JP2009254208A - 蓄電装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成でありながら、複数のセルが直列又は直並列に接続された蓄電装置の各セルの残容量（ＳＯＣ）のバラツキを低減することができる蓄電装置の制御装置を提供する。
【解決手段】 ハイブリッド車両の主電動機２の駆動電源として利用される複数のセル１Ａ、１Ｂが直列に接続された蓄電装置（群電池）１と、セル１Ａ、１Ｂの電圧を検出する電圧センサ３Ａ、３Ｂと、が備えられ、電圧検出信号は電池制御装置１０に入力される。電動補機４はセル１Ａと並列に接続され、電動補機５はセル１Ｂと並列に接続され、電池制御装置１０によりその駆動が制御される。電池制御装置１０では、電圧検出信号に基づいてセル１Ａ、１Ｂの残容量ＳＯＣ１、ＳＯＣ２を取得してＳＯＣ比率を算出し、これに基づいて定められる動作比率１で電動補機４を駆動し、動作比率２で電動補機５を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセルが直列又は直並列に接続された蓄電装置（群電池）の制御装置に関し、各セルの残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）のバラツキを低減するための蓄電装置の制御装置に関する。

ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド車両）やＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電気自動車）などに搭載される電池セル（単に、セルとも言う）には、主電動機の動作に最適な電圧（比較的高圧な電圧）となるように直列或いは直並列に複数接続されて群電池として使用されている。

このような使用において、充放電を繰り返すなどすると、製品バラツキ等の影響により、電池セル間にＳＯＣのバラツキが生じる。かかるＳＯＣバラツキは、そのままでは解消されないため、例えば、電池セルの耐久性や安全性等の観点からＳＯＣ値の最も高い電池セルのＳＯＣ値が上限値に達したときに充電を停止し、ＳＯＣ値の最も低い電池セルのＳＯＣ値が下限値に達したときに放電を停止することになるため、電池セルの本来の使用可能容量を十分に利用しきれていない事態を招くことになる。

このため、例えば、特許文献１に記載される蓄電装置の残容量均等化装置では、複数のセルが直列に接続され走行用モータの駆動源として用いられるバッテリと、当該バッテリの各セルに並列に設けられた電流バイパス回路と、各セルの電圧を測定する電圧センサと、補機用電源として用いられる１２Ｖバッテリの電圧を検出する電圧センサと、を備え、バイパス回路制御部は、車両が停止した場合に、１２Ｖバッテリからの電力供給により起動されて、各セルの電圧に応じて電流バイパス回路を作動させてセルの放電量を制御することでＳＯＣの均等化処理を行うと共に、１２Ｖバッテリの過放電によるトラブルの発生を抑制するために１２Ｖバッテリの電圧又は残容量が所定値以下の場合には、全てのバイパス回路の作動を停止させるようにしている。
特開２００３−１８９４９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、１２Ｖバッテリの電圧又は残容量が所定値以下である場合には、群電池を構成する複数の電池セル間のＳＯＣバラツキを無くしてＳＯＣを均等化するための処理を行うことができないといった実情がある。

この一方で、本発明者等は、群電池を構成する複数の電池セル間のＳＯＣバラツキを無くして均等化する方法について種々の検討を行い、その結果、車両等に搭載されている電動補機類（電動エアコン（エアーコンディショナー）、電動パワーステアリング、電動燃料ポンプ、電動オイルポンプ、エアスプリング用やエアブレーキ用の電動エアコンプレッサなど）の駆動源として前記電池セルを利用し、電池セル間のＳＯＣバラツキに応じてその利用態様を変更することにより、ＳＯＣバラツキを無くして電池セル間のＳＯＣの均等化を図ることができる点に着目した。

そして、従来、ハイブリッド車両や電気自動車では、走行用の主電動機の動作に最適な電圧（比較的高圧な電圧）となるように直列或いは直並列に複数接続された電池セルを用いており、かかる比較的高圧な電圧に対応して各電動補機類は高圧な電圧に適合するよう構成されるか、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を介して接続する必要があったため、各電動補機類が高コスト化し、比較的高価なシステムとなっているのが実情である。

本発明は、かかる従来の実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、複数のセルが直列又は直並列に接続された蓄電装置（群電池）の各セルの残容量（ＳＯＣ）のバラツキを低減することができる蓄電装置の制御装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る蓄電装置の制御装置は、
電動機の駆動電源として利用される複数の電池セルが直列或いは直並列に接続された蓄電装置の制御装置であって、
前記複数の電池セルのそれぞれ残容量を取得する残容量取得手段を備え、
前記残容量取得手段により取得された残容量のバラツキを低減するように、少なくとも１つの電池セルに並列に接続されて電力供給を受ける電動補機の駆動を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明に係る制御手段は、各電池セルに対応して並列に接続されて電力供給を受ける複数の電動補機の駆動を制御することを特徴とすることができる。

本発明に係る制御手段は、前記複数の電動補機間における駆動比率或いは稼働時間比率の少なくも一方を変更することを特徴とすることができる。

本発明に係る制御手段は、電動補機が並列に接続されて電力供給を受ける電池セルを切り換える切換手段を備えることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、複数のセルが直列又は直並列に接続された蓄電装置（群電池）の各セルの残容量（ＳＯＣ）のバラツキを低減することができる蓄電装置の制御装置を提供することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施例により、本発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１に係る蓄電装置の制御装置は、図１に示すように、例えばハイブリッド車両（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）の主電動機（走行用モータ）２の駆動電源として利用される複数のセル１Ａ、１Ｂが直列に接続された蓄電装置（群電池）１を含んで構成されている。

また、図１に示すように、セル１Ａ、１Ｂの電圧を検出する電圧センサ３Ａ、３Ｂが備えられ、その検出信号は、蓄電装置１の制御を行う電池制御装置１０に入力されている。なお、電池制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、各種Ｉ／Ｆ等を含んで構成されている。

電動補機４は前記セル１Ａと並列に接続され、電動補機５は前記セル１Ｂと並列に接続されている。これらの電動補機４、５は、前記電池制御装置１０に接続され、当該電池制御装置１０によりその駆動が制御されるようになっている。電動補機４、５は、例えば、電動エアコン、電動パワーステアリング、電動燃料ポンプ、電動オイルポンプ、エアスプリング用やエアブレーキ用の電動エアコンプレッサなどとすることができる。

なお、本実施例に係る電動補機４と電動補機５は、前記セル１Ａ、１Ｂにそれぞれ並列に接続されていることから、主電動機（走行用モータ）２の駆動に必要な高電圧（セル１Ａとセル１Ｂの合計電圧）より低い電圧で駆動可能に構成可能であり、よって従来のように電動補機４、５を主電動機２に適合された高電圧に対応させて構成する必要がないため、或いはＤＣ−ＤＣコンバータ等を備え前記高電圧を所定に降圧させてから用いるなどの必要がないため、電動補機４、５を比較的低コストな構成とすることができる。

ここで、本実施例に係る電池制御装置１０（本発明に係る制御手段に相当する）が行なう制御について、図２の制御ブロック図、図３の制御フローチャートを用いて説明する。

ステップ（以下、単にＳと記す）１では、前記電圧センサ３Ａ、３Ｂの検出信号に基づいて、セル１Ａ、１Ｂの残容量ＳＯＣ１、ＳＯＣ２を取得し、セル１ＡのＳＯＣ１とセル１ＢのＳＯＣ２との比率（ＳＯＣ比率）を算出する。かかるＳ１が、本発明に係る残容量取得手段として機能する。

Ｓ２では、Ｓ１で算出されたＳＯＣ比率に基づいて、図２に示すようなマップ（ＳＯＣ比率に対する動作比率マップ）を参照して、電動補機４の動作比率（駆動比率）１を決定する。

Ｓ３では、電動補機４の動作比率１に基づいて電動補機５の動作比率２を取得し、動作比率１に基づいて電動補機４を駆動し、動作比率２に基づいて電動補機５を駆動する。
なお、ＳＯＣバラツキが所定範囲内にある場合には、電動補機４、５は同一の動作比率で駆動される。

このように、本実施例によれば、セル１Ａ、セル１ＢにＳＯＣバラツキがある場合に、ＳＯＣの多いセルによる電動補機の動作比率を、ＳＯＣの少ないセルによる電動補機の動作比率に比べて大きくすることで、セル１Ａ、セル１ＢのＳＯＣバラツキを無くしてＳＯＣを均等化することができ、以って電池セルの本来の使用可能容量を十分に利用することが可能となる。

なお、本実施例では、制御方法として、ＳＯＣに応じて電動補機４、５の動作比率（電動補機４、５の出力）を変更してＳＯＣバラツキを無くす方法を例として説明したが、これに限定されるものではなく、電動補機４、５の稼働時間比率を変更してＳＯＣバラツキを無くすように制御すること、或は動作比率と可動時間比率の双方を制御することもできる。

本実施例は、実施例１と同様のシステム構成で、電池制御装置１０が行なう制御方法のみが異なるため、当該制御方法についてのみ詳細に説明する。
本実施例に係る電池制御装置１０（本発明に係る制御手段に相当する）が行なう制御について、図４の制御ブロック図、図５の制御フローチャートを用いて説明する。

Ｓ１１では、前記電圧センサ３Ａ、３Ｂの検出信号に基づいて、セル１Ａ、１Ｂの残容量ＳＯＣ１、ＳＯＣ２を取得し、セル１ＡのＳＯＣ１とセル１ＢのＳＯＣ２との比率（ＳＯＣ比率）を算出する。かかるＳ１１が、本発明に係る残容量取得手段として機能する。

Ｓ１２では、ＳＯＣ比率の目標値（ここでは例えば５０％）と、Ｓ１１で算出されたＳＯＣ比率と、の偏差を求める。

Ｓ１３では、Ｓ１２で求めた偏差に基づいて、比例分、積分分（更には微分分）などを決定して比例積分（ＰＩ）制御或は比例積分微分（ＰＩＤ）制御を実行して、前記偏差を縮小するように、動作比率１にて電動補機４を駆動すると共に、動作比率１に基づいて動作比率２を求め、当該動作比率２にて電動補機５を駆動する。

このように、本実施例によれば、セル１Ａ、セル１ＢにＳＯＣバラツキがある場合に、ＳＯＣのバラツキが縮小されるように、電動補機の動作比率をフィードバック制御するようにしたので、セル１Ａ、セル１ＢのＳＯＣバラツキを無くしてＳＯＣを均等化することができ、以って電池セルの本来の使用可能容量を十分に利用することが可能となる

また、本実施例においても、実施例１と同様に、電動補機４と電動補機５を、前記セル１Ａ、１Ｂにそれぞれ並列に接続し、主電動機（走行用モータ）２の駆動に必要な高電圧より低い電圧で電動補機４と電動補機５を駆動可能な構成としたことで、従来のように電動補機４、５を主電動機２に適合された高電圧に対応するよう構成する必要がないため、或いはＤＣ−ＤＣコンバータ等を備え前記高電圧を所定に降圧して用いる必要等がないため、電動補機４、５を比較的低コストな構成とすることができる。また、比較的入手容易な電動補機を採用することが可能となるため、システムの品質、耐久性を向上させることができると共に製造コストを低く抑えることが可能となる。

なお、実施例１、２において、例えば、電動補機４と電動補機５を共通の電動エアコンなどとすることができるが、これに限らず、電動補機４と電動補機５をそれぞれ種類の異なる電動補機とすることも可能である。また、蓄電装置１を３以上のセルを直列接続する構成として、それに対応させて電動補機を３以上並列で接続することも可能である。

更に、実施例１、２において、図６に示すように、セル１Ａ、１Ｂを直並列に接続する構成とすることも可能である（図６中の符号１Ａ、１Ａ’、１Ｂ、１Ｂ’を参照）。

ところで、上記実施例１、２において、一方の電動補機４（或いは５）を所定の駆動状態に維持し、他方の電動補機５（或いは４）の駆動状態を変更することで、セル１Ａ、セル１ＢのＳＯＣバラツキを無くしてＳＯＣを均等化することもできる。

次に、本発明の実施例３に係る蓄電装置の制御装置について説明する。
本実施例に係る蓄電装置の制御装置は、図７に示すように、例えばハイブリッド車両（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）の主電動機（走行用モータ）１０２の駆動電源として利用される複数のセル１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃが直列に接続された蓄電装置（群電池）１００を含んで構成されている。

また、図７に示すように、セル１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃの電圧を検出する電圧センサ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃが備えられ、その検出信号は、蓄電装置１００の制御を行う電池制御装置１１０に入力されている。なお、電池制御装置１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、各種Ｉ／Ｆ等を含んで構成されている。

電動補機１０４は、切換回路１０６を介して、前記セル１０１Ａ、セル１０１Ｂ或いはセル１０１Ｃの何れかと並列に接続されるようになっている。
前記電動補機１０４及び前記切換回路１０６は、前記電池制御装置１１０に接続され、当該電池制御装置１１０によりその駆動が制御されるようになっている。

なお、本実施例に係る電動補機１０４は、前記セル１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃの何れかに並列に接続されることから、主電動機（走行用モータ）１０２の駆動に必要な高電圧（セル１０１Ａとセル１０１Ｂとセル１０１Ｃの合計電圧）より低い電圧で駆動可能に構成可能であり、よって従来のように電動補機１０４を主電動機１０２に適合された高電圧に対応させて構成する必要がないため、或いはＤＣ−ＤＣコンバータ等を備え前記高電圧を所定に降圧させてから用いるなどの必要がないため、電動補機１０４を比較的低コストな構成とすることができる。

ここで、本実施例に係る電池制御装置１１０（本発明に係る制御手段に相当する）が行なう制御について、図８の制御フローチャートを用いて説明する。

Ｓ１０１では、前記電圧センサ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃの検出信号に基づいて、セル１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃの残容量ＳＯＣ１、ＳＯＣ２、ＳＯＣ３を取得し、セル１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１ＣのＳＯＣバラツキを算出する。かかるＳ１０１が、本発明に係る残容量取得手段として機能する。

Ｓ１０２では、Ｓ１０１で算出されたＳＯＣバラツキを無くすように、電池制御装置１１０は、前記切換回路１０６を駆動して電動補機４の駆動源として接続するセルを切り換え制御する。当該Ｓ１２が、本発明に係る切換手段に相当する。

このように、本実施例によれば、セル１０１Ａ、セル１０１Ｂ、セル１０１ＣのＳＯＣバラツキを無くすように、電動補機１０４の駆動源として接続するセルをセル１０１Ａ、セル１０１Ｂ、セル１０１ＣのなかでＳＯＣの最も大きいものを選択して使用し、そのセルのＳＯＣを所定に低減させた後、そのときにＳＯＣが最も大きいものを今度は選択して使用し、そのセルのＳＯＣを所定に低減させるといった使用セルの切り換え制御を行うようにしたので、セル１０１Ａ、セル１０１Ｂ、セル１０１ＣのＳＯＣバラツキを無くしてＳＯＣを均等化することができ、以って電池セルの本来の使用可能容量を十分に利用することが可能となる

また、本実施例においては、電動補機１０４は、前記セル１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃの何れかに並列に接続されることから、主電動機（走行用モータ）１０２の駆動に必要な高電圧（セル１０１Ａとセル１０１Ｂとセル１０１Ｃの合計電圧）より低い電圧で駆動可能であり、従来のように電動補機４を主電動機２に適合された高電圧に対応するよう構成する必要がないため、或いはＤＣ−ＤＣコンバータ等を備え前記高電圧を所定に降圧して用いる必要等がないため、電動補機４を比較的低コストな構成とすることができる。また、比較的入手容易な電動補機を採用することが可能となるため、システムの品質、耐久性を向上させることができると共に製造コストを低く抑えることが可能となる。
以上で説明した各実施例は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

本発明の実施例１に係る蓄電装置の制御装置の全体構成を概略的に示す図である。 同上実施例に係る電池制御装置が行う制御を説明する制御ブロック図である。 同上実施例に係る電池制御装置が行う制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施例２に係る電池制御装置が行う制御を説明する制御ブロック図である。 同上実施例に係る電池制御装置が行う制御を説明するフローチャートである。 本発明の実施例１及び実施例２に係るセルを直並列に接続した構成例を示す図である。 本発明の実施例３に係る蓄電装置の制御装置の全体構成を概略的に示す図である。 同上実施例に係る電池制御装置が行う制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 蓄電装置（群電池）
１Ａ、１Ｂ 電池セル
１Ａ’、１Ｂ’電池セル
２ 主電動機（車両走行用モータ）
３Ａ、３Ｂ 電圧センサ
４ 電動補機
５ 電動補機
１０ 電池制御装置
１０１ 蓄電装置（群電池）
１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ 電池セル
１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃ 電圧センサ
１０４ 電動補機
１０６ 切換回路
１１０ 電池制御装置

Claims (4)

1. 電動機の駆動電源として利用される複数の電池セルが直列或いは直並列に接続された蓄電装置の制御装置であって、
   前記複数の電池セルのそれぞれ残容量を取得する残容量取得手段を備え、
   前記残容量取得手段により取得された残容量のバラツキを低減するように、少なくとも１つの電池セルに並列に接続されて電力供給を受ける電動補機の駆動を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする蓄電装置の制御装置。
2. 前記制御手段は、各電池セルに対応して並列に接続されて電力供給を受ける複数の電動補機の駆動を制御することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記複数の電動補機間における駆動比率或いは稼働時間比率の少なくも一方を変更することを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置の制御装置。
4. 前記制御手段は、電動補機が並列に接続されて電力供給を受ける電池セルを切り換える切換手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置の制御装置。
   

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