JP4876340B2

JP4876340B2 - 電池制御装置

Info

Publication number: JP4876340B2
Application number: JP2001186691A
Authority: JP
Inventors: 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2003004823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の残存容量算出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電池の残存容量算出方法としては、例えば、特開平６−１７４８０８号公報に開示されているような方法が知られている。その方法では、放電時に得られる電流値および端子電圧に基づく最大出力と放電電力量とを順次算出して、その最大出力と放電電力量との関係式を求める。そして、この関係式に放電終止時の最大出力を代入して得られる放電電力量から、関係式に現在の最大出力を代入して得られる放電電力量を減算することにより、残存容量を算出している。この算出方法は、残存容量が少なくなったときに精度良く算出できるという特徴がある。
【０００３】
上述した放電終止時の設定電圧は、（ａ）電池の寿命を考慮した使用電圧範囲の下限電圧や、（ｂ）車両搭載ユニットの性能，機能を保証可能な使用電圧範囲の下限電圧等を考慮して設定される。そして、最大出力は、この設定電圧とそのときの電流値とを掛け合わせたものとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池の端子電圧は電池温度に依存して変化することが知られている。しかしながら、上述した残存容量算出方法では電池温度によらず設定電圧を一定としているので、算出された残存容量と実際の残存容量との間のずれが大きくなってしまうという問題があった。また、電池温度が低い状態では、放電状態の変化に対する最大出力の変化が小さくなり、残存容量を精度良く算出できないという問題もあった。
【０００５】
本発明の目的は、最大出力算出時に電池温度を考慮することにより、より実情に近い最大出力を算出でき、さらには、算出された最大出力に基づいて、精度良く残存容量を算出することができる電池制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
図１〜３および図７に対応付けて説明すると、請求項１の発明は、充放電時における電池１１の電流Ｉを検出する電流検出手段１５と、充放電時における電池１１の端子電圧Ｖを検出する電圧検出手段１４と、電池１１の温度Ｔを検出する温度検出手段１８と、電流検出手段１５で検出された電流Ｉおよび電圧検出手段１４で検出された端子電圧Ｖに基づいて電池１１の電流・電圧特性Ｌを算出する電流・電圧特性演算手段１６と、温度検出手段１８で検出された電池温度Ｔに応じて、端子電圧Ｖの許容最低電圧Ｖminを設定する設定手段１６と、電流・電圧特性演算手段１６で算出された電流・電圧特性Ｌおよび設定手段１６により設定された電池温度Ｔに応じた許容最低電圧Ｖminに基づいて電池の最大出力Ｐmaxを算出する最大出力演算手段１６と、電池温度Ｔごとに予め設定された電池１１の最大出力Ｐmaxと充電状態との相関Ｌ１０を示すマップに基づいて、最大出力演算手段１６で算出された最大出力Ｐmaxから電池１１の残存容量を算出する残存容量演算手段１６とを備え、設定手段１６は、電池温度Ｔが所定温度Ｔ１以下となった場合に、電池温度Ｔに応じて、電池温度Ｔが低いほど、端子電圧Ｖの許容最低電圧Ｖminを所定の割合で下げるように設定する電池制御装置である。
【０００７】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、許容最低電圧を電池温度に応じて設定したので、より正確な許容最低電圧を得ることができ、これにより、より実情に近い最大出力を算出でき、さらには、算出された最大出力に基づいて残存容量を算出することにより精度良く残存容量を算出することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による残存容量演算装置の一実施の形態を示す図であり、電気自動車に搭載される組電池の残存容量演算装置に適用したものである。図１は電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロック図である。図１に示す組電池１１は単セル１１１を複数直列接続したものであり、単セル１１１には例えばリチウムイオン電池が用いられる。組電池１１はインバータ１２に直流電力を供給し、インバータ１２は直流電力を交流電力に変換してモータ１３を駆動する。回生時には車両の走行エネルギーがモータ１３およびインバータ１２を介して電気エネルギーに逆変換され、電池１１が充電されるとともに車両に回生ブレーキがかかる。電池１１の端子電圧Ｖは電圧センサ１４により検出され、電流Ｉは電流センサ１５により検出される。電池１１の温度Ｔは温度センサ１８により検出される。
【００１０】
セルコントローラ１７は各単セル１１１を管理コントロールする装置であり、各単セル１１１の端子電圧を検出したり、各単セル１１１毎の充放電制御を行ったりする。バッテリーコントローラ１６はＣＰＵ，ＲＯＭおよびＲＡＭ等（不図示）を備えており、電圧センサ１４，電流センサ１５および温度センサ１８により検出された電圧Ｖ，電流Ｉおよび温度Ｔに基づいて、組電池１１の電池状態を演算する。また、その演算結果に基づいて、組電池１１の残存容量の算出やインバータ１２の出力制御および回生制御などを行なう。バッテリーコントローラ１６で算出された残存容量は残存容量表示装置１９に表示される。なお、組電池１１の電流および端子電圧の検出には、図１に示すように電圧センサ１４，電流センサ１５を用いても良いし、単に電流Ｉや電圧Ｖを検出するための抵抗や結線から成る回路とし、それらの電流や電圧からバッテリーコントロータ１６により電流Ｉや電圧Ｖを求めるようにしても良い。
【００１１】
《最大出力の算出方法》
次に、組電池１１の最大出力Ｐmaxの算出方法について説明する。まず、放電中（例えば、車両走行中）に組電池１１の端子電圧Ｖおよび放電電流Ｉを複数回検出し、その検出データを図２のようにＩＶ座標上にプロットする。そして、これらの検出データを用いて最小二乗法による回帰演算を行い、図２のようなＩＶ特性直線Ｌを求める。組電池１１の内部抵抗および開放電圧をそれぞれＲ，Ｅとすると、ＩＶ特性直線Ｌは「Ｖ＝Ｅ−ＩＲ」と表される。このとき、組電池１１の出力Ｐは次式（１）のように表される。なお、回帰演算によりＩＶ特性直線Ｌを得るためには、端子電圧が所定値以上変化したときに検出データのサンプリングを行う必要がある。
【数１】

【００１２】
式（１）に示す出力Ｐの式では、端子電圧Ｖが開放電圧Ｅ_０の１／２になったときに出力Ｐが最大となるが、実際には、電池保護のために端子電圧Ｖが設定電圧Ｖminを下回らないように制御される。通常、この設定電圧ＶminはＥ_０／２以上に設定されるため、組電池１１の最大出力Ｐmaxは端子電圧Ｖが設定電圧Ｖminとなったときの出力値に等しくなる。すなわち、設定電圧Ｖminのときの電流値をＩmaxと記すと、最大出力Ｐmaxは「Ｐmax＝Ｖmin×Ｉmax」で算出される。
【００１３】
《設定電圧の設定方法》
ところで、組電池１１のＩＶ特性は、電池温度Ｔによって変化する。具体的には、電池温度Ｔが低くなると電池内部抵抗Ｒが大きくなる。そのため、電池温度Ｔ１，Ｔ２がＴ１＞Ｔ２の場合には、図３に示すように温度Ｔ２の場合のＩＶ特性直線Ｌ２の傾きは、温度Ｔ１の場合のＩＶ特性直線のＴ１の傾きよりも大きくなる。このように電池温度Ｔが異なっている場合であっても、従来は一定の設定電圧Ｖminに基づいて、例えば、電池温度Ｔ１に対応した設定電圧Ｖmin(T1)に基づいて最大出力Ｐmaxを算出していた。その場合、図３からも分かるように、電池温度Ｔ２の場合の最大出力（I2max・Ｖmin(T1)）は電池温度Ｔ１の場合の最大出力（I1max・Ｖmin(T1)）より小さくなる。
【００１４】
なお、I1maxおよびI2maxは、ＩＶ特性直線Ｌ１，Ｌ２に設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を代入したときの電流値である。また、二点鎖線で示した特性直線Ｌ１’は、特性直線Ｌ１を取得したときよりも組電池１１の放電状態（DOD：Depth of Discharge）が大きくなった場合のＩＶ特性を示したものである。
【００１５】
設定電圧Ｖmin(T1)が電池温度Ｔ１で適切となるように設定された場合、電池温度Ｔ２のときには、設定電圧を最大出力I2max’・Ｖmin(T2)が「I2max・Ｖmin(T1)＜I2max’・Ｖmin(T2)≦I1max・Ｖmin(T1)」となるような電圧Ｖmin(T2)まで低くすることができる。そこで、本実施の形態では、最大出力Ｐmaxを算出する際の設定電圧Ｖminを、電池温度Ｔに応じて変化させるようにした。具体的には、電池温度Ｔが所定温度（２５℃）以下となった場合に、電池温度Ｔに応じて設定電圧を下げるように設定した。
【００１６】
図４は、電池温度Ｔと単セルあたりの設定電圧ＶＣmin(T)との関係の一例を示す図である。図４に示すように、電池温度Ｔ１＝２５℃では単セル当たりの設定電圧ＶＣmin(T1)を３．５Ｖとし、電池温度Ｔ２＝−２５℃では単セル当たりの設定電圧ＶＣmin(T2)を２．０Ｖとした。Ｔ≧Ｔ１の範囲では３．５Ｖで一定とし、Ｔ２＜Ｔ＜Ｔ１ではＶＣmin(T)＝３．５−０．３×（２５−Ｔ）とした。なお、組電池１１としての設定電圧Ｖmin(T)は、Ｖmin(T)＝（セル数）×ＶＣmin(T)で表される。
【００１７】
図４の電池温度Ｔ２＝−２５℃における単セルあたりの設定電圧Ｖmin(T2)＝２．０Ｖは、次のようにして決定する。電池温度Ｔ１＝２５℃の組電池１１は、所定の放電状態DODとなったときに最低要求出力Ｐmin（すなわち、放電終止時最大出力）となる。そして、電池温度Ｔ２＝−２５℃であって所定DODのときに、最低要求出力が上記Ｐminと等しくなるように単セルあたりの設定電圧Ｖmin(T2)を決める。すなわち、電池状態が所定DODの時の最低要求出力Ｐminは、電池温度Ｔに依らずみな等しくなる。
【００１８】
図５は、所定DODのときのＩＶ特性直線Ｌ１(T1)，Ｌ２(T2)と、最低要求出力Ｐminを表す曲線Ｉ・Ｖ＝Ｐminとを示したものである。上述したように、曲線Ｉ・Ｖ＝ＰminとＩＶ特性直線Ｌ１(T1)，Ｌ２(T2)との交点の電圧を、それぞれ設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)とする。なお、図４に示した電池温度Ｔと設定電圧Ｖminとの関係は、図１のバッテリーコントローラ１６のＲＯＭに予め記憶されている。
【００１９】
《残存容量の算出方法》
次に、上述した最大出力Ｐmaxに基づいた残存容量の算出方法について説明する。図６は残存容量算出の手順を示すフローチャートであり、バッテリーコントローラ１６により実行されるプログラムの処理手順を示したものである。以下では、このフローチャートに基づいて組電池１１の残存容量の算出方法を説明する。なお、図６に示す一連の処理は、バッテリーコントローラ１６の電源がオンされるとスタートし、電源がオフされるまで繰り返し実行される。
【００２０】
図６のステップＳ１０１では、組電池１１の温度Ｔを温度センサ１８により検出する。ステップＳ１０２では、予め記憶されている図４の関係を表すマップとステップＳ１０１で検出された電池温度Ｔとに基づいて、設定電圧Ｖmin(T)を算出する。ステップＳ１０３では、放電時の端子電圧Ｖおよび電流Ｉが電圧センサ１４および電流センサ１５によりそれぞれ検出され、検出結果がバッテリーコントローラ１６に入力される。ステップＳ１０３における検出は複数回行われる。
【００２１】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で検出された端子電圧Ｖおよび電流Ｉに基づいて、図２に示すようなＩＶ特性が算出される。ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２で算出された設定電圧Ｖmin(T)とステップＳ１０４で算出されたＩＶ特性とを用いて、最大出力Ｐmax＝Ｉmax(T)・Ｖmin(T)を算出する。ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で算出された最大出力Ｐmaxに基づいて残存容量を算出する。
【００２２】
バッテリーコントローラ１６のＲＯＭには、図７に示すような最大出力と放電状態（DOD）との相関Ｌ１０を表すマップが予め記憶されている。この相関Ｌ１０から、最大出力ＰmaxのときのDODはＸ（％）と算出され、残存容量は１００−Ｘ（％）となる。この状態からさらに放電すると、図３のＬ１’のようにＩＶ特性が変化して最大出力Ｐmax’はＰmaxより小さくなり、DODはＸ’（＞Ｘ）と算出される。
【００２３】
最大出力とDODとの相関は電池温度に依存しており、例えば、図８の相関Ｌ１０を電池温度Ｔ１＝２５℃の場合の相関とすれば、電池温度Ｔ２＝−２５℃の場合の相関はＬ１１のようになる。なお、上述したように、設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)は最低要求出力Ｐminが一致するように設定されているので、最低要求出力Ｐminにおいて相関Ｌ１０と相関Ｌ１１とは一致する。
【００２４】
それぞれの温度Ｔ１，Ｔ２における相関Ｌ１０，Ｌ１１は各々マップとしてＲＯＭに予め記憶されている。また、電池温度Ｔ１＝２５℃を基準温度とし、相関Ｌ１０を基準相関として記憶するとともに各温度における補正係数αを予め記憶しておき、基準相関の最大出力に補正係数αを乗じたものを各温度における最大出力としても良い。
【００２５】
その後、ステップＳ１０７において表示装置１９に残存容量を表示し、ステップＳ１０１へと戻る。上述したように、本実施の形態では、最大出力Ｐmaxを算出する際の設定電圧Ｖminを電池温度Ｔに応じて変えるようにしたので、より実情に近い最大出力が算出され残存容量を精度良く算出することができる。
【００２６】
図９は、本実施の形態による残存容量Ｙと、従来の残存容量Ｙ’とを示す図である。図９に示すように、残存容量を算出する際には、設定電圧に応じて最大出力−DOD相関のマップも異なる。それぞれのマップと最低要求出力Ｐminとから、残存容量Ｙ，Ｙ’が算出される。また、本実施の形態では、図５に示すように設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を決めているため、最低要求出力ＰminとなるDODが電池温度により変化しないという効果が得られる。
【００２７】
また、本実施の形態の残存容量算出方法をハイブリッド自動車用の駆動電池に適用すると、電池の温度によらず最低要求出力を確保できるため、電池温度Ｔに応じて放電状態の制御方法を変化させなくても良いという利点がある。
【００２８】
（変形例）
上述した実施の形態では、図３に示すように電池温度２５℃以下では単セル当たりの設定電圧を直線的に連続的に減少させたが、以下のように設定電圧を断続的に変えても良い。例えば、電池温度が低い状態（例えば、２５℃以下）では設定電圧を２種類（Ｖmin(H)、Ｖmin(L)；Ｖmin(H)＞Ｖmin(L)）用意する。図３からも分かるように、電池温度が低下すると同じ出力であっても電圧（実測電圧）が低下する。そして、実測電圧ＶがＶmin(H)より大きい場合には設定電圧Ｖmin(H)を用いて最大出力を算出し、実測電圧ＶがＶmin(H)以下となった場合には設定電圧Ｖmin(L)を用いて最大出力を算出する。残存容量を算出する際には、設定電圧に応じて最大出力−DOD相関のマップも切り換える。
【００２９】
図１０は設定電圧切換前後の残存容量を説明する図であり、Ｌ２１は設定電圧Ｖmin(H)に関する最大出力−DOD相関であり、Ｌ２２は設定電圧Ｖmin(L)に関する最大出力−DOD相関である。図１０からも分かるように、設定電圧切換により最大出力がＰmax1からＰmax2へと変化し、残存容量は１００−Ｙ１（％）から１００−Ｙ２（％）へと変化する。
【００３０】
ところで、このように設定電圧Ｖmin(H)から設定電圧Ｖmin(L)へと断続的に切り換えると、表示装置１９に表示される残存容量表示が突然大きく変化し違和感を感じる。そこで、このような場合には、段階的にＶmin(H)からＶmin(L)へと変化させることにより、その間の放電によるDODの増加と相俟って違和感が解消される。
【００３１】
上述した実施の形態では、電気自動車に搭載される組電池の残存容量演算装置を例に説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、電子機器等に用いられる二次電池の残存容量演算にも適用することができる。
【００３２】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、組電池１１は電池を、電圧センサ１４は電圧検出手段を、電流センサ１５は電流検出手段を、バッテリーコントローラ１６は電流・電圧特性演算手段，最大出力演算手段，残存容量演算手段および設定手段を、温度センサ１８は温度検出手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による残存容量演算方法の一実施の形態を示す図であり、電気自動車に搭載される組電池の残存容量演算装置のブロック図である。
【図２】組電池１１のＩＶ特性直線を示す図である。
【図３】異なる電池温度Ｔ１，Ｔ２に対するＩＶ特性直線Ｌ１，Ｌ２を示す図である。
【図４】単セルあたりの設定電圧ＶＣmin(T)の一例を示す図である。
【図５】所定DODのときのＩＶ特性直線Ｌ１(T1)，Ｌ２(T2)と、最低要求出力Ｐminを表す曲線Ｉ・Ｖ＝Ｐminとを示す図である。
【図６】残存容量算出の手順を示すフローチャートである。
【図７】最大出力と放電状態（DOD）との相関Ｌ１０を示す図である。
【図８】電池温度の異なる相関Ｌ１０，Ｌ１１を示す図である。
【図９】本実施の形態による残存容量と、従来のように設定電圧を温度に依らず一定とした場合の残存容量とを説明する図である。
【図１０】設定電圧切換前後の残存容量を説明する図である。
【符号の説明】
１１組電池
１２インバータ
１３モータ
１４電圧センサ
１５電流センサ
１６バッテリーコントローラ
１７セルコントローラ
１８温度センサ
１９残存容量表示装置
１１１単セル

Claims

充放電時における電池の電流を検出する電流検出手段と、
充放電時における電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記電流検出手段で検出された電流および前記電圧検出手段で検出された端子電圧に基づいて電池の電流・電圧特性を算出する電流・電圧特性演算手段と、
前記温度検出手段で検出された電池温度に応じて、前記端子電圧の許容最低電圧を設定する設定手段と、
前記電流・電圧特性演算手段で算出された電流・電圧特性および前記設定手段により設定された電池温度に応じた許容最低電圧に基づいて電池の最大出力を算出する最大出力演算手段と、
電池温度ごとに予め設定された電池の最大出力と放電状態との相関を示すマップに基づいて、前記最大出力演算手段で算出された最大出力から電池の残存容量を算出する残存容量演算手段とを備え、
前記設定手段は、電池温度が所定温度以下となった場合に、電池温度に応じて、電池温度が低いほど、前記端子電圧の許容最低電圧を所定の割合で下げるように設定することを特徴とする電池制御装置。