JP2000065906A

JP2000065906A - 電池制御装置

Info

Publication number: JP2000065906A
Application number: JP10236654A
Authority: JP
Inventors: Yoshiteru Kikuchi; 義晃菊池; Kazuo Toshima; 和夫戸島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】各電池セル毎の蓄電量が分散する組電池にお
いて、すべてのセルを適正な蓄電量範囲に制御する。【解決手段】温度センサ１２により組電池１０の電池
ブロックの温度を検出する。そして、電池ＥＣＵ１４
は、最高温度ＴＢ_maxを有する電池セルを検知する。充
電効率ηは温度上昇とともに低下する。よって電池ＥＣ
Ｕ１４は最高温度ＴＢ_maxの電池セルの蓄電量を、電流
を積算することにより算出する。このＴＢ_maxの電池セ
ルの蓄電量が組電池中で最低の蓄電量となるので、ＨＶ
ＥＣＵ１６は当該蓄電量が制御下限値を超えないように
充放電制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の電池群が直
列に接続され、エンジンにより駆動される発電機によっ
て充電される組電池の蓄電量を制御するハイブリッド車
の電池制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、車両駆動用モータの他に、エ
ンジン駆動される発電機を搭載したハイブリッド車が知
られている。このハイブリッド車においては電池を搭載
しており、この電池からの電力によって駆動用モータを
駆動すると共に、発電機からの電力によって電池の充電
を行う。また、駆動用モータおよびエンジンによって車
輪を回転させ走行する。

【０００３】ここで、車載電池は、その出力直流電圧と
して、２５０Ｖ程度のものが採用されている。従って、
車載電池は、多数の電池セルを直列接続した組電池から
構成されている。通常の場合、複数個の電池セルを直列
接続して電池ブロックを形成し、この電池ブロックを複
数接続して、組電池を構成している。例えば、１２セル
で１ブロックを形成し、２０ブロック（電池群）で１つ
の組電池を構成する。

【０００４】電池の蓄電量はＳＯＣ（充電状態：State
of Charge）と呼ぶ指標により監視、制御される。この
ＳＯＣは満充電容量に対する残存電容量の比で定義され
る。このＳＯＣの一つの検出方法として、充放電電流量
の積算による方法がある。この積算による方法は、簡便
でありＳＯＣの広い範囲に適用できる特徴がある。この
方法は、次式に示すように、電池の充放電電流Ｉを逐次
検出しこれを時間間隔Δｔ毎に積算して時刻ｔにおける
ＳＯＣを得るものである。なお、ここでηは充電効率で
ある。

【０００５】ＳＯＣ(t)＝ＳＯＣ(t-Δt)＋Ｉ・η・Δｔ ………（１）さて、通常の走行においては、電流積算方法により求め
た積算ＳＯＣが所定値（例えば５０％程度）になるよう
に、モータの駆動および発電機の駆動が制御される。Ｓ
ＯＣには適正範囲が存在し、ＳＯＣがその上限以上、又
は下限以下となることは電池保護上、好ましくない。

【０００６】さて、充電効率ηは、温度や充電状態（す
なわちＳＯＣ）などの関数であることが知られている。
また、特開昭６３−２０８７７３号公報には、ＳＯＣが
高い領域において充電効率が減少することや、放電電流
が大きい領域において放電効率が低下すること、また電
池液温とともにＳＯＣが増大することを考慮して、ＳＯ
Ｃを正確に計算する方法が示されている。すなわち、こ
の方法では、電池の充電効率、電池温度にて補正された
充放電電流によって、積算ＳＯＣを正確に求めようとす
るものである。

【０００７】なお、電池セル間の電圧差が所定値以上に
なったことに基づいて充放電制御を行う方法が、特願平
１０−１７８２３１号に記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したようにハイブ
リッド車に搭載される電池は多数の電池セルで構成され
る組電池であり、それらの電池温度は必ずしも一様では
ない。さて上記従来技術は、電池の温度を考慮したＳＯ
Ｃの算出を提案しているが、その方法では電池全体に対
して一の温度が用いられている。そのため、組電池に対
しては、電池全体を代表する温度である各電池セルの温
度の平均値を用いてＳＯＣが算出される。しかし各電池
セルのＳＯＣは、平均温度に基づいたＳＯＣとは必ずし
も一致せず、その値を中心として上下に分布する。よっ
て、このような平均温度に基づいたＳＯＣを適正範囲に
保つように充放電制御を行っても、一部の電池セルのＳ
ＯＣは適正範囲外となることがあり、電池保護の観点か
ら問題があった。例えば、全電池の平均的なＳＯＣが適
正であっても、一部の電池セルでは適正範囲の下限以下
にそのＳＯＣが達し、過放電により当該電池セルが劣化
する。

【０００９】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、充放電制御の適正化を図り、一部のセ
ルさえもそのＳＯＣが適正範囲外となることが防止され
る電池制御装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電池制御装
置は、複数の電池が直列に接続されたハイブリッド車搭
載組電池の蓄電量を、当該組電池に入出力される電流の
積算に基づいて適正範囲に維持する電池制御装置であっ
て、前記電池の温度に基づいて電池群から基準電池を選
択し、充電効率を考慮した電流積算値から求められる当
該基準電池の蓄電量に基づいて前記組電池に対する充電
禁止又は放電禁止のいずれかの制御を行うことを特徴と
する。

【００１１】本発明によれば、組電池を構成する電池群
のうち、最高温度（又は最低温度）を有する電池が、充
放電制御の基準となる電池として選択される。個々の電
池の蓄電量は各電池に共通に流れる電流の積算値に応じ
て変化するが、充電効率は電池毎に異なりうるので、各
電池の蓄電量の変化は一様ではない。電池の充電効率は
温度に応じて変化することが知られており、基準電池の
蓄電量を電流の積算に基づいて算出する際には、前記最
高温度（又は最低温度）に応じた充電効率が用いられ
る。例えば、充電効率が温度上昇とともに低下する場合
には、最高温度を有する基準電池は電荷が蓄積されにく
いため、電池群の中で最低の蓄電量を有することとな
り、一方、基準電池が最低温度を有するものである場合
には、電荷が蓄積されやすいため当該基準電池は電池群
の中で最高の蓄電量を有することとなる。また例えば、
充電効率が温度上昇とともに上昇する場合には、最高温
度を有する基準電池は、電池群の中で最高の蓄電量を有
することとなり、一方、基準電池が最低温度を有するも
のである場合には当該基準電池は電池群の中で最低の蓄
電量を有することとなる。基準電池が最高蓄電量を有す
るものに定められている場合は、その積算蓄電量を監視
して、当該蓄電量が適正範囲の上限を超えた場合に充電
禁止制御を行う。これにより、電池群のいずれの電池の
蓄電量も適正範囲の上限を上回ることがない。一方、基
準電池が最低蓄電量を有するものに定められている場合
は、その積算蓄電量を監視して、当該蓄電量が適正範囲
の下限を超えた場合に放電禁止制御を行う。これによ
り、電池群のいずれの電池の蓄電量も適正範囲の下限を
下回ることがない。

【００１２】本発明の好適な態様は、前記各電池は、温
度上昇とともに充電効率が低下するものであり、前記基
準電池は、前記温度が最高の前記電池であり、前記基準
電池の蓄電量が下限値に達した場合に、組電池からの放
電を禁止するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
図１は、実施形態の全体構成を示す図であり、組電池１
０は、複数の電池セルからなっている。この例では、ニ
ッケル金属水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池が利用されており、
２４０個の電池セルを直列接続し、２８０Ｖ程度の出力
電圧を得ている。また、電池セル群には、共通の温度環
境内に配置される直列接続された電池セルのブロックが
定義され、当該電池ブロック毎にその温度を検知する温
度センサ１２が設けられている。図においては、電池ブ
ロックの１つを１つの電池記号として示している。

【００１４】温度センサ１２の検出結果は、電池ＥＣＵ
１４に供給される。また、電池ＥＣＵ１４は、電流セン
サ１５により計測される組電池１０の充放電電流を入力
され、この充放電電流に基づいて積算ＳＯＣを算出す
る。電池ＥＣＵ１４は後述するように、電池セルのうち
最低ＳＯＣと最高ＳＯＣとを求めて、ＨＶＥＣＵ１６へ
出力する。

【００１５】ＨＶＥＣＵ１６は、電池ＥＣＵ１４から供
給される最低ＳＯＣ、最高ＳＯＣに基づいて、負荷１８
の動作を制御する。ここで、この負荷１８は、駆動用モ
ータ、エンジン、発電機、インバータなどからなってお
り、組電池１０からの電力の消費が負荷１８の制御によ
って制御される。すなわち、組電池１０からの電力は、
インバータを介し、駆動用モータに供給される。ＨＶＥ
ＣＵ１６は、アクセル踏み込み量などにより、駆動モー
タの出力トルクを決定し、決定した出力トルクになるよ
うにインバータを制御して、駆動モータを制御する。ま
た、ＨＶＥＣＵ１６は、エンジン出力の発電機の駆動力
および車輪駆動力についても制御する。これによって、
組電池１０への充電量が制御される。

【００１６】次に、電池ＥＣＵ１４における最低ＳＯ
Ｃ、最高ＳＯＣを算出する処理について説明する。充電
効率ηは、ＳＯＣと電池温度ＴＢとの関数であることは
上述した。図２は、Ｎｉ−ＭＨ電池における電池温度Ｔ
Ｂと充電効率ηとの概略の関係を表すグラフである。図
において横軸はＴＢ、縦軸はηに対応し、例えばＳＯＣ
が一定（例えば６０％）における関係を定性的に表して
いる。ηは、ＳＯＣ一定の条件の下では、ＴＢの上昇と
ともに低下する性質がある。

【００１７】また、図３は、Ｎｉ−ＭＨ電池における蓄
電量ＳＯＣと充電効率ηとの概略の関係を表すグラフで
ある。図において横軸はＳＯＣ、縦軸はηに対応し、例
えばＴＢが一定（例えば３０℃）における関係を定性的
に表している。ＴＢ一定の条件の下で、ηは基本的にＴ
Ｂとともに減少する傾向を有するが、ηがある程度以下
の範囲（例えば８０％以下の範囲）においては、その変
化の程度は小さい。しかし、例えばそれ以上のＳＯＣの
領域では、ηの低下速度は次第に急になる。

【００１８】電池セルは互いに直列に接続され、それら
に流れる電流は同一であるので、それらの充放電を個別
に制御することはできず、充電効率ηの違いがあるた
め、必ずしもすべての電池セルが均一に充電されるわけ
ではない。つまり、図２、図３について上述したよう
に、異なるＴＢを有する電池セルは異なるηを有し、基
本的には異なるＳＯＣを有することとなる。これを簡単
な例で説明する。例えば、３つの電池セルＣＬ１（温度
ＴＢ１，蓄電量ＳＯＣ１），ＣＬ２（温度ＴＢ２，蓄電
量ＳＯＣ２），ＣＬ３（温度ＴＢ３，蓄電量ＳＯＣ３）
を考える。ここで、ＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３がそれぞれ
２５℃、３５℃、４５℃であり、ＳＯＣ１＝ＳＯＣ２＝
ＳＯＣ３＝６０％である状態から充電を開始するとす
る。この場合、図２に示される性質によりＣＬ１、ＣＬ
２、ＣＬ３それぞれのηは例えば１．０、０．９、０．
８のように、ＴＢの大小関係とは逆の大小関係で並ぶ。
そのため、充電によるＳＯＣの増加は、温度が最も高い
ＣＬ３が最も小さく、次にＣＬ２が続き、温度が最も低
いＣＬ１が最も大きい。つまり、ＴＢの異なる電池セル
のＳＯＣは、たとえ最初に同一の値であっても充電と共
に分散し、ＴＢが高いセルほどその分散の中でＳＯＣの
小さい位置を占め、逆にＴＢが低いセルほどＳＯＣの大
きい位置を占める。

【００１９】なお、ＴＢに応じてＳＯＣが分散すると、
図３に示すようにＳＯＣの相違によるηの違いが生じて
くる。このＳＯＣに応じたηの変化は、ＳＯＣの分散を
抑制する向きに作用する。すなわち、充電によって、Ｔ
Ｂが低いほどＳＯＣが高い状態へ遷移するが、ＳＯＣの
増加によりηが減少し、その増加速度が遅くなる。しか
し、図３に示すように、ＳＯＣに応じたηの減少はＳＯ
Ｃが例えば制御上限を超える辺りから顕著になり、通
常、充放電制御が行われるＳＯＣ範囲では、ＴＢに応じ
たηの相違がＳＯＣの分散に大きく関係する。

【００２０】図４は、主にＴＢに応じたηの相違に対応
してＳＯＣが分散した様子を示す図であり、ＳＯＣに対
する多数の電池セルの模式的なヒストグラムである。図
において横軸がＳＯＣであり、縦軸は分布の大小を表し
ている。分布を表す曲線３０においてＳＯＣの小さい方
ほどＴＢの高い電池セルが分布し、分布曲線３０の左端
には電池セル（又は電池ブロック）のうちＴＢが最も高
いものが位置する。また右端には電池セル（又は電池ブ
ロック）のうちＴＢが低いものが位置する。なお、分布
曲線３０の形状はこの図では、正規分布としており、分
布のピークの位置のＳＯＣが平均ＳＯＣとなる。ちなみ
に、分布の形状は、電池セル（又はブロック）の温度分
布に依存し、例えば温度が高いセルが多ければ、分布の
ピークは左寄りに位置することになる。

【００２１】電池ＥＣＵ１４は、温度センサ１２の出力
結果から、電池セル（又はブロック）のうち最も高い温
度ＴＢ_maxを有するものを検知し、その電池セルの積算
ＳＯＣを次式に基づいて算出する。この積算ＳＯＣが最
低ＳＯＣとなる。

【００２２】ＳＯＣ(t)＝ＳＯＣ(t-Δt)＋Ｉ・η（ＴＢ_max，ＳＯＣ(t-Δt)）・Δｔ ………（２）また、電池ＥＣＵ１４は、同様に温度センサ１２の出力
結果から、最も低い温度ＴＢ_minを有するものを検知
し、その電池セルの積算ＳＯＣを次式に基づいて算出す
る。この積算ＳＯＣが最高ＳＯＣとなる。

【００２３】ＳＯＣ(t)＝ＳＯＣ(t-Δt)＋Ｉ・η（ＴＢ_min，ＳＯＣ(t-Δt)）・Δｔ ………（３）次に、ＨＶＥＣＵ１６における充放電制御処理について
説明する。図５は、その処理を説明するための模式図で
あり、横軸にとられたＳＯＣに対する電池セルのヒスト
グラムを表している。ＨＶＥＣＵ１６にはＳＯＣの適正
範囲として例えば２０〜８０％が設定されている。つま
り、２０％がＳＯＣの制御下限値であり、８０％が制御
上限値である。

【００２４】ＨＶＥＣＵ１６は基本的には例えば、分布
曲線３５として示すように分布曲線が５０％付近に位置
するように制御を行う。例えばここでは、最高ＳＯＣと
最低ＳＯＣが電池ＥＣＵ１４から得られるので、ＨＶＥ
ＣＵ１６はそれらの平均値を計算し、それが５０％以上
である場合には、エンジン出力による発電量が少なくな
るように設定し、組電池１０からの放電が進むようにす
る。また、上記平均値が５０％以下の場合には、エンジ
ン出力による発電量が多くなるようにして、組電池１０
への充電が進むようにする。

【００２５】しかし、例えば長い登り坂の走行など走行
状態によっては、電池からの放電が継続する場合もあ
る。このような場合には、電池のＳＯＣは減少してい
く。そこで、電池のＳＯＣが制御中心である５０％から
大きく変化する場合もある。そのような場合に、いずれ
かの電池セルが制御下限値又は制御上限値を超えること
となると、その電池セルの劣化が進んでしまう。そこ
で、本装置のＨＶＥＣＵ１６は、ＴＢの最も高いセルに
対応する最低ＳＯＣが制御下限値に達したか否かを監視
し、達したと判定された場合には放電を禁止し充電を優
先させる。また、ＨＶＥＣＵ１６は、ＴＢの最も低いセ
ルに対応する最高ＳＯＣが制御上限値に達したか否かを
監視し、達したと判定された場合には充電を禁止する。
図５において、分布曲線４０が、最低ＳＯＣが制御下限
値に達した状態を示し、分布曲線４５が、最高ＳＯＣが
制御上限値に達した状態を示している。

【００２６】このように充放電制御を行うことにより、
電池セルのいずれも制御下限値、制御上限値を超えない
ように制御され、組電池の保護が実現される。ちなみ
に、従来は各電池セルのＳＯＣの平均値に着目して充放
電制御を行っていた。すなわち、例えば正規分布では、
ピーク位置が制御下限、制御上限を超えないように制御
がされており、その方法では、ヒストグラム上でピーク
からはずれた位置にある電池セルの中には、制御下限、
制御上限を超えてしまうものが生じ、電池セルが平等に
保護されず、組電池の保護が十分でなかった。

【００２７】なお、上述の例では、温度ＴＢが最高であ
る電池セル（又はブロック）について得られる最低ＳＯ
ＣとＴＢが最低である電池セル（又はブロック）につい
て得られる最高ＳＯＣとの双方を監視しているが、それ
らの一方のみを監視する構成も可能である。例えば、最
低ＳＯＣのみを監視する構成が可能である。この場合に
は、最低ＳＯＣが制御下限に達したことにより放電禁止
制御を行う。また、例えばＳＯＣの分布の幅として予め
測定した値Ｗを用い、（最低ＳＯＣ＋Ｗ）が制御上限に
達したことを検知して、充電禁止制御を行うように構成
することができる。

【００２８】また、上述の例では、温度センサ１２は各
電池ブロックに設けられたが、予め温度環境が分かって
いる場合、つまり、例えば、周囲に配置されるものが放
出する熱等によってＴＢが最も高くなる電池ブロックが
予め定まっている場合、またＴＢが最も低くなる電池ブ
ロックが予め定まっている場合には、温度センサ１２を
それら電池ブロックにのみ設け、他の電池ブロックの温
度センサを省略することができる。これにより構成が簡
略化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る電池制御装置の全体
構成を示すブロック図である。

【図２】Ｎｉ−ＭＨ電池における電池温度ＴＢと充電
効率ηとの概略の関係を表すグラフである。

【図３】Ｎｉ−ＭＨ電池における蓄電量ＳＯＣと充電
効率ηとの概略の関係を表すグラフである。

【図４】ＳＯＣに対する多数の電池セルの模式的なヒ
ストグラムである。

【図５】ＨＶＥＣＵにおける充放電制御処理について
説明するためのＳＯＣに対する電池セルのヒストグラム
である。

【符号の説明】

１０組電池、１２温度センサ、１４電池ＥＣＵ、
１５電流センサ、１６ＨＶＥＣＵ、１８負荷、２
０リレー。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｊ 7/00 ３０２Ｈ０２Ｊ 7/00 ３０２ＤＦターム(参考） 2G016 CA03 CB22 CB32 CC01 CC04 CC13 CC27 CD02 CD03 5G003 AA07 BA03 CA05 CA20 CB01 CC02 DA07 DA13 DA15 EA05 FA06 GB06 GC05 5H030 AA03 AA04 AS08 BB10 BB21 DD08 FF22 FF42 5H115 PI16 PI22 PI29 PU01 PU25 PU26 TI01 TI06 TO05 TU17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の電池が直列に接続されたハイブリ
ッド車搭載組電池の蓄電量を、当該組電池に入出力され
る電流の積算に基づいて適正範囲に維持する電池制御装
置であって、前記電池の温度に基づいて電池群から基準電池を選択
し、充電効率を考慮した電流積算値から求められる当該
基準電池の蓄電量に基づいて前記組電池に対する充電禁
止又は放電禁止のいずれかの制御を行うことを特徴とす
る電池制御装置。
【請求項２】請求項１記載の電池制御装置において、前記各電池は、温度上昇とともに充電効率が低下するも
のであり、前記基準電池は、前記温度が最高の前記電池であり、前記基準電池の蓄電量が下限値に達した場合に、組電池
からの放電を禁止すること、を特徴とする電池制御装置。