JP3806578B2 - バッテリ残存容量推定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気自動車やハイブリッド電気自動車等のバッテリをエネルギー源としてモータを駆動するシステムにおける、バッテリの残存容量を推定するバッテリ残存容量推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バッテリの残存容量（ＳＯＣ）は、バッテリの開放電圧と密接な関係を持っており、開放電圧からＳＯＣを推定することが可能である。
【０００３】
負荷時にバッテリの開放電圧は直接推定できないが、バッテリ端子間電圧とバッテリ内部抵抗（固定値）とバッテリ負荷電流（放電電流又は充電電流）によって算出でき、この値よりＳＯＣが推定可能である。このＳＯＣ推定の演算フローを図５に示す。
【０００４】
通電中の電圧、電流の推定データから開放電圧を推定し、ＳＯＣを推定する装置の一例を図６に示す。この装置は、バッテリＰＢの負荷電流を検出しＡ／Ｄ変換した実測電流データＩｊから第一演算回路１４でバッテリ端子間電圧Ｖｊ′を推定し、バッテリ電圧を検出しＡ／Ｄ変換した実測端子間電圧データＶｊと上記推定端子間電圧Ｖｊ′との差ｅｊを比較回路１５で演算し、第１演算回路１４で前記差ｅｊに基づき推定端子間電圧Ｖｊ′を実測端子間電圧に近似させるべく前記差ｅｊをフィードバックさせながら第１演算回路１４における第１関係式の関数項の変更と演算をｅｊ＝０となるまで繰り返し、定数分Ｃｊを推定開放電圧として出力し、第二演算回路２１で推定開放電圧に基づいてＳＯＣを演算している。（特開平５−１４２３１４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、バッテリ内部抵抗ＲはＳＯＣの値に関連して逐次変化するため正確なＳＯＣを推定することは困難である。また、バッテリから負荷電流（放電電流、充電電流）を推定するため、ホールＣＴなどの電流検出装置を取り付ける必要があり、コスト高になる。
【０００６】
この発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、前回ＳＯＣの値に基づいたバッテリ内部抵抗を求め無負荷運転時と負荷運転時の推定開放電圧に重みをつけて精度を上げた、開放電圧からＳＯＣを正確に推定しうるようにしたバッテリ残存容量推定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、バッテリ端子間電圧とバッテリ負荷電流の測定値及びバッテリ内部抵抗からバッテリ開放電圧を推定し、この推定バッテリ開放電圧からバッテリの残存容量を推定するバッテリ残存容量推定装置において、前記推定バッテリ開放電圧を、バッテリの無負荷運転時の開放電圧とバッテリの負荷運転時における端子電圧からバッテリ内部抵抗降下分を差し引いた負荷運転時の推定開放電圧に重みをつけて算出することを特徴とする。
【０００８】
前記バッテリ内部抵抗は、バッテリ残存容量−内部抵抗の特性マップ設け、この特性マップを利用しバッテリ残存容量の前回値より演算により推定、または、バッテリ開放電圧が変化しないと仮定できる短時間の前後時点におけるバッテリ端子間電圧及びバッテリ負荷電流を用いて計算より推定するとよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
電気自動車やハイブリット電気自動車は通常走行時にモータのトルク指令をゼロにする場合が多々ある。トルク指令がゼロの時はバッテリ電流がゼロとなるためバッテリ開放電圧は端子電圧と等しくなり正確なバッテリ残存容量（ＳＯＣ）が推定できる。
【００１１】
実施の形態１は図１に示すように従来図５に示したＳＯＣ推定の計算フローに、トルク指令値がゼロの場合の条件を付加し、更に重み付けを行ないＳＯＣを推定する。 ＳＯＣ推定装置は、バッテリ端子間電圧及びバッテリ負荷電流を検出する電圧、電流検出器と、検出した電圧、電流信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、この電圧、電流データを用いてＳＯＣ推定をするＣＰＵ等からなる演算部で構成されている（図示省略）。
【００１２】
図１について、上記ＳＯＣ推定装置演算部におけるＳＯＣ推定の演算処理手順を説明する。
【００１３】
まず、ステップＳ１でＣＰＵはＡ／Ｄ変換器を介してバッテリ端子間電圧Ｖを測定し、Ｓ２でバッテリで駆動されるモータのトルク指令Ｔがゼロであるか否かを判断する。この判断結果がＹＥＳ（Ｔ＝０）の場合は、Ｓ３で開放電圧Ｖｂにバッテリ端子間電圧Ｖを代入する。ＮＯ（Ｔ≠０）の場合は、Ｓ４、Ｓ５でバッテリ内部抵抗Ｒ（固定値）とバッテリ負荷電流Ｉを取り込み、Ｓ６で開放電圧Ｖａ＝Ｖ−ＲＩを算出する。
【００１４】
Ｓ７で開放電圧Ｖａ，Ｖｂに重み付けをして開放電圧Ｖｏ＝（１−Ｗ）・Ｖａ＋Ｗ・Ｖｂを算出する。重みＷ付けにより計算による負荷運転時の開放電圧Ｖａを重視するか、無負荷運転時の開放電圧Ｖｂを重視するかを任意に設定できる。（Ｗ＝０の時：Ｖｏ＝Ｖａ、Ｗ＝１の時Ｖｏ＝Ｖｂ）。そしてＳ８で開放電圧ＶｏよりＳＯＣを計算してＳＯＣを推定する。
【００１５】
上記実施の形態１によれば、上記従来図５のＳＯＣ推定方式にトルク指令Ｔがゼロの場合の条件を付加し、負荷時と無負荷時の開放電圧に重み付けを行なってＳＯＣを推定しているので、ＳＯＣ推定の精度が向上する。
【００１６】
実施の形態２
バッテリ内部抵抗Ｒは放電時と充電時各々についてバッテリの残存容量（ＳＯＣ）の関数になっていることがわかっている。
【００１７】
実施の形態２は図２に示すように、上記図１のＳ６の開放電圧Ｖａの計算に使用するＳ４のバッテリ内部抵抗Ｒ（固定値）を推定値に代えてとして図１の場合と同様にＳＯＣを推定する。
【００１８】
上記図２Ｓ４のバッテリ内部抵抗Ｒ推定の演算処理手順を図３について説明する。予めバッテリの充電時と放電時それぞれについてＳＯＣに対する内部抵抗ＲのマップＡ，Ｂを用意し、図２のＳ２におけるトルク指令が０か否かの判断結果がＮＯの場合、ステップ４１でトルク指令Ｔがゼロより大きいか否かの判断をする。この判断結果がＹＥＳ（放電時）の場合、４２でマップＡにより前回推定のＳＯＣ値からバッテリ内部抵抗Ｒを推定し、ＮＯ（充電時）の場合、４３でマップＢにより前回推定のＳＯＣ値からバッテリ内部抵抗Ｒを推定する。
【００１９】
上記実施の形態２によれば、バッテリ内部抵抗Ｒを推定して開放電圧Ｖａを計算しているので、ＳＯＣの推定精度が上記図１の場合より向上する。
【００２０】
実施の形態３
実施の形態３では実施の形態２と同様に図２のＳＯＣ推定の計算フローでＳＯＣを推定するが、Ｓ４のバッテリ内部抵抗Ｒの推定はバッテリの端子間電圧Ｖと負荷電流Ｉを用いて計算により推定する。
【００２１】
実施の形態３にかかるバッテリ内部抵抗の推定方法について説明する。バッテリの開放電圧Ｖｏと端子電圧Ｖと内部抵抗Ｒの関係を（１）式に示す。
【００２２】
Ｖｏ＝Ｖ−Ｒ・Ｉ…（１）
ここで、短時間と仮定するとバッテリ開放電圧Ｖｏが変化せず、ＳＯＣも変化しないため、この短時間の間に異なる２つの負荷条件時の電圧、電流データを検出すれば、（２）（３）式より（４）式が成立し、（５）式よりバッテリ内部抵抗Ｒを推定することが可能となる。
【００２３】
Ｖｏ＝Ｖ１−Ｒ・Ｉ１…（２）
Ｖｏ＝Ｖ２−Ｒ・Ｉ２…（３）
（２）−（３）より Ｖ１−Ｖ２＝Ｒ・（Ｉ１−Ｉ２）…（４）
従って、内部抵抗推定値Ｒは、Ｒ＝（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｉ１−Ｉ２）…（５）
ただし、Ｖ１，Ｖ２はバッテリ端子間電圧で測定値
Ｉ１，Ｉ２はバッテリの負荷電流で測定値
実施の形態３によれば、図２の計算フローにおけるＳ４のバッテリ内部抵抗Ｒの推定を（５）式により簡単に行なうことができる。
【００２４】
実施の形態４
上記図１のＳＯＣ推定の演算フローにおけるＳ５のバッテリ負荷電流Ｉ（測定値）は、ホールＣＴなどで検出している。実施の形態４は、負荷がインバータモータの場合、図１のＳ５の負荷電流Ｉを測定する代りに電圧ＶＤＣ（＝バッテリ電圧Ｖ）（測定値）とモータ回転数ω（測定値）及びトルク指令Ｔを用いて演算により負荷電流Ｉを推定する。
【００２５】
上記負荷電流Ｉ推定の演算処理手順を図４について説明する。予めトルク指令Ｔとモータ回転数ωに対するモータ効率とインバータ効率を含んだインバータモータの総合効率ηのマップＣを用意しておく。
【００２６】
図１Ｓ２のトルク指令Ｔがゼロか否かの判断結果がＮＯの場合、５１で直流電圧ＶＤＣ（測定値）、モータ回転数ω（測定値）及びトルク指令Ｔを取り込み、５２でインバータモータの総合効率マップＣを用いて現時点のモータ回転数ωとトルク指令から総合効率ηを求め、５３で現時点のモータ回転数ωとトルク指令から導かれるモータ出力ωＴと総合効率ηからバッテリ出力Ｐ＝ωＴ／ηを求め、５４でバッテリ出力Ｐと直流電圧ＶＤＣからバッテリ負荷電流Ｉ＝Ｐ／ＶＤＣを算出する。
【００２７】
電気自動車やハイブリッド電気自動車等では、モータ回転数を測定している。実施の形態４はこのモータ回転数を利用してバッテリ負荷電流を推定するので、ホールＣＴ等のバッテリ負荷電流検出器が不要となり、コスト的に有利となる。なお、この負荷電流算出方法は図２のＳ５にも適用できる。
【００２８】
実施の形態５
実施の形態５は、実施の形態３の装置において、図２の計算フローＳ５のバッテリ負荷電流Ｉ（測定値）を測定せずに、実施の形態４と同様にバッテリ負荷電流を推定してＳＯＣの推定を行なう。
【００２９】
即ち、図２の演算フローにおいて、Ｓ４のバッテリ内部抵抗Ｒ（測定値）を上記（５）式により推定し、Ｓ５のバッテリ負荷電流Ｉ（測定値）を図４に示すように、トルク指令Ｔとモータ回転数ωに対するモータ効率とインバータ効率を含んだインバータモータの総合効率マップＣからインバータモータの総合効率ηを求めてバッテリ出力Ｐ＝ωＴ／ηを求め、バッテリ出力Ｐと直流電圧Ｖ（測定値）からバッテリ負荷電流Ｉ＝Ｐ／ＶＤＣを推定し、バッテリ端子電圧（測定値）と推定したバッテリ内部抵抗Ｒ及びバッテリ負荷電流からＳ７の開放電圧Ｖｏ＝（１−Ｗ）・Ｖａ＋Ｗ・Ｖｂを求め、Ｓ８で開放電圧ＶｏからＳＯＣを計算により推定する。
【００３０】
上記実施の形態５によれば、バッテリ負荷電流を推定しているのでホールＣＴ等を必要とせず、実施の形態３に比較してコスト的に有利となる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明は、上述のとおり構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
（１）電圧精度として不十分な負荷運転時のバッテリの推定開放電圧に対し、電圧精度が高い無負荷運転時の開放電圧を重み付けで計算処理しているので、バッテリの開放電圧の演算精度が上がり、ＳＯＣの推定精度が向上する。
（２）バッテリの内部抵抗は放電時と充電時についてＳＯＣの関数となっているので、ＳＯＣ−バッテリ内部抵抗の特性マップを利用しＳＯＣの前回値よりバッテリ内部抵抗を推定した場合ＳＯＣ推定精度が向上する。
（３）バッテリ開放電圧が変化しないと仮定することができる、短時間の間の異なるバッテリ端子電圧、電流からバッテリ内部抵抗を推定した場合、比較的簡単な演算でバッテリ内部抵抗を推定することができる。
（４）バッテリ負荷電流を推定している場合、ホールＣＴなどのバッテリ電流検出器を必要としないので、コスト的に有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１にかかるＳＯＣ推定装置のＳＯＣ演算フロー図。
【図２】 この発明の実施の形態２にかかるＳＯＣ推定装置のＳＯＣ演算フロー図。
【図３】 同装置のバッテリの内部抵抗推定フロー図。
【図４】 この発明の実施の形態４にかかるＳＯＣ推定装置のバッテリ負荷電流演算フロー図。
【図５】 従来例にかかるＳＯＣ推定装置のＳＯＣ演計算フロー図。
【図６】 他の従来例にかかるＳＯＣ推定装置を示すブロック図。

Claims (3)

1. バッテリ端子間電圧とバッテリ負荷電流の測定値及びバッテリ内部抵抗からバッテリ開放電圧を推定し、この推定バッテリ開放電圧からバッテリの残存容量を推定するバッテリ残存容量推定装置において、
   前記推定バッテリ開放電圧を、バッテリの無負荷運転時の開放電圧とバッテリの負荷運転時における端子電圧からバッテリ内部抵抗降下分を差し引いた負荷運転時の推定開放電圧に重みをつけて算出することを特徴とするバッテリ残存容量推定装置。
2. 請求項１において、
   バッテリ残存容量―内部抵抗特性マップを設け、
   前記バッテリ内部抵抗を、バッテリ残存容量−内部抵抗の特性マップを利用し、バッテリ残存容量の前回値より演算処理にて推定することを特徴とするバッテリ残存容量推定装置。
3. 請求項１において、
   前記バッテリ内部抵抗を、バッテリ開放電圧が変化しないと仮定できる短時間の間における異なるバッテリ端子間電圧及びバッテリ負荷電流より演算処理にて推定することを特徴とするバッテリ残存容量推定装置。

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