JP2019075936A - 二次電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】不感帯を考慮した均等化制御を適切に実行する。【解決手段】二次電池システム２は、組電池１０と、均等化ユニット３０と、ＥＣＵ１００とを備える。組電池１０は、直列接続された複数のブロック１０１〜１０Ｍを含む。均等化ユニット３０は、複数のブロック１０１〜１０Ｍにそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷＭを導通させることにより、複数のブロック１０１〜１０ＭのＳＯＣを均等化するように構成されている。ＥＣＵ１００は、複数のブロック１０１〜１０Ｍのうちの少なくとも１つのブロックが、最も低いＯＣＶであるターゲット電圧ＴＡＧよりも不感帯幅ΔＶだけ高いしきい値電圧ＴＨよりもさらに高い場合に、均等化ユニット３０を制御することによって上記少なくとも１つのブロックの電圧をしきい値電圧ＴＨまで低下させる。ターゲット電圧ＴＡＧが低いほど不感帯幅ΔＶが狭い。【選択図】図８

Description

本開示は、二次電池システムに関し、より特定的には、二次電池システムにおける均等化制御技術に関する。

近年、ハイブリッド車および電気自動車などの電動車両の開発が進められている。これらの電動車両には、駆動力を発生させるための組電池を備えた二次電池システムが搭載されている。車載用二次電池システムの組電池の多くは、直列接続された複数のセルを含んで構成される。

上記構成を有する組電池において、セル間のＳＯＣ（State Of Charge）にバラつきが生じる場合がある。このようなＳＯＣバラつきが生じた場合に、電圧が高いセルを放電させることによりＳＯＣを均等化する均等化制御が提案されている（たとえば特開２０１４−２３３１８３号公報（特許文献１）参照）。

特開２０１４−２３３１８３号公報

均等化制御では、すべてのセルの電圧がターゲット電圧に達するまで各セルを放電させることも考えられる。ターゲット電圧は、直列接続されたすべてのセルの電圧のうちの最低電圧に設定される。このような均等化制御を実行することにより、すべてのセルのＳＯＣを均等化することができる。

しかしながら、すべてのセルの電圧をターゲット電圧に厳密に揃えることは難しく、一部のセルが過度に放電され、そのセルの電圧がターゲット電圧を下回る可能性がある。そうすると、次回の均等化制御の実行時には、ターゲット電圧を下回った電圧が新たなターゲット電圧に設定される。その結果、均等化制御が繰り返し実行され、組電池に蓄えられたエネルギーが無駄に消費される可能性がある。

そのような状況に対応すべく、ターゲット電圧の電圧マージンを示す「不感帯」を設定することが考えられる。ターゲット電圧よりも不感帯幅だけ高いしきい値電圧よりもさらに高い電圧を有するセルが存在する場合に、当該セルについて均等化制御が実行される。そして、均等化制御により放電中のセルの電圧がしきい値電圧に達すると、放電が停止される。このように不感帯を設定することにより、各セルの電圧がターゲット電圧を下回ることが抑制されるので、均等化制御の繰り返しを防止することができる。

特許文献１に開示された技術では、不感帯は設定されておらず、不感帯をどのように設定することが望ましいかについて特に考慮されていない。この点において、特許文献１に開示の均等化制御には改善の余地が存在する。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、二次電池システムにおいて、不感帯を考慮して均等化制御を適切に実行することである。

本開示のある局面に従う二次電池システムは、組電池と、均等化装置と、制御装置とを備える。組電池は、直列接続された複数のブロックを含む。複数のブロックの各々は、並列接続された少なくとも１つのセルを含む。均等化装置は、複数のブロックにそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子を導通させることにより、複数のブロックのＳＯＣを均等化することが可能に構成されている。制御装置は、複数のブロックのうちの少なくとも１つのブロックの電圧が、複数のブロックの電圧のうちの最も低い電圧（ターゲット電圧）よりも電圧マージン（不感帯幅）だけ高いしきい値電圧よりもさらに高い場合に、均等化装置を制御することによって少なくとも１つのブロックの電圧をしきい値電圧まで低下させる。ＳＯＣが低いほど電圧マージンが狭い。

均等化制御は、たとえば断線検出のために実行される。詳細は後述するが、セルの内部抵抗は、セルのＳＯＣが低いほど変化しやすい（図５参照）。言い換えると、セルのＳＯＣ（電圧と言い換えてもよい）が低いほど、セルの内部抵抗の「感度」が高い。このため、ＳＯＣバラつきに伴う内部抵抗バラつきが大きくなるので、均等化制御によりＳＯＣバラつきを解消することが望ましい。

上記構成によれば、最低電圧が低いほど電圧マージンが狭く設定される。電圧マージンを狭くすることで、しきい値電圧も低くなる。そのため、セルの電圧がしきい値電圧よりも場合に実行される均等化制御が実行されやすくなり、ＳＯＣバラつきを積極的に解消することが可能になる。よって、上記構成によれば、電圧マージン（不感帯）を考慮した均等化制御を適切に実行することができる。

本開示によれば、二次電池システムにおいて、不感帯を考慮した均等化制御を適切に実行することができる。

本実施の形態に係る二次電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示す図である。 二次電池システムの構成をより詳細に説明するための図である。 断線発生時の内部抵抗比の変化の一例を示す図である。 本実施の形態における断線検出処理を説明するためのフローチャートである。 ＳＯＣと内部抵抗との対応関係を規定したマップの一例を示す図である。 不感帯を説明するための図である。 本実施の形態における不感帯幅の設定手法を説明するための図である。 本実施の形態における均等化制御を説明するためのフローチャートである。 不感帯幅を算出するためのマップの一例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

以下では、本実施の形態に係る二次電池システムがハイブリッド車両に搭載された構成を例に説明する。ただし、本実施の形態に係る二次電池システムは、ハイブリッド車両に限らず、走行用の組電池が搭載される電動車両全般（電気自動車、燃料電池車など）に適用可能である。さらに、本実施の形態に係る二次電池システムの用途は車両用に限定されるものではなく、たとえば定置用であってもよい。

［実施の形態］
＜車両の全体構成＞
図１は、本実施の形態に係る二次電池システムが搭載された車両の全体構成を概略的に示す図である。図１を参照して、車両１は、ハイブリッド車両であって、二次電池システム２と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）４０と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）５０と、モータジェネレータ６１，６２と、エンジン７０と、動力分割装置８０と、駆動軸９１と、駆動輪９２とを備える。二次電池システム２は、組電池１０と、監視ユニット２０と、均等化ユニット３０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００とを備える。

組電池１０は、直列接続された複数のブロック１０１〜１０Ｍ（図２参照）を含む。組電池１０は、モータジェネレータ６１，６２を駆動するための電力を蓄え、ＰＣＵ５０を通じてモータジェネレータ６１，６２へ電力を供給する。また、組電池１０は、モータジェネレータ６１，６２の発電時にＰＣＵ５０を通じて発電電力を受けて充電される。

監視ユニット２０は、電圧センサ２１（後述する電圧センサ２１１〜２１Ｍ）と、電流センサ２２と、温度センサ２３とを含む。電圧センサ２１は、組電池１０に含まれるセルの電圧を検出する。電流センサ２２は、組電池１０に入出力される電流ＩＢを検出する。温度センサ２３は、組電池１０の温度を検出する。各センサは、その検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

均等化ユニット（均等化装置）３０は、組電池１０に含まれるブロック１０１〜１０Ｍ間のＳＯＣの不均等（アンバランス）を解消するために設けられる。より詳細には、組電池１０では、時間の経過に伴い、ブロック１０１〜１０Ｍの自己放電電流のバラつき、または、電圧センサ２１１〜２１Ｍの消費電流のバラつき等に起因してブロック１０１〜１０Ｍ間のＳＯＣがバラつき得る。ブロック１０１〜１０Ｍ間の電圧バラつきは、充電効率のバラつきによっても生じ得る。均等化ユニット３０は、ＥＣＵ１００の制御信号に従って、ＳＯＣ不均等を解消するためにブロック１０１〜１０Ｍのうちのいずれかのブロック（１以上のブロック）を放電させる。組電池１０、監視ユニット２０および均等化ユニット３０の詳細な構成については図２にて説明する。なお、ＳＯＣとＯＣＶ（Open Circuit Voltage）との間には、ＳＯＣの増加とともにＯＣＶも単調増加するという相関関係が存在するので、均等化の対象はＯＣＶであってもよい。

ＳＭＲ４０は、ＰＣＵ４０と組電池１０とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。ＳＭＲ４０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、ＰＣＵ４０と組電池１０との間での電力の供給と遮断とを切り替える。

ＰＣＵ５０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に従って、組電池１０とモータジェネレータ６１，６２との間で双方向の電力変換を実行する。ＰＣＵ５０は、モータジェネレータ６１，６２の状態をそれぞれ別々に制御可能に構成されており、たとえば、モータジェネレータ６１を回生状態（発電状態）にしつつ、モータジェネレータ６２を力行状態にすることができる。ＰＣＵ５０は、たとえば、モータジェネレータ６１，６２に対応して設けられる２つのインバータと、各インバータに供給される直流電圧を組電池１０の出力電圧以上に昇圧するコンバータ（いずれも図示せず）とを含んで構成されている。

モータジェネレータ６１，６２の各々は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。モータジェネレータ６１は、主として、動力分割装置８０を経由してエンジン７０により駆動される発電機として用いられる。モータジェネレータ６１が発電した電力は、ＰＣＵ５０を介してモータジェネレータ６２または組電池１０に供給される。また、モータジェネレータ６１は、エンジン７０のクランキングを行なうことも可能である。

モータジェネレータ６２は、主として電動機として動作し、駆動輪９２を駆動する。モータジェネレータ６２は、組電池１０からの電力およびモータジェネレータ６１の発電電力の少なくとも一方を受けて駆動され、モータジェネレータ６２の駆動力は駆動軸９１に伝達される。一方、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、モータジェネレータ６２は、発電機として動作して回生発電を行なう。モータジェネレータ６２が発電した電力は、ＰＣＵ５０を介して組電池１０に供給される。

エンジン７０は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギーをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギーに変換することによって動力を出力する内燃機関である。

動力分割装置８０は、たとえば、サンギヤ、キャリア、リングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構（図示せず）を含む。動力分割装置８０は、エンジン７０から出力される動力を、モータジェネレータ６１を駆動する動力と、駆動輪９２を駆動する動力とに分割する。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００Ａと、メモリ（より具体的にはＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））１０２と、各種信号を入出力するための入出力ポート（図示せず）とを含んで構成されている。ＥＣＵ１００は、監視ユニット２０の各センサから受ける信号ならびにメモリ１００Ｂに記憶されたプログラムおよびマップ（後述する各マップ）に基づいて、組電池１０を制御する。ＥＣＵ１００により実行される主要な制御としては、組電池１０における「断線検出処理」と、組電池１０の「均等化制御」とが挙げられる。これらの処理および制御の詳細については後述する。

＜二次電池システムの構成＞
図２は、二次電池システム２の構成をより詳細に説明するための図である。図２を参照して、組電池１０においては、複数のセルが並列接続されることによりブロック（あるいはモジュールとも称される）が構成されている。そして、複数のブロックが直列接続されることにより組電池１０が構成されている。

より具体的には、組電池１０は、直列接続されたＭ個のブロック１０１〜１０Ｍを含む。ブロック１０１〜１０Ｍの各々は、並列接続されたＮ個のセルを含む。なお、Ｍ，Ｎは、２以上の自然数である。ただし、本開示において組電池が並列接続されたセルを含むことは必須ではなく、Ｎ＝１であってもよい。

本実施の形態において、各セルは、リチウムイオン二次電池である。しかし、二次電池の種類は特に限定されず、各セルは、ニッケル水素電池などの他の二次電池であってもよい。

図示しないが、隣接するセル間は、バスバーにより電気的に接続されるとともに機械的に連結されている。各セルには直列にヒューズ（図示せず）が接続されている。ヒューズは、過大な電流が流れた場合にセルの電流経路を遮断する。また、各セルの内部には、電流遮断機構（ＣＩＤ：Current Interrupt Device）（図示せず）が設けられている。ＣＩＤは、電池ケース内の圧力が所定値以上になると電流経路を遮断するように構成されている。

電圧センサ２１１は、ブロック１０１の電圧ＶＢ１を検出する。すなわち、電圧センサ２１１は、ブロック１０１を構成するＮ個のセルの電圧を検出する。電圧センサ２１２〜２１Ｍについても同様である。電流センサ２２は、各ブロック１０１〜１０Ｍを流れる電流ＩＢを検出する。

均等化ユニット３０は、均等化回路３０１〜３０Ｍを含む。均等化回路３０１は、ブロック１０１に並列接続され、一般的な均等化回路と同様に、バイパス抵抗Ｒｂ１と、スイッチング素子（トランジスタ等）ＳＷ１とを含む。他の均等化回路３０２〜３０Ｍについても同様である。

ＥＣＵ１００は、電圧センサ２１１〜２１Ｍからブロック１０１〜１０Ｍの電圧ＶＢ１〜ＶＢＭを取得すると、電圧ＶＢ１〜ＶＢＭがほぼ等しくなるまで各ブロックを放電するように、均等化回路３０１〜３０Ｍを制御する。この制御を「均等化制御」と称する。図２では、均等化制御の制御信号をＳ１〜ＳＭで示す。均等化制御を実行することで、ブロック１０１〜１０Ｍ間のＳＯＣ不均等を解消することができる。

＜組電池における断線検出＞
以上のように構成された組電池１０では、ブロック内の配線に断線が生じる可能性がある。たとえば、セル間を接続するバスバーが破断する可能性がある。また、各セルに接続されたヒューズが作動した場合にも、そのセルを含むブロック内で断線が生じることとなる。さらに、ＣＩＤが作動した場合にも、そのＣＩＤを含むセルの断線が生じる。あるいは、セルの異常（ドライアップ等のオープンモード故障）などによっても断線が生じる可能性がある。ＥＣＵ１００は、以下の処理により断線が生じたブロックを特定する。

まず、ＥＣＵ１００は、各ブロックの内部抵抗を算出する。以下では、ブロック１０１〜１０Ｍの内部抵抗をＲ１〜ＲＭとそれぞれ表す。ＥＣＵ１００は、たとえば隣接するブロック毎に内部抵抗を比較する。より具体的には、ＥＣＵ１００は、ブロック１０１の内部抵抗Ｒ１とブロック１０２との内部抵抗Ｒ２との比である抵抗比Ｘ１（＝Ｒ２／Ｒ１）を算出する。また、ＥＣＵ１００は、ブロック１０２の内部抵抗Ｒ２とブロック１０３の内部抵抗Ｒ３との比である抵抗比Ｘ２（＝Ｒ３／Ｒ２）を算出する。残りのブロックについても同様である。そして、ＥＣＵ１００は、各抵抗比の時間変化を監視する。

なお、以下では、ブロックを互いに区別するために添字ｉが用いられる。ｉは、１以上かつ（Ｍ−１）以下の自然数である。たとえばｉ＝１の場合には、ブロック１０１〜１０Ｍのうちブロック１０１とブロック１０２との抵抗比Ｘ１（＝Ｒ１／Ｒ２）が推定される。一方で、どのブロック間の抵抗比かを特に区別しない場合には、単に「抵抗比Ｘ」と記載する場合がある。

図３は、断線発生時の内部抵抗の変化の一例を示す図である。図３において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、抵抗比Ｘ１を示す。

図３に示すように、断線が発生するまでは抵抗比Ｘ１は、組電池１０の劣化に伴って上昇したり組電池１０の温度変化に伴って変化したりし得るものの、ほぼ一定である。しかし、時刻ｔｃにおいてブロック１０２に断線が発生すると、内部抵抗Ｒ２が増加する。一方、ブロック１０１の内部抵抗Ｒ１は、ほとんど変化しない。したがって、抵抗比Ｘ１（＝Ｒ２／Ｒ１）が時刻ｔｃにて急激に増加し、正常範囲の最大値ＭＡＸを上回ることになる。これにより、ＥＣＵ１００は、ブロック１０２内（ブロック１０２内のいずれかのセル）に断線が生じたと判定することができる。なお、図示しないが、抵抗比Ｘ１が急激に減少し最小値ＭＩＮを下回った場合には、ＥＣＵ１００は、ブロック１０１内のいずれかのセルに断線が生じたと判定することができる。

＜断線検出処理フロー＞
図４は、本実施の形態における断線検出処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、所定条件が成立した場合または所定の演算周期が経過する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。また、図４および後述する図８に示すフローチャートの各ステップ（以下、Ｓと略す）は、基本的にはＥＣＵ１００によるソフトウェア処理によって実現されるが、ＥＣＵ１００内に作製された電子回路によるハードウェア処理によって実現されてもよい。

図２および図４を参照して、Ｓ１０において、ＥＣＵ１００は、電圧センサ２１１〜２１Ｍの検出値（ＶＢ１〜ＶＢＭ）および電流センサの検出値（ＩＢ）から、各ブロックのＯＣＶｉを算出する。ＯＣＶの算出方法は公知であるため、説明は繰り返さない。

Ｓ２０において、ＥＣＵ１００は、予め取得されメモリ１００Ｂに格納されたＳＯＣ−ＯＣＶカーブ（図示せず）を用いて、Ｓ１０にて算出されたＯＣＶｉから、ブロック１０ｉのＳＯＣであるＳＯＣｉを算出する。

Ｓ３０において、ＥＣＵ１００は、ＳＯＣと内部抵抗との対応関係を規定したマップＭＰ１（図６参照）を参照することで、Ｓ２０にて算出されたＳＯＣｉから、そのブロック１０ｉの内部抵抗Ｒｉを算出する。マップＭＰ１は、事前の実験により準備され、ＥＣＵ１００のメモリ１００Ｂに格納されている。

図５は、ＳＯＣと内部抵抗との対応関係を規定したマップＭＰ１の一例を示す図である。横軸は、あるブロック（ブロック１０１〜１０Ｍのうちのいずれかのブロック）のＳＯＣを示し、縦軸は、そのブロックの内部抵抗を示す。

図５に示すように、内部抵抗にはＳＯＣ依存性が存在する。より具体的には、ブロックのＳＯＣが高くなるに従って、そのブロックの内部抵抗は減少する。このようなマップＭＰ１を参照することによって、ブロック１０ｉのＳＯＣから内部抵抗Ｒｉを算出することが可能になる。ただし、マップＭＰ１に代えて、電圧ＶＢｉと電流ＩＢとの比から内部抵抗Ｒｉを算出してもよい。

図４を再び参照して、Ｓ４０において、ＥＣＵ１００は、隣接するブロックの内部抵抗比を比較するための抵抗比Ｘｉを算出する。なお、比較対象とするブロックは必ずしも隣接している必要はなく、任意の２つのブロックの抵抗比を算出してもよい。

Ｓ５０において、ＥＣＵ１００は、Ｓ４０にて算出された抵抗比Ｘｉと、過去の抵抗比Ｘとを比較し、それらの比であるＸｉ／Ｘが基準値以上であるか否かを判定する。過去の抵抗比Ｘとは、過去のある時点（たとえば組電池１０の製造後の初期時点）における隣接ブロック間の内部抵抗比である。

上記比Ｘｉ／Ｘが基準値以上である場合（Ｓ５０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、仮異常カウンタの値Ｃ１を１だけインクリメントする（Ｓ６０）。仮異常カウンタとは、抵抗比に含まれる測定誤差を考慮して定められるカウンタであり、実際には組電池１０に異常（すなわち断線）が発生していないのに異常が発生したと誤判定してしまうことを避けるために定められる。仮異常カウンタの初期値は０である。なお、Ｓ５０にて比Ｘｉ／Ｘが基準値未満である場合（Ｓ５０においてＮＯ）には、仮異常カウンタの値Ｃ１がインクリメントされることなく、処理がメインルーチンへと戻される。

Ｓ７０において、ＥＣＵ１００は、仮異常カウンタの値Ｃ１が第１の判定値Ｋ１よりも大きいか否かを判定する。仮異常カウンタの値Ｃ１が第１の判定値Ｋ１よりも大きい場合（Ｓ７０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、組電池１０に異常が発生したとの確定診断を行なうための本異常カウンタの値Ｃ２を１だけインクリメントする（Ｓ８０）。一方、仮異常カウンタの値Ｃ１が第１の判定値Ｋ１以下である場合（Ｓ７０においてＮＯ）には、本異常カウンタの値Ｃ２はインクリメントされることなく、処理がメインルーチンへと戻される。

Ｓ９０において、ＥＣＵ１００は、本異常カウンタの値Ｃ２が第２の判定値Ｋ２よりも大きいか否かを判定する。本異常カウンタの値Ｃ２が第２の判定値Ｋ２よりも大きい場合（Ｓ９０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、異常が発生したと判定する。言い換えると、ＥＣＵ１００は、組電池１０に断線が発生したとの確定診断を行なう（Ｓ１００）。ＥＣＵ１００は、異常発生に伴うフェールセーフ処理を適宜行なってもよい。なお、本異常カウンタの値Ｃ２が第２の判定値Ｋ２以下である場合（Ｓ９０においてＮＯ）には、組電池１０に異常が発生したとは判定されずに、処理がメインルーチンへと戻される。

＜ブロック電圧の不感帯＞
上述したように、内部抵抗にはＳＯＣが存在する。そのため、たとえばブロック１０１とブロック１０２との抵抗比Ｘ１を高精度に算出するためは、ブロック１０１のＳＯＣとブロック１０２のＳＯＣとがばらついておらず、一致していることが望ましい。したがって、本実施の形態では均等化制御が実行され、すべてのブロックのＳＯＣバラつきが解消される。なお、均等化制御は、組電池１０の無負荷状態において実行することが望ましい（詳細は図８のフローチャートにて説明する）。

均等化制御においては、すべてのブロック１０１〜１０ＭのＳＯＣがほぼ等しくまで均等化回路３０１〜３０１による各ブロックの放電が行なわれる。あるブロックについて、放電を行なうか否か、および、放電を開始した場合に放電をいつ終了するかは、そのブロックの電圧（より詳細にはＯＣＶ）に基づいて決定される。本実施の形態において、ブロックのＯＣＶには、均等化制御の非実行を決定したり、均等化制御の放電を終了したりするための電圧範囲を示す「不感帯」が設定されている。不感帯は、本開示に係る「電圧マージン」に相当する。

図６は、不感帯を説明するための図である。図６（Ａ）において、縦軸は、あるブロックのＯＣＶを示す。ＯＣＶには、高い方から順に、上限電圧ＵＬ、しきい値電圧ＴＨ、ターゲット電圧ＴＡＧ、および、下限電圧ＬＬが設定されている。

ＯＣＶが上限電圧ＵＬ以上である場合、または、ＯＣＶが下限電圧ＬＬ以下である低い場合には、電圧センサ２１の異常（断線または短絡による故障など）の可能性が考えられる。このような場合には、均等化制御を正常に実行することは困難であるため、均等化制御の実行が禁止される。

ターゲット電圧ＴＡＧとは、具体的には、すべてのブロック１０１〜１０Ｍの電圧（ＯＣＶ）１〜ＶＢＭのうち最も低い電圧である。しきい値電圧ＴＨは、ターゲット電圧ＴＡＧよりも不感帯幅ΔＶ（たとえば１０ｍＶ程度）だけ高く設定される（ＴＨ＝ＴＡＧ＋ΔＶ）。

ＯＣＶがしきい値電圧ＴＨよりも高く、かつ上限電圧ＵＬ未満である場合に均等化制御の実行が許可される。また、ＯＣＶがしきい値電圧ＴＨよりも高く、均等化制御が開始されたときには、ＯＣＶがしきい値電圧ＴＨに達すると、均等化制御が完了する。一方、ＯＣＶが下限電圧ＬＬよりも高くても、ＣＯＶがしきい値電圧ＴＨ以下である場合には、均等化制御の実行は禁止される。

均等化制御の具体例について、図６（Ｂ）を参照しながら説明する。図６（Ｂ）および後述する図７では、説明の簡略化のため、４つのブロックＡ〜Ｄ（ブロック１０１〜１０Ｍのうちのいずれか４つ）が示されている。これらブロックＡ〜ＤのうちブロックＤのＯＣＶが最も低いので、ブロックＤのＯＣＶがターゲット電圧ＴＡＧに設定される。

ブロックＡのＯＣＶは、しきい値電圧ＴＨよりも低く、不感帯幅ΔＶ内である。そのため、ブロックＡは放電されない。残りのブロックＢ，ＣのＯＣＶは、しきい値電圧ＴＨよりも高い。そのため、ブロックＢ，Ｃは放電されるが、各々のＯＣＶがしきい値電圧ＴＨに達した時点で放電が終了する。

不感帯を設定せず、すべてのブロック１０１〜１０ＭのＯＣＶがターゲット電圧ＴＡＧと等しくなるまで均等化制御を実行することも考えられる。しかしながら、すべてのブロック１０１〜１０ＭのＯＣＶをターゲット電圧ＴＡＧに厳密に揃えることが難しい。一部のブロックが過度に放電されて、そのブロックのＯＣＶがターゲット電圧ＴＡＧを下回る可能性がある。そうすると、次回の均等化制御の実行時には、ターゲット電圧ＴＡＧを下回ったＯＣＶが新たなターゲット電圧ＴＡＧに設定される。その結果、均等化制御が繰り返し実行され、組電池１０に蓄えられたエネルギーが無駄に消費される可能性がある。したがって、ターゲット電圧ＴＡＧのマージンとして不感帯幅ΔＶを設定することにより、そのような繰り返しを防止することができる。

なお、不感帯幅ΔＶの設定により、モータジェネレータ６１をクランキングするための電力を組電池１０に確保しておくことも可能になる。

＜内部抵抗のＳＯＣ依存性＞
本発明者らは、ブロックの内部抵抗が図５に示したようなＳＯＣ依存性を有する点に着目した。より詳細には、図５のマップＭＰ１に示すように、ブロックのＳＯＣが低くなるに従ってブロックの内部抵抗の変化量（図示しないが、図５に示す曲線の接線の傾き）が大きくなる。このことは、低ＳＯＣ領域では、高ＳＯＣ領域と比べて、内部抵抗の「ＳＯＣ感度」が高いと言うこともできる。

このように、低ＳＯＣ領域では、内部抵抗のＳＯＣ感度が相対的に高い。つまり、低ＳＯＣ領域では、高ＳＯＣ領域と比べて、ＳＯＣバラつきに伴う内部抵抗バラつきが大きくなるので、均等化制御を積極的に実行することが望ましいと言える。

逆に、高ＳＯＣ領域では内部抵抗のＳＯＣ感度が相対的に低いため、多少のＳＯＣバラつきが生じていても内部抵抗バラつきは大きくなりにくい。したがって、均等化制御の効果が相対的に小さいので、均等化制御の実行を抑制し、エネルギーを節約することが望ましい。

そこで、本実施の形態においては、均等化制御の実行されやすさをブロックのＳＯＣに応じて設定すべく、ＳＯＣに応じて不感帯幅ΔＶを可変とする構成を採用する。

図７は、本実施の形態における不感帯幅ΔＶの設定手法を説明するための図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、ブロックのＳＯＣが低いほど（それに伴い、ターゲット電圧ＴＡＧが低いほど）、不感帯幅ΔＶを狭くする。

これにより、低ＳＯＣ領域では、均等化制御の実行が許可される電圧範囲（図６（Ａ）において、ＴＨ＜ＯＣＶ＜ＵＬの範囲）が相対的に広くなる。その結果、均等化制御が積極的に実行されることになる。その一方で、高ＳＯＣ領域では不感帯幅ΔＶが相対的に広くなるので、均等化制御の実行が許可される電圧範囲が狭くなり、均等化制御の実行が抑制される。

＜均等化制御フロー＞
図８は、本実施の形態における均等化制御を説明するためのフローチャートである。均等化制御は、組電池１０が充放電されなくなってから、ある程度の期間が経過し、充放電による分極が解消された状態で実行することが望ましい。したがって、図８に示すフローチャートは、たとえば、車両１がイグニッションオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）された状態の期間中に所定期間が経過する毎（たとえば１時間毎）にＥＣＵ１００が起動されて実行される。

図２および図８を参照して、Ｓ１１０において、ＥＣＵ１００は、ターゲット電圧ＴＡＧを設定する。ターゲット電圧ＶＴＡＧとしては、ブロック１０１〜１０ＭのＯＣＶのうちの最低電圧を設定することができる。

Ｓ１２０において、ＥＣＵ１００は、不感帯を考慮することが望ましい所定の条件が成立しているか否かを判定する。より具体的には、組電池１０の各ブロックの満充電容量が図示しない別フローにより算出されているところ、満充電容量バラつき（たとえば最大容量と最小容量との差）が所定値よりも小さい場合には、高精度に均等化制御を実行する必要が特にないので、不感帯を考慮しなくてもよい。また、組電池１０の製造時（あるいは車両１の製造時）からの経過時間が所定期間に満たない場合にも、ブロック間のＳＯＣバラつきが比較的小さい可能性が高いので、不感帯を考慮しなくてよい。

不感帯を考慮することが望ましい条件が成立していない場合（Ｓ１２０においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、不感帯幅ΔＶとして予め定められた固定値を設定する（Ｓ１４０）。固定値を用いることにより、ＥＣＵ１００の演算負荷を低減することができる。

これに対し、不感帯を考慮することが望ましい条件が成立している場合（Ｓ１２０においてＹＥＳ）には、ＥＣＵ１００は、以下に説明するマップＭＰ２を参照することによって、Ｓ１１０にて設定されたターゲット電圧ＴＡＧから不感帯幅ΔＶを算出する（Ｓ１３０）。

図９は、不感帯幅ΔＶを算出するためのマップＭＰ２の一例を示す図である。図９において、横軸はターゲット電圧ＴＡＧを示す。縦軸は不感帯幅ΔＶを示す。

図９を参照して、マップＭＰ２においては、ターゲット電圧ＴＡＧが低いほど不感帯幅ΔＶが狭く設定される。より具体的には、ターゲット電圧ＴＡＧがＶ１以上かつＶ２未満の範囲では、不感帯幅ΔＶはΔＶ１にて一定である。ターゲット電圧ＴＡＧがＶ２以上かつＶ３未満の範囲では、不感帯幅ΔＶは、ターゲット電圧ＴＡＧが高くなるに従ってΔＶ１からΔＶ２まで単調に増加する。ターゲット電圧ＴＡＧがＶ３以上かつＶ４未満の範囲では、不感帯幅ΔＶはΔＶ２にて一定である。

ただし、図９に示す不感帯幅ΔＶの設定手法は一例に過ぎない。不感帯幅ΔＶは、ターゲット電圧ＴＡＧが高くなるに従って曲線的に増加してもよいしステップ的に増加してもよい。また、不感帯幅ΔＶが一定となる電圧範囲（図９では、Ｖ１とＶ２との間の範囲、Ｖ３とＶ４との間の範囲）が存在しなくてもよい。

また、図９に示すマップＭＰ２では、ターゲット電圧ＴＡＧ（ブロック１０１〜１０ＭのＯＣＶのうちの最低ＯＣＶ）と不感帯幅ΔＶとの対応関係が規定されている。しかし、マップＭＰ２は、最低ＯＣＶ以外のＯＣＶ（たとえばブロック１０１〜１０Ｍの平均ＯＣＶ）と不感帯幅ΔＶとの対応関係を規定するものであってもよい。また、ＯＣＶとＳＯＣとの間には相関関係が成立するので、ＳＯＣと不感帯幅ΔＶとの対応関係がマップＭＰ２として規定されていてもよい。なお、マップに代えて関数（関係式）を用いて不感帯幅ΔＶを算出してもよい。

図８に戻り、Ｓ１５０において、ＥＣＵ１００は、ブロック１０１〜１０Ｍのなかに、しきい値電圧ＴＨ、すなわちターゲット電圧ＴＡＧよりも不感帯幅ΔＶだけ高い電圧（ＴＡＧ＋ΔＶ）よりもさらに高いＯＣＶを有するブロックが存在するか否かを判定する。そのようなブロックが存在しない場合（Ｓ１５０においてＮＯ）には、ＥＣＵ１００は、ＳＯＣ均等化を行なわなくてよいとして処理を終了する。この場合には、所定期間後（たとえば１時間経過後）に図８に示すフローチャートが再び実行されることになる。

一方、しきい値電圧ＴＨ（＝ＴＡＧ＋ΔＶ）よりも高い電圧ＶＢを有するブロックが存在する場合（Ｓ１５０においてＹＥＳ）には、ＥＣＵ１００は、処理をＳ１６０に進め、ＳＯＣを均等化するためのブロックの放電を開始する。より具体的には、ＥＣＵ１００は、ＯＣＶがしきい値電圧ＴＨよりも高いブロックに並列接続された均等化回路に含まれるスイッチング素子をオンする。これにより、当該ブロックが放電され、ＯＣＶが低下する。なお、ブロックの放電がすでに開始されている場合には、放電が継続される。

Ｓ１７０において、ＥＣＵ１００は、放電中のブロックのＯＣＶがしきい値電圧ＴＨに達したか否かを判定する。ＯＣＶがしきい値電圧ＴＨに達するまで処理がＳ１６０に戻されることにより（Ｓ１７０においてＮＯ）、当該ブロックの放電が継続される。

ＯＣＶがしきい値電圧ＴＨに達すると（Ｓ１７０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、当該ブロックのＳＯＣ均等化が完了したとして、放電を終了させる（Ｓ１８０）。より具体的には、均等化回路に含まれるスイッチング素子がオンからオフに切り替えられることにより、当該ブロックの放電が終了する。

Ｓ１９０において、ＥＣＵ１００は、すべてのブロック１０１〜１０Ｍの均等化が完了したか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、すべてのブロックの均等化が完了するまで処理をＳ１６０に戻し（Ｓ１９０においてＮＯ）、すべてのブロックの均等化が完了すると（Ｓ１９０においてＹＥＳ）、一連の処理を終了させる。

以上のように、本実施の形態によれば、均等化制御における不感帯幅ΔＶがターゲット電圧ＴＡＧに応じて設定される。不感帯幅ΔＶは、ターゲット電圧ＴＡＧが低いほど狭く設定される。低ＳＯＣ領域では、内部抵抗のＳＯＣ感度が相対的に高く、ＳＯＣバラつきに伴う内部抵抗バラつきが相対的に大きい。したがって、不感帯幅ΔＶを狭くし、それにより均等化制御の実行が許可される電圧範囲が相対的に広くして、均等化制御を積極的に実行する。一方、高ＳＯＣ領域では、内部抵抗バラつきが相対的に小さいので、均等化制御の実行が許可される電圧範囲が相対的に狭くして、均等化制御の実行を抑制する。このように、不感帯幅ΔＶがターゲット電圧ＴＡＧ（あるいはＳＯＣ）に応じて可変に設定することにより、均等化制御を適切に実行することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、２ 二次電池システム、１０ 組電池、１０ｉ，１０１〜１０Ｍ，Ａ〜Ｄ ブロック、２０ 監視ユニット、２１，２１１〜２１Ｍ 電圧センサ、２２ 電流センサ、２３ 温度センサ、３０ 均等化ユニット、３０１〜３０Ｍ 均等化回路、Ｒｂ１〜ＲｂＭ バイパス抵抗、ＳＷ１〜ＳＷＭ スイッチング素子、４０ ＳＭＲ、５０ ＰＣＵ、６１，６２ モータジェネレータ、７０ エンジン、８０ 動力分割装置、９１ 駆動軸、９２ 駆動輪、１００ ＥＣＵ、１００Ａ ＣＰＵ、１００Ｂ メモリ。

Claims (1)

1. 二次電池システムであって、
   直列接続された複数のブロックを含む組電池を備え、
   前記複数のブロックの各々は、並列接続された少なくとも１つのセルを含み、
   前記二次電池システムは、
   前記複数のブロックにそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子を導通させることにより、前記複数のブロックのＳＯＣを均等化することが可能に構成された均等化装置と、
   前記複数のブロックのうちの少なくとも１つのブロックの電圧が、前記複数のブロックの電圧のうちの最も低い電圧よりも電圧マージンだけ高いしきい値電圧よりもさらに高い場合に、前記均等化装置を制御することによって前記少なくとも１つのブロックの電圧を前記しきい値電圧まで低下させる制御装置とをさらに備え、
   前記ＳＯＣが低いほど前記電圧マージンが狭い、二次電池システム。

Images