JP3752888B2

JP3752888B2 - 電池状態検出装置

Info

Publication number: JP3752888B2
Application number: JP13033999A
Authority: JP
Inventors: 義晃菊池; 晃生石下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: JP2000323183A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池状態検出装置に関し、詳しくは、電力を消費または回生する負荷に接続された二次電池の状態を検出する電池状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電池状態検出装置としては、所定時間に亘って検出した二次電池の端子間電圧と電流とに基づいて内部抵抗と起電力とを求めるものが提案されている（例えば、特開平８−６２３１０号公報など）。この装置では、所定時間に亘って検出した電圧と電流とから電圧と電流との直線関係の近似解を求め、この近似解から二次電池の内部抵抗と起電力とを求めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした電池状態検出装置では、妥当な二次電池の内部抵抗と起電力を求めることができない場合を生じるという問題があった。電圧と電流との直線関係は、二次電池の蓄電状態（ＳＯＣ）の変化に伴って変わる。したがって、所定時間に亘って二次電池の蓄電状態がほぼ一定の状態を維持していれば、電圧と電流との直線関係は変わらないからその間に検出した電圧と電流とにより妥当な内部抵抗と起電力とを求めることができるが、所定時間内に二次電池の蓄電状態が変化すると電圧と電流との直線関係が変化して妥当な内部抵抗と起電力とを求めることができなくなってしまう。また、所定時間内に電流がほとんど変化しないときには、妥当な直線関係を求めることができず、妥当な内部抵抗と起電力とを求めることができない。さらに、通常、二次電池は温度特性を有するから、所定時間内に二次電池の温度が変化するときにも妥当な内部抵抗と起電力とを求めることができない。
【０００４】
本発明の電池状態検出装置は、より正確な二次電池の状態を検出することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電池状態検出装置は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の電池状態検出装置は、電力を消費または回生する負荷に接続された二次電池の状態を検出する電池状態検出装置であって、前記二次電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記二次電池の端子を流れる電流を検出する電流検出手段と、同じタイミングで前記電圧検出手段により検出された電圧と前記電流検出手段により検出された電流とを対のデータとして充電又は放電に関わらず所定時間に亘って複数記憶するデータ記憶手段と、前記タイミングで前記電流検出手段により検出された電流を前記所定時間に亘って積算すると共に該所定時間内における前記電流の積算値の変動幅を演算する電流積算値変動幅演算手段と、前記タイミングで前記所定時間に亘って前記電流検出手段により検出された電流の分布を演算する電流分布演算手段と、該演算された前記積算値の変動幅が所定幅未満であり、かつ、前記電流分布演算手段により演算された前記電流の分布が所定電流分布を越えて分布しているときに、前記記憶手段により記憶された充電又は放電における複数の対のデータに基づいて前記二次電池の状態を演算する状態演算手段と、前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、前記所定時間に亘って前記温度検出手段により検出された前記二次電池の温度の分布を演算する温度分布演算手段と、とを備えることを要旨とする。
【０００７】
また、電流の積算値は、二次電池の蓄電状態（ＳＯＣ）を反映するものであり、前述したように、二次電池の蓄電状態が大きく変動するときには二次電池の状態も変動する。したがって、本発明の電池状態検出装置では、二次電池の蓄電状態が所定範囲内のときと、前記電流分布演算手段により演算された前記電流の分布が所定電流分布を越えて分布しているときに、二次電池の状態を演算することになるから、二次電池の妥当な状態を演算することができる。
【０００９】
さらに、前記状態演算手段は、前記温度分布演算手段により演算された前記温度の分布が所定温度分布の範囲内で分布している場合、又は検出した温度のすべてが所定温度以上である場合において、前記記憶手段により記憶された充電又は放電における複数の対のデータに基づいて前記二次電池の状態を演算する手段であることを特徴とする。こうすれば、二次電池が温度特性を有しても、適正な状態を演算することができる。
【００１０】
さらに、本発明の電池状態検出装置において、前記状態演算手段は、前記記憶手段により記憶された複数の対のデータから電圧と電流との直線関係の近似解を演算し、該演算した近似解から前記二次電池の状態として内部抵抗と起電力の少なくとも一方を演算する手段であるものとすることもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である二次電池の状態検出装置２０を負荷１２により電力を消費または回生されている二次電池１０に取り付けた際の構成の概略を示す構成図である。実施例の二次電池の状態検出装置２０は、図示するように、二次電池１０の端子間電圧Ｖを検出する電圧計２２と、二次電池１０や負荷１２に流れる電流Ｉを検出する電流計２４と、二次電池１０の温度Ｔを検出する温度センサ２６と、二次電池１０の起電力ＯＣＶと内部抵抗Ｒとを演算する電子制御ユニット３０と、表示装置としてのＬＥＤ４０とを備える。
【００１２】
電子制御ユニット３０は、ＣＰＵ３２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ３４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ３６と、タイマ３８と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット３０には、電圧計２２からの電圧Ｖや電流計２４からの電流Ｉ，温度センサ２６からの温度Ｔなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット３０からは、ＬＥＤ４０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１３】
次に、こうして構成された実施例の二次電池の状態検出装置２０の動作について説明する。図２は、実施例の二次電池の状態検出装置２０の電子制御ユニット３０で実行される電池状態として二次電池１０の起電力ＯＣＶと内部抵抗Ｒとを検出する電池状態検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、負荷１２により電力が消費または回生されている間、所定時間毎（例えば、１０分毎）に繰り返し実行される。
【００１４】
この電池状態検出処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３２は、まず、初期設定として蓄電量Ｑや最大蓄電量Ｑｍａｘ，最小蓄電量Ｑｍｉｎに値０をセットする処理を実行する（ステップＳ１００）。続いて、電流計２４により検出される電流Ｉと電圧計２２により検出される電圧Ｖと温度センサ２６により検出される温度Ｔとを読み込んでＲＡＭ３６の所定領域に記憶し（ステップＳ１０２）、読み込んだ電流Ｉを用いて次式（１）により蓄電量Ｑを積算する処理を実行する（ステップＳ１０４）。ここで、式（１）の右辺第２項のマイナスは、二次電池１０から放電されているときの電流を正とし、蓄電量Ｑは二次電池１０が充電されるときを正としていることによる。また、Δｔは、図２のルーチンのステップＳ１０２〜Ｓ１１４を繰り返す際の時間であり、電流Ｉや電圧Ｖ，温度Ｔをサンプリングする間隔である。
【００１５】
Ｑ←Ｑ−Ｉ・Δｔ（１）
【００１６】
こうして蓄電量Ｑが積算されると、蓄電量Ｑと最大蓄電量Ｑｍａｘとを比較し（ステップＳ１０６）、蓄電量Ｑが最大蓄電量Ｑｍａｘより大きいときには、最大蓄電量Ｑｍａｘに蓄電量Ｑを代入して最大蓄電量Ｑｍａｘを更新する（ステップＳ１０８）。同様に蓄電量Ｑと最小蓄電量Ｑｍｉｎとを比較し（ステップＳ１１０）、蓄電量Ｑが最小蓄電量Ｑｍｉｎより小さいときには、最小蓄電量Ｑｍｉｎに蓄電量Ｑを代入して最小蓄電量Ｑｍｉｎを更新する（ステップＳ１１２）。そして、始めて電流Ｉや電圧Ｖ，温度Ｔのサンプリングから所定時間経過したかを判定し（ステップＳ１１４）、所定時間経過していないときには、ステップＳ１０２の電流Ｉや電圧Ｖ，温度Ｔのサンプリング処理に戻る。なお、所定時間経過したか否かはタイマ３８による計時により判断することができる。
【００１７】
所定時間経過したときには、最大蓄電量Ｑｍａｘと最小蓄電量Ｑｍｉｎとの偏差ΔＱを求め（ステップＳ１１６）、求めた偏差ΔＱを閾値Ｑｒｅｆと比較する（ステップＳ１１６）。ここで、閾値Ｑｒｅｆは、二次電池１０の内部抵抗Ｒや起電力ＯＣＶを算出するためにサンプリングした間に二次電池１０の蓄電状態ＳＯＣが大きく変動しなかったことを検定するためのものであり、二次電池１０の特性や求められる内部抵抗Ｒや起電力ＯＣＶの精度により定められる。
【００１８】
ここで、電流Ｉや電圧Ｖ，起電力ＯＣＶ，内部抵抗Ｒ，蓄電状態ＳＯＣの関係について若干説明する。図３は蓄電状態ＳＯＣが一定のときの電流Ｉ，電圧Ｖ，起電力ＯＣＶ，内部抵抗Ｒの関係を例示する説明図であり、図４は蓄電状態ＳＯＣと起電力ＯＣＶとの関係の一例を示すグラフである。図３に示すように、蓄電状態ＳＯＣが一定のときには、電流Ｉと電圧Ｖとは直線関係にあり、電圧Ｖの軸との交点の電圧Ｖの値、即ち切片が起電力ＯＣＶであり、直線の傾きが内部抵抗Ｒになる。一方、図４に示すように、蓄電状態ＳＯＣが大きくなるにしたがって、起電力ＯＣＶは大きくなるが、その関係は直線関係にない。したがって、電流Ｉや電圧Ｖをサンプリングする間に蓄電状態ＳＯＣが大きく変化すれば、起電力ＯＣＶも大きく変化するから、サンプリングした電流Ｉや電圧Ｖには精度のよい直線関係を得ることができない。図５にサンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動が小さいときの電流Ｉと電圧Ｖとの関係の一例を示し、図６にサンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動が大きいときの電流Ｉと電圧Ｖとの関係の一例を示す。図５および図６における「ｘ」印は、電流Ｉと電圧Ｖのサンプリング点である。
【００１９】
こうした蓄電状態ＳＯＣと起電力ＯＣＶや内部抵抗Ｒとの関係から明らかなように、精度よく起電力ＯＣＶや内部抵抗Ｒを検出するには、サンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動は小さい方がよい。図２のルーチンのステップＳ１１６で求めた偏差ΔＱは、サンプリング中に二次電池１０に蓄えられる最大蓄電量Ｑｍａｘと最小蓄電量Ｑｍｉｎとの偏差であるから、蓄電状態ＳＯＣの変動を表わすことになる。したがって、ステップＳ１１８の処理は、この蓄電状態ＳＯＣの変動の程度を検定する処理となる。偏差ΔＱが閾値Ｑｒｅｆ以上のときには、サンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動が大きいと判断し、起電力ＯＣＶや内部抵抗Ｒを演算せずに、本ルーチンを終了する。
【００２０】
一方、偏差ΔＱが閾値Ｑｒｅｆ未満のときには、サンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動は小さかったと判断し、サンプリングした電流Ｉの分布の検定の処理を実行する（ステップＳ１２０，Ｓ１２２）。図３や図５，図６から解るように、電流Ｉと電圧Ｖとの直線関係を精度よく求めるためには、サンプリング点の電流Ｉや電圧Ｖの分布は大きい方がよい。したがって、このステップＳ１２０の電流Ｉの分布の検定処理は、電流Ｉの最低値と最大値の偏差が所定値以上となっていることを検定する処理やサンプリングした電流Ｉの分散を求めて所定の分散以上に分散していることを検定する処理などによって行なわれる。電流Ｉの分布の検定結果が不適正なときには、精度よく起電力ＯＣＶや内部抵抗Ｒを求めることはできないと判断し、本ルーチンを終了する。
【００２１】
電流Ｉの分布の検定結果が適正なときには、サンプリングした温度Ｔの分布の検定の処理を実行する（ステップＳ１２４，Ｓ１２６）。二次電池１０と温度Ｔと内部抵抗Ｒとの関係の一例を図７に示す。図示するように、二次電池１０の温度Ｔが上昇するに伴って内部抵抗Ｒは小さくなり、その変化率も小さくなる。したがって、二次電池１０が所定温度Ｔｒｅｆより高い温度になると、若干の変化はあるが、ほぼ同一の内部抵抗Ｒの値となる。したがって、ステップＳ１２４の温度Ｔの分布の検定処理は、サンプリングした温度Ｔのすべてが所定温度Ｔｒｅｆ以上であるかを検定する処理や、温度Ｔの最大値と最小値との偏差が所定値以内にあるかを検定する処理などによって行なわれる。温度Ｔの分布の検定結果が不適正なときには、精度よく起電力ＯＣＶや内部抵抗Ｒを求めることはできないと判断し、本ルーチンを終了する。
【００２２】
温度Ｔの分布の検定結果が適正なときには、サンプリングした電流Ｉと電圧Ｖとから直線近似解を求め、その切片から起電力ＯＣＶを、その傾きから内部抵抗Ｒを求め（ステップＳ１２８）、これらを出力して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。なお、実施例では、電流Ｉと電圧Ｖの直線近似解は、最小自乗法によって求めた。
【００２３】
以上説明した実施例の二次電池の状態検出装置２０によれば、蓄電状態ＳＯＣの変動や電流Ｉの分布，温度Ｔの分布に基づくことにより、二次電池１０の電池状態としての起電力ＯＣＶや内部抵抗Ｒを精度よく検出することができる。
【００２４】
実施例の二次電池の状態検出装置２０では、蓄電状態ＳＯＣの変動の検定と電流Ｉの分布の検定と温度Ｔの分布の検定とをこの順に行なったが如何なる順で行なってもよい。また、実施例の二次電池の状態検出装置２０では、蓄電状態ＳＯＣの変動の検定と電流Ｉの分布の検定と温度Ｔの分布の検定とを、すべて行なうものとしたが、若干の検出精度が低下するものの、３つの検定のうちいずれか二つ或いはいずれか一つを行なうものとしても差し支えない。
【００２５】
実施例の二次電池の状態検出装置２０では、蓄電状態ＳＯＣの変動の検定や電流Ｉの分布の検定，温度Ｔの分布の検定のいずれかが不適正なときには、図２の電池状態検出ルーチンを終了するものとしたが、ステップＳ１００に戻ってサンプリングをやり直すものとしてもよい。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である二次電池の状態検出装置２０を負荷１２により電力を消費または回生されている二次電池１０に取り付けた際の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の二次電池の状態検出装置２０の電子制御ユニット３０で実行される電池状態検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】蓄電状態ＳＯＣが一定のときの電流Ｉ，電圧Ｖ，起電力ＯＣＶ，内部抵抗Ｒの関係を例示する説明図である。
【図４】蓄電状態ＳＯＣと起電力ＯＣＶとの関係の一例を示すグラフである。
【図５】サンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動が小さいときの電流Ｉと電圧Ｖとの関係の一例を示す説明図である。
【図６】サンプリング中の蓄電状態ＳＯＣの変動が大きいときの電流Ｉと電圧Ｖとの関係の一例を示す説明図である。
【図７】二次電池１０と温度Ｔと内部抵抗Ｒとの関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０二次電池、１２負荷、２０二次電池の状態検出装置、２２電圧計、２４電流計、２６温度センサ、３０電子制御ユニット、３２ＣＰＵ、３４ＲＯＭ、３６ＲＡＭ、３８タイマ、４０ＬＥＤ。

Claims

電力を消費または回生する負荷に接続された二次電池の状態を検出する電池状態検出装置であって、
前記二次電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記二次電池の端子を流れる電流を検出する電流検出手段と、
同じタイミングで前記電圧検出手段により検出された電圧と前記電流検出手段により検出された電流とを対のデータとして充電又は放電に関わらず所定時間に亘って複数記憶するデータ記憶手段と、
前記タイミングで前記電流検出手段により検出された電流を前記所定時間に亘って積算すると共に該所定時間内における前記電流の積算値の変動幅を演算する電流積算値変動幅演算手段と、
前記タイミングで前記所定時間に亘って前記電流検出手段により検出された電流の分布を演算する電流分布演算手段と、
該演算された前記積算値の変動幅が所定幅未満であり、かつ、前記電流分布演算手段により演算された前記電流の分布が所定電流分布を越えて分布しているときに、前記記憶手段により記憶された充電又は放電における複数の対のデータに基づいて前記二次電池の状態を演算する状態演算手段と、
前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記所定時間に亘って前記温度検出手段により検出された前記二次電池の温度の分布を演算する温度分布演算手段と、
を備え、
前記状態演算手段は、前記温度分布演算手段により演算された前記温度の分布が所定温度分布の範囲内で分布している場合、又は検出した温度のすべてが所定温度以上である場合において、前記記憶手段により記憶された充電又は放電における複数の対のデータに基づいて前記二次電池の状態を演算する手段であることを特徴とする電池状態検出装置。
請求項１記載の電池状態検出装置であって、
前記状態演算手段は、前記記憶手段により記憶された複数の対のデータから電圧と電流との直線関係の近似解を演算し、該演算した近似解から前記二次電池の状態として内部抵抗と起電力の少なくとも一方を演算する手段であることを特徴とする電池状態検出装置。