(57)【要約】【課題】従来のバッテリの内部抵抗検出方法は、バッテリ電流とバッテリ電圧を所定の周期でサンプリングし、最小二乗法によって近似した実線の傾きを内部抵抗としている。ハイブリッド電気自動車などに搭載されているような容量の小さいバッテリでは、データをサンプリングしている間にバッテリの開放電圧が変化し内部抵抗の推定値の誤差が大きくなってしまう。【解決手段】バッテリの電流，電圧，温度の少なくとも一つの情報に基づいてバッテリ残存容量を演算し、バッテリの残存容量に基づいてバッテリ開放電圧を演算し、バッテリの温度に基づいてバッテリ初期抵抗を演算し、バッテリの電圧から開放電圧を減算した電圧情報とバッテリの電流からバッテリの内部抵抗を演算すること及びこれらの処理手段を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ電流を検出する電流検出手段と、
バッテリ電圧を検出する電圧検出手段と、
バッテリ温度を検出する温度検出手段と、
前記バッテリの電流，電圧，温度の少なくとも一つの情報に基づいてバッテリ残存容量を演算する残存容量演算手段と、
前記バッテリの残存容量に基づいてバッテリ開放電圧を演算する開放電圧演算手段と、
前記バッテリの温度に基づいてバッテリ初期抵抗を演算する初期抵抗演算手段と、
前記バッテリの電圧から前記演算により求めた開放電圧を減算した電圧情報と、前記バッテリの電流からバッテリの内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段とを備えたことを特徴とするバッテリ制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のバッテリ制御装置において、
前記バッテリの初期抵抗と前記バッテリの内部抵抗を比較し、バッテリの劣化状態を判定する劣化判定手段を備えたことを特徴とするバッテリ制御装置。
【請求項３】
請求項２記載のバッテリ制御装置において、
前記劣化判定手段によって得られたバッテリの劣化状態である劣化情報に基づいてバッテリの残存容量の使用範囲を判定する残存容量使用範囲判定手段を備えたことを特徴とするバッテリ制御装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載のバッテリ制御装置において、
前記バッテリの劣化状態が所定の値以上となった場合に運転者にバッテリの交換時期を通知するバッテリ交換時期通達手段を備えたことを特徴とするバッテリ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリ制御装置に関し、バッテリ劣化状態を推定する装置又は方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気車のバッテリの残存容量推定方式におけるバッテリの内部抵抗検出方法として、特開平１０−２７１６９５号公報に記載のように、バッテリ電流とバッテリ電圧を所定のサンプリング周期でサンプリングし、横軸を電流、縦軸を電圧とした座標に、これらのバッテリ電流とバッテリ電圧との関係を表すデータをプロットした後、これらのプロットデータを最小二乗法によって近似し、この近似した実線の傾きを内部抵抗とする方法が報告されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２７１６９５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のバッテリの内部抵抗検出方法は、最小二乗法による近似直線を引くために、ある一定時間のバッテリ電流とバッテリ電圧のデータをサンプリングしなければならず、ハイブリッド電気自動車などに搭載されているような容量の小さいバッテリを対象とする場合には、データをサンプリングしている間にバッテリの開放電圧が変化してしまうと言う問題がある。
【０００５】
最小二乗法による近似直線は、電圧軸の切片が開放電圧となる直線の傾きより内部抵抗を推定する方法であり、開放電圧が異なるデータを用いて近似直線を引くと、直線の傾き、すなわち内部抵抗の推定値の誤差が大きくなってしまう。
【０００６】
例えば、データをサンプリングしている間に放電側のみに電流が通電されると開放電圧は低下し、プロットされる電圧データは開放電圧低下の影響を受けるため、この時の近似直線の傾きは急、つまり内部抵抗が大きい側に誤差が出てしまう。
【０００７】
また、データをサンプリングしている間に充電側のみに電流が通電された場合は、開放電圧が増加し、プロットされる電圧データは開放電圧増加の影響を受けるため、この時の近似直線の傾きは急、つまり内部抵抗が大きい側に誤差が出てしまう。
【０００８】
このように、データをサンプリングしている間に、充電もしくは放電のみの電流が通電されると、推定した内部抵抗は実際の値に対して大きい側に誤差が増加してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、ハイブリッド電気自動車用のバッテリのような容量が小さいバッテリの内部抵抗を高精度に検出する装置及び方法を提供することにある。また、検出した内部抵抗の値から、バッテリの劣化の状態を推定し、バッテリの寿命判定を行う装置又は方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
容量が小さいバッテリであっても、その内部抵抗を高精度に検出するために、本発明のバッテリ制御装置は、バッテリの電流，電圧，温度の少なくとも一つの情報に基づいてバッテリ残存容量を演算し、バッテリの残存容量に基づいてバッテリ開放電圧を演算し、バッテリの温度に基づいてバッテリ初期抵抗を演算し、バッテリの電圧から開放電圧を減算した電圧情報とバッテリの電流からバッテリの内部抵抗を演算すること及びこれらの処理手段を有することを特徴とする。
【００１１】
また、バッテリの寿命判定を行うために、バッテリの初期抵抗とバッテリの内部抵抗に基づいて、バッテリの劣化状態を判定する方法又はこれらの処理手段を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のバッテリ制御装置は、バッテリの劣化情報に基づいてバッテリの残存容量の使用範囲を判定し、バッテリの劣化状態に応じたバッテリの使用範囲を制限又は制御することを特徴とする。
【００１３】
さらに、バッテリの劣化状態がある状態又は所定値の範囲になった場合に運転者にバッテリの交換時期を通知することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施形態を示す車両システム２０のハードウェア構成図である。燃料の燃焼によってトルクを発生するエンジン１，エンジン１とベルト２で結合され、バッテリ３の充電のための発電やエンジン１の始動のためにトルクを発生する発電用モータ４，エンジン１のクランクシャフト５からの発生トルクを機械的に駆動軸６へ接続または切断する断続器であるクラッチ７，駆動軸６に連結し車両走行用駆動トルクを発生する車両駆動用モータ８，駆動軸トルクを変換し駆動輪９に伝達する変速機１０，車両駆動用モータ８及び発電用モータ４にバッテリ３からの電力を供給する電力変換器１１，エンジン１を制御するためのエンジン制御装置８０，車両駆動用モータ８及び発電用モータ４を制御するためのモータ制御装置８１，クラッチ７を制御するためのクラッチ制御装置８２，バッテリ３の残量等を検出するバッテリ制御装置８３から構成される車両システムとセンサからの信号に基づいてエンジンやモータなどを制御する指令信号などを生成する車両制御装置２１が搭載されている。
【００１６】
車両制御装置２１，エンジン制御装置８０，モータ制御装置８１，クラッチ制御装置８２及び／又はバッテリ制御装置８３には、双方向通信可能な通信手段４０により、データや制御信号などの授受が行われる。車両制御装置２１には、エンジン制御装置８０からエンジン１の運転状態であるエンジン回転数やエンジントルクが与えられ、モータ制御装置８１から車両駆動用モータ８及び発電用モータ４の運転状態である車両駆動用モータ８の回転数及びトルクや発電用モータ４の回転数及びトルクが与えられ、バッテリ制御装置８３からバッテリの残存容量や充放電電力の制限値等の情報が与えられる又は受信する。
【００１７】
車両制御装置２１からは、エンジン制御装置８０へエンジンのトルク指令，モータ制御装置８１へ車両駆動用モータのトルク指令や発電用モータのトルク指令及び回転数指令，クラッチ制御装置８２へクラッチ７の接続もしくは切断指令等を与える又は送信する。このようにして、車両制御装置とエンジン制御装置，モータ制御装置又はクラッチ制御装置間で車両駆動用の種々の情報をやりとりしている。
【００１８】
車両制御装置２１には、ドライバ操作信号であるシフトレバー２２に設けられたシフトポジションセンサ２３，アクセルペダル２４に設けられたアクセルポジションセンサ２５，ブレーキペダル２６に設けられたブレーキポジションセンサ２７等及び車両状態信号である変速機１０の車輪軸側に設けられた車速センサ２８等が接続され、前述各センサ情報および通信手段４０からの各制御装置の情報から、該エンジン１，該車両駆動用モータ８，該発電用モータ４，該クラッチ７への前述した指令値の演算手段を備えている。
【００１９】
エンジン制御装置８０には、エンジン１を制御するためにエンジン１の運転状態を検知するためにエンジン１のクランクシャフト５の回転数と回転角度を検出する回転センサ３０などの種々のセンサが入力されており、エンジン１の回転数や出力トルクを検出する手段を備え、それらの情報および前述した車両制御装置２１からの指令値を基にスロットル弁開度や燃料噴射量，点火時期などが制御されることにより、運転状態に応じてエンジン１の出力を制御する。
【００２０】
モータ制御装置８１には、車両駆動用モータ８と発電用モータ４を制御するため車両駆動用モータ８と該発電用モータ４の状態を検知するために各モータそれぞれの回転数と回転角度を検出する回転センサ３１，３２など種々のセンサが入力されており、各モータの回転数や出力トルクを検出する手段を備え、それらの情報及び前述した車両制御装置２１からの指令値を基に電流などを制御することにより、運転状態に応じて出力を制御する。
【００２１】
クラッチ制御装置８２にはクラッチ７を制御するためのクラッチ状態を示す種々のセンサが入力されており、それらの情報及び前述した車両制御装置２１からの指令値を基に、運転状態に応じてクラッチ７を接続もしくは切断するように制御する。
【００２２】
バッテリ制御装置８３にはバッテリ３の電圧を検出する電圧センサ３３，バッテリ３の充放電電流を検出する電流センサ３４，バッテリ３の温度を検出する温度センサ３５が入力されており、それらの情報を基にバッテリ３の残存容量や充放電電力の制限値を演算する手段を備えている。
【００２３】
エンジン制御装置８０およびモータ制御装置８１およびクラッチ制御装置８２およびバッテリ制御装置８３は、ＣＰＵやＲＡＭ，ＲＯＭ等を有するマイクロコンピュータを備えて構成され、あらかじめ定められたプログラムにしたがって信号処理を行う。エンジン制御装置８０およびモータ制御装置８１及びクラッチ制御装置８２，バッテリ制御装置８３を、車両制御装置２１の内部に搭載することも可能である。
【００２４】
本実施例の車両走行動作状態を以下に説明する。
【００２５】
車両始動時は、該クラッチ７を切断し、エンジン１を停止させ、車両駆動用モータ８の発生トルクのみを動力源として走行する。車速が一定値以上となった場合、クラッチ７は切断したままエンジン１を始動するため発電用モータ４を始動させエンジン１を始動し、エンジン１の始動が完了したらクラッチ７を接続する。クラッチ７接続後は、該車両駆動用モータ８の発生トルクをゼロとすることでエンジン１のみの発生トルクにより車両は走行できる。この状態において、加速が必要な場合には車両駆動用モータ８にトルクを発生させ、また減速が必要な場合には車両駆動用モータ８に回生トルクを発生させる。また、バッテリ３の残存容量が低下してきた場合には、発電用モータ４を回生させることにより発電する。
【００２６】
車両減速時は、クラッチ７を接続したまま、エンジン１への燃料をカットさせ、車両駆動用モータ８には回生トルクを発生させることにより車両を減速する。車速が一定値以下となった場合にクラッチ７を切断する。
【００２７】
また、バッテリ３の残存容量が低下してきた場合には、車両停止時などに、クラッチ７を切断したまま、エンジン１が停止状態であった場合は、発電用モータ４によりエンジン１を始動し、その後エンジン１の発生トルクを利用し、発電用モータ４によりバッテリ３を充電する。
【００２８】
次に、バッテリ制御装置８３における内部抵抗推定方法，劣化診断，寿命判定方法及びこれらを実現する装置について説明する。
【００２９】
図２にバッテリ制御装置の機能ブロック図を示す。
【００３０】
図２において、バッテリ制御装置８３では、電流センサ３４の信号から電流検出手段２００によりバッテリ電流Ｉｂ  を演算し、温度センサ３５の信号から温度検出手段２０１によりバッテリ温度Ｔｂ  を演算し、電圧センサ３３の信号から電圧検出手段２０２によりバッテリ電圧Ｖｂ  を演算する。
【００３１】
充電状態演算手段２０３では、バッテリ電流Ｉｂ  の積算値からバッテリの充電状態ＳＯＣを演算する。ここで、バッテリの充電状態ＳＯＣとは、バッテリの満充電時容量（Ａｈ：アンペアアワー）を１００％とし、バッテリの放電電流量がバッテリの満充電容量と一致した場合、バッテリの充電状態を０％とする。
【００３２】
具体的に説明すると、満充電時の容量が１０Ａｈであるバッテリの場合、バッテリ放電電流と放電時間の積算値が１０Ａｈとなったときを残存容量０％とする。つまり、バッテリが満充電の状態から、１０Ａで１時間放電した場合、バッテリ残存容量０％とする。バッテリの容量は、電流の時間積算値であるため、前述バッテリの場合では、放電電流が２０Ａの場合は、３０分間放電した場合に１０Ａで１時間放電した場合と同様、バッテリ残存容量０％となる。
【００３３】
開放電圧演算手段２０４では、バッテリの充電状態ＳＯＣからバッテリの開放電圧ＯＣＶを演算する。バッテリの充電状態ＳＯＣとバッテリの開放電圧ＯＣＶとの関係を図３に示す。図３は、横軸にバッテリの充電状態ＳＯＣ、縦軸にバッテリの開放電圧ＯＣＶを示している。バッテリの充電状態ＳＯＣが１００％の時にバッテリの開放電圧ＯＣＶは最高値となり、バッテリの充電状態ＳＯＣの低下に伴い、開放電圧ＯＣＶも低下する。ここで、図３に示したバッテリの充電状態ＳＯＣとバッテリの開放電圧ＯＣＶとの関係は、バッテリ温度Ｔｂ  により図４のように、バッテリ温度Ｔｂ  が低下するほどバッテリの充電状態ＳＯＣに対するバッテリの開放電圧ＯＣＶの変化量が低下する特性がある。このため、開放電圧演算手段２０４では、バッテリの充電状態ＳＯＣとバッテリ温度Ｔｂ  に対するバッテリの開放電圧ＯＣＶの関係を予めテーブルデータ化しておき、テーブル検索によりバッテリの開放電圧ＯＣＶを演算する。
【００３４】
本実施例では、上述のようにバッテリ電流Ｉｂ  の積算値からバッテリの充電状態ＳＯＣを求め、バッテリの開放電圧ＯＣＶを導き出したが、その他の方式を用いて開放電圧ＯＣＶを演算しても良い。
【００３５】
初期抵抗推定手段２０５は、バッテリ温度Ｔｂ  に対するバッテリの初期性能の抵抗値Ｒｂｉｎｉを例えば予めテーブルデータ化しておき、テーブル検索により抵抗値Ｒｂｉｎｉを求める。
【００３６】
内部抵抗推定手段２０６では、バッテリ電流Ｉｂ  とバッテリ電圧Ｖｂ  からバッテリの開放電圧ＯＣＶを減算したデータに基づいて、バッテリの内部抵抗Ｒｂ  を推定する。
【００３７】
まず、ある所定のサンプリング周期でバッテリ電流Ｉｂ  とバッテリ電圧Ｖｂ  からバッテリの開放電圧ＯＣＶを減算した電圧データをサンプリングし、図５のように横軸に電流、縦軸に電圧とした座標にデータをプロットする。このプロットしたデータに対して最小二乗法により近似直線を引くと、この直線は（１）式で示すように原点を通り、傾きがバッテリの内部抵抗Ｒｂ  となる直線となる。
【００３８】
【数１】
Ｖｄａｔａ＝Ｒｂ×Ｉｄａｔａ                                          …（１）
このため、この近似直線の傾きからバッテリの内部抵抗Ｒｂ  を求める。
【００３９】
バッテリは、図６に示すように劣化に伴い内部抵抗が増加するため、劣化判定手段２０７では、バッテリの初期抵抗値Ｒｉｎｉ  に対するバッテリの内部抵抗Ｒｂ  の増加量よりバッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅ  を推定する。バッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅ  は、バッテリの寿命となる抵抗値をＲｂｅｎｄとして、（２）式より求める。
【００４０】
【数２】
Ｒｂｌｉｆｅ  ＝（Ｒｂ−Ｒｉｎｉ）÷（Ｒｂｅｎｄ−Ｒｂｉｎｉ）×１００        …（２）
ここで、バッテリの内部抵抗の増加量（Ｒｂ−Ｒｉｎｉ）はバッテリ温度Ｔｂ  により変化するため、バッテリ温度Ｔｂ  に対するバッテリの寿命となる抵抗値Ｒｂｅｎｄを予めテーブルデータ化しておき、テーブル検索により抵抗値Ｒｂｅｎｄを求める。また、（２）式より、バッテリが新品の状態であれば、バッテリの内部抵抗Ｒｂ  はバッテリの初期抵抗値Ｒｉｎｉと一致するため、バッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅは０％となり、バッテリの寿命となった状態であれば、バッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅ  は１００％となる。バッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅ  は通信手段４０により上位コントローラである車両制御装置２１に送信される。バッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅ  が１００％の状態となると、バッテリの使用限界であるため、車両制御装置２１はバッテリ交換通知手段５０により運転者にバッテリの交換時期を通知する。本実施例では、車両制御装置２１が車両全体の管理をしているため、バッテリ交換通知手段５０を操作しているが、バッテリ制御装置８３にバッテリ交換通知手段５０のようなバッテリの交換時期を運転者に通知する手段を設けても良い。
【００４１】
ＳＯＣ使用範囲演算手段２０８では、図７に示すように、バッテリの劣化状態Ｒｂｌｉｆｅ  よりバッテリの充電状態ＳＯＣの使用上限値ＳＯＣｕｐｐｅｒ  と使用下限値ＳＯＣｌｏｗｅｒ  を演算する。バッテリの充電状態ＳＯＣの使用範囲は、例えばリチウムイオン電池のように、充電状態ＳＯＣが０％である完全放電状態からさらに放電したり、充電状態ＳＯＣが１００％である満充電状態からさらに充電を続けるとバッテリの性能を低下させてしまうものもあるため、バッテリの充電状態ＳＯＣが０％から１００％の範囲以内となるように充放電電力を制御する必要がある。このため、演算したバッテリの充電状態ＳＯＣとバッテリの充電状態ＳＯＣの使用上限値ＳＯＣｕｐｐｅｒ  と使用下限値ＳＯＣｌｏｗｅｒ  は、通信手段４０により、上位コントローラである車両制御装置２１やモータ制御装置８１に送信され、バッテリの充電状態ＳＯＣがバッテリの充電状態ＳＯＣの使用上限値ＳＯＣｕｐｐｅｒ  と使用下限値ＳＯＣｌｏｗｅｒ  の範囲以内となるように上位コントローラではバッテリの充放電の電力量を制御する。
【００４２】
なお、上述の処理は、テーブルデータ化して用いるだけでなく、予めメモリへのデータの配列やメモリのアドレスに対応させたデータ群の配列、更には、それぞれの車両やバッテリの特性を加味した近似式などによって代替することは可能である。
【００４３】
以上説明してきたように、バッテリの内部抵抗推定手段において、センサにより検出したバッテリ電圧から推定した開放電圧を減算した電圧データを用いることにより、ハイブリッド電気自動車用のバッテリのような容量の小さいバッテリの内部抵抗も高精度に推定することが可能となる。
【００４４】
また、バッテリの内部抵抗が高精度に推定することが可能となるため、バッテリの寿命も高精度に推定することができ、バッテリの交換時期を適切に運転者に通知することが可能となる。
【００４５】
さらに、バッテリの寿命に応じてバッテリの使用範囲を適切に制限することが可能となるため、バッテリを過充電，過放電とすることがなく、バッテリの劣化を抑制する電力制御が可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、ハイブリッド電気自動車用のバッテリのような容量が小さいバッテリの内部抵抗を高精度に検出する装置及び方法を提供することができる。また、検出した内部抵抗の値から、バッテリの劣化の状態を推定し、バッテリの寿命判定を行う装置又は方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす、車両システム構成図。
【図２】本発明の一実施形態をなす、バッテリ制御装置のブロック図。
【図３】本発明の一実施形態をなす、バッテリの充電状態に対する開放電圧特性。
【図４】本発明の一実施形態をなす、バッテリの開放電圧特性の温度依存性。
【図５】本発明の一実施形態をなす、バッテリの内部抵抗推定座標。
【図６】本発明の一実施形態をなす、バッテリの劣化に対する内部抵抗特性。
【図７】本発明の一実施形態をなす、バッテリの劣化に対する充電状態の使用範囲。
【符号の説明】
１…エンジン、２…ベルト、３…バッテリ、４…発電用モータ、５…クランクシャフト、６…駆動軸、７…クラッチ、８…車両駆動用モータ、９…駆動輪、
１０…変速機、１１…電力変換機、２０…車両システム、２１…車両制御装置、２２…シフトレバー、２３…シフトポジションセンサ、２４…アクセルペダル、２５…アクセルポジションセンサ、２６…ブレーキペダル、２７…ブレーキポジションセンサ、２８…車速センサ、３０，３１，３２…回転センサ、３３…電圧センサ、３４…電流センサ、３５…温度センサ、４０…通信手段、５０…バッテリ交換通知手段、８０…エンジン制御装置、８１…モータ制御装置、８２…クラッチ制御装置、８３…バッテリ制御装置。
【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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