トップ :: B 処理操作 運輸 :: B60 車両一般




【発明の名称】 組電池及び残容量検出装置
【発明者】 【氏名】丸野 直樹

【氏名】荒木 一浩
【要約】 【課題】残容量の検出精度の向上を図った組電池および、残容量検出装置を提供する。

【解決手段】開放電圧―残容量の変化特性の小さい複数の電池セルからなるバッテリ１に、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、前記電池セルと同等の容量を有する残容量検知用電池セル３２を直列に接続する。残容量検知回路３１は、所定のタイミングで残容量検知用電池セル３２の電圧Ｖｉ、電流Ｉｂａｔｔを検知し、これらの値から開放電圧を求める。そして、残容量検知用電池セル３２の、開放電圧−残容量特性から、求めた開放電圧に対応する残容量を検出する。このようにして残容量検知用電池セル３２の残容量を検出すると、残容量検知回路３１は、この残容量をバッテリ１の残容量として、バッテリ制御装置へ出力する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 開放電圧−残容量の変化特性が小さい複数の第１の電池セルと、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、前記第１の電池セルと同等の容量を有する少なくとも１つの第２の電池セルと、を直列に接続して構成されることを特徴とする組電池。
【請求項２】 開放電圧−残容量の変化特性が小さい複数の第１の電池セルと、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、前記第１の電池セルと同等の容量を有する少なくとも１つの第２の電池セルとを直列に接続して構成される組電池の残容量を検出する残容量検出装置において、前記何れかの第２の電池セルの開放電圧から前記第２の電池セルの残容量を前記組電池の残容量として検出することを特徴とする残容量検出装置。
【請求項３】 前記第２の電池セルは、電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の組電池。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の電池セルで構成される組電池に係り、特に、異なる特性を持つ電池セルが直列接続されて構成された組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、車両走行用の駆動源としてエンジンの他にモータを備えたハイブリッド車両が知られている。このハイブリッド車両の一種に、モータをエンジンの出力を補助する補助駆動源として使用するパラレルハイブリッド車がある。このパラレルハイブリッド車は、例えば、加速時においてはモータによってエンジンの出力をアシストし、減速時においては、減速回生によってバッテリ等への充電を行うなど、様々な制御を行い、バッテリの残容量を確保しつつ運転者の要求を満足できるようになっている。
【０００３】このバッテリの残容量を検出する方法として、バッテリの放電電流を積算して残容量を算出する方法がある。これは、所定のタイミングでバッテリの放電電流を検知して、この値を積算して残容量を検出する方法である。しかし、バッテリの放電電流を検知する電流センサの精度が悪い場合、検知された電流値には誤差が生じることとなる。上述したように、バッテリの残容量はこの電流値を積算して得られるものであるから、電流値とともに誤差をも積算することとなり、この結果、算出される残容量の値には大きな誤差が含まれることとなる。このように、電流積算によって残容量を算出すると、算出された残容量の値に誤差が生じてしまうため、残容量の検出精度が低いという欠点がある。
【０００４】また、バッテリの残容量を求める他の方法として、開放電圧、即ち無負荷状態における電圧値を推定することにより、残容量を求める方法がある。具体的には、所定のタイミングでバッテリ電流と、バッテリ電圧とを複数サンプリングして、これらのサンプリングデータを元にバッテリの開放電圧を推定し、即ち、無負荷状態における電圧値を推定し、この推定開放電圧から残容量を検出する。この方法は、前述した放電電流を積算して残容量を求める方法に比べ残容量の検出精度が高く、正確な残容量の値を得ることができる。
【０００５】しかし、この方法は、開放電圧から残容量を検出するため、図３に示すように、残容量の変化に伴う開放電圧の変化が少ない、即ち開放電圧―残容量の変化特性が小さい電池セルには適用することができなかった。そして、ハイブリッド車両のバッテリのセル電池として使用頻度の高いＮｉ−ＭＨ（ニッケル水素電池）や、負極グラファイト系リチウム電池などは、図３に示すような電圧−残容量の変化特性が小さい特性を有するため、上述した検出方法即ち、開放電圧から残容量を検出する方法では、残容量を検出することができなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】この結果、Ｎｉ−ＭＨ（ニッケル水素電池）や、負極グラファイト系リチウム電池などの、残容量に伴う電圧の変化が少ない特性を有する電池セルで構成されるバッテリにおいては、検出精度が少々低下する電流積算によって残容量を検出していた。この結果、残容量の検出精度は低く、正確な残容量を検出することが困難であった。
【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、Ｎｉ―ＭＨや負極グラファイト系リチウム電池のように、残容量に応じて電圧値が変化しない特性を持つ電池セルを有する組電池において、残容量の検出精度の向上を図った組電池および、残容量検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、開放電圧−残容量の変化特性が小さい複数の第１の電池セル（実施形態では、バッテリ１を構成する電池セルであり、例えばＮｉ−ＭＨ（ニッケル水素電池）や負極グラファイト系リチウム電池等）と、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、前記第１の電池セルと同等の容量を有する少なくとも１つの第２の電池セル（実施形態では、残容量検出用電池セル３２であり、例えば負極ハードカーボン系リチウム電池等）とを直列に接続して構成されることを特徴とする。
【０００９】このように、開放電圧―残容量の変化特性が大きい電池セルを、複数の開放電圧−残容量の変化特性が小さい電池セルに直列接続されているため、全てのセルの残容量は、組電池の残容量であるとみなすことができる。この結果、残容量の検出が簡単である開放電圧−残容量の変化特性が大きい電池セルの残容量を検出することにより、この検出した残容量を組電池（実施形態ではバッテリ１）の残容量として扱うことができる。
【００１０】また、請求項２に記載の発明は、開放電圧―残容量の変化特性の小さい複数の第１の電池セルと、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、前記第１の電池セルと同等の容量を有する少なくとも１つの第２の電池セルとを直列に接続して構成される組電池の残容量を検出する残容量検出装置において、前記何れかの第２の電池セルの開放電圧から前記第２の電池セルの残容量を前記組電池の残容量として検出することを特徴とする。
【００１１】このように、組電池を構成する電池セルはすべて直列接続されているため、開放電圧―残容量の変化特性の大きい第２の電池セルの残容量を求めれば、この残容量を組電池の残容量とみなすことができる。また、開放電圧―残容量の変化特性の大きい電池セルであれば、その開放電圧と、開放電圧―残容量特性とから残容量を検出することができるため、残容量を正確に検出することができる。この結果、残容量の検出精度の向上を実現することができる。
【００１２】なお、組電池を構成する全てのセルを、残容量に伴って開放電圧が大きく変化する特性を持つ電池セルに交換するという方法も考えられるが、このような特性を持つ電池セルは、他の電池セルに比べ高額である。このため、特に、多くの電池セルが接続されて構成される組電池（例えば、ハイブリッド車両におけるバッテリ等）においては、コストがかかり実用的ではない。
【００１３】従って、組電池を構成する大部分の電池セルに低コストである電池セル、即ち、開放電圧−残容量の変化特性が小さい電池セルを複数使用し、その一部に残容量の検出精度を向上させるための電池セル、即ち、開放電圧―残容量の変化特性が大きい電池セルを組み込むことにより、安価で、且つ、残容量の検出精度が高い組電池及び残容量検出装置を実現することができる。
【００１４】また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の組電池において、前記第２の電池セルは、電気二重層コンデンサであることを特徴とする。
【００１５】このように、電気二重層コンデンサを開放電圧―残容量（電気蓄積量）の変化特性の大きい電池セルとして用いる。この電気二重層コンデンサは、容量が大きいため電気蓄積量も大きく、バッテリに変わる電気蓄積手段として注目（開発）されており、コンデンサとしての特性を有するため、電気蓄電量（バッテリで言うところの残容量）と電圧が比例関係である。そして、このような特性を持つため、電気二重層コンデンサの両端の電圧を検出することによって電気二重層コンデンサの残容量を簡単に且つ正確に、算出することが可能となる。この結果、残容量検出精度が向上し、より正確な残容量を得ることができる。
【００１６】なお、小容量の電気二重層コンデンサにおいては、これを並列接続することで、全体としての電気二重層コンデンサの容量を大きくすることが可能となる。これにより、組電池を構成する電池セルの容量が大きい場合においても、電気二重層コンデンサの並列合成容量と上述の電池セルの容量とを等価にすることで大容量の電池セルにおいても適用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。図１はパラレルハイブリッド車両において適応した実施形態を示している。この図において、符号１は高圧系のバッテリであり、複数の電池セルを直列に接続したモジュールを１単位として、更に複数個のモジュールを直列に接続して構成されている。これら電池セルは、Ｎｉ―ＭＨ（ニッケル水素電池）あるいは、グラファイト系のリチウム電池であり、図３に示すような開放電圧ＯＣＶ―残容量ＳＯＣ特性を示す。図３において、横軸は残容量ＳＯＣであり単位は（％）である。また縦軸は開放電圧ＯＣＶ、即ち無負荷状態における電圧値である。このようにＮｉ―ＭＨ、及びグラファイト系のリチウム電池の特性は、残容量ＳＯＣに伴う開放電圧ＯＣＶの変化が少ない。
【００１８】符号２はパワードライブユニットであり、スイッチング素子が２つ直列接続されたものが３つ並列接続されて構成されている。符号３は燃料の燃焼エネルギーで作動するエンジンであり、符号４はエンジン３と併用して用いられ、電気エネルギーで作動するモータである。エンジン３及びモータ４の両方の駆動力は、オートマチックトランスミッションあるいはマニュアルトランスミッションよりなるトランスミッション（図示せず）を介して駆動輪（図示せず）に伝達される。また、ハイブリッド車両の減速時には、駆動輪からモータ４に駆動力が伝達され、モータ４は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、バッテリ１の充電を行う。なお、駆動用のモータ４とは別に、バッテリ１の充電用の発電機を備える構成としてもよい。
【００１９】モータ４の駆動及び回生は、モータ制御装置６からの制御指令を受けてパワードライブユニット２により行われる。具体的には、パワードライブユニット２内部のスイッチング素子がモータ制御装置６によってオン、オフされることにより、バッテリ１からの電力が三相線を介してモータ２に供給されたり、あるいは、モータ２の回生電力がバッテリ１に供給される。
【００２０】符号５はバッテリ制御装置であり、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔ、バッテリ電流Ｉｂａｔｔ、バッテリ温度Ｔｂａｔｔを所定のタイミングで検知しており、また、残容量検知システム３０からバッテリ１の残容量ＳＯＣを受取り、モータ制御装置６へ出力する。符号７は、エンジン制御装置であり、エンジン回転数ＮＥ、車速等を所定期間毎にモニタして、モータ回生や、アシスト、減速などのモードを判断する。また同時に、エンジン制御装置７は、上述のモード判定の結果と、バッテリ制御装置５から送信された残容量ＳＯＣからアシスト／回生量の決定を行う。なお、バッテリ制御装置５、モータ制御装置６、エンジン制御装置７は、ＣＰＵ（中央演算装置）およびメモリにより構成され、制御装置の機能を実現するためのプログラムを実行することによりその機能を実現させる。
【００２１】次に、残容量検知システム３０は、図２に示すように構成されている。図２において、符号３１は残容量検知回路であり、符号３２は残容量検知用電池セルである。残容量検知回路３１には、残容量検知用電池セル３２の温度Ｔｉ、電圧Ｖｉ、及びバッテリ電流Ｉｂａｔｔの信号が入力される。なお、バッテリ１内の電池セル及び残容量検知用電池セル３２は、全て直列に接続されているため、バッテリ電流Ｉｂａｔｔの値と、残容量検知用電池セル３２に流れている電流は等価である。したがって、残容量検知回路３１に入力されるバッテリ電流Ｉｂａｔｔの値は、残容量検知用電池セル３２に流れている電流値とみなすことができる。
【００２２】また、残容量検知用電池セル３２は、例えば負極ハードカーボン系リチウム電池であり、図４に示すような開放電圧−残容量特性を持つ。図４において、横軸は残容量ＳＯＣであり単位は（％）であり、縦軸は開放電圧ＯＣＶである。図４に示すように、残容量検知用電池セル３２は、残容量ＳＯＣと、開放電圧ＯＣＶとの相関性が高く、残容量ＳＯＣの変化に伴い開放電圧ＯＣＶが大きく変化する特性を持っている。これにより、開放電圧ＯＣＶが決定すれば、この特性から残容量ＳＯＣを検出することができる。
【００２３】上述した構成からなる本発明の第１の実施形態によるバッテリ１の残容量の検出について図２、図４、図５を参照して詳細に説明する。先ず、ハイブリッド車両が走行している場合における、バッテリ１の残容量検出方法について説明する。
【００２４】車両走行中においては、バッテリ電流Ｉｂａｔｔは流れている。したがって、残容量検知用電池セル３２から検知される電圧Ｖｉは開放電圧ではないこととなる。このため、開放電圧をまず推定する処理が残容量検出回路３１によって行われる。残容量検出回路３１は、所定のタイミングでバッテリ１の放電電流Ｉｂａｔｔ、電圧Ｖｉを所定の間隔で複数個サンプリングする。そして、サンプリングされた放電電流Ｉｂａｔｔ、電圧Ｖｉは、図５に示す電流―電圧の２次元のグラフにプロットされる。即ち、図５のグラフ上に（Ｉｂａｔｔ、Ｖｉ）の点がプロットされる。また、図５において、横軸は放電電流Ｉｂａｔｔであり、縦軸は電圧Ｖｉである。そして、残容量検知回路３１によってサンプリングされた複数のバッテリ電流Ｉｂａｔｔと、その時の残容量検知用電池セルの電圧Ｖｉは、順次、（Ｉｂａｔｔ、Ｖｉ）の点として、このグラフ上にプロットされていく。
【００２５】また、このサンプリング数は、予め設定されている値であり、残容量検知回路３１は、サンプリング数が設定値に達するまで所定の間隔で電流Ｉｂａｔｔ、電圧Ｖｉのサンプリングを続ける。次に、放電電流Ｉｂａｔｔ、電圧Ｖｉのサンプリング数が、設定された値に達すると、残容量検知回路３１は、プロットした複数の（電流Ｉｂａｔｔ、電圧Ｖｉ）点から、図５に示すような漸近線Ｂを求める。そして、求めた漸近線ＢにおけるＩ＝０の点、即ちＹ切片Ｅ０を検出する。このＹ切片Ｅ０は、電流Ｉｂａｔｔが流れていないときのバッテリＶｉの値、即ち、残容量検知用電池セル３２の推定開放電圧ＯＣＶとみなすことができる。
【００２６】最後に、このようにして求められた推定開放電圧ＯＣＶと、図４に示されている残容量検知用電池セルの開放電圧ＯＣＶ−残容量ＳＯＣ特性から現在の残容量検知用電池セル３２の残容量ＳＯＣを検出する。即ち、推定開放電圧ＯＣＶに対応する残容量ＳＯＣの値を図４のグラフから検出する。そして、このようにして求められた残容量検知用電池セル３２の残容量ＳＯＣは、バッテリ１の残容量ＳＯＣとして、残容量検知回路３１からバッテリ制御装置５へ出力される。
【００２７】次に、車両停車中における、バッテリ１の残容量検出方法について説明する。車両停車中においては、バッテリ１の放電電流Ｉｂａｔｔは流れていない。従って、残容量検知用電池セル３２の電圧は、開放電圧ＯＣＶとなる。従って、この開放電圧ＯＣＶの値と、図４に示した残容量検知用電池セル３２の開放電圧ＯＣＶ−残容量ＳＯＣ特性を示すグラフとから残容量ＳＯＣを求めることができる。具体的には、図４に示したグラフ上で、残容量検知用電池セル３２の開放電圧ＯＣＶに対応する残容量ＳＯＣを求めれば良い。そして、検出された残容量ＳＯＣの値は、残容量検知回路３１からバッテリ制御装置５へ出力され、モータ制御等を行うための重要なパラメータとして扱われる。
【００２８】尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、残容量検知用電池セル３２の代わりに電気二重層コンデンサを電池セルに直列接続して、電気二重層コンデンサの残容量を検出し、バッテリ１の残容量としてみなし、バッテリ制御装置５に出力しても良い。この場合、電池セルと同容量の電気二重層コンデンサを用いることを前提とする。なお、電気二重層コンデンサが小容量であって、電池セルと同じ容量を得られなかった場合は、小容量の電気二重層コンデンサを電池セルと同容量となるまで複数並列接続し、これを一つの電気二重層コンデンサとみなし、電池セルに直列に接続すればよい。
【００２９】また、図４に示したような残容量ＳＯＣと開放電圧ＯＣＶとの相関性が高く、残容量ＳＯＣの変化に伴い開放電圧ＯＣＶが大きく変化する特性と持った素子であれば、残容量検知用電池３２や、上述の電気二重層コンデンサに代わって採用することが可能である。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による組電池によれば、開放電圧―残容量の変化特性の小さい複数の第１の電池セルと、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、第１の電池セルと同等の容量を有する第２の電池セルを少なくとも１つ有し、複数の第１の電池セルと、第２の電池セルとを直列に接続して組電池を構成する。
【００３１】このように、開放電圧―残容量の変化特性が大きい電池セル、即ち、負極ハードカーボン系リチウム電池を、複数の開放電圧−残容量の変化特性が小さい電池セル、即ち、ニッケル系の電池セル等に直列接続することで、開放電圧―残容量の変化特性が大きい電池セルの残容量を蓄電池全体の残容量としてみなすことが可能となる。
【００３２】また、請求項２の発明によれば、開放電圧−残容量の変化特性が小さい複数の電池セルと、開放電圧−残容量の変化特性が大きく、且つ、前記電池セルと同等の容量を有する電池セルとを直列に接続して構成し、開放電圧−残容量の変化特性が大きい電池セルの残容量を検出し、この検出した残容量を組電池の残容量とする。このように、開放電圧―残容量の変化特性が大きい電池セルは、開放電圧を検出すれば、開放電圧―残容量特性から残容量を求める事ができる。これにより、残容量の検出精度が向上し、正確な残容量を検出することが可能となる。
【００３３】また、請求項３に記載の発明によれば、残容量と電圧値が比例関係である特性を持つ電気二重層コンデンサを、複数の開放電圧−残容量の変化特性が小さい電池セル、即ち、残容量に伴う開放電圧変化が小さい電池セルに直列接続する。このように、電気二重層コンデンサと、全ての電池セルとを直列に接続することによって、電気二重層コンデンサの残容量を組電池の残容量とみなすことが可能となる。
【００３４】また、電気二重層コンデンサの残容量は、電気二重層コンデンサの両端電圧を検出することにより、両端電圧と、残容量の関係から、残容量を容易に算出することができる。これにより、残容量検出精度も向上し、正確な値の残容量を得ることができる。また、小容量である電気二重層コンデンサにおいては、これらを並列接続することで、全体の電気二重層コンデンサの容量を大きくすることが可能となる。これにより、組電池を構成する電池セルの容量が大きい場合においても、電気二重層コンデンサセルの並列合成容量と上述の電池セルの容量とを等価になるまで電気二重層コンデンサセルを並列に接続することで、大容量の電池セルにおいても適用することができる。
【００３５】この結果、この電気二重層コンデンサの両端電圧を検出することにより、両端電圧と、残容量の関係から、残容量を算出することが可能となる。この結果、残容量検出精度も向上し、正確な値の残容量を得ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
【出願日】 平成１１年９月１４日（１９９９．９．１４）
【代理人】 【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外５名）
【公開番号】 特開２００１−８６６０４（Ｐ２００１−８６６０４Ａ）
【公開日】 平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【出願番号】 特願平１１−２６１２４４