JP3674465B2

JP3674465B2 - 電気自動車用電池の最大充放電電力演算装置

Info

Publication number: JP3674465B2
Application number: JP2000186428A
Authority: JP
Inventors: 健一酒井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2002006010A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車用電池に用いられる最大充放電電力演算装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等の電池の放電電力および充電電力は、それぞれ最大放電電力および最大充電電力以下となるように制御される。これらの最大充放電電力を算出する方法として、特開平１０−１０４３２５号公報に開示されているものがある。この公報に開示されている最大充放電電力演算はパワー演算と呼ばれるものであって、走行中に所定容量（以下ではサンプリング容量と呼ぶ）放電する間に電池の電圧Ｖと電流Ｉをサンプリングし、そのサンプリングデータから電池の現状放電可能出力を演算するものである。このパワー演算は、電池の残存容量を推測するのに有効な手段である。また、放電末期において容量計の指示がempty付近になったときには車両の出力調整が行われるが、そのような出力調整を行う際にも有効である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電気自動車に駆動用電池として搭載される電池にはリチウムイオン電池やニッケル水素電池などがあるが、それらの電池の開放電圧Ｅ0とＳＯＣ（state of chrage）との間には図７に示すような関係がある。すなわち、ＳＯＣが小さくなるほど開放電圧Ｅ0の減少の割合が大きくなり、サンプリング容量あたりの開放電圧変化ΔＥ0は図８に示すようになっている。電池のＳＯＣが１００％（満充電状態）から５０％ぐらいまでは、ΔＥ0はそれ程変化せずほぼ一定と見なせるが、ＳＯＣが５０％より小さくなるとΔＥ0が増加するのが分かる。
【０００４】
そのため、図８の符号Ｂ１で示すようにＳＯＣが５０％より大きな状態においてパワー演算を行うと、サンプリング容量Ｃだけ放電する間に得られるサンプリングデータ（黒丸印で示す）は図９（ａ）のような分布となる。一方、符号Ｂ２で示すように、ＳＯＣが５０％より小さな状態において得られるサンプリングデータは図９（ｂ）のような分布となる。図９の（ａ）、（ｂ）において、ｄ１とｄ２，ｄ１１とｄ２１およびｄ１２とｄ２２はそれぞれ電流値がほぼ等しいデータを表しており、ｄ１，ｄ１１，ｄ１２はサンプリング開始直後に得られるデータ、ｄ２，ｄ２１，ｄ２２はサンプリング終了直前に得られるデータである。サンプリングする間の電圧変化は、図９（ａ）の場合にはΔＶ１、図９（ｂ）の場合にはΔＶ２（＞ΔＶ１）となる。
【０００５】
パワー演算では、図９（ａ）のようなサンプリングデータから回帰直線Ｌ１を算出する。回帰直線Ｌ１は次式（１）で表わされ、回帰直線Ｌ１の傾きから電池の内部抵抗Ｒが、縦軸（Ｖ軸）の切片から電池の開放電圧Ｅ0が算出される。このとき、電池の寿命を考慮した使用電圧範囲の下限電圧である放電終止電圧Ｖminと回帰直線Ｌ１とから得られる電流Ｉmaxは、放電許容値を与える。そして、放電可能電力Ｐmaxは、式（２）で与えられる。
【数１】
Ｖ＝Ｅ0−Ｉ・Ｒ …（１）
Ｐmax＝Ｖmin・Ｉmax＝Ｖmin・（Ｅ0−Ｖmin）／Ｒ …（２）
【０００６】
しかしながら、サンプリングする間の電池の開放電圧の変化が大きいと、図９（ｂ）に示すようにサンプリングデータのバラツキが大きくなり、Ｐmaxの演算誤差が大きくなってしまうという不都合があった。例えば、サンプリング容量Ｃを放電する間の前半に高負荷側のデータｄ１２がサンプリングされ、放電後半に低負荷側のデータｄ２１がサンプリングされた場合を考える。この場合、図９（ｂ）のＬ２１で示すような回帰直線が得られ、回帰直線Ｌ２１の傾きは電池の実力値を示すＩＶ特性直線Ｌ０の傾きより小さくなる。すなわち、内部抵抗が実際より小さく算出され、電池の放電可能電力Ｐmaxは実力より大きく演算されてしまうことになる。
【０００７】
逆に、放電前半に低負荷側のデータｄ１１がサンプリングされ、放電後半に高負荷側のデータｄ２２がサンプリングされた場合には、回帰直線はＬ２２のようになる。そのため、内部抵抗が実際より大きく算出され、電池の放電可能電力Ｐmaxは実力より小さく演算されてしまう。例えば、放電可能電力Ｐmaxが実際より大きく算出されてしまった場合には、容量計がemptyを表示する前に電池容量がゼロとなってしまうというような不都合が生じる。
【０００８】
本発明の目的は、パワー演算精度の向上を図ることができる最大充放電電力演算装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１に対応付けて説明すると、本発明は、サンプリング容量を放電する間に電池１の電圧Ｖを測定する電圧測定手段４と、サンプリング容量を放電する間に電池１に流れる電流Ｉを測定する電流測定手段５と、電圧測定手段４および電流測定手段５の測定結果に基づいて電池１の開放電圧を求めて充放電可能電力を算出する演算手段６とを備え、電圧測定手段４および電流測定手段５によるサンプリング測定と演算手段６による充放電可能電力の演算とを繰り返し行う電気自動車用電池の最大充放電電力演算装置に適用され、サンプリング測定毎に、該サンプリング測定より以前に算出された開放電圧に基づいて、各サンプリング測定の開始から終了までの電池１の開放電圧の変化がほぼ一定となるようにサンプリング容量を設定する設定手段６を設けたことにより上述の目的を達成する。
【００１０】
なお、本発明の構成を説明する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。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、充放電可能電力の演算を行う際のサンプリング容量は、そのサンプリング測定より以前に算出された開放電圧に基づいて電池の開放電圧変化がほぼ等しくなるように設定されるので、放電末期であってもサンプリングデータの電圧に関するバラツキを小さくすることができ、充放電可能電力演算の演算精度を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６および図９を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は電気自動車の走行駆動機構の一例を示すブロック図である。複数の単セル１０１から成る電池１はインバータ２に直流電力を供給し、インバータ２は直流電力を交流電力に変換してモータ３を駆動して走行エネルギーを発生させる。また、回生時には車両の走行エネルギーがモータ３およびインバータ２を介して電気エネルギーに逆変換され、電池１が充電されるとともに車両に回生ブレーキがかかる。電圧センサ４は電池１の両端電圧Ｖを検出し、電流センサ５は電池１に流れる電流Ｉを検出する。
【００１３】
電池１の状態を監視して制御するバッテリーコントローラ６では、前述したパワー演算や電池１の充放電制御などが行われる。例えば、走行中にサンプリング容量だけ放電する間に電圧センサ４および電流センサ５により電圧Ｖと電流Ｉをサンプリングし、そのサンプリングデータから電池１の放電可能電力Ｐmaxや充電可能電力ＰＣmaxを演算する。また、この演算結果に基づいて電池１の残存容量を算出し、容量計７に残存容量を表示させる。放電可能電力Ｐmaxや充電可能電力ＰＣmaxはＴＰＣ（トルクプロセッシングコントロール）８に送られ、ＴＰＣ８はこれらのデータに基づいて出力制御命令および回生制御命令をモータコントローラ９に出力する。モータコントローラ９は、ＴＰＣ８からの命令に従ってインバータ２によるモータ３の駆動を制御する。
【００１４】
《Ｐmax，ＰＣmaxの算出方法について》
ここで、放電可能電力Ｐmax，充電可能電力ＰＣmaxの算出方法について説明する。電池１が放電状態にあるときに、電池１の電圧Ｖおよび電流Ｉをサンプリングする。このサンプリングは所定のサンプリングタイミング容量だけ放電する間に行われる。そして、図９（ａ）に示すように、得られたサンプリングデータからＩＶ特性を直線回帰演算する。前述したように、回帰直線Ｌ１は式（１）で表わされ、回帰直線Ｌ１の傾きから電池の内部抵抗Ｒが、縦軸（Ｖ軸）の切片から電池の開放電圧Ｅ0がそれぞれ算出される。
【数２】
Ｖ＝Ｅ0−Ｉ・Ｒ …（１）
【００１５】
回帰直線Ｌ１と放電時の放電下限電圧（車両システムとしての使用下限電圧）Ｖminとの交点の電流Ｉmaxは放電許容値を与え、充電時の許容最大電圧Ｖmaxとの交点の電流ＩＣmaxは充電許容値を与える。放電可能電力Ｐmaxおよび充電可能電力ＰＣmaxは次式（２），（３）で与えられる。
【数３】
Ｐmax＝Ｖmin・Ｉmax＝Ｖmin・（Ｅ0−Ｖmin）／Ｒ …（２）
ＰＣmax＝Ｖmax・ＩＣmax＝Ｖmax・（Ｅ0−Ｖmax）／Ｒ …（３）
なお、放電下限電圧Ｖminは以下の（ａ），（ｂ）の要因から決定されており、Ｖmin≧Ｅ0／２となっている。
（ａ）電池の寿命を考慮した使用電圧範囲の下限電圧（放電終止電圧）
（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
【００１６】
ところで、前述したように、ＳＯＣが５０％以下となって開放電圧変化ΔＥ0が大きくなると、ＰmaxやＰＣmaxの演算誤差が大きくなり演算精度が低下するという問題があった。そこで、本実施の形態では、各サンプリングにおいて開放電圧変化ΔＥ0がほぼ一定となるように、具体的には、ΔＥ0の値が小さい満充電状態の開放電圧変化とほぼ等しくなるように、サンプリング容量を設定するようにした。
【００１７】
《サンプリング容量の設定方法について》
図２は、バッテリーコントローラ６で行われるパワー演算およびサンプリング容量の設定の手順を示すフローチャートである。図２に示すフローチャートでは、満充電時を初期状態としてステップＳ１からスタートする。初期状態では規定のサンプリング容量Ｃ0に設定されている。ステップＳ１では、サンプリング容量Ｃ0を放電する間に電圧Ｖおよび電流Ｉをサンプリングする。ステップＳ２では、ステップＳ１で得られたサンプリングデータに基づいて所定のパワー演算を行う。すなわち、図９（ａ）の回帰直線Ｌ１を求めて内部抵抗Ｒ，開放電圧Ｅ01，放電可能電力Ｐmax，充電可能電力ＰＣmaxなどを算出する。ステップＳ３では算出された開放電圧Ｅ01をメモリする。
【００１８】
ステップ４では、再びサンプリング容量Ｃ0を放電する間に電圧Ｖおよび電流Ｉをサンプリングする。次いで、ステップＳ５でパワー演算を行った後に、ステップＳ６においてステップＳ５で算出された開放電圧Ｅ02をメモリする。ステップＳ７では、メモリされた開放電圧Ｅ01，Ｅ02と予め定められた規定の開放電圧変化ΔＥ0xおよびサンプリング容量Ｃ0とに基づいて、式（４）により補正後のサンプリング容量Ｃxを算出する。ステップＳ８では、ステップＳ７で算出されたサンプリング容量Ｃxを放電する間に、電圧Ｖおよび電流Ｉをサンプリングする。
【数４】
Ｃ0×ΔＥ0x／（Ｅ01−Ｅ02）＝Ｃx …（４）
【００１９】
その後、ステップＳ７に戻って、ステップＳ８でサンプリングされたデータに基づいてパワー演算を行う。以後、ステップＳ５〜Ｓ８の処理を繰り返し実行して、パワー演算を繰り返し行う。その際、パワー演算が行われる度にステップＳ７でサンプリング容量Ｃxが設定され、そのサンプリング容量Ｃxが次のタイミングのサンプリングの時に採用される。
【００２０】
次に、上述したようにサンプリング容量Ｃxを設定することによって、各サンプリング時の開放電圧変化がほぼ等しくなることについて説明する。式（４）の開放電圧変化ΔＥ0xとしては、例えば、図３に示すようにほぼ満充電状態Ｇ１においてサンプリング容量Ｃ0放電する間の電圧変化を用いる。図３は電池１の開放電圧とＳＯＣとの関係を示す図であり、符号Ｇ２で示すようにＳＯＣが５０％より小さいところでは、開放電圧Ｅ0の変化が大きくなる。また、図４は図３のＧ２で示す部分の拡大図である。
【００２１】
図４において、Ｅ03はサンプリング容量Ｃxを放電する間のサンプリングデータに基づくパワー演算で得られた開放電圧である。このパワー演算よりも以前に、前回のパワー演算で開放電圧Ｅ02が得られ、前々回のパワー演算で開放電圧Ｅ01が得られている。Ｃx’は前回のパワー演算の際に用いられるサンプリング容量であり、サンプリング容量Ｃx，Ｃx’は上述した式（４）により設定される。図３の曲線はＳＯＣの低下とともに傾きが大きくなっているので、Ｅ01−Ｅ02＞ΔＥ0xとなっている。
【００２２】
図４において、Ｅ01〜Ｅ02の部分の曲線を直線と見なすと、この直線の傾きは次式（５）のようになり、直線と見なしたときのＥ02−Ｅ03は式（６）に示すようにΔＥ0xに等しくなる。すなわち、本実施の形態では、各パワー演算の際のサンプリング容量Ｃxは、サンプリング開始から終了までの開放電圧変化がΔＥ0xとほぼ等しくなるように設定される。実際には、開放電圧とＳＯＣとの関係を表す曲線は、ＳＯＣの低下とともに傾きが増加する曲線なので、Ｅ02−Ｅ03はΔＥ0xよりやや大きな値となる。
【数５】

【００２３】
このように、本実施の形態のようにサンプリング容量Ｃxを決定すると、Ｃxだけ放電する間の開放電圧変化は各サンプリング時の電池のＳＯＣに依らずほぼ一定となる。このときの各開放電圧変化は、規定開放電圧変化ΔＥ0xにほぼ等しい値となる。その結果、図５に示すように、ＳＯＣが５０％より小さな放電末期であっても、電流値が等しいデータの電圧のバラツキをΔＥ0x程度とすることができ、パワー演算の精度を向上させることができる。なお、上述した実施の形態では、式（４）によりサンプリング容量Ｃxを算出するようにしたが、サンプリング以前に算出された開放電圧に基づく算出方法は式（４）以外にも様々な式が考えられる。
【００２４】
ところで、電池１が低温状態となったり劣化したりすると、図６に示すように開放電圧とＳＯＣとの関係を表す曲線がＬ５０からＬ５１のように変化する。このように変化すると、常温時や劣化前と比べて開放電圧の変化の割合が増加する。その結果、サンプリング時の開放電圧変化がより大きくなり、サンプリングデータのバラツキによるパワー演算精度の低下が著しくなる。このような場合にも、上述した実施の形態のようにサンプリング容量Ｃxを設定することにより、演算精度の低下を防止することができる。
【００２５】
また、上述した実施の形態では、サンプリング毎に算出される開放電圧に基づいてＣxを設定するようにしたが、劣化時、低温時等の種々の電池状態に対するＳＯＣと開放電圧との関係を示すマップを予め用意しておき、電池温度、電池の劣化状態、ＳＯＣに応じてサンプリング容量Ｃxを最適なものに設定するようにしても良い。ただし、上述したようにリアルタイムに算出される開放電圧に基づいてＣxを算出する場合、検出された開放電圧に電池温度や劣化状態等は反映されているので、それらを考慮する必要が無く演算負荷を軽くすることができる。
【００２６】
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、電圧センサ４は電圧測定手段を、電流センサ５は電流測定手段を、バッテリーコントローラ６は演算手段および設定手段をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車の走行駆動機構の一例を示すブロック図である。
【図２】パワー演算およびサンプリング容量の設定の手順を示すフローチャートである。
【図３】電池１の開放電圧とＳＯＣとの関係を示す図である。
【図４】図３のＧ２の部分の拡大図である。
【図５】本実施の形態の場合の、放電末期のサンプリングデータ分布を示す図である。
【図６】電池温度が低下した場合や電池が劣化した場合の、開放電圧とＳＯＣとの関係を示す図である。
【図７】開放電圧Ｅ0とＳＯＣとの関係を示す図である。
【図８】サンプリング容量あたりの開放電圧変化ΔＥ0を示す図である。
【図９】サンプリングデータと回帰直線との関係を示す図であり、（ａ）はＳＯＣが５０％より大きな場合を、（ｂ）はＳＯＣが５０％より小さな場合を示す。
【符号の説明】
１電池
２インバータ
３モータ
４電圧センサ
５電流センサ
６バッテリーコントローラ
８トルクプロセッシングコントローラ
９モータコントローラ

Claims

サンプリング容量を放電する間に電池の電圧を測定する電圧測定手段と、前記サンプリング容量を放電する間に前記電池に流れる電流を測定する電流測定手段と、前記電圧測定手段および電流測定手段の測定結果に基づいて前記電池の開放電圧を求めて充放電可能電力を算出する演算手段とを備え、前記電圧測定手段および電流測定手段によるサンプリング測定と前記演算手段による充放電可能電力の演算とを繰り返し行う電気自動車用電池の最大充放電電力演算装置において、
前記サンプリング測定毎に、該サンプリング測定より以前に算出された前記開放電圧に基づいて、前記各サンプリング測定の開始から終了までの電池の開放電圧の変化がほぼ一定となるように前記サンプリング容量を設定する設定手段を設けたことを特徴とする電気自動車用電池の最大充放電電力演算装置。