JP2017112734A - バッテリ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用バッテリモジュールの一部の電池セルを走行用回転電機と補機負荷との両方への電力供給に用いるバッテリ制御システムにおいて、電池セルのＳＯＣの下限割れを防止することである。
【解決手段】バッテリ制御システムは、バッテリモジュールの各電池セル１８ａ、１８ｂにそれぞれ接続され、電池セルの電圧を昇圧して出力する複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、各コンバータの動作を制御することにより各電池セルのＳＯＣを個別に制御する制御装置とを含む。複数のコンバータは直列接続されるとともに走行用回転電機に接続される。複数の電池セルの一部の電池セルである補機共用セル１８ｂのみが低電圧の補機負荷に対し電力を供給可能である。制御装置は、補機共用セルのＳＯＣが残りの電池セル１８ａのＳＯＣより低い場合に、残りの電池セル基準で放電時の補機共用セルの出力倍率が１未満となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列接続された複数の電池セルを含む車両用のバッテリモジュールにおいて、電池セルの充電残量を示すＳＯＣを制御するバッテリ制御システムに関し、特に電池セルのＳＯＣの下限割れの防止に関する。

特許文献１には、直列接続された複数の電池セルを含む組電池（バッテリモジュール）において、各電池セルにスイッチを介して個別に昇圧コンバータを接続した構成が記載されている。この構成では、商用電源から組電池への充電時において、一部の電池セルの電圧が基準電圧より高くなった場合に、監視装置がスイッチを閉動作させて、当該電池セルの充電電流の一部が昇圧コンバータ側にバイパスされるようにしている。これによって、電池セルの電圧が調整されている。

特開２０１３−５４５９号公報

ところで、車両用のバッテリモジュールにおいて、特許文献１に記載された構成のように、直列接続された複数の電池セルのそれぞれに個別に昇圧コンバータを接続する構成が考えられる。そして、この構成において、一部の電池セルを、高電圧負荷である走行用回転電機と、低電圧の補機負荷との両方へ電力供給可能な補機共用セルとすることが考えられる。しかしながら、バッテリモジュールでは、複数の電池セルのうち、一部の電池セルの放電中または充電停止時に残りの電池セルのみを充電することができない。これにより、複数の電池セルのうち、補機共用セル以外の電池セルに充電できない場合には、補機共用セルにも充電できない。また、補機共用セルは、補機への電力供給により電力が消費されやすい。これによって、補機共用セルの充電残量を示すＳＯＣ（State of Charge）が許容下限を下回る下限割れが発生するおそれがある。

本発明の目的は、車両用バッテリモジュールの一部の電池セルを走行用回転電機と補機負荷との両方への電力供給に用いるバッテリ制御システムにおいて、電池セルのＳＯＣの下限割れを防止することである。

本発明に係るバッテリ制御システムは、直列接続された複数の電池セルを含む車両用のバッテリモジュールと、前記各電池セルにそれぞれ接続され、前記各電池セルの電圧を昇圧して出力する複数のＤＣ/ＤＣコンバータと、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータにそれぞれ含まれるスイッチング素子の動作を制御することにより前記各電池セルの充電残量を示すＳＯＣを個別に制御する制御装置とを備える。そして、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータは直列接続されるとともに、インバータを介して走行用回転電機に接続され、前記複数の電池セルのうち、一部の前記電池セルである補機共用セルのみが低電圧の補機負荷に対し電力を供給可能であり、前記制御装置は、前記補機共用セルのＳＯＣである補機共用ＳＯＣ、及び前記複数の電池セルの残りの前記電池セルとしての通常セルのＳＯＣである通常ＳＯＣを比較した結果に基づいて、前記補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより低い場合に、通常セルを基準として放電時の前記補機共用セルの出力倍率が１未満となるように、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータの前記スイッチング素子の動作を制御する。

本発明に係るバッテリ制御システムでは、車両用のバッテリモジュールの一部の電池セルである補機共用セルを走行用回転電機と補機負荷との両方への電力供給に用いるバッテリ制御システムにおいて、補機共用セルのＳＯＣの下限割れを防止できる。これにより、電池セルのＳＯＣの下限割れを防止できる。

本発明に係る実施形態のバッテリ制御システムにおいて、全体構成を示す図である。 （ａ）は、図１のＡ部の構成を詳しく示す図であり、（ｂ）は各電池セルに接続される小型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示す図である。 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示す図である。 通常セル及び補機共用セルのＳＯＣの使用範囲例を示す図である。 実施形態を用いて、入出力目標及び入出力倍率を決定する方法を示すフローチャートである。 実施形態を用いて電池セルのＳＯＣを制御する方法において、通常セルを基準として補機共用セルの出力倍率を決定する場合に用いる関係であって、補機共用セルのＳＯＣと出力倍率との関係を示す図である。 実施形態を用いて電池セルのＳＯＣを制御する方法において、通常セルを基準として補機共用セルの入力倍率を決定する場合に用いる関係であって、補機共用セルのＳＯＣと入力倍率との関係を示す図である。 実施形態のバッテリ制御システムが搭載される車両が走行及び停止を繰り返す場合において、ＳＯＣの時間的変化の１例を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。以下で説明する形状、材料、数値、個数などは説明のための例示であって、バッテリ制御システムの仕様により変更が可能である。以下では同様の構成には同一の符号を付して説明する。

図１は、実施形態のバッテリ制御システム１０において、全体構成を示す図である。図２（ａ）は、図１のＡ部の構成を詳しく示す図であり、図２（ｂ）は各電池セル１８ａ、１８ｂに接続される小型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ（１４ｂ）の構成例を示す図である。

図１に示すように、バッテリ制御システム１０は、車両用のバッテリモジュール１２と、複数の小型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、１４ｂと、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、制御装置１６とを備える。バッテリ制御システム１０は、例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車などの電源システムとして好適に用いられる。

バッテリモジュール１２は、複数の電池セル１８ａ、１８ｂと、隣り合う電池セル１８ａ、１８ｂで挟まれたスペーサ部材２０とを含む。複数の電池セル１８ａ、１８ｂは、各電池セル１８ａ、１８ｂの厚み方向（矢印Ｘ方向）に並んで配列される。以下では、矢印Ｘ方向を「配列方向Ｘ」ということがある。電池セル１８ａ、１８ｂの数は、バッテリモジュール１２に対する要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。また、後述するように、複数の電池セル１８ａ、１８ｂのうち、一部の複数の電池セル１８ｂは残りの電池セル１８ａより大容量である。

電池セル１８ａ、１８ｂは、リチウムイオン電池であり、扁平な直方体状のケースの内部に、扁平形状の電極巻回体が電解質とともに収容される。電極巻回体は、正極電極および負極電極がセパレータを介して巻回される。電池セル１８ａ、１８ｂは、リチウム電池以外、例えばニッケル水素電池としてもよい。

電池セル１８ａ、１８ｂのケースの上面には、正極端子２２及び負極端子２４がそれぞれ突出して設けられる。正極端子２２は、電池セル１８ａ、１８ｂ内の電極巻回体を構成する正極電極に電気的に接続される。負極端子２４は、電池セル１８ａ、１８ｂ内の電極巻回体を構成する負極電極に電気的に接続される。

バッテリモジュール１２の配列方向Ｘ両端には、一対のエンドプレート２６ａ，２６ｂが配置される。各エンドプレート２６ａ，２６ｂの上端および下端には、２本ずつ拘束バンド２８が複数の電池セル１８ａ、１８ｂに掛け渡すように結合され、それによって、複数の電池セル１８ａ、１８ｂが一体的に拘束されている。

バッテリ制御システム１０には、バッテリモジュール１２の状態を検出するための図示しない電流センサ及び電圧センサが設けられる。これらのセンサによって検出される各電池セルの電圧Ｖｃ及び電流Ｉｃは、バッテリ情報１３として制御装置１６に送信される。制御装置１６は、これらの状態の検出値に基づいて、バッテリモジュール１２全体の充電残量を示すＳＯＣを監視及び制御するとともに、各電池セル１８ａ、１８ｂのＳＯＣも監視及び制御する。

小型ＤＣ/ＤＣコンバータ１４ａ、１４ｂは、各電池セル１８ａ、１８ｂに対応して電池セル１８ａ、１８ｂと同数だけ設けられる。以下、小型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４ａ、１４ｂは、小型コンバータ１４ａ、１４ｂと記載する。図２（ｂ）に示すように、小型コンバータ１４ａ、１４ｂは２つのバッテリ側端子１９ａ，１９ｂを有する。各バッテリ側端子１９ａ，１９ｂは、対応する電池セル１８ａ、１８ｂの正極端子２２及び負極端子２４にそれぞれ接続される。

図１、図２（ａ）に示すように、複数の小型コンバータ１４ａ、１４ｂにはインバータ４０が接続される。インバータ４０は、バッテリモジュール１２から小型コンバータ１４ａ、１４ｂを介して供給される直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器である。インバータ４０は、高電圧負荷である走行用回転電機４２に接続される。そして、インバータ４０によって変換された交流電圧が走行用回転電機４２に供給されることによって、走行用回転電機４２が回転駆動される。そして、走行用回転電機４２に動力伝達可能に接続された車両の車輪（図示せず）が駆動される。このため、走行用回転電機４２は、車両走行用動力を出力する。以下、走行用回転電機４２は、回転電機４２と記載する。

回転電機４２は、例えば三相同期型モータである。回転電機４２には、車両の減速時に車輪によって駆動され発電する発電機の機能を持たせることもできる。回転電機４２によって発電された交流電圧は、インバータ４０によって交流から直流に変換され、必要に応じて小型コンバータ１４ａ、１４ｂで降圧してバッテリモジュール１２に供給されることによりバッテリモジュール１２を充電する。このとき、回転電機４２の回生制動によって、バッテリモジュール１２の各電池セル１８ａ、１８ｂが充電される。また、車両がエンジン及び回転電機４２を含むハイブリッド車両である場合には、エンジンの駆動力によって、回転電機４２を発電機として動作させてもよい。

なお、複数の小型コンバータ１４ａ、１４ｂとインバータ４０との間に別のＤＣ／ＤＣコンバータを接続し、２００Ｖなどの低いバッテリ電圧を７００Ｖなどの高電圧に昇圧可能な構成としてもよい。

図２（ｂ）に示すように、小型コンバータ１４ａ、１４ｂは、正極出力端子３０ａ及び負極出力端子３０ｂを有する。図２（ａ）に示すように、バッテリモジュール１２の配列方向Ｘの一端（図２（ａ）の左端）である正極端に位置する電池セル１８ａに対応する正極端の小型コンバータ１４ａの正極出力端子３０ａは、インバータ４０の正極端子に接続される。正極端の小型コンバータ１４ａの負極出力端子３０ｂ（図２（ｂ））は、配列方向Ｘに隣り合う電池セル１８ａに対応する小型コンバータ１４ｂの正極出力端子３０ａに接続される。なお、電池セル１８ａ、１８ｂには、後述するように小容量の電池セル１８ａと大容量の電池セル１８ｂとの２種類があり、それぞれ複数ずつ設けられる。図１では、簡略化のために小容量の電池セル１８ａは１つのみ図示している。

バッテリモジュール１２において配列方向Ｘの両端部以外に位置する電池セル１８ａ、１８ｂに対応する複数の中間の小型コンバータ１４ｂを説明する。これらの中間の小型コンバータ１４ｂでは、正極出力端子３０ａが配列方向Ｘの一方側（図２（ａ）の左側）に隣り合う電池セル１８ａ、１８ｂに対応する正極側の小型コンバータ１４ａ、１４ｂの負極出力端子３０ｂに接続される。また、中間の小型コンバータ１４ｂの負極出力端子３０ｂは、配列方向Ｘの他方側（図２（ａ）の右側）に隣り合う電池セル１８ａ、１８ｂに対応する負極側の小型コンバータ１４ｂの正極出力端子３０ａに接続される。そして、バッテリモジュール１２の配列方向Ｘの他端（図２（ａ）の右端）である負極端に位置する電池セル１８ｂに対応する負極端の小型コンバータ１４ｂの負極出力端子３０ｂ（図２（ａ））は、インバータ４０の負極側に接続される。このようにして複数の小型コンバータ１４ａ、１４ｂは、直列接続された状態で、インバータ４０に接続される。これにより、複数の小型コンバータ１４ａ、１４ｂは、インバータ４０を介して回転電機４２に接続される。

図２（ｂ）に示すように、小型コンバータ１４ａ、１４ｂは、リアクトル３２、第１スイッチング素子３４、第２スイッチング素子３６及びコンデンサ３８を有する。リアクトル３２は、一端が一方のバッテリ側端子１９ａに接続され、他端が第１スイッチング素子３４の一端に接続される。そして、第１スイッチング素子３４の他端が正極出力端子３０ａに接続される。

小型コンバータ１４ａ、１４ｂにおいて、他方のバッテリ側端子１９ｂと負極出力端子３０ｂとの間は負極ライン３１ｂによって接続される。また、第２スイッチング素子３６の一端はリアクトル３２及び第１スイッチング素子３４の中間位置において正極ライン３１ａに接続され、第２スイッチング素子３６の他端は負極ライン３１ｂに接続される。さらに、コンデンサ３８の一端は第１スイッチング素子３４の他端と正極出力端子３０ａとの間で正極ライン３１ａに接続され、コンデンサ３８の他端は負極ライン３１ｂに接続される。

小型コンバータ１４ａ、１４ｂは、制御装置１６から送信される制御信号に応じて第１スイッチング素子３４及び第２スイッチング素子３６がオン・オフ動作することにより、電池セル１８ａ、１８ｂの電圧を昇圧して出力する電圧変換器として機能する。具体的には、第１スイッチング素子３４及び第２スイッチング素子３６を交互にオン動作させることによって昇圧動作を行うことができる。また、回転電機４２によって発電された電力がバッテリモジュール１２に充電されるとき、第２スイッチング素子３６をオフ状態に維持しながら、第１スイッチング素子３４を所定の時間周期でオン動作させる。これによって、電池セル１８ａ、１８ｂの充電に適した直流電圧に降圧することができる。

小型コンバータ１４ａ、１４ｂでは、第１及び第２スイッチング素子３４，３６のオン・オフ動作が制御されることによって、電池セル１８ａ、１８ｂに入出力される電流が制御される。具体的には、電池セル１８ａ、１８ｂの放電時を考えると、小型コンバータ１４ａ、１４ｂの入力である電池セル１８ａ、１８ｂの電流をＩｃとし電圧をＶｃとし、小型コンバータ１４ａ、１４ｂの出力である電流をＩｏｕｔとし電圧をＶｏｕｔとしたとき、
Ｖｃ・Ｉｃ＝Ｖｏｕｔ・Ｉｏｕｔ・・・（式１）の関係が成立する。

そして、この（式１）からＩｃ＝（Ｖｏｕｔ／Ｖｃ）・Ｉｏｕｔ・・・（式２）
が導かれる。この（式２）から、Ｖｏｕｔの設定によって電池セル１８ａ、１８ｂから供給される電流Ｉｃを各電池セル１８ａ、１８ｂで独立して制御可能であることが分かる。具体的には、所定制御期間中における第１スイッチング素子３４のオンデューティ比を小さく設定してＶｏｕｔを増加させることで、電池セル１８ａ、１８ｂから流れ出る電流Ｉｃを低下させることができる。さらに、小型コンバータ１４ａ、１４ｂでは、第１スイッチング素子３４のオン期間中に第２スイッチング素子３６をオン動作させる。これによって、負極ライン３１ｂから正極ライン３１ａ（充電の場合には正極ライン３１ａから負極ライン３１ｂ）にバイパス電流Ｉｂｐを流すことができる。この場合、当該電池セル１８ａ、１８ｂは、充放電電流が第２スイッチング素子３６を介してバイパスされることで、放電も充電もされない無負荷状態とすることができる。

電池セル１８ａ、１８ｂの充電時も、放電時とは電流方向が逆になるだけで放電時の場合と同様である。

上述したように、バッテリ制御システム１０では、各電池セル１８ａ、１８ｂに対応して小型コンバータ１４ａ、１４ｂが設けられる。また、これらの小型コンバータ１４ａ、１４ｂに含まれる第１及び第２スイッチング素子３４，３６のオン・オフが制御装置１６によって制御される。これによって、制御装置１６は、電池セル１８ａ、１８ｂの充放電量を個別に制御することができる。その結果、制御装置１６は、第１及び第２スイッチング素子３４，３６の動作を制御することにより、バッテリモジュール１２を構成する各電池セル１８ａ、１８ｂについてＳＯＣを個別に制御することが可能である。

制御装置１６は、例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）及び記憶部を含むマイクロコンピュータによって好適に構成される。制御装置１６は、バッテリモジュール１２から送信されるバッテリ情報（電流及び電圧）に基づいて、各電池セル１８ａ、１８ｂのＳＯＣを個別に制御する。ＳＯＣ制御は、主としてソフトウエアによる処理で実行されるが、一部をハードウエアによって実現してもよい。制御装置１６は、後述の車両制御部１６ａ及び昇圧制御部１６ｂを有する。

さらに、図１に示すように、複数の電池セル１８ａ、１８ｂのうち、一部の複数の電池セル１８ｂのみが低電圧の補機負荷４６に電力を供給可能である。具体的には、電池セル１８ａ、１８ｂのうち、正極側の複数の電池セル１８ａを除いた複数の電池セル１８ｂが、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して補機負荷４６に接続される。これによって、複数の電池セル１８ｂは、補機負荷４６に電力を供給可能である。補機負荷４６は、例えば空調装置のコンプレッサモータ、またはブロワモータ、またはエンジン付車両の場合の補機モータなどである。例えば回転電機４２の作動電圧の最大値は７００Ｖである一方、補機負荷４６の作動電圧は１１〜１３Ｖである。このとき、一部の電池セル１８ｂは、回転電機４２と補機負荷４６との両方に電力を供給可能に接続される。これにより、補機負荷４６へ電力を供給するために、回転電機４２用のバッテリ以外の補機負荷４６用のバッテリを設ける必要がなくなる。以下、補機負荷４６へも電力供給できる一部の電池セル１８ｂは、「補機共用セル１８ｂ」と記載する場合がある。一方、正極側の残りの電池セル１８ａは、回転電機４２及び補機負荷４６のうち、回転電機４２のみに電力を供給可能に接続される。以下、この残りの電池セル１８ａは「通常セル１８ａ」と記載する場合がある。

図３は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の構成例を示している。以下、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、絶縁型コンバータ１５と記載する。絶縁型コンバータ１５は、位相シフト方式のフルブリッジ型である。２つずつのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４が直列接続された２つのアームＡ１，Ａ２が並列に接続され、各アームＡ１，Ａ２と並列にコンデンサＣ１が接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、例えばＭＯＳトランジスタである。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４にはダイオードが逆方向電流を流す向きに並列接続される。各アームＡ１，Ａ２の一端が正極入力端子１５ａに接続され、他端が負極入力端子１５ｂに接続される。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチングは制御装置１６（図１）により制御される。

一次側コイルＧ１は、両端が各アームＡ１，Ａ２における２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の中間点に接続される。二次側コイルＧ２は、一次側コイルＧ１と磁気結合される。二次側コイルＧ２の両端にはダイオードを介してリアクトルＬ１の一端が接続される。リアクトルＬ１の他端は正極出力端子１５ｃに接続される。二次側コイルＧ２の中間点は、負極出力端子１５ｄに接続される。正極出力端子１５ｃ及び負極出力端子１５ｄの間にはコンデンサＣ２が接続される。

２つのアームＡ１，Ａ２の一方のアームＡ１には、正極側スイッチング素子Ｑ１及び負極側スイッチング素子Ｑ２が設けられる。他方のアームＡ２には、正極側スイッチング素子Ｑ３及び負極側スイッチング素子Ｑ４が設けられる。制御装置１６は、第１モードから第４モードを順に行って、それを繰り返すように制御する。第１モードは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をオンするモードである。第２モードは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオフするモードである。第３モードは、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をオンするモードである。第４モードは、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオフするモードである。

絶縁型コンバータ１５の入力電圧をＶｉとし、出力電圧をＶｏとし、一次側コイルＧ１の巻き数をｎ１とし、二次側コイルＧ２の中間点の両側それぞれの巻き数をｎ２とし、１周期に対する第１、第３各モードの通電時間の割合である通流率をαとする。このとき、出力電圧Ｖｏは、（式３）で表される。
Ｖｏ＝Ｖｉ×（ｎ２／ｎ１）×２α・・・（式３）

これにより、絶縁型コンバータ１５では、補機共用セル１８ｂ側から入力される電圧を、適切な変圧比で電圧変換して補機負荷４６側に電圧を出力する。制御時には、通流率αを一定とするので、絶縁型コンバータ１５では一定の変圧比で電圧変換される。

なお、本明細書では、１つの要素が絶縁型コンバータ１５を介して別の要素に接続されることは、１つの要素が一次側コイルＧ１に接続され、別の要素が二次側コイルＧ２に接続されることを意味する。また、補機負荷４６に応じて補機共用セル１８ｂの数を適切に設定することにより、補機共用セル１８ｂが絶縁型コンバータを介さずに補機負荷４６に接続される構成としてもよい。

図４は、通常セル１８ａ及び補機共用セル１８ｂのＳＯＣの使用範囲例を示す図である。上記のように補機共用セル１８ｂは、回転電機４２と補機負荷４６との両方に電力供給し、通常セル１８ａは補機負荷４６には電力供給しない。これにより、図４に示すように、補機共用セル１８ｂは、通常セル１８ａより大容量とすることが好ましい。例えば、通常セル１８ａの容量は３Ａｈであり、補機共用セル１８ｂの容量は４．５Ａｈである。図４の斜線部は、ＳＯＣの使用可能範囲を示している。各電池セル１８ａ、１８ｂでは、ＳＯＣについて、電池セル保護の面から許容上限である上限ＳＯＣと、許容下限である下限ＳＯＣとが設定される。しかも、補機共用セル１８ｂでは、補機負荷４６の動作電圧（補機動作電圧）を保証する面から、使用範囲の上限ＳＯＣが電池セル保護についての上限ＳＯＣより低く設定され、使用範囲の下限ＳＯＣが電池セル保護についての下限ＳＯＣより高く設定される。なお、補機動作電圧保証の面から設定される上限ＳＯＣ及び下限ＳＯＣが、電池セル保護の面から設定される上限ＳＯＣ及び下限ＳＯＣとそれぞれ一致する構成としてもよい。

一方、補機共用セル１８ｂを、補機負荷４６及び回転電機４２の両方への電力供給に用いるためには、電池セル保護の面から上限ＳＯＣ及び下限ＳＯＣを設定するのに加えて次の（１）（２）の要件を満たす必要がある。
（１）補機負荷４６に接続される複数の補機共用セル１８ｂの総電圧が補機負荷４６の動作電圧範囲内である。
（２）補機共用セル１８ｂのＳＯＣが通常セル１８ａのＳＯＣより低くなり過ぎない。

（１）の要件について、一般的に補機負荷４６の動作電圧は１１〜１３Ｖであるが、例えば直列接続した３つの補機共用セル１８ｂでこの動作電圧を満たすためには、各補機共用セル１８ｂの電圧を３．６７Ｖ〜４．３３Ｖに収めるように制御する必要がある。また、実際には、補機負荷４６での電力消費による電圧降下分も考慮して上記の動作電圧を満たすように制御する必要がある。なお、図３で示した絶縁型コンバータ１５を用いて上記の動作電圧を満たすように制御できる場合には、（２）の要件だけが満たされればよい。

（２）の要件について、小型コンバータ１４ａ、１４ｂ（図１）では放電及び充電の量を個別に制御することができる。一方、複数の電池セル１８ａ、１８ｂでは充電時に過大な電流が入力されるのを防止する必要がある。このために、複数の電池セル１８ａ、１８ｂのうち、一部の電池セル１８ａ、１８ｂが放電中または充電停止中では、残りの電池セル１８ａ、１８ｂのみを充電することはできない。これにより、例えば補機共用セル１８ｂが使用範囲の下限ＳＯＣ付近である場合であって、かつ、通常セル１８ａの通常ＳＯＣが使用範囲の上限ＳＯＣ付近である場合において、補機共用セル１８ｂの充電を行うことはできない。このとき、バッテリ制御システム１０が搭載された車両の停止中において、回転電機４２が作動しない場合には通常セル１８ａの通常ＳＯＣが低下しないので、すべての電池セル１８ａ、１８ｂで充電できない。そして、補機共用セル１８ｂの電力が補機負荷４６で消費されることにより、補機共用ＳＯＣが下限ＳＯＣより下がる下限割れが発生する可能性がある。このように補機共用セル１８ｂは補機負荷４６側で電力が消費されるので、補機共用ＳＯＣは通常ＳＯＣに対して低下して、かつ、その低下の幅が徐々に大きくなりやすい。

実施形態は、このような事情から、制御装置１６は、補機共用セル１８ｂのＳＯＣが使用範囲の下限ＳＯＣを下回らないように複数の小型コンバータ１４ａ、１４ｂのスイッチング動作を制御する。具体的には、制御装置１６は、ＳＯＣ比較結果と補機共用ＳＯＣの値とに基づいて、複数の小型コンバータ１４ａ、１４ｂのスイッチング素子の動作を制御する。このスイッチング素子の動作の制御では、補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより低い場合に、通常セル１８ａを基準として、放電時の補機共用セル１８ｂの後述する出力倍率が１未満となるようにする。ここで、「ＳＯＣ比較結果」とは、各補機共用セル１８ｂのＳＯＣである補機共用ＳＯＣから通常セルのＳＯＣである通常ＳＯＣを減算して得られた減算値である。ＳＯＣ比較結果は、単に、補機共用ＳＯＣと通常ＳＯＣとの大小関係を表す値としてもよい。また、制御装置１６は、補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣよりも、ＳＯＣ制御範囲の中心であるＳＯＣ中心に近づくように制御する。

より具体的には、上記（１）（２）の要件を満たすために、実施形態では、制御装置１６が、通常セル１８ａの充放電量の出力目標及び入力目標に対して入出力倍率をそれぞれ乗じて得た値を、補機共用セル１８ｂの充放電量の出力目標及び入力目標として設定する。そして、制御装置１６が有する昇圧制御部１６ｂ（図２）は、補機共用セル１８ｂの入出力目標を取得し、その入出力目標を実現するように、対応する小型コンバータ１４ｂのオンデューティ比を調整する。

また、制御装置１６は、入出力倍率を用いてバッテリモジュール１２の電力の制限値としての入力目標Ｗｉｎ及び出力目標Ｗｏｕｔを設定する。そして、制御装置１６が有する車両制御部１６ａ（図２）は、入力目標Ｗｉｎ及び出力目標Ｗｏｕｔを取得し、その入力目標及び出力目標を制限値として、車両の走行を制御する。例えば運転者のアクセルペダルを用いた加速指示に基づいて、車両出力目標が設定され、その車両出力目標が得られるようにバッテリモジュール１２の出力を用いて回転電機４２が駆動される。入出力倍率を用いて算出した入出力目標Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔのうち、Ｗｏｕｔは、車両出力目標から算出された電力出力目標に対し制限値を設定するために用いることができる。このとき、この電力出力目標は、Ｗｏｕｔを超えないように規制される。Ｗｉｎは、充電時の充電目標に対し制限値を設定するために用いることができる。このとき、充電目標は、Ｗｉｎを超えないように規制される。また、エンジン及び回転電機４２を含むハイブリッド車両では、バッテリモジュール１２の出力またはエンジンの出力またはその両方を用いて車両出力目標を実現させる。

図５は、実施形態を用いて、入出力目標Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔ及び入出力倍率を決定する方法を示すフローチャートである。例えば、制御装置１６は、車両の走行中において、図５で決定した入出力目標Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔ及び入出力倍率を用いて、各電池セル１８ａ、１８ｂのＳＯＣを通常セル１８ａと補機共用セル１８ｂとで分けて制御する。

制御装置１６は、まずステップＳ１０において、通常セル１８ａ及び補機共用セル１８ｂのＳＯＣを算出する。このＳＯＣは、（式２）からＶｏｕｔの設定値を用いて算出された電流Ｉｃの値を用いて算出することができる。以下では、ステップＳはＳと記載する。

次に、制御装置１６は、Ｓ１１において、補機共用ＳＯＣの値から通常ＳＯＣの値を減算することによって、ＳＯＣ比較結果としてのＳＯＣ減算値ＳＤを算出する。次いで制御装置１６は、Ｓ１２において、ＳＯＣ減算値ＳＤ及び補機共用ＳＯＣの値と、次に説明する第１〜第４マップとから入出力倍率を算出する。第１〜第４マップは、制御装置１６の記憶部に予め記憶されている。入出力倍率は、（２）の要件を満たすために設定される。

図６、図７を用いて第１〜第４マップを説明する。図６は、電池セル１８ａ、１８ｂのＳＯＣを制御する方法において、通常セル１８ａを基準として補機共用セル１８ｂの出力倍率を決定する場合に用いる関係を示す図である。また、図６では、補機共用ＳＯＣと出力倍率との関係を示している。図７は、電池セルのＳＯＣを制御する方法において、通常セル１８ａを基準として補機共用セル１８ｂの入力倍率を決定する場合に用いる関係を示す図である。また、図７では、補機共用ＳＯＣと入力倍率との関係を示している。

図６では、横軸で補機共用ＳＯＣを示し、縦軸で通常セル１８ａの出力を基準とした補機共用セル１８ｂの出力倍率を示す。そして、補機共用セル１８ｂの出力倍率を決定する場合には、Ｓ１１で求めたＳＯＣ減算値ＳＤが正の場合（ＳＤ＞０）、すなわち補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより大きい場合には、制御装置１６は、第１マップを選択する。第１マップでは、補機共用ＳＯＣが下限ＳＯＣから増大するのにしたがって、出力倍率が０から直線状に増大し、（１倍）を超える。そして、第１マップでは、補機共用ＳＯＣが所定値Ｊ１以上で出力倍率が一定となる。

ＳＯＣ減算値ＳＤが負の場合（ＳＤ＜０）、すなわち補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより小さい場合には、制御装置１６は、第２マップを選択する。第２マップでは、第１マップと同様に補機共用ＳＯＣが下限ＳＯＣから増大するのにしたがって、出力倍率が０から増大するが、（１倍）は超えない。また、補機共用ＳＯＣの増大にしたがって第２マップの出力倍率が増大する程度は、第１マップの増大する程度より緩やかである。そして、第２マップでは、補機共用ＳＯＣが所定値Ｊ２以上で出力倍率が一定となる。

図７では、横軸で補機共用ＳＯＣを示し、縦軸で通常セル１８ａの入力を基準とした補機共用セル１８ｂの入力倍率を示す。そして、補機共用セル１８ｂの入力倍率を決定する場合には、Ｓ１１で求めたＳＯＣ減算値ＳＤが負の場合、すなわち補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより小さい場合（ＳＤ＜０）には、制御装置１６は、第３マップを選択する。第３マップでは、補機共用ＳＯＣが上限ＳＯＣから減少するのにしたがって、入力倍率が０から直線状に増大し、（１倍）を超える。そして、第３マップでは、補機共用ＳＯＣが所定値Ｊ３以下で入力倍率が一定となる。

ＳＯＣ減算値ＳＤが正の場合（ＳＤ＞０）、すなわち補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより大きい場合には、制御装置１６は、第４マップを選択する。第４マップでは、第３マップと同様に補機共用ＳＯＣが上限ＳＯＣから減少するのにしたがって、入力倍率が０から増大するが、（１倍）は超えない。また、補機共用ＳＯＣの減少にしたがって第４マップの入力倍率が増大する程度は、第３マップの増大する程度より緩やかである。そして、第４マップでは、補機共用ＳＯＣが所定値Ｊ４以下で入力倍率が一定となる。

図５に戻って、Ｓ１２において、制御装置１６は、ＳＯＣ減算値ＳＤ及び補機共用ＳＯＣの値と、図６、図７に示した第１〜第４マップとから、入出力倍率である入力倍率及び出力倍率をそれぞれ算出する。

そして、Ｓ１３において、制御装置１６は、図７を用いて求めた入力倍率の算出値が１未満である場合にはＳ１４に移行し、１以上である場合にはＳ１５に移行する。Ｓ１４では、制御装置１６は、１つの通常セル１８ａ当たりの電力の入力目標を単セルＷｉｎ１とした場合に、バッテリモジュール１２全体の電力の入力目標Ｗｉｎを次の（式４）で算出する。１つの通常セル１８ａ当たりの入力目標は、通常セル１８ａの通常ＳＯＣに基づいて予め求められた関係から設定される。
Ｗｉｎ＝（（単セルＷｉｎ１）×（入力倍率））×（補機共用セル１８ｂ数）＋（単セルＷｉｎ１）×（通常セル数）・・・（式４）

Ｓ１５では制御装置１６は、同じくバッテリモジュール１２全体の電力の入力目標Ｗｉｎを次の（式５）で算出する。
Ｗｉｎ＝（単セルＷｉｎ１）×（全セル数）・・・（式５）

次に、Ｓ１６において、制御装置１６は、図６を用いて求めた出力倍率の算出値が１未満である場合にＳ１７に移行し、１以上である場合にはＳ１８に移行する。Ｓ１７では、制御装置１６は、１つの通常セル１８ａ当たりの電力の出力目標を単セルＷｏｕｔ１とした場合に、バッテリモジュール１２全体の電力の出力目標Ｗｏｕｔを次の（式６）で算出する。１つの通常セル１８ａ当たりの出力目標は、通常セル１８ａの通常ＳＯＣに基づいて予め求められた関係から設定される。
Ｗｏｕｔ＝（（単セルＷｏｕｔ１）×（出力倍率））×（補機共用セル１８ｂ数）＋（単セルＷｏｕｔ１）×（通常セル数）・・・（式６）

Ｓ１７では制御装置１６は、同じくバッテリモジュール１２全体の電力の出力目標Ｗｏｕｔを次の（式７）で算出する。
Ｗｏｕｔ＝（単セルＷｏｕｔ１）×（全セル数）・・・（式７）

そして、Ｓ１９では、制御装置１６は、算出した入力目標Ｗｉｎ及び出力目標Ｗｏｕｔを制御装置１６の車両制御部１６ａ（図２）に送信する。上記の方法によれば、Ｓ１３、Ｓ１５において、入力倍率が１以上では、入力倍率を１に維持して、すべての電池セルにおいて同じ入力目標でバッテリモジュール１２全体の入力目標Ｗｉｎが算出される。また、Ｓ１６，Ｓ１８において、出力倍率が１以上では、出力倍率を１に維持して、すべての電池セル１８ａ、１８ｂにおいて同じ出力目標でバッテリモジュール１２全体の出力目標Ｗｏｕｔが算出される。これによって、ＳＯＣ制御の目的のために、入出力倍率が制限側の倍率である１未満の場合にだけその入出力倍率が考慮されて、車両出力目標及び充電目標から設定される入出力目標が入力目標Ｗｉｎ及び出力目標Ｗｏｕｔで制限される。

また、Ｓ１９では、制御装置１６は、算出した入出力倍率を昇圧制御部１６ｂ（図２）に送信する。このとき、Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔで制限後の入出力目標から１つ当たりの通常セル１８ａの充放電の入出力目標が算出される。これによって、この入出力目標に入出力倍率を乗じて得た、補機共用セル１８ｂの充放電の入出力目標を実現するように、制御装置が対応する小型コンバータ１４ｂのオンデューティ比を制御する。

上記のバッテリ制御システムによれば、補機共用セル１８ｂを高電圧負荷である回転電機４２と補機負荷４６との両方への電力供給に用いるバッテリ制御システム１０において、補機共用ＳＯＣの下限割れを防止できる。これにより、電池セル１８ａ、１８ｂのＳＯＣの下限割れを防止できる。

図８は、実施形態のバッテリ制御システム１０が搭載される車両が走行及び停止を繰り返す場合において、ＳＯＣの時間的変化の１例を示す図である。図８において、破線Ｔ１は、通常セル１８ａの通常ＳＯＣの時間的変化を示している。実線Ｔ２は、補機共用セル１８ｂの補機共用ＳＯＣの時間的変化を示している。図８に示すように、停車中では、回転電機４２が駆動されないことによって通常ＳＯＣは一定に維持される。一方、停車中では、補機負荷４６が駆動され、しかもすべての電池セル１８ａ、１８ｂで充電されない。これによって、補機共用ＳＯＣが徐々に低下して、通常ＳＯＣより低くなり、しかも、補機共用ＳＯＣに対する差が徐々に広がる。このため、図８のα１、α２部分で示すように、車両の走行再開初期時には、通常ＳＯＣに対し補機共用ＳＯＣが低下した状態となっている。

一方、車両の走行中では、各電池セル１８ａ、１８ｂのＳＯＣが通常セル１８ａと補機共用セル１８ｂとで分けて制御される。このとき、図７を参照して、補機共用セル１８ｂのＳＯＣが通常セル１８ａのＳＯＣより大きい場合において、充電するとき、すなわち入力するときでは、通常ＳＯＣに対し補機共用ＳＯＣの入力倍率が１より低くなる。また、上限ＳＯＣに近づくほど補機共用ＳＯＣの出力倍率が０に近づく。

一方、図６を参照して、補機共用セル１８ｂのＳＯＣが通常セル１８ａのＳＯＣより小さい場合において、放電するとき、すなわち出力するときでは、通常ＳＯＣに対し補機共用ＳＯＣの出力倍率が１より低くなる。また、下限ＳＯＣに近づくほど補機共用ＳＯＣの出力倍率が０に近づく。このため、走行中では、補機共用ＳＯＣは通常ＳＯＣよりもＳＯＣ中心に、徐々に近い側になるように制御される。したがって、補機共用ＳＯＣが下限ＳＯＣより低下する下限割れの発生を防止できる。

また、実施形態では、バッテリモジュール１２の一部の電池セルである補機共用セル１８ｂが補機負荷４６に電力を供給する。そして、バッテリモジュール１２とインバータ４０との間にシステムメインリレーが接続され、そのリレーが電源スイッチの操作でオンされる構成では、リレーをオンすることなく、補機負荷４６に電力を供給することが可能となる。

上記では、電池セル１８ａ、１８ｂへの入力時において、算出した入力倍率を用いて補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣよりＳＯＣ中心側になるように制御される構成としている。一方、補機共用ＳＯＣの下限割れを防止する面からは、出力時において出力倍率を用いて補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣよりＳＯＣ中心側になるように制御される構成とすればよい。これにより、図５の方法において、Ｓ１３の入力倍率の算出を用いずに入力目標ＷｉｎをＳ１５と同様に算出する構成としてもよい。

また、上記では、補機共用セル１８ｂが通常セル１８ａより大容量である場合を説明したが、補機共用セル１８ｂの容量を通常セル１８ａの容量と同じとしてもよい。

１０ バッテリ制御システム、１２ バッテリモジュール、１３ バッテリ情報、１４ ａ，１４ｂ 小型ＤＣ／ＤＣコンバータ（小型コンバータ）、１５ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（絶縁型コンバータ）、１６ 制御装置、１６ａ 車両制御部、１６ｂ 昇圧制御部、１８ａ 電池セル（通常セル）、１８ｂ 電池セル（補機共用セル）、１９ａ，１９ｂ バッテリ側端子、２０ スペーサ部材、２２ 正極端子、２４ 負極端子、２６ａ，２６ｂ エンドプレート、２８ 拘束バンド、３０ａ 正極出力端子、３０ｂ 負極出力端子、３１ａ 正極ライン、３１ｂ 負極ライン、３２ リアクトル、３４ 第１スイッチング素子、３６ 第２スイッチング素子、３８ コンデンサ、４０ インバータ、４２ 走行用回転電機（回転電機）、４６ 補機負荷。

Claims (1)

1. 直列接続された複数の電池セルを含む車両用のバッテリモジュールと、
   前記各電池セルにそれぞれ接続され、前記各電池セルの電圧を昇圧して出力する複数のＤＣ/ＤＣコンバータと、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータにそれぞれ含まれるスイッチング素子の動作を制御することにより前記各電池セルの充電残量を示すＳＯＣを個別に制御する制御装置とを備え、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータは直列接続されるとともに、インバータを介して走行用回転電機に接続され、
   前記複数の電池セルのうち、一部の前記電池セルである補機共用セルのみが低電圧の補機負荷に対し電力を供給可能であり、
   前記制御装置は、前記補機共用セルのＳＯＣである補機共用ＳＯＣ、及び前記複数の電池セルの残りの前記電池セルとしての通常セルのＳＯＣである通常ＳＯＣを比較した結果に基づいて、前記補機共用ＳＯＣが通常ＳＯＣより低い場合に、通常セルを基準として放電時の前記補機共用セルの出力倍率が１未満となるように、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータの前記スイッチング素子の動作を制御する、
   バッテリ制御システム。

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