温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置

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【発明の名称】	温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置
【発明者】	【氏名】金澤昭義
【要約】	【課題】温度センサを用いることなく、低温時にも高温時、走行中、走行停止中等のあらゆる環境下で過充電とはならない温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置を得る。【解決手段】バッテリ電圧推定処理部２２、残存容量算出処理部２３がバッテリ５が放電中には、電流及び電圧に基づいて得られた近似直線と基準電流とからバッテリ５の電圧を推定し、推定電圧Ｖｎと、基準温度での第１の満充電電圧Ｖｓｏと、放電終止電圧Ｖｅとからバッテリの残存容量を求める。また、充電指示処理部２４がバッテリ５に回生電流がバッテリに充電されている間は、０℃で満充電容量となるときの満充電電圧Ｖｓｐに、バッテリ５の電圧が到達したとき回生電流の充電を停止させる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】回生電流を流す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における電流を検出する電流センサとを有し、前記バッテリが放電中には、前記電流及び電圧に基づいて得られた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、基準温度での第１の満充電電圧と、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、前記負荷の回生電流が前記バッテリに充電されている間は、前記バッテリの電圧が前記基準温度以下の所定温度で満充電容量となるときの第２の満充電電圧に到達したとき、前記回生電流の充電を停止させる充電指示処理部とを有することを特徴とする温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置。
【請求項２】前記充電指示処理部は、前記充電を一定の間停止させ、該停止直後の一定時間内の複数の電圧の変化率を求め、この変化率が集束する点での電圧を前記充電停止直後のバッテリの平衡電圧を前記バッテリの現在の電圧として求める手段と、前記平衡電圧、前記第２の満充電電圧及び放電終止電圧に基づいて、現在の前記バッテリの充電可能容量を推定する手段とを有することを特徴とする温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置。
【請求項３】前記第２の満充電電圧を、外部からの前記基準温度以下の所定温度で満充電容量となるときの前記第２の満充電電圧とは異なる第３の満充電電圧に更新する電圧更新処理部とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置。
【請求項４】前記電圧更新処理部は、現在の年月に対応する年間の平均温度での満充電電圧に前記第２の満充電電圧を更新することを特徴とする請求項１、又は３記載の温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置。
【請求項５】現在の位置、年月日、時刻の入力に伴って、前記位置の地域を引当て、該地域の前記年月日の時刻の温度に対応する前記基準温度以下の所定温度で満充電容量となるときの前記第２又は第３の満充電電圧を引当て、これを前記電圧更新処理部に送出する電圧データ引当処理部とを有することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置。
【請求項６】前記負荷は、オルタネータと、前記オルタネータに対して前記バッテリからの放電電力を所定電圧に変換して駆動又は前記オルタネータによる回生電力を前記一定電圧にして前記バッテリに充電させるコンバータとからなることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低温時にも高温時、走行中、走行停止中等のあらゆる環境下で過充電とはならない温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの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】ＳＯＣ＝〔（Ｖｎ²-Ｖｅ²）〕／（Ｖｓ²-Ｖｅ²）〕×１００％但し、Ｖｎ：バッテリの推定電圧Ｖｅ；放電終止電圧Ｖｓ；満充電電圧また、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、ある温度（例えば２０℃）でフル充電（１００％）されたときの満充電電圧である。
【０００５】そして、電気自動車の走行中においては、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Ｉｏとから現在のバッテリの推定電圧Ｖｎを推定する。
【０００６】次に、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ＳＯＣを求めて表示させていた。
【０００７】すなわち、図１１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る。
【０００８】このような方式は、温度センサを用いなくとも残存容量が求められるので、放電が主体である電気自動車に搭載されるバッテリの残存容量の推定によく用いられていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般にバッテリというのは低温時には、高温時と比べて容量が少ないという特徴をもっている。
【００１０】例えば、図１２に示すように、高温時（例えば夏）の残存容量特性に対して、低温時（例えば冬）には、満充電になっているのにも係わらすバッテリの電圧が低下して残存容量が低く表示される。
【００１１】このため、低温時にはバッテリが満充電になっていないとして、再度充電を行うが、低温時には満充電になっても初期残存容量１００％とすることがないので、充電を続けることになり、結果としてバッテリを劣化させてしまう場合がある。
【００１２】このようなことから、例えば低温時に充電完了後に初期残存容量に対して１００％にする補正をかける方式もある。
【００１３】しかし、初期残存容量を１００％補正する方式は、放電を主体とする電気自動車においては問題はないが、エンジン、オルタネータ等からなる複数の動力源を用いて走行するハイブリット車両では、走行時においてオルタネータの大電力の回生電力を充電しつつバッテリの容量を一定に保つものには、走行中におけるバッテリの温度も変化する。
【００１４】このため、走行中においても温度によって満充電電圧が変化することになることになり、上記のような数１の式で残存容量（放電可能容量）を求めても、その残存容量（放電可能容量）は、実際の残存容量とは相違していることになるので、走行中においては、残存容量が少ないとして過充電にされ、結果としてハイブリット車両に用いられる高価なバッテリの寿命を短くさせてしまうという課題があった。
【００１５】従来のような方式で残存容量を求める方式は、満充電電圧（満充電容量）は固定値であるから温度が低下して満充電電圧が低下していても、温度センサを用いるものではないので、残存容量が実際とは相違し、結果として過充電になり、ハイブリット車両等には不向きであるという課題があった。
【００１６】本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、温度センサを用いることなく、低温時にも高温時、走行中、走行停止中等のあらゆる環境下で過充電とはならない温度センサを用いない過充電防止機能付きバッテリの容量測定装置を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、回生電流を流す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バッテリにおける電流を検出する電流センサとを有し、バッテリが放電中には、電流及び電圧に基づいて得られた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、基準温度での第１の満充電電圧と、放電終止電圧とからバッテリの残存容量を求めるバッテリの残存容量測定装置において、充電指示処理部が負荷の回生電流がバッテリに充電されている間は、バッテリの電圧が基準温度以下の所定温度で満充電容量となるときの第２の満充電電圧に到達したとき回生電流の充電を停止させる。
【００１８】例えば、電解液が０℃における満充電容量に相当する満充電電圧を第２の満充電電圧とすると、この第２の満充電電圧に充電中における電圧が到達したときに充電が停止させられる。
【００１９】このため、ハイブリット車両等に適用すると、走行中におけるバッテリの温度が変化している状態で回生電流が充電されていても、第１の満充電電圧以下の第２の満充電電圧で充電が停止されるから過充電とはならない。
【００２０】また、電圧更新処理部が現在の年月に対応する年間の平均温度での満充電電圧に第２の満充電電圧を更新する。
【００２１】さらに、電圧データ引当処理部が現在の位置、年月日、時刻の入力に伴って、位置の地域を引当て、該地域の前記年月日の時刻の温度に対応する基準温度以下の所定温度で満充電容量となるときの第２又は第３の満充電電圧を引当て、これを電圧更新処理部に送出して更新させる。
【００２２】
【発明の実施の形態】＜実施の形態１＞図１は本実施の形態１の温度センサを用いない過充電防止機能を有するバッテリの容量測定装置の概略構成図である。
【００２３】図１に示すバッテリコントローラ１は、エンジン２、モータ３（オールタネータ）で駆動するハイブリット機構４に用いられるバッテリ５を基準温度（例えば２０℃）で満充電電圧Ｖｓｏを用いて求めると共に、図２に示すように、充電を予め設定されているバッテリ５の一定温度（例えば０℃）における満充電電圧Ｖｓｐになったときに充電停止することによって過充電を防止する。前述のモータ３とバッテリ５との充電、放電はコンバータ６によって行っている。
【００２４】また、バッテリ５には電圧センサ１１が並列接続されている。さらに、バッテリ５とコンバータ６との間に、リレー１０が設けられている。このリレー１０とバッテリ５との間には、電流センサ１２が直列接続されている。
【００２５】一方、バッテリコントローラ１は、電圧センサ１１の検出電圧を所定の信号に波形整形する入力回路１５と、リレー１０をオン又はオフさせるためのリレー制御信号を増幅するバッファ１６と、入力回路１５からの複数の電圧Ｖｉ、電流Ｖｉから満充電電圧Ｖｓ（例えば２０℃用）を用いて残存容量ＳＯＣ求めると共に、充電を予め設定されているバッテリ５の一定温度（例えば０℃）における満充電電圧Ｖｓｐになったときに充電停止させるバッテリの容量測定装置１８（マイコン）とを備えている。
【００２６】バッテリの容量測定装置１８は、図１に示すように、入力回路１５からの電圧Ｖ、電流Ｉをイグニッションオンに伴って一定時間毎にメモリ２１に収集する収集処理部２０と、バッテリ電圧推定処理部２２と、残存容量算出処理部２３と、充電指示処理部２４とを備えている。
【００２７】バッテリ電圧推定処理部２２は、メモリ２０に収集されたバッテリ５の複数の電圧Ｖ、電流とを平均化し、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。そして、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。
【００２８】残存容量算出処理部２３は、バッテリ電圧推定処理部２２で求められた推定電圧Ｖｎと、予め設定されている基準温度（２０℃）で満充電電圧Ｖｓｏと、予め設定されている放電終止電圧Ｖｅとを用いて、以下の数２に示す式によって現在の残存容量ＳＯＣを求める。
【００２９】
【数２】ＳＯＣ＝〔（Ｖｎ²-Ｖｅ²）〕／（Ｖｓｏ²-Ｖｅ²）〕×１００％但し、Ｖｎ：バッテリの推定電圧Ｖｅ；放電終止電圧Ｖｓｏ；温度２０℃での満充電容量の満充電電圧この残存容量算出処理部２３とバッテリ電圧推定処理部２２とを総称して本実施の形態では容量推定処理部と称する。
【００３０】充電指示処理部２４は、残存容量ＳＯＣが不足しているとき、所定時間毎ｔｉ（１００ｍｓｅｃ）にリレーオフ信号をバッファ１６を介してリレー１０に送出して充電を停止させ、この所定時間内に収集された電圧Ｖｉからコンバータ６の充電電圧４２Ｖより低く、かつ他の電圧Ｖｉより最大値の電圧Ｖｇを抽出する。
【００３１】そして、所定時間ｔｉの間のバッテリ５の電圧Ｖｉを読み、この電圧Ｖｇから最も電圧が低い電圧（例えばＶ１００）までの複数の電圧の関数の変化率ΔＥ′を求めた後に、この充電停止直後の電圧の変化率ΔＥ′が集束する点（例えば、集束時間ｔｈを１時間程度として求める）を求める。つまり、充電停止直後の分極の差電圧ΔＥを除いてバッテリ５の実際の電圧Ｅを推定する。そして、この平衡電圧Ｅを用いて現在の充電可能容量を算出する。
【００３２】また、充電指示処理部２４は、ガッシングの検出に伴って、現在の充電電流以下にさせる充電電流値を段階的に指示する機能も有している。
【００３３】例えば、４２Ｖの定電圧で充電電流を１０Ａとしているときは、その定電流におけるガッシングの検知に伴って、５Ａ、３Ａ、２Ａという充電電流にさせる電流値をコンバータ６の充電回路（図示せず）に指示する。
【００３４】上記のように構成されたバッテリの容量測定装置の０℃での満充電到達時に充電を停止する理由を以下に説明する。
【００３５】一般にバッテリというのは、図３に示すように、電解液の温度によって充電特性が異なる。例えば、温度が２０℃の場合は満充電電圧Ｖｓｏが４２Ｖで満充電容量１００％となる。
【００３６】また、温度が０℃の場合は満充電電圧が３３．６Ｖのときに満充電容量に到達し、基準温度（２０℃）から見た満充電容量では８０％以上には成らない。
【００３７】また、温度がー１０℃の場合は満充電電圧が２５．２Ｖのときに満充電容量に到達し、基準温度（２０℃）から見た満充電容量では６０％以上には成らない。
【００３８】つまり、温度が低下していると、基準温度（２０℃）から見た満充電容量では１００％の残存容量とすることができない。このため、残存容量が低下しているとして従来は過充電になる場合があった。
【００３９】特に、ハイブリット車両においては、走行中に大電力の回生電力を充電することになり、バッテリの温度が低下している場合は、残存容量が１００％とはなることがなかったので、過充電の傾向が強かった。
【００４０】しかし、本実施の形態では、充電指示処理部２４においては、満充電電圧を従来のように基準温度で容量１００％となる満充電電圧Ｖｓｏを使用しないで、Ｏ℃での満充電電圧Ｖｓｐ（基準温度から見たときの０℃における満充電電圧）を使用している。
【００４１】つまり、図４に示すように、ハイブリット車両が走行中であっても、充電中においてバッテリ５の電圧が例えば３３．６Ｖに到達したときに充電が停止される。
【００４２】また、バッテリ５の電解液の温度が２０℃の場合には、走行中であってバッテリの電圧が例えば３３．６Ｖに到達する充電が停止されることになる。
【００４３】すなわち、バッテリの温度に関係なく、バッテリ５の電圧が０℃での満充電容量に相当する満充電電圧Ｖｓｐに到達したときに充電が完了する従って、充電指示処理部２４における現在の充電可能容量は、現在のバッテリ電圧Ｖ（平衡電圧Ｅ）と、満充電電圧Ｖｓｐとは図６に示す関係にあることになり、満充電電圧Ｖｓｐ（基準温度から見たときの０℃における満充電電圧）を使用できるので以下の数３に示すようにして推定されることになる。
【００４４】
【数３】
充電可能容量＝（Ｖｓｐ²－Ｅ²）／（Ｖｓｐ²－Ｖｅ²）
Ｖｓｐ；Ｏ℃での満充電容量の満充電電圧Ｖｅ；放電終止電圧Ｅ；平衡電圧＜実施の形態２＞図７は実施の形態２のバッテリの容量測定装置の概略構成図である。本実施の形態２では図１の構成と同じ構成を備えているが本実施の形態２に係わる主要部のみを示す。実施の形態１においては、電解液の温度を０℃を最低の動作温度とし、この０℃における満充電電圧で充電を停止させている。しかし、実際の使用温度とかなり相違する場合がある。また、０℃における満充電電圧にしているので、残存容量は１００％になることがない。
【００４５】バッテリの寿命という観点からは問題がないが、バッテリを効率良く使用するとうい点では問題がある。つまり、バッテリの温度が実際に基準温度（２０℃）であって、１００％の充電容量（残存容量が１００％）が可能であっても、例えば８０％で満充電容量とされてしまう。このため、高価なバッテリを用いているメリットが無くなる。
【００４６】そこで、本実施の形態２では以下の構成とすることで、できるだけ、１００％に近づくようにしている。
【００４７】図７に示すように、本実施の形態２のバッテリコントローラ３０は、コントロールパネル等に設けられた充電停止用の満充電電圧設定部３１（例えばディップスイッチ回路）の設定データを満充電電圧Ｖｓｐとして受け取って本実施の形態２のバッテリの容量測定装置３４に送出する機能を有するＣＡＮコントローラ３３を備えている。
【００４８】また、バッテリの容量測定装置３４は、ＣＡＮコントローラ３３からの満充電電圧Ｖｓｐを入力したとき、この満充電電圧Ｖｓｐに現在の満充電電圧Ｖｓｐを更新する電圧更新処理部３２を備えている。
【００４９】すなわち、実施の形態１においては、バッテリ５の温度を０℃とし、この０℃に相当する満充電電圧を設定したが、０℃より、５℃又はー５℃等の場合が都合がよいときがある。このため、充電停止用の満充電電圧設定部３１で設定された満充電電圧ＶｓｐをＣＡＮコントローラ３３で受けとって変更できるようにし、充電指示処理部２４がこの変更された満充電電圧Ｖｓｐになったときに充電を停止する。
【００５０】＜実施の形態３＞図８は実施の形態３のバッテリの容量測定装置の概略構成図である。Ｃ実施の形態１においては、例えば日本等の一年間の温度データを記憶しておき、走行時に、本実の年月を検出して満充電電圧を更新する。
【００５１】図８に示すように本実施の形態３のバッテリの容量測定装置３５は、年月日を知らせるカレンダー３６と、過去数年間の１年間の春、夏、秋、冬、雨期の平均データに基づく温度の満充電電圧Ｖｓｐ（Ｖｓｐａ、Ｖｓｐｂ、Ｖｓｐｃ、Ｖｓｐｄ、Ｖｓｐｅ）を記憶したメモリ３７と、カレンダ３６から知らせられた年月日に対応する季節の満充電電圧Ｖｓｐに、現在の満充電電圧を更新する。電圧更新処理部３８とを備えている。
【００５２】すなわち、本実施の形態３においては、図９に示すように、春、夏、秋、冬、雨期の平均データに基づく温度の満充電電圧Ｖｓｐ（Ｖｓｐａ、Ｖｓｐｂ、Ｖｓｐｃ、Ｖｓｐｄ、Ｖｓｐｅ）になったときに充電を停止することによって、季節に応じてバッテリの温度が変化しても、できるだけ１００％の容量になるようにしている。
【００５３】＜実施の形態４＞図１０は実施の形態４のバッテリの容量測定装置の概略構成図である。本実施の形態３では図１の構成と同じ構成を備えているが本実施の形態４に係わる主要部のみを示す。本実施の形態４は過去の地域毎の一日の温度の満充電電圧で充電を停止する。
【００５４】このバッテリの容量測定装置４０は、地域データ引当処理部４１と、メモリ４２とを備えている。この地域データ引当処理部４１は、ＣＡＮコントローラ３３を介して、ＧＰＳを搭載したカーナビシステム４３からの車両の位置（緯度、経度）、年月日、時刻等を入力して、メモリ４２に記憶されているその地域の一日のその時刻における温度に対応する満充電電圧Ｖｓｐを読み、電圧更新処理部３８によってこの満充電電圧に更新させる。
【００５５】メモリ４２には、例えば、過去数年間の平均をとった、１年間の一日の時間単位の温度が県（地域）毎に記憶され、この温度と満充電電圧Ｖｓｎとが対応させらたデータを有している。このデータは実際は、温度と時刻と年月日と地域とからなる関数にされている。
【００５６】すなわち、ナビゲーションシステム４３からの位置によって現在、車両がいる地域を地域データ引当処理部４１がメモリ４２のデータから把握し、年月日及び時刻からその地域の当日の時刻に対応する温度の満充電電圧を引当て、この満充電電圧に到達したときに充電を停止させる。
【００５７】このため、車両（ハイブリット車両、電気自動車、高電圧車両）がどこにいても、できるだけ満充電容量（１００％）になるような満充電電圧で充電を停止させることができる。
【００５８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、走行中におけるバッテリの温度が変化している状態で回生電流が充電されていても、第１の満充電電圧以下の第２の満充電電圧で充電が停止されるから過充電とは絶対にならない。
【００５９】すなわち、温度センサを用いなくとも、低温時にも高温時、走行中、走行停止中等のあらゆる環境下で絶対に過充電とはならないという効果が得られている。
【００６０】また、現在の位置、年月日、時刻の入力に伴って、この位置の地域の過去の年月日、時刻の温度でも満充電電圧に、バッテリの温度が到達したときに充電を停止する。すなわち、その地域のその時刻での温度に基づく満充電電圧で充電を停止させるから、この満充電電圧で充電を停止しても過充電とならない可能な限りの充電容量に近づけることができるという効果が得られている。

【出願人】	【識別番号】０００００６８９５【氏名又は名称】矢崎総業株式会社
【出願日】	平成１１年６月２８日（１９９９．６．２８）
【代理人】	【識別番号】１０００８３８０６【弁理士】【氏名又は名称】三好秀和（外８名）
【公開番号】	特開２００１－１３２２６（Ｐ２００１－１３２２６Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】	特願平１１－１８２３５１