充电状态预测程序、无架线交通系统及其充电方法

专利名称：充电状态预测程序、无架线交通系统及其充电方法
技术领域：
本发明涉及到一种无架线交通系统，其搭载蓄电池，接收来自该 蓄电池的电力供给而行驶，通过可预测该蓄电池的充电状态，可防止 该蓄电池过度充电及过度放电，成为适当的充电状态，从而可防止该 蓄电池的劣化，并且提高充电电流，由此在车站等停车时，可快速充 电。
背景技术：
在搭载蓄电池、接收来自该蓄电池的电力供给并行驶的无架线交 通系统中，需要从地上所设置的充电设备向该蓄电池充电。此时，由 于该蓄电池的容量制约，在车站等多个场所设置该充电设备，但在车 站的停车时间很短，因此要求快速充电。并且，为了防止该蓄电池过
度充电或过度放电，管理适当的充电状态SOC (State of Charge:充电 状态)，需要检测蓄电池的充电状态SOC，但在车辆中，即使是停车 时也无法停止通电，因此无法实测开路电压下的充电状态SOC。
专利文献l (日本特开平10—108380号公报)公开了一种电动汽 车用二次电池的充电装置及充电方法，其目的在于改善低温下的再生 操作的没有效率，要任何环境下均可进行再生效率高的再生操作。在 专利文献1中，通过比较根据二次电池的温度及电压计算出的可充电 DOD。/。(放电深度Depth of Discharge;放电电量相对额定容量的比率)、 与将预先存储在存储电路中的二次电池的温度、可充电的放电深度及 电压为参数的函数进行比较，控制充电电力，使其成为最佳的充电电 力。
并且，本申请人在之前申请的专利文献2(日本特愿2006 — 003637号)中提出了以下充电方法在无架线交通系统中，检测出车辆上搭 载的蓄电池的电压，当该检测电压大于等于预先设定的充电结束电压 时，停止充电。但是，在存在温度变动的环境下，因温度变动导致蓄 电池的内部电阻特性变化，因此在充电状态SOC的把握上出现误差。
因此，在专利文献2的图5所示的实施方式中，设置蓄电池的温
度调整单元，通过该温度调整单元，相对蓄电池的充电状态SOC (State of Charge)将该蓄电池保持在期望温度，从而提高易受温度影响的充 电状态的管理精度，防止过度充电以抑制蓄电装置的劣化。
在专利文献1中，通过对根据二次电池的温度及电压计算出的可 充电的放电深度与将预先存储在存储电路的二次电池的温度、可充电 的放电深度及电压作为参数的函数进行比较，控制充电电力以变为最 佳充电电力，但因温度变动导致蓄电池的内部电阻变化，从而使可充 电的放电深度不同，从而需要进行考虑到温度变动的复杂的控制。
并且，在专利文献2的方法中，在蓄电池上设置温度调整单元， 具有无需考虑温度变动的优点，但需要设置蓄电装置的温度调整单元， 存在装置构造复杂的问题。
并且，还包括通过电流积算法计算充电状态SOC的方法。电池的 充电放电量由电流值的时间积分(单位安培)表现，因此可通过对 测定的电池电流进行时间积分计算出电池的充电状态。电流积算法通 过所述方法计算出车辆的蓄电池的充电状态SOC，但由于与时间同时 进行积算，因此存在与时间经过同时计算出的充电状态的误差累积直 到电流的计测精度变差的问题。

发明内容
本发明鉴于以上背景而产生，其目的在于，在将蓄电池搭载到车 辆上消耗该蓄电池的电力而使车辆行驶的无架线交通系统中，高精度地在线预测该蓄电池的充电状态SOC，从而将充电状态保持在适当范 围内，由此防止该蓄电池的过度充电或过度放电，防止该蓄电池的劣 化，并且在该蓄电池充电时增大充电电流以可急速充电。
为了解决上述课题，本发明的充电状态预测程序，用于由计算机 预测无架线交通系统的车辆上搭载的蓄电池的充电状态，
该预测程序使计算机根据该蓄电池的电流和电压的计测值，在线 导出该蓄电池的等价电路元件值，该蓄电池的等价电路元件值包括 第1电阻成分，由瞬间的电流变化支配；电路成分，使电容和第2电 阻成分并联，由缓慢的过度响应支配；和开路电压，其中，上述第1 电阻成分和电路成分串联连接，
根据该第1电阻成分、k=(该第2电阻成分)/ (该第1电阻成 分)、T =(该电容)X (该第2电阻成分)的实测值，计算出该电 路成分的电位，根据该电路成分的电位计算出该开路电压，根据开路 电压计算出充电状态。
在本发明的充电状态预测程序中，首先根据车辆上搭载的蓄电池 的电流和电压的计测值，在线导出该蓄电池的等价电路元件值，该蓄 电池的等价电路元件值由以下构成第1电阻成分，由瞬间的电流变 化支配；电路成分，使电容和第2电阻成分并联，由缓慢的过度响应 支配；和开路电压，其中上述第1电阻成分和电路成分串联连接。该 等价电路如图1 (a)所示。该等价电路分为第1电阻成分&，由瞬 间的电流变化支配；CR2电路成分，并联电容C和第2电阻成分R2， 由缓慢的过度响应支配，串联连接该第1电阻成分A和CR2电路成分， 等价电路的元件值因温度条件等而变化。Vc是CR2电路的电位，E是 蓄电池的开路电压，电流、电压的关系式由图1 (b)的(1)及(2)
式表示o
充电放电中的端子电压V是从开路电压E开始、因内部电阻和电 容而使电压上升或下降的电压。因此，如果知道内部电阻，根据充电放电中的电压和电流，可计算出开路电压E。第1电阻成分R,例如可
通过放电开始时的电压下降求出。
并且，本发明人等发现k=(该第2电阻成分)/ (该第1电阻成 分)、t=(该电容)X (该第2电阻成分)的实测值对于每个蓄电 池不受温度影响而基本保持一定值。基于该认知，可通过第1电阻成 分&、 k及t的实测值计算出CR2电路的电位Vc。
如果可计算出CR2电路的电位Vc，则可根据图1 (b)的公式(1) 计算出开路电压E。如果可计算出开路电压E，则由于开路电压E和充 电状态SOC之间存在由蓄电池特性决定的特定关系是已知的，因此可 根据开路电压E计算出充电状态SOC。
这样，可在线计算出车辆上搭载的蓄电池的充电状态，因此可将 充电状态保持在适当的范围，从而可防止蓄电池的过度放电或过度充 电，可防止蓄电池的劣化，并且在充电时可扩大蓄电池中的充电电流。
并且，由于可在线监控蓄电池的内部电阻，因此对于蓄电池的劣 化状态SOH (State of Health)的评价也较有效。
并且，本发明的无架线交通系统中，在车辆上搭载蓄电装置，由 该蓄电池的电力在确定的轨道上行驶，该系统具有地上充电设备， 其包括设置在地上的充电电源、和设置在沿着该轨道的地上并与该充 电电源连接的送电装置；车载受电装置，搭载在该车辆上，该车辆停 止在充电位置上时与该送电装置面对；检测该蓄电池的电流及电压的 单元；充电状态计算单元，由通过上述权利要求1所述的充电状态预 测程序而动作的计算机构成；和根据由该充电状态计算单元计算的充 电状态，控制该送电装置对该蓄电池的充电的单元。
无架线交通系统具有以下优点在车辆上搭载驱动用蓄电池，可
7不使用架线，可大幅减少建设成本，并且无需架线维护的同时，在刹 车时可将车辆的运动能量高效回收到蓄电池并再利用。
在本发明的无架线交通系统中，进一步从上述地上充电设备向车 辆上搭载的蓄电池进行充电。充电时将车辆停在车载受电装置与设在 沿着轨道的地上设置的送电装置相对的位置上。并且，非接触地从该 送电装置向该车载受电装置进行充电。并且，由于具有由计算机构成 的充电状态计算装置，上述计算机具有包括上述构成的充电状态预测 程序，因此可通过上述顺序在线计算出该蓄电池的充电状态。由于具 有根据由该充电状态计算装置计算出的充电状态控制该送电装置对该 蓄电池的充电的单元，因此可将计算出的充电状态保持在适当范围， 从而可防止过度放电或过度充电。
并且，本发明的充电方法中，从该地上充电设备向上述构成的无 架线交通系统的车辆的蓄电池充电，其中，设定和该蓄电池的电压上 限值对应的充电电流的上限值，不超过该充电电流的上限值地进行充 电，当由该充电状态计算单元计算的充电状态达到预先设定的充电状 态设定值时，结束充电。
根据本发明的充电方法，设定和蓄电池的电压上限值对应的充电 电流的上限值，不超过该充电电流的上限值地进行充电，因此可防止 过度充电，并且当由充电状态计算装置计算的充电状态到达预先设定 的充电状态设定值时，结束充电，因此可充电为适当范围的期望的充 电状态。
根据本发明的充电状态预测程序，可在线计算出车辆上搭载的蓄 电池的充电状态，因此可将充电状态保持在适当的范围，从而可防止 蓄电池的过度放电或过度充电，可防止蓄电池的劣化。并且在未到达 蓄电池的电压上限值的范围内，可增大充电电流，因此在车辆在车站 停车时可快速充电。并且，由于可在线监控蓄电池的内部电阻，因此对于蓄电池的劣
化状态SOH (State of Health)的评价也较有效
根据本发明的无架线交通系统，由于具有由具备充电状态预测程 序的计算机构成的充电状态计算装置，因此可在线计算出该蓄电池的
充电状态，并且具有根据由该充电状态计算装置计算的充电状态控制 该送电装置对该蓄电池的充电的单元，因此可将计算出的充电状态保 持在适当范围。这样一来可防止过度放电或过度充电，防止蓄电池的 劣化，并且可增大充电电流，在车站等停车时可快速充电。
并且，根据本发明的充电方法，设定和蓄电池的电压上限值对应 的充电电流的上限值，不超过该充电电流的上限值地进行充电，因此 可防止过度充电，防止蓄电池的劣化，并且当由充电状态计算装置计 算的充电状态到达预先设定的充电状态设定值时，结束充电，因此可 充电为适当范围的期望的充电状态。


图1 (a)是表示本发明的车载蓄电池的等价电路的电路图，(b)
是电流、电压的关系式的图。
图2是表示本发明的无架线交通系统的第1实施方式的构成图。
图3是上述第1实施方式的充电状态预测程序的流程图。
图4是表示上述第1实施方式的第1电阻成分Ri和温度的关系的线图。
图5是表示上述第1实施方式的t (=CXR2)和温度的关系的线图。
图6是表示上述第1实施方式的k (=R2/R。和温度的关系的线图。
图7是表示在上述第1实施方式中，开路电压E和充电状态SOC 的函数曲线的一例的示意线图。图8是表示上述第1实施方式的充电方法的流程图。 图9是表示上述第1实施方式下的监控电压(图1的V)和开路 电压(图1的E)的一例的线图。
图10是表示在上述第1实施方式中计算出的充电状态SOC的线图。
具体实施例方式
以下参照附图以示例详细说明本发明的优选实施方式。但该实施 例中记载的构成配件的尺寸、材质、形状、相对配置等如无特别明示， 则不将本发明范围限于此。
(实施方式1)
图2是表示本发明的无架线交通系统的第1实施方式的构成图。 在图2中，车辆1是在铁轨等预先确定的轨道(省略图示)上行驶的 车辆，例如是在LRT交通系统中行驶的车辆。车辆l上搭载控制装置 11，其进行行驶等车辆整体的控制。并且，车辆1上搭载锂离子二次 电池等可充电的二次电池14, 二次电池14的电流及电压通过电流电压 检测单元15检测，其检测信号传送到控制装置11。
控制装置11装备有充电状态SOC计算单元12，具有通过预测 二次电池14的充电状态SOC的程序而运行的计算机；以及控制单元 13，根据由该计算单元12预测的二次电池14的充电状态SOC控制二 次电池14的充电状态SOC。车辆1上设置的车载通信装置16与地上 设置的地上充电控制装置21的地上通信装置24取得联络的同时，进 行充电操作。并且，车辆1上装备有车载受电装置17，车载受电装置 17在车辆1为了充电而停止在与地上送电装置25相对的位置时，非接 触地从地上送电装置25接受电力，将接收的电力供电到二次电池14。
在车站等可向车辆1的二次电池14充电的地方，设有地上充电设 备2，地上充电设备2中设置充电电源22和地上充电控制装置21，从充电电源22通过地上送电装置25向车辆1提供电力。充电电源22中 设有充电电流(电力)设定单元23，通过充电电流(电力)设定单元 23从充电电源22输出预先设定的充电电流(电力)。充电电源22从 地上控制装置21接收到充电结束命令时，停止通电。
通常情况下，为了即使考虑到二次电池14的温度引起的特性不均 也在行驶中使其不产生过度充电、过度放电，设定充电结束SOC，使 目标充电状态SOC为60 85%左右的范围内。此外也可按照各车站改 变作为目标的充电状态SOC、或预先设定的充电电流的设定。充电电 流越大，越可进行快速充电。
图3是使充电状态SOC计算单元12上搭载的计算机运行的充电 状态预测程序的流程图。在该充电状态预测程序中，设定图1所示的 二次电池14的等价电路。之后根据图3所示的流程图，在线导出等价 电路元件值。在图3中，首先通过电流电压检测单元15在线计测二次 电池14的电流及电压的变动值(步骤1及2)，根据这些变动值计算 第1电阻成分R,(步骤4)。并且，当电流变动值小于最小设定值时， 看作噪音，不进行第1电阻成分^、第2电阻成分R2及电容C的计算， 使用上一次的计测值(步骤3)。
接着求出k^ (该第2电阻成分R2) / (该第1电阻成分R。 、 t =(该电容C) X (该第2电阻成分R2)。在电容C和第2电阻成分 R2的等价电路成分中，电压以指数函数变化并饱和。饱和的最终的电 压变化量AV除以电流，导出第2电阻成分R2。电压变化到电压变化 量A V的约63%为止的时间是时间常数t ，是电容C和第2电阻成分 R2的积。并且，第2电阻成分R2和第1电阻成分&的比是k。
图4是表示第1电阻成分Ri和温度的关系的线图，图5是表示t (=CXR2)和温度的关系的线图，图6是表示k (=R2/R。和温度的 关系的线图。图4 6分别是实测值，从该图可知，第1电阻成分Rj但呈现出对于每个不因温度变 动的二次电池14确定的一定的值。
在图3中，将步骤5及6中计算出的第2电阻成分R2及电容C的 值代入到步骤7的公式中，可计算出电容C和第2电阻成分R2的等价 电路成分的电位Vc。接着向步骤8的公式代入该电位Vc的算出值， 从而可计算出开路电压E。开路电压E和充电状态SOC的关系取决于 二次电池14的固有特性所决定的函数，因此如果能够计算出开路电压 E，则可计算出充电状态SOC。图7是该函数曲线的一例的示意图。
根据本实施方式，可通过上述步骤计算出二次电池14的充电状态 SOC。计算出充电状态SOC后，根据图8所示的步骤进行充电操作。 在图8中，通过步骤1所示的公式，对电压的上限值E目x乘以安全率
a来设定充电电流的上限值Iumit。在步骤2中进行控制使充电电流Ietoge
不超过该上限值地开始充电(步骤3)。并且当充电状态SOC达到目 标充电状态SOC^get时(步骤4)，结束充电操作(步骤5)。
图9表示本实施方式下的监控电压(图1的V)和开路电压(图1 的E)的一例。可过滤通电引起的电压变动影响而检测出开路电压。并 且，图IO表示在本实施方式中计算出的充电状态SOC。
根据本实施方式，可高精度地预测车辆1搭载的二次电池14的充 电状态SOC，因此可将充电状态SOC保持在适当的范围，从而可防止 二次电池14的过度放电或过度充电，将充电状态保持在适当的范围， 所以可防止该二次电池劣化。
并且，可在线监控二次电池14的内部电阻，因此对于该二次电池 的劣化状态SOH (State of Health)的评价也是有效的。
并且，根据图8所示的本实施方式的充电方法，设定和二次电池14的充电电压的上限值对应的充电电流的上限值Ilimit，不超过该上限 值地进行充电，因此可防止过度充电，防止蓄电池的劣化，并增大充 电电流，在车站等停车时可进行快速充电。并且，当由充电状态soc 计算单元12计算的充电状态达到预先设定的充电状态设定值SOCtMget
时结束充电，因此可充电为适当范围的期望的充电状态。
根据本发明，在搭载蓄电池、接收来自该蓄电池的电力供给而行 驶的无架线交通系统中，可高精度地预测该蓄电池的充电状态，从而 可防止该蓄电池的过度充电及过度放电，保持适当的充电状态，从而 能够防止该蓄电池的劣化，并能够增大充电电流，由此在车站等停车 时也可快速充电。
权利要求
1. 一种充电状态预测程序，用于由计算机预测无架线交通系统的车辆上搭载的蓄电池的充电状态，其特征在于，该预测程序使计算机根据该蓄电池的电流和电压的计测值，在线设定该蓄电池的等价电路元件值，该蓄电池的等价电路元件值包括第1电阻成分，由瞬间的电流变化支配；电路成分，具有并联的电容和第2电阻成分，由缓慢的过度响应支配；和开路电压，其中上述第1电阻成分和电路成分串联连接，根据该第1电阻成分、k＝(该第2电阻成分)/(该第1电阻成分)、τ＝(该电容)×(该第2电阻成分)的实测值，计算出该电路成分的电位，根据该电路成分的电位计算出该开路电压，根据该开路电压计算出充电状态。
2. —种无架线交通系统，具有通过充电状态预测程序而动作的计 算机，在车辆上搭载蓄电装置，由该蓄电池的电力在确定的轨道上行 驶，该系统的特征在于具有地上充电设备，包括设置在地上的充电电源、和设置在沿着该轨 道的地上并与该充电电源连接的送电装置；车载受电装置，搭载在该车辆上，该车辆停止在充电位置上时与 该送电装置面对；检测该蓄电池的电流及电压的单元；充电状态计算单元，由通过上述权利要求1所述的充电状态预测 程序而动作的计算机构成；和根据由该充电状态计算单元计算出的充电状态，控制该送电装置 对该蓄电池的充电的单元。
3. —种无架线交通系统的充电方法，从该地上充电设备向权利要 求2所述的无架线交通系统的该车辆的蓄电池充电，其特征在于，设定和该蓄电池的电压上限值对应的充电电流的上限值，不超过 该充电电流的上限值地进行充电，当由该充电状态计算单元计算的充电状态达到预先设定的充电状 态设定值时，结束充电。
全文摘要
在将蓄电池搭载到车辆上使车辆行驶的无架线交通系统中，高精度地在线预测该蓄电池的充电状态，防止该蓄电池的过度充电或过度放电，提供一种由计算机预测车载蓄电池(14)的充电状态SOC的预测程序，该预测程序使计算机根据该蓄电池的电流和电压的计测值，在线设定该蓄电池的等价电路元件值，该蓄电池的等价电路元件值包括第1电阻成分R₁，由瞬间的电流变化支配；电路成分，具有电容C和第2电阻成分R₂，由缓慢的过度响应支配；和开路电压E；其中，根据第1电阻成分R₁、k＝(该第2电阻成分)/(该第1电阻成分)、τ＝(该电容)×(该第2电阻成分)的实测值计算出该电路成分的电位Vc，根据该电位Vc计算出开路电压E，根据开路电压E计算出充电状态SOC。
文档编号G01R31/36GK101454682SQ20078001988
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年11月30日
发明者三竹雅也, 山下博, 山口正博, 山田正臣, 森田克明, 片平耕介 申请人:三菱重工业株式会社