JP5262179B2 - 二次電池の充電率推定装置および充電率推定方法 - Google Patents

Description

本発明は二次電池の充電率を推定する装置および方法に関する。

下記特許文献１には、適応デジタルフィルタ（以下、ＡＤＦと略記する）を用いて二次電池の充電率（ＳＯＣ：充電状態とも云う）を推定し、ＡＤＦでの推定精度が悪くなる条件では他の推定方法（例えば電流積算による充電率推定方法）に切替える技術について開示されている。
特開２００６−１０５８２１号公報

上記の従来技術では、ＡＤＦでの推定精度が悪くなる場合に他の推定方法に切り替えるので、ＡＤＦでの推定精度が悪くなる条件を何らかの方法を用いて推定しなければならない。その方法としては、例えば入力の周波数解析（ＦＦＴ）を行い周波数分布に偏りがないことを検出する方法等が考えられる。しかし、そのような演算を容量の小さい車載用のコントローラでリアルタイム、かつ高速で検出するのは非常に困難である、という問題があった。
本発明は上記の問題を解決するものであり、ＡＤＦの推定精度が低下するような状態でも充電率推定の精度低下を簡単に抑制することのできる二次電池の充電率推定装置および充電率推定方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては、適応デジタルフィルタを用いて、二次電池の充放電電流と端子電圧から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧から二次電池の充電率を推定する充電率推定装置において、前記充放電電流に基づいて所定時間当りの充電率変化量の上限値と下限値を演算し、前記の推定した充電率の所定時間あたりの変化量が前記上限値と下限値の間になるように制限することにより最終充電率推定値を演算するものであって、前記充電率変化量の上限値と下限値を演算する際において、前記充放電電流を検出するための検出手段の検出精度に基づいて前記充電率変化量の上限値と下限値を設定するように構成している。

上記のように、ＡＤＦによって推定した充電率の変化に対して充放電電流に応じた制限を加えることにより、ＡＤＦの推定精度が悪くなっても、充電率推定の精度を落とすことがなく精度良く推定することができる。例えば図１０に示すように、ＡＤＦの推定結果が大きく変動して推定精度が悪くなる場合においても、充電率推定値の変化に制限を加えているので、充電率の真値からのずれを少なく保つことが出来る。

（実施例１）
図１は、本発明を適用するシステムの全体の概略構成図であり、二次電池で電動機等の補機を駆動する装置を示す。
図１において、二次電池１は補機２（電動機等）に対して電力を供給するとともに補機２で発電した電力を充電して蓄積する。二次電池１の充放電電流Ｉは電流センサ５で検出される。また、端子電圧Ｖは電圧センサ４で検出される。これらのセンサ情報は制御装置３に入力される。なお、充放電電流Ｉは、例えば正値のときは充電電流、負値のときは放電電流を示す。

図２は、本発明の一実施例を機能ブロックで表した図であり、図１の制御装置３内に設けられた二次電池の充電率推定装置の部分を示す。
図２において、開路電圧推定手段２００１は、適応デジタルフィルタ（ＡＤＦ）を用いて、充放電電流Ｉと端子電圧Ｖから開路電圧Ｖ_０（通電遮断時の端子電圧であり、起電力、開放電圧とも云う）を推定する。充電率推定手段２００２は、予め求めてある開路電圧と充電率の関係により、上記の推定した開路電圧Ｖ_０から充電率を推定する。充電率制限手段２００３は、充放電電流Ｉに応じて充電率推定手段２００２で推定した充電率推定値に制限を加えて最終充電率を演算する（詳細後述）。

図３は、図１の制御装置２内での充電率の演算フローを示す図であり、所定周期（例えば０.０１［ｓｅｃ］）で処理を開始する。まず、ステップＳ１０１で、充放電電流Ｉと端子電圧Ｖを読み込み、ステップＳ１０２で、開路電圧推定処理（２００１における処理）を行い、ステップＳ１０３で充電率推定処理（２００２における処理）を行い、ステップＳ１０４で充電率制限処理（２００３における処理）を行う。

図４は、図３のステップＳ１０２における開路電圧推定処理の制御フローを示す図である。
適応デジタルフィルタ（ＡＤＦ）を用いた開路電圧Ｖ_０の推定演算方法については、例えば、本出願人の先願で既に特許されている特開２００４−１７８８４８号公報（特願２００２−３４０８０３号、特許３７１４３２１号）等に詳細な説明が記載されているので、ここでは基本的な数式と演算過程を示す。

図４において、まず、ステップＳ３０１で、充放電電流Ｉと端子電圧Ｖとを読み込み、ステップＳ３０２でＡＤＦを用いて内部パラメータを推定する。そしてステップＳ３０３で内部パラメータより開路電圧を推定する。
ステップＳ３０２におけるＡＤＦを用いた内部パラメータ推定方法は、図６に示すような二次電池の等価回路モデルを用いて内部パラメータを逐次推定するものであり、図６の電池モデルは（数１）式のように示すことができる。

ただし、Ｃ_１は電気二重層容量、Ｒ_１は電荷移動抵抗、Ｒ_２は純抵抗、Ｖは端子電圧、Ｉは充放電電流（正が充電、負が放電）、Ｖ_０が開路電圧、ｓはラプラス演算子である。
ここで、（数２）式とおくと、（数１）式は（数３）式のように表すことが出来る。

ここで端子電圧Ｖ、電流値Ｉのフィルタ出力Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３を（数４）式で示すように定義する。

ただし、Ｇ_ｌｐ(ｓ）は観測ノイズを低減するために設けたローパスフィルタの特性を示す。
そしてＡＤＦの手法を用いて（数１）式の各定数を逐次推定する。この推定方法の詳細は前記特開２００４−１７８８４８号公報に記載されている。
ステップＳ３０３では、上記の推定した内部パラメータを用いて開路電圧Ｖ_０を推定すると、開路電圧Ｖ_０は（数５）式に示す関係となる。

上記のようにしてＡＤＦの手法を用いて推定した内部パラメータを用いて開路電圧Ｖ_０を推定することが出来る。

図５は、上記の推定した開路電圧Ｖ_０から充電率を推定する演算フローを示す図である。
図５において、ステップＳ４０１で開路電圧Ｖ_０を読み込み、ステップＳ４０２で、予め求めておいた開路電圧と充電率の関係から、読み込んだ開路電圧に対応した充電率を求める。開路電圧と充電率の関係は、例えば図７に示すような特性となっており、この特性を予め求めておくことにより、推定した開路電圧から充電率を簡単に求めることが出来る。

次に、図８は、本発明の特徴とする充電率制限手段２００３における演算内容の一実施例を示すフロー図である。
図８において、まず、ステップＳ５０１では、充放電電流とＡＤＦで推定した充電率を読み込む。
ステップＳ５０２では、充放電電流より充電率変化量の上限値と下限値を演算する。この変化量の上限値と下限値は、例えば充放電電流が大きいほど上限と下限の差（幅）が大きくなる特性である。この特性は、例えば後記（実施例２）で説明するように、使用する電流センサの精度に応じて、精度の悪い電流センサの場合は上下限値の幅を大きく、精度の良い場合は上下限の幅を小さくするように設定してもよい。

ステップＳ５０３では、前回の最終充電率推定値（制限を加えた後の値）にステップＳ５０２で演算された変化量の上限値を加えた値と今回のＡＤＦで推定した充電率推定値とを比較して、今回のＡＤＦで推定した充電率推定値の方が大きい場合、つまり変化量が上限値よりも大きかった場合はステップＳ５０４へ進み、そうでない場合にはステップＳ５０５へ進む。

ステップＳ５０５では、前回の最終充電率推定値にステップＳ５０２で演算された変化量の下限値を加えた値と今回のＡＤＦで推定した充電率推定値とを比較して、今回のＡＤＦで推定した充電率推定値の方が小さい場合、つまり変化量が下限値よりも小さかった場合はステップＳ５０６へ進み、そうでない場合にはステップＳ５０７へ進む。

ステップＳ５０４では、今回の最終充電率推定値として、前回の最終充電率推定値にステップＳ５０２で演算された変化量の上限値を加えた値を代入する。
ステップＳ５０６では、今回の最終充電率推定値として、前回の最終充電率推定値にステップＳ５０２で演算された変化量の下限値を加えた値を代入する。
ステップＳ５０７では、今回のＡＤＦで推定した充電率推定値が上限と下限の間に入っているので、今回ＡＤＦで推定した充電率を最終充電率推定値とする。
上記のようにして、充電率推定値の変化量を、充放電電流に応じて求めた上限値と下限値の間の範囲に制限することが出来る。

図９は、上記の制限方法を図示した説明図である。
図９において、（ａ）の矢印が前回の充電率を示し、その上下両側の破線が今回の上限値と下限値を示す。つまり、一演算周期Ｔの最終時点において、前回の最終充電率推定値（ａ）の値に対してＡ_Ｈが上限値、Ａ_Ｌが下限値であり、このＡ_Ｈ、Ａ_Ｌの値を充放電電流に応じて設定する。例えば「Ａ_Ｈ−（ａ）」の値と「（ａ）−Ａ_Ｌ」の値を、充放電電流が大きいほど大きくなるように設定する。そして今回ＡＤＦで推定した充電率が破線で示した変化量の上限値と下限値の間に収まっている場合は、今回ＡＤＦで推定した充電率を選択し、（ｂ）のように今回ＡＤＦで推定した充電率が変化量の上限値を上回る変化をした場合には、充電率の変化を充電率変化量上限値に制限し、（ｃ）のように今回ＡＤＦで推定した充電率が変化量の下限値を下回る変化をした場合には、充電率の変化を変化量下限値に制限するように制御する。
なお、図８の演算は、所定周期で繰り返されるので、所定周期つまり所定時間毎の変化量を上限値と下限値の間の範囲に制限することになる。

図１０は、本発明の効果を示す特性図である。
図１０において、太実線はＡＤＦで推定した充電率、細実線は本発明の最終充電率推定値、破線は真の充電率（充電率の真値）を示す。

図１０に示すように、時間２０〜３０［ｓｅｃ］付近において、ＡＤＦによる推定開始直後は内部パラメータの値が大きくずれており、ＡＤＦで推定した充電率（太実線）が真の充電率（破線）から大きく外れてしまう。しかし、細実線で示した本発明の特性では、充放電電流に応じて充電率の変化量に制限を加えているので、ＡＤＦで推定した充電率が大きく外れるような場合でも、真の充電率から大きく外れることなく推定できている。
そして時間８０［ｓｅｃ］付近からＡＤＦの内部パラメータが真値に収束し、充電率推定値が真の充電率に近づいてくると、充放電電流で変化量に制限を加えた充電率推定値もＡＤＦで推定した充電率に近づいていくようになる。

上記のように本実施例のおいては、充電率の変化量に充放電電流に応じた上下限を設け、ＡＤＦによる充電率推定値の所定時間当りの変化量に制限を加える構成なので、ＡＤＦによる推定精度が悪くなっても、充電率推定の精度を落とすことが無く精度良く推定することができる、という効果がある。

（実施例２）
本実施例においては、充電率変化量の上限値と下限値を設定する際に、充放電電流検出手段（電流センサ）の検出精度を加味して決定するようにしたものである。つまり、精度の悪い電流センサを使用する場合には、電流センサの精度よりも上下限値の幅を大きくするように設定すれば、電流センサの精度の悪さによって充電率推定値精度が悪化してしまうことを防止することが出来る、という効果が得られる。

（実施例３）
ＡＤＦによる推定精度が悪化すると、電流量に応じて制限を加えた最終充電率とＡＤＦで推定した充電率とが大きく乖離してしまう。したがってＡＤＦで推定した充電率と制限を加えたあとの最終充電率との偏差が大きくなるに従って、充電率変化量の上限値と下限値の差を小さくする、つまり所定時間毎の変化量を小さくするように構成すれば、大きく離れたＡＤＦに最終充電率を近づける場合に、ゆっくりと近づけることになるので、充電率推定の精度を落とすことが無く精度良く推定することができる、という効果が得られる。

本発明を適用するシステムの全体の概略構成図。 本発明の一実施例の機能ブロック図。 図１の制御装置２内での充電率の演算フローを示す図。 図３のステップＳ１０２における開路電圧推定の制御フローを示す図。 推定した開路電圧Ｖ_０から充電率を推定する演算フローを示す図。 二次電池の等価回路モデルを示す回路図。 開路電圧と充電率の関係を示す特性図。 充電率制限手段２００３における演算内容の一実施例を示すフロー図。 変化量の制限方法を図示した説明図。 本発明の効果を示す特性図。

符号の説明

１…二次電池 ２…補機
３…制御装置 ４…電圧センサ
５…電流センサ
２００１…開路電圧推定手段 ２００２…充電率推定手段
２００３…充電率制限手段

Claims (3)

1. 二次電池と、
   前記二次電池の充放電電流を検出する充放電電流検出手段と、
   前記二次電池の端子電圧を検出する端子電圧検出手段と、
   適応デジタルフィルタを用いて、前記充放電電流と前記端子電圧から開路電圧を推定する開路電圧推定手段と、
   予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧から前記二次電池の充電率を推定する充電率推定手段と、
   前記充放電電流に基づいて所定時間当りの充電率変化量の上限値と下限値を演算し、前記充電率推定手段で推定した充電率の所定時間あたりの変化量が前記上限値と下限値の間になるように制限することにより最終充電率推定値を演算する充電率変化量制限手段と、
   を備え、
   前記充電率変化量制限手段は、前記充放電電流検出手段の検出精度に基づいて前記充電率変化量の上限値と下限値を設定することを特徴とする二次電池の充電率推定装置。
2. 前記充電率変化量制限手段は、
   前記充電率推定手段で推定した充電率と前記充電率変化量制限手段で制限を加えた後の最終充電率との偏差が大きくなるに従って、前記充電率変化量の上限値と下限値の差を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電率推定装置。
3. 二次電池の充放電電流と端子電圧を検出し、適応デジタルフィルタを用いて、前記充放電電流と前記端子電圧から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧から前記二次電池の充電率を推定する充電率推定方法において、
   前記充放電電流に基づいて所定時間当りの充電率変化量の上限値と下限値を演算し、前記の推定した充電率の所定時間あたりの変化量が前記上限値と下限値の間になるように制限することにより最終充電率推定値を演算するものであって、
   前記充電率変化量の上限値と下限値を演算する際において、前記充放電電流を検出するための検出手段の検出精度に基づいて前記充電率変化量の上限値と下限値を設定することを特徴とする二次電池の充電率推定方法。

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