JP2006033961A - 組電池容量調整装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギーロス量を低減させ車両燃費性能の向上を図ることが可能な組電池容量調整装置及び方法を提供する。
【解決手段】 組電池容量調整装置１は、複数個の単位セルを接続してなる組電池１１の各セルのうち、いずれかの電圧が基準となる電圧を超えた場合に、そのセルについて放電させることで各セル間の充電率を均一に調整するものである。この組電池容量調整装置１はＣＰＵ２３を備え、ＣＰＵ２３は、組電池１１の内部抵抗を検出し、検出した内部抵抗が閾値以上である場合に、組電池１１の充電率を減少させる制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、組電池容量調整装置及び方法に関する。

従来、単位セル間の充電率のばらつきに起因する過充電・過放電の防止のために、各セル間の充電率を均一に調整する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この技術においては、充電容量が高いセルについて放電させ、充電容量が低いセルの充電率に合わせるようにして、充電率を均一に調整するようにしている。

また、このような調整にあたっては、例えば、図７に示すように回路が用いられる。すなわち、調整のための回路は基準電圧部とバイパス回路部とから構成されており、充電率が高いセルについては図８に示すようにセルの開放電圧が高くなることを利用し、充電率が高く基準電圧（容量調整開始電圧）を超えるようであればバイパス回路をオンして充電率を調整するようにしている。
特開２００３−６１２５７号公報

しかしながら、従来技術では、基準電圧が一定であるため、電池の劣化又は低温時などには電池の内部抵抗が増大してバイパス回路の作動頻度も増加する。図９はその様子を示している。同図に示すように、劣化等したセルについては、エネルギーロス量が多くなり車両燃費性能が悪化してしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、エネルギーロス量を低減させ車両燃費性能の向上を図ることが可能な組電池容量調整装置及び方法を提供することにある。

本発明の組電池容量調整装置は、複数個の単位セルを接続してなる組電池の各セルのうち、いずれかの電圧が基準となる電圧を超えた場合に、そのセルについて放電させることで各セル間の充電率を均一に調整するものである。この組電池容量調整装置は、内部抵抗検出手段と、充電率制御手段とを備え、内部抵抗検出手段は組電池の内部抵抗を検出し、充電率制御手段は内部抵抗検出手段により検出された内部抵抗が閾値以上である場合に、組電池の充電率を減少させる制御を行う。

本発明によれば、組電池の内部抵抗を検出し、その内部抵抗が閾値以上である場合には、目標となる充電率を減少させる制御を行う。このため、組電池が劣化等したときに充電率を小さくすることで内部抵抗を減少させることとしている。この結果、各セルの電圧が基準となる電圧を超えにくくすることができる。すなわち、組電池が劣化したときには各セルの電圧が基準となる電圧を超えやすくなるが、これを抑制することができ、エネルギーロス量が多くなってしまうことを防止することとなる。従って、エネルギーロス量を低減させ車両燃費性能の向上を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、以下の説明においては、本実施形態に係る組電池容量調整装置を電気自動車（ＥＶ）のバッテリに適用した例を説明する。

図１は本実施形態に係る組電池容量調整装置のハード構成図である。同図に示すように、組電池容量調整装置１は、車両システム１０と電池制御ユニット２０とを備えている。このうちの車両システム１０は、組電池１１、電流センサ１２、電圧センサ１３、温度センサ１４、メインリレー１５、駆動用モータ（負荷）１６、及び補機システム（負荷）１７を有している。

上記組電池１１は、一般にセルと呼ばれる単電池を複数個の直列に接続したものである。また、組電池１１は、電流センサ１２とメインリレー１５とを介して駆動用モータ１６と補機システム１７とに接続され、駆動用モータ１６と補機システム１７とに直流電力を供給する構成となっている。

電流センサ１２は、組電池１１に流れる電流値を計測するものである。電圧センサ１３は、組電池１１の電位を計測するものである。温度センサ１４は、組電池１１の温度を検出するものである。また、これらセンサ１２〜１４は、それぞれ計測した計測値の情報を電池制御ユニット２０に送信するようになっている。

メインリレー１５は、組電池１１からの電力供給を制御するものであり、電池制御ユニット２０からの指令によりオンオフするようになっている。駆動用モータ１６は、メインリレー１５がオンされて組電池１１から電力が供給されると作動し、駆動力を発生させて車両を走行させるものである。また、駆動用モータ１６は、車両の制動時に回生電力を組電池１１に供給し、組電池１１の充電を行うものである。補機システム１７は、エアコンディショナなど、駆動用モータ１６と同様に組電池１１からの電力により作動するものである。

また、電池制御ユニット２０は、バイパス回路部（バイパス回路手段）２１、基準電圧部２２、ＣＰＵ（内部抵抗検出手段、充電率制御手段、演算手段）２３、カウンタ（カウント手段）２４、及びメモリ２５から構成され、組電池１１の充放電と容量調整とを制御する構成となっている。

バイパス回路部２１は、組電池１１の各セルのうち、いずれかの電圧が基準となる電圧を超えた場合に、そのセルについて放電させることで各セル間の充電率を均一に調整するものである。基準電圧部２２は、基準電圧を発生させてバイパス回路部２１に出力するものである。

ＣＰＵ２３は、メインリレー１５のオンオフ制御を行うものである。また、ＣＰＵ２３は、上記の電流センサ１２及び電圧センサ１３から計測値の情報を入力し、組電池１１の内部抵抗を演算する構成となっている。ここで、内部抵抗は温度によっても変動する。このため、ＣＰＵ２３は温度センサ１４から計測値の情報を入力し、求めた内部抵抗について温度分を補正する構成となっている。

また、ＣＰＵ２３は、内部抵抗が閾値以上であるか判断する機能を有している。そして、ＣＰＵ２３は、内部抵抗が閾値以上である場合に、組電池１１の充電率を減少させる制御を行う機能を有している。ここで、ＣＰＵ２３は、充電率を減少させる制御として以下の処理を実行できるようになっている。すなわち、ＣＰＵ２３は、例えば、駆動用モータ１６や補機システム１７を作動させてこれらにへ供給される電力量を増大させることにより、組電池１１の充電率を減少させたり、バイパス回路部２１により各セルについて放電させることにより、組電池１１の充電率を減少させたりできるようになっている。

また、カウンタ２４は、各セルの電圧が基準となる電圧を超えた回数をカウントするものである。メモリ２５は、各種データ等を記憶するものであると共に、カウンタ２４がカウントしたときの時刻情報についても記憶する構成となっている。

さらに、上記したＣＰＵ２３は、カウンタ２４のカウント回数から、充電率の調整頻度を求め、求めた頻度が所定値を下回る場合、目標となる充電率を増加させる制御を行う機能を有している。ここで、ＣＰＵ２３は、充電率を増加させる制御として例えば、補機システム１７などの作動を、なるべく後述の補助電池５０により行うようにし、電力消費量を抑えることにより充電率を増加させる。

なお、上記組電池容量調整装置１は、上記構成の他に、イグニッションスイッチ３０、接続スイッチ４０、補助電池５０及び車両システムＣＰＵ６０を備えている。そして、乗員がイグニッションスイッチ３０をオンすると、接続スイッチ４０が接続し、補助電池５０からの電力がＣＰＵ２３及び車両システムＣＰＵ６０に供給されるようになっている。なお、車両システムＣＰＵ６０は、駆動用モータ１６と補機システム１７とを制御するものであり、組電池１１の充電率を減少させる際には、ＣＰＵ２３から指令を受けて駆動用モータ１６と補機システム１７とを作動させるようになっている。

次に、本実施形態に係る組電池容量調整装置の動作の概略について説明する。まず、本装置１では、セル間の充電率のばらつき防止すべく、各セル間の充電率を均一に調整する。このとき、本実施形態に係る組電池容量調整装置１は、各セルの充電率を目標となる充電率に調整する。図２は、目標となる充電率の説明図であり、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）は調整後の状態を示している。

まず、図２では、入力特性及び出力特性が示されている。ここで、入力特性とは組電池１１の充電可能な容量を示すものであり、この特性に示すように組電池１１は充電率が増加するにつれて充電可能な容量が減少していく傾向がある。また、出力特性とは組電池１１の放電可能な容量を示すものであり、この特性に示すように組電池１１は充電率が増加するにつれて放電可能な容量が増加していく傾向がある。

さらに、図２には、車両要求出力及び車両要求入力が示されている。ここで、車両要求出力とは、車両運行に必要とされる最低限の放電容量であり、車両要求入力とは、充電について最低限確保しなければならない値である。このため、組電池１１は、常に車両要求出力及び車両要求入力以上の充放電電力を確保しなければならない。そして、この充放電電力は、車両要求出力及び車両要求入力に対して、できるだけ余裕があることが望ましい。故に、本装置１では、入力特性と出力特性の交点となる充電率ＳＯＣ１に、各セル間の充電率を調整する。

ところが、組電池１１が劣化したり低温時には、内部抵抗が増加して調整の頻度も増加してしまう。故に、エネルギーロス量も増加してしまう。そこで、これを防止すべく、本装置１は、以下の動作を実行する。

すなわち、まず、ＣＰＵ２３は電流センサ１２及び電圧センサ１３から信号を入力して、組電池１１の内部抵抗を求める。また、ＣＰＵ２３は、温度センサ１４からの信号により求めた内部抵抗を補正する。次いで、ＣＰＵ２３は、求めた内部抵抗が、予め定める閾値より大きいか否かを判断する。

そして、判断の結果、求めた内部抵抗が閾値よりも大きい場合、当初の想定以上に組電池１１の各セルの電圧が基準電圧を超え易くなっている。すなわち、各セルの充電率が放電されてエネルギーロス量が多くなっている。

ここで、内部抵抗は組電池１１の充電率にも依存して変動するものであり、充電率が小さくなると内部抵抗は減少する。このため、ＣＰＵ２３は、エネルギーロス量を低減させるべく、組電池１１の充電率を減少させる。具体的に、図２（ｂ）に示すように、各セルの調整目標となる充電率がＳＯＣ１であったが、これを減少させて充電率ＳＯＣ２になるように制御する。これにより、各セルの電圧が基準電圧を超え難くすることとなり、エネルギーロス量を低減させ車両燃費性能の向上を図ることとなる。

ここで、例えば組電池１１の充電率を小さくした結果、逆に各セルの電圧が殆ど基準電圧を超えなくなり、本来的に組電池容量調整装置１が有するセル電位のバラツキ解消機能が働かなくなる可能性がある。このため、カウンタ２４は、各セルの電圧が基準電圧を超えた回数をカウントし、メモリ２５は、例えば各セルの電圧が基準電圧を超えたときの時刻情報を記憶していく。

そして、ＣＰＵ２３は、これらの情報から充電率の調整頻度を求め、この頻度が所定値を下回る場合、組電池１１の充電率を増加させる制御を行う。具体的には、約５％程度充電率を高ＳＯＣ側に変更する。これにより、各セルの電圧が基準電圧を超え易くすることとなり、セル電位のバラツキを解消させることができる。

次に、本実施形態に係る組電池の容量調整方法について説明する。図３は、本実施形態に係る組電池の容量調整方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、組電池１１の劣化が進行したときの制御方法について説明するものとする。

まず、図３に示すように、ＣＰＵ２３は電流センサ１２及び電圧センサ１３からの信号に基づいて組電池１１の内部抵抗を求める（ＳＴ１）。

次に、ＣＰＵ２３は求めた内部抵抗を、温度センサ１４からの温度情報に基づいて補正し、組電池１１の劣化度を判定する（ＳＴ２）。すなわち、メモリ２５は予め初期の内部抵抗の情報を記憶しており、ＣＰＵ２３はこの情報を読み出す。そして、ＣＰＵ２３は、温度補正した内部抵抗と、予め記憶する初期の内部抵抗とを比較して劣化度を判定する。

次いで、ＣＰＵ２３は、劣化度から入出力可能な充電率を求める（ＳＴ２）。ここで、入出力可能な充電率とは、車両運行上支障がなく組電池１１の充放電を行うことができる充電率の範囲（以下、入出力可能範囲という）をいう。

図４は、組電池１１の入出力可能範囲についての説明図である。なお、図４には、図２と同様に入力特性及び出力特性、並びに車両要求出力及び車両要求入力が示されているが、入力特性及び出力特性に関しては組電池１１の新品時及び劣化時が示されている。

まず、図４に示すように、組電池１１は新品時において入力特性及び出力特性が共に高い状態となっている。このため、組電池１１の入出力可能範囲は、比較的広いものとなる。これに対し、組電池１１が劣化すると入力特性及び出力特性が示す電力値は低くなる。このため、組電池１１の入出力可能範囲は新品時と比較して狭いものとなる。

再度、図３を参照する。上記の如く、入出力可能範囲は、組電池１１の劣化度に依存して変化してしまう。このため、ＣＰＵ２３は、組電池１１の劣化度を判定すると、この劣化度から新たな入力特性及び出力特性を求め、この特性と車両要求出力及び車両要求入力から入出力可能な充電率の範囲、すなわち入出力可能範囲を求める（ＳＴ２）。

その後、ＣＰＵ２３は、ステップＳＴ１において求めた内部抵抗が閾値を超えるか否かを判断する（ＳＴ３）。すなわち、ＣＰＵ２３は、セル電圧が基準電圧を超えやすくなっているかを判断することとなる。ここで、上記閾値はユーザ等により予め設定されている。

図５は閾値の説明図であり、エネルギーロス量と基準電圧との相関関係、及び内部抵抗との相関関係を示している。まず、ユーザ等が最大限ロスしてもよいとするエネルギーロス量αを予め設定したとする。また、本装置１の基準電圧部２２が発生させる基準電圧がＶ１であるとする。

この場合、ＣＰＵ２３は、図５からも明らかなように、両者の相関から内部抵抗の最大値を求めることができる。そして、ＣＰＵ２３は、この内部抵抗の最大値を、閾値として設定する。なお、閾値は予め計算により適切な値を求めておき、直接メモリ２５に記憶させておくようにしてもよい。

再度、図３を参照する。ステップＳＴ１において求めた内部抵抗が閾値を超えないと判断した場合（ＳＴ３：ＮＯ）、特にエネルギーロス量が多くなるわけではないことから、調整の必要がなく、処理は終了することとなる。

一方、ステップＳＴ１において求めた内部抵抗が閾値を超えると判断した場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２３は充電率の変更目標となる目標充電率を設定する（ＳＴ４）。ここで、ＣＰＵ２３はステップＳＴ２において求めた入出力可能範囲内で目標充電率を設定する。このとき、ＣＰＵ２３は最もエネルギーロス量が少なくなるように目標充電率を設定したり、セル電位のバラツキ解消機能をできるだけ利用すべく適度に充電率を減少させることとする。

その後、ＣＰＵ２３は、設定された目標充電率で車両要求出力以上の放電を行うことができるか否かを判断する（ＳＴ５）。ここで、車両要求出力以上の放電を行うことができるようであれば（ＳＴ５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２３は、ステップＳＴ４にて設定した目標充電率にて充電率調整を行わせる（ＳＴ６）。これにより、各セルの電圧が基準電圧を超え難くし、エネルギーロス量が多くなってしまうことを防止することができる。なお、ＣＰＵ２３は、バイパス回路部２１に放電させることにより充電率を減少させてもよいし、車両システムＣＰＵ６０に充電率の情報を送信して、車両システムＣＰＵ６０により駆動用モータ１６及び補機システム１７を制御して充電率を減少させてもよい。

また、車両要求出力以上の放電を行うことができないようであれば（ＳＴ５：ＮＯ）、ＣＰＵ２３は、目標充電率を再設定した後に充電率調整を行わせる（ＳＴ７）。図６は、図３に示すステップＳＴ７の詳細説明図である。例えば、ＣＰＵ２３がステップＳＴ４において入出力可能範囲外で目標充電率ＳＯＣ３を設定してしまった場合、今後の車両走行に支障をきたす可能性がある。このため、ＣＰＵ２３は目標充電率を再設定する。

具体的にＣＰＵ２３は、目標充電率がＳＯＣ３であったが、入出力可能範囲内で最低値となるＳＯＣ４に再設定する。これにより、今後の車両走行への悪影響を防止することとなる。そして、ＣＰＵ２３は、この目標充電率に向けて充電率を減少させることとなる。

そしてステップＳＴ６，７の後、処理は終了することとなる。その後、例えば車両のイグニッションスイッチ３０がオフされるまで、図３に示した処理が繰り返されることとなる。

このようにして、本実施形態に係る組電池容量調整装置１及び方法によれば、組電池１１の内部抵抗を検出し、その内部抵抗が閾値以上である場合には、目標となる充電率を減少させる制御を行う。このため、組電池１１が劣化等したときに充電率を小さくすることで内部抵抗を減少させることとしている。この結果、各セルの電圧が基準となる電圧を超えにくくすることができる。すなわち、組電池１１が劣化したときには各セルの電圧が基準となる電圧を超えやすくなるが、これを抑制することができ、エネルギーロス量が多くなってしまうことを防止することとなる。従って、エネルギーロス量を低減させ車両燃費性能の向上を図ることができる。

また、本実施形態に係る組電池容量調整装置１では、各セルの電圧が基準となる電圧を超えた回数をカウントして充電率の調整頻度を求め、その頻度が所定値を下回る場合には、組電池１１の充電率を増加させる制御を行う。これにより、各セルの電圧が基準電圧を超え易くすることができ、例えば充電率を減少させすぎてしまい、セル電位のバラツキ解消機能が実質的に作動しなくなったような場合であっても、バラツキ解消機能を復帰させ、セル電位の調整を行うことができる。

また、組電池１１の充電率を減少させる際には、駆動用モータ１６，１７などを作動させて組電池１１からこれら部分１６，１７へ供給される電力量を増大させることとしている。このため、新たな構成を付加することなく、駆動用モータ１６，１７などを有効活用し、簡易に充電率を減少させることができる。

また、組電池１１の充電率を減少させる際には、検出した内部抵抗が閾値以上である場合、バイパス回路部２１により各セルについて放電させることにより、組電池１１の充電率を減少させることとしている。このため、もともと放電機能を有するバイパス回路部２１を有効に利用して、簡易に充電率を減少させることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、上記実施形態では、組電池容量調整装置及び方法を電気自動車のバッテリーに適用した例について説明したが、これに限定されず、ハイブリッド車両やエンジン車両のバッテリーや、車両以外の多くの装置に用いられるバッテリーに適用するようにしてもよい。

本実施形態に係る組電池容量調整装置のハード構成図である。 目標となる充電率の説明図であり、（ａ）は初期状態を示し、（ｂ）は調整後の状態を示している。 本実施形態に係る組電池の容量調整方法を示すフローチャートである。 組電池の入出力可能範囲についての説明図である。 閾値の説明図であり、エネルギーロス量と基準電圧との相関関係、及び内部抵抗との相関関係を示している。 図３に示すステップＳＴ７の詳細説明図である。 従来技術の一例を示す図であり、充電率を均一に調整する回路構成を示している。 開放電圧と充電率との相関関係を示す説明図である。 内部抵抗の様子を示す説明図である。

符号の説明

１…組電池容量調整装置
１０…車両システム
１１…組電池
１２…電流センサ
１３…電圧センサ
１４…温度センサ
１５…メインリレー
１６…駆動用モータ（負荷）
１７…補機システム（負荷）
２０…電池制御ユニット
２１…バイパス回路部（バイパス回路手段）
２２…基準電圧部
２３…ＣＰＵ（内部抵抗検出手段、充電率制御手段、演算手段）
２４…カウンタ（カウント手段）
２５…メモリ
３０…イグニッションスイッチ
４０…接続スイッチ
５０…補助電池
６０…車両システムＣＰＵ

Claims (5)

1. 複数個の単位セルを接続してなる組電池の各セルのうち、いずれかの電圧が基準となる電圧を超えた場合に、そのセルについて放電させることで各セル間の充電率を均一に調整する組電池容量調整装置において、
   前記組電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、
   前記内部抵抗検出手段により検出された内部抵抗が閾値以上である場合に、前記組電池の充電率を減少させる制御を行う充電率制御手段と、
   を備えることを特徴とする組電池容量調整装置。
2. 各セルの電圧が基準となる電圧を超えた回数をカウントするカウント手段と、
   前記カウント手段のカウント回数から、充電率の調整頻度を求める演算手段と、を更に備え、
   前記充電率制御手段は、前記演算手段により求められた頻度が所定値を下回る場合、前記組電池の充電率を増加させる制御を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の組電池容量調整装置。
3. 前記組電池からの電力供給を受けて作動する負荷、を更に備え、
   前記充電率制御手段は、前記負荷を作動させて前記組電池から前記負荷へ供給される電力量を増大させることにより、前記組電池の充電率を減少させる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の組電池容量調整装置。
4. 前記組電池の各セルのうち、いずれかの電圧が基準となる電圧を超えた場合に、そのセルについて放電させることにより、各セル間の充電率を均一に調整するバイパス回路手段を更に備え、
   前記充電率制御手段は、前記内部抵抗検出手段により検出された内部抵抗が閾値以上である場合、前記バイパス回路手段により各セルについて放電させることにより、組電池の充電率を減少させる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の組電池容量調整装置。
5. 複数個の単位セルを接続してなる組電池の各セルのうち、いずれかの開放電圧が基準となる電圧を超えた場合に、そのセルについて放電させることにより、各セル間の充電率を均一に調整する組電池容量調整方法において、
   組電池の内部抵抗を検出して、その内部抵抗が閾値以上であると判断した場合には、組電池の充電率を減少させる制御を行う
   ことを特徴とする組電池容量調整方法。
   

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