JP6164147B2 - 電池制御システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、二次電池を備えた電池制御システム及びその制御方法に関する。

電動車両等に搭載される二次電池の残存容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ−Ｏｆ−Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電時は１００％、完全放電時は０％である。一般的に二次電池においては、その二次電池にて使用可能なＳＯＣ上限（例えばＳＯＣ１００％）を超えて充電を行う過充電の状態やＳＯＣ下限（例えばＳＯＣ０％）を超えて放電を行う過放電の状態になると、二次電池の損傷等の問題が発生する可能性がある。また、二次電池の使用中に、ＳＯＣを推定する場合は、二次電池に対する入出力電流を積算することにより、ＳＯＣの推定が可能であることが知られている。

しかしながら、このＳＯＣ推定方法では、入出力電流の測定誤差のために入出力電流の積算された値にも誤差が発生するため、入出力電流を積算することにより求められるＳＯＣの推定にも誤差（ＳＯＣ推定誤差）が発生する。そのためＳＯＣ推定誤差が大きい場合でも、真のＳＯＣがＳＯＣ上限以上になったりＳＯＣ下限以下になったりしないようにするため、図４に示すように、ＳＯＣ推定誤差の絶対値の積算値であるＳＯＣ推定誤差最大値に基づいてＳＯＣ上限に対してはＳＯＣ上限よりも低いＳＯＣ使用上限（例えばＳＯＣ９０％）を設定し、ＳＯＣ下限に対してはＳＯＣ下限よりも高いＳＯＣ使用下限（例えばＳＯＣ１０％）を設定する。充電及び放電をこのＳＯＣ使用上限からＳＯＣ使用下限までの範囲のＳＯＣで行う制御をすることで、過充電及び過放電に対するＳＯＣの安全マージンを確保している。

しかしながら、このＳＯＣ推定方法では、二次電池の連続稼働中には入出力電流の測定誤差が積算されるので、二次電池の連続稼働時間が長くなるほどＳＯＣ推定誤差が大きくなる。これに対応するため、ＳＯＣ推定誤差最大値を大きく設定すると、ＳＯＣ使用可能範囲が狭くなってしまう。これに対して、特許文献１に記載の発明では、電流センサと、電圧センサと、電流積算期間における電流積算残存容量を算出する電流積算算出部と、電圧積算期間における電圧積算残存容量を算出する電圧積算算出部とを備え、電流積算残存容量変化量及び電圧積算率変化量を求め、電流積算残存容量変化量及び電圧積算率変化量から容量維持率を算出しているので、残存容量の算出精度を向上できる。

特開２０１２−５８０２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電池制御システムでは、電流積算算出部と電圧積算算出部とを設ける必要があり、電池制御システムの構成が複雑になるという問題点があった。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で二次電池の残存容量の算出精度を向上した電池制御システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係る電池制御システムの制御方法は、定格上の残存容量上限及び残存容量下限を有する二次電池を備える電池制御システムの制御方法であって、電池制御システムは、電池制御システムの連続稼働時間を測定する連続稼働時間測定手段と、二次電池への入出力電流の積算値を基に二次電池の残存容量を推定する残存容量推定手段と、連続稼働時間を基に、二次電池の残存容量推定値における誤差の絶対値の積算である残存容量推定誤差最大値を求める残存容量推定誤差最大値計算手段とを備え、連続稼働時間を測定開始する第１のステップと、連続稼働時間から、残存容量推定誤差最大値計算手段は残存容量推定誤差最大値を求め、二次電池の定格上の残存容量上限と該残存容量推定誤差最大値との差である残存容量使用上限及び該残存容量推定誤差最大値と二次電池の定格上の残存容量下限との差である残存容量使用下限のうち少なくとも一つを求める第２のステップとを含む。
電池制御システムは、二次電池の開路電圧を測定する開路電圧測定手段をさらに備え、残存容量推定手段が、二次電池の残存容量を推定する第３のステップと、二次電池に入出力電流がないときに開路電圧測定手段が二次電池の開路電圧を測定し、二次電池の開路電圧を基に二次電池の残存容量を求め、第３のステップで推定した残存容量を置き換えて補正する第４のステップと、連続稼働時間の測定値が初期化され、さらに残存容量推定誤差最大値が初期化される第５のステップと、第１のステップから第５のステップまでを繰り返す第６のステップと含んでもよい。
残存容量推定誤差最大値は、連続稼働時間と残存容量推定誤差最大値との関係を示したマップに基づいて求められてもよい。
連続稼働時間と残存容量推定誤差最大との関係を示すマップは、残存容量使用上限を求める場合と、残存容量使用下限を求める場合とで、異なるマップであってもよい。

この発明に係る電池制御システムは、定格上の残存容量上限及び残存容量下限を有する二次電池を備える電池制御システムであって、電池制御システムは、電池制御システムの連続稼働時間を測定する連続稼働時間測定手段と、二次電池への入出力電流の積算値を基に二次電池の残存容量を推定する残存容量推定手段と、連続稼働時間を基に、二次電池の残存容量推定値における誤差の絶対値の積算である残存容量推定誤差最大値を求める残存容量推定誤差最大値計算手段とを備え、連続稼働時間測定手段は、連続稼働時間を測定開始する第１のステップを行い、連続稼働時間から、残存容量推定誤差最大値計算手段は残存容量推定誤差最大値を求め、二次電池の定格上の残存容量上限と該残存容量推定誤差最大値との差である残存容量使用上限及び該残存容量推定誤差最大値と二次電池の定格上の残存容量下限との差である残存容量使用下限のうち少なくとも一つを求める第２のステップを行う。
電池制御システムは、二次電池の開路電圧を測定する開路電圧測定手段をさらに備え、残存容量推定手段が、二次電池の残存容量を推定する第３のステップを行い、二次電池に入出力電流がないときに開路電圧測定手段が二次電池の開路電圧を測定し、二次電池の開路電圧を基に二次電池の残存容量を求め、第３のステップで推定した残存容量を置き換えて補正する第４のステップを行い、連続稼働時間の測定値が初期化され、さらに残存容量推定誤差最大値が初期化される第５のステップを行い、電池制御システムは、第１のステップから第５のステップまでを繰り返してもよい。

この発明によれば、連続稼働時間を測定開始する第１のステップと、連続稼働時間から、残存容量推定誤差最大値計算手段は残存容量推定誤差最大値を求め、二次電池の定格上の残存容量上限と該残存容量推定誤差最大値との差である残存容量使用上限及び該残存容量推定誤差最大値と二次電池の定格上の残存容量下限との差である残存容量使用下限のうち少なくとも一つを求める第２のステップとを含むことにより電池制御システムの残存容量算出精度を向上できる。

この発明の実施の形態に係る電池制御システムの概略図である。 この発明の実施の形態に係る電池制御システムに設けられた電池モジュールの連続稼働時間とＳＯＣ推定誤差最大値との関係を示す図である。 この発明の実施の形態に係る電池制御システムの動作のフローチャートである。 一般的な二次電池のＳＯＣ上限とＳＯＣ使用上限及びＳＯＣ下限とＳＯＣ使用下限との関係を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る電池制御システムの構成を図１に示す。図示しない電動車両の電池制御システム１に、電池パック２が設けられている。電池パック２の内部には、電池モジュール３と、電池ＥＣＵ８とが設けられている。電池モジュール３は、二次電池である複数の電池セル４を直列に接続したものである。電池モジュール３の正極側には、モジュールスイッチ５が接続されている。モジュールスイッチ５の電池モジュール３に接続されていない側からの配線上には、電流センサ６が設けられていて、電池モジュール３の出力電流を測定する。電流センサ６は、例えば、ホール素子を用いた磁気比例式電流センサであるが、それに限定されない。

モジュールスイッチ５の電池モジュール３に接続されていない側からの配線には、メインスイッチ７が接続されている。電池パック２の外側ケースに開口するようにコネクタ９が設けられており、電池モジュール３のモジュールスイッチ５に接続されていない側からの配線と、メインスイッチ７のモジュールスイッチ５に接続されていない側からの配線とがコネクタ９に接続されている。電池ＥＣＵ８は、モジュールスイッチ５と、メインスイッチ７と、電池モジュール３を構成する複数の電池セル４の両端と、コネクタ９と、電流センサ６の出力端子と、温度センサ１４とに接続されている。

電池ＥＣＵ８には、図２（ａ）に示すように、電池制御システム１の連続稼働時間Ｔに対する電池モジュール３のＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの関係を示したマップが記録されている。ここで、連続稼働時間Ｔとは、メインスイッチ７及びモジュールスイッチ５がオンの状態にあることにより電池モジュール３に電力の出力がある時間の積算である。また、ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅはパーセント単位で定義されている。このマップでは、横軸で示される連続稼働時間Ｔが初期値の０である場合は、縦軸で示されるＳＯＣ推定誤差最大値が初期値かつ最小値のａである。連続稼働時間Ｔが増加していくと、電池モジュール３の出力電流の測定誤差が積算されていくので、出力電流の測定誤差に起因するＳＯＣ推定誤差も増大する。その結果、ＳＯＣ推定誤差の絶対値の積算値であるＳＯＣ推定誤差最大値Ｅが増大する。そして、図２（ｂ）に示すように、ある連続稼働時間ＴにおけるＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの値を、電池モジュール３の定格上のＳＯＣ下限に足した値がＳＯＣ使用下限となり、電池モジュール３の定格上のＳＯＣ上限からＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの値を引いた値がＳＯＣ使用上限となる。

コネクタ９は、電池パック２外の配線と接続しているコネクタ１０に接続されることにより、電池パック２内の配線と電池パック２外の配線とを接続する。コネクタ１０は、図示しない車両の稼働に使用する補機１１と、インバータ１２とに接続されている。また、図示しない車両には走行制御ＥＣＵ１３が設けられており、走行制御ＥＣＵ１３は、インバータ１２と、コネクタ１０とに接続されている。電池ＥＣＵ８と、走行制御ＥＣＵ１３とは、コネクタ９とコネクタ１０とを介して配線で接続されていることにより、各種制御情報の通信を行うことができる。

次に、この発明の実施の形態に係る電池制御システムの制御方法の動作を図３のフローチャートを参照して説明する。
図示しない電動車両の使用を開始する前は、メインスイッチ７及びモジュールスイッチ５はオフの状態になっている。ユーザによるキー操作等により、電動車両が起動し使用を開始すると、走行制御ＥＣＵ１３は、電池ＥＣＵ８が記憶している電池制御システム１の連続稼働時間Ｔの情報をリセットする（ステップＳ１）。続いて電池ＥＣＵ８は、電池モジュール３の無負荷時の電圧（開路電圧）を測定し、電池モジュール３のＳＯＣ−開路電圧特性を利用して電池モジュール３のＳＯＣを求める（ステップＳ２）。ここで、電池ＥＣＵ８は開路電圧測定手段を構成する。

電池ＥＣＵ８は、連続稼働時間Ｔに対するＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの関係を示したマップ（図２（ａ）参照）から連続稼働時間Ｔ＝０の時のＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ＝ａを得て、ＳＯＣ上限とＳＯＣ下限とＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ＝ａとからＳＯＣ使用上限（ＳＯＣ上限−ａ）とＳＯＣ使用下限（ＳＯＣ下限＋ａ）（図２（ｂ）参照）とを決定する（ステップＳ３）。ＥＣＵ１３は電池ＥＣＵ８に、メインスイッチ７及びモジュールスイッチ５をオンにする指示を送信し、電池ＥＣＵ８はメインスイッチ７及びモジュールスイッチ５をオンにする（ステップＳ４）。さらに、電池ＥＣＵ８は、連続稼働時間Ｔのカウントを開始する（ステップＳ５）。電池ＥＣＵ８は、電流センサ６にて測定した電池モジュール３の出力電流値の測定を開始する（ステップＳ６）。

電池モジュール３の出力電流値の測定開始後、ある一定時間後に電池ＥＣＵ８は、ステップＳ２で求められたＳＯＣを、電池モジュール３の出力電流の積算値を基に計算された電池モジュール３のＳＯＣ推定値で更新する（ステップＳ７）。ここで、電池ＥＣＵ８は残存容量推定手段を構成する。さらに電池ＥＣＵ８は連続稼働時間Ｔを測定する（ステップＳ８）。ここで、電池ＥＣＵ８は連続稼働時間測定手段を構成する。そして、電池ＥＣＵ８は、積算された連続稼働時間Ｔ＝Ｔ１から、新たなＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ＝Ｅ１（図２（ａ）参照）を得て、新たなＳＯＣ使用上限（ＳＯＣ上限−Ｅ１）とＳＯＣ使用下限（ＳＯＣ上限＋Ｅ１）（図２（ｂ）参照）とを決定する（ステップＳ９）。ここで、ＥＣＵ８は残存容量推定誤差最大値計算手段を構成する。以降は、新たなＳＯＣ使用上限とＳＯＣ使用下限とを使用する。

電動車両の使用中に、走行制御ＥＣＵ１３は、電動車両が使用停止したかどうかを監視している（ステップＳ１０）。ここで、電動車両の使用停止とは、ユーザの操作により電動車両の駐車ブレーキがかけられる等の操作の有無によって判定してもよいし、一定時間車両の走行がない場合に使用停止と判定してもよい。電動車両が使用停止したと判断した場合、走行制御ＥＣＵ１３は電池ＥＣＵ８へ指示を出し、電池ＥＣＵ８はメインスイッチ７とモジュールスイッチ５とをオフにする（ステップＳ１１）。さらに電池ＥＣＵ８は、電池モジュール３の開路電圧を測定し、ＳＯＣ−開路電圧特性を利用して電池モジュール３のＳＯＣを求める（ステップＳ１２）。次に電池ＥＣＵ８は、ステップＳ１２で求めたＳＯＣによって、電池モジュール３からの出力電流の積算値から求めたＳＯＣ推定値を置き換え、すなわち補正し、ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅを、連続稼働時間Ｔ＝０のときの値であるＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ＝ａにリセットする（図２（ａ）参照）（ステップＳ１３）。これにより、ＳＯＣ使用下限はＳＯＣ下限＋ａとなり、ＳＯＣ使用上限はＳＯＣ上限−ａとなる。ＳＯＣ推定値の補正後、電池ＥＣＵ８はＳＯＣ推定値の補正を実施したことを記憶する（ステップＳ１４）。

走行制御ＥＣＵ１３がステップＳ１０にて、電動車両を使用停止していないと判断した場合は、そのまま電池モジュール３からの電流出力を継続する。その後、電池ＥＣＵ８は、開路電圧によるＳＯＣ推定値の補正を実施したかどうかを判定する（ステップＳ１５）。開路電圧によるＳＯＣ推定値の補正を実施した場合は、ステップＳ１から動作を繰りかえす。開路電圧によるＳＯＣ推定値の補正を実施していない場合は、ステップＳ７から動作を繰り返す。ただし、この場合には、ステップＳ１３において補正されたＳＯＣ補正値を更新する。

このように、連続稼働時間Ｔを測定開始して、連続稼働時間Ｔから、電池モジュール３のＳＯＣ推定値における誤差の絶対値の積算であるＳＯＣ推定誤差最大値を求め、電池モジュール３の定格上のＳＯＣ上限と該ＳＯＣ推定誤差最大値との差であるＳＯＣ使用上限及びＳＯＣ推定誤差最大値と電池モジュール３の定格上のＳＯＣ下限との差であるＳＯＣ使用下限のうち少なくとも一つを求めることにより電池制御システムの残存容量算出精度を向上できる。

この実施の形態では、電池モジュール３から電流を出力する（放電）場合を想定して電池モジュール３からの出力電流を利用してＳＯＣ使用下限及びＳＯＣ使用上限の計算をしていたが、電池モジュール３へ電流を入力（充電）して電池モジュール３への入力電流を利用してＳＯＣ使用下限及びＳＯＣ使用上限の計算をしてもよいし、電池制御システム１の連続稼働中に電池モジュール３への放電と充電とが切り替わって行われる場合は、入出力電流からＳＯＣ使用下限及びＳＯＣ使用上限の計算をしてもよい。また、電池モジュール３から放電する場合はＳＯＣ使用下限のみを求めてもよいし、電池モジュール３へ充電する場合はＳＯＣ使用上限のみ求めてもよい。

この実施の形態では、電池ＥＣＵ８によって連続稼働時間Ｔの測定やリセットを実施し、またＳＯＣ使用上限及びＳＯＣ使用下限の計算を実施していたが、走行制御ＥＣＵ１３によって実施してもよい。

この実施の形態では、連続稼働時間Ｔは、メインスイッチ７のオンである時間であったが、電流センサ６で回路を流れる電流を検出している時間であってもよい。

この実施の形態では、電池モジュール３の開路電圧の測定を電池ＥＣＵ８によって測定していたが、電圧計を備える等の方法で測定してもよい。

この実施の形態では、連続稼働時間Ｔに対する電池モジュール３のＳＯＣ推定誤差最大値Ｅを求めるために、連続稼働時間Ｔに対する電池モジュール３のＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの関係を示したマップを使用していたが、連続稼働時間Ｔから電池モジュール３のＳＯＣ推定誤差最大値Ｅが求めることができるのであれば関数等他の手段であってもよい。

この実施の形態では、電池モジュール３の開路電圧を測定して求めていたが、電池モジュール３の充放電電流及び端子電圧から開路電圧を推定する公知の方法等を用いて、電池モジュール３の開路電圧を推定して求めてもよい。

この実施の形態では、電池モジュール３は電池パック２内に１つだけ設けられていたが、複数の電池モジュール３を設けてもよい。その場合、電池モジュール３毎にモジュールスイッチ５を設け、各モジュールスイッチ５のオンである時間を連続稼働時間Ｔとし、ＳＯＣ推定誤差及びＳＯＣ上限及びＳＯＣ下限及びＳＯＣ使用上限及びＳＯＣ使用下限等の各電池モジュール３のパラメータを別々に管理することにより、各電池モジュール３毎に連続稼働時間ＴにおけるＳＯＣ使用上限及びＳＯＣ使用下限を求めることができる。

この実施の形態では、ステップＳ１３で、ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅを、連続稼働時間Ｔ＝０のときの値であるＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ＝ａにリセットしたが、その後、ステップＳ１から繰り返す時に、連続稼働時間Ｔの情報をリセットし（ステップＳ１）、ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ＝ａを得る（ステップＳ３）ので、重複しないようにステップＳ１３での動作を省いてもよい。

この実施の形態では、連続稼働時間Ｔに対する電池モジュール３のＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの関係を、上限／下限の場合で同じにしたが、上限／下限で異なる関係であってもよい。この場合、電池ＥＣＵ８には、連続稼働時間Ｔに対する電池モジュール３の上限用ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの関係を示したマップと、連続稼動時間Ｔに対する電池モジュール３の下限用ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ’の関係を示したマップが記録される。また、連続稼働時間Ｔが初期値の０である場合のＳＯＣ推定誤差最大値の初期値かつ最小値を、上限／下限で異なる値であっても良い。即ち、連続稼働時間Ｔと残存容量推定誤差最大Ｅとの関係を示すマップは、残存容量使用上限を求める場合と、残存容量使用下限を求める場合とで異なるようにする。そして、ある連続稼働時間Ｔにおける上限用ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅの値を、電池モジュール３の定格上のＳＯＣ上限から引いた値がＳＯＣ使用上限となり、連続稼働時間Ｔにおける下限用ＳＯＣ推定誤差最大値Ｅ’の値を、電池モジュール３の定格上のＳＯＣ下限に足した値がＳＯＣ使用下限となる。

１ 電池制御システム、３ 電池モジュール（二次電池)、６ 電流センサ、８ 電池ＥＣＵ（開路電圧測定手段、残存容量推定手段、連続稼働時間測定手段、残存容量推定誤差最大値計算手段）。

Claims (6)

1. 定格上の残存容量上限及び残存容量下限を有する二次電池を備える電池制御システムの制御方法であって、
   前記電池制御システムは、
   前記電池制御システムの連続稼働時間を測定する連続稼働時間測定手段と、
   前記二次電池への入出力電流の積算値を基に前記二次電池の残存容量を推定する残存容量推定手段と、
   前記連続稼働時間を基に、前記二次電池の残存容量推定値における誤差の絶対値の積算である残存容量推定誤差最大値を求める残存容量推定誤差最大値計算手段と
   を備え、
   前記連続稼働時間を測定開始する第１のステップと、
   前記連続稼働時間から、前記残存容量推定誤差最大値計算手段は前記残存容量推定誤差最大値を求め、前記二次電池の定格上の残存容量上限と該残存容量推定誤差最大値との差である残存容量使用上限及び前記該残存容量推定誤差最大値と前記二次電池の定格上の残存容量下限との差である残存容量使用下限のうち少なくとも一つを求める第２のステップと
   を含む、電池制御システムの制御方法。
2. 前記電池制御システムは、前記二次電池の開路電圧を測定する開路電圧測定手段をさらに備え、
   前記残存容量推定手段が、前記二次電池の残存容量を推定する第３のステップと、
   前記二次電池に入出力電流がないときに前記開路電圧測定手段が前記二次電池の開路電圧を測定し、前記二次電池の開路電圧を基に前記二次電池の残存容量を求め、前記第３のステップで推定した残存容量を置き換えて補正する第４のステップと、
   前記連続稼働時間の測定値が初期化され、さらに前記残存容量推定誤差最大値が初期化される第５のステップと、
   前記第１のステップから第５のステップまでを繰り返す第６のステップと
   を含む、請求項１に記載の電池制御システムの制御方法。
3. 前記残存容量推定誤差最大値は、前記連続稼働時間と前記残存容量推定誤差最大値との関係を示したマップに基づいて求められる、請求項１〜２のいずれか一項に記載の電池制御システムの制御方法。
4. 前記連続稼働時間と前記残存容量推定誤差最大値との関係を示すマップは、前記残存容量使用上限を求める場合と、前記残存容量使用下限を求める場合とで、異なるマップである、請求項３に記載の電池制御システムの制御方法。
5. 定格上の残存容量上限及び残存容量下限を有する二次電池を備える電池制御システムであって、
   前記電池制御システムは、
   前記電池制御システムの連続稼働時間を測定する連続稼働時間測定手段と、
   前記二次電池への入出力電流の積算値を基に前記二次電池の残存容量を推定する残存容量推定手段と、
   前記連続稼働時間を基に、前記二次電池の残存容量推定値における誤差の絶対値の積算である残存容量推定誤差最大値を求める残存容量推定誤差最大値計算手段と
   を備え、
   前記連続稼働時間測定手段は、前記連続稼働時間を測定開始する第１のステップを行い、
   前記連続稼働時間から、前記残存容量推定誤差最大値計算手段は前記残存容量推定誤差最大値を求め、前記二次電池の定格上の残存容量上限と該残存容量推定誤差最大値との差である残存容量使用上限及び前記該残存容量推定誤差最大値と前記二次電池の定格上の残存容量下限との差である残存容量使用下限のうち少なくとも一つを求める第２のステップを行う、電池制御システム。
6. 前記電池制御システムは、前記二次電池の開路電圧を測定する開路電圧測定手段をさらに備え、
   前記残存容量推定手段が、前記二次電池の残存容量を推定する第３のステップを行い、
   前記二次電池に入出力電流がないときに前記開路電圧測定手段が前記二次電池の開路電圧を測定し、前記二次電池の開路電圧を基に前記二次電池の残存容量を求め、前記第３のステップで推定した残存容量を置き換えて補正する第４のステップを行い、
   前記連続稼働時間の測定値が初期化され、さらに前記残存容量推定誤差最大値が初期化される第５のステップを行い、
   前記電池制御システムは、前記第１のステップから第５のステップまでを繰り返す、請求項５に記載の電池制御システム。

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