JP2012054168A - 二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 充放電電流を検出する電流検出手段に異常が発生した場合であっても、二次電池の充電率を算出できる充電率算出装置および充電率算出方法を提供する。
【解決手段】 バッテリ6の充放電電流を検出しセンサ電流Iを出力する電流センサ4と、センサ電流Iに基づいて充電率SOCを算出するSOC算出部23と、バッテリ6の電気負荷毎に設けられ、対応する電気負荷の電流を検出する電流センサ11,13,15段と、センサ電流Iに基づいて電流センサ4の異常を判定する異常判定部20と、電流センサ4の異常と判定された場合、電流センサ11,13,15により検出された各電気負荷の電流i1〜i3の合計値である負荷電流合計値iをセンサ電流Iの代替値としてSOC算出部23へ入力するスイッチ22と、を備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法に関する。

特許文献１に記載の充電率算出装置では、二次電池の充放電電流と端子電圧とに基づいて二次電池の充電率を算出している。

特表２００４−５１４２４９号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、充放電電流を検出する電流検出手段に異常が生じた場合、充電率を算出できないという問題があった。
本発明の目的は、充放電電流を検出する電流検出手段に異常が発生した場合であっても、二次電池の充電率を算出できる充電率算出装置および充電率算出方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、充放電電流を検出する電流検出手段に異常が発生したと判定された場合、二次電池の各電気負荷の電流の合計値に基づいて充電率を算出する。

二次電池の各電気負荷に流れる電流の合計値は、二次電池の充放電電流にほぼ近い値となるため、各電気負荷の電流の合計値に基づいて充電率を算出することで、電流検出手段に異常が発生した場合であっても、充電率を算出できる。

実施例１のバッテリシステム1の構成図である。 コントローラ2の制御ブロック図である。 SOC算出部23の制御ブロック図である。 バッテリ6の内部抵抗等価回路を示すバッテリモデル25である。 逐次パラメータ推定の制御ブロック図である。 バッテリ6のOCV-SOC特性図である。 コントローラ2の充電率算出処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の二次電池の充電率算出装置および充電率算出方法を実施するための形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
まず、実施例１の構成を説明する。
図１は、実施例１のバッテリシステム1の構成図であり、実施例１のバッテリシステム1は、電気自動車に搭載されている。
バッテリシステム1は、コントローラ2、電圧センサ（端子電圧検出手段）3、電流センサ（電流検出手段）4、バッテリ（二次電池）6および３つの電気負荷（走行用モータ7、電動コンプレッサ用モータ8、PTCヒータ9）を備える。
電圧センサ3は、バッテリ6の端子電圧を検出し、センサ電圧Vを出力する。
電流センサ4は、バッテリ6の充放電電流を検出し、センサ電流Iを出力する。

走行用モータ7は、駆動輪を駆動するモータジェネレータであり、インバータ10と接続している。インバータ10は、バッテリ6から供給された直流電力を交流電力に変換して走行用モータ7を駆動する。電流センサ（負荷電流検出手段）11は、走行用モータ7の充放電電流を検出し、負荷電流i1を出力する。
電動コンプレッサ用モータ8は、図外の空調用コンプレッサを駆動するモータであり、インバータ12と接続している。インバータ12は、バッテリ6から供給された直流電力を交流電力に変換して電動コンプレッサ用モータ8を駆動する。電流センサ（負荷電流検出手段）13は、電動コンプレッサ用モータ8の電流を検出し、負荷電流i2を出力する。
PTC(Positive Temperature Coefficient)ヒータ9は、暖房運転時の補助ヒータとして温風吹出ダクト内に配設され、通電により過熱し、ヒータコア通過後のエアコン風を暖める。PTCヒータ9は、DC/DCコンバータ14と接続している。DC/DCコンバータ14は、バッテリ6から供給された直流電力を12Vまで降圧してPTCヒータ9および図外の複数の12V系電気負荷（例えば、運転者の操舵力を補助する電動パワーステアリングモータ）に供給する。電流センサ（負荷電流検出手段）15は、PTCヒータ9の電流を検出し、負荷電流i3を出力する。
リレー16は、バッテリ6と各電気負荷（インバータ10,12およびDC/DCコンバータ14）との電気的な接続を維持または遮断する。

コントローラ2は、各センサの出力に基づいてバッテリ6の充電率SOC(State of charge)を演算し、バッテリ6の充放電を制御する。また、コントローラ2は、充電率SOCに満充電容量FCCを乗算して得られるバッテリ6のバッテリ残量RCまたはバッテリ残量RCから予測される走行可能距離をドライバへ提示する。
図２は、コントローラ2の制御ブロック図である。
コントローラ2は、異常判定部（異常判定手段）20、加算器21、スイッチ（入力電流切り替え手段）22、SOC算出部（充電率算出手段）23、およびRC算出部24を備える。

異常判定部20は、電流センサ4からのセンサ電流Iを読み込み、センサ電流Iが正常な範囲内にあるとき、電流センサ4は正常に動作していると判定して判定信号1(true)を出力し、センサ電流Iが正常な範囲から外れたとき、電流センサ4の異常と判定して判定信号0(false)を出力する。例えば、バッテリ6の最大出力パワーと最大入力パワーを共に90kWとし、端子電圧を345Vとすると、最大電流は260Aとなる。よって、実施例１では、電流センサ4の異常判定に用いるセンサ電流Iの正常な範囲を、-260A〜260Aにそれぞれ10A程度のマージンを加えた-270A〜270Aの範囲とする。
加算器21は、電流センサ11,12,13により検出された各負荷電流i1,i2,i3を加算した負荷電流合計値iを出力する。
スイッチ22は、異常判定部20から出力された判定信号をリンク運転選択指令として入力し、リンク運転選択指令が1(true)のときは電流センサ4からのセンサ電流Iを出力し、0(false)のときは負荷電流合計値iを出力する。

SOC算出部23は、スイッチ22から出力されたセンサ電流Iまたは負荷電流合計値iと、電圧センサ3から出力されたセンサ電圧Vとに基づいて、充電率SOCを算出する。
図３は、SOC算出部23の制御ブロック図であり、SOC算出部23は、パラメータ推定部23a、OCV推定部23b、OCV-SOC変換部23cを有する。
パラメータ推定部23aは、図４に示すバッテリモデル25の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を推定する。
図４は、バッテリ6の内部抵抗等価回路を示すバッテリモデル25であり、バッテリモデル25は、電解液抵抗とオーム抵抗等の直流成分を設定する抵抗R0と、電荷移動過程における動的な振る舞いを表す反応抵抗として設定する抵抗R1と、電気二重層として設定するC1と、拡散過程における動的な振る舞いを表すものとして設定するR2,C2とにより構成される。ここでは、電荷移動過程で一次の並列回路、拡散過程で二次の並列回路の等価回路モデルで表しているが、状況に応じてそれぞれの次数は変化する。

図５は、逐次パラメータ推定の制御ブロック図である。
バッテリ6は、この制御系への入力となる測定される電流（センサ電流Iまたは負荷電流合計値i）を入力とし、測定されるバッテリ電圧Vを出力する。このバッテリ6は実際のバッテリを扱うものとして設定されたものである。
バッテリモデル25は、バッテリ6のモデルとなる等価回路であり、適応機構26による修正出力で等価回路のパラメータを調整し、電圧モデル推定値であるV＾を出力する。さらに、等価回路の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を出力する。なお、抵抗値R1,R2は、説明上、抵抗を示す符号と、抵抗値を示す記号の両方で用いる。
適応機構26は、バッテリ6の端子電圧とバッテリモデル25の端子電圧推定値V^との差分がなくなるように、VとV＾で演算される偏差に応じて、バッテリモデル25の演算内容を修正する出力を行い（V＾は、Vの推定値を表し、実際はVの上に＾がある表記になる）、各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を逐次修正する。これにより、現在のバッテリ6の状態に合致したバッテリモデルを得ることができる。実施例１では、適応機構26として、カルマンフィルタを用いている。

図３に戻り、OCV推定部23bは、推定された各パラメータR0,R1,R2,C1,C2とセンサ電流I（または負荷電流合計値i）から過電圧VRを算出し、センサ電圧Vから過電圧VRを減算して開放電圧OCVを計算する。
OCV-SOC変換部23cは、あらかじめ設定されたOCV-SOC変換テーブルを用いて開放電圧OCVを充電率SOCに変換する。図６は、バッテリ6のOCV-SOC特性図であり、開放電圧OCVと充電率SOCとの関係は、温度や劣化に依らず常に一定に保たれるため、あらかじめ実験によりバッテリ6のOCV-SOC特性を測定し、OCV-SOC変換テーブルを作成しておく。
RC算出部24は、算出された充電率SOCに満充電容量FCCを乗算してバッテリ残量RCを算出する。また、バッテリ残量RCから走行可能距離を予測する。

［充電率算出処理］
図７は、コントローラ2の充電率算出処理の流れを示すフローチャートで、以下、各ステップについて説明する。この処理は、所定の演算周期で繰り返し実行される。
ステップS1では、電圧センサ3からセンサ電圧V、電流センサ4からセンサ電流I、各電流センサ11,13,15から各負荷電流i1,i2,i3を読み込む。
ステップS2では、異常判定部20において、センサ電流Iが正常な範囲内(-270A〜270A)にあるか否かを判定し、YESの場合にはステップS3へ進み、NOの場合にはステップS4へ進む。
ステップS3では、スイッチ22において、センサ電流IをSOC算出部23の入力電流とする。
ステップS4では、スイッチ22において、各負荷電流i1〜i3を合計した負荷電流合計値iをSOC算出部23の入力電流とする。

ステップS5では、パラメータ推定部23aにおいて、入力電流（センサ電流Iまたは負荷電流合計値i）とセンサ電圧Vとからバッテリモデル25の各パラメータR0,R1,R2,C1,C2を推定する。
ステップS6では、OCV推定部23bにおいて、ステップS5で推定された各パラメータR0,R1,R2,C1,C2、入力電流（センサ電流Iまたは負荷電流合計値i）およびセンサ電圧Vから開放電圧OCVを算出する。
ステップS7では、OCV-SOC変換部23cにおいて、ステップS6で推定された開放電圧OCVから、OCV-SOC変換テーブル（図６）を参照して充電率SOCを算出する。

次に、実施例１の作用を説明する。
［電流センサ異常時の負荷電流に基づく充電率算出作用］
従来の充電率算出装置では、バッテリの充放電電流を検出する電流センサと端子電圧を検出する電圧センサとを備え、両センサの出力信号に基づいて充電率を算出している。このため、電流センサに故障等の異常が発生した場合、充電率が算出不能となる。特に、電気自動車のバッテリの場合、充電率が算出不能となるのに伴いバッテリの入出力可能パワーを演算できなくなるため、車両が走行不能となる。

これに対し、実施例１の充電率算出装置では、電流センサ4に異常が発生したと判定された場合、バッテリ6の各電気負荷（走行用モータ7、電動コンプレッサ用モータ8、PTCヒータ9）の負荷電流i1〜i3を加算した負荷電流合計値iをセンサ電流Iの代替値とし、負荷電流合計値iとセンサ電圧Vとから充電率SOCを算出する。
バッテリ6の各電気負荷に流れる電流の合計値（負荷電流合計値）iは、バッテリ6の充放電電流にほぼ近い値となるため、負荷電流合計値iに基づいて充電率SOCを算出することで、電流センサ4に異常が発生した場合であっても、実際の充電率に近い充電率SOCを算出できる。よって、車両が走行不能となるのを回避でき、車両をディーラーや修理工場まで移動させることができる。また、ドライバが車両を移動させる際、大まかな走行可能距離を把握できる。

ここで、実施例１では、バッテリ6の全ての電気負荷の負荷電流を検出せず、走行用モータ7、電動コンプレッサ用モータ8およびPTCヒータ9の負荷電流i1〜i3を検出して負荷電流合計値iとしている。これは、負荷電流合計値iを用いた充電率SOCの算出は、あくまで車両が走行不能となるのを回避するための措置であり、極端に高精度な充電率SOCは要求されないからである。そして、仮に全ての電気負荷に電流センサを設けた場合、大幅なコストアップを招くからである。

また、各電気負荷のうち、走行用モータ7と電動コンプレッサ用モータ8は、他の12V系電気負荷よりも大きな電流が流れるため、バッテリ6の充放電電流の大部分は、走行用モータ7と電動コンプレッサ8との電流のやりとりによって生じたものとみなすことができる。よって、走行用モータ7と電動コンプレッサ用モータ8の負荷電流i1,i2を負荷電流合計値iに含めることで、実際の充放電電流に近い負荷電流合計値iを得ることができ、充電率SOCを精度良く算出できる。
なお、走行用モータ7および電動コンプレッサ用モータ8は、トルク制御および回転速度制御のために電流値を検出しているため、電流センサ11,13は必須の構成であり、実施例１の充電率算出のために新たな電流センサを追加する必要がなく、コストアップを抑制できるとの利点を有する。

実施例１では、以下に列挙する効果を奏する。
(1) バッテリ6の充放電電流を検出しセンサ電流Iを出力する電流センサ4と、センサ電流Iに基づいて充電率SOCを算出するSOC算出部23と、バッテリ6の電気負荷毎に設けられ、対応する電気負荷の電流を検出する電流センサ11,13,15段と、センサ電流Iに基づいて電流センサ4の異常を判定する異常判定部20と、電流センサ4の異常と判定された場合、電流センサ11,13,15により検出された各電気負荷の電流i1〜i3の合計値である負荷電流合計値iをセンサ電流Iの代替値としてSOC算出部23へ入力するスイッチ22と、を備えた。
負荷電流合計値iはバッテリ6の充放電電流と略一致するため、負荷電流合計値iに基づいて充電率SOCを算出することで、電流センサ4に異常が発生した場合であっても、充電率SOCを算出できる。

(2) バッテリ6は、走行用モータ7を電気負荷とする車載バッテリであるため、電流センサ4に異常が発生した場合であっても、バッテリ6の入出力可能パワーを算出でき、車両が走行不能となるのを回避できる。
(3) 電気負荷として、空調用電動コンプレッサを駆動する電動コンプレッサ用モータ8を備え、スイッチ22は、走行用モータ7と電動コンプレッサ用モータ8の電流i1,i2を負荷電流合計値iに含める。
これにより、全ての電気負荷の電流を検出することなく、実際の充放電電流に近い負荷電流合計値iを得ることができ、充電率SOCを精度良く算出できる。

(4) 電流センサ4により検出されたセンサ電流Iに基づいて充電率SOCを算出する二次電池の充電率算出方法において、バッテリ6の各電気負荷（走行用モータ7、電動コンプレッサ用モータ8、PTCヒータ9）の電流i1,i2,i3をそれぞれ検出し、センサ電流Iに基づいて電流センサ4の異常を判定し、電流センサ4に異常が発生したと判定された場合、負荷電流合計値iに基づいて充電率SOCを算出する。
負荷電流合計値iはバッテリ6の充放電電流と略一致するため、負荷電流合計値iに基づいて充電率SOCを算出することで、電流センサ4に異常が発生した場合であっても、充電率SOCを算出でき、車両が走行不能となるのを回避できる。

（他の実施例）
以上、本発明の二次電池の充電率算出装置を実施例に基づいて説明したが、具体的な構成については、実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加は許容される。
例えば、実施例では、逐次パラメータ推定にカルマンフィルタを用いたが、他の推定方法を用いてもよい。

実施例では、充放電電流と端子電圧とから二次電池の等価モデルを用いて開放電圧を推定し、推定した開放電圧から充電率を求める例を示したが、充放電電流を時間積分して充電率を求めてもよい。また、両者を併用してもよい。
実施例では、走行用モータ、電動コンプレッサ用モータおよびPTCヒータの電流を合計して負荷電流合計値を算出したが、少なくとも走行用モータと電動コンプレッサ用モータの電流を合計すればよく、PTCヒータの電流は省いてもよい。また、電動パワーステアリングモータ等、他の12V系電気負荷の電流を加えてもよい。

3 電圧センサ（端子電圧検出手段）
4 電流センサ（電流検出手段）
6 バッテリ（二次電池）
7 走行用モータ（電気負荷）
8 電動コンプレッサ用モータ（電気負荷）
9 PTCヒータ（電気負荷）
11 電流センサ（負荷電流検出手段）
13 電流センサ（負荷電流検出手段）
15 電流センサ（負荷電流検出手段）
20 異常判定部（異常判定手段）
22 スイッチ（入力電流切り替え手段）
23 SOC算出部（充電率算出手段）

Claims (4)

1. 二次電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
   前記充放電電流に基づいて前記二次電池の充電率を算出する充電率算出手段と、
   前記二次電池の電気負荷毎に設けられ、対応する電気負荷の電流を検出する負荷電流検出手段と、
   前記充放電電流に基づいて前記電流検出手段の異常を判定する異常判定手段と、
   前記電流検出手段の異常と判定された場合、前記負荷電流検出手段により検出された各電気負荷の電流の合計値を前記充放電電流の代替値として前記充電率算出手段へ入力する入力電流切り替え手段と、
   を備えたことを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
2. 請求項１に記載の二次電池の充電率算出装置において、
   前記二次電池は、走行用モータを電気負荷とする車載バッテリであることを特徴とする充電率算出装置。
3. 請求項２に記載の二次電池の充電率算出装置において、
   前記電気負荷として、空調用電動コンプレッサを駆動する電動コンプレッサ用モータを備え、
   前記入力電流切り替え手段は、前記走行用モータと前記電動コンプレッサ用モータの電流を前記各電気負荷の電流の合計値に含めることを特徴とする二次電池の充電率算出装置。
4. 電流検出手段により検出された二次電池の充放電電流に基づいて充電率を算出する二次電池の充電率算出方法において、
   前記二次電池の各電気負荷の電流をそれぞれ検出し、
   前記充放電電流に基づいて前記電流検出手段の異常を判定し、
   前記電流検出手段に異常が発生したと判定された場合、検出された各電気負荷の電流の合計値に基づいて充電率を算出することを特徴とする二次電池の充電率算出方法。

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