JP4241598B2 - 二次電池の充放電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電および放電を制御する充放電制御装置に関する。

従来、二次電池の温度が所定温度以上になると、常温時に比べて、充電電力制限値および放電電力制限値を小さくして、二次電池の温度がさらに上昇するのを防ぐ技術が知られている（特許文献１参照）。

特開平１１−１８７５７７号公報

ところで、二次電池の中で、例えば、ＮiＭＨ電池では、電池の温度が所定温度まで上昇すると、正極から酸素ガスが発生し、発生した酸素ガスが負極で吸収される際に熱が発生する。この場合、二次電池が複数の単電池から構成されており、単電池間で温度バラツキが生じていると、電池温度が所定温度以上の単電池は、上述した発熱の影響で温度が上昇するため、電池温度が所定温度未満の単電池との間で、温度バラツキがさらに拡大してしまう。すなわち、従来の技術では、単電池間の温度バラツキを考慮せずに充放電電力制限値を制御するため、二次電池を構成する単電池間の温度バラツキの拡大を抑制することができないという問題があった。

本発明による二次電池の充放電制御装置は、複数の単電池から構成される二次電池の温度バラツキを検出し、検出した温度バラツキと、所定の判定温度Ｔｇとの関係が所定の判定時間継続すると、充放電電力の制限値を補正する必要があると判定し、充電電力の制限値および放電電力の制限値のうち、少なくとも一方の制限値を小さくすることを特徴とする。特に、前記判定時間は、温度バラツキが大きいほど、短く設定されることを特徴とする。

本発明による二次電池の充放電制御装置によれば、複数の単電池から構成される二次電池の温度バラツキを検出し、検出した温度バラツキと、所定の判定温度Ｔｇとの関係が所定の判定時間継続すると、充放電電力の制限値および放電電力の制限値のうち、少なくとも一方の制限値を小さくするので、二次電池の温度バラツキが拡大するのを効果的に抑制することができる。

−第１の実施の形態−
図１は、本発明による二次電池の充放電制御装置をハイブリッド電気自動車に適用した第１の実施の形態の構成を示す図である。図１では、強電ラインを太い実線で、弱電ラインを細い実線で、制御信号ラインを点線で示している。このハイブリッド電気自動車は、車両の走行駆動源として、エンジン１およびモータジェネレータ４（以下では、単にモータ４と呼ぶ）を備える。すなわち、エンジン１とモータ４の両方またはいずれか一方の駆動力が減速機６を介して、駆動輪１７ａ，１７ｂに伝達される。

モータジェネレータ３（以下では、単にモータ３と呼ぶ）は、エンジン２と連結されており、エンジン２の始動に用いられるとともに、エンジン２によって連れ回されて発電を行う。モータ４は、上述したように、車両の駆動源として用いられるとともに、車両の減速時に回生運転を行うことにより発電を行う。なお、モータ３およびモータ４は、３相交流モータである。

二次電池である組電池１（強電バッテリ）は、複数のセル（単電池）を直列に接続して構成されている。セルは、例えば、充放電が可能なＮiＭＨ電池（ニッケル水素電池）である。インバータ５は、組電池１に蓄えられている直流電力を３相交流電力に変換して、モータ４に供給してモータ４を駆動（力行）運転する。また、インバータ５は、モータ３またはモータ４が回生運転することにより発電する３相交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、組電池１の充電に用いられるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７で降圧されて、１２Ｖバッテリ８の充電にも用いられる。

なお、１２Ｖバッテリ８に蓄えられている直流電力は、図示しない補機を駆動するために用いられるとともに、組電池１のＳＯＣに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ７で昇圧されて、組電池１を充電する際にも用いられる。

車両コントローラ９は、エンジン２、バッテリコントローラ１０およびモータコントローラ１１を制御して車両の走行を制御する。車両コントローラ９と、バッテリコントローラ１０およびモータコントローラ１１とは、車載通信線１６により接続されており、様々な情報の授受を行う。モータコントローラ１１は、モータ３およびモータ４の運転モード、すなわち、力行運転モードおよび回生運転モードを制御するために、インバータ５を制御する。

バッテリコントローラ１０は、組電池１の状態、特に、組電池１を構成する各セルの温度バラツキの状態に基づいて、組電池１の充電電力制限値および放電電力制限値（本明細書では、両者をまとめて、充放電電力制限値と呼ぶこともある）を制御する。組電池１の充電電力制限値および放電電力制限値を制御する方法については、後述する。なお、充電電力制限値とは、組電池１が充電可能な電力の最大値であり、充電電力制限値を越えた電力で充電を行うことはできない。同様に、放電電力制限値とは、組電池１が放電可能な電力の最大値であり、放電電力制限値を越えた電力で放電を行うことはできない。

電流センサ１２は、組電池１からインバータ５に流れる放電電流、および、インバータ５から組電池１に流れる充電電流を検出し、バッテリコントローラ１０に出力する。電圧センサ１３は、組電池の電圧を検出して、バッテリコントローラ１０に出力する。冷却ファン１４は、組電池１の近傍に設けられており、バッテリコントローラ１０からの指令に基づいて、組電池１を冷却する。リレー３０は、組電池１とインバータ５との間の強電ライン上に設けられ、バッテリコントローラ１０によって接続／遮断される。

組電池１の表面には、組電池１の４箇所の温度を検出するために、４個の温度センサ１５ａ〜１５ｄが取り付けられている。これらの温度センサ１５ａ〜１５ｄは、組電池１を構成するセルの温度バラツキを検出するためのものであるため、温度バラツキが検出できるように、適切な位置に設けておく。温度センサ１５ａ〜１５ｄによって検出された温度は、バッテリコントローラ１０に出力される。

図２は、バッテリコントローラ１０によって行われる処理内容を示すフローチャートである。図示しないイグニッションスイッチがオンされると、バッテリコントローラ１０は、ステップＳ１０の処理を開始する。ステップＳ１０では、電流センサ１２により検出される電流値Ｉ、電圧センサ１３により検出される電圧値Ｖ、温度センサ１５ａ〜１５ｂによってそれぞれ検出される組電池１の温度Ｔ１〜Ｔ４をそれぞれ取得して、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、後述するステップＳ３０の判定で用いる判定時間Ｔpを求める。このため、まず、ステップＳ１０で取得した温度Ｔ１〜Ｔ４のうち、最高温度をＴmax、最低温度をＴminとし、Ｔdelta＝Ｔmax−Ｔminを求める。このＴdeltaは、組電池１の温度バラツキ、すなわち、セル間の温度バラツキの大きさを表している。図３は、Ｔdeltaと、判定時間Ｔpとの関係を示す図である。バッテリコントローラ２の図示しないメモリには、Ｔdeltaと、判定時間Ｔpとの関係を示すテーブルが格納されているので、このテーブルと、演算したＴdeltaとに基づいて、判定時間Ｔpを求める。判定時間Ｔpを求めると、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、次式（１）の関係が判定時間Ｔp以上継続したか否かを判定する。
Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmax （１）
ただし、Ｔgは、組電池１の充電時にガス吸収反応が起こる温度、すなわち、ガスが発生する温度である。図４は、組電池１の温度と、充電時の充電効率との関係を示す図である。ＮiＭＨ電池では、組池温度が上昇してＴgに到達すると、正極から酸素ガスが発生して、図４に示すように、充電効率が低下する。正極で発生した酸素ガスは、負極で吸収されるが、このガス吸収反応は、発熱反応であるため、熱が発生する。従って、式（１）の条件は、セル温度がＴgより大きいセルは、発熱反応の影響でさらに温度が上昇するが、セル温度がＴg未満のセルは、それほど温度が上昇しないため、温度差がさらに拡大する条件である。

充電効率が低下する変曲点の温度Ｔgを実験等によって予め求めておき、式（１）の関係がステップＳ２０で求めた判定時間Ｔp以上継続したと判定すると、ステップＳ４０に進み、それ以外の場合は、ステップＳ１０に戻る。

ステップＳ４０では、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutを補正するための補正量Ｐredを求める。図５は、Ｔdelta（＝Ｔmax−Ｔmin）と、補正量Ｐredとの関係を示す図である。図５に示すように、Ｔdeltaが大きくなるほど、すなわち、組電池１を構成するセル間の温度バラツキが大きくなるほど、補正量Ｐredは大きくなる。バッテリコントローラ２の図示しないメモリには、図５に示すようなＴdeltaと補正量Ｐredとの関係を示すテーブルが格納されているので、このテーブルと、Ｔdeltaとに基づいて、補正量Ｐredを求める。補正量Ｐredを求めると、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、ステップＳ４０で求めた補正量Ｐredに基づいて、次式（２）より、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutを補正する。
Ｐin＝Ｐin×（１−Ｐred），
Ｐout＝Ｐout×（１−Ｐred） （２）
式（２）から明らかなように、補正量Ｐredの値が大きいほど、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutの値は小さくなる。

ステップＳ５０に続くステップＳ６０では、Ｔmax＜Ｔgの関係が所定時間Ｔph以上継続したか否かを判定する。Ｔmax＜Ｔgの関係が所定時間Ｔph以上継続していないと判定するとステップＳ４０に戻って、再び、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutを補正する処理を行う。一方、Ｔmax＜Ｔgの関係が所定時間Ｔph以上継続したと判定すると、上述したガス吸収反応に起因するセル間の温度バラツキが拡大することはないと判断して、ステップＳ７０に進む。ステップＳ７０では、補正量Ｐredを０に設定して、図２に示すフローチャートの処理を終了する。

第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置によれば、二次電池１を構成する複数のセル間の温度バラツキを検出し、検出した温度バラツキと、所定の判定温度Ｔgとの関係に基づいて、充放電電力の制限値を補正する必要があるか否かを判定し、補正する必要があると判定されると、充放電電力の制限値が小さくなるように補正する。特に、二次電池１の複数箇所の温度を検出することによって、最高温度Ｔmaxおよび最低温度Ｔminを求め、Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が判定時間Ｔp以上継続すると、充放電電力の制限値を補正する必要があると判定する。これにより、一部のセルでガス吸収反応が起こって、セル間の温度バラツキが拡大してしまうことを防ぐことができる。また、セル間の温度バラツキによって、セルの容量バラツキが生じることがあるが、第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置では、セル間の温度バラツキが拡大するのを防ぐことにより、セル間の容量バラツキが生じるのも防ぐことができる。

第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置では、Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が成り立つとすぐに、充放電電力の制限値を補正するのではなく、Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が判定時間Ｔp以上継続した場合に、補正を行うようにした。これにより、温度センサ１５ａ〜１５ｄの検出誤差によって、一時的にＴmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が成立した場合でも、充放電電力の制限値が補正されてしまうことを防ぐことができる。また、Ｔmax−Ｔminの値が大きいほど、判定時間Ｔpを短くしたので、セル間の温度バラツキが大きい場合には、充放電電力の制限値の補正をより早く行うことができる。逆に、Ｔmax−Ｔminの値が小さいほど、判定時間Ｔpを長くするので、充電電力および放電電力が必要以上に制限されるのを防ぐことができる。

また、第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置によれば、Ｔmax−Ｔminの値が大きいほど、充放電電力の制限値が小さくなるように補正するので、充電量および放電量を抑えて、二次電池１の温度バラツキが拡大するのを適切に防止することができる。

−第２の実施の形態−
第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置の構成は、図１に示す第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置の構成と同じである。第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置が第１の実施の形態における二次電池の充放電制御装置と異なるのは、補正量Ｐredの決め方、および、判定時間Ｔpの決め方である。

第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置では、温度センサ１５ａ〜１５ｂによってそれぞれ検出される組電池１の温度Ｔ１〜Ｔ４のうち、最高温度Ｔmaxと、所定温度Ｔgとの差の絶対値Ｔdeltag（＝｜Ｔmax−Ｔg｜）を演算し、演算したＴdeltagに基づいて、補正量Ｐredを求める。

図６は、Ｔdeltagと、補正量Ｐredとの関係を示す図である。図６に示すように、Ｔdeltagの値が大きくなるほど、補正量Ｐredの値を大きくする。すなわち、最高温度Ｔmaxと所定温度Ｔgとの差が大きくなるほど、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutの値を小さくする。図４を用いて説明したように、電池温度がＴgを越えると、酸素ガスが発生して、発熱量が増加するので、Ｔgと電池温度との差Ｔdeltagの値に応じて補正量Ｐredを決定することにより、組電池１を構成するセル間の温度バラツキをより効果的に抑制することができる。

第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置では、判定時間ＴpもＴdeltagの値に応じて決定する。図７は、Ｔdeltagと、判定時間Ｔpとの関係を示す図である。図７に示すように、Ｔdeltagの値が大きいほど、判定時間Ｔpを短くする。これにより、組電池１の最高温度Ｔmaxと温度Ｔgとの差が大きくなるほど、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutを小さくする補正をより早く行うことができる。逆に、Ｔmaxと温度Ｔgとの差Ｔdeltagが小さいほど、判定時間Ｔpを長くするので、充電電力および放電電力が必要以上に制限されるのを防ぐことができる。

なお、第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置により行われる処理手順は、図２に示すフローチャートの処理手順と同じであるので、詳しい説明は省略する。ただし、第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置では、図２に示すフローチャートの処理のうち、ステップＳ２０において、Ｔdeltagを演算して判定時間Ｔpを決定するとともに、ステップＳ４０において、Ｔdeltagに基づいて、補正量Ｐredを求める。

第２の実施の形態における二次電池の充放電制御装置によれば、組電池１の複数箇所の温度のうちの最高温度Ｔmaxと、Ｔgとの差の絶対値が大きいほど、充放電電力の制限値が小さくなるように補正する。すなわち、温度バラツキが拡大する原因となる高温側の温度差Ｔmax−Ｔgに基づいて、充放電電力の制限値を補正する量Ｐredを決定するので、より効果的に、温度バラツキの拡大を防止することができる。また、温度バラツキが拡大する原因となる高温側の温度差Ｔmax−Ｔgに基づいて、判定時間Ｔpを設定するので、さらに効果的に、温度バラツキの拡大を防止することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、上述した説明では、二次電池の一例としてＮiＭＨ電池を挙げて説明したが、電池の温度が上昇して、ある温度を超えると、発熱反応が起こって、電池の温度がさらに上昇するような特性を有する電池であれば、ＮiＭＨ電池以外の電池にも本発明を適用することができる。また、二次電池は、ハイブリッド自動車に搭載されているものに限られず、電気自動車等の車両や、車両以外のものに用いられるものであってもよい。

二次電池１を構成するセルの温度バラツキを検出するために、温度センサを４つ設ける例を挙げて説明したが、各セルに１つずつ温度センサを設けるようにしてもよい。この場合、温度センサの数が増えるので、コストは増大するが、セル間の温度バラツキを正確に検出することができる。また、所定数のセルによって１つの電池モジュールが構成され、複数の電池モジュールから二次電池が構成されている場合には、電池モジュールごとに温度を検出することもできる。

第１および第２の実施の形態では、Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が判定時間Ｔp以上継続すると、充放電電力制限値を補正する必要があると判断したが、Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が成立した時に、充放電電力制限値を補正する必要があると判断することもできる。この場合には、より早く充放電電力制限値の補正を行うことができるが、温度センサによる検出誤差によって、一時的にＴmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が成立した場合でも、補正が行われることになる。従って、Ｔmin＜Ｔg＜Ｔmaxの関係が判定時間Ｔp以上継続したか否かを判定することにより、充放電電力制限値を補正する必要があるか否かを適格に判断することができる。

また、最高温度Ｔmax，最低温度Ｔminを求めずに、判定温度Ｔgより高い温度と、判定温度Ｔgより低い温度とが存在していれば、充放電電力制限値を補正する必要があると判断することもできる。すなわち、二次電池１の複数箇所の温度を検出した時に、判定温度Ｔgより高い温度と、判定温度Ｔgより低い温度とが存在していれば、上述した理由によって、セル間の温度バラツキが拡大するので、充放電電力の制限値が小さくなるように補正することによって、温度バラツキの拡大を抑制することができる。

上述した説明では、充電電力制限値Ｐinおよび放電電力制限値Ｐoutの両方を補正するようにしたが、いずれか一方のみを補正するようにしてもよい。

特許請求の範囲の構成要素と第１および第２の実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、温度センサ１５ａ〜１５ｄおよびバッテリコントローラ１０が温度バラツキ検出手段を、バッテリコントローラ１０が判定手段および補正手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

本発明による二次電池の充放電制御装置をハイブリッド電気自動車に適用した第１の実施の形態の構成を示す図 バッテリコントローラによって行われる処理内容を示すフローチャート Ｔdeltaと、判定時間Ｔpとの関係を示す図 組電池の温度と、充電時の充電効率との関係を示す図 Ｔdelta（＝Ｔmax−Ｔmin）と、補正量Ｐredとの関係を示す図 Ｔdeltag（＝｜Ｔmax−Ｔg｜）と、補正量Ｐredとの関係を示す図 Ｔdeltagと、判定時間Ｔpとの関係を示す図

符号の説明

１…組電池、２…エンジン、３…モータジェネレータ、４…モータジェネレータ、５…インバータ、６…減速機、７…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８…１２Ｖバッテリ、９…車両コントローラ、１０…バッテリコントローラ、１１…モータコントローラ、１２…電流センサ、
１３…電圧センサ、１４…冷却ファン、１５ａ〜１５ｄ…温度センサ、１６…通信線、１７ａ，１７ｂ…車輪、３０…リレー

Claims (8)

1. 複数の単電池から構成される二次電池の温度バラツキを検出する温度バラツキ検出手段と、
   前記温度バラツキ検出手段によって検出された温度バラツキと、所定の判定温度との関係に基づいて、充放電電力の制限値を補正する必要があるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって、充放電電力の制限値を補正する必要があると判定されると、充電電力の制限値および放電電力の制限値のうちの少なくとも一方の制限値を小さくする補正手段とを備え、
   前記温度バラツキ検出手段は、前記二次電池の複数箇所の温度を検出することによって、二次電池の温度バラツキを求め、
   前記判定手段は、前記温度バラツキ検出手段によって検出された複数箇所の温度のうち、前記判定温度より低い温度と、前記判定温度より高い温度とが存在する関係が所定の判定時間以上継続すると、前記充電電力の制限値および放電電力の制限値のうちの少なくとも一方の制限値を補正する必要があると判定し、
   前記判定時間は、前記バラツキ検出手段により求められる前記温度バラツキが大きいほど、短く設定されることを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
2. 請求項１に記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記温度バラツキ検出手段は、前記二次電池の複数箇所の温度のうち、最高温度Ｔｍａｘおよび最低温度Ｔｍｉｎを求め、当該最高温度Ｔｍａｘと当該最低温度Ｔｍｉｎとの差が大きいほど、前記温度バラツキが大きいと判定することを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
3. 請求項１に記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記温度バラツキ検出手段は、前記二次電池の複数箇所の温度のうち、最高温度Ｔｍａｘを求め、当該最高温度Ｔｍａｘと前記判定温度Ｔｇとの差の絶対値が大きいほど、前記温度バラツキが大きいと判定することを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記所定の判定温度は、電池温度が上昇していくと、電池内部で発熱反応が生じ始める温度に基づいて決められる温度であることを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記温度バラツキ検出手段は、前記二次電池の複数箇所の温度うち、最高温度Ｔｍａｘおよび最低温度Ｔｍｉｎを求め、
   前記判定手段は、Ｔｍｉｎ＜前記判定温度Ｔｇ＜Ｔｍａｘの関係が成り立つと、前記充電電力の制限値および放電電力の制限値のうちの少なくとも一方の制限値を補正する必要があると判定することを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
6. 請求項５に記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記判定手段は、Ｔｍｉｎ＜前記判定温度Ｔｇ＜Ｔｍａｘの関係が所定の判定時間以上継続すると、前記充電電力の制限値および放電電力の制限値のうちの少なくとも一方の制限値を補正する必要があると判定することを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
7. 請求項５または６に記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記補正手段は、前記最高温度Ｔｍａｘと前記最低温度Ｔｍｉｎとの差が大きいほど、前記制限値の値が小さくなるように補正を行うことを特徴とする二次電池の充放電制御装置。
8. 請求項５または６に記載の二次電池の充放電制御装置において、
   前記補正手段は、前記最高温度Ｔｍａｘと前記判定温度Ｔｇとの差の絶対値が大きいほど、前記制限値の値が小さくなるように補正を行うことを特徴とする二次電池の充放電制御装置。

Images