JP7155486B2 - バッテリー管理システム、バッテリー管理方法、バッテリーパック及び電気車両 - Google Patents

Description

本発明は、拡張カルマンフィルターを用いてバッテリーの充電状態を推定する技術に関する。

最近、ノートブックＰＣ、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能二次電池についての研究が活発に進行しつつある。

現在、商用化したバッテリーとしては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどがあり、このうち、リチウムバッテリーは、ニッケル系のバッテリーに比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。

バッテリーの充放電を制御するに際して重要なパラメーターの一つは、充電状態（ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）である。充電状態は、バッテリーが完全に充電されたときにバッテリーに貯蔵された電気エネルギーを示す最大容量（ｍａｘｉｍｕｍ ｃａｐａｃｉｔｙ）に対する現在容量の相対的な割合を示すパラメーターであって、０～１または０％～１００％で示し得る。例えば、バッテリーの最大容量と残存容量が各々１０００Ａｈ（ａｍｐｅｒｅ－ｈｏｕｒ）と７５０Ａｈである場合、バッテリーの充電状態は０．７５（または７５％）となる。

バッテリーの充電状態の推定には、アンペアカウンティング、等価回路モデル、拡張カルマンフィルターなどが代表的に用いられている。アンペアカウンティングとは、バッテリーを通して流れる電流を時間に対して累積した電流積算値に基づいて、バッテリーの充電状態を推定する技法である。等価回路モデルは、バッテリーの電気化学的な特性に倣うように複数の電気部品同士の結合関係をモデリングしたものである。

但し、アンペアカウンティングは、電流センサーの測定誤差及び／または外部からのノイズによって、アンペアカウンティングによって推定された充電状態と実際の充電状態との差が発生し得るという短所がある。また、充電状態が完全放電状態に近い所定の範囲で開放電圧が急変するバッテリーの非線形的な特性に完璧に倣うように等価回路モデルを設計することは非常に難しい。

拡張カルマンフィルターは、アンペアカウンティングと等価回路モデル各々の短所が相互に補完されるように、アンペアカウンティングと等価回路モデルとを数学的に組み合わせた技法である。

ところが、拡張カルマンフィルターを用いても、前述した非線形的な特性が非常に強く現れる場合、バッテリーの充電状態の推定値に大きいエラーが発生し得る。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、拡張カルマンフィルターを用いて毎周期ごとにバッテリーの充電状態を推定（更新）することにおいて、現周期の充電状態を示す臨時推定値を非線形的な特性が強く現われる基準範囲と比較した結果に基づいて開放電圧情報を決定した後、開放電圧情報に基づいて現周期の充電状態を示す確定推定値を決定できるバッテリー管理システム、バッテリー管理方法、バッテリーパック及び電気車両を提供することを目的とする。

また、本発明は、バッテリーの退化度に関わる最大容量に基づいて基準範囲の最大値を調節することで、バッテリーの充電状態をより高い信頼性で推定できるバッテリー管理システム、バッテリー管理方法及びバッテリーパックを提供することを他の目的とする。

本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。

本発明の一面によるバッテリー管理システムは、バッテリーの電流、電圧及び温度を示すバッテリー情報を生成するように構成されるセンシング部と、拡張カルマンフィルターを実行し、前記バッテリー情報に基づいて前記バッテリーの充電状態を推定するように構成される制御部と、を含む。前記制御部は、前記拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスを用いて、以前周期の充電状態を示す以前推定値及び前記バッテリー情報に基づいて現周期の充電状態に対する臨時推定値を決定するように構成される。前記制御部は、前記臨時推定値に基づいて開放電圧情報を決定する。また、前記制御部は、前記拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスを用いて、前記臨時推定値、前記開放電圧情報及び前記バッテリー情報に基づいて、前記現周期の充電状態を示す確定推定値を決定するように構成される。

前記開放電圧情報は、第１開放電圧ファクター値を含み得る。前記制御部は、前記臨時推定値が基準範囲外である場合、所定の第１勾配調節値を前記第１開放電圧ファクター値に決定するように構成され得る。

前記制御部は、前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記第１勾配調節値よりも小さい所定の第２勾配調節値を前記第１開放電圧ファクター値に決定するように構成され得る。

前記制御部は、前記バッテリーの最大容量に基づき、前記基準範囲の最大値を決定するように構成され得る。

前記制御部は、前記バッテリーの設計容量と前記最大容量との差が増加するほど、前記基準範囲の最大値を増加させるように構成され得る。

前記開放電圧情報は、第２開放電圧ファクター値を含み得る。前記制御部は、前記臨時推定値が基準範囲外である場合、前記バッテリーの充電状態と開放電圧との対応関係が規定されたデータテーブルから、前記臨時推定値に対応する第１開放電圧を前記第２開放電圧ファクター値に決定するように構成され得る。

前記制御部は、前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記基準範囲の最大値に対応する第２開放電圧を前記第２開放電圧ファクター値に決定するように構成され得る。前記基準範囲の最大値は所定の基準値以上である。

本発明の他面によるバッテリーパックは、前記バッテリー管理システムを含む。

本発明のさらに他面による電気車両は、前記バッテリーパックを含む。

本発明のさらに他面によるバッテリー管理方法は、前記バッテリー管理システムによって実行可能である。前記バッテリー管理方法は、前記バッテリーの電流、電圧及び温度を示すバッテリー情報を収集する段階と、前記拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスを用いて、以前周期の充電状態を示す以前推定値及び前記バッテリー情報に基づいて現周期の充電状態に対する臨時推定値を決定する段階と、前記臨時推定値に基づいて開放電圧情報を決定する段階と、前記拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスを用いて、前記臨時推定値、前記開放電圧情報及び前記バッテリー情報に基づいて前記現周期の充電状態を示す確定推定値を決定する段階と、を含む。

前記開放電圧情報を決定する段階は、前記臨時推定値が基準範囲外である場合、所定の第１勾配調節値を第１開放電圧ファクター値に決定する段階と、前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記第１勾配調節値よりも小さい所定の第２勾配調節値を前記第１開放電圧ファクター値に決定する段階と、を含み得る。前記開放電圧情報は、前記第１開放電圧ファクター値を含み得る。

前記開放電圧情報を決定する段階は、前記臨時推定値が基準範囲外である場合、前記バッテリーの充電状態と開放電圧との対応関係が規定されたデータテーブルから、前記臨時推定値に対応する開放電圧を第２開放電圧ファクター値に決定する段階と、前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記基準範囲の最大値に対応する第２開放電圧を前記第２開放電圧ファクター値に決定する段階と、を含み得る。前記開放電圧情報は、前記第２開放電圧ファクター値を含み得る。

本発明の実施例の少なくとも一つによれば、拡張カルマンフィルターを用いて毎周期ごとにバッテリーの充電状態を推定（更新）することにおいて、現周期の充電状態を示す臨時推定値を、非線形的な特性が強く現れる基準範囲と比較した結果に基づいて開放電圧情報を決定した後、開放電圧情報に基づいて現周期の充電状態を示す確定推定値を決定できる。これによって、バッテリーの非線形的な特性による開放電圧の急激な変化がバッテリーの充電状態の推定正確度に及ぶ悪影響を低減することができる。

また、本発明の実施例の少なくとも一つによれば、バッテリーの退化度に関わる最大容量に基づいて基準範囲の最大値を調節することで、バッテリーの充電状態をより高い信頼性で推定することができる。

本発明の効果は以上で言及した効果に制限されず、言及されていない本発明の他の効果は請求範囲の記載から当業者により明らかに理解されるだろう。

本発明による電気車両の構成を例示的に示した図である。 バッテリーの等価回路モデルの回路構成を例示的に示す図である。 バッテリーのＯＣＶ－ＳＯＣカーブを例示的に示した図である。 図１のバッテリー管理システムによって実行可能なバッテリー管理方法を例示的に示すフローチャートである。 本発明の一実施例によって開放電圧情報としての第１開放電圧ファクター値を決定する方法を例示的に示すフローチャートである。 本発明の他の実施例によって開放電圧情報としての第２開放電圧ファクター値を決定する方法を例示的に示すフローチャートである。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。

したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。

なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載の「制御部」のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を示し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの結合せにより具現され得る。

さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されているとするとき、これは、「直接的に連結（接続）」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に連結（接続）」されている場合も含む。

図１は、本発明による電気車両の構成を例示的に示す図であり、図２は、バッテリーの等価回路モデルの回路構成を例示的に示す図である。図３は、バッテリーのＯＣＶ－ＳＯＣカーブを例示的に示す。

図１を参照すれば、バッテリーパック１０は、電気車両１などのような電力駆動装置に要求される電気エネルギーを提供するためのものであって、バッテリー２０、スイッチ３０及びバッテリー管理システム１００を含む。

バッテリー２０は、少なくとも一つのバッテリーセルを含む。各バッテリーセルは、例えば、リチウムイオンセルであり得る。勿論、バッテリーセルの種類がリチウムイオンセルに限定されることではなく、反復的な充放電が可能なものであれば、特に制限されない。バッテリー２０に含まれた各バッテリーセルは、他のバッテリーセルと直列または並列で電気的に接続する。

スイッチ３０は、バッテリー２０の充放電のための電流経路に設けられる。スイッチ３０の制御端子は、制御部１２０に電気的に接続可能に提供される。スイッチ３０は、制御部１２０によって出力されるスイッチング信号ＳＳが制御端子に印加されることに応じて、スイッチング信号ＳＳのデューティ比によってオンオフ制御される。スイッチ３０は、スイッチング信号ＳＳがハイレベルである場合にターンオンされ、スイッチング信号ＳＳがローレベルである場合にターンオフされ得る。スイッチ３０のオンオフによって電流経路を通して流れる電流が調節される。

バッテリー管理システム１００は、バッテリー２０の充電状態を周期的に決定するために、バッテリー２０に電気的に接続可能に提供される。バッテリー管理システム１００は、センシング部１１０、制御部１２０、メモリ部１３０及び通信部１４０を含む。

センシング部１１０は、バッテリー２０の充放電中、バッテリー２０の電圧、電流及び温度を示すバッテリー情報を周期的に生成するように構成される。センシング部１１０は、電流センサー１１１、電圧センサー１１２及び温度センサー１１３を含む。

電流センサー１１１は、バッテリー２０の充放電経路に電気的に接続可能にに提供される。電流センサー１１１は、バッテリー２０を通して流れる電流の大きさと方向を示す信号ＳＩを制御部１２０に出力するように構成される。例えば、シャント抵抗及び／またはホール効果素子が電流センサー１１１として用いられ得る。

電圧センサー１１２は、バッテリー２０の正極端子及び負極端子に電気的に接続可能に提供される。電圧センサー１１２は、バッテリー２０の正極端子と負極端子との間にかかる電圧を検出し、検出された電圧を示す信号ＳＶを制御部１２０に出力するように構成される。

温度センサー１１３は、バッテリー２０から所定の距離内における領域の温度を検出し、検出された温度を示す信号ＳＴを制御部１２０に出力するように構成される。例えば、負特性温度係数を有するサーミスターが温度センサー１１３として用いられ得る。

制御部１２０は、センシング部１１０、メモリ部１３０、通信部１４０及びスイッチ３０に動作可能に結合する。制御部１２０は、ハードウェア的に、ＡＳＩＣｓ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、ＤＳＰｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＤＳＰＤｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＰＬＤｓ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＦＰＧＡｓ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ）、マイクロプロセッサー（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、その他の機能遂行のための電気的なユニットの少なくとも一つを用いて具現され得る。

制御部１２０は、バッテリー情報としてセンシング部１１０によって出力される信号ＳＩ、信号ＳＶ及び信号ＳＴを周期的に受信するように構成される。制御部１２０は、制御部１２０に含まれたＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いて、信号ＳＩ、信号ＳＶ及び信号ＳＴの各々から電流値、電圧値及び温度値を決定した後、メモリ部１３０に保存し得る。

メモリ部１３０は、制御部１２０に動作可能に結合する。メモリ部１３０には、後述する段階を行うのに必要なプログラム及び各種データが保存され得る。メモリ部１３０は、例えば、 例えば、フラッシュメモリータイプ（ｆｌａｓｈ（登録商標） ｍｅｍｏｒｙ ｔｙｐｅ）、ハードディスクタイプ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、ＳＳＤタイプ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ，ソリッドステートディスクタイプ）、ＳＤＤタイプ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ ｔｙｐｅ，シリコンディスクドライブタイプ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，ランダムアクセスメモリ）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，スタティックランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，リードオンリメモリ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，エレクトリカリーイレーサブルリードオンリメモリ）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，プログラマブルリードオンリメモリ）の少なくとも一つのタイプの保存媒体を含み得る。

通信部１４０は、外部デバイス２と通信可能に結合し得る。例えば、外部デバイス２は、車両１のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり得る。通信部１４０は、外部デバイス２からの命令メッセージを受信し、受信された命令メッセージを制御部１２０に提供し得る。命令メッセージは、バッテリー管理システム１００の特定機能（例えば、充電状態の推定、スイッチ３０に対するオンオフ制御）の活性化を要求するメッセージであり得る。通信部１４０は、制御部１２０からの通知メッセージを外部デバイス２に伝達し得る。通知メッセージは、制御部１２０によって実行された機能の結果（例えば、充電状態の推定値）を外部デバイス２に知らせるためのメッセージであり得る。通信部１４０は、外部デバイス２とＬＡＮ（ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ，ローカルエリア・ネットワーク）、ＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ，コントローラー・エリア・ネットワーク）、デージチェーンのような有線ネットワーク及び／またはブルートゥース（登録商標）、ジグビー、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）などの近距離無線ネットワークを介して通信し得る。

制御部１２０は、バッテリー２０の最大容量またはＳＯＨ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｅａｌｔｈ）を決定するように構成される。最大容量は、バッテリー２０に最大に保存可能な電荷量を示し、「完全充電容量」とも称し得る。例えば、最大容量は、充電状態が１（＝１００％）であるバッテリー２０を充電状態が０（＝０％）になるまで放電させる間に流れる電流の積算値と同じである。

制御部１２０は、バッテリー２０の内部抵抗（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を演算した後、基準抵抗と内部抵抗との差または基準抵抗に対する内部抵抗の割合に基づいてバッテリー２０のＳＯＨまたは最大容量を決定し得る。または、制御部１２０は、次の数式１を用いて、バッテリー２０が充放電される相異なる二つの時点の各々における充電状態及び二つの時点間の期間に積算された電流積算値に基づいてバッテリー２０のＳＯＨまたは最大容量を決定し得る。二つの時点のうち前の時点をｔ_１、後の時点をｔ_２とする。

数式１において、Ｑ_ｒｅｆは基準容量、ＳＯＣ_１は時点ｔ_１で推定された充電状態、ＳＯＣ_２は時点ｔ_２で推定された充電状態、ΔＳＯＣはＳＯＣ_１とＳＯＣ_２との差、ｉ_ｔは時点ｔ_１と時点ｔ_２との間の時点ｔで検出された電流を示す電流値、ΔＣは時点ｔ_１から時点ｔ_２までの期間に積算された電流積算値、Ｑ_ｅｓｔは時点 ｔ_２における最大容量の推定値、ＳＯＨ_ｎｅｗは時点ｔ_２におけるＳＯＨの推定値を示す。Ｑ_ｒｅｆは、バッテリー２０のＳＯＨが１であったときの最大容量を示す予め決められた値である。Ｑ_ｒｅｆは、「設計容量」とも言え、メモリ部１３０に予め保存され得る。

数式１に関り、ΔＳＯＣが小さすぎる場合、Ｑ_ｅｓｔが実際とは大きい差を示し得る。したがって、制御部１２０は、ΔＳＯＣが所定値（例えば、０．５）以上である場合に限って、数式１を用いてバッテリー２０のＳＯＨまたは最大容量を決定するように構成され得る。

最大容量（またはＳＯＨ）を決定するに際し、前述した非線形的な特性の影響を排除するために、ＳＯＣ１及びＳＯＣ２の両方とも後述される基準範囲に属しない場合に限って、数式１を用いてバッテリー２０の最大容量を決定するように構成され得る。

以下、制御部１２０によって実行される、バッテリー２０のＳＯＣを推定するための動作をより詳しく説明する。

制御部１２０は、アンペアカウンティング（数式２参照）を用いて、バッテリー情報の電流値に基づいて現周期のバッテリー２０の充電状態の推定値を演算できる。

数式２に用いられた記号について説明すれば、次のようである。Δ_ｔは周期当たり時間の長さを示す。ｋはΔｔだけ経過する度に１ずつ増加する時間インデックスであって、所定のイベントが発生した時点から現在まで経過した周期の数を示す。イベントは、例えば、バッテリー２０の電圧が安定化した状態におけるバッテリー２０の充放電の開始であり得る。バッテリー２０の電圧が安定化した状態とは、バッテリー２０を通して電流が流れることなくバッテリー２０の電圧が一定に維持される無負荷状態であり得る。この場合、ＳＯＣ_ｅ［０］は、イベントが発生した時点におけるバッテリー２０の開放電圧をインデックスとして用いて、バッテリー２０の開放電圧（ＯＣＶ：ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）と充電状態との対応関係（図３に示したＯＣＶ－ＳＯＣカーブ参照）が規定されたデータテーブルから決定され得る。データテーブルは、メモリ部１３０に保存されている。

数式２において、ｉ［ｋ＋１］は現周期で検出された電流、ＳＯＣ_ｅ［ｋ］は拡張カルマンフィルターによって以前周期で決められた充電状態を示す。ＳＯＣ［ｋ＋１］は、アンペアカウンティングを用いて演算された現周期の充電状態を示す値である。数式２において、ｉ［ｋ＋１］は、ｉ［ｋ］に代替可能である。

以下、拡張カルマンフィルターについて説明する。拡張カルマンフィルターとは、数式２で表されるアンペアカウンティングと共に、バッテリー２０の等価回路モデル２００を追加的に活用して、バッテリー２０の充電状態を周期的に更新するためのアルゴリズムである。

図２を参照すれば、等価回路モデル２００は、開放電圧源２１０、オーム抵抗Ｒ_１及びＲＣペア２２０を含む。

開放電圧源２１０は、電気化学的に長時間の間に安定化したバッテリー２０の正極と負極と間の電圧である開放電圧に倣うものである。開放電圧源２１０によって出力される開放電圧（ＯＣＶ）は、バッテリー２０の充電状態（ＳＯＣ）と非線形的な関数関係を有する。即ち、ＯＣＶ＝ｆ_１（ＳＯＣ）でり、ＳＯＣ＝ｆ_２（ＯＣＶ）であって、ｆ_１及びｆ_２は相互の逆関数である。例えば、図３を参照すれば、３．３Ｖ＝ｆ_１（０．５）であり、０．７＝ｆ_２（３．４Ｖ）である。

開放電圧源２１０によって出力される開放電圧ＯＣＶは、事前実験によって多様な充電状態と温度ごとに予め決められていてもよい。

オーム抵抗Ｒ_１は、バッテリー２０のＩＲドロップＶ_１に関わる。ＩＲドロップとは、バッテリー２０が無負荷状態から充放電状態への転換時または充放電状態から無負荷状態への転換時に、バッテリー２０の両端にかかる電圧の瞬間的な変化を指す。例えば、無負荷状態のバッテリー２０に対する充電が開始される時点で測定されるバッテリー２０の電圧は開放電圧よりも大きい。他の例で、無負荷状態のバッテリー２０に対する放電が開始される時点で測定されるバッテリー２０の電圧は開放電圧よりも小さい。オーム抵抗Ｒ_１の抵抗値も、事前実験によって多様な充電状態と温度ごとに予め決められていてもよい。

ＲＣペア２２０は、バッテリー２０の電気二重層（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ）などによって誘発されるオーバーポテンシャルＶ_２（「分極電圧」と称することもある。）を出力するものであって、相互に並列接続した抵抗Ｒ_２とキャパシタＣ_２を含む。オーバーポテンシャルＶ_２は「分極電圧」とも称することがある。ＲＣペア２２０の時定数（ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）は、抵抗Ｒ_２の抵抗値とキャパシタＣ_２のキャパシタンスとの積であり、事前実験によって多様な充電状態及び温度ごとに予め決められていてもよい。

Ｖ_ｅｃｍは、等価回路モデル２００の出力電圧であって、開放電圧源２１０による開放電圧ＯＣＶ、オーム抵抗Ｒ_１によるＩＲドロップＶ_１及びＲＣペア２２０によるオーバーポテンシャルＶ_２の和と同一である。

等価回路モデル２００において、現周期のオーバーポテンシャルは、下記の数式３のように定義できる。

数式３において、Ｒ_２［ｋ＋１］は現周期の抵抗Ｒ_２の抵抗値、τ［ｋ＋１］は現周期のＲＣペア２２０の時定数、Ｖ_２［ｋ］は以前周期のオーバーポテンシャル、Ｖ_２［ｋ＋１］は現周期のオーバーポテンシャルを示す。数式３において、 ｉ［ｋ＋１］はｉ［ｋ］に代替し得る。イベントが発生した時点におけるオーバーポテンシャルＶ_２［０］は、０Ｖ（ｖｏｌｔ）であり得る。

下記の数式４は、拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスに関わる第１状態方程式であって、数式２と数式３の組合せから誘導される。

数式４及び下記の数式５～８から、上付き文字で表された記号「＾」は、時間アップデートによって予測された値であることを示す記号である。また、上付き文字で表された記号「－」は、後述する測定アップデートによって補正される前の値であることを示す記号である。数式４のＳＯＣ［ｋ＋１］は、現周期の充電状態を臨時的に示す推定値であって、「臨時推定値」と称し得る。数式４のＳＯＣ_ｅ［ｋ］は、以前周期の充電状態を示すと確定された推定値であって、「以前推定値」と称し得る。

下記の数式５は、拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスに関わる第２状態方程式である。

数式５において、Ｐ_ｋは以前周期で補正された誤差共分散行列（ｅｒｒｏｒ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ）、Ｑ_ｋは以前周期におけるプロセスノイズ共分散行列（ｐｒｏｃｅｓｓ ｎｏｉｓｅ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ）、Ｔは転置行列演算子、Ｐ^－ _ｋ＋１は現周期の誤差共分散行列を示す。ｋ＝０であり、Ｐ_０＝［ １ ０ ； ０ １ ］であり得る。Ｗ１_ｋは、第１プロセスノイズであって、アンペアカウンティングの信頼度に関わる。Ｗ１_ｋは、アンペアカウンティングを用いて演算された電流積算値の不正確度を示す所定の正数である。Ｗ２_ｋは、第２プロセスノイズであって、等価回路モデル２００の信頼度に関わる。Ｗ２_ｋは、等価回路モデル２００に関わるパラメーターの不正確度を示す所定の正数である。

制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］に基づいて開放電圧情報を決定し得る。開放電圧情報は、第１開放電圧ファクター値及び第２開放電圧ファクター値の少なくとも一つを含む。第１開放電圧ファクター値及び第２開放電圧ファクター値の各々については、以下により詳しく説明する。

制御部１２０は、数式４及び数式５を用いた時間アップデートプロセスが完了した後、測定アップデートプロセスを実行する。

以下の数式６は、拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスに関わる第１観測方程式である。

数式６において、Ｋ_ｋ＋１は現周期のカルマンゲインを示す。また、Ｒは測定ノイズ共分散行列（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｎｏｉｓｅ ｃｏｖａｒｉａｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ）であり、予め決められた成分を有する。

数式６において、Ｈ_ｋ＋１はシステム行列である。Ｈ_ｋ＋１の１行１列の成分は、バッテリー２０の現周期の充電状態を推定することにおいて、図３に示したＯＣＶ－ＳＯＣカーブを規定するデータテーブルによるバッテリー２０の開放電圧の変化推移を示す。Ｈ_ｋ＋１のｎは、予め決められた正の整数（例えば、１）である。

開放電圧の変化推移は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］を中間値とする関心充電状態範囲に対応する関心開放電圧範囲の幅を示し得る。関心充電状態範囲の最小値に対応する開放電圧は、関心開放電圧範囲の最小値と同一であり得る。関心充電状態範囲の最大値に対応する開放電圧は、関心開放電圧範囲の最大値と同一であり得る。

ｕは、第１開放電圧ファクター値を指し、開放電圧の変化推移を設定するのに要求される関心充電状態範囲の幅を調節するための正数である。したがって、ｕを調節すると、関心充電状態範囲に対応する関心開放電圧範囲が調節される。

関心充電状態範囲の幅は、ＳＯＣ［ｋ＋１］＋０．０１ｕとＳＯＣ［ｋ＋１］－０．０１ｕとの差、即ち、０．０２ｕである。関心開放電圧範囲の幅は、ｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］＋０．０１ｕ）とｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］－０．０１ｕ）との差である。例えば、ＳＯＣ［ｋ＋１］が同一である場合、ｕが減少するほど関心開放電圧範囲の最小値ｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］－０．０１ｕ）は増加し、開放電圧範囲の最大値ｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］＋０．０１ｕ）は減少する。勿論、ＳＯＣ［ｋ＋１］が同一である場合、ｕが増加するほど関心開放電圧範囲の最小値は減少し、最大値は増加する。

制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］と基準範囲との比較結果に基づき、第１開放電圧ファクター値ｕを調節し得る。基準範囲（図３参照）は、前述した非線形的な特性が一定の水準以上になる充電状態の区間であって、事前実験などによって決められ得る。

基準範囲の最小値は、完全放電状態を示す０％であり得る。基準範囲の最大値（図３のＳＯＣ_Ｒ）は、非線形的な特性が発現される領域と残りの領域との境界を示す。

制御部１２０は、バッテリー２０の最大容量Ｑ_ｅｓｔに基づいて基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒを決定し得る。具体的に、制御部１２０は、設計容量Ｑ_ｒｅｆと最大容量Ｑ_ｅｓｔとの差が増加するほど（即ち、バッテリー２０が退化するほど）、基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒを増加させ得る。その理由は、バッテリー２０が退化するほど、バッテリー２０の内部における電気化学的な状態が不安定になることによって、非線形的な特性が示される領域が拡大されるためである。例えば、設計容量Ｑ_ｒｅｆと最大容量Ｑ_ｅｓｔとの差が所定の基準差値未満である場合、所定の基準値（例えば、５％）が基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒとして決定され得る。基準値は、バッテリー２０が新品であるときにバッテリー２０の非線形的な特性が示される領域と残りの領域との境界における充電状態を示し得る。設計容量Ｑ_ｒｅｆと最大容量Ｑ_ｅｓｔとの差が基準差値以上である場合、（ｉ）所定のスケーリング係数が掛けられた設計容量Ｑ_ｒｅｆと最大容量Ｑ_ｅｓｔとの差と、（ｉｉ）基準値の和が基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒとして決定され得る。勿論、基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒは、最大容量Ｑ_ｅｓｔとは関係なく、基準値に維持することも可能である。

制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲外である場合、所定の第１勾配調節値を第１開放電圧ファクター値ｕとして決定し得る。一方、制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲内である場合、所定の第２勾配調節値を第１開放電圧ファクター値ｕに決定し得る。第２勾配調節値は、第１勾配調節値よりも小さい。例えば、第１勾配調節値はｎと同じ１であり、第２勾配調節値はｎよりも小さい０．５であり得る。第１勾配調節値及び第２勾配調節値は、事前実験結果などに基づいて予め決められ得る。

第１開放電圧ファクター値ｕが第２勾配調節値と同じ場合の関心開放電圧範囲は、第１開放電圧ファクター値ｕが第１勾配調節値と同じ場合の関心開放電圧範囲よりも狭くなる。したがって、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲内である場合、非線形的な特性を強く示すバッテリー２０の開放電圧の変化推移がＨ_ｋ＋１に精度よく反映可能になる。勿論、第１開放電圧ファクター値ｕは、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］とは関係なく、定数（例えば、ｎと同一）であり得る。

次の数式７は、拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスに関わる第２観測方程式である。数式４から得たＳＯＣ［ｋ＋１］及びＶ_２［ｋ＋１］は、数式７によって各々補正される。

数式７において、ｚ_ｋ＋１は、現周期で測定されたバッテリー２０の電圧であり、Ｖ_１［ｋ＋１］は、現周期でオーム抵抗Ｒ_１にかかる電圧を示し、ｉ［ｋ＋１］及びｉ［ｋ］のいずれか一つとＲ_１［ｋ＋１］との積と同一であり得る。Ｒ_１［ｋ＋１］は、現周期のオーム抵抗Ｒ_１の抵抗値である。制御部１２０は、バッテリー情報の温度値に基づいてＲ_１［ｋ＋１］を決定し得る。このために、メモリ部１３０には、温度値とオーム抵抗Ｒ_１の抵抗値との対応関係が定義された第１ルックアップテーブルが記録されている。制御部１２０は、現周期の温度値をインデックスとして用いて、第１ルックアップテーブルから現周期の温度値にマッピングされた抵抗値をＲ_１［ｋ＋１］として得ることができる。

数式７において、ｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］）は、第２開放電圧ファクター値を指す。制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲の外である場合、データテーブル（図３参照）から、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］に対応する開放電圧を第２開放電圧ファクター値として決定し得る。この場合、ｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］）は、現周期の開放電圧の推定値を示す。一方、制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲内である場合、データテーブル（図３参照）から、基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒに対応する開放電圧（図２のＶ_Ｒ）を第２開放電圧ファクター値として決定し得る。

また、制御部１２０は、数式４のｉ［ｋ＋１］（またはｉ［ｋ］）を電流値と同一に設定し、数式７のｚ_ｋ＋１をバッテリー情報の電圧値と同一に設定する。これによって、制御部１２０は、数式７を用いて臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］を補正することで、ＳＯＣ_ｅ［ｋ＋１］を得ることができる。ＳＯＣ_ｅ［ｋ＋１］は、バッテリー２０の現周期の充電状態に対する推定値に確定された値であり、「確定推定値」と称し得る。参考までに、Ｖ_２ｅ［ｋ＋１］は、数式４のＶ_２［ｋ＋１］が数式７によって補正された結果である。ＳＯＣ_ｅ［ｋ＋１］は、次の周期では数式４のＳＯＣ_ｅ［ｋ］として用いられる。

下記の数式８は、拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスに関わる第３観測方程式である。

数式８において、Ｅは単位行列を示す。数式５から得られたＰ^－ _ｋ＋１は、数式８によってＰ_ｋ＋１に補正される。

制御部１２０は、時間インデックスｋが１ずつ増加する度に、数式４～８による各演算段階を少なくとも一回ずつ行うことで、毎周期ごとにバッテリー２０の充電状態を示す確定推定値を更新する。

制御部１２０は、温度値及び以前周期で決められた充電状態に基づいて、数式４のＲ_２［ｋ＋１］及びτ［ｋ＋１］を決定する。メモリ部１３０には、充電状態、温度値と抵抗Ｒ_２の抵抗値との対応関係が定義された第２ルックアップテーブルが記録され得る。制御部１２０は、温度値及び以前周期で決められた充電状態をインデックスとして用いて、第２ルックアップテーブルから、温度値及び以前周期で決められた充電状態にマッピングされた抵抗値を数式４のＲ_２［ｋ＋１］として獲得し得る。また、メモリ部１３０には、充電状態と温度値と時定数との対応関係が定義された第３ルックアップテーブルが記録され得る。制御部１２０は、温度値及び以前周期で決められた充電状態をインデックスとして用いて、第３ルックアップテーブルから、温度値及び以前周期で決められた充電状態にマッピングされた時定数を数式４のτ［ｋ＋１］として獲得し得る。

制御部１２０は、スイッチ３０を制御するために、スイッチング信号ＳＳを選択的に出力し得る。制御部１２０は、確定推定値ＳＯＣ_ｅ［ｋ＋１］が基準範囲内である場合、スイッチング信号ＳＳのデューティ比を所定の基準デューティ比（例えば、０．２）以下に制限し得る。スイッチング信号ＳＳのデューティ比が基準デューティ比以下に制限される場合、バッテリー２０の電圧、電流及び温度の急激な変化が抑制される。

図４は、図１のバッテリー管理システムによって実行可能なバッテリー管理方法を例示的に示すフローチャートである。図４の方法は、イベントが発生した時点から周期的に実行され得る。図４の方法は、バッテリー２０の充放電が中断される場合に終了され得る。

図１～図４を参照すれば、段階Ｓ４１０において、制御部１２０は、センシング部１１０から、バッテリー２０の電流、電圧及び温度を示すバッテリー情報を収集する。

段階Ｓ４２０で、制御部１２０は、拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスを用いて、以前周期の充電状態を示す以前推定値ＳＯＣ_ｅ［ｋ］及びバッテリー情報に基づいて、現周期の充電状態に対する臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］を決定する（数式４及び数式５参照）。

段階Ｓ４３０において、制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］に基づいて開放電圧情報を決定する。

段階Ｓ４４０において、制御部１２０は、拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスを用いて、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］、開放電圧情報及びバッテリー情報に基づき、現周期の充電状態を示す確定推定値ＳＯＣ_ｅ［ｋ＋１］を決定する（数式６～数式８参照）。

段階Ｓ４５０において、制御部１２０は、確定推定値ＳＯＣ_ｅ［ｋ＋１］を示す通知メッセージを通信部１４０によって外部デバイス２に伝送する。

図５は、本発明の一実施例によって開放電圧情報としての第１開放電圧ファクター値を決定する方法を例示的に示すフローチャートである。図５の方法は、図４の段階Ｓ４３０の下位段階となる。

図１～図５を参照すれば、段階Ｓ５００において、制御部１２０は、バッテリー２０の最大容量Ｑ_ｅｓｔに基づいて基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒを決定する。基準範囲の最小値は０％であり得る。段階Ｓ５００は必須ではなく、図５の方法から省略可能である。

段階Ｓ５１０において、制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲内であるか否かを判定する。即ち、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒ以下であるか否かが判定される。段階Ｓ５１０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ５２０へ進む。段階Ｓ５１０の値が「はい」である場合、段階Ｓ５３０へ進む。

段階Ｓ５２０において、制御部１２０は、第１開放電圧ファクター値（数式６のｕ）を所定の第１勾配調節値と同一に決定する。

段階Ｓ５３０において、制御部１２０は、第１開放電圧ファクター値を第１勾配調節値よりも小さい所定の第２勾配調節値と同一に決定する。

図６は、本発明の他の実施例によって開放電圧情報としての第２開放電圧ファクター値を決定する方法を例示的に示すフローチャートである。図６の方法は、図４の段階Ｓ４３０の下位段階となる。

図１～図４及び図６を参照すれば、段階Ｓ６００において、制御部１２０は、バッテリー２０の最大容量Ｑ_ｅｓｔに基づき、基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒを決定する。基準範囲の最小値は０％であり得る。段階Ｓ６００は必須ではなく、図６の方法から省略してもよい。

段階Ｓ６１０において、制御部１２０は、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲内であるか否かを判定する。即ち、臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］が基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒ以下であるか否かが判定される。段階Ｓ６１０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ６２０へ進む。段階Ｓ６１０の値が「はい」である場合、段階Ｓ６３０へ進む。

段階Ｓ６２０において、制御部１２０は、第２開放電圧ファクター値（数式７のｆ_１（ＳＯＣ［ｋ＋１］））を臨時推定値ＳＯＣ［ｋ＋１］に対応する第１開放電圧と同一に決定する。例えば、図３を参照すれば、ＳＯＣ［ｋ＋１］＝０．５＞ＳＯＣ_Ｒである場合、第１開放電圧＝３．３［Ｖ］＝第２開放電圧ファクター値である。

段階Ｓ６３０において、制御部１２０は、第２開放電圧ファクター値を基準範囲の最大値ＳＯＣ_Ｒに対応する第２開放電圧Ｖ_Ｒと同一に決定する。例えば、図３を参照すれば、ＳＯＣ［ｋ＋１］≦ＳＯＣ_Ｒである場合、第２開放電圧＝Ｖ_Ｒ［Ｖ］＝第２開放電圧ファクター値である。

一方、図５の方法と図６の方法とは、択一的にのみ実行することではなく、両方法を共に実行することも可能である。図５の方法と図６の方法とが両方とも実行される場合、段階Ｓ５００と段階Ｓ６００とは、いずれか一段階のみが行われ得る。

以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。

以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

また、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形が行われるように各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成可能である。

Claims (12)

1. バッテリーの電流、電圧及び温度を示すバッテリー情報を生成するように構成されるセンシング部と、
   拡張カルマンフィルターを実行し、前記バッテリー情報に基づいて前記バッテリーの充電状態を推定するように構成される制御部と、を含み、
   前記制御部は、
   前記拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスを用いて、以前周期の充電状態を示す以前推定値及び前記バッテリー情報に基づいて現周期の充電状態に対する臨時推定値を決定し、
   前記臨時推定値と基準範囲との比較結果に基づいて開放電圧情報を決定し、
   前記拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスを用いて、前記臨時推定値、前記開放電圧情報及び前記バッテリー情報に基づいて、前記現周期の充電状態を示す確定推定値を決定するように構成される、バッテリー管理システム。
2. 前記開放電圧情報は、第１開放電圧ファクター値を含み、
   前記制御部は、前記臨時推定値が前記基準範囲外である場合、所定の第１勾配調節値を前記第１開放電圧ファクター値に決定するように構成される、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
3. 前制御部は、前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記第１勾配調節値よりも小さい所定の第２勾配調節値を前記第１開放電圧ファクター値に決定するように構成される、請求項２に記載のバッテリー管理システム。
4. 前記制御部は、前記バッテリーの最大容量に基づき、前記基準範囲の最大値を決定するように構成される、請求項３に記載のバッテリー管理システム。
5. 前記制御部は、前記バッテリーの設計容量と前記最大容量との差が増加するほど、前記基準範囲の最大値を増加させるように構成される、請求項４に記載のバッテリー管理システム。
6. 前記開放電圧情報は、第２開放電圧ファクター値を含み、
   前記制御部は、前記臨時推定値が前記基準範囲外である場合、前記バッテリーの充電状態と開放電圧との対応関係が規定されたデータテーブルから、前記臨時推定値に対応する第１開放電圧を前記第２開放電圧ファクター値に決定するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
7. 前記制御部は、前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記基準範囲の最大値に対応する第２開放電圧を前記第２開放電圧ファクター値に決定するように構成され、
   前記基準範囲の最大値が所定の基準値以上である、請求項６に記載のバッテリー管理システム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の前記バッテリー管理システムを含む、バッテリーパック。
9. 請求項８に記載の前記バッテリーパックを含む、電気車両。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリー管理システムによって実行可能なバッテリー管理方法であって、
    前記バッテリーの電流、電圧及び温度を示すバッテリー情報を収集する段階と、
    前記拡張カルマンフィルターの時間アップデートプロセスを用いて、以前周期の充電状態を示す以前推定値及び前記バッテリー情報に基づいて現周期の充電状態に対する臨時推定値を決定する段階と、
    前記臨時推定値と基準範囲との比較結果に基づいて開放電圧情報を決定する段階と、
    前記拡張カルマンフィルターの測定アップデートプロセスを用いて、前記臨時推定値、前記開放電圧情報及び前記バッテリー情報に基づいて前記現周期の充電状態を示す確定推定値を決定する段階と、を含む、バッテリー管理方法。
11. 前記開放電圧情報を決定する段階は、
    前記臨時推定値が前記基準範囲外である場合、所定の第１勾配調節値を第１開放電圧ファクター値に決定する段階と、
    前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記第１勾配調節値よりも小さい所定の第２勾配調節値を前記第１開放電圧ファクター値に決定する段階と、を含み、
    前記開放電圧情報が前記第１開放電圧ファクター値を含む、請求項１０に記載のバッテリー管理方法。
12. 前記開放電圧情報を決定する段階は、
    前記臨時推定値が基準範囲外である場合、前記バッテリーの充電状態と開放電圧との対応関係が規定されたデータテーブルから、前記臨時推定値に対応する開放電圧を第２開放電圧ファクター値に決定する段階と、
    前記臨時推定値が前記基準範囲内である場合、前記基準範囲の最大値に対応する第２開放電圧を前記第２開放電圧ファクター値に決定する段階と、を含み、
    前記開放電圧情報が前記第２開放電圧ファクター値を含む、請求項１０に記載のバッテリー管理方法。

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