JP2012026869A - バッテリ残容量算出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリ内のセルの温度の差異に基づく自己放電量の差異を考慮して、より精度の高い残容量算出を可能としたバッテリ残容量算出装置を提供する。
【解決手段】バッテリ36内で高温が予想される位置に配設された高温側温度センサ91Uと、バッテリ36内で低温が予想される位置に配設された低温側温度センサ91Lとを備える。高温側温度センサ91Uの出力に基づいて導出される最大自己放電量SHmaxから、低温側温度センサ91Lの出力に基づいて導出される最小自己放電量SHminを減算した値をバッテリ36の容量ズレ量の今回値Ftとして算出し、容量ズレ量の今回値Ftと前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値F0との積算値である容量ズレ減算量Fを、満充電容量Aからの減算要素として用いる。両温度センサ出力およびバッテリ充電率の値に基づいて容量ズレ量の今回値Ftを導出する自己放電量マップ206mを具備する。
【選択図】図10

Description

本発明は、バッテリ残容量算出装置に係り、特に、二次電池の残容量をより正確に算出できるようにしたバッテリ残容量算出装置に関する。
従来から、二次電池の残容量(充電容量)の算出精度を高めるために様々なパラメータを考慮することが知られている。
特許文献1には、温度センサで検知された二次電池の温度に基づいて二次電池の自己放電量を推測検知し、この自己放電量を満充電時の充電容量から減算することで、残容量の算出精度を高めるようにしたバッテリ残容量算出装置が開示されている。
特開2004−191151号公報
ところで、電動二輪車等の動力源として搭載される二次電池(以下、バッテリと示すこともある)は、高電圧が要求されるため、複数のセルが結合されたモジュール構造を有することが一般的である。このようなモジュール構造を有するバッテリにおいては、バッテリ内のどの位置にあるかによって各セルの温度に差異が生じる可能性がある。例えば、この各セルの自己放電量を個々に推測検知しようとすると、セルの数と同数の温度センサが必要となり、センサ配置の困難性やコストの増大等が生じることとなる。さらに、特許文献1に記載された技術は、ひとつの二次電池の内部温度、表面温度または雰囲気温度のいずれかを測定して自己放電量の大きさを推測検知するものであり、各セルの自己放電量の差、換言すれば、各セルの「容量ズレ」に関しては考慮されていなかった。
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、バッテリ内のセルの温度差に基づく自己放電量の差を考慮して、より精度の高い残容量算出を可能としたバッテリ残容量算出装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、複数のセル(2a)が結合してなるバッテリ(36)の所定位置の温度を検出する温度センサ(91U,91L)と、前記バッテリ(36)の満充電容量(A)から複数の減算要素を減算することで前記バッテリ(36)の残容量(R)を算出する制御部(200)とを有するバッテリ残容量算出装置において、前記温度センサ(91U,91L)は、前記バッテリ(36)内で高温が予想される位置に配設された高温側温度センサ(91U)と、前記バッテリ(36)内で低温が予想される位置に配設された低温側温度センサ(91L)とからなり、前記制御部(200)は、前記高温側温度センサ(91U)の出力に基づいて導出される最大自己放電量(SHmax)から前記低温側温度センサ(91L)の出力に基づいて導出される最小自己放電量(SHmin)を減算した値を前記バッテリ(36)の容量ズレ量(Ft)として算出し、前記容量ズレ量(Ft)を、前記残容量(R)の算出時に前記満充電容量(A)から減算する減算要素に含める点に第1の特徴がある。
また、前記容量ズレ量(Ft)を今回値に設定して、この容量ズレ量の今回値(Ft)と前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値(F0)との積算値である容量ズレ減算量(F)を、前記残容量(R)の算出時に前記満充電容量(A)から減算する減算要素として用いる点に第2の特徴がある。
また、前記低温側温度センサ(91L)および高温側温度センサ(91U)の出力値と、バッテリ(36)の充電率(SOC)の値とに基づいて、前記最大自己放電量(SHmax)および最小自己放電量(SHmin)を導出する自己放電量マップ(206m)を具備する点に第3の特徴がある。
また、前記バッテリ(36)は、車両(1)への搭載時にその天井面および底面が略水平に指向する略直方体に形成されており、前記高温側センサ(91U)は、前記バッテリ(36)の天井面側に取り付けられ、前記低温側センサ(91L)は、前記バッテリ(36)の底面側に取り付けられる点に第4の特徴がある。
また、前記低温側温度センサ(91L)および高温側温度センサ(91U)は、それぞれ、前記バッテリ(36)の車体前後方向の略中央で、かつ車幅方向の略中央に取り付けられている点に第5の特徴がある。
また、前記制御部(200)は、前記バッテリ(36)の基本温度時の充電特性と低温時の充電特性との差異に基づいて、低温充電不足量(B)および低温放電不足量(C)を算出し、充放電電流測定ユニット(90)の測定値に基づいて前記バッテリ(36)の放電量の積算値(D)を算出し、前記最大自己放電量(SHmax)を今回値に設定して、この最大自己放電量の今回値(SHmax)と前回の残容量算出時に算出された最大自己放電量の前回値(SHmax0)との積算値(E)を算出し、前記算出された容量ズレ量(Ft)を今回値に設定して、この容量ズレ量の今回値(Ft)と前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値(F0)との積算値である容量ズレ減算量(F)を算出し、前記満充電容量(A)から、前記低温充電不足量(B)と、前記低温放電不足量(C)と、前記放電量の積算値(D)と、前記最大自己放電量の積算値(E)と、前記容量ズレ減算量(F)とを減算することによって、前記残容量(R)を算出する点に第6の特徴がある。
さらに、前記バッテリ(36)は、箱状のバッテリケース(37)内に収納されており、前記バッテリケース(37)は、一方側の壁面に設けられた開口(93)から導入された冷却風が他方側の壁面に設けられた開口(94)から導出されるように構成されており、前記高温側温度センサ(91U)は、低温側温度センサ(91L)より冷却風の下流側に配設されていることを特徴とする点に第7の特徴がある。
第1の特徴によれば、温度センサは、バッテリ内で高温が予想される位置に配設された高温側温度センサと、バッテリ内で低温が予想される位置に配設された低温側温度センサとからなり、制御部は、高温側温度センサの出力に基づいて導出される最大自己放電量から低温側温度センサの出力に基づいて導出される最小自己放電量を減算した値をバッテリの容量ズレ量として算出し、容量ズレ量を、残容量の算出時に満充電容量から減算する減算要素に含めるので、2つの温度センサの出力に基づいてバッテリモジュールの容量ズレ量を推測検知し、この容量ズレ量を用いることで、残容量の検知精度を高めることが可能となる。また、複数のセルのそれぞれに温度センサを設ける必要がないため、バッテリユニットの部品点数の削減とコストの低減を図ることができる。
第2の特徴によれば、容量ズレ量を今回値に設定して、この容量ズレ量の今回値と前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値との積算値である容量ズレ減算量を、残容量の算出時に満充電容量から減算する減算要素として用いるので、容量ズレ量を積算値として用いることで、バッテリ残容量の算出精度を高めることができる。
第3の特徴によれば、低温側温度センサおよび高温側温度センサの出力値と、バッテリの充電率の値とに基づいて、最大自己放電量および最小自己放電量を導出する自己放電量マップを具備するので、実験等により予め設定されたマップを用いることで、バッテリモジュールの容量ズレ量を容易に導出することが可能となる。
第4の特徴によれば、バッテリは、車両への搭載時にその天井面および底面が略水平に指向する略直方体に形成されており、高温側センサはバッテリの天井面側に取り付けられ、低温側センサはバッテリの底面側に取り付けられるので、高温側のバッテリ温度と低温側のバッテリ温度とを容易に検知することが可能となる。
第5の特徴によれば、低温側温度センサおよび高温側温度センサは、それぞれ、バッテリの車体前後方向の略中央で、かつ車幅方向の略中央に取り付けられているので、各センサの取り付け作業が容易となる。
第6の特徴によれば、制御部は、バッテリの基本温度時の充電特性と低温時の充電特性との差異に基づいて、低温充電不足量および低温放電不足量を算出し、充放電電流測定ユニットの測定値に基づいてバッテリの放電量の積算値を算出し、最大自己放電量を今回値に設定して、この最大自己放電量の今回値と前回の残容量算出時に算出された最大自己放電量の前回値との積算値を算出し、算出された容量ズレ量を今回値に設定して、この容量ズレ量の今回値と前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値との積算値である容量ズレ減算量を算出し、満充電容量から、低温充電不足量と、低温放電不足量と、放電量の積算値と、最大自己放電量の積算値と、容量ズレ減算量とを減算することによって残容量を算出するので、5つの減算要素を規定することにより、さらに、バッテリの残容量の算出精度を高めることができる。
第7の特徴によれば、バッテリは、箱状のバッテリケース内に収納されており、バッテリケースは、一方側の壁面に設けられた開口から導入された冷却風が他方側の壁面に設けられた開口から導出されるように構成されており、高温側温度センサは、低温側温度センサより冷却風の下流側に配設されているので、高温側温度センサが冷却風の下流側に設けられることとなり、温度検知の精度をより一層高めることができる。
本発明の一実施形態に係るバッテリ残容量算出装置を搭載した電動車両の側面図である。 電動車両の斜視図である。 図2に示した電動車両の要部斜視図である。 電動車両の電気系統図である。 メインバッテリの斜視図である。 メインバッテリの分解斜視図である。 メインバッテリの側面断面図である。 バッテリ残容量算出装置の構成を示すブロック図である。 自己放電量マップである。 バッテリ残容量の算出方法を示した図である。 車両停止中のバッテリ残容量算出処理の手順を示すフローチャートである。 車両走行中または充電中のバッテリ残容量算出処理の手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るバッテリ残容量算出装置を搭載した電動車両の左側面図、図2は同左前方斜視図である。電動車両1は低床フロアを有するスクータ型二輪車であり、車体フレームFに各構成部分が直接または他の部材を介して間接的に取り付けられている。
図1、図2において、車体フレームFは、前部分であるヘッドパイプ26と、ヘッドパイプ26に先端が接合されて後端が下方に延びているダウンフレーム27と、ダウンフレーム27の下部に連結されて車体幅方向左右にそれぞれ分岐して車体後方寄りに延びている一対のアンダフレーム28と、アンダフレーム28から車体上後方に延びているリヤフレーム29とからなる。ヘッドパイプ26は、ステアリング軸20を回動自在に支持する。ステアリング軸20の上部にはステアリングハンドル25が連結され、下部には前輪WFを支持するフロントフォーク24が連結される。
ヘッドパイプ26の前部にはパイプからなるフロントステー50が結合され、このフロントステー50の前端部には、ヘッドライト51が取り付けられ、ヘッドライト51の上方にはブラケット57で支持されるフロントキャリア19が設けられる。
車体フレームFの、アンダフレーム28とリヤフレーム29との中間領域に、車体後方に向けて延在するピボットプレート30が接合されており、このピボットプレート30には、車体幅方向に延在しているピボット軸32が設けられ、このピボット軸32によってスイングアーム22が上下揺動自在に支持される。スイングアーム22には、車両駆動源としての電動モータ23が設けられ、モータ23の出力は後輪車軸21に伝達され、後輪車軸21に支持された後輪WRが駆動される。なお、後輪車軸21を含むハウジングとリヤフレーム29とは、リヤサスペンション33によって連結される。ピボットプレート30の下方延長部分には、停車中に車体を支持するサイドスタンド31が回動可能に取り付けられ、スイングアーム22の下面にはメインスタンド34が取り付けられている。
複数のバッテリセルをバッテリケース37に内蔵した高電圧(例えば、72ボルト定格)のメインバッテリ36がアンダフレーム28に搭載される。メインバッテリ36の前部には、バッテリ冷却風としての空気をバッテリケース37内に導入するダクト64が接続管65を介して連結され、ダクト64の上方には、接続管66を介してエアクリーナ68が設けられる。エアクリーナ68はヘッドパイプ26とほぼ同じ高さに設けられる。ダクト64並びに接続管65,66を統合的に前部連結管110(図7参照)と呼ぶ。
バッテリケース37の後部にはダクト(以下、「後部連結管」と呼ぶ)69が連結され、この後部連結管69の後部は、送風手段である冷却ファン70に連結される。冷却ファン70は、アンダフレーム28から斜め上後方に延在しているリヤフレーム29に沿って配置される。冷却ファン70は、好ましくはシロッコファンであり、前部連結管110や後部連結管69を通じてバッテリケース37内に送風される空気の流れ方向を反転させることができるように回転方向を反転可能に構成される。
リヤフレーム29の上にはメインバッテリ36を充電する外部の充電器から延びる充電ケーブルに接続される給電側コネクタ(後述)を結合することができる受電側コネクタ78が設けられる。リヤフレーム29には、さらにリヤキャリヤ59やテールライト52が設けられる。
左右一対のリヤフレーム29の間には荷室38が設けられ、この荷室38から下部に突出している荷室底部38aには、メインバッテリ36で充電される低電圧(例えば、12ボルト定格)のサブバッテリ40が収容される。荷室38の上には、荷室38の蓋を兼用する運転者シート39が設けられる。
車体フレームFは、合成樹脂製の車体カバーで覆われる。車体カバーは、ハンドルカバー56、フロントカバー42、レッグシールド43、低床フロア44、フロアサイドカバー45、アンダカバー46、シート下前部カバー47、サイドカバー48、およびリヤカバー49とを備える。
フロントカバー42は、ヘッドパイプ26やフロントステー50等を前方から覆う。レッグシールド43はフロントカバー42に連なり、運転者シート39に座った運転者の脚部の前方に位置するように配置され、ヘッドパイプ26、前部連結管110のうち、ダクト64および接続管66を運転者シート39側から覆う。低床フロア44はレッグシールド43の下部に連なり、フロアサイドカバー45は低床フロア44に連なる。低床フロア44はバッテリケース37を上方から覆い、フロアサイドカバー45はアンダフレーム28およびバッテリケース37を車体左右側から覆う。
アンダカバー46は左右のフロアサイドカバー45の下縁間に渡される。シート下前部カバー47は荷室38を前方から覆うようにして低床フロア44の後端から立ち上がる。左右一対のサイドカバー48は荷室38を左右から覆うようにして前記シート下前部カバー47の両側に連なる。リヤカバー49は後輪WRを上方から覆ってサイドカバー48に連なる。
図3は、電動車両1の要部を示す要部斜視図である。図3において、図2に示したシート下前部カバー47は取り外されている。シート下前部カバー47を取り外した電動車両1の内部には、冷却ファン70や荷室38が見られる。荷室38は、リヤフレーム29,29間に架け渡されたサブフレーム35に接合されたステー35a,35bによって支持されている。冷却ファン70は、車体の右側に偏倚して位置しており、ファン排気口41を車体の左側に向けている。冷却ファン70は、モータ23を駆動するためのパワー・ドライブ・ユニット(PDU)のケース71aに3本のボルト53で固定される。
図4は、電動車両の電気系統図である。PDU71は制御ユニット(ECU)を含む。PDU71はヒューズ72および第1リレースイッチ73を介してメインバッテリ36のプラス側端子に接続される。第1リレースイッチ73には第2リレースイッチ74および抵抗76からなる直列回路が並列に接続される。メインバッテリ36およびサブバッテリ40は、充電器75によって外部電源PSから供給される電力で充電することができる。充電器75は給電側コネクタ77を備え、車両に設けられる受電側コネクタ78と接続可能である。受電側コネクタ78はDC−DCコンバータ79に接続される。
DC−DCコンバータ79は、受電側コネクタ78に接続される一対のラインL1,L2の一方L1に介挿される電界効果型トランジスタ(FET)80と、充電器76からの電圧を低電圧(例えば12ボルト)に降下させるためラインL1,L2に接続される電圧降下回路81とを備える。ラインL1,L2は、高電圧の充電電流でメインバッテリ36を充電するため、第2リレースイッチ74(プリチャージコンタクタ)および抵抗76からなる直列回路と、第1リレースイッチ73(メインコンタクタ)との並列回路を介してメインバッテリ36に接続される。電圧降下回路81の出力側はサブバッテリ40に接続される。
PDU71に内蔵されたECUにはサブバッテリ40がメインスイッチ82を介して接続され、制御用電力がサブバッテリ40から供給される。サブバッテリ40はメインスイッチ82を介してバッテリ管理ユニット(BMU)83にも接続され、BMU83は第1リレースイッチ73および第2リレースイッチ74のオンオフを指示する機能を有する。
動作時、メインスイッチ82をオンにすると、BMU83は第2リレースイッチ74をオンにしてメインバッテリ36から第2リレースイッチ74、抵抗76およびヒューズ72を介してPDU71に電流を流し、その後、第1リレースイッチ73をオンにする。このように、第2リレースイッチ74をオンにした後に第1リレースイッチ73をオンにするのは、PDU71に設けられているコンデンサへの突入電流が第1リレースイッチ73に流れるのを防止するためである。
なお、第1リレースイッチ73、第2リレースイッチ74およびBMU83は、メインバッテリ36とともにバッテリケース37に収納することができる。
図5はメインバッテリの構成を示す車体左前方からの斜視図、図6はメインバッテリを構成するモジュールの分解斜視図である。図5、図6において、符号FRは、車体前方方向を示し、符号Lは車体左方向を示す。メインバッテリ36は、車体前後方向に並べて配置される3つのバッテリモジュール2を備える。ただし、図6には、3つのモジュールのうち1つを示す。各バッテリモジュール2は、上下2段に配置されて車体幅方向に所定の隙間を設けて並べられた複数の(ここでは15組の)バッテリセル2aからなるセルユニット3と、セルユニット3に対して車体前後方向にそれぞれ配置される前壁4および後壁5と、前壁4の前方に配置されるカバー6とからなる。前壁4および後壁5には、それぞれ高さ方向中央部にあって車幅方向に延びるリブ4a,5aがそれぞれ設けられる。
セルユニット3の上面には、車体幅方向に所定間隔で配置され、車体前後方向に延びる補強リブ7aを有する上壁7が設けられる。上壁7の各補強リブ7a間には車体前後方向に長いスロット7bが形成される。セルユニット3の下面には、上壁7と同様の形状を有する下壁(補強リブ7aのみが図示されている)が設けられる。さらに、セルユニット3は、車体幅方向両側に配置される側壁8を有する。
各バッテリセル(以下、単にセルと示すこともある)2aは、車体前方に向けて配列された電極Dを備え、各バッテリセルの2つの電極D間には内圧開放弁9が設けられる。前壁4の、内圧開放弁9に対向する位置には上下2段に渡って車体幅方向水平に延びる電解液案内路10が設けられ、この電解液案内路10は上下方向に延びる電解液ドレイン11に連通接続される。この電解液ドレイン11は車体幅方向の一方側(この例では左側)に集約して配置し、メンテナンスをしやすくしている。
カバー6の車幅方向両端下部にはそれぞれ凸部6a,6aが形成される。この両端の凸部6a,6a間の空間領域12は、メインバッテリ36がバッテリケース37に収容されたときにバッテリケース37の底部との間に接触しない部分である。したがって、バッテリケース37に収容された状態では、この空間領域12は、メインバッテリ36の下面とバッテリケース37との間に車体前後方向に貫通する隙間を形成する。
隣接するバッテリモジュール2の間には間隙13が形成されるが、この間隙13は前記リブ4a,5aによって上下に2分割される。したがって、リブ4a,5aによって上下2つの部分に分割された間隙13の各部分間での空気の流通が阻止される。したがって、メインバッテリ36の下部と上部との間では、空気は間隙13を流れることなく、前記スロット7bを通って流通する。
各バッテリモジュール2の側壁8のうち、車体左側の側壁8には陽極接続端子14、陰極接続端子15、陽極ケーブル16、陰極ケーブル17、電圧・温度監視基板18、および通信コネクタ67が設けられる。陽極ケーブル16および陰極ケーブル17は、側壁8に固定されるケーブルガイド84,85で保持される。
バッテリは、並列接続される3個のモジュールを1組として、各組を直列接続して所定のバッテリ電圧(例えば72ボルト)を得るように構成される。矢印86によってバッテリセルの接続ラインを模式的に示した。この接続ライン86の一端は陽極接続端子14に接続され、他端は陰極接続端子15に接続される。
図5に示すように、陽極ケーブル16の端部は、3つのバッテリモジュール2のうち、車体前方側のものの陽極接続端子14に接続され、陰極ケーブル17の先端は、3つのバッテリモジュール2のうち、車体後方側のものの陰極接続端子15に接続される。そして、車体前方側のバッテリモジュール2の陰極接続端子15は、隣接する中央バッテリモジュール2の陽極接続端子14に接続され、中央バッテリモジュール2の陰極接続端子15は、車体後方側のバッテリモジュール2の陽極接続端子14に接続される。つまり、各バッテリモジュール2は直列に接続される。
3つのバッテリモジュール2の電圧・温度監視基板18は、湾曲させて配線されたハーネス87によって互いに接続される。車体後方側バッテリモジュール2の、上壁7の車体右側には充放電管理を行う均等化ユニット88が設けられ、均等化ユニット88から延びたハーネス89は、電圧・温度監視基板18に接続される。均等化ユニット88には、電流測定基準を設定するシャント基板とヒューズが一体化された充放電電流測定ユニット90が併設される。
樹脂モールドされる電圧・温度監視基板18は、バッテリモジュール毎に、電圧および温度を監視する。具体的な温度検知は、各バッテリモジュール2の上下にそれぞれ配置される上部(高温側)温度センサ91Uおよび下部(低温側)温度センサ91Lによって行われる。両温度センサ91U、91Lは、空気流に直接影響を受けないようにするため、上壁7および下壁(図示せず)の車幅方向中央に、前記スロット7bから離して設置するのがよい。両温度センサ91U、91Lは、各バッテリモジュール2に設けられ、該バッテリモジュール2の上部領域および下部領域の温度を代表する。そして、上部領域および下部領域それぞれに設けられる3つの温度センサ91U、91Lによる検出値の平均でメインバッテリ36の上部および下部の温度を代表させることができる。
なお、高温側温度センサ91Uは、バッテリ内で最も高温となることが予想される位置に配設され、一方の低温側温度センサ91Lは、バッテリ内で最も低温となることが予想される位置に配設されることが好ましい。
なお、温度センサ91U、91Lの配置はこれに限られず、バッテリケース37内での上部領域と下部領域とにおけるそれぞれの温度が個別に測定できればよい。したがって、温度センサ91U、91Lは、3つのバッテリモジュール2のそれぞれに設ける方式に限らず、例えば、上部領域および下部領域に1つずつとして、車体前後方向の中央かつ車幅方向の中央の位置に配設することができる。
図7は、バッテリケース37に収容された状態のメインバッテリ36を示す側面断面図である。図7において、バッテリケース37は、ケース前板37f、ケース後板37r、ケース上板37u、ケース底板37b、およびケース側板37sからなり、バッテリモジュール2を収容する空間を形成する。車体前方側のバッテリモジュール2には点線でバッテリセル92の外形を示す。残りの2つのバッテリモジュール2にも、同様にバッテリセル92が上下2段に配置される。
バッテリケース37の車体前方側の壁(ケース前板)37fには、接続管65を接続して、接続管65とバッテリケース37内とで空気の流通を可能にするための開口(吸気口)93が形成される。一方、バッテリケース37の車体後方側の壁(ケース後板)37rには、後部連結管69とバッテリケース37内とで空気の流通を可能にするための開口(排気口)94が形成される。
ケース前板37fの内面には、吸気口93より上方に、車幅方向に延在するリブ37aが設けられ、ケース前板37fと車体前方側バッテリモジュール2のカバー6との間にできる間隙をこのリブ37aで上下に2分している。一方、ケース後板37rにも同様に、排気口94より下方に、車幅方向に延在するリブ37cが設けられ、ケース後板37rと車体後方側バッテリモジュール2の後壁5との間にできる間隙をこのリブ37cで上下に2分している。
冷却ファン70の回転による冷却風の通路は、エアクリーナ68、前部連結管110、バッテリケース37、および後部連結管69からなる。
冷却ファン70は、後述する温度条件および電動車両1の走行状態(例えば、走行速度)によって駆動開始、駆動停止する。そして、冷却ファン70が回転すると、エアクリーナ68から空気が吸入され、その空気は、前部連結管110を通って吸気口93からバッテリケース37内に導入される。バッテリケース37内に導入された空気はリブ37aによって上方に流れるのを阻止されるので、矢印A1に沿って下方に案内され、前記凸部6aによって形成された領域(間隙)12を通ってバッテリモジュール2の下部12aに回る。そして、矢印A2〜A4で示すように、バッテリセル92の間を通り、スロット7bを抜けてバッテリケース37の上部空間37dに至る。上部空間37dに流れ込んだ空気はリブ37cによって、下方に流れるのを阻止されるので、排気口94から後部連結管69に流れ込み、冷却ファン70で排気される。
ここで、二次電池においては、蓄えられている電気の量が時間の経過と共に徐々に減少する自己放電の度合が大きく、さらに、複数のセルからなるモジュール構造を有する場合には、各セルの自己放電量の差が問題となる。具体的には、セル毎の自己放電量の差に起因してセル毎の残容量に差が生じた場合に、自己放電量の小さいセルに合わせて放電してしまうと、自己放電量の大きいセルが過放電となる可能性がある。これを防止するには、自己放電量の大きいセルに合わせて放電制御を実行する必要があるが、このような放電制御を実行するためには、各セルの自己放電量の差を考慮してモジュール全体の残容量を算出することが好ましい。本実施形態では、前記した上部(高温側)温度センサ91Uおよび下部(低温側)温度センサ91Lの出力値に基づいて、この自己放電量の差を推測検知できるようにした点に特徴がある。
図8は、本実施形態に係るバッテリ残容量算出装置の構成を示すブロック図である。バッテリ残容量算出装置の制御部200に含まれるバッテリ残容量算出手段201は、満充電状態検知手段202、放電量検知手段203、低温充電不足量検知手段204、低温放電不足量検知手段205、容量ズレ量算出手段206から入力される各情報に基づいて、メインバッテリ36の残容量(充電容量)を検知する。
満充電状態検知手段202は、メインバッテリ36の電圧を検知するバッテリ電圧センサ202aの検出値が所定電圧(例えば、72V)に達したことに基づいて満充電状態を検知する。また、放電量検知手段203は、充放電電流測定ユニット90の検出値に基づいて、満充電状態からの電流積算値を算出して放電量を検知する。
低温充電不足量検知手段204および低温放電不足量検知手段205には、低温側の下部温度センサ91Lの出力がそれぞれ入力される。また、容量ズレ量算出手段206には、上部温度センサ91Uおよび下部温度センサ91Lの出力がそれぞれ入力される。
ここで、リチウムイオン電池等の二次電池は、バッテリの温度が標準温度(例えば、25℃)であれば、所定電圧に達する(例えば、1セルで2.8V)と充電容量が100%となる場合でも、バッテリの温度が標準温度より低いと、この所定電圧に達したのにもかかわらず充電容量が100%に到達しない、すなわち、充電不足が生じてしまう(例えば、80%しか充電されない)という性質を有する。低温充電不足量検知手段204は、実験等で予め定められた充電特性マップmを用いて、この低温時における充電量の不足量を導出することができる。
また、二次電池は、バッテリの温度が標準温度(例えば、25℃)であれば充電容量を100%放電できる場合でも、バッテリの温度が標準温度より低いと、放電量が100%に到達しない、すなわち、放電不足が生じてしまう(例えば、80%しか放電できない)という性質を有する。低温放電不足量検知手段205は、実験等で予め定められた充電特性マップmを用いて、この低温時における放電量の不足量を導出することができる。
さらに、容量ズレ量算出手段206には、自己放電量算出手段207および自己放電量マップ206mが含まれる。実験等で予め定められた自己放電量マップ206mには、バッテリ温度およびバッテリ充電率と、自己放電量との関係が規定されている。
二次電池は、使用していない放置状態でも自己放電によって残容量が減少し、その自己放電量の大きさは、バッテリの温度およびバッテリ充電率(SOC:state of charge)に依拠することが知られている。自己放電量算出手段207は、自己放電量マップ206mに基づいて、上部温度センサ91Hの出力による高温側セルの最大自己放電量SHmaxと、下部温度センサ91Uの出力に基づく低温側セルの最小自己放電量SHminとをそれぞれ導出する。自己放電量は、低温時より高温時の方が大きくなり、高温側セルの最大自己放電量SHmaxから低温側セルの最小自己放電量SHminを減算すると、セルの温度差に起因する容量ズレ量の現在値(今回値)が求められる。
バッテリにおける容量ズレとは、例えば、同じ充電容量のセルAとBとを接続した際に、自己放電量に個体差があることにより、時間の経過と共にセルAおよびセルBの充電容量(残容量)に生じる差異のことである。容量ズレが生じたバッテリモジュールを放電させると、自己放電量の大きいセルに合わせてメインバッテリ36の過放電防止回路が作動することなり、自己放電量の小さいセルの放電が十分に行われないまま放電が停止される。一方、容量ズレが生じたバッテリを充電すると、自己放電量の大きいセルの方が先に所定電圧に到達して過充電防止回路が作動してしまい、他方のセルの充電が十分に行われないまま充電が停止されてしまうという問題が生じる。
そこで、均等化処理手段208は、自己放電量の差により発生する容量ズレを修復するため、メインバッテリ36の各セルに対して所定の周期で均等化処理を実行する。メインバッテリ36の各セルには、この処理を可能とする均等化処理回路が組み込まれている。
各セルに組み込まれた均等化処理回路は、例えば、放電末期に電圧の低いセルをバイパスして放電を禁止したり、充電末期に電圧の高いセルをバイパスして電圧の低いセルのみ充電することで、容量ズレを実質的に補正するものである。なお、均等化処理にはある程度の時間を要するため、例えば、充電100回に1回等の周期で実行される。本発明に係るバッテリ残容量算出装置は、次の均等化処理が実行されるまでの間であっても、容量ズレ量を推測検知することでバッテリ残容量の算出精度を高めようとするものである。
図9に、容量ズレ量算出手段206に含まれる自己放電量マップ206mの概要を示す。前記したように、自己放電量は、バッテリの温度およびバッテリ充電率に依拠する。この図では、SOCが100%、75%、50%の際のグラフのみを示しているが、より細かい、例えば、1%刻みのグラフを設定してもよい。この図の例では、SOC75%に対応する曲線において、高温側温度センサ91Uの出力値(Tmax)に対応する自己放電量が最大自己放電量SHmaxとして導出され、また、低温側温度センサ91Lの出力値(Tmin)に対応する自己放電量が最小自己放電量SHminとして導出されている。そして、最大自己放電量SHmaxから最小自己放電量SHminを減じたものが、容量ズレ量の今回値Ftとして適用される。
図10は、バッテリ残容量算出手段201(図8参照)によるバッテリ残容量の算出方法を図式化したものである。図示するように、A:満充電容量、B:低温充電不足量、C:低温放電不足量、D:放電量の積算値、E:自己放電量の積算値、F:容量ズレ減算量としたとき、バッテリ残容量Rは、A−(B+C+D+E+F)の式によって表すことができる。すなわち、残容量Rを算出する際に、B〜Fの各値は、満充電容量のAに対する減算要素となる。
図示上側の(a)のグラフは、基本温度(25℃)での充電特性(実線)と低温時の充電特性(破線)との差を示す「充電特性マップ」である(図8に示した充電特性マップm)。バッテリモジュールの各セルの電圧は、過充電防止回路および過放電防止回路により、満充電状態に対応する所定電圧V2(例えば、2.8V)と放電限界に対応する所定電圧V1(例えば、1.8V)との間に収まるように設定されている。
しかしながら、セル電圧が同じ所定電圧V2である場合でも、バッテリ温度が基本温度であればバッテリ容量a1(例えば、100%)まで充電されるところ、バッテリ温度が低い場合では、バッテリ容量a2(例えば、80%)までしか充電されないこととなる。この充電容量の差が、低温充電不足量Bに相当する。
また、バッテリセル電圧が同じ所定電圧V1である場合でも、バッテリ温度が基本温度であればバッテリ容量がa4(例えば、0%)まで放電されるところ、バッテリ温度が低い場合では、バッテリ容量がa3(例えば、20%)までしか放電されないこととなる。この充電容量の差が、低温放電不足量Cに相当する。
図示下側の(b)のグラフは、基本温度(25℃)での充電特性(実線)と容量ズレが生じた場合の充電特性との差を示す「容量ズレ特性マップ」である。グラフを参照すると、バッテリセル電圧が同じ所定電圧V2である場合でも、バッテリ温度が基本温度であればバッテリ容量a5(例えば、100%)まで充電されるところ、容量ズレが生じた場合では、バッテリ容量a6(例えば、80%)までしか充電されないこととなる。
この充電容量の差が、容量ズレ減算量Fに相当し、容量ズレ減算量Fは、容量ズレ量の今回値Ftと、前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値F0とを合算した値となる。図9に示した自己放電量マップ206mは、この容量ズレ量の今回値Ftを導出するものである。
図11は、車両停止中のバッテリ残容量算出処理の手順を示すフローチャートである。ステップS1では、制御部200内のメモリから、低温充電不足量B、低温放電不足量C、放電量の積算値D、満充電容量A、最大自己放電量の前回値SHmax0、容量ズレ量の前回値F0がそれぞれ読み込まれる。なお、「前回値」とは、前回の残容量算出時に算出された値であることを意味し、また、満充電容量Aは予め定められた固定値である。
ステップS2では、上部(高温側)温度センサ91Uおよび下部(低温側)温度センサ91Lによって、バッテリ36の天井面側と底面側の2箇所の温度が検知される。ステップS3では、バッテリ残容量Rが算出される。バッテリ残容量Rは、図10に示したように、満充電容量Aから、低温充電不足量Bと、低温放電不足量Cと、放電量の積算値Dと、最大自己放電量の積算値Eと、容量ズレ減算量Fとを減算することで算出される。
次に、ステップS4では、SOC(バッテリ充電率)が、SOC=残容量の前回値R0÷満充電時容量A×100の算出式によって算出される。続くステップS5では、高温側セル温度にプラス2℃の値(例えば、52℃)および算出されたSOC(例えば、75%)の値を図9の自己放電量マップmにそれぞれ適用して、最大自己放電量の今回値SHmaxが導出される。ここで、低温側セル温度プラス2℃の値を用いるのは、温度検知誤差を許容するためである。
ステップS6では、最大自己放電量の積算値Eが、E=最大自己放電量の前回値SHmax0+最大自己放電量の今回値SHmaxの算出式によって算出される。
ステップS7では、低温側セル温度マイナス2℃の値(例えば、38℃)および算出されたSOCの値を、図9に示した自己放電量マップmにそれぞれ適用し、最小自己放電量SHminが導出される。ここで、低温側セル温度マイナス2℃の値を用いるのは、高温側と同様に温度検知誤差を許容するためである。続くステップS8では、容量ズレ減算量Fが、F=容量ズレ量の前回値F0+(最大自己放電量の今回値SHmax−最小自己放電量SHmin)の算出式によって算出され、ステップS9に進む。
そして、ステップS9では、今回算出された、バッテリ残容量R、最大自己放電量の積算値Eおよび容量ズレ減算量Fをそれぞれメモリに記憶させて、一連の制御を終了する。次にバッテリ残容量を算出する際には、ステップS10でメモリに記憶されたバッテリ残容量、最大自己放電量の積算値および容量ズレ減算量が、それぞれ前回値として用いられる。
図12は、車両走行中または充電中のバッテリ残容量算出処理の手順を示すフローチャートである。ステップS11では、制御部200内のメモリから、低温充電不足量B、放電量の前回値D0、最大自己放電量の積算値Eおよび容量ズレ量の積算値FS、容量ズレ減算量Fがそれぞれ読み込まれる。
ステップS12では、上部(高温側)温度センサ91Uおよび下部(低温側)温度センサ91Lによってバッテリモジュールの2箇所の温度が検知される。ステップS13では、低温側セル温度マイナス2℃の値(例えば、38℃)の値を図10の(a)に示した充電特性マップmに適用して、低温放電不足量Cが導出される。
ステップS14では、制御部200の満充電状態検知手段202によってバッテリ36が満充電状態か否かが判定され、否定判定される、すなわち満充電状態でないと判定されると、ステップS15に進む。ステップS15では、放電量の積算値Dが、D=放電量の前回値Dl+放電量の今回値Dtの算出式によって算出されて、ステップS16に進む。放電量の今回値Dtは、充放電電流測定ユニット90による測定値である。
一方、ステップS14で肯定判定される、すなわち、バッテリが満充電状態であると判定されると、ステップS19に進んで、低温側セル温度マイナス2℃の値(例えば、38℃)の値を図10の(a)に示したマップmに適用して、低温充電不足量Bが導出される。そして、ステップS20で放電量の積算値Dを0(ゼロ)に設定し、かつステップS21で最大自己放電量の積算値Eを0(ゼロ)に設定すると、ステップS22に進む。
ステップS22では、均等化処理手段208による均等化処理が終了したか否かが判定され、ステップS22で否定判定される、すなわち、均等化処理がまだ終了していないと判定されると、ステップS23に進む。ステップS23では、容量ズレ減算量Fが、F=容量ズレ量の積算値FS+均等化処理残容量Kの演算式で算出される。ここで、均等化処理残容量Kとは、均等化処理を施してもなお残る容量誤差を考慮した補正係数である。続くステップS24では、容量ズレ量の積算値FSを予め定められた固定値(例えば、0.5Ah)に設定すると共に、均等化終了情報をリセットし、ステップS16に進む。なお、前記ステップS22で肯定判定される、すなわち均等化処理により容量ズレ量が補正されたと判定されると、ステップS25に進んで、容量ズレ減算量Fを容量ズレ量の積算値FSに設定して、ステップS24に進む。
そして、ステップS16では、バッテリ残容量Rが、満充電容量A−(低温充電不足量B+低温放電不足量C+放電量の積算値D+最大自己放電量の積算値E+容量ズレ減算量F)の算出式によって算出される。続くステップS17では、電動車両1のシステムが停止したか否かが判定され、否定判定されるとステップS12に戻る。これにより、車両が走行中または充電中であるときは、常にバッテリ残容量Rの算出処理が継続されることとなる。
一方、ステップS17で肯定判定される、すなわち、車両の電源がオフにされて充電回路も作動していない停車状態に移行すると、ステップS18に進んで、制御部200のメモリに、低温充電不足量B、放電量の積算値D、最大自己放電量の積算値E、容量ズレ減算量F、容量ズレ量の積算値FSをそれぞれ記憶して、一連の制御を終了する。なお、次にバッテリ残容量を算出する際には、ステップS18でメモリに記憶された低温充電不足量B、放電量の積算値D、最大自己放電量の積算値Eが、それぞれ前回値として用いられることとなる。
上記したように、本発明に係るバッテリ残容量算出装置によれば、バッテリ内で最も高温となる位置(高温となることが予想される位置)に配設された高温側温度センサと、バッテリ内で最も低温となる位置(低温となることが予想される位置)に配設された低温側温度センサとを備え、低温側温度センサおよび高温側温度センサの出力値と、バッテリの充電率の値とに基づいて、バッテリの最大自己放電量および最小自己放電量をそれぞれ導出し、最大自己放電量から最小自己放電量を減じた値を各セルの容量ズレ量として算出するようにしたので、この容量ズレ量を考慮することでバッテリの残容量の検知精度を高めることが可能となる。
なお、バッテリの容量や構造、制御部の構成、充電特性マップ、容量ズレ特性マップ、自己放電量マップの設定、残容量算出処理や均等化処理の実施タイミング等は、上記実施形態に限られず、種々の変更が可能である。本発明に係るバッテリ残容量算出装置は、電動車両の動力源として用いられるバッテリのほか、種々の用途に用いられる二次電池に適用することが可能である。
2a…バッテリセル、36…メインバッテリ(バッテリ)、90…充放電電流測定ユニット、91U…上側(高温側)温度センサ、91L…下側(低温側)温度センサ、200…制御部、202…満充電状態検知手段、202a…バッテリ電圧センサ、203…放電量検知手段、204…低温充電不足量検知手段、205…低温放電不足量検知手段、206…容量ズレ量算出手段、207…自己放電量算出手段、206m…自己放電量マップ、208…均等化処理手段、m…充電特性マップ、A…満充電容量、B…低温充電不足量、C…低温放電不足量、D…放電量の積算値、E…最大自己放電量の積算値、F…容量ズレ減算量、FS…容量ズレ量の積算値、SHmax…最大自己放電量の今回値、SHmax0…最大自己放電量の前回値、SHmin…最小自己放電量、Ft…容量ズレ量の今回値、F0…容量ズレ量の前回値

Claims (7)

  1. 複数のセル(2a)が結合してなるバッテリ(36)の所定位置の温度を検出する温度センサ(91U,91L)と、
    前記バッテリ(36)の満充電容量(A)から複数の減算要素を減算することで前記バッテリ(36)の残容量(R)を算出する制御部(200)とを有するバッテリ残容量算出装置において、
    前記温度センサ(91U,91L)は、前記バッテリ(36)内で高温が予想される位置に配設された高温側温度センサ(91U)と、前記バッテリ(36)内で低温が予想される位置に配設された低温側温度センサ(91L)とからなり、
    前記制御部(200)は、前記高温側温度センサ(91U)の出力に基づいて導出される最大自己放電量(SHmax)から前記低温側温度センサ(91L)の出力に基づいて導出される最小自己放電量(SHmin)を減算した値を前記バッテリ(36)の容量ズレ量(Ft)として算出し、前記容量ズレ量(Ft)を、前記残容量(R)の算出時に前記満充電容量(A)から減算する減算要素に含めることを特徴とするバッテリ残容量算出装置。
  2. 前記容量ズレ量(Ft)を今回値に設定して、この容量ズレ量の今回値(Ft)と前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値(F0)との積算値である容量ズレ減算量(F)を、前記残容量(R)の算出時に前記満充電容量(A)から減算する減算要素として用いることを特徴とする請求項1に記載のバッテリ残容量算出装置。
  3. 前記低温側温度センサ(91L)および高温側温度センサ(91U)の出力値と、バッテリ(36)の充電率(SOC)の値とに基づいて、前記最大自己放電量(SHmax)および最小自己放電量(SHmin)を導出する自己放電量マップ(206m)を具備することを特徴とする請求項1または2に記載のバッテリ残容量算出装置。
  4. 前記バッテリ(36)は、車両(1)への搭載時にその天井面および底面が略水平に指向する略直方体に形成されており、
    前記高温側センサ(91U)は、前記バッテリ(36)の天井面側に取り付けられ、
    前記低温側センサ(91L)は、前記バッテリ(36)の底面側に取り付けられることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のバッテリ残容量算出装置。
  5. 前記低温側温度センサ(91L)および高温側温度センサ(91U)は、それぞれ、前記バッテリ(36)の車体前後方向の略中央で、かつ車幅方向の略中央に取り付けられていることを特徴とする請求項4に記載のバッテリ残容量算出装置。
  6. 前記制御部(200)は、
    前記バッテリ(36)の基本温度時の充電特性と低温時の充電特性との差異に基づいて、低温充電不足量(B)および低温放電不足量(C)を算出し、
    充放電電流測定ユニット(90)の測定値に基づいて前記バッテリ(36)の放電量の積算値(D)を算出し、
    前記最大自己放電量(SHmax)を今回値に設定して、この最大自己放電量の今回値(SHmax)と前回の残容量算出時に算出された最大自己放電量の前回値(SHmax0)との積算値(E)を算出し、
    前記算出された容量ズレ量(Ft)を今回値に設定して、この容量ズレ量の今回値(Ft)と前回の残容量算出時に算出された容量ズレ量の前回値(F0)との積算値である容量ズレ減算量(F)を算出し、
    前記満充電容量(A)から、前記低温充電不足量(B)と、前記低温放電不足量(C)と、前記放電量の積算値(D)と、前記最大自己放電量の積算値(E)と、前記容量ズレ減算量(F)とを減算することによって、前記残容量(R)を算出することを特徴とする請求項1に記載のバッテリ残容量算出装置。
  7. 前記バッテリ(36)は、箱状のバッテリケース(37)内に収納されており、
    前記バッテリケース(37)は、一方側の壁面に設けられた開口(93)から導入された冷却風が他方側の壁面に設けられた開口(94)から導出されるように構成されており、
    前記高温側温度センサ(91U)は、低温側温度センサ(91L)より冷却風の下流側に配設されていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のバッテリ残容量算出装置。
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