JP2007181291A - 電池モジュールの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各電池セルの温度にばらつきが生じている場合であっても、電池セルの劣化を効果的に抑制する電池モジュールの制御装置を提供する。
【解決手段】電池モジュールの制御装置は、積層された複数の電池セルから構成され、車両に搭載された電池モジュールと、電池モジュールの電圧を検出する電圧検出部と、電池モジュールの充放電を制御し、電池モジュールの電圧が制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎになった時に電池モジュールを充電させるＨＶ＿ＥＣＵとを備える。ＨＶ＿ＥＣＵは、車両の始動を検知した場合に、電圧検出部により検出される電圧が制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎになるまで電池モジュールを放電させる。
【選択図】図４

Description

この発明は、一般的には、電池モジュールの制御装置に関し、より特定的には、車両に搭載され、ニッケル水素電池や鉛電池から構成された電池モジュールの制御装置に関する。

従来の電池モジュールの制御装置に関して、たとえば、特開２０００−３５０３７０号公報および特開２００３−１４３７６９号公報には、低温下での大電流の放電不能を解消し、さらに長期間放置した場合の電池の劣化を防ぐことを目的とした電池パック電源装置が開示されている（特許文献１および２）。特許文献１および２に開示された電源パック電源装置は、セルの温度が所定値以下か否かを判断し、所定値以下である場合には、電池パックを所定の時間、予備放電する。このとき、電池の電圧を監視し、電圧が所定値以下になった時は、予備放電を終了させて、セルの温度が所定値以上か否か、内部インピーダンスが所定値以下か否かを判断する。セルの温度が所定値以上か、内部インピーダンスが所定値以下になっている場合には、外部ホスト機器への放電を開始する。

また、特開２００３−８６２５４号公報には、低温時のエンジン始動性を向上させることを目的としたハイブリッド２次電池が開示されている（特許文献３）。特許文献３では、−３０℃以上の温度下での放電時に、鉛蓄電池群に流れる電流値をリチウムイオン２次電池に流れる電流値よりも大きくする。
特開２０００−３５０３７０号公報 特開２００３−１４３７６９号公報 特開２００３−８６２５４号公報

ニッケル水素電池や鉛電池等の２次電池が、電気自動車や、モータと内燃機関とを駆動源とするハイブリッド自動車等に搭載され、モータに電力を供給するために利用されている。これらの２次電池は、高電圧を出力することが求められるため、複数の電池セルが積層された形態で用いられる。

しかしながら、電池セルが積層された場合、その積層方向の中央部ほど、セルが密に配置され、冷却され難いため温度が高く、端部ほど、セルが疎に配置され、冷却され易いため温度が低くなる。特に、極低温の温度下では、このような温度差が生じる傾向が顕著となる。一方、ニッケル水素電池や鉛電池等の２次電池は、温度が低いほど、放電時に電圧が急激に減少する特性を備える。このため、イグニションスイッチがオンにされた後、車両がアイドリング状態で放置されると、温度の低い電池セルで、著しく電圧低下した状態が長時間に渡って続くおそれが生じる。このような現象が回数を重ねて行なわれると、その電池セルの充放電可能な機能が損なわれることになる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、各電池セルの温度にばらつきが生じている場合であっても、電池セルの劣化を効果的に抑制する電池モジュールの制御装置を提供することである。

この発明に従った電池モジュールの制御装置は、積層された複数の電池セルから構成され、車両に搭載された電池モジュールと、電池モジュールの電圧を検出する電圧検出部と、電池モジュールの充放電を制御し、電池モジュールの電圧が電池モジュールが制御可能とされる電圧の下限値まで低下した時に電池モジュールを充電させる制御部とを備える。制御部は、車両の始動を検知した場合に、電圧検出部により検出される電圧が上記の下限値になるまで電池モジュールを放電させる。

このように構成された電池モジュールの制御装置によれば、車両始動後、電池モジュールを積極的に放電させることにより、電池モジュールの電圧を、電池モジュールが放電から充電に反転する電圧に早期に到達させる。これにより、複数の電池セル間に温度差が生じている場合に、温度の低い電池セルで著しく電圧低下した状態が長時間続くことを抑制できる。このため、電池セルが劣化することを防止できる。

また好ましくは、電池モジュールの１時間率電流値がＩｔ（Ａ）である時、電池モジュールは、８Ｉｔ（Ａ）以上の電流を継続して放電する。このように構成された電池モジュールの制御装置によれば、電池モジュールの電圧をより早く、電池モジュールが制御可能とされる電圧の下限値に到達させることができる。これにより、電池セルの劣化をさらに効果的に防止することができる。

また好ましくは、電池モジュールの制御装置は、外気温を検出する温度検出部をさらに備える。制御部は、温度検出部により検出された外気温が予め定められた温度よりも小さい場合に、電池モジュールを放電させる。このように構成された電池モジュールの制御装置によれば、外気温が低く、複数の電池セル間に生じた温度差が著しい場合に、電池モジュールを放電させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、各電池セルの温度にばらつきが生じている場合であっても、電池セルの劣化を効果的に抑制する電池モジュールの制御装置を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、ハイブリッド車両の制御ブロック図である。図１を参照して、ハイブリッド車両は、駆動源として設けられた、たとえばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、単にエンジンという）１２０と、モータジェネレータ（ＭＧ）１４０とを備える。

なお、図１中では、説明の便宜上、モータジェネレータ１４０を、モータ１４０Ａおよびジェネレータ１４０Ｂ（あるいはモータジェネレータ１４０Ｂ）と表現するが、ハイブリッド車両の走行状態に応じて、モータ１４０Ａがジェネレータとして機能したり、ジェネレータ１４０Ｂがモータとして機能したりする。

ハイブリッド車両は、さらに、モータジェネレータ１４０を駆動するための電力を充電する走行用バッテリ２２０を備える。走行用バッテリ２２０は、ニッケル水素電池から形成されている。走行用バッテリ２２０は、鉛電池から形成されても良い。ハイブリッド車両は、さらに、補機バッテリ２３０と、減速機１８０と、動力分割機構（たとえば、遊星歯車機構）２００と、インバータ２４０と、コンバータ２５０と、バッテリ制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵ（Electronic Control Unit）と称する）２６０と、エンジンＥＣＵ２８０と、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０とを備える。

補機バッテリ２３０は、車両のランプ、オーディオなどの補機類や、車両に搭載された各ＥＣＵで使用される電力を充電する。減速機１８０は、エンジン１２０やモータジェネレータ１４０で発生した動力を駆動輪１６０に伝達したり、駆動輪１６０の駆動をエンジン１２０やモータジェネレータ１４０に伝達する。動力分割機構２００は、エンジン１２０で発生する動力を駆動輪１６０とジェネレータ１４０Ｂとの２経路に分配する。インバータ２４０は、走行用バッテリ２２０の直流と、モータ１４０Ａおよびジェネレータ１４０Ｂの交流とを変換しながら電流制御を行なう。

コンバータ２５０は、昇圧コンバータとＤＣ−ＤＣコンバータとを含む。昇圧コンバータは、走行用バッテリ２２０からインバータ２４０への入力電力を昇圧する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、走行用バッテリ２２０に充電された高電圧を補機バッテリ２３０に充電される電圧まで降圧する。

バッテリＥＣＵ２６０は、走行用バッテリ２２０の充電状態の監視を行なう。エンジンＥＣＵ２８０は、エンジン１２０の動作状態を制御する。ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、バッテリＥＣＵ２６０およびエンジンＥＣＵ２８０等のコンピュータを相互に管理制御して、ハイブリッド車両が最も効率よく運行できるようにハイブリッドシステム全体を制御する。

バッテリＥＣＵ２６０には、走行用バッテリ２２０から、バッテリ電圧値ＶＢ、バッテリ電流値ＩＢ、バッテリ温度ＴＢが入力される。ＨＶ＿ＥＣＵ３２０には、外気温センサ３３０から外気温を表わす信号や、システム起動信号が入力される。

システム起動と、イグニッションスイッチの位置との関係について説明する。エンジンキーをキーシリンダに差し込んで回すイグニッションスイッチには、ＯＦＦ（オフ）位置、ＡＣＣ（アクセサリ）位置、ＯＮ（オン）位置およびＳＴＡＲＴ（スタート）位置がある。イグニッションスイッチのポジションは、エンジンキーを回すことにより、ＯＦＦ位置→ＡＣＣ位置→ＯＮ位置→ＳＴＡＲＴ位置の順に切り換えられ、ＳＴＡＲＴ位置からＯＮ位置へは自動的に戻る。

ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、システム遮断時、すなわちイグニッションスイッチのポジションがＯＦＦ位置にあるときには、すべてのシステムメインリレー（ＳＭＲ）をオフにして、走行用バッテリ２２０とすべての電気負荷との接続を遮断している。すなわち、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、ＳＭＲのコイルに対する励磁電流をオフにしている。一方、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、システム起動時、すなわちイグニッションスイッチのポジションがＳＴＡＲＴ位置にされると（その後、自動的にＯＮ位置に戻される）、すべてのシステムメインリレー（ＳＭＲ）をオンにして、走行用バッテリ２２０とすべての電気負荷とを接続する。すなわち、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、ＳＭＲのコイルに対する励磁電流をオンにしている。

なお、車両を始動する始動装置部は、このようなイグニッションスイッチに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。エンジンキーの代わりのキー（スマートエントリキーとも呼ばれる）をキースロットに差し込んで（あるいは携帯して運転席に着座して）、押しボタンスイッチ（パワースイッチとも呼ばれる）を押すことにより、電源ポジションがＯＦＦ位置→ＡＣＣ位置→ＯＮ位置→システム起動位置の順に切り換えられるものであっても良い。

動力分割機構２００には、エンジン１２０の動力を、駆動輪１６０とモータジェネレータ１４０Ｂとの両方に振り分けるために、遊星歯車機構（プラネタリーギヤ）が使用される。モータジェネレータ１４０Ｂの回転数を制御することにより、動力分割機構２００は無段変速機としても機能する。エンジン１２０の回転力はプラネタリーキャリア（Ｃ）に入力され、それがサンギヤ（Ｓ）によってモータジェネレータ１４０Ｂに、リングギヤ（Ｒ）によってモータおよび出力軸（駆動輪１６０側）に伝えられる。回転中のエンジン１２０を停止させる時には、エンジン１２０が回転しているので、この回転の運動エネルギをモータジェネレータ１４０Ｂで電気エネルギに変換して、エンジン１２０の回転数を低下させる。

図１中に示すようなハイブリッドシステムを搭載するハイブリッド車両では、発進時や低速走行時等であってエンジン１２０の効率が悪い場合には、モータジェネレータ１４０のモータ１４０Ａのみによりハイブリッド車両の走行を行ない、通常走行時には、たとえば動力分割機構２００によりエンジン１２０の動力を２経路に分け、一方で駆動輪１６０の直接駆動を行ない、他方でジェネレータ１４０Ｂを駆動して発電を行なう。この時、発生する電力でモータ１４０Ａを駆動して駆動輪１６０の駆動補助を行なう。また、高速走行時には、さらに走行用バッテリ２２０からの電力をモータ１４０Ａに供給してモータ１４０Ａの出力を増大させて駆動輪１６０に対して駆動力の追加を行なう。

一方、減速時には、駆動輪１６０により従動するモータ１４０Ａがジェネレータとして機能して回生発電を行ない、回収した電力を走行用バッテリ２２０に蓄える。なお、走行用バッテリ２２０の充電量が低下し、充電が特に必要な場合には、エンジン１２０の出力を増加してジェネレータ１４０Ｂによる発電量を増やして走行用バッテリ２２０に対する充電量を増加する。もちろん、低速走行時でも必要に応じてエンジン１２０の駆動量を増加する制御を行なう。たとえば、走行用バッテリ２２０の充電が必要な場合や、エアコン等の補機を駆動する場合や、エンジン１２０の冷却水の温度を所定温度まで上げる場合等である。

図２は、図１中の走行用バッテリを示す斜視図である。図２を参照して、走行用バッテリ２２０は、複数の電池モジュール３１（３１ａから３１ｉ）が電気的に直列に接続されて構成されている。電池モジュール３１は、複数の電池セル２１（２１ａから２１ｆ）から構成されている。

電池モジュール３１ａから３１ｉは、所定の方向に順に並んで積層されている。つまり、電池モジュール３１ａおよび３１ｉは、電池モジュール３１の積層方向において、走行用バッテリ２２０の両端に配置されており、電池モジュール３１ｅは、走行用バッテリ２２０の中央部に配置されている。電池セル２１ａから２１ｆは、電池モジュール３１の積層方向に直交する方向に順に並んで積層されている。つまり、電池セル２１ａおよび２１ｆは、電池セル２１の積層方向において、走行用バッテリ２２０の端部に配置され、電池セル２１ｃおよび２１ｄは、走行用バッテリ２２０の中央部に配置されている。

このような構成により、走行用バッテリ２２０の中央部では、電池セル２１が比較的密に配置され、他の電池セル２１に取り囲まれるため、車両始動時の電池セル２１の温度が相対的に高くなる。また、走行用バッテリ２２０の端部に近づくほど外気に近づくため、
車両始動時の電池セル２１の温度が相対的に低くなる。たとえば、電池セル２１ｃの温度は、電池セル２１ａの温度よりも高くなる。このような温度差が生じる傾向は、たとえば−１０℃以下の温度条件下で顕著となる。

また、ニッケル水素電池から形成された走行用バッテリ２２０は、放電時、電池セル２１の内部でセル温度が低いほど電圧が低下しやすい特性を備える。つまり、放電時に、相対的に低い温度を有する電池セル２１の電圧は、相対的に高い温度を有する電池セル２１の電圧よりも急激に減少する。

図３は、図１中に示す走行用バッテリの回路図の概略である。図３を参照して、電池モジュール３１ａから３１ｉは、図１中のモータジェネレータ１４０および補機バッテリ２３０からなる負荷７５に接続されている。負荷７５は、これらに限定されず、たとえば補機バッテリ２３０とは別に設けられた予備バッテリを含んでも良い。

走行用バッテリ２２０には、電池モジュール３１ａから３１ｉの各電圧を検出する電圧検出部６０が設けられている。電圧検出部６０は、たとえば、隣り合う複数の電池モジュール３１の電圧を検出するように設けられても良い。電圧検出部６０は、複数の電池セル２１の電圧を検出するように設けられている。走行用バッテリ２２０には、さらに、電池セル２１の温度を検出する温度センサ５０が設けられている。温度センサ５０は、比較的温度が高くなる電池セル２１の温度を検出するため、電池モジュール３１ａおよび３１ｉを構成する電池セル２１ｃと、電池モジュール３１ｅを構成する電池セル２１ｄとに設けられている。

図４は、この発明の実施の形態における電池モジュールの制御装置により実行される処理のフローチャートである。

図４を参照して、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、システム起動信号がＯＮしたか否かを判断する。システム起動信号がＯＮされると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ２００に移される。オンされていない場合（Ｓ１００にてＮＯ）、処理はＳ１００に戻され、システム起動信号がＯＮにされるまで待つ。

Ｓ２００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、外気温センサ３３０から受けた信号に基づき、外気温Ｔを検知する。Ｓ３００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、外気温Ｔが予め定められたしきい値よりも小さいか否かを判断する。しきい値は、たとえば−１０℃である。しきい値は、−２０℃であっても良いし、−３０℃であっても良い。外気温Ｔ＜しきい値である場合（Ｓ３００にてＹＥＳ）には、処理はＳ４００に移される。そうでない場合（Ｓ３００にてＮＯ）には、処理は終了する。

Ｓ４００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、走行用バッテリ２２０の放電を開始するようにインバータ２４０やコンバータ２５０に信号を入力する。電池モジュール３１の１時間率電流値がＩｔ（Ａ）である時、走行用バッテリ２２０は、８Ｉｔ（Ａ）以上の電流を継続して放電する。１時間率電流値Ｉｔ（Ａ）は、Ｉｔ（Ａ）＝電池モジュール３１の定格容量Ｃｎ（Ａｈ）／１（ｈ）の式で表わされ、電池モジュール３１を１時間で放電させる電流値を意味する。走行用バッテリ２２０は、１０Ｉｔ（Ａ）以上の電流を放電しても良いし、１２Ｉｔ（Ａ）以上の電流を放電しても良い。

Ｓ５００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、電圧検出部６０で検出された電池モジュール３１の電圧Ｖを検知する。Ｓ６００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、電池モジュール３１の電圧Ｖが、電池モジュール３１の制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎに達したか否かを判断する。制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎとは、電池モジュール３１の電圧が制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎを下回った場合に、電池モジュール３１の充放電機能が損なわれると判断される値である。制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎは、電池モジュール３１の電圧が制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎに達した時に、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０が走行用バッテリ２２０の充電を開始する電圧である。

電池モジュール３１の電圧Ｖ＝制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎである場合（Ｓ６００にてＹＥＳ）には、処理はＳ７００に移される。そうでない場合（Ｓ６００にてＮＯ）には、処理はＳ５００に戻され、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、再び電池モジュール３１の電圧Ｖを検知する。Ｓ７００にて、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、走行用バッテリ２２０の放電を終了し、充電を開始するようにインバータ２４０やコンバータ２５０に信号を入力する。以上のステップにより、処理が終了する。

図５は、図４中の処理が実行されなかった場合の走行用バッテリの充放電電流ならびに電池モジュールおよび電池セルの電圧の変化を表わしたグラフである。図５を参照して、従来のハイブリッド車両で生じていた問題点について説明を行なう。なお、図５および後に説明する図６中の実線５２１ａおよび５２１ｃは、図２中の電池セル２１ａおよび２１ｃの電圧であり、実際にはＨＶ＿ＥＣＵ３２０で検知することができない電圧である。

図中では、システム起動後、車両が所定の期間、アイドリング状態に保持された場合が想定されている。この場合、アイドリング状態であっても、車両のヘッドランプやヒータで電力が消費される。このため、走行用バッテリ２２０は、補機バッテリ２３０に電力を補うため、たとえば１Ｉｔ（Ａ）程度の電流を継続して放電する。これに伴い、電池モジュール３１、電池セル２１ａおよび２１ｃの電圧が徐々に低下する。

この際、電池セル２１ａが相対的に低い温度を有し、電池セル２１ｃが相対的に高い温度を有すると、電池セル２１ａの電圧は、電池セル２１ｃの電圧よりも急激に減少する。電池モジュール３１の電圧が電池モジュール３１の制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎに達し、走行用バッテリ２２０が放電から充電に転ずる時間をｔ２とすると、時間ｔ２よりも前の時間ｔ１に、電池セル２１ａの電圧が電池セル２１の充放電機能が損なわれると判断される電圧値ｖに達する。このため、電池セル２１ａは、時間ｔ１から時間ｔ２の間、電圧値ｖ以下の電圧下に置かれることとなり、電池セル２１ａの充放電機能が著しく損なわれる。

図６は、図４中の処理が実行された場合の走行用バッテリの充放電電流ならびに電池モジュールおよび電池セルの電圧の変化を表わしたグラフである。

図６を参照して、これに対して、本実施の形態では、走行用バッテリ２２０がシステム起動直後から積極的に放電を行なうように制御される。これにより、電池モジュール３１の電圧が電池モジュール３１の制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎに早期に到達するように放電電流を制御し、時間ｔ１から時間ｔ２の間をより短く設定することができる。

この発明の実施の形態における電池モジュールの制御装置は、積層された複数の電池セル２１から構成され、車両としてのハイブリッド車両に搭載された電池モジュール３１と、電池モジュール３１の電圧を検出する電圧検出部６０と、電池モジュール３１の充放電を制御し、電池モジュール３１の電圧が電池モジュール３１が制御可能とされる電圧の下限値としての制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎになった時に電池モジュール３１を充電させる制御部としてのＨＶ＿ＥＣＵ３２０とを備える。ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、ハイブリッド車両の始動を検知した場合に、電圧検出部６０により検出される電圧が制御下限電圧値Ｖ_ｍｉｎになるまで電池モジュール３１を放電させる。

このように構成された、この発明の実施の形態における電池モジュールの制御装置によれば、車両始動時、電池セル２１の電圧が著しく低下した状態が長く続くことを防止できる。これにより、電池セル２１の充放電機能が損なわれることを抑制し、走行用バッテリ２２０の信頼性を向上させることができる。また、本実施の形態では、外気温センサ３３０で検出された外気温が予め定められた温度よりも小さい場合に、処理が継続される。このため、電池セル２１間の温度差が大きく、温度の低い電池セル２１で電圧低下が問題になる場合にのみ選択的に走行用バッテリ２２０の放電処理を実行することができる。

なお、本発明が適用される車両は、図１中に示すハイブリッド車両に限定されず、他の態様を有するハイブリッド車両であっても良い。また、車両は、電気自動車であって良いし、燃料電池車であっても良い。また、本発明は、代表的にはニッケル水素電池もしくは鉛電池に適用されるが、これ以外の電池に適用することもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ハイブリッド車両の制御ブロック図である。 図１中の走行用バッテリを示す斜視図である。 図１中に示す走行用バッテリの回路図の概略である。 この発明の実施の形態における電池モジュールの制御装置により実行される処理のフローチャートである。 図４中の処理が実行されなかった場合の走行用バッテリの充放電電流ならびに電池モジュールおよび電池セルの電圧の変化を表わしたグラフである。 図４中の処理が実行された場合の走行用バッテリの充放電電流ならびに電池モジュールおよび電池セルの電圧の変化を表わしたグラフである。

符号の説明

２１ 電池セル、３１ 電池モジュール、６０ 電圧検出部、３２０ ＨＶ＿ＥＣＵ、３３０ 外気温センサ。

Claims (3)

1. 積層された複数の電池セルから構成され、車両に搭載された電池モジュールと、
   前記電池モジュールの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電池モジュールの充放電を制御し、前記電池モジュールの電圧が前記電池モジュールが制御可能とされる電圧の下限値まで低下した時に前記電池モジュールを充電させる制御部とを備え、
   前記制御部は、前記車両の始動を検知した場合に、前記電圧検出部により検出される電圧が前記下限値になるまで前記電池モジュールを放電させる、電池モジュールの制御装置。
2. 前記電池モジュールの１時間率電流値がＩｔ（Ａ）である時、前記電池モジュールは、８Ｉｔ（Ａ）以上の電流を継続して放電する、請求項１に記載の電池モジュールの制御装置。
3. 外気温を検出する温度検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記温度検出部により検出された外気温が予め定められた温度よりも小さい場合に、前記電池モジュールを放電させる、請求項１または２に記載の電池モジュールの制御装置。

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