JP2010273417A - 電動車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリに異常が発生した場合でも、正常な電池モジュールの出力のみによって安全に走行を続けることが可能な電動車両を提供する。
【解決手段】バッテリ制御部は、複数の電池モジュールの各々の状態を検出する状態検出部と、状態検出部が検出した各電池モジュールの状態に基づいて、異常な電池モジュールを特定する異常判定部と、異常な電池モジュールを少なくとも電動機への通電経路から切り離すようにバッテリのモジュール切替部を制御するモジュール切替制御部と、を有し、バッテリ制御部は、正常な電池モジュールに基づく出力上限値を算出し、モジュール切替制御部は、出力上限値が所定値以上の場合、異常な電池モジュールを通電経路から切り離すようモジュール切替部を制御する。
【選択図】図2

Description

本発明は、バッテリから供給される電力によって駆動される電動機を備え、電動機からの動力により走行可能な電動車両に関する。
EV(Electric Vehicle:電気自動車)やHEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)等の車両には、電動機等に電力を供給するためのバッテリが搭載される。このようなバッテリは、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの蓄電池を複数接続して電池モジュールを構成し、この電池モジュールを複数接続することにより構成される。
車両に搭載されるバッテリは、車両に搭載したままの長期間の放置や、充放電の繰り返しなどによって、徐々に劣化する。従来、このような劣化やその他の故障等によるバッテリの異常を検知した場合には、ユーザに警告を行った後に、バッテリを走行用電動機及び発電機から切り離して、バッテリの使用を中止することが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、人工衛星等の無人運転システムに用いられるバッテリについて、故障したセル(電池モジュール)を短絡することが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2009−60695号公報 特開昭63−245228号公報
前述したように、車両に搭載されるバッテリは、複数の電池モジュールを直列または並列に接続することによって構成される。そのため、バッテリに異常が発生した場合であっても、異常な電池モジュールのみを通電経路からから切り離すことにより、正常な電池モジュールのみを用いて走行を続けることが可能な場合がある。
しかしながら、バッテリに生じた異常の規模や状況等によっては、正常な電池モジュールだけでは車両の走行に必要な出力が得られない可能性も存在する。従って、異常な電池モジュールを切り離す前に、正常な電池モジュールの出力のみによって安全に走行を続けることが可能かどうかを判断する必要がある。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に搭載されたバッテリに異常が発生した場合であっても、正常な電池モジュールの出力のみによって安全に走行を続けることが可能な電動車両を提供することである。
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、複数の電池モジュールと、前記複数の電池モジュールの通電形態を切替えるモジュール切替部(例えば、後述の実施形態におけるバイパススイッチ131)と、を有するバッテリ(例えば、後述の実施形態におけるバッテリ101)と、前記バッテリを制御するバッテリ制御部(例えば、後述の実施形態におけるバッテリECU119)と、前記バッテリから供給される電力によって駆動される電動機(例えば、後述の実施形態における電動機105)と、を備え、前記電動機からの動力により走行可能な電動車両であって、前記バッテリ制御部は、前記複数の電池モジュールの各々の状態を検出する状態検出部(例えば、後述の実施形態における状態検出部141)と、前記状態検出部が検出した各電池モジュールの状態に基づいて、異常な電池モジュールを特定する異常判定部(例えば、後述の実施形態における異常判定部143)と、前記異常な電池モジュールを少なくとも前記電動機への通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御するモジュール切替制御部(例えば、後述の実施形態におけるモジュール切替制御部145)と、を有し、前記バッテリ制御部は、前記異常な電池モジュールを除いた正常な電池モジュールに基づく出力上限値を算出し、前記モジュール切替制御部は、前記出力上限値が所定値以上の場合、前記異常な電池モジュールを前記通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の電動車両において、前記モジュール切替制御部は、前記出力上限値が所定値未満の場合、前記電池モジュールの全てを前記通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の電動車両において、内燃機関の駆動によって発電する発電機(例えば、後述の実施形態における発電機109)と、前記電動機を制御する電動機制御部(例えば、後述の実施形態におけるモータECU109)と、前記発電機を制御する発電機制御部(例えば、後述の実施形態におけるジェネレータECU109)と、をさらに備え、前記バッテリ制御部は、前記正常な電池モジュールから構成されるバッテリの充電状態の上限値及び下限値を算出し、前記電動機制御部及び前記発電機制御部は、前記充電状態の上限値及び下限値に基づいて前記電動機及び発電機を制御することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1から3のいずれかに記載の電動車両において、前記バッテリ制御部は、前記バッテリを収容するボックスが開放されたことを検知するボックス開放検知部を有し、前記ボックスの開放が検出された場合、前記モジュール切替制御部は、前記電池モジュールの全てを前記通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御することを特徴とする
請求項5に係る発明は、請求項1から4のいずれかに記載の電動車両において、前記バッテリは、前記バッテリを充電するために商用電源と接続可能な接続プラグ(例えば、後述の実施形態における接続プラグ133)を有し、前記接続プラグが前記商用電源と接続された場合、前記バッテリ制御部は、各電池モジュールの状態に応じて前記バッテリを制御することを特徴とする
請求項6に係る発明は、請求項1から5のいずれかに記載の電動車両において、前記複数の電池モジュールは直列に接続されており、前記モジュール切替部は各モジュールに設けられたバイパススイッチ(例えば、後述の実施形態におけるバイパススイッチ131)であることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項1から5のいずれかに記載の電動車両において、前記複数の電池モジュールは並列に接続されており、前記モジュール切替部は各モジュールを選択するモジュール選択スイッチ(例えば、後述の実施形態におけるモジュール選択スイッチ135)であることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、正常な電池モジュールに基づいた出力上限値が所定値以上の場合には、異常な電池モジュールのみを通電経路からから切り離すことによって、正常な電池モジュールにより安全に走行を続けることができ、車両の動作信頼性を向上することができる。
請求項2の発明によれば、正常な電池モジュールに基づいた出力上限値が所定値未満の場合には全電池モジュールを通電経路からから切り離すことによって、安全性を向上することができる。
請求項3の発明によれば、正常な電池モジュールから構成されるバッテリの充電状態の上限値及び下限値に基づいて電動機及び発電機を制御することによって、バッテリの状態に応じた適切な走行を行うことができる。
請求項4の発明によれば、ボックスが開放されたときには全電池モジュールを通電経路から切り離すことによって、安全性を向上することができる。
請求項5の発明によれば、各電池モジュールの状態に応じて充電を行うことができる。
請求項6、7の発明によれば、異常な電池モジュールを通電経路から容易に切り離すことができる。
シリーズ・パラレル方式のHEVの内部構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態にかかる電動車両の電池モジュール切替処理系の概略構成を示すブロック図である。 電池モジュールの切替動作を説明するフローチャートである。 各電池モジュールが直列に接続されたバッテリの一例を示す概略図である。 バッテリのメンテナンス時の動作を説明するフローチャートである。 接続プラグによるバッテリ充電時の動作を示すフローチャートである。 各電池モジュールが並列に接続されたバッテリ一例を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
HEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)は、電動機及び内燃機関を備え、車両の走行状態に応じて電動機及び/又は内燃機関の駆動力によって走行する。HEVには、大きく分けてシリーズ方式とパラレル方式の2種類がある。シリーズ方式のHEVは、バッテリを電源とした電動機の駆動力によって走行する。内燃機関は発電のためだけに用いられ、内燃機関の駆動力によって発電された電力はバッテリに充電されるか、電動機に供給される。一方、パラレル方式のHEVは、電動機及び内燃機関のいずれか一方又は双方の駆動力によって走行する。また、両方式を複合したシリーズ・パラレル方式のHEVも知られている。
以下、シリーズ方式のHEVを用いて説明するが、本発明は、他の方式のHEVについても適用可能である。
図1は、シリーズ方式のHEVの内部構成を示すブロック図である。図1に示すシリーズ方式のHEV(以下、単に「車両」という。)は、バッテリ(BATT)101と、第1インバータ(第1INV)103と、電動機(MOT)105と、多気筒内燃機関(ENG)107と、発電機(GEN)109と、第2インバータ(第2INV)111と、ギアボックス115と、マネジメントECU(MG ECU)117と、バッテリECU(BATT ECU)119と、モータECU(MOT ECU)121と、ジェネレータECU(BATT ECU)123と、エンジンECU(ENG ECU)125と、を備える。
図1に示す車両では、バッテリ101を電源とした電動機105からの駆動力がギアボックス115を介して駆動輪129に伝達される。この車両の走行形態は、「EV走行」または「シリーズ走行」となる。EV走行時には、バッテリ101からの電源供給によって駆動する電動機105の駆動力によって、車両が走行する。また、シリーズ走行時には、バッテリ101からの電源供給及び内燃機関107の駆動により発電機109で発生した電力の供給によって駆動する電動機105の駆動力によって、車両が走行する。
バッテリ101は、ボックス内に収容される、直列に接続された複数の電池モジュールにより構成され、例えば100〜200Vの高電圧を供給する。各電池モジュールは、例えばリチウムイオン電池などの蓄電池を複数個直列に接続されることにより構成されている。
第1インバータ103は、バッテリ101からの直流電圧を交流電圧に変換して、3相電流を電動機105に供給する。電動機105は、車両が走行するための動力(トルク)を発生する。電動機105で発生したトルクは、ギア115を介して駆動輪129の駆動軸127に伝達される。
多気筒内燃機関(以下、単に「内燃機関」という。)107は、動力(トルク)を発生し、この動力は発電機109で消費される。発電機109は内燃機関107に直結されている。
発電機109は、内燃機関107によって駆動されることで電力を発生する。発電機109によって発電された電力は、バッテリ101に充電されるか、電動機105に供給される。第2インバータ111は、発電機109で発生した交流電圧を直流電圧に変換する。第2インバータ111によって変換された電力はバッテリ101に充電されるか、第1インバータ103を介して電動機105に供給される。
ギアボックス115は、電動機105からの駆動力を、所望の変速比での回転数及びトルクに変換して、駆動軸127に伝達する変速機である。なお、ギアボックス115と電動機105の回転子は直結されている。
マネジメントECU117は、EV走行またはシリーズ走行の切り替えや、電動機105や内燃機関107の制御等を行う。また、マネジメントECU117には、車両の速度を検出する車速センサ(図示せず)からの情報や、アクセル開度等のドライバによって要求された車両の駆動力を検出する要求駆動力センサ(図示せず)からの情報が入力される。
モータECU121は、マネジメントECU117の指示に応じて、電動機105を制御する。ジェネレータECU123は、マネジメントECU117の指示に応じて、発電機109を制御する。エンジンECU125は、マネジメントECU117の指示に応じて、内燃機関107の始動及び停止や、各気筒におけるスロットルバルブの開閉制御及び燃料噴射制御、内燃機関107のクランク軸の回転数を制御する。
図2は、本実施形態にかかる電動車両の電池モジュール切替処理系の概略構成を示すブロック図である。本実施形態において、バッテリ101は、直列に接続されてボックスに収容された複数の電池モジュールにより構成されており、バイパススイッチ133と、商用電源に接続するための接続プラグ133と、を備える。バッテリECU119は、状態検出部141と、異常判定部143と、モジュール切替制御部145と、ボックス開放検知部147と、を備える。マネジメントECU117は、モータ(MOT)トルク演算部151と、ジェネレータ(GEN)トルク演算部153と、エンジン(ENG)トルク演算部155と、を備える。
状態検出部141は、バッテリ101の各電池モジュールの温度や充電状態(SOC:State Of Charge、満充電時と完全放電時をそれぞれ100(%)と0(%)とし、バッテリの残容量を規格化した値)、電圧、電流等の状態を検出する。異常判定部143は、各電池モジュールの状態をもとに、異常が発生している電池モジュールを特定する。モジュール切替制御部145は、バイパススイッチ133により異常な電池モジュールを通電経路から切り離す。ボックス開放検知部147は、各電池モジュールが収納されているボックスの開放を検知する。
モータトルク演算部151は、正常な電池モジュールの出力上限値に基づいてトルク演算を行う。ジェネレータトルク演算部153及びエンジントルク演算部155は、正常な電池モジュールのSOCの上下限値に基づいてトルク演算を行う。
図3は、本実施形態にかかる電池モジュールの切替動作を示すフローチャートである。図3に示すように、まず、状態検出部141はバッテリ101の状態検知を行う(ステップS1)。
バッテリ101の状態検知において、状態検出部141は、直列に接続されたi個の電池モジュールM1、M2、・・・、Miのそれぞれについて、電流及び電圧、SOCの上下限値、温度等を検出する。状態検出部141により検出されたこれらの情報は、異常判定部143に送られる。
異常判定部143は、各電池モジュールM1、M2、・・・Miの電流及び電圧、温度等の状態から、バッテリ101のいずれかの電池モジュールに異常が発生しているかどうかを判定する(ステップS2)。電池モジュールに異常がなく、全ての電池モジュールが正常である場合には、処理が終了する。
ステップS2で、いずれかの電池モジュールに異常が発生していると判定された場合、異常判定部143は異常な電池モジュールを特定し、電池モジュールに異常が発生しているという情報をマネジメントECU117に送る。次いで、マネジメントECU117は警報を点灯し、バッテリ101に異常が発生していることをユーザに警告する(ステップS3)。
バッテリECU119は、状態検出部141が検出した各電池モジュールの状態に基づき、異常な電池モジュールを除く正常な電池モジュールのみによる出力上限値Aを算出する(ステップS4)。また、バッテリECU119は、正常な電池モジュールのみによるSOCの上下限値を算出する(ステップS5)。算出された出力上限値A及びSOCの上下限値は、マネジメントECU117に送られる。
マネジメントECU117は、出力上限値A≧所定値であるかどうかを判断する(ステップS6)。この所定値は、車両を安全に走行させるのに必要な出力の下限値である。従って、出力上限値A≧所定値の場合には、正常な電池モジュールのみによる出力によって車両の走行を続行することができる。この場合、モジュール切替制御部145は、異常な電池モジュールのバイパススイッチ131をオンにして回路を短絡し、異常な電池モジュールを通電経路から切り離す(ステップS7)。
通常、電動機105が発生するトルクは、バッテリ101が正常に動作している場合の出力に基づき、アクセルペダルの踏み込み量に対応して決められている。しかしながら、異常な電池モジュールが切り離されている場合に、通常のトルク制御を行うと、正常な電池モジュールのみによる出力上限値Aを超えてしまう可能性がある。これを防ぐために、モータトルク演算部153は、正常な電池モジュールのみによる出力上限値Aに基づいて、モータトルクの演算を行う(ステップS8)。正常な電池モジュールのみによる出力上限値Aに基づいて演算されたモータトルクは、モータECU121に送られる。
また、ジェネレータトルク演算部155及びエンジントルク演算部157は、正常な電池モジュールのみにより構成されるバッテリのSOCの上下限値に基づき、それぞれジェネレータトルク及びエンジントルクの演算を行う(ステップS9)。ここで演算されたジェネレータトルク及びエンジンルクは、ジェネレータECU123及びエンジンECU125に送られる。これらの演算により、車両は正常な電池モジュールのみによって通常走行を行えるようになり、処理が終了する。
ステップS6で、出力上限値A<所定値であると判断された場合には、正常な電池モジュールのみにより走行を継続することができないので、モジュール切替制御部145がバイパススイッチ131を全てオンにする(ステップS10)。これにより、全ての電池モジュールが通電経路から切り離され、車両は停止し(ステップS11)、処理が終了する。
図4は、電池モジュールを短絡させるバイパススイッチ131の動作を示す図である。図4の(a)において、3つの電池モジュールM1、M2、M3は、直列に通電経路に接続されている。(b)では、バイパススイッチ131が全てオンにされており、電池モジュールM1、M2、M3は全て通電経路から切り離されている。
(c)では、電池モジュールM1に異常が発生しており、電池モジュールM1のバイパススイッチ131をオンにすることにより、電池モジュールM1が通電経路から切り離されている。(d)においては、電池モジュールM2に異常が発生しており、電池モジュールM2のバイパススイッチ131をオンにすることにより、電池モジュールM2が通電経路から切り離されている。(e)においては、電池モジュールM3に異常が発生しており、電池モジュールM3のバイパススイッチ131をオンにすることにより、電池モジュールM3が通電経路から切り離されている。
以上説明したように、本実施形態に係る車両によれば、正常な電池モジュールに基づいた出力上限値が所定値以上の場合には、異常な電池モジュールのみを容易に通電経路から切り離すことができ、正常な電池モジュールによって安全に走行を続けることができる。また、正常な電池モジュールの充電状態上限値及び下限値に基づいて走行電動機及びエンジン駆動発電機を制御することにより、実際の電池状態に基づいた走行が可能となる。従って、車両の動作信頼性や安全性を向上させることができる。
また、本実施形態に係る車両の電池モジュール切替処理系は、バッテリ101のメンテナンス時に電池モジュールを収納するボックスが開放された際、全ての電池モジュールを通電経路から切り離す安全装置として使用することができる。図5は、バッテリ101のメンテナンス時の動作を説明するフローチャートである。まず、ボックス開放検知部147は、複数の電池モジュールが収納されているボックスが開放されたかどうかを判断する(ステップS21)。ボックスが開放されていない場合、処理が終了する。ボックスが開放されたと判断された場合には、モジュール切替制御部145が全てのバイパススイッチ131をオンにする(ステップS22)。これにより、全ての電池モジュールが通電経路から切り離され、処理が終了する。
以上説明したように、本実施形態に係る車両によれば、ボックスが開放されたときには全電池モジュールを通電経路から切り離すことによって、安全性を向上することができる。
また、本実施形態に係る車両の電池モジュール切替処理系は、接続プラグ133に商用電源を接続して充電を行う際に、各電池モジュールの状態に応じた充電を行うことができる。図6は、接続プラグ133による充電時の動作を示すフローチャートである。まず、マネジメントECU117は、接続プラグ133が商用電源に接続されたかどうかを判断する(ステップS31)。接続プラグ133が商用電源に接続されていない場合には、処理が終了する。
接続プラグ133が商用電源に接続されていると判断された場合には、状態検出部141がバッテリ101の状態検知を行う(ステップS32)。状態検出部141は、直列に接続されたi個の電池モジュールM1、M2、・・・、Miのそれぞれについて、電流及び電圧、SOCの上下限値、温度等の状態を検出する。状態検出部141により検出されたこれらの情報は、異常判定部143に送られる。
異常判定部143は、各電池モジュールM1、M2、・・・Miの電流及び電圧、温度等の状態から、バッテリ101のいずれかの電池モジュールに異常が発生しているかどうかを判定する(ステップS33)。電池モジュールに異常がなく、全ての電池モジュールが正常である場合には、処理が終了する。
いずれかの電池モジュールに異常が発生していると判定された場合、モジュール切替制御部145は、異常な電池モジュールのバイパススイッチ131をオンにする(ステップS34)。これにより、異常な電池モジュールは通電経路から切り離され、処理が終了する。これによって、正常な電池モジュールのみを充電することが可能となる。
尚、充電を行う際には、バイパススイッチ131を制御することにより、状態検出部141が検出した各電池モジュールのSOCに応じて電池モジュールごとに異なる充電を行ってもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る車両によれば、各電池モジュールの状態に応じて充電を行うことができる。
なお、本実施形態の変形例として、バッテリ101は、図7に示すように、並列に接続された複数の電池モジュールから構成されてもよい。図7の(a)において、3つの電池モジュールM1、M2、M3は、通電経路に並列に接続されている。(b)では、電池モジュールM1、M2、M3は全て通電経路から切り離されている。
本変形例において、電池モジュールの切替は、モジュール選択スイッチ135により行われる。電池モジュールM3に異常が発生している場合には、(c)に示すように、電池モジュールM3のモジュール選択スイッチ135をオンにすることにより、電池モジュールM3を通電経路から切り離すことができる。
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
101 バッテリ(BATT)
105 電動機(MOT)
107 多気筒内燃機関(ENG)
109 発電機(GEN)
117 マネジメントECU(MG ECU)
119 バッテリECU(BATT ECU)
121 モータECU(MOT ECU)
125 エンジンECU(ENG ECU)
131 バイパススイッチ

Claims (7)

  1. 複数の電池モジュールと、前記複数の電池モジュールの通電形態を切替えるモジュール切替部と、を有するバッテリと、
    前記バッテリを制御するバッテリ制御部と、
    前記バッテリから供給される電力によって駆動される電動機と、を備え、前記電動機からの動力により走行可能な電動車両であって、
    前記バッテリ制御部は、
    前記複数の電池モジュールの各々の状態を検出する状態検出部と、
    前記状態検出部が検出した各電池モジュールの状態に基づいて、異常な電池モジュールを特定する異常判定部と、
    前記異常な電池モジュールを少なくとも前記電動機への通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御するモジュール切替制御部と、を有し、
    前記バッテリ制御部は、前記異常な電池モジュールを除いた正常な電池モジュールに基づく出力上限値を算出し、前記モジュール切替制御部は、前記出力上限値が所定値以上の場合、前記異常な電池モジュールを前記通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御することを特徴とする電動車両。
  2. 前記モジュール切替制御部は、前記出力上限値が所定値未満の場合、前記電池モジュールの全てを前記通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御することを特徴とする請求項1に記載の電動車両。
  3. 内燃機関の駆動によって発電する発電機と、前記電動機を制御する電動機制御部と、前記発電機を制御する発電機制御部と、をさらに備え、
    前記バッテリ制御部は、前記正常な電池モジュールから構成されるバッテリの充電状態の上限値及び下限値を算出し、前記電動機制御部及び前記発電機制御部は、前記充電状態の上限値及び下限値に基づいて前記電動機及び発電機を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の電動車両。
  4. 前記バッテリ制御部は、前記バッテリを収容するボックスが開放されたことを検知するボックス開放検知部を有し、
    前記ボックスの開放が検出された場合、前記モジュール切替制御部は、前記電池モジュールの全てを前記通電経路から切り離すよう前記モジュール切替部を制御することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電動車両。
  5. 前記バッテリは、前記バッテリを充電するために商用電源と接続可能な接続プラグを有し、
    前記接続プラグが前記商用電源と接続された場合、前記バッテリ制御部は、各電池モジュールの状態に応じて前記バッテリを制御することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電動車両。
  6. 前記複数の電池モジュールは直列に接続されており、前記モジュール切替部は各モジュールに設けられたバイパススイッチであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電動車両。
  7. 前記複数の電池モジュールは並列に接続されており、前記モジュール切替部は各モジュールを選択するモジュール選択スイッチであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電動車両。
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