JP4012644B2 - バッテリの充電状態検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリの充電状態（以下ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）という）を検出するバッテリ充電状態検出装置、特にバッテリの充放電電流に基づいて、正確なＳＯＣを検出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、バッテリの充電状態を検出する充電状態（ＳＯＣ）検出装置が知られている。例えば、電気自動車のバッテリについてのＳＯＣ検出装置は、通常バッテリの電流（充放電電流）を積算し、ＳＯＣを検出している。電気自動車においては、回生制動による充電は期待できるが、走行中は基本的にバッテリは放電する。そして、走行しないときに充電器によってバッテリを満充電にすることで充電状態を回復する。従って、ＳＯＣ検出装置は、基本的に満充電からの放電電流を積算し、ＳＯＣを検出している。携帯型のパーソナルコンピュータなど各種機器においても、基本的に同様であり、満充電からの放電量を積算することでバッテリのＳＯＣを検出している。
【０００３】
エンジン発電機を搭載するハイブリッド車においても、そのバッテリのＳＯＣ検出には、バッテリ電流の積算を利用する場合が多い。ところが、ハイブリッド車においては、バッテリＳＯＣが５０％程度に維持されるように、充放電を制御する。従って、長期間バッテリが満充電とならず、バッテリの充放電電流を長期間積算し、ＳＯＣを検出することになる。充放電電流の検出の精度はそれ程悪くはないが、長期間充放電電流の検出を繰り返すと、その誤差がかなり大きくなってしまう。
【０００４】
一方、電流量とバッテリ内部抵抗を乗算することにより、バッテリにおける電圧降下が算出でき、この電圧降下分を電池電圧から減算することで、バッテリの起電圧が検出できる。そして、バッテリＳＯＣが２０％や、８０％という５０％からかなり離れた値の場合、そのときの起電圧は、ＳＯＣ５０％の場合の起電圧とは有意の差が生じる。そこで、予め求めておいたＳＯＣ２０％やＳＯＣ８０％の時の起電圧と、そのときの起電圧を比較することによって、バッテリがＳＯＣ２０％や８０％という値に至ったことを検出することができる。なお、このような電流電圧に基づくＳＯＣ検出をＩＶ判定によるＳＯＣ検出という。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ＩＶ判定により、所定のＳＯＣに至ったことを検出できる。しかし、このＩＶ判定では、検出した起電圧が正しいことを前提としている。ところが、各種の試験をしていると、同一のＳＯＣであっても起電圧は一定でないことがわかってきた。すなわち、充電が継続しているときと、放電が継続しているときでは、同一のＳＯＣであっても、検出される起電力が異なる。
【０００６】
本発明は、上記認識に基づきなされたものであり、充放電の履歴を考慮してより正確なバッテリの充電状態検出を行うことができるバッテリの充電状態検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ニッケル水素バッテリの充電状態を分極起電圧を考慮して算出するバッテリの充電状態検出装置であって、バッテリの電流及び電圧と、そのときのバッテリの充電状態の関係を示す電流・電圧特性を記憶する電流・電圧特性記憶手段と、バッテリの電流を検出する電流検出手段と、バッテリの電圧を検出する電圧検出手段と、時間ｔ ₀ における分極起電圧を算出するに際し、時間ｔ ₀ より過去の充放電により生じた分極起電圧を求め、求めた分極起電圧を時間ｔ ₀ に近いものほど大きく反映することにより時間ｔ ₀ における分極起電圧を算出する分極起電圧検出手段と、検出された電流、電圧値から記憶されている電流電圧特性に基づいて、バッテリの充電状態を検出するに際し、前記分極起電圧検出手段により求めた分極起電圧を考慮して、バッテリの充電状態を求める充電状態検出手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
このように分極起電圧を利用して、そのときの起電圧または記憶されている電流・電圧と、ＳＯＣの関係のいずれかを補正することで、分極起電圧の影響を排除して、ＳＯＣに依存する起電圧を求めることができる。従って、ＩＶ判定により、正しいＳＯＣ検出を行うことができる。
【０００９】
また、前記分極起電圧検出手段は、下に示す式（１）に基づき、分極起電圧を求めることが好適である。
【００１０】
【数３】
Ｖ_dyn（ｔ₀）＝（１／τ）∫ｆ｛ｉ（ｔ）｝ｅｘｐ｛（ｔ−ｔ₀）／τ｝ｄｔ
［ｔ＝−∞〜ｔ₀の積分］ ・・・（１）
ここで、Ｖ_dyn（ｔ₀）は時間ｔ＝ｔ₀の分極起電圧、τは時定数、ｆ｛ｉ（ｔ）｝は予め求められた分極起電圧の電流依存性、ｉ（ｔ）は時間ｔにおける充放電電流である。
【００１１】
また、前記式（１）における分極起電圧Ｖ_dyn（ｔ₀）を時間Δｔ前の分極起電圧Ｖ_dyn（ｔ₀−Δｔ）に基づいて下の式（２）に基づいて検出することが好適である。
【００１２】
【数４】
Ｖ_dyn（ｔ₀）
＝Ｖ_dyn（ｔ₀−Δｔ）ｅｘｐ（−Δｔ／τ）
＋（１／τ）ｆ｛ｉ（ｔ₀）｝×Δｔ ・・・（２）
また、前記ｆ（ｉ）を、定電流充電または定電流放電のいずれか１つを行って、その際の電流電圧特性を計測した結果から求め、求められたｆ（ｉ）を記憶しておくことが好適である。
【００１３】
前記ｆ（ｉ）を、定電流充電および定電流放電を行って、定電流充電及び定電流放電における電流電圧特性の差に基づいて求め、求められたｆ（ｉ）を記憶しておくことが好適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
「基本的構成の説明」
図１は、本発明のバッテリ充電状態検出装置をハイブリッド車に適用したシステムの構成を示すブロック図である。バッテリ１０は、多数のバッテリセルからなっている。本実施形態では、このバッテリ１０は、ニッケル水素バッテリであり、２０個のバッテリセルをまとめて１ブロックとして、このブロックを１２個接続して、２４０個のバッテリセルを直列接続した３００Ｖ程度の出力電圧を有している。
【００１６】
バッテリ１０の各ブロック毎の電圧及び全体の電圧は、電圧検出器１２で計測され、電池ＥＣＵ１４に供給される。また、この電池ＥＣＵ１４には、バッテリ温度を検出する温度センサ１６、およびバッテリ電流を検出する電流検出器１８が接続されており、バッテリ温度及びバッテリ電流が電池ＥＣＵ１４に供給される。
【００１７】
そして、この電池ＥＣＵ１４は、供給される各種データに基づいて、バッテリ１０の充電状態（ＳＯＣ）を検出し、これをＨＶＥＣＵ２０に供給する。なお、電池ＥＣＵ１４は、電圧検出器１２から供給されるブロック毎の電圧値に基づいて、バッテリセルにおける過放電を検出する。
【００１８】
このＨＶＥＣＵ２０は、アクセル開度、ブレーキ踏み込み量、車速などの情報に基づいて決定されたトルク指令に基づき、負荷２２を制御する。負荷２２は、インバータ、モータなどからなり、バッテリ１０からの直流電力をインバータにより、交流電流に変換してモータを駆動するものである。そして、ＨＶＥＣＵ２０からの制御信号によりインバータの動作が制御されることで、モータよりトルク指令に合致したトルクを出力する。また、インバータのスイッチングによって回生制動も行う。なお、本実施形態は、ＨＶ車であるため、エンジン及びエンジン駆動のジェネレータを有しており、ジェネレータの発電電力によりバッテリ１０の充電ができると共に、エンジンによりモータ出力軸を回転できるようになっている。また、モータとジェネレータは、モータジェネレータとして構成してもよい。
【００１９】
そして、ＨＶＥＣＵ２０は、電池ＥＣＵ１４から供給されるバッテリ１０のＳＯＣの値に従って、モータ出力、エンジン出力などを制御して、バッテリ１０のＳＯＣが５０％付近になるように制御している。なお、バッテリセルの過放電が検出された場合には、バッテリ１０からの放電を禁止する。
【００２０】
ここで、電池ＥＣＵ１４においては、基本的に電流検出器１８の出力値の積算によって、バッテリ１０の充放電電流量を計算し、ＳＯＣを検出している。しかし、このＳＯＣ算出では、上述のように長期間の積算によりＳＯＣ検出についての誤差が大きくなる。
【００２１】
そこで、バッテリ１０の電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Ｔを用いて、ＩＶ判定ラインを算出し、ＳＯＣが所定値を下回る（または上回る）ことを判定し、ＳＯＣが所定値に至ったことを検出する。この所定値は、例えばＳＯＣ２０％及び８０％である。
【００２２】
なお、内部抵抗Ｒは、温度によって変化するため、温度センサ１６により検出したバッテリ温度に応じて補正する。すなわち、内部抵抗Ｒを温度Ｔの関数としてマップとして持っておき、温度センサ１６の検出温度に応じて内部抵抗Ｒを求める。
【００２３】
ここで、バッテリの電流・電圧特性は、電流をＩ（放電側を正とする）、電圧をＶ、内部抵抗をＲとした場合に、Ｖ＝Ｖ₀−ＩＲと表される。ここで、このＶ₀がバッテリにおける起電圧である。すなわち、図２に示すように、バッテリ電圧Ｖは、電流Ｉの増加に伴い減少する。この増減分は、バッテリ内部抵抗Ｒ×電流Ｉで決定される内部抵抗に伴う電圧降下分であり、電流Ｉに対するバッテリ電圧Ｖの傾きは内部抵抗Ｒに等しくなる。このバッテリ電流が０の時のバッテリ電圧を起電圧Ｖ₀という。
【００２４】
そして、ＳＯＣと起電圧には、図３に示すような関係があり、検出した電流、電圧からそのときの起電圧を算出し、これを予め求めてあるＳＯＣ２０％、８０％の起電圧Ｖ₀と比較することでＩＶ判定が行われる。
【００２５】
「Ｖ_dyn（分極起電圧）の説明」
ここで、起電圧Ｖ₀は、Ｖ₀＝Ｖ_0cv＋Ｖ_dynと表される。このＶ_0cvは、ＳＯＣと温度に依存する起電圧であり、Ｖ_dynは、充放電履歴により動的な電圧変動である。
【００２６】
バッテリは、各バッテリセルにおける電極活物質の化学変化によって起電力を発生しているが、電極活物質の化学反応はその表面付近で起こりやすく、電極内部における反応には拡散のための遅延時間が生じる。そこで、この電極内部と表面部における不均衡（分極）に起因して、同じＳＯＣであっても起電力に差が生じる。そして、この分極に起因する電圧変化は、時間が経過することで、解消すると考えられる動的なものである。そこで、この分極起電圧をＶ_dynと表している。
【００２７】
例えば、図４（ａ）に示すように、バッテリ電流Ｉが変化した場合、分極による起電圧Ｖ_dynは、放電の継続により減少し、充電の継続により上昇する。
【００２８】
そこで、本実施形態では、バッテリ電流の履歴に応じて、分極起電圧Ｖ_dynを考慮して、ＩＶ判定を行う。
【００２９】
「Ｖ_dynの算出」
分極起電圧は、上述のような現象によって生じるものであり、ある時点での分極起電圧の大きさは、過去の充放電の履歴に応じて決定されると考えられる。また、その時点に近いほど影響は大きく充電または放電の電流量が大きいほど影響は大きいと考えられる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、分極起電圧Ｖ_dynを次の式（１）によって求める。
【００３１】
【数５】
Ｖ_dyn（ｔ₀）＝（１／τ）∫ｆ｛ｉ（ｔ）｝ｅｘｐ｛（ｔ−ｔ₀）／τ｝ｄｔ
［ｔ＝−∞〜ｔ₀の積分］ ・・・（１）
ここで、Ｖ_dyn（ｔ₀）は時間ｔ＝ｔ₀の分極起電圧、τは時定数、ｆ｛ｉ（ｔ）｝は予め求められた分極起電圧の電流依存性、ｉ（ｔ）は時間ｔにおける充放電電流である。この式により、任意の時点ｔ₀における分極起電圧を求めることができる。なお、単位は、電圧が［Ｖ］、電流が［Ａ］、時間が秒である。
【００３２】
ここで、実際の制御においては、コンピュータは、離散的な時間間隔Δｔ毎にデータを取り込み処理を行う。そこで、実際の式（１）の計算は、次の式（３）に基づいて行われる。
【００３３】
【数６】
Ｖ_dyn（ｔ₀）＝（１／τ）Σｆ｛ｉ（ｔ）｝ｅｘｐ｛（ｔ−ｔ₀）／τ｝Δｔ
［ｔ＝−∞〜ｔ₀の積算］ ・・・（３）
従って、この式（３）は、
【数７】
Ｖ_dyn（ｔ₀）
＝Ｖ_dyn（ｔ₀−Δｔ）ｅｘｐ（−Δｔ／τ）
＋（１／τ）ｆ｛ｉ（ｔ₀）｝×Δｔ ・・・（２）
と表される。
【００３４】
そこで、Ｖ_dynの初期値を設定しておけば、その後は、Ｖ_dynの前回値を用いて演算することで、順次そのときのＶ_dynを求めることができる。Δｔは、例えば１秒とすることができ、これにより１秒ごとにＶ_dynを算出することができる。また、Δｔ＝０．１秒とすれば、計算の負荷は大きくなるが、精度は上昇する。
【００３５】
このようにして、Ｖ_dynについての前回値を用いることで、ｉ（ｔ）を過去にさかのぼって記憶しておく必要がなくなり、必要なメモリ容量を小さくすることができる。また、演算自体も常時多数項の演算をする必要がなくなり、処理時間を短縮することができる。
【００３６】
「ｆ（ｉ）の測定」
上述の計算においては、分極起電圧の電流依存性であるｆ（ｉ）を求めておく必要がある。
【００３７】
ここで、上述のＶ_dynについての式（１）において、ｉ（ｔ）＝ｉ₀一定とすると、式（１）は、
【数８】

となる。
【００３８】
従って、電流一定の時の分極起電圧は、時間が十分経過すれば一定となり、ｆ（ｉ）にのみ依存する。そこで、定電流の充電または放電の結果に基づいて、ｆ（ｉ）を測定することができる。
【００３９】
「ｆ（ｉ）の測定例１」
まず、前提条件として、内部抵抗Ｒ及び所定のＳＯＣにおける起電圧Ｖ_0cvが求められ、既知であったとする。例えば、ＳＯＣ６０％の際の起電圧Ｖ_0cvが既知であったとする。
【００４０】
そして、複数種類の定電流充電（あるいは放電）により、各電流に対する電圧特性を取得する。例えば、図５のような特性が取得される。
【００４１】
電池電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖ_0cv−ｉＲ＋Ｖ_dynで表され、定電流時は、Ｖ_dyn＝ｆ（ｉ）であるため、Ｖ＝Ｖ_0cv−ｉＲ＋ｆ（ｉ）である。
【００４２】
そこで、
【数９】
ｉ＝−１［Ａ］のとき、ｆ（ｉ＝−１）＝Ｖ_1A−１Ｒ−Ｖ_0cv60
ｉ＝−２［Ａ］のとき、ｆ（ｉ＝−２）＝Ｖ_2A−２Ｒ−Ｖ_0cv60
ｉ＝−４［Ａ］のとき、ｆ（ｉ＝−４）＝Ｖ_4A−４Ｒ−Ｖ_0cv60
であり、図６のように、ｆ（ｉ）［Ｖ］が求められる。
【００４３】
「ｆ（ｉ）の測定例２」
まず、前提条件として、内部抵抗Ｒが既知であり、ｆ（ｉ）がｆ（ｉ）＝−ｆ（−ｉ）なる充電時と放電時において対称な特性のバッテリであるとした場合には、次のようにしてｆ（ｉ）を求めることができる。
【００４４】
すなわち、定電流充電と放電を行い、各電流に対する電圧特性を取得する。これによって、図７に示すような特性が得られる。
【００４５】
電池電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖ_0cv−ｉＲ＋Ｖ_dynで表され、定電流時は、Ｖ_dyn＝ｆ（ｉ）であるため、Ｖ＝Ｖ_0cv−ｉＲ＋ｆ（ｉ）である。
【００４６】
ここで、ｉ＝Ｉ₀［Ａ］で放電、ｉ＝−Ｉ₀［Ａ］で充電したとすると、
【数１０】
Ｖ_ch＝Ｖ_0cv60−（−Ｉ₀）・Ｒ＋ｆ（−Ｉ₀） （充電時）
Ｖ_dc＝Ｖ_0cv60−Ｉ₀・Ｒ＋ｆ（Ｉ₀） （放電時）
となる。従って、
【数１１】
Ｖ_ch−Ｖ_dc＝２Ｉ₀・Ｒ＋ｆ（−Ｉ₀）−ｆ（Ｉ₀）
ここで、ｆ（−Ｉ₀）＝−ｆ（Ｉ₀）であるため、
【数１２】
Ｖｃｈ−Ｖｄｃ＝２Ｉ ₀ ・Ｒ−２ｆ（Ｉ ₀ ）
であり、従って、
【数１３】
ｆ（Ｉ ₀ ）＝Ｉ₀Ｒ−（１／２）（Ｖ_ch−Ｖ_dc）
ｆ（−Ｉ₀）＝−Ｉ₀Ｒ＋（１／２）（Ｖ_ch−Ｖ_dc）
となり、ｆ（ｉ）を求めることができる。
【００４７】
「ｆ（ｉ）の利用」
この求められたｆ（ｉ）は電池ＥＣＵ１４において、マップとして記憶しておく。そこで、上述のようにして、分極起電力Ｖ_dynを求める際に、そのときのｆ（ｉ）を随時も読み出し利用することができる。
【００４８】
そして、求められた分極起電圧Ｖ_dynを利用して、そのときの起電圧または記憶されている電流・電圧と、ＳＯＣの関係のいずれかを補正することで、分極起電圧の影響を排除して、ＳＯＣに依存する起電圧Ｖ_0cvを求めることができ、ＩＶ判定により、正しいＳＯＣ検出を行うことができる。
【００４９】
例えば、ＳＯＣ２０％の時の起電圧Ｖ₀と電流の関係が図８のように記憶されていたときに、求められた分極起電圧Ｖ_dynに応じて、この判定ラインＶｓを補正し、
【数１４】
Ｖｓ＝Ｖ_0cv20（Ｔ）＋Ｖ_dyn−ＩＲ
とする。そして、この補正された判定ラインを使用し、実際の測定により求められた起電圧がこの判定ライン以下となったときにＳＯＣ２０％に達したと判定すればよい。
【００５０】
このように、分極起電圧Ｖ_dynを考慮することによって、正確なＩＶ判定が行える。
【００５１】
なお、Ｖ_0cv及びＶ_dynについても温度の影響を調べておき、補正することが望ましい。
【００５２】
さらに、分極起電圧Ｖ_dynは、ある程度大きくはならない。そこで、｜Ｖ_dyn｜があまり大きくならないように、最大値Ｖ_dyn-max、最小値Ｖ_dyn-minのガードを設けておくことが好ましい。
【００５３】
すなわち、
【数１５】
Ｖ_dyn＞Ｖ_dyn-maxの時、Ｖ_dyn＝Ｖ_dyn-max、
Ｖ_dyn＜Ｖ_dyn-minの時、Ｖ_dyn＝Ｖ_dyn-min、
とすることが好適である。これによって、分極起電圧Ｖ_dynを大きく見積もりすぎることを防止することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、分極起電圧を利用して、そのときの起電圧または記憶されている電流・電圧と、ＳＯＣの関係のいずれかを補正することで、分極起電圧の影響を排除して、ＳＯＣに依存する起電圧を求めることができる。従って、ＩＶ判定により、正しいＳＯＣ検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態の装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 起電圧を説明する図である。
【図３】 ＳＯＣと起電圧の関係を示す図である。
【図４】 電流と分極起電圧の関係を示す図である。
【図５】 定電流の充電による起電圧の変化を示す図である。
【図６】 ｆ（ｉ）の算出を示す図である。
【図７】 定電流の充放電による起電圧変化を示す図である。
【図８】 ＩＶ判定を示す図である。
【符号の説明】
１０ バッテリ、１２ 電圧検出器、１４ 電池ＥＣＵ、１６ 温度センサ、１８ 電流検出器、２０ ＨＶＥＣＵ、２２ 負荷。

Claims (5)

1. ニッケル水素バッテリの充電状態を分極起電圧を考慮して算出するバッテリの充電状態検出装置であって、
   バッテリの電流及び電圧と、そのときのバッテリの充電状態の関係を示す電流・電圧特性を記憶する電流・電圧特性記憶手段と、
   バッテリの電流を検出する電流検出手段と、
   バッテリの電圧を検出する電圧検出手段と、
   時間ｔ ₀ における分極起電圧を算出するに際し、時間ｔ ₀ より過去の充放電により生じた分極起電圧を求め、求めた分極起電圧を時間ｔ ₀ に近いものほど大きく反映することにより時間ｔ ₀ における分極起電圧を算出する分極起電圧検出手段と、
   検出された電流、電圧値から記憶されている電流電圧特性に基づいて、バッテリの充電状態を検出するに際し、前記分極起電圧検出手段により求めた分極起電圧を考慮して、バッテリの充電状態を求める充電状態検出手段と、
   を有することを特徴とするバッテリの充電状態検出装置。
2. 請求項１に記載のバッテリの充電状態検出装置において、
   前記分極起電圧検出手段が、下に示す式（１）に基づき、時間ｔ ₀ までの充放電電流に対する分極起電圧の電流依存性を求め、求めた電流依存性を所定の時定数で減衰させた上で積分することにより時間ｔ ₀ における分極起電圧を算出するものであることを特徴とするバッテリの充電状態検出装置。
   

   

   ここで、Ｖ_dyn（ｔ₀）は時間ｔ＝ｔ₀の分極起電圧、τは時定数、ｆ｛ｉ（ｔ）｝は予め求められた分極起電圧の電流依存性、ｉ（ｔ）は時間ｔにおける充放電電流である。
3. 請求項２に記載の装置において、
   前記式（１）における分極起電圧Ｖ_dyn（ｔ₀）を時間Δｔ前の分極起電圧Ｖ_dyn（ｔ₀−Δｔ）に基づいて下の式（２）に基づいて検出することを特徴とするバッテリの充電状態検出装置。
   

   
4. 請求項２または３に記載の装置において、
   前記ｆ（ｉ）を、定電流充電または定電流放電のいずれか１つを行って、その際の電流電圧特性を計測した結果から求め、求められたｆ（ｉ）を記憶しておくことを特徴とするバッテリの充電状態検出装置。
5. 請求項２または３に記載の装置において、
   前記ｆ（ｉ）を、定電流充電および定電流放電を行って、定電流充電及び定電流放電における電流電圧特性の差に基づいて求め、求められたｆ（ｉ）を記憶しておくことを特徴とするバッテリの充電状態検出装置。

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