JP3644241B2

JP3644241B2 - 組電池の充電制御装置およびその制御方法

Info

Publication number: JP3644241B2
Application number: JP8414698A
Authority: JP
Inventors: 直樹天田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JPH11283678A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池の充電制御装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は電気自動車等に用いられる組電池の出力可能パワー（曲線L10，L11）および入力可能パワー（曲線L20，L21）を定性的に示した図である、縦軸はパワー（ｋＷ）、横軸は電池のＤＯＤ（放電深度）を表す。ここで、曲線L10，L20は電池温度が常温の場合の特性を、曲線L11，L21は電池温度が低温の場合の特性をそれぞれ示しており、低温の場合には常温の場合に比べて出力および入力可能パワーが低下する。
【０００３】
そこで、低温時に（ａ）放電を高パワーで行って自己発熱により低温電池の昇温を行う方法や、（ｂ）電池専用のヒータを設けて昇温させる方法等が考えられるが、（ａ）の場合には、図１２の曲線L11，L21のように出力および入力可能パワーが低下しているため充分な発熱が得られず、素早く電池温度が上昇しないという問題があった。また、（ｂ）の場合には、電池専用のヒータを用意しなければならず、コストアップになるという欠点があった。
【０００４】
本発明の目的は、電気自動車等に用いられる組電池の温度を速やかに昇温させることができる充電制御装置およびその制御方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１，２および６に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明によれば、複数の単電池Ｃ１〜Ｃ４が直列に接続された組電池１の各単電池Ｃ１〜Ｃ４に並列に接続される抵抗Ｒ１〜Ｒ４と、単電池Ｃ１〜Ｃ４の電圧を検出する電圧検出手段２４とを備え、各単電池Ｃ１〜Ｃ４の電圧Ｖｃに基づいて単電池Ｃ１〜Ｃ４の充電電流を抵抗Ｒ１〜Ｒ４にバイパスし、各単電池Ｃ１〜Ｃ４の充電率が均一になるように制御する充電制御装置に適用され、回生充電時の回生パワーが組電池１の入力可能パワーより大きい場合に、充電電流が組電池１の両端子間をバイパスして各抵抗Ｒ１〜Ｒ４を流れるように制御する制御手段２，８と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４に生じる熱エネルギーを利用して組電池１を加熱する加熱手段３２，３３とを設けたことにより上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の充電制御装置において組電池１の温度を検出する温度検出手段７と、組電池１の充電容量を算出する演算手段８と、組電池１の温度毎の入力可能パワー情報が予め記憶される記憶装置９とを設け、制御手段２，８は、温度検出手段７により検出された温度に対応する入力可能パワー情報と演算手段８により算出される充電容量とに基づいて充電電流を制御する。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の充電制御装置の制御方法であって、回生充電時に組電池１を構成する各単電池Ｃ１〜Ｃ４間の単電池電圧Ｖｃのばらつきが所定値（例えば、単電池Ｃ１〜Ｃ４の電圧の最大値Ｖcmaxと最小値ＶcminとのΔＶｃがばらつきの上限値ΔＶmax）より大きくなった場合には、単電池電圧Ｖｃに基づいて各単電池Ｃ１〜Ｃ４毎に充電電流をバイパスさせて各単電池Ｃ１〜Ｃ４の充電率が均一になるように充電電流を制御することにより上述の目的を達成する。
（４）請求項４の発明は、請求項３に記載の制御方法において、組電池１の温度に応じて加熱手段３２，３３による加熱および加熱の停止を制御する。
【０００６】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４の発明によれば、均等充電用の抵抗に充電電流をバイパスして抵抗に生じる熱エネルギーを利用して組電池を加温することにより、低温時に組電池の温度を速やかに昇温することができ、電池特性を向上を図ることができる。また、回生制動力の安定化を図ることができる。
請求項３の発明によれば、回生充電時に均等充電を行うため、通常充電の際の均等充電の頻度を少なくすることができる。
請求項４の発明によれば、組電池の温度が高温になりすぎるのを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による充電制御装置の一実施の形態を説明する図であり、電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロック図である。１は複数の単セルＣ１〜Ｃｎから構成される組電池であり、例えば、リチウムイオン電池等が用いられる。２は組電池１の各単セルＣ１〜Ｃｎのセル電圧Ｖｃの検出とともに各単セルＣ１〜Ｃｎの充放電制御を行うセルコントローラである。組電池１はインバータ３に直流電力を供給し、インバータ３は直流電力を交流電力に変換してモータ４へ電力を供給する。また、回生時には車両の走行エネルギーがモータ４およびインバータ３を介して電気エネルギーに逆変換され、組電池１が充電されるとともに車両に回生ブレーキがかかる。組電池１の電圧Ｖ，電流Ｉおよび温度Ｔはそれぞれ電圧センサ５，電流センサ６，温度センサ７によって計測されバッテリコントローラ８へ送られる。バッテリコントローラ８は、電池の電圧Ｖ，電流Ｉ，温度Ｔおよびセルコントローラ２からのセル情報（セル電圧など）や記憶装置９に予め入力された制御データ等に基づいてインバータ３の出力制御や回生制御等を行なう。１０は外気温度を計測するための温度センサである。
【０００９】
実際には、組電池１を構成するｎ個の単セルＣ１〜Ｃｎは複数個（例えば４個）の単セルから成るモジュール単位に管理され、各モジュール毎にセルコントローラが設けられるが、ここでは説明を簡単にするために、図１に示したように一つのセルコントローラ２で単セルＣ１〜Ｃｎを制御するものとして説明する。図２はセルコントローラ２の詳細を示す図であり、セルコントローラ２はＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、Ａ／Ｄコンバータ２４、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４，ＳＷ１１〜ＳＷ１３を備えている。Ａ／Ｄコンバータ２４は各単セルＣ１，Ｃ２の端子電圧Ｖｃをデジタル信号に変換してＣＰＵ２１へ送り、各セルの端子電圧Ｖｃ（以下では、セル電圧Ｖｃと記す）はＲＡＭ２３に記憶される。
【００１０】
図２ではスイッチＳＷ１〜ＳＷ４，ＳＷ１１〜ＳＷ１３は全てオフ状態にあり、組電池１は通常の回生充電で充電が行われる。ここでは、この状態を通常回生モードと呼ぶことにする。また、図３に示すようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンとし、かつ、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３をオフとした状態を制動モードと呼ぶ。制動モードでは回生電流の一部が抵抗Ｒ１〜Ｒ４にバイパスされ、熱エネルギーとして消費されることになる。さらに、図４のようにスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３の全てをオンし、単セルＣ１〜Ｃ４の充電率に応じてスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオン・オフ制御する場合を均等モードと呼ぶ。均等モードにおける充電は均等充電と呼ばれ、単セルＣ１〜Ｃ４の充電容量のバラツキを低減するように各単セルの充電が制御される。この均等モードにおけるバイパス回路は、均等充電可能に構成された従来のセルコントローラのバイパス回路（図５を参照）と実質的に同一となっている。すなわち、図２に示すセルコントローラ２は従来のセルコントローラ２００にスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３を追加したものである。
【００１１】
均等充電では、単セルＣ１〜Ｃ４の各充電容量に応じて（例えば、単セルのセル電圧Ｖｃと予め定められた設定電圧との差分に応じて）充電電流の一部を抵抗Ｒ１〜Ｒ４にバイパスさせ、各セル電圧が設定電圧と等しくなるように調整される。図４では、スイッチＳＷ２，ＳＷ４がオンされて単セルＣ２，Ｃ４の充電電流がそれぞれ抵抗Ｒ２，Ｒ４にバイパスされる。均等充電の詳細については、例えば、特開平７−３３６９０５号公報に開示されている。
【００１２】
図６は電気自動車３０に搭載された組電池１を模式的に示したものであり、複数の単セルＣで構成される組電池１はケース３１内に納められている。ケース３１は、組電池１が納められる電池室３１１，外気導入口３１２ａ，３１２ｂおよび排出口３１３を備えている。外気導入口３１２ａ部分にはヒータコア３２が、排出口３１３部分にはブロアユニット３３がそれぞれ配設される。ヒータコア３２内には、図２に示した抵抗Ｒ１〜Ｒ４が設けられており、抵抗Ｒ１〜Ｒ４で発生する熱エネルギーが放出される。
【００１３】
３１４ａは、外気導入口３１２ａから流入してヒータコア３２を通過した空気を電池室３１１または配管３１５のいずれかへ切り換える切換機構であり、電池室３１１へ流れるような状態を開状態、配管３１５へ流れるような状態を閉状態と呼ぶ。また、３１４ｂは外気導入口３１２ｂから電池室３１１への外気流入をオン・オフする開閉機構である。図６のように切換機構３１４ａを開状態にし、かつ、開閉機構３１４ｂを閉状態にすると、外気導入口３１２ａから導入した外気はヒータコア３２で暖められた後に電池室３１１内へ流入する。逆に、切換機構３１４ａを閉状態にし、かつ、開閉機構３１４ｂを開状態にすると、ヒータコア３２を通過した空気は配管３１５を通過した後、ブロアユニット３３によって排出口３１３から外部に排出される。一方、導入口３１２ｂから導入された外気は電池室３１１内に流入し、空気は各単セルＣの周囲を流れた後にブロアユニット３３によって排出口３１３から外部に排出される。
【００１４】
ところで、前述したように、組電池１の温度が低温のときには常温の時に比べて電池特性（出力可能パワーや入力可能パワーなど）が低下する。図７は回生パワーと組電池１の入力可能パワーとの関係を示す図であり、Ｌ２０およびＬ２１は図１２に示した常温時および低温時の入力可能パワーである。Ｐは必要とする制動力（回生パワー）を表しており、ここでは１５ｋＷであるとして考える。図から分かるように、常温の場合にはＤＯＤがＢ％以上であれば入力可能パワーは１５ｋＷ以上となり、回生パワーの全てを回生充電で消費することができる。しかし、低温時（Ｌ２１）には入力可能パワーが低下するため、例えば、ＤＯＤ＝Ｂ％においては入力可能パワーが５ｋＷなので、１５ｋＷの回生パワーの内の１０ｋＷは機械的なブレーキで消費することになる。すなわち、電池温度が低温のときには、回生パワーの一部を熱エネルギーの形で無駄に消費してしまうことになり、その分だけ回生ブレーキの能力が低下することにもなる。
【００１５】
そこで、本実施の形態では、入力可能パワーを上回る部分の電力（上述した１０ｋＷ）を利用して電池温度の昇温を図り、電池特性を回復させるようにした。昇温方法としては、図３，４に示す制動モードまたは均等モード時に、抵抗Ｒ１〜Ｒ４に電流をバイパスさせる制動モードで充電を行い、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の発熱で電池１を暖めるようにする。このとき、入力可能パワーを上回る部分の電力が抵抗Ｒ１〜Ｒ４で熱エネルギーとして消費される。
【００１６】
次いで、回生充電時の制御方法について説明する。本実施の形態では、電池容量，容量バラツキ，電池温度により▲１▼充電モードの制御（通常回生モード，均等モードおよび制動モードの制御）、▲２▼電池１の冷却加温制御（加温モードおよび冷却モードであってブロアユニット３３のオンオフ制御も含む）をそれぞれ行う。
【００１７】
まず、充電モード制御について説明する。図８は電池温度Ｔbが常温（Ｔ0）のときの入力可能パワーを示したものであり、Ｐmaxは回生充電時の最大回生パワーである。図８はＴb＝Ｔ0の場合のデータであるが、セルコントローラ２のＲＯＭ２２には種々の電池温度Ｔbに関して図８と同様のデータが記憶されている。図８において、組電池１の放電深度（ＤＯＤ）ＡがＡ≧Ａ0（Ａ0は入力可能パワーとＰmaxが等しくなる規定放電深度）である場合には
【数１】
（入力可能パワー）≧Ｐmax
となって組電池１は回生パワーの全てを受け入れることが可能となるため、充電制御モードを通常回生モードに設定して（図２参照）通常の回生充電を行う。
【００１８】
一方、Ａ＜Ａ0である場合には
【数２】
（入力可能パワー）＜Ｐmax
となって組電池１は回生パワーの全てを受け入れることができなくなる。この場合には、組電池１の容量バラツキの程度によって均等モード（図４参照）または制動モード（図３参照）に設定する。例えば、組電池１を構成する単セルの内で最大のセル電圧Ｖcmaxと最小のセル電圧Ｖcminとの差ΔＶｃをバラツキの指標とした場合、ΔＶｃ＞ΔＶmax（バラツキの上限値）となったならば均等モードに設定してバラツキΔＶｃがバラツキの目標値ΔＶca（＜ΔＶmax）となるように均等充電を行い、ΔＶｃ≦ΔＶcmaxならば制動モードに設定する。なお、ΔＶcmax，ΔＶcaは予めＲＯＭ２２（図２）に記憶される。
【００１９】
次に、図９，１０を用いて冷却加温制御について説明する。図９は、横軸を電池１のＤＯＤ，縦軸を電池温度Ｔbとしたときの冷却モード，加温モードおよびブロアオフモードの領域を表したものである。図９において、Ｔ０は常温時の電池温度、Ｔ１およびＴ２は電池１の冷却・加温不要温度範囲の下限値および上限値であり、Ｔ３はＴ３＜Ｔ１の条件を満たす電池温度である。なお、Ａ1，Ａ3はそれぞれ電池温度Ｔ１，Ｔ３に対応する規定放電深度である。電池温度がＴb＞Ｔ２の領域（冷却モード）では、図６に示す切換機構３１４ａを閉状態に、開閉機構３１４ｂを開状態にして外気を外気導入口３１２ａから電池室３１１に導入し、外気により電池１を冷却するとともに、ヒータコア３２で暖められた空気を配管３１５へ分岐する。このとき、ブロアユニット３３を駆動して電池室３１１内および配管３１５内の空気を強制的に排出口３１３から排出する。
【００２０】
また、図９の加温モード領域では、ヒータコア３２を発熱させ、すなわち、充電モードを均等モードまたは制動モードに設定し、切換機構３１４ａを開状態に、開閉機構３１４ｂを閉状態にして外気導入口３１２ａから電池室３１１に外気を導入する。その結果、ヒータコア３２によって暖められた外気によって電池１が暖められる。この場合もブロアユニット３３を駆動して電池室３１１内の空気を強制的に排出する。
【００２１】
図１０は電池温度Ｔ０，Ｔ１，Ｔ３に関する入力可能パワーを一つのグラフに表したものであり、この図を参照して図９の加温モードの領域について説明する。（１）電池温度Ｔ１の場合、（放電深度）＜Ａ１の範囲では均等モードまたは制動モードに設定され、抵抗Ｒ１〜Ｒ４（図３，４参照）のいずれかに電流がバイパスされてヒータコア３２が発熱状態となる。この場合には、充電モードは加温モードに設定される。一方、（放電深度）≧Ａ１の範囲では回生パワーの全てを受け入れることができるので、充電モードは通常回生モードに設定される。ただし、ブロアユニット３３はオフとされる。
（２）電池温度ＴbがＴ３の場合にも同様に制御され、規定放電深度Ａ３に関して（放電深度）＜Ａ３の範囲では均等モードまたは制動モードに、（放電深度）≧Ａ３の範囲では通常回生モードに設定される。
【００２２】
次に、図１１に示すフローチャートを用いて回生充電時の制御を説明する。なお、この制御は図２のバッテリーコントローラ８により行われ、イグニッションキースイッチがオンになったならば図１１のフローがスタートする。ステップＳ１は運転者によってアクセルが踏まれているか否かを、すなわちアクセルのオンオフを判定するステップであり、アクセルがオフの場合にのみステップＳ２へ進む。ステップＳ２では電池１の電池状態（容量、容量バラツキ、電池温度等）の確認を行う。すなわち、各単セルＣ１〜Ｃ４のセル電圧Ｖｃおよび電池温度Ｔbを検出し、電池容量（例えば、放電深度ＤＯＤ），容量バラツキΔＶｃ等を算出する。
【００２３】
ステップＳ３では電池１のＤＯＤが規定放電深度Ａb（電池温度がＴbのときの規定放電深度）以上か否かを判定し、（ＤＯＤ）＜Ａbの場合にはステップＳ４へ進み、（ＤＯＤ）≧Ａbの場合にはステップＳ１１に進んで充電モードを通常回生モードに設定した後ステップＳ６へ進む。ステップＳ４は容量バラツキΔＶｃがΔＶｃ＞ΔＶmaxであるか否かを判定するステップであり、ΔＶｃ＞ΔＶmaxの場合にはステップＳ５へ進んで充電モードを均等モードに設定し、ΔＶｃ≦ΔＶmaxの場合にはステップＳ１２に進んで充電モードを制動モードに設定する。
【００２４】
次いで、ステップＳ６で温度センサ１０により外気温度Ｔaを確認したならば、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７は電池温度ＴbがＴb＜Ｔ１，Ｔ１≦Ｔb≦Ｔ２およびＴ２＜Ｔbのいずれの条件を満足するかを判定し、Ｔb＜Ｔ１の場合にはステップＳ９へ、Ｔ１≦Ｔb≦Ｔ２の場合にはステップＳ８へ、Ｔ２＜Ｔbの場合にはステップＳ１３へ進む。ステップＳ７においてステップＳ９へ進んだ場合には、規定放電深度Ａbが（ＤＯＤ）≧Ａbを満足するか否かを判定し、（ＤＯＤ）≧Ａbの場合にはステップＳ８へ進み、（ＤＯＤ）＜Ａbの場合にはステップＳ１０へ進んで加温モードに設定すると共にブロアユニット３３をオンにしてステップＳ８へ進む。ステップＳ７においてステップＳ１３へ進んだ場合には、ステップＳ１３で外気温度Ｔaが電池温度Ｔbより大きいか否かを判定する。Ｔa＞Ｔbの場合にはステップＳ８へ進み、Ｔa≦Ｔbの場合にはステップＳ１４へ進んで冷却モードに設定すると共にブロアユニット３３をオンにし、その後ステップＳ８へ進む。ステップＳ８はイグニッションキースイッチがオフされたか否かを判定するステップであり、オンの場合にはステップＳ１へ戻り、オフの場合には一連の動作を終了する。
【００２５】
以上説明したように、本実施の形態では、従来からセルコントローラに具備されている均等充電用の抵抗Ｒ１〜Ｒ４を用いることによって、回生充電時の組電池１の温度Ｔｂが低温である場合には、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の一部（均等モードの場合）または全て（制動モードの場合）に充電電流をバイパスしてそのときの熱エネルギーで組電池１を暖めるようにした。そのため、従来は回生できず機械的ブレーキで無駄に消費していたエネルギーを組電池１の昇温に利用できるとともに、組電池１の温度を速やかに昇温させることにより電池特性の向上を図ることができる。また、回生パワーを昇温に利用することによって回生ブレーキの制動力の安定化を図ることができる。
さらに、回生充電時に均等充電を行うことにより、通常の充電のときに行われる均等充電の頻度を少なくすることができ、充電時間の短縮をはかれる。
また、均等充電に用いる抵抗Ｒ１〜Ｒ４を利用しているため、組電池加温専用のヒータを必要としないため、昇温のためのコストアップを抑えることができる。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４は均等充電のみを行う従来の場合より抵抗値の大きいものが用いられる。
【００２６】
上述した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、温度センサ７は温度検出手段を、バテリコントローラ８は演算手段を、単セルＣ１〜Ｃ４は単電池を、ヒータコア３２およびブロアユニット３３は加熱手段を、Ａ／Ｄコンバータ２４は電圧検出手段をそれぞれ構成し、セルコントローラ２およびバッテリコントローラ８は請求項１および２の制御手段を構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による充電制御装置の一実施の形態を説明する図であり、電気自動車の走行駆動機構の構成を示すブロック図である。
【図２】セルコントローラ２の詳細を示す図。
【図３】制動モード時のセルコントローラ２を示す図。
【図４】均等モード時のセルコントローラ２を示す図。
【図５】従来のセルコントローラを示す図。
【図６】電気自動車に登載された組電池を模式的に示す図。
【図７】回生パワーと組電池の入力可能パワーとの関係を示す図。
【図８】電池温度がＴ０のときの入力可能パワーを示す図。
【図９】電池温度と冷却モード，加温モード，ブロアオフモードの関係を示す図。
【図１０】加温モード領域を説明する図。
【図１１】回生充電時の制御を示すフローチャート。
【図１２】組電池の出力可能パワーおよび入力可能パワーを示す図。
【符号の説明】
１組電池
２セルコントローラ
５電圧センサ
６電流センサ
７，１０温度センサ
８バッテリコントローラ
９記憶装置
Ｃ１〜Ｃｎ単セル
Ｒ１〜Ｒ４抵抗
ＳＷ１〜ＳＷ４，ＳＷ１１〜ＳＷ１３スイッチ

Claims

複数の単電池が直列に接続された組電池の前記各単電池に並列に接続される抵抗と、前記単電池の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記各単電池の電圧に基づいて前記単電池の充電電流を前記抵抗にバイパスし、各単電池の充電率が均一になるように制御する充電制御装置において、
回生充電時の回生パワーが前記組電池の入力可能パワーより大きい場合に、充電電流が前記組電池の両端子間をバイパスして前記各抵抗を流れるように制御する制御手段と、
前記抵抗に生じる熱エネルギーを利用して前記組電池を加熱する加熱手段とを設けたことを特徴とする充電制御装置。
請求項１に記載の充電制御装置において、
前記組電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記組電池の充電容量を算出する演算手段と、
前記組電池の温度毎の入力可能パワー情報が予め記憶される記憶装置とを設け、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度に対応する入力可能パワー情報と前記演算手段により算出される充電容量とに基づいて前記充電電流を制御することを特徴とする充電制御装置。
請求項１または２に記載の充電制御装置の制御方法であって、
回生充電時に前記組電池を構成する各単電池間の単電池電圧のばらつきが所定値より大きくなった場合には、単電池電圧に基づいて各単電池毎に充電電流をバイパスさせて各単電池の充電率が均一になるように前記充電電流を制御することを特徴とする制御方法。
請求項３に記載の制御方法において、
前記組電池の温度に応じて前記加熱手段による加熱および加熱の停止を制御するようにしたことを特徴とする制御方法。