JP4030261B2

JP4030261B2 - 電池の残存量演算回路と残存量演算方法

Info

Publication number: JP4030261B2
Application number: JP2000366226A
Authority: JP
Inventors: 忠司古川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP2002170600A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてハイブリッドカーに搭載される電池の残存量を正確に演算する回路と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、満充電や過放電させると電気的な特性が急激に低下する。電池性能を低下させることなく電池を長い寿命で使用するためには、電池の残存量を正確に検出して、過充電または過放電とならないように充放電を制御することが大切である。過充電と過放電を防止する充放電の制御方法からさらに進んで、残存量が約５０％の近傍となるように充放電を制御する方法は、より長い期間にわたって電池性能を低下させないで使用できる。この充放電の制御方法は、大容量の電池を搭載するために、電池コストが極めて高いハイブリッドカーの充放電の制御に使用される。
【０００３】
電池の過充電と過放電を防止すると共に、さらに進んで、残存量が特定の範囲となるように充放電を制御するには、電池の残存量を正確に検出することが大切である。電池の残存量は、充電電流の積算値から放電電流の積算値を減算して計算できる。電池の残存量が正確に演算できると仮定すれば、残存量が１００％にになる前に充電を停止し、また、残存量が０％となる前に放電を停止して過充電と過放電を防止できる。また、残存量が５０％を中心として所定の範囲で充放電して、電池性能の低下を最小にして使用できる。
【０００４】
しかしながら、電池の残存量を、全く誤差のない状態で正確に演算するのは極めて難しい。残存量は、充電電流と放電電流の積算値から計算されるが、この方法は、充放電を繰り返すと誤差が累積して次第に大きくなる。このため、演算された残存量と実際の電池の残存量とに誤差ができる。
【０００５】
従来の残存量の演算方法は、電池の残存量の累積誤差を少なくするために、特定の条件になると電池を満充電し、あるいは完全に放電して残存量を補正している。このことを実現するためには、使用範囲から校正ポイント電圧になるまで継続して充電し、あるいは放電させる必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
校正ポイント電圧になるまで充電し、あるいは放電して残存量を校正する方法は、満充電し、あるいは完全放電させて電池の残存量を補正するが、この方法は校正のために充電あるいは放電させるときに、電池の使用状態が制限される欠点がある。たとえば、校正のために充電しているときには、電池から負荷への電力供給が制限される。また、校正のために放電しているときには、電池の充電が制限される。
【０００７】
電池の充電と放電に制約を受けることは、あらゆる用途において、電池を理想的な状態では使用できなくする。たとえば、ハイブリッドカーのモーターを駆動する電池の充放電方法においては、非常に困った弊害が発生する。自動車を加速するときに放電できない状態になると、走行用のモーターを駆動できなって、モーターによる加速が不可能となり、自動車の加速は著しく悪くなる。モーターを走行用に使用している自動車は、エンジンの効率をよくするために、ほとんど例外なく加速のときにモーターを回転させる。いいかえると、エンジンによる加速を制限して燃料効率を向上させるように設計しているので、モーターによる加速が期待できないと、極めて加速の悪い自動車となる。さらに、常時はモーターで加速できる自動車が、電池の容量校正のタイミングになるとモーターによる加速ができなくなるので、自動車をスムーズに加速できなくなり、交通安全の点においても決して好ましくはない。さらに、減速しているときに残存量を補正するために充電が禁止されると、回生制動による減速がなくなってブレーキのみの制動となって制動力が急減に変動して危険な状態となることがある。また、この状態で回生制動で発生する電力を電池の充電に有効に利用できなくなって、充電効率も悪くなる欠点もある。
【０００８】
残存量の補正を中止してこの弊害は解消できるが、残存量を補正しないで使用される電池は、過充電や過放電によって寿命が短くなり、あるいは残存量を所定の範囲で使用できなくなって電池寿命は著しく短くなることがある。自動車用の電池パックは、多数の二次電池を使用して高価となるので、いかにして寿命を長くできるかは極めて大切なことである。
【０００９】
さらに、ハイブリッドカーに限らず、あらゆる用途に使用される電池は、充電と放電が制約されると、便利に使用できなくなる欠点がある。
【００１０】
本発明は、従来のこのような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池を満充電あるいは完全放電させることなく残存量を補正して、正確に残存量を検出できる残存量演算回路と演算方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池の残存量演算回路は、ハイブリッドカーのモーター９を駆動する電池３に流れる充放電電流を積算して電池３の残存量を演算する電流積算回路４と、イグニッションスイッチをオンに切り換えたときに検出される電池３の開放電圧から電池３の第１補正残存量を検出する電圧−残存量関係とイグニッションスイッチをオンにしてからチャージアップ電流が流れるときに検出される電池３の最低電圧から電池３の第２補正残存量を検出する電圧−残存量関係とを記憶する記憶回路２と、電池３の開放電圧及び最低電圧を検出して記憶回路２に記憶している電圧−残存量関係から第１補正残存量と第２補正残存量とを検出する残存量補正回路５とを有している。この残存量補正回路５は、電池３の残存量を、電流積算回路４で演算された電池３の残存量から第１補正残存量と第２補正残存量との差に基づいて演算された電池３の残存量に更新する。
【００１４】
さらに、本発明の請求項３の電池の残存量演算方法は、ハイブリッドカーのモーター９を駆動する電池３に流れる充放電電流を積算して電池３の残存量を演算し、イグニッションスイッチをオンに切り換えたときに検出される電池３の開放電圧から電池３の第１補正残存量を検出する電圧−残存量関係とイグニッションスイッチをオンにしてからチャージアップ電流が流れるときに検出される電池３の最低電圧から電池３の第２補正残存量を検出する電圧−残存量関係とを記憶させておき、電池３の開放電圧及び最低電圧を検出して記憶している電圧−残存量関係から第１補正残存量と第２補正残存量とを検出し、更に電池３の残存量を、電流を積算して演算された電池３の残存量から第１補正残存量と第２補正残存量との差に基づいて演算された電池３の残存量に更新する。
【００１５】
電圧−残存量関係は、テーブルまたは関数として記憶回路２に記憶することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池の残存量を演算する演算回路と演算方法を例示するものであって、本発明は演算回路と演算方法を以下のものに特定しない。
【００１９】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００２０】
図１は、電池の残存量演算回路を搭載するハイブリッドカーの回路図である。残存量演算回路は、バッテリＥＣＵ１と記憶回路２とを備える。バッテリＥＣＵ１は、電池３の充放電の電流を積算して残存量を演算する電流積算回路４と、演算した残存量を正確な値に補正する残存量補正回路５とを内蔵している。図はバッテリＥＣＵ１の動作をわかりやすくするために、電流積算回路４と残存量補正回路５とを別々の回路として記載しているが、バッテリＥＣＵは、たとえば内蔵するひとつのＣＰＵで両方の回路の動作をさせることもできる。バッテリＥＣＵ１で演算された残存量は、ハイブリッドカーのメインコントローラーであるＨＥＶ−ＥＣＵ６に出力される。ＨＥＶ−ＥＣＵ６は、ブレーキやアクセルの入力信号で、エンジン７とインバータ８を制御してハイブリッドカーの走行状態を制御する。
【００２１】
バッテリＥＣＵ１には、電池３に流れる電流と、電池電圧と、電池温度の信号が入力される。電流積算回路４は、電池３の充放電で残存量を演算する。残存量は、充電電流の積算値である充電容量から、放電電流の積算値である放電容量を減算して演算される。充電容量は、充電電流の積算値に充電効率をかけてより正確に演算することができる。電流積算回路４は、充放電の電流を積算するために、一定のサンプリング周期で電流を検出している。電流を検出するサンプリング周期は、たとえば約１００ｍｓｅｃとするが、数十ｍｓｅｃ〜数百ｍｓｅｃとすることもできる。充電容量は、検出した充電電流と時間の積、すなわち充電電流とサンプリング周期の積で演算される。さらに好ましくは、この値に充電効率をかけて正確な充電容量を演算する。放電容量は、検出した放電電流とサンプリング周期の積で演算される。
【００２２】
このようにして残存量を演算すると、時間が経過するにしたがって演算した残存量に誤差が累積し、実際の電池の残存量と演算した残存量とに差ができる。演算する残存量に誤差が発生するのは、たとえば、充電電流や放電電流の検出誤差、充電効率が変化することによる誤差、さらに、サンプリング周期の間に電流が変化することによる誤差等が発生するからである。この誤差は、時間の経過とともに累積されて大きくなる。残存量補正回路５は、特定の環境で使用されるときに、電池３の残存量を正確に補正する。
【００２３】
残存量補正回路５は、電池３が定電流で充電または放電されるときに、電圧をパラメーターとして残存量を補正する。ハイブリッドカーの残存量補正回路５は、イグニッションスイッチをオンにするときの最低電圧をパラメーターとして補正残存量を検出して、充放電電流を積算した残存量を補正する。とくに、イグニッションスイッチをオンにしたときに流れるチャージアップ電流は、周囲の温度等に影響されることが少ないので、チャージアップ電流が流れるときの最低電圧で補正残存量を検出する方法は、残存量を正確に補正できる。
【００２４】
電池３は、一定の定電流で充放電し、あるいはハイブリッドカーにおいてはイグニッションスイッチをオンにしてチャージアップ電流を流すとき、残存量の大きさで電圧が変化する特性がある。したがって、定電流で充放電し、あるいはイグニッションスイッチをオンにしてチャージアップ電流を流すときに電圧を検出すると、検出した電圧の大きさで残存量を特定できる。この特性は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン二次電池等の全ての二次電池に共通する。ただ、二次電池のタイプと電流の大きによって、残存量が同じであっても電池の残存量は変化する。したがって、残存量補正回路５には、接続している電池３の電圧−残存量関係を記憶する記憶回路２を接続している。
【００２５】
記憶回路２は、電池３の定電流状態における電圧をパラメーターとし、あるいはイグニッションスイッチをオンにしてチャージアップ電流が流れるときの電池３の最低電圧をパラメーターとして補正残存量を特定する「電圧−残存量関係」を記憶している。記憶回路２は、電圧−残存量関係をテーブルで記憶し、あるいは、関数として記憶している。電圧−残存量関係のテーブルは、電流と電圧をパラメーターとして残存量を特定する。このテーブルは、電圧と電流のみでなく、温度をもパラメーターとして残存量を特定するテーブルとすることもできる。電圧−残存量の関数も、電流と電圧をパラメーターとして残存量を計算できる関数、さらに、電流と電圧と温度をパラメーターとして残存量を計算できる関数である。
【００２６】
バッテリＥＣＵ１は、電流積算回路４または残存量補正回路５で電池に流れる電流が定電流状態にあるかどうかを検出し、定電流状態にあるときの電池電圧を検出する。さらに、バッテリＥＣＵ１は、イグニッションスイッチがオンになってチャージアップ電流が流れることを検出し、チャージアップ電流が流れるときには、電池３の最低電圧を検出する。電池電圧または最低電圧を検出すると、この電圧をパラメーターとして、電圧−残存量関係から補正残存量を検出する。
【００２７】
定電流状態にあるかどうかは、設定時間にサンプリングした電流値が設定範囲にあるかどうかで判別する。たとえば、設定時間に連続してサンプリングした電流値が、平均値に対して５％以内にあるとき、この時間帯において定電流状態であると判別する。定電流状態にあるかどうかを判別する設定時間は、たとえば３０秒に設定するが、５秒〜１分程度とすることもできる。設定時間を長くすると、定電流状態になる頻度が少なくなるので残存量を補正する頻度も少なくなるが、より正確に残存量を補正できる。反対に定電流状態と判定する設定時間を短くすると、定電流状態となる頻度が多くなって残存量を補正できる回数は多くなるが、定電流状態における残存量の精度は低下する。したがって、定電流状態と判別する設定時間は、要求される残存量の精度と頻度とを考慮して、前述の範囲で最適値とする。
【００２８】
電池３の電圧をサンプリングする周期が１００ｍｓｅｃで、設定時間を３０秒とする場合、連続して３００回サンプリングした電圧値が設定範囲にあるときに定電流状態と判別する。定電流状態を判別するサンプリング回数とサンプリング周期の積が設定時間を特定する。
【００２９】
定電流状態と判別する設定範囲は、たとえば電流の平均値に対して＋−５％に設定する。ただ、設定範囲は、平均値の＋−３〜１０％とすることもできる。設定範囲を狭くすると、より正確に残存量を補正できるが、補正できる頻度が少なくなる。反対に設定範囲を広くすると、残存量を補正できる頻度は多くなるが、精度は低下する。したがって、定電流状態と判別する電流のばらつきである設定範囲も、要求される精度と頻度を考慮して最適値とする。
【００３０】
さらに、バッテリＥＣＵ１は、チャージアップ電流が流れることも検出する。チャージアップ電流は、電池３に流れる電流波形とピーク電流から検出できるが、イグニッションスイッチがオンになったことを検出して正確に検出できる。また、イグニッションスイッチがオンに切り換えられたことと、電流波形とピーク電流から、さらに正確にチャージアップ電流を検出できる。ハイブリッドカーは、イグニッションスイッチをオンに切り換えると、電池３からインバータ８にチャージアップ電流が供給される。インバータ８は、電池３から供給されるチャージアップ電流でモーター９を始動し、あるいはインバータ８に接続している大容量のコンデンサー１０を充電する。
【００３１】
残存量補正回路５は、定電流状態にあるときは電池３の電圧を検出し、さらに、チャージアップ電流が流れるときは、電池３の最低電圧を検出し、検出した電圧や最低電圧から補正残存量を検出する。電圧に対する補正残存量は、記憶回路２に記憶される電圧−残存量関係で検出される。補正残存量が検出されると、充放電の電流を積算して演算された残存量を補正残存量で補正する。
【００３２】
さらに、残存量補正回路５は、電池３の開放電圧を検出して補正残存量を検出することもできる。開放電圧から残存量を検出する方法は、電池３を相当の時間にわたって充放電させない状態とした後に開放電圧を検出し、この開放電圧から補正残存量を検出する。充放電した直後の電池３の開放電圧は、充放電の電流に影響を受けて上下するので、補正残存量を正確に検出できないからである。開放電圧を検出する前に、電池３の充放電を実質的に停止させる期間は、たとえば、数分〜数時間以上とする。ハイブリッドカーのイグニッションスイッチをオンにする直前の電池３の開放電圧は、ほとんど例外なくこの条件を満足する。イグニッションスイッチをオンにする前に、ハイブリッドカーは停止しており、電池を充放電させない状態にあるからである。したがって、イグニッションスイッチをオンにする直前の電池３の開放電圧を検出し、この開放電圧から補正残存量を検出することもできる。開放電圧から補正残存量を検出するための電圧−残存量関係は、テーブルまたは関数として記憶回路２に記憶させる。
【００３３】
バッテリＥＣＵ１は、図２に示すステップで、以下のフローチャートのようにして充放電の電流を積算して演算した残存量を補正する。この図は、イグニッションスイッチをオンにしてチャージアップ電流が流れるときに、電池３の最低電圧を検出して補正残存量を検出するステップを示している。
［ｎ＝１〜３のステップ］
ハイブリッドカーのイグニッションスイッチがオンに切り換えられると、バッテリＥＣＵ１が初期化され、電池３の開放電圧（ＯＣＶ）が検出される。
［ｎ＝４〜５のステップ］
検出した電池３の開放電圧から第１補正残存量を検出し、検出した第１補正残存量が一時的に格納される。このステップで第１補正残存量を検出するために、記憶回路２に記憶される電圧−残存量関係が残存量補正回路５に読み込まれる。
［ｎ＝６のステップ］
イグニッションスイッチがオンになってリレーがオンに切り換えられる。
［ｎ＝７のステップ］
インバータ８がチャージアップされて、このときの最大電流が読み取られる。チャージアップ電流の最大値を読み取るために、電流の最大値がホールド回路に記憶される。この最大電流値がホールド回路から残存量補正回路５に入力されて、チャージアップ電流の最大値が読み取られる。
［ｎ＝８のステップ］
チャージアップ電流が流れる状態における最低電圧が読み取られる。最低電圧を読み取るために、電圧の最小値がホールド回路に記憶される。この最小電圧値がホールド回路から残存量補正回路５に入力されて最低電圧が読み取られる。
［ｎ＝９のステップ］
検出した最低電圧を以下の式で補正する。
Ｖ＝Ｖm−（Ｉ−Ｉm）×Ｚ
ただし、この式において、Ｖmは検出した最低電圧
Ｉは基準電流
Ｉmはチャージアップ電流の最大値
Ｚは電池の内部抵抗である。
［ｎ＝１０のステップ］
チャージアップ電流が流れるときの電池の電圧低下（ΔＶ）を下記の式で演算し、この電圧低下から第２補正残存量を演算する。
ΔＶ＝Ｖ−ＯＣＶ
この方法は、チャージアップ電流が流れるときの電圧低下（ΔＶ）から補正残存量を演算しているが、電圧低下（ΔＶ）によらず最低電圧のみから補正残存量を演算することもできる。電圧低下（ΔＶ）と最低電圧は実質的には同じ電圧である。それは、電圧低下（ΔＶ）は最低電圧から計算されるからである。電圧低下（ΔＶ）から補正残存量を演算する場合、記憶回路２には電圧低下（ΔＶ）から補正残存量を演算する電圧−残存量関係を記憶させる。
る。
［ｎ＝１１のステップ］
演算された第２補正残存量を一時的に格納する。
［ｎ＝１２〜１４のステップ］
第１補正残存量と第２補正残存量の差を演算し、この差が１０％よりも小さいかどうかを判定し、差が１０％よりも小さいと、第１補正残存量と第２補正残存量の平均値を補正残存量として、充放電電流を積算した残存量を補正する。差が１０％よりも大きいと、第１補正残存量と第２補正残存量が適当でないと判断して、補正残存量で残存量を補正しない。
【００３４】
ハイブリッドカーが走行する状態、すなわち、電池３が充放電される状態では、図３に示すステップで、以下のフローチャートで残存量を補正残存量で補正する。
［ｎ＝１のステップ］
電池３に流れる電流を読み取る。
［ｎ＝２〜３のステップ］
読み取った電流値（Ｉm）と、区間平均電流（Ｉa）との差を計算し、この差が区間平均電流の５％以内であるかどうかを判別し、差が５％よりも大きいと、カウンタのＮを０にリセットしてｎ＝１のステップにループする。区間平均電流（Ｉa）は、連続してサンプリングした電流を平均して演算する。
［ｎ＝４〜５のステップ］
電流値（Ｉm）と区間平均電流（Ｉa）の差が５％よりも小さいと、このステップでカウンタに１をプラスする。カウンタのカウント値が３００を越えるまでは、ｎ＝１のステップにループし、カウント値が３００を越えると、次のステップに進む。
［ｎ＝６〜７のステップ］
区間平均電流（Ｉa）が１０Ａよりも大きいかどうかを判定し、１０Ａよりも小さいと、電池電圧を検出して電圧をパラメーターとして電圧−残存量関係から補正残存量を演算する。補正残存量は、記憶回路２に記憶される１０Ａ以下の電圧−残存量関係から演算される。補正残存量で電流の積算値である残存量を補正する。
［ｎ＝８〜９のステップ］
区間平均電流（Ｉa）が３０Ａよりも大きいかどうかを判定し、３０Ａよりも小さいと、電池電圧を検出して電圧をパラメーターとして電圧−残存量関係から補正残存量を演算する。補正残存量は、記憶回路２に記憶される１０〜３０Ａの電圧−残存量関係から演算される。演算された補正残存量で電流の積算値である残存量を補正する。
［ｎ＝１０〜１１のステップ］
区間平均電流（Ｉa）が５０Ａよりも大きいかどうかを判定し、５０Ａよりも小さいと、電池電圧を検出して電圧をパラメーターとして電圧−残存量関係から補正残存量を演算する。補正残存量は、記憶回路２に記憶される３０〜５０Ａ以下の電圧−残存量関係から演算される。演算された補正残存量で電流の積算値である残存量を補正する。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の請求項１の残存量演算回路と請求項３の残存量演算方法は、とくに、ハイブリッドカーの電池の残存量を極めて簡単に補正して、正確に残存量を検出できる特長がある。それは、この残存量演算回路と演算方法が、イグニッションスイッチをオンにするときの最低電圧を検出して、電池の最低電圧をパラメーターとする残存量である電圧−残存量関係から補正残存量を検出して残存量を補正しているからである。ハイブリッドカーにおいては、イグニッションスイッチをオンにしてチャージアップ電流を流すときの電圧の大きさで電池の残存量を特定できる特性がある。したがって、この演算回路と演算方法は、イグニッションスイッチをオンにするときの最低電圧をパラメーターとして補正残存量を検出することによって、残存量を正確に補正できる。とくに、この演算回路と演算方法は、ハイブリッドカーを走行させる状態でなく、イグニッションスイッチをオンにするときの最低電圧で残存量を補正するので、簡単かつ安全に、電池の残存量を補正できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の電池の残存量演算回路を搭載するハイブリッドカーの回路図
【図２】本発明の実施例の残存量演算方法で補正残存量を検出して電池の残存量を補正するステップを示すフローチャート
【図３】本発明の他の実施例の残存量演算方法で補正残存量を検出して電池の残存量を補正するステップを示すフローチャート
【符号の説明】
１…バッテリＥＣＵ
２…記憶回路
３…電池
４…電流積算回路
５…残存量補正回路
６…ＨＥＶ−ＥＣＵ
７…エンジン
８…インバータ
９…モーター
１０…コンデンサー

Claims

ハイブリッドカーのモーター(9)を駆動する電池(3)に流れる充放電電流を積算して電池 (3) の残存量を演算する電流積算回路(4)と、イグニッションスイッチをオンに切り換えたときに検出される電池 (3) の開放電圧から電池 (3) の第１補正残存量を検出する電圧−残存量関係とイグニッションスイッチをオンにしてからチャージアップ電流が流れるときに検出される電池 (3) の最低電圧から電池 (3) の第２補正残存量を検出する電圧−残存量関係とを記憶する記憶回路 (2) と、電池 (3) の開放電圧及び最低電圧を検出して記憶回路 (2) に記憶している電圧−残存量関係から第１補正残存量と第２補正残存量とを検出する残存量補正回路 (5) とを有し、
残存量補正回路 (5) は、電池 (3) の残存量を、電流積算回路 (4) で演算された電池 (3) の残存量から第１補正残存量と第２補正残存量との差に基づいて演算された電池 (3) の残存量に更新する電池の残存量演算回路。
記憶回路(2)が電圧−残存量関係をテーブルまたは関数として記憶している請求項１に記載される電池の残存量演算回路。
ハイブリッドカーのモーター(9)を駆動する電池(3)に流れる充放電電流を積算して電池 (3) の残存量を演算し、イグニッションスイッチをオンに切り換えたときに検出される電池 (3) の開放電圧から電池 (3) の第１補正残存量を検出する電圧−残存量関係とイグニッションスイッチをオンにしてからチャージアップ電流が流れるときに検出される電池 (3) の最低電圧から電池 (3) の第２補正残存量を検出する電圧−残存量関係とを記憶させておき、電池 (3) の開放電圧及び最低電圧を検出して記憶している電圧−残存量関係から第１補正残存量と第２補正残存量とを検出し、更に電池 (3) の残存量を、電流を積算して演算された電池 (3) の残存量から第１補正残存量と第２補正残存量との差に基づいて演算された電池 (3) の残存量に更新する電池の残存量演算方法。
電圧−残存量関係をテーブルまたは関数として記憶する請求項３に記載される電池の残存量演算方法。