(57)【要約】【課題】並列接続された電池ブロックの満充電容量推定装置及び方法に関し、車両や電動装置等による該電池ブロックの使用に支障を与えることなく、満充電容量の推定対象の電池ブロックの分極の解消を待つ時間を確保し、該電池ブロックの満充電容量を正確に推定することを可能にする。【解決手段】並列接続される複数の電池ブロック１１〜１４を、該並列接続から個別に切り離すスイッチ２１〜２４と、複数の電池ブロックのうち、満充電容量を推定する電池ブロックのみを並列接続から切離すよう、スイッチを制御するスイッチ制御部１と、切離した電池ブロックの分極解消後の電圧の値を取得し、該電池ブロックに所定の充電量を充電器４により充電し、電池ブロックの充電前及び充電後の電圧から充電前及び充電後の充電率（ＳＯＣ）を求め、それらの値と所定の充電量とから、満充電容量を推定する満充電容量算出部２を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対して並列に接続される充電可能な複数の電池ブロックを、該並列接続から個別に切り離すスイッチと、
前記複数の電池ブロックのうち、満充電容量を推定する電池ブロックを、該電池ブロックの分極が解消するまでの間、前記並列接続から切離すとともに、満充電容量を推定する電池ブロック以外の他の電池ブロックを充電器に接続するよう前記スイッチを制御し、かつ、満充電容量を推定する電池ブロックを充電器に接続するとともに、前記他の電池ブロックを前記並列接続から切離すよう前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、
前記満充電容量を推定する電池ブロックの分極解消後の充電前の電圧を取得し、該電池ブロックに所定の充電量が充電された後、分極が解消した該電池ブロックの電圧を取得し、該取得した充電前及び充電後の該電池ブロックの分極解消後の電圧からそれぞれ充電前及び充電後の充電率を求め、それらの値と前記所定の充電量とから、満充電容量を推定する満充電容量算出手段と、
を備えたことと特徴とする電池満充電容量推定装置。
【請求項２】
負荷に対して並列接続される充電可能な各電池ブロックを、該並列接続から個別にスイッチにより切離す第１のステップと、
前記電池ブロックのうち、満充電容量を推定する電池ブロックを前記第１のステップにより前記並列接続から切離した後、該電池ブロックの分極解消後の充電前の電圧を取得し、該電圧を基に充電前の充電率を求める第２のステップと、
前記第２のステップの後、前記満充電容量を推定する電池ブロックを、前記スイッチを介して充電器に接続し、該電池ブロックに所定の充電量を充電する第３のステップと、
前記第３のステップの後、前記満充電容量を推定する電池ブロックの分極が解消する所定の時間、該電池ブロックを前記スイッチにより前記並列接続から切り離しておく第４のステップと、
前記第４のステップの後、前記満充電容量を推定する電池ブロックの電圧を取得し、該電圧を基に充電後の充電率を求める第５のステップと、
前記第２のステップ及び第５のステップにより求めた充電前及び充電後の充電率と、前記第３のステップにより充電した所定充電量とから、該電池ブロックの満充電容量を推定する第６のステップと、
を含むことを特徴とする電池満充電容量推定方法。
【請求項３】
前記第２のステップにおいて、前記満充電容量を推定する電池ブロックの分極が解消しているか否かを判定し、分極が解消していない場合には、該分極が解消する所定の時間、該電池ブロックを前記スイッチにより切り離しておくことを特徴とする請求項２に記載の電池満充電容量推定方法。
【請求項４】
前記ステップ４において、前記分極が解消する所定の時間の間、前記満充電容量を推定する電池ブロック以外の電池ブロックを、前記スイッチを介して充電器に接続して充電するステップを含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電池満充電容量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電可能な電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置及び方法に関し、特に、並列に接続されて使用される電池の満充電容量を推定する満充電容量推定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォークリフト等の産業用車両やその他の電動装置等には、一又は複数の電池を含む電池ブロックを複数個並列に接続した電池パックが使用される。該電池パックは、各電池ブロックの残容量や使用可能時間等を精度よく表示することが求められる。それらは電池パックの満充電容量から算出されるため、該満充電容量を正確に推定することが要求される。また、電池の経年劣化などの指標として電池容量が用いられる場合があり、この場合も、満充電容量の正確な推定が要求される。
【０００３】
並列に接続された電池の満充電容量を推定する技術として、例えば下記の特許文献１等により、電池の正負極端子間に流れる電流を検出し、該電流を積算し、また、該電池の電圧を検出し、開放回路時の該電圧に基づき残容量パーセンテージである充電率を算出し、該電流積算値の今回と前回との差と、電流率の今回と前回の差とに基づき満充電容量を算出し、この満充電容量と前回の満充電容量とに基づき、新満充電容量を補正する技術が知られている。
【０００４】
また、並列に接続された電池の充電制御技術として、下記の特許文献２等により、電池への充電電流及び電池温度を入力変数とし、当該電池の満充電時における充電電圧を出力変数とする相関関数を所定の記憶部に格納し、電池が充電可能となる所定の条件となった場合に、現時点での電池温度にて現時点での充電電流により充電された際の満充電時における推定満充電電圧を、前記相関関数を用いて電池ごとに算出し、算出された推定満充電電圧と現時点における電池電圧との差が大きい電池から順に、充電電流を順次集中させて充電するように制御する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８６７６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６３７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
充電可能な電池の満充電容量を推定する技術として、電池の充電前後の開放回路電圧と充電中の電流積算量とから推定する手法が知られている。電池は充放電を行っているときに、分極により開放回路電圧と異なる電圧となる。そのため、電池の開放回路電圧は、分極が解消するのを待って観測しなければならない。
【０００７】
しかし、フォークリフト等の産業用車両等に用いられる複数の電池ブロックを並列接続した電池パックは、充電後すぐに使用されることが多く、分極の解消を待つ時間を確保することができない場合がある。そのような場合、各電池ブロックの満充電容量を精度よく推定することができない。
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明では、車両や電動装置等に使用され、並列に接続される充電可能な電池ブロックに対して、該電池ブロックの使用に支障を与えることなく、満充電容量の推定対象の電池ブロックの分極の解消時間を確保し、該電池ブロックの満充電容量を正確に推定することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る一形態としての満充電容量推定装置は、負荷に対して並列接続される充電可能な各電池ブロックを、該並列接続から個別に切り離すスイッチと、前記複数の電池ブロックのうち、満充電容量を推定する電池ブロックを、該電池ブロックの分極が解消するまでの間、前記並列接続から切離すとともに、満充電容量を推定する電池ブロック以外の他の電池ブロックを充電器に接続するよう前記スイッチを制御し、かつ、満充電容量を推定する電池ブロックを充電器に接続するとともに、前記他の電池ブロックを前記並列接続から切離すよう前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、前記満充電容量を推定する電池ブロックの分極解消後の充電前の電圧を取得し、該電池ブロックに所定の充電量が充電された後、分極が解消した該電池ブロックの電圧を取得し、該取得した充電前及び充電後の該電池ブロックの分極解消後の電圧からそれぞれ充電前及び充電後の充電率を求め、それらの値と前記所定の充電量とから、満充電容量を推定する満充電容量算出手段と、を備えたものである。
【００１０】
また、本発明に係る他の形態としての電池満充電容量推定方法は、負荷に対して並列接続される充電可能な各電池ブロックを、該並列接続から個別にスイッチにより切離す第１のステップと、前記電池ブロックのうち、満充電容量を推定する電池ブロックを前記第１のステップにより前記並列接続から切離した後、該電池ブロックの分極解消後の充電前の電圧を取得し、該電圧を基に充電前の充電率を求める第２のステップと、前記第２のステップの後、前記満充電容量を推定する電池ブロックを、前記スイッチを介して充電器に接続し、該電池ブロックに所定の充電量を充電する第３のステップと、前記第３のステップの後、前記満充電容量を推定する電池ブロックの分極が解消する所定の時間、該電池ブロックを前記スイッチにより前記並列接続から切り離しておく第４のステップと、前記第４のステップの後、前記満充電容量を推定する電池ブロックの電圧を取得し、該電圧を基に充電後の充電率を求める第５のステップと、前記第２のステップ及び第５のステップにより求めた充電前及び充電後の充電率と、前記第３のステップにより充電した所定充電量とから、該電池ブロックの満充電容量を推定する第６のステップと、を含むものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、車両や電動装置等に使用され、並列接続される充電可能な電池ブロックに対して、満充電容量を推定する電池ブロックを該並列接続から切離すことにより、他の電池ブロックの使用に支障を与えることなく、満充電容量の推定対象の電池ブロックの分極の解消時間が確保され、該電池ブロックの満充電容量を正確に推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による満充電容量推定装置の実施形態の構成例を示す図である。
【図２】分極が解消していると判定された場合の満充電容量推定のフローチャートである。
【図３】分極が解消していないと判定された場合の満充電容量推定のフローチャートである。
【図４】満充電容量の推定精度の向上の説明図である。
【図５】満充電容量推定の実施による各電池ブロックの充電状態の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に本発明による満充電容量推定装置の構成例を示す。同図に示すように、本発明による満充電容量推定の対象は、複数の電池ブロック１１〜１４が並列に接続された電池パックである。なお、各電池ブロック１１〜１４は、それぞれ、複数の電池が直列に接続されたものであっても、単一の電池のものであってもよく、ここではそれらを纏めて「電池ブロック」と称している。
【００１４】
また、図１では、電池パックとして電池ブロックを４つ並列接続した例を示しているが、電池パックは、４つの電池ブロックのものに限られることはなく、２つ以上の電池ブロックが並列に接続された電池パックに対して適用可能である。
【００１５】
図１に示すように、充電器４及び負荷５に対して並列接続される各電池ブロック１１〜１４に対して、各電池ブロック１１〜１４を個別に該並列接続から切り離すスイッチ２１〜２４が備えられる。スイッチ２１〜２４は、リレー、半導体スイッチ等を用いることができる。スイッチ２１〜２４は、電池コントローラ１０内のスイッチ制御部１によって制御される。
【００１６】
また、並列接続される電池ブロック１１〜１４を、充電器４又は負荷５のいずれかに接続するスイッチ２５，２６が備えられる。該スイッチ２５，２６も同様にスイッチ制御部１によって制御される。
【００１７】
また、並列接続される電池ブロック１１〜１４に対して、流入又は流出する電流量を検出する電流センサ３が備えられる。なお、電流センサ３を各電池ブロック１１〜１４に共通に設ける構成に代えて、各電池ブロック１１〜１４の各電流量を個別に検出する電流センサを設ける構成としても良い。
【００１８】
電流センサが、各電池ブロック１１〜１４対応に個別に設けてある場合は、複数の電池ブロックに対して満充電容量の推定を同時に実施することができ、１つの電流センサ３のみが設けられている場合は、１つずつ電池ブロックの満充電容量を推定することとなる。なお、図１において、破線は、スイッチ２１〜２６、電流センサ３及び充電器４と、コントローラ１０との間の、制御信号又は測定信号の流路を示す。
【００１９】
スイッチ制御部１は、満充電容量の推定対象の電池ブロック（ここでは一例として電池ブロック１１とする）を、他の電池ブロック１２〜１４との並列接続から切離すようスイッチ２１を制御し、他のスイッチ２２〜２４に対しては、充電器４又は負荷５のいずれかとの接続を維持したままとし、他の電池ブロック１２〜１４を使用可能な状態にしておく。
【００２０】
スイッチ２１により並列接続が切離された電池ブロック１１について、電池コントローラ１０内の満充電容量算出部２は、該電池ブロック１１の分極解消後の電圧を取得する。各電池ブロック１１〜１４には図示省略の電圧センサが設けられ、満充電容量算出部２は、該電圧センサから電池ブロック１１の電圧を取得する。
【００２１】
満充電容量算出部２は、予め記憶してある当該電池ブロックの、満充電容量に対する残容量の比率である充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）と開放回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）との相関を示すＳＯＣ−ＯＣＶ特性を参照し、取得した電圧を基に、該電池ブロック１１の充電前の充電率（ＳＯＣ）を求める。
【００２２】
次に、電池コントローラ１０は、電池ブロック１２〜１４を充電器４又は負荷５から切離し、電池ブロック１１を充電器４にスイッチ２１，２５により接続し、充電器４により電池ブロック１１に所定の充電量（電流積算量Ａｈ）を充電させる。該充電の完了後、電池コントローラ１０は、分極を解消させるため、スイッチ制御部１によりスイッチ２１をオフの状態にし、電池ブロック１１を所定時間、開放回路状態にする。
【００２３】
なお、電池ブロック１１の分極の解消を待つ間、他の電池ブロック１２〜１４を、スイッチ２２〜２４、及び、スイッチ２５又は２６のいずれかを介し、充電器４又は負荷５に接続して充電又は放電を行う。
【００２４】
電池コントローラ１０内の満充電容量算出部２は、電池ブロック１１の充電後の分極が解消する所定時間の経過後に、図示省略の電圧センサから該電池ブロック１１の電圧の値を取得する。満充電容量算出部２は、取得した電圧を基に、ＳＯＣ−ＯＣＶ特性を参照し、該電池ブロック１１の充電後の充電率（ＳＯＣ）を求める。満充電容量算出部２は、充電器４で充電した所定の充電量（Ａｈ）と、充電前及び充電後の充電率（ＳＯＣ）とから、以下の式１により満充電容量を算出する。
満充電容量＝充電量×１００÷（充電後のＳＯＣ−充電前のＳＯＣ）・・・（式１）
このように、満充電容量の推定対象の電池ブロック１１を、他の並列接続の電池ブロック１２〜１４から切離した状態で、分極解消を待ちながら満充電容量を推定し、他の電池ブロック１２〜１４を充電器４又は負荷５と接続する。従って、電池ブロック１１の分極解消の待時間中は、他の電池ブロック１２〜１４を車両や電動装置等の運転・使用に供することができ、或いは、他の電池ブロック１２〜１４の充電を行うことが可能である。
【００２５】
本発明による満充電容量推定の動作フローを、図２及び図３を参照して説明する。図２は、満充電容量推定対象の電池ブロックが、分極が解消していると判定された場合のフローを示す。また、図３は、該分極が解消していないと判定した場合のフローを示す。
【００２６】
分極が解消しているか否かの判定は、車両や電動装置等を駆動する主電源スイッチ等の切断後の経過時間を、所定の閾値と比較して、該経過時間が該閾値を越えていない場合には、分極が解消していないと判定し、該経過時間が該閾値を越えている場合には、分極が解消していると判定する構成とすることができる。
【００２７】
分極が解消していると判定された場合は、図２に示すように、満充電容量の推定対象の電池ブロック（以下、「推定ブロック」という）を決定し、選択する（ステップＳ２１）。なお、電池ブロック毎に電流センサが設けられ、各電池ブロックに充電した充電量を求めることができる場合には、複数の推定ブロックを選択してもよい。電流センサが電池パックに１つしか設けられていない場合は、１つの電池ブロックを選択することとなる。
【００２８】
次に、推定ブロックの電圧を取得する（ステップＳ２２）。該電圧から充電前の充電率を求める。次に、推定ブロックをスイッチにより充電器に接続し、推定ブロックのみに充電を開始する（ステップＳ２３）。そして、推定ブロックに所定の充電量を充電する（ステップＳ２４）。該充電量は、電圧測定精度と電流積算精度とに応じて任意に変更することができる。該充電量を大きくした方が、満充電容量の推定精度は向上するが、その分、充電時間が多くなり、満充電容量推定に要する時間が多くなることとなる。
【００２９】
充電量を大きくした方が、満充電容量の推定精度が向上するのは、図４に示すように、充電により変化する充電率の変化量（ΔＳＯＣ）が、満充電の状態１００％に対する比率として大きくなり、満充電容量を算出する際に、前述の式１における充電量及び充電率の変化量（ΔＳＯＣ）の有効数値が共に大きくなり、その分誤差が小さくなるためである。なお、図４において、横軸は充電率（ＳＯＣ）、縦軸は開放回路電圧（ＯＣＶ）を表し、曲線４１は、充電率（ＳＯＣ）に対する開放回路電圧（ＯＣＶ）の相関関係を示すＳＯＣ−ＯＣＶ特性を表している。
【００３０】
所定の充電量の充電が完了した後、分極を解消させるため、推定ブロックのスイッチの接続をオフの状態（開放回路）にする（ステップＳ２５）。分極を解消させる待ち時間の間に、推定ブロック以外の電池ブロックに充電器を接続して充電開始する（ステップＳ２６）。分極解消の待ち時間に、推定ブロック以外の電池ブロックを充電することにより、後述するステップＳ２９により全電池ブロックを充電する充電時間を短縮することができる。
【００３１】
このとき、推定ブロックに充電した充電量と同量の充電量を、推定ブロック以外の電池ブロックに充電する。そうすることにより、各電池ブロックの電圧差を低減することができ、満充電容量の推定の完了後、均衡の取れた充電状態で推定ブロックを他の電池ブロックと共に並列に接続することができる。
【００３２】
また、このとき、推定ブロック以外の電池ブロックを充電器に接続することに限らず、負荷に接続して放電してもよい。推定ブロック以外の電池ブロックを充電または放電し、推定ブロックの充電容量と他の電池ブロックの充電容量を同じにすれば、満充電容量の推定の完了後、均衡の取れた充電状態で推定ブロックを他の電池ブロックと共に並列に接続することができる。
【００３３】
次に、分極解消の待ち時間の経過後、推定ブロックの電圧を測定する（ステップＳ２７）。該電圧から充電後の充電率を求める。そして、充電した充電量（Ａｈ）と充電前及び充電後の充電率とから、前述の式１により推定ブロックの満充電容量を算出する（ステップＳ２８）。
【００３４】
以上のステップの完了後、推定ブロックと他の電池ブロックの電圧が同一になったとき、全ての電池ブロックをスイッチにより充電器に接続して充電する（ステップＳ２９）。このステップ以降は、通常の充電処理と同様に、充電終了判定を行い、充電を終了する。
【００３５】
次に、分極が解消していないと判定された場合の動作フローについて図３を参照して説明する。この場合の動作フローは、図２の動作フローに対して、ステップＳ２１により推定ブロックを決定した後、新たにステップＳ３１が加わったものである。
【００３６】
即ち、ステップＳ２１による推定ブロックの決定の後、該推定ブロックの分極解消を待つ間、該推定ブロックのスイッチのみをオフ状態にし、該推定ブロック以外の電池ブロックのスイッチをオン状態にして充電器に接続し、充電を行う（ステップＳ３１）。このステップによる充電により、前述のステップ２６における充電と同様に、ステップＳ２９における全電池ブロックを充電する充電時間を短縮することができる。また、このとき、推定ブロック以外の電池ブロックを充電器に接続することに限らず、負荷に接続し放電してもよい。
【００３７】
推定ブロックの分極解消の時間経過後は、図２のステップＳ２２と同様に推定ブロックの電圧を取得し、以降、図２の動作フローと同様のステップを実施する。但し、上記ステップＳ３１に伴い、推定ブロック以外の電池ブロックに充電した充電量が、前述の図２のステップＳ２４で充電した所定の充電量を超えている場合、該推定ブロック以外の電池ブロックに充電した充電量以上を、新たな所定の充電量として推定ブロックに充電する（ステップＳ２４）。
【００３８】
それは、ステップＳ２６で推定ブロック以外の電池ブロックを充電したとき、推定ブロックの充電率（充電量）と推定ブロック以外の電池ブロックの充電率（充電量）とが、揃うようにするためである。その他のステップは、図２に示したステップと同様であるので、重複した説明は省略する。
【００３９】
図５は、本発明による満充電容量推定の実施による各電池ブロック１１〜１４の充電状態の一例を示している。図５において、各電池ブロック１１〜１４の充電率（充電量）は、斜線を施して示している。（ａ）は、電池ブロック１１を推定ブロックとして選択し、推定ブロックの分極解消後の電圧を取得するまでの各電池ブロック１１〜１４の充電率（充電量）の例を示している。
【００４０】
（ｂ）は、推定ブロック１１のみに、満充電容量推定のために充電を行ったときの充電率（充電量）の例を示している。（ｃ）は、推定ブロック１１の分極解消の待ちの期間等、他の電池ブロック１２〜１４の充電を行ったときの充電状態の例を示している。このとき、他の電池ブロック１２〜１４には、推定ブロック１１に充電した充電量と同量の充電量を充電し、全ての電池ブロック１１〜１４の電圧を揃える。
【００４１】
（ｄ）は、推定ブロック１１の満充電容量の推定の完了後、推定ブロック１１を他の電池ブロック１２〜１４と同様に並列に充電器に接続し、通常の充電処理と同様に、全ての電池ブロック１１〜１４の充電を実施したときの充電率（充電量）の例を示している。
【００４２】
このように、充電可能な電池を用いる車両や電動装置等に対して、並列接続された充電可能な複数の電池ブロックのうち、満充電容量を推定する電池ブロックのみを該並列接続から切離して満充電容量の推定を行うことにより、該電池ブロックの分極解消を待つ間、他の電池ブロックを負荷又は充電器に接続して使用することが可能となる。従って、満充電容量の推定を実施する際に、電池により駆動される車両や電動装置の利用を中断することなく、満充電容量を推定する電池ブロックの分極の解消を待つ時間を確保し、該電池ブロックの満充電容量を正確に推定することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について実施例を基に説明したが、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を採ることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  スイッチ制御部
２  満充電容量算出部
３  電流センサ
４  充電器
５  負荷
１０  電池コントローラ
１１〜１４  電池ブロック
２１〜２６  スイッチ
【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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