JPH10142302A - 電池残容量検出装置 - Google Patents
電池残容量検出装置Info
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- JPH10142302A JPH10142302A JP8302171A JP30217196A JPH10142302A JP H10142302 A JPH10142302 A JP H10142302A JP 8302171 A JP8302171 A JP 8302171A JP 30217196 A JP30217196 A JP 30217196A JP H10142302 A JPH10142302 A JP H10142302A
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Abstract
電位放置時における不可逆劣化量を予測して電池の残容
量を正確に検出する。 【解決手段】検出したバッテリ電圧が、バッテリの定格
電圧(リチウムイオン二次電池のセル換算では、3.6
V)よりも高い所定電圧(例えば、同3.9V)を超え
る値で放置されていた場合、具体的には、満充電後の放
置状態にある場合には、その高電圧状態である時間をタ
イマにより計時し、この計時時間に基づきバッテリの容
量劣化量Cdを計算する。計算した容量劣化量Cdを基
準容量(新品時の容量)Crから引いた値を、以降の満
充電容量Cfとする。この満充電容量Cfから放電量C
disを引いた値を残容量Ccとする。これらの値を棒
グラフ61、62、63で表示する。
Description
二次電池を、例えば、動力源とする電気自動車に適用し
て好適な電池残容量検出装置に関する。
小型、高容量性が注目されて、電子機器を始めとして、
種々の分野で使用されており、電池を動力源とする電気
自動車においても、その使用が考えられている。例え
ば、車輪の回転駆動源としてモータ、すなわち走行用モ
ータが採用される電気自動車においては、前記電池によ
り前記走行用モータが回転するように構成される。
ガソリン自動車等の燃料計に相当する残容量表示計がダ
ッシュボード上に配置され、その表示指針の位置に応じ
て、運転者に再充電を促すように構成される。
オン二次電池は、ニッケル水素二次電池またはニッケル
カドミウム二次電池等の他の二次電池とは異なり、充電
時または充電後の放置時において、正負電極間の電圧
が、定格電圧(公称電圧ともいい、通常、室温におい
て、3.6V)よりも高電位状態になっている場合に
は、満充電容量が基準容量(標準容量または定格容量と
もいい、通常、いわゆる新品時における容量)よりも小
さくなってしまうことが確認された。なお、一般に、満
充電容量は可逆容量とも称される。
容量の低下現象は、いわゆる自己放電現象による容量低
下とは異なり、リチウムイオン二次電池の性能劣化とな
り、一般的には、回復不可能である。
面に炭酸リチウム(LiCO3 )等のリチウム化合物の
被膜ができるためと考えられている。リチウムイオン二
次電池には、例えば、コバルト酸リチウムイオン二次電
池、マンガン酸リチウムイオン二次電池等複数の種類が
あり、種類に応じて劣化の程度も異なるのであるが、上
述の不可逆的劣化は、全てのリチウムイオン二次電池に
共通する現象であり、特に高分子電解質を用いたポリマ
ー型二次電池で顕著である。
れたものであり、リチウムイオン二次電池における不可
逆劣化量を予測して電池の残容量を正確に検出する電池
残容量検出装置を提供することを目的とする。
オン二次電池の電圧を検出し、検出電圧が高電圧状態で
ある場合には、一定条件のもとに、残容量を補正するよ
うにしている。
池の電圧を検出し、検出した電圧と前記電池の定格電圧
よりも高い所定電圧とを比較し、前記検出電圧が前記所
定電圧を超える高電圧状態であることを表す状態である
ことを比較検出したときに、時間の計時を行い、前記高
電圧状態にある時間の計時時間に基づき前記電池の容量
劣化量を計算し、前記容量劣化量に基づいて前記リチウ
ムイオン二次電池の残容量を補正するようにしている。
計算することができ、したがって、リチウムイオン二次
電池の残容量を正確に求めることができる。
池の容量劣化量を、前記高電圧状態計時時間と前記検出
電圧値に基づき計算することで、より高精度に容量劣化
量を計算することができる。
容量劣化量を、前記高電圧状態計時時間と前記電池の温
度に基づき計算することで、同様に、より高精度に容量
劣化量を計算することができる。
の容量劣化量を、前記高電圧状態計時時間と前記検出電
圧値と前記電池の温度に基づき計算することで、一層高
精度に容量劣化量を計算することができる。
より構成することが可能であり、CPU等を利用したソ
フトウエアにより実現することも可能である。これらを
併用して実施することも可能である。
ついて図面を参照して説明する。
れた電気自動車10が、充電コネクタ11の端子11
a、11b、11cを介して車外の充電器12の出力側
に接続された構成を示している。充電器12の入力側に
は、例えば、交流200V電源13が接続されている。
電池を直列接続して、例えば、288Vにした高電圧の
バッテリ15が搭載されている。バッテリ15には、そ
の端子間電圧(電圧信号ともいう。)Vbを測定(検
出)する電圧センサ(電圧計、電圧検出器、電圧測定手
段、電圧検出手段)16が接続されている。バッテリ1
5には、コネクタ11a、11bを介して直流の充電電
圧が供給され、その充電器12の出力電流(電流信号ま
たは電流値ともいう。)I1が電流センサ(電流計、電
流検出器、電流測定手段、電流検出手段)21で測定
(検出)される。
流信号または電流値ともいう。)I2を測定(検出)す
る電流センサ(電流計、電流検出器、電流測定手段、電
流検出手段)22を介して、負荷である3相のモータ2
4をPWM(パルス幅変調)制御により駆動するモータ
駆動ユニット(Power Drive Unit、以
下、PDUともいう。)23が接続されている。
判断、計算、計時手段等として動作し、かつ必要に応じ
て、相互にデータのやりとりを行う管理用ECU(El
ectric Control Unit)31とモー
タ用ECU32が搭載されている。なお、管理用ECU
31とモータ用ECU32は、各々、中央処理装置とし
てのCPUと、システムプログラム等が記憶される記憶
手段であるROMと、ワーク用等として使用される記憶
手段であるRAMと、計時用のタイマ(計時手段)、A
/D変換器、D/A変換器等の入出力インタフェース等
が含まれるマイクロコンピュータにより構成されてい
る。計時用のタイマは、各種含まれているが、そのう
ち、後に詳細に説明する、バッテリ15が高電位状態で
放置されている時間を計時するタイマを放置タイマ18
という。
転数信号(単に、回転数ともいう。)Nm、アクセルペ
ダル34からのアクセル開度信号(単に、開度ともい
う。)θp、電流センサ22からの電流信号I2、電圧
センサ16からの電圧信号Vbが供給され、さらにイグ
ニッションスイッチ41が接続され、これらの信号に基
づいてモータ駆動ユニット23を制御する。
らの電流信号(の値)I1、電流センサ22からの電流
信号(の値)I2、電圧センサ16からの電圧信号(の
値)Vb、バッテリ15に取り付けられた温度センサ
(温度計、温度検出器、温度検出手段)44からの温度
信号(温度)Tbが供給され、さらに、充電スイッチ4
3が接続され、これらの信号に基づいて充電器12を制
御するとともに、表示器45上の残容量表示を制御す
る。なお、図1中、符号Ichgは、バッテリ15に供
給される充電電流(値または信号)を表し、この充電電
流Ichgは、Ichg=I1−I2により管理用EC
U31で計算することができる。
明する。なお、この発明の要旨は、管理用ECU31に
よるバッテリ15の残容量検出処理にあるので、これに
ついて詳しく説明し、モータ用ECU32によるモータ
駆動ユニット23の制御については、簡潔に説明する。
以下の順序で動作を説明する。
説明 B.残容量検出処理のための可逆容量(満充電容量)の
低下現象の説明と管理用ECU31による制御動作の総
括的な説明 C.管理用ECU31による制御動作の説明 まず、A.モータ用ECU32による制御動作につい
て、図2に示すフローチャートをも参照して説明する。
離されていて、かつイグニッションスイッチ41が閉状
態(オン状態)にされていることを条件に、モータ24
の回転制御処理(図2に示すフローチャートによる処
理)を行う。
を取り込む(ステップS1)とともに、アクセルペダル
34の踏力に応じたアクセル開度θpを取り込む(ステ
ップS2)。
基づいて要求トルクTRQをルックアップテーブルまた
は関数、例えば、TRQ=f(θp,Nm)として求め
る(ステップS3)。
4)。要求電力Pcは、要求トルクTRQと回転数Nm
の積、すなわち、Pc=TRQ×Nmにより計算するこ
とができる。
なわち端子間電圧Vbと供給される電流I2を取り込む
(ステップS5、S6)。電流I2は、バッテリ15か
ら見れば、放電電流である。
S7)。この実電力Peは、PDU23に供給される電
圧Vbと電流I2の積に効率ηを掛けた値、Pe=Vb
×I2×ηで得られる。
とステップS7で求めた実電力Peの値の大きさを比較
する(ステップS8)。
きい場合には、実電力Peを低下させる必要があるの
で、モータ用ECU32からPDU23へ供給されるP
WM信号のデューティを小さくする(ステップS9)。
値より小さい場合には、実電力Peを増加させる必要が
あるので、モータ用ECU32からPDU23に供給さ
れるPWM信号のデューティを大きくする(ステップS
10)。
一である場合には、デューティを変化させない。
た場合には、ステップS1にもどり、ルーチンを繰り返
す。
よる制御動作についての説明であり、次に、B.残容量
検出処理のための可逆容量(満充電容量)の低下現象に
ついての説明と、管理用ECU31による制御動作につ
いての総括的な説明を行う。
ついて総括的に説明する。
としてのリチウムイオン二次電池の定格電圧VrはVr
=3.6Vである。
うに、正負電極端子間の端子間電圧Vb(なお、単電池
の端子間電圧は、正確には、バッテリ15の端子間電圧
を直列個数で割った値として得られるが、繁雑であるの
で、リチウムイオン二次電池1個の端子間電圧も符号V
bで表し、以下、バッテリ15は、単電池であるものと
して説明する。)が、定格電圧Vrより高い高電圧状態
になっている場合には、換言すれば、高電位にさらされ
ている場合には、満充電容量(可逆容量)が低下すると
いう劣化が起こる。そこで、この実施の形態では、この
劣化が起こり始まる閾値電圧(所定電圧、所定高電圧ま
たは高電圧放置判断電圧ともいう。)Vthを、仮に、
Vth=3.9Vに設定している。
を満充電まで充電するため、定格電圧Vrよりかなり高
い電圧(例えば、4.2V)で充電する場合が多い。充
電電圧が低い場合には、この充電により蓄えられる電力
が少なくなってしまうからである。したがって、そのよ
うな電圧、例えば、Vb=4.2Vで充電して満充電状
態にあるとしても、端子間電圧VbがVb=4.2Vの
状態になったまま、充電器12を外した状態で長時間放
置した場合には、劣化量(容量劣化量または劣化容量と
もいう。)が大きくなる。
めには、閾値電圧Vthより低い電圧で充電すればよい
が、完全な満充電状態とならず、換言すれば、残容量が
最大値とならないので、結果として、完全な満充電状態
に比較して、1回の充電で走行させた場合の電気自動車
10の走行距離が短くなってしまう。なお、上述の高電
圧Vb=4.2Vで充電した場合には、長時間放置せず
に放電(走行)して端子間電圧Vbを、例えば、Vb=
3.9V以下まで低下させれば劣化を防止できるが、走
行する必要のない場合等においては、そのような訳には
いかない。
果、以下の特徴事項を見出した。 (1) 劣化量は、高電圧放置に伴い、最大定格容量の
20%程度まで進行する。換言すれば、定格容量が初期
値の80%になってしまう。 (2) 劣化は、高電圧放置であっても、1〜2日程度
では発生しないが、30日を超えると最大定格の15%
程度まで進行する。 (3) 図3に示すように、劣化の進行速度(単位時間
当たりの劣化量)ΔAh(アンペアアワー)/h(アワ
ー)は、バッテリ電圧(放置電位、放置電圧)Vbに比
例して速くなる。すなわち、高電圧ほど早く劣化する。 (4) 同様に、図3に示すように、劣化の進行速度Δ
Ah/hは、バッテリ温度Tbにも比例する。例えば、
バッテリ温度TbがTb=25℃に比較して、Tb=4
5℃の高温度であるほど早く劣化する。 (5) また、劣化現象は高電位放置時にかぎらず、充
電中であっても放電中であっても、バッテリ電圧Vbが
高電位であれば発生する。
は、劣化が発生する時間オーダーでの放置時間に比較す
ればはるかに短い時間であるので、以下に説明する実施
の形態では、充電中と放電中以外の劣化予測処理、すな
わち放置中の劣化量のみを推定(予測)することとす
る。以上の知見に基づいて、管理用ECU31で制御動
作を行う。
明 管理用ECU31による電池残容量検出制御処理につい
て図4に示すフローチャートをも参照して説明する。こ
の場合、予め、実際に電気自動車10に搭載するバッテ
リ15の種類に応じて、積算された放置時間Taの所定
時間毎に、図3に示した放置電位(V)対単位時間当た
りの劣化量(ΔAh/h)の特性を測定しておき、管理
用ECU31内にルックアップテーブルまたは関数とし
て格納しておく。この実施の形態では、所定温度毎に、
例えば、0℃から5℃きざみで40℃まで測定した、図
3のテーブルを劣化速度テーブル51として格納する。
同様に、図5に示すように、前記バッテリ15の種類に
応じて、高電位下の最大劣化量Cdmaxを測定して、
記憶手段に格納しておく。さらに、前記バッテリ15の
種類に応じて、バッテリ15が、いわゆる新品である場
合の基準容量(定格容量、標準容量ともいう。)を測定
しておき基準容量Crとして記憶手段に記憶しておく。
15の動作モード(動作状態)について判定する(ステ
ップS11)。イグニッションスイッチ41が閉じられ
た状態(オン状態)であれば、放電モードの制御を行
い、充電スイッチ43が閉じられた状態(オン状態)で
あれば、充電モードの制御を行い、イグニッションスイ
ッチ41および充電スイッチ43がともに開かれた状態
(オフ状態)であれば、放置モードの制御を行う。な
お、イグニッションスイッチ41と充電スイッチ43が
ともに閉じられる状態はない。
が接続されていることを確認した後、充電器12をオン
状態にする(ステップS21)。
ップS22)。充電容量Cchgは、電流センサ21お
よび電流センサ22により検出した充電電流Ichg
(I1−I2)に充電時間Tchgを掛けた値として計
算できる。
23)。残容量Ccは、次の(1)式に示すように、前
回計算時の残容量Cc′に、ステップS22で計算した
充電容量Cchgに充電効率ηchgを掛けた値を加え
た値に等しい。
ので省略しているが、残容量Ccを計算した場合には、
表示器45上の残容量Ccの表示を更新する処理を行う
ようにしている。
になったかどうかを確認し(ステップS24)、そうで
ない場合には、ステップS11、S21〜S24までの
処理を繰り返す。
きには、充電器12をオフ状態とし(ステップS2
5)、残容量Ccを満充電容量Cf(Cc=Cf)とす
る(ステップS26)。この場合、表示器45上の残容
量表示が更新される。
(放電量)Cdisを検出する(ステップS31)。放
電容量Cdisは、電流センサ22により検出した電流
を放電電流I2として、この値に放電時間Tdisを掛
けた値として得られる。
示すように、前回の残容量Cc′から、計算した放電容
量Cdisを引いた値として計算すればよい(ステップ
S32)。なお、前回の残容量Cc′が、ステップS2
6の処理後の満充電容量Cfであった場合には、この満
充電容量Cfから、計算した放電容量Cdisを引いた
値として計算すればよいことはもちろんである。
圧Vbが、劣化の発生する所定高電圧Vth(Vth=
3.9V)を超えているかどうかを判断する(ステップ
S41)。超えていない場合には、劣化が進行しないの
でステップS11にもどる。
超えていた場合には(Vb>Vth)、放置タイマ18
によりその状態が所定時間(例:30分)継続したかど
うかを判断する(ステップS42)。該所定時間が継続
した時は、放置タイマ18をいったんリセットし(ステ
ップS43)、劣化速度テーブル51を検索する(ステ
ップS44)。劣化速度テーブル51は、図3の劣化特
性を考慮して、バッテリ15の状態(温度、電圧)がス
テップS42で設定した所定時間(30分)継続した時
のバッテリの劣化速度(ΔAh/h)として記憶されて
いる。
補正量)Cdを計算する(ステップS45)。この劣化
量Cdは前回の劣化量Cd′に新たな劣化分、すなわ
ち、劣化速度Δ×放置時間Tnで表される劣化分を加え
ることで計算される。よって、劣化量Cdは次の(3)
式で求められる。
設定した所定時間(30分)毎に計算されるので、放置
時間Tnは該所定時間(30分)になる。
(リミット量、リミット値)Cdmax(図5参照)と
を比較する(ステップS46)。
よりも大きい場合には、劣化量Cdの値をその高電位最
大劣化量Cdmaxとし(ステップS47)、そうでな
い場合には、ステップS46で計算した劣化量Cdを劣
化量Cdの値として、満充電容量Cfを次の(4)式に
より計算する(ステップS48)。
バッテリ15が新品である場合の基準容量であり、した
がって、(4)式は満充電容量Cfが劣化量Cd分だけ
小さくなったことを意味している。もし、次に、充電モ
ードに入った場合に、前記ステップS26における満充
電容量Cfの値は、このステップS48で計算した値が
用いられる。
48で計算した満充電容量Cfを超える値であった場合
には(ステップS49:YES)、そのようなことはあ
り得ないので、現在の残容量Ccの値を、計算した満充
電容量Cfの値とする(ステップS50)。換言すれ
ば、計算された満充電容量Cfの値が、計算される残容
量Ccの値を超えないようにする。すなわち、放置モー
ドでは、基本的にはバッテリ15は放電しないので残容
量Ccは低下しない。しかし、高電圧放置を長時間続け
て劣化量Cdが増加した場合は満充電容量Cfが低下し
ているので、計算上、残容量>満充電容量(ステップS
49:YES)になることがある。しかし物理的には残
容量Ccは満充電容量Cfを超えないのでステップS4
9、S50の処理が必要になる。
示残容量Cc(%)として、次の(5)式で得られる値
に対応する表示を行う。
表示例を示している。この棒グラフ表示は、例えば、発
光ダイオードを利用して、バッテリ15が新品時には、
残容量CcがCc=Crとされ、基準容量Cr分の、例
えば、緑色発光表示の棒グラフ61とされ、劣化時の満
充電時には、残容量CcがCc=Cfとされて、満充電
容量Cf分の緑色発光表示の棒グラフ62とされる。ま
た、この劣化時において、走行して放電させた場合に
は、残容量Cc部分を緑色発光表示とし、放電量Cdi
sの部分を、例えば、黄色発光表示として棒グラフ63
を表示する。なお、バッテリ15の高電位放置劣化後の
棒グラフ62、63において、点線で示す劣化量部分は
表示しない。
チャートにより概略的に説明する。
においては、バッテリ電圧Vbが降下するとともに、積
算された放電量(負の傾斜で表された部分)分だけ、表
示残容量Cc(%)が低下する。そして、時点t12〜
時点t13の放置時間の後に、時点t13〜t14の間
で充電を行う。この期間では、充電量(正の傾斜で表さ
れた部分)が積算され、かつバッテリ電圧Vbが高電位
劣化が始まる閾値電圧Vthを超える。時点t14にお
いて、充電器12が切り放されて、その時点t14以降
時点t15まで高電位状態で放置されたものとする。
開始され、放電量が積算される。また、時点t16〜t
17において、走行が停止され、その状態で放置され
る。時点t17において、再び充電が開始されるが、時
点t18において充電が停止され、時点t18〜t19
の間放置されたものとする。時点t19では、放置電圧
Vbが補正が必要となる高電圧放置判断電圧Vthに達
していないので、標準容量Crに対する劣化補正を行わ
ない。
リチウムイオン二次電池からなるバッテリ15の電圧V
bを検出し、検出電圧Vbが高電圧状態(Vb>Vt
h)である場合には、劣化補正量Cdを計算し、満充電
容量Cfを低減することで、正確な残容量Ccを算出す
ることができるという効果が達成される。
テリ電圧Vbが、バッテリ15の定格電圧(リチウムイ
オン二次電池のセル換算では、3.6V)よりも高い所
定電圧Vth(例えば、同3.9V)を超える値で放置
されていた場合、例えば、満充電後の放置状態にある場
合には、その高電圧状態である時間を放置タイマ18に
より計時し、この計時時間(放置時間)Tnに基づきバ
ッテリの容量劣化量Cdを計算する。図6に示すよう
に、計算した容量劣化量Cdを基準容量(新品時の容
量)Crから引いた値を、以降の満充電容量Cfとす
る。この満充電容量Cfから放電量Cdisを引いた値
を残容量Ccとする。
際に、バッテリ温度Tbと高電位の検出電圧値と放置時
間Tnに基づいて、劣化速度ΔAh/hの最も正確な値
を選択するようにしているので、きわめて、高精度に劣
化容量Cdを計算することができる。
U31とこれにインストールされたソフトウエアを利用
してこの発明を実現しているが、この発明は、そのソフ
トウエアによる処理の一部または全部をディスクリート
部品、例えば、電圧検出手段としての電圧計、比較手段
としての比較器、計時手段としてのタイマ、容量劣化計
算手段(または残容量補正手段)としてのコンデンサ
(記憶手段)を含む加減乗除器とにより構成することも
可能である。
ず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採
り得ることはもちろんである。
ば、リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出し、検
出した電圧が、電池の定格電圧よりも高い予め決定した
所定電圧を超える高電圧状態であった場合には、高電圧
状態にある計時時間に基づく容量劣化量を計算し、電池
の残容量を補正するようにしている。
る高電圧下における不可逆劣化量による電池の容量減を
精度良く予測計算することが可能となり、結果として、
電池の残容量を正確に検出することができるという効果
が達成される。
車に充電器が接続された構成を示すブロック図である。
れるフローチャートである。
の関係を示す特性図である。
るフローチャートである。
示す特性図である。
である。
るタイムチャートである。
U 41…イグニッションスイッチ 43…充電スイッ
チ 44…温度センサ Vb…端子間電圧 Tb…バッテリ温
度 Cc…計算される現在の残容量 Cc′…前回計算
時の残容量 Cd…高電位劣化量 Cdis…放電容
量 Cr…基準容量
Claims (3)
- 【請求項1】リチウムイオン二次電池の電圧を検出する
電圧検出手段と、 検出した電圧と前記電池の定格電圧よりも高い所定電圧
とを比較して比較結果信号を出力する比較手段と、 前記比較結果信号が、前記検出電圧が前記所定電圧を超
える高電圧状態であることを表す状態であることを検出
したときに、時間の計時を行う計時手段と、 前記計時手段による高電圧状態にある時間の計時時間に
基づき前記電池の容量劣化量を計算する容量劣化計算手
段と、 前記容量劣化量に基づいて前記リチウムイオン二次電池
の残容量を補正する残容量補正手段と、 を有することを特徴とする電池残容量検出装置。 - 【請求項2】請求項1記載の装置において、 前記容量劣化計算手段は、前記電池の容量劣化量を、前
記高電圧状態計時時間と前記検出電圧値に基づき計算す
ることを特徴とする電池残容量検出装置。 - 【請求項3】請求項1記載の装置において、 前記容量劣化計算手段は、前記電池の容量劣化量を、前
記高電圧状態計時時間と前記電池の温度に基づき計算す
ることを特徴とする電池残容量検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30217196A JP3692192B2 (ja) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | 電池残容量検出装置 |
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JP30217196A JP3692192B2 (ja) | 1996-11-13 | 1996-11-13 | 電池残容量検出装置 |
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JPH10142302A true JPH10142302A (ja) | 1998-05-29 |
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