JP7700719B2 - 電池残量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池の残量を推定する装置に関する。

従来、電圧検出部により検出される２次電池の電圧の変化量が極大値となる特異点が出現した時に、その時の２次電池の残存容量を特異点に対応した残存容量と推定する装置がある（特許文献１参照）。

特開２０１４－１６７４５７号公報

ところで、２次電池の充電時に上記特異点を検出する場合、充電前の２次電池の放電状態によっては特異点が出現した時の残存容量（残量）が特異点に対応した残存容量から乖離することに、本願発明者は着目した。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、２次電池の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の２次電池の特定残量に基づいて、２次電池の残量を推定する電池残量推定装置において、２次電池の残量を推定する精度を向上させることにある。

上記課題を解決するための第１の手段は、
２次電池（４１）の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の前記２次電池の特定残量に基づいて、前記２次電池の残量を推定する電池残量推定装置（５０）であって、
前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記２次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部（５２）と、
前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記２次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の前記２次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する推定部（５３）と、
を備える。

上記構成によれば、電池残量推定装置は、２次電池の残量に相関する所定パラメータが特異な変化をする時の前記２次電池の特定残量に基づいて、前記２次電池の残量を推定する。

ここで、本願発明者は、２次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くなると、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離することに着目した。この点、判定部は、前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記２次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量（以下、「充電前放電での残量変化量」という）が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する。このため、判定部は、前記２次電池の充電を開始する時までの所定期間における放電時の前記残量の変化量に基づいて、２次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。

そして、推定部は、前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記２次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をした時に、その時の前記２次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する。このため、２次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くない状態で、充電中に所定パラメータが特異な変化をした時の残量を特定残量に基づいて推定することができる。したがって、２次電池の残量を推定する精度を向上させることができる。

第２の手段では、前記２次電池の残量は、電流と時間との積で表される前記２次電池の残容量、又は前記２次電池の満容量に対する残容量の比率を表す充電率である。

上記構成によれば、電流と時間との積で表される前記２次電池の残容量、又は前記２次電池の満容量に対する残容量の比率を表す充電率を用いて、２次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。

２次電池の内部には抵抗の高い部分と低い部分とがあり、充放電を行うと抵抗の低い部分に電流が集中して部分的に容量（蓄電量）の高い部分と低い部分とが生じる（容量ムラが発生する）。そして、容量ムラが発生した状態では、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離することに、本願発明者は着目した。容量ムラは、２次電池の残量に対する所定パラメータの変化率が所定変化率よりも高い高変化率部分を越えると解消しやすく、反対に２次電池の残量に対する所定パラメータの変化率が所定変化率以下である低変化率部分では解消しにくい。このため、低変化率部分での放電が長くなるほど容量ムラが発生しやすくなり、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離しやすくなる。

この点、第３の手段では、前記所定変化量は、前記２次電池の残量が前記特定残量よりも少ない範囲に存在する、前記２次電池の残量に対する前記所定パラメータの変化率が所定変化率以下である低変化率部分の幅に対応する前記２次電池の前記残量以下に設定されている。このため、２次電池を放電する際に残量が特定残量よりも少なくなってからの放電量が、低変化率部分の幅に対応する前記２次電池の前記残量以下の状態で、前記２次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定することができる。したがって、充電中に所定パラメータが特異な変化をする時の残量が特定残量から乖離することを抑制することができ、２次電池の残量を推定する精度が低下することを抑制することができる。

容量ムラは、２次電池の温度が高いほど解消しやすく、２次電池の温度が低いほど解消しにくい。

この点、第４の手段では、前記所定変化量は、前記２次電池の温度が低いほど、少ない変化量に設定される。こうした構成によれば、前記２次電池の温度が低いほど、充電前放電での残量変化量が少ないことを、上記所定条件として要求することができる。したがって、２次電池の温度が低い場合であっても、２次電池の残量を推定する精度が低下することを抑制することができる。

容量ムラは、放電速度が所定放電速度よりも低い状態（２次電池が放電されていない状態を含む）で維持された時間が長いほど解消しやすく、放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間が短いほど解消しにくい。

この点、第５の手段では、前記所定変化量は、前記２次電池の充電を開始する時までに放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間（以下、「低放電時間」という）が短いほど、少ない変化量に設定される。こうした構成によれば、前記２次電池の充電を開始する時までに低放電時間が短いほど、充電前放電での残量変化量が少ないことを、上記所定条件として要求することができる。したがって、前記２次電池の充電を開始する時までに低放電時間が短い場合であっても、２次電池の残量を推定する精度が低下することを抑制することができる。

２次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧は、２次電池の残量が上記特定残量を跨ぐ際に大きく変化することに、本願発明者は着目した。

この点、第６の手段では、前記所定パラメータは、前記２次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、前記判定部は、前記開回路電圧が所定電圧よりも高い場合に前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多いと判定し、前記開回路電圧が前記所定電圧よりも低い場合に前記２次電池の残量が前記特定残量よりも少ないと判定する。こうした構成によれば、開回路電圧を用いて、前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多いか少ないかを容易に判定することができる。

２次電池の残量が上記特定残量を挟んで少ない側と多い側とに、２次電池の残量に対する開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分が存在することに、本願発明者は着目した。

この点、第７の手段では、前記２次電池には、前記２次電池の残量に対する前記開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分が２つ存在し、前記所定電圧は、２つの前記低変化率部分にそれぞれ対応する前記開回路電圧の間に設定されている。こうした構成によれば、開回路電圧を用いて、前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。

第８の手段では、前記特定残量は、２つの前記低変化率部分の間に対応する残量である。

上記構成によれば、２つの前記低変化率部分に基づいて、特定残量を高精度に規定することができる。

２次電池が、黒鉛を含む負極を有するリチウムイオン電池である場合、リチウムイオンは黒鉛の層状構造の層間に吸蔵される。２次電池は、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に存在する、リチウムイオンが吸蔵されていない層間の数に応じて負極のステージが変化し、２次電池の残量に応じてステージ及び開回路電圧が変化する。そして、上記特定残量は特定のステージと相関することに、本願発明者は着目した。

この点、第９の手段では、前記２次電池は、黒鉛を含む負極を有するリチウムイオン電池であり、前記リチウムイオンは前記黒鉛の層状構造の層間に吸蔵され、各層間に前記リチウムイオンが吸蔵されたステージ１、前記リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が１つ存在するステージ２、前記リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が２つ存在するステージ３、及び前記リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が３つ存在するステージ４に変化し、前記所定電圧は、前記ステージ３と前記ステージ２とが共存する領域に対応する前記開回路電圧と、前記ステージ２と前記ステージ１とが共存する領域に対応する前記開回路電圧との間に設定されている。こうした構成によれば、２次電池の負極のステージと開回路電圧と特定残量との関係を用いて、前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。

第１０の手段では、前記特定残量は、前記ステージ３と前記ステージ２とが共存する領域と、前記ステージ２と前記ステージ１とが共存する領域との間に対応する残量である。

上記構成によれば、２次電池の負極のステージに基づいて、特定残量を高精度に規定することができる。

具体的には、第１１の手段のように、前記所定パラメータは、前記２次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、前記判定部は、前記開回路電圧に基づいて、前記２次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する、といった構成を採用することができる。

２次電池の残量に対するインピーダンスの変化率は、２次電池の残量が上記特定残量を跨ぐ際に大きく変化することに、本願発明者は着目した。

この点、第１２の手段では、前記所定パラメータは、前記２次電池のインピーダンスであり、前記判定部は、前記２次電池の残量に対するインピーダンスの変化率に基づいて、前記２次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する。こうした構成によれば、２次電池の残量に対するインピーダンスの変化率を用いて、前記２次電池の充電中に前記所定パラメータが特異な変化をしたことを高精度に判定することができる。

具体的には、第１３の手段のように、第６の手段において、前記２次電池は、リチウム、鉄、及びリンを含む正極を有するリチウムイオン電池である、といった構成を採用することができる。

バッテリ制御装置の構成を示す回路図。 初期及び劣化後の電池容量とＯＣＶとの関係を示すグラフ。 容量Ａに対応する電圧変化率の極大値がずれる態様を示すグラフ。 リチウムイオン電池の容量ムラを示す模式図。 容量ムラが発生しやすい領域を示すグラフ。 リチウムイオン電池の状態と容量Ａの検出精度との関係を示す模式図。 容量Ａの検出に適した放電状態を示す模式図。 容量Ａの検出条件を示す図。 容量Ａ検出及びＳＯＨ更新の手順を示すフローチャート。 ＯＣＶの算出方法の一例を示すグラフ。 ＯＣＶの算出方法の一例を示すグラフ。 負極の各ステージを示す模式図。 負極のステージとＯＣＶと容量Ａとの関係を示すグラフ。 電流積算値の大きさを判定する所定値ａを示すグラフ。 電流積算値と電圧との関係を示すグラフ。 電圧の微分値の極大値に基づき容量Ａを検出する態様を示すグラフ。 容量Ａ検出及びＳＯＨ更新の態様を示すタイムチャート。 電池の容量を判定する所定電圧の変更例を示すグラフ。 電流積算値とインピーダンスの実部との関係を示すグラフ。 インピーダンスの実部の微分値に基づき容量Ａを検出する態様を示すグラフ。 容量Ａ検出許可フラグの設定の変更例の手順を示すフローチャート。 電池温度と所定値との関係を示す表。 電流積算値の算出の変更例を示すタイムチャート。

（第１実施形態）
以下、電気自動車に搭載されるバッテリ制御装置に具現化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、バッテリ制御装置１００は、バッテリ４０の容量や充放電状態を監視する装置である。バッテリ４０は、充放電可能なリチウムイオン電池であり、具体的には、複数のリチウムイオン電池４１が直列接続された組電池である。本実施形態では、リチウムイオン電池４１（２次電池）として、正極活物質にリン酸鉄リチウム（リチウム、鉄、及びリンを含む）、負極活物質にグラファイト（黒鉛）を使用したものが用いられている。

バッテリ４０は、インバータ２０を介して、回転電機１０に接続されている。回転電機１０は、バッテリ４０との間で電力の入出力を行うものであり、力行時には、バッテリ４０から供給される電力により車両に推進力を付与し、回生時には、車両の減速エネルギーを用いて発電を行い、バッテリ４０に電力を出力する。

バッテリ制御装置１００は、電圧センサ３０と、電流センサ３１と、第１～第４リレースイッチ３２～３５と、電池監視装置としてのＢＭＵ（Battery Management Unit）５０と、を備えている。

電圧センサ３０は、バッテリ４０を構成するリチウムイオン電池４１それぞれの端子間電圧を検出し、これらの端子間電圧を合計したバッテリ電圧ＶＢを検出する。電流センサ３１は、バッテリ４０とインバータ２０とを接続する接続線ＬＣ上に設けられており、バッテリ４０に対して流入及び流出する電流である充放電電流ＩＳの大きさと向きを検出する。各センサの検出値は、ＢＭＵ５０に入力される。

バッテリ４０は、第１，第２外部充電端子ＴＡ，ＴＢを介して車外充電器２００に接続可能に構成されている。車外充電器２００は、例えばＤＣ急速充電器である。バッテリ４０は、第１，第２外部充電端子ＴＡ，ＴＢに車外充電器２００が接続されると、車外充電器２００から入力される高圧の直流電力により定電流充電又は定電圧充電される。

第１，第２外部充電端子ＴＡ，ＴＢは、第１，第２充電経路ＬＡ，ＬＢを介して接続線ＬＣに接続されている。具体的には、第１外部充電端子ＴＡは、第１充電経路ＬＡを介して、接続線ＬＣにおけるバッテリ４０の正極端子とインバータ２０との間の第１接点ＰＡに接続されている。第２外部充電端子ＴＢは、第２充電経路ＬＢを介して、接続線ＬＣにおけるバッテリ４０の負極端子とインバータ２０との間の第２接点ＰＢに接続されている。

第１リレースイッチ３２は、接続線ＬＣにおける第１接点ＰＡとインバータ２０との間に設けられており、第２リレースイッチ３３は、接続線ＬＣにおける第２接点ＰＢとインバータ２０との間に設けられている。第１，第２リレースイッチ３２，３３は、バッテリ４０と回転電機１０との接続状態を切り替える。また、第３リレースイッチ３４は、第１充電経路ＬＡに設けられており、第４リレースイッチ３５は、第２充電経路ＬＢに設けられている。第３，第４リレースイッチ３４，３５は、バッテリ４０と車外充電器２００との接続状態を切り替える。

ＢＭＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェースなどから構成される制御装置である。ＢＭＵ５０は、各センサから入力された検出値に基づいて、リチウムイオン電池４１（バッテリ４０）の容量を算出する。ＢＭＵ５０は、算出されたリチウムイオン電池４１の容量に基づいて、リチウムイオン電池４１の劣化状態を示すＳＯＨ（State Of Health）を算出する。ＳＯＨ［％］は、リチウムイオン電池４１の（現在の満容量／新品の満容量）×１００で表され、新品のリチウムイオン電池４１の満容量に対する現在のリチウムイオン電池４１の満容量の比率を表す。ＢＭＵ５０は、後述する判定部５２及び推定部５３を備えている。なお、判定部５２及び推定部５３により、電池残量推定装置が構成されている。

また、ＢＭＵ５０は、第１～第４リレースイッチ３２～３５に接続されており、バッテリ４０の容量に基づいて、第１～第４リレースイッチ３２～３５の接続状態を切り替える。さらに、ＢＭＵ５０は、車載ネットワークインタフェース５１を介して、走行制御ＥＣＵ７０と通信可能に接続されており、バッテリ４０の容量に基づいて回転電機１０を制御する指令を走行制御ＥＣＵ７０に出力する。走行制御ＥＣＵ７０は、ＢＭＵ５０からの指令に基づき、回転電機１０の制御量をその指令に従って制御すべく、インバータ２０を制御する。制御量は、例えばトルクである。

ところで、リチウムイオン電池４１（バッテリ４０）の容量を算出する方法として、リチウムイオン電池４１の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）と開回路電圧ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）との相関関係を示すＳＯＣ－ＯＣＶ特性を用いる方法が知られている。開回路電圧ＯＣＶは、リチウムイオン電池４１に負荷をかけていない状態（リチウムイオン電池４１の回路を開いた状態）における両端子間の電圧である。なお、ＳＯＣ（充電率）［％］は、リチウムイオン電池４１の（残容量／満容量）×１００で表され、リチウムイオン電池４１の満容量に対する残容量の比率を表す。

本実施形態では、バッテリ４０を構成するリチウムイオン電池４１として、正極活物質にリン酸鉄リチウム、負極活物質にグラファイト（黒鉛）を使用したものを用いている。これらの活物質を用いたリチウムイオン電池４１では、ＳＯＣ（又は電池容量）の広い範囲で開回路電圧ＯＣＶが安定しており、ＳＯＣの変化に伴う開回路電圧ＯＣＶの変化が小さい領域、すなわちプラトー領域ＰＲを有する。プラトー領域ＰＲ（低変化率部分）は、リチウムイオン電池４１の容量（残量）に対する開回路電圧ＯＣＶ（所定パラメータ）の変化率が所定変化率以下である。プラトー領域ＰＲでは、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性を用いてリチウムイオン電池４１のＳＯＣを算出し、容量を算出することが難しい。

図２は、初期及び劣化後のリチウムイオン電池４１の容量ＱとＯＣＶとの関係を示すグラフである。プラトー領域ＰＲ１とプラトー領域ＰＲ２１，ＰＲ２２との間において、リチウムイオン電池４１の容量に対する開回路電圧ＯＣＶの変化率Ｒｖが、プラトー領域ＰＲ１，ＰＲ２１，ＰＲ２２における変化率Ｒｖよりも大きくなる。詳しくは、プラトー領域ＰＲ１とプラトー領域ＰＲ２１，ＰＲ２２との間において、容量Ａで変化率Ｒｖが極大値をとる（図３の破線参照）。さらに、変化率Ｒｖが極大値をとる時のリチウムイオン電池４１の容量Ａ（特定残量）は、初期のリチウムイオン電池４１と劣化後のリチウムイオン電池４１とでほぼ同一である。このため、変化率Ｒｖが極大値をとった時に、その時のリチウムイオン電池４１の容量を容量Ａであると推定することができる。容量Ａは、リチウムイオン電池４１の負極の構造変化により定まる容量であり、その詳細については後述する。

ここで、本願発明者は、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が多くなると、充電中にＯＣＶの変化率Ｒｖが極大値をとる（特異な変化をする）時の容量が容量Ａから乖離することに着目した。図３は、容量Ａに対応する変化率Ｒｖの極大値がずれる態様を示すグラフである。同図は、リチウムイオン電池４１を容量０付近まで放電させた後に充電した例を示しており、変化率Ｒｖの極大値をとる時の容量が容量Ａから低容量側へずれている。この場合に、変化率Ｒｖが極大値をとった時のリチウムイオン電池４１の容量を容量Ａと推定すると、推定した容量が正しい容量からずれることとなる。

図４は、リチウムイオン電池４１の容量ムラを示す模式図である。同図の左に示すように、リチウムイオン電池４１を充放電しない状態（充放電速度が所定速度よりも低い状態）で長時間放置すると、リチウムイオン電池４１の内部の容量は均一になる。

続いて、リチウムイオン電池４１を充放電すると、同図の中に示すように、リチウムイオン電池４１の内部に容量の高い部分と低い部分とが生じる（容量ムラが発生する）。容量ムラが発生する原因は、リチウムイオン電池４１の内部には抵抗の高い部分と低い部分とがあり、充放電を行うと抵抗の低い部分に電流が集中することによる。

その後、リチウムイオン電池４１を充放電しない状態で放置すると、同図の右に示すように、放置時間が長くなるにつれてリチウムイオン電池４１の内部の容量は均一になる。

図５は、容量ムラが発生しやすい領域を示すグラフである。容量ムラは、充放電中において、リチウムイオン電池４１の容量に対するＯＣＶの変化率Ｒｖが高いほど解消しやすく、低いほど解消しにくい。すなわち、容量ムラは、充放電中において、リチウムイオン電池４１の容量に対するＯＣＶの変化率Ｒｖが所定変化率よりも高い高変化率部分を越えると解消しやすく、反対にリチウムイオン電池４１の容量に対するＯＣＶの変化率Ｒｖのが所定変化率以下である低変化率部分では解消しにくい。このため、同図にハッチングで示すプラトー領域ＰＲ１，ＰＲ２での放電が長くなるほど、容量ムラが発生しやすくなる。そして、リチウムイオン電池４１に容量ムラが発生した状態では、充電中に変化率Ｒｖが極大値をとる時の容量が容量Ａから乖離することに、本願発明者は着目した。

図６は、リチウムイオン電池４１の状態と容量Ａの検出精度との関係を示す模式図である。なお、同図は、リチウムイオン電池４１の状態を模式的に表したもの（イメージ図）であり、必ずしもリチウムイオン電池４１の状態を正確に表すものではない。充電開始時にリチウムイオン電池４１に容量ムラが生じていると、容量Ａの検出誤差が大きくなる。また、充電開始時の容量が容量Ａから離れているほど、容量Ａの検出誤差が大きくなる。このため、リチウムイオン電池４１に容量ムラが発生していない状態で、容量Ａに近い容量から充電を行うと、容量Ａを高精度に検出することができる。

図７は、容量Ａの検出に適した放電状態を示す模式図である。なお、同図は、リチウムイオン電池４１の状態を模式的に表したもの（イメージ図）であり、必ずしもリチウムイオン電池４１の状態を正確に表すものではない。放電時に、リチウムイオン電池４１の容量に対するＯＣＶの変化率Ｒｖが高いＯＣＶ変化部（高変化率部分）を越えると、容量ムラは解消しやすい。そこで、容量Ａからの放電量が少ない場合に、容量ムラが発生しにくく、充電中の容量Ａの検出に適した状態となる。

図８は、容量Ａの検出条件を示す図である。上記を踏まえて、ＢＭＵ５０は、以下の３条件を満たす場合に、充電中に容量Ａを検出（推定）する。

条件１．放電開始時のリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも高容量側であること、
条件２．放電終了までの放電量が小さいこと、
条件３．放電終了時のリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも低容量側であること。

図９は、容量Ａ検出及びＳＯＨ更新の手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、ＢＭＵ５０によって実行される。

まず、ＯＣＶを取得可能であるか否か判定する（Ｓ１０）。詳しくは、電気自動車が休止状態において走行開始時又は充電開始時にＯＣＶを取得可能であると判定し、それ以外の場合にＯＣＶを取得不能であると判定する。この判定において、ＯＣＶを取得可能でないと判定した場合（Ｓ１０：ＮＯ）、電流と時間とを積算して電流積算値を算出する（Ｓ１８）。

続いて、電流積算値が所定値ａよりも大きいか否か判定する（Ｓ１９）。図１４に示すように、所定値ａは、プラトー領域ＰＲ１の幅に対応する容量以下に設定されており、例えばプラトー領域ＰＲ１の幅に対応する容量の半分や２／３を採用することができる。この判定において、電流積算値が所定値ａよりも大きいと判定した場合（Ｓ１９：ＹＥＳ）、容量Ａ検出許可フラグをＯＦＦにする（Ｓ２０）。容量Ａ検出許可フラグは、容量Ａの検出を許可する場合にＯＮになり、許可しない場合にＯＦＦになるフラグである。一方、この判定において、電流積算値が所定値ａよりも大きくないと判定した場合（Ｓ１９：ＮＯ）、Ｓ２１の処理へ進む。

また、Ｓ１０の判定において、ＯＣＶを取得可能であると判定した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、バッテリ４０に電流が流れていない状態で現在のＯＣＶであるＯＣＶ（ｎ）を電圧センサ３０により検出（算出）する（Ｓ１１）。なお、図１０に示すように、電気自動車の走行中に電流と電圧とを検出し、電流０における電圧の切片をＯＣＶとすることもできる。また、図１１に示すように、電気自動車の走行中に電圧センサ３０により検出した電圧（ＣＣＶ：Closed Circuit Voltage）に、リチウムイオン電池４１の電流と抵抗との積を加算してＯＣＶとすることもできる。

続いて、検出したＯＣＶ（ｎ）から現在の容量領域（ｎ）を判定する（Ｓ１２）。

図１２に示すように、リチウムイオン電池４１では、リチウムイオンはグラファイト（黒鉛）の層状構造の層間に吸蔵される。リチウムイオン電池４１は、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に存在する、リチウムイオンが吸蔵されていない層間の数に応じて負極のステージが変化する。具体的には、ステージ１では、グラファイトの各層間にリチウムイオンが吸蔵されている。ステージ２では、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が１つ存在する。ステージ３では、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が２つ存在する。そして、ステージ４では、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が３つ存在する。

図１３は、負極のステージとＯＣＶと容量Ａとの関係を示すグラフである。ＯＣＶが大きく変化する（ＯＣＶの変化率が極大値をとる）容量Ａは、ステージ３とステージ２とが共存する領域と、ステージ２とステージ１とが共存する領域との間に対応している。ステージ３とステージ２とが共存する領域に対応するＯＣＶと、ステージ２とステージ１とが共存する領域に対応するＯＣＶとの間に、ハッチングで示すように所定電圧Ｖｊが設定されている。

図９に戻り、Ｓ１２の処理では、ＯＣＶ（ｎ）が所定電圧Ｖｊよりも高い場合に現在の容量領域（ｎ）が容量Ａよりも多いと判定し、ＯＣＶ（ｎ）が所定電圧Ｖｊよりも低い場合に現在の容量領域（ｎ）が容量Ａよりも少ないと判定する。

続いて、現在の容量領域（ｎ）が容量Ａ以上であるか否か判定する（Ｓ１３）。この判定において、現在の容量領域（ｎ）が容量Ａ以上であると判定した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、電流と時間との積算値である電流積算値を０にリセットする（Ｓ１４）。一方、この判定において、現在の容量領域（ｎ）が容量Ａ以上でないと判定した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、Ｓ１５の処理へ進む。

続いて、現在の容量領域（ｎ）が容量Ａ以下、且つ現在が充電開始タイミングであるか否か判定する（Ｓ１５）。具体的には、車外充電器２００により充電が開始された場合に、現在が充電開始タイミングであると判定する。この判定において、肯定判定した場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、電流積算値が所定値ａ以下であるか否か判定する（Ｓ１６）。所定値ａは、Ｓ１９の判定と共通である。なお、Ｓ１４の処理において電流積算値をリセットしてから充電開始までの期間が、所定期間に相当する。

Ｓ１６の判定において、電流積算値が所定値ａ以下であると判定した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、容量Ａ検出許可フラグをＯＮにする（Ｓ１７）。図１５に示すように、電流積算値は、Ｓ１４の処理でリセットされた後に増加し、それに伴ってリチウムイオン電池４１の電圧が上昇する。リチウムイオン電池４１の電圧は、ＯＣＶでもよいし、ＣＣＶでもよい。なお、Ｓ１５及びＳ１６の条件が所定条件に相当する。

一方、Ｓ１５の判定において、否定判定した場合（Ｓ１５：ＮＯ）、Ｓ２１の処理へ進む。

続いて、容量Ａ検出許可フラグがＯＮであり、且つバッテリ４０の充電中であり、且つ容量Ａの検出可能タイミングであるか否か判定する（Ｓ２１）。具体的には、図１６に示すように、電圧の電流積算値による微分値（リチウムイオン電池４１の容量に対する電圧の変化率、所定パラメータ）が極大値をとった時に、容量Ａの検出可能タイミングであると判定する。

Ｓ２１の判定において、肯定判定した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、電圧の微分値が極大値をとった時に、その時のリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａであると検出（推定）する（Ｓ２２）。すなわち、リチウムイオン電池４１の充電中に電圧の微分値が特異な変化をした時に、その時のリチウムイオン電池４１の容量を容量Ａに基づいて推定する。続いて、リチウムイオン電池４１の現在の容量を容量Ａに更新する（Ｓ２３）。一方、Ｓ２１の判定において、否定判定した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、Ｓ２４の処理へ進む。

続いて、容量Ａ検出許可フラグがＯＮであり、且つ充電が完了しているか否か判定する（Ｓ２４）。この判定において、肯定判定した場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ＳＯＨを算出しＳＯＨを更新する（Ｓ２５）。具体的には、リチウムイオン電池４１の現在の容量を容量Ａに更新した時から電流積算値を加算して、充電完了時の容量を現在の満容量として算出する。ＳＯＨ［％］＝リチウムイオン電池４１の（現在の満容量／新品の満容量）×１００の式により、現在のＳＯＨを算出する。そして、源左のＳＯＨを算出したＳＯＨに更新する。その後、この一連の処理を終了する（ＥＮＤ）。なお、この一連の処理は、各リチウムイオン電池４１について実行する。また、Ｓ１２～Ｓ１７の処理が判定部としての処理に相当し、Ｓ２１～Ｓ２３の処理が推定部としての処理に相当する。

図１７は、容量Ａ検出及びＳＯＨ更新の態様を示すタイムチャートである。

時刻ｔ１１よりも前において、電気自動車は休止状態であり、容量領域は不定であり、容量Ａ検出許可フラグはＯＦＦであり、リチウムイオン電池４１の容量は容量Ａよりも多い。

時刻ｔ１１において、電気自動車の休止状態から走行が開始されると、ＯＣＶ取得が許可される。そして、リチウムイオン電池４１のＯＣＶが取得され、容量領域が容量Ａ以上であると判定される。なお、容量領域は、この時点では容量領域（ｎ）であるが、次に容量領域が判定される（時刻ｔ１２）と１つ前の容量領域（ｎ－１）となる。また、電流積算値が０にリセットされる。なお、電流積算値は、放電時に正の値になり、充電時に負の値になる。

時刻ｔ１１～ｔ１２において、電気自動車が走行状態となり、電流積算値が増加し、リチウムイオン電池４１の容量が減少する。なお、回転電機１０により回生発電が行われた場合は、リチウムイオン電池４１の容量が増加する。その後、電気自動車が休止状態になる。

時刻ｔ１２において、電気自動車の休止状態からバッテリ４０の充電が開始されると、ＯＣＶ取得が許可される。そして、リチウムイオン電池４１のＯＣＶが取得され、現在の容量領域（ｎ）が容量Ａ以下であると判定される。さらに、電流積算値が所定値ａ以下であると判定され、容量Ａ検出許可フラグがＯＮにされる。

時刻ｔ１２～ｔ１３において、バッテリ４０が充電され、リチウムイオン電池４１の電圧の微分値が極大値をとった時に、容量Ａの検出可能タイミングであると判定される。そして、容量Ａが検出され、その時のリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａに更新される。

時刻ｔ１３において、充電が完了され、ＳＯＨの算出及びＳＯＨの更新が実行される。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・本願発明者は、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が多くなると、充電中にＯＣＶの変化率Ｒｖ（所定パラメータ）が特異な変化をする時の容量が容量Ａから乖離することに着目した。この点、判定部５２は、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、リチウムイオン電池４１の充電を開始する時までの所定期間における容量の変化量（以下、「充電前放電での容量変化量」という）が所定値ａ以下である、という所定条件を満たすことを判定する。このため、判定部５２は、リチウムイオン電池４１の充電を開始する時までの所定期間における放電時の容量の変化量に基づいて、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。

・推定部５３は、判定部５２により所定条件を満たすと判定された場合に、リチウムイオン電池４１の充電中にＯＣＶの変化率Ｒｖが特異な変化をした時に、その時のリチウムイオン電池４１の容量を容量Ａに基づいて推定する。このため、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が多くない状態で、充電中にＯＣＶの変化率Ｒｖが特異な変化をした時の容量を容量Ａに基づいて推定することができる。したがって、リチウムイオン電池４１の容量を推定する精度を向上させることができる。なお、充電中にＯＣＶの変化率Ｒｖが特異な変化をした時のリチウムイオン電池４１の容量を、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量に基づいて補正した容量Ａと推定することもできる。

・電流と時間との積で表される電流積算値（リチウムイオン電池４１の容量）を用いて、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が多くないことを判定することができる。

・所定値ａは、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも少ない範囲に存在する、リチウムイオン電池４１の容量に対するＯＣＶの変化率Ｒｖが所定変化率以下であるプラトー領域ＰＲ１（低変化率部分）の幅に対応するリチウムイオン電池４１の容量以下に設定されている。このため、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が、プラトー領域ＰＲ１の幅に対応するリチウムイオン電池４１の容量以下の状態で、リチウムイオン電池４１の容量を容量Ａに基づいて推定することができる。したがって、充電中にＯＣＶの変化率Ｒｖが特異な変化をする時の容量が容量Ａから乖離することを抑制することができ、リチウムイオン電池４１の容量を推定（検出）する精度が低下することを抑制することができる。

・所定パラメータは、リチウムイオン電池４１に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧ＯＣＶであり、判定部５２は、開回路電圧ＯＣＶが所定電圧Ｖｊよりも高い場合にリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも多いと判定し、開回路電圧ＯＣＶが所定電圧Ｖｊよりも低い場合にリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも少ないと判定する。こうした構成によれば、開回路電圧ＯＣＶを用いて、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも多いか少ないかを容易に判定することができる。

・リチウムイオン電池４１は、グラファイト（黒鉛）を含む負極を有するリチウムイオン電池であり、リチウムイオンはグラファイトの層状構造の層間に吸蔵され、各層間にリチウムイオンが吸蔵されたステージ１、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が１つ存在するステージ２、リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が２つ存在するステージ３、及びリチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間にリチウムイオンが吸蔵されていない層間が３つ存在するステージ４に変化する。所定電圧Ｖｊは、ステージ３とステージ２とが共存する領域に対応する開回路電圧ＯＣＶと、ステージ２とステージ１とが共存する領域に対応する開回路電圧ＯＣＶとの間に設定されている。こうした構成によれば、リチウムイオン電池４１の負極のステージと開回路電圧ＯＣＶと容量Ａとの関係を用いて、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。

・容量Ａは、ステージ３とステージ２とが共存する領域と、ステージ２とステージ１とが共存する領域との間に対応する容量である。上記構成によれば、リチウムイオン電池４１の負極のステージに基づいて、容量Ａを高精度に規定することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図１８に示すように、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａを挟んで少ない側と多い側とに、リチウムイオン電池４１の容量に対する開回路電圧ＯＣＶの変化率Ｒｖが所定変化率以下であるプラトー領域ＰＲ１，ＰＲ２（低変化率部分）が存在することに、本願発明者は着目した。

そこで、所定電圧Ｖｊを、プラトー領域ＰＲ１，ＰＲ２にそれぞれ対応する開回路電圧ＯＣＶの間に設定している。そして、この所定電圧Ｖｊを用いて、図９のＳ１２の判定を実行する。こうした構成によれば、開回路電圧ＯＣＶを用いて、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａよりも多いか少ないかを高精度に判定することができる。

そして、容量Ａを、プラトー領域ＰＲ１，ＰＲ２の間に対応する容量としている。上記構成によれば、プラトー領域ＰＲ１，ＰＲ２に基づいて、容量Ａを高精度に規定することができる。なお、電圧の変化率Ｒｖが極大値をとった時から、リチウムイオン電池４１を容量０まで放電させることにより、電圧の変化率Ｒｖが極大値をとった時に対応する容量Ａ（特定残量）を規定することもできる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図１９に示すように、リチウムイオン電池４１の容量に対するリチウムイオン電池４１のインピーダンスの実部Ｚｒｅ（インピーダンス）の変化率（傾き）は、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａを跨ぐ際に大きく変化することに、本願発明者は着目した。なお、交流電圧の振幅及び交流電流の振幅に基づいて、インピーダンスを算出することができる。

そこで、リチウムイオン電池４１の容量（残量）に相関する所定パラメータとして、リチウムイオン電池４１のインピーダンスの実部Ｚｒｅを採用する。そして、判定部５２は、リチウムイオン電池４１の容量に対するインピーダンスの実部Ｚｒｅの変化率に基づいて、リチウムイオン電池４１の充電中に所定パラメータが特異な変化をしたことを判定する。具体的には、図２０に示すように、インピーダンスの実部Ｚｒｅの電流積算値による微分値の変化量が所定値ｘ以上である場合に、所定パラメータが特異な変化をしたと判定する。そして、図９のＳ２２の処理において、インピーダンスの実部Ｚｒｅの微分値の変化量が所定値ｘ以上になった時に、その時のリチウムイオン電池４１の容量が容量Ａであると検出（推定）する。こうした構成によれば、リチウムイオン電池４１の容量に対するインピーダンスの実部Ｚｒｅの変化率を用いて、リチウムイオン電池４１の充電中に所定パラメータが特異な変化をしたことを高精度に判定することができる。

なお、リチウムイオン電池４１のインピーダンスの実部Ｚｒｅに代えて、インピーダンスの虚部Ｚｉｍや、インピーダンスの絶対値、インピーダンスの位相を用いることもできる。

なお、第１～第３実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。第１～第３実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・容量ムラは、リチウムイオン電池４１の温度が高いほど解消しやすく、リチウムイオン電池４１の温度が低いほど解消しにくい。そこで、図９のＳ１６及びＳ１９の処理において電流積算値の大きさを判定する所定値ａを、リチウムイオン電池４１の温度が低いほど、小さい値（少ない変化量）に設定してもよい。具体的には、図２１に示すように、Ｓ１５の処理とＳ１６の処理との間に、リチウムイオン電池４１の温度を取得するＳ１５Ａの処理と、取得した温度に基づき所定値ａを設定するＳ１５Ｂの処理とを挿入する。所定値ａは、図２２に示す表に基づいて設定する。こうした構成によれば、リチウムイオン電池４１の温度が低いほど、充電前放電での電流積算値が小さい（容量変化量が少ない）ことを要求することができる。したがって、リチウムイオン電池４１の温度が低い場合であっても、リチウムイオン電池４１の容量を検出（推定）する精度が低下することを抑制することができる。なお、リチウムイオン電池４１の温度は、リチウムイオン電池４１に取り付けた温度センサ等により測定してもよいし、気温センサにより測定された気温をリチウムイオン電池４１の温度として使用してもよい。また、電圧の変化率やインピーダンスの変化率（所定パラメータ）が特異な変化をした時のリチウムイオン電池４１の容量を、リチウムイオン電池４１の温度に基づいて補正した容量Ａと推定することもできる。

・容量ムラは、放電速度が所定放電速度よりも低い状態（リチウムイオン電池４１が放電されていない状態を含む）で維持された時間が長いほど解消しやすく、放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間が短いほど解消しにくい。そこで、所定値ａを、リチウムイオン電池４１の充電を開始する時までに放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間（以下、「低放電時間」という）が短いほど、小さい値（少ない変化量）に設定してもよい。こうした構成によれば、リチウムイオン電池４１の充電を開始する時までに低放電時間が短いほど、充電前放電での電流積算値が小さい（容量変化量が少ない）ことを要求することができる。したがって、リチウムイオン電池４１の充電を開始する時までに低放電時間が短い場合であっても、リチウムイオン電池４１の容量を検出（推定）する精度が低下することを抑制することができる。また、電圧の変化率やインピーダンスの変化率（所定パラメータ）が特異な変化をした時のリチウムイオン電池４１の容量を、低放電時間に基づいて補正した容量Ａと推定することもできる。

・リチウムイオン電池４１の充電を開始する時までの所定期間における電流積算値（容量の変化量）が所定値ａ（所定変化量）以下であるか判定する際に、所定期間を以下のように変更することもできる。図２３に示すように、リチウムイオン電池４１の容量が容量Ａを下回る直前の時刻ｔ３１から、容量Ａを下回った直後の時刻ｔ３２までの任意の時点から、充電開始まで期間を所定期間とすることができる。こうした構成によっても、リチウムイオン電池４１を放電する際に容量が容量Ａよりも少なくなってからの放電量が多くないことを、ある程度の精度で判定することができる。

・リチウムイオン電池４１の残量として、電流積算値に代えてＳＯＣを用いることもできる。そして、ＳＯＣを用いて、リチウムイオン電池４１の充電を開始するまでの所定期間における残量の変化量が所定変化量以下であることを判定することができる。また、ＳＯＣに対する電圧の変化率Ｒｖ（所定パラメータ）が極大値をとった（特異な変化をした）時に、その時のリチウムイオン電池４１の残量を特定ＳＯＣ（特定残量）と推定することができる。特定ＳＯＣは、容量Ａに対応するＳＯＣである。

・リチウムイオン電池４１として、正極活物質にＣｏ、Ｍｎ、Ｎｉの元素を含むリチウム含有金属酸化物を用いた３元系のリチウムイオン電池を採用することもできる。

４０…バッテリ、４１…リチウムイオン電池、５０…ＢＭＵ、５２…判定部、５３…推定部。

Claims (11)

1. ２次電池（４１）の残量に相関する所定パラメータとしての前記２次電池の開回路電圧の電流積算値による微分値が極大値をとった時、又は前記所定パラメータとしての前記２次電池のインピーダンスの実部（Ｚｒｅ）の電流積算値による微分値の変化量が所定値以上である時の前記２次電池の特定残量に基づいて、前記２次電池の残量を推定する電池残量推定装置（５０）であって、
   前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多い状態から少ない状態まで放電した際に、前記２次電池の充電を開始する時までの所定期間における前記残量の変化量が所定変化量以下である、という所定条件を満たすことを判定する判定部（５２）と、
   前記判定部により前記所定条件を満たすと判定された場合に、前記２次電池の充電中に前記開回路電圧の電流積算値による微分値が極大値をとった時に、又は、前記２次電池のインピーダンスの実部の電流積算値による微分値の変化量が所定値以上である時に、その時の前記２次電池の残量を前記特定残量に基づいて推定する推定部（５３）と、
   を備える電池残量推定装置。
2. 前記２次電池の残量は、電流と時間との積で表される前記２次電池の残容量、又は前記２次電池の満容量に対する残容量の比率を表す充電率である、請求項１に記載の電池残量推定装置。
3. 前記所定変化量は、前記２次電池の残量が前記特定残量よりも少ない範囲に存在する、前記２次電池の残量に対する前記開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分（ＰＲ１）の幅に対応する前記２次電池の前記残量以下に設定されている、請求項１又は２に記載の電池残量推定装置。
4. 前記所定変化量は、前記２次電池の温度が低いほど、少ない変化量に設定される、請求項１又は２に記載の電池残量推定装置。
5. 前記所定変化量は、前記２次電池の充電を開始する時までに放電速度が所定放電速度よりも低い状態で維持された時間が短いほど、少ない変化量に設定される、請求項１又は２に記載の電池残量推定装置。
6. 前記所定パラメータは、前記２次電池に負荷をかけていない状態における両端子間の電圧を表す開回路電圧であり、
   前記判定部は、前記開回路電圧が所定電圧よりも高い場合に前記２次電池の残量が前記特定残量よりも多いと判定し、前記開回路電圧が前記所定電圧よりも低い場合に前記２次電池の残量が前記特定残量よりも少ないと判定する、請求項１又は２に記載の電池残量推定装置。
7. 前記２次電池には、前記２次電池の残量に対する前記開回路電圧の変化率が所定変化率以下である低変化率部分（ＰＲ１，ＰＲ２）が２つ存在し、
   前記所定電圧は、２つの前記低変化率部分にそれぞれ対応する前記開回路電圧の間に設定されている、請求項６に記載の電池残量推定装置。
8. 前記特定残量は、２つの前記低変化率部分の間に対応する残量である、請求項７に記載の電池残量推定装置。
9. 前記２次電池は、黒鉛を含む負極を有するリチウムイオン電池であり、前記リチウムイオンは前記黒鉛の層状構造の層間に吸蔵され、各層間に前記リチウムイオンが吸蔵されたステージ１、前記リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が１つ存在するステージ２、前記リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が２つ存在するステージ３、及び前記リチウムイオンが吸蔵された２つの層間の間に前記リチウムイオンが吸蔵されていない層間が３つ存在するステージ４に変化し、
   前記所定電圧は、前記ステージ３と前記ステージ２とが共存する領域に対応する前記開回路電圧と、前記ステージ２と前記ステージ１とが共存する領域に対応する前記開回路電圧との間に設定されている、請求項６に記載の電池残量推定装置。
10. 前記特定残量は、前記ステージ３と前記ステージ２とが共存する領域と、前記ステージ２と前記ステージ１とが共存する領域との間に対応する残量である、請求項９に記載の電池残量推定装置。
11. 前記２次電池は、リチウム、鉄、及びリンを含む正極を有するリチウムイオン電池である、請求項６に記載の電池残量推定装置。

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