JP2019041439A

JP2019041439A - 電源装置

Info

Publication number: JP2019041439A
Application number: JP2017159420A
Authority: JP
Inventors: 俊也小林; Toshiya Kobayashi; 賢樹岡村; Sakaki Okamura; 廣江　佳彦; Yoshihiko Hiroe; 廣江　　佳彦; 高松　直義; Naoyoshi Takamatsu; 直義高松; 嘉崇新見; Yoshitaka Niimi; 直樹柳沢; Naoki Yanagisawa; 成晶後藤; Shigeaki Goto; 修二戸村; Shuji Tomura; 恭佑種村; Kyosuke TANEMURA
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-22
Also published as: JP6853143B2

Abstract

【課題】充放電可能な複数のセルの能力を可能な限り最大限使い切ることが可能な電源装置を提供すること。【解決手段】制御部４が、使用セル数に応じて蓄電部３の入出力制限値を変更する。これにより、複数のセル５の能力を可能な限り最大限使い切ることができる。なお、制御部４は、使用セル数を変更する過渡動作時において使用セル数を増加させる場合、過渡動作時は入出力制限値を保持し、使用セル数の変更が完了したら入出力制限値を増加させ、過渡動作時において使用セル数を減少させる場合には、使用セル数を減少させる要求を受け付けた段階で入出力制限値を減少させ、入出力制限値が過渡禁止判定値未満まで減少した段階で過渡動作を実行することが望ましい。これにより、各セル５の接続可否を切り替えるスイッチング素子が突入電流によって短絡故障することを抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は、充放電可能な複数のセルの接続可否を制御することによって使用するセル数を切り替えることが可能な電源装置に関する。

特許文献１には、複数の直流電源とインバータとの接続可否を切り替えるスイッチを有するマルチレベル直流出力手段と、インバータとマルチレベル直流出力手段との間に設けられた半導体スイッチと、を備える電源装置が記載されている。特許文献１に記載の電源装置は、マルチレベル直流出力手段が有するスイッチを切り替える前に、半導体スイッチを開状態とすることによってインバータとマルチレベル直流出力手段との間の電気的接続を遮断した後、マルチレベル直流出力手段が有するスイッチを切り替える。

特開２０１７−０１７８２５号公報

特許文献１に記載の電源装置では、使用する直流電源の数が変化しても入出力制限値が所定範囲内に制御されている。このため、特許文献１に記載の電源装置によれば、使用する直流電源の数によっては複数の直流電源の能力を可能な限り最大限使い切れない可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、充放電可能な複数のセルの能力を可能な限り最大限使い切ることが可能な電源装置を提供することにある。

本発明に係る電源装置は、充放電可能な複数のセルを有する蓄電部と、各セルの接続可否を制御することによって使用するセル数を切り替える制御部と、を備える電源装置であって、前記制御部は、使用するセル数に応じて前記蓄電部の入出力制限値を変更することを特徴とする。

なお、前記制御部は、使用するセル数を変更する過渡動作時において使用するセル数を増加させる場合、前記過渡動作時は前記入出力制限値を保持し、使用するセル数の変更が完了したら前記入出力制限値を増加させ、前記過渡動作時において使用するセル数を減少させる場合には、使用するセル数を減少させる要求を受け付けた段階で前記入出力制限値を減少させ、前記入出力制限値が所定値以下まで減少した段階で過渡動作を実行することが望ましい。これにより、各セルの接続可否を切り替えるスイッチング素子が突入電流によって短絡故障することを抑制できる。

また、前記制御部は、要求電力に応じて使用するセル数の下限値を設定することが望ましい。これにより、最低限必要な要求電力を確保することができる。

本発明に係る電源装置によれば、蓄電部の入出力制限値が使用するセル数に応じて変更されるので、複数のセルの能力を可能な限り最大限使い切ることができる。

図１は、本発明の一実施形態である電源装置の構成を示す模式図である。図２は、本発明の一実施形態である使用セル数変更処理の流れを示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態である使用セル数変更処理の流れを説明するためのタイミングチャートである。図４は、本発明の一実施形態である使用セル数変更処理による効果を説明するための概念図である。図５は、本発明の一実施形態である下限セル数設定処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である電源装置の構成及びその動作について説明する。

〔電源装置の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である電源装置の構成について説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態である電源装置の構成を示す模式図である。図１（ａ）に示すように、本発明の一実施形態である電源装置１は、ＨＶ，ＰＨＶ，ＥＶ，ＦＣＥＶ等の車両に搭載され、充放電可能な複数（本例ではＭＸ（≧４）個）のモジュール２（２_１〜２_ＭＸ）を有する蓄電部３と、各モジュール２の接続可否を制御することによって使用するモジュール数を切り替える制御部４と、を主な構成要素として備えている。また、図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、各モジュール２は、充放電可能なｎ（≧２）個のセル（例えば電池やキャパシタ等）５（５_１〜５_ｎ）によって構成されている。すなわち、本実施形態では、電源装置１は、使用するセル数をモジュール単位で切り替え可能なように構成されている。

〔使用セル数変更処理〕
次に、図２及び図３を参照して、使用するセル数を変更する際の図１（ａ），（ｂ）に示す電源装置１の動作について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である使用セル数変更処理の流れを示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態である使用セル数変更処理の流れを説明するためのタイミングチャートである。

図２に示すフローチャートは、制御部４に対して使用セル数の変更指令が入力されたタイミングで開始となり、使用セル数変更処理はステップＳ１の処理に進む。使用セル数の変更指令としては、要求セル数を示す電気信号や要求セル数を予想できる電圧信号等を例示できる。

ステップＳ１の処理では、制御部４が、使用セル数の変更指令が使用セル数の増加を指示するものであり、且つ、使用セル数を変更する過渡動作（突入電流防止のための切り替え時の電圧デューティ制御等）が完了しているか否かを判別する。判別の結果、使用セル数の変更指令が使用セル数の増加を指示するものであり、且つ、使用セル数を変更する過渡動作が完了している場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ、例えば図３に示す時間ｔ＝ｔ２）、制御部４は、使用セル数変更処理をステップＳ２の処理に進める。一方、使用セル数の変更指令が使用セル数の減少を指示するものである、又は、使用セル数を変更する過渡動作が完了していない場合には（ステップＳ１：Ｎｏ、例えば図３に示す時間ｔ＝ｔ１〜ｔ２）、制御部４は、使用セル数変更処理をステップＳ３の処理に進める。

ステップＳ２の処理では、制御部４が、使用セル数の変更指令に基づいて要求セル数（使用するモジュール２の個数）を判別する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、使用セル数変更処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、制御部４が、ステップＳ２の処理において判別された要求セル数に応じた蓄電部３の入出力制限値（Ｗｉｎ／Ｗｏｕｔ）を算出する。ここで、Ｗｉｎは、蓄電部３の入力値の上限値を示し、Ｗｏｕｔは、蓄電部３の出力値の上限値を示す。例えば要求セル数が２モジュール分（２×ｎ個）である場合、制御部４は、２×ｎ個のセル５のＷｉｎ／Ｗｏｕｔの最大値を蓄電部３の入出力制限値として算出する。同様に、要求セル数が３モジュール分（３×ｎ個）である場合、制御部４は、３×ｎ個のセル５のＷｉｎ／Ｗｏｕｔの最大値を蓄電部３の入出力制限値として算出する。同様に、要求セル数がＭＸモジュール分である場合（ＭＸ×ｎ個）、制御部４は、ＭＸ×ｎ個のセル５のＷｉｎ／Ｗｏｕｔの最大値を蓄電部３の入出力制限値として算出する。そして、制御部４は、必要に応じて増大勾配を緩やかにするレート処理を行いながら蓄電部３の入出力制限値を算出された値に増加させる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、使用セル数変更処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、制御部４が、使用セル数の変更指令が使用セル数の減少を指示するものであるか否かを判別する。判別の結果、使用セル数の変更指令が使用セル数の減少を指示するものである場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ、例えば図３に示す時間ｔ＝ｔ４）、制御部４は、使用セル数変更処理をステップＳ５の処理に進める。一方、使用セル数の変更指令が使用セル数の減少を指示するものでない場合には（ステップＳ４：Ｎｏ）、制御部４は、一連の使用セル数変更処理を終了する。

ステップＳ５の処理では、制御部４が、使用セル数の変更指令に基づいて要求セル数（使用するモジュール２の個数）を判別する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、使用セル数変更処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、制御部４が、ステップＳ５の処理において判別された要求セル数に応じた蓄電部３の入出力制限値（Ｗｉｎ／Ｗｏｕｔ）を算出する。例えば要求セル数が１モジュール分（１×ｎ個）である場合、制御部４は、１×ｎ個のセル５のＷｉｎ／Ｗｏｕｔの最大値を蓄電部３の入出力制限値として算出する。そして、制御部４は、必要に応じて減少勾配を緩やかにするレート処理を行いながら蓄電部３の入出力制限値を算出された値に減少させる。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、使用セル数変更処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、制御部４が、入出力制限値が使用セル数に応じて設定された過渡禁止判定値（例えば図３（ｄ）に示す過渡禁止判定値（１），（２））未満であるか否かを判別する。判別の結果、入出力制限値が過渡禁止判定値未満である場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、制御部４は、使用セル数変更処理をステップＳ８の処理に進める。一方、入出力制限値が過渡禁止判定値以上である場合には（ステップＳ７：Ｎｏ）、制御部４は、使用セル数変更処理をステップＳ９の処理に進める。

ステップＳ８の処理では、制御部４が、使用セル数を変更する過渡動作を許可する（例えば図３に示す時間ｔ＝ｔ５〜ｔ６）。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、一連の使用セル数変更処理は終了する。

ステップＳ９の処理では、制御部４が、使用セル数を変更する過渡動作を禁止する（例えば図３に示す時間ｔ＝ｔ４〜ｔ５）。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、一連の使用セル数変更処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である使用セル数変更処理では、図４に示すように、制御部４が、使用セル数に応じて蓄電部３の入出力制限値を変更するので、複数のセル５の能力を可能な限り最大限使い切ることができる。

また、制御部４は、使用セル数を変更する過渡動作時において使用セル数を増加させる場合、過渡動作時は入出力制限値を保持し、使用セル数の変更が完了したら入出力制限値を増加させ、過渡動作時において使用セル数を減少させる場合には、使用セル数を減少させる要求を受け付けた段階で入出力制限値を減少させ、入出力制限値が過渡禁止判定値未満まで減少した段階で過渡動作を実行するので、各セル５の接続可否を切り替えるスイッチング素子が突入電流によって短絡故障することを抑制できる。

〔下限セル数設定処理〕
次に、図５を参照して、使用するセル数の下限値（下限セル数）を設定する際の図１（ａ），（ｂ）に示す電源装置１の動作について説明する。

図５は、本発明の一実施形態である下限セル数設定処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、制御部４に対して要求電力が入力されたタイミングで開始となり、下限セル数設定処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１では、制御部４が、処理を行ったモジュール数ｋ（＝１〜ＭＸ）をカウントするためのプログラムカウンタの値を１にリセットする。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、下限セル数設定処理はステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、制御部４が、要求電力の絶対値の大きさが（ｋ＋１）個のモジュール２に対して設定された判定値（ｋ＋１）（例えば図３（ａ）に示す下限セル数判定（１），（２））より大きいか否かを判別する。判別の結果、要求電力の絶対値の大きさが（ｋ＋１）個のモジュール２に対して設定された判定値（ｋ＋１）より大きい場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、制御部４は、下限セル数設定処理をステップＳ１５の処理に進める。一方、要求電力の絶対値の大きさが（ｋ＋１）個のモジュール２に対して設定された判定値（ｋ＋１）以下である場合には（ステップＳ１２：Ｎｏ）、制御部４は、下限セル数設定処理をステップＳ１３の処理に進める。

ステップＳ１３の処理では、制御部４が、要求電力の絶対値の大きさが（ｋ＋１）個のモジュール２に対して設定された判定値（ｋ＋１）から（ｋ＋１）個のモジュール２に対して設定されたヒステリシス値（ヒス）（ｋ＋１）（例えば図３（ａ）に示すヒス（１），（２））を減算した値未満であるか否かを判別する。判別の結果、要求電力の絶対値の大きさが減算値未満である場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ、例えば図３に示す時間ｔ＝ｔ３，ｔ４）、制御部４は、下限セル数設定処理をステップＳ１４の処理に進める。一方、要求電力の絶対値の大きさが減算値以上である場合には（ステップＳ１３：Ｎｏ）、制御部４は、下限セル数設定処理をステップＳ１６の処理に進める。

ステップＳ１４の処理では、制御部４が、下限セル数の値をｋ個のモジュール分のセル数（ｋ×ｎ個）（下限セル数（ｋ））に設定する。これにより、ステップＳ１４の処理は完了し、下限セル数設定処理はステップＳ１６の処理に進む。

ステップＳ１５の処理では、制御部４が、下限セル数の値を（ｋ＋１）個のモジュール分のセル数（（ｋ＋１）×ｎ個）（下限セル数（ｋ＋１））に設定する。これにより、ステップＳ１５の処理は完了し、下限セル数設定処理はステップＳ１６の処理に進む。

ステップＳ１６の処理では、制御部４が、プログラムカウンタの値ｋがモジュール２の総数ＭＸ個であるか否かを判別する。判別の結果、プログラムカウンタの値ｋがモジュール２の総数ＭＸ個である場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、制御部４は、一連の下限セル数設定処理を終了する。一方、プログラムカウンタの値ｋがモジュール２の総数ＭＸ未満である場合（ステップＳ１６：Ｎｏ）、制御部４は、下限セル数設定処理をステップＳ１７の処理に進める。

ステップＳ１７の処理では、制御部４が、プログラムカウンタの値ｋを１増数する。これにより、ステップＳ１７の処理は完了し、下限セル数設定処理はステップＳ１２の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である下限セル数設定処理では、制御部４が、要求電力に応じて使用するセル数の下限値を設定するので、最低限必要な要求電力を確保することができる。なお、要求電力の他に、電圧、電流、内部抵抗、温度、損失等に応じて使用する下限セル数を設定するようにしてもよい。また、使用セル数は、下限セル数としてもよいし、電圧、電流、内部抵抗、温度、損失等から燃費を考慮したセル数としてもよい。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１電源装置
２（２_１〜２_ＭＸ）モジュール
３蓄電部
４制御部
５（５_１〜５_ｎ）セル

Claims

充放電可能な複数のセルを有する蓄電部と、各セルの接続可否を制御することによって使用するセル数を切り替える制御部と、を備える電源装置であって、
前記制御部は、使用するセル数に応じて前記蓄電部の入出力制限値を変更することを特徴とする電源装置。
前記制御部は、使用するセル数を変更する過渡動作時において使用するセル数を増加させる場合、前記過渡動作時は前記入出力制限値を保持し、使用するセル数の変更が完了したら前記入出力制限値を増加させ、前記過渡動作時において使用するセル数を減少させる場合には、使用するセル数を減少させる要求を受け付けた段階で前記入出力制限値を減少させ、前記入出力制限値が所定値以下まで減少した段階で過渡動作を実行することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記制御部は、要求電力に応じて使用するセル数の下限値を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。