用いて、温度Ｗを推定する。なお、ｆ、ｇ、ｈ、ｊ、ｋは、回帰係数である。
Ｗ＝ｆＶ_ｍ+ｇＹ_１+ｈＹ_２+ｊＹ_ｎ+ｋ・・・（２）

なお、温度推定部７は、上記式（２）において、仮充電状態算出部３が算出した仮充電状態をさらに説明変数として用いることができる。

このように、充電状態推定装置１では、変動電圧推定部４が、変動電圧Ｖ_ｄの推定に用いる回帰式に対して、バッテリ５０の温度Ｗをさらに説明変数として用いることにより、より正確な変動電圧Ｖ_ｄの推定を行うことができる。

なお、変動電圧推定部４が説明変数として用いる温度Ｗは、上記のように温度推定部７が回帰式を用いて推定するものに限らず、バッテリ５０に設けられた温度センサが検出したものを用いてもよい。

１…充電状態推定装置、２…電流量取得部、３…仮充電状態算出部、４…変動電圧推定部、５…開回路電圧算出部、６…充電状態推定部、５０…バッテリ。

Claims

二次電池の充電状態を推定するための充電状態推定装置であって、
前記充電状態の推定時刻である第１時刻と前記第１時刻から一定時間前の第２時刻との間の時間における前記二次電池の電流値に基づいた回帰式を用いて、前記二次電池の変動電圧を推定する変動電圧推定部と、
前記第１時刻における前記二次電池の電圧値から前記変動電圧を減算することにより、前記第１時刻における前記二次電池の開回路電圧を算出する開回路電圧算出部と、
前記第１時刻における前記開回路電圧に基づいて、前記第１時刻における前記充電状態を推定する充電状態推定部と、
を備える充電状態推定装置。
前記第１時刻と前記第２時刻との間の時間を複数の時間領域に分割し、前記時間領域のそれぞれにおいて前記二次電池の電流値を積算することによって、前記時間領域のそれぞれにおける電流量を取得する電流量取得部をさらに備え、
前記変動電圧推定部は、前記第１時刻における前記二次電池の電流値、及び、前記時間領域のそれぞれにおける前記電流量を説明変数とし、前記変動電圧を目的変数とする前記回帰式を用いて、前記変動電圧を推定する、
請求項１に記載の充電状態推定装置。
前記二次電池の起動時における開回路電圧から推定された起動時充電状態に、前記起動時から前記第１時刻までの電流量を積算することにより、前記第１時刻における仮の充電状態である仮充電状態を算出する仮充電状態算出部をさらに備え、
前記変動電圧推定部は、前記回帰式において、前記仮充電状態をさらに説明変数として用いる、
請求項１又は２に記載の充電状態推定装置。
前記変動電圧推定部は、前記回帰式において、前記第１時刻における前記二次電池の温度をさらに説明変数として用いる、
請求項１～３のいずれか一項に記載の充電状態推定装置。