JP2021136809A - 電動車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両に搭載されたバッテリの内部抵抗を、分極の影響を極力排除して検出することが可能な電動車両の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】電動車両（１）の制御装置（３００）は、車速が所定値α以下のとき（Ｓ１）、ＭＧ（１０）のトルク指令をゼロにして、ｑ軸電流をゼロとするとともにｄ軸電流を供給し（Ｓ２）、ｄ軸電流に基づいてバッテリ（１００）の内部抵抗値を算出するよう構成されている（Ｓ３、Ｓ４）。【選択図】図３

Description

本開示は、走行用の回転電機と回転電機に電力を供給するバッテリを備えた電動車両の制御装置に関する。

特許第３１２２７５１号公報（特許文献１）には、車両の停車状態を確認し、その直後の車両加速状態におけるバッテリからの放電電流とこの時のバッテリ電圧を検出して、これら放電電流とバッテリ電圧よりバッテリの内部抵抗を算出することが開示されている。

特許第３１２２７５１号公報

特許文献１では、車両停止時には放電電流は常にゼロであるから、その直後の加速時にバッテリ分極の影響を受けることなく、常に再現性の良い放電電流−バッテリ電圧の特性（Ｉ−Ｖ特性）を得ることができ、バッテリの内部抵抗を精度よく求めることができるとされている。しかし、車両の加速に際して、大きな駆動力が要求される場合、換言すると、バッテリから大きな電力が放電される場合には、バッテリの分極の影響が大きくなり、バッテリの内部抵抗を精度良く検出するには、改良の余地があった。

本開示は、電動車両に搭載されたバッテリの内部抵抗を、分極の影響を極力排除して検出することが可能な電動車両の制御装置を提供することを目的とする。

本開示の電動車両の制御装置は、走行用の回転電機と、回転電機に電力を供給するバッテリと、を備えた電動車両の制御装置である。制御装置は、回転電機の回転速度が所定値以下のとき、回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに回転電機のｄ軸電流を供給し、ｄ軸電流に基づいてバッテリの内部抵抗を算出するよう構成されている。

この構成によれば、回転電機の回転速度が所定値以下のとき、回転電機のｑ軸電流はゼロとされ、回転電機のｄ軸電流のみが供給される。ｑ軸電流がゼロであるため、回転電機の発生トルクはゼロとなり、ｄ軸電流の大きさを任意に制御可能である。また、回転電機の回転速度が所定値以下であるので、回転電機の回生動作の影響も受け難い。このため、蓄電池からの放電電流を、分極の影響を受け難い電流値に制御できるので、電動車両に搭載されたバッテリの内部抵抗を、分極の影響を極力排除して検出することが可能になる。

本開示によれば、電動車両に搭載されたバッテリの内部抵抗を、分極の影響を極力排除して検出することが可能な電動車両の制御装置を提供することができる。

本実施の形態に係る電動車両の制御装置を備えた電動車両の全体構成図である。 バッテリ１００の詳細な構成の一例を示した図である。 ＥＣＵ３００で実行される処理を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態に係る電動車両の制御装置を備えた電動車両１の全体構成を示す図である。

本実施の形態において、電動車両１は、たとえば、電気自動車である。電動車両１は、回転電機であるモータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）１０と、動力伝達ギア２０と、駆動輪３０と、電力制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）４０と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）５０と、バッテリ１００と、監視ユニット２００と、制御装置の一例である電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３００とを備える。

ＭＧ１０は、たとえば埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭモータ）であって、電動機（モータ）としての機能と発電機（ジェネレータ）としての機能を有する。ＭＧ１０の出力トルクは、減速機および差動装置等を含んで構成された動力伝達ギア２０を介して駆動輪３０に伝達される。

電動車両１の制動時には、駆動輪３０によりＭＧ１０が駆動され、ＭＧ１０が発電機として動作する。これにより、ＭＧ１０は、電動車両１の運動エネルギーを電力に変換する回生制動を行なう制動装置としても機能する。ＭＧ１０における回生制動力により生じた回生電力は、バッテリ１００に蓄えられる。

ＰＣＵ４０は、ＭＧ１０とバッテリ１００との間で双方向に電力を変換する電力変換装置である。ＰＣＵ４０は、たとえば、ＥＣＵ３００からの制御信号に基づいて動作するインバータとコンバータとを含む。

コンバータは、バッテリ１００の放電時に、バッテリ１００から供給された電圧を昇圧してインバータに供給する。インバータは、コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換してＭＧ１０を駆動する。

一方、インバータは、バッテリ１００の充電時に、ＭＧ１０によって発電された交流電力を直流電力に変換してコンバータに供給する。コンバータは、インバータから供給された電圧をバッテリ１００の充電に適した電圧に降圧してバッテリ１００に供給する。

また、ＰＣＵ４０は、ＥＣＵ３００からの制御信号に基づいてインバータおよびコンバータの動作を停止することによって充放電を休止する。なお、ＰＣＵ４０は、コンバータを省略した構成であってもよい。

ＳＭＲ５０は、バッテリ１００とＰＣＵ４０とを結ぶ電力線に電気的に接続されている。ＳＭＲ５０がＥＣＵ３００からの制御信号に応じて閉成されている（すなわち、導通状態である）場合、バッテリ１００とＰＣＵ４０との間で電力の授受が行なわれ得る。一方、ＳＭＲ５０がＥＣＵ３００からの制御信号に応じて開放されている（すなわち、遮断状態である）場合、バッテリ１００とＰＣＵ４０との間の電気的な接続が遮断される。

バッテリ１００は、ＭＧ１０を駆動するための電力を蓄える。バッテリ１００は、再充電が可能な直流電源であり、たとえば、複数個のセル（単電池）が並列に接続されて構成される並列電池ブロックが複数個直列に接続されて構成される。セルは、たとえば、リチウムイオン二次電池等の二次電池を含む。バッテリ１００の詳細な構成については後述する。なお、電動車両１は図示しない充電回路および／または充電器を備えており、バッテリ１００は外部の電源から充電可能とされている。

監視ユニット２００は、電圧検出部２１０と、電流センサ２２０と、温度検出部２３０とを含む。電圧検出部２１０は、複数の並列電池ブロックの各々の端子間の電圧ＶＢを検出する。電流センサ２２０は、バッテリ１００に入出力される電流ＩＢを検出する。温度検出部２３０は、複数のセルの各々の温度ＴＢを検出する。各検出部は、その検出結果をＥＣＵ３００に出力する。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１と、メモリ（たとえば、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等を含む）３０２とを含む。ＥＣＵ３００は、監視ユニット２００から受ける信号、図示しない各種センサからの信号（たとえば、アクセル開度信号、車速信号、等）、メモリ３０２に記憶されたマップおよびプログラム等の情報に基づいて、電動車両１が所望の状態となるように各機器を制御する。

＜バッテリ１００の詳細な構成について＞
図２は、図１に示したバッテリ１００の詳細な構成の一例を示した図である。図２を参照して、このバッテリ１００は、複数（たとえば、Ｎ個）のセルが並列接続されて並列電池ブロックを構成し、複数（たとえば、Ｍ個）の並列電池ブロックが直列接続されて構成される。

具体的には、バッテリ１００は、直列に接続される並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍを含み、並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの各々は、並列接続されたＮ個のセルを含んで構成される。なお、Ｍは３以上であることが望ましい。

電圧検出部２１０は、電圧センサ２１０−１〜２１０−Ｍを含む。電圧センサ２１０−１〜２１０−Ｍは、並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの端子間電圧をそれぞれ検出する。すなわち、電圧センサ２１０−１は、並列電池ブロック１００−１の端子間電圧ＶＢ１を検出する。同様に、電圧センサ２１０−２〜２１０−Ｍは、並列電池ブロック１００−２〜１００−Ｍの端子間電圧ＶＢ２〜ＶＢＭをそれぞれ検出する。電圧検出部２１０は、検出した端子間電圧ＶＢ１〜ＶＢＭをＥＣＵ３００に送信する。電流センサ２２０は、各並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍに流れる電流ＩＢを検出する。

複数のセルが並列に接続された並列電池ブロックを用いたバッテリ１００では、並列電池ブロック内のセルのひとつが断線すると、断線していないセルに電流が集中する。このため、断線していないセルの発熱量が大きくなり温度が上昇するため、劣化が進行する可能性がある。放電時には、断線していないセルのＳＯＣが早期に低下し、走行距離が減少する懸念がある。また、充電時には、断線していないセルのＳＯＣの上昇が早まり、過充電される懸念がある。

したがって、並列電池ブロック内のセルの断線を早期に検出することが望まれる。並列電池ブロック内のセルが断線すると、並列電池ブロックの内部抵抗が変化するので、並列電池ブロックの内部抵抗を精度良く求めることが望ましい。従来、電動車両１の走行中に、並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍに流れる電流ＩＢと端子間電圧ＶＢ１〜ＶＢＭを用いて、各並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を求め、Ｉ−Ｖ特性の傾きから各並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの内部抵抗を求めていた。

電動車両１の走行中に並列電池ブロックの内部抵抗を求める場合、電流ＩＢが大きいときに分極の影響を避けられず、算出される内部抵抗のばらつきが発生しやすい。本実施形態では、ＭＧ１０の回転速度が所定値以下のとき、ＭＧ１０のトルク指令をゼロとすることにより、ＭＧ１０のｑ軸電流をゼロにする。そして、ＭＧ１０へｄ軸電流のみを供給することにより、並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍに流れる電流ＩＢを分極の影響を受け難い電流値とし、並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの内部抵抗を算出する。これにより、分極の影響をできるだけ排除し、精度のよい内部抵抗を求めることが可能になる。

図３は、制御装置であるＥＣＵ３００で実行される処理を示すフローチャートである。この処理は、たとえば、電動車両１の起動中、所定間隔毎に繰り返し実行される。

ステップ（以下、Ｓと略す）１では、アクセルベダルが踏み込まれておらず（アクセル開度＝０）、且つ、電動車両１の車速が所定値α以下か否かを判断する。たとえば、所定値αは、５ｋｍ／ｈである。アクセルペダルが踏み込まれている、あるいは、車速が所定値αを超えている場合は、否定判断され処理がリターンされる。アクセルペダルが踏み込まれておらず、且つ、車速が所定値α以下であり肯定判断されると、Ｓ２へ進む。車速が所定値α以下のときは、ほぼ停車状態であり、ＭＧ１０の回転速度が所定値以下となっている。

Ｓ２では、ＭＧ１０のトルク指令をゼロとする。具体的には、たとえば、周知の通り、ＭＧ１０に供給する電流と電流位相をインバータで制御して、ｑ軸電流をゼロにすることにより、ＭＧ１０の発生トルクがゼロになるよう制御するとともに、ｄ軸電流を所定の範囲内で制御する。ｄ軸電流の値は、その最大値が、内部抵抗の算出の際に、並列電池ブロックの各セルの分極の影響を排除できる値とされる。また、ｄ軸電流の最小値は、内部抵抗の算出の際に、電圧センサ２１０−１〜２１０−Ｍや電流センサ２２０の検出誤差を無視し得る値とされる。これらの値は、セルや各センサの特性により異なり、予め実験等で設定される。

Ｓ２に続いて、Ｓ３では、電流センサ２２０、電圧センサ２１０−１〜２１０−Ｍの検出信号から、電流ＩＢ、各並列電池ブロックの端子間電圧ＶＢ−１〜ＶＢ−Ｍを取得し、Ｓ４へ進む。なお、ｑ軸電流はゼロであるので、電流ＩＢはｄ軸電流である。

Ｓ４において、電流ＩＢ（すなわち、ｄ軸電流）、端子間電圧ＶＢ−１〜ＶＢ−Ｍに基づいて、各並列電池ブロック１００−１〜１００−ＭのＩ−Ｖ特性を求める。たとえば、並列電池ブロック１００−１のＩ−Ｖ特性は、電流ＩＢと端子間電圧ＶＢ−１の関係を複数プロットすることにより求められる。そして、求めたＩ−Ｖ特性の傾きから、周知の通り、並列電離ブロック１００−１の内部抵抗ＶＲ−１を算出する。このようにして、各並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの内部抵抗ＶＲ−１〜ＶＲ−Ｍを算出した後、Ｓ５へ進む。

Ｓ５では、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗の比を算出する。たとえば、並列電池ブロック１００−１の内部抵抗ＶＲ−１と並列電池ブロック１００−２の内部抵抗ＶＲ−２の比Ｒｒ−１をＲｒ−１＝ＶＲ−１／ＶＲ−２として算出する。同様に、並列電池ブロック１００−２の内部抵抗ＶＲ−２と並列電池ブロック１００−３の内部抵抗ＶＲ−３の比Ｒｒ−２（＝ＶＲ−２／ＶＲ−３）を算出する。このようにして、各並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍにおいて、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗の比（抵抗比）Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）を算出する。

続くＳ６では、Ｓ５で算出した抵抗比Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）の値が、所定範囲内にあるか否かが判断される。たとえば、「所定値Ａ＜抵抗比＜所定値Ｂ」が成立するか否かを判断する。抵抗比Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）のすべてが所定範囲内にあるときは、肯定判断されリターンされる。抵抗比Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）のうち少なくともひとつの抵抗比が所定範囲外にある場合は、否定判断され、Ｓ７へ進む。並列電池ブロック内のセルが断線すると、断線していない場合に比較して、並列電池ブロックの内部抵抗が大きくなる。このため、セルが断線していない並列電池ブロック同士の抵抗比に対して、セルが断線している並列電池ブロックと断線していない並列電離ブロックの抵抗比は、大きく変化する。したがって、セルが断線していない並列電池ブロック同士の抵抗比は、所定範囲内になるが、セルが断線している並列電池ブロックと断線していない並列電離ブロックの抵抗比は所定範囲外となる。所定範囲（所定値Ａ、所定値Ｂ）は、予め実験等により設定してもよい。

Ｓ７では、電動車両１のインストルメントパネルに設けられた警告灯を点灯し、異常の発生を知らせるとともに、ダイアグノーシスコードをメモリ３０２へ記憶する。なお、ダイアグノーシスコードは、バッテリ１００の異常（セル断線異常）を示す情報であってよく、所定範囲外となった抵抗比Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）を示す情報を含んでもよい。また、異常が発生した（断線したセルを含む）並列電池ブロックを示す情報を含んでもよい。たとえば、並列電池ブロック１００−２内のセルが断線した場合には、抵抗比Ｒｒ−１と抵抗比Ｒｒ−２が所定範囲外となり、並列電池ブロック１００−２が異常であることを特定できる。このように、両隣の並列電池ブロックとの抵抗比が所定範囲外の場合は、当該並列電池ブロックに異常（セルの断線）が発生したことを特定できる。Ｓ７の処理が終了すると、リターンされる。

本実施形態では、電動車両１の車速が所定値α以下であり、ＭＧ１０の回転速度が所定値以下のとき、ＭＧ１０のトルク指令をゼロとする。ＭＧ１０のトルク指令がゼロになるため、ｑ軸電流がゼロになるようインバータを制御し、ＭＧ１０の発生トルクをゼロにするとともに、ｄ軸電流を所定の範囲内で制御する。ｑ軸電流がゼロであるため、ｄ軸電流の大きさは任意に制御可能であり、また、ＭＧ１０の回転速度が所定値以下であるので、ＭＧ１０の回生動作の影響も受け難い。このため、バッテリ１００（並列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍ）からの放電電流（ｄ軸電流）を、分極の影響を受け難い電流値に制御できるので、並列列電池ブロック１００−１〜１００−Ｍの内部抵抗を、分極の影響を極力排除して算出することが可能になる。

上記の実施の形態では、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗の比（抵抗比）Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）に基づいて、セル（単電池）の断線を判断していたが、断線の判断は、抵抗比に基づかなくてもよい。たとえば、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗の偏差を求め、偏差が所定値以上の場合に、セルが断線していると判断してもよい。

上記の実施の形態では、電動車両１として電気自動車である例を説明したが、電動車両はハイブリッド車両であってもよい。走行駆動源として内燃機関と回転電機（モータジェネレータ）を用いたハイブリッド車両において、内燃機関を用いての走行中に回転電機が停止している走行モードを備える場合には、走行中であっても、回転電機の回転速度が所定値以下となる。このような走行中に、回転電機へのトルク指令をゼロとすることによりｑ軸電流をゼロにするとともに、ｄ軸電流を制御して、並列電池ブロックの内部抵抗を算出してもよい。

本開示における実施態様を例示すると、次のような態様を例示できる。
１）走行用の回転電機と、回転電機に電力を供給するバッテリと、を備えた電動車両の制御装置であって、制御装置は、回転電機の回転速度が所定値以下のとき、回転電機のトルク指令をゼロとすることにより、回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに回転電機のｄ軸電流を供給し、ｄ軸電流に基づいてバッテリの内部抵抗値を算出するよう構成されている、電動車両の制御装置。

２）走行用の回転電機と、回転電機に電力を供給するバッテリと、を備えた電動車両の制御装置であって、制御装置は、電動車両の車速が所定値以下のとき、回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに回転電機のｄ軸電流を供給し、ｄ軸電流に基づいてバッテリの内部抵抗値を算出するよう構成されている、電動車両の制御装置。なお、回転電機のトルク指令をゼロとすることにより、回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに回転電機のｄ軸電流を供給してもよい。

３）走行用の回転電機と、回転電機に電力を供給するバッテリと、を備えた電動車両の制御装置であって、制御装置は、電動車両の車速が所定値以下、かつ、アクセルベダルが踏み込まれていないとき、回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに回転電機のｄ軸電流を供給し、ｄ軸電流に基づいてバッテリの内部抵抗値を算出するよう構成されている、電動車両の制御装置。回転電機のトルク指令をゼロとすることにより、回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに回転電機のｄ軸電流を供給してもよい。

４）上記１〜３の何れかにおいて、バッテリは、並列に接続された複数のセル（単電池）を含む並列電池ブロックを複数個直列に接続して構成されている。

５）上記４において、並列電池ブロック流れる電流（ＩＢ）と各並列電池ブロックの端子間電圧（ＶＢ−１〜ＶＢ−Ｍ）に基づいて、各並列電池ブロックの内部抵抗（ＶＲ−１〜ＶＲ−Ｍ）を求める。

６）上記５において、各並列電池ブロックのＩ−Ｖ特性の傾きに基づいて、各並列電池ブロックの内部抵抗（ＶＲ−１〜ＶＲ−Ｍ）を求める。

７）上記５または６において、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗（ＶＲ−１〜ＶＲ−Ｍ）の比（抵抗比（Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１））を求め、少なくともひとつの抵抗比（Ｒｒ−１〜Ｒｒ−（Ｍ−１）が所定範囲外のとき、異常であると判断する。異常は、並列電池ブロック内のセル（単電池）の断線であるとしてもよい。

８）上記５または６において、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗（ＶＲ−１〜ＶＲ−Ｍ）の偏差が所定値以上のとき、並列電池ブロックを構成するセル（単電池）が断線していると判断する。

９）上記５または６において、隣接する並列電池ブロックの内部抵抗（ＶＲ−１〜ＶＲ−Ｍ）を比較することにより、並列電池ブロックを構成するセル（単電池）の断線を判断する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電動車両、１０ ＭＧ（回転電機）、２０ 動力伝達ギア、３０ 駆動輪、４０ ＰＣＵ、５０ ＳＭＲ、１００ バッテリ、２００ 監視ユニット、２１０ 電圧検出部、２２０ 電流センサ、２３０ 温度検出部、３００ ＥＣＵ（制御装置）、３０１ ＣＰＵ、３０２ メモリ。

Claims (1)

1. 走行用の回転電機と、
   前記回転電機に電力を供給するバッテリと、を備えた電動車両の制御装置であって、
   前記制御装置は、前記回転電機の回転速度が所定値以下のとき、前記回転電機のｑ軸電流をゼロとするとともに前記回転電機のｄ軸電流を供給し、前記ｄ軸電流に基づいて前記バッテリの内部抵抗を算出するよう構成されている、電動車両の制御装置。

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