JP4570916B2 - 蓄電デバイスの残存容量演算装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池や電気化学キャパシタ等の蓄電デバイスの残存容量を演算する蓄電デバイスの残存容量演算装置に関する。

近年、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学キャパシタといった蓄電デバイスの小型軽量化・高エネルギー密度化が進み、携帯型の情報通信機器から電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として活発に利用されている。

このような蓄電デバイスを有効に活用するには、その残存容量を正確に把握することが重要であり、従来から、蓄電デバイスの充放電電流を積算して残存容量を求める技術や、開放電圧に基づいて残存容量を求める技術が知られている。

例えば、特許文献１には、電気自動車の車両停止時の電池電圧から求めた開放電圧により停止時残存容量を求めると共に、電池の放電電流の積算値に基づいて放電電気容量を検出し、この放電電気容量と停止時残存容量とから満充電容量を算出し、この満充電容量と放電電気容量とから残存容量を求める技術が開示されている。

また、特許文献２には、リチウムイオン電池のような電池容量と電池電圧とに直線的な比例関係があるものにおいて、任意の時間のあいだ放電または充電したときの電流積算量と、放電または充電前の電圧、放電または充電後の電圧より、残存容量を求める技術が開示されている。

更に、特許文献３には、電池の充放電電流を積分して求めた残存容量と、電池の開放端子電圧に基づいて推定した残存容量との差の変化率に基づいて、残存容量の演算方法を補正する技術が開示されている。
特開平６−２４２１９３号公報 特開平８−１７９０１８号公報 特開平１１−２２３６６５号公報

しかしながら、充放電電流を積算して残存容量を求める技術と開放電圧の推定値に基づいて残存容量を求める技術とは、それぞれに一長一短があり、前者は、突入電流等の負荷変動に強く、安定した残存容量が得られる反面、誤差が累積し易い（特に、高負荷継続時には誤差が大きくなる）という欠点があり、また、後者は、通常の使用時において、正確な値を求めることができる反面、短時間で負荷が大きく変動した場合に演算値が変動しやすいという欠点がある。

従って、特許文献１，２，３のように、単に、両者の技術を組合わせただけでは、電流積算による誤差の累積を排除することは困難である。特に、ハイブリッド車等のように充放電が連続する状態では、残存容量の演算精度が低下したり、残存容量の演算値が急激に変化するといった事態が生じる虞があり、安定した精度を確保することは困難である。

しかも、充放電電流を積算して残存容量を求める場合には、特許文献３に開示されているように、所定の時間間隔で充放電電流をサンプリングして電流時間積を求め、この電流時間積を、前回の残存容量演算値を初期値として加算するのが一般的であり、このため、前回の残存容量の演算値が外乱等によって異常となった場合、誤差が拡大し、制御系に悪影響を及ぼす虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かして精度高く残存容量を求めつつ、残存容量の演算結果が異常となった場合にも速やかに真値への収束を図ることのできる蓄電デバイスの残存容量演算装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による蓄電デバイスの残存容量演算装置は、蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づいて第１の残存容量を算出する第１の演算手段と、上記蓄電デバイスの内部インピーダンスから推定した開放電圧に基づいて第２の残存容量を算出する第２の演算手段と、上記第１の残存容量と上記第２の残存容量とを上記蓄電デバイスの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成した第３の残存容量を、上記蓄電デバイスの最終的な残存容量として算出する第３の演算手段と、上記第３の残存容量が異常のとき、上記蓄電デバイスの端子電圧に基づいて上記第３の残存容量の近似値を算出し、この近似値を上記第１の残存容量を算出する際の電流積算の初期値とする電流積算初期値算出手段とを備え、上記電流積算初期値算出手段は、上記蓄電デバイスの端子電圧と開放電圧との差に基づいて上記第３の残存容量が異常か否かを判断することを特徴とする。

その際、第１の残存容量と第２の残存容量との差に基づいて外乱による異常と故障による異常とを識別することが望ましい。また、第３の残存容量が外乱による異常と識別された状態で近似値を算出不可のときには、第３の残存容量の中間値を初期値として算出することが望ましい。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かして精度高く残存容量を求めつつ、残存容量の演算結果が異常となった場合にも速やかに真値への収束を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１１は本発明の実施の一形態に係わり、図１はハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図、図２はバッテリ残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は等価回路モデルを示す回路図、図４は電流の移動平均処理無しの場合の残存容量を示す説明図、図５は電流の移動平均処理有りの場合の残存容量を示す説明図、図６は実車走行時の残存容量演算結果を示す説明図、図７はバッテリ残存容量推定処理のフローチャート、図８は電流容量テーブルの説明図、図９はインピーダンステーブルの説明図、図１０は残存容量テーブルの説明図、図１１はウェイトテーブルの説明図である。

図１は、本発明をエンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車両（ＨＥＶ）に適用した例を示し、同図において、符号１は、ＨＥＶの電源ユニットである。この電源ユニット１には、蓄電デバイスとして例えば複数のセルを封止した電池パックを複数個直列に接続して構成されるバッテリ２と、バッテリ２の残存容量の演算、バッテリ２の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）３とが１つの筐体内にパッケージされている。

尚、本形態においては、蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例に取って説明するが、本発明による残存容量の演算手法は、電気化学キャパシタやその他の二次電池にも適用可能である。

演算ＥＣＵ３は、マイクロコンピュータ等から構成され、電圧センサ４で測定したバッテリ２の端子電圧Ｖ、電流センサ５で測定したバッテリ２の充放電電流Ｉ、温度センサ６で測定したバッテリ２の温度（セル温度）Ｔに基いて、所定時間ｔ毎に充電状態(State of charge;SOC）すなわち残存容量ＳＯＣ(t)を演算する。この残存容量ＳＯＣ(t)は、電源ユニット１の演算ＥＣＵ３から、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介してＨＥＶ制御用電子制御ユニット（ＨＥＶ制御用ＥＣＵ）１０に出力され、車両制御用の基本データ、バッテリ残量や警告用の表示用データ等として使用される。尚、残存容量ＳＯＣ(t)は、周期的な演算における１演算周期前のデータ（後述する電流積算による残存容量演算の際のベース値）ＳＯＣ(t-1)としても使用される。

また、演算ＥＣＵ３は、残存容量ＳＯＣの周期的な演算において、常時、残存容量ＳＯＣの推定値（演算値）が正常であるか否かを判断するようにしており、センサの故障等によって残存容量ＳＯＣの値が異常となったときには、フェール信号をＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０へ出力し、迅速にフェールセーフ制御に移行させる。また、一時的な外乱によって残存容量ＳＯＣの推定値が真値から大きくずれた場合には、演算ＥＣＵ３は、バッテリ２の端子電圧を用いて近似的な残存容量を求め、この近似的な残存容量をベース値（初期値）として周期的な演算を続行することにより真値への収束を図る自己復帰を行うようにしており、これによりＨＥＶ制御系への影響を最小限に抑えることができる。

ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、同様にマイクロコンピュータ等から構成され、運転者からの指令に基づいて、ＨＥＶの運転、その他、必要な制御を行う。すなわち、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、電源ユニット１からの信号や図示しないセンサ・スイッチ類からの信号により、車両の状態を検出し、バッテリ２の直流電力を交流電力に変換してモータ１５を駆動するインバータ２０を初めとして、図示しないエンジンや自動変速機等を、専用の制御ユニットを介して或いは直接的に制御する。

演算ＥＣＵ３における残存容量ＳＯＣの演算は、図２に示す推定アルゴリズムに従って実行される。このＳＯＣ推定アルゴリズムでは、バッテリ２で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、第１〜３の演算手段としての機能により、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃと、バッテリ開放電圧の推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した第３の残存容量としての残存容量ＳＯＣを、バッテリ２の最終的な残存容量として算出する。

更に、演算ＥＣＵ３には、残存容量ＳＯＣの推定値（演算値）が異常となった場合に対処すべく、バッテリ２の端子電圧に基づいて残存容量ＳＯＣの近似値を算出し、この近似値を電流積算の残存容量ＳＯＣｃを算出する際の初期値とする初期値算出手段としての機能が備えられている。この初期値算出手段としての機能については、後述する。

一般的に、バッテリの残存容量を算出する技術としては、バッテリ電流の積算値に基づいて残存容量を求める技術と、バッテリの開放電圧に基づいて残存容量を求める技術とがあり、それぞれに一長一短がある。前者は、突入電流等の負荷変動に強く、安定した残存容量が得られる反面、電流誤差が累積し易い（特に、高負荷継続時には誤差が大きくなる）という欠点がある。また、後者は、電流が安定している領域では、正確な値を求めることができる反面、短時間で負荷が大きく変動した場合には、開放電圧を推定する際のインピーダンスを正確に求めることができず、残存容量の算出値が振動し易いという欠点がある。

従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧の推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ２の使用状況に応じて随時変化させるウェイト（重み係数）ｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）

ウェイトｗは、現在のバッテリの使用状況を的確に表すことのできるパラメータを用いて決定する必要があり、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流の変化率や残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの間の偏差等を用いることが可能である。単位時間当たりの電流変化率は、バッテリの負荷変動を直接的に反映しているが、単なる電流変化率では、スパイク的に発生する電流の急激な変化の影響を受けてしまう。

従って、本形態においては、スパイク的な電流の変化の影響を防止するため、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理を施した電流変化率を用いるようにしており、特に、電流の遅れを考慮した場合、バッテリの充放電状態の変化に対して、過去の履歴を過剰となることなく適切に反映することのできる移動平均を用いてウェイトｗを決定するようにしている。

この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃのウェイトを高くして開放電圧の推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖのウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃのウェイトを下げ、開放電圧の推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖのウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。

すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均のフィルタリングにより、走行中の負荷変動で発生する電流のスパイク成分を、遅れ成分を助長することなく除去することができる。これにより、バッテリ状態をより的確に把握することができ、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出し、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。

更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧に基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。以下、本推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。

先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。尚、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的には演算ＥＣＵ３における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ^-1）。
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率

また、（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いている。

一方、開放電圧の推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、先ず、図３に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のCole-Coleプロットをカーブフィッティングすることにより、各パラメータを決定する。

これらのパラメータから求められるインピーダンスＺは、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブル（後述する図９のインピーダンステーブル）を作成する。そして、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ・Ｚ…（３）

尚、前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、後述するように、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ｋΔＩ／Δｔを用いて決定する。

開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、平衡状態での電極電位とイオンの活量との関係を記述した周知のネルンストの式を適用し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（４）式を得ることができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（４）
但し、Ｅ ：標準電極電位（本形態のリチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）

尚、（４）式におけるＹは補正項であり、常温における電圧−ＳＯＣ特性をＳＯＣの関数で表現したものである。ＳＯＣｖ＝Ｘとすると、以下の（５）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０^-6Ｘ³＋９・１０^-5Ｘ²＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（５）

以上の（４）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（４）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池特有の充放電特性や使用条件等に対する考慮が必要となる。

従って、以上の（４）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、常温でのＳＯＣ−Ｖｏ特性を基準として、各温度域での充放電試験或いはシミュレーションを行い、実測データを蓄積する。そして、蓄積した実測データから開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとする残存容量ＳＯＣｖのテーブル（後述する図１０の残存容量テーブル）を作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求める。そして、前述の（１）式に示したように、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏの推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖとがウェイトｗを用いて重み付け合成され、最終的な残存容量ＳＯＣが算出される。

ここで、残存容量の演算における電流の移動平均処理の有無の影響を比較すると、電流の移動平均処理を行うことなく残存容量ＳＯＣｖを算出した場合には、図４に示すように、電流のスパイク成分の影響を受けて局所的な残存容量ＳＯＣｖの急激な変化が発生し、最終的な合成残存容量ＳＯＣの精度を低下させる原因となる。これに対し、電流の移動平均処理を行って残存容量ＳＯＣｖを算出した場合には、図５に示すように、残存容量ＳＯＣｖから電流のスパイク成分の影響が除去され、比較的負荷変動が小さい条件下での残存容量を正確に把握することが可能となる。

実走行時の残存容量の演算結果は、図６に示され、比較的アップダウンの多い走行条件でセル温度が略４５°Ｃの状態において、電流積算による残存容量ＳＯＣｃと合成後の残存容量ＳＯＣの変化が示されている。図６に示される経過時間１５００ｓｅｃ付近までのバッテリの充放電が繰返される状態においては、電流積算による残存容量ＳＯＣｃの演算結果が合成後の残存容量ＳＯＣに良好に反映されている。また、経過時間１５００ｓｅｃ以後、バッテリへの充電量が増加傾向にある状態において、電流積算による残存容量ＳＯＣｃの上昇が鈍化して誤差が拡大する傾向にあるが、開放電圧の推定による残存容量ＳＯＣｖ（図示せず）が合成後の残存容量ＳＯＣに重みを増して反映され、充電量の増加に応じて合成後の残存容量ＳＯＣが上昇し、精度良く残存容量の変化を捉えている。

以上のように、残存容量ＳＯＣは、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏの推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖとを、バッテリの使用状況に応じて随時変化させるウェイトｗを用いて合成することにより、演算精度の向上が図られている。このとき、前述したように、現在の制御周期における電流積算の残存容量ＳＯＣｃ(t)は、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)をベース値として用いているため、発散することがなく、また、誤差の累積も少なく、残存容量ＳＯＣ(t-1)が真値からずれても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には真値に収束させることができる。

しかしながら、万一、何らかの理由で外乱が発生した場合、例えば、電源ユニット１とＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０との間のデータ通信ラインに強力なノイズが乗る等して残存容量ＳＯＣ(t-1)が真値から大きくずれた場合には、真値から大きくずれた残存容量ＳＯＣ(t-1)がそのまま電流積算のベース値として用いられるため、真値への収束に大幅な時間を要し、ＨＥＶ制御系への悪影響が懸念される。

従って、演算ＥＣＵ３は、残存容量ＳＯＣが外乱等により真値から大きくずれて異常になったと判断される場合、初期値算出手段としての機能により、バッテリの開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして作成された残存容量ＳＯＣｖのテーブル（後述する図１０の残存容量テーブル）を、開放電圧Ｖｏに代えて端子電圧Ｖを用いて参照し、テーブルから得られる残存容量ＳＯＣｖを、合成後の残存容量ＳＯＣとして近似的に用いる。そして、以後、この近似的な残存容量ＳＯＣをベース値（初期値）として電流積算の残存容量ＳＯＣｃを算出し、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖと合成する処理を続行することにより、ＨＥＶ制御に悪影響を与えない程度の時間で真値へ収束させることが可能となる。

次に、以上のＳＯＣ推定アルゴリズムに従った残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算及び合成処理、外乱に対する自己復帰及び異常時処理について、図７のフローチャートを用いて説明する。

図７のフローチャートは、電源ユニット１の演算ＥＣＵ３におけるバッテリ残存容量推定の基本的な処理を示すものであり、同図においては、説明の都合上、電流積算による残存容量ＳＯＣｃの演算に続いて開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖの演算を行うようにしているが、実際には、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算は、並行して実行される。

図７のバッテリ残存容量推定処理は、所定時間毎（例えば、０．１ｓｅｃ毎）に実行され、先ず、ステップＳ１において、バッテリ２の端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔ、及び、前回の演算処理時に推定・合成した残存容量ＳＯＣ(t-1)のデータ入力の有無を調べる。尚、端子電圧Ｖは複数の電池パックの平均値、電流Ｉは複数の電池パックの電流の総和を取り、それぞれ、例えば０．１ｓｅｃ毎にデータを取得するものとする。また、温度Ｔは、例えば１０ｓｅｃ毎に取得するものとする。

その結果、ステップＳ１において新たなデータ入力がない場合には、そのまま本処理を抜け、新たなデータ入力がある場合、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで、１演算周期前に推定した残存容量ＳＯＣ(t-1)は正常であるか否かを判定する。残存容量ＳＯＣ(t-1)が正常であるか否かは、例えば、通常の残存容量ＳＯＣの範囲が４０〜８０％の範囲内であるのに対し、１５％といったように極端に外れた値である場合、本ＳＯＣ推定アルゴリズムによる本来の収束性を満足しない場合、バッテリの端子電圧Ｖと開放電圧Ｖｏとが大きく異なる場合等、残存容量ＳＯＣ(t-1)の値が整合性を有する否かによって判定することができる。

本形態においては、バッテリ２の端子電圧Ｖと、バッテリの開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして作成された残存容量ＳＯＣｖのテーブルに残存容量ＳＯＣ(t-1)を適用して得られる電圧（開放電圧Ｖｏ）との差によって判定し、この電圧の差が一定時間内に設定値以下に縮まらない場合や、予め規定した上限値をオーバーする状態が設定時間以上継続した場合には、残存容量ＳＯＣ(t-1)は正常でないと判定する。

そして、ステップＳ２における判定の結果、残存容量ＳＯＣ(t-1)が正常である場合には、ステップＳ２からステップＳ３以降の演算処理を実行し、残存容量ＳＯＣ(t-1)が異常である場合には、ステップＳ２からステップＳ１０以降の自己復帰・異常時処理を実行する。

先ず、残存容量ＳＯＣ(t-1)が正常である場合のステップＳ３以降の処理について説明する。ステップＳ３では、バッテリ電流容量を、図８に示す電流容量テーブルを参照して演算する。この電流容量テーブルは、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、１つの電池パック内の所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納したものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出する。

次に、ステップＳ４へ進み、電流容量テーブルから求めた電流容量Ａｈ、電流Ｉの入力値、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を用い、前述の（２）式に従って、電流積算による残存容量ＳＯＣｃ(t)を算出する。更に、ステップＳ５において、電流Ｉを移動平均して単位時間当りの電流変化率ΔＩ／Δｔを取得する。この移動平均は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均する。

続くステップＳ６では、バッテリ等価回路のインピーダンスＺを、図９に示すインピーダンステーブルを参照して演算し、得られたインピーダンスＺからバッテリ２の開放電圧Ｖｏを推定する。このインピーダンステーブルは、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ｋΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したものであり、概略的には、補正後電流変化率ｋΔＩ／Δｔが同じ場合には、温度Ｔが低くなる程、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ｋΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。

その後、ステップＳ７へ進み、電圧−ＳＯＣ特性の演算を行い、残存容量ＳＯＣｖを算出する。すなわち、温度Ｔと推定した開放電圧Ｖｏとをパラメータとして、図１０に示す残存容量テーブルを参照し、残存容量ＳＯＣｖを算出する。この残存容量テーブルは、前述したように、ネルンストの式に基づいてバッテリ内の電気化学的な状態を把握して作成したテーブルであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。

尚、図９，１０においては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。

その後、ステップＳ８へ進み、図１１に示すウェイトテーブルを参照してウェイトｗを算出する。ウェイトテーブルは、補正後電流変化率ｋΔＩ／Δｔをパラメータとする一次元テーブルであり、概略的には、補正後電流変化率ｋΔＩ／Δｔが小さくなる程、すなわち、バッテリ負荷変動が小さい程、ウェイトｗの値を小さくして電流積算による残存容量ＳＯＣｃの重みを小さくする傾向を有している。そして、ステップＳ９において、前述の（１）式に従って、電流積算による残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとをウェイトｗを用いて重み付けして最終的な残存容量ＳＯＣ(t)を合成して算出し、１サイクルの本演算処理を終了する。

一方、１演算周期前の残存容量ＳＯＣ(t-1)が正常でないと判定され、ステップＳ２からステップＳ１０へ進んだ場合の自己復帰・異常時処理では、ステップＳ１０において、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖとの差が基準値以内（例えば、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの差が瞬時で１０％程度以内）にあるか否かを判定する。これは、外乱による一時的な異常と、電圧センサ４，電流センサ５，温度センサ６等の故障による回復不能な異常とを識別するための判定であり、残存容量の差が一定時間内に基準値以下に縮まらない場合や、基準値をオーバーする状態が設定時間以上継続した場合には、センサ故障等による異常と判定し、それ以外の場合には、外乱による異常と判定する。

センサ故障等による異常であると判定された場合には、ステップＳ１０からステップＳ１１へ進み、演算ＥＣＵ３からのフェール出力をＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０に送信する。センサ故障時には、演算ＥＣＵ３は、ある程度の精度で可能な限り残存容量ＳＯＣの演算を継続し、修理工場に入庫する等の走行、リンプホームを可能として安全を確保する。

例えば、電圧センサ４と電流センサ５との何れか一方が故障し、温度センサ６が正常の場合には、開放電圧の推定に基づく残存容量ＳＯＣｖと電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃとのうち、センサ故障により正常にデータを得られない方の演算を停止すると共に、ウェイトｗを“０”或いは“１”に固定して正常なデータに基づいて演算した残存容量を合成後の残存容量ＳＯＣとすることにより、ある程度の精度を確保することができる。

また、温度センサ６が故障し、電圧センサ４及び電流センサ５の双方が正常である場合には、バッテリの内部インピーダンスＺが温度に依存して変化することから、電圧Ｖと電流Ｉとに基づいて簡易的に内部インピーダンスＺを算出し、インピーダンステーブル（図９参照）を用いて温度Ｔを推定する。そして、推定した温度を、残存容量ＳＯＣｖ,ＳＯＣｃの各演算における温度の演算パラメータ−として用いることで、正常時と同様の演算を行なうことにより、ある程度の精度を確保することができる。

また、ステップＳ１０において、外乱による異常と判定された場合には、ステップＳ１０からステップＳ１２へ進み、バッテリ２の端子電圧Ｖによって残存容量ＳＯＣの近似値を算出可能か否かを、電流変化率ΔＩ／Δｔや運転状態を表すＨＥＶ制御情報等から判断する。すなわち、モータ１５の突入電流が発生するといったようなバッテリ２の負荷変動が激しい状態では、端子電圧Ｖによってバッテリ状態を正確に把握することが困難であるため、このような負荷変動の激しい状態を電流変化率ΔＩ／ΔｔやＨＥＶ制御情報等から判断して避け、残存容量ＳＯＣの近似値を算出するようにする。

その結果、端子電圧Ｖによる近似的な残存容量ＳＯＣの算出が可能と判定された場合には、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進み、図１０の残存容量テーブルを、バッテリ温度Ｔと開放電圧Ｖｏとに代えてバッテリ温度Ｔと端子電圧Ｖとを用いて参照し、テーブルから得られる残存容量ＳＯＣｖを近似的な残存容量ＳＯＣとして求める。そして、ステップＳ１３から上述したステップＳ３以後の演算処理へ進み、近似的な残存容量ＳＯＣをベース値（初期値）として算出した電流積算の残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖとをウェイトｗを用いて合成することにより、外乱に対する自己復帰を行う。

また、ステップＳ１２において、バッテリの負荷変動が激しく、バッテリの端子電圧Ｖを用いた演算は不可と判定された場合には、ステップＳ１２からステップＳ１４へ進み、残存容量ＳＯＣの値を、中間値である５０％に強制的に設定して出力する。そして、ステップＳ１４から上述したステップＳ３以後の演算処理へ進み、強制的に中間値（５０％）とした残存容量ＳＯＣをベース値（初期値）として電流積算の残存容量ＳＯＣｃを算出し、この残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖとをウェイトｗを用いて合成することにより、合成の際の発散を確実に防止しつつ自己復帰を行う。

以上のように、電流積算による残存容量ＳＯＣｃと開放電圧の推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖとを用いて残存容量を演算する際に、バッテリの使用状況に応じて設定したウェイトｗを用いて互いの重み付けを最適化して演算精度を均一化することができる。しかも、演算結果が異常となった場合にも速やかに真値への収束を図ることができ、常時、正確にバッテリ（蓄電デバイス）の残存容量を求めることができる。

ハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図 バッテリ残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図 等価回路モデルを示す回路図 電流の移動平均処理無しの場合の残存容量を示す説明図 電流の移動平均処理有りの場合の残存容量を示す説明図 実車走行時の残存容量演算結果を示す説明図 バッテリ残存容量推定処理のフローチャート 電流容量テーブルの説明図 インピーダンステーブルの説明図 残存容量テーブルの説明図 ウェイトテーブルの説明図

符号の説明

１ 電源ユニット
２ バッテリ
３ 演算ユニット（第１，第２，第３の演算手段、電流積算初期値算出手段）
ＳＯＣｃ 残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ 残存容量（第２の残存容量）
ＳＯＣ 残存容量（第３の残存容量）
Ｉ 充放電電流
Ｖ 端子電圧
Ｖｏ 開放電圧
Ｚ インピーダンス
ｗ ウェイト
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (3)

1. 蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づいて第１の残存容量を算出する第１の演算手段と、
   上記蓄電デバイスの内部インピーダンスから推定した開放電圧に基づいて第２の残存容量を算出する第２の演算手段と、
   上記第１の残存容量と上記第２の残存容量とを上記蓄電デバイスの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成した第３の残存容量を、上記蓄電デバイスの最終的な残存容量として算出する第３の演算手段と、
   上記第３の残存容量が異常のとき、上記蓄電デバイスの端子電圧に基づいて上記第３の残存容量の近似値を算出し、この近似値を上記第１の残存容量を算出する際の電流積算の初期値とする電流積算初期値算出手段とを備え、
   上記電流積算初期値算出手段は、
   上記蓄電デバイスの端子電圧と開放電圧との差に基づいて上記第３の残存容量が異常か否かを判断することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
2. 上記電流積算初期値算出手段は、
   更に、上記第１の残存容量と上記第２の残存容量との差に基づいて外乱による異常と故障による異常とを識別することを特徴とする請求項１記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置。
3. 上記電流積算初期値算出手段は、
   上記第３の残存容量が外乱による異常と識別された状態で上記近似値を算出不可のとき、上記第３の残存容量の中間値を上記初期値として算出することを特徴とする請求項２記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置。

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