JP3767439B2 - 組電池の容量調整装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車等に用いられる組電池において、組電池を構成する各セルの容量のバラツキを補正する組電池の容量調整装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気自動車等に搭載される組電池のセルを個別に充電して、セル間の残存容量を均等にする制御方法が知られている(特開平10−32936号公報)。この従来の制御方法では、まず組電池を構成するセルの残存容量を検出し、最も残存容量の少ないセルを特定する。この特定したセルに対し、残存容量が他のセルの残存容量と等しくなるまで充電を行うことにより、セル間の容量バラツキを調整している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の制御方法では、組電池の充電を充電器を用いて行っている。組電池を搭載する電気自動車等では、車両の減速時に発生する回生エネルギーを回生電力に変換し、変換した回生電力を用いて組電池を充電することが可能なので、車両の減速時に、上述した従来の方法を用いてセル間の容量バラツキを調整することが考えられる。
【0004】
しかしながら、回生電力を用いて組電池の充電を行う場合、回生電力を有効的に利用するためには短時間で充電を行う必要があるので、充電時の電流を大電流とする必要がある。この場合、従来の方法のように、特定のセルに対して大電流を流して充電を行うと、特定のセルの電圧が過電圧(過充電)となる可能性があった。
【0005】
本発明の目的は、回生電力を用いて組電池の充電を行う場合に、特定のセルが過電圧とならずにセル間の容量を短時間で調整することができる組電池の容量調整装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図1を参照して本発明を説明する。
(1)請求項1の発明は、複数のセル10a〜10nを直列に接続して構成され、車両の減速時に発生する回生電力を充電(以下、回生充電と呼ぶ)することができる組電池10と、組電池10の充電状態および各セル10a〜10nの充電状態のいずれか一方に基づいて、回生充電を行わないセル数を算出するセル数算出装置50と、各セル10a〜10nごとの電圧を検出する電圧検出装置30a〜30nと、電圧検出装置30a〜30nにより検出されたセル10a〜10nの電圧の高い順に、セル数算出装置50により算出された数のセル10a〜10nに対しては回生充電を行わない制御装置50とを備え、セル数算出装置50は、組電池10の充電状態に基づいてセル数を算出するときは、組電池10の充電状態が高いほど回生充電を行わないセル数を少なくするとともに、各セル10a〜10nの充電状態に基づいてセル数を算出するときは、各セル10a〜10nの充電状態が高いほど回生充電を行わないセル数を少なくすることにより、上記目的を達成する。
(2)請求項2の発明は、請求項1の組電池の容量調整装置において、回生充電を行うセルの充電を開始してから経過した時間を計測するタイマ54をさらに備え、制御装置50は、タイマ54により計測した時間が所定の時間に達すると、セル数算出装置50に所定の時間経過後の組電池10の充電状態および各セル10a〜10nの充電状態のいずれか一方に基づいて、再度回生充電を行わないセル数を算出させ、電圧検出装置30a〜30nに各セル10a〜10nごとの電圧を再度検出させ、電圧検出装置30a〜30nにより再度検出されたセル10a〜10nの電圧の高い順に、セル数算出装置50により再度算出された数のセル10a〜10nに対しては回生充電を行わないことを特徴とする
(3)請求項3の発明は、請求項1または2の組電池の容量調整装置において、充電状態は、SOC(充電率)であることを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項3の組電池の容量調整装置において、セル数算出装置50は、組電池10のSOCに基づいてセル数を算出するときは、組電池10のSOCが低いほど回生充電を行わないセル数を多くすることを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、請求項3の組電池の容量調整装置において、セル数算出装置50は、各セル10a〜10nのSOCに基づいてセル数を算出するときは、各セル10a〜10nのSOCが低いほど回生充電を行わないセル数を多くすることを特徴とする。
(6)請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかの組電池の容量調整装置において、複数のセル10a〜10nごとに設けられ、セル10a〜10nを短絡させることにより短絡させたセル10a〜10nを組電池10から切り離す短絡回路20a〜20nをさらに備え、制御装置50は、短絡回路20a〜20nを用いて回生充電を行わないセル10a〜10nを組電池10から切り離すことにより、回生充電を行わないことを特徴とする。
【0007】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明をわかりやすく説明するために実施の形態の図1と対応づけたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【0008】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。
(1)請求項1〜6の発明によれば、組電池のSOCが高いほど、または、各セルのSOCが高いほど、回生充電を行わないセル数を少なくするので、組電池または各セルのSOCが高い場合でも、充電されるセルの電圧が過電圧となるのを防ぐことができる。
組電池の充電状態および各セルの充電状態のいずれか一方に基づいて回生充電を行わないセル数を算出し、セルの電圧の高い順に、算出されたセル数のセルに対しては回生充電を行わないので、その他の電圧の低いセルのみに効果的に充電を行うことができる。
(2)請求項2の発明によれば、回生充電を行うセルの充電を開始してから経過した時間が所定の時間に達すると、再度検出されたセルの電圧の高い順に、再度算出されたセル数のセルに対しては回生充電を行わないので、所定時間充電を行った後に変化した組電池の充電状態および各セルの充電状態のいずれか一方に基づいて、再度回生充電を行わないセル数を適切に算出することができる。
(3)請求項3の発明によれば、充電状態はSOCであるので、組電池のSOCおよび各セルのSOCのいずれか一方に基づいて、回生充電を行わないセル数を適切に算出することができる。
(4)請求項6の発明によれば、複数のセルごとに設けられ、セルを短絡させることにより短絡させたセルを組電池から切り離す短絡回路をさらに備えるので、短絡回路を用いて回生充電を行わないセルを組電池から切り離すことにより、回生充電を行わせないことができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明による組電池の容量調整装置を電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図である。この電気自動車は、組電池10の直流電力をインバータ70で交流電力に変換し、走行駆動源である三相同期モータ80(以下、単にモータ80と呼ぶ)へ交流電力を供給する。供給された交流電力により三相同期モータ80が回転駆動することにより、減速機90を介して左右の駆動輪100a,100bが回転して電気自動車が駆動することができる。また、モータ80は、車両の減速時に発生する回生エネルギーを回生電力に変換する回生運転を行うことにより、組電池10を回生充電することができる。
【0010】
組電池10は、複数のセル10a〜10nを直列に接続して構成される。組電池を構成するセル数は、例えば96個である。スイッチ20a〜20nは、各セル10a〜10nごとに設けられている。以下の説明では、スイッチ20aを代表して取りあげることにする。スイッチ20aは、3つの端子21a,22a、23aを有する。端子21aと端子23aとが接続されると、セル10aの電圧を後述する電圧センサ30aで検出することが可能となる。端子22aと端子23aとが接続されると、組電池10とインバータ70とを結ぶ電源ラインLは、セル10aと電気的に遮断される。この場合、セル10aの充電・放電は行われない。以下では、端子22aと端子23aとが接続された状態を「短絡」と呼ぶ。上述した説明では、スイッチ20aを代表して取りあげたが、他のスイッチ20b〜20nにおいても同じである。
【0011】
電圧センサ30a〜30nは、各セル10a〜10nごとに設けられており、上述したように、端子21a〜21nと端子23a〜23nとが接続されているときに、対応するセル10a〜10nの電圧を検出する。検出したセル10a〜10nの電圧は、後述するコントロール・ユニット(C/U)50に送信される。電流センサ60は、電源ラインLに設けられ、電源ラインLを流れる電流を検出する。すなわち、電流センサ60は、組電池を充電するときの充電電流や放電するときの放電電流を検出する。検出した電流は、後述するコントロール・ユニット50に送信される。
【0012】
スイッチ駆動回路40a〜40nは、各スイッチ20a〜20nの駆動(切り替え)を行う。コントロール・ユニット50は、スイッチ駆動回路40a〜40n、CPU51、ROM52、RAM53、タイマ54を備える。コントロール・ユニット50は、イグニッションスイッチ110がオンされることにより起動し、電圧センサ30a〜30nから送信される各セル電圧と電流センサ60から送信される電流とに基づいて、各スイッチ20a〜20nの駆動を行うか否かを判断する。この判断結果に基づいて、スイッチ駆動回路40a〜40nを駆動し、スイッチ20a〜20nの切り替えが行われる。なお、通常は、スイッチ20aの場合、端子21aと端子23aとが接続されている。
【0013】
図2、図3は、コントロール・ユニット50で行われる組電池10の容量調整方法の処理手順を示すフローチャートである。
【0014】
ステップS10では、イグニッションスイッチ110がオンされたか否かを判定する。イグニッションスイッチ110がオンされたと判定するとステップS20に進む。オンされていないと判定すると、オンされるまで待機する。ステップS20では、電流センサ60を用いて電源ラインLに流れる電流Iを検出する。なお、電流Iは放電側、すなわち、組電池10からインバータ70に流れる方向をプラスとする。電流Iを検出するとステップS30に進む。
【0015】
ステップS30では、ステップS20で検出した電流Iに基づいて、モータ80が回生運転を行っているか否かを判定する。すなわち、ステップS20で検出した電流Iがマイナス(I<0)であれば、モータ80は回生運転を行っていると判定する。モータ80が回生運転を行っていると判定するとステップS40に進む。モータ80が回生運転を行っていない、すなわち、力行運転を行っていると判定すると、ステップS20に戻る。
【0016】
ステップS40では、タイマ54をリセットして、ステップS50に進む。ステップS50では、電圧センサ30a〜30nによって、各セル10a〜10nの電圧を検出する。全セル10a〜10nの電圧を検出するとステップS60に進む。ステップS60では、ステップS50で検出した各セル10a〜10nの電圧を大きい順に順位付けする。次のステップS70では、ステップS50で検出した各セル10a〜10nの電圧を加算することにより、組電池10の総電圧を検出する。
【0017】
組電池10の総電圧を検出するとステップS80に進む。ステップS80では、ステップS70で算出した組電池10の総電圧に基づいて、組電池10のSOC(充電率:State Of Charge)を算出する。図4は、組電池10の総電圧と組電池10のSOCとの関係を示す図である。コントロール・ユニット50は、図4に示すようなテーブルを実験等により求めて予め用意しておき、このテーブルとステップS70で算出した組電池10の総電圧とに基づいて、組電池10のSOCを算出する。
【0018】
次のステップS90では、ステップS80で算出した組電池10のSOCに基づいて、セル10a〜10nの中から短絡させるセルを選択する。図5は、組電池10のSOCと短絡させるセル数との関係の一例を示す図である。組電池10を構成するセル10a〜10nの数が96個の場合、例えば、組電池10のSOCが80(%)とすると、短絡させるセル数は10個とする。図5に示すように、短絡させるセル数は、組電池10のSOCが高いほど少なくする。この場合、短絡させるセル数を少なくすれば、充電を行うセル数が多くなるので、充電されるセルの電圧は過電圧となりにくい。逆に、組電池10のSOCが低いときは、短絡させるセル数を多くしている。この場合、充電を行うセル数は少なくなるが、組電池10のSOCは低いので、充電されるセルの電圧が過電圧となる可能性は低い。これらのセル数は、組電池10のSOCごとに、過電圧とならない数を予め実験等により求めておく。
【0019】
コントロール・ユニット50は、図5に示すようなテーブルを実験等により予め求めて用意しておき、このテーブルとステップS80で算出した組電池10のSOCとに基づいて、短絡させるセル数を算出する。短絡させるセル数を算出すると、ステップS60で順位付けされたセルのうち、電圧の大きい順に短絡させるセル数だけ抽出する。例えば、短絡させるセル数が10個の場合、セル10a〜10nの中から電圧が大きい上位10個のセル10a〜10jを抽出し、抽出したセル10a〜10jを短絡させるセル10a〜10jとして選択する。短絡させるセル10a〜10jを選択すると、ステップS100に進む。
【0020】
ステップS100では、ステップS90で選択したセル10a〜10jにそれぞれ対応するスイッチ20a〜20jを駆動して短絡させるために、対応する駆動回路40a〜40jを駆動する。例えば、ステップS90においてセル10aが選択された場合、駆動回路40aを駆動することにより、スイッチ20aの端子22aと端子23aとを接続する。これにより、セル10aは充電が行われない。すなわち、ステップS90で選択されたセル10a〜10jに対応するスイッチ20a〜20jを駆動して短絡させることにより、電圧の高いセル10a〜10jは、回生充電が行われない。従って、短絡されていないセル10k〜10nのみが充電されることになる。次のステップS110では、タイマ54をスタートさせて、ステップS120に進む。
【0021】
ステップS120では、電流センサ60を用いて再び電源ラインLに流れる電流Iを検出する。電流Iを検出するとステップS130に進む。ステップS130では、ステップS120で検出した電流Iに基づいて、モータ80が回生運転を行っているか否かを判定する。ここでの処理は、ステップS30で行った処理と同じであるので、判定方法についての詳しい説明は省略する。モータ80が回生運転を継続していると判定するとステップS140に進む。モータ80が回生運転を行っておらず、力行運転に切り替わったと判定すると、ステップS180に進む。
【0022】
ステップS140では、電圧センサ30a〜30nを用いて、各セル10a〜10nの電圧を検出する。全てのセル10a〜10nの電圧を検出すると、ステップS150に進む。ステップS150では、ステップS140で検出した各セル10a〜10nの電圧が所定電圧より大きいか、すなわち、過電圧となっているか否かを判定する。ステップS90では、組電池10のSOCごとに短絡させるセル数を予め求めたテーブルを用意し、このテーブルと実際のSOCとに基づいて短絡させるセル数を算出している。このテーブルでは、上述したように、組電池10のSOCごとに、充電されるセルの電圧が過電圧とならないようなセル数をテーブル値として定めることにより、セルの過電圧を防いでいる。従って、ステップS90で選択されずに充電が行われているセル10k〜10nの電圧が過電圧となる可能性は非常に低いが、万が一過電圧となった場合に、過電圧となったセルの充電を即座に終了するために、ステップS140ではセル10a〜10nの電圧が過電圧となっていないかを判定する。セル10a〜10nの電圧が過電圧となっていないと判定するとステップS160に進み、過電圧となっているセルがあると判定するとステップS180に進む。
【0023】
ステップS160では、ステップS110でタイマ54をスタートさせてからの経過時間を検出してステップS170に進む。ステップS170では、ステップS160で検出したタイマ54の経過時間が所定時間となったか否かを判定する。ステップS100において、選択されたセル10a〜10jを短絡させることにより、選択された電圧の高いセル10a〜10jに対しては充電が行われていない。従って、この状態で長時間充電を続けると、充電されているセル10k〜10nのみの電圧が高くなってしまうので、充電を行うセル10k〜10nの充電は、所定の時間だけ行うこととしている。ステップS170で、タイマ54の経過時間が所定時間となったと判定するとステップS180に進み、所定時間となっていないと判定するとステップS120に戻る。
【0024】
ステップS180では、ステップS100で短絡させたセル10a〜10jのスイッチ20a〜20jを元の状態に戻すために、対応するスイッチ駆動回路40a〜40jを駆動させる。例えば、ステップS100で端子22aと23aとを接続した場合には、端子21aと端子22aとを接続させる。短絡されていた全てのセル10a〜10jのスイッチ20a〜20jを元の状態に戻すと、ステップS190に進む。ステップS190では、タイマ54をストップさせて、ステップS200に進む。ステップS200では、イグニッションスイッチ110がオフであるか否かを判定する。オフであると判定すると本制御を終了する。オフになっていないと判定するとステップS20に戻る。
【0025】
ステップS200からステップS20に戻ると、再び同じ処理が行われる。すなわち、モータ80が回生運転を行っている場合には、ステップS90にてセル10a〜10nの中から短絡させるセルを選択した後、短絡されていない電圧の低いセルに対して充電が行われる。ただし、一度充電が行われることにより、組電池10のSOCは高くなっているので、図5から明らかなように、短絡させるセル数は少なくなる。すなわち、上述したように、組電池10のSOCが高い領域において、前回と同じセル数の充電を行うと、充電されるセルの電圧が過電圧となる可能性が出てくるので、短絡させる(充電を行わない)セル数を少なくして過電圧となるのを防止している。
【0026】
以上、本実施の形態による組電池の容量調整装置によれば、イグニッションスイッチ110がオン後に、電源ラインLに流れる電流Iを検出して、モータ80が回生運転中であるか否かを判定する(ステップS10〜S30)。回生運転中であると判定すると、タイマ54をリセットし(ステップS40)、各セル10a〜10nの電圧を検出して、電圧の大きい順に順位付けをする(ステップS50,S60)。検出した各セル電圧に基づいて組電池10の総電圧を検出し、組電池10のSOCを算出する(ステップS70,S80)。算出したSOCと予め用意しておいたテーブルとに基づいてセル10a〜10nの中から短絡させるセルを選択して、対応するスイッチ駆動回路を用いて短絡させる(ステップS90,S100)。タイマ54をスタートさせると再び電源ラインLに流れる電流Iを検出して、モータ80が回生運転中であるか否かを判定する(ステップS110〜S130)。回生運転中と判定すると各セル電圧を検出し、過電圧となっていないかを判定する(ステップS140,S150)。過電圧となっていないと判定するとタイマの経過時間が所定時間になったかを判定する(ステップS160,S170)。ステップS130で回生運転中ではないと判定した場合、ステップS150でいずれか1つのセル電圧が過電圧と判定した場合、ステップS170でタイマの経過時間が所定時間になったと判定した場合はそれぞれ、短絡させたセルを短絡させない元の状態に戻してタイマ54をストップする(ステップS180,S190)。その後、イグニッションスイッチ110がオフであるか否かを判定し(ステップS200)、オフでないと判定するとステップS20以降の処理を再び行う。オフであると判定すると本制御を終了する。
【0027】
本実施の形態による組電池の容量調整装置によれば、組電池10のSOCが低いときには、短絡させる(充電を行わない)セル数を多くすることにより、大電流を用いて電圧の低いセルを効果的に充電させることができる。組電池10のSOCが高いときには、短絡させるセル数を少なくして充電するセル数を多くすることにより、充電されるセルの電圧が過電圧となるのを防止することができる。これにより、セル電圧が過電圧となるのを防止しながら、大電流を用いて短時間にて充電を行うことができるので、回生充電時の充電効率を向上させることができる。
【0028】
本発明は上述した実施の形態に限定されることはない。例えば、図2に示すフローチャートのステップS70〜ステップS90では、検出したセル電圧に基づいて算出した組電池10の総電圧に基づいて組電池10のSOCを算出し、算出した組電池10のSOCと予め用意したテーブルとに基づいて、セル10a〜10nの中から短絡させるセルを選択している。しかし、検出した各セル10a〜10nの電圧に基づいて各セル10a〜10nのSOCを算出し、算出した各セルのSOCと、予め用意した各セル10a〜10nのSOCと短絡させるセル数との関係を定めたテーブルとに基づいて、短絡させるセル数を算出してもよい。この場合、各セル10a〜10nのSOCが異なることに起因して、算出されるセル数もセル10a〜10nごとに異なる。従って、各セル10a〜10nごとに算出された複数のセル数のうち、最も値の大きいものを短絡させるセル数とする。
【0029】
また、充電を行わないセル数を組電池(セル)のSOCに基づいて決定したが、DOD(放電深度)等の組電池10の充電状態を表す要素に基づいて決定することができる。さらに、ステップS140では、全てのセル10a〜10nの電圧を検出したが、充電が行われているセル10k〜10nの電圧だけを検出し、ステップS150において、検出されたセル10k〜10nの電圧が過電圧となっているか否かを判定しても良い。
【0030】
本発明による組電池の容量調整装置は、電気自動車以外にもハイブリッド車にも適用することができる。さらに、組電池を搭載するものであれば、車両以外のものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による組電池の容量調整装置を電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図
【図2】組電池の容量調整方法を示す一実施の形態のフローチャート
【図3】図2のフローチャートによる処理の続きを示すフローチャート
【図4】組電池の総電圧とSOCとの関係を示す図
【図5】組電池のSOCと組電池を構成するセル数との関係を示す図
【符号の説明】
10…組電池、10a〜10n…セル、20a〜20n…スイッチ、21a〜21n,22a〜22n,23a〜23n…端子、30a〜30n…電圧センサ、40a〜40n…スイッチ駆動回路、50…コントロール・ユニット、51…CPU、52…ROM、53…RAM、54…タイマ、60…電流センサ、70…インバータ、80…三相同期モータ、90…減速機、100a,100b…車輪、110…イグニッションスイッチ
Claims (6)
- 複数のセルを直列に接続して構成され、車両の減速時に発生する回生電力を充電(以下、回生充電と呼ぶ)することができる組電池と、
前記組電池の充電状態および各セルの充電状態のいずれか一方に基づいて、前記回生充電を行わないセル数を算出するセル数算出装置と、
前記各セルごとの電圧を検出する電圧検出装置と、
前記電圧検出装置により検出された前記セルの電圧の高い順に、前記セル数算出装置により算出された数のセルに対しては前記回生充電を行わない制御装置とを備え、
前記セル数算出装置は、前記組電池の充電状態に基づいて前記セル数を算出するときは、前記組電池の充電状態が高いほど前記回生充電を行わないセル数を少なくするとともに、前記各セルの充電状態に基づいて前記セル数を算出するときは、前記各セルの充電状態が高いほど前記回生充電を行わないセル数を少なくすることを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項1に記載の組電池の容量調整装置において、
前記回生充電を行うセルの充電を開始してから経過した時間を計測するタイマをさらに備え、
前記制御装置は、前記タイマにより計測した時間が所定の時間に達すると、前記セル数算出装置に前記所定の時間経過後の前記組電池の充電状態および前記各セルの充電状態のいずれか一方に基づいて、再度前記回生充電を行わないセル数を算出させ、前記電圧検出装置に前記各セルごとの電圧を再度検出させ、前記電圧検出装置により再度検出されたセルの電圧の高い順に、前記セル数算出装置により再度算出された数のセルに対しては前記回生充電を行わないことを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項1または2に記載の組電池の容量調整装置において、
前記充電状態は、SOC(充電率)であることを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項3に記載の組電池の容量調整装置において、
前記セル数算出装置は、前記組電池のSOCに基づいて前記セル数を算出するときは、前記組電池のSOCが低いほど前記回生充電を行わないセル数を多くすることを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項3に記載の組電池の容量調整装置において、
前記セル数算出装置は、前記各セルのSOCに基づいて前記セル数を算出するときは、前記各セルのSOCが低いほど前記回生充電を行わないセル数を多くすることを特徴とする組電池の容量調整装置。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の組電池の容量調整装置において、
前記複数のセルごとに設けられ、前記セルを短絡させることにより前記短絡させたセルを前記組電池から切り離す短絡回路をさらに備え、
前記制御装置は、前記短絡回路を用いて前記回生充電を行わないセルを前記組電池から切り離すことにより、前記回生充電を行わないことを特徴とする組電池の容量調整装置。
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