JP3628912B2

JP3628912B2 - バッテリ充電状態検出装置

Info

Publication number: JP3628912B2
Application number: JP16001899A
Authority: JP
Inventors: 義晃菊池; 滋博川内
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2019-06-07
Also published as: JP2000348780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定期間内のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき、予め求められているバッテリ充電状態（以下ＳＯＣという）−起電圧特性を参照して求められた起電圧ＳＯＣと、前記所定期間内のバッテリ電流の積算値から求められた積算ＳＯＣとの比較により、前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正するバッテリ充電状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、バッテリの充電状態を検出するＳＯＣ検出装置が知られている。例えば、電気自動車のバッテリについてのＳＯＣ検出装置は、通常バッテリの電流（充放電電流）を積算し、ＳＯＣを検出している。電気自動車においては、回生制動による充電は期待できるが、走行中は基本的にバッテリは放電する。そして、走行しないときに充電器によってバッテリを満充電にすることで充電状態を回復する。従って、ＳＯＣ検出装置は、基本的に満充電からの放電電流を積算し、ＳＯＣを検出している。携帯型のパーソナルコンピュータなど各種機器においても、基本的に同様であり、満充電からの放電量を積算することでバッテリのＳＯＣを検出している。
【０００３】
エンジン発電機を搭載するハイブリッド車においても、そのバッテリのＳＯＣ検出には、バッテリ電流の積算を利用する場合が多い。ところが、ハイブリッド車においては、バッテリＳＯＣが５０％程度に維持されるように、充放電を制御する。従って、長期間バッテリが満充電とならず、バッテリの充放電電流を長期間積算し、ＳＯＣを検出することになる。充放電電流の検出の精度はそれ程悪くはないが、長期間充放電電流の検出を繰り返すと、その誤差がかなり大きくなってしまう。
【０００４】
一方、バッテリの起電圧と、ＳＯＣには一応の関係がある。ＳＯＣが５０％に近い範囲では、起電圧の変化は小さいが、ＳＯＣがかなり小さくなったり、大きくなった場合には、バッテリ起電圧に変化が生じる。そこで、このバッテリ起電圧とＳＯＣの関係を予め調べておき、検出したバッテリ電圧に基づいてＳＯＣを検出することも行われている。
【０００５】
なお、ニッケル水素バッテリなどでは、ＳＯＣが５０％からかなり離れないと、バッテリ起電圧に変化がないが、他の検出方法と組み合わせることでバッテリ起電圧からのＳＯＣ検出が利用される場合も多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ニッケル水素バッテリなどでは、バッテリの充放電を繰り返しているうちに、同じＳＯＣであってもバッテリの起電圧が低下してくる現象がある。この現象は、バッテリのメモリ効果として知られている。図２にメモリ効果の例を示す。このメモリ効果は、予め予測することが難しく、一方これを考慮しないと、検出電圧値から求められるＳＯＣが大きく異なるものになってしまう。
【０００７】
本発明は、このメモリ効果などが発生してもバッテリ電圧に基づいて適切なＳＯＣ検出が行えるバッテリ充電状態検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定期間内のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき、予め求められているバッテリ充電状態（以下ＳＯＣという）−起電圧特性を参照して求められた起電圧ＳＯＣと、前記所定期間内のバッテリ電流の積算値から求められた積算ＳＯＣとの比較により、前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正するバッテリ充電状態検出装置において、起電圧ＳＯＣが所定値以下になった場合に、その後起電圧ＳＯＣを一時的に通常の目標値より高い上限ＳＯＣまで強制的に上昇させ、その間のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正することを特徴とする。
【０００９】
このように、本発明によれば、起電圧ＳＯＣが所定値に至ったときから、強制的な充電を行い、ＳＯＣ変化を大きくして、積算によるＳＯＣ変化と比較することができる。そこで、ＳＯＣ−起電圧特性についての高精度の補正を達成することができる。また、強制的な放電によっても同様の作用効果が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明のバッテリ充電状態検出装置をハイブリッド車に適用したシステムの構成を示すブロック図である。バッテリ１０は、多数のバッテリセルからなっている。本実施形態では、このバッテリ１０は、ニッケル水素バッテリであり、２０個のバッテリセルをまとめて１ブロックとして、このブロックを１２個接続して、２４０個のバッテリセルを直列接続した３００Ｖ程度の出力電圧を有している。
【００１２】
バッテリ１０の各ブロック毎の電圧及び全体の電圧は、電圧検出器１２で計測され、電池ＥＣＵ１４に供給される。また、この電池ＥＣＵ１４には、バッテリ温度を検出する温度センサ１６、およびバッテリ電流を検出する電流検出器１８が接続されており、バッテリ温度及びバッテリ電流が電池ＥＣＵ１４に供給される。
【００１３】
そして、この電池ＥＣＵ１４は、供給される各種データに基づいて、バッテリ１０の充電状態（ＳＯＣ）を検出し、これをＨＶＥＣＵ２０に供給する。なお、電池ＥＣＵ１４は、電圧検出器１２から供給されるブロック毎の電圧値に基づいて、バッテリセルにおける過放電を検出する。
【００１４】
このＨＶＥＣＵ２０は、アクセル開度、ブレーキ踏み込み量、車速などの情報に基づいて決定されたトルク指令に基づき、負荷２２を制御する。負荷２２は、インバータ、モータなどからなり、バッテリ１０からの直流電力をインバータにより、交流電流に変換してモータを駆動するものである。そして、ＨＶＥＣＵ２０からの制御信号によりインバータの動作が制御されることで、モータよりトルク指令に合致したトルクを出力する。また、インバータのスイッチングによって回生制動も行う。なお、本実施形態は、ＨＶ車であるため、エンジン及びエンジン駆動のジェネレータを有しており、ジェネレータの発電電力によりバッテリ１０の充電ができると共に、エンジンによりモータ出力軸を回転できるようになっている。また、モータとジェネレータは、モータジェネレータとし１つの装置として構成してもよい。
【００１５】
そして、ＨＶＥＣＵ２０は、電池ＥＣＵ１４から供給されるバッテリ１０のＳＯＣの値に従って、モータ出力、エンジン出力などを制御して、バッテリ１０のＳＯＣが５０％付近になるように制御している。なお、バッテリセルの過放電が検出された場合には、バッテリ１０からの放電を禁止する。
【００１６】
ここで、電池ＥＣＵ１４においては、電流検出器１８の出力値の積算によって、バッテリ１０の充放電電流量を計算し、ＳＯＣを検出している。しかし、このＳＯＣ算出では、上述のように長期間の積算によりＳＯＣ検出についての誤差が大きくなる。
【００１７】
そこで、電圧検出器１２において検出したバッテリ１０の電圧値に基づいたＳＯＣの推定も行う。これは、バッテリ１０のＳＯＣと起電圧の関係（ＳＯＣ−起電圧特性）を予め求めておき、そのときの起電圧に応じて、ＳＯＣを推定するものである。そして、本実施形態では、ＳＯＣ−起電圧特性を利用したＳＯＣの検出をメインとし、電流積算によるＳＯＣの推定を補助として利用する。
【００１８】
ここで、起電圧とは、バッテリ１０の出力電圧から、バッテリ１０における内部抵抗に起因する電圧降下を減算し、そのときのバッテリ電流の影響を排除した電圧を意味する。すなわち、図３に示すように、バッテリ電圧Ｖは、電流の増加に伴い減少する。この増減分は、バッテリ内部抵抗Ｒ×電流Ｉで決定される内部抵抗に伴う電圧降下分であり、電流Ｉに対するバッテリ電圧Ｖの傾きは内部抵抗値Ｒに等しくなる。このバッテリ電流が０の時のバッテリ電圧を起電圧Ｖ_０という。従って、Ｖ_０＝Ｖ＋ＲＩにより起電圧を算出できる。なお、内部抵抗Ｒは、温度によって変化するため、温度センサ１６により検出したバッテリ温度に応じて補正するとよい。すなわち、内部抵抗値Ｒを温度Ｔの関数またはマップとして持っておき、検出温度に応じて内部抵抗Ｒを求めることが好ましい。
【００１９】
そして、図２のように、メモリ効果が発生すると、この起電圧Ｖ_０が図３に示すように低くなる。そこで、起電圧Ｖ_０により、ＳＯＣを推定しようとしても、同一のＳＯＣに対する起電圧が変化してしまうため、正確な推定が行えなくなってしまう。
【００２０】
そこで、本実施形態においては、バッテリの充電を強制的に行い、そのときのバッテリ電流の積算に基づくＳＯＣの変化と、ＳＯＣ−起電圧特性に基づくＳＯＣ（すなわち、起電圧ＳＯＣ）を比較して、ＳＯＣ−起電圧特性を補正する。すなわち、電池ＥＣＵ１４は、電圧検出器１２において検出したバッテリ電圧及び電流検出器１８において検出した電流値に基づき起電圧Ｖ₀を検出する。そして、検出したＳＯＣが所定の低ＳＯＣ値（しきい値Ａ）に至ったときには、電池ＥＣＵ１４は、充電要求を発生する。これによって、ＨＶＥＣＵ２０は、バッテリ１０が充電されるように負荷２２を制御する。例えば、通常であれば目標ＳＯＣを５０％として運転しているところ、目標ＳＯＣを７０％（しきい値Ｂ）に設定する。これによって、ＳＯＣが６５％に達するまで、バッテリ１０への充電が行われるように負荷２２が制御され、バッテリ１０が強制的にＳＯＣ７０％まで充電される。そして、ＳＯＣが７０％に至った時点で、目標ＳＯＣが５０％に戻り通常の制御に戻る。すなわち、図４において点線で示すように、ＳＯＣの変動の少ない低負荷運転の場合には、上述のような制御は行われないが、高負荷運転において、しきい値ＢにまでＳＯＣが低下したときにはしきい値Ａまでの充電がなされる。
【００２１】
ここで、このＳＯＣがしきい値Ａからしきい値Ｂに至るまでの電流検出器１８で検出したバッテリ電流を積算する。そして、この積算電流値に基づいてこの期間での充電量、すなわちＳＯＣの変化量ΔＳＯＣ（積算）を算出する。なお、充電電流は、必ずしも１００％充電に利用されるわけではなく一部は熱発生などで消費される。そこで、積算電流量に、予め求められている充電効率を乗算することでΔＳＯＣ（積算）を算出する。
【００２２】
そして、このΔＳＯＣ（積算）と、ＳＯＣ−起電圧特性から求めたＳＯＣの変化量を比較する。
【００２３】
ここで、積算で求めたＳＯＣの変化量は、短期間ではかなり正しく、ΔＳＯＣ（積算）は、かなり正しい値である。一方、ＳＯＣ−起電圧特性から求めたＳＯＣはメモリ効果などによって、誤差が生じている場合もある。そこで、電池ＥＣＵ１４において、両ＳＯＣ変化、すなわちΔＳＯＣ（積算）とΔＳＯＣ（起電圧）を比較する。
【００２４】
ＳＯＣ−起電圧特性から求めたΔＳＯＣ（起電圧）が正しければ、両ＳＯＣは同一であり、図５に示す理想線に乗る。しかし、ΔＳＯＣ（起電圧）に誤差が生じていた場合には、図５における現実線のように、両者の関係がずれる。
【００２５】
本実施形態では、このようなずれが生じた場合に、電池ＥＣＵ１４は、ＳＯＣ−起電圧特性から求めたＳＯＣが放電量から求めたＳＯＣに近づくように補正する。これによって、より正しいＳＯＣ−起電圧特性を利用して、ＳＯＣの検出が行える。
【００２６】
ここで、絶対的なＳＯＣが計測できる時点からの積算値との比較によれば、ＳＯＣ−起電圧特性をそのまま訂正できる。すなわち、しきい値ＡのＳＯＣの絶対的な値を知ることができれば、その後充電を強制的に行うことで、ＳＯＣ−起電圧特性を効果的に補正できる。例えば、低ＳＯＣにおいては、ＩＶ判定（そのときの電流と電圧の関係）などによって、絶対的にＳＯＣ値を知ることができる。そこで、その点から強制的な充電を行いＳＯＣ−起電圧特性の学習が行える。
【００２７】
なお、上述の説明においては、充電電流の積算を利用した。これは、ＨＶ車などでは、ＳＯＣを低くすると、その後の運転において、バッテリ１０の容量不足を来す危険があるからである。しかし、目的地を設定しての走行であって、この先下り坂が継続することがわかっている場合や、その後停車して充電が行える場合などでは、強制的な放電を行うこともできる。すなわち、所定の高ＳＯＣになった時点から、エンジンを停止するなどして強制的な放電を行い、所定のＳＯＣに至ったときに、通常の運転に戻ることで、上述の充電と同様の強制的なＳＯＣ変化を得ることができ、その際のΔＳＯＣ（積算）と、ＳＯＣ−起電圧特性から求めたΔＳＯＣ（起電圧）の変化から所望の補正が行える。また、このような放電電流の積算では、放電電流の積算値は、１００％バッテリ１０の容量減少につながるため、放電電流の積算によるΔＳＯＣ（積算）は、非常に正しいものであり、ＳＯＣ−起電圧特性についてより精度の高い補正が行える。
【００２８】
次に、図６のフローチャートに基づいて、本実施形態の動作について説明する。まず、ＳＯＣが所定のしきい値（しきい値Ａ）を下回ったかを判定する（Ｓ１１）。この判定で、ＮＯであれば本実施形態の学習は行わないため、Ｓ１１の判定を繰り返す。Ｓ１１の判定で、ＹＥＳであれば、学習用のパラメータを初期化する（Ｓ１２）。具体的には、変数ＳＯＣ１にＳＯＣ−起電圧特性から求めたしきい値Ａを入力し、また電流量の積算値についての変数Ｑ＝０とする。そして、このようなセットが終わった場合には、学習を制御する（Ｓ１３）。すなわち、ＳＯＣ−起電圧特性に基づく、ＳＯＣの算出を行うとともに、積算電流量Ｑの積算を行う。すなわち、そのときの検出起電圧に基づき、ＳＯＣを求めるとともに、Ｑに対し、電流量の積算値を順次加算する。
【００２９】
そして、システムに充電要求を出力し（Ｓ１４）、ＳＯＣが所定値（しきい値Ｂ）に至ったかを判定する（Ｓ１５）。すなわち、ＳＯＣ−起電圧特性から求めたＳＯＣが予め定めた値に至ったか否かを判定し、至っていなかった場合にはＳ１３に戻り処理を繰り返す。
【００３０】
Ｓ１５において、ＹＥＳであれば、最終的なΔＳＯＣと、ΔＳＯＣ（積算）の関係から、ＳＯＣ−起電圧特性を修正し学習を終了する（Ｓ１６）。このように、ΔＳＯＣ（積算）によりＳＯＣ−起電圧特性を修正することができるため、ＳＯＣ−起電圧特性を正しいものに修正することができる。特に、強制的な充電により、ＳＯＣ変化を大きくして、ΔＳＯＣ（積算）と比較することができる。そこで、ＳＯＣ−起電圧特性についての高精度の補正を達成することができる。
【００３１】
なお、強制的な放電を行うフローチャートも実質的に同一であり、これによっても同様の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、強制的な充電により、ＳＯＣ変化を大きくして、ΔＳＯＣ（積算）と比較することができる。そこで、ＳＯＣ−起電圧特性についての高精度の補正を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の装置の構成を示す図である。
【図２】メモリ効果を説明する図である。
【図３】起電圧を説明する図である。
【図４】ＳＯＣの変化を示す図である。
【図５】ΔＳＯＣ（積算）とΔＳＯＣ（起電圧）の関係を示す図である。
【図６】実施形態の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０バッテリ、１２電圧検出器、１４電池ＥＣＵ、１６温度センサ、１８電流検出器、２０ＨＶＥＣＵ、２２負荷。

Claims

所定期間内のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき、予め求められているバッテリ充電状態（以下ＳＯＣという）−起電圧特性を参照して求められた起電圧ＳＯＣと、前記所定期間内のバッテリ電流の積算値から求められた積算ＳＯＣとの比較により、前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正するバッテリ充電状態検出装置において、
起電圧ＳＯＣが所定値以下になった場合に、その後起電圧ＳＯＣを一時的に通常の目標値より高い上限ＳＯＣまで強制的に上昇させ、その間のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正することを特徴とするバッテリ充電状態検出装置。
所定期間内のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき、予め求められているバッテリ充電状態（以下ＳＯＣという）−起電圧特性を参照して求められた起電圧ＳＯＣと、前記所定期間内のバッテリ電流の積算値から求められた積算ＳＯＣとの比較により、前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正するバッテリ充電状態検出装置において、
起電圧ＳＯＣが所定値を越えた場合に、その後起電圧ＳＯＣを一時的に通常の目標値より低い下限ＳＯＣまで強制的に下降させ、その間のバッテリ電圧及びバッテリ電流に基づき前記ＳＯＣ−起電圧特性を補正することを特徴とするバッテリ充電状態検出装置。