JP5174968B2 - バッテリの充電状態を求める方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念によるバッテリの充電状態を求める方法、並びに請求項９の上位概念によるバッテリの充電状態を求める制御装置に関する。

バッテリの充電状態ＳＯＣ（state of charge）は、車両の電気系統を管理するための重要な値である。充電状態を求めるために、多くの車両はいわゆるバッテリ状態検出部を含んでいる。通常、このバッテリ状態検出部は、例えば理論上の開放電圧Ｕ_０から充電状態ＳＯＣを計算するアルゴリズムを含んでいる。また、この開放電圧Ｕ_０は、初期値Ｕ_００及びバッテリ電流Ｉ_Ｂａｔｔの積分から、場合によっては種々異なる損失要素を考慮して計算される。理論上の開放電圧Ｕ_０には、例えば次の式が成り立つ。
Ｕ_０＝Ｕ_００＋１／Ｃ_０・∫Ｉ_Ｂａｔｔｄｔ （１）
ここでＣ_０はバッテリの等価容量であり、Ｕ_００は開放電圧の初期値である。通常、この初期値Ｕ_００は、バッテリ電圧Ｕ_Ｂａｔｔと、バッテリ電流Ｉ_Ｂａｔｔと、バッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔとの測定値から推定される。

開放電圧Ｕ_０の計算は、積分開始時にはまだ比較的正確な結果を供給する。しかしながら、この計算の欠点は、式（１）の積分要素に起因して、計算された充電状態ＳＯＣと実際の充電状態ＳＯＣとの偏差が時間に従い大きくなってしまうことである。ＳＯＣ＝ｆ（Ｕ_０）が成り立つために、誤差がバッテリの充電状態ＳＯＣの計算において持ち越されてしまう。

発明の開示
それ故に、本発明の課題は、バッテリの充電状態ＳＯＣをより正確に求めることのできる方法並びに装置を提供することである。

前記課題は、本発明によれば請求項１に記載の特徴部分によって解決される。本発明のさらに別の実施形態は従属請求項から得られる。

本発明の基本的な思想は、バッテリの充電状態を計算する種々の手法を分析し、個々の計算手法の適用において生じる各誤差を計算することである。本発明によれば、バッテリの充電状態ＳＯＣが最後に、他の手法の適用において生じた誤差より誤差が小さい計算または推定手法をベースとして求められる。このことによって、充電状態を比較的正確に求めることができるという基本的な利点が得られる。

本発明の１つの有利な実施形態では、バッテリの開放電圧に基づいて充電状態ＳＯＣを計算する少なくとも１つの手法が適用される。この場合、第１の計算手法により生じる開放電圧の誤差が他の手法により計算される開放電圧の誤差より大きいことが明らかである場合には、バッテリの充電状態ＳＯＣは他の開放電圧に基づいて求められる。これに対して、第１の手法（例えば式（１）に相当）の誤差が他の手法の適用において予想される誤差より小さい場合には、開放電圧は第１の手法に基づき計算される。この求められた開放電圧の値は、式（１）で例えば初期値として使用することができる。

有利には、バッテリの充電状態ＳＯＣは最も小さい誤差を有する手法を用いて求められる。式（１）による開放電圧の計算において、種々異なる損失要素を考慮してもよい。

従来技術から公知である、開放電圧を求める第２の手法は、バッテリ端子での値、つまりバッテリ電圧Ｕ_Ｂａｔｔと、バッテリ電流Ｉ_Ｂａｔｔと、バッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔとから開放電圧を推定することである。このことは、バッテリに負荷が掛けられていないか、またはほんの僅かにしか負荷が掛けられていない、ひいては最小バッテリ電流しか流れないバッテリの開放フェーズにおいて行われると有利である。本発明によれば有利には、この手法の適用において生じる誤差も計算される。それから、この誤差は、積分法（式（１）に相当）または他の手法による開放電圧の計算において生じる誤差と比較される。

従来技術から公知である、開放電圧を求める第３の手法は、バッテリが満充電のときに開放電圧を求めることである。この場合、バッテリの充電電流が評価され、この充電電流がほぼバッテリのガス発生電流（Gasungsstrom）に相当するときには、バッテリは満充電とみなせる。それからバッテリの開放電圧は、バッテリの最大可能開放電圧に近似する値にセットされる。また、この手法についても誤差を求めてもよい。それから、この誤差は他の１つまたは複数の手法によって求められた誤差と比較され、誤差の大きさに応じてこの１つの手法またはその他の手法により求められた開放電圧を考慮して、バッテリの充電状態ＳＯＣが計算される。

以下では本発明を、添付した図面に基づき例示して詳細に説明する。

バッテリと、バッテリの充電状態を計算する制御装置とを概略的に示した図 バッテリの開放電圧及び充電状態を求める方法の最も重要な方法ステップを有するフローチャート

発明の実施形態
図１には、バッテリ１と、それに接続された制御装置２とが概略的に示されている。この制御装置２は、以下で図２に基づき詳細に説明される方法によりバッテリ１の開放電圧Ｕ_０を求めるアルゴリズム３を含んでいる。このアルゴリズム３は、最後にバッテリ１の充電状態ＳＯＣを開放電圧Ｕ_０から計算する。

図２の方法において、先ずステップ１０で式（１）の開放電圧Ｕ_０の初期値Ｕ_００および開放電圧Ｕ_０の誤差ｅｒｒ＿Ｕ_０が相応の初期値（インデックスｉｎｉｔ）にセットされる。その後ステップ１１で、積分法（式（１）に相当）から生じた誤差が、冒頭で述べた第２の手法の適用において生じた誤差と比較される。

理論上の開放電圧Ｕ_０は、積分法（式（１）に相当）による開放電圧の計算から得られるが、その誤差は次のように推定することができる。

ここでは、ｅｒｒ＿Ｕ_００はＵ_００の誤差の推定値（単位：Ｖ）、ｅｒｒ＿Ｉ_{ｏｆｆｓｅｔ}は電流センサのオフセット誤差（単位：Ａ）、ｅｒｒ＿Ｉ_ｇａｉｎは電流センサの直線性誤差、Ｉ_ｌｏｓｓは、もはや放電によって回復させることができない推定された損失電流（単位：Ａ）、ｅｒｒ＿Ｃ_０は等価容量の測定誤差（単位：Ｆ）である。

このように推定される誤差ｅｒｒ＿Ｕ_０は、積分に起因して動作時間中持続して大きくなっていく。

開放電圧Ｕ_０の値を時折較正するために、次に１１〜１７の方法ステップが行われる。ここではまずステップ１１で、バッテリ端子のパラメータ、つまりバッテリ電圧Ｕ_Ｂａｔｔと、バッテリ電流Ｉ_Ｂａｔｔと、バッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔとから開放電圧Ｕ_０を求めることができたか否かが検査される。通常、このことは、バッテリ１に負荷が掛けられていないか、またはほんの僅かにしか負荷が掛けられていない、すなわちバッテリ電流がほぼゼロに等しいような動作フェーズでのみ可能である。

さらにステップ１１で、積分法（式（１）に相当）から生じた計算誤差ｅｒｒ＿Ｕ_０が、前述した第２の手法（インデックスＲｕｈｅ）に従い開放電圧Ｕ_０を計算する際に生じた誤差ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿Ｒｕｈｅ}より大きいか否かが検査される。誤差ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿Ｒｕｈｅ}については、次の式が成り立つ。

ここでは、ｅｒｒ＿Ｕ_Ｂａｔｔは電圧センサの測定誤差（単位：Ｖ）、ｅｒｒ＿Ｉ_Ｂａｔｔは電流センサの測定誤差（単位：Ａ）、ｅｒｒ＿Ｔ_ｂａｔｔは温度センサの測定誤差（単位：Ｋ）、ｅｒｒ＿ｅｘｔｒａｐｏｌは動的な過渡状態（Einschwingvorgaenge）に起因する測定誤差の推定値（単位：Ｖ）、ｅｒｒ＿ｓｔｒａｔは電解層の形成に起因する測定誤差の推定値、Ｕ_ｐｏｌは開放電流及び温度に基づき計算された補償電圧である。

誤差ｅｒｒ＿Ｕ_０があり得る誤差ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿Ｒｕｈｅ}より大きい限り（イエスの場合）、ステップ１２で式（１）の初期値Ｕ_００は推定手法から得られる値Ｕ_{００＿Ｒｕｈｅ}にセットされる。また、誤差値ｅｒｒ＿Ｕ_００は推定手法の誤差値ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿Ｒｕｈｅ}にセットされる。それから、最後にステップ１７で、例えば式（１）に従い行われる充電状態ＳＯＣの積分がリセットされる。

ステップ１１の条件のうちの１つでも当てはまらない場合（ノーの場合）には、ステップ１３で、積分法（式（１）に相当）から生じた計算誤差ｅｒｒ＿Ｕ_０が、冒頭で述べた第３の手法（満充電を判別する手法）の適用において生じた誤差ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}より大きいか否かが検査される。しかしながらまず、バッテリ１が完全に充電されているか否かが求められる。通常、バッテリの充電電流が想定されるバッテリのガス発生電流より低下した場合には、満充電とみなせる。この場合、開放電圧Ｕ_０は、最大開放電圧に近似する値に簡単にセットされる。

このような第３の手法（インデックスｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ）の誤差を、一連の測定（Messreihen）に基づいて特性マップを介して求めることができる。
ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}＝ｆ（Ｕ_ｂａｔｔ，Ｔ_ｂａｔｔ，ｔ_{ｃｈａｒｇｅ}）
ここでは、ｔ_{ｃｈａｒｇｅ}は秒単位の充電期間の持続時間である。

ステップ１３で誤差ｅｒｒ＿Ｕ_０が誤差ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}より大きい限り（イエスの場合）、ステップ１４で前述の満充電手法に従い開放電圧Ｕ_０が求められ、式（１）の初期値Ｕ_００が値Ｕ_{００＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}にセットされる。さらに、誤差ｅｒｒ＿Ｕ_００は相当する誤差ｅｒｒ＿Ｕ_{００＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}にセットされ、充電状態ＳＯＣの積分がリセットされる。

ステップ１３で予め定められた条件が満たされていない場合（ノーの場合）には、ステップ１５で、開放電圧を計算するための更に別の手法の結果が存在するか否かを検査してもよい。その後再びステップ１６で、更に別の手法による誤差値と、誤差値ｅｒｒ＿Ｕ_０とを比較し、場合によっては値Ｕ_００と、誤差ｅｒｒ＿Ｕ_００とを相応に適合させる。

さらに別の手法で開放電圧を求めない限り、ステップ１５，１６は省略される。

その後、本発明の方法は再びステップ１１に戻るよう分岐している。

Claims (6)

1. バッテリ（１）の充電状態（ＳＯＣ）を求める方法において、
   −バッテリ電流（Ｉ _Ｂａｔｔ ）の時間積分にて生じる、開放電圧（Ｕ _０ ）の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _０ ）を計算し、
   −前記バッテリ（１）の開放フェーズで、端子電圧（Ｕ _Ｂａｔｔ ）と、前記バッテリ電流（Ｉ _Ｂａｔｔ ）と、バッテリ温度（Ｔ _Ｂａｔｔ ）とから前記開放電圧を計算する場合に生じる、前記開放電圧の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _Ｒｕｈｅ ）を計算し、
   − 前記充電状態（ＳＯＣ）を、誤差（ｅｒｒ＿Ｕ_０）の小さい方の手法を用いて求める、
   ことを特徴とする、バッテリ（１）の充電状態（ＳＯＣ）を求める方法。
2. 前記バッテリ（１）の満充電の判別から前記開放電圧（Ｕ _０ ）を計算する場合に生じる、前記開放電圧（Ｕ_０）の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ_{０＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}）を求める、請求項１記載の方法。
3. 前記バッテリ電流（Ｉ_Ｂａｔｔ）の時間積分から生じた、前記開放電圧（Ｕ _０ ）の前記誤差（ｅｒｒ＿Ｕ_０）を、前記バッテリ（１）の満充電の判別から前記開放電圧（Ｕ _０ ）を計算する場合に生じた、前記開放電圧（Ｕ _０ ）の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ_{０＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ}）と比較する、請求項２記載の方法。
4. バッテリ（１）の充電状態（ＳＯＣ）を求める制御装置において、
   −バッテリ電流（Ｉ _Ｂａｔｔ ）の時間積分にて生じる、開放電圧（Ｕ _０ ）の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _０ ）が計算され、
   −前記バッテリ（１）の開放フェーズで、端子電圧（Ｕ _Ｂａｔｔ ）と、前記バッテリ電流（Ｉ _Ｂａｔｔ ）と、バッテリ温度（Ｔ _Ｂａｔｔ ）とから前記開放電圧を計算する場合に生じる、前記開放電圧の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _Ｒｕｈｅ ）が計算され、
   −前記充電状態（ＳＯＣ）は、誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _０ ）の小さい方の手法を用いて求められる、
   ことを特徴とする、バッテリ（１）の充電状態（ＳＯＣ）を求める制御装置。
5. 前記バッテリ（１）の満充電の判別から前記開放電圧（Ｕ _０ ）を計算する場合に生じる、前記開放電圧（Ｕ _０ ）の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _{０＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ} ）が求められる、請求項４記載の制御装置。
6. 前記バッテリ電流（Ｉ _Ｂａｔｔ ）の時間積分から生じた、前記開放電圧（Ｕ _０ ）の前記誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _０ ）は、前記バッテリ（１）の満充電の判別から前記開放電圧（Ｕ _０ ）を計算する場合に生じた、前記開放電圧（Ｕ _０ ）の誤差（ｅｒｒ＿Ｕ _{０＿ｆｕｌｌｃｈａｒｇｅ} ）と比較される、請求項５記載の制御装置。

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