JP2009207312A - 車両用の電源装置とその電流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池やその他の部品を保護しながら電池を最大限に利用して車両を走行させる車両用の電源装置の電流制御方法を提供する。
【解決手段】車両用の電源装置の電流制御方法は、車両を走行させるモータ１１に電力を供給する電池１に流す許容電流を制限しながら充放電する。電流制御方法は、電池１の充放電を許容する許容電流を、充放電の電流の絶対値の平均電流で規定すると共に、平均電流を検出する時間が長くなるにしたがって、許容電流を小さくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両走行用モータに電力を供給する電池の許容電流を制御する方法と装置に関する。

車両用の電源装置は、電池を大きな電流で充放電する。すなわち、大電流で放電してモータに電力を供給し、また回生制動やエンジンで駆動される発電機によって大電流で充電される。この電源装置は、電池に流す最大の電流、すなわち許容電流を規制することで電池を保護しながら充放電している。許容電流は、電池に流すことができる最大の電流であるから、電池のタイプや容量によって一定ではないが、充電電流と放電電流に特定の電流値として規定している。さらに、車両用の電源装置は、電流を制限する必要があるのは電池のみでない。電池と直列に接続しているヒューズやコンタクタなどの部品も許容電流を規制する必要がある。このため、従来の電源装置は、電池を含む全ての部品を保護できるように許容電流を規定する必要がある。このため、許容電流が小さくなって、電池やヒューズ、あるいはコンタクタなどが使用条件によってはオーバースペックとなって、電源装置を有効に最大限に使用できない欠点がある。許容電流を大きく規定して、電源装置を有効に使用できるが、許容電流を大きくすると電池やヒューズなどが電流での弊害を受けることになる。また、電池を保護しながら充放電するために、電池の電圧で許容電流を変更する方法は開発されている。（特許文献１参照）
特開２００３−４７１１１号公報

しかしながら、この方法は、電池の電圧のみで許容電流を変更するので、電池と直列に接続しているヒューズやコンタクタを保護しながら、電池を最大限に利用することができない欠点があった。さらに、従来の方法は、充電電流と放電電流を検出し、検出する充電電流と放電電流が許容電流よりも小さい状態では充放電を許容するように制御するが、この方法では必ずしも電池を保護しながら充放電できないことがある。それは、充電と放電とを極めて短い時間、たとえば１秒のタイミングで充電と放電とを許容電流に近い大電流で繰り返すとき、電池の充放電を規制できず、電池が大きな充電電流と放電電流とで加熱される弊害がある。この弊害を避けるために、充放電の許容電流を小さくすると、さらに電池を有効に利用できなくなる。

本発明は、さらに以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池やその他の部品を保護しながら電池を最大限に利用して車両を走行できる車両用の電源装置とその電流制御方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用の電源装置の電流制御方法は、車両を走行させるモータ１１に電力を供給する電池１に流す許容電流を制限しながら充放電する。さらに、本発明の電流制御方法は、電池１の充放電を許容する許容電流を、充放電の電流の絶対値の平均電流で規定すると共に、平均電流を検出する時間が長くなるにしたがって、許容電流を小さくする。たとえば、１秒間における平均電流の許容電流値と、１秒〜５秒間における平均電流の許容電流と、５秒以上の平均電流による許容電流値とを異なる許容電流値として規定し、平均電流を検出する時間が長くなると許容電流値を小さくする。

以上の方法によると、電池やその他の部品を保護しながら電池を最大限に利用して車両を走行できる特徴が実現される。それは、ヒューズやコンタクタや電池のように電流が流れる時間によって規定できる最大電流が異なる部品を各々最適な状態に保護しながら、許容電流を大きく規定できるからである。

図１は、ヒューズとコンタクタと電池に許容できる時間に対する最大電流を示すグラフである。この図に示すように、１秒以下のタイミングではヒューズに許容できる電流値が最も小さく、１秒ないし５秒の範囲ではコンタクタに許容できる電流値が最も小さく、さらに５秒以上では電池に許容できる電流値が最も小さくなる。したがって、許容電流を、１秒以下の平均電流ではヒューズを溶断させない電流値に、１秒ないし５秒の範囲の平均電流ではコンタクタを保護できる電流値に、さらに５秒よりも長い時間の平均電流においては電池を保護できる電流値に設定することで、全ての部品を保護しながら電池を最大限に利用できる。また、所定時間における充電電流と放電電流の絶対値の平均電流が許容電流値を超えないように制御するので、極めて短い時間に充電と放電が繰り返される状態が継続しても、電池を保護しながら許容電流を最適値に設定できる。

本発明の請求項２の車両用の電源装置の電流制御方法は、電池１を充放電する電流の絶対値の平均電流を２乗平均電流とし、２乗平均電流が許容電流値を超えないように制御する。この方法は、充電電流と放電電流を２乗して平均するので、電流の方向、すなわち正負の電流値が２乗して常にプラスとなるので、常に充電電流と放電電流を絶対値の状態で平均できる。また、ジュール熱の発生量が電流の２乗に比例することから、部品の発熱に相当する電流値で各々の部品を保護しながら充放電できる特徴も実現する。

本発明の請求項３の車両用の電源装置の電流制御方法は、２乗平均電流を検出する時間帯を０．５ｓｅｃないし２時間としている。また、本発明の請求項４の車両用の電源装置の電流制御方法は、電池１を充放電する電流を１０ｍｓｅｃないし１分のサンプリング周期で検出して２乗平均電流を検出する。

本発明の請求項５の車両用の電源装置の電流制御方法は、電池１の温度で許容電流を規定している。

さらに、本発明の請求項６の車両用の電源装置の電流制御方法は、電池１の寿命で許容電流を規定している。

さらに、本発明の請求項７の車両用の電源装置の電流制御方法は、３０分ないし２４時間における２乗平均電流を積算し、電池１の使用年数で特定される寿命特定電流値よりも大きいと許容電流を小さくし、寿命特定電流値よりも小さいと許容電流を大きくしている。この方法によると、電池の寿命によって許容電流値を変更するので、電池を有効に保護しながら最大限に利用できる特徴がある。

本発明の請求項８の車両用の電源装置の電流制御方法は、１分より長い長時間帯の２乗平均電流を検出し、検出する長時間帯の２乗平均電流でもって、その後の許容電流を変化させる。この方法は、電池１を充放電した過去の状態から許容電流値を変更するので、電池１を有効に保護しながら最大限に利用できる特徴がある。

本発明の請求項９の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１１に電力を供給する電池１と、この電池１に流す許容電流をコントロールする制御演算部２とを備える。制御演算部２は、電池１を充放電する許容電流値を記憶している記憶部３と、電池１を充放電させる電流の絶対値の平均電流を所定の時間帯において演算する演算部４と、この演算部４で演算される平均電流を記憶部３に記憶する許容電流値に比較して、電池１の充放電の電流をコントロールする制御部５とを備えている。この電源装置は、記憶部３が、記憶する許容電流値を時間が長くなるにしたがって小さい電流値としている。

本発明の請求項１０の車両用の電源装置は、演算部４が、電池１を充放電する電流の絶対値の平均電流を２乗平均電流として演算している。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置とその電流制御方法を例示するものであって、本発明は電源装置と電流制御方法を以下の方法や装置には特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２に示す車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１１に電力を供給する電池１と、この電池１に流す許容電流をコントロールする制御演算部２とを備える。制御演算部２は、電池１を充放電する電流の許容値である許容電流値を記憶している記憶部３と、電池１の充電電流と放電電流の絶対値から平均電流を所定の時間帯において演算する演算部４と、この演算部４で演算される平均電流を記憶部３に記憶する許容電流値に比較して、電池１の充放電の電流をコントロールする制御部５とを備える。

記憶部３は、電池１に流れる電流の許容値、すなわち最大電流を許容電流値として記憶している。図２の電源装置は、制御演算部２から車両側に電流制限信号を出力する。車両側は、入力される電流制限信号でもって、ＤＣ／ＡＣインバータ１０を制御して、モータ１１に供給する放電電流の最大値を許容電流以下とし、かつ発電機１２からの充電電流の最大値を許容電流以下にコントロールする。すなわち、電源装置は、電池１の充放電の電流を、この記憶部３に記憶される許容電流よりも小さく制御するように、電流制限信号を車両側に出力する。図２の電源装置は、車両側のＤＣ／ＡＣインバータ１０で放電電流と充電電流をコントロールするが、電池と直列に電流制御回路を制御して、電源装置側で電池の電流を制御することもできる。

記憶部３に記憶される許容電流の具体例を、図１の曲線Ａに示している。この図において、曲線Ｂは、電池１と直列に接続されるヒューズの耐電流を示している。すなわち、曲線Ｂよりも大きな電流が流れるとヒューズが溶断される電流を示している。また、曲線Ｃは、コンタクタの耐電流、すなわちコンタクタに流すことができる最大電流を示しており、さらに、曲線Ｄは、電池１の耐電流、すなわち電池１に流すことができる最大電流を示している。ただ、この図は、横軸に示す時間帯における２乗平均電流を縦軸に示している。この図から１秒よりも短い時間においては、ヒューズの耐電流が最も小さいので、この時間帯においては、許容電流をヒューズの耐電流よりも小さくしている。さらに、１秒〜５秒の時間帯においは、コンタクタの耐電流が最も小さいので、この時間帯においては、許容電流をコンタクタの耐電流よりも小さくしている。さらにまた、５秒以上の時間帯においては、電池１の耐電流が最も小さいので、この時間帯においては、許容電流を電池１の耐電流よりも小さくしている。

図１に示すように、許容電流値は、電流が流れる時間が長くなると小さくなるように変化するので、記憶部３はテーブルとして記憶し、あるいは近似する関数として許容電流を記憶している。

さらに、電池１の耐電流は温度により変化し、温度が高すぎても、反対に低すぎても耐電流は小さくなるので、記憶部３は時間帯及び温度から特定される許容電流を記憶することもできる。この記憶部３も、時間帯と温度から許容電流値を特定するテーブルとして記憶し、あるいは時間帯と温度から許容電流を特定する関数として記憶する。図２の電源装置は、電池１の温度を検出する温度検出部７を備える。温度検出部７は、検出する温度信号を制御部５に入力する。制御部５は、温度検出部７から入力される温度信号から、記憶部３に記憶するテーブルまたは関数に基づいて許容電流値を特定する。

さらに、電源装置は、電池１の温度で許容電流を変更する方法において、必ずしも記憶部３には、温度に対する許容電流を記憶する必要はない。制御部５が、図３及び図４に示すように、検出する電池１の温度で許容電流を補正することができるからである。制御部５は、図３に示すように、電池１の温度が最低温度よりも低くなると許容電流を次第に減少し、また、最高温度よりも高くなるにしたがって、許容電流を次第に直線的に減少させ、あるいは、図４に示すように、電池１の温度が最低温度よりも低くなると許容電流を階段状に減少し、また、最高温度よりも高くなると、許容電流を階段状に減少させる。

演算部４は、電池１に流れる充電電流と放電電流の絶対値から平均電流を所定の時間帯において演算する。演算部４は、電池１に流れる電流を充電電流と放電電流に識別することなく、その大きさから平均電流を検出する。図２の電源装置は、電池１の電流を検出する電流検出回路６を備える。電流検出回路６は、検出する電流信号を演算部４に入力する。演算部４は、電流検出回路６から入力される電流信号から、すなわち充電電流と放電電流を検出する信号から、所定の時間帯における２乗平均電流を演算する。

電流検出回路６は、所定のサンプリング周期で電池１の電流を検出して演算部４に出力する。電流を検出するサンプリング周期は、０．１ｓｅｃとする。ただ、サンプリング周期は、たとえば１０ｍｓｅｃないし１分、好ましくは０．１ｓｅｃないし１０ｓｅｃ、さらに好ましくは０．１ｓｅｃないし１ｓｅｃとすることができる。サンプリング周期が０．１ｓｅｃよりも短いと、データ数が多くなって２乗平均値の演算が複雑になって演算回路に高速処理できる高価なマイコンを使用する必要がある。またサンプリング周期が長すぎると、時々刻々変化する電流値を正確に検出できなくなる。

演算部４は、充電電流と放電電流から所定の時間における２乗平均電流を演算する。電池１に流れる電流を０．１秒のサンプリング周期で検出して、図５の曲線Ａで示すように変化する電流から、１秒、１０秒、５分の時間帯における２乗平均電流の変化を演算すると、曲線Ｂ、曲線Ｃ、曲線Ｄで示すようになる。この図に示すように、２乗平均電流は、演算する時間帯が長くなるとピーク値が小さくなる。

演算部４は、たとえば、２乗平均電流を演算する時間帯において、４回電流（Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4）が検出されると、以下の式で２乗平均電流（Ｉrms）を演算する。
Ｉrms=［（Ｉ1²＋Ｉ2²＋Ｉ3²＋Ｉ4²）／４］^1/2
演算部４は、２乗平均電流を演算する時間帯にｎ回電流を検出すると、以下の式で２乗平均電流（Ｉrms）を演算する。
Ｉrms=［（Ｉ1²＋Ｉ2²＋Ｉ3²＋・・・＋Ｉn²）／ｎ］^1/2

したがって、演算部４は、０．１秒のサンプリング周期で検出される電流から、１秒間の２乗平均電流を演算するには、１１回の検出電流を２乗して加算し、これを１１で乗算した値の平方根として演算できる。演算部４は、一定のサンプリング周期で検出される電流から、所定の時間帯における２乗平均電流を演算する。演算部４は、複数の時間帯で２乗平均電流を演算する。演算部４が２乗平均電流を演算する時間帯は、サンプリング周期の整数倍となる。すなわち、演算部４は、一定のサンプリング周期で検出される複数回の検出電流から２乗平均電流を演算する。好ましくは、演算部４は０．１秒の時間間隔で、すなわち、０．１秒、０．２秒、０．３秒、０．４秒・・・・と複数の時間帯で、たとえば０．１秒〜２時間にわたって２乗平均電流を演算する。ただし、演算部４は、サンプリング周期の整数倍の時間間隔で、複数の２乗平均電流を演算することもできる。

図５は、時間帯によって２乗平均電流が変化する状態をわかりやすくするために、０．１秒のサンプリング周期で検出される電流から、１秒、１０秒、５分の時間帯における２乗平均電流の変化を曲線Ｂ、曲線Ｃ、曲線Ｄで示しているが、演算部４は２乗平均電流を演算する時間帯をこの時間帯には特定するものではない。演算部４は、この時間帯よりもさらに詳細に多数の時間帯において、さらに長い時間帯において２乗平均電流を演算する。

制御部５は、演算部４で演算される２乗平均電流が許容電流を超えないように、電池１の電流をコントロールする。制御部５は、演算する２乗平均電流の時間帯によって許容電流を変化させる。図１は、許容電流が２乗平均電流を演算する時間帯によって変化する特性を示しており、この特性は記憶部３に記憶されている。

さらに、制御部５は、記憶部３に記憶される許容電流に加えて、電池１の寿命、正確には劣化度で許容電流をコントロールする。このことを実現する制御部５は、電池１の劣化度を検出し、電池１の劣化度から記憶部３に記憶される許容電流を変更する。劣化度に対する許容電流の補正値は、テーブルや関数として記憶部３に記憶できる。制御部５は、たとえば充放電の積算値から電池１の劣化度を検出することができる。この制御部５は、劣化度から許容電流を補正することで、劣化の進行した電池１の許容電流を新しい電池１に比較して小さくする。この制御部５は、劣化の進行した電池１を保護しながら充放電できるので、電池１の寿命を長くできる。

また、制御部５は、演算する２乗平均電流を、たとえば３０分ないし２４時間、好ましくは３０分ないし６時間の積算時間帯において積算し、この積算値と電池１の劣化度とで許容電流をコントロールして電池１を保護しながら、充放電することができる。積算される２乗平均電流を演算する時間帯は、積算時間帯よりも短く、たとえば０．１秒ないし１秒とする。この制御部５も、電池１の寿命を長くしながら、電池１を最大限に利用できる。電池１の寿命特定電流積算値は、電池１の寿命が確保されるように設定される値で、あらかじめ記憶部３に記憶している。前記の積算時間帯における２乗平均電流の積算値が、電池１の寿命特定電流積算値よりも大きいと、その後の積算時間帯よりも短い時間帯、たとえば１秒ないし３０分、好ましくは１秒ないし１分は、許容電流を小さくし、長時間帯の積算値が寿命特定電流値よりも小さいと、反対に積算時間帯よりも短い時間帯は許容電流を大きくする。この制御部５は、電池１の劣化と、長い時間帯における電池１の充放電電流の積算値から許容電流を補正するので、電池１を保護しながら充放電する。

さらに、制御部５は、たとえば１分より長く２時間よりも短い長時間帯の２乗平均電流を検出し、検出する長時間帯の２乗平均電流でもって、その後の長時間帯よりも短い短時間帯における許容電流を変化させることもできる。この制御部５は、大電流で充放電した後の許容電流を小さくすることで、電池１を保護しながら充放電して電池１の寿命を長くすることができる。

ヒューズとコンタクタと電池の時間に対する許容電流を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 電池温度で許容電流を補正する一例を示すグラフである。 電池温度で許容電流を補正する他の一例を示すグラフである。 時間帯によって２乗平均電流が変化する状態を示すグラフである。

符号の説明

１…電池
２…制御演算部
３…記憶部
４…演算部
５…制御部
６…電流検出回路
７…温度検出部
１０…ＤＣ／ＡＣインバータ
１１…モータ
１２…発電機

Claims (10)

1. 車両を走行させるモータ(11)に電力を供給する電池(1)に流す許容電流を制限しながら充放電する車両用の電源装置の電流制御方法であって、
   電池(1)の充放電を許容する許容電流を、充放電の電流の絶対値の平均電流で規定すると共に、時間が長くなるにしたがって許容電流を小さくする車両用の電源装置の電流制御方法。
2. 電池(1)を充放電する電流の絶対値の平均電流を２乗平均電流とし、２乗平均電流が許容電流値を超えないように制御する請求項１に記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
3. ２乗平均電流を検出する時間帯が０．５ｓｅｃないし２時間である請求項２に記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
4. 電池(1)を充放電する電流を１０ｍｓｅｃないし１分のサンプリング周期で検出して２乗平均電流を検出する請求項２に記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
5. 電池(1)の温度で許容電流を規定する請求項１に記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
6. 電池(1)の寿命で許容電流を規定する請求項１に記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
7. 電池(1)の２乗平均電流を３０分ないし２４時間の積算時間帯において積算し、積算された積算値を電池(1)の使用年数で特定される寿命特定電流積算値に比較し、積算値が寿命特定電流積算値よりも大きいと、その後の許容電流を小さくし、積算値が寿命特定電流積算値よりも小さいと、その後の許容電流を大きくする請求項１ないし６のいずれかに記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
8. １分ないし２時間における長時間帯の２乗平均電流を検出し、検出する長時間帯の２乗平均電流でもって、その後の許容電流を変化させる請求項１に記載される車両用の電源装置の電流制御方法。
9. 車両を走行させるモータ(11)に電力を供給する電池(1)と、この電池(1)に流す許容電流をコントロールする制御演算部(2)とを備える車両用の電源装置であって、
   制御演算部(2)が、電池(1)を充放電する許容電流値を記憶している記憶部(3)と、電池(1)の充電電流と放電電流の絶対値から平均電流を所定の時間帯において演算する演算部(4)と、この演算部(4)で演算される平均電流を記憶部(3)に記憶する許容電流値に比較して、電池(1)の充放電の電流をコントロールする制御部(5)とを備え、前記記憶部(3)が、記憶する許容電流値を時間が長くなるにしたがって小さい電流値としてなる車両用の電源装置。
10. 前記演算部(4)が、電池(1)を充放電する電流の絶対値の平均電流を２乗平均電流として演算する請求項９に記載される車両用の電源装置。