JP2005278242A - 組電池の容量調整装置および容量調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池を構成する複数のセル間の容量調整において、エネルギーロスを抑えて効率的な容量調整を行う。
【解決手段】コントロールユニット３は、容量調整回路２が容量調整を行うためのバイパス作動電圧に基づいて、目標発電電力を算出し、セル間の容量調整が必要であると判定すると、目標発電電力を発生するように、インバータ４に対して発電指令を出す。これにより、セル電圧がバイパス作動電圧となるように、組電池１の充放電制御が行われるので、エネルギーロスを抑えた容量調整を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルから構成される組電池の容量調整装置および容量調整方法に関する。

従来、組電池を構成する複数のセルの開放電圧を検出し、検出した開放電圧の電圧分布に基づいて、各セルごとに放電を行い、セル間の容量調整を行う装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平１０−３２２９２５号公報

しかしながら、従来の装置では、電圧が最も低いセルの電圧を基準として、他のセルの放電を行うので、電圧ばらつきが大きいほど、電圧が低下していない他のセルの電荷が無駄に放電されるという問題があった。

本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法は、組電池の容量調整が必要であると判断された場合に、バイパス作動電圧に基づいた目標発電電力を発電するように発電手段に発電指令を出すことを特徴とする。

本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法によれば、組電池の容量調整が必要であると判断された場合に、バイパス作動電圧に基づいた目標発電電力を発電するように発電手段に発電指令を出すので、エネルギーロスを抑えつつ、確実に容量調整行うことができる。

図１は、本発明による組電池の容量調整装置を搭載したハイブリッド自動車の一実施の形態におけるシステム構成を示す図である。組電池１は、ｎ個のセルＣ１〜Ｃｎを直列に接続して構成される。組電池１の直流電圧は、インバータ４にて交流電圧に変換されて、車両の走行駆動源である交流モータ５に印加される。

交流モータ５は、電動機として機能するとともに、エンジン１０を動力源として、発電機としても機能する。コントロールユニット３は、CPU３ａ、ＲＯＭ３ｂ、ＲＡＭ３ｃ、タイマ３ｄを備え、インバータ４を制御することにより、組電池１の充電および放電を行う。電圧センサ６は、組電池１の総電圧Ｖbatを検出して、コントロールユニット３に出力する。

図２は、容量調整回路（バイパス回路）２の詳細な構成を示す図である。ここでは、説明を簡単にするために、組電池１が８個のセルＣ１〜Ｃ８により構成されているものとする。容量調整回路２は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8と、電圧比較器（コンパレータ）ＩＣ１〜ＩＣ８と、バイパス抵抗Ｒ１〜Ｒ８と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８とを備える。各セルごとに設けられている電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8は、対応するセルＣ１〜Ｃ８の電圧を検出する。

電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８は、電圧検知回路Ｖt1〜Ｖt8により検出されるセル電圧と、所定のバイパス作動電圧Ｖbpsとを比較し、比較結果を対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ８に出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ８は、セル電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsよりも高いことを示す信号が電圧比較器ＩＣ１〜ＩＣ８から入力された場合に、オンする。例えば、スイッチＳＷ１がオンすると、スイッチＳＷ１と直列に接続されているバイパス抵抗Ｒ１を介して、充電電流の一部が流れる。すなわち、セル電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsを超えると、抵抗Ｒ１〜Ｒ８を介して充電電流の一部が流れるので、各セルの電圧がバイパス作動電圧Ｖbpsの大きさに保たれる。

図３は、バイパス作動電圧を低い値（3.4Ｖ）に設定した場合に、容量調整前の各セルの電圧ばらつきと、容量調整後の電圧ばらつきとを示す図である。図３に示すように、バイパス作動電圧を低い値に設定した場合、容量調整が行われることにより、各セルの電圧が均一に調整されるが、放電される量が多くなり、エネルギーロスが大きくなる。

従って、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、バイパス作動電圧Ｖbpsを高めの値に設定する。ここでは、通常の充放電モードにより充放電を行った場合の各セルの平均電圧より高い値（例えば、3.9Ｖ）とする。

図４は、一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる容量調整手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、コントロールユニット３のＣＰＵ３ａにより、所定時間ごと（例えば、１０msごと）に行われる。

ステップＳ１０では、後述する容量調整モードによる充放電制御を行うか否かを判定する。ここでは、一実施の形態における組電池の容量調整装置を適用したハイブリッド自動車の利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１以上であり、かつ、容量調整時間Ｔbonが所定時間Ｔ２未満であるか否かを判定する。利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１以上であり、かつ、容量調整時間Ｔbonが所定時間Ｔ２未満である場合には、容量調整が必要であると判断して、ステップＳ５０に進み、それ以外の場合には、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０〜ステップＳ４０の処理は、通常の充放電モードによる制御である。図５は、通常の充放電モード時における組電池１のＳＯＣ（％）と、組電池１のパワーとの関係を示す図である。組電池１の出力可能パワーは、組電池の最大出力パワー以内で設定されており、入力可能パワーは、最大入力パワー以内で設定されている。なお、出力可能パワーと最大出力パワーとの間のマージン、および、入力可能パワーと最大入力パワーとの間のマージンは、定格時間出力および定格時間入力を保証し、マージン分で短時間のパワー出力およびパワー入力を許容できるように設定する。

通常の充放電モードによる制御では、運転者の運転状況に応じて、モータ５の力行運転／回生運転が決定されるとともに、組電池１のＳＯＣに応じて、モータ５の発電状態およびエンジン１０のアイドルストップの有無が決定される。例えば、２５（％）≦ＳＯＣ＜４５（％）の範囲では、図５に示すように、エンジン１０を動力源として、モータ５による発電を優先した走行発電制御が行われる。また、アイドルストップ条件が成立した場合でもアイドルストップは行われずに、エンジン１０を動力源として、モータ５による発電が行われる。なお、ＳＯＣが３５％以下になると、組電池１の出力を制限する制御が行われる。

４５（％）≦ＳＯＣ＜６５（％）の範囲では、エンジン１０を動力源としてモータ５による発電が行われるが、エンジン１０の燃費を優先した走行発電制御が行われるとともに、アイドルストップ条件が成立した場合には、エンジン１０を停止させるアイドルストップが行われる。また、ＳＯＣが５５％を越えると、エンジン１０を動力源とした発電を制限する制御が行われる。

６５（％）≦ＳＯＣ＜８５（％）の範囲では、エンジン１０を動力源とした発電は行われず、車両の減速エネルギー等を利用した回生発電制御のみが行われる。また、アイドルストップ条件が成立した場合には、アイドルストップが行われる。なお、ＳＯＣが７５％を越えると、回生発電量の制限が開始される。

ステップＳ２０では、タイマ３ｄにより、車両の利用時間Ｔonをカウントする。車両の利用時間Ｔonは、ハイブリッド自動車を起動していた時間を積算した時間であり、図示しないキースイッチがオフされると、ＲＡＭ３ｃに格納される。従って、ここでは、ＲＡＭ３ｃに格納されている利用時間Ｔonに加算していく形で、車両の利用時間Ｔonのカウントを開始する。

ステップＳ２０に続くステップＳ３０では、電圧センサ６により検出される総電圧が所定の電圧Ｖbon以上であるか否かを判定する。所定電圧Ｖbonは、Ｖbon＝Ｖbps×ｎ（Ｖbpsはバイパス作動電圧、ｎはセル数）とする。組電池１の総電圧が所定の電圧Ｖbon以上であれば、容量調整回路２による容量調整が行われていると判定してステップＳ４０に進み、所定の電圧Ｖbon未満であると判定すると、図４に示すフローチャートの処理を終了する。

ステップＳ４０では、タイマ３ｄにより、容量調整時間Ｔbonをカウントする。容量調整時間Ｔbonは、容量調整回路（バイパス回路）２が作動していた時間の積算時間であり、図示しないキースイッチがオフされた時に、ＲＡＭ３ｃに格納される。従って、ここでは、ＲＡＭ３ｃに格納されている容量調整時間Ｔbonに加算していく形で、容量調整時間Ｔbonのカウントを開始する。容量調整時間Ｔbonのカウントを開始すると、図４に示すフローチャートの処理を終了する。

一方、ステップＳ５０〜ステップＳ１４０の処理は、容量調整モードにおける制御である。ステップＳ５０では、目標発電電力を演算する。目標発電電力を演算する時点の組電池のＳＯＣに対応する開放電圧値Ｖoと、バイパス作動電圧Ｖbpsとに基づいて、目標上昇電圧Ｖup＝Ｖbps−Ｖoを算出する。組電池１の内部抵抗をＲとすると、電圧Ｖupおよび内部抵抗Ｒに基づいて決定される電流Ｉupは、Ｉup＝Ｖup／Ｒとなる。

なお、組電池１の内部抵抗Ｒは、様々な方法により算出することができるが、電圧の変化分ΔＶおよび電流の変化分ΔＩを求めることにより、次式（１）にて算出することができる。式（１）にて算出される内部抵抗Ｒは、組電池１の温度および組電池１の劣化を考慮した値、すなわち、組電池の温度および劣化度合いに基づいて補正された値となっている。
Ｒ＝ΔＶ／ΔＩ …（１）

組電池１の電圧をＶup上昇させるのに必要な目標発電電力Ｐupは、Ｐup＝Ｖup×Ｉupとなる。上述したように、内部抵抗Ｒは、組電池１の温度および劣化を考慮した値になっているため、目標発電電力Ｐupも組電池１の温度および劣化を考慮した値となっている。

図６は、容量調整モード時における組電池１のＳＯＣ（％）と、組電池１のパワーとの関係を示す図である。図６に示すように、２５（％）≦ＳＯＣ＜７５（％）の範囲では、エンジン１０を動力源とする発電を優先した走行発電制御が行われる。また、アイドルストップ条件が成立した場合でもアイドルストップは行われずに、エンジン１０を動力源とする発電制御が行われる。さらに、通常の充放電モードにおいて行われる発電制限制御は行われずに、ＳＯＣに応じた目標発電電力をモータ５により発電するように、発電制御が行われる。

７５（％）≦ＳＯＣ＜８５（％）の範囲では、エンジン１０を動力源とする発電は行われず、車両の減速エネルギー等を利用した回生発電制御のみが行われる。また、アイドルストップ条件が成立した場合には、アイドルストップが行われる。

ステップＳ６０では、ステップＳ５０で演算した目標発電電力Ｐupをインバータ４に指令する。これにより、モータ５は、目標発電電力Ｐupを発電するように制御される。ステップＳ６０に続くステップＳ７０では、モータ５が回生運転を行う条件が成立したか否かを判定する。回生運転を行う条件が成立したと判定するとステップＳ８０に進み、回生運転を行う条件が成立していないと判定するとステップＳ９０に進む。

ステップＳ８０では、回生発電量の制限値を変更する。図７は、変更後の回生制限値のラインを示す図である。図７に示すように、通常の入力可能パワーＰinに対して、目標発電電力Ｐupだけ上乗せしたＰinmode＝Ｐin＋Ｐupを容量調整モード時の入力可能パワーとする。これにより、回生発電量の制限値（回生発電可能量）が高くなる。ただし、入力可能パワーＰinmodeは、組電池１の最大入力パワーを越えないようにする。

ステップＳ９０では、組電池１が出力状態であるか否か、すなわち、組電池１の電力が使用される状況であるか否かを判定する。組電池１が出力状態であると判定するとステップＳ１００に進み、出力状態ではないと判定すると、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１００では、組電池１の出力制限値を変更する。図８は、変更後の出力制限値のラインを示す図である。図８に示すように、変更前の出力制限値のラインをＳＯＣの高い方にシフトさせる。すなわち、組電池１の出力制限が開始されるＳＯＣを高くして、通常の充放電モード時に対して、早めに出力制限を開始する。出力制限値を変更すると、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、電圧センサ６により検出される組電池１の総電圧が所定の電圧Ｖbon以上であるか否かを判定する。組電池１の総電圧が所定電圧Ｖbon以上であれば、容量調整回路２による容量調整が行われていると判定して、ステップＳ１２０に進み、所定電圧Ｖbon未満であると判定すると、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１２０では、タイマ３ｄにより、容量調整時間Ｔmodeのカウントを開始する。容量調整時間Ｔmodeは、容量調整モード時に容量調整回路（バイパス回路）２が作動していた時間の積算時間であり、図示しないキースイッチがオフされた時に、ＲＡＭ３ｃに格納される。従って、ここでは、ＲＡＭ３ｃに格納されている容量調整時間Ｔmodeに加算していく形で、容量調整時間Ｔmodeのカウントを開始する。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０でカウントを開始した容量調整時間Ｔmodeが所定時間Ｔ２以上であるか否かを判定する。容量調整時間Ｔmodeが所定時間Ｔ２以上であれば、容量調整が完了したと判定してステップＳ１４０に進み、所定時間Ｔ２未満であると判定すると、図４に示すフローチャートの処理を終了する。ステップＳ１４０では、車両の利用時間Ｔon、通常の充放電モード時の容量調整時間Ｔbon、および、容量調整モード時の容量調整時間Ｔmodeをクリアして、図４に示すフローチャートの処理を終了する。なお、図示しない車両のキースイッチがオフにされた時には、車両の利用時間Ｔon、通常の充放電モード時の容量調整時間Ｔbon、および、容量調整モード時の容量調整時間ＴmodeをＲＡＭ３ｃに格納する。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、組電池の容量調整が必要と判断された場合に、容量調整回路のバイパス作動電圧に基づいて算出される目標発電電力を発生するように、インバータ４に対して発電指令を出して組電池１の充電を行うので、エネルギーロスを抑えた容量調整を行うことができる。すなわち、バイパス作動電圧の高低に関わらず、バイパス作動電圧に基づく発電電力を用いて、直接的な容量調整を行うことができる。また、容量調整時の無駄な放電を防止するために、バイパス作動電圧を高めの値に設定した場合でも、確実に容量調整を行うことができる。

バイパス作動電圧に基づいて算出される目標発電電力は、組電池のＳＯＣ、温度、劣化度合い等の組電池の状態に基づいて補正された値であるので、組電池の状態に応じた最適な容量調整を行うことができる。

また、目標発電電力による発電制御を行うことにより、車両の回生エネルギーの吸収限界量が減少する場合には、組電池１に入力可能な電力量を増加させる（Ｐin→Ｐinmode）ことにより、回生エネルギーの吸収限界量を増加させるので、通常の回生エネルギー量を確保することができる。これにより、容量調整モードによる充放電制御により、車両性能に影響が出るのを防ぐことができる。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、容量調整が必要と判断された場合に、組電池１の出力制限を開始するＳＯＣを高くするので（図８参照）、組電池の使用ＳＯＣ領域を高めにシフトさせることができる。これにより、セル電圧とバイパス作動電圧との差が減少するので、目標発電電力に基づく発電制御時に、セル電圧がバイパス作動電圧に到達する時間を短くすることができる。

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、図４に示すフローチャートのステップＳ１０では、車両の利用時間Ｔonが所定時間Ｔ１以上であり、かつ、容量調整回路２の作動時間Ｔbonが所定時間Ｔ２未満の場合に、組電池１の容量調整が必要であると判断したが、他の方法により、容量調整の必要性を判断しても良い。例えば、セル電圧が所定の電圧低下判定電圧以下であり、かつ、全セルの平均電圧が所定電圧以上の場合に、セルのバラツキ異常が発生しており、容量調整が必要であると判断してもよい。

また、上述した説明では、バイパス作動電圧を3.9Ｖに設定した例について説明したが、3.9Ｖより高い電圧に設定しても良いし、3.9Ｖより低い電圧に設定しても良い。さらに、上述した説明では、組電池の容量調整装置をハイブリッド自動車に適用した例について説明したが、電気自動車に適用することもできるし、車両以外の他のシステムに適用することもできる。

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、容量調整回路２が容量調整回路を、交流モータ５が発電手段を、コントロールユニット３が容量調整判断手段、目標発電電力算出手段、発電制御手段および補正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容量調整装置を搭載したハイブリッド自動車の一実施の形態におけるシステム構成を示す図 容量調整回路（バイパス回路）の詳細な構成を示す図 バイパス作動電圧を低い値（3.4Ｖ）に設定した場合に、容量調整前の各セルの電圧ばらつきと、容量調整後の電圧ばらつきとを示す図 一実施の形態における組電池の容量調整装置により行われる容量調整手順を示すフローチャート 通常の充放電モード時における組電池１のＳＯＣ（％）と、組電池１のパワーとの関係を示す図 容量調整モード時における組電池１のＳＯＣ（％）と、組電池のパワーとの関係を示す図 変更後の回生制限値のラインを示す図 変更後の出力制限値のラインを示す図

符号の説明

１…組電池
２…容量調整回路
３…コントロールユニット
４…インバータ
５…３相交流モータ
６…電圧センサ
Ｃ１〜Ｃ８…セル
Ａ１〜Ａｎ…容量調整回路
Ｂ１〜Ｂｎ…セル電圧低下検知回路
ＩＣ１〜ＩＣ１６…電圧比較器
Ｖt1〜Ｖt8…電圧検知回路
ＳＷ１〜ＳＷ８…スイッチ
Ｒ１〜Ｒ８…抵抗

Claims (7)

1. 車両に搭載され、複数のセルを直列に接続して構成される組電池の容量調整装置において、
   前記複数のセルごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、前記対応するセルの放電を行うことにより容量調整を行う容量調整回路と、
   前記組電池を充電するための電力を発電する発電手段と、
   前記組電池の容量調整が必要か否かを判断する容量調整判断手段と、
   前記バイパス作動電圧に基づいて、目標発電電力を算出する目標発電電力算出手段と、
   前記容量調整判断手段により容量調整が必要であると判断されると、発電手段に対して、前記目標発電電力算出手段により算出された目標発電電力を発電するように発電指令を出す発電制御手段とを備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
2. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記発電制御手段は、前記目標発電電力を発電するように発電指令を出している間は、前記発電手段の発電制限制御を行わず、前記発電指令を出していない間は、前記発電制御を行って前記組電池への充電量を制限することを特徴とする組電池の容量調整装置。
3. 請求項１または２に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記目標発電電力算出手段により算出される目標発電電力を、前記組電池の状態に基づいて補正する補正手段をさらに備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
4. 請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記組電池の状態には、組電池のＳＯＣ、温度、劣化度合いのうちの少なくとも一つが含まれることを特徴とする組電池の容量調整装置。
5. 請求項２に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記発電制御手段は、前記発電手段が前記目標発電電力を発電することにより前記目標発電電力が発電制限量を超えて、車両の回生エネルギーの吸収限界量が減少する場合には、前記回生エネルギーの吸収限界量を増加させることを特徴とする組電池の容量調整装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の組電池の容量調整装置において、
   前記容量調整判断手段により容量調整が必要であると判断されると、前記組電池の出力制限を開始するＳＯＣを高くすることを特徴とする組電池の容量調整装置。
7. 組電池を構成する複数のセルごとに設けられ、対応するセルの電圧が所定のバイパス作動電圧を超えると、前記対応するセルの放電を行う容量調整回路を用いて、各セル間の容量調整を行う組電池の容量調整方法において、
   組電池の容量調整が必要か否かを判断し、
   前記バイパス作動電圧に基づいて、目標発電電力を算出し、
   前記組電池の容量調整が必要であると判断すると、前記組電池を充電するための電力を発電する発電手段に対して、前記目標発電電力を発電するように発電指令を出すことを特徴とする組電池の容量調整方法。

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