JP2013246088A - 電池の内部抵抗推定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、推定される内部抵抗Ｒに含まれる誤差を低減でき、内部抵抗Ｒの推定精度を向上できる電池の内部抵抗推定方法及びその装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明による電池の内部抵抗推定方法及びその装置は、電池１の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶを監視するとともに、電流値Ｉが所定の閾値Ｔｈ以上変化したときの電流値Ｉの変化量である電流変化量ΔＩと電圧値ＣＣＶの変化量である電圧変化量ΔＶとのデータＤを蓄積する。そして、蓄積された複数のデータＤに基づき、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、傾きΔＶ／ΔＩを電池の内部抵抗Ｒと推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池の内部抵抗を推定する電池の内部抵抗推定方法及びその装置に関する。

一般に、電池の放電時の電圧（ＣＣＶ:Closed Circuit Voltage）と開放電圧（ＯＣＶ:Open Circuit Voltage）との関係は以下のように表わされる。但し、Ｉは電池の電流値であり、Ｒは電池の内部抵抗である。
ＯＣＶ＝ＣＣＶ＋Ｉ×Ｒ＋分極
電池の内部抵抗Ｒは、電流値の変化に対して時間的に遅れずに発生する。これに対して、分極の影響は、電流変化に対して０．１秒程度遅れて発生し、一定時間で飽和することが知られている。

例えば下記の特許文献１等には、上記のような関係を用いて電池の内部抵抗を算出する方法が提案されている。すなわち、従来方法では、二次電池をパルス放電させ、パルス放電を行う前の電圧値とパルス放電を行った際の電圧値との電圧変化量ΔＶ、及びパルス放電を行う前の電流値とパルス放電を行った際の電流値との電流変化量ΔＩを求める。そして、オームの法則に従って電圧変化量ΔＶ／電流変化量ΔＩの演算を行うことで、電池の内部抵抗Ｒを推定する。

特開２０００−１２１７１０号公報

上記のような従来の電池の内部抵抗推定方法及びその装置では、単発的なパルス放電を行った際の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとに基づいて電池の内部抵抗Ｒを推定しているので、電圧又は電流の測定に突発的な誤差が含まれた場合に、推定された内部抵抗Ｒにその誤差がそのまま反映されてしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、推定される内部抵抗Ｒに含まれる誤差を低減でき、内部抵抗Ｒの推定精度を向上できる電池の内部抵抗推定方法及びその装置を提供することである。

本発明に係る電池の内部抵抗推定方法は、電池の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶを監視するとともに、電流値Ｉが所定の閾値Ｔｈ以上変化したときの電流値Ｉの変化量である電流変化量ΔＩと電圧値ＣＣＶの変化量である電圧変化量ΔＶとのデータＤを蓄積し、蓄積された複数のデータＤに基づき、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、傾きΔＶ／ΔＩを電池の内部抵抗Ｒと推定する。

本発明に係る電池の内部抵抗推定装置は、電池の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶを監視するとともに、電流値Ｉが所定の閾値Ｔｈ以上変化したときの電流値Ｉの変化量である電流変化量ΔＩと電圧値ＣＣＶの変化量である電圧変化量ΔＶとのデータＤを蓄積する蓄積部と、蓄積部によって蓄積された複数のデータＤに基づき、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、傾きΔＶ／ΔＩを電池の内部抵抗Ｒと推定する推定部とを備える。

本発明の電池の内部抵抗推定方法及びその装置によれば、蓄積された複数のデータＤに基づき、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、傾きΔＶ／ΔＩを電池の内部抵抗Ｒと推定するので、推定される内部抵抗Ｒに含まれる誤差を低減でき、内部抵抗Ｒの推定精度を向上できる。

本発明の実施の形態１による電池の内部抵抗推定装置を示す説明図である。 図１の蓄積部に蓄積された複数のデータＤに基づく内部抵抗Ｒの推定方法の基本概念を示す説明図である。 図２の推定方法の具体的な適用を示す説明図である。 図１の内部抵抗推定装置の全体としての動作を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電池の内部抵抗推定装置３を示す説明図である。図において、電池１は、例えば車両に搭載された組電池を構成する電池セル等であり、負荷２０に電力を供給するとともに、給電機器２１からの電力により充電されるものである。負荷２０は例えば車載モータ等であり、給電機器２１は例えば車載発電機又は外部電源からの電力を電池１に供給する充電器等である。

電池１には、本実施の形態の電池１の内部抵抗推定方法を実施する例えばマイクロコンピュータ等により構成された内部抵抗推定装置３が接続されている。内部抵抗推定装置３には、蓄積部３０と推定部３１とが含まれている。

蓄積部３０は、使用中の電池１の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶを監視する。具体的には、蓄積部３０は、０．１秒以下の短い間隔で電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶをサンプリングする。サンプリング間隔を０．１秒以下としているのは、このような間隔で電圧値ＣＣＶをサンプリングすることで、電流変化に伴う分極の影響の変化が極めて小さい電圧値ＣＣＶを検出できるためである。なお、使用中の電池１とは、負荷２０に電力を供給しているとき（放電中）、及び給電機器２１からの電力の供給を受けているとき（充電中）の電池１である。また、電池１の充放電は、実際の使用に限らず、負荷２０等を制御することにより意図的に行われてもよい。

また、蓄積部３０は、サンプリングした電流値Ｉが例えば１０Ａ程度の所定の閾値Ｔｈ以上変化したときに、そのときの電流値Ｉの変化量である電流変化量ΔＩと電圧値ＣＣＶの変化量である電圧変化量ΔＶとを算出する。より具体的に説明すると、蓄積部３０は、サンプリングした第ｎ番目の電流値Ｉ_ｎと第ｎ＋１番目の電流値Ｉ_ｎ＋１との差が閾値Ｔｈ以上である場合に、第ｎ番目の電流値Ｉ_ｎと第ｎ＋１番目の電流値Ｉ_ｎ＋１との差である電流変化量ΔＩ_ｎを算出するとともに、第ｎ番目の電圧値ＣＣＶ_ｎと第ｎ＋１番目の電圧値ＣＣＶ_ｎ＋１と差である電圧変化量ΔＶ_ｎを算出する。なお、ｎは１以上の任意の整数である。

仮に、第ｎ番目の電圧値ＣＣＶ_ｎをサンプリングした時点が電池１の使用開始から一定時間経過した後である場合、その第ｎ番目の電圧値ＣＣＶ_ｎには分極による電圧降下（分極成分）が既に含まれている。しかしながら、上述のようにサンプリング間隔を短くすることで、第ｎ番目の電圧値ＣＣＶ_ｎに含まれる第ｎ分極成分は、第ｎ＋１番目の電圧値ＣＣＶ_ｎに含まれる第ｎ＋１分極成分と実質的に等しいと考えることができる。このため、電圧変化量ΔＶ_ｎを算出する際に第ｎ分極成分と第ｎ＋１分極成分とが互いに打ち消し合い、電圧変化量ΔＶ_ｎには分極成分は含まれない。

さらに、蓄積部３０は、算出した電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶのデータＤを蓄積する。すなわち、蓄積部３０には、電流値Ｉが閾値Ｔｈ以上変化したときの複数の電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶのデータＤが蓄積される。

さらにまた、蓄積部３０は、データＤを蓄積する際に、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶに電池１の温度及びＳＯＣ(State of Charge)を関連付けて蓄積する。より具体的に説明すると、蓄積部３０は、上述した電流変化量ΔＩ_ｎ及び電圧変化量ΔＶ_ｎに係るデータＤを蓄積する際に、第ｎ番目の電流値Ｉ_ｎ及び電圧値ＣＣＶ_ｎ又は第ｎ＋１番目の電流値Ｉ_ｎ＋１及び電圧値ＣＣＶ_ｎ＋１をサンプリングした際の電池１の温度及びＳＯＣを電流変化量ΔＩ_ｎ及び電圧変化量ΔＶ_ｎに関連付ける。温度は、図示しない温度センサによって検出される。ＳＯＣは、例えば、電池１の開放電圧ＯＣＶに基づいて推定されるか、又は電池１から出力される電流の積算値に基づいて推定される。

推定部３１は、蓄積部３０に蓄積された複数のデータＤに基づいて電池１の内部抵抗Ｒを推定する。推定された内部抵抗Ｒは、例えば電池１の劣化状態等を判定するために用いられる。

次に、図２は、図１の蓄積部３０に蓄積された複数のデータＤに基づく内部抵抗Ｒの推定方法の基本概念を示す説明図である。内部抵抗Ｒは、電圧変化量ΔＶを電流変化量ΔＩで除算することによって求めることができる。すなわち、内部抵抗Ｒは、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩと等価である。

推定部３１は、蓄積部３０に蓄積された複数のデータＤに基づいて、図２に示すように電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、この傾きΔＶ／ΔＩを電池１の内部抵抗Ｒと推定する。このような回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩは、データＤに対して例えば最小二乗法等の回帰分析を行うことで求めることができる。換言すれば、上述の回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩは、データＤによって表わされる電池１の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとの間の変化特性を最も近似する一次関数の傾きである。

また、推定部３１は、傾きΔＶ／ΔＩを求める際に、電流変化量ΔＩが０のときに電圧変化量ΔＶも０であるとの条件を用いる。換言すれば、回帰直線ｆ（ΔＩ）のΔＶ切片が０であるとの条件を用いる。このような条件を用いることで、より容易に傾きΔＶ／ΔＩを求めることができる。

さらに、推定部３１は、傾きΔＶ／ΔＩを求める前に、蓄積部３０に蓄積された各データＤに対して、電流変化量ΔＩの大きさに応じて重み付けを行う。例えば、各データＤとの誤差の二乗が最も小さくなる直線を回帰直線ｆ（ΔＩ）とする場合、各誤差に対して重み係数を乗算した上で回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩを求める。重み係数は、蓄積部３０に蓄積された電流変化量ΔＩのうち最も大きな最大電流変化量ΔＩ_ｍａｘを基準とし、ｉ番目のデータの重みをΔＩ_ｉ／ΔＩ_ｍａｘとする係数である。ｉは任意の正の整数である。このような重み付けを行うのは、電流変化量ΔＩが大きいほど内部抵抗Ｒによる電圧降下の比率が大きいため、これを傾きΔＶ／ΔＩの算出に反映させるためである。

次に、図３は、図２の推定方法の具体的な適用を示す説明図である。上述のように、蓄積部３０は、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶのデータＤに電池１の温度及びＳＯＣを関連付けて蓄積する。図３に示すように、推定部３１は、電池１のＳＯＣの範囲毎かつ電池１の温度の範囲毎に回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、それらの範囲毎に電池１の内部抵抗Ｒ_{１−１…Ｘ−Ｙ}を推定する。このような範囲毎に内部抵抗Ｒ_{１−１…Ｘ−Ｙ}を推定するのは、それら範囲毎に内部抵抗Ｒ_{１−１…Ｘ−Ｙ}が変化すると考えられるためである。なお、本実施の形態では、ＳＯＣの範囲毎かつ温度の範囲毎に傾きΔＶ／ΔＩを求めるように説明しているが、ＳＯＣの範囲及び温度の範囲のいずれか一方の範囲毎に傾きΔＶ／ΔＩを求めてもよい。

次に、図４は、図１の内部抵抗推定装置３の全体としての動作を示すフローチャートである。図において、内部抵抗推定装置３の電源が投入されると、蓄積部３０により電池１の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶをサンプリングされる（ステップＳ１）。その次に、サンプリングされた電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶに対してノイズフィルタリングが行われるとともに（ステップＳ２）、電流値Ｉが所定の閾値Ｔｈ以上変化したときの電流変化量ΔＩと電圧変化量ΔＶとのデータＤが蓄積部３０によって蓄積される（ステップＳ３）。このとき、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶには、それらに対応する電池１のＳＯＣ及び温度が関連付けられる。

その次に、蓄積部３０によって蓄積されたデータＤの数が一定値以上であるか否かが推定部３１によって判定される（ステップＳ４）。このデータＤの数が一定値以上であるか否かの判断は、ＳＯＣの範囲毎かつ温度の範囲毎に行われる。

この判定時に、データＤの数が一定値以上でないと判定された場合、蓄積部３０によるデータＤの蓄積動作（ステップＳ１〜Ｓ３）が引き続き行われる。これに対して、データＤの数が一定値以上であると判定された場合、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線ｆ（ΔＩ）の傾きΔＶ／ΔＩが推定部３１によってＳＯＣの範囲毎かつ温度の範囲毎に求められ（ステップＳ５）、それらの傾きΔＶ／ΔＩが各範囲での電池１の内部抵抗Ｒであると推定される（ステップＳ６）。

このような電池１の内部抵抗推定方法及びその装置３では、蓄積された複数の電流変化量ΔＩと電圧変化量ΔＶとのデータＤに基づき、電流変化量ΔＩを変数として電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、この傾きΔＶ／ΔＩを電池１の内部抵抗Ｒと推定するので、仮に１つのデータＤに突発的な誤差が含まれていたとしても、推定される内部抵抗Ｒに対する誤差の影響を小さくできる。すなわち、推定される内部抵抗Ｒに含まれる誤差を低減でき、内部抵抗Ｒの推定精度を向上できる。

また、データＤを蓄積する際に、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶに電池のＳＯＣを関連付けて蓄積し、ＳＯＣの範囲毎に傾きΔＶ／ΔＩを求めるので、ＳＯＣの範囲毎に変化する内部抵抗Ｒをより細かく推定でき、より正確に電池１の状態を把握できる。

さらに、データＤを蓄積する際に、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶに電池の温度を関連付けて蓄積し、温度の範囲毎に傾きΔＶ／ΔＩを求めるので、温度の範囲毎に変化する内部抵抗Ｒをより細かく推定でき、より正確に電池１の状態を把握できる。

さらにまた、傾きΔＶ／ΔＩを求める際に、電流変化量ΔＩが０のときに電圧変化量ΔＶも０であるとの条件を用いるので、より容易に傾きΔＶ／ΔＩを求めることができる。

また、傾きΔＶ／ΔＩを求める前に、蓄積されたデータＤに対して、電流変化量ΔＩの大きさに応じて重み付けを行うので、電流変化量ΔＩの大小に伴う内部抵抗Ｒによる電圧降下の比率を傾きΔＶ／ΔＩの算出に反映でき、より正確に傾きΔＶ／ΔＩを算出できる。

１ 電池
３ 内部抵抗推定装置
３０ 蓄積部
３１ 推定部

Claims (6)

1. 電池の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶを監視するとともに、前記電流値Ｉが所定の閾値Ｔｈ以上変化したときの前記電流値Ｉの変化量である電流変化量ΔＩと前記電圧値ＣＣＶの変化量である電圧変化量ΔＶとのデータＤを蓄積し、
   蓄積された複数の前記データＤに基づき、前記電流変化量ΔＩを変数として前記電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、前記傾きΔＶ／ΔＩを前記電池の内部抵抗Ｒと推定する
   ことを特徴とする電池の内部抵抗推定方法。
2. 前記データＤを蓄積する際に、前記電流変化量ΔＩ及び前記電圧変化量ΔＶに前記電池のＳＯＣを関連付けて蓄積し、
   前記ＳＯＣの範囲毎に前記傾きΔＶ／ΔＩを求める
   ことを特徴とする請求項１記載の電池の内部抵抗推定方法。
3. 前記データＤを蓄積する際に、前記電流変化量ΔＩ及び前記電圧変化量ΔＶに前記電池の温度を関連付けて蓄積し、
   前記温度の範囲毎に前記傾きΔＶ／ΔＩを求める
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池の内部抵抗推定方法。
4. 前記傾きΔＶ／ΔＩを求める際に、前記電流変化量ΔＩが０のときに前記電圧変化量ΔＶも０であるとの条件を用いる
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電池の内部抵抗推定方法。
5. 前記傾きΔＶ／ΔＩを求める前に、蓄積された前記データＤに対して、前記電流変化量ΔＩの大きさに応じて重み付けを行う
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電池の内部抵抗推定方法。
6. 電池の電流値Ｉ及び電圧値ＣＣＶを監視するとともに、前記電流値Ｉが所定の閾値Ｔｈ以上変化したときの前記電流値Ｉの変化量である電流変化量ΔＩと前記電圧値ＣＣＶの変化量である電圧変化量ΔＶとのデータＤを蓄積する蓄積部と、
   前記蓄積部によって蓄積された複数の前記データＤに基づき、前記電流変化量ΔＩを変数として前記電圧変化量ΔＶを表わす回帰直線の傾きΔＶ／ΔＩを求めて、前記傾きΔＶ／ΔＩを前記電池の内部抵抗Ｒと推定する推定部と
   を備えていることを特徴とする電池の内部抵抗推定装置。

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