JP5463810B2 - 組電池の容量調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、組電池の容量調整装置に関するものである。

複数の単電池（セル）を接続してなる組電池において、各単電池に設けられた容量調整用放電回路を適宜に放電制御することにより、全ての単電池が所定の電圧又は所定の充電状態（ＳＯＣ，State of Charge）となるように電池容量のバラツキを均一化する容量調整装置が知られている（特許文献１）。

特開２０００−８３３２７号公報

しかしながら、上記従来の容量調整装置では、電圧又はＳＯＣを均一化する容量調整法であるため、調整直後においては容量が均一化されるものの、単電池の容量劣化度合いの個体差によりその後の電圧変化の傾向が異なることがある。

その結果、すぐにばらつきが生じて過充電又は過放電となるおそれがある。このため、こうした過充電又は過放電を防止すべく組電池の利用可能範囲を制限することが必要とされていた。

本発明が解決しようとする課題は、組電池の利用可能範囲を拡大できる組電池の容量調整装置を提供することである。

本発明は、単電池の放電処理を実行して当該単電池の電池容量を調整するにあたり、調整すべき単電池の容量劣化度又は満充電容量に応じて放電処理を制限することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、調整すべき単電池の容量劣化度又は満充電容量に応じて放電処理を制限するので、容量劣化度が大きく又は満充電容量が小さく、すなわち電圧降下度が大きい単電池に対しては放電処理が制限される。その結果、その後の使用による下限電圧に到達するまでの時間が長くなるので、組電池の利用可能範囲を拡大することができる。

発明の一実施の形態を適用したハイブリッド自動車を示すブロック図である。 図１のバッテリ２１廻りの詳細を示すブロック図である。 図１のバッテリ２１の容量調整回路の一例を示す電気回路図である。 図１のバッテリコントローラ２４の制御手順を示すフローチャートである。 図４のステップＳ１及びＳ４のバッテリの開放電圧の取得方法の一例を示すグラフである。 図４のステップＳ２及びＳ５のバッテリの開放電圧からＳＯＣを算出する方法の一例を示すグラフである。 図４のステップＳ１１〜Ｓ１５の容量調整方法の一例を示すグラフである。 図４のステップＳ１１〜Ｓ１５の容量調整方法の一例を示すグラフ（その１）である。 図４のステップＳ１１〜Ｓ１５の容量調整方法の一例を示すグラフ（その２）である。 図４のステップＳ１１〜Ｓ１５の容量調整方法の一例を示すグラフ（比較例）である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施の形態を適用したハイブリッド自動車の動力伝達系（パワートレイン）を示すブロック図であり、内燃機関１、モータ２，３、クラッチ４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成されている。モータ３の出力軸と内燃機関１の出力軸とクラッチ４の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ４の出力軸とモータ２の出力軸と無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。

本例のハイブリッド自動車は、クラッチ４が締結されると内燃機関１とモータ２が車両の推進源となる一方で、クラッチ４が解放されるとモータ２のみが車両の推進源となる。内燃機関１および／またはモータ２の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。

モータ２，３は、三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流電動機であり、モータ３は主として内燃機関の始動と発電に用いられ、モータ２は主として車両の推進と制動に用いられる。

なお、モータ２，３には交流電動機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ４の締結時に、モータ３を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ２を内燃機関１の始動や発電に用いることもできる。

クラッチ４はパウダークラッチであり、伝達トルクがほぼ励磁電流に比例するので伝達トルクを調節することができる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。

モータ２，３は、それぞれインバータ２２，２３により駆動される。なお、モータ２，３に直流電動機を用いる場合には、インバータ２２，２３に代えてＤＣ／ＤＣコンバーターを用いる。インバータ２２，２３は共通のＤＣリンク２５を介して二次電池であるバッテリ２１に接続されており、バッテリ２１の直流充電電力を交流電力に変換してモータ２，３へ供給するとともに、モータ２，３の交流発電電力を直流電力に変換してバッテリ２１を充電する。

なお、インバータ２２，２３は互いにＤＣリンク２５を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力は、バッテリ２１を介さずに直接、力行運転中のモータ２，３へ供給することができる。

バッテリ２１はリチウムイオン電池である。なお、バッテリ２１には、ニッケル水素電池や鉛電池などの他の種類の電池を用いることができる。

コントローラ９は、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、内燃機関１の回転速度や出力トルク、クラッチ４の伝達トルク、モータ２，３の回転速度や出力トルク、無段変速機５の変速比、バッテリ２１のＳＯＣなどを、エンジンコントローラ１１、トランスミッションコントローラ５１及びバッテリコントローラ２４を介して統括的に制御する。

図２は、図１のバッテリ２１廻りの詳細を示すブロック図である。図２に示すようにバッテリ２１にはバッテリコントローラ２４が接続されており、このバッテリコントローラ２４には、バッテリ２１を流れる電流を検出する電流センサ２４１と、バッテリ２１の総電圧を検出する総電圧センサ２４２と、バッテリ２１の温度を検出する温度センサ２４３と、バッテリ２１を構成する組電池のセルコントローラ（不図示）との通信ライン２４４が接続されている。

図３は、図１及び図２のバッテリ２１を構成する組電池の容量調整回路の一例を示す電気回路図である。組電池であるバッテリ２１は、二次電池である複数の単電池２１１が直列及び／又は並列に接続されてなり、同図には複数の単電池２１１が直列に接続された例を示し、便宜的に単電池２１１ａ，２１１ｂ…で表わす。なお、図１に示すハイブリッド自動車システムに関してはバッテリ２１と総称するが、バッテリ２１の全体を指す場合は組電池２１と称し、当該組電池を構成する個々の電池を指す場合は単電池２１１と称し、両者を区別するものとする。

各単電池２１１の両端子には一対の電圧検出線２４５の一端が接続され、その他端は例えばバッテリコントローラ２４（又はセルコントローラ）のＡＤ変換ポートに接続され、これによりバッテリコントローラ２４で直接セル電圧が検出される。

一対の電圧検出線２４５の間には、トランジスタなどのスイッチング素子２４６と、単電池２１１の電力を消費して容量を調整するための抵抗２４７とが接続されている。そして、バッテリコントローラ２４によって各単電池２１１の容量のばらつき調整が必要と判断されたときは、バッテリコントローラ２４からスイッチング素子２４６（トランジスタのベース）にスイッチングＯＮ／ＯＦＦ信号を所定時間だけ入力することで、調整対象の単電池２１１の電力を抵抗２４７により放電させる。

次に本例の容量調整方法について説明する。

図４は、図１のバッテリコントローラ２４で実行される制御手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、単電池２１１ごとの開放電圧を取得する。ここでいう開放電圧とは、ａ）バッテリ２１が無負荷状態である場合に実測して得られる開放電圧Ｅａ、ｂ）充放電時にサンプリングされた電流値及び電圧値から得られるＩ−Ｖ特性の外挿、すなわちパワー演算により推定される開放電圧Ｅｂ、またはｃ）充放電時に実測された電流値及び総電圧値に基づいて、Ｅｃ＝（総電圧）＋（電流値）×（温度及び劣化補正された内部抵抗）により推定される開放電圧Ｅｃのいずれも採用することができる。

開放電圧Ｅａの計測は無負荷時に行うものであるため、自動車を起動する際の無負荷時（強電系統をＯＮする前）やキーをＯＦＦする際に計測することができる。これに対して、開放電圧ＥｂやＥｃは無負荷時でなくても計測することができるので、これらを適宜選択して開放電圧を取得する。

一例として開放電圧Ｅｂの取得手順について説明する。開放電圧Ｅｂは、自動車の走行時などにおいて単電池２１１の電流変化を捉え、図５に示すように電流値Ｉ及び電圧値Ｖを複数サンプリングする。同図の丸×印が計測されたサンプリング点であり、このＩ−Ｖ特性のサンプリングデータをＩＶ座標において一次回帰演算して特性直線Ｌ（＝Ｒ・Ｉ＋Ｅｂ）を求める。特性直線Ｌと縦軸（電圧軸）との交点が開放電圧Ｅｂとなる。なお、オームの法則により特性直線Ｌの傾きＲがその単電池２１１の内部抵抗である。

ステップＳ２では、バッテリコントローラ２４のメモリ領域に設定されている単電池の開放電圧−ＳＯＣマップを参照して、単電池２１１ごとのＳＯＣを算出する。図６は単電池２１１の開放電圧とＳＯＣとの相関関係を示すグラフであり、単電池２１１の温度や容量劣化度が変化しても不変の関係である。したがって、バッテリコントローラ２４に設定された、図５に示す開放電圧−ＳＯＣマップを参照し、ステップＳ１で取得した開放電圧ＥからＳＯＣを算出する。

ステップＳ１及びＳ２は、組電池を構成する全ての単電池２１１ａ，２１１ｂ…について実行する。

ステップＳ３では、ステップＳ２で算出された各単電池２１１のＳＯＣに基づいて、容量調整が必要な単電池２１１があるか否かを判断し、容量調整が必要な単電池２１１がある場合にはステップ４へ進み、容量調整が必要な単電池２１１がない場合にはステップＳ４〜Ｓ１５を実行せずに処理を終了する。

ステップＳ３にて判断される容量調整の必要性については、たとえば各単電池２１１のＳＯＣの平均値を求め、この平均値との差が所定値以上の単電池がある場合には容量調整を行なったり、各単電池２１１の最小ＳＯＣと最大ＳＯＣとの差が所定値以上にばらついている場合は容量調整を行ったり、その他これに類する判断基準で実行することができる。

ステップＳ４では、バッテリ２１、すなわち組電池全体の開放電圧を取得する。ここで言う開放電圧も上記ステップＳ１にて既述した開放電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃのいずれをも採用することができる。たとえば、図５に示すように、充放電時にサンプリングされた電流値及び電圧値から得られるＩ−Ｖ特性の外挿演算をすることで組電池全体の開放電圧Ｅｂを取得することができる。

ステップＳ５では、バッテリコントローラ２４のメモリ領域に設定されている組電池の開放電圧−ＳＯＣマップを参照して、組電池全体のＳＯＣを算出する。この演算も上記ステップＳ２と同様に、予め設定された図６に示すようなマップを参照することによりＳＯＣを算出することができる。

ステップＳ６では、組電池全体の容量劣化度を算出する。ここでいう容量劣化度とは電池の初期容量Ｃ_０に対する現在の容量の劣化度合いを示す特性値であって、容量が劣化した割合を示す容量劣化率または残存容量の割合を示す容量維持率の両者を含む意味である。すなわち、組電池の容量劣化率β（％）及び容量維持率γ（％）は、組電池の初期容量をＣ_０、現在の電池容量をＣ、基準温度に対する温度補正係数をαとすると、
［式１］
β＝１００−（αＣ／Ｃ_０）×１００
［式２］
γ＝１００−β＝（αＣ／Ｃ_０）×１００
で表わされる。

ここで、現在の組電池の電池容量Ｃは、図６に示す放電開始時の開放電圧Ｅ１及びＳＯＣ１から放電終了時の開放電圧Ｅ２及びＳＯＣ２に至る放電電流の積算値ΔＡｈとすると、
［式３］
Ｃ＝１００×ΔＡｈ／（ＳＯＣ１−ＳＯＣ２）＝１００×ΔＡｈ／ΔＳＯＣ
で表わすことができる。

上記式１において温度補正係数α及び組電池の初期容量Ｃ_０は既知である。また上記式３においてΔＡｈは図２に示す電流センサ２４１により検出された電流値の時間積分値として計測され、ΔＳＯＣは放電開始時の開放電圧Ｅ１と放電終了時の開放電圧Ｅ２とから算出することができる。

これにより、組電池の容量劣化率β又は容量維持率γを算出することができる。

ステップＳ７では、組電池の内部抵抗増加率を算出する。内部抵抗ＲはステップＳ４にて組電池の開放電圧Ｅを取得した際に一次回帰直線Ｌの傾きとして算出することができ、内部抵抗増加率は初期内部抵抗をＲ_０とするとＲ／Ｒ_０として算出することができる。

ステップＳ８では、ステップ５で算出した組電池のＳＯＣから、予め設定された組電池のＳＯＣの下限値ＳＯＣ_ｍｉｎまでのΔＳＯＣ＝ＳＯＣ−ＳＯＣ_ｍｉｎを算出する。なお、ここでは組電池のＳＯＣの下限値について車両要求条件がある場合を示すが、システムによってはＳＯＣの下限値に代えて車両性能の管理ポイントとなる任意のＳＯＣまでのΔＳＯＣを算出してもよい。また、放電側だけでなく、充電側、すなわちＳＯＣの上限値ＳＯＣ_ｍａｘで同様の判定をしてもよい。

そして、算出されたΔＳＯＣに対して、ステップ６で取得した組電池の容量劣化率β（又は組電池の容量維持率γ）と組電池の初期容量Ｃ_０を掛け合わせて、放電下限までに使用する電池容量をたとえばＡｈ単位で算出する。なお、以下の説明ではＡｈ単位での算出として説明するが、Ｗｈ単位による計算でもよい。

ステップＳ９では、ステップＳ３で判断された容量調整が必要とされる単電池２１１の容量劣化率β´（又は容量維持率γ´）を算出する。なお、ステップＳ３において容量調整が必要とされる単電池が複数ある場合には、それぞれの単電池２１１に対して容量劣化率β´（又は容量維持率γ´）を算出する。また、容量調整が必要とされる単電池２１１が複数ある場合には、以下のステップＳ１０〜Ｓ１５の処理はそれぞれの単電池２１１に対して実行するものとする。

この単電池２１１についての容量劣化率β´又は容量維持率γ´の算出は、上述したステップＳ６の組電池２１の容量劣化率β又は容量維持率γの算出と同様に、対象となる単電池２１１についての式１〜式３により求めることができる。

ステップＳ１０では、容量調整が必要とされる対象単電池２１１の内部抵抗増加率を算出する。この内部抵抗増加率についても、上述したステップＳ７の組電池２１の内部抵抗増加率の算出と同様に、内部抵抗ＲはステップＳ１にて単電池２１１の開放電圧Ｅを取得した際に一次回帰直線Ｌの傾きとして算出することができ、内部抵抗増加率は初期内部抵抗をＲ_０とするとＲ／Ｒ_０として算出することができる。

ステップＳ１１では、容量調整が必要とされる単電池の電池容量（Ａｈ）からステップ８で算出した組電池２１の電池容量（Ａｈ）を減算する。これにより、組電池２１のＳＯＣ下限値における単電池２１１の電池容量（Ａｈ）が求められる。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で求めた組電池２１のＳＯＣ下限値での単電池２１１毎の電池容量（Ａｈ）と、ステップＳ９で求めた単電池２１１毎の容量維持率γ´（又は１００−容量劣化率β´）と、単電池２１１の初期容量Ｃ_０を乗算し、組電池２１のＳＯＣ下限値における単電池２１１のＳＯＣを算出する。

ステップＳ１３では、この状態で車両要求などに応じた放電をした際の単電池２１１の負荷電圧を計算する。この負荷電圧の計算にあたっては、放電負荷と初期内部抵抗および内部抵抗増加率（ステップＳ１０）から推測する。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３で算出された負荷電圧に基づいて、容量調整が必要とされる対象単電池２１１が、単電池２１１の放電下限電圧に達するか否かを判断する。なお、この放電下限電圧はＳＯＣ＝０％に設定することもできるし、それ以下又はそれ以上の値に設定することもできる。

ステップＳ１４にて放電下限電圧に達する単電池２１１が存在しないと判断された場合はステップＳ１５へ進んで容量調整を実行するが、放電下限電圧に達する単電池が存在したときは、その単電池２１１については容量調整を実行せずに本ルーチンを終了し、過放電を防止する。

ステップＳ１５では、容量調整が必要とされ、かつ容量調整を実行しても過放電とならない単電池２１１のＳＯＣを調整する。このときのＳＯＣの調整量は、組電池２１のＳＯＣ下限値の状態において、車両要求などに応じた放電を行っても、容量調整の対象単電池２１１が下限電圧に到達しない電池容量を最大の調整量として適宜ＳＯＣの調整量を設定するものとする。

以上の容量調整の考え方を図７及び図８Ａ〜図８Ｃを参照して説明する。

図７は電池容量に対するＳＯＣの関係を示すグラフであり、組電池２１平均Ａと単電池Ｂの容量劣化率β，β´が相違している場合を示す。すなわち、単電池Ｂの容量劣化率β´は組電池平均Ａとしての容量劣化率βより大きい（劣化度合いが大きい）ものとする。したがって、同図に示すように組電池平均としての利用可能範囲（Ａｈ）に対し、単電池Ｂの利用可能範囲（Ａｈ）は狭くなる。

こうした組電池Ａと単電池Ｂのある時点におけるＳＯＣが、図８Ａに示す状態にあり、単電池Ｂについて容量調整が必要とされたものとする。

ここで従来の容量調整方法では、図８Ａに示すように単電池Ｂの充電状態ＳＯＣ−Ｂを容量調整する場合には、たとえば図８Ｃに示すように、目標ＳＯＣを組電池Ａの充電状態ＳＯＣ−Ａに設定し、単電池ＢのＳＯＣ−ＢがＳＯＣ−Ａになるまで放電処理を実行する。

ところが、単電池Ｂの容量劣化率β´は組電池平均Ａの容量劣化率βより大きいので、単電池Ｂがその後の放電によりＳＯＣ下限値ＳＯＣｍｉｎに達するまでの範囲（電池容量）が、組電池平均Ａのそれより小さくなる。すなわち、図８Ｃに示すように組電池平均Ａに対して最大の負荷要求があると単電池Ｂは下限値ＳＯＣｍｉｎを下回り、過放電することになる。換言すれば、過放電を防止するために組電池としてその車両からの負荷要求には対応することができない。

これに対して本例の容量調整では、容量調整すべき単電池Ｂの容量劣化率β´（図８Ａの特性直線の傾きに相当する）に応じて、図８Ｃに示すようにＳＯＣ−Ａまで放電処理を行わず、図８Ｂに示すように放電処理を途中までに制限する。つまり、充電状態ＳＯＣ−ＢをＳＯＣ−Ｂ１に制限し、ＳＯＣ−Ｂ１とＳＯＣ−Ａをゼロにしないこととしている。

この制限量は、たとえば図８Ｂに示すように、その後の車両要求に対して組電池平均Ａが対応できる範囲と一致するように回帰する値又はそれ以上の値とすることができる。

なお、上述した実施形態では、容量調整すべき単電池２１１の容量劣化率β´又はこれと補間関係にある容量維持率γ´に応じて容量調整量を制限することとしたが、容量劣化率β´及び容量維持率γ´は、単電池２１１の満充電の容量、すなわちＳＯＣが１００％のときの電池容量（Ａｈ）に相関する。したがって、容量劣化率β´及び容量維持率γ´に代えて、単電池２１１の満充電の電池容量に応じて容量調整量を制限してもよい。

以上のとおり、本例の組電池の容量調整によれば、調整すべき単電池２１１の容量劣化率β´、容量維持率γ´又は満充電容量に応じて放電処理を制限するので、容量劣化率が大きく又は容量維持率若しくは満充電容量が小さく、すなわち電圧降下度が大きい単電池２１１に対しては放電処理が制限され、所定量の電池容量が余分に確保される。

この結果、その後の使用による下限電圧に到達するまでの時間が長くなり、組電池２１の利用可能範囲を拡大することができる。

なお、上記バッテリコントローラ２４が本発明の電圧検出手段、劣化度検出手段、制御手段及び負荷電圧算出手段に相当し、上記スイッチング素子２４６、抵抗２４７及びバッテリコントローラが本発明の容量調整手段に相当する。

１…内燃機関
２，３…モータ
４…クラッチ
５…無段変速機
６…減速装置
７…差動装置
８…駆動輪
９…コントローラ
２１…バッテリ（組電池）
２１１…単電池
２２，２３…インバータ
２４…バッテリコントローラ
２４１…電流センサ
２４２…電圧センサ
２４３…温度センサ
２４４…通信ライン
２４５…電圧検出線
２４６…スイッチング素子
２４７…抵抗

Claims (4)

1. 二次電池である複数の単電池が接続された組電池の、前記単電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧に基づいて前記単電池の容量劣化度を検出する劣化度検出手段と、
   前記単電池の放電処理を実行して当該単電池の電池容量を調整する容量調整手段と、
   前記劣化度検出手段により検出された単電池の容量劣化度に応じて、調整すべき単電池の放電処理を制限する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記劣化度検出手段により検出された単電池の容量劣化度が相対的に小さい単電池の容量調整後の電圧又はＳＯＣに対し、容量劣化度が相対的に大きい単電池の容量調整後の電圧又はＳＯＣが所定量だけ大きくなるように、容量劣化度が相対的に大きい単電池の放電処理を制限する組電池の容量調整装置。
2. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   組電池の負荷から要求される負荷電圧を算出する負荷電圧算出手段を備え、
   前記制御手段は、前記負荷電圧算出手段により算出された負荷電圧が要求された場合に、前記容量劣化度が相対的に小さい単電池の電圧又はＳＯＣと前記容量劣化度が相対的に大きい単電池の電圧又はＳＯＣが所定の下限値に到達するまでの時間が一致するように、前記所定量を設定する組電池の容量調整装置。
3. 二次電池である複数の単電池が接続された組電池の、前記単電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧に基づいて前記単電池の満充電状態における電池容量を検出する満充電容量検出手段と、
   前記単電池の放電処理を実行して当該単電池の電池容量を調整する容量調整手段と、
   前記満充電容量検出手段により検出された単電池の満充電容量に応じて、調整すべき単電池の放電処理を制限する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記満充電容量検出手段により検出された単電池の満充電容量が相対的に小さい単電池の容量調整後の電圧又はＳＯＣに対し、満充電容量が相対的に大きい単電池の容量調整後の電圧又はＳＯＣが所定量だけ大きくなるように、満充電容量が相対的に大きい単電池の放電処理を制限する組電池の容量調整装置。
4. 請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
   組電池の負荷から要求される負荷電圧を算出する負荷電圧算出手段を備え、
   前記制御手段は、前記負荷電圧算出手段により算出された負荷電圧が要求された場合に、前記満充電容量が相対的に小さい単電池の電圧又はＳＯＣと前記満充電容量が相対的に大きい単電池の電圧又はＳＯＣが所定の下限値に到達するまでの時間が一致するように、前記所定量を設定する組電池の容量調整装置。

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