JP5732846B2 - 二次電池の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池の制御装置に関するものである。
従来、電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載される二次電池を制御するための制御装置として、二次電池の温度が所定の温度以下である場合に、二次電池に交流電力を供給することで、二次電池を昇温させる技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2007−12568号公報
しかしながら、上記従来技術では、二次電池に交流電力を供給し、二次電池を昇温させるに際し、二次電池の直流抵抗に基づいて、二次電池に供給するための交流電力の最大値を設定していたため、従来技術においては、二次電池の昇温に時間がかかるという問題があった。特に、上記従来技術では、二次電池に交流電力を供給した際における二次電池の最大電圧が、二次電池の上限電圧と比較して小さく、すなわち、交流電力の振幅の大きさが充分でなく、そのため、二次電池の昇温に時間がかかるものであった。
本発明が解決しようとする課題は、二次電池を適切に昇温させることのできる二次電池の制御装置を提供することにある。
本発明は、二次電池に入出力可能な交流電力、または二次電池の交流抵抗に基づいて、二次電池に入出力するための交流電力を設定することで、上記課題を解決する。
本発明によれば、二次電池に入出力可能な交流電力や、二次電池の交流抵抗に基づいて、二次電池に入出力するための交流電力を設定することで、交流電力を印加した際における二次電池の電圧変化量を考慮した交流電力を設定することができ、これにより、二次電池に印加する交流電力の振幅を適切なものとすることができ、結果として、二次電池を適切に昇温させることができる。
図1は、本実施形態に係るモータ駆動装置を示すブロック図である。 図2は、バッテリの昇温動作を行なった際における、バッテリのバッテリ電圧Vbattおよび充放電電流Ibattの変化の一例を表すグラフを示す。 図3は、本実施形態に係るバッテリの昇温制御方法を示すフローチャートである。 図4は、出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INと、バッテリ温度Tbattとの関係を表すグラフである。 図5は、低温時および室温時における、バッテリに交流電力を印加した際における、周波数に対するバッテリの抵抗の関係を表すグラフである。 図6は、バッテリの交流抵抗と、容量劣化度との関係を表すグラフである。 図7は、本実施形態におけるバッテリ電圧および充放電電流の変化の一例を示すグラフである。 図8は、本実施形態におけるバッテリ電圧および充放電電流の変化の一例を示すグラフである。 図9は、従来におけるバッテリ電圧および充放電電流の変化を示すグラフである。
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、本実施形態に係るモータ駆動装置100を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態に係るモータ駆動装置100は、バッテリ10、昇圧コンバータ20、コンデンサ30、インバータ40、制御装置50、および交流モータ60を備える。本実施形態に係るモータ駆動装置100は、たとえば、ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載される。以下、本実施形態に係るモータ駆動装置100が、ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載される場合を例示して説明する。
昇圧コンバータ20は、インダクタ23、NPN型のトランジスタ21a,21b、およびダイオード22a,22bを備える。昇圧コンバータ20は、バッテリ10から供給される直流電力を昇圧して、コンデンサ30に供給するための電圧変換器である。
インダクタ23は、その一方端が、抵抗14を介して、バッテリ10に接続され、他方端が、トランジスタ21aのエミッタ、およびトランジスタ21bのコレクタに、それぞれ接続されている。
トランジスタ21a,21bは、NPN型のトランジスタであり、電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。具体的には、トランジスタ21aのコレクタが電源ラインに接続され、トランジスタ21bのエミッタがアースラインに接続される。また、各トランジスタ21a,21bには、コレクタ−エミッタ間に、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオード22a,22bがそれぞれ配置されている。
インバータ40は、NPN型のトランジスタ41a,41b,41c,41d,41e,41f、およびダイオード42a,42b,42c,42d,42e,42fを備える。そして、インバータ40においては、トランジスタ41aと、トランジスタ41bとが直列接続されており、U相アームを形成している。また、同様に、トランジスタ41cと、トランジスタ41dとが直列接続され、V相アームを形成しており、さらに、トランジスタ41eと、トランジスタ41fとが直列接続され、W相アームを形成している。また、各トランジスタ41a,41b,41c,41d,41e,41fには、コレクタ−エミッタ間に、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオード42a,42b,42c,42d,42e,42fがそれぞれ配置されている。
交流モータ60は、ハイブリッド自動車や電気自動車に備えられた駆動輪を駆動するための駆動トルクを発生するための駆動モータであり、3相の永久磁石モータで構成される。図1に示すように、交流モータ60は、U,V,W相の3つのコイルを備えている。これら3つのコイルの一端が中点で接続されて構成される一方で、U相コイルの他端が、トランジスタ41aのエミッタおよびトランジスタ41bのコレクタに、V相コイルの他端が、トランジスタ41cのエミッタおよびトランジスタ41dのコレクタに、W相コイルの他端が、トランジスタ41eのエミッタおよびトランジスタ41fのコレクタに、それぞれ接続されている。
なお、昇圧コンバータ20およびインバータ40を構成するスイッチング素子としては、NPN型のトランジスタに特に限定されず、たとえば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET等の他のパワー素子を用いることもできる。
バッテリ10は、たとえば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池である。なお、バッテリ10としては、複数の二次電池を直列接続してなる組電池であってもよい。また、図1に示すように、バッテリ10近傍には、バッテリ10のバッテリ電圧Vbattを測定するための電圧センサ11、バッテリ10に流れる充放電電流Ibattを測定するための電流センサ12、およびバッテリ10のバッテリ温度Tbattを測定するための温度センサ13が備えられている。なお、これら電圧センサ11、電流センサ12および温度センサ13による、バッテリ電圧Vbatt、充放電電流Ibattおよびバッテリ温度Tbattの測定は、所定の周期で行なわれ、測定されたバッテリ電圧Vbatt、充放電電流Ibattおよびバッテリ温度Tbattは、所定の周期で、制御装置50に送出される。
コンデンサ30は、昇圧コンバータ20から出力された直流電力を平滑化し、平滑化した直流電力をインバータ40へ供給するための素子である。また、コンデンサ30近傍には、コンデンサ30の端子間電圧を測定するための電圧センサ31が備えられている。ここで、コンデンサ30の電圧は、昇圧コンバータ20の出力電圧Vに相当するため、電圧センサ31は、昇圧コンバータ20の出力電圧Vを測定するための電圧センサとなる。電圧センサ31による出力電圧Vの測定は、所定の周期で行なわれ、測定された出力電圧Vは、所定の周期で、制御装置50に送出される。
制御装置50は、モータ駆動装置100を制御するためのコントローラであり、昇圧コンバータ20のトランジスタ21a,21bのオン/オフを制御するための第1制御信号S、およびインバータ40のトランジスタ41a〜41fのオン/オフを制御するための第2制御信号Sを、昇圧コンバータ20およびインバータ40に送出することで、モータ駆動装置100を制御する。
具体的には、制御装置50は、外部に設けられたECU(Electrical Control Unit)からトルク指令値TRおよびモータ回転数RMを受信し、これに基づき、バッテリ10に要求される要求直流電力Pを算出する。なお、バッテリ10から直流電力の出力が要求される場合には、要求直流電力Pはプラスの値となり、一方、バッテリ10への直流電力の入力が要求される場合には、要求直流電力Pはマイナスの値となる。そして、制御装置50は、これらと、電圧センサ11により測定されたバッテリ電圧Vbatt、および電圧センサ31により測定された出力電圧Vに基づき、昇圧コンバータ20のトランジスタ21a,21bのオン/オフを制御するための第1制御信号Sを生成し、生成した第1制御信号Sを昇圧コンバータ20に送出する。
さらに、制御装置50は、外部に設けられたECUからトルク指令値TRおよびモータ回転数RMを受信し、これらと、電圧センサ31により測定された出力電圧Vに基づき、インバータ40のトランジスタ41a〜41fのオン/オフを制御するための第2制御信号Sを生成し、生成した第2制御信号Sをインバータ40に送出する。
そして、昇圧コンバータ20は、制御装置50からの第1制御信号Sを受信すると、第1制御信号Sに基づき、直流電力の変換を行なう。具体的には、バッテリ10から直流電力の出力の要求がされている場合には、昇圧コンバータ20は、第1制御信号Sに基づき、トランジスタ21a,21bのオン/オフ制御を行い、バッテリ10からの直流電力を昇圧し、コンデンサ30に供給する。そして、コンデンサ30に供給された直流電力は、コンデンサ30により平滑化され、平滑化された直流電力がインバータ40に供給される。
あるいは、バッテリ10への直流電力の入力の要求がされている場合には、昇圧コンバータ20は、制御装置50からの第1制御信号Sに基づき、トランジスタ21a,21bのオン/オフ制御を行うことで、交流モータ60により発電され、インバータ40により直流電力に変換された直流電力を降圧して、バッテリ10へ供給する。このように、昇圧コンバータ20は、制御装置50からの第1制御信号Sに基づき、直流電力の昇圧に加えて、降圧を行なうことができるため、双方向コンバータとして機能する。
また、インバータ40は、コンデンサ30から直流電力が供給されると、制御装置50からの第2制御信号Sに基づいて、トランジスタ41a〜41fのオン/オフ制御を行い、直流電力を交流電力に変換して交流モータ60を駆動する。これにより、交流モータ60は、トルク指令値TRによって指定されたトルクを発生するように駆動される。
さらに、インバータ14は、モータ駆動装置100が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時には、交流モータ60により発電された交流電力を、制御装置50からの第2制御信号Sに基づいて、トランジスタ41a〜41fのオン/オフ制御を行うことにより、直流電力に変換し、変換した直流電力を、コンデンサ30を介して昇圧コンバータ20へ供給する。
次いで、本実施形態に係るバッテリ10を昇温するための昇温制御について、説明する。本実施形態に係るバッテリ10の昇温制御は、制御装置50により、バッテリ10のバッテリ温度Tbattの取得が行なわれ、バッテリ温度Tbattが所定の閾値温度Tth未満である場合に、昇温制御を行うための昇温制御信号Sの生成が行なわれ、昇温制御信号Sを昇圧コンバータ20により送信することにより実行される。
具体的には、本実施形態の昇温制御においては、制御装置50から昇温動作制御信号Sが送出されると、昇圧コンバータ20が、昇温動作制御信号Sに基づいて、トランジスタ21a,21bのオン/オフ制御を繰り返し行い、これにより、昇圧コンバータ20の出力電圧Vを、特定周波数を有する交流波形状に振動させることにより行なわれる。
そして、この場合において、昇圧コンバータ20の出力電圧Vは、コンデンサ30の端子間電圧にも相当するため、昇圧コンバータ20の出力電圧Vの交流波形状の振動に応じて、コンデンサ30の蓄電エネルギーP(P=1/2CVm、ただし、Cはコンデンサ30の静電容量)が変化する。そして、この蓄電エネルギーPの変化分ΔPは、コンデンサ30により入出力される電力として、コンデンサ30とバッテリ10との間で授受されることとなり、これにより、バッテリ10においては、バッテリ10に交流電力が供給されることとなる。そして、バッテリ10に交流電力が供給されることにより、バッテリ10への電力の入出力が繰り返され、これにより、バッテリ10を構成する内部抵抗成分を発熱させ、これにより、バッテリ10を昇温させるものである。
図2に、バッテリ10の昇温動作を行なった際における、バッテリ10のバッテリ電圧Vbattおよび充放電電流Ibattの変化の一例を表すグラフを示す。図2に示すように、昇温動作を行なうことにより、バッテリ10においては、コンデンサ30の蓄電エネルギーPの変化分ΔPに対応して、下記式(1)に示すような電流変化分ΔIbattが生じる。
ΔP=ΔIbatt・Vbatt (1)
そして、このような電流変化分ΔIbattが、バッテリ10に流れることにより、バッテリ10の内部抵抗により、下記式(2)に示すように、発熱量ΔQが発生する。そして、この発熱により、バッテリ10の温度Tbattが上昇することとなる。なお、下記式(3)において、Rbattは、バッテリ10の内部抵抗である。
ΔQ=Rbatt・(ΔIbatt (2)
次いで、本実施形態における、制御装置50によるバッテリ10の具体的な昇温制御方法について、説明する。図3は、本実施形態に係るバッテリ10の昇温制御方法を示すフローチャートである。なお、以下に説明する制御は、本実施形態に係るモータ駆動装置100が搭載されるハイブリッド自動車または電気自動車がキーオン(メイン電源始動)とされた場合や、ハイブリッド自動車または電気自動車が充電器に接続された場合に開始される。また、以下に説明する制御は、制御装置50により実行される。
まず、ステップS1では、制御装置50により、温度センサ13により測定されたバッテリ温度Tbattの取得が行なわれる。
次いで、ステップS2では、制御装置50により、ステップS1で取得したバッテリ温度Tbattが、予め定められた所定の閾値温度Tth未満であるか否かの判断が行なわれる。なお、所定の閾値温度Tthは、バッテリ10の昇温動作を行なう必要があるか否かに基づいて予め設定される温度である。バッテリ温度Tbattが閾値温度Tth未満である場合には、バッテリ10の温度が低く、昇温動作を行う必要があると判断され、ステップS3に進む。一方、バッテリ温度Tbattが閾値温度Tth以上である場合には、バッテリ10について昇温動作を行なう必要はないと判断され、本処理を終了する。
次いで、ステップS3では、バッテリ10に要求される要求直流電力Pの絶対値が、予め定められた所定の閾値Pth未満であるか否かの判定が行なわれる。なお、所定の閾値Pthは、バッテリ10に要求される要求直流電力の値が充分に小さい値であればよく、たとえば、バッテリ10の昇温制御を行う際に、要求直流電力の値を考慮する必要がない程度に小さい値に設定することができる。バッテリ10に要求される要求直流電力Pの絶対値が、所定の閾値Pth未満である場合にはステップS4に進む。一方、所定の閾値Pth以上である場合には、ステップS10に進む。なお、所定の閾値Pth未満である場合としては、たとえば、モータ駆動装置100が搭載されるハイブリッド自動車または電気自動車が停車中であり、充電器が接続され、キーオフ(メイン電源オフ)とされている場合や、シフトポジションが、Pレンジとされている場合などが挙げられる。
ステップS3において、要求直流電力Pの絶対値が、所定の閾値Pth未満であると判断された場合には、ステップS4に進み、ステップS4〜S6において、バッテリ10を昇温させるための処理(第1の昇温処理)が行なわれる。
すなわち、まず、ステップS4では、ステップS1で取得したバッテリ温度Tbattに基づいて、バッテリ10から出力可能な交流電力である出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能な交流電力である入力可能交流電力WAC_INの算出が行なわれる。本実施形態においては、制御装置50に予め記憶されている出力可能交流電力WAC_OUT−温度Tbattテーブルおよび入力可能交流電力WAC_IN−温度Tbattテーブルを用いて、バッテリ温度Tbattから、出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INを算出する。
図4に、特定周波数における、出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INと、バッテリ温度Tbattとの関係を表すグラフを示す。なお、図4においては、出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INを実線で示すとともに、これらと併せて、バッテリ10に出力可能な直流電力である出力可能直流電力WDC_OUT、および入力可能な直流電力である入力可能直流電力WDC_INと、バッテリ温度Tbattとの関係についても、一点鎖線で示した。また、図4においては、バッテリ10から出力される電力を正の値とし、バッテリ10に入力される電力を負の値とした。
図4に示すように、出力可能交流電力WAC_OUTは、バッテリ温度TbattがT2以下である場合には、バッテリ温度Tbattの上昇に伴い、増加する傾向を示し、バッテリ温度TbattがT2以上の領域では一定となる傾向を示す。これに対して、出力可能直流電力WDC_OUTは、バッテリ温度TbattがT1以上、T2以下の領域において、バッテリ温度Tbattの上昇に伴い、増加する傾向を示し、バッテリ温度TbattがT2以上の領域では一定となる傾向を示す。さらに、バッテリ温度TbattがT3以上、T4以下の領域において、バッテリ温度Tbattの上昇に伴い、低下する傾向を示す。そして、図4に示すように、出力可能交流電力WAC_OUTと、出力可能直流電力WDC_OUTとを比較すると、いずれの温度領域においても、出力可能交流電力WAC_OUTの方が、出力可能直流電力WDC_OUTよりも大きいものとなることが確認できる。
また、図4より、入力可能交流電力WAC_IN、および入力可能直流電力WDC_INについても、同様の傾向となることが確認できる。ただし、図4においては、バッテリ10から出力される電力を正の値とし、バッテリ10に入力される電力を負の値としているため、大小関係が反対となる。そして、制御装置50は、図4に示すような関係を、出力可能交流電力WAC_OUT−温度Tbattテーブルおよび入力可能交流電力WAC_IN−温度Tbattテーブルとして、記憶している。また、制御装置50は、これらに加えて、出力可能直流電力WDC_OUT−温度Tbattテーブルおよび入力可能直流電力WDC_IN−温度Tbattテーブルも記憶している。
次いで、ステップS5では、上述したステップS4で算出された出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INに基づいて、バッテリ10の昇温動作を行なうための交流電力を決定する。なお、ステップS5においては、上述したステップS2において、要求直流電力Pの絶対値が、予め定められた所定の閾値Pth未満であると判定されているため、要求直流電力Pを考慮することなく、バッテリ10の昇温動作を行なうための交流電力を決定する。具体的には、ステップS4で算出された出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INを、それぞれ、最大出力電力および最大入力電力として、バッテリ10の昇温動作を行なうための交流電力を決定する。また、交流電力の周波数は、出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INに対応する周波数とすればよい。
次いで、ステップS6では、上述したステップS5で決定した交流電力にて、バッテリ10へ交流電力の印加が行なわれ、これによりバッテリ10の昇温動作が実行される。具体的には、制御装置50により、上述したステップS5で決定した交流電力に基づいて、昇温動作制御信号Sの生成が行なわれ、昇温動作制御信号Sが昇圧コンバータ20に送信される。そして、昇圧コンバータ20が、昇温動作制御信号Sに基づいて、トランジスタ21a,21bのオン/オフ制御が行われることで、バッテリ10の昇温動作が実行される。
次いで、ステップS7では、モータ駆動装置100が搭載されるハイブリッド自動車または電気自動車が、充電器に接続された状態であるか否かの判定が行なわれる。すなわち、充電器により、外部からの電力供給が可能な状態であるか否かの判定が行なわれる。充電器に接続されている場合には、ステップS8に進む。一方、充電器に接続されていない場合には、ステップS13に進む。
ステップS8では、制御装置50により、電流センサ12により測定された充放電電流Ibattの取得が行なわれ、取得した充放電電流Ibattに基づき、バッテリ10の平均電流値の検出が行われる。なお、バッテリ10の平均電流値は、たとえば、図4に示す時間t1のタイミング(Sin波における、n・π(nは整数)のタイミング)における充放電電流Ibattを取得することにより検出することができる。あるいは、電流センサ12からの出力を、回路素子で構成したフィルタを通して平均処理することにより、バッテリ10の平均電流値を検出してもよい。
ステップS9では、制御装置50により、上述したステップS8で検出したバッテリ10の平均電流値から、電圧コンバータ20のロス分により消費する電力に起因する放電電力の算出が行なわれる。そして、制御装置50は、算出した放電電力に基づき、バッテリ10の平均電流値がゼロに近づくような電力要求量を演算し、外部に設けられたECUを介して、モータ駆動装置100が搭載されるハイブリッド自動車または電気自動車に接続された充電器に、要求電力を送信する。本実施形態においては、このように、充電器からの電力供給を受けることにより、電圧コンバータ20のロス分による消費電力に起因する、バッテリ10の電圧低下を防止することができる。
一方、上述したステップS3において、バッテリ10に要求される要求直流電力Pの絶対値が、予め定められた所定の閾値Pth以上であると判定された場合には、ステップS10に進み、ステップS10〜S12において、バッテリ10へ要求直流電力Pの入出量を行ないながら、バッテリ10を昇温させるための処理が行なわれる(第2の昇温処理)。なお、要求直流電力Pが、所定の閾値Pth以上である場合としては、たとえば、ハイブリッド自動車または電気自動車のシフトポジションが、Dレンジとされており、車両を加速されている場合や減速させている場合などが挙げられる。
すなわち、まず、ステップS10では、制御措置30により、バッテリ10の直流抵抗RDC、および交流抵抗RACの算出が行なわれ、算出した直流抵抗RDC、交流抵抗RACに基づき、下記式(3)、(4)に従って、バッテリ10を昇温させる際における、バッテリ10に流す直流電流IDC、直流電流IDCに重畳する交流電流の最大値IAC_MAXの算出が行なわれる。すなわち、バッテリ10に要求直流電力Pを入出力するために必要な電流である直流電流IDCを、直流抵抗RDCに基づいて算出し、算出した直流電流IDCおよび直流抵抗RDC、ならびに交流抵抗RACに基づいて、上限電圧VMAXを超えないような最大の電流値を求め、これを交流電流の最大値IAC_MAXとする。
Figure 0005732846
なお、上記式(3)、(4)中において、OCVはバッテリ10の開放電圧を、Pはバッテリ10に対する要求直流電力、Vmaxはバッテリ10の上限電圧を、それぞれ示す。また、上記式(3)、(4)は、バッテリ10に対する要求直流電力Pが、プラスである場合、すなわち、バッテリ10から直流電力を出力する場合における、直流電流IDC、および交流電流の最大値IAC_MAXを算出するための式を示しているが、バッテリ10に対する要求直流電力Pが、マイナスである場合、すなわち、バッテリ10へ直流電力を入力する場合にも、上記式(3)、(4)に準じて、直流電流IDC、および交流電流の最大値IAC_MAXを算出することができる。
ここで、図5に、低温時(閾値温度Tth未満の特定の温度)および室温時(閾値温度Tth以上の特定の温度)における、バッテリ10に交流電力を印加した際における、周波数に対するバッテリ10の抵抗の関係を表すグラフを示す。なお、図5中において、低温時を破線で示し、室温時を一点鎖線で示した。また、図5中において、昇温動作時において、バッテリ10に印加する交流電力の周波数をf1とし、そのときの低温時、すなわち、昇温動作を行なう際におけるバッテリ10の交流抵抗をRACで示し、一方、同じく低温時の直流抵抗をRDCで示した。また、周波数f2以上においては、低温時および常温時ともに、周波数に対する抵抗値は同様になるため、図5中においては、これらを重ねて表した。本実施形態においては、図5に示すような温度ごとの、抵抗値RDC,RAC−周波数fテーブルを用いて、上述したステップS1で取得したバッテリ温度Tbattに基づき、バッテリ10の直流抵抗RDC、および交流抵抗RACを算出する。そして、算出した直流抵抗RDC、および交流抵抗RACに基づいて、上記式(3)、(4)に従い、直流電流IDC、および直流電流IDCに重畳する交流電流の最大値IAC_MAXを算出する。なお、本実施形態においては、図5に示すような温度ごとの、抵抗値RDC,RAC−周波数fテーブルは、制御装置50に予め記憶されている。
次いで、ステップS11では、上述したステップS10で算出した直流電流IDC、および交流電流の最大値IAC_MAXに基づいて、バッテリ10の昇温動作を行なうための供給電力を決定する。具体的には、電流値IDCである直流電力に、最大電流値IAC_MAXである交流電を重畳し、これをバッテリ10の昇温動作を行なうための入出力電力(電流値IDCである直流電力+最大電流値IAC_MAXである交流電力)とする。また、入出力電力のうち、交流成分の周波数は、図5に示す周波数f1とする。
次いで、ステップS12では、上述したステップS11で決定した供給電力にて、バッテリ10へ入出力電力の印加が行なわれ、これによりバッテリ10の昇温動作が実行される。具体的には、制御装置50により、上述したステップS1で決定した入出力電力に基づいて、昇温動作制御信号Sの生成が行なわれ、昇温動作制御信号Sが昇圧コンバータ20に送信される。そして、昇圧コンバータ20が、昇温動作制御信号Sに基づいて、トランジスタ21a,21bのオン/オフ制御が行われることで、バッテリ10の昇温動作が実行される。
次いで、ステップS13では、制御装置50により、電圧センサ11、電流センサ12および温度センサ13により測定されたバッテリ電圧Vbatt、充放電電流Ibattおよびバッテリ温度Tbattの取得が行なわれる。
ステップS14では、上述したステップS13で取得したバッテリ電圧Vbatt、充放電電流Ibattおよびバッテリ温度Tbattに基づき、バッテリ10の交流抵抗RAC、およびバッテリ10の容量劣化度Dbattの算出を行なう。具体的には、制御装置50は、図4に示す時間t2のタイミングおよび時間t3のタイミング(Sin波における、2n・π−1/2π(nは整数)のタイミングおよび2n・π+1/2π(nは整数))における、バッテリ電圧Vbattおよび充放電電流Ibattを取得することで、交流電力における電圧振幅および電流振幅を算出し、電圧振幅を電流振幅で除すことにより(すなわち、「電圧振幅/電流振幅」を求めることにより)、バッテリ10の交流抵抗RACを算出する。そして、算出した交流抵抗RACの増加率から、バッテリ10の容量劣化度Dbattを算出する。容量劣化度Dbattは、たとえば、図6に示すような、制御装置50に記憶されている、予め定められた交流抵抗RACと、容量劣化度Dbattとの関係を示すテーブルなどを用いて求めることができる。
ステップS15では、上述したステップS14で算出したバッテリ10の交流抵抗RACに基づき、図4に示すような出力可能交流電力WAC_OUT−温度Tbattテーブルおよび入力可能交流電力WAC_IN−温度Tbattテーブル、および図5に示すような温度ごとの、抵抗値RDC,RAC−周波数fテーブルを補正する。
本実施形態では、バッテリ10の昇温動作により交流電力を印加することにより、特定の交流周波数に対応した比較的大きな電圧振幅を発生させることができる。そして、上述したステップS14においては、この比較的大きな電圧振幅に基づいて、交流抵抗を測定するものであるため、交流抵抗RACを測定する際における、電圧センサ11による誤差の影響を小さくすることができ、これにより、高い精度で交流抵抗RACを測定することができる。そして、このようにして、高い精度で測定された交流抵抗RACに基づいて、容量劣化度Dbattを算出することで、高い精度で容量劣化度Dbattを算出することができる。さらには、このような高い精度で測定された交流抵抗RACに基づいて、出力可能交流電力WAC_OUT−温度Tbattテーブル、入力可能交流電力WAC_IN−温度Tbattテーブル、抵抗値RDC,RAC−周波数fテーブルを補正することにより、バッテリ10の昇温動作を行なう際における、交流電力または入出力電力の算出精度を向上させることができ、これにより、交流電力または入出力電力を印加した際における最大電圧を、バッテリ10の上限電圧Vmaxに適切に近づけることができる。
そして、再度、ステップS1に戻り、上記動作を繰り返し行なう。以上のようにして、本実施形態では、バッテリ10の昇温制御が行われる。
本実施形態においては、バッテリ10に要求される要求直流電力Pの絶対値が、予め定められた所定の閾値Pth未満である場合に、バッテリ10の昇温を行うために、バッテリ10に印加する交流電力を、出力可能交流電力WAC_OUT、および入力可能交流電力WAC_INに基づいて設定する。そのため、本実施形態によれば、交流電力を印加した際における二次電池の電圧変化量を考慮した交流電力を設定することができ、これにより、二次電池に印加する交流電力の振幅を適切なものとすることができ、結果として、二次電池を適切に昇温させることができる。
ここで、図4に示すように、バッテリ10においては、入出力可能交流電力WAC_OUT、WAC_INと、入出力可能直流電力WDC_OUT、WDC_INとを比較すると、特に、低温領域において、入出力可能交流電力WAC_OUT、WAC_INのほうが、大きな値をとるという特性を有している。そのため、従来のように、入出力可能な直流電力、すなわち、入出力可能直流電力WDC_OUT、WDC_INに基づいて、バッテリ10に印加する交流電力を設定した場合には、交流電力の最大電圧を不要に制限してしまうこととなる一方で、本実施形態によれば、このような問題を有効に解決することができ、これにより、二次電池をより早く昇温させることができるものである。
また、本実施形態においては、バッテリ10に要求される要求直流電力Pの絶対値が、予め定められた所定の閾値Pth以上である場合には、バッテリ10に対する要求直流電力Pを印加するための直流電流IDCを、直流抵抗RDCに基づいて算出するとともに、バッテリ10を昇温するためにバッテリ10に印加するための交流電流の最大値IAC_MAXを、交流抵抗RACに基づいて算出する。そして、これら直流電流IDC、および交流電流の最大値IAC_MAXに基づいて、電流値IDCである直流電力に、最大電流値IAC_MAXである交流電力を重畳することで、バッテリ10を昇温する際における入出力電力を設定する。そのため、本実施形態によれば、交流電力を印加した際における二次電池の電圧変化量を考慮した交流電力を設定することができ、これにより、二次電池に印加する交流電力の振幅を適切なものとすることができ、結果として、二次電池を適切に昇温させることができる。
ここで、図5に示すように、バッテリ10においては、交流抵抗RACと、直流抵抗RDCとを比較すると、特に、低温領域において、交流抵抗RACのほうが、小さな値をとるという特性を有している。そのため、従来のように、直流抵抗RDCに基づいて、バッテリ10に印加するための交流電流の最大値IAC_MAXを設定した場合には、交流電力の最大電圧を不要に制限してしまうこととなる一方で、本実施形態によれば、このような問題を有効に解決することができ、これにより、二次電池をより早く昇温させることができるものである。
なお、上述した実施形態において、バッテリ10は本発明の二次電池に、昇圧コンバータ20は本発明の電力変換器に、コンデンサ30は本発明の容量素子に、インバータ40は本発明の駆動回路に、制御装置50は本発明の制御手段および記憶手段に、それぞれ相当する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
なお、たとえば、バッテリ10に対して、パルス状の要求直流電力Pが要求された場合には、図7に示すように、時間t10から時間t11まで一定の電流値IDCで電流を流した場合でも、直流電力の周波数成分により、時間t10においては、直流電力の印加によるバッテリ10の電圧上昇分がIDC×RACである一方で、時間t10から時間t11にかけて、分極成分が発達し、これにより、時間の経過とともに電圧が上昇し、電圧上昇分がIDC×RDCとなる。しかしその一方で、過去の電流履歴を蓄積しておき、このような直流電力の周波数成分に基づく、分極の発達による電圧上昇挙動を予測し、下記式(5)〜(7)にしたがって、このような電圧変化に対応した交流電流IACを算出することにより、図7に示すように、時間t10から時間t11において、効率的にバッテリ10を昇温させるための交流電力を供給することができる。そのため、上述した方法に代えて、このように、分極の発達による電圧上昇挙動を予測し、このような電圧変化に対応した交流電流IACを算出してもよい。
なお、図7は、本例におけるバッテリ電圧および充放電電流の変化を示すグラフであり、図7中においては、二点鎖で囲まれたハッチング部分は、それぞれ、バッテリ10に印加した交流電力による電圧増加分、および交流電力を印加した際における電流の増加分を示している。また、図8に、このような制御を行わず、バッテリ10に印加する交流電力を、交流抵抗RACを用いて設定した場合(IAC×RACで制限した場合)、図9に、従来のように、バッテリ10に印加する交流電力を、直流抵抗RDCを用いて設定した場合(IAC×RDCで制限した場合)における、バッテリ電圧および充放電電流の変化を表すグラフを示す。
ΔVmax=Vmax−OCV−Vp(t1) (5)
Vp=Vbatt(t1)−OCV−IDC×RAC (6)
AC=(ΔVmax−IDC×RAC)/RAC (7)
上記式(5)〜(7)において、ΔVmaxは上限電圧Vmaxと、時間t10におけるバッテリ電圧Vbattとの差、OCVは開放電圧、Vpは分極電圧をそれぞれ示す。また、Vp(t1)、Vbatt(t1)は図2に示す時間t1のタイミングで測定した分極電圧およびバッテリ電圧を意味する。
このように、要求直流電力Pを印加した際におけるバッテリ電圧Vbattの変化を予測し、これを用いることで、直流抵抗RDCを用いた場合と比較して、要求直流電力Pを印加した際の電圧変化を、より小さな電圧変化として予測することができ、交流電力に割り振る電圧を大きくすることができるため、電池の昇温をより早く行なうことが可能となる。
100…モータ駆動装置
10…バッテリ
11…電圧センサ
12…電流センサ
13…温度センサ
20…昇圧コンバータ
21a,21b…トランジスタ
22a,22b…ダイオード
23…インダクタ
30…コンデンサ
31…電圧センサ
40…インバータ
41a,41b,41c,41d,41e,41f…トランジスタ
42a,42b,42c,42d,42e,42f…ダイオード
50…制御装置
60…交流モータ

Claims (4)

  1. 二次電池と、負荷を駆動するための駆動回路との間で電力変換を行なう電力変換器と、
    前記駆動回路と前記電力変換器との間に配置され、前記駆動回路に入力される電圧を平滑化する容量素子と、
    前記電力変換器を制御する制御手段と、
    前記二次電池の温度と、前記二次電池に入出力可能な交流電力との関係、ならびに、前記二次電池の温度と、前記二次電池の直流抵抗および交流抵抗との関係を記憶する記憶手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記二次電池から前記負荷に入出力するための要求直流電力の大きさが所定値未満である場合に、前記記憶手段に記憶されている前記二次電池の温度と、前記二次電池に入出力可能な交流電力との関係に基づき、前記二次電池に入出力するための交流電力を設定し、該交流電力が前記二次電池に入出力されるように、前記電力変換器を制御する第1の昇温処理を実行し、
    前記二次電池から前記負荷に入出力するための要求直流電力の大きさが前記所定値以上である場合に、前記記憶手段に記憶されている前記二次電池の温度と、前記二次電池の直流抵抗および交流抵抗との関係に基づき、前記要求直流電力に重畳可能な交流電力を演算し、演算した前記交流電力を、前記要求直流電力に重畳することにより得られた電力が前記二次電池に入出力されるように、前記電力変換器を制御する第2の昇温処理を実行することを特徴とする二次電池の制御装置。
  2. 請求項に記載の二次電池の制御装置において、
    前記二次電池に直流電力を印加した場合における、前記二次電池の電圧変化を、前記直流電力の周波数成分に応じて演算し、該演算結果に基づいて、前記要求直流電力に重畳可能な交流電力を演算することを特徴とする二次電池の制御装置。
  3. 請求項1または2に記載の二次電池の制御装置において、
    前記制御手段は、
    前記二次電池に交流電力または直流電力に交流電力を重畳した電力を供給している際における、前記二次電池の端子電圧および充放電電流に基づいて、前記二次電池の交流抵抗を測定し、
    前記測定した交流抵抗を用いて、前記記憶手段に記憶されている前記二次電池の温度と、前記二次電池に入出力可能な交流電力との関係、または前記二次電池の温度と、前記二次電池の直流抵抗および交流抵抗との関係を補正することを特徴とする二次電池の制御装置。
  4. 請求項に記載の二次電池の制御装置において、
    前記記憶手段は、温度ごとに、前記二次電池の交流抵抗と容量低下率との関係を記憶しており、
    前記制御手段は、前記記憶手段に記憶されている前記二次電池の交流抵抗と容量低下率との関係と、前記測定した交流抵抗と、前記二次電池の温度とに基づき、前記二次電池の容量劣化度を演算することを特徴とする二次電池の制御装置。
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