JP6756219B2

JP6756219B2 - 車両用バッテリの制御装置

Info

Publication number: JP6756219B2
Application number: JP2016193803A
Authority: JP
Inventors: 加藤　孝弘; 孝弘加藤; 剛史下永田
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018057228A

Description

本発明は、車両用バッテリの制御装置に関し、詳しくは、電動車両において外部電源によりバッテリの充電を行う際の車両用バッテリの制御技術に関する。

近年、ＰＨＥＶ車（プラグインハイブリッド電動車両）やＥＶ車（電動車両）では、車両の航続距離を延長するために、充電可能な電気容量が大容量となるバッテリ（電池）を搭載する必要性が高まっている。しかしながら、バッテリを構成する個別のバッテリセル自体のエネルギ密度を劇的に高めることは難しい。

そこで、バッテリの容量を増やすために、複数個のバッテリを並列接続したバッテリモジュールを形成することが行われている。そして、特許文献１には、並列接続した２つのバッテリ間に電圧差があるとき、電圧が低い側のバッテリ、すなわち、バッテリの充電容量である残容量（以下、ＳＯＣ（State of Charge）とも称する）が少ない側のバッテリのみを充電するようにした車両用バッテリの制御装置が開示されている。これにより、２つのバッテリ間の電圧差が解消され、各バッテリの電極に接続されるコンタクタ（電磁接触器）を閉接することができる。

国際公開第２０１３／０４２１６５号

特許文献１に記載されるように、並列接続されるバッテリの数が２つの場合には、一般に、残容量の多いバッテリを優先的に使用する制御を行えばよく、バッテリ放電制御は比較的容易である。しかし、車両の航続距離を延長するべく、３つ以上のバッテリを並列接続した場合、各バッテリの残容量に応じて効率のよいバッテリ放電制御を行うのは難しい。各バッテリの残容量のバランスが不均一となった場合、バッテリ間に接続された上記コンタクタを電圧差により閉接できないため、各バッテリの放充電が制限され、車両の走行性能の悪化を招くおそれがある。

本発明はこのような問題の少なくとも一部を解決するためになされたもので、その目的とするところは、複数個のバッテリを並列接続した場合に各バッテリの残容量に応じて効率のよいバッテリ放電制御を行うことで、車両の航続距離を効果的に延長し、車両の走行性能を向上することができる、車両用バッテリの制御装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

（１）本適用例に係る車両用バッテリの制御装置は、互いに並列に接続される少なくとも３個のバッテリを放電する車両用バッテリの制御装置であって、前記各バッテリに充電されている残容量を検出し、前記各残容量に基づいて前記各バッテリを互いの残容量が略同等となるバッテリから構成される複数のバッテリ群に分類する分類手段と、前記分類手段により前記残容量が最も多いバッテリ群として分類された最大充電量バッテリ群の合計残容量である総残容量を算出するバッテリ群総残容量算出手段と、前記最大充電量バッテリ群の前記総残容量が前記車両を走行させるために必要最低限の所定容量以上か否かを判定する判定手段とを含み、前記判定手段により、前記最大充電量バッテリ群の前記総残容量が前記所定容量以上であると判定されたとき、前記最大充電量バッテリ群を優先使用し、前記最大充電量バッテリ群の前記総残容量が前記所定容量未満であると判定されたとき、前記複数のバッテリ群のうち、各バッテリの残容量が前記最大充電量バッテリ群の各バッテリの残容量よりも小となり、かつ、バッテリ群の合計残容量である総残容量が前記所定容量よりも大となるバッテリ群を優先使用する、ことを特徴とする車両用バッテリの制御装置。

前記適用例を用いる本発明によれば、複数個のバッテリを並列接続した場合に各バッテリの残容量に応じて効率のよいバッテリ放電制御を行うことで、車両の航続距離を効果的に延長し、車両の走行性能を向上することができる。

本発明の一実施形態に係るバッテリ制御部を備えた電動車両の概略構成図である。図１の高電圧バッテリの構成を示した模式図である。図１のＥＣＵが実行するバッテリ放電制御のフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る車両用バッテリの制御装置を備える電気自動車のシステム構成図であり、同図に基づき説明する。

図１に示す車両１は、走行駆動源としてのモータ２を備える電気自動車のトラックである。モータ２は例えば永久磁石同期電動機のように発電機としても作動可能な電動機である。モータ２の出力軸はプロペラシャフト３を介して差動装置４が連結され、差動装置４には駆動軸５を介して左右の駆動輪６が連結されている。

モータ２にはインバータ・コンバータ（以下、単にインバータという）１０及びジャンクションボックス１１を介して高電圧バッテリ（車両用バッテリ）１２が接続されている。高電圧バッテリ１２に蓄えられた直流電力はインバータ１０により交流電力に変換されてモータ２に供給され、モータ２が発生した駆動力は駆動輪６に伝達されて車両１を走行させる。

また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時（回生走行時）には、駆動輪６側からの逆駆動によりモータ２が発電機として作動する（回生運転）。モータ２が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪６側に伝達されると共に、モータ２が発電した交流電力がインバータ１０で直流電力に変換されて、ジャンクションボックス１１を介して高電圧バッテリ１２に充電される。

高電圧バッテリ１２は、例えばリチウムイオンバッテリであり、駆動源であるモータ２等に用いる走行用のバッテリである。高電圧バッテリ１２は、性能を発揮するのに適正な所定の作動温度範囲を有している。ジャンクションボックス１１は、車両に搭載された各種電気機器と接続されている。当該ジャンクションボックス１１の内部には、電路の断接を行う各種コンタクタ（電磁接触器）が設けられており、当該コンタクタの断接を行うことで、各種電気機器への電力の供給及び遮断を制御可能である。

ジャンクションボックス１１には、クーラコンプレッサや、パワーステアリング装置のポンプ等の高電圧補機類１６が接続されている。高電圧補機類１６は高電圧バッテリ１２からの電力供給を受けることでそれぞれ作動する。さらに、ジャンクションボックス１１には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７を介して低電圧バッテリ１８も接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１７は、ジャンクションボックス１１を介して低電圧バッテリ１８に供給される電力の降圧を行う電圧変換器である。低電圧バッテリ１８は、例えば鉛バッテリであり、蓄えられる電力は高電圧バッテリ１２よりも低電圧であるが、高電圧バッテリ１２よりも広い作動温度範囲を有している。当該低電圧バッテリ１８は、例えばＥＣＵ３０への電源供給、コンタクタ―等の制御電源等の電力供給に用いられる。

また、ジャンクションボックス１１には、外部電源２０と接続可能であり、この外部電源２０から高電圧バッテリ１２及び低電圧バッテリ１８の充電が可能な充電器１９が接続されている。外部電源２０は例えば家庭用の１００Ｖ、２００Ｖの普通充電や、急速充電、非接触充電等がある。本実施形態では１つの充電器１９を示しているが、充電器１９を外部電源２０に対応して複数設けてもよい。

また、車両１には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭなど）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタなどを備えたＥＣＵ（判定手段）３０が搭載されている。本実施形態におけるＥＣＵ３０は主に高電圧バッテリ１２の充電を制御する制御ユニットであるが、車両１にはこの他にも種々のＥＣＵが設けられていてもよい。

ここで、ＥＣＵ３０は、高電圧バッテリ１２、充電器１９、車速センサ３１等と電気的に接続されている。また、ＥＣＵ３０の内部には、ＳＯＣ検出・分類部（分類手段）３２、バッテリ群総残容量算出部（バッテリ群総残容量算出手段）３３等を有している。

図２は、高電圧バッテリ１２の構成を示した模式図である。高電圧バッテリ１２は、バッテリセルである例えば６つのバッテリＢ１〜Ｂ６を互いに並列に接続したバッテリモジュールとして形成されている。ＳＯＣ検出・分類部３２は、各バッテリＢ１〜Ｂ６に充電されている電気量である残容量（ＳＯＣ）をそれぞれ検出し、各残容量に基づいてバッテリＢ１〜Ｂ６を複数のバッテリ群に分類する。バッテリ群の分類基準は、各バッテリＢ１〜Ｂ６の残容量が比較的近い値であり、具体的にはジャンクションボックス１１の内部の上述したコンタクタの閉接が可能な範囲の比較的小さな電圧差（例えば１０Ｖ程度以内）となる場合に同じバッテリ群に分類される。

図２の場合、各バッテリＢ１〜Ｂ６の充電状態は、バッテリＢ１及びＢ２のＳＯＣが最も高いＳＯＣ-Ｈ（％）であり、バッテリＢ６のＳＯＣが最も低いＳＯＣ-Ｌ（％）であり、バッテリＢ３〜Ｂ５のＳＯＣは、ＳＯＣ-Ｌ（％）とＳＯＣ-Ｈ（％）の間のＳＯＣ-Ｍ（％）となっている。したがって、各バッテリＢ１〜Ｂ６は、ＳＯＣ検出・分類部３２により、最大充電量バッテリ群、中間充電量バッテリ群、最小充電量バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３のいずれかに分類されている。最大充電量バッテリ群Ｇ１には残容量が最も多いバッテリＢ１、Ｂ２が分類され、中間充電量バッテリ群Ｇ２には残容量が次に多いバッテリＢ３、Ｂ４、Ｂ５が分類され、最小充電量バッテリ群Ｇ３には残容量が最も少ないバッテリＢ６が分類されている。

なお、図示はされないが、中間充電量バッテリ群Ｇ２に該当するバッテリにおいて、充電量の異なる複数のバッテリ群が含まれる場合、充電量の多い順に第１中間充電量バッテリ群Ｇ２、第２中間充電量バッテリ群Ｇ４、第３中間充電量バッテリ群Ｇ５、というように分類することができる。

バッテリ群総残容量算出部３３は、最大充電量バッテリ群、中間充電量バッテリ群、最小充電量バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３の総残容量Ｅ１ｒ〜Ｅ３ｒをそれぞれ算出する。これら総残容量Ｅ１ｒ〜Ｅ３ｒに基づいて、それぞれ車両１が走行するための動力Ｐ１〜Ｐ３を出力可能である。

以下、図３のフローチャートを参照して本実施形態に係るバッテリ放電制御について詳しく説明する。なお、以下の説明では、総残容量Ｅ１ｒ〜Ｅ３ｒは、Ｅ２ｒ、Ｅ１ｒ、Ｅ３ｒの順に大きく、動力Ｐ１〜Ｐ３は、Ｐ２、Ｐ１、Ｐ３の順に大きい前提とする。先ず、車速センサ３１を介して車両１の走行が開始されたとき、ＥＣＵ３０はバッテリ放電制御をスタートする。

ＥＣＵ３０はステップＳ１において、バッテリ群総残容量算出部３３で取得した最大充電量バッテリ群Ｇ１の総残容量Ｅ１ｒに基づく動力Ｐ１が車両１を走行可能な最低動力Ｐｍｉｎ以上か否かを判定する。最低動力Ｐｍｉｎは、車両１を高電圧バッテリ１２の電力により走行させる際、車両１をその性能を確保しながら走行可能な必要最低限の電気量に相当する所定の電気容量（所定容量）に基づいて決定される。

当該判定結果が偽（Ｎｏ）であるとき、すなわち、最大充電量バッテリ群Ｇ１で発生可能な動力Ｐ１が最低動力Ｐｍｉｎ未満となるとき、ステップＳ２に移行する。一方、当該判定結果が真（Ｙｅｓ）であるとき、すなわち、最大充電量バッテリ群Ｇ１で発生可能な動力Ｐ１が最低動力Ｐｍｉｎ以上となるとき、ステップＳ３に移行して最大充電量バッテリ群Ｇ１の使用を選択し、本制御をリターンする。

この場合、各バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３のうち、最も多いＳＯＣのバッテリＢ１、Ｂ２が分類された最大充電量バッテリ群Ｇ１により車両１を走行させることが可能であることが判明した。このため、高いＳＯＣのバッテリー群から使用することで各バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３、ひいては各バッテリＢ１〜Ｂ６の残容量のバランスを極力均一にして揃え、各バッテリＢ１〜Ｂ６間に接続されたコンタクタを電圧差により閉接できない不具合を極力解消し、車両１の走行性能を向上するべく、残容量が最も多いバッテリＢ１、Ｂ２が分類された最大充電量バッテリ群Ｇ１から優先的に使用される。

ステップＳ２では、バッテリ群総残容量算出部３３で取得した中間充電量バッテリ群Ｇ２の総残容量Ｅ２ｒに基づく動力Ｐ２が車両１を走行可能な最低動力Ｐｍｉｎ以上か否かを判定する。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）であるとき、すなわち、中間充電量バッテリ群Ｇ２で発生可能な動力Ｐ２が最低動力Ｐｍｉｎ以上となるとき、ステップＳ４に移行して中間充電量バッテリ群Ｇ２の使用を選択肢し、本制御をリターンする。一方、当該判定結果が偽（Ｎｏ）であるとき、すなわち、中間充電量バッテリ群Ｇ２で発生可能な動力Ｐ２が最低動力Ｐｍｉｎ未満となるとき、ステップＳ３に移行して最大充電量バッテリ群Ｇ１の使用を選択肢し、本制御をリターンする。

各バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３のうち、最大充電量バッテリ群Ｇ１に加え、最大充電量バッテリ群Ｇ１の次に残容量が多いバッテリＢ３〜Ｂ５が分類された中間充電量バッテリ群Ｇ２によっても、車両１を走行させることが不可能であることが判明した場合、各バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３、ひいては各バッテリＢ１〜Ｂ６の残容量のバランスを極力均一にして揃えて車両１の走行性能を向上するべく、残容量が最も多いバッテリＢ１、Ｂ２が分類された最大充電量バッテリ群Ｇ１が優先的に使用される。

これに対し、最大充電量バッテリ群Ｇ１の次に残容量が多いバッテリＢ３〜Ｂ５が分類された中間充電量バッテリ群Ｇ２によれば、車両１を走行させることが可能であることが判明した場合、最大充電量バッテリ群Ｇ１の次に残容量が多いバッテリＢ３〜Ｂ５が分類された中間充電量バッテリ群Ｇ２が優先的に使用される。

以上のように本実施形態では、３つ以上の例えば６つのバッテリＢ１〜Ｂ６を並列接続して高電圧バッテリ１２を形成した場合、各バッテリＢ１〜Ｂ６の残容量（ＳＯＣ）に応じて、各バッテリＢ１〜Ｂ６を各バッテリ群Ｇ１〜Ｇ３に分類し、これらバッテリ群Ｇ１〜Ｇ３を使用する順番を変えることで、効率のよいバッテリ放電を行うことができる。

具体的には、本実施形態のバッテリ放電制御では、ステップＳ１、Ｓ２にて、車両１の最低動力Ｐｍｉｎを確保可能か否かに基づく判定を行う。これにより、最も多い残容量のバッテリＢ１、Ｂ２が分類された最大充電量バッテリ群Ｇ１、最も少ない残容量のバッテリＢ３〜Ｂ５が分類された中間充電量バッテリ群Ｇ２の何れを優先的に放電させて使用するかを的確に見極めたバッテリ放電制御を行うことができるため、車両１の航続距離を効果的に延長し、車両１の走行性能を向上することができる。

また、中間充電量バッテリ群において、充電量の異なる複数のバッテリ群が存在しており、充電量の多い順に第１中間充電量バッテリ群Ｇ２、第２中間充電量バッテリ群Ｇ４、第３中間充電量バッテリ群Ｇ５、というように分類される場合においても、上述したロジックを拡張して適用することができる。即ち、最大充電量バッテリ群Ｇ１で発生可能な動力Ｐ１が最低動力Ｐｍｉｎ以上となる場合は、最大充電量バッテリ群Ｇ１が優先的に使用され、かつ、最大充電量バッテリ群Ｇ１で発生可能な動力Ｐ１が最低動力Ｐｍｉｎ未満となる場合であって、複数の中間バッテリ群の中で車両１を走行可能とする総残容量を有するバッテリ群は存在する場合、そのバッテリ群が優先的に使用される。

以上で本発明に係る車両用バッテリの制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態のバッテリ放電制御では、最大充電量バッテリ群Ｇ１、中間充電量バッテリ群Ｇ２の何れかを優先的に放電する判定を行っている。しかし、これに限らず、最小充電量バッテリ群Ｇ３を優先的に放電する制御を行うようにしても良い。具体的には、バッテリ放電制御のステップＳ１では、判定結果が偽（Ｎｏ）であるとき、すなわち、最大充電量バッテリ群Ｇ１で発生可能な動力Ｐ１が最低動力Ｐｍｉｎ未満となるときは、最大充電量バッテリ群Ｇ１以外を放電すればよく、中間充電量バッテリ群Ｇ２の代わりに最小充電量バッテリ群Ｇ３を優先的に放電してもよい。なお、この場合の最小充電量バッテリ群Ｇ３は、その総残容量Ｅ３ｒが最大充電量バッテリ群Ｇ１の総残容量Ｅ１ｒ未満であるが、総残容量Ｅ３ｒは最低動力Ｐｍｉｎに基づく所定容量よりも大となることが条件である。

また、上記実施形態のバッテリ放電制御は、複数個（３つ以上）のバッテリを並列接続して高電圧バッテリ１２を形成した場合に適用可能であり、高電圧バッテリ１２を構成するバッテリの数や、バッテリ群の分類数は上記実施形態に限定されるものではない。

１車両
１２高電圧バッテリ（車両用バッテリ）
３０ＥＣＵ（判定手段、制御装置）
３２ＳＯＣ検出・分類部（分類手段）
３３バッテリ群総残容量算出部（バッテリ群総残容量算出手段）
Ｂ１〜Ｂ６バッテリ
Ｇ１最大充電量バッテリ群（バッテリ群）
Ｇ２中間充電量バッテリ群（バッテリ群）
Ｇ３最小充電量バッテリ群（バッテリ群）

Claims

互いに並列に接続される少なくとも３個のバッテリを放電する車両用バッテリの制御装置であって、
前記各バッテリに充電されている残容量を検出し、前記各残容量に基づいて前記各バッテリを互いの残容量が略同等となるバッテリから構成される複数のバッテリ群に分類する分類手段と、
前記分類手段により前記残容量が最も多いバッテリ群として分類された最大充電量バッテリ群の合計残容量である総残容量を算出するバッテリ群総残容量算出手段と、
前記最大充電量バッテリ群の前記総残容量が前記車両を走行させるために必要最低限の所定容量以上か否かを判定する判定手段と
を含み、
前記判定手段により、前記最大充電量バッテリ群の前記総残容量が前記所定容量以上であると判定されたとき、前記最大充電量バッテリ群を優先使用し、前記最大充電量バッテリ群の前記総残容量が前記所定容量未満であると判定されたとき、前記複数のバッテリ群のうち、各バッテリの残容量が前記最大充電量バッテリ群の各バッテリの残容量よりも小となり、かつ、バッテリ群の合計残容量である総残容量が前記所定容量よりも大となるバッテリ群を優先使用する、ことを特徴とする車両用バッテリの制御装置。