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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines
Ladungszustandes einer Batterie und ein Stromversorgungsgerät und genauer
beispielsweise ein Ladezustandserfassungsverfahren zum Erfassen
eines Ladezustandes einer Batterie, die in einem Stromversorgungsgerät zum Antrieb
eines fahrzeugantreibenden Motors enthalten ist, und das Stromversorgungsgerät.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Das
Stromversorgungsgerät
kann die Anzahl von in Reihe oder parallel geschalteten Stromversorgungsmodulen
erhöhen,
die eine Batterie oder eine einfache Batterie aufweisen, und kann
so einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung abhängig von
der Anzahl der in Reihe geschalteten Batterien steigern. In einem
Stromversorgungsgerät,
das bei Bedarf an einer hohen Ausgangsspannung verwendet wird, beispielsweise
in einem Stromversorgungsgerät,
das in einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Auto, einem Fahrrad
oder einem Werkzeug zu verwenden ist, ist es insbesondere möglich, eine
Struktur zu verwenden, bei der eine Mehrzahl von Batterien in Reihe
geschaltet ist, um eine Ausgangsspannung zu erhöhen. Beispielsweise ist in
einer Stromversorgung für
einen starken Strom und eine große Ausgangsspannung, die in
einem Stromversorgungsgerät
für ein
durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug verwendet wird, beispielsweise
einem Hybridauto oder einem Brennstoffzellenauto, ein eine Mehrzahl
von in Reihe geschalteten Batterien aufweisendes Stromversorgungsmodul
noch mal in Reihe geschaltet, um eine Ausgangsspannung zu erhöhen. Der Grund
ist, dass die Ausgangsleistung eines Antriebsmotors erhöht werden
soll.
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Bei
einem solchen Stromversorgungsgerät ist es wichtig, dass eine
Ausgangsleistung begrenzt wird, um eine Batterie in einem sicheren
Zustand zu verwenden, um die Batterie fortdauernd mit einer hohen
Zuverlässigkeit
zu verwenden. Beispielsweise wird die Lebensdauer der Batterie reduziert,
wenn eine Tiefentladung oder eine Überladung statt findet. Aus
diesem Grund wird der Ladungszustand (state-of-charge, SOC) der
Batterie erfasst und eine bei der Entladung und dem Laden der Batterie
verwendbare Leistungsmenge entsprechend begrenzt. Der Ladezustand
der Batterie wird allgemein durch Abziehen einer Entladekapazität von einem
vollständig
geladenen Zustand erfasst. Die Entladekapazität wird durch Integrieren eines
Entladestroms berechnet. Der Ladezustand der Batterie wird als ein
Produkt eines Stroms und einer Zeit angezeigt, d.h. Ah oder Amperestunden
können
als ein Anteil (%) einer Vollladekapazität dargestellt werden, worin
eine Vollladekapazität
(Ah) auf 100 gesetzt wird. Selbst wenn der Ladezustand bei irgendeinem
Zustand angezeigt wird, wird eine Entladekapazität von dem vollständig geladenen
Zustand abgezogen und der Ladezustand dementsprechend erfasst. Der
mit dem integrierten Wert eines Entladestroms erfasste Ladezustand
fällt nicht
immer mit einem korrekten Ladezustand der Batterie zusammen. Der
Grund ist, dass die Stärke
und die Temperatur des Entladestroms einen Fehler bei der Erfassung
des Ladezustands hervorrufen.
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Während es
auch ein Verfahren des Messens einer Spannung einer Batterie gibt,
um den Ladezustand der Batterie zu erfassen, ist es darüber hinaus
unmöglich,
den Ladezustand durch dieses Verfahren einheitlich zu bestimmen.
Es ist bekannt, dass eine unterschiedliche Spannung in Abhängigkeit
von einer vergangenen Lade-/Entlade-Geschichte oder Ähnlichem
bei dem gleichen Ladezustand erfasst wird. Es ist schwierig, den Ladezustand
ausschließlich
aus der Spannung der Batterie exakt herzuleiten.
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Dementsprechend
ist es schwierig, den Ladezustand der Batterie exakt zu erfassen.
Bei dem gleichen Strom- und dem gleichen Spannungs-Wert wird die
zur Verfügung
stehende Leistungsmenge abhängig
von dem Ladezustand, der Temperatur der Batterie oder Ähnlichem
variieren. Insbesondere wenn ein so genannter Gedächtniseffekt
(memory effect) erzeugt wird, wird die Kapazität der Batterie wesentlich reduziert.
Aus diesem Grund wird es schwieriger, den Ladezustand zu erfassen.
Der Gedächtniseffekt
ist ein Phänomen,
bei dem eine Entladespannung vorübergehend
bei einer Tiefentladung reduziert wird, falls eine Nickel-Cadmium-Batterie,
eine Nickel-Wasserstoff-Batterie
oder Ähnliches
zyklisch mit einer geringen Entladetiefe geladen/entladen werden.
Der Ladezustand der Batterie wird durch den Gedächtniseffekt verändert. Dementsprechend
ist es unmöglich,
den exakten Ladezustand der Batterie abzuschätzen. In einigen Fällen, bei
denen der Ladezustand fehlerhaft erfasst wird, wird ein Betrieb
mit überhöhter Last
bei der Ladung/Entladung der Batterie ausgeführt, wobei eine deutliche Reduzierung
der Lebensdauer der Batterie verursacht wird. Andererseits wird der
Ladezustand auch durch die Selbstentladung der Batterie verändert. Aufgrund
dieser Faktoren ist es schwierig, den Ladezustand der Batterie abzuschätzen. Dementsprechend
ist es sehr schwierig, einen genau en Ladezustand zu erfassen (siehe
die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. Sho 56-126776).
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Probleme zu lösen. Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum
Erfassen eines Ladezustands einer Batterie, das den Ladezustand
einer Batterie genauer erfassen kann, und ein Stromversorgungsgerät bereitzustellen.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen,
ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren
zum Erfassen eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, das einen
Ladezustand einer Batterie erfasst, die in einem Stromversorgungsgerät enthalten
ist, wenn eine Leistung von der Batterie an ein Anschlussgerät geliefert wird,
das mit dem Stromversorgungsgerät
verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen
eines Stroms der Batterie und einer Spannung der Batterie, Berechnen
eines Ladezustands der Batterie als einen ersten Ladezustand auf
der Grundlage einer Integration des erfassten Stroms der Batterie,
während
der Ladezustand der Batterie als ein zweiter Ladezustand auf der
Grundlage der Spannung der Batterie berechnet wird, und Berechnen
eines synthetischen Ladezustands als einen Ladezustand der Batterie,
der durch Verwenden eines gewichteten Mittelwerts des ersten Ladezustands
und des zweiten Ladezustands erhalten wird. Dementsprechend ist
es möglich,
den auf dem Strom der Batterie basierenden ersten Ladezustand mit
dem auf der Spannung der Batterie basierenden zweiten Ladezustand
zu synthetisieren, um den Ladezustand der Batterie abzuschätzen. Dementsprechend
ist es möglich,
den Ladezustand genauer abzuschätzen.
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Außerdem ist
ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung auf das Verfahren
des Erfassens eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, worin
ein gewichteter Mittelwert in einer Weise gerichtet wird, dass die Gewichtung
des zweiten Ladezustands in einem Bereich, bei dem eine Kapazität der Batterie
erhöht
ist, und in einem Bereich, in dem die Kapazität der Batterie reduziert ist,
erhöht
wird, und wobei die Gewichtung des ersten Ladungszustands in anderen
Bereichen erhöht
wird. Dementsprechend ist es möglich,
den Ladezustand mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit basierend
auf einer Spannung beim Laden in einem Bereich, bei dem der Ladezustand
hoch ist, und beim Entladen in einem Bereich, in dem der Ladezustand
niedrig ist, abzuschätzen.
Andererseits kann, falls der Ladezustand in der Nähe von 50%
ist, bei der Abschätzung
des Ladezustands basierend auf der Integration des Stroms eine höhere Genauigkeit
als bei der Erfassung des Ladezustands basierend auf der Spannung
erreicht werden. Durch das Verwenden einer solchen Charakteristik
ist es möglich,
ein exzellentes Merkmal zu implementieren, wobei der Ladezustand
mit einer hohen Präzision
in allen Bereichen durch eine Zunahme der Gewichtung in einem Bereich,
in dem die Genauigkeit der Abschätzung
des Ladezustands hoch ist, abgeschätzt werden kann.
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Weiterhin
ist ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung auf das Verfahren
des Erfassens eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, wobei
das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erfassen einer Messzeit
des Stroms der Batterie und einer Temperatur der Batterie, wobei
der erste Ladezustand durch Akkumulieren eines Wertes berechnet
wird, der durch Multiplizieren einer durch Multiplizieren eines
Batteriestromwerts mit der Messzeit erhaltenen Elektrizitätsmenge
mit einer aus der Temperatur der Batterie und einem vergangenen
Ladezustand bestimmten Ladeeffizienz erhalten wird. Dementsprechend
ist es möglich,
den ersten Ladezustand basierend auf dem Strom der Batterie mit
einer hohen Genauigkeit zu berechnen, wobei ein vergangener Ladezustand
und der Strom der Batterie berücksichtigt
werden.
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Zusätzlich ist
ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren
zum Erfassen eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, worin
der zweite Ladezustand durch Bezugnahme auf eine zuvor erstellte Tabelle
bestimmt wird, wobei die Tabelle eine Beziehung zwischen der Spannung
der Batterie und dem Ladezustand angibt.
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Weiterhin
ist ein fünfter
Aspekt der vorliegenden Erfindung auf das Verfahren des Erfassens
eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, wobei das Verfahren
weiterhin den Schritt umfasst: Erfassen einer Temperatur der Batterie,
wobei eine Mehrzahl von verschiedenen Tabellen zum Bestimmen des
zweiten Ladezustands entsprechend der Temperatur der Batterie und/oder
eines Lade-/Entlade-Stromwertes vorbereitet sind.
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Weiterhin
ist ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung auf das Verfahren
des Erfassens eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, worin
ein synthetischer Ladezustand durch Verwenden eines gewichteten
Mittelwerts in der folgenden Gleichung berechnet wird: Synthetische Restmenge = ((erster Ladezustand·erste
Gewichtung) + (zweiter Ladezustand·zweite Gewichtung))/(erste
Gewichtung + zweite Gewichtung)
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Dementsprechend
ist es möglich,
den Ladezustand mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit basierend
auf einer Spannung beim Laden in einem Bereich, in dem der Ladezustand hoch
ist, und beim Entladen in einem Bereich, in dem der Ladezustand
niedrig ist, abzuschätzen.
Andererseits kann eine höhere
Genauigkeit bei der Abschätzung
des Ladezustands basierend auf der Integration des Stroms erreicht
werden als bei der Erfassung des Ladezustands basierend auf der
Spannung, falls der Ladezustand in der Nähe von 50% ist. Durch Verwendung
einer solchen Charakteristik ist es möglich, ein exzellentes Merkmal
zu implementieren, mit dem der Ladezustand mit einer hohen Präzision in
allen Bereichen durch Erhöhen
der Gewichtung in einem Bereich, in dem die Genauigkeit bei der
Abschätzung
des Ladezustands hoch ist, abgeschätzt werden kann.
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Zusätzlich ist
ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung auf das Verfahren
des Erfassens eines Ladezustands einer Batterie gerichtet, wobei
ein Anschlussgerät
ein Fahrzeugmotor ist und ein Ladezustand einer Batterie, die in
einem Stromversorgungsgerät
zum Antrieb des Fahrzeugmotors enthalten ist, erfasst wird. Dementsprechend
ist es möglich,
das Erfassungsverfahren zum Erfassen des Ladezustands der Batterie in
einem Stromversorgungsgerät
in einem Fahrzeug sinnvoll zu verwenden.
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Außerdem ist
ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung auf ein Stromversorgungsgerät gerichtet, das
umfasst: eine eine Mehrzahl von sekundären Batterien aufweisende Batterieeinheit 20,
einen Spannungserfassungsteil 12 zum Erfassen einer Spannung
der von der Stromversorgungseinheit 20 umfassten sekundären Batterie,
eine Temperaturerfassungseinheit 14 zum Erfassen einer
Temperatur der von der Stromversorgungseinheit 20 umfassten
sekundären
Batterie, einen Stromerfassungsteil 16 zum Erfassen eines
durch die von der Batterieeinheit 20 umfassten sekundären Batterie
fließenden
Stromes, einen Ladezustandsberechnungsteil 18 zum Verrechnen
von Signalen, die von dem Spannungserfassungsteil 12, dem
Temperaturerfassungsteil 14 und dem Stromerfassungsteil 16 eingespeist
werden, und zum Erfassen eines Ladezustands der sekundären Batterie,
und einen Kommunikationsverarbeitungsteil 19 zum Übertragen
des durch den Ladezustandsberechnungsteil 18 berechneten
Ladezustands zu einem Anschlussgerät, wobei der Ladezustandsberechnungsteil 18 eine
Gewichtung eines zweiten Ladezustands in einem Bereich, in dem ein
Ladezustand erhöht
ist, und in einem Bereich, in dem der Ladezustand reduziert ist,
erhöht,
und die Gewichtung eines ersten Ladezustands in anderen Bereichen
erhöht,
wobei der Lade-/Entlade-Strom, der durch den Stromerfassungsteil 16 erfasst
wird, integriert wird, um den ersten Ladezustand zu berechnen, während der
zweite Ladezustand basierend auf der durch den Spannungserfassungsteil 12 erfassten
Spannung der Batterie berechnet wird, und Verwenden eines gewichteten
Mittelwerts des ersten Ladezustands und des zweiten Ladezustands,
um einen synthetischen Ladezustand als den Ladezustand der Batterie
zu berechnen. Dementsprechend ist es möglich, den Ladezustand mit
einer vergleichsweise hohen Genauigkeit basierend auf einer Spannung
beim Laden in einem Bereich abzuschätzen, in dem der Ladezustand
hoch ist, und beim Entladen in einem Bereich, in dem der Ladezustand
niedrig ist. Andererseits kann eine höhere Genauigkeit bei der Abschätzung des
Ladezustands basierend auf der Integration des Stroms erreicht werden,
als durch die Erfassung des Ladezustands basierend auf der Spannung,
falls der Ladezustand in der Nähe
von 50% ist. Durch Verwenden einer solchen Charakteristik ist es
möglich,
ein exzellentes Merkmal zu implementieren, wobei der Ladezustand
mit einer hohen Genauigkeit in allen Bereichen durch eine Erhöhung der
Gewichtung in einem Bereich, in dem die Genauigkeit der Abschätzung des
Ladezustands hoch ist, abgeschätzt
werden kann.
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Das
oben beschriebene Ladezustandsverfahren und das oben beschriebene
Stromversorgungsgerät können ein
exzellentes Merkmal implementieren, das den Ladezustand der Batterie
mit einer hohen Genauigkeit über
den gesamten Bereich der Batteriekapazität erfassen kann. Der Grund
ist, dass der Ladezustand basierend auf der Spannung der Batterie
zusätzlich
zu der Abschätzung
des Ladezustands durch die Integration des Stroms abgeschätzt wird
und diese werden synthetisiert, um den Ladezustand zu bestimmen.
Genauer kann in dem Verfahren des Abschätzens des Ladezustands basierend
auf der Spannung der Batterie eine hohe Genauigkeit in dem Bereich
erreicht werden, in dem die Kapazität der Batterie groß ist, und
in dem Bereich, in dem die Kapazität der Batterie klein ist. Andererseits
kann eine hohe Genauigkeit bei der Abschätzung des Ladezustands basierend
auf der Integration des Stroms in dem mittleren Bereich mit einer
Kapazität
von 50% erreicht werden. Die Gewichtung wird entsprechend der Kapazität der Batterie
geändert
und ein gewichteter Mittelwert wird erhalten, so dass die spezifische
Gewichtung der Abschätzung
der Kapazität
basierend auf der Spannung in den Bereichen mit großen und
kleinen Kapazitäten
erhöht
wird, und so dass die spezifische Gewichtung der Abschätzung der
Kapazität
basierend auf der Integration des Stromes in dem mittleren Bereich
erhöht
wird. Dementsprechend ist es möglich,
den Ladezustand der Batterie mit einer hohen Genauigkeit über den
gesamten Bereich der Kapazität
der Batterie zu berechnen.
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Die
obengenannten und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden
weitergehend aus der folgenden genauen Beschreibung mit den beiliegenden
Zeichnungen hervorgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Struktur ein Stromversorgungsgerät gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Diagramm, das ein Verhältnis
zwischen einer Spannung einer Batterie und einem Ladezustand zeigt;
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3 ist
ein Diagramm zum Erklären
eines Bereichs, in dem ein erster Ladezustand und ein zweiter Ladezustand
in eine Berechnung eines synthetischen Ladezustands eingehen;
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4 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer ersten und einer
zweiten Gewichtung und einem Ladezustand für den Fall zeigt, bei dem der
synthetische Ladezustand zu berechnen ist; und
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5 zeigt
ein Diagramm, das ein Verhältnis
zwischen der ersten Gewichtung und der zweiten Gewichtung für einen
zweiten Ladezustand zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Stromversorgungsgerät 100)
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Die 1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Struktur eines Stromversorgungsgeräts gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein in der 1 gezeigtes
Stromversorgungsgerät 100 umfasst
eine Batterieeinheit 20, die eine sekundäre Batterie 22 und
eine Ladezustandserfas sungsvorrichtung 10 enthält. Die
Ladezustandserfassungsvorrichtung 10 enthält einen
Spannungserfassungsteil 12 zum Erfassen einer Spannung
einer Batterie, einen Temperaturerfassungsteil 14 zum Erfassen
einer Temperatur der Batterie, einen Stromerfassungsteil 16 zum
Erfassen eines zu der Batterie fließenden Stroms, einen Ladezustandsberechnungsteil 18 zum
Verrechnen von Signalen, die von dem Spannungserfassungsteil 12,
dem Temperaturerfassungsteil 14 und dem Stromerfassungsteil 16 eingespeist
werden, um einen Ladezustand der Batterie zu erfassen und um einen
maximumbegrenzten Stromwert der Batterieeinheit 20 aus
dem Ladezustand und der Temperatur der Batterie zu ermitteln, und
einen Kommunikationsverarbeitungsteil 19 zum Übertragen
des berechneten Ladezustands und des maximumbegrenzten Stromwerts
an ein Anschlussgerät.
Der Kommunikationsverarbeitungsteil 19 ist mit einem Anschlussgerät-Kommunikations-Terminal 30 verbunden.
Der Kommunikationsverarbeitungsteil 19 ist mit dem Anschlussgerät über das
Anschlussgerät-Kommunikations-Terminal 30 verbunden
und überträgt einen
Ladezustand und einen maximumbegrenzten Stromwert wiedergebende Signale
an das Anschlussgerät.
Bei diesem Beispiel wird ein Fahrzeug, beispielsweise ein Auto,
als das Anschlussgerät
verwendet und das Stromversorgungsgerät 100 ist in dem Fahrzeug
angeordnet, um einen Motor M anzutreiben, um das Fahrzeug zum Fahren
zu bringen. Der Kommunikationsverarbeitungsteil 19 ist
mit einem fahrzeugseitigen Kontrollteil verbunden, das in dem Fahrzeug
vorgesehen ist und so eine Kommunikation ausführt. Es wird eine Beschreibung
bezüglich
des Stromversorgungsgeräts
für das
Fahrzeug angegeben.
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Die
in der Batterieeinheit 20 vorgesehene sekundäre Batterie 22 ist
eine Nickel-Wasserstoff-Batterie. Die Batterie kann auch eine Nickel-Cadmium-Batterie
oder eine sekundäre
Lithium-Ionen-Batterie sein. Außerdem
ist zumindest eine Batterie in Reihe, parallel oder in einer Kombination
von Reiheller und paralleler Verbindung geschaltet. Die Batterie
wird durch ein Modul gebildet, das eine Mehrzahl von miteinander
verbundenen Batterien aufweist. Eine Mehrzahl von Modulen ist verbunden,
um die Batterieeinheit 20 zu bilden.
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Der
Spannungserfassungsteil 12 erfasst eine Spannung der in
der Batterieeinheit 20 vorgesehenen sekundären Batterie 22.
Die in der Zeichnung gezeigte Batterieeinheit 20 weist
eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten sekundären Batterien 22 auf.
Dementsprechend erfasst der Spannungserfassungsteil 12 eine Gesamtspannung
der in Reihe geschalteten Batterien. Es ist auch möglich, die
Spannung für
jedes die Batterieeinheit 20 bildende Batteriemodul zu
erfassen. Der Spannungserfassungsteil 12 gibt die erfasste
Spannung als ein analoges Signal an den Ladezustandberechnungsteil 18 aus
oder konvertiert mittels eines A/D-Konverters ein analoges Signal
in ein digitales Signal und gibt das digitale Signal an den Ladezustandsberechnungsteil 18 aus.
Der Spannungsberechnungsteil 12 erfasst mit einer konstanten
Abtastrate oder kontinuierlich die Spannung einer Batterie und gibt
die erfasste Spannung an den Ladezustandsberechnungsteil 18 aus.
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Der
Temperaturerfassungsteil 14 enthält einen Temperatursensor 17,
der in der Batterieeinheit 20 vorgesehen ist und dazu dient,
die Temperatur der Batterie zu erfassen. Der Temperatursensor 17 kommt
mit der Oberfläche
der Batterie in Kontakt, wobei er mit der Batterie durch einen thermischen
Verbinder in Kontakt kommt oder die Oberfläche der Batterie erreicht,
und ist thermisch mit der Batterie verbunden, um die Temperatur
der Batterie zu erfassen. Der Temperatursensor 17 ist ein
Heißleiter.
Alle Einheiten, die fähig
sind, eine Temperatur in einen elektrischen Widerstand umzusetzen,
beispielsweise ein PTC-Widerstand, ein VDR-Widerstand oder Ähnliches,
können
für den
Heißleiter 17 verwendet
werden. Außer dem
kann eine Einheit, die fähig
ist, eine von der Batterie ausgestrahlte infrarote Strahlung zu
erfassen und eine Temperatur in einem Zustand ohne Kontakt mit der
Batterie zu erfassen ebenso als der Temperatursensor 17 verwendet
werden. Der Temperaturerfassungsteil 14 gibt auch die erfasste
Batterietemperatur als ein analoges Signal an den Ladezustandsberechnungsteil 18 aus
oder konvertiert mittels des A/D-Konverters das analoge Signal in
ein digitales Signal, um das digitale Signal an den Ladezustandsberechnungsteil 18 auszugeben.
Der Temperaturerfassungsteil 14 erfasst die Temperatur
der Batterie mit einer konstanten Abtastrate oder kontinuierlich
und gibt die so erfasste Temperatur der Batterie an den Ladezustandsberechnungsteil 18 aus.
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Der
Stromerfassungsteil 16 schaltet eine Widerstandseinheit
in Reihe mit der Batterie und erfasst eine an beiden Enden der Widerstandseinheit
abfallende Spannung und erfasst so einen zu der Batterie fließenden Entladestrom.
Die Widerstandseinheit ist ein Widerstand mit einem geringen Widerstand.
Ein Halbleiter, wie beispielsweise ein Transistor oder ein FET,
kann ebenso für
die Widerstandseinheit verwendet werden. Die Lade- und Entlade-Ströme der Batterie
fließen
in entgegen gesetzten Richtungen zueinander. Aus diesem Grund wird
eine an der Widerstandseinheit abfallende positive und negative
Polarität
umgekehrt. Dementsprechend kann abhängig von der Polarität der Widerstandseinheit
bestimmt werden, ob der Strom ein Entladestrom ist und der Strom
kann dementsprechend mit der an der Widerstandseinheit abfallenden
Spannung erfasst werden. Der Grund ist, dass der Strom proportional
zu der an der Widerstandseinheit abfallenden Spannung ist. Der Stromerfassungsteil 16 kann
den Entladestrom der Batterie genau erfassen. Der Stromerfassungsteil 16 kann
ebenso eine Konstruktion aufweisen, die einen magnetischen Fluss
erfasst, der von einem durch einen Zuleitungsdraht fließenden Strom hervorgerufen
wird, um den Strom zu erfassen. Der Stromerfassungsteil 16 gibt
auch den erfassten Entladestrom mit einem analogen Signal an den
Ladezustandsberechnungsteil 18 aus oder konvertiert mittels
des A/D-Konverters ein analoges Signal in ein digitales Signal und gibt
das digitale Signal an den Ladezustandsberechnungsteil 18 aus.
Der Stromerfassungsteil 16 erfasst mit einer konstanten
Abtastrate oder kontinuierlich den Entladestrom und gibt den erfassten
Ladestrom an den Ladezustandsberechnungsteil 18 aus.
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Eine
Vorrichtung zum Übertragen
eines einen digitalen Wert mit einer konstanten Abtastrate aufweisenden
Signals von dem Spannungserfassungsteil 12, dem Temperaturerfassungsteil 14 und
dem Stromerfassungsteil 16 an den Ladezustandsberechnungsteil 18 verschiebt
zum Übertragen
des digitalen Signals von jedem der Erfassungsteile an den Ladezustandsberechnungsteil 18 eine
Taktung und gibt das digitale Signal an den Ladezustandserfassungsteil 18 Reihell
aus.
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(Verfahren zum Erfassen
des Ladezustands einer Batterie)
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Um
ein Fahrzeug durch ein Stromversorgungsgerät anzutreiben, ist es nötig, den
Ladezustand der Batterie genau zu erfassen. Der Ladezustand der
Batterie wird üblicherweise
durch Erfassen eines Ladestroms und eines Entladestroms und Integrieren
des erfassten Stroms berechnet. Bei diesem Verfahren wird der Entladestrom
von dem Ladestrom abgezogen, um den Ladezustand zu berechnen. Eine
Ladekapazität wird
durch Integrieren des Ladestroms berechnet. Eine Entladekapazität wird durch
Integrieren des Entladestroms berechnet. Bei einem Verfahren mit
Berechnen eines Ladezustands aus der Ladekapazität und der Entladekapazität kann der
Ladezustand auch für
den Fall berechnet werden, dass die sekundäre Batterie 22 eine Lithium-Ionen-Batterie,
eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Nickel-Cadmium-Batterie
ist. Der Ladezustand verursacht abhängig von einem Ladestrom oder
einer Temperatur der Batterie einen Fehler. Dementsprechend ist
eine genaue Erfassung wichtig.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird ein Ladezustand (state-of-charge, SOC) durch die Synthese von
zwei SOCs einschließlich
eines durch die Integration eines Stroms berechneten ersten Ladezustands (SOC1)
und eines durch eine Spannung abgeschätzten zweiten Ladezustands
(SOC2) bestimmt. Diese Berechnungen werden in dem Ladezustandsberechnungsteil 18 durchgeführt.
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Der
Ladezustandsberechnungsteil 18 integriert den Entladestrom
der Batterie und erfasst die Entladekapazität und subtrahiert die erfasste
Entladekapaziät,
um den ersten Ladezustand zu berechnen, und berechnet weiterhin
den zweiten Ladezustand aus der Spannung der Batterie, wie im Folgenden
beschrieben wird, und synthetisiert den ersten Ladezustand mit dem
zweiten Ladezustand, um einen synthetischen Ladezustand zu berechnen.
Beispielsweise wird, wenn eine Batterie mit einer vollen Ladekapazität von 1.000
mAh mit 500 mAh entladen wird, ein Ladezustand von 50% erhalten.
Wenn die vollgeladene Batterie entladen wird, wird dementsprechend
der Ladezustand allmählich
reduziert. Außerdem
speichert der Ladezustandsberechnungsteil 18 einen Wert,
Daten, Einstellungen und Ähnliches,
die zum Berechnen des ersten Ladezustands und des zweiten Ladezustands
benötigt
werden, in einen mit dem Ladezustandsberechnungsteil 18 verbundenen
Speicher 11. Ein nichtflüchtiger Speicher, wie beispielsweise
ein E2PROM, oder ein flüchtiger Speicher, wie beispielsweise
ein RAM, können
für den
Speicher 11 verwendet werden.
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(Erster Ladezustand)
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Der
erste Ladezustand wird durch die Integration eines Stroms erhalten.
Der Ladezustandsberechnungsteil 18 misst einen Stromwert,
einen Spannungswert und eine Temperatur der Batterie mit einem vorbestimmten
Zeitintervall (eine Abtastzeit) und berechnet basierend auf diesem
den Ladezustand. In diesem Beispiel wird eine Menge an Elektrizität durch
Multiplizieren eines in dem Stromerfassungsteil gemessenen Stromwerts
mit einer Messzeit (Abtastzeit) erhalten und weiterhin mit einer
Ladeeffizienz multipliziert, die durch die Temperatur der Batterie
und einen vergangenen SOC-Wert bestimmt wird, und ein dementsprechend
erhaltener Wert wird akkumuliert, um den ersten Ladezustand zu berechnen. SOC1 = (letzter SOC1) + ((gemessener Stromwert)·(Strommesszeit)·(Ladeeffizienz))
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Ladeeffizienz auf eine beim Entladen voreingestellt und wird
auf eine in einem niedrigen SOC-Bereich bei einer niedrigen Temperatur
eingestellt und wird mit einem geringeren Wert eingestellt als eine
in einem hohen SOC-Bereich oder bei einer hohen Temperatur beim
Laden.
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(Zweiter Ladezustand)
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Andererseits
wird der zweite Ladezustand aus einer Spannung abgeleitet. Bei diesem
Beispiel wird der zweite Ladezustand unter Verwendung einer ein
Verhältnis
zwischen der Spannung der Batterie und dem Ladezustand wiedergebenden
LUT (look up table, Nachschlagetabelle) aus einer in dem Spannungserfassungsteil
gemessen Spannung der Batterie erhalten.
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In
der LUT umfasst eine Entladeseite eine Spannung eines SOC von 0%,
10%, 20%, 30% und 50% und die Spannung der Batterie, die höher ist,
wird als ein SOC von 50% eingestellt. Der Grund ist folgender. Im
Antriebsbetrieb des Stromversorgungsgeräts für ein Fahrzeug gemäß dem vorliegenden
Beispiel wird eine Ladung/Entladung in einer Weise kontrolliert,
so dass der SOC der Batterie in der Nähe von 50% ist. Eine Beziehung
zwischen der Spannung der Batterie und dem SOC weist eine vergleichsweise
hohe Genauigkeit für den
Fall auf, bei dem ein Entladezustand kontinuierlich für eine lange
Zeit eingestellt wird, und in dem Fall, bei dem ein Ladezustand
kontinuierlich für
eine lange Zeit eingestellt wird. Üblicherweise wird der Ladezustand kontrolliert,
um in der Nähe
von 50% zu sein, so dass der SOC bei der Entladung 0 bis 30% ist.
Dementsprechend wird die Entladung für eine lange Zeit kontinuierlich
eingestellt. Dementsprechend weist die Beziehung zwischen der Spannung
der Batterie und dem SOC eine hohe Genauigkeit auf. Unter Bezug
auf die Spannung der Batterie, die höher ist als bei SOC 50% beim
Entladen, wird das Entladen nach dem Laden bei dem Lade-/Entlade-Zustand
ausgeführt.
Dementsprechend wird der Entladezustand für eine kurze Zeitspanne eingestellt
und die Genauigkeit der Beziehung zwischen der Spannung der Batterie
und dem Ladezustand wird reduziert. Aus diesem Grund wird der Ladezustand
von 50% einheitlich gesetzt. In einem solchen Fall, sogar falls der
zweite Ladezustand einheitlich auf den SOC von 50% gesetzt wird,
ist die Gewichtung des zweiten Ladezustands gering, so dass eine
große
Differenz zu einem aktuellen Ladezustand schwierig zu bilden ist.
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Weiterhin
umfasst eine Ladeseite eine Spannung eines SOC von 50%, 70%, 80%,
90% und 100 und die Spannung der Batterie, die geringer ist, wird
auf einen SOC von 50% gesetzt. Der Grund ist oben beschrieben. Üblicherweise
wird der SOC kontrolliert, um in der Nähe von 50% zu sein, so dass
der SOC bei der Ladung 70 bis 80% ist. Dementsprechend wird die
Ladung für
eine lange Zeit eingestellt. Dementsprechend weist die Beziehung
zwischen der Spannung der Batterie und dem SOC eine hohe Genauigkeit
auf. Unter Bezugnahme auf die Spannung der Batterie, die geringer
ist als ein SOC von 50% beim Laden, wird das Laden nach dem Entladen
in dem Lade-/Entlade-Zustand
ausgeführt.
Dementsprechend wird der Ladezustand für eine kurze Zeitspanne eingestellt
und die Genauigkeit der Beziehung der Spannung der Batterie und
des SOC wird reduziert. Aus diesem Grund wird der SOC von 50% einheitlich
gesetzt. In einem solchen Fall, sogar falls der zweite Ladezustand
einheitlich gesetzt wird, um ein SOC von 50% zu sein, ist die Gewichtung
des zweiten Ladezustands gering, so dass eine große Differenz
gegenüber
einem aktuellen Ladezustand schwierig zu bilden ist. Dementsprechend
wird der SOC aus der Spannung unter Verwendung der LUT auf der Entladeseite
bei der Messung des Entladestroms und unter Verwendung der LUT auf
der Ladeseite bei der Messung des Ladestroms abgeschätzt. Ebenso
wird bei dem gleichen SOC außerdem
die Spannung der Batterie abhängig
von der Temperatur der Batterie und dem Lade-/Entlade-Stromwert variiert.
Dementsprechend wird eine Mehrzahl von LUTs, die abhängig von
der Temperatur der Batterie und dem Stromwert variieren, verwendet,
um den SOC2 zu berechnen.
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Die 2 ist
ein Diagram, das eine Beziehung zwischen der Spannung der Batterie
und dem Ladezustand zeigt. Eine Spannungstabelle für jeden
in der 2 gezeigten Punkt wird sowohl für eine Temperatur und
einen Strom separat vorbereitet. Außerdem ist eine Tabelle 1 ein
Beispiel einer Tabelle, welche die Entsprechung des abgeschätzten Werts
des Ladezustands für
jede voreingestellte Spannung der Batterie wiedergibt. Die Tabelle
ist für
jede Temperatur vorbereitet und die Tabelle 1 gibt die Beziehung
einer Entsprechung zwi schen einem Ladestromwert und einem Ladezustand
bei einer Batterietemperatur = 0°C
als ein Beispiel wieder. Für
einen Ladestrom von 15 A, wobei beispielsweise die Spannung der
Batterie 7,92V bei einer Batterietemperatur von 0°C ist, wird
eine zweite verbleibende Menge SOC2 = 90% erhalten. Die Daten in
der Tabelle sind linear interpoliert und werden dementsprechend
verwendet.
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Außerdem ist
es möglich,
das Diagramm für
die Spannung der Batterie und den Ladezustand, die Spannungstabelle
und die Tabelle für
die Spannung der Batterie und den Ladezustand, die zu einer kumulativen
Betriebszeit korrespondieren, zu verwenden. Bei der Nickel-Wasserstoff-Batterie
wird eine Spannung, wenn die kumulative Betriebszeit gesteigert
wird, bei dem gleichen SOC erhöht.
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Der
synthetische SOC, der durch Synthetisieren der zwei SOCs einschließlich des
SOC1, der durch die Integration eines Stroms berechnet wurde, und
des SOC2, der durch die Spannung wie oben beschrieben abgeschätzt wurde,
wird durch die gewichteten Mittelwerte der SOCs berechnet.
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Allgemein
kann der SOC der Batterie nicht mit der Spannung einheitlich bestimmt
werden. Genauer ist bekannt, dass eine unterschiedliche Spannung
durch eine vergangene Lade-/Entlade-Geschichte oder Ähnliches
auch bei dem gleichen SOC auftritt. Bei einem hohen SOC-Bereich
beim Laden, d.h. einem Bereich, bei dem ein Ladezustand sich 100
nähert,
und bei einem niedrigen SOC-Bereich beim Entladen, d.h. einem Bereich,
bei dem der Ladezustand sich 0% nähert, ist die Genauigkeit relativ
groß und
der SOC kann aus der Spannung abgeleitet werden. Andererseits weist
in der Nähe
des Ladezustands von 50% die SOC-Abschätzung basierend auf der Spannung
eine geringere Zuverlässigkeit
auf und ein Verfahren zum Ausführen
einer Korrektur einer Berechnung, um den Ladezustand durch die Integration
eines Stroms zu erhöhen/zu
verringern, weist eine größere Genauigkeit
auf. Es ist möglich,
den SOC mit einer großen
Genauigkeit in dem gesamten Bereich der Kapazität der Batterie durch einen
gewichteten Mittelwert abzuschätzen,
der durch Erhöhen
der Gewichtung des auf der Integration des Stroms basierenden SOC1
in dem mittleren Bereich des SOC, wie mit einer Ellipse mit einer
gestrichelten Linie in der 3 gekennzeichnet,
und Erhöhen
der Gewichtung des auf der Spannung basierenden SOC2 in Bereichen
mit hohen und niedrigen SOCs, wie mit je einer Ellipse mit einer
durchgezogenen Linie gekennzeichnet, erhalten wird. Bei diesem Verfahren
ist es außerdem
notwendig, ein Überladen
und ein Tiefentladen in Bereichen mit hohen und niedrigen Batteriekapazitäten mit
einer Spannung zu verhindern. Dementsprechend ist das Verfahren
vorteilhafter in Bezug auf eine Sicherheit im Vergleich mit der
Ausführung
einer Berechnung, die lediglich von der Integration eines Stroms
abhängig
ist.
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(Gewichtungsfaktor)
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Die 3 ist
ein Diagramm, das einen Bereich zeigt, in dem der erste Ladezustand
und der zweite Ladezustand in die Berechnung des synthetischen Ladezustands
eingehen. Das Diagramm zeigt allgemein die Beziehung zwischen der
Spannung der Batterie und dem Ladezustand. Wie in der 3 gezeigt,
wird eine zweite Gewichtung als ein Gewichtungsfaktor für den zweiten
Ladezustand erhöht
und eine erste Gewichtung, die ein Gewichtungsfaktor für den auf
der Integration der Spannung basierenden ersten Ladezustand ist,
wird in einem Bereich reduziert, bei dem der auf der Spannung basierende
zweite Ladezustand bei der Abschätzung
des Ladezustands beherrschend ist. Andererseits wird in einem Bereich,
in dem der erste Ladezustand für
die Abschätzung
des Ladezustands überwiegt,
die erste Gewichtung erhöht
und die zweite Gewichtung reduziert. Die 4 ist ein
Diagramm, das eine Beziehung zwischen der ersten Gewichtung und
der zweiten Gewichtung und dem Ladezustand für den Fall wiedergibt, bei
dem der synthetische Ladezustand zu ermitteln ist. In der 4 ist
die erste Gewichtung als eine konvexe Wellenform wiedergegeben und
die zweite Gewichtung wird als eine konkave Wellenform wiedergegeben
und die Graphen der ersten Gewichtung und der zweiten Gewichtung
sind im Wesentlichen invertiert. In einem Bereich, bei dem der zweite
Ladezustand basierend auf der Spannung für die Abschätzung des Ladezustands überwiegt,
wird die zweite Gewichtung, welche der Gewichtungsfaktor für den zweiten
Ladezustand ist, erhöht
und die erste Gewichtung, welche der Gewichtungsfaktor für den auf
der Integration der Spannung basierenden ersten Ladezustand ist,
wird reduziert. Die 4 zeigt ein Beispiel und die
erste Gewichtung und die zweite Gewichtung können auch unabhängig eingestellt werden.
Allgemein wird die erste Gewichtung entsprechend dem ersten Ladezustand
und die zweite Gewichtung entsprechend dem zweiten Ladezustand bestimmt.
Die 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen
der ersten Gewichtung und der zweiten Ge wichtung für den zweiten
Ladezustand entsprechend eines anderen Beispiels zeigt. Bei diesem
Beispiel wird die erste Gewichtung gesetzt, so dass sie einen konstanten Wert
aufweist (einheitlich 98% in diesem Beispiel), während die zweite Gewichtung
entsprechend dem zweiten Ladezustand durch Bezugnahme auf eine Tabelle
für den
basierend auf einer vorgegebenen Tabelle berechneten zweiten Ladezustand
bestimmt wird. Ebenso wird in der 5 unter
Bezugnahme auf eine relative Beziehung zwischen der ersten Gewichtung
und der zweiten Gewichtung in dem Bereich, in dem der zweite Restbereich
für die
Abschätzung
des Ladezustands bestimmend wird, die zweite Gewichtung, welche
der Gewichtungsfaktor in Bezug auf den auf einer Spannung basierenden
zweiten Ladezustand ist, erhöht,
und die erste Gewichtung, die der Gewichtungsfaktor in Bezug auf
den auf der Integration der Spannung basierenden ersten Ladezustand
ist, reduziert.
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(Synthetischer Ladezustand)
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Der
synthetische Ladezustand wird entsprechend dem ersten Ladezustand
und dem zweiten Ladezustand gewichtet und wird durch Multiplizieren
dieser zwei mit einer spezifischen Gravität und durch Addieren dieser
zwei berechnet. Die spezifische Gravität für den zweiten Ladezustand wird
in einem Bereich erhöht,
bei dem die Abschätzung
des Ladezustands basierend auf der Spannung zuverlässig erscheint,
d.h. einem Bereich, in dem die Kapazität der Batterie groß oder klein
ist, und in anderen Bereichen wird die spezifische Gravität des zweiten
Ladezustands reduziert und die des ersten Ladezustands erhöht, um die
Berechnung des synthetischen Ladezustands basierend auf dem ersten
Ladezustand durch die Integration eines Stroms zu kontrollieren.
Als ein Beispiel kann die synthetische Kapazität mit der folgenden Gleichung
berechnet werden. Synthetischer Ladezustand
= ((erster Ladezustand erste Gewichtung) + (zweiter Ladezustand·zweite
Gewichtung))/(erste Gewichtung + zweite Gewichtung)
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Bei
der in der 4 gezeigten Beziehung ist die
erste Gewichtung der Gewichtungsfaktor des ersten Ladezustands,
der durch den SOC1 bestimmt wird. In der in der 4 gezeigten
Beziehung ist außerdem
die zweite Gewichtung der Gewichtungsfaktor des SOC2, der durch
den SOC2 bestimmt wird.
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Der
synthetische Ladezustand kann auch ein kontinuierliches Verhältnis aufweisen,
um den Ladezustand so zu kontrollieren, dass er nicht durch die
Berechnung stark schwankt. Das kontinuierliche Verhältnis kann
auch getrennt für
Entladen und Laden eingestellt werden. Beispielsweise werden die
entsprechenden Veränderungen
für die
Fälle,
dass eine Veränderung
von 1% oder mehr beim Entladen und dass eine Veränderung von 0,5% oder mehr
beim Laden von einem gesetzten synthetischen Ladezustand auftritt,
die entsprechenden Änderungen
eingestellt, so dass sie 1% und 0,5% sind.
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(Korrektur des ersten
Ladezustands)
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Bei
dem Fall, dass eine Differenz zwischen dem berechneten synthetischen
Ladezustand und dem ersten Ladezustand einen vorbestimmten Wert
annimmt, d.h., dass der Gewichtungsfaktor des zweiten Ladezustands
groß ist
und der erste Ladezustand durch den synthetischen Ladezustand nicht
wiedergegeben wird, ist es auch möglich, den ersten Ladezustand
zu korrigieren, um den Wert des ersten Ladezustands dem synthetischen
Ladezustand anzupassen.
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Weiterhin
ist es auch möglich,
den synthetischen Ladezustand für
jedes die Batterieeinheit 20 bildende Batteriemodul zu
berechnen und einen minimalen synthetischen Ladezustand als den
Ladezustand der Batterieeinheit 20 zu verwenden. Der so
berechnete Ladezustand wird von dem Anschlussgerät-Kommunikations-Terminal 30 durch
den Kommunikationsverarbeitungsteil 19 zu dem fahrzeugseitigen
Kontrollteil übertragen.
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Dementsprechend
ist es möglich,
die Menge einer Leistung, die an jedem Punkt während des Ladens und des Entladens
verwendet werden kann, durch korrektes Erfassen des Ladezustands
der Batterie akkurat vorherzusagen. So ist es möglich, die Menge der Leistung
genau zu kontrollieren und die Batterie sicher und effizient zu
verwenden.
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Da
die Erfindung in verschiedenen Formen ohne Abweichen von dem Gedanken
oder von wesentlichen Merkmalen der Erfindung ausgeführt werden
kann, ist die vorliegende Ausführungsform
dementsprechend beschreibend und nicht einschränkend, da der Umfang der Erfindung
durch die beigelegten Ansprüche definiert
wird und nicht durch die ihnen vorangestellte Beschreibung, und
alle Änderungen,
die in den Umfang und die Grenzen der Ansprüche fallen, oder Äquivalente
des Umfangs oder der Grenzen davon sind daher dazu vorgesehen, durch
die Ansprüche
umfasst zu werden. Diese Anmeldung basiert auf der Anmeldung Nr. 2004-297043,
die in Japan am 12. Oktober 2004 eingereicht wurde, wobei deren
Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
