JPH0984205A - 回生充電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池の状態に応じた正確な許容回生電力を推
定して回生充電制御を行なう。 【解決手段】 電池１１と、負荷の駆動時には電池１１
の放電電力を負荷の駆動力に変換するとともに、負荷か
らの電力回生時には負荷の駆動力を電池１１の充電電力
に逆変換する電力変換手段１２と、電池１１の両端電圧
を検出する電圧検出手段１４と、電池１１に流れる電流
を検出する電流検出手段１５と、負荷駆動時に電圧検出
手段１４と電流検出手段１５とによりそれぞれ電池１１
の放電電圧と放電電流とを測定し、その測定結果に基づ
いて電力回生時の許容回生電力を推定し、電力回生時の
電池１１の充電電力を許容回生電力以下に制御する制御
手段１６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回生電力による電
池の充電を制御する回生充電制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に示すように、電気自動車では負荷
の駆動時に電池１の放電電力をインバータ２を介してモ
ータ３へ供給し、走行エネルギーを発生している。電池
１は通常、停車中に充電器４が接続されて充電される
が、走行中の回生時には車両の走行エネルギーがモータ
３およびインバータ２を介して電気エネルギーに逆変換
され、電池１が充電されるとともに、車両に回生ブレー
キがかかる。ところで、電池に許容値以上の充電電圧が
印加されて電池が劣化するのを防止するために、電池を
回生充電する時の電力は電池の放電深度（以下、ＤＯＤ
(Depth of Discharge)と呼ぶ）、電池の温度、電池の劣
化状態などにより制限される。そこで、従来の電気自動
車の回生充電制御装置では、図９に示すようなＤＯＤ−
許容回生電力マップを予め車両のコントローラに記憶し
ておき、ＤＯＤに応じて回生充電制御を行なうなどの方
法がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
回生充電制御装置では、 （１） 電池の経年変化によって当初、コントローラに
記憶したＤＯＤ−許容回生電力マップから特性がずれ
る。 （２） 電池の放電電流を積算してＤＯＤを求めている
が、ＤＯＤの演算精度によっては算出された許容回生電
力に大きな誤差が生じる。 （３） 回生時の充電電圧の立ち上がりが早い時の電圧
制御応答が追いつかない。 という問題があり、その結果、最適な回生充電制御と回
生ブレーキ制御ができず、電池の充電電圧が許容値を越
えて電池の劣化を早めるおそれがある。

【０００４】本発明の目的は、電池の状態に応じた正確
な許容回生電力を推定して回生充電制御を行なう回生充
電制御装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、 （１） 請求項１の発明は、電池と、負荷の駆動時には
前記電池の放電電力を負荷の駆動力に変換するととも
に、前記負荷からの電力回生時には前記負荷の駆動力を
前記電池の充電電力に逆変換する電力変換手段と、前記
電池の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電池に
流れる電流を検出する電流検出手段と、前記負荷駆動時
に前記電圧検出手段と前記電流検出手段とによりそれぞ
れ前記電池の放電電圧と放電電流とを測定し、その測定
結果に基づいて前記電力回生時の許容回生電力を推定
し、前記電力回生時の前記電池の充電電力を前記許容回
生電力以下に制御する制御手段とを備える。電池の放電
電力を負荷の駆動力に変換して負荷を駆動する時の電池
の放電電圧と放電電流を測定し、その測定結果に基づい
て負荷からの電力回生時の許容回生電力を推定し、電力
回生時の電池の充電電力を許容回生電力以下に制御す
る。 （２） 請求項２の回生充電制御装置は、前記制御手段
によって、前記電池の反応段階を考慮して放電電圧と放
電電流を測定するようにしたものである。 （３） 請求項３の回生充電制御装置は、前記制御手段
によって、前記電池に流れる電流の内の放電電流を正と
した場合に、前記電池の電流Ｉとその変化率ｄＩ／ｄｔ
とが共に正となった時点から所定時間後に放電電圧と放
電電流を測定するようにしたものである。 （４） 請求項４の回生充電制御装置は、前記制御手段
によって、前記電池の放電電流の範囲を複数の領域に分
割し、各分割電流領域ごとに最新の放電電圧と放電電流
とを所定個数ずつ記憶し、記憶されている放電電圧と放
電電流に基づいて前記電池の電圧−電流特性を直線回帰
して許容回生電力を推定するようにしたものである。 （５） 請求項５の回生充電制御装置は、前記制御手段
によって、少なくとも３つ以上の分割電流領域の放電電
圧と放電電流に基づいて許容回生電力を推定するように
したものである。 （６） 請求項６の回生充電制御装置は、前記制御手段
によって、放電電気量または電力量が所定量となるごと
に測定された放電電圧と放電電流の測定結果に基づいて
許容回生電力を推定するようにしたものである。 （７） 請求項７の回生充電制御装置は、前記制御手段
によって、許容回生電力を推定したらそれまでの放電電
圧と放電電流の測定結果をすべて廃棄し、改めて放電電
圧と放電電流の測定を行なうようにしたものである。 （８） 請求項８の回生充電制御装置は、前記電池をリ
チウムイオン電池またはニッケル水素電池としたもので
ある。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明を電気自動車に応用した一
実施形態を説明する。なお、本発明は電気自動車への応
用に限定されず、回生電力により電池を充電する装置で
あれば本発明を応用することができる。図１は一実施形
態の構成を示すブロック図である。電池１１はインバー
タ１２に直流電力を供給し、インバータ１２は直流電力
を交流電力に変換して走行エネルギーを発生する。ま
た、回生時には車両の走行エネルギーがモータ１３およ
びインバータ１２を介して電気エネルギーに逆変換さ
れ、電池１１が充電されるとともに、車両に回生ブレー
キがかかる。電圧センサー１４は電池１１の両端電圧Ｖ
を検出し、電流センサー１５は電池１１に流れる電流Ｉ
を検出する。なお、電流Ｉは、モータ駆動時に電池１１
からインバータ１２へ流れる方向を正とし、回生充電時
にインバータ１２から電池１１へ流れる方向を負とす
る。コントローラ１６は、電圧センサー１４および電流
センサー１５により検出された電圧Ｖと電流Ｉとに基づ
いてインバータ１２の回生充電制御を行なう。なお、こ
の実施形態では電力変換手段としてインバータ１２を用
いた例を示すが、電力変換手段はインバータに限定され
ず、例えばコンバータなどのような順変換と逆変換が可
能なものであればよい。

【０００７】ここで、本発明の許容回生電力の演算方法
について説明する。ある種類の電池、例えばリチウムイ
オン電池やニッケル水素電池は次のような特性を有して
いる。 （１） 図２に示すように、ＤＯＤが低い状態（〜６０
％）では充電時と放電時の内部抵抗がほぼ一致する。 （２） 充放電時の電圧Ｖ−電流Ｉ特性の直線性がよ
い。 この種の電池のこのような特性を利用すれば、ＤＯＤや
温度などの電池の状態に応じた正確な許容回生電力を推
定することが可能である。なお、リチウムイオン電池や
ニッケル水素電池に限定されず、上記特性を有する電池
であればよい。

【０００８】許容回生電力の推定方法を説明する。図３
に示すように、まず放電中の電池のＶ−Ｉ特性をサンプ
リング（図中に×印で示す）する。上述したように、こ
の種の電池では充放電時の内部抵抗がほぼ一致し、且つ
Ｖ−Ｉ特性の直線性がよいので、サンプリング結果のＶ
−Ｉ特性を直線回帰することができ、さらに回帰直線を
充電側および放電側に延長することができる。図におい
て、回帰直線のＶ軸切片Ｅｏは電池の開放電圧を表わ
し、回帰直線の傾きは電池の内部抵抗Ｒを表わす。した
がって、回帰直線は、

【数１】Ｖ＝Ｅｏ−Ｉ・Ｒ と表わすことができる。また、回帰直線と充電時の許容
最大電圧Ｖmaxとの交点Ａの電流ＩCmaxは回生許容値を
与え、交点Ａでは次式が成立する。

【数２】Ｖmax＝Ｅｏ−ＩCmax・Ｒ 同様に、回帰直線と放電時の許容最小電圧Ｖminとの交
点Ｂの電流ＩDmaxは出力許容値を与え、交点Ｂでは次式
が成立する。

【数３】Ｖmin＝Ｅｏ−ＩDmax・Ｒ したがって、許容回生電力ＰCは上記数式２により、

【数４】 ＰC＝Ｖmax・ＩCmax＝Ｖmax・（Ｅｏ−Ｖmax）／Ｒ 許容放電電力ＰDは数式３により、

【数５】 ＰD＝Ｖmin・ＩDmax＝Ｖmin・（Ｅｏ−Ｖmin）／Ｒ となる。放電中のＶ−Ｉ特性のサンプリング値は、電池
のＤＯＤや温度などの電池の状態に応じた値であり、こ
のようなサンプリング値を直線回帰して求められる許容
回生電力ＰCと許容放電電力ＰDは、当然ながらＤＯＤや
温度などの電池の状態に応じた電力である。

【０００９】なお、上述した許容回生電力ＰCの演算に
際しては、図２に示すように電池のＤＯＤが６０％以下
であることを前提にした。電池のＤＯＤが６０％を越え
ると充放電時の内部抵抗に差が生じ、直線回帰による誤
差が増大し、算出される許容回生電力ＰCに誤差が含ま
れる。しかし、電池のＤＯＤが６０％を越える状態とい
うのは充分に放電した状態であるから、推定される許容
回生電力ＰCに多少の誤差があっても問題にならない。

【００１０】次に、放電中の電池のＶ−Ｉ特性のサンプ
リング方法を説明する。電池の電圧Ｖと電流Ｉとの関係
は上記数式１により表わされる。ところが、電池の内部
抵抗Ｒは、上述したようにＤＯＤにより変化する上に、
電池の化学反応による過渡変化が大きくて不安定であ
る。図４は、電池の放電電流Ｉをステップ状に変化させ
た時の電圧Ｖの変化を表わす。時刻ｔ１で電池の放電を
開始すると、電圧Ｖは内部抵抗Ｒのために急激に低下
し、さらに徐々に低下して安定する。電圧Ｖが急激に低
下する反応の過渡領域では、内部抵抗（電荷移動抵抗、
接触抵抗など）によって電圧Ｖが変化し、不安定であ
る。この過渡領域以後は拡散領域と呼ばれ、電圧Ｖは比
較的安定してくる。つまり、同一の電流において電圧を
サンプリングしても反応段階が異なれば同一の電圧が得
られない。同様に、同一の電圧において電流をサンプリ
ングしても反応段階が異なれば同一の電流が得られな
い。このように、電池自体の化学反応の段階によって電
圧Ｖおよび電流Ｉが変動するので、車両用モータの瞬時
出力維持に必要な時間に応じた電池の能力を正確に推定
するためには、電池の反応段階を考慮してＶ−Ｉ特性の
サンプリングを行なう必要がある。

【００１１】図５は、放電中の電圧Ｖと電流Ｉのサンプ
リングタイミングを説明する図である。データ採取に際
して、放電反応から充電反応あるいは放電反応から放電
停止というような、異なる反応形態間の過渡現象を除く
ために、放電反応の立ち上がりだけを検出し、放電反応
中の電圧Ｖと電流Ｉをサンプリングする。さらに、過渡
領域における不安定な状態のデータ採取を避けるととも
に、拡散領域で変化する抵抗Ｒの差を少なくするため
に、放電反応の立ち上がりから所定時間後の電圧Ｖと電
流Ｉをサンプリングする。放電反応の立ち上がりは、電
流Ｉとその変化率ｄＩ／ｄｔが共に正となった時点とす
る。図５の例では、時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５が放電反応の
開始点になり、それらの開始点から所定時間Δｔ後の時
刻ｔ２，ｔ４，ｔ６でそれぞれ電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と
電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とをサンプリングする。これによ
り、電池の状態が急激に変化する不安定な過渡領域にお
ける測定を避けて、安定な拡散領域における電池の放電
電圧と放電電流を測定することができ、その測定結果に
基づいて正確な許容回生電力ＰCを推定することができ
る。なお、Ｖ−Ｉ特性のサンプリングに際しては、放電
反応の立ち上がりから所定時間内に新たに放電反応の開
始条件が成立した場合には、その時点から改めて計時を
開始し、所定時間後に電圧Ｖと電流Ｉをサンプリングす
る。

【００１２】上述したタイミングでサンプリングしたデ
ータは、次の方法でストックする。放電電流の範囲を複
数の領域に分割し、各領域ごとに所定個数のストックメ
モリを用意する。例えば図６に示すように、放電電流の
範囲を５つの領域に分割し、各領域ごとに３個ずつスト
ックメモリを用意する。そして、所定のサンプリング時
間中に、上述したタイミングで電流ｉｎと電圧ｖｎ（ｎ
はサンプリング順位を示す）とをサンプリングし、電流
領域ごとに分類してストックする。電流領域におけるデ
ータが所定個数に達したら、最も古いデータを消去して
最新のデータをストックする。例えば図６の例におい
て、次に（ｉ8，ｖ8）のデータがサンプリングされ、そ
のデータがＩ2〜Ｉ3領域に含まれる場合には、その領域
の最も古いデータ（ｉ3，ｖ3）を消去し、代りに最新の
データ（ｉ8，ｖ8）を記憶する。このサンプリングデー
タのストック方法によれば、各分割電流領域ごとに一次
回帰するのに充分な所定個数のデータしかストックしな
いので、特定の分割電流領域に集中したサンプリングデ
ータに基づくＶ−Ｉ特性の直線回帰が避けられ、放電電
圧と放電電流の広い範囲のサンプリングデータに基づい
て正確な直線回帰が可能となり、正確な許容回生電力Ｐ
Cを推定できる。また、分割電流領域ごとに所定個数の
サンプリングデータをストックするので、放電電流範囲
内の広い範囲のサンプリングデータを用いて正確な直線
回帰を行なうことができ、正確な許容回生電力ＰCを推
定できる上に、コントローラに膨大なメモリ容量を確保
する必要もなくなる。

【００１３】Ｖ−Ｉ特性のサンプリングは所定時間内、
もしくは所定の放電量経過ごとに行ない、所定時間内に
採取されて上記方法でストックしたデータに基づいて上
述したように許容回生電力ＰCを推定する。許容回生電
力ＰCの推定処理を終了したらメモリにストックされて
いるサンプリングデータをすべて消去し、次のサンプリ
ング時間には改めてデータをストックする。これによ
り、電池の最新の状態における放電電圧と放電電流をサ
ンプリングすることができ、最新の電池状態におけるサ
ンプリングデータに基づいて正確な許容回生電力ＰCを
推定できる。時系列的に得られたＰCは、ディジタルフ
ィルタ例えば移動平均により処理を行ない推定精度を高
めることができる。

【００１４】図７は、コントローラ１６の回生充電制御
を示すフローチャートである。このフローチャートによ
り、実施形態の動作を説明する。コントローラ１６は、
電気自動車の運行中はこの制御プログラムを繰り返し実
行する。ステップ１において、上述したタイミングで所
定時間または所定電気量、電力量内に電圧Ｖと電流Ｉを
サンプリングし、上述した方法でサンプリングデータを
ストックする。サンプリングが終了したら、ステップ２
で狭い電流範囲での回帰演算を防止して推定精度を高め
るため、３つ以上の分割電流領域にサンプリングデータ
がストックされているか否かを確認する。３つ以上の領
域にデータがストックされていればステップ３へ進み、
ストックデータによりＶ−Ｉ特性を直線回帰し、その傾
きから内部抵抗Ｒを算出する。一方、ステップ２におい
て３つ以上の分割電流領域にサンプリングデータがスト
ックされていなかった時は、ＰCの演算は行なわない
（更新せず）。ステップ４において、回帰直線により許
容最大電圧Ｖmaxにおける電流ＩCmaxを求め、上記数式
４により許容回生電力ＰCを算出する。続くステップ５
で、算出した許容回生電力ＰCをインバータ１２（また
はコントローラ１６）へ出力し、回生時の電力が許容回
生電力ＰC以下になるように制御する。

【００１５】以上の一実施形態の構成において、電池１
１が電池を、インバータ１２が電力変換手段を、電圧セ
ンサー１４が電圧検出手段を、電流センサー１５が電流
検出手段を、コントローラ１６が制御手段をそれぞれ構
成する。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、電池の放電電力を負荷の駆動力に変換して負荷を
駆動する時の電池の放電電圧と放電電流を測定し、その
測定結果に基づいて負荷からの電力回生時の許容回生電
力を推定し、電力回生時の電池の充電電力を許容回生電
力以下に制御するようにしたので、ＤＯＤや温度などの
電池の状態に応じた正確な許容回生電力を推定でき、電
池の状態に応じた最適な回生充電制御と回生ブレーキ制
御を行なうことができる。請求項２の発明によれば、電
池の反応段階を考慮して放電電圧と放電電流を測定する
ようにしたので、電池の状態が急激に変化する不安定な
過渡領域における測定を避けて、安定状態における電池
の放電電圧と放電電流を測定することができ、その測定
結果に基づいて正確な許容回生電力を推定することがで
きる。請求項３の発明によれば、電池に流れる電流の内
の放電電流を正とした場合に、電池の電流Ｉとその変化
率ｄＩ／ｄｔとが共に正となった時点から所定時間後に
放電電圧と放電電流を測定するようにしたので、電池の
状態が急激に変化する不安定な過渡領域における測定を
避けて、安定な拡散領域における電池の放電電圧と放電
電流を測定することができ、その測定結果に基づいてモ
ータの瞬時出力の維持に必要な時間を考慮した正確な許
容回生電力を推定することができる。請求項４の発明に
よれば、電池の放電電流の範囲を複数の領域に分割し、
各分割電流領域ごとに最新の放電電圧と放電電流とを所
定個数ずつ記憶し、記憶されている放電電圧と放電電流
に基づいて電池の電圧−電流特性を直線回帰して許容回
生電力を推定するようにしたので、特定の分割電流領域
に集中した測定データに基づく電池のＶ−Ｉ特性の直線
回帰が避けられ、放電電圧と放電電流の広い範囲の測定
データに基づいて正確な直線回帰が可能となり、正確な
許容回生電力を推定することができる。請求項５の発明
によれば、少なくとも３つ以上の分割電流領域の放電電
圧と放電電流に基づいて許容回生電力を推定するように
したので、特定の分割電流領域に集中した測定データに
基づく電池のＶ−Ｉ特性の直線回帰が避けられ、放電電
圧と放電電流の広い範囲の測定データに基づいて正確な
直線回帰が可能となり、さらに正確な許容回生電力を推
定することができる。請求項６の発明によれば、放電電
気量または電力量が所定量となるごとに測定された放電
電圧と放電電流の測定結果に基づいて許容回生電力を推
定するようにしたので、電池の最新の状態における放電
電圧と放電電流を測定することができ、最新の電池状態
における正確な許容回生電力を推定できる。請求項７の
発明によれば、許容回生電力を推定したらそれまでの放
電電圧と放電電流の測定結果をすべて廃棄し、改めて放
電電圧と放電電流の測定を行なうようにしたので、電池
の最新の状態における放電電圧と放電電流とに基づいて
正確な許容回生電力を推定できる。請求項８の発明によ
れば、電池にリチウムイオン電池またはニッケル水素電
池を用いたので、ＤＯＤが低い状態では充電時と放電
時の内部抵抗がほぼ一致し、充放電時の電圧−電流特
性の直線性がよい、というリチウムイオン電池の特性を
利用して、ＤＯＤや温度などの電池の状態に応じた正確
な許容回生電力を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の構成を示すブロック図。

【図２】電池の放電深度（ＤＯＤ）と内部抵抗との関係
を示す図。

【図３】放電時の電圧Ｖと電流Ｉのサンプリングデータ
による許容回生電力の演算方法を説明する図。

【図４】電池の放電電流をステップ状に変化させた時の
電圧の変化を示す図。

【図５】放電中の電圧Ｖと電流Ｉのサンプリングタイミ
ングを示す図。

【図６】サンプリングデータのストック方法を説明する
図。

【図７】一実施形態の回生充電制御プログラムを示すフ
ローチャート。

【図８】電気自動車の構成を示す図。

【図９】電池の放電深度（ＤＯＤ）と許容回生電力マッ
プを示す図。

【符号の説明】

１１ 電池 １２ インバータ １３ モータ １４ 電圧センサー １５ 電流センサー １６ コントローラ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電池と、 負荷の駆動時には前記電池の放電電力を負荷の駆動力に
   変換するとともに、前記負荷からの電力回生時には前記
   負荷の駆動力を前記電池の充電電力に逆変換する電力変
   換手段と、 前記電池の両端電圧を検出する電圧検出手段と、 前記電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、 前記負荷駆動時に前記電圧検出手段と前記電流検出手段
   とによりそれぞれ前記電池の放電電圧と放電電流とを測
   定し、その測定結果に基づいて前記電力回生時の許容回
   生電力を推定し、前記電力回生時の前記電池の充電電力
   を前記許容回生電力以下に制御する制御手段とを備える
   ことを特徴とする回生充電制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回生充電制御装置にお
   いて、 前記制御手段は、前記電池の反応段階を考慮して放電電
   圧と放電電流を測定することを特徴とする回生充電制御
   装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の回生充電制御装置にお
   いて、 前記制御手段は、前記電池に流れる電流の内の放電電流
   を正とした場合に、前記電池の電流Ｉとその変化率ｄＩ
   ／ｄｔとが共に正となった時点から所定時間後に放電電
   圧と放電電流を測定することを特徴とする回生充電制御
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの項に記載の回
   生充電制御装置において、 前記制御手段は、前記電池の放電電流の範囲を複数の領
   域に分割し、各分割電流領域ごとに最新の放電電圧と放
   電電流とを所定個数ずつ記憶し、記憶されている放電電
   圧と放電電流に基づいて前記電池の電圧−電流特性を直
   線回帰して許容回生電力を推定することを特徴とする回
   生充電制御装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の回生充電制御装置にお
   いて、 前記制御手段は、少なくとも３つ以上の分割電流領域の
   放電電圧と放電電流に基づいて許容回生電力を推定する
   ことを特徴とする回生充電制御装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかの項に記載の回
   生充電制御装置において、 前記制御手段は、放電電気量または電力量が所定量とな
   るごとに測定された放電電圧と放電電流の測定結果に基
   づいて許容回生電力を推定することを特徴とする回生充
   電制御装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の回生充電制御装置にお
   いて、 前記制御手段は、許容回生電力を推定したらそれまでの
   放電電圧と放電電流の測定結果をすべて廃棄し、改めて
   放電電圧と放電電流の測定を行なうことを特徴とする回
   生充電制御装置。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかの項に記載の回
   生充電制御装置において、 前記電池はリチウムイオン電池またはニッケル水素電池
   であることを特徴とする回生充電制御装置。