JP6225664B2

JP6225664B2 - 電池制御システム

Info

Publication number: JP6225664B2
Application number: JP2013240657A
Authority: JP
Inventors: 行成加藤; 昇中野; 下井田　良雄; 良雄下井田; 泰仁宮崎; 智也久保田; 治之齊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: JP2015104147A

Description

本発明は、二次電池の充電制御を行う電池制御システムに関するものである。

バッテリの充電状態及び当該バッテリに接続された電気負荷の状態に基づいて、各バッテリの最大充電可能電力を演算し、当該最大充電可能電力が最も大きいバッテリに対して充電を行うことにより、電気エネルギーとして回生される運動エネルギーを可及的に増加させる技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−１６５５８９号公報

上記の技術では、充電前にバッテリが行った放電の状況（放電時間や放電量等）が考慮されておらず、当該放電の状況によってはバッテリの電解液が分解し、当該バッテリが劣化してしまう場合がある、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、二次電池の劣化を抑制することができる電池制御システムを提供することである。

本発明は、二次電池が連続して放電した放電時間又は放電量を計測し、当該放電時間又は放電量が第１の閾値を超えている場合に、当該二次電池を充電する制御を行うことにより上記課題を解決する。

本発明によれば、二次電池の放電時間又は放電量が第１の閾値を超えている場合に当該二次電池を充電する制御を行うため、連続放電による電解液の分解によって当該二次電池が劣化するのを抑制することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における電池制御システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１実施形態における電池制御システムの制御を示すフローチャートである。図３は、本発明の第１実施形態において、充電許容最大値を算出するためのマップの一例を示す図である。図４は、本発明の第１実施形態において、必要充電量を演算するためのマップの一例を示す図である。図５は、本発明の第１実施形態における電池制御システムを搭載した車両の車速と回生電力の関係の一例を表す図である。図６は、本発明の電池制御システムによる制御を示す説明図である。図７は、本発明の第１実施形態における電池制御システムの変形例を示すブロック図である。図８は、本発明の第１実施形態における電池制御システムの変形例において、必要充電量を演算するためのマップの一例を示す図である。図９は、本発明の第２実施形態における電池制御システムを示すブロック図である。図１０は、本発明の第２実施形態における電池制御システムの制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

<<第１実施形態>>
図１は、本実施形態における電池制御システムを示すブロック図である。なお、以下においては、本実施形態に係る電池制御システムが、電気車両（ハイブリッド車やＥＶ）用として用いられる場合を例示して説明するが、特にこれに限定されるものではない。

本実施形態における電池制御システム１は、図１に示すように、バッテリ２と、バッテリコントローラ３と、モータ４と、回生演算装置５と、を備えている。

バッテリ２は、リチウムイオン電池等の二次電池であり、図１に示すように、バッテリコントローラ３に接続されている。また、このバッテリ２の電気エネルギーは、特に図示しないインバータによって直流から交流に変換され、モータ４を駆動させる。また、走行の際にモータ４で発生した回生エネルギーを、当該インバータにより交流から直流に変換した後、バッテリ２に充電することが可能となっている。なお、本実施形態におけるバッテリ２が本発明の二次電池の一例に相当する。

バッテリコントローラ３は、バッテリ２に対する充電をコントロールするための装置であり、電流電圧測定部３１と、放電時間計測部３２と、温度測定部３３と、演算部３４と、制御部３５と、を備えている。

電流電圧測定部３１は、バッテリ２の端子に流れる電流及び当該バッテリ２の端子電圧を測定する機能を有しており、当該電流電圧測定部３１で測定された結果は演算部３４に送出される。本実施形態における電流電圧測定部３１が、本発明の電圧測定手段の一例に相当する。

放電時間計測部３２は、バッテリ２が連続して放電した時間（以下、単に放電時間とも称する。）を計測する機能を有しており、当該計測による結果を演算部３４及び制御部３５に送出する。

温度測定部３３は、バッテリ２の温度を測定する機能を有しており、当該温度測定部３３による測定結果は演算部３４に送出される。本実施形態における温度測定部３３が、本発明の温度測定手段の一例に相当する。

演算部３４は、電流電圧測定部３１が測定したバッテリ２の端子電圧及び温度測定部３３が測定したバッテリ２の温度に基づいて、当該バッテリ２の充電許容最大値を算出する。なお、この充電許容最大値とは、バッテリ２が許容する充電電力の最大値であり、当該最大値を超える電力で繰り返し充電した場合には、当該バッテリ２の容量や抵抗の劣化（以下、単に劣化とも称する。）が進行するおそれが生じる。

また、この演算部３４は、電流電圧測定部３１が測定したバッテリ２の端子電圧、及び放電時間計測部３２が計測した放電時間に基づいて、バッテリ２に対する必要充電量を演算する。この必要充電量とは、バッテリ２の劣化抑制の観点から必要となる当該バッテリ２への充電量の最低値であり、具体的には、連続放電後におけるバッテリ２の電解液の緩和を促し、当該電解液の分解を抑制することができる充電量である。この必要充電量を充電することなくバッテリ２が連続放電を行った場合には、当該バッテリ２の電解液が分解し、劣化が進行するおそれが生じる。

制御部３５は、ＲＯＭ等に格納されたプログラムをＣＰＵにより実行する機能を有しておりであり、例えばコンピュータ等から構成される。制御部３５は、バッテリ２の放電時間が、予め設定した所定値（以下、第１の閾値とも称する。）超えている場合に、モータ４の回生電力（充電電力）により必要充電量の電力量をバッテリ２に供給するよう制御する。この際、制御部３５は、演算部３４が演算したバッテリ２の充電許容最大値を超える電力がバッテリ２に供給されないよう、モータ４からバッテリ２に供給される回生電力（充電電力）を制御する。

回生演算装置５は、モータ４によって回生可能な電力（以下、回生可能電力とも称する。）と、回生可能な電力量（以下、回生可能電力量とも称する。）を演算する装置である。回生演算装置５による演算の結果は制御部３５に送出され、制御部３５は、当該演算の結果に基づいて上記の制御を行う。本実施形態における回生演算装置５、及び上述の演算部３４が、本発明の演算手段の一例に相当する。

次に、本実施形態における電池制御システム１が行う制御について説明する。

図２は本実施形態における電池制御システムの制御を示すフローチャートであり、図３は本実施形態において充電許容最大値を算出するためのマップの一例を示す図であり、図４は本実施形態において必要充電量を演算するためのマップの一例を示す図であり、図５は本実施形態における電池制御システムを搭載した車両の車速と回生電力の関係の一例を表す図であり、図６は本実施形態における電池制御システムによる制御を示す説明図である。

まず、図２に示すステップＳ０１では、演算部３４において、電流電圧測定部３１及び温度測定部３３がそれぞれ測定したバッテリ２の電圧及び温度に基づき、バッテリ２の充電許容最大値を算出する。この算出は、図３に示すようなマップを予め作成し、当該マップを参照することにより行う。

このマップは、温度及び端子電圧の条件が異なる所定容量のバッテリを用意し、当該バッテリに対して所定回数充放電した際に、当該バッテリの劣化が進行する充放電電力を求めることにより作成する。図３に示す例では、温度が１０℃〜１００［℃］、端子電圧が１０〜１００［Ｖ］となる計１００通りの条件下に置かれた所定容量の各バッテリについて、繰り返し充放電を行った場合に劣化の進行が認められる充放電電力をそれぞれ求めている。バッテリの劣化の進行有無の判断は、例えば、所定回数充放電を繰り返した後の当該バッテリにおける内部抵抗値の上昇率に基づいて行うことができる。なお、バッテリの温度又は端子電圧の一方のみと、充電許容最大値との関係を求めたマップを作成し、当該マップを参照することとしてもよい。

因みに、図３に示すマップでは、バッテリ温度を固定した場合、端子電圧が小さくなるに従って充電許容最大値は大きくなる傾向にある。例えば、バッテリ温度を１００［℃］とした場合における充電許容最大値の傾向は、Ａ_１００，_１００＜Ａ_９０，_１００＜・・・＜Ａ_１０，_１００となる。また、端子電圧を固定した場合は、バッテリ温度が小さくなるに従って充電許容最大値は小さくなる傾向にある。例えば、端子電圧を１００［Ｖ］とした場合における充電許容最大値の傾向は、Ａ_１００，_１００＞Ａ_１００，_９０＞・・・＞Ａ_１００，_１０となる。

次いで、ステップＳ０２では、放電時間計測部３２がバッテリ２の放電時間の計測を行う。そして、ステップＳ０３において当該放電時間が所定値（第１の閾値）を超えている場合には、ステップＳ０４へ進む。放電時間が第１の閾値以下である場合には、所定時間待機後にステップＳ０１へ戻る。第１の閾値は、例えば、１０〜６０［ｓ］として設定することができる。なお、本実施形態における第１の閾値が、本発明の第１の閾値の一例に相当する。

ステップＳ０４では、演算部３４において、電流電圧測定部３１で測定したバッテリ２の端子電圧、放電時間計測部３２で計測した放電時間、及び温度測定部３３で測定したバッテリ２の温度に基づいて、バッテリ２に対する必要充電量の演算を行う。

具体的には、図４に示すようなマップを予め作成し、当該マップを参照することにより必要充電量を求める。図４において最も手前側のマップは、温度Ｔ_１において、放電時間が１０〜６０［ｓ］、当該放電後の端子電圧が１０〜１００［Ｖ］の各条件下に置かれた所定容量のバッテリを用意し、所定回数充放電を行った際に各バッテリの劣化の進行を抑制することができる充放電量の最低値を求めて作成したものである。バッテリの劣化の進行有無の判断は、例えば、所定回数充放電を繰り返した後の当該バッテリにおける内部抵抗値の上昇率に基づいて行うことができる。異なる温度（Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４等）についても同様にしてマップを作成し、当該マップを参照することにより、各温度におけるバッテリ２に対する必要充電量の演算を行う。図４に示すマップ、及び図８に示すマップ（後述）が、本発明のマップの一例に相当する。

なお、図４に示すマップでは、放電時間を固定した場合、端子電圧が小さくなるに従って必要充電量は大きくなる傾向にある。例えば、温度Ｔ_１において放電時間を１０［ｓ］とした場合における必要充電量の傾向は、Ｂ_１００，_１０＜Ｂ_９０，_１０＜・・・＜Ｂ_１０，_１０となる。また、端子電圧を固定した場合は、放電時間が大きくなるに従って必要充電量も大きくなる傾向にある。例えば、温度Ｔ_１において端子電圧を１００［Ｖ］とした場合における必要充電量の傾向は、Ｂ_１００，_１０＜Ｂ_１００，_２０＜・・・＜Ｂ_１００，_６０となる。

次いで、ステップＳ０５では、回生演算装置５において、モータ４による回生可能電力及び回生可能電力量の演算を行う。具体的には、例えば図５に示す関係から、回生制動による回生可能電力を求める。また、図５の横軸は本実施形態の電池制御システム１を備えた車両の速度であり、縦軸はその速度でコースト回生を開始したときの回生電力の大きさであるため、グラフの面積が回生可能電力量に該当する。

次いで、ステップＳ０６では、制御部３５において、必要充電量と回生可能電力量の比較を行い、回生可能電力量が必要充電量よりも小さい場合には（ステップＳ０６において「Ｎｏ」の場合）、前述のステップＳ０５に戻り、モータ４による回生可能電力量が必要充電量以上となるまで待機する。

一方、回生可能電力量が必要充電量以上である場合には（ステップＳ０６において「Ｙｅｓ」の場合）、制御部３５は、ステップＳ０７として、少なくとも必要充電量がバッテリ２に充電されるようモータ４による回生電力量を制御する（図６参照）。また、制御部３５は、バッテリ２の充電中において、回生可能電力がバッテリ２の充電許容最大値を超えている場合には、当該バッテリ２に供給される電力が充電許容最大値以下となるよう制御する。具体的には、モータ４の回生電力の一部を、特に図示しないヒーター等を用いて熱エネルギーとして放出する等により、当該モータ４の回生電力（充電電力）をバッテリ２の充電許容最大値以下にする。ステップＳ０７において必要充電量がバッテリ２に充電されると、制御は終了する。

次に、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態では、バッテリ２の放電時間が第１の閾値を超えている場合に、バッテリ２を充電するよう制御部３５が制御を行う。これにより、バッテリ２が連続して放電され続けることによって電解液が分解するのを防ぐことができるため、当該バッテリ２の劣化を抑制することができる。また、バッテリ２を一定時間連続して放電した場合において、電解液中のイオンの移動速度が低下することによる当該バッテリ２の出力低下も抑制することができる。

また、本実施形態では、演算部３４においてバッテリ２に対する必要充電量を演算し、モータ４の回生電力（充電電力）によりバッテリ２に少なくとも必要充電量が充電されるよう制御部３５が制御を行う。これにより、バッテリ２の電解液の緩和を促すことができるため、当該バッテリ２の劣化をさらに抑制することができる。

また、制御部３５は、バッテリ２の充電時において、当該バッテリ２に供給される電力が充電許容最大値以下となるよう制御を行う。これにより、充電時において、劣化が進行する電力がバッテリ２に供給されるのを防ぐことができるため、当該バッテリ２の劣化をさらに抑制することができる。

なお、本実施形態では、バッテリ２の放電時間が第１の閾値を超えている場合に制御（図２におけるステップＳ０４以後の制御）を行っているが、特にこれに限定されない。例えば、バッテリ２の放電時間に代えて、バッテリ２が連続して放電した放電量について第１の閾値を設定し、当該放電量が第１の閾値を超えている場合に、制御（図２におけるステップＳ０４以後の制御）を行うこととしてもよい。

この場合には、図７に示すように、放電時間計測部３２に代えて放電量計測部３２１を設け、当該放電量計測部３２１において計測したバッテリ２の放電量と、電流電圧測定部３１で測定したバッテリ２の端子電圧に基づいて、演算部３４が当該バッテリ２に対する必要充電量の演算を行う。この際、必要充電量の演算は、図８に示すようなマップを予め作成し、当該マップを参照することにより行う。このマップは、放電量が１０〜６０［Ａｈ］、当該放電後の端子電圧が１０〜１００［Ｖ］の各条件下に置かれた所定容量のバッテリを用意し、各バッテリに対して所定回数繰り返して充放電を行った際に、当該バッテリの劣化の進行を抑制することができる充放電量の最低値を求めて作成したものである。本例における放電量計測部３２１及び上述の放電時間計測部３２が、本発明の計測手段の一例に相当する。

なお、図８に示すマップでは、放電量を固定した場合、端子電圧が小さくなるに従って必要充電量は大きくなる傾向にある。例えば、温度Ｔ_１において放電量を１０［Ａｈ］とした場合における必要充電量の傾向は、Ｃ_１００，_１０＜Ｃ_９０，_１０＜・・・＜Ｃ_１０，_１０となる。また、端子電圧を固定した場合は、放電量が大きくなるに従って必要充電量も大きくなる傾向にある。例えば、温度Ｔ_１において端子電圧を１００［Ｖ］とした場合における必要充電量の傾向は、Ｃ_１００，_１０＜Ｃ_１００，_２０＜・・・＜Ｃ_１００，_６０となる。

因みに、放電時間計測部３２と放電量計測部３２１の両方をバッテリコントローラ３に設けてもよい。この場合には、図４に示すマップにおける値と、図８に示すマップにおける値のうち、小さい方の値を必要充電量として採用する。例えば、温度Ｔ_１において、バッテリ２の端子電圧が１００Ｖであり、放電時間が１０ｓ、放電量が１０Ａｈの場合には、Ｂ_{１００，１０}（Ｗｈ）とＣ_{１００，１０}（Ｗｈ）のうち、小さい方の値を必要充電量として採用する。

本例においても、バッテリ２の放電量又は放電時間が第１の閾値を超えている場合の制御により、充電許容最大値以下の電力を用いてバッテリ２に必要充電量を充電することができるため、当該バッテリ２の劣化を抑制することができる。また、一定時間連続して放電した場合におけるバッテリ２の出力低下も抑制することができる。

<<第２実施形態>>
図９は本発明の第２実施形態における電池制御システム１Ｂのブロック図であり、図１０は第２実施形態における電池制御システム１Ｂの制御を示すフローチャートである。第２実施形態における電池制御システム１Ｂは、電池貯蔵装置６を備えていること以外は、上述した第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と相違する部分についてのみ説明し、第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

電力貯蔵装置６は、リチウムイオン電池等の二次電池やキャパシタ等から構成され、当該電力貯蔵装置６が貯蔵した電力を放電することによりバッテリ２を充電することが可能となっている。また、この電力貯蔵装置６は、モータ４で発生し、インバータ（不図示）によって交流から直流に変換された回生電力を貯蔵することが可能となっている。

本実施形態における電池制御システム１Ｂが行う制御では、図１０に示すように、ステップＳ０６として制御部３５が必要充電量と回生可能電力量の比較を行い、回生可能電力量が必要充電量以上である場合には（ステップＳ０６において「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ０７Ｂへ進む。

ステップＳ０７Ｂにおいて、制御部３５は、少なくとも必要充電量がバッテリ２に充電されるようモータ４の回生電力量を制御する。この際、モータ４の回生可能電力量と必要充電量との差に相当する回生電力量（充電電力量）を、電力貯蔵装置６に充電して貯蔵する制御を行う。これにより、モータ４により発生した回生電力を効率よく利用することができる。

一方、ステップＳ０６において、回生可能電力量が必要充電量よりも小さい場合には（ステップＳ０６において「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ０８へと進む。

ステップＳ０８では、モータ４の回生電力と電力貯蔵装置６の放電電力の両方による充電により、バッテリ２に必要充電量を充電するよう制御を行う。この場合において、制御部３５は、電力貯蔵手段６の放電電力よりも、モータ４による回生電力を優先して充電するよう制御する。つまり、回生可能電力量が必要充電量に対して不足する分を、電力貯蔵装置６が貯蔵する電力で補うことにより、バッテリ２に必要充電量が充電されるよう制御部３５は制御する。

これにより、モータ４による回生可能電力量が必要充電量よりも小さい場合においても（図６参照）、電力貯蔵装置６の電力を用いてバッテリ２に必要充電量を充電し、電解液の緩和を十分に促すことができるため、当該バッテリ２の劣化をより抑制することができる。なお、電力貯蔵装置６の電力をバッテリ２に充電する際の充電速度は、遅い方が好ましく、この場合において、バッテリ２の劣化抑制効果がさらに向上する。

また、モータ４による回生電力を優先して充電する制御により、電力貯蔵装置６における電力の貯蔵量の減少を最小限に抑えることができ、当該電力貯蔵装置６の電力を効率よく利用することができる。

また、本実施形態においても、バッテリ２の放電時間が第１の閾値を超えている場合に上記の制御を行う。これにより、連続放電され続けることによるバッテリ２の劣化を一層抑制することができると共に、当該バッテリ２の出力低下も抑制することができる。

また、本実施形態においても、バッテリ２の充電時において、当該バッテリ２に供給される電力を充電許容最大値以下となるよう制御部３５が制御を行う。これにより、バッテリ２の劣化をさらに抑制することができる。

なお、本実施形態においても、第１実施形態で述べたのと同様に、放電時間計測部３２に代えて放電量計測部３２１を設けてもよい。この場合においても、上記と同様の効果を奏することができる。

なお、以上に説明した実施形態は、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。

例えば、バッテリコントローラ内にバッテリ２の劣化状態（ＳＯＨ）を検出する劣化状態検出部を設け、図２におけるステップＳ０２において、バッテリ２の劣化状態に基づく演算をさらに行うことによって必要充電量を求めてもよい。この場合には、バッテリ２の劣化状態に応じてより適切な必要充電量を演算できるため、当該バッテリ２の劣化をさらに抑制することができる。

また、例えば、上記の場合において、劣化が進行したバッテリについては、図２のステップＳ０２における第１の閾値を、当該第１の閾値よりも低い値である第２の閾値に変更する制御を行ってもよい。この場合には、当該バッテリに対する充電制御がより高頻度で行われることとなり、当該バッテリの劣化の進行を効果的に抑制することができる。

１、１Ｂ・・・電池制御システム
２・・・バッテリ
３・・・バッテリコントローラ
３１・・・電流電圧測定部
３２・・・放電時間計測部
３２１・・・放電量計測部
３３・・・温度測定部
３４・・・演算部
３５・・・制御部
４・・・モータ
５・・・回生演算装置
６・・・電力貯蔵装置

Claims

二次電池の充電制御を行う電池制御システムであって、
前記二次電池が連続して放電した放電時間又は放電量を計測する計測手段と、
前記二次電池の放電時間又は放電量に基づいて、前記二次電池の必要充電量を演算する演算手段と、
前記二次電池の端子電圧を測定する電圧測定手段と、
前記二次電池の温度を測定する温度測定手段と、
前記二次電池を充電する充電手段と、
前記二次電池の放電時間又は放電量が第１の閾値を超えている場合に、前記充電手段により前記二次電池を充電する制御を行う制御手段と、を備え、
前記充電手段は、充電電力を発生させる回生手段を含み、
前記演算手段は、
前記二次電池の端子電圧及び前記温度の少なくとも一方に基づいて、前記二次電池が許容しうる充電許容最大値と、
前記回生手段によって回生可能な回生可能電力値と、を演算し、
前記制御手段は、前記二次電池の放電時間又は放電量が前記第１の閾値を超えている場合に、前記充電手段により前記必要充電量を前記二次電池に充電する制御を行い、前記回生可能電力値が前記充電許容最大値を超えている場合に、前記回生手段から前記二次電池に供給される充電電力を、前記充電許容最大値以下にする制御を行うことを特徴とする電池制御システム。
二次電池の充電制御を行う電池制御システムであって、
前記二次電池が連続して放電した放電時間又は放電量を計測する計測手段と、
前記二次電池の放電時間又は放電量に基づいて、前記二次電池の必要充電量を演算する演算手段と、
前記二次電池を充電する充電手段と、
前記二次電池の放電時間又は放電量が第１の閾値を超えている場合に、前記充電手段により前記二次電池を充電する制御を行う制御手段と、を備え、
前記充電手段は、貯蔵した電力の放電により前記二次電池を充電することが可能な電力貯蔵手段と、充電電力を発生させる回生手段を含み、
前記演算手段は、前記回生手段によって回生可能な回生可能電力量を演算し、
前記制御手段は、前記二次電池の放電時間又は放電量が前記第１の閾値を超えている場合に、前記充電手段により前記必要充電量を前記二次電池に充電する制御を行い、前記回生可能電力量が前記必要充電量を超えている場合に、前記回生手段による充電電力量のうち前記必要充電量を超えた分を、前記電力貯蔵手段に充電して貯蔵する制御を行うことを特徴とする電池制御システム。