JP2013238536A - バッテリ残存容量演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置の提供。
【解決手段】バッテリ２に電力を供給する発電機１は、エンジン１１およびクランキングモータ１０により駆動される。コントローラ４は、バッテリ２の電力で走行モータ５を駆動する。バッテリ２の電力の残存容量が少ない場合や走行モータ５の出力要求が大きい場合には、コントローラ４は、クランキングモータ１０を駆動させる。クランキングモータ１０を駆動させると、制御用バッテリ３の電圧が変動し、センサ８により検出されるバッテリ２の電圧が変動する。そのため、バッテリ２の残存容量を計算し続けると、誤差が発生し、残存容量算出の精度が低下する。そこで、コントローラ４は、クランキングモータ１０を駆動させるときに、バッテリ２の残存容量の算出を一時的に停止させる。そして、クランキングモータ１０の駆動が終了したら、残存容量の算出を再開させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、バッテリ残存容量演算装置に関する。

ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池といった蓄電デバイスの小型軽量化、高エネルギー密度化が進んでいる。そして、蓄電デバイスは、携帯型の情報通信機器から電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として活発に利用されている。蓄電デバイスを活用するには、残存容量を正確に把握する必要がある。そこで、従来から蓄電デバイスの充放電電流を積算して残存容量を求める技術や、開放電圧に基づいて残存容量を求める技術が知られている。ハイブリッド車両等に用いられる蓄電デバイスは、蓄電デバイスの残存容量の算出に高い精度が必要とされている。蓄電デバイスの残存容量の算出精度を高める方法として、例えば、特許文献１の蓄電デバイスの残存容量演算装置が開示されている。特許文献１の残存容量演算装置では、電圧、電流、温度の何れかの測定系に異常が発生してデータを正常に取得できない場合でも、必要最小限の精度で残存容量の算出を継続させ、制御系への影響を最小限に抑えている。

特開２００５−３３１４８２号公報

しかしながら、蓄電デバイスの残存容量の算出精度を低下させるものは、電圧、電流、温度の測定系の異常だけではない。つまり、各測定系からのデータが外乱により変動するという問題がある。そのため、各測定系が正確であっても、外乱により残存容量の算出値の精度が低下する虞がある。また、何れかの測定系に異常が発生した場合にも必要最小限の精度で残存容量の算出を継続しても、外乱により残存容量の算出値の精度が低下する虞がある。なお、外乱としては、例えば、エンジン始動時のクランキングによる制御電源電圧の変動が挙げられる。エンジン始動時にはクランキングモータを駆動する。このときクランキングモータの電源である制御電源の電圧が変動する。これにより、測定される蓄電デバイスの電圧が変動したと認識されてしまうことがある。そのため、本来の測定値ではない外乱を含んだ測定値を用いて残存容量を算出してしまうこととなり、残存容量の算出の精度が低下するという問題があった。特に、電流積算による残存容量の算出を行う場合には、外乱による残存容量のずれが積み重なって増大していくため、算出精度が大きく低下する虞があった。なお、外乱としては、クランキングにより発生する制御電源電圧の変動だけではなく、コンタクタ回路のオンもしくはオフにより発生するノイズがある。また、他の外乱としては、メンテナンス用の電源遮断するサービスプラグを取り外したときに生じる動力電源電圧の低下がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置の提供である。

上記の課題を解決するために、本発明は、発電機と、発電機により発電された電気を充放電自在なバッテリと、発電機を駆動するエンジンと、エンジンを始動させるクランキングモータと、バッテリの電圧もしくは電流を検出する検出手段と、バッテリの残存容量を算出する演算手段と、を備え、演算手段は、検出手段により検出される電圧もしくは電流に外乱が加わる外乱発生期間を判断して、該外乱発生期間には、検出手段により検出される電圧もしくは電流を用いて行われる電流積算に基づくバッテリの残存容量の算出を停止することを特徴とする。本発明により、外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置を提供することができる。

また、本発明の演算手段は、クランキングモータの駆動期間を外乱発生期間と判断することを特徴とする。これにより、クランキングで発生する外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置を提供することができる。

また、本発明のバッテリ残存容量演算装置は、バッテリに接続され、バッテリからの電力の供給を遮断自在に切り替えるサービスプラグを備え、演算手段は、サービスプラグがバッテリから取り外されている期間を外乱発生期間と判断することを特徴とする。これにより、サービスプラグを取り外したことで発生する外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置を提供することができる。

また、本発明のバッテリ残存容量演算手段は、発電機およびバッテリと、演算手段との間に設けられ、発電機もしくはバッテリからモータドライバへの電力の供給と遮断とを自在に切り替える電力遮断手段とを備え、電力遮断手段を切り替えた時点を起点とする予め設定された所定期間を、外乱発生期間と判断することを特徴とする。これにより、電力遮断手段の切り替えで発生する外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置を提供することができる。

また、本発明の演算手段は、外乱発生期間には、検出手段により検出される電圧値もしくは電流値に代えて外乱発生期間の直前の電圧値もしくは電流値から想定される想定電圧値もしくは想定電流値を用いて電流積算に基づくバッテリの残存容量の積算を行うことを特徴とするを特徴とする。本発明により、外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置を提供することができる。

本発明により、外乱による算出精度の低下を抑制したバッテリ残存容量演算装置を提供できる。

本発明のバッテリ残存容量演算装置を示す概略図。 クランキング時における検出値を示すグラフ。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係るバッテリ残存容量演算装置を図に基づいて説明する。
図１は、ハイブリッドフォークリフトにおける駆動システムの概略図である。本実施形態のハイブリッドフォークリフトには、発電機１が備えられている。そして、発電機１には、発電機１により発電された電気を充放電自在なバッテリ２が接続されている。さらに、発電機１には、発電機１を駆動するエンジン１１が連結されている。エンジン１１には、エンジン１１を始動させるクランキングモータ１０が連結されている。クランキングモータ１０には、クランキングモータ１０を駆動するための制御用バッテリ３が接続されている。バッテリ２および制御用バッテリ３には、駆動システムの全体を制御するコントローラ４が接続されている。コントローラ４は、バッテリ２の充放電を制御するものである。コントローラ４は、制御用バッテリ３を制御し、クランキングモータ１０の駆動を制御するものである。コントローラ４には、駆動システムの状態をハイブリッドフォークリフトのオペレータに通知するための表示装置７が接続されている。さらに、コントローラ４には、駆動システムの出力として、モータドライバ６と走行モータ５が接続されている。

発電機１およびバッテリ２と、コントローラ４との間には、コンタクタ３０が設けられている。コンタクタ３０は、発電機１もしくはバッテリ２からモータドライバ６への電力の供給と遮断とを自在に切り替えるものである。コンタクタ３０は、ハイブリッドフォークリフトのキーオンで電力を供給状態にされ、キーオフで電力を遮断する状態とされる。また、コンタクタ３０は、駆動システムに異常が発生した場合にコントローラ４により遮断されるものである。そして、発電機１およびコンタクタ３０と、バッテリ２との間には、バッテリ２の電圧および電流を検出する検出手段としてセンサ８が設けられている。センサ８は、センサ８により検出されたバッテリ２の電圧および電流をコントローラ４に送信自在に接続されている。また、発電機１およびコントローラ４と、バッテリ２との間には、サービスプラグ９が設けられている。サービスプラグ９は、前記バッテリ２からの電力の供給を遮断自在に切り替えるものである。サービスプラグ９は、メンテナンス時以外はバッテリ２と発電機１およびコントローラ４とをつないでいる。また、サービスプラグ９がバッテリ２からの電力を供給する状態もしくは遮断する状態であるかは、コントローラ４に信号が送信されている。なお、本実施形態では、コントローラ４は、バッテリ２の残存容量を算出する演算手段を構成している。コンタクタ３０は、電力遮断手段を構成している。また、本実施形態のコントローラ４には、モータドライバ６および走行モータ５と並列に図示しない荷役用のモータコントローラおよび荷役モータが接続されている。

次に、本実施形態における走行モータ５の駆動について説明する。
オペレータがハイブリッドフォークリフトを操作すると、コントローラ４は、バッテリ２から電力をモータドライバ６に供給する。そして、モータドライバ６からの出力により走行モータ５を駆動させる。駆動システムは、走行モータ５および荷役モータの出力要求およびバッテリ２の残存容量に応じて、発電機１を駆動させることがある。コントローラ４は、発電機１を駆動させるときに、クランキングモータ１０を制御用バッテリ３により駆動させる。クランキングモータ１０が駆動すると、クランキングモータ１０に連結されたエンジン１１が駆動する。なお、本駆動システムでは、エンジン１１が駆動して、安定状態になると、クランキングモータ１０は停止する。エンジン１１が駆動すると、エンジン１１に連結された発電機１が駆動する。発電機１が駆動すると、発電機１により発電された電気は、コントローラ４およびモータドライバ６を介して走行モータ５および荷役モータに供給される。走行モータ５および荷役モータは、バッテリ２および発電機１からの電力により、出力要求に応じて駆動される。そして、バッテリ２の残存容量が少ない場合には、エンジン１１および発電機１が駆動され続ける。そして、発電機１で発電された電気の余剰分は、バッテリ２に充電される。バッテリ２の残存容量が既定の容量以上である場合には、発電機１およびエンジン１１は、停止するようにコントローラ４により制御される。

次に、本実施形態におけるバッテリ２の残存容量の算出と外乱について説明する。
コントローラ４は、バッテリ２の残存容量を常に算出している。コントローラ４には、センサ８にて検出されるバッテリ２の電圧および電流が入力されている。コントローラ４は、バッテリ２の電流変動から充放電を積算し、バッテリ２の残存容量を算出する。さらに、コントローラ４は、センサ８により検出される電圧から開放電圧を推定する。そして、コントローラ４は、推定した値に基づいてマップなどから、電流積算により算出したバッテリ２の残存容量を補正する。コントローラ４は、既知の電流を積算する方法で算出する。ここで、センサ８で検出される電流値は、外乱により本来の値とは異なる値を検出する場合がある。例えば、クランキングモータ１０が駆動されるときである。クランキングモータ１０が駆動されると、センサ８により検出されるバッテリ２の電流値は、図２に示すように大きく変動する。電流値は、コントローラ４がクランキングモータ１０を駆動する時刻ｔ１からクランキングモータ１０の駆動が停止される時刻ｔ２の間で大きく変動する。これは、コントローラ４が、センサ８から入力されるバッテリ２の電流の基準を制御用バッテリ３の値としているからである。クランキングにより、制御用バッテリ３が使用されると、コントローラ４における基準が変動して、センサ８で検出される電流の値が大きく変動したと認識されてしまう。

そこで、コントローラ４は、クランキングモータ１０の駆動期間である図２の時刻ｔ１から時刻ｔ２の間を外乱発生期間と判断する。そして、コントローラ４は、バッテリ２の残存容量の算出において、外乱発生期間である時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、電流積算を一時的に停止する。コントローラ４は、クランキングモータ１０の駆動を制御している。そのため、クランキングモータ１０を駆動させる指令を出力するときを時刻ｔ１と設定する。そして、クランキングモータ１０が所定時間経過して、エンジン１１の駆動が安定したときを時刻ｔ２として認識する。コントローラ４は、時刻ｔ２を経過し、クランキングモータ１０の駆動が停止されたら、電流積算を再開する。そして、バッテリ２の残存容量を電流積算および電圧補正により算出する。

本実施形態では、以下の効果を奏する。
（１）コントローラ４は、クランキングモータ１０を駆動させるときに、電流積算によりバッテリ２の残存容量の算出を一時的に停止する。そのため、外乱により発生する電流の変動に起因するバッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制することができる。なお、ハイブリッドフォークリフトでは、走行モータ５および荷役モータで要求される出力と、バッテリ２の残存容量に応じて、発電機１が駆動される。要求出力が大きく変動すると、発電機１の駆動および停止が頻繁に繰り返されることがある。その都度、クランキングモータ１０の始動において、センサ８で検出される電流を用いた電流積算を一時停止することで、バッテリ２の残存容量の算出精度の低下を大きく抑制することができる。
（２）バッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制することにより、バッテリ２の管理を適切に保つことができる。例えば、バッテリ２の残存容量の算出精度が低下すると、誤って過充電、過放電を行うことになるが、算出精度の低下を抑制できるため、過充電、過放電を回避でき、バッテリ２の寿命を短縮させることがない。
（３）バッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制することにより、駆動システムにおいて適切な容量のバッテリ２を用いることができる。そのため、残存容量の算出精度が低下する場合には、バッテリ２の必要容量以上に余裕を持たせるため、バッテリ２の大容量化が必要となる。しかし、バッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制できるため、バッテリ２の大容量化を防止することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と同じハイブリッドフォークリフトの駆動システムである。そのため、同じ部材番号を用いて説明する。第２の実施形態は、バッテリ２の残存容量の算出において、サービスプラグ９による外乱を除外するものである。コントローラ４は、第１の実施形態と同様に、既知の電流積算方法によりバッテリ２の残存容量を算出している。ここで、駆動システムのメンテナンス時に、サービスプラグ９を取り外すと、バッテリ２の基準電圧が変わってしまう。そのため、センサ８により検出されるバッテリ２の電流および電圧が変動する。図１の駆動システムでは、サービスプラグ９を取り外すと、バッテリ２の電圧が低下したようにセンサ８により検出される。バッテリ２の残存容量が変化しないメンテナンス時に、バッテリ２の残存容量の算出を続けると、低下したと検出された電圧によりバッテリ２の残存容量を少なく補正してしまう。これにより、バッテリ２の残存容量の算出精度が大きく低下する。そこで、コントローラ４は、サービスプラグ９が取り外されているときを外乱発生期間と判断する。コントローラ４は、サービスプラグ９が取り外されると、取り外された信号を受け取る。すると、バッテリ２の残存容量の算出を一時的に停止させる。そして、メンテナンスが終了するなどして、サービスプラグ９が取り付けられると、コントローラ４にサービスプラグ９の取り付けの信号が入力される。すると、コントローラ４は、バッテリ２の残存容量の算出を再開する。

本発明では、以下の効果を奏する。
（４）コントローラ４は、サービスプラグ９が取り外されたときに、電流積算によりバッテリ２の残存容量の算出を一時的に停止する。そのため、外乱により発生する電流の変動に起因するバッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制することができる。
（５）サービスプラグ９は、取り外しおよび取り付けの信号をコントローラ４に送信する構成である。そのため、コントローラ４は、サービスプラグ９が取り外されたときを正確に把握することができる。これにより、コントローラ４は、サービスプラグ９が取り外されているときだけ、バッテリ２の残存容量の算出を正確に停止させることができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と同じハイブリッドフォークリフトの駆動システムである。そのため、同じ部材番号を用いて説明する。第３の実施形態は、バッテリ２の残存容量の算出において、コンタクタ３０による外乱を除外するものである。コントローラ４は、第１の実施形態と同様に、既知の電流積算方法によりバッテリ２の残存容量を算出している。ここで、センサ８により検出されるバッテリ２の電流値は、コンタクタ３０のオフによりノイズが発生する場合がある。コンタクタ３０は、ハイブリッドフォークリフトで何らかの異常が発生した場合に、コントローラ４によりオフにされて、電力を遮断する。コンタクタ３０がオフされると、センサ８で検出される電流および電圧にノイズが発生する。ノイズを含んだ電流および電圧を用いてバッテリ２の残存容量を算出すると、算出精度が大きく低下する。そこで、コントローラ４は、コンタクタ３０がオンからオフに切り替えられる時を外乱発生期間と判断する。コントローラ４は、コンタクタ３０をオフに切り替える直前に、バッテリ２の残存容量の算出を一時的に停止させる。そして、コンタクタ３０をオフに切り替えたことにより発生するノイズが無くなるまでの所定時間、例えば、コンタクタ３０をオフに切り替えた時点を起点として０．１秒経過したら、コントローラ４は、バッテリ２の残存容量の算出を再開する。

本発明では、以下の効果を奏する。
（６）コントローラ４は、コンタクタ３０がオフ切り替えられたときに、電流積算によりバッテリ２の残存容量の算出を一時的に停止する。そのため、コンタクタ３０の切り替えにより発生するノイズによりバッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制することができる。
（７）コンタクタ３０は、コントローラ４により切り替えを制御されている。そのため、コントローラ４は、コンタクタ３０の切り替えにより生じるノイズを事前に把握することが容易である。そのため、コントローラ４は、バッテリ２の残存容量の算出を一時停止させるタイミングを正確に制御することができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態は、図１に示す第１の実施形態と同じハイブリッドフォークリフトの駆動システムである。そのため、同じ部材番号を用いて説明する。第４の実施形態は、バッテリ２の残存容量の算出において、外乱発生期間には、センサ８から検出される電流値、電圧値の代わりに予め想定された電流値、電圧値を用いるものである。ここでは、第１の実施形態のクランキングモータ１０が駆動されているときを外乱発生期間と判断した場合について説明する。コントローラ４は、クランキングモータ１０の駆動期間である図２の時刻ｔ１から時刻ｔ２の間を外乱発生期間と判断する。すると、コントローラ４は、バッテリ２の残存容量の算出において、外乱発生期間である時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、センサ８で検出される電流値、電圧値の代わりに、予め想定された電流値、電圧値を使用する。本実施形態では、コントローラ４は、外乱発生期間の直前である時刻ｔ１における電流値、電圧値を予め想定される想定電圧値もしくは想定電流値とする。予め想定された想定電流値としては、図２に示すＩ１の一定値である。コントローラ４は、時刻ｔ２を経過し、クランキングモータ１０の駆動が停止されたら、センサ８で検出される電流値を用いて、バッテリ２の残存容量の算出を再開する。そして、センサ８により検出される電圧を用いて電圧補正しバッテリ２の残存容量を算出する。

本発明では、以下の効果を奏する。
（８）コントローラ４は、クランキングモータ１０を駆動させるときに、センサ８により検出される電流値の代わりに予め想定される想定電流値を用いて電流積算をし、電圧補正してバッテリ２の残存容量を算出する。そのため、外乱により発生する電流の変動に起因するバッテリ２の残存容量の算出精度の低下を抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。以下に本発明の変更例を記載する。
○第４の実施形態における外乱発生時に予め想定された値を用いる電流積算方法は、第２の実施形態におけるサービスプラグ９の取り外し時に適用しても良い。また、第３の実施形態におけるコンタクタ３０のオンまたはオフ時に適用しても良い。
○本発明は、ハイブリッドフォークリフトに限定されない。第２の実施形態や第３の実施形態などを、バッテリフォークリフトやトーイングリフトなど電気自動車に適用しても良い。
○第３の実施形態において、コンタクタ３０がオフからオンに切り替えられる時点より所定期間の間、バッテリ２の残存容量の算出を一時停止しても良い。また、電流遮断手段としてのコンタクタ３０は、コンタクタ３０以外に部品を用いて電流を遮断する構成としても良い。また、コンタクタ３０以外の周辺機器についても、同様にバッテリ２の残存容量の算出を一時停止しても良い。
○第４の実施形態における予め想定された値は、一定値でなくても良い。例えば、電流の変化パターンから近似線を計算し、近似線をコントローラ４に予め記憶しておいて、近似線から代わりの値を想定しても良い。

１ 発電機
２ バッテリ
３ 制御用バッテリ
４ コントローラ
５ 走行モータ
６ モータドライバ
７ 表示装置
８ センサ
９ サービスプラグ
１０ クランキングモータ
１１ エンジン
３０ コンタクタ

Claims (5)

1. 発電機と、
   前記発電機により発電された電気を充放電自在なバッテリと、
   前記発電機を駆動するエンジンと、
   前記エンジンを始動させるクランキングモータと、
   前記バッテリの電圧もしくは電流を検出する検出手段と、
   前記バッテリの残存容量を算出する演算手段と、を備え、
   前記演算手段は、前記検出手段により検出される電圧もしくは電流に外乱が加わる外乱発生期間を判断して、該外乱発生期間には、前記検出手段により検出される電圧もしくは電流を用いて行われる電流積算に基づく前記バッテリの残存容量の算出を停止することを特徴とするバッテリ残存容量演算装置。
2. 前記演算手段は、前記クランキングモータの駆動期間を前記外乱発生期間と判断することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ残存容量演算装置。
3. 前記バッテリに接続され、前記バッテリからの電力の供給を遮断自在に切り替えるサービスプラグを備え、
   前記演算手段は、前記サービスプラグが前記バッテリから取り外されている期間を前記外乱発生期間と判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバッテリ残存容量演算装置。
4. 前記発電機および前記バッテリと、前記演算手段との間に設けられ、前記発電機もしくは前記バッテリからモータドライバへの電力の供給と遮断とを自在に切り替える電力遮断手段とを備え、
   前記電力遮断手段を切り替えた時点を起点とする予め設定された所定期間を、前記外乱発生期間と判断することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のバッテリ残存容量演算装置
5. 前記演算手段は、前記外乱発生期間には、前記検出手段により検出される電圧値もしくは電流値に代えて該外乱発生期間の直前の電圧値もしくは電流値から想定される想定電圧値もしくは想定電流値を用いて電流積算に基づく前記バッテリの残存容量の積算を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のバッテリ残存容量演算装置。

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