JP2010257829A - ハイブリッド電池システム制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の効率的利用性を向上させることが可能なハイブリッド電池システム制御装置を提供する。
【解決手段】第１電池１０と、第２電池２０とを有し、第１電池と第２電池の少なくとも一方から共通の負荷５０に電力を供給するハイブリッド電池システム制御装置である。負荷に印加される電圧および負荷に流れる電流を検出し、さらに第一電池および第二電池の電圧、電流、電池特性を検出し、その値に基づいて、負荷に対して、第一電池から流す電流量および第二電池から流す電流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数（例えば２種類）の電池を組み合わせたハイブリッド電池システムを制御するハイブリッド電池システム制御装置に関する。

これまで、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のモーター駆動用電源としては、２種類の電池を組み合わせたハイブリッド電池システムが提案されている。

例えば、特許文献１には、電動機械と、該電動機械を駆動するためのインバータと、該インバータに接続され、電動機械に電流を供給する二次電池と、該二次電池と接続され、前記二次電池より出力密度が低く、エネルギー密度が高い一次電池と、前記二次電池の充電残量を検出する残量検出部と、前記充電残量が閾値より小さくなると、一次電池から二次電池に電流を供給し、二次電池を充電する充電処理手段とを有することを特徴とするハイブリッド電池システムが用いられた電動車両が開示されている。
特開２００８−１１３５０７号公報

出願人らは上記のような車両用のハイブリッド電池システムにおいて、エネルギー型の第１電池として金属空気電池を、パワー型の第２電池としてリチウムイオン電池を用いたものを提案している。ところで、このようなハイブリッド電池システムでは、負荷に供給する電力を、どちらの電池からどの程度都合するかに応じて、電池の効率的利用度合いが異なってくるが、これまではこのような観点については考慮されておらず問題であった。

上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、第１電池と、第２電池とを有し、前記第１電池と前記第２電池の少なくとも一方から共通の負荷に電力を供給するハイブリッド電池システムを制御するハイブリッド電池システム制御装置であって、前記負荷に印加される電圧を検出する負荷電圧検出手段と、前記負荷に流れる電流を検出する負荷電流検出手段と、前記第１電池の電圧を検出する第１電池電圧検出手段と、前記第２電池の電圧を検出する第２電池電圧検出手段と、前記第１電池の電流電圧特性を取得する第１取得手段と、前記第２電池の電流電圧特性を取得する第２取得手段と、検出された負荷電圧と検出された負荷電流とから負荷抵抗を算出する負荷抵抗算出手段と、検出された第１電池電圧と取得された第１電池の電流電圧特性とから第1電池抵抗を算出する第1電池抵抗算出手段と、検出された第２電池電圧と取得された第２電池の電流電圧特性とから第２電池抵抗を算出する第２電池抵抗算出手段と、取得された第１電池の電流電圧特性から第1電
池の開放電圧を算出する第1電池開放電圧算出手段と、取得された第２電池の電流電圧特
性から第２電池の開放電圧を算出する第1電池開放電圧算出手段と、算出された負荷抵抗
と算出された第1電池抵抗と算出された第２電池抵抗と算出された第1電池の開放電圧と算出された第２電池の開放電圧とに基づいて、前記負荷に対して前記第１電池から流す電流量を制御する第１出力制御手段と、算出された負荷抵抗と算出された第1電池抵抗と算出
された第２電池抵抗と算出された第1電池の開放電圧と算出された第２電池の開放電圧と
に基づいて、前記負荷に対して前記第２電池から流す電流量を制御する第２出力制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド電池システム制御装置によれば、複数の電池の最適出力を出力制御部によって制御するので、電池の効率的利用性を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置のブロック構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置における制御処理フローチャートを示す図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置における最適出力演算処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。 第１電池及び第２電池のＩＶプロファイルの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置における最適出力を演算するための回路モデルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置のブロック構成の概略を示す図である。図１において、１０は第１電池、１１は第１出力制御部、１２は第１電池電圧検出部、１３は第１電池電流検出部、２０は第２電池、２１は第２出力制御部、２２は第２電池電圧検出部、２３は第２電池電流検出部、３０は主制御部、３１は第１ＳＯＣ取得部（第１残容量取得部）、３２は第２ＳＯＣ取得部（第２残容量取得部）、３４は記憶部、３５は負荷抵抗算出部、３６は第１電池抵抗算出部、３７は第２電池抵抗算出部、３８は第１電池開放電圧算出部、３９は第２電池開放電圧算出部、４０は制御信号生成部、５０は負荷、５２は負荷電圧検出部、５３は負荷電流検出部をそれぞれ示している。

本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置が制御対象とする第１電池１０、第２電池２０は基本的には種類の異なるものを想定しているが、第１電池１０、第２電池２０が同種の電池でチャージ量（残容量）が異なる場合の制御なども同様に行うことが可能である。以下、本実施形態においては、第１電池１０と第２電池２０とは異なる種類の電池である場合を例に説明する。

第１電池１０には、第１電池１０の電圧値及び電流値を検出するための第１電池電圧検出部１２、第１電池電流検出部１３が設けられており、ここで取得された電圧値及び電流値は主制御部３０に入力され、第１ＳＯＣ取得部（第１残容量取得部）３１が第１電池１０の残容量を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を取得するために利用される。また、第１出力制御部１１は第１電池１０からの出力を制御するチョッパ回路などの回路部であり、主制御部３０から制御信号に基づいて、第１電池１０の出力制御を行う。

同様に、第２電池２０には、第２電池２０の電圧値及び電流値を検出するための第２電池電圧検出部２２、第２電池電流検出部２３が設けられており、ここで取得された電圧値及び電流値は主制御部３０に入力され、第２ＳＯＣ取得部（第２残容量取得部）３２が第２電池２０の残容量を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を取得するため利用される。また、第２出力制御部２１は第２電池２０からの出力を制御するチョッパ回路などの回路部であり、主制御部３０から制御信号に基づいて、第２電池２０の出力制御を行う。

また、負荷５０には、負荷５０の電圧値及び電流値を検出するための負荷電圧検出部５２、負荷電流検出部５３が設けられており、ここで取得された電圧値及び電流値は主制御部３０に入力される。

主制御部３０は、例えばマイクロコンピューターとこのマイクロコンピューター上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとマイクロコンピューターのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理機構によって構成することが可能である。

この主制御部３０に含まれる第１ＳＯＣ取得部３１は、第１電池電圧検出部１２、第１電池電流検出部１３によって取得された電圧値及び電流値に基づいて、第１電池１０のＳＯＣを算出して取得する。同様に、第２ＳＯＣ取得部３２は、第２電池電圧検出部２２、第２電池電流検出部２３によって取得された電圧値及び電流値に基づいて、第２電池２０のＳＯＣを算出して取得する。

記憶部３４には、第１電池１０の各ＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）、及び、第２電池２０の各ＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）が記憶されている。
また各ＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）だけでなく、電池が新品の時に発揮できるＩＶプロファイル（電流電圧特性）や電池の使用回数に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）を記憶しておくこともできる。この場合には電池の経時劣化に応じた制御を行うことが可能となる。

記憶部３４は各ＳＯＣの値に対応したＩＶプロファイルが所定の関数として現すことが可能であれば、この関数を記憶する。一方、記憶部３４は各ＳＯＣの値に対応したＩＶプロファイルが所定の関数として現すことができないような場合には、記憶部３４は例えばマップ（あるいはテーブル）などの形で、ＳＯＣとＩＶプロファイルとの関係を記憶するようにする。

また、主制御部３０に含まれる負荷抵抗算出部３５は、負荷電圧検出部５２、負荷電流検出部５３によって取得された電圧値及び電流値に基づいて、負荷５０の抵抗値Ｒ３を算出して取得する。

また、主制御部３０に含まれる第１電池抵抗算出部３６は、第１電池電圧検出部１２によって取得された電圧値と、第１電池１０の各ＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）とから、第１電池１０の抵抗値Ｒ１を算出して取得する。同じように、主制御部３０に含まれる第２電池抵抗算出部３７は、第２電池電圧検出部２２によって取得された電圧値と、第２電池２０の各ＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）とから、第２電池２０の抵抗値Ｒ２を算出して取得する。

また、主制御部３０に含まれる第１電池開放電圧算出部３８は、ＩＶプロファイル（電流電圧特性）から第1電池１０の開放電圧Ｖ１_OCVを算出する。同様に、主制御部３０に含まれる第２電池開放電圧算出部３９は、ＩＶプロファイル（電流電圧特性）から第２電池２０の開放電圧Ｖ２_OCVを算出する。

制御信号生成部４０は、最適出力演算部３３によって求められた最適出力で、第１電池１０及び第２電池２０からの出力を得るべく、第１出力制御部１１及び第２出力制御部２１を制御するための制御信号を生成するものであり、この制御信号生成部４０で生成された信号が、主制御部３０から第１出力制御部１１及び第２出力制御部２１に対して送られる。このような信号に基づいて、第１出力制御部１１は負荷５０に対して第１電池１０から流す電流量を制御し、第２出力制御部２１は負荷５０に対して第２電２０から流す電流量を制御する。

次に、以上のように構成されるハイブリッド電池システム制御装置における制御・処理について説明する。図２は本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置に
おける制御処理フローチャートを示す図である。

図２において、ステップＳ１００でハイブリッド電池システム制御装置における制御処理が開始されると、次にステップＳ１０１では、負荷５０で要求されている負荷の量が取得される。次のステップＳ１０２では、第１ＳＯＣ取得部３１及び第２ＳＯＣ取得部３２によって、第１電池１０、第２電池２０のＳＯＣが取得される。続いて、ステップＳ１０３では、記憶部３４から第１電池１０、第２電池２０それぞれのＳＯＣに対応したプロファイルが取得される。ステップＳ１０４では、第１電池１０、第２電池２０の最適出力演算処理のサブルーチンが実行される。

ステップＳ１０５では、第１電池１０、第２電池２０の最適出力電流量を得て、ステップＳ１０６で、この最適出力電流量に基づいて、第１出力制御部１１、第２出力制御部２１を制御する。ステップＳ１０７では、第１電池１０、第２電池２０のＳＯＣを計算し、ステップＳ１０８で処理終了であるか否かが判定される。

このような本発明に係るハイブリッド電池システム制御装置によれば、複数の電池の最適出力を第１出力制御部１１、第２出力制御部２１によって制御するので、電池の効率的利用性を向上させることが可能となる。

次に、ステップＳ１０４における最適出力演算処理のサブルーチンについて説明する。図３は本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置における最適出力演算処理のサブルーチンのフローチャートを示す図である。なお、以下においてサフィックスとして_DETが添えられたものは検出値であることを示している。

図３において、ステップＳ２００で、最適出力計算処理サブルーチンが開始されると、次にステップＳ２０１に進み、負荷電流検出部５３で検出される電圧Ｖ３_DETを取得し、
負荷電圧検出部５２で検出される電流ｉ３_DETを取得する。続く、ステップＳ２０２では
、負荷抵抗算出部３５において、取得されたＶ３_DET及びｉ３_DETからＲ３（＝Ｖ３_DET／
ｉ３_DET）を算出する。

ステップＳ２０３では、第１電池電圧検出部１２で検出される電圧Ｖ１_DETを取得し、
第２電池電圧検出部２２で検出される電圧Ｖ２_DETを取得する。

ステップＳ２０４では、第１電池１０のＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）を参照し、取得されたＶ１_DETからＲ１を算出する。ここで、電流電圧特性とＶ
１_DETとからＲ１を算出する方法について説明する。図４（Ａ）は第１電池１０の所定Ｓ
ＯＣにおけるＩＶプロファイル（電流電圧特性）を示す図であり、このＩＶプロファイル（電流電圧特性）とＶ＝Ｖ１_DETの交点から、第１電池１０の使用ポイントを求める。そ
して、この第１電池１０の使用ポイントにおけるＩＶプロファイル（電流電圧特性）の傾きからＲ１を算出する。

ステップＳ２０５では、第２電池２０のＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）を参照し、取得されたＶ２_DETからＲ２を算出する。ここで、電流電圧特性とＶ
２_DETとからＲ２を算出する方法について説明する。図４（Ｂ）は第２電池２０の所定Ｓ
ＯＣにおけるＩＶプロファイル（電流電圧特性）を示す図であり、このＩＶプロファイル（電流電圧特性）とＶ＝Ｖ２_DETの交点から、第２電池２０の使用ポイントを求める。そ
して、この第２電池２０の使用ポイントにおけるＩＶプロファイル（電流電圧特性）の傾きからＲ２を算出する。

ステップＳ２０６では、第１電池１０のＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電
圧特性）からＶ１_OCVを取得する。このＶ１_OCVは、図４（Ａ）のプロファイルにおけるＩ＝０の電圧値から求めることができる。

ステップＳ２０７では、第２電池２０のＳＯＣの値に応じたＩＶプロファイル（電流電圧特性）からＶ２_OCVを取得する。このＶ２_OCVは、図４（Ｂ）のプロファイルにおけるＩ＝０の電圧値から求めることができる。

ステップＳ２０８では、これまでの各ステップで得られた各値を用い第１電池１０の出力目標を次の式（１）によって算出する。

また、ステップＳ２０９では、これまでの各ステップで得られた各値を用い第２電池２０の出力目標を次の式（２）によって算出する。

ステップＳ２１０で、リターンして元のルーチンに戻る。以上のようなサブルーチンによって得られる第１電池１０の最適出力電流量ｉ１、第２電池２０の最適出力電流量ｉ２に基づいて、メインルーチンのステップＳ１０５では第１出力制御部１１、第２出力制御部２１を制御する。これによれば、第１電池１０、第２電池２０の最適出力を第１出力制御部１１、第２出力制御部２１によって制御するので、電池の効率的利用性を向上させることが可能となる。なお、式（１）及び式（２）によって、第１電池１０、第２電池２０の出力が最適となることは、今回シミュレーションによって発明者らが得ることができた知見である。

ここで、式（１）及び式（２）の導出について説明する。図５は本発明の実施形態に係るハイブリッド電池システム制御装置における最適出力を演算するための回路モデルを示す図である。

この回路モデルでは、第１電池１０の電圧をＶ１_OCV、第１電池１０から流れる電流を
ｉ１とし、第２電池２０の電圧をＶ２_OCV、第２電池２０から流れる電流をｉ２とし、負
荷に流れる電流をｉ３、負荷の抵抗をＲ３としている。

このとき、キルヒホッフの法則により下式（３）が、

また、オームの法則により下式（４）及び（５）が

が成立する。上記の（３）乃至（５）から、最適電流出力量ｉ１及びｉ２に係る式（１）及び式（２）を得ることができる。

以上のような本発明に係るハイブリッド電池システム制御装置によれば、複数の電池の最適出力を出力制御部によって制御するので、電池の効率的利用性を向上させることが可能となる。

１０・・・第１電池、１１・・・第１出力制御部、１２・・・第１電池電圧検出部、１３・・・第１電池電流検出部、２０・・・第２電池、２１・・・第２出力制御部、２２・・・第２電池電圧検出部、２３・・・第２電池電流検出部、３０・・・主制御部、３１・・・第１ＳＯＣ取得部、３２・・・第２ＳＯＣ取得部、３４・・・記憶部、３５・・・負荷抵抗算出部、３６・・・第１電池抵抗算出部、３７・・・第２電池抵抗算出部、３８・・・第１電池開放電圧算出部、３９・・・第２電池開放電圧算出部、４０・・・制御信号生成部、５０・・・負荷、５２・・・負荷電圧検出部、５３・・・負荷電流検出部

Claims (1)

1. 第１電池と、第２電池とを有し、前記第１電池と前記第２電池の少なくとも一方から共通の負荷に電力を供給するハイブリッド電池システムを制御するハイブリッド電池システム制御装置であって、
   前記負荷に印加される電圧を検出する負荷電圧検出手段と、
   前記負荷に流れる電流を検出する負荷電流検出手段と、
   前記第１電池の電圧を検出する第１電池電圧検出手段と、
   前記第２電池の電圧を検出する第２電池電圧検出手段と、
   前記第１電池の電流電圧特性を取得する第１取得手段と、
   前記第２電池の電流電圧特性を取得する第２取得手段と、
   検出された負荷電圧と検出された負荷電流とから負荷抵抗を算出する負荷抵抗算出手段と、
   検出された第１電池電圧と取得された第１電池の電流電圧特性とから第1電池抵抗を算出
   する第1電池抵抗算出手段と、
   検出された第２電池電圧と取得された第２電池の電流電圧特性とから第２電池抵抗を算出する第２電池抵抗算出手段と、
   取得された第１電池の電流電圧特性から第1電池の開放電圧を算出する第1電池開放電圧算出手段と、
   取得された第２電池の電流電圧特性から第２電池の開放電圧を算出する第1電池開放電圧
   算出手段と、
   算出された負荷抵抗と算出された第1電池抵抗と算出された第２電池抵抗と算出された第1電池の開放電圧と算出された第２電池の開放電圧とに基づいて、前記負荷に対して前記第１電池から流す電流量を制御する第１出力制御手段と、
   算出された負荷抵抗と算出された第1電池抵抗と算出された第２電池抵抗と算出された第1電池の開放電圧と算出された第２電池の開放電圧とに基づいて、前記負荷に対して前記第２電池から流す電流量を制御する第２出力制御手段と、
   を有することを特徴とするハイブリッド電池システム制御装置。

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