(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、バッテリの基準容量値から放電量を減じた値に関連するバッテリの残存容量指数を算出する残存容量指数算出手段と、上記端子電圧と充放電電流よりバッテリ消費電力を算出する消費電力算出手段と、上記バッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数としてバッテリの充放電電流を推定する充放電電流推定手段と、所定の電力消費パターンを上記放電電流推定手段に与えて逐次充放電電流を推定するとともに、この推定充放電電流を上記残存容量指数算出手段に与えて逐次バッテリ残存容量指数を算出し、更新されたバッテリ残存容量指数に基づき推定されたバッテリ放電電流がこの時の消費電力下における限界電流を越える時をバッテリ使用限界と判定する判定手段とを具備するバッテリ状態判定装置。
【請求項２】
上記充放電電流推定手段で推定された充放電電流と電流検出手段で検出された充放電電流との差に関する評価関数を最大ないし最小にすべく、上記放電電流推定手段における推定式の係数を補正する係数補正手段をさらに設けた請求項１記載のバッテリ状態判定装置。
【請求項３】
現在に先立つ一定時間内の自車両の走行距離を検出する距離検出手段と、この間の電力消費パターンを記憶する手段と、この記憶電力消費パターン時の上記使用限界に至る時間より今後の走行可能距離を算出し表示する表示手段をさらに設けた請求項１または２記載のバッテリ状態判定装置。
【請求項４】
バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、バッテリの基準容量値から充放電量を減じた値に関連するバッテリの残存容量指数を算出する残存容量指数算出手段と、上記端子電圧と充放電電流よりバッテリ消費電力を算出する消費電力算出手段と、上記バッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数としてバッテリの充放電電流を推定する充放電電流推定手段と、充放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に関する評価関数を最大ないし最小にすべく、上記充放電電流推定手段における推定式の係数を補正する係数補正手段と、上記残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、上記充放電電流推定手段で推定された放電電流に基づいて補正する残存容量指数補正手段とを具備し、補正後のバッテリ残存容量指数よりバッテリ使用限界を知ることを特徴とするバッテリ状態判定装置。
【請求項５】
上記残存容量指数補正手段は、上記残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、上記充放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に比例した補正量で補正する請求項１ないし４のいずれかに記載のバッテリ状態判定装置。
【請求項６】
バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、バッテリの基準容量値から充放電量を減じた値に関連するバッテリの残存容量指数を算出する残存容量指数算出手段と、上記端子電圧と放電電流よりバッテリ消費電力を算出する消費電力算出手段と、上記バッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数としてバッテリの放電電流を推定する放電電流推定手段と、上記残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に比例した補正量で補正する残存容量指数補正手段と、上記バッテリ基準容量値に上記補正量を加えた値が、バッテリ基準容量値に対して所定の割合以下になった時にバッテリ使用限界と判定する判定手段とを具備するバッテリ状態判定装置。
【請求項７】
バッテリ温度を検出する温度検出手段をさらに設けて、上記残存容量指数算出手段におけるバッテリ基準容量値をバッテリ温度により補正するようになした請求項１ないし６のいずれかに記載のバッテリ状態判定装置。
【請求項８】
上記残存容量指数算出手段は、放電量の算出に使用する放電電流に、その電流値に応じた重みをつけるように設定されている請求項１ないし７のいずれかに記載のバッテリ状態判定装置。
【請求項９】
充放電休止中のバッテリ容量回復値により上記残存容量指数算出手段で算出されたバッテリ残存容量指数を補正する充放電休止補正手段をさらに設けた請求項１ないし８のいずれかに記載のバッテリ状態判定装置。
【請求項１０】
バッテリ充放電電流、バッテリ温度、バッテリ電圧のデータを記憶するデータ記憶手段と、自車両走行終了後にデータ記憶手段に記憶された上記データより上記充放電電流推定手段における推定式を最適化する最適化手段をさらに設けた請求項１ないし９のいずれかに記載のバッテリ状態判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はバッテリ状態判定装置に関し、特にバッテリの充電状態を検出して再充電を促す等の用途に使用する判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バッテリの充電状態は例えば、満充電容量から放電電流の積算値、すなわち放電量を減じることにより知られる。しかし、これは定電流で放電がなされている場合には比較的正確に残存容量を示すが、例えば電気自動車における如く車両の走行状態に応じて大きくバッテリの消費電流が変動する場合には、上記方法では実際に使用可能なバッテリの残存容量を正確に知ることはできない。
【０００３】
そこで例えば特開平４−３６８４０１号公報には、バッテリ温度と放電電流よりバッテリ利用率を算出し、前回の残存容量と、この残存容量に対する利用率およびこの間の放電電流とより現在の残存容量を知る装置が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際の車両駆動用バッテリはその特性にバラツキを有するとともに、劣化を生じる等、前回求めた残存容量は使用過程で多数の要因により変動する。したがって、上記公報記載の装置では、バッテリ再充電が必要な使用限界を未だ正確に判定することができなかった。
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するもので、バッテリの基準容量のバラツキや経時劣化、あるいは放電電流の変動等があってもバッテリ使用限界を常に正確に知ることができるバッテリ状態判定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の構成においては、バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、バッテリの基準容量値から充放電量を減じた値に関連するバッテリの残存容量指数を算出する残存容量指数算出手段と、上記端子電圧と充放電電流よりバッテリ消費電力を算出する消費電力算出手段と、上記バッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数としてバッテリの充放電電流を推定する充放電電流推定手段と、所定の電力消費パターンを上記充放電電流推定手段に与えて逐次充放電電流を推定するとともに、この推定充放電電流を上記残存容量指数算出手段に与えて逐次バッテリ残存容量指数を算出し、更新されたバッテリ残存容量指数に基づき推定されたバッテリ放電電流がこの時の消費電力下における限界電流を越える時をバッテリ使用限界と判定する判定手段とを具備している。
請求項２の構成においては、上記充放電電流推定手段で推定された充放電電流と電流検出手段で検出された充放電電流との差に関する評価関数を最大ないし最小にすべく、上記充放電電流推定手段における推定式の係数を補正する係数補正手段をさらに具備している。
請求項３の構成においては、現在に先立つ一定時間内の自車両の走行距離を検出する距離検出手段と、この間の電力消費パターンを記憶する手段と、この記憶消費パターン時の上記使用限界に至る時間より今後の走行可能距離を算出し表示する表示手段をさらに設ける。
請求項４の構成においては、バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、バッテリの基準容量値から充放電量を減じた値に関連するバッテリの残存容量指数を算出する残存容量指数算出手段と、上記端子電圧と充放電電流よりバッテリ消費電力を算出する消費電力算出手段と、上記バッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数としてバッテリの充放電電流を推定する充放電電流推定手段と、充放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に関する評価関数を最大ないし最小にすべく、上記充放電電流推定手段における推定式の係数を補正する係数補正手段と、上記残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、上記充放電電流推定手段で推定された放電電流に基づいて補正する残存容量指数補正手段とを具備し、補正後のバッテリ残存容量指数よりバッテリ使用限界を知る。
請求項５の構成においては、上記残存容量指数補正手段は、上記残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、上記充放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に比例した補正量で補正する。
請求項６の構成においては、バッテリの端子電圧を検出する電圧検出手段と、バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、バッテリの基準容量値から放電量を減じた値に関連するバッテリの残存容量指数を算出する残存容量指数算出手段と、上記端子電圧と放電電流よりバッテリ消費電力を算出する消費電力算出手段と、上記バッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数としてバッテリの放電電流を推定する放電電流推定手段と、上記残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に比例した補正量で補正する残存容量指数補正手段と、上記バッテリ基準容量値に上記補正量を加えた値が、バッテリ基準容量値に対して所定の割合以下になった時にバッテリ使用限界と判定する判定手段とを具備している。
請求項７の構成においては、バッテリ温度を検出する温度検出手段をさらに設けて、上記残存容量指数算出手段におけるバッテリ基準容量値をバッテリ温度により補正する。
請求項８の構成においては、上記残存容量指数算出手段は、放電量の算出に使用する放電電流に、その電流値に応じた重みをつけるように設定されている。
請求項９の構成においては、充放電休止中のバッテリ容量回復値により上記残存容量指数算出手段で算出されたバッテリ残存容量指数を補正する充放電休止補正手段をさらに設ける。
請求項１０の構成においては、バッテリ充放電電流、バッテリ温度、バッテリ電圧のデータを記憶するデータ記憶手段と、自車両走行終了後にデータ記憶手段に記憶された上記データより上記充放電電流推定手段における推定式を最適化する最適化手段をさらに設ける。
【０００７】
【作用】
上記請求項１の構成においては、充放電電流推定手段により、バッテリ充放電電流をバッテリ残存容量指数とバッテリ消費電力の関数として推定し、所定の電力消費パターンの下におけるバッテリ放電電流がこの時の消費電力下における限界電流を越える時をバッテリ使用限界と判定しているから、放電電流が大きく変動し、あるいはバッテリが経時劣化等を生じても、バッテリ使用限界を常に正確に判定することができる。
請求項４の構成においては、充放電電流推定手段で推定された充放電電流と電流検出手段で検出された充放電電流との差に関する評価関数を最大ないし最小にすべく、上記充放電電流推定手段における推定式の係数を補正する係数補正手段を設けて、この時の残存容量指数算出手段で算出されたバッテリ残存容量指数よりバッテリ使用限界を正確に知ることができる。
請求項６の構成においては、残存容量指数算出手段で算出されるバッテリ残存容量指数を、充放電電流推定手段で推定された放電電流と電流検出手段で検出された放電電流との差に比例した補正量で補正し、バッテリ基準容量値に上記補正量を加えた値が、バッテリ基準容量値に対して所定の割合以下になった時にバッテリ使用限界と判定しているから、放電電流が大きく変動し、あるいはバッテリが経時劣化等を生じても、バッテリ使用限界を常に正確に判定することができる。
請求項３の構成においては、車両搭載時に自車両の走行可能距離を容易に知ることができる。
請求項２，５，７，８，９，１０の構成においては、各種補正ないし最適化を施すことによりさらに正確にバッテリ使用限界を判定することができる。
【０００８】
【実施例１】
図１において、バッテリ１には充電装置２が接続されるとともに、負荷制御装置３を介して電気負荷４が接続されている。バッテリ端子電圧を検出する回路５、バッテリ１から電気負荷４への放電電流ないし電気負荷４からの回生充電電流を検出する回路６、バッテリ温度を検出する回路７等が設けられている。さらに、演算回路８、記憶回路９、表示回路１０が設けられて、以下に説明する作動をなす。なお、演算回路８等はマイクロコンピュータで実現することができる。
【０００９】
記憶回路９には推定式としてのバッテリ特性式が記憶されており、その基本形を▲１▼式に示す。なお、記憶回路９は検出された上記バッテリ端子電圧等の一定時間のデータも記憶する。
Ｉｒ＝Ｗａｔ（Ａ・Ｓｏｋ＋Ｂ・Ｓｏ＋Ｃ・Ｗａｔ＋Ｄ）……▲１▼
Ｉｒ´＝Ｗａｔ（Ａ´・Ｓｏｋ´＋Ｂ´・Ｓｏ＋Ｃ´・Ｗａｔ＋Ｄ´）……▲１▼´
ここで、Ｉｒは推定放電電流、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは係数、Ｉｒ´は推定充電電流、Ａ´，Ｂ´，Ｃ´，Ｄ´は係数、Ｗａｔはバッテリ一個当たりの消費電力（Ｗ）であり、密閉型鉛蓄電池の場合ｋ＝３０，ｋ´＝２である。
上記Ｓｏは▲２▼式で示されるものであり、ＳＯＣ＞１００ではＳｏ＝０となる。
Ｓｏ＝１−ＳＯＣ／１００……▲２▼
上記ＳＯＣはバッテリの０．２ＣＡ換算残存容量指数（％）であり、式▲３▼で示される。
ＳＯＣ＝｛（Ａｈｏ・Ｋｔ−Σｉ・Ｋｉｄｔ）／Ａｈｏ＋α）×１００（％）……▲３▼
ここで、Ａｈｏは基準容量（５時間率容量）、ｉは充電・放電の両電流を含む出力電流、Ｋｔは温度補正係数、Ｋｉは電流補正係数、αは充放電休止状態におけるバッテリ容量回復値である。
バッテリケース温度と温度補正係数Ｋｔの関係を図２に、放電電流と電流補正係数の関係を図３にそれぞれ示す。
また、上記バッテリ容量回復値αは式▲４▼で示される。
α＝Σｉｄｔ＋（Σｉ・Ｋｉｄｔ−Σｉｄｔ）ｅｘｐ（−ｔ／Ｔｋ）……▲４▼
ここで、ｔは充電休止時間、Ｔｋは定数である。
【００１０】
特性式係数は、図４に示す如く、一定電流充放電試験、一定電力放電試験等から得られるバッテリ端子電圧、充放電電流、バッテリ温度等の検出データ（ステップ１０１）より、消費電力Ｗａｔ、０．２ＣＡ換算残存容量指数Ｓ０Ｃを算出し（ステップ１０２）、これをバッテリ特性式（式▲１▼および式▲１▼´）に代入して推定放電電流Ｉｒ、推定充電電流Ｉｒ´を得る（ステップ１０３）。そして、この推定放電電流Ｉｒおよび推定充電電流Ｉｒ´を実際の検出電流Ｉｄと比較して▲５▼式の２乗平均誤差Ｊが最小となるように上記バッテリ特性式の最適な係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ´，Ｂ´，Ｃ´，Ｄ´を算出する（ステップ１０４）。
Ｊ＝√Σ（Ｉｒ−Ｉｄ）２  ／ΣＩｄ２  ……▲５▼
【００１１】
演算回路８ではまた図５に示す手順で、０．２ＣＡ換算残存容量指数ＳＯＣを補正するための補正量βを算出する。すなわち、ステップ２０１でバッテリ端子電圧、放電電流、バッテリ温度等のデータを検出し、ステップ２０２でＳＯＣ、消費電力Ｗａｔを算出する。これらをバッテリ特性式（式▲１▼）に代入して推定放電電流Ｉｒを得（ステップ２０３）、これと検出電流Ｉｄの差（Ｉｒ−Ｉｄ）に補正減衰係数Ｋβを乗じて上記補正量βとする（ステップ２０４）。
この補正量βをＳＯＣの計算（式▲３▼）にフィードバックして、次式▲６▼によりＳＯＣの値を補正する。
ＳＯＣ＝｛（Ａｈｏ・Ｋｔ−Σｉ・Ｋｉｄｔ＋β）／Ａｈｏ＋α）×１００（％）……▲６▼
かかる補正を行うことにより、今回使用時の正確なＳＯＣを求めることができ、バッテリ使用可能量の推定精度を向上せしめることができる。
また、この補正を行うことにより温度補正係数Ｋｔおよび電流補正係数Ｋｉの正確な値は必要としないことが上式▲６▼より明らかであり、バッテリ特性が変化してもＳＯＣの算出を正確に行うことができる。
【００１２】
さて、表示回路１０（図１）では、記憶回路９にあらかじめ記憶された所定の使用パターン（例えば１０モード走行時のΔｔ秒毎の消費電力）と、検出データから算出されるＳＯＣに基づいて上式▲１▼より推定放電電流Ｉｒまたは上式▲１▼´より推定充電電流Ｉｒ´を算出する。同時に、推定放電電流Ｉｒまたは推定充電電流Ｉｒ´でこの時の消費電力Ｗａｔを除してバッテリ端子電圧を推定する。続いて上記推定放電電流Ｉｒまたは推定充電電流Ｉｒ´を式▲６▼の放電電流ｉとして使用して補正後のＳＯＣを算出する。
この計算を繰り返してＳＯＣと推定放電電流を逐次計算し、推定したバッテリ端子電圧が、放電電流毎に予め定められた所定電圧（放電終止電圧）以下になる時間を求める。ここで、放電終止電圧とは、バッテリ極板の保守上避けるべき放電停止電圧であり、上記時間は、所定の使用パターンで今後もバッテリを使用した時の、バッテリ使用可能時間を示すものである。
【００１３】
本実施例の効果を図６に示す。図の線ｘは１０モード走行を模擬した電力値を指令値としてバッテリ充放電試験を行った場合の、実際のバッテリ使用可能時間を示すものである。線ｙはＳＯＣの補正を行うことなく使用可能時間を算出したもので、実際の使用可能時間に沿った傾向を示しているが、バッテリ基準容量にバラツキがあると、図示の如く常時一定の誤差を生じている。これに対して、ＳＯＣの補正を行うと、線ｚで示す如く、基準容量にバラツキがあっても逐次計算が進むと次第に実際の使用可能時間に精度良く一致する。
【００１４】
なお、本実施例において、予め定められた使用パターンではなく、過去一定時間内の使用パターンが今後も続けられるとしてバッテリ使用可能時間を算出するようにしても良い。
【００１５】
また、放電終止電圧が所定電圧以下になることを検出するのに代えて、バッテリ放電電流が所定の限界電流を越えたことを検出するようにしても同様の結果が得られる。
【００１６】
▲５▼式の２乗平均誤差Ｊに代えて他の評価関数を使用することができることはもちろんであり、また、使用可能時間の推定精度が十分であれば評価関数によるバッテリ特性式の係数補正は特に必要としない。
【００１７】
なお、使用可能時間を算出するのに代えて、バッテリ残存容量指数ＳＯＣの値によりバッテリ残存容量を判定するようにしても良い。
【００１８】
さらに、使用可能時間を算出するのに代えて、バッテリ基準容量値Ａｈｏに補正量βを加えた値（Ａｈｏ＋β）がＡｈｏの例えば８０％を下回った時にバッテリ使用限界と判定するようにもできる。
【００１９】
使用可能時間の推定精度が十分であれば、温度補正係数Ｋｔ、電流補正係数Ｋｉ、充放電休止状態におけるバッテリ容量回復値α等による補正は特には必要がない。
【００２０】
【実施例２】
図７に示すように、上記実施例１の構成に加えて、車両の走行距離検出回路１１を設ける。これにより、現在に先立つ一定時間内の平均走行距離を算出し、この走行パターンで以後も走行した場合に上記使用可能時間で走行できる距離を表示回路１０で表示する。
【００２１】
【実施例３】
図８に示すように、実施例１の構成に加えて、検出データ記憶回路１２と最適化回路１３を設ける。最適化回路１３は、車両走行中に上記記憶回路１２に記憶されたバッテリ端子電圧等の検出データを基に、先に述べた図４に示す方法と同じ様にして車両走行後にバッテリ特性式（式▲１▼、式▲１▼´）を再構築する。
これにより、最新のバッテリ特性を示す特性式に書き換えられ、式▲６▼の補正量βの負担が軽減されて、バッテリ使用可能の予測時間が実際の時間に速やかに一致するようになる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の如く、本発明のバッテリ状態判定装置によれば、バッテリの基準容量のバラツキや経時劣化、あるいは放電電流の変動等があってもバッテリ使用限界を常に正確に知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における装置のブロック構成図である。
【図２】バッテリケース温度と温度補正係数の関係を示すグラフである。
【図３】放電電流と電流補正係数の関係を示すグラフである。
【図４】演算回路における処理手順を示すフローチャートである。
【図５】演算回路における処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の装置を使用した効果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２における装置のブロック構成図である。
【図８】本発明の実施例３における装置のブロック構成図である。
【符号の説明】
１  バッテリ
３  負荷制御装置
４  電気負荷
５  バッテリ端子電圧検出回路（電圧検出手段）
６  放電・充電電流検出回路（電流検出手段）
７  バッテリ温度検出回路（温度検出手段）
８  演算回路（残存容量指数算出手段、消費電力算出手段、充放電電流推定手段、判定手段、係数補正手段、残存容量指数補正手段、充放電休止補正手段）
９  記憶回路
１０  表示回路（表示手段）
１１  走行距離検出回路（距離検出手段）
１２  検出データ記憶回路（データ記憶手段）
１３  最適化回路（最適化手段）
【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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【図８】
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