JP2005331483A - 蓄電デバイスの残存容量表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かして高精度に残存容量を演算しつつ、演算した残存容量を容易に認知可能に表示する。
【解決手段】電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量とをバッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成した残存容量ＳＯＣ(t)の放出時間間隔を、電流の移動平均値とセル温度とに基づいて設定し（Ｓ１１）、発電状態の場合にはＳＯＣ(t)＞ＳＯＣ(t-1)の条件を満足するデータを取込み、発電状態でない場合にはＳＯＣ(t)＜ＳＯＣ(t-1)の条件を満足するデータを取込んで、設定した放出時間間隔で出力して表示値を更新する（Ｓ１４，Ｓ１５，Ｓ１６）。これにより、一般のドライバにとって不必要な細かすぎるデータが除外されて表示ふらつきが低減され、実際に使用可能な残りのエネルギー量を容易に認知可能とすることができる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、二次電池や電気化学キャパシタ等の蓄電デバイスの残存容量を表示する蓄電デバイスの残存容量表示装置に関する。

近年、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学キャパシタといった蓄電デバイスの小型軽量化・高エネルギー密度化が進み、携帯型の情報通信機器から電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として活発に利用されている。

このような蓄電デバイスで利用可能なエネルギー量は、その残存容量を演算して表示することで知ることができる。一般に、残存容量を演算する技術としては、蓄電デバイスの充放電電流を積算して残存容量を求める技術や、開放電圧に基づいて残存容量を求める技術が知られているが、前者は、突入電流等の負荷変動に強い反面、誤差が累積し易い（特に、高負荷継続時には誤差が大きくなる）という欠点があり、また、後者は、開放電圧を正確に推定できる限り有効性が高い反面、短時間で負荷が大きく変動した場合に演算値が変動しやすいという欠点がある。従って、従来より両者を組合わせて残存容量を求める技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、電気自動車の車両停止時の電池電圧から求めた開放電圧により停止時残存容量を求めると共に、電池の放電電流の積算値に基づいて放電電気容量を検出し、この放電電気容量と停止時残存容量とから満充電容量を算出し、この満充電容量と放電電気容量とから残存容量を求める技術が開示されている。

また、特許文献２には、リチウムイオン電池のような電池容量と電池電圧とに直線的な比例関係があるものにおいて、任意の時間のあいだ放電または充電したときの電流積算量と、放電または充電前の電圧、放電または充電後の電圧より、残存容量を求めて表示する技術が開示されている。

更に、特許文献３には、電池の充放電電流を積分して求めた残存容量と、電池の開放端子電圧に基づいて推定した残存容量との差の変化率に基づいて、残存容量の演算方法を補正する技術が開示されている。
特開平６−２４２１９３号公報 特開平８−１７９０１８号公報 特開平１１−２２３６６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、電気自動車の走行中の電池の残存容量に対する精度が保障されておらず、また、車両停止時の電池電圧から開放電圧を求めているが、電気自動車においては、モータが停止していてもインバータ等の負荷には電流が流れていることから、必ずしも正確な開放電圧を検出できるとは限らない。従って、特許文献１の技術では、残存容量の表示精度が不足するばかりでなく、適用範囲が限定されてしまい、例えば、充放電が連続するハイブリッド車等においては、表示データとして利用することは困難である。

同様に、特許文献２に開示の技術においても、充放電前や充放電後の電圧を、開回路電圧（開放電圧）として扱っているが、前述した理由により必ずしも正確な開放電圧を検出できるとは限らず、また、放電時の精度向上を主としているため、充電時の精度が余り考慮されておらず、充放電が連続するハイブリッド車等への適用は困難である。

更に、特許文献３に開示の技術は、電流積算による残存容量演算値と、開放電圧に基づく残存容量推定値との差が所定値より大きくなった場合にのみ、残存容量演算値の更新を行っている。このため、更新の瞬間に残存容量演算値が大きく段状に変化する可能性が高く、そのまま残存容量を表示すると、表示値が急激に変化し、適正に情報を伝えることが困難となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かして高精度に残存容量を演算しつつ、演算した残存容量を認知し易く表示することのできる蓄電デバイスの残存容量表示装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による蓄電デバイスの残存容量表示装置は、蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記蓄電デバイスの開放電圧の推定値に基づく第２の残存容量とを、上記蓄電デバイスの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成し、上記蓄電デバイスの残存容量を演算する残存容量演算手段と、上記蓄電デバイスの充放電電流の変化と温度とに基づいて、上記残存容量演算手段で演算した残存容量を表示するためのデータ放出時間間隔を設定するデータ放出時間間隔設定手段と、上記残存容量演算手段で演算した残存容量のデータを上記蓄電デバイスの充放電状態に応じてフィルタ処理し、該フィルタ処理したデータを上記データ放出時間間隔設定手段で設定したデータ放出時間間隔で出力する表示出力手段とを備えたことを特徴とする。

その際、残存容量は、蓄電デバイス内部の電気化学的な関係に基づいて蓄電デバイスの開放電圧を推定すると共に、ウェイトを蓄電デバイスの充放電電流の移動平均値に基づいて設定することが望ましく、残存容量を表示するためのデータ放出時間間隔は、蓄電デバイスの充放電電流の移動平均値と温度とに基づいて設定することが望ましい。

また、残存容量のデータを表示出力する際のフィルタ処理としては、蓄電デバイスが充電状態のときには、残存容量のデータを時系列的に順次比較して増加傾向にあるデータのみを選別し、蓄電デバイスが放電状態のときには、残存容量のデータを時系列的に順次比較して減少傾向にあるデータのみを選別することが望ましい。

本発明による蓄電デバイスの残存容量表示装置は、電流積算による残存容量と開放電圧に基づく残存容量との双方の利点を生かした高精度な残存容量を演算しつつ、演算した残存容量を認知し易く表示することができ、実際に使用可能な残りのエネルギー量を容易に把握することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１２は本発明の実施の一形態に係わり、図１はバッテリ残存容量の演算及び表示システムを示す構成図、図２はバッテリ残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は等価回路モデルを示す回路図、図４はバッテリ残存容量の演算処理を示すフローチャート、図５は電流容量テーブルの説明図、図６はインピーダンステーブルの説明図、図７は残存容量テーブルの説明図、図８はウェイトテーブルの説明図、図９は電流の移動平均処理無しの場合の残存容量を示す説明図、図１０は電流の移動平均処理有りの場合の残存容量を示す説明図、図１１は実車走行時の残存容量演算結果を示す説明図、図１２はバッテリ残存容量の表示処理を示すフローチャートである。

図１において、符号１は、エンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車やモータのみによって走行する電気自動車等に搭載される電源装置である。この電源装置１には、蓄電デバイスとして例えば複数のセルを封止した電池パックを複数個直列に接続して構成されるバッテリ２と、バッテリ２の残存容量の演算、バッテリ２の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）３とが１つの筐体内にパッケージされている。

尚、本形態においては、蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例に取って説明するが、本発明における残存容量の演算手法は、電気化学キャパシタやその他の二次電池にも適用可能である。

演算ＥＣＵ３は、マイクロコンピュータ等から構成され、電圧センサ４で測定したバッテリ２の端子電圧Ｖ、電流センサ５で測定したバッテリ２の充放電電流Ｉ、温度センサ６で測定したバッテリ２の温度（セル温度）Ｔに基いて、設定時間ｔ毎に充電状態(State of charge;SOC）すなわち残存容量ＳＯＣ(t)を演算する。尚、演算ＥＣＵ３には、１演算周期前の残存容量ＳＯＣ(t-1)が周期的な演算におけるベース値（後述する電流積算による残存容量演算の際のベース値）として入力される。

演算ＥＣＵ３で演算した残存容量ＳＯＣは、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介して、インバータ装置１０や表示装置２０に出力される。インバータ装置１０は、バッテリの残存容量ＳＯＣに基づいて、図示しないモータの駆動制御や回生制御を行い、表示装置２０は、演算ＥＣＵ３から出力される残存容量ＳＯＣのデータを取込み、取込んだ残存容量ＳＯＣのデータを表示データに変換して表示する。

表示装置２０は、マイクロコンピュータ等から構成される演算ユニット（演算ＥＣＵ）２１と、残存容量ＳＯＣを表示する表示器２２とを備えて構成される。演算ＥＣＵ２１には、電源装置１から送信されるバッテリ２の状態を表す各種データや信号、すなわち、端子電圧Ｖ、充放電電流Ｉ、セル温度Ｔ、残存容量ＳＯＣ(t)，ＳＯＣ(t-1)、バッテリ２がモータの発電によって充電状態にあることを示す発電信号等が入力され、電源装置１から送信された残存容量ＳＯＣを、ドライバが認知しやすい適切なデータ群に変換して表示器２２に出力する。

すなわち、電源装置１の演算ＥＣＵ３において設定時間ｔ毎に演算される残存容量ＳＯＣは、バッテリの状況変化を良好に捉えることができ、高精度のデータが得られる。従って、演算ＥＣＵ３で演算した残存容量ＳＯＣは、インバータ装置１０等を介した車両の駆動力制御には有効であるが、バッテリの大まかな残存容量を把握したい一般のドライバにとっては、そのままのデータを表示しても、データが精細すぎてバッテリの状況変化に敏感すぎ、表示がふらつく等して却って見づらいものとなる。

このため、表示装置２０の演算ＥＣＵ２１では、電源装置１の演算ＥＣＵ３で設定時間ｔ毎に演算された残存容量ＳＯＣのデータを、バッテリの充放電の状況に応じて表示器２２に出力するためのデータ放出時間間隔を設定すると共に、データをフィルタ処理して表示器２２に出力することにより、一般のドライバにとって不必要な細かすぎるデータを除外し、表示ふらつきを低減させる。これにより、ドライバは、表示器２２の残存容量の表示から走行可能距離や充電の必要性等を容易に判断することが可能となる。

以下、電源装置１における残存容量ＳＯＣの演算処理、及び表示装置２０における表示処理について、詳細に説明する。

先ず、電源装置１の演算ＥＣＵ３における残存容量演算手段としての機能は、図２に示す残存容量の推定アルゴリズムに従って実現される。この推定アルゴリズムでは、バッテリ２で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃと、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した残存容量ＳＯＣを、バッテリ２の残存容量として出力する。

電流Ｉの積算による残存容量ＳＯＣｃと、開放電圧Ｖｏの推定値による残存容量ＳＯＣｖとは、それぞれに一長一短があり、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。一方、開放電圧推定による残存容量ＳＯＣｖは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。

従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ２の使用状況に応じて随時変化させるウェイト（重み係数）ｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）

ウェイトｗは、現在のバッテリの使用状況を的確に表すことのできるパラメータを用いて決定する必要があり、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流の変化率や残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの間の偏差等を用いることが可能である。単位時間当たりの電流変化率は、バッテリの負荷変動を直接的に反映しているが、単なる電流変化率では、スパイク的に発生する電流の急激な変化の影響を受けてしまう。

従って、本形態においては、瞬間的に発止する電流の変化の影響を防止するため、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理を施した電流変化率を用いるようにしており、特に、電流の遅れを考慮した場合、バッテリの充放電状態の変化に対して、過去の履歴を過剰となることなく適切に反映することのできる移動平均を用いてウェイトｗを決定するようにしている。

この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算のウェイトを高くして開放電圧推定のウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算のウェイトを下げ、開放電圧推定のウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。

すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均のフィルタリングにより、走行中の負荷変動で発生する電流のスパイク成分を、遅れ成分を助長することなく除去することができる。これにより、バッテリ状態をより的確に把握することができ、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出し、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。

更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。次に、本推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。

先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率

（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いている。

また、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的には演算ＥＣＵ３における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ^-1）。従って、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。

一方、開放電圧Ｖｏの推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、先ず、図３に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のCole-Coleプロットをカーブフィッティングすることにより、各パラメータを決定する。

これらのパラメータから求められるインピーダンスＺは、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブル（後述する図６のインピーダンステーブル）を作成する。そして、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ・Ｚ…（３）

尚、前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、後述するように、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔを用いて決定する。

開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、平衡状態での電極電位とイオンの活量との関係を記述した周知のネルンストの式を適用し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（４）式を得ることができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（４）
但し、Ｅ ：標準電極電位（本形態のリチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）

尚、（４）式におけるＹは補正項であり、常温における電圧−ＳＯＣ特性をＳＯＣの関数で表現したものである。ＳＯＣｖ＝Ｘとすると、以下の（５）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０^-6Ｘ³＋９・１０^-5Ｘ²＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（５）

以上の（４）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（４）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池特有の充放電特性や使用条件等に対する考慮が必要となる。

従って、以上の（４）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、常温でのＳＯＣ−Ｖｏ特性を基準として、各温度域での充放電試験或いはシミュレーションを行い、実測データを蓄積する。そして、蓄積した実測データから開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータする残存容量ＳＯＣｖのテーブル（後述する図７の残存容量テーブル）を作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求める。

そして、前述の（１）式に示したように、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏの推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖとがウェイトｗを用いて重み付け合成され、合成後の残存容量ＳＯＣが表示装置２０に出力される。表示装置２０では、演算ＥＣＵ２１におけるデータ放出時間間隔設定手段及び表示出力手段としての機能により、残存容量ＳＯＣを表示器２２に表示するためのデータ放出時間間隔を、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとに基づいて設定すると共に、残存容量ＳＯＣのデータをバッテリの充放電状態に応じてフィルタ処理し、表示データとして出力する。

以上のＳＯＣ推定アルゴリズムに基づく残存容量ＳＯＣの演算処理、残存容量ＳＯＣの表示処理は、具体的には、図４，図１２のフローチャートに示すソフトウエア処理として実行される。次に、これらのソフトウエア処理について説明する。

図４に示すフローチャートは、電源装置１の演算ＥＣＵ３において所定時間毎（例えば、０．１ｓｅｃ毎）に実行されるバッテリ残存容量推定の基本的な処理を示すものであり、同図においては、説明の都合上、電流積算による残存容量ＳＯＣｃの演算に続いて開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖの演算を行うようにしているが、実際には、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算は、並行して実行される。

図４の処理がスタートすると、先ず、ステップＳ１において、バッテリ２の端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔ、及び、前回の演算処理時に合成した残存容量ＳＯＣ(t-1)のデータ入力の有無を調べる。尚、端子電圧Ｖは複数の電池パックの平均値、電流Ｉは複数の電池パックの電流の総和を取り、それぞれ、例えば０．１ｓｅｃ毎にデータを取得するものとする。また、温度Ｔは、例えば１０ｓｅｃ毎に取得するものとする。

その結果、ステップＳ１において新たなデータ入力がない場合には、そのまま本処理を抜け、新たなデータ入力がある場合、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで、バッテリ電流容量を、図５に示す電流容量テーブルを参照して演算する。この電流容量テーブルは、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、１つの電池パック内の所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納したものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出する。

次に、ステップＳ３へ進み、電流容量テーブルから求めた電流容量Ａｈ、電流Ｉの入力値、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を用い、前述の（２）式に従って、電流積算による残存容量ＳＯＣｃ(t)を算出する。更に、ステップＳ４において、電流Ｉを移動平均して単位時間当りの電流変化率ΔＩ／Δｔを取得する。この移動平均は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均する。

続くステップＳ５では、バッテリ等価回路のインピーダンスＺを、図６に示すインピーダンステーブルを参照して演算し、得られたインピーダンスＺからバッテリ２の開放電圧Ｖｏを推定する。このインピーダンステーブルは、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したものであり、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが同じ場合には、温度Ｔが低くなる程、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。

その後、ステップＳ６へ進み、電圧−ＳＯＣ特性の演算を行い、残存容量ＳＯＣｖを算出する。すなわち、温度Ｔと推定した開放電圧Ｖｏとをパラメータとして、図７に示す残存容量テーブルを参照し、残存容量ＳＯＣｖを算出する。この残存容量テーブルは、前述したように、ネルンストの式に基づいてバッテリ内の電気化学的な状態を把握して作成したテーブルであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。

尚、図６，７においては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。

その後、ステップＳ７へ進み、図８に示すウェイトテーブルを参照してウェイトｗを算出する。ウェイトテーブルは、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔをパラメータとする一次元テーブルであり、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、すなわち、バッテリ負荷変動が小さい程、ウェイトｗの値を小さくして電流積算による残存容量ＳＯＣｃの重みを小さくする傾向を有している。そして、ステップＳ８において、前述の（１）式に従って、電流積算による残存容量ＳＯＣｃと開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとをウェイトｗを用いて重み付けして合成し、残存容量ＳＯＣ(t)を算出する。

ここで、残存容量の演算における電流の移動平均処理の有無の影響を比較すると、電流の移動平均処理を行うことなく残存容量ＳＯＣｖを算出した場合には、図９に示すように、電流のスパイク成分の影響を受けて局所的な残存容量ＳＯＣｖの急激な変化が発生し、最終的な合成残存容量ＳＯＣの精度を低下させる原因となる。これに対し、電流の移動平均処理を行って残存容量ＳＯＣｖを算出した場合には、図１０に示すように、残存容量ＳＯＣｖから電流のスパイク成分の影響が除去され、比較的負荷変動が小さい条件下での残存容量を正確に把握することが可能となる。

実走行時の残存容量の演算結果は、図１１に示され、比較的アップダウンの多い走行条件でセル温度が略４５°Ｃの状態において、電流積算による残存容量ＳＯＣｃと合成後の残存容量ＳＯＣの変化が示されている。図１１に示されるように、経過時間１５００ｓｅｃ付近までのバッテリの充放電が繰返される状態においては、電流積算による残存容量ＳＯＣｃの演算結果が合成後の残存容量ＳＯＣに良好に反映されている。また、経過時間１５００ｓｅｃ以後、バッテリへの充電量が増加傾向にある状態において、電流積算による残存容量ＳＯＣｃの上昇が鈍化して誤差が拡大する傾向にあるが、開放電圧の推定による残存容量ＳＯＣｖ（図示せず）が合成後の残存容量ＳＯＣに重みを増して反映され、充電量の増加に応じて合成後の残存容量ＳＯＣが上昇し、精度良く残存容量の変化を捉えている。

次に、以上の残存容量ＳＯＣを表示する処理について、図１２のフローチャートを用いて説明する。図１２に示すフローチャートは、表示装置２０の演算ＥＣＵ２１において所定時間毎に実行される残存容量の表示処理を示すものであり、電源装置１の演算ＥＣＵ３で設定時間ｔ毎に演算された合成後の残存容量ＳＯＣ(t)を入力し、バッテリ状態に応じてデータの出力時間間隔調整及びフィルタ処理を行った後、表示器２２に出力する。

図１２に示す残存容量の表示処理では、先ず、ステップＳ１１において、電流Ｉの移動平均値とセル温度Ｔとに基づいて、合成残存容量ＳＯＣ(t)の放出時間間隔（表示器２２への出力時間間隔）を設定する。これは、電流Ｉの移動平均値から把握される短時間での充放電が繰返されている状態や、セル温度Ｔから把握される低温時のバッテリが安定しない状態において、表示器２２へのデータ放出時間間隔を調整することにより、過渡的な要素を排除して表示ふらつきを低減するためである。

表示器２２へのデータ放出時間間隔は、電流Ｉの移動平均値とセル温度Ｔとをパラメータとして、例えば、人間の視覚に基づいた実験やシミュレーション等を行って視認し易い最適な表示間隔を求めてマップを作成し、このマップを参照して求める。一般的には、電流Ｉの移動平均値が大きくなって充放電が激しくなる程、表示の時間間隔を広げ、また、温度Ｔが下がり、バッテリの安定性が低くなる程、表示の時間間隔を広げる特性に設定される。例えば、残存容量ＳＯＣの演算周期が０．１ｓｅｃ毎である場合、充放電が激しく、極低温である場合には、データ表示間隔を１〜数ｓｅｃ程度まで広げる。

次に、ステップＳ１２へ進み、バッテリ２の入出力可能な最大電力で示されるパワー量が急変したパワー急変時か否かを判断する。このパワー急変時は、例えばバッテリが充電状態にあって本来は残存容量が上昇傾向を示すべきであるにも拘らず、負荷の急激な変化により放電電流が急激に増加して一時的にバッテリのパワー量が低下するような過渡的な状態であり、このような状態での残存容量の表示は無意味であるため、ステップＳ１２から処理を抜け、表示値を更新せずに前回の表示値を保持する。

一方、ステップＳ１２においてパワー急変時でない場合には、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進み、バッテリを充電するための発電状態にあるか否かを調べる。そして、発電状態である場合、ステップＳ１３からステップＳ１４へ進んで、電源ユニット１の演算ＥＣＵ３から入力された残存容量ＳＯＣの時系列的なデータ列のうち、最新の残存容量ＳＯＣ(t)と１演算周期前の残存容量ＳＯＣ(t-1)との大小を比較してＳＯＣ(t)＞ＳＯＣ(t-1)の条件が成立するか否かを調べる。また、発電状態でない場合には、ステップＳ１３からステップＳ１５へ進み、最新の残存容量ＳＯＣ(t)と１演算周期前の残存容量ＳＯＣ(t-1)との大小を比較してＳＯＣ(t)＜ＳＯＣ(t-1)の条件が成立するか否かを調べる。

ステップＳ１４，Ｓ１５の処理は、バッテリの充放電の状況に応じた残存容量ＳＯＣの上昇・下降を監視し、細かく変化するデータの取込みを制限するフィルタ処理であり、本形態においては、残存容量ＳＯＣのデータを時系列的に順次比較してデータ選別を行なう。すなわち、バッテリが発電状態にあって残存容量ＳＯＣが上昇傾向にあるにも拘らず、ステップＳ１４でＳＯＣ(t)＞ＳＯＣ(t-1)の条件が成立しない場合、或いは、バッテリが発電状態でなく残存容量ＳＯＣが下降傾向にあるにも拘らず、ステップＳ１５でＳＯＣ(t)＜ＳＯＣ(t-1)の条件が成立しない場合には、それぞれ、最新のデータＳＯＣ(t)の取込みを中止して処理を抜け、現在の表示データを保持する。

また、ステップＳ１４でＳＯＣ(t)＞ＳＯＣ(t-1)の条件が成立する場合、或いは、ステップＳ１５でＳＯＣ(t)＜ＳＯＣ(t-1)の条件が成立する場合には、ステップＳ１４或いはステップＳ１５からステップＳ１６へ進み、最新の合成残存容量ＳＯＣ(t)を出力して表示値を更新し、処理を抜ける。この残存容量ＳＯＣ(t)の表示出力は、ステップＳ１１で設定した時間間隔で行われ、バッテリが充電状態にあるときには、短時間で部分的に下降する細かなデータが無視されて上昇方向のデータのみによって表示値が更新され、バッテリが放電状態にあるときには、短時間で部分的に上昇する細かなデータが無視されて下降方向のデータのみによって表示値が更新される。

以上のように、本実施の形態においては、電流積算による残存容量ＳＯＣｃと開放電圧の推定値に基づく残存容量ＳＯＣｖとを、バッテリの使用状況に応じて設定したウェイトｗを用いて重み付けして合成して双方の利点を生かした高精度な残存容量を得つつ、この精細な残存容量のデータをフィルタ処理してバッテリの充放電の状況に応じて設定した時間間隔で表示器２２に出力する。これにより、一般のドライバにとって不必要な細かすぎるデータを除外して表示ふらつきを低減し、実際に使用可能な残りのエネルギー量を容易に認知可能とすることができる。

バッテリ残存容量の演算及び表示システムを示す構成図 バッテリ残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図 等価回路モデルを示す回路図 バッテリ残存容量の演算処理を示すフローチャート 電流容量テーブルの説明図 インピーダンステーブルの説明図 残存容量テーブルの説明図 ウェイトテーブルの説明図 電流の移動平均処理無しの場合の残存容量を示す説明図 電流の移動平均処理有りの場合の残存容量を示す説明図 実車走行時の残存容量演算結果を示す説明図 バッテリ残存容量の表示処理を示すフローチャート

符号の説明

１ 電源ユニット
２ バッテリ
３ 演算ユニット（残存容量演算手段）
２１ 演算ユニット（データ放出時間間隔設定手段、表示出力手段）
Ｉ 充放電電流
ＳＯＣ 残存容量
ＳＯＣｃ 残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ 残存容量（第２の残存容量）
Ｖｏ 開放電圧
Ｚ インピーダンス
ｗ ウェイト
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (4)

1. 蓄電デバイスの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記蓄電デバイスの開放電圧の推定値に基づく第２の残存容量とを、上記蓄電デバイスの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成し、上記蓄電デバイスの残存容量を演算する残存容量演算手段と、
   上記蓄電デバイスの充放電電流の変化と温度とに基づいて、上記残存容量演算手段で演算した残存容量を表示するためのデータ放出時間間隔を設定するデータ放出時間間隔設定手段と、
   上記残存容量演算手段で演算した残存容量のデータを上記蓄電デバイスの充放電状態に応じてフィルタ処理し、該フィルタ処理したデータを上記データ放出時間間隔設定手段で設定したデータ放出時間間隔で出力する表示出力手段とを備えたことを特徴とする蓄電デバイスの残存容量表示装置。
2. 上記表示時間間隔設定手段は、
   上記蓄電デバイスの充放電電流の移動平均値と温度とに基づいて上記データ放出時間間隔を設定することを特徴とする請求項１記載の蓄電デバイスの残存容量表示装置。
3. 上記表示出力手段は、
   上記蓄電デバイスが充電状態のとき、上記残存容量演算手段で演算した残存容量のデータを時系列的に順次比較して増加傾向にあるデータのみを選別し、上記蓄電デバイスが放電状態のとき、上記残存容量演算手段で演算した残存容量のデータを時系列的に順次比較して減少傾向にあるデータのみを選別することにより、フィルタ処理を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電デバイスの残存容量表示装置。
4. 上記残存容量演算手段は、
   上記蓄電デバイス内部の電気化学的な関係に基づいて上記蓄電デバイスの開放電圧を推定すると共に、上記ウェイトを上記蓄電デバイスの充放電電流の移動平均値に基づいて設定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の蓄電デバイスの残存容量表示装置。

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