JP4876340B2 - 電池制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池の残存容量算出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電池の残存容量算出方法としては、例えば、特開平6−174808号公報に開示されているような方法が知られている。その方法では、放電時に得られる電流値および端子電圧に基づく最大出力と放電電力量とを順次算出して、その最大出力と放電電力量との関係式を求める。そして、この関係式に放電終止時の最大出力を代入して得られる放電電力量から、関係式に現在の最大出力を代入して得られる放電電力量を減算することにより、残存容量を算出している。この算出方法は、残存容量が少なくなったときに精度良く算出できるという特徴がある。
【0003】
上述した放電終止時の設定電圧は、(a)電池の寿命を考慮した使用電圧範囲の下限電圧や、(b)車両搭載ユニットの性能,機能を保証可能な使用電圧範囲の下限電圧等を考慮して設定される。そして、最大出力は、この設定電圧とそのときの電流値とを掛け合わせたものとなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池の端子電圧は電池温度に依存して変化することが知られている。しかしながら、上述した残存容量算出方法では電池温度によらず設定電圧を一定としているので、算出された残存容量と実際の残存容量との間のずれが大きくなってしまうという問題があった。また、電池温度が低い状態では、放電状態の変化に対する最大出力の変化が小さくなり、残存容量を精度良く算出できないという問題もあった。
【0005】
本発明の目的は、最大出力算出時に電池温度を考慮することにより、より実情に近い最大出力を算出でき、さらには、算出された最大出力に基づいて、精度良く残存容量を算出することができる電池制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
図1〜3および図7に対応付けて説明すると、請求項1の発明は、充放電時における電池11の電流Iを検出する電流検出手段15と、充放電時における電池11の端子電圧Vを検出する電圧検出手段14と、電池11の温度Tを検出する温度検出手段18と、電流検出手段15で検出された電流Iおよび電圧検出手段14で検出された端子電圧Vに基づいて電池11の電流・電圧特性Lを算出する電流・電圧特性演算手段16と、温度検出手段18で検出された電池温度Tに応じて、端子電圧Vの許容最低電圧Vminを設定する設定手段16と、電流・電圧特性演算手段16で算出された電流・電圧特性Lおよび設定手段16により設定された電池温度Tに応じた許容最低電圧Vminに基づいて電池の最大出力Pmaxを算出する最大出力演算手段16と、電池温度Tごとに予め設定された電池11の最大出力Pmaxと充電状態との相関L10を示すマップに基づいて、最大出力演算手段16で算出された最大出力Pmaxから電池11の残存容量を算出する残存容量演算手段16とを備え、設定手段16は、電池温度Tが所定温度T1以下となった場合に、電池温度Tに応じて、電池温度Tが低いほど、端子電圧Vの許容最低電圧Vminを所定の割合で下げるように設定する電池制御装置である。
【0007】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【0008】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、許容最低電圧を電池温度に応じて設定したので、より正確な許容最低電圧を得ることができ、これにより、より実情に近い最大出力を算出でき、さらには、算出された最大出力に基づいて残存容量を算出することにより精度良く残存容量を算出することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明による残存容量演算装置の一実施の形態を示す図であり、電気自動車に搭載される組電池の残存容量演算装置に適用したものである。図1は電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロック図である。図1に示す組電池11は単セル111を複数直列接続したものであり、単セル111には例えばリチウムイオン電池が用いられる。組電池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モータ13を駆動する。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。電池11の端子電圧Vは電圧センサ14により検出され、電流Iは電流センサ15により検出される。電池11の温度Tは温度センサ18により検出される。
【0010】
セルコントローラ17は各単セル111を管理コントロールする装置であり、各単セル111の端子電圧を検出したり、各単セル111毎の充放電制御を行ったりする。バッテリーコントローラ16はCPU,ROMおよびRAM等(不図示)を備えており、電圧センサ14,電流センサ15および温度センサ18により検出された電圧V,電流Iおよび温度Tに基づいて、組電池11の電池状態を演算する。また、その演算結果に基づいて、組電池11の残存容量の算出やインバータ12の出力制御および回生制御などを行なう。バッテリーコントローラ16で算出された残存容量は残存容量表示装置19に表示される。なお、組電池11の電流および端子電圧の検出には、図1に示すように電圧センサ14,電流センサ15を用いても良いし、単に電流Iや電圧Vを検出するための抵抗や結線から成る回路とし、それらの電流や電圧からバッテリーコントロータ16により電流Iや電圧Vを求めるようにしても良い。
【0011】
《最大出力の算出方法》
次に、組電池11の最大出力Pmaxの算出方法について説明する。まず、放電中(例えば、車両走行中)に組電池11の端子電圧Vおよび放電電流Iを複数回検出し、その検出データを図2のようにIV座標上にプロットする。そして、これらの検出データを用いて最小二乗法による回帰演算を行い、図2のようなIV特性直線Lを求める。組電池11の内部抵抗および開放電圧をそれぞれR,Eとすると、IV特性直線Lは「V=E−IR」と表される。このとき、組電池11の出力Pは次式(1)のように表される。なお、回帰演算によりIV特性直線Lを得るためには、端子電圧が所定値以上変化したときに検出データのサンプリングを行う必要がある。
【数1】
【0012】
式(1)に示す出力Pの式では、端子電圧Vが開放電圧E0の1/2になったときに出力Pが最大となるが、実際には、電池保護のために端子電圧Vが設定電圧Vminを下回らないように制御される。通常、この設定電圧VminはE0/2以上に設定されるため、組電池11の最大出力Pmaxは端子電圧Vが設定電圧Vminとなったときの出力値に等しくなる。すなわち、設定電圧Vminのときの電流値をImaxと記すと、最大出力Pmaxは「Pmax=Vmin×Imax」で算出される。
【0013】
《設定電圧の設定方法》
ところで、組電池11のIV特性は、電池温度Tによって変化する。具体的には、電池温度Tが低くなると電池内部抵抗Rが大きくなる。そのため、電池温度T1,T2がT1>T2の場合には、図3に示すように温度T2の場合のIV特性直線L2の傾きは、温度T1の場合のIV特性直線のT1の傾きよりも大きくなる。このように電池温度Tが異なっている場合であっても、従来は一定の設定電圧Vminに基づいて、例えば、電池温度T1に対応した設定電圧Vmin(T1)に基づいて最大出力Pmaxを算出していた。その場合、図3からも分かるように、電池温度T2の場合の最大出力(I2max・Vmin(T1))は電池温度T1の場合の最大出力(I1max・Vmin(T1))より小さくなる。
【0014】
なお、I1maxおよびI2maxは、IV特性直線L1,L2に設定電圧Vmin(T1),Vmin(T2)を代入したときの電流値である。また、二点鎖線で示した特性直線L1’は、特性直線L1を取得したときよりも組電池11の放電状態(DOD:Depth of Discharge)が大きくなった場合のIV特性を示したものである。
【0015】
設定電圧Vmin(T1)が電池温度T1で適切となるように設定された場合、電池温度T2のときには、設定電圧を最大出力I2max’・Vmin(T2)が「I2max・Vmin(T1)<I2max’・Vmin(T2)≦I1max・Vmin(T1)」となるような電圧Vmin(T2)まで低くすることができる。そこで、本実施の形態では、最大出力Pmaxを算出する際の設定電圧Vminを、電池温度Tに応じて変化させるようにした。具体的には、電池温度Tが所定温度(25℃)以下となった場合に、電池温度Tに応じて設定電圧を下げるように設定した。
【0016】
図4は、電池温度Tと単セルあたりの設定電圧VCmin(T)との関係の一例を示す図である。図4に示すように、電池温度T1=25℃では単セル当たりの設定電圧VCmin(T1)を3.5Vとし、電池温度T2=−25℃では単セル当たりの設定電圧VCmin(T2)を2.0Vとした。T≧T1の範囲では3.5Vで一定とし、T2<T<T1ではVCmin(T)=3.5−0.3×(25−T)とした。なお、組電池11としての設定電圧Vmin(T)は、Vmin(T)=(セル数)×VCmin(T)で表される。
【0017】
図4の電池温度T2=−25℃における単セルあたりの設定電圧Vmin(T2)=2.0Vは、次のようにして決定する。電池温度T1=25℃の組電池11は、所定の放電状態DODとなったときに最低要求出力Pmin(すなわち、放電終止時最大出力)となる。そして、電池温度T2=−25℃であって所定DODのときに、最低要求出力が上記Pminと等しくなるように単セルあたりの設定電圧Vmin(T2)を決める。すなわち、電池状態が所定DODの時の最低要求出力Pminは、電池温度Tに依らずみな等しくなる。
【0018】
図5は、所定DODのときのIV特性直線L1(T1),L2(T2)と、最低要求出力Pminを表す曲線I・V=Pminとを示したものである。上述したように、曲線I・V=PminとIV特性直線L1(T1),L2(T2)との交点の電圧を、それぞれ設定電圧Vmin(T1),Vmin(T2)とする。なお、図4に示した電池温度Tと設定電圧Vminとの関係は、図1のバッテリーコントローラ16のROMに予め記憶されている。
【0019】
《残存容量の算出方法》
次に、上述した最大出力Pmaxに基づいた残存容量の算出方法について説明する。図6は残存容量算出の手順を示すフローチャートであり、バッテリーコントローラ16により実行されるプログラムの処理手順を示したものである。以下では、このフローチャートに基づいて組電池11の残存容量の算出方法を説明する。なお、図6に示す一連の処理は、バッテリーコントローラ16の電源がオンされるとスタートし、電源がオフされるまで繰り返し実行される。
【0020】
図6のステップS101では、組電池11の温度Tを温度センサ18により検出する。ステップS102では、予め記憶されている図4の関係を表すマップとステップS101で検出された電池温度Tとに基づいて、設定電圧Vmin(T)を算出する。ステップS103では、放電時の端子電圧Vおよび電流Iが電圧センサ14および電流センサ15によりそれぞれ検出され、検出結果がバッテリーコントローラ16に入力される。ステップS103における検出は複数回行われる。
【0021】
ステップS104では、ステップS103で検出された端子電圧Vおよび電流Iに基づいて、図2に示すようなIV特性が算出される。ステップS105では、ステップS102で算出された設定電圧Vmin(T)とステップS104で算出されたIV特性とを用いて、最大出力Pmax=Imax(T)・Vmin(T)を算出する。ステップS106では、ステップS105で算出された最大出力Pmaxに基づいて残存容量を算出する。
【0022】
バッテリーコントローラ16のROMには、図7に示すような最大出力と放電状態(DOD)との相関L10を表すマップが予め記憶されている。この相関L10から、最大出力PmaxのときのDODはX(%)と算出され、残存容量は100−X(%)となる。この状態からさらに放電すると、図3のL1’のようにIV特性が変化して最大出力Pmax’はPmaxより小さくなり、DODはX’(>X)と算出される。
【0023】
最大出力とDODとの相関は電池温度に依存しており、例えば、図8の相関L10を電池温度T1=25℃の場合の相関とすれば、電池温度T2=−25℃の場合の相関はL11のようになる。なお、上述したように、設定電圧Vmin(T1),Vmin(T2)は最低要求出力Pminが一致するように設定されているので、最低要求出力Pminにおいて相関L10と相関L11とは一致する。
【0024】
それぞれの温度T1,T2における相関L10,L11は各々マップとしてROMに予め記憶されている。また、電池温度T1=25℃を基準温度とし、相関L10を基準相関として記憶するとともに各温度における補正係数αを予め記憶しておき、基準相関の最大出力に補正係数αを乗じたものを各温度における最大出力としても良い。
【0025】
その後、ステップS107において表示装置19に残存容量を表示し、ステップS101へと戻る。上述したように、本実施の形態では、最大出力Pmaxを算出する際の設定電圧Vminを電池温度Tに応じて変えるようにしたので、より実情に近い最大出力が算出され残存容量を精度良く算出することができる。
【0026】
図9は、本実施の形態による残存容量Yと、従来の残存容量Y’とを示す図である。図9に示すように、残存容量を算出する際には、設定電圧に応じて最大出力−DOD相関のマップも異なる。それぞれのマップと最低要求出力Pminとから、残存容量Y,Y’が算出される。また、本実施の形態では、図5に示すように設定電圧Vmin(T1),Vmin(T2)を決めているため、最低要求出力PminとなるDODが電池温度により変化しないという効果が得られる。
【0027】
また、本実施の形態の残存容量算出方法をハイブリッド自動車用の駆動電池に適用すると、電池の温度によらず最低要求出力を確保できるため、電池温度Tに応じて放電状態の制御方法を変化させなくても良いという利点がある。
【0028】
(変形例)
上述した実施の形態では、図3に示すように電池温度25℃以下では単セル当たりの設定電圧を直線的に連続的に減少させたが、以下のように設定電圧を断続的に変えても良い。例えば、電池温度が低い状態(例えば、25℃以下)では設定電圧を2種類(Vmin(H)、Vmin(L);Vmin(H)>Vmin(L))用意する。図3からも分かるように、電池温度が低下すると同じ出力であっても電圧(実測電圧)が低下する。そして、実測電圧VがVmin(H)より大きい場合には設定電圧Vmin(H)を用いて最大出力を算出し、実測電圧VがVmin(H)以下となった場合には設定電圧Vmin(L)を用いて最大出力を算出する。残存容量を算出する際には、設定電圧に応じて最大出力−DOD相関のマップも切り換える。
【0029】
図10は設定電圧切換前後の残存容量を説明する図であり、L21は設定電圧Vmin(H)に関する最大出力−DOD相関であり、L22は設定電圧Vmin(L)に関する最大出力−DOD相関である。図10からも分かるように、設定電圧切換により最大出力がPmax1からPmax2へと変化し、残存容量は100−Y1(%)から100−Y2(%)へと変化する。
【0030】
ところで、このように設定電圧Vmin(H)から設定電圧Vmin(L)へと断続的に切り換えると、表示装置19に表示される残存容量表示が突然大きく変化し違和感を感じる。そこで、このような場合には、段階的にVmin(H)からVmin(L)へと変化させることにより、その間の放電によるDODの増加と相俟って違和感が解消される。
【0031】
上述した実施の形態では、電気自動車に搭載される組電池の残存容量演算装置を例に説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、電子機器等に用いられる二次電池の残存容量演算にも適用することができる。
【0032】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、組電池11は電池を、電圧センサ14は電圧検出手段を、電流センサ15は電流検出手段を、バッテリーコントローラ16は電流・電圧特性演算手段,最大出力演算手段,残存容量演算手段および設定手段を、温度センサ18は温度検出手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による残存容量演算方法の一実施の形態を示す図であり、電気自動車に搭載される組電池の残存容量演算装置のブロック図である。
【図2】組電池11のIV特性直線を示す図である。
【図3】異なる電池温度T1,T2に対するIV特性直線L1,L2を示す図である。
【図4】単セルあたりの設定電圧VCmin(T)の一例を示す図である。
【図5】所定DODのときのIV特性直線L1(T1),L2(T2)と、最低要求出力Pminを表す曲線I・V=Pminとを示す図である。
【図6】残存容量算出の手順を示すフローチャートである。
【図7】最大出力と放電状態(DOD)との相関L10を示す図である。
【図8】電池温度の異なる相関L10,L11を示す図である。
【図9】本実施の形態による残存容量と、従来のように設定電圧を温度に依らず一定とした場合の残存容量とを説明する図である。
【図10】設定電圧切換前後の残存容量を説明する図である。
【符号の説明】
11 組電池
12 インバータ
13 モータ
14 電圧センサ
15 電流センサ
16 バッテリーコントローラ
17 セルコントローラ
18 温度センサ
19 残存容量表示装置
111 単セル
Claims (1)
- 充放電時における電池の電流を検出する電流検出手段と、
充放電時における電池の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記電流検出手段で検出された電流および前記電圧検出手段で検出された端子電圧に基づいて電池の電流・電圧特性を算出する電流・電圧特性演算手段と、
前記温度検出手段で検出された電池温度に応じて、前記端子電圧の許容最低電圧を設定する設定手段と、
前記電流・電圧特性演算手段で算出された電流・電圧特性および前記設定手段により設定された電池温度に応じた許容最低電圧に基づいて電池の最大出力を算出する最大出力演算手段と、
電池温度ごとに予め設定された電池の最大出力と放電状態との相関を示すマップに基づいて、前記最大出力演算手段で算出された最大出力から電池の残存容量を算出する残存容量演算手段とを備え、
前記設定手段は、電池温度が所定温度以下となった場合に、電池温度に応じて、電池温度が低いほど、前記端子電圧の許容最低電圧を所定の割合で下げるように設定することを特徴とする電池制御装置。
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