JP2003004823A

JP2003004823A - 電池の残存容量算出装置

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Publication number: JP2003004823A
Application number: JP2001186691A
Authority: JP
Inventors: Yuji Tanjo; 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP4876340B2

Abstract

(57)【要約】【課題】精度良く残存容量を算出することができる残
存容量演算方法の提供。【解決手段】充放電時の電流および端子電圧とに基づ
いて電池の電流・電圧特性Ｌ１，Ｌ２を求め、電流・電
圧特性Ｌ１，Ｌ２と放電時における端子電圧の許容最低
電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)とに基づいて電池の最大出力
を算出する。そして、最大出力と放電状態との相関およ
び算出された最大出力に基づいて、電池の残存容量を算
出する。その際、許容最低電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を
電池温度Ｔ１，Ｔ２に応じて設定し、設定された各許容
最低電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)と各温度Ｔ１，Ｔ２にお
けるＩＶ特性直線Ｌ１，Ｌ２とに基づいて、電池の最大
出力を算出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池の残存容量算
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電池の残存容量算出方法として
は、例えば、特開平６−１７４８０８号公報に開示され
ているような方法が知られている。その方法では、放電
時に得られる電流値および端子電圧に基づく最大出力と
放電電力量とを順次算出して、その最大出力と放電電力
量との関係式を求める。そして、この関係式に放電終止
時の最大出力を代入して得られる放電電力量から、関係
式に現在の最大出力を代入して得られる放電電力量を減
算することにより、残存容量を算出している。この算出
方法は、残存容量が少なくなったときに精度良く算出で
きるという特徴がある。

【０００３】上述した放電終止時の設定電圧は、（ａ）
電池の寿命を考慮した使用電圧範囲の下限電圧や、
（ｂ）車両搭載ユニットの性能，機能を保証可能な使用
電圧範囲の下限電圧等を考慮して設定される。そして、
最大出力は、この設定電圧とそのときの電流値とを掛け
合わせたものとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電池の端子
電圧は電池温度に依存して変化することが知られてい
る。しかしながら、上述した残存容量算出方法では電池
温度によらず設定電圧を一定としているので、算出され
た残存容量と実際の残存容量との間のずれが大きくなっ
てしまうという問題があった。また、電池温度が低い状
態では、放電状態の変化に対する最大出力の変化が小さ
くなり、残存容量を精度良く算出できないという問題も
あった。

【０００５】本発明の目的は、最大出力算出時に電池温
度を考慮することにより、精度良く残存容量を算出する
ことができる残存容量演算装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１〜３、図５および図７に対応付けて説明する。（１）図１〜３および図７に対応付けて説明すると、請
求項１の発明は、充放電時における電池１１の電流Ｉを
検出する電流検出手段１５と、充放電時における電池１
１の端子電圧Ｖを検出する電圧検出手段１４と、電流検
出手段１５で検出された電流Ｉおよび電圧検出手段１４
で検出された端子電圧Ｖに基づいて電池１１の電流・電
圧特性Ｌを算出する電流・電圧特性演算手段１６と、電
流・電圧特性演算手段１６で算出された電流・電圧特性
Ｌおよび放電時における端子電圧Ｖの許容最低電圧Ｖmi
nに基づいて電池の最大出力Ｐmaxを算出する最大出力演
算手段１６と、電池１１の最大出力Ｐmaxと充電状態と
の相関Ｌ１０および最大出力演算手段１６で算出された
最大出力Ｐmaxに基づいて電池１１の残存容量を算出す
る残存容量演算手段１６とを備える残存容量算出装置に
適用され、電池１１の温度Ｔを検出する温度検出手段１
８と、温度検出手段１８で検出された電池温度Ｔ１，Ｔ
２に応じて許容最低電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を設定す
る設定手段１６とを備え、残存容量演算手段１６は、設
定手段１６により設定された許容最低電圧Ｖmin(T1)，
Ｖmin(T2)および対応する電池温度Ｔ１，Ｔ２において
算出された電流・電圧特性Ｌ１，Ｌ２に基づいて電池１
１の最大出力Ｐmaxを算出することにより上述の目的を
達成する。（２）図１および図５に対応付けて説明すると、請求項
２の発明は、請求項１に記載の残存容量算出装置におい
て、最大出力演算手段１６により算出される所定充電状
態の最大出力Ｐminが電池温度Ｔ１，Ｔ２によらず一定
となるように許容最低電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を設定
するようにしたものである。（３）請求項３の発明は、請求項１に記載の残存容量算
出装置において、電圧検出手段１４が検出した電池の端
子電圧Ｖが所定電圧以上である場合には、設定手段１６
は温度検出手段１８で検出された温度に関わらず一定の
許容最低電圧を保持するものである。

【０００７】なお、上記課題を解決するための手段の項
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。

【０００８】

【発明の効果】（１）請求項１〜３の発明によれば、許
容最低電圧を電池温度に応じて設定したので、より正確
な許容最低電圧を得ることができ、その許容最低電圧に
基づいて残存容量を算出することにより精度良く残存容
量を算出することができる。（２）請求項２の発明によれば、上述した効果に加え
て、所定放電状態における最大出力が電池温度により変
化することがない。例えば、所定放電状態として電池の
最低要求出力が得られる状態とした場合には、最低要求
出力となる放電状態が電池温度に依らず一致するという
利点がある。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明による残存容量演算
装置の一実施の形態を示す図であり、電気自動車に搭載
される組電池の残存容量演算装置に適用したものであ
る。図１は電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロ
ック図である。図１に示す組電池１１は単セル１１１を
複数直列接続したものであり、単セル１１１には例えば
リチウムイオン電池が用いられる。組電池１１はインバ
ータ１２に直流電力を供給し、インバータ１２は直流電
力を交流電力に変換してモータ１３を駆動する。回生時
には車両の走行エネルギーがモータ１３およびインバー
タ１２を介して電気エネルギーに逆変換され、電池１１
が充電されるとともに車両に回生ブレーキがかかる。電
池１１の端子電圧Ｖは電圧センサ１４により検出され、
電流Ｉは電流センサ１５により検出される。電池１１の
温度Ｔは温度センサ１８により検出される。

【００１０】セルコントローラ１７は各単セル１１１を
管理コントロールする装置であり、各単セル１１１の端
子電圧を検出したり、各単セル１１１毎の充放電制御を
行ったりする。バッテリーコントローラ１６はＣＰＵ，
ＲＯＭおよびＲＡＭ等（不図示）を備えており、電圧セ
ンサ１４，電流センサ１５および温度センサ１８により
検出された電圧Ｖ，電流Ｉおよび温度Ｔに基づいて、組
電池１１の電池状態を演算する。また、その演算結果に
基づいて、組電池１１の残存容量の算出やインバータ１
２の出力制御および回生制御などを行なう。バッテリー
コントローラ１６で算出された残存容量は残存容量表示
装置１９に表示される。なお、組電池１１の電流および
端子電圧の検出には、図１に示すように電圧センサ１
４，電流センサ１５を用いても良いし、単に電流Ｉや電
圧Ｖを検出するための抵抗や結線から成る回路とし、そ
れらの電流や電圧からバッテリーコントロータ１６によ
り電流Ｉや電圧Ｖを求めるようにしても良い。

【００１１】《最大出力の算出方法》次に、組電池１１
の最大出力Ｐmaxの算出方法について説明する。まず、
放電中（例えば、車両走行中）に組電池１１の端子電圧
Ｖおよび放電電流Ｉを複数回検出し、その検出データを
図２のようにＩＶ座標上にプロットする。そして、これ
らの検出データを用いて最小二乗法による回帰演算を行
い、図２のようなＩＶ特性直線Ｌを求める。組電池１１
の内部抵抗および開放電圧をそれぞれＲ，Ｅとすると、
ＩＶ特性直線Ｌは「Ｖ＝Ｅ−ＩＲ」と表される。このと
き、組電池１１の出力Ｐは次式（１）のように表され
る。なお、回帰演算によりＩＶ特性直線Ｌを得るために
は、端子電圧が所定値以上変化したときに検出データの
サンプリングを行う必要がある。

【数１】Ｐ＝ＩＶ＝Ｖ（Ｅ_０−Ｖ）／Ｒ＝−（Ｖ^２−Ｅ_０Ｖ）／Ｒ＝｛−（Ｖ−Ｅ_０／２）^２／Ｒ｝＋Ｅ_０ ^２／４Ｒ …（１）

【００１２】式（１）に示す出力Ｐの式では、端子電圧
Ｖが開放電圧Ｅ_０の１／２になったときに出力Ｐが最大
となるが、実際には、電池保護のために端子電圧Ｖが設
定電圧Ｖminを下回らないように制御される。通常、こ
の設定電圧ＶminはＥ_０／２以上に設定されるため、組
電池１１の最大出力Ｐmaxは端子電圧Ｖが設定電圧Ｖmin
となったときの出力値に等しくなる。すなわち、設定電
圧Ｖminのときの電流値をＩmaxと記すと、最大出力Ｐma
xは「Ｐmax＝Ｖmin×Ｉmax」で算出される。

【００１３】《設定電圧の設定方法》ところで、組電池
１１のＩＶ特性は、電池温度Ｔによって変化する。具体
的には、電池温度Ｔが低くなると電池内部抵抗Ｒが大き
くなる。そのため、電池温度Ｔ１，Ｔ２がＴ１＞Ｔ２の
場合には、図３に示すように温度Ｔ２の場合のＩＶ特性
直線Ｌ２の傾きは、温度Ｔ１の場合のＩＶ特性直線のＴ
１の傾きよりも大きくなる。このように電池温度Ｔが異
なっている場合であっても、従来は一定の設定電圧Ｖmi
nに基づいて、例えば、電池温度Ｔ１に対応した設定電
圧Ｖmin(T1)に基づいて最大出力Ｐmaxを算出していた。
その場合、図３からも分かるように、電池温度Ｔ２の場
合の最大出力（I2max・Ｖmin(T1)）は電池温度Ｔ１の場
合の最大出力（I1max・Ｖmin(T1)）より小さくなる。

【００１４】なお、I1maxおよびI2maxは、ＩＶ特性直線
Ｌ１，Ｌ２に設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を代入した
ときの電流値である。また、二点鎖線で示した特性直線
Ｌ１’は、特性直線Ｌ１を取得したときよりも組電池１
１の放電状態（DOD：Depthof Discharge）が大きくなっ
た場合のＩＶ特性を示したものである。

【００１５】設定電圧Ｖmin(T1)が電池温度Ｔ１で適切
となるように設定された場合、電池温度Ｔ２のときに
は、設定電圧を最大出力I2max’・Ｖmin(T2)が「I2max
・Ｖmin(T1)＜I2max’・Ｖmin(T2)≦I1max・Ｖmin(T
1)」となるような電圧Ｖmin(T2)まで低くすることがで
きる。そこで、本実施の形態では、最大出力Ｐmaxを算
出する際の設定電圧Ｖminを、電池温度Ｔに応じて変化
させるようにした。具体的には、電池温度Ｔが所定温度
（２５℃）以下となった場合に、電池温度Ｔに応じて設
定電圧を下げるように設定した。

【００１６】図４は、電池温度Ｔと単セルあたりの設定
電圧ＶＣmin(T)との関係の一例を示す図である。図４に
示すように、電池温度Ｔ１＝２５℃では単セル当たりの
設定電圧ＶＣmin(T1)を３．５Ｖとし、電池温度Ｔ２＝
−２５℃では単セル当たりの設定電圧ＶＣmin(T2)を
２．０Ｖとした。Ｔ≧Ｔ１の範囲では３．５Ｖで一定と
し、Ｔ２＜Ｔ＜Ｔ１ではＶＣmin(T)＝３．５−０．３×
（２５−Ｔ）とした。なお、組電池１１としての設定電
圧Ｖmin(T)は、Ｖmin(T)＝（セル数）×ＶＣmin(T)で表
される。

【００１７】図４の電池温度Ｔ２＝−２５℃における単
セルあたりの設定電圧Ｖmin(T2)＝２．０Ｖは、次のよ
うにして決定する。電池温度Ｔ１＝２５℃の組電池１１
は、所定の放電状態DODとなったときに最低要求出力Ｐm
in（すなわち、放電終止時最大出力）となる。そして、
電池温度Ｔ２＝−２５℃であって所定DODのときに、最
低要求出力が上記Ｐminと等しくなるように単セルあた
りの設定電圧Ｖmin(T2)を決める。すなわち、電池状態
が所定DODの時の最低要求出力Ｐminは、電池温度Ｔに依
らずみな等しくなる。

【００１８】図５は、所定DODのときのＩＶ特性直線Ｌ
１(T1)，Ｌ２(T2)と、最低要求出力Ｐminを表す曲線Ｉ
・Ｖ＝Ｐminとを示したものである。上述したように、
曲線Ｉ・Ｖ＝ＰminとＩＶ特性直線Ｌ１(T1)，Ｌ２(T2)
との交点の電圧を、それぞれ設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin
(T2)とする。なお、図４に示した電池温度Ｔと設定電圧
Ｖminとの関係は、図１のバッテリーコントローラ１６
のＲＯＭに予め記憶されている。

【００１９】《残存容量の算出方法》次に、上述した最
大出力Ｐmaxに基づいた残存容量の算出方法について説
明する。図６は残存容量算出の手順を示すフローチャー
トであり、バッテリーコントローラ１６により実行され
るプログラムの処理手順を示したものである。以下で
は、このフローチャートに基づいて組電池１１の残存容
量の算出方法を説明する。なお、図６に示す一連の処理
は、バッテリーコントローラ１６の電源がオンされると
スタートし、電源がオフされるまで繰り返し実行され
る。

【００２０】図６のステップＳ１０１では、組電池１１
の温度Ｔを温度センサ１８により検出する。ステップＳ
１０２では、予め記憶されている図４の関係を表すマッ
プとステップＳ１０１で検出された電池温度Ｔとに基づ
いて、設定電圧Ｖmin(T)を算出する。ステップＳ１０３
では、放電時の端子電圧Ｖおよび電流Ｉが電圧センサ１
４および電流センサ１５によりそれぞれ検出され、検出
結果がバッテリーコントローラ１６に入力される。ステ
ップＳ１０３における検出は複数回行われる。

【００２１】ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３
で検出された端子電圧Ｖおよび電流Ｉに基づいて、図２
に示すようなＩＶ特性が算出される。ステップＳ１０５
では、ステップＳ１０２で算出された設定電圧Ｖmin(T)
とステップＳ１０４で算出されたＩＶ特性とを用いて、
最大出力Ｐmax＝Ｉmax(T)・Ｖmin(T)を算出する。ステ
ップＳ１０６では、ステップＳ１０５で算出された最大
出力Ｐmaxに基づいて残存容量を算出する。

【００２２】バッテリーコントローラ１６のＲＯＭに
は、図７に示すような最大出力と放電状態（DOD）との
相関Ｌ１０を表すマップが予め記憶されている。この相
関Ｌ１０から、最大出力ＰmaxのときのDODはＸ（％）と
算出され、残存容量は１００−Ｘ（％）となる。この状
態からさらに放電すると、図３のＬ１’のようにＩＶ特
性が変化して最大出力Ｐmax’はＰmaxより小さくなり、
DODはＸ’（＞Ｘ）と算出される。

【００２３】最大出力とDODとの相関は電池温度に依存
しており、例えば、図８の相関Ｌ１０を電池温度Ｔ１＝
２５℃の場合の相関とすれば、電池温度Ｔ２＝−２５℃
の場合の相関はＬ１１のようになる。なお、上述したよ
うに、設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)は最低要求出力Ｐ
minが一致するように設定されているので、最低要求出
力Ｐminにおいて相関Ｌ１０と相関Ｌ１１とは一致す
る。

【００２４】それぞれの温度Ｔ１，Ｔ２における相関Ｌ
１０，Ｌ１１は各々マップとしてＲＯＭに予め記憶され
ている。また、電池温度Ｔ１＝２５℃を基準温度とし、
相関Ｌ１０を基準相関として記憶するとともに各温度に
おける補正係数αを予め記憶しておき、基準相関の最大
出力に補正係数αを乗じたものを各温度における最大出
力としても良い。

【００２５】その後、ステップＳ１０７において表示装
置１９に残存容量を表示し、ステップＳ１０１へと戻
る。上述したように、本実施の形態では、最大出力Ｐma
xを算出する際の設定電圧Ｖminを電池温度Ｔに応じて変
えるようにしたので、より実情に近い最大出力が算出さ
れ残存容量を精度良く算出することができる。

【００２６】図９は、本実施の形態による残存容量Ｙ
と、従来の残存容量Ｙ’とを示す図である。図９に示す
ように、残存容量を算出する際には、設定電圧に応じて
最大出力−DOD相関のマップも異なる。それぞれのマッ
プと最低要求出力Ｐminとから、残存容量Ｙ，Ｙ’が算
出される。また、本実施の形態では、図５に示すように
設定電圧Ｖmin(T1)，Ｖmin(T2)を決めているため、最低
要求出力ＰminとなるDODが電池温度により変化しないと
いう効果が得られる。

【００２７】また、本実施の形態の残存容量算出方法を
ハイブリッド自動車用の駆動電池に適用すると、電池の
温度によらず最低要求出力を確保できるため、電池温度
Ｔに応じて放電状態の制御方法を変化させなくても良い
という利点がある。

【００２８】（変形例）上述した実施の形態では、図３
に示すように電池温度２５℃以下では単セル当たりの設
定電圧を直線的に連続的に減少させたが、以下のように
設定電圧を断続的に変えても良い。例えば、電池温度が
低い状態（例えば、２５℃以下）では設定電圧を２種類
（Ｖmin(H)、Ｖmin(L)；Ｖmin(H)＞Ｖmin(L)）用意す
る。図３からも分かるように、電池温度が低下すると同
じ出力であっても電圧（実測電圧）が低下する。そし
て、実測電圧ＶがＶmin(H)より大きい場合には設定電圧
Ｖmin(H)を用いて最大出力を算出し、実測電圧ＶがＶmi
n(H)以下となった場合には設定電圧Ｖmin(L)を用いて最
大出力を算出する。残存容量を算出する際には、設定電
圧に応じて最大出力−DOD相関のマップも切り換える。

【００２９】図１０は設定電圧切換前後の残存容量を説
明する図であり、Ｌ２１は設定電圧Ｖmin(H)に関する最
大出力−DOD相関であり、Ｌ２２は設定電圧Ｖmin(L)に
関する最大出力−DOD相関である。図１０からも分かる
ように、設定電圧切換により最大出力がＰmax1からＰma
x2へと変化し、残存容量は１００−Ｙ１（％）から１０
０−Ｙ２（％）へと変化する。

【００３０】ところで、このように設定電圧Ｖmin(H)か
ら設定電圧Ｖmin(L)へと断続的に切り換えると、表示装
置１９に表示される残存容量表示が突然大きく変化し違
和感を感じる。そこで、このような場合には、段階的に
Ｖmin(H)からＶmin(L)へと変化させることにより、その
間の放電によるDODの増加と相俟って違和感が解消され
る。

【００３１】上述した実施の形態では、電気自動車に搭
載される組電池の残存容量演算装置を例に説明したが、
本発明はこれに限らず、例えば、電子機器等に用いられ
る二次電池の残存容量演算にも適用することができる。

【００３２】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、組電池１１は電池を、電圧セ
ンサ１４は電圧検出手段を、電流センサ１５は電流検出
手段を、バッテリーコントローラ１６は電流・電圧特性
演算手段，最大出力演算手段，残存容量演算手段および
設定手段を、温度センサ１８は温度検出手段をそれぞれ
構成する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による残存容量演算方法の一実施の形態
を示す図であり、電気自動車に搭載される組電池の残存
容量演算装置のブロック図である。

【図２】組電池１１のＩＶ特性直線を示す図である。

【図３】異なる電池温度Ｔ１，Ｔ２に対するＩＶ特性直
線Ｌ１，Ｌ２を示す図である。

【図４】単セルあたりの設定電圧ＶＣmin(T)の一例を示
す図である。

【図５】所定DODのときのＩＶ特性直線Ｌ１(T1)，Ｌ２
(T2)と、最低要求出力Ｐminを表す曲線Ｉ・Ｖ＝Ｐminと
を示す図である。

【図６】残存容量算出の手順を示すフローチャートであ
る。

【図７】最大出力と放電状態（DOD）との相関Ｌ１０を
示す図である。

【図８】電池温度の異なる相関Ｌ１０，Ｌ１１を示す図
である。

【図９】本実施の形態による残存容量と、従来のように
設定電圧を温度に依らず一定とした場合の残存容量とを
説明する図である。

【図１０】設定電圧切換前後の残存容量を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１１組電池１２インバータ１３モータ１４電圧センサ１５電流センサ１６バッテリーコントローラ１７セルコントローラ１８温度センサ１９残存容量表示装置１１１単セル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G016 CA03 CB06 CB11 CB13 CC01 CC03 CC04 CC07 CC13 CC27 CC28 CF06 5G003 AA01 AA07 BA01 DA07 EA05 FA06 GC05 5H030 AA04 AS08 FF22 FF42 FF43 FF44 5H115 PC06 PG04 PI16 PI29 PO02 PO09 PU08 PV09 QI04 TI02 TI05 TI06 TO05 TR19 TU17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】充放電時における電池の電流を検出する
電流検出手段と、充放電時における電池の端子電圧を検出する電圧検出手
段と、前記電流検出手段で検出された電流および前記電圧検出
手段で検出された端子電圧に基づいて電池の電流・電圧
特性を算出する電流・電圧特性演算手段と、前記電流・電圧特性演算手段で算出された電流・電圧特
性および放電時における前記端子電圧の許容最低電圧に
基づいて電池の最大出力を算出する最大出力演算手段
と、電池の最大出力と放電状態との相関および前記最大出力
演算手段で算出された最大出力に基づいて電池の残存容
量を算出する残存容量演算手段とを備える残存容量算出
装置において、電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出された電池温度に応じて前記許
容最低電圧を設定する設定手段とを備え、前記残存容量演算手段は、前記設定手段により設定され
た許容最低電圧および対応する電池温度において算出さ
れた電流・電圧特性に基づいて電池の最大出力を算出す
ることを特徴とする残存容量算出装置。
【請求項２】請求項１に記載の残存容量算出装置にお
いて、前記設定手段は、前記最大出力演算手段により算出され
る所定放電状態の最大出力が電池温度によらず一定とな
るように前記許容最低電圧を設定することを特徴とする
残存容量算出装置。
【請求項３】請求項１に記載の残存容量算出装置にお
いて、前記電圧検出手段が検出した電池の端子電圧が所定電圧
以上である場合には、前記設定手段は前記温度検出手段
で検出された温度に関わらず一定の許容最低電圧を保持
することを特徴とする残存容量算出装置。