JP2006352970A - 電源デバイスの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電時に、電源デバイスの内部抵抗が急激に上昇する拡散限界現象が発生するのを防ぐ。
【解決手段】放電を開始してから、所定時間Ｔ１が経過すると、放電と放電の停止とを交互に繰り返して行う間欠的な放電を行う。これにより、電池の放電速度に対して、電池内部のイオン移動量が追いつかなくなる拡散限界現象が発生するのを防ぐことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電源デバイスの充電または放電を制御する装置に関する。

従来、二次電池を短時間放電可能な短時間出力情報と、長時間放電可能な長時間出力情報とを有し、短時間放電時における放電終止電圧を長時間放電時における放電終止電圧より低く設定することによって、車両の走行状況に応じた電池出力を可能とする技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−１９９２５８号公報

しかしながら、従来の技術では、電池の放電時に、電池内部のイオンの移動量より、電池の放電量が多くなると、電池の内部抵抗が急上昇することによって、電池の電圧が急激に低下する拡散限界現象が発生し、電池の放電量が制限されてしまうという問題が発生する。

本発明による電源デバイスの制御装置は、充放電可能な電源デバイスの充電時または放電時に、内部抵抗が急激に増大する拡散限界現象が生じないように、電源デバイスの充電または放電を間欠的に行うことを特徴とする。

本発明による電源デバイスの制御装置によれば、電源デバイスの充電時または放電時に、拡散限界現象が生じないように、電源デバイスの充電または放電を間欠的に行うので、拡散限界現象が発生するのを防いで、電源デバイスの充放電を効率的に行うことができる。

−第１の実施の形態−
図１は、第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の主要構成を示す図である。二次電池１に蓄えられている直流電力は、インバータ４で交流電力に変換されて、車両の駆動源である３相交流モータ６に供給される。インバータ４は、二次電池１の出力電圧の変動を安定化させるためのコンデンサ５を備えている。交流モータ６の回転力は、図示しない車輪に伝達されることによって、電気自動車が走行する。

二次電池１は、例えば、リチウムイオン電池であり、複数のセルが直列に接続されて構成されている。電流センサ２は、二次電池１の放電電流および充電電流を検出する。電圧センサ３は、二次電池１の電圧を検出する。電流センサ２によって検出された電流、および、電圧センサ３によって検出された電圧は、コントローラ１０に入力される。コントローラ１０は、二次電池１の拡散限界現象が発生しないように、後述する方法によって、二次電池１の充電および放電を制御する。

始めに、図２（ａ）〜図２（ｄ）を用いて、拡散限界現象について説明する。二次電池１の放電時に、二次電池１の放電量が二次電池１の内部のイオン移動量より多くなると、電池の放電にイオンの移動が追いつかず、図２（ｃ）に示すように、二次電池１の内部抵抗が急激に上昇する。これにより、図２（ｂ）に示すように、二次電池１の電圧が急激に低下し、図２（ａ）に示すように、放電電流が低下する。この時、二次電池１のＳＯＣは、図２（ｄ）に示すように、放電を行うために十分な量が存在する。すなわち、拡散限界現象が発生すると、放電を行うために充分なＳＯＣが存在するにも関わらず、放電電流が減少する。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置では、拡散限界現象が発生するのを防ぐために、所定の条件が成立すると、二次電池１の放電を間欠的に行う。所定の条件は、以下の（ａ）〜（ｃ）の３つの条件のうち、いずれか１つの条件とする。
（ａ）放電を開始してから、所定時間Ｔ１が経過した。
（ｂ）放電電流の積算値が所定の電流積算値に達するか、または、単位時間あたりの電流量が所定の電流量に達した。
（ｃ）放電電力の積算値が所定の電力積算値に達するか、または、単位時間あたりの電力量が所定の電力量に達した。

拡散限界現象は、放電時の放電電流または放電電力と、放電時間とに基づいて、発生するタイミングが決まる。従って、第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置では、放電時間、放電電流量、および、放電電力量のうちのいずれかの要素に基づいて、通常の放電から間欠的な放電に切り替える制御を行う。

条件（ａ）における所定時間Ｔ１、条件（ｂ）における所定の電流積算値、および、所定の電流量、条件（ｃ）における所定の電力積算値、および、所定の電力量は、二次電池１の種類や内部構成に応じて、予め設定しておく。すなわち、二次電池１の種類や内部構成によって、拡散限界現象が発生するタイミングが異なるため、二次電池１の種類や内部構成に応じて、所定時間Ｔ１、所定の電流積算値、所定の電流量、所定の電力積算値、および、所定の電力量を設定する。

図３は、放電を開始してから、所定時間Ｔ１が経過した場合、すなわち、上記（ａ）の条件が成立した場合の放電電流の時間変化の一例を示す図である。本明細書では、図３に示すように、放電と放電の停止とを繰り返し行うような放電方法を、間欠的な放電、または、間欠放電と呼ぶ。図３に示すように、放電を開始してから所定時間Ｔ１が経過した後は、放電を間欠的に行うことにより、二次電池１の放電に対して、二次電池内部でのイオンの移動が追いつくようにすることができる。

間欠的に二次電池１の放電を行う場合、放電を行わない間（放電を停止する間）は、コンデンサ５に蓄えられている電圧がインバータ４で交流電圧に変換されて、交流モータ６に供給される。従って、間欠放電時に、放電を行わない時間Ｔｂは、コンデンサ５が放電を行うことができる最大放電時間より短い時間に設定する。コンデンサ５が放電を行うことができる最大放電時間は、コンデンサ５の容量によって決まる。これにより、間欠放電を行っている間も、出力要求に応じて、交流モータ６に電力を供給し続けることができる。すなわち、二次電池１の放電を間欠的に行う間も、電気自動車の駆動力を維持することができる。

また、間欠放電時の放電時間Ｔａと、放電を行わない時間（放電を停止する時間）Ｔｂとは、両者の関係がＴａ≧Ｔｂになるように設定する。これにより、二次電池１の拡散限界現象が発生するのを防ぎつつ、二次電池１の性能を最大限に引き出すことができる。

図３では、放電を開始してから所定時間Ｔ１が経過すると、間欠的な放電を開始する例について説明したが、上記条件（ｂ）または（ｃ）が成立した時も、間欠的な放電を開始する。すなわち、電流センサ２によって検出される放電電流の積算値が所定の電流積算値に達するか、または、単位時間あたりの電流量が所定の電流量に達した場合も、間欠的な放電を行う。

同様に、放電電力の積算値が所定の電力積算値に達するか、または、単位時間あたりの電力量が所定の電力量に達した場合も、間欠的な放電を行う。放電電力は、電流センサ２によって検出される電流値、および、電圧センサ３によって検出される電圧値に基づいて、コントローラ１０が算出する。

図４は、第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によって間欠的な放電を行った場合の電気特性を示す図であり、図４（ａ）は、電池電圧の変化を、図４（ｂ）は、電池の内部抵抗の変化をそれぞれ示している。図４（ａ）および（ｂ）において、実線が間欠的な放電を行った場合の結果を、点線は通常の放電を継続して行った場合の結果をそれぞれ示している。間欠的な放電を行うことにより、図４（ｂ）に示すように、内部抵抗の急激な上昇が発生するのを防ぐことができるので、図４（ａ）に示すように、電池の電圧が急激に低下するのを防いで、放電を安定的に行うことができる。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、充放電可能な二次電池１の放電時に、内部抵抗が急激に増大する拡散限界現象が生じないように、二次電池１の放電を間欠的に行うので、二次電池１の放電時に、拡散限界現象が発生するのを防ぐことができる。これにより、二次電池１の性能を最大限に引き出すことができる。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、二次電池１の放電を開始してから所定時間Ｔ１が経過すると、間欠的な放電を開始するようにした。これにより、拡散限界現象が発生する可能性が低い、所定時間Ｔ１が経過するまでの間は、通常の放電を行うことができ、拡散限界現象が発生する可能性が高くなる状況、すなわち、放電時間が所定時間Ｔ１を経過した後は、間欠的な放電を行うことにより、拡散限界現象が発生するのを防ぐことができる。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、放電電流の積算値が所定の電流積算値に達するか、または、単位時間あたりの電流量が所定の電流量に達すると、間欠的な放電を開始するようにした。これにより、拡散限界現象が発生する可能性が低い状況では、通常の放電を行うとともに、拡散限界現象が発生する可能性が高くなる状況になると、間欠的な放電を行うことにより、拡散限界現象が発生するのを防ぐことができる。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、放電電力の積算値が所定の電力積算値に達するか、または、単位時間あたりの電力量が所定の電力量に達すると、間欠的な放電を開始するようにした。これにより、拡散限界現象が発生する可能性が低い状況では、通常の放電を行うとともに、拡散限界現象が発生する可能性が高くなる状況になると、間欠的な放電を行うことにより、拡散限界現象が発生するのを防ぐことができる。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、間欠的に放電を行う際に、放電を行わない間は、コンデンサ５に蓄電されている電力を利用して放電を行うようにするとともに、放電を行わない時間Ｔｂを、コンデンサ５が放電を行うことができる最大放電時間より短い時間に設定した。これにより、間欠放電を行う際に、二次電池１の放電が行われていない間も、確実に電力を出力し続けることができる。

−第２の実施の形態−
図５は、第２の実施の形態における電源デバイスの制御装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の主要構成を示す図である。図１に示す構成との違いは、温度センサ７が設けられている点である。温度センサ７は、二次電池１の温度を検出して、コントローラ１０に出力する。

第２の実施の形態における電源デバイスの制御装置では、二次電池１の温度、ＳＯＣ、劣化度に応じて、間欠的な放電を開始するまでの所定時間Ｔ１、放電電流の積算値と比較する所定の電流積算値、単位時間あたりの電流量と比較する所定の電流量、放電電力の積算値と比較する所定の電力積算値、および、単位時間あたりの電力量と比較する所定の電力量を変更する。以下では、所定時間Ｔ１、所定の電流積算値、所定の電流量、所定の電力積算値、および、所定の電力量をまとめて制限値と呼ぶ。

二次電池１は、温度が低くなるほど内部抵抗が大きくなり、拡散限界現象が発生しやすくなる。従って、コントローラ１０は、温度センサ７によって検出される二次電池１の温度が低くなるほど、制限値が小さくなるようにして、間欠的な放電を開始するタイミングを早くする。逆に、二次電池１の温度が高くなるほど、制限値が大きくなるようにする。

コントローラ１０は、また、二次電池１のＳＯＣが低いほど、制限値が小さくなるようにし、二次電池１のＳＯＣが高いほど、制限値が大きくなるようにする。二次電池１のＳＯＣは、二次電池１の充放電時に、電流センサ２によって検出される電流、電圧センサ３によって検出される電圧、および、温度センサ７によって検出される二次電池１の温度に基づいて算出する。

コントローラ１０は、さらに、二次電池１の劣化度が高いほど、制限値が小さくなるようにし、二次電池１の劣化度が低いほど、制限値が大きくなるようにする。劣化度は、二次電池１の充放電時に、電流センサ２によって検出される電流、電圧センサ３によって検出される電圧、および、温度センサ７によって検出される二次電池１の温度に基づいて求められる二次電池１の内部抵抗に基づいて算出する。

すなわち、二次電池１の温度が低い場合、二次電池１のＳＯＣが低い場合、および、二次電池１の劣化度が高い場合には、拡散限界現象が発生しやすくなるので、間欠的な放電を開始するまでの所定時間Ｔ１、所定の電流積算値、所定の電流量、所定の電力積算値、所定の電力量を小さくすることにより、間欠的な放電を開始するタイミングを早くする。また、二次電池１の温度が高い場合、二次電池１のＳＯＣが高い場合、および、二次電池１の劣化度が低い場合には、拡散限界現象が発生しにくいため、通常の放電を行う時間を長くすることにより、電池性能を最大限に引き出すことができる。

第２の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、二次電池１の温度、ＳＯＣ、劣化度に応じて、間欠的な放電を開始するまでのタイミングを変更するので、二次電池１の状態に応じて、拡散限界現象が発生するのを確実に防ぐとともに、電池性能を最大限に引き出すことができる。

−第３の実施の形態−
第３の実施の形態における電源デバイスの制御装置は、放電時の電流値、または、電力量に応じて、間欠放電時の放電時間Ｔａと放電を行わない時間Ｔｂとの比率（間欠制御のデューティー比）を変更する。すなわち、放電時の電流値または電力量が大きくなるほど、放電を行う時間Ｔａに対して、放電を行わない時間Ｔｂの割合が大きくなるように、両者の時間を調整する。放電時の電流値または電力量が大きい場合には、放電スピードに対して、二次電池１の内部のイオン移動量が追いつかなくなるため、放電を行う時間Ｔａに対して、放電を行わない時間Ｔｂの割合が大きくなるようにすることによって、拡散限界現象が発生するのを防ぐ。
−第４の実施の形態−
第４の実施の形態における電源デバイスの制御装置は、間欠放電時の充放電制御に特徴がある。すなわち、間欠的に放電を開始した後に、放電を行わない区間において、二次電池１の充電を行う。ただし、放電時間が充電時間以上になるように、充放電を制御することにより、二次電池１の性能を最大限に引き出すことができる。

図６は、間欠放電時に、放電を行わない区間Ｔｂにおいて充電を行った場合の充放電電流の時間変化を示す図である。放電を行わない間に充電を行うことにより、二次電池１の残存容量を増やすことができる。また、放電を行わない間に充電を行うことにより、拡散限界現象の発生を防止しつつ、放電時間を長くすることができる。図７は、間欠放電時に、充電を行う時間に対して、放電を行う時間を長くした場合の充放電電流の変化を示す図である。

第４の実施の形態における電源デバイスの制御装置によれば、間欠放電時の放電を行わない間に充電を行うので、二次電池の充放電効率を高めるとともに、間欠放電時の放電時間を長くすることができる。

本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、拡散限界現象は、二次電池１の放電時に、二次電池１の放電量が二次電池１の内部のイオン移動量より多くなると、電池の放電にイオンの移動が追いつかなくなり、二次電池１の内部抵抗が急激に上昇することによって発生すると説明した。しかし、二次電池１の充電時に、二次電池１の充電量が二次電池１の内部のイオン移動量より多くなった場合にも発生する。

充放電可能な電源デバイスの一例として、複数のセルを直列に接続した二次電池１を挙げたが、制御対象となる電源デバイスは、単セルであってもよいし、単体のキャパシタや、複数のキャパシタを並列に接続した大容量キャパシタであってもよい。また、本発明が電池やキャパシタの種類によって限定されることもなく、二次電池は、ニッケル水素電池や、ニッケルマンガン電池であってもよい。

上述した各実施の形態では、二次電池の放電時に拡散限界現象が発生するのを防ぐために、間欠的な放電を行う例を挙げて説明した。しかし、充電時においても、充電量が電池内部のイオン移動量を上回ると、電池の内部抵抗が急激に上昇し、内部抵抗の熱放出によって充電効率が悪化する現象が発生する。従って、第１の実施の形態において説明した条件（ａ）〜（ｃ）のうち、いずれか１つの条件が成立すると、間欠的な充電を開始することによって、拡散限界現象が発生するのを防ぐことができる。すなわち、上述した第１〜第４の実施の形態における放電制御は、全て充電制御に置き換えることができる。

上述した各実施の形態では、上記（ａ）〜（ｃ）の条件のうち、いずれか１つの条件が成立すると、通常の放電から間欠的な放電に切り替えるようにした。しかし、拡散限界現象が発生する前に間欠的な放電を開始するようにすれば、拡散限界現象の発生を防ぐことができるので、間欠的な放電を開始するタイミングは、上記（ａ）〜（ｃ）の条件に限定されることはない。ただし、拡散限界現象は、放電時の放電電流または放電電力と、放電時間とに基づいて、発生するタイミングが決まるので、間欠的な放電を開始するタイミングを、放電電流、放電電力、または、放電時間に基づいて決定することにより、より適切なタイミングで間欠放電を開始することができる。

上述した各実施の形態では、電源デバイスの制御装置を電気自動車に適用した例について説明したが、車両以外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第１〜第４の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、コントローラ１０が充放電制御手段を、電流センサ２が電流検出手段を、電流センサ２、電圧センサ３、および、コントローラ１０が電力検出手段を、コンデンサ５が蓄電手段を、温度センサ７が温度検出手段を、電流センサ２、電圧センサ３、温度センサ７、および、コントローラ１０が容量検出手段および劣化度検出手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の主要構成を示す図 拡散限界現象について説明するための図であり、図２（ａ）は、放電時の放電電流の時間変化を示す図、図２（ｂ）は、電池の電圧を示す図、図２（ｃ）は、電池の内部抵抗を示す図、図２（ｄ）は、電池のＳＯＣを示す図 放電を開始してから所定時間が経過した場合の放電電流の時間変化の一例を示す図 第１の実施の形態における電源デバイスの制御装置によって間欠的な放電を行った場合の電気特性を示す図であり、図４（ａ）は、電池電圧の変化を、図４（ｂ）は、電池の内部抵抗の変化をそれぞれ示している。 第２の実施の形態における電源デバイスの制御装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の主要構成を示す図 間欠的な放電を開始した後に、放電を行わない区間において充電を行った場合の充放電電流の時間変化を示す図 間欠的に放電を行う際に、充電を行う時間に対して、放電を行う時間を長くした場合の充放電電流の変化を示す図

符号の説明

１…二次電池、２…電流センサ、３…電圧センサ、４…インバータ、５…コンデンサ、６…３相交流モータ、７…温度センサ、１０…コントローラ

Claims (18)

1. 充放電可能な電源デバイスの充電時または放電時に、内部抵抗が急激に増大する拡散限界現象が生じないように、電源デバイスの充電または放電を間欠的に行う充放電制御手段を備えることを特徴とする電源デバイスの制御装置。
2. 請求項１に記載の電源デバイスの制御装置において、
   前記充放電制御手段は、電源デバイスの充電または放電を開始してから、所定時間が経過すると、電源デバイスの充電または放電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
3. 請求項１または２に記載の電源デバイスの制御装置において、
   電源デバイスの充電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
   前記充放電制御手段は、電源デバイスの充電が開始されてから前記電流検出手段によって検出された充電電流の積算値が所定の電流積算値に達すると、電源デバイスの充電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
4. 請求項３に記載の電源デバイスの制御装置において、
   前記充放電制御手段は、前記電流検出手段によって検出される充電電流が大きいほど、充電を行う時間に対して、充電を行わない時間の割合が多くなるように、電源デバイスの間欠的な充電を制御することを特徴とする電源デバイスの制御装置。
5. 請求項１または２に記載の電源デバイスの制御装置において、
   電源デバイスの放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
   前記充放電制御手段は、電源デバイスの放電が開始されてから前記電流検出手段によって検出された放電電流の積算値が所定の電流積算値に達すると、電源デバイスの放電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
6. 請求項５に記載の電源デバイスの制御装置において、
   前記充放電制御手段は、前記電流検出手段によって検出される放電電流が大きいほど、放電を行う時間に対して、放電を行わない時間の割合が多くなるように、電源デバイスの間欠的な放電を制御することを特徴とする電源デバイスの制御装置。
7. 請求項１または２に記載の電源デバイスの制御装置において、
   電源デバイスの充電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
   前記充放電制御手段は、電源デバイスの充電が開始されてから前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて、単位時間あたりの電流量が所定電流量に達すると、電源デバイスの充電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
8. 請求項１または２に記載の電源デバイスの制御装置において、
   電源デバイスの放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
   前記充放電制御手段は、電源デバイスの放電が開始されてから前記電流検出手段によって検出された電流に基づいて、単位時間あたりの電流量が所定電流量に達すると、電源デバイスの放電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
9. 請求項１または２に記載の電源デバイスの制御装置において、
   電源デバイスの充電電力を検出する電力検出手段をさらに備え、
   前記充放電制御手段は、前記電力検出手段によって検出された充電電力の積算値が所定の電力積算値に達すると、電源デバイスの充電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
10. 請求項９に記載の電源デバイスの制御装置において、
    前記充放電制御手段は、前記電力検出手段によって検出される充電電力が大きいほど、充電を行う時間に対して、充電を行わない時間の割合が多くなるように、電源デバイスの間欠的な充電を制御することを特徴とする電源デバイスの制御装置。
11. 請求項１または２に記載の電源デバイスの制御装置において、
    電源デバイスの放電電力を検出する電力検出手段をさらに備え、
    前記充放電制御手段は、前記電力検出手段によって検出された放電電力の積算値が所定の電力積算値に達すると、電源デバイスの放電を間欠的に行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。
12. 請求項１１に記載の電源デバイスの制御装置において、
    前記充放電制御手段は、前記電力検出手段によって検出される放電電力が大きいほど、放電を行う時間に対して、放電を行わない時間の割合が多くなるように、電源デバイスの間欠的な放電を制御することを特徴とする電源デバイスの制御装置。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の電源デバイスの制御装置において、
    前記充放電制御手段は、間欠的に充電または放電を行う際に、充電または放電を行っている時間が充電または放電を行わない時間以上になるように、充電または放電を制御することを特徴とする電源デバイスの制御装置。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の電源デバイスの制御装置において、
    電源デバイスの放電が間欠的に行われている時に、電源デバイスの放電が行われていない間に放電を行う蓄電手段をさらに備え、
    電源デバイスの放電を間欠的に行う際に、放電を行わない時間を、前記蓄電手段が放電することができる最大時間より短い時間に設定することを特徴とする電源デバイスの制御装置。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の電源デバイスの制御装置において、
    電源デバイスの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記充放電制御手段は、前記温度検出手段によって検出される電源デバイスの温度が低いほど、間欠的に充電または放電を行うタイミングを早くすることを特徴とする電源デバイスの制御装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の電源デバイスの制御装置において、
    電源デバイスの残存容量を検出する容量検出手段をさらに備え、
    前記充放電制御手段は、前記容量検出手段によって検出される電源デバイスの残存容量が低いほど、間欠的に充電または放電を行うタイミングを早くすることを特徴とする電源デバイスの制御装置。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の電源デバイスの制御装置において、
    電源デバイスの劣化度を検出する劣化度検出手段をさらに備え、
    前記充放電制御手段は、前記劣化度検出手段によって検出される電源デバイスの劣化度が高いほど、間欠的に充電または放電を行うタイミングを早くすることを特徴とする電源デバイスの制御装置。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の電源デバイスの制御装置において、
    前記充放電制御手段は、電源デバイスの間欠的な放電を行っている時に、電源デバイスの放電を行わない間は、電源デバイスの充電を行うことを特徴とする電源デバイスの制御装置。

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