JP3986991B2

JP3986991B2 - Dischargeable capacity detection method

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Publication number: JP3986991B2
Application number: JP2003097462A
Authority: JP
Inventors: 洋一荒井; 兼一天野
Original assignee: GS Yuasa Corp; Yazaki Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp; Yazaki Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004301778A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、放電可能容量検出方法に係わり、特に、バッテリの放電可能容量を検出する放電可能容量検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、車両に搭載されるバッテリを例に取ると、特にモータを唯一の推進駆動源とする電気自動車においては、一般のエンジンを推進駆動源とする車両におけるガソリンに相当するものであることから、バッテリがどの程度充電されているのかを認識しておくことは、車両の正常な走行を確保する上で非常に重要である。
【０００３】
このため従来では、バッテリがどの程度充電されているかを認識するために、バッテリの開回路電圧を検出したり、この開回路電圧から下記のＳＯＣ（State Of Charge）を検出していた（例えば特許文献１）。
ＳＯＣ（％）＝｛（ＯＣＶ０−ＯＣＶｅ）／（ＯＣＶｆ−ＯＣＶｅ）｝×１００
但し、ＯＣＶ０は現在のバッテリの開回路電圧、ＯＣＶｆは満充電状態の開回路電圧を示す。また、ＯＣＶｅは放電終止状態の開回路電圧であり、この開回路電圧以下ではバッテリを使用することができない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３０３６５８公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＳＯＣは、バッテリに蓄えられた電気量（クーロン量）に相当するものであり、実際に利用する際、その電気量を全て利用することはできない。その理由は、放電電流を流すとバッテリの内部抵抗による電圧降下が発生するからである。内部抵抗としては、バッテリの純抵抗、濃度分極、活性化分極などがある。そして、その降下量は、ＳＯＣ（％）、放電電流の大きさ、放電時間、温度によって変化し、降下量が大きくなればなるほど放電できる電気量は小さくなる。
【０００６】
従来考えられているＳＯＣ（％）は、この電圧降下量が考慮されていないため、ＯＣＶ０がＯＣＶｅと等しくなって、ＳＯＣ＝０になる前に、放電時にバッテリの端子電圧がＯＣＶｅ以下となり、放電することができなくなっていた。そこで、ＳＯＣの余裕を考慮せねばならず、しかも、そのＳＯＣの余裕度も理論的なものではないため、ＳＯＣの監視だけでは、バッテリの状態を正確に把握することができないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、バッテリの状態を正確に把握することができるようになる放電可能容量検出方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、任意の充電容量のバッテリに、任意の放電電流が流れているときの前記バッテリの端子電圧に基づいて放電可能容量を検出する方法であって、放電開始時の前記バッテリの平衡状態の開回路電圧をＯＣＶ０、放電終止状態における前記バッテリの平衡状態の開回路電圧をＯＣＶｅ、満充電状態における前記バッテリの平衡状態の開回路電圧をＯＣＶｆ、前記任意の放電電流をＩ、前記任意の放電電流が流れている前記バッテリの飽和分極抵抗と純抵抗とにより生じる電圧降下分をＶｍ、前記バッテリの放電終止状態における基準抵抗をＲ ₀ 、前記バッテリの満充電状態における基準抵抗をＲ ₁₀₀ としたとき、放電に応じて、下記の式によって放電可能容量（％）を求める
｛（ＯＣＶ０−Ｖｍ）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ ₀ ）｝／｛（ＯＣＶｆ−Ｉ×Ｒ ₁₀₀ ）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ ₀ ）｝×１００（％）
ことを特徴とする放電可能容量検出方法に存する。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、放電終止状態におけるバッテリの平衡状態の開回路電圧から任意の放電電流が流れているバッテリの放電終止状態における基準抵抗に生じる電圧降下分を減じた放電終止電圧を０％としたときの、任意の充電容量のバッテリに、任意の放電電流が流れているときのバッテリの端子電圧の相対値を放電可能容量（％）として求めることができる。従って、バッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量を表す放電可能容量（％）を求めることができる。しかも、上記のように放電終止電圧を定めることにより、放電電流が増加して、バッテリの基準抵抗成分による電圧降下分が増加しても、その分、放電終止電圧も下がるため、端子電圧と放電終止電圧との差分が小さくなることなく、放電可能容量（％）が減少するということがなくなる。逆に、バッテリ内部抵抗が基準抵抗に対して増加すると、その分、端子電圧と放電終止電圧との差分が小さくなって放電可能容量（％）が減少する。つまり、基準抵抗による電圧降下が放電可能容量（％）の減少要因とならない。
【００１１】
また、請求項１記載の発明によれば、放電終止状態におけるバッテリの平衡状態の開回路電圧から任意の放電電流が流れているバッテリの放電終止状態における基準抵抗に生じる電圧降下分を減じた放電終止電圧を１００％としたときの、任意の充電容量のバッテリに、任意の放電電流が流れているときの前記バッテリの端子電圧の相対値を放電可能容量（％）として求めることができる。従って、上記のように満充電電圧を定めることにより、放電電流が増加して、バッテリの基準抵抗成分による電圧降下分が増加しても、その分、満充電電圧も放電終止電圧も下がるため、放電可能容量（％）が減少することがない。逆に、バッテリ内部抵抗が基準抵抗に対して増加すると、その分、放電可能容量（％）が減少する。つまり、基準抵抗による電圧降下が放電可能容量（％）の減少要因とならない。
【００１３】
また、請求項１記載の発明によれば、｛（ＯＣＶ０−Ｖｍ）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝／｛（ＯＣＶｆ−Ｉ×Ｒ₁₀₀）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝×１００（％）により放電可能容量（％）を求める。従って、バッテリの開回路電圧を用いて簡単に放電可能容量（％）を求めることができる。
【００２２】
請求項２載の発明は、請求項１に記載の放電可能容量検出方法であって、前記基準抵抗とは、当該充電状態を有する新品バッテリの純抵抗の設計値に相当する
ことを特徴とする放電可能容量検出方法に存する。
【００２３】
請求項２載の発明によれば、基準抵抗とは、その充電状態を有する新品バッテリの純抵抗の設計値に相当する。従って、バッテリのそのときの充電状態に対する新品バッテリの純抵抗の設計値である基準抵抗による電圧降下分が、放電可能容量（％）や放電可能容量（Ａ・ｈ）の減少要因にならない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による放電可能容量検出方法及びバッテリ状態監視方法を、図面に基づいて説明するが、その前に、図２〜図８を参照して車両用バッテリの純抵抗測定方法を説明する。
【００２７】
ところで、バッテリが搭載され、バッテリから電力供給されて動作する車両負荷として、１２Ｖ車、４２Ｖ車、ＥＶ車、ＨＥＶ車には、スタータモータ、モータジェネレータ、走行用モータなどの大電流を必要とする定負荷が搭載されている。例えば、スタータモータ又はこれに類する大電流定負荷をオンしたとき、定負荷には、その駆動開始の初期の段階で突入電流が流れた後、負荷の大きさに応じた定常値の電流が流れるようになる。因みに、負荷がランプである場合には、突入電流に相当するものをラッシュ電流と呼ぶこともある。
【００２８】
スタータモータとして直流モータを使用している場合、界磁コイルに流れる突入電流は、図２に示すように、定負荷駆動開始直後の例えば３ミリ秒という短時間内に、ほぼ０から定常電流に比べて何倍も大きなピーク値、例えば５００（Ａ）まで単調増加した後、このピーク値から例えば１５０ミリ秒という短時間内に定負荷の大きさに応じた定常値まで単調減少するような流れ方をし、バッテリから放電電流として供給される。したがって、定負荷に突入電流が流れる状況で、バッテリの放電電流とこれに対応する端子電圧を測定することによって、０からピーク値に至る広い範囲の電流変化に対する端子電圧の変化を示すバッテリの放電電流（Ｉ）−端子電圧（Ｖ）特性を測定することができる。
【００２９】
そこで、スタータモータをオンしたときに流れる突入電流に相当する模擬的な放電として、０からほぼ２００Ａまで０．２５秒かけて増加し、同じ時間をかけてピーク値から０まで減少する放電を電子負荷を使用してバッテリに行わせ、そのときのバッテリの放電電流と端子電圧とを対にして短い一定周期で測定し、これによって得た測定データ対を横軸に放電電流、縦軸に端子電圧をそれぞれ対応させてプロットして図３に示すグラフを得た。図３のグラフに示す放電電流の増加時と減少時の電流−電圧特性は、最小二乗法を用いて以下のような二次式に近似できる。
Ｖ＝a1Ｉ²＋b1Ｉ＋c1 ……（１）
Ｖ＝a2Ｉ²＋b2Ｉ＋c2 ……（２）
なお、図中には、二次の近似式の曲線も重ねて描かれている。
【００３０】
図３中において、電流増加方向の近似曲線の切片と電流減少方向の近似曲線の切片の電圧差（c1-c2）は、電流が流れていない０（Ａ）の時の電圧差であるため、放電によって新たに発生した濃度分極成分のみによる電圧降下と考えられる。従って、この電圧差（c1-c2）は、濃度分極のみによるものであり、この電流０（Ａ）点の濃度分極をＶpolc0 とする。また、任意の濃度分極は、電流の大きさに電流の流れた時間を乗じて積算したもの、すなわちＡｈ（短時間なので、以下Ａsec で表す）に比例すると考えられる。
【００３１】
次に、この電流０（Ａ）点の濃度分極Ｖpolc0を利用して電流ピーク値の濃度分極を算出する方法を説明する。今、電流ピーク値の濃度分極をＶpolcpとすると、Ｖpolcpは次式のように表される。
Ｖpolcp＝［（電流増加時のＡsec）／（放電全体のＡsec）］×Ｖpolc0……（３）
なお、放電全体のＡsecは次式で表される。
放電全体のＡsec＝（電流増加時のＡsec＋電流減少時のＡsec）
【００３２】
上述のようにして求めたピーク値における濃度分極Ｖpolcpを式（１）の電流増加方向のピーク値における電圧に加算して、図４に示すように、ピーク値における濃度分極成分を削除する。なお、ピーク値における濃度分極成分を削除した後の電圧をＶ１とすると、Ｖ１は次式で表される。
Ｖ１＝a1Ｉp²＋b1Ｉp＋c1＋Ｖpolcp
Ｉpはピーク値における電流値である。
【００３３】
次に、電流増加方向の近似曲線に対し図４で示すような純抵抗と活性化分極だけの電圧降下曲線を定めその近似式を仮に次式で表す。なお、活性化分極による電圧降下は電荷移動過電圧とも言われる。
Ｖ＝a3Ｉ²＋b3Ｉ＋c3 ……（４）
【００３４】
放電開始前である電流が０（Ａ）の点は、活性化分極も濃度分極もc1を基準にして分極を考えているため、式（１）より、c3＝c1である。また、電流増加の初期状態から電流は急激に増加するが、濃度分極の反応は遅く、反応がほとんど進行していないとすると、式（１）および（４）の電流が０（Ａ）の点の微分値は等しくなるので、b3＝b1である。従って、c3＝c1、b3＝b1を代入することで、式（４）は
Ｖ＝a3Ｉ²＋b1Ｉ＋c1 ……（５）
と書き直され、未知数はa3のみとなる。
【００３５】
次に、式（５）に電流増加のピーク値の座標（Ｉp、Ｖ１）を代入してa3について整理すると、次式が求められる。
a3＝（Ｖ１−b1Ｉp−c1）／Ｉp²
従って、純抵抗と活性化分極だけの近似式（４）が式（５）によって決定される。
【００３６】
一般に、純抵抗は化学反応にて生じるものでないので、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）、温度などが変わらなければ一定であるので、１回のスタータモータ作動の間は一定であるといえる。これに対し、活性化分極による電圧降下は、イオン、電子の受渡しの際の化学反応に伴って生じる電圧降下であるので、濃度分極と相互に影響し合うこともあって、活性化分極の電流増加曲線と電流減少曲線は完全に一致しないことから、式（５）は濃度分極による電圧降下を除いた純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流増加方向の曲線であるということができる。
【００３７】
続いて、電流減少曲線からの濃度分極成分の削除の仕方を、図５により説明する。純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流減少方向の曲線の関係式から濃度分極成分の削除は、電流ピーク値における濃度分極成分の削除と同様の方法で可能である。ピーク値以外の２点をＡ点およびＢ点とし、各点における濃度分極ＶpolcA 、ＶpolcB を次式のようにして求める。
ＶpolcA ＝［（電流増加開始からＡ点までのＡsec ）／（放電全体のＡsec ）］×Ｖpolc0 ……（６）
ＶpolcB ＝［（電流増加開始からＢ点までのＡsec ）／（放電全体のＡsec ）］×Ｖpolc0 ……（７）
【００３８】
上式（６）および（７）によって、ピーク値以外に濃度分極成分を削除した２点が求まったら、この２点とピーク値との３点の座標を利用して次式で表される、図５に示すような、純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流減少方向の曲線が求められる。
Ｖ＝a4Ｉ² ＋b4Ｉ＋c4 ……（８）
なお、式（８）の係数a4、b4、c4は、２点Ａ及びＢとピーク点の電流値と電圧値とを、式（８）にそれぞれ代入して立てた３点の連立方程式を解くことによって決定できる。
【００３９】
次に、バッテリの純抵抗の算出の仕方を説明する。上式（５）で表される濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流増加方向の曲線と、式（８）で表される同じく濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流減少方向の曲線との相違は、活性化分極成分の相違によるものであるので、活性化分極成分を除けば純抵抗が求められる。
【００４０】
ところで、活性化分極成分が互いに等しい値となる両曲線のピーク値に着目し、ピーク値での電流増加の微分値Ｒ１と電流減少の微分値Ｒ２とを次式によって求める。
Ｒ１＝２×a3×Ｉp ＋b3 ……（10）
Ｒ２＝２×a4×Ｉp ＋b4 ……（11）
【００４１】
上式によって求められる微分値Ｒ１およびＲ２の差は、一方が活性化分極成分の増加方向でのピーク値であるのに対し、他方が減少方向でのピーク値であることに起因する。そして、突入電流に相当する模擬的な放電として、０から２００Ａまで０．２５秒かけて増加し、同じ時間をかけてピーク値から０まで減少する放電を電子負荷を使用してバッテリに行わせた場合には、ピーク値近傍での両者の変化率が等しく、両者の中間に純抵抗による電流−電圧特性が存在すると理解できるので、両微分値を加算して２で割ることによって、純抵抗Ｒを次式によって求めることができる（この例では、両微分値を時間比率で案分した値と２で割った値は等しい）。
Ｒ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／２
【００４２】
以上は、突入電流に相当する模擬的な放電を電子負荷を使用してバッテリに行わせた場合について説明したが、実車両の場合には、上述したようにスタータモータとして直流モータを使用しているとき、界磁コイルに突入電流が流れている間に電流はピークに達し、クランキングはピークに達した後ピーク電流の半分以下に低下した電流で作動している。
【００４３】
従って、電流増加方向は３ミリ秒（ｍｓｅｃ）という短時間で終了してしまい、電流増加ピーク値ではほとんど濃度分極が発生しない早い電流の変化であるが、電流減少方向は電流増加方向に比べて１５０ｍｓｅｃという長い時間電流が流れるので、大きな濃度分極が発生する。
【００４４】
このような状況で、実車両では、図６に示すように、電流増加方向は電流増加開始点とピーク値の２点間を結ぶ直線にて近似することができ、しかもこのピーク値５００（Ａ）での濃度分極の発生は０（Ａ）と近似することも可能である。この場合には、電流増加方向については、ピーク値の微分値としては、電流増加方向の近似直線の傾きを使用することになる。
【００４５】
ただし、このような場合には、電流増加方向の近似直線の傾きと、電流減少方向の二次の近似式のピーク点における接線の傾きとを単純に加算平均することはできない。何故ならば、このような状況では、ピーク点までとそれ以降で、活性化分極の発生度合いが全く異なり、ピーク値近傍での両者の変化率が等しくなるという前提が成立しなくなるからである。
【００４６】
このような場合には、純抵抗を求めるに当たって、濃度分極による電圧降下を除いた第１及び第２の近似式のピーク値に対応する点における単位電流変化当たりの２つの端子電圧変化の値、すなわち、傾きに、突入電流が流れている総時間に占める単調増加期間及び単調減少期間の時間の割合をそれぞれ乗じた上で加算すればよい。すなわち、総時間を単調増加及び単調減少にそれぞれ要した時間で比例按分した按分率を各傾きに乗じた上で加算することになる。このようにすることによって、活性化分極と濃度分極とが相互に影響し合うことを考慮して純抵抗を求めることができる。
【００４７】
すなわち、活性化分極は原則電流値に応じた大きさのものが生じるが、その時々の濃度分極に左右され、原則通りには生じることにならず、濃度分極が小さければ活性化分極も小さくなり、大きければ大きくなる。何れにしても、濃度分極による電圧降下を除いた２つの近似式のピーク値に対応する点における単位電流変化当たりの２つの端子電圧変化の値の中間の値をバッテリの純抵抗の値として測定することができる。
【００４８】
また、最近の車両では、モータとしては、マグネットモータなどのＤＣブラッシレスなどの三相入力を必要とする交流モータが使用されることが増えてきている。このようなモータの場合、突入電流はそれ程早く短時間にピーク値に達することがなく、１００ｍｓｅｃほどの時間を要し、電流増加方向においても濃度分極が発生するので、上述した模擬的な放電の場合と同様に、電流増加方向は曲線近似することが必要になる。
【００４９】
また、純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流減少方向の曲線を近似をする場合、ピーク値とこれ以外の２点を定める際、図７に示すように、Ｂ点として電流０（Ａ）の点を使用すると、近似式を求める際の計算を簡略化することができる。
【００５０】
さらに、例えば、ピーク電流の１／２程度の電流値に対応する点に濃度分極の削除した点を定めた場合、図８に示すように、この点とピーク値の２点を結ぶ直線に一次近似してもよい。この場合、電流減少方向については、ピーク値の微分値としては、電流減少方向の近似直線の傾きを使用することになるが、二次曲線を使用したものと変わらない、精度のよい純抵抗が求められる。
【００５１】
以上要するに、濃度分極による電圧降下を除いた２つの近似式のピーク値に対応する点における単位電流変化当たりの２つの端子電圧変化の値の中間の値をバッテリの純抵抗の値として測定することができる。
【００５２】
そこで、車載バッテリの純抵抗測定方法を、定負荷として、増加する放電電流及び減少する放電電流のいずれにおいても濃度分極の発生を伴う突入電流が流れる、例えばスタータモータが使用されている場合について具体的に説明する。
【００５３】
定負荷が動作されると、バッテリからは定常値を越えて単調増加しピーク値から定常値に単調減少する放電電流が流れる。このときのバッテリの放電電流と端子電圧とを、例えば１００マイクロ秒（μｓｅｃ）の周期にてサンプリングすることで周期的に測定し、バッテリの放電電流と端子電圧との組が多数得られる。
【００５４】
このようにして得られたバッテリの放電電流と端子電圧との組の最新のものを、所定時間分、例えばＲＡＭなどの書換可能な記憶手段としてのメモリに格納、記憶して収集する。メモリに格納、記憶して収集した放電電流と端子電圧との組を用いて、最小二乗法により、端子電圧と放電電流との相関を示す増加する放電電流及び減少する放電電流に対する電流−電圧特性について、式（１）及び（２）に示すような２つの近似式を求める。次に、この２つの近似式から濃度分極による電圧降下を削除し、濃度分極成分を含まない、修正した近似式を求める。
【００５５】
このために、まず、式（１）及び（２）の近似式の電流が流れていない０（Ａ）の時の電圧差を、純抵抗と活性化分極による電圧降下はなく、濃度分極によるものであるとして求める。また、この電圧差を利用して、増加する放電電流についての電流−電圧特性の近似式（１）上の電流ピーク値での濃度分極成分による電圧降下を求める。このために、濃度分極は、電流の大きさに電流の流れた時間を乗じた電流時間積によって変化していることを利用する。
【００５６】
増加する放電電流についての電流−電圧特性の近似式上の電流ピーク値での濃度分極による電圧降下が求まったら次に、濃度分極成分の含まない近似式と含む近似式のいずれも定数及び一次係数が等しいとして、含まない近似式の二次係数を定め、増加する放電電流についての電流−電圧特性の近似式について修正した近似式（５）を求める。
【００５７】
次に、減少する放電電流に対する電流−電圧特性について近似式（２）から濃度分極成分を含まない近似式を求める。このために、ピーク値以外に濃度分極成分を削除した２点を求める。この際に、濃度分極は、電流の大きさに電流の流れた時間を乗じた電流時間積によって変化していることを利用する。そして、ピーク値以外に濃度分極成分を削除した２点が求まったら、この２点とピーク値との３点の座標を利用して、減少する放電電流についての電流−電圧特性の近似式（２）について修正した近似式（８）を求める。
【００５８】
上式（５）で表される濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流増加方向の修正した近似式と、式（８）で表される濃度分極成分を削除した純抵抗と活性化分極による電圧降下の電流減少方向の修正した近似式は、活性化分極成分の相違によるものであるので、活性化分極成分を除けば純抵抗が求められる。このために、両近似式のピーク値に着目し、ピーク値での電流増加の微分値と電流減少の微分値との差は、一方が活性化分極の増加方向であるのに対し、他方が減少方向であることに基因するものであるが、ピーク値近傍での両者の変化率の中間に純抵抗による電流−電圧特性が存在するとし、両微分値に突入電流が流れている総時間に占める単調増加期間及び前記単調減少期間の時間の割合をそれぞれ乗じた上で加算することによって、純抵抗を求める。
【００５９】
例えば、電流増加時間が３ｍｓｅｃ、電流減少時間が１００ｍｓｅｃとし、ピーク値での電流増加の微分値をＲpolk1 、電流減少の微分値をＲpolk2 とすると、以下のようなようにして純抵抗Ｒｎを算出することができる。
Ｒｎ＝Ｒpolk1 ×１００／１０３＋Ｒpolk2 ×３／１０３
この純抵抗Ｒｎは、スタータモータの駆動時等、突入電流が発生する高効率放電が行われる毎に、算出され、更新される。
【００６０】
また、バッテリの平衡状態における車両用バッテリの開回路電圧は、それ以前の充放電によってバッテリ内に発生している分極の影響が完全に解消し、分極によるバッテリ端子電圧の低下或いは上昇が無くなっている平衡状態にあるときのバッテリ端子電圧を実測するか、又は、充放電停止直後のバッテリ端子電圧の変化を短時間観測した結果によって推定されるものが利用される。
【００６１】
次に、バッテリの飽和分極検出方法と、本発明の放電可能容量検出方法とについて説明する。
【００６２】
まず、バッテリが実際に負荷に放出できるエネルギは、バッテリの開回路電圧の値に相当する充電容量（電流時間積）から、放電中にバッテリの内部で発生する電圧降下分に相当する容量、すなわち、バッテリの内部抵抗により放電できない容量を減じた容量ということになる。
【００６３】
そして、放電中におけるバッテリの内部で発生する電圧降下は、図９に示すように、バッテリの純抵抗による電圧降下分（図中ＩＲ降下と表記）と、純抵抗以外の内部抵抗による電圧降下分、即ち、分極による電圧降下分（図中飽和分極と表記）とに分けて考えることができる。
【００６４】
上述したＩＲ降下は、バッテリの状態が同じであれば変化しない。一方、飽和分極は、放電電流や、放電時間に比例して、大きくなるが、放電電流がある一定値を超えると放電電流が増加しても増大しない。従って、この飽和分極を迎える点を監視すれば、最も内部抵抗による電圧降下が大きくなる点を監視することができる。なお、飽和分極は、放電電流によっても異なる。
【００６５】
まず、平衡状態、又は、放電開始時の端子電圧が放電開始時の開回路電圧ＯＣＶ０より低い分極（放電分極）が残っている状態のバッテリが放電したときは、図９中の太線の曲線で示す部分のように、放電開始からの所定期間（分極の挙動が現れる程度であり、かつ、１秒以内程度）の放電の際に周期的に測定されたバッテリの放電電流と端子電圧から、式（12）に示す放電電流Ｉに対する端子電圧Ｖの近似式を求める。
【００６６】
一方、放電開始時の端子電圧が放電開始時の開回路電圧ＯＣＶ０より高い分極（充電分極）が残っている状態のバッテリが放電したときは、図１０中の太線の曲線で示すように、放電開始から所定時間経過し、充電分極がほぼ解消された後の放電の際に周期的に測定されたバッテリの放電電流と端子電圧から、式（12）に示す放電電流Ｉに対する端子電圧Ｖの近似式を求める。これは、充電分極が残っている期間に検出したバッテリの放電電流と端子電圧から求めた近似式は、平衡状態から放電した結果から得られる放電電流（Ｉ）−端子電圧（Ｖ）特性と相関性があまりないからである。
Ｖ＝ａＩ²＋ｂＩ＋ｃ …（12）
【００６７】
上記バッテリの端子電圧Ｖは、バッテリの純抵抗Ｒｎによる電圧降下と純抵抗以外の内部抵抗成分による電圧降下分Ｖ_R （分極による電圧降下）との合計によって、下記に示すようにも表される。
Ｖ＝ｃ−（Ｒｎ×Ｉ＋Ｖ_R ） …(13)
【００６８】
式(12)及び(13)から下記に示す近似式と、純抵抗による電圧降下と、分極による電圧降下との関係式を求めることができる。
ａＩ²＋ｂＩ＝−（Ｒｎ×Ｉ＋Ｖ_R ） …(14)
上記式(14)を微分して、バッテリの純抵抗以外の内部抵抗による電圧降下の変化率ｄＶ_R ／ｄＩを求める。
ｄＶ_R ／ｄＩ＝−２ａＩ−ｂ−Ｒｎ …(15)
【００６９】
上記変化率ｄＶ_R ／ｄＩがゼロとなったときの放電電流が、バッテリの純抵抗以外の内部抵抗による電圧降下分が最大値（飽和値）を迎えたときの、端子電圧降下飽和電流値Ｉpol（＝−（Ｒｎ＋ｂ）／２ａ）に相当する。
【００７０】
そして、平衡状態からの放電であるとき、求めた端子電圧降下飽和電流値Ｉpol を、バッテリの純抵抗Ｒｎの値と共に、上述した式（14）の放電電流Ｉとして代入して、求められる分極による電圧降下分Ｖ_R （＝−ａＩpol ²−ｂＩpol −Ｒｎ×Ｉpol）を、飽和分極Ｖ_R pol とする。
【００７１】
一方、充電分極又は放電分極が残っている状態からの放電であるときは、求めた端子電圧降下飽和電流値Ｉpol を、バッテリの純抵抗Ｒｎの値と共に、上述した式（14）の放電電流Ｉとして代入して、求められる分極による電圧降下分Ｖ_R に、式(12)により求めた放電電流ゼロのときの端子電圧ｃ、及び、推測により求めた放電開始時の開回路電圧ＯＣＶ０との差分を加算した値（＝−ａＩpol ²−ｂＩpol −Ｒｎ×Ｉpol＋（ＯＣＶ０−ｃ））を飽和分極Ｖpol とする。
【００７２】
上述した（ＯＣＶ０−ｃ）を加算する理由について以下説明する。充電分極又は放電分極が残っている状態から上述した所定期間における実測した放電電流及び端子電圧に基づき、式（12）から放電電流ゼロのときの端子電圧ｃを求めると、図１１に示すようになる。同図に示すように、式(12)から求めた電圧降下量の飽和値と、平衡状態から放電した結果から得られる放電電流（Ｉ）−端子電圧（Ｖ）特性における電圧降下量の飽和値は等しい。
【００７３】
なお、充電分極が残っているときの放電であっても、放電から所定時間経過し、充電分極がほぼ解消された後の放電で求めた近似式が示す、放電電流ゼロのときの端子電圧ｃは、放電開始時の開回路電圧ＯＣＶ０より低い値となる。
【００７４】
このとき、式（14）にＩpolを代入して求めた分極による電圧降下分Ｖ_R （＝−ａＩpol ²−ｂＩpol −Ｒｎ×Ｉpol）は、図１１に示すように、端子電圧ｃを基準にした電圧降下から、純抵抗による電圧降下Ｒｎ×Ｉpolを減じた値である。従って、開回路電圧ＯＣＶ０と端子電圧ｃを基準にした電圧降下から、純抵抗による電圧降下分Ｒｎ×Ｉpolを減じた値である飽和分極Ｖpolを求めるためには、上記電圧降下分Ｖ_R （＝−ａＩpol ²−ｂＩpol −Ｒｎ×Ｉpol）に（ＯＣＶ０−ｃ）を加算する必要がある。なお、この飽和分極Ｖ_R pol は、バッテリが放電を行う毎に、算出され、更新される。
【００７５】
上述のようにして求めた飽和分極Ｖ_R pol は、Ｉpolと等しい放電電流が流れているときの飽和分極であり、Ｉpolより大きい放電電流が流れても分極による電圧降下は、飽和分極Ｖ_R pol を超えない。そこで、この飽和分極Ｖ_R pol 及びＩpolから任意の放電電流Ｉが流れているときの飽和分極Ｖ_R pol ′を求める。
【００７６】
このようにして、飽和分極Ｖ_R pol ′を求めたならば、その飽和分極Ｖ_R pol ′を用いて、例えば、バッテリが放電可能容量を検出し直す必要のある程度の放電が行われる毎に、以下に説明するような放電可能容量の検出が行われることになる。
【００７７】
まず、放電が行われると、その放電の際に、上記のようにして飽和分極Ｖ_R pol ′を求め、次式を解く。
Ｖ_ADC＝ＯＣＶ０−Ｒｎ×Ｉ−Ｖ_R pol ′ …(16)
但し、上式においてＶ_ADCは現在の放電可能容量の指標となる電圧値であり、また、任意の放電電流Ｉとしては、例えば、その放電のピーク電流Ｉｐなどを代入することが考えられる。
【００７８】
上述したＲｎ×ＩとＶ_R pol ′とを合わせたものが、バッテリの内部抵抗による電圧降下分に相当する。従って、Ｖ_ADC が任意の充電容量のバッテリに、任意の放電電流Ｉが流れているときのバッテリの端子電圧に相当することが分かる。
【００７９】
上述した近似式（＝ａＩ²＋ｂＩ＋ｃ）は、放電開始からわずかな時間しか経過していない時点で実測された放電電流と端子電圧とから求めているため、分極による電圧降下が飽和していないと考えられる。従って、図１２に示すように近似式が示す分極による電圧降下分Ｖ_R よりも上記のようにして求めた飽和分極Ｖ_R pol ′の方が大きくなると考えられる。このことから、上式(16)を解くということは、放電の開始時におけるバッテリの開回路電圧ＯＣＶ０から、任意の放電電流を流しつづけたときに発生するバッテリの内部抵抗による電圧降下（＝Ｒｎ×Ｉ＋Ｖ_R pol ′）を減じている、つまり、任意の放電電流を流し続けたときのバッテリの端子電圧に相当するということがいえる。
【００８０】
そして、上記のようにして求めた現在の放電可能容量の指標となる電圧値Ｖ_ADC から、以下に示す電圧方式の換算式によって放電可能容量ＡＤＣ（％）を求める。
ＡＤＣ（％）＝｛Ｖ_ADC −（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝／｛（ＯＣＶｆ−Ｉ×Ｒ₁₀₀）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝×１００（％） …(17)
【００８１】
上式においてＯＣＶｆは、新品時のバッテリの満充電状態における平衡状態の開回路電圧であり、ＯＣＶｅは新品時のバッテリの放電終止状態における平衡状態の開回路電圧である。さらに、Ｒ₀は、新品バッテリの放電終止状態における純抵抗（設計値）であり、Ｒ₁₀₀は、新品バッテリの満充電状態における純抵抗（設計値）である。
【００８２】
以上の式により、図１３に示すように、ＯＣＶｅから、Ｒ₀×Ｉを減じた放電終止電圧Ｖｅを０％とし、ＯＣＶｆから、Ｒ₁₀₀×Ｉを減じた満充電電圧Ｖｆを１００％としたときの電圧値Ｖ_ADCの相対値を放電可能容量ＡＤＣ（％）として求めることができる。
【００８３】
上記式のように放電電流に応じて変化する放電終止電圧Ｖｅ及び満充電電圧Ｖｆを定めることにより、放電電流Ｉが増加して、バッテリの基準抵抗Ｒ_ref成分（＝開回路電圧ＯＣＶ０、つまり、放電開始時のバッテリの充電容量に対する新品バッテリの純抵抗）による電圧降下Ｒ_ref×Ｉが増加しても、その分、放電終止電圧Ｖｅや満充電電圧Ｖｆも下がるため、Ｖ_ADC と放電終止電圧Ｖｅとの差分が小さくなったり、Ｖ_ADC と満充電電圧Ｖｆとの差分が大きくなったりすることがなく、放電可能容量（％）が減少するということがなくなる。つまり、放電電流Ｉの増加に応じた電圧降下Ｒ_ref×Ｉの増加分が、放電可能容量（％）の減少要因とは成らない。逆に、バッテリの純抵抗Ｒｎ成分が基準抵抗Ｒ_refに対して増加した分の電圧降下（Ｒｎ−Ｒ_ref）×Ｉと、飽和分極Ｖ_R pol ′が発生した分だけ放電可能容量（％）が減少するようになる。
【００８４】
また、上記式(17)を用いて放電可能容量（％）を求めることにより、バッテリの開回路電圧を用いて簡単に放電可能容量（％）を求めることができる。
【００８５】
一方、電圧値Ｖ_ADC から、以下に示す換算式によって放電可能容量ＡＤＣ（Ａ・ｈ）を求める。
ＡＤＣ（Ａ・ｈ）＝｛Ｖ_ADC −（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝／｛（ＯＣＶｆ−Ｉ×Ｒ₁₀₀）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝×Ｋ（Ａ・ｈ） …(18)
但し、Ｋは、満充電電圧Ｖｆに相当する電流時間積から、放電終止電圧Ｖｅに相当する電流時間積を減じた値に相当する。
【００８６】
上記式(18)により求めた放電可能容量（Ａ・ｈ）は、Ｖ_ADCに対する電流時間積から、放電終止電圧Ｖｆに相当する電流時間積を減じた値に相当する。これにより、放電可能容量（％）と同様に、放電電流Ｉが増加して、バッテリの基準抵抗Ｒ_ref成分による電圧降下Ｒ_ref×Ｉが増加しても、Ｖ_ADC が放電終止電圧Ｖｅに近づくことがなく、放電可能容量（Ａ・ｈ）が減少するということがなくなる。逆に、バッテリの純抵抗Ｒｎ成分が基準抵抗Ｒ_refに対して増加した分と、飽和分極Ｖ_R pol ′が発生した分だけ放電可能容量（Ａ・ｈ）が減少するようになる。
【００８７】
なお、ＡＤＣ（Ａ・ｈ）については、例えば、下記の式によっても求めることができる。しかし、上記式(18)を用いて求めると、放電可能容量（％）を算出する際に求めた｛Ｖ_ADC −（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝／｛（ＯＣＶｆ−Ｉ×Ｒ₁₀₀）−（ＯＣＶｅ−Ｉ×Ｒ₀）｝を流用して、簡単に放電可能容量（Ａ・ｈ）を求めることができる。
ＡＤＣ（Ａ・ｈ）＝Ｖ_ADC×ｋ１−Ｖｅ×ｋ２
但しｋ１は、Ｖ_ADCに相当する電流時間積、ｋ２はＶｅに相当する電流時間積である。
【００８８】
また、上記式(18)を用いて放電可能容量（Ａ・ｈ）を求めることにより、バッテリの開回路電圧を用いて簡単に放電可能容量（Ａ・ｈ）を求めることができる。
【００８９】
放電開始時におけるバッテリの開回路電圧ＯＣＶｎから減じた、バッテリの純抵抗Ｒｎに対応する電圧降下分には、バッテリの個体間の特性差が反映され、また、バッテリの現在の飽和分極Ｖ_R pol ′には、放電電流を流し続けたことによる放電可能容量ＡＤＣの減少度の相違や温度変化による内部抵抗変化に起因する放電可能容量ＡＤＣの減少度の相違が反映される。
【００９０】
よって、上記のようにして求めた、放電を行った際に求められる放電可能容量ＡＤＣは、バッテリの個々の特性差による影響と、放電電流を流し続けたことによる放電可能容量ＡＤＣの減少度の相違や温度変化による内部抵抗変化に起因する放電可能容量ＡＤＣの減少度の相違による影響が、誤差として存在しない、正確な放電可能容量ＡＤＣということになる。
【００９１】
また、上述した説明では、充電分極又は放電分極が残っている状態からの放電の際に、飽和分極を求め、式（14）にＩpolを代入して求めた分極による電圧降下Ｖ_R （＝−ａＩpol ²−ｂＩpol −Ｒｎ×Ｉpol）に、（ＯＣＶ０−ｃ）を加算した値を飽和分極としていた。しかしながら、例えば、分極が残っていても、平衡状態であってもなくても全て、式（14）にＩpolを代入して求めた分極による電圧降下Ｖ_R （＝−ａＩpol ²−ｂＩpol −Ｒｎ×Ｉpol）を飽和分極として求め、電圧Ｖ_ADCを算出する時点で開回路電圧ＯＣＶ０からＯＣＶ０−ｃを減算するようにしてもよい。
【００９２】
以上に説明した本発明のバッテリの放電可能容量検出方法や、バッテリ状態監視方法は、図１に示す構成によって実施することができる。
【００９３】
図１は本発明の放電可能容量検出方法及びバッテリ状態監視方法を実施したバッテリ状態監視装置の一実施形態を示すブロック図である。図１中引用符号１で示す本実施形態のバッテリ状態監視装置は、エンジン３に加えてモータジェネレータ５を有するハイブリッド車両に搭載されている。
【００９４】
そして、このハイブリッド車両は、通常時はエンジン３の出力のみをドライブシャフト７からディファレンシャルケース９を介して車輪１１に伝達して走行させ、高負荷時には、バッテリ１３からの電力によりモータジェネレータ５をモータとして機能させて、エンジン３の出力に加えてモータジェネレータ５の出力をドライブシャフト７から車輪１１に伝達し、アシスト走行を行わせるように構成されている。
【００９５】
また、このハイブリッド車両は、減速時や制動時にモータジェネレータ５をジェネレータ（発電機）として機能させ、運動エネルギを電気エネルギに変換して、各種の負荷に対して電力を供給するためにハイブリッド車両に搭載されたバッテリ１３を充電させるように構成されている。
【００９６】
尚、モータジェネレータ５はさらに、不図示のスタータスイッチのオンに伴うエンジン３の始動時に、エンジン３のフライホイールを強制的に回転させるセルモータとして用いられる。
【００９７】
また、バッテリ状態監視装置１は、アシスト走行用のモータやセルモータとして機能するモータジェネレータ５等に対するバッテリ１３の放電電流Ｉや、ジェネレータとして機能するモータジェネレータ５からのバッテリ１３に対する充電電流を検出する電流センサ１５と、バッテリ１３に並列接続した無限大抵抗を有し、バッテリ１３の端子電圧Ｖを検出する電圧センサ１７とを備えている。
【００９８】
尚、上述した電流センサ１５及び電圧センサ１７は、イグニッションスイッチのオン状態によって閉回路状態となる回路上に配置されている。
【００９９】
また、本実施形態の車載用バッテリ充電電気量検出装置１は、上述した電流センサ１５や電圧センサ１７の出力がインタフェース回路（以下、「Ｉ／Ｆ」と略記する。）２１におけるＡ／Ｄ変換後に取り込まれるマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と略記する。）２３、及び、不図示の不揮発性メモリ（ＮＶＭ）をさらに備えている。
【０１００】
そして、前記マイコン２３は、ＣＰＵ２３ａ、ＲＡＭ２３ｂ、及び、ＲＯＭ２３ｃを有しており、このうち、ＣＰＵ２３ａには、ＲＡＭ２３ｂ及びＲＯＭ２３ｃの他、前記Ｉ／Ｆ２１が接続されており、また、上述した不図示のイグニッションスイッチのオンオフ状態を示す信号が入力される。
【０１０１】
前記ＲＡＭ２３ｂは、各種データ記憶用のデータエリア及び各種処理作業に用いるワークエリアを有しており、前記ＲＯＭ２３ｃには、ＣＰＵ２３ａに各種処理動作を行わせるための制御プログラムが格納されている。
【０１０２】
従って、上記した放電時の各種の検出を、電流センサ１５や電圧センサ１７の出力に基づいてマイクロコンピュータ２３が行うことで、放電可能容量ＡＤＣ（％）や放電可能容量ＡＤＣ（Ａ・ｈ）が検出される。また、マイクロコンピュータは、検出した放電可能容量ＡＤＣ（％）や放電可能容量ＡＤＣ（Ａ・ｈ）が０となったときに、電圧Ｖ_ADC が放電終止値Ｖｅ以下であると判断し、その放電電流の放電を行うことができないとすることができる。
【０１０３】
また、以上述べたように、分極による電圧降下が最も大きくなる時点での内部抵抗による電圧降下や、放電可能容量を把握することができるので、バッテリの状態を正確に把握することができる。
【０１０４】
なお、上述した実施形態では、上記のように求めた飽和分極Ｖ_R pol 及びＩpolから、任意の飽和電流Ｉが流れているときの飽和分極Ｖ_R pol ′を求め、求めた飽和分極Ｖ_R pol ′を式(16)に代入してＶ_ADC を求めていた。しかしながら、任意の放電電流Ｉが流れているときの飽和分極Ｖ_R pol ′が、放電電流としてＩpol が流れているときの飽和分極Ｖ_R pol 超えないことに着目し、下記の式からＶ_ADC を求めることも考えられる。
Ｖ_ADC ＝ＯＣＶ０−Ｒｎ×Ｉ−Ｖ_R pol
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、バッテリに蓄えられた充電容量のうち、実際に利用することができる容量を表す放電可能容量（％）を求めることができる。しかも、放電電流が増加して、バッテリの基準抵抗成分による電圧降下分が増加しても、その分、放電終止電圧も下がるため、端子電圧と放電終止電圧との差分が小さくなることなく、放電可能容量（％）が減少するということがなくなる。逆に、バッテリ内部抵抗が基準抵抗に対して増加すると、その分、端子電圧と放電終止電圧との差分が小さくなって放電可能容量（％）が減少する。つまり、基準抵抗による電圧降下が放電可能容量（％）の減少要因とならないので、この放電可能容量（％）に基づいてバッテリの状態を監視すれば、正確にバッテリの状態を把握することができるようになる放電可能容量検出方法を得ることができる。
【０１０６】
また、請求項１記載の発明によれば、放電電流が増加して、バッテリの基準抵抗成分による電圧降下分が増加しても、その分、満充電電圧も放電終止電圧も下がるため、放電可能容量（％）が減少することがない。逆に、バッテリ内部抵抗が基準抵抗に対して増加すると、その分、放電可能容量（％）が減少する。つまり、基準抵抗による電圧降下が放電可能容量（％）の減少要因とならないので、この放電可能容量（％）に基づいてバッテリの状態を監視すれば、正確にバッテリの状態を把握することができるようになる放電可能容量検出方法を得ることができる。
【０１０７】
また、請求項１記載の発明によれば、バッテリの開回路電圧を用いて簡単に放電可能容量（％）を求めることができる放電可能容量検出方法を得ることができる。
【０１１２】
請求項２載の発明によれば、バッテリのそのときの充電状態に対する新品バッテリの純抵抗の設計値である基準抵抗による電圧降下分が、放電可能容量（％）や放電可能容量（Ａ・ｈ）の減少要因にならないので、バッテリの状態を正確に把握することができるようになる放電可能容量検出方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電可能容量検出方法及びバッテリ状態監視方法を実施したバッテリ状態監視装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】スタータモータ駆動開始時の突入電流を伴う放電電流の一例を示すグラフである。
【図３】二次近似式で表したＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフである。
【図４】増加方向の近似式から濃度分極成分の除き方の一例を説明するためのグラフである。
【図５】減少方向の近似式から濃度分極成分の除き方の一例を説明するためのグラフである。
【図６】増加方向を一次近似式で表したＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフである。
【図７】減少方向の近似式から濃度分極成分の除き方の他の例を説明するためのグラフである。
【図８】減少方向の近似式から濃度分極成分の除き方の別の例を説明するためのグラフである。
【図９】平衡状態又は放電分極が発生している状態での放電中に飽和分極を求める方法を説明するためのグラフである。
【図１０】充電分極が発生している状態での放電中に飽和分極を求める方法を説明するためのグラフである。
【図１１】放電分極又は充電分極が発生した状態での放電中に飽和分極を求める方法を説明するための図である。
【図１２】放電中におけるバッテリの内部で発生する電圧降下の内容を説明するためのグラフである。
【図１３】バッテリの満充電電圧Ｖｆと放電終止電圧Ｖｅと電圧Ｖ_ADCとの関係を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
５モータジェネレータ
１３バッテリ
１５電流センサ
１７電圧センサ
２３マイクロコンピュータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  This invention is a method for detecting dischargeable capacity.To the lawIn particular, how to detect the dischargeable capacity to detect the dischargeable capacity of the batteryTo the lawRelated.
[0002]
[Prior art]
For example, taking a battery mounted on a vehicle as an example, particularly in an electric vehicle using a motor as the only propulsion drive source, it corresponds to gasoline in a vehicle using a general engine as a propulsion drive source. Recognizing how much the battery is charged is very important for ensuring normal driving of the vehicle.
[0003]
Therefore, conventionally, in order to recognize how much the battery is charged, the open circuit voltage of the battery is detected, or the following SOC (State Of Charge) is detected from this open circuit voltage (for example, patents) Reference 1).
SOC (%) = {(OCV0−OCVe) / (OCVf−OCVe)} × 100
Here, OCV0 indicates the current open circuit voltage of the battery, and OCVf indicates the open circuit voltage in a fully charged state. Moreover, OCVe is an open circuit voltage in a discharge end state, and a battery cannot be used below this open circuit voltage.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-303658 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the SOC described above corresponds to the amount of electricity (coulomb amount) stored in the battery, and when actually used, it is not possible to use all the amount of electricity. The reason is that when a discharge current is passed, a voltage drop due to the internal resistance of the battery occurs. Examples of internal resistance include battery pure resistance, concentration polarization, and activation polarization. The amount of decrease varies depending on the SOC (%), the magnitude of the discharge current, the discharge time, and the temperature. The larger the amount of decrease, the smaller the amount of electricity that can be discharged.
[0006]
Since the SOC (%) considered in the past does not take this voltage drop amount into consideration, before the SOCV0 becomes equal to OCVe and SOC = 0, the battery terminal voltage becomes OCVe or less at the time of discharging. I couldn't do it. Therefore, the SOC margin must be taken into account, and the SOC margin is not theoretical, so there is a problem that the state of the battery cannot be accurately grasped only by monitoring the SOC. .
[0007]
  Therefore, the present invention focuses on the above-described problems, and an object thereof is to provide a dischargeable capacity detection method that enables the state of the battery to be accurately grasped.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is a method for detecting a dischargeable capacity based on a terminal voltage of the battery when an arbitrary discharge current flows through a battery having an arbitrary charge capacity. BecauseThe open circuit voltage in the equilibrium state of the battery at the start of discharge is OCV0, the open circuit voltage in the equilibrium state of the battery in the end of discharge state is OCVe, the open circuit voltage in the equilibrium state of the battery in the fully charged state is OCVf, An arbitrary discharge current is I, a voltage drop caused by a saturation polarization resistance and a pure resistance of the battery through which the arbitrary discharge current flows is Vm, and a reference resistance in an end-of-discharge state of the battery is R ₀ , R is the reference resistance when the battery is fully charged ₁₀₀ The dischargeable capacity (%) is calculated according to the following formula according to the discharge.
  {(OCV0−Vm) − (OCVe−I × R ₀ )} / {(OCVf-I × R ₁₀₀ )-(OCVe-I × R ₀ )} X 100 (%)
  The dischargeable capacity detection method is characterized by the above.
[0009]
  According to invention of Claim 1,Reduced the voltage drop across the reference resistance in the battery's final discharge state from the open circuit voltage of the battery's equilibrium state in the final discharge state.The relative value of the terminal voltage of the battery when an arbitrary discharge current is flowing in a battery having an arbitrary charge capacity when the discharge end voltage is 0% is obtained as a dischargeable capacity (%).be able to. Accordingly, it is possible to obtain a dischargeable capacity (%) representing a capacity that can actually be used out of the charge capacity stored in the battery. In addition, by setting the discharge end voltage as described above, the discharge current increases, and even if the voltage drop due to the reference resistance component of the battery increases, the discharge end voltage also decreases accordingly. The dischargeable capacity (%) does not decrease without reducing the difference from the end voltage. Conversely, when the battery internal resistance increases with respect to the reference resistance, the difference between the terminal voltage and the end-of-discharge voltage is reduced accordingly, and the dischargeable capacity (%) is reduced. That is, the voltage drop due to the reference resistance does not cause a decrease in the dischargeable capacity (%).
[0011]
  Also,Claim1According to the described invention,Reduced the voltage drop across the reference resistance in the battery's final discharge state from the open circuit voltage of the battery's equilibrium state in the final discharge state.The relative value of the terminal voltage of the battery when an arbitrary discharge current is flowing in a battery having an arbitrary charge capacity when the discharge end voltage is 100% is obtained as a dischargeable capacity (%).be able to. Therefore, by setting the full charge voltage as described above, even if the discharge current increases and the voltage drop due to the reference resistance component of the battery increases, the full charge voltage and the discharge end voltage decrease accordingly. The dischargeable capacity (%) does not decrease. Conversely, when the battery internal resistance increases with respect to the reference resistance, the dischargeable capacity (%) decreases accordingly. That is, the voltage drop due to the reference resistance does not cause a decrease in the dischargeable capacity (%).
[0013]
  Also,According to the first aspect of the present invention, {(OCV0−Vm) − (OCVe−I × R₀)} / {(OCVf-I × R₁₀₀)-(OCVe-I × R₀)} × 100 (%) to obtain the dischargeable capacity (%). Therefore, the dischargeable capacity (%) can be easily obtained using the open circuit voltage of the battery.
[0022]
  Claim2The claimed invention is claimed.1The dischargeable capacity detection method according to claim 1, wherein the reference resistance corresponds to a design value of a pure resistance of a new battery having the charged state.
  The dischargeable capacity detection method is characterized by the above.
[0023]
  Claim2According to the described invention, the reference resistance corresponds to the design value of the pure resistance of a new battery having the charged state. Therefore, the voltage drop due to the reference resistance, which is the design value of the pure resistance of the new battery with respect to the state of charge of the battery at that time, does not cause a decrease in the dischargeable capacity (%) or the dischargeable capacity (A · h).
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a dischargeable capacity detection method and a battery state monitoring method according to the present invention will be described with reference to the drawings, but before that, a vehicle battery pure resistance measurement method will be described with reference to FIGS.
[0027]
By the way, as a vehicle load that is mounted with a battery and operates by being supplied with electric power from the battery, a 12V car, a 42V car, an EV car, and an HEV car require a large current such as a starter motor, a motor generator, and a traveling motor. A constant load is installed. For example, when a starter motor or a similar large current constant load is turned on, an inrush current flows through the constant load at the initial stage of driving, and then a steady-state current corresponding to the size of the load flows. It becomes like this. Incidentally, when the load is a lamp, the one corresponding to the inrush current may be called a rush current.
[0028]
When a DC motor is used as the starter motor, the inrush current flowing in the field coil is changed from approximately 0 to a steady current within a short time of, for example, 3 milliseconds immediately after the start of constant load driving, as shown in FIG. A flow that monotonously increases to a peak value that is many times larger than that, for example, 500 (A), and then monotonously decreases from this peak value to a steady value corresponding to the constant load within a short time of, for example, 150 milliseconds. The battery is supplied as a discharge current from the battery. Therefore, by measuring the battery discharge current and the corresponding terminal voltage in a situation where an inrush current flows through the constant load, the battery discharge showing the change in the terminal voltage with respect to a wide range of current changes from 0 to the peak value. Current (I) -terminal voltage (V) characteristics can be measured.
[0029]
Therefore, as a simulation discharge corresponding to the inrush current that flows when the starter motor is turned on, an electric discharge that increases from 0 to approximately 200 A over 0.25 seconds and decreases from the peak value to 0 over the same time is an electron. The load is used for the battery, and the discharge current of the battery and the terminal voltage at that time are measured in a short constant cycle, and the measurement data pair obtained by this is the discharge current on the horizontal axis and the terminal on the vertical axis. The voltage shown in FIG. The current-voltage characteristics when the discharge current increases and decreases as shown in the graph of FIG. 3 can be approximated by the following quadratic equation using the least square method.
V = a1I²+ B1I + c1 (1)
V = a2I²+ B2I + c2 (2)
In the drawing, a curve of a quadratic approximate expression is also drawn.
[0030]
In FIG. 3, the voltage difference (c1-c2) between the intercept of the approximate curve in the current increasing direction and the intercept of the approximate curve in the current decreasing direction is the voltage difference at 0 (A) when no current flows. This is considered to be a voltage drop only due to a concentration polarization component newly generated by discharge. Therefore, this voltage difference (c1-c2) is due to concentration polarization only, and the concentration polarization at the current 0 (A) point is Vpolc0. The arbitrary concentration polarization is considered to be proportional to the product of the magnitude of the current multiplied by the current flow time, that is, Ah (because it is a short time, hereinafter referred to as Asec).
[0031]
Next, a method of calculating the concentration polarization of the current peak value using the concentration polarization Vpolc0 at the current 0 (A) point will be described. Now, assuming that the concentration polarization at the current peak value is Vpolcp, Vpolcp is expressed by the following equation.
Vpolcp = [(Asec when current increases) / (Asec of the entire discharge)] × Vpolc0 (3)
Note that Asec of the entire discharge is expressed by the following equation.
Total discharge Asec = (Asec when current increases + Asec when current decreases)
[0032]
The concentration polarization component Vpolcp at the peak value obtained as described above is added to the voltage at the peak value in the current increasing direction of Equation (1), and the concentration polarization component at the peak value is deleted as shown in FIG. If the voltage after removing the concentration polarization component at the peak value is V1, V1 is expressed by the following equation.
V1 = a1Ip²+ B1Ip + c1 + Vpolcp
Ip is the current value at the peak value.
[0033]
Next, a voltage drop curve with only pure resistance and activation polarization as shown in FIG. 4 is defined for the approximate curve in the current increasing direction, and the approximate expression is temporarily expressed by the following formula. The voltage drop due to activation polarization is also called charge transfer overvoltage.
V = a3I²+ B3I + c3 (4)
[0034]
The point where the current before the start of discharge is 0 (A) is that the activation polarization and the concentration polarization are considered with respect to c1, and therefore c3 = c1 from equation (1). In addition, although the current increases rapidly from the initial state of the current increase, if the reaction of concentration polarization is slow and the reaction hardly progresses, the currents of the formulas (1) and (4) are points of 0 (A). Since the differential values of are equal, b3 = b1. Therefore, by substituting c3 = c1 and b3 = b1, equation (4) becomes
V = a3I²+ B1I + c1 (5)
And the unknown is only a3.
[0035]
Next, by substituting the coordinates (Ip, V1) of the peak value of current increase into the equation (5) and arranging a3, the following equation is obtained.
a3 = (V1-b1Ip-c1) / Ip²
Therefore, the approximate expression (4) of only the pure resistance and the activation polarization is determined by the expression (5).
[0036]
In general, since pure resistance is not caused by a chemical reaction, it is constant unless the state of charge (SOC), temperature, etc. of the battery changes, so it can be said that it is constant during one starter motor operation. On the other hand, the voltage drop due to activation polarization is a voltage drop caused by a chemical reaction during the delivery of ions and electrons, and may interact with the concentration polarization. Since the increase curve and the current decrease curve do not completely coincide, it can be said that the equation (5) is a curve in the current increasing direction of the voltage drop due to the pure resistance and the activation polarization excluding the voltage drop due to the concentration polarization.
[0037]
Next, how to delete the concentration polarization component from the current decrease curve will be described with reference to FIG. The concentration polarization component can be deleted from the relational expression of the curve in the current decreasing direction of the voltage drop due to the pure resistance and the activation polarization by the same method as the deletion of the concentration polarization component at the current peak value. Two points other than the peak value are designated as point A and point B, and concentration polarizations VpolcA and VpolcB at each point are obtained as follows.
VpolcA = [(Asec from start of current increase to point A) / (Asec of the entire discharge)] × Vpolc0 (6)
VpolcB = [(Asec from start of current increase to point B) / (Asec of the entire discharge)] × Vpolc0 (7)
[0038]
When two points from which the concentration polarization component is deleted in addition to the peak value are obtained by the above formulas (6) and (7), it is expressed by the following formula using the coordinates of these two points and the peak value. As shown in FIG. 5, a curve in the current decreasing direction of the voltage drop due to the pure resistance and the activation polarization is obtained.
V = a4I² + B4I + c4 (8)
Note that the coefficients a4, b4, and c4 in Equation (8) solve a three-point simultaneous equation obtained by substituting the current values and voltage values of the two points A and B and the peak point into Equation (8), respectively. Can be determined.
[0039]
Next, how to calculate the pure resistance of the battery will be described. The pure resistance from which the concentration polarization component represented by the above equation (5) is deleted and the curve of the current increase direction of the voltage drop due to the activation polarization, and the pure resistance from which the concentration polarization component is also deleted, which is represented by the equation (8) The difference between the voltage drop due to the activation polarization and the curve of the current decrease direction is due to the difference in the activation polarization component. Therefore, the pure resistance is required except for the activation polarization component.
[0040]
By the way, paying attention to the peak values of both curves where the activation polarization components are equal to each other, the differential value R1 of the current increase and the differential value R2 of the current decrease at the peak value are obtained by the following equations.
R1 = 2 × a3 × Ip + b3 (10)
R2 = 2 × a4 × Ip + b4 (11)
[0041]
The difference between the differential values R1 and R2 obtained by the above equation is due to the fact that one is the peak value in the increasing direction of the activated polarization component, while the other is the peak value in the decreasing direction. As a simulated discharge corresponding to the inrush current, the battery is discharged using an electronic load, increasing from 0 to 200 A over 0.25 seconds and decreasing from the peak value to 0 over the same time. In this case, it can be understood that the rate of change of both of them in the vicinity of the peak value is equal, and that there is a current-voltage characteristic due to the pure resistance in the middle of the two. R can be obtained by the following equation (in this example, the value obtained by dividing both differential values by the time ratio and the value divided by 2 are equal).
R = (R1 + R2) / 2
[0042]
The above describes the case where the battery is subjected to a simulated discharge corresponding to the inrush current using an electronic load. However, in the case of an actual vehicle, a DC motor is used as the starter motor as described above. When the inrush current flows through the field coil, the current reaches a peak, and the cranking operates at a current that has dropped to less than half of the peak current after reaching the peak.
[0043]
Therefore, the current increase direction is completed in a short time of 3 milliseconds (msec), and the current increase peak value is a rapid current change that hardly causes concentration polarization, but the current decrease direction is compared with the current increase direction. Since the current flows for a long time of 150 msec, a large concentration polarization occurs.
[0044]
In such a situation, in an actual vehicle, as shown in FIG. 6, the current increasing direction can be approximated by a straight line connecting the current increasing start point and the peak value, and the peak value 500 (A The occurrence of concentration polarization at) can be approximated to 0 (A). In this case, for the current increasing direction, the slope of the approximate straight line in the current increasing direction is used as the differential value of the peak value.
[0045]
However, in such a case, it is not possible to simply add and average the slope of the approximate straight line in the current increasing direction and the slope of the tangent at the peak point of the quadratic approximate expression in the current decreasing direction. This is because in such a situation, the degree of occurrence of activation polarization is completely different up to and after the peak point, and the assumption that the rate of change of both in the vicinity of the peak value is not satisfied.
[0046]
In such a case, in determining the pure resistance, two terminal voltage change values per unit current change at a point corresponding to the peak values of the first and second approximate expressions excluding the voltage drop due to concentration polarization, That is, the slope may be added after multiplying the ratio of the time of the monotonically increasing period and the monotonically decreasing period in the total time during which the inrush current flows. That is, the total time is added after proportionally dividing the respective proportions by the time required for the monotonous increase and the monotonous decrease. By doing in this way, a pure resistance can be calculated considering that activation polarization and concentration polarization influence each other.
[0047]
That is, the activation polarization has a magnitude corresponding to the current value in principle, but depends on the concentration polarization at that time, and does not occur in principle. If the concentration polarization is small, the activation polarization also decreases. If it ’s bigger, it ’s bigger. In any case, the intermediate value of the two terminal voltage changes per unit current change at the point corresponding to the peak values of the two approximate expressions excluding the voltage drop due to concentration polarization is measured as the value of the battery pure resistance. can do.
[0048]
In recent vehicles, an AC motor requiring a three-phase input such as a DC brushless motor such as a magnet motor is increasingly used as a motor. In the case of such a motor, the inrush current does not reach its peak value in such a short time, takes about 100 msec, and concentration polarization occurs in the direction of increasing current. As in the case, the current increasing direction needs to be approximated by a curve.
[0049]
Further, when approximating the current decreasing direction curve of the voltage drop due to the pure resistance and the activation polarization, when determining the peak value and the other two points, as shown in FIG. By using this point, the calculation for obtaining the approximate expression can be simplified.
[0050]
Further, for example, when the point where the concentration polarization is deleted is determined at a point corresponding to a current value of about 1/2 of the peak current, as shown in FIG. You may approximate. In this case, for the current decrease direction, the slope of the approximate straight line in the current decrease direction is used as the differential value of the peak value. However, the accurate pure resistance is the same as that using the quadratic curve. Desired.
[0051]
In short, the intermediate value of the two terminal voltage changes per unit current change at the point corresponding to the peak values of the two approximate expressions excluding the voltage drop due to concentration polarization is measured as the value of the pure resistance of the battery. Can do.
[0052]
Therefore, the pure resistance measurement method for in-vehicle batteries is specifically described for a case where, for example, a starter motor is used, in which an inrush current with the occurrence of concentration polarization flows in both an increasing discharge current and a decreasing discharge current as a constant load. I will explain it.
[0053]
When the constant load is operated, a discharge current that monotonously increases beyond the steady value and monotonously decreases from the peak value to the steady value flows from the battery. The battery discharge current and terminal voltage at this time are periodically measured, for example, by sampling at a period of 100 microseconds (μsec), and a large number of sets of battery discharge current and terminal voltage are obtained.
[0054]
The latest set of the battery discharge current and terminal voltage obtained in this way is stored, stored and collected in a memory as a rewritable storage means such as a RAM for a predetermined time. Current-voltage characteristics for increasing and decreasing discharge currents showing correlation between terminal voltage and discharge current by least square method using a set of discharge current and terminal voltage stored in memory, stored and collected , Two approximate equations as shown in equations (1) and (2) are obtained. Next, a voltage drop due to concentration polarization is deleted from these two approximate equations, and a modified approximate equation that does not include a concentration polarization component is obtained.
[0055]
For this purpose, first, the voltage difference at 0 (A) when the current of the approximate expression of equations (1) and (2) does not flow is caused by concentration polarization without a voltage drop due to pure resistance and activation polarization. Asking. Further, using this voltage difference, the voltage drop due to the concentration polarization component at the current peak value in the approximate expression (1) of the current-voltage characteristic for the increasing discharge current is obtained. For this purpose, the concentration polarization uses the fact that it changes by the current-time product obtained by multiplying the magnitude of the current by the time when the current flows.
[0056]
Once the voltage drop due to concentration polarization at the current peak value in the approximate expression of the current-voltage characteristics for the increasing discharge current is found, then both the approximate expression that does not include the concentration polarization component and the approximate expression that includes the concentration polarization component are constants and linear coefficients. As a result, an approximate expression (5) obtained by correcting the approximate expression of the current-voltage characteristic for the increasing discharge current is determined.
[0057]
Next, an approximate expression that does not include the concentration polarization component is obtained from the approximate expression (2) for the current-voltage characteristics with respect to the decreasing discharge current. For this purpose, two points are obtained by deleting the concentration polarization component other than the peak value. At this time, the concentration polarization uses the fact that it changes by the current-time product obtained by multiplying the current magnitude by the time when the current flows. When two points from which the concentration polarization component is deleted in addition to the peak value are obtained, an approximate expression (2) of the current-voltage characteristic for the decreasing discharge current is obtained using the coordinates of the three points of the two points and the peak value. The approximate expression (8) corrected for) is obtained.
[0058]
Pure resistance from which the concentration polarization component represented by the above equation (5) is deleted and an approximate expression in which the current increase direction of the voltage drop due to activation polarization is corrected, and the concentration polarization component represented by the equation (8) is deleted. Since the approximate expression in which the current decrease direction of the voltage drop due to the resistance and the activation polarization is corrected is due to the difference in the activation polarization component, the pure resistance is obtained except for the activation polarization component. For this reason, paying attention to the peak values of both approximate equations, the difference between the differential value of the current increase and the differential value of the current decrease at the peak value is that one is the increasing direction of activation polarization, while the other is Although it is based on the decreasing direction, the current-voltage characteristic due to the pure resistance exists in the middle of the rate of change of both in the vicinity of the peak value, and the total time during which the inrush current flows in both differential values. The net resistance is obtained by multiplying the monotonically increasing period and the ratio of the monotonically decreasing period, and adding them together.
[0059]
For example, assuming that the current increase time is 3 msec, the current decrease time is 100 msec, the differential value of the current increase at the peak value is Rpolk1, and the differential value of the current decrease is Rpolk2, the pure resistance Rn is calculated as follows. be able to.
Rn = Rpolk1 × 100/103 + Rpolk2 × 3/103
The pure resistance Rn is calculated and updated every time high-efficiency discharge that generates an inrush current is performed, such as when the starter motor is driven.
[0060]
In addition, the open circuit voltage of the vehicle battery in the equilibrium state of the battery completely eliminates the influence of the polarization generated in the battery due to the previous charge / discharge, and the battery terminal voltage does not decrease or increase due to the polarization. The battery terminal voltage is measured when it is in a certain equilibrium state, or the one estimated from the result of short-term observation of the change in the battery terminal voltage immediately after stopping charging / discharging is used.
[0061]
Next, the battery saturation polarization detection method and the dischargeable capacity detection method of the present invention will be described.
[0062]
First, the energy that the battery can actually release to the load is the capacity corresponding to the voltage drop generated inside the battery during discharging from the charging capacity (current time product) corresponding to the value of the open circuit voltage of the battery, that is, That is, the capacity obtained by reducing the capacity that cannot be discharged by the internal resistance of the battery.
[0063]
As shown in FIG. 9, the voltage drop generated inside the battery during discharging includes a voltage drop due to the pure resistance of the battery (indicated as IR drop in the figure) and a voltage drop due to an internal resistance other than the pure resistance. That is, it can be divided into voltage drop due to polarization (denoted as saturation polarization in the figure).
[0064]
The IR drop described above does not change if the battery condition is the same. On the other hand, the saturation polarization increases in proportion to the discharge current and the discharge time, but does not increase even if the discharge current increases when the discharge current exceeds a certain value. Therefore, if the point at which this saturation polarization is reached is monitored, the point at which the voltage drop due to the internal resistance becomes the largest can be monitored. The saturation polarization varies depending on the discharge current.
[0065]
First, when a battery is discharged in an equilibrium state or in a state where the terminal voltage at the start of discharge is lower than the open circuit voltage OCV0 at the start of discharge (discharge polarization), the battery is discharged with a bold curve in FIG. From the battery discharge current and the terminal voltage measured periodically during the discharge for a predetermined period from the start of discharge (a degree of polarization appears and within about 1 second), An approximate expression of the terminal voltage V with respect to the discharge current I shown in (12) is obtained.
[0066]
On the other hand, when the battery in a state in which the polarization (charge polarization) whose terminal voltage at the start of discharge is higher than the open circuit voltage OCV0 at the start of discharge remains, as shown by the bold curve in FIG. Approximation of the terminal voltage V with respect to the discharge current I shown in the equation (12) from the battery discharge current and the terminal voltage periodically measured at the time of discharge after a predetermined time has elapsed after the charge polarization is substantially eliminated. Find the formula. This is because the approximate expression obtained from the discharge current and the terminal voltage of the battery detected during the period when the charge polarization remains is correlated with the discharge current (I) -terminal voltage (V) characteristics obtained from the result of discharging from the equilibrium state. Because there is not much sex.
V = aI²+ BI + c (12)
[0067]
The battery terminal voltage V is a voltage drop due to a battery pure resistance Rn and a voltage drop V due to an internal resistance component other than the pure resistance._R It is also expressed as shown below by the sum of (voltage drop due to polarization).
V = c− (Rn × I + V_R ) …(13)
[0068]
From the equations (12) and (13), the following approximate equation and the relational expression between the voltage drop due to the pure resistance and the voltage drop due to polarization can be obtained.
aI²+ BI = − (Rn × I + V_R ) …(14)
Differentiating the above equation (14), the rate of change dV of the voltage drop due to the internal resistance other than the pure resistance of the battery_R Find / dI.
dV_R / DI = -2aI-b-Rn (15)
[0069]
The rate of change dV_R When the discharge current when / dI becomes zero, the terminal voltage drop saturation current value Ipol (= − (Rn + b) when the voltage drop due to the internal resistance other than the pure resistance of the battery reaches the maximum value (saturation value). ) / 2a).
[0070]
Then, when the discharge is from an equilibrium state, the obtained terminal voltage drop saturation current value Ipol is substituted as the discharge current I of the above formula (14) together with the value of the pure resistance Rn of the battery to obtain the required polarization. Voltage drop V_R (= -AIpol²−bIpol−Rn × Ipol) with saturation polarization V_R Let pol.
[0071]
On the other hand, when the discharge is from the state in which the charge polarization or the discharge polarization remains, the obtained terminal voltage drop saturation current value Ipol, together with the value of the pure resistance Rn of the battery, the discharge current I of the above formula (14). And substituting as the voltage drop V due to the required polarization V_R Is a value obtained by adding the difference between the terminal voltage c obtained when the discharge current is zero obtained by the equation (12) and the open circuit voltage OCV0 obtained at the start of the estimation obtained by estimation (= −aIpol).²Let −bIpol−Rn × Ipol + (OCV0−c)) be the saturation polarization Vpol.
[0072]
The reason for adding (OCV0-c) described above will be described below. When the terminal voltage c at zero discharge current is obtained from the equation (12) based on the measured discharge current and the terminal voltage in the above-described predetermined period from the state where the charge polarization or the discharge polarization remains, as shown in FIG. Become. As shown in the figure, the saturation value of the voltage drop obtained from the equation (12) and the saturation value of the voltage drop in the discharge current (I) -terminal voltage (V) characteristics obtained from the result of discharging from the equilibrium state. Are equal.
[0073]
Note that even when the charge polarization remains, the terminal voltage c when the discharge current is zero indicated by the approximate expression obtained by the discharge after the predetermined time has elapsed and the charge polarization is substantially eliminated after the discharge has occurred. Is a value lower than the open circuit voltage OCV0 at the start of discharge.
[0074]
At this time, the voltage drop V due to polarization obtained by substituting Ipol into Equation (14)_R (= -AIpol²−bIpol−Rn × Ipol) is a value obtained by subtracting the voltage drop Rn × Ipol due to the pure resistance from the voltage drop based on the terminal voltage c, as shown in FIG. Therefore, in order to obtain the saturation polarization Vpol, which is a value obtained by subtracting the voltage drop Rn × Ipol due to the pure resistance from the voltage drop based on the open circuit voltage OCV0 and the terminal voltage c, the voltage drop V_R (= -AIpol²It is necessary to add (OCV0-c) to (−bIpol−Rn × Ipol). This saturation polarization V_R pol is calculated and updated each time the battery discharges.
[0075]
Saturation polarization V obtained as described above_R pol is a saturation polarization when a discharge current equal to Ipol flows, and even if a discharge current larger than Ipol flows, the voltage drop due to the polarization is the saturation polarization V_R Do not exceed pol. Therefore, this saturation polarization V_R saturation polarization V when an arbitrary discharge current I flows from pol and Ipol_R Find pol ′.
[0076]
In this way, saturation polarization V_R If pol 'is found, its saturation polarization V_R Using pol ', for example, every time the battery is discharged to the extent that it is necessary to re-detect the dischargeable capacity, the dischargeable capacity as described below is detected.
[0077]
First, when a discharge is performed, the saturation polarization V_R Find pol 'and solve the following equation.
V_ADC= OCV0-Rn × IV_R pol ′… (16)
However, in the above formula, V_ADCIs a voltage value that serves as an index of the current dischargeable capacity. As an arbitrary discharge current I, for example, it is conceivable to substitute the peak current Ip of the discharge.
[0078]
Rn × I and V mentioned above_R The sum of pol 'corresponds to the voltage drop due to the internal resistance of the battery. Therefore, V_ADC Corresponds to the terminal voltage of the battery when the arbitrary discharge current I flows through the battery having an arbitrary charging capacity.
[0079]
The above approximate expression (= aI²Since + bI + c) is obtained from the measured discharge current and terminal voltage when only a short time has elapsed since the start of discharge, it is considered that the voltage drop due to polarization is not saturated. Therefore, as shown in FIG. 12, the voltage drop V due to polarization indicated by the approximate expression_R Than the saturation polarization V obtained as described above._R It is considered that pol ′ becomes larger. From this, solving the above equation (16) means that the voltage drop (= Rn) due to the internal resistance of the battery generated when an arbitrary discharge current is continuously supplied from the open circuit voltage OCV0 of the battery at the start of discharge. × I + V_R pol ′) is reduced, that is, it corresponds to the terminal voltage of the battery when an arbitrary discharge current continues to flow.
[0080]
Then, the voltage value V serving as an index of the current dischargeable capacity obtained as described above._ADC From this, the dischargeable capacity ADC (%) is obtained by the following voltage conversion formula.
ADC (%) = {V_ADC -(OCVe-I × R₀)} / {(OCVf-I × R₁₀₀)-(OCVe-I × R₀)} X 100 (%) (17)
[0081]
In the above equation, OCVf is an open circuit voltage in an equilibrium state when the battery is fully charged when new, and OCVe is an open circuit voltage in an equilibrium state when the battery is completely discharged when new. In addition, R₀Is the pure resistance (design value) of the new battery in the final discharge state, and R₁₀₀Is a pure resistance (design value) in a fully charged state of a new battery.
[0082]
From the above equation, as shown in FIG.₀The discharge end voltage Ve obtained by subtracting I is set to 0%, and from OCVf, R₁₀₀X Voltage value V when full charge voltage Vf is reduced to 100%_ADCCan be obtained as a dischargeable capacity ADC (%).
[0083]
By determining the discharge end voltage Ve and the full charge voltage Vf that change according to the discharge current as in the above formula, the discharge current I increases and the reference resistance R of the battery_refVoltage drop R due to component (= open circuit voltage OCV0, that is, the pure resistance of a new battery with respect to the charge capacity of the battery at the start of discharge)_refEven if xI increases, the discharge end voltage Ve and the full charge voltage Vf decrease accordingly, so that V_ADC And the difference between the discharge end voltage Ve and V_ADC And the full charge voltage Vf do not increase, and the dischargeable capacity (%) does not decrease. That is, the voltage drop R corresponding to the increase of the discharge current I_refThe increase in xI is not a factor for decreasing the dischargeable capacity (%). Conversely, the pure resistance Rn component of the battery is the reference resistance R_refVoltage drop (Rn-R)_ref) × I and saturation polarization V_R The dischargeable capacity (%) is reduced by the amount of pol 'generated.
[0084]
Further, by obtaining the dischargeable capacity (%) using the above equation (17), the dischargeable capacity (%) can be easily obtained using the open circuit voltage of the battery.
[0085]
On the other hand, the voltage value V_ADC From this, the dischargeable capacity ADC (A · h) is obtained by the following conversion formula.
ADC (A · h) = {V_ADC -(OCVe-I × R₀)} / {(OCVf-I × R₁₀₀)-(OCVe-I × R₀)} X K (Ah) (18)
However, K corresponds to a value obtained by subtracting the current time product corresponding to the discharge end voltage Ve from the current time product corresponding to the full charge voltage Vf.
[0086]
The dischargeable capacity (A · h) obtained by the above equation (18) is V_ADCThis is equivalent to a value obtained by subtracting the current time product corresponding to the discharge end voltage Vf from the current time product for. As a result, like the dischargeable capacity (%), the discharge current I increases and the battery reference resistance R_refVoltage drop R due to component_refEven if × I increases, V_ADC Does not approach the discharge end voltage Ve, and the dischargeable capacity (A · h) does not decrease. Conversely, the pure resistance Rn component of the battery is the reference resistance R_refAnd the saturation polarization V_R The dischargeable capacity (A · h) is reduced by the amount of pol ′.
[0087]
In addition, about ADC (A * h), it can obtain | require also by the following formula, for example. However, when calculated using the above equation (18), it is determined when calculating the dischargeable capacity (%) {V_ADC -(OCVe-I × R₀)} / {(OCVf-I × R₁₀₀)-(OCVe-I × R₀)} Can be used to easily determine the dischargeable capacity (A · h).
ADC (A · h) = V_ADC× k1-Ve × k2
Where k1 is V_ADCCurrent time product corresponding to, k2 is a current time product corresponding to Ve.
[0088]
Further, by obtaining the dischargeable capacity (A · h) using the above equation (18), the dischargeable capacity (A · h) can be easily obtained using the open circuit voltage of the battery.
[0089]
The voltage drop corresponding to the pure resistance Rn of the battery, which is subtracted from the open circuit voltage OCVn of the battery at the start of discharging, reflects the characteristic difference between the individual batteries, and the current saturation polarization V of the battery._R pol 'reflects the difference in the decrease in the dischargeable capacity ADC due to the continuous flow of the discharge current and the difference in the decrease in the dischargeable capacity ADC due to the change in the internal resistance due to the temperature change.
[0090]
Therefore, the dischargeable capacity ADC obtained when the discharge is performed as described above is based on the influence of the individual characteristics of the battery and the degree of decrease in the dischargeable capacity ADC caused by continuing the discharge current. The influence of the difference in the decrease in the dischargeable capacity ADC caused by the difference or the internal resistance change due to the temperature change is an accurate dischargeable capacity ADC that does not exist as an error.
[0091]
In the above description, when discharging from a state in which charge polarization or discharge polarization remains, saturation polarization is obtained, and voltage drop V due to polarization obtained by substituting Ipol into equation (14)._R (= -AIpol²The value obtained by adding (OCV0-c) to (−bIpol−Rn × Ipol) was defined as saturation polarization. However, for example, the voltage drop V due to the polarization obtained by substituting Ipol into the equation (14) regardless of whether the polarization remains or is in an equilibrium state._R (= -AIpol²−bIpol−Rn × Ipol) as saturation polarization, and the voltage V_ADCOCV0-c may be subtracted from the open circuit voltage OCV0 at the time of calculating.
[0092]
The battery dischargeable capacity detection method and battery state monitoring method of the present invention described above can be implemented by the configuration shown in FIG.
[0093]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a battery state monitoring apparatus that implements the dischargeable capacity detection method and battery state monitoring method of the present invention. The battery state monitoring device of the present embodiment indicated by reference numeral 1 in FIG. 1 is mounted on a hybrid vehicle having a motor generator 5 in addition to the engine 3.
[0094]
In this hybrid vehicle, normally, only the output of the engine 3 is transmitted from the drive shaft 7 to the wheels 11 through the differential case 9 and travels. When the load is high, the motor generator 5 is driven by the electric power from the battery 13. In addition to the output of the engine 3, the output of the motor generator 5 is transmitted from the drive shaft 7 to the wheels 11 to perform assist traveling.
[0095]
The hybrid vehicle also functions as a generator (generator) during deceleration or braking to convert the kinetic energy into electrical energy and supply electric power to various loads. It is configured to charge the mounted battery 13.
[0096]
The motor generator 5 is further used as a cell motor that forcibly rotates the flywheel of the engine 3 when the engine 3 is started when a starter switch (not shown) is turned on.
[0097]
The battery state monitoring device 1 also detects the discharge current I of the battery 13 with respect to the motor generator 5 or the like that functions as an assist running motor or a cell motor, or the current that detects the charging current to the battery 13 from the motor generator 5 that functions as a generator. A sensor 15 and a voltage sensor 17 having an infinite resistance connected in parallel to the battery 13 and detecting the terminal voltage V of the battery 13 are provided.
[0098]
Note that the above-described current sensor 15 and voltage sensor 17 are arranged on a circuit that is brought into a closed circuit state when the ignition switch is turned on.
[0099]
In addition, in the in-vehicle battery charge electricity detection device 1 according to the present embodiment, the outputs of the current sensor 15 and the voltage sensor 17 described above are A / D converted in an interface circuit (hereinafter abbreviated as “I / F”) 21. A microcomputer (hereinafter abbreviated as “microcomputer”) 23 to be loaded later and a non-volatile memory (NVM) not shown are further provided.
[0100]
The microcomputer 23 includes a CPU 23a, a RAM 23b, and a ROM 23c. Among these, the CPU 23a is connected to the I / F 21 in addition to the RAM 23b and the ROM 23c. A signal indicating the on / off state of the ignition switch is input.
[0101]
The RAM 23b has a data area for storing various data and a work area used for various processing operations, and the ROM 23c stores a control program for causing the CPU 23a to perform various processing operations.
[0102]
Therefore, the various types of detection at the time of discharging described above are performed by the microcomputer 23 based on the outputs of the current sensor 15 and the voltage sensor 17, so that the dischargeable capacity ADC (%) and the dischargeable capacity ADC (A · h) are obtained. Detected. In addition, when the detected dischargeable capacity ADC (%) and the dischargeable capacity ADC (A · h) become 0, the microcomputer detects that the voltage V_ADC Can be determined to be equal to or lower than the discharge end value Ve, and the discharge current cannot be discharged.
[0103]
Further, as described above, the voltage drop due to the internal resistance and the dischargeable capacity at the time when the voltage drop due to polarization becomes the largest can be grasped, so that the state of the battery can be grasped accurately.
[0104]
In the above-described embodiment, the saturation polarization V obtained as described above._R Saturation polarization V when an arbitrary saturation current I flows from pol and Ipol_R pol 'and the saturation polarization V_R Substituting pol 'into equation (16), V_ADC I was looking for. However, the saturation polarization V when an arbitrary discharge current I flows_R pol 'is the saturation polarization V when Ipol flows as the discharge current._R Paying attention not to exceed pol, V_ADC It is also possible to ask for
V_ADC = OCV0-Rn × IV_R pol
[0105]
【The invention's effect】
  As explained above, the claims1According to the described invention, it is possible to obtain a dischargeable capacity (%) representing a capacity that can actually be used among the charge capacity stored in the battery. Moreover, even if the discharge current increases and the voltage drop due to the reference resistance component of the battery increases, the discharge end voltage also decreases accordingly, so that the difference between the terminal voltage and the discharge end voltage is not reduced. The possible capacity (%) no longer decreases. Conversely, when the battery internal resistance increases with respect to the reference resistance, the difference between the terminal voltage and the end-of-discharge voltage is reduced accordingly, and the dischargeable capacity (%) is reduced. In other words, the voltage drop due to the reference resistance does not cause a decrease in the dischargeable capacity (%). Therefore, if the battery state is monitored based on the dischargeable capacity (%), the battery state can be accurately grasped. Thus, a dischargeable capacity detection method can be obtained.
[0106]
  Claims1According to the described invention, even if the discharge current increases and the voltage drop due to the reference resistance component of the battery increases, the full charge voltage and the discharge end voltage decrease accordingly. There is no decrease. Conversely, when the battery internal resistance increases with respect to the reference resistance, the dischargeable capacity (%) decreases accordingly. In other words, the voltage drop due to the reference resistance does not cause a decrease in the dischargeable capacity (%). Therefore, if the battery state is monitored based on the dischargeable capacity (%), the battery state can be accurately grasped. Thus, a dischargeable capacity detection method can be obtained.
[0107]
  Claims1According to the described invention, it is possible to obtain a dischargeable capacity detection method capable of easily obtaining a dischargeable capacity (%) using an open circuit voltage of a battery.
[0112]
  Claim2According to the described invention, the voltage drop due to the reference resistance, which is the design value of the pure resistance of the new battery with respect to the state of charge of the battery at that time, reduces the dischargeable capacity (%) and the dischargeable capacity (Ah). Since this is not a factor, it is possible to obtain a dischargeable capacity detection method that enables the state of the battery to be accurately grasped.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a battery state monitoring apparatus that implements a dischargeable capacity detection method and a battery state monitoring method of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of a discharge current accompanied with an inrush current at the start of driving a starter motor.
FIG. 3 is a graph showing an example of an IV characteristic represented by a quadratic approximate expression.
FIG. 4 is a graph for explaining an example of how to remove concentration polarization components from an approximate expression in an increasing direction.
FIG. 5 is a graph for explaining an example of how to remove a concentration polarization component from an approximate expression in a decreasing direction.
FIG. 6 is a graph showing an example of an IV characteristic in which an increasing direction is expressed by a first-order approximation formula.
FIG. 7 is a graph for explaining another example of how to remove the concentration polarization component from the approximate expression in the decreasing direction.
FIG. 8 is a graph for explaining another example of how to remove a concentration polarization component from an approximate expression in a decreasing direction.
FIG. 9 is a graph for explaining a method for obtaining saturation polarization during discharge in an equilibrium state or a state where discharge polarization occurs.
FIG. 10 is a graph for explaining a method for obtaining saturation polarization during discharge in a state where charge polarization occurs.
FIG. 11 is a diagram for explaining a method of obtaining saturation polarization during discharge in a state where discharge polarization or charge polarization has occurred.
FIG. 12 is a graph for explaining the content of a voltage drop that occurs inside the battery during discharge;
FIG. 13 shows a full charge voltage Vf, a discharge end voltage Ve and a voltage V of the battery._ADCIs a graph for explaining the relationship.
[Explanation of symbols]
5 Motor generator
13 battery
15 Current sensor
17 Voltage sensor
23 Microcomputer

Claims

A method for detecting a dischargeable capacity based on a terminal voltage of the battery when an arbitrary discharge current flows in a battery of an arbitrary charge capacity,
The battery open circuit voltage at the start of discharge is OCV0, the battery open circuit voltage at the end of discharge is OCVe, the battery open circuit voltage at full charge is OCVf, and the arbitrary The discharge current of the battery is I, the voltage drop caused by the saturation polarization resistance and the pure resistance of the battery through which the arbitrary discharge current flows is Vm, the reference resistance in the end-of-discharge state of the battery is R ₀ , When the reference resistance in the charged state is R ₁₀₀ ,
According to the discharge, the dischargeable capacity (%) is obtained by the following formula.
{(OCV0−Vm) − (OCVe−I × R ₀ )} / {(OCVf−I × R ₁₀₀ ) − (OCVe−I × R ₀ )} × 100 (%)
A dischargeable capacity detection method characterized by the above.

The dischargeable capacity detection method according to claim 1 ,
The reference resistance corresponds to a design value of a pure resistance of a new battery having the charged state.