JP2017198455A

JP2017198455A - 充電率推定装置

Info

Publication number: JP2017198455A
Application number: JP2016086697A
Authority: JP
Inventors: 順一波多野; Junichi Hatano; 隆広都竹; Takahiro Tsutake; 祐希村松; Yuki Muramatsu
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】組電池に有する複数の電池の充電状態や電圧にばらつきがあっても、各電池の充電率を適正に推定する。
【解決手段】組電池に有する複数の電池Ｂのうちの少なくとも１つの電池Ｂが満充電判定条件を満たすと、組電池の充電を停止させる充電制御部３１と、満充電判定条件を満たした満充電電池の充電率を１００［％］に設定するとともに、満充電電池以外の未満充電電池の充電率を、組電池の充電が停止したときの未満充電電池の電圧から推定する推定部３２とを備えて充電率推定装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池の充電率を推定する充電率推定装置に関する。

既存の充電率推定装置として、例えば、電池が満充電判定条件を満たすと、その電池の充電率（電池の満充電容量に対する残容量の割合（百分率））を１００［％］に設定するものがある。関連する技術として、例えば、特許文献１がある。

また、既存の充電率推定装置として、例えば、充電終了時の電池の電圧により、その電池の充電率を推定するものがある。関連する技術として、例えば、特許文献２がある。
上記充電率推定装置を用いて、複数の電池を有する組電池の充電率を推定する場合、例えば、少なくとも１つの電池が満充電判定条件を満たすと、または、少なくとも１つの電池の電圧により推定される充電率が１００［％］になると、組電池の充電率を１００［％］に設定することが考えられる。

特開２００１−１５７３７７号公報特開２０１４−１８１９２４号公報

しかしながら、上述のように、少なくとも１つの電池が満充電判定条件を満たすと、または、少なくとも１つの電池の電圧により推定される充電率が１００［％］になると、組電池の充電率を１００［％］に設定する場合では、各電池の充電状態や電圧にばらつきがあると、満充電判定条件を満たした電池や充電率が１００［％］である電池以外の電池の充電率が実際の充電率よりも高くなってしまう。このように、組電池の一部の電池の充電率が実際の充電率よりも高くなってしまうと、例えば、組電池の充電率が１００［％］から２０［％］になるまで組電池を放電させたときに、組電池の一部の電池の充電率が２０［％］ではなく０［％］になっているおそれがあり、このような充電状態の組電池を使用するユーザが違和感を覚えるおそれがある。

本発明の一側面に係る目的は、組電池に有する複数の電池の充電状態や電圧にばらつきがあっても、各電池の充電率を適正に推定することが可能な充電率推定装置を提供することである。

本発明に係る一つの形態である充電率推定装置は、充電制御部と、推定部とを備える。
充電制御部は、組電池に有する複数の電池のうちの少なくとも１つの電池が満充電判定条件を満たすと、組電池の充電を停止させる。

推定部は、満充電判定条件を満たした満充電電池の充電率を１００［％］に設定するとともに、満充電電池以外の未満充電電池の充電率を、組電池の充電が停止したときの未満充電電池の電圧から推定する。

本発明によれば、組電池に有する複数の電池の充電状態や電圧にばらつきがあっても、各電池の充電率を適正に推定することができる。

実施形態の充電率推定装置を含む電池パックの一例を示す図である。定電流定電圧充電制御を説明するための図である。制御部の動作を説明するためのフローチャートである。記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態の充電率推定装置を含む電池パックの一例を示す図である。
図１に示す電池パック１は、例えば、電動フォークリフトなどの車両に搭載され、走行モータを駆動するインバータなどの負荷へ電力を供給する。

また、電池パック１は、複数の電池モジュール２と、制御部３と、記憶部４とを備える。なお、記憶部４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。

各電池モジュール２は、それぞれ、電池スタックＳと、スイッチＳＷと、電流検出部２１と、温度検出部２２と、監視部２３とを備える。なお、各電池モジュール２のそれぞれの電池スタックＳは、互いに並列接続され、組電池を構成する。

電池スタックＳは、直列接続される複数の電池Ｂ（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、または、電気二重層コンデンサ）により構成される。なお、各電池スタックＳは、それぞれ、１つの電池Ｂで構成されてもよい。

スイッチＳＷは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体リレーや電磁式リレーにより構成される。充電器Ｃｈから電池パック１へ電力が供給されているとき、スイッチＳＷがオンしている電池モジュール２が有する電池Ｂが充電され、その電池Ｂの電圧が上昇する。

電流検出部２１は、例えば、ホール素子やシャント抵抗により構成され、各電池Ｂに流れる電流を検出する。
温度検出部２２は、例えば、サーミスタにより構成され、各電池Ｂの温度を検出する。

監視部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成され、各電池Ｂの電圧を検出する。また、監視部２３は、制御部３から送られてくる指示により、スイッチＳＷのオン、オフを制御する。また、監視部２３は、各電池Ｂの電圧、電流検出部２１により検出される電流、及び温度検出部２２により検出される温度を示す電池状態情報を制御部３に送る。

制御部３は、所定の充電制御（例えば、定電流定電圧充電制御）を行うことで各電池Ｂを充電させる充電制御部３１と、各電池Ｂの充電率（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）を推定する推定部３２とを備える。なお、制御部３は、例えば、ＣＰＵまたはプログラマブルディバイスにより構成され、ＣＰＵまたはプログラマブルディバイスが所定のプログラムを実行することによって、充電制御部３１及び推定部３２が実現される。また、充電率推定装置は、例えば、少なくとも充電制御部３１及び推定部３２を備えて構成される。

図２は、定電流定電圧充電制御を説明するための図である。なお、図２（ａ）に示すグラフの横軸は時間を示し、縦軸は電池Ｂの電圧Ｖを示している。また、図２（ｂ）に示すグラフの横軸は時間を示し、縦軸は電池Ｂに流れる電流Ｉを示している。

まず、充電制御部３１は、充電開始から電圧Ｖが一定電圧Ｖｃに上昇するまでの間（ｔ０〜ｔ１）、電流Ｉを一定電流Ｉｃに保ちつつ、電圧Ｖが一定電圧Ｖｃまで徐々に上昇するように、電流指令値を充電器Ｃｈへ送ることで電池Ｂを充電させる（定電流充電制御）。

次に、充電制御部３１は、電圧Ｖが一定電圧Ｖｃまで上昇してから電流Ｉが終了電流Ｉｆに減少するまでの間（ｔ１〜ｔ２）、電圧Ｖを一定電圧Ｖｃ以上に保ちつつ、電流Ｉが終了電流Ｉｆまで徐々に減少するように、電流指令値を充電器Ｃｈへ送ることで電池Ｂを充電させる（定電圧充電制御）。

そして、充電制御部３１は、組電池の各電池Ｂのうちの少なくとも１つの電池Ｂの電圧Ｖが一定電圧Ｖｃ以上で、かつ、その電池Ｂに流れる電流Ｉが終了電流Ｉｆ以下になると、その電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断し、充電停止指示を充電器Ｃｈに送るとともに、すべてのスイッチＳＷをオンからオフに切り替える。充電器Ｃｈは、充電停止指示を受け取ると、電池パック１への電力供給を停止する。

図３は、制御部３の動作を説明するためのフローチャートである。
まず、制御部３の充電制御部３１は、所定の充電制御を開始した後、何れの電池Ｂも満充電判定条件を満たしていないと判断している間（Ｓ３０２：Ｎｏ）、継続して所定の充電制御を行う（Ｓ３０１）。

次に、充電制御部３１は、少なくとも１つの電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断すると（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）、充電を停止させる（Ｓ３０３）。例えば、充電制御部３１は、上述のように、定電流定電圧充電制御を行う場合、少なくとも１つの電池Ｂの電圧Ｖが一定電圧Ｖｃ以上で、かつ、その電池Ｂに流れる電流が終了電流Ｉｆ以下になると、その電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断する。なお、充電制御部３１は、他の所定の充電制御として、急速充電制御を行う場合、少なくとも１つの電池Ｂの電圧Ｖが一定電圧Ｖｃ以上になった時点で、その電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断してもよい。また、他の所定の充電制御として、定電力充電制御を行う場合、少なくとも１つの電池Ｂの電圧Ｖが終了電圧値以上、または、電流Ａが終了電流値以下になった時点で、その電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断してもよい。また、充電制御部３１は、少なくとも１つの電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断すると、充電停止指示を充電器Ｃｈへ送るとともに、すべてのスイッチＳＷをオンからオフに切り替えることにより、充電を停止させる。

そして、制御部３の推定部３２は、組電池の各電池Ｂのうち、満充電判定条件を満たした電池Ｂである満充電電池の充電率を１００［％］に設定するとともに、組電池の各電池Ｂのうち、満充電電池以外の電池Ｂである未満充電電池の充電率を、充電が停止したときの未満充電電池の電圧により推定する（Ｓ３０４）。

例えば、推定部３２は、図４（ａ）に示すように、電池Ｂに流れる電流Ｉ（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、・・・）毎に、電池Ｂの温度Ｔ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・）と電池Ｂの劣化度Ｄ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・）と補正値Ｖｃ（充電停止から分極が解消するまでの間に変動する電池Ｂの電圧幅）（Ｖｃ１１、Ｖｃ１２、Ｖｃ１３、・・・）とが対応付けられた情報を記憶部４から取り出し、その取り出した情報を参照して、充電停止時に未満充電電池に流れていた電流Ｉと、充電停止時の未満充電電池の温度Ｔ及び劣化度Ｄとに対応する補正値Ｖｃを求める。なお、電池Ｂに流れる電流が大きくなる程、電池Ｂの分極が大きくなるため、電流Ｉが大きくなる程、補正値Ｖｃが大きな値になるように設定する。また、電池Ｂの温度が高くなる程、電池Ｂの分極が大きくなるため、温度Ｔが大きくなる程、補正値Ｖｃが大きな値になるように設定する。また、電池Ｂの劣化度が大きくなる程、電池Ｂの分極が大きくなるため、劣化度Ｄが大きくなる程、補正値Ｖｃが大きな値になるように設定する。このように補正値Ｖｃを設定することにより、補正値Ｖｃを最適値に近づけることができる。

次に、推定部３２は、充電停止時（各スイッチＳＷがオンからオフに切り替わった後）に監視部２３により検出された未満充電電池の開回路電圧から、上記求めた補正値Ｖｃを減算することにより、分極解消時の未満充電電池の開回路電圧を推定する。

そして、推定部３２は、図４（ｂ）に示すように、電池Ｂの開回路電圧ＯＣＶ（ＯＣＶＶ１、Ｖ２、Ｖ３、・・・）と、電池Ｂの充電率ＳＯＣ（ＳＯＣ１、ＳＯＣ２、ＳＯＣ３、・・・）とが対応付けられた情報を参照して、上記推定した分極解消時の未満充電電池の開回路電圧に対応する充電率を求め、その求めた充電率を未満充電電池の充電率とする。

なお、制御部３は、少なくとも１つの電池Ｂが満充電判定条件を満たしたと判断すると、組電池の充電率として１００［％］を、図１に示す車両側制御部５に送る。車両側制御部５は、制御部３から送られてくる充電率を、図１に示す表示部６（例えば、ディスプレイ）に表示させる。また、制御部３は、車両が走行することで組電池が放電し始めるまで、または、車両の停車状態が継続することで組電池が自然放電し始めるまで、満充電判定条件を満たした電池Ｂの充電率を１００［％］に維持するとともに、車両側制御部５に送る充電率を１００［％］に維持する。

上記実施形態では、少なくとも１つの電池Ｂが満充電判定条件を満たすと、その満充電電池の充電率を１００［％］に設定するとともに、満充電電池以外の未満充電電池の充電率を、組電池の充電が停止したときの未満充電電池の電圧により推定しているため、各電池Ｂの充電状態や電圧Ｖにばらつきがあっても、各電池Ｂの充電率を適正に推定することができる。これにより、例えば、少なくとも１つの電池Ｂの充電率が１００［％］になると、組電池の充電率として１００［％］がユーザに対して表示され、少なくとも１つの電池Ｂの充電率が０［％］になると、組電池の充電率として０［％］がユーザに対して表示される場合、各電池Ｂの実際の充電率と、ユーザに対して表示される組電池の充電率との乖離を抑えることができるため、ユーザに違和感を覚えさせないようにすることができる。

また、上記実施形態では、充電停止時の未満充電電池の開回路電圧により未満充電電池の充電率を推定する構成であるため、充電停止までに未満充電電池に流れる電流の積算値により未満充電電池の充電率を推定する場合に比べて、電流検出部２１で生じる検出誤差に相当する充電率を未満充電電池の充電率に含ませないようにすることができるため、未満充電電池の充電率の推定精度を上げることができる。

また、上記実施形態では、監視部２３により検出された未満充電電池の開回路電圧から分極を考慮した補正値Ｖｃを減算することで分極解消時の未満充電電池の開回路電圧を推定する構成であるため、分極解消時の未満充電電池の開回路電圧の推定精度を上げることができ、未満充電電池の充電率の推定精度をさらに上げることができる。

また、上記実施形態では、未満充電電池に流れる電流Ｉ、未満充電電池の温度Ｔ及び劣化度Ｄを考慮して補正値Ｖｃを求める構成であり、補正値Ｖｃを最適値に近づけることができるため、分極解消時の未満充電電池の開回路電圧の推定精度をさらに上げることができ、未満充電電池の充電率の推定精度をさらに上げることができる。

また、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１電池パック
２電池モジュール
３制御部
４記憶部
５車両側制御部
６表示部
２１電流検出部
２２温度検出部
２３監視部
３１充電制御部
３２推定部
Ｃｈ充電器
Ｓ電池スタック
Ｂ電池
ＳＷスイッチ

Claims

組電池に有する複数の電池のうちの少なくとも１つの電池が満充電判定条件を満たすと、前記組電池の充電を停止させる充電制御部と、
前記満充電判定条件を満たした満充電電池の充電率を１００［％］に設定するとともに、前記満充電電池以外の未満充電電池の充電率を、前記組電池の充電が停止したときの前記未満充電電池の電圧により推定する推定部と、
を備える充電率推定装置。
請求項１に記載の充電率推定装置であって、
前記推定部は、前記未満充電電池の充電率を、前記組電池の充電が停止したときの前記未満充電電池の開回路電圧から、前記未満充電電池の分極を考慮した補正値を減算した分極解消時の前記未満充電電池の開回路電圧により推定する
ことを特徴とする充電率推定装置。