JPWO2012120620A1 - 電池状態推定方法および電池管理システム - Google Patents

Abstract

電池状態推定方法では、電池充放電時の電池Ｂの電流値および端子電圧値を電流検出部１０および電圧検出部１２で計測し、計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態推定方法であって、計測された電流値の１秒当たりの変化が所定値以上であった場合には、電流変化の発生から所定時間経過するまでの期間に計測された電流および端子電圧は使用せず、その期間以外の充放電期間に計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池Ｂの充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する。

Description

本発明は、電池の状態を検出する電池状態推定方法、および電池管理システムに関する。

従来、電池の満充電容量、劣化度(ＳＯＨ; State of Health)を推定する方法として、システム休止時の電池電流が流れていないときに電池の電圧を測り、電圧と充電率（ＳＯＣ; State of Charge）の関係を示すマップを参照して充電率を測り、休止と休止との間に使用した電荷（稼働中の電流を積分）とを用い、「電荷/(一回休止前のSOC−今回の休止のSOC)」として満充電容量を測り、ＳＯＨを（満充電容量）/（初期満充電容量）とする方法があった（特許文献１参照）。なお、システム休止の定義としては、電池が充放電を止めて１分以上としていた。

日本国特開平６−２４２１９３号公報

上述した従来の方法では、自動車でかつシステム休止が頻繁に起きる場合には適用できるものの、電力系統のようなシステム休止がメンテナンス時のみといったシステムの場合には適用が困難であった。

本発明の第１の態様によると、電池状態推定方法は、電池充放電時の電池の電流値および端子電圧値を計測し、計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態推定方法であって、計測された電流値の１秒当たりの変化が所定値以上であった場合には、電流変化の発生から所定時間が経過するまでの期間に計測された電流値および端子電圧値は使用せず、前記期間以外の電池充放電期間において計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する。
本発明の第２の態様によると、電池管理システムは、電池の電流値を検出する電流検出部と、電池の端子電圧値を検出する電圧検出部と、電流検出部で検出された電流値の１秒当たりの変化が所定値以上である電流変化を検出する電流変化検出部と、電流変化検出部による電流変化の検出時から所定時間が経過するまでの期間に検出された電流値および端子電圧値は使用せず、期間以外の電池充放電期間において検出された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態算出部と、を備える。
本発明の第３の態様によると、第２の態様の電池管理システムにおいて、所定時間に、電池の分極時定数の内の最も小さな分極時定数、または、２秒を用いるのが好ましい。
本発明の第４の態様によると、第２または３の態様の電池管理システムにおいて、放電率で０．１Ｃに相当する電流値を、前記１秒当たりの電流値の変化として用いるのが好ましい。
本発明の第５の態様によると、第２乃至４のいずれか一の態様の電池管理システムにおいて、電池状態算出部で算出された電池状態を表示する表示装置を備えたものである。
本発明の第６の態様によると、第２乃至４のいずれか一の態様の電池管理システムにおいて、電池状態算出部で算出された充電率の内、現時点から過去に遡った所定数以内の充電率が蓄積される蓄積部を備え、電池状態算出部による満充電容量の算出が、蓄積部に蓄積されている充電率の最大値と最小値との差が所定充電率差以上の場合に行われるようにしたものである。
本発明の第７の態様によると、第６の態様の電池管理システムにおいて、所定充電率差を１５％としたものである。
本発明の第８の態様によると、第６または７の態様の電池管理システムにおいて、電池状態算出部で算出された電池状態を表示する表示装置を備え、表示装置は、電池状態算出部により充電率が算出されると、充電率の表示を算出された充電率で更新し、充電率に対応した満充電容量の算出が行われていない場合には、直近に算出された満充電容量および該満充電容量に基づく電池の劣化度を表示するようにしたものである。
本発明の第９の態様によると、第８の態様の電池管理システムにおいて、直近に算出された満充電容量および該満充電容量に基づく電池の劣化度を表示する場合には、満充電容量および劣化度の表示形態を、充電率に対応した満充電容量を表示する場合の表示形態と異ならせるのが好ましい。
本発明の第１０の態様によると、第２の態様の電池管理システムにおいて、電池は複数の電池セルから成り、電池状態検出部は、電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを前記複数の電池セルの各々について算出するものである。
本発明の第１１の態様によると、第２の態様の電池管理システムにおいて、電池は、複数の電池セルから成る電池ブロックを複数備え、電池状態検出部は、電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを複数の電池ブロックの各々について算出するものである。
本発明の第１２の態様によると、第１０または１１の態様の電池管理システムにおいて、複数の電池の接続に少なくとも直列接続が含まれ、電流値および端子電圧値の検出が直列接続された複数の電池の間で同時期に行われるように、電流検出部による検出および電圧検出部による各電池の検出をそれぞれ同期させる同期装置を備えるようにしたものである。
本発明の第１３の態様によると、第１１の態様の電池管理システムにおいて、電池状態算出部で算出された電池状態を表示する表示装置を備え、表示装置は、電池状態算出部で算出された電池状態を前記複数の電池ブロック毎に表示するものである。

本発明は、明確な電池休止状況が無かった場合でも、充放電中において容量や劣化度などの電池状態をより高精度に推定することができる。

本実施形態に係る電池管理システムの構成を示す機能ブロック図である。 電池管理システムにおける処理を説明するフローチャートである。 電流値の変化と、算出される充電率の誤差との関係を模式的に示す図である。 電池の回路モデルの一例を示す図である。 ステップＳ２２の詳細処理の一例を示すフローチャートである。 充電率計算条件判定処理を説明する図である。 開放電圧−充電率（ＳＯＣ）マップの一例を示したものである。 開放電圧−ＳＯＣのグラフを示す図である。 SOC・電荷蓄積部１４におけるテーブルを示す図である。 満充電容量の求め方を説明する図である。 表示部１９の表示例を示す図である。 ２直列の電池が２並列の計４個が接続されている場合にシステム構成を示す図である。 電池を直並列した場合の、表示部９１３における表示例を示す図である。 本実施の形態による電池管理システムが適用される車両用回転電機の、駆動システムを示すブロック図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施形態に係る電池管理システムの構成を示す機能ブロック図である。本実施形態に係る電池管理システムは、電気自動車や電力系統などの機器に適用され、それらの機器が稼動中に電池の満充電容量の推定を行う。電池管理システムは、電流計１０、電流積分部１１、電圧検出部１２、電圧補正部１３、SOC・電荷蓄積部１４、計測タイミング指定部１５、SOC推定マップ１６、更新指令部１７、満充電容量計算部１８および表示部１９から構成される。

図１に示した構成のうち、電流積分部１１、電圧補正部１３、SOC・電荷蓄積部１４、計測タイミング指定部１５、SOC推定マップ１６、更新指令部１７、満充電容量計算部１８は、
機器システム側に設けられたコントローラ、例えば、ノートPC、電気自動車内のコントローラ、電力系統コントローラ内のソフトウエアで実現される。例えば、電気自動車であれば、電池制御用に設けられたバッテリコントローラのソフトウェアによって実現される。もちろん、電池管理システム専用のコントローラを備えて、それに実行させるようにしてもかまわない。

コントローラ内のソフトウエアは、電池に直結された状態検知装置（バッテリの温度、電流、電圧測定装置）、移動体のコントローラ、若しくは発電機のコントローラのいずれか、または各種複数コントローラ組み合わせで実現されるようにしても良い。表示部１９は、別途設けられた表示装置、ディスプレイで実現される。ここで、表示装置は電池の近傍に置かれるか、または、通信線で充電率、満充電容量の情報を遠隔地に送り、遠隔地にて表示装置を用意して表示しても良い。

電流計１０は、電池に充放電された電流を計測する。電流計は、シャント抵抗、またはホール素子を用いる（参考特許、特開平１０−６２４５３）。図１の電圧検出部１２は、電池Ｂの―極と＋極間の電圧（アナログ値）を測定して、デジタル値に変換して、電圧補正部１３へ電圧情報を送る。図１の電池Ｂは、鉛電池、リチウムイオン電池等の二次電池、または電気二重層コンデンサ、リチウムイオンキャパシタが対象となる。

図１４は、本実施の形態による電池管理システムが適用される車両用回転電機の、駆動システムの一例を示すブロック図である。図１４に示す駆動システムは、電池モジュール９、電池モジュール９を監視する電池監視装置１００、電池モジュール９からの直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置２２０、車両駆動用のモータ２３０を備えている。電池監視装置１００に本実施形態の電池管理システムが採用されている。

モータ２３０は、インバータ装置２２０からの３相交流電力により駆動される。インバータ装置２２０と電池監視装置１００とはＣＡＮ通信で結ばれており、インバータ装置２２０は電池監視装置１００に対して上位コントローラとして機能する。また、インバータ装置２２０は、さらに上位のコントローラ（不図示）からの指令情報に基づいて動作する。

インバータ装置２２０は、パワーモジュール２２６と、ＭＣＵ２２２と、パワーモジュール２２６を駆動するためのドライバ回路２２４とを有している。パワーモジュール２２６は、電池モジュール９から供給される直流電力を、モータ２３０を駆動するための３相交流電力に変換する。なお、インバータ装置２２０は、モータ２３０の回転子に対するパワーモジュール２２６により発生する交流電力の位相を制御して、車両制動時にはモータ２３０をジェネレータとして動作させる。モータ２３０で発電された３相交流電力は、パワーモジュール２２６により直流電力に変換されて電池モジュール９に供給される。その結果、電池モジュール９は充電される。

電池モジュール９は、直列接続された２つの電池ブロック９Ａ，９Ｂで構成されている。各電池ブロック９Ａ，９Ｂは、直列接続された１６セルの電池セルを備えている。電池ブロック９Ａと電池ブロック９Ｂとは、スイッチとヒューズとが直列接続された保守・点検用のサービスディスコネクトＳＤを介して直列接続される。このサービスディスコネクトＳＤが開くことで電気回路の直接回路が遮断され、仮に電池ブロック９Ａ，９Ｂのどこかで車両との間に１箇所接続回路ができたとしても電流が流れることはない。このような構成により高い安全性を維持できる。

電池モジュール９とインバータ装置２２０との間の強電ラインＨＶ＋には、リレーＲＬ，抵抗ＲＰおよびプリチャージリレーＲＬＰを備えた電池ディスコネクトユニットＢＤＵが設けられている。抵抗ＲＰおよびプリチャージリレーＲＬＰの直列回路は、リレーＲＬと並列に接続されている。

電池監視装置１００は、主に各セル電圧の測定、総電圧の測定、電流の測定、セル温度およびセルの容量調整等を行う。そのために、セルコントローラとしてのＩＣ１〜ＩＣ６が設けられている。各電池ブロック９Ａ，９Ｂ内に設けられた１６セルの電池セルは、それぞれ３つのセルグループに分けられ、各セルグループ毎に一つのＩＣが設けられている。

ＩＣ１〜ＩＣ６は、絶縁素子（例えば、フォトカプラ）ＰＨを介してデイジーチェーン方式でマイコン３０と通信を行い、セル電圧値読み取りや各種コマンド送信のための通信系６０２と、セル過充電検知情報のみを送信する通信系６０４とを備えている。図１４に示す例では、通信系６０２は、電池ブロック９ＡのＩＣ１〜ＩＣ３に対する上位の通信経路と、電池ブロック９ＢのＩＣ４〜ＩＣ６に対する下位の通信経路とに分けられている。電池ディスコネクトユニットＢＤＵ内にはホール素子等の電流センサＳｉが設置されており、電流センサＳｉの出力はマイコン３０に入力される。電池モジュール９の総電圧および温度に関する信号もマイコン３０に入力され、マイコン３０のＡＤ変換器（ＡＤＣ）によって測定される。温度センサは電池ブロック９Ａ，９Ｂ内の複数箇所に設けられている。

図２は、図１に示した電池管理システムにおける処理を説明するフローチャートである。図２に示すフローチャートの処理は、電池管理システムが設けられた装置（電気自動車、ノートPC、電力系統等）が稼働開始すると共に実行される、装置が停止するまで一定時間毎または所定の条件が成立する毎に定期的に繰り返し実行される。一定時間毎にプログラムを実行する場合には、例えば、その実行周期は、予め決められた値（例えば100ms）とする。

（ステップＳ２０）
ステップＳ２０では、図１の電流計１０により電池Ｂの充放電電流値を計測する。

（ステップＳ２１）
ステップＳ２１では、ステップＳ２０で計測した電流値に基づいて電荷（電流積分）を計算する。すなわち、電荷（Ah）は（電流値）×（時間）で計算され、ここでの時間は前回電流計測から今回電流計測までの経過時間であって、上述した実行周期が用いられる。なお、稼働開始（充放電開始）時の電荷の初期値は０としておく。このステップＳ２１の電荷計算処理は、図１の電流積分部１１に該当する。

（ステップＳ２２）
ステップＳ２２では、電流の変化率に基づいて充電率計算条件に合致するかどうか、すなわち、今回の計測タイミング（図２のプログラム処理タイミング）において充電率計算を行うか否かを判定する。図３は、ステップＳ２２における充電率計算条件の判定を説明する図であり、図５はステップＳ２２の詳細処理の一例を示すフローチャートである。なお、ステップＳ２２の処理は、図１の計測タイミング指定部１５の処理に該当する。

本実施の形態では、稼働中（充放電中）に計測された電流値および端子電圧に基づいて、電池状態（充電率（ＳＯＣ： State of Charge）、劣化度、満充電容量）を算出するようにしている。稼働中は、負荷（例えば、モータ）の状態に応じて電流値が変化する。そして、図３に示すように電流値が急激に変化した直後に計測された電流値および電圧値を用いて電池状態を算出すると、算出誤差が大きくなる。

図３は、電流値の変化と、算出される充電率の誤差との関係を模式的に示す図である。時刻ｔａにおいて電流値がΔＩだけ変化した場合を示している。このように電流値が変化した場合、算出される充電率誤差は、電流値が変化した直後に大きく変化し、その後、ある程度の時間が経過すると誤差は小さくなる。一般的に、電流値が変化してからの経過時間が２秒以上であれば、誤差は十分小さくなる。本実施の形態では、電流値の変化から所定経過時間が経過するまでに計測された電流値および電圧値は、電池状態（充電率、劣化度、満充電容量）の算出に用いないよう視することで、電池状態の算出精度を向上させるようにした。以下では、この所定経過時間τを待ち時間τと呼ぶことにする。

そのため、図２のステップＳ２２の充電率計算条件判定処理では、今回の処理タイミングにおいて所定値以上の電流変化が発生したか否か、または、所定値以上の電流変化があった場合の待ち時間中であるか否かを判定している。そして、電流変化が発生した場合や待ち時間中であれば、条件を満たさないと判定され図２のプログラムを終了する。一方、待ち時間中でないと判定されると、ステップＳ２２からステップＳ２３へと進む。

ここで、電流変化とは１秒当たりの電流変化のことであり、電流変化を判定するため判定値としては、例えば、一秒当たりの電流変化が電池Ｂの初期満充電容量の定数倍Ｃ（Ｃ：放電率）とする。一般的には、０．１Ｃ程度に設定するのが良い。初期満充電容量＝５Ａｈの電池の場合には、０．１Ｃは０．５Ａであるので、１秒に０．５Ａ以上の電流変化が起こった時とする。０．１Ｃは一例であって、０．１Ｃよりも大きい０．３Ｃ等としても良く例えば、予め実機でもって試験をし、最適な値を設定するようにしても良い。

また、待ち時間τとしては、予め定められた所定の値（例えば、上述した２秒）としても良いし、電池の分極時定数の中で最も短い時間としても良い。待ち時間τを大きな値に設定するほど誤差は小さくなるが、逆に、電池状態算出に用いるべき計測データの数が減ってしまって算出タイミングがなかなか得られなくなる。そのため、算出頻度と誤差低減とを両立するには、一定数値を用いる場合も電池の分極時定数を用いる場合も、τは秒オーダーとするのが好ましい。

分極時定数について、図４を用いて説明する。図４は電池の回路モデルの一例を示す図であり、理想電池３１（電池の充放電が停止して数時間後の電圧）、直流抵抗３２、分極１（３３）、分極２（３４）、＋極３５からなる。ここで、分極は抵抗とコンデンサの並列接続として表現される。分極１の時定数をτ１＝C1・R1、分極２の時定数をτ２＝C2・R2として、τ１＜τ２とする。ここで、τ１は電池によるがおよそ数秒の時定数、τ２は数分から数時間の時定数となる。ここで、上述した待ち時間τとしては、τ１を用いる。なお、図４の各回路パラメータは、周知の電気化学インピーダンス（EIS）測定法（交流インピーダンス法）を用いて測定してもよい（板垣昌幸：電気化学インピーダンス法 原理・測定・解析，丸善）。

また、分極の時定数に代えて、次式（１）で算出されるτを上述した待ち時間τとして用いても良い。なお、SOC1％当たりの電圧については、後述するステップＳ２４において説明する。SOC誤差としては予め与えられた値（例えば５％）とする。
τ＝τ１×ΔI×R1／ｖ …（１）
ｖ＝SOC1％の電圧×SOC誤差
τ１：分極時定数の中でも最も短い時間
ΔI：電流差（１周期前の計測電流―今回の電流）
Ｒ1：図４中のＲ1

次いで、図５を用いて、ステップＳ２２における充電率計算条件判定処理の詳細を説明する。ステップＳ２２０では、電流計１０で計測された今回計測電流値と前回計測電流値との差分ΔＩを実行周期（上述した１００ｍｓ）で除算して得られる１秒当たりの電流変化が、所定値以上か否かを判定する。ステップＳ２２０で電流変化が所定値以上と判定されると、ステップＳ２２５へ進んでカウント数ＮをＮ＝１とする。カウント数Ｎは、電流値所定値以上変化してからの経過時間を示す指標であり、経過時間はＮ×実行周期（例えば、１００ｍｓ）で表される。なお、カウント数Ｎはコントローラに設けられたメモリに記憶され、稼動開始時のＮの値は０である。ステップＳ２２０からステップＳ２２５へ進んだ場合には所定値以上の電流変化があったので、充電率計算条件を満足しておらず、図２のプログラムを終了する。

一方、ステップＳ２２０において電流変化が所定値より小さいと判定されると、ステップＳ２２１へ進んでカウント数ＮがＮ≠０か否かを判定する。ステップＳ２２１でＮ≠０と判定されるとステップＳ２２２へ進み、Ｎ＝０と判定されると図２のステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２２２では、カウント数ＮがＮ＝Ｍを満足しているか否かを判定する。ここで、Ｍは、式「Ｍ×実行周期≧τ＞（Ｍ−１）×実行周期」を満足する整数であり、ステップＳ２２２では経過時間が待ち時間τ以上となったか否かを判定している。ステップＳ２２２でＮ≠Ｍ、すなわち、経過時間が待ち時間τに達していないと判定されると、ステップＳ２２４へ進んでカウント数ＮをＮ＝Ｎ＋１と増加させる。ステップＳ２２４の処理が終了したならば、図２のプログラムを終了する。

一方、ステップＳ２２２でＮ＝Ｍと判定されると、すなわち、経過時間が待ち時間τ以上と判定されると、ステップＳ２２３へ進んでカウント数をＮ＝０とした後、図２のステップＳ２３へ進む。

上述した図５の充電率計算条件判定処理を、図６を参照して説明すると以下のようになる。図６は電流変化を示す図であり、t0〜t10は図２に示すプログラムが実行される処理タイミングを示している。電流値は、時刻t0と時刻t1との間においてΔＩ１変化し、時刻t5と時刻t6との間ではΔＩ２変化し、時刻t6と時刻t7との間でΔＩ３変化している。ここでは、いずれの変化量ΔＩ１〜Ｉ３も、１秒間の電流変化に換算した場合に上記所定値よりも大きいとして考える。また、待ち時間τに関するＭは、Ｍ＝３である。

時刻t1におけるプログラム処理タイミングでは、図５のステップＳ２２０においてＹＥＳと判定されステップＳ２２５でＮ＝１とされた後、図２のステップＳ２３以降の処理（充電率算出等を含む）を実行せずにプログラムを終了する。ステップＳ２２５でＮ＝１とされることにより、経過時間の算出が開始されることになる。

続く時刻t2におけるプログラム処理タイミングでは、電流変化はゼロなので、ステップＳ２２０でＮＯと判定されてステップＳ２２１へ進む。なお、前回の時刻t1における処理においてカウント数ＮはＮ＝１とされているので、ステップＳ２２１においてＹＥＳと判定されてステップＳ２２２へ進む。ステップＳ２２２ではＮ≠Ｍ（ＮＯ）と判定され、続くステップＳ２２４でＮ＝１＋１＝２とされた後、図２のステップＳ２３以降の処理を実行せずにプログラムを終了する。時刻t3におけるプログラム処理サイクルにおいても、電流変化がゼロなので、同様にステップＳ２２０→ステップＳ２２１→ステップＳ２２２→ステップＳ２２４のように処理が進み、ステップＳ２２４でＮ＝２＋１＝３とされた後にプログラムを終了する。

時刻t4におけるプログラム処理タイミングでも、電流変化がゼロなのでステップＳ２２０→ステップＳ２２１→ステップＳ２２２と進むが、Ｎ＝３（＝Ｍ）であるためステップＳ２２２においてＹＥＳと判定される。その結果、ステップＳ２２２からステップＳ２２３へ進んでカウント数ＮがＮ＝０とされ、図２のステップＳ２３へと進む。すなわち、時刻t4においては、所定値以上の電流変化が生じてからの経過時間が待ち時間τ以上となり、ステップＳ２０で計測された電流値に基づいて、充電率等の電池状態が算出される。

時刻t5におけるプログラム処理タイミングでは、電流変化がゼロであってかつＮ＝０なので、ステップＳ２２０→ステップＳ２２１→ステップＳ２２２→ステップＳ２２３のように処理が進む。そのため、時刻t5におけるプログラム処理タイミングにおいても、ステップＳ２３以降の処理が実行され、充電率等の電池状態が算出される。

続く時刻t6におけるプログラム処理タイミングでは、時刻t5における電流値に対する電流変化が所定値以上であるため、ステップＳ２２０からステップＳ２２５へ進み、カウント数ＮをＮ＝１と設定し、プログラムを終了する。

時刻t7におけるプログラム処理タイミングでは、再び電流値が増加して電流変化が所定値以上となるため、ステップＳ２２０でＹＥＳと判定され、ステップＳ２２５においてカウント数Ｎが再びＮ＝１とされる。すなわち、経過時間の計測開始時刻が時刻t7に更新されることになる。

時刻t8におけるプログラム処理タイミングでは、電流変化がゼロなのでステップＳ２２０→ステップＳ２２１と進む。時刻t8においてはカウント数ＮはＮ＝１なので、ステップＳ２２１→ステップＳ２２２→ステップＳ２２４と進み、ステップＳ２２４においてカウント数ＮがＮ＝１＋１＝２とされる。そして、図２のプログラムを終了する。時刻t9および時刻t10におけるプログラム処理タイミングは、上述した時刻t4の場合と同様である。そのため、時刻t6と時刻t7との間の電流変化からの経過時間が待ち時間τ以上となった時点で、充電率等の電池状態の算出が再び開始されることになる。図５に示すような処理を行うことにより、所定値以上の電流変化があった場合には、所定の待ち時間が経過してから電池状態の算出が行われるので、電流変化の電池状態算出への影響を抑えることができ、算出精度の向上をはかるおとができる。

（ステップＳ２３の説明）
次に、ステップＳ２３の処理について説明する。なお、ステップＳ２３の処理は、図１の機能ブロック図では電圧補正部１３の処理に該当する。ステップＳ２３では、電流計１０および電圧検出部１１により電流および電圧を計測し、計測された電流値および電圧値に基づいて、開放電圧、すなわち電池の充放電が無い状態で数時間放置した後の電池端子電圧を式（２）を用いて推定する。
開放電圧＝Ｖ＋Ｉ・Ｒ−Ｖf …（２）
なお、式（２）において、Ｖ，Ｉ，Ｒ，Ｖfは以下の通りである。
Ｖ：測定した電池の電圧
Ｉ：測定した電流（放電の場合をプラス、充電の場合をマイナスとする）
Ｒ：電池の直流抵抗（電流が変化して、計測周期後の抵抗）
Ｖf：電池の分極電圧

ここで、式（２）のＶ，Ｉは計測するため既知であるが、直流抵抗Ｒと分極電圧Ｖfは未知であるため推定する必要がある。直流抵抗Ｒの推定方法としては、式（３）を用いても良いし、予めテーブル（インデックスをＳＯＣ（充電率）、またはないしＳＯＨ（劣化度： State of Health)、温度とする）に設定した値を参照するようにしても良い。テーブルを用いる場合、電池温度を計測する温度計を備え、テーブルを参照する際にその計測温度を利用する。
Ｒ＝ΔＶ／ΔＩ …（３）
ΔＶ＝現在の電池電圧−１計測周期前の電池電圧
ΔＩ＝現在の電流−１計測周期前の電流

なお、式（３）を用いる場合には、常に抵抗が求められるわけではなく、電流変化ΔＩがある程度（例えば０．１Ｃ以上の変化）大きいことが求められる。そこで、電流変化ΔＩが小さくて直流抵抗Ｒの値が常に準備できない場合には、前回の電流変化が起こった時に求めた抵抗の値を使用することで回避する。また、テーブルを用いる方法としては、「特開２０００−２５８５１３号公報」に掲載される方法を用いても良い。

また、分極電圧Ｖfについては「特開２００７−１７１０４５号公報」に記載の方法を用いて、過去の電圧と電流とに基づいて求めるようにしても良い。

（ステップＳ２４の説明）
ステップＳ２４では、電池の開放電圧から充電率（ＳＯＣ）を推定する。なお、ステップＳ２４の処理は、図１の機能ブロック図ではＳＯＣ推定マップ１６の処理に該当する。本実施の形態における充電率（ＳＯＣ）は式（４）により定義されるが、実際の推定方法としては、予め用意された充電率−開放電圧マップを用いる。
ＳＯＣ＝100×現在の充電量[Ah]/初期満充電容量[Ah] …（４）

図７は、開放電圧−充電率（ＳＯＣ）マップの一例を示したものである。なお、図７に示したマップは、開放電圧−ＳＯＣの関係が電池温度によって変わらない場合を示したものであり、ＳＯＣの０％から１００％までを１０％刻みで分けたデータ群からなる。図７のマップをグラフで示すと図８のようになる。

一例として、ステップＳ２３で推定された開放電圧が３．７１Ｖであった場合の、マップを用いたＳＯＣの求め方について説明する。図８に示す開放電圧−ＳＯＣのグラフでは、開放電圧３．７１Ｖに対応するＳＯＣとしてＳＯＣ＝５４％が得られる。しかし、図７のマップから実際にＳＯＣを推定する場合には、以下に説明するような方法で推定する。

まず、図７の左側に示す列の開放電圧データ群の中から、３．７１Ｖに最も近いデータを検索する。ここでは、７段目の３．８Ｖとなる。次に、３．７１Ｖは３．８Ｖよりも値が小さいので、３．８Ｖより一つ下のランクの電圧データである６段目のデータを選択する。この２つの点（データ）より、線形補間により値を求めても良い。その場合には、３．６５Ｖの時のＳＯＣが５０％、３．８Ｖの時のＳＯＣが６０％であるので、ＳＯＣは５０＋（６０−５０）×（３．７１−３．６５）＝５４［％］と推定される。なお、ここでは線形補間を用いたが、更に３．５５Ｖのデータ、３．９Ｖのデータを加えた４点を用いて、周知のスプライン補間によるデータ推定を用いても良い。スプライン補間の方法としては、例えば、「吉本 富士市：スプライン関数とその応用 (シリーズ新しい応用の数学 20)，教育出版 (1979/01)」に記載の方法が用いられる。

ここで、前述した式(１)における、SOC1％当たりの電圧の求め方を説明する。図８は理想電池３１の特性を示している。ここで、SOC80％時のSOC1%の幅は７９．５％から８０．５％となる。そして、８０．５％のときの開放電圧と７９．５％のときの開放電圧の差はΔＶとなる。この開放電圧の差ΔＶをSOC1%当たりの電圧とする。ここではSOC80%のときの例を示したが、他のＳＯＣ（例えば４０％）でも同じように計算する。

（ステップＳ２５の説明）
ステップＳ２５では、SOC・電荷蓄積部１４に蓄えられるデータペア（電荷,SOC）を追加する。なお、ステップＳ２５の処理は、図１の機能ブロック図ではSOC・電荷蓄積部１４の処理に該当する。データペアを追加の仕方としては、データペアを取得する度に毎回記録しても良いが、毎回記録せずに、前回記録したＳＯＣから１％以上の変化があった場合に記録するとしても良い。

なお、メモリ容量の関係で大量のデータを蓄積できない場合や、古いデータを削除して誤差悪化を防ぐ場合には、適宜、SOC・電荷蓄積部１４に蓄積されているデータを削除するようにしても良い。データ削除の基準としては、例えば、蓄積してから一定時間経過したデータとする。この一定時間Ｔの決め方は、電流計の誤差により起因する電荷の誤差により決める。

具体的には、電流計１０の誤差をオフセット誤差と、ホワイトノイズに分け、それぞれの値をＩo[Ａ]、Ｉw[Ａ]とする（これらは、電流計のカタログ値を参照するかまたは、実測して求めておく）。そして、予め与えた満充電容量の誤差をＱe[Ａｈ]とするならば、次式（５）を満たすＴ[ｈ]を上述した一定時間Ｔとする。なお、誤差Ｑeの決め方としては、満充電容量Ｑmaxの誤差率εを用いて、Ｑmax×εとして決める。誤差率εの値は、例えば、５％としても良い。ΔTは電流積分時間刻み幅[h]である。
Ｉo×T＋Ｉw×√T×ΔT＝Ｑe …（５）

図９はSOC・電荷蓄積部１４におけるテーブルを示す図であり、この図９を用いてSOC・電荷蓄積部１４の処理の一例を説明する。ＳＯＣと電荷から成るデータペアは、その計測時刻と共に格納されている。電荷は初期値からの積分値であって、単位はＡｈ、さらに放電側をプラスとする。図９に示す例では、計測時刻１０：１０のデータが初期値であって、ＳＯＣの初期値は６０％で、電荷の初期値を０％としている。そして、前回のＳＯＣから１％のＳＯＣ変化があった場合に、そのときのＳＯＣと電荷とを記憶するようにしている。

２段目から４段目まではＳＯＣが１％ずつ減少しているので、放電時に得られたデータペアである。電荷は放電側をプラスとしているので、電荷は増加している。一方、４段目から５段目に移る場合には、ＳＯＣは増加しており、電荷は減少している。すなわち、４段目から５段目の間で充電が行われたことを示している。最下段のデータペアは最新のデータを示しており、ＳＯＣは４６％、電荷は１．４１Ａｈとなっている。

図９に示す例では、温度によってＳＯＣと開放電圧との関係が変わらない場合を示している。しかし、温度によりＳＯＣと開放電圧との関係が変化する電池が対象の場合には、各温度毎に図９のようなテーブルを用意し、別途電池に取り付けた温度計の値によりテーブルを選択する。計測時刻のデータは、上述した古いデータを削除して誤差悪化を防ぐためや、メモリが溢れるのを防ぐためのデータ削除の際に使用する。

（ステップＳ２６の説明）
ステップＳ２６では、満充電容量の更新判断を行い、更新条件を満たす場合にはステップＳ２７へ進み、更新条件を満たさない場合にはステップＳ２８へ進む。なお、ステップＳ２６の処理は、図１の機能ブロック図では更新指令部１７の処理に該当する。

ステップＳ２６の更新条件としては、図９のテーブルに記憶されているデータ群の中で、ＳＯＣの最小値と最大値との差を取り、その差が予め決められた値以上の場合に満充電容量の更新を行うようにする。また、一度更新された場合であっても、この更新条件を満たす場合には次回のデータ追加後も更新を行うものとする。この予め決められた値としては、例えば、２０％や１５％のような固定した値が用いられる。

（ステップＳ２７の説明）
ステップＳ２７では、ＳＯＣと電荷とのペアデータに基づいて、電池の満充電容量を推定する。なお、ステップＳ２７の処理は、図１の機能ブロック図では満充電容量計算部１８に該当する。満充電容量の推定には次式(６)の関係を用い、ＳＯＣをｘ、電荷をｙとし、ｘ、ｙの関係を示す直線の傾きを満充電容量として求める。また、対象とするデータペアは、SOC・電荷蓄積部１４に蓄積されている全データとする。
電荷＝満充電容量×SOC＋定数 …（６）

具体的に満充電容量を求める場合には、例えば、最小二乗法を用いる。最小二乗の方法としては、参考文献「東京大学教養学部統計学教室編：統計学入門，東京大学出版会, 2001年9月25日第20刷」の方法を用いても良い。ここで、傾きを用いる理由は、例えばＳＯＣ推定のズレが生じた場合、近似直線が座標上で上下することはあっても、傾きには影響が無いため、ＳＯＣ推定におけるバイアス誤差ずれに強いためである。

図１０を用いて満充電容量の求め方を説明する。図１０は、横軸を電荷［Ah］、横軸をＳＯＣ［％］とする座標上に図９のデータをプロットしたものである。図９の５段目のデータが図１０の点Ｄ１であり、プロットされたデータ群について、最小二乗で近似直線を求めたものがＬ１となる。この直線Ｌ１の傾きが満充電容量を表している。図１０に示す例では、傾き＝0.1Ah/SOC%となり、満充電容量は100倍の10Ahと計算される。また、ＳＯＨ（劣化度）は、[満充電容量]／[新品電池の満充電容量]の100％比として算出される。

（ステップＳ２８の説明）
ステップＳ２８では表示部１９の表示更新処理を行う。図１１は、表示部１９の表示画面の表示例を示したものである。図１１に示す例では、ＳＯＣ、ＳＯＨ、残稼働時間を表示するようにしている。図１１において、８１はＳＯＣを示し、８２は満充電容量を示し、８３はＳＯＨを示し、８４は残使用時間を示している。

ＳＯＣについては、数値によるパーセント表示だけでなく、視覚的に分かりやすいように電池表示８５のバー表示８６でＳＯＣを表示するようにした。そのため、符号８６で示す部分の大きさで使用できる量を示している。同様にＳＯＨについても、数値によるパーセント表示とともに、電池表示８８のバー表示８７でＳＯＨを表示するようにした。

この表示部１９の表示は、充電率の計算が行われる度に更新されるが、ステップＳ２２→ステップＳ２８と進んだ場合には、満充電容量が算出されていないため、今回の処理タイミングにおけるＳＯＨ、満充電容量の値は未確定となっている。その場合には、表示色を変えて前回稼働したときの最終値を表示するようにすれば良い。または、表示色を変える代わりに、点滅表示するようにしても良い。ユーザは表示色によりＳＯＨ、満充電容量が最新のものでないことを認識することができる。

なお、ＳＯＣとしては、図１のSOC推定マップ１６で計測した最新ＳＯＣ値に、「１００×（現在の電荷―SOC電荷蓄積部に蓄積された最新データの電荷）／(満充電容量)」を加えた値としても良い。残使用時間は次式（７）で算出されるものとしても良い。平均電流は最近３０分（30分でなく1時間でも良い）の電流の平均値としても良い。
残使用時間＝（現在のSOC−最低SOC）×満充電容量／平均電流×100
…（７）

上述した実施の形態では、電池が一個の場合を例に説明したが、電池が複数個、直並列接続されている場合についても同様に適用することができる。以下、図１２に示す例を用いて、電池が複数個、直並列接続された場合について述べる。

図１２では、２直列の電池が２並列の計４個が接続されている例である。すなわち、直列接続された電池９１１Ａ，９１１Ｂと、直列接続された電池９１２Ａ，９１２Ｂとが並列接続されている。各直列接続された所に、電流計９０１、９０２が設けられている。各電池９１１Ａ，９１１Ｂ，９１２Ａ，９１２Ｂに対して、電流と電圧とを同時に周期的に計測できる計測部９０３，９０４，９０５，９０６を設ける。

なお、直列接続された電池９１２Ａ，９１２Ｂに設けられた計測部９０３と計測部９０４との間では、電流センサ、電圧センサのＡＤ（Analog to Digital）回路の計測開始が同期して行われる。同様に、直列接続された電池９１１Ａ，９１１Ｂに設けられた計測部９０５と計測部９０６との間では、電流センサ、電圧センサのＡＤ回路の計測開始が同期して行われる。そのため、同期部９２０から同期信号が各計測部９０３，９０４，９０５，９０６に入力される。さらに、各計測部９０３〜９０６に対して、上述した図２に示す処理を行わせる計算部９０７〜９１０を設ける。表示部９１３は、計算部９０７〜９１０の計算結果に基づいて図１３に示すような表示を行う。

次に、電池群全体での残使用時間の計算方法について述べる。それぞれの電池９１１Ａ，９１１Ｂ，９１２Ａ，９１２Ｂについての満充電容量およびＳＯＣは、図１２に示した計算部９０７〜９１０において算出される。電池全体としての容量および残稼働時間は、次式（８），（９）によって計算する。平均電流は、例えば最近３０分（30分でなく1時間でも良い）の電流の平均値とする。
容量[Ah]＝｛電池911A満充電容量×電池911A充電率
＋電池911B満充電容量×電池911B充電率
＋電池912A満充電容量×電池912A充電率
＋電池912B満充電容量×電池912B充電率｝／100 …（８）
残稼働時間＝容量／平均電流 …（９）

図１３は表示例を示す図である。表示部９１３には、各電池のぞれぞれの劣化状態を一括で表示する劣化状態画面１０１、各電池のぞれぞれの充電率状態を一括で表示する充電率表示画面１０２、電池群全体での残使用時間を表示する残使用時間表示１０３、どの電池が劣化しているかを表示する表示画面１０４から構成されている。

劣化状態画面１０１は、２直列２並列接続された電池９１１Ａ，９１１Ｂ，９１２Ａ，９１２ＢのＳＯＨ（劣化度：ここでは、[満充電容量]／[新品電池の満充電容量]の100％比）をそれぞれ表示する。図１３において、図１２の電池９１１Ａに該当するＳＯＨ表示は表示１０５Ａであり、バー表示１０７によりＳＯＨを表すととも、数値表示「ＳＯＨ７０％」を重ねて表示するようにした。表示１０５Ｂ，１０６Ａ，１０６Ｂは、それぞれ電池９１１Ｂ，９１２Ａ，９１２Ｂに該当するＳＯＨ表示である。

充電率表示画面１０２についても劣化状態画面１０１と同様の構成となっており、表示１０８Ａ，１０８Ｂ，１０９Ａ，１０９Ｂは、それぞれ電池９１１Ｂ，９１２Ａ，９１２Ｂに該当する充電率表示である。バー表示１１０により充電率を表すととも、数値表示「ＳＯＣ７０％」を重ねて表示するようにした。

劣化電池を表示する表示画面１０４は、ＳＯＨの値が予め定められた閾値以下となった電池番号を表示する。この閾値としては、例えば５０％と固定の値にしても良い。また、満充電容量の値が確定していない電池が存在する場合には、図１３の劣化状態画面１０１の該当する電池のＳＯＨの値は、前回稼働した時の値を灰色で表示し、残使用時間表示１０３の値は、暫定的に前回稼働した時の満充電容量を使用して計算して、灰色で表示する。値が確定した後に、黒で値を表示する。

上述したように、本実施の形態では、電池充放電時の電池の電流値および端子電圧値を計測し、計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態推定方法であって、計測された電流値の１秒当たりの変化が所定値以上であった場合には、電流変化の発生から所定時間が経過するまでの期間に計測された電流値および端子電圧値は使用せず、前記期間以外の電池充放電期間において計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出するようにした。

このように、充放電中に検出された電流値および端子電圧を用いて上述した電池状態の算出を行うようにしたので、電力系統や電気自動車で、明確な電池休止状況が無かった場合でも、電池状態を推定することができる。

さらに、所定値以上の電流変化があった直後の電流値、端子電圧値は過渡的な値となるため、それらを用いて電池状態の算出を行うと、誤差の大きな信頼に欠ける値となってしまうが、本実施の形態では、充放電中に電流値および端子電圧値を計測する際に、１秒当たりの電流変化が所定値以上の場合には、所定時間経過するまでの過渡的な期間に検出されたされた電流値および端子電圧値を用いないようにしているので、電池状態の算出をより高精度に行うことができる。なお、稼働開始時の電流の流れ始めにおいても、所定値以上の電流変化があった場合と同様の処理を行うようにしても良い。

電池管理システムを構成としては、電池Ｂの電流値を検出する電流計１０と、電池Ｂの端子電圧値を検出する電圧検出部１２と、電流計１０で検出される電流値の１秒当たりの変化が所定値以上である電流変化を検出する計測タイミング指定部１５と、計測タイミング指定部１５による電流変化の検出時から所定時間が経過するまでの期間に検出された電流値および端子電圧値は使用せず、その期間以外の電池充放電期間において検出された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態算出部（例えば、満充電容量を算出する満充電容量計算部１８）と、を備える。

また、図１２に記載のように電池が複数備えられている場合には、各電池９１１Ａ，９１１Ｂ，９１２Ａ，９１２Ｂに対して電流と電圧とを同時期に周期的に計測できる計測部９０３，９０４，９０５，９０６を設ける。そして、複数の電池の各々について、電池状態を算出するようにすれば良い。その結果、各電池の電池状態を精度良く算出することができる。

さらに、電池状態算出部で算出された電池状態を表示する表示装置である表示部１９、９１３を備えたことにより、ユーザは電池状態を容易に認識することができる。満充電容量を表示する際に、充電率に対応した満充電容量の算出が行われていない場合には、直近に算出された満充電容量および該満充電容量に基づく電池の劣化度を表示する。そうすることで、満充電容量や劣化度も、充電率と同様に常に表示されることになり、ユーザは、満充電容量の算出が行われない場合でも電池状態の概略を知ることができる。

また、直近に算出された満充電容量および該満充電容量に基づく電池の劣化度を表示する場合には、満充電容量および劣化度の表示形態を、充電率に対応した満充電容量を表示する場合の表示形態と異ならせることにより、満充電容量および劣化度については現在値ではなく直近の値であることが容易に分かる。

さらに、複数備えられた電池の各々について電池状態を表示することで、どの電池が劣化しているのかが容易に分かり、電池交換を等のメンテナンスを適切なタイミングで行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、電池Ｂは管理単位を表しており、例えば、図１４の電池モジュール９に含まれる複数の電池セルの各々を電池Ｂとしても良いし、各セルグループを電池Ｂとしても良いし、電池ブロック９Ａ，９Ｂのそれぞれを電池Ｂとしても良いし、もちろん電池モジュール９を電池Ｂといても良い。図１４に示した例では、電池セルは全て直列接続されているが、直列接続と並列接続とを含む構成であっても良い。また、図１３に示すような表示を行う場合、電池モジュール９に含まれる全ての電池セルに関して各々表示しても良いが、電池交換の単位毎、例えば、図１４の電池ブロック９Ａ，９Ｂ毎に平均値を表示するのが現実的で好ましい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

Claims (13)

1. 電池充放電時の電池の電流値および端子電圧値を計測し、計測された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態推定方法であって、
   前記計測された電流値の１秒当たりの変化が所定値以上であった場合には、前記電流変化の発生から所定時間が経過するまでの期間に計測された電流および端子電圧は使用せず、前記期間以外の電池充放電期間において計測された電流値値および端子電圧値に基づいて、前記電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態推定方法。
2. 電池の電流値を検出する電流検出部と、
   電池の端子電圧値を検出する電圧検出部と、
   前記電流検出部で検出された電流値の１秒当たりの変化が所定値以上である電流変化を検出する電流変化検出部と、
   前記電流変化検出部による電流変化の検出時から所定時間が経過するまでの期間に検出された電流値および端子電圧値は使用せず、前記期間以外の電池充放電期間において検出された電流値および端子電圧値に基づいて、電池状態としての充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを算出する電池状態算出部と、を備える電池管理システム。
3. 請求項２に記載の電池管理システムにおいて、
   前記所定時間に、前記電池の分極時定数の内の最も小さな分極時定数、または、２秒を用いた電池管理システム。
4. 請求項２または３に記載の電池管理システムにおいて、
   放電率で０．１Ｃに相当する電流値を、前記１秒当たりの電流値の変化として用いた電池管理システム。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電池管理システムにおいて、
   前記電池状態算出部で算出された前記電池状態を表示する表示装置を備えた電池管理システム。
6. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電池管理システムにおいて、
   前記電池状態算出部で算出された充電率の内、現時点から過去に遡った所定数以内の充電率が蓄積される蓄積部を備え、
   前記電池状態算出部による前記満充電容量の算出が、前記蓄積部に蓄積されている充電率の最大値と最小値との差が所定充電率差以上の場合に行われる電池管理システム。
7. 請求項６に記載の電池管理システムにおいて、
   前記所定充電率差を１５％とした電池管理システム。
8. 請求項６または７に記載の電池管理システムにおいて、
   前記電池状態算出部で算出された前記電池状態を表示する表示装置を備え、
   前記表示装置は、
   前記電池状態算出部により充電率が算出されると、充電率の表示を算出された充電率で更新し、
   前記充電率に対応した前記満充電容量の算出が行われていない場合には、直近に算出された満充電容量および該満充電容量に基づく電池の劣化度を表示する電池管理システム。
9. 請求項８に記載の電池管理システムにおいて、
   前記直近に算出された満充電容量および該満充電容量に基づく電池の劣化度を表示する場合には、満充電容量および劣化度の表示形態を、前記充電率に対応した満充電容量を表示する場合の表示形態と異ならせた電池管理システム。
10. 請求項２に記載の電池管理システムにおいて、
    前記電池は複数の電池セルから成り、
    前記電池状態検出部は、電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを前記複数の電池セルの各々について算出する電池管理システム。
11. 請求項２に記載の電池管理システムにおいて、
    前記電池は、複数の電池セルから成る電池ブロックを複数備え、
    前記電池状態検出部は、電池の充電率、劣化度および満充電容量の少なくとも一つを前記複数の電池ブロックの各々について算出する電池管理システム。
12. 請求項１０または１１に記載の電池管理システムにおいて、
    前記複数の電池の接続に少なくとも直列接続が含まれ、
    前記電流値および端子電圧値の検出が前記直列接続された複数の電池の間で同時期に行われるように、前記電流検出部による検出および前記電圧検出部による各電池の検出をそれぞれ同期させる同期装置を備えた電池管理システム。
13. 請求項１１に記載の電池管理システムにおいて、
    前記電池状態算出部で算出された前記電池状態を表示する表示装置を備え、
    前記表示装置は、前記電池状態算出部で算出された前記電池状態を前記複数の電池ブロック毎に表示する電池管理システム。

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