JP6141450B2 - 充電状態を決定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、充電状態を決定する方法及び装置に関する。

バッテリーの充電状態ＳＯＣ（state of charge）ないし残容量は、通常はバッテリーを流れる電流の時間に関する積分によって決定される。しかしながらこの積分のためには、バッテリー充電状態の少なくとも１つの初期値が既知である必要がある。測定誤差に起因するドリフトを補償できるようにするためには、所定の時間間隔で充電状態の再較正が実施されてもよい。このことは開放電位の測定によって行われる。バッテリーが開放状態にある間は、極僅かな負荷電流しかバッテリーを流れない。さらに、バッテリーが充電過程の後で電気エネルギーを十分に蓄えている場合の満充電状態を識別することも可能である。

独国特許出願公開第１０２００６０３６７８４号明細書からは、バッテリー容量を状態量およびパラメータ推定装置を用いて検出する方法であって、バッテリーの様々な動作量から数学的エネルギー蓄積器モデルの状態量及びパラメータを計算する方法が公知である。バッテリーの充電状態は、容量に依存した少なくとも１つのパラメータの関数として計算されるならば、通常のバッテリー動作中に非常に正確に算定される。

発明の開示
このような背景から、独立請求項の特徴部分に記載された本発明による方法及び装置が提案される。本発明のさらに別の態様は、従属請求項と以下の明細書からも明らかとなる。

この方法の態様によれば、電気的エネルギー蓄積器の充電状態（ＳＯＣ）が、電気的エネルギーを電気的エネルギー蓄積器に供給している充電過程の間に決定される。その際、電気的エネルギー蓄積器の充電過程が不完全に終了され、エネルギー蓄積器が満充電状態に達しなかった場合であっても、充電状態を決定することが可能である。以下に記載する方法では、前記電気的なエネルギー蓄積器は一般にバッテリーとも称する。例えばそれは自動車用の鉛蓄電池及び／又は始動用バッテリーとして構成されたものであってもよい。いずれにせよ本発明による方法は、充放電可能なあらゆる電気的な蓄積器のために実施され得る。

この方法は、例えば自動車の少なくとも１つの電気的エネルギー蓄積器のために実施されてもよく、ハイブリッド駆動部を備えた自動車にも適している。そのような自動車の電気モータは、この種の電気的なエネルギー蓄積器から電気的なエネルギーを供給される。

自動車の場合、その少なくとも１つの電気的なエネルギー蓄積器は、走行中に、例えば発電機として構成されたジェネレータを介して、及び／又は制動過程の際にジェネレータとして動作する電気モータを介して、機械的なエネルギーから電気的なエネルギーへの変換により充電される。

この場合はいずれにせよ、それに対して想定される充電時間は、平均して２０分から３０分の走行時間に制限されることを考慮しなければならない。一方、満充電のために要する走行時間は、各充電状態に応じて３時間から４時間であり得る。また補足的に、充電状態が、自動車のエネルギー管理プロセスに基づき１００％未満の所期値に保持されることも考慮されなければならない。さらに自動車の使用状況、例えばタクシーとしての使用状況などに応じて、バッテリーの開放電圧を検出する開放フェーズが比較的長期間に亘って生じない可能性もある。そのようなケースでは、本発明による方法の枠内で付加的に実施される充電状態の再較正手段によって、決定すべき充電状態の実用性と精度の向上が図れる。

電気的エネルギー蓄積器の充電状態を決定する方法の代替案によれば、様々な手段による対策が可能である。充電過程中にバッテリーの少なくとも１つの関連する測定量、及び／又は、少なくとも１つの関連する動作パラメータに対する少なくとも１つの値が、少なくとも１つの入力パラメータとして検出され得る。それにより、充電状況が、バッテリーを流れるバッテリー電流Ｉｂａｔｔに基づき、及び／又は、バッテリーに印加されるバッテリー電圧Ｕｂａｔｔに基づき、少なくとも１つの入力パラメータとして認識可能になる。

本方法の可能な実施のもとで求められた、少なくとも１つの検出された測定量の値に対する入力データ、及び／又は、少なくとも１つの検出された動作パラメータの値に対する入力データを、有効範囲と一貫性について検査可能である。前記充電状態は、少なくとも１つの検出された測定量の値に対する入力データに基づき、及び／又は、少なくとも１つの検出された動作パラメータの値に対する入力データに基づき、特性マップを介して、例えば比較及び／又は計算によって決定され得る。

この方法の実施形態の第１のステップによれば、動作パラメータとしてバッテリー電流Ｉｂａｔｔ及び／又はバッテリー電圧Ｕｂａｔｔに基づくバッテリーの充電状況の識別が実施され得る。ここでは、当該の電気的動作パラメータの実際値が、充電過程のために設けられた、バッテリー電流のための閾値Ｉｂａｔｔ＿ｌｏａｄ並びにバッテリー電圧のための閾値Ｕｂａｔｔ＿ｌｏａｄと比較される。Ｕｂａｔｔ＞Ｕｂａｔｔ＿ｌｏａｄ及びＩｂａｔｔ＞Ｉｂａｔｔ＿ｌｏａｄの場合には、バッテリーが充電されることが識別される。これについては、不所望なノイズを回避するために、電気的な動作パラメータの実際値に関する入力信号が予めフィルタリングされてもよい。

関連する測定量とバッテリーパラメータの検出は、充電過程中の本発明による方法の第２のステップで実施される。バッテリーの充電状態の決定のために、充電過程中は、バッテリーのいわゆる充電受入れ性、すなわち電気的なエネルギーを受け入れると共に電気的なエネルギーで充電される能力が求められる。充電受入れ性は通常は、充電過程において印加される電圧（これはバッテリー電圧若しくは充電電圧とも称される）、バッテリーの温度や充電状態のような動作パラメータに依存するので、充電受入れ性や全ての関連する動作パラメータ及び／又は周辺パラメータの検出によっても充電状態を求めることが可能である。

本発明による方法の可能な代替案によれば、例えば実験的に、充電過程に係る全ての入力パラメータが、前記動作パラメータ及び／又は周辺パラメータも含めて求められ、充電状態のための対応する特性マップがこれらの入力パラメータに依存して決定され得る。

入力パラメータに対する値として、最後の５分の間に流れたバッテリー電流Ｉｂａｔｔに関する第１の電流積分値Ｑ５、最後の１０分の間に流れたバッテリー電流Ｉｂａｔｔに関する第２の電流積分値Ｑ１０、最後の１５分の間に流れたバッテリー電流Ｉｂａｔｔに関する第３の電流積分値Ｑ１５、バッテリー電圧Ｕｂａｔｔに相応する充電電圧のための少なくとも１つの値、バッテリーの温度Ｔｂａｔｔに対する少なくとも１つの値、並びにバッテリーの公称容量に対する少なくとも１つの値Ｃ２０が用いられる。

前記電流積分値Ｑ５，Ｑ１０，Ｑ１５を用いて、バッテリーの充電受容状態を説明する。ただし前記充電受容状態は、代替的若しくは補足的に、様々な入力パラメータ、例えば充電過程の際にバッテリーを流れるバッテリー電流の値Ｉｂａｔｔによって表すことも可能である。このために設けられる値は、様々な所定の時点で求めることが可能である。

本発明の変化実施例によれば、前記電流積分値Ｑ５，Ｑ１０，Ｑ１５が、バッテリー電流Ｉｂａｔｔに代えて用いられる。なぜならそれらの値は、自動車においては時として一過性の特性若しくは不安定な特性となり、変動にさらされる可能性があるため充電状態が比較的不正確に決定される危険性があるからである。いずれにせよ、バッテリー電流Ｉｂａｔｔを複数の時間間隔の間に測定し、各時間間隔毎の値としてバッテリー電流Ｉｂａｔｔの平均値を決定することも可能である。前記電流積分値Ｑ５，Ｑ１０，Ｑ１５を提供するための積分形成の実施により、利用すべき入力パラメータの良好なフィルタリングも可能になる。

入力パラメータに対する値としての入力データは、第３のステップにおいて、それらの有効範囲、一貫性、妥当性について検査される。ここでは、決定すべき充電状態に対して許容可能な結果を求めることができるようにするために、入力パラメータの値が、所定の測定期間に亘って特性マップの有効範囲内にあるかどうか、及び／又は、十分に安定しているか否か、例えば十分に恒常的であるか否かがチェックされる。それに対して入力パラメータの最小値、最大値並びに値範囲が検査される。入力パラメータの最小値と最大値並びに値範囲が所定の閾値内にあるならば、充電状態は算出可能である。

充電状態の算出は、本発明による方法の第４のステップにおいて、入力パラメータに基づき特性マップを介して実施される。この場合は、入力パラメータの複数の実験／経験により求められた多次元的な特性マップが利用される。簡単なケースでは、前記特性マップは、入力パラメータの求められた値及び／又は算出された値に関する線形回帰によって提供され得る。これらは通常はリソース寄りに実施可能である。但し必要に応じて、特性マップを決定するための非線形的な手法が用いられてもよい。

特性マップを用いることによって、入力パラメータの様々な値に応じて、種々異なる充電状態（ＳＯＣ）の値を求めることが可能になる。充電状態（ＳＯＣ）の値の関連性は、以下の回帰方程式（１）、
SOC=c1+c2^*Ubatt+c3^*Tbatt+c4^*C20nom+c5^*Uc0max+c6^*C0+c7^*Q5+c8^*Q10+c9^*Q15 （１）
によって表すことが可能である。但し前記c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8およびc9は、以下で説明する入力パラメータの測定データ及び／又は測定値Ubatt，Tbatt，C20nom，Uc0max，C0，Q5，Q10及びQ15に基づき最小二乗法を用いて定められる回帰係数である。通常は、前記回帰係数c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8およびc9を用いて前記値Ubatt，Tbatt，C20nom，Uc0max，C0，Q5，Q10及びQ15のスケーリングがなされる。

前記Ubattは、バッテリー電圧の測定値であり、ボルト（Ｖ）で表される。この電圧はここでは充電電圧に相当する。前記Tbattは、バッテリー温度の測定値であり、ケルビン（Ｋ）で表される。前記C20nomは、バッテリーの定格容量C20の定格値であり、アンペア時（Ah）で表される。前記Uc0maxは、バッテリーの最大開放電圧に対する値であり、ボルト（Ｖ）で表される。前記C0は、バッテリーのバッテリー電極の補助容量に対する値であり、ファラド（Ｆ）で表される。前記Q5，Q10及びQ15は、バッテリーの電流Ibattに関する電流積分値を表し、前記Q5は、５分間流れた電流の電流積分値に相当し、前記Q10は、１０分間流れた電流の電流積分値に相当し、前記Q15は、１５分間流れた電流の電流積分値に相当する。これらの電流積分値は、アンペア秒（As）で表される。

前記回帰方程式（１）には、ここでは単に入力パラメータに対する値xの線形項（c^*x）が含まれる。可能な拡張として、入力パラメータに対する値xのより高次の項、例えば二次のターム（ci^*x²）（したがって二次方程式）、及び／又は、入力パラメータの値xに対するn次若しくはn乗（ci^*xⁿ）も可能である。さらに前記回帰方程式（１）を用いることによって、種々異なる入力パラメータの値x及びyの相互作用、例えば（ci^*x^*y）が利用可能となる。通常は、任意の他の近似方法、例えばニューラルネットワークまたはスプラインを使用してもよい。

前記回帰方程式（１）においては、入力量として利用可能な全ての重要な動作パラメータが把握され得る。前記回帰方程式（１）は、回帰係数ciを介してスケーリングされる付加的な入力パラメータの値による補足も可能である。

前記入力パラメータは、特性マップを提供するための前記回帰方程式（１）と相互結合可能である。充電状態の算出のために利用される回帰方程式（１）を用いれば、回帰係数ciでもって入力パラメータの個々の値に対する回帰依存性並びに重み付け係数も考慮される。

本発明のさらなる利点および実施形態は、以下の説明および添付の図面からも明らかにされる。

なお、先に述べてきた特徴や以下でさらに説明を加える特徴は、それぞれ既述してきた特定の組み合わせだけでなく、他の組み合わせにおいても、あるいは、単独でも、本発明の権利範囲から逸脱することなく利用可能であることを理解されたい。

本発明による方法を有利な態様で実施できるように構成されている装置の概略図 本発明による方法を有利な態様で実施するための概略的フローチャート

発明の実施形態
以下では、本発明を、図面に概略的に示されている実施形態に基づき、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、バッテリー４として設計された電気的エネルギー蓄積器の充電状態を決定するように構成されている装置２の実施形態が概略的に示されている。充電状態を決定するためにこの方法を実行に移す過程では、バッテリー４に対して充電過程が実施される。ここでは、前記バッテリー４の電極が給電線路６，８を介して電気的エネルギー源に接続されている。

前記装置２は、制御機器１０と電気的測定機器１２を含んでいる。ここでは充電状態を決定するために、少なくとも１つの電気的入力パラメータとして、前記バッテリー４を通って流れるバッテリー電流Ibatt、前記バッテリー４に印加されるバッテリー電圧Ubatt、及び／又は、前記バッテリーの温度Tbatt、の少なくとも１つの値が、電気的測定機器１２を用いたセンシングによって求められる。この場合前記測定機器１２は、図１に示すように、ここでは破線で示されている測定線路を介して前記バッテリー４の少なくとも１つの電極と接続され、及び／又は、少なくとも１つの給電線路６，８と接続されている。図１では、バッテリー電流Ibattの測定は詳細には示されていない。図示の実施形態では、バッテリー電流Ibattは、測定機器１２を通って流れ、例えば測定機器１２内に配置されたシャント（抵抗測定）を通って流れる。また代替的に、測定機器１２を通って流れるバッテリー電流Ibattを、測定機器１２内で誘導的に測定することも可能である。この場合には、求められた入力パラメータの複数の値がさらなる評価のために、すなわち充電状態の決定のために、制御機器１０に伝送され、この制御機器によって評価される。

ここに示されている装置２の実施形態と共に本発明の方法を実施する個々のステップ１４，１６，１８，２０は、図２の概略的フローチャートに示されている。

第１のステップ１４においては、バッテリー４の充電状況が、少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値、ここでは電流積分値と、バッテリー電圧Ubatt及び／又は充電過程中のバッテリー４の温度Tbattとに基づいて決定される。この目的のために、特に、どの段階において、少なくとも１つの入力パラメータの値が、この目的のために設けられた閾値より大きいか小さいかがチェックされる。

第２のステップ１６では、充電過程の間に、少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値が、通常は少なくとも１つの周辺パラメータ及び／又はバッテリー４の少なくとも１つの動作パラメータが、電気測定機器１２による測定によって検出される。

第３のステップ１８では、少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値が、妥当性の存在について、例えば有効性と一貫性の存在について検査される。

当該方法の最終的な第４のステップ２０では、バッテリー４が充電過程において電気的エネルギーで充電される場合の当該バッテリー４の充電状態の本来の決定が実施される。ここでは充電状態が、少なくとも１つの入力パラメータとしての電流積分値の少なくとも１つの値と、少なくとも１つのさらなる検出された入力パラメータのための少なくとも１つの値とに基づき、特性マップを介して決定される。

その場合の特性マップは、回帰方程式を介して、少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値に依存して予め実験的に決定することが可能である。その他にも、前記特性マップは、制御機器１０に記憶されていてもよい。この場合に利用される回帰方程式は、充電状態の入力パラメータ値への依存性を表す。

したがって、少なくとも１つの入力パラメータとして、バッテリー４のバッテリー電流Ibattの電流積分値が使用される。その際、電流積分値の少なくとも１つの値は、充電過程中に測定された少なくとも１つの入力パラメータに基づいて計算される。ここでは電流積分値の少なくとも１つの値が、少なくとも１つの時間間隔に対して少なくとも１つの時間間隔の間に求められる。少なくとも１つのさらなる入力パラメータとして、バッテリー電圧及び／又はバッテリー４の温度が使用される。さらに、付加的な少なくとも１つのさらなる入力パラメータとして、バッテリー４の電気容量及び／又はバッテリーの開放電圧を使用することも可能である。その他にも、バッテリーのさらなる動作パラメータを入力パラメータとして使用することが可能である。その際には、入力パラメータの複数の値を、すなわち電流積分値の少なくとも１つの値と、少なくとも１つのさらなる入力パラメータの少なくとも１つの値とを相互に結合してもよい。さらに、少なくとも１つの入力パラメータの値相互の回帰依存性を活用することも可能である。代替的に若しくは補足的に、少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値の線形関係に対する重み付け係数を用いることも可能である。

一般に、電流積分値の少なくとも１つの値は、センシングによって検出されたバッテリー電流Ibattの時間に関する積分によって求められる。その際には異なる時間間隔に対して、すなわち通常は異なる長さの時間間隔に対して、電流積分値の異なる値を充電状態の決定のために使用することが可能である。一般に、電流積分値に対する値が決定される時間間隔は、充電過程の開始時点に始まり、その長さが変化するものであり得る。有利な実施形態によれば、電流積分値のｎ個の値を、ｎ個の異なる時間間隔毎に決定することが可能である。１つの時間間隔の間に求められる電流積分値の１つの値を介して、当該時間間隔の間にバッテリー４内へ流す電荷のための値が提供される。

本方法の枠内で充電状態が決定されるバッテリー４は、自動車の始動用バッテリーとして設計されていてもよい。その場合のバッテリー４は、鉛蓄電池であってもよい。また代替的に、本発明による方法は、リチウムイオン電池として構成されているバッテリー４でも実施が可能である。

通流するバッテリー電流Ibattに基づく、電流積分値の少なくとも１つの値の監視によって、バッテリー４がいつ満充電されたかを確定することも可能である。リチウムイオン電池として構成されたバッテリー４の場合には、充電状態ＳＯＣを充電過程中に電流積分値の少なくとも１つの値を介して推定することが可能である。なぜならここでは極僅かな損失しか生じないはずだからである。この方法を用いれば、充電過程開始後の短い時間間隔の経過後、例えば１５分後には既に充電状態が、電流積分値の少なくとも１つ値と、少なくとも１つのさらなる入力パラメータの少なくとも１つの値とに基づいて、追加の積分なしで決定可能である。

Claims (10)

1. 電気的エネルギー蓄積器に充電過程において電気的なエネルギーが充電されるときの前記電気的エネルギー蓄積器の充電状態を決定する方法であって、
   前記充電状態が、少なくとも１つの入力パラメータとして、前記電気的エネルギー蓄積器に流れる電流の電流積分値の少なくとも１つの値と、少なくとも１つのさらなる入力パラメータの少なくとも１つの値とに基づいて、特性マップを介して決定され、但し、前記少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値は、充電過程中に検出されることを特徴とする方法。
2. 前記電気的なエネルギー蓄積器の充電状況は、充電過程中の少なくとも１つの入力パラメータに基づいて決定される、請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値は、妥当性に関して検査される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記少なくとも１つのさらなる入力パラメータとして、前記バッテリーの温度が用いられる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記少なくとも１つのさらなる入力パラメータとして、充電電圧が用いられる、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 少なくとも１つの時間間隔に対する電流積分値の少なくとも１つの値が、当該少なくとも１つの時間間隔の間に求められる、請求項１から５いずれか１項記載の方法。
7. 前記特性マップは、前記少なくとも１つの入力パラメータに依存して実験的に定められる、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 鉛蓄電池として構成された電気的エネルギー蓄積器のために実施される、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. 電気的エネルギー蓄積器に充電過程において電気的なエネルギーが充電されるときの前記電気的エネルギー蓄積器の充電状態を決定する装置であって、
   前記装置（２）が制御機器（１０）を備え、
   前記制御機器（１０）は、前記充電状態が少なくとも１つの入力パラメータとして、前記電気的エネルギー蓄積器に流れる電流の電流積分値の少なくとも１つの値と少なくとも１つのさらなる入力パラメータの少なくとも１つの値とに基づき、特性マップを介して決定され、但し、前記少なくとも１つの入力パラメータの少なくとも１つの値は、充電過程中に検出される、ように構成されていることを特徴とする装置。
10. 前記少なくとも１つの入力パラメータを検出する、少なくとも１つの電気的な測定機器（１２）が備えられている、請求項９記載の装置。

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