JP4807443B2 - 二次電池の温度推定装置 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池の温度推定装置に関し、特に、温度センサを用いずに二次電池の温度を精度よく推定する技術に関する。

一般に、リチウムイオン電池やニッケル水素電池に代表される二次電池は、温度が低下すると充放電特性が低下する。そこで、電池の温度が低い場合には、速やかに電池を昇温する必要がある。

特開平１１−３２９５１６号公報（特許文献１）は、電池の昇温装置を開示する。この昇温装置においては、インダクタとキャパシタと交流電源とから成る直列回路を電池の両端に接続して共振回路を構成する。そして、共振回路の共振周波数の交流電圧を交流電源から発生させることにより電池を昇温する。

この昇温装置においては、共振時にほとんど電池の内部抵抗で電力が消費され、自己発熱により電池を昇温する。したがって、この昇温装置によれば、最小限の電力消費で効果的に電池を昇温することができるとされる（特許文献１参照）。

特開平１１−３２９５１６号公報

二次電池を目標温度まで安全かつ正確に昇温するためには、二次電池の温度を正確に把握することが重要である。しかしながら、温度センサは、電池の表面温度を測定するので、電池内部の実際の温度を正確には反映しない。また、温度センサを設けることは、コストの増加も招く。上記公報は、電池を昇温するための技術を開示するにとどまり、電池の昇温時に電池の温度を正確に推定する手法については教示していない。

そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、温度センサを用いることなく二次電池の温度を精度よく推定可能な二次電池の温度推定装置を提供することである。

この発明によれば、二次電池の温度推定装置は、リップル生成部と、電流検出部と、電圧検出部と、インピーダンス推定部と、温度推定部とを備える。リップル生成部は、二次電池に接続され、所定の周波数のリップル電流を二次電池に発生させるように構成される。電流検出部は、二次電池の充放電電流を検出する。電圧検出部は、二次電池の電圧を検出する。インピーダンス推定部は、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときに電流検出部および電圧検出部によりそれぞれ検出される電流および電圧に基づいて、二次電池のインピーダンスを推定する。温度推定部は、二次電池の温度と二次電池のインピーダンスとの予め求められた関係を用いて、インピーダンス推定部により推定されたインピーダンスに基づいて二次電池の温度を推定する。

好ましくは、インピーダンス推定部は、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときに電流検出部および電圧検出部によりそれぞれ検出される電流および電圧に基づいて、所定の周波数における二次電池の交流インピーダンスを推定する。そして、温度推定部は、二次電池の温度と所定の周波数における二次電池の交流インピーダンスとの予め求められた関係を用いて、インピーダンス推定部により推定された交流インピーダンスに基づいて二次電池の温度を推定する。

好ましくは、インピーダンス推定部は、オフセット電流算出部と、オフセット電圧算出部と、直流抵抗推定部とを含む。オフセット電流算出部は、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときに電流検出部により検出される電流に基づいて、検出された電流の平均値で示されるオフセット電流を算出する。オフセット電圧算出部は、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときに電圧検出部により検出される電圧に基づいて、二次電池の開回路電圧と検出された電圧の平均値との偏差を示すオフセット電圧を算出する。直流抵抗推定部は、オフセット電流およびオフセット電圧に基づいて二次電池の直流抵抗を推定する。そして、温度推定部は、二次電池の温度と二次電池の直流抵抗との予め求められた関係を用いて、直流抵抗推定部により推定された直流抵抗に基づいて二次電池の温度を推定する。

好ましくは、電流検出部および電圧検出部の各々は、検出値のピーク値を取得するピーク値取得部を含む。

また、この発明によれば、二次電池の温度推定装置は、リップル生成部と、電流検出部と、残存容量推定部と、損失推定部と、温度推定部とを備える。リップル生成部は、二次電池に接続され、所定の周波数のリップル電流を二次電池に発生させるように構成される。電流検出部は、二次電池の充放電電流を検出する。残存容量推定部は、電流検出部により検出される電流に基づいて二次電池の残存容量を推定する。損失推定部は、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときの残存容量に基づいて二次電池の損失エネルギーを推定する。温度推定部は、損失推定部により推定される二次電池の損失エネルギーに基づいて二次電池の温度変化量を推定し、その推定された温度変化量に基づいて二次電池の温度を推定する。

好ましくは、残存容量推定部は、オフセット電流算出部と、放電量推定部と、変化量推定部とを含む。オフセット電流算出部は、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときに電流検出部により検出される電流に基づいて、検出された電流の平均値で示されるオフセット電流を算出する。放電量推定部は、オフセット電流を積算することによって二次電池の放電量を推定する。変化量推定部は、放電量推定部により推定される二次電池の放電量を二次電池の容量で除算することによって二次電池の残存容量の変化量を推定する。

好ましくは、電流検出部は、検出値のピーク値を取得するピーク値取得部を含む。

この発明においては、リップル生成部により所定の周波数のリップル電流を二次電池に発生させることによって二次電池を昇温する。ここで、リップル電流を二次電池に発生させたときの二次電池の電流および電圧に基づいて、二次電池のインピーダンスが推定される。そして、二次電池の温度と二次電池のインピーダンスとの予め求められた関係を用いて、上記推定されたインピーダンスに基づいて二次電池の温度が推定される。

また、この発明においては、電流検出部により検出される電流に基づいて二次電池の残存容量が推定され、リップル生成部によりリップル電流を二次電池に発生させたときの残存容量に基づいて二次電池の損失エネルギーが推定される。そして、その推定された損失エネルギーに基づいて二次電池の温度変化量が推定され、その推定された温度変化量に基づいて二次電池の温度が推定される。

したがって、この発明によれば、温度センサを用いることなく二次電池の温度を精度よく推定することができる。

この発明の実施の形態１による二次電池の温度推定装置の一適用例として示される電動車両の全体ブロック図である。 図１に示す電動車両において二次電池のリップル昇温に関する部分のシステム構成を示した図である。 二次電池の電圧の内訳を示した図である。 二次電池のインピーダンス特性（絶対値）を示すボード線図である。 二次電池のインピーダンス特性（位相）を示すボード線図である。 二次電池の内部抵抗に発生する電圧を拘束条件として、極低温時に二次電池に流すことができるリップル電流のピーク値を示した図である。 二次電池の内部抵抗に発生する電圧を拘束条件として、極低温時に二次電池に発生させることができる平均発熱量を示した図である。 リップル昇温時の二次電池の電流および電圧の波形図である。 図２に示す状態推定部の機能ブロック図である。 実施の形態２における状態推定部の機能ブロック図である。 実施の形態３における状態推定部の機能ブロック図である。 図１１に示すＳＯＣ推定部のより詳細な機能ブロック図である。 リップル電流の周期とセンサのサンプリング周期との関係を示した図である。 ある時刻でのサンプリング後１周期のリップル波形とＮ周期後の同位相のリップル波形とを重ね合わせて示した図である。 複数のサンプリング点をプロットした図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による二次電池の温度推定装置の一適用例として示される電動車両の全体ブロック図である。図１を参照して、電動車両１００は、二次電池１０と、昇圧コンバータ２２と、コンデンサＣＨと、インバータ３０と、モータジェネレータ４０と、駆動輪５０とを備える。また、電動車両１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０と、電流センサ７２と、電圧センサ７４，７６とをさらに備える。

二次電池１０は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などに代表される再充電可能な電池である。二次電池１０の正極端子および負極端子は、それぞれ正極線ＰＬ１および負極線ＮＬに接続される。

昇圧コンバータ２２は、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する。）Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１のコレクタが正極線ＰＬ２に接続され、スイッチング素子Ｑ２のエミッタが負極線ＮＬに接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に逆並列に接続される。リアクトルＬの一方端は、正極線ＰＬ１に接続され、他方端は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードＮＤに接続される。

なお、上記のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２として、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等を用いることができる。

昇圧コンバータ２２は、ＥＣＵ６０からの制御信号ＰＷＭＣに基づいて、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧（以下「システム電圧」とも称する。）を二次電池１０の出力電圧以上に昇圧することができる。なお、システム電圧が目標電圧よりも低い場合、スイッチング素子Ｑ２のオンデューティーを大きくすることによって正極線ＰＬ１から正極線ＰＬ２へ電流を流すことができ、システム電圧を上昇させることができる。一方、システム電圧が目標電圧よりも高い場合、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティーを大きくすることによって正極線ＰＬ２から正極線ＰＬ１へ電流を流すことができ、システム電圧を低下させることができる。

また、昇圧コンバータ２２は、コンデンサＣＨとともに後述のリップル生成部２０を形成し、ＥＣＵ６０からの制御信号ＰＷＭＣに基づいて所定周波数のリップル電流を二次電池１０に発生させることにより、二次電池１０を内部から昇温させる（以下、この昇温を「リップル昇温」とも称する。）。具体的には、昇圧コンバータ２２は、ＥＣＵ６０からの制御信号ＰＷＭＣに応じてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が相補的にオン／オフすることにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数に応じたリップル電流を二次電池１０に発生させる。なお、このリップル昇温については、後ほど詳しく説明する。

コンデンサＣＨは、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に接続され、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧を平滑化する。また、コンデンサＣＨは、二次電池１０のリップル昇温の実行時、二次電池１０から放電される電力を一時的に蓄える電力バッファとして用いられる。

インバータ３０は、ＥＣＵ６０からの制御信号ＰＷＭＩに基づいて、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬから供給される直流電力を三相交流に変換してモータジェネレータ４０へ出力し、モータジェネレータ４０を駆動する。また、インバータ３０は、車両の制動時、モータジェネレータ４０により発電された三相交流電力を制御信号ＰＷＭＩに基づいて直流に変換し、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬへ出力する。

モータジェネレータ４０は、交流電動機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える三相交流電動機である。モータジェネレータ４０は、駆動輪５０に機械的に連結され、車両を駆動するためのトルクを発生する。また、モータジェネレータ４０は、車両の制動時、車両の運動エネルギーを駆動輪５０から受けて発電する。

電流センサ７２は、二次電池１０に対して入出力される電流Ｉを検出し、その検出値をＥＣＵ６０へ出力する。なお、以下では、電流Ｉの符号につき、二次電池１０が充電される方向を正とする。電圧センサ７４は、二次電池１０の出力電圧に相当する、正極線ＰＬ１および負極線ＮＬ間の電圧Ｖを検出し、その検出値をＥＣＵ６０へ出力する。電圧センサ７６は、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧ＶＨを検出し、その検出値をＥＣＵ６０へ出力する。

ＥＣＵ６０は、電圧センサ７４，７６からの電圧Ｖ，ＶＨの各検出値に基づいて、昇圧コンバータ２２を駆動するためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を制御信号ＰＷＭＣとして昇圧コンバータ２２へ出力する。

ここで、ＥＣＵ６０は、二次電池１０のリップル昇温の実行を判定する所定の実行条件が成立すると、所定の周波数を有するリップル電流を二次電池１０に発生させるための制御信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した制御信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ２２へ出力する。一例として、ＥＣＵ６０は、キャリア信号の周波数を上記所定の周波数（以下、「リップル周波数」とも称する。）に設定し、昇圧コンバータ２２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をリップル周波数でオン／オフさせるための制御信号ＰＷＭＣを生成する。

さらにここで、ＥＣＵ６０は、リップル電流を二次電池１０に発生させたときの電流センサ７２からの電流Ｉおよび電圧センサ７４からの電圧Ｖの各検出値に基づいて、二次電池１０の温度を推定する。

なお、昇圧コンバータ２２およびコンデンサＣＨにより形成されるリップル生成部２０による二次電池１０のリップル昇温、およびリップル昇温時の電流Ｉおよび電圧Ｖの各検出値に基づく二次電池１０の温度推定方法については、後ほど詳しく説明する。

また、ＥＣＵ６０は、モータジェネレータ４０を駆動するための制御信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した制御信号ＰＷＭＩをインバータ３０へ出力する。

図２は、図１に示した電動車両１００において二次電池１０のリップル昇温に関する部分のシステム構成を示した図である。図２を参照して、二次電池１０は、内部抵抗１２を含む。内部抵抗１２は、後述のように、温度依存性を有するとともに、電池に流れる電流の周波数によっても大きく変化する。

リップル生成部２０は、上述のように、図１に示した昇圧コンバータ２２およびコンデンサＣＨから成る（図示せず）。そして、リップル生成部２０は、ＥＣＵ６０からの制御信号ＰＷＭＣに応じてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２（図示せず）を相補的にオン／オフすることにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数に応じたリップル電流を二次電池１０に発生させる。

ＥＣＵ６０は、状態推定部６２と、リップル制御部６４とを含む。状態推定部６２は、リップル生成部２０によりリップル電流を二次電池１０に発生させたときの電流Ｉおよび電圧Ｖの各検出値に基づいて二次電池１０の温度Ｔを推定する。より詳しくは、状態推定部６２は、電流Ｉおよび電圧Ｖの各検出値に基づいて二次電池１０のインピーダンスを推定し、二次電池１０の温度とインピーダンスとの関係を示す予め準備されたマップを用いて、推定されたインピーダンスに基づいて二次電池１０の温度Ｔを推定する。そして、状態推定部６２は、その推定した温度Ｔの推定値をリップル制御部６４へ出力する。

リップル制御部６４は、状態推定部６２から受ける二次電池１０の温度Ｔに基づいて、リップル電流を二次電池１０に発生させることによって二次電池１０を内部から昇温するようにリップル生成部２０を制御する。ここで、リップル制御部６４は、二次電池１０のインピーダンスの周波数特性に基づいて、二次電池１０のインピーダンスの絶対値が相対的に低下する周波数領域のリップル電流を二次電池１０に発生させるようにリップル生成部２０を制御する。

以下では、まず、リップル昇温についてその概要を説明し、その後、二次電池１０の温度を推定する状態推定部６２の構成について詳しく説明する。

（リップル昇温の概要）
図３は、二次電池１０の電圧の内訳を示した図である。なお、この図３では、簡単のため、内部抵抗は実部のみとし、Ｌ，Ｃ等による虚部は無いものとする。図３を参照して、二次電池１０の端子間に発生する電圧Ｖは、開回路電圧ＯＣＶに、通電時に内部抵抗１２に発生する電圧ΔＶを考慮したものとなる。具体的には、充電電流が流れるときは、Ｖ＝ＯＣＶ＋ΔＶとなり、放電電流が流れるときは、Ｖ＝ＯＣＶ−ΔＶとなる（ΔＶ＞０）。

いま、二次電池１０に電流Ｉが流れたときの発熱量Ｑは、内部抵抗１２の抵抗値をＲとすると、以下の式で表わすことができる。

Ｑ＝Ｉ²×Ｒ …（１）
＝Ｉ×ΔＶ …（２）
＝ΔＶ²／Ｒ …（３）
この（１）〜（３）式は等価である。（１）式によると、リップル生成部２０を用いて発生させるリップル電流Ｉを大きくすれば、二次電池１０を効果的に昇温できるようにみえる。しかしながら、実際には、二次電池の電圧Ｖについて、安全性や耐久性の観点から上下限電圧を守ることが要求される。そして、特に極低温下では、内部抵抗１２の抵抗値Ｒが大きくなることにより電圧ΔＶが大きくなるので、二次電池１０の電圧Ｖを上下限内に抑えつつ発熱のための十分なリップル電流Ｉを流すことができないという事態が発生し得る。

すなわち、内部抵抗１２の抵抗値Ｒが大きくなる低温下（特に極低温下）では、電圧ΔＶが制約となって二次電池１０がリップル電流Ｉを流すことができず、二次電池１０を効果的に昇温できないという事態が発生し得る。そこで、（３）式および二次電池１０のインピーダンスの周波数特性に着目し、二次電池１０のインピーダンス（内部抵抗１２の抵抗値Ｒ）の絶対値が他の周波数領域に比べて相対的に小さい周波数領域のリップル電流をリップル生成部２０により発生させる。これにより、二次電池１０の発熱量Ｑが大きくなり、二次電池１０を効果的に昇温することができる。

図４，図５は、二次電池１０のインピーダンス特性を示すボード線図である。なお、二次電池の電気的特性を解析する手法として、電気化学的インピーダンス分光法「ＥＩＳ（Electrochemical Impedance Spectroscopy）とも称される。」が知られており、このボード線図は、ＥＩＳを用いて二次電池１０のインピーダンス特性を表示したものである。なお、図４は、インピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜の周波数特性を示し、図５は、インピーダンスＺの位相θの周波数特性を示す。

図４，図５において、横軸は、二次電池１０に発生させる交流電流（リップル電流）の周波数を対数表示で示す。縦軸は、図４においてはインピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜を対数表示で示し、図５においてはインピーダンスＺの位相θを表わす。

図４に示されるように、二次電池１０の昇温が要求される低温下では、インピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜は非低温時に比べて大きくなるけれども、そのような増大が顕著なのは、リップル電流の周波数が低周波の場合である。特に、周波数が１ｋＨｚ近傍では、インピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜は、他の周波数領域に比べて小さく、また、極低温下でも非低温時（常温時）の高々３倍程度にしかならない（図４のＡ部）。さらに、図５に示されるように、その周波数領域では、インピーダンスＺの位相θも零近傍であるので、力率が１となり効率もよい。

そこで、この二次電池１０のインピーダンスの周波数特性に基づいて、二次電池１０のインピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜が相対的に低下する周波数領域（たとえば、図４に基づいて略１ｋＨｚ）のリップル電流をリップル生成部２０により発生させる。これにより、二次電池１０の内部抵抗１２に発生する電圧ΔＶの制約を守りつつ二次電池１０にリップル電流を効果的に流すことができ、その結果、二次電池１０が効果的に昇温される。

図６は、二次電池１０の内部抵抗１２に発生する電圧ΔＶを拘束条件として、極低温時に二次電池１０に流すことができるリップル電流のピーク値を示した図である。図６を参照して、横軸は、リップル電流の周波数を示し、縦軸は、電圧ΔＶの拘束条件下で二次電池１０が流せるリップル電流（正弦波を仮定）のピーク値を示す。なお、ここでは、一例として、電圧ΔＶ＝０．５Ｖ、二次電池１０の温度Ｔ＝−３０℃（極低温）の場合が示される。

図６に示されるように、二次電池１０のインピーダンスの絶対値が相対的に小さくなる周波数領域（１ｋＨｚ近傍）において、二次電池１０に流せる電流は増大する。低周波時や直流時においては、電圧ΔＶ＝０．５Ｖという拘束条件を与えると、二次電池１０にはほとんど電流を流すことができず、二次電池を昇温することができない。

また、図７は、二次電池１０の内部抵抗１２に発生する電圧ΔＶを拘束条件として、極低温時に二次電池１０に発生させることができる平均発熱量を示した図である。図７を参照して、横軸は、リップル電流の周波数を示し、縦軸は、リップル１周期における二次電池１０の平均発熱量を示す。なお、ここでも、一例として、電圧ΔＶ＝０．５Ｖ、二次電池１０の温度Ｔ＝−３０℃（極低温）の場合が示される。

図７に示されるように、二次電池１０のインピーダンスの絶対値が相対的に小さくなる周波数領域（１ｋＨｚ近傍）において、二次電池１０の発熱量は増大する。低周波時や直流時においては、電圧ΔＶ＝０．５Ｖという拘束条件を与えると、二次電池１０にはほとんど電流を流すことができず、二次電池を昇温することができない。

このように、二次電池１０のインピーダンスの周波数特性に基づいて、二次電池１０のインピーダンスの絶対値が相対的に低下する周波数領域（たとえば１ｋＨｚ近傍）のリップル電流をリップル生成部２０により発生させる。これにより、二次電池１０の発熱量Ｑを大きくすることができ、二次電池１０を効果的に昇温することができる。

図８は、リップル昇温時の二次電池１０の電流Ｉおよび電圧Ｖの波形図である。図８を参照して、リップル昇温時、リップル生成部２０（昇圧コンバータ２２）のキャリア信号ＣＲの周波数は、リップル周波数ｆに設定される（たとえば１ｋＨｚ程度）。そして、たとえば時刻ｔ１においてキャリア信号ＣＲがデューティー指令値ｄ（＝０．５）よりも大きくなると、上アームのスイッチング素子Ｑ１がオフされ、下アームのスイッチング素子Ｑ２がオンされる。そうすると、二次電池１０に流れる電流Ｉ（充電方向が正）は、負方向への増加に転じ、リアクトルＬに蓄えられていたエネルギーが放出されたタイミングで電流Ｉの符号が正から負へ切替わる。なお、電圧Ｖは低下する。

時刻ｔ２においてキャリア信号ＣＲがデューティー指令値ｄよりも小さくなると、上アームのスイッチング素子Ｑ１がオンされ、下アームのスイッチング素子Ｑ２がオフされる。そうすると、電流Ｉは、正方向への増加に転じ、リアクトルＬに蓄えられていたエネルギーが放出されたタイミングで電流Ｉの符号が負から正へ切替わる。なお、電圧Ｖは上昇する。

そして、時刻ｔ３において再びキャリア信号ＣＲがデューティー指令値ｄよりも大きくなると、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がそれぞれオフ，オンされ、電流Ｉは、再び負方向への増加に転じ、電圧Ｖは低下する。このように、電流Ｉおよび電圧Ｖは、リップル周波数ｆで変動する。

（二次電池１０の温度推定）
次に、上記のリップル昇温時に測定されるデータを用いた二次電池１０の温度推定手法について説明する。まず、図８に示した波形図を用いて、二次電池１０の温度推定演算に用いるいくつかのパラメータを定義する。

電流Ｉの正側のピーク値を充電最大電流ΔＩ１（＞０）とし、電流Ｉの負側のピーク値を放電最大電流ΔＩ２（＜０）とすると、電流Ｉの振幅すなわちリップル電流の振幅ΔＩは、次式で表わすことができる。

ΔＩ＝ΔＩ１−ΔＩ２ …（１）
また、リップル生成部２０（昇圧コンバータ２２）において損失が発生することにより、電流Ｉの平均値は放電側にオフセットする。そのオフセット量をΔＩｏｓとすると、オフセット電流ΔＩｏｓは、次式で表わすことができる。

ΔＩｏｓ＝（ΔＩ１＋ΔＩ２）／２ …（２）
また、電圧Ｖの最大ピーク値を最大電圧Ｖ１とし、電圧Ｖの最小ピーク値を最小電圧Ｖ２とすると、電圧Ｖの振幅すなわちリップル電圧の振幅ΔＶは、次式で表わすことができる。

ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２ …（３）
また、電圧Ｖの平均値Ｖａｖｅ、ならびに、平均値Ｖａｖｅを基準とした充電側の振幅ΔＶ１および放電側の振幅ΔＶ２は、次式で表わすことができる。

Ｖａｖｅ＝（Ｖ１＋Ｖ２）／２ …（４）
ΔＶ１＝Ｖ１−Ｖａｖｅ
＝（Ｖ１−Ｖ２）／２ …（５）
＝ΔＶ２
また、二次電池１０に電流が流れることにより、電圧Ｖの平均値Ｖａｖｅは、二次電池１０の開回路電圧ＯＣＶからオフセットする。そのオフセット量をΔＶｏｓとすると、オフセット電圧ΔＶｏｓは、次式で表わすことができる。

ΔＶｏｓ＝ＯＣＶ−Ｖａｖｅ
＝ＯＣＶ−（Ｖ１＋Ｖ２）／２ …（６）
図９は、図２に示した状態推定部６２の機能ブロック図である。図９を参照して、状態推定部６２は、ピークホールド回路１０２，１０４と、交流インピーダンス推定部１０６と、温度推定部１０８とを含む。

ピークホールド回路１０２は、電流センサ７２（図２）から電流Ｉの検出値を受ける。そして、ピークホールド回路１０２は、電流Ｉのピーク値を保持することによって、充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２（図８）を出力する。ピークホールド回路１０４は、電圧センサ７４（図２）から電圧Ｖの検出値を受ける。そして、ピークホールド回路１０４は、電圧Ｖのピーク値を保持することによって、最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２（図８）を出力する。なお、ピークホールド回路１０２，１０４として、たとえば、時定数またはリセット間隔が数１０ミリ秒以上に設定された公知の回路が用いられる。

交流インピーダンス推定部１０６は、リップル生成部２０（図２）により二次電池１０にリップル電流を発生させているときにピークホールド回路１０２から受ける充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２ならびにピークホールド回路１０４から受ける最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２に基づいて、リップル周波数における二次電池１０の交流インピーダンスＲｈを推定する。具体的には、交流インピーダンス推定部１０６は、以下のいずれかの式によって交流インピーダンスＲｈを推定する。

Ｒｈ＝ΔＶ／ΔＩ …（７）
または、
Ｒｈ＝ΔＶ１／ΔＩ１ …（８）
または、
Ｒｈ＝ΔＶ２／ΔＩ２ …（９）
なお、ΔＶ，ΔＩ，ΔＶ１（ΔＶ２）は、それぞれ上述の式（３），（１），（５）によって算出される。そして、交流インピーダンス推定部１０６は、推定された交流インピーダンスＲｈを温度推定部１０８へ出力する。

温度推定部１０８は、交流インピーダンス推定部１０６から受ける交流インピーダンスＲｈに基づいて、二次電池１０の温度Ｔを推定する。より詳しくは、温度推定部１０８は、二次電池１０の温度とリップル周波数における二次電池１０の交流インピーダンスとの予め準備されたマップを用いて、交流インピーダンス推定部１０６により推定された交流インピーダンスＲｈに基づいて二次電池１０の温度Ｔを推定する。

二次電池１０の温度とリップル周波数における二次電池１０の交流インピーダンスとの関係を示すマップは、たとえば、図４に示した二次電池１０のインピーダンス特性に基づいて生成される。すなわち、図４のＡ部は、リップル周波数における温度とインピーダンスとの関係を示しており、この部分のデータを図４から抽出することによって上記マップを生成することができる。

以上のように、この実施の形態１においては、リップル生成部２０を用いてリップル電流を二次電池１０に発生させることによって二次電池１０を昇温する。ここで、リップル電流を二次電池１０に発生させたときの二次電池１０の電流Ｉおよび電圧Ｖに基づいて、リップル周波数における二次電池１０の交流インピーダンスＲｈが推定される。そして、二次電池１０の温度とリップル周波数における交流インピーダンスとの予め求められた関係を用いて、推定された交流インピーダンスＲｈに基づいて二次電池１０の温度が推定される。したがって、この実施の形態１によれば、温度センサを用いることなく二次電池１０の温度を精度よく推定することができる。

［実施の形態２］
上記の実施の形態１では、リップル周波数における二次電池１０の交流インピーダンスＲｈを推定し、その推定された交流インピーダンスＲｈに基づいて二次電池１０の温度Ｔを推定したが、この実施の形態２では、二次電池１０の直流抵抗を推定し、その推定された直流抵抗に基づいて二次電池１０の温度が推定される。

この実施の形態２におけるシステムの全体構成は、図１，図２に示したシステム構成と同じである。

図１０は、実施の形態２における状態推定部６２Ａの機能ブロック図である。図１０を参照して、この状態推定部６２Ａは、ピークホールド回路１０２，１０４と、オフセット電流算出部１１６と、オフセット電圧算出部１１８と、直流抵抗推定部１２０と、温度推定部１２２とを含む。

オフセット電流算出部１１６は、リップル生成部２０（図２）により二次電池１０にリップル電流を発生させているときにピークホールド回路１０２から受ける充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２に基づいて、上述した式（２）を用いてオフセット電流ΔＩｏｓを算出する。

オフセット電圧算出部１１８は、リップル生成部２０により二次電池１０にリップル電流を発生させているときにピークホールド回路１０４から受ける最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２に基づいて、上述した式（６）を用いてオフセット電圧ΔＶｏｓを算出する。

直流抵抗推定部１２０は、オフセット電流算出部１１６により算出されたオフセット電流ΔＩｏｓおよびオフセット電圧算出部１１８により算出されたオフセット電圧ΔＶｏｓに基づいて、二次電池１０の直流抵抗Ｒｄを推定する。具体的には、直流抵抗推定部１２０は、次式により直流抵抗Ｒｄを推定する。

Ｒｄ＝ΔＶｏｓ／｜ΔＩｏｓ｜ …（１０）
温度推定部１２２は、直流抵抗推定部１２０により推定された直流抵抗Ｒｄに基づいて、二次電池１０の温度Ｔを推定する。より詳しくは、温度推定部１２２は、二次電池１０の温度と二次電池１０の直流抵抗との予め準備されたマップを用いて、直流抵抗推定部１２０から受ける直流抵抗Ｒｄに基づいて二次電池１０の温度Ｔを推定する。

二次電池１０の温度と二次電池１０の直流抵抗との関係を示すマップは、たとえば、図４に示した二次電池１０のインピーダンス特性に基づいて生成される。すなわち、図４の極低周波領域は、ほぼ直流時の温度とインピーダンスとの関係を示していると言えるので、この極低周波領域のデータを図４から抽出することによって上記マップを生成することができる。

以上のように、この実施の形態２においては、リップル電流を二次電池１０に発生させたときのオフセット電流ΔＩｏｓおよびオフセット電圧ΔＶｏｓに基づいて、二次電池１０の直流抵抗Ｒｄが推定される。そして、二次電池１０の温度と直流抵抗との予め求められた関係を用いて、推定された直流抵抗Ｒｄに基づいて二次電池１０の温度が推定される。したがって、この実施の形態２によっても、温度センサを用いることなく二次電池１０の温度を精度よく推定することができる。

また、図４から分かるように、低周波領域のインピーダンスは、高周波のリップル周波数におけるインピーダンスに比べて温度依存性が大きいので、より高精度に二次電池１０の温度を推定できる可能性がある。

［実施の形態３］
この実施の形態３では、リップル昇温に伴なう二次電池１０の損失エネルギーを推定し、その推定された損失エネルギーに基づいて二次電池１０の温度が推定される。

この実施の形態３におけるシステムの全体構成は、図１，図２に示したシステム構成と同じである。

図１１は、実施の形態３における状態推定部６２Ｂの機能ブロック図である。図１１を参照して、この状態推定部６２Ｂは、ＳＯＣ推定部１３２と、エネルギー損失推定部１３４と、温度推定部１３６とを含む。

ＳＯＣ推定部１３２は、電流センサ７２（図２）により検出される電流Ｉに基づいて、リップル生成部２０（図２）により二次電池１０にリップル電流を発生させているときの二次電池１０の残存容量（以下「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称する。）を推定する。

図１２は、図１１に示したＳＯＣ推定部１３２のより詳細な機能ブロック図である。図１２を参照して、ＳＯＣ推定部１３２は、ピークホールド回路１０２と、オフセット電流算出部１１６と、放電量推定部１４２と、ΔＳＯＣ推定部１４４とを含む。

放電量推定部１４２は、オフセット電流算出部１１６により算出されたオフセット電流ΔＩｏｓを積算することによって、リップル昇温中の放電量ΔＡｈを推定する。

ΔＡｈ＝∫（ΔＩｏｓ）ｄｔ …（１１）
ΔＳＯＣ推定部１４４は、放電量推定部１４２により推定された放電量ΔＡｈを二次電池１０の容量Ｃで除算することにより、リップル昇温中のＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを推定する。

ΔＳＯＣ＝ΔＡｈ／Ｃ …（１２）
そして、この推定されたＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを昇温実施前のＳＯＣに加算することによって、二次電池１０のＳＯＣが算出される。

再び図１１を参照して、ＳＯＣ推定部１３２は、推定されたＳＯＣと、演算過程において推定されたリップル昇温中の放電量ΔＡｈをエネルギー損失推定部１３４へ出力する。

エネルギー損失推定部１３４は、予め準備されるＳＯＣ−ＯＣＶ（開回路電圧）マップを用いて、ＳＯＣ推定部１３２により推定されたＳＯＣに基づいて二次電池１０のＯＣＶを推定する。そして、ＯＣＶと放電量ΔＡｈとの積がリップル昇温に伴なう二次電池１０の損失エネルギーΔＷｈに相当することから、エネルギー損失推定部１３４は、ＳＯＣ推定部１３２により推定されたＳＯＣに基づき推定されたＯＣＶと、ＳＯＣ推定部１３２において推定された放電量ΔＡｈとに基づいて、リップル昇温に伴なう二次電池１０の損失エネルギーΔＷｈを推定する。

温度推定部１３６は、エネルギー損失推定部１３４により推定された損失エネルギーΔＷｈに基づいて、二次電池１０の温度Ｔを推定する。より詳しくは、温度推定部１３６は、損失エネルギーΔＷｈを二次電池１０の熱容量で除算し、その演算値に効率ηを乗算することによって、二次電池１０の温度変化量ΔＴを推定する。そして、その推定された温度変化量ΔＴをリップル昇温前の温度に加算することによって、二次電池１０の温度Ｔを推定する。

以上のように、この実施の形態３においては、リップル昇温の実行時、二次電池１０の電流Ｉに基づいて二次電池１０のＳＯＣが推定され、その推定されたＳＯＣに基づいて二次電池１０の損失エネルギーΔＷｈが推定される。そして、その推定された損失エネルギーΔＷｈに基づいて二次電池１０の温度変化量が推定され、二次電池１０の温度が推定される。したがって、この実施の形態３によっても、温度センサを用いることなく二次電池１０の温度を精度よく推定することができる。

［実施の形態４］
１ｋＨｚ程度のリップル電流を発生させて二次電池１０を昇温するリップル昇温中に二次電池１０の充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２ならびに最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２を測定するには、上記の各実施の形態において用いたピークホールド回路を用いるか、あるいは高速のセンサを用いるのが容易であるが、これらはコストの増加を招く。そこで、この実施の形態４では、従来レベルの電圧センサおよび電流センサ（たとえば、サンプリング周期が１０ミリ秒程度のもの）を用いて、充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２ならびに最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２を精度よく測定する手法が示される。

図１３は、リップル電流の周期とセンサのサンプリング周期との関係を示した図である。なお、以下では、電流センサについて代表的に説明を行なうが、電圧センサについても同様である。図１３を参照して、周期τｒは、リップル電流の周期であり、周期τｓは、電流センサによる電流のサンプリング周期である。

いま、以下のように時間τａを定義する。
τｓ＝τｒ×Ｎ＋τａ …（１３）
ここで、０＜τａ＜τｒであり、Ｎは自然数である。この時間τａについて、図１４を用いて説明する。

図１４は、ある時刻でのサンプリング後１周期のリップル波形とＮ周期後の同位相のリップル波形とを重ね合わせて示した図である。図１４を参照して、点Ｐ１は、ある時刻でのサンプリング点を示し、点Ｐ２は、次回のサンプリング点を示す。点Ｐ１と点Ｐ２との時間差が、（１３）式で定義した時間τａである。なお、このリップル波形上における点Ｐ１と点Ｐ２との位相差Δθは、次式にて表わされる。

Δθ＝τａ／τｒ×３６０° …（１４）
以上に基づき、（１３），（１４）式を用いて、予め分かっているサンプリング周期τｓおよびリップル周期τｒに基づいて時間τａまたは位相差Δθを算出し、前回のサンプリング点から時間τａまたは位相Δθずらしてサンプリング点を順次プロットしていくと、図１５に示すようなデータが得られる。そして、リップル波形の形状（三角波、のこぎり波など）はリップル生成部２０の構成および制御により事前に把握できるので、図１５に示されるデータからリップル波形を推定することができる。そして、その推定されたリップル波形に基づいて、充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２ならびに最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２を算出することが可能である。

なお、時間τａがリップル周期τｒに比べて小さいほど図１５に示したデータの間隔を細かくできるが、リップル波形１周期分のデータを取得するのに時間がかかることになる。そこで、所定の要求精度に従って、リップル波形１周期分のデータを取得するのに必要なデータ数Ｍを決定し、次式に基づいてリップル周期τｒと時間τａとの関係を定め、上記の（１３）式に基づいてリップル周期τｒまたは／およびサンプリング周期τｓを設定するようにしてもよい。

τｒ／τａ＝Ｍ あまりＬ …（１５）
ここで、Ｍは自然数であり、０≦Ｌ＜１である。リップル周期τｒと時間τａとの関係を（１５）式に基づいて規定することにより、リップル波形１周期分のデータを取得するのに（τｓ×Ｍ）秒の時間が必要となる。この時間（すなわち、Ｍの大きさ）は、電池に対する要求精度、たとえば、二次電池１０の電圧上下限外れや過電流等の検出時間および制御時間によって決定される。

（１５）式においてＬが０であると、Ｍ点のサンプリングを行なった後、再び同じ位相の点をサンプリングすることになる。リップル波形をより精度よく推定するためには、サンプリング点の位相が互いにずれている方がよい。そこで、（１５）式を次式のように表わす。

τｒ／τａ＝Ｍ あまりｐ／ｑ …（１６）
ここで、ｐ，ｑは自然数であり、ｐ／ｑは既約分数である。これにより、再び同じ位相の点がサンプリングされる間隔を（τｓ×Ｍ×ｑ）秒とすることができる。したがって、（１６）式においてｑができるだけ大きくなるように、リップル周期τｒまたは／およびサンプリング周期τｓを設定するのが好ましい。このようにすることにより、時間の経過とともにリップル波形上のサンプリング点を増やすことができ、リップル波形の推定精度を高めることができる。

なお、さらに、（τｓ×Ｍ×ｑ）秒（あるいは（τｓ×Ｍ）秒でもよい。）の間隔でサンプリングタイミングを０〜τａ秒ずらすことによって、（τｓ×Ｍ×ｑ）秒後（あるいは（τｓ×Ｍ）秒後）においてもサンプリング点の位相をずらすことができる。なお、サンプリングタイミングをずらす時間は、Ｌ×τａとは異なる時間とし、かつ、前回のずらし時間とも異なる時間とするのが好ましい。また、サンプリングタイミングをずらす時間は、０〜τａ秒の間で乱数で決定してもよい。

以上のように、この実施の形態４によれば、従来レベルの電圧センサおよび電流センサ（たとえば、サンプリング周期が１０ミリ秒程度のもの）を用いて、充電最大電流ΔＩ１および放電最大電流ΔＩ２ならびに最大電圧Ｖ１および最小電圧Ｖ２を精度よく測定することができる。その結果、二次電池１０の温度推定を低コストで実現することができる。

なお、上記の実施の形態において、電動車両１００は、モータジェネレータ４０を唯一の走行用動力源とする電気自動車であってもよいし、走行用動力源としてエンジンをさらに搭載したハイブリッド車両であってもよく、さらには、直流電源として二次電池１０に加えて燃料電池をさらに搭載した燃料電池車であってもよい。

また、上記の実施の形態１−３において、ピークホールド回路１０２，１０４に代えて、たとえば、Ａ／Ｄ回路によってサンプリング取得された電流値や電圧値の最大値および最小値を選択する処理を設けてもよい。

なお、上記において、電流センサ７２およびピークホールド回路１０２は、この発明における「電流検出部」の一実施例を形成し、電圧センサ７４およびピークホールド回路１０４は、この発明における「電圧検出部」の一実施例を形成する。また、交流インピーダンス推定部１０６は、この発明における「インピーダンス推定部」の一実施例に対応し、ピークホールド回路１０２，１０４は、この発明における「ピーク値取得部」の一実施例に対応する。さらに、エネルギー損失推定部１３４は、この発明における「損失推定部」の一実施例に対応する。

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、上記した実施の形態の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 二次電池、１２ 内部抵抗、２０ リップル生成部、２２ 昇圧コンバータ、３０ インバータ、４０ モータジェネレータ、５０ 駆動輪、６０ ＥＣＵ、６２，６２Ａ，６２Ｂ 状態推定部、６４ リップル制御部、７２ 電流センサ、７４，７６ 電圧センサ、１００ 電動車両、１０２，１０４ ピークホールド回路、１０６ 交流インピーダンス推定部、１０８，１２２，１３６ 温度推定部、１１６ オフセット電流算出部、１１８ オフセット電圧算出部、１２０ 直流抵抗推定部、１３２ ＳＯＣ推定部、１３４ エネルギー損失推定部、１４２ 放電量推定部、１４４ ΔＳＯＣ推定部、ＰＬ１，ＰＬ２ 正極線、ＮＬ 負極線、Ｌ リアクトル、Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、ＣＨ コンデンサ。

Claims (3)

1. 二次電池の温度推定装置であって、
   前記二次電池に接続され、所定の周波数のリップル電流を前記二次電池に発生させるように構成されたリップル生成部と、
   前記二次電池の充放電電流を検出するための電流検出部と、
   前記電流検出部により検出される電流に基づいて前記二次電池の残存容量を推定する残存容量推定部と、
   前記リップル生成部により前記リップル電流を前記二次電池に発生させたときの前記残存容量に基づいて前記二次電池の損失エネルギーを推定する損失推定部と、
   前記損失推定部により推定される前記二次電池の損失エネルギーに基づいて前記二次電池の温度変化量を推定し、その推定された温度変化量に基づいて前記二次電池の温度を推定する温度推定部とを備える、二次電池の温度推定装置。
2. 前記残存容量推定部は、
   前記リップル生成部により前記リップル電流を前記二次電池に発生させたときに前記電流検出部により検出される電流に基づいて、前記検出された電流の平均値で示されるオフセット電流を算出するオフセット電流算出部と、
   前記オフセット電流を積算することによって前記二次電池の放電量を推定する放電量推定部と、
   前記放電量推定部により推定される前記二次電池の放電量を前記二次電池の容量で除算することによって前記二次電池の残存容量の変化量を推定する変化量推定部とを含む、請求項１に記載の二次電池の温度推定装置。
3. 前記電流検出部は、検出値のピーク値を取得するピーク値取得部を含む、請求項１または請求項２に記載の二次電池の温度推定装置。

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