JP7393746B2 - 車両のバッテリ制御システム - Google Patents

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Description

本開示は、車両のバッテリ制御システムに関する。
特許文献１には、バッテリモジュールを構成する第１バッテリパック及び第２バッテリパックと、駆動用モータと、を備える電気自動車が開示されている。第１バッテリパックと第２バッテリパックとは互いに並列に接続され、第１バッテリパック及び第２バッテリパックと駆動用モータとの間には、第１コンタクタ及び第２コンタクタが介在する。
特開２０２０－１６７８６４号公報
バッテリパックには使用に好適な動作温度範囲が存在し、動作温度範囲よりも高い温度での使用はバッテリパックの劣化を促進する。このため、高温のバッテリパックを流通する電流の量（バッテリパックの電流値）を減少させて、バッテリパックの温度上昇を抑えることは、バッテリパックの保護に有効である。例えば、バッテリパックの温度及び電圧値とバッテリパックの保護に有効な上限電流値との対応関係を予め求め、使用中のバッテリパックの温度と電圧値とを逐次検出し、検出した温度と電圧値とを用いて上限電流値を決定し、バッテリパックの電流値を上限電流値以下に制御することにより、バッテリパックの劣化を抑制することができる。
特許文献１のようにバッテリモジュールを構成する複数のバッテリパックを負荷に対して並列に接続する場合、各バッテリパックには同量の電流が流通する（各バッテリパックの電流値が等しくなる）ので、バッテリパックの電流値を制限する場合の上限電流値は、個々のバッテリパックに対して個別に決定される上限電流値のうち最小の上限電流値となる。このため、高温時にバッテリモジュールから出力可能な総電力（出力可能総電力）が著しく制限されてしまう可能性がある。
そこで本開示は、負荷に対して並列に接続される複数のバッテリパックを備えた車両において、バッテリパックを保護しつつ、高温時の出力可能総電力の低下を抑制することが可能なバッテリ制御システムの提供を目的とする。
上記目的を達成すべく、本開示は、複数のバッテリパックを備えるバッテリモジュールが搭載され、複数のバッテリパックが負荷に対して並列に接続される車両のバッテリ制御システムであって、バッテリ断接部と、上限電流算出部と、電流制御部と、出力可能電力比較判定部と、バッテリ断接制御部とを備える。
バッテリ断接部は、バッテリモジュールと負荷との間に介在し、複数のバッテリパックの各々と負荷とを個別に接続及び切断可能に構成される。上限電流算出部は、バッテリパックの温度及び電圧値を用いてバッテリパックの上限電流値を算出する。電流制御部は、バッテリパックの電流値を上限電流値以下に制御する。
本開示の第１の態様において、出力可能電力比較判定部は、複数のバッテリパックと負荷との間で成立可能なバッテリ断接部の接続パターンの全てについて、バッテリモジュールの出力可能総電力を、バッテリパックの上限電流値を用いてそれぞれ算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する。バッテリ断接制御部は、高出力パターンが存在すると出力可能電力比較判定部が判定した場合、バッテリ断接部を現在の接続パターンから高出力パターンに変更する。
本開示の第２の態様は、第１の態様のバッテリ制御システムであって、高出力パターンが複数存在する場合、バッテリ断接制御部は、出力可能総電力が最も大きい最大出力パターンにバッテリ断接部の接続パターンを変更する。
本開示の第３の態様は、第１又は第２の態様のバッテリ制御システムであって、バッテリ断接制御部は、バッテリパックの接続数が現在の接続パターンよりも減少し、且つ現在の接続パターンから一部のバッテリパックを切断する場合に限り、バッテリ断接部の接続パターンを変更する。
本開示の第４の態様において、出力可能電力比較判定部は、複数のバッテリパックと負荷との間で成立しているバッテリ断接部の現在の接続パターンと、現在の接続パターンから任意の１つのバッテリパックを切断した場合のバッテリ断接部の接続パターンとについて、バッテリモジュールの出力可能総電力を、バッテリパックの上限電流値を用いてそれぞれ算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する。バッテリ断接制御部は、高出力パターンが存在すると出力可能電力比較判定部が判定した場合、バッテリ断接部の接続パターンを高出力パターンに変更する。
本開示のバッテリ制御システムによれば、負荷に対して並列に接続される複数のバッテリパックを備えた車両において、バッテリパックを保護しつつ、高温時の出力可能総電力の低下を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係るバッテリモジュールを搭載した車両を模式的に示す側面図である。 図１の実施形態のバッテリ制御システムを示すブロック図である。 電流制御処理を示すフローチャートである。 バッテリパックの断接制御処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態のバッテリ制御システムは、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に設けられる。
図１に示すように、車両には複数（本実施形態では３つ）のバッテリパック２が搭載される。複数のバッテリパック２は、バッテリモジュール１を構成する。なお、図１ではトラックにバッテリモジュール１を搭載した例を図示しているが、車両はトラックに限定されない。
バッテリ制御システムは、図２に示すように、バッテリモジュール１と、バッテリ断接部３と、負荷４と、バッテリ制御装置１０と、を備える。
複数のバッテリパック２は、負荷４に対して並列に接続される。各バッテリパック２には、バッテリパック２の温度を検出する温度センサ５が設けられる。負荷４は、車両を推進させる駆動用モータ（図示省略）を含む。駆動用モータは、バッテリモジュール１から供給される電力によって駆動する。
バッテリ断接部３は、バッテリパック２と同数のコンタクタ６によって構成され、バッテリモジュール１と負荷４との間に介在する。コンタクタ６のオン／オフによって、複数のバッテリパック２の各々と負荷４とが個別に接続及び切断される。本実施形態では、全てのバッテリパック２が負荷４に接続された状態（全てのコンタクタ６がオン状態）を、バッテリ断接部３の標準接続パターン（通常状態）として説明する。
バッテリ制御装置１０は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び入出力回路等を備える。バッテリ制御装置１０は、予め記憶された制御プログラムを実行することにより、温度取得部１１、電圧取得部１２、上限電流算出部１３、電流制御部１４、出力可能電力比較判定部１５、及びバッテリ断接制御部１６として機能する。
温度取得部１１は、各バッテリパック２の温度を温度センサ５から逐次取得する。電圧取得部１２は、各バッテリパック２の端子間の電圧（バッテリパック２の電圧値）を電圧センサ（図示省略）から逐次取得する。
バッテリ制御装置１０には、バッテリパック２の温度と電圧値と上限電流値との対応関係を示す上限電流値情報（例えばマップ等）が記憶されている。上限電流値とは、バッテリパック２の保護等のために有効な上限の電流値であり、電圧値が一定の場合、温度が上昇するほど上限電流値は減少する。バッテリパック２には使用に好適な動作温度範囲が存在し、動作温度範囲よりも温度が上昇すると、上限電流値は顕著に減少する。上限電流値情報は、シミュレーション等によって予め求められ、バッテリ制御装置１０に記憶される。
上限電流算出部１３は、温度取得部１１が取得したバッテリパック２の温度と、電圧取得部１２が取得したバッテリパック２の電圧値と、上限電流値情報とを用いて、各バッテリパック２の上限電流値を個別に算出する。
電流制御部１４は、バッテリパック２の電流値を上限電流値以下に制御する。バッテリパック２は並列に接続されているため、バッテリモジュール１を流通する総電流値は、各バッテリパック２に均等に配分され、各バッテリパック２の電流値は等しい。電流制御部１４は、並列に接続されたバッテリパック２の各上限電流値のうち最小の上限電流値以下の電流が各バッテリパック２を流通するように、総電流値を制御する。従って、高温のため上限電流値が他のバッテリパック２よりも小さいバッテリパック２が接続されていると、この高温のバッテリパック２の上限電流値がボトルネックとなり、バッテリモジュール１の出力可能総電力（並列接続されたバッテリパック２の出力可能電力の総計）が著しく減少する可能性が生じる。
出力可能電力比較判定部１５は、各バッテリパック２の出力可能電力を、各バッテリパック２の上限電流値と電圧値とを用いて算出し、複数のバッテリパック２と負荷４との間で成立可能なバッテリ断接部３の接続パターンの全て（現在の接続パターンを含む）について、バッテリモジュール１の出力可能総電力を算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する。本実施形態の接続パターンは、３つのバッテリパック２の全てを接続する標準接続パターン（１つ）と、３つのバッテリパック２のうち任意の組合せの２つを接続する２パック接続パターン（３つ）と、任意の１つのバッテリパック２のみを接続する単一接続パターン（３つ）の計７パターンであり、各パターン毎に出力可能総電力を算出し、現在の接続パターンと比較する。
バッテリ断接制御部１６は、高出力パターンが存在すると出力可能電力比較判定部１５が判定した場合、バッテリ断接部３を現在の接続パターンから高出力パターンに変更する。バッテリパック２の接続数は、高出力パターンへの変更によって増加してもよく、減少してもよく、変わらなくてもよい。
また、高出力パターンが複数存在する場合には、出力可能総電力が最も大きい最大出力パターンにバッテリ断接部３の接続パターンを変更する。なお、バッテリ断接制御部１６は、バッテリパック２の接続数が現在の接続パターンよりも減少し、且つ現在の接続パターンから一部のバッテリパック２を切断する場合に限り、バッテリ断接部３の接続パターンを変更してもよい。このような制限を加えることにより、例えば、本制御以外の制御によって接続が制限又は禁止されたバッテリパック２が存在する場合、接続が制限又は禁止されたバッテリパック２への接続を除外することができる。
次に、バッテリ制御装置１０が実行する電流制御処理及びバッテリパック２の断接制御処理について、図３及び図４のフローチャートを参照して説明する。バッテリ制御装置１０は、バッテリモジュール１から負荷４へ電力が供給されている間、電流制御処理及びバッテリパック２の断接制御処理を繰り返して実行する。なお、以下では、バッテリ断接部３の現在の接続パターンが標準接続パターン（３つのバッテリパック２が全て接続された接続パターン）である場合について説明するが、現在の接続パターンは標準接続パターン以外であってもよい。
電流制御処理では、図３に示すように、３つのバッテリパック２の温度と電圧値とをそれぞれ取得し（ステップＳ１）、取得したバッテリパック２の温度及び電圧値と上限電流値情報とを用いて、各バッテリパック２の上限電流値を個別に算出する（ステップＳ２）。
３つのバッテリパック２の各上限電流値を算出すると、その中で最小の上限電流値以下の電流が各バッテリパック２を流通するように、バッテリモジュール１の総電流値を制御する。
断接制御処理では、図４に示すように、３つのバッテリパック２の温度と電圧値とをそれぞれ取得し（ステップＳ１１）、取得したバッテリパック２の温度及び電圧値と上限電流値情報とを用いて、各バッテリパック２の上限電流値を個別に算出する（ステップＳ１２）。
３つのバッテリパック２の各上限電流値を算出すると、３つのバッテリパック２の出力可能電力を、各バッテリパック２の上限電流値と電圧値とを用いて算出する（ステップＳ１３）。
次に、３つのバッテリパック２と負荷４との間で成立可能なバッテリ断接部３の接続パターンの全て（７つの接続パターン）について、バッテリモジュール１の出力可能総電力を算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する（ステップＳ１４）。
高出力パターンが存在すると判定すると、バッテリ断接部３を現在の接続パターンから高出力パターンに変更する（ステップＳ１５）。また、高出力パターンが複数存在する場合には、出力可能総電力が最も大きい最大出力パターンにバッテリ断接部３の接続パターンを変更する。例えば、３つのバッテリパック２のうち温度が最も高いバッテリパック２を切断する接続パターンの出力可能総電力が最大である場合、温度が最も高いバッテリパック２を切り離す。
本実施形態では、複数のバッテリパック２と負荷４との間で成立可能なバッテリ断接部３の接続パターンの全てについて、バッテリモジュール１の出力可能総電力を算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定し、高出力パターンが存在すると判定した場合には、バッテリ断接部３を現在の接続パターンから高出力パターンに変更する。従って、高温のため上限電流値が他のバッテリパック２よりも小さいバッテリパック２が接続され、この高温のバッテリパック２の上限電流値がボトルネックとなる場合であっても、バッテリモジュール１の出力可能総電力の減少を抑制することができる。
また、高出力パターンが複数存在する場合には、出力可能総電力が最も大きい最大出力パターンにバッテリ断接部３の接続パターンを変更するので、出力可能総電力の減少幅を最小限に抑えることができる。
次に、本開示の変形例について説明する。この変形例は、出力可能電力比較判定部１５の処理が上記実施形態と相違する。
変形例の出力可能電力比較判定部１５は、複数のバッテリパック２と負荷４との間で成立している現在のバッテリ断接部３の接続パターンと、現在の接続パターンから任意の１つのバッテリパック２を切断した場合のバッテリ断接部３の接続パターンとについて、バッテリモジュール１の出力可能総電力を算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する。判定対象の接続パターンの数が上記実施形態よりも減少するので、処理を簡略化することができる。
以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。すなわち、この実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。
例えば、上記実施形態では、３つのバッテリパック２がバッテリモジュール１を構成し、通常状態で３つ（全て）のバッテリパック２を負荷４に対して並列に接続する例を説明したが、バッテリモジュール１を構成するバッテリパック２の数は上記に限定されず、複数であればよい。また、通常状態で一部のバッテリパック２を負荷４に対して接続してもよい。
本発明は、負荷に対して並列に接続される複数のバッテリパックを備える車両に適用可能である。
１：バッテリモジュール
２：バッテリパック
３：バッテリ断接部
４：負荷
５：温度センサ
６：コンタクタ
１０：バッテリ制御装置
１１：温度取得部
１２：電圧取得部
１３：上限電流算出部
１４：電流制御部
１５：出力可能電力比較判定部
１６：バッテリ断接制御部

Claims (4)

  1. 複数のバッテリパックを備えるバッテリモジュールが搭載され、前記複数のバッテリパックが負荷に対して並列に接続される車両のバッテリ制御システムであって、
    前記バッテリモジュールと前記負荷との間に介在し、前記複数のバッテリパックの各々と前記負荷とを個別に接続及び切断可能なバッテリ断接部と、
    前記バッテリパックの温度及び電圧値を用いて前記バッテリパックの上限電流値を算出する上限電流算出部と、
    前記バッテリパックの電流値を前記上限電流値以下に制御する電流制御部と、
    前記複数のバッテリパックと前記負荷との間で成立可能な前記バッテリ断接部の全ての接続パターンについて、前記バッテリモジュールの出力可能総電力を、前記バッテリパックの前記上限電流値を用いてそれぞれ算出し、現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する出力可能電力比較判定部と、
    前記高出力パターンが存在すると前記出力可能電力比較判定部が判定した場合、前記バッテリ断接部の接続パターンを前記高出力パターンに変更するバッテリ断接制御部と、を備える
    ことを特徴とする車両のバッテリ制御システム。
  2. 請求項１に記載のバッテリ制御システムであって、
    前記高出力パターンが複数存在する場合、前記バッテリ断接制御部は、出力可能総電力が最も大きい最大出力パターンに前記バッテリ断接部の接続パターンを変更する
    ことを特徴とする車両のバッテリ制御システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載のバッテリ制御システムであって、
    前記バッテリ断接制御部は、前記バッテリパックの接続数が前記現在の接続パターンよりも減少し、且つ前記現在の接続パターンから一部の前記バッテリパックを切断する場合に限り、前記バッテリ断接部の接続パターンを変更する
    ことを特徴とする車両のバッテリ制御システム。
  4. 複数のバッテリパックを備えるバッテリモジュールが搭載され、前記複数のバッテリパックが負荷に対して並列に接続される車両のバッテリ制御システムであって、
    前記バッテリモジュールと前記負荷との間に介在し、前記複数のバッテリパックの各々と前記負荷とを個別に接続及び切断可能なバッテリ断接部と、
    前記バッテリパックの温度及び電圧値を用いて前記バッテリパックの上限電流値を算出する上限電流算出部と、
    前記バッテリパックの電流値を前記上限電流値以下に制御する電流制御部と、
    前記複数のバッテリパックと前記負荷との間で成立している前記バッテリ断接部の現在の接続パターンと、前記現在の接続パターンから任意の１つの前記バッテリパックを切断した場合の前記バッテリ断接部の接続パターンとについて、前記バッテリモジュールの出力可能総電力を、前記バッテリパックの前記上限電流値を用いてそれぞれ算出し、前記現在の接続パターンよりも出力可能総電力が大きい高出力パターンが存在するか否かを判定する出力可能電力比較判定部と、
    前記高出力パターンが存在すると前記出力可能電力比較判定部が判定した場合、前記バッテリ断接部の接続パターンを前記高出力パターンに変更するバッテリ断接制御部と、を備える
    ことを特徴とする車両のバッテリ制御システム。
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