(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
瞬時パワーを検出し、平衡状態になるまでの過渡時の出力パワーを予測して検出するバッテリの出力パワー検出装置において、
前記バッテリの静電容量と内部抵抗をパラメータとするＣＲ時定数で表示される出力パワーの減衰率の近似式を記憶する近似式記憶手段と、
前記バッテリの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記バッテリの内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、
前記静電容量検出値と内部抵抗の検出値を用い、前記出力パワーの減衰率の近似式により出力パワーの減衰率特性を特定し、前記瞬時パワーによって所定時刻後の出力パワーを演算して検出する出力パワー検出手段とを有することを特徴とするバッテリの出力パワー検出装置。
【請求項２】
前記静電容量パラメータは、前記バッテリの初期特性としての静電容量とバッテリの容量劣化係数で記述され、前記静電容量の検出は、初期特性に対してバッテリの容量劣化係数を演算して求めることを特徴とする請求項１記載のバッテリの出力パワー検出装置。
【請求項３】
前記内部抵抗パラメータは、前記バッテリの初期特性としての内部抵抗とバッテリの内部抵抗劣化係数で記述され、前記内部抵抗の検出は、初期特性に対してバッテリの内部抵抗劣化係数を演算して求めることを特徴とする請求項１記載のバッテリの出力パワー検出装置。
【請求項４】
前記内部抵抗パラメータは、前記バッテリの初期特性としての内部抵抗とバッテリの内部抵抗劣化係数と温度劣化係数で記述され、前記内部抵抗の検出は、初期特性に対してバッテリの内部抵抗劣化係数と、温度劣化係数とで求めることを特徴とする請求項１記載のバッテリの出力パワー検出装置。
【請求項５】
前記出力パワーの減衰率の近似式は、ＣＲ時定数パラメータη１、平衡状態パラメータη２、垂下特性パラメータη３を用い、瞬時パワー、推定パワーをＰｉｎｔ、Ｐｔｒｓとし、瞬時パワーの検出時刻、推定パワーの推定時刻をそれぞれｔ１、ｔ２として、初期における静電容量Ｃ（Ｓ）、内部抵抗Ｒと、初期に対する容量劣化係数β、初期に対する内部抵抗劣化係数γ、温度劣化係数αで表示されるＣＲ時定数を用いる下式で記述される演算式
【数１】
0003692782.tif 000004
であることを特徴とする請求項１、２または３記載のバッテリの出力パワー検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、長い時間領域において出力可能なパワーを推定して検出できるバッテリの出力パワー検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車やハイブリッド車では、バッテリが放電停止電圧以下で使用されるのを防ぐため、バッテリの出力パワー（出力可能な最大パワー）を推定検出し、放電停止電圧以上で使用するように出力制限を行い、バッテリを保護するようになっている。従来の出力パワー検出では、負荷の立ち上がりとともにバッテリの出力電流と出力電圧をサンプリングすることによって検出し、そのサンプリング値を図７に示すように例えば直線回帰演算してバッテリの出力特性を特定する。
実線はその特性を示している。
【０００３】
その特性から、最小出力電圧Ｖｍｉｎを下回らない出力パワーＰｍａｘが得られる。このように演算された出力パワーＰｍａｘは、図８に示すように電気自動車の出力ピークパワーをカバーできるため、バッテリのパワー不足で車両に出力制限がかかることは生じない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ハイブリッド車では、走行モータＡ、エンジン始動モータＢ、補機モータＣなどと役割分担のモータを複数搭載し、各モータが時間的にシフトして独立的に立ち上がることがあるため、ピークパワーポイントが複数重畳してくることがある。とくに加速中のエンジン始動はそれまでのパワーに対して相対的に大きいため、バッテリが放電し初めてから、ピークパワーが出現するまでの時間が長くなる。
【０００５】
例えば緩加速時の場合、モータＡとモータＣが図９に示すように、ｔ１で先に立ち上がって車両を加速する。このとき、バッテリの電流、電圧が検出され、図７の実線で示すようにバッテリの出力特性が特定される。その出力特性によって出力パワーＰｍａｘが演算される。モータＡの出力が限度にくると、今度はモータＢが立ち上がってエンジンを始動して加速する。モータＢの立ち上がり時刻ｔ２では、ｔ１からの時間経過が長いのでバッテリの特性が図７の点線に変化し、実の出力パワーは出力パワー演算値（出力可能パワー演算値）より小さくなっている。
この結果、車両の出力パワーがバッテリの出力可能パワーを超える可能性があり、意図せずに出力制限に入ることが生じかねないという問題がある。
【０００６】
バッテリの出力パワー特性の変化を解消するため、サンプリング時間を長くしてピークパワーの直前までのバッテリのパワーを検出して対処することができるが、ピークパワーになるまでの負荷変動が少ないため、バッテリのパワー特性の取得機会が不十分で、出力パワーの推定精度が低く、有用なデータとならないのが実情である。
本発明は、上記の問題点に鑑み、バッテリの出力パワー特性を特定してから、長時間にわたって出力パワーを精度よく推定検出できるバッテリの出力パワー検出装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため請求項１記載の発明は、瞬時パワーを検出し、平衡状態になるまでの過渡時の出力パワーを予測して検出するバッテリの出力パワー検出装置において、バッテリの静電容量と内部抵抗をパラメータとするＣＲ時定数で表示される出力パワーの減衰率の近似式を記憶する近似式記憶手段と、バッテリの静電容量を検出する静電容量検出手段と、バッテリの内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、静電容量検出値と内部抵抗の検出値を用い、出力パワーの減衰率の近似式により出力パワーの減衰率特性を特定し、瞬時パワーによって所定時刻後の出力パワーを演算して検出する出力パワー検出手段とを有するものとした。
【０００８】
これにより、減衰率の近似領域内で、出力パワーを検出できるようになる。減衰率の近似式に静電容量と内部抵抗をパラメータとするＣＲ時定数を用いることで、出力パワーの減衰をよく近似できるので、出力パワーを精度よく検出できるとともに長い時間領域での検出が可能になる。
【０００９】
前記静電容量パラメータを前記バッテリの初期特性としての静電容量とバッテリの容量劣化で記述し、静電容量の検出は、初期特性に対してバッテリの容量劣化係数を演算して求めることができる。
【００１０】
前記内部抵抗パラメータを前記バッテリの初期特性としての内部抵抗とバッテリの内部抵抗劣化係数で記述し、前記内部抵抗の検出は、初期特性に対してバッテリの内部抵抗劣化係数を演算して求めることができる。
【００１１】
内部抵抗劣化係数で内部抵抗を求めるとき、内部抵抗の温度劣化係数を用いることもできる。この場合は、温度の変化により内部抵抗の変化も補正される。
【００１２】
前記出力パワーの減衰率の近似式は、ＣＲ時定数パラメータη１、平衡状態パラメータη２、垂下特性パラメータη３を用い、瞬時パワー、推定パワーをＰｉｎｔ、Ｐｔｒｓとし、瞬時パワーの検出時刻、推定パワーの推定時刻をそれぞれｔ１、ｔ２として、初期における静電容量Ｃ（Ｓ）、内部抵抗Ｒと、初期に対する容量劣化係数β、初期に対する内部抵抗劣化係数γ、温度劣化係数αで表示されるＣＲ時定数を用いる下式で記述される演算式
【数２】
0003692782.tif 000002
を用いる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、実施例により発明の実施の形態を説明する。
図１は実施例の構成を示す図である。
電力量積算部１と瞬時パワー演算部２が接続されている。瞬時パワー演算部２は抵抗劣化係数演算部３と過渡パワー演算７に接続される。電力量積算部１、瞬時パワー演算部２、抵抗劣化係数演算部３は容量劣化係数演算部４と接続されている。過渡パワー演算部７は、補正テーブル８、容量劣化係数演算部４、瞬時パワー演算部２、抵抗劣化係数演算部３とそれぞれ接続されている。補正テーブル８には、バッテリの温度検出値が出力される。電力量積算部１と瞬時パワー演算部２にバッテリの電流、電圧の検出値が出力されている。
【００１４】
電力積算部１では出力電流、出力電圧によるバッテリの放電電力量の積算が行われる。
瞬時パワー演算部２では、バッテリの放電電流をチェックし、図２に示すように例えば電流値が異なる４つの検出域から電流を検出した場合、直線回帰演算してバッテリの出力パワーを特定する。これにより現在の出力パワーＰ、内部抵抗Ｒ、無負荷電圧Ｅが得られる。このとき最大の出力パワーＰｍａｘは以下の式によって演算される。
Ｐｍａｘ＝Ｖｍｉｎ（Ｅ−Ｖｍｉｎ）／Ｐ
但し、Ｖｍｉｎは保証する最小電圧であり、例えばバッテリの放電停止電圧を用いる。
出力パワーＰｍａｘの演算は、所定の時間ｔ１、ｔ２内で行い、２つの出力パワーＰｍａｘ１、Ｐｍａｘ２が得られる。ｔ２は例えば負荷が立ち上がり後２秒である。
【００１５】
これによって、図３に示すようにパワーＰｍａｘ１をバッテリの出力パワーとする場合はｔ１までの出力パワーが保証される。Ｐｍａｘ２を出力パワーとすればｔ２までは出力パワーが保証される。両値を結ぶ直線の傾きｋでその後の出力パワーを演算することができるが、より正確な演算を行うため、パワー演算部７でパワーの減衰に基づいて出力パワーの推定を行う。このため、瞬時パワー演算部２からＰｍａｘ２をパワー演算部７、容量劣化係数演算部４に出力し、内部抵抗Ｒを抵抗劣化係数演算部３に出力する。
【００１６】
抵抗劣化係数演算部３には、バッテリの初期特性そしての電流、電圧データを記憶するテーブルが設置され、このテーブルから、図２に示すようにそれぞれの検出電流に近い電流とそれに対応する電圧を読み出し、直線回帰演算で初期の内部抵抗Ｒ０を求める。ここで演算された内部抵抗Ｒ０と入力された現在の内部抵抗Ｒの比を演算して内部抵抗劣化係数γを求める。内部抵抗劣化係数γは容量劣化係数演算部４に出力される。
【００１７】
容量劣化係数演算部４には、バッテリの初期特性として出力パワー対放電電力量に関するデータを記憶するテーブルが設置されている。ここで内部抵抗劣化係数γを用いて、入力された出力パワーＰｍａｘ２を初期特性に補正する演算を行う。この補正値をもってテーブルから容量劣化前の放電電力量が得られる。この放電電力量と電力量積算部からの積算値との比を演算して、容量劣化係数βが求められる。
バッテリの温度値Ｔが補正テーブル８に出力され、対応する内部抵抗の温度劣化係数αがパワー演算部７に出力される。
【００１８】
パワー演算部７には、バッテリの静電容量、内部抵抗をパラメータとするＣＲ時定数で表示される出力パワーの減衰率の近似式が記憶されている。パワー演算部７は、この近似式を用いて出力パワーの推定を行う。近似式は以下のように構成される。
【数３】
0003692782.tif 000003
ここで、静電容量はバッテリの初期の静電容量値Ｃ（Ｓ）と初期に対する容量劣化係数βで表される。内部抵抗は、初期の内部抵抗Ｒと初期に対する内部抵抗劣化係数γと温度劣化係数αで表される。
【００１９】
ｔ１は直接演算により検出される出力パワーの検出時刻で、前記検出のｔ２に相当する。ここでのｔ２は推定したい時刻である。Ｐｔｒｓは時刻ｔ２での出力パワーである。Ｐｉｎｔはｔ１で検出される出力パワーで上記のＰｍａｘ２に相当する。
η１はＣＲ時定数パラメータ、η２は平衡状態パラメータ、η３は垂下特性パラメータで、バッテリの初期において静電容量Ｃと内部抵抗Ｒの実測値を用いて、β、α、γをそれぞれ１として、上記式にパワーの実測値を代入して特定される値である。静電容量は例えば放電深度テーブルから求める。
【００２０】
出力パワ−を演算するときに、上記式に、既知のα、γ、β、Ｐｉｎｔ、ｔ１を代入することによってｔ２をパラメータとする関数Ｐｔｒｓが得られる。これにより、関数の近似範囲内で任意の時刻での出力パワーが推定値として求められる。図４は出力パワーの検出要領を示す。すなわち瞬時パワーを検出できる範囲内で時刻ｔ１の出力パワーＰｉｎｔをバッテリの電流、電圧特性から検出する。その時刻ｔ１からの過渡期では上記推定演算で検出する。近似式は放電の初期から、ほぼ平衡状態になるまでのパワ−の減衰全域をカバーするから、出力パワーの推定領域はほぼ放電深度が変化する平衡領域まで広がっている。
【００２１】
本実施例は以上のように構成され、電流、電圧を検出して出力パワーを特定できる瞬時領域ではバッテリの特性演算で出力パワーを検出する。バッテリの特性が変化する過渡領域では、近似式によって推定する。近似式はコンデンサの放電特性を模擬し、バッテリ故の平衡点を与えて構成されるモデルを用いる。また、静電容量の検出や内部抵抗の検出はバッテリの初期特性に対して容量劣化、内部抵抗劣化係数を用いて求めるため、検出が簡単である。そして内部抵抗を検出するに当たっては温度劣化を考慮するので、内部抵抗の検出は極めた精度の高いものになる。その結果、出力パワーの推定値の精度が高く、電気自動車にはもちろんハイブリッド車にも有用である。
【００２２】
図５、図６はそれぞれ２５℃の常温と０℃での実測値と多項式で表示される近似式により求めた値を合わせて表示した図である。そして実測値についてそれぞれ放電深度Ｓ０Ｃが２０％、４０％、６０％、８０％のときのデータを用いる。
図５によれば、放電深度ＳＯＣが４０％〜８０％の範囲内では、近似式が極めて精度よく実際の出力パワーを再現している。
図６では、放電深度ＳＯＣが２０％〜８０％内で、ほぼ全域において近似式が実測値を再現している。
これによって、短い時間での推定しか必要としない電気自動車はもちろん、３０〜７０％を使用範囲とするハイブリッド車に本装置を用いても、バッテリのパワー不足で出力制限がかかることが生じなくなる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、バッテリの静電容量と内部抵抗をパラメータとするＣＲ時定数で表示される出力パワーの減衰率の近似式を用い、バッテリの静電容量、内部抵抗を検出して、バッテリの出力パワー減衰特性を特定する。減衰率の近似領域内で、出力パワーを検出できるから、長い時間領域での検出が可能になる。減衰率の近似式にＣＲ時定数をパラメータに用いるから、出力パワーの減衰をよく近似できるので、検出結果が極めて精度の高いものとなる。
また内部抵抗劣化係数で内部抵抗を求めるとき、内部抵抗の温度劣化係数を用いることもできることにより、温度の変化により内部抵抗の変化も補正される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の構成を示す図である。
【図２】出力パワーを検出する説明図である。
【図３】バッテリの出力パワーを保証できる領域を示す図である。
【図４】出力パワーの検出要領を示す説明図である。
【図５】出力パワーの実測値と近似式を合わせて表示する図である。
【図６】異なる温度での出力パワーの実測値と近似式の表示図である。
【図７】出力パワーの時間経過による出力パワーの変化を示す説明図である。
【図８】バッテリの出力パワーと電気自動車が出力するピークパワーの関係を示す図である。
【図９】ハイブリッド車に出力制限がかかるときの説明図である。
【符号の説明】
１        電力量積算部
２        瞬時パワー演算部
３        抵抗劣化係数演算部
４        容量劣化係数演算部
７        過渡パワー演算部
８        補正テーブル
【図１】
0003692782.tif 000005
【図２】
0003692782.tif 000006
【図３】
0003692782.tif 000007
【図４】
0003692782.tif 000008
【図５】
0003692782.tif 000009
【図６】
0003692782.tif 000010
【図７】
0003692782.tif 000011
【図８】
0003692782.tif 000012
【図９】
0003692782.tif 000013