JP2010178432A - 電動車両用電源の残容量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行状態にかかわらず、電源に蓄えられた電力の残容量を安価でかつ精度良く算出することができる電動車両用電源の残容量検出装置を提供すること。
【解決手段】残容量検出装置１０は、大容量蓄電装置２１の端子間電圧及び大出力蓄電装置２２の端子間電圧に基づき、大容量蓄電装置２１及び大出力蓄電装置２２に蓄電された電力の残容量を算出する。この残容量検出装置１０は、大容量蓄電装置２１の放電量を制御する放電量調整手段２３と、大出力蓄電装置２２の充放電量を制御する充放電量調整手段２４と、放電量調整手段２３及び充放電量調整手段２４を制御する制御装置１１とを備える。制御装置１１は、走行時に車両の駆動に要する負荷電力を平均した平均電力を大容量蓄電装置２１に放電させるように放電量調整手段２３を制御し、負荷電力と平均電力との差を大出力蓄電装置２２に充放電させるように充放電量調整手段２４を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動車両に用いられる電源に蓄電された電力の残容量を算出するための残容量検出装置に関する。

従来、電動車両に用いられる電源に蓄電された電力の残容量を算出する技術として、下記の特許文献１及び特許文献２に記載されたものが知られている。これらの文献には、車両の停止時おける電池（電源）の開放電圧を測定することにより、電池に蓄えられた電力の残容量を算出する技術が開示されている。より詳細には、この技術では、電池の開放電圧と残容量との間に成り立つ所定の関係を利用することにより、電池の残容量が算出されている。また、この技術によると、車両走行中には、電流計により検出される電流値から電池の放電量を積算算出することにより、電池の残容量が算出されている。

特開平６−２４２１９３号公報 特開２０００−１３４７０６号公報

ところで、上記特許文献に開示された技術によると、車両停止時には、変動のおそれがない開放電圧を利用して電池の電力残容量を算出することができる。しかしながら、車両走行時には、電池の充放電に伴う電圧降下等の影響で電池の端子間電圧が大きく変動するため、電池の残容量を精度よく算出することができないという問題点があった。
また、上記特許文献に開示された技術では、電池の開放時には開放端電圧を利用し、電池の放電時には放電電流を利用することによって電池の残容量を検出しているため、電圧計だけでなく電流計も必要となってしまい、コストが上昇するという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、車両の走行状態にかかわらず、電源に蓄えられた電力の残容量を安価でかつ精度良く算出することができる電動車両用電源の残容量検出装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明に係る電動車両用電源の残容量検出装置は、長時間の放電が可能な大容量蓄電装置と、充放電量の変動に即応可能な大出力蓄電装置と、前記大容量蓄電装置の放電量を制御する放電量調整手段と、前記大出力蓄電装置の充放電量を制御する充放電量調整手段と、前記放電量調整手段及び前記充放電量調整手段を制御する制御装置と、前記大容量蓄電装置の端子間電圧を検出する第１の電圧検出手段と、前記大出力蓄電装置の端子間電圧を検出する第２の電圧検出手段と、前記第１の検出手段により検出された前記大容量蓄電装置の端子間電圧及び前記第２の検出手段により検出された前記大出力蓄電装置の端子間電圧に基づき、前記大容量蓄電装置及び前記大出力蓄電装置に蓄電された電力の残容量を算出する残容量算出手段とを備え、前記制御装置は、走行時に車両の駆動に要する負荷電力を平均した平均電力を、前記大容量蓄電装置に放電させるように前記放電量調整手段を制御し、前記負荷電力と前記平均電力との差を、前記大出力蓄電装置に充放電させるように前記充放電量調整手段を制御することを特徴とする。

本発明に係る電動車両用電源の残容量検出装置によれば、制御装置によって、大容量蓄電装置が走行時に車両を駆動するために必要な負荷電力を平均した平均電力を放電するように、放電量調整手段が制御される。また、制御装置によって、大出力蓄電装置が負荷電力と平均電力との差を充放電するように、充放電量調整手段が制御される。ここで、大出力蓄電装置（例えばキャパシタ）は、大容量蓄電装置（例えば二次電池）に比べて内部抵抗が非常に小さく、通電による電圧降下を無視できる水準となっている。また、キャパシタは、二次電池とは異なり化学変化等を伴わずに充放電を行うことができるため、通電終了後の電圧変動がほとんどなく、端子間電圧の変動が小さいという特徴がある。したがって、本発明に係る電動車両用電源の残容量検出装置のように、大容量蓄電装置から安定した平均電力の供給を行い、負荷電力の平均電力からみた変動分を大出力蓄電装置に充放電させることにより、車両走行時にも、端子間電圧を利用して大容量蓄電装置及び大出力蓄電装置に蓄えられた電力の残容量を精度良く算出することができる。また、この電動車両用電源の残容量検出装置によれば、従来技術のように電流計を設ける必要がないため、コストを上昇させることもない。

本発明に係る電動車両用電源の残容量検出装置において、前記残容量算出手段により算出された前記大容量蓄電装置の残容量を、前記大容量蓄電装置に生じる電圧降下分だけ補正する補正手段を備えていることが望ましい。

この電動車両用電源の残容量検出装置では、補正手段によって、残容量算出手段により算出された大容量蓄電装置の残容量を、大容量蓄電装置に生じる電圧降下分だけ補正することにより、大容量蓄電装置に蓄えられた電力の残容量をさらに精度良く算出することができる。

本発明に係る電動車両用電源の残容量検出装置によれば、上記した通り、車両の走行状態にかかわらず、電源に蓄えられた電力の残容量を安価でかつ精度良く算出することができる。

第１実施形態に係る残容量検出装置の全体構成を示す概略構成図である。 同残容量検出装置に係る回路構成を示す回路構成図である。 高負荷時における各電流の流れ及び各電圧の大小関係を示す回路構成図である。 低負荷時における各電流の流れ及び各電圧の大小関係を示す回路構成図である。 回生時における各電流の流れ及び各電圧の大小関係を示す回路構成図である。 電池出力とキャパシタ出力の経時変化の様子を示すグラフである。 第２実施形態に係り、電池の開放電圧と残容量との関係を示すグラフである。 同電池の電流と電圧変動との関係を示すグラフである。 第１実施形態と従来例及び理想値とを比較した様子を示すグラフである。 第２実施形態と従来例及び理想値とを比較した様子を示すグラフである。 第１、２実施形態と理想値とを比較した様子を示すグラフである。

以下、本発明に係る電動車両用電源の残容量検出装置を具体化した一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、第１実施形態に係る残容量検出装置の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る残容量検出装置の全体構成を示す概略構成図である。

図１に示すように、残容量検出装置１０は、長時間の放電が可能な大容量蓄電装置２１と、充放電量の変動に即応可能な大出力蓄電装置２２と、大容量蓄電装置２１の放電量を制御する放電量調整手段２３と、大出力蓄電装置２２の充放電量を制御する充放電量調整手段２４と、放電量調整手段２３及び充放電量調整手段２４を制御する制御装置１１とを備えている。なお、本実施形態の制御装置１１が、本発明の「制御装置」及び「残容量算出手段」に相当する。

大容量蓄電装置２１は、放電量調整手段２３を介して車両の駆動輪を駆動する電動機８に電力を放電できるようになっている。大容量蓄電装置２１としては、一般的にリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。

大出力蓄電装置２２は、充放電量調整手段２４を介して車両の駆動輪を駆動する電動機８に電力を放電できるとともに、電動機８から充放電量調整手段２４を介して回生電力を充電できるようになっている。大出力蓄電装置２２としては、一般的に電気二重層キャパシタなどが用いられる。

制御装置１１は、走行時間、消費電力量及び大出力蓄電装置２２の残容量を算出し、大容量蓄電装置２１から電動機８への放電量を決定する。より詳細には、制御装置１１は、走行時に車両の駆動に要する負荷電力を平均した平均電力を、大容量蓄電装置２１に放電させるように放電量調整手段２３を制御する。ここで、走行時間としては、短期間又は長期間の走行モードが想定される。なお、この走行時間は、１度の乗車における走行時間であってもよく、ある決められた期間内における走行時間であってもよい。また、例えば通勤等決められた区間を長期間走行する場合には、長期間の走行モードが選択されることが好ましい。さらに、走行モードを通勤やレジャー、買い物等の目的に応じて選択できるようにしてもよい。消費電力量は、大容量蓄電装置２１と大出力蓄電装置２２の残容量変動値により算出される。大出力蓄電装置２２の残容量は、大出力蓄電装置２２の端子間電圧に基づき算出される。

また、制御装置１１は、車両に設けられた各種センサ等（図示略）から、アクセル開度、ブレーキ踏力、車速（回転数）を取得して、車両が必要とする電力、走行状態等を判断し、上記負荷電力と上記平均電力との差を、大出力蓄電装置２２に充放電させるように充放電量調整手段２４を制御する。

続いて、本実施形態の残容量検出装置１０に係る回路構成について、図２〜図５を参照しながら説明する。図２は、本実施形態の残容量検出装置に係る回路構成を示す回路構成図である。図３は、高負荷時における各電流の流れ及び各電圧の大小関係を示す回路構成図である。図４は、低負荷時における各電流の流れ及び各電圧の大小関係を示す回路構成図である。図５は、回生時における各電流の流れ及び各電圧の大小関係を示す回路構成図である。

図２〜図５では、電動機８を「直流モータ８Ａ」に、大容量蓄電装置２１を「二次電池２１Ａ」に、大出力蓄電装置２２を「キャパシタ２２Ａ」に、放電量調整手段２３を「昇降圧コンバータ２３Ａ」に、充放電量調整手段２４を「双方向昇降圧コンバータ２４Ａ」に、それぞれ置き換えて説明する。また、「Ｖｄ」は二次電池２１Ａの電圧（二次電池電圧）を、「Ｖｍ」は直流モータ８Ａの誘導起電圧（直流モータ誘導起電圧）を、「Ｖｃ」はキャパシタ２２Ａの電圧（キャパシタ電圧）を、「Ｖ１」は昇降圧コンバータ２３Ａの「出力電圧」を、「Ｖ２」は双方向昇降圧コンバータ２４Ａの「モータ側電圧」を、「Ｖ３」は双方向昇降圧コンバータ２４Ａの「キャパシタ側電圧」を示す。矢印は、電流の方向を示す。

なお、本実施形態では、電動機８として、直流モータ８Ａを採用しているが、インバータを使えば交流モータを使用することもできる。また、二次電池２１Ａには、二次電池２１Ａの端子間電圧を検出する電圧計２１Ｂが取り付けられており、この電圧計２１Ｂにより「Ｖｄ」が検出されるようになっている。キャパシタ２２Ａには、キャパシタ２２Ａの端子間電圧を検出する電圧計２２Ｂが取り付けられており、この電圧計２２Ｂにより「Ｖｃ」が検出されるようになっている。本実施形態の電圧計２１Ｂが、本発明の「第１の電圧検出手段」に相当し、本実施形態の電圧計２２Ｂが、本発明の「第２の電圧検出手段」に相当する。

直流モータ８Ａは、その回転数Ｎｍに比例して誘導起電圧が発生し、減速比を固定した場合に回転数Ｎｍは車速に比例する。このため、二次電池２１Ａから直流モータ８Ａへ電力の供給が必要な場合は、二次電池電圧Ｖｄが誘導起電力Ｖｍに打ち勝って直流モータ８Ａに必要な電力を供給できるように、制御装置１１は、車速（回転数）に基づいて昇降圧コンバータ２３Ａを制御する。また、キャパシタ２２Ａから直流モータ８Ａへ電力の供給が必要な場合は、誘導起電圧Ｖｍより高い電圧をキャパシタ２２Ａに発生させるように、制御装置１１は、双方向昇降圧コンバータ２４Ａを制御する。一方、キャパシタ２２Ａへの充電が必要な場合は、制御装置１１は、双方向昇降圧コンバータ２４Ａを制御して、所定電力供給可能な、キャパシタ電圧Ｖｃより高い電圧を発生させ、キャパシタ２２Ａへの充電量を制御する。

ここで、二次電池２１Ａからの電力供給については、制御装置１１は、入力された走行時間（走行モード）と消費電力量に基づき平均電力を算出し、算出された平均電力を基準値として走行に必要な放電量を決定し、昇降圧コンバータ２３Ａを制御して二次電池２１Ａから放電を行わせる。平均電力を基準値として直流モータ８Ａへ電力が供給されることから、車両の走行時間が長くなるほど、運転状態により変動する消費電力の影響を受けず、ほぼ一定の電力を供給することができる。ただし、高速走行等により長時間にわたり消費電力が大きくなる運転状態が続くと、徐々に二次電池２１Ａからの放電量が増すことになる。

車両の高負荷時に、急加速等のように消費電力が急激に増加するような場合は、図３に示すように、出力電圧Ｖ１は誘導起電圧Ｖｍより大きく、モータ側電圧Ｖ２は誘導起電圧Ｖｍより大きい。したがって、二次電池２１Ａから直流モータ８Ａへ供給される電力の変動はごくわずかとなるが、車両に必要な電力と、直流モータ８Ａへ供給される電力との間に差が生じる。このため、その電力差を制御装置１１が判断し、双方向昇降圧コンバータ２４Ａを制御してキャパシタ２２Ａから直流モータ８Ａへ電力を供給する。図３において、低回転時には「Ｖｄ＞Ｖ１，Ｖｃ＞Ｖ２」となり、高回転時には「Ｖｄ＜Ｖ１，Ｖｃ＜Ｖ２」となる。

逆に、車両の低負荷時に、直流モータ８Ａの消費電力が少なくなった場合は、図４に示すように、二次電池２１Ａから供給される平均電力の余剰分を制御装置１１が判断し、双方向昇降圧コンバータ２４Ａを制御してキャパシタ２２Ａに充電させる。図４において、低回転時には「Ｖｄ＞Ｖ１，Ｖ３＞Ｖ１」となり、高回転時には「Ｖｄ＜Ｖ１，Ｖ３＜Ｖ１」となる。

一方、車両の回生時に、運転者がアクセルペダル１９から足を離した場合は、図５に示すように、車両が減速状態になったと制御装置１１が判断すると、ブレーキ操作量に比例して直流モータ８Ａから回生電力が発生し、その回生電力と二次電池２１Ａからの電力が合わせてキャパシタ２２Ａに余剰電力として充電される。図５において、低回転時には「Ｖｄ＞Ｖ１，Ｖ３＞Ｖｍ」となり、高回転時には「Ｖｄ＜Ｖ１，Ｖ３＜Ｖｍ」となる。

こうした態様により電池出力とキャパシタ出力とが経時的に変化する様子を、図６を参照しながら説明する。図６は、電池出力とキャパシタ出力の経時変化の様子を示すグラフである。車両の運転状態により直流モータ８Ａへ供給される電力は変動するが、図６に示すように、この供給電力の変動のほとんどが、キャパシタ２２Ａにより補われており、二次電池２１Ａは、安定した電力供給を行っていることがわかる。なお、時刻４８０ｓｅｃ以降のように、高速走行等により長時間にわたり消費電力が大きくなる運転状態が続くと、徐々に二次電池２１Ａからの放電量が増すことになる。

以上、詳細に説明したとおり、本実施形態に係る残容量検出装置１０によれば、制御装置１１によって、大容量蓄電装置２１（二次電池２１Ａ）が走行時に車両を駆動するために必要な負荷電力を平均した平均電力を放電するように、放電量調整手段２３（昇降圧コンバータ２３Ａ）が制御される。また、制御装置１１によって、大出力蓄電装置２２（キャパシタ２２Ａ）が負荷電力と平均電力との差を充放電するように、充放電量調整手段２４（双方向昇降圧コンバータ２４Ａ）が制御される。ここで、キャパシタ２２Ａは、二次電池２１Ａに比べて内部抵抗が非常に小さく、通電による電圧降下を無視できる水準となっている。また、キャパシタ２２Ａは、二次電池２１Ａとは異なり化学変化等を伴わずに充放電を行うことができるため、通電終了後の電圧変動がほとんどなく、端子間電圧の変動が小さいという特徴がある。したがって、本実施形態に係る残容量検出装置１０のように、二次電池２１Ａから安定した電力供給を行い、負荷電力の平均電力からみた変動分をキャパシタ２２Ａに充放電させることにより、車両走行時にも、端子間電圧を利用して二次電池２１Ａ及びキャパシタ２２Ａに蓄えられた電力の残容量を精度良く算出することができる。また、この残容量検出装置１０によれば、従来技術のように電流計を設ける必要がないため、コストを上昇させることもない。

次に、本発明の第２実施形態について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、第２実施形態に係り、電池の開放電圧と残容量との関係を示すグラフである。図８は、同電池の電流と電圧変動との関係を示すグラフである。なお、図７及び図８は、公称電圧３．８Ｖ、容量７６Ｗｈの電池の場合の例を示している。また、以下では、この電池を８０個直列に接続したものが二次電池２１Ａに相当するものとして計算されている。

第２実施形態に係る残容量算出装置では、第１実施形態で算出された大容量蓄電装置２１（二次電池２１Ａ）の残容量を、二次電池２１Ａに生じる電圧降下分だけ補正している点で、第１実施形態のものと相違する。なお、残容量検出装置の全体構成及び回路構成については、上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

ここで、具体的な補正方法について、電池出力が３ｋＷ（図６参照）、電圧計２１Ｂから検出された二次電池２１Ａの端子間電圧が３．９Ｖであった場合を例に挙げて説明する。
この例の場合、電池１個当たりの電流値Ｉは、
Ｉ＝３０００／３．９／８０
＝９．６２（Ａ）
となる。そして、図３より、電池に電流が９．６２（Ａ）流れた場合には、電圧降下の影響で電圧が０．０１Ｖ低下することがわかる。

ここで、仮に端子間電圧３．９Ｖを開放電圧として電池の残容量を算出すると、図７より５５Ｗｈとなる。そして、上記のように、実際には電圧降下の影響で、電圧が０．０１Ｖ低下していることから、実際の開放電圧は、３．９１Ｖであり、実際の電池の残容量は、図７より５５．９Ｗｈとなる。したがって、電池１個当たりの残容量については、端子間電圧を使用した場合に、０．９Ｗｈだけ低く検出されることがわかる。二次電池２１Ａ（電池８０個分）に換算すると、７２Ｗｈだけ低く算出されることがわかる。よって、端子間電圧により二次電池２１の残容量を算出した場合には、残容量検出装置（補正手段）により、７２Ｗｈだけ増量補正されることとなる。

以上、詳細に説明したとおり、本実施形態に係る残容量検出装置によれば、端子間電圧を使用して算出された二次電池２１Ａの残容量を、二次電池２１Ａに生じる電圧降下分だけ補正することにより、二次電池２１Ａに蓄えられた電力の残容量をさらに精度良く算出することができる。

次に、上記した第１、第２実施形態に係る残容量蓄電装置により検出された電源残容量（二次電池及びキャパシタの合計残容量）と、従来例、理想値とを、図９〜図１２に基づいて比較する。

図９は、第１実施形態と従来例及び理想値とを比較した様子を示すグラフである。図９において、破線は従来例を示し、実線は第１実施形態を示し、二点鎖線は理想値を示す。図９に示すように、第１実施形態に係る残容量検出装置によると、従来例では充放電に伴う端子間電圧の変動に応じて理想値より大きく上下に変動しているのに対し、第１実施形態では、一定のずれ幅があるものの、理想値に対する上下のずれ幅が小さいことがわかる。

図１０は、第２実施形態と従来例及び理想値とを比較した様子を示すグラフである。図１０において、破線は従来例を示し、実線は第２実施形態を示し、二点鎖線は理想値を示す。図１０に示すように、第２実施形態に係る残容量検出装置によると、理想値に対するずれ幅がほとんどなく、的確に補正されていることがわかる。

図１１は、第１、２実施形態と理想値とを比較した様子を示すグラフである。図１１において、実線は第１実施形態を示し、破線は第２実施形態を示し、二点鎖線は理想値を示す。図１１では、補正前の第１実施形態により得られる残容量が、第２実施形態によりさらに精度よく補正されて理想値に近づいている様子がわかる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。
例えば、上記実施形態では、１つの電動機８しか図示されていないが、２つの電動機を採用してもよい。

８ 電動機
８Ａ 直流モータ
１０ 残容量検出装置
１１ 制御装置
２１ 大容量蓄電装置
２１Ａ 二次電池
２１Ｂ 電圧計
２２ 大出力蓄電装置
２２Ａ キャパシタ
２２Ｂ 電圧計
２３ 放電量調整手段
２３Ａ 昇降圧コンバータ
２４ 充放電量調整手段
２４Ａ 双方向昇降圧コンバータ

Claims (2)

1. 長時間の放電が可能な大容量蓄電装置と、
   充放電量の変動に即応可能な大出力蓄電装置と、
   前記大容量蓄電装置の放電量を制御する放電量調整手段と、
   前記大出力蓄電装置の充放電量を制御する充放電量調整手段と、
   前記放電量調整手段及び前記充放電量調整手段を制御する制御装置と、
   前記大容量蓄電装置の端子間電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
   前記大出力蓄電装置の端子間電圧を検出する第２の電圧検出手段と、
   前記第１の検出手段により検出された前記大容量蓄電装置の端子間電圧及び前記第２の検出手段により検出された前記大出力蓄電装置の端子間電圧に基づき、前記大容量蓄電装置及び前記大出力蓄電装置に蓄電された電力の残容量を算出する残容量算出手段とを備え、
   前記制御装置は、
   走行時に車両の駆動に要する負荷電力を平均した平均電力を、前記大容量蓄電装置に放電させるように前記放電量調整手段を制御し、
   前記負荷電力と前記平均電力との差を、前記大出力蓄電装置に充放電させるように前記充放電量調整手段を制御する
   ことを特徴とする電動車両用電源の残容量検出装置。
2. 請求項１に記載する電動車両用電源の残容量検出装置において、
   前記残容量算出手段により算出された前記大容量蓄電装置の残容量を、前記大容量蓄電装置に生じる電圧降下分だけ補正する補正手段を備えている
   ことを特徴とする電動車両用電源の残容量検出装置。

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