JP5294448B2 - バッテリーの残存容量の推定方法 - Google Patents

Description

本発明はバッテリーの残存容量の推定方法に係り、より詳しくは、ハイブリッド車両や燃料電池車両などの電気自動車のモーターを駆動するためのエネルギー源であるバッテリーの残存容量を推定する方法に関する。

近年、各分野で環境汚染問題が強調され、環境調和型エネルギーの開発が行われており、国際的な石油価格の上昇及び天然資源の枯渇と相まって、化石燃料の代替エネルギー源の開発競争が加速されている。
このような現状を反映するように、各国の自動車業界は次世代自動車の開発競争を熾烈に展開しており、その開発競争の先頭にハイブリッド車両の開発が位置している。

ハイブリッド車両とは、異なった２種類以上の動力源を組み合わせて駆動される車両のことを意味するが、現状のハイブリッド車両の大部分は、ガソリンなどの化石燃料を燃焼させて駆動力を得るエンジンと、バッテリーの電力で駆動力を得る電気モーターと、を組み合わせた車両である。

このタイプのハイブリッド車両は、ガソリンエンジンと電気モーターとを動力源とし、排気ガスの低減及び燃費の向上を図ることができる未来型車両であり、燃費を改善し環境に優しい製品を開発しなければならないという時代の要求に沿って、更に活発な開発研究が行われている。

ハイブリッド車両は、電気モーターのみを駆動力として利用する電気自動車モードであるＥＶモードや、エンジンの駆動力を主動力としつつ電気モーターの駆動力を補助動力として利用するＨＥＶモードや、車両の制動時または慣性走行時に制動エネルギーまたは慣性エネルギーを前記駆動モーターによる発電を通して回収してバッテリーに充電する回生制動（ＲＢ）モードなど、の走行モードで走行することができる。

ハイブリッド車両は、エンジンとモーターとの最適作動領域を組み合わせて利用し、更に制動時にはモーターでエネルギーを回収するため、車両の燃費向上及び効率的なエネルギーの利用が可能となっている。

電気自動車においてバッテリーシステムは最重要な問題の一つである。
現在開発中の、バッテリーをエネルギー源として使用する自動車には、バッテリーのみをエネルギー源として使用する純粋な電気自動車と、燃料電池のみをエネルギー源としバッテリーをバッファとして使用する燃料電池車両と、バッテリーをバッファとして熱エネルギーと電気エネルギーとのやり繰りをするハイブリッド車両とがある。これらの電気自動車において、バッテリーは車両の品質を決定する主要部品中の一つであるが、これらの中でも特に、バッテリーが走行中にエンジンの出力をアシストしたり、発生したエネルギーを蓄積したりするハイブリッド車両にとってバッテリーの制御技術は非常に重要である。

ハイブリッド車両や燃料電池車両のように、高電圧バッテリーを使用する電気自動車にはバッテリーを統合的に管理するバッテリー管理システム（ＢＭＳ）が具備されている。
バッテリー管理システムはバッテリーの寿命の短縮を防止し、車両の中央制御装置にバッテリーの残存容量（ＳＯＣ）を知らせることで、発電制御と走行制御とを支援する。

バッテリー管理システムの主要機能として、バッテリーの残存容量の推定、満充電の感知、各セルモジュール間の電圧の均衡維持、バッテリーの残存容量による最大充電、放電電圧の制御、安全管理、診断などを挙げることができる。

この中でハイブリッド車両の走行に最も重要な技術は、バッテリーの残存容量の計算である。正確なバッテリーの残存容量を推定することによって、剰余エネルギーが発生した時にバッテリーに充電し、大きな出力が必要な時に放電して要される駆動力を提供するというハイブリッドシステムの長所が発揮され、エネルギーの節約と車両の運用効率が向上する。

残存容量の計算が不正確であると、車両の運用効率が低下するだけでなく、危険な状況が起こる。例えば、バッテリの実際の残存容量は８０％であるのに、計算上の残存容量が３０％であった場合は、車両制御装置はバッテリーの充電が必要であると判断するのでバッテリーは過充電される。その反対の場合はバッテリーは過放電される。バッテリーは過充電または過放電により発火若しくは爆発する可能性があるので、非常に危険な状況をもたらし得る。

このように、ハイブリッド車両の効率的な運用とエネルギー節約のため並びに危険を予防するためには、バッテリー残存容量を正確に推定する必要がある。
バッテリーの残存容量は、従来は一定時間ごとに推定計算され、補正されていた。
残存容量の推定方法としては、充電量と放電量とに充電効率と放電効率（充／放電効率）を乗じて積算し積算値を残存容量を計算する電流積算方法がある。

この電流積算方法は一般的な方法として広く使用されているが、電流センサーの誤差がバッテリー残存容量の推定の計算の誤差に累積されるため残存容量の不正確度が増加する。また、正確な充／放電効率を計算することが難しいので誤差が大きくなってしまう。更に電流量を積算するための基準となるバッテリー残存容量の初期値を誤って予測した場合、累積誤差が大きくなってしまう。特に長期放置した場合の自家放電によるバッテリーの残存容量を計算できないという短所がある。

また、残存容量の初期値を基礎にして車両が運行される間の電流量を積算するため、充／放電効率、温度、使用時間、及びバッテリーの劣化により誤差が次第に蓄積する。実際に、充電と放電とを反復する状況が持続されると充／放電効率の変化が生じ、推定値と実際値とに差が生じる。

第２の電流積算方法は、電圧測定値を利用して残存容量を計算する起電力測定方法である。ある瞬間の正確な電圧を測定し絶対起電力を計算すれば、絶対残存容量の測定が可能である。しかしながら、ハイブリッド車両のバッテリーシステムの運転中に正確な電圧を測定し、絶対起電力を計算する方法は非常に複雑であり、しかも計算誤差が生じてしまうため、正確な残存容量の推定値を得ることが難しい。更に、電圧ノイズが発生する場合は計算エラーは更に増加する。

現状の残存容量の計算方法は、上の２つの方法を併用し、基本的にはバッテリーの電流積算方法によって残存容量を求め、これを起電力測定方法を利用して補正する方法を使用することが多い（例えば特許文献１を参照）。この場合、起電力測定方法を一種の積算効率として活用するが、前回計算した起電力と今回計算した起電力との差を用いて補正する方法となる。

しかし、電圧測定値を利用する方法は、今回の起電力と前回の起電力との双方が計算され推定した起電力であるため、計算によるエラー要素は除去されない。従って、計算によるエラーが、起電力を推定する計算を行う度に累積されるため、バッテリー残存容量の正確度が更に悪くなる可能性を含んでいる。そこで、バッテリー残存容量の計算過程で生じ得るエラーを除去して、より正確な残存容量を推定することができる方法が切望されていた。
特開２０００−９２６０２号公報

本発明の目的は、バッテリー情報の測定誤差を補正し、エラーを除去して、電気自動車のより正確なバッテリー残存容量を推定する方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、車両のモータ駆動用バッテリーの電流値と電圧値と温度値とからなるバッテリー情報を測定するバッテリー情報取得段階と、電圧値を用いて電流値を補正して補正電流値を算出する電流補正段階と、補正電流値を積算して電流積算値を算出し、更に前流積算値とバッテリー充／放電効率が反映された電流積算容量を算出する積算容量算出段階と、バッテリー情報からバッテリーの順電圧容量を算出し、該順電圧容量に基づいて電流積算容量の補正の可否を判定する補正可否判定段階と、補正可否判定段階において補正が必要と判定された場合は補正係数を算出し、電流積算容量を補正係数を用いて補正して残存容量に換算し、補正が必要と判定されなかった時は電流積算容量をそのまま残存容量として出力する積算容量補正段階と、残存容量を出力する残存容量出力段階とを含んでなるバッテリーの残存容量の推定方法であって、電流補正段階が、予め実験を通じてデータ化したバッテリー特性テーブルを解析して電圧値に対応する電流値を算出し、バッテリーの電流値を補正して補正電流値を算出することを特徴とする。

更に、補正可否判定段階は、バッテリー情報からバッテリーの順電圧を計算する過程と、順電圧を基にして、予め実験を通じてデータ化した順電圧−容量マップテーブルから順電圧容量を求める過程と、電流積算容量と順電圧容量との偏差を求める過程と、偏差と予め設定した基準値とを比較し、偏差が基準値を超過する場合に電流積算容量の補正が必要であり、偏差が基準値以下の場合には電流積算容量の補正が必要なしとして、電流積算容量の補正の可否を判定する過程を含めて構成される。

また、積算容量補正段階は、電流積算容量又は補正された電流積算容量のうちの何れか一つを最終電流積算容量とし、最終電流積算容量を残存容量に換算することを特徴とする。

また、積算容量補正段階は、電流積算容量と順電圧容量との偏差に該当する電流積算値エラー率と、予め設定された基準エラー率と、順電圧計算のエラー率と、を利用して前記電流積算容量を補正することを特徴とする。

また、順電圧計算のエラー率は、車両試験を通して得たバッテリー温度別の順電圧のエラー率による値で定義されたテーブルを通して得たことを特徴とする。

本発明に係るバッテリーの残存容量の推定方法によると、電流値を補正して電流測定エラーを除去し、バッテリーの順電圧を計算した後、順電圧のエラー率と電流積算値のエラー率などを利用して計算によるエラーを除去することで、より精密な残存容量の算出を行うことができる。

更に、本発明ではエラー率を利用して積算による残存容量の正確度を判定し、その補正可否も判定し、残存容量の計算の精密度を高めることができる。
特に、補正可否を判定してその結果によって選択的に補正を施行するため、毎回一定時間ごとに容量補正を行う既存の残存容量の計算方法に比べて計算ロジックが単純になるだけでなく、電流積算容量と順電圧容量との偏差を一定範囲内に管理することができるので、バッテリーの残存容量の正確度を維持することができる。

本発明は、正確度の高いバッテリー残存容量の算出のために、バッテリー情報（電流、電圧、温度）を測定し、電圧値を用いて電流値を補正した電流補正値を算出し、電流補正値を積算して電流積算値を算出し、電流積算値に温度別充／放電効率を算入し積算電流容量を算出する。

また本発明は、バッテリー情報からバッテリーの順電圧容量を計算し、電流積算容量と順電圧容量とを比較してバッテリー残存容量の補正が必要であるか否かを判定し、補正が必要と判定した場合には基準エラー率（α）と順電圧のエラー率（β）と電流積算値のエラー率（ｅ）とを利用してエラーを除去することで、より正確な残存容量の算出を行う。
以下、添付図面を参照にし、本発明に係るバッテリーの残存容量の推定方法について説明する。

図１は、バッテリー残存容量を推定する過程及び推定のロジックを表すブロック図であり、図２はバッテリー残存容量の計算過程を表したフローチャートであり、図３はバッテリー残存容量の計算過程における電流積算容量の補正係数算出のロジックを表したブロック図である。

図１と図２とに示すように、本発明のバッテリー残存容量を推定する方法は、バッテリー１０からバッテリー情報を取得する段階、即ち、各センサーによりバッテリーに流れる電流値とこの時のバッテリー電圧値とバッテリー温度値とを測定してバッテリー管理システムに入力するバッテリー情報取得段階２１から開始される（Ｓ１１）。

バッテリー電流の測定値をそのまま積算して電流積算値を計算すると、電流測定センサーの誤差がそのまま計算結果に累積される。このため、電流補正段階は、電流値と同時に測定した電圧値を用いて、電流値を補正して補正電流値を算出して誤差を減らすようにする。
補正電流値の算出は、バッテリーに特定電流を流した時に生成する電圧を測定する実験を通して作成した該当バッテリーの特性テーブルを電流補正のためのテーブルとして使用する。前記特性テーブルから電圧変化量による電流変化量を抽出し、補正量を決定し、この補正量を測定電流値に適用して補正電流値を算出する（Ｓ１２）。

電流積算段階２３は、補正電流値を積算して電流積算値を計算し、電流積算値にバッテリー温度別の充／放電効率を加算して、電流積算容量を計算する（Ｓ１３）。
補正可否判定段階２４は、先ずバッテリー情報からバッテリーの順電圧を求める（Ｓ１４）。

バッテリーの順電圧は、図４に示すように、バッテリーの端子電圧から内部抵抗による電圧降下成分と第１過度電圧および第２過度電圧の成分を除去することで得ることができる。過度電圧は、バッテリーに電流を印加した時に表れる値であり、電流を除去した場合は消滅するが、その消滅時間によって２つの成分に区分して短時間内に消滅する電圧成分を第１過度電圧と言い、長時間が所要される電圧を第２過度電圧という。

従って、前記過度電圧は時間に対する関数で表現が可能であり、試験を通して一定時間（ｔ）の最大及び最小値を求めることができる。一定時間（ｔ）の間、端子電圧のを測定し、例えば最小二乗法などの統計的数学式から求めることができる平均値を求め、電圧の変化から内部抵抗による電圧降下成分と過度電圧の成分とを除去することで、バッテリーの順電圧を算出することができる。

上記の順電圧は、バッテリーを使用していない状態での一定時間（ｔ）の平均値であって、バッテリーを使用している状態での順電圧の測定値はバッテリーを使用していない状態での順電圧とは誤差が生じる。順電圧のエラー率（β）は予め車両試験を通してバッテリーの温度／容量に対する値で求めることができ、順電圧のエラー率をマップテーブルに作成した後、直前の順電圧または容量及び温度に対するエラー率を求め、この値を計算エラーの除去及び容量の補正に使用することができる。好ましくは、後述するバッテリーの残存容量補正時に、前記順電圧のエラー率（β）が車両試験を通して得たバッテリーの温度別の順電圧のエラー率による値で定義されたテーブルを通して得られる。

補正可否判定段階２４は、次いで、計算されたバッテリーの順電圧から順電圧による電流積算容量容量（以下、順電圧容量と称す）を、予め実験を通じてデータ化した順電圧−容量マップテーブルを用いて算出する（Ｓ１５）。

補正可否判定段階２４は、前記電流積算容量と前記順電圧容量との偏差に該当する電流積算値のエラー率（ｅ）を求める（Ｓ１６）。前記電流積算値のエラー率（ｅ）は、例えば前記順電圧−容量マップテーブルを用いるか、又は前記順電圧容量を母数とし、前記電流積算容量を変数として予め演算条件を加算した数学的演算処理によって求めることができる。

補正可否判定段階２４は、前記電流積算値のエラー率（ｅ）を予め設定された基準値である基準エラー率（α）と比較し、電流積算値のエラー率（ｅ）が基準エラー率（α）を超過する場合（基準値以上の偏差が発生する場合）に補正が必要であると判定する（Ｓ−１６）。

積算容量補正段階２５は、補正可否判定段階２４により補正が必要であると判定した場合に、電流積算容量に対する補正を実施する。
図３に表すように電流積算値のエラー率（ｅ）と基準エラー率（α）の差（｜ｅ−α｜）を求め、これに順電圧の計算によるエラー率（β）を加えて容量補正係数（Ｋ）を求める（Ｓ−１７）。

補正係数（Ｋ）が求められたら、この補正係数を電流積算容量に乗算して最終電流積算容量を算出し容量補正を完了し（Ｓ１８）、最終電流積算容量を残存容量算出段階２６に出力し、残存容量算出段階２６で最終電流積算容量をバッテリー残存容量に換算して出力することによってバッテリー残存容量の推定を完了する（Ｓ１９）。

補正可否判定段階２４により電流積算値のエラー率（ｅ）が基準エラー率（α）以下であって補正する必要がないと判定された場合は、積算容量補正段階２５は電流積算容量を最終電流積算容量として残存容量算出段階２６に出力し、残存容量算出段階２６で最終電流積算容量をバッテリー残存容量に換算し出力し、バッテリー残存容量の推定を完了する（Ｓ１９）。

本発明によるバッテリー残存容量の推定過程及び推定ロジックを表したブロック図である。 本発明によるバッテリー残存容量の計算過程を表したフローチャート図である。 本発明によるバッテリー残存容量の計算過程における電流積算容量の補正係数算出のロジックを表したブロック図である。 バッテリー順電圧を算出するためのバッテリー等価回路モデルを表した図面である。

符号の説明

１０；バッテリー
２１；バッテリー情報取得段階
２２；電流補正段階
２３；電流積算段階
２４；補正可否判定段階
２５；積算容量補正段階
２６；残存容量算出段階

Claims (5)

1. 車両のモータ駆動用バッテリーの電流値と電圧値と温度値とからなるバッテリー情報を測定するバッテリー情報取得段階と、
   前記電圧値を用いて前記電流値を補正して補正電流値を算出する電流補正段階と、
   前記補正電流値を積算して電流積算値を算出し、更に前記電流積算値とバッテリー充／放電効率が反映された電流積算容量を算出する積算容量算出段階と、
   前記バッテリー情報からバッテリーの順電圧容量を算出し、該順電圧容量に基づいて前記電流積算容量の補正の可否を判定する補正可否判定段階と、
   前記補正可否判定段階において、補正が必要と判定された場合は補正係数を算出し、前記電流積算容量を前記補正係数を用いて補正して前記残存容量に換算し、補正が必要と判定されなかった時は前記電流積算容量をそのまま残存容量として出力する積算容量補正段階と、
   前記残存容量を出力する残存容量出力段階と、
   を含んでなるバッテリーの残存容量の推定方法であって、
   前記電流補正段階が、予め実験を通じてデータ化したバッテリー特性テーブルを解析して電圧値に対応する電流値を算出し、前記バッテリーの電流値を補正して補正電流値を算出することを特徴とするバッテリーの残存容量の推定方法。
2. 前記補正可否判定段階は、
   前記バッテリー情報からバッテリーの順電圧を計算する過程と、
   前記順電圧を基にして、予め実験を通じてデータ化した順電圧−容量マップテーブルから順電圧容量を求める過程と、
   前記電流積算容量と前記順電圧容量との偏差を求める過程と、
   前記偏差と予め設定した基準値を比較し、前記偏差が前記基準値を超過する場合に前記電流積算容量の補正が必要であり、前記偏差が前記基準値以下の場合には前記電流積算容量の補正が必要なしとして、前記電流積算容量の補正の可否を判定する過程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリーの残存容量の推定方法。
3. 前記積算容量補正段階は、前記電流積算容量又は補正された前記電流積算容量のうちの何れか一つを最終電流積算容量とし、前記最終電流積算容量を残存容量に換算することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーの残存容量の推定方法。
4. 前記積算容量補正段階は、前記電流積算容量と前記順電圧容量との偏差に該当する電流積算値エラー率と、予め設定された基準エラー率と、順電圧計算のエラー率と、を利用して前記電流積算容量を補正することを特徴とする請求項１に記載のバッテリーの残存容量の推定方法。
5. 前記順電圧計算のエラー率は、車両試験を通して得たバッテリー温度別の順電圧のエラー率による値で定義されたテーブルを通して得たことを特徴とする請求項４に記載のバッテリーの残存容量の推定方法。

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