JP2006338995A - 組電池の容量調整装置および組電池の容量調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池の状態に応じた容量調整を行う。
【解決手段】複数のセルから構成される組電池のＳＯＣを演算し、演算したＳＯＣが低いほど、各セルの放電を行う容量調整回路の作動条件となる容量しきい値ＳＯＣ１を小さくし、組電池のＳＯＣが高いほど、容量しきい値ＳＯＣ１を大きくする。これにより、組電池の状態に応じて、適切な容量しきい値が設定されるので、容量調整が行われない期間が長くなったり、過放電状態のセルも含めて全てのセルの放電が無駄に行われるのを防ぐことができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のセルから構成される組電池の容量調整装置および組電池の容量調整方法に関する。

従来、組電池を構成する各セルの電圧と所定電圧とを比較して、セル電圧が所定電圧を超えたセルの放電を行うことにより、セル間の電圧バラツキを抑制する容量調整装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平１１−２６２１８８号公報

しかしながら、従来の容量調整装置では、セルの電圧と比較する所定電圧の値が不変であるため、組電池の使用状況によって、全セルの電圧が所定電圧を下回る状態が続くと、容量調整が全く行われない期間が長くなってしまうという問題が生じることがある。

本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法は、組電池の容量と容量しきい値とを比較し、組電池の容量が容量しきい値より高い場合に、少なくとも一部のセルを放電させてセル間の容量調整を行うものであって、組電池の容量が低いほど、容量しきい値を小さくし、組電池の容量が高いほど、容量しきい値を大きくすることを特徴とする。

本発明による組電池の容量調整装置および容量調整方法によれば、組電池の容量が低いほど容量しきい値を小さくし、組電池の容量が高いほど、容量しきい値を大きくするので、組電池の容量に応じて、セル間の容量調整を適切に行うことができる。

図１は、一実施の形態における組電池の容量調整装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の駆動システムを示す図である。組電池１は、複数のセルｓ１〜ｓｎ（ｎ：自然数）を直列に接続して構成されている。組電池１の直流電圧は、インバータ２において、３相交流電圧に変換されて、電気自動車の走行駆動源である３相交流モータ３に供給される。インバータ２はまた、車両の制動時に、モータ３が回生運転を行うことにより発電する交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、組電池１の充電に用いられる。組電池１と、インバータ２との間を結ぶ強電ハーネス９には、強電リレー８ａおよび８ｂが設けられている。強電リレー８ａ，８ｂのオン／オフは、電池制御装置７によって制御される。

電圧センサ４は、組電池１の総電圧ＢＡＴＶＯＬを検出する。電流センサ５は、組電池１の充電電流および放電電流（以下、まとめて充放電電流ＢＡＴＣＵＲと記載する）を検出する。ここでは、充電電流検出時に正の値が検出され、放電電流検出時に負の値が検出されるものとする。サーミスタ６は、組電池１の温度を検出する。

電池制御装置７は、ＣＰＵ７ａ、メモリ７ｂ、タイマ７ｃを備え、電圧センサ４により検出される電圧値ＢＡＴＶＯＬ、および、電流センサ５により検出される電流値ＢＡＴＣＵＲを、所定のサンプリング周期で取得し、取得した電圧値ＢＡＴＶＯＬおよび電流値ＢＡＴＣＵＲに基づいて、組電池１の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を演算する。電池制御装置７は、また、演算した組電池１の容量に基づいて、後述するしきい値ＳＯＣ１を設定するとともに、組電池１の容量と、設定したしきい値ＳＯＣ１とに基づいて、後述する容量調整回路１０を制御する。電池制御装置７と車内ＬＡＮで接続されている車両制御装置１１は、車両全般の制御を行う。

図２は、容量調整回路１０の詳細な構成を示す図である。容量調整回路１０は、放電抵抗Ｒ１〜Ｒｎと、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎとを備えている。セルｓ１には、放電抵抗Ｒ１およびスイッチＳＷ１の直列回路が並列に接続されている。同様に、セルｓ２〜ｓｎには、放電抵抗Ｒ２〜ＲｎおよびスイッチＳＷ２〜ＳＷｎの直列回路がそれぞれ並列に接続されている。スイッチＳＷ１〜ＳＷｎのオン／オフは、電池制御装置７によって制御される。例えば、スイッチＳＷ１がオンされると、スイッチＳＷ１と直列接続されている放電抵抗Ｒ１を介して、セルｓ１の放電が行われる。

図３は、一実施の形態における組電池の容量調整装置によって行われる処理内容を示すフローチャートである。図示しない車両のキースイッチがオンされて、車両が起動すると、制御装置７のＣＰＵ７ａによってステップＳ１０の処理が開始される。ステップＳ１０では、電圧センサ４によって検出される組電池１の電圧値ＢＡＴＶＯＬ、電流センサ５によって検出される充放電電流値ＢＡＴＣＵＲのサンプリングを開始する。このサンプリングは、所定の周期にて行われる。

ステップＳ１０に続くステップＳ２０では、一定周期にてサンプリングしている組電池１の電圧値ＢＡＴＶＯＬおよび電流値ＢＡＴＣＵＲに基づいて、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣを算出する。残存容量ＢＡＴＳＯＣの算出は、既知の方法を用いることができる。組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣを算出すると、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、組電池１の残存容量ＳＯＣと比較するためのしきい値ＳＯＣ１を設定する。ここでは、メモリ７ｂに格納されている初期値ＳＯＣ０を読み出して、しきい値ＳＯＣ１に設定する（ＳＯＣ１＝ＳＯＣ０）。しきい値ＳＯＣ１を設定すると、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、セル間の容量バラツキを検知するバラツキ検知モードに移行するか否かを判定する。ここでは、車両起動後に時間計測を開始するタイマ７ｃのタイマ値が所定値Ｔ１以上であれば、バラツキ検知モードに移行すると判定する。タイマ７ｃのタイマ値が所定値Ｔ１以上であり、バラツキ検知モードに移行すると判定すると、ステップＳ５０に進み、タイマ７ｃのタイマ値が所定値Ｔ１未満であると判定すると、ステップＳ９０に進む。なお、タイマ７ｃのタイマ値が所定値Ｔ１に達すると、タイマ値をリセットして、再び時間計測を開始する。

ステップＳ５０では、過放電状態となっているセルを検知するために、車両制御目標ＳＯＣを、通常制御時の車両制御目標ＳＯＣ（例えば、５０％）より低い値に設定し、設定した車両制御目標ＳＯＣを車両制御装置１１に送信する。車両制御装置１１は、組電池１のＳＯＣが車両制御目標ＳＯＣと一致するように、組電池１の入力および出力を制御する。ここでは、設定した車両制御目標ＳＯＣをＢＡＬＤＥＴＳＯＣと記載する。車両制御目標ＳＯＣ（ＢＡＬＤＥＴＳＯＣ）を車両制御装置１１に送信すると、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣがＢＡＬＤＥＴＳＯＣ（車両制御目標ＳＯＣ）±ＢＡＬＤＥＴ１の範囲内にあるか否かを判定する。ＢＡＬＤＥＴ１は、所定のしきい値である。組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣがＢＡＬＤＥＴＳＯＣ±ＢＡＬＤＥＴ１の範囲内にないと判定すると、ステップＳ６０で待機し、上記範囲内にあると判定すると、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、過放電状態となっているセルが存在するか否かを判定する。この判定は、セル電圧が所定の過放電判定電圧を下回っているか否かに基づいて行う。電池制御装置７は、各セルの電圧と、所定の過放電判定電圧とを比較する比較回路（不図示）を備えており、比較回路からの出力に基づいて、セル電圧が所定の過放電判定電圧を下回っているセルが存在するか否かを判定する。セル電圧が所定の過放電電圧を下回っている過放電セルが存在すると判定するとステップＳ８０に進み、過放電状態となっているセルは存在しないと判定すると、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ８０では、バイパス有効フラグＦ１を１に設定する。このバイパス有効フラグＦ１の初期値は０に設定されている。バイパス有効フラグＦ１を１に設定すると、ステップＳ９０に進む。ステップＳ９０では、車両制御目標ＳＯＣを、通常制御時の車両制御目標ＳＯＣ（例えば、５０％）に設定し、設定した車両制御目標ＳＯＣを車両制御装置１１に送信する。ここでは、通常制御時の車両制御目標ＳＯＣをＴＡＲＧＳＯＣと記載する。通常制御時の車両制御目標ＳＯＣを車両制御装置１１に送信すると、ステップＳ１００に進む。

ステップＳ１００では、所定時間（例えば、１秒）ごとに、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣをサンプリングし、サンプリングした３０個の容量ＢＡＴＳＯＣの平均値ＢＡＴＳＯＣaveを算出する。ＢＡＴＳＯＣaveを算出すると、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で算出したＢＡＴＳＯＣaveがＴＡＲＧＳＯＣ（車両制御目標ＳＯＣ）±ＴＡＲＧＭの範囲内にあるか否かを判定する。ＴＡＲＧＭは、所定のしきい値である。ステップＳ１００で算出したＢＡＴＳＯＣaveがＴＡＲＧＳＯＣ±ＴＡＲＧＭの範囲内にないと判定すると、ステップＳ１００に戻り、上記範囲内にあると判定すると、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣと比較するためのしきい値ＳＯＣ１を次式（１）に基づいて設定する。式（１）中のＫ１は、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣに応じて決定される補正係数である。
ＳＯＣ１＝ＢＡＴＳＯＣave×Ｋ１ （１）

式（１）に示すように、しきい値ＳＯＣ１は、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣaveに応じて変動する値となる。すなわち、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣaveが低いほど、しきい値ＳＯＣ１は小さい値となり、ＢＡＴＳＯＣaveが高いほど、しきい値ＳＯＣ１は大きい値となる。

補正係数Ｋ１は、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣが高い場合には、１未満の値として、容量調整時のセルの放電量を多くする。一方、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣが低い場合には、１より大きい値として、セルが過放電状態になるのを防ぐ。また、組電池１のＳＯＣが正常だと考えられる範囲にある場合には、補正係数Ｋ１を１に設定する。ここでは、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣの値ごとに、最適なＫ１の値を実験等によって予め決定しておき、組電池１の容量と、対応する補正係数Ｋ１の値とをテーブルデータとして、メモリ７ｂに格納しておく。従って、電池制御装置７は、このテーブルと、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣとに基づいて、補正係数Ｋ１を求める。

なお、補正係数Ｋ１は、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣが高い場合には、１未満の値とし、組電池１の容量ＢＡＴＳＯＣが低い場合には、１より大きい値とするが、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣaveが低いほど、しきい値ＳＯＣ１が小さくなるように、また、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣaveが高いほど、しきい値ＳＯＣ１が大きくなるように、設定する必要がある。

ステップＳ１２０に続くステップＳ１３０では、バイパス有効フラグＦ１が１であるか否か、すなわち、過放電セルが存在するか否かを判定する。バイパス有効フラグＦ１が１であると判定すると、ステップＳ１４０に進み、バイパス有効フラグＦ１が０であると判定すると、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１４０では、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣが、ステップＳ１２０で設定したしきい値ＳＯＣ１以上であるか否かを判定する。組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣがしきい値ＳＯＣ１以上であると判定するとステップＳ１５０に進み、しきい値ＳＯＣ１未満であると判定すると、ステップＳ１６０に進む。ステップＳ１５０では、容量調整回路１０内に設けられているスイッチＳＷ１〜ＳＷｎのうち、過放電状態であると判定されたセル以外のセルに対応して設けられているスイッチをオンにする。これにより、過放電状態であるセル以外のセルの放電が行われる。

一方、ステップＳ１６０では、容量調整回路１０内に設けられている全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷｎをオフにして、容量調整回路１０によるセルの放電を禁止する。ステップＳ１５０またはＳ１６０の処理を行うと、ステップＳ１７０に進む。ステップＳ１７０では、図示しない車両のキースイッチがオフされたか否かを判定する。図示しない車両のキースイッチがオフされて、電池制御装置７にシャットダウン要求が入力されると、図３に示すフローチャートの処理を終了し、キースイッチがオフされていないと判定すると、ステップＳ４０に戻る。

図４は、一実施の形態における組電池の容量調整装置によって、セル間の容量調整が行われる場合における全セルの平均容量の変化、および、過放電状態と判定されたセルの容量変化を示す図である。車両の使用状況に応じて、全セルの平均容量４１、および、過放電状態と判定されたセルの容量４２は、変動する。

上述したように、一実施の形態における組電池の容量調整装置では、組電池１の残存容量に応じて、しきい値ＳＯＣ１を設定する（式（１）参照）。従って、図４に示すように、組電池１の容量（セルの平均容量）が低下すると、しきい値ＳＯＣ１も小さい値になり、組電池１の容量が増えると、しきい値ＳＯＣ１も大きい値となる。このように、組電池１の容量に応じて、適切なしきい値ＳＯＣ１が設定されるので、容量調整が行われない期間が長くなったり、過放電状態のセルも含めて全てのセルの放電が無駄に行われるのを防ぐことができる。

図５は、各セルの電圧と所定のしきい値電圧とを比較して、セル電圧がしきい値電圧を超えた場合に、そのセルの放電を行う従来の容量調整方法を行った場合における全セルの平均電圧の変化、および、過放電状態と判定されたセルの電圧変化を示す図である。この場合も、車両の使用状況に応じて、全セルの平均電圧５１、および、過放電状態と判定されたセルの電圧５２は、変動する。

セル電圧がしきい値電圧を下回っている期間５４は、セルの放電（容量調整）が行われない期間である。セル電圧と比較するしきい値電圧を固定値としている場合には、組電池１の状態に応じてしきい値を設定する場合に比べて、容量調整が行われない期間５４が長くなる。また、組電池１の使用状況によって、全セルの電圧が上昇した場合には、過放電状態と判定されたセルも含めて全セルの放電が行われることになり（期間５６）、無駄な放電が行われることになる。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、組電池１の容量と容量しきい値ＳＯＣ１とを比較し、組電池１の容量が容量しきい値ＳＯＣ１より高い場合に、容量調整回路１０によって、少なくとも一部のセルを放電させて、セル間の容量調整を行うものであって、組電池１の容量が低いほど容量しきい値ＳＯＣ１を小さくし、組電池１の容量が高いほど容量しきい値ＳＯＣ１を大きくする。これにより、容量調整が行われない期間が長くなったり、過放電状態のセルも含めて全てのセルの放電が無駄に行われるのを防ぐことができる。すなわち、組電池１の容量が低いほど容量しきい値ＳＯＣ１を小さくすることにより、組電池１の容量が低下している状態でも、セル間の容量調整を行うことができる。また、組電池１の容量が高いほど容量しきい値ＳＯＣ１を大きくすることにより、全セルの容量が高くなった場合に、電圧バラツキの大きい電圧低下セルに対しても放電が行われるのを防ぐことができる。

また、一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、組電池１の残存容量ＢＡＡＴＳＯＣと、容量しきい値ＳＯＣ１とに基づいて、セル間の容量調整を行うので、各セルの電圧と所定のしきい値電圧とをそれぞれ比較して、セル間の容量調整を行う従来の装置に比べて、装置全体の構成を簡易にすることができる。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、セル電圧が所定の過放電判定電圧より低いセルが存在する場合に、容量調整回路１０によって、過放電セルを除く他のセルの放電を行うようにした。これにより、セル間の容量調整時に、過放電セルの放電が行われるのを防ぐことができる。また、過放電セルが存在しない場合には、全セルの放電を禁止するので、無駄な放電が行われるのを防ぐことができる。

一実施の形態における組電池の容量調整装置によれば、所定回数演算した組電池の容量の平均値ＢＡＴＳＯＣaveに、組電池の容量に応じた補正係数Ｋ１を乗じた値を、容量しきい値ＳＯＣ１として設定するので、組電池の使用状態に関わらず、容量調整を行うのに最適な容量しきい値を設定することができる。特に、補正係数を乗じる組電池の容量の値を、所定回数演算した組電池の容量の平均値としたので、容量を演算する際の誤差等の影響を除外して、正確な容量しきい値ＳＯＣ１を設定することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、容量しきい値ＳＯＣ１は、３０個の容量ＢＡＴＳＯＣの平均値ＢＡＴＳＯＣaveに、補正係数Ｋ１を乗じて求めたが、平均値ＢＡＴＳＯＣaveを算出するためのサンプリング数は３０に限られることはない。また、平均値を求めずに、演算した容量ＢＡＴＳＯＣに補正係数Ｋ１を乗じて、しきい値ＳＯＣ１を求めることもできる。

上述した一実施の形態では、過放電セルを検出し、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣがしきい値ＳＯＣ１以上であれば、過放電セル以外のセルの放電を行うことにより、セル間の容量調整を行った。しかし、過放電状態にまで至らなくても、セル電圧が所定電圧以下となっているセルが存在すれば、そのセルの放電を行うことにより、セル間の容量調整を行うこともできる。

容量しきい値ＳＯＣ１は、組電池１の残存容量ＢＡＴＳＯＣaveに補正係数Ｋ１を乗じて求めたが、容量しきい値ＳＯＣ１の設定方法は、この方法に限られることはなく、組電池１の容量が低いほど、小さい値とし、組電池の容量が高いほど、大きい値になるように設定すればよい。

上述した一実施の形態では、組電池の容量調整装置を電気自動車に適用した例を挙げて説明したが、組電池を使用する他のシステムに適用することもできる。

なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、本発明は、上述した実施の形態における構成に何ら限定されない。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電池制御装置７が容量演算手段、制御手段、容量しきい値変更手段および電圧低下セル検出手段を、容量調整回路１０が放電手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

一実施の形態における組電池の容量調整装置を電気自動車に適用した場合の電気自動車の駆動システムを示す図 容量調整回路の詳細な構成を示す図 一実施の形態における組電池の容量調整装置によって行われる処理内容を示すフローチャート 一実施の形態における組電池の容量調整装置によって、セル間の容量調整が行われる場合における全セルの平均容量の変化、および、過放電状態と判定されたセルの容量変化を示す図 組電池１の残存容量と比較するためのしきい値を固定値とする従来の容量調整方法を行った場合における全セルの平均容量の変化、および、過放電状態と判定されたセルの容量変化を示す図

符号の説明

１…組電池、２…インバータ、３…交流モータ、４…電圧センサ、５…電流センサ、６…サーミスタ、７…電池制御装置、８ａ，８ｂ…強電リレー、９…強電ハーネス、１０…容量調整回路、１１…車両制御装置

Claims (6)

1. 組電池を構成する複数のセル間の容量調整を行う組電池の容量調整装置において、
   組電池の容量を演算する容量演算手段と、
   前記複数のセルをそれぞれ放電するための放電手段と、
   前記容量演算手段によって演算された組電池の容量と、容量しきい値とを比較し、組電池の容量が前記容量しきい値より高い場合に、前記放電手段によって少なくとも一部のセルを放電させる制御手段と、
   前記容量演算手段によって演算された組電池の容量が低いほど、前記容量しきい値を小さくし、組電池の容量が高いほど、前記容量しきい値を大きくする容量しきい値変更手段とを備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
2. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記複数のセルのうち、電圧が所定電圧以下となっているセル（以下、電圧低下セルと呼ぶ）を検出する電圧低下セル検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記電圧低下セル検出手段によって、電圧低下セルが検出されると、電圧低下セルを除く他のセルを前記放電手段によって放電させることを特徴とする組電池の容量調整装置。
3. 請求項２に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記制御手段は、前記電圧低下セル検出手段によって、電圧低下セルが検出されない場合には、前記放電手段によるセルの放電を禁止することを特徴とする組電池の容量調整装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の組電池の容量調整装置において、
   前記容量しきい値変更手段は、前記容量演算手段によって演算された組電池の容量に、組電池の容量に応じた補正係数を乗じた値を前記容量しきい値として設定することを特徴とする組電池の容量調整装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の組電池の容量調整装置において、
   前記容量しきい値変更手段は、前記容量演算手段によって所定回数演算された所定数の組電池の容量の平均値に、組電池の容量に応じた補正係数を乗じた値を前記容量しきい値として設定することを特徴とする組電池の容量調整装置。
6. 組電池を構成する複数のセル間の容量調整を行う組電池の容量調整方法において、
   組電池の容量を演算し、
   演算された組電池の容量が低いほど、組電池の容量と比較する容量しきい値が小さくなるように設定するとともに、組電池の容量が高いほど、前記容量しきい値が大きくなるように設定し、
   演算された組電池の容量と、設定された容量しきい値とを比較し、組電池の容量が前記容量しきい値より高い場合に、少なくとも一部のセルを放電させることによって、セル間の容量調整を行うことを特徴とする組電池の容量調整方法。

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