特許 6249942 電気バッテリの充電状態を推定する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6249942

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】電気バッテリの充電状態を推定する方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/36 20060101AFI20171211BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20171211BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20171211BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/36 AZHV

   H01M10/48 P

   H02J7/00 X

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-510867(P2014-510867)

(86)(22)【出願日】2012年5月16日

(65)【公表番号】特表2014-520254(P2014-520254A)

(43)【公表日】2014年8月21日

(86)【国際出願番号】FR2012051116

(87)【国際公開番号】WO2012160301

(87)【国際公開日】20121129

【審査請求日】2015年4月17日

【審判番号】不服2017-829(P2017-829/J1)

【審判請求日】2017年1月20日

(31)【優先権主張番号】1101568

(32)【優先日】2011年5月20日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ドリエメイエ−フランコ， アナ−ルシア

【合議体】

【審判長】 中塚 直樹

【審判官】 清水 稔

【審判官】 須原 宏光

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０２７４４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００７−５１７１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１０４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２０１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−４０５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７１４１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01R 31/36, H01M 10/48, H02J 7/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セルと呼ばれる複数の電気蓄電池を備える電気バッテリの充電状態（ＳＯＣｂａｔｔ＿ｋ）を推定する方法であって、以下のステップ、すなわち、
ａ）前記バッテリの各々のセルの充電状態（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ）が決定されるステップと、
ｂ）セルの前記充電状態の最大の所定の値から、ステップａ）において決定される、最も多く充電されているセルの充電状態（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍａｘ＿ｋ）と、最も少なく充電されているセルの充電状態（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋ）との間の乖離を引いた値に等しい、前記バッテリの使用範囲が決定されるステップと、
ｃ）前記バッテリの充電状態（ＳＯＣｂａｔｔ＿ｋ）が、ステップａ）において決定される前記最も少なく充電されているセルの前記充電状態（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋ）と、ステップｂ）において決定される前記バッテリの前記使用範囲との間の比に等しいように決定されるステップと
を含むことを特徴とする方法。

【請求項2】

ステップａ）において、前記バッテリの各々のセルに対して以下のステップ、すなわち、
ａ１）そのセルの機能性を表す少なくとも１つの入力変数（ｉ＿ｃｅｌｌ）の値（Ｉ＿ｃｅｌｌ＿ｍｅｓ）が決定されるステップと、
ａ２）そのセルの前記機能性を表す少なくとも１つの出力変数（ｕ＿ｃｅｌｌ）の値（Ｖ＿ｃｅｌｌ＿ｍｅｓ）が決定されるステップと、
ａ３）前記セルの前記充電状態（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ）が、前記入力変数（ｉ＿ｃｅｌｌ）のステップａ１）において決定される前記値に基づき、前記出力変数（ｕ＿ｃｅｌｌ）のステップａ２）において決定される前記値から導出される補正パラメータにより補正される状態観測器の支援によって推定されるステップと
が実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記入力変数が、少なくとも、前記セルを通過する電流（ｉ＿ｃｅｌｌ）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記出力変数が、少なくとも、前記セルの端子間の電圧（ｕ＿ｃｅｌｌ）を含むことを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。

【請求項5】

前記状態観測器が、カルマンフィルタ（ＦＫ＿ｉ）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の方法。

【請求項6】

前記カルマンフィルタ（ＦＫ＿ｉ）が、前記セルの前記機能性によって決まる少なくとも１つのパラメータを含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記カルマンフィルタ（ＦＫ＿ｉ）の前記パラメータが、前記セルの開回路電圧（ＯＣＶ）と前記セルの前記充電状態を関係付ける関数によって決まることを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記セルの前記開回路電圧（ＯＣＶ）と前記セルの前記充電状態を関係付ける前記関数がアフィン関数であり、前記カルマンフィルタ（ＦＫ＿ｉ）の前記パラメータがこの関数の成長率（ａ）であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記セルの前記開回路電圧（ＯＣＶ）と前記セルの前記充電状態を関係付ける前記関数が区分的アフィン関数であり、異なるカルマンフィルタ（ＦＫ＿ｉ１、ＦＫ＿ｉ２、ＦＫ＿ｉ３、ＦＫ＿ｉ４）が、前記セルの前記開回路電圧（ＯＣＶ）と前記セルの前記充電状態を関係付ける前記関数の異なるアフィン部分に関連する、前記セルの前記充電状態の値の各々の範囲に対して使用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。

【請求項10】

所与の時間でのステップａ）の履行の間に使用される前記カルマンフィルタ（ＦＫ＿ｉ１、ＦＫ＿ｉ２、ＦＫ＿ｉ３、ＦＫ＿ｉ４）が、直前の時間での前記セルの前記推定される充電状態（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ）の値の関数として決定されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記充電状態の値の第１の範囲に関連する第１のカルマンフィルタと、前記充電状態の値の第２の範囲に関連する第２のカルマンフィルタとの間の遷移が、自動化システム（Ａ）により管理され、
前記第１のカルマンフィルタから前記第２のカルマンフィルタへの遷移が、前記充電状態の推定される値が、第１のしきい値に達するときに行われ、
前記第２のカルマンフィルタから前記第１のカルマンフィルタへの遷移が、前記充電状態の推定される値が、前記第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達するときに行われることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。

【請求項12】

ステップａ）において、各々のセルの前記充電状態が、アンペア時測定基準計量方法により決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項13】

ステップａ）において、
前記バッテリに進入する電流が積分され、
各々のセルの前記充電状態が、前記バッテリに進入する前記電流の前記積分と当該の前記セルの容量との間の比の関数として決定される
ことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

当該バッテリが、自動車の牽引バッテリであることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の電気蓄電池を備える電気バッテリの分野に関する。

【0002】

本発明は、より詳細には、そのような電気バッテリの充電状態を推定する方法に関する。

【0003】

この発明は、自動車の電気牽引バッテリの充電状態を推定することに対して特に有利な適用性を有する。

【背景技術】

【0004】

現在は、電気バッテリの充電状態は、バッテリの全体に対する測定値の関数として、例えば、バッテリの端子の両端間で測定される電圧、バッテリを通過する電流、および／またはバッテリの温度の関数として推定される。

【0005】

しかしながら電気バッテリは一般に、セルと呼ばれるいくつかの電気蓄電池を備え、セルは、例えばセルの容量の、およびセルの内部抵抗の変動など、相互に異なる特性を有する。

【0006】

これらの違いは、一方ではバッテリ自体の構造に起因するものであり、他方では、セルが、バッテリの内側でのセルの位置によって異なる温度の変動を受けることを理由とする。したがってセルの温度によって決まるセルの特性もまた、異なる温度の変動を受ける。

【0007】

その結果として、まさに同じバッテリを形成するセルは、異なる充電状態を有することがしばしばである。このことを、バッテリセルの不平衡と称する。

【0008】

バッテリのセルが異なる充電状態を有するとき、バッテリの使用範囲は、最も多く充電されているセルにより、および最も少なく充電されているセルにより課される。

【0009】

つまりバッテリの最も少なく充電されているセルは、ゼロ充電の、すなわち完全に放電された状態に、他のセルが完全に放電される前に達することになる。したがってバッテリは全体として放電されたとみなされることになるが、一方でセルの一部は完全には放電されていない。したがってバッテリの使用範囲は、最も多く充電されているセルと最も少なく充電されているセルとの間の乖離により制限される。

【0010】

不平衡のこの状況において、大まかにはセルの充電状態の平均に対応する、全体としてのバッテリの測定される特性に基づくバッテリの充電状態の推定は、相当量の精度の低さを有する。特に、この平均の推定が非ゼロの充電状態値を与えても、バッテリは、セルのうちの１つが完全に放電されているならば役に立たない。

【0011】

バッテリの充電状態の推定のこの精度の低さは、電気またはハイブリッドの車両の牽引バッテリの場合において特に不利益になる。

【0012】

つまりこれらの車両では、バッテリの充電状態の情報が、運転者が自分の車両の自律性（ａｕｔｏｎｏｍｙ）を認識するように、車両のダッシュボード上で直接表示される。

【0013】

電気車両の自律性は熱式車両（ｔｈｅｒｍａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ）の自律性より低いので、可能な限り信頼性の高い情報を運転者に提供することにより、運転者を安心させることが重要である。

【0014】

その上運転者は、信頼性の高い充電状態の情報に運転中の自分の判断の基礎を置くことが可能でなければならない。バッテリの充電状態の推定においての誤差によって、結果として運転者が悪い判断を行い、自身が不愉快な状況にあることに気付く場合があり、例えば運転者はエネルギーの不足という理由で自身が移動不能になったことに気付き、さらには、例えば運転者が追い越し中に動力が不足しているならば、自身が危険な状況にあることに気付く場合がある。

【発明の概要】

【0015】

従来技術の上述の欠点を克服するために本発明は、バッテリの充電状態の精度および信頼性の高い推定を提供することを可能にする方法を提案する。

【0016】

より詳細には本発明によれば、セルと呼ばれる複数の電気蓄電池を備える電気バッテリの充電状態を推定する方法であって、以下のステップ、すなわち、
ａ）バッテリの各々のセルの充電状態が決定されるステップと、
ｂ）セルの充電状態の最大の所定の値から、ステップａ）において決定される、最も多く充電されているセルの充電状態と、最も少なく充電されているセルの充電状態との間の乖離を引いた値に等しい、バッテリの使用範囲が決定されるステップと、
ｃ）バッテリの充電状態が、ステップａ）において決定される最も少なく充電されているセルの充電状態と、ステップｂ）において決定されるバッテリの前記使用範囲との間の比に等しいように決定されるステップと、
を含む方法が提案される。

【0017】

バッテリの充電状態を推定するこの方法は、バッテリのセル間の起こり得る不平衡を考慮したものである。

【0018】

この方法によって、バッテリの充電状態の推定される値は、最も多く充電されているセルが実際に１００％に等しい最大の充電状態を有するときに、最大の、すなわち実際に１００％に等しい充電を指示し、最も少なく充電されているセルが実際に０％に等しい最小の充電状態を有するときに、実際に０％に等しい最小の充電を指示する。

【0019】

その上本発明による方法によって、これらの２つの極値間のバッテリの充電状態の連続的かつ代表的な変動を得ることが可能になる。

【0020】

本発明による方法の他の非限定的かつ有利な特徴は、以下の通りである。
− ステップａ）において、バッテリの各々のセルに対して以下のステップ、すなわち、
− ａ１）そのセルの機能性（ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ）を表す少なくとも１つの入力変数の値が決定されるステップと、
− ａ２）そのセルの機能性を表す少なくとも１つの出力変数の値が決定されるステップと、
− ａ３）セルの充電状態が、前記入力変数のステップａ１）において決定される値に基づき、前記出力変数のステップａ２）において決定される値から導出される補正パラメータにより補正される状態観測器の助力によって推定されるステップと
が実行される。
− 前記入力変数が、少なくとも、セルを通過する電流を含む。
− 前記出力変数が、少なくとも、セルの端子の両端間の電圧を含む。
− 各々のセルが、電圧発生器、抵抗器、ならびに抵抗器およびコンデンサを並列に備える構成要素を直列に備える電気モデル回路によりモデリングされる。
− 電気モデル回路の抵抗器およびコンデンサの容量の値が、セルの温度（ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ）および／またはセルの充電状態および／またはセルの寿命によって決まる。
− 前記状態観測器が、カルマンフィルタを備える。
− 前記カルマンフィルタが、セルの機能性によって決まる少なくとも１つのパラメータを含む。
− カルマンフィルタの前記パラメータが、セルの開回路電圧とセルの充電状態を関係付ける関数によって決まる。
− セルの開回路電圧とセルの充電状態を関係付ける関数がアフィン関数であり、カルマンフィルタの前記パラメータがこの関数の成長率である。
− セルの開回路電圧とセルの充電状態を関係付ける関数が区分的アフィン関数であり、異なるカルマンフィルタが、セルの開回路電圧とセルの充電状態を関係付ける関数の異なるアフィン部分に関連する、セルの充電状態の値の各々の範囲に対して使用される。
− 所与の時間でのステップａ）の履行の間に使用されるカルマンフィルタが、直前の時間でのセルの推定される充電状態の値の関数として決定される。
− 充電状態の値の第１の範囲に関連する第１のカルマンフィルタと、充電状態の値の第２の範囲に関連する第２のカルマンフィルタとの間の遷移が、ヒステリシスを有する自動化システムにより管理される。
− ステップａ）において、各々のセルの充電状態が、アンペア時測定基準計量方法（ａｍｐ−ｈｏｕｒ−ｍｅｔｒｉｃ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）により、すなわちアンペア時メータによって決定される。
− ステップａ）において、
− バッテリに進入する電流が積分され、
− 各々のセルの充電状態が、バッテリに進入する電流の積分と当該のセルの容量との間の比の関数として決定される。ならびに、
− 当該のバッテリが、自動車の牽引バッテリである。

【0021】

非限定的な例として与えられる添付の図面を参照する以下の説明は、本発明が何からなるかの、および本発明がどのように実施され得るかの良好な理解を与えるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】バッテリの各々のセルに対して決定される充電状態からのバッテリの充電状態の決定の図式表現の図である。

【図2】バッテリのセルのうちの１つをモデリングする電気回路の図式表現の図である。

【図3】図２に示す回路によりモデリングされるセルの充電状態の関数としてのセルの開回路電圧（実線）の、および、その開回路電圧の区分的アフィン関数としての近似（点線）の図式表現の図である。

【図4】図２に示す回路によりモデリングされるセルの充電状態を推定するための４つのカルマンフィルタの使用の図式表現の図であり、各々のカルマンフィルタは、そのセルの充電状態の関数としてそのセルの開回路電圧を表す関数の異なるアフィン部分に対応する。

【図5】セルを平衡調整するためのシステムが存在しない場合の、時間の関数としての本発明による方法により推定されるバッテリの充電状態の変動（実線）、および、バッテリのセルの充電状態の対応する変動（点線）を示す図である。

【図6】セルを平衡調整するためのシステムが存在する場合の、時間の関数としての本発明による方法により推定されるバッテリの充電状態の変動（実線）、および、バッテリのセルの充電状態の対応する変動（点線）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

ここでは、直列に接続され、以降ではセルと呼ばれる、複数の電気蓄電池を備える電気バッテリを考える。

【0024】

この電気バッテリは、例えば電気またはハイブリッドの自動車の牽引バッテリである。電気バッテリは、例えば９６に等しい、任意の数のセルを備える。

【0025】

以降ではインデックスｉが、インデックスｉのセルに関連する数値の大小（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）および演算器を指示することになり、ただしｉは１から９６の値をとる。

【0026】

バッテリの、またはセルの充電状態は、通常はそのバッテリの、またはそのセルの最大の充電状態の百分率として明示される。

【0027】

したがって以降では１００％に等しい充電状態は、満充電されている、したがって最大の充電状態にあるバッテリまたはセルを指示することになる。

【0028】

０％の充電状態は、完全に放電されている、したがって最小の充電状態にあるバッテリまたはセルを指示することになる。

【0029】

実際には、バッテリの充電状態の推定は、異なる時間に、好ましくは初期時間ｔ０から開始して期間Ｔｅの定期的な時間間隔で実行される。以降ではインデックスｋが、所与の時間ｔ＿ｋ＝ｔ０＋ｋ．Ｔｅに実行される測定および計算のすべてを指示することになる。時間インデックスが省略されるとき、変数の値は、進行中の測定の、または計算の時間ｋでのものであると考える。

【0030】

本発明による方法は、電子制御ユニットにより履行される。この電子制御ユニットは、下記で指示するように、バッテリの内側で電圧、電流、および温度の異なる値を測定するように適合されるバッテリのセンサから生じる情報を受信するように適合される。

【0031】

本発明によれば、電気バッテリの、ＳＯＣｂａｔｔ＿ｋと称する充電状態を推定する方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ）バッテリの各々のセルの、ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉと参照符号が付される充電状態が決定される、
ｂ）最も多く充電されているセルの、ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍａｘ＿ｋと参照符号が付される充電状態と、ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋと参照符号が付される、最も少なく充電されているセルの充電状態との間の乖離、すなわち、バッテリのセルのうちの１つに対してステップａ）において決定される充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの最も大きな値と、バッテリのセルのうちの別のものに対してステップａ）において決定される充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの最も小さな値との間の乖離を引いた、セルの充電状態の最大の所定の値に等しいバッテリの使用範囲が決定される、
ｃ）バッテリの充電状態ＳＯＣｂａｔｔ＿ｋが、ステップａ）において決定される最も少なく充電されているセルの充電状態と、ステップｂ）において決定されるバッテリの前記使用範囲との間の比に等しいように決定される、
を含む。

【0032】

これらの３つのステップは、図１に示されている。

【0033】

図１の左方のセクションは、ステップａ）において考えている時間ｔ＿ｋでのバッテリの各々のセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの値の決定を表す。

【0034】

ここでは各々のセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの値は、時間ｔ＿ｋに、この場合ではインデックスｉの前記セルに関連するカルマンフィルタＦＫ＿ｉである観測器により推定される。

【0035】

各々のセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの値がそうであるならば、電子制御ユニットは、各々の時間ｔ＿ｋに、最も多く充電されているセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍａｘ＿ｋを、および、その時間に、最も少なく充電されているセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋを、以下の式、
ｉ＝１から９６に対して、ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋ＝ｍｉｎ（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ）、および、ｉ＝１から９６に対して、ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍａｘ＿ｋ＝ｍａｘ（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ）
によって決定する。

【0036】

このステップは、図１内のブロック１０および１１により表される。

【0037】

ステップｂ）において電子制御ユニットは、最も多く充電されているセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍａｘ＿ｋと、最も少なく充電されているセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋとの間の乖離を引いた、セルの充電状態の所定の最大の値に等しい、時間ｔ＿ｋでのバッテリの使用範囲を決定する。

【0038】

例えば、いずれのセルの充電状態の所定の最大の値も一定であり１００％に等しい。

【0039】

図１内のブロック１２が、この使用範囲の計算を実行する。

【0040】

最後にステップｃ）において電子制御ユニットは、
− 時間ｔ＿ｋでの最も少なく充電されているセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋと、
− 決定される使用範囲と
の間の比を計算することにより、時間ｔ＿ｋでのバッテリの充電状態ＳＯＣｂａｔｔ＿ｋを決定する。

【0041】

この演算は、図１のブロック１３により実行される。

【0042】

換言すれば、バッテリの充電状態ＳＯＣｂａｔｔは以下の式、
ＳＯＣｂａｔｔ＿ｋ＝ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋ／（１−（ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍａｘ＿ｋ−ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｍｉｎ＿ｋ））
によって決定される。

【0043】

当該の時間ｔ＿ｋでのバッテリの各々のセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉを決定するステップａ）は、異なる形で実行され得る。

【0044】

本発明の好ましい実施形態によれば、ステップａ）において、バッテリの各々のセルに対して以下のステップ、すなわち、
ａ１）そのセルの機能性を表す少なくとも１つの入力変数ｉ＿ｃｅｌｌの値Ｉ＿ｃｅｌｌ＿ｍｅｓ＿ｉが決定される、
ａ２）そのセルの機能性を表す少なくとも１つの出力変数ｕ＿ｃｅｌｌの値Ｖ＿ｃｅｌｌ＿ｍｅｓ＿ｉが測定される、
ａ３）セルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉが、ステップａ１）において決定される前記入力変数ｉ＿ｃｅｌｌの値に基づき、ステップａ２）において測定される前記出力変数ｕ＿ｃｅｌｌの値から導出される補正パラメータにより補正される状態観測器の助力によって推定される、
が実行される。

【0045】

その上好ましくは、セルの温度ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉもまた決定され、この温度の関数としてのセルの充電がステップａ３）において推定される。

【0046】

これらのステップは、インデックスｉの各々のセルに対して各々の時間ｔ＿ｋに反復される。

【0047】

より正確には、前記入力変数は、少なくとも、セルを通過する電流ｉ＿ｃｅｌｌを含む。

【0048】

バッテリがセルの充電を平衡調整するためのシステムを備えないとき、この変数はバッテリ自体を通過する電流Ｉ_ｂａｔと同一であり、その理由は、セルは直列に一体に接続されるので、バッテリを通過する電流は各々のセルを通過する電流に等しいからというものである。

【0049】

セルの充電を平衡調整するためのシステムが、異なるセルの充電をいつでも均一にするために使用されるならば、この平衡調整システムはセルと並列に接続されるので、電流ｉ＿ｃｅｌｌは、セルの平衡調整電流が付加される電流Ｉ_ｂａｔに対応する。

【0050】

前記出力変数は、少なくとも、セルの端子の両端間の電圧ｕ＿ｃｅｌｌを含む。

【0051】

これらの入力変数および出力変数は、各々の時間ｔ＿ｋにインデックスｉの各々のセルに対して決定される。好ましくは、これらの入力変数および出力変数は測定される。

【0052】

選定される状態観測器において、少なくとも以下のものが利用可能である。
− その値が、各々の時間ステップで計算を更新するために各々の時間ｔ＿ｋで測定される入力変数ｉ＿ｃｅｌｌ、
− その推定ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔが求められているセルの充電状態である状態変数ＳＯＣｃｅｌｌ、
− 出力変数ｕ＿ｃｅｌｌであり、その値が、観測器を可能な限り現実に近付けるような形で観測器を補正するために、観測器により推定され、この出力変数の測定される値と比較される出力変数ｕ＿ｃｅｌｌ。

【0053】

したがってこの状態観測器において、その値を決定することが求められている状態変数は、測定される入力変数の助力によるだけでなく、出力変数から導出される補正パラメータの関数としてもまた、各々の時間ステップで計算される。

【0054】

より正確には、この実施形態を履行するために、各々のセルは、電気モデル回路１００によりモデリングされる。そのような電気モデル回路１００の例が、図２に示されている。

【0055】

電気モデル回路１００は、電圧ＯＣＶを発生させる電圧発生器１０１と、値Ｒ１の抵抗器１０２と、値Ｒ２の抵抗器１０４および容量Ｃ２のコンデンサ１０５を並列に備える構成要素１０３とを直列に備える。

【0056】

Ｒ１はセルの内部抵抗に対応し、Ｒ２およびＣ２は、セルの内側の周波数現象をモデリングするために使用される。

【0057】

構成要素１０３の端子の両端間の電圧は、以降ではＵｃ２と参照符号が付される。

【0058】

閉回路モデル回路の端子の両端間の電圧は、対応するセルの端子の両端間の電圧ｕ＿ｃｅｌｌである。このモデル回路の端子の両端間の開回路電圧は、セルの開回路電圧に対応する電圧ＯＣＶである。

【0059】

このモデル回路を通過する電流は、対応するセルを通過する電流ｉ＿ｃｅｌｌである。

【0060】

電気モデル回路１００の抵抗器１０２、１０４の値Ｒ１、Ｒ２、およびコンデンサ１０５の容量の値Ｃ２は、好ましくは、インデックスｉのセルの温度ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌの値ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉに、および／または当該のモデル回路によりモデリングされるセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌに、および／またはセルの寿命によって決まる。

【0061】

セルの寿命は、例えばセルの製造から経過した時間に、または、セルが電気車両内で使われる状態になってから経過した時間に対応する。セルの寿命は、セルの使用の開始からのセルの容量の低下を定量化することを可能にするパラメータである。つまりセルの老朽化の過程が、セルの容量の低減をもたらす。

【0062】

時間ｔでのセルの寿命を考慮するために、その時間でのセルの瞬時容量を決定し、その瞬時容量をセルの使用の開始でのセルの初期容量で割ったものに等しいパラメータを計算することが可能である。

【0063】

次いでこのパラメータは、電気モデル回路１００の抵抗器１０２、１０４の値Ｒ１、Ｒ２、および／またはコンデンサ１０５の容量の値Ｃ２を決定するために使用される。

【0064】

実際にはこれらの値Ｒ１、Ｒ２、およびＣ２は、状態観測器のパラメータを構成し、時間ｔ＿ｋでのインデックスｉのセルの温度ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌの値ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの関数として、および、直前の計算ステップにおいて時間ｔ＿ｋに対して推定されるセルの充電状態の関数として、あらかじめ確定されたマップから制御ユニットにより決定される。温度の値ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉを、測定する、計算により決定する、または、セルの機能性に関する他の情報から推定することが可能である。

【0065】

したがってインデックスｉのセルに関連する状態観測器ＦＫ＿ｉは、図４に示すように、インデックスｉのセルの、入力変数ｉ＿ｃｅｌｌの値Ｉ＿ｃｅｌｌ＿ｍｅｓ＿ｉ、出力変数ｕ＿ｃｅｌｌの値Ｖ＿ｃｅｌｌ＿ｍｅｓ＿ｉ、および、温度ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌの値ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉを入力として受け入れる。

【0066】

状態観測器は、例えばカルマンフィルタを備える。

【0067】

このカルマンフィルタは、セルの機能性によって決まる、例えば、モデル回路１００において電圧発生器１０１により発生させられる電圧に対応するセルの開回路電圧ＯＣＶとセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌを関係付ける関数によって決まる少なくとも１つのパラメータを含む。

【0068】

セルの開回路電圧ＯＣＶは、セルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌの非線形関数であり、各々のセルの化学的性質に対して異なる。例が図３において実線で与えられる。

【0069】

図３において点線で示す、この関数の区分的アフィン近似を行うことが可能である。

【0070】

次いで、セルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌの値の複数の範囲であり、その範囲に対してこの関数がアフィン関数である複数の範囲を規定することが可能である。

【0071】

したがって、考えている充電状態の各々の区間に対して、ＯＣＶ（ＳＯＣｃｅｌｌ）＝ａ．ＳＯＣｃｅｌｌ＋ｂであり、ただしａおよびｂは、考えているセルの、および充電状態の範囲の２つの特性パラメータである。

【0072】

以降では、モデル回路１００によりモデリングされるセルのアンペア時（Ａｈと参照符号が付される）での総容量は、Ｑ_ｍａｘと参照符号が付される。

【0073】

総容量は、各々のセルの固有の特性であり、セルの温度に、およびセルの寿命によって決まる。バッテリのセルは、同様ではあるが必ずしも同一ではない容量を有する。

【0074】

モデル回路１００の、したがって対応するセルの機能性は、以下の方程式により説明される。

【数1】

したがって、例えば期間Ｔｅに等しいサンプリング時間を含むオイラー法により離散化されるモデルを用い、各々の計算ステップが、時間ｔ＿ｋに対応し、インデックスｋにより表される場合、セルは以下の方程式系により説明される。

【数2】

ただし、

【数3】

である。

【0075】

この方程式系において、Ｕ_ｋは、カルマンフィルタの入力変数を表し、すなわちこの場合では、平衡調整システムが使用されるときにはセルの平衡調整電流が場合によっては付加されるバッテリの端子での電流に等しいセルの端子での電流を表し、Ｘ_ｋは、システムの状態、すなわちこの場合ではセルの充電状態、および構成要素１０３の端子の両端間の電圧Ｕ_Ｃ２を表し、ｙ_ｋは、出力変数を表す。この出力変数によって、時間ｋでのインデックスｉのセルの端子の両端間の電圧の推定される値ｕ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉが利用可能になる。

【0076】

行列Ａ_Ｓ、Ｂ_Ｓ、およびＤ_Ｓは、それらの行列が、セルの温度ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌの値ｔｅｍｐ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉの、およびそのセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌの関数として変動する、パラメータＲ１、Ｒ２、およびＣ２によって決まるので、各々の計算ステップで、すなわち各々の時間ｔ＿ｋで更新される。

【0077】

前に解説したように、パラメータＲ１、Ｒ２、およびＣ２はマップにより与えられる。

【0078】

カルマンフィルタを使用することによるステップａ）の実行の間、まず第１に、カルマンフィルタの状態変数および出力変数の値の推定が行われる。このことをなすために、時間ｔ＿（ｋ＋１）での予測される状態

【数4】

が、次式のカルマンフィルタの使用の特性方程式によって、時間ｔ＿ｋでの状態の関数として計算される。

【数5】

【0079】

次いでカルマンフィルタの最適なゲインＫ_ｋ＋１が以下の方程式から計算され、ここでＰ_{ｋ＋１｜｜ｋ}およびＰ_{ｋ＋１｜｜ｋ＋１}は、当業者にはよく知られている中間変数である。

【数6】

ただし、
− Ａ_Ｓ^ＴおよびＣ_Ｓ^Ｔは、行列Ａ_ＳおよびＣ_Ｓの転置行列であり、
− Ｑ_ｋａｌおよびＲ_ｋａｌは、状態の分散に、および出力の分散にそれぞれ対応する。これらの２つのパラメータは、カルマンフィルタの調整要素を構成する。

【0080】

より詳細にはＰ_{ｋ＋１｜｜ｋ}は、予測される状態においての誤差の共分散の予測される推定の行列であり、Ｐ_{ｋ＋１｜｜ｋ＋１}は、この誤差の共分散の事後推定の行列である。

【0081】

最後に、予測される状態

【数7】

が、推定される出力においての誤差の関数として、すなわち、出力変数の測定される値ｙ_ｋ＋１と、その出力の予測される値

【数8】

との間の差の関数として、以下の計算を実行することにより補正される。

【数9】

【0082】

このようにカルマンフィルタによって、インデックスｉのセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌの推定される値ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉが、および、インデックスｉのセルの端子の両端間の電圧ｕ＿ｃｅｌｌの推定される値ｕ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉが利用可能になる。

【0083】

セルの端子の両端間の電圧のこの推定される値ｕ＿ｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉは、

【数10】

に等しい（図１および図４を参照）。

【0084】

上記の方程式が示すように、セルの開回路電圧ＯＣＶと充電状態を関係付けるアフィン関数の「ａ」と参照符号が付される成長率は、セルの充電状態を決定するために使用されるカルマンフィルタのパラメータである。

【0085】

したがって異なるカルマンフィルタが、セルの開回路電圧ＯＣＶとセルの充電状態を関係付ける関数の異なるアフィン部分に関連する、セルの充電状態の値の各々の範囲に対して使用される。

【0086】

したがって所与の時間ｔ＿ｋでのステップａ）の履行の間に使用されるカルマンフィルタは、直前の時間ｔ＿（ｋ−１）に推定されるセルの充電状態の値の関数として決定される。

【0087】

図３に示す例では、セルの開回路電圧ＯＣＶをセルの充電状態の関数として表す曲線が、それぞれが０から１０％、１０から３０％、３０から９０％、９０から１００％の間の充電状態値の範囲に対応する、４つの異なるアフィン区域により近似される。したがって異なるカルマンフィルタが、当該のセルの充電状態値のこれらの範囲の各々に対して使用される。

【0088】

その結果として、ここで説明する例では、セルの開回路電圧ＯＣＶをセルの充電状態の関数として表す、その曲線が図３に示されている、図２に示すセルの充電状態を決定するために、４つのカルマンフィルタが、セルの充電状態値の範囲によって使用される。

【0089】

これらの異なるカルマンフィルタは、交番で活動化される。これらの異なるフィルタの使用の例が、インデックスｉのセルに対して図４に示される。

【0090】

この図に示すように、インデックスｉのこのセルに対応するカルマンフィルタＦＫ＿ｉは、４つのカルマンフィルタＦＫ＿ｉ１、ＦＫ＿ｉ２、ＦＫ＿ｉ３、およびＦＫ＿ｉ４を備える。これらのフィルタの各々は、これらのフィルタの各々の入力で、インデックスｉのセルの端子の両端間の電圧の、このセルを通過する電流の、およびセルの温度の値を、ならびに、直前の時間に推定される状態変数および出力変数の値を受信するように適合される。

【0091】

この点において、図４のブロック１５は、時間ｋに推定されるベクトルＸ_ｋの値をブロック１５の入力で受け入れ、ブロック１５の出力で、直前の時間に推定されるベクトルＸ_ｋ−１の値を与える。この図に示すように、時間ｔ０での初期化のベクトルＸ_０はベクトル（ＳＯＣ＿ｉｎｉ，０）であり、ただしＳＯＣ＿ｉｎｉは計算の初期化値である。

【0092】

値の２つの範囲間の、したがって２つの異なるカルマンフィルタ間の遷移は、２つのカルマンフィルタ間の発振を防止するようにヒステリシスを備える自動化システムＡにより管理される。

【0093】

この自動化システムＡは、当該のインデックスｉのセルに対して、進行中の計算の直前の時間に決定される値ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ（ｋ−１）を自動化システムＡの入力で受け入れる（図４、ブロック１６は、ベクトルの第１の座標の値のみが使用されることを示す）。自動化システムＡは、直前の時間での充電状態の値ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ（ｋ−１）が、上記で規定した充電状態の値の４つの範囲のうちの１つに含まれるか、それとも他のものに含まれるかによって、それぞれＡｃ１、Ａｃ２、Ａｃ３、またはＡｃ４と参照符号が付される、カルマンフィルタＦＫ＿ｉ１、ＦＫ＿ｉ２、ＦＫ＿ｉ３、ＦＫ＿ｉ４のうちの１つを活動化するための信号を自動化システムＡの出力で送信する。

【0094】

活動化信号が送信される対象のフィルタのみが活動化される。

【0095】

充電状態値の２つの隣接する範囲に対応する２つのカルマンフィルタ間の発振を回避するために、一方のフィルタから他方への遷移は、単純なしきい値の値を基礎として起動されない。

【0096】

この遷移は、ヒステリシスを用いて起動される。

【0097】

より正確には、充電状態値の２つの範囲に対応する２つのカルマンフィルタ間の遷移は、対応するセルの充電状態が、その時間でのその充電状態の変動の方向によって異なるしきい値の値に達するときに起動される。

【0098】

例えば、充電状態が増大している場合、充電状態値の第１の範囲に対応する第１のカルマンフィルタから、充電状態値の第２の範囲に対応する第２のカルマンフィルタへの移動は、セルの充電状態の推定される値が、第１のしきい値に達するときに行われる。

【0099】

他方で、充電状態が減少している場合、第２のカルマンフィルタから第１のカルマンフィルタへの復帰は、充電状態の推定される値が、第１のしきい値とは異なる第２のしきい値に達するときに行われる。

【0100】

第２のしきい値は、好ましくは第１のしきい値より低い。

【0101】

例えば、０から１０％、および１０から３０％にそれぞれ対応する、第１および第２の範囲の間の１０％のしきい値に近い充電状態値を考える場合、第１の範囲に対応するフィルタＦＫ＿ｉ１と第２の範囲に対応するフィルタＦＫ＿ｉ２との間の遷移は、推定される充電状態値が増大して１０％に達するときに起動される。他方で第１のフィルタＦＫ＿ｉ１への復帰は、推定される充電状態値が低減し、１０％より下になるときではなく、むしろ、推定される充電状態値が低減し、例えば９％、すなわち１０％より低いしきい値の値に達するときに起動される。

【0102】

そのような遷移の間、カルマンフィルタは、平滑な遷移を、したがって推定される充電状態値の連続的な変動を保証するために、前に計算された充電状態値ＳＯＣｃｅｌｌ＿ｅｓｔ＿ｉ（ｋ−１）によって初期化される。

【0103】

推定の精度を向上させるために、各々のカルマンフィルタＦＫ＿ｉ、および、いくつかのフィルタが同じセルに対して使用されている場合はＦＫ＿ｉ１、ＦＫ＿ｉ２、ＦＫ＿ｉ３、ＦＫ＿ｉ４の、パラメータＱｋａｌおよびＲｋａｌは、充電状態値の各々の範囲に対して独立的に調整される。

【0104】

別の可能な実施形態によれば、ステップａ）において、各々のセルの充電状態は、アンペア時測定基準計量方法により、すなわちアンペア時を計量することにより決定される。

【0105】

より正確には、この別の実施形態によれば、
− バッテリに進入する電流が積分され、
− 各々のセルの充電状態が、バッテリに進入する電流の積分と当該のセルの容量との間の比から決定される。

【0106】

特に有利な様式では、当該のバッテリは、電気またはハイブリッドの自動車の牽引バッテリである。

【0107】

次いで制御ユニットが、車両の制御ユニットに組み込まれ、その車両の様々なセンサにより送信される情報を受信する。

【0108】

各々のセルの充電状態ＳＯＣｃｅｌｌが得られた後、充電状態が、上記で説明したようにステップｃ）によって決定される。

【0109】

本発明による方法によって、最も多く充電されているセルの充電状態が１００％であるときに、１００％に等しいバッテリ充電状態値を得ること、最も少なく充電されているセルの充電状態が０％であるときに、０％に等しい充電状態値を得ること、および、これらの２つの極値間のバッテリの充電状態の連続的かつ代表的な変動を得ることが可能になる。

【0110】

このことを、バッテリを放電するサイクルに対する、本方法によって推定されるバッテリの充電状態（実線）、および、いくつかのセルの充電状態（点線）の時間の関数としての変動を示す図５において認めることが可能である。

【0111】

バッテリの充電状態の変動は、セルの充電状態の変動に正確にしたがい、前に述べた初期および最終の条件が満たされる。

【0112】

ここで説明した方法を、その目的が車両の自律性を増大するために最大の使用範囲を超えてのバッテリの使用を許すことである平衡調整システムを備えるバッテリに対して使用することが可能である。そのようなシステムは、当業者にはよく知られている。

【0113】

平衡調整システムが存在する場合の、図５においてのバッテリの初期状況と同一の初期状況、すなわち、バッテリのセルの同一の初期の不平衡に対して、時間の関数としてのバッテリの充電状態の推定が、図６において実線で示されている。セルの対応する充電状態の時間の関数としての変動が、点線で示されている。平衡調整システムが存在することによって、本方法によるバッテリの充電状態の推定は、この推定が使用の時間の大きな部分にわたって各々のセルの充電状態の値に非常に近いので、はるかに正確になる。

【0114】

変形例として、第１の実施形態によるステップａ）の間に、使用されるカルマンフィルタの次数を増大すること、例えば３次フィルタを使用することが可能である。マップから生じる値を使用する代わりに、各々の計算ステップでパラメータＲ１、Ｒ２、およびＣ２を推定する適応観測器の使用を考えることもまた可能である。

【0115】

本方法が、平衡調整システムが存在する場合に使用されるならば、バッテリの充電状態の推定される値を補正するために、平衡調整システムの効率性を考慮することが可能である。この場合ではバッテリの推定される充電状態は、平衡調整の開始からより高くなる。

【0116】

本方法は、電気またはハイブリッドの自動車の牽引バッテリの充電状態を推定することに対して特に有利な適用性を有する。

【0117】

つまり、バッテリの充電状態の情報が、ダッシュボード上でバッテリゲージの媒介により運転者に対して表示される。

【0118】

運転者は、絶対的に安全に車両の運転に関係する判断を行うために、この情報に自身の基礎を置くことが可能でなければならない。運転者がエネルギーの低下またはモータ動力の不足に遭遇することを防止するために、充電状態が低いときに精度の高い情報を運転者に提供することは著しく重要である。

【0119】

本方法が、平衡調整システムが存在する場合に使用される場合では、平衡調整によって充電状態はより高いので、運転者に対して表示される車両のマイル表示距離の自律性は、平衡調整が遂行される際に増大することになる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】