充電狀態預測程序、無架線交通系統及其充電方法
2023-12-06 13:22:51 2
專利名稱：充電狀態預測程序、無架線交通系統及其充電方法
技術領域：
本發明涉及到一種無架線交通系統，其搭載蓄電池，接收來自該 蓄電池的電力供給而行駛，通過可預測該蓄電池的充電狀態，可防止 該蓄電池過度充電及過度放電，成為適當的充電狀態，從而可防止該 蓄電池的劣化，並且提高充電電流，由此在車站等停車時，可快速充 電。
背景技術：
在搭載蓄電池、接收來自該蓄電池的電力供給並行駛的無架線交 通系統中，需要從地上所設置的充電設備向該蓄電池充電。此時，由 於該蓄電池的容量制約，在車站等多個場所設置該充電設備，但在車 站的停車時間很短，因此要求快速充電。並且，為了防止該蓄電池過
度充電或過度放電，管理適當的充電狀態SOC (State of Charge:充電 狀態)，需要檢測蓄電池的充電狀態SOC，但在車輛中，即使是停車 時也無法停止通電，因此無法實測開路電壓下的充電狀態SOC。
專利文獻l (日本特開平10—108380號公報)公開了一種電動汽 車用二次電池的充電裝置及充電方法，其目的在於改善低溫下的再生 操作的沒有效率，要任何環境下均可進行再生效率高的再生操作。在 專利文獻1中，通過比較根據二次電池的溫度及電壓計算出的可充電 DOD。/。(放電深度Depth of Discharge;放電電量相對額定容量的比率)、 與將預先存儲在存儲電路中的二次電池的溫度、可充電的放電深度及 電壓為參數的函數進行比較，控制充電電力，使其成為最佳的充電電 力。
並且，本申請人在之前申請的專利文獻2(日本特願2006 — 003637號)中提出了以下充電方法在無架線交通系統中，檢測出車輛上搭 載的蓄電池的電壓，當該檢測電壓大於等於預先設定的充電結束電壓 時，停止充電。但是，在存在溫度變動的環境下，因溫度變動導致蓄 電池的內部電阻特性變化，因此在充電狀態SOC的把握上出現誤差。
因此，在專利文獻2的圖5所示的實施方式中，設置蓄電池的溫
度調整單元，通過該溫度調整單元，相對蓄電池的充電狀態SOC (State of Charge)將該蓄電池保持在期望溫度，從而提高易受溫度影響的充 電狀態的管理精度，防止過度充電以抑制蓄電裝置的劣化。
在專利文獻1中，通過對根據二次電池的溫度及電壓計算出的可 充電的放電深度與將預先存儲在存儲電路的二次電池的溫度、可充電 的放電深度及電壓作為參數的函數進行比較，控制充電電力以變為最 佳充電電力，但因溫度變動導致蓄電池的內部電阻變化，從而使可充 電的放電深度不同，從而需要進行考慮到溫度變動的複雜的控制。
並且，在專利文獻2的方法中，在蓄電池上設置溫度調整單元， 具有無需考慮溫度變動的優點，但需要設置蓄電裝置的溫度調整單元， 存在裝置構造複雜的問題。
並且，還包括通過電流積算法計算充電狀態SOC的方法。電池的 充電放電量由電流值的時間積分(單位安培)表現，因此可通過對 測定的電池電流進行時間積分計算出電池的充電狀態。電流積算法通 過所述方法計算出車輛的蓄電池的充電狀態SOC，但由於與時間同時 進行積算，因此存在與時間經過同時計算出的充電狀態的誤差累積直 到電流的計測精度變差的問題。
發明內容
本發明鑑於以上背景而產生，其目的在於，在將蓄電池搭載到車 輛上消耗該蓄電池的電力而使車輛行駛的無架線交通系統中，高精度地在線預測該蓄電池的充電狀態SOC，從而將充電狀態保持在適當範 圍內，由此防止該蓄電池的過度充電或過度放電，防止該蓄電池的劣 化，並且在該蓄電池充電時增大充電電流以可急速充電。
為了解決上述課題，本發明的充電狀態預測程序，用於由計算機 預測無架線交通系統的車輛上搭載的蓄電池的充電狀態，
該預測程序使計算機根據該蓄電池的電流和電壓的計測值，在線 導出該蓄電池的等價電路元件值，該蓄電池的等價電路元件值包括 第1電阻成分，由瞬間的電流變化支配；電路成分，使電容和第2電 阻成分並聯，由緩慢的過度響應支配；和開路電壓，其中，上述第1 電阻成分和電路成分串聯連接，
根據該第1電阻成分、k=(該第2電阻成分)/ (該第1電阻成 分)、T =(該電容)X (該第2電阻成分)的實測值，計算出該電 路成分的電位，根據該電路成分的電位計算出該開路電壓，根據開路 電壓計算出充電狀態。
在本發明的充電狀態預測程序中，首先根據車輛上搭載的蓄電池 的電流和電壓的計測值，在線導出該蓄電池的等價電路元件值，該蓄 電池的等價電路元件值由以下構成第1電阻成分，由瞬間的電流變 化支配；電路成分，使電容和第2電阻成分並聯，由緩慢的過度響應 支配；和開路電壓，其中上述第1電阻成分和電路成分串聯連接。該 等價電路如圖1 (a)所示。該等價電路分為第1電阻成分&，由瞬 間的電流變化支配；CR2電路成分，並聯電容C和第2電阻成分R2， 由緩慢的過度響應支配，串聯連接該第1電阻成分A和CR2電路成分， 等價電路的元件值因溫度條件等而變化。Vc是CR2電路的電位，E是 蓄電池的開路電壓，電流、電壓的關係式由圖1 (b)的(1)及(2)
式表示o
充電放電中的端子電壓V是從開路電壓E開始、因內部電阻和電 容而使電壓上升或下降的電壓。因此，如果知道內部電阻，根據充電放電中的電壓和電流，可計算出開路電壓E。第1電阻成分R,例如可
通過放電開始時的電壓下降求出。
並且，本發明人等發現k=(該第2電阻成分)/ (該第1電阻成 分)、t=(該電容)X (該第2電阻成分)的實測值對於每個蓄電 池不受溫度影響而基本保持一定值。基於該認知，可通過第1電阻成 分&、 k及t的實測值計算出CR2電路的電位Vc。
如果可計算出CR2電路的電位Vc，則可根據圖1 (b)的公式(1) 計算出開路電壓E。如果可計算出開路電壓E，則由於開路電壓E和充 電狀態SOC之間存在由蓄電池特性決定的特定關係是已知的，因此可 根據開路電壓E計算出充電狀態SOC。
這樣，可在線計算出車輛上搭載的蓄電池的充電狀態，因此可將 充電狀態保持在適當的範圍，從而可防止蓄電池的過度放電或過度充 電，可防止蓄電池的劣化，並且在充電時可擴大蓄電池中的充電電流。
並且，由於可在線監控蓄電池的內部電阻，因此對於蓄電池的劣 化狀態SOH (State of Health)的評價也較有效。
並且，本發明的無架線交通系統中，在車輛上搭載蓄電裝置，由 該蓄電池的電力在確定的軌道上行駛，該系統具有地上充電設備， 其包括設置在地上的充電電源、和設置在沿著該軌道的地上並與該充 電電源連接的送電裝置；車載受電裝置，搭載在該車輛上，該車輛停 止在充電位置上時與該送電裝置面對；檢測該蓄電池的電流及電壓的 單元；充電狀態計算單元，由通過上述權利要求1所述的充電狀態預 測程序而動作的計算機構成；和根據由該充電狀態計算單元計算的充 電狀態，控制該送電裝置對該蓄電池的充電的單元。
無架線交通系統具有以下優點在車輛上搭載驅動用蓄電池，可
7不使用架線，可大幅減少建設成本，並且無需架線維護的同時，在剎 車時可將車輛的運動能量高效回收到蓄電池並再利用。
在本發明的無架線交通系統中，進一步從上述地上充電設備向車 輛上搭載的蓄電池進行充電。充電時將車輛停在車載受電裝置與設在 沿著軌道的地上設置的送電裝置相對的位置上。並且，非接觸地從該 送電裝置向該車載受電裝置進行充電。並且，由於具有由計算機構成 的充電狀態計算裝置，上述計算機具有包括上述構成的充電狀態預測 程序，因此可通過上述順序在線計算出該蓄電池的充電狀態。由於具 有根據由該充電狀態計算裝置計算出的充電狀態控制該送電裝置對該 蓄電池的充電的單元，因此可將計算出的充電狀態保持在適當範圍， 從而可防止過度放電或過度充電。
並且，本發明的充電方法中，從該地上充電設備向上述構成的無 架線交通系統的車輛的蓄電池充電，其中，設定和該蓄電池的電壓上 限值對應的充電電流的上限值，不超過該充電電流的上限值地進行充 電，當由該充電狀態計算單元計算的充電狀態達到預先設定的充電狀 態設定值時，結束充電。
根據本發明的充電方法，設定和蓄電池的電壓上限值對應的充電 電流的上限值，不超過該充電電流的上限值地進行充電，因此可防止 過度充電，並且當由充電狀態計算裝置計算的充電狀態到達預先設定 的充電狀態設定值時，結束充電，因此可充電為適當範圍的期望的充 電狀態。
根據本發明的充電狀態預測程序，可在線計算出車輛上搭載的蓄 電池的充電狀態，因此可將充電狀態保持在適當的範圍，從而可防止 蓄電池的過度放電或過度充電，可防止蓄電池的劣化。並且在未到達 蓄電池的電壓上限值的範圍內，可增大充電電流，因此在車輛在車站 停車時可快速充電。並且，由於可在線監控蓄電池的內部電阻，因此對於蓄電池的劣
化狀態SOH (State of Health)的評價也較有效
根據本發明的無架線交通系統，由於具有由具備充電狀態預測程 序的計算機構成的充電狀態計算裝置，因此可在線計算出該蓄電池的
充電狀態，並且具有根據由該充電狀態計算裝置計算的充電狀態控制 該送電裝置對該蓄電池的充電的單元，因此可將計算出的充電狀態保 持在適當範圍。這樣一來可防止過度放電或過度充電，防止蓄電池的 劣化，並且可增大充電電流，在車站等停車時可快速充電。
並且，根據本發明的充電方法，設定和蓄電池的電壓上限值對應 的充電電流的上限值，不超過該充電電流的上限值地進行充電，因此 可防止過度充電，防止蓄電池的劣化，並且當由充電狀態計算裝置計 算的充電狀態到達預先設定的充電狀態設定值時，結束充電，因此可 充電為適當範圍的期望的充電狀態。
圖1 (a)是表示本發明的車載蓄電池的等價電路的電路圖，(b)
是電流、電壓的關係式的圖。
圖2是表示本發明的無架線交通系統的第1實施方式的構成圖。
圖3是上述第1實施方式的充電狀態預測程序的流程圖。
圖4是表示上述第1實施方式的第1電阻成分Ri和溫度的關係的線圖。
圖5是表示上述第1實施方式的t (=CXR2)和溫度的關係的線圖。
圖6是表示上述第1實施方式的k (=R2/R。和溫度的關係的線圖。
圖7是表示在上述第1實施方式中，開路電壓E和充電狀態SOC 的函數曲線的一例的示意線圖。圖8是表示上述第1實施方式的充電方法的流程圖。 圖9是表示上述第1實施方式下的監控電壓(圖1的V)和開路 電壓(圖1的E)的一例的線圖。
圖10是表示在上述第1實施方式中計算出的充電狀態SOC的線圖。
具體實施例方式
以下參照附圖以示例詳細說明本發明的優選實施方式。但該實施 例中記載的構成配件的尺寸、材質、形狀、相對配置等如無特別明示， 則不將本發明範圍限於此。
(實施方式1)
圖2是表示本發明的無架線交通系統的第1實施方式的構成圖。 在圖2中，車輛1是在鐵軌等預先確定的軌道(省略圖示)上行駛的 車輛，例如是在LRT交通系統中行駛的車輛。車輛l上搭載控制裝置 11，其進行行駛等車輛整體的控制。並且，車輛1上搭載鋰離子二次 電池等可充電的二次電池14, 二次電池14的電流及電壓通過電流電壓 檢測單元15檢測，其檢測信號傳送到控制裝置11。
控制裝置11裝備有充電狀態SOC計算單元12，具有通過預測 二次電池14的充電狀態SOC的程序而運行的計算機；以及控制單元 13，根據由該計算單元12預測的二次電池14的充電狀態SOC控制二 次電池14的充電狀態SOC。車輛1上設置的車載通信裝置16與地上 設置的地上充電控制裝置21的地上通信裝置24取得聯絡的同時，進 行充電操作。並且，車輛1上裝備有車載受電裝置17，車載受電裝置 17在車輛1為了充電而停止在與地上送電裝置25相對的位置時，非接 觸地從地上送電裝置25接受電力，將接收的電力供電到二次電池14。
在車站等可向車輛1的二次電池14充電的地方，設有地上充電設 備2，地上充電設備2中設置充電電源22和地上充電控制裝置21，從充電電源22通過地上送電裝置25向車輛1提供電力。充電電源22中 設有充電電流(電力)設定單元23，通過充電電流(電力)設定單元 23從充電電源22輸出預先設定的充電電流(電力)。充電電源22從 地上控制裝置21接收到充電結束命令時，停止通電。
通常情況下，為了即使考慮到二次電池14的溫度引起的特性不均 也在行駛中使其不產生過度充電、過度放電，設定充電結束SOC，使 目標充電狀態SOC為60 85%左右的範圍內。此外也可按照各車站改 變作為目標的充電狀態SOC、或預先設定的充電電流的設定。充電電 流越大，越可進行快速充電。
圖3是使充電狀態SOC計算單元12上搭載的計算機運行的充電 狀態預測程序的流程圖。在該充電狀態預測程序中，設定圖1所示的 二次電池14的等價電路。之後根據圖3所示的流程圖，在線導出等價 電路元件值。在圖3中，首先通過電流電壓檢測單元15在線計測二次 電池14的電流及電壓的變動值(步驟1及2)，根據這些變動值計算 第1電阻成分R,(步驟4)。並且，當電流變動值小於最小設定值時， 看作噪音，不進行第1電阻成分^、第2電阻成分R2及電容C的計算， 使用上一次的計測值(步驟3)。
接著求出k^ (該第2電阻成分R2) / (該第1電阻成分R。 、 t =(該電容C) X (該第2電阻成分R2)。在電容C和第2電阻成分 R2的等價電路成分中，電壓以指數函數變化並飽和。飽和的最終的電 壓變化量AV除以電流，導出第2電阻成分R2。電壓變化到電壓變化 量A V的約63%為止的時間是時間常數t ，是電容C和第2電阻成分 R2的積。並且，第2電阻成分R2和第1電阻成分&的比是k。
圖4是表示第1電阻成分Ri和溫度的關係的線圖，圖5是表示t (=CXR2)和溫度的關係的線圖，圖6是表示k (=R2/R。和溫度的 關係的線圖。圖4 6分別是實測值，從該圖可知，第1電阻成分Rj但呈現出對於每個不因溫度變 動的二次電池14確定的一定的值。
在圖3中，將步驟5及6中計算出的第2電阻成分R2及電容C的 值代入到步驟7的公式中，可計算出電容C和第2電阻成分R2的等價 電路成分的電位Vc。接著向步驟8的公式代入該電位Vc的算出值， 從而可計算出開路電壓E。開路電壓E和充電狀態SOC的關係取決於 二次電池14的固有特性所決定的函數，因此如果能夠計算出開路電壓 E，則可計算出充電狀態SOC。圖7是該函數曲線的一例的示意圖。
根據本實施方式，可通過上述步驟計算出二次電池14的充電狀態 SOC。計算出充電狀態SOC後，根據圖8所示的步驟進行充電操作。 在圖8中，通過步驟1所示的公式，對電壓的上限值E目x乘以安全率
a來設定充電電流的上限值Iumit。在步驟2中進行控制使充電電流Ietoge
不超過該上限值地開始充電(步驟3)。並且當充電狀態SOC達到目 標充電狀態SOC^get時(步驟4)，結束充電操作(步驟5)。
圖9表示本實施方式下的監控電壓(圖1的V)和開路電壓(圖1 的E)的一例。可過濾通電引起的電壓變動影響而檢測出開路電壓。並 且，圖IO表示在本實施方式中計算出的充電狀態SOC。
根據本實施方式，可高精度地預測車輛1搭載的二次電池14的充 電狀態SOC，因此可將充電狀態SOC保持在適當的範圍，從而可防止 二次電池14的過度放電或過度充電，將充電狀態保持在適當的範圍， 所以可防止該二次電池劣化。
並且，可在線監控二次電池14的內部電阻，因此對於該二次電池 的劣化狀態SOH (State of Health)的評價也是有效的。
並且，根據圖8所示的本實施方式的充電方法，設定和二次電池14的充電電壓的上限值對應的充電電流的上限值Ilimit，不超過該上限 值地進行充電，因此可防止過度充電，防止蓄電池的劣化，並增大充 電電流，在車站等停車時可進行快速充電。並且，當由充電狀態soc 計算單元12計算的充電狀態達到預先設定的充電狀態設定值SOCtMget
時結束充電，因此可充電為適當範圍的期望的充電狀態。
根據本發明，在搭載蓄電池、接收來自該蓄電池的電力供給而行 駛的無架線交通系統中，可高精度地預測該蓄電池的充電狀態，從而 可防止該蓄電池的過度充電及過度放電，保持適當的充電狀態，從而 能夠防止該蓄電池的劣化，並能夠增大充電電流，由此在車站等停車 時也可快速充電。
權利要求
1. 一種充電狀態預測程序，用於由計算機預測無架線交通系統的車輛上搭載的蓄電池的充電狀態，其特徵在於，該預測程序使計算機根據該蓄電池的電流和電壓的計測值，在線設定該蓄電池的等價電路元件值，該蓄電池的等價電路元件值包括第1電阻成分，由瞬間的電流變化支配；電路成分，具有並聯的電容和第2電阻成分，由緩慢的過度響應支配；和開路電壓，其中上述第1電阻成分和電路成分串聯連接，根據該第1電阻成分、k＝(該第2電阻成分)/(該第1電阻成分)、τ＝(該電容)×(該第2電阻成分)的實測值，計算出該電路成分的電位，根據該電路成分的電位計算出該開路電壓，根據該開路電壓計算出充電狀態。
2. —種無架線交通系統，具有通過充電狀態預測程序而動作的計 算機，在車輛上搭載蓄電裝置，由該蓄電池的電力在確定的軌道上行 駛，該系統的特徵在於具有地上充電設備，包括設置在地上的充電電源、和設置在沿著該軌 道的地上並與該充電電源連接的送電裝置；車載受電裝置，搭載在該車輛上，該車輛停止在充電位置上時與 該送電裝置面對；檢測該蓄電池的電流及電壓的單元；充電狀態計算單元，由通過上述權利要求1所述的充電狀態預測 程序而動作的計算機構成；和根據由該充電狀態計算單元計算出的充電狀態，控制該送電裝置 對該蓄電池的充電的單元。
3. —種無架線交通系統的充電方法，從該地上充電設備向權利要 求2所述的無架線交通系統的該車輛的蓄電池充電，其特徵在於，設定和該蓄電池的電壓上限值對應的充電電流的上限值，不超過 該充電電流的上限值地進行充電，當由該充電狀態計算單元計算的充電狀態達到預先設定的充電狀 態設定值時，結束充電。
全文摘要
在將蓄電池搭載到車輛上使車輛行駛的無架線交通系統中，高精度地在線預測該蓄電池的充電狀態，防止該蓄電池的過度充電或過度放電，提供一種由計算機預測車載蓄電池(14)的充電狀態SOC的預測程序，該預測程序使計算機根據該蓄電池的電流和電壓的計測值，在線設定該蓄電池的等價電路元件值，該蓄電池的等價電路元件值包括第1電阻成分R1，由瞬間的電流變化支配；電路成分，具有電容C和第2電阻成分R2，由緩慢的過度響應支配；和開路電壓E；其中，根據第1電阻成分R1、k＝(該第2電阻成分)/(該第1電阻成分)、τ＝(該電容)×(該第2電阻成分)的實測值計算出該電路成分的電位Vc，根據該電位Vc計算出開路電壓E，根據開路電壓E計算出充電狀態SOC。
文檔編號G01R31/36GK101454682SQ20078001988
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月29日 優先權日2006年11月30日
發明者三竹雅也, 山下博, 山口正博, 山田正臣, 森田克明, 片平耕介 申請人:三菱重工業株式會社