JP2009002691A - 蓄電池の残存容量検知方法及び残存容量検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分極に伴う速い変化と遅い変化とを別々に推定することで残存容量を高精度に検知する蓄電池の残存容量検知方法及び残存容量検知装置を提供する。
【解決手段】ステップＳ５で記憶部１２０から関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を読み込み、各係数Ａ〜Ｆを測定温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）を用いて決定している。ステップＳ６では、ステップＳ５で決定された係数Ａ〜Ｆを用いて開放端電圧変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）を算出し、ステップＳ７で電圧測定値ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）と開放端電圧変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）とから平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出している。ステップＳ８では、記憶部１２０から関数Ｇ_ＳＯＣ（ＯＣＶ）を読み込み、ＯＣＶにステップＳ７で算出した平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを代入して残存容量ＳＯＣ_ｎを算出している。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池の残存容量検知方法及び残存容量検知装置に関するものである。

近年、自動車には多くの電気デバイスが使われるようになっており、これに伴って車載電源の重要度が高まっている。車載電源に対する要求は、２０〜３０年以上の過去においてはエンジンのスタート、エアコン、ランプの点灯程度の機能に限られていた。これに対し、近年はバイワイヤー化が進み、電動ブレーキ（ＥＰＢ）に代表される安全系の部品を電気で制御するようになってきている。また、省エネや二酸化炭素の排出規制に伴って、燃費改善の対策として、交差点などの短時間停止時のアイドリングストップ機能とその再始動能力の確保が求められている。このように多種多様な機能が電源及び電池に求められており、これに対応して電池の状態検知精度の向上が望まれている。

そのような中で、特に蓄電池の残存容量（ＳＯＣ：State of charge）を精度良く検知することは、ＥＰＢ等の電気デバイスの安定動作に繋がり、自動車の走行を安全・快適に行い、環境に配慮した車社会を実現する上で重要な技術である。

一般に、蓄電池が安定した条件下では、その開放端電圧（ＯＣＶ）とＳＯＣとは、１：１に対応する関係がある。しかしながら、充放電を行った後の蓄電池は、電気化学反応による極板表面でのイオンの生成・消滅反応、及び電解液の拡散や対流によるイオンの移動、のそれぞれの影響を受けている。そのため、安定したＯＣＶに収束するまでに時間がかかり(例えば２０時間程度)、このような経時変化がある場合には、ＯＣＶとＳＯＣとが１：１に対応しなくなってしまう。図１４は、蓄電池のＳＯＣ及び温度が一定のときの放電後のＯＣＶの経時変化の一例を示す図である。ＳＯＣが一定であっても、ＯＣＶが一定値に安定するまでに時間がかかることを示している。

このような経時変化の影響を補正してＳＯＣを算出する従来技術の一例として、特許文献１がある。これは二次電池のＳＯＣ検出方法として、内部抵抗等による電圧降下を加味した電圧を起点として、そこからのΔＶを分極（polarization）とみなして電圧を補正し、補正された電圧から相関テーブルを用いてＳＯＣを求めるようにしている。

また、別の従来技術として、特許文献２に記載の二次電池のＳＯＣ検出方法が開示されている。ここでは、開放電圧と残存容量との関係を測定データとして保持し、その関係を算出するために分極の扱いを考慮している。分極の補正のためには、早い反応と遅い反応とが関係しているが、早い反応が終了し、遅い反応が安定してきた状態を分極影響が少ない状態と判断して、その条件でＳＯＣを検知するという方法である。
特開平１１−７９８４号公報 特開平２００５−８３９７０号公報

しかしながら、従来のＳＯＣ検出方法では、以下のような課題があった。特許文献１に開示されている二次電池のＳＯＣ検出方法ではLi電池が対象と思われ、極板表面で起きる電気化学反応に着眼し、反応寿命の早い現象のみの補正を考慮している。一方で車載に搭載される鉛蓄電池では極板表面の反応だけでなく、希硫酸を基本とする成層化現象の影響も受けて反応過程が進行するため、単一の分極という概念の導入だけでは、精度の良いＳＯＣを求められない。

また特許文献２に記載の方法では、遅い反応が安定してくるまでに時間を要するため、交差点での車両停止時のアイドリングストップ機能とそこからの再始動という短時間での停止条件では、ＳＯＣの検知が再始動確保の判定に間に合わないという問題がある。また、かかる短時間でＳＯＣを検知しようとすれば、速い反応による分極の影響が残り、正確にＳＯＣを検知できないという問題がある。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、分極に伴う速い変化と遅い変化とを別々に推定することで残存容量を高精度に検知する蓄電池の残存容量検知方法及び残存容量検知装置を提供することを目的とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第１の態様は、蓄電池の残存容量検知方法であって、前記蓄電池の充放電停止後の経過時間がtのときの前記蓄電池の電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）を測定するステップと、急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）と緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）とで表わされる、下記の式１及び式２

より平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出するステップと、所定の開放端電圧対残存容量の相関式または相関表に基づいて前記平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅに対応する残存容量を検知するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第２の態様は、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記蓄電池の温度を第１のパラメータとして持ち、前記経過時間がｔのときの前記蓄電池の温度Ｔ_ｍｅｓを測定するステップと、前記第１のパラメータの値を前記温度Ｔ_ｍｅｓとしたときの前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップと、を更に含むことを特徴とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第３の態様は、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記残存容量を第２のパラメータとして持ち、前記第２のパラメータの値を前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１としたときの前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップと、をさらに含むことを特徴とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第４の態様は、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記残存容量を第２のパラメータとして持ち、前回の充放電開始から前記充放電停止までの前記蓄電池の電流積算値ΔＳＯＣを算出するステップと、前記第２のパラメータの値を前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１と前記電流積算値ΔＳＯＣとの加算値としたときの前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップと、をさらに含むことを特徴とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第５の態様は、前記第２のパラメータとして、前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１またはこれに前記電流積算値ΔＳＯＣを加算した値から、予め作成された自然放電量算出式ＦＤ_ｈ（ｔ）で算出される自然放電量を減算した値を用いることを特徴とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第６の態様は、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記蓄電池の劣化度を第４のパラメータとして持ち、前記第４のパラメータに前記蓄電池の所定の履歴データを代入して前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明の蓄電池の残容量検知方法の第７の態様は、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、次式

で表わされることを特徴とする。

本発明の蓄電池の残存容量検知装置の第１の態様は、蓄電池の電圧を測定する電圧センサと、事前に作成された急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）と緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）とを記憶する記憶部と、前記蓄電池の充放電停止後の経過時間がtのとき、前記電圧センサから電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）を入力し、次式

より平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出し、所定の開放端電圧対残存容量の相関式または相関表に基づいて前記平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅに対応する残存容量を検知する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の蓄電池の残存容量検知装置の第２の態様は、蓄電池の温度を測定する温度センサをさらに備え、前記制御部が、前記温度センサにより測定された前記経過時間がｔのときの前記蓄電池の温度Ｔ_ｍｅｓをもとに、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明の蓄電池の残存容量検知装置の第３の態様は、蓄電池の電流を測定する電流センサをさらに備え、前記制御部が、前記電流センサにより測定された電流値をもとに、前回の充放電開始から前記充放電停止までの期間における前記蓄電池の電流積算値ΔＳＯＣを算出するステップと、前記電流積算値ΔＳＯＣを用いて前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップをさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、分極に伴う速い変化と遅い変化とを別々に推定することで残存容量を高精度に検知する蓄電池の残存容量検知方法及び残存容量検知装置を提供することができる。

本発明の好ましい実施の形態における蓄電池の制御方法及び残存容量検知装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の第１の実施の形態に係る蓄電池の残存容量検知装置の構成図を図２に示す。本実施形態の蓄電池の残存容量検知装置１００は、蓄電池１０の状態量を測定するためのセンサとして、蓄電池１０の電圧を測定する電圧センサ１０１と、温度を測定する温度センサ１０２とを備えている。

制御部１１０は、各センサから蓄電池１０の必要な測定データを入力し、下記で説明する所定の処理によって蓄電池１０の残存容量を検知している。また、記憶部１２０は制御部１１０で行われる処理に必要な各種算出式やデータ等を保存している。これに加えて、各センサで測定された蓄電池１０の測定データを記憶部１２０に記憶させるようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を、図２の残存容量検知装置１００を参照して以下に説明する。充放電を行った後の蓄電池１０の開放端電圧は、電気化学反応による極板表面でのイオンの生成・消滅反応に伴う経時的な変化と、電解液の拡散・沈殿・対流によるイオンの移動に伴う経時的な変化とを合わせた変化を示す。図３は、充電後の電圧変化の一例を示しており、開放端電圧は漸次減少する変化（ΔＶ_ｐｏｌ）を示す。図３において、符号２１は前者の極板表面でのイオンの生成・消滅反応に伴う経時的な電圧変化を模式的に示しており、符号２２は後者の電解液の拡散・沈殿・対流によるイオン移動に伴う経時的な電圧変化を模式的に示している。そして、符号２０は、符号２１の電圧変化と符号２２の電圧変化とを合わせた電圧変化を示している。さらに、符号２３は電圧変化の測定値を示している。

図３に示した一例のように、符号２１の極板表面でのイオンの生成・消滅反応に伴う経時的な電圧変化は、時間的に速い変化であり、充放電停止直後は大きな変化を示すが、短時間のうちに変化が小さくなって安定する。これに対し、符号２２の電解液の拡散・沈殿・対流によるイオン移動に伴う経時的な電圧変化は、時間的に遅い変化であり、安定するまでに長時間を要する。

なお、図３は充電後の開放端電圧の変化を示したが、放電後の開放端電圧はこれとは逆に、漸次増大する変化（図４）となる。

本実施形態の残存容量検知方法では、符号２１の時間的に速い電圧変化と符号２２の時間的に遅い電圧変化とを分けて評価するようにしている。蓄電池１０の充放電を停止してからの経過時間をｔとするとき、経過時間ｔの時点から前者の時間的に速い電圧変化が安定するまでの電圧変化量を関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）で表わし、後者の時間的に遅い電圧変化が安定するまでの電圧変化量を関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）で表わすものとする。また、経過時間ｔの時点から蓄電池１０の開放端電圧が安定するまでの変化量（図４のΔＶ_ｐｏｌ）をΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）とするとき、制御部１１０においてΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）を次式で算出している。

また、経過時間ｔの時点で電圧センサ１０１を用いて測定した電圧測定値をＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）とし、長時間経過して安定したときの蓄電池１０の平衡開放端電圧をＯＣＶ_ｂａｓｅとするとき、制御部１１０において平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを次式で算出している。

なお、(式８)において、蓄電池１０の放電後の開放端電圧変化ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）は正（＋）の値となり、充電後の開放端電圧変化ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）は負（―）の値となる。

平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅは、蓄電池１０の残存容量ＳＯＣと例えば図５に示すような１：１の関係がある。そこで、図５に示す関係を表わす所定の相関式を事前に作成して記憶部１２０に記憶させておき、制御部１１０がこれを読み込んで蓄電池１０の残存容量ＳＯＣを算出するようにすることができる。あるいは、図５に示す関係を所定の相関表の形式で表わして記憶部１２０に記憶させ、これを読み込んで用いるようにしてもよい。

残存容量ＳＯＣが平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅの関数Ｇ_ＳＯＣ（ＯＣＶ_ｂａｓｅ）で表わされて記憶部１２０に記憶されている場合には、（式８)で算出した平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを用いてＧ_ＳＯＣ（ＯＣＶ_ｂａｓｅ）を算出することで、蓄電池１０の残存容量ＳＯＣを高精度に求めることができる。また、残存容量ＳＯＣが平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅとの相関表で表わされて記憶部１２０に記憶されている場合には、（式８)で算出した平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅに対応する残存容量ＳＯＣを参照する、あるいは内外挿することによって残存容量ＳＯＣを算出することができる。

上記のようにして検知された残存容量ＳＯＣは、例えば表示部１３０に適宜表示させるようにすることができる。あるいは、制御部１１０において検知された残存容量ＳＯＣを所定の閾値と比較し、残存容量ＳＯＣが所定の閾値より低下していると判定された場合に、表示部１３０に残存容量が不足していることを表示させるようにしてもよい。

開放端電圧の変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）を算出するのに用いる関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、事前に作成したものを記憶部１２０に記憶させておき、残存容量ＳＯＣを算出する時点で制御部１１０が記憶部１２０から読み込んで用いるようにすることができる。関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）として、次式に示す関数を用いることで経過時間ｔに伴うそれぞれの変化を高精度に近似することができる。なお、これらの関数を充電後のΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）の算出に用いる場合には、係数Ａ及びＤはいずれも負の値、放電後のΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）の算出に用いる場合には、係数Ａ及びＤはいずれも正の値となる。

ここで、係数Ａ〜Ｆを定数として記憶部１２０に記憶させておくことも可能であるが、本実施形態では、係数Ａ〜Ｆを蓄電池１０の温度Ｔの関数で表わし、これを記憶部１２０に記憶させるようにしている。すなわち、係数Ａ〜Ｆは第１のパラメータとして蓄電池１０の温度Ｔを有しており、制御部１１０において、温度センサ１０３から入力した蓄電池１０の温度を、記憶部１２０から読み込んだ係数Ａ〜Ｆの第１のパラメータＴに代入することで、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数を決定している。蓄電池１０の開放端電圧は、温度Ｔの影響を強く受けることから、係数Ａ〜Ｆを温度Ｔに依存して決定させるようにすることで、開放端電圧の変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）を（式７)から高精度に算出することが可能となる。

本実施形態の残存容量検知方法の処理の流れを、図１に示す流れ図を用いて詳細に説明する。ここでは、残存容量検知装置１００が、蓄電池１０の充放電停止後所定の時間幅Δｔ毎に残存容量ＳＯＣを検知するものとしており、ステップＳ１では、充放電停止後の時間ｔが前回実行時の経過時間ｔ_ｎ−１からΔｔ経過してｔ_ｎに達したことを示している。ステップＳ２では、経過時間ｔ＝ｔ_ｎの時の蓄電池１０の電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）及び温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）を、それぞれ電圧センサ１０１及び温度センサ１０２から入力している。

ステップＳ３では、時刻ｔ_ｎ−１におけるＳＯＣ_ｎ−１とそのときの電池電圧測定値Ｖ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ−１）から、ΔＶ_ｍｅｓ＝Ｖ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）−Ｖ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ−１）を算出し、現在のΔＶ_ｍｅｓ／Δｔが予め実験などにより決められたΔＶ／ΔｔとΔＳＯＣとの関係を記憶部１２０に参照することによって、Δtの間に生じたΔＳＯＣ_ｎを算出する。
このようにして算出されたΔＳＯＣ_ｎが正（＋）の場合は現在が放電後の状態であり、ΔＳＯＣ_ｎが負（−）の場合は現在が充電後の状態である、と判断する（ステップＳ４）。

ステップＳ５では、記憶部１２０から（式９）の関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び(式１０)の関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を読み込み、各係数Ａ〜Ｆを温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）を用いて決定している。すなわち、係数Ａ〜Ｆは温度Ｔを第１のパラメータとし、これに測定温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）を代入することで決定されるようにしている。ステップＳ６では、ステップＳ５で決定された係数Ａ〜Ｆを用いて (式７)より開放端電圧変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）を算出し、ステップＳ７では電圧測定値ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）と開放端電圧変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）とから平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出している。

ステップＳ８では、記憶部１２０から関数Ｇ_ＳＯＣ（ＯＣＶ）を読み込み、ＯＣＶにステップＳ７で算出した平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを代入して残存容量ＳＯＣ_ｎを算出する。このようにして検知された残存容量ＳＯＣ_ｎを表示部１３０に表示してもよいが、本実施形態では、ステップＳ９で所定の閾値ＳＯＣ_ＬＩＭと比較し、ＳＯＣ_ｎ＜ＳＯＣ_ＬＩＭのとき蓄電池１０の残存容量が不足と判断して、ステップＳ１０で表示部１３０に警報を表示させるようにしている。

ここで、ｔ＝ｔ_０の初期状態ではＳＯＣ_ｎ＝ＳＯＣ_０であり、電池製造時の設計仕様で決まる満充電容量（ＳＯＣ＝１００％）をＳＯＣ_０として決める。対象となる電池の製造と本状態検知装置の組み付けが同時に行えない場合は、電池の製造から状態検知装置の組み付けまでに生じる劣化補正パラメータＳＯＨ_０を予め算出しておき、電池と状態検知装置を組み合わせ後のＳＯＣ_０に対して、ＳＯＨ_０を補正した値をＳＯＣ_０’として、状態検知装置による状態検知を開始する。

本実施形態の残存容量検知方法を用いて平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出した一例を図６〜９に示す。図６、７は、蓄電池１０の充電を停止した後の開放端電圧の変化を示しており、図８、９は、蓄電池１０の放電を停止した後の開放端電圧の変化を示している。図６（ａ）は、残存容量１００％の状態で充電を停止した後の測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１、(式８)から算出した平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）から算出した速い電圧変化３３、及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）から算出した遅い電圧変化３４を示している。ここで、測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１及び平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２は、左側の縦軸で表わしており、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）３３及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）３４は、右側の縦軸で表わしている。同図より、充電停止後のどの時点においても、ほぼ一定の平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２を求めることができることがわかる。

図６（ｂ）は、充電停止後２０時間（７２０００秒）経過したときの開放端電圧を平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｅｑとみなし、測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１とＯＣＶ_ｅｑとの差をΔＶ_ｍｅｓ３５（左側縦軸）、及び(式８)で算出されたＯＣＶ_ｂａｓｅとＯＣＶ_ｅｑとの差をΔＶ_ｂａｓｅ３６（右側縦軸）として示している。同図より、充電停止後の開放端電圧は安定するまでに６００ｍＶ以上変化することがΔＶ_ｍｅｓ３５で示されており、この変化を(式８)を用いて推定した場合には、最大約１４ｍＶの誤差範囲内で平衡開放端電圧を求めることができることがわかる。

図６では、充電停止後１０００秒（横軸）までの電圧変化を示していたが、さらに長時間の８００００秒までの変化を図７に示す。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図６（ａ）、（ｂ）に対応しており、横軸の時間長さだけが異なっている。図７（ａ）において、長時間経過後に測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１と平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２とがほぼ一致しており、図７（ｂ）において、誤差ΔＶ_ｂａｓｅ３６はほぼゼロに収束することが分かる。なお、図７（ａ）では、早い電圧変化を示すＦ_ｆａｓｔ（ｔ）３３は短時間にゼロとなってしまうため、その変化をほとんど見ることができない。

同様にして、蓄電池１０の放電を停止した後の開放端電圧の変化を図８、９に示す。図８（ａ）は、残存容量１００％の状態から１０％放電して停止した後の測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１、(式８)から算出した平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）から算出した速い電圧変化３３、及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）から算出した遅い電圧変化３４を示している。ここで、測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１及び平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２は、左側の縦軸で表わしており、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）３３及び関数Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）３４は、右側の縦軸で表わしている。同図より、放電停止後のどの時点においても、ほぼ一定の平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２を求めることができることがわかる。

図８（ｂ）は、放電停止後２０時間（７２０００秒）経過したときの開放端電圧を平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｅｑとみなし、測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１とＯＣＶ_ｅｑとの差をΔＶ_ｍｅｓ３５（左側縦軸）、及び(式８)で算出されたＯＣＶ_ｂａｓｅとＯＣＶ_ｅｑとの差をΔＶ_ｂａｓｅ３６（右側縦軸）として示している。同図より、放電停止後の開放端電圧は安定するまでに１５０ｍＶ以上変化することがΔＶ_ｍｅｓ３５で示されており、この変化を(式８)を用いて推定した場合には、最大８ｍＶ程度の誤差範囲内で平衡開放端電圧を求めることができることがわかる。

図９（ａ）、（ｂ）は、図７と同様に、それぞれ図８（ａ）、（ｂ）に対応して横軸の時間長さを８００００秒としたときの電圧変化を示している。図９（ａ）において、長時間経過後に測定電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）３１と平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅ３２とがほぼ一致しており、図９（ｂ）において、誤差ΔＶ_ｂａｓｅ３６は２〜４ｍＶ程度に収束することが分かる。なお、図９（ａ）では、図７（ａ）に示した充電の場合と同様に、早い電圧変化を示すＦ_ｆａｓｔ（ｔ）３３は短時間にゼロとなってしまうため、その変化をほとんど見ることができない。

本発明の第２の実施の形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を、図１０に示す流れ図を用いて詳細に説明する。本実施形態では、第１の実施形態のステップＳ５に代わるステップＳ１１において、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆを温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）と前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１を用いて決定している。すなわち、本実施形態の係数Ａ〜Ｆは、温度Ｔを第１のパラメータとし、残存容量ＳＯＣを第２のパラメータとしており、それぞれに測定温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）及び前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１を代入することで決定されるようにしている。

本発明の第２の実施の形態に係る蓄電池の残存容量検知装置の構成図を図１１に示す。本実施形態の蓄電池の残存容量検知装置２００は、蓄電池１０の電流を測定する電流センサ１０３をさらに備えている。そして、蓄電池１０の充放電中は、制御部１１０において電流センサ１０３で測定した電流を積算して残存容量の変化量ΔＳＯＣ_ｎを算出する。

本発明の第３の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法は、図１１に示した残存容量検知装置２００を用いて、図１２に示すような処理を行う。本実施形態では、残存容量検知装置２００が電流センサ１０３を備えていることから、ステップＳ２１で電流センサ１０３から電流測定値Ｉ_ｍｅｓを入力し、ステップＳ２２で電流測定値Ｉ_ｍｅｓの絶対値が所定の閾値Ｉ_ＬＩＭより小さいときを充放電停止中と判定させ、それ以外を充放電中と判定させるようにしている。

ステップＳ２２で充放電中と判定されると、ステップＳ２３において測定電流Ｉ_ｍｅｓの時間積算値である残存容量の変化量ΔＳＯＣを算出し、これをデータとして保持しておく。一方、ステップＳ２２で充放電停止中と判定されると、図１に示した処理の流れと同様に、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理を順次行って残存容量ＳＯＣ_ｎの検知及び残存容量ＳＯＣ_ｎが不足するか否かの判定を行う。
なお、充放電停止中において、その前の充放電時の電流測定値Ｉ_ｍｅｓの変化のデータから、現在が放電後の状態であるか、充電後の状態であるかを判定する（Ｓ４）。

但し、本実施形態では、ステップＳ４の次にステップＳ２４を追加し、ここで前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１にΔＳＯＣ_ｎを加算して残存容量推定値ＳＯＣ’を算出し、その後ΔＳＯＣ_ｎをゼロとしている。ΔＳＯＣ_ｎをゼロとするのは、ステップＳ２２で再び充放電中と判定されたときに、ステップＳ２３でΔＳＯＣに電流の時間積算値を保存できるようにするためである。次のステップＳ２５では、第１の実施形態のステップＳ５あるいは第２の実施形態のステップＳ１１に代えて、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆを温度Ｔ_ｍｅｓ（ｔ_ｎ）（第１のパラメータ）と残存容量推定値ＳＯＣ’（第２のパラメータ）を用いて決定するようにしている。前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１を用いる代わりにこれに残存容量変化量ΔＳＯＣ_ｎを加算して補正したＳＯＣ’を用いることで、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆをより高精度に決定することができる。

本発明の第４の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を、図１３に示す処理の流れ図を用いて以下に説明する。本実施形態では、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆを決定するのに自然放電量を反映するようにしている。蓄電池１０の自然放電は、これが高温、高電圧のときに特に大きくなる。ステップＳ３１において、事前に作成された自然放電量算出式ＦＤ_ｈ（ｔ）を用いて、自然放電量ＦＤ_ｈ（ｔ_ｎ）を減算した残存容量推定値ＳＯＣ’を算出するようにしている。自然放電量を反映した残存容量推定値ＳＯＣ’を用いることで、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆをより高精度に決定することができる。

本発明の第５の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法として、関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆが第３のパラメータとして蓄電池１０の劣化度ＳＯＨを持つようにすることができる。関数Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及びＦ_ｓｌｏｗ（ｔ）の係数Ａ〜Ｆに劣化度ＳＯＨを反映させるようにすることで、開放端電圧の変化量ΔＶ_ｐｏｌ（ｔ）をより高精度に決定することができる。

上記説明の通り、本発明によれば、分極に伴う速い変化と遅い変化とを別々に推定することで残存容量を高精度に検知する蓄電池の残存容量検知方法及び残存容量検知装置を提供することができる。蓄電池のＳＯＣを精度良く検知することによって、電気デバイスの安定動作を確保し、または危険予知を促すことが可能となり、車の運行を安全に保つ効果が得られる。また、アイドリングストップ機能の精度向上を図ることができ、環境負荷を低減させることができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る蓄電池の制御方法及び残存容量検知装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における蓄電池の制御方法及び残存容量検知装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を説明する流れ図である。 本発明の第１の実施の形態に係る蓄電池の残存容量検知装置の構成図である。 充放電後の蓄電池の開放端電圧の経時的な変化の一例を示す図である。 蓄電池の開放端電圧が平衡値に達するまでの変化を示す図である。 蓄電池の平衡開放端電圧と残存容量との関係を示す図である。 本実施形態の残存容量検知方法を用いて算出した充電停止後の平衡開放端電圧の一例を示す図である(横軸１０００秒)。 本実施形態の残存容量検知方法を用いて算出した充電停止後の平衡開放端電圧の一例を示す図である(横軸８０００秒)。 本実施形態の残存容量検知方法を用いて算出した放電停止後の平衡開放端電圧の一例を示す図である(横軸１０００秒)。 本実施形態の残存容量検知方法を用いて算出した放電停止後の平衡開放端電圧の一例を示す図である(横軸８０００秒)。 本発明の第２の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を説明する流れ図である。 本発明の第２の実施の形態に係る蓄電池の残存容量検知装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を説明する流れ図である。 本発明の第４の実施形態に係る蓄電池の残存容量検知方法を説明する流れ図である。 温度及びＳＯＣが一定のときの蓄電池のＯＣＶの経時変化の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 蓄電池
１００ 残存容量検知装置
１０１ 電圧センサ
１０２ 温度センサ
１０３ 電流センサ
１１０ 制御部
１２０ 記憶部
１３０ 表示部

Claims (10)

1. 蓄電池の残存容量検知方法であって、
   前記蓄電池の充放電停止後の経過時間がtのときの前記蓄電池の電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）を測定するステップと、
   急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）と緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）とで表わされる、下記の式１及び式２
   

   

   より平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出するステップと、
   所定の開放端電圧対残存容量の相関式または相関表に基づいて前記平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅに対応する残存容量を検知するステップと、
   を含むことを特徴とする蓄電池の残存容量検知方法。
2. 前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記蓄電池の温度を第１のパラメータとして持ち、
   前記経過時間がｔのときの前記蓄電池の温度Ｔ_ｍｅｓを測定するステップと、
   前記第１のパラメータの値を前記温度Ｔ_ｍｅｓとしたときの前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池の残存容量検知方法。
3. 前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記残存容量を第２のパラメータとして持ち、
   前記第２のパラメータの値を前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１としたときの前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電池の残存容量検知方法。
4. 前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記残存容量を第２のパラメータとして持ち、
   前回の充放電開始から前記充放電停止までの前記蓄電池の電流積算値ΔＳＯＣを算出するステップと、
   前記第２のパラメータの値を前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１と前記電流積算値ΔＳＯＣとの加算値としたときの前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電池の残存容量検知方法。
5. 前記第２のパラメータとして、前回検知した残存容量ＳＯＣ_ｎ−１またはこれに前記電流積算値ΔＳＯＣを加算した値から、予め作成された自然放電量算出式ＦＤ_ｈ（ｔ）で算出される自然放電量を減算した値を用いる
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の蓄電池の残存容量検知方法。
6. 前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、前記蓄電池の劣化度を第４のパラメータとして持ち、
   前記第４のパラメータに前記蓄電池の所定の履歴データを代入して前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップをさらに含む
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の蓄電池の残存容量検知方法。
7. 前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）は、次式
   

   

   で表わされる
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蓄電池の残存容量検知方法。
8. 蓄電池の電圧を測定する電圧センサと、
   事前に作成された急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）と緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）とを記憶する記憶部と、
   前記蓄電池の充放電停止後の経過時間がtのとき、前記電圧センサから電圧ＯＣＶ_ｍｅｓ（ｔ）を入力し、次式
   

   

   より平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅを算出し、所定の開放端電圧対残存容量の相関式または相関表に基づいて前記平衡開放端電圧ＯＣＶ_ｂａｓｅに対応する残存容量を検知する制御部と、
   を備えることを特徴とする蓄電池の残存容量検知装置。
9. 蓄電池の温度を測定する温度センサをさらに備え、
   前記制御部が、前記温度センサにより測定された前記経過時間がｔのときの前記蓄電池の温度Ｔ_ｍｅｓをもとに、前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップを
   さらに含むことを特徴とする請求項８に記載の蓄電池の残存容量検知装置。
10. 蓄電池の電流を測定する電流センサをさらに備え、
    前記制御部が、前記電流センサにより測定された電流値をもとに、前回の充放電開始から前記充放電停止までの期間における前記蓄電池の電流積算値ΔＳＯＣを算出するステップと、
    前記電流積算値ΔＳＯＣを用いて前記急反応電圧変化式Ｆ_ｆａｓｔ（ｔ）及び前記緩反応電圧変化式Ｆ_ｓｌｏｗ（ｔ）を決定するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の蓄電池の残存容量検知装置。
    

Images