JP2010220323A - 二次電池パック、および、モータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】電池温度、モータ回転数、電池の充電量、ブレーキ操作量などを用いて電力変換手段のデューティ比を制御し、回生電流を最適化することが可能な、二次電池パックおよびモータ制御システムを提供する。
【解決手段】一または複数の二次電池ＢＴと、二次電池ＢＴの電池状態を検出する検出手段１４、１５、１６と、検出手段１４、１５、１６から取得された電池状態の値が供給される電池制御手段１１と、モータ２１と、モータ２１を駆動する電力変換手段２２と、モータ２１の回転数を検出するためのモータ位置検出手段２５と、電池状態に基づく二次電池ＢＴに供給される回生電流の最適値と、モータ２１の回転数とから、ファジィ推論により電力変換手段２２のデューティ比を算出する演算手段１１Ａと、算出手段１１Ａより算出されたデューティ比となるように電力変換手段２２を制御するモータ制御手段２３と、を備えるモータ制御システム。
【選択図】図１

Description

本発明は二次電池パックおよびモータ制御システムに関する。

例えば、電動アシスト自転車には、複数の二次電池を備える二次電池パックと、二次電池パックから駆動電力を供給されるとともに、二次電池パックに回生電流を供給可能なモータ制御システムが搭載されている。

モータにより、電動アシスト自転車を駆動する場合には、二次電池パックからモータに駆動電力が供給される。モータが外力により回転している場合には、モータから二次電池パックに回生電流が供給される。

従来、モータ駆動システムは、モータ駆動用電力変換手段を回生モードで制御する際に、モータ制御回路がモータ回転数から回生電流を最大にするように電力変換手段の電流位相を調整されていた。

また、従来、電動機が発生した電圧に基づいて、電力変換手段により回生電力を制御する技術（特許文献１参照）が提案されている。

特開２００６−１５８０２５号公報

しかしながら、回生電流を最適化するためには、二次電池パックの温度や充電量、ブレーキ操作量なども含めて演算する必要があり、モータ制御回路での演算量が多くなり、制御用ＣＰＵ（central processing unit）の高速化などが必要となっていた。

上記従来の技術では、二次電池パックはモータを駆動するモータ制御回路に電源を供給するだけであり、モータ制御回路は、電動機で発生する電圧値だけを使用して回生電流の制御を行っていた。

このため、二次電池パックの状態が考慮されず、二次電池パックが受容可能な回生電流に関わりなく回生電流を供給する場合があった。また、回生電流を最適化しようとすると、電動機で発生する電圧値の他、電池温度、電池充電量、ブレーキ操作量、回生電流限度などを考慮した演算を実施する必要があり，アルゴリズムが複雑化することから能力が高いＣＰＵを使用する必要があった。

本発明は上記事情を鑑みて成されたものであって、電池温度、モータ回転数、電池の充電量、ブレーキ操作量などを用いて電力変換手段のデューティ比を制御し、回生電流を最適化することが可能な、二次電池パックおよびモータ制御システムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様によるモータ制御システムは、一または複数の二次電池と、前記二次電池の電池状態を検出する検出手段と、前記検出手段から取得された電池状態の値が供給される電池制御手段と、モータと、前記モータを駆動する電力変換手段と、前記モータの回転数を検出するためのモータ位置検出手段と、前記電池状態に基づく前記二次電池に供給される回生電流の最適値と、前記モータの回転数とから、ファジィ推論により前記電力変換手段のデューティ比を算出する演算手段と、前記算出手段より算出されたデューティ比となるように前記電力変換手段を制御するモータ制御手段と、を備えるモータ制御システムである。

本発明の第２態様による二次電池パックは、一または複数の二次電池と、前記二次電池の電池状態を検出する検出手段と、前記検出手段から取得された電池状態の値が供給される電池制御手段と、前記電池制御手段と、モータ駆動システムとの間で通信可能な通信手段と、を備え、前記電池制御手段は、前記電池状態に基づく前記二次電池に供給される回生電流の最適値と、前記モータ駆動システムから取得されたモータの回転数とから、ファジィ推論により前記電力変換手段のデューティ比を算出する演算手段を備え、前記通信手段は、前記算出手段より算出されたデューティ比を前記モータ駆動システムに送信する手段を備える二次電池パックである。

本発明によれば、電池温度、モータ回転数、電池の充電量、ブレーキ操作量などを用いて電力変換手段のデューティ比を制御し、回生電流を最適化することが可能な、二次電池パックおよびモータ制御システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るモータ制御システムの一構成例を示す図である。 図１に示すモータ制御システムのスイッチング回路の一構成例を示す図である。 モータが一定回転数で回転している際のスイッチング回路のある相のＦＥＴのデューティ比に対する回生電流の大きさの一例を示す図である。 モータの回転数に対する回転電流の大きさの一例を示す図である。 モータの回転数と、回生電流が最大になるデューティ比の関係を説明するための図である。 ファジィ推論の方法の一例を説明するための図である。 ファジィ推論の制御ルールが複数存在する場合の一例を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係るモータ制御システムの一構成例を図１に示す。本実施形態に係るモータ制御システムは、例えばハイブリッド自動車や電動アシスト自転車の走行に使用されるモータ制御システムである。

本実施形態に係るモータ制御システムは、電池パック１００とモータ駆動システム２００を備えている。電池パック１００は、直列に接続された複数の二次電池ＢＴ、電池制御回路１１、充放電制御回路１２、通信回路１３、電流検出回路１４、電圧検出回路１５、および、温度測定回路１６を備えている。

充放電制御回路１２は、複数の二次電池ＢＴの充電および放電の動作を制御する。電流検出回路１４は、複数の二次電池ＢＴに流れる電流を検出し、検出された電流の値を電池制御回路１１に供給する。電圧検出回路１５は、各二次電池ＢＴの電圧を検出し、検出された電圧の値を電池制御回路１１に供給する。温度測定回路１６は、二次電池ＢＴ近傍の温度を測定し、測定された温度の値を電池制御回路１１に供給する。通信回路１３は、電池制御回路１１から供給された値をモータ駆動システム２００に送信する。

モータ駆動システム２００は、モータ２１、モータ２１を駆動する電力変換手段と、スイッチング回路２２のオン／オフを制御するモータ制御回路２３、通信回路２４、および、モータ２１の回転子の位置を検出する回転位置センサ２５を備えている。

通信回路２４は、電池パック１００の通信回路１３から送信された値を受信して、モータ制御回路２３に供給する。回転位置センサ２５で検出された回転子の位置は、モータ制御回路２３に供給される。モータ制御回路２３は、供給された回転子の位置からモータの回転数を取得する。

電力変換手段は、図１に示すスイッチング回路２２を備えている。スイッチング回路２２はスイッチング素子としてＦＥＴ（field effect transistor）２２０を備えている。図２に、モータ２１およびスイッチング回路２２を示す。スイッチング回路２２はモータ制御回路２３によって制御されている。

各相の上下に配置されたＦＥＴ２２０をオン／オフさせることで、モータ２１の巻き線に接続されている端子に供給される電流が制御される。各ＦＥＴ２２０は、所定の周期でＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されている。各ＦＥＴが制御されるＰＷＭの周期に対してＦＥＴ２２０がオンしている時間をデューティ比と呼ぶ。

モータ制御回路２３は、ＦＥＴ２２０のオン／オフを制御することにより、スイッチング回路２２のデューティ比を制御する。

図１に示すモータ制御システムでは、モータ２１からの回生電流も制御することが可能である。モータ２１が外力で回転させられている際に、スイッチング回路２２を制御することで、二次電池パック１００に対して回生電流を流すことが可能である。

図３にモータ２１が一定回転数で回転している際の、スイッチング回路２２のある相のＦＥＴ２２０のデューティ比に対する回生電流の大きさの一例を示す。図３に示すように、デューティ比を上げていくに従って、回生電流も大きくなるが、あるデューティ比を超えると回生電流は減少する。

回生電流は、図４に示すようにモータ２１の回転数が高い程大きくなる。さらに、モータ２１の回転数に対して回生電流が最大になるデューティ比は変化し、図５に示すようにモータ２１の回転数が高くなるほど、小さいデューティ比で最大の回生電流が得られる。

ここで、回生電流を最適にするように制御するためには、モータ制御回路２３は上記の特性に合わせた制御を行う必要があり、そのアルゴリズムが複雑になることから高い処理能力をもつＣＰＵを使用する必要があった。

さらに、回生電流の制御のためには電池パック１００内の二次電池ＢＴの充電状態や電池温度も考慮する必要があるほか、電動自転車などの応用ではブレーキの操作量をも考慮する必要があり、さらにアルゴリズムが複雑となる。

そこで、本実施形態に係るモータ制御システムでは、上記の制御を容易に実施するとともに、制御規則が追加された場合にでも容易に対応できるようにファジィ制御を応用した方法を適用している。

ファジィ制御では、人間のオペレータの知識をｉｆ−ｔｈｅｎ型式の制御規則として使用する。ただし、ｉｆ−ｔｈｅｎ規則の条件部、結論部にファジィ集合を記述することができる。

以下、ファジィ推論の方法について簡単に説明する。ルール１として「ｉｆ（Ｘ１＝Ａ）ａｎｄ（Ｘ２＝Ｂ）ｔｈｅｎ（ｙ＝Ｃ）」というルールについて考える。ここで、Ｘ１、Ｘ２はそれぞれ独立した入力であり、ｙは出力、Ａ、Ｂは、条件部のファジィ集合を表し、Ｃは結論部のファジィ集合を表す。

ルール１は、「Ｘ１がＡであり、かつ、Ｘ２がＢならば、出力ｙをＣにせよ」というものである。このルール１を適用した方法を図６に示す。図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すカーブは、ファジィ集合のメンバシップ関数を示している。

例えば、図６（Ａ）の入力値Ｘ１に対応する値αＸ１は、Ｘ１がファジィ集合Ａに属する程度、すなわちメンバシップ値を示している。図６（Ｂ）の入力Ｘ２についても同様に、Ｘ２がファジィ集合Ｂに属する程度を示すβＸ２が求められる。図６に示すように、メンバシップ値αＸ１、βＸ２は０以上１以下の値をもつ。

出力ｙを求めるには、αＸ１とβＸ２のうちの最小の値を求め（ＭＩＮ演算）、その最小の値で出力のファジィ集合ＲＣを切り取り（図６に示す場合では、出力を示す図６（Ｃ）の斜線部）、このファジィ集合ＲＣの重心Ｇ１の位置に対応するｙの値が出力となる。

制御ルール１が複数ある場合にはそれぞれの結論部の切り取られたファジィ集合の論理和をとり、その重心に対応する値が出力ｙとなる。例えば、図７に示すように、制御ルール１と制御ルール２がある場合、制御ルール１の結論部Ｒ１と制御ルール２の結論部Ｒ２との論理和をとり、その領域Ｒ３（結論部Ｒ１と結論部Ｒ２との重複する領域）の重心Ｇ２に対応する値が出力ｙとなる。

ここで、電池制御回路１１は、上記の演算を適用して、例えば、ｉｆ（モータ回転数＝Ａ）ａｎｄ（回生電流＝Ｂ）ｔｈｅｎ（デューティ比＝Ｃ）の演算を行う演算手段１１Ａを備えている。

具体的には、演算手段１１Ａは、モータ制御回路２３から通信回路２４経由でモータ２１の回転数情報を受信し、電流検出回路１４および電圧検出回路１５から得られる二次電池ＢＴの充電状態情報や、温度測定回路１６から得られる電池温度などの情報を基にして許容可能な最適な回生電流を決定する。最適な回生電流の値は、二次電池ＢＴの特性に応じて決定される。

二次電池ＢＴの最適な回生電流は、モータ２１から得られる最大の回生電流とは限らない。二次電池ＢＴの充電状態によっては、モータ２１からの回生電流が大きすぎると二次電池ＢＴが過充電となることがある。

本実施形態に係るモータ制御システムでは、二次電池ＢＴの温度や充電量等の情報をもつ電池制御回路１１が、モータ制御回路２３からモータ回転数情報を受信することで、モータ制御回路２３にスイッチング回路２２の駆動情報を与えるようにしている。そのため、本実施形態に係るモータ制御システムでは、二次電池ＢＴには最適な値の回生電流が供給されることになる。

さらに、演算手段１１Ａはで、上記のファジィ演算を使用することにより、スイッチング回路２２のデューティ比の演算を容易にしているため、演算処理を高速に行なう必要がなくなる。上記のようにファジィ演算された値を通信回路１３、２４経由でモータ制御回路２３へ送信することで、モータ制御回路２３は最適な回生電流が発生するようにスイッチング回路２２を制御することが可能となる。

上記のように、本実施形態に係るモータ制御システムによれば、高速な演算処理を行なわずに、二次電池ＢＴの状態を考慮してスイッチング回路２２のデューティ比を制御し、回生電流を最適化することができる。

また、図１には示していないが、ブレーキの操作量や道路の勾配の値を入力し、回生電流の演算方法を修正することが想定される。その場合にでも、上記に説明したように本願の方法では新たな制御ルールの追加が容易である。

また、新たな制御ルールを追加する場合であっても、以前の制御方法を変更する必要がないため、ソフトウェアの変更が容易である。また、ファジィ演算は制御演算が容易であり、能力が低いマイクロプロセッサでも演算可能である。

すなわち、本実施形態に係るモータ制御システムによれば、電池温度、モータ回転数、電池の充電量、ブレーキ操作量などを用いてモータ２１を制御し、回生電流を最適化することが可能な、二次電池パックおよびモータ制御システムを提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、図１に示す場合では、電池制御回路１１が、ファジィ演算する演算手段１１Ａを備えていたが、モータ制御回路２３がファジィ演算する演算手段を備えていてもよい。

この場合には、モータ制御回路２３の演算手段は、電池制御回路１１から電池パック１００の充電状態情報や温度情報などを、通信回路１３、２４経由で受信し、モータ２１の回転位置センサ２５からの回転数情報などを基にして、モータ制御回路２３でファジィ演算を実行する。

このことで、回生電流が最適となるようにスイッチング回路２２のデューティ比を制御することが可能になり、上記実施形態に係るモータ制御システムと同様の効果を得ることができる。この場合でも、新たな制御ルールの追加を容易にできることは，上記実施形態に係るとモータ制御システムと同様である。

また、図１に示すモータ制御システムでは、電池パック１００とモータ駆動システム２００との間で通信回路１３、２４によりモータ２１の情報や電池状態を送受信していたが、電池パック１００とモータ駆動システム２００とが一体に構成されていても良い。その場合であっても、上述の実施形態に係るモータ制御システムと同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

ＢＴ…二次電池、１１…電池制御回路、１１Ａ…演算手段、１３…通信回路、２４…通信回路、１４…電流検出回路、１５…電圧検出回路、１６…温度測定回路、２１…モータ、２２…スイッチング回路（電力変換手段）、２３…モータ制御回路、２５…回転位置センサ。

Claims (5)

1. 一または複数の二次電池と、
   前記二次電池の電池状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段から取得された電池状態の値が供給される電池制御手段と、
   モータと、
   前記モータを駆動する電力変換手段と、
   前記モータの回転数を検出するためのモータ位置検出手段と、
   前記電池状態に基づく前記二次電池に供給される回生電流の最適値と、前記モータの回転数とから、ファジィ推論を用いて前記電力変換手段のデューティ比を算出する演算手段と、
   前記算出手段より算出されたデューティ比となるように前記電力変換手段を制御するモータ制御手段と、を備えるモータ制御システム。
2. 前記演算手段は、前記電池制御手段に含まれる請求項１記載のモータ制御システム。
3. 前記演算手段は、前記モータ制御手段に含まれる請求項２記載のモータ制御システム。
4. 前記検出手段は、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記二次電池に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記二次電池近傍の温度を測定する温度測定手段と、を備える請求項１記載のモータ制御システム。
5. 一または複数の二次電池と、
   前記二次電池の電池状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段から取得された電池状態の値が供給される電池制御手段と、
   前記電池制御手段と、モータ駆動システムとの間で通信可能な通信手段と、を備え、
   前記電池制御手段は、前記電池状態に基づく前記二次電池に供給される回生電流の最適値と、前記モータ駆動システムから取得されたモータの回転数とから、ファジィ推論により前記電力変換手段のデューティ比を算出する演算手段を備え、
   前記通信手段は、前記算出手段より算出されたデューティ比を前記モータ駆動システムに送信する手段を備える二次電池パック。

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