JP3635047B2

JP3635047B2 - 電気車のバッテリ制御装置

Info

Publication number: JP3635047B2
Application number: JP2001206403A
Authority: JP
Inventors: 利貞三井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003023704A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気車の車載バッテリを管理するバッテリ制御に係り、特にバッテリの充電放電によってバッテリの暖気をおこなう、電気車のバッテリ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にバッテリが充放電できる電力範囲は、バッテリ温度に大きく依存する。バッテリ温度が高い方が充放電できる範囲が広く、逆にバッテリ温度が低くなるほど充放電範囲が狭くなる。このために、バッテリが電気車用に使用される場合、バッテリが暖まるまで、車両の運転性が制限されることがある。
【０００３】
この問題を解決する一手段として、特開２０００−４０５３６号公報がある。これは、バッテリ温度を検出し、バッテリ温度が所定値未満である場合には、バッテリの充電または放電の少なくとも一方をおこなうものである。またバッテリ容量が所定量未満のときは充電を、所定量以上のときは放電の制御をおこなう。すなわちバッテリの内部発熱を利用してバッテリの暖機をおこなう暖機装置が記載されている。
【０００４】
また、バッテリの劣化診断については特開２０００−１２１７１０号公報がある。パルス放電させたときのバッテリ電圧と、放電直前の電圧との差と電流からバッテリの内部抵抗を算出し、この値に基づいてバッテリの劣化の程度を診断するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
バッテリが充放電できる電力範囲は、温度に依存すると共にバッテリ劣化によっても特性が大きく変化する。また、バッテリの温度を同一とすると、バッテリの利用できる電力範囲は新品時が広く、劣化が進むほど狭くなる。したがって、単にバッテリ温度だけで暖機運転の実行／否実行を判断した場合、劣化時にはバッテリの利用できる電力範囲が予定より狭い状態で暖機を打ち切ることになる。したがって、バッテリの利用できる電力範囲をできるだけ広げようとする本来の目的を十分に達成することができなくなる。
【０００６】
また、劣化時のバッテリ特性に基づいて充放電が必要な温度判定の所定値をあらかじめ決めると、新品時は必要以上にバッテリを暖機することとなり、エネルギを無駄に使用することになる。さらに、バッテリは高温状態で充放電をおこなうと、劣化の進行が早まる問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、バッテリ温度とバッテリの劣化情報から求めたバッテリの充放電可能な電力が、所望値に達しない場合にのみ暖機のための充放電をおこない充放電可能な電力を所望値になるように制御するバッテリ制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
電気車のバッテリの制御装置において、バッテリの温度検出手段と，前記検出されたバッテリ温度とバッテリの電圧および電流から前記バッテリの充電可能電力あるいは放電可能電力を演算する手段と前記演算結果と予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値により前記バッテリの暖機運転の可否をきめる暖機運転判断手段とを含むバッテリ制御装置、から構成されることに特徴がある。
【０００９】
また、前記バッテリ制御手段はバッテリ温度が予め定めた最高温度のときにバッテリが充電あるいは放電できる最大充電可能電力あるいは最大放電可能電力を演算し、前記最大充電可能電力あるいは最大放電可能電力が前記それぞれについて定められた所望値よりも小さいとき、前記所望値として前記最大充電可能電力あるいは最大放電可能電力の値を選択する比較選択手段を備えたこと、また、前記電気車の動力伝達制御手段の開放状態を条件に前記バッテリの暖機運転の可否をきめるバッテリ制御装置であること、また、前記演算されたバッテリの充電可能電力あるいは放電可能電力が予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値より小さいとき暖気運転可と判断する判断手段であることに特徴がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例を適用した電気車用駆動システムの構成を示すものである。バッテリ１００は図示されていないリレーを介して電力変換器１０１に接続され、電力変換器１０１は交流モータ（ＳＭ）１０２に接続されている。モータ１０２は出力軸の動力を遮断できるクラッチ１０３を介してミッション１０４に接続する。ミッション１０４は駆動輪１０５に接続する。電力変換器１０１はバッテリから出力した直流電力を交流電力に変換し、交流モータＳＭに入力する。交流モータは交流電力を機械出力に変換し駆動力をクラッチに伝達する。クラッチがオフでない場合、クラッチに伝達された駆動力はミッションを通してタイヤを駆動する。
【００１１】
バッテリ１００の温度はバッテリに付設したバッテリ温度センサ１１０で計測し、バッテリ温度情報Ｔ_Ｂをバッテリ制御装置１０９に伝送する。バッテリに流れる直流電流Ｉ_Ｂは直流電流センサ１１１で計測し、直流電流情報をバッテリ制御装置１０９に伝送する。バッテリの電圧は直流電圧センサ１１２で計測し、直流電圧情報Ｖ_Ｂをバッテリ制御装置に伝送される。
【００１２】
その他に、車両制御装置１０８から得る動作指示信号９１に基づいて電力変換器１０１にモータ駆動制御信号９２を送信し、モータの駆動力を制御するモータ制御装置１０７と、少なくともクラッチの接続を管理する車両制御装置１０８とを備えている。バッテリ制御装置１０９は（車両制御装置１０８からクラッチの接続信号９４を得るとともに）バッテリ暖機指令信号９３を車両制御装置１０８に入力する。ここでは、モータＳＭを交流モータとしたが、直流モータで構成してもよい。
【００１３】
図２は、バッテリ制御装置１０９の機能ブロックの内、本発明に係わる機能ブロックを示したものである。利用可能な充電可能電力算出手段２０２と放電可能電力算出手段２０３は、バッテリ温度情報Ｔ_Ｂとバッテリ電圧Ｖ_Ｂバッテリ電流Ｉ_Ｂ、バッテリ劣化情報Ｒとバッテリ充電状態ＳＯＣを得て、現時点のバッテリ温度Ｔ_Ｂで充放電できる充電可能電力ＷＣＨＧと放電可能電力ＷＤＩＳを算出し、暖機運転判断手段２０６に伝送する。ここで、バッテリ劣化情報Ｒとバッテリ充電状態ＳＯＣは演算手段２０８で演算される。バッテリ劣化情報Ｒは、例えばバッテリ電圧Ｖ_Ｂおよび直流電流Ｉ_Ｂから演算されるバッテリ内部抵抗が該当する。
【００１４】
バッテリの暖機運転判断手段２０６は、バッテリの暖機の可否を判断し、暖機運転要求信号（９３）Ｗ_ＡＭＥを出力する。この暖機運転要求を受け、車両制御装置は、バッテリを充放電するモータ動作指令をモータ制御装置に伝送する。
【００１５】
ここで、バッテリの放電可能電力と充電可能電力は、バッテリ温度とバッテリ充電状態ＳＯＣとバッテリ劣化状態の関数となる。図３にバッテリ充電状態を固定し、バッテリ温度とバッテリ劣化状態を変化させた場合の模式的な特性を示した。充電可能電力については図３の（Ａ）に、放電可能電力については図３の（Ｂ）に示す。また、新品に近い使用開始初期のバッテリの場合（ａ）と、使用を開始しバッテリの劣化が進行している場合（ｂ）の両者について示している。このように（ａ）、（ｂ）の２本のラインで示したが、実際には劣化の進行に伴って（ａ）の特性は、徐々に（ｂ）の特性に、すなわち新品時の特性のラインからバッテリ劣化進行品のラインに移行することになる。
【００１６】
また図３には合わせて、バッテリ特性に要求する充電電力の所望値ＷＣＨＧｒｅｑと、放電電力の所望値ＷＤＩＳｒｅｑを図示している。
【００１７】
充電可能電力と放電可能電力の実際の算出は、式（１）を式（２）〜（５）の条件でＷの最小値と最大値を求め、Ｗの最大値を充電可能電力、Ｗの最小値×（−１）を放電可能電力とすればよい。
Ｗ＝Ｖ_Ｂ×Ｉ_Ｂ ……（１）
Ｖ_Ｂ＝ＯＣＶ＋ｒ×Ｉ_Ｂ ……（２）
ただし、ｒ＝Ｒ（Ｔ_Ｂ）
ＯＣＶ＝ｈ（ＳＯＣ） ……（３）
ｈ：ＳＯＣを参照してＯＣＶに換算する関数
下限電圧 ≦ Ｖ_Ｂ ≦ 上限電圧 ……（４）
下限電流 ≦ Ｉ_Ｂ ≦ 下限電流 ……（５）
ただし、ＯＣＶはバッテリの開放端電圧，ＳＯＣは充電状態電圧を表している。またｒはバッテリ内部抵抗、ｒはバッテリ温度Ｔ_Ｂの関数で表される。その関数をＲで表した（Ｒ＝ｄＶ_Ｂ／ｄＩ_Ｂからきまる）。
【００１８】
また、バッテリの内部抵抗はバッテリ温度Ｔ_Ｂにより変化するので、各バッテリ温度情報Ｔ_Ｂ毎にバッテリ劣化情報Ｒのデータを保持し、適宜、更新する。他のバッテリ劣化検出手段としては、予め実験によりバッテリ電流積算値と内部抵抗の対応データを作成しておき、時々刻々のバッテリ電流情報を積算して、バッテリ内部抵抗を算出しても良い。
【００１９】
暖機運転判断手段２０６は、充電可能電力ＷＣＨＧと放電可能電力ＷＤＩＳと、充電電力所望値ＷＣＨＧreqと放電電力所望値ＷＤＩＳreqを入力とし、暖機要求Ｗ_ＡＭＥを下記の条件で出力する。
暖機要求Ｗ_ＡＭＥの出力条件：
ＷＣＨＧ＜ＷＣＨＧｒｅｑ
または、ＷＤＩＳ＜ＷＤＩＳｒｅｑ
すなわち、図３（Ａ）の充電可能電力の場合でバッテリ温度がＴ_０であったとすると、特性（ａ）のときは前記条件を満たす矢印Ｃ１の領域において暖機がおこなわれ，特性（ｂ）のときは前記の条件を満たす矢印Ｃ２の領域で暖機がおこなわれ、暖機によってバッテリ温度をＴ１あるいはＴ２に上昇させる。また図３の（Ｂ）の放電可能電力についても前記充電の場合と同じで、矢印Ｃ３、Ｃ４の領域において暖機がおこなわれ、暖機運転によりバッテリ温度をＴ０からＴ４，Ｔ５に上昇させ、充電電力の所望値ＷＣＨＧｒｅｑ、ＷＤＩＳｒｅｑを満足するように暖機がおこなわれる。所望値ＷＣＨＧｒｅｑは、例えば「モータの回生電力の最大値＋α_１」とし、ＷＤＩＳｒｅｑは例えば「モータの力行電力＋α_２」（α_１、α_２；予め定めた定数）などとする。
【００２０】
図３の（Ａ）の場合、バッテリ特性に要求される放電電力の所望値と放電電力の所望値を図示している。バッテリが（ａ）の場合、温度Ｔ１以下では、充電電力の所望値に対しバッテリの放電可能電力が不足する。また、バッテリが（ｂ）の場合、バッテリ温度Ｔ２以下では、充電電力の所望値に対し、バッテリの充電可能電力が不足していることを示している。
【００２１】
プログラムで放電可能電力と充電可能電力を求める関数を作る場合は、予めデータを計算し、計算結果データをＲＯＭに記録しておいて参照する方式としてもよい。また、Ｔ_Ｂｍはバッテリの種類や使用目的にあわせて、適宜、決定する。
【００２２】
このように、充電可能電力算出手段と放電可能電力算出手段、および、バッテリ暖機運転判断手段を構成することで、バッテリが劣化しても、バッテリの暖機不足における暖気あるいは必要以上に暖機することなく、充電電力の所望値と放電電力の所望値を満足する適切なバッテリの暖機状態を保持することが可能となる。
【００２３】
さらに、バッテリが十分に暖機されたときのバッテリ温度をＴ_Ｂmとし、あらかじめ、バッテリ温度が温度Ｔ_Ｂmになったときの充電可能電力ＷＣＨＧｍと放電可能電力ＷＤＩＳｍを算出する。そして、暖機運転判断手段２０６への入力である充電電力所望値ＷＣＨＧreqと放電電力所望値ＷＤＩＳreqをＷＣＨＧreqの代わりにMIN（ＷＣＨＧreq，ＷＣＨＧｍ）ＷＤＩＳreqの代わりにMIN（ＷＤＩＳreq，ＷＤＩＳｍ）となる条件でＷＣＨＧｒｅｑ、ＷＤＩＳｒｅｑを比較選択手段２０４ｃ、２０４ｄで選択して暖機運転判断手段２０６に入力する。図４に示すように、比較選択手段２０４ｃ、２０４ｄを付加することで、バッテリの劣化が進行し、バッテリの暖機を実行しても所望の充電電力と放電電力を得られない場合にバッテリの暖機を途中で打ち切ることができる。
【００２４】
充電可能電力ＷＣＨＧｍと放電可能電力ＷＤＩＳｍの算出は、充電可能電力算出手段２０２と放電可能電力算出手段２０３の入力の内、バッテリ温度の入力を、時々刻々のバッテリ温度Ｔ_Ｂから温度Ｔ_Ｂmに変更することで求めることができる。例えば，図３の（Ａ）において、温度Ｔ_ＢmがＴ３であったとする。そのときの最大充電可能電力がＷＣＨＧｍであるとすると、前記比較選択手段２０４Ｃでは、ＷＣＨＧｒｅｑとしてＷＣＨＧｍが選択されるから、過剰暖機をさけることができる。図３の（Ｂ）の場合についても同様に、Ｔ_Ｂｍのときの最大放電可能電力がＷＤＩＳｍであれば、ＷＤＩＳｒｅｑとしてＷＤＩＳｍが選択されることになる。
【００２５】
車両制御装置は、バッテリ暖機の要求を受け、クラッチを開放し、モータ動作指示信号として、モータを加速させる指示と減速させる指示を交互に出力する。したがって、モータ加速時は、バッテリから放電することになり、モータ減速時はバッテリを充電することとなる。なお、あらかじめクラッチを開放して暖機運転にはいるから、バッテリの暖機通電によって、運転者の意志に相違して車両が駆動されることはない。
【００２６】
図５はモータ動作指令として、回転数指示を与えた場合の１例を示している。図に示した例では、加速区間ｔ１，コースト区間ｔ２，減速区間ｔ３，コースト区間ｔ４の４区間にて１サイクルを構成し、このサイクルを繰り返すことになる。コースト区間は、モータ出力軸に過大なねじりトルクを発生しなければ省いてもよい。
【００２７】
また、図６はモータ動作指令がトルク指令の場合を示している。この場合は、プラスのトルク指令とマイナスのトルク指令を交互に指示して、モータを加減速させ暖機運転をおこなった場合の例である。このように図５あるいは図６のような場合があり得る。
【００２８】
また、バッテリの劣化によって特性が変化しても、暖機不足や過剰暖機になることがない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、電気車用のバッテリの制御において、充電可能電力、あるいは放電可能電力と充放電電力の所望値との関係からモータに制御信号を与え、過剰暖機を抑制して適切な暖機運転をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、全体システムの構成を示す図である。
【図２】バッテリ制御装置のブロック構成図である。
【図３】バッテリ充電可能電力と放電可能電力とバッテリ温度との関係、充放電所望値、を表す図である。
【図４】過剰暖機を抑制するための実施例を示す図である。
【図５】モータの回転数指令による暖機運転の例を示す図である。
【図６】モータのトルク指令による暖機運転の例を示す図である。

Claims

バッテリを電源として電力変換をおこなう電力変換器を有し，前記電力変換器から電力が供給される電動機をもつ電気車に搭載されたバッテリ制御装置において、前記バッテリ制御装置は、バッテリの温度検出手段と，前記検出されたバッテリ温度とバッテリの電圧および電流から前記バッテリの充電可能電力あるいは放電可能電力を演算する手段と前記演算結果と予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値により前記バッテリの暖機運転の可否をきめる暖機運転判断手段とを含むバッテリ制御装置であることを特徴とする電気車のバッテリ制御装置。
請求項１に記載の電気車のバッテリ制御装置において、前記バッテリ制御手段はバッテリ温度が予め定めた最高温度のときにバッテリが充電あるいは放電できる最大充電可能電力あるいは最大放電可能電力を演算し、前記最大充電可能電力あるいは最大放電可能電力が前記それぞれについて定められた所望値よりも小さいとき、前記所望値として前記最大充電可能電力あるいは最大放電可能電力の値を選択する比較選択手段を備えたことを特徴とする電気車のバッテリ制御装置。
請求項１に記載の電気車のバッテリ制御装置において、前記電気車の動力伝達制御手段の開放状態を条件に前記バッテリの暖機運転の可否をきめるバッテリ制御装置であることを特徴とする電気車バッテリ制御装置。
請求項１に記載の電気車のバッテリ制御装置において、前記演算されたバッテリの充電可能電力あるいは放電可能電力が予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値より小さいとき暖機運転可と判断する判断手段を備えたことを特徴とする電気車のバッテリ制御装置。