JP2017117756A

JP2017117756A - 制御方法及び制御装置

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Publication number: JP2017117756A
Application number: JP2015255158A
Authority: JP
Inventors: 吉広枝本; Yoshihiro Edamoto
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2017-06-29
Also published as: WO2017110478A1

Abstract

【課題】使用条件に応じた電力がバッテリに入出力されやすい制御方法及び制御装置を提供する。【解決手段】本発明に係る制御方法は、所定時間入力することにより、バッテリ（１１１）の温度がバッテリ（１１１）に設定された上限温度に達する上限温度到達電力に基づいて、バッテリ（１１１）に対する入出力電力を算出する算出ステップと、算出した入出力電力に基づいて入出力可能電力を決定し、決定した入出力可能電力に基づいてバッテリ（１１１）に入出力する電力を決定する決定ステップと、決定した電力でバッテリ（１１１）の充放電を制御する制御ステップとを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、制御方法及び制御装置に関する。

二次電池（バッテリ）の充電において、バッテリに所定以上の電力を入力すると、バッテリ内において電解液の還元分解が発生し、バッテリが劣化することが知られている。この問題は、特にバッテリの温度が高くなるほど、発生しやすい。また、バッテリに所定以上の電力を入力し続けると、熱暴走する可能性も高くなる。このような問題に対し、従来、バッテリ温度を測定し、バッテリ温度に応じて入出力する電力の上限値を決定する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２１９５１０号公報

ところで、二次電池に入出力可能な電力の上限値は、時間の経過による使用条件の変化とともに変化する。そのため、使用条件の変化に合わせた入出力可能電力の上限値を得ることができれば、バッテリの劣化が発生しにくい状態を維持しつつ、可能な限り大きな電力をバッテリに入力しやすくなる。

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、使用条件に応じた電力がバッテリに入出力されやすい制御方法及び制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の観点に係る制御方法は、
所定時間入力することにより、バッテリの温度が該バッテリに設定された上限温度に達する上限温度到達電力に基づいて、前記バッテリに対する入出力電力を算出する算出ステップと、
前記算出した入出力電力に基づいて入出力可能電力を決定し、該決定した入出力可能電力に基づいて前記バッテリに入出力する電力を決定する決定ステップと、
前記決定した電力で前記バッテリの充放電を制御する制御ステップとを含む。

また、第２の観点に係る制御方法において、
前記算出ステップは、前記バッテリが現在の温度を維持可能な温度維持電力及び前記上限温度到達電力の和と、前記バッテリの内部抵抗とに基づいて算出される電流に基づき、前記入出力電力を算出する。

また、第３の観点に係る制御方法は、
前記バッテリが電力を供給して運転を行う被駆動装置の運転条件に基づき、前記所定時間を決定するステップをさらに含む。

また、第４の観点に係る制御方法において、
前記算出ステップは、前記バッテリに設定された上下限電圧に基づいて、前記入出力電力とは異なる他の入出力電力をさらに算出し、
前記決定ステップは、前記入出力電力と前記他の入出力電力とのセレクトローにより、前記入出力可能電力を決定する、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の制御方法。

また、第５の観点に係る制御装置は、
バッテリに設定された上限温度を記憶する記憶部と、
所定時間入力することにより、バッテリの温度が前記上限温度に達する上限温度到達電力に基づいて、前記バッテリに対する入出力電力を算出し、該算出した入出力電力に基づいて入出力可能電力を決定し、該決定した入出力可能電力に基づいて前記バッテリに入出力する電力を決定し、該決定した電力で前記バッテリの充放電を制御する制御部とを備える。

第１の観点に係る制御方法によれば、バッテリの温度が上限温度に達する電力を使用して入出力電力を算出し、算出した入出力電力を入出力可能電力として決定する。そのため、この制御方法によれば、バッテリの温度が上限温度を超えないようにしながら、可能な限り大きな電力を入力可能電力と決定できる。従って、バッテリの温度に応じて入力可能電力が決定され、入力可能電力に基づいてバッテリに電力が入力されるため、使用条件に応じた電力がバッテリに入力されやすくなる。

また、第２の観点に係る制御方法によれば、バッテリで熱に変換されるために必要な電流に基づいて入出力電力を算出する。バッテリで熱に変換されるために必要な電流は、バッテリの温度が上限温度に達する電力とバッテリが現在の温度を維持可能な電力との和と、バッテリの内部抵抗とに基づいて算出される。そのため、この制御方法によれば、バッテリの温度に関する複数の要素に基づいて、入出力電力が算出される。これにより、より精度の高い第２の入力電力の算出が可能となる。

また、第３の観点に係る制御方法によれば、被駆動装置の運転条件に基づいて、バッテリの温度が上限温度に達する電力の算出に使用される所定時間を決定する。そのため、この制御方法によれば、運転条件に応じた入出力電力の算出が可能となる。

また、第４の観点に係る制御方法によれば、バッテリに設定された上下限電圧に基づいて算出した他の入出力電力と、バッテリに設定された上限温度に基づいて算出した入出力電力とのセレクトローにより、入出力可能電力を決定する。他の入出力電力に基づいて入出力可能電力を決定すると、バッテリの温度変化による入出力可能電力への影響については考慮できないが、入出力電力とのセレクトローで入出力可能電力を決定することにより、上下限電圧及び温度の双方を考慮して入力可能電力を決定できる。

また、第５の観点に係る制御装置によれば、バッテリの温度が上限温度に達する電力を使用して入出力電力を算出し、算出した入出力電力を入出力可能電力として決定する。そのため、この制御装置によれば、バッテリの温度が上限温度を超えないようにしながら、可能な限り大きな電力を入力可能電力と決定できる。従って、バッテリの温度に応じて入力可能電力が決定され、入力可能電力に基づいてバッテリに電力が入力されるため、使用条件に応じた電力がバッテリに入力されやすくなる。

本発明の一実施形態に係る制御システムの概略構成を示す機能ブロック図である。図１の制御装置が行う入力可能電力の算出処理の一例を説明する概略図である。図１の制御システムによる制御結果の一例を示す図である。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る制御システムの概略構成を示す機能ブロック図である。制御システム１００は、充放電回路１１０と、セル温度センサ１２０と、バッテリコントローラ１３０と、制御装置１４０と、外気温度センサ１２１とを備える。制御システム１００は、例えば電気自動車に搭載される。

充放電回路１１０は、バッテリ１１１と、充放電器１１２とを含む。バッテリ１１１と、充放電器１１２とは直列に接続されている。バッテリ１１１は、リチャージャブル・バッテリ（二次電池）であり、例えばリチウム・イオン・バッテリである。バッテリ１１１は、複数の電池セルを接続して形成されている。なお、バッテリ１１１は、リチウム・イオン・バッテリ以外の他の種類のバッテリであってもよい。バッテリ１１１は、例えば制御システム１００が電気自動車に搭載されている場合、図示しない駆動モータ等に電力を供給する。

バッテリ１１１は、充放電器１１２により充放電が行われる。また、充放電回路１１０は、充放電回路１１０に流れる充放電電流値を測定する電流センサ１１３と、バッテリ１１１の各電池セルの両端の端子間電圧値を測定する電圧センサ１１４とを備える。電流センサ１１３と、電圧センサ１１４とは、バッテリコントローラ１３０に接続される。電流センサ１１３が測定した電流に関する情報（充放電電流値）及び電圧センサ１１４が測定した電圧に関する情報（端子間電圧値）は、図１に破線の矢印で示すように、バッテリコントローラ１３０に入力される。

セル温度センサ１２０は、制御システム１００においてバッテリ１１１に接触して配置され、バッテリ１１１の温度を測定する。セル温度センサ１２０は、例えば熱電対、サーミスタ、バイメタル等の周知の温度センサにより構成される。セル温度センサ１２０は、各電池セルの温度を個別に測定するように、各電池セルにそれぞれ接触して配置されている。セル温度センサ１２０は、バッテリコントローラ１３０に接続され、測定されたバッテリ１１１の温度に関する情報（セル温度）は、図１に破線の矢印で示すように、バッテリコントローラ１３０に入力される。

バッテリコントローラ１３０は、バッテリ１１１に接続され、例えば電流センサ１１３から入力された充放電電流値及び電圧センサ１１４から入力された端子間電圧値に基づき、バッテリ１１１の各電池セルの状態を監視及び推定する。バッテリコントローラ１３０は、制御装置１４０に接続され、取得した充放電電流値、端子間電圧値及びセル温度を制御装置１４０に送信する。

外気温度センサ１２１は、充放電回路１１０の周囲、特にバッテリ１１１の周囲の外気の温度（外気温度）を測定する。外気温度センサ１２１は、例えば制御装置１４０に接続され、測定された外気温度は、図１に破線の矢印で示すように、制御装置１４０に入力される。

制御装置１４０は、充放電器１１２に接続され、充放電器１１２によるバッテリ１１１への充放電処理を制御する。具体的には、制御装置１４０は、充放電処理におけるバッテリ１１１への入出力電力を決定し、決定した入出力電力で充放電器１１２がバッテリ１１１に電力を入出力するように、充放電器１１２を制御する。制御装置１４０は、特に、バッテリ１１１の使用条件であるセル温度及び外気温度に基づいて、バッテリ１１１の性能の劣化が生じにくい入出力電力の上下限閾値（入出力可能電力）を決定する。そして、制御装置１４０は、入出力電力を入出力可能電力（又は入出力可能電力以下の電力）に決定する。制御装置１４０は、記憶部１４１と、制御部１４２とを備える。

記憶部１４１は、半導体メモリ等で構成することができ、各種情報や制御装置１４０を動作させるためのプログラム等を記憶するとともに、ワークメモリとしても機能する。記憶部１４１は、例えば、制御部１４２が入出力可能電力を決定する際に使用するアルゴリズム及び後述する計算式等を記憶する。

制御部１４２は、制御装置１４０の全体を制御及び管理するプロセッサである。制御部１４２は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで構成され、かかるプログラムは、例えば記憶部１４１又は外部の記憶媒体等に格納される。

制御部１４２は、入出力可能電力を決定する。制御部１４２は、バッテリ１１１の発熱量を考慮せずにバッテリ１１１の特性に基づいて第１の入出力電力を算出する第１の入出力電力演算と、バッテリ１１１の発熱量を考慮して第２の入出力電圧を算出する第２の入出力電力演算とを行う。そして、制御部１４２は、第１の入出力電力演算と第２の入出力電力演算との２つの演算結果、つまり第１の入力電力と第２の入力電力とに基づいて、入出力可能電力を決定する。本実施形態では、制御部１４２は、２つの演算結果のうち、値が小さい演算結果を入出力可能電力として決定する。本実施形態に係る制御部１４２による入出力可能電力の算出処理について、図２を参照して詳細に説明する。なお、本明細書では、以下、制御部１４２が、入力電力の上下限閾値（入力可能電力）を算出する場合について説明する。

図２は、制御装置１４０の制御部１４２が行う入力可能電力の算出処理の一例を説明する概略図である。まず第１の入力電力演算について説明する。第１の入力電力演算は、制御部１４２が有する減算部１５０、除算部１５１、第１加算部１５２、第１乗算部１５３、第２加算部１５４及び第２乗算部１５５によって行われる。

減算部１５０は、バッテリ１１１について予め設定された入力可能な上下限電圧から、電圧センサ１１４が測定したバッテリ１１１の各電池セルのセル電圧（端子間電圧値）のうち、最大値を示す電池セルのセル電圧を減算する。つまり、減算部１５０は、バッテリ１１１に固有の特性に基づいて設定された入力可能な上下限電圧と、実際に入力されている電圧値との差分を算出する。この差分は、バッテリ１１１の特性に基づいて予め設定された入力可能な上下限電圧に対して、実際に入力されている電圧値からさらに入力可能な電圧値を示している。なお、バッテリ１１１について予め定められた入出力可能な上下限電圧は、例えば記憶部１４１に予め記憶されている。減算部１５０が算出した差分は、除算部１５１に入力される。

次に、除算部１５１は、減算部１５０が算出した差分を、バッテリ１１１の各電池セルの内部抵抗値のうち、最大の内部抵抗値を有する電池セルのセル内部抵抗値で割る（除算する）。この除算により、除算部１５１は、実際にバッテリ１１１に入力されている電流値からさらに入力可能な電流値（Δ電流）を算出する。なお、バッテリ１１１の各電池セルの内部抵抗値は、例えば記憶部１４１に予め記憶されている。除算部１５１が算出したΔ電流は、第１加算部１５２及び第１乗算部１５３に入力される。

第１加算部１５２は、除算部１５１から入力されたΔ電流と、電流センサ１１３が検出した充放電電流値とを加算することにより、バッテリ１１１に入力可能な電流の上限値を算出する。第１加算部１５２が算出した入力可能な電流の上限値は、第２乗算部１５５に入力される。

第１乗算部１５３は、除算部１５１から入力されたΔ電流と、バッテリ１１１全体の内部抵抗値とを乗算する。この乗算により、第１乗算部１５３は、実際にバッテリ１１１に印加されている電圧値からさらに印加可能な電圧値（Δ電圧）を算出する。バッテリ１１１全体の内部抵抗値は、例えば、記憶部１４１に予め記憶されている。第１乗算部１５３が算出したΔ電圧は、第２加算部１５４に入力される。

第２加算部１５４は、第１乗算部１５３から入力されたΔ電流と、電圧センサ１１４が検出した端子間電圧値に基づいて算出されるバッテリ１１１全体の端子間電圧値とを加算することにより、バッテリ１１１に印加可能な電圧の上限値を算出する。第２加算部１５４が算出した印加可能な電圧の上限値は、第２乗算部１５５に入力される。

そして、第２乗算部１５５は、第１加算部１５２から入力された入力可能な電流の上限値と、第２加算部１５４から入力された印加可能な電圧の上限値との乗算を行うことにより、第１の入力電力を算出する。第２乗算部１５５が算出した第１の入力電力は、入力可能電力決定部１７０に入力される。

次に、第２の入力電力演算について説明する。第２の入力電力演算は、制御部１４２が有する演算部１６０によって行われる。演算部１６０は、入力されたセル温度及び外気温度と、後述するバッテリ１１１の上限温度に基づき、次の式（１）により、第２の入力電力Ｗを算出する。

式（１）において、Ｒはバッテリ１１１全体の内部抵抗値であり、Ｖはバッテリ１１１全体の端子間電圧値である。また、Ｗ_eqは、バッテリ１１１が現在の温度を維持するために、バッテリ１１１に入力されるべき電力である。つまり、Ｗ_eqは、バッテリ１１１への入力により、バッテリ１１１が現在の温度を維持可能となる電力である。Ｗ_eqは、次の式（２）により表される。

式（２）において、Ｔ_batは、セル温度センサ１２０が測定した各電池セルのセル温度のうち、最大のセル温度を有する電池セルのセル温度である。また、Ｔ_outは、外気温度センサ１２１が測定した外気温度である。つまり、Ｔ_bat−Ｔ_outは、バッテリ１１１からの放熱を示す。θは、バッテリ１１１の熱抵抗である。

また、式（１）において、Ｗ_mrは、バッテリ１１１について予め設定された上限温度に、所定時間ｔの経過後に達するために入力される電力である。つまり、Ｗ_mrは、所定時間ｔ入力することにより、バッテリ１１１が上限温度に達する電力である。Ｗ_mrは、次の（３）により表される。

式（３）において、Ｃ_rは、バッテリ１１１の熱容量である。また、Ｔ_limは、バッテリ１１１について予め設定された上限温度である。上限温度Ｔ_limは、例えば予め記憶部１４１に記憶されている。

なお、演算部１６０は、所定時間ｔを、バッテリ１１１の使用条件に基づいて適宜設定できる。例えば、バッテリ１１１から電力を供給して所定の装置を運転するに際し、短時間に高い出力が必要となる場合には、演算部１６０は、このような被駆動装置の使用条件である運転条件に合わせた所定時間ｔを決定できる。

演算部１６０は、上記式（１）、式（２）及び式（３）に基づく演算を行うことにより、第２の入力電力Ｗを算出する。演算部１６０が算出した第２の入力電力Ｗは、入力可能電力決定部１７０に入力される。

入力可能電力決定部１７０は、入力された第１の入力電力と第２の入力電力との値を比較し、小さい方の値を入力可能電力として決定する。つまり、入力可能電力決定部１７０は、第１の入力電力と第２の入力電力とのセレクトローにより、入力可能電力を決定する。そして、制御装置１４０は、制御部１４２において、充放電器１１２からバッテリ１１１に入力する電力を、決定した入力可能電力以下の電力に決定する。

制御部１４２は、バッテリ１１１への電力を入力する場合に、入力可能電力を逐次継続して算出する。

図３は、電気自動車に搭載された制御システム１００による制御結果の一例を示す図である。図３において、直線ＩＬは、制御装置１４０が決定した入力可能電力であり、直線ＯＬは、制御装置１４０が決定した出力可能電力である。

図３において、電力とＳＯＣ（State of Charge：充電率）とを参照すると、期間Ｐ１では、例えば電気自動車が走行しているなどにより、バッテリ１１１が充電及び放電を反復して行いながら、緩やかにＳｏＣが下がっている。一方、期間Ｐ２では、バッテリ１１１の劣化が生じにくい状態で入力可能な最大の電力である入力可能電力で、バッテリ１１１の充電が行われている。

また、図３において、温度（バッテリ１１１の温度を示す）を参照すると、温度は時間の経過とともに、緩やかに上昇している。図３の例において、上限温度は５０℃に設定されており、時間ｔ＝ｔａ付近において、バッテリ１１１の温度は上限温度に達している。バッテリ１１１の温度が上限温度に達した後、例えば、時間ｔａ以降に発生する期間Ｐ１において、入力可能電力ＩＬは、それ以前の期間Ｐ１における入力可能電力ＩＬと比較して、低くなっている。また、出力可能電力ＯＬについても同様のことが言える。このようにして、入出力可能電力は使用条件に応じて決定され、バッテリ１１１に入出力される電力は、使用条件に応じて決定された入出力可能電力に基づいて決定される。

このように、本実施形態に係る制御装置１４０は、第２の入力電力演算において、バッテリ１１１の温度が上限温度に達する電力Ｗ_mrを使用して第２の入力電力を決定する。そのため、入力可能電力決定部１７０により、第２の入力電力が入力可能電力と決定された場合、制御装置１４０は、バッテリ１１１の温度が上限温度を超えないようにしながら、可能な限り大きな電力を入力可能電力と決定できる。このように、制御装置１４０によれば、バッテリ１１１の温度に応じて入力可能電力が決定され、入力可能電力に基づいてバッテリ１１１に電力が入力されるため、使用条件に応じた電力がバッテリ１１１に入力されやすくなる。また、バッテリ１１１の温度に応じて入力可能電力が決定されるため、バッテリ１１１が高温になった場合であっても、充電を停止することなく、バッテリ１１１の温度に応じた最大の電力（つまり、決定した入力可能電力）で充電を継続できる。

また、本実施形態に係る制御装置１４０は、バッテリ１１１で熱に変換されるために必要な電流に基づいて第２の入力電力を算出する。バッテリ１１１で熱に変換されるために必要な電流は、バッテリ１１１の温度が上限温度に達する電力Ｗ_mrとバッテリ１１１が現在の温度を維持可能な電力Ｗ_eqとの和と、バッテリ１１１の内部抵抗Ｒとに基づいて算出される。そのため、制御装置１４０は、バッテリ１１１の温度に関する複数の要素に基づいて、第２の入力電力を算出する。これにより、より精度の高い第２の入力電力の算出が可能となる。

また、本実施形態に係る制御装置１４０は、被駆動装置の運転条件に基づいて、バッテリ１１１の温度が上限温度に達する電力Ｗ_mrの算出に使用される所定時間ｔを決定する。そのため、制御装置１４０によれば、運転条件に応じた第２の入力電力の算出が可能となる。

また、本実施形態に係る制御装置１４０は、バッテリ１１１に設定された上下限電圧に基づいて算出した第１の入力電力と、バッテリ１１１に設定された上限温度に基づいて算出した第２の入力電力とのセレクトローにより、入力可能電力を決定する。第１の入力電力に基づいて入力可能電力を決定すると、バッテリ１１１の温度変化による入力可能電力への影響については考慮できないが、第２の入力電力とのセレクトローで入力可能電力を決定することにより、上下限電圧及び温度の双方を考慮して入力可能電力を決定できる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段等を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

例えば、上記実施形態では、制御装置１４０が、入力電力の上下限閾値（入力可能電力）を算出する場合について説明したが、制御装置１４０は、上記実施形態で説明した入力可能電力の算出方法と同様の要領で、出力電圧の閾値（出力可能閾値）についても算出することができる。

また、上記実施形態では、制御装置１４０は、第１の入力電力と第２の入力電力とのセレクトローにより入力可能電力を算出する場合について説明したが、制御装置１４０は、バッテリ１１１の特性や使用環境等の条件によっては、例えば、第２の入力電力のみを算出して、第２の入力電力を入力可能電力として決定してもよい。

１００制御システム
１１０充放電回路
１１１バッテリ
１１２充放電器
１１３電流センサ
１１４電圧センサ
１２０セル温度センサ
１２１外気温度センサ
１３０バッテリコントローラ
１４０制御装置
１４１記憶部
１４２制御部
１５０減算部
１５１除算部
１５２第１加算部
１５３第１乗算部
１５４第２加算部
１５５第２乗算部
１６０演算部
１７０入力可能電力決定部

Claims

所定時間入力することにより、バッテリの温度が該バッテリに設定された上限温度に達する上限温度到達電力に基づいて、前記バッテリに対する入出力電力を算出する算出ステップと、
前記算出した入出力電力に基づいて入出力可能電力を決定し、該決定した入出力可能電力に基づいて前記バッテリに入出力する電力を決定する決定ステップと、
前記決定した電力で前記バッテリの充放電を制御する制御ステップと
を含む、制御方法。
前記算出ステップは、前記バッテリが現在の温度を維持可能な温度維持電力及び前記上限温度到達電力の和と、前記バッテリの内部抵抗とに基づいて算出される電流に基づき、前記入出力電力を算出する、請求項１に記載の制御方法。
前記バッテリが電力を供給して運転を行う被駆動装置の運転条件に基づき、前記所定時間を決定するステップをさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の制御方法。
前記算出ステップは、前記バッテリに設定された上下限電圧に基づいて、前記入出力電力とは異なる他の入出力電力をさらに算出し、
前記決定ステップは、前記入出力電力と前記他の入出力電力とのセレクトローにより、前記入出力可能電力を決定する、
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の制御方法。
バッテリに設定された上限温度を記憶する記憶部と、
所定時間入力することにより、バッテリの温度が前記上限温度に達する上限温度到達電力に基づいて、前記バッテリに対する入出力電力を算出し、該算出した入出力電力に基づいて入出力可能電力を決定し、該決定した入出力可能電力に基づいて前記バッテリに入出力する電力を決定し、該決定した電力で前記バッテリの充放電を制御する制御部と
を備える、制御装置。