JP5610652B2 - 蓄電器制御回路 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム二次電池やニッケル水素電池、鉛電池、電気二重層キャパシタなどの蓄電手段を用いた電源装置に搭載する電池制御回路に関する。
電気自動車(EV)やプラグインハイブリッド自動車(PHEV)、ハイブリッド自動車(HEV)に搭載する蓄電装置では、複数の蓄電器を直列に接続して蓄電部を構成するのが一般的である。ここで、蓄電器間に容量のバラツキや自己放電バラツキといった蓄電器の個体差がある場合、蓄電装置が備える各蓄電器の充電状態(State of Charge:SOC)にバラツキが生じてしまう。このバラツキが発生すると、複数個の蓄電器の中で最もSOCの高い蓄電器を基準に充電制御が行われ、SOCが最も低い蓄電器を基準に放電制御が行われるため、蓄電部としての利用可能なエネルギーが小さくなってしまう。また、PHEV若しくはEVのようにSOCの利用範囲が広範囲になることが想定される場合、SOCが高い若しくは低い状況では、蓄電器の劣化が進行しやすくなるため、SOCが高過ぎる場合はSOCを低下させる、若しくはSOCが低過ぎる場合は、それ以上のSOCの低下を防ぐ等の対策が必要である。そこで、複数の蓄電器を直列に接続した場合に生じ得る蓄電器間のSOCのバラツキを解消するために、蓄電器に並列に接続されたバイパス抵抗とバイパススイッチから構成されるバランシング回路と、蓄電器の状態を監視する蓄電器制御手段とを実装し、蓄電器制御手段が電圧のバラツキ量に基づいてバランシング回路のバイパススイッチを制御する方法が提案されている。即ち、電圧が高い蓄電器を強制的に放電し、電圧の均等化を行うバランシング方法である。
特開2004−31012号公報には、組電池の全セルの充電容量の平均値が、セルの充電容量SOC−開放電圧Vo特性における傾き|ΔVo/ΔSOC|が所定値以上の範囲にある場合のみ、組電池の各セルの容量調整条件を決定し、その条件に従って容量調整を行うこと、及び容量調整が中断されたときは、容量調整の残り情報を記憶手段に記憶し、容量調整が可能になったら記憶手段から容量残り情報を読み出して容量調整を再開することが記載されている。
特開2004−31012号公報
PHEVやEVに搭載される蓄電器のように広範なSOCで利用される蓄電器の場合、高SOC状態で蓄電器間にSOCバラツキが存在する状態で放置されると、劣化バラツキが懸念される。一方、OCV(Open Circuit Voltage:開回路電圧)−SOCカーブの電池特性上、高SOC域で電池情報を取得し、バランシングは継続して終了まで行うのが望ましい。すなわち、バランシングが中断されたときは、中断された状態からバランシングを継続再開し、起動ごとに新規にバランシングを開始することはしない。しかし、常に中断された状態からの継続バランシングを実施すると、電池状態の変化、バイパス抵抗誤差などによって、バラツキが悪化する場合がある。また、より劣化バラツキが懸念される電池状態(高SOC等)となった場合でも新規に容量調整条件を取得することができず、良好なバランシングを行うチャンスを逃してしまうという問題がある。
本発明では、蓄電器の情報を用いてバランシングを実施する際に、記憶装置に記憶されている前回のバランシング中断時の情報(旧状態情報)と、今回起動時に取得した蓄電器の情報(新状態情報)のいずれを利用するかを選択し、選択した情報に基づいてバランシングを実行する。
すなわち、本発明の蓄電器制御回路は、記憶装置を有し、直列接続された複数の蓄電器の状態監視及びバランシング制御を行う制御手段を備え、制御手段は、複数の蓄電器の状態をもとに計算したバランシング制御のための情報を前記記憶装置に記憶し、記憶装置に記憶された情報に基づいてバランシング制御を行う。バランシング制御が中断されたとき、制御手段はバランシングに関する中断時の情報を記憶装置に記憶し、中断後にバランシング制御を開始するに際し、複数の蓄電器の状態に関する最新の情報を取得し、記憶装置に記憶された中断時の情報に基づいてバランシング制御を再開するか、最新の情報に基づいてバランシングを新規に開始するかを予め決められた条件に基づいて選択し、バランシングを新規に開始する場合には、取得した最新の情報をもとに計算したバランシング制御のための情報を記憶装置に記憶する。
より具体的な一態様においては、直列接続されて蓄電部を構成する複数の蓄電器群に対応して複数の蓄電器制御手段が設けられ、各蓄電器制御手段は対応する蓄電器群に属する個々の蓄電器の状態の監視及びバランシング制御を行う。監視する蓄電器の状態には、電圧、SOC及び温度がある。蓄電部制御手段は、複数の蓄電器制御手段からの情報をもとに複数の蓄電器制御手段を制御する。蓄電部制御手段は、充電状態が所定の充電状態よりも高い蓄電器が存在する蓄電器群の蓄電器制御手段に、当該電器制御手段からの情報をもとに計算したバランシング制御のための情報を送る。蓄電器制御手段は記憶装置を有し、受信した情報を記憶装置に記憶し、記憶装置に記憶された情報に基づいてバランシング制御を行う。
バランシング制御が中断されたとき、蓄電器制御手段はバランシングに関する中断時の情報を記憶装置に記憶する。蓄電部制御手段は、その後、再びバランシング制御を行うとき、各蓄電器制御手段からそれぞれの蓄電器群に属する個々の蓄電器の状態に関する最新の情報を取得する。そして、記憶装置に記憶された中断時の情報に基づいてバランシング制御を再開するか、最新の状態に基づいてバランシングを新規に開始するかを決定する。バランシングを新規に開始する場合には、蓄電部制御手段は、取得した最新の情報をもとに新たに計算したバランシング制御のための情報を対応する蓄電器制御手段に送り、蓄電器制御手段は受信した情報を記憶装置に記憶する。蓄電器制御手段は、いずれの場合においても、記憶装置に記憶されている情報に基づいてバランシング制御を実行する。新旧いずれの情報に基づいてバランシングを行うかの判定条件は、蓄電部制御手段内に保持する。
本発明によると、良好にバランシングを実施することができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明によるPHEVの蓄電装置の構成例を示すブロック図。 単電池制御手段の回路構成例を示すブロック図。 SOCとOCVの相関関係を表す特性図。 放電手段によるSOCの変化の一例を示す図。 組電池制御手段の動作例を説明するフローチャート。 単電池制御手段の動作例を説明するフローチャート。 バランシングが中断されたとき、中断時の情報を用いてバランシングを再開するバランシング制御の様子を示す説明図。 図7において、電池状態が変化した場合のバランシング制御の様子を示す説明図。 本発明の実施例によるバランシング制御の様子を示す説明図。 バッテリ起動時に、バランシング制御を開始する前に実行する処理の一例を示すフローチャート。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。以下の実施例では、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)の電源を構成する蓄電装置に対して本発明を適用した場合を例に挙げて説明するが、本発明は、ハイブリッド自動車(HEV)、電気自動車(EV)などの乗用車やハイブリッド鉄道車両といった産業用車両の電源を構成する蓄電装置の蓄電器制御回路にも適用できる。
また、以下の実施例では、蓄電部を構成する蓄電器にリチウムイオン電池を適用した場合を例に挙げて説明するが、蓄電器としては、他にもニッケル水素電池や鉛電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどを用いることもできる。なお、以下の実施例中の組電池は蓄電部に、単電池は蓄電器に、単電池群は蓄電器群に、単電池制御手段は蓄電器制御手段に、組電池制御手段は蓄電部制御手段にそれぞれ対応する。単電池制御手段及び組電池制御手段は、回路基板上の集積回路として実現される。また、単電池制御手段と組電池制御手段を合わせたものは、制御手段に対応する。
図1に、本発明の一実施例におけるPHEVの蓄電装置の構成例を示す。
最初に蓄電装置100の構成について説明する。蓄電装置100は、複数の単電池111から構成される組電池110、単電池111の状態を監視する単電池管理手段120、蓄電装置100に流れる電流を検知する電流検知手段130、組電池110の総電圧を検知する電圧検知手段140、及び組電池110の制御を行う組電池制御手段150を備える。組電池制御手段150は、単電池管理手段120から送信される単電池111の電池電圧や温度、電流検知手段130から送信される蓄電装置100に流れる電流値、電圧検知手段140から送信される組電池110の総電圧値が入力されており、入力された情報をもとに組電池110の状態検知などを行う。また、組電池制御手段150が行う処理の結果は、単電池管理手段120や車両制御手段200に送信される。
車両制御手段200は、組電池制御手段150の情報をもとに、蓄電装置100とリレー300,310を介して接続されるインバータ400及びリレー320,330を介して接続される充電器420の制御を行う。車両走行中には、蓄電装置100はインバータ400と接続され、組電池110が蓄えているエネルギーをもとに、モータジェネレータ410を駆動する。充電の際には、蓄電装置100は充電器420と接続され、家庭用の電源又は電気スタンドからの電力供給で充電される。
組電池110は、電気エネルギーの蓄積及び放出(直流電力の充放電)が可能な複数の単電池111(リチウムイオン電池)を電気的に直列に接続して構成される。1つの単電池111は、出力電圧が3.0〜4.2V(平均出力電圧:3.6V)であり、単電池111の開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)とSOCには図3に示すような相関関係があるとした場合を例に挙げて説明するが、これ以外の電圧仕様のものでも構わない。
組電池110を構成する単電池111は、状態の管理・制御を行う上で、所定の単位数にグループ分けが行われている。グループ分けされた単電池111は、電気的に直列に接続され、単電池群112a,112bを構成する。所定の単位数は、例えば1個、4個、6個‥‥というように、等区分とする場合もあれば、4個と6個とを組み合わせる、というように、複合区分とする場合もある。また、高電位側の単電池群112aと低電位側の単電池群112bはスイッチとヒューズが直列接続された保守・点検用のサービスディスコネクタ180を介して、電気的に直列に接続される。
組電池110を構成する単電池111の状態を監視する単電池管理手段120は、複数の単電池制御手段121a,121bから構成されており、上記のようにグループ分けされた単電池群112a,112bに対して1つの単電池制御手段121a,121bが割り当てられている。単電池制御手段121a,121bは割り当てられた単電池群112a,112bからの電力を受けて動作し、単電池群112a,112bを構成する単電池111の状態を監視及び制御する。
本実施例では、説明を簡単にするために、組電池110は合計8個の単電池111を備え、4個の単電池111を電気的に直列に接続して2つの単電池群112a,112bを構成し、さらに単電池群同士をサービスディスコネクタ180を介して、電気的に直列に接続するものとした。また、単電池群112a,112bには、単電池111の状態を監視するための単電池制御手段121a,121bがそれぞれ設置されている。
組電池制御手段150には、単電池管理手段120から出力される単電池111の電池電圧や温度の計測値、更には単電池111が過充電若しくは過放電であるかの診断結果や単電池管理手段120に通信エラーなどが発生した場合に出力される異常信号と、電流検知手段130からの電流値と、電圧検出手段140から出力される組電池110の総電圧値と、上位の制御装置である車両制御手段200から出力された信号とを含む複数の信号が入力されている。ここで、入力された情報と、予め記憶されている単電池111の内部抵抗や、SOCとOCVの関係(図3)に基づいて、単電池111のSOC演算や、後に説明する放電終了条件を含んだバランシング制御を行うための演算、充放電量を制御するための演算などを実行する。そして、その演算結果やこれに基づく指令を、単電池管理手段120や車両制御手段200に出力する。
組電池制御手段150と単電池管理手段120は、フォトカプラのような絶縁素子170を介して、信号通信手段160により信号の送受信を行う。絶縁素子170を設けるのは、組電池制御手段150と単電池管理手段120とで、動作電源が異なるためである。すなわち、単電池管理手段120は、組電池110から電力をうけて動作するのに対して、組電池制御手段150は、車載補機用のバッテリ(例えば14V系バッテリ)を電源として用いている。絶縁素子170は、単電池管理手段120を構成する回路基板に実装してもよいし、組電池制御手段150を構成する回路基板に実装してもよい。もちろん、単電池管理手段120と組電池制御手段150を1つの回路基板に実装してもよい。なお、システム構成によっては、絶縁素子170を省略することも可能である。
本実施例における組電池制御手段150と、単電池制御手段121a,121bとの通信手段について説明する。単電池制御手段121a,121bは、それぞれが監視する単電池群112a,112bの電位の高い順に従って直列に接続されている。組電池制御手段150が送信した信号は、絶縁素子170を介して、信号通信手段160により単電池制御手段121aに入力される。単電池制御手段121aの出力と単電池制御手段121bの入力との間も同様に、信号通信手段160により接続され、信号の伝送を行う。なお、本実施例では、単電池制御手段121aと単電池制御手段121b間は、絶縁素子170を介していないが、絶縁素子170を介していてもよい。そして、単電池制御手段121bの出力は、絶縁素子170を介して、組電池制御手段150の入力を経て、信号通信手段160により伝送される。このように、組電池制御手段150と、単電池制御手段121aと単電池制御手段121bは、信号通信手段160によりループ状に接続されている。このループ接続は、デイジーチェーン接続あるいは数珠繋ぎ接続若しくは芋づる式接続と呼ぶ場合もある。なお、ここでは単電池制御手段121aと単電池制御手段121bがループ状に接続された例を示しているが、必ずしもループ状である必要はなく、組電池制御手段150と単電池制御手段121aと単電池制御手段121bが接続されていればどのような形態であってもよい。
図2に、本実施例における単電池制御手段121a,121bの回路構成を示す。単電池制御手段121a,121bは、バイパス抵抗122とバイパススイッチ123から構成されるバランシング回路、バイパススイッチ123を駆動するBSW駆動回路125、管理対象とする単電池111の電池電圧を計測する電圧検出回路124、単電池制御手段121a,121bを動作させるための電源126、組電池制御手段150からの情報をもとに単電池制御手段121a,121bの制御を行う制御回路128、組電池制御手段150又は隣り合う単電池制御手段121との間で信号の送受信を行う信号入出力回路129を有する。
EEPROMなどの記憶装置127には、予め計測された各単電池の容量、組電池制御手段150により演算されたバランシングのための情報等が記憶される。詳細は後述するが、目標SOC値に到達するまでに必要な各単電池のバイパス抵抗122を介した放電時間が記憶される。バランシング動作が完了前に中断された場合には、記憶装置127にバランシング中断時の状態、例えばバランシング開始からの経過時間(放電時間)、バランシング完了までの残り時間、残バランシング容量、単電池毎にバランシングが完了したか否かの情報、バランシング開始時の電池温度等が書き込まれる。なお、ここでは単電池制御手段121a,121bに記憶装置127を含む構成を示したが、例えば組電池制御手段150が含む記憶装置に上記情報を記憶する構成であってもよい。
制御回路128は、組電池制御手段150から送信された電圧取得命令やバランシング制御に関する情報を、信号入出力回路129を介して受信し、電圧検出回路124で検出された電池電圧やこれに基づく情報を信号入出力回路129に出力する。そして、制御回路128は、検出された電池電圧と、記憶装置127に記憶されている情報をもとにBSW駆動回路125の制御を行う。
次に、バランシング回路の放電手段について説明する。放電手段は、単電池群112を構成する単電池111の中で、SOCの高い単電池111を、バイパス抵抗122とバイパススイッチ123から構成されるバランシング回路を利用して、放電する手段である。つまり、放電の対象となった単電池111に並列に接続されたバイパススイッチ123をオンにし、バイパス抵抗122を用いることで、単電池111を強制的に放電させ、目標となるSOC(目標SOC)まで低下させる。ここで、目標SOCとは、前述したように、組電池110を構成する複数の単電池111のうち何れかが、過充電となってしまった場合、あるいは単電池群112を構成する単電池111のSOCに許容限度を超えたバラツキが生じている場合などに、これを解消するために設定される所定のSOCであり、詳細は後述する。なお、本実施例で説明する放電終了条件は、下記に限定されるものではない。
放電終了条件は、単電池111の放電に必要な時間を算出し、その結果に基づいて決定する。所定の放電量を確保するのに必要な時間を算出し、算出した時間が経過したら放電を終了とする。このため、単電池制御手段121に、算出した時間が経過したかを判断するために、タイマーなどの時間計測手段を設置する。なお、放電終了条件を決定するための算出式の説明は、単電池111の個数8個をN個、単電池群112の個数2個をM個、単電池群112を構成する単電池111の個数4個をL個(=N/M)と置き換えて、行うものとする。
まず、組電池無負荷状態におけるすべての単電池111のOCV測定結果から、SOCとOCVの相関関係に基づいてSOCを推定し、各単電池111のSOCと目標SOCとの差ΔSOCを以下の式(1)に従って求める。
Figure 0005610652
求めたΔSOCより、調整に必要な時間tを以下の式(2)から求める。
Figure 0005610652
ここで、Qmaxは、単電池111の満充電容量[Ah]を、IBは、バイパス抵抗に流れるバイパス電流 [A]を、Xは単電池群を構成する単電池111の番号を表す。上記調整時間tが、それぞれの単電池の放電終了条件となる。式(2)の結果に基づいて、放電対象の単電池111を放電させ、所定の放電量を確保するのに必要な時間が経過したとき、放電を終了する。なお、調整時間tの代わりに各単電池111のバランシング容量ΔSOC×Qmax[Ah]を求めておき、そこから単位時間毎に放電量[Ah]を減算し、バランシング容量が0[Ah]以下となることを放電終了条件としてもよい。
放電手段によるSOCの変化の一例を図4により説明する。図の例では、放電手段は、単電池群112を構成する単電池111の電池電圧が、単電池群112ごとに設定された目標値と、全て一致するようにバランシング回路を利用してSOCの高い単電池111を放電させる。図示した例の場合、単電池群112aの目標SOCはA、単電池群112bの目標SOCはBである。従って、図4のように単電池群112を構成する単電池111の中で放電対象となった単電池111のSOCが低下し、単電池群112を構成する全ての単電池111のSOCが目標値と一致したとき放電を終了する。なお、全ての単電池群112に設定される目標SOCを、最も低い目標SOC、図4の場合にはBに合わせてバランシングを行うと、組電池110を構成する全ての単電池111のSOCをBに一致させることができる。
続いて、本実施例における組電池制御手段150の放電終了条件を決定する動作の流れを、図5のフローチャートに基づいて説明する。図5は、車両の走行中又は充電中における組電池制御手段150の動作フロー図である。
まず、ステップ11で、全ての単電池111の無負荷時若しくは電流が微弱で無負荷時とみなせる場合の電圧(OCV)を取得する。OCVは図3の関係を用いてSOCに変換される。次にステップ12へ進み、単電池群112を構成する単電池111のSOCと、目標とするSOCにバラツキがあるかを判定する。バラツキがあると判定されれば、ステップ13へ進む。
ステップ13では、バイパス抵抗122とバイパススイッチ123からなるバランシング回路を利用した放電手段の放電終了条件を決定し、ステップ14で放電終了条件を単電池制御手段121に送信する。
次に、本実施例における単電池制御手段121の放電手段の動作の流れを、図6のフローチャートに基づいて説明する。図6は、車両の走行中若しくは充電中における単電池制御手段121の動作を説明するフローチャートである。
まず、ステップ21で単電池制御手段121は、組電池制御手段150から送信された放電終了条件を受信し、受信した放電終了条件を記憶装置127に記憶する。次に、ステップ22へ進み、バイパス抵抗122とバイパススイッチ123からなるバランシング回路を利用して、放電対象となった単電池111からの放電を開始する。なお、放電は必ずしも連続である必要はなく、パルス信号やデューティ制御などを用いて断続的に行ってもよい。その場合、調整時間tもしくは調整放電量ΔSOC×Qmaxは、放電している時間や放電量のみを積算して判定する。
ステップ23では、単電池群112を構成する全ての単電池の放電が終了したかを判定する。終了したと判定されれば、単電池制御手段121は処理を終了する。ステップ23の判定で全ての単電池111の放電が終了していないと判定された場合には、ステップ24へ進み、放電終了条件を満たした単電池111があるかを判定する。放電が終了した単電池111があれば、ステップ25に進み、放電が終了した単電池111から順番にバイパススイッチ123をオフにする。その後、ステップ23に戻り、単電池群112を構成する全ての単電池111の放電が終了するまで処理を続ける。
以上は、一般的なバランシング制御の説明である。ここで、組電池110を構成している各単電池111の電池容量には個体差によって多少のバラツキがあるが、組電池110の充電直後など高SOC領域においてSOCバラツキがある状態で長時間使用・放置すると、電池が劣化することにより更に容量バラツキが拡大する。本実施例では、高SOC領域での劣化による容量バラツキ拡大を防ぐためにバランシング制御を行う。例えば、高SOC領域において、SOCの値が最低の単電池を基準に、その単電池のSOCより0.5%以上高いSOCを有する単電池をバランシング対象単電池として選定する。そして、バランシング対象単電池のSOCを最低SOCに一致させるために必要な放電量、及び放電時間を上記の式(1)、(2)によって計算し、計算によって決定された放電時間だけ対応する単電池111に付随するバイパススイッチ123をオンにし、バイパス抵抗122を介して放電させる。こうして、バランシング後の単電池SOCのバラツキを0.5%に抑える。バランシングの完了前に車両がキー・オフ(メインスイッチ・オフ)されるとバランシングが中断されるが、その時は、バランシング中断時の途中情報、すなわちバランシング開始からの経過時間、あるいは各単電池の残り放電時間、残容量などを記憶装置127に記憶し、組電池制御手段150を停止する。次回、車両がキー・オン(メインスイッチ・オン)されると、記憶装置127から前回中断時に記憶したバランシング途中情報を読み出し、その情報に基づいてバランシングを再開継続する。
図7は、バランシングが中断されたとき、中断時の情報を用いてバランシングを再開するバランシング制御の様子を示す説明図である。横軸は時間、縦軸はSOCである。図には、個体差に基づく容量大の単電池のSOC変化を実線で示し、容量小の単電池のSOC変化を破線で示した。説明を簡単にするため、区間(T1,T2)、区間(T3,T4)は車両が走行中であり、組電池制御手段150(図ではシステムと記述)が動作しているものとする。また、区間(T5,T6)は充電中であり、組電池制御手段150が動作しているものとする。その間の区間(T2,T3)及び区間(T4,T5)では、組電池制御手段150は停止しているものとする。時刻T1の初期状態は、充電が終了した状態であるとする。バランシング制御は、組電池制御手段150が動作中の時間に実行される。
時刻T1のSOCから分かるように、全ての単電池111は直列接続されていて同じ充電電流で充電されるため、充電終了後の初期状態では、破線で示す容量の小さい単電池の方が実線で示す容量の大きな単電池よりSOCが高くなり、SOCに矢印で示すようなバラツキが生じている。このようにSOCが高い領域でバラツキの存在を放置すると、単電池の劣化により容量バラツキが拡大するため好ましくない。そこで、SOCが高いとき、例えば単電池群112を構成する複数の単電池111の平均SOCが75%以上のとき、バランシングを開始する。いま、時刻T1で新規にバランシングを開始したとする。バランシングの開始に当たっては、前述のように、組電池110が無負荷とみなせる状態で測定したOCVから換算して得た各単電池111のSOCを目標値に調整して均一化するのに必要な放電量、及びその放電量をバイパス抵抗122を介して放電させるのに必要な時間を計算し、それを記憶装置127(図ではメモリと記述)に記憶する。その後、記憶した単電池毎の放電時間に基づいてバランシング制御を開始する。
時刻T2で車両が停止し、キー・オフされると、組電池制御手段150はバランシング動作を中断させ、そのときのバランシング情報を記憶装置127に記憶させてから、動作を停止する。記憶装置127に記憶する情報は、例えば、バランシング開始からの経過時間(放電時間)、あるいは単電池毎に計算されたSOC調整に必要な放電時間からその経過時間を差し引いた残りの調整時間である。時刻T3で車両が再びキー・オンされ、組電池制御手段150が動作すると、組電池制御手段150は記憶装置127からバランシング中断時の途中情報を読み出し、その情報を利用してバランシングを再開する。再び時刻T4に車両が停止し、キー・オフされると、組電池制御手段150は中断時のバランシング途中情報、すなわちバランシング開始からの経過時間、あるいは単電池毎の残り時間を記憶装置127に記憶させてから動作を停止する。同じ放電電流では、破線で示した容量の小さい単電池の方が実線で示した容量の大きな単電池よりSOCの低下速度が速く、時刻T4では容量の大きな単電池と小さな単電池のSOCの大小関係が時刻T1のときと逆転している。更に、時刻T5で蓄電装置100が充電器420に接続され、組電池制御手段150が動作を再開すると、再び記憶装置127から時刻T4で中断したバランシング途中情報を読み出す。そして、その情報を利用して中断した状態からバランシングを再開する。その結果、充電終了時である時刻T6には、高SOC領域で容量の異なる単電池のSOCがそろい、単電池の劣化による容量バラツキの拡大が防止される。
図7には理想的な状態を示した。しかし、常にバランシング途中情報を利用してバランシングを継続再開すると、電池状態の変化などによって、SOCのバラツキが悪化する場合がある。また電池が交換された場合も、バランシング途中情報が実際の電池状態と整合しないため、SOCのバラツキを悪化させる原因となる。例えば、図8に示すように、時刻T1に存在していた矢印のSOCバラツキを解消すべく新規にバランシングを開始したとする。あとは、図7の場合と同様に、時刻T2,T4などでキー・オフされたときにバランシング中断時の途中情報を記憶装置127に記憶しておき、時刻T3,T5などのキー・オン時に、記憶装置127に記憶されたバランシング途中情報を用いてバランシングを再開したとする。バランシング中断時の途中情報を引き継いでバランシングを継続する方法は、バランシング中断時と再開時で各単電池のSOCが変化しないことが前提である。ここで、時刻T2からT3の組電池制御手段150停止中に、何らかの原因で電池状態が変化したとすると、時刻T3でバランシングを再開したときの単電池のSOCが時刻T2でバランシングを中断したときのSOCと異なってしまう。そのため、時刻T5の状態に示すように、高SOC状態で単電池間のSOCバラツキを解消することができない。
そこで、本実施例では、記憶装置127に記憶された前回のバッテリ起動時のバランシングによる単電池の旧状態情報と、今回のバッテリ起動によって得られた単電池の新状態情報のいずれの情報を用いるかを判定する判定部を組電池制御手段150に設けた。そして、今回のバッテリ起動においてバランシングを開始するにあたり、そのバランシングを、旧状態情報に基づいて行うか、新状態情報に基づいて行うかを判定部によって決定する。今回のバッテリ起動時、組電池制御手段150は、単電池制御手段121から現在の各単電池111のSOCを再取得し、再取得したSOCに基づいて、SOC調整に必要な各単電池111のバイパス抵抗122を介した放電時間を計算する。判定部は、格納されている判定条件と照合して、電池のSOCが前回バランシング中断時から所定量以上乖離していると推定される場合には、現在のSOCから計算された放電終了条件の情報を記憶装置127に上書きする。そうでなければ、記憶装置127に記憶されているバランシング中断時の途中情報を利用してバランシングを再開させる。このように、現在の各単電池111の状態情報と、前回バランシング中断時の各単電池111の旧状態情報のいずれかを選択してバランシング制御を実施することにより、組電池制御手段150停止中に電池状態などの変化があっても、良好にSOCの均等化を行うことが可能になる。
図9は、記憶装置127に記憶された前回のバッテリ起動時のバランシングによる単電池111の旧状態情報と、今回のバッテリ起動時に得られた単電池111の新状態情報とのいずれを用いるかの判定を行った場合のバランシング制御の例を示す説明図である。図10は、バッテリ起動時に、バランシング制御を開始する前に実行する処理の一例を示すフローチャートである。
時刻T1にバランシングを新規に開始し、時刻T2でキー・オフされたとき、組電池制御手段150がバランシング動作を中断し、そのときのバランシング途中情報を記憶装置127に記憶してから動作を停止するまでは、図7の場合と同じである。次に、時刻T3で車両がキー・オンされ、組電池制御手段150が動作すると、組電池制御手段150は最初に図10に示した処理を実行する。即ち、ステップ31において、単電池111のOCVを取得し、それから図3の関係を用いてSOCを求める。次にステップ32に進み、今回取得した最新のSOC情報に基づいてバランシング制御を新規に開始すべきか、記憶装置127に記憶されているバランシングの途中情報を用いて中断したバランシングを再開すべきかの判定を行う。
この判定において、以下のような条件を満たす場合には、新たに取得した単電池111のSOCに基づいて新規にバランシング制御を開始する。
(1)新規に取得した各単電池SOCのうち、最高SOCが予め定めた所定値以上のとき。
最高SOCの値は、電池の劣化が促進されるSOC領域や、PHEVやEVでユーザーがどの程度のSOC領域まで充電するかを勘案して決定すればよいが、例えば70%以上とすればよい。
これは、SOCが高い領域では電池の劣化が激しいため、SOCがそのような高い領域にある場合には、各単電池のSOCを均等化しSOCバラツキを避けるのが好ましいためである。逆に、SOCが低いところでSOCを均等化しても、充電によってSOCが高い状態になると均等化が崩れる。従って、最高SOCが所定値以上の場合には、最新の情報に基づいてバランシングを実行する。この条件により、SOCが高い領域でのバラツキを検知してバランシングするため、電池劣化を良好に抑えることができる。なお、SOCを高精度に検出するために、図3のSOC−OCV特性を用いて、傾き|ΔOCV/ΔSOC|が所定値以上という条件としてもよい。
(2)残バランシング容量/開始時の全バランシング容量が所定値以下のとき。
バランシング容量とは、単電池のSOCと目標SOCとの差ΔSOCと、単電池の満充電容量Qmaxとの積 ΔSOC×Qmax である。前回キー・オフ時までに全バランシング容量のどの程度が完了した場合に、新規にバランシングを開始すべきかは、全バランシング容量のバランシング完了までにかかる時間や、ユーザーが車両を使用する頻度、電池の自己放電特性のバラツキ、各単電池が接続されている回路の暗電流のバラツキ等を考慮して決定すればよいが、例えば全バランシング容量の80%が完了している場合に、ステップ31で取得したSOCに基づいて新規にバランシングを開始するようにすればよい。
これは、中断時の情報を用いてバランシングを継続し続けると、その間の環境の変化、電池特性の変化、バランシング精度の誤差が増加してしまい、均等化が正しく行われずにバラツキが拡大してしまう恐れがあるためである。この判定基準に基づいて、バランシング工程が完了に近づいていた場合には、新規にバランシングを開始することでバランシング精度の悪化、バラツキ拡大を防ぐことが可能になる。
(3)前回のバランシング開始時から所定時間(所定日数)が経過しているとき、あるいはバランシング開始時から所定キーサイクル回数が経過しているとき。
前回のバランシング開始時からどの程度の時間(日数)が経過したら新規にバランシングを開始すべきかは、全バランシング容量のバランシング完了までにかかる時間や、ユーザーが車両を使用する頻度、電池の自己放電特性のバラツキ、各単電池が接続されている回路の暗電流のバラツキ等を考慮して決定すればよいが、例えば前回のバランシング開始時から30日が経過している場合に、ステップ31で取得したSOCに基づいて新規にバランシングを開始するようにすればよい。
これは、中断時の情報を用いてバランシングを継続し続けると、その間の環境の変化、電池特性の変化、バランシング精度の誤差が増加してしまい、均等化が正しく行われずにバラツキが拡大してしまう恐れがあるためである。この判定基準に基づいて、前回のバランシング開始時から所定時間(所定日数)、あるいはバランシング開始時から所定キーサイクル回数時間(所定日数)が経過した場合には、新規にバランシング開始することでバランシング精度の悪化、バラツキ拡大を防ぐことができる。
(4)前回バランシングの残バランシング対象単電池数よりも、新規に計算した今回のバランシング対象単電池数が多いとき。
これは、上記(3)と同じ問題を回避するためであるが、特に、電池特性の変化(微小短絡などによる単電池の電圧低下)や、バランシング精度の誤差によるバラツキ拡大を防ぐためである。この判定基準に基づいて、電池特性の変化があった場合には最新の情報に基づいて新規にバランシングを開始することで、バランシング精度の悪化やバラツキ拡大を防ぐことができる。
(5)記憶装置に記憶されている残バランシング容量よりも、新規に計算した今回のバランシング容量が多いとき。
これは、上記(4)と同じ問題を回避するためである。この判定基準に基づいて、電池特性の変化があった場合には最新の情報に基づいて新規にバランシングを開始することで、バランシング精度の悪化やバラツキ拡大を防ぐことができる。
(6)各単電池の残バランシング容量の最大値よりも、新規に計算した今回の各単電池のバランシング容量の最大値が大きいとき。
これは、上記(4)と同じ問題を回避するためである。この判定基準に基づいて、電池特性の変化があった場合には最新の情報に基づいて新規にバランシングを開始することで、バランシング精度の悪化やバラツキ拡大を防ぐことができる。
(7)バランシング開始時の温度バラツキ(電池温度、周囲温度)よりも、新規にSOCを取得した今回の温度バラツキが少ないとき。
これは、温度によって電池特性は異なるため、温度バラツキがあると、その時点でのSOCバラツキ(OCVバラツキ)は真のバラツキでない可能性があるためである。この判定基準によると、温度バラツキがより少ない状態の電池情報に基づいて新規にバランシング開始するため、均等化を良好に行うことができる。
(8)前回バランシング開始時の平均SOCより、新規に取得した平均SOCの方が高いとき。
これは、SOCが高い領域では電池劣化が激しいため、その領域での電圧バラツキは早期に均等化したいためである。逆に、SOCが低いところで均等化しても、充電によってSOCが高い状態になると均等化が崩れてしまう。この判定基準によると、SOCがより高い領域で新規にバランシング開始するため、均等化を良好に行うことができる。
(9)制御手段(単電池管理手段120又は単電池制御手段121又は組電池制御手段150)又は電池が交換されたとき。
これは、前記制御手段又は電池が交換された場合には、記憶装置127に記憶されている情報が実際の電池の状態と相違し、バラツキを拡大させる恐れがあるためである。この判定基準によると、前記制御手段又は電池が交換された場合でも、バラツキ拡大を防いで均等化を良好に行うことができる。
なお、前回キー・オフから所定時間が経過していない場合には、記憶装置127に記憶された情報に基づいてバランシングを再開する。所定時間は電池の分極特性やそのバラツキを考慮して決めれば良く、例えば数分〜数時間である。これは、放置時間が短い場合、分極の影響などにより電池の状態が安定していない。このときに新規にバランシング開始すると、正確でない電池バラツキを検知する可能性あるためである。この基準によると、電池状態が安定してないときに取得したSOCに基づいてバランシング開始するのを防ぐことができ、バランシング精度の悪化、バラツキ拡大を防ぐことができる。
また、記憶装置127に記憶されている情報に対する乖離が単電池容量の個体差から想定される範囲である場合には、新規にバランシングを開始せず、記憶装置127に記憶された途中情報を用いてバランシングを再開する。
図9及び図10に戻って、ステップ32の判定がNO、すなわちステップ31で新たに取得した情報に基づいて新規にバランシングを開始する場合には、ステップ33に進み、新たに求めたSOCを用い、上記式(1)(2)に従って放電終了条件を計算する。そして、ステップ34で、計算した放電終了条件を各単電池制御手段121に送信する。
単電池制御手段121は、図6に示した手順に従い、ステップ21において、送信された放電終了条件を受信し、記憶装置127に上書き記憶する。その後は、先に説明したように、各単電池111が放電終了条件を満たすまで、バイパススイッチ123を開閉制御し、バイパス抵抗122を介した放電を継続させる。
以上説明したように、本実施例によると、継続再開バランシングにおいて、新/旧の電池状態情報のいずれかを選択してバランシングを実施することにより、電池状態の変化、バイパス抵抗誤差などによるバラツキ悪化を抑えることが可能である。また、より良い電池状態(高SOC等)となった場合に新規に容量調整条件を取得することができ、良好なバランシングを行うことが可能になる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、又はICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
100…蓄電装置
110…組電池
111…単電池
112…単電池群
120…単電池管理手段
121…単電池制御手段
122…バイパス抵抗
123…バイパススイッチ
124…電圧検出回路
125…BSW駆動回路
126…電源回路
127…記憶装置
128…制御回路
129…信号入出力回路
130…電流検知手段
140…電圧検知手段
150…組電池制御手段
160…信号通信手段
170…絶縁素子
200…車両制御手段
400…インバータ
410…モータジェネレータ
420…充電器

Claims (11)

  1. 記憶装置を有し、直列接続された複数の蓄電器の状態監視及びバランシング制御を行う制御手段を備え、
    前記制御手段は、前記複数の蓄電器の状態をもとに計算したバランシング制御のための情報を前記記憶装置に記憶し、前記記憶装置に記憶された情報に基づいてバランシング制御を行い、
    前記バランシング制御が中断されたとき、前記制御手段はバランシングに関する中断時の情報を前記記憶装置に記憶し、中断後にバランシング制御を開始するに際し、前記複数の蓄電器の状態に関する最新の情報を取得し、前記記憶装置に記憶された前記中断時の情報に基づいてバランシング制御を再開するか、前記最新の情報に基づいてバランシングを新規に開始するかを予め決められた条件に基づいて選択し、前記バランシングを新規に開始する場合には、前記取得した最新の情報をもとに計算したバランシング制御のための情報を前記記憶装置に記憶することを特徴とする蓄電器制御回路。
  2. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、取得した各蓄電器のSOCのうち最高のSOCが所定値以上のときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  3. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、残バランシング容量/開始時の全バランシング容量が所定値以下のときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  4. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、前回のバランシング開始時から所定時間が経過しているとき、又はバランシング開始時から所定キーサイクル回数が経過しているときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  5. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、前回バランシングの残バランシング対象蓄電器数よりも、新規に計算した今回のバランシング対象蓄電器数が多いときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  6. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、前記記憶装置に記憶されている残バランシング容量よりも、新規に計算したバランシング容量が多いときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  7. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、各蓄電器の残バランシング容量の最大値よりも、新規に計算した各蓄電器のバランシング容量の最大値が大きいときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  8. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、バランシング開始時の温度バラツキよりも今回の温度バラツキが少ないときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  9. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、前回バランシング開始時の平均SOCより新規に取得した平均SOCの方が高いときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  10. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、前記蓄電器、又は前記制御手段の一部又は全部が交換されたときは、バランシングを新規に開始することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
  11. 請求項1に記載の蓄電器制御回路において、前記制御手段は、前記中断後にバランシング制御を開始するに際し、前回のキー・オフから所定時間が経過していないときは、前記記憶装置に記憶された前記中断時の情報に基づいてバランシング制御を再開することを選択することを特徴とする蓄電器制御回路。
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