JP2014098599A - Ｓｏｃ推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリに瞬間的に大きな充放電電流が流れる場合であっても、バッテリのＳＯＣの推定精度の低下を抑えることが可能なＳＯＣ推定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電流センサ１１により検出される電池の充放電電流をＡＤ変換するＡＤ変換部１５と、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、第１のＬＳＢでＡＤ変換部１５によりＡＤ変換された電流値Ｉ１が閾値よりも大きいときのその電流値Ｉ１と、電流値Ｉ１が閾値以下のときに第１のＬＳＢよりも小さい第２のＬＳＢでＡＤ変換部１５によりＡＤ変換された電流値Ｉ２との積算結果を用いて今回のＳＯＣを推定する制御部１６とを備えてＳＯＣ推定装置６を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの満充電容量に対する現在の残充電容量の比率であるＳＯＣ（State Of Charge）を推定するＳＯＣ推定装置に関する。

複数の充電可能な二次電池を直列に接続して高電圧のバッテリを実現する技術が実用化されている。この種のバッテリは、近年では、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などの車両への実装において注目されている。

ところで、バッテリのＳＯＣは、バッテリの充放電電流を電流センサで検出し、その検出した充放電電流の積算値を用いて推定する場合がある。そして、このようにＳＯＣを推定する場合では、充放電電流の積算値をマイコンなどで計算するために、電流センサから出力されるアナログ値をデジタル値に変換する必要がある。

また、リチウムイオン二次電池を用いてバッテリを構成する場合では、瞬間的にバッテリの定格電流の何倍もの充放電電流がバッテリに流れる可能性がある。そして、ＡＤ変換時のデジタル値のビット数を増やさずに、大きな充放電電流を取得する場合では、ＡＤ変換時の分解能である最小位ビット（以下、ＬＳＢ（Least Significant Bit）という）を大きくする必要がある。

特開２００６−２６６７３８号公報 特開平９−９３８２５号公報 特開２００７−３２７８２３号公報

しかしながら、ＡＤ変換時の最小位ビットを大きくする場合では、電流センサから出力されるアナログ値とＡＤ変換後のデジタル値との間に誤差が発生する可能性があり、ＳＯＣの推定精度が低下するおそれがある。

本発明は、バッテリに瞬間的に大きな充放電電流が流れる場合であっても、バッテリのＳＯＣの推定精度の低下を抑えることが可能なＳＯＣ推定装置を提供することを目的とする。

本発明のＳＯＣ推定装置は、ＡＤ変換部と、制御部とを備える。
前記ＡＤ変換部は、電流センサにより検出される電池の充放電電流をＡＤ変換する。
前記制御部は、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、第１の最小位ビットで前記ＡＤ変換部によりＡＤ変換された第１の電流値が閾値よりも大きいときのその第１の電流値と、前記第１の電流値が前記閾値以下のときに前記第１の最小位ビットよりも小さい第２の最小位ビットで前記ＡＤ変換部によりＡＤ変換された第２の電流値との積算結果を用いて今回のＳＯＣを推定する。

これにより、閾値よりも大きな充放電電流を取得することができるとともに、閾値以下の充放電電流を、誤差を小さくして取得することができるので、瞬間的に大きな充放電電流がバッテリに流れる場合であっても、バッテリのＳＯＣの推定に用いる充放電電流の積算結果を精度良く求めることができ、バッテリのＳＯＣの推定精度の低下を抑えることができる。

本発明によれば、バッテリに瞬間的に大きな充放電電流が流れる場合であっても、バッテリのＳＯＣの推定精度の低下を抑えることができる。

本発明の実施形態のＳＯＣ推定装置が搭載される車両の一例を示す図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。 記憶部に記憶されるデータの一例を示す図である。 バッテリの充放電電流と電流値Ｉ１の一例を示す図である。 バッテリの充放電電流と電流値Ｉ２の一例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態のＳＯＣ推定装置が搭載される車両の一例を示す図である。
図１に示す車両１は、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などであって、電池パック２と、インバータ回路３と、走行用モータ４と、走行制御ＥＣＵ５と、ＳＯＣ推定装置（電池ＥＣＵ）６とを備える。

電池パック２は、互いに直列接続される複数の二次電池７（例えば、リチウムイオン二次電池など）から構成されるバッテリ８と、スイッチ９、１０（例えば、電磁式リレーやＭＯＳＦＥＴなど）と、電流センサ１１（例えば、カレントトランスなど）とを備える。

スイッチ９は、バッテリ８のプラス端子とインバータ回路３の一方の入力端子との間に設けられ、スイッチ１０は、バッテリ８のマイナス端子とインバータ回路３の他方の入力端子との間に設けられている。なお、バッテリ８は、１つの二次電池７により構成されてもよい。

電流センサ１１は、バッテリ８のプラス端子側に設けられ、バッテリ８に流れる充放電電流を検出する。なお、電流センサ１１は、バッテリ８のマイナス端子側に設けられ、バッテリ８に流れる充放電電流を検出してもよい。

インバータ回路３は、バッテリ８から供給される直流電力を交流電力に変換して走行用モータ４を駆動する。
走行制御ＥＣＵ５は、制御部１２と、通信部１３とを備える。

制御部１２は、ユーザによるアクセルペダルやブレーキペダルの操作に応じた制御信号に基づいてインバータ回路３の動作を制御することにより車両１の発進、加速、減速などの走行に関する制御を行う。

ＳＯＣ推定装置６は、通信部１４と、ＡＤ変換部１５と、制御部１６と、記憶部１７とを備える。
なお、通信部１４、ＡＤ変換部１５、及び制御部１６は、それぞれ、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成され、記憶部１７に記憶されているプログラムをＣＰＵ又はプログラマブルなデバイスが読み出して実行することにより、通信処理、ＡＤ変換処理、又はＳＯＣ推定処理などを行う。

また、記憶部１７は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、ＳＯＣ推定装置６の外部に設けられてもよい。
通信部１４は、走行制御ＥＣＵ５の通信部１３とＣＡＮ（Controller Area Network）通信などを行う。

ＡＤ変換部１５は、電流センサ１１により検出されるバッテリ８の充放電電流をアナログ値からデジタル値に変換し電流値として出力する。
制御部１６は、走行制御ＥＣＵ５から通信部１３、１４を介して送られてくる要求（例えば、インバータ回路３への電力供給要求）などに基づいて、スイッチ９、１０のオン、オフを制御する。スイッチ９、１０がオフからオンになると、バッテリ８のプラス端子がインバータ回路３の一方の入力端子と接続されるとともに、バッテリ８のマイナス端子がインバータ回路３の他方の入力端子と接続される。すると、バッテリ８からの直流電力がインバータ回路３へ供給される。一方、スイッチ９、１０がオンからオフになると、バッテリ８のプラス端子とインバータ回路３の一方の入力端子とが切断されるとともに、バッテリ８のマイナス端子とインバータ回路３の他方の入力端子とが切断される。すると、バッテリ８からインバータ回路３への電力供給が停止する。

また、制御部１６は、ＡＤ変換部１５から出力される電流値に基づいて、バッテリ８のＳＯＣを推定する。
図２は、バッテリ８のＳＯＣを推定する際の制御部１６の動作を示すフローチャートである。なお、図２に示す一連の動作は一定時間毎（ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・）に制御部１６により実行されるものとする。

まず、制御部１６は、ＡＤ変換部１５のビット数及び第１のフルスケール（例えば、バッテリ８の瞬間最大電流値）によって決まる第１のＬＳＢ（第１の最小位ビット）でＡＤ変換部１５から出力される電流値Ｉ１（第１の電流値）を記憶部１７に記憶する（Ｓ１）。例えば、ＡＤ変換部１５のビット数が４［ｂｉｔ］、ＡＤ変換部１５の第１のフルスケールが±１２０［Ａ］である場合、ＡＤ変換部１５の第１のＬＳＢは、±１２０［Ａ］／１６＝±７．５［Ａ］となる。この場合、ＡＤ変換部１５は、電流値Ｉ１として、±７．５［Ａ］、±１５．０［Ａ］、±２２．５［Ａ］、±３０．０［Ａ］、±３７．５［Ａ］、±４５．０［Ａ］、±５２．５［Ａ］、±６０．０［Ａ］、±６７．５［Ａ］、±７５．０［Ａ］、±８２．５［Ａ］、±９０．０［Ａ］、±９７．５［Ａ］、±１０５．０［Ａ］、±１１２．５［Ａ］、±１２０．０［Ａ］のうちのいずれか１つを出力する。

次に、制御部１６は、ＡＤ変換部１５のビット数及び第２のフルスケール（例えば、バッテリ８の定格電流）により決まる第２のＬＳＢ（第２の最小位ビット）でＡＤ変換部１５から出力される電流値Ｉ２（第２の電流値）を記憶部１７に記憶する（Ｓ２）。例えば、ＡＤ変換部１５のビット数が４［ｂｉｔ］、ＡＤ変換部１５の第２のフルスケールが±２０［Ａ］である場合、ＡＤ変換部１５の第２のＬＳＢは、±２０［Ａ］／１６＝±１．２５［Ａ］となる。この場合、ＡＤ変換部１５は、電流値Ｉ２として、±１．２５［Ａ］、±２．５０［Ａ］、±３．７５［Ａ］、±５．００［Ａ］、±６．２５［Ａ］、±７．５０［Ａ］、±８．７５［Ａ］、±１０．００［Ａ］、±１１．２５［Ａ］、±１２．５０［Ａ］、±１３．７５［Ａ］、±１５．００［Ａ］、±１６．２５［Ａ］、±１７．５０［Ａ］、±１８．７５［Ａ］、±２０．００［Ａ］のうちのいずれか１つを出力する。

次に、制御部１６は、今回、ＡＤ変換部１５から出力された電流値Ｉ１が閾値（例えば、第２のフルスケール）よりも大きいと判断した場合（Ｓ３がＹｅｓ）、閾値よりも大きい充放電電流がバッテリ８に流れた旨を走行制御ＥＣＵ５に伝え（Ｓ４）、その電流値Ｉ１にフラグをたてる（Ｓ５）。

また、制御部１６は、電流値Ｉ１が閾値以下であると判断した場合に（Ｓ３がＮｏ）、走行制御ＥＣＵ５などからＳＯＣの推定要求があると（Ｓ６がＹｅｓ）、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、記憶部１７に記憶されている電流値Ｉ１のうち、フラグがたっている電流値Ｉ１があるか否かを判断する（Ｓ７）。

そして、制御部１６は、フラグがたっている電流値Ｉ１がないと判断した場合（Ｓ７がＮｏ）、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、記憶部１７に記憶されている電流値Ｉ２を積算するとともに、その積算結果である電流容量［Ａｈ］を用いて今回のＳＯＣを推定する（Ｓ８）。

一方、制御部１６は、フラグがたっている電流値Ｉ１があると判断した場合（Ｓ７がＹｅｓ）、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、記憶部１７に記憶されている電流値Ｉ１のうち、フラグがたっている電流値Ｉ１と、フラグがたっていない電流値Ｉ１に対応する電流値Ｉ２を積算するとともに、その積算結果である電流容量［Ａｈ］を用いて今回のＳＯＣを推定する（Ｓ９）。

例えば、電流センサ１１により検出される充放電電流が、時間ｔ０：０［Ａ］、時間ｔ１：＋１２［Ａ］、時間ｔ２：＋１８［Ａ］、時間ｔ３：＋１５［Ａ］、時間ｔ４：＋１０［Ａ］、時間ｔ５：０［Ａ］、時間ｔ６：−９［Ａ］、時間ｔ７：−１９［Ａ］、時間ｔ８：−１１０［Ａ］、時間ｔ９：−１７［Ａ］、時間ｔ１０：０［Ａ］、時間ｔ１１：＋１９［Ａ］、時間ｔ１２：０［Ａ］である場合を考える。なお、充電電流を正の値とし、放電電流を負の値とする。

この場合、制御部１６により第１のＬＳＢに設定されるＡＤ変換部１５は、電流値Ｉ１として、時間ｔ０：０［Ａ］、時間ｔ１：＋７．５［Ａ］、時間ｔ２：＋１５．０［Ａ］、時間ｔ３：＋１５．０［Ａ］、時間ｔ４：＋７．５［Ａ］、時間ｔ５：０［Ａ］、時間ｔ６：−７．５［Ａ］、時間ｔ７：−１５．０［Ａ］、時間ｔ８：−１０５．０［Ａ］、時間ｔ９：−１５．０［Ａ］、時間ｔ１０：０［Ａ］、時間ｔ１１：＋１５．０［Ａ］、時間ｔ１２：０［Ａ］を出力する。

そして、制御部１６は、時間ｔ０〜ｔ１２においてＡＤ変換部１５から出力される各電流値Ｉ１を、例えば、図３に示すようなデータテーブルに格納して記憶部１７に記憶させる。

これにより、閾値をバッテリ８の定格電流である±２０［Ａ］とする場合、制御部１６は、図４に示すように、電流センサ１１により検出されるバッテリ８の充放電電流（破線）に対して誤差が多少あるが、バッテリ８の定格電流よりも大きい、時間ｔ８の電流値Ｉ１（実線）（−１０５．０［Ａ］）を取得することができる。

また、制御部１６により第２のＬＳＢに設定されるＡＤ変換部１５は、電流値Ｉ２として、時間ｔ０：０［Ａ］、時間ｔ１：＋１１．２５［Ａ］、時間ｔ２：＋１７．５０［Ａ］、時間ｔ３：＋１５．０［Ａ］、時間ｔ４：＋１０．００［Ａ］、時間ｔ５：０［Ａ］、時間ｔ６：−８．７５［Ａ］、時間ｔ７：−１８．７５［Ａ］、時間ｔ８：−２０．００［Ａ］、時間ｔ９：−１６．２５［Ａ］、時間ｔ１０：０［Ａ］、時間ｔ１１：＋１８．７５［Ａ］、時間ｔ１２：０［Ａ］を出力する。

そして、制御部１６は、時間ｔ０〜ｔ１２においてＡＤ変換部１５から出力される各電流値Ｉ２を、例えば、図３に示すようなデータテーブルに格納して記憶部１７に記憶させる。

これにより、閾値をバッテリ８の定格電流である±２０［Ａ］とする場合、制御部１６は、図５に示すように、バッテリ８の定格電流よりも大きい、時間ｔ８の電流値Ｉ２を取得することができないが、時間ｔ０〜ｔ７及び時間ｔ９〜ｔ１２において電流センサ１１により検出されるバッテリ８の充放電電流（破線）に対して誤差が小さいバッテリ８の電流値Ｉ２を取得することができる。

また、制御部１６は、時間ｔ８において、電流値Ｉ１が閾値（バッテリ８の定格電流である±２０［Ａ］）よりも大きくなると、その電流値Ｉ１のフラグをたてるために、例えば、図３に示すように、時間ｔ８に対応する電流値Ｉ１のフラグを「０」から「１」に変える。

また、制御部１６は、時間ｔ１２において、走行制御ＥＣＵ５などからＳＯＣの推定要求があると、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間（時間ｔ０〜ｔ１２）において、記憶部１７に記憶されている電流値Ｉ１のうち、フラグがたっている電流値Ｉ１（時間ｔ８に対応する電流値Ｉ１）と、フラグがたっていない電流値Ｉ１（時間ｔ０〜ｔ７及び時間ｔ９〜ｔ１２にそれぞれ対応する電流値Ｉ１）に対応する電流値Ｉ２を積算するとともに、その積算結果である電流容量［Ａｈ］をバッテリ８の満充電容量で除算しつつ１００を乗算した値を、前回推定したＳＯＣに加算して今回のＳＯＣとする。

このように本実施形態のＳＯＣ推定装置６では、前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、第１のＬＳＢでＡＤ変換部１５によりＡＤ変換された電流値Ｉ１が閾値よりも大きいときのその電流値Ｉ１と、電流値Ｉ１が閾値以下のときに第１のＬＳＢよりも小さい第２のＬＳＢでＡＤ変換部１５によりＡＤ変換された電流値Ｉ２との積算結果を用いて今回のＳＯＣを推定している。そのため、バッテリ８の定格電流よりも大きな充放電電流を取得することができるとともに、バッテリ８の定格電流以下の充放電電流を、誤差を小さくして取得することができるので、瞬間的に大きな充放電電流がバッテリ８に流れる場合であっても、バッテリ８のＳＯＣの推定に用いる充放電電流の積算結果を精度良く求めることができ、バッテリ８のＳＯＣの推定精度の低下を抑えることができる。

また、本実施形態のＳＯＣ推定装置６では、制御部１６がＡＤ変換部１５のＬＳＢを第１のＬＳＢ又は第２のＬＳＢに切り替えて電流値Ｉ１、Ｉ２を取得する。そのため、ＬＳＢが異なる電流センサを複数備えなくてもよく、コストを抑えることができる。

なお、上記実施形態では、制御部１６がＡＤ変換部１５のＬＳＢを第１のＬＳＢ又は第２のＬＳＢに切り替えて電流値Ｉ１、Ｉ２を取得する構成であるが、第１のＬＳＢに設定される第１のＡＤ変換部１５と第２のＬＳＢに設定される第２のＡＤ変換部１５とをＳＯＣ推定装置６に備えておき、制御部１６が第１のＡＤ変換部１５から電流値Ｉ１を取得し、第２のＡＤ変換部１５から電流値Ｉ２を取得するように構成してもよい。

１ 車両
２ 電池パック
３ インバータ回路
４ 走行用モータ
５ 走行制御ＥＣＵ
６ ＳＯＣ推定装置
７ 二次電池
８ バッテリ
９、１０ スイッチ
１１ 電流センサ
１２ 制御部
１３、１４ 通信部
１５ ＡＤ変換部
１６ 制御部
１７ 記憶部

Claims (3)

1. 電流センサにより検出される電池の充放電電流をＡＤ変換するＡＤ変換部と、
   前回のＳＯＣ推定から今回のＳＯＣ推定までの間において、第１の最小位ビットで前記ＡＤ変換部によりＡＤ変換された第１の電流値が閾値よりも大きいときのその第１の電流値と、前記第１の電流値が前記閾値以下のときに前記第１の最小位ビットよりも小さい第２の最小位ビットで前記ＡＤ変換部によりＡＤ変換された第２の電流値との積算結果を用いて今回のＳＯＣを推定する制御部と、
   を備えることを特徴とするＳＯＣ推定装置。
2. 請求項１に記載のＳＯＣ推定装置であって、
   前記ＡＤ変換部は、前記第１の最小位ビットでＡＤ変換する第１のＡＤ変換部と、前記第２の最小位ビットでＡＤ変換する第２のＡＤ変換部とを備える
   ことを特徴とするＳＯＣ推定装置。
3. 請求項１に記載のＳＯＣ推定装置であって、
   前記制御部は、前記ＡＤ変換部の最小位ビットを前記第１の最小位ビット、または、前記第２の最小位ビットに切り替えて、前記第１の電流値と前記第２の電流値とを取得する ことを特徴とするＳＯＣ推定装置。