(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電池の端子電圧を測定する端子電圧センサと、
前記電池の電流を測定する電流センサと、
予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデルと、
あるサンプリング時点で測定された端子電圧値および電流値の一方を、直前サンプリング時点での残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線および少なくともその一方側に隣接する、少なくとも１つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値および電流値の他方の期待値を導出する手段と、
前記のように導出された端子電圧値および電流値の他方の期待値とその実測値との差の評価値を各端子電圧電流特性曲線ごとに演算する手段と、
前記評価値が最小となる期待値に対応する残存容量を前記あるサンプリング時点における電池の残存容量として出力する手段とを具備したモデルベース電池残存容量計。
【請求項２】
被測定電池の端子電圧を測定する端子電圧センサと、
前記電池の電流を測定する電流センサと、
予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデルと、
１残留容量演算時間に含まれる連続した複数のサンプリング時点で測定された各端子電圧値および電流値の一方を、各サンプリング時点ごとに、直前の残留容量演算時点での残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線および少なくともその一方側に隣接する、少なくとも１つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値および電流値の他方の期待値をそれぞれ導出する手段と、
各サンプリング時点ごとに、前記のように導出された端子電圧値および電流値の他方の期待値とその実測値との差の評価値を各端子電圧電流特性曲線ごとに演算する手段と、
各サンプリング時点ごとに、前記評価値が最小となる期待値に対応する端子電圧電流特性曲線を決定する手段と、
１残留容量演算時間内において、前記評価値が最小となった回数が最大である期待値に対応する端子電圧電流特性曲線が表わす離散値電池残存容量を、今回残留容量演算時点における電池の残存容量として出力する手段とを具備したモデルベース電池残存容量計。
【請求項３】
被測定電池の端子電圧を測定する端子電圧センサと、
前記電池の電流を測定する電流センサと、
予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデルと、
１残留容量演算時間に含まれる連続した複数のサンプリング時点で測定された各端子電圧値および電流値の一方を、各サンプリング時点ごとに、直前の残留容量演算時点での残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線および少なくともその一方側に隣接する、少なくとも１つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値および電流値の他方の期待値をそれぞれ導出する手段と、
各サンプリング時点ごとに、前記のように導出された端子電圧値および電流値の他方の期待値とその実測値との差の評価値を各端子電圧電流特性曲線ごとに演算する手段と、
各サンプリング時点ごとに演算された前記評価値を、各端子電圧電流特性曲線ごとに、１残留容量演算時間に亘って累算または平均化する手段と、
前記累算または平均値が最小となった期待値に対応する端子電圧電流特性曲線が表わす離散値電池残存容量を、今回残留容量演算時点における電池の残存容量として出力する手段とを具備したモデルベース電池残存容量計。
【請求項４】
前記評価値は、前記期待値とその実測値との距離およびその自乗のいずれかである請求項１ないし３のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量計。
【請求項５】
端子電圧電流特性曲線群の残存容量の離散値きざみ幅を、電池残存容量の要求精度に応じて異ならせる手段をさらに具備した請求項１ないし４のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量計。
【請求項６】
電池モデルが、残存容量の離散値きざみ幅を異ならせた複数組の端子電圧電流特性曲線群を予め記憶し、
電池残存容量の要求精度に応じて、１組の端子電圧電流特性曲線群を選択する手段とをさらに具備した請求項１ないし５のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量計。
【請求項７】
残留容量演算時間は、電池の残存容量変化速度が速いほど短くされる請求項１ないし６のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量計。
【請求項８】
期待値の算出に用いられる端子電圧電流特性曲線の本数は、電池の残存容量変化速度が速いほど増加される請求項１ないし７のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池モデルを用いて使用中の電池の残存容量を計測するモデルベース電池残存容量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題の深刻化に伴なって電気自動車の開発が進んで実用化され始め、その外にも電池を利用した搬送車、カートなど、電池電源を利用するシステムや装置が年々増加している。これらの電池システムを有効かつ適切に運用するには、これらに使用される電池の運用状態、特に現時点における電池の残存容量が常に的確に把握されていることが必要である。したがってこのような技術分野で信頼性が高くて低廉な電池の残存容量計は不可欠のものである。
【０００３】
電圧、電流検出方式の電池残存容量計（以下、単に「残存容量計」と言う）のなかでも、最も高精度の残存容量計として、例えば、特願平４−３２１４８２号に示すようなモデルベース残存容量計が提案されている。このモデルベース残存容量計は、一般に電池の端子電圧が、そのときの放電電流と電池の残存容量との関数であること、および電池の物理的諸性質を考慮し、ある時刻における電池モデルを２次式（図示せず）で代表させ、図５に示すように、横軸を放電電流Ａ、縦軸を端子電圧Ｖとし、残存容量θをパラメータとした電圧電流特性群をもった電池のモデルを予め作成しておき、図６に示すようなアルゴリズムで電池残存容量を演算する。
【０００４】
図６において、測定対象の電池１には負荷２（例えば、電気自動車の駆動用モ−タなど）が接続され、負荷電流すなわち電池１の放電電流ｉが電流計３で検出される。負荷２の大きさが負荷制御部４（例えば、電気自動車のアクセルペダル）によって制御されると、放電電流ｉが変化し、これに応じて電池１の端子電圧ｖも変化する。電圧ｖは電圧計１０で測定される。電池モデル５としては、電池１の推定端子電圧Ｖesと、そのときの放電電流ｉおよび電池１の残存容量θ（モデルのパラメ−タとなる）の間の関係式（図示説明は省略）が予め決定されて用いられる。具体的には、検出された放電電流ｉの値が前記モデルの式（図５のグラフ）に代入されて推定端子電圧Ｖesが演算される。
【０００５】
得られた推定端子電圧Ｖesは比較器６に供給されて実測端子電圧ｖと比較される。比較器６の出力すなわち、推定端子電圧Ｖesと実測端子電圧ｖとの差が電池モデル５の電池１に対する近似度すなわち収束度合いを表わすことは明らかである。したがって、前記差を収束判定部７に転送してこれが閾値以下に十分収束しているか否かを判定し、収束していないときは、残存容量修正部８で前記差が小さくなるように電池モデル５のパラメ−タすなわち残存容量θを修正する。電池モデル５では、修正された残存容量θと実測電流値ｉを用いて推定端子電圧Ｖesを演算し直す。一方、推定端子電圧Ｖesと実測端子電圧ｖとの差が十分小さくなったときは、電池モデル５が電池１の実態を代表していると考えられるので、収束判定部７は出力制御部９を制御してそのときの電池モデル５のパラメ−タを残存容量θとして出力する。
【０００６】
このように運用中の電池で実測した電流から求まる電池モデルの電圧Ｖes（ｉ，θ）とその時に実測した電池の電圧Ｖとの差｛Ｖes（ｉ，θ）−Ｖ｝を最小化するように電池モデルの残存容量θを調整する。こうして求められたθがその時の実測電圧、電流を発生している状態の電池の残存容量θの推定値となる。前記｛Ｖes（ｉ，θ）−Ｖ｝を最小化する具体的方法としては、図７に示した（１）式を評価函数として導入して、これを最小化するようにしている。上述のようにして、残存容量θの導入過程を残存容量計の中で行う場合には、電池モデルを図７の（２）式で表現し、実測電圧、電流Ｖ（τ），ｉ（τ）を用いて前記（１）式による積分値を最小化することによって残存容量θが求められる。その具体的演算手法については前記特許出願明細書に詳述されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような電池残存容量計を、例えば車両ごとに搭載できるように広く普及させ、実用化するためには、その低価格化が必要である。しかし従来の電池残存容量計では、残存容量算出の演算アルゴリズムが高度で複雑であるために、高精度が得られるという利点がある一方、演算量が膨大であるためにマイコンなど計算機の負担が大きく、そのハード構成も複雑化してコスト高となることが避けられず、実用化と普及の妨げになるという問題がある。このために、低コストで実用上必要十分な精度や信頼性を維持したままで、コストを低減した電池残存容量計の開発が望まれている。
【０００８】
本発明の目的は、基本的にはモデルベース電池残存容量計の原理を適用して実用上必要な精度を維持しながら、一方では、処理アルゴリズムを簡略化して、ハード構成の簡略化と低コスト化を共に実現できるモデルベース電池残存容量計を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のモデルベース電池残存容量計では、予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデルを準備しておき、被測定電池の端子電圧および放電電流をサンプリングし、あるサンプリング時点での端子電圧値（または電流値）を、直前サンプリング時点での残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線および少なくともその一方側に隣接する、少なくとも１つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値（または電流値）の期待値を読取り、この端子電圧値（または電流値）の期待値とその実測値との差の評価値を各端子電圧電流特性曲線ごとに演算し、前記評価値が最小となる期待値に対応する残存容量を求め、これを前記サンプリング時点における電池の残存容量として出力するようにした。
【００１０】
前記評価値が最小となる期待値に対応する残存容量としては、各サンプリング時点ごとの評価値を累算、平均化したときに最小値を与える特性曲線や、最少となる回数が最大となった特性曲線を取ったりする事ができる。またサンプリング時間間隔、利用する隣接端子電圧電流特性曲線の個数、端子電圧電流特性曲線群の予定きざみ値の大きさなどを所望検出精度、電池の残存容量、残存容量変化速度などに応じて変化させても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の１実施例を詳細に説明する。まず電池モデルとして、図２のように、電池の残存容量値の０％〜１００％の間をα％きざみで離散化して、残存容量毎の電圧電流特性をテーブルとして記憶しておく。すなわち、残存容量θ＝θ(0) 、θ(1) 、θ(2) ……θ（j-1)、θ(j) ……θ(M) 毎に、予め複数の電圧電流特性曲線を準備しておく。ここで、θ(0) は残存容量０％に相当し、θ(M) は残存容量１００％に相当する。また各残存容量θの値の間にはθ(i) ＝θ（i-1 ）＋α、θ（i+1 ）＝θ(i) ＋αの関係を持たせておく。
【００１２】
つぎに図１および図３を参照して、この実施例の構成および残存容量の表示方法を説明する。図３に明示したように、本実施例では、Ｔ時間ごとに電池残存容量を演算して表示する。すなわち、時刻ｔ(i+1) における残存容量θ（ｔi+1)は、その直前のＴ時間すなわち時刻ｔ(i) からｔ(i+1) までのＴ時間の間に、Ｔs(＝Ｔ／Ｎ）時間間隔のサンプリングで得られたデータに予定の演算処理（これについては後述する）を施すことによって得られ、この値θ（ｔi+1)が前記時刻での電池残存容量として出力、表示される。
【００１３】
図１の電圧および電流センサ２１ａ、ｂはそれぞれ被測定電池の端子電圧および放電電流を測定する。これらの測定値はそれぞれＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２ａ、ｂやサンプルホールド回路２３ａ、ｂを介してＡ／Ｄ変換器２４ａ、ｂに転送され、実測電圧値Ｖr および電流値Ｉr として演算処理部３０に供給される。前記演算処理の方法を、時刻ｔ(i+1) における残存容量θ（ｔi+1)を求める場合を例にとって説明する。
【００１４】
時刻ｔ(i) からｔ(i+1) まで［但しｔ(i+1) ＝ｔ(i) ＋Ｔ］の間のＴ時間をＮ区間に等分割してＴs ＝Ｔ／Ｎ時間毎に、実測電圧、電流値をサンプリングする。電池の運転中の各サンプリング時点｛ｔ(i) ＋ｋＴs ｝（但し、ｋ＝１〜Ｎ）で得られた電流、電圧の実測データＩr 、Ｖr を、
ｉ｛ｔ(i) ＋Ｔs ｝、ｉ｛ｔ(i) ＋２Ｔs ｝………ｉ｛ｔ(i+1) ｝
Ｖ｛ｔ(i) ＋Ｔs ｝、Ｖ｛ｔ(i) ＋２Ｔs ｝………Ｖ｛ｔ(i+1) ｝とする。
【００１５】
また、ｔ(i) 時刻での残存容量θ( ｔi)、すなわち図１の演算処理部３０の出力がθ(j) であったと仮定する。この場合、図１の特性曲線選択手段３１は電池モデル（特性曲線テーブル）３２から、図２の特性曲線群中の残存容量曲線θ(j) およびその直近両側に隣接する２曲線θ(j+1),θ(j-1) ［但しθ(j+1) ＝θ(j）＋α、θ(j-1) ＝θ(j）−α］を選択し、これらに各実測電流値Ｉr を当て嵌めて３種の期待電圧Ｖes｛ｉ（ｔi+ｋＴs ），θ(j+1) ｝, Ｖes｛ｉ（ｔi+ｋＴs ），θ(j) ｝、Ｖes｛ｉ（ｔi+ｋＴs ），θ(j-1) ｝を読出す。
【００１６】
加算器３３ａ〜ｃはこれらの３種の期待電圧Ｖesと実測電圧Ｖr （ｔi+ｋＴs ）との差をそれぞれ求める。この差を実測値と電池モデルとの「距離」と定義し、この関係を図４に示す。図４は、図２の一部を拡大して示したものである。この図から容易に理解できるように、前記「距離」は、直前の残存容量演算時点ｔ(i) での残存容量θ(j) 、それよりも１ステップ減少（−α％）した残存容量θ(j-1) および１ステップ増加（＋α％）した残存容量θ(j+1) にそれぞれに対応する３本の電圧電流特性曲線から得られる各期待電圧Ｖesと現時点｛ｔ(i) ＋ｋＴs ｝での実測電圧Ｖr との差に相当するものである。
【００１７】
つづいて、現時点での実測電圧値Ｖr が、残存容量θ(j+1),θ(j),θ(j-1) の中のどの電圧電流特性曲線に、最も近い距離にあるかを求める。このために、前記各距離の自乗を指標とする評価式として、つぎの各式
Ｊ'{ｔi+ｋＴs,θ(j+1)}＝ [Ｖr （ｔi+ｋＴs ）−Ｖes｛ｉ（ｔi+ｋＴs ）、θ(j+1) ｝] 2 
Ｊ'{ｔi+ｋＴs,θ(j)}＝ [Ｖr （ｔi+ｋＴs ）−Ｖes｛ｉ（ｔi+ｋＴs ）、θ(j) ｝] 2 
Ｊ'{ｔi+ｋＴs,θ(j-1)}＝ [Ｖr （ｔi+ｋＴs ）−Ｖes｛ｉ（ｔi+ｋＴs ）、θ(j-1) ｝] 2 
を２乗回路３５ａ〜ｃでそれぞれ算出する。
【００１８】
そしてこの３つの評価式の中最も小さい評価値を与える特性曲線すなわち残存容量を求める。具体的にいえば、Ｊ（ｔi+ｋＴs,θｋ）＝ min［Ｊ'{ｔi+ｋＴs,θ(j+1)}、Ｊ'{ｔi+ｋＴs,θ(j)}、Ｊ'{ｔi+ｋＴs,θ(j-1)}］の関係にしたがって、｛ｔ(i) ＋ｋＴs ｝時点で最も近い距離にある残存容量θk を求め、これを時刻ｔ(i+1) における当該電池の残存容量として出力する。
【００１９】
このために、前記２乗回路３５ａ〜ｃの各出力を累算回路３７ａ〜ｃで累算する。以上のようにしてサンプリング時間Ｔs 毎に求められたＮ個の各評価式の値Ｊ' をパラメータとしての前記残存容量θ(j+1),θ(j),θ(j-1) ごとに累算し、最小値選択回路３８で累算値または平均値が最少となる残存容量θを求め、これを時刻ｔ(i+1) における当該電池の残存容量として出力する。なお上記評価式として、前記距離の自乗の代わりに絶対値を指標として用いても、実用上有効な残存容量を求めることができる。このようにすれば、演算量をより一層低減することができる。
【００２０】
また前述のように、時刻ｔ(i) からｔ(i+1) までのＴ時間内に、サンプリング時間Ｔs 毎に得られたＮ個の評価値Ｊ' をそれぞれの残存容量θ(j+1),θ(j),θ(j-1) 毎に累算（さらに平均）する代わりに、残存容量θ(j+1),θ(j),θ(j-1) のそれぞれに対応させて３つのカウンタＣ1 、Ｃ２、Ｃ３（図示せず）を準備しておき、サンプリング時間Ｔs 毎に求められた３個の評価式の値が最少となる残存容量Ｊ（ｔi+ｋＴs,θm ）（ただし、θm ＝j+1,j,j-1)に相当する残存容量θm のカウンタに１を加算する。そして、ｋ＝１〜ＮのＴ時間内で得られた積算値が最大となったカウンタに相当する残存容量θm をｔ(i+1) 時刻での残存容量と決定することもできる。つまり、Ｃk ＝ｍａｘ（Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 ）によって残存容量θm を求めるものである。
【００２１】
例えば、残存容量θi に対応するカウンタＣ2 の積算値が最大であれば、Ｃk ＝Ｃ2 となり、（ｔ1+1 ）時刻での残存容量θ(t1+1)をθj と決定する。Ｔ時間が満了したら、各カウンタＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 を０にリセットする。また電池の満充電後に放電を開始する時点（ｔ＝０）においては、残存容量θk ＝θM ＝１００％としておく。
【００２２】
このように、残存容量の表示値がα％きざみに離散化され、処理および残量表示の単位時間をＴ時間毎としたため、その表示も時間的に離散化される。それ故に、残量演算、表示の要求精度に応じて離散化幅α、すなわち分解能を決めることができ、用途ごとに最適な精度を最小限の演算で得ることができる。このためには、分解能αを異ならせた図２や図４のような特性曲線群を予め準備しておくか、前記（２）式の係数ａ0(θ) 、ａ1(θ) などを適宜修正変更できるようにしておくことが必要である。
【００２３】
これによって、従来技術において必須とされた複雑な積分演算や繰り返し収束計算が不要となり、簡単な計算で処理プロセスが格段に簡略化される。この結果、演算用マイコンのハード構成やソフトが、著しく簡単となり、製品のコストを大幅に低減することができる。
【００２４】
前述の処理方法においては、処理時間間幅Ｔを予め固定的に与えて残存容量の推定を行なったが、この時間間隔Ｔは必ずしも固定である必要はない。電池の運用状態、例えば、残存容量の変化速度（減少または増加速度）に応じて、変化速度が大きいときには、時間Ｔを短くして残存容量計の応答速度を上げ、反対に、変化速度が遅いときには、時間Ｔを長くするなど、適切に前記時間間隔Ｔを可変にするアルゴリズムを組み入れることもできる。
【００２５】
又、残存容量がどのように変化しているかをみるのに、現時点の残存容量θ(j) を中心に、１ステップ上および下の直近残存容量θ(j+1) 、θ(j-1) を用いて推定したが、この場合も同様に、残存容量の変化速度に応じて減少速度の速い時には、現状の残存容量θ(j) に対して１ステップ下の残存容量θ(j-1) の他に、２ステップ下のθ(j-2) を取り込み、さらには３ステップ下のθ(j-3) までも取り込むなど、取込み数を適切に可変調整するアルゴリズムを組み入れることもできる。
【００２６】
さらに通常運用中は、残存容量は減少する一方である事実に着目し、現時点の残存容量θ(j) および少なくとも１きざみ下側の残存容量θ(j-1) を用いて推定するようにすることもでき、これによっても実用上十分な結果が得られる。仮に電力回生操作などによって、運用中に電池が充電されることがあっても実用に耐え得る残存容量計が提供できる。なお必要に応じて、運用中の電池充電を検知し、充電が検知されたならば現時点よりも上側の直近残存容量θ(j+1) をも加えて推定演算を行なうようにすることもできる。
【００２７】
以上では実測電流値を電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧の期待値を求めたが、反対に、実測電圧値から期待電流値を求めて同様に演算することのできる。さらに、残留容量演算時間Ｔとサンプリング時間間隔Ｔs とを等しくしてサンプリング時点ごとの演算結果を出力表示しても良い。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では、このように電池の充放電の状態に応じて、推定演算を実行する時間間隔や計算に使用するパラメータの数を変更するアルゴリズムを組み入れることによって必要最小限の計算負荷によって電池の充放電状態や残存容量の変化状態に適切に応答する極めて合理的、経済的な電池残存容量計を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のブロック図である。
【図２】本発明に用いる電池モデルの１例を示す図である。
【図３】本発明による残量表示手法を説明するためのタイムチャートである。
【図４】図２の１部を拡大して示す図である。
【図５】従来の電池モデルを示す図である。
【図６】従来の電池残存容量計の１例のブロック図である。
【図７】本明細書において参照される数式を示す図である。
【符号の説明】
２１ａ…電圧センサ  ２１ｂ…電流センサ  ２２ａ、ｂ…ＬＰＦ  ２３ａ、ｂ…サンプルホールド回路  ２４ａ、ｂ…Ａ／Ｄ変換器  ３０…演算処理部  ３１…特性曲線選択手段  ３２…電池モデル  ３５ａ〜ｃ…２乗回路  ３７ａ〜ｃ…累算回路  ３８…最小値選択回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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