JP4780965B2 - 電池の残容量検出方法及び電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池の残容量を検出する方法及び電源装置に関し、例えば車両走行用モータを駆動する電源装置に含まれる電池の残容量を検出する残容量検出方法及び電源装置に関する。

電池の残容量（state-of-charge（ＳＯＣ））は、一般に満充電した状態から放電容量を減算して検出される。放電容量は放電電流を積算して演算される。電池の残容量は、電流と時間の積、すなわちＡｈで表示され、又は満充電した容量（Ａｈ）を１００％とし、満充電容量に対する比率（％）で表すことができる。いずれの状態で残容量を表示するにしても、満充電された状態から放電した容量を減算して検出される。ただ、放電電流の積算値で検出される残容量は、常に電池の正しい残容量と一致するとは限らない。放電電流の大きさや温度が残容量検出の誤差の原因となるからである。

自動車用バッテリの容量を運転中においても精度よく検知できる容量検知方法として、特許文献１に記載の方法が開発されている。この方法によれば、大電流放電中における互いに異なる値を示す複数時点のバッテリ放電電流と、該各放電電流流出時のバッテリ端子電圧とを検出し、該検出した電流及び電圧値から当該バッテリの内部抵抗及び起電力を算出し、予め実験的に求めたバッテリの容量と内部抵抗と起電力との相関関係を表す関数を用いて前記算出した内部抵抗及び起電力から当該バッテリの容量を算出する。
特開昭５６−１２６７７６号公報

しかしながら、電源に使用する電池によってはメモリ効果が発生し、これにより残容量の特定が困難になることがあった。メモリ効果とは、ニッケル−カドミウム電池やニッケル水素電池等を浅い放電深度でサイクル充放電した場合に、深い放電時に一時的に放電電圧が低下する現象である。メモリ効果によって電池の残容量が変化するため、正確な電池の残容量を推定することができない。残容量の検出を誤ると、電池の充放電の際に過大な負荷がかかる動作を行ってしまうことがあり、電池の寿命を著しく低下させる原因となる。

また一方で、電池が自己放電することによっても残容量が変化する。これらの要因によって電池の残容量の推測は困難となり、正確な残容量を把握することは極めて困難であった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、電池の残容量をより正確に検出可能な電池の残容量検出方法及び電源装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の電池の残容量検出方法は、メモリ効果を発生し得る電池に対し、起電力Ｖ_oと残容量との相関関係を利用して、残容量を演算する電池の残容量検出方法であって、使用後の電池において、初期起電力Ｖ_{o ini}と残容量との相関関係に基づき、初期起電力Ｖ_{o ini}からメモリ効果に基づく発生量Ｖ_mとメモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）を乗じた値を減算した改訂起電力Ｖ_{o reset}と残容量との相関関係を求めて、使用後の電池の起電力Ｖ_oを、改訂起電力Ｖ_{o reset}として、残容量を求める。この方法によって、完全な放電を行うことなく正確な電池の残容量を検出することが可能となる。

また、メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）は、演算する以前の電池駆動状態で使用する残容量に相関する値である。これにより、接続機器の駆動中に積算された積算残容量を接続機器の駆動を停止している期間中により正確な推定残容量に補正できるので、残容量の検出を正確に行うことが可能となる。

さらに、メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）は、電池駆動状態で使用する残容量が、メモリ効果の大きい領域に多いとき１に近づけ、メモリ効果の小さい領域に多いときゼロに近づけるよう制御する。

さらにまた、メモリ効果に基づく発生量Ｖ_mは、所定時間毎に、充電又は放電電流値、電池の劣化に伴う補正係数、及び電池温度による補正係数を乗算した値を積算した値と、正の相関関係を有し、電池温度による補正係数は、電池温度と正の相関関係を備え、電池の劣化に伴う補正係数は、所定時間毎に、充電又は放電電流値、及び第２の電池温度による補正係数を乗算した値を積算した値と、正の相関関係を有する値であって、第２の電池温度による補正係数は、電池温度と正の相関関係を備える。

さらにまた、本発明の第２の電池の残容量検出方法は、起電力Ｖ_oにおけるメモリ効果に基づく発生量Ｖ_mとメモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）を乗じた値と、起電力Ｖ_oにおける自己放電量に対応した電圧低下分Ｖ_msとを比較して、自己放電量に対応した電圧低下分Ｖ_msが大きい場合は、使用後の電池において、初期起電力Ｖ_{o ini}と残容量との相関関係に基づき、初期起電力Ｖ_{o ini}から自己放電量に対応した電圧低下分Ｖ_msを減算した第２の改訂起電力Ｖ_{o reset}と残容量との相関関係を求めて、使用後の電池の起電力Ｖ_oを、第２の改訂起電力Ｖ_{o reset}として、残容量を求める。

本発明の電池の残容量検出方法は、メモリ効果の発生状態に拘わらず正確に電池の残容量を検出できるという優れた特長を有する。特に、メモリ効果の発生による残容量の変動を、電池温度などの影響を加味したテーブルを用いて予測している。テーブルを参照して経験値から演算する方法は、簡単な構成で確実に、かつ比較的精度よく各時点における電池の残容量を検出できる。またこの方法によれば、メモリ効果のみならず、自己放電による誤差をも考慮した残容量検出が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池の残容量検出方法及び電源装置を例示するものであって、本発明は電池の残容量検出方法及び電源装置を以下のものに特定しない。また特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（電源装置１００）

図１に、本発明の一実施の形態に係る電源装置の構成を示すブロック図を示す。この図に示す電源装置１００は、二次電池２２を含む電池ユニット２０と、残容量検出装置１０とを備える。残容量検出装置１０は、電池の電圧を検出する電圧検出部１２と、電池の温度を検出する温度検出部１４と、電池に流れる電流を検出する電流検出部１６と、電圧検出部１２と温度検出部１４と電流検出部１６から入力される信号を演算して電池の残容量を検出すると共に、残容量や電池温度から電池ユニット２０の最大制限電流値を検出する残容量演算部１８と、演算された残容量や最大制限電流値を接続機器に伝送する通信処理部１９とを備えている。通信処理部１９は接続機器通信端子３０に接続している。通信処理部１９は、接続機器通信端子３０を介して接続機器に接続されて、残容量や最大制限電流値を示す信号を接続機器に伝送する。この例では、接続機器として自動車等の車両を用い、電源装置１００を車両に搭載して車両を走行させるモータＭを駆動する。通信処理部１９は車両に設けられた車両側制御部と接続されて通信を行う。以下、車両用の電源装置について説明する。

電池ユニット２０に内蔵される二次電池２２は、ニッケル水素電池である。ただし、電池はニッケルカドミウム電池とすることもできる。また、電池は一つ又は複数を直列、または並列あるいは直列と並列を組み合わせて接続している。

電圧検出部１２は、電池ユニット２０に内蔵される二次電池２２の電圧を検出する。図の電池ユニット２０は、複数の二次電池２２を直列に接続しているので、電圧検出部１２は直列に接続している電池のトータル電圧を検出している。電圧検出部１２は、検出した電圧をアナログ信号として残容量演算部１８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部１８に出力する。電圧検出部１２は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池電圧を検出して、検出した電圧を残容量演算部１８に出力する。

温度検出部１４は、電池ユニット２０に内蔵される電池の温度を検出する温度センサ１７を備える。温度センサ１７は、電池の表面に接触し、あるいは熱伝導材を介して電池に接触し、あるいはまた電池の表面に接近して電池に熱結合されて電池温度を検出する。温度センサ１７はサーミスタである。ただし、温度センサ１７には、ＰＴＣやバリスタ等、温度を電気抵抗に変換できる全ての素子を使用できる。また、温度センサ１７には、電池から放射される赤外線を検出して電池に非接触な状態で温度を検出できる素子も使用できる。温度検出部１４も、検出した電池温度をアナログ信号で残容量演算部１８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部１８に出力する。温度検出部１４は一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に電池温度を検出して、検出した電池温度を残容量演算部１８に出力する。

電流検出部１６は、電池と直列に抵抗素子を接続し、この抵抗素子の両端に誘導される電圧を検出して、電池に流れる放電電流を検出する。抵抗素子は低抵抗な抵抗器である。ただ抵抗素子には、トランジスタやＦＥＴ等の半導体も使用できる。電池の充電電流と放電電流は電流が流れる方向が逆であるから、抵抗素子に誘導される正負の極性が反転する。したがって、抵抗素子の極性で放電電流と判定して、抵抗素子に誘導される電圧で電流を検出できる。電流が抵抗素子に誘導される電圧に比例するからである。この電流検出部１６は電池の放電電流を正確に検出できる。ただし、電流検出部１６には、リード線に流れる電流で外部に漏れる磁束を検出して電流を検出する構造とすることもできる。電流検出部１６も、検出した放電電流をアナログ信号で残容量演算部１８に出力し、あるいはＡ／Ｄコンバータでアナログ信号をデジタル信号に変換して残容量演算部１８に出力する。電流検出部１６は、一定のサンプリング周期で、あるいは連続的に放電電流を検出して、検出した放電電流を残容量演算部１８に出力する。

電圧検出部１２と温度検出部１４と電流検出部１６から、一定のサンプリング周期でデジタル値の信号を残容量演算部１８に出力する装置は、各々の検出部から残容量演算部１８にデジタル信号を出力するタイミングをずらせて、順番にデジタル信号を残容量演算部１８に出力する。

残容量演算部１８は、電池の放電電流を積算して放電容量を検出し、検出した放電容量を減算して電池の残容量を演算する。例えば、満充電容量を１０００ｍＡｈとする電池が５００ｍＡｈ放電されると、残容量は５０％となる。したがって、満充電された電池が放電されるに従って、残容量は次第に低下する。さらに、残容量演算部１８は、後述する方法で残容量を補正する。補正に関する必要な値やデータ、設定は、残容量演算部１８に接続しているメモリ１１に記憶される。メモリ１１はＥ^２ＰＲＯＭ等の不揮発性メモリやＲＡＭなどの揮発性メモリが利用できる。

なお、後述するようにパルス放電を利用して残容量を検出しているが、このような放電は、別途、車両側に設置された抵抗（図示せず）にて放電する。また、このような放電のための抵抗については、特開２００２−２６７６９８号に開示されるようなプリチャージ抵抗を利用した放電回路を設けて、プリチャージ抵抗にて放電することもできる。
（電池の残容量の検出方法）

電源装置で車両を駆動するには、電池の残容量を正確に検出することが必要となる。電池の残容量は、一般には充電電流と放電電流を検出し、検出した電流を積算して演算される。この方法は、充電電流から放電電流を減算して残容量を演算する。充電容量は充電電流を積算して演算される。放電容量は放電電流を積算して演算される。充電容量と放電容量から残容量を演算する方式は、二次電池２２をニッケル水素電池とし、あるいはニッケルカドミウム電池とする場合も残容量を演算できる。ただ、残容量は放電電流や電池温度によって誤差が生じる。したがって、正確に把握することが重要となる。
（実施例１）

まず、実施例１について以下に説明する。車の運転中は、図２に示すようにＳＯＣは変化しており、車の運転中の電池容量の演算は、電流センサによる積算を利用して行われている。そして、本実施例においては、運転を停止した状態で、以下に詳細に説明するようにパルス放電を行うことで電池の初期起電力Ｖ_{o ini}に基づいて、改訂起電力Ｖ_{o reset}に対応する残容量を求める。なお、運転を停止した状態とは電池による車の駆動すなわち電池駆動をしていない状態を意味し、実施例１ではキーオフ時を採用しているが、キーオン時とすることもできる。改訂起電力Ｖ_{o reset}に対応する残容量によって、キーオフの期間中により正確な残容量を検出して、上述の運転中の電流積算により求めた電池容量に代わって、改訂起電力Ｖ_{o reset}に対応する残容量に書き換え、即ち、補正する。これにより、正確な残容量を得ることができる。そして、車両の電源装置として利用され、車両の駆動開始時に電力を必要とする場合は、残容量を正確に知ることで、車両の駆動が可能であるかを知ることができる。よって、駆動が不可能である残容量程度である場合は、家庭の商用電源から充電するなどの必要な充電の対応策をとることができる。特に、燃料電池とニッケル水素電池等の二次電池との電力で駆動する車両においては、燃料電池が駆動開始するときに電力を必要とするので、上述のように残容量を正確に知ることが重要である。また、このようなパルス放電は、運転を停止した状態（即ち、駐車中）に行われるが、停止する前の運転、電池駆動が、所定時間（例えば、３時間）未満であるなら、パルス放電をせず、電池容量が低下することを防止している。

以下、パルス放電によって電池の残容量を求める方法について説明する。パルス放電は、図３に示すようにパルス電流を複数回放電して行う。パルス放電は、電源装置を接続した車両側からの制御により行われる。ここで電源装置に含まれる電池は、図４に示すように内部抵抗を含んでいる。したがって、外部に出力される出力電圧Ｖと内部の電池の起電力Ｖ_oは、次式で表される。

上式においてＩは放電電流、Ｒは電池の内部抵抗である。ＩとＶは電流センサ、電圧センサにより実測可能であるため、計算によりＶ_oとＲを求めることができる。またパルス電流を複数回放電し、その間にＩとＶとを検出してＶ_oとＲを求めることにより、Ｖ_oとＲの精度を高めることができる。図３の例では３０Ａの放電とリセットを各１秒間、２９〜３４回実施することでＶ_o，Ｒの値の精度を高めている。よって、このようなパルス放電は、約１分間程度の時間となる。特に複数回のパルス電流を通電することで、残容量のヒステリシスを一定にする効果も得られるため、より精度よくＶ_oなどを求めることができる。さらにフィルタを加えることでＶ_o，Ｒの急激な変化を抑制している。

具体的には、パルス放電における電圧、電流の測定値をそれぞれＶ_n、Ｉ_nとすると、電圧、電流の微少変化量ｄＶ、ｄＩはそれぞれ次式で表される。ここで電圧及び電流は、所定時間毎に測定され、任意の測定時期における電圧、電流を、Ｖ_n、Ｉ_nとしている。

この例では、ｄＶ，ｄＩは０．１秒毎に演算している。すなわち、１回のパルス放電で１０回ｄＶ，ｄＩを演算していることになる。数１から、Ｒが判れば計算によりＶ_oを求めることができる。そこで、Ｒを次式のようにして求める。

なお、ｄＩ＝Ｉ_n−Ｉ_n-1が、０．２Ａ以下では、適切なＲを求めることができないので演算せず、ｄＶ／ｄＩ＝０として、以下の数３を演算している。なお、本明細書において「＊」は掛け算を示している。

上式において（１−ａ）及びａの乗算によってフィルタをかけ急激な変化を抑制し、ノイズなどによる変動を低減している。ここで、ａの値を調整することで、直近に測定された（ｄＶ／ｄＩ）に重みを付した、単位時間変化における内部抵抗Ｒを演算することができる。この例ではａ＝０．０１としている。ここで得られたＲはメモリ１１に温度毎に保持し、次回の演算に利用する。さらにＶ_on及びＶ_oは次式で求めることができる。そして、パルス放電を終了した時点で、Ｖ_oを演算することができる。

上式においても（１−ａ）及びａの乗算によってフィルタをかけている。この例ではａ＝０．０１としている。なお、数３と数４のａは、同一の値に限らず独立変数として設定することもできる。以上のようにＶ_oそのものを演算するのでなく、フィルタをかけて時間変化の影響を抑制した値とすることで、安定したＶ_oを得ることができる。

このようにして得られたＶ_oはメモリ効果を含んでいる。メモリ効果が発生すると電池の残容量が変化するため、正確な電池の残容量を求めることができない。これについて、図５に示す電池の残容量と起電力の関係を示すグラフに基づいて説明する。曲線Ｖ_{o ini}は、メモリ効果がないときの、電池の１セルあたりの起電力Ｖ_o（単位電圧）と、残容量との関係とを示している。曲線Ｖ_{o reset}は、メモリ効果が発生した電池において経験的に実測された電圧Ｖ_{o reset}（単位電圧）と、残容量との関係とを示している。

ここで、メモリ効果について以下に説明する。実施例１の車両用の電源装置の駆動においては、電池のＳＯＣが５０％付近となるように、充放電が制御されている。図５にてＳＯＣ駆動領域として示すように、残容量が５０％近傍を中心として電池を使用するとき、メモリ効果がないときの曲線Ｖ_{o ini}と比較して、メモリ効果が発生した曲線Ｖ_{o reset}は、同じ残容量でも、電圧が低くなる。この低い分、すなわちメモリ効果低下分を、後述するＶ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）として求め、改訂起電力Ｖ_{o reset}を演算する。この、メモリ効果低下分の要素を差し引いた改訂起電力Ｖ_{o reset}（単位電圧）は、残容量と対応しているので、演算された改訂起電力Ｖ_{o reset}より、残容量をより適切かつ正確に求めることができる。

なお、図５に示すメモリ効果が発生した曲線Ｖ_{o reset}は、ある程度電池を使用した状態を表したものであり、別途、電圧測定と放電による残容量測定を行って得られた実測値である。このような曲線Ｖ_{o reset}は、電池の使用時間の経過、電池駆動状態等により、異なる曲線になるが、使用途中の各種電池においては、図５で表されるＶ_{o ini}とＶ_{o reset}との間隔の差（＝Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ））の傾向は、同様のものとなる。そこで、メモリ効果を考慮した電池の残容量を得るために、以下の演算を行う。

ここで初期起電力Ｖ_{o ini}は起電力Ｖ_oの初期値であり、表１に示すように、予め得られている残容量との相関関係を示すテーブル等を利用する。またＶ_mはメモリ効果発生量であり、表２に示すように、この値はテーブル等を利用して求める。さらにＣ（ＳＯＣ）は駆動中の残容量の動きによるメモリ効果発生量の補正値である。ここでＶ_{o ini}、Ｖ_mを求めるテーブルの一例を、以下に示す。なお、表１、２も含めて、実施例１で利用される表であるテーブルは、直線補間して利用される。

表１において、温度（Temperature）は、Ｖ_o演算中の測定される電池温度である。そして、表１、表２を利用した数５の改訂起電力Ｖ_{o reset}の求め方について以下に説明する。まず数４に基づいて、Ｖ_oを求める。例えば、測定、演算されたＶ_oがＶ_o＝１５．３１Ｖ（実施例１では、１２セル直列のニッケル水素電池を利用）で、電池温度３０℃である場合、表１より、表１の左端欄のＶ_{o ini}（ＳＯＣ４０％）を得る。ここで、未使用の電池であるなら、このＳＯＣ４０％が残容量となる。

一方、使用した電池である場合は、後述するＣｔｒが５８１９００のとき、表２の０．１７Ｖ（ＳＯＣ １０％）〜０．２５Ｖ（ＳＯＣ ６５％）を得る。この値に、後述するＣ（ＳＯＣ）の値を掛ける。Ｃ（ＳＯＣ）が１であるなら、Ｖ_mは０．１７Ｖ〜０．２５Ｖのままであり、各温度の各ＳＯＣ％毎に、表１のＶ_{o ini table}の各値からＶ_mを引き算し、表３のＶ_{o reset table}となる。

そして、初回以降の運転を停止したキーオフの状態の非電池駆動状態でパルス放電を実施して、数４に従い起電力Ｖ_oを演算する。測定、演算された起電力Ｖ_oがＶ_o＝１５．１０Ｖ，電池温度３０℃の場合、表４を参照し、残容量ＳＯＣ＝４０％を得ることができる。

このことを、数５のＶ_{o reset}＝Ｖ_{o ini}−Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）の式の形で示すと、次式のようになる。

Ｖ_{o reset}（値１５．１０、表３の３０℃、Ｖ_o（４０％））＝Ｖ_{o ini}（値１５．３１、表１の３０℃、Ｖ_o（４０％））−Ｖ_m（値０．２１、表２の０．２１、Ｖ_m（４０％））＊Ｃ（ＳＯＣ）（値１）

次にＣｔｒは、以下の式で演算される。

ここでＣｔｒはメモリ効果の発生量を決めるためのカウンタ値であり、車両の運転（ドライブ）中である電池の駆動状態において、Ｉは電流値（所定時間（例えば、１Ｓ）毎に測定される値（詳細には、所定時間中における測定された電流値の平均値）、単位Ａ）、ａ（Ｃｔｂ）は電池の劣化に伴う補正係数、ｂ（Ｔ）は電池温度による補正係数（Ｉと同じく所定時間毎に測定される温度に対応した表４の値）をそれぞれ示している。

そして、Ｃｔｒは、所定時間毎（例えば、１Ｓ）に、これら値を乗算して、積算している。ここで、Ｃｔｒは、数６のように乗算して積算した値であって、表２に示すように、Ｖ_mと正の相関関係を有している。

これらの内、ｂ（Ｔ）およびａ（Ｃｔｂ）はテーブルなどを利用して演算でき、例えば以下の表を参照して求めることができる。表４に示すように、ｂ（Ｔ）は、電池温度と正の相関関係を備える。Ｃｔｒは、電池の利用を開始してから、メンテナンスにて電池を完全放電を行う等の処理を行うまで、データを累積することになる。このように、Ｃｔｒは、電池を完全放電処理（リフレッシュ処理）等を行うと、ゼロに戻る値である。メモリ効果の発生量Ｖ_mにおいて、Ｃｔｂは後述するように累積する値であり、Ｃｔｒがゼロになった後、数６のように、累積しているＣｔｂをかけて積算するので、リフレッシュ処理の後、Ｃｔｒはすぐに大きな値となる。

また電池の劣化を決めるための要素であるカウンタ値Ｃｔｂは、次式で演算できる。

ここで、Ｉは、数６のＩと同様で電流値（所定時間（例えば、１Ｓ）毎に測定される値、単位Ａ）、ａ（Ｔ）は電池温度による補正係数（Ｉと同じく所定時間毎に測定される温度に対応した表６の値）であり、電池温度をパラメータにしてテーブルなどから求めることができる。ａ（Ｔ）を決定するテーブルの一例を、以下の表６に示し、電池温度による補正係数ａ（Ｔ）は、電池温度と正の相関関係を備える。

そして、Ｃｔｂは、所定時間毎（例えば、１Ｓ）に、これら値を乗算して、積算している。Ｃｔｂの要素は、電池の利用を開始してから、電池を交換するまで、累積される値であり、このため、電池の劣化を決める要素である。表５で確認できるように、電池の劣化に伴う補正係数であるａ（Ｃｔｂ）は、Ｃｔｂと正の相関がある。

また、数５におけるメモリ効果の補正量Ｃ（ＳＯＣ）は、テーブルなどに基づいて決定される。この例では、以下の表に基づいて決定される。

ここで、パルス放電を終了した時点における表中のＣＡＮ ＳＯＣは電流値の積算により演算された残容量（ＳＯＣｃａｌ）であり、また図６（ａ）に示すように、ａは駆動（＝ドライブ）中の残容量の最小値ＳＯＣｍｉｎ、ｂは駆動中の残容量の最大値ＳＯＣｍａｘである。これによって、ＣＡＮ ＳＯＣ（＝ＳＯＣｃａｌ）がａ−ｂ間のどこにあるか求めたのち、Ｃ（ＳＯＣ）を求める。そして、運転を停止した状態でのパルス放電を実施する毎にＳＯＣｍｉｎとＳＯＣｍａｘは書き換え、その後の駆動中のＳＯＣｍｉｎとＳＯＣｍａｘの値を更新しながら記憶し、次の運転を停止した状態でのパルス放電時に用いる。

例えば、通常の使用であれば、ａが４５％、ｂが５５％程度であり、上記表７の中段の値は、左側より、４５％、４６％、４８％、５０％、５３％、５５％となる。パルス放電前の残容量は、通常５０％程度であって、実施例１ではパルス放電は、ＳＯＣの５％相当の放電であることより、パルス放電により、ＳＯＣｃａｌが４５％となり、表７のＣ（ＳＯＣ）は１になるのが、通常である。

パルス放電を終了した時点におけるＳＯＣｃａｌが、ａに近いと１、ｂに近いと０となるように処理している。これは、図５に示すように、運転中の残容量においては、ＳＯＣ駆動領域の左端付近にａが位置し、右端付近にｂが位置することになり、メモリ効果がないときの曲線Ｖ_{o ini}と、メモリ効果が発生した曲線Ｖ_{o reset}の差については、左端付近では大きく、右端付近では小さいことより、表７のＣ（ＳＯＣ）の値を利用している。

また、上述の実施例では、ａは駆動中（走行中）の残容量の最小値ＳＯＣｍｉｎ、ｂは駆動中の残容量の最大値ＳＯＣｍａｘを利用しているが、これに代わって、運転を停止した状態のキーオフ時前の所定時間（例えば、１０分から４０分の間の所定時間、望ましくは１５分から２５分の間の所定時間、更に望ましくは約２０分）前からキーオフまでの間の駆動状態における残容量の最小値ＳＯＣｍｉｎ、残容量の最大値ＳＯＣｍａｘを採用し、表７を利用してもよい。駆動中全体での最大、最小残容量よりも、キーオフ前の所定時間からキーオフまでの最大、最小残容量を利用する方が、Ｃ（ＳＯＣ）並びにＶ_{o reset}＝Ｖ_{o ini}−Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）が適切に得られる傾向にある。

なお、図５のメモリ効果低下分である曲線Ｖ_{o reset}は、ある程度使用した状態の電池を表したものであり、別途、電圧測定と放電による残容量測定を行い得られた実測値である。このような曲線Ｖ_{o reset}は、電池の使用時間の経過、電池駆動状態等により、異なる曲線になるが、使用途中の各種電池においては、図５で表されるＶ_{o ini}とＶ_{o reset}との間隔の差（＝Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ））の傾向は、同様のものとなる。

上述の実施例では、パルス放電を終了した時点におけるＳＯＣｃａｌを利用しているが、これに代わって、運転を停止したキーオフ時の電流を積算した残容量ＳＯＣｃａｌでも良い。この場合は、表７のテーブル値とは異なる値となる。

このようなメモリ効果の補正量Ｃ（ＳＯＣ）の意味について、以下に説明する。図５で示されるように、メモリ効果がないときの曲線Ｖ_{o ini}と比較して、メモリ効果が発生した曲線Ｖ_{o reset}は、同じ残容量でも、電圧に差が生じている。差の（縦方向の）幅は、電池の使用状態により異なるが、残容量に対応した差の傾向は、図５のようになる。メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）は、起電力Ｖ_oを演算する以前の電池駆動状態で使用する残容量が、このような差が大きいところ（メモリ効果の大きい残容量領域）で使用されるときは、１に近く、差が小さいとき（メモリ効果の小さい残容量領域）はゼロに近くなる。そして、電池駆動状態においては、ＳＯＣ５０％を中心として、充放電が繰り返されることより、上述のようにして駆動中の残容量の履歴を把握して、メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）として反映させている。

以上のように、本実施例では、メモリ効果に基づく発生量Ｖ_mにおいて、メモリ効果の発生量のカウンタＣｔｒを利用し、この中に、電池の劣化を決めるための要素であるカウンタ値Ｃｔｂを有している。メモリ効果に関する項Ｃｔｒと寿命に関する項にそれぞれカウンタＣｔｂを用意し、２つのカウンタでもってこれらの要因を考慮した電池残容量の検出を行っている。特にメモリ効果に関する項と寿命に関する項は、いずれも電池の残容量に影響を与えるものの、挙動は異なっている。例えばメモリ効果は電池を一旦完全に放電すると解消するが、寿命は変化しない。またメモリ効果は電池温度が高いほど大きくなる。さらに寿命はメモリ効果に影響を及ぼす。したがって、これらの要因を別個の補正係数として演算することにより、精度よく電池の残容量を推定することが可能となる。

なお、本明細書の各種表において相関が示された値は、測定、実測、演算等に基づいている。より適切、正確に、電池の残容量を得るために、測定、実測、演算等に基づいて、異なる値、補正係数等を利用することもあり得る。
（実施例２）

さらに、実施例２に係る電池の残容量検出方法では、数６に代わって、メモリ効果の推定のために以下の数８を利用する。

ここで、Ｃｔｒはメモリ効果の発生量を決めるためのカウンタ、車両の運転（ドライブ）中において、Ｉは電流値（所定時間（例えば、１Ｓ）毎に測定される値であり、単位Ａである。）、Ｒは抵抗値（直前回のキーオフ時のパルス放電にて表れた上述の数３で示される内部抵抗を利用する）、ａ（Ｃｔｂ）は電池の劣化に伴う補正係数（数６のａ（Ｃｔｂ）と同じ）、ｂ（Ｔ）は電池温度による補正係数（数６のｂ（Ｔ）と同じ）とする。そして、Ｃｔｒは、所定時間毎（例えば、１Ｓ）に、これら値を乗算して、積算している。ＣｔｒとＶ_mとの相関関係については、表２と同様なものを利用でき、適宜、固定係数等を掛けた表２の値を利用できる。数８は、発熱量に比例するＩ２＊Ｒを含んでおり、メモリ効果に基づく発生量Ｖ_mが、発熱量にも依存しているので、本実施例２は有効である。
（実施例３）

さらにまた、実施例３に係る電池の残容量検出方法では、上述の数６で表されるメモリ効果の発生量を決めるカウンタ値Ｃｔｒに代わって、以下の数９で示されるカウンタ値Ｃｔｒを利用し、車両の運転（ドライブ）中において、電流の充電・放電が切り替えられたタイミングで積算する。またこの際、例えば充電電流値などに応じて残容量を直接補正することもできる。一例として、次式を利用する。

上式は、電流の通電方向が逆転する際（即ち、充電放電が切り替わる際）、すなわちＩ_n＞０でかつＩ_n-1＜０の場合やＩ_n＜０でかつＩ_n-1＞０の場合に、Ｃｔｒ１を積算してＣｔｒを求める。

ここで、Ｉ_nは、所定時間毎に測定される電流値Ｉであって、任意の測定時期の電流値を示しており、よって、Ｉ_n-1は、Ｉ_nが測定された測定時期のひとつ前の所定時間に測定された電流値となる。ｂ（Ｔ）、ａ（Ｃｔｂ）は、数６と同じである。

ここでＣｔｒはメモリ効果の発生量を決めるためのカウンタであり、数６のＣｔｒと同様にして利用される。また、ＣｔｒとＶ_mとの相関関係については、表２と同様なものを利用でき、適宜、固定係数等を掛けた表２の値を利用できる。ａ（Ｃｔｂ）は電池の劣化に伴う補正係数、ｂ（Ｔ）は電池温度による補正係数、ｃ（ｃａｐａ）は、前回の充放電が切り替え時から今回の充放電が切り替わる前までの充電または放電量に伴う係数であり、表８に示す。

このように充放電が切り替わった時点における温度係数ｂ（Ｔ）、寿命係数ａ（Ｃｔｂ）並びに充放電量係数ｃ（ｃａｐａ）を掛けたものを積算する。ここでは、数６と比較して、数９のＣｔｒの有効な点について、以下に説明する。

メモリ効果の要因のひとつとして、充電、放電での電流の切替回数が多いほど、メモリ効果が大きいと考えられる。よって、通電方向が逆転する際に、Ｃｔｒ１を積算することで、数９のＣｔｒを大きくしている。また、係数ｃ（ｃａｐａ）は、１回の充電、放電量が多い場合、メモリ効果が低減される現象に対応しており、充電、放電量が多い場合は、この係数を小さくして、Ｃｔｒ１、数６のＣｔｒを小さくしている。
（実施例４）

さらにまた、実施例４に係る電池の残容量検出方法では、
メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）について、上述の表７にて説明した方法に代わって、以下のように求める。ここでは図６（ｂ）に示すように、駆動中の残容量として最大値ＳＯＣｍａｘ（＝ｂ），最小値ＳＯＣｍｉｎ（＝ａ），及び平均値ＳＯＣａｖｅ（＝ｃ）を求める。そして補正前の積算により演算された残容量ＳＯＣｃａｌ（ＣＡＮ ＳＯＣ）が、下記の表９、表１０に基づいて、ａ−ｂ間のいずれに位置しているかを確認してＣ（ＳＯＣ）を求める。

上述のようにして駆動中の残容量の履歴を反映するメモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）においては、上述の表７と比べて、本実施例４では平均値ＳＯＣａｖｅ（＝ｃ）も利用していることより、駆動中の残容量の履歴をより適切に反映することができる。

運転を停止した状態でのパルス放電を実施する毎にＳＯＣｍｉｎ、ＳＯＣａｖｅ、ＳＯＣｍａｘは書き換え、その後の駆動中のＳＯＣｍｉｎ、ＳＯＣａｖｅ、ＳＯＣｍａｘの値を更新しながら記憶し、次の運転を停止した状態でのパルス放電時に用いる。例えば、ａが４０％、ｂが６０％、ｃが５０％なら、表９の中段の値は、左側より、４０％、４１％、４３％、４５％、４８％、５０％となり、上記表１０の中段の値は、左側より、５０％、５１％、５３％、５５％、５８％、５０％となる。
（実施例５）

さらにまた、実施例５に係る電池の残容量検出方法では、メモリ効果発生量の補正値（Ｃ（ＳＯＣ））について、上述の表７にて説明した方法に代わって、以下のように求める。図７に示すように所定時間毎に時分割して各区間毎に残容量を求めると共に、直近のものほど影響が大きくなるように重み付けを行う。

まずモータの駆動中に、所定時間毎に分割して、各区間毎に残容量の最大値ＳＯＣｍａｘ（＝ｂ），最小値ＳＯＣｍｉｎ（＝ａ）を求める。これに基づいて区間毎に、表７の方法と同様にしてＣ（ＳＯＣ）を演算する。各区間毎に演算したＣ（ＳＯＣ）について、下記の数１０に基づいて、最終的なＣ（ＳＯＣ）の値を求める。

Ｃ（ＳＯＣ）ｎは、任意の区間ｎにおけるＣ（ＳＯＣ）を示している。これにより、直近の値ほど係数（ｋ、ｌ、ｍ等）が大きいので、メモリ効果発生量の補正値（Ｃ（ＳＯＣ））は、直前のドライブ中の使用した残容量の履歴をより反映していることになる。
（実施例６）

上記の実施例で説明したように、パルス放電を行って、数５のＶ_{o reset}＝Ｖ_{o ini}−Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）より、残容量を演算している。

一方、本出願人は、電池を利用することなく、車を長期間（例えば、１ケ月以上）駐車した場合は、十分な理由づけはできていないものの、以下について確認した。
初期起電力Ｖ_{o ini}からのメモリ効果低下分であるＶ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）よりも、自己放電量に影響される初期起電力Ｖ_{o ini}からの自己放電低下分Ｖ_msが支配的になることを確認した。この場合は、以下の数１１にて、改訂起電力Ｖ_{o reset}を求めて、これに対応した残容量を求める。

メモリ効果低下分であるＶ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）と、自己放電低下分Ｖ_msのどちらかが大きく、支配的となるかは、以下のようにして決定し、残容量を求めている。

長期間の駐車又は不使用のあと電池を駆動させた後、上述の実施例１のパルス放電を行って演算された起電力Ｖ_oを得る。具体的には、実施例１と同じ結果であれば、実施例１の方法では、Ｖ_{o reset}（値１５．１０、表４の３０℃、Ｖ_o（４０％））＝Ｖ_{o ini}（値１５．３１、表１の３０℃）−Ｖ_m（値０．２１、表２の０．２１、Ｖ_m（４０％））＊Ｃ（ＳＯＣ）（値１）を得る。そして、この場合、Ｃｔｒが５８１９００である。

一方、本実施例６においては、自己放電量が０．３Ａｈであるなら、表１１、表１２に従い（詳しくは後述する）、Ｖ_{o reset}（値１５．１０、表１２の３０℃、直線補間してＶ_o（５８％））＝Ｖ_{o ini}（値１５．６４、表１の３０℃でのＳＯＣ５８％を直線補間して得る）−Ｖ_ms（直線補間して表１１の値０．５４、Ｖ_ms（５８％））＊Ｃ（ＳＯＣ）（値１）を得る。

そして、Ｃ（ＳＯＣ）が値１なら、表２におけるＣｔｒが５８１９００における各ＳＯＣでのＶ_mの値と、表１１における自己放電量が０．３Ａｈでの各ＳＯＣでのＶ_msの値とを、同じＳＯＣにて、比較する。この場合、いずれのＳＯＣ［％］においても、Ｖ_msが大きいので、上記のように数１１のＶ_{o reset}より残容量ＳＯＣ＝５８％を得る。

以下に、本実施例６における改訂起電力Ｖ_{o reset}（測定される起電力Ｖ_o）から残容量を求める手順を説明する。別途、自己放電量［ＡＨ］を測定し、表１１に従い、例えば、０．３［ＡＨ］の場合、表１１の０．２９Ｖ（ＳＯＣ １０％）〜０．５６Ｖ（ＳＯＣ ６５％）を得、各ＳＯＣ％毎に、表１のＶ_{o ini table}の各値からこれら値を引き算し、表１２のＶ_{o reset table}となる。

そして、自己放電後の運転を停止したキーオフの状態でパルス放電を実施して、数４に従い起電力Ｖ_oを演算する。測定、演算された起電力Ｖ_oがＶ_o＝１５．１０Ｖ，電池温度３０度の場合、表１２を参照し、残容量ＳＯＣ＝５８％を得ることができる。

この例では、Ｖ_msがＶ_m（Ｃ（ＳＯＣ）が値１の場合）より常に大きいので、Ｖ_msを採用することになるが、種々の場合を想定して、Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）とＶ_msとを比較して大きい方を採用した各ＳＯＣでの「Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）、ｏｒ Ｖ_ms」の値を利用して、表１のＶ_{o ini table}の各値からこれら値を引き算し、表３又は表１２のようなＶ_{o reset table}を作成し、測定、演算された起電力Ｖ_o、電池温度より、残容量ＳＯＣを求める。

具体的には、実施例１において、Ｃｔｒが３８７９３３０の場合、Ｃ（ＳＯＣ）が値１なら、表２のＶ_mの値となり、実施例６において、自己放電量が０．３［ＡＨ］の場合、表１２のＶ_msの値を得る。これら値を、同じＳＯＣにて、比較する。理解を容易にするために、以下の表１３にて比較すると、ＳＯＣ１０％以外は、Ｖ_msが大きく、ＳＯＣ１０％では、Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）が大きい。各ＳＯＣにて、大きい方の値を採用した「Ｖ_m＊Ｃ（ＳＯＣ）ｏｒ Ｖ_ms」を作成し、各ＳＯＣ％毎に、表１のＶ_{o ini table}の各値からこれら値を引き算し、表３又は表１２のようなＶ_{o reset table}を新たに作成する。そして、測定、演算された起電力Ｖ_o、電池温度より、残容量ＳＯＣを求める。この場合において、Ｖ_{o reset}が、ＳＯＣ１０％の値であるなら、この場合は、Ｖ_mを採用していることになる。また、Ｖ_{o reset}が、ＳＯＣ２０％以上の場合は、Ｖ_msを採用していることなる。

上記において、Ｖ_{o reset}＝Ｖ_{o ini}−Ｖ_msである。

以下に、本実施例６に利用した自己放電量の演算方法を示すが、これ以外の方法で自己放電を演算しても良い。まず、図８に示す自己放電特性のデータは、二次電池を満充電したとき、各種温度における自己放電量の変化を表している。また、図９に示すように、二次電池を満充電しなかった（例えば、８０％まで充電した）場合にも、図９に実線（１００％充電）及び破線（８０％充電）に示す如く自己放電特性は全く同じであることが判明した。即ち、二次電池２の自己放電量は、二次電池２の充電を何％まで行ったかに関係なく、常に略同じような特性を有することを確認した。更には、ここで、残容量演部１８には図８に示すような、自己放電が開始されてからの経過時間に対応して、二次電池であるニッケル水素電池の残容量の変化が記憶されており、これより、開始からの任意の経過時間［ｄａｙ］における所定時間Ｔの間に減少する容量であるΔＳＯＣ［ＡＨ］（又は％）を得て、積算することで、自己放電量を算出することができる。また、例えば、簡略化した説明として、自己放電開始から５日までは、電池温度が４０℃で、５日以降は電池温度２５℃となった場合は、図９に示されるように、自己放電量を算出する。つまり、図８で示された電池温度２５℃の残容量の変化を利用して、電池温度２５℃の残容量の変化曲線を上下方向に平行移動して、５日時点で温度４０℃の残容量の変化曲線と交差させる。そして、自己放電開始から５日までは、電池温度が４０℃の残容量の変化曲線にて、５日以降は、電池温度２５℃の残容量の変化曲線にて、自己放電量を算出する。

本発明の電池の残容量検出方法及び電源装置は、ハイブリッドカーや電気自動車等の車両用電源装置など、高出力、大電流の電源装置として好適に適用できる。

本発明の一実施の形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 駆動終了後にパルス放電を行う際の電池残容量の変化を示すグラフである。 パルス放電を行う際の電池残容量の変化を示すグラフである。 電池の内部抵抗Ｒ及び起電力Ｖ_oと端子間出力電圧Ｖとの関係を示す回路図である。 電池の残容量と起電力の関係を示すグラフである。 駆動終了後にパルス放電を行う際に変化する電池残容量の最大値及び最小値を示すグラフである。 電池残容量の時間変化を単位時間毎に時分割して、各区間毎に最大値、最小値を求める様子を示すグラフである。 自己放電特性を示す特性図である。 自己放電特性を示す特性図である。

符号の説明

１００…電源装置
１０…残容量検出装置
１１…メモリ
１２…電圧検出部
１４…温度検出部
１６…電流検出部
１７…温度センサ
１８…残容量演算部
１９…通信処理部
２０…電池ユニット
２２…二次電池
３０…接続機器通信端子

Claims (2)

1. メモリ効果を発生し得る電池に対し、起電力Ｖ_oと残容量との相関関係を利用して、残容量を演算する電池の残容量検出方法であって、
   使用後の電池において、初期起電力Ｖ_{o ini}と残容量との相関関係に基づき、初期起電力Ｖ_{o ini}からメモリ効果に基づく発生量Ｖ_mとメモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）を乗じた値を減算した改訂起電力Ｖ_{o reset}と残容量との相関関係を求めて、
   使用後の電池の起電力Ｖ_oを、改訂起電力Ｖ_{o reset}として、残容量を求め、
   メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）は、演算する以前の電池駆動状態で使用する残容量に相関する値であり、
   メモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）は、電池駆動状態で使用する残容量が、メモリ効果の大きい領域に多いとき１に近づけ、メモリ効果の小さい領域に多いときゼロに近づけるよう制御し、
   メモリ効果に基づく発生量Ｖ_mは、所定時間毎に、充電又は放電電流値、電池の劣化に伴う補正係数、及び電池温度による補正係数を乗算した値を積算した値と、正の相関関係を有し、
   電池温度による補正係数は、電池温度と正の相関関係を備え、
   電池の劣化に伴う補正係数は、所定時間毎に、充電又は放電電流値、及び第２の電池温度による補正係数を乗算した値を積算した値と、正の相関関係を有する値であって、第２の電池温度による補正係数は、電池温度と正の相関関係を備えることと特徴とする電池の残容量検出方法。
2. 請求項１に記載の電池の残容量検出方法であって、
   起電力Ｖ_oにおけるメモリ効果に基づく発生量Ｖ_mとメモリ効果発生量の補正値Ｃ（ＳＯＣ）を乗じた値と、起電力Ｖ_oにおける自己放電量に対応した電圧低下分Ｖ_msとを比較して、自己放電量に対応した電圧低下分Ｖ_msが大きい場合は、使用後の電池において、初期起電力Ｖ_{o ini}と残容量との相関関係に基づき、初期起電力Ｖ_{o ini}から自己放電量に対応した電圧低下分Ｖ_msを減算した第２の改訂起電力Ｖ_{o reset}と残容量との相関関係を求めて、使用後の電池の起電力Ｖ_oを、第２の改訂起電力Ｖ_{o reset}として、残容量を求めることを特徴とする電池の残容量検出方法。
   

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