JPWO2012169063A1

JPWO2012169063A1 - 電池制御装置、電池システム

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Publication number: JPWO2012169063A1
Application number: JP2013519328A
Authority: JP
Inventors: 大川　圭一朗; 圭一朗大川; 亮平中尾; 洋平河原
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: WO2012169063A1; US20140111164A1; US9252624B2; JP5715694B2

Abstract

蓄電池の内部抵抗の変化に追従して許容充放電電力を精度よく求めることのできる電池制御装置を提供することを目的とする。本発明に係る電池制御装置は、単電池の温度、充電状態に応じた内部抵抗値を、単電池の充電または放電継続時間の値毎に記述した内部抵抗テーブルを備える。電池制御装置は、内部抵抗テーブルが記述している内部抵抗値を用いて単電池の許容充電電流または許容放電電流を算出し、その値にしたがって単電池の充電または放電を制御する（図５参照）。

Description

本発明は、電池を制御する技術に関するものである。

電気を動力として走行する車両には、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの蓄電池が搭載される。ハイブリッド自動車や電気自動車が走行する際に必要となる電力は、これらの蓄電池によって賄われる。

車両に搭載される蓄電池は広い温度範囲で使用され、蓄電池はその温度に応じた最大の許容電力を有する。この最大許容電力を超えて蓄電池の充放電を実施すると、過充電や過放電となる可能性がある。

一般的に、低温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は小さく、高温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は大きい。また、高温状態では最大許容電力は大きいが、高温状態での蓄電池の使用は蓄電池の劣化を促進させる。一方、蓄電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ oｆＣｈａｒｇｅ）が高いほど最大許容充電電力は小さく、最大許容放電電力は大きい。また、蓄電池のＳＯＣが低いほど最大許容放電電力は小さく、最大許容充電電力は大きい。蓄電池を安全に使用するためには、最大許容電力を超えない範囲内において充放電制御を実施する必要がある。

下記特許文献１には、組電池を構成する単電池間に温度ばらつきが生じた場合でも、各単電池に適した許容充放電電力を算出し、充放電制御を最適に実施するための技術が記載されている。

特開２００７−１６５２１１号公報

上記特許文献１に記載されている技術では、充放電の継続時間に応じて蓄電池の内部抵抗が変化した場合に、許容充放電電力の算出精度が低下する可能性がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、蓄電池の内部抵抗の変化に追従して許容充放電電力を精度よく求めることのできる電池制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電池制御装置は、単電池の温度、充電状態に応じた内部抵抗値を、単電池の充電または放電継続時間の値毎に記述した内部抵抗テーブルを備える。電池制御装置は、内部抵抗テーブルに記述された内部抵抗値を用いて単電池の最大許容充電電流または最大許容放電電流を算出し、その値にしたがって算出した最大許容充電電力または最大許容放電電力を用いることにより、単電池の充電または放電を制御する。

本発明に係る電池制御装置によれば、充放電を継続するにしたがって単電池の内部抵抗が変化しても、内部抵抗テーブルから取得する内部抵抗値を変化にしたがって切り替えることにより、内部抵抗の変化に追従することができる。これにより、許容充放電電力を精度よく求めることができる。

実施形態１に係る電池システム１００とその周辺の構成を示す図である。単電池制御部１２１の回路構成を示す図である。記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の例を示す図である。記憶部１８０が格納している内部抵抗テーブル１８２の例を示す図である。電池システム１００が備える組電池制御部１５０の各単電池１１１の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。電池システム１００が備える組電池制御部１５０が組電池１１０の許容充電電力を求める手法を、制御ブロックで表した図である。実施形態２に係る電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。実施形態３に係る電池システム１００が備える組電池制御部１５０の各単電池１１１の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。実施形態３に係る電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。電池システム１００が備える組電池制御部１５０が組電池１１０の許容充電電力を求める手法を、制御ブロックで表した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）の電源を構成する電池システムに対して本発明を適用した場合を例に挙げて説明する。

また、以下の実施形態では、リチウムイオン電池を採用した場合を例に挙げて説明するが、他にもニッケル水素電池、鉛電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどを用いることもできる。なお、以下の実施形態では単電池を直列に接続して組電池を構成しているが、単電池を並列接続したものを直列接続して組電池を構成してもよいし、直列接続した単電池を並列接続して組電池を構成してもよい。

＜実施の形態１：システム構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る電池システム１００とその周辺の構成を示す図である。電池システム１００はリレー３００と３１０を介してインバータ４００に接続され、リレー３２０と３３０を介して充電器４２０に接続される。電池システム１００は、組電池１１０、単電池管理部１２０、電流検知部１３０、電圧検知部１４０、組電池制御部１５０、記憶部１８０を備える。

組電池１１０は、複数の単電池１１１から構成される。単電池管理部１２０は、単電池１１１の状態を監視する。電流検知部１３０は、電池システム１００に流れる電流を検知する。電圧検知部１４０は、組電池１１０の総電圧を検知する。組電池制御部１５０は、組電池１１０を制御する。

組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０が送信する単電池１１１の電池電圧や温度、電流検知部１３０が送信する電池システム１００に流れる電流値、電圧検知部１４０が送信する組電池１１０の総電圧値を受け取る。組電池制御部１５０は、受け取った情報をもとに組電池１１０の状態を検知する。組電池制御部１５０による状態検知の結果は、単電池管理部１２０や車両制御部２００に送信される。

組電池１１０は、電気エネルギーの蓄積および放出（直流電力の充放電）が可能な複数の単電池１１１を電気的に直列に接続して構成している。組電池１１０を構成する単電池１１１は、状態の管理・制御を実施する上で、所定の単位数にグループ分けされている。グループ分けされた単電池１１１は、電気的に直列に接続され、単電池群１１２ａ、１１２ｂを構成している。単電池群１１２を構成する単電池１１１の個数は、全ての単電池群１１２において同数でもよいし、単電池群１１２毎に単電池１１１の個数が異なっていてもよい。

単電池管理部１２０は、組電池１１０を構成する単電池１１１の状態を監視する。単電池管理部１２０は、単電池群１１２毎に設けられた単電池制御部１２１を備える。図１では、単電池群１１２ａと１１２ｂに対応して、単電池制御部１２１ａと１２１ｂが設けられている。単電池制御部１２１は、単電池群１１２を構成する単電池１１１の状態を監視および制御する。

本実施形態１では、説明を簡略化するために、４個の単電池１１１を電気的に直列接続して単電池群１１２ａと１１２ｂを構成し、単電池群１１２ａと１１２ｂをさらに電気的に直列接続して合計８個の単電池１１１を備える組電池１１０とした。

組電池制御部１５０と単電池管理部１２０は、フォトカプラに代表される絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して信号を送受信する。

組電池制御部１５０と、単電池管理部１２０を構成する単電池制御部１２１ａおよび１２１ｂとの間の通信手段について説明する。単電池制御部１２１ａおよび１２１ｂは、それぞれが監視する単電池群１１２ａおよび１１２ｂの電位の高い順にしたがって直列に接続されている。組電池制御部１５０が単電池管理部１２０に送信した信号は、絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して単電池制御部１２１ａに入力される。単電池制御部１２１ａの出力は信号通信手段１６０を介して単電池制御部１２１ｂに入力され、最下位の単電池制御部１２１ｂの出力は絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して組電池制御部１５０へと伝送される。本実施形態１では、単電池制御部１２１ａと単電池制御部１２１ｂの間は絶縁素子１７０を介していないが、絶縁素子１７０を介して信号を送受信することもできる。

記憶部１８０は、組電池１１０、単電池１１１、単電池群１１２の内部抵抗特性、満充電時の容量、分極電圧、劣化特性、個体差情報、ＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ：ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）の対応関係などの情報を格納する。さらに、単電池管理部１２０、単電池制御部１２１、組電池制御部１５０などの特性情報についてもあらかじめ記憶することができる。記憶部１８０が記憶する情報については、後述の図３〜図４で改めて説明する。

組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０、電流検知部１３０、電圧検知部１４０、車両制御部２００から受け取った情報、後述するＳＯＣテーブル１８１および内部抵抗テーブル１８２を用いて、１つ以上の単電池１１１のＳＯＣ、劣化状態（ＳＯＨ：ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）、充電・放電可能な電流や電力（以下では、充電側を正、放電側を負の値として表現する）、異常状態、充放電量を制御するための演算などを実行する。そして、演算結果に基づいて、単電池管理部１２０や車両制御部２００に情報を出力する。

車両制御部２００は、組電池制御部１５０が送信する情報を用いて、リレー３００と３１０を介して電池システム１００と接続されるインバータ４００を制御する。また、リレー３２０と３３０を介して電池システム１００に接続される充電器４２０を制御する。車両走行中には、電池システム１００はインバータ４００と接続され、組電池１１０が蓄えているエネルギーを用いて、モータジェネレータ４１０を駆動する。充電の際には、電池システム１００は充電器４２０と接続され、家庭用の電源または電気スタンドからの電力供給によって充電される。

充電器４２０は、家庭または電気スタンドに代表される外部の電源を用いて組電池１１０を充電する際に用いられる。本実施形態１では、充電器４２０は車両制御部２００からの指令に基づき充電電圧や充電電流などを制御する構成としているが、組電池制御部１５０からの指令に基づき制御を実施してもよい。また、充電器４２０は車両の構成、充電器４２０の性能、使用目的、外部の電源の設置条件などに応じて車両内部に設置してもよいし、車両の外部に設置することもできる。

電池システム１００を搭載した車両システムが始動して走行する場合には、車両制御部２００の管理のもと、電池システム１００はインバータ４００に接続され、組電池１１０が蓄えているエネルギーを用いてモータジェネレータ４１０を駆動し、回生時はモータジェネレータ４１０の発電電力により組電池１１０が充電される。電池システム１００を備える車両が家庭用または電気スタンドに代表される外部の電源と接続された際には、車両制御部２００が発信する情報に基づき電池システム１００と充電器４２０とが接続され、組電池１１０が所定の条件になるまで充電される。充電によって組電池１１０に蓄えられたエネルギーは、次回の車両走行時に利用されるか、車両内外の電装品等を動作させるためにも利用される。さらに必要に応じて、家庭用の電源に代表される外部電源へも放出する場合がある。

図２は、単電池制御部１２１の回路構成を示す図である。単電池制御部１２１は、電圧検出回路１２２、制御回路１２３、信号入出力回路１２４、温度検知部１２５を備える。電圧検出回路１２２は、各単電池１１１の端子間電圧を測定する。制御回路１２３は、電圧検出回路１２２および温度検知部１２５から測定結果を受け取り、信号入出力回路１２４を介して組電池制御部１５０に送信する。なお、単電池制御部１２１に一般的に実装される、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池１１１間の電圧やＳＯＣばらつきを均等化する回路構成は、周知のものであると判断して記載を省略した。

図２における単電池制御部１２１が備える温度検知部１２５は、単電池群１１２の温度を測定する機能を有する。温度検知部１２５は、単電池群１１２全体として１つの温度を測定し、単電池群１１２を構成する単電池１１１の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部１２５が測定した温度は、単電池１１１、単電池群１１２、または組電池１１０の状態を検知するための各種演算に用いられる。図２はこれを前提とするため、単電池制御部１２１に１つの温度検知部１２５を設けた。単電池１１１毎に温度検知部１２５を設けて単電池１１１毎に温度を測定し、単電池１１１毎の温度に基づいて各種演算を実行することもできるが、この場合は温度検知部１２５の数が多くなる分、単電池制御部１２１の構成が複雑となる。

図２では、簡易的に温度検知部１２５を示した。実際は温度測定対象に温度センサが設置され、設置した温度センサが温度情報を電圧として出力し、これを測定した結果が制御回路１２３を介して信号入出力回路１２４に送信され、信号入出力回路１２４が単電池制御部１２１の外に測定結果を出力する。この一連の流れを実現する機能が単電池制御部１２１に温度検知部１２５として実装され、温度情報（電圧）の測定には電圧検出回路１２２を用いることもできる。

図３は、記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の例を示す図である。ＳＯＣテーブル１８１は、単電池１１１のＯＣＶと、単電池１１１のＳＯＣとの対応関係を記述したデータテーブルである。データ形式は任意でよいが、ここでは説明の便宜上、グラフ形式でデータ例を示す。なお、本実施例ではデータテーブルを用いているが、数式などを用いることでＯＣＶとＳＯＣとの対応関係を表現することもできる。ＯＣＶとＳＯＣの対応関係を示す特性情報であり、ＯＣＶからＳＯＣ、またはＳＯＣからＯＣＶへと変換できる手段であれば何でもよい。

ＯＣＶは、単電池１１１の無負荷時の電圧である。リレー３００、３１０、３２０、３３０が閉じる前、またはリレー３００、３１０、３２０、３３０が閉じられているが組電池１１０の充放電が開始されていない状態、などのタイミングにおいて測定した単電池１１１の端子間電圧がＯＣＶと判断できる。さらに、組電池１１０の充電または放電を実施しているがその電流値が微弱な場合にＯＣＶと見なすこともできる。

単電池１１１に出入りする電流値が大きい場合は、単電池１１１に含まれる内部抵抗が無視できない電圧降下や電圧上昇を生じさせる。この時の電池電圧は閉回路電圧（ＣＣＶ：ＣｌｏｓｅｄＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）であり、この条件下では単電池制御部１２１が直接、単電池１１１のＯＣＶを把握することが困難である。この場合にＯＣＶを得るためには、単電池制御部１２１が測定した単電池１１１のＣＣＶと、電流検知部１３０が測定した単電池１１１に出入りする電流Ｉと、あらかじめ記憶した単電池１１１の内部抵抗Ｒと、分極電圧Ｖｐに関する情報とを用いて、組電池制御部１５０が下記式１によりＯＣＶを計算する必要がある。求めたＯＣＶを図３のテーブルに入力することにより、各時点におけるＳＯＣを得る。

下記式１の計算は、単電池１１１を充放電しているか否かに関わらず組電池制御部１５０に実行させることができる。組電池１１０を構成する単電池１１１それぞれのＯＣＶを用いるなどして単電池１１１毎にＳＯＣを計算する。

ＳＯＣを計算する他の方法としては、単電池１１１に出入りする電流を積分することによりＳＯＣを得る方法が知られている（ＳＯＣ＝初期ＳＯＣ＋１００×∫Ｉｄｔ／満充電容量）。本実施例ではどちらのＳＯＣ計算方法を採用してもよい。さらには、組電池制御部１５０が単電池１１１毎にＳＯＣを得ることができるその他の手法を用いてもよい。

単電池１１１毎にＳＯＣを得るためには、下記式１のＣＣＶ、Ｒ、Ｖｐ、前述した電流を積分することによりＳＯＣを得るＳＯＣ計算方法を採用する場合は、初期ＳＯＣや満充電容量などを単電池１１１毎に計算用パラメータとして用意しておく必要がある。
ＯＣＶ＝ＣＣＶ−Ｉ×Ｒ−Ｖｐ・・・（式１）

組電池制御部１５０は、単電池制御部１２１が検出した単電池１１１のＯＣＶとＳＯＣテーブル１８１を用いることにより、単電池１１１のＳＯＣを得ることができる。また、単電池１１１のＯＣＶを合計して組電池１１０のＯＣＶを求めることもできる。単電池１１１毎にＳＯＣ特性が異なる場合は、各単電池１１１についてＳＯＣテーブル１８１を設けてもよい。

図４は、記憶部１８０が格納している内部抵抗テーブル１８２の例を示す図である。内部抵抗テーブル１８２は、単電池１１１の温度、ＳＯＣに応じた内部抵抗値を、充電継続時間に応じて記述したデータテーブルである。内部抵抗テーブル１８２のデータ形式は任意でよいが、ここでは説明の便宜上、横軸を単電池１１１の温度、縦軸を単電池１１１のＳＯＣとして単電池１１１の内部抵抗値Ｒを記述した２次元マップを、充電継続時間軸に沿って複数設けた例を示した。なお、本実施例ではデータテーブルを用いたが、図３のＳＯＣテーブル１８１と同様に、数式などデータテーブルとは異なる手段で温度、ＳＯＣ、充電継続時間と内部抵抗の対応関係を表現してもよく、温度とＳＯＣと充電継続時間に応じた内部抵抗の特性情報であれば何でもよい。

組電池制御部１５０は、前述した方法で取得したＳＯＣと単電池制御部１２１が取得した単電池群１１２の代表温度とを用いて、内部抵抗テーブル１８２を参照することにより、単電池１１１の内部抵抗値を取得する。さらに単電池１１１の充電継続時間を指定することにより、充電継続時間毎の内部抵抗値を取得することができる。

内部抵抗テーブル１８２の充電継続時間毎の２次元マップをどの程度の時間間隔で設けるかは、電池システム１００の仕様などに応じて適宜定めればよい。例えば、図４に例示した２次元マップを、充電継続時間１秒毎に設けることができる。

以上、電池システム１００の構成について説明した。次に、電池システム１００の動作について、基本的な考え方と動作手順を説明する。

＜実施の形態１：システム動作の考え方＞
単電池１１１の内部抵抗値は、当該単電池１１１の温度とＳＯＣに応じて変化する。単電池１１１の温度は単電池制御部１２１から、単電池１１１のＳＯＣは前述した方法を用いて、それぞれ取得することができる。組電池制御部１５０は、これらを用いて単電池１１１の内部抵抗値を取得し、適切な許容充電電流を定める。

ただし、単電池１１１の内部抵抗値は充電継続時間によっても変化する。そこで本実施形態１では、内部抵抗テーブル１８２を充電継続時間毎に設け、単電池１１１のより正確な内部抵抗値を得ることができるようにした。これにより、許容充電電流をさらに正確に求めることができる。

なお、組電池１１０を構成する単電池１１１間には温度ばらつきが生じ、温度が最も高いときと、温度が最も低いときとで単電池１１１の内部抵抗値が異なり、許容電流の値にも影響が出る可能性がある。そこで、２つ以上の単電池制御部１２１が測定した２つ以上の温度測定結果を用いて組電池１１０における最高温度と最低温度を求め、組電池１１０における最高温度と最低温度に対応する許容電流をそれぞれ計算し、いずれか低い方の許容電流を最終的な許容電流値として採用することとした。

図５は、電池システム１００が備える組電池制御部１５０の各単電池１１１の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。単電池１１１の許容最大端子電圧をＶｍａｘとすると、許容充電電流は下記式２によって求めることができる。下記式２のＯＣＶは、式１の計算結果を用いることもできるし、単電池１１１に出入りする電流を積分することによりＳＯＣを得る場合は、ＳＯＣの計算結果を図３のＳＯＣテーブル１８１でＯＣＶに変換した結果を用いることもできる。図５では、一例として、単電池１１１のＳＯＣを入力として用いる場合を示した。
許容充電電流＝（Ｖｍａｘ−ＯＣＶ）／内部抵抗値・・・（式２）

この許容充電電流を、単電池１１１の温度が最も高いときと温度が最も低いときのそれぞれについて求め、いずれか小さいほうを最終的に採用する。

図６は、電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。組電池制御部１５０は、図５で説明した手法に加えて単電池１１１毎のＳＯＣを入力して単電池１１１毎における許容充電電流を算出した後、最も小さい充電電流を最終的な許容充電電流として採用する。直列接続した全ての単電池１１１に流れる電流は同じになるため、各単電池１１１の中で最も小さい許容充電電流を採用することにより、全ての単電池１１１の電圧がＶｍａｘを超えない充電制御を実現することができる。

最終的に決定した組電池１１０の許容充電電流を用いて、充電時の組電池充電電圧を計算し、許容充電電流と組電池充電電圧とを乗算することにより、組電池１１０の許容充電電力を計算することができる。

組電池充電電圧は、最終的に決定した許容充電電流を通電した際に見込まれる組電池１１０の総電圧である。組電池充電電圧は、組電池１１０を構成する単電池１１１毎にＳＯＣや温度などを入力して求められる許容充電電流で充電した場合の各単電池１１１の電圧を合計した結果としてもよいし、組電池１１０を構成する単電池１１１の平均ＳＯＣや平均温度などを入力して求められる許容充電電流で充電した場合の単電池１１１の平均電圧を直列数で乗算した結果としてもよい。

前述した単電池１１１毎の電圧を求めて電圧の合計値を計算する方法と、単電池１１１の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法のどちらを採用してもよいが、本実施形態では単電池１１１の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法を採用する。下記式３を用いてその方法を説明する。

下記式３における平均ＯＣＶは、単電池１１１毎の式１の計算結果の平均値、または単電池１１１毎に求めた電流積分のＳＯＣの平均値を図３のＳＯＣテーブル１８１により平均ＯＣＶへと変換した結果などを用いる。下記式３における平均内部抵抗値は、式１と図３を用いて求めた単電池１１１毎のＳＯＣまたは単電池１１１毎の電流積分のＳＯＣの平均値と、組電池１１０から測定した複数の温度の平均値と、充電継続時間とを図４の内部抵抗テーブル１８２に入力して取得する。
組電池充電電圧＝直列数×
（平均ＯＣＶ＋許容充電電流×平均内部抵抗値）・・・（式３）
許容充電電力＝許容充電電流×組電池充電電圧・・・（式４）

図７は、前述した入力パラメータから、許容充電電流と許容充電電力を計算する際の処理イメージを示す図である。

組電池制御部１５０が前述した許容充電電力までの一連の計算を実行し、車両制御部２００に計算結果を送信し、車両制御部２００が受信した許容充電電力の範囲内で組電池１１０を充電するようインバータ４００等に指令を発信する。このようにすることで、組電池１１０を構成する単電池１１１が何れもＶｍａｘを超えない範囲で、組電池１１０を充電することができる。

＜実施の形態１：システムの動作手順＞
以下では、電池システム１００が単電池１１１を充電する際に、各単電池１１１の充電電力を許容範囲内に収めるための動作手順について説明する。

（ステップ１：単電池１１１のＯＣＶを取得する）
組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０等の測定結果を用いて、式１により単電池１１１のＯＣＶを得る。ただし、無負荷時の場合は単電池管理部１２０が測定した電圧をそのままＯＣＶとして扱うことができる。

（ステップ２：単電池１１１のＳＯＣを取得する）
組電池制御部１５０は、ステップ１で取得した単電池１１１のＯＣＶとＳＯＣテーブル１８１を用いて、単電池１１１のＳＯＣを取得する。単電池１１１に出入りする電流を積分するＳＯＣ計算方式を採用する場合は、電流検知部１３０で測定した電流値を積分してＳＯＣを取得する。さらに、許容電力の計算に備えて、ステップ１で説明した単電池１１１のＯＣＶから平均ＯＣＶを計算するか、ここで求めたＳＯＣの平均値である平均ＳＯＣを図３のＳＯＣテーブル１８１で平均ＯＣＶに変換しておくとよい。

（ステップ３：単電池１１１の温度を取得する）
組電池制御部１５０は、単電池群１１２毎に設けた単電池制御部１２１を用いて、２つ以上の単電池群１１２の温度を取得する。単電池１１１毎に温度検知部１２５を設けている場合は、単電池１１１毎に温度を取得する。取得した２つ以上の温度から、許容電流の計算用に最高温度と最低温度を求め、許容電力の計算用に平均温度を求めておく。

（ステップ４：充電継続時間を取得する）
組電池制御部１５０は、単電池１１１を充電している継続時間を取得する。例えば、単電池１１１の充電を開始した時点でカウントを開始し、充電が継続している間はカウントアップする。このカウントした結果を充電継続時間として用いる。

（ステップ５：充電継続時間に対応する内部抵抗値を取得する）
組電池制御部１５０は、ステップ２〜ステップ４で取得した、単電池１１１のＳＯＣ、温度、充電継続時間を用いて内部抵抗テーブル１８２を参照し、対応する内部抵抗値を取得する。

（ステップ６：単電池１１１の許容充電電流を求める）
組電池制御部１５０は、図５および図６で説明した手法を用いて、単電池１１１の許容充電電流を求める。

（ステップ７：許容充電電力を求める）
組電池制御部１５０は、ステップ６で求めた許容充電電流を入力として式３および式４の計算を実施し、許容充電電力を求める。車両制御部２００が許容充電電力を求める機能を備えている場合は、組電池制御部１５０が許容充電電流までを求めて車両制御部２００に送信し、車両制御部２００が許容充電電力の計算を実施してもよい。車両制御部２００は、受信または自身で計算した許容充電電力の範囲内で組電池１１０が充電されるように各種演算や処理、インバータ４００や充電器４２０への指令の発信を行う。

（ステップ８：充電を継続する間は以上を繰り返す）
組電池制御部１５０は、以上のステップ１〜ステップ７の動作を繰り返し実行する。これにより、充電継続時間に応じて単電池１１１の内部抵抗値を切り替え、常に最適な許容充電電流を用いて許容充電電力を求め、充電制御を実施することができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る電池システム１００は、単電池１１１の温度とＳＯＣに応じた内部抵抗値を記述した２次元マップを充電継続時間毎に設けた、内部抵抗テーブル１８２を備えている。電池システム１００は、単電池１１１の温度、ＳＯＣ、充電継続時間を用いて内部抵抗テーブル１８２から単電池１１１の内部抵抗値を取得し、これに基づき単電池１１１の許容充電電流を求める。これにより、充電継続時間に応じて単電池１１１の内部抵抗値が変化しても、これに追従して最適な許容充電電流を取得し、充電制御を実施することができる。

なお、本実施形態１において、単電池１１１を充電する際の動作を説明したが、放電時の動作についても同様の手法を用いることができる。すなわち、内部抵抗テーブル１８２は、放電継続時間毎に内部抵抗値を記述するようにしておく。図５は充電継続時間を入力しているが、これに替えて放電継続時間を入力するようにし、式２の上限電圧Ｖｍａｘを下限電圧Ｖｍｉｎに替えることにより、許容放電電流を算出する。そして図６と同様に、各単電池１１１について許容放電電流を求め、その中で最も絶対値が小さくなった値を最終的な許容放電電流値として採用する。

＜実施の形態２＞
実施形態１では、充放電継続時間に応じて、許容充放電電流を求める際に用いる単電池１１１の内部抵抗値を切り替える例を説明した。この手法は、電気自動車のように充放電時間が比較的長い運用形態を想定している場合には有効であるが、ハイブリッド電気自動車のように電池を用いる時間が比較的短い運用形態の下では必ずしも必須ではないと考えられる。

そこで本発明の実施形態２では、電池システム１００が、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとを切り替えて動作する場合において、許容充放電電流を算出する手順を、動作モードの切り替えにともなって切り替える動作例を説明する。電池システム１００の構成は実施形態１と概ね同様であるため、以下では差異点を中心に説明する。

図８は、本実施形態２に係る電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。

組電池制御部１５０は、車両制御部２００からの指示にしたがって、電池システム１００をハイブリッド電気自動車モード（ＨＥＶモード）で動作させるか、電気自動車モード（ＥＶモード）で動作させるかを切り替える。

組電池制御部１５０は、電池システム１００をＥＶモードで動作させる場合は、実施形態１で説明した手法を用いて、許容充放電電流を算出する。一方、電池システム１００をＨＥＶモードで動作させる場合は、充放電継続時間によって内部抵抗値を切り替えず、固定の内部抵抗値を用いる。いずれの内部抵抗値を用いるかは、電池システム１００の仕様などに応じて適宜定める。

ただし、ＥＶモードと比較して、ＨＥＶモードは組電池１１０が充放電する時間が比較的短い運用形態であるため、ＥＶモードよりも充放電継続時間が短い内部抵抗値を採用して許容電流を計算する。なお、ＨＥＶモードで短い時間を想定した内部抵抗値を使用することは、許容電流を求めた後に行う許容電力の計算でも同様である。ＨＥＶモードではＥＶモードと比して時間が短い内部抵抗値を固定値として用いることにより、組電池制御部１５０の演算処理を簡素化できる。

前述では、車両制御部２００からの指示にしたがって組電池制御部１５０の動作をＥＶモードかＨＥＶモードかを切り替える方法を述べたが、組電池制御部１５０は常に、ＨＥＶモード用の許容電流または電力と、ＥＶモード用の許容電流または電力とを並行して計算する方法を採用することもできる。この場合は、車両制御部２００がＨＥＶモードとＥＶモードの２種類の許容電流若しくは電力を受信し、車両制御部２００が必要に応じて何れか一方または２つの許容電流若しくは電力を使用して組電池１１０の充放電制御を実施する。この場合でも、電池システム１００がＨＥＶモードで動作するときは、ＥＶモードで動作するときよりも充放電継続時間が短いと想定した内部抵抗値を用いて許容電流若しくは電力を算出する。

２つの許容電流または電力を並行して求めることにより、ＥＶモードで車両走行中にＨＥＶモードで想定される許容電流若しくは電力を把握し、ＨＥＶモードで車両走行中にＥＶモードで想定される許容電流または電力を把握することができる。これにより、車両の走行モードを切り替える際に、モード切替後の組電池１１０の充放電性能、さらには組電池１１０を用いた車両の走行性能を考慮できる車両システムを提供できる。また、２つのモードで動作する組電池１１０の充放電性能に基づいて車両性能を確認し、車両の全体制御を決定できる車両システムを実現することができる。

＜実施の形態３＞
以上の実施形態１〜２において、単電池１１１の劣化状態（ＳＯＨ）を加味して許容充放電電流を算出するようにしてもよい。ここでのＳＯＨは劣化に伴う内部抵抗の上昇率のことを意味しており、単電池１１１が新品のときは値が１であり、劣化するに応じて値が１よりも大きくなるものとする。本発明の実施形態３では、ＳＯＨを加味した動作例を説明する。単電池１１１のＳＯＨを取得する手法としては、任意の公知技術を用いることができるので、本実施形態３では言及しない。ただし、ここでのＳＯＨは単電池１１１毎に内部抵抗上昇率を検知した結果とし、これを単電池１１１毎の許容電流演算に適用することを想定している。

図９は、本実施形態３に係る電池システム１００が備える組電池制御部１５０の各単電池１１１の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。単電池１１１のＳＯＨを加味する場合、単電池１１１の許容最大端子電圧をＶｍａｘとすると、許容充電電流は以下の式５によって求めることができる。
許容充電電流＝（Ｖｍａｘ−ＯＣＶ）／（内部抵抗値×ＳＯＨ）・・・（式５）

この許容充電電流を、単電池１１１の温度が最も高いときと温度が最も低いときのそれぞれについて求め、いずれか小さいほうを採用する。許容放電電流を計算する際にも、同様の処理を実行する。

図１０は、本実施形態３に係る電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容充電電流を求める手法を制御ブロックで表した図である。本実施形態３では、単電池１１１のＳＯＨを加味して許容充電電流を求めるので、各単電池１１１の許容充電電流を求める際に、各単電池１１１のＳＯＣとＳＯＨとを双方用いることになる。各単電池１１１のＳＯＣとＳＯＨとを用いて単電池１１１毎に許容電流を求め、その中で最も小さい許容電流を採用することにより、組電池１１０を構成する単電池１１１のＳＯＣやＳＯＨばらつきを考慮に入れた充放電制御を実現する。

許容電力を計算する際にもＳＯＨを加味することができる。許容充電電力を計算する際に必要な組電池充電電圧は、組電池１１０を構成する単電池１１１毎に求めた許容電流を通電した時の電圧の合計を用いるか、または組電池１１０を構成する単電池１１１の許容電流を通電した際の平均電圧を直列数で乗算して得られることは、前述の通りである。単電池１１１の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法にＳＯＨを加える場合、式３に平均ＳＯＨをパラメータとして追加して式６のように表現する。
組電池充電電圧＝直列数×
（平均ＯＣＶ＋許容充電電流×平均内部抵抗値×平均ＳＯＨ）・・・（式６）

以上のように求めた組電池充電電圧と許容充電電流とを乗算した結果が許容充電電力である。

図１１は、式５や式６を用いて、許容充電電流と許容充電電力を計算する際の処理イメージを示す図である。

組電池１１０を構成する単電池１１１毎に求めた許容電流を通電した時の電圧の合計を組電池充電電圧として用いる場合は、式６に替えて、組電池１１０を構成する単電池１１１毎にＳＯＣやＳＯＨ、温度を入力して許容充電電流で充電した場合の各単電池１１１の電圧を求め、これら単電池１１１の電圧を合計する。

前述では許容充電電流・充電電力について述べたが、放電側に関してもＳＯＨを加味して同様の処理を行うことができる。具体的には、式５のＶｍａｘをＶｍｉｎに替えることにより、許容放電電流が求められる。さらに、式６の許容充電電流を許容放電電流に替えることにより、許容放電電力を得ることができる。

本実施形態では、組電池１１０を構成する単電池１１１間のＳＯＣやＳＯＨがばらついた場合でも、これを考慮した組電池１１０の許容充電電流または電力、許容放電電流または電力を求め、これらを車両制御部２００に送信することにより、組電池１１０をより確実に充放電制御することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

また、上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ＩＣカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納することができる。

１００：電池システム、１１０：組電池、１１１：単電池、１１２：単電池群、１２０：単電池管理部、１２１：単電池制御部、１２２：電圧検出回路、１２３：制御回路、１２４：信号入出力回路、１２５：温度検知部、１３０：電流検知部、１４０：電圧検知部、１５０：組電池制御部、１６０：信号通信手段、１７０：絶縁素子、１８０：記憶部、１８１：ＳＯＣテーブル、１８２：内部抵抗テーブル、２００：車両制御部、３００〜３３０：リレー、４００：インバータ、４１０：モータジェネレータ、４２０：充電器。

また、以下の実施形態では、リチウムイオン電池を採用した場合を例に挙げて説明するが、他にもニッケル水素電池、鉛電池、ハイブリッドキャパシタなどを用いることもできる。なお、以下の実施形態では単電池を直列に接続して組電池を構成しているが、単電池を並列接続したものを直列接続して組電池を構成してもよいし、直列接続した単電池を並列接続して組電池を構成してもよい。

組電池制御部１５０は、車両制御部２００からの指示にしたがって、電池システム１００をハイブリッド自動車モード（ＨＥＶモード）で動作させるか、電気自動車モード（ＥＶモード）で動作させるかを切り替える。

組電池１１０を構成する単電池１１１毎に求めた許容電流を通電した時の電圧の合計を組電池充電電圧として用いる場合は、式６に替えて、組電池１１０を構成する単電池１１１毎にＳＯＣやＳＯＨ、温度、および充電継続時間を入力して許容充電電流で充電した場合の各単電池１１１の電圧を求め、これら単電池１１１の電圧を合計する。

Claims

単電池が複数接続された組電池を制御する制御部と、
前記単電池または前記組電池の端子間電圧を測定する電圧測定部と、
前記単電池または前記組電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
前記単電池または前記組電池の温度を測定する温度測定部と、
前記単電池の温度、充電状態、内部抵抗値、および前記単電池を充電または放電する継続時間の対応関係を示した内部抵抗の特性情報を格納する記憶部と、
を備え、
前記内部抵抗の特性情報は、
前記継続時間の値毎に前記対応関係を記述しており、
前記制御部は、
前記電圧測定部または前記電流測定部の測定結果を用いて前記単電池の充電状態を取得し、
前記単電池の温度、充電状態、および前記継続時間に対応する前記内部抵抗値を前記内部抵抗の特性情報から取得し、
前記単電池の上限電圧または下限電圧、開回路電圧、および前記内部抵抗値を用いて、前記単電池の充電電流または放電電流を算出し、その値にしたがって前記単電池の充電または放電を制御する
ことを特徴とする電池制御装置。
前記制御部は、
前記組電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
電気自動車に電力を供給する動作モードで前記組電池を動作させるときは、前記単電池を充電または放電する継続時間に対応する前記内部抵抗値を用いて、前記単電池の充電電流または放電電流を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記組電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードで前記組電池を動作させるときは、いずれかの前記継続時間に対応する前記内部抵抗値を固定的に用いて、前記単電池の充電電流または放電電流を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記組電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードで前記組電池を動作させるときは、電気自動車に電力を供給する動作モードで前記組電池を動作させるときよりも短い前記継続時間に対応する前記内部抵抗値を用いて、前記単電池の充電電流または放電電流を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記単電池の上限電圧または下限電圧、開回路電圧、前記内部抵抗値、および前記単電池の劣化状態を用いて、前記単電池の充電電流または放電電流を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記単電池の温度のうち最も高いものに対応する前記内部抵抗値を求めて算出した前記単電池の充電電流または放電電流と、前記単電池の温度のうち最も低いものに対応する前記内部抵抗値を求めて算出した前記単電池の充電電流または放電電流とのうち、いずれか小さいほうを用いて、前記単電池の充電または放電を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
各前記単電池の充電電流または放電電流のうち最も小さいものを用いて、前記単電池の充電または放電を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記記憶部は、
前記単電池の開回路電圧と充電状態の対応関係を示したＳＯＣの特性情報を格納し、
前記制御部は、
前記単電池の開回路電圧と前記ＳＯＣの特性情報を用いて前記単電池の現在の充電状態を取得する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
請求項１記載の電池制御装置と、
単電池が複数接続された組電池と、
を有し、
前記電池制御装置は、前記単電池または前記組電池を制御する
ことを特徴とする電池システム。
単電池が複数接続された組電池を制御する制御部と、
前記単電池または前記組電池の端子間電圧を測定する電圧測定部と、
前記単電池または前記組電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
前記単電池または前記組電池の温度を測定する温度測定部と、
前記単電池の温度、充電状態、および内部抵抗値の対応関係を示した内部抵抗の特性情報を格納する記憶部と、
を備え、
前記制御部は、
前記電圧測定部または前記電流測定部の測定結果を用いて前記単電池の充電状態を取得し、
前記単電池の温度と充電状態に対応する前記内部抵抗値を前記内部抵抗の特性情報から取得し、
前記単電池の上限電圧または下限電圧、開回路電圧、および前記内部抵抗値を用いて、前記単電池の充電電流または放電電流を算出し、最も小さくなる充電電流または放電電流を最終的な許容電流とし、
前記最終的な許容電流を通電した際の前記単電池の電圧の合計値、または前記単電池の平均電圧に直列数を乗算した結果を前記最終的な許容電流と乗算することにより、許容電力を求める
ことを特徴とする電池制御装置。