JP2008123699A - 電池パックの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の同一の電池から構成される電池パックを効率的に出力及び回生させることが可能な電池パックの制御装置を提供する。
【解決手段】電池パックの制御装置は、複数の電池からなる電池パックに対して、電流を出力させる制御及び回生させる制御を行う。出力制御手段は、電池電圧に基づいて複数の電池の中から電流を取り出すべき電池を決定し、電流を出力させる。具体的には、出力に有利となる電池を選択して出力制御を行う。また、回生制御手段は、電池電圧に基づいて複数の電池の中から回生を行うべき電池を決定し、決定された電池を回生させる制御を行う。具体的には、回生に有利となる電池を選択して回生制御を行う。上記の電池パックの制御装置によれば、電池パックを高出力及び高回生することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池からなる電池パックに対して、電流を出力させる制御及び回生させる制御を行う電池パックの制御装置に関する。

従来から、例えば電気自動車やハイブリッド車両などに用いられる電池システムにおいて、高出力及び高回生を目的とした技術が提案されている。例えば、特許文献１には、開回路電圧が異なる高出力密度型二次電池と高エネルギ密度型二次電池を並列に接続して、一定以上の高出力密度維持と高エネルギ密度を得る技術が記載されている。その他に、本発明に関連のある技術が特許文献２及び３に記載されている。

特開２００４−１１１２４２号公報 特開２００２−１４１０９２号公報 特開２００２−１３４１２５号公報

しかしながら、上記した特許文献１乃至３に記載された技術では、複数の同一の電池（容量や抵抗などが同一である電池）を用いてシステムを構成した場合に、効率的に電流を出力させ、且つ効率的に回生させることが困難であった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複数の同一の電池から構成される電池パックを効率的に出力及び回生させることが可能な電池パックの制御装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、容量及び電池抵抗が概ね同一である複数の電池が並列に接続された電池パックから電流を出力させる制御、及び前記電池パックを回生させる制御を行う電池パックの制御装置は、前記複数の電池の各々の電池電圧を取得する手段と、前記電池電圧に基づいて、前記複数の電池の中から電流を取り出すべき電池を決定し、前記決定された電池から電流を出力させる制御を行う出力制御手段と、前記電池電圧に基づいて、前記複数の電池の中から回生を行うべき電池を決定し、前記決定された電池を回生させる制御を行う回生制御手段と、を備える。

上記の電池パックの制御装置は、複数の電池からなる電池パックに対して、電流を出力させる制御及び回生させる制御を行うために好適に利用される。具体的には、出力制御手段は、電池電圧に基づいて、複数の電池の中から電流を取り出すべき電池を決定し、決定された電池から電流を出力させる制御を行う。具体的には、高出力が得られるように、出力させる電池を決定する。即ち、出力に有利となる電池を選択して出力制御を行う。一方、回生制御手段は、電池電圧に基づいて、複数の電池の中から回生を行うべき電池を決定し、決定された電池を回生させる制御を行う。具体的には、高回生が得られるように、回生させる電池を決定する。即ち、回生に有利となる電池を選択して回生制御を行う。上記の電池パックの制御装置によれば、電池パックから効率的に電流を出力させることができると共に、電池パックを効率的に回生させることができる。即ち、電池パックを高出力及び高回生させることが可能となる。

上記の電池パックの一態様では、前記出力制御手段は、前記複数の電池における全ての前記電池電圧が、少なくとも電流によって規定される第１の所定値よりも小さい場合には、前記複数の電池の全てから電流を出力させる制御を行い、前記複数の電池における前記電池電圧のいずれかが前記第１の所定値以上である場合には、前記複数の電池において前記電池電圧が大きい電池から電流を出力させる制御を行い、前記回生制御手段は、前記複数の電池における全ての前記電池電圧が、少なくとも電流によって規定される第２の所定値よりも小さい場合には、前記複数の電池の全てを回生させる制御を行い、前記複数の電池における前記電池電圧のいずれかが前記第２の所定値以上である場合には、前記複数の電池において前記電池電圧が小さい電池を回生させる制御を行う。これにより、出力に有利となる電池を適切に決定することができると共に、回生に有利となる電池を適切に決定することができる。

上記の電池パックの制御装置において好適には、前記複数の電池は、第１の電池及び第２の電池によって構成されており、前記第１及び第２の電池の電池抵抗を「２Ｒ」とし、前記第１の電池の電池電圧を「αＶ_ＳＯＣ」とし、前記第２の電池の電池電圧を「βＶ_ＳＯＣ」とし、出力すべき電流及び回生時に流す電流を「Ｉ」とすると、前記出力制御手段は、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」である場合には、前記第１の電池及び前記第２の電池の両方から「Ｉ／２」の電流を出力させ、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α≧β」である場合には、前記第１の電池から「Ｉ」の電流を全て出力させ、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α＜β」である場合には、前記第２の電池から「Ｉ」の電流を全て出力させ、前記回生制御手段は、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」である場合には、前記第１の電池及び前記第２の電池の両方に「Ｉ／２」の電流を流して回生させ、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α≦β」である場合には、前記第１の電池に「Ｉ」の電流を全て流して回生させ、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α＞β」である場合には、前記第２の電池に「Ｉ」の電流を全て流して回生させる。

上記の電池パックの制御装置の他の一態様では、前記複数の電池は、前記電池電圧がそれぞれ異なるように設定されている。

この態様では、電池パックにおける複数の電池は、それぞれの電圧が異なるように設定されている。例えば、予め電圧に差を生じさせた電池が、電池パックに搭載されている。こうすることにより、上記した出力制御手段及び回生制御手段による制御において、１つの電池から電流を出力させる確率、及び１つの電池を回生させる確率を向上させることができる。よって、電池パックをより高出力及び高回生させることが可能となる。

好適には、前記電池パックは、ハイブリッド車両用のバッテリとして用いられ、前記出力制御手段は、前記電池パックから、前記ハイブリッド車両が有するモータに対して電流を出力させる制御を行い、前記回生制御手段は、前記ハイブリッド車両が有するモータが発電した電流によって、前記電池パックを回生させる制御を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る電池パックの制御装置が適用されたシステムの概略構成を示す。本システムは、主に、電池パック１と、コントローラ５とを有する。

電池パック１は、例えば電動機や発電機などに接続されており（不図示）、出力した電流を電動機に供給することによって当該電動機を駆動し、発電機が発電した電流が供給されることによって回生される。具体的には、電池パック１は、容量及び電池抵抗が概ね同一である２つの電池Ａ、Ｂを備える。これらの電池Ａ及び電池Ｂは、電気的に並列に接続されている。また、電池Ａ及び電池Ｂには、それぞれの電圧（電池電圧）を検出する装置（不図示）が設けられている。検出された電池Ａ及び電池Ｂのそれぞれの電圧は、検出信号としてコントローラ５に供給される。なお、以下では、電池Ａ及び電池Ｂの区別をしない場合には、符号を省略して、単に「電池」と表記するものとする。

更に、電池Ａ及び電池Ｂは、スイッチ２ａ、２ｂによってオン／オフが切り換えられる。具体的には、電池Ａ及び電池Ｂからの電流の出力／停止や、電池Ａ及び電池Ｂへの電流の供給／停止が切り換えられる。例えば、スイッチ２ａをオンにし、スイッチ２ｂをオフにした場合には、電池Ａのみから電流が出力されると共に、電池Ａのみに電流が供給される。また、スイッチ２ａをオフにし、スイッチ２ｂをオンにした場合には、電池Ｂのみから電流が出力されると共に、電池Ｂのみに電流が供給される。一方、スイッチ２ａ、２ｂの両方をオンにした場合には、電池Ａ、Ｂの両方から電流が出力されると共に、電池Ａ、Ｂの両方に電流が供給される。なお、スイッチ２ａ、２ｂのオン／オフは、コントローラ５から供給される制御信号によって切り換えられる。

コントローラ５は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェースなどを含んで構成される。本実施形態では、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂの電圧を取得し、取得した電圧に基づいて、電池Ａ、Ｂから電流を出力させる制御（以下、「出力制御」と呼ぶ。）、及び電池Ａ、Ｂを回生させる制御（以下、「回生制御」と呼ぶ。）を行う。言い換えると、コントローラ５は、電池Ａ、Ｂを制御する際に中心とする電圧（以下、「制御中心電圧」と呼ぶ。）を電池Ａ、Ｂごとに異なる電圧に設定して、出力制御及び回生制御を実行する。

具体的には、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂの電圧に基づいて、電池Ａ、Ｂから、電流を取り出すべき電池を選択する。詳しくは、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂのいずれか一方を決定するか、或いは電池Ａ及び電池Ｂの両方を決定する。そして、コントローラ５は、決定された電池から電流を出力させる出力制御を行う。更に、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂの電圧に基づいて、電池Ａ、Ｂから、回生を行うべき電池を選択する。この場合も、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂのいずれか一方を決定するか、或いは電池Ａ及び電池Ｂの両方を決定する。そして、コントローラ５は、決定された電池を回生させる回生制御を行う。

以上のように、コントローラ５は、本発明における電池パックの制御装置として動作する。具体的には、コントローラ５は、出力制御手段、及び回生制御手段として機能する。

なお、図１に示すように、電池パック１を２つの電池Ａ、Ｂによって構成することに限定はされない。３以上の電池によって電池パックを構成しても良い。

［出力制御方法］
ここで、コントローラ５が電池パック１に対して行う出力制御について具体的に説明する。前述したように、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂの電圧に基づいて、電池Ａ、Ｂから電流を取り出すべき電池を決定する。即ち、電池Ａ、Ｂごとに異なる制御中心電圧に設定して、出力制御を実行する。詳しくは、電池パック１から高出力が得られるように、電流を出力させるべき電池を決定する。言い換えると、出力において有利となる電池を選択して出力を行う。例えば、電圧が高い電池のほうが電圧が低い電池よりも出力において有利であるので、このような事実を考慮に入れて電池を選択して出力制御を行う。

具体的には、コントローラ５は、電池Ａ、Ｂの電圧のいずれもが電流によって規定される第１の所定値よりも小さい場合には、電池Ａ、Ｂの両方から電流を出力させる制御を行う。これに対して、コントローラ５は、電池Ａ、Ｂの電圧のいずれかが第１の所定値以上である場合には、電池Ａ、Ｂにおいて電圧が大きい電池から電流を出力させる制御を行う。

より詳しくは、以下のような制御を行う。なお、以下では、電池Ａ、Ｂの電池抵抗を「２Ｒ」とし、電池Ａの電圧を「αＶ_ＳＯＣ」とし、電池Ｂの電圧を「βＶ_ＳＯＣ」とし、電池パック１から出力すべき電流を「Ｉ」と定義する。

コントローラ５は、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ」と、「α」及び「β」とを比較すると共に、「α」と「β」とを比較することによって、電流を出力させる電池を決定する。具体的には、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α≧β」が満たされた場合（以下、この条件を「第１条件」と呼ぶ。）が成立する場合には、電池Ａから電流Ｉを全て出力させる。これに対し、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α＜β」が満たされた場合（以下、この条件を「第２条件」と呼ぶ。）が成立する場合には、電池Ｂから電流Ｉを全て出力させる。一方、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」の条件（以下、「第３条件」と呼ぶ。）が成立する場合には、電池Ａ及び電池Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させる。なお、第１の所定値は、上記した「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ」に電圧「Ｖ_ＳＯＣ」を乗算した値（Ｖ_ＳＯＣ＋ＲＩ）に対応する。

このように電池Ａ及び電池Ｂから電流を出力させることにより、電池パック１から効率的に電流を出力させることができる。即ち、電池パック１を高出力させることが可能となる。

なお、電池パック１を３以上の電池によって電池パックを構成した場合にも、コントローラ５は、上記した出力制御と同様の制御を実行することができる。

（出力制御処理）
ここで、前述した出力制御において行われる処理（出力制御処理）を、図２を参照して説明する。図２は、出力制御処理を示すフローチャートである。この処理は、電池パック１から電流を出力させる要求があった際に、コントローラ５によって実行される。

まず、ステップＳ１０１では、コントローラ５は、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ」と、「α」及び「β」とを比較して判定を行う。具体的には、コントローラ５は、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」であるか否かを判定する。即ち、第３条件が成立するか否かを判定する。第３条件が成立する場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０２に進み、第３条件が成立しない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０２では、コントローラ５は、第３条件が成立するため、電流Ｉ/２を電池Ａ及び電池Ｂのそれぞれから取り出して出力させる制御を実行する。具体的には、コントローラ５は、スイッチ２ａ及びスイッチ２ｂの両方をオンにする。そして、処理は当該フローを抜ける。

ステップＳ１０３では、コントローラ５は、「α」と「β」とを比較して判定を行う。具体的には、コントローラ５は、「α＜β」であるか否かを判定する。即ち、第２条件が成立するか否かを判定する。第２条件が成立する場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０５に進む。一方、第２条件が成立しない場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、処理はステップＳ１０４に進む。この場合には、第１条件が成立する。

ステップＳ１０４では、第１条件が成立するため、即ち「α≧β」であるため、コントローラ５は、電流Iを全て電池Ａから取り出して出力させる制御を実行する。具体的には、コントローラ５は、スイッチ２ａをオンにし、スイッチ２ｂをオフにする。そして、処理は当該フローを抜ける。

一方、ステップＳ１０５では、第２条件が成立するため、即ち「α＜β」であるため、コントローラ５は、電流Iを全て電池Ｂから取り出して出力させる制御を実行する。具体的には、コントローラ５は、スイッチ２ｂをオンにし、スイッチ２ａをオフにする。そして、処理は当該フローを抜ける。

以上の出力制御処理によれば、電池Ａ、Ｂの電圧に基づいて電流を出力させるべき電池を決定して、電流を出力させることにより、電池パック１から効率的に電流を出力させることができる。即ち、電池パック１を高出力させることが可能となる。

（第１条件乃至第３条件の導出方法）
ここで、上記した第１条件〜第３条件を用いて電池Ａ、Ｂの電圧を判定して、電流を出力させるべき電池を決定することにより、電池パック１を高出力させることができる理由について説明する。これらの第１条件〜第３条件は、高出力が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。即ち、第１条件は、電池Ａのみから電流Ｉを出力させることで高出力が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。第２条件は、電池Ｂのみから電流Ｉを出力させることで高出力が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。第３条件は、電池Ａ及び電池Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させることで高出力が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。

具体的には、上記した第１条件〜第３条件は、電池Ａのみから電流を出力させる場合、電池Ｂのみから電流を出力させる場合、及び電池Ａ及び電池Ｂの両方から電流を出力させる場合に得られる仕事を比較することによって設定される。より詳しくは、電池抵抗が「Ｒ」であり電圧が「Ｖ_ＳＯＣ」である１つの電池（以下、「比較例に係る電池」と呼ぶ。）から電流Ｉを出力させたときに得られる仕事Ｗと、電池パック１に対して本実施形態に係る出力制御を実行した場合に得られる仕事Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と、を比較することによって、第１条件〜第３条件を設定する。なお、比較例に係る電池の容量は、電池Ａ、Ｂの容量の２倍である。

まず、電池抵抗が「Ｒ」であり電圧が「Ｖ_ＳＯＣ」である電池（比較例に係る電池）から電流Ｉを出力させた場合に得られる仕事Ｗは、式（１）で表される。

Ｗ＝Ｖ_ＳＯＣＩ−ＲＩ^２ 式（１）
これに対して、電池パック１における電池Ａのみから電流Ｉを出力させた場合に得られる仕事Ｗ１は、式（２）で表される。

Ｗ１＝αＶ_ＳＯＣＩ−２ＲＩ^２ 式（２）
また、電池パック１における電池Ｂのみから電流Ｉを出力させた場合に得られる仕事Ｗ２は、式（３）で表される。

Ｗ２＝βＶ_ＳＯＣＩ−２ＲＩ^２ 式（３）
更に、電池パック１の電池Ａ及び電池Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させた場合に得られる仕事Ｗ３は、式（４）で表される。

Ｗ３＝αＶ_ＳＯＣＩ／２−２ＲＩ^２／４＋βＶ_ＳＯＣＩ／２−２ＲＩ^２／４ 式（４）
以下で、上記した仕事Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に基づいて、前述した第１条件〜第３条件を導出する。

（ａ）第１条件
電池Ａのみから電流Ｉを出力させることで高出力が得られる場合に成立する第１条件は、以下のように導出される。

まず、電池Ａのみから電流Ｉを出力させた際に得られる仕事Ｗ１が、比較例に係る電池から電流Ｉを出力させた際に得られる仕事Ｗよりも大きくなる必要がある。即ち、「Ｗ１≧Ｗ」の条件が成立する必要がある。この場合、式（１）及び式（２）を用いて「Ｗ１≧Ｗ」となる条件を求めると、式（５）が得られる。

１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α 式（５）
また、基本的には、電圧が低い電池から出力させるよりも電圧が高い電池から出力させるほうが出力にとって有利であると言えので、電池Ａの電圧が電池Ｂの電圧よりも高い必要がある。具体的には、以下の式（６）の条件を満たす必要がある。

α≧β 式（６）
以上より、式（５）及び式（６）が成立した場合に、電池パック１の電池Ａのみから電流Ｉを出力させた際に高出力が得られると言える。したがって、本実施形態では、式（５）及び式（６）を第１条件として用いる。

（ｂ）第２条件
電池Ｂのみから電流Ｉを出力させることで高出力が得られる場合に成立する第２条件は、以下のように導出される。

まず、電池Ｂのみから電流Ｉを出力させた際に得られる仕事Ｗ２が、比較例に係る電池から電流Ｉを出力させた際に得られる仕事Ｗよりも大きくなる必要がある。即ち、「Ｗ２≧Ｗ」の条件が成立する必要がある。この場合、式（１）及び式（３）を用いて「Ｗ２≧Ｗ」となる条件を求めると、式（７）が得られる。

１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β 式（７）
また、基本的には、電圧が低い電池から出力させるよりも電圧が高い電池から出力させるほうが出力にとって有利であると言えので、電池Ｂの電圧が電池Ａの電圧よりも高い必要がある。具体的には、以下の式（８）の条件を満たす必要がある。

α＜β 式（８）
以上より、式（７）及び式（８）が成立した場合に、電池パック１の電池Ｂのみから電流Ｉを出力させた際に高出力が得られると言える。したがって、本実施形態では、式（７）及び式（８）を第２条件として用いる。

（ｃ）第３条件
次に、電池Ａ、Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させることで高出力が得られる場合に成立する第３条件について説明する。

電池Ａ、Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させる場合としては、前述した第１条件及び第２条件が成立しなかった状況に対応する。即ち、「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」の条件（第３条件）が成立する場合である。この場合には、前述した式（５）及び式（７）の条件が成立しないため、電池Ａ又は電池Ｂから全ての電流Ｉを出力させても、「Ｗ１≧Ｗ」又は「Ｗ２≧Ｗ」とはならない。そのため、電池パック１の電池Ａ及び電池Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させる。このように電流を出力させた場合には、式（４）で表される仕事Ｗ３が得られる。一方、比較例に係る電池から電流Ｉを出力させたときに得られる仕事Ｗは、前述した式（１）で表される。この場合、式（１）及び式（４）を用いて「Ｗ３＞Ｗ」となる条件を求めると、式（９）が得られる。

（α＋β）＞２ 式（９）
ここで、電池容量を用いて「Ｖ_ＳＯＣ」を「Ｖ_ＳＯＣ＝ｆ（Ａｈ）」と定義し、「ｘ」を電池Ａ及び電池Ｂにおける電池容量のずれの１／２と定義する。そうすると、電池Ａ及び電池Ｂの電圧は、それぞれ式（１０）及び式（１１）で表される。

αＶ_ＳＯＣ＝ｆ（Ａｈ＋ｘ） 式（１０）
βＶ_ＳＯＣ＝ｆ（Ａｈ−ｘ） 式（１１）
式（１０）及び式（１１）を用いると、式（９）は式（１２）のように変形することができる。

ｆ（Ａｈ＋ｘ）−ｆ（Ａｈ）−｛ｆ（Ａｈ）−ｆ（Ａｈ−ｘ）｝＞０ 式（１２）
更に、式（１２）を微分すると、式（１３）が得られる。

ｆ’（Ａｈ＋ｘ）−ｆ’（Ａｈ−ｘ）＞０ 式（１３）
式（１３）より、「ｆ''(Ａｈ)＞０」となるような電池であれば、「Ｗ３＞Ｗ」となることがわかる。言い換えると、電圧における傾きが電池容量に対して増加関数となる開路電圧（ＯＣＶ；Open circuit voltage）特性を有する電池であれば、「Ｗ３＞Ｗ」が成立すると言える。したがって、第１条件及び第２条件が成立せずに、第３条件が成立する場合において、電池パック１における電池Ａ及び電池Ｂが上記した特性を有する場合には、電池Ａ及び電池Ｂの両方から電流Ｉ／２を出力させるほうが、比較例に係る電池から電流Ｉを出力させる場合よりも大きな仕事を得ることができると言える。

［回生制御方法］
次に、コントローラ５が電池パック１に対して行う回生制御について具体的に説明する。前述したように、コントローラ５は、電池Ａ及び電池Ｂの電圧に基づいて、電池Ａ、Ｂから回生を行うべき電池を選択する。即ち、電池Ａ、Ｂごとに異なる制御中心電圧に設定して、回生制御を実行する。詳しくは、電池パック１を高回生できるように、電流を回生させるべき電池を決定する。言い換えると、回生において有利となる電池を選択して回生を行う。例えば、電圧が低い電池のほうが電圧が高い電池よりも回生において有利であるので、このような事実を考慮に入れて電池を選択して回生制御を行う。

具体的には、コントローラ５は、電池Ａ、Ｂの電圧のいずれもが電流によって規定される第２の所定値よりも小さい場合には、電池Ａ、Ｂの両方を回生せる制御を行う。これに対して、コントローラ５は、電池Ａ、Ｂの電圧のいずれかが第２の所定値以上である場合には、電池Ａ、Ｂにおいて電圧が小さい電池を回生させる制御を行う。

より詳しくは、以下のような制御を行う。なお、以下で用いる変数は、前述した出力制御で用いたものと同様に定義する。ここでは、電池パック１の回生時に流す電流を「Ｉ」と定義する。

コントローラ５は、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ」と、「α」及び「β」とを比較すると共に、「α」と「β」とを比較することによって、回生を行う電池を決定する。具体的には、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α≦β」が満たされた場合（以下、この条件を「第４条件」と呼ぶ。）が成立する場合には、電池Ａに電流Ｉを全て流すことによって回生を行う。これに対し、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α＞β」が満たされた場合（以下、この条件を「第５条件」と呼ぶ。）が成立する場合には、電池Ｂに電流Ｉを全て流すことによって回生を行う。一方、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」の条件（以下、「第６条件」と呼ぶ。）が成立する場合には、電池Ａ及び電池Ｂの両方に電流Ｉ／２を流すことによって回生を行う。なお、第２の所定値は、上記した「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ」に電圧「Ｖ_ＳＯＣ」を乗算した値（Ｖ_ＳＯＣ−ＲＩ）に対応する。

このように電池Ａ及び電池Ｂを回生することにより、電池パック１を効率的に回生させることができる。即ち、電池パック１を高回生させることが可能となる。

なお、電池パック１を３以上の電池によって電池パックを構成した場合にも、コントローラ５は、上記した回生制御と同様の制御を実行することができる。

（回生制御処理）
ここで、前述した回生制御において行われる処理（回生制御処理）を、図３を参照して説明する。図３は、回生制御処理を示すフローチャートである。この処理は、電池パック１を回生させる要求があった際に、コントローラ５によって実行される。

まず、ステップＳ２０１では、コントローラ５は、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ」と、「α」及び「β」とを比較して判定を行う。具体的には、コントローラ５は、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」であるか否かを判定する。即ち、第６条件が成立するか否かを判定する。第６条件が成立する場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０２に進み、第６条件が成立しない場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、処理はステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０２では、コントローラ５は、第６条件が成立するため、電流I/２を電池Ａ及び電池Ｂのそれぞれに流すことによって回生させる制御を実行する。具体的には、コントローラ５は、スイッチ２ａ及びスイッチ２ｂの両方をオンにする。即ち、電池Ａ及び電池Ｂの両方を回生させる。そして、処理は当該フローを抜ける。

ステップＳ２０３では、コントローラ５は、「α」と「β」とを比較して判定を行う。具体的には、コントローラ５は、「α＞β」であるか否かを判定する。即ち、第５条件が成立するか否かを判定する。第５条件が成立する場合（ステップＳ２０３；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０５に進む。一方、第５条件が成立しない場合（ステップＳ２０３；Ｎｏ）、処理はステップＳ２０４に進む。この場合には、第４条件が成立する。

ステップＳ２０４では、第４条件が成立するため、即ち「α≦β」であるため、コントローラ５は、電流Iを全て電池Ａに流すことによって回生させる制御を実行する。具体的には、コントローラ５は、スイッチ２ａをオンにし、スイッチ２ｂをオフにする。即ち、電池Ａのみを回生させる。そして、処理は当該フローを抜ける。

一方、ステップＳ２０５では、第５条件が成立するため、即ち「α＞β」であるため、コントローラ５は、電流Iを全て電池Ｂに流すことによって回生させる制御を実行する。具体的には、コントローラ５は、スイッチ２ｂをオンにし、スイッチ２ａをオフにする。即ち、電池Ｂのみを回生させる。そして、処理は当該フローを抜ける。

以上の回生制御処理によれば、電池Ａ、Ｂの電圧に基づいて回生させるべき電池を決定して、回生を実行することにより、電池パック１を効率的に回生させることができる。即ち、電池パック１を高回生させることが可能となる。

（第４条件乃至第６条件の導出方法）
ここで、上記した第４条件〜第６条件を用いて電池Ａ、Ｂの電圧を判定して、回生すべき電池を決定することにより、電池パック１を高回生させることができる理由について説明する。これらの第４条件〜第６条件は、電池Ａのみを回生させた際、電池Ｂのみを回生させた際、及び電池Ａ及び電池Ｂの両方を回生させた際に、高回生が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。即ち、第４条件は、電池Ａのみに電流Ｉを流して回生させることで高回生が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。第５条件は、電池Ｂのみに電流Ｉを流して回生させることで高回生が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。第６条件は、電池Ａ及び電池Ｂの両方に電流Ｉ／２を流して回生させることで高回生が得られる場合に成立する電池Ａ、Ｂの電圧の条件に対応する。

具体的には、上記した第４条件〜第６条件は、電池Ａのみを回生させる場合、電池Ｂのみを回生させる場合、及び電池Ａ及び電池Ｂの両方を回生させる場合に得られる仕事を比較することによって設定される。より詳しくは、前述した比較例に係る電池（電池抵抗が「Ｒ」であり電圧が「Ｖ_ＳＯＣ」である１つの電池）に電流Ｉを流して回生させたときに得られる仕事Ｗ’と、電池パック１に対して本実施形態に係る回生制御を実行した場合に得られる仕事Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６と、を比較することによって、第４条件〜第６条件を設定する。

まず、電池抵抗が「Ｒ」であり電圧が「Ｖ_ＳＯＣ」である電池（比較例に係る電池）に電流Ｉを流して回生させた場合に得られる仕事Ｗ’は、式（１４）で表される。

Ｗ’＝Ｖ_ＳＯＣＩ＋ＲＩ^２ 式（１４）
これに対して、電池パック１における電池Ａのみに電流Ｉを流して回生させたときに得られる仕事Ｗ４は、式（１５）で表される。

Ｗ４＝αＶ_ＳＯＣＩ＋２ＲＩ^２ 式（１５）
また、電池パック１における電池Ｂのみに電流Ｉを流して回生させたときに得られる仕事Ｗ５は、式（１６）で表される。

Ｗ５＝βＶ_ＳＯＣＩ＋２ＲＩ^２ 式（１６）
更に、電池パック１の電池Ａ及び電池Ｂの両方に電流Ｉ／２を流して回生させたときに得られる仕事Ｗ６は、式（１７）で表される。

Ｗ６＝αＶ_ＳＯＣＩ／２＋２ＲＩ^２／４＋βＶ_ＳＯＣＩ／２＋２ＲＩ^２／４ 式（１７）
以下で、上記した仕事Ｗ’、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６に基づいて、前述した第４条件〜第６条件を導出する。

（ａ）第４条件
電池Ａのみに電流Ｉを流して回生させることで高回生が得られる場合に成立する第４条件は、以下のように導出される。

まず、電池Ａのみに電流Ｉを流して回生させた際に得られる仕事Ｗ４が、比較例に係る電池に電流Ｉを流して回生させた際に得られる仕事Ｗ’よりも大きくなる必要がある。即ち、「Ｗ４≧Ｗ’」の条件が成立する必要がある。この場合、式（１４）及び式（１５）を用いて「Ｗ４≧Ｗ’」となる条件を求めると、式（１８）が得られる。

１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α 式（１８）
また、基本的には、電圧が高い電池を回生するよりも電圧が低い電池を回生するほうが回生にとって有利であると言えるので、電池Ａの電圧が電池Ｂの電圧よりも低い必要がある。具体的には、以下の式（１９）の条件を満たす必要がある。

α≦β 式（１９）
以上より、式（１８）及び式（１９）が成立した場合に、電池パック１の電池Ａのみに電流Ｉを流して回生させた際に高回生が得られると言える。したがって、本実施形態では、式（１８）及び式（１９）を第４条件として用いる。

（ｂ）第５条件
電池Ｂのみに電流Ｉを流して回生させることで高回生が得られる場合に成立する第５条件は、以下のように導出される。

まず、電池Ｂのみに電流Ｉを流して回生させた際に得られる仕事Ｗ５が、比較例に係る電池に電流Ｉを流して回生させた際に得られる仕事Ｗ’よりも大きくなる必要がある。即ち、「Ｗ５≧Ｗ’」の条件が成立する必要がある。この場合、式（１４）及び式（１６）を用いて「Ｗ５≧Ｗ’」となる条件を求めると、式（２０）が得られる。

１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β 式（２０）
また、基本的には、電圧が高い電池を回生するよりも電圧が低い電池を回生するほうが回生にとって有利であると言えるので、電池Ｂの電圧が電池Ａの電圧よりも低い必要がある。具体的には、以下の式（２１）の条件を満たす必要がある。

α＞β 式（２１）
以上より、式（２０）及び式（２１）が成立した場合に、電池パック１の電池Ｂのみに電流Ｉを流して回生させた際に高回生が得られると言える。したがって、本実施形態では、式（２０）及び式（２１）を第５条件として用いる。

（ｃ）第６条件
次に、電池Ａ、Ｂの両方に電流Ｉ／２を流して回生させることで高回生が得られる場合に成立する第６条件について説明する。

電池Ａ、Ｂの両方に電流Ｉ／２を流して回生を行う場合としては、前述した第４条件及び第５条件が成立しなかった状況に対応する。即ち、「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」の条件（第６条件）が成立する場合である。この場合には、前述した式（１８）及び式（２０）の条件が成立しないため、電池Ａ又は電池Ｂに電流Ｉを流して回生させても、「Ｗ４≧Ｗ’」又は「Ｗ５≧Ｗ’」とはならない。そのため、電池パック１の電池Ａ及び電池Ｂの両方に電流Ｉ／２を流して回生させる。このように回生させた場合には、式（１７）で表される仕事Ｗ６が得られる。一方、比較例に係る電池に電流Ｉを流して回生させたさせたときに得られる仕事Ｗ’は、前述した式（１４）で表される。この場合、式（１４）及び式（１７）を用いて「Ｗ６＞Ｗ’」となる条件を求めると、式（２２）が得られる。

（α＋β）＞２ 式（２２）
ここで、電池容量を用いて「Ｖ_ＳＯＣ」を「Ｖ_ＳＯＣ＝ｆ（Ａｈ）」と定義し、「ｘ」を電池Ａ及び電池Ｂにおける電池容量のずれの１／２と定義する。そうすると、電池Ａ及び電池Ｂの電圧は、それぞれ式（２３）及び式（２４）で表される。

αＶ_ＳＯＣ＝ｆ（Ａｈ＋ｘ） 式（２３）
βＶ_ＳＯＣ＝ｆ（Ａｈ−ｘ） 式（２４）
式（２３）及び式（２４）を用いると、式（２２）は式（２５）のように変形することができる。

ｆ（Ａｈ＋ｘ）−ｆ（Ａｈ）−｛ｆ（Ａｈ）−ｆ（Ａｈ−ｘ）｝＞０ 式（２５）
更に、式（２５）を微分すると、式（２６）が得られる。

ｆ’（Ａｈ＋ｘ）−ｆ’（Ａｈ−ｘ）＞０ 式（２６）
式（２６）より、「ｆ''(Ａｈ)＞０」となるような電池であれば、「Ｗ６＞Ｗ’」となることがわかる。言い換えると、電圧における傾きが電池容量に対して増加関数となる開路電圧特性を有する電池であれば、「Ｗ６＞Ｗ’」が成立すると言える。したがって、第４条件及び第５条件が成立せずに、第６条件が成立する場合において、電池パック１における電池Ａ及び電池Ｂが上記した特性を有する場合には、電池Ａ及び電池Ｂの両方に電流Ｉ／２を流して回生させるほうが、比較例に係る電池に電流Ｉを流して回生させる場合よりも高回生を得ることができると言える。

［好適な例］
上記した電池パック１における電池Ａ、Ｂは、それぞれの電圧が異なるように設定を行うことが好ましい。例えば、予め電圧に差を生じさせた電池Ａ、Ｂを電池パック１に搭載することが好適である。こうすることにより、前述した出力制御及び回生制御において、１つの電池のみから電流を出力させる確率、及び１つの電池のみを回生させる確率を向上させることができる。よって、電池パック１を効果的に高出力及び高回生させることが可能となる。

また、出力制御及び回生制御の実行により電池Ａ、Ｂの電圧が変動したことによって、電池Ａ、Ｂの電圧が同一になった場合には、コントローラ５は、電池Ａ、Ｂの電圧がずれるような制御を実行することが好ましい。これにより、１つの電池から電流を出力させる確率、及び１つの電池を回生させる確率を更に向上させることが可能となる。

更に、上記した電池パック１及びコントローラ５は、ハイブリッド車両に適用することができる。ここで、ハイブリッド車両への適用例を、図４を参照して説明する。

図４は、ハイブリッド車両１０の概略構成を示す図である。ハイブリッド車両１０は、主に、車軸１１と、車輪１２と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００と、エンジン２００と、モータＭＧ１、ＭＧ２と、プラネタリギヤ３００と、インバータ４００と、バッテリ５００と、を備える。なお、電池パック１はバッテリ５００に適用され、コントローラ５はＥＣＵ１００に適用される。

車軸１１は、エンジン２００及びモータＭＧ２の動力を車輪１２に伝達する動力伝達系の一部である。車輪１２は、ハイブリッド車両１０の車輪であり、説明の簡略化のため、図１では特に左右前輪のみが表示されている。エンジン２００は、ガソリンエンジンなどによって構成され、ハイブリッド車両１０の主たる動力源として機能する。

モータＭＧ１は、主としてバッテリ５００を充電するための発電機、或いはモータＭＧ２に電力を供給するための発電機として機能するように構成されている。また、モータＭＧ２は、主としてエンジン２００の出力をアシストする電動機として機能するように構成されている。これらのモータＭＧ１及びモータＭＧ２は、例えば同期電動発電機として構成され、外周面に複数個の永久磁石を有するロータと、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータとを備える。プラネタリギヤ（遊星歯車機構）３００は、エンジン２００の出力をモータＭＧ１及び車軸１１へ分配することが可能に構成され、動力分割機構として機能する。

インバータ４００は、バッテリ５００と、モータＭＧ１及びモータＭＧ２との間の電力の入出力を制御する直流交流変換機である。例えば、インバータ４００は、バッテリ５００から取り出した直流電力を交流電力に変換して、或いはモータＭＧ１によって発電された交流電力をそれぞれモータＭＧ２に供給すると共に、モータＭＧ１によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ５００に供給することが可能に構成されている。

バッテリ５００は、モータＭＧ１及びモータＭＧ２を駆動するための電源として機能することが可能に構成された充電可能な蓄電池である。このバッテリ５００には、前述した電池パック１が適用される。即ち、バッテリ５００は、容量及び電池抵抗が概ね同一である複数の電池が並列接続して構成される。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどを備え、ハイブリッド車両１０の動作全体を制御する電子制御ユニットである。ＥＣＵ１００は、前述したコントローラ５が適用される。つまり、ＥＣＵ１００は、バッテリ５００に対して前述した出力制御や回生制御を実行する。具体的には、ＥＣＵ１００は、バッテリ５００からモータＭＧ２に対して電流を出力させる出力制御を行うと共に、モータＭＧ１が発電した電流によってバッテリ５００を回生させる回生制御を行う。これにより、バッテリ５００を効率的に出力及び回生させることができ、バッテリ５００を高出力及び高回生することが可能となる。

本実施形態に係る電池パックの制御装置が適用されたシステムの概略構成を示す。 出力制御処理を示すフローチャートである。 回生制御処理を示すフローチャートである。 ハイブリッド車両の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 電池パック
２ａ、２ｂ スイッチ
５ コントローラ
１０ ハイブリッド車両
１００ ＥＣＵ
２００ エンジン
５００ バッテリ
Ａ、Ｂ 電池
ＭＧ１、ＭＧ２ モータ

Claims (5)

1. 容量及び電池抵抗が概ね同一である複数の電池が並列に接続された電池パックから電流を出力させる制御、及び前記電池パックを回生させる制御を行う電池パックの制御装置において、
   前記複数の電池の各々の電池電圧を取得する手段と、
   前記電池電圧に基づいて、前記複数の電池の中から電流を取り出すべき電池を決定し、前記決定された電池から電流を出力させる制御を行う出力制御手段と、
   前記電池電圧に基づいて、前記複数の電池の中から回生を行うべき電池を決定し、前記決定された電池を回生させる制御を行う回生制御手段と、を備えることを特徴とする電池パックの制御装置。
2. 前記出力制御手段は、
   前記複数の電池における全ての前記電池電圧が、少なくとも電流によって規定される第１の所定値よりも小さい場合には、前記複数の電池の全てから電流を出力させる制御を行い、
   前記複数の電池における前記電池電圧のいずれかが前記第１の所定値以上である場合には、前記複数の電池において前記電池電圧が大きい電池から電流を出力させる制御を行い、
   前記回生制御手段は、
   前記複数の電池における全ての前記電池電圧が、少なくとも電流によって規定される第２の所定値よりも小さい場合には、前記複数の電池の全てを回生させる制御を行い、
   前記複数の電池における前記電池電圧のいずれかが前記第２の所定値以上である場合には、前記複数の電池において前記電池電圧が小さい電池を回生させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電池パックの制御装置。
3. 前記複数の電池は、第１の電池及び第２の電池によって構成されており、
   前記第１及び第２の電池の電池抵抗を「２Ｒ」とし、前記第１の電池の電池電圧を「αＶ_ＳＯＣ」とし、前記第２の電池の電池電圧を「βＶ_ＳＯＣ」とし、出力すべき電流及び回生時に流す電流を「Ｉ」とすると、
   前記出力制御手段は、
   「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」である場合には、前記第１の電池及び前記第２の電池の両方から「Ｉ／２」の電流を出力させ、
   「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α≧β」である場合には、前記第１の電池から「Ｉ」の電流を全て出力させ、
   「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１＋ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α＜β」である場合には、前記第２の電池から「Ｉ」の電流を全て出力させ、
   前記回生制御手段は、
   「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞α」且つ「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ＞β」である場合には、前記第１の電池及び前記第２の電池の両方に「Ｉ／２」の電流を流して回生させ、
   「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α≦β」である場合には、前記第１の電池に「Ｉ」の電流を全て流して回生させ、
   「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦α」及び「１−ＲＩ／Ｖ_ＳＯＣ≦β」のいずれかを満たし、且つ「α＞β」である場合には、前記第２の電池に「Ｉ」の電流を全て流して回生させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パックの制御装置。
4. 前記複数の電池は、前記電池電圧がそれぞれ異なるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電池パックの制御装置。
5. 前記電池パックは、ハイブリッド車両用のバッテリとして用いられ、
   前記出力制御手段は、前記電池パックから、前記ハイブリッド車両が有するモータに対して電流を出力させる制御を行い、
   前記回生制御手段は、前記ハイブリッド車両が有するモータが発電した電流によって、前記電池パックを回生させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電池パックの制御装置。

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