WO2014122721A1

WO2014122721A1 - 電池制御装置

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Publication number: WO2014122721A1
Application number: PCT/JP2013/052547
Authority: WO
Inventors: 亮平中尾; 洋平河原; 彰彦工藤; 大川　圭一朗; 直行五十嵐
Original assignee: 日立ビークルエナジー株式会社
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-14
Also published as: US9952288B2; JPWO2014122721A1; US20150369873A1; JP6111275B2

Abstract

　電池の充電状態または劣化状態の演算結果の確からしさを検証することができる電池制装置を提供することを目的とする。　本発明に係る電池制御装置は、電池の充電状態または劣化状態を用いて電池の測定パラメータを演算し、その測定値と比較することにより、電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する（図９参照）。

Description

電池制御装置

　本発明は、電池を制御する装置に関する。

　電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）に搭載する電池システムは、電池システムを構成する電池の過充電・過放電を防ぎつつ、電池性能を最大限に引き出すために、電池の電圧、温度、電流を検出し、これらに基づいて電池の充電状態（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）や劣化状態（Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｈｅａｌｔｈ：ＳＯＨ）を演算する電池制御装置を備えている。

　電池のＳＯＣを演算する手法として、電池を流れる電流値を積算して得られた容量値と電池の満充電容量を用いる電流積算方式がある。電池のＳＯＨを演算する手法として、電池を流れる電流の変化分（ｄＩ）と電池電圧の変化分（ｄＶ）の比（ｄＶ／ｄＩ）に基づき電池の内部抵抗値を算出し、これを電池が新品であるときの内部抵抗と比較することによりＳＯＨを演算する方式がある。

　電池のＳＯＨは、電池システムの交換の目安として活用することができる。下記特許文献１では、演算により求めたＳＯＨと所定閾値を比較し、電池の交換が必要と判断された場合に警告灯を表示させる技術が公開されている。

特開２００２－３６９３９１号公報

　上記特許文献１に記載されている技術では、演算により求めたＳＯＨがどの程度正確であるのか、すなわち演算結果の確からしさを診断することができない。ＳＯＨの演算結果が正確であるか否か不明であると、電池の交換などを促す警告灯を不正確に点灯させてしまう可能性がある。

　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、電池のＳＯＣまたはＳＯＨの演算結果の確からしさを検証することができる電池制装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る電池制御装置は、電池のＳＯＣまたはＳＯＨを用いて電池の測定パラメータを演算し、その測定値と比較することにより、電池のＳＯＣまたはＳＯＨの確からしさを診断する。

　本発明に係る電池制御装置によれば、ＳＯＣやＳＯＨの演算結果の確からしさを診断することにより、電池制御装置の信頼性を確保することができる。また、ＳＯＣやＳＯＨの演算結果の確からしさが低下しているときは、その旨をユーザに通知して電池の交換などを促すことができる。

　上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかになるであろう。

実施形態１に係る電池システム１００とその周辺の構成を示す図である。単電池制御部１２１の回路構成を示す図である。組電池制御部１５０の制御ブロック図である。記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の構成例を示す図である。ＳＯＣテーブル１８１の別構成例を示す図である。電池状態演算部１５１が単電池１１１のＳＯＣを演算するその他の手法を説明する図である。電池状態演算部１５１が単電池１１１のＳＯＨを演算する手法を説明する図である。単電池１１１の等価回路図である。モデル電圧と実電圧の間に差分が存在する様子を示す図である。確からしさ診断部１５３がＳＯＨ演算結果の確からしさを診断する別手法を説明する図である。充放電にともなう単電池１１１の両端電圧と温度の変化を示す図である。ＳＯＨを真値よりも小さく演算した場合における単電池１１１の両端電圧と温度の変化を示す図である。電池の充放電にともなう両端電圧と電池電流の変化を示す図である。実施形態３における組電池制御部１５０の制御ブロック図である。充電器４２０による充電中の電流、電圧、温度の波形を示す図である。単電池１１１の充放電にともなう電池電流と電池両端電圧の変化を示す図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）の電源を構成する電池システムに対して本発明を適用した場合を例に挙げて説明する。以下に説明する実施形態の構成は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）などの乗用車やハイブリッド鉄道車両といった産業用車両の電源を構成する蓄電装置の蓄電器制御回路にも適用できる。

　以下の実施形態では、リチウムイオン電池を採用した場合を例に挙げて説明するが、他にもニッケル水素電池、鉛電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどを用いることもできる。なお、以下の実施形態では単電池を直列に接続して組電池を構成しているが、単電池を並列接続したものを直列接続して組電池を構成してもよいし、直列接続した単電池を並列接続して組電池を構成してもよい。

＜実施の形態１：システム構成＞
　図１は、本発明の実施形態１に係る電池システム１００とその周辺の構成を示す図である。電池システム１００はリレー３００と３１０を介してインバータ４００に接続され、リレー３２０と３３０を介して充電器４２０に接続される。電池システム１００は、組電池１１０、単電池管理部１２０、電流検知部１３０、電圧検知部１４０、組電池制御部１５０、記憶部１８０を備える。

　組電池１１０は、複数の単電池１１１から構成される。単電池管理部１２０は、単電池１１１の状態を監視する。電流検知部１３０は、電池システム１００に流れる電流を検知する。電圧検知部１４０は、組電池１１０の総電圧を検知する。組電池制御部１５０は、組電池１１０の状態を検知し、状態の管理等も行う。

　組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０が送信する単電池１１１の電池電圧や温度、電流検知部１３０が送信する電池システム１００に流れる電流値、電圧検知部１４０が送信する組電池１１０の総電圧値を受け取る。組電池制御部１５０は、受け取った情報をもとに組電池１１０の状態を検知する。組電池制御部１５０による状態検知の結果は、単電池管理部１２０や車両制御部２００に送信される。

　組電池１１０は、電気エネルギーの蓄積および放出（直流電力の充放電）が可能な複数の単電池１１１を電気的に直列に接続して構成されている。組電池１１０を構成する単電池１１１は、状態の管理・制御を実施する上で、所定の単位数にグループ分けされている。グループ分けされた単電池１１１は、電気的に直列に接続され、単電池群１１２ａ、１１２ｂを構成している。単電池群１１２を構成する単電池１１１の個数は、全ての単電池群１１２において同数でもよいし、単電池群１１２毎に単電池１１１の個数が異なっていてもよい。

　単電池管理部１２０は、組電池１１０を構成する単電池１１１の状態を監視する。単電池管理部１２０は、単電池群１１２毎に設けられた単電池制御部１２１を備える。図１では、単電池群１１２ａと１１２ｂに対応して、単電池制御部１２１ａと１２１ｂが設けられている。単電池制御部１２１は、単電池群１１２を構成する単電池１１１の状態を監視および制御する。

　本実施形態１では、説明を簡略化するために、４個の単電池１１１を電気的に直列接続して単電池群１１２ａと１１２ｂを構成し、単電池群１１２ａと１１２ｂをさらに電気的に直列接続して合計８個の単電池１１１を備える組電池１１０とした。

　組電池制御部１５０と単電池管理部１２０は、フォトカプラに代表される絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して信号を送受信する。

　組電池制御部１５０と、単電池管理部１２０を構成する単電池制御部１２１ａおよび１２１ｂとの間の通信手段について説明する。単電池制御部１２１ａおよび１２１ｂは、それぞれが監視する単電池群１１２ａおよび１１２ｂの電位の高い順にしたがって直列に接続されている。組電池制御部１５０が単電池管理部１２０に送信した信号は、絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して単電池制御部１２１ａに入力される。単電池制御部１２１ａの出力は信号通信手段１６０を介して単電池制御部１２１ｂに入力され、最下位の単電池制御部１２１ｂの出力は絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して組電池制御部１５０へと伝送される。本実施形態１では、単電池制御部１２１ａと単電池制御部１２１ｂの間は絶縁素子１７０を介していないが、絶縁素子１７０を介して信号を送受信することもできる。

　記憶部１８０は、組電池１１０、単電池１１１、および単電池群１１２の内部抵抗特性、満充電時の容量、分極電圧、劣化特性、個体差情報、ＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）の対応関係などの情報を格納する。さらに、単電池管理部１２０、単電池制御部１２１、組電池制御部１５０などの特性情報についてもあらかじめ記憶することができる。電池システム１００や組電池制御部１５０等の動作が停止しても、記憶部１８０に記憶した各種情報は保持される。本実施形態では、記憶部１８０は組電池制御部１５０または単電池管理部１２０の外部に設置されている構成としたが、組電池制御部１５０または単電池管理部１２０が記憶部１８０を備える構成とし、これに上記情報を格納してもよい。

　組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０、電流検知部１３０、電圧検知部１４０、車両制御部２００から受け取った情報、後述するＳＯＣテーブル１８１を用いて、１つ以上の単電池１１１のＳＯＣ、ＳＯＨ、充電・放電可能な電流や電力などを求める演算を実行する。そして、演算結果に基づいて、単電池管理部１２０や車両制御部２００に情報を出力する。

　車両制御部２００は、組電池制御部１５０が送信する情報を用いて、リレー３００と３１０を介して電池システム１００と接続されるインバータ４００を制御する。また、リレー３２０と３３０を介して電池システム１００に接続される充電器４２０を制御する。車両走行中には、電池システム１００はインバータ４００と接続され、組電池１１０が蓄えているエネルギーを用いて、モータジェネレータ４１０を駆動する。充電の際には、電池システム１００は充電器４２０と接続され、家庭用の電源または電気スタンドからの電力供給によって充電される。

　充電器４２０は、家庭または電気スタンドに代表される外部の電源を用いて組電池１１０を充電する際に用いられる。本実施形態１では、充電器４２０は車両制御部２００からの指令に基づき充電電圧や充電電流などを制御する構成としているが、組電池制御部１５０からの指令に基づき制御を実施してもよい。また、充電器４２０は車両の構成、充電器４２０の性能、使用目的、外部の電源の設置条件などに応じて車両内部に設置してもよいし、車両の外部に設置することもできる。

　電池システム１００を搭載した車両システムが始動して走行する場合には、車両制御部２００の管理のもと、電池システム１００はインバータ４００に接続され、組電池１１０が蓄えているエネルギーを用いてモータジェネレータ４１０を駆動し、回生時はモータジェネレータ４１０の発電電力により組電池１１０が充電される。電池システム１００を備える車両が家庭用または電気スタンドに代表される外部の電源と接続された際には、車両制御部２００が発信する情報に基づき電池システム１００と充電器４２０とが接続され、組電池１１０が所定の条件になるまで充電される。充電によって組電池１１０に蓄えられたエネルギーは、次回の車両走行時に利用されるか、車両内外の電装品等を動作させるためにも利用される。さらに必要に応じて、家庭用の電源に代表される外部電源へも放出する場合がある。

　図２は、単電池制御部１２１の回路構成を示す図である。単電池制御部１２１は、電圧検出回路１２２、制御回路１２３、信号入出力回路１２４、温度検知部１２５を備える。電圧検出回路１２２は、各単電池１１１の端子間電圧を測定する。制御回路１２３は、電圧検出回路１２２および温度検知部１２５から測定結果を受け取り、信号入出力回路１２４を介して組電池制御部１５０に送信する。なお、単電池制御部１２１に一般的に実装される、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池１１１間の電圧やＳＯＣばらつきを均等化する回路構成は、周知のものであると判断して記載を省略した。

　図２における単電池制御部１２１が備える温度検知部１２５は、単電池群１１２の温度を測定する機能を有する。温度検知部１２５は、単電池群１１２全体として１つの温度を測定し、単電池群１１２を構成する単電池１１１の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部１２５が測定した温度は、単電池１１１、単電池群１１２、または組電池１１０の状態を検知するための各種演算に用いられる。図２はこれを前提とするため、単電池制御部１２１に１つの温度検知部１２５を設けた。単電池１１１毎に温度検知部１２５を設けて単電池１１１毎に温度を測定し、単電池１１１毎の温度に基づいて各種演算を実行することもできるが、この場合は温度検知部１２５の数が多くなる分、単電池制御部１２１の構成が複雑となる。

　図２では、簡易的に温度検知部１２５を示した。実際は温度測定対象に温度センサが設置され、設置した温度センサが温度情報を電圧として出力し、これを測定した結果が制御回路１２３を介して信号入出力回路１２４に送信され、信号入出力回路１２４が単電池制御部１２１の外に測定結果を出力する。この一連の流れを実現する機能が単電池制御部１２１に温度検知部１２５として実装され、温度情報（電圧）の測定には電圧検出回路１２２を用いることもできる。

　図３は、組電池制御部１５０の制御ブロック図である。組電池制御部１５０は、電池状態演算部１５１、パラメータ演算部１５２、確からしさ診断部１５３を備える。

　組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０が出力する単電池１１１の両端電圧、単電池１１１の温度計測値、電流検知部１３０が出力する電池電流が入力される。その他、単電池１１１が過充電もしくは過放電であるかの診断結果、単電池管理部１２０に通信エラーなどが発生した場合に出力される異常信号、電圧検出部１４０が出力する組電池１１０の総電圧値、車両制御部２００が出力する信号、なども入力される。

　電池状態演算部１５１は、入力された情報、記憶部１８０があらかじめ記憶している単電池１１１の内部抵抗、ＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）の関係を記述したＳＯＣテーブル１８１を用いて、単電池１１１のＳＯＣやＳＯＨを演算する。ＳＯＣとＳＯＨを演算する手法については後述する。電池状態演算部１５１はその他、電圧均等化制御を実施するための演算、充放電量を制御するための演算などを実施する。電池状態演算部１５１は、各演算結果やこれに基づく指令を、単電池管理部１２０や車両制御部２００に出力する。

　パラメータ演算部１５２は、電流検知部１３０が出力する電池電流値、電池状態演算部１５１が出力するＳＯＣ演算結果およびＳＯＨ演算結果に基づき、単電池１１１の両端電圧を演算し、その演算結果（以降、モデル電圧と呼ぶ）を確からしさ診断部１５３へ出力する。すなわちパラメータ演算部１５２は、単電池１１１の両端電圧を直接測定するのではなく、演算によって単電池１１１の電圧を求める。この演算結果の精度は、ＳＯＣとＳＯＨの演算精度に依拠する。

　確からしさ診断部１５３は、パラメータ演算部１５２が演算したモデル電圧と単電池管理部１２０が出力する単電池１１１の両端電圧を入力とし、モデル電圧と両端電圧を比較することにより、電池状態演算部１５１が求めたＳＯＨの確からしさを診断する。診断手法の詳細については後述する。

　図４は、記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の構成例を示す図である。ＳＯＣテーブル１８１は、単電池１１１のＯＣＶと、単電池１１１のＳＯＣとの対応関係をテーブルや関数などの形式で記述したデータである。

　図５は、ＳＯＣテーブル１８１の別構成例を示す図である。ＳＯＣテーブル１８１は、単電池１１１のＯＣＶと、単電池１１１のＳＯＣとの間の対応関係を、例えばデータテーブルの形式で単電池１１１の温度毎に記述することもできる。

＜実施の形態１：ＳＯＣを演算する手法＞
　図６は、電池状態演算部１５１が単電池１１１のＳＯＣを演算するその他の手法を説明する図である。単電池１１１のＳＯＣは、下記式１に基づき組電池１１０に流れる電流値を積算することによって求めることができる。電池状態演算部１５１は、例えば閉回路電圧ＣＣＶからＩＲドロップとＶｐを差し引くことによりＯＣＶを求め、これをＳＯＣテーブル１８１に適用して単電池１１１のＳＯＣを求めることもできるが、本実施形態１では、単電池１１１の最終的なＳＯＣは、下記式１にしたがって求めることとする。

　ＳＯＣ０は、充放電開始時のＳＯＣであり、ＳＯＣテーブル１８１（式１中のＳＯＣＭａｐ）に基づいて決定される。Ｉｃは充電電流［Ａ］、Ｉｄは放電電流［Ａ］、Ｑｍａｘは単電池１１１の満充電容量［Ａｈ］、ηは充電効率である。

＜実施の形態１：ＳＯＨを演算する手法＞
　図７は、電池状態演算部１５１が単電池１１１のＳＯＨを演算する手法を説明する図である。電池状態演算部１５１は、単電池１１１の内部抵抗の上昇率をＳＯＨと定義し、下記式２にしたがってＳＯＨを求める。

　Ｒ１は、現在の単電池１１１の内部抵抗［Ω］を示す。Ｒ０（ＳＯＣ，Ｔ）は、新品時の単電池１１１の内部抵抗［Ω］を示す。Ｒ１は、下記式３に示すように、充放電期間中の電流変化（ΔＩ＝Ｉ２－Ｉ１）と電圧変化（ΔＶ＝Ｖ２－Ｖ１）の比に基づき算出することができる。

　Ｒ０の値は、単電池１１１のＳＯＣと温度に応じて記述したデータテーブルとしてあらかじめ記憶部１８０に格納しておくことができる。下記式４にしたがって、充放電期間中のＳＯＣと温度に対応したＲ０を得ることができる。電池状態演算部１５１は、式３と式４によって得られるＲ１とＲ０の値を式２に適用することにより、単電池１１１のＳＯＨを求めることができる。

　尚、式４中のＲＭａｐに実装する内部抵抗は、ＳＯＨの定義に応じた内部抵抗を用いればよく、ＳＯＨ演算用に定義しても良いし、後述するＲｏＭａｐを活用してもよい。

＜実施の形態１：許容電流を演算する手法＞
　電池状態演算部１５１は、単電池１１１の両端電圧が上限電圧または下限電圧を超過しないため、充放電期間中の単電池１１１のＳＯＣ、ＳＯＨ、電池温度を用いて、許容充電電流と許容放電電流を演算する。許容放電電流Ｉｄｍａｘは下記式５ａで、許容充電電流は下記式５ｂで、それぞれ求めることができる。

　ＯＣＶＭａｐは、ＳＯＣテーブル１８１に相当する。ＲＭａｐは、ＳＯＣ、温度、内部抵抗の対応関係を記述したデータテーブルであり、あらかじめ記憶部１８０に格納しておくことができる。ＲＭａｐは、後述の式６で説明するＲｏＭａｐとＲｐＭａｐによって代用することもできる。

＜実施の形態１：パラメータ演算部１５２の詳細＞
　図８は、単電池１１１の等価回路図である。図８に示す等価回路は、電池の開回路電圧ＯＣＶを模擬した直流電源、電極や電解液などの電気抵抗を表すＲｏ、および電池の電気化学的な反応に伴う損失分を表すＲｐとＣの並列回路を直列に接続した回路構成となっている。パラメータ演算部１５２は、図８に示す等価回路に電流Ｉが通電した場合の閉回路電圧ＣＣＶを、下記式６に基づき計算することができる。

　ＯＣＶＭａｐは、単電池１１１のＳＯＣおよび温度とＯＣＶの対応関係を、ＲｏＭａｐとＲｐＭａｐは、単電池１１１のＳＯＣおよび温度とＲｏおよびＲｐそれぞれの対応関係を記述したデータテーブルであり、あらかじめ記憶部１８０に格納しておくことができる。パラメータ演算部１５２は、式６に基づき単電池１１１の閉回路電圧ＣＣＶ（モデル電圧）を演算し、確からしさ診断部１５３へ出力する。なお、図８に示す等価回路は１例であり、その他の等価回路および対応する演算式を用いることもできる。

＜実施の形態１：ＳＯＨの確からしさを診断する手法その１＞
　確からしさ診断部１５３は、単電池制御部１２１ａと１２１ｂが送信する単電池１１１の両端電圧（以降、実電圧）とパラメータ演算部１５２が演算したモデル電圧を比較することにより、パラメータ演算部１５２が演算したＳＯＨの確からしさを診断する。本実施形態１では、実電圧とモデル電圧との間の差分を検知することにより、これを診断する。以下、実電圧とモデル電圧との間の差分を検知する手法を説明する。

　図９は、モデル電圧と実電圧の間に差分が存在する様子を示しており、電流値は放電時をマイナス、充電時をプラスとしている。ここでは放電時の電池電圧を例に示した。ＳＯＨの演算結果が正確でなく、真のＳＯＨと演算結果との間にズレ（誤差）が生じている場合、モデル電圧はＳＯＨを用いて算出されるので、図９に示すようにモデル電圧と実電圧との間に差異が生じる。

　図９（ａ）は、放電時に、ＳＯＨの演算結果が真のＳＯＨよりも高い場合の誤差を示す。この場合は実電圧よりもモデル電圧の方が低くなる。図９（ｂ）は、放電時に、ＳＯＨの演算結果が真のＳＯＨよりも低い場合の誤差を示す。この場合、実電圧よりもモデル電圧の方が高くなる。なお図９では放電時の電圧上下関係を示したが、充電時は実電圧とモデル電圧の上下関係が図９とは逆になる。

　確からしさ診断部１５３は、実電圧とモデル電圧の間の差分が所定閾値以上になっている場合は、パラメータ演算部１５２が演算したＳＯＨの演算精度が低いと診断することができる。確からしさ診断部１５３は、その旨を示す警告信号を上位装置（例えば車両制御部２００）に出力する。上位装置は、例えば警告ランプを点灯させるなどにより、電池交換など、車両の修理を依頼するようユーザを促すことができる。確からしさ診断部１５３が発する警告については以下に示す例においても同様である。

＜実施の形態１：ＳＯＨの確からしさを診断する手法その２＞
　図１０は、確からしさ診断部１５３がＳＯＨ演算結果の確からしさを診断する別手法を説明する図である。図１０では、電池状態演算部１５１が演算する許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が流れた場合の実電圧に着目する。許容充放電電流が流れるときの実電圧は、単電池１１１の両端電圧として許容される上限電圧または下限電圧としてあらかじめ確からしさ診断部１５３の内部レジスタなどの記憶装置内に定義されているものとする。

　ＳＯＨが正確に演算されていた場合、許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が流れると、実電圧はちょうど上限電圧または下限電圧に一致するはずである。しかし、ＳＯＨが真値よりも大きく演算されていた場合、式５で示した許容充電電流または許容放電電流の値が小さくなるため、許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が通電したとき、図１０（ａ）に示すように実電圧は上限電圧または下限電圧に到達せず、充放電時の電圧変動幅が真の値よりも小さくなる。ＳＯＨが真値よりも小さく演算されていた場合、式５で示した許容充電電流または許容放電電流の値が大きくなるため、許容充電電流または許容放電電流に相当する電流が通電したとき、図１０（ｂ）に示すように実電圧は上限電圧を上回るかまたは下限電圧を下回り、充放電時の電圧変動幅が真の値よりも大きくなる。

　確からしさ診断部１５３は、図１０に示す現象を検知することにより、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断することができる。具体的には、モデル電圧が許容充放電電流に対応する値であるとき、実電圧が上下限電圧に到達しているか否かによって、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断することができる。

＜実施の形態１：ＳＯＨの確からしさを診断する手法その３＞
　図９～図１０で説明した診断手法は、充放電にともなう単電池１１１の発熱の影響が小さい条件下、例えば車両起動時に実施することが好ましい。図１１を用いてこの理由を以下に説明する。

　図１１は、充放電にともなう単電池１１１の両端電圧と温度の変化を示す図である。図１１上図は電池電流の変化を示す。図１１中図は電池温度の変化を示し、点線は温度検知部１２５による検出値、実線は単電池１１１の内部温度である。図１１下図は単電池１１１の両端電圧の変化を示す、点線はモデル電圧、実線は実電圧である。

　単電池１１１は充放電に伴って発熱し温度が上昇する。この時、単電池１１１の内部には温度分布が生じ、単電池１１１の内部は温度が高く、表面に近づくほど低くなる。温度検知部１２５が取得するのは、単電池１１１の表面の温度であり、単電池１１１の内部の温度ではないため、内部と表面との温度差が生じ、これが演算結果の誤差をもたらす。

　式５や式６において用いられる単電池１１１の内部抵抗値（ＲＭａｐ、ＲｏＭａｐ、ＲｐＭａｐ）は、温度検知部１５２の検出結果に依拠して決定される。温度検知部１５２が取得する値は、単電池１１１の内部温度よりも低くなる。一般に電池の内部抵抗は、温度が低いほど高くなる傾向があるため、温度検知部１５２の情報に基づき内部抵抗を決定すると、内部抵抗値は高く見積もられることになる。従って、充放電が進み電池の表面と内部の間に温度差が生じると、図１０に示すように、ＳＯＨの演算結果が正しいとしても、式５のモデル電圧は、充電時は実電圧よりも高く演算され、放電時は実電圧よりも低く演算されることになる。よって、図９と図１０で説明した診断手法は、単電池１１１の発熱の影響が小さい条件下で実施することが好ましいといえる。

　ここで、ＳＯＨを真値よりも小さく演算した場合について考える。図１２は、ＳＯＨを真値よりも小さく演算した場合における単電池１１１の両端電圧と温度の変化を示す図である。単電池１１１の発熱の影響が大きく図９～図１０で説明した手法を実施することが好ましくない条件下においても、図１２に示すように充放電時におけるモデル電圧と実電圧の大小関係が本来起こり得る図１１とは逆転した場合、つまり、単電池１１１のモデル電圧が実電圧よりも低い場合については、ＳＯＨの演算結果を小さく見積もっていると判断出来る。このため、確からしさ診断部１５３は、図１２に示す現象を検知した場合には、図９～図１０で説明した手法を実施することが望ましくない条件下においても、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断することができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
　以上のように、本実施形態１に係る電池システム１００は、ＳＯＣとＳＯＨの演算結果を用いて算出したモデル電圧と実電圧を比較することにより、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断することができる。これにより、電池システム１００の信頼性を確保することができる。

　本実施形態１では、式６に基づくＣＣＶの演算値と実電圧を比較することにより、ＳＯＨの確からしさを診断する手法を説明したが、ＣＣＶではなくある電流が通電した場合の電圧変化分ΔV(t) = I(t)×RMap(SOC(t), T(t))を計算し、これと実電圧の電圧変化分とを比較することにより、ＳＯＨの確からしさを診断することもできる。

＜実施の形態２＞
　実施形態１の図９～図１２では、ＳＯＨの確からしさについて診断することを説明したが、同様の手法によりＳＯＣの確からしさを診断することもできる。本発明の実施形態２では、ＳＯＣの確からしさを診断する手法について説明する。電池システム１００の構成は実施形態１と同様である。

　図１３は、電池の充放電にともなう両端電圧と電池電流の変化を示す図である。図１３に示すように、電池電流が流れていない、または電池電流が微弱で電池の両端電圧がＯＣＶと等価であると見なせる範囲であれば、式６で表わされるモデル電圧はＯＣＶとみなすことができる。そこで本実施形態２において、確からしさ診断部１５３は、式１に基づき算出したＳＯＣをＳＯＣテーブル１８１に基づきＯＣＶに変換し、これをモデル電圧と比較することにより、ＳＯＣの確からしさを診断する。例えば、両者の差分が所定閾値以上である場合はＳＯＣが正確でないと診断することができる。

　上述のＳＯＣ診断は、電池電流が流れていないとみなすことができる期間に実施する必要があるので、ＳＯＣの確からしさを診断する期間は図１３に示すように単電池１１１が充放電を実施していない期間となる。単電池１１１が充放電を実施している期間は、実施形態１で説明したようにＳＯＨの確からしさを診断する。これにより、充放電のサイクルにおいてＳＯＣとＳＯＨをともに診断することができる。

＜実施の形態３＞
　実施形態１では、モデル電圧と実電圧を比較することによりＳＯＨの確からしさを診断する手法を説明した。本発明の実施形態３では、単電池１１１の実温度とその予測値を比較することにより、ＳＯＨの確からしさを診断する手法を説明する。

　図１４は、本実施形態３における組電池制御部１５０の制御ブロック図である。組電池制御部１５０の構成は実施形態１～２と同様であるが、各部に対する入力パラメータが異なる。その他の構成については実施形態１～２と同様である。

　電池状態演算部１５１の機能は実施形態１で説明したものと同様である。パラメータ演算部１５２は、電流検知部１３０が出力する電池電流値、電池状態演算部１５１が出力するＳＯＣ演算結果とＳＯＨ演算結果に基づき、現在の単電池１１１の内部温度を演算し、演算結果を確からしさ診断部１５３へ出力する。確からしさ診断部１５３は、パラメータ演算部１５２が演算した温度演算値と単電池管理部１２０が出力する電池温度（実温度）を比較することにより、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断する。

＜実施の形態３：単電池１１１の温度演算値を求める手法＞
　パラメータ演算部１５２は、下記式７に基づき、単電池１１１の温度Ｔ（ｔ）を算出することができる。これは、単電池１１１の内部抵抗によって生じるジュール熱を積算することにより温度Ｔ（ｔ）を算出することに相当する。

　Ｔ（ｔ）は温度演算値［℃］、Ｑｐ（ｔ）は電池の内部抵抗に電流が流れた場合に生じるジュール熱［Ｊ］、Ｑｓ（ｔ）は電池の電気化学的な反応に伴う熱量［Ｊ］、Ｑｂ（ｔ）は周囲温度と電池温度との差分に基づく放熱量［Ｊ］、ＨＣは熱容量[Ｊ／Ｋ]を示す。Ｑｐ（ｔ）、Ｑｓ（ｔ）、Ｑｂ（ｔ）はそれぞれ下記式８で表わされる。

　ΔＳはエントロピー変化量［Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ］、Ｆはファラデー定数［Ｃ／ｍｏｌ］、ＨＴＣは熱伝達率［Ｊ／Ｋ／ｍ＾２］、Ａｃｅｌｌは電池表面積［ｍ＾２］、Ｔａｍｂは周囲温度［℃］を示す。

＜実施の形態３：単電池１１１の実温度を求める手法＞
　パラメータ演算部１５２はＳＯＣとＳＯＨを用いて単電池１１１の温度を演算すると共に、これと比較するための単電池１１１の実温度を測定する必要がある。しかし、充放電期間中には、単電池１１１の内部に温度分布が生じるため、単電池１１１の表面温度を計測する温度検知部１２５は、単電池１１１の電池温度（実温度）を正確に取得することが出来ない可能性がある。また、充放電期間中は組電池１１０内に温度分布が生じるため、単電池１１１毎に温度は異なる。このため、温度に応じてＳＯＨ演算結果の確からしさを正確に診断するには、単電池１１１毎の温度情報が必要となる。最も単純には、単電池１１１毎に温度検知部１２５を設ければよいが、これはコスト高である。さらにこのような構成を採用すると、パラメータ演算部１５３も、電池システム１００内の温度分布の影響や単電池１１１内の温度分布の影響を考慮して、高精度な演算モデルに基づき温度演算値を求める必要が生じる。このため、単純に式７で演算した温度と温度検知部１２５の温度計測値を比較して、確からしさを診断するのは困難である。

　そこで本実施形態３では、充電器４２０による充電時は単電池１１１の電圧電流パターンがほぼ一定であることに着目した。あらかじめ充電開始時のＳＯＣ、ＳＯＨ、温度に応じた充電プロファイル（例えば、充電終了時の温度または温度上昇値）を実測し、テーブルデータなどの形式で、データベース化しておく。実際の充電時には、充電開始時のＳＯＣ、ＳＯＨ、温度検知部１２５から取得した単電池群１１２毎の温度に対応する充電プロファイル（例えば、充電終了時の温度または温度上昇値）をデータベースから読み出すことにより、単電池１１１毎の実温度を間接的に求めることができる。

＜実施の形態３：ＳＯＨの確からしさを診断する手法＞
　確からしさ診断部１５３は、あらかじめ充電開始時のＳＯＣ、ＳＯＨ、温度に応じた充電プロファイルのデータベースから読み出した温度（以降、実温度）とパラメータ演算部１５２が演算した温度演算値を比較することにより、式７に含まれるＳＯＨ演算結果の確からしさを診断する。本実施形態３では、実温度と温度演算値との間の差分を検知することにより、これを診断する。以下、実温度と温度演算値との間の差分を検知する手法を説明する。

　図１５は、充電器４２０による充電中の電流、電圧、温度の波形を示す図である。ここでは、ある一定電流で目標となる電池電圧に到達するまで充電した後、電池電圧を一定に保って充電するＣＣ－ＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）充電を実施した際の波形を例示した。その他の充電方法としては、一定電力で所定の電圧まで充電した後、電池電圧を一定に保つＣＰ－ＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｐｏｗｅｒ－Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ）充電などがある。

　図１５に示すように、充電中は発熱の影響により単電池１１１の温度が上昇していく。式７に含まれるＳＯＨ演算結果が正確でない場合、式７によって演算される温度演算値と実温度との間にズレ（誤差）が生じる。

　ＳＯＨ演算結果が真値よりも低い場合、式８のＱｐ（ｔ）の演算結果が真値よりも低くなるため、温度演算結果は実温度よりも低くなる。Ｑｐ（ｔ）の演算結果が真値よりも高い場合、Ｑｐ（ｔ）の演算結果が真値よりも高くなるため、温度演算結果は実温度よりも高くなる。すなわち、ＳＯＨ演算結果に含まれる誤差の影響が温度演算値に反映されるため、実温度と温度演算値を比較することにより、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断することができる。具体的には、両者の差分が所定閾値以上である場合は、ＳＯＨ演算結果が真値からずれていると診断することができる。

＜実施の形態３：まとめ＞
　以上のように、本実施形態３に係る電池システム１００は、ＳＯＣとＳＯＨの演算結果を用いて算出した電池温度と実温度に基づき、ＳＯＨ演算結果の確からしさを診断することができる。

＜実施の形態４＞
　実施形態１～３では、確からしさ診断部１５３は診断結果に応じて警告を発することを説明したが、診断結果の原因については通知していない。本発明の実施形態４では、ＳＯＨ（またはＳＯＣ）演算結果が測定タイミングの同時性ズレに起因して不正確になっている場合、その旨を通知する動作例を説明する。電池システム１００の構成は実施形態１～３と同様である。

　図１６は、単電池１１１の充放電にともなう電池電流と電池両端電圧の変化を示す図である。図１６の上図において、電流検知部１３０は、白丸で示すタイミングで電池電流を検出する。図１６の下図において、電圧検知部１４０は、黒四角で示すタイミングで電池両端電圧を検出する。モデル電圧は検出した電流にしたがって演算するので、モデル電圧のタイミングは電池電流の検出タイミングと同じであり、図１６下図の黒丸で示した。したがって、モデル電圧のタイミングと実電圧のタイミングは、図１６下図に示すようにズレが生じる。

　図１６に示すように、電流と電圧の取得タイミングがズレていると、確からしさ診断部１５３がモデル電圧と実電圧を比較する際に、両者が大きく乖離する可能性がある。例えば図１６下図の点線で囲む部分のように、偶然に充放電を実施する前後それぞれにおいてモデル電圧と実電圧を取得すると、両者は大きく乖離するので、確からしさ診断部１５３はＳＯＨ（またはＳＯＣ）演算結果が不正確であると診断することになる。この診断結果は本来意図しているＳＯＨの確からしさとは異なる観点で診断されたものであるため、診断結果をもたらした原因を特定してユーザに通知することが望ましいと考えられる。

　図１６下図の点線部分に着目すると、前半のモデル電圧（黒丸）はＯＣＶよりも小さい値であるのに対し、後半の実電圧（黒四角）はＯＣＶよりも大きい値になっている。その他の区間においては、モデル電圧とＯＣＶの大小関係、および実電圧とＯＣＶの大小関係は、変化していない。すなわちこれら大小関係が反転するのは、充放電が切り替わる時点において、電池電流の測定タイミングと実電圧の測定タイミングがズレていることに起因していると考えられる。

　したがって確からしさ診断部１５３は、上記のような大小関係の逆転が生じた場合は、上述のような測定タイミングのズレによってＳＯＨ演算結果が不正確であると診断された旨を、例えばその旨を示す通知信号などによって上位装置（例えば車両制御部２００）に通知することができる。これによりユーザは、電池交換をいったん保留して警告が継続するか否かを見極めるなどの措置を取ることができる。

＜実施の形態４：まとめ＞
　以上のように、本実施形態４に係る電池システム１００は、モデル電圧とＯＣＶの大小関係、および実電圧とＯＣＶの大小関係が反転しているか否かにより、ＳＯＨ演算結果の確からしさについての診断結果の原因を判定する。これにより、測定タイミングの同時性ズレに起因する診断結果をユーザに通知するなどして適切な措置を促すことができる。

　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

　例えば、実施形態１～４においてＳＯＨ演算結果を診断する手法を複数説明したが、これら診断手法を個別に適用して加重平均することにより、最終的な診断結果を得ることが考えられる。あるいは図１２や実施形態２で説明したように、特定の診断手法を用いるのに適していない期間においては、その他の診断手法を代替的に用いることが考えられる。

　上記各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。

　１００：電池システム、１１０：組電池、１１１：単電池、１１２：単電池群、１２０：単電池管理部、１２１：単電池制御部、１２２：電圧検出回路、１２３：制御回路、１２４：信号入出力回路、１２５：温度検知部、１３０：電流検知部、１４０：電圧検知部、１５０：組電池制御部、１５１：電池状態演算部、１５２：パラメータ演算部、１５３：確からしさ診断部、１６０：信号通信手段、１７０：絶縁素子、１８０：記憶部、２００：車両制御部、３００～３３０：リレー、４００：インバータ、４１０：モータジェネレータ、４２０：充電器。

Claims

　電池の動作を制御する装置であって、
　前記電池の充電状態と劣化状態を演算する状態演算部と、
　前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態を用いて前記電池の測定パラメータを演算により求めるパラメータ演算部と、
　前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する診断部と、
　を備え、
　前記診断部は、
　　前記パラメータ演算部が演算した前記電池の測定パラメータとその測定値を比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断し、その診断結果を出力する
　ことを特徴とする電池制御装置。
　前記電池制御装置は、前記電池の両端電圧を検出する電圧検知部を備え、
　前記パラメータ演算部は、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態と劣化状態を用いて前記電池の両端電圧を演算により求め、
　前記診断部は、前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧と、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧とを比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する
　ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
　前記診断部は、
　前記電池の放電時においては、
　　前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上大きい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断し、
　　前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上小さい場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断し、
　前記電池の充電時においては、
　　前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上大きい場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断し、
　　前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも所定閾値以上小さい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断する
　ことを特徴とする請求項２記載の電池制御装置。
　前記電池制御装置は、
　　前記電池の両端電圧を検出する電圧検知部と、
　　前記電池に流れる電流を検出する電流検知部と、
　を備え、
　前記診断部は、
　　前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合において前記電池の両端電圧を前記パラメータ演算部が演算した結果と、前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合において前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧とを比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する
　ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
　前記診断部は、
　　前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合に相当する前記電池の両端電圧を前記パラメータ演算部が演算した期間において、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧の変動量が、前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧の変動量を所定閾値以上超過している場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断し、
　　前記電池に許容充電電流または許容放電電流が流れている場合に相当する前記電池の両端電圧を前記パラメータ演算部が演算した期間において、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧の変動量が、前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧の変動量を所定閾値以上下回っている場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断する
　ことを特徴とする請求項４記載の電池制御装置。
　前記診断部は、
　　前記電池が充電または放電を実施している場合において、前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧が、前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧よりも小さい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断する
　ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
　前記電池制御装置は、前記電池に流れる電流を検出する電流検知部を備え、
　前記診断部は、
　　前記電池に電流が流れていないか、または前記電池に流れる電流が所定閾値以下であり前記電池に電流が流れていないものとみなせる場合は、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態の確からしさを診断し、
　　前記電池が充電または放電を実施している場合は、前記状態演算部が演算した前記電池の劣化状態の確からしさを診断する
　ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
　前記電池制御装置は、前記電池の温度を検出する温度検知部を備え、
　前記パラメータ演算部は、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態と劣化状態を用いて前記電池の内部温度を演算により求め、
　前記診断部は、前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の内部温度と、前記温度検知部が検出した前記電池の温度をもとに算出した前記電池の内部温度とを比較することにより、前記状態演算部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態の確からしさを診断する
　ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
　前記診断部は、前記電池の充電時において、
　　前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の内部温度が、前記温度検知部が検出した前記電池の温度を基に算出した前記電池の内部温度よりも所定閾値以上大きい場合は、前記電池の劣化状態を過大に演算したものと診断し、
　　前記パラメータ演算部が演算により求めた前記電池の内部温度が、前記電流検知部が検出した前記電池に流れる電流を用いて算出した前記電池の内部温度よりも所定閾値以上小さい場合は、前記電池の劣化状態を過小に演算したものと診断する
　ことを特徴とする請求項８記載の電池制御装置。
　前記電池制御装置は、
　　前記電池の両端電圧を検出する電圧検知部と、
　　前記電池に流れる電流を検出する電流検知部と、
　を備え、
　前記診断部は、
　　前記状態検知部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態が正確ではないと診断した場合は、
　　前記パラメータ演算部が演算した前記電池の両端電圧と前記電池の開回路電圧のうちいずれが大きいかを示す第１大小関係、および前記電圧検知部が検出した前記電池の両端電圧と前記電池の開回路電圧のうちいずれが大きいかを示す第２大小関係を取得し、
　　前記第１大小関係が示す大小関係と、前記第２大小関係が示す大小関係とが反対である場合は、前記電流検知部の検出タイミングと前記電圧検知部の検出タイミングがズレていることにより、前記状態検知部が演算した前記電池の充電状態または劣化状態が不正確になったと診断し、その旨の診断結果を出力する
　ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。