JP2015230169A

JP2015230169A - 電池の状態検出装置

Info

Publication number: JP2015230169A
Application number: JP2014114720A
Authority: JP
Inventors: 英伸石田; Hidenobu Ishida; 賢弘鎌田; Takahiro Kamata
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2015-12-21

Abstract

【課題】移動体に配置された電池の状態を検出する電池の状態検出装置において、電池の状態の検出を短時間で行うことにある。
【解決手段】電池（１）の状態検出装置（２）は、電池（１）に充電する充電器（３）と、電池（１）の電圧を検出する電圧検出器（８）と、電池（１）への充電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、電池（１）の状態を検出する制御装置（９）とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、電池の状態検出装置に係り、特に電池（バッテリ）の状態を早期に検出する電池の状態検出装置に関する。

電池（バッテリ）は、過充電又は過放電の状態となると、劣化が促進されることが知られている。
このような電池において、例えば、自動車や太陽電池システム等に用いられる電池は、充電と放電とを繰り返すため、過充電状態や過放電状態に陥ることがある。
そこで、電池が過充電状態や過放電状態とならないように、充電量や放電量を制御するため、電池の状態を正確に検出する必要がある。
ところが、車両等に用いられる電池は、走行中に内部の電解液が泳動や対流等を起こし、また、このような泳動や対流は走行毎に異なるため、電解液のイオン濃度の過渡的な変化が走行毎に異なる。
このように、イオン濃度の過渡的な変化が異なると、充放電の停止後に電池の状態を常に正確に求めることは、困難であった。
このような問題点を解消するために、例えば、以下のような先行技術文献がある。

特開２０１０−２８１７２３号公報

特許文献１に係る蓄電デバイスの状態検知方法及びその装置は、充放電を停止している電池に所定容量の状態検知前充電を行い、次に、状態検知前充電を終了してから所定時間経過したときの電池の電圧を所定周期で測定し、次に、電池の充放電を停止させて略一定となったときの停止時安定電圧からの電圧測定値の変化量を、緩和関数Ｆ（ｔ）で最適近似し、最適近似された緩和関数Ｆ（ｔ）から状態量を推定し、最後に、推定された状態量を所定閾値と比較して放電能力を判定するものである。

ところが、上記の特許文献１では、充放電の停止後、略一定となったときの安定電圧を用いるため、電池の状態の検出結果を得るまで時間がかかるという問題があった。

そこで、この発明は、電池の状態の検出を短時間で行うことができる電池の状態検出装置を提供することを目的とする。

この発明は、移動体に配置された電池の状態検出装置において、前記電池に充電する充電器と、前記電池の電圧を検出する電圧検出器と、前記電池への充電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、前記電池の状態を検出する制御装置とを備えることを特徴とする。

この発明は、電池の状態の検出を短時間で行うことができる。

図１は電池の状態検出装置のシステム構成図である。（実施例）図２はＳＯＣ（充電残量）とＯＣＶ（開回路電圧）とのマップである。（実施例）図３は電池の状態検出のフローチャートである。（実施例）図４は図３における電池の状態検出のサブルーチンのフローチャートである。（実施例）図５はモデル関数の条件を示す図である。（実施例）図６は測定データへのフィット結果を示すグラフである。（実施例）図７は３本の直線を用いたモデル関数の図である。（実施例）

この発明は、電池の状態の検出を短時間で行う目的を、電池への充電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、電池の状態を検出して実現するものである。

図１〜図７は、この発明の実施例を示すものである。
図１に示すように、移動体としての車両（ハイブリッド車等の車両）には、エンジンの他に、電池としてのメインバッテリ１を含む回路が配置されるとともに、メインバッテリ１の状態（充電残量（ＳＯＣ）等）を検出する電池の状態検出装置２が備えられる。

回路は、メインバッテリ１と、充電器（発電機）３と、電気負荷４と、電流検出器６と、補助バッテリ（補助デバイス）７と、電圧検出器８とを含んで構成される。充電器３は、エンジンの動力によって発電する発電機である。充電器３は、発電した電力をメインバッテリ１へ充電する。電気負荷４は、例えば、車両のヘッドランプやメータである。電気負荷４は、メインバッテリ１から供給された電力で作動する。
メインバッテリ１と電気負荷４との間には、メインバッテリ１から電気負荷４への放電を停止させるスイッチング回路５が接続される。
メインバッテリ１とスイッチング回路５との間には、電流検出器６が配置される。この電流検出器６は、メインバッテリ１から気負荷４へ流れる電流値を検出する。
メインバッテリ１と電気負荷４は、スイッチング回路５を介して補助バッテリ７に接続される。補助バッテリ７は、メインバッテリ１の充電量が低下している場合、スイッチング回路５が補助バッテリ７と電気負荷４とを接続するように切り換えられ、電気負荷４へ電力が供給される。また、充電器３が充電を停止している場合、スイッチング回路５が補助バッテリ７とメインバッテリ１とを接続するように切り換えられ、メインバッテリ１へ電力が供給される。
メインバッテリ１には、メインバッテリ１の電圧を検出する電圧検出器８が接続される。
電流検出器６と電圧検出器８とは、制御装置９に接続される。

制御装置９は、電流検出器６が接続された電流積算部１０と、電圧検出器８が接続されたＯＣＶ（開回路電圧）予測演算部１１と、電流積算部１０とＯＣＶ予測演算部１１とが接続された推定結果の選択部１２とを備える。この推定結果の選択部１２には、充電残量（ＳＯＣ）出力部１３が接続される。
電流積算部１０は、設定された間隔で電流検出器６から電流値を取得し、電流積算値を算出する。さらに、電流検出器６は、算出した電流積算値に基づき、メインバッテリ１のの電力の残量を推定する。
ＯＣＶ予測演算部１１は、電流検出器６が接続された充電放電処理分岐部１４と、この充電放電処理分岐部１４に接続された充電停止データ（充電電圧データ）モデル計算部１５及び放電停止データ（放電電圧データ）モデル計算部１６と、充電停止データモデル計算部１５及び放電停止データモデル計算部１６に接続されるとともに推定結果の選択部１２に接続される両計算結果の連立部１７とを備える。
充電放電処理分岐部１４は、電圧検出器８からメインバッテリ１の電圧を取得し、充電停止データモデル計算部１５及び放電停止データモデル計算部１６へ出力する。
充電停止データモデル計算部１５及び放電停止データモデル計算部１６は、途中の電圧データだけでも収束先の開回路電圧（ＯＣＶ）を低減させる。
両計算結果の連立部１７は、開回路電圧（ＯＣＶ）に対する正負の誤差を打ち消すことにより、開回路電圧（ＯＣＶ）の推定誤差を低減させる。

制御装置９には、各種データを記憶するメモリ１８と、車両状態検出部１９とが接続される。車両状態検出器１９は、車両の停止状態を検出するために用いられるものであって、例えば、イグニッションキーのオン又はオフを検出するセンサや、エンジンのクランク角センサ等である。

制御装置９は、電池としてのメインバッテリ１への充電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データ（電圧（Ｅ）、対数時間Ｌｏｇ（Ｔ））により、メインバッテリ１の状態（充電残量（ＳＯＣ）等）を検出する。
また、制御装置９は、電気負荷４への放電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、メインバッテリ１の状態（充電残量（ＳＯＣ）等）を検出する。
更に、制御装置９は、図５に示すように、少なくとも変曲点を含む電圧データを検出する。
この図５では、対数時間を電圧の関数として見た場合に、極値でない変曲点の関数をモデルとする。３次式を例にとり、具体的な式で表現すると、以下のようになる。
Ｌｏｇ（Ｔ）＝ａＥ^３＋ｂＥ^２＋ｃＥ＋ｄ
ここで、Ｅは、電圧である。ａは、ａ＞０の関係がある。
対数時間の計算は、軸スケールを適切に圧縮して電圧の収束の様子をより明瞭に把握させる。この図５の３次関数では、中央の変曲点に対して点対称なグラフとなる。
また、制御装置９は、図２に示すように、充電残量（ＳＯＣ（％））と開回路電圧（ＯＣＶ（Ｖ））とのマップを備える。この図２では、開回路電圧（ＯＣＶ（Ｖ））が大きくなるほど、充電残量（ＳＯＣ（％））が二次曲線的に大きくなる。

即ち、この実施例においては、車両に利用されるバッテリでは、走行中の充電残量（ＳＯＣ）をできるだけ正確に把握して残存エネルギを有効に活用するとともに、バッテリの性能劣化が早まる過放電・過充電の２領域を避けることが重要である。
充電残量（ＳＯＣ）を正確に把握するため、充放電停止後の回路を開いた状態での開回路電圧（ＯＣＶ）を解析する手法として、以下の手法を用いる。
（１）、電圧の変化を計測したデータに対して時間の対数を採るとともに、時間を電圧の関数とみる逆関数の考え方を導入すると、途中に極値でない変曲点を持つグラフとなることに気づき、その特徴を持つ関数モデルでフィットさせる（例えば、３次関数や３本の直線等）。
この関数モデルでのフィット結果については、図６に示される。図６においては、３次関数であって、フィット計算の規模が小さく、また、その計算の時間が短く、さらに、３次式等の多項式を用いることから、その計算量が少ない。
（２）、充電終了後の開回路電圧（ＯＣＶ）のデータだけでなく、放電停止後の開回路電圧（ＯＣＶ）の両方を使い、それぞれのフィット結果を活用し（例えば、交点や各漸近値の平均をするなど）、開回路電圧（ＯＣＶ）を推定する。
ここで、逆関数とは、本来独立変数である時間（Ｔ）を従属変数の電圧（Ｅ）で表現しなおす見方であり、以下に例を挙げる。
例１：Ｅ＝ｅ^−２Ｔの逆関数は、Ｔ＝（−１／２）×１ｎ（Ｅ）である。
例２：Ｅ＝３Ｔ−７の逆関数は、Ｔ＝（Ｅ＋７）／３である。

次いで、この実施例に係る電池の状態検出について、図３のフローチャートに沿って説明する。
図３に示すように、制御装置９の電池の状態検出のプログラムが開始すると（ステップＡ０１）、先ず、制御装置９は、電流積算部１０で電流検出器６の出力値に基づいて電流値の積算を行い（ステップＡ０２）、また、この電流積算部１０による電流の積算値に基づいて充電残量（ＳＯＣ）を算出する（ステップＡ０３）。
そして、制御装置９は、車両が停止状態になったか否かを判定する（ステップＡ０４）。なお、車両の停止状態は、メインバッテリ１の放電が停止したか否かを判断すれば良い。
このステップＡ０４がＮＯの場合には、前記ステップＡ０２に戻す。
このステップＡ０４がＹＥＳの場合には、ＯＣＶ予測演算部１１は、電圧データを取得するサブルーチンを実行する（ステップＡ０５）。このステップＡ０５におけるサブルーチンについては、後述の図４のフローチャートに沿って具体的に説明する。
このステップＡ０５のサブルーチンの後は、一方で、制御装置９は、サブルーチンが完了すると、メインバッテリ１へ補助バッテリ７から電力を供給して充電を行うために、スイッチング回路５を切り替える（ステップＡ０６）。
その後、制御装置９は、補助バッテリ７ヘの切り替えから所定時間経過したとき、メインバッテリ１の充電を停止するために、スイッチング回路５を切り替える（ステップＡ０７）。
さらに、制御装置９は、車両が停止伏態と判定すると、ＯＣＶ予測演算部１１により、前記ステップＡ０５と同じサブルーチンを実行する（ステップＡ０８）。
そして、制御装置９は、前記ステップＡ０５で取得した電圧データと前記ステップＡ０８で取得した電圧データとに基づき、充電停止データモデル計算部１５により、充電停止データモデルを計算する（ステップＡ０９）。
また、前記ステップＡ０５のサブルーチンの後は、他方で、制御装置９は、サブルーチンで取得した電圧データに基づき、放電停止データモデル計算部１６により、放電停止データモデルを計算する（ステップＡ１０）。
前記ステップＡ０９の処理後及び前記ステップＡ１０の処理後に、両計算結果の連立部１７は、前記ステップＡ０５で取得したＬｏｇ（Ｔ）と、前記ステップＡ０９又は前記ステップＡ１０で取得したＬｏｇ（Ｔ）とを連立し、開回路電圧（ＯＣＶ）を求める（ステップＡ１１）。
そして、制御装置９は、図２のマップに基づいて、開回路電圧（ＯＣＶ）を充電残量（ＳＯＣ）に変換する（ステップＡ１２）。
その後、電流積算部１０は、電流積算値をリセットする（ステップＡ１３）。
そして、このプログラムを終了する（ステップＡ１４）。

図３の前記ステップＡ０５、前記ステップＡ０８におけるサブルーチンについて、図４のフローチャートに沿って説明する。
図４に示すように、サブルーチンのプログラムがスタートすると（ステップＢ０１）、ＯＣＶ予測演算部１１は、電圧検出器６の端子電圧（Ｅ）を取得し（ステップＢ０２）、計測時間（Ｔ）を算出する（ステップＢ０３）。また、このステップＢ０３では、計測時間（Ｔ）が経過するまで、設定時間おきに電圧検出器６の出力値を計測し、その値を設定時間毎にメモリ１８に保存する。
そして、ＯＣＶ予測演算部１１は、メモリ１８に記憶された出力値に基づいて、電圧（Ｅ）と計測時間（Ｔ）との対数時間Ｌｏｇ（Ｔ）を計算する（ステップＢ０４）。
その後、ＯＣＶ予測演算部１１は、計算した対数時間Ｌｏｇ（Ｔ）の変曲点（図５参照）が確認できたか否かを判定する（ステップＢ０５）。
具体的には、Ｌｏｇ（Ｔ）の２階微分を算出し、零（０）を検出したか否かを判定する。なお、符号の反転を検出しても良い。
対数時間Ｌｏｇ（Ｔ）は、３次式で、
Ｌｏｇ（Ｔ）＝ａＥ^３＋ｂＥ^２＋ｃＥ＋ｄ
で求められる。ここで、Ｅは、電圧である。ａは、ａ＞０の関係がある。
そして、この電圧ＥをＹ＝Ｌｏｇ（Ｔ）で２階微分した量である（ｄ^２Ｅ／ｄＹ^２）の差分表現は、
（ｄ^２Ｅ／ｄＹ^２）の差分表現＝（Ｅ（Ｙ＋２ΔＹ）−２Ｅ（Ｙ＋ΔＹ）＋ＥＹ）／（ΔＹ）^２
で求められる。
つまり、充電停止直後には、電流が零（０）になることで、メインバッテリ１の内部に存在する直流内部抵抗による電圧降下が生じる。この場合、１ｍｓ程度での急な変化に対応し、この電圧データは、以後のフィット計算では含めないとする。電圧の変化は、最終的には一定値（ＯＣＶ）に向かって収束を行うが、時間を対数表現にすると、図５に示すように、変曲点があり、この変曲点の前後でカーブの凹凸が変化する。そこで、電圧の計測毎に、上記の（ｄ^２Ｅ／ｄＹ^２）の差分表現を評価し、その符号が逆転した場合には、変曲点以降のある一定量の電圧データの予測をした後、その予測を終了させる。また、２階微分による変曲点の確認計算は、電圧の収束の様子を表現するグラフ形状を的確に把握させる。
前記ステップＢ０５がＮＯの場合には、前記ステップＢ０２に戻す。
前記ステップＢ０５がＹＥＳの場合には、ＯＣＶ予測演算部１１は、計測時間（Ｔ）の開始から図５の変曲点までの電圧データ（電圧（Ｅ）、対数時間Ｌｏｇ（Ｔ））をメモリ１８に記憶する（ステップＢ０６）。
そして、このプログラムをリターンする（ステップＢ０７）。

以上、この発明について説明してきたが、上述の実施例の構成を請求項毎に当てはめて説明する。
先ず、請求項１に係る発明では、制御装置９は、電池であるメインバッテリ１への充電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、メインバッテリ１の状態を検出する。
このように構成すれば、電圧が安定するまで待つことなく、早期にメインバッテリ１の状態を検出することができる。
請求項２に係る発明では、制御装置９は、電気負荷４への放電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、メインバッテリ１の状態を検出する。
このように構成すれば、電圧が安定するまで待つことなく、早期にメインバッテリ１の状態を検出することができる。
請求項３に係る発明では、制御装置９は、図５に示すように、少なくとも変曲点を含む電圧データを検出する。
このように構成すれば、電圧が変曲点に到達する前の電圧データを用い、変曲点後の電圧を予測するため、予測精度を向上することができる。

また、この実施例においては、図７に示すように、３本の直線（３本の一次式）として、第１〜第３直線Ｌ１〜Ｌ３を用いたモデル関数とすることも可能である。つまり、図５に示すように、３次関数では中央の変曲点に対して点対称なグラフであるので、その特徴を生かし、第１〜第３直線Ｌ１〜Ｌ３を用いて表現し、単純に第１〜第３直線Ｌ１〜Ｌ３で近似する。

この発明に係る電池の状態検出装置は、各種電動車両に適用可能である。

１メインバッテリ（電池）
２電池の状態検出装置
３充電器
４電気負荷
５スイッチング回路
６電流検出器
７補助バッテリ
８電圧検出器
９制御装置
１０電流積算部
１１ＯＣＶ予測演算部
１２推定結果の選択部
１３充電残量（ＳＯＣ）出力部
１４充電放電処理分岐部
１５充電停止データ（充電電圧データ）モデル計算部
１６放電停止データ（放電電圧データ）モデル計算部
１７両計算結果の連立部
１８メモリ
１９車両状態検出器

Claims

移動体に配置された電池の状態を検出する電池の状態検出装置において、前記電池に充電する充電器と、前記電池の電圧を検出する電圧検出器と、前記電池への充電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、前記電池の状態を検出する制御装置とを備えることを特徴とする電池の状態検出装置。
移動体に配置された電池の状態を検出する電池の状態検出装置において、前記電池に接続された電気負荷と、前記電気負荷への放電を停止させるスイッチング回路と、前記電池の電圧を検出する電圧検出器と、前記電気負荷への放電の停止後から電圧が安定する前までの電圧データにより、前記電池の状態を検出する制御装置とを備えることを特徴とする電池の状態検出装置。
前記制御装置は、少なくとも変曲点を含む前記電圧データを検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池の状態検出装置。