(57)【要約】【課題】二次電池からの電力供給で長距離走行した場合であっても、二次電池の分極の影響を低減して残存容量の推定精度を高めることができる二次電池残存容量算出装置を提供する。【解決手段】ＥＶＥＣＵ６は、推定ＳＯＣと補正ＳＯＣとの乖離が小さい場合は（Ｓ６：ＹＥＳ）、推定ＳＯＣをそのまま使用し（Ｓ７）、乖離が大きい場合は（Ｓ６：ＮＯ）、インバータ制御、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御、電動コンプレッサ制御で演算される電力消費量を利用した補正ＳＯＣを使用する。これにより、走行状態に応じて二次電池２の分極の影響を低減することができ、ＥＶ走行距離を伸ばすことができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両（１）の動力源として用いられる電動機に交流電力を供給するインバータ（４）と、車両の電装系負荷に直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ（８）とに対して直流電力を供給する二次電池（２）の残存容量を所定期間毎に推定する残存容量推定手段（７）と、
前記インバータ及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータを含む全ての電力変換器の制御による前記所定期間における電力消費量を推定する電力消費量推定手段（６）と、を備え、
前記残存容量推定手段は、推定した残存容量（以下、第１残存容量）の前回から今回までの変動量と、前記電力消費量推定手段が推定した前回から今回までの電力消費量に基づいて求めた残存容量（以下、第２残存容量）の変動量とを比較し、それらの差が所定範囲内の場合は前記第１残存容量を使用し、所定範囲外の場合は前記第２残存容量を使用することを特徴とする二次電池残存容量算出装置。
【請求項２】
車両（１）の動力源として用いられる電動機に交流電力を供給するインバータ（４）と、車両の電装系負荷に直流電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ（８）とに対して直流電力を供給する二次電池（２）の残存容量を所定期間毎に推定する残存容量推定手段（７）と、
前記インバータ及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータを含む全ての電力変換器の制御による前記所定期間における電力消費量を推定する電力消費量推定手段（６）と、を備え、
前記残存容量推定手段は、推定した残存容量（以下、第１残存容量）と、前記電力消費量推定手段が推定した前回から今回までの電力消費量に基づいて求めた残存容量（以下、第２残存容量）とを比較し、それらの差が所定範囲内の場合は前記第１残存容量を使用し、所定範囲外の場合は前記第２残存容量を使用することを特徴とする二次電池残存容量算出装置。
【請求項３】
前記電力変換機器として、車両用エアコンを構成する電動コンプレッサ（１０）が含まれていることを特徴とする請求項１または２記載の二次電池残存容量算出装置。
【請求項４】
前記残存容量推定手段は、前記インバータの制御による電力消費量を、前記電動機のトルク値と回転数により求めた電力を積分して算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池残存容量算出装置。
【請求項５】
前記第残存容量推定手段は、前記インバータの制御による電力消費量を、前記電動機のトルク制御が精度よく行われている場合にはトルク指令値に基づいて算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池残存容量算出装置。
【請求項６】
前記第残存容量推定手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御による電力消費量を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの低電圧側の電流値と効率に基づいて算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の二次電池残存容量算出装置。
【請求項７】
前記残存容量推定手段は、前記電動コンプレッサの制御による電力消費量を、トルク指令値に基づいて算出することを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の二次電池残存容量算出装置。
【請求項８】
前記第残存容量推定手段は、前記インバータ及び電動コンプレッサの制御による電力を、電流の実効値と電圧値に基づいて算出することを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載の二次電池残存容量算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載されている二次電池の残存容量を算出する二次電池残存容量算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車（以下、ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（以下、ＰＨＶ）、電気自動車（以下、ＥＶ）においては、車両の駆動源となる電動機に電力供給するための二次電池の充電状態を監視する必要がある。つまり、ＨＶ、ＰＨＶ、ＥＶでは二次電池の充電率（以下、ＳＯＣ：State of Charge）を基に走行（放電）や充電を行っている。二次電池のＳＯＣは開放電圧（以下、ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を測定することで得られるが、このＳＯＣは二次電池から走行用の電動機を駆動するインバータに電流が流れている状態（走行中）に直接測定することはできず、車両の走行中は二次電池の電流、電圧、温度などの計測結果から二次電池のインピーダンスを推定し、インピーダンスからＳＯＣを推定することが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２２９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
車両の走行中に測定可能な電流、電圧などから二次電池のインピーダンスを推定するには、周波数領域または時間領域の応答を基に推定することが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１記載の技術では、二次電池を等価回路モデルで模擬し、等価回路モデルの各パラメータを逐次最小２乗法により算出し、それらの各パラメータを用いてＯＣＶを算出している。さらに、予め記録されたＯＣＶとＳＯＣとの関係を記憶したデータベースに基づいて、そのＯＣＶに対応するＳＯＣを算出している。
【０００５】
また、インピーダンスはＳＯＣ・温度・劣化度合いに依存するため使用する度に推定することが必要である。
ところで、ＰＨＶやＥＶでは、走行中にＨＶには無かった二次電池の放電状態が長時間にわたって継続する状況が発生する。このような状況では、二次電池は分極という内部の拡散が変化した状態となっており、測定したインピーダンスが分極の影響を受ける。このようにインピーダンスに分極による影響を受けた場合、ＳＯＣの推定値が実際のＳＯＣよりも下がってしまい、実際にはまだＥＶ走行が可能であるにも拘わらずＨＶ走行への移行または充電が必要となってしまうという問題を生じる。
【０００６】
しかしながら、従来の推定手法で分極を考慮したインピーダンスを推定しようとした場合、時間領域では応答時間が非常に長くなり車両の走行中には推定できなくなる。また周波数領域ではほぼＤＣに近いためどの領域を含めて推定するかを判断することは難しい。また両手法ともサンプリング時間や演算時間においても解決すべき問題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、二次電池からの電力供給で長距離走行した場合であっても、二次電池の分極の影響を低減して残存容量の推定精度を高めることができる二次電池残存容量算出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１及び２の発明によれば、推定した二次電池の残存容量（以下、第１残存容量）と、二次電池から電力供給されるインバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータを含む全ての電力変換機器での電力消費量に基づいて推定した二次電池の残存容量（第２残存容量）とを比較すると、二次電池における分極の影響が小さい場合には、第１残存容量の方が第２残存容量よりも精度が高い。これに対して、二次電池における分極の影響が大きくなると、第１残存容量が実際の残存容量よりも大きく低下するようになるので、第２残存容量の方が第１残存容量よりも精度が高くなる。従って、第１残存容量と第２残存容量との乖離が小さい場合は第１残存容量を使用し、第１残存容量と第２残存容量との乖離が大きくなった場合は第２残存容量を使用することで、二次電池の分極の影響を低減して残存容量の精度を高めることができるので、二次電池からの電力供給による走行距離を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態におけるＥＶの電気的構成を概略的に示すブロック図
【図２】真のＳＯＣと推定ＳＯＣとの関係を示す図
【図３】ＨＶの真のＳＯＣと推定ＳＯＣとの関係を示す図
【図４】真のＳＯＣと推定ＳＯＣと本発明の補正ＳＯＣとの関係を示す図
【図５】ＥＶＥＣＵの動作を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明をＥＶに適用した一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、ＥＶ１（車両に相当）には二次電池２が搭載されている。この二次電池２は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素二次電池などから構成されている。
【００１１】
ＥＶ１の車輪を回転する動力源としてのモータジェネレータ（以下、Ｍ／Ｇ）３は、電動機及び発電機として機能する。インバータ４は、システムメインリレー５を介して二次電池２と接続されており、二次電池２から供給される直流電力をＥＶＥＣＵ６（電力消費量推定手段に相当）から与えられるトルク指令値及び回転数に従って三相の交流電流に変換してＭ／Ｇ３に供給すると共に、現在のＭ／Ｇ３のトルクを推定したトルク推定値と現在の回転数をＥＶＥＣＵ６に送信する。この場合、二次電池２からインバータ４には図１に実線の矢印で示す方向への電流が流れるので、インバータ４を介してＭ／Ｇ３に電力供給が行われ、Ｍ／Ｇ３が電動機として機能することによりＭ／Ｇ３の駆動力が車輪に付与されてＥＶ１が走行する。
【００１２】
ＥＶ１が減速する際はＭ／Ｇ３が発電機として機能し、インバータ４は、Ｍ／Ｇ３から供給される回生電流を直流電力に変換する。この場合、インバータ４から二次電池２には図１に点線の矢印で示す方向への電流が流れるので、インバータ４からの電流により二次電池２が充電される。
【００１３】
システムメインリレー５は、ＥＶＥＣＵ６からの指令に応じてインバータ４及び二次電池２の間における電力供給経路を開閉する。シシステムメインリレー５は保護用の高電圧リレーで、その接点は通常は閉鎖しており、システムにおける異常が発生した場合にＥＶＥＣＵ６により開放される。
【００１４】
電池監視ＥＣＵ７（残存容量推定手段に相当）は、後述するように二次電池２のＳＯＣを推定して推定ＳＯＣ（第１残存容量に相当）としてＥＶＥＣＵ６に通知する。
二次電池２にはＤＣ／ＤＣコンバータ８が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、二次電池２から供給される高圧系電圧（例えば数百Ｖ）を降圧し、電装系電圧（例えば１４Ｖ）を生成する。電装系電圧は、例えば鉛蓄電池などからなる補機バッテリ９の充電、及びＥＶ１に搭載されている各種電装系負荷への電源供給などに利用される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、低電圧側に設けられたセンサにより検出した電圧と電流のセンサ値をＥＶＥＣＵ６に送信する。
【００１５】
上記電装系負荷としては、インバータ４を冷却するための冷却水を循環させるためのインバータウォーターポンプ、二次電池２に冷却風を送風する二次電池冷却ファン、各種車載機器を制御するためのＥＣＵ、オーディオ装置、ヘッドランプ、バックランプなどである（いずれも図示せず）。
【００１６】
電動コンプレッサ１０は、図示しないカーエアコンの構成要素として設けられており、エアコンＥＣＵ１１により制御される。電動コンプレッサ１０は、気体冷媒を圧縮して高温高圧ガスにするコンプレッサと、コンプレッサを駆動するモータ（三相交流モータ）と、モータの回転速度を調整するインバータ（いずれも図示せず）とから構成されている。
【００１７】
ＥＶＥＣＵ６は、ＳＯＣに基づいて走行可能距離をユーザに報知する機能を有しており、そのために電池監視ＥＣＵ７から推定ＳＯＣを取得する。
ところで、二次電池２の特性として、ＳＯＣが二次電池２の温度、劣化度合い（ＳＯＨ：State Of Health）により変化することから、走行中に正確なＳＯＣは測定不能である。このため、例えばイグニッションスイッチのオン時に初期ＳＯＣを計測し、走行中の電力消費量に対応する換算ＳＯＣを初期ＳＯＣから減算することでＳＯＣを求めることが考えられるが、それではＳＯＣの精度が低い。そこで、ＳＯＣの精度を高めるために、二次電池２の状態を検出するセンサ値からインピーダンスなどのパラメータを同定し、同定したパラメータとＳＯＣとの対応関係を記憶したデータベースからＳＯＣを求めるようにしている。インピーダンス推定には様々な手法が提案されているが、手法自体の誤差とセンサ値の誤差があるのが実情である。
【００１８】
また、車両の走行時には二次電池２の充放電の状態が短期間で変わるため、短時間応答から同定で得られたパラメータにより推定ＳＯＣを求めるのが一般的であるが、ＥＶ走行では、例えば満充電からの走行時など長時間の放電により、二次電池内部の拡散状態が変化することでインピーダンスに影響することが分っている。このため、パラメータを同定するには長時間の応答を計測する必要があり、実車では測定機会が限られることから、ＨＶ同様の方法では、図２に示すように推定ＳＯＣが真のＳＯＣと大きくずれてしまい走行可能な距離が短くなってしまうなどの問題がある。
尚、ＨＶではＥＶ走行は短時間であるため、図３に示すように二次電池２の充電または放電が長く続くことはなく、真のＳＯＣと推定ＳＯＣとが大きく乖離してしまうという問題を生じることはない。
【００１９】
このような事情から、本実施形態では、ＥＶＥＣＵ６は、電池監視ＥＣＵ７による推定ＳＯＣの変動量と、各種電力変換機器（本実施形態ではインバータ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ８、電動コンプレッサ１０）の制御による電力消費量に対応した換算ＳＯＣに基づいて、推定ＳＯＣと真のＳＯＣの乖離を推定することにより推定ＳＯＣを補正して真のＳＯＣに近づけるようにした。
【００２０】
具体的には、ＥＶＥＣＵ６は、図５に示すように、まず、従来と同じようにして電池監視ＥＣＵ７から推定ＳＯＣを取得する（Ｓ１）。
次に、前回の推定ＳＯＣと今回の推定ＳＯＣとの差を演算して前回からの推定ＳＯＣの変動量Ｚとする（Ｓ２）。この変動量Ｚは、前回からの二次電池２の電力消費量に比例している。つまり、変動量Ｚが大きいということは、それだけ前回からの二次電池２の電力消費量が大きいことを意味する。
【００２１】
次に、インバータ４から取得したトルク推定値と回転数により求めた電力を積分することによりインバータ制御による前回からの電力消費量Ａを取得する（Ｓ３）。つまり、一般にトルクは電流に比例することから、トルクの大きさに基づいてＭ／Ｇ３に流れる電流を求めるのである。また、回転数はインバータ４でのスイッチングロス（変換効率）を演算するために使用するもので、インバータ４から受信したトルク推定値から求めた電力を補正することにより精度を高めるのである。この場合、Ｍ／Ｇ３の制御周期は電池監視ＥＣＵ７による推定ＳＯＣの観測周期より短いことから、Ｍ／Ｇ３の電力消費量をより正確に算出することができる。つまり、インバータ４は制御周期が短いため、変動量測定は電池監視ＥＣＵ７より優れているのに対して、電池監視ＥＣＵ７は、電圧分解能は良いが、電流分解能は悪く、推定周期が長い。
【００２２】
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の低電圧側のセンサ値（電流値、電圧値）と効率により求めた電力を所定期間積分してＤＣ／ＤＣコンバータ制御による前回からの電力消費量Ｂを取得する（Ｓ４）。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御周期は電池監視ＥＣＵ７による推定ＳＯＣの監視周期よりも短いことから、電装系負荷の電力消費量をより正確に算出することができる。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御周期が短いため、インバータ制御による電力消費量の観測は電池監視ＥＣＵ７による推定ＳＯＣの観測より優れている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御による電力消費量は低電圧側で測定可能であることから、ＡＤコンバータによる電流の分解精度は高電圧側で測定よりも優れている。この点もインバータ４の低電圧側からセンサ値を取得する理由である。
【００２３】
次に、電動コンプレッサ１０のモータのトルク値と回転数により求めた電力を所定期間積分して電動コンプレッサ制御による前回からの電力消費量Ｃを取得する（Ｓ５）。この場合、電動コンプレッサ１０は電流変動が小さいことから、電流を観測しやすい。
以上のようにして、各部の制御を行う際に前回からの電力消費量Ａ＋Ｂ＋ＣをＳＯＣに換算した換算ＳＯＣを求め、その値を初期ＳＯＣから減算して求めた補正ＳＯＣ（第２残存容量に相当）を記憶しておく。
【００２４】
ＳＯＣの推定開始時は、図４に示すように、推定ＳＯＣ（従来の推定方法によるＳＯＣ）及び補正ＳＯＣ（本発明によるＳＯＣ）は真のＳＯＣに一致しており、ＥＶ走行時間の経過に伴って推定ＳＯＣも補正ＳＯＣも低下して真のＳＯＣから乖離すると共に推定ＳＯＣと補正ＳＯＣも互いに乖離するようになる。この場合、イグニッションスイッチのオンからの時間経過が少ない場合は、推定ＳＯＣの真のＳＯＣとの乖離は補正ＳＯＣに比較して小さいものの、時間経過が大きくなると、推定ＳＯＣと真のＳＯＣとの乖離は補正ＳＯＣに比較して大きくなる。これは、ＥＶ走行が長くなると、二次電池２の分極の影響により推定ＳＯＣの精度が悪化するからである。
【００２５】
従って、ＥＶＥＣＵ６は、電池監視ＥＣＵ７から取得した推定ＳＯＣの変動量ＺとＡ＋Ｂ＋ＣをＳＯＣに換算した換算変動量Ｚ’とを比較し（Ｓ６）、その差が予め定めた範囲内（本実施形態では許容誤差３％）であれば（Ｓ６：ＹＥＳ）、分極の影響はないと判断し、電池監視ＥＣＵ７による推定ＳＯＣをそのまま使用する（Ｓ７）。この場合、推定ＳＯＣは、分極の影響により推定ＳＯＣよりも小さくなるのが一般的であるが、センサ値の誤差の影響により大きくなる場合もあることから、そのような場合を想定して、変動量Ｚ’を中心とした所定範囲を推定ＳＯＣとの比較対象として設定した。
【００２６】
一方、ＥＶＥＣＵ６は、変動量ＺとＺ’との差が範囲外になった場合には（Ｓ６：ＮＯ）、分極の影響があると判断し、推定ＳＯＣの代わりに補正ＳＯＣを使用する（Ｓ８）。
以上のような動作を所定周期で実行することにより、ＥＶＥＣＵ６は、ＥＶ走行状態に応じて推定ＳＯＣと補正ＳＯＣを切換えることで、真のＳＯＣに極力近付けることができる。
【００２７】
このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
ＥＶＥＣＵ６は、推定ＳＯＣと補正ＳＯＣとの乖離が小さい場合は、推定ＳＯＣをそのまま使用し、乖離が大きい場合は、インバータ制御、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御、電動コンプレッサ制御で演算される電力消費量を利用した補正ＳＯＣを使用するので、走行状態に応じて二次電池２の分極の影響を低減して真のＳＯＣに極力近づけることができ、ＥＶ走行距離を伸ばすことができる。
【００２８】
インバータ制御による電力消費量をＭ／Ｇ３のトルク値と回転数により求めた電力を所定期間積分して算出するようにしたので、インバータ制御に用いる複数のセンサを用いて相互監視とフィードバックが可能であると共に、制御周期が早いために時間的な変動量を従来よりも精度よく把握することができる。また、回転数はインバータ４のスイッチングロスの算出に用いることで、より正確な電力消費量を求めることができる。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ制御による電力消費量をＤＣ／ＤＣコンバータ８の低電圧側のセンサ値と効率により求めた電力を所定期間積分した値を用いるようにしたので、低電圧側のセンサ値を用いることで分解能が有利であると共に、制御周期が早いために時間的な変動量を従来よりも精度よく把握することができる。
【００３０】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張したり、各変形例を上記実施形態と組合せたり、各変形例を組合せるようにしてもよい。
インバータ制御、及び電動コンプレッサ制御による電力を電流の実効値と電圧値を用いて算出するようにしてもよい。この場合、トルク推定値の代わりに測定値を直接使うことができる。
【００３１】
インバータ制御による電力消費量をモータのトルク制御が精度よく行われている場合にはトルク指令値を用いるようにしてもよい。この場合、トルク推定値の代わりにトルク指令値を用いることで演算量を減らすことができる。
インバータ４、電動コンプレッサ１０の電流測定分解能が電池の測定分解能よりも十分に高い場合は、測定値をそのまま用いてもよい。つまり、電動コンプレッサ制御による電力消費量をモータのトルク値と回転数により求めた電力を積分して算出する。この場合、モータ制御に用いる複数のセンサを用いて相互監視とフィードバックが可能であり、制御周期が早いために時間的な変動量を従来よりも精度よく把握することができる。
【００３２】
上記実施形態では、推定ＳＯＣの変動量と、全ての電力変換器の制御による電力消費量に基づいて求めた補正ＳＯＣの変動量とを比較するようにしたが、推定ＳＯＣと補正ＳＯＣとを直接比較するようにしてもよい。
インバータ４の制御による電力消費量をＭ／Ｇ３のトルク制御が精度よく行われている場合にはトルクのみを用いて算出するようにしてもよい。
Ｍ／Ｇ３のトルクと電力消費量との関係を予めマップ（データベース）として備えてもよいし、回転数はインバータ４の損失を計算するために用いるようにしてもよい。
【００３３】
トルク指令でなく、実際のＭ／Ｇ３の測定値を用いてもよい。
電動コンプレッサ１０とＤＣ／ＤＣコンバータ８で使用される時間当たりの電力消費量が決められている場合には、補正ＳＯＣとしてインバータ制御による電力消費量のみを使用するようにしてもよい。
本発明をＥＶに適用したが、ＨＶ、ＰＨＥＶに適用するようにしてもよい。つまり、ＨＶであっても二次電池の分極の影響が短時間で生じるような場合は、ＨＶに適用することは有効である。
電動コンプレッサが搭載されていない車両の場合には、上記実施形態から電動コンプレッサ制御による電力消費量を除去して実施する。
【符号の説明】
【００３４】
図面中、１はＥＶ（車両）、２は二次電池、３はモータジェネレータ（電動機）、４はインバータ、６はＥＶＥＣＵ（電力消費量推定手段）、７は電池監視ＥＣＵ（残存容量推定手段）、８はＤＣ／ＤＣコンバータである。
【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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