JP6752286B2

JP6752286B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP6752286B2
Application number: JP2018546374A
Authority: JP
Inventors: 晋山内; 茂樹牧野; 大輝小松
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: JPWO2018074502A1; WO2018074502A1

Description

本発明は、電池システムに関する。

ハイブリッド自動車（以下、ＨＥＶ）等の電動駆動システムを備えた電動車両に搭載される蓄電池は、電動車両の走行距離や燃費、電気自動車（以下、ＥＶ）の電費に影響を与える重要な部品である。蓄電池は電動車両の稼働状況や経年変化により劣化し、性能が低下する。電動車両の走行距離や燃費を維持するため、蓄電池は電動車両の稼働中にその劣化状態を逐次把握し、劣化状態が走行距離や燃費に深刻な影響を与えない程度を維持するよう充放電を制御する必要がある。

また近年電池システムに容量型電池と出力型電池の２つの異なる種類の電池を接続し、電力要求に応じて容量型電池、出力型電池のそれぞれで役割分担をしようという考えがある。このような電池システムにおいても劣化の進行を抑制する試みがなされている。

特許文献１には、容量型電池と出力型電池を互いに並列に接続したシステムが開示されている。

特開２００４−３６４３５０号公報

上記特許文献１のシステムでは、両電池の熱的な余裕度に応じて、容量型電池及び出力型電池の電流分配を決定し、いずれの電池の劣化も抑制しようとしている。このような方法を用いた場合、出力型電池も容量型電池も互いに充電状態（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ、以下ＳＯＣ）が変動し、特に容量型電池のＳＯＣが変動してしまう。

一方で容量型電池は、出力型電池よりも熱抵抗が大きく、一度高温になると簡単には温度が下がらないという問題がある。そのため、特許文献１の方法を使って電池システムの劣化を抑制した場合、短時間の出力が必要とされる場合にも容量型電池と出力型電池の両方に電流を分配してしまい、容量型電池に大きな電流を負担させる可能性がある。そのため、瞬間的に容量型電池の温度が上昇し、その後容量型電池の温度が低下せず劣化が促進されてしまうおそれがある。

本発明は、高出力が要求される場合に、より温度が下がりにくい容量型電池への電流分配を一定範囲内に収め、容量型電池の劣化を抑制した電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に記載の電池システムは、出力型電池と容量型電池を並列に接続した、容量型電池の電流は、出力型電池の温度に基づいて制御されることを特徴とする。

本発明の電池システムによれば、高出力が要求される場合に、より温度が下がりにくい容量型電池への電流分配を一定範囲内に収め、容量型電池の劣化を抑制した電池システムを提供することができる。

本発明に関わるシステムの一例を示す図電池制御部の構成の一例を示す図本発明に関わる電池システム１００の充放電電流と時間の関係を示す図本発明に関わる出力型電池１０５ａの充放電電流と時間の関係を示す図本発明に関わる出力型電池１０５ａ及び容量型電池１０５ｂの充放電電流と時間の関係を示す図本発明に関わる実施例のフローチャートを示す図本発明の電池システムと従来の電池システムとの劣化比較図

以下、図面を用いて実施例を説明する。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明を適用する電池システムの構成の一例である。電池システム１００の出力電圧は、電池の残容量や出力電流等により変動する直流電圧のため、負荷１１１に直接電力を供給するには適さない場合がある。そこでこの例では上位コントローラ１１２により制御されるインバータ１１０により電池システム１００の出力電圧を三相交流に変換し負荷１１１に供給している。負荷に直流電圧や他の多相交流、単相交流を供給する場合も同様の構成となる。また、負荷１１１が電力を出力する場合はインバータ１１０を双方向インバータとすることにより、負荷１１１が出力した電力を電池システム１００に蓄えることができる。また、インバータ１１０と並列に充電システムを電池システム１００に接続することで、必要に応じ電池システム１００を充電することも可能である。

電池システム１００はインバータ１１０や負荷１１１の制御に有用なＳＯＣやＳＯＨ、流すことのできる最大充電電流・放電電流（許容電流）、電池温度、電池異常の有無等の電池状態に関する情報を上位コントローラ１１２に送信する。上位コントローラ１１２はこれらの情報に基づき、エネルギーマネージメントや異常検知等を行う。また上位コントローラ１１２は電池システム１００をインバータ１１０または負荷１１１から切り離すべきと判断した場合は切断指示を電池システム１００に対し送信する。

電池システム１００は複数個の電池からなる１台以上の電池モジュール１０５と、電池システム１００の状態を監視・推定・制御するバッテリコントローラ１０３、電池システム１００の出力を断続するリレー１０６、電池に流れた電流を計測する電流センサ１０８、電池電圧を計測する電圧センサ２０２、電池システム１００と例えばアースとの間の絶縁抵抗を計測する漏電センサ２０３、そして電池システムの出力電圧に応じ設けられる遮断器１０７から構成される。

電池モジュール１０５は温度センサ及び複数個の単位電池を有し、モジュール内部の温度や各電池の電圧を計測し、また必要に応じ単電池単位での充放電を行う。これにより単電池単位での電圧監視や電圧調整が可能となり、また温度に応じて特性が変化する電池の状態推定に必要な温度情報を計測可能となる。

電池モジュール１０５には電流センサ１０８とリレー１０６を電池モジュール１０５に直列に接続する。これにより電池モジュール１０５の状態を監視・推定するために必要な電流値が計測可能となり、また電池システム１００の出力を上位コントローラの指令に基づき断続可能となる。電池モジュールがたとえば１００Ｖ以上の高電圧となる場合は人力で電池システム１００への電力入出力を遮断するための遮断器１０７を追加することがある。遮断器１０７を用いて強制的に遮断を行うことで、電池システム１００の組み立て時や解体時、電池システム１００を搭載した装置の事故対応時に感電事故や短絡事故の発生を防ぐことが可能となる。なお、電池モジュール１０５が複数台並列に接続されている場合は各列にリレー１０６、遮断器１０７、電流センサ１０８を設けてもよいし、電池システム１００の出力部分にのみリレー１０６、遮断器１０７、電流センサ１０８を設けてもよい。また、各列および電池システム１００の出力部の両方にリレー１０６、遮断器１０７、電流センサ１０８を設けてもよい。

リレー１０６は１台のリレーで構成してもよいし、メインリレーとプリチャージリレー、抵抗の組で構成してもよい。後者の構成ではプリチャージリレーと直列に抵抗を配置し、これらをメインリレーと並列接続する。そしてリレー１０６を接続する場合、まずプリチャージリレーを接続する。プリチャージリレーを流れる電流は直列接続した抵抗により制限されるため、前者の構成で生じうる突入電流を制限することができる。そしてプリチャージリレーを流れる電流が十分小さくなったのちにメインリレーを接続する。メインリレー接続のタイミングはプリチャージリレーを流れる電流を基準にしてもよいし、抵抗にかかる電圧やメインリレーの端子間電圧を基準にしてもよく、またプリチャージリレーを接続してから経過した時間を基準にしてもよい。

電圧センサ２０２は１台または複数台の電池モジュール１０５、または電池モジュール１０５の各１直列に対し並列に接続され、電池モジュール１０５の状態監視・推定に必要な電圧値を計測する。また、電池モジュール１０５には漏電センサ２０３が接続され、漏電が生じる前に漏電が生じうる状態、すなわち絶縁抵抗が低下した状態を検知し事故の発生を予防可能とする。

電池モジュール１０５、電流センサ１０８、電圧センサ２０２、漏電センサ２０３が計測した値はバッテリコントローラ１０３に送信され、バッテリコントローラ１０３はこれを元に電池の状態監視や推定、制御を行う。ここで制御とは、例えば各単位電池の電圧を均等化するための単位電池毎の充放電や、各センサの電源制御、センサのアドレッシング、バッテリコントローラ１０３に接続されたリレー１０６の制御等を指す。電池の状態監視や推定、制御に必要な演算はＣＰＵ２０１が行う。また電池システム１００にはシステム冷却用のファンが含まれてもよく、その制御をバッテリコントローラ１０３が行うこともある。このように冷却まで電池システム１００が行うことで、上位コントローラとの通信量を削減することが可能となる。

バッテリコントローラ１０３は電圧センサ２０２や漏電センサ２０３を内蔵してもよい。このようにすることで個別のセンサを用意する場合にくらべハーネス本数を減らし、センサ取り付けの手間も削減できる。ただしセンサを内蔵することでバッテリコントローラ１０３が対応可能な電池システム１００の規模（最大出力電圧、電流等）が限定されてしまうため、あえて電圧センサ２０２や漏電センサ２０３をバッテリコントローラ１０３とは別部品とすることで自由度を持たせてもよい。

図２に、本発明に関わる電池制御部２０１の構成図を示す。電池制御部２０１は図１で示すＣＰＵを指す。電池制御部２０１は電流制御部２０４を有する。この電流制御部２０４は、制御に拘わるパラメータを演算しているが、本発明では特段その点に触れないため、図２の構成図からは割愛する。

続いて電流制御部２０４について説明する。電流制御部２０４は出力型電池１０５ａより、電池情報（電流情報、電圧情報等）及び出力型電池１０５ａの温度情報を取得する。電流制御部２０４は、出力型電池１０５ａの温度情報に基づいて、容量型電池１０５ｂが出力すべき電流値を演算する。この電流制御部２０４での具体的な制御については後述する。

図３に、出力型電池１０５ａと容量型電池１０５ｂの具体的な出力波形を示す。実線は出力型電池１０５ａによる出力を、点線は容量型電池による出力を示したものである。この動きについて簡単に説明する。車両の始動時を時刻ｔ０とする。時刻ｔ０で始動した車両は加速に出力を使うため、出力型電池１０５ａ及び容量型電池１０５ｂの両方の出力（放電電流）が立ち上がる。加速が終了し大きな出力が求められなくなる時刻ｔ１に到達すると、出力型電池１０５ａからの放電電流は無くなり、容量型電池１０５ｂからの出力のみとなる。このとき出力型電池１０５ａは停止しているため、発熱が無くなり、出力型電池１０５ａの冷却が進む。

一方で停止時時刻ｔ２には、はじめに容量型電池１０５ｂに充電電流が流れる。しかし時刻ｔ３で所定の電流値以上の充電電流が流れると出力型電池１０５ａに充電電流が流れ、容量型電池１０５ｂに余計な負荷がかからないようにする。そして充電電流値が所定値以下となる時刻ｔ４から時刻ｔ５では、出力型電池１０５ａの充電は止まり、容量型電池１０５ｂのみに充電されることとなる。従って、時刻ｔ４〜時刻ｔ５までは出力型電池１０５ａの発熱が無くなり、出力型電池１０５ａの冷却が進むこととなる。

続いて出力型電池１０５ａと容量型電池１０５ｂの特性の違いについて説明する。出力型電池１０５ａは、熱容量は小さいが熱抵抗は小さい、という特徴を持つ。そのため、短時間に高出力を出したとしても、熱抵抗が小さいことによって、電池の温度上昇が小さい。従って、出力型電池１０５ａは短時間に大きな電流を出したとしても電池温度の上昇が少ないため、すぐに冷却され元の温度に戻り、図３に示すような短時間の休息でも温度が低下する。

一方で、容量型電池１０５ｂは熱容量が大きく、熱抵抗も大きいという特徴をもつ。そのため、一度高温になると冷却まで時間がかかるという問題がある。

以上のように、出力型電池１０５ａと容量型電池１０５ｂの特徴を考慮すると、容量型電池１０５ｂは出力変動が少ない方が良く、例えば図３に示すように一定出力Ｉ１とし、一定出力Ｉ１を超える分については出力型電池１０５ａで要求出力に対応する方が電池の劣化抑制という観点から望ましい。理由は上述した通り、出力型電池１０５ａの方が簡易に温度を下げやすいからである。

続いて図４を用いて本発明の原理を説明する。電池制御部２０１は、出力型電池１０５ａの電池情報、温度情報、及び容量型電池１０５ｂの電池情報、温度情報から出力型電池１０５ａと容量型電池１０５ｂの電流指令値を決定する。図４に示す一点鎖線は、電池制御部２０１から出力された出力型電池１０５ａの電流指令値である。なお図４は、電流指令値が上限電流値と同一の値となっている例である。

図４の縦軸は出力型電池１０５ａの電流値であり、横軸は出力型電池１０５ａの電池温度である。出力型電池１０５ａの温度が温度Ｔ１に到達すると、電流制御部２０４が出力型電池１０５ａの電流を制限する電流指令値を出力する。

図５は電池システム１００が出す電流が、出力型電池１０５ａの出力電流と容量型電池１０５ｂの和であると言うことを示す図である。出力型電池１０５ａの出力電流を図４に示す制限を行った場合に容量型電池１０５ｂの出力電流を変動させないと、温度Ｔ１以降では、電池システム１００から出力される電流値は小さくなる。

本発明では、電池制御部２０１が図４に示した温度Ｔ１以降の斜線部を補填するように容量型電池１０５ｂからの出力を上げる電流指令値を出力する。それを受け、容量型電池１０５ｂは出力電流を上げ、出力型電池１０５ａに要求される電流値を満たすよう制御される。つまり、出力型電池１０５ａの温度情報に基づいて容量型電池１０５ｂの電流が制御されることとなる。より具体的に言うと、電池制御部２０１は出力型電池１０５ａの温度が所定値以上になった場合、容量型電池１０５ｂの電流値を上げる制御を行う。このような制御をすることによって、容易に冷却しにくい容量型電池１０５ｂの出力を上げるのを避けることが出来るため、容量型電池１０５ｂの劣化が抑制される。また、本発明の場合、より出力型電池１０５ａに負荷をかけることになるが、上述したように出力型電池１０５ａの方が簡易に温度を下げやすいため、出力型電池１０５ａの劣化も大幅に大きくなることはない。

図６は本発明の制御フローを示す図である。まずステップＳ６００で本発明の制御がスタートする。続いてステップＳ６０１で現在要求されている電力が容量型電池１０５ｂのみで賄えるか判断する。容量型電池１０５ｂのみで賄える場合にはステップＳ６０７に進み、またステップＳ６０１に戻る。

一方ステップＳ６０１で要求出力が容量型電池１０５ｂのみで賄えない場合、ステップＳ６０２に進み出力型電池１０５ａで不足分出力を負担させる。そしてステップＳ６０３に進み、出力型電池１０５ａが所定の温度Ｔ１以上か否かを判定する。ここで出力型電池１０５ａの温度がＴ１以上と判断されると、ステップＳ６０４に進み、出力型電池１０５ａの出力（充放電電流）を制限し、出力型電池１０５ａで賄えない電力について容量型電池１０５ｂで補填する。そして、その後ステップＳ６０５で再度要求電力が容量型電池１０５ｂのみで賄えるかを判定する。要求電力を容量型電池１０５ｂのみで賄える場合にはステップＳ６０６に進み、出力型電池１０５ａの充放電を停止して極力出力型電池１０５ａの温度を下げるようにする。そして、ステップＳ６０７に進み、ステップＳ６０１に戻る。一方で、ステップＳ６０５で要求出力が容量型電池１０５ｂのみで賄えない場合には、ステップＳ６０４に戻る。

また、ステップＳ６０３で出力型電池１０５ａの温度がＴ１より小さい場合、ステップＳ６０７に進み、またステップＳ６０１に戻る。

図７は本発明を用いた場合の電池システム１００と、従来の電池システムの電池の劣化状態を比較したものである。実線が本発明を用いた場合の電池システム１００の劣化状態、点線が従来の電池システムの劣化状態を示したものである。このように、本発明を用いた電池システム１００は、従来の電池システム１００よりも劣化が抑制される。

なお、上述した発明では出力型電池１０５ａの温度がＴ１に達した段階で出力型電池１０５ａに要求される電力を小さくする方法を取った。一方で別の方法として、出力型電池１０５ａの温度がＴ１から大きくなる方向に乖離した場合に、容量型電池１０５ｂの出力をより上げる方法、つまり出力型電池１０５ａの温度の大きさに応じて容量型電池１０５ｂの出力に重みを付ける方法もある。このような方法を取った場合、当然出力型電池１０５ａにかかる負荷をより減らすことが出来るため、出力型電池１０５ａの温度上昇を抑えて劣化を抑制することが可能となる。

以上、本発明について簡単にまとめる。本発明に記載の電池システム１００は、出力型電池１０５ａと容量型電池１０５ｂを並列に接続し、容量型電池１０５ｂの電流は、出力型電池１０５ａの温度に基づいて制御される。このような構成をとることによって、容易に冷却しにくい容量型電池１０５ｂの出力を上げるのを避けることが出来るため、容量型電池１０５ｂの劣化が抑制される。また、本発明の場合、より出力型電池１０５ａに負荷をかけることになるが、上述したように出力型電池１０５ａの方が簡易に温度を下げやすくため、出力型電池１０５ａの劣化も大幅に大きくなることはない。

また、本発明に記載の電池システム１００は、出力型電池１０５ａと容量型電池１０５ｂのそれぞれの入出力電流を制御する電流制御部１０４を有する。このような構成にすることによって、出力型電池１０５ａ及び容量型電池１０５ｂの両方が所定以上の温度になることを防ぐことが可能となる。

また、電流制御部１０４は、出力型電池１０５ａの温度が予め定める所定の温度よりも大きくなった場合は、容量型電池１０５ｂの入出力電流量が増加するよう電流を制御する。このような構成にすることによって、容量型電池１０５ｂから出力される電力増加のタイミングを限界まで抑えたうえで、より出力型電池に負荷をかけることが無くなるため、容量型電池１０５ｂの劣化を防ぎつつも出力型電池１０５ａの劣化も抑制される。

また、本発明に記載の電池システム１００は、電流制御部１０４が、出力型電池１０５ａの温度が予め定める所定の温度を越えて以降、温度が高くなるにつれて容量型電池１０５ｂの入出力電流が増加するよう電流を制御する。このような構成にすることによって、出力型電池１０５ａにかかる負荷をより減らすことが出来るため、出力型電池１０５ａの温度上昇を抑えてより劣化を抑制することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１０５ａ：出力型電池、１０５ｂ：容量型電池、１１０：インバータ、２０１：電池制御部（ＣＰＵ）、２０４：電流制御部。

Claims

熱容量が小さく熱抵抗が小さい出力型電池と、
前記出力型電池よりも熱容量が大きく熱抵抗が大きい容量型電池と、
前記出力型電池及び前記容量型電池のそれぞれの入出力電流を制御する電流制御部と、を備え、
前記出力型電池と前記容量型電池とを並列に接続した電池システムにおいて、
前記容量型電池の電流は、前記出力型電池の温度に基づいて制御され、
前記電流制御部は、
前記出力型電池の前記温度が予め定める所定の温度を越えた後、前記出力型電池の出力を制限し、前記容量型電池により電力を補填し、前記出力型電池の前記温度が高くなるにつれて前記容量型電池の前記入出力電流を増加させ、
前記容量型電池に所定の値以上の充電電流が流れるときには前記出力型電池に充電電流を流し、その後充電電流の総量が所定の値以下となったときには前記出力型電池の充電を止め、前記容量型電池に充電することを特徴とする電池システム。