JP2001021625A - 温度を考慮したガッシング電圧を用いたバッテリの容量測定装置 - Google Patents

温度を考慮したガッシング電圧を用いたバッテリの容量測定装置

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JP2001021625A
JP2001021625A JP11189379A JP18937999A JP2001021625A JP 2001021625 A JP2001021625 A JP 2001021625A JP 11189379 A JP11189379 A JP 11189379A JP 18937999 A JP18937999 A JP 18937999A JP 2001021625 A JP2001021625 A JP 2001021625A
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Shuji Satake
周二 佐竹
Michihito Enomoto
倫人 榎本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 走行中における満充電容量を温度とガッシン
グ電圧とを考慮しながら精度良く求めることができる温
度を考慮したバッテリの容量測定装置を得る。 【解決手段】 バッテリ5の温度を温度センサ13で検
出し、この温度に基づくガッシング電圧をガッシング検
出処理部23が常に求め、満充電容量算出処理部25が
このガッシング時の残存容量及び充電可能容量から走行
中であってもガッシングが発生した時点からのフル充電
容量軸における満充電容量を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリの容量測
定装置に関し、特に走行中における満充電容量を温度に
基づくガッシング電圧から推定するガッシング電圧を用
いたバッテリの容量測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電気自動車はバッテリを用いた走行であ
るから残存容量は正確に予測することが重要である。
【0003】例えば、特開平7−278351号公報の
バッテリ残存容量装置においては、計算が容易なことか
ら、バッテリコントローラはイグニッションオン直後の
バッテリの残存容量SOC(放電可能容量ともいう)
を、図7に示すように、以下の数1に示すようにして求
め、これを表示していた。
【0004】
【数1】SOC=〔(Vn2-Ve2)〕/(Vs2-V
2)〕×100% 但し、Vn:バッテリの推定電圧 Ve;放電終止電圧 Vs;満充電電圧 この満充電電圧Vsは、バッテリの劣化が進んでいない
新品であり、温度が20℃で充電が行われて100%の
満充電にされたときの電圧である。
【0005】前述の残存容量SOCの算出は、バッテリ
からの放電電流及び端子電圧を電圧ー電流軸に所定数収
集して平均化し、この平均化データが所定個、集まった
ときに、そのデータの相関係数rを求める。
【0006】次に、この相関係数rが強い負の相関を示
しているときに、最小二乗法により、そのデータの回帰
直線(近似直線ともいう)を求め、この近似直線Y(Y
=aX+b)と基準電流Ioとから現在のバッテリの推
定電圧Vnを推定する。
【0007】そして、この推定電圧Vnを用いて、残存
容量100%に相当する満充電電圧Vsと、残存容量0
%に相当する放電終止電圧Veとから上記の数1に示す
式によって走行中における現在の残存容量SOCを求め
て表示させていた。
【0008】また、近年はエンジン又はモータで車を駆
動するハイブリット車両においても、バッテリコントロ
ーラが用いれており、走行中において、残存容量が低下
した場合は、ハイブリット機構(オルタネータ、エンジ
ン等からなる動力原が複数の機構)のオルタネータから
の回生電力をバッテリに充電していた。このようなハイ
ブリット車両に用いられるバッテリコントローラは、走
行中における回生電力を常に充電できるように、走行中
における残存電容量は60%〜80%にされている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
バッテリといのは、低温時には高温時と比べて容量が少
ないという特性を持っており、低温時には満充電であっ
ても容量が100%とはならないで、例えば容量が80
%となる。
【0010】また、バッテリの劣化等によって、満充電
であっても容量が100%とはならないで、例えば容量
が80%となる場合がある。
【0011】すなわち、温度が低下したり、バッテリが
劣化すると、満充電にしたのにも係わらず残存容量が1
00%とは成らないので、過充電を行ってしまう。
【0012】また、高温時には逆にバッテリの電圧は高
くなる傾向にあり、充電不足を生じる場合がある。
【0013】すなわち、バッテリの残存容量からは、走
行中においてはあとどの程度充電可能かを精度良く判断
できないという課題があった。
【0014】特に、上記の数1の式で残存容量を求める
方式では、無走行時で基準温度(20℃)で充電がフル
充電にされていないと実際に残存容量が100%にはな
らない。
【0015】このようなことから温度によるバッテリの
容量変化で走行中に誤差がでることを防止するために、
走行直後に無走行時の満充電容量を100%とする方式
もある。
【0016】しかし、走行中においてオルタネータの回
生電力を充電して残存容量(放電可能容量)を一定に保
つハイブリット車両に適用させようとしても、走行中に
おいても温度は変化するものであるから上記の数1を用
いる方式を、ハイブリット車両に適用した場合は、求め
られた残存容量は信頼できる充電容量ではないので、過
充電、充電不足になるという課題があった。
【0017】一方、バッテリというのは、充電容量が9
0%を越えるとガッシング電圧(ガスの発生が盛んにな
る)に到達する。
【0018】しかし、従来のバッテリの残存容量測定装
置では、このガッシングによる影響を考慮した残存容量
の算出及び充電を行っていないという課題があった。
【0019】本発明は以上の課題を解決するためになさ
れたもので、走行中における満充電容量をガッシング電
圧と温度とを考慮しながら精度良く求めることができる
温度を考慮したバッテリの容量測定装置を得ることを目
的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、負荷が動作中
にバッテリの残存容量が低下しているとき、前記負荷か
らの電力を一定電流にしてバッテリに充電させ、設定さ
れている負荷動作中における満充電容量に維持すると共
に、バッテリの電圧、電流を収集し、これらの電圧、電
流から前記バッテリの残存容量を求めるバッテリの容量
測定装置において、バッテリの近傍に設けられた温度セ
ンサと、電圧、電流が収集される毎に、温度センサの温
度に基づいてバッテリのガッシング電圧を求め、収集さ
れた電圧がこのガッシング電圧以上のときにバッテリが
ガッシング状態であることを検出するガッシング検出処
理部と、ガッシングの検出に伴って、バッテリに対する
充電時の充電電流を小さな電流値に切り替えさせる充電
電流切替指示処理部と、ガッシングの検出毎に、残存容
量を読み、このガッシング時の残存容量と予め設定され
ている充電可能容量と基準温度で無負荷時のフル充電容
量とから負荷変動時の満充電容量を求めて設定する満充
電容量算出処理部とを備えたことを要旨とする。
【0021】このため、バッテリの温度に基づくガッシ
ング電圧が求められ、このガッシング時の残存容量と、
充電可能容量とから走行中におけるガッシングが発生し
た時点からのフル充電容量軸における満充電容量が推定
される。
【0022】
【発明の実施の形態】図1は本実施の形態のバッテリの
容量測定装置の概略構成図である。図1に示すバッテリ
コントローラ1は、エンジン2、モータ3(オルタネー
タ)で駆動するハイブリット機構部4に用いられるバッ
テリ5の満充電容量を走行中においてガッシング電圧を
用いて求める。前述のモータ3とバッテリ5との充電電
力、放電電力の制御はコンバータ6によって行われる。
【0023】また、バッテリ5には電圧センサ11が並
列接続されている。さらに、バッテリ5とコンバータ6
との間に、リレー10が設けられている。このリレー1
0とバッテリ5との間には、電流センサ12が直列接続
されている。さらに、バッテリ5の近傍には温度センサ
13が設けられている。
【0024】一方、バッテリコントローラ1は、電圧セ
ンサ11の検出電圧を所定の信号に波形整形する入力回
路15と、リレー10をオン又はオフさせるためのリレ
ー制御信号を増幅するバッファ16と、リレー10をオ
フさせてたときの所定の間の電圧Viに基づいてバッテ
リ5の充電可能容量を算出すると共に、ガッシング電圧
を検出して充電電流を段階的に切り替え、かつガッシン
グ電圧及び温度を用いて、その時点での満充電容量を推
定するバッテリの容量測定装置18(マイコン)とを備
えている。
【0025】バッテリの容量測定装置18は、図1に示
すように、メモリ20と、残存容量推定処理部21と、
充電容量算出処理部22と、ガッシング検出処理部23
と、充電電流切替指示処理部24と、満充電容量算出処
理部25と、満充電電圧補正処理部26とを備えてい
る。
【0026】残存容量推定処理部21は、メモリ20に
収集されたバッテリ5の複数の電圧V、電流とを平均化
し、この平均化データが所定個、集まったときに、その
データの相関係数rを求める。そして、この相関係数r
が強い負の相関を示しているときに、最小二乗法によ
り、そのデータの回帰直線(近似直線ともいう)を求
め、この近似直線Y(Y=aX+b)と基準電流Ioと
から現在のバッテリの推定電圧Vnを推定する。
【0027】そして、この推定電圧Vnと、後述する満
充電電圧補正処理部26で設定された満充電電圧Vs
と、予め設定されている放電終止電圧Veとを用いて、
上記の数1に示す式によって現在の残存容量SOCを求
める。
【0028】充電容量算出処理部22は、所定時間毎t
i(100msec又は1secでもよい)にリレーオ
フ信号をバッファ16を介してリレー10に送出して充
電を停止させ、この所定時間内に収集された電圧Viか
らコンバータ6の充電電圧42Vより低く、かつ他の電
圧Viより最大値の電圧Vgを抽出する。
【0029】そして、所定時間tiの間のバッテリ5の
電圧Viを読み、図2に示すように、電圧Vgから最も
電圧が低い電圧(例えばV100)までの複数の電圧の
関数VYの変化率ΔE′を求めた後に、この充電停止直
後の電圧の変化率ΔE′が集束する点(例えば、集束時
間thを1時間程度として求める)を求める。つまり、
充電停止直後の分極の差電圧ΔEを除いてバッテリ5の
実際の電圧Eを推定する。
【0030】そして、この平衡電圧Eを用いて以下の数
2に示すようにして現在の充電可能容量を算出する。
【0031】
【数2】 充電可能容量=(Vs2−E2)/(Vs2−Ve2) Vs;満充電電圧 Ve;放電終止電圧 E; 平衡電圧 ガッシング検出処理部23は、温度センサ13の温度T
を入力回路15を介して読み、この温度Tを下記の数3
に代入してガッシング電圧Vgsを算出する。
【数3】Vgs=α−β(T−20℃) Vgs;充電において、ある電圧値を越えると水の電気
分解が始まりガス(酸素、水素)の発生が盛んになる電
圧(ガッシング電圧) α、β;バッテリの固有定数 T;バッテリの電解液温度 すなわち、検出した時点での温度Tに基づくガッシング
電圧Vgsを求めることによって、温度が変化してバッ
テリの特性が変わっても、その時点のバッテリの特性に
従ったガッシング電圧Vgsを常に得ている。
【0032】そして、ガッシング検出処理部23は、充
電容量算出処理部22が充電させているとき(本実施の
形態ではリレーをオンさせたとき)、収集した時点での
電圧Vがこのガッシング電圧Vgsに到達したかどうか
を判定し、ガッシング電圧Vgsに到達したことを検知
したときは、充電切替指示処理部24及び満充電容量算
出処理部25を起動させる。
【0033】充電電流切替指示処理部24は、ガッシン
グの検出に伴って、現在の充電電流以下にさせる充電電
流値を段階的に指示する。
【0034】例えば、充電電流を10Aの定電流で充電
としているときは、その定電流におけるガッシングの検
知に伴って、5A、3A、2Aという充電電流にさせる
電流値をコンバータ6の充電回路(図示せず)に指示す
る。
【0035】この電流値の選択に当たっては、満充電容
量とガッシング時の容量とを読み、後どのくらいで満充
電になるかどうかを求めて、最も効率良く速く満充電に
なる電流値にしてもよい。
【0036】満充電容量算出処理部25は、ガッシング
の検出に伴って、残存容量推定処理部21で求められた
現在の残存容量SOCgsを読み、予め設定されている
充電可能容量DODと、所定の条件での満充電容量(1
00%)とから、この走行中における満充電容量SOC
fを推定する。この満充電容量SOCfの推定について
は詳細に後述する。
【0037】満充電電圧補正処理部26は、推定された
満充電容量SOCfを読み、この満充電容量SOCfに
相当する満充電電圧Vsを残存容量推定処理部21に設
定する。例えば、基準温度時の満充電電圧Vsが42V
で、放電終止電圧が32V、推定された満充電用流SO
Cfが70%の場合は、今回の満充電電圧Vsを39.
3Vとする。
【0038】上記のように構成されたバッテリの容量測
定装置の動作を図3のフローチャートを用いて以下に説
明する。初めに、バッテリ容量測定装置18は、電圧セ
ンサ11、電流センサ13が検出した電圧V、電流Iを
サンプリングしてメモリ20に収集する(S301)。
【0039】このとき、充電容量算出処理部22は、リ
レーオン信号をバッファ16を介してリレー10に送出
してバッテリ5に充電させているとする。
【0040】次に、ガッシング検出処理部23は、充電
中かどうかを判断する(S302)。
【0041】ステップS302において、充電中と判定
したときは、ガッシング検出処理部23は、温度センサ
13からの温度Tを上記の数3に代入してガッシング電
圧Vgsを求める(303)。
【0042】次に、ガッシング検出処理部23は、ステ
ップS303で求めたガッシング電圧Vgsに対して今
回の電圧Vが越えているかどうかで、ガッシング電圧V
gs以上かどうかを判定する(S304)。
【0043】例えば、温度Tが10℃の場合は、以下の
数4に示すようにしてガッシング電圧Vgsが予め求め
られ、このガッシング電圧Vgsと比較する。
【0044】
【数4】Vgs=α−β(10−20℃) ステップS204において、充電中(オルタネータの回
生による充電)と判定したときは、満充電容量算出処理
部25は以下の数5に従って満充電容量SOCfを求め
る(S305)。
【0045】
【数5】SOCf=〔SOCgs/(100−DODg
s)〕×100 SOCf;満充電容量 SOCgs;残存容量 DOD;ガッシング電圧到達時の放電深度(単に充電可
能容量ともいう) すなわち、図4に示すように、満充電容量算出処理部2
5は、バッテリ5の現在の温度Tに基づくガッシングを
検出したときの現在の残存容量SOCgsと、予め設定
されている充電可能容量DODgsと、ある条件におけ
る満充電容量100%とから、ガッシング電圧Vgsが
得られた点からの満充電容量SOCfを推定している。
【0046】前述のある条件における満充電容量という
のは、温度が例えば25℃のときにフル充電したときの
容量である。
【0047】また、予め設定されている充電可能容量D
ODgsは、一般に鉛電池の場合は、ガッシング電圧に
到達したときのDODは、ハイブリット車両においては
温度、劣化に関係なくほぼ一定になるようにされてい
る。例えば、常に回生に充電が行われても過充電となら
ないように20%〜40%とされる。
【0048】また、充電電流切替指示処理部24は、ガ
ッシングの検出に伴って直ちに充電電流を変更させて、
処理をステップS201に戻す(S306)。
【0049】つまり、図5の(a)に示すようにガッシ
ングの検出に伴って10Aから5Aに充電電流を変更さ
せる。
【0050】そして、ステップS302で再び充電中と
判定されたときは、再び温度Tに基づくガッシング電圧
Vgsが求められる。
【0051】このときのガッシング電圧Vgsは、充電
電流を5Aにしたことによってバッテリ5の温度Tも変
わっている。このため、ステップS303で求められる
ガッシング電圧Vgsも前回とは相違している。例え
ば、ガッシング電圧Vgsが前回より高い電圧になる。
【0052】従って、ステップS304では、ガッシン
グ電圧Vgs以下と判定されて、処理をステップS30
7に移す。
【0053】ステップS304でガッシング電圧Vgs
以下と判定されたときは、残存容量推定処理部21がメ
モリ20に収集されたバッテリ5の複数の電圧V、電流
とを平均化し、この平均化データが所定個、集まったと
きに、そのデータの相関係数rを求める。そして、この
相関係数rが強い負の相関を示しているときに、最小二
乗法により、そのデータの回帰直線(近似直線ともい
う)を求め、この近似直線Y(Y=aX+b)と基準電
流Ioとから現在のバッテリの推定電圧Vnを推定す
る。
【0054】そして、この推定電圧Vnと、満充電電圧
Vsと、予め設定されている放電終止電圧Veとを用い
て、上記の数1に示す式によって現在の残存容量SOC
を求める(S207)。
【0055】次に、残存容量SOCがO%かどうかを判
定する(S308)。ステップS308において、残存
容量SOCがO%と判定したときは放電を終了する(S
309)。また、ステップS308において、残存容量
SOCがO%以上と判定したときは、ステップS305
で求めた満充電容量SOCfに現在の残存容量SOCが
到達したかどうかを判定する(S310)。
【0056】ステップS310で満充電容量SOCfに
到達したと判定したときは、充電を終了する(S31
1)。本実施の形態では充電容量算出処理部22がリレ
ー10にリレーオフ信号を送出して充電を停止させる。
【0057】また、ステップS310で満充電容量SO
Cfに到達していないと判定したときは、処理をステッ
プS301に戻す。
【0058】これによって、5Aで充電が行われていて
も、次第にバッテリの温度Tが上昇してステップS30
3で新たにガッシング電圧Vgsが求められ、このガッ
シング電圧Vgsと今回の電圧Vとが比較されて、5A
で充電中における現在の満充電容量が求められて、再び
充電電流が切り替えられる。
【0059】すなわち、図5の(b)に示すように、温
度Tによってガッシング電圧を変更し、このガッシング
電圧に到達する毎に充電電流も変わるようにしている。
【0060】従って、図6に示すように、温度に基づい
て求めたガッシング電圧Vgsが変化するので、満充電
容量SOCfも変化する。
【0061】つまり、走行中におけるバッテリ5の温度
に基づくガッシング電圧を常に求め、このガッシング電
圧に到達する毎に、充電電流を切り替えると共に、その
ときのガッシング電圧から満充電容量SOCfを推定し
ている。
【0062】このため、走行中において、温度によって
バッテリの特性が変化しても、その特性に応じた無走行
時の温度を考慮した満充電容量を得ることができるの
で、走行中におけるバッテリの満充電容量を正確に得る
ことが可能である。
【0063】例えば、本実施の形態の処理によって満充
電容量が90%と求められ、ガッシング発生時の残存容
量が80%の場合は、走行中における充電可能容量が1
0%になるような電流値で充電させればよいことにな
る。
【0064】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、バッテリ
の温度に基づくガッシング電圧を常に求め、このガッシ
ング時の残存容量と、充電可能容量とから走行中であっ
てもガッシングが発生した時点からのフル充電容量軸に
おける満充電容量を推定することにより、走行中におい
てバッテリが温度が変化しても、その温度に基づいて求
めたガッシング発生時からの満充電容量が分かるので、
走行中における充電時にあとどのくらいの充電電流で満
充電に到達するかが容易に判断できるという効果が得ら
れている。
【0065】このため、ハイブリット車両に搭載して
も、走行中に温度変化によってバッテリの特性が変わっ
ても充電可能容量が的確に把握できるので充電が過充
電、過不足になることがないという効果が得られてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態のバッテリの容量測定装置の概略
構成図である。
【図2】本実施の形態の充電可能容量算出処理部の動作
を説明する説明図である。
【図3】本実施の形態の動作を説明するフローチャート
である。
【図4】本実施の形態によるガッシング時の容量から満
充電容量を求める説明図である。
【図5】本実施の形態の充電電流多段階切替とガッシン
グ電圧との関係を説明する説明図である。
【図6】本実施の形態によるガッシング電圧によって満
充電容量が相違して求められることを説明する説明図で
ある。
【図7】従来の残存容量の算出方法を説明する説明図で
ある。
【符号の説明】
1 バッテリコントローラ 2 エンジン 3 モータ 4 ハイブリット機構部 5 バッテリ 18 バッテリの容量測定装置 20 メモリ 21 残存容量推定処理部 22 充電容量算出処理部 23 ガッシング検出処理部 24 充電電流切替指示処理部 25 満充電容量算出処理部 26 満充電電圧補正処理部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負荷が動作中にバッテリの残存容量が低
    下しているとき、前記負荷からの電力を一定電流にして
    バッテリに充電させ、設定されている前記負荷動作中に
    おける満充電容量に維持すると共に、前記バッテリの電
    圧、電流を収集し、これらの電圧、電流から前記バッテ
    リの残存容量を求めるバッテリの容量測定装置におい
    て、 前記バッテリの近傍に設けられた温度センサと、 前記電圧、電流が収集される毎に、前記温度センサの温
    度に基づいて前記バッテリのガッシング電圧を求め、前
    記収集された電圧がこのガッシング電圧以上のときに前
    記バッテリがガッシング状態であることを検出するガッ
    シング検出処理部と、 前記ガッシングの検出に伴って、前記バッテリに対する
    前記充電時の充電電流を小さな電流値に切り替えさせる
    充電電流切替指示処理部と、 前記ガッシングの検出毎に、前記残存容量を読み、この
    ガッシング時の残存容量と予め設定されている充電可能
    容量と基準温度で無負荷時のフル充電容量とから前記負
    荷変動時の満充電容量を求めて設定する満充電容量算出
    処理部とを有することを特徴とする温度を考慮したガッ
    シング電圧を用いたバッテリの容量測定装置。
  2. 【請求項2】 前記充電電流切替指示処理部は、 前記ガッシング電圧毎に、段階的に小さな電流値を対応
    させ、前記ガッシングの検出毎に、前回より小さな電流
    値に切替させることを特徴とする請求項1記載の温度を
    考慮したガッシング電圧を用いたバッテリの容量測定装
    置。
  3. 【請求項3】 前記満充電容量が設定される毎に、フル
    充電時の満充電容量に対する前記設定された満充電容量
    の満充電電圧に補正し、この満充電電圧で前記残存容量
    を測定させる満充電圧補正処理部とを有することを特徴
    とする請求項1又は2記載の温度を考慮したガッシング
    電圧を用いたバッテリの容量測定装置。
  4. 【請求項4】 前記満充電容量算出処理部は、 前記負荷変動時の満充電容量を、前記フル充電容量軸上
    に求めることを特徴とする請求項1、2又は3記載のガ
    ッシング電圧を用いた温度を考慮したバッテリの容量測
    定装置。
  5. 【請求項5】 前記負荷は、 オルタネータと、前記オルタネータに対して前記バッテ
    リからの放電電力を所定電流に変換して送出すると共
    に、前記オルタネータによる回生電力を前記充電電流切
    替指示処理部からの電流値の充電電流にして充電させる
    コンバータとからなることを特徴とする請求項1、2、
    3又は4記載の温度を考慮したガッシング電圧を用いた
    バッテリの容量測定装置。
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