JP4433752B2 - 組電池の充放電制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のセルから構成される組電池の充電および放電を制御する組電池の充放電制御装置に関する。
発電可能な電動機により発電された電力を用いて、二次電池の電圧が上限値に達するまで充電を行い、上限値に達した後は、二次電池の電圧が上限値近傍に保たれるように、二次電池の充電を制御する装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２００２−２２３５０１号公報
しかしながら、二次電池を構成する各セルの電圧にはばらつきが存在するので、従来の充電制御装置によって二次電池の電圧が上限値に達するまで充電を行うと、電圧値が上限値を超える過充電状態となるセルが存在する可能性があるという問題があった。
本発明による組電池の充放電制御装置は、組電池を構成する複数のセルのＳＯＣを検出し、検出した各セルのＳＯＣに基づき算出される各セル間のＳＯＣのばらつきの大きさに基づいて、組電池の充電の制限を開始するためのＳＯＣ上限値および放電の制限を開始するためのＳＯＣ下限値のうちの少なくとも一方を変更する。
本発明による組電池の充放電制御装置によれば、組電池を構成する各セルのＳＯＣに基づいて、組電池の充電の制限を開始するためのＳＯＣ上限値および放電の制限を開始するためのＳＯＣ下限値のうちの少なくとも一方を変更するので、過充電状態または過放電状態となるセルの発生を防止することができる。
図１は、本発明による組電池の充放電制御装置を電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図である。図１では、強電ラインを太い実線で、弱電ラインを細い実線で、制御信号ラインを点線で示している。この電気自動車は、モータジェネレータ９（以下、単にモータ９と呼ぶ）を走行駆動源として走行する。
一般に、電動機（モータ）は、電力を駆動力に変換して力行運転するものであるが、そのままの構造で駆動力を電力に逆変換して回生運転することが可能である。また、発電機（ジェネレータ）は、駆動力を電力に変換して発電運転（回生運転と同等）するものであるが、そのままの構造で電力を駆動力に逆変換して力行運転することが可能である。つまり、電動機（モータ）と発電機（ジェネレータ）とは基本的に同一構造であり、どちらも駆動（力行）と発電（回生）とが可能である。したがって、本明細書では、電気エネルギー（電力）を回転エネルギー（駆動力）に変換する電動機（モータ）の機能と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（ジェネレータ）の機能を合わせ持つ回転電機を、モータジェネレータまたは単にモータと呼ぶ。
組電池１は、例えば、ニッケル水素電池であり、４つのセルｓ1〜ｓ4を直列に接続して構成される。組電池１は、電流センサ６およびメインリレー８ａ，８ｂを介して、インバータ１０および補機システム１１に接続されており、インバータ１０および補機システム１１に直流電力を供給する。インバータ１０は、組電池１から供給される直流電力を交流電力に変換して、変換した交流電力をモータ９に供給する。インバータ１０はまた、車両の制動時に、モータ９が回生運転を行うことにより発電する交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、組電池１の充電に用いられる。
車両コントローラ３は、インバータ１０および補機システム１１を制御して、車両の走行および補機の作動を制御する。なお、補機システム１１には、空調装置、灯火類、ワイパなどが含まれる。車両コントローラ３および後述するバッテリコントローラ２には、メインスイッチ４を介して、補助電池５から制御電源が供給される。メインスイッチ４は、エンジンを走行駆動源とする自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、電気自動車のメインキー（不図示）が走行位置に設定されるとオン（閉路）する。
電流センサ６は、組電池１からインバータ１０に流れる放電電流と、インバータ１０から組電池１に流れる充電電流とを検出し、後述するバッテリコントローラ２のＣＰＵ２ａに出力する。メインリレー８ａ，８ｂは、ＣＰＵ２ａにより開閉され、強電ライン、すなわち、組電池１とインバータ１０との間の接続／開放を行う。電圧センサ７は、組電池１の総電圧を検出し、ＣＰＵ２ａに出力する。
温度センサ１３は、組電池１の温度を検出し、ＣＰＵ２ａに出力する。なお、ここでは、組電池１の内部において温度差が発生しないものとし、温度センサ１３により検出される組電池１の温度と、各セルｓ1〜ｓ4の温度とは等しいものとして説明する。警告灯１２は、例えば、組電池１が過放電状態となる等、電気自動車に何らかの異常が発生した時に点灯して、乗員に異常発生を報知する。
バッテリコントローラ２は、ＣＰＵ２ａ、メモリ２ｂ、タイマ２ｃ、セル電圧検出部２ｄを備え、組電池１の充放電や容量調整を行う。セル電圧検出部２ｄは、各セルｓ1〜ｓ4の電圧を検出して、ＣＰＵ２ａに出力する。
ＣＰＵ２ａは、セル電圧検出部２ｄにより検出される各セルｓ1〜ｓ4の電圧値、電流センサ６により検出される電流値、および、温度センサ１３により検出される組電池１の温度に基づいて、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣ（State Of Charge）を算出する。同様に、電圧センサ７により検出される組電池１の電圧値、電流センサ６により検出される電流値、および、温度センサ１３により検出される組電池１の温度に基づいて、組電池１のＳＯＣを算出する。
また、ＣＰＵ２ａは、後述するように、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣのばらつきに基づいて、組電池１の充電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim1および放電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim2を設定するとともに、設定したＳＯＣ_lim1，ＳＯＣ_lim2と、算出した組電池１のＳＯＣとに基づいて、組電池１の充電および放電を制御する。
なお、充電制限開始ＳＯＣとは、組電池１のＳＯＣが充電制限開始ＳＯＣに到達した時に、充電の制限を開始するための目標値となるＳＯＣのことである。また、放電制限開始ＳＯＣは、組電池１のＳＯＣが放電制限開始ＳＯＣに到達した時に、放電の制限を開始するための目標値となるＳＯＣのことである。
メモリ２ｂには、後述する、セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣを算出する際に用いられるＳＯＣテーブル、セルｓ1〜ｓ4の温度とセルｓ1〜ｓ4のＳＯＣの補正係数との関係を示すマップ、組電池１の温度と充電効率との関係を示すマップなどが記憶されている。タイマ２ｃは、組電池１の充電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim1および放電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim2を更新するための時間を計測する。
図２は、組電池１の充電制限開始ＳＯＣおよび放電制限開始ＳＯＣの設定プログラムを示す一実施の形態のフローチャートである。バッテリコントローラ２のＣＰＵ２ａは、メインスイッチ４がオンして電気自動車が起動されたとき、または、図示しない充電装置により、組電池１の充電が開始されたときに、このプログラムの実行を開始する。
ステップＳ１０では、タイマ２ｃに設定されているタイマ値をリセットする。このタイマ値は、上述したように、所定時間ごとに充電制限開始ＳＯＣおよび放電制限開始ＳＯＣを更新するための時間であり、例えば、５分である。タイマ２ｃのタイマ値をリセットして、所定時間の計測を開始すると、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣを算出する。ＳＯＣの算出方法について説明する。まず、セル電圧検出部２ｄにより検出されたセル電圧値と、電流センサ６により検出された電流値との組み合わせを複数取得して、電圧−電流特性を直線回帰し、求めた回帰直線に基づいて、無負荷時の各セルの電圧（開放電圧）を算出する。メモリ２ｂには、無負荷時のセル電圧とセルのＳＯＣとの関係を示すＳＯＣテーブルが記憶されているので、ＣＰＵ２ａは、算出した無負荷時のセル電圧と、メモリ２ｂに記憶されているＳＯＣテーブルとに基づいて、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣを算出する。
一般的に、セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣは、セルの温度によって異なる値を示す。従って、ＣＰＵ２ａは、上述した方法により算出したセルのＳＯＣを、温度センサ１３により検出される組電池１の温度に基づいて補正する。具体的には、温度センサ１３により検出される組電池１の温度と、メモリ２ｂに記憶されているセルの温度とセルｓ1〜ｓ4のＳＯＣの補正係数との関係を示すマップとに基づいて、補正係数を算出し、上述した方法により算出したセルのＳＯＣに補正係数を乗じて、補正後のＳＯＣを算出する。全てのセルｓ1〜ｓ4のＳＯＣを算出すると、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、次式（１），（２）により、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣのばらつきを示すΔＳＯＣ1およびΔＳＯＣ2を算出する。
ΔＳＯＣ1＝ＳＯＣmax−ＳＯＣave …（１）
ΔＳＯＣ2＝ＳＯＣave−ＳＯＣmin …（２）
ただし、ＳＯＣmaxは、ステップＳ２０で算出した各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣのうち、最大の値を示すＳＯＣであり、ＳＯＣminは最小の値を示すＳＯＣである。また、ＳＯＣaveは、ステップＳ２０で算出した各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣの平均値である。
ステップＳ３０に続くステップＳ４０では、電池充電効率ηを算出する。図３は、組電池１の温度と、組電池１の充電効率との関係を示すマップであり、メモリ２ｂに記憶されている。図３に示すように、組電池１の充電効率は、組電池１の温度が低い時、および、高い時に低下する傾向がある。ＣＰＵ２ａは、温度センサ１３により検出された組電池１の温度と、メモリ２ｂに記憶されている図３に示すマップとに基づいて、組電池１の充電効率ηを算出する。充電効率ηを算出すると、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、ステップＳ３０で算出したΔＳＯＣ1，ΔＳＯＣ2、および、ステップＳ４０で算出した充電効率ηを用いて、次式（３），（４）により、組電池１の充電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim1および放電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim2を算出する。ただし、式（３），（４）は、組電池１のＳＯＣの使用範囲が４０（％）〜８０（％）の場合の算出式である。
ＳＯＣ_lim1＝７５−（ΔＳＯＣ1×η） …（３）
ＳＯＣ_lim2＝４５＋ΔＳＯＣ2 …（４）
ここで、式（３）中の「７５」は、充電制限開始ＳＯＣの初期値であり、予め実験等により求めておく。また、式（４）中の「４５」は、放電制限開始ＳＯＣの初期値であり、予め実験等により求めておく。
式（３），（４）に基づいて、ＳＯＣ_lim1およびＳＯＣ_lim2を算出すると、組電池１の充電制限開始ＳＯＣおよび放電制限開始ＳＯＣを、算出したＳＯＣ_lim1およびＳＯＣ_lim2にそれぞれ更新する。
ステップＳ５０に続くステップＳ６０では、タイマ２ｃのタイマ値が設定されている所定時間に到達したか否かを判定する。タイマ値が所定時間に到達していないと判定すると所定時間に到達するまでステップＳ６０で待機し、所定時間に到達したと判定するとステップＳ１０に戻る。以後、タイマ２ｃに設定されている所定時間ごとに、上述したステップＳ１０以降の処理が繰り返しわれる。
図４は、組電池１のＳＯＣと、電流センサ６により検出される電流値との関係を示す図である。電流センサ６により検出される電流値は、プラス（＋）側の時に放電電流が流れており、マイナス（−）側の時に充電電流が流れていることを示している。また、図４において、実線は従来の装置により、組電池１の充電および放電を制御した場合の電流値とＳＯＣとの関係を、点線は一実施の形態における組電池の充放電制御装置により、組電池１の充電および放電を制御した場合の電流値とＳＯＣとの関係を示す。
図４の実線で示すように、従来の装置によれば、放電時に組電池１のＳＯＣが放電制限開始ＳＯＣの初期値である４５（％）に到達すると、放電の制限が開始されて放電電流が徐々に減少していき、ＳＯＣが４０（％）に到達すると、放電を停止する制御を行っていた。また、充電時には、組電池１のＳＯＣが充電制限開始ＳＯＣの初期値である７５（％）に到達すると、充電の制限が開始されて充電電流が徐々に減少していき、ＳＯＣが８０（％）に到達すると、充電を停止する制御を行っていた。
すなわち、組電池１のＳＯＣの使用範囲が４０（％）〜８０（％）であるため、組電池１のＳＯＣが４０（％）未満にならないように放電を制御すると共に、ＳＯＣが８０（％）を越えないように充電を制御していた。しかし、この場合には、セル電圧のばらつきにより、放電時にはＳＯＣが４０（％）未満となるセルが存在し、充電時にはＳＯＣが８０（％）を越えるセルが存在する可能性がある。
これに対し、一実施の形態における組電池の充放電制御装置によれば、図４の点線で示すように、放電時には、各セルのＳＯＣのばらつきを考慮して、放電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim2が算出され、ＳＯＣが４５（％）より高いＳＯＣ_lim2に到達すると放電の制限を開始する。すなわち、放電電流の上限値を徐々に小さくしていくことにより、放電電流を減少させていく。また、充電時にも各セルのＳＯＣのばらつきを考慮して、充電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim1が算出され、ＳＯＣが７５（％）より低いＳＯＣ_lim1に到達すると充電の制限を開始する。これにより、放電時には、ＳＯＣの最も低いセルのＳＯＣが４０（％）未満となる過放電の発生を防ぐことができると共に、充電時には、ＳＯＣの最も高いセルのＳＯＣが８０（％）を越える過充電の発生を防ぐことができる。
なお、一実施の形態における組電池の充放電制御装置による制御において、各セルのＳＯＣのばらつきが存在しない場合には、組電池１の充電および放電を制御した場合の電流値とＳＯＣとの関係は、図４の実線で示すものとなる。
一実施の形態における組電池の充放電制御装置によれば、組電池１を構成する各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣに基づいて、組電池１の充電を制限する際の目標値となるＳＯＣ上限値および放電を制限する際の目標値となるＳＯＣ下限値を変更するので、組電池１を構成する全てのセルｓ1〜ｓ4の過充電および過放電を防止することができる。従って、過充電や過放電に起因するセルの劣化を確実に防ぐことができる。
ここで、セルｓ1〜ｓ4の過充電または過放電を防止するために、組電池１のＳＯＣに基づいて充電または放電を制御する代わりに、各セル単位で充電または放電を制御する方法も考えられるが、制御が複雑となり、演算負荷が増大する。しかし、一実施の形態における組電池の充放電制御装置によれば、組電池１のＳＯＣに基づいて充放電を制御することができるので、演算負荷の増大を抑制しつつ、確実に全てのセルの過充電または過放電を防止することができる。
変更するＳＯＣ上限値は、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣのうち、最大値を示すＳＯＣと、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣの平均ＳＯＣとに基づいて決定するので、全てのセルｓ1〜ｓ4が過充電とならないＳＯＣ上限値を決定することができる。また、変更する下限値は、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣのうち、最小値を示すＳＯＣと、各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣの平均ＳＯＣとに基づいて決定するので、全てのセルｓ1〜ｓ4が過放電とならないＳＯＣ下限値を決定することができる。
また、一実施の形態における組電池の充放電制御装置によれば、式（３）で示したように、組電池１の温度によって異なる充電効率を考慮して、変更するＳＯＣ上限値を決定する。これにより、充電効率が低い場合には、各セルｓ1〜ｓ4の過充電を防止しつつ、充電の制限を開始するＳＯＣ上限値を高く設定することができる。すなわち、組電池１を効果的に充電することができる。
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、充電および放電を制御する組電池１は、電気自動車に搭載されているものとして説明した。しかし、充放電制限の対象となる組電池は、ハイブリッド自動車やエンジン車両に搭載されているものでもよいし、車両以外の装置に用いられるものでもよい。また、組電池の種類や、組電池を構成するセル数により、本発明が限定されることもない。すなわち、複数のセルから構成され、充放電可能な組電池であれば、本発明を適用することができる。
上述した一実施の形態では、組電池１のＳＯＣが充電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim1に到達すると、充電の制限を開始して、徐々に充電電流を減少させると共に、組電池１のＳＯＣが放電制限開始ＳＯＣであるＳＯＣ_lim2に到達すると、放電の制限を開始して、徐々に放電電流を減少させる制御を行った。しかし、組電池１のＳＯＣが所定のＳＯＣ上限値に到達すると充電を停止するとともに、組電池１のＳＯＣが所定のＳＯＣ下限値に到達すると放電を停止させるようにしてもよい。この場合には、上述した方法により、各セルｓ1〜ｓ4のばらつきに基づいて、ＳＯＣ上限値およびＳＯＣ下限値を変更すればよい。
上述した一実施の形態では、組電池１を構成する各セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣのばらつきに基づいて、組電池１のＳＯＣ上限値およびＳＯＣ下限値を算出・変更した（式（１）〜（４）参照）。しかし、セルｓ1〜ｓ4のＳＯＣは、セルの電圧（開放電圧）に基づいて算出することができるので、各セルｓ1〜ｓ4の電圧のばらつきに基づいて、ＳＯＣ上限値およびＳＯＣ下限値を算出・変更するようにしてもよい。
上述した一実施の形態では、ＳＯＣ上限値およびＳＯＣ下限値の両方の値を変更（更新）するようにしたが、ＳＯＣ上限値のみを変更して、セルの過充電を防止する装置としてもよい。同様に、ＳＯＣ下限値のみを変更して、セルの過放電を防止する装置とすることもできる。
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、ＣＰＵ２ａが充放電制御手段および制限値変更手段を、電流センサ６、電圧センサ７、温度センサ１３およびＣＰＵ２ａが組電池ＳＯＣ検出手段を、電流センサ６、セル電圧検出部２ｄ、温度センサ１３およびＣＰＵ２ａがセルＳＯＣ検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
本発明による組電池の充放電制御装置を電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図 組電池の充電制限開始ＳＯＣおよび放電制限開始ＳＯＣの設定プログラムを示す一実施の形態のフローチャート 組電池の温度と、組電池の充電効率との関係を示すマップ 組電池のＳＯＣと、電流センサにより検出される電流値との関係を示す図
符号の説明
１…組電池
２…バッテリコントローラ
２ａ…ＣＰＵ
２ｂ…メモリ
２ｃ…タイマ
２ｄ…セル電圧検出部
３…車両コントローラ
４…メインスイッチ
５…補助電池
６…電流センサ
７…電圧センサ
８ａ，８ｂ…メインリレー
９…モータジェネレータ
１０…インバータ
１１…補機システム
１２…警告灯
１３…温度センサ
ｓ１〜ｓ４…セル

Claims (7)

  1. 複数のセルから構成され、充放電可能な組電池の充放電制御装置において、
    前記組電池のＳＯＣを検出する組電池ＳＯＣ検出手段と、
    前記組電池ＳＯＣ検出手段により検出された組電池のＳＯＣが上限値に到達すると前記組電池の充電の制限を開始し、前記組電池のＳＯＣが下限値に到達すると前記組電池の放電の制限を開始する充放電制御手段と、
    前記組電池を構成する各セルのＳＯＣを検出するセルＳＯＣ検出手段と、
    前記セルＳＯＣ検出手段により検出された各セルのＳＯＣに基づき算出される各セル間のＳＯＣのばらつきの大きさに基づいて、前記上限値および前記下限値のうちの少なくとも一方の値を変更する制限値変更手段とを備えることを特徴とする組電池の充放電制御装置。
  2. 請求項１に記載の組電池の充放電制御装置において、
    前記制限値変更手段は、前記セルＳＯＣ検出手段により検出された各セルのＳＯＣのうち、最大値を示すセルＳＯＣと、前記セルＳＯＣ検出手段により検出された各セルのＳＯＣの平均ＳＯＣとに基づいて、前記上限値を変更することを特徴とする組電池の充放電制御装置。
  3. 請求項２に記載の組電池の充放電制御装置において、
    前記制限値変更手段は、予め設定された初期値から、前記最大値を示すセルＳＯＣと前記平均ＳＯＣとの差分を減じた値に基づいて、前記変更する上限値を決定することを特徴とする組電池の充放電制御装置。
  4. 請求項２に記載の組電池の充放電制御装置において、
    前記制限値変更手段は、予め設定された初期値から、前記最大値を示すセルＳＯＣと前記平均ＳＯＣとの差分に前記組電池の充電効率を乗じた値を減じた値に基づいて、前記変更する上限値を決定することを特徴とする組電池の充放電制御装置。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の組電池の充放電制御装置において、
    前記制限値変更手段は、前記セルＳＯＣ検出手段により検出された各セルの電圧のうち、最小値を示すセルＳＯＣと、前記セルＳＯＣ検出手段により検出された各セルのＳＯＣの平均ＳＯＣとに基づいて、前記下限値を変更することを特徴とする組電池の充放電制御装置。
  6. 請求項５に記載の組電池の充放電制御装置において、
    前記制限値変更手段は、予め設定された初期値に、前記平均ＳＯＣと前記最小値を示すセルＳＯＣとの差分を加算した値に基づいて、前記変更する下限値を決定することを特徴とする組電池の充放電制御装置。
  7. 複数のセルから構成され、充放電可能な組電池の充放電制御装置において、
    前記組電池のＳＯＣを検出する組電池ＳＯＣ検出手段と、
    前記組電池ＳＯＣ検出手段により検出された組電池のＳＯＣが上限値に到達すると前記組電池の充電の制限を開始し、前記組電池のＳＯＣが下限値に到達すると前記組電池の放電の制限を開始する充放電制御手段と、
    前記組電池を構成する各セルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
    前記セル電圧検出手段により検出された各セルの電圧に基づき算出される各セル間の電圧のばらつきの大きさに基づいて、前記上限値および前記下限値のうちの少なくとも一方の値を変更する制限値変更手段とを備えることを特徴とする組電池の充放電制御装置。
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