JP3422174B2 - 電池の残存容量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電池の残存容量を表
示する計器に関する。

【０００２】

【従来の技術】電池の開放電圧に対する放電深度（ＤＯ
Ｄ）の特性に基づいて、電池の開放電圧を測定して残存
容量を表示する電池の残存容量計が知られている（たと
えば、特開昭５９−１４７２７９号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電池は、残
存容量があっても温度により実際に出力可能な容量が変
化するので、同一の残存容量に対して温度が高い時は出
力容量が高く、温度が低い時は出力容量が低い。また、
電池自体の劣化によっても出力可能な容量が変化し、同
一の残存容量に対して新品では出力容量が高く、劣化し
たものは出力容量が低い。しかし、従来の電池の残存容
量計では、開放電圧に対する放電深度の特性に基づいて
残存容量を表示しているので、温度や劣化などの電池の
状態によっては残存容量表示に相当する出力容量が得ら
れず、残存容量の表示があるにもかかわらず放電を停止
しなければならないことがある。

【０００４】本発明の目的は、電池の状態に応じた出力
可能な残存容量を表示する電池の残存容量計を提供する
ことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１） 請求項１の発明
は、放電電流の立ち上がり後の、電池の状態が急激に変
化する不安定な過渡領域から安定な拡散領域へ移行した
後の電池の端子電圧と電流を測定する測定手段と、測定
手段による測定結果に基づいて電池の電圧−電流特性を
直線回帰し、電池の最大放電電力を演算する電力演算手
段と、測定手段により測定された電流の平均値を演算す
る平均値演算手段と、電流平均値に対する最大放電電力
の補正係数を記憶する記憶手段と、平均値演算手段によ
り演算された平均値に対応する補正係数を記憶手段から
読み出し、この補正係数により最大放電電力を補正する
電力補正手段と、電力補正手段により補正された最大放
電電力に応じて電池の残存容量を決定する残存容量決定
手段とを備える。 （２） 請求項２の発明は、放電電流の立ち上がり後
の、電池の状態が急激に変化する不安定な過渡領域から
安定な拡散領域へ移行した後の電池の端子電圧と電流を
測定する測定手段と、測定手段による端子電圧と電流の
測定までの所定時間における電流の平均値を演算する平
均値演算手段と、電流平均値に対する端子電圧の補正係
数を記憶する記憶手段と、平均値演算手段で演算された
平均値に対応する補正係数を記憶手段から読み出し、こ
の補正係数により測定手段で測定された端子電圧を補正
する電圧補正手段と、測定手段により測定された電流と
電圧補正手段により補正された端子電圧とに基づいて電
池の電圧−電流特性を直線回帰し、電池の最大放電電力
を演算する電力演算手段と、電力演算手段により演算さ
れた最大放電電力に応じて電池の残存容量を決定する残
存容量決定手段とを備える。

【０００６】

【発明の効果】（１） 請求項１の発明によれば、放電
電流の立ち上がり後の、電池の状態が急激に変化する不
安定な過渡領域から安定な拡散領域へ移行した後の電池
の端子電圧と電流を測定し、これらの測定結果に基づい
て電池の電圧−電流特性を直線回帰して最大放電電力を
演算する。さらに、電流平均値に対する最大放電電力の
補正係数を記憶しておき、測定電流の平均値を求めて平
均値に対応する補正係数を読み出し、この補正係数によ
り最大放電電力を補正して電池の残存容量を決定するよ
うにしたので、電池の状態に応じた出力可能な残存容量
を表示することができる。 （２） 請求項２の発明によれば、放電電流の立ち上が
り後の、電池の状態が急激に変化する不安定な過渡領域
から安定な拡散領域へ移行した後の電池の端子電圧と電
流を測定するとともに、これらの測定までの所定時間に
おける電流の平均値を演算する。さらに、電流平均値に
対する端子電圧の補正係数を記憶しておき、演算結果の
電流平均値に対応する補正係数を読み出して端子電圧を
補正し、測定電流と補正後の端子電圧に基づいて電池の
電圧−電流特性を直線回帰して最大放電電力を演算し、
最大放電電力に応じて電池の残存容量を決定するように
したので、平均電流の変化による最大放電電力の変動分
が補正され、電池の正確な状態を検出することができ、
出力可能な正確な残存容量を表示することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、一実施形態の電気自動車
の走行駆動機構の構成を示すブロック図である。力行時
には、電池１１が放電してインバータ１２に直流電力を
供給し、インバータ１２は直流電力を交流電力に変換し
てモータ１３に印加する。これにより、モータ１３が走
行エネルギーを発生して車両が走行する。一方、回生時
には、車両の走行エネルギーがモータ１３およびインバ
ータ１２を介して電気エネルギーに逆変換され、電池１
１が充電されるとともに、車両に回生ブレーキがかか
る。電池１１はｎ個の単セル１１１〜１１ｎから構成さ
れる。この明細書では各単セルの両端電圧をセル電圧と
呼ぶ。電圧センサー１４は電池１１の端子電圧（以下、
総電圧と呼ぶ）Ｖｔを検出し、電流センサー１５は電池
１１に流れる電流Ｉを検出する。なお、電流Ｉは、モー
タ駆動時に電池１１からインバータ１２へ流れる方向を
正とし、回生ブレーキ時にインバータ１２から電池１１
へ流れる方向を負とする。バッテリーコントローラ１６
は、電圧センサー１４および電流センサー１５により検
出された総電圧Ｖｔと電流Ｉとに基づいて、電池１１の
最大放電電力と最大充電電力を演算してインバータ１２
の出力制御および回生制御を行なうとともに、電池１１
の残存容量を演算して表示器１８に表示する。。

【０００８】《電池の特性について》ここで、電池の特
性について説明する。ある種類の電池、例えばリチウム
イオン電池やニッケル水素電池は次のような特性を有し
ている。 （１） 図２に示すように、電池の放電深度（以下、Ｄ
ＯＤ(Depth of Discharge)と呼ぶ）が低い状態（〜６０
％）では充電時と放電時の内部抵抗がほぼ一致する。 （２） 充放電時の電圧Ｖ−電流Ｉ特性の直線性がよ
い。この種の電池のこのような特性を利用すれば、ＤＯ
Ｄや温度などの電池の状態に応じた正確な最大放電電力
と最大充電電力を演算することが可能である。なお、電
池はリチウムイオン電池やニッケル水素電池に限定され
ず、上記特性を有する電池であればよい。

【０００９】一般に、電池は、一定電流で放電した時に
放電反応の時間経過につれて電圧が低下し、一定電流で
充電した時に充電反応の時間経過につれて電圧が上昇す
るという特性を有している。図３は一定電流で放電した
時の電池の総電圧Ｖｔの変化を示す。時刻ｔ１からｔ３
までの期間、一定電流Ｉ１で放電を行なうと総電圧Ｖｔ
は図のように変化する。放電開始時刻ｔ１において、総
電圧ＶｔはＶ0からＶ1まで０．１ｍＳ以下の瞬時に低下
する。この過渡電圧ＶXは電池の液抵抗や接触抵抗など
による電圧降下である。次に、時刻ｔ１からｔ２までの
期間Ｔ１において、総電圧ＶｔはＶ1からＶ2まで急激に
低下する。この低下時間は１００ｍＳ以下であり、過渡
電圧ＶYは電池の電荷移動抵抗による電圧降下である。
さらに、時刻ｔ２からｔ３までの期間Ｔ２において、総
電圧ＶｔはＶ2からＶ3まで緩やかに低下する。この過渡
電圧ＶZは電解液の濃度分極による電圧降下であり、一
般にこの領域は拡散領域と呼ばれる。その後、放電停止
時刻ｔ３を過ぎると、総電圧Ｖｔは急激に回復する。期
間Ｔ１とＴ３は短時間に推移する過渡状態であり、期間
Ｔ２は電池の通常の使用状態である。このように、電池
の端子電圧は、放電電流に応じて変化するとともに、放
電反応の時間経過にともなって変化する。したがって、
放電反応の過渡状態における端子電圧に基づいて電池の
最大放電電力を演算すると誤差を生じ、場合によっては
放電時の端子電圧が電池の放電終止電圧以下に低下する
おそれがある。なお、放電終止電圧とは、これ以上放電
を継続できない電池の許容最小電圧である。

【００１０】《最大充放電電力の演算方法》次に、電池
の最大放電電力と最大充電電力の演算方法を説明する。
まず、放電中の電池のＶ−Ｉ特性をサンプリングし、図
４に示すように、サンプリング結果をＶ−Ｉグラフにプ
ロットする（図中に×印で示す）。上述したように、こ
の種の電池では充放電時の内部抵抗がほぼ一致し、且つ
Ｖ−Ｉ特性の直線性がよいので、サンプリング結果のＶ
−Ｉ特性を直線回帰することができ、さらに回帰直線を
充電側および放電側に延長することができる。図におい
て、回帰直線のＶｔ軸切片Ｅｏは電池の開放電圧を表わ
し、回帰直線の傾きは電池の内部抵抗Ｒを表わす。回帰
直線は、

【数１】Ｖｔ＝Ｅｏ−Ｉ・Ｒ と表わすことができる。

【００１１】回帰直線と充電時の許容最大電圧Ｖmaxと
の交点Ａの電流ＩCmaxは充電許容値を与え、交点Ａでは
次式が成立する。

【数２】Ｖmax＝Ｅｏ−ＩCmax・Ｒ 同様に、回帰直線と放電時の放電終止電圧Ｖminとの交
点Ｂの電流ＩDmaxは放電許容値を与え、交点Ｂでは次式
が成立する。

【数３】Ｖmin＝Ｅｏ−ＩDmax・Ｒ

【００１２】最大充電電力ＰCは、上記数式２により、

【数４】 ＰC＝Ｖmax・ＩCmax＝Ｖmax・（Ｅｏ−Ｖmax）／Ｒ また、最大放電電力ＰDは、数式３により、

【数５】 ＰD＝Ｖmin・ＩDmax＝Ｖmin・（Ｅｏ−Ｖmin）／Ｒ となる。放電中のＶ−Ｉ特性のサンプリング値は、電池
のＤＯＤや温度などの電池の状態に応じた値であり、こ
のようなサンプリング値を直線回帰して求められる最大
充電電力ＰCと最大放電電力ＰDは、当然ながらＤＯＤや
温度などの電池の状態に応じた電力である。

【００１３】ところで、電気自動車に搭載される電池の
放電終止電圧Ｖminは、通常、

【数６】Ｖmin≧Ｅｏ／２ の関係にある。一方、一般に電池の最大出力Ｐ、すなわ
ち最大放電電力Ｐは、

【数７】Ｖｔ＝Ｅｏ／２ にて得られることが知られている。このため、電気自動
車用電池の放電終止電圧Ｖminが、

【数８】Ｖmin＞Ｅｏ／２ の範囲に設定されると、上述した方法で演算された最大
放電電力ＰDは、一般の電池の最大放電電力よりも小さ
くなる。この明細書では、放電終止電圧Ｖminを数式６
の範囲内で設定し、設定した放電終止電圧Ｖminに対し
て演算された放電電力を電池の最大放電電力とする。

【００１４】《電池のＶ−Ｉ特性のサンプリング方法》
次に、電池のＶ−Ｉ特性のサンプリング方法を説明す
る。電池の総電圧Ｖｔと電流Ｉとの関係は上記数式１に
より表わされる。ところが、上述したように、電池の総
電圧Ｖｔは放電反応の時間経過につれて変化し、同一の
放電電流において電圧をサンプリングしても反応段階が
違えば同一の電圧が得られない。逆に、同一の電圧にお
いて電流をサンプリングしても反応段階が違えば同一の
電流は得られない。つまり、電池自体の化学反応の段階
によって総電圧Ｖｔと放電電流Ｉが変化するので、時々
刻々の電池の能力を正確に推定するためには、電池の反
応段階を考慮してＶ−Ｉ特性のサンプリングを行なう必
要がある。

【００１５】図５は、放電中の総電圧Ｖｔと放電電流Ｉ
のサンプリングタイミングを説明する図である。一般
に、電池は、放電電流の減少時には電流の変化に対して
電圧の変化が遅れるという性質がある。そのため、総電
圧Ｖｔと放電電流Ｉのサンプリングに際しては放電反応
から充電反応、放電反応から放電停止、あるいは平衡状
態から放電反応または充電反応というような、異なる反
応形態間の過渡現象と放電電流の減少時とを除くため
に、放電電流の立ち上がりを検出し、放電電流増加時の
総電圧Ｖｔと放電電流Ｉをサンプリングする。また、過
渡領域（図３の過度電圧ＶX，ＶYを生じる期間Ｔ１）に
おける不安定な総電圧Ｖｔと放電電流Ｉのサンプリング
を避けるために、放電電流の立ち上がりから所定時間Δ
ｔ後の総電圧Ｖｔと放電電流Ｉをサンプリングする。

【００１６】ここで、放電電流の立ち上がりは電流Ｉと
その変化率ｄＩ／ｄｔが共に正となった時点とする。な
お、この放電電流の立ち上がり点は電池の放電反応の開
始点である。図５の例では、ｔ１，ｔ３，ｔ５が放電電
流の立ち上がり点になり、それらの時点から所定時間Δ
ｔ後のｔ２，ｔ４，ｔ６時点においてそれぞれ、総電圧
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と放電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３をサンプ
リングする。これにより、電池の状態が急激に変化する
不安定な過渡領域における測定が避けられ、安定な拡散
領域における電池の総電圧Ｖｔと放電電流Ｉを測定する
ことができる。なお、Ｖ−Ｉ特性のサンプリングに際し
ては、放電電流の立ち上がりから所定時間内に新たに放
電電流の立ち上がりがあった場合には、その時点から改
めて計時を開始し、所定時間後に総電圧Ｖｔと放電電流
Ｉをサンプリングする。

【００１７】《最大放電電力の補正》ところで、電池
は、上述したように放電反応の時間経過につれて端子電
圧が低下するため、放電電流や放電時間などの放電条件
によって最大放電電力の演算結果にばらつきを生じる。
そこで、この実施形態では、放電電流平均値に対する最
大放電電力補正係数をバッテリーコントローラ１６の不
揮発性メモリ（不図示）に予め記憶しておき、電池１１
の総電圧Ｖｔと放電電流Ｉのサンプリング期間中の平均
放電電流Ｉａｖｅに応じた最大放電電力補正係数Ｋを読
み出し、最大放電電力ＰDを補正する。一般に、平均放
電電流Ｉａｖｅが大きい場合には最大放電電力ＰDが低
めに演算されるので、図６に示すように平均放電電流Ｉ
ａｖｅが大きくなるにしたがって補正係数Ｋを大きくす
る。補正後の最大放電電力ＰD’は、

【数９】ＰD’＝Ｋ・ＰD

【００１８】《残存容量表示》図７は、バッテリコント
ローラ１６で実行される残存容量表示処理を示すフロー
チャートである。このフローチャートにより、この実施
形態の動作を説明する。バッテリコントローラ１６は、
電気自動車の運行中、この処理を繰り返し実行する。ス
テップ１において、上述したように放電電流増加時の総
電圧Ｖｔと電流Ｉをサンプリングするとともに、今回の
サンプリング期間中の平均放電電流Ｉａｖｅを求めるた
めに所定の時間ごとに電流Ｉを測定する。次に、採取す
るデータ数を確保して演算精度を上げるために、ステッ
プ２で所定の電力量放電したか否かを確認し、所定の電
力量放電した時はステップ３へ進み、そうでなければス
テップ１へ戻ってサンプリングを続ける。所定の放電電
力量のサンプリングを終了した時は、ステップ３でサン
プリングデータに基づいて電池１１のＶ−Ｉ特性を直線
回帰し、続くステップ４で上述したように最大充放電電
力ＰD，ＰCを演算する。

【００１９】ステップ５において、上記ステップ１で所
定時間ごとに測定した電流Ｉから今回のサンプリング期
間中の平均電流Ｉａｖｅを求める。続くステップ６で、
図６により平均電流Ｉａｖｅに対応する最大放電電力補
正係数Ｋを決定する。ステップ７では、補正係数Ｋを用
いて数式９により最大放電電力ＰDを補正し、ＰD’を得
る。ステップ８で、図８に示す予め設定された最大放電
電力ＰD’に対する残存容量Ｌの特性から、補正後の最
大放電電力ＰD’に相当する残存容量Ｌを読み出す。ス
テップ９で表示器１７に残存容量Ｌを表示し、ふたたび
ステップ１へ戻る。

【００２０】このように、電池の放電時に総電圧と電流
をサンプリングするとともに所定時間ごとの電流を測定
し、サンプリング結果の総電圧と電流を直線回帰して最
大放電電力を演算し、サンプリング期間中の測定電流の
平均値を算出して最大放電電力補正係数を決定する。そ
して、補正係数により最大放電電力を補正して残存容量
を決定し表示するようにしたので、電池の状態に応じた
出力可能な残存容量を表示することができる。なお、上
記実施形態ではサンプリング期間中に所定時間間隔で測
定した放電電流の平均値に基づいて最大放電電力補正係
数を決定したが、放電電流増加時に総電圧Ｖｔと対でサ
ンプリングした放電電流Ｉを平均し、その平均値に基づ
いて最大放電電力補正係数を決定するようにしてもよ
い。

【００２１】−発明の実施の形態の変形例− 上述した実施形態では、サンプリング期間中の平均電流
に応じて最大放電電力を補正し、残存容量を求める例を
示したが、この変形例では、総電圧と電流のサンプリン
グ時点までの所定時間における平均電流に応じてサンプ
リングされた総電圧を補正し、補正した総電圧と電流に
より電池のＶ−Ｉ特性を直線回帰する。そして、回帰直
線に基づいて最大放電電力を演算し、最大放電電力に応
じた残存容量を決定し表示する。なお、平均電流に対す
る総電圧補正係数はバッテリコントローラ１６の不揮発
性メモリ（不図示）に記憶される。

【００２２】図９はこの変形例の残存容量表示処理を示
すフローチャートである。なお、この変形例の構成は上
述した図１に示す実施形態の構成と同様であり、説明を
省略する。バッテリコントローラ１６は、電気自動車の
運行中、この処理を繰り返し実行する。ステップ１１に
おいて、上述したように放電電流増加時の総電圧Ｖｔと
電流Ｉをサンプリングするとともに、所定時間ごとに放
電電流を測定する。ステップ１２で、測定電流に基づい
て総電圧Ｖｔと電流Ｉをサンプリングするまでの所定時
間における平均電流を算出し、この平均電流に対応する
補正係数をメモリから読み出して総電圧Ｖｔを補正す
る。この補正は総電圧Ｖｔと電流Ｉをサンプリングする
たびに行なう。次に、採取するデータ数を確保して演算
精度を上げるために、ステップ１３で所定の電力量放電
したか否かを確認し、所定の電力量放電した時はステッ
プ１４へ進み、そうでなければステップ１１へ戻ってサ
ンプリングを続ける。所定の放電電力量のサンプリング
を終了した時は、ステップ１４で、補正後のサンプリン
グデータに基づいて電池１１のＶ−Ｉ特性を直線回帰
し、続くステップ１５で上述したように最大充放電電力
ＰD，ＰCを演算する。ステップ１６において、上述した
図８に示す最大放電電力に対する残存容量の特性から最
大放電電力に相当する残存容量を読み出し、ステップ１
７で、表示器１７に残存容量を表示してふたたびステッ
プ１１へ戻る。

【００２３】ここで、例えば図１０に示すように放電電
流Ｉの平均値が小、中、大と周期的なパターンで繰り返
し変化する場合には、図１１に示すように最大放電電力
ＰDが鋸歯状に変化するため、このような最大放電電力
ＰDから残存容量を求めると誤差が大きくなってしま
う。この変形例では、総電圧と電流のサンプリング時点
までの所定時間における平均電流に応じてサンプリング
された総電圧を補正し、補正した総電圧と電流により電
池のＶ−Ｉ特性を直線回帰する。そして、回帰直線に基
づいて最大放電電力を演算し、最大放電電力に応じた残
存容量を決定し表示するようにしたので、平均電流の変
化による最大放電電力の変動分が補正され、電池の正確
な状態を検出することができ、出力可能な正確な残存容
量を表示することができる。なお、上記変形例では所定
時間ごとに測定した電流の平均値に応じた補正係数で総
電圧を補正する例を示したが、サンプリング電流値に応
じた補正係数を設定し、サンプリング電流値に応じて総
電圧を補正するようにしてもよい。

【００２４】以上の一実施形態の構成において、電圧セ
ンサー１４および電流センサー１５が測定手段を、バッ
テリーコントローラ１６が電力演算手段、平均値演算手
段、電力補正手段、残存容量決定手段および電圧補正手
段をそれぞれ構成する。なお、上述した実施形態とその
変形例では電気自動車に搭載される電池の残存容量を表
示する例を示したが、電気自動車用以外の電池に対して
も本発明を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施形態の構成を示すブロック図である。

【図２】 電池の放電深度ＤＯＤと内部抵抗との関係を
示す図である。

【図３】 一定電流で放電した時の電池の総電圧の変化
を示す図である。

【図４】 放電時の総電圧と放電電流のサンプリングデ
ータによる回帰直線を示す図である。

【図５】 放電中の総電圧と放電電流のサンプリングタ
イミングを説明する図である。

【図６】 平均電流Ｉａｖｅに対する最大放電電力補正
係数Ｋの関係を示す図である。

【図７】 一実施形態の残存容量表示処理を示すフロー
チャートである。

【図８】 補正後の最大放電電力ＰD’に対する残存容
量Ｌの関係を示す図である。

【図９】 一実施形態の変形例の残存容量表示処理を示
すフローチャートである。

【図１０】 平均値が小、中、大の周期的なパターンで
繰り返し変化する放電電流を示す図である。

【図１１】 図１０に示す放電電流変化に対する最大放
電電力ＰDの変化を示す図である。

【符号の説明】

１１ 電池 １２ インバータ １３ モータ １４ 電圧センサー １５ 電流センサー １６ バッテリコントローラ １７ 表示器 １１１〜１１ｎ 単セル

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電電流の立ち上がり後の、電池の状態
   が急激に変化する不安定な過渡領域から安定な拡散領域
   へ移行した後の電池の端子電圧と電流を測定する測定手
   段と、 前記測定手段による測定結果に基づいて電池の電圧−電
   流特性を直線回帰し、電池の最大放電電力を演算する電
   力演算手段と、 前記測定手段により測定された電流の平均値を演算する
   平均値演算手段と、 電流平均値に対する最大放電電力の補正係数を記憶する
   記憶手段と、 前記平均値演算手段により演算された平均値に対応する
   補正係数を前記記憶手段から読み出し、この補正係数に
   より前記最大放電電力を補正する電力補正手段と、 前記電力補正手段により補正された最大放電電力に応じ
   て電池の残存容量を決定する残存容量決定手段とを備え
   ることを特徴とする電池の残存容量計。
2. 【請求項２】 放電電流の立ち上がり後の、電池の状態
   が急激に変化する不安定な過渡領域から安定な拡散領域
   へ移行した後の電池の端子電圧と電流を測定する測定手
   段と、 前記測定手段による端子電圧と電流の測定までの所定時
   間における電流の平均値を演算する平均値演算手段と、 電流平均値に対する端子電圧の補正係数を記憶する記憶
   手段と、 前記平均値演算手段で演算された平均値に対応する補正
   係数を前記記憶手段から読み出し、この補正係数により
   前記測定手段で測定された端子電圧を補正する電圧補正
   手段と、 前記測定手段により測定された電流と前記電圧補正手段
   により補正された端子電圧とに基づいて電池の電圧−電
   流特性を直線回帰し、電池の最大放電電力を演算する電
   力演算手段と、 前記電力演算手段により演算された最大放電電力に応じ
   て電池の残存容量を決定する残存容量決定手段とを備え
   ることを特徴とする電池の残存容量計。