JP6354822B2 - 車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両に搭載されるリチウムイオンバッテリを、冷間時に予熱させるような車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法に関する。

自動車などの車両において、近年、オーディオなどの装置を駆動させるための電力を減速エネルギーから得る回生システムを搭載した車両、あるいは電気モータを駆動力として用いたハイブリッド車や電気自動車が増加している。
このような車両では、従来の鉛蓄電池に加えて、減速エネルギーを電力に変換する発電機や、車輪を回転駆動させるための駆動力を発生する電気モータに接続されたリチウムイオン二次電池が、車載バッテリとして搭載されている。

このリチウムイオン二次電池は、従来の鉛蓄電池に比べて、高出力で、かつ充電効率が優れているという特徴がある一方で、例えば外気温度が０℃以下のような冷間時には、その出力特性が極端に低下するという特徴がある。このため、冷間時に乗員が車両を始動させる際、リチウムイオン二次電池の電力を使用する車載装置が安定して動作せず、車両としての始動性が低下するという問題があった。

そこで、冷間時におけるリチウムイオン二次電池の出力特性を改善する様々な技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、複数のバッテリモジュールが直列接続された車載バッテリ（バッテリパック）の温度が一定温度未満の場合、バッテリモジュールの充電率を均衡した状態から不均衡の状態に移行させることで、バッテリモジュールを予熱するバッテリ予熱システムが記載されている。

より詳しくは、特許文献１のバッテリ予熱システムは、車載バッテリの温度が第１基準温度未満の場合、バッテリモジュールの一部を強制放電し、第１基準温度よりも高い第２基準温度に車載バッテリの温度が達すると強制放電を停止する。
その後、特許文献１のバッテリ予熱システムは、例えば、充電率の高いバッテリモジュールを放電して、バッテリモジュールの充電率をバランシングすることで、車載バッテリを予熱している。

しかしながら、特許文献１のバッテリ予熱システムでは、車載バッテリの温度が低下して再び第１基準温度未満になると、強制放電とバランシングとが行われることになる。このため、特許文献１では、例えば、冬季の夜間など外気温度が低い環境に車両を長時間放置した場合、一晩の間に強制放電とバランシングとを繰返し行うことになる。

このように、特許文献１のバッテリ予熱システムでは、過剰な充放電が繰り返されるため、充電率が低下し易く、かつ車載バッテリの寿命が著しく低下するおそれがあった。

特表２０１６−５２４７８６号公報

本発明は、上述の問題に鑑み、過剰な充放電による寿命低下を抑制して車載バッテリを予熱できるとともに、安定した車載バッテリの出力特性を得られる車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法を提供することを目的とする。

この発明は、車両に搭載される車載バッテリと、該車載バッテリの充放電を制御する充放電制御部とを備えた車載バッテリの制御装置であって、前記車載バッテリが、複数のセルが直列接続された第１セル群と、該第１セル群と同数のセルが直列接続された第２セル群とで構成され、前記充放電制御部が、直列接続された前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を、並列接続に切換える複数のスイッチを有する直並列切換回路と、前記第２セル群の各セルに１次コイルが電気的に接続されるとともに、前記第１セル群の負極に２次コイルの一端が電気的に接続され、前記第２セル群の正極に前記２次コイルの他端が電気的に接続されたトランスを有するセルバランシング回路と、前記車両の状態が使用状態でない場合、前記セルバランシング回路によって、前記第１セル群の充電率と前記第２セル群の充電率との差を所定の差にするバランシング手段と、前記車両の状態が使用状態に移行する際、前記直並列切換回路によって、前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を並列接続に切換える第１接続切換え手段と、前記第１セル群の充電率、及び前記第２セル群の充電率が等しい場合、前記直並列切換回路によって、前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を直列接続に切換える第２接続切換え手段とを備えたことを特徴とする。

またこの発明は、車両に搭載される車載バッテリと、該車載バッテリの充放電を制御する充放電制御部とを備えた制御装置を用いた車載バッテリの制御方法であって、前記車両の状態が使用状態でない場合、複数のセルが直列接続された第１セル群、及び該第１セル群と同数のセルが直列接続された第２セル群で構成された前記車載バッテリにおける前記第１セル群の充電率と前記第２セル群の充電率との差を、前記第２セル群の各セルに１次コイルが電気的に接続されるとともに、前記第１セル群の負極に２次コイルの一端が電気的に接続され、前記第２セル群の正極に前記２次コイルの他端が電気的に接続されたトランスを有するセルバランシング回路によって、所定の差にするバランシング工程と、前記車両の状態が使用状態に移行する際、直並列切換回路によって、直列接続された前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を並列接続に切換える第１接続切換え工程と、前記第１セル群の充電率、及び前記第２セル群の充電率が等しい場合、前記直並列切換回路によって、前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を直列接続に切換える第２接続切換え工程とを備えたことを特徴とする。

上記スイッチは、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチなどとすることができる。
上記車両の状態が使用状態とは、エンジンが回転駆動している状態、電気自動車の電気モータが乗員の操作によって回転駆動可能な状態など、車両が走行可能な状態のことをいう。

この発明により、過剰な充放電による寿命低下を抑制して車載バッテリを予熱できるとともに、安定した車載バッテリの出力特性を得ることができる。
具体的には、一般的に、セルバランシング回路は、第１セル群の充電率と第２セル群の充電率とが不均衡の状態において、充電率を均衡させるために用いられることが多い。

これに対して、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、第１セル群の充電率と第２セル群の充電率とが均衡した状態において、セルバランシング回路を動作させることで、セルバランシング回路を動作させる前に比べて、１次コイルが接続された第２セル群の充電率を低くし、第１セル群の充電率を高くすることができる。

つまり、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、既知のセルバランシング回路を用いて、第１セル群の充電率と第２セル群の充電率とを容易に不均衡にさせることができ、充電率を不均衡にさせるための専用回路を設けることを不要にできる。

そして、車両の状態が使用状態に移行する際、第１セル群、及び第２セル群を並列接続にすることで、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、充電率の高い第１セル群から充電率の低い第２セル群に電流を流すことができる。

この際、第１セル群と第２セル群とが同数のセルで構成されているため、第１セル群と第２セル群との電位差は、時間経過とともに小さくなり、最終的にはその差がなくなる。このため、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、車両の状態が使用状態に移行する際、充電率の高い第１セル群から充電率の低い第２セル群への電流の流れを自動的に収束させることができる。

これにより、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、第１セル群から第２セル群への電流の流れを制御する手段を不要にすることができる。さらに、第１セル群の充電率と第２セル群の充電率とが自動的に均衡した状態となるため、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、並列接続された第１セル群、及び第２セル群の接続状態を直列接続に切換えた際、車載バッテリの出力特性が充電率の低いセル群に左右されることを防止できる。

このようにして、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、車両の状態が使用状態に移行する際に、第１セル群と第２セル群とを同時に予熱することができる。この際、第１セル群と第２セル群との間で電荷が移動することで予熱できるため、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、例えば、充電率の高いセル群を強制放電して均衡させる場合に比べて、充電率が低下することを抑制できる。

さらに、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、車両の状態が使用状態でない時間が長時間に亘っても、車両の状態が使用状態に移行するまでは、第１セル群及び第２セル群の予熱が行われることがない。

このため、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、例えば、バッテリ温度が低下する度に車載バッテリを予熱する場合に比べて、過剰な充放電を防止することができ、車載バッテリの寿命低下を防止することができる。

従って、車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法は、過剰な充放電による寿命低下を抑制して、車載バッテリを予熱できるとともに、安定した車載バッテリの出力特性を得ることができる。

本発明により、過剰な充放電による寿命低下を抑制して車載バッテリを予熱できるとともに、効率よく車載バッテリの出力特性を得られる車載バッテリの制御装置、及び車載バッテリの制御方法を提供することができる。

バッテリ制御装置における構成を示すブロック図。 バッテリ制御装置における回路構成を示す回路図。 充電率不均衡化処理の動作を示すフローチャート。 １次コイルスイッチがオン状態における電流の流れを説明する説明図。 ２次コイルスイッチがオン状態における電流の流れを説明する説明図。 予熱処理の動作を示すフローチャート。 第１セル群と第２セル群とが並列接続された回路構成を示す回路図。 経過時間に対する電流、及び充電率の変化を説明する説明図。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
なお、図１はバッテリ制御装置１における構成のブロック図を示し、図２はバッテリ制御装置１における回路構成の回路図を示している。
また、図２は、例えば、エンジンが回転駆動している車両におけるバッテリ制御装置１の回路構成を示したものであって、この回路構成の状態を初期状態とする。

本実施形態におけるバッテリ制御装置１は、車両に搭載されるリチウムイオン二次電池である車載バッテリ２を、乗員の操作によって車両が使用される際に予熱するための制御装置である。

このバッテリ制御装置１は、図１に示すように、車両に搭載された車載バッテリ２と、車載バッテリ２が電気的に接続された車載装置３と、車載バッテリ２の温度を検知するバッテリ温度センサ４と、車載バッテリ２の電圧を検知する電圧センサ５と、外気温度を検知する外気温度センサ６と、バッテリ温度センサ４、電圧センサ５、及び外気温度センサ６が電気的に接続されるとともに、車載バッテリ２の充放電を制御する制御ユニット７とで構成されている。

車載バッテリ２は、図１に示すように、リチウムイオン二次電池であって、同じ出力特性を有する４個のセルＣ１，Ｃ２で構成されている。この４個のセルＣ１，Ｃ２は、例えば、６０％の充電率で予め蓄電されているものとする。

さらに、４個のセルＣ１，Ｃ２は、図１及び図２に示すように、２個のセルＣ１を直列接続した第１セル群２１と、２個のセルＣ２を直列接続した第２セル群２２とに分けられている。そして、第１セル群２１の正極と第２セル群２２の負極とが、後述する第１スイッチＳＷ１を介して接続されている。

車載装置３は、車載バッテリ２における第１セル群２１の負極、及び第２セル群２２の正極に電気的に接続された適宜の装置であって、例えば、車輪を回転駆動させるための駆動力を発生する電気モータ、あるいは減速時のエネルギーを電力に変換する発電機などとする。
なお、詳細な図示を省略するが、車載バッテリ２と車載装置３とを間には、制御ユニット７の指示によって動作するとともに、車載バッテリ２と車載装置３との電気的な接続を遮断する適宜のスイッチが設けられているものとする。

バッテリ温度センサ４は、車載バッテリ２の適宜の位置に装着されたセンサであって、車載バッテリ２の温度を検出する機能と、検出した温度をバッテリ温度信号として制御ユニット７に出力する機能とを有している。

電圧センサ５は、車載バッテリ２の各セルＣ１，Ｃ２に電気的に接続されたセンサであって、車載バッテリ２の各セルＣ１，Ｃ２の電圧を検出する機能と、検出した電圧を電圧信号として制御ユニット７に出力する機能とを有している。

外気温度センサ６は、車載バッテリ２の周辺温度を検知可能な位置に配置されたセンサであって、外気温度を検出する機能と、検出した外気温度を外気温度信号として制御ユニット７に出力する機能とを有している。

制御ユニット７は、図１に示すように、第１セル群２１、及び第２セル群２２の接続状態を切換える直並列切換回路７１と、第１セル群２１の充電率、及び第２セル群２２の充電率を調整するセルバランシング回路７２と、これらの動作を制御する制御部７３とで構成されている。なお、制御ユニット７は、電気的に接続された鉛蓄電池８の電力によって動作するものとする。

直並列切換回路７１は、図２に示すように、第１セル群２１の正極と第２セル群２２の負極との間に配設された第１スイッチＳＷ１、第１セル群２１の負極と第２セル群２２の負極との間に配設された第２スイッチＳＷ２、及び第１セル群２１の正極と第２セル群２２の正極との間に配設された第３スイッチＳＷ３とで構成されている。

なお、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの適宜の半導体スイッチであって、後述する制御部７３からの信号によってオンオフ動作が制御される。

より詳しくは、第１スイッチＳＷ１は、図２に示すように、一端が第１セル群２１の正極に接続され、他端が第２セル群２２の負極に接続されている。この第１スイッチＳＷ１は、初期状態において、第１セル群２１の正極と第２セル群２２の負極とが導通する状態であるオン状態となっている。

第２スイッチＳＷ２は、図２に示すように、第１スイッチＳＷ１と第２セル群２２との間に設けた接続点Ｐ１を介して、一端が第２セル群２２の負極に接続され、他端が接続点Ｐ２を介して第１セル群２１の負極に接続されている。この第２スイッチＳＷ２は、図２に示すように、初期状態において、第１セル群２１の負極と第２セル群２２の負極とが導通不可の状態であるオフ状態となっている。

第３スイッチＳＷ３は、図２に示すように、第１スイッチＳＷ１と第１セル群２１との間に設けた接続点Ｐ３を介して、一端が第１セル群２１の正極に接続され、他端が接続点Ｐ４を介して第２セル群２２の正極に接続されている。この第３スイッチＳＷ３は、図２に示すように、初期状態において、第１セル群２１の正極と第２セル群２２の正極とが導通不可の状態であるオフ状態となっている。

また、セルバランシング回路７２は、図２に示すように、トランス方式のセルバランシング回路であって、１つのトランスＴＲと、トランスＴＲの１次コイル７２ａの一端に設けた１次コイルスイッチＳＷ４と、トランスＴＲの２次コイル７２ｂの一端に設けた２次コイルスイッチＳＷ５と、図示を省略した１次コイル切換回路とで構成されている。
なお、１次コイルスイッチＳＷ４、及び２次コイルスイッチＳＷ５は、例えば、ＭＯＳＦＥＴなどの適宜の半導体スイッチであって、制御部７３からの信号によってオンオフ動作が制御される。

トランスＴＲの１次コイル７２ａは、図２に示すように、第２セル群２２における１つのセルＣ２に対して、一端が接続点Ｐ５を介して正極に接続され、他端が接続点Ｐ６を介して負極に接続されている。
なお、接続点Ｐ５，Ｐ６は、セルＣ２ごとに設けられており、１次コイル切換回路によって、トランスＴＲ、及び１次コイルスイッチＳＷ４が接続される接続点Ｐ５，Ｐ６が切換えられるものとする。

一方、トランスＴＲの２次コイル７２ｂは、図２に示すように、一端が接続点Ｐ７を介して第１セル群２１の負極に接続され、他端が接続点Ｐ８を介して第２セル群２２の正極に接続されている。

１次コイルスイッチＳＷ４は、図２に示すように、トランスＴＲの１次コイル７２ａと、セルＣ２の負極側の接続点Ｐ６との間に配設されている。この１次コイルスイッチＳＷ４は、初期状態において、接続点Ｐ６を介した１次コイル７２ａとセルＣ２の負極とが導通不可の状態であるオフ状態となっている。

２次コイルスイッチＳＷ５は、図２に示すように、トランスＴＲの２次コイル７２ｂと、第１セル群２１の負極側の接続点Ｐ７との間に配設されている。この２次コイルスイッチＳＷ５は、初期状態において、接続点Ｐ７を介した２次コイル７２ｂと第１セル群２１の負極との導通が不可の状態であるオフ状態となっている。

１次コイル切換回路は、上述したようにトランスＴＲ、及び１次コイルスイッチＳＷ４が接続される接続点Ｐ５，Ｐ６を切換える機能を有しており、制御部７３からの信号によって、その動作が制御される。

また、制御部７３は、バッテリ温度センサ４が出力したバッテリ温度信号に基づいて車載バッテリ２の温度を算出する機能と、電圧センサ５の電圧信号に基づいてセルＣ１，Ｃ２ごとの充電率、第１セル群２１の受電率、第２セル群２２の充電率、及び車載バッテリ２の充電率を算出する機能と、外気温度センサ６が出力した外気温度信号に基づいて外気温度を算出する機能とを有している。

さらに、制御部７３は、直並列切換回路７１の第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３の動作を制御する機能と、セルバランシング回路７２の１次コイルスイッチＳＷ４、２次コイルスイッチＳＷ５の動作を制御する機能、及び１次コイル切換回路の動作を制御する機能とを有している。

次に、回転駆動しているエンジンが乗員の操作によって停止するとともに、車載バッテリ２から車載装置３への電力供給が停止した際、上述した構成のバッテリ制御装置１が処理を開始する充電率不均衡化処理、及び予熱処理について、図３から図８を用いて詳しく説明する。

なお、図３は充電率不均衡化処理のフローチャートを示し、図４は１次コイルスイッチＳＷ４がオン状態における電流Ａ１の流れを説明する説明図を示し、図５は２次コイルスイッチＳＷ５がオン状態における誘導電流Ａ２の流れを説明する説明図を示している。

さらに、図６は予熱処理のフローチャートを示し、図７は第１セル群２１と第２セル群２２とが並列接続された回路構成の回路図を示し、図８は経過時間に対する電流値、及び充電率の変化を説明する説明図を示し、図８（ａ）は経過時間に対する電流値の変化のグラフを示し、図８（ｂ）は経過時間に対する充電率の変化のグラフを示している。

まず、乗員の操作によってエンジンが停止すると、車載バッテリ２と車載装置３との電気的な接続が適宜のスイッチによって遮断される。この際、制御ユニット７の直並列切換回路７１は、第１スイッチＳＷ１がオン状態で、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３がオフ状態を維持している。

一方、制御ユニット７のセルバランシング回路７２は、１次コイルスイッチＳＷ４、及び２次コイルスイッチＳＷ５がオフ状態を維持している。
このような状態において、制御ユニット７の制御部７３は、第１セル群２１の充電率と第２セル群２２の充電率とを不均衡な状態に移行させる充電率不均衡化処理を開始する。

充電率不均衡化処理を開始すると、制御部７３は、図３に示すように、温度取得処理を開始して（ステップＳ１０１）、バッテリ温度センサ４から取得したバッテリ温度信号に基づいて、車載バッテリ２の温度であるバッテリ温度Ｔを算出する。さらに、制御部７３は、外気温度センサ６から取得した外気温度信号に基づいて、現在の外気温度を算出する。

バッテリ温度Ｔ、及び外気温度を算出すると、制御部７３は、バッテリ温度Ｔが温度閾値Ｔａ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この温度閾値Ｔａは、セルＣ１，Ｃ２の容量、及び冷間時における平均的な外気温度などに基づいて予め決定された温度、あるいは車載装置３の動作に必要な最低限の出力が得られる車載バッテリ２の温度とする。

バッテリ温度Ｔが温度閾値Ｔａ以下でない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、制御部７３は、処理をステップＳ１０１に戻して、バッテリ温度Ｔが温度閾値Ｔａ以下となるまで、ステップＳ１０１、及びステップＳ１０２を繰返し行う。

一方、バッテリ温度Ｔが温度閾値Ｔａ以下の場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、制御部７３は、第１セル群２１の充電率と第２セル群２２の充電率との差分の目標値である目標差分量Ｓｔを算出する目標差分量算出処理を開始する（ステップＳ１０３）。

より詳しくは、目標差分量算出処理を開始すると、制御部７３は、車載バッテリ２の充電率、温度閾値、及び外気温度と目標差分量との関係が登録されたマップデータを読み出す。なお、マップデータは、予め制御ユニット７に記憶されているものとする。

その後、制御部７３は、車載バッテリ２の現在の充電率、ステップＳ１０２の温度閾値Ｔａ、及び外気温度に基づいて、読み出したマップデータから目標差分量Ｓｔを決定する。この際、制御部７３は、第１セル群２１における各セルＣ１の充電率に、目標差分量Ｓｔの半分の値を加算した値が、１００％を超えない範囲で目標差分量Ｓｔを決定する。

目標差分量Ｓｔを算出すると、制御部７３は、第１セル群２１の充電率を増加させ、第２セル群２２の充電率を低下させるアンバランス化処理を開始する（ステップＳ１０４）。

より詳しくは、アンバランス化処理を開始すると、制御部７３は、セルバランシング回路７２の１次コイルスイッチＳＷ４をオフ状態からオン状態にするオン信号と、セルバランシング回路７２の２次コイルスイッチＳＷ５をオフ状態からオン状態にするオン信号とを、この順番で１次コイルスイッチＳＷ４、及び２次コイルスイッチＳＷ５に対して所定時間、交互に出力する。

１次コイルスイッチＳＷ４に対して制御部７３からオン信号が出力されると、セルバランシング回路７２は、２次コイルスイッチＳＷ５がオフ状態で１次コイルスイッチＳＷ４がオン状態になる。このため、トランスＴＲの１次コイル７２ａには、図４に示すように、接続点Ｐ５を介したセルＣ２の正極から電流Ａ１が流れる。これにより、制御部７３は、セルバランシング回路７２におけるトランスＴＲのコア（図示省略）を磁化させる。

さらに、２次コイルスイッチＳＷ５に対して制御部７３からオン信号が出力されると、セルバランシング回路７２は、１次コイルスイッチＳＷ４がオフ状態になり、２次コイルスイッチＳＷ５がオン状態になる。

このため、セルバランシング回路７２には、図５に示すように、磁化したトランスＴＲのコアによって２次コイル７２ｂに誘導電流Ａ２が生じるとともに、接続点Ｐ８、第２セル群２２の正極、第１セル群２１の正極、及び接続点Ｐ７の順に誘導電流Ａ２が流れる。

１次コイルＳＷ４に対するオン信号、及び２次コイルＳＷ５に対するオン信号を所定時間交互に出力すると、制御部７３は、１次コイル切換回路を介して、トランスＴＲ、及び１次コイルスイッチＳＷ４が接続される第２セル群２２のセルＣ２を切換える。その後、制御部７３は、上述した１次コイルスイッチＳＷ４に対するオン信号と、２次コイルスイッチＳＷ５に対するオン信号とを交互に所定時間出力する。

そして、制御部７３は、上述したアンバランス化処理におけるセルバランシング回路７２の制御を、第２セル群２２の全てのセルＣ２に対して行う。この際、制御部７３は、第２セル群２２のセルＣ２ごとの充電率が均衡するように、１次コイルスイッチＳＷ４に対するオン信号と、２次コイルスイッチＳＷ５に対するオン信号とを出力する時間を制御する。

このようにして、制御部７３は、第２セル群２２の各セルＣ２を放電することで、第２セル群２２の充電率を低下させる一方で、セルバランシング回路７２の誘導電流Ａ２によって第１セル群２１の充電率を増加させる。

図３のステップＳ１０４に戻り、アンバランス化処理を終了すると、制御部７３は、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２との差が目標差分量Ｓｔ以上か否かを判定する（ステップＳ１０５）。

第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２との差が目標差分量Ｓｔ未満の場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、制御部７３は、処理をステップＳ１０４に戻して、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２との差が目標差分量Ｓｔに達するまでステップＳ１０４、及びステップＳ１０５の処理を繰り返す。

一方、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２との差が目標差分量Ｓｔ以上の場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、制御部７３は、充電率不均衡化処理を終了する。
充電率不均衡化処理を終了すると、制御部７３は、図６に示すように、乗員の操作によって車両のエンジンが始動する際、車載バッテリ２を予熱する予熱処理を開始する。

具体的には、予熱処理を開始すると、制御部７３は、図６に示すように、イグニッション信号を取得したか否かを判定する（ステップＳ１１１）。なお、イグニッション信号は、エンジンを始動させるイグニッションスイッチを乗員が押下したことを、車両に搭載された電子制御ユニット（図示省略）が検知した際、電子制御ユニットから制御ユニット７に出力された信号とする。

イグニッション信号を取得していない場合（ステップＳ１１１：Ｎｏ）、制御部７３は、イグニッション信号を取得するまで処理を待機する。
一方、イグニッション信号を取得した場合（ステップＳ１１１：Ｙｅｓ）、制御部７３は、第１セル群２１と第２セル群２２との接続状態を直列接続から並列接続に切換える並列接続切換え処理を開始する（ステップＳ１１２）。

より詳しくは、制御部７３は、直並列切換回路７１の第１スイッチＳＷ１に対して、オン状態をオフ状態にするオフ信号を出力する。さらに、制御部７３は、直並列切換回路７１の第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３に対して、オフ状態をオン状態にするオン信号を出力する。

第１スイッチＳＷ１に対してオフ信号が出力され、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３に対してオン信号が出力されると、直並列切換回路７１は、図７に示すように、第３スイッチＳＷ３を介して、第１セル群２１の正極と第２セル群２２の正極とが導通可能に接続され、第２スイッチＳＷ２を介して、第１セル群２１の負極と第２セル群２２の負極とが導通可能に接続された状態に移行する。

すなわち、第１セル群２１と第２セル群２２との接続状態が、第１スイッチＳＷ１を介した直列接続から、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３を介した並列接続に切換えられる。
この際、車載バッテリ２は、車載装置３と導通可能に接続されておらず、かつ第１セル群２１の充電率Ｓ１に対して第２セル群２２の充電率Ｓ２が低い状態にある。

このため、第１セル群２１と第２セル群２２との間には、図７に示すように、第１セル群２１の正極から接続点Ｐ３、及び第３スイッチＳＷ３を介して、第２セル群２２の正極へ向かう流れの電流Ａ３と、第２セル群２２の負極から接続点Ｐ１、及び第１スイッチＳＷ１を介して第１セル群２１の負極へ向かう流れの電流Ａ４とが生じる。つまり、第１セル群２１と第２セル群２２との間における電流の流れは、第１セル群２１が第２セル群２２を充電する流れとなる。

ここで、第１セル群２１と第２セル群２２との接続状態が並列接続に切換えられてからの経過時間に対する電流、及び充電率の変化について図８を用いて説明する。
第１セル群２１におけるセルＣ１の数と、第２セル群２２におけるセルＣ２の数が同数のため、第１セル群２１と第２セル群２２とが並列接続されると、第１セル群２１と第２セル群２２との電位差が、時間経過とともに小さくなり、最終的にはその差がなくなる。

このため、第１セル群２１から第２セル群２２へ流れる電流Ａ３の値、及び第２セル群２２から第１セル群２１へ流れる電流Ａ４の値は、図８（ａ）に示すように、並列接続に切換えてからの時間経過に対して、電流値０Ａに収束するように変化する。

このように電流Ａ３の値、及び電流Ａ４の値が変化するため、第１セル群２１の充電率Ｓ１が、図８（ｂ）に示すように、並列接続に切換えてからの時間経過とともに低下し、第２セル群２２の充電率Ｓ２が、図８（ｂ）に示すように、並列接続に切換えてからの時間経過とともに増加する。

この際、第１セル群２１の充電率Ｓ１、及び第２セル群２２の充電率Ｓ２は、図８（ｂ）に示すように、並列切換え処理を開始した際の第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２の略中間値である充電率Ｘに収束するように変化する。

図６のステップＳ１１２に戻り、並列接続切換え処理を完了すると、制御部７３は、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２とが等しくなったか否かを判定する（ステップＳ１１３）。
第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２とが等しくなければ（ステップＳ１１３：Ｎｏ）、制御部７３は、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２とが等しくなるまで処理を待機する。

一方、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２とが等しくなれば（ステップＳ１１３：Ｙｅｓ）、制御部７３は、第１セル群２１と第２セル群２２との接続状態を、並列接続から直列接続に切換える直列接続処理を開始する（ステップＳ１１４）。

より詳しくは、制御部７３は、直並列切換回路７１の第１スイッチＳＷ１に対するオン信号の出力を停止し、直並列切換回路７１の第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３に対するオフ信号の出力を停止する。

このため、直並列切換回路７１は、図２に示すように、第１セル群２１と第２セル群２２との接続状態が、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３を介した並列接続から、第１スイッチＳＷ１を介した直列接続に切換えられる。すなわち、直並列切換回路７１は、第１セル群２１の正極と第２セル群２２の負極とが、第１スイッチＳＷ１を介して導通可能に接続された初期状態に戻る。

その後、制御部７３は、車載バッテリ２と車載装置３との間に設けた適宜のスイッチに対して、車載バッテリ２と車載装置３とを導通可能に接続するオン信号を出力したのち、予熱処理を終了する。

このようにして、バッテリ制御装置１は、例えば、乗員の操作によってエンジンが停止した車両が、冬季の夜間など外気温度が低い環境に長時間放置された際、車載バッテリ２における第１セル群２１の充電率と、第２セル群２２の充電率とを不均衡に状態にする。

そして、バッテリ制御装置１は、乗員の操作によって車両のエンジンが始動する際、第１セル群２１と第２セル群２２とを並列接続にして、第１セル群２１、及び第２セル群２２の間で電荷移動を生じさせることで、車載バッテリ２を予熱する。

引き続き、上述した構成のバッテリ制御装置１において、充電率不均衡化処理、及び予熱処理が行われる前後での、バッテリ温度の変化、及び各セルＣ１，Ｃ２の出力の変化について表１を用いて説明する。

例えば、表１に示すように、充電率不均衡化処理前、例えば、冬季の夜間など外気温度が低い環境に車両を長時間放置された状態において、車載バッテリ２における第１セル群２１の各セルＣ１、及び第２セル群２２の各セルＣ２の充電率がいずれも６０％であって、バッテリ温度が−２０℃の際の各セルＣ１，Ｃ２の出力が５４０Ｗであったとする。

そして、制御ユニット７によって図３の充電率不均衡化処理が行われると、表１に示すように、充電率不均衡化処理後の第１セル群２１における各セルＣ１の充電率が１００％に変化し、第２セル群２２における各セルＣ２の充電率が１６％に変化した。
なお、第１セル群２１における充電率の変化代と、第２セル群２２における充電率の変化代が異なるのは、セルバランシング回路７２の内部抵抗などによる損失によるものである。

その後、乗員の操作によって車両が使用される際、制御ユニット７によって図６の予熱処理が行われると、表１に示すように、第１セル群２１における各セルＣ１の充電率が１００％から５８％に低下し、第２セル群２２における各セルＣ２の充電率が１６％から５８％に増加した。

これにより、車載バッテリ２のバッテリ温度が、表１に示すように、充電率不均衡化処理前の−２０℃から−１４℃に上昇したことが確認された。さらに、第１セル群２１における各セルＣ１の出力、及び第２セル群２２における各セルＣ２の出力が、表１に示すように、充電率不均衡化処理前の５４０Ｗから６０２Ｗに上昇し、バッテリ温度が−２０℃の場合に比べて約１０％の出力向上が得られることが確認された。

以上のような動作を実現するバッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、過剰な充放電による寿命低下を抑制して車載バッテリ２を予熱できるとともに、安定した車載バッテリ２の出力特性を得ることができる。
具体的には、一般的に、セルバランシング回路７２は、第１セル群２１の充電率と第２セル群２２の充電率とが不均衡の状態において、充電率を均衡させるために用いられることが多い。

これに対して、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、例えば、第１セル群２１の充電率と第２セル群２２の充電率とが均衡した状態において、セルバランシング回路７２を動作させることで、セルバランシング回路７２を動作させる前に比べて、１次コイル７２ａが接続された第２セル群２２の充電率を低くし、第１セル群２１の充電率を高くすることができる。

つまり、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、既知のセルバランシング回路７２を用いて、第１セル群２１の充電率と第２セル群２２の充電率とを容易に不均衡にさせることができ、充電率を不均衡にさせるための専用回路を設けることを不要にできる。

そして、車両の状態が使用状態に移行する際、第１セル群２１、及び第２セル群２２を並列接続にすることで、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、充電率の高い第１セル群２１から充電率の低い第２セル群２２に電流を流すことができる。

この際、第１セル群２１と第２セル群２２とが同数のセルで構成されているため、第１セル群２１と第２セル群２２との電位差は、時間経過とともに小さくなり、最終的にはその差がなくなる。このため、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、車両の状態が使用状態に移行する際、充電率の高い第１セル群２１から充電率の低い第２セル群２２への電流の流れを自動的に収束させることができる。

これにより、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、第１セル群２１から第２セル群２２への電流の流れを制御する手段を不要にすることができる。さらに、第１セル群２１の充電率Ｓ１と第２セル群２２の充電率Ｓ２とが自動的に均衡した状態となるため、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、並列接続された第１セル群２１、及び第２セル群２２の接続状態を直列接続に切換えた際、車載バッテリ２の出力特性が充電率の低いセル群に左右されることを防止できる。

このようにして、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、車両の状態が使用状態に移行する際に、第１セル群２１と第２セル群２２とを同時に予熱することができる。この際、第１セル群２１と第２セル群２２との間で電荷が移動することで予熱できるため、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、例えば、充電率の高いセル群を強制放電して均衡させる場合に比べて、充電率が低下することを抑制できる。

さらに、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、車両の状態が使用状態でない時間が長時間に亘っても、車両の状態が使用状態に移行するまでは、第１セル群２１及び第２セル群２２の予熱が行われることがない。

このため、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、例えば、バッテリ温度が低下する度に車載バッテリ２を予熱する場合に比べて、過剰な充放電を防止することができ、車載バッテリ２の寿命低下を防止することができる。

従って、バッテリ制御装置１、及び車載バッテリ２の制御方法は、過剰な充放電による寿命低下を抑制して、車載バッテリ２を予熱できるとともに、安定した車載バッテリ２の出力特性を得ることができる。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の充放電制御部は、実施形態の制御ユニット７に対応し、
以下同様に、
車載バッテリの制御装置は、バッテリ制御装置１に対応し、
複数のスイッチは、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３に対応し、
車両の状態が使用状態でない場合は、乗員の操作によってエンジンが停止している場合に対応し、
所定の差は、目標差分量Ｓｔに対応し、
バランシング手段、第１接続切換え手段、及び第２接続切換え手段は、制御部７３に対応し、
車両の状態が使用状態に移行する際は、イグニッション信号を取得した際に対応し、
バランシング工程は、図３のステップＳ１０２：ＹｅｓからステップＳ１０５：Ｙｅｓに対応し、
第１接続切換え工程は、図６のステップＳ１１１：Ｙｅｓ、及びステップＳ１１２に対応し、
第２接続切換え工程は、図６のステップＳ１１３：Ｙｅｓ、及びステップＳ１１４に対応するが、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

例えば、上述した実施形態において、４個のセルＣ１，Ｃ２を有する車載バッテリ２としたが、偶数個のセルを有する車載バッテリであれば、例えば６個のセルを有する車載バッテリとしてもよい。この場合、第１セル群におけるセルの数と第２セル群におけるセルの数とが同じになるように、第１セル群を３個のセルで構成し、第２セル群を３個のセルで構成する。

また、図６の予熱処理において、イグニッション信号を取得した場合、並列接続切換え処理を開始したが、これに限定せず、例えば、乗員が所持する携帯端末から発信されたエンジンを始動させる信号を取得した場合、並列接続切換え処理を開始して、車載バッテリ２を予熱してもよい。この場合、車載バッテリ２の予熱完了後、車両のエンジンを始動させるようにしてもよい。

本発明は、車両に搭載される電気モータ、発電機、あるいはオーディオなどの車載装置と電気的に接続された車載バッテリの動作を制御する制御装置、及び車載バッテリの制御方法に適用することができる。

１…バッテリ制御装置
２…車載バッテリ
７…制御ユニット
２１…第１セル群
２２…第２セル群
７１…直並列切換回路
７２…セルバランシング回路
７２ａ…１次コイル
７３…制御部
Ｃ１…セル
Ｃ２…セル
Ｓ１…充電率
Ｓ２…充電率
Ｓｔ…目標差分量
ＳＷ１…第１スイッチ
ＳＷ２…第２スイッチ
ＳＷ３…第３スイッチ
ＴＲ…トランス

Claims (2)

1. 車両に搭載される車載バッテリと、該車載バッテリの充放電を制御する充放電制御部とを備えた車載バッテリの制御装置であって、
   前記車載バッテリが、
   複数のセルが直列接続された第１セル群と、
   該第１セル群と同数のセルが直列接続された第２セル群とで構成され、
   前記充放電制御部が、
   直列接続された前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を、並列接続に切換える複数のスイッチを有する直並列切換回路と、
   前記第２セル群の各セルに１次コイルが電気的に接続されるとともに、前記第１セル群の負極に２次コイルの一端が電気的に接続され、前記第２セル群の正極に前記２次コイルの他端が電気的に接続されたトランスを有するセルバランシング回路と、
   前記車両の状態が使用状態でない場合、前記セルバランシング回路によって、前記第１セル群の充電率と前記第２セル群の充電率との差を所定の差にするバランシング手段と、
   前記車両の状態が使用状態に移行する際、前記直並列切換回路によって、前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を並列接続に切換える第１接続切換え手段と、
   前記第１セル群の充電率、及び前記第２セル群の充電率が等しい場合、前記直並列切換回路によって、前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を直列接続に切換える第２接続切換え手段とを備えた
   車載バッテリの制御装置。
2. 車両に搭載される車載バッテリと、該車載バッテリの充放電を制御する充放電制御部とを備えた制御装置を用いた車載バッテリの制御方法であって、
   前記車両の状態が使用状態でない場合、複数のセルが直列接続された第１セル群、及び該第１セル群と同数のセルが直列接続された第２セル群で構成された前記車載バッテリにおける前記第１セル群の充電率と前記第２セル群の充電率との差を、前記第２セル群の各セルに１次コイルが電気的に接続されるとともに、前記第１セル群の負極に２次コイルの一端が電気的に接続され、前記第２セル群の正極に前記２次コイルの他端が電気的に接続されたトランスを有するセルバランシング回路によって、所定の差にするバランシング工程と、
   前記車両の状態が使用状態に移行する際、直並列切換回路によって、直列接続された前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を並列接続に切換える第１接続切換え工程と、
   前記第１セル群の充電率、及び前記第２セル群の充電率が等しい場合、前記直並列切換回路によって、前記第１セル群、及び前記第２セル群の接続状態を直列接続に切換える第２接続切換え工程とを備えた
   車載バッテリの制御方法。

Images