JP2007292648A - 二次電池の充電状態推定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】検出されたバッテリ状態量(電流、電圧、温度等)に基づき、分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて充電状態(SOC)を正確に推定する。
【解決手段】電池ECUは、現時点のバッテリ状態量に基づく分極値fdynを推定し(S170)、分極値補正率kfの乗算により分極値fdynを補正する(S190)。さらに、逐次推定された分極値を所定時定数に従って減衰させた上で時間積分することにより、バッテリの充放電履歴を反映した分極起電圧Vdynが推定される(S200)。電池ECUは、推定された分極起電圧Vdynを反映して開路電圧Vocvを算出し(S220)、さらにSOCを算出する(S230)。電池ECUは、今回のSOC推定ルーチンが一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化したケースで実行されているかどうかを判定し(S110〜S160)、このようなケースでは、分極値補正率kfをkf>1.0に設定する(S180)。
【選択図】図5
【解決手段】電池ECUは、現時点のバッテリ状態量に基づく分極値fdynを推定し(S170)、分極値補正率kfの乗算により分極値fdynを補正する(S190)。さらに、逐次推定された分極値を所定時定数に従って減衰させた上で時間積分することにより、バッテリの充放電履歴を反映した分極起電圧Vdynが推定される(S200)。電池ECUは、推定された分極起電圧Vdynを反映して開路電圧Vocvを算出し(S220)、さらにSOCを算出する(S230)。電池ECUは、今回のSOC推定ルーチンが一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化したケースで実行されているかどうかを判定し(S110〜S160)、このようなケースでは、分極値補正率kfをkf>1.0に設定する(S180)。
【選択図】図5
Description
この発明は、二次電池の充電状態推定装置に関し、より特定的には、二次電池内部の分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて、二次電池の充電状態(以下、SOC:State of Chargeとも称する)を推定する二次電池の充電状態推定装置に関する。
従来より、二次電池(以下、単にバッテリとも称する)の充電状態(SOC)を推定する充電状態推定装置が知られている。この装置は、満充電からの放電電流を積算してSOCを検出する方式が一般的であるが、たとえばエンジン出力による発電機を搭載するハイブリッド車両においては、バッテリのSOCが50%程度に維持されるように充放電を制御するため、長期間バッテリが満充電とならない。その結果、バッテリの充放電電流を長期間積算することにより、積算誤差が大きくなってしまう可能性がある。このため、電流積算のみに基づくSOC推定は、上述のような充放電制御が行なわれるハイブリッド車両へ搭載されるバッテリへの適用が困難である。
一方、バッテリの充放電電流および内部抵抗を乗算することによりバッテリ内部における電圧降下が算出でき、この電圧降下分をバッテリ電圧から減算することでバッテリの起電圧が検出できる。このため、センサによって検知されるバッテリの状態量(代表的には、電圧、電流、温度)に基づき、バッテリの開路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)を正確に推定し、推定した開路電圧を用いてバッテリの充電状態(SOC)を検出する方法が用いられている。
ここで、バッテリは、各バッテリセルにおける電極活物質の各部変化によって起電力を発生しているところ、電極活物質の化学反応はその表面付近で起こりやすい一方で、電極内部における反応には拡散のための遅延時間が生じる。そこで、この電極内部と表面部における不均衡(分極)に起因して、同じSOCであっても起電力に差が生じることが知られている。そして、この分極に起因する電圧変化は、時間が経過することで解消すると考えられる動的なものである。そこで、このような分極起電圧を考慮に入れてバッテリの開路電圧を推定することにより、SOC推定精度を向上させる構成が提案されている(たとえば特許文献1〜4)。
特に、特許文献1(特開2000−258514号公報)に開示された充電状態検出装置では、予め求められた分極起電圧の電流依存性に基づき、現時点でのバッテリ電流に対応した分極値f{i(t)}を各時点で逐次求め、かつ、この逐次求めた分極値を時間軸方向に減衰させた上で時間積分していくことによって、過去の充放電履歴を反映した分極起電圧Vdynを算出する。そして、算出された分極起電圧Vdynは、開路電圧およびSOCの推定に用いられる。
また、特許文献2(特開2003−68370号公報)に開示された充電状態検出装置では、上記特許文献1における各時点での分極値の算出を、バッテリ電流およびバッテリ温度に基づいて行なうことが開示されている。また、この特許文献2では、バッテリ低温時における分極起電圧の推定精度を向上するために、各時点で算出した上記分極値を時間時間積分する際における減衰の時定数をバッテリの構成部材毎に複数個設定する。そして、これら複数の時定数に従ってそれぞれ算出された分極起電圧の平均値を用いることにより、分極起電圧の推定精度を向上させることが開示されている。
特開2000−258514号公報
特開2003−68370号公報
特開2004−93551号公報
特開平11−346444号公報
上記のように、特許文献1および2に開示されたバッテリの充電状態検出装置では、現時点のバッテリ状態量(電流,温度)に対応する分極値を逐次算出し、各時点で算出された分極値を所定時定数による減衰を伴って時間軸積分することによって、過去の充放電履歴を反映した分極起電圧を推定している。
しかしながら、このような推定によれば、過去の充放電履歴の反映は、もっぱら積分演算により実現されている。すなわち、各時点における分極値の推定は、過去の充放電履歴を反映したものとはなっておらず、同一のバッテリ状態量の下では、それまでの充放電状態に拘らず同一値が推定される。
したがって、このような充電状態検出装置では、充放電の切換時、特に、一定電流放電が行なわれた後でバッテリ電流が急変した場合には、分極起電圧の変化を過小に推定することにより、この急変時点において分極起電圧の推定誤差が大きくなってしまう可能性がある。このような分極起電圧の推定誤差により、開路電圧(OCV)ひいては充電状態(SOC)の推定精度が低下するおそれがある。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、検出された二次電池(バッテリ)の状態量(電流、電圧、温度等)に基づき、分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて充電状態(SOC)を正確に推定することである。
この発明による二次電池の充電状態推定装置は、状態量取得手段と、一定電流状態検知手段と、一定電流継続時間検出手段と、内部抵抗推定手段と、分極起電圧推定手段と、開路電圧検出手段と、充電状態推定手段とを備える。状態量取得手段は、現時点での二次電池の電圧、電流および温度を取得するように構成される。一定電流状態検知手段は、二次電池の電流が所定以下の時間的変化にて継続している一定電流状態を検知するように構成される。一定電流継続時間検出手段は、一定電流状態検知手段により一定電流状態が一旦検知された後に電流が変化したときに、一定電流状態の継続時間を検出するように構成される。内部抵抗推定手段は、少なくとも状態量取得手段により取得された温度に基づいて、二次電池の内部抵抗を推定するように構成される。分極起電圧推定手段は、現時点までの二次電池の充放電の履歴に基づき、二次電池の分極起電圧を推定するように構成される。開路電圧検出手段は、状態量取得手段により取得された電圧および電流、内部抵抗推定手段により推定された内部抵抗、ならびに、分極起電圧推定手段により推定された分極起電圧に基づき、二次電池の開路電圧を検出するように構成される。充電状態推定手段は、開路電圧検出手段により検出された開路電圧を用いて、二次電池の充電状態を推定するように構成される。特に、分極起電圧推定手段は、一定電流状態検知手段により一定電流状態が一旦検知された後に電流が変化したときに、一定電流継続時間検出手段により検出された継続時間を反映して分極起電圧を推定するように構成される。
この二次電池の充電状態推定装置によれば、バッテリ電流が一定電流状態後に変化した際に、この一定電流状態の継続時間を反映して、分極起電圧の推定を行なうことができる。これにより、上記一定電流状態からバッテリ電流が変化した際における分極起電圧の推定誤差を抑制することにより、分極起電圧の推定精度を向上させて、開路電圧(OCV)および二次電池の充電状態(SOC)の推定精度を向上させることができる。
好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、分極起電圧推定手段は、分極値推定手段と、分極値補正手段と、起電圧推定手段とを含む。分極値推定手段と、少なくとも状態量取得手段により取得された電流に基づいて、現時点の電流が一定に継続した場合における分極起電圧の収束値に対応する分極値を逐次推定するように構成される。分極値補正手段と、一定電流状態が一旦検知された後に電流が変化したときに、少なくとも継続時間に基づいて、分極値推定手段によって推定された分極値を補正するように構成される。起電圧推定手段は、分極値推定手段および分極値補正手段によって逐次推定された分極値を、推定時点から現時点までの経過時間に応じて所定時定数に従って減衰させた上で積分することにより、現時点での分極起電圧を推定するように構成される。
この構成によれば、通常時にはバッテリ状態量(少なくともバッテリ電流)に基づいて各時点での分極値を推定する一方で、一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化した際には、通常時に求められる分極値を一定電流状態の継続時間に基づいて補正することによって、分極起電圧の推定精度を向上することが可能となる。すなわち、通常の分極起電圧推定に対して、一定電流状態からバッテリ電流が変化した際に分極値を補正するという簡易な制御構成によって分極起電圧の推定精度を向上することができる。
さらに好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、分極値補正手段は、継続時間ならびに、一定電流状態における電流および状態量取得手段により取得された温度に基づき、分極値推定手段によって推定された分極値を補正する。
このような構成によれば、上記一定電流状態の継続時間および電流ならびに、その時点でのバッテリ温度に基づき、分極値の補正度合を決定するので、分極起電圧の推定精度をさらに向上させることができる。
あるいは、さらに好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、分極値推定手段は、状態量取得手段により取得された電流および温度に基づき分極値を推定する。
このような構成によれば、バッテリ電流およびバッテリ温度に基づき基本的な分極値を推定することにより、分極起電圧の推定精度を向上させることができる。
また好ましくは、上記二次電池の充電状態推定装置では、二次電池は、リチウムイオンバッテリにより構成される。
このような構成によれば、二次電池が充電状態(SOC)と開路電圧との相関性が高いリチウムイオン電池により構成されるので、分極起電圧の推定精度向上による回路電圧の推定精度向上による、充電状態(SOC)の推定精度向上の効果が高い。すなわち、本発明による二次電池の充電状態推定装置は、リチウムイオン電池への適用に好適である。
この発明による二次電池の充電状態推定装置によれば、検出された二次電池(バッテリ)の状態量(電流、電圧、温度等)に基づき、分極起電圧を考慮した開放電圧の推定に基づいて充電状態(SOC)を正確に推定することができる。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則として繰返さないものとする。
(全体システム構成例の説明)
図1は、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置をハイブリッド車両に適用したシステムの構成を示すブロック図である。
図1は、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置をハイブリッド車両に適用したシステムの構成を示すブロック図である。
バッテリ10は、多数のバッテリセルからなっている。代表的には、このバッテリ10は、リチウムイオンバッテリから構成される。リチウムイオンバッテリは、周知のように、SOCと開路電圧(OCV)との相関が高い。したがって、図2に示すように、SOCに対する開路電圧Vocvを予め測定しておくことにより、バッテリ10の状態量(電流、電圧、温度等)に基づき推定された開路電圧Vocvに基づき、充電状態としてのSOCを推定することができる。このように、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置は、SOCおよび開路電圧の相関性が高いリチウムイオンバッテリの充電状態推定に好適である。ただし、SOCおよび開路電圧の相関性がリチウムイオンバッテリ程高くない、ニッケル水素バッテリ等の他の形式のバッテリに対しても、分極起電圧推定を含む開路電圧(OCV)推定に基づくSOC推定を、充放電電流積算によるSOC推定等の他のSOC推定手法と組み合わせることにより、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置を適用することが可能である。
バッテリ10の各ブロック毎の電圧および全体の電圧は、電圧検出器12で計測され、電池ECU(Electronic Control Unit)14に供給される。以下では、この全体の電圧Vbをバッテリ電圧Vbと称する。なお、ブロック毎の電圧は、各バッテリセルにおける過放電の検出等にも用いることができる。
電池ECU14には、バッテリ温度Tbを検出する温度センサ16、およびバッテリ電流Ibを検出する電流検出器18が、さらに接続される。バッテリ温度Tbおよびバッテリ電流Ibについても電池ECU14に入力される。なお、バッテリ温度Tbについては複数箇所(たとえば、ブロック毎に1個または複数個配置)に温度センサ16を配置してもよい。また、バッテリ電流Ibについては、放電時にIb>0であり、放電時にIb<0であると定義する。
電池ECU14は、各検出器およびセンサから入力されるバッテリ状態量である、バッテリ電圧Vb、バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tbに基づいて、バッテリ10の充電状態(SOC)を検出し、これをHVECU20へ供給する。
HVECU20は、アクセル開度、ブレーキ踏込み量および車速等の情報に基づいて決定されたトルク指令に従って、負荷22を制御する。負荷22は、たとえば、図示しないインバータおよびモータを含んで構成される。このような構成では、バッテリ10からの直流電力は、インバータにより交流電力に変換されてモータを駆動する。HVECU20からの制御信号によりインバータの動作が制御されることで、モータよりトルク指令に合致したトルクを出力することができる。特に、HVECU20からの制御信号により、モータが現在の回転方向と反対方向のトルクを出力するようにインバータのスイッチングを制御することにより、モータによる回生制動も行なわれる。モータの回生制動による発電電力は、インバータにより直流電力に変換して、バッテリ10の充電に用いることができる。
なお、本実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置が搭載されるハイブリッド車両では、エンジン(図示せず)およびエンジン駆動のジェネレータ(図示せず)を搭載しており、ジェネレータの発電電力によりバッテリ10の充電ができるとともに、エンジンによりモータ出力軸を回転できるように構成されてもよい。また、モータおよびジェネレータは、モータジェネレータとして構成してもよい。
そして、HVECU20は、電池ECU14から供給されるバッテリ10のSOCの値に従って、モータ出力、エンジン出力などを制御して、バッテリ10のSOCが目標値付近になるように制御している。なお、バッテリセルの過放電(または、SOCの下限範囲外れ)が検出された際には、バッテリ10からの放電が禁止され、バッテリセルの過充電(または、SOCの上限範囲外れ)が検出された場合には、バッテリ10への放電が禁止される。たとえば、図2に例示されるように、SOC=50%を目標値とし、かつ、SOC=20%および80%をそれぞれ下限および上限として、SOCは制御される。
(SOC推定手法の説明)
以下に、電池ECU14によるバッテリ10のSOC推定について説明する。
以下に、電池ECU14によるバッテリ10のSOC推定について説明する。
ここで、バッテリ10の電流・電圧特性は、バッテリ10の内部抵抗Rを用いて、下記(1)式で示される。
Vb=Vo−Ib・R …(1)
(1)式中において、Voはバッテリにおける起電圧を示す。起電圧Voは、バッテリ電流Ib=0のときのバッテリ電圧Vbに相当する。
(1)式中において、Voはバッテリにおける起電圧を示す。起電圧Voは、バッテリ電流Ib=0のときのバッテリ電圧Vbに相当する。
ここで、内部抵抗Rは、温度依存性を有するので、バッテリ温度Tbの変化に応じて補正する必要がある。たとえば、バッテリ温度Tbに対する内部抵抗Rの変化を予め実験的に測定し、この測定結果に基づく内部抵抗Rのマップが、電池ECU14に予め格納される。これにより、電池ECU14は、温度センサ16によって検出されたバッテリ温度Tbに基づいて、上記マップの参照により現時点での内部抵抗Rを求めることができる。なお、以下では、バッテリ10の全体についてのSOC推定を説明するので、温度センサ16が複数箇所に配置された場合には、これら複数のセンサによる検出温度の平均値等により、バッテリ温度Tbが定義される。
SOCおよび開路電圧Vocvとの間には、図2に示すような関係がある。ここで、開路電圧Vocvは、上記起電圧Voと分極起電圧Vdynとを用いて、下記(2)式のように表わされる。
Vo=Vocv+Vdyn …(2)
したがって、(1)および(2)式より、下記(3)式が得られる。
したがって、(1)および(2)式より、下記(3)式が得られる。
Vocv=Vb+Ib・R−Vdyn …(3)
上述のように、リチウムイオンバッテリでは、VocvはSOCの関数として示される。また、ニッケル水素バッテリ等では、Vocvは、SOCおよびバッテリ温度Tbに依存する電圧となる。したがって、開路電圧Vocvの推定により、SOCを推定できる。
上述のように、リチウムイオンバッテリでは、VocvはSOCの関数として示される。また、ニッケル水素バッテリ等では、Vocvは、SOCおよびバッテリ温度Tbに依存する電圧となる。したがって、開路電圧Vocvの推定により、SOCを推定できる。
(2),(3)式中の分極起電圧Vdynは、充放電履歴により動的な電圧変動である。上述のように、バッテリ10は、各バッテリセルにおける電極活物質の化学変化によって起電力を発生しているが、電極活物質の化学反応はその表面付近で起こりやすく、電極内部における反応には拡散のための遅延時間が生じる。そこで、この電極内部と表面部との間における不均衡(分極)に起因して、同じSOCであっても起電力に差が生じる。そしてこの分極に起因する電圧変化は、時間経過に伴い解消すると考えられる動的なものである。
たとえば、図3(a)に示すようにバッテリ電流Ibが変化した場合、図3(b)に示すように、分極による起電圧Vdynは、放電の継続により負電圧方向に変化し、充電の継続により正電圧方向に変化する。すなわち、バッテリ電流Ib>0のとき(放電時)には、その時点での分極起電圧Vdynの変化量は基本的に負となり、バッテリ電流Ib<0のとき(充電時)には、その時点での分極起電圧Vdynの変化量は基本的に正となる。また、バッテリ電流Ibが一定のまま十分な時間が経過すれば、分極起電圧Vdynは、バッテリ電流Ibに依存した一定値に収束する。また、充放電の切換え時には、分極起電圧Vdynは大きく変化する。
このように、分極起電圧Vdynの大きさは過去の充放電の履歴に応じて決定されると考えられる。また、その時点に近いほど影響は大きく、充電または放電の電流量が大きいほど影響は大きいと考えられる。そこで、本実施の形態では、分極起電圧Vdynを、次の(4)式によって求める。
(4)式において、Vdyn(to)は、時間t=toでの分極起電圧を示し、τは時定数を示す。さらに、fdyn{st(t)}は、予め求められた、バッテリ状態量に対する分極起電圧の依存性を示す。以下に説明するように、ここでのバッテリ状態量は、少なくともバッテリ電流Ibを含み、好ましくは、バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tbの両方を含む。図3ならびに特許文献1および2にも示されるように、バッテリ電流Ibが一定のまま時間が十分に経過すれば、分極起電圧Vdynは、バッテリ電流Ibに依存した一定値に収束する。すなわち、fdyn{st(t)}は、現時点でのバッテリ状態量(少なくともバッテリ電流Ib)が一定のまま時間が十分に経過した場合における分極起電圧Vdynの収束値に対応する。以下では、このfdynを分極値とも称する。
(4)式によれば、特許文献1および2と同様に、現時点でのバッテリ状態量に基づいて分極値fdyn(特許文献1および2におけるf{i(t)}に相当)を逐次推定し、推定された分極値fdynを、時間軸方向に沿って時定数τによる減衰を伴って積分することにより、任意の時点toにおける分極起電圧Vdyn(t0)を求めることができる。
さらに、特許文献1および2と同様に、コンピュータにより所定周期Δt毎の離散的データ処理によって分極起電圧Vdynを逐次推定するために、式(4)を離散化することによって、下記(5)式が得られる。
式(5)によれば、分極起電圧Vdynの初期値を設定しておけば、その後は、現時点での分極値fdyn{st(t0)}および、分極起電圧Vdynの前回推定値を用いて、現時点での分極起電圧Vdyn(t0)を逐次推定することができる。
なお、式(4),(5)中の分極値fdynについては、バッテリ電流Ibを一定にして分極起電圧を測定する実験を予め実施することにより、バッテリ電流Ibに基づき分極値fdynを求めるマップを予め作成することができる。また、同一のバッテリ電流Ibであっても、分極の発生度合いにはバッテリ温度Tbが影響を与えることから、バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tbに基づいて分極値fdynを推定することが好ましい。この場合には、実験結果に基づいて、バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tbを変数として分極値fdyn(Ib,Tb)を求めるマップを予め作成しておくことが可能である。
図4には、分極値fdyn(Ib,Tb)のマップイメージが示されている。基本的に、放電時(Ib>0)にはfdyn(Ib,Tb)<0に設定され、充電時(Ib<0)にはfdyn(Ib,Tb)>0に設定される。なお、放電、充電時の電流が大きいほど分極値の絶対値|fdyn(Ib,Tb)|は相対的に大きく設定される。また、温度に関しては、バッテリ温度Tbが低いほど分極値の絶対値|fdyn(Ib,Tb)|は相対的に大きく設定される。そして、SOC推定が実行される各時点において、その時点でのバッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tbに基づき、上記マップを参照して、式(5)中でのfdyn{st(t0)}に相当する、分極値fdyn(Ib,Tb)が読出される。
図5は、本発明の実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置におけるSOC推定を説明するフローチャートである。
図5に示すSOC推定ルーチンは、電池ECU14に予め格納されたプログラムの実行により、所定周期Δt毎に実行される。
図5を参照して、電池ECU14は、ステップS100により、電圧検出器12、温度センサ16および電流検出器18より、バッテリ状態量としてのバッテリ電圧Vb、バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tbを取得する。
電池ECU14は、ステップS110により、バッテリ電流Ibが前回のSOC推定ルーチン実行時から所定以上変化しているか否かを判定する。具体的には、前回のSOC推定ルーチン実行時にステップS100で取得されたバッテリ電流Ib(前回値)と、ステップS100により今回取得されたバッテリ電流Ibとの間の変化量または変化率が所定値以下であるか否かにより、ステップS110の判定は実行される。
バッテリ電流Ibに変化がない場合、すなわちステップS110がNO判定である場合には、バッテリ電流Ibが所定以下の時間的変化にて継続している一定電流状態であると判定されて、電池ECU14は、以下のステップS120〜S135を実行する。
電池ECU14は、ステップS120では、電流継続フラグFLGを“オン”とし、さらにステップS130により、一定電流継続状態の継続時間を計測するためのタイマー値をカウントアップする。さらに、電池ECU14は、ステップS135により、このときのバッテリ電流Ibを一定電流状態における一定電流Ibcnとして記憶する。
一方、ステップS110のYES判定時、すなわちバッテリ電流Ibが変化しているときには、電池ECU14は、まずステップS140により、電流継続フラグFLGが“オン”であるかどうかを判定する。
ステップS140のYES判定時、すなわち一定電流状態からバッテリ電流が変化した場合(充放電の切換時に相当)には、電池ECU14は、ステップS150により、一定電流状態時にカウントアップされたタイマー値を、一定電流状態の継続時間tcnとして記憶する。そして、電池ECU14は、ステップS160にてタイマー値をクリアする。さらに、電流継続フラグFLGについて、次回の一定電流継続状態を検知するために“オフ”に初期化する。
これに対して、ステップS140のNO判定時、すなわち一定電流状態が解除されるのではなく、連続的にバッテリ電流Ibが変化している場合には、電池ECU14は、上述のステップS150およびS160の処理をスキップする。この場合には、上記継続時間tcn=0となる。
上述したステップS110〜S160の処理により、電池ECU14は、今回のSOC推定ルーチンが一定電流状態の継続後にバッテリ電流が変化したケースで実行されるものか否か識別するとともに、このようなケースに該当する場合には、一定電流状態の継続時間tcnおよび一定電流状態時でのバッテリ電流Ibcnを取得する。
さらに電池ECU14は、ステップS170では、図4に示したマップ等を参照することにより、現時点のバッテリ状態量(バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tb)に基づき分極値fdyn(Ib,Tb)を推定する。
そして電池ECU14は、ステップS180により、分極値補正率kfを算出する。さらに、電池ECU14は、ステップS190により、ステップS170で推定した分極値fdynおよびステップS180で設定した分極値補正率kfの積により、現時点(t=t0)における分極値fdyn(t0)を算出する。
図6には、分極値補正率の設定マップの構成イメージが示される。図6に示すように、分極値補正率kfは、少なくともステップS150で求められた一定電流状態の継続時間tcnに応じて設定される。
図6を参照して、分極値補正率kfは継続時間tcn=0のとき、すなわちバッテリ電流Ibが連続的に変化している場合にはkf=1.0に設定される。これに対して、一定電流状態の継続後にバッテリ電流Ibが変化した場合には、その継続時間tcnに応じて、分極値補正率kf>1.0に設定される。これにより、一定電流での充放電が継続された後に充放電が切換えられた際に、現時点のバッテリ状態量(バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tb)に基づいて推定される分極値fdynを補正することができる。特に、分極値補正率kf>1.0としているので、上述のような充放電の切換えの際において、分極起電圧を過小に推定することが回避される。
なお、上記のような分極値fdynの過小設定は、バッテリ温度Tbの低温時ほど、また一定電流状態時における充放電電流の絶対値|Ibcn|が大きいほど顕著となる。したがって、図6に示すように、一定電流状態時の一定電流|Ibcn|およびバッテリ温度Tbをさらに反映して、分極値補正率kfのマップを構成することが好ましい。すなわち、分極値補正率マップは、少なくとも一定電流状態の継続時間tcn対する特性を反映して構成され、より好ましくは、一定電流|Ibcn|およびバッテリ温度Tbに対する特性をさらに反映して構成される。
再び図5を参照して、電池ECU14は、ステップS200により、ステップS190で求めた現時点での分極値fdyn(t0)を、式(5)のfdyn{st(t0)}として代入することにより、現時点での分極起電圧Vdyn(t0)=Vdynを算出する。
電池ECU14は、ステップS210では、少なくともバッテリ温度Tbに基づき、バッテリ10の内部抵抗Rを推定する。さらに、電池ECU14は、ステップS220により、ステップS100で取得されたバッテリ電圧Vbおよびバッテリ電流Ib、ステップS210により推定された内部抵抗R、ならびにステップS200で求められた分極起電圧Vdynにより、上記(3)式に従って開路電圧Vocvを算出する。
電池ECU14は、さらにステップS230により、開路電圧Vocvを用いてバッテリ10のSOCを推定する。
ステップS230において、上述のように、SOCおよび開路電圧の相関性が高いリチウムイオンバッテリでは、図2に示した特性に基づきバッテリ10のSOC推定値を算出できる。また、SOCおよび開路電圧の相関性がリチウムイオンバッテリ程高くない、ニッケル水素バッテリ等の他の形式のバッテリでは、バッテリ電流Ibの積算によるSOC変化量を積算したSOC推定と、開路電圧に基づくSOC推定とを組み合せて、ステップS230での処理を実行してもよい。なお、S230によるSOCの推定処理は、上記のように推定された分極起電圧を反映したものであれば、バッテリ10の特性を考慮して、任意の推定手法に基づいて実行できる。
図7には、一定電流状態継続後にバッテリ電流が変化した場合における、バッテリ電圧の測定値および上記SOC推定ルーチンでの分極起電圧推定を反映した推定値の比較が示される。特に、バッテリ電圧推定値については、上記の分極値補正率kfを考慮しない場合(符号50)および考慮する場合(符号60)の間の両方が示される。
図7を参照して、バッテリ10は、時刻ta〜tbの間、一定電流Ibnを継続時間tcnに亘って放電する。バッテリ電圧Vbは、放電の開始に伴って時刻taで急激に低下し、かつ、放電の継続に伴って時刻tbにかけて、さらに徐々に低下する。そして、時刻tbにおいて放電が停止されると、バッテリ電圧Vbは復帰する。この際の電圧変化には、一定電流状態継続後の電流変化による分極起電圧の変化も反映されている。ここで、バッテリ電圧Vbの測定値は、電圧検出器12による実際の検出値に対応する。
一方、バッテリ電圧Vbの推定値は、上記分極起電圧Vdynの推定を反映して、上記式(3)を変形した下記式(6)により求められる。
Vb=Vocv−Ib・R+Vdyn …(6)
式(6)中において、開路電圧Vocvは、SOCに基づき推定できる。特に、図7に例示した放電状態では、時刻ta〜tb間でのSOC変化量すなわち、開路電圧の変化量については、正確に把握することが可能である。
式(6)中において、開路電圧Vocvは、SOCに基づき推定できる。特に、図7に例示した放電状態では、時刻ta〜tb間でのSOC変化量すなわち、開路電圧の変化量については、正確に把握することが可能である。
時刻tb時点において、分極値補正率kfを導入することなく分極値マップの参照(ステップS170)によって、バッテリ電流Ib(または、バッテリ電流Ibおよびバッテリ温度Tb)のみに基づいて分極起電圧を推定すると、図7中に符号50(点線)で示されるように、分極起電圧Vdynを過小に推定することにより、バッテリ電圧Vbの推定誤差が大きくなる。
これに対して、本実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置のように、一定電流状態の継続後に充放電が切換わった場合には、分極値補正率kfを導入して分極起電圧を推定すれば、図7中に符号60(実線)で示されるように、バッテリ電圧Vbの推定誤差が小さくなっている。すなわち、時刻tb以降における分極起電圧の推定精度が向上されている。
このように、この実施の形態によるバッテリ充電状態推定装置によれば、一定電流による充放電が継続した電流一定状態からバッテリ電流が変化した際に、分極起電圧をより正確に推定して、開路電圧(OCV)および充電状態(SOC)の推定精度を向上することができる。
なお、分極起電圧は、ある程度以上大きくはならないので、推定された分極起電圧の絶対値|Vdyn|が過大とならないように、予め設定した最大値および最小値の範囲内で分極起電圧Vdynが推定されるようなガードを設けておくことが好ましい。
また、本実施の形態では、バッテリ10全体でのSOC推定を行なったが、各バッテリセルに共通であるバッテリ電流Ibと、バッテリセル毎に検知したバッテリ電圧およびバッテリ温度を用いて、分極起電圧推定ならびに、開路電圧およびSOCの推定をバッテリセル毎に実行する制御構成とすることも可能である。
ここで図5に示したフローチャートと、本発明の構成との対応関係について説明すると、ステップS100が本発明での「状態量取得手段」に対応し、ステップS110は「一定電流状態検知手段」に対応し、ステップS140,S150は本発明での「一定電流継続時間検出手段」に対応する。さらに、ステップS170〜S200の処理は、本発明での「分極起電圧推定手段」に対応し、特に、ステップS170が「分極値推定手段」に対応し、ステップS180,S190が「分極値補正手段」に対応し、ステップS200が「起電圧推定手段」に対応する。また、ステップS210が本発明での「内部抵抗推定手段」に対応し、ステップS220は本発明における「開路電圧検知手段」に対応し、ステップS230は本発明での「充電状態推定手段」に対応する。
上述のように、本実施の形態においては、ハイブリッド車両に搭載されたバッテリの充電状態(SOC)を推定する充電状態推定装置について説明したが、本発明の適用はこのような場合に限られるものではない。すなわち、本発明は、分極起電圧の推定を伴って充電状態(SOC)が推定されるバッテリについて、バッテリの使用形態すなわち負荷の形態を特に限定することなく適用することが可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 バッテリ、14 電池ECU、12 電圧検出器、16 温度センサ、18 電流検出器、22 負荷、fdyn 分極値、FLG 電流継続フラグ、Ib バッテリ電流、Ibcn 一定電流状態時バッテリ電流、kf 分極値補正率、R バッテリ内部抵抗、Tb バッテリ温度、tcn 継続時間(一定電流状態)、Vb バッテリ電圧、Vdyn 分極起電圧、Vocv 開路電圧、Δt SOC推定周期、τ 時定数。
Claims (5)
- 現時点での二次電池の電圧、電流および温度を取得するための状態量取得手段と、
前記二次電池の電流が所定以下の時間的変化にて継続している一定電流状態を検知するための一定電流状態検知手段と、
前記一定電流状態検知手段により前記一定電流状態が一旦検知された後に前記電流が変化したときに、前記一定電流状態の継続時間を検出するための一定電流継続時間検出手段と、
少なくとも前記状態量取得手段により取得された前記温度に基づいて、前記二次電池の内部抵抗を推定するための内部抵抗推定手段と、
現時点までの前記二次電池の充放電の履歴に基づき、前記二次電池の分極起電圧を推定するための分極起電圧推定手段と、
前記状態量取得手段により取得された前記電圧および前記電流、前記内部抵抗推定手段により推定された前記内部抵抗、ならびに、前記分極起電圧推定手段により推定された前記分極起電圧に基づき、前記二次電池の開路電圧を検出するための開路電圧検出手段と、
前記開路電圧検出手段により検出された前記開路電圧を用いて、前記二次電池の充電状態を推定するための充電状態推定手段とを備え、
前記分極起電圧推定手段は、前記一定電流状態検知手段により前記一定電流状態が一旦検知された後に前記電流が変化したときに、前記一定電流継続時間検出手段により検出された前記継続時間を反映して前記分極起電圧を推定する、二次電池の充電状態推定装置。 - 前記分極起電圧推定手段は、
少なくとも前記状態量取得手段により取得された前記電流に基づいて、現時点の前記電流が一定に継続した場合における前記分極起電圧の収束値に対応する分極値を逐次推定するための分極値推定手段と、
前記一定電流状態が一旦検知された後に前記電流が変化したときに、少なくとも前記継続時間に基づいて、前記分極値推定手段によって推定された前記分極値を補正するための分極値補正手段と、
前記分極値推定手段および前記分極値補正手段によって逐次推定された前記分極値を、推定時点から前記現時点までの経過時間に応じて所定時定数に従って減衰させた上で積分することにより、前記現時点での前記分極起電圧を推定する起電圧推定手段とを含む、請求項1記載の二次電池の充電状態推定装置。 - 前記分極値補正手段は、前記継続時間ならびに、前記一定電流状態における前記電流および前記状態量取得手段により取得された前記温度に基づき、前記分極値推定手段によって推定された前記分極値を補正する、請求項2記載の二次電池の充電状態推定装置。
- 前記分極値推定手段は、前記状態量取得手段により取得された前記電流および前記温度に基づき前記分極値を推定する、請求項2記載の二次電池の充電状態推定装置。
- 前記二次電池は、リチウムイオンバッテリにより構成される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池の充電状態推定装置。
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