JP5413592B2 - 二次電池の充電状態推定制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電状態推定制御装置に係り、詳しくは二次電池の残容量を示す充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を充電中に推定する制御装置に関する。

近年、大容量の二次電池が搭載され、当該二次電池の電力で駆動される駆動モータを動力源の１つとするハイブリッド自動車や電気自動車が広く開発されている。
このような電動車両の場合、バッテリへの充電方式として、ハイブリッド自動車は走行中に駆動モータが回生発電したときやエンジンの回転に伴う発電により充電するものが多用されている。一方、電気自動車やプラグインハイブリッド車両では、家庭用の商用電源といった外部電源から充電するものが開発されている。

上記電動車両に搭載される駆動用の二次電池において、当該二次電池の充電状態を示すＳＯＣを正確に把握することは、二次電池の過充電や過放電を防ぐとともに、走行時における二次電池の残容量を乗員に正確に伝えるという点において、非常に重要である。
このようなことから、従来、二次電池のＳＯＣを求める方法として、充電電流を積算して電流積算量を算出し、ＳＯＣを算出するという方法がある。

このような方法では比較的短時間でＳＯＣを算出することができる一方で、電気自動車やプラグインハイブリッド車両のように外部商用電源から長時間充電する必要がある場合、充電電流を検出する電流センサの持つ誤差が電流積算量と共に積算されてしまうことにより誤差が蓄積されるため、ＳＯＣの検出精度が悪くなり電流積算量から算出されたＳＯＣにも誤差が生じてしまうという問題がある。

そこで、連続した電流の入出力状態において、電流値が一定値以下を所定時間以上継続する場合に、出力電圧を開放電圧とみなしてＳＯＣを推定する二次電池の充電状態推定方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−１７８２１５号公報

しかしながら、上記公報に開示された技術では、入出力電流が所定値以下となり、その状態が二次電池の温度に応じて設定される所定の電圧安定時間以上継続した場合に、電圧を安定状態と判定してＳＯＣ推定を行っているが、当該電圧は真の安定電圧に対して所定の偏差を持っており、且つ当該偏差はＳＯＣ推定の直前まで二次電池に流れた電流値により変化するため、結果として推定されるＳＯＣの値も変化してしまうという問題がある。

即ち、ＳＯＣの推定精度が直前までの運転状態により変化してしまうため、ＳＯＣの推定精度が不安定となり好ましくない。
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、短時間に精度よくＳＯＣを推定することが可能な二次電池の充電状態推定制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の二次電池の充電状態推定装置は、二次電池を駆動源として走行する車両において、前記二次電池の電流を検出する電流検出手段と、前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記二次電池の充電中に電流積算に基づいて求められる充電状態が所定の残容量になったとき通電を停止し、通電停止直後から降下した電圧が略一定となる第１安定状態に対して所定の割合となる所定値を加えた第２安定状態へ電圧が降下するまでの経過時間と、前記二次電池の各温度との特性により、前記温度検出手段にて検出された温度に応じて通電を停止する時間を算出する通電停止時間算出手段と、該通電停止時間算出手段により算出された通電停止時間経過後、前記電圧検出手段により検出された電圧を前記所定値により前記第１安定状態へ補正する補正手段と、該補正手段により補正された電圧から前記二次電池の充電状態を推定する充電状態推定手段と、前記二次電池の経年劣化要因から劣化ゲインを算出する劣化ゲイン算出手段と、該劣化ゲイン算出手段から算出された劣化ゲインを使用して前記通電停止時間算出手段により算出された前記通電停止時間を補正する劣化ゲイン補正手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２の二次電池の充電状態推定装置では、請求項１において、前記充電状態推定手段は、開放電圧と充電状態との特性を示す開放電圧−充電状態マップであることを特徴とする。

請求項３の二次電池の充電状態推定装置では、請求項１または２において、前記車両は、電気自動車またはプラグインハイブリッド自動車であることを特徴とする。

請求項１の二次電池の充電状態推定制御装置によれば、二次電池の充電中に電流積算に基づいて求められる充電状態が所定の値になると通電を停止し、通電停止直後から電圧が降下して略一定となる第１安定状態に対する所定の割合となる所定値を加えた第２安定状態へ電圧が降下するまでの経過時間と、二次電池の各温度との特性により、温度検出手段にて検出された二次電池の温度に応じて通電を停止する時間を算出する通電停止時間算出手段と、通電停止時間算出手段から算出された通電停止時間経過後に所定値を使用して電圧検知手段により検出した電圧を第１安定状態へ補正する補正手段と、補正手段により補正された電圧から二次電池の充電状態を推定する充電状態推定手段とを備えている。

これにより、通電を停止した直後から二次電池の電圧が降下して略一定となる第１安定状態になるまでの経過時間を、当該第１安定状態の所定の割合である所定値を第１安定状態に加えた第２安定状態へ電圧が降下するまでの経過時間とすることにより、短縮することができる。
そして、通電停止時間経過後に電圧検出手段により検出された電圧に対して上記所定値を使用して補正するので、補正手段により第１安定状態での電圧に略等しい補正電圧を算出することができる。

従って、第１安定状態の電圧から充電状態を推定するので、充電状態の推定に必要となる通電停止時間を短くすることができるため、二次電池の充電状態を短時間で精度よく推定することができる。
また、通電停止時間を電池セルの各温度に応じて算出することができるので、各温度帯での充電状態を精度よく推定することができる。
また、二次電池の経年劣化に伴う充電状態の変化を劣化ゲインで補正することにより、精度よく充電状態を推定することができる。

請求項２の二次電池の充電状態推定制御装置によれば、充電状態推定手段は開放電圧と充電状態の特性を示す開放電圧−充電状態マップである。
従って、補正手段により補正された補正電圧は第１安定状態での電圧に略等しいので、補正電圧を開放電圧とみなすことができ、補正電圧に対応する充電状態を開放電圧−充電状態マップから読み取ることができる。

これにより、より短時間で精度よく充電状態を推定することができる。

請求項３の二次電池の充電状態推定制御装置によれば、車両は電気自動車またはプラグインハイブリッド車両であるので、充電時における電気自動車やプラグインハイブリッド自動車のＳＯＣを短時間でより精度よく推定することができる。

本発明に係る二次電池の充電状態推定制御装置を含む車載バッテリ充電システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態において行われるＳＯＣ推定制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態において行われるＳＯＣ推定ルーチンを示すフローチャートである。 電池セル温度と通電停止時間との関係を示すグラフである。 図４を作成するために使用する電池セル電圧と経過時間との関係を示すグラフである。 開放電圧とＳＯＣの関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態において行われる劣化ゲインを含むＳＯＣ推定制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態における劣化ゲインと電流通電総積算値との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、電気自動車に搭載された本発明に係る二次電池の充電状態推定制御装置を含む車載二次電池充電システムの概略構成図である。
図１に示すように、電気自動車に搭載された駆動用電池１は、複数個の電池モジュール１０を直列、または並列、またはその組み合わせに接続して構成されており、当該電気自動車は外部電源からの充電経路を備え、当該充電経路から電力の供給を受けて充電を行う充電器を介して蓄電するよう構成されている。電池モジュール１０を直列、または並列、またはその組み合わせに接続する配線１２には、駆動用電池１の入出力電流を検出する入出力電流センサ（電流検出手段）１４が設けられている。

電池モジュール１０は、直列に接続される複数個、例えば４個の電池セル１６、及び各電池セル１６の充電状態を監視するセルモニタユニット（以下、ＣＭＵと略す）２０により構成されている。なお、電池セル１６はリチウムイオン電池である。
ＣＭＵ２０は、各電池セル１６の電圧を測定する電圧センサ（電圧検出手段）２２、各電池セル１６の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２４、図示しないが中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと略す）及びメモリを備え、各電池セル１６の充電状態の監視を行う。

ＣＭＵ２０は、バッテリ管理ユニット（以下、ＢＭＵと略す）３０に接続されている。
ＢＭＵ３０は、ＣＰＵ３２、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）３４、及びタイマ３６を含んで構成され、メモリ３４には後述するように、オフセット量、電池温度−通電停止時間マップ、及びＳＯＣ−開放電圧マップが予め登録されている。
また、ＢＭＵ３０では、各ＣＭＵ２０から各電池モジュール１０の充電状態の監視や、入出力電流センサ１４から駆動用電池１の入出力電流値を入力し、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４０へ充電状態やバッテリ情報を伝達する。

このように構成されたＢＭＵ３０は、電圧センサ２２で測定された電圧、及び温度センサ２４から検出されたセル温度に基づいて当該オフセット量及び当該マップを使用して充電率（ＳＯＣ）の推定を行い、推定されたＳＯＣに基づいて電池セル１６の充電の制御を行う。
以下、このように構成された本発明に係る二次電池の充電状態推定制御装置の作動内容について説明する。

図２、３は、本発明の第１実施形態としてＢＭＵ３０が行うＳＯＣ推定制御ルーチンを示すフローチャートであり、以下同フローチャートに基づいて説明する。なお、以下に述べる各処理は、ＢＭＵ３０のメモリに格納されているプログラムを実行することによって行われる。
電気自動車はイグニッションオフされ、駆動用電池１が充電を開始されている状態で、当該フローチャートに従いＳＯＣ推定制御を実行する。

ステップＳ１では、ＢＭＵ３０が入出力電流センサ１４から入力された充電電流値を積算した積算電流量から、ＳＯＣであるＣiを算出する。
ステップＳ２では、上記ステップＳ１で算出されたＳＯＣであるＣiが所定の値に到達したか否かを判定する。当該判定が真（Ｙｅｓ）と判定された場合はステップＳ３へ進み、当該判定結果が偽（Ｎｏ）と判定された場合にはステップＳ１へ戻る。

ステップＳ３では、電池セル１６への通電を停止して充電を中断する。
ステップＳ４では、温度センサ２４により電池セル１６の温度を検出する。
続くステップＳ５では、上記ステップＳ４で検出された温度に基づいて、通電停止時間Ｔstopを算出する。
詳しくは、図４に示すように、電池温度−通電停止時間マップ（通電停止時間算出手段）から温度センサ２４で検出された温度に相当する通電停止時間Ｔstopを読み出す。

当該電池温度−通電停止時間マップは、図５に示すように、電池セル１６の各温度Ｔpa、Ｔpb、Ｔpcにおいて、充電中に通電を停止したときの電圧値から電圧がほぼ一定となる電圧安定状態になる安定電圧（第１安定状態）Ｖstへ降下するまでの安定電圧経過時間はＴ'a、Ｔ'b、Ｔ'cである。当該安定電圧Ｖstに所定の割合（例えば、１％）を乗じたオフセット電圧（所定値）Ｖoffを安定電圧Ｖstに加えた電圧（第２安定状態）Ｖaddへ降下するまでの経過時間Ｔa、Ｔb、Ｔcを測定して作成した電圧変化グラフである。ここで、電池セル１６の温度はＴpa＞Ｔpb＞Ｔpcという関係であり、温度が高いほど電圧安定状態までの所要時間は短い。なお、温度のサンプリング数はＴpa〜Ｔpcに限られず、さらに多いサンプリング数としてもよい。

通電停止時間を安定電圧Ｖstにオフセット電圧Ｖoffを加えた電圧Ｖaddまでの経過時間とすることにより、温度ＴpaではΔＴa＝Ｔ'a−Ｔa、温度ＴpbではΔＴb＝Ｔ'b−Ｔb、温度ＴcではΔＴc＝Ｔ'c−Ｔcの時間、通電停止時間Ｔstopが短縮される。
図２に戻り、ステップＳ６では、タイマ３６によりタイマ値Ｔcntの計時を開始する。
ステップＳ７では、タイマ３６がステップＳ５で算出した通電停止時間Ｔstopを計時したか否かを判定する。即ち、タイマ値Ｔcnt≧Ｔstopであるか否かを判定する。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）と判定された場合にはステップＳ８へ進み、当該判定結果が偽（Ｎｏ）と判定された場合には所定時間経過後、再度ステップＳ７へ戻る。

続くステップＳ８では、図３のＳＯＣ推定ルーチン（補正手段、充電状態推定手段）が実行される。
ステップＳ９では、通電停止時間Ｔstop経過後に、電圧センサ２２により電池セル１６の電圧Ｖrを測定する。
ステップＳ１０では、ステップＳ９で測定された電圧Ｖrを補正する。

詳しくは、ＢＭＵ３０のメモリに登録されているオフセット電圧Ｖoffを読み出し、測定された電圧Ｖrからオフセット電圧Ｖoffを減じる。即ち、補正電圧Ｖcorr＝Ｖr−Ｖoffにより、補正電圧Ｖcorrを得る。ここで得られた補正電圧Ｖcorrは安定電圧Ｖstに略等しい。
ステップＳ１１では、Ｓ１０で補正された補正電圧ＶcorrからＳＯＣを算出する。

詳しくは、図６に電池セル１６における開放電圧−ＳＯＣマップを示すように、電池セル１６の開放電圧とＳＯＣには相関関係がある。そして、上述したように、補正電圧Ｖcorrは安定状態の安定電圧Ｖstに略等しいので、補正電圧Ｖcorrを開放電圧とみなすことができる。
従って、開放電圧−ＳＯＣマップから補正電圧Ｖcorrに対応するＳＯＣであるＣcorrを読み出し、ステップＳ１で算出したＳＯＣであるＣiをＣcorrに置き換えることにより、ＳＯＣを補正する。

ステップＳ１２では、電池セル１６に通電して充電を再開する。
ステップＳ１３では、電池セル１６が満充電であるか否かを判定する。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、本ＳＯＣ推定制御ルーチンを終了し、当該判定結果が偽（Ｎｏ）の場合には所定時間経過後、再度ステップＳ１３へ戻る。
このように、本実施形態によれば、電池セル１６の充電中に電池セル１６のＳＯＣであるＣiが所定の値に到達すると充電を停止し、電池セル１６の各温度に対して、充電を停止してから安定電圧Ｖstにオフセット電圧Ｖoffを加算した電圧Ｖaddに降下するまでの経過時間をグラフにした電池温度−通電停止時間マップから通電停止時間Ｔstopを読み出し、通電停止時間Ｔstop経過後にＳＯＣ推定を行う。そして、現在のＳＯＣであるＣiを推定されたＳＯＣであるＣcorrへ補正した後、充電を再開し、電池セル１６が満充電になるまで充電する。

従って、電池温度−通電停止時間マップから読み出す通電停止時間Ｔstopを安定電圧Ｖstにオフセット電圧Ｖoffを加えた電圧Ｖaddまでの経過時間Ｔa、Ｔb、Ｔcとすることにより、温度ＴpaではΔＴa＝Ｔ'a−Ｔa、温度ＴpbではΔＴb＝Ｔ'b−Ｔb、温度ＴpcではΔＴc＝Ｔ'c−Ｔcの時間、通電停止時間Ｔstopが短縮可能となり、より短時間でＳＯＣを推定することができる。

また、電池セル１６の各温度に対応する通電停止時間Ｔstopを電池温度−通電停止時間マップから読み出すことができるので、各温度に応じたＳＯＣを精度よく推定することができる。
また、通電停止時間Ｔstopの間充電を停止した後、電圧センサ２２により測定された電池セル１６の電圧Ｖrに、メモリに登録されているオフセット電圧Ｖoffを減算して得られた補正電圧Ｖcorrに対応するＳＯＣを開放電圧−ＳＯＣマップから読み出す。

即ち、補正電圧Ｖcorrは安定状態である安定電圧Ｖstと略等しいので、補正電圧Ｖcorrを開放電圧とみなすことができ、開放電圧−ＳＯＣマップから読み出された補正電圧Ｖcorrに対応するＳＯＣであるＣcorrは、安定電圧Ｖstに対応するＳＯＣに略等しい。
従って、短時間に精度よくＳＯＣを推定することができる。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

本実施形態の二次電池の充電状態推定制御装置は、第１実施形態に対して、ＢＭＵ３０のメモリ３４に電池セル１６の経年劣化に対する電流通電総積算値−劣化ゲインマップが登録されており、ＢＭＵ３０には、図示しないが電池セル１６への電流通電総積算値を算出する電流通電総積算算出部を備えているという点が相違しており、その他の構成は共通している。従って、共通箇所の説明は省略し、相違点について説明する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る電池セル１６の経年劣化を考慮したＳＯＣ推定制御ルーチン（劣化ゲイン補正手段）のフローチャートを示しており、以下同フローチャートに基づいて説明する。なお、ステップＳ１４〜Ｓ１８、Ｓ２２〜Ｓ２４については第１実施形態と共通であるため、説明を省略する。
ステップＳ１９では、ステップＳ１８において読み出した通電停止時間Ｔstopに対して劣化ゲイン補正を行う。

詳しくは、図８に劣化ゲインと電流通電総積算値との関係を示す。ここでは、劣化ゲインと電流通電総積算値との相関を示しているが、劣化ゲインは電池の温度熱履歴、生産経過時間などの単独、もしくは複合的な劣化要因により定義される。
図８に示すように、メモリ３４に登録されている電流通電総積算値−劣化ゲインマップから、現在の電流通電総積算値Ｉsumに対する劣化ゲインＧを読み出す。なお、電流通電総積算値Ｉsumは上記電流通電総積算算出部において算出された値を使用する。

ここで読み出した劣化ゲインＧを、ステップＳ１８で読み出した通電停止時間に乗じて補正する。即ち、補正後通電停止時間はＴstop_corr＝Ｔstop×Ｇから算出される。
続くステップＳ２０では、タイマ３６により、タイマ値Ｔcntの計時が開始される。
そして、ステップＳ２１では、タイマ３６がステップＳ１９で算出した補正後通電停止時間Ｔstop_corrを計時したか否かを判定する。即ち、タイマ値Ｔcnt≧Ｔstop_corrであるか否かを判定する。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）と判定された場合にはステップＳ２２へ進み、当該判定結果が偽（Ｎｏ）と判定された場合には所定時間経過後、再度ステップＳ２１へ戻る。

このように、本実施形態によれば、メモリ３４には電流通電総積算値−劣化ゲインマップが登録されており、当該電流通電総積算値−劣化ゲインマップから電池セル１６の電流通電総積算値Ｉsumに対応する劣化ゲインＧを読み出し、通電停止時間Ｔstopに劣化ゲインＧを乗じることにより補正後通電停止時間Ｔstop_corrを算出する。
これにより、電池セル１６の経年劣化に対してもＳＯＣ補正を精度よく行うことができる。また、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施形態では、電池温度−通電停止時間マップを作成するために使用する上記電圧変化グラフは、充電停止後の電圧に対する経過時間をプロットしているが、開放電圧−ＳＯＣマップを参照して当該電圧値を現在のＳＯＣであるＣrと電圧安定時のＳＯＣであるＣstとの差分、即ちΔＳＯＣ＝Ｃr−Ｃstに置き換えてプロットして作成してもよい。

また、上記第２実施形態では、通電停止時間の劣化ゲイン補正を行う際に使用する電流通電総積算値−劣化ゲインマップは、電流通電総積算値に対する劣化ゲインのグラフとしているが、これに限られず、電池セル１６の製造からの経過時間に対する劣化ゲインやその他の種々の経年劣化要因に対する劣化ゲインのマップとしてもよい。
そして、上記各実施形態では電池セル１６をリチウムイオン電池として説明したが、これに限られず、車両に搭載された駆動用の二次電池であれば本発明を適用可能である。

また、上記各実施形態では電気自動車を例に説明したが、プラグインハイブリッド車にも適用可能である。

１ 駆動用電池
１０ 電池モジュール
１４ 入出力電流センサ（電流検出手段）
１６ 電池セル
２０ ＣＭＵ
２２ 電圧センサ（電圧検出手段）
２４ 温度センサ（温度検出手段）
３０ ＢＭＵ
３４ メモリ

Claims (3)

1. 二次電池を駆動源として走行する車両において、
   前記二次電池の電流を検出する電流検出手段と、
   前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記二次電池の充電中に電流積算に基づいて求められる充電状態が所定の残容量になったとき通電を停止し、通電停止直後から降下した電圧が略一定となる第１安定状態に対して所定の割合となる所定値を加えた第２安定状態へ電圧が降下するまでの経過時間と、前記二次電池の各温度との特性により、前記温度検出手段にて検出された温度に応じて通電を停止する時間を算出する通電停止時間算出手段と、
   該通電停止時間算出手段により算出された通電停止時間経過後、前記電圧検出手段により検出された電圧を前記所定値により前記第１安定状態へ補正する補正手段と、
   該補正手段により補正された電圧から前記二次電池の充電状態を推定する充電状態推定手段と、
   前記二次電池の経年劣化要因から劣化ゲインを算出する劣化ゲイン算出手段と、
   該劣化ゲイン算出手段から算出された劣化ゲインを使用して前記通電停止時間算出手段により算出された前記通電停止時間を補正する劣化ゲイン補正手段と、
   を備えることを特徴とする二次電池の充電状態推定制御装置。
2. 前記充電状態推定手段は、開放電圧と充電状態との特性を示す開放電圧−充電状態マップであることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の充電状態推定制御装置。
3. 前記車両は、電気自動車またはプラグインハイブリッド自動車であることを特徴とする、請求項１または２に記載の二次電池の充電状態推定制御装置。

Images