JP5715694B2 - 電池制御装置、電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電池を制御する技術に関するものである。
電気を動力として走行する車両には、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る。ハイブリッド自動車や電気自動車が走行する際に必要となる電力は、これらの蓄電池によって賄われる。
車両に搭載される蓄電池は広い温度範囲で使用され、蓄電池はその温度に応じた最大の許容電力を有する。この最大許容電力を超えて蓄電池の充放電を実施すると、過充電や過放電となる可能性がある。
一般的に、低温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は小さく、高温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は大きい。また、高温状態では最大許容電力は大きいが、高温状態での蓄電池の使用は蓄電池の劣化を促進させる。一方、蓄電池の充電状態(SOC:State of Charge)が高いほど最大許容充電電力は小さく、最大許容放電電力は大きい。また、蓄電池のSOCが低いほど最大許容放電電力は小さく、最大許容充電電力は大きい。蓄電池を安全に使用するためには、最大許容電力を超えない範囲内において充放電制御を実施する必要がある。
下記特許文献1には、組電池を構成する単電池間に温度ばらつきが生じた場合でも、各単電池に適した許容充放電電力を算出し、充放電制御を最適に実施するための技術が記載されている。
特開2007−165211号公報
上記特許文献1に記載されている技術では、充放電の継続時間に応じて蓄電池の内部抵抗が変化した場合に、許容充放電電力の算出精度が低下する可能性がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、蓄電池の内部抵抗の変化に追従して許容充放電電力を精度よく求めることのできる電池制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電池制御装置は、単電池の温度、充電状態に応じた内部抵抗値を、単電池の充電または放電継続時間の値毎に記述した内部抵抗テーブルを備える。電池制御装置は、内部抵抗テーブルに記述された内部抵抗値を用いて単電池の最大許容充電電流または最大許容放電電流を算出し、その値にしたがって算出した最大許容充電電力または最大許容放電電力を用いることにより、単電池の充電または放電を制御する。
本発明に係る電池制御装置によれば、充放電を継続するにしたがって単電池の内部抵抗が変化しても、内部抵抗テーブルから取得する内部抵抗値を変化にしたがって切り替えることにより、内部抵抗の変化に追従することができる。これにより、許容充放電電力を精度よく求めることができる。
実施形態1に係る電池システム100とその周辺の構成を示す図である。 単電池制御部121の回路構成を示す図である。 記憶部180が格納しているSOCテーブル181の例を示す図である。 記憶部180が格納している内部抵抗テーブル182の例を示す図である。 電池システム100が備える組電池制御部150の各単電池111の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。 電池システム100が備える組電池制御部150の組電池110の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。 電池システム100が備える組電池制御部150が組電池110の許容充電電力を求める手法を、制御ブロックで表した図である。 実施形態2に係る電池システム100が備える組電池制御部150の組電池110の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。 実施形態3に係る電池システム100が備える組電池制御部150の各単電池111の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。 実施形態3に係る電池システム100が備える組電池制御部150の組電池110の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。 電池システム100が備える組電池制御部150が組電池110の許容充電電力を求める手法を、制御ブロックで表した図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)の電源を構成する電池システムに対して本発明を適用した場合を例に挙げて説明する。
また、以下の実施形態では、リチウムイオン電池を採用した場合を例に挙げて説明するが、他にもニッケル水素電池、鉛電池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、以下の実施形態では単電池を直列に接続して組電池を構成しているが、単電池を並列接続したものを直列接続して組電池を構成してもよいし、直列接続した単電池を並列接続して組電池を構成してもよい。
<実施の形態1:システム構成>
図1は、本発明の実施形態1に係る電池システム100とその周辺の構成を示す図である。電池システム100はリレー300と310を介してインバータ400に接続され、リレー320と330を介して充電器420に接続される。電池システム100は、組電池110、単電池管理部120、電流検知部130、電圧検知部140、組電池制御部150、記憶部180を備える。
組電池110は、複数の単電池111から構成される。単電池管理部120は、単電池111の状態を監視する。電流検知部130は、電池システム100に流れる電流を検知する。電圧検知部140は、組電池110の総電圧を検知する。組電池制御部150は、組電池110を制御する。
組電池制御部150は、単電池管理部120が送信する単電池111の電池電圧や温度、電流検知部130が送信する電池システム100に流れる電流値、電圧検知部140が送信する組電池110の総電圧値を受け取る。組電池制御部150は、受け取った情報をもとに組電池110の状態を検知する。組電池制御部150による状態検知の結果は、単電池管理部120や車両制御部200に送信される。
組電池110は、電気エネルギーの蓄積および放出(直流電力の充放電)が可能な複数の単電池111を電気的に直列に接続して構成している。組電池110を構成する単電池111は、状態の管理・制御を実施する上で、所定の単位数にグループ分けされている。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を構成している。単電池群112を構成する単電池111の個数は、全ての単電池群112において同数でもよいし、単電池群112毎に単電池111の個数が異なっていてもよい。
単電池管理部120は、組電池110を構成する単電池111の状態を監視する。単電池管理部120は、単電池群112毎に設けられた単電池制御部121を備える。図1では、単電池群112aと112bに対応して、単電池制御部121aと121bが設けられている。単電池制御部121は、単電池群112を構成する単電池111の状態を監視および制御する。
本実施形態1では、説明を簡略化するために、4個の単電池111を電気的に直列接続して単電池群112aと112bを構成し、単電池群112aと112bをさらに電気的に直列接続して合計8個の単電池111を備える組電池110とした。
組電池制御部150と単電池管理部120は、フォトカプラに代表される絶縁素子170および信号通信手段160を介して信号を送受信する。
組電池制御部150と、単電池管理部120を構成する単電池制御部121aおよび121bとの間の通信手段について説明する。単電池制御部121aおよび121bは、それぞれが監視する単電池群112aおよび112bの電位の高い順にしたがって直列に接続されている。組電池制御部150が単電池管理部120に送信した信号は、絶縁素子170および信号通信手段160を介して単電池制御部121aに入力される。単電池制御部121aの出力は信号通信手段160を介して単電池制御部121bに入力され、最下位の単電池制御部121bの出力は絶縁素子170および信号通信手段160を介して組電池制御部150へと伝送される。本実施形態1では、単電池制御部121aと単電池制御部121bの間は絶縁素子170を介していないが、絶縁素子170を介して信号を送受信することもできる。
記憶部180は、組電池110、単電池111、単電池群112の内部抵抗特性、満充電時の容量、分極電圧、劣化特性、個体差情報、SOCと開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)の対応関係などの情報を格納する。さらに、単電池管理部120、単電池制御部121、組電池制御部150などの特性情報についてもあらかじめ記憶することができる。記憶部180が記憶する情報については、後述の図3〜図4で改めて説明する。
組電池制御部150は、単電池管理部120、電流検知部130、電圧検知部140、車両制御部200から受け取った情報、後述するSOCテーブル181および内部抵抗テーブル182を用いて、1つ以上の単電池111のSOC、劣化状態(SOH:State of Health)、充電・放電可能な電流や電力(以下では、充電側を正、放電側を負の値として表現する)、異常状態、充放電量を制御するための演算などを実行する。そして、演算結果に基づいて、単電池管理部120や車両制御部200に情報を出力する。
車両制御部200は、組電池制御部150が送信する情報を用いて、リレー300と310を介して電池システム100と接続されるインバータ400を制御する。また、リレー320と330を介して電池システム100に接続される充電器420を制御する。車両走行中には、電池システム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用いて、モータジェネレータ410を駆動する。充電の際には、電池システム100は充電器420と接続され、家庭用の電源または電気スタンドからの電力供給によって充電される。
充電器420は、家庭または電気スタンドに代表される外部の電源を用いて組電池110を充電する際に用いられる。本実施形態1では、充電器420は車両制御部200からの指令に基づき充電電圧や充電電流などを制御する構成としているが、組電池制御部150からの指令に基づき制御を実施してもよい。また、充電器420は車両の構成、充電器420の性能、使用目的、外部の電源の設置条件などに応じて車両内部に設置してもよいし、車両の外部に設置することもできる。
電池システム100を搭載した車両システムが始動して走行する場合には、車両制御部200の管理のもと、電池システム100はインバータ400に接続され、組電池110が蓄えているエネルギーを用いてモータジェネレータ410を駆動し、回生時はモータジェネレータ410の発電電力により組電池110が充電される。電池システム100を備える車両が家庭用または電気スタンドに代表される外部の電源と接続された際には、車両制御部200が発信する情報に基づき電池システム100と充電器420とが接続され、組電池110が所定の条件になるまで充電される。充電によって組電池110に蓄えられたエネルギーは、次回の車両走行時に利用されるか、車両内外の電装品等を動作させるためにも利用される。さらに必要に応じて、家庭用の電源に代表される外部電源へも放出する場合がある。
図2は、単電池制御部121の回路構成を示す図である。単電池制御部121は、電圧検出回路122、制御回路123、信号入出力回路124、温度検知部125を備える。電圧検出回路122は、各単電池111の端子間電圧を測定する。制御回路123は、電圧検出回路122および温度検知部125から測定結果を受け取り、信号入出力回路124を介して組電池制御部150に送信する。なお、単電池制御部121に一般的に実装される、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池111間の電圧やSOCばらつきを均等化する回路構成は、周知のものであると判断して記載を省略した。
図2における単電池制御部121が備える温度検知部125は、単電池群112の温度を測定する機能を有する。温度検知部125は、単電池群112全体として1つの温度を測定し、単電池群112を構成する単電池111の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部125が測定した温度は、単電池111、単電池群112、または組電池110の状態を検知するための各種演算に用いられる。図2はこれを前提とするため、単電池制御部121に1つの温度検知部125を設けた。単電池111毎に温度検知部125を設けて単電池111毎に温度を測定し、単電池111毎の温度に基づいて各種演算を実行することもできるが、この場合は温度検知部125の数が多くなる分、単電池制御部121の構成が複雑となる。
図2では、簡易的に温度検知部125を示した。実際は温度測定対象に温度センサが設置され、設置した温度センサが温度情報を電圧として出力し、これを測定した結果が制御回路123を介して信号入出力回路124に送信され、信号入出力回路124が単電池制御部121の外に測定結果を出力する。この一連の流れを実現する機能が単電池制御部121に温度検知部125として実装され、温度情報(電圧)の測定には電圧検出回路122を用いることもできる。
図3は、記憶部180が格納しているSOCテーブル181の例を示す図である。SOCテーブル181は、単電池111のOCVと、単電池111のSOCとの対応関係を記述したデータテーブルである。データ形式は任意でよいが、ここでは説明の便宜上、グラフ形式でデータ例を示す。なお、本実施例ではデータテーブルを用いているが、数式などを用いることでOCVとSOCとの対応関係を表現することもできる。OCVとSOCの対応関係を示す特性情報であり、OCVからSOC、またはSOCからOCVへと変換できる手段であれば何でもよい。
OCVは、単電池111の無負荷時の電圧である。リレー300、310、320、330が閉じる前、またはリレー300、310、320、330が閉じられているが組電池110の充放電が開始されていない状態、などのタイミングにおいて測定した単電池111の端子間電圧がOCVと判断できる。さらに、組電池110の充電または放電を実施しているがその電流値が微弱な場合にOCVと見なすこともできる。
単電池111に出入りする電流値が大きい場合は、単電池111に含まれる内部抵抗が無視できない電圧降下や電圧上昇を生じさせる。この時の電池電圧は閉回路電圧(CCV:Closed Circuit Voltage)であり、この条件下では単電池制御部121が直接、単電池111のOCVを把握することが困難である。この場合にOCVを得るためには、単電池制御部121が測定した単電池111のCCVと、電流検知部130が測定した単電池111に出入りする電流Iと、あらかじめ記憶した単電池111の内部抵抗Rと、分極電圧Vpに関する情報とを用いて、組電池制御部150が下記式1によりOCVを計算する必要がある。求めたOCVを図3のテーブルに入力することにより、各時点におけるSOCを得る。
下記式1の計算は、単電池111を充放電しているか否かに関わらず組電池制御部150に実行させることができる。組電池110を構成する単電池111それぞれのOCVを用いるなどして単電池111毎にSOCを計算する。
SOCを計算する他の方法としては、単電池111に出入りする電流を積分することによりSOCを得る方法が知られている(SOC=初期SOC+100×∫Idt/満充電容量)。本実施例ではどちらのSOC計算方法を採用してもよい。さらには、組電池制御部150が単電池111毎にSOCを得ることができるその他の手法を用いてもよい。
単電池111毎にSOCを得るためには、下記式1のCCV、R、Vp、前述した電流を積分することによりSOCを得るSOC計算方法を採用する場合は、初期SOCや満充電容量などを単電池111毎に計算用パラメータとして用意しておく必要がある。
OCV=CCV−I×R−Vp ・・・(式1)
組電池制御部150は、単電池制御部121が検出した単電池111のOCVとSOCテーブル181を用いることにより、単電池111のSOCを得ることができる。また、単電池111のOCVを合計して組電池110のOCVを求めることもできる。単電池111毎にSOC特性が異なる場合は、各単電池111についてSOCテーブル181を設けてもよい。
図4は、記憶部180が格納している内部抵抗テーブル182の例を示す図である。内部抵抗テーブル182は、単電池111の温度、SOCに応じた内部抵抗値を、充電継続時間に応じて記述したデータテーブルである。内部抵抗テーブル182のデータ形式は任意でよいが、ここでは説明の便宜上、横軸を単電池111の温度、縦軸を単電池111のSOCとして単電池111の内部抵抗値Rを記述した2次元マップを、充電継続時間軸に沿って複数設けた例を示した。なお、本実施例ではデータテーブルを用いたが、図3のSOCテーブル181と同様に、数式などデータテーブルとは異なる手段で温度、SOC、充電継続時間と内部抵抗の対応関係を表現してもよく、温度とSOCと充電継続時間に応じた内部抵抗の特性情報であれば何でもよい。
組電池制御部150は、前述した方法で取得したSOCと単電池制御部121が取得した単電池群112の代表温度とを用いて、内部抵抗テーブル182を参照することにより、単電池111の内部抵抗値を取得する。さらに単電池111の充電継続時間を指定することにより、充電継続時間毎の内部抵抗値を取得することができる。
内部抵抗テーブル182の充電継続時間毎の2次元マップをどの程度の時間間隔で設けるかは、電池システム100の仕様などに応じて適宜定めればよい。例えば、図4に例示した2次元マップを、充電継続時間1秒毎に設けることができる。
以上、電池システム100の構成について説明した。次に、電池システム100の動作について、基本的な考え方と動作手順を説明する。
<実施の形態1:システム動作の考え方>
単電池111の内部抵抗値は、当該単電池111の温度とSOCに応じて変化する。単電池111の温度は単電池制御部121から、単電池111のSOCは前述した方法を用いて、それぞれ取得することができる。組電池制御部150は、これらを用いて単電池111の内部抵抗値を取得し、適切な許容充電電流を定める。
ただし、単電池111の内部抵抗値は充電継続時間によっても変化する。そこで本実施形態1では、内部抵抗テーブル182を充電継続時間毎に設け、単電池111のより正確な内部抵抗値を得ることができるようにした。これにより、許容充電電流をさらに正確に求めることができる。
なお、組電池110を構成する単電池111間には温度ばらつきが生じ、温度が最も高いときと、温度が最も低いときとで単電池111の内部抵抗値が異なり、許容電流の値にも影響が出る可能性がある。そこで、2つ以上の単電池制御部121が測定した2つ以上の温度測定結果を用いて組電池110における最高温度と最低温度を求め、組電池110における最高温度と最低温度に対応する許容電流をそれぞれ計算し、いずれか低い方の許容電流を最終的な許容電流値として採用することとした。
図5は、電池システム100が備える組電池制御部150の各単電池111の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。単電池111の許容最大端子電圧をVmaxとすると、許容充電電流は下記式2によって求めることができる。下記式2のOCVは、式1の計算結果を用いることもできるし、単電池111に出入りする電流を積分することによりSOCを得る場合は、SOCの計算結果を図3のSOCテーブル181でOCVに変換した結果を用いることもできる。図5では、一例として、単電池111のSOCを入力として用いる場合を示した。
許容充電電流=(Vmax−OCV)/内部抵抗値 ・・・(式2)
この許容充電電流を、単電池111の温度が最も高いときと温度が最も低いときのそれぞれについて求め、いずれか小さいほうを最終的に採用する。
図6は、電池システム100が備える組電池制御部150の組電池110の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。組電池制御部150は、図5で説明した手法に加えて単電池111毎のSOCを入力して単電池111毎における許容充電電流を算出した後、最も小さい充電電流を最終的な許容充電電流として採用する。直列接続した全ての単電池111に流れる電流は同じになるため、各単電池111の中で最も小さい許容充電電流を採用することにより、全ての単電池111の電圧がVmaxを超えない充電制御を実現することができる。
最終的に決定した組電池110の許容充電電流を用いて、充電時の組電池充電電圧を計算し、許容充電電流と組電池充電電圧とを乗算することにより、組電池110の許容充電電力を計算することができる。
組電池充電電圧は、最終的に決定した許容充電電流を通電した際に見込まれる組電池110の総電圧である。組電池充電電圧は、組電池110を構成する単電池111毎にSOCや温度などを入力して求められる許容充電電流で充電した場合の各単電池111の電圧を合計した結果としてもよいし、組電池110を構成する単電池111の平均SOCや平均温度などを入力して求められる許容充電電流で充電した場合の単電池111の平均電圧を直列数で乗算した結果としてもよい。
前述した単電池111毎の電圧を求めて電圧の合計値を計算する方法と、単電池111の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法のどちらを採用してもよいが、本実施形態では単電池111の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法を採用する。下記式3を用いてその方法を説明する。
下記式3における平均OCVは、単電池111毎の式1の計算結果の平均値、または単電池111毎に求めた電流積分のSOCの平均値を図3のSOCテーブル181により平均OCVへと変換した結果などを用いる。下記式3における平均内部抵抗値は、式1と図3を用いて求めた単電池111毎のSOCまたは単電池111毎の電流積分のSOCの平均値と、組電池110から測定した複数の温度の平均値と、充電継続時間とを図4の内部抵抗テーブル182に入力して取得する。
組電池充電電圧=直列数×
(平均OCV+許容充電電流×平均内部抵抗値) ・・・(式3)
許容充電電力=許容充電電流×組電池充電電圧 ・・・(式4)
図7は、前述した入力パラメータから、許容充電電流と許容充電電力を計算する際の処理イメージを示す図である。
組電池制御部150が前述した許容充電電力までの一連の計算を実行し、車両制御部200に計算結果を送信し、車両制御部200が受信した許容充電電力の範囲内で組電池110を充電するようインバータ400等に指令を発信する。このようにすることで、組電池110を構成する単電池111が何れもVmaxを超えない範囲で、組電池110を充電することができる。
<実施の形態1:システムの動作手順>
以下では、電池システム100が単電池111を充電する際に、各単電池111の充電電力を許容範囲内に収めるための動作手順について説明する。
(ステップ1:単電池111のOCVを取得する)
組電池制御部150は、単電池管理部120等の測定結果を用いて、式1により単電池111のOCVを得る。ただし、無負荷時の場合は単電池管理部120が測定した電圧をそのままOCVとして扱うことができる。
(ステップ2:単電池111のSOCを取得する)
組電池制御部150は、ステップ1で取得した単電池111のOCVとSOCテーブル181を用いて、単電池111のSOCを取得する。単電池111に出入りする電流を積分するSOC計算方式を採用する場合は、電流検知部130で測定した電流値を積分してSOCを取得する。さらに、許容電力の計算に備えて、ステップ1で説明した単電池111のOCVから平均OCVを計算するか、ここで求めたSOCの平均値である平均SOCを図3のSOCテーブル181で平均OCVに変換しておくとよい。
(ステップ3:単電池111の温度を取得する)
組電池制御部150は、単電池群112毎に設けた単電池制御部121を用いて、2つ以上の単電池群112の温度を取得する。単電池111毎に温度検知部125を設けている場合は、単電池111毎に温度を取得する。取得した2つ以上の温度から、許容電流の計算用に最高温度と最低温度を求め、許容電力の計算用に平均温度を求めておく。
(ステップ4:充電継続時間を取得する)
組電池制御部150は、単電池111を充電している継続時間を取得する。例えば、単電池111の充電を開始した時点でカウントを開始し、充電が継続している間はカウントアップする。このカウントした結果を充電継続時間として用いる。
(ステップ5:充電継続時間に対応する内部抵抗値を取得する)
組電池制御部150は、ステップ2〜ステップ4で取得した、単電池111のSOC、温度、充電継続時間を用いて内部抵抗テーブル182を参照し、対応する内部抵抗値を取得する。
(ステップ6:単電池111の許容充電電流を求める)
組電池制御部150は、図5および図6で説明した手法を用いて、単電池111の許容充電電流を求める。
(ステップ7:許容充電電力を求める)
組電池制御部150は、ステップ6で求めた許容充電電流を入力として式3および式4の計算を実施し、許容充電電力を求める。車両制御部200が許容充電電力を求める機能を備えている場合は、組電池制御部150が許容充電電流までを求めて車両制御部200に送信し、車両制御部200が許容充電電力の計算を実施してもよい。車両制御部200は、受信または自身で計算した許容充電電力の範囲内で組電池110が充電されるように各種演算や処理、インバータ400や充電器420への指令の発信を行う。
(ステップ8:充電を継続する間は以上を繰り返す)
組電池制御部150は、以上のステップ1〜ステップ7の動作を繰り返し実行する。これにより、充電継続時間に応じて単電池111の内部抵抗値を切り替え、常に最適な許容充電電流を用いて許容充電電力を求め、充電制御を実施することができる。
<実施の形態1:まとめ>
以上のように、本実施形態1に係る電池システム100は、単電池111の温度とSOCに応じた内部抵抗値を記述した2次元マップを充電継続時間毎に設けた、内部抵抗テーブル182を備えている。電池システム100は、単電池111の温度、SOC、充電継続時間を用いて内部抵抗テーブル182から単電池111の内部抵抗値を取得し、これに基づき単電池111の許容充電電流を求める。これにより、充電継続時間に応じて単電池111の内部抵抗値が変化しても、これに追従して最適な許容充電電流を取得し、充電制御を実施することができる。
なお、本実施形態1において、単電池111を充電する際の動作を説明したが、放電時の動作についても同様の手法を用いることができる。すなわち、内部抵抗テーブル182は、放電継続時間毎に内部抵抗値を記述するようにしておく。図5は充電継続時間を入力しているが、これに替えて放電継続時間を入力するようにし、式2の上限電圧Vmaxを下限電圧Vminに替えることにより、許容放電電流を算出する。そして図6と同様に、各単電池111について許容放電電流を求め、その中で最も絶対値が小さくなった値を最終的な許容放電電流値として採用する。
<実施の形態2>
実施形態1では、充放電継続時間に応じて、許容充放電電流を求める際に用いる単電池111の内部抵抗値を切り替える例を説明した。この手法は、電気自動車のように充放電時間が比較的長い運用形態を想定している場合には有効であるが、ハイブリッド電気自動車のように電池を用いる時間が比較的短い運用形態の下では必ずしも必須ではないと考えられる。
そこで本発明の実施形態2では、電池システム100が、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとを切り替えて動作する場合において、許容充放電電流を算出する手順を、動作モードの切り替えにともなって切り替える動作例を説明する。電池システム100の構成は実施形態1と概ね同様であるため、以下では差異点を中心に説明する。
図8は、本実施形態2に係る電池システム100が備える組電池制御部150の組電池110の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。
組電池制御部150は、車両制御部200からの指示にしたがって、電池システム100をハイブリッド自動車モード(HEVモード)で動作させるか、電気自動車モード(EVモード)で動作させるかを切り替える。
組電池制御部150は、電池システム100をEVモードで動作させる場合は、実施形態1で説明した手法を用いて、許容充放電電流を算出する。一方、電池システム100をHEVモードで動作させる場合は、充放電継続時間によって内部抵抗値を切り替えず、固定の内部抵抗値を用いる。いずれの内部抵抗値を用いるかは、電池システム100の仕様などに応じて適宜定める。
ただし、EVモードと比較して、HEVモードは組電池110が充放電する時間が比較的短い運用形態であるため、EVモードよりも充放電継続時間が短い内部抵抗値を採用して許容電流を計算する。なお、HEVモードで短い時間を想定した内部抵抗値を使用することは、許容電流を求めた後に行う許容電力の計算でも同様である。HEVモードではEVモードと比して時間が短い内部抵抗値を固定値として用いることにより、組電池制御部150の演算処理を簡素化できる。
前述では、車両制御部200からの指示にしたがって組電池制御部150の動作をEVモードかHEVモードかを切り替える方法を述べたが、組電池制御部150は常に、HEVモード用の許容電流または電力と、EVモード用の許容電流または電力とを並行して計算する方法を採用することもできる。この場合は、車両制御部200がHEVモードとEVモードの2種類の許容電流若しくは電力を受信し、車両制御部200が必要に応じて何れか一方または2つの許容電流若しくは電力を使用して組電池110の充放電制御を実施する。この場合でも、電池システム100がHEVモードで動作するときは、EVモードで動作するときよりも充放電継続時間が短いと想定した内部抵抗値を用いて許容電流若しくは電力を算出する。
2つの許容電流または電力を並行して求めることにより、EVモードで車両走行中にHEVモードで想定される許容電流若しくは電力を把握し、HEVモードで車両走行中にEVモードで想定される許容電流または電力を把握することができる。これにより、車両の走行モードを切り替える際に、モード切替後の組電池110の充放電性能、さらには組電池110を用いた車両の走行性能を考慮できる車両システムを提供できる。また、2つのモードで動作する組電池110の充放電性能に基づいて車両性能を確認し、車両の全体制御を決定できる車両システムを実現することができる。
<実施の形態3>
以上の実施形態1〜2において、単電池111の劣化状態(SOH)を加味して許容充放電電流を算出するようにしてもよい。ここでのSOHは劣化に伴う内部抵抗の上昇率のことを意味しており、単電池111が新品のときは値が1であり、劣化するに応じて値が1よりも大きくなるものとする。本発明の実施形態3では、SOHを加味した動作例を説明する。単電池111のSOHを取得する手法としては、任意の公知技術を用いることができるので、本実施形態3では言及しない。ただし、ここでのSOHは単電池111毎に内部抵抗上昇率を検知した結果とし、これを単電池111毎の許容電流演算に適用することを想定している。
図9は、本実施形態3に係る電池システム100が備える組電池制御部150の各単電池111の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。単電池111のSOHを加味する場合、単電池111の許容最大端子電圧をVmaxとすると、許容充電電流は以下の式5によって求めることができる。
許容充電電流=(Vmax−OCV)/(内部抵抗値×SOH) ・・・(式5)
この許容充電電流を、単電池111の温度が最も高いときと温度が最も低いときのそれぞれについて求め、いずれか小さいほうを採用する。許容放電電流を計算する際にも、同様の処理を実行する。
図10は、本実施形態3に係る電池システム100が備える組電池制御部150の組電池110の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。本実施形態3では、単電池111のSOHを加味して許容充電電流を求めるので、各単電池111の許容充電電流を求める際に、各単電池111のSOCとSOHとを双方用いることになる。各単電池111のSOCとSOHとを用いて単電池111毎に許容電流を求め、その中で最も小さい許容電流を採用することにより、組電池110を構成する単電池111のSOCやSOHばらつきを考慮に入れた充放電制御を実現する。
許容電力を計算する際にもSOHを加味することができる。許容充電電力を計算する際に必要な組電池充電電圧は、組電池110を構成する単電池111毎に求めた許容電流を通電した時の電圧の合計を用いるか、または組電池110を構成する単電池111の許容電流を通電した際の平均電圧を直列数で乗算して得られることは、前述の通りである。単電池111の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法にSOHを加える場合、式3に平均SOHをパラメータとして追加して式6のように表現する。
組電池充電電圧=直列数×
(平均OCV+許容充電電流×平均内部抵抗値×平均SOH) ・・・(式6)
以上のように求めた組電池充電電圧と許容充電電流とを乗算した結果が許容充電電力である。
図11は、式5や式6を用いて、許容充電電流と許容充電電力を計算する際の処理イメージを示す図である。
組電池110を構成する単電池111毎に求めた許容電流を通電した時の電圧の合計を組電池充電電圧として用いる場合は、式6に替えて、組電池110を構成する単電池111毎にSOCやSOH、温度、および充電継続時間を入力して許容充電電流で充電した場合の各単電池111の電圧を求め、これら単電池111の電圧を合計する。
前述では許容充電電流・充電電力について述べたが、放電側に関してもSOHを加味して同様の処理を行うことができる。具体的には、式5のVmaxをVminに替えることにより、許容放電電流が求められる。さらに、式6の許容充電電流を許容放電電流に替えることにより、許容放電電力を得ることができる。
本実施形態では、組電池110を構成する単電池111間のSOCやSOHがばらついた場合でも、これを考慮した組電池110の許容充電電流または電力、許容放電電流または電力を求め、これらを車両制御部200に送信することにより、組電池110をより確実に充放電制御することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
また、上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ICカード、DVDなどの記憶媒体に格納することができる。
100:電池システム、110:組電池、111:単電池、112:単電池群、120:単電池管理部、121:単電池制御部、122:電圧検出回路、123:制御回路、124:信号入出力回路、125:温度検知部、130:電流検知部、140:電圧検知部、150:組電池制御部、160:信号通信手段、170:絶縁素子、180:記憶部、181:SOCテーブル、182:内部抵抗テーブル、200:車両制御部、300〜330:リレー、400:インバータ、410:モータジェネレータ、420:充電器。

Claims (9)

  1. 電池を制御する制御部と、
    前記電池の端子間電圧を測定する電圧測定部と、
    前記電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
    前記電池の温度を測定する温度測定部と、
    前記電池の温度、充電状態、内部抵抗値、および前記電池を充電または放電する継続時間の対応関係を示した内部抵抗の特性情報を格納する記憶部と、
    を備え、
    前記内部抵抗の特性情報は、
    前記継続時間の値毎に前記対応関係を記述しており、
    前記制御部は、
    前記電圧測定部と前記電流測定部の測定結果を用いて前記電池の充電状態を取得し、
    電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド自動車に電力を供給する動作モードとで異なる前記継続時間を設定し、前記電池の温度、充電状態、および前記設定した継続時間に対応する前記内部抵抗値を前記内部抵抗の特性情報から取得し、
    前記電池の上限電圧開回路電圧、および前記内部抵抗値を用い前記電池の充電電流を算出し、その値にしたがって前記電池の充電を制御するとともに、前記電池の下限電圧、開回路電圧、および前記内部抵抗値を用いて前記電池の放電電流を算出し、その値にしたがって前記電池放電を制御する
    ことを特徴とする電池制御装置。
  2. 前記制御部は、
    前記電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
    電気自動車に電力を供給する動作モードで前記電池を動作させるときは、前記電池を充電または放電する継続時間に対応する前記内部抵抗値を用いて、前記電池の充電電流または放電電流を算出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  3. 前記制御部は、
    前記電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
    ハイブリッド自動車に電力を供給する動作モードで前記電池を動作させるときは、いずれかの前記継続時間に対応する前記内部抵抗値を固定的に用いて、前記電池の充電電流または放電電流を算出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  4. 前記制御部は、
    前記電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
    ハイブリッド自動車に電力を供給する動作モードで前記電池を動作させるときは、電気自動車に電力を供給する動作モードで前記電池を動作させるときよりも短い前記継続時間に対応する前記内部抵抗値を用いて、前記電池の充電電流または放電電流を算出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  5. 前記制御部は、
    前記電池の上限電圧開回路電圧、前記内部抵抗値、および前記電池の劣化状態を用い前記電池の充電電流を算出し、前記電池の下限電圧、開回路電圧、前記内部抵抗値、および前記電池の劣化状態を用いて前記電池の放電電流を算出する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  6. 前記制御部は、
    前記電池の温度のうち最も高いものに対応する前記内部抵抗値を求めて算出した前記電池の充電電流または放電電流と、前記電池の温度のうち最も低いものに対応する前記内部抵抗値を求めて算出した前記電池の充電電流または放電電流とのうち、いずれか小さいほうを用いて、前記電池の充電または放電を制御する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  7. 前記制御部は、
    前記電池の充電電流または放電電流のうち最も小さいものを用いて、前記電池の充電または放電を制御する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  8. 前記記憶部は、
    前記電池の開回路電圧と充電状態の対応関係を示したSOCの特性情報を格納し、
    前記制御部は、
    前記電池の開回路電圧と前記SOCの特性情報を用いて前記電池の現在の充電状態を取得する
    ことを特徴とする請求項1記載の電池制御装置。
  9. 請求項1記載の電池制御装置と、
    前記電池と、
    を有し、
    前記電池制御装置は、前記電池を制御する
    ことを特徴とする電池システム。
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