JP6763195B2 - 充電率推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池の充電率を推定する充電率推定装置に関する。

既存の充電率推定装置として、例えば、充電中の電池に流れる電流の積算値に基づいて、電池の充電率（電池の満充電容量に対する残容量の割合（百分率））を推定するものがある。

また、既存の他の充電率推定装置として、例えば、充電中の電池の電圧が目標電圧に達した時点で、電池の充電率を１００［％］に設定するものがある。
関連する技術として、例えば、特許文献１、２がある。

特開２０１３−１７６１９５号公報 特開２００９−１７１７８９号公報

しかしながら、上述のように、電流の積算値に基づいて、充電率を推定する充電率推定装置では、電流検出部が故障するなどして電池に流れる電流を精度よく検出することができない場合や充電率の推定時間が長くなり電流検出部の検出誤差が電流の積算値に多く含まれてしまう場合、推定される充電率と実際の充電率に乖離が生じるおそれがある。

また、上述のように、充電中の電池の電圧が目標電圧に達した時点で、電池の充電率を１００［％］に設定する充電率推定装置では、電池の電圧が目標電圧に達した時点で、実際の充電率がまだ１００［％］に達していないおそれがある。

本発明の一側面に係る目的は、電池の充電率の推定精度を向上させることが可能な充電率推定装置を提供することである。

本発明に係る一つの形態である充電率推定装置は、充電制御部と、推定部とを備える。
充電制御部は、電池の電圧が最初に目標電圧以上になった後、電池の電圧が目標電圧以上になる度に、充電器に送信する電流指令値を所定値減少させ、電池の電圧が最初に目標電圧以上になってから所定時間経過すると、または、電流指令値が所定の電流指令値以下になると、充電器に充電停止指示を送信し、電池の充電を停止させる。

推定部は、電池の電圧が最初に目標電圧以上になったときの電池の推定充電率を所定の充電率に設定し、電池の電圧が最初に目標電圧以上になった後、充電器に送信する電流指令値が減少する度に、または、電池に流れる電流が減少する度に、電池の推定充電率を所定量増加させる。

本発明によれば、電池の充電率の推定精度を向上させることができる。

実施形態の充電率推定装置を含む電池パックの一例を示す図である。 制御部の動作を説明するためのフローチャートである。 充電制御を説明するための図である。 記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。 記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態の充電率推定装置を含む電池パックの一例を示す図である。
図１に示す電池パック１は、例えば、電動フォークリフトなどの車両に搭載され、走行モータを駆動するインバータなどの負荷へ電力を供給する。

また、電池パック１は、複数の電池モジュール２と、制御部３と、記憶部４とを備える。なお、記憶部４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。

各電池モジュール２は、それぞれ、電池スタックＳと、スイッチＳＷと、電流検出部２１と、温度検出部２２と、監視部２３とを備える。なお、各電池モジュール２のそれぞれの電池スタックＳは、互いに並列接続され、組電池を構成する。なお、並列接続される電池スタックＳの並列数は、１でも２以上でもよい。

電池スタックＳは、直列接続される複数の電池Ｂ（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、または、電気二重層コンデンサ）により構成される。なお、各電池スタックＳは、それぞれ、１つの電池Ｂで構成されてもよい。

スイッチＳＷは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体リレーや電磁式リレーにより構成される。充電器Ｃｈから電池パック１へ電力が供給されているとき、スイッチＳＷがオンしている電池モジュール２が有する電池Ｂが充電され、その電池Ｂの電圧が上昇する。

電流検出部２１は、例えば、ホール素子やシャント抵抗により構成され、各電池Ｂに流れる電流Ｉを検出する。
温度検出部２２は、例えば、サーミスタにより構成され、各電池Ｂの温度Ｔを検出する。

監視部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルディバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成され、各電池Ｂの電圧Ｖを検出する。また、監視部２３は、制御部３から送られてくる指示により、スイッチＳＷのオン、オフを制御する。また、監視部２３は、各電池Ｂの電圧Ｖ、電流検出部２１により検出される電流Ｉ、及び温度検出部２２により検出される温度Ｔを示す電池状態情報を制御部３に送る。

制御部３は、定電流定電圧充電制御を行うことで各電池Ｂを充電させる充電制御部３１と、各電池Ｂの充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を推定する推定部３２とを備える。また、制御部３は、充電停止後において、推定部３２で推定した推定充電率を、車両側制御部５に送る。車両側制御部５は、制御部３から送られてくる充電率を、表示部６（例えば、ディスプレイ）に表示させる。なお、制御部３は、例えば、ＣＰＵまたはプログラマブルディバイスにより構成され、ＣＰＵまたはプログラマブルディバイスが所定のプログラムを実行することによって、充電制御部３１及び推定部３２が実現される。また、充電率推定装置は、例えば、少なくとも充電制御部３１及び推定部３２を備えて構成される。

図２は、制御部３の動作を説明するためのフローチャートである。
まず、制御部３の充電制御部３１は、定電流充電制御を開始する（Ｓ２０１）。
次に、充電制御部３１は、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔよりも小さいとき（Ｓ２０２：Ｎｏ）、定電流充電制御を継続し、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になると（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、定電流充電制御を終了し、定電圧充電制御を開始する（Ｓ２０３）。目標電圧Ｖｔは、例えば、満充電電圧であるが、満充電電圧に限らず任意の電圧でも良い。

また、制御部３の推定部３２は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になると（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、推定充電率を所定の充電率に設定する（Ｓ２０３）。すなわち、推定部３２は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの推定充電率を所定の充電率に設定する。Ｓ２０３で設定される所定の充電率は１００［％］より小さい値である。

次に、充電制御部３１は、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔよりも小さいとき（Ｓ２０４：Ｎｏ）、定電圧充電制御を継続し、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になると（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、充電器Ｃｈに送信する電流指令値を所定値減少させる（Ｓ２０５）。すなわち、充電制御部３１は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になった後、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になる度に、電流指令値を所定値減少させる。

また、推定部３２は、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になると（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、推定充電率を所定量増加させる（Ｓ２０５）。すなわち、推定部３２は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になった後、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になり電流指令値が減少する度に、推定充電率を所定量増加させる。このように、電流指令値の変化に応じて推定充電率を設定する場合では、電流検出部２１が故障するなどして電流Ｉを検出できない状況であっても、推定充電率を継続して推定することができる。なお、推定部３２は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になった後、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になり電流指令値が減少して電流Ｉ（電流検出部２１により検出される電流）が減少する度に、推定充電率を所定量増加させるように構成してもよい。この場合、電流検出部２１が故障していないが、電流検出部２１の検出誤差が電流の積算値に多く含まれてしまう状況であっても、推定充電率を精度よく推定することができる。

次に、充電制御部３１は、定電圧充電制御を開始した時刻から所定時間が経過していないとき（Ｓ２０６：Ｎｏ）、定電圧充電制御を継続し、定電圧充電制御を開始した時刻から所定時間が経過すると、すなわち、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になってから所定時間経過すると（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）、定電圧充電制御を終了する（Ｓ２０７）。例えば、充電制御部３１は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になってから所定時間経過すると、充電器Ｃｈに充電停止指示を送信するとともに、すべてのスイッチＳＷをオンからオフに切り替え、各電池Ｂの充電を停止させる。なお、充電制御部３１は、電流指令値が所定の電流指令値以下になると、充電器Ｃｈに充電停止指示を送信するとともに、すべてのスイッチＳＷをオンからオフに切り替え、各電池Ｂの充電を停止させるように構成してもよい。なお、充電器Ｃｈは、充電停止指示を受け取ると、電池パック１への電力供給を停止する。

また、推定部３２は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になってから所定時間経過すると（Ｓ２０６：Ｙｅｓ）、各電池Ｂのうち、最も電圧Ｖが高い満充電電池の推定充電率を１００［％］に設定し、各電池Ｂのうち、満充電電池以外の未満充電電池の推定充電率を、充電が停止したときの未満充電電池の電圧Ｖにより推定する（Ｓ２０７）。

このように、各電池Ｂの充電中において、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの推定充電率を所定の充電率に設定し、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になった後、充電器Ｃｈに送信する電流指令値が減少する度に、または、電流Ｉが減少する度に、推定充電率を所定量増加させているため、所定の充電率として、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になるときの電池Ｂの実際の充電率に近い値を設定することで、電流Ｉの積算値に基づいて推定充電率を求める場合や電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときに推定充電率を１００［％］に設定する場合に比べて、充電中の各電池Ｂの充電率の推定精度を向上させることができる。

また、各電池Ｂの充電停止後において、各電池Ｂのうち、最も電圧が高い満充電電池の推定充電率を１００［％］に設定し、各電池Ｂのうち、満充電電池以外の未満充電電池の推定充電率を、充電を停止したときの未満充電電池の電圧Ｖにより推定するため、充電停止後の各電池Ｂの充電率の推定精度を向上させることができる。例えば、少なくとも１つの電池Ｂの推定充電率が１００［％］になると、組電池の充電率として１００［％］がユーザに対して表示され、少なくとも１つの電池Ｂの推定充電率が０［％］になると、組電池の充電率として０［％］がユーザに対して表示される場合、各電池Ｂの実際の充電率と、ユーザに対して表示される組電池の充電率との乖離を抑えることができるため、ユーザに違和感を覚えさせないようにすることができる。

次に、充電制御部３１及び推定部３２の具体的な動作について説明する。
図３（ａ）は電池Ｂの電圧Ｖの変動例を示す図であり、図３（ｂ）は電池Ｂに流れる電流Ｉの変動例を示す図であり、図３（ｃ）は電池Ｂの実際の充電率（一点鎖線）及び推定充電率（実線）の変動例を示す図である。なお、図３（ａ）に示すグラフの横軸は時間を示し、縦軸は電池Ｂの電圧Ｖを示している。また、図３（ｂ）に示すグラフの横軸は時間を示し、縦軸は電池Ｂに流れる電流Ｉを示している。また、図３（ｃ）に示すグラフの横軸は時間を示し、縦軸は電池Ｂの充電率を示している。また、図３（ａ）〜図３（ｃ）の各グラフの横軸は互いに同じ時間を示している。

まず、充電制御部３１は、定電流充電制御を開始すると、時間ｔ０〜ｔ１において、電流Ｉを一定電流Ｉｃに保ちつつ、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔまで徐々に上昇するように、電流指令値を充電器Ｃｈに送信することで各電池Ｂを充電させる。

また、推定部３２は、時間ｔ０〜ｔ１において、電流Ｉの積算値に基づいて、推定充電率を求める。例えば、推定部３２は、時間ｔ０〜ｔ１において、推定充電率＝電流Ｉの積算値／満充電容量×１００を計算することにより、推定充電率を求める。なお、推定部３２は、充電開始前に推定した電池Ｂの充電率を記憶部４に記憶しておき、その記憶した充電率を、時間ｔ０〜ｔ１における推定充電率とするように構成してもよい。

次に、充電制御部３１は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になると、定電流充電制御を終了して、定電圧充電制御を開始する。
また、推定部３２は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になると、推定充電率を所定の充電率（例えば、８０［％］）に設定する。なお、ここで設定される所定の充電率は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの電流指令値と電池Ｂの内部抵抗をもとに算出することができる。電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔになったときの実際の電池Ｂの開回路電圧は、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔから、（電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの電流指令値）×（電池Ｂの内部抵抗）により決まる電圧を減算して求めた電圧に近いため、その求めた開回路電圧を用いて、開回路電圧−充電率特性曲線により算出した充電率を所定の充電率とすることができる。なお、電池Ｂの内部抵抗は温度や劣化度によって変化するため、温度や劣化度を考慮して所定の充電率を求めてもよい。

なお、推定部３２は、例えば、図４（ａ）に示す情報を記憶部４から取り出し、電池Ｂの温度Ｔが低い程、所定の充電率を低く設定し、温度Ｔが高い程、所定の充電率を高く設定してもよい。通常、温度Ｔが低い程、電池Ｂの内部抵抗が大きいために電池Ｂの閉回路電圧と実際の開回路電圧との差が大きくなることから、電池Ｂの実際の充電率が低くなり、温度Ｔが高い程、電池Ｂの実際の充電率が高くなるため、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの推定充電率の推定精度を向上させることができる。

また、推定部３２は、例えば、図４（ｂ）に示す情報を記憶部４から取り出し、電池Ｂに流れる電流Ｉが大きい程、所定の充電率を低く設定し、電流Ｉが小さい程、所定の充電率を高く設定してもよい。通常、電流Ｉが大きい程、電池Ｂの閉回路電圧と実際の開回路電圧との差が大きくなることから、電池Ｂの実際の充電率が低くなり、電流Ｉが小さい程、電池Ｂの実際の充電率が高くなるため、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの推定充電率の推定精度を向上させることができる。

また、推定部３２は、例えば、図４（ｃ）に示す情報を記憶部４から取り出し、電池Ｂの劣化度Ｄが大きい程、所定の充電率を低く設定し、電池Ｂの劣化度Ｄが小さい程、所定の充電率を高く設定してもよい。通常、電池Ｂの劣化度Ｄが大きい程、電池Ｂの内部抵抗が大きいために電池Ｂの閉回路電圧と実際の開回路電圧との差が大きくなることから、電池Ｂの実際の充電率が小さくなり、電池Ｂの劣化度Ｄが小さい程、電池Ｂの実際の充電率が大きくなるため、電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの推定充電率の推定精度を向上させることができる。

また、推定部３２は、電池Ｂの温度Ｔ、電池Ｂに流れる電流Ｉ、及び、電池Ｂの劣化度Ｄの少なくとも２つの変化に応じて、所定の充電率を変化させるように構成してもよい。例えば、推定部３２は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す各情報を記憶部４から取り出し、電池Ｂの温度Ｔが低い程、電池Ｂに流れる電流Ｉが大きい程、所定の充電率を低く設定し、電池Ｂの温度Ｔが高い程、電池Ｂに流れる電流Ｉが小さい程、所定の充電率を高く設定する。例えば、推定部３２は、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す各情報を記憶部４から取り出し、電池Ｂの温度Ｔが低い程、電池Ｂに流れる電流Ｉが大きい程、電池Ｂの劣化度Ｄが大きい程、所定の充電率を低く設定し、電池Ｂの温度Ｔが高い程、電池Ｂに流れる電流Ｉが小さい程、電池Ｂの劣化度が小さい程、所定の充電率を高く設定する。

次に、充電制御部３１は、定電圧充電制御を開始すると、時間ｔ１〜ｔ２において、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になる度に、電流指令値を所定値（例えば、１［Ａ］）減少させる。

また、推定部３２は、時間ｔ１〜ｔ２において、電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になる度に、推定充電率を所定量（例えば、０．２［％］）増加させる。なお、推定部３２は、所定量＝（１００［％］−所定の充電率）／（電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの電流指令値）を計算することにより所定量を求めるように構成してもよい。また、推定部３２は、所定量＝（１００［％］−所定の充電率）×（電圧Ｖが目標電圧Ｖｔ以上になる度に、減少させる電流指令値の減少量）／（電圧Ｖが最初に目標電圧Ｖｔ以上になったときの電流指令値）を計算することにより所定量を求めるように構成してもよい。また、推定部３２は、電池Ｂに流れる電流Ｉの変化に応じて、所定量を変化させるように構成してもよい。

そして、充電制御部３１は、定電圧充電制御を開始してから所定時間ｔ（時間ｔ１〜ｔ２）経過すると、定電圧充電制御を終了する。
また、推定部３２は、定電圧充電制御を開始してから所定時間ｔ（時間ｔ１〜ｔ２）経過すると、各電池Ｂのうち、最も電圧が高い満充電電池の推定充電率を１００［％］に設定し、各電池Ｂのうち、満充電電池以外の未満充電電池の推定充電率を、充電を停止したときの未満充電電池の電圧Ｖにより推定する。

次に、充電停止後の推定部３２の具体的な動作を説明する。
まず、推定部３２は、図５（ａ）に示すように、電池Ｂに流れる電流Ｉ（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、・・・）毎に、電池Ｂの温度Ｔ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・）と電池Ｂの劣化度Ｄ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・）と補正値Ｖｃ（充電停止から分極が解消するまでの間に変動する電池Ｂの電圧幅）（Ｖｃ１１、Ｖｃ１２、Ｖｃ１３、・・・）とが対応付けられた情報を記憶部４から取り出し、その取り出した情報を参照して、充電停止時に未満充電電池に流れていた電流Ｉと、充電停止時の未満充電電池の温度Ｔ及び劣化度Ｄとに対応する補正値Ｖｃを求める。なお、電池Ｂに流れる電流が大きくなる程、電池Ｂの分極が大きくなるため、電流Ｉが大きくなる程、補正値Ｖｃが大きな値になるように設定する。また、電池Ｂの温度が高くなる程、電池Ｂの分極が大きくなるため、温度Ｔが大きくなる程、補正値Ｖｃが大きな値になるように設定する。また、電池Ｂの劣化度が大きくなる程、電池Ｂの分極が大きくなるため、劣化度Ｄが大きくなる程、補正値Ｖｃが大きな値になるように設定する。このように補正値Ｖｃを設定することにより、補正値Ｖｃを最適値に近づけることができる。

次に、推定部３２は、充電停止時（各スイッチＳＷがオンからオフに切り替わった後）に監視部２３により検出された未満充電電池の開回路電圧から、上記求めた補正値Ｖｃを減算することにより、分極解消時の未満充電電池の開回路電圧を推定する。

そして、推定部３２は、図５（ｂ）に示すように、電池Ｂの開回路電圧（ＯＣＶ１、ＯＣＶ２、ＯＣＶ３、・・・）と、電池Ｂの充電率（ＳＯＣ１、ＳＯＣ２、ＳＯＣ３、・・・）とが対応付けられた情報を参照して、上記推定した分極解消時の未満充電電池の開回路電圧に対応する充電率を求め、その求めた充電率を未満充電電池の推定充電率とする。

このように、充電停止時の未満充電電池の開回路電圧により未満充電電池の充電率を推定する構成であるため、充電停止までに未満充電電池に流れる電流の積算値により未満充電電池の充電率を推定する場合に比べて、電流検出部２１で生じる検出誤差に相当する充電率を未満充電電池の充電率に含ませないようにすることができ、未満充電電池の充電率の推定精度をさらに向上させることができる。また、監視部２３により検出された未満充電電池の開回路電圧から分極を考慮した補正値Ｖｃを減算することで分極解消時の未満充電電池の開回路電圧を推定する構成であるため、分極解消時の未満充電電池の開回路電圧の推定精度を上げることができ、未満充電電池の充電率の推定精度をさらに向上させることができる。また、未満充電電池に流れる電流Ｉ、未満充電電池の温度Ｔ及び劣化度Ｄを考慮して補正値Ｖｃを求める構成であり、補正値Ｖｃを最適値に近づけることができるため、分極解消時の未満充電電池の開回路電圧の推定精度をさらに上げることができ、未満充電電池の充電率の推定精度をさらに向上させることができる。

また、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 電池パック
２ 電池モジュール
３ 制御部
４ 記憶部
５ 車両側制御部
６ 表示部
２１ 電流検出部
２２ 温度検出部
２３ 監視部
３１ 充電制御部
３２ 推定部
Ｃｈ 充電器
Ｓ 電池スタック
Ｂ 電池
ＳＷ スイッチ

Claims (3)

1. 定電流充電制御による電池の充電を開始し、前記定電流充電制御による電池の充電の開始後に前記電池の閉回路電圧が最初に目標電圧以上になったときに充電器に送信する電流指令値を所定値減少させると共に、前記定電流充電制御を終了して定電圧充電制御を開始し、前記定電圧充電制御による電池の充電において前記電池の閉回路電圧が前記目標電圧以上になる度に前記電流指令値を所定値減少させた後、前記定電圧充電制御による電池の充電を開始してから所定時間が経過すると、または、前記電流指令値が所定の電流指令値以下になると、前記充電器に充電停止指示を送信して前記定電圧充電制御による電池の充電を停止させる充電制御部と、
   前記定電流充電制御による電池の充電の開始後に前記電池の電圧が最初に前記目標電圧以上になったときの前記電池の推定充電率を所定の充電率に設定し、前記定電圧充電制御による電池の充電が行われているときに前記電流指令値が減少する度に、または、前記電池に流れる電流が減少する度に、前記電池の推定充電率を所定量増加させる推定部と、
   を備える充電率推定装置。
2. 請求項１に記載の充電率推定装置であって、
   前記推定部は、前記電池の温度が低い程、前記所定の充電率を低く設定し、前記電池の
   温度が高い程、前記所定の充電率を高く設定する
   ことを特徴とする充電率推定装置。
3. 請求項１または２に記載の充電率推定装置であって、
   前記推定部は、前記電池に流れる電流が大きい程、前記所定の充電率を低く設定し、前
   記電池に流れる電流が小さい程、前記所定の充電率を高く設定する
   ことを特徴とする充電率推定装置。
   

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