JP2015202010A - 蓄電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電量が僅かな場合に、電池の満充電容量を精度よく算出できなかった。
【解決手段】電池の充電状態が所定値以上となるように充放電を行い、その後に、放電前の第１の充電状態を算出し、更に放電を行って前記電池の放電量を求め、放電後の第２の充電状態を算出し、前記第１の充電状態と前記第２の充電状態との変動量に基づいて前記放電量から満充電容量を算出するようにしたもので、電池の充電後の開放電圧と充電状態との第１の対応関係と、前記電池の放電後の開放電圧と充電状態との第２の対応関係との差が小さくなる範囲を所定範囲として設定し、前記電池の充電状態が上記所定範囲に収まるように充放電を行って満充電容量を算出するようにした。
【選択図】図２

Description

この発明は、車両に搭載される蓄電池の制御装置に関する。特に蓄電池の満充電容量を推定する手段を備えた蓄電池の制御装置に関するものである。

車両には、電池が搭載され、エンジンを停止して、発電が停止した状態であっても車内の各種の電気機器に必要な電力を供給できるように構成されている。この電池は、充電ができることから二次電池あるいは蓄電池と呼ばれている。ここでは、電池あるいは蓄電池の表現を使用するが、ともに同等のあるいは相当するものを示している。

この電力を供給する電池の充電状態の上限値（以下、満充電容量と記載する）は、充放電の繰り返しおよび経年変化によって劣化し、低下していく。この満充電容量の低下を把握せずに使用を続けると、電池の過充電や過放電を引き起こし、過充電や過放電により更に蓄電池を劣化させることとなる。したがって、適切な充放電を行うため、電池の満充電容量の低下状態を精度よく把握することが求められている。

電池の満充電容量の検出の必要性については、様々なところで提案されており、例えば、特許文献１では、外部充電の際の二次電池の電圧、電流、および電池温度を取得し、充電中の電流値の積算値と、充電開始時及び充電終了時の電池の充電状態（以下、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）という）とを用いて、満充電容量を算出している。

また、特許文献２では、車両の走行中の電池の充放電量を積算し、充放電開始時および終了時の電池の端子間の開放電圧（以下、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）という）から推定されたＳＯＣを用いて、満充電容量を算出している。

特開２０１１−００７５６４号公報 特開２０１３−１５８０８７号公報

しかし、特許文献１に示されるように、単にＯＣＶとＳＯＣとの対応関係からＳＯＣを推定するとＳＯＣの推定の精度が低くなり、満充電容量の推定の精度も低下することになる。

また、特許文献２に示される先行技術では、充放電量が略０である場合には計算における誤差が大きくなってしまい、満充電容量を精度よく算出できない。

この発明は、前述の課題を解消するためになされたもので、車両における電池の満充電容量を精度よく算出し、適切な充放電の制御を行う電池の制御装置を提供することを目的としている。

この発明は、電池の充電状態が所定値以上となるように充放電を行った後に、放電前の第１の充電状態を算出し、更に放電を行って前記電池の放電量を求め、前記放電の後の第２の充電状態を算出し、前記第１の充電状態と前記第２の充電状態との変動量に基づいて前記放電量から満充電容量を算出するようにしたことを特徴とする。

また、電池の充電後の開放電圧と充電状態との特性と、前記電池の放電後の開放電圧と充電状態との特性との差が小さくなる範囲を所定範囲として設定し、前記電池の充電状態が上記所定範囲に収まるように充放電を行い、放電前の第１の充電状態を算出し、放電を行って前記電池の放電量を求め、放電後の第２の充電状態を算出し、前記第１の充電状態と前記第２の充電状態との変動量に基づいて前記放電量から満充電容量を算出するようにしたことを特徴とする。

この発明では、所定値以上の放電を行うことによって、充放電量が少ない場合の計算上の誤差を小さくして満充電容量を求めることができる。

更に、電池の満充電容量の算出を、充電後の特性と放電後の特性の差が小さい状態の領域での、充電と放電の状態に基づいて算出しているので、満充電容量の誤差を小さくすることができる。

この発明の実施の形態１の車載用の電池の制御装置を含む内燃機関の電源系の一例を示す概略的な構成図である。 この発明の実施の形態１の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 電池のＯＣＶとＳＯＣの関係(ＯＣＶ-ＳＯＣ特性)の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 電池の充電後と放電後のＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差の一例を示す図である。 この発明の実施の形態３の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態５の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態６の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態７の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態８の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態９の車載用の電池の制御装置における処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１０による車載用の電池の制御装置を含む内燃機関の電源系の一例を示す概略的な構成図である。

以下、この発明の蓄電池の制御装置について、図面に基づいて説明する。
なお、各図において、同一符号は各々同一または相当部分を示す。

実施の形態１
図1は、この発明による蓄電池の制御装置を、車両に搭載して使用する場合の電源系の概略的な構成図の一例である。ただし、図１では、この発明に直接関係しない構成部品については省略している。

図１に示すように、内燃機関１と発電機２はベルト等で接続されており、内燃機関１が回転すると発電機２も回転する。発電機２の回転によって発電され、発電された電気エネルギーは電池３に充電されたり、電力変換装置８で電圧を変換して電気機器１０で消費されたり、あるいは副電池９に充電される。
内燃機関１を始動するための始動装置１１の駆動時の電力は副電池９から供給される。また、電池３は、リチウムイオン電池等である。

リチウムイオン電池とは、正極と負極をセパレータで絶縁し、電解質の中をリチウムイオンが正極と負極を行き来して充電と放電を行う二次電池である。リチウムイオン電池は過充電、過放電となると劣化や内部で短絡を起こす恐れがある。

電流センサ４は、電池３の充電電流を正、放電電流を負として検出し、検出した充放電電流の情報をバッテリーマネージメントユニット７（以下、ＢＭＵという）に送信する。

セルモニタユニット６（以下、ＣＭＵという）は、電池３の監視を行う。電圧センサ５で検出した電池３の電圧の情報をＢＭＵ７に送信する。

したがって、ＢＭＵ７には、電流センサ４より電池３の充放電電流の情報が入力され、ＣＭＵ６より電池３の電圧情報が入力される。ＢＭＵ７は、入力された充放電電流の情報と電圧の情報に基づいて電流値の積算等によりＳＯＣの演算を行い、電池が過充電あるいは過放電とならないように充放電の制御を行う。

図２は、この発明の実施の形態１における蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートである。
このＢＭＵ７の処理は、定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。

以下、図２のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態１に係る蓄電池の制御装置について説明する。

ＢＭＵ７の処理が開始されると、ステップＳ１０１において、車両の走行中に、電池３のＳＯＣが所定値Ａ１以上となるように充放電を行う。電池３のＳＯＣを所定値Ａ１以上とする方法は、例えば、車両の走行中に電池３のＳＯＣが所定値Ａ１を下回らないように、電池３の充放電量を制限することで実現できる。

ステップＳ１０２において、車両が停止状態となったかを否かを検出する。そして、車両の停止を検出した場合には、ステップＳ１０３に進み、電力変換装置８を停止する。車両の停止とは、例えば、イグニッション スイッチのオフである。

電池３のＯＣＶとＳＯＣは対応関係（以下、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性という）があり、ＯＣＶからＳＯＣを算出することが可能である。図３は、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性を示す図の一例である。

ＯＣＶとは、電池に流れる電流が略０の状態での電池の端子電圧であるが、充放電直後の電池の端子電圧はＯＣＶと一致しないことがある。そのため、電池に流れる電流が略０の状態で電池の端子電圧とＯＣＶが略一致するのを待機する必要がある。

ステップＳ１０４において、電池３の端子電圧の安定状態を判断する。電池３の端子電圧が安定したと判断されれば、ステップＳ１０５に進む。電池３の端子電圧の安定状態は、例えば、電流センサ４によって検出された電池３の電流値が略０の状態が、所定時間以上経過したこと等により判断される。

ステップＳ１０５において、電池３のＯＣＶの計測を行い、ＯＣＶーＳＯＣ特性に基づいて放電開始前の電池３のＳＯＣ(ＳＯＣ１)を算出する。

ステップＳ１０６において、電力変換装置８の駆動を開始し、電池３の放電を行う。電池３の放電は、前述のように、電力変換装置８を介して電気機器１０で消費したり、副電池９を充電することで行う。

ステップＳ１０７において、電池３の放電量ｄＱが所定値Ａ２を超えたか否かについて判断する。電池３の放電量が、所定値Ａ２以下である場合には、放電を継続し、放電量が所定値Ａ２を超えている場合には、ステップＳ１０８に進み、電力変換装置８の駆動を停止し、電池３の放電を停止する。電池３の放電量ｄＱは、例えば、電流センサ４により検出した電池３の充放電電流を積算することで算出する。

ステップＳ１０９において、電池３の端子電圧の安定状態を判断する。電池３の端子電圧が安定したと判断されればステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０において、電池３のＯＣＶの計測を行い、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性に基づいて放電停止後の電池３のＳＯＣ(ＳＯＣ２)を算出する。

ステップＳ１１１において、電池３の放電開始前のＳＯＣ１と放電停止後のＳＯＣ２との変動量に基づいて、放電量ｄＱから電池３の満充電容量Ｑを算出する。すなわち、満充電容量Ｑは次の式（１）により算出される。
Ｑ＝ｄＱ／（ＳＯＣ１−ＳＯＣ２）×１００ ・・・ （１）

以上のように、この実施の形態１によれば、電池３のＳＯＣが所定値Ａ１以上の状態から放電を開始することで、電池３の放電量を所定以上とすることができるため、電池３の満充電容量を精度よく推定することができる。

実施の形態２
図４は、この発明の実施の形態２における蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図４のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態２に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。図４は図２に対し、ステップＳ２０１が追加されている点と、ステップＳ１０１がステップＳ２０２に変更されている点が異なっている。

以下、図４における図２からの変更点について説明する。

電池３のＯＣＶ-ＳＯＣ特性は、充電後と放電後で異なる特性を示す場合がある。図５は、充電後と放電後のＯＣＶ-ＳＯＣ特性の違いの一例を示す図である。

ＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差が大きい領域（例えば、図５では領域１）ではＯＣＶに基づいて算出するＳＯＣの誤差が大きくなる可能性がある。

ステップＳ２０１において、ＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差の小さい領域（例えば、図５では領域２）のＳＯＣを所定範囲１として設定する。

ステップＳ２０２において、車両走行中に、電池３のＳＯＣが、所定範囲１に収まるように充放電を行う。電池３のＳＯＣを所定範囲1に収める方法は、例えば、車両走行中に電池３の充放電量を制限することで実現する。

この実施の形態２のように構成することで、電池３のＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差の小さい領域でＳＯＣ１を算出するため、ＳＯＣ１の推定誤差を小さくすることができ、電池３の満充電容量を精度よく推定することができる。

実施の形態３
図６は、この発明の実施の形態３における車載用の蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図６のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態３に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。
なお、図６は、図２に対し、ステップＳ３０１が追加されている点と、ステップＳ１０７がステップＳ３０７に変更されている点が異なっている。

以下、図６における図２からの変更点について説明する。

電池３のＯＣＶ-ＳＯＣ特性は、充電後と放電後で異なる特性を示す場合があり、ＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差が大きい領域（例えば、図５では領域１）ではＯＣＶに基づいて算出するＳＯＣの誤差が大きくなる可能性がある。

ステップＳ３０１において、ＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差の小さい領域（例えば、図５では領域３）を所定範囲２として設定する。

ステップＳ３０７において、電池３のＳＯＣが所定範囲２に収まったか否かを判断する。電池３のＳＯＣが、所定範囲２に収まっていない場合には放電を継続し、所定範囲２に収まっている場合には、ステップＳ１０８に進み、電力変換装置の駆動を停止し、電池の放電を停止する。

この実施の形態３のように構成することによって、電池３のＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差の小さい領域でＳＯＣ２を算出するため、ＳＯＣ２の推定誤差を小さくすることができ、電池３の満充電容量を精度よく推定することができる。

実施の形態４
図７は、この発明の実施の形態４における車載用の蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図７のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態４に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。図７は図２に対し、ステップＳ４０６が追加されている点が異なっている。

ステップＳ４０６では、放電開始時のＳＯＣ（ＳＯＣ１）に基づいて、放電開始時のＯＣＶ−ＳＯＣ特性の差に応じて所定値Ａ２を設定する。
所定値Ａ２の設定は、例えば、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性の差が大きい領域（例えば、図５では領域１）では所定値Ａ２を増加させ、ＯＣＶ-ＳＯＣ特性の差が小さい領域（例えば、図５では領域２、あるいは領域３）では所定値Ａ２を減少させる等である。

この実施の形態４のように構成することによって、電池３のＯＣＶ−ＳＯＣ特性の差が大きく、推定精度の誤差が大きくなる可能性のある領域では、放電量を増やすことができるため、電池３の満充電容量を精度よく推定することができる。
また、電池のＯＣＶ−ＳＯＣ特性の差が小さく推定精度の誤差が小さい領域では放電量を減らし、電池３の満充電容量を推定する時間を短縮することができる。

実施の形態５
図８は、この発明の実施の形態５における車載用の電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図８のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態５に係る車載用の電池の制御装置について説明する。図８は図２に対して、ステップＳ５０１が追加されている点が異なっている。

ステップＳ５０１において、車両停止前の副電池９のＳＯＣを所定値Ａ３以下に抑制している。すなわち、電池３の周辺回路における電流を制御することによって、電池３の放電電流を大きくできることになる。
副電池９のＳＯＣを所定値Ａ３以下に抑制する方法は、例えば、車両走行中に副電池９のＳＯＣが所定値Ａ３を上回らないように充電量を制限することで実現される。

この実施の形態５のように構成することで、電池３から、電力変換装置８を介して、副電池９へ流れる電流を大きくでき、電池３の放電電流を大きくすることができるため、放電に要する時間すなわち推定に要する時間を短縮することができる。

実施の形態６
図９は、この発明の実施の形態６における車載用の蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図９のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態６に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。図９は図２に対し、ステップＳ６０５が追加されている点が異なっている。

以下、図９における図２からの変更点に関し説明する。

電池３に実際に流れている電流と電流センサ４の検出値には誤差(オフセット)がある。そのため、図９では、ステップＳ６０５において、電池３の充放電が停止しているときの電流センサ４の検出値ＩＯをオフセットとして記憶する。

ステップＳ１０５以降において、放電中の電流センサ４の検出値からオフセットＩＯを減じた値を電池３の放電電流として、放電量ｄＱの算出を行う。

実施の形態６のように構成することで、電流センサ４の検出値の誤差を低減することができるため、精度よく推定を実施することができる。

実施の形態７
図１０は、この発明の実施の形態７における車載用の蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図１０のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態７に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。図１０では、図２に対してステップＳ１０１がステップＳ７０１に変更されていることが異なっている。

ステップＳ７０１においては、電池３の電圧が所定値Ａ４以上となるように充放電を行う。

すなわち、図３に示した通り、ＳＯＣとＯＣＶには対応関係があるため、電池の電圧から充電状態を推定することができ、充電状態を所定以上とすることができる。

充電状態を推定する電池３の電圧は、充放電中の端子電圧とＳＯＣの対応関係が、ＯＣＶ−ＳＯＣ特性と同様の傾向を示す場合には、電池３に流れる電流が略０の状態で、電池３の端子電圧とＯＣＶが略一致した際の端子電圧でもよいし、充放電中の端子電圧であってもよい。

充放電中の端子電圧とＳＯＣの対応関係が、ＯＣＶ-ＳＯＣ特性と同様の傾向を示す場合とは、例えば図３では、ＳＯＣが上昇すると端子電圧が上昇し、ＳＯＣが低下すると端子電圧が低下するような傾向を示す場合である。

この実施の形態７のように構成することで、車両走行中の充電状態が不明な場合でも、電池３の電圧に基づいて電池３の充電状態を推定して、電池３の充電状態が所定以上の状態から放電を開始することができるため、電池３の放電量を所定以上とすることができ、電池３の満充電容量を精度よく推定することができる。

実施の形態８
図１１は、この発明の実施の形態８における車載用の蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図１１のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態８に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。図１１は図２に対し、ステップＳ１０７がステップＳ８０７に変更されている点が異なっている。

ステップＳ８０７においては、電池３の充電状態が過放電となる所定値Ａ５以下か否かを判定する。
電池３の充電状態が過放電となる所定値Ａ５以下と判断された場合には、ステップＳ１０８に進み、電力変換装置８の駆動を停止し、電池３の放電を停止する。

この実施の形態８のように構成することで、電池３の充電状態に基づいて放電を停止するため、電池３の過放電を防止することができ、電池３を劣化させることなく推定を実施することができる。

実施の形態９
図１２は、この発明の実施の形態９における車載用の蓄電池の制御装置のＢＭＵ７の処理を示すフローチャートであり、ＢＭＵ７の処理動作は定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実施される。
以下、図１２のフローチャートを参照しながら、この発明の実施の形態９に係る車載用の蓄電池の制御装置について説明する。図１２は図２に対し、ステップＳ１０７がステップＳ９０７に変更されている点が異なっている。

ステップＳ９０７において、電池３の電圧が過放電となる所定値Ａ６以下か否かを判定する。そして、電池３の電圧が過放電となる所定値Ａ６以下と判断された場合には、ステップＳ１０８に進み、電力変換装置８の駆動を停止し、電池３の放電を停止する。

この実施の形態９のように構成することで、電池３の電圧に基づいて放電を停止するため、電池３の過放電を防止することができ、電池３を劣化させることなく推定を実施することができる。

実施の形態１０
図１３は、この発明の実施の形態１０による車載用の蓄電池の制御装置を含む内燃機関の電源系の一例を示す概略構成図である。
図１３は図１に対し、外部通知手段１０１を追加している。外部通知手段１０１は、放電中や放電完了した時にユーザ等に通知する。
図１３では外部通知手段１０１を１つ図示しているが、放電中と放電完了のそれぞれを示すために２つ設けてもよい。または、放電中と放電完了とで異なる色や音等を発するようにしてもよい。

この実施の形態１０のように構成することで、電池３の放電中であることを外部に通知することができるため、例えば、車両のメンテナンスの際に、放電中の電池３や電力変換装置８に触れて感電するような事故を防止できる。
また、電池３の放電を完了したことを外部に通知するため、感電防止策が不要になったということを知ることができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、車載用の蓄電池に適用し、車両の停止中に放電を実施して満充電容量を算出することができるので、車両の動きを必要としない。このため、他の一般的な二次電池においても満充電容量の確認に適用できる。

１ 内燃機関、２ 発電機、３ 電池、４ 電流センサ、５ 電圧センサ、６ セルモニタユニット（ＣＭＵ）、７ バッテリーマネージメントユニット（ＢＭＵ）、８ 電力変換装置、９ 副電池、１０ 電気機器、１１ 始動装置、１０１ 外部通知手段

Claims (7)

1. 電池の放電前の第１の充電状態を算出するステップ、前記電池の充電状態が第１の所定値以上となるように充放電を行うステップ、前記電池の放電を行って前記電池の放電量を求めるステップ、前記電池の放電後の第２の充電状態を算出するステップ、および前記電池の第１の充電状態と前記第２の充電状態との変動量に基づいて前記電池の満充電容量を算出するステップを備えたことを特徴とする電池の制御装置。
2. 前記電池の充電状態が第１の所定値以上となるように充放電を行うステップにおいて、前記電池の充電後の開放電圧と充電状態との第１の対応関係と、前記電池の放電後の開放電圧と充電状態との第２の対応関係との差が第２の所定値以下になる領域を所定範囲として設定し、前記電池の充電状態が前記所定範囲に収まるように充放電を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電池の制御装置。
3. 前記電池の充電後における開放電圧と充電状態との第１の対応関係と、前記電池の放電後における開放電圧と充電状態の第２の対応関係とを保有し、前記第１の対応関係により算出した充電状態と、前記第２の対応関係により算出した充電状態との差が第３の所定値以下となった場合に放電を停止することを特徴とする請求項１または２に記載の電池の制御装置。
4. 前記電池の充電後における開放電圧と充電状態との第１の対応関係により算出した充電状態と、前記電池の放電後における開放電圧と充電状態の第２の対応関係により算出した充電状態との差が第４の所定値以上の場合には、前記第１の対応関係により算出した充電状態と、前記第２の対応関係により算出した充電状態との差が第５の所定値以下である場合より大きく設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電池の制御装置。
5. 前記電池の放電電流を大きくするため、電池の周辺回路の制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電池の制御装置。
6. 充放電が行われていない状態での前記電池の電流値の検出値をオフセットとして記憶し、前記電池の放電中の電流値から前記オフセットを減じた値に基づいて前記電池の放電量を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電池の制御装置。
7. 前記電池の放電中または放電完了の情報を通知する外部通知手段を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電池の制御装置。

Images