JP3225812B2 - 蓄電池の状態管理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車等の移
動体の駆動用電源として用いられるニッケル・水素蓄電
池などの複数の蓄電池を集合して構成した組電池の状態
管理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】密閉式ニッケル・水素蓄電池やリチウム
二次電池はエネルギー密度、出力特性、サイクル寿命特
性などの基本特性に優れ、電気自動車等の移動体の駆動
モーターの電源として実用化への開発が進んでいる。こ
れらの蓄電池を電気自動車用として用いる場合、重要な
課題として蓄電池の残存容量を推定し、残りの走行可能
レベルを正確に表示する事が挙げられる。

【０００３】従来、前記した残りの走行可能レベル情報
を得るために、蓄電池から入出力される電流値の積算値
を計測したり、放電電圧と放電電流の関係から残存容量
を推定する方法があった。さらに、精度を上げるために
蓄電池を放置した場合に放出する自己放電電気量を放置
温度及び時間から予測して残存容量を補正する方法が採
られていた。又、残存容量の表示も充電完了時の容量を
１００％として、０％までを等間隔で表示する方式等
の、残存容量を絶対値で表示するものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、こうした移動
体のモータ用電源に用いる蓄電池の残存容量計は、精度
低下原因として自己放電以外に、部分充放電によるメモ
リー効果、長期放置による容量低下、サイクル寿命によ
る容量低下、放電特性劣化などが挙げられ、要因による
誤差を正確に補正する事が課題であった。

【０００５】又、残存容量表示自体についても、残存容
量の絶対値で表現した場合、電池温度や充電電流の値に
より十分な充電電気量で充電できず充電が完了しても１
００％の表示にならないとか、完全充電をおこなった後
の残存容量を強制的に１００％とした場合、充電完了時
の電池容量が一定でないので残存容量計の１目盛当りど
れだけの走行可能レベルなのか分からない、などの表示
上の課題があった。

【０００６】本発明は、上記課題を解決し正確な残存容
量の表示を可能とすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の蓄電池
を集合した組電池の近傍に設置されて蓄電池の電圧、温
度および圧力並びに周囲温度、充放電電流等の電池の状
態情報を検出し、得られた検出値をアナログ値からデジ
タル値に変換するアナログ−デジタル変換機能と、前記
デジタル値を順次シリアル方式で信号出力する検出ユニ
ットと、移動体の各種情報を制御する移動体信号制御部
と、前記検出ユニットと移動体信号制御部からの情報に
より演算処理を行なう演算部と、表示部に残存容量判定
信号を送出する残存容量判定信号部と、前記電池状態判
別ユニットからの残存容量判定信号とにより制御され電
池の残存容量を表示する表示部とからなる構成である。

【０００８】前記残存容量判定部には、検出部から送ら
れてくる充放電電流を積算する機能、電池電圧と放電電
圧より残存容量を推定する機能、電池保存期間および温
度より自己放電電気量を予測する機能、自己放電電気量
が当初設定された値より大きいと予測される時、電流積
算結果を無効と判断する機能、充放電電気量の履歴に基
づき積算電気量および電池電圧と放電電圧より求めた残
存容量を補正する機能、電池が充放電されない期間を計
測する機能、及び前記期間に基づき残存容量を補正する
機能、完全充電後は残存容量を１００％として前記表示
部に出力する機能、残存容量が電池の標準容量の５０〜
２０％の場合は、その値どうりに表示する構成である。

【０００９】

【発明の実施の形態】この装置において、検出ユニット
は、電池電圧、温度、充電電流、放電電流、電池内圧、
及び環境温度等の電池状態情報を検出し得られた情報を
電池状態判別ユニットに送出する。残存容量判定部は、
充放電電流積算機能、電池電圧と放電電流から残存容量
を求める機能、部分充放電を繰り返した場合のメモリー
効果により放電電圧が低下し、残存容量推定精度が低下
することを防止する機能、自己放電電気量を予測する機
能、自己放電電気量が大きい場合に電流積算結果を破棄
する機能、電池放置期間が長い場合電池電圧と放電電流
より残存容量を求めた結果を補正する機能、充放電履
歴、寿命劣化による影響を補正する機能、充電完了後は
１００％、放電末期は電池標準容量に合せた表示をおこ
なう機能により高精度の残存容量表示を達成する。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の蓄電池の状態管理装置の実
施例を示すブロック図である。この図１に示す装置は総
て電気自動車等の移動体に搭載される。図１において組
電池１には電池電圧Ｖ、電池温度ＴＴＢ、電池圧力Ｐ及
び周囲温度ＴＥ等の電池状態情報を検出する検出ユニッ
ト２が接続される。

【００１１】電池状態判別ユニット３にはこの検出ユニ
ット２と、電池の放電電流、充電電流、移動体のブレー
キ操作時に発生する電池への回生電流および移動体の各
種情報を制御する移動体信号制御部４と、交流電源を入
力として組電池１に充電電流を供給し、電池状態判別ユ
ニット３からの充電制御信号により制御される充電器５
および電池状態判別ユニット３からの信号により電池状
態を表示する表示部６とが接続されている。

【００１２】充電器５は組電池１に接続され、電池状態
判別ユニット３の充電制御信号により制御されて充電時
に組電池１に充電電流を供給する。また、組電池１はそ
の温度を均一化するため、送風部７から送り出される冷
却空気で冷却される。なお、組電池１はモーター等の負
荷８に接続され、そこに電力を供給する。

【００１３】図２は、本実施例における電池状態判別ユ
ニット３の構成を示す図である。電池状態判別ユニット
３はセントラル プロセッシング ユニット（ＣＰＵ）
１０１、検出ユニット２はＣＰＵ１０２、移動体信号制
御部４はＣＰＵ１０３、充電器５はＣＰＵ１０４をそれ
ぞれ備えている。

【００１４】電池状態判別ユニット３は検出ユニット２
と移動体信号制御部４からの情報により演算処理を行な
う演算部１１０と、充電器５に充電制御信号を送出する
充電制御信号部１１１と、表示部６に残容量判定信号を
送出する残容量判定信号部１１２と、表示部６に寿命判
定信号を送出する寿命判定信号部１１３と、移動体信号
制御部４に移動体制御信号を送出する移動体制御信号部
１１４とを有する。

【００１５】また、電池状態判別ユニット３と検出ユニ
ット２、移動体信号制御部４、充電器５および表示部６
はそれぞれシリアル信号、デジタル信号、アナログ信号
などの信号線群によって接続され、相互に情報の交換、
制御を行うことができる。

【００１６】図３は組電池１の構成を示す図である。組
電池１は図４で説明する１０個の公称電圧１．２ＶのＮ
ｉ／ＭＨ蓄電池のセル４０１〜４１０からなるモジュー
ル電池を２０１〜２２４で示す２４個直列に接続して構
成したものであり、これらは全て電池台１０５に収納さ
れて固定されている。

【００１７】従って、この組電池１は図５で説明するセ
ル２４０個直列に接続して構成したものであり、組電池
の合計電池電圧は２８８Ｖになる。この組電池１は移動
体の床下や座席後部などに装着され、モーターなどの負
荷の電源に供される。

【００１８】図４はモジュール電池の構成を示す図であ
る。モジュール電池は単セルを１０個直列接続して構成
したもので、金属で構成されたモジュール枠４００内に
固定され、１０セルを機械的に一体化もので、１個の集
合電池として容易に取り扱うことのできる構造になって
いる。

【００１９】本実施例ではセルを１０個直列接続してモ
ジュール電池を構成したものであるので、モジュール電
池の電池電圧は１２Ｖになる。

【００２０】なお、電池の配置スペース等を考慮して９
個、１０個、１１個等の異なるセル数で構成されたモジ
ュール電池を組み合わせて組電池１を構成することもで
きる。

【００２１】図５は本実施例の密閉形ニッケル・水素蓄
電池のセルの構造を示す図である。電槽２１内に、正極
板、負極板およびセパレータからなる電極群２２を収納
し、前記正極板は正極端子２３に、前記負極板は負極端
子２４に接続されている。

【００２２】また、電槽２１の蓋２６には端子２３、２
４のほかに一定圧力以上になると開弁してガスを放出す
る安全弁２５が設けられている。

【００２３】本発明では電圧１．２Ｖ、公称容量１００
Ａｈのセルを作成し、試験を行った。

【００２４】以上が本実施例に用いた蓄電池の状態管理
システムである。次に、電池状態判別ユニットの残存容
量判定部の機能を実施例毎に示す。

【００２５】まず、従来例Ａを示す。Ａは充電制御信号
部の充電完了信号により残存容量値として、充電時の電
池温度に基づいた放電可能な容量値、以後残存容量と呼
ぶを保持する。その後に、移動体が走行始めると放電電
気量を検査ユニットより得て前記放電可能な容量値から
減算していく。又、回生充電される電気量は、充電効率
を乗じた後加算する。走行中に休止の入ったり長期放置
された場合、休止期間、休止中の電池温度、及び電池の
残存容量に応じて、一定時間毎に残存容量から自己放電
電気量を減算する。求められた残存容量情報は電池残存
容量表示部へ送る。

【００２６】次に走行中の電池の電圧、電池温度、及び
放電電流より残存容量を推定する手段を有する従来例Ｂ
を示す。

【００２７】電池電圧、電池温度、放電電流は、検査ユ
ニットで計測される。これらのデータを下記関係式にあ
てはめ電池の標準状態での回路電圧を求める。こうして
求めた回路電圧より残存容量を推定する。

【００２８】標準状態の開路電圧＝ｆ（測定電圧＋電池
内部抵抗×分極分，電池温度） 走行中の負荷電流は、激しく変動している。そのため、
電池の電圧も大きく負荷電流の影響を受ける。定電流放
電を行なっている場合、その放電電圧より残存容量を求
めるのは比較的容易である。そこで変動する負荷の影響
をなくすために無負荷もしくは一定負荷での電池電圧を
推定することが必要となる。放電電流の変化が電池電圧
に与える影響を内部抵抗による部分と分極による部分に
分けて予め測定し、それに基づき補正を実施する。さら
に電池温度による電圧変化も、予め計測しておいた温度
との関係より補正を行い例えば電池温度２５℃無負荷で
の電圧（以後標準状態の回路電圧と呼ぶ）を求める。

【００２９】残存容量＝ｇ（標準状態の回路電圧） さらに、予め求めておいた標準状態の回路電圧より残存
容量を推定する。

【００３０】上記２式に基づき電池の残存容量を求め
る。電池内部抵抗は、放電電流の瞬間的な変化量と、電
池電圧の変化より求める。分極分は、平均放電電流と、
電池電圧に基づき実験的に予め求める。

【００３１】実際の計測に当たっては、放電負荷変動が
大きいためサンプリング誤差が大きくなる。これを防止
するために、放電電流と放電電圧の同時性の高いデータ
の測定が重要となる。本実施例では、電池電圧、放電電
流の入力部に数Ｈｚのローパスフィルタを設け、Ａ／Ｄ
変換部を独立して設置し共通の変換要求信号により同時
にＡ／Ｄ変換を行い同時性の高いデータを計測する。

【００３２】又、測定の精度を向上するために、計測を
１分間に数回行い、移動平均を求めて残存容量とした。

【００３３】次に本発明による実施例Ｃを示す。Ｃは、
Ａの機能およびＢの機能両者を併せ持つ。二つの機能に
より求めた残存容量値を電池放置による自己放電電気量
の大きさによって選択して表示をおこなう。選択の根拠
となる自己放電電気量の推定値は実施例Ａでの自己放電
電気量の補正に用いた値を使用する。自己放電電気量が
２０Ａｈを越える時は、電池電圧、電池温度、電流から
残存容量を推定する方式を優先する。

【００３４】実施例Ｄは、Ｃに対してメモリー効果によ
って放電電圧が低下した場合、残存容量の推定精度が低
下するのを補正する機能を付与した方式である。放電電
圧の低下はニッケル・水素蓄電池が完全充電⇔不完全放
電を繰り返した場合メモリー効果により生じる。補正の
方法は、例えば放電５０％⇔完全充電を繰り返した場合
下記表に示した様な放電終止付近より未放電側の電位低
下が起きるので放電部分より大きな補正値を設ける。不
完全放電を数サイクル繰り返した時は同様に未放電部分
に対応した領域の補正値を加算して行く。その後、完全
放電が行われた時の残存容量の推定は、求めた標準状態
開路電圧を表の標準状態開路電圧−補正値と比較して一
致したところの残存容量を読み取る。

【００３５】一致した値がない場合は補間して求める。
完全放電が行われるとメモリー効果は低下または解消す
るので補正値は０．００もしくは、それに近い値にリセ
ットされる。

【００３６】

【表１】

【００３７】実施例Ｅは、Ｄに加えて電池の放置による
充電電圧の低下を補正して、電池電圧、電池温度、放電
電流より残存容量を推定する方式の精度低下を補正する
機能を付与した方法である。

【００３８】補正値は、予め電池を、各温度条件−２０
℃、０℃、２０℃、４５℃に７日、１４日、２１日保存
して放電電圧の低下量を求める。

【００３９】

【表２】

【００４０】本実施例はＤと同様に、ニッケル・水素蓄
電池を充放電せずに長期間保存した時、電池活物質の科
学的な状態変化により放電電圧が低下する事により電池
の放電電圧、電池温度、放電電流より残存容量を推定す
る方式の精度が低下する事にたいして、補正する機能を
付与した物である。補正の方法は、例えば、４５℃で２
１日間の保存が入った後では、標準状態開路電圧の計測
値に補正値を加算して残存容量を推定する。この電圧低
下は３〜５サイクルの充放電で解消するので、充放電の
くり返しにより徐々に補正値を減らす。

【００４１】実施例Ｆは、電池の充放電サイクルによる
充電電圧の低下を補正して、電池の放電電圧、電池温
度、放電電流より残存容量を推定する方式の精度低下を
補正する機能を付与した物である。

【００４２】具体的には、予め、電池の充放電サイクル
による電圧低下を測定しておく。本実施例の基礎データ
を測定するために電池の充放電試験を下記の要領で別途
おこなった。寿命試験をおこなった後の電池について、
残存容量と標準状態の開路電圧の関係を測定して補正値
を求めた。実施例Ｆへの補正表の組み込み方は、各温度
で充放電１サイクル行なった時の補正値を求め１サイク
ルごとに補正値を加算する方式を採用した。

【００４３】

【表３】

【００４４】

【表４】

【００４５】以上実施例Ａ〜Ｆについて下記の評価パタ
ーンで充放電を行なった後に、別に設けた放電電気量計
を接続して、完全放電を実施し指示値のずれを比較し
た。

【００４６】放電電気量計はサンプリング間隔１０ｋＨ
ｚ電流精度±０．１Ａのものを用いた。

【００４７】

【表５】

【００４８】以上の評価条件で評価した結果を下記の表
にまとめる。表に示したのは、比較に用いた電気量計と
のずれである。

【００４９】

【表６】

【００５０】従来例Ａは、自己放電の影響の少ないとき
高い精度を示すが、自己放電電気量が大きいと従来例Ｂ
の法が高い精度を有する。自己放電電気量により切り替
えて表示する本発明の実施例Ｃは両者の優れた値を示
す。さらに、部分充放電による影響、電池放置による影
響、寿命による影響は、それぞれ実施例Ｄ，Ｅ，Ｆの方
法で補正を実施しないと十分な精度が確保できない。

【００５１】以上の様に本発明により各補正を組み合わ
せる事で、より高い精度の残存容量推定が可能となっ
た。

【００５２】つぎに、残存容量表示に関する実施例を示
す。実施例Ｇと従来例Ｈ、Ｉをそれぞれ図６、図７、図
８に示す。

【００５３】本実施例Ｇでは充電完了時の残存容量表示
は、充電温度や充電電流の影響を受けず、常に１００％
となる様表示する。この事は、ユーザーが充電が無事完
了した事を確認する目安となる。又、放電後半では常に
残存容量表示１Ａｈが１％に対応するように表示する。
これによりメータの指示値であとどの程度走行が可能
か、正確に把握できる。充電完了時と残存容量５０Ａｈ
のポイントは図示したように直線で補間する。

【００５４】従来例Ｈでは、充電完了時の残存容量を１
００％にしているので充電完了時の表示は常に１００％
を示す。しかし、放電末期における１％が充電完了時の
残存容量と比例関係に有るために放電末期の残存容量表
示から正確な走行可能距離が把握できないという問題が
ある。図７に示した４５℃充電では１％が０．９Ａｈの
値となる。

【００５５】従来例Ｉでは、充電完了時に残存容量に見
合った量の表示を行なう。したがって残存容量表示の１
％は１Ａｈと対応しており、表示からあとどの程度走行
可能化を正確に把握できる。しかし、充電電流や温度に
よって充電完了時の残存容量が変化するので、充電完了
時の表示はまちまちな値となる。図８では４５℃で充電
した結果を示したが表示は９０％を示す。以上のよう
に、ユーザーは充電が円滑に完了した事を確認しにくく
なるとゆう問題が有る。

【００５６】以上のように本実施例によれば、ユーザー
が充電が円滑に終了した事を確認でき、且つ放電末期の
残存容量を正確に把握できる表示方法を提供できる。

【００５７】

【発明の効果】本発明により、移動体の駆動用電源とし
て用いられる多数の蓄電池を集合した組電池と、検出ユ
ニット、充電制御信号部と表示に残存容量判定信号を送
出する残存容量判定信号部を有する電池状態判別ユニッ
ト、充電器、残存容量判定信号部から送られてきた情報
を表示する電池残存容量表示部から成るシステムで、自
己放電や電池保存、メモリー効果や寿命劣化の影響を受
けにくい残存容量判定、正常に充電が完了した場合残存
容量が常に１００％を示し、放電末期には残存容量と常
に一致した指示値を示す事等が可能となった。

【００５８】これにより、正確に残存容量を確認して電
気自動車等移動体を完全に運行する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のおける蓄電池の状態管理シス
テムを示すブロック図

【図２】本発明の実施例のおける電池状態判別ユニット
の構成と関連装置との接続を示すブロック図

【図３】本発明の組電池の構成を示す図

【図４】モジュール電池の構成を示す図

【図５】セルである密閉形ニッケル・水素蓄電池の構造
を示す図

【図６】本発明による残存容量の表示方法を示した図

【図７】従来例による残存容量の表示方法を示した図

【図８】従来例による残存容量の表示方法を示した図

【符号の説明】

１ 組電池 ２ 検出ユニット ３ 電池状態判別ユニット ４ 移動体信号制御部 ５ 充電器 ６ 表示部 ７ 送風部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 登 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 ▲高▼田 寛治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−39004（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 10/42 - 10/48 G01R 31/36 H02J 7/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動体の駆動用電源として用いられる複数
   の蓄電池を接続した組電池と、前記蓄電池の状態情報を
   検出する検出ユニットと、前記検出ユニットからの情報
   により演算処理を行なう演算部と、表示に残存容量判定
   信号を送出する残存容量判定信号部を有する電池状態判
   別ユニットと、前記電池状態判別ユニットからの充電制
   御信号により制御され、前記組電池を充電する充電器
   と、残存容量判定信号部から送られてきた情報を表示す
   る電池残存容量表示部からなり、電池の充放電電流を時
   間に関して積算する手段と電池の放置時間と放置温度に
   より計算される自己放電電気量によって残存容量を補正
   する手段と、蓄電池の放電電圧、電池温度、放電電流よ
   り残存容量を計算する手段を有し、前記自己放電電気量
   による残存容量の補正値が定められた値を越えた場合
   は、前記蓄電池の放電電圧、電池温度、放電電流より残
   存容量を推定する手段を用い、前記した場合以外は充放
   電電流を時間に関して積算する手段を用いる蓄電池の状
   態管理装置。
2. 【請求項２】電池が充放電されない時間を記憶する手段
   を有し、前記充放電されない時間に応じて電池の放電電
   圧、電池温度、放電電流より計算された残存容量を補正
   する請求項１記載の電池の状態管理装置。
3. 【請求項３】電池が充放電された回数若しくは電気量を
   記憶する手段を有し、前記充放電サイクル数若しくは充
   放電電気量に応じて電池の放電電圧、電池温度、放電電
   流より計算された残存容量を補正する請求項１記載の電
   池の状態管理装置。
4. 【請求項４】残存容量表示部は充電完了時を１００％と
   する値を表示し、組電池の容量の５０％以下において
   は、容量に対する比率で表示を行い、間を補間して出力
   する事を特徴とする請求項１記載の蓄電池の状態管理シ
   ステム。