JP2015052461A - 蓄電システムおよび充電率推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流検出手段の数を低減しつつ並列接続された複数種類の各蓄電デバイスの充電率を容易に推定することができる蓄電システムおよび充電率推定方法を提供する。
【解決手段】マイコン５１は、電流センサ３０により検出された蓄電部２０に流れる電流に基づいて蓄電部２０のＳＯＣを算出する。マイコン５１は、算出された蓄電部２０のＳＯＣから、メモリ５２に記憶した蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣとＯＣＶとの関係を用いて蓄電部２０のＯＣＶを算出して蓄電部２０のＯＣＶから鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の各々のＳＯＣを推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数種類の蓄電デバイスを並列接続して構成された蓄電部を備えた蓄電システムおよび充電率推定方法に関するものである。

ＥＶやＨＶなどの車両には、モータへの供給電力を蓄える電池が搭載されている。蓄電部では複数の蓄電デバイスを並列接続して構成している（例えば特許文献１参照）。このとき、図５に示すように、複数の電池（例えばニッケル水素電池）１００，１０１を並列接続して使用する場合において各電池１００，１０１の充電率（ＳＯＣ）を推定する場合、各電池１０１，１０１に流れる電流を検出する電流センサ１１０，１１１を設けてコントローラ１２０において各電流検出値を使ってＳＯＣを推定する。

特開２０１０−１１７０８号公報

ところが、電流センサ（１１０，１１１）の個数について、電流センサが並列電池分必要となり、コスト面で不利になる。また、複数の電池（１１０，１１１）として異なる種類の電池が並列接続された場合、各電池のＳＯＣを推定する際、それぞれ演算をする必要があり計算コストが増加する。

本発明の目的は、電流検出手段の数を低減しつつ並列接続された複数種類の各蓄電デバイスの充電率を容易に推定することができる蓄電システムおよび充電率推定方法を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、複数種類の蓄電デバイスを並列接続して構成され、負荷に対し放電可能であるとともに前記複数種類の蓄電デバイスを充電可能である蓄電部と、前記蓄電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記複数種類の蓄電デバイスの使用可能な充電率の範囲での共通する開回路電圧または入出力可能電力の範囲を前記蓄電部の使用可能な充電率として、当該蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を予め記憶する記憶手段と、前記電流検出手段により検出された前記蓄電部に流れる電流に基づいて前記蓄電部の充電率を算出する蓄電部充電率算出手段と、前記蓄電部充電率算出手段により算出された前記蓄電部の充電率から、前記記憶手段に記憶した前記蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を用いて前記蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力を算出して当該蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力から前記複数種類の蓄電デバイスの各々の充電率を推定する充電率推定手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、記憶手段において、複数種類の蓄電デバイスの使用可能な充電率の範囲での共通する開回路電圧または入出力可能電力の範囲を蓄電部の使用可能な充電率として、当該蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係が予め記憶される。蓄電部充電率算出手段において、電流検出手段により検出された蓄電部に流れる電流に基づいて蓄電部の充電率が算出される。充電率推定手段において、蓄電部充電率算出手段により算出された蓄電部の充電率から、記憶手段に記憶した蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を用いて蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力が算出されて当該蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力から複数種類の蓄電デバイスの各々の充電率が推定される。これにより、電流検出手段の数を低減しつつ並列接続された複数種類の各蓄電デバイスの充電率を容易に推定することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の蓄電システムにおいて、前記複数種類の蓄電デバイスは、鉛蓄電池を含むとよい。
請求項３に記載のように、請求項２に記載の蓄電システムにおいて、前記複数種類の蓄電デバイスは、ニッケル水素電池を含むとよい。

請求項４に記載の発明では、複数種類の蓄電デバイスを並列接続して構成され、負荷に対し放電可能であるとともに前記複数種類の蓄電デバイスを充電可能である蓄電部を備えた蓄電システムにおいて、前記複数種類の蓄電デバイスの使用可能な充電率の範囲での共通する開回路電圧または入出力可能電力の範囲を前記蓄電部の使用可能な充電率として、当該蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を予め取得しておき、前記蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を用いて、検出した前記蓄電部に流れる電流から得られた前記蓄電部の充電率から前記蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力を算出して、当該蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力から前記複数種類の蓄電デバイスの各々の充電率を推定するようにしたことを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、複数種類の蓄電デバイスの使用可能な充電率の範囲での共通する開回路電圧または入出力可能電力の範囲を蓄電部の使用可能な充電率として、当該蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係が予め取得されている。そして、蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を用いて、検出した蓄電部に流れる電流から得られた蓄電部の充電率から蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力が算出されて、当該蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力から複数種類の蓄電デバイスの各々の充電率が推定される。これにより、電流検出手段の数を低減しつつ並列接続された複数種類の各蓄電デバイスの充電率を容易に推定することができる。

本発明によれば、電流検出手段の数を低減しつつ並列接続された複数種類の各蓄電デバイスの充電率を容易に推定することができる。

実施形態の車両用蓄電システムの電気的構成を示す図。 各電池のＳＯＣとＯＣＶの関係を示す図。 蓄電部のＳＯＣとＯＣＶの関係を示す図。 各電池のＳＯＣと入出力可能電力の関係を示す図。 蓄電システムの説明図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、車両としてのハイブリッド車（ＨＶ）の蓄電システムに具体化している。ハイブリッド車は、動力源としてモータとエンジンを搭載しており、これらを用いて車軸を駆動する。

図１に示すように、蓄電システム１０は蓄電部２０を備えている。蓄電部２０は、蓄電デバイスとしての鉛蓄電池２１と、蓄電デバイスとしてのニッケル水素電池２２を有し、鉛蓄電池２１とニッケル水素電池２２が並列接続されている。鉛蓄電池２１とニッケル水素電池２２は充電可能である。また、鉛蓄電池２１とニッケル水素電池２２は、負荷としてのモータジェネレータ（ＭＧ）７０およびインバータ７１に対し放電可能である。このように、蓄電部２０は、複数種類の蓄電デバイス（２１，２２）を並列接続して構成され、モータジェネレータ７０およびインバータ７１に対し放電可能であるとともに複数種類の蓄電デバイス（２１，２２）を充電可能である。複数種類の蓄電デバイスは鉛蓄電池２１を含むとともにニッケル水素電池２２を含む。

鉛蓄電池２１は、起電力（開回路電圧：ＯＣＶ）を発生させる部位に対する内部抵抗を有する。ニッケル水素電池２２は、起電力（開回路電圧：ＯＣＶ）を発生させる部位に対する内部抵抗を有する。鉛蓄電池２１とニッケル水素電池２２の内部抵抗の値は相違している。

また、蓄電システム１０は、電流センサ３０と電圧センサ４０を備えている。電流検出手段としての電流センサ３０により蓄電部２０に流れる電流が検出される。即ち、各々の電池に流れる電流ではなく複数の電池による並列回路に流れる電流を検出している。換言すれば、負荷に流れる電流を検出している。電圧センサ４０により蓄電部２０の両端電圧が検出される。

さらに、蓄電システム１０は、コントローラ５０と表示器６０を備えている。
モータジェネレータ（ＭＧ）７０は、インバータ７１と接続されている。そして、回生時にモータジェネレータ７０が発電機として機能する場合には、モータジェネレータ７０で発生した交流をインバータ７１において直流に変換して充電用電力として鉛蓄電池２１やニッケル水素電池２２に供給することが可能となる。また、力行時にモータジェネレータ７０でトルクを得る場合には、インバータ７１において鉛蓄電池２１やニッケル水素電池２２の直流を交流に変換してモータジェネレータ７０に供給してモータジェネレータ７０により車軸を回転駆動するための回転力を得ることができるようになっている。

鉛蓄電池２１は、充電率（ＳＯＣ；ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）が例えば９０％以上で使用される。鉛蓄電池２１の負極端子はインバータ７１と接続されているとともに鉛蓄電池２１の正極端子はインバータ７１と接続されている。そして、充放電可能な鉛蓄電池２１は、モータジェネレータ７０（インバータ７１）から電力の供給を受ける。

鉛蓄電池２１によりエンジンを始動するためのスタータモータ、ラジオ、メータ、オイルポンプ、ヘッドランプ、テールランプ等が駆動される。
ニッケル水素電池２２は複数個（例えば１０個）のセルを直列接続して構成されている。ニッケル水素電池２２は、ＳＯＣが例えば２０％〜８０％で使用される。ニッケル水素電池２２の負極端子はインバータ７１と接続されているとともにニッケル水素電池２２の正極端子はインバータ７１と接続されている。そして、充放電可能なニッケル水素電池２２はモータジェネレータ７０から電力の供給を受ける。

複数種類の二次電池を並列接続して構成した蓄電部２０における各電池のそれぞれのＳＯＣを演算するのではなく、蓄電部２０（即ち、並列電源）を１つの電源としてみなし、蓄電部２０のＳＯＣを演算する。この場合、使用するＳＯＣ範囲が異なるため、ＯＣＶ、ＳＯＣについて、図２のように各電池の使用可能ＳＯＣ範囲の中から共通するＯＣＶ領域（両電池使用可能ＯＣＶ範囲）を使って、図３に示すように蓄電部２０におけるＳＯＣ範囲でＯＣＶと対応付けている。

詳しく説明する。
図２において、鉛蓄電池２１およびニッケル水素電池２２のＳＯＣとＯＣＶについての特性を示す。図２において横軸に各電池（鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２）のＳＯＣをとり、縦軸に各電池（鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２）のＯＣＶをとっている。図２において鉛蓄電池２１についての特性線Ｌ１０とニッケル水素電池２２についての特性線Ｌ１１を示す。

ニッケル水素電池２２の使用可能なＳＯＣ範囲は、２０〜８０％である。鉛蓄電池２１の使用可能なＳＯＣ範囲は、９０〜１００％である。そして、両電池（鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２）の使用可能なＯＣＶ範囲は、Ｙ１〜Ｙ２である。よって、Ｙ１〜Ｙ２の範囲において、蓄電部２０のＯＣＶ値が分かれば、鉛蓄電池２１のＳＯＣ、および、ニッケル水素電池２２のＳＯＣが分かることになる。例えば、蓄電部２０のＯＣＶ値が「ｂ」ならば、鉛蓄電池２１のＳＯＣが「ｃ２」、ニッケル水素電池２２のＳＯＣが「ｃ１」となる。

図１においてコントローラ５０は、マイコン５１とメモリ５２を有する。メモリ５２には各種のプログラムが記憶されているとともに各種のデータが記憶されている。メモリ５２には図３に示すマップが記憶されている。

図３に示すように、横軸に蓄電部２０のＳＯＣをとり、縦軸に蓄電部２０のＯＣＶをとっている。図３において特性線Ｌ１を有し、この特性線Ｌ１により、鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の使用可能なＳＯＣの範囲での共通するＯＣＶの範囲を蓄電部２０の使用可能な充電率として、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣとＯＣＶとの関係が規定されている。

このように、記憶手段としてのメモリ５２は、複数種類の蓄電デバイス（２１，２２）の使用可能なＳＯＣの範囲での共通するＯＣＶの範囲を蓄電部２０の使用可能なＳＯＣとして、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣとＯＣＶとの関係を予め記憶している。また、図２の鉛蓄電池２１についての特性線Ｌ１０とニッケル水素電池２２についての特性線Ｌ１１もマップとしてメモリ５２に記憶されている。

コントローラ５０には、電流センサ３０、電圧センサ４０が接続され、各センサ３０，４０の検出信号を入力する。コントローラ５０には、図示しないモータジェネレータＥＣＵ（ＥＣＵ；電子制御ユニット）を介してインバータ７１が接続され、モータジェネレータＥＣＵによってインバータ７１（モータジェネレータ７０）の出力電力等を制御することができるようになっている。詳しくは、モータジェネレータＥＣＵは、車減速要求や加速要求を図示しない車両ＥＣＵから受け、モータジェネレータ７０をモータ駆動（力行）とするかジェネレータ駆動（回生）とするかを制御する。さらに、モータジェネレータＥＣＵはコントローラ５０からの情報に基づいてインバータ７１（モータジェネレータ７０）の出力電力を制御して電池２１，２２への出力を制限する。

次に、このように構成した蓄電システム１０の作用について説明する。
マイコン５１は、電流センサ３０を用いて、複数種類の二次電池を並列接続して構成した蓄電部２０におけるＳＯＣを計算する。詳しくは、マイコン５１は、蓄電部２０について、電流センサ３０により検出された蓄電部２０の充放電電流、電圧センサ４０により検出された蓄電部２０の両端電圧から、ＳＯＣを求める。ＳＯＣは電流積算で求められ、具体的には、初期ＳＯＣと充放電電流の時間積分値との和によって求められる。この電流積分によるＳＯＣの検出は電流センサの誤差の蓄積によってずれが発生するので、ずれの補正のために蓄電部２０のＯＣＶとＳＯＣの関係を予め求めておき、そのときのＯＣＶに対するＳＯＣを求めて補正を行う。なお、ＯＣＶは、測定した電圧値Ｖと既知の内部抵抗Ｒと測定した電流値Ｉから、Ｖｏｃｖ＝Ｖ＋ＲＩから求める。

そして、マイコン５１は、蓄電部２０のＳＯＣから、図３のマップを用いて複数種類の二次電池を並列接続して構成した蓄電部２０のＯＣＶを読み取る。具体的には、図３においてその時の蓄電部２０のＯＣＶの値ａから、蓄電部２０のＯＣＶの値ｂを取得する。

マイコン５１は、読み取った、複数種類の二次電池を並列接続して構成した蓄電部２０のＯＣＶの値から、図２に示すマップデータから各電池２１，２２のＳＯＣを読み取る。具体的には、蓄電部２０のＯＣＶの値ｂから、ニッケル水素電池２２のＳＯＣの値ｃ１および鉛蓄電池２１のＳＯＣの値ｃ２を取得する。

そして、マイコン５１は、各電池２１，２２のＳＯＣを表示器６０に表示させる。具体的には鉛蓄電池２１のＳＯＣを表示部６１に、また、ニッケル水素電池２２のＳＯＣを表示部６２に表示させる。

さらに、各電池２１，２２のＳＯＣに基づいてインバータ７１の出力制御が行われる。具体的には、例えば、マイコン５１は電池２１，２２の充放電可能電力を算出して、算出した充放電可能電力に基づいて、図示しないモータジェネレータＥＣＵによりインバータ７１の出力制御が行われる。

このようにして、複数種類の二次電池を並列接続して構成した蓄電部２０のＳＯＣを管理をするので電流センサは１つでもよく、少ない数の電流センサで各々の電池２１，２２のＳＯＣを推定でき、電流センサを削減することができる。

また、ＳＯＣ管理数の低減を図ることができる。つまり、ニッケル水素電池２２、鉛蓄電池２１のＳＯＣではなく複数種類の二次電池を並列接続して構成した蓄電部２０としてのＳＯＣを管理することによって、各々の電池のＳＯＣを求める場合に比べて計算コストを低減することができる。つまり、各電池２１，２２のＳＯＣを、演算負荷を減らして容易に推定することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）蓄電システムの構成として、蓄電部充電率算出手段としてのマイコン５１は、電流センサ３０により検出された蓄電部２０に流れる電流に基づいて蓄電部２０のＳＯＣを算出する。充電率推定手段としてのマイコン５１は、算出された蓄電部２０のＳＯＣから、メモリ５２に記憶した蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣとＯＣＶとの関係を用いて蓄電部２０のＯＣＶを算出して蓄電部２０のＯＣＶから鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の各々のＳＯＣを推定する。よって、電流センサの数を低減しつつ並列接続された鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２（複数種類の各蓄電デバイス）の充電率を容易に推定することができる。

（２）充電率推定方法として、複数種類の蓄電デバイス（２１，２２）の使用可能なＳＯＣの範囲での共通するＯＣＶの範囲を蓄電部２０の使用可能なＳＯＣとして、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣとＯＣＶとの関係を予め取得しておく。そして、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣとＯＣＶとの関係を用いて、検出した蓄電部２０に流れる電流から得られた蓄電部２０のＳＯＣから蓄電部２０のＯＣＶを算出して、蓄電部２０のＯＣＶから鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の各々のＳＯＣを推定する。よって、電流センサの数を低減しつつ並列接続された鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２（複数種類の各蓄電デバイス）の充電率を容易に推定することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図２における各電池のＳＯＣとＯＣＶの関係に代わり、図４に示した各電池のＳＯＣと入出力可能電力の関係を用いて、鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の各々のＳＯＣを推定するようにしてもよい。

図４に示すように、横軸に電池（鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２）のＳＯＣをとり、縦軸に電池（鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２）の入出力可能電力をとっている。図４において鉛蓄電池２１についての特性線Ｌ２０とニッケル水素電池２２についての特性線Ｌ２１を示す。ニッケル水素電池２２の使用可能なＳＯＣ範囲は、２０〜８０％である。鉛蓄電池２１の使用可能なＳＯＣ範囲は、９０〜１００％である。そして、両電池（鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２）の使用可能な入出力可能電力の範囲は、Ｙ１１〜Ｙ１２である。よって、Ｙ１１〜Ｙ１２の範囲において、蓄電部２０の入出力可能電力値が分かれば、鉛蓄電池２１のＳＯＣ、および、ニッケル水素電池２２のＳＯＣが分かることになる。

このように、充電率推定方法として、複数種類の蓄電デバイス（２１，２２）の使用可能なＳＯＣの範囲での共通する入出力可能電力の範囲を蓄電部２０の使用可能なＳＯＣとして、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣと入出力可能電力との関係を予め取得しておく。そして、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣと入出力可能電力との関係を用いて、検出した蓄電部２０に流れる電流から得られた蓄電部２０のＳＯＣから蓄電部２０の入出力可能電力を算出して、蓄電部２０の入出力可能電力から鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の各々のＳＯＣを推定する。また、蓄電システムの構成として、記憶手段としてのメモリ５２は、複数種類の蓄電デバイス（２１，２２）の使用可能なＳＯＣの範囲での共通する入出力可能電力の範囲を蓄電部２０の使用可能なＳＯＣとして、蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣと入出力可能電力との関係を予め記憶する。マイコン５１は、電流センサ３０により検出された蓄電部２０に流れる電流に基づいて蓄電部２０のＳＯＣを算出する。この算出された蓄電部２０のＳＯＣから、メモリ５２に記憶した蓄電部２０についての使用可能なＳＯＣと入出力可能電力との関係を用いて蓄電部２０の入出力可能電力を算出して蓄電部２０の入出力可能電力から鉛蓄電池２１、ニッケル水素電池２２の各々のＳＯＣを推定するようにしてもよい。

・蓄電デバイスは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池に限定されない。例えばリチウムイオン二次電池、キャパシタ等などを組み合わせて並列接続してもよい。
・蓄電部において並列接続される蓄電デバイスの種類については、ニッケル水素電池と鉛蓄電池の２種類であったが、３種類以上の蓄電デバイスが並列接続されていてもよい。

・表示器６０に蓄電部２０のＳＯＣを表示してもよい。
・負荷はモータジェネレータ７０およびインバータ７１であったが、これに限定されるものではなく、蓄電デバイスの電力が放電可能であればよい。

１０…蓄電システム、２０…蓄電部、２１…鉛蓄電池、２２…ニッケル水素電池、３０…電流センサ、５１…マイコン、５２…メモリ、７０…モータジェネレータ、７１…インバータ。

Claims (4)

1. 複数種類の蓄電デバイスを並列接続して構成され、負荷に対し放電可能であるとともに前記複数種類の蓄電デバイスを充電可能である蓄電部と、
   前記蓄電部に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記複数種類の蓄電デバイスの使用可能な充電率の範囲での共通する開回路電圧または入出力可能電力の範囲を前記蓄電部の使用可能な充電率として、当該蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を予め記憶する記憶手段と、
   前記電流検出手段により検出された前記蓄電部に流れる電流に基づいて前記蓄電部の充電率を算出する蓄電部充電率算出手段と、
   前記蓄電部充電率算出手段により算出された前記蓄電部の充電率から、前記記憶手段に記憶した前記蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を用いて前記蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力を算出して当該蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力から前記複数種類の蓄電デバイスの各々の充電率を推定する充電率推定手段と、
   を備えたことを特徴とする蓄電システム。
2. 前記複数種類の蓄電デバイスは、鉛蓄電池を含むことを特徴する請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記複数種類の蓄電デバイスは、ニッケル水素電池を含むことを特徴する請求項２に記載の蓄電システム。
4. 複数種類の蓄電デバイスを並列接続して構成され、負荷に対し放電可能であるとともに前記複数種類の蓄電デバイスを充電可能である蓄電部を備えた蓄電システムにおいて、
   前記複数種類の蓄電デバイスの使用可能な充電率の範囲での共通する開回路電圧または入出力可能電力の範囲を前記蓄電部の使用可能な充電率として、当該蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を予め取得しておき、
   前記蓄電部についての使用可能な充電率と開回路電圧または入出力可能電力との関係を用いて、検出した前記蓄電部に流れる電流から得られた前記蓄電部の充電率から前記蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力を算出して、当該蓄電部の開回路電圧または入出力可能電力から前記複数種類の蓄電デバイスの各々の充電率を推定するようにしたことを特徴とする充電率推定方法。