JP2000338204A - バッテリの残存容量測定装置 - Google Patents

バッテリの残存容量測定装置

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JP2000338204A JP11147202A JP14720299A JP2000338204A JP 2000338204 A JP2000338204 A JP 2000338204A JP 11147202 A JP11147202 A JP 11147202A JP 14720299 A JP14720299 A JP 14720299A JP 2000338204 A JP2000338204 A JP 2000338204A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バッテリーに対して頻繁に充放電を繰り返さ
せるハイブリットカー等であっても、従来の残存容量測
定の方式でそのハイブリットカーの直流モータに応じて
最適な放電期間のデータを用いて高精度のバッテリー残
存容量測定ができる。 【解決手段】 残存容量測定装置23がバッテリ3に設
けられた電流センサ4及び電圧センサ5からの電流Iと
電圧Vとを1msec毎にサンプリングし、このときの
放電電流Iが例えば−10A以上(−10A、−20
A、…)を継続した後に放電電流Iが−10A以下(−
9A、−8A、…)に到達するまでの放電期間tiを検
出し、1msecでサンプリングしたときの放電期間t
iに相当する個数N2をその都度求め、このN2で平方
和と積和の計算を行ったデータで残存容量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリの残存容
量測定装置に関し、特にバッテリの電流及び電圧の平均
化個数を、負荷の種類によってバッテリから流れる放電
電流の放電時間によって決定するバッテリの残存容量測
定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に電気自動車のバッテリ残存容量は
特開平8−62310号公報に示すように、アクセルを
踏み続けることにより、図7に示すように、少なくとも
時間にして10秒以上の放電が継続していることを前提
としている。
【0003】このため、特開平8−62310号公報の
バッテリ残存容量装置においては、1msec毎にバッ
テリーからの放電電流Iと電圧Vをサンプリングし、こ
の1msecの電流値と電圧値からなるデータの個数N
1が100個集まる毎に平均化し、この平均化データの
個数N2が100個(N1×N2=10000個)得ら
れたときの電流と電圧との相関係数を求め、強い負の相
関を示しているとき、100個の平均化データに基づく
近似直線(Y=aX+b Y:電流 X:電圧)を求
め、この式のYに任意の値を代入することによって、電
圧Xを特定し、この電圧を現在の残存容量としていた。
すなわち、残存容量は10秒に1回の割合で求めてい
た。
【0004】また、データ数が非常に多いので、短時間
の充電方向に向かう電流データが存在していても誤差と
して埋もれさせることができていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年は
エンジン及び直流モータの2種類の動力源を有してエン
ジン又は直流モータで走行するハイブリットカー或いは
簡易ハイブリットカーとも称される高電圧車両が用いら
れるようになって来ている。
【0006】このようなハイブリットカーは、バッテリ
ーに対して頻繁に充放電が繰り返されることになる。こ
のため、充電方向に向かう電流データが多くなり、誤差
として無視することができなくなる。
【0007】特に、車両の走行時の回生充電、又はオル
タネータの発電充電時には、バッテリへの充電電流(定
電圧充電)が一定ではないので、相関関係が小さくな
る。
【0008】すなわち、1msecの電流値と電圧値か
らなるデータの個数N1が100個集まる毎に平均化
し、この平均化データの個数N2が100個(N1×N
2=10000個で放電期間が10秒に相当)得られた
ときの電流と電圧とを用いて残存容量を求める方式は、
そのままでは相関関係が小さくなるので、ハイブリット
カーの残存容量測定には適用できないという課題があっ
た。
【0009】また、バッテリに対して負荷となるハイブ
リットカーの直流モータは、ハイブリットカー(高電圧
化車両を含む)によって様々であり、放電期間も変化す
るのでN2を10000個と規定している場合は、様々
なハイブリットカーに適用できないという課題があっ
た。
【0010】従って、バッテリーに対して頻繁に充放電
を繰り返させるハイブリットカー等であっても、従来の
残存容量測定の方式でそのハイブリットカーの直流モー
タに応じて最適な放電期間のデータを用いて高精度のバ
ッテリー残存容量測定ができることが望ましい。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、負荷に接続さ
れたバッテリの端子電圧を検出する電圧センサとバッテ
リから負荷に流れる電流を検出する電流センサとを有
し、この電流及び電圧に基づいて得られた近似直線と基
準電流とからバッテリの電圧を推定し、推定電圧と満充
電電圧と放電終止電圧とからバッテリの残存容量を推定
するバッテリの残存容量測定装置において、電圧センサ
からの電圧と電流センサからの電流とを一定時間毎に収
集する手段と、一定時間毎の電流が放電を示し、かつ基
準電流以上を示しているかどうかを判定する手段と、判
定の結果が放電を示し、かつ基準電流以上と判定してい
る間は、一定時間毎の電圧、電流が得られる毎に、その
電圧及び電流を電流−電圧特性データとして定義する手
段と、判定の結果が放電を示し、かつ基準電流以上を示
す毎にカウントする手段と、判定結果が基準電流以下を
示したときは直ちにカウントを停止させる手段と、カウ
ントが停止されたとき、その停止時のカウント値に基づ
いて電圧−電流特性データを平均化して相関を求め、該
相関が強いときにこれらのデータを用いて近似直線を得
る手段とを備えたことを要旨とする。
【0012】このため、バッテリが負荷に対して放電状
態にあるとき又はバッテリが充電状態にあるときは、放
電又は充電の電流、電圧が一定時間で収集される毎に、
その電流が放電を示し、かつ基準電流以上のときは、そ
の収集毎にその収集回数がカウントされる。
【0013】そして、収集した電流が基準電流以下にな
ったとき、つまり収集した電流が残存容量の測定に誤差
を生じさせる充電時の充電電流にある程度近づいたとき
にカウントが停止される。
【0014】すなわち、負荷の種類に応じてバッテリか
ら流れる放電電流の放電時間に対応するカウント値を得
たことになる。
【0015】この放電時間に対応するカウント値で放電
時間内に収集した電流、電圧に基づく電圧−電流特性デ
ータを平均化して、これらのデータの相関が求められ、
相関が強いときは、近似直線が求められてバッテリの残
存容量が推定される。
【0016】従って、充放電が頻繁に繰り返されるハイ
ブリット機構部に用いる場合は、負荷であるハイブリッ
ト機構部のモータの種類が変わっても、そのモータの特
性に応じた放電時間内の電圧、電流のみを用いて残存容
量が測定できることになる。
【0017】
【発明の実施の形態】図1は本実施の形態のハイブリッ
トカーのバッテリコントローラの概略構成図である。
【0018】図1に示すバッテリコントローラ1は、高
電圧部2に設けられている高電圧のバッテリに設けられ
た電流センサ4及び電圧センサ5からの電流Iと電圧V
とを1msec毎にサンプリングし、このときの放電電
流Iが例えば−10A以上(−10A、−20A、−3
0A…)を継続した後に放電電流Iが−10A以上下
(−9A、−8A、−5A…)となるまでの期間tiを
検出し、1msecでサンプリングしたときに期間ti
に相当する個数N2をその都度求め、このN2で平方和
と積和の計算を行った電圧−電流特性データを電圧−電
流座標に定義して残存容量を求める。
【0019】前述の高電圧部2は、図1に示すように、
タイヤ5a、5bのシャフト6に連結された変速機構7
のギャボックス8と、このギャボックス8に連結された
エンジン9と、ギャボックス8とエンジン9の間に設け
られたモータジェネレータ10と、モータジェネレータ
10に所定の電力を供給又はモータジェネレータ10か
らの電力を所定電力に変換するコンバータ11とからな
るハイブリット機構部12に接続されている。具体的に
はコンバータ11に高電圧部2のバッテリ3が接続され
ている。
【0020】また、このコンバータ11には、12Vの
バッテリ12とこのバッテリ12のための出力抵抗13
とからなる低電圧部15が接続されている。
【0021】さらに、高電圧部2は電力供給用の出力抵
抗17を有して、ワイパー19、パワーウィンド20、
エアコン21等に電力供給が可能なように電気的に接続
されている。
【0022】すなわち、本実施の形態のバッテリコント
ローラ1は、バッテリ3で走行をアシストするハイブリ
ット機構部12に対して電力を供給又はハイブリット機
構部12からの電力を充電する高電圧のバッテリ3の電
流I、電圧Vを用いて残存容量を推定する。
【0023】このバッテリコントローラ1は、図1に示
すように、バッテリ3の放電電流、充電流、バッテリ3
の充放電時の端子電圧を検出し、これらの検出電流、検
出電圧を所定レベル、所定幅に変換する入力回路24
と、この入力回路24が検出した検出電流と検出電圧と
を用いて残存容量を推定する残存容量測定装置23とを
備えている。
【0024】残存容量測定装置23(コンピュータ)
は、1(msec)毎に、入力回路24からのバッテリ
3の電流Iと電圧Vをサンプリングし、この1msec
の電流Iと電圧Vからなるデータの個数hが1個(N
1)集まる毎に電圧−電流座標に定義し、このデータの
個数qが1バッテリ3からモータジェネレータ10に流
れる放電電流の状況(−10A以上)に応じて決定した
放電時間に相当する個数N2になったとき、この個数N
2で平均化したデータを電圧−電流座標系に得る。すな
わち、個数N2は負荷の種類が変わる毎に変更(可変)
される。
【0025】そして、この座標系に得られた複数のデー
タの相関係数を求め、強い負の相関を示しているとき、
これらのデータに基づく近似直線(Y=aX+b Y:
電流X:電圧)を求め、この式のYに任意の値を代入す
ることによって、電圧Xを特定し、この電圧を現在の残
存容量とする。
【0026】すなわち、充放電が繰り返されている場合
において、負荷の特性に応じた放電時間tiに対応した
N2で残像容量を測定している。
【0027】上記のように構成されたバッテリコントロ
ーラ1の動作を以下に説明する。図2及び図3は残存容
量測定装置の動作を説明するフローチャートである。図
4は図1に示すハイブリット機構部12に接続されたバ
ッテリ3の充放電パターンを長い時間で測定したときの
波形図である。図5は図4の波形の放電部を拡大した拡
大波形図である。
【0028】初めにN1を1個とした理由とN2を可変
としている理由とを説明する。ハイブリットカーという
のは、エンジン9とモータジェネレータ10とで走行を
アシストするものであるから、バッテリ3からの電力が
モータジェネレータに供給されたり、エンジンによる走
行時にはモータジェネレータ10からの電力がバッテリ
3に充電されることになる。
【0029】このため、図4に示すように走行中におい
ては充電と放電が頻繁に繰り返されることになる。
【0030】この図4の一部を拡大した放電は、図5に
示すように少なくとも約1秒程度継続(具体的には80
0msec)している。
【0031】しかし、放電時間tiは負荷であるモータ
の種類によっては常に約1秒(−10A以上で)とは限
らない。短い場合も長い場合もある。このため、負荷の
種類が変わってもその負荷(例えばモータ)の特性に応
じたバッテリ3の放電時間ti(−10A以上で)を常
に検出できるようにN1を「1」(1msec)として
いる。
【0032】そして、電流、電圧の平方和と積和のため
の個数N2を、1msec毎にサンプリングしたときに
負荷の種類によってバッテリ3から流れる放電時間ti
によって決定することが可能とすれば、負荷の種類に応
じた放電期間tiにおいて、その間の電流、電圧をフル
に活用して残存容量を測定できるからである。
【0033】残存容量測定装置23は、図2に示すよう
に、負荷動作中信号の入力に伴って、サンプリング個数
N1を「1」、個数N2のmax値を「10000」、
個数N2のminを「100」等とする初期設定を行う
(S201)。
【0034】前述の負荷動作中信号は、例えばアクセル
の操作量、スピードパルス量、ワイパーの回転量等が所
定以上のとき、又はエアコンのコンプレッサ等がスイッ
チング動作をしているときに出力されるものである。
【0035】次に、1msec経過したかどうかを判定
する(S203)。ステップS203において、1ms
ec経過したと判定したときは、電流センサ4及び電圧
センサ5からのバッテリ3の現在の電流Iと電圧Vとを
サンプリングする(S205)。
【0036】そして、サンプリング個数N1を更新し
(S207)、この個数N1が「1」かどうかを判定す
る(S209)。ステップS209において、個数N1
が「1」のときは、ステップS205の電流Iと電圧V
と時間Tとを積算し、このときまでの放電量又は充電量
を求める(S211)。例えば、モータジェネレータ1
0にバッテリ3からの電流を放電させている場合は、放
電電流であるからステップS211においては放電量で
あり、エンジン9を用いて走行しているときはモータジ
ェネレータ10からの電流が充電されるので、ステップ
S211においては充電量である。
【0037】次に、ステップS211で求められた電流
積算値は放電側か充電側かを判定する(S213)。す
なわち、図4及び図5に示すように電流が「0」以上或
いは「0」以下かどうかで放電側か充電側かを判定す
る。
【0038】ステップS213において、充電側と判定
したときは、サンプリングした電流I、電圧Vを廃棄し
て(S239)、処理をステップS203に戻す。
【0039】また、ステップS213において放電側と
判定したときは、ステップS205の電流が−10A以
上かどうかを判定する(S215)。
【0040】ステップS215において、−10A以上
(−10A、−20A、−30A…)と判定したとき
は、残存容量測定装置23は、電流電圧の平均回数のカ
ウンタN2を更新し(S217)、カウンタN2を動作
させていることを示すN2カウンタ動作中フラグfを立
てる(S219)。
【0041】次に、N2の値がステップS201で設定
した最大個数以上(「10000」)かどうかを判定す
る(S221)。
【0042】ステップS221においてN2の値が「1
0000」個以上と判定したときはステップS239に
移って今回の電流I、電圧Vを廃棄する。
【0043】また、ステップS221において、N2の
値がステップS201で設定した最大個数以下と判定し
たときは、ステップS201で設定した最小個数以下
(「100」)かどうか判定する(S223)。
【0044】ステップS223において、ステップS2
01で設定した最小個数以上(「100」)と判定した
ときは、処理をステップS203に戻して1msec経
過時の電圧V、電流Iを収集させて上記の処理を行う。
【0045】前述のステップS221、223における
N2の最小値は、データ数が少ない場合、算出される残
存容量の精度の低下が予測されるので、N2の最小値を
100個(100msecに相当)にしている。
【0046】また、N2の最大値は、車両の負荷(例え
ばモータ)の種類によって放電電流が長時間継続した場
合でも適当な時間間隔で残存容量は計測されなければな
らない。このため最大値を10000個(10秒に相当
する)としている。
【0047】次に、ステップS221で、N2が100
00個以下と判定され、ステップS223でN2が10
0個以上と判定されたときは、前回の電圧と今回の電圧
とを加算した電圧データの総和値及び前回の電流と今回
の電流とを加算した電流データの総和値を求める(S2
25)。
【0048】すなわち、図5に示すように放電電流が−
10A以上のときに、電流、電圧の総和を求める。
【0049】一方、ステップS215において、放電電
流が−10A以下と判定したときはその電流は、前述の
電流値の条件(誤差を生じさせないある大きさ以上の放
電電流)に適していないと判定し(S227)、今回の
電流I及び電圧Vを廃棄する(S231)。そして、N
2カウンタの動作中を示すフラグfが立てられているか
どうかを判定し(S233)、フラグfが立てられてい
るときは、N2カウンタの更新を停止させる(S23
5)。
【0050】すなわち、N2カウンタの動作を停止する
ことによって、図5に示す充電状態から放電状態に向か
ったことを示す瞬時のデータを検出し、この検出電流が
前述の条件を満たさなくなるまで放電時間ti(図5の
Hに相当する)を得ているので、負荷であるモータの特
性に応じた放電時間tiに相当するN2を得たことにな
る。
【0051】次に、停止されたときのN2カウンタの現
在のカウント値であるN2を電流電圧の平均回数として
設定する(S237)。
【0052】そして、図3に示すように、この設定され
たN2を読み(S301)、数1に示すように各平方和
と積和の計算を行う(S303)。
【0053】
【数1】 すなわち、ステップS215からS303までの処理に
よって、放電電流がある条件を満たしているときだけ、
その電圧、電流を採用させており、放電電流がある大き
さ以上の放電であるという条件を満たしたデータだけを
採用させている。
【0054】つまり、放電がある電流条件を満たして継
続している間、1msec毎のデータがインクリメント
され、放電がある電流条件を満たさなくなったときにイ
ンクリメントを停止するN2を、残存容量の測定開始毎
に電流条件によって定めている。従って、N2は負荷の
特性が変わる毎に可変させられることになる。
【0055】前述の−10A以上というのは、充電から
放電に向かった場合に小さい放電電流では、電圧の値が
充電の影響を受けて高めに検出されることになる。この
ため、放電が開始されたときにデータを収集する放電電
流は−10A以上としている。
【0056】さらに、ステップS215からS303ま
での処理の概要を補足すると、充電状態から放電状態に
向かったことを示す瞬時のデータを検出し、この検出電
流が前述の条件を満たさなくなるまでの複数のデータ
(放電時間tiにおけるデータ)を残存容量の算出のた
めの1つの集まりとしている。
【0057】従って、ステップS303までの処理によ
って図6に示すように電流−電圧座標系に電流、電圧の
散布程度を定義したことになる。但し、図6において
は、電流を縦に、電圧を横軸にしている。
【0058】この図6においては、小放電電流領域Mと
大放電電流領域Hとがあることを示しているが、本実施
の形態のステップS303までの処理を行うことによっ
て実際は小放電領域M(、−10A以下の区間)はデー
タとして存在しないで、大放電電流領域H区間(図5に
示す−10A以上の区間)のデータのみが存在する。す
なわち、この大電流領域Hの散布データを用いることに
よって、正確な近似直線を得ることが可能となる。
【0059】次に、残存容量測定装置23は図3に示す
ように、ステップS303で得られたデータを用いて相
関係数rを数2の式で求める(S305)。
【0060】
【数2】 そして、この相関係数rと予め設定されている基準の相
関係数rsとを比較して、相関係数rは強い負の相関を
示しているかどうかを判定する(S307)。ステップ
S307において、相関が低いと判定したときは、サン
プリングした電流データ、電圧データ、平均データを廃
棄する(S321)。
【0061】そして、ステップS307において、強い
負の相関を示していると判定したときは、最小二乗法に
より電流−電圧近似直線関数(V=aI+b)を数3に
示す式で求めさせる(S309)。
【0062】
【数3】 次に、仮想電流Is(例えば−10A)を式3に代入し
て現在のバッテリ3の電圧を推定し(S311)、式4
に従って残存容量SOCを求め(S313)、この残存
容量SOCを表示器に送出する出力処理を行う(S31
5)。
【0063】
【数4】 次に、求めた残存容量SOCが0%かどうかを判断し
(s317)、残存容量SOCが0%の場合は本処理を
終了し、また残存容量SOCが0%以上の場合は処理を
ステップS237で設定したN2をクリアして(S31
9)、処理をステップS201に戻して1msec毎に
サンプリングを行って上記の処理を再び行わせる。
【0064】なお、上記実施の形態では、ハイブリット
機構部12に接続されているバッテリ3の残存容量を求
めるとしたが、低電圧部に設けられたバッテリ12の残
存容量を求めるようにしてもよい。
【0065】また、ワイパー19、パワーウィンドウ2
0、エアコン21のセルモータが回転しているとき、或
いは図示しないヘッドランプ、リヤデフォッガ等がオン
するときには、バッテリからは放電電流が流れるので、
本実施の形態の残存容量測定装置1はそのときの残存容
量を測定することになる。
【0066】従って、従来はバッテリの放電が比較的に
長時間である電気自動車のバッテリの残算容量の測定に
限られていたが、近年開発が進められているハイブリッ
トカー(高電圧車両含む)のように充放電が頻繁なバッ
テリの残存容量の測定にも適する。
【0067】さらに、上記実施の形態ではステップS2
23の後に、ステップS225の処理を行うようにして
いるが、ステップS225の処理はステップS215の
直後に行ってN2を更新してもよい。
【0068】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、バッテリ
の電流(充電、放電)が放電を示し、かつ基準電流以上
(収集した電流が残存容量の測定に誤差を生じさせる充
電時の充電電流にある程度近づいたとする電流値)の間
のみの電流、電圧を用いて近似直線を算出するようにし
たことにより、負荷の種類に応じてバッテリから流れる
放電電流の放電時間内に収集した電流、電圧のみでバッ
テリの残存容量が推定される。
【0069】このため、負荷の種類が変わっても、その
負荷の種類に応じた放電時間内での電圧、電流に基づく
近似直線が求められるので、負荷の種類が変わっても精
度の高い残存容量を測定できるという効果が得られてい
る。、特に、充放電が頻繁に繰り返されるハイブリット
機構部に用いる場合は、負荷であるハイブリット機構部
のモータの種類が変わっても、そのモータの特性に応じ
た放電時間内の電圧、電流のみを用いて残存容量が測定
できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態のハイブリットカーのバッテリコ
ントローラの概略構成図である。
【図2】残存容量測定装置の動作を説明するフローチャ
ートである。
【図3】残存容量測定装置の動作を説明するフローチャ
ートである。
【図4】バッテリ3の充放電パターンを長い時間で測定
したときの波形図である。
【図5】図4の波形の放電部を拡大した拡大波形図であ
る。
【図6】本実施の形態による電圧−電流特性を説明する
説明図である。
【図7】電気自動車のバッテリの充放電を説明する波形
図である。
【符号の説明】
1 バッテリコントローラ 2 高電圧部 4 電流センサ 5 電圧センサ 9 エンジン 10 モータジェネレータ 12 ハイブリット機構部 23 残存容量測定装置 24 入力回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹本 寿 静岡県裾野市御宿1500 矢崎総業株式会社 内 Fターム(参考) 2G016 CA03 CB12 CB13 CB21 CB22 CB23 CB31 CB32 CC01 CC03 CC04 CC27 CC28 5H115 PG04 PI16 PU02 PU25 QN12 TI02 TI05 TI06 TO21

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負荷に接続されたバッテリの端子電圧を
    検出する電圧センサと前記バッテリから前記負荷に流れ
    る電流を検出する電流センサとを有し、この電流及び電
    圧に基づいて得られた近似直線と基準電流とから前記バ
    ッテリの電圧を推定し、推定電圧と満充電電圧と放電終
    止電圧とから前記バッテリの残存容量を推定するバッテ
    リの残存容量測定装置において、 前記電圧センサからの電圧と電流センサからの電流とを
    一定時間毎に収集する手段と、 前記一定時間毎の前記電流が放電を示し、かつ基準電流
    以上を示しているかどうかを判定する手段と、 前記判定の結果が放電を示し、かつ前記基準電流以上と
    判定している間は、前記一定時間毎の前記電圧、電流が
    得られる毎に、その電圧及び電流を電流−電圧特性デー
    タとして定義する手段と、 前記判定の結果が放電を示し、かつ前記基準電流以上を
    示す毎にカウントする手段と、 前記判定結果が前記基準電流以下を示したときは、直ち
    に前記カウントを停止させる手段と、 前記カウントが停止されたとき、その停止時のカウント
    値に基づいて前記電圧−電流データを平均化して相関を
    求め、該相関が強いときにこれらのデータを用いて前記
    近似直線を得る手段とを有することを特徴とするバッテ
    リの残存容量測定装置。
  2. 【請求項2】 前記負荷は、エンジンとモータとで走行
    を補助するハイブリット機構部であり、このハイブリッ
    ト機構部のモータに前記バッテリが電気的に接続されて
    いることを特徴とする請求項1記載のバッテリの残存容
    量測定装置。
  3. 【請求項3】 前記カウントしているときのカウント値
    が所定範囲内で、かつ前記電流が基準電流以上のとき
    に、前記収集を再び行わせる手段とを有することを特徴
    とする請求項1又は2記載のバッテリの残存容量測定装
    置。
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