JP5945085B1 - 充電制御装置、輸送機器及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池への入力電力に応じた複数の閾値電圧に対して定められた遮断時間を用いて、蓄電池への電流を遮断すること【解決手段】充電制御装置は、第１の態様においては、充電制御装置は、蓄電池の端子電圧を取得する電圧取得部と、蓄電池への入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれの閾値電圧に対して、蓄電池に入力される電流を遮断するまでの遮断時間を決定する遮断時間決定部と、端子電圧が閾値電圧を超える時間が遮断時間を超えた場合に、蓄電池に入力される電流を遮断させる遮断制御部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、充電制御装置、輸送機器及びプログラムに関する。

リチウムイオン電池の過充電を検出するための閾値電圧を２つ設け、リチウムイオン電池の電圧が２つの閾値電圧のうち高い方の閾値電圧を超えたとき、過充電を検出するまでの遅延時間を短くすることにより、過充電検出動作の検査の時間を短縮した電池パックが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１ 特開２００９−１８３０５０号公報

例えば電気自動車などへ応用した場合には、蓄電池への入力電力に応じて定まる複数の閾値電圧のそれぞれに対する遮断時間を適切に設定することができないため、実際には過充電状態ではないにもかかわらず誤検出をしてしまい、蓄電池の交換が不要にもかかわらず、高価な蓄電池の交換を促してしまうという課題があった。

第１の態様においては、充電制御装置は、蓄電池の端子電圧を取得する電圧取得部と、蓄電池への入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれの閾値電圧に対して、蓄電池に入力される電流を遮断するまでの遮断時間を決定する遮断時間決定部と、端子電圧が閾値電圧を超える時間が遮断時間を超えた場合に、蓄電池に入力される電流を遮断させる遮断制御部とを備える。

第２の形態においては、輸送機器は、上記の充電制御装置を備える。

第３の形態においては、プログラムは、コンピュータを、蓄電池の端子電圧を取得する電圧取得部、蓄電池への入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれに対して、蓄電池に入力される電流を遮断するまでの遮断時間を決定する遮断時間決定部、電圧取得部で検出された端子電圧が閾値電圧を超える時間が遮断時間を超えた場合に、蓄電池に入力される電流を遮断させる遮断制御部として機能させる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一実施形態における車両１０が備えるパワーユニット２０を概略的に示す。 バッテリＥＣＵ１００が有するブロック構成を概略的に示す。 パワーコントロールユニット７０が有するブロック構成を、モータ５０及び発電機６０とともに概略的に示す。 バッテリ１１０に過大な電力が入力された場合のセル電圧の時間発展を概略的に示す。 電池セルの状態に応じて設定される遮断判定ラインを概略的に示す。 センサの検出精度及び遮断タイムラグに応じた遮断判定ラインの設定を概略的に示す。 複数のセル状態における閾値電圧と遮断時間との対応づけを概略的に示す。 内部抵抗算出部２７０の機能ブロックを概略的に示す。 容量算出部２８０の機能ブロックを概略的に示す。 バッテリ１１０への入力電流を遮断するか否かを判定するコンタクタ１５０の遮断判定ルーチンの処理を示すフローチャートである。 入力電力、セル電圧、カウンタＣＴ１、ＮＧ判定フラグ及びＳＯＣのタイムチャートを概略的に示す。 他の実施形態に係る遮断判定ルーチンの処理を示すフローチャートである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態における車両１０の機能構成を概略的に示す。車両１０は、輸送機器の一例である。車両１０は、パワーユニット２０及び駆動輪１２を備える。パワーユニット２０は、エンジン４０と、モータ５０と、発電機６０と、パワーコントロールユニット７０と、モータＥＣＵ８０と、バッテリ１１０と、バッテリＥＣＵ１００と、電流センサ１２０と、温度センサ１３０と、コンタクタ１５０とを有する。なお、ＥＣＵとは、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔの略称である。

車両１０は、ハイブリッド自動車である。エンジン４０は、内燃機関であり、例えばガソリンまたは軽油等の燃料を燃焼して動力を出力する。モータ５０は、バッテリ１１０から供給される電力を用いて駆動されて動力を出力する。エンジン４０及びモータ５０の駆動力は、トランスミッション等を介して駆動輪１２に伝達される。

バッテリ１１０は、直列接続された複数の電池セルを有する電池モジュールが直列に接続された二次電池を有する。電池セルとしては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等であってよい。バッテリ１１０が蓄電した電気エネルギーは、コンタクタ１５０を介してパワーコントロールユニット７０に直流電力として供給される。パワーコントロールユニット７０は、バッテリ１１０からの直流電力を交流電力に変換して、モータ５０に供給する。なお、本実施形態において電池セルとは、バッテリ１１０が有する電池セルのことをいう。

車両１０の駆動輪１２から発電機６０に動力が伝達されると、発電機６０は、車両１０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、回生電力を発生する。回生電力は、車両１０の制動時の他、エンジン４０からの動力によって車両１０が駆動される場合にも生じる。発電機６０が発生した交流の回生電力は、パワーコントロールユニット７０に供給される。パワーコントロールユニット７０は、発電機６０からの交流の回生電力を直流の回生電力に変換する。パワーコントロールユニット７０が出力した直流の回生電力は、コンタクタ１５０を通じてバッテリ１１０に入力されて、バッテリ１１０に電気エネルギーとして蓄積される。したがって、電池セルは、電池セルが設けられる車両１０で得られる回生電力によって充電される。なお、モータＥＣＵ８０は、パワーコントロールユニット７０における電力変換動作を制御する。

電流センサ１２０は、パワーコントロールユニット７０とバッテリ１１０との間に設けられる。電流センサ１２０は、バッテリ１１０からパワーコントロールユニット７０に流れる電流を検出する。また、電流センサ１２０は、パワーコントロールユニット７０からバッテリ１１０に流れる電流を検出する。電流センサ１２０は、検出した電流を示す信号を、バッテリＥＣＵ１００に供給する。

バッテリ１１０は、バッテリ１１０が有する複数の電池セルのそれぞれのセル電圧を示す信号を、バッテリＥＣＵ１００に供給する。例えば、バッテリ１１０が直列接続されたＭ個の電池セルを有する場合、Ｍ個の電池セルのそれぞれのセル電圧が、バッテリＥＣＵ１００に供給される。セル電圧は、端子電圧として測定される。

温度センサ１３０は、バッテリ１１０の温度を検出する。温度センサ１３０は、検出したバッテリ１１０の温度を示す信号を、バッテリＥＣＵ１００に供給される。

バッテリＥＣＵ１００は、バッテリ１１０の状態を監視して、各種の信号を出力する。例えば、バッテリＥＣＵ１００は、バッテリ１１０から供給される電圧信号、電流センサ１２０から供給される電流信号、及び温度センサ１３０から供給される温度信号等の各種の信号に基づき、バッテリ１１０の内部抵抗およびＳＯＣ及び満充電容量などの各種の状態量を算出する。なお、ＳＯＣは、Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅの略称である。

バッテリＥＣＵ１００は、バッテリ１１０が有する電池セルの過充電を抑制する。電池セルが過充電状態になると、電池セル内で内部短絡が生じ、ジュール熱によって温度が上昇し、最終的には発火に至る可能性がある。そこで、バッテリＥＣＵ１００は、バッテリＥＣＵ１００に供給される各種の信号に基づいて電池セルが過充電になる前に、コンタクタ１５０を開いて、パワーコントロールユニット７０からバッテリ１１０に供給される電流を遮断する。具体的には、バッテリＥＣＵ１００は、セル電圧が予め定められた閾値電圧を超えている時間が予め定められた遮断時間に到達した場合に、コンタクタ１５０を開くように制御する。これにより、電池セルの過充電を抑制できる。

図２は、バッテリＥＣＵ１００が有するブロック構成を概略的に示す。バッテリＥＣＵ１００は、電流取得部２０２と、電圧取得部２０４と、温度取得部２０６と、状態取得部２６０と、過充電情報設定部２１０と、遮断時間／閾値電圧決定部２２０と、遮断制御部２４０とを有する。状態取得部２６０は、内部抵抗算出部２７０と容量算出部２８０とを含む。

電圧取得部２０４は、バッテリ１１０が有する複数の電池セルのそれぞれのセル電圧を取得する。電圧取得部２０４が取得したセル電圧の信号は、状態取得部２６０、過充電情報設定部２１０、遮断時間／閾値電圧決定部２２０及び遮断制御部２４０に供給される。

電流取得部２０２は、電流センサ１２０によって測定された電流量を示す信号を取得する。電流取得部２０２が取得した電流量を示す信号は、状態取得部２６０に供給される。

温度取得部２０６は、温度センサ１３０によって測定されたバッテリ１１０の温度を示す信号を取得する。温度取得部２０６が取得した温度を示す信号は、状態取得部２６０に供給される。

状態取得部２６０は、電池セルの状態を取得する。電池セルの状態は、内部抵抗、容量および温度の少なくとも１つを含む。内部抵抗算出部２７０は、電流取得部２０２から供給された電流の信号及び電圧取得部２０４から供給されたセル電圧の信号に基づいて、電池セルの内部抵抗を算出する。容量算出部２８０は、電流取得部２０２から供給された電流の信号及び電圧取得部２０４から供給されたセル電圧の信号に基づいて、電池セルの容量を算出する。

遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、電池セルへの入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれに対して、電池セルに入力される電流を遮断するまでの遮断時間を決定する。例えば、バッテリＥＣＵ１００には、電池セルへの入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれに対して遮断時間が定められたテーブルが格納されている。遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、当該テーブルを参照して、複数の閾値電圧のそれぞれに対する遮断時間を決定してよい。

また、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、状態取得部２６０により取得された電池セルの状態に基づいて遮断時間を決定してよい。例えば、バッテリＥＣＵ１００には、複数の閾値電圧のそれぞれに対して遮断時間が定められたテーブルが、電池セルの状態に対応づけて格納されている。そして、過充電情報設定部２１０は、状態取得部２６０により取得された電池セルの状態に適合する状態に対応づけて格納されているテーブルを選択する。そして、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、過充電情報設定部２１０によって選択されたテーブルを参照して、複数の閾値電圧のそれぞれに対する遮断時間を決定する。

遮断制御部２４０は、セル電圧が閾値電圧を超える時間が遮断時間を超えた場合に、電池セルに入力される電流を遮断させる。具体的には、遮断制御部２４０は、セル電圧が閾値電圧を超える時間が遮断時間を超えた場合に、電池セルへの入力電流をコンタクタ１５０に遮断させる。コンタクタ１５０は、電池セルに入力される電流を遮断する遮断部の一例である。なお、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、遮断制御部２４０における制御遅れ及び電池セルに入力される電流をコンタクタ１５０が遮断するまでに要する時間に基づいて、遮断時間を設定してよい。また、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル電圧を検出するセンサの検出精度に基づいて、遮断時間を決定してよい。なお、遮断制御部２４０は、セル電圧及びローパスフィルタが適用されたセル電圧の少なくとも一方が閾値電圧を超える時間が遮断時間を超えた場合に、電池セルに入力される電流を遮断させてよい。

なお、過充電情報設定部２１０は、状態取得部２６０により取得された内部抵抗および容量の少なくとも一方に基づいて、セル電圧および充電時間の領域内における過充電領域を設定してよい。例えば、過充電情報設定部２１０は、セル電圧および充電時間をパラメータとしてするパラメータ空間内における過充電領域を設定する。そして、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル電圧から定まる入力電力および過充電領域に基づいて過充電領域に到達するまでの時間を算出し、算出した時間に基づいて遮断時間を決定してよい。

なお、詳細は後述するとおり、パワーコントロールユニット７０は、バッテリ１１０に入力される電力を制限する。パワーコントロールユニット７０は、電池セルへの入力電力を予め定められた上限値以下に制限する入力電力制限部として機能する。遮断制御部２４０において用いられる複数の閾値電圧は、上限値の入力電力に対して定まるセル電圧より大きい。

なお、バッテリＥＣＵ１００は、マイクロプロセッサ等の処理装置、当該処理装置が読出し可能なプログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポート等を含んで構成される。バッテリＥＣＵ１００は、一種のコンピュータである。バッテリＥＣＵ１００により実行されるプログラムは、記録媒体２９０から読み出されて、バッテリＥＣＵ１００に供給され、バッテリＥＣＵ１００内のＲＯＭに格納されてよい。バッテリＥＣＵ１００内のＲＯＭに格納されたプログラムを処理装置が実行することによって、バッテリＥＣＵ１００を、電流取得部２０２、電圧取得部２０４、温度取得部２０６、状態取得部２６０、過充電情報設定部２１０、遮断時間／閾値電圧決定部２２０及び遮断制御部２４０の各部として機能させる。

図３は、パワーコントロールユニット７０が有するブロック構成を、モータ５０、発電機６０及びモータＥＣＵ８０とともに概略的に示す。パワーコントロールユニット７０は、ＰＷＭインバータ７１と、ＰＷＭインバータ７２と、昇降圧コンバータ７３とを有する。ＰＷＭインバータ７１は、発電機６０に接続される。ＰＷＭインバータ７２は、モータ５０に接続される。ＰＷＭインバータ７１及びＰＷＭインバータ７２は、正極母線７４及び負極母線７５を共用する。昇降圧コンバータ７３は、バッテリ１１０からの電圧を昇圧して、正極母線７４及び負極母線７５に供給する。昇降圧コンバータ７３は、正極母線７４及び負極母線７５に加えられた電圧を降圧して、バッテリ１１０に供給する。

発電機６０は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の同期発電機である。ＰＷＭインバータ７１は、発電機６０から受け取る交流電力を直流電力に変換して、昇降圧コンバータ７３に供給する。ＰＷＭインバータ７１は、発電機６０から受け取る電力を予め定められた上限値に制限しつつ、発電機６０から受け取る交流電力を直流電力に変換する。

ＰＷＭインバータ７１は、６つのトランジスタと、各トランジスタに逆方向に並列接続された６つのダイオードとを含む。トランジスタは、正極母線７４と負極母線７５とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置され、対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、発電機６０の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、対をなすトランジスタのオン時間の割合を制御することにより、発電機６０の三相コイルから受け取る電力を調整して、正極母線７４及び負極母線７５に供給することができる。正極母線７４及び負極母線７５に供給された電力は、昇降圧コンバータ７３により電圧が制御されて、バッテリ１１０に供給される。モータＥＣＵ８０は、ＰＷＭインバータ７１が有する各トランジスタのゲートに入力されるパルスを制御することにより、発電機６０から取り出してバッテリ１１０に供給する電力を制限する。このようにして、バッテリ１１０への入力電力は、モータＥＣＵ８０及びＰＷＭインバータ７１の動作によって制限される。また、モータＥＣＵ８０は、バッテリ１１０の各電池セルのＳＯＣが８０％を超えないように、バッテリ１１０に供給する電力を制御する。

モータ５０は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の同期電動機である。ＰＷＭインバータ７２は、ＰＷＭインバータ７１と同様の回路構成を有する。ＰＷＭインバータ７２は、６つのトランジスタと、各トランジスタに逆方向に並列接続された６つのダイオードとを含む。トランジスタは、正極母線７４と負極母線７５とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置され、対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ５０の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、対をなすトランジスタのオン時間の割合を制御することにより、昇降圧コンバータ７３を通じて供給されるバッテリ１１０からの電力を調整してモータ５０の３相コイルに出力することができる。モータＥＣＵ８０は、ＰＷＭインバータ７２の各トランジスタのゲートに入力されるパルスを制御することにより、バッテリ１１０から取り出す電力を調整しつつ、バッテリ１１０からの直流電力を交流電力に変換して、モータ５０の３相コイルに出力する。

図４は、バッテリ１１０に過大な電力が入力された場合のセル電圧の時間発展を概略的に示す。例えば、モータＥＣＵ８０及びＰＷＭインバータ７１の故障等によって、バッテリ１１０に過大な電力が入力される場合があり得る。この場合のバッテリ１１０への入力電力は、モータＥＣＵ８０及びＰＷＭインバータ７１によって制限されるべき上限電力を超える場合がある。図４には、入力電力Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ及びＰｄが時刻０でそれぞれ入力された場合のセル電圧の時間発展がそれぞれ概略的に示されている。ここで、各入力電力の大きさは、Ｐａ＜Ｐｂ＜Ｐｃ＜Ｐｄである。バッテリＥＣＵ１００は、過大な電力が入力された場合でも、電池セルのＳＯＣが予め定められた上限値以下になるように制御する。例えば、ＳＯＣの上限値として、１１０％を適用する。

図４において、時刻０の後に電力Ｐａが入力され続けた場合、Ｐａで示される軌跡に沿ってセル電圧が上昇して、時刻ＴａにおいてＳＯＣが上限値１１０％に到達する。図４には、入力電力がＰｂ、Ｐｃ及びＰｄのそれぞれである場合のセル電圧の軌跡を、それぞれＰｂ、Ｐｃ及びＰｄの符号で示す。単位時間あたりにバッテリ１１０に供給される電荷量は、入力電力が大きいほど大きくなる。そのため、図示されるように、ＳＯＣが上限値１１０％に達するまでの時間は、入力電力が大きいほど短くなる。また、時刻０におけるセル電圧の上昇幅は、入力電力が大きいほど大きい。ＳＯＣが上限値１１０％に到達したときのセル電圧及び充電時間は、図４の遮断判定ライン４００で示される線上のいずれかの点で表される。図４において遮断判定ライン４００よりセル電圧が大きい領域は、充電時間及びセル電圧の空間において過充電と判断される領域である。

そこで、バッテリＥＣＵ１００は、セル電圧と充電時間との関係が遮断判定ライン４００を超える前に、コンタクタ１５０を開くように制御する。一例として、バッテリＥＣＵ１００は、セル電圧がＶ０以上の状態が継続する時間がＴａを超える前に、コンタクタ１５０を開くよう制御することが好ましい。

図５は、電池セルの状態に応じて設定される遮断判定ラインを概略的に示す。検出されるセル電圧は、電池セルの劣化状態等によって変動する。そのため、遮断判定ラインは、電池セルの状態に応じて設定されることが好ましい。なお、電池セルの状態のことを、単にセル状態と呼ぶ場合がある。

例えば、電池セルの容量が小さくなるほど、所定のＳＯＣ値に到達するまでに入力可能な電力量が小さくなる。そのため、電池セルの容量が小さくなるほど、入力電力量が小さくなる方向に、電池セルの容量の減少量に応じた量だけ遮断判定ライン４００をシフトさせることが好ましい。遮断判定ライン５０１は、遮断判定ライン４００を、入力電力量が小さくなる方向にシフトさせたものである。具体的には、遮断判定ライン５０１は、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ及びＰｄ等の入力電力のラインに沿って、入力電力が小さくなる方向に遮断判定ライン４００をシフトさせたものである。また、内部抵抗が大きくなるほど、同じ電力が入力された場合のセル電圧が高くなる。そのため、バッテリの内部抵抗が大きくなるほど、セル電圧が高くなる方向に、内部抵抗の増加量に応じた量だけ遮断判定ライン４００をシフトさせることが好ましい。遮断判定ライン５０２は、遮断判定ライン４００をセル電圧が高くなる方向にシフトさせたものである。また、電池セルの温度が高くなるほど、電池セルの温度が所定の上限値に到達するまでに入力可能な電力量が小さくなる。そのため、電池セルの温度が高くなるほど、入力電力量が小さくなる方向に遮断判定ライン４００をシフトさせることが好ましい。したがって、電池セルの容量が小さくなる場合と同様に、遮断判定ライン４００を遮断判定ライン５０１の方向に、セル温度に応じた量だけシフトさせることが好ましい。なお、電池セルの温度が高くなるほど、少なくとも、電力の入力を継続可能な時間が短くなる。そのため、電池セルの温度が高くなるほど、充電時間が短くなる方向に、電池セルの現在の温度に応じた量だけ遮断判定ライン４００をシフトさせてもよい。このように、セル状態に応じて遮断判定ラインを調整して、遮断時間の決定に用いることが好ましい。

図６は、センサの検出精度及び遮断タイムラグに応じて閾値電圧及び遮断時間を設定する方法を概略的に示す。図６において、遮断判定ライン６００は、特定のセル状態に応じて設定された遮断判定ラインを示す。

時刻０からＰ１の電力が継続的に入力された場合、セル電圧ｖ１から開始して時刻ｔ１で遮断判定ライン６００に到達する。同様に、Ｐ２の入力電力が継続した場合は、セル電圧ｖ２から開始して時刻ｔ２で遮断判定ライン６００に到達する。Ｐ３の入力電力が継続した場合は、セル電圧ｖ３から開始して時刻ｔ３で遮断判定ライン６００に到達する。Ｐ４の入力電力が継続した場合は、セル電圧ｖ４から開始して時刻ｔ４で遮断判定ライン６００に到達する。したがって、（ｔ１、ｖ１）、（ｔ２、ｖ２）、（ｔ３、ｖ３）、（ｔ４、ｖ４）を通過する設定曲線６１０が、閾値電圧と遮断時間との関係を示すことになる。

次に、セル電圧を検出するセンサの検出精度と、制御の応答遅れを考慮した設定曲線６２０について説明する。セル電圧を検出するセンサには有限の検出誤差が存在する。セル電圧の検出誤差をＶｅｒｒとすると、実際のセル電圧は、測定値よりＶｅｒｒだけ高い可能性がある。そのため、セル電圧がＶｅｒｒだけ小さくなる方向に、設定曲線６１０をシフトさせることが好ましい。なお、Ｖｅｒｒは、５０ｍＶ〜１００ｍＶ程度の値であってよい。

また、バッテリＥＣＵ１００において電池セルが規定のＳＯＣに到達したと判断してからコンタクタ１５０が実際に開かれるまでには、一定の応答時間を要する。また、バッテリＥＣＵ１００において、コンタクタ１５０を開くか否かを判定する遮断判定ルーチンの実行周期は、制御の応答遅れとなり得る。そのため、コンタクタ１５０の応答時間及び遮断判定ルーチンの実行周期の合計時間だけ、実際に遮断されるまでに遅れが生じる可能性がある。応答時間及びルーチンの実行周期を応答遅れＴｒｏｓとすると、設定曲線６１０は、Ｔｒｏｓだけ充電時間が短くなる方向にシフトさせることが好ましい。なお、Ｔｒｏｓは、０．１秒から０．３秒の範囲内の値であってよい。

図６の設定曲線６２０は、セル状態と、センサの検出精度及び制御の応答遅れとを考慮した設定曲線を示す。設定曲線６２０は、（Ｔ１、Ｖ１）、（Ｔ２、Ｖ２）、（Ｔ３、Ｖ３）及び（Ｔ４、Ｖ４）を通過する曲線である。（Ｔ１、Ｖ１）、（Ｔ２、Ｖ２）、（Ｔ３、Ｖ３）及び（Ｔ４、Ｖ４）は、それぞれ（遮断時間、閾値電圧）の組み合わせを示す。設定曲線６２０上の各点において、Ｙ座標が閾値電圧を示し、Ｘ座標が当該閾値電圧に対応する遮断時間を示す。

バッテリＥＣＵ１００は、設定曲線６２０を示す情報をＲＯＭ等に格納することにより、電池セルが特定のセル状態にある場合の閾値電圧と遮断時間との対応づけを格納してよい。また、バッテリＥＣＵ１００は、異なる複数のセル状態のそれぞれについて、センサの検出精度及び制御の応答遅れを考慮した設定曲線を予め計算して格納することにより、複数のセル状態のそれぞれについて閾値電圧と遮断時間との対応づけを格納してよい。

図７は、複数のセル状態における閾値電圧と遮断時間との対応づけを概略的に示す。バッテリＥＣＵ１００は、互いに異なる複数のセル状態における閾値電圧と遮断時間との対応づけるテーブルを格納する。図７に示す例では、各テーブルが特定のセル状態に対応する。各テーブルは、４個の閾値電圧に対してそれぞれ遮断時間を定める。遮断制御部２４０は、現在のセル状態に適合するセル状態のテーブルを参照して、複数の閾値電圧のそれぞれに対する遮断時間を取得する。１つのテーブルで対応づけられる閾値電圧及び遮断時間の組み合わせの個数は、４個に限られない。１つのテーブルで対応づけられる閾値電圧及び遮断時間の組み合わせの個数は、２個以上であってよい。

図８は、内部抵抗算出部２７０の機能ブロックを概略的に示す。内部抵抗算出部２７０は、電流差分処理部８１０と、電圧差分処理部８２０と、逐次最小二乗演算部８３０とを有する。電流差分処理部８１０は、電流センサ１２０により測定された電流の時間離散測定値に差分処理を行って、予め定められた時間間隔での電流の変化量ΔＩを算出する。電圧差分処理部８２０は、セル電圧の時間離散測定値に差分処理を行って、予め定められた時間間隔でのセル電圧の変化量ΔＶを算出する。逐次最小二乗演算部８３０は、逐次最小二乗法により、ΔＶとΔＩとの関係式を推測して、推測された関係式から得られるＲ＝ΔＶ／ΔＩの値を、内部抵抗の推測値とする。逐次最小二乗演算部８３０は、時系列で新しいΔＩ及びΔＶのデータが得られる毎に、逐次最小二乗演算によって、直前の内部抵抗の推定値を補正する。

図９は、容量算出部２８０の機能ブロックを概略的に示す。容量算出部２８０は、ＳＯＣ算出部９００と、電流積分処理部９１０と、ＳＯＣ差分処理部９２０と、逐次最小二乗演算部９３０とを有する。電流積分処理部９１０は、電流センサ１２０により測定された電流の時間離散測定値に積分処理を行って、電流積算量ΔＡｈを算出する。

ＳＯＣ算出部９００は、電流センサ１２０により測定された電流値と、セル電圧とに基づいて、推定ＳＯＣを算出する。ＳＯＣ算出部９００は、内部抵抗の推測値と、電流センサ１２０により測定された電流と、セル電圧とに基づいて、電池セルの開放端電圧を算出する。また、ＳＯＣ算出部９００は、算出した開放端電圧と、予め定められた開放端電圧とＳＯＣとの関係性とに基づいて、ＳＯＣの推定値を得る。ＳＯＣ差分処理部９２０は、ＳＯＣ算出部９００により算出されたＳＯＣの推定値に対して差分処理を行って、予め定められた時間間隔でのＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを算出する。逐次最小二乗演算部９３０は、逐次最小二乗法により、ΔＡｈとΔＳＯＣとの関係式を推測して、推測された関係式から得られるΔＡｈ／ΔＳＯＣの値を、容量の推測値とする。逐次最小二乗演算部９３０は、時系列で新しいΔＡｈ及びΔＳＯＣのデータが得られる毎に、逐次最小二乗演算によって直前の容量の推定値を補正する。

図１０は、コンタクタ１５０の遮断判定ルーチンの処理を示すフローチャートである。遮断判定ルーチンは、バッテリＥＣＵ１００によって予め定められた時間間隔で実行される。

遮断判定ルーチンにおいては、ステップＳ１０００において、状態取得部２６０は、各電池セルのセル状態を取得する。具体的には、内部抵抗算出部２７０が、各電池セルの内部抵抗の推定値を算出し、容量算出部２８０が、各電池セルの容量の推定値を算出する。状態取得部２６０は、各電池セルの内部抵抗のうち、最大の内部抵抗を選択する。また、状態取得部２６０は、各電池セルの容量のうち、最小の内部抵抗を選択する。また、状態取得部２６０は、温度センサ１３０により測定されたバッテリ１１０の温度を、電池セルの温度として取得する。

ステップＳ１００２において、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル状態に応じた閾値電圧及び遮断時間を決定する。具体的には、過充電情報設定部２１０は、図６、図７等に関連して説明した閾値電圧と遮断時間とを対応づける複数のテーブルの中から、ステップＳ１０００で取得したセル状態に適合するテーブルを選択する。そして、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、選択したテーブルで定められている閾値電圧及び遮断時間のＮ個の組み合わせを決定する。

ステップＳ１００４において、遮断制御部２４０は、電圧取得部２０４がバッテリ１１０から取得した各電池セルのセル電圧のうち、最大のセル電圧Ｖｍａｘを選択する。ステップＳ１００６において、遮断制御部２４０は、最大のセル電圧を持つ電池セルのセル電圧の時系列データにローパスフィルタを適用して、フィルタリングされたＮ個のセル電圧であるフィルタ電圧Ｖｍａｘｆｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を算出する。

続いて、Ｎ個の閾値電圧のそれぞれに対するＶｍａｘの判定処理を行う。ステップＳ１０１０において、ｉ番目の閾値電圧Ｖｉを選択するための変数ｉを１に初期化する。ステップＳ１０１２において、遮断制御部２４０は、ＶｍａｘがＶｉを超えているか否かを判断する。ＶｍａｘがＶｉを超えていないと判断した場合、遮断制御部２４０は、カウンタＣＴｉを０にリセットする（ステップＳ１０１４）。なお、カウンタＣＴｉは、Ｖｍａｘが閾値電圧Ｖｉを超えている時間をカウントするためのカウンタである。続いて、ステップＳ１０１６において、ｉをインクリメントして、ｉがＮを超えたか否かを判断する。すなわち、Ｎ個の全ての閾値電圧について判定処理を行ったか否かを判断する。ｉがＮを超えていない場合は、ステップＳ１０１２に処理を戻して、ｉ＋１番目の閾値電圧についての判定に進む。ｉがＮを超えた場合は、ステップＳ１０３０に処理を進める。

ステップＳ１０１２においてＶｍａｘがＶｉを超えていると判断した場合、遮断制御部２４０は、ＣＴｉをインクリメントする（ステップＳ１０２０）。続いて、Ｓ１０２２において、ＣＴｉがＴｉに達したか否かを判断する。ここで、Ｔｉは、閾値電圧Ｖｉに対する遮断時間を表すカウント値であるとする。ＣＴｉがＴｉに達していない場合は、ステップＳ１０１６に処理を移行する。ＣＴｉがＴｉに達している場合は、コンタクタ１５０を開き、ＮＧ判定フラグを１に設定し（ステップＳ１０２４）、本フローを終了する。

次に、ステップＳ１０３０から、Ｎ個の閾値電圧のそれぞれに対するＶｍａｘｆの判定処理を行う。ステップＳ１０３０において、ｉ番目の閾値電圧Ｖｉ及びフィルタ電圧Ｖｍａｘｆｉを選択するための変数ｉを１に初期化する。ステップＳ１０３２において、遮断制御部２４０は、ＶｍａｘｆｉがＶｉを超えているか否かを判断する。ＶｍａｘｆｉがＶｉを超えていないと判断した場合、遮断制御部２４０は、カウンタＣＴｆｉを０にリセットする（ステップＳ１０３４）。なお、カウンタＣＴｆｉは、Ｖｍａｘｆｉが閾値電圧Ｖｉを超えている時間をカウントするためのカウンタである。続いて、ステップＳ１０３６において、ｉをインクリメントして、ｉがＮを超えたか否かを判断する。すなわち、Ｎ個の全ての閾値電圧について判定処理を行ったか否かを判断する。ｉがＮを超えていない場合は、ステップＳ１０３２に処理を戻して、ｉ＋１番目の閾値電圧についての判定に進む。ｉがＮを超えた場合は、ステップＳ１０５０に処理を進めて、ＮＧ判定フラグを０に設定して本フローを終了する。

ステップＳ１０３２においてＶｍａｘｆｉがＶｉを超えていると判断した場合、遮断制御部２４０は、ＣＴｆｉをインクリメントする（ステップＳ１０４０）。続いて、Ｓ１０４２において、ＣＴｆｉがＴｉに達したか否かを判断する。ＣＴｆｉがＴｉに達していない場合は、Ｓ１０３６に処理を移行する。ＣＴｆｉがＴｉに達している場合は、コンタクタ１５０を開き、ＮＧ判定フラグを１に設定し（ステップＳ１０４４）、本フローを終了する。

本遮断判定ルーチンを予め定められた時間間隔で実行することにより、ＳＯＣが上限値を超える前に、コンタクタ１５０を遮断して、バッテリ１１０の過充電を抑制することができる。なお、図１０の遮断判定フローの変形例として、ステップＳ１０００のセル状態の取得を省略して、セル状態を用いずに閾値電圧及び遮断時間の組み合わせを選択してもよい。この変形例においては、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル状態に依存しない閾値電圧及び遮断時間の複数の組み合わせを定めた１つのテーブルを用いて、閾値電圧に対応する遮断時間を決定してよい。

図１１は、入力電力、セル電圧、カウンタＣＴ１、ＮＧ判定フラグ及びＳＯＣのタイムチャートを概略的に示す。時刻ｔ０で過大な入力電力が発生した後、時刻ｔ１においてセル電圧Ｖｍａｘが閾値電圧Ｖ１を超えると、カウンタＣＴ１のカウントが開始される。カウンタＣＴ１がＴ１に達すると、時刻ｔ２において、遮断制御部２４０がコンタクタ１５０に遮断を指示する信号を出力して、ＮＧ判定フラグが１に設定される。そして、時刻ｔ３において、予め想定された制御遅れ時間内で、コンタクタ１５０が遮断される。これにより、ＳＯＣが規定の上限値１１０％に達する前に、バッテリ１１０への入力電流が遮断される。

以上に説明したように、バッテリＥＣＵ１００によれば、入力電力に応じた複数の閾値電圧に対して定められた遮断時間を用いて遮断判定を行うことができる。そのため、バッテリ１１０の電池セルが過充電になることをより高い確率で防ぐことができる。また、セル状態に応じた遮断判定ラインに基づく閾値電圧及び遮断時間の組み合わせがテーブルとして格納されているので、セル状態に応じた閾値電圧及び遮断時間を用いて遮断判定を行うことができる。このため、電池セルの過充電をより確実に抑制することができる。

図１２は、他の実施形態に係る遮断判定ルーチンの処理を示すフローチャートである。図１０等に関連して説明した遮断判定ルーチンによれば、閾値電圧及び遮断時間は、予め設定されたテーブルを参照して選択される。本遮断判定ルーチンは、現在のセル電圧及びセル状態に基づいて、遮断時間を計算によって設定する点で、上述した遮断判定ルーチンと異なる。

本遮断判定ルーチンでは、ステップＳ１２００において、状態取得部２６０は、各電池セルのセル状態を取得する。このステップの処理は、図１０におけるステップＳ１０００と同様である。ステップＳ１２０２において、遮断制御部２４０は、最大のセル電圧Ｖｍａｘを抽出する。この処理は、図１０におけるステップＳ１００４と同様である。ステップＳ１２０４において、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、Ｖｍａｘとセル状態とに基づいて、閾値電圧Ｖｔｈ及び遮断時間Ｔを決定する。

例えば、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル電圧の上昇を検出した場合に、セル電圧の上昇量に基づいて、バッテリ１１０への入力電力を特定する。そして、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、現在のセル電圧と、セル状態と、入力電力とに基づいて、ＳＯＣが１１０％に到達するまでのセル電圧の時間発展を算出する。

具体的には、図５に関連して説明したようにセル状態に基づいて遮断判定ライン４００をシフトさせるとともに、入力電力に基づいてセル電圧の時間発展を算出する。例えば、過充電情報設定部２１０は、ステップＳ１２００で取得された電池セルの容量、内部抵抗及び温度の少なくとも一つに応じて遮断判定ライン４００をシフトさせて、セル状態に応じた遮断判定ラインを設定する。なお、電池セルの容量に応じたシフト量、内部抵抗に応じたシフト量及び温度に応じたシフト量は、バッテリＥＣＵ１００内のＲＯＭに予め格納されていてよい。過充電情報設定部２１０は、バッテリＥＣＵ１００内に予め格納されているシフト量を用いて、セル状態に応じた遮断判定ラインを設定してよい。

そして、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、過充電情報設定部２１０によって設定された遮断判定ラインを用いて、ＳＯＣが１１０％になるまでの時間を算出して、算出した時間を遮断時間Ｔとして決定する。なお、図６等に関連して説明したように、制御の応答時間Ｔｒｏｓを考慮して、ＳＯＣが１１０％になるまでの時間からＴｒｏｓだけ短い時間を、遮断時間Ｔとして決定してよい。また、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル電圧の上昇を検出したときのＶｍａｘを閾値電圧Ｖｔｈとして適用してよい。また、図６等に関連して説明したように、センサの検出精度Ｖｅｒｒを考慮して、セル電圧の上昇を検出したときのＶｍａｘよりＶｅｒｒだけ低い閾値電圧Ｖｔｈを適用してよい。また、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、セル電圧の上昇を検出した後の入力電力の時間変化に基づいて、遮断時間Ｔを修正してよい。例えば、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、入力電力が増大したことを検出した場合は、電力の増大量に応じて遮断時間を短く設定してよい。また、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、入力電力が減少したことを検出した場合は、電力の減少量に応じて遮断時間を長く設定してよい。また、遮断時間／閾値電圧決定部２２０は、入力電力の変化量が予め定められた値より大きい場合に、閾値電圧及び遮断時間を決定し直してもよい。

ステップＳ１２１２において、遮断制御部２４０は、ＶｍａｘがＶｔｈを超えているか否かを判断する。ＶｍａｘがＶｔｈを超えていないと判断した場合、遮断制御部２４０は、カウンタＣＴを０にリセットする（ステップＳ１２１４）。なお、カウンタＣＴは、Ｖｍａｘが閾値電圧Ｖｔｈを超えている時間をカウントするためのカウンタである。続いて、ステップＳ１２５０に処理を進めて、ＮＧ判定フラグを０に設定して本フローを終了する。

ステップＳ１２１２においてＶｍａｘがＶｔｈを超えていると判断した場合、遮断制御部２４０は、ＣＴをインクリメントする（ステップＳ１２２０）。続いて、ステップＳ１２２２において、ＣＴがＴに達したか否かを判断する。ここで、Ｔは、閾値電圧Ｖｔｈに対する遮断時間に対応するカウント値である。ＣＴがＴに達していない場合は、ステップＳ１２５０に処理を移行する。ＣＴがＴに達している場合は、コンタクタ１５０を開き、ＮＧ判定フラグを１に設定し（ステップＳ１２２４）、本フローを終了する。

本形態の遮断判定フローによれば、現在のセル電圧に基づいて、適切な閾値電圧及び遮断時間を設定することができる。そのため、様々な入力電力の値に対して適切な閾値電圧及び遮断時間を柔軟に設定できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 車両、１２ 駆動輪
２０ パワーユニット
４０ エンジン
５０ モータ、６０ 発電機
７０ パワーコントロールユニット、７１ ＰＷＭインバータ、７２ ＰＷＭインバータ、７３ 昇降圧コンバータ、７４ 正極母線、７５ 負極母線
８０ モータＥＣＵ
１００ バッテリＥＣＵ
１１０ バッテリ
１２０ 電流センサ
１３０ 温度センサ
１５０ コンタクタ
２０２ 電流取得部、２０４ 電圧取得部、２０６ 温度取得部
２１０ 過充電情報設定部
２２０ 遮断時間／閾値電圧決定部
２４０ 遮断制御部
２６０ 状態取得部
２７０ 内部抵抗算出部
２８０ 容量算出部
２９０ 記録媒体
４００ 遮断判定ライン、５０１ 遮断判定ライン、５０２ 遮断判定ライン
６００ 遮断判定ライン、６１０ 設定曲線、６２０ 設定曲線
８１０ 電流差分処理部、８２０ 電圧差分処理部、８３０ 逐次最小二乗演算部
９００ ＳＯＣ算出部、９１０ 電流積分処理部、９２０ ＳＯＣ差分処理部、９３０ 逐次最小二乗演算部

Claims (12)

1. 蓄電池の端子電圧を取得する電圧取得部と、
   前記蓄電池への入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれの閾値電圧に対して、前記蓄電池に入力される電流を遮断するまでの遮断時間を決定する遮断時間決定部と、
   前記端子電圧が前記閾値電圧を超える時間が前記遮断時間を超えた場合に、前記蓄電池に入力される電流を遮断させる遮断制御部と
   を備える充電制御装置。
2. 前記蓄電池の状態を取得する状態取得部
   をさらに備え、
   前記遮断時間決定部は、前記状態取得部により取得された前記蓄電池の状態に基づいて前記遮断時間を決定する
   請求項１に記載の充電制御装置。
3. 前記蓄電池の状態は、内部抵抗、容量および温度の少なくとも１つを含む
   請求項２に記載の充電制御装置。
4. 前記蓄電池の状態は、内部抵抗および容量の少なくとも一方を含み、
   前記充電制御装置は、
   前記状態取得部により取得された前記内部抵抗および前記容量の少なくとも一方に基づいて、端子電圧および充電時間で表される領域内における過充電領域を決定する過充電領域決定部
   をさらに備え、
   前記遮断時間決定部は、前記端子電圧から定まる入力電力および前記過充電領域に基づいて前記過充電領域に到達するまでの時間を算出し、算出した時間に基づいて前記遮断時間を決定する
   請求項２または３に記載の充電制御装置。
5. 前記蓄電池は、前記蓄電池が設けられる輸送機器で得られる回生電力によって充電される
   請求項１から４のいずれか一項に記載の充電制御装置。
6. 前記蓄電池への入力電力を予め定められた上限値以下に制限する入力電力制限部
   をさらに備え、
   前記複数の閾値電圧は、前記上限値の入力電力に対して定まる端子電圧より大きい
   請求項１から５のいずれか一項に記載の充電制御装置。
7. 前記蓄電池に入力される電流を遮断する遮断部
   をさらに備え、
   前記遮断制御部は、前記端子電圧が前記閾値電圧を超える時間が前記遮断時間を超えた場合に、前記蓄電池に入力される電流を前記遮断部に遮断させる
   請求項１から６のいずれか一項に記載の充電制御装置。
8. 前記遮断時間決定部は、前記遮断制御部の処理にかかる時間及び前記蓄電池に入力される電流を遮断するまでに要する時間に基づいて、前記遮断時間を設定する
   請求項１から７のいずれか一項に記載の充電制御装置。
9. 前記遮断時間決定部は、前記端子電圧を検出するセンサの検出精度に基づいて、前記遮断時間を決定する
   請求項１から８のいずれか一項に記載の充電制御装置。
10. 前記遮断制御部は、前記端子電圧及びローパスフィルタが適用された前記端子電圧の少なくとも一方が前記閾値電圧を超える時間が前記遮断時間を超えた場合に、前記蓄電池に入力される電流を遮断させる
    請求項１から９のいずれか一項に記載の充電制御装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の充電制御装置を備える輸送機器。
12. コンピュータを、
    蓄電池の端子電圧を取得する電圧取得部、
    前記蓄電池への入力電力に対して定まる複数の閾値電圧のそれぞれの閾値電圧に対して、前記蓄電池に入力される電流を遮断するまでの遮断時間を決定する遮断時間決定部、
    前記電圧取得部で検出された端子電圧が前記閾値電圧を超える時間が前記遮断時間を超えた場合に、前記蓄電池に入力される電流を遮断させる遮断制御部
    として機能させるためのプログラム。

Images