JP4987581B2 - 電池制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの蓄電池を対象とした電池制御装置に関する。

車両には鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの蓄電池が搭載されている。この蓄電池は、車両のエンジン始動時や電装品の使用時に必要な電力に加えて、ハイブリッド自動車や電気自動車の走行に必要な電力を供給するものである。

車両に搭載される蓄電池は、現在の状態（充電状態、電池の劣化状態、温度等）に応じて、最大に出し入れ可能な許容電流を持つ。この最大許容電流を超えて蓄電池の充放電を行うと、電池電圧が通常制御範囲から外れてしまい、過充電・過放電となる可能性がある。一般的に、蓄電池のSOC（充電状態）が高いほど最大許容充電電流が小さくなり、最大許容放電電流が大きくなる。また、蓄電池のSOCが低いほど最大許容放電電流が小さくなり、最大許容充電電流が大きくなる。電池の劣化状態も関係があり、新品の電池では最大許容充放電電流が大きく、電池の劣化が進行するほど最大許容充放電電流が小さくなる。蓄電池を最適に使用するためには、蓄電池の状態に応じた最大許容充放電電流を正確に求め、これに基づいて充放電制御をすることが必要である。

特許文献１は、発明の名称を「２次電池の電池特性算出方法および電池制御装置」とする特許出願の公開公報であり、本発明の先行技術を開示するものである。特許文献１には、容量劣化係数Ａが１００％で、かつ、出力劣化係数Ｂが６０％となると、そのときの放電深度に関わらず、容量劣化係数Ａを１００％から６０％へと変更し、２次電池の容量劣化係数Ａが５０％未満であるときにバッテリコントローラが新品と交換されたとき、１、２回の充放電によって正確な容量劣化係数Ａを素早く算出する方法が提案されている。

特開２００１−２５７００９号公報

ハイブリッド自動車などでは、蓄電池を管理するための情報処理装置を搭載して、その充放電を制御している。電池の劣化状態に基づき充放電制御を行う場合、該情報処理装置は電池の劣化状態を演算し、その演算結果を最大許容電流演算時に反映させ、また、該情報処理装置の電源がOFF（車両停止時など）の場合には、劣化状態の演算結果をメモリに書き込み、次回電源ON時（車両起動時など）に前回の劣化状態の演算結果をメモリから読み出して劣化状態の演算を開始することが一般的に行なわれている。しかしながら、電池のみを取替えた場合や情報処理装置のみを取替えた場合などでは、メモリに書き込んだ劣化状態の演算結果と電池の真の劣化状態が一致しなくなるため、蓄電池を最適に制御できないことが考えられる。蓄電池の真の劣化状態と蓄電池を管理する情報処理装置が記録した劣化状態が不一致となった場合、この不一致の状況を制御に反映させ、適切に蓄電池を保護する必要が発生する。

本発明の代表的なものは、蓄電手段を最適に制御できる電池制御装置及び電池制御方法を提供する。

ここに、本発明の代表的なものは、制御装置に記憶された蓄電手段の劣化状態が蓄電手段の真の劣化状態と異なる場合、蓄電手段の充放電許容電流又は充放電許容電力を制限し、制限された充放電許容電流又は充放電許容電力の下で充放電する蓄電手段の状態量の情報から検知された蓄電手段の劣化状態が蓄電手段の真の劣化状態に収束した場合、その制限を解除する、ことを特徴とする。或いは、制御装置の起動を検知した場合、蓄電手段の充放電許容電流又は充放電許容電力を制限し、制限された充放電許容電流又は充放電許容電力の下で充放電する蓄電手段の状態量から検知された蓄電手段の劣化状態の、蓄電手段の真の劣化状態に対する収束が確認できた場合、その制限を解除する、ことを特徴とする。

本発明の代表的なものによれば、電池制御装置における蓄電手段の劣化状態が蓄電手段の真の劣化状態と異なっている場合には、蓄電手段の充放電許容電流又は充放電許容電力を制限して、制御装置における電手段の劣化状態を真の劣化状態に収束させることがでると共に、制御装置における電手段の劣化状態が真の劣化状態に収束した場合には、蓄電手段の充放電許容電流又は充放電許容電力の制限を解除し、収束した劣化状態に基づいて蓄電手段の充放電を制御できる。

また、本発明の他の代表的なものは、前記電池制御装置を備えた蓄電装置、及びこの蓄電装置を搭載した車載電機システムを提供する。

本発明の代表的なものは、真の劣化状態に収束した劣化状態に基づいて蓄電手段の充放電を制御できるので、蓄電手段を最適に制御できる。

[実施例１]
図１−１は、本発明の一つの実施例である実施例１の構成を示す説明図である。実施例１では、電気を蓄え放電可能な蓄電池１０１と、蓄電池１０１ａ〜ｄを複数直列接続して構成される電池モジュール１０２と、蓄電池１０１の充電状態や異常状態などを管理する管理手段１０３と、電池モジュール１０２の端子間の電圧を計測する電圧計測手段１０４と、電池モジュール１０２に出入りする電流を計測する電流計測手段１０５と、管理手段１０３、電圧計測手段１０４と電流計測手段１０５からの情報に基づいて、蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の状態を検知する状態検知手段１０６と、状態検知手段１０６が行った状態検知結果に基づいて、電池モジュール１０２を使用するインバータ１０７と、インバータ１０７に接続されて動作を行うモータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）１０８と、状態検知手段１０６から送信される情報に基づきインバータを動作させる電流制御手段１０９とを備える。

蓄電池１０１はリチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等の電気を蓄え放電可能な蓄電池デバイスである。電池モジュール１０２は、蓄電池１０１を複数直列に接続して構成する。なお、電池モジュール１０２は蓄電池１０１を並列接続して構成してもよいし、電流制御手段１０９に換えて電力制御手段を設ける構成としてもよく、その場合を図１−２に示す。

管理手段１０３は、電池モジュール１０２に内蔵される蓄電池１０１を管理する。管理手段１０３が行う蓄電池１０１の管理とは、各蓄電池１０１の充電状態、電池モジュール１０２に内蔵される蓄電池１０１全体の充電状態のバランシング、異常の有無の検知等の電池モジュール１０２を使用する上で必要となる各蓄電池１０１の状態を管理することである。管理手段１０３は、蓄電池１０１の情報を計測し、演算や判定を行うことが可能な手段であれば何でもよい。管理手段１０３が備えるＩＤ１１１については後述する。

電圧計測手段１０４と電流計測手段１０５は、電池モジュール１０２の情報を計測できる電気回路やセンサで構成される。電圧計測手段１０４と電流計測手段１０５が計測した電池モジュール１０２の情報は、状態検知手段１０６に送信される。状態検知手段１０６は、管理手段１０３、電圧計測手段１０４、電流計測手段１０５からの情報に基づいて、蓄電池１０１と電池モジュール１０２の状態を検知する。また、状態検知手段１０６は、蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の温度を入力して状態検知を行なうようにしてもよい。この場合、蓄電池１０１や電池モジュール１０２にはサーミスタや熱電対などの温度計測手段が設置されることとなるが、図１−１では省略してある。

状態検知手段１０６は、記憶装置やＣＰＵなどで構成されるコントローラ、計算機システム、又はマイクロコンピュータであり、情報を入力して演算を行い演算した結果を出力することが可能な手段であればその他のものでもよい。また、電圧計測手段１０４、電流計測手段１０５及び状態検知手段１０６は、それぞれ独立した基板で実現してもよいし、同一デバイス上に構成してマイクロコンピュータとして実現してもよい。状態検知手段１０６が行う詳細な処理内容と状態検知手段１０６が備えるＩＤ´１１２については後述する。

インバータ１０７は、状態検知手段１０６が行った状態検知の結果に基づいて、電池モジュール１０２に出入りする電流や電力などを制御する。また、モータジェネレータ１０８は、電池モジュール１０２から電力供給された場合に駆動し、回生時には逆に電池モジュール１０２に電力供給を行う。電流制御手段１０９は、状態検知手段１０６からの情報に基づき電池モジュール１０２に出入りする電流値の制御を行う。電流制御手段１０９は、記憶装置やCPUなどで構成されるコントローラ、計算機システム又はマイクロコンピュータとして構成されたものでもよく、情報を入力して演算を行い演算した結果を出力することが可能なその他の手段でもよい。また、状態検知手段１０６に搭載するソフトウェアとして実現し、状態検知手段１０６の機能の一部とするように構成することもできる。電流制御手段１０９の詳細な処理内容については後述する。

次に、図２を用いて、図１−１と図１−２の電池システムの構成を具体的に説明する。
電池システム２００は、組電池１００、セルコントローラ１２０、バッテリコントローラ１３０及びセンサなどから構成されている。実際の製品では、組電池１００及びセルコントローラ１２０は１つの電池モジュール１０２として構成され、バッテリコントローラ１３０、センサ及び冷却装置などの他の構成部品と共に１つの筐体内に収納されている。

組電池１００、特にハイブリッド自動車，電気自動車などの車載用電池システムに用いられる組電池１００は、前述した電池のうち、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池からなる蓄電池（セル又は単電池）１０１の複数個を直列又は並列に接続することにより構成されている。図２に示した例では、リチウムイオン電池からなる４８個の蓄電池１０１を備え、４個の蓄電池１０１−１〜１０１−４を直列に接続したセル接続体を１つの蓄電ユニット（単電池群）１１０として、１２個の蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２を構成した上で、蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２を直列に接続して組電池１００を構成している。１個の蓄電池１０１の公称電圧は約３．６Ｖであるので、組電池１００の公称電圧は約１７２．８Ｖとなる。電動機の単独による駆動を可能としたハイブリッド自動車又は電気自動車では、バッテリに３００Ｖを超える公称電圧が要求されることから、組電池１００（第１組電池）と同じ構成の第２組電池を設け、第１組電池と第２組電池とを直列に接続して使用する。これにより、公称電圧を約３４５．６Ｖとすることができる。

本例では、１つの組電池１００により電池システム２００を構成した場合を例に挙げて、以下説明する。

組電池１００（蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のうち、最高電位側に配置された蓄電ユニット１１０−１）の正極側（最高電位側）はインバータ１０７の電力変換回路１０７ａの直流正極側に接続されている。インバータ１０７は直流電力を交流電力に変換する（回生時などの発電時には交流電力を直流電力に変換する）電力変換装置である。電力変換回路１０７ａは、２つのスイッチング半導体素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタ）が直列に接続された直列回路（アーム）が３相分、並列に接続された三相ブリッジ回路から構成されている。組電池１００（蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のうち、最低電位側に配置された蓄電ユニット１１０−１２）の負極側（最低電位側）は電力変換回路１０７ａの直流負極側に接続されている。これにより、モータジェネレータ１０８をモータとして作動させる場合には組電池１００から電力変換回路１０７ａに直流電力が供給されると共に、交流電力に変換されてモータジェネレータ１０８に供給される。また、モータジェネレータ１０８をジェネレータとして作動させる場合にはモータジェネレータ１０８から電力変換回路１０７ａに交流電力が供給されると共に、直流電力に変換されて組電池１００に供給される。

電力変換回路１０７ａは、インバータ制御装置（回路）１０７ｂから出力された制御信号により６つのスイッチング半導体素子のスイッチング（オン・オフ）を制御することにより駆動される。インバータ制御装置（回路）１０７ｂは、後述するバッテリコントローラ１３０から出力された充放電許容電流又は充放電許容電力の信号、及び上位制御装置から出力されたトルク指令信号などを受けて電力変換回路１０７ａの駆動を制御する。これにより、電力変換回路１０７ａは、充放電許容電流又は充放電許容電力の範囲内で、トルク指令信号に基づく交流電力をモータジェネレータ１０８に供給できるように、或いはトルク指令信号に基づいてモータジェネレータ１０８から得られた交流電力を直流電力に変換して供給できるように、組電池１００を充放電させる。すなわちバッテリコントローラ１３０によるインバータ１０７の制御により組電池１００の充放電が制御される。

モータジェネレータ１０８は、車両の作動、例えば車輪の駆動やエンジン１７０の始動に必要な動力を発生したり、車輪やエンジン１７０から駆動力を受けて発電したりする。

電池モジュール１０２のケースの内部には、組電池１００の温度を検出するための温度センサ１４０を取り付けている。本例では、４個の温度センサ１４０を備え、モジュールケースの内部の温度分布に応じて、比較的高温になる領域付近に２個の温度センサ１４０を配置し、比較的低温になる領域付近にもう２個の温度センサ１４０を配置している。４個の温度センサ１４０から出力された温度情報は、後述するバッテリコントローラ１３０に入力される。

セルコントローラ１２０（管理手段１０３に相当）は、蓄電池１０１の状態を管理するための電子回路装置であり、蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２に対応して設けられた１２個のセル管理用集積回路（ＩＣ）素子１２０−１〜１２０−１２、蓄電池１０１の蓄電状態を均一化するための回路素子、蓄電池１０１の電圧を検出するための回路、フォトカプラなどの絶縁素子、ノイズ除去回路を構成する回路素子、及び保護回路を構成する回路素子などが回路基板に実装される構成となっている。回路基板は別ケースに収納されて、電池モジュールに搭載されている。これにより、回路基板は組電池１００から隔てられる。

セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、蓄電池の状態を管理する主機能として、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２における４個の蓄電池１０１−１〜１０１−４の電圧を検出するための検出機能、及び対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２における４個の蓄電池１０１−１〜１０１−４の間の蓄電容量を均一化するための制御機能を備えている。

また、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２を動作電源として動作すると共に、対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２の負極側（最低電位側）の電位を基準電位（グランド電位）としている。

さらに、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２は、基準電位の高いものから基準電位の低いものの順に直列に接続されている。すなわちセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２はそれぞれ入出力端子を備え、セル管理用集積回路素子１２０−１の出力端子がセル管理用集積回路素子１２０−２の入力端子に、セル管理用集積回路素子１２０−２の出力端子がセル管理用集積回路素子１２０−３の入力端子に、・・・、セル管理用集積回路素子１２０−１１の出力端子がセル管理用集積回路素子１２０−１２の入力端子にそれぞれ接続されるように構成されている。これにより、後述するバッテリコントローラ１３０からセルコントローラ１２０に入力された信号は、初めにセル管理用集積回路素子１２０−１の入力端子に入力され、基準電位の高いものから順番に基準電位の低いものの方に伝送され、最後にセル管理用集積回路素子１２０−１２の出力端子から出力され、再びバッテリコントローラ１３０に戻る。すなわち後述するバッテリコントローラ１３０、及び直列接続されたセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２がループ状に接続されて、信号の通信路（伝送路）が形成されている。なお、ループ状に接続された通信路はデイジーチェーン状に接続された通信路と呼ばれる場合もある。

セルコントローラ１２０とバッテリコントローラ１３０とを接続する接続回路にはフォトカプラなどの絶縁素子が設けられている。これは、セルコントローラ１２０とバッテリコントローラ１３０との動作電源の違いによって両者の基準電位が異なるからであり、両者間において信号を伝送する際、信号の基準電位を変位させる必要があるからである。

セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２と、これに対応する蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２との間には、蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のそれぞれにおける蓄電池１０１−１〜１０１−４のそれぞれの両端電圧（正極と負極との間の電圧）を検出するための電位入力回路が接続されている。セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２のそれぞれには、その電位入力回路を介して、対応する蓄電ユニットにおける蓄電池１０１−１〜１０１−４のそれぞれの両端（正極側及び負極側）の電位情報が入力される。セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２のそれぞれは、入力された電位情報に基づいて、対応する蓄電ユニットにおける蓄電池１０１−１〜１０１−４のそれぞれの両端電圧を検出する。

蓄電ユニット１１０−１〜１１０−１２のそれぞれには、蓄電池１０１の蓄電状態を均一化するための調整回路が設けられている。調整回路は、スイッチと抵抗からなる直列回路であり、蓄電池１０１−１〜１０１−４のそれぞれの両極間（正極と負極との間）に接続されている。スイッチは、対応するセル管理用集積回路素子からの駆動信号によりオン・オフ制御される。これにより、各蓄電池１０１の蓄電容量を調整できる。すなわち４個の蓄電池１０１のうち、１つの蓄電池の蓄電容量が他の蓄電池の蓄電容量よりも多い場合には、当該蓄電池に接続されたスイッチをオンし、当該蓄電池を放電状態にする。これにより、当該蓄電池から出力された電力は抵抗に供給され、熱として消費される。なお、蓄電池１０１に接続されたスイッチは、セル管理用集積回路素子１２０に内蔵されていてもよい。

組電池１００の正極側と電力変換回路１０７ａの直流正極側との間には、組電池１００から電力変換回路１０７ａに供給される電流、或いは電力変換回路１０７ａから組電池１００に供給される電流を検出するための電流計測手段１０５が設けられている。電流計測手段１０５から出力された電流情報はバッテリコントローラ１３０に入力される。また、組電池１００の両極間（正極と負極との間）には、組電池１００の両端電圧を検出するための電圧計測手段１０４が設けられている。電圧計測手段１０４から出力された電圧情報はバッテリコントローラ１３０に入力される。バッテリコントローラ１３０にはセル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２によって検出された各蓄電池の電圧値も入力される。

バッテリコントローラ１３０は、組電池１００の状態を管理し、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２を制御し、そして組電池１００の充放電を制御するための電子回路装置であり、演算器１３１、入出力回路１３２などを備えている。演算器１３１、及び入出力回路１３２を構成する回路素子などは回路基板に実装されて蓄電装置の筐体内に収納されている。

演算器１３１は、マイクロコンピュータから構成され、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２によって検出されたセル電圧値（蓄電ユニットの両端電圧値）、電流計測手段１０５から出力された電流情報、電圧計測手段１０４から出力された電圧情報、及び温度センサ１４０から出力された温度情報を入力する。これにより、演算器１３１は、組電池１００の充放電の電流と電圧及び組電池１００の温度を検出する。そして、演算器１３１は、検出された電流値と電圧値と温度値、入力されたセル電圧値及び予めメモリ内に記憶された組電池１００の特性値に基づいて、組電池１００の状態（例えば組電池１００の劣化状態）を検知するための演算、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２を制御するための演算、及び組電池１００の状態検知結果に基づいて組電池１００の充放電を制御するための演算を実行し、それらの演算結果に基づいて、組電池１００の状態値に関する信号、セル管理用集積回路素子１２０−１〜１２０−１２を制御するための信号、及び組電池１００の充放電を制御するための信号などを生成して出力する。すなわち演算器１３１は、図１で説明した状態検知手段１０６及び電流制御手段１０９を備え、図１−１で説明した或いは後述する状態検知手段１０６及び電流制御手段１０９の各機能を果たす。

入出力回路１３２は、演算器１３１と上位システムとの間で信号を変換する通信回路であり、組電池１００の状態値に関する信号、組電池１００の充放電を制御するための信号などの演算器１３１からの信号を上位システムを出力すると共に、上位システムからの信号を演算器１３１に出力する通信回路であり、上位システムとはＬＡＮケーブルを介して接続されている。

上位システムとは、車輪駆動用の動力を発生するエンジン１７０を制御するエンジン制御装置１６０、インバータ制御装置（回路）１０７ｂ及びエンジン制御装置１６０並びにインバータ制御装置（回路）１０７ｂの上位制御装置であるハイブリッド自動車全体を統合制御する制御装置１５０などである。

本例では、前述のように、演算器１３１に記憶された組電池の劣化状態が組電池１００の真の劣化状態と異なる場合、組電池１００の充放電許容電流又は充放電許容電力を制限するための制御信号を演算器１３１からインバータ制御装置（回路）１０７ｂに送信する。これにより、インバータ制御装置（回路）１０７ｂは、電力変換回路１０７ａの駆動を制御し、制限された充放電許容電流又は充放電許容電力の範囲内で組電池１００を充放電させる。この結果、組電池１００の充放電量は小さく抑えられる。この後、演算器１３１は、前述のように、制限された充放電許容電流又は充放電許容電力の下で充放電する組電池１００の状態量から検知された組電池１００の劣化状態が組電池１００の真の劣化状態に収束した場合、充放電許容電流又は充放電許容電力の制限を解除するための制御信号をインバータ制御装置（回路）１０７に送信する。これにより、インバータ制御装置（回路）１０７ｂは、電力変換回路１０７ａの駆動を制御し、制限が解除された充放電許容電流又は充放電許容電力の範囲内で組電池１００を充放電させる。この結果、組電池１００の充放電量は大きくなると共に、組電池１００の正確な劣化状態に基づいて組電池１００の充放電が制御される。このように、本例では、組電池１００の真の劣化状態に収束した劣化状態に基づいて組電池１００の充放電を制御できるので、組電池１００の充放電を最適に制御することができる。

次に、状態検知手段１０６が行う詳細な処理内容について説明する。状態検知手段１０６が行う蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の状態検知とは、SOC（充電状態）、SOH（劣化状態）、現在充放電可能な最大許容電流、異常状態の検知などが挙げられる。状態検知手段１０６が行う蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の状態検知方法について説明する。SOCは、次の（１）式と（２）式により、電池モジュール１０２の情報に基づき求めることができる。

OCV＝CCV−I×R−Vp （１）
SOC＝MAP（OCV） （２）
ここで、OCVは電池モジュール１０２の起電力、CCVは電圧計測手段１０４で取得した電池モジュール１０２の端子間電圧、Ｉは無負荷時又は充放電時に電流計測手段１０５で計測した電流値、Rは予め求めて状態検知手段１０６に持たせたか、又はリアルタイムに求めた電池モジュール１０２の内部抵抗、Vpは分極電圧である。

上記（１）式でOCVを求めた後に、図３に示すような予め抽出した電池モジュール１０２のOCVとSOCの関係からSOCを取得することができる。なお、前記OCV、CCV、R、Vpは電池モジュール１０２のものとしているが、電池モジュール１０２に内蔵される蓄電池１０１の数で除算して蓄電池１０１の平均値を求め、これにより計算してもよい。また、管理手段１０３を用いて各蓄電池１０１のCCVを計測することで、各蓄電池１０１のSOCをそれぞれ求めてもよい。この場合、RやVpは蓄電池１０１から抽出したものを使用する。

SOCを求める他の方法として、次の（３）式により、計測した電流値を積算する手段が挙げられる。
SOC＝SOC0＋１００×∫I dt／Qmax （３）
ここで、SOC0は充放電開始時のSOCの初期値、Qmaxは蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の満充電時の容量である。

本発明では、上記（１）式と（２）式によってSOCを求めてもよいし、上記（３）式により、出入りする電流を積算して求めてもよい。
SOHは、電池モジュール１０２の劣化状態を示す値である。電池モジュール１０２が劣化すると、内部抵抗が上昇、又は満充電時の容量が低下するなど特性に変化が生じる。これら劣化で変化した特性又はこの変化した特性と初期特性との比率から、SOHを求める方法が一般的である。演算したSOHは、他の演算に反映させて劣化情報を考慮に入れた電池モジュール１０２の状態検知を行うこともできるし、更に電池モジュール１０２の寿命を判定する際の指標として用いることもできる。本実施例では、電池モジュール１０２の劣化が進行するにしたがい、SOHの値は上昇するものとして定義する。

車両停止時などの状態検知手段１０６の電源がオフとなる場合は、最終的に求めたSOHを状態検知手段１０６が内蔵するＥＥＰＲＯＭなどの記憶装置に書き込む。次回の車両起動時など状態検知手段１０６の電源がオンとなる場合には、前回記憶装置に書き込んだSOHを読み出して初期値とし、SOH演算を開始する。

次に、状態検知手段１０６が求める最大許容電流について説明する。最大許容電流とは、電池モジュール１０２が現在入出力できる最大の電流値のことである。一般的に、電池はその種類や性能に応じて、上限電圧Vmaxと下限電圧Vminが決定される。最大許容電流は、上限電圧Vmax又は下限電圧Vminを超えない最大の電流値である。車両は、最大許容電流の範囲内で電池モジュール１０２の充放電制御を行う必要がある。最大許容電流は充電側、放電側でそれぞれ演算を行うと、より適切に電池モジュール１０２を使用できるようになるものであり、最大許容充電電流（ICHG）の演算方法は次の（４）式、最大許容放電電流（IDIS）の演算方法は次の（５）式となる。
ICHG＝（Vmax−OCV）／Rz （４）
IDIS＝（OCV−Vmin）／Rz （５）
ここで、Rzは電池モジュール１０２のインピーダンスである。図４に示すように、インピーダンスは電池モジュール１０２の温度又はSOCなどに応じて異なってくるため、電池モジュール１０２の状態に応じたRzを予め求めて使用するか、前記各種計測手段によって電池モジュール１０２のデータを取得し、Rzをリアルタイムに求めると、電池の状態に応じた精度の良い最大許容電流を得ることができる。図５に示すように、求めた最大許容充電電流は高SOCとなるほど小さくなり、低SOCとなるほど大きくなる。また、最大許容放電電流は高SOCとなるほど大きくなり、低SOCとなるほど小さくなる。インバータ１０７は受信した最大許容充電電流の範囲内で電池モジュール１０２を充電し、最大許容放電電流の範囲内で電池モジュール１０２を放電する充放電制御を行う。

電池モジュール１０２が劣化するにつれて、電池性能として出し入れ可能な最大許容電流が小さくなる。すなわち、状態検知手段１０６は電池モジュール１０２の劣化を適切に捉えてSOHとして求め、SOHの値に応じて最大許容電流を小さくする方向へ制限する必要がある。電池モジュール１０２の劣化の進行を最大許容電流に反映させ、その結果をインバータ１０７に送信することで電池モジュール１０２の初期状態から寿命まで最適に充放電制御を行うことが可能となる。求めたSOHの結果に応じて最大許容電流を小さく制限する方法について、下記の（６）式と（７）式を用いて説明する。（６）式と（７）式は、それぞれSOHの変化に対応させた最大許容充電電流（ICHG）と最大許容放電電流（IDIS）を与えるものである。
ICHG＝（Vmax−OCV）／（SOH×Rz） （６）
IDIS＝（OCV−Vmin）／（SOH×Rz） （７）
SOHを求めた結果、SOHの値が上昇すると、上記の（６）式と（７）式の分母（SOH×Rz）が大きくなる。このため、求まるICHG及びIDISは、SOHの上昇に応じて小さな値となり、電池モジュール１０２が劣化した場合でも確実にVmaxとVminを超えない範囲内の充電電流と放電電流を求めることができる。これを最大許容電流としてインバータ１０７側に送信し、インバータ１０７は受信した最大許容電流の範囲内で電池モジュール１０２を使用することで、初期状態から劣化状態にかけて確実に電池モジュール１０２を充電又は放電させることができる。また、前述したSOH演算と最大許容電流演算は、管理手段１０３を用いて各蓄電池１０１のものを求め、これにより充電又は放電制御することも可能である。

以上のように、状態検知手段１０６は、逐次蓄電池１０１又は電池モジュール１０２のSOHを求め、求めたSOHが上昇するに従って、最大許容電流の値を小さく制限する。また、車両停止時ではSOHを状態検知手段１０６が内蔵する記憶装置に書き込み、車両起動時には記憶装置に書き込んだSOHを読み出してSOH演算開始の初期値とする。こうして、状態検知手段１０６の電源をオフにしても、前回のSOHの履歴を使用することによって、蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の充放電制御を確実に行うことができる。

状態検知手段１０６が行う状態検知は、前記したSOC、SOH、最大許容電流の演算の外に、蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の異常状態の検知が挙げられる。異常状態としては、過充電、過放電、更に複数の蓄電池を直列又は並列に接続して蓄電池１０１を構成している場合には、各蓄電池間のSOCのアンバランス、温度のアンバランス、蓄電池１０１の温度が全体的に所定値以上よりも高い等の温度異常などが挙げられる。蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の異常状態の検知は、各異常状態を検知するための閾値を設け、蓄電池１０１又は電池モジュール１０２が閾値を超える状況となった場合に異常と判定する方法が一般的である。以上のように、状態検知手段１０６は電池の各種状態を検知し、結果をインバータ１０７などの上位システムに送信する。上位システムは、前記電池の各種状態を把握して電池の状態に応じて電池を使用することになる。

次に、状態検知手段１０６が故障した場合について述べる。長年にわたり使用された状態検知手段１０６が故障した際、これが独立した基板として実装されている場合には、新たな状態検知手段１０６に取り替えることが一般的な対策である。しかし、新たな状態検知手段１０６は、長年にわたり使用された蓄電池１０１又は電池モジュール１０２のSOHをその記憶装置に記録していないため、電池を新品（SOH初期値）のものとして最大許容電流を求め、結果をインバータ１０７に送信する。図６は、状態検知手段１０６のみが故障した場合のSOH演算の結果の時間推移を示す。時間Ｔ０で状態検知手段が故障により新品に交換されたとすると、時間Ｔ０までは電池モジュール１０２のSOHが逐次演算されて劣化状態を正しく捉えている。時間T0で新品の状態検知手段１０６に取り替えられる（図６では交換に要する時間は省略されている。）と、状態検知手段１０６はSOHの初期値を用いてSOH演算を開始する。この場合、劣化した電池モジュール１０２に対して初期状態のSOHを用いて最大許容電流を求めることになるため、電池モジュール１０２の性能を超える電流値の信号をインバータ１０７に送信して充放電制御を行わせる。インバータ１０７は大きな最大許容電流を用いて電池モジュール１０２の充放電を行い、状態検知手段１０６はその際に受信できる電圧や電流などを用いて電池モジュール１０２の真のＳＯＨを求めるので、時間T1でSOHは真の値に収束する。すなわち、電池モジュール１０２の真のSOHを捉えた後に求まる最大許容電流が、現在の電池モジュール１０２の最適な最大許容電流であり、この時間T1以降、電池モジュール１０２の最適の充放電制御が実現される。

図６では、SOHが徐々に更新される場合を示しているが、SOHが求まった瞬時に更新する手段も考えられる。この場合は、SOHを求めるためのデータを蓄えるまでの時間中は、電池モジュール１０２の性能を超える最大許容電流の信号をインバータ１０７に送信する。SOHが求まった後は瞬時に値を更新し、その更新した時間以降に最適な充放電制御が実施される。

電池の真のSOHと状態検知手段１０６が記録するSOHとが不一致となる場合の対策について説明する。実施例１では、管理手段１０３に外部から識別可能なＩＤ１１１を記録している。記録する方法としては管理手段１０３に記憶装置を内蔵してＩＤ１１１を記憶させる方法が一般的である。状態検知手段１０６は、車両起動時の毎に管理手段１０３のＩＤ１１１を読み出し、状態検知手段１０６が記憶するＩＤ´１１２と照合して、両者が一致している場合は記憶しているSOHをそのまま使用する。

図７に示されたフローチャートを用いて、状態検知手段１０６が行う処理について説明する。まず、状態検知手段１０６は、初期状態として管理手段１０３に絶対に割り当てられないＩＤ´１１２（例えば全て０、１など）を記録している。状態検知手段１０６が故障し新品のものに取り替えられて車両が起動された場合、取り替えた状態検知手段１０６は管理手段１０３が記録するＩＤ１１１を読み出し、状態検知手段１０６自身が記録するＩＤ´１１２と一致するか否かを確認する（Ｓ６０１）。状態検知手段１０６を新品に取り替えた直後は、両者のＩＤは必ず不一致という結果になる。ＩＤが不一致となると、状態検知手段１０６は電流制限信号を電流制御手段１０９に送信し、電流制御手段１０９は最大許容電流を制限する処理を行う（Ｓ６０２）。制限する方法としては、電池モジュール１０２が寿命となった場合に得られる最大許容電流まで下げるなど、確実に電池モジュール１０２が充放電可能な許容電流にするのがよい。インバータ１０７は、前記小さく制限された最大許容電流を用いて充放電を行うので、電池モジュール１０２を確実に充放電制御できる。状態検知手段１０６は電流制御手段１０９によって制限された最大許容電流の範囲内で電池モジュール１０２が充放電されるなか、電圧計測手段１０４や電流計測手段１０５などで取得した電池モジュール１０２の電圧や電流など、更に必要な場合は電池モジュール１０２の温度情報などを用いてSOHを演算する。徐々にSOHを更新する方法でSOHを演算する場合、SOHの値が収束した以降は電池モジュール１０２のSOHは把握できたと判断する（Ｓ６０３）。SOHの収束を確認した後、状態検知手段１０６は、管理手段１０３から読み出したＩＤ１１１により、初期状態のＩＤ´１１２に上書きする（Ｓ６０４）。最後に、状態検知手段１０６は、電流制限解除信号を前記電流制御手段１０９に発信し、電流制限解除信号を受信した電流制御手段１０９は最大許容電流の制限の解除を行い、インバータ１０７は、状態検知手段１０６が求めたSOHに基づく最大許容電流に応じて電池モジュール１０２の充放電を行う。次回の車両起動時は、状態検知手段１０６は管理手段１０３のＩＤ１１１を記録しているので、ＩＤの照合を行うと管理手段１０３のものと一致する結果となる。状態検知手段１０６は、この場合には自身が記録するSOHが使用可能であると判断し、電流制御手段１０９に電流制限信号を送信しない。電流制御手段１０９は、最大許容電流の制限を行うことはないため、インバータ１０７は、状態検知手段１０６が記録するSOHに基づいて求めた最大許容電流に基づき電池モジュール１０２を充放電する。

上記のものでは、SOHが徐々に更新される方式のため、SOHの収束を確認することとしているが、状態検知手段１０６がSOHを求め終わるとステップ的に変更させる方式の場合には、SOHがステップ的に更新されたことを確認した後に管理手段１０３のＩＤ１１１を状態検知手段１０６に記録し、電流制限解除信号を電流制御手段１０９に送信するとよい。

以上が、状態検知手段１０６が故障して新品に取り替えられた場合に行う状態検知手段１０６と電流制御手段１０９の処理内容である。このように、管理手段１０３にＩＤ１１１を記録させ、状態検知手段１０６が記録するＩＤ´１１２と照合することで、状態検知手段１０６が記憶するSOHの使用可否を判断する。状態検知手段１０６の初期状態として管理手段１０３が記憶するＩＤとは一致しないＩＤを記録させることで、状態検知手段１０６が故障して新品に取り替えられた場合は、管理手段１０３のＩＤ１１１とは必ず一致しないので、状態検知手段１０６は電流制限信号を電流制御手段１０９に送信し、電流制御手段１０９は最大許容電流を小さく制限する。このように制限された最大許容電流をインバータ１０７に送信することで、状態検知手段１０６が記録するSOHと電池モジュール１０２のSOHとが不一致の場合でも確実に充放電制御できる。また、状態検知手段１０６が電池モジュール１０２のSOHが求め終わったことを検知した場合、電流制限解除信号を電流制御手段１０９に送信して電流制御手段１０９は最大許容電流の制限の解除を行い、インバータ１０７は状態検知手段１０６が求めたSOHに基づく最大許容電流の範囲内で電池モジュール１０２の充放電を行うので、電池モジュール１０２のSOHに応じて確実に充放電制御を行うことができる電池制御装置が実現される。

実施例１を用いると、電池モジュール１０２が故障又は何らかの理由で取り替えられた場合についても対応可能である。電池モジュール１０２が故障した場合には、内部に備える管理手段１０３も同時に取り替えられる。電池モジュール１０２が故障して、新品に取り替えられた場合は、新品の電池モジュール１０２に対して、状態検知手段１０６は故障した電池モジュール１０２のSOHを初期値として充放電制御を行わせる。そのため、電池モジュール１０２の性能よりも小さい最大許容電流をインバータ１０７に送信するため、この場合では電池モジュール１０２の性能を超えて充放電制御を行うことはない。また、電池モジュール１０２が故障した際、故障した電池モジュール１０２よりも一層劣化した電池に取り替えられた場合では、状態検知手段１０６が記録するSOHでは電池モジュール１０２の性能を超えて充放電制御を行うことがあり得る。図８は、そのような場合の許容電流とSOHの時間推移を示す。電池モジュール１０２が備える管理手段１０３と状態検知手段１０６のＩＤの照合を行い、電池取替えのためにＩＤ不一致となった（時間T0）後は、電流制御手段１０９によって最大許容電流の制限を行い（時間T1）、電池モジュール１０２の劣化状態を捉えてSOH演算結果が収束すると、最大許容電流の制限の解除を開始し（時間T2）、その解除が完了する（時間T3）。このように、実施例１は、前回よりも更に劣化した電池モジュール１０２に取り替えられた場合でも、確実に充放電制御を行うことができる。

なお、実施例１では、電池モジュール１０２に内蔵する管理手段１０３にＩＤ１１１を記録させているが、この手段と設置箇所に限定されるものではなく、電池モジュール１０２又は状態検知手段１０６のＩＤを照合させ、電池モジュール１０２又は状態検知手段１０６の取替えを検知できる手段と設置箇所であればよい。また、実施例１では、最大許容電流に基づき充放電制御を行っているが、最大許容電流に電圧を乗算した最大許容電力に基づいて制御を行ってもよい。さらに、実施例１では、SOHが不一致な状況を検知した場合、電流制御手段１０９で最大許容電流を制限しているが、インバータ１０７や車両全体を制御可能なコントローラにSOHが不一致な状況を通知し、エンジンとモータの使用比率を従来よりもエンジン側にシフトさせるなどして、結果的に電池モジュール１０２に出入りする電流や電力を制限する方法でもよい。この場合、SOHが収束した情報もインバータ１０７や車両全体を制御可能なコントローラに通知し、かかる電池モジュール１０２の使用制限を解除する。

実施例１では、以上のとおり、電池の状態を検知する状態検知手段１０６が記録するSOHが電池の真のSOHと不一致になった場合でも、状況に応じて最大許容電流もしくは電力の制限又は制限解除を行うことによって、蓄電池を安全確実に充放電制御できる。

[実施例２]
図９は、本発明の実施例２の構成を示す説明図である。実施例２は、実施例１の管理手段１０３が備えるＩＤ１１１と状態検知手段１０６が備えるＩＤ´１１２とを用いることなく、最大許容電流又は電力を制御する電池制御装置である。

実施例２における状態検知手段１０６´は、その電源オン時（車両起動時等）に電流制限信号を電流制御手段１０９に送信し、この電流制限信号を受信した電流制御手段１０９は、状態検知手段１０６´が送信する最大許容電流の制限を行う。制限方法は、実施例１の処理内容と同じである。インバータ１０７は、制限された最大許容電流に基づき電池モジュール１０２に出入りする電流の制御を行う。

管理手段１０３、電圧計測手段１０４及び電流計測手段１０５は、制限された電流で充放電されている蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の情報を計測し、その結果を状態検知手段１０６´に送信する。蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の温度情報が必要な場合、蓄電池１０１又は電池モジュール１０２にサーミスタや熱電対などを設置し、その温度計測の結果を状態検知手段１０６´に送信して状態検知に反映させる（図示せず）。状態検知手段１０６´は、上記の計測結果に基づき蓄電池１０１又は電池モジュール１０２の劣化状態の演算を行う。状態検知手段１０６´は、自身が行なう劣化状態の演算結果が収束した場合（又は劣化状態の演算結果をステップ的に変更する場合は該変更を確認した場合）、電流制限解除信号を電流制御手段１０９に送信し、この信号を受けて、電流制御手段１０９は、最大許容電流の制限を解除する。実施例２は、このように車両起動時の度に状態検知手段１０６´が求めた最大許容電流の制限を行い、状態検知手段１０６´が行う劣化状態の演算結果が収束していることを確認した後に、最大許容電流の制限を解除して電池モジュール１０２を最大限に使用するものである。

なお、実施例２は、最大許容電流に基づく制御としたが、実施例１と同様に、最大許容電流に電圧を乗算した最大許容電力に基づいて制御を行うようにしてもよい。

実施例２では、以上のとおり、状態検知手段１０６´の処理を行うことによって、実施例１のＩＤ１１１とＩＤ´１１２を使用することなく、安全かつ確実に電池モジュール１０２を充放電制御することができる。

本発明は、充放電できる蓄電池と蓄電池を管理する情報処理装置を備える電池システムを搭載するハイブリッド自動車、電気自動車、電力貯蔵装置等の機器に幅広く利用することが可能である。

本発明の実施例１の構成を示す説明図。 本発明の実施例１の変形例の構成を示す説明図。 本発明の実施例１の電池システムの具体的構成例を示す説明図。 本発明の電池モジュールの起電力と充電状態(SOC)の関係を示す説明図。 本発明の電池モジュールの充電状態(SOC)に対するインピーダンスの関係を示す説明図（ａ）と、温度に対するインピーダンスの関係を示す説明図（ｂ）。 本発明の電池モジュールの充電状態(SOC)に対する許容充電電流と許容放電電流の関係を示す説明図。 本発明の実施例１において状態検知手段が故障した場合の劣化状態(SOH)演算結果の推移を示す説明図である。 本発明の実施例１の状態検知手段の処理手順を示すフローチャート。 本発明の実施例１において故障した電池モジュールよりも一層劣化した電池に取り替えられた場合における許容電流と劣化状態(SOH)の時間推移を示す説明図。 本発明の実施例２の構成を示す説明図。

符号の説明

１００…組電池、１０１…蓄電池、１０２…電池モジュール、１０３…管理手段、１０４…電圧計測手段、１０５…電流計測手段、１０６…状態検知手段、１０７…インバータ、１０７ａ…電力変換回路、１０７ｂ…インバータ制御装置（回路）、１０８…モータジェネレータ、１０９…電流制御手段、１１０…蓄電ユニット、１２０…セルコントローラ（セル管理用集積回路素子）、１３０…バッテリコントローラ、１３１…演算器、１３２…入出力回路、１４０…温度センサ、１５０…ハイブリッド自動車全体の統合制御装置、１６０…エンジン制御装置、１７０…エンジン、２００…電池システム

Claims (6)

1. 複数の単電池を接続して構成する電池モジュールと、前記電池モジュールに設置される管理回路であって前記電池モジュールを識別するためのＩＤを記憶するための管理回路と、前記電池モジュールの状態を検知する状態検知回路であって初期状態において前記管理回路に記憶されたＩＤとは一致することのないＩＤを記憶した状態検知回路と、を備える電池システムであって、
   前記状態検知回路は、前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとが一致しない場合、前記電池モジュールの充放電を制限する機能を備えると共に、
   前記状態検知回路は、検知した電池モジュールの劣化状態を示す値が所定の条件を満たした場合、前記制限を解除すると共に、前記管理回路に記憶されたＩＤを、前記状態検知回路のＩＤとして記憶することを特徴とする電池システム。
2. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
   前記状態検知回路に記憶されたＩＤが、前記管理回路に記録されたＩＤと異なる場合、前記劣化状態が異なると判断することを特徴とする電池システム。
3. 複数の単電池が接続されて構成された電池モジュールと、前記電池モジュールに対応して設けられ前記電池モジュールを識別するためのＩＤが記憶された管理回路と、前記電池モジュールの状態を検知するために設けられた回路であって電池モジュールを識別するためのＩＤが記憶された状態検知回路と、を有する電池システムであって、
   前記状態検知回路は、前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとが不一致の場合、前記電池モジュールの充放電を制限させるための機能を備えており、
   前記状態検知回路には予め前記電池モジュールを識別するためのＩＤとは異なるＩＤが記憶され、前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとが不一致となり、前記状態検知回路が前記制限を機能させるように構成されていると共に、検知した前記電池モジュールの劣化状態を示す値が所定の条件を満たしたら、前記状態検知回路が前記制限を解除し、前記状態検知回路に記憶されたＩＤが前記管理回路に記憶されたＩＤに書き直されるように構成されている、
   ことを特徴とする電池システム。
4. 複数の単電池を接続して構成する電池モジュールと、前記電池モジュールに設置される管理回路であって前記電池モジュールを識別するためのＩＤを記憶するための管理回路と、前記電池モジュールの状態を検知する状態検知回路であって初期状態において前記管理回路に記憶されたＩＤとは一致することのないＩＤを記憶した状態検知回路と、を備える電池システムの制御方法であって、
   前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとが一致しない場合、前記状態検知回路が前記電池モジュールの充放電を制限するステップと、
   前記状態検知回路は、検知した電池モジュールの劣化状態を示す値が所定の条件を満たした場合、前記制限を解除すると共に、前記管理回路に記憶されたＩＤを、前記状態検知回路のＩＤとして記憶するステップと、
   を有することを特徴とする電池システムの制御方法。
5. 請求項４に記載された電池システムの制御方法において、
   前記状態検知回路に記憶されたＩＤが、前記管理回路に記憶されたＩＤと異なる場合、前記劣化状態が異なると判断することを特徴とする電池システムの制御方法。
6. 複数の単電池が接続されて構成された電池モジュールに対応して設けられた回路であって前記電池モジュールを識別するためのＩＤが記憶された管理回路、及び前記電池モジュールの状態を検知するための回路であってＩＤが記憶された状態検知回路と、を備え、前記状態検知回路は、前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとが一致しない場合、前記電池モジュールの充放電を制限させるための機能を備えている電池システムの制御方法であって、
   前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとを比較する第１ステップと、
   前記第１ステップの比較の結果、両者のＩＤが不一致の場合、前記状態検知回路が前記電池モジュールの充放電の制限を機能させる第２ステップと、
   前記第２ステップによる制限動作の間、前記電池モジュールの劣化状態を検知し、前記劣化状態を示す値が所定の条件を満たすかどうか判定する第３ステップと、
   前記第３ステップの判定の結果、前記劣化状態を示す値が所定の条件を満たす場合、前記制限を解除する第４ステップと、
   前記第４ステップによって前記制限が解除された場合、前記状態検知回路に記憶されたＩＤを前記管理回路に記憶されたＩＤに書き直す第５ステップと、を有し、
   予め前記状態検知回路には、前記状態検知回路に記憶されたＩＤと前記管理回路に記憶されたＩＤとが一致せず、前記制限が機能するように、前記電池モジュールを識別するためのＩＤとは異なるＩＤが記憶されている、
   ことを特徴とする電池システムの制御方法。

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