JP7205203B2 - 満充電容量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、満充電容量推定装置に関し、詳しくは、電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置に関する。

従来、この種の満充電容量推定装置としては、電池を充電する際の充電前後の蓄電割合に基づいて電池の満充電容量を推定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、電池を充電する際の充電電流の積算値を充電前後の蓄電割合の差分で除することにより、電池の満充電容量を推定している。

特開２０１３－１０１０７２号公報

しかしながら、充電前後の蓄電割合は充電前後の電池の開放電圧に基づいて求めることができるが、一般的に電池の蓄電割合が中程度（２０％～８０％）では、蓄電割合の増減に対する電池の開放電圧の増減が小さいため、電池の開放電圧から正確な蓄電割合を求めることが困難なものとなる。このため、蓄電割合が中程度の状態からの充電の際に推定した満充電容量は不確かなものとなってしまう。

本発明の満充電容量推定装置は、より高い精度で電池の満充電容量を推定することを主目的とする。

本発明の満充電容量推定装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の満充電容量推定装置は、
電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置であって、
タイマー設定を用いて充電開始時から外部電源によって前記電池を充電するときには、前記充電開始時までに電池の放電を行ない、前記充電開始時の前記電池の蓄電割合と充電終了時の前記電池の蓄電割合に基づいて満充電容量を推定する、
ことを特徴とする。

この本発明の満充電容量推定装置では、タイマー設定を用いて充電開始時から外部電源によって電池を充電するときには、充電開始時までに電池の放電を行ない、充電開始時の電池の蓄電割合と充電終了時の電池の蓄電割合に基づいて満充電容量を推定する。放電により電池の蓄電割合を中程度より低い状態（蓄電割合の増減に対する電池の開放電圧の増減が大きな状態）として充電を開始することができるから、充電開始時の電池の蓄電割合をより高い精度で求めることができる。これにより、より高い精度で電池の満充電容量を推定することができる。

ここで、前記電池の放電は前記電池の蓄電割合が所定蓄電割合に至るまでの放電であるものとしてもよい。この場合、前記電池の放電は、タイマー設定時の前記電池の蓄電割合から前記所定蓄電割合を減じた放電蓄電割合に相当する蓄電量の放電であるものとしてもよい。こうすれば、必要な放電だけを行なうことができる。更にこの場合、前記タイマー設定時に前記放電蓄電割合に相当する蓄電量の放電を前記充電開始時までに完了できないと判定したときには、前記電池の放電は行なわないものとしてもよい。こうすれば、無駄な放電を行なうことなく、電池を充電することができる。

本発明の一実施例としての満充電容量推定装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット７０により実行される満充電容量推定処理の一例を示すフローチャートである。 バッテリ３６の開放電圧ＯＣＶと蓄電割合ＳＯＣとの関係の一例を示す説明図である。 満充電容量推定処理を実行したときのバッテリ３６の充放電の状態と蓄電割合ＳＯＣとの時間変化の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての満充電容量推定装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、モータ３２と、インバータ３４と、直流電源としてのバッテリ３６と、充電用リレー５０と、電子制御ユニット７０と、を備える。満充電容量推定装置としては、主として電子制御ユニット７０が該当する。

モータ３２は、例えば同期発電電動機として構成されており、回転子が駆動輪２２ａ，２２ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２６に接続されている。インバータ３４は、モータ３２の駆動に用いられると共に電力ライン３８とシステムメインリレー３５とを介してバッテリ３６に接続されている。モータ３２は、電子制御ユニット７０によってインバータ３４の図示しない複数のスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。

バッテリ３６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、システムメインリレー３５およびインバータ３４を介してモータ３２と電力のやりとりを行なう。即ち、モータ３２を力行制御することによりバッテリ３６からの電力を用いてモータ３２から駆動用の動力を出力し、モータ３２を回生制御することによりモータ３２からの回生電力によってバッテリ３６を充電する。バッテリ３６には、高温時に冷却するファン３７ａや低温時に加温するヒータ３７ｂが取り付けられている。

充電用リレー５０は、車外の充電スタンド９０のスタンド側コネクタ９１に接続される車両側コネクタ５１と電力ライン３８とを接続する電力ライン５２に設けられている。充電用リレー５０は、図示しないが、正極リレーと負極リレーを備えている。

電子制御ユニット７０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵに加えて、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、フラッシュメモリ、入出力ポート、通信ポートなどを備える。

電子制御ユニット７０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力される。電子制御ユニット７０に入力される信号としては、例えば、モータ３２の回転子の回転位置を検出する図示しない回転位置センサからのモータ３２の回転子の回転位置θｍや、モータ３２の各相の相電流を検出する図示しない電流センサからのモータ３２の各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを挙げることができる。また、バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサ３６ａからのバッテリ３６の電圧Ｖｂや、バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサ３６ｂからのバッテリ３６の電流Ｉｂ、バッテリ３６に取り付けられた温度センサ３６ｃからのバッテリ３６の温度Ｔｂも挙げることができる。車両側コネクタ５１がスタンド側コネクタ９１に接続されているか否かを検出する接続検出センサ５３からの接続検出信号や車両側コネクタ５１と充電用リレー５０との間の電力ライン５２に取り付けられた電圧センサ５２ａからの充電電圧Ｖｃｈｇも挙げることができる。バッテリ３６を充電する際にタイマー設定するためのタイマー設定部７２からの設定信号も挙げることができる。タイマー設定部７２は、充電完了時刻を設定することによって充電のタイマー設定を行なう。また、電子制御ユニット７０には、図示しないが、イグニッションスイッチからのイグニッション信号や、シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジションＳＰ、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度Ａｃｃ、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジションＢＰ、車速センサからの車速Ｖなども挙げることができる。

電子制御ユニット７０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力される。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４への制御信号やシステムメインリレー３５への制御信号，充電用リレー５０への制御信号を挙げることができる。また、バッテリ３６を冷却するためのファン７２ａへの駆動制御信号や、バッテリ３６を加温するためのヒータ７２ｂへの駆動制御信号なども挙げることができる。さらに、車両側コネクタ５１がスタンド側コネクタ９１に接続されているときに車両側コネクタ５１およびスタンド側コネクタ９１の通信ラインを介して充電スタンド９０に充電に必要な情報も挙げることができる。電子制御ユニット７０は、電流センサ３６ｂからのバッテリ３６の入出力電流Ｉｂの積算値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。ここで、蓄電割合ＳＯＣは、バッテリ３６の満充電容量Ｆｃｃに対する蓄電量の割合であり、百分率（パーセント）により表わされる。

こうして構成された実施例の電気自動車２０では、バッテリ５０の満充電容量Ｆｃｃを推定する処理を実行する電子制御ユニット７０が満充電容量推定装置に相当する。図２は、電子制御ユニット７０により実行される満充電容量推定処理の一例を示すフローチャートである。

満充電容量推定処理が実行されると、電子制御ユニット７０は、まず、タイマー設定が行なわれているか否かを判定する（ステップＳ１００）。この判定は、タイマー設定部７２から充電完了時刻が設定されたか否かを判定することによって行なうことができる。タイマー設定が行なわれていないと判定したときには、充電を開始すると共に（ステップＳ２２０）、電圧センサ３６ａからのバッテリ３６の電圧Ｖｂを充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔとして取得し（ステップＳ２３０）、電流センサ３６ｂからのバッテリ３６の電流Ｉｂ（充電電流）の積算を開始する（ステップＳ２４０）。そして、充電が完了するのを待って（ステップＳ２４０）、充電を停止すると共に（ステップＳ２５０）、電圧センサ３６ａからのバッテリ３６の電圧Ｖｂを充電終了電圧Ｖｅｎｄとして取得し（ステップＳ２６０）、得られた充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔと充電終了電圧Ｖｅｎｄと充電電流Ｉｂの積算値とを用いて満充電容量Ｆｃｃを推定し（ステップＳ２８０）、本処理を終了する。満充電容量Ｆｃｃの推定は、具体的には、充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔをバッテリ３６の充電開始時の開放電圧として充電開始時の蓄電割合ＳＯＣ１を取得すると共に充電終了電圧Ｖｓｔａｒｔをバッテリ３６の充電終了時の開放電圧として充電終了時の蓄電割合ＳＯＣ２を取得し、次式（１）に示すように充電電流Ｉｂの積算値を蓄電割合ＳＯＣ１と蓄電割合ＳＯＣ２との差分で除したのに単位を合わせるために１００を乗じることにより計算することができる。バッテリ３６の開放電圧ＯＣＶと蓄電割合ＳＯＣとの関係の一例を図３に示す。充電開始時の蓄電割合ＳＯＣ１や充電終了時の蓄電割合ＳＯＣ２は、充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔや充電終了電圧Ｖｅｎｄを図３の関係に適用することにより求めることができる。なお、図３に示すように、蓄電割合ＳＯＣが値Ｓ１から値Ｓ２の領域では、蓄電割合ＳＯＣの増減に対して開放電圧ＯＣＶの増減が小さいため、開放電圧ＯＣＶから蓄電割合ＳＯＣを求めたときの誤差が大きくなる。このため、充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２の範囲となるときには、満充電容量Ｆｃｃの推定の精度は低くなる。

Ｆｃｃ＝充電電流Ｉｂの積算値／（ＳＯＣ２－ＳＯＣ１）×１００ （１）

ステップＳ１００でタイマー設定が行なわれていると判定したときには、電圧センサ３６ａからのバッテリ３６の電圧Ｖｂを図３の関係に適用して蓄電割合ＳＯＣを取得する（ステップＳ１００）。続いて、取得した蓄電割合ＳＯＣを用いて放電量Ｗｄｉｓを計算する（ステップＳ１２０）。ここで、放電量Ｗｄｉｓは、次式（２）に示すように、蓄電割合ＳＯＣから所定蓄電割合Ｓｓｅｔを減じたものに満充電容量Ｆｃｃを乗じ、更に単位を合わせるために１００で除することにより求めることができる。所定蓄電割合Ｓｓｅｔは、図３に示す値Ｓ１より小さい値を用いている。この領域では、蓄電割合ＳＯＣの増減に対して開放電圧ＯＣＶの増減が大きいため、開放電圧ＯＣＶから蓄電割合ＳＯＣを求めたときの誤差は小さくなる。

Ｗｄｉｓ＝（ＳＯＣ－Ｓｓｅｔ）×Ｆｃｃ／１００ （２）

次に、放電量Ｗｄｉｓを放電するのに必要な時間（放電時間）を計算すると共に（ステップＳ１３０）、放電開始時刻を計算する（ステップＳ１４０）。放電時間は、バッテリ３６から放電量Ｗｄｉｓをどのように放電するかによって定められるものであり、例えば、図示しない補機用バッテリを充電することによってバッテリ３６を放電する場合には、補機用バッテリを充電するのに適した電力で放電量Ｗｄｉｓを除することによって計算することができる。放電開始時刻は、タイマー設定による充電完了時刻からバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣが所定蓄電割合Ｓｓｅｔの状態から満充電の状態とするのに必要な充電時間だけ遡って充電開始時刻を設定し、この充電開始時刻から放電時間だけ遡った時刻として設定する。そして、放電可能か否かを判定する（ステップＳ１５０）。この判定は、放電開始時刻が現時刻より後であるか否かによって行なうことができる。

ステップＳ１５０で放電開始時刻が現時刻より前であることにより放電負荷と判定したときには、充電開始時刻に至るのを待って（ステップＳ２１０）、充電を開始し（ステップＳ２２０）、ステップＳ２３０～Ｓ２７０の処理により得られる充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔと充電終了電圧Ｖｅｎｄと充電電流Ｉｂの積算値とを用いて満充電容量Ｆｃｃを推定し（ステップＳ２８０）、本処理を終了する。この場合の充電開始時刻は、タイマー設定による充電完了時刻からバッテリ３６がステップＳ１１０で取得した蓄電割合ＳＯＣの状態から満充電の状態とするのに必要な充電時間だけ遡った時刻となる。

ステップＳ１５０で放電開始時刻が現時刻より後であることにより放電可能と判定したときには、放電開始時刻に至るのを待って（ステップＳ１６０）、温度センサ３６ｃからのバッテリ３６の温度Ｔｂ（電池温度）が閾値Ｔｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ここで、閾値Ｔｒｅｆは、バッテリ３６の放電の際に冷却が必要であるか加温が必要であるかの閾値であり、例えば１０℃や１５℃などを用いることができる。電池温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上であると判定したときには、ファン７２ａを駆動して放電を開始し（ステップＳ１８０）、電池温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ未満であると判定したときには、ヒータ７２ｂを駆動して放電を開始する（ステップＳ１９０）。そして、放電完了を待つ（ステップＳ２００）。このように、放電時に冷却や加温を行なうのは、バッテリ３６の温度Ｔｂをその性能を十分に発揮できる温度とするためである。

放電完了すると、充電開始時刻に至るのを待って（ステップＳ２１０）、充電を開始し（ステップＳ２２０）、ステップＳ２３０～Ｓ２７０の処理により得られる充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔと充電終了電圧Ｖｅｎｄと充電電流Ｉｂの積算値とを用いて満充電容量Ｆｃｃを推定し（ステップＳ２８０）、本処理を終了する。このときの充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔは所定蓄電割合Ｓｓｅｔのときであるから、充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔを開放電圧として得られる充電開始時の蓄電割合ＳＯＣ１は誤差の小さなものとなるから、ステップＳ２８０で推定した満充電容量Ｆｃｃより確からしいものとなる。即ち、バッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣが所定蓄電割合Ｓｓｅｔに至るまで放電してから充電することによって、より高い精度で満充電容量Ｆｃｃを推定することができる。

図４は、図２の満充電容量推定処理を実行したときのバッテリ３６の充放電の状態と蓄電割合ＳＯＣとの時間変化の一例を示す説明図である。図中、「充放電」の欄の「０」は充放電が行なわれていない状態を示す。時間Ｔ１の放電開始時刻に至ると、バッテリ３６の放電が開始され、蓄電割合ＳＯＣが所定蓄電割合Ｓｓｅｔになった時間Ｔ２にバッテリ３６の放電が終了する。充電開始時刻の時間Ｔ３にバッテリ３６の充電が開始され、充電電流Ｉｂの積算が開始されると共にこのときに充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔが取得される。バッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣが１００％（満充電）に至った時間Ｔ４に充電が終了され、このときに充電終了電圧Ｖｅｎｄが取得される。そして、得られた充電開始電圧Ｖｓｔａｒｔと充電終了電圧Ｖｅｎｄと充電電流Ｉｂの積算値とによって満充電容量Ｆｃｃが推定される。

以上説明した実施例の満充電容量推定装置では、バッテリ３６を充電する際、バッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣが所定蓄電割合Ｓｓｅｔに至るまで放電してから充電することにより、誤差の小さな充電開始時の蓄電割合ＳＯＣ１を取得することができる。この結果、この充電開始時の蓄電割合ＳＯＣ１を用いることにより、より高い精度で満充電容量Ｆｃｃを推定することができる。

実施例の満充電容量推定装置では、タイマー設定部７２では、充電終了時刻を設定するものとしたが、充電開始時刻を設定するものとしてもよい。

実施例の満充電容量推定装置では、バッテリ３６を冷却する手法としてファン７２ａを駆動するものとしたが、液冷の場合には冷却媒体を圧送するポンプを駆動するなど、冷却手法に応じた冷却を行なうものとすればよい。また、バッテリ３６を加温する手法としてヒータ７２ｂを駆動するものとしたが、他の加温装置を用いる場合には加温装置を駆動するものとすればよい。

実施例の満充電容量推定装置では、電池温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上であるか否かによって放電時に冷却や加温を行なうものとしたが、放電時に冷却や加温を行なわないものとしても構わない。

実施例の満充電容量推定装置では、電気自動車２０に搭載されるものとしたが、電気自動車に搭載されるものには限定されず、バイブリッド自動車に搭載されるものとしたり、自動車以外の移動体に搭載されるものとしたり、移動しない設備に組み込まれるものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、バッテリ３６が「電池」に相当し、電子制御ユニット７０が「満充電容量推定装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、満充電容量推定装置の製造産業などに利用可能である。

２０ 電気自動車、２２ａ，２２ｂ 駆動輪、２４ デファレンシャルギヤ、２６ 駆動軸、３２ モータ、３４ インバータ、３５ システムメインリレー、３６ バッテリ、３６ａ 電圧センサ、３６ｂ 電流センサ、３６ｃ 温度センサ、３７ａ ファン、３７ｂ ヒータ、３８ 電力ライン、５０ 充電用リレー、５１ 車両側コネクタ、５２ 電力ライン、５２ａ 電圧センサ、５３ 接続検出センサ、７０ 電子制御ユニット、７２ タイマー設定部、９０ 充電スタンド、９１ スタンド側コネクタ。

Claims (1)

1. 電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置であって、
   タイマー設定により充電終了時刻を設定して外部電源によって前記電池を充電するときには、
   前記電池を所定蓄電割合から満充電するのに必要な時間を前記充電終了時刻から遡って充電開始時刻を設定すると共に、前記電池の蓄電割合を前記所定蓄電割合まで放電するのに必要な放電時間だけ前記充電開始時刻から遡って放電開始時刻を設定し、
   前記放電開始時刻に基づいて放電が可能なときにのみ前記放電開始時刻から前記電池の蓄電割合が前記所定蓄電割合となるように電池の放電を行ない、
   充電開始時から充電終了時までの前記電池を充電する充電電流の積算値を前記充電開始時の前記電池の蓄電割合と前記充電終了時の前記電池の蓄電割合との差分で除することにより満充電容量を推定する、
   ことを特徴とする満充電容量推定装置。

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