JP3932675B2

JP3932675B2 - 電池の最大入出力電力推定装置

Info

Publication number: JP3932675B2
Application number: JP16845898A
Authority: JP
Inventors: 修夫渡辺; 幸男黒田; 義晃菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2018-06-16
Also published as: JP2000002758A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の充放電動作時において許容される入出力電力の範囲を推定するための電池の最大入出力電力推定装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等に使用されるモータの出力は、電池の寿命に悪影響を及ぼさないために、電池の最大出力電力（Ｐｂｏｕｔ）と最大入力電力（Ｐｂｉｎ）との間に制御する必要がある。このようなＰｂｉｎ、Ｐｂｏｕｔは、電池の充電状態（ＳＯＣ）や電池の温度によって変化する。このため、従来は、「回生電流−電圧特性」、「放電電流−電圧特性」を様々な条件で測定し、電池及びインバータによって決まる最大電圧（Ｖｂｍａｘ）と最小電圧（Ｖｂｍｉｎ）とから決定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般に電池電圧Ｖｂは、ＳＯＣが同じでも直前の使用状態によって変動するが、上記従来技術においては、電池の電圧を測定する際に、その直前の電池の使用状態が反映されていないので、誤差が生じやすい。このため、実際には安全側にまるめられた値が使用されている。従って、電池の有する能力を十分に活かしきっていないという問題があった。
【０００４】
また、上述したように電池電圧Ｖｂは直前の使用状態によって変動するので、例えばハイブリッド車のように入出力変動が激しい場合には、フィードバック制御により電池電圧Ｖｂを上述のＶｂｍｉｎとＶｂｍａｘとの間に制御することが困難であるという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、電池の最大出力電力と最大入力電力とを正確に推定でき、電池の寿命に悪影響を及ぼすことなく電池の使用範囲を拡大するための電池の最大入出力電力推定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、電池の最大入出力電力推定装置であって、電池の充電状態（ＳＯＣ）と充放電電流の変動とを考慮して推定される電池電圧が、所定時間後に電池に許容される電圧の上下限である最大許容電圧または最小許容電圧に到達するための充放電電流値を推定する限界電圧到達電流推定手段と、電池の最大許容電圧または最小許容電圧と限界電圧到達電流推定手段で推定された充放電電流値とから電池の最大入出力電力を推定する電力推定手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、上記電池の最大入出力電力推定装置が、さらに所定時間後に電池のＳＯＣの上下限に到達するための充放電電流値を推定する限界ＳＯＣ到達電流推定手段と、限界電圧到達電流推定手段と限界ＳＯＣ到達電流推定手段とで推定された電流値を比較し、所定時間後に電池電圧の上下限及びＳＯＣの上下限を超えない電流値を出力する比較器とを有し、最大入出力電力の推定には、この比較器の出力を使用することを特徴とする。
【０００８】
また、上記電池の最大入出力電力推定装置が、さらに所定時間後に電池の温度の上限値に到達するための充放電電流値を推定する限界温度到達電流推定手段を有し、比較器で、限界電圧到達電流推定手段と限界ＳＯＣ到達電流推定手段と限界温度到達電流推定手段とで推定された電流値を比較して、所定時間後に電池電圧の上下限及びＳＯＣの上下限及び温度の上限を超えない電流値を出力し、この出力値を前記最大入出力電力の推定に使用することを特徴とする。
【０００９】
【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）を、図面に従って説明する。
【００１０】
実施形態１．
図１には、本発明に係る電池の最大入出力電力推定装置の実施形態１の構成のブロック図が示される。図１において、充電電流算出手段１０では、電池の現在の電圧が所定時間（ｔ秒後）後に電池電圧の上限である最大許容電圧に到達するための充電電流Ｉｂｉｎが算出される。また、放電電流算出手段１２では、電池の現在の電圧が所定時間後（ｔ秒後）に電池電圧の下限である最小許容電圧Ｖｂｍｉｎに到達するための放電電流Ｉｂｏｕｔが算出される。これらの充電電流算出手段１０及び放電電流算出手段１２が、本発明に係る限界電圧到達電流推定手段に相当する。
【００１１】
充放電電流算出手段１０及び放電電流算出手段１２によって上述した充放電電流Ｉｂｉｎ、Ｉｂｏｕｔを算出するのは以下のようにして行われる。すなわち、ある時刻Ｋにおける電池電圧の推定値を離散化してあらわすと以下の式となる。
【００１２】
【数１】

ここで、Ｖｅｓｔ（ｋ）が時刻Ｋにおける離散化された電池の推定電圧である。また、Ｖｏｃ（ｋ）は、同じく時刻Ｋにおける離散化された電池の開放電圧である。この開放電圧Ｖｏｃは、あらかじめ所定の方法で求めた電池の充電状態（ＳＯＣ）の初期値に、充放電電流値の積分値を加算することにより求めた時刻ＫにおけるＳＯＣから推定される。この推定値は、例えば、あらかじめＳＯＣと電池の開放電圧とのマップを電池毎に求めておき、上述のようにして推定したＳＯＣに対応する開放電圧Ｖｏｃとして求められる。また、電池のＳＯＣの初期値としては、例えば満充電時であればこれを１００％とし、あるいは前回使用終了時のＳＯＣ推定値を記憶しておき、これを初期値として使用することができる。この場合、前回使用終了時から今回使用開始時までの時間を計測し、この時間における自己放電量等も適宜考慮することができる。これにより、ＳＯＣの推定値をより精度の高いものとすることができる。
【００１３】
また、上式においてＶｒ（ｋ）は、時刻Ｋにおける電池の内部抵抗による離散化された電圧変動分である。この内部抵抗による電圧変動分Ｖｒ（ｋ）は、以下に示す式により算出される。
【００１４】
【数２】

ここで、電池の内部抵抗ｒは、あらかじめ電池毎に求めておく。また、時刻Ｋにおける離散化された充放電電流値Ｉｂ（ｋ）は、所定の電流検出手段によって検出することができる。
【００１５】
更に、Ｖｄｙｎ（ｋ）は、電池の充放電電流の変動に基づいた電池電圧の変動分すなわち動的な電圧変動分である。この動的な電圧変動分Ｖｄｙｎ（ｋ）は、以下に示す式により推定することができる。
【００１６】
【数３】

時刻Ｋにおける電池の離散化された動的な電圧変動分Ｖｄｙｎ（ｋ）は、電池の過渡的な電圧変動であり、上記のような状態方程式に基づいて算出することができる。なお、上記の状態方程式も離散化した形式で記述されている。また、離散化した係数マトリックスＡ，Ｂ，Ｃは、各電池毎にその特性の測定からあらかじめ決定しておく。
【００１７】
ここで、上述した各値を離散化する場合には、例えば電池を制御する制御装置の制御周期Ｔｓを使用し、時間ｔ＝ｎ×Ｔｓとして離散化する。この場合時刻Ｋは、Ｋ＝ｋ×Ｔｓのようにあらわすことができる。
【００１８】
以上のようにして、時刻Ｋにおける電池の推定電圧Ｖｅｓｔ（ｋ）は、時刻Ｋにおける電池の開放電圧Ｖｏｃ（ｋ）と内部抵抗に基づく電圧変動分Ｖｒ（ｋ）と充放電電流の変動に基づく電池電圧の動的な変動分Ｖｄｙｎ（ｋ）との和としてあらわされる。この電池電圧の推定値Ｖｓｅｔ（ｋ）が、電池に一定の充放電電流がｔ秒間流れた場合に、Ｖｅｓｔ（ｋ＋ｎ）となるとすると、
【数４】

のように表すことができる。上記の式において、カッコ内がｋ＋ｎとなっているのは、ｔ秒間経過して時刻がＫからＫ＋ｔとなったことを示している。上式において、電池にｔ秒間流れた一定の充放電電流値がＩｂ（ｋ＋ｎ）である。この際に、所定時間後（ｔ秒後）に電池が到達する電圧の推定値Ｖｅｓｔ（ｋ＋ｎ）が電池に許容される電圧の上限あるいは下限である最大許容電圧Ｖｂｍａｘまたは最小許容電圧Ｖｂｍｉｎであるとすると、その場合に電池に流した充放電電流値Ｉｂ（ｋ＋ｎ）が、その時点でｔ秒後に電池の電圧を限界電圧に到達させる限界電圧到達電流であることになる。そこで、この限界電圧到達電流を、それぞれ充電側及び放電側に分けてＩｂｉｎとＩｂｏｕｔとする。
【００１９】
次に、Ｉｂ（ｋ＋ｎ）＝ＩｂｉｎまたはＩｂ（ｋ＋ｎ）＝Ｉｂｏｕｔとし、上記の式４に式５及び式６を代入し、Ｉｂｉｎ及びＩｂｏｕｔについて解くと、以下のような結果となる。
【００２０】
【数５】

上記式であらわされたＩｂｉｎが限界電圧到達電流のうち充電側の値であり、またＩｂｏｕｔが限界電圧到達電流のうち放電側の値である。このようにして、図１に示された充電電流算出手段１０及び放電電流算出手段１２により上述したＩｂｉｎ及びＩｂｏｕｔが算出される。図１に示されるように、充電電流算出手段１０及び放電電流算出手段１２には、電池の最大許容電圧Ｖｂｍａｘ、最小許容電圧Ｖｂｍｉｎ、開放電圧Ｖｏｃ（ｋ）、状態量ｘ（ｋ）、内部抵抗ｒ、電池の充放電電流値Ｉｂ（ｋ）が入力されている。これらのうち、最大許容電圧Ｖｂｍａｘ及び最小許容電圧Ｖｂｍｉｎは、それぞれ電池の耐久試験によって決めることができる。
【００２１】
次に、このようにして求めた充電側及び放電側の限界電圧到達電流Ｉｂｉｎ、Ｉｂｏｕｔと、最大許容電圧Ｖｂｍａｘあるいは最小許容電圧Ｖｂｍｉｎとを使用し、充電側の電力推定手段１４及び放電側の電力推定手段１６により以下の式に基づいて電池の最大入力電力Ｐｂｉｎと最大出力電力Ｐｂｏｕｔとを算出する。
【００２２】
【数６】

以上のとおり、本実施形態に係る電池の最大入出力電力推定装置は、単に回生電流又は放電電流と電池の電圧特性との関係から最大入出力電力を推定するのではなく、電池のＳＯＣから求めた開放電圧と電池の内部抵抗による電圧変動分及び充放電電流の変動に基づく動的な電圧変動分とを考慮して電池電圧を推定し、この電池電圧が所定時間内に電池の最大許容電圧又は最小許容電圧に到達するための充放電電流値を推定して、この値から電池の最大入出力電力を推定している。すなわち、充放電電流の変動に伴う電池電圧の動的変動分まで考慮しているので、ハイブリッド車のように充放電電流が激しく変動するような使用環境においても最大入出力電力を正確に推定することができる。従って、そのぶん安全側の余裕代を小さくできるので、電池の寿命に悪影響を及ぼすことなく電池の使用範囲を拡大することができる。
【００２３】
図２には、本実施形態に係る電池の最大入出力電力推定装置の動作のフローが示される。図２において、例えばハイブリッド車のイグニッションスイッチがＯＮとなっているか否かが確認され（Ｓ１）、ＯＮとなっていた場合には、充電電流算出手段１０又は放電電流算出手段１２のＳＯＣの初期値がセットされる（Ｓ２）。また、同時に充放電電流の変動に基づく電池電圧の動的変動分を算出するための状態方程式の状態量ｘの初期値（ｘ（ｋ））がセットされる（Ｓ３）。
【００２４】
次に、所定の電流検出手段により、電池の充放電電流Ｉｂ（ｋ）が、イグニッションＯＮから時刻Ｋまで測定され（Ｓ４）、この電流値の積算と、ＳＯＣの初期値とから時刻Ｋにおける電池のＳＯＣが算出される（Ｓ５）。この時刻Ｋにおける電池のＳＯＣから電池の時刻Ｋにおける開放電圧Ｖｏｃ（ｋ）が算出される（Ｓ６）。
【００２５】
次に、電池の内部抵抗ｒがセットされ（Ｓ７）、また電池の最大許容電圧Ｖｂｍａｘと最小許容電圧Ｖｂｍｉｎとがセットされる（Ｓ８）。
【００２６】
次に、以上の値から、上述した式７に基づいて、充電電流算出手段１０及び放電電流算出手段１２により限界電圧到達電流としての充電電流Ｉｂｉｎ及び放電電流Ｉｂｏｕｔが算出される（Ｓ９）。次にこのＩｂｉｎ及びＩｂｏｕｔを使用して、電力推定手段１４、１６により最大入力電力Ｐｂｉｎと最大出力電力Ｐｂｏｕｔとが算出される（Ｓ１０）。
【００２７】
以上の工程まで終了したところで、イグニッションスイッチがＯＦＦとなっているか否かが確認される（Ｓ１１）。イグニッションスイッチがＯＦＦとなっていない場合にはＳ４からの工程が繰り返されて、引き続き最大入出力電力の推定が実行される。また、Ｓ１１においてイグニッションスイッチがＯＦＦとなっていることが確認された場合には、その時点における電池のＳＯＣの値を不揮発性メモリに格納し、次回使用時における電池のＳＯＣの初期値として使用する（Ｓ１２）。
【００２８】
以上により、本実施形態に係る電池の最大入出力電力推定装置の動作が終了する。
【００２９】
実施形態２．
図３には、本発明に係る電池の最大入出力電力推定装置の実施形態２の構成のブロック図が示され、図１と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。本実施形態において特徴的な点は、電池の最大入出力電力を推定する際に、電池のＳＯＣの上限及び下限も考慮する点にある。
【００３０】
すなわち、電池の現在のＳＯＣと、電池のＳＯＣの上限値又は下限値との差を減算器１８、２０で求め、所定時間すなわちｔ秒後にＳＯＣの上限値又は下限値に到達するための充放電電流を限界ＳＯＣ到達電流推定手段２２、２４により算出する。この場合、算出された充放電電流のうち、ＳＯＣの上限値に到達するための電流値がＩｂｉｎｌｌであり、ＳＯＣの下限値に到達する電流値がＩｂｏｕｔｕｌである。
【００３１】
このようにして算出したＩｂｉｎｌｌと充電電流算出手段１０によって算出されるＩｂｉｎと（いずれも負の値）を、比較器２６で比較し、いずれか大きい方を使用して電力推定手段１４により最大入力電力Ｐｂｉｎを算出する。また、同様にしてＩｂｏｕｔｕｌと、放電電流算出手段１２によって算出されるＩｂｏｕｔと（いずれも正の値）を比較器２８により比較し、いずれか小さい方の値を使用して電力推定手段１６により最大出力電力Ｐｂｏｕｔを算出する。
【００３２】
このような構成により、ｔ秒後に電池電圧の上限値とＳＯＣの上限値とを上回らない最大入力電力及び電池電圧の下限値とＳＯＣの下限値とを下回らない最大出力電力とを求めることができ、電池のＳＯＣの上下限を超えない範囲で最大の入出力電力を求めることができる。
【００３３】
実施形態３．
図４には、本発明に係る電池の最大入出力電力推定装置の実施形態３の構成のブロック図が示され、図１及び図３と同一要素には同一符号を付してその説明を省略する。図４において特徴的な点は、最大入出力電力の推定時に、電池の上限温度を考慮する点にある。すなわち、図４において、現在の電池の温度から電池の上限温度まで所定時間後（ｔ秒後）に到達する最大入力電流Ｉｂｉｎｔｈと最大出力電流Ｉｂｏｕｔｔｈとを算出し、これらの電流値を比較器２６、２８に入力している。このような電流値Ｉｂｉｎｔｈ、Ｉｂｏｕｔｔｈは、例えば電池の発熱モデルを用い、その逆モデルを解くことによって求めることができる。
【００３４】
比較器２６では、充電電流算出手段１０で算出されたＩｂｉｎと限界ＳＯＣ到達電流推定手段２２で推定された電流値Ｉｂｉｎｌｌと上述した限界温度到達電流推定手段３０によって推定された電流値Ｉｂｉｎｔｈと（いずれも負の値）を比較し、これらの最大値を出力する。電力推定手段１４では、この比較器２６の出力した最大値を使用し、電池の最大入力電力を算出する。また、比較器２８では、同様にして放電電流算出手段１２によって算出された電流値Ｉｂｏｕｔと限界ＳＯＣ到達電流推定手段２４によって推定された電流値Ｉｂｏｕｔｕｌと限界温度到達電流推定手段３２によって推定された電流Ｉｂｏｕｔｔｈと（いずれも正の値）を比較し、これらの最小値を出力する。電力推定手段１６では、この比較器２８が出力した最小値を使用して、電池の最大出力電力Ｐｂｏｕｔを算出する。
【００３５】
以上のような構成により、本実施形態に係る最大入出力電力推定装置では、ｔ秒後に電池電圧の上下限値及び電池のＳＯＣの上下限値及び電池の上限温度を超えない最大入出力電力を推定することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電池の最大入出力電力を推定する際に、電池のＳＯＣと充放電電流の変動とを考慮して推定される電池電圧を使用するので、充放電電流の変動が激しい使用条件においても、最大入出力電力を正確に推定することができる。このため、電池の寿命に悪影響を及ぼすことなく電池の使用範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電池の最大入出力電力推定装置の実施形態１の構成のブロック図である。
【図２】図１に示された実施形態１の装置の動作のフロー図である。
【図３】本発明に係る電池の最大入出力電力推定装置の実施形態２の構成のブロック図である。
【図４】本発明に係る電池の最大入出力電力推定装置の実施形態３の構成のブロック図である。
【符号の説明】
１０充電電流算出手段、１２放電電流算出手段、１４，１６電力推定手段、１８，２０減算器、２２，２４限界ＳＯＣ到達電流推定手段、２６，２８比較器、３０，３２限界温度到達電流推定手段。

Claims

電池の充電状態（ＳＯＣ）と充放電電流の変動とを考慮して推定される電池電圧が、所定時間後に電池に許容される電圧の上下限である最大許容電圧または最小許容電圧に到達するための充放電電流値を推定する限界電圧到達電流推定手段と、
前記電池の最大許容電圧または最小許容電圧と前記限界電圧到達電流推定手段で推定された充放電電流値とから電池の最大入出力電力を推定する電力推定手段と、
を有することを特徴とする電池の最大入出力電力推定装置。
請求項１記載の電池の最大入出力電力推定装置が、さらに所定時間後に電池のＳＯＣの上下限に到達するための充放電電流値を推定する限界ＳＯＣ到達電流推定手段と、
前記限界電圧到達電流推定手段と限界ＳＯＣ到達電流推定手段とで推定された電流値を比較し、所定時間後に電池電圧の上下限及びＳＯＣの上下限を超えない電流値を出力する比較器とを有し、前記最大入出力電力の推定には、前記比較器の出力を使用することを特徴とする電池の最大入出力電力推定装置。
請求項２記載の電池の最大入出力電力推定装置が、さらに所定時間後に電池の温度の上限値に到達するための充放電電流値を推定する限界温度到達電流推定手段を有し、
前記比較器では、前記限界電圧到達電流推定手段と限界ＳＯＣ到達電流推定手段と限界温度到達電流推定手段とで推定された電流値を比較して、所定時間後に電池電圧の上下限及びＳＯＣの上下限及び温度の上限を超えない電流値を出力し、この出力値を前記最大入出力電力の推定に使用することを特徴とする電池の最大入出力電力推定装置。