JP6866756B2 - 充電率推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、充電率推定装置に関する。

使用中の電池の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）をＩ−Ｖプロットを用いて推定し、その推定した開回路電圧を用いて充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）を推定する装置がある。Ｉ−Ｖプロットを用いた開回路電圧の推定とは、正の電流又は負の電流を示すｘ軸と正の電圧を示すｙ軸とからなる二次元座標において、検出タイミング毎に電池の電流Ｉと電圧Ｖに対応する座標位置（Ｉ，Ｖ）を算出し、座標位置に近似する一次関数ｆ（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を二次元座標上に求め、その求めた一次関数とｙ軸との交点ｂに対応する電圧値を、充放電中の電池の開回路電圧として用いる推定方法である。

また、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池（例えばシリコン負極を用いた電池）では、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線の充放電ヒステリシスが大きいため、充電後に得られる開回路電圧と充電率との関係を示す充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、放電後に得られる開回路電圧と充電率との関係を示す放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線とが異なるので、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を使い分けて充電率を推定している。関連する技術として特許文献１、特許文献２、特許文献３がある。

国際公開第２００５／１１６６７５号 特開２０００−２６１９０５号 特開２０１６−０７５５７２号

しかしながら、充電後に得られる開回路電圧に基づいて充電率を求める際に、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を用いても、又は、放電後に得られる開回路電圧に基づいて充電率を求める際に、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を用いても、充電率を精度よく推定できない場合がある。すなわち、充電後又は放電後に得られる開回路電圧と充電率とに対応する点が、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にも、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にもない状態である場合、充電率を精度よく推定できない。

本発明の一側面に係る目的は、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池でも、充電率を精度よく推定できる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、充電後に得られる開回路電圧と充電率との関係を示す充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、放電後に得られる開回路電圧と充電率との関係を示す放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線とが異なる電池の充電率を推定する充電率推定装置は、座標位置算出部と開回路電圧推定部と充電率推定部とを有する。

座標位置算出部は、正の電流又は負の電流を示すｘ軸と正の電圧を示すｙ軸とからなる二次元座標における、検出タイミング毎に検出した電流及び電圧に対応する座標位置を算出し、記憶部に記憶する。

開回路電圧推定部は、座標位置算出部で算出した座標位置に近似する一次関数を二次元座標上に求め、求めた一次関数とｙ軸との交点に対応する電圧値を、充放電中の電池の推定開回路電圧とする。

充電率推定部は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態から充電終了までの時間に得た充電量が所定充電量以上の場合、充電後に所定放電量の放電をした後、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、推定開回路電圧に対応する充電率を求める。

充電率推定部は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態から充電終了までの時間に得た充電量が所定充電量未満の場合、充電量と同じ量の放電をした後、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、推定開回路電圧に対応する充電率を求める。

なお、所定充電量は、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の推定開回路電圧と充電率とに対応する点を、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させるために必要な充電量である。また、所定放電量は、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の推定開回路電圧と充電率とに対応する点を、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させるために必要な放電量である。

分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池でも充電率を精度よく推定できる。

蓄電装置の一実施例を示す図である。 使用中の電池の電流と電圧の関係を示す図（Ｉ−Ｖプロット図）である。 充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す図である。 充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す図である。

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、充電率推定装置の一実施例を示す図である。図１に示す装置は、電池Ｂ、スイッチＳＷ、充電率推定装置（制御部１、記憶部２、電流検出部３、電圧検出部４）、充電器Ｃｈ又は負荷Ｌｏ（例えば、モータや補機など）が示されている。なお、図１に示す装置（充電器Ｃｈ又は負荷Ｌｏを除く装置）は、例えば、車両に搭載された電池パックなどが考えられる。車両は、例えば、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ：Plug-in Hybrid Vehicleなど）などである。

電池Ｂは、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池又は蓄電素子などである。なお、電池Ｂは複数の電池を接続した組電池を用いてもよい。また、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線とが異なる電池として、シリコン負極を用いた電池が考えられるが、それ以外でもよい。

スイッチＳＷは、例えば、リレー、半導体素子などが考えられる。スイッチＳＷが導通している場合、充電器Ｃｈから電池Ｂへ電力が供給される。又は、スイッチＳＷが導通している場合、電池Ｂが搭載されている車両の負荷Ｌｏ（モータ）から電池Ｂへ回生電力が供給され、電池Ｂが充電される。又は、スイッチＳＷが導通している場合、電池Ｂから負荷Ｌｏへ電力が供給されると、電池Ｂが放電される。

制御部１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などにより構成される回路である。また、制御部１は、座標位置算出部５、開回路電圧推定部６、充電率推定部７を有する。座標位置算出部５、開回路電圧推定部６、充電率推定部７の機能又は回路は、例えば、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、又はプログラマブルなデバイスが記憶部２などに記憶されているプログラムを実行することにより実現される。

記憶部２は、制御部１内又は制御部１の外部に設けられ、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などにより構成される。

電流検出部３は、例えば、ホール素子又はシャント抵抗などにより構成され、充放電中の電池Ｂに流れる電流Ｉを検出する。

電圧検出部４は、例えば、電圧検出用ＩＣ（Integrated Circuit）などを用いた回路により構成され、充放電中の電池Ｂの電圧Ｖ（閉回路電圧）を検出する。

図１に示す回路の構成について説明する。
電池Ｂの正極端子（＋）は、電流検出部３の一方の端子と電圧検出部４の一方の端子と接続される。電流検出部３の他方の端子は、スイッチＳＷの一方の端子と接続される。電池Ｂの負極端子（−）は、電圧検出部４の他方の端子とグランドとに接続される。電流検出部３の出力端子は、制御部１の入力端子Ｐｉｎ１に接続される。電圧検出部４の出力端子は、制御部１の入力端子Ｐｉｎ２に接続される。スイッチＳＷの他方の端子は、充電器Ｃｈの正極端子（＋）又は負荷Ｌｏの正極端子（＋）と接続される。なお、スイッチＳＷを設ける位置は、電池Ｂの負極端子（−）とグランドとの間でもよい。又は、スイッチＳＷと別に、もう一つのスイッチを電池Ｂの負極端子（−）とグランドとの間の設けてもよい。

制御部１の構成について説明をする。
図２は、使用中の電池の電流と電圧の関係を示す図（Ｉ−Ｖプロット図）である。図２のｙ軸は正の電圧を示し、ｘ軸は正の電流と負の電流を示す。

座標位置算出部５は、正の電流又は負の電流（Ｉ）を示すｘ軸と正の電圧（Ｖ）を示すｙ軸とからなる二次元座標における、検出タイミング毎に検出した電流Ｉ及び電圧Ｖに対応する座標位置（Ｉ，Ｖ）を算出し、記憶部２に記憶する。例えば、図２に示すように二次元座標に複数の座標位置をプロットする。検出タイミングとは、例えば、ＣＰＵのサンプリング周波数などである。

開回路電圧推定部６は、座標位置算出部５で算出した座標位置に近似する一次関数ｆ（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を二次元座標上に求め、求めた一次関数ｆとｙ軸との交点ｂに対応する電圧値を、充放電中の電池Ｂの開回路電圧として推定開回路電圧を推定する。一次関数ｆは、例えば、図２に示すように二次元座標上の複数の座標位置を用いて、最小二乗法などによりを求める。

このように、座標位置算出部５と開回路電圧推定部６とを用いることで、電池Ｂが使用中であっても開回路電圧を推定することができる。例えば、車両に搭載された電池パックの場合であれば、車両走行中の開回路電圧を推定することができる。なお、車両停止後であっても、車両走行中の座標位置を利用して推定開回路電圧が推定できる時間内であれば、車両停止後の推定開回路電圧を推定してもよい。

充電率推定部７は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態（充電開始時刻）から充電終了（充電終了時刻）までの時間に得た充電量が所定充電量以上の場合、充電後に所定放電量の放電をした後、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、開回路電圧推定部６で推定した推定開回路電圧に対応する充電率を求める。

このように、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にない場合には充電率を推定しないで、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行してから推定することで、精度のよい充電率が求められる。また、求めた精度のよい充電率に基づいて、利用者に提示する電池Ｂの使用可能容量を求められるので、精度のよい使用可能容量を利用者に提示できる。

なお、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線とは、放電後に分極が解消すると見做せる分極解消時間を経てもこれ以上分極が解消しない状態の開回路電圧と、その開回路電圧に対応する充電率との関係を示す曲線である。

所定充電量は、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の推定開回路電圧と充電率とに対応する点を、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させるために必要な充電量（充電時の電流積算値）である。

所定放電量は、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の推定開回路電圧と充電率とに対応する点を、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させるために必要な放電量（放電時の電流積算値）である。なお、所定放電量は、例えば、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上のどの位置にあっても、同じ放電量としてもよい。また、所定放電量は、例えば、推定開回路電圧と充電率とに対応する点の充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の位置に応じて可変させてもよい。更に、所定放電量は、上記に加え電池の温度、電池の周辺温度に応じて可変させてもよい。

放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報は、開回路電圧と充電率とが関連付けられたテーブルや演算式が考えられる。放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報が記憶部２に記憶されるテーブルの場合、例えば、開回路電圧ＯＣＶｄ（開回路電圧ＯＣＶｄ１、ＯＣＶｄ２、ＯＣＶｄ３・・・・・・ＯＣＶｄｎ：ＯＣＶｄ１＜ＯＣＶｄ２＜ＯＣＶｄ３＜・・・・・・＜ＯＣＶｄｎ）と、充電率ＳＯＣｄ（開回路電圧ＯＣＶｄ１に対応する充電率ＳＯＣｄ１、開回路電圧ＯＣＶｄ２に対応する充電率ＳＯＣｄ２、開回路電圧ＯＣＶｄ３に対応する充電率ＳＯＣｄ３・・・・・・開回路電圧ＯＣＶｄｎに対応する充電率ＳＯＣｄｎ）とが関連付けられて記憶部２に記憶されている。なお、上記「ｎ」は「３」以上の整数である。また、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報は、実験やシミュレーションにより求める。なお、推定開回路電圧を用いて充電率を推定する場合、推定開回路電圧が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報の開回路電圧ＯＣＶｄ１に相当すれば、開回路電圧ＯＣＶｄ１に対応する充電率ＳＯＣｄ１が充電率となる。

充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線とは、充電後に分極解消時間を経てもこれ以上分極が解消しない状態の開回路電圧と、その開回路電圧に対応する充電率との関係を示す曲線である。

また、充電率推定部７は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態から充電終了までの時間に得た充電量が所定充電量未満の場合、充電量と同じ量の放電をした後、すなわち推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行した後、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、開回路電圧推定部６で推定した推定開回路電圧に対応する充電率を求める。

なお、充電量と同じ量の放電とは、充電量が電流積算値ΔＩｃ［Ａｈ］である場合には、充電量と同じ量の電流積算値ΔＩｃ［Ａｈ］の放電を示す。又は、充電量と同じ量の放電とは、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線との間にある推定開回路電圧と充電率とに対応する点が、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行したと見做せるだけの放電量を示す。すなわち、充電量と放電量は同じ量でなくてもよく、例えば、充電量以上の放電量でもよい。

このように、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にない場合には充電率を推定しないで、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行してから推定することで、精度のよい充電率を求められる。また、求めた精度のよい充電率に基づいて、利用者に提示する電池Ｂの使用可能容量を表示できるので、精度のよい使用可能容量を利用者に提示できる。

また、充電率推定部７は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行するまでは電流積算値を用いて充電率を求める。

図３、図４を用いて制御部１の動作を説明する。
図３、図４は、充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す図である。図３、図４の縦軸は開回路電圧（ＯＣＶ［Ｖ］）を示し、横軸は充電率（ＳＯＣ［％］）を示す。

（Ｓ１）制御部１は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態（充電開始時刻）から充電終了（充電終了時刻）までの時間に所定充電量以上の充電をしたか否かを判定する。すなわち、充電開始時刻から充電終了時刻までの時間における充電量が所定充電量以上であるか否かを、制御部１が判定をする。図３、図４では、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の交点Ｐ１が、充電により充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の交点Ｐ２に移行したか否かを判定する。

（Ｓ２）制御部１は、充電量が所定充電量以上の場合、充電後に所定放電量を放電する。図３に示すように、充電量が所定充電量以上の場合、推定開回路電圧がＯＣＶ２となり、推定開回路電圧ＯＣＶ２に対応する充電率がＳＯＣ２となり、交点Ｐ１が交点Ｐ２に移行しているので（言い換えると、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態と見做せるので）、制御部１は所定放電量の放電をし、交点Ｐ２を放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させる。すなわち、点Ｐ２を点Ｐ３に移行させる（推定開回路電圧ＯＣＶ２を推定開回路電圧ＯＣＶ３に移行させる）。

（Ｓ３）制御部１は、充電量が所定充電量未満の場合、充電量と同じ量の放電をする。図４に示すように、充電量が所定充電量未満の場合、推定開回路電圧がＯＣＶ２′となり、推定開回路電圧ＯＣＶ２′に対応する充電率がＳＯＣ２′となり、交点Ｐ１が交点Ｐ２′に移行しているので（言い換えると、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線との間にある状態と見做せるので）、制御部１は充電量と同じ量の放電をし、交点Ｐ２′を放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させる。すなわち、点Ｐ２′を点Ｐ１に移行させる（推定開回路電圧ＯＣＶ２′を推定開回路電圧ＯＣＶ１に移行させる）。

（Ｓ４）制御部１は、（Ｓ２）又は（Ｓ３）で放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させた後に推定開回路電圧を用いて、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させた推定開回路電圧に対応する充電率を求める。

（Ｓ２）で点Ｐ２を放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の点Ｐ３に移行させた場合、制御部１は、推定開回路電圧ＯＣＶ３を用いて、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、推定開回路電圧ＯＣＶ３に対応する充電率ＳＯＣ３を求める。又は、（Ｓ３）で点Ｐ２′を放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の点Ｐ１に移行させた場合、制御部１は、推定開回路電圧ＯＣＶ１を用いて、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、推定開回路電圧ＯＣＶ１に対応する充電率ＳＯＣ１を求める。なお、制御部１は、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行するまでは電流積算値を用いて充電率を求める。

このように、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線との間にある場合には、推定開回路電圧を用いて充電率を推定しないので、充電率を精度よく推定することができる。言い換えると、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある場合に充電率を推定することで、分極が大きくかつ分極解消に長時間を要する電池（充放電ヒステリシスが大きい電池）であっても、充電率を精度よく推定することができる。

また、従来のように充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線との間にある推定開回路電圧を用いて、放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を参照し、充電率を推定すると、推定した充電率は実際の充電率より大きくなる。そうすると利用者に提示される電池Ｂの使用可能容量の表示が精度よくされないため、例えば、満充電でないにもかかわらず、使用可能容量は満充電であることを表示したり、充電が必要な状態であるにもかかわらず、使用可能容量はまだ充電が不要な状態であることを表示したりすることになる。

車両においては、上記のように満充電でないにもかかわらず、使用可能容量が満充電であることを表示すると、利用者は表示を信じてまだ充電できるのに充電をしないことになる。また、車両においては、上記のように充電が必要な状態であるにもかかわらず、使用可能容量として充電不要な状態を表示すると、利用者は表示を信じて車両を走行し続けるため、車両が走行停止する原因となる。

しかし、実施形態によれば、推定開回路電圧と充電率とに対応する点が充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線との間にある場合に充電率を推定しないので、使用可能容量を精度よく表示することができる。また、車両に充電率推定装置が搭載されていれば、車両の走行停止を未然に防ぐことできる。

また、本発明は、以上の実施の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 制御部
２ 記憶部
３ 電流検出部
４ 電圧検出部
５ 座標位置算出部
６ 開回路電圧推定部
７ 充電率推定部
Ｂ 電池
Ｃｈ 充電器
Ｌｏ 負荷
ＳＷ スイッチ

Claims (4)

1. 充電後に得られる開回路電圧と充電率との関係を示す充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線と、放電後に得られる開回路電圧と前記充電率との関係を示す放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線とが異なる電池の前記充電率を推定する充電率推定装置であって、
   正の電流又は負の電流を示すｘ軸と正の電圧を示すｙ軸とからなる二次元座標における、検出タイミング毎に検出した電流及び電圧に対応する座標位置を算出し、記憶部に記憶する座標位置算出部と、
   前記座標位置算出部で算出した前記座標位置に近似する一次関数を前記二次元座標上に求め、求めた前記一次関数と前記ｙ軸との交点に対応する電圧値を、充放電中の前記電池の推定開回路電圧とする開回路電圧推定部と、
   前記推定開回路電圧と前記充電率とに対応する点が前記放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態から充電終了までの時間に得た充電量が所定充電量以上の場合、充電後に所定放電量の放電をした後、前記放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線を示す放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、前記推定開回路電圧に対応する前記充電率を求める充電率推定部と、
   を有することを特徴とする充電率推定装置。
2. 請求項１に記載の充電率推定装置であって、
   前記充電率推定部は、
   前記推定開回路電圧と前記充電率とに対応する点が前記放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上にある状態から充電終了までの時間に得た前記充電量が前記所定充電量未満の場合、前記充電量と同じ量の放電をした後、前記放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線情報を参照し、前記推定開回路電圧に対応する前記充電率を求める、
   を有することを特徴とする充電率推定装置。
3. 請求項１に記載の充電率推定装置であって、
   前記所定充電量は、前記放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の前記推定開回路電圧と前記充電率とに対応する点を、前記充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させるために必要な充電量である、
   ことを特徴とする充電率推定装置。
4. 請求項１に記載の充電率推定装置であって、
   前記所定放電量は、前記充電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上の前記推定開回路電圧と前記充電率とに対応する点を、前記放電用ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線上に移行させるために必要な放電量である、
   ことを特徴とする充電率推定装置。
   

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