JP2023044977A - 電池ユニットの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池ユニットの放電を適切に制限するための技術を提供する。【解決手段】電池ユニットの制御装置は、電池ユニットの閉路電圧を測定又は推定する手段と、電池ユニットの開路電圧を測定又は推定する手段と、閉路電圧と開路電圧との間の分極値を算出する手段と、閉路電圧が第１許容値を下回るとともに、閉路電圧の変化に対する分極値の変化量が第２許容値を上回るときに、電池ユニットの出力に対して制限値を設定する手段と、電池ユニットの出力が制限値を超えるときに、電池ユニットの放電を制限する手段と、を備える。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、電池ユニットの制御装置に関する。

特許文献１に、電池ユニットの制御装置が記載されている。この制御装置は、電池ユニットの電圧及び温度を含む指標を検出する少なくとも一つのセンサと、少なくとも一つのセンサに接続された処理回路と、を備える。処理回路は、電池ユニットの充電率（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）や温度に基づいて、電池ユニットの内部抵抗を推定し、その内部抵抗に基づいて充電時の電流値を設定するように構成されている。

特開２０１３－０１３２１０号公報

上述のように、電池ユニットの内部抵抗は、電池ユニットの充電率や温度に応じて変化する。しかしながら、例えば大電流の放電が継続したときは、充電率や温度から推定される値よりも、内部抵抗が大きく増大することがある。このような場合、充電率や温度を監視するだけでは、電池ユニットの内部抵抗を正しく推定することができず、電池ユニットの放電を適切に制限することができない。これを避けるためには、大電流の放電が継続するような状況も加味して、放電に対する制限値を厳しく（即ち、低い値に）設定することも考えられるが、この場合、通常時において電池ユニットの放電を過度に制限してしまうおそれがある。

上記の実情を鑑み、本明細書は、電池ユニットの放電を適切に制限するための技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、電池ユニットの制御装置に具現化される。電池ユニットの制御装置は、前記電池ユニットの閉路電圧を測定又は推定する手段と、前記電池ユニットの開路電圧を測定又は推定する手段と、前記閉路電圧と前記開路電圧との間の分極値を算出する手段と、前記閉路電圧が第１許容値を下回るとともに、前記閉路電圧の変化に対する前記分極値の変化量が第２許容値を上回るときに、前記電池ユニットの出力に対して制限値を設定する手段と、前記電池ユニットの出力が前記制限値を超えるときに、前記電池ユニットの放電を制限する手段と、を備える。

本発明者らの研究により、電池ユニットの出力（例えば出力電流や出力電力）を一律に制限していても、例えば大電流の放電が継続したときは、電池ユニットの出力電圧である開路電圧が、負荷の必要とする下限値を下回ることが確認された。これは、電池ユニットが大電流の放電を継続することで、電池ユニットの内部で生じる分極が飽和状態を超えてしまい、分極に起因する電圧低下が急激に増大するためと考えられる。このような状況下では、電池ユニットの出力のさらなる増加に対して、電池ユニットの開路電圧が大きく低下する。従って、そのような状況の発生を監視し、それに応じて電池ユニットの出力を適時に制限することができれば、電池ユニットの開路電圧（即ち、出力電圧）が、負荷の必要とする下限値を下回ることを回避することができる。

上記に関して、本明細書が開示する技術では、閉路電圧と開路電圧との間の差分を、分極値として算出し、閉路電圧の変化に対する分極値の変化量を監視する。閉路電圧と開路電圧との間の差分には、分極に起因する電圧低下だけでなく、様々な要因に起因する電圧降下が含まれる。従って、閉路電圧と開路電圧との間の差分だけでは、電池ユニット内の分極状態を正確に把握することが難しい。これに対して、閉路電圧と開路電圧との間の差分を閉路電圧で除算した指標、即ち、閉路電圧の変化に対する分極値の変化量（以下、指標ΔＶ／ＣＣＶと称する）は、電池ユニット内の分極状態とよく対応することが判明した。従って、指標ΔＶ／ＣＣＶを監視し、それに応じて電池ユニットの出力に制限を設けることで、電池ユニットの出力電圧である開路電圧が、負荷の必要とする下限値を下回ることを、効果的に回避することができる。

しかしながら、電池ユニットの出力増加に対して、開路電圧の大きな低下が見込まれる場合でも、電池ユニットの閉路電圧が比較的に高く、負荷の必要とする下限値に対して余裕があるときは、電池ユニットの放電を必ずしも制限する必要がない。そのため、上述した指標ΔＶ／ＣＣＶのみに基づいて電池ユニットの放電を制限すると、電池ユニットの放電を過剰に制限してしまうおそれがある。そこで、本技術では、指標ΔＶ／ＣＣＶだけでなく、閉路電圧も考慮して電池ユニットの放電を制限する。詳しくは、閉路電圧が第１許容値を下回るとともに、指標ΔＶ／ＣＣＶが第２許容値を上回るときに、制御装置は、電池ユニットの出力に対して制限値を設定する。そして、電池ユニットの出力が制限値を超えるときに、制御装置は、電池ユニットの放電を制限する。このような構成によると、電池ユニットの閉路電圧が第１許容値を下回らないときには、分極の状態を敢えて考慮せず、電池ユニットの放電も制限されない。従って、電池ユニットの放電が過度に制限されることを抑制又は回避することができる。言い換えると、電池ユニットの放電を適切に制限することができる。

上記した実施形態において、電池ユニットの出力に対する制限値は、その時点の出力から許容される増分値として設定されてもよい。但し、他の実施形態として、電池ユニットの出力に対する制限値は、電池ユニットの性能等に応じた所定の制限値として予め設定されていてもよい。

上記したいくつかの実施形態において、電池ユニットの出力に対する制限値は、電池ユニットの温度、充電率、及び、閉路電圧の変化に対する分極値の変化量の少なくとも一つに応じて変化してもよい。このような構成によると、電池ユニットの実際の状態に応じて、当該制限値を適切に設定することができる。これにより、電池ユニットの放電が過度に制限されることをより確実に抑制又は回避することができる。

制御装置１０の構成を説明するための概略図。 処理回路１８が実行する処理の一例を示すフロー図。 充電率ＳＯＣと開路電圧ＯＣＶとの関係の一例を示す図。なお、横軸は、左から右に向けて充電率ＳＯＣが低下することを示す。 閉路電圧ＣＣＶと分極値ΔＶとの関係の一例を示す図。なお、横軸は、左から右に向けて閉路電圧ＣＣＶが低下することを示す。

図面を参照して、実施例である制御装置１０について説明する。図１に示すように、制御装置１０は、電池ユニット１０２の制御装置であり、例えば動力ユニット１００の一部として、車両に搭載されている。ここでいう車両は、いわゆる自動車であって、路面を走行する車両である。ここでいう路面とは、いわゆる公道に限定されるものではなく、私有地や、車両が走行可能な屋内の床面も意図されている。車両は、例えば、エンジン車、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車、ソーラーカー等である。なお、他の実施形態として、本実施例で説明する技術は、路面を走行する車両に限られず、軌道を走行する車両に対しても有効に採用することができる。さらに、本実施例で開示される技術は、車両に限られず、船舶や航空機等の移動体や定置式の発電システム等に搭載されることができる。

図１に示すように、動力ユニット１００は、電池ユニット１０２を備える。電池ユニット１０２は、複数の電池セルを直列に接続した二次電池である。なお、複数の電池セルの具体的な数は、特に限定されず、少なくとも一つであればよい。複数の電池セルの各々は、例えば、リチウムイオン電池である。但し、複数の電池セルの各々は、必ずしもリチウムイオン電池である必要はなく、ニッケル水素電池といった他の電池であってもよい。

図１に示すように、動力ユニット１００は、モータ１０４と、インバータ１０６とをさらに備える。モータ１０４は、例えば車両の走行用モータといった三相モータである。インバータ１０６は、電池ユニット１０２とモータ１０４との間で、直流－交流間の電力変換を行う装置である。インバータ１０６は、電池ユニット１０２とモータ１０４との間に設けられており、電池ユニット１０２からの直流電力を三相交流電力に変換して、モータ１０４に供給することができる。また、インバータ１０６は、モータ１０４からの三相交流電力を直流電力に変換して、電池ユニット１０２に供給することもできる。なお、特に限定されないが、電池ユニット１０２の定格電圧とモータ１０４の定格電圧とが異なる場合には、電池ユニット１０２とインバータ１０６との間に、ＤＣ－ＤＣコンバータがさらに設けられてもよい。

図１に示すように、動力ユニット１００は、制御装置１０をさらに備える。制御装置１０は、電圧センサ１２と、電流センサ１４と、温度センサ１６と、処理回路１８とを備える。電圧センサ１２は、電池ユニット１０２の両端と電気的に接続されており、電池ユニット１０２の電圧を検出することができる。電流センサ１４は、電池ユニット１０２と直列に接続されており、電池ユニット１０２の電流を検出することができる。温度センサ１６は、例えば電池ユニット１０２が収容されるケース内に配置されており、電池ユニット１０２の温度を検出することができる。処理回路１８は、各センサ１２、１４、１６と通信可能に接続されており、各センサ１２、１４、１６によって検出された電池ユニット１０２の電圧、電流及び温度を監視することができる。

処理回路１８は、電圧センサ１２や電流センサ１４を用いて、電池ユニット１０２の閉路電圧ＣＣＶ（Ｃｌｏｓｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）や、開路電圧ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を測定又は推定することができる。例えば、閉路電圧ＣＣＶについては、電池ユニット１０２とモータ１０４との間が電気的に接続されている状態で、電圧センサ１２によって測定することができる。開路電圧ＯＣＶについては、電池ユニット１０２とモータ１０４との間が電気的に切断されている状態で、電圧センサ１２によって測定することができる。あるいは、開路電圧ＯＣＶは、電池ユニット１０２の充電率ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に基づいて推定することができ、電池ユニット１０２の充電率ＳＯＣについては、電圧センサ１２や電流センサ１４を用いて測定又は推定することができる。一例ではあるが、充電率ＳＯＣは、開路電圧ＯＣＶと概ね相関することから、充電率ＳＯＣと開路電圧ＯＣＶとの関係を示すマップに基づいて、動力ユニット１００の非動作時に測定された開路電圧ＯＣＶから推定することができる。また、他の一例として、充電率ＳＯＣは、電流センサ１４によって測定される電流値（充電及び放電を含む）を積算することによって、直接的に測定することもできる。

次に、図２－図４を参照して、制御装置１０が実施する一連の処理について説明する。図２に示すように、ステップＳ１０において、処理回路１８は、電圧センサ１２や電流センサ１４を用いて、電池ユニット１０２の閉路電圧ＣＣＶ及び開路電圧ＯＣＶを測定又は推定する。一例ではあるが、電池ユニット１０２の閉路電圧ＣＣＶは、電圧センサ１２によって測定される。電池ユニット１０２の開路電圧ＯＣＶは、測定又は推定された充電率ＳＯＣに基づいて推定される。例えば、処理回路１８は、図３に示すような充電率ＳＯＣと開路電圧ＯＣＶとの関係を示すマップを予め記憶しており、そのマップを用いて、充電率ＳＯＣから開路電圧ＯＣＶを推定することができる。図３に示すように、電池ユニット１０２では、充電率ＳＯＣの低下に伴って、開路電圧ＯＣＶは低下する。詳しくは後述するが、充電率ＳＯＣが比較的に低い範囲では、充電率ＳＯＣの低下に伴って、開路電圧ＯＣＶが顕著に低下することがある（図３中の範囲Ａ）。

ステップＳ１０において、処理回路１８は、分極値ΔＶをさらに算出する。ここで、分極値ΔＶは、閉路電圧ＣＣＶと開路電圧ＯＣＶとの間の差分として算出される値である。分極値ΔＶは、ΔＶ＝ＣＣＶ－ＯＣＶの式で表され、原則として負の値となる。そのため、分極値ΔＶは、上記の測定又は推定された閉路電圧ＣＣＶ及び開路電圧ＯＣＶから、算出されることができる。

ステップＳ１２において、処理回路１８は、閉路電圧ＣＣＶが第１許容値を下回るのか否かを判断する。ステップＳ１２でＹＥＳ、即ち、閉路電圧ＣＣＶが第１許容値を下回るとは、閉路電圧ＣＣＶが比較的に低い状態にあることを意味する。なお、第１許容値は、電池ユニット１０２の性能等に応じた所定の許容値として予め設定されていてもよいし、電池ユニット１０２の過去の実績データに基づいて経験的に設定されていてもよい。

ステップＳ１２でＮＯの場合、処理回路１８は、ステップＳ１０に戻る。即ち、ステップＳ１２でＹＥＳとなるまで、処理回路１８は、ステップＳ１０の処理とステップＳ１２の処理とを繰り返す。

ステップＳ１２でＹＥＳの場合、処理回路１８は、ステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４において、処理回路１８は、閉路電圧ＣＣＶの変化に対する分極値ΔＶの変化量（以下、単に「指標ΔＶ／ＣＣＶ」と称する）が第２許容値を上回るのか否かを判断する。図４に示すように、閉路電圧ＣＣＶが比較的に高い範囲（図４中の左側の範囲）では、閉路電圧ＣＣＶの低下に対して、分極値ΔＶが徐々に低下している。これは、電池ユニット１０２において分極が進行し、それに伴って閉路電圧ＣＣＶが低下していくためと推定される。そして、閉路電圧ＣＣＶが通常の範囲（図４中の中央の範囲）では、閉路電圧ＣＣＶの値にかかわらず、分極値ΔＶの値は比較的に安定している。即ち、指標ΔＶ／ＣＣＶは十分に小さい。このとき、電池ユニット１０２内で生じる分極は飽和状態となっており、閉路電圧ＣＣＶに対する分極の影響が安定して、その結果、分極に起因する閉路電圧ＣＣＶの電圧降下が安定していると推定される。これに対して、電池ユニット１０２の閉路電圧ＣＣＶが大きく低下する範囲（図４中の範囲Ａ）では、閉路電圧ＣＣＶの低下に対して分極値ΔＶが顕著に低下し始める。即ち、指標ΔＶ／ＣＣＶが急激に増大する。このとき、電池ユニット１０２内では分極が飽和状態を超えており、電池ユニット１０２に流れる電流のさらなる増加に対して、閉路電圧ＣＣＶが大きく低下することが推定される。このような場合、電池ユニット１０２の内部において、電極体の最表面における局所的な充電率ＳＯＣが、電極体の全体における平均的な充電率ＳＯＣに対して、著しく低下していると考えられる。

以上より、ステップＳ１４でＹＥＳとは、電池ユニット１０２に流れる電流のさらなる増加に対して、閉路電圧ＣＣＶの大きな低下が見込まれることを意味する。従って、ステップＳ１２でＹＥＳ、かつ、ステップＳ１４でＹＥＳとは、閉路電圧ＣＣＶが比較的に低い状態であり、かつ、電池ユニット１０２に流れる電流のさらなる増加に対して、閉路電圧ＣＣＶの大きな低下が見込まれることを意味する（図４中の範囲Ａ）。なお、第２許容値は、電池ユニット１０２の性能等に応じた所定の許容値として予め設定されていてもよいし、電池ユニット１０２の過去の実績データに基づいて経験的に設定されていてもよい。

ステップＳ１４でＮＯの場合、処理回路１８は、ステップＳ１０に戻る。即ち、ステップＳ１４でＹＥＳとなるまで、処理回路１８は、ステップＳ１０からステップＳ１４までの処理を繰り返す。

ステップＳ１４でＹＥＳの場合、処理回路１８は、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６において、処理回路１８は、電池ユニット１０２の出力に対して制限値を設定する。特に限定されないが、電池ユニット１０２の出力に対する制限値は、その時点の出力から許容される増分値として設定され、例えば、単位時間当たりに許容される増分値として設定される。なお、ここでいう出力とは、電池ユニット１０２が出力する電力であってもよいし、電池ユニット１０２が出力する電流であってもよい。処理回路１８は、電池ユニット１０２の温度、充電率ＳＯＣ、及び、指標ΔＶ／ＣＣＶの少なくとも一つに応じて、設定する制限値（又は増分値）を変化させてもよい。この場合、特に限定されないが、処理回路１８は、電池ユニット１０２の温度、充電率ＳＯＣ、及び、指標ΔＶ／ＣＣＶの少なくとも一つと、制限値（又は増分値）との関係を示すマップを予め記憶しておくことにより、電圧センサ１２や電流センサ１４、温度センサ１６を用いて、当該制限値（又は増分値）を決定することができる。但し、他の実施形態として、電池ユニット１０２の出力に対する制限値は、電池ユニット１０２の性能等に応じた所定の制限値として予め設定されていてもよい。

ステップＳ１８において、処理回路１８は、電池ユニット１０２の出力が制限値を超えるのか否かを判断する。ステップＳ１８でＹＥＳの場合、処理回路１８は、ステップＳ２０に移行して、電池ユニット１０２の放電を制限する。一例ではあるが、処理回路１８は、電池ユニット１０２の放電を制限する制限指令をインバータ１０６に出力する。制限指令を受け取ったインバータ１０６は、例えば、所定の許容値を下回る電流値又は電力値で放電されるように、電池ユニット１０２を制御する。これにより、処理回路１８は一連の処理を終了する。同様に、ステップＳ１８でＮＯの場合も、処理回路１８は一連の処理を終了する。そのため、ステップＳ１８でＮＯの場合は、電池ユニット１０２の放電が制限されない。

以上のように、本実施例における制御装置１０では、閉路電圧ＣＣＶの変化に対する分極値ΔＶの変化量（指標ΔＶ／ＣＣＶ）に基づいて、電池ユニット１０２の放電を制限するように構成されている（図２のＳ１４～Ｓ２０）。前述したように、指標ΔＶ／ＣＣＶを監視することによって、電池ユニット１０２の出力増加に対して、開路電圧ＯＣＶの大きな低下が見込まれることを検知できる。そして、そのような状況を検知したときは、電池ユニット１０２の放電を制限することによって、電池ユニット１０２の閉路電圧ＣＣＶがさらに低下することを回避することができる。これにより、電池ユニット１０２からモータ１０４等への供給電圧が、不足すること避けることができる。

但し、電池ユニット１０２の閉路電圧ＣＣＶが比較的に高いときには、電池ユニット１０２の出力増加に対して、開路電圧ＯＣＶの大きな低下が見込まれても、負荷の必要とする下限値に対して余裕があるため、電池ユニット１０２の放電を必ずしも制限する必要がない。そのため、本実施例における制御装置１０では、閉路電圧ＣＣＶが第１許容値を下回っていなければ（図２のステップＳ１２でＮＯ）、処理回路１８は、指標ΔＶ／ＣＣＶにかかわらず、電池ユニット１０２の放電を制限する処理（図２のＳ１４～Ｓ２０）を実行しないように構成されている。これにより、電池ユニット１０２からモータ１０４等への供給電圧が不足するおそれが高いときに限って、電池ユニット１０２の放電に制限を与えることができる。

最後に、実施例の制御装置１０の構成要素と、本明細書が開示する技術の構成要素との対応関係を説明する。実施例における電圧センサ１２、電流センサ１４及び処理回路１８は、本明細書が開示する技術における「閉路電圧ＣＣＶを測定又は推定する手段」や、「開路電圧ＯＣＶを測定又は推定する手段」の一例である。実施例における処理回路１８は、本明細書が開示する技術における「分極値ΔＶを算出する手段」の一例である。また、実施例における処理回路１８は、本明細書が開示する技術における「制限値を設定する手段」及び「放電を制限する手段」の一例でもある。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは組み合わせによって技術的有用性を発揮するものである。

１０ ：制御装置
１２ ：電圧センサ
１４ ：電流センサ
１６ ：温度センサ
１８ ：処理回路
１００ ：動力ユニット
１０２ ：電池ユニット
１０４ ：モータ
１０６ ：インバータ
ＣＣＶ ：閉路電圧
ＯＣＶ ：開路電圧
ＳＯＣ ：充電率
ΔＶ ：分極値

Claims (3)

1. 電池ユニットの制御装置であって、
   前記電池ユニットの閉路電圧を測定又は推定する手段と、
   前記電池ユニットの開路電圧を測定又は推定する手段と、
   前記閉路電圧と前記開路電圧との間の分極値を算出する手段と、
   前記閉路電圧が第１許容値を下回るとともに、前記閉路電圧の変化に対する前記分極値の変化量が第２許容値を上回るときに、前記電池ユニットの出力に対して制限値を設定する手段と、
   前記電池ユニットの出力が前記制限値を超えるときに、前記電池ユニットの放電を制限する手段と、
   を備える、制御装置。
2. 前記電池ユニットの出力に対する前記制限値は、その時点の出力から許容される増分値として設定される、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制限値は、前記電池ユニットの温度、充電率、及び、前記分極値の前記変化量の少なくとも一つに応じて変化する、請求項１又は２に記載の制御装置。

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