(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷からの電力を、一定電圧にしてバッテリに充電させるときの前記バッテリの充電可能容量を、推定するバッテリの充電可能容量測定装置であって、
前記バッテリの端子電圧を検出する電圧センサと、
前記バッテリと前記負荷との間に設けられ、前記負荷と前記バッテリとを電気的に接続又は切断に切り替える切替器と、
前記電圧センサが検出した前記バッテリの電圧が一定電圧でかつ該一定電圧が第１の一定時間の経過かどうかを判定し、前記バッテリの電圧が一定電圧でかつ第１の一定時間の経過と判定したときは、前記切替器を前記切断にさせて充電停止とすると共に前記電圧センサのバッテリの電圧を収集させる収集信号を出力し続け、該出力に伴って第２の一定時間の経過（第１の一定時間＜第２の一定時間）と判定したときは、再び前記切替器を前記接続にさせる充放電制御指令処理部と、
前記収集信号が送出されている間は、前記充電停止直後の前記バッテリの電圧を順次収集してメモリに記憶する充電停止電圧収集処理部と、
前記充電停止が行われたとき、前記メモリに記憶されている充電停止直後の複数の前記バッテリの電圧の内で、最も高い電圧を抽出し、該最も高い電圧と該最も高い電圧を抽出した時間から所定後の低い電圧と間の変化率を求め、この変化率が収束する点の差電圧を求め、該差電圧と前記最も高い電圧との差を、前記バッテリの現在の電圧として求めるバッテリ電圧推定処理部と、
前記現在の電圧を、前記バッテリを満充電に充電したときの満充電電圧と放電終止電圧とを結ぶ直線に位置させて前記バッテリの充電可能容量を推定する充電可能容量算出処理部と
を有することを特徴とするバッテリの充電可能容量測定装置。
【請求項２】
前記バッテリ電圧推定処理部は、
前記充電停止を行ったとき、前記メモリから前記一定電圧以下で他の電圧より最も高い電圧を抽出する応答電圧算出処理部と、
前記メモリの最も高い電圧と最も低い電圧までの傾向を示す関数を求め、この関数から所定時間当たりの前記バッテリの活性化分極と濃度分極の電圧の変化率を求める電圧変化率算出処理部と、
予め設定されている所定時間を用いて前記変化率が収束する点までの前記最も高い電圧からの差電圧を求め、該差電圧を前記充電停止直後のバッテリの電圧から除いた平衡電圧を、前記バッテリの現在の電圧として求める平衡電圧推定部と
を有することを特徴とする請求項１記載のバッテリの充電可能容量測定装置。
【請求項３】
前記充放電制御指令処理部が充電を停止させている間のみ、前記電圧センサの電圧を前記メモリに収集し、前記充電が開始されたときは前記収集した電圧を消去する充電停止電圧収集処理部と
を有することを特徴とする請求項１又は２記載のバッテリの充電可能容量測定装置。
【請求項４】
前記負荷は、
オルタネータと、
前記オルタネータに対して前記バッテリからの放電電力を所定電圧に変換して駆動又は前記オルタネータによる回生電力を前記一定電圧にして前記バッテリに充電させるコンバータと
からなることを特徴とする請求項１、２又は３記載のバッテリの充電可能容量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリの充電可能容量測定装置に関し、特にバッテリの活性化分極と濃度分極の電圧差を除いた正確な充電可能容量を得ることができるバッテリの充電可能容量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車はバッテリを用いた走行であるから残存容量は正確に予測することが重要である。
【０００３】
例えば、特開平７ー２７８３５１号公報のバッテリ残存容量装置においては、計算が容易なことから、バッテリコントローラはイグニッションオン直後のバッテリの残存容量ＳＯＣ（残存容量ＳＯＣ＝放電可能容量ともいう）を、以下の数１に示すようにして求め、これを表示していた。
【０００４】
〔数１〕
ＳＯＣ＝〔（Ｖｎ2-Ｖｅ2）〕／（Ｖｓ2-Ｖｅ2）〕×１００％
但し、Ｖｎ：バッテリの推定電圧
Ｖｅ；放電終止電圧
Ｖｓ；満充電電圧
この満充電電圧Ｖｓは、バッテリが劣化が進んでいない新品であり、温度が２０℃で充電が行われて１００％の満充電にされたときの電圧である。
【０００５】
そして、電気自動車の走行中においては、バッテリからの放電電流及び端子電圧を電圧ー電流軸に所定数収集して平均化し、この平均化データが所定個、集まったときに、そのデータの相関係数ｒを求める。次に、この相関係数ｒが強い負の相関を示しているときに、最小二乗法により、そのデータの回帰直線（近似直線ともいう）を求め、この近似直線Ｙ（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）と基準電流Ｉｏとから現在のバッテリの推定電圧Ｖｎを推定する。
【０００６】
そして、この推定電圧Ｖｎを用いて上記の数１に示す式によって走行中における現在のＳＯＣを求めて表示させていた。
【０００７】
このようなことから、近年はエンジン又はモータで車を駆動するハイブリット車両においても、上記のようなバッテリの残存容量測定装置が用いられており、走行中において、残存容量が低い場合に充電を行っていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、充電を定電圧で行う方式（例えばハイブリット車両）では、電圧センサで検出した電圧が変化しないので、近似直線は得られない場合がある。
【０００９】
すなわち、定電圧方式に従来の方式を適用しても残存容量を求めることができないという課題があった。
【００１０】
また、ハイブリット車両等は、バッテリの定格容量に比し、回生電力が大きいので、何時でもこの回生電力を充電でき、かつ過充電とならないように、例えば８０％程度の残存容量になるようにして、充電可能容量は２０％程度を維持することが必要となる。
【００１１】
すなわち、充電を定電圧で行うハイブリット車両等においては、充電可能容量を知ることが非常に重要である。
【００１２】
しかし、充電を定電圧で行う方式の車両であるから、電圧が変化しないので、従来の方式では残存容量を求めることもできない。
【００１３】
つまり、ハイブリット車両等に従来の方式を適用させても、充電可能容量を求めることができないという課題があった。
【００１４】
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、定電圧で充電を行う方式であっても簡単に正確に充電可能容量を得ることができる充電可能容量測定装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、負荷からの電力を一定電圧にしてバッテリに充電させるときの前記バッテリの充電可能容量を推定するバッテリの充電可能容量測定装置である。
【００１６】
このバッテリの充電可能容量測定装置は、負荷とバッテリとを電気的に接続又は切断に切り替える切替器と、バッテリに対しての一定の充電電圧を所定時間、検出して切替器を切断状態にして充電停止させた後に、一定時間経過したとき再び切替器を接続状態にさせる充放電制御指令処理部と、充電停止直後の一定時間内の複数の電圧値の変化率を求め、この変化率が集束する点での一定電圧からの電圧を充電停止直後のバッテリの平衡電圧をバッテリの現在の電圧として求めるバッテリ電圧推定処理部と、平衡電圧、バッテリを満充電に充電したときの満充電電圧及び放電終止電圧に基づいてバッテリの充電可能容量を推定する充電可能容量算出処理部とを備えたことを要旨とする。
【００１７】
このため、定電圧が検出されると切替器が充放電制御指令処理部によって、オフ状態にされ、バッテリと負荷とは電気的に切断状態となる。つまり、充電が停止される。
【００１８】
この充電停止に伴ってバッテリ電圧推定処理部が充電停止直後の第２の一定時間内で充電停止に伴うバッテリの応答電圧によって降下した現在のバッテリの電圧値を得る。
【００１９】
そして、この応答電圧値から収集した複数の電圧値の変化傾向を示す変化率が求められ、この変化率が集束する点の電圧がバッテリの平衡電圧として求められる。
【００２０】
次に、充電可能容量算出処理部によって、この平衡電圧、バッテリを満充電に充電したときの満充電電圧及び放電終止電圧に基づいてバッテリの充電可能容量が推定される。
【００２１】
前述のバッテリ電圧推定処理部は、応答電圧算出処理部と電圧変化率算出処理部と平衡電圧推定処理部とからなる。
【００２２】
応答電圧算出処理部は、充電停止を行ったとき、一定電圧以下で一定時間（ｔｏからｔ１）の複数の電圧値の中で最も電圧値が高い電圧値から、一定時間後（ｔｏ→ｔｏ´）までの電圧をバッテリの充電停止に伴うオーム損に起因する電圧差として抽出する。
【００２３】
電圧変化率算出処理部は、抽出された電圧値から一定時間内の一定時間後（ｔｏ´→ｔ１）の複数の電圧値までの傾向を示す関数を求め、この関数から所定時間当たりのバッテリの活性化分極と濃度分極の電圧の変化率を求める。
【００２４】
平衡電圧推定処理部は、予め設定された時間に基づいて電圧の変化率が収集する点での一定電圧からの平衡電圧を推定する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は本実施の形態のバッテリの充電可能容量測定装置の概略構成図である。
図１に示すバッテリコントローラ１は、エンジン２、モータ３（オールタネータ）で駆動するハイブリット機構部４に用いられるバッテリ５の充電可能容量を求める。前述のモータ３とバッテリ５との充電電力、放電電力の制御はコンバータ６によって行われる。
【００２６】
また、バッテリ５には電圧センサ１１が並列接続されている。さらに、バッテリ５とコンバータ６との間に、リレー１０が設けられている。
【００２７】
一方、バッテリコントローラ１は、電圧センサ１１の検出電圧を所定の信号に波形整形する入力回路１５と、リレー１０をオン又はオフさせるためのリレー制御信号を増幅するバッファ１６と、リレー１０をオフさせてたときの所定の間の電圧Ｖｉに基づいてバッテリ５の充電可能容量を算出するバッテリ充電可能容量測定装置１８（マイコン）とを備えている。
【００２８】
バッテリ充電可能容量測定装置１８は、図１に示すように、充放電制御指示処理部１９と、充電停止電圧収集処理部２０と、電圧収集用のメモリ２１と、応答電圧算出処理部２２と、電圧変化率算出処理部２３と、平衡電圧推定処理部２４と、充電可能容量算出処理部２５とを備えている。
【００２９】
充放電制御指示処理部１９は、入力回路１５からのバッテリ５の電圧Ｖを読み、電圧Ｖが例えば４２Ｖを１０ｍｓｅｃの間維持しているときは、直ちにリレーオフ信号をバッファ１６を介してリレー１０に送出して充電を停止させると共に充電停止電圧収集処理部２０に収集信号を送出し続ける。また、リレー１０をオフさせた後に１ｓｅｃ経過したときは、再びリレーをオンさせるリレーオン信号を送出すると共に、収集信号の送出を停止し、かつ後述する応答電圧算出処理部２２及び電圧変化率算出処理部２３を起動させる。
【００３０】
充電停止電圧収集処理部２０は、充放電制御指示処理部１９から収集信号が送出されている間は、入力回路１５からの電圧Ｖｉをメモリ２１に順次収集する。
【００３１】
応答電圧算出処理部２２は、メモリ２１に収集されている１ｓｅｃの間の電圧Ｖｉの内で、充電電圧４２Ｖから、例えば１０ｍｓｅｃ後の電圧を抽出する。
【００３２】
つまり、この抽出した電圧と充電電圧との差が充電停止直後に最も速く変化するバッテリ５の応答電圧Ｖｈであるから、応答電圧Ｖｈによって降下したバッテリ５の電圧を検出したことになる。
【００３３】
電圧変化率算出処理部２３は、応答電圧Ｖｈの設定に伴い、メモリ２１に収集されている時間ｔｉ（１ｓｅｃ）の間のバッテリ５の電圧Ｖｉを読み、応答電圧Ｖｈ（例えばＶ１）から最も電圧が低い電圧（例えばＶ１００）までの複数の電圧の関数ＶＹを求め、この関数ＶＹから充電停止直後の電圧の変化率ΔＥ′を求める。
【００３４】
すなわち、充電停止直後のバッテリ５の電荷移動あるいは物質移動に伴う分極の差電圧の変化率ΔＥ′を求めている。
【００３５】
平衡電圧推定処理部２４は、電圧変化率算出処理部２３で求められた充電停止直後の電圧の変化率ΔＥ′が集束する点（例えば、集束時間ｔｈを１時間程度として求める）を求める。つまり、この点と応答電圧Ｖｈとの間の充電停止直後の分極の差電圧ΔＥを除いてバッテリ５の実際の電圧Ｅを推定したことになる。
【００３６】
すなわち、平衡電圧推定処理部２４は、充電停止に伴う実質的な電圧（平衡電圧Ｅという）を、以下の数２の式で求めたことになる。
【００３７】
〔数２〕
Ｅ＝Ｖｃ−Ｖｈ−ΔＥ
Ｖｃ；バッテリの端子電圧（充電電圧で一定電圧４２Ｖ）
Ｖｈ；応答電圧
Ｖｈ＝Ｒｏｈｍ×Ｉ
Ｒｏｈｍ；電解液の電気伝導に伴う抵抗＋電極活
性物質と集電体の接触抵抗等で示され
るオーミック抵抗
Ｉ；バッテリの電流
ΔＥ；分極の差電圧
充電可能容量算出処理部２５は、平衡電圧推定処理部２４で推定された平衡電圧Ｅを用いて以下の数３に示すようにして現在の充電可能容量を算出する。
【００３８】
〔数３〕
充電可能容量＝〔（Ｖｓ2−Ｅ2）／（Ｖｓ2−Ｖｅ2）〕×１００
Ｖｓ；満充電電圧
Ｖｅ；放電終止電圧
Ｅ；  平衡電圧
すなわち、放電終止電圧Ｖｅと満充電電圧Ｖｓとに基づくバッテリ５の総容量から推定した平衡電圧Ｅにおけるバッテリ５の容量を減算した容量を充電可能容量とする。
【００３９】
上記のように構成された本実施の形態のバッテリの充電可能容量測定装置について以下に図２のフローチャートを用いて動作を説明する。
【００４０】
初めにバッテリ５の端子電圧Ｖｃについて図３のバッテリの等価回路を用いて説明する。
【００４１】
図３に示すようにバッテリ５の等価成分は、平衡電圧Ｅと、コイルＬと、抵抗Ｒと、コンデンサＣと、このコンデンサＣに並列接続された活性化分極Ｚｆとかなるとされている。
【００４２】
しかし、一般には以下の数４に示すように表される。
【００４３】
〔数４〕
Ｖｃ＝Ｅ＋Ｒｏｈｍ×Ｉ＋ΔＥ
Ｒｏｈｍ；電解液の電気伝導に伴う抵抗＋電極活
性物質と集電体の接触抵抗等で示され
るオーミック抵抗
Ｉ；バッテリの電流
ΔＥ；分極の差電圧
Ｅ；ネルストン式で示される平衡電圧
また、平衡電圧Ｅとバッテリ５の容量とは、図４に示すように比例関係にあり、バッテリの容量が増加すると、平衡電圧Ｅも増加する。すなわち、この平衡電圧Ｅを求めると、バッテリ５の現在の容量が把握できることになる。
【００４４】
一方、バッテリ５は、充電（一定電圧）を停止すると、図５に示すように充電停止直後は対数関数的に減少して平衡電圧Ｅに到達することが知られている。
【００４５】
すなわち、図５に示すように、定電圧充電が中断されると、セル電圧（バッテリの端子電圧Ｖｃは、電流変化（電圧変化）に伴って応答の速いＲｏｈｍ×Ｉ（応答電圧Ｖｈ）が支配的に減少し、この後に対数関数的に減少する分極の差電圧ΔＥが支配的となり、その後に平衡電圧Ｅに集束する。
【００４６】
つまり、応答電圧Ｖｈと差電圧ΔＥとが求められると、平衡電圧Ｅが求められる。このため、図１に示すような各処理部を備えて平衡電圧Ｅを求めて充電可能容量を算出している。しかし、実際に応答電圧Ｖｈと差電圧ΔＥを求めには、応答電圧Ｖｈは、４２Ｖと図５の初めの電圧Ｖｇとの差を求めると検出でき、また差電圧ΔＥは、電圧Ｖｇから集束する点までの電圧Ｅの差を求めると検出することができるが処理スピード及びプログラムを簡単にするために本処理では以下に示すようにして求めている。
【００４７】
次に、図２のフローチャートを用いて図１の充電可能容量測定装置１８の動作を説明する。
【００４８】
初めに充放電制御指示処理部１９は、電圧センサ１１が検出したバッテリ５の電圧Ｖｉを入力回路１５を介して読み（Ｓ２０１）、この電圧Ｖが４２Ｖかどうかを判定する（Ｓ２０２）。
【００４９】
ステップＳ２０２で電圧Ｖが４２Ｖと判定したときは、１０ｍｓｅｃ経過したかどうかを判定する（Ｓ２０３）。すなわち、４２Ｖを検出しても直ぐに充電停止させないようにしている。
【００５０】
次に、充放電制御指示処理部１９は、ステップＳ２０３において、１０ｍｓｅｃ経過したと判定したときは、直ちにリレー１０をオフさせるリレーオフ信号をバッファ１６を介してリレー１０に送出させて、充電を停止させると共に、充電停止電圧収集処理部２０に収集信号を送出し続ける（Ｓ２０４）。
【００５１】
充電停止電圧収集処理部２０は、収集信号の入力に伴って、入力回路１５からの電圧Ｖをサンプリングしてメモリ２１に順次記憶する（Ｓ２０５）。
【００５２】
また、充放電制御指示処理部１９は、充電停止に伴ってタイマー（図示せず）を起動し、１ｓｅｃ経過したかどうかを判定し、１ｓｅｃ経過していないときは処理をステップＳ２０５に戻して充電停止直後の電圧を収集させる（Ｓ２０６）。
【００５３】
また、ステップＳ２０６において、充放電制御指示処理部１９がバッテリ５の電圧Ｖの収集時間ｔｉが１００ｍｓｅｃ経過したと判定したときは、直ちにリレー１０をオンさせるリレーオン信号をリレー１０に送出して充電を再開させる（Ｓ２０７）。
【００５４】
次に、イグニッションのオフかどうかを判断し、イグニッションのオフと判定したときは処理を終了し、またイグニッションオフでないときは処理をステップＳ２０１に戻して充電停止を行わせて充電直後のバッテリ５の電圧を収集させる（Ｓ２０９）。
【００５５】
一方、応答電圧算出処理部２２は、充放電制御指示処理部１９が充電停止を行うと、メモリ２１に記憶されている充電停止直後の複数電圧Ｖｉ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３……、Ｖ１００）を読み、この中から４２Ｖ以下で他の電圧より最も高い電圧Ｖｇを抽出する（Ｓ２１０）。つまり、充電直後の応答電圧Ｖｈによって電圧降下したときの電圧Ｖｇを抽出する。例えばＶ１が４０Ｖと検出される。
【００５６】
すなわち、電流センサを用いなくとも、電流（電圧）変化に対して応答の速いＲｏｈｍ×Ｉに相当する電圧降下の電圧Ｖｇを得たことになる。
【００５７】
次に、電圧変化率算出処理部２３は、この応答電圧Ｖｈによる電圧Ｖｇの設定に伴い、メモリ２１に収集されている９９０ｍｓｅｃの間のバッテリ５の複数の電圧Ｖｉを読み、電圧Ｖｇから最も電圧が低い電圧（例えばＶ１００）までの複数の電圧の関数ＶＹを求めて、この関数ＶＹから充電停止直後の電圧の変化率
ΔＥ′を求める（Ｓ２１１）。
【００５８】
この関数ＶＹは図５に示すように対数関数であり、電圧の変化率ΔＥ′は、
〔数５〕
ΔＥ′＝ａ×ｅーbti
ｔｉ；１０００ｍｓｅｃ
で示される。この式のａ、及びｂはバッテリ電圧Ｖｃ、温度、残存容量等から決定される。
【００５９】
次に、平衡電圧推定処理部２４は、電圧変化率算出処理部２３で求められた充電停止直後の電圧の変化率ΔＥ′が集束する点を求める。これは、実際に集束する点までの電圧データを収集した場合は非常に時間がかかるので例えば、集束時間ｔｈを１時間程度として求める。
【００６０】
つまり、図５に示す電圧Ｖｇと平衡電圧Ｅとの差である充電停止直後の分極の差電圧ΔＥを除いた平衡電圧Ｅをバッテリの現在の電圧Ｅとして求めている（Ｓ２１２）。
【００６１】
例えば、差電圧ΔＥが１Ｖ、応答電圧Ｖｈによる充電直後の電圧Ｖｇが４０Ｖの場合は数６に示すように、
〔数６〕
Ｅ＝Ｖｇ−ΔＥ＝４０Ｖ−１Ｖ＝３９Ｖ
となる。
【００６２】
次に、充電可能容量算出処理部２５は、平衡電圧推定処理部２４で推定された平衡電圧Ｅを用いて以下の数７に示すようにして現在の充電可能容量を算出する。
【００６３】
〔数７〕
充電可能容量＝〔（４２2−３９2）／（４２2−３５2）〕×１００  で求められる。
【００６４】
なお、満充電電圧Ｖｓは、
〔数８〕
Ｖｓ≒１３．４６＝１３．４５８＋０．０００２（Ｔ−２５）
１３．４６：電解液濃度による
すなわち、本実施の形態においては、図６に示すように、充電停止直後の平衡電圧Ｅを、近似直線によらないで、充電電圧Ｖｃと、分極の差電圧ΔＥと、応答電圧Ｖｈとから求め、これを満充電電圧Ｖｓと放電終止電圧Ｖｅとを結ぶ直線上に位置させて、充電可能容量を求めている。
【００６５】
従って、ハイブリット車両等に従来の方式を適用させても、充電可能容量を容易に求めることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、充電途中において、リレーを用いて充電を一定時間停止させ、この一定時間内の初めの電圧値から最終の電圧値までの変化率を求め、この変化率が集束する点での一定電圧に対するバッテリの平衡電圧を求める。そして、この平衡電圧と、満充電電圧と、放電終止電圧とから充電可能容量を求める。
【００６７】
すなわち、近似直線を用いなくとも、かつ電流センサを用いなくともバッテリの活性化分極の電圧を除いたバッテリの平衡電圧が算出されて、この平衡電圧を用いて充電可能容量を推定される。
【００６８】
従って、定電圧充電方式のハイブリット車両であっても容易に充電可能容量を得ることができるという効果が得られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施の形態のバッテリの充電可能容量測定装置の概略構成図である。
【図２】  本実施の形態の動作を説明するフローチャートである。
【図３】  バッテリの等価回路を説明する説明図である。
【図４】  平衡電圧とバッテリの容量との関係を説明する説明図である。
【図５】  本実施の形態の平衡電圧と差電圧と応答電圧との関係を説明する説明図である。
【図６】  本実施の形態の充電可能容量の算出を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  バッテリコントローラ
２  エンジン
３  モータ
５  バッテリ
１０  リレー
１１  電圧センサ
１５  入力回路
１６  バッファ
１８  バッテリ充電可能容量測定装置
１９  充放電制御指示処理部
２０  充電停止電圧収集処理部
２１  電圧収集用のメモリ
２２  応答電圧算出処理部
２３  電圧変化率算出処理部
２４  平衡電圧推定処理部
２５  充電可能容量算出処理部
【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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