JP5845998B2 - ２次電池の充電相当量算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する２次電池の充電相当量算出装置に関する。

内燃機関と回転機とを搭載し、２次電池の充電率を略一定値に保つべく、内燃機関の動力を利用して発電制御等を行なうハイブリッド車が周知である。

ところで、近年、電池のエネルギ密度が向上してきたことや、環境問題への対応等から、２次電池を電源として回転機にて車両を走行させるに際し、内燃機関を停止させるいわゆるＥＶモードでの走行を可能とするハイブリッド車も提案されている。こうしたハイブリッド車では、２次電池の充電率が比較的高い領域においてはＥＶモードにて車両を走行させ、２次電池の充電率が低下することで、内燃機関を稼動させるＨＶモードでの走行となる。

一方、２次電池の充電率は、開放端電圧に応じて略一義的に定まることが知られている。このため、２次電池の充放電電流量がゼロでない場合の端子電圧である閉路端電圧から開放端電圧を推定する様々な手法が提案されている。たとえば下記特許文献１には、デジタルフィルタを用いて、開放端電圧を推定することが提案されている。

特開２００４−２６４１２６号公報

上記ＨＶモードでは、通常、２次電池の充電率が略一定値に制御される。このため、２次電池の平均電流量は、比較的短いタイムスケールにおいて、略ゼロに制御されることとなる。これに対し、上記ＥＶモードでは、２次電池の放電電流の平均値がかなり長いタイムスケールにおいてゼロから大きく乖離しうる。そしてこうした状況下、閉路端電圧に基づき開放端電圧を推定すると、その推定精度が低下することが発明者らによって見出された。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、２次電池の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する新たな２次電池の充電相当量算出装置について、これを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

構成１では、２次電池（Ｃ１１〜Ｃｎｍ）の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する充電相当量算出手段を備え、前記充電相当量算出手段は、前記２次電池の端子電圧のうち、前記充放電電流の履歴に応じて定まる電圧である履歴相当量を算出する履歴相当量算出手段（Ｓ１０〜Ｓ１６，Ｓ２０〜Ｓ２６）を備え、前記履歴相当量算出手段は、前記充放電電流の検出値に対する時定数が１０ｓ以上となる履歴相当量である長期履歴相当量を算出する長期履歴算出手段と、前記２次電池の充電または放電の継続状態から充電および放電の周期が１０ｓ未満の状態への移行に伴い、前記長期履歴相当量を減少させる減少手段（Ｓ３４）と、を備えることを特徴とする。

従来のハイブリッド車等においては、２次電池の平均電流量が比較的短いタイムスケールで略ゼロに制御されるため、２次電池の閉路端電圧から分極の影響を除去するに際しては、比較的短いタイムスケールにおける充放電の履歴を考慮すればよかった。このため、分極の影響を除去する手段の時定数も比較的短いものとすべきとされた。ちなみに、これに反して、分極の影響を除去する手段の時定数が過度に長いと、短いタイムスケールにおける電流の変化に起因した分極の影響を十分に除去することができなくなる。

これに対し、平均電流量がかなり長いタイムスケールにおいてゼロから乖離しうる場合、上記短いタイムスケールにおいて適合された時定数を用いたのでは、分極の影響を除去することができないことが発明者らによって見出された。上記発明では、この点に鑑み、比較的長い時定数を有した長期履歴相当量を用いる。

ただし、２次電池の充電または放電の継続状態から充電および放電の周期が長期履歴相当量の時定数未満の状態への移行に伴い、上記長いタイムスケールにおいて平均電流量がゼロから乖離する状態であったことの影響は徐々に解消する。しかし、長期履歴算出手段の構成によっては、長期の履歴が解消していく過程を適切に表現できないことがある。このため、減少手段を設けることとした。

なお、本発明にかかる以下の代表的な実施形態に関する概念の拡張については、代表的な実施形態の後の「その他の実施形態」の欄に記載してある。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる走行モードと充電率との関係を示す図。 同実施形態にかかる電池セルの開放端電圧と充電率との関係を示す図。 同実施形態にかかる電池セルのモデルの回路図。 同実施形態のモデルに基づく分極電圧の算出手法の一実施例を説明する回路図。 同実施形態にかかる充電率とモデルパラメータとの関係を定めたマップを示す図。 同実施形態にかかる分極電圧の算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる分極電圧の算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる充電率の算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態の効果を示すタイムチャート。 同実施形態との比較例による充電率の算出結果を示すタイムチャート。 同実施形態との比較例による充電率の算出結果を示すタイムチャート。

以下、本発明にかかる２次電池の充電相当量算出装置をプラグインハイブリッド車に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。

図示される高電圧バッテリ１０は、電池セルＣ１１〜Ｃｎｍの直列接続体としての組電池であり、その開放端電圧がたとえば百Ｖ以上となるものである。電池セルＣｉｊ（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）は、リチウムイオン等の２次電池である。電池セルＣ１１〜Ｃｎｍは、個体差を除き、互いに等しい構成である。すなわち、充電率（ＳＯＣ：満充電量に対する実際の充電量の比率）に対する開放端電圧の関係や、満充電量、内部抵抗値等が互いに等しいものである。

高電圧バッテリ１０の負極電位は、車体電位とは相違する電位に設定されている。詳しくは、本実施形態では、高電圧バッテリ１０の正極電位と負極電位との中央値が車体電位となるように設定されている。これは、高電圧バッテリ１０の正極および負極間に一対のコンデンサの直列接続体や一対の抵抗体の直列接続体を接続するとともに、上記コンデンサ同士または抵抗体同士の接続点を車体に接続することで行なうことができる。

高電圧バッテリ１０には、メインリレーＭＲを介して交流直流変換回路１１が接続されており、交流直流変換回路１１によって車両の外部の商用電源の交流電力が直流電力に変換された後、高電圧バッテリ１０に入力されるようになっている。

高電圧バッテリ１０は、メインリレーＭＲ、インバータ１２を介して第２モータジェネレータ１４に接続されている。第２モータジェネレータ１４は、車載主機であり、その回転子が駆動輪１６に機械的に連結されている。

また、高電圧バッテリ１０は、メインリレーＭＲ、インバータ１８を介して第１モータジェネレータ２０に接続されている。第１モータジェネレータ２０の回転子は、内燃機関２２のクランク軸２４に機械的に連結されている。第１モータジェネレータ２０は、クランク軸２４の動力を電気エネルギに変換する変換手段（発電機）としての機能と、内燃機関２２の停止時において、クランク軸２４に初期回転を付与する初期回転付与手段（スタータ）としての機能とを有する。なお、内燃機関２２は、燃料の貯蔵手段（燃料タンク２３）内の燃料の燃焼に伴うエネルギを動力に変換する手段である。

上記高電圧バッテリ１０を構成する電池セルＣ１１〜Ｃｎｍは、互いに隣接するｍ（＞２）個ずつが同一グループとされモジュール化されている。ここで、第ｉモジュールは、電池セルＣｉ１〜Ｃｉｍからなる。

上記各モジュールには、それぞれ検出ユニットＵｉ（ｉ＝１〜ｎ）が設けられている。検出ユニットＵ１〜Ｕｎは、互いに同一の機能を搭載している。詳しくは、検出ユニットＵｎについて例示するように、電池セルＣｉ１〜Ｃｉｍのそれぞれに並列接続された放電用抵抗体３０およびスイッチング素子３２と、スイッチング素子３２を選択的にオン操作する放電制御部３４とを備えている。また、電池セルＣｉ１〜Ｃｉｍの端子電圧のうちの１つを選択的に差動増幅回路３８に印加するマルチプレクサ３６を備えている。これにより、電池セルＣｉ１〜Ｃｉｍのそれぞれの端子電圧（セル電圧Ｖｉ１〜Ｖｉｍ）は、差動増幅回路３８を介してアナログデジタル変換器４０に入力され、ここでデジタルデータに変換される。

一方、高電圧バッテリ１０の制御装置（電池ＥＣＵ５２）は、検出ユニットＵｉを操作することで、高電圧バッテリ１０の状態を制御するものである。電池ＥＣＵ５２は、アナログデジタル変換器４０の出力するデジタルデータ（セル電圧Ｖｉｊ）を入力し、これに基づき、指令信号Ｓｃを検出ユニットＵｉの放電制御部３４に出力する機能を有する。ここで、指令信号Ｓｃは、放電用抵抗体３０を用いて電池セルＣｉ１〜Ｃｉｍのうちのいずれを放電させるか（また、放電を停止するか）を指令するものである。なお、電池ＥＣＵ５２およびＨＶＥＣＵ５０は、いずれも高電圧バッテリ１０よりも端子電圧が低くて且つ、車体電位を基準電位とする低電圧バッテリ５４を電源とする。

電池ＥＣＵ５２は、上記セル電圧Ｖｉｊや電流センサ５６によって検出される高電圧バッテリ１０の充放電電流Ｉ、温度センサ５８によって検出される電池セルＣｉｊの温度Ｔｉｊに基づき、高電圧バッテリ１０の許容最大出力に関する情報を制御装置（ＨＶＥＣＵ５０）に逐次提供している。

上記情報には、次の４つがある。まず第１に、高電圧バッテリ１０の充電電力を１０ｓ間保つことのできる最大値である充電電力境界値Ｗｉｎ１０ｓがある。第２に、高電圧バッテリ１０の充電電力を２ｓ間保つことのできる最大値である充電電力境界値Ｗｉｎ２ｓがある。第３に、高電圧バッテリ１０の放電電力を１０ｓ間保つことのできる最大値である放電電力境界値Ｗｏｕｔ１０ｓがある。第４に、高電圧バッテリ１０の放電電力を２ｓ間保つことのできる最大値である放電電力境界値Ｗｏｕｔ２ｓがある。

そして、ＨＶＥＣＵ５０では、この情報に基づき、第１モータジェネレータ２０や第２モータジェネレータ１４の制御量を制御する。詳しくは、ＨＶＥＣＵ５０は、モータジェネレータ１４，２０および内燃機関２２を制御対象とすることで、内燃機関２２を駆動するＨＶモードと、内燃機関２２を停止した状態で走行するＥＶモードとを適宜選択する。

これらＨＶモードとＥＶモードとは、図２（ａ）に示すように、高電圧バッテリ１０の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）に応じて切り替えられる。すなわち、充電率が比較的高い領域では、ＥＶモードで走行する。これは、商用電源から充電された電気エネルギと比較して燃料の燃焼エネルギの方がエネルギコストが高いことに鑑みたものである。詳しくは、ＥＶ上限充電率Ｐｘ以下且つＥＶ下限充電率Ｐｙ以上の領域でＥＶモードで走行する。これに対し、充電率が低い領域（Ｐｚ≦ＳＯＣ＜Ｐｙ）では、ＨＶモードで走行する。ここで、ＨＶモードの走行においては、高電圧バッテリ１０の充電率が下がることで内燃機関２２の動力による第２モータジェネレータ１４の発電量を増加させる処理がなされるため、図２（ｂ）に示されるように、充電率がＥＶ下限充電率ＰｙとＨＶ下限充電率Ｐｚとの間に制限される。ただし、ＨＶモードでの走行時においても、たとえば下り坂走行時に回生ブレーキ運転を多用する場合等にあっては、エネルギのコスト低減の観点から、高電圧バッテリ１０の充電率をＥＶ下限充電率Ｐｙ以上に上昇させる制御がなされる。

ここで、図２（ｂ）に模式的に示すように、充電率が大きく変動する状況は、たとえばユーザによるアクセル操作量が最大となることで生じる。すなわち、この場合、車両から駆動輪１６に出力する動力を最大化するため、高電圧バッテリ１０の放電電流も略最大とされ、高電圧バッテリ１０の充電率も低下する。ただし、アクセル操作量が最大とされる期間は、通常、「１０ｓ」未満である。このため、ＨＶモードにおいては、充電率の変動量が大きくなる場合であっても、充電率が減少した後増加するまでに要する時間は、アクセル操作量が最大とされる期間の２倍程度となり、比較的短時間となる。このように、ＨＶモードでの走行時においては、高電圧バッテリ１０の充電率の変動を抑制するように制御されることから、充放電電流の平均値は、比較的短いタイムスケールでゼロに制御されている。

上記電池ＥＣＵ５２は、さらに、上記各種センサの検出値等に基づき、高電圧バッテリ１０の充電率を算出する処理を行う。ここで、電池セルＣｉｊの開放端電圧（ＯＣＶ）と充電率（ＳＯＣ）との間には、図３の関係があるものの、電池セルＣｉｊの閉路端電圧（セル電圧Ｖｉｊ）と開放端電圧との間には、電池セルＣｉｊの内部抵抗や、電池セルＣｉｊの充放電の履歴に応じた履歴相当量（以下、分極電圧）に応じた差が生じる。このため本実施形態では、これら内部抵抗による電圧降下量や、分極電圧を、図４に示すモデルによって算出する。

すなわち、開放端電圧ＯＣＶを有する電源と、抵抗値Ｒｓの抵抗体と、抵抗値Ｒｋ（ｋ＝１，２，３）および静電容量Ｃｋのコンデンサの並列接続体との直列接続体として電池セルＣｉｊをモデル化することで、抵抗値Ｒｓを有した抵抗体の電圧降下量と、分極電圧とを算出する。ここで、分極電圧は、抵抗体およびコンデンサの並列接続体が３つ直列接続されたものの電圧降下量として算出する。

ここで、本実施形態では、抵抗体およびコンデンサの並列接続体のそれぞれの時定数Ｒ１・Ｃ１，Ｒ２・Ｃ２，Ｒ３・Ｃ３が互いに相違する。特に、本実施形態では、時定数Ｒ３・Ｃ３が「１０ｓ」以上に設定されるところに特徴がある。これは、ＥＶモード等、比較的長いタイムスケールにおいて高電圧バッテリ１０の平均電流がゼロから大きくずれることに起因した分極電圧を表現するためのものである。すなわち、ＨＶモードでは、充電および放電が周期的に繰り返されるため、比較的短いタイムスケールにおいて平均電流が略ゼロとなる。このため、ＨＶモードにおける分極電圧（短期履歴相当量）を算出する上では、時定数の比較的小さいモデルを必要とする。これに対し、ＥＶモードでは、ＨＶモードにおける充放電周期よりも長いタイムスケールにおける平均電流に依存する分極現象が生じる。このため、この分極現象に起因した分極電圧（長期履歴相当量）を算出する上では、時定数の比較的大きいモデルを必要とする。

このため、ＨＶモードにおける分極現象を、時定数Ｒ１・Ｃ１，Ｒ２・Ｃ２を有する部分でモデル化し、ＥＶモードにおける分極現象を時定数Ｒ３・Ｃ３を有する部分でモデル化する。すなわち、時定数Ｒ１・Ｃ１，Ｒ２・Ｃ２を有する上記並列接続体は、本実施形態において、短期履歴算出手段によって利用され、時定数Ｒ３・Ｃ３を有する上記並列接続体は、本実施形態において、長期履歴算出手段によって利用される。

以下、図４に示すモデルを用いた分極電圧の算出手法について説明する。

本実施形態では、上記モデルにおけるコンデンサの電圧降下量を離散系において算出すべく、バックワードオイラー法を用いる。すなわち、コンデンサの充電電圧Ｖを１次のオーダーでテイラー展開すると、以下の式（ｃ１）が成立する。

Ｖ（ｎ）＝Ｖ（ｎ−１）＋Ｔｃ・（ｄＶ（ｎ）／ｄｔ） …（ｃ１）
ここでは、離散時間の周期Ｔｃを用いている。

上記の式（ｃ１）において、コンデンサの静電容量Ｃ、充電電荷Ｑ（ｎ）、充放電電流Ｉ（ｎ）を用いると、以下の式（ｃ２）が成立する。

Ｖ（ｎ）＝Ｖ（ｎ−１）＋（Ｔｃ／Ｃ）・（ｄＱ（ｎ）／ｄｔ）
Ｖ（ｎ）＝Ｖ（ｎ−１）＋（Ｔｃ／Ｃ）・Ｉ（ｎ）
Ｉ（ｎ）＝（Ｃ／Ｔｃ）・Ｖ（ｎ）−（Ｃ／Ｔｃ）・Ｖ（ｎ−１）
＝Ｇ＊・Ｖ（ｎ）−Ｇ＊・Ｖ（ｎ−１） …（ｃ２）
ここでは、「Ｃ／Ｔｃ」をコンダクタンスＧ＊と定義した。

上記の式（ｃ２）は、以下の式（ｃ３）と表現できる。

Ｉ（ｎ）＝Ｇ＊・Ｖ（ｎ）＋Ｉ＊ …（ｃ３）
上記の式（ｃ３）を用いることで、図４に示したモデルを図５（ａ）に示すモデルとすることができる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のコンデンサを、コンダクタンスＧＡ，ＧＢ，ＧＣを有する経路と、電流ＩＡ，ＩＢ，ＩＣの流れる経路との並列接続体とすることで、図５（ａ）に示すモデルを生成することができる。

以下、図５（ａ）に示すモデルにおいて、コンデンサおよび抵抗体の並列接続体における電圧降下量（分極電圧Ｖｐ）を算出する式を導出する。

まず、以下の式（ｃ４）〜（ｃ６）が成立する。

ＩＡ＝ＧＡ・｛Ｖｐ（ｎ−１）−Ｖ２（ｎ−１）｝ …（ｃ４）
ＩＢ＝ＧＢ・｛Ｖ２（ｎ−１）−Ｖ３（ｎ−１）｝ …（ｃ５）
ＩＣ＝ＧＣ・｛Ｖ３（ｎ−１）−Ｖ０（ｎ−１）｝ …（ｃ６）
また、コンダクタンスＧＡ、ＧＢ，ＧＣを流れる電流ＩＧＡ，ＩＧＢ，ＩＧＣについて、以下の式（ｃ７）〜（ｃ９）が成立する。

ＩＧＡ＝ＧＡ・｛Ｖｐ（ｎ）−Ｖ２（ｎ）｝ …（ｃ７）
ＩＧＢ＝ＧＢ・｛Ｖ２（ｎ）−Ｖ３（ｎ）｝ …（ｃ８）
ＩＧＣ＝ＧＣ・｛Ｖ３（ｎ）−Ｖ０（ｎ）｝ …（ｃ９）
さらに、抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のそれぞれの抵抗体に流れる電流ＩＲ１，ＩＲ２，ＩＲ３について、以下の式（ｃ１０）〜（ｃ１２）が成立する。

ＩＲ１＝（１／Ｒ１）・｛Ｖｐ（ｎ）−Ｖ２（ｎ）｝ …（ｃ１０）
ＩＲ２＝（１／Ｒ２）・｛Ｖ２（ｎ）−Ｖ３（ｎ）｝ …（ｃ１１）
ＩＲ３＝（１／Ｒ３）・｛Ｖ３（ｎ）−Ｖ０（ｎ）｝ …（ｃ１２）
ここで、図５（ａ）のノードＮＡにおいて、キルヒホッフの法則から以下の式（ｃ１３）が成立する。

Ｉ＋ＩＡ−ＩＧＡ−ＩＲ１＝０ …（ｃ１３）
上記の式（ｃ１３）に、上記の式（ｃ７），（ｃ１０）を代入し、整理すると、以下の式（ｃ１４）が成立する。

Ｉ＋ＩＡ＝
Ｖｐ（ｎ）・｛（１／Ｒ１）＋ＧＡ｝＋Ｖ２（ｎ）・｛−（１／Ｒ１）−ＧＡ｝
…（ｃ１４）
また、図５（ａ）のノードＮＢにおいて、キルヒホッフの法則から以下の式（ｃ１５）が成立する。

−ＩＡ＋ＩＧＡ＋ＩＲ１＋ＩＢ−ＩＧＢ−ＩＲ２＝０ …（ｃ１５）
上記の式（ｃ１５）に、上記の式（ｃ７），（ｃ１０），（ｃ８），（ｃ１１）を代入し、整理すると、以下の式（ｃ１６）が成立する。

−ＩＡ＋ＩＢ＝
Ｖｐ（ｎ）・｛−（１／Ｒ１）−ＧＡ｝
＋Ｖ２（ｎ）・｛（１／Ｒ１）＋（１／Ｒ２）＋ＧＡ＋ＧＢ｝
＋Ｖ３（ｎ）・｛−（１／Ｒ２）−ＧＢ｝
…（ｃ１６）
さらに、図５（ａ）のノードＮＣにおいて、キルヒホッフの法則から以下の式（ｃ１７）が成立する。

−ＩＢ＋ＩＧＢ＋ＩＲ２＋ＩＣ−ＩＧＣ−ＩＲ３＝０ …（ｃ１７）
上記の式（ｃ１７）に、上記の式（ｃ８），（ｃ１１），（ｃ９），（ｃ１２）を代入し、整理すると、以下の式（ｃ１８）が成立する。

−ＩＢ＋ＩＣ＝
Ｖ２（ｎ）・｛−（１／Ｒ２）−ＧＢ｝
＋Ｖ３（ｎ）・｛（１／Ｒ２）＋（１／Ｒ３）＋ＧＢ＋ＧＣ｝
…（ｃ１８）
上記の式（ｃ１４），（ｃ１６），（ｃ１８）より、以下の式（ｃ１９）〜（ｃ２１）が成立する。

上記コンダクタンスＧＡ，ＧＢ，ＧＣは、静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に依存する。そして、静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３や、抵抗値Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、電池セルＣｉｊの充電率や温度、充放電電流に応じて変化する。そこで本実施形態では、図６に示すマップを備えて、静電容量Ｃ１〜Ｃ３や抵抗値Ｒｓ，Ｒ１〜Ｒ３を、充電率や温度、充放電電流に応じて可変設定する。ここで、上記マップは、電池セルに交流の電流を流す際に、その交流電流の実効値や温度、充電率毎に、インピーダンススペクトルを計測し、計測結果に基づき適合されたものである。ちなみに、図示されるように、本実施形態では、時定数Ｃ３・Ｒ３は、時定数Ｃ２・Ｒ２の１０倍以上となっている。

図７に、先の図４、図５に示したモデルに基づく分極電圧Ｖｐの算出処理の手順を示す。この処理は、電池ＥＣＵ５２によって、たとえば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、先の図６に示したマップに基づき算出される静電容量Ｃ１〜Ｃ３と、この一連の処理の周期Ｔｃとを用いて、コンダクタンスＧＡ，ＧＢ，ＧＣを算出する。続くステップＳ１２においては、上記の式（ｃ４）〜（ｃ６）に基づき、電流ＩＡ（ｎ），ＩＢ（ｎ），ＩＣ（ｎ）を算出し、それらから上記の式（ｃ２２）〜（ｃ２４）に基づき、電流値Ｉ１（ｎ），Ｉ２（ｎ），Ｉ３（ｎ）を算出する。

続くステップＳ１４では、上記の式（ｃ１９）〜（ｃ２１）を用いて、分極電圧Ｖｐ（ｎ）を算出する。そして、ステップＳ１６において変数ｎをデクリメントし、この一連の処理を一旦終了する。

こうした処理によれば、先の図４に示したモデルの分極電圧Ｖｐ（ｎ）を算出することができ、これと抵抗値Ｒｓを有した抵抗体の電圧降下量Ｒｓ・Ｉ（ｎ）との和と開放端電圧とがセル電圧Ｖｉｊとなるとして、充電率を算出することができる。そして、先の図４に示したモデルが、電池セルＣｉｊの充放電電流について比較的長いタイムスケールにおける履歴に応じた分極現象を表現することができるため、ＥＶモードにおいて充電率を高精度に算出することができる。

ただし、先の図４に示したモデルは、ＥＶモードからＨＶモードに切り替わった後の電池セルＣｉｊの状態を表現するうえで問題があることが発明者らによって見出された。そしてこれは、上記モデルによれば、ＨＶモードに切り替わった後、長時間が経過したとしても、静電容量Ｃ３のコンデンサの充電電圧は、ＥＶモード時の充電電圧の値に依存することに起因すると推察される。ちなみに、ＥＶモード時の充電電圧への依存性は、ＨＶモードの充電および放電の周期が時定数Ｃ３・Ｒ３と比較して短いために生じる。一方、実際の電池セルＣｉｊについては、ＨＶモードに切り替わった後、しばらくすると、ＥＶモード時の影響は無視できるようになる。これは、静電容量Ｃ３のコンデンサの充電電圧を無視したものが、実際の分極電圧等を高精度に表現することを意味する。

そこで本実施形態では、ＨＶモードにおいては、上記モデル（３ＲＣモデル）から時定数Ｃ３・Ｒ３の部分を削除したもの（２ＲＣモデル）を用いる。

このモデルによる分極電圧Ｖｐ（ｎ）は、上記の式（ｃ１６）において、電圧Ｖ３（ｎ）をＶ０（ｎ）＝０としたものと、上記の式（ｃ１４）とを用いて算出される以下の式（ｃ２５），（ｃ２６）にて算出できる。

図８に、２ＲＣモデルに基づく分極電圧Ｖｐの算出処理の手順を示す。この処理は、電池ＥＣＵ５２によって、たとえば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ２０において、先の図６に示したマップに基づき算出される静電容量Ｃ１，Ｃ２と、この一連の処理の周期Ｔｃとを用いて、コンダクタンスＧＡ，ＧＢを算出する。続くステップＳ２２においては、上記の式（ｃ４），（ｃ５）に基づき、電流ＩＡ（ｎ），ＩＢ（ｎ）を算出し、それらから上記の電流値Ｉ１（ｎ），Ｉ２（ｎ）を算出する。続くステップＳ２４では、上記の式（ｃ２５），（ｃ２６）を用いて、分極電圧Ｖｐ（ｎ）を算出する。そして、ステップＳ２６において変数ｎをデクリメントし、この一連の処理を一旦終了する。

図９に、本実施形態にかかる電池セルＣｉｊの充電率の算出処理の手順を示す。この処理は、電池ＥＣＵ５２によって、たとえば所定周期でくり返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ３０において、セル電圧Ｖｉｊ（ｎ）、充放電電流Ｉ（ｎ）、および温度Ｔｉｊ（ｎ）を取得する。続くステップＳ３２においては、電池セルＣｉｊの充電率についての前回の算出値（充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ−１））を取得する。続くステップＳ３４では、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ−１）に基づき、ＨＶモードとＥＶモードとのいずれかを選択する。そして、ステップＳ３６においては、上記ステップＳ３４の処理における選択結果に基づき、２ＲＣモデルを用いるか、３ＲＣモデルを用いるかを選択する。すなわち、ステップＳ３４においてＨＶモードが選択された場合、ステップＳ３６において２ＲＣモデルを選択し、ステップＳ３４においてＥＶモードが選択された場合、ステップＳ３６において３ＲＣモデルを選択する。

このステップＳ３６の処理は、本実施形態において、減少手段を構成する。すなわち、前回のステップＳ３４においてＥＶモードが選択され、ステップＳ３６において3ＲＣモデルが選択されていた状態から、今回のステップＳ３４においてＨＶモードが選択されると、ステップＳ３６において、２ＲＣモデルへの切り替えがなされる。この切り替え処理は、先の図４に示した静電容量Ｃ３のコンデンサの充電電圧がゼロとされることに相当する。すなわち、長期履歴相当量がゼロに減少補正されることに相当する。

続くステップＳ３８においては、今回の充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）を前回の充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ−１）に仮設定する。この処理は、以下のステップＳ４０〜Ｓ４６の処理によって算出される充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）の収束時間を短縮するためのものである。続くステップＳ４０においては、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）や温度Ｔｉｊ（ｎ）、充放電電流Ｉ（ｎ）を、先の図６に示したマップに入力することで、抵抗値や静電容量をマップ演算する。すなわち、２ＲＣモデルが選択されている場合、抵抗値Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２と静電容量Ｃ１，Ｃ２とをマップ演算する一方、３ＲＣモデルが選択されている場合、抵抗値Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３とをマップ演算する。

続くステップＳ４２においては、上記モデルを用いたセル電圧Ｖｉｊの推定値（推定セル電圧Ｖｉｊｅ（ｎ））を、以下の式（ｃ２７）にて算出する。

Ｖｉｊｅ（ｎ）＝−Ｒｓ・Ｉ（ｎ）＋Ｖｐ（ｎ）＋ＯＣＶｉｊ（ｎ） …（ｃ２７）
ただし、上記の式（ｃ２７）における開放端電圧ＯＣＶｉｊ（ｎ）は、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）と、先の図３に示した関係から算出されるものである。

続くステップＳ４４では、推定セル電圧Ｖｉｊｅ（ｎ）とセル電圧Ｖｉｊ（ｎ）との差の絶対値が規定値ΔＶｔｈ以下であるか否かを判断する。この処理は、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）が現在の充電率を示すものとして適切か否かを評価するためのものである。そして、ステップＳ４４において否定判断される場合、ステップＳ４６に移行し、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）を更新してステップＳ４０に戻る。これに対し、ステップＳ４４において肯定判断される場合、そのときの充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）を電池セルＣｉｊの現在の充電率とし、この一連の処理を一旦終了する。

ここで、上記ステップＳ４０〜Ｓ４６の処理は、電池セルＣｉｊが、先の図３に示すように、充電率の変化速度に対する開放端電圧の変化速度が小さくなる領域を有することに鑑み、充電率を高精度に算出することを狙ってなされるものである。すなわち、セル電圧Ｖｉｊから、「−Ｒｓ・Ｉ（ｎ）」と分極電圧Ｖｐ（ｎ）とを減算して算出される開放端電圧から、先の図３に示した関係に基づき充電率を算出する場合には、その算出精度が低下しやすい。

図１０に、本実施形態の効果を示す。図示されるように、本実施形態によれば、ＥＶモードによる走行時とＨＶモードによる走行時との双方において、図中、実線にて示す充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）を、図中破線にて示す真値に近似させることができる。

これに対し、２ＲＣモデルのみを用いる場合、図１１に示すように、ＥＶモードによる走行時において、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）が真値よりも低い値となる。一方、３ＲＣモデルのみを用いる場合、図１２に示すように、ＨＶモードによる走行時において、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）が真値から大きくずれる。ちなみに、図１２に示すＨＶモードによる走行は、充電および放電の周期を１０ｓ以下としつつも、１周期における充放電収支が僅かに正となる状態と僅かに負となる状態とを５００ｓ程度の周期で繰り返すパターンとしている。ここで、充放電収支のゼロからのずれは、極僅かであり、仮に３ＲＣモデルのうちの静電容量Ｃ３のコンデンサの充電電圧が当初ゼロであったなら、ＨＶモードによる走行時においてその充電電圧は無視できる値となるものである。それにもかかわらず図１２においてＨＶモードによる走行時における充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）の算出精度が低下しているのは、３ＲＣモデルが、ＥＶモードからＨＶモードに切り替わった後において長期の分極現象が解消することを正しく表現できないことに起因すると考えられる。

ちなみに、上記充電電力境界値Ｗｉｎ１０ｓ，Ｗｉｎ２ｓや、放電電力境界値Ｗｏｕｔ１０ｓ，Ｗｏｕｔ２ｓは、ＨＶモードによる走行時であるかＥＶモードによる走行時であるかに応じて、２ＲＣモデルまたは３ＲＣモデルを用いて算出すればよい。すなわちたとえば、充電率ＳＯＣｉｊ（ｎ）から算出される開放端電圧ＯＣＶｉｊ（ｎ）と、電圧降下量Ｒｓ・Ｉ（ｎ）と、分極電圧Ｖｐ（ｎ）とから算出される閉路端電圧が上限電圧となる最大電力値に基づき、充電電力境界値Ｗｉｎ１０ｓ，Ｗｉｎ２ｓを算出すればよい。またたとえば、上記閉路端電圧が下限電圧となる最大電力値に基づき、放電電力境界値Ｗｏｕｔ１０ｓ，Ｗｏｕｔ２ｓを算出すればよい。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「電池セルについて」
電池セルとしては、オリビン鉄系リチウムイオン２次電池に限らない。さらに、リチウムイオン２次電池にも限らない。たとえば、ニッケル水素２次電池等であってもよい。

「充電相当量算出手段について」
たとえば充電率の算出対象となる２次電池が、充電率の変化に対する開放端電圧の変化速度が常時、ある一定以上の大きさを有する場合等にあっては、端子電圧（閉路端電圧）から分極電圧Ｖｐ（ｎ）を減算し、抵抗値Ｒｓの内部抵抗による電圧降下量Ｒｓ・Ｉ（ｎ）を加算することで開放端電圧を算出するものであってもよい。この場合、開放端電圧から充電率を高精度に算出することができる。

「短期履歴算出手段について」
抵抗値Ｒ１の抵抗体および静電容量Ｃ１のコンデンサの並列接続体と、抵抗値Ｒ２の抵抗体および静電容量Ｃ２のコンデンサの並列接続体との直列接続体のモデルを用いるものに限らない。たとえば、単一の抵抗体および単一のコンデンサの並列接続体のモデルを用いるものであってもよい。

また、抵抗体およびコンデンサの並列接続体を１つまたは複数備えるモデルを用いるものにも限らない。たとえば、電気化学反応式に基づくモデルを用いるものであってもよい。

「長期履歴算出手段について」
抵抗体およびコンデンサの並列接続体のモデルを用いるものに限らない。たとえば、時定数が１０ｓ以上のＲＣ回路によって実現できて且つ充放電電流Ｉ（ｎ）を入力とするローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力値に基づき、長期履歴相当量を算出するマップとを備えるものであってもよい。もっともこれに限らず、要は、２次電池の充電状態や放電状態が継続された後に、充電および放電の周期が長期履歴相当量の時定数未満となることで、それ以前の長期履歴相当量の値が時間とともにゼロに収束していかないものであるなら、減少手段を備えることは有効である。

なお、長期履歴算出手段としては、他にも「減少手段について」に記載したものであってもよい。

「減少手段について」
上記実施形態では、ＨＶモードであるかＥＶモードであるかに応じて３ＲＣモデルとするか２ＲＣモデルとするかを切り替える処理を行なう手段としたが、これに限らない。たとえば、ＥＶモードで走行中にＨＶモードに切り替わった場合や、ＥＶモードでの走行終了後、分極が解消するのに要する時間よりも短い時間内にＨＶモードでの走行を行なう場合に、２ＲＣモデルに切り替えるものであってもよい。すなわち、高電圧バッテリ１０の充放電電流Ｉ（ｎ）が長時間略ゼロとなっていた後にＨＶモードでの走行を開始する場合等にあっては、３ＲＣモードを選択するようにしてもよい。

またたとえば、外部の商用電源による高電圧バッテリ１０の充電の途中で走行を開始する場合において、ＨＶモードが選択される場合には、２ＲＣモデルを用いる手段とすればよい。

さらに、３ＲＣモデルと２ＲＣモデルとの切り替えを２値的に行なうものにもかぎらない。たとえば、ＥＶモードからＨＶモードに切り替わる場合、３ＲＣモデルによって算出された充電率と２ＲＣモデルによって算出された充電率との加重平均処理によって、充電率を算出し、この際、３ＲＣモデルによって算出された充電率の重み係数を漸減させるようにしてもよい。この場合、最終的な充電率の算出値が３ＲＣモデル単独で得られると仮定することで静電容量Ｃ３を有したコンデンサの充電電圧（長期履歴相当量）を逆算するなら、それは漸減するものとなる。

加えて、充電および放電の周期が１０ｓ未満となるか否かを判断する判断手段を備えるものに限らない。たとえば、長期履歴算出手段を、平均電流値と分極電圧との関係を定めるマップを備えて構成し、マップの入力となる平均電流値を、時定数が１０ｓ以上のローパスフィルタの機能を有する移動平均処理手段の出力値とするものであってもよい。この場合、ＥＶモードからＨＶモードに切り替わることで、平均電流値が徐々にゼロに収束し、これに伴って上記マップの出力としての分極電圧（長期履歴相当量）がゼロとなる。

「履歴相当量算出手段について」
たとえば、充電相当量算出手段が、電流の検出値（充放電電流Ｉ（ｎ））およびセル電圧Ｖｉｊ（ｎ）の複数組から回帰直線によって算出された開放端電圧を、長期履歴算出手段によって算出される長期履歴相当量によって補正するものである場合等には、短期履歴算出手段を備えなくてもよい。すなわち、上記回帰直線によって算出される開放端電圧は、短期の充放電の履歴に起因した分極電圧の影響が除去されたものとなっている。

上記実施形態では、抵抗値Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３や静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を、充電率、温度および充放電電流に基づきマップ演算したが、これに限らない。たとえば、充電率と温度との２つのみをマップの入力パラメータとしてもよい。また、充電率がマップの入力パラメータとされることを前提とした図９のステップＳ４０〜Ｓ４６の処理以外の手法によって充電率を算出する場合等にあっては、マップの入力パラメータにとって充電率は必須ではない。また、マップを用いるものに限らず、充電率等を独立変数とし、抵抗値Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のそれぞれを従属変数とする関数を用いて、従属変数を都度算出してもよい。

「車両について」
ハイブリッド車としては、シリーズハイブリッド車に限らず、たとえばパラレルシリーズハイブリッド車であってもよい。

また、ハイブリッド車に限らず、たとえば車載主機としての回転機のためのエネルギ貯蔵手段として２次電池のみを搭載する電気自動車等であってもよい。この場合であっても、起伏の激しい路面を走行するに際して、充電および放電の周期が長期履歴相当量の時定数未満となるなら、この際、２ＲＣモデルへの切り替えによって、充電率の算出精度を向上させることができる。

「高電圧バッテリ１０の許容最大出力に関する情報について」
上記実施形態で例示したものに限らない。たとえば、所定電力を継続的に出力可能な時間であってもよい。

１０…高電圧バッテリ、５２…電池ＥＣＵ（２次電池の充電相当量算出装置の一実施形態）。

Claims (8)

1. ２次電池（Ｃ１１〜Ｃｎｍ）の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する充電相当量算出手段を備え、
   前記充電相当量算出手段は、前記２次電池の端子電圧のうち、前記充放電電流の履歴に応じて定まる電圧である履歴相当量を算出する履歴相当量算出手段（Ｓ１０〜Ｓ１６，Ｓ２０〜Ｓ２６）を備え、
   前記履歴相当量算出手段は、
   時定数が１０ｓ以上となる履歴相当量である長期履歴相当量を算出する長期履歴算出手段と、
   前記２次電池の充電および放電の周期が前記長期履歴相当量の時定数未満となるか否かを判断し、前記長期履歴相当量の時定数未満となると判断した場合に、前記長期履歴相当量をゼロとする減少手段（Ｓ３４，Ｓ３６）と、
   を備え、
   前記長期履歴算出手段は、抵抗体（Ｒ３）およびコンデンサ（Ｃ３）の並列接続体の電圧降下量を前記長期履歴相当量としてモデル化し、
   前記減少手段は、前記並列接続体の電圧降下量をゼロとすることにより、前記長期履歴相当量をゼロとすることを特徴とする２次電池の充電相当量算出装置。
2. ２次電池（Ｃ１１〜Ｃｎｍ）の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する充電相当量算出手段を備え、
   前記充電相当量算出手段は、前記２次電池の端子電圧のうち、前記充放電電流の履歴に応じて定まる電圧である履歴相当量を算出する履歴相当量算出手段（Ｓ１０〜Ｓ１６，Ｓ２０〜Ｓ２６）を備え、
   前記履歴相当量算出手段は、
   時定数が１０ｓ以上となる履歴相当量である長期履歴相当量を算出する長期履歴算出手段と、
   時定数が１０ｓ未満となる履歴相当量である短期履歴相当量を算出する短期履歴算出手段と、を備え、
   前記長期履歴算出手段は、第１抵抗体（Ｒ３）および第１コンデンサ（Ｃ３）の第１並列接続体の電圧降下量を前記長期履歴相当量としてモデル化し、
   前記短期履歴算出手段は、第２抵抗体（Ｒ１，Ｒ２）および第２コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）の第２並列接続体の電圧降下量を前記短期履歴相当量としてモデル化し、
   前記２次電池の充電および放電の周期が前記長期履歴相当量の時定数未満となるか否かを判断し、前記長期履歴相当量の時定数未満となると判断した場合に、前記第１並列接続体と前記第２並列接続体との直列接続体により前記電圧降下量を算出する状態から、前記第１並列接続体を用いず前記第２並列接続体により前記電圧降下量を算出する状態へと切り替えることを特徴とする２次電池の充電相当量算出装置。
3. 燃料を貯蔵する貯蔵手段（２３）、該燃料の燃焼エネルギを動力に変換する内燃機関（２２）、該内燃機関の動力を電気エネルギに変換する変換手段（２０）、および車載主機としての回転機（１４）を備え、前記内燃機関を停止させて前記回転機を駆動する走行モードであるＥＶモードと、前記内燃機関および前記変換手段を操作して２次電池（Ｃ１１〜Ｃｎｍ）の充電率を予め定められたＨＶ用領域に制限する走行モードであるＨＶモードとを選択的に行う車両に搭載される充電相当量算出装置であって、
   前記２次電池の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する充電相当量算出手段を備え、
   前記充電相当量算出手段は、前記２次電池の端子電圧のうち、前記充放電電流の履歴に応じて定まる電圧である履歴相当量を算出する履歴相当量算出手段（Ｓ１０〜Ｓ１６，Ｓ２０〜Ｓ２６）を備え、
   前記履歴相当量算出手段は、
   時定数が１０ｓ以上となる履歴相当量である長期履歴相当量を算出する長期履歴算出手段と、
   前記ＥＶモードから前記ＨＶモードへの切り替えに伴い、前記長期履歴相当量をゼロとする減少手段（Ｓ３４，Ｓ３６）と、
   を備え、
   前記長期履歴算出手段は、抵抗体（Ｒ３）およびコンデンサ（Ｃ３）の並列接続体の電圧降下量を前記長期履歴相当量としてモデル化し、
   前記減少手段は、前記並列接続体の電圧降下量をゼロとすることにより、前記長期履歴相当量をゼロとすることを特徴とする２次電池の充電相当量算出装置。
4. 燃料を貯蔵する貯蔵手段（２３）、該燃料の燃焼エネルギを動力に変換する内燃機関（２２）、該内燃機関の動力を電気エネルギに変換する変換手段（２０）、および車載主機としての回転機（１４）を備え、前記内燃機関を停止させて前記回転機を駆動する走行モードであるＥＶモードと、前記内燃機関および前記変換手段を操作して２次電池（Ｃ１１〜Ｃｎｍ）の充電率を予め定められたＨＶ用領域に制限する走行モードであるＨＶモードとを選択的に行う車両に搭載される充電相当量算出装置であって、
   前記２次電池の充放電電流の検出値および該２次電池の端子電圧の検出値を入力とし、前記２次電池の充電量を表現する物理量である充電相当量を算出する充電相当量算出手段を備え、
   前記充電相当量算出手段は、前記２次電池の端子電圧のうち、前記充放電電流の履歴に応じて定まる電圧である履歴相当量を算出する履歴相当量算出手段（Ｓ１０〜Ｓ１６，Ｓ２０〜Ｓ２６）を備え、
   前記履歴相当量算出手段は、
   時定数が１０ｓ以上となる履歴相当量である長期履歴相当量を算出する長期履歴算出手段と、
   時定数が１０ｓ未満となる履歴相当量である短期履歴相当量を算出する短期履歴算出手段と、を備え、
   前記長期履歴算出手段は、第１抵抗体（Ｒ３）および第１コンデンサ（Ｃ３）の第１並列接続体の電圧降下量を前記長期履歴相当量としてモデル化し、
   前記短期履歴算出手段は、第２抵抗体（Ｒ１，Ｒ２）および第２コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）の第２並列接続体の電圧降下量を前記短期履歴相当量としてモデル化し、
   前記ＥＶモードでは、前記第１並列接続体と前記第２並列接続体との直列接続体により前記履歴相当量を算出し、前記ＨＶモードでは前記第１並列接続体を用いず前記第２並列接続体により前記履歴相当量を算出することを特徴とする２次電池の充電相当量算出装置。
5. 前記履歴相当量算出手段は、前記切り替えの際に、前記第１並列接続体と前記第２並列接続体との直列接続体により前記電圧降下量を算出する状態と、前記第１並列接続体を用いず前記第２並列接続体により前記電圧降下量を算出する状態との加重平均処理により前記電圧降下量を算出し、
   前記第１並列接続体と前記第２並列接続体との直列接続体により算出された前記電圧降下量の重み係数を漸減させることを特徴とする、請求項２に記載の充電相当量算出装置。
6. 前記履歴相当量算出手段は、前記ＥＶモードから前記ＨＶモードへの切り替えの際に、前記第１並列接続体と前記第２並列接続体との直列接続体により前記電圧降下量を算出する状態と、前記第１並列接続体を用いず前記第２並列接続体により前記電圧降下量を算出する状態との加重平均処理により前記電圧降下量を算出し、
   前記第１並列接続体と前記第２並列接続体との直列接続体により算出された前記電圧降下量の重み係数を漸減させることを特徴とする、請求項４に記載の充電相当量算出装置。
7. 前記履歴相当量算出手段は、前記充放電電流の検出値に対する時定数が１０ｓ未満となる履歴相当量である短期履歴相当量を算出する短期履歴算出手段を備えることを特徴とする請求項１又は３に記載の２次電池の充電相当量算出装置。
8. 前記２次電池は、燃料を貯蔵する貯蔵手段（２３）、該燃料の燃焼エネルギを動力に変換する内燃機関（２２）、該内燃機関の動力を電気エネルギに変換する変換手段（２０）、および車載主機としての回転機（１４）を備える車両に搭載され、
   前記車両は、ＥＶモードでの走行とＨＶモードでの走行とを選択的に行なう走行制御手段（Ｓ３４）を備え、
   前記ＥＶモードは、前記内燃機関を停止させて前記回転機を駆動する走行モードであり、
   前記ＨＶモードは、前記内燃機関および前記変換手段を操作して前記２次電池の充電率を予め定められたＨＶ用領域に制限する走行モードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次電池の充電相当量算出装置。

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