JP2021179311A - 電池ｓｏｃ推定システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を休止させることなく充電中に正確に二次電池のＳＯＣを推定することが可能な電池ＳＯＣ推定システムの提供にある。【解決手段】二次電池の端子電圧および温度を監視するとともに、二次電池に対する充放電を制御し、かつ、二次電池の現時点のＳＯＣ推定値である現在ＳＯＣを算出する制御装置１９を備え、制御装置１９は、起動時の初期ＳＯＣに、電流値を積算した電流積算値に基づき取得される積算ＳＯＣを加算することにより現在ＳＯＣを算出する演算部と、充電時における端子電圧が予め設定した閾値以上か否かを判別する判別部と、連続充電時間毎に電池温度および充電電流に対応する補正ＳＯＣが設定された補正ＳＯＣマップと、を備え、演算部は、端子電圧が予め設定した閾値以上と判別されたとき、補正ＳＯＣマップに基づき当初ＳＯＣを補正ＳＯＣに補正するとともに積算ＳＯＣをリセットして、更新後の現在ＳＯＣを取得する。【選択図】 図３

Description

この発明は、電池ＳＯＣ推定システムに関する。

電池ＳＯＣ推定システムの従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された充電量推定方法および充電量推定装置が知られている。特許文献１の充電量推定装置は、充放電を行う電池の内部抵抗の抵抗値であって第１抵抗値及び第２抵抗値を含む内部抵抗の抵抗値及び開放電圧を逐次推定する充電量推定装置である。この充電量推定装置は、充電時パラメータ推定部と、放電時パラメータ推定部と、充電率推定部と、を備える。充電時パラメータ推定部は、電池の充電時の内部抵抗の抵抗値を推定する。放電時パラメータ推定部は、電池の放電時の内部抵抗の抵抗値を推定する。充電率推定部は、充電時又は放電時の内部抵抗の抵抗値のうち第１又は第２抵抗値のいずれか一方に基づいて電池の充電率を算出する。

また、別の従来技術としては、例えば、特許文献２に開示された電池システムが知られている。特許文献２の電池システムは、ＳＯＣ推定手段を備えている。このＳＯＣ推定手段は、リチウムイオン二次電池の温度および内部抵抗値の対応関係を示す第１マップを用いて内部抵抗値を推定する。ＳＯＣ推定手段は、特性の異なる複数の第１マップと、黒鉛のインターカレーションステージを判定する黒鉛ステージ判定部とを備え、判定された黒鉛のインターカレーションステージに基づいて第１マップを切り替える。なお、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）はバッテリの充電率（バッテリの残容量の満充電容量に対する割合を百分率で表したもの）である。

特開２０１６−２１１９２３号公報 特開２０１７−１１６３３６号公報

しかしながら、特許文献１では、充電時の内部抵抗と放電時の内部抵抗とを正確に計算して推定するため、充電と放電との間で電池を休止させる必要があり、電流、電圧、温度を測定してから内部抵抗を推定し、充電率を算出するまでに時間がかかるという問題がある。また、特許文献２では、電池温度から内部抵抗を推定するので電池を長時間休止させる必要があり、内部抵抗を推定するまでに時間がかかるという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、二次電池を休止させることなく充電中に正確に二次電池のＳＯＣを推定することが可能な電池ＳＯＣ推定システムの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、充放電可能な二次電池と、前記二次電池の流出入電流を計測する電流計測部と、前記二次電池の端子電圧および前記二次電池の温度を監視するとともに、前記二次電池に対する充放電を制御し、かつ、前記二次電池の現時点のＳＯＣ推定値である現在ＳＯＣを算出する制御装置と、を備えた電池ＳＯＣ推定システムにおいて、前記制御装置は、システム起動時のＳＯＣである初期ＳＯＣに、前記電流計測部により測定された電流値を積算した電流積算値に基づき取得される積算ＳＯＣを加算することにより前記現在ＳＯＣを算出する演算部と、充電時における前記端子電圧が予め設定した閾値以上か否かを判別する判別部と、連続充電時間毎に電池温度および充電電流に対応する補正ＳＯＣが設定された補正ＳＯＣマップと、を備え、前記演算部は、前記判別部により前記端子電圧が予め設定した閾値以上と判別されたとき、前記補正ＳＯＣマップに基づき前記初期ＳＯＣを前記補正ＳＯＣに更新するとともに前記積算ＳＯＣをリセットして、補正後の現在ＳＯＣを取得することを特徴とする。

本発明では、二次電池の充電中に二次電池の端子電圧が予め設定した閾値以上と判別部により判別されると、補正ＳＯＣマップに基づき初期ＳＯＣを補正ＳＯＣに更新し、積算ＳＯＣをリセットする。このため、補正ＳＯＣを補正後の現在ＳＯＣとして取得することで、電流計測部の測定誤差の積算による現在ＳＯＣにおける累計誤差が解消することができ、正確な現在ＳＯＣを取得することができる。充電中に現在ＳＯＣの推定ができることから推定のために必要な時間を短縮化できる。なお、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）はバッテリの充電率（バッテリの残容量の満充電容量に対する割合を百分率で表したもの）である。

また、上記の電池ＳＯＣ推定システムにおいて、前記閾値は、前記二次電池の充電上限電圧である構成としてもよい。
この場合、充電時における端子電圧が二次電池の充電上限電圧以上であると判別されたとき、現在ＳＯＣの更新をすることができる。

また、上記の電池ＳＯＣ推定システムにおいて、前記制御装置は、前記補正後の現在ＳＯＣを充電停止後に次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶する構成としてもよい。
この場合、補正後の現在ＳＯＣを充電停止後に次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶するため、次回の充電時においてより推定精度の高い初期ＳＯＣを用いることができる。

本発明によれば、二次電池を休止させることなく充電中に正確に二次電池のＳＯＣを推定することが可能な電池ＳＯＣ推定システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る電池ＳＯＣ推定システムの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る連続充電時間毎に電池温度および充電電流に対応する補正ＳＯＣが設定された補正ＳＯＣマップの例を示す図である。 本発明の充電時にＳＯＣを補正する手順を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態に係る電池ＳＯＣ推定システムについて図面を参照して説明する。本実施形態は、産業車両としてのフォークリフトに搭載された車載用の電池ＳＯＣ推定システムの例である。なお、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は二次電池の充電率（二次電池の残容量の満充電容量に対する割合を百分率で表したもの）である。

図１に示すように、電池ＳＯＣ推定システム１０は、二次電池としての電池モジュール１１と、電流計測部１２と、電圧計測部１３と、温度計測部１４と、電池監視部１５と、車両制御部１６と、リレー１７と、を備えている。

電池モジュール１１は、複数の電池セル（図示せず）から構成されており、充放電可能である。電池セルは、例えば、リチウムイオン電池である。電流計測部１２は電池モジュール１１の流出入電流（充電電流および放電電流）を計測する。電流計測部１２は、例えば、電流計である。電圧計測部１３は電池モジュール１１の端子電圧を計測する。電圧計測部１３は、例えば、電圧計である。温度計測部１４は電池モジュール１１の温度を計測する。温度計測部１４は、例えば、温度計である。

電池監視部１５は、電池モジュール１１の状態を監視するとともに、電池モジュール１１に対する制御を行う。電池監視部１５は、例えば、コンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵおよびメモリ等の記憶部を備える。記憶部には、ＳＯＣ推定を実行するプログラムのほかＳＯＣを補正するプログラムやＳＯＣを補正するためのマップ等が記憶されている。図１では電池モジュール１１が１個であるが、電池ＳＯＣ推定システム１０は複数の電池モジュール１１を備えてもよく、複数の電池モジュール１１が備えられる場合、電池モジュール１１の数に対応する電池監視部１５が備えられる。

図１に示すように、電池ＳＯＣ推定システム１０は、リレー１７を介して充電装置１８と接続されている。車両制御部１６は、電池監視部１５と通信可能であり、電池監視部１５から送信される信号を受信して、リレー１７を介して電池ＳＯＣ推定システム１０と接続される充電装置１８を制御する。リレー１７は、充電時において電池ＳＯＣ推定システム１０と充電装置１８とを接続するように作動される。放電時においては、電池ＳＯＣ推定システム１０は走行用の電動モータ等の負荷（図示せず）と接続され、充電装置１８と接続されない。

充電装置１８は、家庭または充電スタンドに代表される外部の電源を用いて電池モジュール１１を充電する際に用いられる。本実施形態では、充電装置１８は車両制御部１６からの指令に基づき充電電圧や充電電流などを制御する構成としている。なお、電池監視部１５からの指令に基づき充電電圧や充電電流などの制御を行ってもよい。充電装置１８は車両の構成、充電装置１８の性能、使用目的、外部の電源の設置条件などに応じて車両内部に設置してもよいし、車両の外部に設置することもできる。

車両制御部１６は、例えば、コンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵおよびメモリ等の記憶部を備える。記憶部には、リレー１７および充電装置１８を制御するプログラムや車両の各部を制御するプログラム等が記憶されている。本実施形態では車両制御部１６は、電池監視部１５とともに制御装置１９を構成する。

本実施形態の電池ＳＯＣ推定システム１０は、電池モジュール１１のＳＯＣを推定し、必要に応じてＳＯＣを補正する。具体的には、電池監視部１５は、初期ＳＯＣに積算ＳＯＣ（△ＳＯＣ）を加算することにより現在ＳＯＣを算出する。初期ＳＯＣは、電池ＳＯＣ推定システム１０の起動時のＳＯＣである。積算ＳＯＣ（△ＳＯＣ）は、電流計測部１２により測定された電流値を積算した電流積算値に基づき取得されるＳＯＣである。現在ＳＯＣは現時点のＳＯＣ推定値である。電池監視部１５は演算部に相当する。

電池監視部１５は、充電時における電池モジュール１１の端子電圧（電池実電圧）Ｖｒが予め設定した閾値である充電上限電圧Ｖｕ以上のとき、後述する補正ＳＯＣマップを用いて算出された現在ＳＯＣのうち初期ＳＯＣを更新する。そして、電池監視部１５は、初期ＳＯＣの更新後に積算ＳＯＣをリセットする。電池監視部１５は、初期ＳＯＣの更新および積算ＳＯＣのリセットによって補正後の現在ＳＯＣを取得し、補正後の現在ＳＯＣを次回の充電時の初期ＳＯＣとして記憶する。

電池監視部１５は、初期ＳＯＣの更新および積算ＳＯＣのリセットの条件を判別するため、充電時における電池モジュール１１の端子電圧（電池実電圧）Ｖｒが予め設定した閾値である充電上限電圧Ｖｕ以上か否かを判別する。したがって、電池監視部１５は判別部に相当する。因みに、電池ＳＯＣ推定システム１０に複数の電池モジュール１１が備えられる場合には、電池モジュール１１の数に対応する電池監視部１５が備えられる。この場合、車両制御部１６は複数の電池監視部１５と通信可能である。

電池監視部１５は、電池モジュール１１の充電時に初期ＳＯＣを更新する場合に用いる複数の補正ＳＯＣを備えている。図２に示すように、連続充電時間（ｔ秒、ｔ＋１秒、ｔ＋２秒、・・・、ｔ＋ｎ秒）毎の補正ＳＯＣマップ（Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２、・・・、Ｍｎ）が用意されている。補正ＳＯＣマップにおける電池モジュール１１の温度（以下「電池温度」と表記する）Ｔは−Ｘ［℃］〜Ｘ［℃］の範囲で設定されている。補正ＳＯＣマップにおける充電電流Ｉは、０［Ａ］〜Ｙ［Ａ］の範囲で設定されている。補正ＳＯＣマップには、連続充電時間における電池温度Ｔ［℃］および充電電流Ｉ［Ａ］に対応する補正ＳＯＣ［％］が設定されている。例えば、電池モジュール１１の連続充電時間がｔ秒であり、電池温度Ｔが０℃であって、充電電流Ｉが１０Ａのときには、補正ＳＯＣマップＭ０が用いられ、補正ＳＯＣマップＭ０において電池温度０℃と充電電流１０Ａによって特定される補正ＳＯＣが選択される。そして、初期ＳＯＣは選択した補正ＳＯＣに更新される。補正マップにおける補正ＳＯＣは、予め電池モジュール１１の目標充電電圧を基準として設定され、経験的な知見に基づく値である。

図２では示されないが、補正ＳＯＣマップでは、充電電流Ｉが小さく電池温度Ｔが高いほど、補正ＳＯＣは高い値が設定されており、充電電流Ｉが大きく電池温度Ｔが低いほど、補正ＳＯＣは低い値が設定されている。なお、補正ＳＯＣマップは連続充電時間毎に設定されるが、電池モジュール１１の充電では、一定時間の経過により分極反応が一定となるため、分極反応が一定となる以降についての補正ＳＯＣマップを用意する必要はない。つまり、補正ＳＯＣマップは充電開始から限られた時間（例えば、２分以内）のみ必要であり、補正ＳＯＣマップの数は少ない。

電池モジュール１１のＳＯＣの推定および補正は、電池監視部１５の動作による一連のステップを含む図３のフローチャートに従う。なお、図３に示す一連のステップは一定時間毎に電池監視部１５により実行されるものとする。

図３に示すように、まず、電池ＳＯＣ推定システム１０が起動し、充電の準備が開始されると、前回の充電の履歴から初期ＳＯＣを決定する（ステップＳ０１）。前回の電池ＳＯＣの履歴から呼び出される初期ＳＯＣは、電池ＳＯＣ推定システム１０が前回の起動時のときに現在ＳＯＣとして記憶されている。電池ＳＯＣ推定システム１０の起動時のみ処理されるステップである。

次に、電池モジュール１１に対する定電流による充電（定電流充電）を開始する（ステップＳ０２）。電池モジュール１１に対して定電流充電が開始されると、充電時の電流を積算することにより積算ＳＯＣ（△ＳＯＣ）を算出して取得する（ステップＳ０３）。積算ＳＯＣは、電流計測部１２により計測された電流値を積算した電流積算値に基づき計算されて取得される。

次に、初期ＳＯＣに積算ＳＯＣを加算して現在ＳＯＣ（現在ＳＯＣ＝初期ＳＯＣ＋△ＳＯＣ）を算出する（ステップＳ０４）。したがって、充電時間が長くなるほど積算ＳＯＣが増大する。また、電流計測部１２の測定誤差は、充電時間が長くなるほど電流積算値に反映され、積算された測定誤差は現在ＳＯＣの推定において無視できないものとなる。

次に、電池モジュール１１の実際の端子電圧（電池実電圧）Ｖｒが充電上限電圧Ｖｕ以上である（Ｖｒ≧Ｖｕ）か否かを判別する（ステップＳ０５）。電池モジュール１１の電池実電圧Ｖｒは電圧計測部１３が計測する電圧であり、充電上限電圧Ｖｕは、予め設定された端子電圧の閾値である。ステップＳ０５において電池モジュール１１の電池実電圧Ｖｒが充電上限電圧Ｖｕ以上であると判別されると、補正ＳＯＣマップを用いて初期ＳＯＣを更新する（ステップＳ０６）。

補正ＳＯＣマップは連続充電時間毎に用意されている。補正ＳＯＣマップには、電池温度Ｔと充電電流Ｉに基づいて初期ＳＯＣを更新するための補正ＳＯＣが設定されている。このため、電流計測部１２により計測される充電電流Ｉおよび温度計測部１４に計測された電池温度Ｔによって補正ＳＯＣを決定する。ステップＳ０６では、補正ＳＯＣマップを用いて初期ＳＯＣを更新することにより、更新後の初期ＳＯＣは補正ＳＯＣマップによって決定された補正ＳＯＣとなる。なお、補正ＳＯＣマップは連続充電時間毎に設定されるが、電池モジュール１１では充電時において一定時間の経過により分極反応が一定となるため、分極反応が一定となる以降についての補正ＳＯＣマップを用意する必要はない。

ステップＳ０６にて補正ＳＯＣマップを用いて初期ＳＯＣを更新するため、積算ＳＯＣを０にリセットする（ステップＳ０７）。したがって、ステップＳ０７を終了した時点では、補正ＳＯＣマップによって初期ＳＯＣが更新され、積算ＳＯＣを０にリセットされているので、電池モジュール１１の現在ＳＯＣは、補正ＳＯＣマップによって決定された補正ＳＯＣであるが、補正後の現在ＳＯＣとして補正されて正確に推定されていると言える。

積算ＳＯＣをリセットすると充電停止条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ０８）。なお、ステップＳ０５で電池モジュール１１の端子電圧（電池実電圧）Ｖｒが充電上限電圧Ｖｕ以上でない場合は、ステップＳ０８に進む。ステップＳ０８において充電停止条件が成立していると判別されると、電池モジュール１１への充電停止する（ステップＳ０９）。一方、ステップＳ０８において充電停止条件が成立していないと判別されると、ステップＳ０２へ戻る。充電停止条件は、例えば、電池モジュール１１が満充電となった場合、あるいはフォークリフトのオペレータが充電を終了する操作を行った場合等である。

電池モジュール１１への充電が停止されると、補正後の現在ＳＯＣを記憶し、次回起動時の初期ＳＯＣとして用いるようにする（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において、補正後の現在ＳＯＣを記憶されると、電池ＳＯＣ推定システム１０は停止する。

本実施形態に係る電池ＳＯＣ推定システム１０は以下の作用効果を奏する。
（１）電池モジュール１１の充電中に電池モジュール１１の端子電圧Ｖｒが予め設定した閾値としての充電上限電圧Ｖｕ以上と電池監視部１５により判別されると、補正ＳＯＣマップに基づき初期ＳＯＣを補正ＳＯＣに更新し、積算ＳＯＣを０にリセットする。このため、補正ＳＯＣを補正後の現在ＳＯＣとして取得することで、電流計測部１２の測定誤差の積算による現在ＳＯＣにおける累計誤差が解消することができ、正確な現在ＳＯＣを取得することができる。充電中に電池モジュール１１の現在ＳＯＣの補正ができることから、ＳＯＣの推定のために必要な時間を短縮化できる。

（２）電池ＳＯＣ推定システム１０における閾値は、電池モジュール１１の充電上限電圧Ｖｕである。このため、電池モジュール１１の充電時における端子電圧（電池実電圧）Ｖｒが電池モジュール１１の充電上限電圧Ｖｕ以上であると判別されたとき、現在ＳＯＣの補正をすることができる。

（３）電池ＳＯＣ推定システム１０の電池監視部１５は、補正後の現在ＳＯＣを充電停止後に次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶する。このため、補正後の現在ＳＯＣは、電池ＳＯＣ推定システム１０の終了直前である充電停止後に次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶され、次回の充電時においてより推定精度の高い初期ＳＯＣとして用いることができる。

（４）補正ＳＯＣを、電池温度、充電電流、閾値に達するまでの連続充電時間から決定することで、過去の履歴によって電圧閾値が変わる電池においても、精度よくＳＯＣを推定可能である。リチウムイオン電池のうちのリン酸鉄リチウムイオン電池は、バッテリのＯＣＶ（開放電圧：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉt Ｖｏｌｔａｇｅ）からＳＯＣを推定することが困難である。本実施形態の電池ＳＯＣ推定システム１０は、ＯＣＶからＳＯＣを推定しないので、電池モジュール１１がリン酸鉄リチウムイオン電池であっても、ＳＯＣを精度良く推定することができる。

（５）補正ＳＯＣマップは連続充電時間毎に設定されるが、電池モジュール１１では充電時において一定時間の経過により分極反応が一定となるため、分極反応が一定となる以降についての補正ＳＯＣマップを用意する必要はない。必要となる補正ＳＯＣマップは限られ、補正ＳＯＣマップの数は少ないので、補正ＳＯＣマップによる電池ＳＯＣ推定システム１０の処理の負荷を抑制することができる。

（６）電池モジュール１１の内部抵抗を測定あるいは推定する必要がなく、電池モジュール１１を休止させることなく充電中に正確に現在ＳＯＣを推定することが可能である。したがって、充電時間の短縮化や次回の充電における電池ＳＯＣ推定システム１０の起動までの時間を早めることができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○ 上記の実施形態では、二次電池としての電池モジュールはリチウムイオン電池としたが、これに限らない。二次電池は、例えば、ニッケル水素電池でもよい。
○ 上記の実施形態では、制御装置の一部である電池監視部がＳＯＣを補正する構成としたが、これに限定されない。例えば、制御装置の一部である車両制御部がＳＯＣを補正するようにしてもよく、少なくとも制御装置がＳＯＣを補正すればよい。
○ 上記の実施形態では、充電時における端子電圧の閾値は電池モジュールの充電上限電圧としたがこの限りではない。例えば、充電上限電圧より低い電圧を閾値としてもよい。この場合もＳＯＣの推定のために必要な時間を短縮化できる。
○ 上記の実施形態では、更新後の現在ＳＯＣを充電停止後に次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶するようにしたが、この限りではない。例えば、充電終了の直前に更新後の現在ＳＯＣを次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶するようにしてもよい。この場合もＳＯＣの推定のために必要な時間を短縮化できる。

１０ 電池ＳＯＣ推定システム
１１ 電池モジュール（二次電池）
１２ 電流計測部
１３ 電圧計測部
１４ 温度計測部
１５ 電池監視部
１６ 車両制御部
１７ リレー
１８ 充電装置
１９ 制御装置
Ｖｕ 充電上限電圧
Ｖｒ 端子電圧（電池実電圧）
Ｉ 充電電流
Ｔ 電池温度
Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２、Ｍｎ 補正ＳＯＣマップ
ｔ、ｔ＋１、ｔ＋２、ｔ＋ｎ 連続充電時間
Ｓ０１〜Ｓ１０ ステップ

Claims (3)

1. 充放電可能な二次電池と、
   前記二次電池の流出入電流を計測する電流計測部と、
   前記二次電池の端子電圧および前記二次電池の温度を監視するとともに、前記二次電池に対する充放電を制御し、かつ、前記二次電池の現時点のＳＯＣ推定値である現在ＳＯＣを算出する制御装置と、を備えた電池ＳＯＣ推定システムにおいて、
   前記制御装置は、
   システム起動時のＳＯＣである初期ＳＯＣに、前記電流計測部により測定された電流値を積算した電流積算値に基づき取得される積算ＳＯＣを加算することにより前記現在ＳＯＣを算出する演算部と、
   充電時における前記端子電圧が予め設定した閾値以上か否かを判別する判別部と、
   連続充電時間毎に電池温度および充電電流に対応する補正ＳＯＣが設定された補正ＳＯＣマップと、を備え、
   前記演算部は、前記判別部により前記端子電圧が予め設定した閾値以上と判別されたとき、前記補正ＳＯＣマップに基づき前記初期ＳＯＣを前記補正ＳＯＣに更新するとともに前記積算ＳＯＣをリセットして、補正後の現在ＳＯＣを取得することを特徴とする電池ＳＯＣ推定システム。
2. 前記閾値は、前記二次電池の充電上限電圧であることを特徴とする請求項１記載の電池ＳＯＣ推定システム。
3. 前記制御装置は、前記補正後の現在ＳＯＣを充電停止後に次回充電時の初期ＳＯＣとして記憶することを特徴とする請求項１又は２記載の電池ＳＯＣ推定システム。

Images