JP2007047117A - 残量計算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次電池によって駆動される電動機の駆動中における２次電池の残存容量を正確に計算できる残量計算装置を提供する。
【解決手段】２次電池１０の出力を電動機に供給して駆動する駆動用インバータ１４と、２次電池の出力端子電圧を測定する電圧測定部１３と、起動指令に応答して、測定された出力端子電圧に基づき残存容量を計算する電池残量演算部２４と、計算された残存容量を現在の残存容量として記憶する現残量記憶部２５と、２次電池の充放電電流を測定する電流測定部１１と、電流の変動がなく且つ電流測定部で測定された電流値が駆動用インバータで消費される基底電流値以下である状態が所定時間以上継続した場合に電池残量演算部に起動指令を再度送る電流変動判定部２１と、電流の変動があったことが判定された場合に、該電流の変動分を現残量記憶部に積算する電流値積算部２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池の残存容量を計算により求める残量計算装置に関し、特に２次電池の実際の残存容量と計算した残存容量との乖離を小さくする技術に関する。

近年、リチウムイオン２次電池やニッケル水素電池といった２次電池が、例えばハイブリッド電気自動車のような電動機駆動車両において、電動機を駆動する電源として用いられている。このような用途に用いられる２次電池においては、その残存容量を常時監視して、残存容量を所定範囲に保つための充放電を行わせる必要がある。

２次電池の残存容量は、原理的には、充電した電荷量と放電した電荷量との差によって求めることができるので、従来では、一定時間間隔で２次電池の充放電電流の値を測定し、その測定値を算術的（符号を考慮して）に積算することにより、２次電池の残存容量を求めていた。

また、リチウムイオン２次電池においては、２次電池の開回路電圧（充放電電流がゼロであるときの電圧）と残存容量との間には一定の関係が存在することが知られており、２次電池の開回路電圧を測定して残存容量を推定することも行われている。

しかしながら、２次電池を電動機駆動車両に採用するような場合、電動機の突入電流などのように短時間で大電流が流れることがあり、また、安価で直線性がよく精度が高い電流センサを入手することが難しいなどの理由により、充放電電流値を積算して残存容量を求める場合は、無視できない累積誤差が生じるおそれがある。

一方、２次電池の開回路電圧に基づいて残存容量を推定する場合には、誤差の累積という問題は生じないが、残存容量に応じて充放電を制御するために要する時間間隔では充放電電流をゼロにするタイミングを設定できないので、実用的でない。

そこで、２次電池の残存容量を任意の時間間隔で正確に求められるようにした残存容量推定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された残存容量推定方法では、２次電池の充放電電流を監視し、その充放電電流に基づく積算演算を実行して第１の残存容量値を継続的に算出する。これと平行して、２次電池における充電と放電とが切り替わるタイミングを検出し、検出された切り替わりのタイミングにおいて、その時点での２次電池の端子電圧を開回路電圧とみなして、その開回路電圧に基づいて第２の残存容量値を求め、第２の残存容量値で第１の残存容量値を更新する。そして、第１の残存容量値を２次電池の残存容量として外部に出力する。
特開２００４−１２４５６７３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示されたような、充電と放電とが切り替わるタイミングにおける２次電池の端子電圧を開回路電圧と判断して残存容量を推定する方法では、充電と放電とが切り替わるタイミングの直前の電流変化が大きいと、充放電によって変動状態にある２次電池の端子電圧を計測して残存容量を計算する場合が生じ、誤差が大きくなるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、２次電池によって駆動される電動機の駆動中における２次電池の残存容量を正確に計算できる残量計算装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る残量計算装置は、２次電池から出力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給することにより該電動機を駆動する駆動用インバータと、２次電池の出力端子の電圧を測定する電圧測定部と、起動指令に応答して、電圧測定部で測定された２次電池の出力端子の電圧に基づき所定の近似式を用いて該２次電池の残存容量を計算する電池残量演算部と、電池残量演算部で計算された残存容量を現在の残存容量として記憶する現残量記憶部と、２次電池に対する充放電の電流を測定する電流測定部と、電流測定部で測定された電流の変動がなかったことを判定し、且つ電流測定部による測定で得られた電流値が駆動用インバータで消費される基底電流値以下である状態が所定時間以上継続した場合に電池残量演算部に起動指令を再度送る電流変動判定部と、電流変動判定部によって電流の変動があったことが判定された場合に、該電流の変動分を現残量記憶部に積算する電流値積算部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る残量計算装置によれば、２次電池に対する充放電電流の変動がある場合は該変動分を積算して現在の残存容量を更新し、２次電池に対する充放電電流の変動がなく且つ測定された電流値が基底電流値以下である状態が所定時間以上継続した場合は、２次電池の出力端子の電圧に基づき所定の近似式を用いて該２次電池の残存容量を計算して新たに現在の残存容量とするので、２次電池の充放電が安定した状態でその端子電圧が測定される。

したがって、残存容量の計算においては誤差を小さくすることができるので、２次電池によって駆動される電動機の駆動中における２次電池の残存容量を正確に計算できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る残量計算装置の構成を示すブロック図である。この残量計算装置は、リチウムイオン２次電池１０、電流測定部１１、昇降圧回路１２、電圧測定部１３、駆動用インバータ１４、電動機１５、発電機１６、整流器１７、電池セル温度測定部１８、記憶装置１９および制御装置２０から構成されている。

リチウムイオン２次電池１０は、例えば４．２５Ａｈ程度の容量を有し、複数のセルが並列および／または直列に接続されて構成されている。このリチウムイオン２次電池１０は、電流測定部１１を経由して昇降圧回路１２に接続されている。このリチウムイオン２次電池１０は、放電することによって、電流測定部１１および昇降圧回路１２を経由して駆動用インバータ１４に直流電力を供給する。また、リチウムイオン２次電池１０は、発電機１６から整流器１７、昇降圧回路１２および電流測定部１１を経由して送られてくる直流電力によって充電される。

電流測定部１１は、例えば電流計から構成されており、リチウムイオン２次電池１０から流出して昇降圧回路１２に供給される放電電流および昇降圧回路１２からリチウムイオン２次電池１０に流入する充電電流、つまり充放電電流の大きさを検出し、電流値として制御装置２０に送る。

昇降圧回路１２は、リチウムイオン２次電池１０から電流測定部１１を経由して送られてくる低圧の直流電力を昇圧し、駆動用インバータ１４に送る。また、昇降圧回路１２は、発電機１６から整流器１７を経由して送られてくる高圧の直流電力を降圧し、電流測定部１１を経由してリチウムイオン２次電池１０に送る。

電圧測定部１３は、例えば電圧計から構成されており、リチウムイオン２次電池１０の出力端子の電圧の大きさを検出し、電圧値として制御装置２０に送る。

駆動用インバータ１４は、リチウムイオン２次電池１０から電流測定部１１および昇降圧回路１２を経由して送られてくる直流電力を交流電力に変換し、例えば図示しない電動機駆動車両に搭載されている電動機１５に送る。電動機１５は、例えば誘導電動機から構成されており、駆動用インバータ１４から供給される交流電力にしたがって、電動機駆動車両の駆動輪を回転させる。

発電機１６は、電動機駆動車両のエンジンによって回転駆動されることにより交流電力を発生し、整流器１７に送る。整流器１７は、発電機１６から送られてくる交流電力を直流電力に変換し、昇降圧回路１２および電流測定部１１を経由してリチウムイオン２次電池１０に供給する。

電池セル温度測定部１８は、リチウムイオン２次電池１０を構成するセルの温度を検出し、温度値として制御装置２０に送る。

記憶装置１９は、例えば不揮発性メモリから構成されており、この残量計算装置で使用される種々のデータを記憶している。例えば、この記憶装置１９には、リチウムイオン２次電池１０の内部抵抗値および容量値が記憶されている。リチウムイオン２次電池１０の内部抵抗値の情報は電池残量演算部２４に送られ、リチウムイオン２次電池１０の容量値の情報は電池容量補正部２３に送られる。

制御装置２０は、例えばマイクロコンピュータから構成されており、そのソフトウェア処理によって実現された電流変動判定部２１、電流値積算部２２、電池容量補正部２３、電池残量演算部２４、現残量記憶部２５および制御部２６が設けられている。

電流変動判定部２１は、所定周期、例えば２００ｍｓ毎に電池測定部１１から電流値を取得し、電流変動の有無を判定する。そして、電流変動があった旨を判定した時は、変動分（変動前の電流値から変動後の電流値を減じた値）を電流値積算部２２に送る。また、電流変動判定部２１は、電流変動がない旨を判定した時は、基底電流値以下の状態が一定時間以上継続したかどうかを判定する。そして、電流変動判定部２１は、基底電流値以下の状態が一定時間以上継続している場合に、電池残量演算部２４に起動指令を送る。

ここで、「基底電流値」とは、制御部２６から駆動用インバータ１４に対して、回転数を指示する駆動トルク指令によってゼロ回転が指示された場合に、駆動用インバータ１４で消費される電流の大きさを言う。また、「一定時間」とは、リチウムイオン２次電池１０に最大電流印加時の過渡特性時間、例えば１分をいう。

電流値積算部２２は、現残量記憶部２５に記憶されている現在の残存容量（以下、「残量」と略する）に、電流変動判定部２１から送られてくる電流の変動分を単位時間分に換算して算術的（符号を考慮して）に加算する。これにより、現残量記憶部２５に記憶されている現在の残量が更新される、すなわち、充電の場合は現在の残量が増加され、放電の場合は減少される。

電池容量補正部２３は、電池セル温度測定部１８から送られてくる温度値にしたがって、記憶装置１９から取得したリチウムイオン２次電池１０の容量値を補正し、補正した容量値を電池残量演算部２４に送る。

電池残量演算部２４は、電流変動判定部２１から送られてくる起動指令に応答して、電流測定部１１から送られてくる電流値、電圧測定部１３から送られてくる電圧値、電池容量補正部２３から送られてくる容量値および記憶装置１９から読み出した内部抵抗値に基づいてリチウムイオン２次電池１０の残量を算出する。残量は、リチウムイオン２次電池１０の端子電圧から１セル分の残量−電圧式（近似式）を用いて計算される。近似式は、リチウムイオン２次電池１０の充電量−端子電圧特性を予測することにより得られる。

以下に、１１セルのリチウムイオン２次電池１０の電池残量ＳＯＣ（State Of Charge）を計算した例を示す。

ここで、
Ｖ_Bat：リチウムイオン２次電池の端子電圧、
Ｖ₁：１セル分の電圧、
ＳＯＣ_％：リチウムイオン２次電池の残量％、
ＳＯＣ_Ah：リチウムイオン２次電池の残量Ａｈ、
ＳＯＣ_MAX：最大容量（４．２５Ａｈ）
この電池残量演算部２４で算出されたリチウムイオン２次電池１０の残量Ａｈは、現残量記憶部２５に送られる。これにより、それまで現残量記憶部２５に記憶されていた残量は、新しい残量Ａｈに置き換えられ、この新しい残量Ａｈを現残量として更新が再開される。

制御部２６は、現残量記憶部２５に記憶されている現残量が所定の下限値以下になった場合に、発電機１６を起動してリチウムイオン２次電池１０の充電を開始させる。一方、現残量が所定の上限値以上になった場合に、発電機１６を停止させてリチウムイオン２次電池１０の充電を停止させる。

また、制御部２６は、電動機駆動車両の駆動輪を回転させる必要が生じた時に、その時点で必要な回転数を指示する駆動トルク指令を駆動用インバータ１４に送る。これにより、駆動用インバータ１４が起動されて、リチウムイオン２次電池１０から電流測定部１１および昇降圧回路１２を経由して供給され直流電力が交流電力に変換されて電動機１５に供給され、電動機駆動車両の駆動輪が回転される。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る残量計算装置の動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。

電源投入によって当該残量計算装置が起動されると、まず、リチウムイオン２次電池１０の残量の計算が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、電池残量演算部２４は、電流測定部１１から送られてくる電流値、電圧測定部１３から送られてくる電圧値、電池容量補正部２３から送られてくる容量値および記憶装置１９から読み出した内部抵抗値に基づいてリチウムイオン２次電池１０の残量を算出し、現残量記憶部２５に送る。これにより、現残量記憶部２５に格納された残量を初期残量として、残量の更新が開始される。

次いで、２００ｍｓが経過したかどうかが調べられる（ステップＳ１２）。ここで、２００ｍｓが経過していないことが判断されると、このステップＳ１２を繰り返し実行しながら２００ｍｓが経過するまで待ち状態に入る。そして、このステップＳ１２において、２００ｍｓが経過したことが判断されると、シーケンスはステップＳ１３に進む。この処理により、２００ｍｓ毎に残量の更新が実行されることになる。

ステップＳ１３では、電流変動があるかどうかが調べられる。すなわち、電流変動判定部２１は、電流測定部１１から取り込んだ電流値が、前回の処理で電流測定部から取り込んで内部に記憶している電流値から変化したかどうかを調べる。このステップＳ１３において、電流変動があることが判断されると、電流値の積算が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、電流変動判定部２１は、電流の変動分（変動前の電流値から変動後の電流値を減じた値）を電流値積算部２２に送る。

電流値積算部２２は、現残量記憶部２５に記憶されている現在の残量に、電流変動判定部２１から送られてくる電流の変動分を単位時間分に換算して算術的（符号を考慮して）に加算する。これにより、現残量記憶部２５に記憶されている現在の残量が更新される。一方、ステップＳ１３において、電流変動がないことが判断されると、ステップＳ１４の処理はスキップされる。

次いで、基底電電流値以下であるかどうかが調べられる（ステップＳ１５）。すなわち、電流変動判定部２１は、基底電流値以下の状態であるかどうかを調べる。このステップＳ１５において、基底電電流値以下でないことが判断されると、経過時間をリセットして、シーケンスはステップＳ１２に戻り、上述した処理が繰り返される。

一方、上記ステップＳ１５において、基底電流値以下であることが判断されると、経過時間を積算して、一定時間が経過したかどうかが調べられる（ステップＳ１６）。ここで、一定時間が経過していないことが判断されると、シーケンスはステップＳ１２に戻り、上述した処理が繰り返される。

この繰り返し処理の途中で、ステップＳ１６において、一定時間が経過したことが判断されると、基底電流値以下である状態が一定時間以上継続したことが認識され、リチウムイオン２次電池１０の残量の計算が行われる（ステップＳ１７）。ステップＳ１７の処理は、上述したステップＳ１１の処理と同じである。

すなわち、電流変動判定部２１は、基底電流値以下の状態が一定時間以上継続していることを判定すると、電池残量演算部２４に起動指令を送る。これにより、電池残量演算部２４は、電流測定部１１から送られてくる電流値、電圧測定部１３から送られてくる電圧値、電池容量補正部２３から送られてくる容量値および記憶装置１９から読み出した内部抵抗値に基づいてリチウムイオン２次電池１０の残量を算出し、現残量記憶部２５に送る。これにより、現残量記憶部２５に格納された残量から、残量の更新が再開される。その後、シーケンスはステップＳ１２に戻り、上述した処理が繰り返される。

次に、上述した実施例１に係る残量計算装置を実際に動作させて、リチウムイオン２次池の残量を計算させる試験を行ったので、その結果を説明する。図３は、リチウムイオン２次電池１０の残量が約６２％の状態から所定の電動機を動作させながら、実施例１に係る残量計算装置で計算したリチウムイオン２次電池の残量計算値と、２次電池のメーカが従来の方法を用いてリチウムイオン２次電池が搭載されたＣＰＵ（以下、「電池搭載ＣＰＵ」という）で計算したリチウムイオン２次電池の残量計算値とを比較して示す図である。

実施例１に係る残量計算装置の場合は、リチウムイオン２次電池の端子電流が基底電流値以下である状態が一定時間以上継続した場合に、その端子電流が基底電流値以下である状態の下で、残量補正（再計算）が行われて新しい残量に置き換えられていることがわかる。

また、試験終了時点においては、２次電池のメーカが従来の方法を用いて計算したリチウムイオン２次電池の残量計算値が５２．４％であるのに対し、実施例１に係る残量計算装置で計算したリチウムイオン２次電池の残量計算値は４８．３％であった。また、試験終了から１２時間放置した後に、リチウムイオン２次電池１０の端子電圧から求めた残量は４６．５％であった。１２時間放置したのは、正確な残量を計測するためにメーカから推奨されていることに基づくものである。この結果から、実施例１に係る残量計算装置で計算した残量値は、従来の方法より実際の残量値に近いことが分かる。

図４は、残量算出の妥当性を確認するための妥当性確認試験を行った結果を示す。図４は、１４種類のケースについて、「実施例１に係る残量計算装置で計算した試験開始時残量および試験終了時残量」、「従来の電池搭載ＣＰＵで計算した試験開始時残量および試験終了時残量」、「リチウムイオン２次電池の試験開始時電圧および試験終了時電圧」、「試験開始時電圧および試験終了時電圧に基づき計算された試験開始時残量および試験終了時残量」、「実施例１に係る残量計算装置で計算した試験開始時残量と正の残量値との差および試験終了時残量と正の残量値との差」、「実施例１に係る残量計算装置で計算した試験開始時残量と正の残量値との差の補正値および試験終了時残量と正の残量値との差の補正値」、「従来の電池搭載ＣＰＵで計算した試験開始時残量と正の残量値との差および試験終了時残量の正の残量値との差」、ならびに、「従来の電池搭載ＣＰＵで計算した試験開始時残量と正の残量値との差の補正値および試験終了時残量の正の残量値との差の補正値」を一覧にして示したものである。

なお、図４における「正の残量値」は、リチウムイオン２次電池の充放電を約１０時間停止し、電池搭載ＣＰＵの電源をオフした後にリチウムイオン２次電池の端子電圧から算出した電池残量値（電池残量の欄の値）である。

各ケースにおける「実施例１に係る残量計算装置で計算した試験開始時残量および試験終了時残量」および「従来の電池搭載ＣＰＵで計算した試験開始時残量および試験終了時残量」の各値は、例えばケース８について説明すると、図５に示すような実測により得られた計測データに基づくものである。

図６は、「実施例１に係る残量計算装置で計算した試験終了時残量と正の残量値との差の補正値」と「従来の電池搭載ＣＰＵで計算した試験終了時残量と正の残量値との差の補正値」とを比較して示す図である。この図６から、実施例１に係る残量計算装置で計算した試験開始時残量は、従来の電池搭載ＣＰＵで計算した試験終了時残量に較べて、正の補正値からの乖離が小さいことが分かる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る残量計算装置によれば、リチウムイオン２次電池１０の充放電が安定した状態でその端子電圧が測定されるので、残存容量の計算においては誤差を小さくすることができる。

したがって、リチウムイオン２次電池１０によって駆動される電動機１５の駆動中におけるリチウムイオン２次電池１０の残存容量を正確に計算できるので、計算により求められたリチウムイオン２次電池１０の容量と実際のリチウムイオン２次電池の容量との乖離を小さくすることができる。

また、例えば電動機駆動車両が惰行している時や信号停止している時などは、駆動用インバータ１４の基底電流値以下の状態が一定時間以上継続するので、リチウムイオン２次電池１０の残量を補正する機会が増える。その結果、リチウムイオン２次電池２０の実際の残量値と計算により求められた残量値との誤差を最小限にすることができる。

また、リチウムイオン２次電池１０の内部抵抗に起因する電圧降下分を差し引いた出力端子の電圧に基づいて、その残存容量を計算するように構成したので、リチウムイオン２次電池１０の残存容量を、より正確に計算できる。

さらに、温度変化に起因するリチウムイオン２次電池１０の容量変化を補正した後に、その残存容量を計算するように構成したので、リチウムイオン２次電池１０の残存容量を、より正確に計算できる。

本発明は、上述した２次電池の他に、電気二重層キャパシタなどの大容量キャパシタに利用可能である。

本発明の実施例１に係る残量計算装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る残量計算装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る残量計算装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る残量計算装置における残量算出の妥当性確認試験の結果を示す図である。 本発明の実施例１に係る残量計算装置における残量算出の妥当性確認試験において測定された測定データの一例を示す図である。 本発明の実施例１に係る残量計算装置において計算された残量値および従来の電池搭載ＣＰＵで計算された残量値の正の残量値からの乖離を比較して示す図である。

符号の説明

１０ リチウムイオン２次電池
１１ 電流測定部
１２ 昇降圧回路
１３ 電圧測定部
１４ 駆動用インバータ
１５ 電動機
１６ 発電機
１７ 整流器
１８ 電池セル温度測定部
１９ 記憶装置
２０ 制御装置
２１ 電流変動判定部
２２ 電流値積算部
２３ 電池容量補正部
２４ 電池残量演算部
２５ 現残量記憶部
２６ 制御部

Claims (4)

1. ２次電池の残存容量を計算する残量計算装置であって、
   前記２次電池から出力される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給することにより該電動機を駆動する駆動用インバータと、
   前記２次電池の出力端子の電圧を測定する電圧測定部と、
   起動指令に応答して、前記電圧測定部で測定された前記２次電池の出力端子の電圧に基づき所定の近似式を用いて該２次電池の残存容量を計算する電池残量演算部と、
   前記電池残量演算部で計算された残存容量を現在の残存容量として記憶する現残量記憶部と、
   前記２次電池に対する充放電の電流を測定する電流測定部と、
   前記電流測定部で測定された電流の変動がなかったことを判定し、且つ前記電流測定部による測定で得られた電流値が前記駆動用インバータで消費される基底電流値以下である状態が所定時間以上継続した場合に前記電池残量演算部に起動指令を再度送る電流変動判定部と、
   前記電流変動判定部によって電流の変動があったことが判定された場合に、該電流の変動分を前記現残量記憶部に積算する電流値積算部と、
   を備えたことを特徴とする残量計算装置。
2. 前記２次電池の内部抵抗を記憶する記憶装置をさらに備え、
   前記電池残量演算部は、
   起動指令に応答して、前記電圧測定部で測定された前記２次電池の出力端子の電圧から、前記記憶装置に記憶されている内部抵抗と前記電流測定部で測定された電流とにより求められる電圧を減じた電圧に基づき所定の近似式を用いて該２次電池の残存容量を計算することを特徴とする請求項１記載の残量計算装置。
3. 前記２次電池の容量を記憶する記憶装置と、
   前記２次電池の温度を測定する温度測定部と、
   前記温度測定部で測定された温度に応じて前記記憶装置に記憶されている２次電池の容量を補正する電池容量補正部とをさらに備え、
   前記電池残量演算部は、
   起動指令に応答して、前記電圧測定部で測定された前記２次電池の出力端子の電圧に基づき所定の近似式を用いて、前記電池容量補正部で補正された２次電池の容量に対する残存容量を計算することを特徴とする請求項１記載の残量計算装置。
4. 前記２次電池は、リチウムイオン２次電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の残量計算装置。

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