JP3488135B2 - バッテリの残存容量測定装置 - Google Patents

バッテリの残存容量測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリの残存容
量測定装置に関し、特にバッテリの電流及び電圧の収集
個数及び平均化個数を負荷に対するバッテリの放電時間
によって決定したバッテリの残存容量測定装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に電気自動車のバッテリ残存容量は
特開平８ー６２３１０号公報に示すように、アクセルを
踏み続けることにより、図７に示すように、少なくとも
時間にして１０秒以上の放電が継続していることを前提
としている。
【０００３】このため、特開平８ー６２３１０号公報の
バッテリ残存容量装置においては、１ｍｓｅｃ毎にバッ
テリーからの放電電流値Ｉと電圧値Ｖをサンプリング
し、この１ｍｓｅｃの電流値と電圧値からなるデータＮ
１が１００個集まる毎に平均化し、この平均化データＮ
２が１００個（Ｎ１×Ｎ２＝１００００個）得られたと
きの電流と電圧との相関係数を求め、強い負の相関を示
しているとき、１００個の平均化データに基づく近似直
線（Ｙ＝ａＸ＋ｂ Ｙ：電流 Ｘ：電圧）を求め、この
式のＹに任意の値を代入することによって、電圧Ｘを特
定し、この電圧を現在の残存容量としていた。すなわ
ち、残存容量は１０秒に１回の割合で求めていた。
【０００４】また、データ数が非常に多いので、短時間
の充電方向に向かう電流データが存在していても誤差と
して埋もれさせることができていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年は
エンジン及び直流モータの２種類の動力源を有してエン
ジン又は直流モータで走行するハイブリットカー或いは
簡易ハイブリットカーとも称される高電圧車両が用いら
れるようになって来ている。
【０００６】このようなハイブリットカーは、バッテリ
ーに対して頻繁に充放電が繰り返されることになる。こ
のため、充電方向に向かう電流データが多くなり、誤差
として無視することができなくなる。
【０００７】特に、車両の走行時の回生充電、又はオル
タネータの発電充電時には、バッテリへの充電電流（定
電圧充電）が一定ではないので、相関関係が小さくな
る。
【０００８】すなわち、１ｍｓｅｃの電流値と電圧値か
らなるデータＮ１が１００個集まる毎に平均化し、この
平均化データＮ２が１００個（Ｎ１×Ｎ２＝１００００
個）得られたときの電流と電圧とを用いて残存容量を求
める方式は、そのままでは相関関係が小さくなるので、
ハイブリットカーの残存容量測定には適用できないとい
う課題があった。
【０００９】従って、バッテリーに対して頻繁に充放電
を繰り返すようなハイブリットカーであっても、従来の
残存容量測定装置の方式で高精度のバッテリー残存容量
測定ができることが望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、負荷に接続さ
れたバッテリの端子電圧を検出する電圧センサと前記バ
ッテリから前記負荷に流れる電流を検出する電流センサ
とを有し、この電流及び電圧に基づいて得られた近似直
線と基準電流とから前記バッテリの電圧を推定し、推定
電圧と満充電電圧と放電終止電圧とから前記バッテリの
残存容量を推定するバッテリの残存容量測定装置におい
て、前記電圧センサからの電圧と電流センサからの電流
とを一定時間ｔａ毎に収集する手段と、前記収集された
電圧データ及び電流データの個数ｈが、前記負荷の変動
による前記バッテリの放電時間に相当する総個数ｂを数
分割する所定個数Ｎ２で割ったときの個数Ｎ１（Ｎ１＝
ｂ／Ｎ２）になったかどうかを判定する手段と、前記電
流及び電圧の個数ｈが前記個数Ｎ１になる毎に、それぞ
れ個数Ｎ１で平均化し、この結果を電圧−電流特性デー
タとして定義する手段と、前記平均化された電流及び電
圧値の個数ｑが、前記総個数ｂを前記個数Ｎ１で割った
個数Ｎ２（Ｎ２＝ｂ／Ｎ１）になったかどうかを定義す
る手段と、前記個数Ｎ２になる毎に、これらのデータの
相関を求め、該相関が強いときにこれらのデータを用い
て前記近似直線を得る手段と、前記収集された電圧デー
タ及び電流データの個数ｈが、前記個数Ｎ１に到達して
いないとき、或いは前記平均化された電流及び電圧値の
個数ｑが前記個数Ｎ２に到達していないときは前記一定
時間ｔａ毎の収集を繰り返し行わせる手段とを備えたこ
とを要旨とする。
【００１１】このため、バッテリの電圧と電流とを一定
時間ｔａ毎に収集し、この収集した電流と電圧とが負荷
に対して放電電流を流したときに相当する総個数ｂを所
定個Ｎ２で割った個数Ｎ１になると、これらの電流及び
電圧が平均化される。
【００１２】例えば、１ｍｓｅｃ毎に電流及び電圧を収
集している場合は、電流及び電圧の個数Ｎ１が８個にな
ったときに平均化される。
【００１３】そして、電流と電圧の個数ｈが個数Ｎ１に
なったとき、平均化されて電圧ー電流座標に定義された
電圧ー電流特性データの個数ｑが個数Ｎ２になったとき
に、これらのデータとの相関が求められ、相関が強い場
合は、近似直線が求められて残存容量が推定される。
【００１４】例えば、個数Ｎ１が８個になる毎に、平均
化されて電圧ー電流座標に定義され、このデータの個数
Ｎ２がが１００個になる毎に、相関係数が求められ、相
関係数が強い負の相関を示しているときに残存容量が測
定される。
【００１５】つまり、充電と放電が交互に頻繁に繰り返
している場合において、充電区間の電圧と電流とを一定
時間毎に収集し、Ｎ１個集まる毎にこれを平均化したＮ
２個のデータの相関を求めると、相関が低いことにな
り、このデータは破棄される。
【００１６】また、充電区間と放電区間とにまたがった
電圧と電流とを一定時間毎に収集し、Ｎ１個集まる毎に
これを平均化したＮ２個のデータの相関を求めると、相
関が低いことになり、このデータは破棄される。
【００１７】しかし、放電区間のみの電圧と電流とを一
定時間毎に収集し、Ｎ１個集まる毎にこれを平均化した
Ｎ２個のデータの相関を求めると、Ｎ２個というのは負
荷の変動に応じて流れる放電電流の放電時間に相当する
個数であるから、これらのデータの相関は強い相関を示
すことになる。すなわち、充電と放電が交互に頻繁に繰
り返している場合であっても、放電区間のみのデータで
残存容量を推定させることが可能となっている。
【００１８】特に、ハイブリット機構では１秒程度の放
電時間であるから強い相関を示す８００個のデータに基
づく近似直線が求められて残存容量が推定されることに
なる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は本実施の形態のハイブリッ
トカーのバッテリコントローラの概略構成図である。
【００２０】図１に示すバッテリコントローラ１は、高
電圧部２に設けられている高電圧のバッテリに設けられ
た電流センサ４及び電圧センサ５からの電流Ｉと電圧Ｖ
とをサンプリングし、放電時（約１秒）のみの電流Ｉと
電圧Ｖとを用いることで誤差成分が含まないようにして
正確な残存容量を求める。
【００２１】この高電圧部２は、図１に示すように、タ
イヤ５ａ、５ｂのシャフト６に連結された変速機構７の
ギャボックス８と、このギャボックス８に連結されたエ
ンジン９と、ギャボックス８とエンジン９の間に設けら
れたモータジェネレータ１０と、モータジェネレータ１
０に所定の電力を供給又はモータジェネレータ１０から
の電力を所定電力に変換するコンバータ１１とからなる
ハイブリット機構部１２に接続されている。具体的には
コンバータ１１に高電圧部２のバッテリ３が接続されて
いる。
【００２２】また、このコンバータ１１には、１２Ｖの
バッテリ１２とこのバッテリ１２のための出力抵抗１３
とからなる低電圧部１５が接続されている。
【００２３】さらに、高電圧部２は電力供給用の出力抵
抗１７を有して、ワイパー１９、パワーウィンド２０、
エアコン２１等に電力供給が可能なように電気的に接続
されている。
【００２４】すなわち、本実施の形態のバッテリコント
ローラ１は、バッテリ３で走行をアシストするハイブリ
ット機構１２に対して電力を供給又はハイブリット機構
１２からの電力を充電する高電圧のバッテリ３の電流
Ｉ、電圧Ｖを用いて残存容量を推定する。
【００２５】このバッテリコントローラ１は、図１に示
すように、バッテリ３の放電電流、充電流、バッテリ３
の充放電時の端子電圧を検出し、これらの検出電流、検
出電圧を所定レベル、所定幅に変換する入力回路２４
と、この入力回路２４が検出した検出電流と検出電圧と
を用いて残存容量を推定する残存容量測定装置２３とを
備えている。
【００２６】残存容量測定装置２３（コンピュータ）
は、１（ｍｓｅｃ）毎に、入力回路２４からのバッテリ
３の電流Ｉと電圧Ｖをサンプリングし、この１ｍｓｅｃ
の電流Ｉと電圧Ｖからなるデータの個数ｈが８個（Ｎ
１）集まる毎に平均化し、この平均化データの個数ｑが
１００個（Ｎ２）得られたときの平均化された電流と電
圧とを電圧ー電流座標系に定義し、この座標系に定義さ
れた複数の電圧ー電流特性データの相関係数を求め、強
い負の相関を示しているとき、これらの電圧ー電流特性
データに基づく近似直線（Ｙ＝ａＸ＋ｂ Ｙ：電流
Ｘ：電圧）を求め、この式のＹに任意の値を代入するこ
とによって、電圧Ｘを特定し、この電圧を現在の残存容
量とする。すなわち、充放電が繰り返されている場合に
おいて、放電時（約０．８ｍｓｅｃ）の電流、電圧を用
いて残像容量を測定している。
【００２７】上記のように構成されたバッテリコントロ
ーラ１の動作を以下に説明する。図２及び図３は残存容
量測定装置１の動作を説明するフローチャートである。
図４は図１に示すハイブリット機構部１２に接続された
バッテリ３の充放電パターンを長い時間で測定したとき
の波形図である。図５は図４の波形の放電部を拡大した
拡大波形図である。
【００２８】初めにＮ１を８個とした理由を説明する。
ハイブリットカーというのは、エンジン９とモータジェ
ネレータ１０とで走行をアシストするものであるから、
バッテリ３からの電力がモータジェネレータに供給され
たり、エンジンによる走行時にはモータジェネレータ１
０からの電力がバッテリ３に充電されることになる。
【００２９】このため、図４に示すように走行中におい
ては充電と放電が頻繁に繰り返されることになる。
【００３０】この図４の一部を拡大した放電は、図５に
示すように少なくとも約１秒程度継続（具体的には８０
０ｍｓｅｃ）している。すなわち、１ｍｓｅｃ毎のサン
プリングで、Ｎ１＝８、Ｎ２＝１００とすると、８００
ｍｓｅｃ（Ｎ１×Ｎ２＝８００個）となり、頻繁に充放
電を繰り返していても、８００ｍｓｅｃの放電期間の電
流及び電圧をサンプリングすることが可能となるからで
ある。
【００３１】残存容量測定装置１は、負荷動作中信号の
入力に伴って、１ｍｓｅｃ経過したかどうかを判定する
（Ｓ２０１）。
【００３２】この、負荷動作中信号は、例えばアクセル
の操作量、スピードパルス量、ワイパーの回転量等が所
定以上のとき、又はエアコンのコンプレッサ等がスイッ
チング動作をしているときに出力されるものである。
【００３３】次に、ステップＳ２０１において、１ｍｓ
ｅｃ経過したと判定したときは、電流センサ４及び電圧
センサＶからのバッテリ３の現在の電流Ｉと電圧Ｖとを
サンプリングし（Ｓ２０３）、この電流Ｉと電圧Ｖと時
間Ｔとを積算し、このときまでの放電量又は充電量を求
める（Ｓ２０５）。例えば、モータジェネレータ１０に
バッテリ３からの電流を放電させている場合は、放電電
流であるからステップＳ２０５においては放電量であ
り、エンジン９を用いて走行しているときはモータジェ
ネレータ１０からの電流が充電されるので、ステップＳ
２０５においては充電量である。
【００３４】次に、前回の電圧と今回の電圧とを加算し
た電圧データの総和値及び前回の電流と今回の電流とを
加算した電流データの総和値を求める（Ｓ２０９）。
【００３５】そして、残存容量測定装置１は、前回の電
流と今回の電流、前回の電圧と今回の電圧とを加算する
毎（総和値を求める毎）に、サンプリングカウンタＮ１
を更新し（Ｓ２０９）、サンプリングカウンタＮ１が８
個を計測したかどうかを判定する（Ｓ２１１）。
【００３６】ステップＳ２１１において、サンプリング
カウンタＮ１が８個を計測していないと判定したときは
処理をステップＳ２０１に戻して、再び１ｍｓｅｃ経過
時の電流と電圧とをサンプリングする。
【００３７】また、ステップＳ２１１において、サンプ
リングカウンタＮ１が８個を計測しているときは、８個
の電流、電圧の平均値を求める（Ｓ２１３）。本例では
平均電流をＹ、平均電圧をＸとし、数１に示す式でそれ
ぞれの平均値を求め、これを電圧ー電流座標系に定義す
る。
【００３８】
【数１】 次に、８個毎の平均電圧Ｘ及び平均電流Ｙが求められて
電圧ー電流座標系に電圧ー電流特性データが定義される
毎に、残存容量測定装置１は、図示しない電流電圧平均
カウンタＮ２を更新し（Ｓ２１５）、この電流電圧平均
カウンタＮ２が１００個を計測したかどうかを判定する
（Ｓ２１７）。すなわち、１ｍｓｅｃのサンプリングに
おいて８００個の電流、電圧を８個毎に平均化したかど
うかを判定している。
【００３９】ステップＳ２１７において、電流電圧平均
カウンタＮ２が１００個を計測していないと判定したと
きは、処理を再びステップＳ２０１に戻す。
【００４０】また、ステップＳ２１７において、電流電
圧平均カウンタＮ２が１００個に到達したと判定したと
きは、数２に示すように各平方和と積和の計算を行う
（Ｓ２１９）。
【００４１】
【数２】 また、ステップＳ２０１で１ｍｓｅｃ経過していないと
判断したときは、残存容量測定時に求めた電流データ、
電圧データ等を他の装置に送出させる処理等を行い他の
処理を実施する（Ｓ２２５）。
【００４２】すなわち、ステップＳ２１９までの処理に
よって図６に示すように電流ー電圧座標系に電流、電圧
の散布程度を定義したことになる。但し、図６において
は、電流を縦に、電圧を横軸にしている。
【００４３】この図６においては、小放電電流領域Ｍと
大放電電流領域Ｈとがあることを示している。これは、
図５に示すように放電初期においては大電流が流れるた
めであり、この大電流領域Ｈの散布データを用いること
によって、正確な近似直線を得ることが可能となる。
【００４４】次に、残存容量測定装置１は図３に示すよ
うに、ステップＳ２１９で得られたデータを用いて相関
係数ｒを数３の式で求める（Ｓ３０１）。
【００４５】
【数３】 そして、この相関係数ｒと予め設定されている基準の相
関係数ｒｓとを比較して、相関係数ｒは強い負の相関を
示しているかどうかを判定する（Ｓ３０３）。
【００４６】ステップＳ３０３において、相関が低いと
判定したときは、サンプリングした電流データ、電圧デ
ータ、平均データを廃棄して（Ｓ３０５）、図２に示す
ように現在のＮ２をクリアする（Ｓ２２１）と共に現在
のＮ１をクリア（Ｓ２２３）して処理をステップＳ２０
１に戻す。
【００４７】すなわち、ステップＳ３０１からステップ
Ｓ３０５における処理は、例えば図５に示す直線領域Ｄ
の電流、電圧をサンプリングした場合或いは直線領域Ｄ
と８００ｍｓｅｃの放電領域ｋ（ＭとＨが存在する）の
一部となるデータをサンプリングした場合は、ステップ
Ｓ３０３の処理によって負の相関が低いと判定されるこ
とになる。
【００４８】しかし、放電領域ｋ（Ｈの領域）における
データをサンプリングした場合は、強い負の相関を示す
ことになる。つまり、１ｍｓｅｃ毎にサンプリングした
８個のデータを平均化し、これを１００個集め、これが
強い負の相関を示している場合は、図５の放電領域ｋの
電流、電圧データに基づくを電圧ー電流特性データを得
ていることになる。
【００４９】そして、ステップＳ３０３において、強い
負の相関を示していると判定したときは、最小二乗法に
より電流−電圧近似直線関数（Ｖ＝ａＩ＋ｂ）を数４に
示す式で求めさせる（Ｓ３０７）
【数４】 次に、仮想電流Ｉｓ（例えばー１０Ａ）を式４に代入し
て現在のバッテリ３の電圧を推定し（Ｓ３０９）、式５
に従って残存容量ＳＯＣを求め（Ｓ３１１）、この残存
容量ＳＯＣを表示器に送出する出力処理を行う（Ｓ３１
３）。
【００５０】
【数５】 次に、求めた残存容量ＳＯＣが０％かどうかを判断し
（ｓ３１５）、残存容量ＳＯＣが０％の場合は本処理を
終了し、また残存容量ＳＯＣが０％以上の場合は処理を
ステップＳ２２１、Ｓ２２３を介してステップＳ２０１
に戻して１ｍｓｅｃ毎にサンプリングを行って上記の処
理を再び行わせる。
【００５１】なお、上記実施の形態では、ハイブリット
機構１２に接続されているバッテリ３の残存容量を求め
るとしたが、低電圧部に設けられたバッテリ１２の残存
容量を求めるようにしてもよい。
【００５２】また、ワイパー１９、パワーウィンドウ２
０、エアコン２１のセルモータが回転しているとき、或
いは図示しないヘッドランプ、リヤデフォッガ等がオン
するときには、バッテリからは放電電流が流れるので、
本実施の形態の残存容量測定装置１はそのときの残存容
量を測定することになる。
【００５３】従って、従来はバッテリの放電が比較的に
長時間である電気自動車のバッテリの残算容量の測定に
限られていたが、近年開発が進められているハイブリッ
トカー（高電圧車両含む）のように充放電が頻繁なバッ
テリの残存容量の測定にも適する。
【００５４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、バッテリ
の電圧と電流とを一定時間ｔａ（ｔａ＝ｂ／Ｎ１・Ｎ
２）毎に収集し、この収集した電流と電圧とが負荷に対
して放電電流を流したときに相当する総個数ｂを所定個
Ｎ２（Ｎ２＝ｂ／Ｎ１）で割った個数Ｎ１（Ｎ１＝ｂ／
Ｎ２）になると、これらの電流及び電圧の電圧ー電流特
性データが定義され、この個数ｑが個数Ｎ２になったと
きに、これらのデータとの相関が求められ、相関が強い
場合は、近似直線が求められて残存容量が推定される。
【００５５】例えば、個数Ｎ１が８個になる毎に、平均
化されて電圧ー電流座標に定義され、このデータの個数
Ｎ２がが１００個になる毎に、相関係数が求められ、相
関係数が強い負の相関を示しているときに残存容量が測
定される。
【００５６】つまり、充電と放電が交互に頻繁に繰り返
している場合において、充電区間の電圧と電流とを一定
時間毎に収集し、Ｎ１個集まる毎にこれを平均化したＮ
２個のデータの相関を求めると、相関が低いことにな
り、このデータは破棄される。
【００５７】また、充電区間と放電区間とにまたがった
電圧と電流とを一定時間毎に収集し、Ｎ１個集まる毎に
これを平均化したＮ２個のデータの相関を求めると、相
関が低いことになり、このデータは破棄される。
【００５８】しかし、放電区間のみの電圧と電流とを一
定時間毎に収集し、Ｎ１個集まる毎にこれを平均化した
Ｎ２個のデータの相関を求めると、Ｎ２個というのは負
荷の変動に応じて流れる放電電流の放電時間に相当する
個数であるから、これらのデータの相関は強い相関を示
すことになる。
【００５９】すなわち、充電と放電が交互に頻繁に繰り
返されるハイブリットカー（高電圧化車両を含む）であ
っても、放電区間のみのデータで残存容量を推定させる
ことができるので、精度の高い残存容量を得ることがで
きるという効果が得られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のハイブリットカーのバッテリコ
ントローラの概略構成図である。
【図２】残存容量測定装置１の動作を説明するフローチ
ャートである。
【図３】残存容量測定装置１の動作を説明するフローチ
ャートである。
【図４】バッテリ３の充放電パターンを長い時間で測定
したときの波形図である。
【図５】図４の波形の放電部を拡大した拡大波形図であ
る。
【図６】本実施の形態による電圧ー電流特性を説明する
説明図である。
【図７】電気自動車のバッテリの充放電を説明する波形
図である。
【符号の説明】
１ バッテリコントローラ ２ 高電圧部 ４ 電流センサ ５ 電圧センサ ９ エンジン １０ モータジェネレータ １２ ハイブリット機構部 ２３ 残存容量測定装置 ２４ 入力回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−278352（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 31/36 B60L 3/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 負荷に接続されたバッテリの端子電圧を
    検出する電圧センサと前記バッテリから前記負荷に流れ
    る電流を検出する電流センサとを有し、この電流及び電
    圧に基づいて得られた近似直線と基準電流とから前記バ
    ッテリの電圧を推定し、推定電圧と満充電電圧と放電終
    止電圧とから前記バッテリの残存容量を推定するバッテ
    リの残存容量測定装置において、 前記電圧センサからの電圧と電流センサからの電流とを
    一定時間ｔａ毎に収集する手段と、 前記収集された電圧データ及び電流データの個数ｈが、
    前記負荷の変動による前記バッテリの放電時間に相当す
    る総個数ｂを数分割する所定個数Ｎ２で割ったときの個
    数Ｎ１（Ｎ１＝ｂ／Ｎ２）になったかどうかを判定する
    手段と、 前記電流及び電圧の個数ｈが前記個数Ｎ１になる毎に、
    それぞれ個数Ｎ１で平均化し、この結果を電圧−電流特
    性データとして定義する手段と、 前記平均化された電流及び電圧値の個数ｑが、前記総個
    数ｂを前記個数Ｎ１で割った個数Ｎ２（Ｎ２＝ｂ／Ｎ
    １）になったかどうかを判定する手段と、 前記個数Ｎ２になる毎に、これらのデータの相関を求
    め、該相関が強いときにこれらのデータを用いて前記近
    似直線を得る手段と、前記収集された電圧データ及び電流データの個数ｈが、
    前記個数Ｎ１に到達していないとき、或いは前記平均化
    された電流及び電圧値の個数ｑが前記個数Ｎ２に到達し
    ていないときは前記一定時間ｔａ毎の収集を繰り返し行
    わせる手段と を有することを特徴とするバッテリの残存
    容量測定装置。
  2. 【請求項２】 前記一定時間ｔａは、前記総個数ｂを前
    記個数Ｎ１と前記個数Ｎ２とを積算した値で割った時間
    （ｂ／Ｎ１・Ｎ２）であることを特徴とする請求項１記
    載のバッテリの残存容量測定装置。
  3. 【請求項３】 前記負荷は、エンジンとモータとで走行
    を補助するハイブリット機構であり、このハイブリット
    機構のモータに前記バッテリが電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１又は２記載のバッテリの残存
    容量測定装置。
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