JP2012198175A

JP2012198175A - バッテリ状態監視装置

Info

Publication number: JP2012198175A
Application number: JP2011064000A
Authority: JP
Inventors: Seiji Bito; 誠二尾藤
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-18
Also published as: CN102692605A; CN102692605B; US20130060497A1; DE102012102375B4; DE102012102375A1

Abstract

【課題】この発明は、開回路中ではなく、閉回路中にバッテリセルの充電状態を精度よく算出することを目的とする。
【解決手段】この発明は、１つ以上のバッテリセルを含むバッテリパックと、そのバッテリセルの状態を検出する検出回路とを備え、検出回路が、バッテリセルの温度を検出する温度検出手段と、バッテリセルに流れる電流を検出する電流検出手段と、バッテリセルの電圧を検出する電圧検出手段とを備えるとともに、演算回路を併設して備えるバッテリ状態監視装置において、バッテリセルの所定充電状態に相当する所定電圧を、バッテリセルの温度とバッテリセルの電流とに基づいて、温度二次式の指数関数と温度一次関数を含む所定の演算式を用いて算出し、バッテリセルの電圧と演算式を用いて算出した所定電圧とを比較してバッテリセルの所定充電状態を判定することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明はバッテリ状態監視装置に係り、特に、駆動エネルギー源であるバッテリパックのバッテリセルの状態を監視し、バッテリセルの充電状態を推定するバッテリ状態監視装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）のように駆動エネルギー源としてバッテリパックを搭載した電動車両においては、バッテリセルの状態を検出し、充電状態（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）を正確に算出することが望まれている。
一般的に、バッテリの充電状態と開回路電圧（ＯＣＶ：ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）には相関関係があるため、開回路電圧を求めることで充電状態を推定することができる。また、バッテリ状態監視装置には、電流積算を用いて、初期の充電状態からの変化量として充電状態を算出する方法もある。
従来のバッテリ状態監視装置には、開回路中に変化するバッテリセルの開回路電圧の収束値を推定し、充電状態と開回路電圧の相関マップより、充電状態を推定する方法がある。（特開２００５−４３３３９）

特開２００５−４３３３９

しかし、前記特許文献１の方法であると、バッテリセルが劣化した場合の開回路電圧の収束値が変わってしまい、充電状態の推定誤差が大きくなってしまう問題がある。特に鉛バッテリやニッケル水素バッテリのような水溶系のバッテリセルでは、この課題が無視できない。

この発明は、開回路電圧ではなく、閉回路電圧（ＣＣＶ：ＣｌｏｓｅｄＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）からポイントとなる所定充電状態を算出し、バッテリセルが劣化しても変化が少ないポイントで精度よく充電状態を算出することを目的とする。

この発明は、１つ以上のバッテリセルを含むバッテリパックと、そのバッテリセルの状態を検出する検出回路とを備えたバッテリ状態監視装置であって、前記検出回路が、前記バッテリセルの温度を検出する温度検出手段と、前記バッテリセルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記バッテリセルの電圧を検出する電圧検出手段とを備えるとともに、演算回路を併設して備えるバッテリ状態監視装置において、前記バッテリセルの所定充電状態に相当する所定電圧を、前記温度検出手段により検出された前記バッテリセルの温度と前記電流検出手段により検出された前記バッテリセルの電流とに基づいて、温度二次式の指数関数と温度一次関数を含む所定の演算式を用いて算出し、前記電圧検出手段により検出された前記バッテリセルの電圧と前記演算式を用いて算出した所定電圧とを比較してバッテリセルの所定充電状態を判定することを特徴とする。

この発明のバッテリ状態監視装置は、開回路電圧で充電状態を推定によって求める場合と比べ、バッテリセルの劣化に因る判定誤差を小さくできるので、高い精度を確保することができる。とくにバッテリセルの温度が０度以上の常温域において、高い精度を確保できる。

図１はバッテリ状態監視装置のシステム構成図である。（実施例）図２は充電状態算出のフローチャートである。（実施例）図３はバッテリセル温度に対する充電状態の判定結果を示す図である。（実施例）

以下、図面に基づいてこの発明の実施例を説明する。

図１〜図３は、この発明の実施例を示すものである。図１において、１はバッテリセル、２は１つ以上のバッテリセル１を含むバッテリパック、３はインバータ、４は電気自動車、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車のような電動車両の駆動用モータである。バッテリパック２は、インバータ３を介して駆動用モータ４に接続されている。駆動用モータ４は、駆動時にバッテリパック２からインバータ３を介して供給される電力により駆動力を発生し、発生した駆動力により電動車両の駆動輪を駆動するとともに、回生時に駆動輪からの駆動力で電気エネルギを発生し、発生した電気エネルギをインバータ３を介してバッテリパック２に供給して充電する。
前記バッテリパック２は、駆動用モータ４の駆動・回生による充電・放電を適切に行うために、バッテリセル１の充電状態（ＳＯＣ）を正確に把握する必要がある。そのため、バッテリパック２は、バッテリ状態監視装置５によりバッテリセル１の充電状態を監視している。バッテリ状態監視装置５は、１つ以上のバッテリセル１を含むバッテリパック２の、各バッテリセル１の状態を検出する検出回路６を備えている。検出回路６は、バッテリセル１の温度Ｔを検出する温度検出手段７と、バッテリセル１に流れる電流ｉを検出する電流検出手段８と、バッテリセル１の電圧Ｖを検出する電圧検出手段９とを備えるとともに、演算回路１０を併設して備えている。
前記バッテリ状態監視装置５は、逐一測定したバッテリセル１の電流ｉおよび温度Ｔに基づいて所定充電状態（例えば、ＳＯＣ３０％）となる所定電圧（例えば、３０Ｖ）を、下記に示す温度二次式の指数関数（式２）と温度一次関数（式３）を含む所定の演算式（式１）を用いて演算回路１０にて算出し、測定した電圧Ｖと前記所定電圧（３０Ｖ）と比較することでバッテリセル１の所定充電状態（ＳＯＣ３０％）を判定する。

・Ｖ３０＝ｆ１（Ｔ）×ｉ＋ｆ２（Ｔ）……………………………式１
・ｆ１（Ｔ）＝ＥＸＰ（ａ＊（ＬＯＧ（Ｔ＋２７３））＾２＋ｂ＊ＬＯＧ（Ｔ＋２７３）
＋ｃ）……………………式２
・ｆ２（Ｔ）＝ｄ＊（Ｔ＋２７３）＋ｅ…………………………式３
※ｉ：バッテリセル電流（Ａ）、Ｔ：バッテリセル温度（℃）

バッテリパック２は、バッテリセル１の所定充電状態（ＳＯＣ３０％）の判定結果に基づいて、駆動用モータ４の駆動・回生による充電・放電を適切に制御される。例えば、バッテリパック２は、放電時にバッテリセル１が所定充電状態（ＳＯＣ３０％）を下回らないように、駆動用モータ４の駆動を制御される。なお、前記式１・式２中のａ〜ｅのパラメータは実験データに基づき作成でき、所定充電状態として前記ＳＯＣ３０％以外にも任意の充電状態を判定する式を作成することができる。

次に、バッテリ状態監視装置５の動作を、図２のフローチャートに沿って説明する。
バッテリ状態監視装置５は、走行時の充電状態（ＳＯＣ）算出のプログラムがスタートすると（１０１）、バッテリセル１の温度Ｔ・電流ｉ・電圧Ｖを計測し（１０２）、下記の式４に示す電流の積算式から現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）を算出する（１０３）。充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）の演算には、演算回路１０に記憶された前回終了時の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ−１）を採用する。

・ＳＯＣ_Ｘ＝ＳＯＣ_Ｘ−１＋ｉ×ｔ／３６００／Ｆｃ×１００………………式４
※ＳＯＣ_Ｘ：現在の充電状態、ＳＯＣ_Ｘ−１：前回の充電状態、Ｆｃ：バッテリセル容量（Ａｈ）

続いて、式１から所定電圧（Ｖ３０）を算出する（１０４）。測定したバッテリセル電圧Ｖの最小値Ｖｍｉｎと所定電圧（Ｖ３０）を比較し、バッテリセル電圧Ｖの最小値Ｖｍｉｎが所定電圧（Ｖ３０）より小さく、且つ現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）が所定充電状態（ＳＯＣ３０％）よりも大きいかを判断する（１０５）。
この判断がＮＯの揚合は、計測（１０２）に戻る。この判断がＹＥＳの揚合は、下記の式５によって現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）を所定充電状態（ＳＯＣ３０％）に除減することで、補正充電状態（ＳＯＣ_ｈ）に補正する（１０６）。

・ＳＯＣ_Ｘ＝ＳＯＣ_ｈ＝２×ＳＯＣ_Ｘ−１−３０−△ＳＯＣ……………………式５
※ＳＯＣ_ｈ：補正充電状態、△ＳＯＣ：Ｖ３０判定時のＳＯＣ_Ｘ−３０

前記補正（１０６）において補正した現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）が、所定充電状態（ＳＯＣ３０％）以下になったかを判断する（１０７）。
現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）が所定充電状態（ＳＯＣ３０％）以下に除減されず、判断（１０７）がＮＯの場合は、補正（１０６）に戻る。現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）が所定充電状態（ＳＯＣ３０％）以下に除減されて、判断（１０７）がＹＥＳの場合は、前記式４に示す電流の積算式から現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）を算出し（１０８）、プログラムをエンドにする（１０９）。

前記式１により所定充電状態（ＳＯＣ３０％）を算出した時のバッテリセル温度に対する充電状態の判定結果を図３に示す。バッテリセル温度が０℃未満の低温では、バッテリ内部インピーダンスが急激に変化するので、所定電圧（Ｖ３０）の判定をマスキングすることが望ましい。

このように、バッテリ状態監視装置５は、バッテリセル１の所定充電状態（ＳＯＣ３０％）に相当する所定電圧（３０Ｖ）を、前記温度検出手段７により検出されたバッテリセル１の温度Ｔと前記電流検出手段８により検出されたバッテリセル１の電流ｉとに基づいて、温度二次式の指数関数（式２）と温度一次関数（式３）を含む所定の演算式（式１）を用いて算出し、前記電圧検出手段９により検出されたバッテリセル１の電圧Ｖと前記演算式（式１）を用いて算出した所定電圧（３０Ｖ）とを比較してバッテリセル１の所定充電状態（ＳＯＣ３０％）を判定する。
これにより、バッテリ状態監視装置５は、閉回路中に精度良く充電状態（ＳＯＣ）を算出することができ、開回路電圧（ＯＣＶ）で充電状態（ＳＯＣ）を推定によって求める場合と比べ、バッテリセル１の劣化に因る判定誤差を小さくできるので、充電状態（ＳＯＣ）の検出に高い精度を確保することができる。とくにバッテリセル１の温度が０度以上の常温域において高い精度を確保できる。

また、バッテリ状態監視装置５は、バッテリセル１の現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）を前回の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ−１）と電流積算（ｉ×ｔ／３６００／Ｆｃ×１００）の和から算出し、１つ以上のバッテリセル１の検出された電圧の最小値（Ｖｍｉｎ）が前記演算式（式１）を用いて算出した前記所定電圧（Ｖ３０）より小さく、かつ算出された前記現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）が前記所定充電状態（ＳＯＣ３０％）より大きい場合に、前記現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）を補正し、この補正を、前回の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ−１）の倍値から前記所定ＳＯＣ（ＳＯＣ３０％）を減算した値から、前記現在の充電状態（ＳＯＣ_Ｘ）と前記所定充電状態（ＳＯＣ３０％）との差分を減算して求めた補正充電状態（ＳＯＣ_ｈ）に更新する。
これにより、バッテリ状態監視装置５は、バッテリセル１の充電状態（ＳＯＣ）の修正を緩やかに実施することができる。

この発明は、バッテリセルの充電状態の検出に高い精度を確保することができるものであり、電動車両に搭載したバッテリセルの充電状態の検出以外にも、風力発電バッファー用電源、家庭用夜間電力蓄電装置等の定置用電源分野にも応用が可能である。

１バッテリセル
２バッテリパック
３インバータ
４駆動用モータ
５バッテリ状態監視装置
６検出回路
７温度検出手段
８電流検出手段
９電圧検出手段
１０演算回路

Claims

１つ以上のバッテリセルを含むバッテリパックと、そのバッテリセルの状態を検出する検出回路とを備えたバッテリ状態監視装置であって、
前記検出回路が、前記バッテリセルの温度を検出する温度検出手段と、前記バッテリセルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記バッテリセルの電圧を検出する電圧検出手段とを備えるとともに、演算回路を併設して備えるバッテリ状態監視装置において、
前記バッテリセルの所定充電状態に相当する所定電圧を、前記温度検出手段により検出された前記バッテリセルの温度と前記電流検出手段により検出された前記バッテリセルの電流とに基づいて、温度二次式の指数関数と温度一次関数を含む所定の演算式を用いて算出し、
前記電圧検出手段により検出された前記バッテリセルの電圧と前記演算式を用いて算出した所定電圧とを比較して前記バッテリセルの前記所定充電状態を判定することを特徴とするバッテリ状態監視装置。
前記バッテリセルの現在の充電状態を前回の充電状態と電流積算の和から算出し、
１つ以上の前記バッテリセルの検出された前記電圧の最小値が前記演算式を用いて算出した前記所定電圧より小さく、かつ算出された前記現在の充電状態が前記所定充電状態より大きい場合に、前記現在の充電状態を補正し、
この補正を、前回の充電状態の倍値から前記所定充電状態を減算した値から、前記現在の充電状態と前記所定充電状態との差分を減算して求めた補正充電状態に更新することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ状態監視装置。