JP3572381B2 - 二次電池の充電容量演算方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車などに用いられる二次電池を充電する際の充電容量演算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車（電気自動車など）に用いられる二次電池を充電する際の充電容量演算方法として、充電電流と充電電圧との積である電力積算値を用いる方法が知られている。このような電力積算によって充電容量を求める方法では、電流センサや電圧センサの精度に起因する積算誤差の影響を防止するために、例えば、特開平６−１７６７９７号公報に開示されているように充電が完了したときに演算値を満充電時の容量にリセットしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気自動車に用いられるような出力の大きな電池を充電する場合には充電時間が長くなるため、上述したように充電完了時にリセットを行う場合、充電中は電池の充電容量を表示する容量計には累積誤差を含む正確でない容量が表示されることになる。そのため、表示された容量からどの程度の時間で充電が完了するか分かりにくいという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、充電時に電力積算により容量演算を行う二次電池の充電容量演算方法において、充電中に累積誤差を補正することにより、容量表示から充電完了時間などを容易に推測することができる二次電池の充電容量演算方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１，３，５に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明は、充電電流が比較的大きい第１の充電モード（例えば、定電力充電）と、次いで行われ前記第１の充電モードより充電電流が小さい第２の充電モード（例えば、定電流充電）とにより二次電池１の充電を行い、充電中の充電電圧Ｖと充電電流Ｉとから算出される電力積算値に基づいて二次電池１の充電容量を算出する充電容量演算方法に適用され、第１の充電モードから第２の充電モードへの移行時における二次電池１の置換電池容量（図３の場合には、Ｖｃ＝Ｖｍａｘとなる時刻ｔ１でのＳＯＣ＝９５％に対応する容量）を予め算出しておき、充電中に第１の充電モードから第２の充電モードへ移行したならばその時点の充電容量を電力積算値から置換電池容量に置き換え、第２の充電モードで充電している最中は置換電池容量と移行後の電力積算量との和を充電容量とすることにより述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の充電容量演算方法において、二次電池１の充電が完了したならば（時刻ｔ５において）、その時点の充電容量を二次電池１が満充電状態であるときの満充電電池容量（すなわち、ＳＯＣ＝１００％）に置き換える。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の充電容量演算方法において、充電開始前に二次電池１の充電状態が満充電状態か否かを判定し（ステップＳ１）、満充電状態であった場合には第１の充電モードから第２の充電モードへ移行時に電力積算値から置換電池容量への置き換えを行わず、充電中の充電容量を電力積算値により算出するようにした。
（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の充電容量演算方法において、第１の充電モードを定電力充電とし、第２の充電モードを定電流充電とした。
【０００６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４の発明によれば、充電電流の大きい第１の充電モードから充電電流の小さい第２の充電モードへ移行したときに、その時点の充電容量を電力積算値から予め求めておいた置換電池容量に置き換え、以後は置換電池容量と移行後の電力積算量との和を充電容量とするため、充電開始後の比較的早い時期に容量表示が補正されることになり充電完了時間が分かりやすくなる。
さらに、請求項２の発明によれば、置き換え以後に発生した積算誤差が解消されて充電完了時の容量表示がより正確となる。
また、請求項３の発明によれば、請求項２の発明と同様の効果が得られるとともに、充電開始時に電池が満充電状態であった場合には、第１の充電モードから第２の充電モードへ移行時に電力積算値から置換電池容量への置き換えをしないため、充電中に充電容量表示が減少するという不都合が生じない。
【０００７】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は二次電池１とその充電に用いられる充電装置の構成を示すブロック図である。二次電池１はｎ個の単セルＣ１〜Ｃｎから構成され、例えば、リチウムイオン電池等が用いられる。２は充電器３による二次電池１の充電制御を行うバッテリーコントローラであり、バッテリーコントローラ２は電圧センサ４により検出される電池１の端子電圧Ｖ，電流センサ５により検出される電池１に流れる電流Ｉ，後述するセルコントローラ６からのセル電圧信号Ｓｃおよび記憶装置７に記憶されている電池１のＳＯＣに基づいて充電を制御する。充電器３には充電中の充電率を表示する表示部３１が設けられている。なお、充電および放電時のＳＯＣはバッテリーコントローラ２によって算出されバッテリーコントローラ２の記憶部２１に記憶される。このとき、記憶部２１のＳＯＣは電池１のＳＯＣが演算される度に最新のデータに書き換えられる。
【０００９】
セルコントローラ６は電池１の各単セルＣ１〜Ｃｎの充放電制御を行うとともに、各単セルのセル電圧Ｖｃが後述する値Ｖｍａｘを越えたときに検出信号Ｓｃをバッテリーコントローラ２へ出力する。８は電池１の残存容量を表示する容量計であり、バッテーリーコントローラ２からの信号により残存容量（例えば、充電率ＳＯＣ）を表示する。
【００１０】
セルコントローラ６は図２に示すように単セルＣ１〜Ｃｎ毎に過電圧検出回路６１およびバイパス回路６２を備えており、いずれかの単セルが満充電状態になってそのセル電圧Ｖｃが所定の電圧Ｖｍａｘ（セル電圧Ｖｃが過電圧レベルに達する電圧）と、対応する過電圧検出回路６１が動作して検出信号Ｓｃがバイパス回路６２に送信されてバイパス回路６２を起動し、その単セルの充電電流をバイパス回路６２によりバイパスして、セル電圧Ｖｃが過電圧レベル以上にならないようにする。なお、このときの検出信号Ｓｃはバッテリーコントローラ２へも送信される。
【００１１】
次に、電池１の充電容量演算方法について説明する。先ず、電池１を充電する際の充電制御について説明する。図３は定電力・定電流充電制御を説明する図であり、充電時における（ａ）は充電電力Ｐの変化、（ｂ）はＳＯＣが最も高い単セルのセル電圧Ｖｃの変化、（ｃ）は充電電流Ｉｂの変化をそれぞれ示す図である。定電力・定電流充電制御では、単セルＣ１〜Ｃｎの内のいずれかのセル電圧が所定の電圧レベルＶｍａｘに達するｔ１までは定電力モード（以下、ＣＰモードと呼ぶ）で充電を行ない、その後（ｔ１〜ｔ５）は定電流モード（以下、ＣＣモードと呼ぶ）で充電を行なう。図３では、充電開始時の電池１のＳＯＣが２０％であって、セル電圧Ｖｃが所定電圧ＶｍａｘになってＣＰモードからＣＣモードに移行するときＳＯＣが９５％の場合を示した。
【００１２】
ところで、各単セルＣ１〜Ｃｎにはそれぞれ内部抵抗ｒがあるため、充電時には充電電流Ｉｂによる電圧降下分Ｉｂ・ｒだけセル電圧Ｖｃが増加してしまう。したがって、満充電近くまで大きな充電電流Ｉｂで充電を行なうと、満充電状態になる前に電圧降下分Ｉｂ・ｒによりセル電圧Ｖｃが上昇する。その結果、セル電圧Ｖｃが過電圧レベルを越えてバイパス回路６２が起動され、単セルが充分に充電されていないのに充電電流がバイパスされてしまう。そのため、このような不具合を避けるため、通常、電池１を充電する場合には、満充電近くになると充電電流が少なくなるように電流制御し、内部抵抗ｒによる電圧降下分Ｉｂ・ｒを小さくして各単セルをほぼ完全に充電するようにしている。
【００１３】
すなわち、図３に示すように、ＣＣモードではセル電圧Ｖｃが過電圧レベル以上にならないように、いずれかの単セルＣ１〜Ｃｎのセル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｍａｘに達したならば充電電流値Ｉｂをステップ値Ｉｓずつ低減させるようにする。このような定電流充電は多段定電流充電と呼ばれる。電流値Ｉｂが小さくなるとセル電圧Ｖｃはいったん減少するが、充電が行われることによって時間の経過とともに徐々に上昇する。そして、時刻ｔ２において再びセル電圧ＶｃがＶｍａｘとなったならば、電流値ＩｂをさらにＩｓだけ小さくする。このような動作は各単セルＣ１〜Ｃｎ毎に行われ、電流値Ｉｂが充電終了目標電流Ｉｍｉｎより小さくなったならば充電を終了する。
【００１４】
なお、本実施の形態では単セルの両端電圧が所定電圧に達したら単セルに流れる充電電流をバイパスする例を示したが、単セルに流れる充電電流をバイパスせず、単セルの両端電圧が所定電圧に達したらＣＣモードの充電電流値を下げるようにしてもよい。
【００１５】
図３では充電開始時のＳＯＣが２０％と比較的低い、いわゆる、通常充電について示したが、電池１がほぼ満充電状態（ＳＯＣ＞９５％）の場合には図４のような充電パターンとなる。図４は電池１のＳＯＣが１００％の場合であり、電圧Ｖｃは充電開始と同時に内部抵抗分だけが低下するがすぐに所定電圧ＶｍａｘとなってＣＣモードに移行する。また、ＣＣモードに要する時間も図２の場合に比べて短くなる。なお、上記の例では、ＣＰモードからＣＣモード移行時のＳＯＣを９５％としたが、この値は電離の種類やバイパス回路６２でバイパスできる電流の大きさに依存しており必ずしも９５％とは限らない。
【００１６】
図５，６はバッテリーコントローラ２の充電処理を示すフローチャートであり、このフローチャートを参照しながら本実施の形態における充電動作を説明する。バッテリーコントローラ２は、充電器３が電気自動車に接続され、不図示の充電スイッチが投入されると図５に示す処理を開始する。ステップＳ１では電池１が満充電状態であるか否か、すなわち、電池１のバッテリーコントローラ２の記憶部２１に記憶されているＳＯＣが９５％以上であるか否かを判定する。例えば、図４のように充電開始時において満充電状態（ＳＯＣ＝１００％）であるようなＳＯＣ＞９５％の場合にはステップＳ５に進んで電池が満充電か否かを判定するためのフラグＦＲＣＡＮを１とし、図３のようにＳＯＣ≦９５％の場合にはステップＳ２に進んでＦＲＣＡＮ＝０とする。ステップＳ３へ進んだならば、定電力（ＣＰ）充電を開始する。なお、充電器３の表示部３１には記憶部２１に記憶されているＳＯＣが、例えば、図３の場合にはＳＯＣ＝２０％、図４の場合にはＳＯＣ＝１００％が表示され、充電中にはバッテリーコントローラで演算されたＳＯＣが表示される。
【００１７】
ステップＳ４はセルコントローラ６からの検出信号Ｓｃを受信したか否かを判定するステップであり、信号Ｓｃを受信するまではステップＳ６へ進み、信号Ｓｃを受信したならばステップＳ８へ進む。ステップＳ４でステップＳ６に進んだ場合には、ステップＳ６においてマニュアル動作による充電中断信号や異常検出による充電中断信号を検出したか否かを判定する。充電中断信号を検出したと判定されたならばステップＳ１５へ進み、充電器３に充電停止命令を出力して充電を終了する。一方、ステップＳ６で充電中断信号を検出したと判定されなかった場合には、ステップＳ７へ進んで電力積算を行いステップＳ４へ戻る。すなわち、信号Ｓｃを検出するまではステップＳ４〜Ｓ７を繰り返してＣＰ充電を行い、電池１を構成する単セルＣ１〜Ｃｎのいずれかのセル電圧ＶｃがＶｍａｘに達したことによって信号Ｓｃを受信したならばステップＳ８へ進む。
【００１８】
ステップＳ８はＦＲＣＡＮが１であるか０であるかを判定するステップであり、
充電開始時の電池１のＳＯＣが９５％以下であってＦＲＣＡＮ＝０の場合には、ステップＳ９へ進んでＳＯＣの演算値（電力積算値）をＣＰモードからＣＣモードへの移行時の置換電池容量を表すＳＯＣ＝９５％に書き換える。その後、ステップＳ１０へ進んで定電流（ＣＣ）充電を開始する。すなわち、図３のような通常充電においては、充電開始からＣＰモードで充電する間に計測誤差が積算されて積算値と実際の充電率との間に大きなずれが生じるので、ＣＣモードへの移行時において、そのときの電池状態に基づくＳＯＣに書き換えることによってそれまでの容量演算誤差を補正する。なお、置換電池容量を表すＳＯＣ＝９５％という値は、実際にセル電圧がＶｍａｘのときの電池容量を実験やシミュレーション等により予め求め、バッテリーコントローラ２の記憶部２１に置換電池容量として記憶されている。
【００１９】
一方、上述したように充電開始時の電池１が満充電状態（図４）でＦＲＣＡＮ＝１ならば、ステップＳ９をスキップしてステップＳ１０へ進んでＣＣ充電を開始する。これは、ＳＯＣ＞９５％の状態で充電開始した場合には、図３の場合と同様にＳＯＣ→９５％と書き換えるとＣＣモードへ移行時に充電率が減少するという不都合（充電中のＳＯＣは充電器３に表示部３１に表示される）が生じるので、ステップＳ９をスキップするようにする。
【００２０】
ステップＳ１１において、ステップＳ６と同様に充電中断信号を検出したか否かを判定し、充電中断信号を検出したと判定したならばステップＳ１５へ進み、充電器３に充電停止命令を出力して充電を終了する。一方、ステップＳ６で充電中断信号を検出しなかった場合には、ステップＳ１２へ進んで電力積算を行う。ステップＳ１３は充電電流Ｉｂが充電終了目標電流Ｉｍｉｎより小さいか否かを判定するステップであり、Ｉｂ≧ＩｍｉｎならばステップＳ１２に戻ってＣＣ充電を継続しつつ電力積算を行い、Ｉｂ＜ＩｍｉｎとなったならばステップＳ１４においてＳＯＣ＝１００％と書き換えた後、ステップＳ１５へ進んで充電を停止する。すなわち、Ｉｂ＜Ｉｍｉｎとなったならば電池１の充電率をＳＯＣ＝１００％と書き換えることによってＣＣ充電の間に生じた容量演算誤差を解消することができる。その後、電気自動車のイグニッションスイッチをオンすると、充電された電池１の充電率に応じて容量計８にＳＯＣが表示され、満充電状態の場合には容量計８に設けられた満充電ランプ（不図示）が点灯する。
【００２１】
ところで、ＣＰモードでは大きな電流で充電を行うため比較的短時間でＣＰ充電が終了するが、一方、ＣＣモードでは上述したように電池に流れ込む電流の量を制限しているため、ＣＣ充電に長時間を要することになる。なお、ＣＰ充電に要する時間は充電開始時の電池の容量に依存し、電池のＳＯＣが低いほど時間が長くなる。例えば、充電開始時のＳＯＣが約０％である場合には、ＣＰ充電に要する時間は総充電時間（充電開始から充電完了までの時間）の２〜３割であって、残り８〜７割の時間はＣＣ充電に費やされることになる。
【００２２】
そのため、本実施の形態のようにＣＰモードからＣＣモードに切り替わるときにＳＯＣを積算値から予め算出した値９５％に書き換えることによって、すなわち電池の容量値をＳＯＣ＝９５％にリセットすることによって積算誤差が補正され、容量表示がより正確な値となる。そして、比較的短時間に終了するＣＰ充電終了時にこのようなリセットを行うので、充電開始後の早い時期に容量表示が補正されるという利点がある。なお、本実施の形態ではリセット時のＳＯＣを９５％としたが、この値は電池の種類やバイバス回路でバイパスできる電流値の大きさに依存している
【００２３】
以上説明した実施の形態では定電力・定電流充電を例に説明したが、これに限らず比較的大きな電流で充電する第１の充電モードから小さな電流で充電する第２の充電モードへ移行するような充電パターンであるならば、同様に適用することができる。また、セル電圧ＶｃがＶｍａｘとなったときに容量演算値の書き換えを行ったが、電圧センサ４の電圧が所定値になったときに容量演算値の書き換えを行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明する図であり、二次電池と充電装置の構成を示すブロック図。
【図２】セルコントローラ６の詳細を説明する図。
【図３】充電制御の一例を示す図であり、（ａ）は電力、（ｂ）はセル電圧、（ｃ）は電流の変化を示す。
【図４】充電制御の他の例を示す図であり、（ａ）は電力、（ｂ）はセル電圧、（ｃ）は電流の変化を示す。
【図５】充電動作を説明するためのフローチャート。
【図６】図５に示すフローチャートに続くフローを示すフローチャート。
【符号の説明】
１ 二次電池
２ バッテリーコントローラ
３ 充電器
４ 電圧センサ
５ 電流センサ
６ セルコントローラ
８ 容量計
２１ 記憶部
Ｃ１〜Ｃｎ 単セル
Ｖｃ セル電圧

Claims (4)

1. 充電電流が比較的大きい第１の充電モードと、次いで行われ前記第１の充電モードより充電電流が小さい第２の充電モードとにより二次電池の充電を行い、充電中の充電電圧と充電電流とから算出される電力積算値に基づいて二次電池の充電容量を算出する充電容量演算方法において、
   前記第１の充電モードから前記第２の充電モードへの移行時における前記二次電池の置換電池容量を予め算出しておき、
   充電中に前記第１の充電モードから前記第２の充電モードへ移行したならばその時点の充電容量を電力積算値から前記置換電池容量に置き換え、
   前記第２の充電モードで充電している最中は前記置換電池容量と移行後の電力積算量との和を充電容量とすることを特徴とする二次電池の充電容量演算方法。
2. 請求項１に記載の充電容量演算方法において、
   前記二次電池の充電が完了したならば、その時点の充電容量を前記二次電池が満充電状態であるときの満充電電池容量に置き換えることを特徴とする二次電池の充電容量演算方法。
3. 請求項１または２に記載の充電容量演算方法において、
   充電開始前に前記二次電池の充電状態が満充電状態か否かを判定し、満充電状態であった場合には前記第１の充電モードから前記第２の充電モードへ移行時に電力積算値から前記置換電池容量への置き換えを行わず、充電中の充電容量を電力積算値により算出するようにしたことを特徴とする二次電池の充電容量演算方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の充電容量演算方法において、
   前記第１の充電モードを定電力充電とし、前記第２の充電モードを定電流充電としたことを特徴とする二次電池の充電容量演算方法。

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