WO1999061929A1 - Means for estimating charged state of battery and method for estimating degraded state of battery - Google Patents

Description

明 細 書 電池充電状態の推定手段及び電池劣化状態推定方法 [技術分野]

本発明は電池充電状態の推定手段、 特に推定誤差を小さくするために電池モデ ルを使用した電池充電状態の推定手段、 及び電池モデルを使用した使用中の電池 の劣化状態の推定方法の改良に関する。

[背景技術]

従来より、 電池の充電状態 （S O C ) を推定する方法として、 電池の初期の S ◦ Cに対して、 充放電電流値の積分値を加えていく方法が知られている。 しかし、 この方法では、 充放電電流値の積分自体に誤差があり、 誤差が集積されるととも に、 電池の未使用状態での自己放電による S O Cの初期値の変化等もあり、 電池 の S〇 Cを正確に推定することが困難であった。

そこで、 電池電圧からも S O Cを推定し、 充放電電流値の積分により得られた S 0 Cの推定結果を補正して推定精度を向上させる方法も行われていた。 例えば、 特開平 9— 9 6 6 6 5号公報にも、 このような推定方法の改良技術が開示されて レ、る。

しかし、 上記従来例において、 電池電圧から S 0 Cを推定し、 これにより充放 電電流値の積算誤差を補正する方法によっても、 必ずしも高い推定精度を得るこ とは困難であった。 これは、 電池電圧から S O Cを推定すること自体が困難であ るためである。

図 6には、 S O Cが 6 8 %である電池における電池電流と電池電圧の変化の関 係が示される。 図 6に示されるように、 電池の電流—電圧の関係は線形ではなく、 大きなヒステリシスを有している。 従って、 この電流一電圧の関係から S 0 Cを 推定した場合には、 電池電流と電池電圧とがどのように変化した時点で S O Cを 判定したかにより大きな誤差が生じることになる。 図 6に示された例では、 実際 の S O Cが 6 8 %であるにもかかわらず、 充電電流が増加していく段階では S 0 Cが 8 0 %と判定され、 放電電流が増加していく段階では S O Cが 2 0 %と判定 されている。

このように、 S O Cが同じでも直前までの充放電状態を反映して電池電圧が大 きく変化するので、 電池電圧から S 0 Cを推定すると大きな誤差が生じることに なる。 従って、 従来の方法では正確に S O Cを推定することができなかった。 特 に、 充放電が短い周期で切り替わり、 繰り返されるハイブリッ ド車においては、 S 0 Cの推定値の誤差が大きくなるという問題があった。

また、 電気自動車等で使用される電池は、 その交換時期を判断したり、 故障の 発生の予測をする等のためにその劣化状態を推定することが行われている。

この劣化状態の測定は、 電池の内部抵抗を求めることにより行われる。 内部抵 抗を求める方法としては、 例えば所定の充電状態 （S O C ) において、 所定の放 電電流で一定時間放電させた場合の電圧から内部抵抗を求める方法がある。 また、 電気自動車において、 走行中のいくつかの電流/電圧値から以下の式により内部 抵抗 Rを求める方法もある。

Vb= - R X I b+ Voc · · · ( 1 )

Vb :電圧値， l b :電流値， Voc：開放電圧

しかし、 上記所定の S 0 Cで一定時間所定の放電電流により放電させる方法で は、 オフライン計測となるので、 例えば電気自動車に使用される電池の場合には、 走行中に電池の内部抵抗を推定することは不可能である。

また、 上記式 （ 1 ) により電池の内部抵抗を求める方法では、 電気自動車の走 行中でも内部抵抗を測定することができる。 しかし、 この方法では電池の分極の 影響を考慮していないので、 内部抵抗の推定値の誤差が大きくなるという問題が ある。 すなわち、 電池の充放電電流と電池電圧との関係は図 1 0に示されるよう になる。 図 1 0においては、 電流値の正の部分が放電状態であり、 負の部分が充 電状態をあらわしている。 図 1 0に示されるように、 電池の電流/電圧特性は、 ヒステリシスを有しており、 電圧/電流の傾きすなわち内部抵抗 （― R ) は測定 するタイミングにより異なった値となる。 これは、 上述した分極の影響を考慮し ていないためである。 したがって、 この従来方法によって電池の内部抵抗を正確 に推定することは困難である。

以上より、 本発明の目的は、 充放電が短い周期で切り替わり、 繰り返されても 正確に S 0 Cを推定することができる電池充電状態の推定手段を提供することに ある。

また、 他の目的は、 電池の使用中に正確に電池の内部抵抗の変化を測定でき、 電池の劣化状態を正確に把握できる電池劣化状態推定方法を提供することにある。

[発明の開示]

上記目的を達成するために、 本発明は、 電池充電状態の推定手段であって、 電 池の充電状態 （S O C ) の一応の値として疑似 S 0 Cを求め、 この疑似 S O Cと ともに電池の状態の変動を考慮して電池電圧を推定する電池モデルを有し、 推定 された電池電圧と実際に測定された電池電圧とが等しくなるように疑似 s o Cを 修正して実際の S 0 Cを推定することを特徴とする。

また、 上記電池充電状態の推定手段において、 電池モデルは、 電池の充放電電 流から疑似 S 0 Cを求める疑似 S 0 C推定手段と、 記疑似 S 0 C推定手段から出 力される疑似 S 0 Cに基づき電池電圧を推定する起電力推定手段と、 内部抵抗に よる電池電圧の変動を推定する電圧変動推定手段と、 電池の充放電電流の変化に 基づいて電池電圧の変動を推定する動的電圧変動推定手段と、 を有し、 起電力推 定手段と電圧変動推定手段と動的電圧変動推定手段との出力値の合計から電池電 圧を推定することを特徴とする。

また、 上記電池充電状態の推定手段において、 疑似 S O Cの修正量は、 推定さ れた電池電圧と実際に測定された電池電圧との差に比例する成分とこの差の積分 値に比例する成分とからなることを特徴とする。

また、 上記電池充電状態の推定手段において、 疑似 s o C推定手段と起電力推 定手段と電圧変動推定手段と動的電圧変動推定手段とは、 各推定時に電池温度に 応じた補正を行うことを特徴とする。

また、 上記電池充電状態の推定手段において、 疑似 S O C推定手段と起電力推 定手段と電圧変動推定手段と動的電圧変動推定手段とは、 各推定時に推定された

S O Cに応じた補正を行うことを特徴とする。 また、 上記電池充電状態の推定手段において、 動的電圧変動推定手段は、 フィ ―ドバック経路を有するニューラルネッ トワークにより構成されていることを特 徴とする。

また、 電池劣化状態推定方法であって、 電池の充放電電流と電池電圧とを測定 し、 この充放電電流の積算値から電池の充電状態 （SOC) の推定値として疑似 SOCを求め、 疑似 SOCから電池の開放電圧 Vo cを推定し、 電池の充放電電 流の変化に基づいて電池電圧の動的変動分 Vd ynを推定し、 開放電圧 Vo cと 電池電圧の動的変動分 Vd ynとの和と電池電圧の測定値 Vme sとの差 Vrを 以下の式により求め、

Vr=Vmes— ( Voc + Vdyn) この差 V rと充放電電流値とから最小 2乗法により電池の内部抵抗を求めるこ とを特徴とする。

また、 上記電池劣化状態推定方法において、 最小 2乗法は、 重み付き最小 2乗 法であることを特徴とする。

[図面の簡単な説明]

図 1は、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 1の構成のプロック 図である。

図 2は、 図 1に示された電池充電状態の推定手段による電池の S 0 Cの推定動 作のフローを示す図である。

図 3は、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 2の構成のプロック 図である。

図 4は、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 3の構成のプロック 図である。

図 5は、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 4に使用される動的 電圧変動推定手段の変形例を示す図である。

図 6は、 電池における電流と電圧の変化の関係を示す図である。

図 7は、 本発明に係る電池劣化状態推定方法を実施するための構成のプロック 図である。

図 8は、 本発明に係る電池劣化状態推定方法の工程のフロー図である。

図 9は、 本発明に係る電池劣化状態推定方法により推定した内部抵抗を使用し て電池の S 0 Cを推定する構成のプロ 'ソク図である。

図 1 0は、 電池の電圧一電流の関係を示す図である。

[発明を実施するための最良の形態]

以下、 本発明の好適な実施の形態 （以下、 実施形態という） について、 図面に 基づいて説明する。 実施形態 1 .

図 1には、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 1の構成のプロッ ク図が示される。 図 1において、 電池の充放電電流は電流検出手段 1 0により検 出される。 また、 そのときの電池電圧は電圧検出手段 1 2により検出される。 電流検出手段 1 0により検出された充放電電流値は、 疑似 S O C推定手段 1 4 で積分され、 あらかじめ求められていた電池の S 0 Cの初期値に加算されて S 0 Cの一応の値である疑似 S〇 Cが推定される。 この S O Cの初期値は、 満充電時 であれば 1 0 0 %となり、 あるいは前回使用終了時の S 0 C推定値として与える ことができる。 このようにして求めた疑似 S O Cに基づき、 起電力推定手段 1 6 により、 その疑似 S O Cに対応する電池電圧を推定する。 この起電力推定手段 1 6によって推定される電池電圧は、 電池の開放電圧の推定値 V o cである。 この ような開放電圧 V o cは、 例えば、 あらかじめ S O Cと開放電圧とのマップを電 池毎に求めておき、 疑似 S 0 C推定手段 1 4から与えられる疑似 S 0 Cに対応す る開放電圧 V o cとして推定することができる。

また、 電流検出手段 1 0によって検出された電池の充放電電流値から、 電池の 内部抵抗による電圧変動が電圧変動推定手段 1 8により推定される。 この電圧変 動推定手段 1 8では、 下に示す式により内部抵抗による電池電圧の変動を推定す る。 V r = - r x I b

r ：内部抵抗、 I b ：電流値 （放電が正） ここで V rが電圧変動推定手段 18によって推定される内部抵抗による電圧変 動である。 なお、 電池の内部抵抗 は、 あらかじめ電池毎に決定しておく。 また、 電流値 l bは、 電流検出手段 10によって検出された充放電電流値である。

さらに、 動的電圧変動推定手段 20により、 電池の充放電電流の変化に基づい た電池電圧の変動が推定される。 動的電圧変動推定手段 20では、 下に示す式に より電池の動的な電圧変動 V dynを推定する。

V dyn = C X X dx/d t =AXx + B X I b

A, B, C：係数マトリックス

X ：状態量 動的電圧変動推定手段 20では、 上記の状態方程式に基づいて、 電池の過渡的 な電圧の変動 Vd ynを推定する。 この場合、 係数マトリックス A, B, Cは各 電池毎にその特性の測定からあらかじめ決定しておく。

次に、 上述した起電力推定手段 16、 電圧変動推定手段 18、 動的電圧変動推 定手段 20の出力値を加算器 22で加算し、 電池電圧の推定値である推定電圧 V e s tを求める。 すなわち、

V est = V oc + V r + V dyn となる。

なお、 以上に述べた疑似 SO C推定手段 14、 起電力推定手段 16、 電圧変動 推定手段 18、 動的電圧変動推定手段 20、 加算器 22により、 本発明に係る電 池モデルが構成される。

上述した電池モデルにより推定された電池の推定電圧 Ve s tは、 比較器 24 で、 電圧検出手段 12によって検出された実際の電池の測定電圧 Vme sと比較 され、 その差が S〇 C修正量算出手段 26に入力される。 SOC修正量算出手段 26では、 下に示す式により、 電池の S◦ Cの推定値を算出する。 SOC=SOC p+K p X ( V mes - V est ) +K i X S ( V mes - V est ) dt

SOC p ：疑似 SO C Kp, K i ：係数

上式において、 疑似 SOC (SOCp) は疑似 S O C推定手段 14の出力値であ る。 また、 S 0 C修正量算出手段 26では、 上式の第 2項及び第 3項すなわち比 較器 24によって求められた推定電圧 Ve s tと測定電圧 Vme sとの差 （Vm e s -Ve s t ) に比例する成分と、 この差の積分値に比例する成分とを算出す る。 ここで、 係数 Kp， K iはそれぞれあらかじめ電池特性から決定しておく。 SO C修正量算出手段 26によって算出された上記各成分は、 上式に示されるよ うに、 加算器 28により疑似 SO C推定手段 1 4の出力値 S 0 Cpに加算される。 これにより電池の SO Cの推定値を得ることができる。

このように本実施形態においては、 電池モデルを使用し、 従来と同様の方法に より求めた疑似 S 0 Cから電池の起電力を推定するとともに、 電池電圧の内部抵 抗による変動分と、 充放電電流の変化による動的な電圧変動分とを推定し、 これ らの合計として電池の電圧を推定する。 すなわち、 電池モデルにより、 疑似 SO Cとともに電池の状態の変動を考慮して電池電圧 Ve s tを推定する。 次に、 こ の推定電圧 Ve s tが実際に測定された電池の電圧 Vme sと等しくなるように 疑似 S 0 Cを修正して電池の S 0 Cを推定している。 したがって、 単に充放電電 流の積算のみならず、 内部抵抗や電池の状態の変動を考慮した S 0 Cの修正が行 われるので、 電池の S〇 Cの推定精度を著しく向上することができる。

なお、 本実施形態では、 推定電圧 Ve s tと実際に測定された電池の電圧 Vm e sとが等しくなるように疑似 S 0 Cを修正していくので、 仮に最初に与えられ る S 0 Cの初期値が大きな誤差を含んでいても、 速やかに正確な S 0 Cの推定値 に収束することができる。

図 2には、 図 1に示された電池充電状態の推定手段による S 0 Cの推定動作の フローが示される。 図 2において、 ィグニヅシヨンスイッチが〇Nとなった場合 (S 1) 、 電池が満充電であるか否か、 あるいは前回使用終了時の SO C推定値 等から電池の充電状態の一応の値として疑似 S〇 Cが疑似 S 0 C推定手段 14に よってセヅ 卜される （S 2)。 W 99/61929 次に、 電流検出手段 1 0及び電圧検出手段 1 2により電池の充放電電流値 I b と電池の実際の電圧 Vme sとが測定される （S 3) 。

電流検出手段 1 0により検出された充放電電流値 I bを積算することにより、 疑似 SO C推定手段 14により疑似 S O Cの算出が行われる （S 4) 。 この疑似 S〇 C推定手段 14により推定された疑似 S 0 Cから起電力推定手段 1 6により 電池の開放電圧 Vo cが推定される。 また、 電流検出手段 10により検出された 電池の充放電電流値 I bから電圧変動推定手段 1 8により内部抵抗による電圧変 動 Vrが推定される。 さらに、 動的電圧変動推定手段 20により電池の充放電電 流の変化に基づく電圧変動分 Vd ynが推定される。 これらの開放電圧 Vo c、 内部抵抗による電圧変動分 V r、 電池の充放電電流の変化に基づく電圧変動分 V d y nの合計として電池の推定電圧 Ve s tが算出される （S 5) 。

次に、 上述のようにして算出された推定電圧 Ve s tと、 電圧検出手段 1 2に よって実際に測定された電池の測定電圧 Vme sとが、 比較器 24により比較さ れる （S 6) 。 この比較器 24によって比較された Vme sと V e s tとの差に 基づき、 SO C修正量算出手段 26により、 疑似 S 0 C推定手段 14が推定した 疑似 SO Cの修正量が算出される （S 7) 。

SOC修正量算出手段 26によって算出された SO C修正量を、 疑似 SO Cに 加算器 28によって加算することにより疑似 SO Cの修正が行われ、 SOCの推 定値が算出される （S 8) 。

次にィグニ 'ソシヨンスィツチが 0 F Fとなったか否かが確認され、 ィグニッシ ョンスィツチが OFFとなるまで上述した S 3〜S 8のステップが繰り返される (S 9) 。

S 9においてィグニヅシヨンスィツチが OF Fとなった場合には、 その時点で の電池の S 0 Cの推定値を不揮発性メモリに格納し、 次回の疑似 S 0 Cの初期値 として使用する （S 1 0) 。

以上により本実施形態に係る電池充電状態の推定手段による電池の S 0 Cの推 定動作が終了する。 実施形態 2. 図 3には、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 2の構成のプロッ ク図が示され、 図 1と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。 図 3 において特徴的な点は、 疑似 S O C推定手段 1 4、 起電力推定手段 1 6、 電圧変 動推定手段 1 8、 動的電圧変動推定手段 2 0の各手段によりそれぞれの推定動作 が行われる際に、 電池温度 T bに応じた補正がなされることにある。 すなわち、 本実施形態においては、 電池の温度を検出するための温度検出手段 3 0が設けら れており、 この出力値がそれぞれ疑似 S 0 C推定手段 1 4、 起電力推定手段 1 6、 電圧変動推定手段 1 8、 動的電圧変動推定手段 2 0に入力されている。

一般に、 電池の特性は電池の温度によって変化するので、 本実施形態のように、 電池モデル内における各推定手段に電池温度 T bの情報を入力することにより、 より高精度で電池の S O Cを推定することができる。 なお、 温度検出手段 3 0に より検出された電池温度 T bにより、 各推定手段でどのような補正を行うかは、 電池特性に応じて予め決定しておく。 実施形態 3 .

図 4には、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 3の構成のプロッ ク図が示され、 図 1及び図 3と同一要素には同一符号を付してその説明を省略す る。

図 4において特徴的な点は、 前述した電池モデルにおける各推定動作を行う際 に、 疑似 S 0 Cを修正して得た S 0 Cの推定値に応じた補正を行う点にある。 す なわち、 S 0 C修正量算出手段 2 6によって算出された S O C修正量を加算器 2 8により疑似 S 0 Cに加えることにより電池の S 0 Cを推定しているが、 この S 0 Cの推定値を起電力推定手段 1 6、 電圧変動推定手段 1 8、 動的電圧変動推定 手段 2 0のそれぞれに入力し、 それぞれの推定動作を補正する。 これにより、 S 〇 C変化による電池の特性変化を考慮することができ、 より高精度で電池の S 0 Cを推定することができる。 なお、 各推定手段でどのような補正を行うかは、 実 施形態 2と同様に、 電池特性に応じて予め決定しておけばよい。 実施形態 4 . 図 5には、 本発明に係る電池充電状態の推定手段の実施形態 4に使用される動 的電圧変動推定手段 20の変形例が示される。 なお、 図 5に示された構成以外の 構成については、 図 1、 図 3、 図 4に示された実施形態 1、 2、 3と同様である。 図 5において、 動的電圧変動推定手段 20は、 ニューラルネッ トワークで構成 されている。 このニューラルネッ トワークは、 入力層 32、 中間層 34、 出力層 36により構成されており、 入力層 32の各ュニッ トは中間層 34の全部または 一部のュニッ トと結合し、 中間層 34の全部または一部のュニッ トが出力層 36 のュニッ トに結合されている。

図 5に示されたニューラルネッ トワークにおいて特徴的な点は、 出力層 36か ら入力層 32へのフィ一ドバック経路 38を有するリカレント型である点にある。 動的電圧変動推定手段 20により推定される電池の動的な電圧変動 Vdynを 離散型で表すと、

Vdyn [k+ 1] 二 f (lb [k] , SOC [k] , Tb [kj ， Vdyn [k] ) f ：関数

のようになる。 上式で示されるように、 動的な電圧変動 Vd ynは 2つの時間ス テツプ [k] と [k+ 1] との間の関係で表される。 したがって、 これをニュー ラルネッ トワークで表す場合は上記リカレント型ニューラルネッ トワークとする 必要がある。

また、 上式では、 電圧変動 Vdyn [k+ 1] は、 I b [k] 、 S〇C [k] 、 Tb [k] 、 Vdyn [k] を変数とするある関数 fで表されている。 どのよう な関数になるかは、 ニューラルネヅ トワークの学習で決まる。

このニューラルネッ トワークの入力層 32には、 ある時間ステップ kにおける フィードバック項 Vdyn [k] と、 電流検出手段 10により検出された充放電 電流値 l b [k] , SOC修正量算出手段 26によって算出された SOC修正量 を加算器 28で疑似 SO Cに加えることにより得た SO Cの推定値 SO C [k] 、 温度検出手段 30により検出された電池温度 Tb [k] が入力される。 このよう な入力があると、 所定の中間層 34を介して出力層 36から時間ステップ [k + 1] の電圧変動 Vdyn [k+ 1] が出力される。 なお、 図 1に示された電池充 電状態の推定手段に本実施形態のニューラルネッ トワークを使用する場合は、 入 力が充放電電流値 l b [k] のみとなり、 図 3に使用する場合には充放電電流値 l b [k] と電池温度 Tb [k] となる。

このような構成で、 入力層 32に電池内の化学反応に基づく非線形特性を含ん だ教師データを与え、 ニューラルネッ トワークの学習を行う。 この学習により各 ュニット間の結合の大きさが変化していき、 電池の非線形な特性にも対応した結 合状態を有するニューラルネットワークを得ることができる。 すなわち、 上述し たように、 動的な電圧変動 Vdyn [k+ 1 ] は、 ニューラルネッ トワークの各 入力を変数とする関数 f となっているが、 この関数の形式は単純な線形形式では ないので、 電池の非線形な特性をより忠実に表現できる。

このように、 本実施形態では、 電池内でも特に非線形要素の強い動的電圧変動 推定手段 20に、 その非線形特性に十分対応できるリカレント型ニューラルネッ トワークを使用することにより、 より正確な電池モデルを構成でき、 正確な電池 の充電状態の推定を行うことができる。 実施形態 5.

図 7には、 本発明に係る電池劣化状態推定方法を実施するための構成のプロッ ク図が示される。 前述したように、 電池の劣化状態は内部抵抗の変化となってあ らわれるので、 内部抵抗を監視することによって電池の劣化状態を推定すること ができる。

図 7において、 電流検出手段 10により電池の充放電電流値 I bが測定され、 電圧検出手段 12により電池の電圧が測定される （Vme s) 。 電流検出手段 1 0により検出された充放電電流値 I bは、 疑似 SOC推定手段 14で積分され、 あらかじめ求められていた電池の S〇 Cの初期値に加算されて S 0 Cの推定値で ある疑似 S 0 Cが推定される。 この S 0 Cの初期値としては、 例えば電池の満充 電時を 100%として決定することができる。 このようにして求めた疑似 S 0 C に基づき、 起電力推定手段 16によりその疑似 S 0 Cに対応する電池電圧を推定 する。 この起電力推定手段 16によって推定される電池電圧は、 電池の開放電圧 の推定値 Vo cである。 このような開放電圧 V 0 cは、 例えば、 あらかじめ SO Cと電池の開放電圧とのマップを電池毎に求めておき、 疑似 S 0 C推定手段 14 から与えられる疑似 S 0 Cに対応する開放電圧 V o cとして推定することができ る。

また、 電池の電圧は、 充放電電流の変化によって動的に変動する。 このような 電池電圧の動的な変動分を動的電圧変動推定手段 20により推定する。 この動的 電圧変動推定手段 20では、 下に示す式により電池の動的な電圧変動 Vdynを 推定する。

Vdyn= C X dx/dt= A x x + B x lb · · · ( 2 )

A, B， C ：係数マトリックス

X ：状態量 動的電圧変動推定手段 20では、 上記の状態方程式に基づいて、 '電池の過渡的 な電圧の変動 Vd ynを推定する。 この場合、 係数マトリックス A, B, Cは各 電池毎にその特性の測定からあらかじめ決定しておく。 このように、 本実施形態 においては、 電流検出手段 10により検出した電池の充放電電流値 I bに基づき、 疑似 SOC推定手段 14、 起電力推定手段 16、 動的電圧変動推定手段 20によ つて構成される電池モデルにより電池の開放電圧 Vo c及び動的な電圧の変動分 Vd y nを推定している。

以上のように、 電池モデルによって推定した電池の開放電圧 Vo cと電池電圧 の動的変動分 Vdynとを加算器 40により加え、 この値と、 電圧検出手段 12 で検出した実際の電池電圧の測定値 Vme sとの差 Vrを減算器 42で求める。 すなわち、

Vr=Vmes— (Voc+Vdyn) · · · (3)

このようにして求めた値 Vrは、 電池電圧の測定値 Vme sからそのときの S 0Cに対応する電池の起電力すなわち開放電圧 Vo cと充放電電流の変化に基づ く電池電圧の動的変動分 Vdynとを差し引いた値となっており、 電池の内部抵 抗に基づく電圧変動をあらわしている。 したがって、 この値 Vrと、 電流検出手 段 10で検出した電池の充放電電流値 I bとの関係を、 例えば最小 2乗法で求め ることにより、 その傾きとして電池の内部抵抗を求めることができる。 電池劣化 状態推定部 4 4では、 上述したような方法により電池の内部抵抗の推定を行って レヽる。

このように、 本実施形態によれば、 単に電池電圧の測定値 V m e sと電池の充 放電電流値 I bとの関係をプロッ トし、 その傾きから内部抵抗を求めるのではな く、 電池の S O Cの変動や、 充放電電流の変動に基づく電池電圧の変動分を除去 し、 内部抵抗に基づく電圧変動分のみを取り出して内部抵抗の推定を行っている ので、 高い精度で電池の内部抵抗を推定することができる。 これにより電池の劣 化状態を正確に把握することができる。 また、 電池の内部抵抗の変化を推定する ことにより、 電池の劣化状態のみならず電池の短絡や断線等の異常の検出も行う ことができる。

なお、 通常の最小 2乗法では、 過去の電流値すべての和を計算し保持する必要 があるので、 計算処理時に大量のメモリを必要とするという問題がある。 このた め、 指数重み （忘れ項 /o ： 0 < ,0 < 1 ) を導入した重み付き最小 2乗法を採用す るのが好適である。 これを離散型の式であらわすと以下のようになる。

ただし R ：電池内部抵抗

I ：測定電流

r ：測定電圧一開回路電圧一動的な変動電圧

n ： n番目のサンプル

P ：指数重み （ 0く p < 1， 忘れ項） なお、 上式においては、 電流検出手段 1 0で検出した電池の充放電電流を I b ではなく Iとして表現している。

図 8には、 本実施形態に係る電池劣化状態推定方法の工程のフローが示される, 1 図 8において、 ィグニヅシヨンスイッチが ONとなったか否かが確認され （S 1) 、 ONになったところで疑似 S 0 C推定手段 14で S 0 Cの初期値がセッ 卜される (S 2) 。

次に電流検出手段 10及び電圧検出手段 12により電池の充放電電流値 I bと 電圧 Vme sとが測定される （S 3) 。

疑似 SO C推定手段 14では、 充放電電流値 I bを積算し、 S 2でセッ トした SOCの初期値に加算して疑似 SO Cを算出する （S 4) 。 この疑似 SO Cによ り、 起電力推定手段 1 6が電池の開放電圧 Vo cを算出する。 また、 充放電電流 の変化に基づいて動的電圧変動推定手段 20が電池電圧の動的変動分 V d y nを 算出する （S 5) 。

S 5で求めた V o cと V d y n及び電圧検出手段 12で測定した電池電圧の測 定値 Vme sとから前述した式 （3) に基づいて を算出する （S 6) 。 この Vr及び電流検出手段 10で検出した充放電電流値 I bとから、 上述した式 （4) に基づいて電池の内部抵抗 Rを算出する （S 7) 。

次に、 S 7で求めた内部抵抗 Rが所定の値 R r e f を超えていないか否かが確 認される （S 8) 。 電池の内部抵抗 Rが R r e f より大きくなつた場合には、 電 池の劣化が進んだりあるいはなんらかの故障が発生したと考えられるので、 バッ テリ異常モードとなり、 所定の手段によりアラームを出す （S 9) 。

S 8において電池の内部抵抗 Rが R r e f より小さい場合あるいは S 9におい てバヅテリ異常モードとなった後、 ィグニッシヨンスィッチが 0 F Fであるか否 かが確認される （S 10) 。 S 10においてィグニヅシヨンスィツチが OFFで ない場合には S 3〜S 9のステップが繰り返される。 また、 ィグニッシヨンスィ ツチが OF Fとなった場合には電池劣化状態の推定動作を終了する。

図 9には、 以上のようにして推定した電池の内部抵抗 R及び電池の開放電圧 V 0 c及び電池電圧の動的変動分 Vd ynを使用して電池の SO Cを推定する手段 の構成のプロック図が示されており、 図 7と同一要素には同一符号を付してその 説明は省略する。

図 9において、 電池劣化状態推定部 44によって推定した電池の内部抵抗 に より、 電池の製造時等に測定してあらかじめ与えられていた電池の内部抵抗の値 を修正する。 これにより、 電池モデルにおける電池の内部抵抗の値を常に正しい 値に維持することができる。 このような電池の内部抵抗 Rの値と、 電流検出手段 10によって検出された電池の充放電電流値 I bとから、 電池の内部抵抗による 電圧変動が電圧変動推定手段 18により推定される。 この電圧変動推定手段 18 では、 下に示す式により内部抵抗 Rによる電池電圧の変動を推定する。

VR=-R X lb

R： 内部抵抗， lb：電流値 （放電が正） ここで VRが電圧変動推定手段 18によって推定される、 内部抵抗 Rによる電圧 変動である。 また、 電流値 I bは電流検出手段 10によって検出された充放電電 流値である。

次に、 上述した起電力推定手段 1 6、 動的電圧変動推定手段 20、 電圧変動推 定手段 18の各出力値を加算器 22で加算し、 電池電圧の推定値である推定電圧 Ve s tを求める。 すなわち、

Vest= Voc + Vdyn+ VR

となる。

なお、 疑似 SOC推定手段 14、 起電力推定手段 16、 動的電圧変動推定手段 20、 電圧変動推定手段 18、 加算器 22により、 実際の電池をモデル化した電 池モデルが構成される。

以上のようにして推定された電池の推定電圧 Ve s tは、 比較器 24で、 電圧 検出手段 12によって検出された実際の電池の測定電圧 Vme sと比較され、 そ の差が SO C修正量算出手段 26に入力される。 SOC修正量算出手段 26では、 測定電圧 Vme sと推定電圧 Ve s tとが等しくなるように電池の S 0 Cの修正 量を算出する。 これにより、 下に示す式により電池の SO Cの推定値が算出され る o S 0 C = S 0 Cp+Kpx ( Vmes- Vest) +Kix S ( Vmes- Vest) d t

S〇 Cp：疑似 S 0 C Kp， Ki：係数 上式において、 疑似 S O C (S 0 Cp) は疑似 S 0 C推定手段 14の出力値であ る。 また、 SO C修正量算出手段 2 6では、 上式の第 2項及び第 3項すなわち比 較器 24によって求められた推定電圧 Ve s tと測定電圧 Vme sとの差 （Vm e s— Ve s t ) に比例する成分と、 この差の積分値に比例する成分とを算出す る。 ここで、 係数 Kp, K iはそれぞれあらかじめ電池特性から決定しておく。 SO C修正量算出手段 26によって算出された上記各成分は、 上式に示されるよ うに、 加算器 28により疑似 SO C推定手段 1 4の出力値 SO C_Pに加算される。 これにより電池の S 0 Cの推定値を得ることができる。

このように本実施形態においては、 電池モデルを使用し、 疑似 S O Cから電池 の起電力を推定するとともに、 電池電圧の内部抵抗による変動分と、 充放電電流 の変化による動的な電圧変動分とを推定し、 これらの合計として電池の電圧を推 定する。 すなわち、 電池モデルにより、 疑似 S O Cとともに電池の状態の変動を 考慮して電池電圧 Ve s tを推定する。 次に、 この推定電圧 Ve s tが実際に測 定された電池の電圧 Vme sと等しくなるように疑似 SOCを修正して電池の S 0Cを推定している。 したがって、 単に充放電電流の積算のみならず、 内部抵抗 や電池の状態の変動を考慮した S 0 Cの修正が行われるので、 電池の S 0 Cの推 定精度を著しく向上することができる。 また、. この際に使用される電池の内部抵 抗 Rは、 電池劣化状態推定部により補正された値が使用されるので、 さらに SO Cの推定精度を向上することができる。

[産業上の利用可能性]

以上説明したように、 本発明によれば、 電池の S 0 Cを推定する際に、 電池の 充放電電流の変化等の動的な電池状態の変動を考慮して推定を行うので、 ハイブ リッ ド車のように充放電が短い周期で切り替わり、 繰り返されるような使用条件 下でも、 高い精度で S 0 Cの推定を行うことが可能となる。 W 99 61929 また、 特に非線形要素の強い動的電圧変動推定手段をリカレント型ニューラル ネッ トワークで構成すれば、 より正確な電池の充電状態の推定を行うことができ る。

また、 電池電圧の測定値から、 S 0 Cの変動に基づく起電力の変動分と充放電 電流の変化に基づく電池電圧の動的変動分とを除いて、 内部抵抗に基づく電圧変 動分のみを求め、 これから内部抵抗を推定するので、 電池の内部抵抗を精度よく 推定することができる。 この結果、 電池の劣化状態を正確に把握することができ る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 電池の充電状態 （S O C ) の一応の値として疑似 S 0 Cを求め、 この疑似 S 0 Cとともに電池の状態の変動を考慮して電池電圧を推定する電池モデルを有し、 前記推定された電池電圧と実際に測定された電池電圧とが等しくなるように前記 疑似 S 0 Cを修正して実際の S 0 Cを推定することを特徴とする電池充電状態の 推定手段。

2 . 請求の範囲第 1項記載の電池充電状態の推定手段において、 前記電池モデル は、

電池の充放電電流から前記疑似 S 0 Cを求める疑似 S 0 C推定手段と、 前記疑似 S 0 C推定手段から出力される前記疑似 S 0 Cに基づき電池電圧を推 定する起電力推定手段と、

内部抵抗による電池電圧の変動を推定する電圧変動推定手段と、

電池の充放電電流の変化に基づいて電池電圧の変動を推定する動的電圧変動推 定手段と、

を有し、 前記起電力推定手段と前記電圧変動推定手段と前記動的電圧変動推定手 段との出力値の合計から電池電圧を推定することを特徴とする電池充電状態の推 定手段。

3 . 請求の範囲第 1項または第 2項記載の電池充電状態の推定手段において、 前 記疑似 S 0 Cの修正量は、 前記推定された電池電圧と実際に測定された電池電圧 との差に比例する成分とこの差の積分値に比例する成分とからなることを特徴と する電池充電状態の推定手段。

4 . 請求の範囲第 2項記載の電池充電状態の推定手段において、 前記疑似 S〇C 推定手段と前記起電力推定手段と前記電圧変動推定手段と前記動的電圧変動推定 手段とは、 各推定時に電池温度に応じた補正を行うことを特徴とする電池充電状 態の推定手段。

5. 請求の範囲第 2項または第 4項記載の電池充電状態の推定手段において、 前 記疑似 S 0 C推定手段と前記起電力推定手段と前記電圧変動推定手段と前記動的 電圧変動推定手段とは、 各推定時に前記推定された S OCに応じた補正を行うこ とを特徴とする電池充電状態の推定手段。

6. 請求の範囲第 2項または第 4項または第 5項記載の電池充電状態の推定手段 において、 前記動的電圧変動推定手段は、 フィードバック経路を有する二ユーラ ルネットワークにより構成されていることを特徴とする電池充電状態の推定手段。

7. 電池の充放電電流と電池電圧とを測定し、

前記充放電電流の積算値から電池の充電状態 （SOC) の推定値として疑似 S 0 Cを求め、

前記疑似 S 0 Cから電池の開放電圧 V o cを推定し、

電池の充放電電流の変化に基づいて電池電圧の動的変動分 Vd ynを推定し、 前記開放電圧 Vo cと電池電圧の動的変動分 Vd ynとの和と前記電池電圧の 測定値 Vme sとの差 Vrを以下の式により求め、

Vr= Vmes- ( Voc+ Vdyn)

この差 Vrと充放電電流値とから最小 2乗法により電池の内部抵抗を求めるこ とを特徴とする電池劣化状態推定方法。

8. 請求の範囲第 7記載の電池劣化状態推定方法において、 前記最小 2乗法は、 重み付き最小 2乗法であることを特徴とする電池劣化状態推定方法。