JP2001021629A - 負荷、温度変動による容量補正機能付きバッテリの残存容量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度の変動又は走行中における負荷の変動が
あっても、急激に容量表示を変化させない負荷、温度変
動による容量補正機能付きバッテリの残存容量測定装置
を得る。 【解決手段】 バッテリ電圧推定処理部１１がバッテリ
の電流及び電圧を一定時間毎に複数収集して近似直線を
求める。そして、残存容量算出処理部１２がこの近似直
線と基準電流とからバッテリの電圧を推定し、推定電圧
と、満充電電圧推定処理部によって新たに設定された満
充電電圧と放電終止電圧とからバッテリの残存容量を求
める。このとき、満充電電圧消去処理部１４は残存容量
が求められる毎に、満充電電圧を消去し、満充電電圧推
定処理部１５が満充電電圧が消去される毎に、今回の推
定電圧と放電終止電圧と予め設定されている最大容量と
から新たな満充電電圧を推定し、この推定した新たな満
充電電圧を新たに設定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走行中において負
荷及び温度が変動しても残存容量を急激に変化させない
負荷、温度変動による容量補正機能付きバッテリの残存
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
電気自動車に用いられる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を、
以下の式１に示すようにして求め、これを表示してい
た。

【０００４】

【数１】 また、電気自動車のバッテリというのは、走行終了時に
車庫等において、満充電にされる。

【０００５】この数１の意味は、一定の条件（電解液の
温度２０度、充電電流１０Ａ）でフル充電（１００％）
としたとき、放電可能容量（残存容量）は図７の（ａ）
に示すように台形の全面積で表現される。

【０００６】そして、例えば走行中においては推定電圧
は図７の（ａ）の太線から右に向かって放電終止電圧ま
で移動する。

【０００７】すなわち、ある放電時点における推定電圧
Ｖｎが図７の（ａ）に示す太線の位置にあるときは、現
在の残存容量は図７の（ｂ）に示すように台形の全面積
に対する斜線の面積で表すことができるとした式であ
る。

【０００８】一方、前述の推定電圧Ｖｎ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Ｉ
ｏとから現在のバッテリの推定電圧Ｖｎを推定する。

【０００９】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残存容量Ｓ
ＯＣを求めて表示させていた。

【００１０】すなわち、図８に示すように、充電完了後
（フル充電）のおける動作開始（イグニションオン、走
行開始）の残存容量は高温（基準温度：２０℃）のとき
に１００％表示となり、以後は走行距離に伴って減少す
る残存容量特性となって高い精度の残存容量を得てい
た。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
バッテリの放電可能容量（残存容量）は、温度によって
変化し、図９に示すように低温時には、高温時と比べて
容量が少ないという特性をもっている。

【００１２】例えば、図１０に示すように、負荷に対し
て一定の放電電流を与えた際のバッテリ（２０℃の温度
で０．０５Ｃの放電電流が与えられた際に定格（１００
％）の電流量を放電可能なもの）の電解液の温度が３０
℃、２０℃、１０℃又は０℃であった場合の放電可能容
量（残存容量）は、それぞれ相違している。

【００１３】すなわち、低温で放電電流が大きいほど、
定格の放電容量に対する実際に放電可能な電流容量が少
なく、また温度が高くなる程に、放電可能な電流容量が
多くなっている。

【００１４】従って、上記のような数１に基づいて残存
容量を求める方式は、ある一定の放電電流（負荷が一
定）で電気自動車が走行した場合に有効であり、乗車が
一人から二人、三人になった場合や、荷物を降ろした時
などは、負荷が急激変化（放電電流が急激に変化）する
ことになるため、バッテリの残存容量が突然と、急激に
下降又は上昇することになるという課題があった。

【００１５】例えば、走行４０分の時点で負荷が突然と
小さくなったときは図１１に示すように、残存容量が約
４３％から６０％に急激に上昇し、また負荷が突然と大
きくなったときは図１２に示すように残存容量６０％か
ら４３％に急激に下降する。このため、定量的なガソリ
ン車のＦＵＥＬメータを見慣れたドライバーにとっては
不自然に見えるという課題があった。

【００１６】また、走行中においても、バッテリの温度
は変化し、残存容量も変化している。特に、ハイブリッ
ト車両においては、走行中における大電力の回生電力を
充電することで常に所定の残存容量を維持するものであ
るから残存容量に誤差が生じていると過充電、過不足に
なることがある。

【００１７】ところが、従来のような残存容量測定装置
は、走行中に温度が変化しても又は負荷が急激に変化し
ても満充電電圧を一定（基準温度での満充電電圧）とし
て数１の式で現在の満充電容量を求めることになるから
ハイブリット車両には適用できない。

【００１８】本発明は以上の課題を解決するためになさ
れたもので、温度の変動又は走行中における負荷の変動
があっても、急激に容量表示を変化させない負荷、温度
変動による容量補正機能付きバッテリの残存容量測定装
置を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の負荷、温度変動
による容量補正機能付きバッテリの残存容量測定装置
は、バッテリ電圧推定処理部がバッテリの電流及び電圧
を一定時間毎に複数収集して近似直線を求める。

【００２０】そして、残存容量算出処理部がこの近似直
線と基準電流とからバッテリの電圧を推定し、推定電圧
と、満充電電圧推定処理部によって新たに設定された満
充電電圧と放電終止電圧とからバッテリの残存容量を求
める。

【００２１】一方、満充電電圧消去処理部は負荷の変動
中（走行中には）には、残存容量が求められる毎に、満
充電電圧を消去し、満充電電圧推定処理部が満充電電圧
が消去される毎に、今回の推定電圧と放電終止電圧と予
め設定されている最大容量とから新たな満充電電圧を推
定し、この推定した新たな満充電電圧を新たに設定して
いる。

【００２２】すなわち、走行中（走行して停止して再び
走行を含む）においては負荷が突然と変動して、推定電
圧Ｖｎが急激に変動すると、この推定電圧からの満充電
電圧が新たな満充電電圧にされ、この新たな満充電電圧
を用いて残存容量が求められている。

【００２３】また、電源が投入された直後は、初期容量
設定処理部によって、この時点での推定電圧を満充電電
圧とされるので、初期残存容量が基準温度でフル充電し
たときの最大容量で表示される。つまり、電源投入直後
は１００％表示される。

【００２４】

【発明の実施の形態】バッテリの容量表示が急激に変化
する原因は、最初から放電可能な容量を固定値にしてい
ることにある。すなわち、バッテリの残存容量が１００
％に相当する満充電電圧を固定値としていることにあ
る。

【００２５】そこで、満充電電圧を残存容量の算出の直
前に抽出することによって、電気自動車の負荷状況や温
度条件に従った最適な残存容量を得るようにする。

【００２６】図１は本実施の形態の負荷、温度変動によ
る容量補正機能付きバッテリの残存容量測定装置の概略
構成図である。

【００２７】図１に示すバッテリコントローラ１は、モ
ータ２（オールタネータ）に対する駆動電力を放電した
り、モータ２からの回生電力を充電するバッテリ３の残
存容量を求めるとき、そのときのバッテリの推定電圧Ｖ
ｎと、この推定電圧値にした満充電電圧とから求める。

【００２８】このバッテリコントローラ１は、バッテリ
３からの放電電流又は充電電流を検出する電流センサ６
とバッテリ３の電圧を検出する電圧センサ７にと接続さ
れ、この検出電流Ｉ及び検出電圧Ｖを波形整形する入力
回路８と、この入力回路８からの電流Ｉ及び電圧Ｖを一
定時間毎にサンプリングして、所定個数集まったときの
平均化データを複数集めて現在の電圧を推定し、この推
定電圧Ｖｎを満充電電圧として残存容量ＳＯＣを求める
バッテリ残存容量計算装置１０（マイコン）とを備えて
いる。

【００２９】そして、バッテリ残存容量計算装置１０
は、図１に示すように、バッテリ電圧推定処理部１１
と、残存容量算出処理部１２と、初期容量設定処理部１
３と、初期容量設定処理部１３と、満充電電圧消去処理
部１４と、満充電電圧推定処理部１５とを備えている。

【００３０】バッテリ電圧推定処理部１１は、バッテリ
３の電流Ｉ及び電圧Ｖ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、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。

【００３１】残存容量算出処理部１２は、バッテリ電圧
推定処理部１１で推定電圧Ｖｎが求められる毎に、その
バッテリの推定電圧Ｖｎと、予め設定されている放電終
止電圧Ｖｅと、推定された満充電電圧Ｖｓとを読み、上
記の数１に基づいて残存容量ＳＯＣを求めて表示させ
る。

【００３２】初期容量設定処理部１３は、イグニッショ
ンオンに伴って、バッテリ電圧推定処理部１１で求めら
れた推定電圧Ｖｎを起動直後の推定電圧Ｖｎｏとして読
み込み、この推定電圧Ｖｎｏを、満充電電圧Ｖｓ（Ｖｓ
＝Ｖｎｏ）にして起動残存容量算出処理部１２に設定す
ることで、上記の数１に基づいて残存容量を求めさせ
る。すなわち、イグニッションオン直後は初期残存容量
ＳＯＣｆを１００％表示させる。

【００３３】満充電電圧消去処理部１４は、走行中信号
が入力している間は、残存容量算出処理部１２を監視
し、残存容量ＳＯＣが求められたときに、前回、設定さ
れた満充電電圧Ｖｓを消去する。

【００３４】満充電電圧推定処理部１５は、バッテリ電
圧推定処理部１１によってバッテリ３の現在の推定電圧
Ｖｎが求められる毎に、かつ現在の満充電電圧Ｖｓが消
去される毎に、推定電圧Ｖｎと、放電終止電圧Ｖｅと、
予め設定されている満充電容量（１００％）とから推定
電圧Ｖｎを得ることができるフル充電での満充電電圧Ｖ
ｓ´を推定した後に、この推定した満充電電圧Ｖｓ´
に、前回の満充電電圧Ｖｓを更新する。

【００３５】上記のように構成された走行中満充電電圧
補正機能を有するバッテリの容量測定装置の動作を図２
のフローチャートを用いて以下に説明する。

【００３６】初めに予め満充電容量１００％、放電終止
電圧、サンプリング時間、平均個数等を予め設定する初
期設定を行う（Ｓ２０１）。

【００３７】次に、イグニッションの投入に伴って（Ｓ
２０２）、初期残存容量設定処理部１３が残存容量ＳＯ
Ｃｆを１００％表示させる（Ｓ２０３）。

【００３８】この初期残存容量ＳＯＣｆは、イグニッシ
ョンオンに伴ってバッテリ３から放電電流が所定の間流
れたときの複数の電圧Ｖ、電流Ｉに基づいてバッテリ電
圧推定処理部１１がイグニッションオン直後の推定電圧
Ｖｎｏを求めたとき、初期残存容量設定処理部１３がこ
の推定電圧Ｖｎｏを満充電電圧Ｖｓとして残存容量算出
処理部１２に設定する。

【００３９】すなわち、残存容量算出処理部１２で用い
る残存容量算出の式を数２に示すようにする。

【００４０】

【数２】 すなわち、温度（高温、低温）によって、バッテリ３の
満充電電圧が変動していても、その電圧を無視してイグ
ニッションオン直後は初期の残存容量を１００％とした
表示を行っている。

【００４１】次に、アクセル走行していることを確認し
て（Ｓ２０４）、バッテリ電圧推定処理部１１が入力回
路８からの電流Ｉ及び電圧Ｖ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
（Ｓ２０５）。この推定電圧Ｖｎｏの算出の詳細は、特
開平８ー６２３１０号公報、特開平８ー２４０６４７号
公報、特願平１１ー１４７２０１号、特願平１１ー１４
７２０２号等においても詳細に述べている。

【００４２】そして、満充電電圧推定処理部１５がこの
推定電圧Ｖｎと、予め設定されているフル充電時の満充
電容量（基準温度でフル充電したときの容量）の値（１
００％）と、予め設定されている放電終止電圧Ｖｅとか
ら以下の数３に示す式で、推定電圧Ｖｎを得ることがで
きる満充電電圧Ｖｓ´を推定する。

【００４３】

【数３】 そして、残存容量算出処理部１２が上記の数１に示す式
によって走行中における現在の残存容量ＳＯＣを求めて
表示させる（Ｓ２０７、２０８）。

【００４４】この残存容量の表示に当たっては、残存容
量が急激に変化して表示されないように前回の残存容量
に対して現在の残存容量を１％だけ減算して表示させる
ことも実施している。この容量の減算処理については、
特開平９ー３１８７１７にも詳細に述べられている。

【００４５】次に、満充電電圧消去処理部１４がイグニ
ッションのオフ（又は走行停止）かどうかを判定し（Ｓ
２０９）、イグニッションオフではないと判定したとき
は、ステップＳ２０５で設定した満充電電圧Ｖｓを消去
して処理をステップＳ２０４に戻す。

【００４６】つまり、本実施の形態では、残存容量が求
められる毎に、前回の満充電電圧Ｖｓを消去し、今回の
推定電圧Ｖｎが求められたとき、この推定電圧Ｖｎを得
るための満充電電圧Ｖｓを推定し、この推定した満充電
電圧Ｖｓ´で今回の残存容量ＳＯＣを求めていくことに
なる。

【００４７】次に、電圧を縦軸に残存容量を横軸にとっ
た図３の説明図を用いて説明する。フル充電した後に、
電気自動車を長期間放置又は急激な温度変化があってイ
グニッションを投入すると、図３の（ａ）に示すように
バッテリ３の推定電圧Ｖｎが急激に変化して残存容量Ｓ
ＯＣが急激に変化する。

【００４８】あるいは走行中においても、荷物又は人員
が増減すると、図３の（ａ）に示すように残存容量が急
激に変化する。

【００４９】そこで、本実施の形態では、図３の（ｂ）
に示すように残存容量ＳＯＣが求められる毎に、旧満充
電電圧Ｖｓを消去し、今回の推定電圧Ｖｎが求められた
とき、この推定電圧Ｖｎを得るための新満充電電圧Ｖｓ
を推定し、この推定した満充電電圧Ｖｓ´で今回の容量
特性Ａを定義して残存容量ＳＯＣを求めている。

【００５０】すなわち、走行中（走行して停止して再び
走行を含む）においては図４に示すように、フル充電し
た後に負荷が突然と大きくなり、求めた推定電圧Ｖｎが
急激に低下すると、この推定電圧Ｖｎａから直線的に所
定の傾斜で延長した満充電電圧軸における交点を、その
推定電圧Ｖｎａを得るための満充電電圧Ｖｓａ´（この
電圧で１００％）として現在の残存容量を求めさせてい
る。

【００５１】また、満充電電圧Ｖｓを満充電電圧Ｖｓａ
´として走行しているとき（例えば負荷変動無し；満充
電電圧はＶｓａ´）、負荷が突然と小さくなって推定電
圧Ｖｎが急激に上昇すると、この推定電圧Ｖｎｂから直
線的に所定の傾斜で延長した満充電電圧軸における交点
を、その推定電圧Ｖｎａを得るための満充電電圧Ｖｓｂ
´（この電圧で１００％）として現在の残存容量を求め
させている。

【００５２】従って、残存容量を縦軸、時間を横軸にし
た図５の説明図で説明すると、従来は負荷が突然と大き
くなると（放電電流が大）、点線に示すように残存容量
も急激に変化してドライバーに違和感を与えていたが、
本実施の形態では、容量が変化したときの推定電圧Ｖｎ
ａでの満充電電圧Ｖｓａ´（１００％）を数３に示す式
で求めているので、容量特性は太線に示すようになる。
すなわち、急激に負荷が大きくなっても残存容量は急激
に下降しないで序々に下降する。

【００５３】また、従来は負荷が突然と小さくなると
（放電電流が小）、図６の点線に示すように残存容量も
急激に上昇してドライバーに違和感を与えていたが、本
実施の形態では、容量が上昇したときの推定電圧Ｖｎｂ
での満充電電圧Ｖｓｂ´（１００％）を数３に示す式で
求めているので、容量特性は太線に示すようになる。す
なわち、急激に負荷が小さくなっても残存容量は急激に
上昇しないで序々に下降する。

【００５４】なお、上記実施の形態では電気自動車に用
いられるバッテリの容量の測定を実施の形態としたが、
エンジン、オルタネータ等からなるハイブリット車両の
バッテリの容量の測定に適用させてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、走行中
（走行して停止して再び走行を含む）においては負荷が
突然と変動して、推定電圧Ｖｎが急激に変動すると、こ
の推定電圧からの満充電電圧が新たな満充電電圧にさ
れ、この新たな満充電電圧を用いて残存容量が求められ
る。

【００５６】このため、電気自動車又はハイブリット車
両に適用したときは、乗車が一人から二人、三人になっ
た場合や、荷物を降ろした時或いは走行中において温度
が変化しても、残存容量が急激に下降又は上昇すること
がないという効果が得られている。

【００５７】従って、負荷の変動によって残存容量の表
示が急激に変化することがないのでドライバーに違和感
を与えない。

【００５８】また、電源投入直後は、電源投入直後のバ
ッテリの推定電圧を満充電電圧にするので、充電完了後
に長い間放置してあったり、或いは充電時の電源直後の
温度が相違していても、そのときの推定電圧が満充電電
圧となるので、電源投入直後に残存容量が急激に変化す
ることがないという効果が得られている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の負荷、温度変動による容量補正
機能付きバッテリ残存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】本実施の形態による満充電電圧の補正を説明す
る説明図である。

【図４】本実施の形態の走行中における負荷変動に伴う
満充電電圧の補正を説明する説明図である。

【図５】本実施の形態による負荷が突然大きくなったと
きの容量の遷移を説明する説明図である。

【図６】本実施の形態による負荷が突然小さくなったと
きの容量の遷移を説明する説明図である。

【図７】一般的な残存容量の算出方法を説明する説明図
である。

【図８】バッテリの容量特性と走行距離の関係を説明す
る説明図である。

【図９】高温時と低温時のバッテリの容量特性を説明す
る説明図である。

【図１０】放電電流と温度と容量の関係を説明する説明
図である。

【図１１】負荷が突然と小さくなったときの課題を説明
する説明図である。

【図１２】負荷が突然と大きくなったときの課題を説明
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 モータ ３ バッテリ ６ 電流センサ ７ 電圧センサ １１ バッテリ電圧推定処理部 １２ 残存容量算出処理部 １３ 初期容量設定処理部 １４ 満充電電圧消去処理部 １５ 満充電電圧推定処理部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷に接続された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から前記負荷に流れ
   る電流を検出する電流センサとを有し、この電流及び電
   圧を一定時間毎に複数収集して近似直線を求め該近似直
   線と基準電流とから前記バッテリの電圧を推定し、推定
   電圧と、設定された満充電電圧と放電終止電圧とから前
   記バッテリの残存容量を求めるバッテリの残存容量測定
   装置において、 前記負荷の変動中には、前記残存容量が求められる毎
   に、前記満充電電圧を消去する満充電電圧消去処理部
   と、 前記満充電電圧が消去される毎に、今回の前記推定電圧
   と前記放電終止電圧と予め設定されている最大容量とか
   ら新たな満充電電圧を推定し、この推定した新たな満充
   電電圧を新たに設定する満充電電圧推定処理部とを有す
   ることを特徴とする負荷、温度変動による容量補正機能
   付きバッテリの残存容量測定装置。
2. 【請求項２】 電源の投入直後に、前記推定電圧を満充
   電電圧として設定させることによって、残存容量を基準
   温度時の満充電電圧に相当する最大容量で表示にさせる
   初期残存容量設定処理部とを有することを特徴とする請
   求項１記載の負荷、温度変動による容量補正機能付きバ
   ッテリの残存容量測定装置。
3. 【請求項３】 前記推定電圧からの残存容量の算出は、 前記電流と電圧とを所定個収集して平均化し、該平均化
   データが一定数個集まったときの相関が強い相関を示し
   ているとき、これらの平均化データの近似直線を求め、
   この近似直線と基準電流とから前記推定電圧を推定する
   バッテリ電圧推定処理部と、 前記推定電圧が求められる毎に、設定されたを満充電電
   圧及び放電終止電圧を用いて、前記満充電電圧での総容
   量を求めると共に前記推定電圧と放電終止電圧とから推
   定電圧を算出した時点での前記バッテリの容量を求め、
   この容量と前記総容量とから残存容量を求める残存容量
   算出処理部とを用いて算出していることを特徴とする請
   求項１又は２記載の負荷、温度変動による容量補正機能
   付きバッテリの残存容量測定装置。
4. 【請求項４】 前記負荷は、電気自動車の車を駆動する
   モータ或いはエンジン及びモータとからなるハイブリッ
   ト機構部であり、 前記満充電電圧推定処理部は、走行中において残存容量
   が求められる毎に、前記満充電電圧を消去して前記新た
   な満充電電圧を推定して新たに設定することを特徴とす
   る請求項１、２又は３記載の負荷、温度変動による容量
   補正機能付きバッテリの残存容量測定装置。