WO2010140233A1 - 電池充電率算出装置 - Google Patents

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西田　健彦
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Abstract

　電池充電率算出装置（１００）が、電圧データに基づいて算出した第１の充電率を出力するＳＯＣＶ算出部（５）と、電流データに基づいて算出した第２の充電率を出力するＳＯＣＩ算出部（６）と、有効充電率と、電流データと、に基づいてインピーダンス電圧値を算出する推定インピーダンス電圧算出部（１２）と、前記インピーダンス電圧値が所定の閾値で区別される範囲に所定の時間以上静定したことを判定し、当該判定結果を出力する静定判定部（７）と、前記判定結果に基づいて、前記インピーダンス電圧値が静定した場合に、前記第１の充電率を前記有効充電率として出力し、それ以外の場合に、前記第２の充電率を前記有効充電率として出力するＳＯＣ決定部（２０）と、を備える。

Description

電池充電率算出装置
　本発明は、電池の充電率を算出する、電池充電率算出装置に関する。
　近年、燃料電池自動車やハイブリッド自動車に用いる二次電池のさらなる性能向上が期待されている。そこで、二次電池の過充電と過放電を防止し、またサイクル寿命を向上させるために、電池の充電率（以下、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）と称する）を正確に算出する技術が求められている。
　以下、電流値に基づいて算出されたＳＯＣをＳＯＣＩと、電圧値に基づいて算出されたＳＯＣをＳＯＣＶと称する。従来の電池充電率算出装置は、充放電された電流の電流値を常に積分することによりＳＯＣＩを算出し、これを電池のＳＯＣとしていた。しかし、ＳＯＣＩは、電流値が積分されることで電流値の測定誤差が蓄積されてしまうため、実際のＳＯＣと異なってしまうという問題があった。
　そこで、従来の電池充電率算出装置は、まずＳＯＣＩをＳＯＣとして採用し、適時に算出されるＳＯＣＶをＳＯＣＩの代わりにＳＯＣとして採用することで、ＳＯＣを補正していた。例えば特許文献１に開示された電池充電率算出装置は、電池の充電と放電の切り替わりを検出した際に、電池の内部抵抗による降下電圧値（以下、推定インピーダンス電圧値と称する）を実測電流値と実測電圧値から算出し、この推定インピーダンス電圧値と実測電圧値から推定開放電圧値を算出していた。特許文献１の当該装置は、電池の充電と放電の切り替わりを検出した際に、このように算出した推定開放電圧値に基づくＳＯＣＶと、積分された電流値に基づくＳＯＣＩと、のいずれかをＳＯＣとして決定していた。
　また、例えば特許文献２に開示された電池充電率算出装置は、電池の実測温度と実測電流値とに基づく推定インピーダンス電圧を実測電圧値から減算することで、推定開放電圧値を算出していた。特許文献２の当該装置は、このように算出した推定開放電圧値に基づくＳＯＣＶと、積分された電流値に基づくＳＯＣＩと、を用いてＳＯＣを算出していた。
特許第３７６７１５０号公報 特開２００６－５８１１４号公報
　このようにＳＯＣの算出に用いられる推定インピーダンス電圧値は、その絶対値が大きいほど含まれる誤差も大きいことが知られている。しかし、例えば特許文献１に開示された電池充電率算出装置では、推定インピーダンス電圧値の絶対値に関わらず電池のＳＯＣを決定しているので、大きな誤差を含んだ推定インピーダンス電圧値を用いてＳＯＣＶを算出した場合にもＳＯＣＶを採用してしまうことで、正確なＳＯＣにならないという問題があった。
　また、例えば特許文献２に開示された電池充電率算出装置では、電池の実測温度と実測電流値の測定精度が悪い場合、大きな誤差を含んだ推定インピーダンス電圧値を用いてＳＯＣＶを算出した場合にもＳＯＣＶを採用してしまうことで、正確なＳＯＣにならないという問題があった。
　このように従来の電池充電率算出装置は、推定インピーダンス電圧値に含まれる誤差が小さくなったことを判断していなかったため、正確なＳＯＣＶが算出されたことを判断することができなかった。
　本発明は、前記の諸点に鑑みてなされたものであり、正確なＳＯＣを算出する電池充電率算出装置を提供することを目的とする。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、電圧データに基づいて算出した第１の充電率を出力する第１の充電率算出部と、電流データに基づいて算出した第２の充電率を出力する第２の充電率算出部と、有効充電率と、温度データと、電流データと、に基づいてインピーダンス電圧値を算出するインピーダンス電圧算出部と、前記インピーダンス電圧値が所定の閾値で区別される範囲に所定の時間以上静定したことを判定し、当該判定結果を出力する静定判定部と、前記判定結果に基づいて、前記インピーダンス電圧値が静定した場合に、前記第１の充電率を前記有効充電率として出力し、それ以外の場合に、前記第２の充電率を前記有効充電率として出力する充電率決定部と、を備える電池充電率算出装置である。
　本発明の電池充電率算出装置においては、前記第２の充電率算出部が、前記第１の充電率を初期値として、または前値ホールドされた前記有効充電率を初期値として電流データを積分し、前記第２の充電率を算出してもよい。
　本発明の電池充電率算出装置においては、前記静定判定部が、前記インピーダンス電圧値が静定している時間を計測し、前記静定時間が所定の時間以上となった場合に、前記インピーダンス電圧値が静定したと判定してもよい。
　本発明の電池充電率算出装置においては、前記第１の充電率算出部が、前記電圧データと、前記インピーダンス電圧値と、に基づいた開放電圧値から前記第１の充電率を算出してもよい。
　本発明の電池充電率算出装置においては、前記充電率決定部が、前記第１の充電率と、前記第２の充電率と、の差が所定の閾値以上となった場合に、前記第１の充電率を前記有効充電率として出力してもよい。
　本発明の電池充電率算出装置においては、前記インピーダンス電圧算出部が、有効充電率と、電流データと、温度データと、に基づいてインピーダンス電圧値を算出してもよい。
　本発明によれば、電池充電率算出装置が、推定インピーダンス電圧値が静定したことを判断し、誤差が蓄積したＳＯＣＩの代わりに、誤差が小さくなった推定インピーダンス電圧値に基づくＳＯＣＶをＳＯＣとして採用するので、正確なＳＯＣを得ることができる。
　また、電池充電率算出装置がＳＯＣを正確に算出するので、電池の過充放電を防止することができる。さらに、ＳＯＣとサイクル寿命に因果関係のある二次電池においては、電池充電率算出装置が電池のサイクル寿命を向上させることができる。
本発明の第１の実施形態による電池充電率算出装置の構成を示した図である。 本発明の第２の実施形態による電池充電率算出装置の構成を示した図である。
　 [第１の実施の形態]
　本発明を実施するための第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による電池充電率算出装置の構成を示した図である。図１において、当該電池充電率算出装置１００は、温度測定部１と、電圧測定部２と、電流測定部３と、ＳＯＣＶ算出部５と、ＳＯＣＩ算出部６と、静定判定部７と、電池インピーダンスモデル部１０と、ＳＯＣ決定部２０と、を備える。
　温度測定部１は、二次電池（不図示）の温度を測定し、温度データを所定の周期で出力する。電圧測定部２は、二次電池（不図示）の電圧を測定し、電圧データを所定の周期で出力する。電流測定部３は、二次電池（不図示）から出力される電流を測定し、電流データを所定の周期で出力する。
　電池インピーダンスモデル部１０は、後述するＳＯＣ決定部２０の切替部２３から出力されるＳＯＣデータ（有効充電率）と、温度データと、に基づいて推定インピーダンス電圧データを出力する。電池インピーダンスモデル部１０は、推定インピーダンス変換部１１と、推定インピーダンス電圧算出部１２と、を備える。
　推定インピーダンス変換部１１は、ＳＯＣデータと温度データに基づいて変換表（不図示）から推定インピーダンスを選択し、推定インピーダンスデータを出力する。ここで変換表（不図示）は、ＳＯＣデータと温度データと推定インピーダンスとの関係が予め実測されることによって作成されているものとする。推定インピーダンス電圧算出部１２は、推定インピーダンスデータと電流データとを乗算することで推定インピーダンス電圧値を算出し、推定インピーダンス電圧データとして所定の周期で出力する。
　ＳＯＣＶ算出部５は、温度データと電圧データに基づいてＳＯＣＶを算出し、得られたＳＯＣＶをＳＯＣＶデータとして出力する。ここでＳＯＣＶ算出部５には、電圧測定部２から電圧データが入力される。
　ＳＯＣＩ算出部６は、後述するＳＯＣ決定部２０の切替部２３から出力されるＳＯＣデータに、電流データの積分値を加算することでＳＯＣＩを算出する。ここで、切替部２３からＳＯＣデータとしてＳＯＣＶデータが出力された場合、ＳＯＣＩはＳＯＣＶデータでリセットされる。すなわちＳＯＣＩ算出部６は、リセットしたＳＯＣＩに電流データの積分値を加算し、得られたＳＯＣＩをＳＯＣＩデータとして出力する。
　静定判定部７は、推定インピーダンス電圧データを所定の周期で取得し、推定インピーダンス電圧値が所定の閾値で区別される範囲に収まっている時間（以下、静定時間と称する）を計測する。ここで所定の閾値の絶対値は、充分に小さいものとする。したがって、推定インピーダンス電圧値の絶対値が充分に小さい場合、推定インピーダンス電圧値に含まれる誤差も小さい。また、推定インピーダンス電圧値に含まれる誤差が小さい場合、電圧データは推定開放電圧値とほぼ等しいものとする。
　推定インピーダンス電圧値が所定の閾値で区別される範囲外にある場合、静定判定部７は、静定時間の計測結果を値「０」にリセットする。また、推定インピーダンス電圧値がその所定の閾値で区別される範囲外から範囲内になった場合、静定判定部７は、静定時間の計測を再開する。静定判定部７は、静定時間が所定の時間以上となった場合に、推定インピーダンス電圧値が静定したことを示す静定信号を出力し、それ以外では静定信号を出力しない。
　ＳＯＣ決定部２０は、後述する手順でＳＯＣを有効にし、ＳＯＣデータを出力する。ＳＯＣ決定部２０は、差分検出部２１と、切替判定部２２と、切替部２３と、を備える。差分検出部２１は、ＳＯＣＶデータとＳＯＣＩデータを取得し、ＳＯＣＶデータとＳＯＣＩデータとの差をＳＯＣ差分データとして算出する。差分検出部２１は、ＳＯＣＶ算出部５からＳＯＣＶデータが出力されたことを、切替判定部２２に通知する。
　差分検出部２１は、ＳＯＣ差分データの絶対値が所定の範囲以上である場合に差分判定信号を出力し、それ以外では差分判定信号を出力しない。ここで、この所定の範囲を値「０」とすることで、差分検出部２１は差分判定信号を常に出力し続ける、としてもよい。この場合、後述する切替判定部２２は、静定信号が入力されると常にＳＯＣ切替信号を出力する。
　ＳＯＣＶ算出部５からＳＯＣＶデータが出力されたことを差分検出部２１から通知されるまで、切替判定部２２はＳＯＣ切替信号を出力する。通知された以降、静定信号と差分判定信号の両方が入力されている場合、切替判定部２２はＳＯＣ切替信号を出力する。それ以外の場合、切替判定部２２はＳＯＣ切替信号を出力しない。
　切替部２３は、ＳＯＣＶ算出部５からＳＯＣＶデータと、ＳＯＣＩ算出部６からＳＯＣＩデータと、切替判定部２２からＳＯＣ切替信号と、を取得する。ＳＯＣ切替信号が入力された場合、切替部２３はＳＯＣＶ算出部５から入力されたＳＯＣＶデータをＳＯＣデータ（有効充電率）として出力する。それ以外の場合、切替部２３はＳＯＣＩ算出部６から入力されたＳＯＣＩデータをＳＯＣデータ（有効充電率）として出力する。
　次に、電池充電率算出装置１００の動作を説明する。温度測定部１は、二次電池（不図示）の温度を測定し、温度データを出力する。電圧測定部２は、二次電池（不図示）の電圧を測定し、電圧データを出力する。電流測定部３は、二次電池（不図示）から出力される電流を測定し、電流データを出力する。
　また、ＳＯＣＶ算出部５は、温度データと電圧データに基づいてＳＯＣＶを算出し、差分検出部２１と、切替部２３と、にＳＯＣＶデータを出力する。
　一方、切替判定部２２は、ＳＯＣＶ算出部５からＳＯＣＶデータが出力されたことを差分検出部２１から通知されていないので、ＳＯＣ切替信号を出力する。切替部２３は、ＳＯＣ切替信号が入力されているため、ＳＯＣＶ算出部５から入力されたＳＯＣＶデータをＳＯＣＩ算出部６と推定インピーダンス変換部１１とに出力する。
　次に、差分検出部２１は、ＳＯＣＶ算出部５からＳＯＣＶデータが出力されたことを切替判定部２２に通知する。このため、切替判定部２２はＳＯＣ切替信号の出力を停止する。ＳＯＣＩ算出部６は、初期値として取得したＳＯＣデータに電流データの積分値を加算し、ＳＯＣＩを算出する。またＳＯＣＩ算出部６は、得られたＳＯＣＩをＳＯＣＩデータとして差分検出部２１と切替部２３に出力する。
　ＳＯＣＩデータがＳＯＣＶデータで初期化されたことにより、ＳＯＣ差分データは値「０」となるため、差分検出部２１は差分判定信号を出力しない。したがって切替部２３は、ＳＯＣＩ算出部６と推定インピーダンス変換部１１に、ＳＯＣデータとしてＳＯＣＩデータを出力する。
　次に、推定インピーダンス変換部１１は、切替部２３から入力されたＳＯＣデータと、温度測定部１から入力された温度データと、に基づいて変換表（不図示）から推定インピーダンスを選択し、推定インピーダンスデータとして出力する。推定インピーダンス電圧算出部１２は、推定インピーダンスデータと電流データを乗算して推定インピーダンス電圧値を算出し、推定インピーダンス電圧値を出力する。
　次に、静定判定部７は、推定インピーダンス電圧値を取得し、静定時間の計測を開始する。ここで、静定判定部７が静定時間の計測を開始した直後は、まだ静定時間が所定の時間以上となっていないので、静定判定部７は静定信号を出力しない。
　次に、電流値が積分されることでＳＯＣＩに誤差が蓄積され、ＳＯＣ差分データの絶対値が所定の範囲以上になったとする。このため差分検出部２１は、差分判定信号を出力する。一方、静定時間は所定の時間以上になっていないものとする。このため、切替判定部２２はＳＯＣ切替信号を出力しない。
　次に、静定時間が所定の時間以上になったとする。このため静定判定部７は静定信号を出力する。静定信号と差分判定信号の両方が入力されるようになったので、切替判定部２２はＳＯＣ切替信号を出力する。また切替部２３は、ＳＯＣデータとしてＳＯＣＶデータを出力する。このため、ＳＯＣＩはＳＯＣデータであるＳＯＣＶデータでリセットされる。ＳＯＣＩ算出部６は、得られたＳＯＣＩをＳＯＣＩデータとして差分検出部２１と切替部２３に出力する。
　次に、差分検出部２１は、ＳＯＣＶデータとＳＯＣＩデータを取得し、ＳＯＣＶデータとＳＯＣＩデータとの差として、ＳＯＣ差分データを算出する。ここで、ＳＯＣＩデータがＳＯＣＶデータで初期化されているため、ＳＯＣ差分データは値「０」である。このため、差分検出部２１は差分判定信号を出力しない。したがって切替部２３は、ＳＯＣＩ算出部６と推定インピーダンス変換部１１に、ＳＯＣデータとしてＳＯＣＩデータを出力する。
　次に、説明のため、推定インピーダンス電圧値が所定の閾値で区別される範囲外になったとする。このため静定判定部７は、静定信号の出力を停止し、静定時間の計測結果を値「０」にリセットする。さらに、推定インピーダンス電圧値がその所定の閾値で区別される範囲外から再び範囲内になったとする。このため静定判定部７は、静定時間の計測を再開する。以降は各ブロックが前述の動作を繰り返すことにより、ＳＯＣ決定部２０はＳＯＣを決定し、ＳＯＣデータを出力する。
　以上、本発明の第１の実施形態により、電池充電率算出装置１００が、推定インピーダンス電圧値が静定したことを判断し、誤差が蓄積したＳＯＣＩの代わりに、誤差が小さくなった推定インピーダンス電圧値に基づくＳＯＣＶをＳＯＣとして採用するので、正確なＳＯＣを得ることができる。
　[第２の実施の形態]
　本発明を実施するための第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態による電池充電率算出装置の構成を示した図である。図２において、当該電池充電率算出装置１００は、第１の実施形態による電池充電率算出装置１００の構成に加え、推定開放電圧算出部４を備える。
　推定開放電圧算出部４は、電圧データと推定インピーダンス電圧値を取得し、推定インピーダンス電圧値を電圧データから減算することで、推定開放電圧値を算出する。推定開放電圧算出部４は、推定開放電圧値をＳＯＣＶ算出部５に出力する。ＳＯＣＶ算出部５は、推定開放電圧算出部４から電圧データの代わりに推定開放電圧値を取得する。
　ＳＯＣＶ算出部５は、温度データと推定開放電圧値に基づいてＳＯＣＶを算出し、算出差分検出部２１と切替部２３に、得られたＳＯＣＶをＳＯＣＶデータとして出力する。
　推定開放電圧算出部４が追加されているため、第１に実施形態と比較して第２の実施形態は構成が複雑となるが、第２の実施形態のＳＯＣＶ算出部５は、推定インピーダンス電圧値が考慮された推定開放電圧値に基づいてＳＯＣＶを算出するので、第１の実施形態よりも精度よくＳＯＣＶを算出することができる。このため、電池充電率算出装置１００は、さらに正確なＳＯＣを得ることができる。
　以上、本発明の実施の形態により、電池充電率算出装置１００が、推定インピーダンス電圧値が静定したことを判断し、誤差が蓄積したＳＯＣＩの代わりに、誤差が小さくなった推定インピーダンス電圧値に基づくＳＯＣＶをＳＯＣとして採用するので、正確なＳＯＣを得ることができる。
　また、電池充電率算出装置がＳＯＣを正確に算出するので、電池の過充放電を防止することができる。さらに、ＳＯＣとサイクル寿命に因果関係のある二次電池においては、電池充電率算出装置が電池のサイクル寿命を向上させることができる。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
　例えば、ＳＯＣＩ算出部６はＳＯＣＩデータを前値ホールドし、前回のＳＯＣＩデータを初期値として電流データを積分することで算出したＳＯＣＩをＳＯＣＩデータとして出力する、としてもよい。また静定判定部７は、静定時間が所定の時間以上となった場合に、静定信号としてデータ「静定」を出力し、それ以外ではデータ「未静定」を出力する、としてもよい。
　また例えば、差分検出部２１は、ＳＯＣ差分データの絶対値が所定の閾値以上である場合に差分判定信号としてデータ「範囲外」を出力し、それ以外ではデータ「範囲内」を出力する、としてもよい。また切替判定部２２は、差分判定信号がデータ「範囲外」で、かつ静定信号がデータ「静定」である場合にのみ、ＳＯＣ切替信号を出力するとしてもよい。さらに、推定インピーダンス変換部１１はＳＯＣデータを前値ホールドし、前回入力されたＳＯＣデータを初期値として推定インピーダンスを選択する、としてもよい。
　また、本発明に記載の電池充電率算出装置は、電池充電率算出装置１００に対応し、第１の充電率算出部は、ＳＯＣＶ算出部５に対応し、第２の充電率算出部は、ＳＯＣＩ算出部６に対応し、インピーダンス電圧算出部は、電池インピーダンスモデル部１０と、推定インピーダンス変換部１１と、推定インピーダンス算出部１２と、に対応し、静定判定部は、静定判定部７に対応し、充電率決定部は、ＳＯＣ決定部２０と、差分検出部２１と、切替判定部２２と、切替部２３と、に対応にする。
　上述した実施形態によれば、電池充電率算出装置１００が、推定インピーダンス電圧値が静定したことを判断し、誤差が蓄積したＳＯＣＩの代わりに、誤差が小さくなった推定インピーダンス電圧値に基づくＳＯＣＶをＳＯＣとして採用するので、正確なＳＯＣを得ることができる。本発明は、電池充電率算出装置に好適である。
　１　温度測定部
　２　電圧測定部
　３　電流測定部
　４　推定開放電圧算出部
　５　ＳＯＣＶ算出部
　６　ＳＯＣＩ算出部
　７　静定判定部
　１０　電池インピーダンスモデル部
　１１　推定インピーダンス変換部
　１２　推定インピーダンス算出部
　２０　ＳＯＣ決定部
　２１　差分検出部
　２２　切替判定部
　２３　切替部
　１００　電池充電率算出装置

Claims (6)

  1. 　電圧データに基づいて算出した第１の充電率を出力する第１の充電率算出部と、
    　電流データに基づいて算出した第２の充電率を出力する第２の充電率算出部と、
    　有効充電率と、電流データと、に基づいてインピーダンス電圧値を算出するインピーダンス電圧算出部と、
    　前記インピーダンス電圧値が所定の閾値で区別される範囲に所定の時間以上静定したことを判定し、当該判定結果を出力する静定判定部と、
    　前記判定結果に基づいて、前記インピーダンス電圧値が静定した場合に、前記第１の充電率を前記有効充電率として出力し、それ以外の場合に、前記第２の充電率を前記有効充電率として出力する充電率決定部と、
    　を備える電池充電率算出装置。
  2. 　前記第２の充電率算出部は、前記第１の充電率を初期値として、または前値ホールドされた前記有効充電率を初期値として電流データを積分し、前記第２の充電率を算出する請求項１に記載の電池充電率算出装置。
  3. 　前記静定判定部は、前記インピーダンス電圧値が静定している時間を計測し、前記静定時間が所定の時間以上となった場合に、前記インピーダンス電圧値が静定したと判定する請求項１から請求項２のいずれか１つに記載の電池充電率算出装置。
  4. 　前記第１の充電率算出部は、前記電圧データと、前記インピーダンス電圧値と、に基づいた開放電圧値から前記第１の充電率を算出する請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電池充電率算出装置。
  5. 　前記充電率決定部は、前記第１の充電率と、前記第２の充電率と、の差が所定の閾値以上となった場合に、前記第１の充電率を前記有効充電率として出力する請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の電池充電率算出装置。
  6. 　前記インピーダンス電圧算出部は、有効充電率と、電流データと、温度データと、に基づいてインピーダンス電圧値を算出する請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の電池充電率算出装置。
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