WO2008066203A1 - Programme d'estimation d'état de charge, système de transport sans fil et procédé de charge - Google Patents

Description

充電状態予測プログラム、 架線レス交通システム及びその充電方法 技術分野

本発明は、 蓄電池を搭載して該蓄電池から電力の供給を受けて走行する架線レ ス交通システムにおいて、 該蓄電池の充電状態を予測可能とすることによって、 該蓄電池の過充電及び過放電を防止し、 適切な充電状態とすることによって、 該 蓄電池の劣化を防止するとともに、 充電電流を大きくすることができ、 これによ つて駅等で停車中に急速充電を可能とした架線レス交通システムに関する。 背景技術

蓄電池を搭載して該蓄電池から電力の供給を受けて走行する架線レス交通シス テムにおいては、地上に設けられた充電設備から該蓄電池に充電する必要がある。 この場合、 該蓄電池の容量の制約から駅など複数箇所に該充電設備を設けている が、 駅での停車時間は短いため、 急速充電が要求される。 また、 該蓄電池の過充 電又は、 過放電を防止し適切な充電状態 SO C (S t a t e o f C a r g e) を管理するために蓄電池の充電状態 SOCを検知する必要があるが、 車両で は停車中でも通電を停止できないため、 開回路電圧による充電状態 SO Cの実測 ができない。

特許文献 1 (特開平 10— 108380号公報） には、 低温下での回生操作の 非効率を改良し、 あらゆる環境下で回生効率の良い回生操作を可能とすることを 目的とした電気自動車用二次電池の充電装置及びその充電方法が開示されている。 特許文献 1では、 二次電池の温度及び電圧から算出した充電可能 DOD% (放電 深度 D e p t h o f D i s c ha r ge ;定格容量に対する放電電気量の比 率） と、 予め記憶回路に記憶された二次電池の温度、 充電可能な放電深度及び電 圧をパラメータとした関数とを比較することにより、 最適な充電電力となるよう に充電電力を制御するようにしたものである。

また本出願人が先に出願した特許文献 2 (特願 2006— 003637号） で は、 架線レス交通システムにおいて、 車両に搭載された蓄電池の電圧を検出し、 該検出電圧が予め設定された充電終了電圧以上となったとき充電を停止するよう にした充電方法を提案している。 しかし、 温度変動がある環境下では、 温度変動 によつて蓄電池の内部抵抗の特性が変わるため、 充電状態 S〇 Cの把握に誤差が 生じる。

このため特許文献 2の図 5に示された実施形態では、 蓄電池の温度調整手段を 設け、 この温度調整手段により蓄電池の充電状態 S O C (S t a t e o f C a r g e ) に対し該蓄電池を望ましい温度に保持し、 これによつて温度の影響 を受けやすい充電状態の管理精度を向上し、 過充電を防止して蓄電装置の劣化を 抑制するようにしている。

特許文献 1では、 二次電池の温度及び電圧から算出した充電可能放電深度と、 予 め記憶回路に記憶された二次電池の温度、 充電可能な放電深度及び電圧をパラメ 一夕とした関数とを比較することにより、 最適な充電電力となるように充電電力 を制御するようにしているが、 温度変動により蓄電池の内部抵抗が変化し、 これ によって充電可能な放電深度が異なってくるため、 温度変動を加味した面倒な制 御を行なう必要がある。

また特許文献 2の手法では、 蓄電池に温度調整手段を設け、 温度変動を考慮す る必要がないという長所があるが、蓄電装置の温度調整手段を設ける必要があり、 装置構成が複雑になる問題点がある。

また電流積算法で充電状態 S O Cを算出する方法もある。 電池の充放電量は電 流値の時間積分 （単位；アンペアアワー） で現わされるため、 測定する電池電流 を時間積分することで電池の充電状態が算出できる。 電流積算法は、 かかる方法 で車両の蓄電池の充電状態 S 0 Cを算出するものであるが、 時間とともに積算し ていくため、 電流の計測精度が悪いほど時間の経過とともに算出する充電状態の 誤差が累積していくという問題点がある。 発明の開示

本発明は、 このような背景に鑑みなされたものであり、 車両に蓄電池を搭載し 該蓄電池の電力を消費して車両を走行させる架線レス交通システムにおいて、 該 蓄電池の充電状態 S〇 Cをオンラインで精度良く予測することにより、 充電状態 を適切な範囲に保持し、 もって該蓄電池の過充電又は過放電を防止して該蓄電池 の劣化を防止するとともに、 該蓄電池の充電時に充電電流を大きくして急速充電 を可能にすることを課題とする。

前記課題を解決するため、 本発明の充電状態予測プログラムは、

架線レス交通システムの車両に搭載された蓄電池の充電状態をコンピュータに よつて予測するための予測プログラムであって、

該予測プログラムは、 コンピュータに該蓄電池の電流と電圧の計測値から、 瞬 時の電流変化に支配される第 1の抵抗成分と、 キャパシ夕ンスと第 2の抵抗成分 とを並列接続させて遅い過度応答に支配される回路成分とを直列接続させて、 開 回路電圧とからなる該蓄電池の等価回路素子値をオンラインで導出させ、 該第 1の抵抗成分と、 k = (該第 2の抵抗成分） / (該第 1の抵抗成分） と、 て = (該キャパシタンス） X (該第 1の抵抗成分） の実測値から該回路成分の電 位を算出させ、 該回路成分の電位から該開回路電圧を算出させ、 該開回路電圧か ら充電状態を算出させるものである。

本発明の充電状態予測プログラムでは、 まず車両に搭載された蓄電池の電流と 電圧の計測値から、 瞬時の電流変化に支配される第 1の抵抗成分と、 キャパシタ ンスと第 2の抵抗成分とを並列接続させて遅い過度応答に支配される回路成分と を直列接続させて、 開回路電圧とからなる該蓄電池の等価回路素子値をオンライ ンで導出させる。 この等価回路を図 1 ( a ) に示す。 この等価回路は、 瞬時の電 流変化に支配される第 1の抵抗成分 R ₁と、 キャパシタンス Cと第 2の抵抗成分 R ₂と並列接続させて遅い過度応答に支配される C R ₂回路成分に分けられ、該第 1の抵抗成分 R _xと C R ₂回路成分とを直列接続させて等価回路の素子値は温度 条件等により変動する。 V cは C R ₂回路の電位、 Eは蓄電池の開回路電圧であ り、 電流、 電圧の関係式は図 1 ( b ) の （1 ) 及ぴ （2 ) 式で表される。

充放電中の端子電圧 Vは、 開回路電圧 Eから、 内部抵抗とキャパシタンスによ つて電圧が上昇または降下したものである。 従って、 内部抵抗がわかれば、 充放 電中の電圧と電流から開回路電圧 Eを算出することができる。 第 1の抵抗成分 R iは例えば放電開始時の電圧降下から求めることができる。 また本発明者等は、 k = (該第 2の抵抗成分） Z (該第 1の抵抗成分） と、 て = (該キャパシタンス） X (該第 2の抵抗成分） の実測値は、 蓄電池ごとに温度 の影響を受けずほぼ一定値を示すという知見を得た。 この知見に基づいて、 第 1 の抵抗成分 Rい k及びての実測値から C R ₂回路の電位 V cを算出することがで きる。

C R ₂回路の電位 V cを算出できれば、 図 1 ( b ) の （1 ) 式から開回路電圧 Eを算出できる。 開回路電圧 Eが算出できれば、 開回路電圧 Eと充電状態 S O C との間には、 蓄電池の特性によって決まる特定の関係があることは既知であるの で、 開回路電圧 Eから充電状態 S O Cを算出できる。

このように車両に搭載された蓄電池の充電状態をオンラインで算出できるので、 充電状態を適正な範囲に保持でき、従って蓄電池の過放電又は過充電を防止でき、 蓄電池の劣化を防止できるとともに、 蓄電池に充電時には充電電流を大きくする ことができる。

またオンラインで蓄電池の内部抵抗をモニタリングできるので、 蓄電池の劣ィ匕 状態 S OH ( S t a t e o f H e a l t h ) の評価にも有効である。

また本発明の架線レス交通システムは、 車両に蓄電池を搭載し該蓄電池の電力 で定められた軌道を走行する架線レス交通システムにおいて、 地上に設けられた 充電電源と該軌道に沿った地上に設けられ該充電電源に接続された送電装置とか らなる地上充電設備と、 該車両に搭載され充電位置で該車両が停止したときに該 送電装置と対面する車載受電装置と、該蓄電池の電流及び電圧を検知する手段と、 請求項 1に記載の充電状態予測プログラムによつて作動するコンピュータからな る充電状態演算手段と、 該充電状態演算手段で演算された充電状態に基づいて該 送電装置による該蓄電池への充電を制御する手段とを備えたものである。

架線レス交通システムは、 車両に駆動用蓄電池を搭載し架線をなくすことがで き、 建設コストを大幅に削減できる上、 架線のメンテナンスの不要になるととも に、 ブレーキ時には車両の運動エネルギを効率良く蓄電池に回収し再利用できる 長所をもつ。

本発明の架線レス交通システムでは、 さらに前記地上充電設備から車両に搭載 された蓄電池に充電を行なう。 充電時には地上に沿った地上に設けられた送電装 置に車載受電装置を対面させる位置に車両を停止させる。 そして非接触で該送電 装置から該車載受電装置に充電を行う。 また前記構成を有する充電状態予測プロ グラムを備えたコンピュータからなる充電状態演算装置を備えているので、 前記 の手順で該蓄電池の充電状態をオンラインで算出できる。 該充電状態演算装置で 演算された充電状態に基づいて該送電装置による該蓄電池への充電を制御する手 段を備えているので、 算出された充電状態を適正範囲に保持でき、 これによつて 過放電又は過充電を防止できる。

また本発明の充電方法は、 前記構成の架線レス交通システムの車両の蓄電池に 該地上充電設備から充電する方法において、 該蓄電池の電圧の上限値に対応する 充電電流の上限値を設定し、 該充電電流の上限値を越えないように充電を行い、 該充電状態演算手段によって演算された充電状態が予め設定された充電状態設 定値に達した場合に充電を終了するものである。

本発明の充電方法によれば、 蓄電池の電圧の上限値に対応する充電電流の上限 値を設定し、 該充電電流の上限値を越えないように充電を行うため、 過充電を防 止でき、 また充電状態演算装置によって演算された充電状態が予め設定された充 電状態設定値に達した場合に充電を終了するようにしているため、 適正範囲の所 望の充電状態に充電することができる。

本発明の充電状態予測プログラムによれば、 車両に搭載された蓄電池の充電状 態をオンラインで算出できるので、 充電状態を適正な範囲に保持でき、 従って蓄 電池の過放電又は過充電を防止でき， 該蓄電池の劣化を防止できる。 また、 蓄電 池の電圧の上限値に達しない範囲で充電電流を大きくすることが可能となり、 従 つて駅での停車時に急速充電が可能となる。

またオンラインで蓄電池の内部抵抗をモニタリングできるので、 蓄電池の劣化 状態 S OH ( S t a t e o f H e a 1 t h ) の評価にも有効である。

本発明の架線レス交通システムによれば、 充電状態予測プログラムを備えたコ ンピュー夕からなる充電状態演算装置を備えているので、 該蓄電池の充電状態を オンラインで算出でき、 また該充電状態演算装置で演算された充電状態に基づい て該送電装置による該蓄電池への充電を制御する手段を備えているので、 算出さ れた充電状態を適正範囲に保持できる。 これによつて過放電又は過充電を防止で き、 蓄電池の劣化を防止できるとともに、 充電電流を大きくすることが可能とな り、 駅等での停車時に急速充電が可能となる。

また本発明の充電方法によれば、 蓄電池の電圧の上限値に対応する充電電流の 上限値を設定し、 該充電電流の上限値を越えないように充電を行うため、 過充電 を防止でき、 蓄電池の劣化を防止できる。 また充電状態演算装置によって演算さ れた充電状態が予め設定された充電状態設定値に達した場合に充電を終了するよ うにしているため、 適正範囲の所望の充電状態に充電することができる。 図面の簡単な説明

第 1図は、 （a)は本発明の車載蓄電池の等価回路を示す回路図、 （b)は電流、 電圧の関係式である。

第 2図は、本発明の架線レス交通システムの第 1実施形態を示す構成図である。 第 3図は、 前記第 1実施形態の充電状態予測プログラムのフローチヤ一トであ る。

第 4図は、 前記第 1実施形態の第 1抵抗成分 R！と温度との関係を示す線図で ある。

第 5図は、 前記第 1実施形態のて (= C X R ₂) と温度との関係を示す線図で ある。

第 6図は、 前記第 1実施形態の k (= R ₂/R _X) と温度との関係を示す線図で める。

第 7図は、 前記第 1実施形態で開回路電圧 Eと充電状態 S O Cとの関数曲線の 一例を模式的に示す線図である。

第 8図は、 前記第 1実施形態の充電方法を示すフローチヤ一トである。

第 9図は、前記第 1実施形態によるモニタ電圧（図 1の V)と開回路電圧（図 1の E) の一例を示す線図である。

第 1 0図は、前記第 1実施形態で算出した充電状態 S〇 Cを示す線図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。 伹 しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、 材質、 形状、 その相対的配置等 は特に特定的な記載がない限りは、 この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではな い。

(実施形態 1 )

図 2は、 本発明の架線レス交通システムの第 1実施形態を示す構成図である。 図 2において、 車両 1は、 レール等の予め定められた軌道 （図示略） を走行する 車両、 例えば L R T交通システムで走行する車両である。 車両 1には走行その他 車両全体の制御を行なう制御装置 1 1が搭載されている。 また車両 1には、 リチ ゥムイオン二次電池などの充電可能な二次電池 1 4が搭載され、 二次電池 1 4の 電流及び電圧が電流電圧検出手段 1 5によって検出され、 その検出信号が制御装 置 1 1に送られる。

制御装置 1 1には、 二次電池 1 4の充電状態 S O Cを予測するプログラムによ つて稼動するコンピュータを備えた充電状態 S O C演算手段 1 2、 及び該演算手 段 1 2によって予測された二次電池 1 4の充電状態 S O Cに基づいて二次電池 1 4の充電状態 S〇 Cを制御する手段 1 3が装備されている。 車両 1に設置された 車載通信装置 1 6は、 地上に設置された地上充電制御装置 2 1の地上通信装置 2 4と連絡を取り合いながら充電操作を行なう。 また車両 1には車載受電装置 1 7 が装備され、 車載受電装置 1 7は、 車両 1が充電のため地上送電装置 2 5に対面 する位置に停止した時、 地上送電装置 2 5から非接触にて受電し、 受電した電力 を二次電池 1 4に給電する。

駅など車両 1の二次電池 1 4に充電可能な場所には、 地上充電設備 2が設けら れ、 地上充電設備 2には、 充電電源 2 2と地上充電制御装置 2 1とが設置され、 充電電源 2 2から地上送電装置 2 5を介して車両 1に電力が供給される。 充電電 源 2 2には充電電流 （電力） 設定手段 2 3が設けられ、 充電電流 （電力） 設定手 段 2 3によって充電電源 2 2から予め設定された充電電流 （電力） を出力するよ うに構成されている。 充電電源 2 2は、 地上制御装置 2 1から充電終了指令を受 けると通電を停止する。

通常二次電池 1 4の温度による特性のばらつきを考慮しても走行中に過充電や 過放電を起こさないようにするため、 目標充電状態 S O Cは 6 0〜8 5 %程度の 範囲内となるよう充電終了 S O Cを設定する。 なお駅ごとに目標とする充電状態 s〇cや、 予め設定される充電電流の設定を変えてもよい。 充電電流が大きいほ ど急速充電が可能となる。

図 3は、 充電状態 S O C演算手段 1 2に搭載されたコンビュ一タを稼動させる 充電状態予測プログラムのフローチャートである。 該充電状態予測プログラムで は、 図 1に示す二次電池 1 4の等価回路を設定する。 その後図 3に示すフローチ ヤートに従って、 オンラインで等価回路素子値を導出する。 図 3において、 まず 電流電圧検出手段 1 5により二次電池 1 4の電流及び電圧の変動値がオンライン で計測され （ステップ 1及び 2 )、 それらの変動値から第 1の抵抗成分 が算出 される （ステップ 4)。 なお、 電流変動値が最小設定値より小さい場合は、 ノイズ と看做して第 1の抵抗成分 Rい第 2の抵抗成分 R ₂及びキャパシタンス Cの算出 は行わず、 前回の計測値を用いる (ステップ 3 )。

次に k = (該第 2の抵抗成分 R ₂) / (該第 1の抵抗成分 R と、 て = (該キ ャパシタンス C) X (該第 2の抵抗成分 R ₂) を求める。 キャパシタンス Cと第 2抵抗成分 R ₂の等価回路成分では、 指数関数的に電圧が変化し飽和する。 飽和 した最終の電圧変化分 Δ Vを電流で割って第 2抵抗成分 R ₂を導出する。 電圧変 化分 Δ Vの約 6 3 %まで電圧が変化するまでの時間が時定数てであり、 キャパシ タンス Cと第 2抵抗成分 R ₂との積である。 また第 2抵抗成分 R ₂と第 1抵抗成分 1^との比が kである。

図 4は、第 1抵抗成分 と温度との関係を示す線図、 図 5は、 て (= C X R ₂) と温度との関係を示す線図、 図 6は、 k (= R ₂/R ₁) と温度との関係を示す線 図である。 図 4〜 6はそれぞれ実測値であり、 図からわかるように、 第 1抵抗成 分 1^は温度によって変動するが、 τ及び kは、 多少のばらつきはあるが、 温度 によって変動しない二次電池 1 4ごとに決まる一定値を呈する。

図 3において、 ステップ 5及び 6で算出した第 2抵抗成分 R ₂及びキャパシ夕 ンス Cの値をステツプ 7の式に代入することにより、 キャパシタンス Cと第 2抵 抗成分 R ₂の等価回路成分の電位 V cを算出することができる。 次にステップ 8 の式に該電位 V cの算出値を代入することによって、開回路電圧 Eを算出できる。 開回路電圧 Eと充電状態 S O Cとの関係は、 二次電池 1 4の固有の特性で決まる 関数で決定されるので、 開回路電圧 Eが算出できれば、 充電状態 SOCを算出す ることができる。 該関数曲線の一例を模式的に示したのが図 7である。

本実施形態によれば、 このような手順で二次電池 14の充電状態 SOCを算出 することができる。 充電状態 SOCを算出した後、 図 8に示す手順に従って充電 操作を行なう。 図 8において、 ステップ 1に示す式で、 電圧の上限値 E_maxに対 して安全率ひを掛けて充電電流の上限値 I _{l imi t}を設定する。 ステップ 2で充電 電流 I _{c h a r g}。が該上限値を越えないように制御されて、充電が開始される（ス テツプ 3 )。 そして充電状態 S〇 Cが目標充電状態 SOC _{t a r ge t}に達した時 (ステップ 4)、 充電操作を終了させる （ステップ 5)。

本実施形態によるモニタ電圧 （図 1の V) と開回路電圧 （図 1の E) の一例を 図 9に示す。 通電による電圧変動の影響をフィルタリングして開回路電圧を検知 できていることがわかる。 また図 10に本実施形態で算出した充電状態 SOCを 示す。

本実施形態によれば、 車両 1に搭載された二次電池 14の充電状態 S O Cを精 度良く予測できるので、 充電状態 SOCを適正な範囲に保持でき、 従って二次電 池 14の過放電又は過充電を防止でき、充電状態を適正な範囲に保持できるので、 該二次電池の劣化を防止できる。

またオンラインで二次電池 14の内部抵抗をモニタリングできるので、 該二次 電池の劣化状態 SOH (S t a t e o f He a l t h) の評価にも有効であ る。

また図 8に示された本実施形態の充電方法によれば、 二次電池 14の充電電圧 の上限値に対応する充電電流の上限値 I _{l imi t}を設定し、 該上限値を越えないよ うに充電を行うため、 過充電を防止でき、 蓄電池の劣化を防止でき、 充電電流を 大きくすることが可能となり、 駅での停車時に急速充電が可能となる。 また充電 状態 S OC演算手段 12によって演算された充電状態が予め設定された充電状態 設定値 S OC_{t a r ge t}に達した場合に充電を終了するようにしているため、 適 正範囲の所望の充電状態に充電することができる。 産業上の利用可能性 本発明によれば、 蓄電池を搭載して該蓄電池から電力の供給を受けて走行する 架線レス交通システムにおいて、 該蓄電池の充電状態を精度良く予測可能とする ことによって、 該蓄電池の過充電及び過放電を防止し、 適切な充電状態とするこ とによって、 該蓄電池の劣化を防止するとともに、 充電電流を大きくすることが でき、 これによつて駅等で停車中に急速充電を可能とする。

Claims

1 . 架線レス交通システムの車両に搭載された蓄電池の充電状態をコンピュー タによつて予測するための予測プログラムであって、

該予測プログラムは、 コンピュータに該蓄電池の電流と電圧の計測値から、 瞬 時の電流変化に支配される第請 1の抵抗成分と、 キャパシタンスと第 2の抵抗成分 とを並列接続させて有し遅い過度応答に支配される回路成分とを直列接続させて、 求

開回路電圧とからなる該蓄電池の等価回路素子値をオンラインで設定させ、

の n

該第 1の抵抗成分と、 k = (該第 2の抵抗成分） / (該第 1の抵抗成分） と、 て = (該キャパシタンス） X (該第 2の抵抗成分） の実測値から該回路成分の電 位を算出させ、 囲

該回路成分の電位から該開回路電圧を算出させ、

該開回路電圧から充電状態を算出させることを特徴とする充電状態予測プログ ラム。

2 . 充電状態予測プログラムによって作動するコンピュータを具え、 車両に蓄電 装置を搭載し該蓄電池の電力で定められた軌道を走行する架線レス交通システム において、

地上に設けられた充電電源と該軌道に沿った地上に設けられ該充電電源に接続 された送電装置とからなる地上充電設備と、

該車両に搭載され充電位置で該車両が停止したときに該送電装置と対面する車 載受電装置と、

該蓄電池の電流及び電圧を検知する手段と、

前記請求項 1記載の充電状態予測プログラムによって作動するコンピュータか らなる充電状態演算手段と、

該充電状態演算手段で演算された充電状態に基づいて該送電装置による該蓄電 池への充電を制御する手段とを備えたことを特徴とする架線レス交通システム。

3 . 請求項 2に記載の架線レス交通システムの該車両の蓄電池に該地上充電設 備から充電する方法において、

該蓄電池の電圧の上限値に対応する充電電流の上限値を設定し、 該充電電流の 上限値を越えないように充電を行い、

該充電状態演算手段によつて演算された充電状態が予め設定された充電状態設 定値に達したときに充電を終了することを特徴とする架線レス交通システムの充 電方法。