JP2015149802A - バッテリ制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の蓄電池を備え、充電容量の変動に応じて必要に応じて電力を補充できるバッテリの制御装置を提供する。
【解決手段】電力を蓄積及び供給する第1蓄電部と、電力を蓄積及び供給する第2蓄電部と、第1蓄電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、第2蓄電部の出力を電圧変換して、第1蓄電部の出力と合わせて出力する電圧変換部と、第1蓄電部の充電状態に基づいて、電圧変換部に前記第2蓄電部の出力電圧を変換させる制御部と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】電力を蓄積及び供給する第1蓄電部と、電力を蓄積及び供給する第2蓄電部と、第1蓄電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、第2蓄電部の出力を電圧変換して、第1蓄電部の出力と合わせて出力する電圧変換部と、第1蓄電部の充電状態に基づいて、電圧変換部に前記第2蓄電部の出力電圧を変換させる制御部と、を備える。
【選択図】図1
Description
この発明は、複数の異なる種類のバッテリを搭載したバッテリ制御装置及び制御方法に関する。
例えば電動車両(EV)で利用される蓄電池は、温度や内部抵抗等のさまざまな要因により電圧が変動する。電圧が低下すると蓄電池の出力が低下するため、第1の蓄電池に加え、さらに第2の蓄電池を備えて、第1の蓄電池の電圧変動を補うように構成した電源装置が知られている。
このような電源装置として、バッテリと蓄電部の直列回路と、蓄電部の充放電を行うように接続されたDC/DCコンバータと、スイッチとから構成され、力行運転により蓄電部が放電すれば、DC/DCコンバータにより蓄電部を充電する電源装置が知られている(特許文献1参照)。
前述の特許文献は例えば二次電池とキャパシタとにより構成される。キャパシタは充電容量が電圧の変化に対応しているため充放電制御を行いやすい。ここで、第1の蓄電池及び第2の蓄電池が両者とも二次電池である場合は、充電量による電圧変動が小さいため、充電容量の変化に対応させて互いに充放電を行うことが難しいという問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされてものであり、複数の蓄電池を備え、充電容量の変動に応じて必要に応じて電力を補充できるバッテリの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
本発明のある実施態様は、電力を蓄積及び供給する第1蓄電部と、電力を蓄積及び供給する第2蓄電部と、第1蓄電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、を備えるバッテリ制御装置に適用される。バッテリ制御装置は、第2蓄電部の出力を電圧変換して、第1蓄電部の出力と合わせて出力する電圧変換部と、第1蓄電部の充電状態に基づいて、電圧変換部に前記第2蓄電部の出力電圧を変換させる制御部と、を備える。
本発明によれば、第1蓄電部と第2蓄電部とを備える構成において、第1蓄電部の充電状態に基づいて、第2蓄電部の出力を電圧変換することで、第1蓄電部と第2蓄電部との出力を合わせて出力することができ、電池の使用効率を高めることができるので、バッテリ制御装置1の大型化、コストの増加を防止することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態のバッテリ制御装置1の構成を示す説明図である。
バッテリ制御装置1は、電圧変換回路2、第1電池100及び第2電池200を備えて構成されている。電圧変換回路2はコンバータ(DC−DCコンバータ)30及び反転回路40により構成される。電圧変換回路2は、第1電池100及び第2電池200の電力を互いに充放電させる機能を有する。
バッテリ制御装置1は、さらにインバータ20を備え、第1電池100及び第2電池200の電力によりモータ10を駆動する。
バッテリ制御装置1は、例えば車両に搭載され、モータ10により車両を駆動する。車両は、いわゆる電気自動車(EV)として構成される。
コンバータ(DC−DCコンバータ)30は、コンデンサC1、インダクタL1、スイッチング素子S5、S6、コンデンサC2、電流センサ31、電圧センサ32、33を備える。コンバータ30は、スイッチング素子S5、S6の断続によりインダクタL1及びコンデンサC2に蓄積された電力を放出することでバッテリ電圧を昇圧、降圧させる昇降圧コンバータとして機能する。
電流センサ31は、第2電池200の正極側の電流A1を検出する。電圧センサ32は、コンデンサC1の電圧V3を検出する。電圧センサ33は、コンデンサC2の電圧V2を検出する。
反転回路40は、Hブリッジ接続された4個のスイッチング素子S1、S2、S3、S4を備える。反転回路40は、各スイッチング素子S1、S2、S3、S4の開閉により、第1電池100、第2電池200及びコンバータ30の接続状態を切り換える。これにより、モータ10の回生電力により第1電池100及び第2電池200を充電すると共に、第1電池100及び第2電池200の電力を用いてモータ10を駆動する。
インバータ20は複数のスイッチング素子からなり、各スイッチング素子のON/OFFを制御することで、負荷であるモータ10を駆動させるための電力を供給するまた、各スイッチング素子のON/OFFを制御することで、モータ10が発電した電力を回生する。
第1電池100及び第2電池200は、例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池により構成される。第1電池100は、第2電池200と比較して充電容量が大きく構成される。第2電池200は、第1電池100と比較して容量は小さいが内部抵抗が小さく、出力が大きく構成される。第1電池100と第2電池200との電圧は同等に構成されている。
なお、第2電池200は、第1電池100と比較して容量は小さいが内部抵抗が小さく、出力が大きいものであればどのような構成でもよく、例えばニッケル水素電池を用いてもよい。電池の構成の一部をニッケル水素電池とすることにより、バッテリ制御装置1を安価にすることができる。
第1電池100及び第2電池200は、それぞれ充放電が行われることによりSOCが変化して、SOCの変化に対応してバッテリ電圧が変化する。一例として、第1電池100及び第2電池200は満充電時のバッテリ電圧が400Vであり、SOCの低下に伴ってバッテリ電圧が300Vまで低下する。
コントローラ50は、インバータ20、コンバータ30及び反転回路40の動作を制御する。コントローラ50は、これら各回路のスイッチング素子の開閉を制御することで、第1電池100及び第2電池200の充放電を制御する。
より具体的には、コントローラ50は、第1電池100の電圧を常に検出しており、電圧から第1電池100の充電状態(SOC)を検出する。コントローラ50は、充電状態に基づいて反転回路40及びコンバータ30を制御する。第1電池100のSOCが十分に大きい場合は、反転回路40のスイッチング素子S1及びS4をONとする。この場合は、第1電池100の電流のみが反転回路40を介してインバータ20に入力され、モータ10を駆動する。また、スイッチング素子S1及びS4を介して、モータ10の回生電力を第1電池100に充電することができる。
第1電池100のSOCが低下した場合、第2電池200の電力をモータ10の駆動に用いることができる。この場合、例えば、第1電池100の電圧が満充電時の400Vから350Vまで低下したとき、コントローラ50は、コンバータ30を制御して、第2電池200の電圧(例えば300V)を50Vまで降圧させる。この電圧をコンデンサC1に印加することで、第1電池の電圧と第2電池の電圧との和、すなわち400Vをインバータ20に出力することができる。
さらに、コントローラ50は、反転回路40を制御することにより、第1電池100が充電状態か放電常態かに関わらず、第2電池の充放電を行うことができる。例えば、第1電池100のSOCが十分でかつモータ10の出力が小さい場合は、第1電池100によりモータを駆動しながら、第1電池100の電力を第2電池200へと充電することができる。モータ10の出力が大きい場合は、第1電池100の電力に加え、第2電池200の電力をモータ10の駆動に用いることができる。
モータ10の回生電力により第1電池100及び第2電池200を充電することもできる。このとき、第2電池200が満充電状態である場合は、反転回路40によりインダクタL1を短絡することにより、インダクタにおける損失を発生させず。第1電池100への充電の効率を高めることができる。
次に、このように構成されたバッテリ制御装置1の動作を説明する。
図2から図7は、本実施形態のバッテリ制御装置1の動作を示す説明図である。
まず、第1電池100と第2電池200との双方の電力を用いてモータ10を駆動する場合を説明する。
図2は、本実施形態のバッテリ制御装置1において、モータ10を駆動する場合の説明図である。
第1電池100及び第2電池200を放電させ、これらの電力を用いてモータ10を駆動する場合は、コントローラ50は、反転回路40のスイッチング素子S1、S4を導通状態(ON)とし、スイッチング素子S2、S3を遮断状態(OFF)とする。この状態で、第1電池100の出力電力は、スイッチング素子S4、スイッチング素子S6のダイオード、インダクタL1、スイッチング素子S4を経由して、インバータ20に供給される。
このとき、コントローラ50は、第1電池100の電圧とインバータ20が要求する電圧とを比較し、コンバータ30を動作させて、第2電池200の電力をインバータ20に供給する。
コントローラ50は、コンデンサC1における電圧V3と、コンデンサC2における電圧V2と、電流センサ31における電流A1とに基づいて、スイッチング素子S5のON/OFFのデューティー比を制御する。スイッチング素子S5をON/OFFすることにより、インダクタL1の誘導電流をコンデンサC1に充電する。コンデンサC1の電力は、スイッチング素子S1を介してインバータに供給される。
このように、第1電池100のSOCの変動(低下)に応じて第2電池200の出力を制御しながらインバータ20に出力することにより、特性の異なる複数の電池を用いても、負荷であるモータ10を効率よく駆動させることができる。
図3は、本実施形態のバッテリ制御装置1において、モータ10の回生により第1電池100を充電する場合の説明図である。
モータ10を回生させ、インバータ20からの出力を第1電池100に充電する場合は、コントローラ50は、反転回路40のスイッチング素子S2、S3をONとし、スイッチング素子S1、S4をOFFとする。この状態で、インバータ20の出力電力は、スイッチング素子S2、スイッチング素子S6のダイオード、インダクタL1、スイッチング素子S3を経由して、第1電池100を充電する。
ここで、第2電池200のSOCが十分に大きい場合は、第2電池200の電力を第1電池100に充電することもできる。この場合、コントローラ50は、第1電池100の電圧を検出し、コンバータ30を動作させて、第2電池200の電力を第1電池100に供給する。
コントローラ50は、コンデンサC1における電圧V3と、コンデンサC2における電圧V2と、電流センサ31における電流A1とに基づいて、スイッチング素子S5のON/OFFのデューティー比を制御する。スイッチング素子S5をON/OFFすることにより、インダクタL1の誘導電流をコンデンサC1に充電する。
このように、モータ10の回生電力により第1電池100を充電する場合に、第2電池200の出力を制御しながら第1電池100に出力することにより、特性の異なる複数の電池においても効率よく充電させることができる。
図4は、本実施形態のバッテリ制御装置1において、モータ10の回生により第1電池100及び第2電池200を充電する場合の説明図である。
モータ10を回生させ、インバータ20からの出力を第1電池100及び第2電池200に充電する場合は、コントローラ50は、反転回路40のスイッチング素子S1、S4をONとし、スイッチング素子S2、S3をOFFとする。この状態で、インバータ20の出力電力は、スイッチング素子S1のダイオード、インダクタL1、スイッチング素子S6、スイッチング素子S4を経由して、第1電池100を充電する。
このとき、コントローラ50は、コンデンサC1における電圧V3と、コンデンサC2における電圧V2と、電流センサ31における電流A1とに基づいて、スイッチング素子S6のON/OFFのデューティー比を制御する。スイッチング素子S6をON/OFFすることにより、インダクタL1の誘導電流をコンデンサC2に充電する。
このように、モータ10の回生電力を制御して第2電池200に充電させるとともに、第1電池100を充電させることにより、特性の異なる複数の電池においても効率よく充電させることができる。
図5は、本実施形態のバッテリ制御装置1において、モータ10を駆動する場合の説明図である。
第1電池100を放電させて、第1電池100の電力を用いてモータ10を駆動するとともに、第2電池200を充電する場合は、コントローラ50は、反転回路40のスイッチング素子S2、S3をONとし、スイッチング素子S1、S4をOFFとする。この状態で、第1電池100の出力電力は、スイッチング素子S3、インダクタL1、スイッチング素子S6、スイッチング素子S2を経由して、インバータ20に供給される。
このとき、コントローラ50は、コンデンサC1における電圧V3と、コンデンサC2における電圧V2と、電流センサ31における電流A1とに基づいて、スイッチング素子S6のON/OFFのデューティー比を制御する。スイッチング素子S6をON/OFFすることにより、インダクタL1の誘導電流をコンデンサC2に充電する。コンデンサC2の電力が、第2電池200を充電する。
このように、第1電池100を放電させてインバータ20に出力するとともに、第2電池200を充電させることで、特性の異なる複数の電池を用いても、負荷であるモータ10を効率よく駆動させることができる。
図6は、本実施形態のバッテリ制御装置1において、モータ10を駆動する場合の説明図である。
第1電池100を放電させて、第1電池100の電力のみを用いてモータ10を駆動する場合は、コントローラ50は、反転回路40のスイッチング素子S1、S2をONとし、スイッチング素子S3、S4をOFFとする。この状態で、第1電池100の出力電力は、スイッチング素子S3のダイオード、スイッチング素子S1を経由して、インバータ20に供給される。
この場合は、第1電池100の出力は、インダクタL1を経由しないので、インダクタによる銅損を発生させることがない。
このように、第1電池100のみを放電させてインバータ20に出力する場合に、負荷であるモータ10を効率よく駆動させることができる。
図7は、本実施形態におけるモータ10を駆動する場合のコントローラ50の動作のフローチャートである。
コントローラ50は、第1電池100の電圧及び第2電池200の電圧を取得し、これらに基づいて第1電池100及び第2電池200への制御を決定する。
処理が開始され、ステップS10において、コントローラ50は、まず第1電池100の電圧が所定の閾値以下であるか否かを判定する。この閾値は、第1電池100の出力によりインバータ20を動作させることができる十分な電圧に設定される。
ステップS10の判定がYesであればステップS20に移行する。NoであればステップS40に移行する。
ステップS20では、コントローラ50は、第2電池200の電圧が所定の閾値以下であるか否かを判定する。この閾値も同様に、第2電池200の出力によりインバータ20を動作させることができる十分な電圧に設定される。
ステップS20の判定がYesであればステップS30に移行する。NoであればステップS60に移行する。
ステップS30では、第1電池100及び第2電池200を放電させたときの出力がインバータ20を動作させるのに十分ではないが、まず第1電池100の電力を優先してインバータ20に供給する。このとき、可能であればモータ10の回生電力を第1電池100に充電する。
ステップS60では、第1電池100のみの出力ではインバータ20を動作させるのに不十分であるが、第2電池200の出力によりインバータ20を動作させることができる。そこで、コントローラ50は、第1電池100と第2電池200とを放電させて、第1電池100の出力と第2電池200の出力とをインバータに供給する。これによりモータ10を駆動する(図2の制御)。
ステップS40では、コントローラ50は、第2電池200の電圧が所定の閾値以下であるか否かを判定する。
ステップS40の判定がYesであればステップS50に移行する。NoであればステップS70に移行する。
ステップS50では、第1電池100の出力がインバータ20を動作させるのに十分である。この場合は、コントローラ50は、第1電池100の出力をインバータ20に供給するとともに、第2電池200の充電も行う(図5の制御)。
ステップS70では、第1電池100の出力がインバータ20を動作させるのに十分であり、第2電池200を充電する必要がない。この場合は、コントローラ50は、第1電池100の出力のみをインバータ20に供給する(図6の制御)。
コントローラ50は、このような制御により、第1電池100及び第2電池200の出力を合わせてインバータ20に出力することができ、インバータ20を動作させるために必要な所定電圧となるように出力を制御できるので、第1電池100及び第2電池200のいずれか一方の充電容量が低下したとしても、互いに充電容量を補完しながら、効率よくインバータを駆動することができる。
このように、本発明の第1実施形態のバッテリ制御装置1は、第1電池100と第2電池200とを備え、これらの間を反転回路40及びコンバータ30を介して直列に接続した。反転回路40の切換により、第1電池100の電力に加えて第2電池の電力をモータ10に供給したり、第1電池100と第2電池200との間で互いに電力を授受させることが可能となる。
第1実施形態では、このような構成により、特性の異なる第1電池100と第2電池200との間で電圧を制御してインバータ20に供給して、モータ10を効率よく駆動することができる。これにより、電池の使用効率を高めることができると共に、バッテリ制御装置1の大型化、コストの増加を防止することができる。
特に、第1電池100を高容量の電池とし、第2電池を高出力の電池とすることで、互いの電池の特性を補完し合うことができるので、バッテリ制御装置全体としての電池の使用効率を高めることができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態のバッテリ制御装置1を説明する。第2実施形態において、基本構成は第1実施形態と同様であり、また、第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
次に、本発明の第2実施形態のバッテリ制御装置1を説明する。第2実施形態において、基本構成は第1実施形態と同様であり、また、第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図8は、本発明の第2実施形態のバッテリ制御装置1の構成を示す説明図である。
第2実施形態では、第1実施形態のコンバータ30に代えて、スイッチング素子と絶縁トランス135とによる絶縁型コンバータ35として構成した。
絶縁型コンバータ35は、スイッチング素子S11、S12、S13、S14からなる一次側Hブリッジ131と、スイッチング素子S7、S8、S9、S10からなる二次側Hブリッジ132と、絶縁トランス135と、から構成される。
このような構成において、第2電池を放電又は充電する場合、コントローラ50は、二次側Hブリッジ132のスイッチング素子S7、S10の対と、スイッチング素子S8、S9の組とを交互にON/OFFすることにより、絶縁トランスに交流電流と逆起電力を発生させる。このとき同時に、一次側Hブリッジ131のスイッチング素子S11、S14の対と、スイッチング素子S12、S13の組とを交互にON/OFFすることにより、コンデンサC1に直流電流と発生させることができる。
このとき、コンデンサC1の電圧V3と、コンデンサC2の電圧V2と電流A1とに基づいて、一次側Hブリッジ131と二次側Hブリッジ132とのスイッチング素子のON/OFFのデューティー比を制御する。これにより、絶縁トランス135の誘導電流をコンデンサC2に充電することができる。
なお、反転回路40の制御は第1実施形態と同様である。
このようにして、絶縁型コンバータ35を用いることによっても、同様に二種類の第1電池100と第2電池200とを互いに充放電させながらモータ10を駆動することができる。
特に、第2実施形態では、絶縁型コンバータ35とすることにより、大容量の第2電池200を、これを制御する制御回路から絶縁構造とできる。これにより、バッテリ制御装置1の全体の絶縁設計を簡素化することができる。
より具体的には、第1実施形態では、バッテリ制御装置1の全体の接地電位に対して、第1電池100と第2電池200を合計した電圧が第2電池200の正極に発生するため、絶縁設計を高める必要がある。これに対して、絶縁型コンバータ35を用いることで、第2電池200単体の電圧のみの絶縁設計とすることができるので、バッテリ制御装置1の構成を安価とすることができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態のバッテリ制御装置1を説明する。第2実施形態において、基本構成は第1実施形態と同様であり、また、第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態のバッテリ制御装置1を説明する。第2実施形態において、基本構成は第1実施形態と同様であり、また、第1実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図9は、本発明の第2実施形態のバッテリ制御装置1の構成を示す説明図である。
第3実施形態は図1に示す第1実施形態のバッテリ制御装置1の変形例であり、反転回路40を備えない構成である。
このように構成した場合、第1電池100に直列に説属された第2電池200に対する電力の反転が行えない。従って、モータ10を駆動する場合にのみ第2電池200を放電することができ(図2の制御と同様)、モータ10が回生するときのみ第2電池を充電することができる(図4の制御と同様)。
第3実施形態では、反転回路40を備えないので、スイッチング素子等の構成が簡素となり、より安価にバッテリ制御装置1を構成することができる。
C1、C2 コンデンサ
L1 インダクタ
S1、S2、S3、S4 スイッチング素子(第1スイッチング素子)
S5、S6 スイッチング素子(第2スイッチング素子)
1 バッテリ制御装置
2 電圧変換回路(電圧変換部)
10 モータ
20 インバータ
30 コンバータ
31 電流センサ
32、33 電圧センサ
40 反転回路
50 コントローラ(制御部)
100 第1電池(第1蓄電部)
135 絶縁トランス
200 第2電池(第2蓄電部)
L1 インダクタ
S1、S2、S3、S4 スイッチング素子(第1スイッチング素子)
S5、S6 スイッチング素子(第2スイッチング素子)
1 バッテリ制御装置
2 電圧変換回路(電圧変換部)
10 モータ
20 インバータ
30 コンバータ
31 電流センサ
32、33 電圧センサ
40 反転回路
50 コントローラ(制御部)
100 第1電池(第1蓄電部)
135 絶縁トランス
200 第2電池(第2蓄電部)
Claims (10)
- 電力を蓄積及び供給する第1蓄電部と、
電力を蓄積及び供給する第2蓄電部と、
前記第1蓄電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、
前記第2蓄電部の出力を電圧変換して、前記第1蓄電部の出力と合わせて出力する電圧変換部と、
前記第1蓄電部の充電状態に基づいて、前記電圧変換部に前記第2蓄電部の出力電圧を変換させる制御部と、
を備えることを特徴とするバッテリ制御装置。 - 前記制御部は、前記第1蓄電部の出力と前記第2蓄電部の出力とを合わせて所定の電圧となるように前記電圧変換部を制御することを特徴とする請求項1に記載のバッテリ制御装置。
- 前記電圧変換部は、前記第1蓄電部と前記第2蓄電部との間で入出力を変換する反転部を備え、
前記制御部は、前記反転部を制御して、
前記第2蓄電部の電力を前記第1蓄電部に出力する、又は、前記第1蓄電部の電力を前記第2蓄電部に出力することを特徴とする請求項1又は2に記載のバッテリ制御装置。 - 前記制御部は、前記反転部を制御するとともに、前記電圧変換部を制御して、前記第1蓄電部の電圧を変換して前記第2蓄電部に出力させることを特徴とする請求項3に記載のバッテリ制御装置。
- 前記制御部は、前記反転部を制御して、前記第1蓄電部の電力のみを出力させることを特徴とする請求項3又は4に記載のバッテリ制御装置。
- 前記反転部は、複数の第1スイッチング素子を備え、
前記制御部は、前記第1スイッチング素子の導通状態を制御して、前記反転部の導通の向きを制御することを特徴とする請求項3から5のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。 - 前記電圧変換部は、複数の第2スイッチング素子と、インダクタとを備え、
前記制御部は、複数の前記スイッチング素子の導通状態を制御して、前記インダクタの誘導電流により前記第2蓄電部の電圧変換を行うことを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。 - 前記第2スイッチング素子は、複数の一次側スイッチング素子と、複数の二次側スイッチング素子とからなり、
複数の前記一次側スイッチング素子と前記二次側スイッチング素子との間に介装される絶縁トランスを備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。 - 前記制御部は、前記第1蓄電部の出力及び前記第2蓄電部の出力を合わせて、インバータ及び電動機から成る負荷に出力させることを特徴とする請求項1から8に記載のバッテリ制御装置。
- 電力を蓄積及び供給する第1蓄電部と、電力を蓄積及び供給する第2蓄電部と、前記第1蓄電部の充電状態を検出する充電状態検出部と、前記第2蓄電部の出力を電圧変換する電圧変換部と、からなるバッテリ制御装置のバッテリ制御方法であって、
前記第1蓄電部の充電状態に基づいて、前記電圧変換部に前記第2蓄電部の出力電圧を変換させ、
前記第2蓄電部の出力を、前記第1蓄電部の出力と合わせて出力させる
ことを特徴とするバッテリ制御方法。
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