JP3826567B2

JP3826567B2 - 電池制御装置

Info

Publication number: JP3826567B2
Application number: JP14760898A
Authority: JP
Inventors: 吉美正司; 義晃菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: JPH11341691A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電池セルを接続して構成された組電池を有する電池制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）は電動機により全部または一部の車両駆動力を得ており、二次電池（以下、単に電池）を搭載し、この電池に蓄えられた電力により電動機を駆動している。電気自動車に利用される電池として、高電圧を発生する必要があるため、複数の電池セルを接続した組電池が利用されている。そのため、放電が進み蓄電量が小さくなった後さらに放電が進むと、組電池全体としては放電が維持されるので、組電池の複数の電池セルのうち一部の電池セルが過放電状態に至る場合がある。そして、仮に一部の電池セルが過放電状態に至った後も、さらに放電を進めると、電池セル内部で発生したガスのために電池セル内部の圧力が上昇する。そして、ガス圧の限界に至ると電池セルのリリーフバルブが開き、ガスが電池セル外部に流出したり液漏れが発生したりする場合がある。そのために、従来においては、過放電状態になる前に組電池全体の放電を強制的に禁止し、ガス流出や場合によっては液漏れを防止することが行われていた。例えば、各電池セルの電圧を直接的あるいは間接的に検知し、この電圧値が１つでも０Ｖになったことで、その電池セルを含む組電池をモータから切り離し、さらなる放電を禁止することにより、過放電を防止していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多くの二次電池では、電池セルが通常の放電状態から過放電状態になりガスが電池外部に流出するまで、ある程度の時間を要する場合が多い。そのため、過放電状態になってからガスが外部に流出する直前までの放電電流を利用することも可能である。しかしながら、従来例の組電池では、過放電時の放電を一律に許容していないため、過放電状態になりガス流出に至るまでに使用できる放電電流が有効に利用されていない。
【０００４】
また、組電池では、一部の電池セルの電圧が０Ｖになっても他の電池セルの電圧には余力がある場合が多い。よって、一部の電池セルの電圧が０Ｖになった時点で放電電流を遮断すると、他の電池セルの電力を有効に使うことができない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電池セルが過放電状態に至った後もさらなる放電を行うことにより、許容できる限界量まで放電電流を利用する電池制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電池制御装置において、相互に接続された複数の電池セルからなり、電力を供給する組電池と、前記複数の電池セルの内のいずれかの電池セルの放電状態が、通常の放電状態から過放電状態に遷移する状態遷移点に到達したか否かを判定する過放電状態判定手段と、前記遷移が判定された過放電電池セルにおいて、前記状態遷移点より後の放電が過放電許容限界に到達したか否かを判定する過放電許容限界判定手段と、前記過放電許容限界判定手段により放電が前記過放電許容限界に到達したと判定されたとき、少なくとも前記過放電電池セルからの放電を禁止する放電禁止手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
このように、本発明においては、組電池の一部の電池セルが過放電状態になった後も過放電許容限界まで放電を行い、従来は使用されなかった過放電状態での放電電流を使用するため、例えば、電気自動車においては、走行距離を従来例より延ばすことが可能である。
【０００８】
なお、本発明においては、通常の放電状態から過放電状態に遷移する状態遷移点は、例えば、いずれかの電池セルの電圧が０Ｖであるときとすることができ、その場合、過放電状態は電池セル電圧が０Ｖ以下である。また、過放電許容限界とは、過放電をこれ以上許容することができないという限界点に達する直前であり、任意に設定できる。なお、放電を禁止するのは、過放電状態となった電池セルのみに限定したものではなく、過放電状態となった電池セルを含むブロックあるいは組電池全体の放電を禁止してもよい。
【０００９】
また、前記電池制御装置において、前記過放電許容限界判定手段は、前記過放電電池セルの前記状態遷移点より後の過放電電流を積算して過放電電荷量を求める積算部と、前記過放電電荷量と所定値とを比較して前記過放電許容限界に到達したことを判定する判定部と、を含み、前記状態遷移点以降の過放電状態において、セル内で発生するガスの量がセル内ガス圧許容限界に到達するまで過放電を行わせることを特徴とする。
【００１０】
このように、上記構成では、セル内ガス許容限界まで放電を行うが、ガスの電池セル外部への流出前に放電が確実に禁止されるので、安全な放電を行うことができる。
【００１１】
なお、上記構成においては、過放電電荷量が所定値と比較される。この所定値は、例えば、電池の化学反応式から導かれる単位電荷量当たりに発生するガス量と電池内部に保持できるガス量とから算出できるガス保持限界電荷量とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１３】
図１には、本実施形態の電池制御装置が搭載されたハイブリッド自動車の駆動系制御装置の概略図が示されている。ハイブリッド自動車においては、車両の駆動は、モータジェネレータ１またはエンジン２の出力を、図示しない駆動輪に伝達することで達成されている。モータジェネレータ１は電動機または発電機として作動し、モータジェネレータ１が全体として電力を消費している場合は、組電池３からインバータ４を介して電力が供給され、全体として発電している場合は、インバータ４を介し、組電池３に充電が行われる。組電池３に関する詳細な説明は後で述べる。
【００１４】
エンジン２はアクセルペダルの操作量や環境条件、さらにモータジェネレータ１の運転状態に基づき、図示されていないエンジンＥＣＵにより制御され、モータジェネレータ１は、インバータ４を介して制御ＥＣＵ５により制御される。制御ＥＣＵ５は、図示されていないエンジンＥＣＵから提供されるエンジン２の運転状態や電圧センサ部７からの検出値で判定される組電池３の蓄電状態などに基づき、インバータ４を制御し、組電池３に対して充電または放電の制御を行う。充電要求が出された場合は、制御ＥＣＵ５は、インバータ４を制御することでモータジェネレータ１の出力を制御し、組電池３に充電を行う。放電要求が出された場合は、制御ＥＣＵ５はインバータ４を制御して、組電池３の放電電力をモータジェネレータ１に供給する。本実施形態において、放電された電流は組電池３に接続されている電流センサ９により検出され、検出値は電池ＥＣＵ８に入力され、放電禁止の判定基準として用いられる。
【００１５】
このように、ハイブリッド自動車では、電圧センサ部７によって検出される組電池３の蓄電状態に応じて、電池ＥＣＵ８が充放電要求を制御ＥＣＵ５に出し、制御ＥＣＵ５がインバータ４を制御することにより充放電が行われる。なお、この充放電制御はハイブリッド自動車のみでなく、エンジンを搭載せずモータだけで走行する電気自動車についても同様であり、その場合、充電はエンジンからではなく、外部電源より行われる。
【００１６】
次に、図１の電池制御装置１００について、図２に基づいて詳細に説明する。組電池３は、本実施形態においては、複数のブロックに３−１、３−２・・・３−ｎ（例えば、２０個のブロック）に分割されている。また、１つずつのブロックが複数の電池セル（例えば、１２個の電池セル）を含んでいる。仮に、１ブロック１２個の電池セルで、２０ブロックあるならば、２４０個の電池セルで一個の組電池を構成することとなる。このように電池セルを多数接続させた組電池３では、電池セル間に容量のばらつきがあるため、放電状態が進むと、過放電状態になる電池セルが生じる場合がある。本実施形態では、電池セルとしてニッケル水素電池を使用している。そのため、過放電状態になると、電池セル内で水素ガスと酸素ガスが発生する。各電池セルには、もともとガス発生を想定し、ガスを閉じこめるためにリリーフバルブ（図示していない）が設けてあるが、発生したガスが電池セル内部に保持できなくなると、このリリーフバルブが安全弁として開き、ガスが外部に流出したり、液漏れが発生したりする場合がある。しかしながら、電池セルが過放電状態になった後、リリーフバルブが開くまでにある程度時間を要する。よって、過放電状態になった後も、ある程度の放電を行うことは可能である。そこで、この現象に基づいて、本実施形態では、電池セルの放電状態が通常の放電状態であるか過放電状態であるか判定し、放電制御を行っている。なお、本実施形態では、電池セルとして、ニッケル水素電池を用いているが、ニッケル水素電池に限定したものではなく、その他の二次電池でもよい。
【００１７】
放電状態を監視するために、各電池ブロック３−１、３−２・・・３−ｎにそれぞれ電圧センサ７−１、７−２・・・７−ｎが接続されている。各電圧センサで検出された各電池ブロックの電圧は、電池ＥＣＵ８に入力され、電池ＥＣＵ８で過放電状態であるか否かが判定されている。本実施形態では、ブロック毎の電圧値を検出して、電池セル毎の電圧値検出に代える。これは、一つの電池セルの電池容量がゼロに近づいたときに、各電池ブロック電圧が急激に落ち始めるので、一つのセルが過放電になる段階で、そのセルを含む電池ブロックの電圧降下が間接的に検出できるからである。また、各電池ブロック毎に電圧センサを設けることは、各電池セル毎に電圧センサを設けることと比較して、設置する電圧センサ数が少なくてよいという利点がある。なお、電圧の測定は各電池ブロック毎ではなく、各電池セル毎に直接的に行ってもよい。
【００１８】
また、組電池３には電流センサ９が接続されており、組電池３の放電電流を検出している。そして、電流センサ９の検出値は、電池ＥＣＵ８に入力され積算され、積算された電流量（放電電荷量）が所定の過放電許容限界に達したら、組電池３の電力ラインに接続されているリレー２０を制御し、組電池３をインバータ４から切り離し組電池３の放電を禁止する。なお、本実施形態では、組電池全体の放電を禁止しているが、各電池セル毎にリレーを設け、各電池セルの電流を切ることができるようにしてもよい。
【００１９】
このように、本実施形態では、過放電状態になったあとも放電を続け、放電電荷量が所定の過放電許容限界に達したら、組電池３の放電を禁止する。過放電許容限界については、以下に詳しく説明する。
【００２０】
本実施形態では、過放電状態になった後、さらに放電を続け、電池内部に保持可能なガス量から放電可能な電荷量（以下Ｑｃとする）を算出し、このＱｃを過放電許容限界とする。そして、電池ＥＣＵ８においてＱｃと電流センサ９で検出された放電電流の積算値（以下放電電荷量とする）とを比較して、放電電荷量がＱｃとなる直前で、リレー２０を制御し、放電を禁止する。
【００２１】
ここで、Ｑｃの算出方法を説明する。算出する温度条件は２５℃とする。ニッケル水素電池の正常な放電反応は、正極側ではオキシ水酸化ニッケルの還元反応が起こり、負極側では金属水素化物の酸化反応が起こる。放電が進み過放電状態になり、正極のオキシ水酸化ニッケルと負極の金属水素化物が欠乏してくると、電解液の分解が始まり、正極から水素が、負極からは酸素が発生する。過放電時の電池の化学反応式は、正極では、
【化１】
Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- → １/２Ｈ₂＋ＯＨ^-
であり、負極では、
【化２】
ＯＨ^- → １/２Ｏ₂＋１/２Ｈ₂Ｏ＋ｅ^-
である。過放電状態では、電子１Ｆｒ当たり、つまり２６．４ＡＨあたり正極で水素が０．５ｍｏｌ、負極で酸素が０．５ｍｏｌ発生する。気体０．５ｍｏｌは、１気圧で体積は１１．２リットルなので、電子２６．４ＡＨあたり、水素と酸素が合わせて２２．４リットル発生する。つまり、電池の放電電荷量１ＡＨあたり１気圧で０．８３６リットルのガスが発生する。
【００２２】
一方、電池の内部には隙間が存在するが、発生するガスの体積が電池内部の隙間の容積より大きくなると、電池内部にガスを保持することができず、リリーフバルブが開き、ガスが外部に流出する。例えば、電池内部の隙間の容積を０．０２リットル、リリーフバルブ開弁圧を１０気圧とすると、電池内部ではガスが１０気圧で０．０２リットル発生するまで放電が可能であり、このとき流れる電荷量は
０．０２×１０÷０．８３６＝０．２３９
となる。これが、Ｑｃであり、０．２３９ＡＨとなる。
【００２３】
次に、図３のフローチャートに基づいて、上述した算出方法で求められたＱｃを用いて、電池ＥＣＵ８で各ブロック毎に行われる電池放電制御の処理動作を説明する。イグニッションスイッチをＯＮした後、過放電電荷量ΣＩをゼロにして初期設定を行う（Ｓ１１）。過放電電荷量ΣＩは過放電が始まった後に放電された電荷量の総和である。次に、電池ブロックの電圧の測定を行い、上述したように過放電状態の電池セルがあるか否かの判定を行う（Ｓ１２）。過放電状態の電池セルがなければ、Ｓ１１に戻る。過放電状態の電池セルがあれば、引き続き放電電力を出力する（Ｓ１３）。なお、各電池セルの電圧を測定することができれば、Ｓ１２の判定は、電池セル電圧が０Ｖ以下であるか否かで行うことができる。
【００２４】
Ｓ１３の後、電流センサ８により、ある一定時間に放電した電荷量Ｉ１を求め、過放電電荷量ΣＩに加算する（Ｓ１４）。そして、Ｑｃと過放電電荷量ΣＩの大きさを比べ、これ以上放電可能か否かの判定を行う（Ｓ１５）、過放電電荷量ΣＩがＱｃに比較して小さければ、まだ放電可能であるので、Ｓ１３に戻り、引き続き放電を行う。過放電電荷量ΣＩがＱｃに比較して大きければ、放電を禁止し、放電電力を０とし、充電要求を制御ＥＣＵ５に出す（Ｓ１６）。制御ＥＣＵ５はインバータ４の出力を制御し、充電を行う。その後、イグニッションスイッチがＯＦＦされたか否か判定を行う（Ｓ１７）。ＮＯの場合はＳ１１に戻る。ＹＥＳの場合は走行が終了する。
【００２５】
以上のように、本実施形態では、過放電状態に至った後も、放電を続けることが可能なので、例えば、ハイブリッド自動車ではエネルギー利用効率を高めて、走行距離を延ばすことができる。また、放電が０になるまで放電を行うので、より深い放電ができ、電池の寿命を延ばすことができる。
【００２６】
次に、他の実施形態について説明する。上述した放電の制御のとき、放電電流を徐々に小さく制御することも可能である。図４に、他の実施形態におけるニッケル水素電池の過放電状態での電池セル電圧２００及び放電電流２１０の時間変化を示す。通常の放電状態２２０では、電池セル電圧２００は放電に伴い減少していく。このとき、放電電流２１０はほぼ一定になるように制御できる。さらに、放電が進むと、電池セル電圧２００は急激に下がり始め、状態遷移点２３０を経て、過放電状態２４０に至る。過放電状態２４０になった後は、電流センサ９により放電電流２１０を監視しながら、放電電流２１０を徐々に小さくする制御を行う。そして、放電がガス発生限界である所定の過放電許容限界点２５０に至る直前で放電を禁止する。
【００２７】
このように、過放電状態になってからガス漏れ限界まで、放電電流を徐々に小さくしていくことも可能なので、バッテリからの出力の急変を防ぐことができ、走行性能の急変を防ぐことができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、過放電許容限界まで、放電状態での電池の放電を行える。そのため、電池セルが過放電状態になる直前で即座に放電電流を遮断することと比較すると、放電電流をより有効利用できる。
【００２９】
なお、上記実施形態に係る電池制御方式は、車両以外の、電池を備えたシステムにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の電池制御装置を搭載したハイブリッド自動車の駆動系制御装置の概略図である。
【図２】本実施形態に係わる電池制御装置のブロック図である。
【図３】本実施形態での電池放電制御の処理動作を示すフローチャートである。
【図４】他の実施形態での電池セルの電圧及び放電電流の時間変化を示す概略図である。
【符号の説明】
３組電池、７電圧センサ部、２０リレー、１００電源制御装置、２００電池セル電圧、２１０放電電流、２３０状態遷移点、２５０過放電許容限界点。

Claims

相互に接続された複数の電池セルからなり、電力を供給する組電池と、
前記複数の電池セルの内のいずれかの電池セルの放電状態が、通常の放電状態から過放電状態に遷移する状態遷移点に到達したか否かを判定する過放電状態判定手段と、
前記遷移が判定された過放電電池セルにおいて、前記状態遷移点より後の放電が過放電許容限界に到達したか否かを判定する過放電許容限界判定手段と、
前記過放電許容限界判定手段により放電が前記過放電許容限界に到達したと判定されたとき、少なくとも前記過放電電池セルからの放電を禁止する放電禁止手段と、
を有することを特徴とする電池制御装置。
請求項１記載の装置において、
前記過放電許容限界判定手段は、
前記過放電電池セルの前記状態遷移点より後の過放電電流を積算して過放電電荷量を求める積算部と、
前記過放電電荷量と所定値とを比較して前記過放電許容限界に到達したことを判定する判定部と、
を含み、
前記状態遷移点以降の過放電状態において、セル内で発生するガスの量がセル内ガス圧許容限界に到達するまで過放電を行わせることを特徴とする電池制御装置。