JP3716619B2 - 電池の残容量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池の残存容量を計測する計測器に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
電池の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出して残存容量を表示する電池の残容量計が知られている。
【０００３】
ところで、電池は劣化が進むにしたがって容量が減少する性質がある。図８に、同一種類で同一形式の新品の電池と充放電を繰り返して性能が劣化した電池との、ＳＯＣに対する開放端子電圧の特性を示す。図から明らかなように、満充電状態（ＳＯＣ１００％）から放電終止電圧Ｖ１に達するまで放電を行った場合に、新品の電池では、完全放電状態（ＳＯＣ１）から満充電状態までＣ１の容量があるのに対し、劣化品の電池では、完全放電状態（ＳＯＣ２）から満充電状態までＣ２の容量しかない。
【０００４】
したがって、新品の電池の満充電状態における容量を基準にして残容量を表示すると、電池の劣化が進むにしたがって残容量表示値よりも実際の残容量が少なくなってしまう、という問題がある。
【０００５】
このような電池の劣化にともなう残容量の検出誤差をなくすためには、満充電（ＳＯＣ１００％）になるまで充電した後、放電終止電圧まで完全に放電し（ＳＯＣ０％）、使用時点の容量を知る必要がある。
【０００６】
ところが、エンジンおよび／またはモーターを走行駆動限とするハイブリッド車両では、モーターに電力を供給する電池のＳＯＣが低下すると、エンジン駆動発電機により発電して電池の充電を行っており、通常は完全放電状態まで放電することはない。また、ハイブリッド車両では減速時にモーターにより回生制動を行うので、回生時の充電能力を確保するために、通常はエンジン駆動発電機で満充電状態まで充電することはない。つまり、ハイブリッド車両では、小型で小容量の電池を用いて、常にＳＯＣが所定の範囲内に入るように充放電制御が行われるので、電池が満充電状態および完全放電状態になることがなく、したがって、使用時点の容量を知ることができず、正確な残容量を検出できないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、劣化の有無に関わらず電池の正確な残容量を検出して表示することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１） 一実施の形態を示す図４に対応づけて請求項１の発明を説明すると、請求項１の発明は、電池の出力可能電力の低下率が所定値を越える充電状態（ＳＯＣ３）をＳＯＣ１００％とするとともに、入力可能電力と出力可能電力とが等しい充電状態（ＳＯＣ４）をＳＯＣ０％とし、電池のＳＯＣ１００％時の開放端子電圧と、ＳＯＣ０％時の開放端子電圧と、電圧検出器により検出した電池の開放端子電圧とに基づいて電池のＳＯＣを求め、そのＳＯＣにより残容量を表示することにより、上記目的を達成する。
（２） 一実施の形態を示す図５に対応づけて請求項２の発明を説明すると、請求項２の電池は複数のセルが直列に接続されたリチウム・イオン組電池であり、セルの開放電圧が略３．９Ｖの時の充電状態（ＳＯＣ５，ＳＯＣ７）をＳＯＣ１００％とするとともに、セルの開放電圧が略３．５Ｖの時の充電状態（ＳＯＣ６，ＳＯＣ８）をＳＯＣ０％とし、電圧検出器により検出した電池の開放端子電圧に基づいてセルの開放電圧を算出し、算出したセルの開放電圧により電池のＳＯＣを求め、そのＳＯＣにより残容量を表示するようにしたものである。
（３） 請求項３の電池の残容量計は、ＳＯＣが１００％を越えた時は、電流検出器により検出した電池の充放電電流を積算してＳＯＣを求めるようにしたものである。
（４） 請求項４の電池の残容量計は、１００％以上のＳＯＣに対する電池の開放端子電圧特性と予め設定した劣化時の開放端子電圧特性とを比較して電池の寿命を判定するようにしたものである。
【０００９】
上述した課題を解決するための手段の項では、説明を分かりやすくするために一実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が一実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の効果】
（１） 請求項１および請求項２の発明によれば、新品の電池の容量と劣化した電池の容量とが見かけ上、ほぼ等しくなり、電池が劣化しても見かけ上の容量が減少せず、電池のＳＯＣを開放端子電圧で容易に検知できる上に、電池が劣化しても実際の残容量が残容量表示値よりも少なくなるようなことがない。
（２） 請求項３の発明によれば、ＳＯＣが１００％を越えた場合でも残容量を表示することができる。
（３） 請求項４の発明によれば、電池の寿命を正確に判定できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明をハイブリッド車両に応用した一実施の形態を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す図である。図において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。
この車両のパワートレインは、モーター１、エンジン２、クラッチ３、モーター４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モーター１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モーター４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【００１２】
クラッチ３締結時はエンジン２とモーター４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモーター４のみが車両の推進源となる。エンジン２および／またはモーター４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（不図示）はモーター１０により駆動される。
【００１３】
モータ１，４，１０は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モーター１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モーター４は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モーター１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。なお、モーター１，４，１０には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ３締結時に、モーター１を車両の推進と制動に用いることもでき、モーター４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００１４】
クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ３に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００１５】
モーター１，４，１０はそれぞれ、インバーター１１，１２，１３により駆動される。なお、モーター１，４，１０に直流電動機を用いる場合には、インバーターの代わりにＤＣ／ＤＣコンバーターを用いる。インバーター１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリー１５に接続されており、メインバッテリー１５の直流充電電力を交流電力に変換してモーター１，４，１０へ供給するとともに、モーター１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリー１５を充電する。インバーター１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモーターにより発電された電力をメインバッテリー１５を介さずに直接、力行運転中のモーターへ供給することができる。なお、この明細書では電池とバッテリーとを同義として用いる。
【００１６】
コントローラー１６は、マイクロコンピューターとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン２の回転速度、出力およびトルク、クラッチ３の伝達トルク、モーター１，４，１０の回転速度およびトルク、無段変速機５の変速比、メインバッテリー１５の充放電などを制御する。コントローラー１６には、図２に示すように、電圧センサー１７、電流センサー１８、残容量計１９などが接続されている。電圧センサー１７はメインバッテリー１５の端子ａ、ｂ間の電圧ＶBを検出し、電流センサー１８はメインバッテリー１５の充放電電流ＩBを検出する。また、残容量計１９はメインバッテリー１５の残容量を表示する。
【００１７】
この実施の形態では、電池のＳＯＣを次のように定義する。
図３に、電池のＳＯＣに対する出力（放電）可能電力の特性を示す。一般に電池は、ＳＯＣに比例して出力可能電力が増加するが、あるＳＯＣを越えると出力可能電力が飽和する性質がある。この実施の形態では、ＳＯＣの変化率に対して出力可能電力の変化率が急に変化する屈曲点の充電状態、換言すれば、電池の出力可能電力の低下率が所定値を越える充電状態をＳＯＣ１００％と定義する。図３に示す例では、ＳＯＣ３の前後で出力可能電力の変化率が急変しており、ＳＯＣ３を１００％とする。
【００１８】
リチウム・イオン電池では、組電池を構成するセルの開放電圧が３．９Ｖ付近に上記屈曲点があるので、電池セルの開放電圧が３．９Ｖの充電状態をＳＯＣ１００％とする。
【００１９】
図４に、電池のＳＯＣに対する出力（放電）可能電力と入力（充電）可能電力の特性を示す。一般に電池は、ＳＯＣに比例して出力可能電力が増加するとともに、ＳＯＣに反比例して入力可能電力が減少する。この実施の形態では、電池の出力可能電力と入力可能電力とが等しい充電状態をＳＯＣ０％と定義する。図４に示す例では、ＳＯＣ４の点で出力可能電力と入力可能電力とが等しく、ＳＯＣ４を０％とする。
【００２０】
リチウム・イオン電池では、電池を構成するセルの開放電圧が３．５Ｖ付近に、上述した入出力可能電力が等しい点があるので、電池セルの開放電圧が３．５Ｖの充電状態をＳＯＣ０％とする。
【００２１】
図５は、新品と劣化品のリチウム・イオン組電池の、ＳＯＣに対するセル電圧特性を示す。
新品のリチウム・イオン組電池では、セルの開放電圧が３．９Ｖの充電状態ＳＯＣ５を１００％にするとともに、セルの開放電圧が３．５Ｖの充電状態ＳＯＣ６を０％にする。したがって、新品状態の電池容量は（ＳＯＣ５−ＳＯＣ６）で、Ｃ３となる。
【００２２】
一方、劣化品のリチウム・イオン組電池では、セルの開放電圧が３．９Ｖの充電状態ＳＯＣ７を１００％にするとともに、セルの開放電圧が３．５Ｖの充電状態ＳＯＣ８を０％にする。したがって、劣化状態の電池容量は（ＳＯＣ７−ＳＯＣ８）で、Ｃ４となる。
【００２３】
なお、ＳＯＣ０％と１００％との間のＳＯＣは、新品、劣化品とも、ＳＯＣ−セル開放電圧特性からセル開放電圧検出値に対応するＳＯＣを求める。
【００２４】
図５から明らかなように、この実施の形態のＳＯＣの定義方法によれば、新品の電池の容量Ｃ３と、劣化状態の電池の容量Ｃ４とが見かけ上、ほぼ等しくなり、電池が劣化しても見かけ上の容量が減少しない。これにより、電池のＳＯＣをセルの開放電圧で容易に検知できる上に、電池が劣化しても実際の残容量が残容量表示値よりも少なくなるようなことはない。
【００２５】
電池セルの開放電圧は次のようにして検出する。
車両の通常の走行では、メインバッテリー１５はインバーター１１〜１３を介して充放電が行われるので、まず、インバーター１１〜１３によりメインバッテリー１５の充放電が停止された期間に、メインバッテリー１５の端子ａ，ｂ間の電圧ＶBを電圧センサー１７により検出する。この端子電圧ＶBの検出値はメインバッテリー１５の開放端子電圧ＶB0である。次に、このメインバッテリー１５の開放端子電圧ＶB0を直列に接続されるセル数ｎで除し、セルの開放電圧ＶC0を求める。
【数１】
ＶC0＝ＶB0／ｎ
【００２６】
なお、メインバッテリー１５の充放電が停止される期間が限られた期間しかなく、メインバッテリー１５の開放端子電圧ＶB0を頻繁に検出できない場合には、充放電電流ＩBが所定範囲内（−Ｉｋ≦ＩB≦＋Ｉｋ）にある時の端子電圧を開放端子電圧ＶB0としても、誤差は少ないと考えられる。
【００２７】
また、上述したセル開放電圧ＶCOの検出方法では、組電池全体の開放電圧ＶBOをセル数ｎで除して求める例を示したが、セルごとに開放電圧を検出するセンサーを設けてそれらの平均値をセル開放電圧ＶCOとするか、あるいは最大値または最小値をセル開放電圧ＶCOとしてもよい。最大値を選択した場合には過充電を防止することができ、最小値を選択した場合には過放電を防止することができる。
【００２８】
しかし、充放電中のバッテリーの開放端子電圧ＶB0をさらに正確に検出するには、メインバッテリー１５の放電中に端子電圧ＶBと放電電流ＩBをサンプリングし、サンプリングデータの直線回帰によりメインバッテリー１５のＶ−Ｉ特性を算出して開放端子電圧ＶB0を推定する。この方法によれば、車両の運航中、常にメインバッテリー１５の充放電が行われていても、メインバッテリー１５の正確な開放端子電圧ＶB0を求めることができ、これにより正確なバッテリー残容量を検出できる。
【００２９】
ところで、ハイブリッド車両に用いられるバッテリーは端子電圧が高く、多くのセルが直列に接続されている。通常、これらのセル間の電圧を均一にするために、各セルに電圧検出回路とバイパス回路から成る電圧バランス回路が接続されている。この実施の形態では、上記方法により決定したＳＯＣ１００％と０％に基づいてバッテリーの充放電制御を行うとともに、電圧バランス回路による電圧調整をＳＯＣ１００％に対応するセル電圧以下で行う。例えば、リチウム・イオン電池では、３．９Ｖ以下でセル間の電圧のばらつきを調整する。
【００３０】
次に、ＳＯＣが１００％を越えた場合のＳＯＣの決定方法を、リチウム・イオン組電池を例に上げて説明する。
図６は、ＳＯＣが１００％を越えた場合の新品と劣化品の電池セルの開放電圧特性を示す。上述したように、セル電圧が３．５Ｖの充電状態をＳＯＣ０％とし、セル電圧が３．９Ｖの充電状態をＳＯＣ１００％とするので、ＳＯＣ１００％までは新品と劣化品の特性差がない。電池セルの開放電圧が３．９Ｖを越えた場合には、それ以後のメインバッテリー１５の充放電電流ＩBを積算し、それによりＳＯＣを算出する。ＳＯＣが１００％を越えると、新品と劣化品との容量差が現れ、同一のＳＯＣでも劣化の程度が大きいほどセルの開放電圧が高くなる。
【００３１】
この電流積算方法により算出したＳＯＣの精度は、電流センサー１８の電流検出精度に依存し、ＳＯＣ算出値が大きくなるほど誤差が累積する。したがって、電流積算方法によるＳＯＣの算出は所定のＳＯＣを上限とし、それ以上はＳＯＣの算出を行わないようにしてもよい。
【００３２】
同一種類で同一形式のバッテリーであれば、ＳＯＣが１００％を越えた後のＳＯＣに対する開放電圧の特性は同様になるので、予め劣化状態のＳＯＣ−開放電圧特性を測定しておき、使用中のバッテリーのＳＯＣ−開放電圧特性が予め測定した特性と一致したら、そのバッテリーが寿命に達したと判断してもよい。
【００３３】
図７は一実施の形態の残容量検出処理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、一実施の形態の動作を説明する。
コントローラー１６は、車両のキースイッチ（不図示）がオンされるとこの残容量検出処理を所定時間ごとに繰り返し実行する。まずステップ１において、電圧センサー１７によりメインバッテリー１５の開放端子電圧ＶB0を検出する。上述したように、メインバッテリー１５の充放電が行われている時には、充放電電流ＩBが所定範囲内にある時の端子電圧ＶBを開放端子電圧ＶB0とするか、あるいは放電中の端子電圧ＶBと電流ＩBのサンプリング値から直線回帰により開放端子電圧ＶB0を推定してもよい。
【００３４】
ステップ２で、数式１により開放端子電圧ＶB0から電池セルの開放電圧Ｖcを算出し、セル開放電圧Ｖcが３．９Ｖを越えているかどうかを判定する。セル開放電圧Ｖcが３．９Ｖ以下の時はステップ３へ進み、予め測定されたＳＯＣ−セル開放電圧特性からセル開放電圧ＶCに対応するＳＯＣを表引き演算し、メインバッテリー１５のＳＯＣを推定する。一方、セル開放電圧ＶCが３．９Ｖを越えている時はステップ４へ進み、電流センサー１８により検出した充放電電流ＩBを積算してＳＯＣを算出する。ステップ５で、推定もしくは算出したＳＯＣによりメインバッテリー１５の残容量を残容量計１９に表示する。
【００３５】
なお、上述した一実施の形態ではハイブリッド車両に本発明を適用した例を説明したが、本発明は上記以外の種類のハイブリッド車両を含む各種電気自動車の電池に適用することができる。もちろん、電気自動車以外の電池にも適用することができる。
【００３６】
また、上述した一実施の形態ではリチウム・イオン電池を例に上げて説明したが、本発明は、例えばニッケル・水素電池やリチウム・ポリマー電池などの、リチウム・イオン電池以外の種類の電池にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明の一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】 図１に続く、一実施の形態の構成を示す図である。
【図３】 一実施の形態のＳＯＣ１００％の定義を説明する図である。
【図４】 一実施の形態のＳＯＣ０％の定義を説明する図である。
【図５】 一実施の形態の電池セルの容量を示す図である。
【図６】 ＳＯＣが１００％を越えた場合の一実施の形態のＳＯＣの算出方法を説明する図である。
【図７】 一実施の形態の残容量検出処理を示すフローチャートである。
【図８】 従来のＳＯＣの決定方法を示す図である。
【符号の説明】
１、４、１０ モーター
２ エンジン
３ クラッチ
５ 無段変速機
６ 減速装置
７ 差動装置
８ 駆動輪
９ 油圧装置
１１〜１３ インバーター
１４ ＤＣリンク
１５ メインバッテリー
１６ コントローラー
１７ 電圧センサー
１８ 電流センサー
１９ 残容量計

Claims (4)

1. 電池の出力可能電力の低下率が所定値を越える充電状態をＳＯＣ１００％とするとともに、入力可能電力と出力可能電力とが等しい充電状態をＳＯＣ０％とし、前記電池のＳＯＣ１００％時の開放端子電圧と、ＳＯＣ０％時の開放端子電圧と、電圧検出器により検出した前記電池の開放端子電圧とに基づいて前記電池のＳＯＣを求め、そのＳＯＣにより残容量を表示することを特徴とする電池の残容量計。
2. 請求項１に記載の電池の残容量計において、
   前記電池は複数のセルが直列に接続されたリチウム・イオン組電池であり、セルの開放電圧が略３．９Ｖの時の充電状態をＳＯＣ１００％とするとともに、セルの開放電圧が略３．５Ｖの時の充電状態をＳＯＣ０％とし、前記電圧検出器により検出した前記電池の開放端子電圧に基づいてセルの開放電圧を算出し、算出したセルの開放電圧により前記電池のＳＯＣを求めることを特徴とする電池の残容量計。
3. 請求項１または請求項２に記載の電池の残容量計において、
   前記ＳＯＣが１００％を越えた時は、電流検出器により検出した前記電池の充放電電流を積算してＳＯＣを求めることを特徴とする電池の残容量計。
4. 請求項１〜３のいずれかの項に記載の電池の残容量計において、
   １００％以上のＳＯＣに対する前記電池の開放端子電圧特性と予め設定した劣化時の開放端子電圧特性とを比較して前記電池の寿命を判定することを特徴とする電池の残容量計。

Images