JP5679738B2 - 電池制御装置及びこの電池制御装置を搭載した車両システム - Google Patents
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Description
長寿命化の第1の従来技術として、電池の充放電制御で電池を保護することを目的として、電池の温度、電圧に応じて充電や放電を停止したり、充電電流値や放電電流値を制御して、過充電及び過放電を防止し、電池の劣化を防ぐようにしたものがある。
その結果、各モジュールの電流波形は長時間放電し続ける波形となる。
ところが、二次電池においては、長時間放電を続けると電池の内部抵抗が上昇し劣化が加速される問題が生じる。その原因としては、連続的な放電に伴い、電極と電解液の間にイオンが過剰に蓄積し、電極表面上にイオン伝導性の少ない物質が成長することが推測されている。
そこで、本発明の目的は、二次電池を搭載した電池制御装置において、電池の目標寿命を満たしながら、かつ電池の容量を増やすことなく、可能な限り大量の充放電を行えるようにした電池制御装置を提供することにある。
(1)電池と、該電池をモニタするための電流検出手段及び電圧検出手段並びに温度センサからなる電池監視ユニットとを具備したモジュールが並列に接続された電池制御装置において、各モジュールに前記電池の通電状態と遮断状態を制御する遮断部を設け、放電時に該遮断部を順次作動させることにより、所定の休止期間の間、当該モジュールの放電を休止させるとともに、他のモジュールからの放電量を増加させ、前記遮断部の作動に伴う放電量の減少を補完する手段と、前記電流検出手段及び前記電圧検出手段の検出値に基づいて前記各モジュールの電池の内部抵抗を算出し、前記内部抵抗値に基づき前記各モジュールの電池の劣化度を生成する劣化判定手段と、を備え、前記各モジュールの電池の劣化度に基づいて生成される相対劣化度に比例して、各モジュールの前記休止期間が設定されるようにした。
(4)上記(1)〜(3)の各電池制御装置を鉄道車両等の車両に搭載した。
図1は、本発明における電池制御装置の構成例を示したものである。
電池制御装置1は電池モジュール2A〜2D、通電時と遮断状態を自由に切り換える遮断器3A〜3D、制御装置全体をコントロールする電池統括ユニット9とで構成される。
さらに、電池モジュール2A〜2Dは、複数の単電池から構成される組電池4A〜4Dと、組電池に流れる電流を感知する電流検出手段5A〜5Dと、組電池の組電圧を検出する電圧検出手段6A〜6Dと、モジュール内の温度を測定する温度センサ7A〜7D、各電池を監視する電池監視ユニット8A〜8Dとで構成される。E1、E2にはインバータ等が接続される。
ここでは組電池4Aから4Dを4並列に接続した組電池を扱うが、これは本実施例が適用できる組電池の並列数を4に限るものではなく、異なる数の組電池を並列に接続した場合でも、本実施例と同様の技術的手段を採用することにより本発明を実施することができる。
本実施例ではシリーズハイブリッド方式を採用した。エンジン12により発電機13を駆動して電力を発生させ、コンバータ14並びにインバータ15を介してモータ16へと電力を供給する。すなわち、電池制御装置1はインバータ15に電力を供給し、モータ16は、エンジン12から得た電力ならびに電池制御装置1から得た電力を用いて、車軸17に動力を伝達する。なお、この図では、電池制御装置は電池統括ユニット9、遮断制御部10、接続部のE1、E2のみを記載しているが、電池制御装置の内部は図1で示したのと同じである。
再び図1の説明に戻る。本実施例では、遮断器3A〜3D、電流検出手段5A〜5D、電圧検出手段6A〜6D、温度センサ7A〜7D、電池監視ユニット8A〜8Dを備えている。以下、これらについて説明する。
例えば、組電池4A〜4Dの電圧を一般的な電車の直流部と同じ1500Vとし、これで定格の150kW級のモータ2機を動かすならば、200A程度の電流を電池制御装置1から放電するので、電流は200A程度を見込めばよい。この場合は、一般的なホールCTやシャント抵抗型の電流センサを使用すればよい。
ここでは、モジュール2Aに接続されている遮断器3Aがオフで、モジュール2Bに接続されている遮断器3Bがオンの状態から、遮断器3Aをオンして遮断器3Bをオフする場合を例に説明する。図4に、詳細図を示す。
この状態が電流検出手段5により検出され、遮断制御部10に伝達されると遮断制御部10から遮断器3Bに放電中止の信号を送信され、遮断器3Aにさらに放電量を増加させる信号、遮断器3Bに放電停止の信号が入力されると、電流Aは増加し電流Bは小さくなり、オフ移行期間を経て時刻ta3に、モジュール2Aからの放電量が最大値に、モジュール2Bからの放電量がほぼ0となる。
すなわち、まず、時刻tb1に現駅を出発し時刻tb2まで力行(加速)し、所定速度に達した後、鉄道車両の巨大な慣性質量及び線路の低転がり摩擦係数を利用して、時刻tb2〜tb3の期間は惰行運転する。その後、時刻tb3において、回生によるブレーキを作動させて減速し、時刻tb4に次駅に停止するという典型的な走行パターンで走行した場合を示しており、この間、組電池4A〜4Dの性能にかかわらず、この走行パターンが維持されるものとする。
この場合でも、全モジュールから放電される電流の和が同じになるように、休止期間にあるモジュールを除いた3個のモジュールについては、図6に示した従来の方法によるものと比較して1/3だけ放電量を増加させて、1個のモジュールの放電休止に伴う放電量の減少を補完している。
本実施例では、電池制御装置1を構成する電池モジュール2A〜2Dの組電池4A〜4Dそれぞれの劣化度を考慮した場合の休止の設け方について説明する。劣化度合のアンバランスは、電池の個体差により、また、流れる電流の大きさが異なる等の原因で起こる。さらに、故障等のため、一部の電池だけ新品に交換したことが原因でも生じる。
このように組電池4A〜4Dの電池に劣化度の差があるモジュールに対して、充放電させる時は劣化度が均等化するように充放電すると結果的に長寿命化できることが知られている。
すなわち、例えば、Aのモジュールの劣化度が120で他の3モジュールの劣化度が100の場合、平均値は(100×3+120)/4=105であるので、Aの相対劣化度はAの劣化度(120)を平均値(105)で割った値(8/7)となる。さらに、休止時間に相対劣化度をかけて各モジュールの休止時間を算出した。休止時間が通常20秒で設定した時は20×(8/7)がモジュールAの休止時間となる。
本実施例では、それぞれ複数のモジュールを備えた電池制御装置が複数あり、各電池制御装置間で休止を設けた場合について説明する。この一例として、電池制御装置をハイブリッド鉄道の先頭車両と末端車両に1つずつ設けて運行する場合をあげる。
電池統括ユニットに収集された電流値や温度情報が制御器を介して運転指令生成装置へと伝達される。その情報をもとに運転指令生成装置にて放電再開/休止を判断し、制御器や遮断制御部を介して遮断器に指令が伝達される。図3で示した実施例との相違は、運転指令生成装置が一方の駆動システムの電池統括ユニットに放電休止命令、他方の駆動システムの電池統括ユニットに放電再開命令を出力する点にある。
なお、各駆動装置A、Bそれぞれの電池制御装置に設けられた複数のモジュールに対し、上述した実施例1や実施例2の放電休止期間を設け、全モジュールに対し、休止期間を総合的に制御することももちろん可能である。
2A〜2D 電池モジュール
3A〜3D 遮断器
4A〜4D 組電池
5A〜5D 電流検出手段
6A〜6D 電圧検出手段
7A〜7D 温度センサ
8A〜8D 電池監視ユニット
9A 電池統括ユニット
10 遮断制御部
11A〜11B 制御器
12A〜12B エンジン
13A〜13B 発電機
14A〜14B コンバータ
15A〜15B インバータ
16 モータ
17 車軸
18 運転指令生成装置
スイッチ信号調整回路
20A〜20B 駆動システム
Claims (5)
- 電池と、該電池をモニタするための電流検出手段及び電圧検出手段並びに温度センサからなる電池監視ユニットとを具備したモジュールが並列に接続された電池制御装置において、
各モジュールに前記電池の通電状態と遮断状態を制御する遮断部を設け、放電時に該遮断部を順次作動させることにより、所定の休止期間の間、当該モジュールの放電を休止させるとともに、他のモジュールからの放電量を増加させ、前記遮断部の作動に伴う放電量の減少を補完する手段と、
前記電流検出手段及び前記電圧検出手段の検出値に基づいて前記各モジュールの電池の内部抵抗を算出し、前記内部抵抗値に基づき前記各モジュールの電池の劣化度を生成する劣化判定手段と、を備え、
前記各モジュールの電池の劣化度に基づいて生成される相対劣化度に比例して、各モジュールの前記休止期間が設定されることを特徴とする電池制御装置。 - 前記劣化判定手段は、前記内部抵抗値の初期抵抗値からの抵抗上昇率に基づいて劣化度を生成し、
前記相対劣化度は、各モジュールの電池の前記劣化度の平均値に基づき生成され、前記休止期間は、前記相対劣化度に基準休止期間を乗じて生成されることを特徴とする請求項1に記載の電池制御装置。 - 前記温度センサの検出値に基づいて、各モジュール間の温度差に応じて、それぞれのモジュールの前記休止期間を調整することを特徴とする請求項1に記載の電池制御装置。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の電池制御装置を、車両に搭載したことを特徴とする車両システム。
- 前記車両が複数の前記電池制御装置を搭載し、放電時に、順次一部の電池制御装置に所定の休止期間を設けることにより放電を休止させるとともに、他の電池制御装置からの放電量を増加させ、前記一部の電池制御装置の放電休止に伴う放電量の減少を補完するようにしたことを特徴とする請求項4に記載の車両システム。
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