JP4797454B2

JP4797454B2 - 蓄電池残存容量検出装置

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Publication number: JP4797454B2
Application number: JP2005169647A
Authority: JP
Inventors: 太一郎民田; 知之川上; 郁朗菅; 知宏小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: JP2006343230A

Description

この発明は、蓄電池の残存容量を安定して正確に検出する蓄電池残存容量検出装置に関する。

従来の蓄電池残存容量検出装置では、スタータ電流と蓄電池の端子電圧との関係から蓄電池の内部抵抗を求めて走行直前の蓄電池の残存容量であるＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）を検出し、走行中の収支電流を積算することで充電量または放電量を検出し、初期容量と充放電量とを比較することで蓄電池の残存容量を検出する電流積算による残存容量推定法がある（例えば、特許文献１参照）。
また、蓄電池に流れた電流の大きさと蓄電池の端子間電圧とを検出し、これらの検出値から蓄電池の内部抵抗を求め、蓄電池の内部抵抗と蓄電池の残存容量との相関関係から、蓄電池の残存容量を検出する開放端子電圧であるＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）による残存容量推定法もある（例えば、特許文献２参照）。

特開昭５３−１２７６４６号公報（第２頁、第１図）特開平５−１７２９１３号公報（第３−４頁、第１図）

蓄電池の充放電は非常に長い時定数を持っており、充電または放電が終了しても、蓄電池の端子電圧は非常に緩やかに定常値に近づいていくので、充電または放電の終了から非常に長い時間経過しないと、蓄電池の開放端子電圧から蓄電池の残存容量を正確に検出することができない。特に、ハイブリッド車輌のように、非常に大きな電流で放電および充電が繰返される場合には、充放電における電流の履歴が開放端子電圧に与える影響が非常に大きいので、開放端子電圧による残存容量推定法によって正確な蓄電池の残存容量を測定することはできないという問題があった。
一方、電流積算による残存容量推定法は、比較的検出の精度は高い。しかし、蓄電池の残存容量を推定するために、事前の運転期間における蓄電池の残存容量値が必要となる。このため、事前の運転時に生じた誤差がその後の推定に影響を与え、時間の経過と共に誤差がさらに大きく蓄積する可能性があり、頻繁に充放電が繰返される走行に用いることができず、特に残存容量の初期値設定時から長時間経過した場合、信頼性が低くなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、安定で正確な蓄電池の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得るものである。

この発明に係る蓄電池残存容量検出装置は、蓄電池の電圧を測定する電圧検出手段と、蓄電池に流れる電流を測定する電流検出手段と、所定時間の電圧の平均値および電流の平均値を算出する平均値算出手段と、予め取得した電圧と電流との関係を記憶した特性データ記憶手段と、電圧の平均値と電流の平均値との関係および予め取得した電圧と電流との関係から蓄電池残存容量を推定する平均残存容量推定手段とを備え、蓄電池では、充電と放電とを含む充放電パターンが繰返し行われ、平均値を算出する所定時間内に充放電パターンが少なくとも１回以上行われるものである。

この発明に係る蓄電池残存容量検出装置は、蓄電池の電圧を測定する電圧検出手段と、蓄電池に流れる電流を測定する電流検出手段と、所定時間の電圧の平均値および電流の平均値を算出する平均値算出手段と、予め取得した電圧と電流との関係を記憶した特性データ記憶手段と、電圧の平均値と電流の平均値との関係および予め取得した電圧と電流との関係から蓄電池残存容量を推定する平均残存容量推定手段とを備え、蓄電池では、充電と放電とを含む充放電パターンが繰返し行われ、平均値を算出する所定時間内に充放電パターンが少なくとも１回以上行われるので、安定で正確な蓄電池の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１を示す蓄電池残存容量検出装置のブロック図である。蓄電池１は、負荷２に電力を供給する。電圧検出部３は、蓄電池１の電圧を測定する電圧検出手段である。電流検出部４は、蓄電池１に流れる電流を測定する電流検出手段である。平均値算出部５は、電圧検出部３で所定時間の間に測定した電圧の平均値および電流検出部４で所定時間の間に測定した電流の平均値を算出する平均値算出手段である。特性データ記憶部６は、予め取得した電圧と電流との関係を記憶する特性データ記憶手段である。平均残存容量推定部７は、所定時間の間に測定した電圧の平均値と電流の平均値との関係および予め取得した電圧と電流との関係から、サイクル平均による蓄電池残存容量を推定する平均残存容量推定手段である。蓄電池残存容量検出装置１１は、電圧検出部３、電流検出部４、平均値算出部５、特性データ記憶部６、平均残存容量推定部７から構成される。

蓄電池残存容量検出装置を搭載する機器または装置としては、蓄電池１の電力を動力に変換し、制動力で発電して蓄電する電動機を備えた車輌がある。また、この車輌に内燃機関を備えたハイブリッド車輌もある。図２にハイブリッド車輌の走行に関連する速度と蓄電池１に流れるＤＣ電流との関係を示す。図２において、横軸は経過時間である。まず、発進・加速を行う際には非常に大きな放電電流が流れる。次に、定速運転を行う際には電流値はそれほど大きくない。その後、減速・停止する際には回生電流による充電が行われ、蓄電池１には非常に大きな電流が逆方向に流れ込んでいる。蓄電池１では、車輌の発進から停止までの間で充電と放電とを含む充放電パターンが繰返し行われている。

図３に、図２で示したハイブリッド車輌の蓄電池１に流れるＤＣ電流と蓄電池１の端子電圧との関係を示す。蓄電池１から電流が流れ出す放電電流の場合には、蓄電池１の内部抵抗の分だけ端子電圧が低くなる。逆に、蓄電池１に電流が流れ込む充電電流の場合には、端子電圧が高くなる。図３からは、電流の変化に対して、電圧はかなり遅れて変化していることがわかる。つまり、端子電圧の変化と蓄電池１の内部抵抗とは相関関係があるものの、蓄電池１の電圧値を内部抵抗と電流値とだけから決定することはできない。更に、蓄電池１の電圧および電流の時定数は例えば１時間など非常に長いものであり、ハイブリッド車輌の走行中に電圧は定常値に達しないので、ハイブリッド車輌の走行中は開放端子電圧による残存容量の推定を行うことができない。

そこで、図２に示した車輌の発進（図２のグラフの左端）から停止（図２のグラフの右端）までの１運転サイクルの期間における、電圧検出部３で測定した蓄電池１の電圧の平均値を平均値算出部５にて算出する。同様に、車輌の発進から停止までの１運転サイクルの期間における、電流検出部４で測定した蓄電池１に流れる電流の平均値を平均値算出部５にて算出する。平均値算出のための時間は少なくとも１運転サイクル以上の時間が必要である。つまり、蓄電池１が充電と放電とを含む充放電パターンを繰返し行い、平均値算出のための所定時間内に充放電パターンを少なくとも１回以上行うことになる。

図４に蓄電池１が平均的には放電状態にある場合の蓄電池１の残存容量に対する端子電圧の時間変化を示す。図４において、破線は電流の平均値を１８Ａとして図２に示したような１運転サイクルの電流パターンを伴う充放電を繰返した場合の端子電圧の時間変化である。また、実線は電流を１８Ａ一定として満充電状態から蓄電池１を放電させた場合の端子電圧の時間変化である。図４から１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化の様子がわかる。一定電流で放電した場合の端子電圧の変化と、充放電を繰返した場合の１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化とがほぼ等しくなっている。

一定電流で放電したときの端子電圧の変化と、充放電を繰返す１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化とが、ほぼ等しくなる理由は次のとおりである。１運転サイクルにはハイレートの充電とハイレートの放電とが同時に含まれており、１運転サイクルの最初および最後には車輌は停止し、原則として停止時に電流値はゼロになっている。このため、充電電流による電圧の上昇と放電電流による電圧の低下とが１運転サイクルの間でキャンセルされる。また、時定数による電圧の変化の応答の遅れ分は、連続する運転サイクルの間でキャンセルされる。

図５に蓄電池１が平均的には充電状態にある場合の蓄電池１の残存容量に対する端子電圧の時間変化を示す。図５において、破線は電流の平均値を１６Ａとして図２に示したような１運転サイクルの電流パターンを伴う充放電を繰返した場合の端子電圧の時間変化である。蓄電池１の残存容量がほぼゼロの状態からスタートしている。また、実線は電流を１６Ａ一定として蓄電池１の残存容量がゼロの状態から蓄電池１を充電させた場合の端子電圧の時間変化である。図５から１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化の様子がわかる。一定電流で充電した場合の端子電圧の変化と、充放電を繰返した場合の１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化とがほぼ等しくなっている。

図４および図５に示した、一定電流で放電または充電した場合の端子電圧の変化は、電圧変化が十分に定常値に達した時の電圧、つまり、その時の蓄電池１の残存容量に対応した開放端子電圧、電流値、および内部抵抗で決まる値である。このため、一定電流での放電または充電の電圧特性を、いくつかの電流値に対して取得して、予め取得した電圧と電流との関係として特性データ記憶部６に記憶しておけば、平均残存容量推定部７において１運転サイクルの間に測定した電圧の平均値と電流の平均値との関係および予め取得した電圧と電流との関係から蓄電池１の残存容量を推定することができる。

図６に予め取得した電圧と電流との関係の一例を示す。この電圧と電流との関係の取得の方法は次のとおりである。まず、一定電流で充放電を行った場合の電圧の変化を測定する。一定電流で充放電を行うので、蓄電池１の残存容量は正確に推定でき、この測定データは電流値、電圧値、および蓄電池１の残存容量値を関連づけるものとなる。次に、電流値をいくつか変えて同様のデータを測定する。その結果、電流値および電圧値から蓄電池１の残存容量を推定するためのマトリックスを構成することができる。図６は、横軸を電流値、縦軸を電圧値とし、各残存容量値を等高線グラフとして示したものである。なお、図６は蓄電池１の電流電圧特性を示しているので、この特性の傾きが蓄電池１の内部抵抗を表すことになる。

図６から、電流値と電圧値とがわかれば、蓄電池１の残存容量を推定できる。走行中の蓄電池１の端子電圧および電流の時間変化を測定し、ハイブリッド車輌が停止してから、次に停止するまでの期間で、電圧および電流の時間変化の平均値を求める。電流電圧の１運転サイクルの平均値を図６のマトリックスに照らし合わせると、蓄電池１の残存容量値を求めることができる。このような蓄電池１の残存容量の推定法をサイクル平均による残存容量推定法とする。

なお、蓄電池１の内部抵抗には温度依存性があり、特に低温時には抵抗が高くなる。したがって、図６には温度依存性があり、温度に依存したデータ、または温度に依存させるための補正を行う必要がある。また、内部抵抗は電池の劣化状態にも依存するので、電池の劣化状態による補正を行う必要がある。

ここで、ハイブリッド車輌の運転に関する運転サイクルについて補足説明する。運転サイクルとは、ハイブリッド車輌が停止してから、発進、加速、減速、停止するまでの一連の動作のことである。先の停止と次の停止との間には加速と減速とが含まれるので、この間に蓄電池１の充電および放電が行われる。つまり、車輌の発進、加速、減速、停止の一連の動作は、充放電パターンの中で少なくとも１回以上行うことになる。先の停止から次の停止までの期間を１運転サイクルと定義する。１運転サイクルの最初および最後は停止と定義する理由は、停止の際には蓄電池１へ流入または流出する電流はほぼゼロであるので、１運転サイクルの最初および最後は、ほぼ同様の状態であり、繰返しの区切りとして定義しやすく、システムとして検出もしやすい。サイクル平均による残存容量推定法は、このような運転サイクルに適用することができる。

サイクル平均による残存容量推定法においては、電流の平均値および電圧の平均値を測定することで、ハイレートの充電およびハイレートの放電の影響をキャンセルし、平均的な電流が流れている状況に近づけることが必要である。このため、電流および電圧の平均値算出のための所定時間としては、できるだけ瞬時瞬時のばらつきが平均化される程度に長い時間が望ましい。また、平均値算出中に蓄電池１の残存容量が大きく変化すると、蓄電池１の残存容量の推定できなくなるので、蓄電池１の残存容量の変化が十分小さい期間を選ぶ必要がある。このため、１運転サイクルを複数回繰返した場合を、所定時間である１運転サイクルとしてもよい。また、電流および電圧の平均値算出のための所定時間の設定については、予め決めておいた時間を経過した時点としてもよいし、電流の平均値の時間積分値が所定値に達した時点としてもよい。

１運転サイクルの時間の長さとしては、次のように定義してもよい。例えば、容量５０Ａｈの蓄電池１において平均電流１８Ａの電流を流した場合には、蓄電池１の残存容量が２％変化する時間は２００秒、蓄電池１の残存容量が１０％変化する時間は１０００秒である。このため、走行の条件にも依存するものの、蓄電池１の残存容量が１０％程度変化する時間である１０００秒を上限とし、例えば市街地で信号による停車などで頻繁に発進および停止を繰返す場合を想定して３０秒を下限とすることができる。

一方、必ずしも発進または停止を繰返さなくとも、本発明によるサイクル平均による残存容量推定法を適用することが可能である。例えば、長時間停止している場合に、電流の平均値と電圧の平均値とを求めることは、原理的に長時間経過した後の開放端子電圧による残存容量推定と同様になる。したがって、停止時間が十分に長ければ、それぞれの平均値から十分に正確な蓄電池１の残存容量を推定することができる。また、高速道路における走行など、ほぼ一定の速度で長時間の走行する場合には、ほぼ一定の電流の平均値と電圧の平均値とを求めることは、一定電流での放電時の電圧変化または充電時の電圧変化を測定することと同様であり、原理的に蓄電池１の残存容量の推定を行うことが可能である。

ところで、１運転サイクルの電流の平均値が高い場合には、正確な蓄電池１の残存容量を推定することが困難となる。図７に蓄電池１が平均的には放電状態にある場合の蓄電池１の残存容量に対する端子電圧の時間変化を示す。図７において、破線は電流の平均値を３６Ａとして図２に示したような１運転サイクルの電流パターンを伴う充放電を繰返した場合の端子電圧の時間変化である。また、実線は電流を３６Ａ一定として満充電状態から蓄電池１を充電させた場合の端子電圧の時間変化である。図７から１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化と、一定電流で放電した場合の端子電圧の変化とが異なっていることがわかる。この原因としては、蓄電池１の残存容量が大きい場合には、ハイレートの充電を行うので、その充電電流が蓄電池１の充電に寄与せず、充電効率が低くなり、一定電流で放電した場合とは、かなり違った充放電の状態になっていると考えられる。

図８に１運転サイクルにおける電流の平均値を変えて取得した場合の１運転サイクルの端子電圧の平均値の変化と一定電流で放電した場合の端子電圧の変化との差から得られる標準偏差の測定結果を示す。図８において、横軸は１運転サイクルの電流の平均値で、縦軸は標準偏差である。１運転サイクルにおける電流の平均値が２０Ａ以上になると、１運転サイクルにおける端子電圧の平均値の変化と、一定電流で放電した場合の端子電圧の変化との差が大きくなる。なお、充電状態に場合でも、電流の平均値が２０Ａ以上になると、１運転サイクルにおける電圧の平均値の変化と一定電流で放電した場合の電圧の変化との差が大きい。

このことから、電流の平均値が２０Ａ以下の場合には、サイクル平均による残存容量推定法によって比較的高い精度で蓄電池１の残存容量の推定を行うことができる。なお、１運転サイクルにおける電流の平均値が２０Ａ以上の場合には、予め電圧が高めに設定されることを見込んで、予め取得した電圧と電流との関係を補正すればよい。上記の説明では電流値２０Ａという値を示した。これは容量５０Ａｈの蓄電池を用いて行ったので、蓄電池の容量によって規格化して０．４Ｃとすることもできる。ただし、この値は蓄電池の種類や使用環境によって変化する。

さて、蓄電池１に流れる電流の形状は車輌の走行パターンによって大きく変化し、特にハイブリッド車輌の場合には内燃機関による充電も別に行われる。また、電圧の変化に非常に長い時定数が存在するので、その前の走行による電圧の変化が必ず影響する。もし、毎回同様の充放電が行われるのであれば、この時定数の影響はかなりキャンセルされる。もっとも、実際の走行において全く同様な走行が繰返されることはありえないので、サイクル平均による残存容量推定法は完全な推定法ではない。

しかしながら、特定の条件のもとでは、ほぼ正確に蓄電池１の残存容量の推定が行うことができる。サイクル平均による残存容量推定法は、開放端子電圧による残存容量推定法および電流積算による残存容量推定法と比較して決定的に有利な点がある。開放端子電圧による残存容量推定法では、電圧の変化の時定数相当の時間が経過しないと、走行中の正確な蓄電池１の残存容量の推定を行うことができない。これに対して、サイクル平均による残存容量推定法では時定数による電圧の変化の応答の遅れ分を含めて平均化するので、その影響がキャンセルされ、走行中でも比較的正確な蓄電池１の残存容量を推定することができる。

一方、電流積算による残存容量推定法は、蓄電池１の残存容量を推定するために、その前の運転期間の蓄電池１の残存容量値が必要となるので、前回の運転時に生じた誤差がその後の蓄電池１の残存容量の推定に影響を与え、時間の経過と共に誤差が大きく蓄積する可能性がある。また、蓄電池１の残存容量の初期値を必要とするので、別の蓄電池１の残存容量推定法が必ず必要になる。これに対して、サイクル平均による残存容量推定法では、その時点での電流値および電圧値に基づき推定を行うので、誤差の蓄積が少なく、初期値の設定も不要である。

サイクル平均による残存容量推定法は、特に鉄道、路線バス、路面電車などのハイブリッド車輌への適用に有効である。鉄道、路線バス、路面電車などのハイブリッド車輌では、燃費向上という目的以外に、環境保護のために市街地を走行している場合には排出ガスを抑えるために電池のみで走行し、郊外を走行する場合には内燃機関を動かして充電するという運用方法も考えられる。また、低床電車およびニュートラムなどの新交通システムにも、サイクル平均による残存容量推定法が適用できる。

鉄道、路線バス、路面電車などの交通機関には極端に高速で走り、ハイレートの充放電を伴う急加速および急減速が少なく、決まった経路を走行することが多い。また、運行の時間帯が決められており、夜間を中心に一定時間以上車庫に停車し、所定の間隔にある停留所に停止するなどの特徴がある。このような運行形態はサイクル平均による残存容量推定法に適している。

ハイレートの充放電が少なければ、電圧の変化も少ないので、サイクル平均による残存容量推定法の精度が高くなる。鉄道、路線バス、路面電車などの場合には、ハイレートの走行が少なくなり、サイクル平均による残存容量推定法を適用できる範囲が広くなる。また、夜間を中心に一定時間以上車庫に停車しているので、出発前に安定して開放端子電圧による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行うことが可能である。

さらに、停留所での停車を有効に活用することができる。サイクル平均による残存容量推定法では、先の停止から次の停止までを１運転サイクルとしてもよい。つまり、停留所での停車を運転サイクルの１パターンとしてもよい。停留所が所定の間隔で存在し、確実にそこに停車する場合には、非常に安定した条件でサイクル平均による残存容量推定を行うことができる。サイクル平均における平均化とは、充電および放電による電圧の変化を平均化するという目的と、ある時定数を持って持続する電圧の変化の応答の遅れ分を平均化する目的とがある。つまり、同様の走行が繰返されることで、サイクル平均による残存容量推定法が有効となる。このため、停留所間の走行では、同様の走行、同様の加速、減速のパターンでの走行が繰返され、きわめて安定して正確に残存容量推定を行うことができる。

なお、実施の形態１では蓄電池残存容量検出装置を搭載する機器または装置として、蓄電池１の電力を動力に変換し、制動力で発電して蓄電する電動機を備えた車輌またはハイブリッド車輌について説明したが、他の蓄電池を備えた機器または装置でもよい。

以上のように、蓄電池１の電圧を測定する電圧検出手段と、蓄電池１に流れる電流を測定する電流検出手段と、所定時間の電圧の平均値および電流の平均値を算出する平均値算出手段と、予め取得した電圧と電流との関係を記憶した特性データ記憶手段と、電圧の平均値と電流の平均値との関係および予め取得した電圧と電流との関係から蓄電池残存容量を推定する平均残存容量推定手段とを備えたので、安定で正確な蓄電池１の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得ることができる。

実施の形態２．
サイクル平均による残存容量推定法は、単独でも十分に効果のある方法であるが、別の残存容量推定法と組合せて推定を行うことで、推定精度を更に向上させることができる。図９は、この発明を実施するための実施の形態２を示す蓄電池残存容量検出装置のブロック図である。図９において、積算残存容量推定部８、ＯＣＶ残存容量推定部９、およびシステム制御部１０を備えている点で実施の形態１と異なっている。積算残存容量推定部８は、蓄電池１に流れる電流の時間積分から蓄電池残存容量を推定する積算残存容量推定手段である。ＯＣＶ残存容量推定部９は、開放端子電圧による蓄電池残存容量を推定する残存容量推定手段である。システム制御部１０は、平均残存容量推定部７、積算残存容量推定部８、ＯＣＶ残存容量推定部９を制御し、これらの推定部で推定された蓄電池１の残存容量のうち、最適な残存容量を抽出する。蓄電池残存容量検出装置１２は、電圧検出部３、電流検出部４は、平均値算出部５、特性データ記憶部６、平均残存容量推定部７、積算残存容量推定部８、ＯＣＶ残存容量推定部９、システム制御部１０から構成される。

サイクル平均による残存容量推定法の特長は、電流積算による残存容量推定法のように、誤差の蓄積が少ないことである。一方、電流積算による残存容量推定法がある程度正確に充電効率ηを求めれば、原理的に正確な蓄電池１の残存容量の推定が可能なのに対して、サイクル平均による方法は原理的に正確な推定は困難である。つまり、電流積算による残存容量推定法は、蓄電池１の残存容量の初期値が設定された直後は精度が非常に高いが、時間が経過するにつれて徐々に誤差が増大していくのに対して、サイクル平均による残存容量推定法は、それほど精度が高いわけではないが、時間が経過してもその誤差が増大せず一定である。このことから、精度の特徴の異なるこの２つの方法を組合せれば、システムとして精度がより高く、かつ信頼性の高い蓄電池１の残存容量の推定を実現することができる。

蓄電池１の残存容量の初期値を求めるためには、開放端子電圧による残存容量推定法を用いることが考えられる。まず、開放端子電圧による残存容量推定法について、測定前に必要な無負荷待機時間について説明する。開放端子電圧による残存容量推定法では、充電および放電の影響による電圧の変化が、十分に落ち着いて定常値に達した後の電圧を測定する必要があるので、電圧が定常値に達するまでの時間である無負荷待機時間を明確にしておいたほうがよい。

充電後の時定数に比べて、放電後の時定数は短い。しかし、最後の動作が放電であっても、その直前に充電が行われた場合、充電の影響が充電の時定数だけ持続するので、充電の時定数だけ時間が経過しないと電圧は安定な値に到達しない。また、ハイブリッド車輌の場合には、最後はブレーキによる回生電流によって、充電を行いながら停止するので、停止する直前は充電が行われていると考えてよい。従って、必要な無負荷待機時間として、充電後の電圧変化の時定数相当の時間を選ぶべきである。一例として、蓄電池１として鉛蓄電池を用いて実験を行った結果、充電後の場合は１時間３０分、放電後の場合は１５分程度で、最終到達電圧の０．０５Ｖ以内に達することが確認された。これは蓄電池１の残存容量値に換算して、５％程度に相当する。従って、充電後の場合は１時間３０分、放電後の場合は１５分以上経過すれば、５％の精度で蓄電池１の残存容量の判定を行うことが可能である。

開放端子電圧による残存容量推定法は、より正確に蓄電池１の残存容量を測定できる。しかし、電極を開放した状態で十分長い時間経過している必要がある。運転の状態によっては、先の運転の終了から次の運転の開始時までに開放端子電圧の判定に必要なだけの時間が経過しているかどうか不明である。このため、停止時間が十分経過していない場合には、停止から次の停止までの期間は、サイクル平均による残存容量推定法によって推定した蓄電池１の残存容量を初期値とする。

図１０は、この発明の実施の形態２における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。この実施の形態での蓄電池１の残存容量検出のための動作は、主としてサイクル平均による残存容量推定法を用い、電流積算による残存容量推定法を補助的に用いる場合である。まず、ステップＳＴ１０１において、車輌の運転を開始する。ステップＳＴ１０２において、車輌の停止時間を判断し、停止時間がＴｓ以上の場合には、ステップＳＴ１０３において、開放端子電圧による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の初期設定を行い、停止時間がＴｓ未満の場合には、ステップＳＴ１０４において、前回の運転時の値を初期値に設定する。

次に、ステップＳＴ１０５において、車輌の停止の判断をする。車輌が停止している場合には、ステップＳＴ１０６において、サイクル平均による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行い、ステップＳＴ１０７において、サイクル平均による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量を採用することを決定する。ステップＳＴ１０８において、蓄電池１の残存容量を更新する。車輌が停止していない場合には、ステップＳＴ１０９において、電流積算による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行い、ステップＳＴ１１０において、電流積算による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量を採用することを決定する。ステップＳＴ１０８において、蓄電池１の残存容量を更新する。蓄電池１の残存容量を更新した後はステップＳＴ１０５に戻る。なお、車輌が出庫する際に開放端子電圧による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の検出を行ってもよく、この検出値を初期値として電流積算による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行う場合もある。

以上のように、サイクル平均による残存容量推定法と開放端子電圧による残存容量推定法および電流積算による残存容量推定法とを組合せることで、安定で正確な蓄電池１の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得ることができる。

実施の形態３．
サイクル平均による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行う場合には、実施の形態１で説明したように、蓄電池１に流れる電流の平均値が大きくなると蓄電池１の残存容量の推定精度が低くなる。そこで、本実施の形態３では、蓄電池１に流れる電流の平均値が大きくなった場合には、電流積算による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行う事を併用する。

図１１は、この発明の実施の形態３における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。図１１において、ステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０４については実施の形態２と同様である。ステップＳＴ１０５において、車輌の停止の判断をする。車輌が停止している場合には、ステップＳＴ１０６において、サイクル平均による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行い、ステップＳＴ１１１において、電流サイクル平均値（運転サイクルでの電流の平均値）と所定電流Ｉｔｈとの大きさを比較する。電流サイクル平均値がＩｔｈより小さい場合には、ステップＳＴ１０７において、サイクル平均による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量を採用することを決定する。ステップＳＴ１０８において、蓄電池１の残存容量を更新する。Ｉｔｈの設定については、１運転サイクルの電圧の平均値の変化と、一定電流で放電したときの電圧の変化との差が大きくなる値に設定する。例えば、実施の形態１に示したように、２０Ａに設定してよい。車輌が停止していない場合および電流の平均値がＩｔｈを超える場合には、ステップＳＴ１０９において、電流積算による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行い、ステップＳＴ１１０において、電流積算による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量を採用することを決定する。ステップＳＴ１０８において、蓄電池１の残存容量を更新する。蓄電池１の残存容量を更新した後はステップＳＴ１０５に戻る。

このように、基本的にはサイクル平均による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行う。停止から次の停止までは、サイクル平均による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量を初期値として、電流積算による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量から大きくずれていないかどうかの確認を行う。また、車輌が停止していても、電流サイクル平均値がＩｔｈを超えるようであれば、その期間のサイクル平均による残存容量推定法は精度が低いとみなして採用せず、電流積算による残存容量推定法による推定を継続する。その後、電流サイクル平均値がＩｔｈ以下になれば、サイクル平均による残存容量推定法で推定した蓄電池１の残存容量を採用し、この値を電流積算による残存容量推定法における蓄電池１の残存容量の初期値に設定し、推定を続行する。なお、運転サイクルでの電流の平均値である電流サイクル平均値が規定値であるＩｔｈよりも大きい場合には、電流積算による残存容量推定法によって推定された蓄電池１の残存容量を表示する。

このように、サイクル平均による残存容量推定法、電流積算による残存容量推定法、および開放端子電圧による残存容量推定法を組合せ、それぞれの残存容量推定法の長所をいかしたアルゴリズムを構築することで、それぞれの残存容量推定法の欠点を補完した、信頼性および精度が高い蓄電池１の残存容量の推定を行うことができる。なお、残存容量値、１運転サイクルの長さなどの条件を設定して、最適な残存容量推定法を選択してもよい。

以上のように、サイクル平均による残存容量推定法、開放端子電圧による残存容量推定法、および電流積算による残存容量推定法とを組合せることで、安定で正確な蓄電池１の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、サイクル平均による残存容量推定法を主に用いる場合について説明したが、本実施の形態では、サイクル平均による残存容量推定法を補助的に用いる場合について説明する。図１２は、この発明の実施の形態３における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ２０１において、運転開始時に開放端子電圧による残存容量推定法を用いて蓄電池１の残存容量の初期値を設定する。開放端子電圧による方法は最も正確に蓄電池１の残存容量を測定できる。しかし、電極を開放した状態で十分長い時間経過しないと用いることができないので、運転開始時に適用する。但し、運転開始時に十分長い時間が経過しているかどうかはわからないので、十分長い時間経過していなければ、前回運転時の最後の蓄電池１の残存容量値を初期値として用いる。次に、ステップＳＴ２０２において、電流積算による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行う。車輌の走行中は常に電流積算による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量を推定する。

ステップＳＴ２０３において、車輌の停止の判断をする。車輌が停止している場合には、ステップＳＴ２０４において、サイクル平均による残存容量推定法で蓄電池１の残存容量の推定を行う。ここで、電流積算による残存容量推定法で求めた蓄電池１の残存容量値と、サイクル平均による残存容量推定法で求めた蓄電池１の残存容量値とが存在する。ここで、どちらが信頼性の高い方法であるかを判定して、信頼性の高い方法で求めた蓄電池１の残存容量値に基づいて内燃機関によって蓄電池１を制御するとか、過充電防止のために回生電流を遮断するといったシステム制御を行う。

電流積算による残存容量推定法は、蓄電池１の残存容量の初期設定を行ってからの時間が経過するほど、推定値の誤差が蓄積していく可能性があるので、運転開始時からの経過時間によって、蓄電池１の残存容量推定法を決定する。ステップＳＴ２０５において、運転開始からの経過時間がＴｔｈよりも長い場合には、ステップＳＴ２０６において、サイクル平均による残存容量推定法を採用することを決定する。ステップＳＴ２０７において、蓄電池１の残存容量を更新する。車輌が停止していない場合および運転開始からの経過時間がＴｔｈ未満の場合には、ステップＳＴ２０８において、電流積算による残存容量推定法を採用することを決定する。ステップＳＴ２０７において、蓄電池１の残存容量を更新する。蓄電池１の残存容量を更新した後はステップＳＴ１０５に戻る。

Ｔｔｈは、電流積算による残存容量推定法に比べて、サイクル平均による残存容量推定法の方が蓄電池１の残存容量の推定精度が高くなる時間である。電流積算による残存容量推定法は時間とともに残存容量推定の誤差が拡大してしまうと言う欠点があり、Ｔｔｈの時間を超えると、この誤差がサイクル平均による残存容量推定法の持つ本質的な精度の不確定さを上回る。このＴｔｈを具体的に決めるためには、全体のシステムや相応の条件などを考慮し、この誤差の大きさを定量化するなどの必要がある。なお、実験結果からＴｔｈとして２時間という値が得られている。

電流積算による残存容量推定法では、何らかの方法で蓄電池１の残存容量の初期値を求めておく必要がある。このため、例えば開放端子電圧による残存容量推定法を用いる。ハイブリッド車輌などの車輌に適用する場合には、夜間など長時間休止した後に発進の直前の開放端子電圧から蓄電池１の残存容量を推定して初期値とする方法などがある。

以上のように、電流積算による残存容量推定法を主体的に用い、サイクル平均による残存容量推定法を補助的に用いることで、安定で正確な蓄電池１の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得ることができる。

実施の形態５．
電流積算による残存容量推定法とサイクル平均による残存容量推定法との採用の選択を電流サイクル平均値によって判定することができる。電流サイクル平均値が大きい場合には電流積算による残存容量推定法を、小さい場合にはサイクル平均による残存容量推定法を採用する。図１３は、この発明の実施の形態５における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。図１３において、ステップＳＴ２０１〜ステップＳＴ２０５については実施の形態４と同様である。ステップＳＴ２０９において、サイクル平均による残存容量推定法における電流サイクル平均値がＩｔｈより小さいかどうかを判断する。電流サイクル平均値がＩｔｈより小さい場合には、ステップＳＴ２０６において、サイクル平均による蓄電池１の残存容量推定法を採用することを決定する。ステップＳＴ２０７において、蓄電池１の残存容量を更新する。Ｉｔｈの設定については、１運転サイクルの電圧の平均値の変化と、一定電流で放電したときの電圧の変化との差が大きくなる値に設定する。例えば、実施の形態１に示したように２０Ａに設定してもよい。車輌が停止していない場合には、運転開始からの経過時間がｔｔｈに満たない場合および電流サイクル平均値がＩｔｈを超える場合には、ステップＳＴ２０８において電流積算による残存容量推定法を採用することを決定する。ステップＳＴ２０７において、蓄電池１の残存容量を更新する。蓄電池１の残存容量を更新した後はステップＳＴ１０５に戻る。

以上のように、電流積算による残存容量推定法を主体的に用い、サイクル平均による残存容量推定法を補助的に用いることによって、安定で正確な蓄電池１の残存容量の検出が可能な蓄電池残存容量検出装置を得ることができる。

なお、全ての実施の形態において、残存容量を検出する蓄電池として鉛蓄電池を適用することができる。また、本発明は、充電あるいは放電後の電圧変化に長い時定数がある場合に有効であり、これは一般の蓄電池に共通した特徴である。したがって、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などの蓄電池に適用してもよい。

この発明の実施の形態１を示す蓄電池残存容量検出装置のブロック図である。この発明の実施の形態１におけるハイブリッド車輌の走行に関連する速度と蓄電池に流れるＤＣ電流との関係を示す図である。この発明の実施の形態１におけるハイブリッド車輌の蓄電池に流れるＤＣ電流と蓄電池の端子電圧との関係を示す図である。この発明の実施の形態１における平均的には放電状態にある場合の蓄電池の残存容量に対する端子電圧の時間変化を示す図である。この発明の実施の形態１における平均的には充電状態にある場合の蓄電池の残存容量に対する端子電圧の時間変化を示す図である。この発明の実施の形態１における予め取得した電圧と電流との関係を示す図である。この発明の実施の形態１における平均的には放電状態にある場合の蓄電池の残存容量に対する端子電圧の時間変化を示す図である。この発明の実施の形態１における標準偏差の測定結果を示す図である。この発明の実施の形態２を示す蓄電池残存容量検出装置のブロック図である。この発明の実施の形態２における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態４における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態５における蓄電池残存容量検出装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１蓄電池、２負荷、３電圧検出部、４電流検出部、５平均値算出部、６特性データ記憶部、７平均残存容量推定部、８積算残存容量推定部、９ＯＣＶ残存容量推定部、１０システム制御部、１１，１２蓄電池残存容量検出装置。

Claims

蓄電池の電圧を測定する電圧検出手段と、
前記蓄電池に流れる電流を測定する電流検出手段と、
所定時間の前記電圧の平均値および前記電流の平均値を算出する平均値算出手段と、
予め取得した電圧と電流との関係を記憶した特性データ記憶手段と、
前記電圧の平均値と前記電流の平均値との関係および前記予め取得した電圧と電流との関係から蓄電池残存容量を推定する平均残存容量推定手段とを備え、
前記蓄電池では、充電と放電とを含む充放電パターンが繰返し行われ、前記平均値を算出する所定時間内に前記充放電パターンが少なくとも１回以上行われることを特徴とする蓄電池残存容量検出装置。
蓄電池に流れる電流の時間積分から蓄電池残存容量を推定する積算残存容量推定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池残存容量検出装置。
電流の平均値が規定値よりも大きい場合には、積算残存容量推定手段により推定された蓄電池残存容量を表示したことを特徴とする請求項２記載の蓄電池残存容量検出装置。
蓄電池の電力を動力に変換し、制動力で発電して蓄電する電動機を備えた車輌に搭載したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電池残存容量検出装置。
車輌は、内燃機関を備えたハイブリッド車輌としたことを特徴とする請求項４記載の蓄電池残存容量検出装置。
車輌の発進、加速、減速、停止の一連の動作は、充放電パターンの中で少なくとも１回以上行うことを特徴とする請求項４または５に記載の蓄電池残存容量検出装置。
車輌は、出庫する際に開放端子電圧による蓄電池残存容量の検出を行い、この検出値を初期値として電流値の時間積分による蓄電池残存容量の推定を行ったことを特徴とする請求項４または５に記載の蓄電池残存容量検出装置。