JP5511951B2

JP5511951B2 - 充電状態推定装置

Info

Publication number: JP5511951B2
Application number: JP2012519152A
Authority: JP
Inventors: 省二吉岡; 朗子田渕; 啓太畠中; 英俊北中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: MX2012012939A; RU2565339C2; EP2579059A4; US20130027047A1; BR112012027318A2; KR20120139818A; CN102918411B; EP2579059A1; EP2579059B1; US8975897B2; CN102918411A; WO2011155017A1; AU2010354957A1; RU2012155314A; KR101338639B1; AU2010354957B2; JPWO2011155017A1

Description

本発明は、充電と放電を繰り返し行う、例えばリチウムイオン二次電池等の電池の充電状態値（ＳＯＣ:State Of Charge）の推定を行う充電状態推定装置に関するものである。

自動車や鉄道車両システムにおいて、電池を電力バッファとして、車両運行時の駆動モータへの電力供給、減速または停止時の電気エネルギー回収を行う蓄電システムでは、車両運行時における電池の充電状態を正確に把握する必要がある。

従来、充電状態値を推定する方式としては、充放電電流値の積算値から計算する方式と、電池の開回路電圧から推定する方式が知られており、これらを併用する従来技術では、電池が充放電している際には電流積算から充電状態値を推定し、待機時には開回路電圧を推定することで充電状態値を推定するという方法が採用されていた（例えば下記特許文献１）。また、充電状態値は開回路電圧からは推定可能であるが、充放電を行っている閉回路において開回路電圧を予測する技術が必要となる。これについては、閉回路時の通電電流と電池電圧の測定値から、電池の等価回路モデルを用いて内部抵抗を算出する方法がある（例えば下記特許文献１、２、３）。

特開２００８−１９９７２３号公報特開平８−１４０２７０号公報特開２００３−７５５１８号公報

蓄電システムを搭載した鉄道車両などの走行可能距離は、充電状態値から推定されるため、蓄電システムにおける電池充電状態値の正確な把握は、機器の効率的運用を可能にする。直並列した多数の電池で構成される電力貯蔵装置の充電状態値を推定する場合、電力貯蔵装置を構成する電池すべての電圧、電流、充電状態値を測定または推定することが望ましい。そして、電池の充電状態は、一般に開回路電圧と一対一の関係にあるため、開回路電圧から推定することが可能である。

特許文献１は、開回路電圧の推定に際して電池の単純化した等価回路モデルを用いているが、開回路電圧を演算で求めるために、電圧、電流の他、温度、抵抗、静電容量などの制御情報と電池特性を表すパラメータの情報とを用いているが、定電圧制御と定電流制御とで同じ電池パラメータを利用しているため、すべての制御条件に対応できないという課題があった。

特許文献２、３についても同様に、測定電流と電圧から等価回路モデルを用いて開回路電圧から充電状態値を推定できるが、推定する充電状態値の精度に大きく影響する内部抵抗は、電流、電圧に対して非線形特性を示す拡散抵抗や電極反応抵抗で構成されるため、線形抵抗で記述された従来の等価回路モデルによる充電状態値の推定は困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電池の充電状態および劣化状態を精度よく推定することが可能な充電状態推定装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電池を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置の残存容量を示す充電状態値を推定する充電状態推定装置であって、電池容量と、前記充電状態推定値の前回値と、前記電力貯蔵装置の充放電量を制御する電流制御装置と前記電力貯蔵装置との間で流出入する電流値と、に基づいて演算した充電状態推定値の今回値を第１の充電状態推定値として算出する第１の演算部と、前記電力貯蔵装置を一定の電流で充電する定電流制御時には、前記電池の等価回路モデルと前記電池の電圧値とに基づいて演算した充電状態推定値を第２の充電状態推定値の今回値として算出する一方で、前記電力貯蔵装置を一定の電圧で充電する定電圧制御時には、前記電池の等価回路モデルと前記電池の電圧値とに基づいて、電池の抵抗変化を考慮して演算した充電状態推定値の今回値を第２の充電状態推定値として算出する第２の演算部と、前記第１の充電状態推定値を第２の充電状態推定値で定期的に補正する補正演算部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、通電時の温度、電流変化、電圧変化から電池の開回路電圧および充電状態を、定電圧制御時に非線形抵抗を含む等価回路モデルから推定するようにしたので、電池の充電状態および劣化状態を精度よく推定することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる充電状態推定装置が適用される電力貯蔵装置の構成図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる充電状態推定装置が適用される電力貯蔵システムの構成図である。図３は、本発明の実施の形態にかかる充電状態推定装置によるＳＯＣ推定処理を説明するためのフローチャートである。図４は、本実施の形態にかかる第１の演算部の構成図である。図５は、本実施の形態にかかる第２の演算に適用可能な蓄電デバイスの分布定数系等価回路モデルを示す図である。図６は、本実施の形態にかかる第２の演算に適用可能な蓄電デバイスの集中定数系等価回路モデルを示す図である。図７−１は、第２の演算部３１とデータバンク２０２との関係を示す図である。図７−２は、第２の演算部３１による第２の推定処理の動作を説明するための図である。図８−１は、劣化量算出部３５の構成を示すものである。図８−２は、電圧シミュレーション部２３１および抵抗／容量算出部２３２の動作を説明するための図である。図９は、抵抗とコンデンサの静電容量との積と、電池容量との関係を説明するための図である。図１０は、本実施の形態にかかる抵抗値算出部の動作を説明するための図である。図１１は、定電圧制御時における抵抗の変化を説明するための図である。図１２は、劣化した電池におけるＳＯＣ演算精度を示す図である。

以下に、本発明にかかる充電状態推定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる充電状態推定装置が適用される電力貯蔵装置１の構成図である。

電力貯蔵装置１は、ｋ個の単電池を直列に接続した電池モジュール１１−１〜１ｎ−ｍを有して構成されている。例えば、電池モジュール１１−１は、１列１番目の電池モジュールであり、単電池１−１〜１−ｋを直列接続したものである。以下同様に、電池モジュール１２−１は、１列２番目の電池モジュール、電池モジュール１ｎ−１は、１列ｎ番目の電池モジュールである。電池モジュール１１−２は、２列１番目の電池モジュール、電池モジュール１２−２は、２列２番目の電池モジュール、電池モジュール１ｎ−２は、２列ｎ番目の電池モジュールである。電池モジュール１１―ｍは、ｍ列１番目の電池モジュール、電池モジュール１２―ｍは、ｍ列２番目の電池モジュール、電池モジュール１ｎ―ｍは、ｍ列ｎ番目の電池モジュールである。従って、単電池の総数はｎ×ｍ×ｋ個である。

各単電池１−１〜１−ｋは、リチウムイオン二次電池等の繰り返し充放電が可能な蓄電デバイスであり、開回路電圧値から充電状態値が観測可能なものである。ニッケル水素電池、鉛蓄電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなども本電力直貯蔵装置を構成する蓄電デバイスとして使用可能である。電力貯蔵装置１には他にブレーカ、電池監視装置等が設けられることがあるが、ここでは省略する。

電力貯蔵装置全体の端子間電圧を総電圧Ｖａｌｌ、充放電電流の総電流をＩａｌｌとし、充電方向を正とする。なお、充放電中は端子間の接続に用いられる導体やケーブルの抵抗成分に起因する電圧がＶａｌｌに加算される。

通電していない充放電前の充電状態値を求めるため、電流ゼロの時の電圧を開回路電圧とする。リチウムイオン二次電池などの蓄電デバイスでは、一定温度環境下において、開回路電圧とＳＯＣは一対一の関係にあり、ＳＯＣは開回路電圧に関して一般に単調増加関数を示す。

以下、電力貯蔵装置１を用いた電力貯蔵システムを説明した上で、本実施の形態にかかる充電状態推定装置の構成を説明する。

図２は、本発明の実施の形態にかかる充電状態推定装置が適用される電力貯蔵システムの構成図である。電力貯蔵装置１は、コントローラ２からの指令に基づいて電流制御装置３によって制御される。このコントローラ２は、Ａ／Ｄコンバータ２０３とデータバンク２０２とパラメータ演算部２０１とを有して構成されている。なお、コントローラ２は、本実施の形態にかかる充電状態推定装置である。

Ａ／Ｄコンバータ２０３は、電力貯蔵システム内の総電圧センサ４ａ、総電流検出センサ４ｂ、および温度センサ４ｃから送られるアナログ信号と、電力貯蔵装置１内の各セル電圧センサ（図示せず）から送られるアナログ信号４ｄとをデジタル信号に変換する。

データバンク２０２には、電池データを格納すると共に、開回路電圧とＳＯＣの関係を記述した式、あるいはこの関係を示すデータテーブルなどが格納されている。開回路電圧とＳＯＣの関係は、使用する蓄電デバイスの種類、正極、負極の電極材料種によって異なるため、予めインプットするか測定で求める。求める方法としては、一定の温度に管理された環境において、既知の定電流を一定時間通電させてＳＯＣを一定間隔で変化させたときの開回路電圧データを取得する。開回路電圧は、電流ゼロの状態を数時間程度保持した後に測定することが望ましい。また、開回路電圧は、電力貯蔵装置１をシステムに組み込んだ状態から求めることも可能であり、制御プログラムの先頭で実行し、または長期の未使用期間、メンテナンス期間を利用してプログラムの実行をマニュアルで行うことも可能である。

開回路電圧とＳＯＣとの関係を求める方法には、完全放電状態から求める方法と、満充電状態から求める方法とがある。完全放電状態から求める方法は、電池の下限電圧まで放電した完全放電時の充電状態値をゼロとして、一定ＳＯＣ間隔で充電してＳＯＣに対する開回路電圧を求める方法である。また、満充電状態からの方法は、電池の上限電圧まで定電流定電圧充電で充電した状態のＳＯＣを１００％として一定ＳＯＣ間隔で放電し、ＳＯＣを変化させる方法である。両者を比較すると充電状態から測定した方が安定した状態を得られ、データの精度は高い。

電流制御装置３は、コントローラ２内のパラメータ演算部２０１からの指令によって電力貯蔵装置１の充放電量を制御する。電力が不足する場合、電流制御装置３は、交流グリッド７から電力変換装置６を介して供給される電力と、電力貯蔵装置１に貯蔵された電力と、を合わせてモータ５へ出力する。また、電流制御装置３は、モータ／発電機５で発電された電力を電力貯蔵装置１に貯蔵し、電力貯蔵装置１の容量をオーバーする電力に関しては、電力変換装置６を介して交流グリッド７に回生させる。なお、交流グリッド７は、例えば、鉄道車両に電力を供給する交流電力供給網である。

パラメータ演算部２０１は、図２に示すように、第１の演算部３０、第２の演算部３１、および補正演算部３２を有して構成されている。第１の演算部３０は、電池容量（Ａｈ）と電池充放電時の通電電気量の積算値とに基づいて第１の充電状態推定値（以下単に「（第１のＳＯＣ）」と称する）を演算する。第２の演算部３１は、抵抗成分とコンデンサ成分を有する等価回路モデルから算出した開回路電圧と、開回路電圧と充電状態推定値の関係と、を用いて第２の充電状態推定値（以下単に「（第２のＳＯＣ）」と称する）を演算する。具体的には、第２の演算部３１は、電流ゼロの状態において充電状態推定値を推定する第２の推定処理と、電圧が変化する定電流制御時において開回路電圧から充電状態推定値を推定する第３の推定処理と、一定の電圧で制御する定電圧制御時において開回路電圧から充電状態推定値を推定する第４の推定処理とを実行する。補正演算部３２は、第１の演算部３０で推定されたＳＯＣを第２の演算部３１で推定されたＳＯＣで定期的に補正する。

次に、図３を用いて、パラメータ演算部２０１で実行されるＳＯＣの推定動作を概説する。図３は、本発明の実施の形態にかかる充電状態推定装置によるＳＯＣ推定処理を説明するためのフローチャートである。図３に示されるフローチャートは、データを取得する間隔と同じ時間間隔で繰り返される。この時間間隔は電流、電圧、温度の各データの取得インターバルを意味し、ミリ秒間隔から数分間隔が適当である。

データバンク２０２には、例えば、１つ前の計算フローで得たＳＯＣ（Ｎ−１）、電子・イオン抵抗Ｒ０（Ｎ−１）、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ−１）、および静電容量成分Ｃ（Ｎ−１）などが記録されている（ステップＳ１０）。

第２の演算部３１は、まず、定電流制御時であるか定電圧制御時であるかによって第２〜第４の推定処理方法を切り替える。例えば、第２の演算部３１は、電流ゼロの開回路状態では（ステップＳ１２、Ｎｏ〜Ｓ１３、Ｙｅｓ）、第２の推定処理を実行する（ステップＳ１４）。また、第２の演算部３１は、電圧が変化する定電流制御時には（ステップＳ１２、Ｎｏ〜Ｓ１３、Ｎｏ）、第３の推定処理を実行する（ステップＳ１５）。さらに、第２の演算部３１は、一定の電圧で制御する定電圧制御時には（ステップＳ１２、Ｙｅｓ）、第４の推定処理を実行する（ステップＳ１６）。補正演算部３２は、第１のＳＯＣを第２のＳＯＣで補正する。

データバンク２０２には、第１の演算部３０および第２の演算部３１で演算されたＳＯＣ（Ｎ）、電子・イオン抵抗Ｒ０（Ｎ）、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ）、および静電容量成分Ｃ（Ｎ）が記録される（ステップＳ１８）。

次に、図４〜図１１を用いて、第１の演算部３０および第２の演算部３１の構成および動作を詳細に説明する。

まず、第１の演算部３０の構成および動作を説明する。図４は、本実施の形態にかかる第１の演算部３０の構成図である。第１の演算部３０は、主たる構成として、平均電流算出部２１１、通電電気量算出部２１２、ＳＯＣ変化量算出部２１３、およびＳＯＣ算出部２１４を有して構成されている。

電力貯蔵装置１を流れる総電流Ｉａｌｌは、平均電流算出部２１１に入力され、平均電流算出部２１１では、総電流Ｉａｌｌに所定のゲインを乗じて電流平均値を求める。すなわち、総電流Ｉａｌｌを電池モジュール１１−１〜１ｎ−ｍの並列数ｍで割ることで、電流の平均値を得ている。通電電気量算出部２１２は、演算周期をΔｔとして、充電および放電時の通電電流を積分し、一定時間通電後の電気量を算出する。ＳＯＣ変化量算出部２１３は、通電電気量算出部２１２で得られた電気量（クーロン）を電池容量（Ａｈ）および３６００（ｓ）で除して、１００を乗じて変化量ΔＳＯＣ（％）を算出する。

ＳＯＣ算出部２１４は、充電時には１つ前の計算フローで得られたＳＯＣ（Ｎ−１）に変化量ΔＳＯＣを加算し、放電時にはＳＯＣ（Ｎ−１）から変化量ΔＳＯＣ減算することで充電状態値の今回値ＳＯＣ（Ｎ）を得る。なお、ＳＯＣ（Ｎ−１）は、データバンク２０２に格納されており、ＳＯＣ算出部２１４は、データバンク２０２からのＳＯＣ（Ｎ−１）を用いてＳＯＣ（Ｎ）を推定する。これはＳＯＣを求める最も簡単な方法であるが、電流測定値の誤差を含むことが多い。また、電池の長期使用による劣化によって、ＳＯＣの１００％容量値の低下も誤差要因となるため、データバンク２０２に電池容量（Ａｈ）の現在値情報を変更入力する。なお、演算周期Δｔは、パラメータ演算部２０１の内部で生成されたものでもよいし、パラメータ演算部２０１の外部で生成されたものでもよい。

次に、第２の演算部３１に関して説明する。図５は、本実施の形態にかかる第２の演算部３１に適用可能な蓄電デバイスの分布定数系等価回路モデルを示す図である。第２の演算部３１は、等価回路モデルに基づいてＳＯＣ、抵抗、コンデンサの静電容量を推定する。厳密には、第２の演算部３１は、図５に示す分布定数系等価回路に基づいて離散化した数値モデルに、電流の計測値および電圧の計測値をフィッティングさせることで開回路電圧を求める。計算式には、図５に示される分布定数系等価回路モデルの負極端子の抵抗８ａ、正極端子の抵抗８ｂ、負極電極層の電子抵抗９ａ、正極電極層の電子抵抗９ｂ、負極界面のコンデンサの静電容量１０ａ、正極界面のコンデンサの静電容量１０ｂ、負極界面の抵抗成分１１ａ、正極界面の抵抗成分１１ｂ、負極界面に発生する電位差１２ａ、正極界面に発生する電位差１２ｂ、負極内電解質の抵抗１３ａ、正極内電解質の抵抗１３ｂ、およびセパレータ内電解液の抵抗１４が含まれる。実際に計測される電流値および電圧の時間変化実測データと、計算値と、をフィッティングさせることで複数の抵抗値、静電容量値、および開回路電圧を求める。

負極界面のコンデンサの静電容量１０ａおよび正極界面のコンデンサの静電容量１０ｂは、電極活物質と電解液界面に形成される電気二重層によるものであり、ファラッドの単位で表される。負極界面のコンデンサの静電容量１０ａおよび正極界面のコンデンサの静電容量１０ｂは、電極活物質の表面積に比例し、電解液の性状や電極電位によっても変化する。

負極界面の抵抗成分１１ａおよび正極界面の抵抗成分１１ｂは、イオンから電子、電子からイオンへ電荷担体が変化する時の抵抗であり、電極と電解液界面に発生する抵抗であり、電荷移動抵抗と拡散抵抗を含む。

このような分布定数系等価回路モデルによれば、厳密な計算が可能であるが、モデル規模が大きくなるというデメリットがあるため、計算周期を長くとる必要が生じ、電流、電圧の速い変化に対する応答が困難になる。また、多くの計算リソースが必要になるという問題も発生する。なお、図５に示される分布定数系等価回路モデルは、図１に示される１つの単電池（例えば１−１）を示すものであり、この分布定数系等価回路モデルに流れる電流Ｉは、総電流Ｉａｌｌを電池モジュール１１−１〜１ｎ−ｍの並列数で除した値である。

一方、計算周期を短縮して計算リソースが節約できる集中定数系等価回路モデルを図６に示す。図６は、本実施の形態にかかる第２の演算部３１に適用可能な蓄電デバイスの集中定数系等価回路モデルを示す図である。集中定数系等価回路モデルは、図５の分布定数系等価回路モデルを簡素化したものであり、この集中定数系等価回路モデルに流れる電流Ｉは、上述同様に、総電流Ｉａｌｌを電池モジュール１１−１〜１ｎ−ｍの並列数で除した値である。このモデルにおける各要素は、以下のように構成されている。すなわち、図６に示される集中定数系等価回路モデルは、電極反応に関する抵抗１５（以下単に「抵抗１５」と称する）、電極界面に発生するコンデンサの静電容量１８（以下単に「静電容量１８」と称する）、電子・イオンに関する抵抗１６（以下単に「抵抗１６」と称する）、開回路電圧に相当する起電力部１７とを有し、抵抗１５と静電容量１８は並列に接続されている。

抵抗１５の値はＲ、静電容量１８の静電容量値はＣ、抵抗１６の値はＲ０（電子・イオン抵抗）とする。抵抗１５を流れる電流をＩ１とし、静電容量１８を流れる電流をＩ２とすると、これらの和は電流Ｉである。コンデンサ（静電容量１８）にかかる電圧は、電流Ｉ１が流れる抵抗１５の両端電圧に等しく、またコンデンサ（静電容量１８）に蓄えられる電荷Ｑの時間変化が電流Ｉ２に相当することから、（１）式の電荷Ｑに関する微分方程式が得られる。

計算周期をΔｔとし、（１）式を電荷Ｑに関して離散化すると（２）式が得られる。時刻Ｎにおける電荷Ｑ（Ｎ）は、一つ前の時刻（Ｎ−１）における電荷Ｑ（Ｎ−１）と電流Ｉとを用いることで、（２）式のように表すことができる。

また、コンデンサ（静電容量１８）を流れる電流Ｉ２は、（３）式に示す電荷Ｑの時間変化で表すことができる。

（１）式と、（２）式と、電池電圧Ｖとを用いて、（４）式から開回路電圧Ｖｏｃを計算する。

図７は、本実施の形態にかかる第２の演算部３１の構成および動作を説明するための図である。図７−１は、第２の演算部３１とデータバンク２０２との関係を示す図であり、図７−２は、第２の演算部３１による第２の推定処理の動作を説明するための図である。

図７−１に示される第２の演算部３１は、電圧変化判定部２２１と、通電判定部２２２と、電荷／電流値算出部２２３と、開回路電圧算出部２２４と、ＳＯＣ算出部２１４と、抵抗値算出部３６とを有して構成され、さらに抵抗値算出部３６は、劣化量算出部３５と、拡散種濃度算出部２２５と、電流値算出部２２６と、拡散抵抗算出部２２７とを有して構成されている。

電圧変化判定部２２１は、演算周期Δｔにおける電池電圧Ｖの変化の有無を判定する。すなわち、電圧変化判定部２２１は、図３におけるステップＳ１２の判定を行う。

通電判定部２２２は、電池電圧Ｖが変化している場合（ステップＳ１２、Ｎｏであるとき）、電流Ｉがゼロであるか否かを判定する。すなわち、通電判定部２２２は、図３におけるステップＳ１３の判定を行う。

電荷／電流値算出部２２３は、計算の初期値としてコンデンサ１８に蓄電されていた電荷Ｑ（Ｎ−１）と、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ−１）と、静電容量値Ｃ（Ｎ−１）と、電流Ｉと、演算周期Δｔとから、（２）式を用いて電荷Ｑ（Ｎ）を求めると共に、（３）式を用いて電流Ｉ２を求める。なお、電荷Ｑ（Ｎ−１）、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ−１）、および静電容量値Ｃ（Ｎ−１）は、データバンク２０２に格納されているものとする。さらに、電荷／電流値算出部２２３は、Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２の関係から電流Ｉ１を求める。

開回路電圧算出部２２４は、電池電圧Ｖと、データバンク２０２に格納されている抵抗１６の値Ｒ０（Ｎ−１）とから（４）式を用いて開回路電圧Ｖｏｃを算出する。なお、抵抗１６の値Ｒ０（Ｎ−１）は、データバンク２０２に格納されているものとする。

ＳＯＣ算出部２１４は、開回路電圧算出部２２４からの開回路電圧Ｖｏｃを取り込み、データバンク２０２に格納されている開回路電圧ＶｏｃとＳＯＣとの関係を用いて、ＳＯＣ（Ｎ）を推定する。

以下、第２の演算部３１による第２の推定処理および第３の推定処理を説明する。通電状態から電流ゼロのとき、分極緩和現象によって大きく電圧が変化し、その後徐々にある一定電圧に漸近する。開回路電圧算出部２２４は、電池電圧Ｖと、データバンク２０２に格納されている抵抗１６の値Ｒ０（Ｎ−１）とに基づいて、（４）式から電池電圧Ｖ、抵抗１５、抵抗１６、および電流Ｉをゼロとして、開回路電圧Ｖｏｃを求める。ＳＯＣ算出部２１４は、開回路電圧算出部２２４からの開回路電圧Ｖｏｃを取り込み、データバンク２０２に格納されている開回路電圧ＶｏｃとＳＯＣとの関係を用いて、第２のＳＯＣを推定する。

電流値一定のとき、開回路電圧算出部２２４は、（４）式から電池電圧Ｖ、抵抗１５、抵抗１６、および電流Ｉに基づいて開回路電圧Ｖｏｃを求める。ＳＯＣ算出部２１４は、上述同様に、開回路電圧ＶｏｃとＳＯＣとの関係を用いて第２のＳＯＣを推定する。なお、電流を流さずにＳＯＣを求める第２の推定処理の方が精度は高い。

次に、図８および図９を用いて、劣化量算出部３５の構成および動作を説明する。図８は、本実施の形態にかかる劣化量算出部３５の構成図である。図８−１は、劣化量算出部３５の構成を示すものであり、図８−２は、電圧シミュレーション部２３１および抵抗／容量算出部２３２の動作を説明するための図である。また、図９は、抵抗とコンデンサの静電容量との積と、電池容量との関係を説明するための図である。

図８−１に示される劣化量算出部３５は、主たる構成として、電圧シミュレーション部２３１と抵抗／容量算出部２３２を有して構成されている。劣化量算出部３５は、ある一定時間の電流、電圧データから抵抗１５、抵抗１６、静電容量１８の変化によって電池の劣化状態を推定するものである。具体的には、劣化量算出部３５は、想定される制御モードにおける抵抗成分、コンデンサの静電容量成分を逐次算出することにより、電池劣化状態の進行度を推定し、例えば、複数の電圧データと計算値をフィッティングさせることで、抵抗１５、抵抗１６、静電容量１８の値それぞれを、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ）、電子・イオン抵抗Ｒ０（Ｎ）、静電容量成分Ｃ（Ｎ）として特定する。

フィッティングさせる電圧データは、時間ｔ１からｔｐまでのｐ個であり、個々のデータ時間間隔はΔｔである。参照するデータ数が多いほど計算精度は向上するが、計算負荷を考慮すると１０個以内のデータ数が好ましい。以下、実際の計算手順を示す。電圧シミュレーション部２３１は、時間ｔ１の１つ前のコンデンサ１８に蓄えられた電荷をＱ（ｋ−１）とし、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ）、電子・イオン抵抗Ｒ０（Ｎ）、および静電容量成分Ｃ（Ｎ）のそれぞれに直前の値を代入し、電流Ｉおよび開回路電圧Ｖｏｃに図７−１のＳＯＣ算出時に使用した値を代入して、（５）式を用いて時間ｔ１に対する電圧Ｖｋを算出する。なお、（５）式内の電荷Ｑ（Ｎ）は（２）式を用いて計算する。

同様に、電圧シミュレーション部２３１は、ｔ２からｔｐまでを計算する。

抵抗／容量算出部２３２は、電圧シミュレーション部２３１で算出されたこれらの計算値（電圧Ｖｋ）と実測データ（Ｖｐ）とを比較して、実測値と計算値の差の総和ΣΔＶが、判定値εとデータ数ｐとの積未満の場合には一致と見なす。一方、実測値と計算値の差の総和ΣΔＶが、判定値εとデータ数ｐとの積以上の場合、抵抗／容量算出部２３２は、電極反応抵抗Ｒ（Ｎ）、電子・イオン抵抗Ｒ０（Ｎ）、静電容量成分Ｃ（Ｎ）の値を変更する。例えば、抵抗／容量算出部２３２は、放電電圧が計算値より低ければ電極反応抵抗Ｒ（Ｎ）、電子・イオン抵抗Ｒ０（Ｎ）、静電容量成分Ｃ（Ｎ）を大きく、逆に高ければ小さくする。

フィッティングパラメータには、抵抗１５と静電容量１８との積を用いると便利である。抵抗／容量算出部２３２は、この積と劣化した電池の容量との関係（図９参照）を用いて、電池容量を算出する。ただし、電池劣化は、急激に進行する反応ではないため、劣化の計算をデータ取得周期で行う必要はなく、起動直後または停止直前に１回の頻度で十分である。

次に、第４の推定処理に関して説明する。定電圧制御時の抵抗１５は、時間経過とともに上昇して一定の値をとらない。抵抗１５の値が上量する理由は、ネルンストアインシュタインの式である（６）式に示されるように、この抵抗値が電極活物質内のリチウムイオン濃度Ｃ_Ｌｉ（Ｎ）の逆数に比例するためであり、定電圧制御では可動リチウムイオン数の減少に起因する。

ここで、Ｄ_Ｌｉはリチウムイオンの活物質内の拡散定数、Ｔはモジュール温度、Ａは比例定数である。リチウムイオン濃度Ｃ_Ｌｉ（Ｎ）の時間変化は、拡散方程式である（７）式を含む物質移動式を数値的に解き、抵抗１５を算出する。

以下、図１０および図１１を用いて抵抗値算出部３６の構成および動作を説明する。図１０は、本実施の形態にかかる抵抗値算出部３６の動作を説明するための図であり、図１１は、定電圧制御時における抵抗の変化を説明するための図である。

拡散種濃度算出部２２５は、定電圧制御に入る直前の活物質内の可動リチウムイオン濃度であるＣ_Ｌｉ（Ｎ−１）と拡散定数Ｄ_Ｌｉとから、（７）式を境界条件の元で解いて、演算周期Δｔ時間後のリチウムイオン濃度Ｃ_Ｌｉ（Ｎ）を算出する。

電流値算出部２２６は、電池電圧Ｖの変化から電流値を逆算する。拡散抵抗算出部２２７は、電流値算出部２２６で算出された電流値と、定電流制御時における電圧と、に基づいて、電圧が一定ではない場合（ＣＣ充電： constant current充電）における抵抗１５の値を推定する。さらに拡散抵抗算出部２２７は、（６）式を用いて、電圧が一定の場合（ＣＶ充電：constant voltage充電）における抵抗１５の値を推定する。

電極反応に関する抵抗１５の値は、ＣＣ充電時においては変化しないが、ＣＶ充電時においては図１１のように増加する。この抵抗増加は、定電圧制御条件下における数秒から数時間の間に発生する一時的なものである。第２の演算部３１は、電池の劣化による抵抗増加をリアルタイムに評価するときに、図１１に示すような定電圧時の抵抗増加を、容量劣化推定のための計算から除外するという処理も実行する。

また、ここで算出した短期的な抵抗の増加速度、すなわち、図１１の抵抗値上昇量を定電圧制御時間で除した値は、物質移動に関わる電池の劣化を示している。このように、本実施の形態にかかる第２の演算部３１は、劣化の進行と共にこの値が大きくなることを利用して、長期的劣化による電池寿命を予測する。

図１２は、劣化した電池におけるＳＯＣ演算精度を示す図である。比較例１は、通電電気量の積算による第１の演算部３０で算出された第１のＳＯＣの推移である。計算に用いる電流値には、一般に誤差が含まれるので、ＳＯＣが真値からずれることとなる。

比較例２は、この誤差を、等価回路モデルによる従来のＳＯＣ推定処理で補ったものであり、フレッシュな初期の電池においては、良好なＳＯＣ推定値が得られる。しかしながら、長期間使用して劣化が進行したリチウムイオン電池のＳＯＣ推定においては、大きな誤差が生じる。

実施例１は、本実施の形態にかかる充電状態推定装置によって推定されたＳＯＣの推移を示すものである。

充放電開始点１９と充放電終了点２０においては、開回路で３日以上放置して求めた正しいＳＯＣである。ここで、比較例１によるＳＯＣ推定方法では、電流値が実際より充電時に小さく検知積算され、放電時に大きく検知積算されて、充放電全体にわたり真値を下まわる結果となる。一方、比較例２によるＳＯＣ推定方法では、劣化による容量低下を考慮しないままＳＯＣを算出するため、充電、放電ともにＳＯＣの真値より大きく算出されるため、過剰に変化することになる。

実施例１によるＳＯＣ推定方法では、劣化量算出部３５によって、電池劣化による容量低下を考慮していることに加え、抵抗値算出部３６によって、定電圧時の抵抗増加を容量劣化推定のための計算から除外するようにしたので、ＳＯＣ演算精度を向上させることが可能である。

以上に説明したように、本実施の形態にかかる充電状態推定装置は、電池容量と、充電状態推定値の前回値ＳＯＣ（Ｎ−１）と、電力貯蔵装置１の充放電量を制御する電流制御装置３と電力貯蔵装置１との間で流出入する電流と、に基づいて演算した充電状態推定値の今回値を第１の充電状態推定値として算出する第１の演算部３０と、定電流制御時には、電池の等価回路モデルと電池の電圧とに基づいて演算した充電状態推定値を第２の充電状態推定値の今回値として算出する一方で、定電圧制御時には、電池の等価回路モデルと電池の電圧とに基づいて、電池の抵抗変化を考慮して演算した充電状態推定値の今回値を第２の充電状態推定値として算出する第２の演算部３１と、第１の充電状態推定値を第２の充電状態推定値で定期的に補正する補正演算部３２と、を備えるようにしたので、電池容量と電池充放電時の通電電気量の積算値とに基づく第１のＳＯＣと、電流ゼロの状態における第２のＳＯＣと、定電流制御時における第３のＳＯＣと、定電圧制御時における第４のＳＯＣとを推定することができ、従来技術に比して電池の充電状態および劣化状態を精度よく推定することが可能である。

また、第２の演算部３１で用いられる電池の等価回路モデルは、コンデンサと非線形抵抗の並列回路を１つ有してなる集中定数系等価回路モデル、または、コンデンサと非線形抵抗の並列回路を複数有してなる分布定数系等価回路モデルで構成するようにしたので、集中定数系等価回路モデルを用いて計算リソースが節約することもできるし、分布定数系等価回路モデルを用いて厳密な計算を行うことも可能である。

また、本実施の形態にかかる第２の演算部３１は、コンデンサに蓄えられた電荷Ｑ（Ｎ−１）と、コンデンサの静電容量値Ｃ（Ｎ−１）と、電池の抵抗値（Ｒ（Ｎ−１）、Ｒ０（Ｎ−１））と、電池の電圧Ｖと、に基づいて第２の充電状態推定値を算出するようにしたので、簡単な構成で第２の充電状態推定値を推定可能である。

また、第２の演算部３１は、電流が変化した後に計測された連続する複数の電圧計測値（Ｖｐ）と、電荷Ｑ（Ｎ−１）と静電容量値Ｃ（Ｎ−１）と抵抗値Ｒ（Ｎ−１）、Ｒ０（Ｎ−１）とに基づいて算出された電圧計算値（Ｖｋ）と、の差の総和ΣΔＶが所定の値（判定値εとデータ数ｐとの積）になるまで静電容量値Ｃ（Ｎ）および抵抗値Ｒ（Ｎ）、Ｒ０（Ｎ）を計算し、電圧計測値（Ｖｐ）と電圧計算値（Ｖｋ）と差の総和ΣΔＶが所定の値と一致したときの静電容量Ｃ（Ｎ）と抵抗値Ｒ（Ｎ）、Ｒ０（Ｎ）とを、電池の劣化状態を推定する指標として出力する劣化量算出部３５を有するようにしたので、従来技術に比して、等価回路モデルによる充電状態値を精度よく推定することが可能である。

また、静電容量Ｃ（Ｎ）と抵抗値Ｒ（Ｎ）、Ｒ０（Ｎ）との積に基づいて電池容量を算出するようにしたので、第１の演算部３０は、劣化量算出部３５で算出された電池容量を用いて第１の充電状態推定値を精度よく算出することが可能である。

また、第２の演算部３１は、可動リチウムイオン濃度Ｃ_Ｌｉ（Ｎ−１）とリチウムイオンの活物質内の拡散定数Ｄ_Ｌｉとに基づいて、定電圧制御時における電池の抵抗値Ｒ（Ｎ）を算出する抵抗値算出部３６を有するようにしたので、定電圧時の抵抗増加を容量劣化推定のための計算から除外することができ、ＳＯＣ演算精度を向上させることが可能である。

以上のように、本発明は、二次電池等の蓄電池におけるＳＯＣを推定する充電状態推定装置に適用可能であり、特に、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる発明として有用である。

１電力貯蔵装置
１−１、１−２、１−ｋ単電池
２コントローラ
３電流制御装置
４ａ総電圧センサ
４ｂ総電流検出センサ
４ｃ温度センサ
４ｄ電圧センサから送られるアナログ信号
５モータ／発電機
６電力変換装置
７交流グリッド
８ａ負極端子の抵抗
８ｂ正極端子の抵抗
９ａ負極電極層の電子抵抗
９ｂ正極電極層の電子抵抗
１０ａ負極界面のコンデンサの静電容量
１０ｂ正極界面のコンデンサの静電容量
１１−１、１２−１、１ｎ−１、１１−２、１２−２、１ｎ−２、１１―ｍ、１２―ｍ、１ｎ―ｍ電池モジュール
１１ａ負極界面の抵抗成分
１１ｂ正極界面の抵抗成分
１２ａ負極界面に発生する電位差
１２ｂ正極界面に発生する電位差
１３ａ負極内電解質の抵抗
１３ｂ正極内電解質の抵抗
１４セパレータ内電解液の抵抗
１５電極反応に関する抵抗
１６電子・イオンに関する抵抗
１７開回路電圧に相当する起電力部
１８電極界面に発生するコンデンサの静電容量
１９充放電開始点
２０充放電終了点
３０第１の演算部
３１第２の演算部
３２補正演算部
３５劣化量算出部
３６抵抗値算出部
２０１パラメータ演算部
２０２データバンク部
２０３Ａ／Ｄコンバータ
２１１平均電流算出部
２１２通電電気量算出部
２１３ＳＯＣ変化量算出部
２１４ＳＯＣ算出部
２２１電圧変化判定部
２２２通電判定部
２２３電荷／電流値算出部
２２４開回路電圧算出部
２２５拡散種濃度算出部
２２６電流値算出部
２２７拡散抵抗算出部
２３１電圧シミュレーション部
２３２抵抗／容量算出部
Ｉａｌｌ総電流
Ｔモジュール温度
Ｖａｌｌ総電圧
Ｖｏｃ開回路電圧

Claims

電池を複数接続した電力貯蔵装置に接続され、前記電力貯蔵装置の残存容量を示す充電状態値を推定する充電状態推定装置であって、
電池容量と、充電状態推定値の前回値と、前記電力貯蔵装置の充放電量を制御する電流制御装置と前記電力貯蔵装置との間で流出入する電流と、に基づいて演算した充電状態推定値の今回値を第１の充電状態推定値として算出する第１の演算部と、
前記電力貯蔵装置を一定の電流で充電する定電流制御時には、前記電池の等価回路モデルと前記電池の電圧とに基づいて演算した充電状態推定値を第２の充電状態推定値の今回値として算出する一方で、前記電力貯蔵装置を一定の電圧で充電する定電圧制御時には、前記電池の等価回路モデルと前記電池の電圧とに基づいて、電池の抵抗変化を考慮して演算した充電状態推定値の今回値を第２の充電状態推定値として算出する第２の演算部と、
前記第１の充電状態推定値を第２の充電状態推定値で定期的に補正する補正演算部と、
を備えたことを特徴とする充電状態推定装置。
前記電池の等価回路モデルは、コンデンサと非線形抵抗の並列回路を１つ有してなる等価回路モデル、または、コンデンサと非線形抵抗の並列回路を複数有してなる等価回路モデルで構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の充電状態推定装置。
前記第２の演算部は、コンデンサに蓄えられた電荷と、前記コンデンサの静電容量値と、前記電池の抵抗値と、前記電池の電圧とに基づいて前記第２の充電状態推定値を算出すること、を特徴とする請求項１に記載の充電状態推定装置。
前記第２の演算部は、電流が変化した後に計測された連続する複数の電圧計測値と、前記電荷と前記静電容量値と前記抵抗値とに基づいて算出された電圧計算値と、の差の総和が所定の値になるまで前記静電容量値および前記抵抗値を計算し、前記電圧計測値と前記電圧計算値と差の総和が前記所定の値と一致したときの前記コンデンサの静電容量値と前記電池の抵抗値とを、電池の劣化状態を推定する指標として出力する劣化量算出部を有すること、を特徴とする請求項３に記載の充電状態推定装置。
前記劣化量算出部は、前記コンデンサの静電容量値と前記電池の抵抗値との積に基づいて電池容量を算出すること、を特徴とする請求項４に記載の充電状態推定装置。
前記第２の演算部は、可動リチウムイオン濃度とリチウムイオンの活物質内の拡散定数とに基づいて、前記定電圧制御時における電池の抵抗値を算出する抵抗値算出部を有すること、を特徴とする請求項１に記載の充電状態推定装置。
前記第２の演算部は、前記劣化量算出部で算出された静電容量値および抵抗値を用いて第２の充電状態推定値を算出すること、を特徴とする請求項４に記載の充電状態推定装置。
前記第２の演算部は、前記抵抗値算出部で算出された電池の抵抗値を用いて前記第２の充電状態推定値を算出すること、を特徴とする請求項６に記載の充電状態推定装置。