JP2018098954A - 電動車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両の制御装置を提供すること。
【解決手段】車両ＥＣＵ７０は、車両１に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパック３０と、複数のバッテリパック３０間の電気的断接状態を制御する電力制御手段７２と、複数のバッテリパック３０が充電も放電も実施していない非作動時において、電圧差が所定電圧範囲内であるバッテリパック３０を電力制御手段７２により電気的接続状態とすることで電圧を均等化させる電圧均等化制御手段７３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動車両の制御装置に関する。

近年、環境問題等を考慮して、モータのみで走行可能な電気自動車や、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車等の電動車両の開発が進んでいる。このような電動車両に対し、外部電源からバッテリを充電可能ないわゆるプラグイン電動車両も開発されている。このような電動車両が搭載するバッテリにおいて、複数の電池を束ねて１つのバッテリパックを構成した場合には、当該バッテリパックに設けられるＢＭＳ（Battery Management System）が複数の電池の充放電状態をまとめて監視及び制御するのが一般的である。

上記の電動車両は、要求される航続距離等の仕様に基づいて、必要な充電容量を確保するために、複数のバッテリパックを搭載する場合がある。例えば、特許文献１には、並列に接続された第１の電池ブロック及び第２の電池ブロックを備える車両用バッテリの制御装置が開示されている。ここで、複数のバッテリパックを並列に接続した場合、複数のバッテリパック間には、それぞれの劣化状態や温度差により、ＳＯＣ（State Of Charge;充電量）の差に伴う電圧差が生じることがある。例えば、この状態で複数のバッテリパックを使用した場合には、劣化によりＳＯＣが低下したバッテリパックをさらに放電させて過放電状態に陥る虞があった。

特許文献１に開示された車両用バッテリの制御装置は、イグニションスイッチをオンにして電動車両を走行させる放電時において、各電池ブロックに接続された第１のリレー及び第２のリレーの一方だけを閉じるなどして、過放電を抑制しようとするものである。また、特許文献１に開示された車両用バッテリの制御装置は、充電時において、第１の電池ブロック及び第２の電池ブロックのＳＯＣに差がある場合には、ＳＯＣの少ない方の電池ブロックから充電を開始し、両者のＳＯＣが等しくなった後に並列充電を行なっている。

国際公開第２０１３／０４２１６５号

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、イグニションスイッチをオフにしてから次回の走行開始時までに充電がなされない場合には、次回の走行開始時までにバッテリパック間のＳＯＣの差を解消することができない。また、特許文献１に開示された従来技術では、バッテリパック間のＳＯＣに伴う電圧差が生じた状態で電動車両の走行を開始することになるため、一方のバッテリパックに負荷が集中することにより予期せぬ故障を招来したり、走行距離が減少してしまう虞が生じる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両の制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る電動車両の制御装置は、車両に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパックと、前記複数のバッテリパック間の電気的断接状態を制御する電力制御手段と、前記複数のバッテリパックが非作動時の場合において、電圧差が所定電圧範囲内である前記バッテリパックを前記電力制御手段により電気的接続状態とすることで電圧を均等化させる電圧均等化制御手段と、を備える。

電動車両の制御装置は、前記複数のバッテリパックが充電も放電も実施していない非作動時の場合において、電圧差が所定電圧範囲内である複数のバッテリパックを電気的接続状態とする。それによって、電圧の高いバッテリパックから電圧の低いバッテリパックへ電力が供給され、各バッテリパックの電圧が均等化される。これにより、電動車両は、各バッテリパックに電圧差が生じない状態で走行を開始することができるため、一部のバッテリパックに負荷が集中することを防止でき、予期せぬ故障を招来する虞を低減することができるほか、走行距離の減少を抑制することができる。

本発明によれば、走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両の制御装置を提供することができる。

本発明に係る車両のシステム構成図である。 本発明に係る高電圧バッテリ及び車両ＥＣＵの詳細を表す構成図である。 本発明に係る電圧均等化プログラムの手順を示すフローチャートである

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

図１は、本発明に係る車両１のシステム構成図である。

図１に示す車両１（電動車両）は、走行駆動源としてのモータ１０を備える電気自動車（ＥＶ）であるが、別途エンジンを備えるハイブリッド電気自動車(ＨＥＶ)であってもよい。モータ１０は、例えば永久磁石同期電動機のように発電機としても作動可能な電動機である。モータ１０の出力軸はプロペラシャフト１１を介して差動装置１２が連結され、差動装置１２には駆動軸１３を介して左右の駆動輪１４が連結されている。

モータ１０にはインバータ１５及び電力制御機器２０を介して高電圧バッテリ３０が接続されている。高電圧バッテリ３０に蓄えられた直流電力はインバータ１５により交流電力に変換されてモータ１０に供給され、モータ１０が発生させた駆動力は駆動輪１４に伝達されて車両１を走行させる。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時（回生走行時）には、駆動輪１４側からの逆駆動によりモータ１０が発電機として作動する（回生運転）。モータ１０に発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪１４側に伝達されると共に、モータ１０が発電した交流電力がインバータ１５で直流電力に変換されて、電力制御機器２０を介して高電圧バッテリ３０に充電される。

電力制御機器２０は、高電圧バッテリ３０の他、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、車両ＥＣＵ７０、及び車両１に搭載された図示しない高電圧補機にも接続されている。当該電力制御機器２０の内部には、電路の断接を行う各種コンタクタ（電磁接触器）が設けられており、当該コンタクタの断接を行うことで、各種電気機器への電力の供給及び遮断を制御可能である。また、電力制御機器２０は、高電圧バッテリ３０を充電するための充電器としての機能を備え、外部電源２から受電した電力を高電圧バッテリ３０に供給する。

高電圧バッテリ３０は、例えばリチウムイオンバッテリであり、駆動源であるモータ１０に高電圧を出力可能なバッテリである。尚、図１においては高電圧バッテリ３０を単体のブロックとして示しているが、後述するように、複数のバッテリパックが並列に接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、電力制御機器２０から受電した電力を降圧し、高電圧バッテリ３０よりも低い電圧の電力を低電圧バッテリ５０に供給する電圧変換器である。

低電圧バッテリ５０は、例えば鉛バッテリであり、車両ＥＣＵ７０、電力制御機器２０の内部のコンタクタ等の制御電源、イグニションスイッチ６０、及び図示しない電装品への電力供給に用いられる。

イグニションスイッチ６０は、車両１のドライバーが車両ＥＣＵ７０のキーオンとキーオフとを切り替えるために操作するスイッチである。

「電動車両の制御装置」としての車両ＥＣＵ７０は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭなど）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタなどを備え、車両１の全体を統合制御する。車両ＥＣＵ７０は、イグニションスイッチ６０がオフからオンに切り替えられるか、または、外部電源２から充電指示信号を受信することにより、低電圧バッテリ５０から電力が供給されて起動する。また、車両ＥＣＵ７０は、イグニションスイッチ６０がオンからオフに切り替えられるか、または、外部電源２から充電指示が終了することにより、動作が停止する。

次に、高電圧バッテリ３０の充放電制御について詳細に説明する。図２は、本発明に係る高電圧バッテリ３０及び車両ＥＣＵ７０の詳細を表す構成図である。

高電圧バッテリ３０は、複数のバッテリパック、すなわち、本実施形態では第１バッテリパック３１、第２バッテリパック３２、第３バッテリパック３３、及び第４バッテリパック３４からなり、それぞれ電力制御機器２０に互いに並列接続されている。ただし、バッテリパックの個数はこれに限定されるものではない。

本実施形態では、上記の第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４が全て同様の構成であるため、以下では第１バッテリパック３１の構成について説明し、第２バッテリパック３２〜第４バッテリパック３４の説明は省略する。

第１バッテリパック３１は、コンタクタ３５、蓄電部３６、ＢＭＳ（battery management system）３７を含む。

コンタクタ３５は、電力制御機器２０と接続される電磁リレーである。コンタクタ３５は、リレー回路を閉じることにより、電力制御機器２０と第１バッテリパック３１とを電気的に接続し、第１バッテリパック３１の充放電を許可する。また、コンタクタ３５は、リレー回路を開くことにより、電力制御機器２０と第１バッテリパック３１とを電気的に遮断し、第１バッテリパック３１の充放電を禁止する。

蓄電部３６は、複数の電池（バッテリセル）からなり、コンタクタ３５を介して電力制御機器２０から直流電力が供給されることにより充電され、コンタクタ３５を介して電力制御機器２０へ直流電力を供給することにより放電する。

ＢＭＳ３７は、コンタクタ３５の開閉を制御すると共に、蓄電部３６の電圧や温度を検出し、第１バッテリパック３１を統括制御する。また、ＢＭＳ３７は、図２の破線で示されるように車両ＥＣＵ７０に接続され、第１バッテリパック３１の充電残量に伴う電圧や温度を車両ＥＣＵ７０に送信すると共に、車両ＥＣＵ７０から制御信号を受信する。

車両ＥＣＵ７０は、電圧取得手段７１、電力制御手段７２、電圧均等化制御手段７３、及び制御順序決定手段７４を備え、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の充放電を個別に制御する。ただし、車両ＥＣＵ７０は、車両１の全体を統括制御するため、これらの充放電に関連する機能以外の手段も備え、適宜その動作を行う。

電圧取得手段７１は、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧を各ＢＭＳ３７から取得し、各バッテリパックの充電残量に伴う電圧を監視する。

電力制御手段７２は、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の各コンタクタ３５の開閉を個別に制御する。すなわち、電力制御手段７２は、外部電源２が電力制御機器２０に接続された場合には、例えば、電圧取得手段７１が取得した第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧に基づいて、充電が必要なバッテリパックのコンタクタ３５を閉じて充電を行う。また、電力制御手段７２は、車両１の走行時には、バッテリパック間の電圧にほとんど差が無いときに、全てのコンタクタ３５を閉じる。それにより、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４は、電力制御機器２０及びインバータ１５を介してモータ１０に電力を供給する。

電圧均等化制御手段７３は、詳細を後述するように、複数のバッテリパック３０が充電も放電も実施していない非作動時において、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４に電圧差がある場合に、それらの電圧を均等化させる制御を行う。このような場合としては、イグニションスイッチ６０のオフ時、イグニションスイッチ６０がオンであっても内燃機関を有さない電気自動車が停車している時や、内燃機関を有するハイブリッド電気自動車がエンジン走行している時などが挙げられる。

制御順序決定手段７４は、上記の電圧均等化制御手段７３が第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧を均等化させる際に、各バッテリパック同士の電気的断接状態、及びその順序を決定する。制御順序決定手段７４の詳細についても後述する。

続いて、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧を均等化するときの車両ＥＣＵ７０の制御手順について説明する。図３は、本発明に係る電圧均等化プログラムの手順を示すフローチャートである。

車両ＥＣＵ７０は、複数のバッテリパック３０が充電も放電も実施していない非作動時において、例えば車両１がキーオフ時であって夜間のような車両１を走行させない時間を十分に確保できるタイミングで、かつ、走行又は充電が終了してから十分に時間が経過して各バッテリパックの温度が安定化したことを条件として、以下の電圧均等化プログラムをスタートさせる。ここで、車両ＥＣＵ７０は、イグニションスイッチ６０がオフの状態であっても、当該電圧均等化プログラムの実行時においては、低電圧バッテリ５０からの電力により充放電に必要な機能を起動する。

パックバランス制御の手順がスタートすると、電圧取得手段７１は、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の各電圧を取得する（ステップＳ１）。

電圧取得手段７１が各バッテリパックの電圧を取得すると、車両ＥＣＵ７０は、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧差の有無に基づいて、各バッテリパックの電圧を均等化させるバランス制御が必要か否かを判定する（ステップＳ２）。また、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４のうちの２つを選んだときに、どの様にバッテリパックの組を選んでもその電圧差が所定電圧範囲内にない場合には、車両ＥＣＵ７０は、バランス制御が不可能であると判定する（ステップＳ２）。

ここで、所定電圧範囲とは、複数のバッテリパックを接続しても各バッテリパックが故障しないように、各バッテリパックの電圧差に設定される許容範囲である。そのため、複数のバッテリパックの電圧差が所定電圧範囲内である限り、それらのバッテリパックを電気的接続状態にしても、高圧側のバッテリパックから低圧側のバッテリパックへ大電流が流れることによるバッテリパックの故障を防止することができる。尚、所定電圧範囲は、下限値が０Ｖであり、使用するバッテリパックの耐圧条件にもよるが、上限値が概ね１０〜２０Ｖの範囲で設定される。

車両ＥＣＵ７０は、ステップＳ２において各バッテリパックの電圧を均等化するバランス制御が不要、又は不可能であると判定した場合には、電圧均等化プログラムを終了する（ステップＳ２でＮｏ）。

一方、車両ＥＣＵ７０がステップＳ２において各バッテリパックの電圧の均等化が必要かつ可能であると判定した場合には（ステップＳ２でＹｅｓ）、制御順序決定手段７４は、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４のバランス制御の順序を決定する（ステップＳ３）。

例えば、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の各電圧が第１バッテリパック３１を基準としてそれぞれ０Ｖ、１５Ｖ、５Ｖ、１０Ｖであり、所定電圧範囲の上限値が１３Ｖである場合を想定する。このとき、第１バッテリパック３１と第２バッテリパック３２との電圧差は所定電圧範囲を超えているため、これらのバッテリパックを電気的接続状態にすることができない。一方、第１バッテリパック３１と第３バッテリパック３３との電圧差は所定電圧範囲内であるため、これらのバッテリパックを電気的接続状態にすることができる。同様に、第２バッテリパック３２と第４バッテリパック３４とを電気的接続状態にすることができる。

第１バッテリパック３１と第３バッテリパック３３、及び第２バッテリパック３２と第４バッテリパック３４をそれぞれ電気的接続状態にすることによって、接続された２つのバッテリパックの電圧が均等化される。これにより、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の各電圧がそれぞれ２．５Ｖ、１２．５Ｖ、２．５Ｖ、１２．５Ｖとなったとする。この場合には、各バッテリパックの組み合わせに対するそれぞれの電圧差がいずれも所定電圧範囲内であるため、全てのバッテリパックを電気的接続状態にすることができ、全てのバッテリパックの電圧を例えば７．５Ｖに均等化することができる。このように、制御順序決定手段７４は、接続可能なバッテリパックの組と順序を計算することにより、パックバランス制御の順序を決定する。

図３のフローチャートに戻り、制御順序決定手段７４がバランス制御の順序を決定すると、電圧均等化制御手段７３は、制御順序決定手段７４が決定した順序に従って、第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧を均等化する（ステップＳ４）。このとき、電圧均等化制御手段７３は、電力制御手段７２及び各ＢＭＳ３７を介して、各コンタクタ３５の断接状態を切り替える。そして、各バッテリパックの電圧が電力制御機器２０を介して均等化されると、車両ＥＣＵ７０は、パックバランス制御の手順を終了すると共に、車両ＥＣＵ７０の動作を停止させる。

以上のことから、本実施形態に係る車両ＥＣＵ７０は、例えば、イグニションスイッチ６０のオフ時において、高電圧バッテリ３０が含む第１バッテリパック３１〜第４バッテリパック３４の電圧を均等化するため、次回の走行開始時までに各バッテリパック間の電圧が均一化された状態にしておくことができる。そのため、本実施形態に係る車両ＥＣＵ７０は、車両１の走行開始時に、一部のバッテリパックに負荷が集中することを防止でき、予期せぬ故障を招来する虞を低減することができる。また、車両１の走行可能な航続距離の減少を抑制することができるほか、当該航続距離を計算する場合の算出値に対する信頼性も向上することになる。さらに、ある程度の時間を要する上記のバランス制御は、車両１を走行させない夜間等に行われることから、充電時に行う場合と比較して利用者に待ち時間としての心的負荷をかけないことにもつながる。

以上で本発明に係る電動車両の制御装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記の実施形態では、車両ＥＣＵ７０が所定電圧範囲にある複数のバッテリパックの電圧差を均一化する場合を例示したが、各バッテリパックの温度差、又は劣化状態に対しても所定の範囲を設定してもよい。これは、各バッテリパックの電圧は、温度及び劣化状態によっても影響を受けるためである。そして、車両ＥＣＵ７０は、これらを勘案してパックバランス制御を行うことにより、より精確に電圧の均一化を図ることができる。

１ 車両
２ 外部電源
１０ モータ
１１ プロペラシャフト
１２ 差動装置
１３ 駆動軸
１４ 駆動輪
１５ インバータ
２０ 電力制御機器
３０ 高電圧バッテリ（バッテリパック）
３５ コンタクタ
３６ 蓄電部
３７ ＢＭＳ
４０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０ 低電圧バッテリ
６０ イグニションスイッチ
７０ 車両ＥＣＵ
７１ 電圧取得手段
７２ 電力制御手段
７３ 電圧均等化制御手段
７４ 制御順序決定手段

Claims (1)

1. 車両に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパックと、
   前記複数のバッテリパック間の電気的断接状態を制御する電力制御手段と、
   前記複数のバッテリパックが非作動時の場合において、電圧差が所定電圧範囲内である前記バッテリパックを前記電力制御手段により電気的接続状態とすることで電圧を均等化させる電圧均等化制御手段と、を備える電動車両の制御装置。

Images