JP4871180B2 - 蓄電デバイスの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに接続された複数の蓄電要素を備える蓄電デバイスの制御装置に関する。

電気自動車や発電装置等には、蓄電デバイスとして二次電池やキャパシタが組み付けられている。これらの蓄電デバイスの構造としては、複数の蓄電セル(蓄電要素)を直列に接続して蓄電モジュールを複数形成し、所望の電源電圧が得られるまで蓄電モジュールを直列に接続することが一般的である。ところで、複数の蓄電セルを直列に接続するようにした蓄電デバイスにあっては、各蓄電セルの内部抵抗に若干のバラツキが生じているため、長期間の使用に伴って各蓄電セルのセル電圧にバラツキが生じるおそれがある。このようなセル電圧のバラツキを放置したまま蓄電デバイスを使用すると、蓄電デバイスが所定の上限電圧に達する前に一部の蓄電セルの過充電状態を招くおそれがあり、蓄電デバイスが所定の下限電圧に達する前に一部の蓄電セルの過放電状態を招くおそれがある。そこで、各蓄電セルに対して電圧平衡化回路(イコライザ回路)を組み付けることにより、セル電圧のバラツキを解消するようにした蓄電デバイスが提案されている(例えば、特許文献１および２参照)。
特開２００５−１０１４３４号公報 特開２０００−４０５３０号公報

しかしながら、各蓄電セルに対してイコライザ回路を組み付けることは、部品点数を増大させるとともに組立工程の複雑化を招くことになるため、蓄電デバイスの高コスト化を招く要因となっていた。

本発明の目的は、コストを抑制しながら蓄電要素間の電圧差を縮小することにある。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、互いに接続された複数の蓄電要素を備える蓄電デバイスの制御装置であって、通常制御範囲から外れて設定される処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御する電圧制御手段を有し、前記処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御し、前記蓄電要素間の電圧平衡化速度差を拡大させた後に放置時間を設けることにより、前記蓄電要素間の電圧差を縮小させることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記電圧制御手段は、前記通常制御範囲よりも高電圧側の処理電圧範囲に電圧が達するまで前記蓄電要素を充電する充電制御手段であり、前記蓄電要素間の自己放電速度差を拡大させた後に放置時間を設けることにより、前記蓄電要素間の電圧差を縮小させることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記電圧制御手段は、前記通常制御範囲よりも低電圧側の処理電圧範囲に電圧が達するまで前記蓄電要素を放電させる放電制御手段であり、前記蓄電要素間の自己充電速度差を拡大させた後に放置時間を設けることにより、前記蓄電要素間の電圧差を縮小させることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記蓄電要素の電圧を前記通常制御範囲に制御する通常制御モードと、状況に応じて前記蓄電要素の電圧を前記処理電圧範囲に制御する平衡化処理モードとに、前記電圧制御手段の制御モードを切り換えるモード切換手段を有し、前記モード切換手段は、前記蓄電要素間の電圧差が所定値を上回るときに、前記電圧制御手段を前記通常制御モードから前記平衡化処理モードに切り換えることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記平衡化処理モードに切り換えられた前記電圧制御手段は、前記蓄電要素の温度が所定温度を上回った状態のもとで、前記処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記モード切換手段は、前記蓄電要素間の電圧差が所定値を下回るときに、前記電圧制御手段を前記平衡化処理モードから前記通常制御モードに切り換えることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記モード切換手段は、前記処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御する平衡化処理の実行回数が所定回数に達したときに、前記電圧制御手段を前記平衡化処理モードから前記通常制御モードに切り換えることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記モード切換手段は、前記平衡化処理モードの不実施期間が所定期間を経過するまで、前記通常制御モードから前記平衡化処理モードへの切り換えを禁止することを特徴とする。また、本発明の蓄電デバイスの制御装置は、前記蓄電デバイスはキャパシタであることを特徴とする。

本発明によれば、通常制御範囲から外れて設定される処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御する電圧制御手段を有し、処理電圧範囲に蓄電要素の電圧を制御して蓄電要素間の電圧平衡化速度差を拡大させるようにしたので、コストを増大させることなく蓄電要素間の電圧差を縮小することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はハイブリッド車両の制御系統を示すブロック図であり、このハイブリッド車両には本発明の一実施の形態である蓄電デバイスの制御装置が搭載されている。図１に示すように、ハイブリッド車両に搭載されるパワーユニット１０には、エンジン１１およびモータジェネレータ１２が設けられており、エンジン１１およびモータジェネレータ１２から出力される動力は、トルクコンバータ１３や図示しない変速機構を介して各駆動輪に伝達される。また、モータジェネレータ１２に対して電力を供給するとともに、モータジェネレータ１２によって発電された電力を蓄えるため、ハイブリッド車両には蓄電デバイスとしてのキャパシタユニット１４が搭載されている。このキャパシタユニット１４は複数のキャパシタモジュール１５が直列に接続されて構成されており、キャパシタモジュール１５は複数のキャパシタセル(蓄電要素)１６が直列に接続されて構成されている。なお、図示するパワーユニット１０はパラレル方式のパワーユニットであり、走行用の主要な駆動源としてエンジン１１が駆動される一方、発進時や加速時には補助的な駆動源としてモータジェネレータ１２が駆動される。また、減速時や定常走行時にはモータジェネレータ１２が発電駆動されることになる。

モータジェネレータ１２は、図示しないハウジングに固定されるステータ１２ａと、エンジン１１のクランク軸１１ａに連結されるロータ１２ｂとを備えており、三相交流によって駆動制御される永久磁石型同期モータとなっている。また、モータジェネレータ１２とキャパシタユニット１４との間にはインバータ１７が設けられており、このインバータ１７を介してキャパシタユニット１４からの直流電流が交流電流に変換されるとともに、インバータ１７を介して交流電流の電流値や周波数が制御されている。このように、モータジェネレータ１２に通電する交流電流の電流値や周波数を制御することにより、モータジェネレータ１２のトルクや回転数を制御することが可能となっている。また、キャパシタユニット１４には、高電圧電流から低電圧電流を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ１８(以下、コンバータという)を介して低電圧バッテリ１９(例えば１２Ｖの鉛蓄電池)が接続されている。なお、低電圧バッテリ１９は、リヤデフォッガ等の電装系補機類２０や後述する送風ファン３４等の電源として機能するとともに、インバータ１７、コンバータ１８、後述する各制御ユニット２１〜２３等の電源としても機能している。

また、キャパシタユニット１４にはキャパシタ制御ユニット２１が組み込まれており、キャパシタ制御ユニット２１によってキャパシタユニット１４の充放電制御が実施されるとともに、電圧、電流、温度などに基づきキャパシタユニット１４の残存容量ＳＯＣが算出される。また、ハイブリッド車両には、エンジン１１の駆動状態を制御するエンジン制御ユニット２２が設けられており、このエンジン制御ユニット２２から、スロットルバルブ、インジェクタ、イグナイタ等に対して制御信号が出力されている。さらに、ハイブリッド車両には、ハイブリッド車両を統合制御するハイブリッド制御ユニット２３が設けられており、このハイブリッド制御ユニット２３から、インバータ１７やコンバータ１８等に対して制御信号が出力されている。これらの制御ユニット２１〜２３は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。なお、制御ユニット２１〜２３は通信ネットワークを介して相互に接続されており、制御ユニット２１〜２３間においては各種情報が共有されている。

さらに、ハイブリッド制御ユニット２３には、車両を運転状態と停止状態とに切り換えるイグニッションスイッチ２４、乗員に車両の故障状態を警告する警告灯２５、アクセルペダルの踏み込み状況を検出する図示しないアクセルペダルセンサ、ブレーキペダルの踏み込み状況を検出する図示しないブレーキペダルセンサ等が接続されている。そして、ハイブリッド制御ユニット２３は、各種制御ユニットやセンサ等から入力される各種情報に基づき車両状態を判定するとともに、インバータ１７、キャパシタ制御ユニット２１、エンジン制御ユニット２２等に対して制御信号を出力し、エンジン１１、モータジェネレータ１２、キャパシタユニット１４等を互いに協調させながら制御している。

続いて、キャパシタユニット１４の内部構造について説明する。図２はキャパシタユニット１４の内部構造を示す説明図である。図２に示すように、キャパシタユニット１４には、キャパシタセル１６間の電圧差を検出する電圧差検出部３０、セル温度を検出する温度センサ３１、電流を検出する電流センサ３２、電圧を検出する電圧センサ３３が設けられており、これらの検出部３０やセンサ３１〜３３からキャパシタ制御ユニット２１に対して各種検出信号が入力されている。また、キャパシタユニット１４には送風ファン３４が設けられており、この送風ファン３４を駆動することによってキャパシタユニット１４を所定の温度範囲に制御することが可能となっている。さらに、キャパシタユニット１４には、所定状況において電流を遮断するリレースイッチ３５が組み込まれている。

続いて、キャパシタセル１６の充放電特性について説明する。ここで、図３はキャパシタセル１６の充放電特性を示す特性線図である。キャパシタセル１６を構成する正極には活性炭が使用されており、この正極に対向する負極にはポリアセン系有機半導体(ＰＡＳ)等の炭素系材料が使用されている。また、各キャパシタセル１６内にはリチウム塩を含む非プロトン性有機溶媒からなる電解液が封入されている。さらに、負極には予めリチウムイオンがドーピングされており、正極電位に比べて大幅に負極電位を低下させるとともに、正極容量に比べて負極容量を増大させることが可能となっている。このため、図３に示すように、キャパシタセル１６におけるセル電圧の変動については、その大部分が正極電位の変動に支配されるようになっている。

また、負極に対して予めリチウムイオンをドーピングしていることから、アニオンが正極から脱離する正極レスト電位を境に蓄電構造が変化するようになっている。正極電位が正極レスト電位を上回る領域では、正極に対するアニオンの吸着・脱離によって正極電位が変化する一方、正極電位が正極レスト電位を下回る領域では、正極に対するカチオン(リチウムイオン)の吸着・脱離によって正極電位が変化するようになっている。このように、正極レスト電位を上回る状態のもとでは、正極に対するアニオンの吸着によって正極電位を上昇させることから、この充電状態でキャパシタセル１６を放置したときには、アニオンの脱離に伴って正極電位が低下する自己放電現象が生じることになる。また、正極レスト電位を下回る状態のもとでは、正極に対するカチオンの吸着によって正極電位を低下させることから、この放電状態でキャパシタセル１６を放置したときには、カチオンの脱離に伴って正極電位が上昇する自己充電現象が生じることになる。

続いて、キャパシタセル１６の自己放電現象について検討する。キャパシタセル１６の自己放電現象は、反応律速自己放電および物質拡散自己放電によって発生すると仮定することが可能である。反応律速自己放電とは、時間の対数に依存する式［電圧降下：ΔＶ＝ａ×ｌｏｇ(ｔ)］で表現可能な放電現象であり、主に正極表面の化学反応が自己放電速度を決める要因となっている。また、物質拡散自己放電とは、時間の平方根に依存する式［電圧降下：ΔＶ＝ｂ×ｔ^１／２］で表現可能な放電現象であり、主に正極表面の反応種の物質拡散が自己放電速度を決める要因となっている。なお、時間の一次遅れに依存する式で表現可能なオーミック自己放電現象を検討することも考えられるが、このオーミック自己放電現象はセパレータを介した放電現象つまりショート現象であるため、正常なキャパシタセル１６においては無視することが可能である。また、キャパシタセル１６の自己放電現象について説明したが、キャパシタセル１６の自己充電現象についても同様に、時間の対数に依存する式［電圧上昇：ΔＶ＝ａ×ｌｏｇ(ｔ)］で表現される反応律速自己充電と、時間の平方根に依存する式［電圧上昇：ΔＶ＝ｂ×ｔ^１／２］で表現される物質拡散自己充電とによって発生すると仮定することが可能である。

次いで、図４(Ａ)は前述した反応律速自己放電(反応律速自己充電)を表現する式中の係数ａを示す線図であり、図４(Ｂ)は前述した物質拡散自己放電(物質拡散自己充電)を表現する式中の係数ｂを示す線図である。図４(Ａ)および(Ｂ)に示すように、正極電位が正極レスト電位を上回って高くなるほど係数ａ，ｂは正側に大きくなり、正極電位が正極レスト電位を下回って低くなるほど係数ａ，ｂは負側に大きくなり、正極電位が正極レスト電位に近くなるほど係数ａ，ｂが０に近づくようになっている。つまり、セル電圧が高くなるほど自己放電速度は速くなる傾向にあり、セル電圧が低くなるほど自己充電速度は速くなる傾向にある。また、図４(Ａ)および(Ｂ)に示すように、同じセル電圧であってもセル温度に応じて係数ａ，ｂが変化するようになっており、セル温度が高くなるほど係数ａ，ｂは大きくなり、セル温度が低くなるほど係数ａ，ｂは小さくなっている。つまり、セル温度が高くなるほど自己放電速度および自己充電速度は速くなる傾向にあり、セル温度が低くなるほど自己放電速度および自己充電速度は遅くなる傾向にある。

次いで、キャパシタユニット１４の自己放電特性を利用した電圧平衡化制御について説明する。まず、個々のキャパシタセル１６の内部抵抗には若干のバラツキが生じているため、長期間の使用に伴ってキャパシタセル１６のセル電圧にバラツキが生じるおそれがある。キャパシタユニット１４の電圧を制御する際には、所定の上限電圧と下限電圧との間で電圧制御を行うことが一般的であるが、各セル電圧に大きなバラツキが生じていた場合には、キャパシタユニット１４が所定の上限電圧に達する前に一部のキャパシタセル１６の過充電状態を招くおそれがあり、キャパシタユニット１４が所定の下限電圧に達する前に一部のキャパシタセル１６の過放電状態を招くおそれがある。そこで、電圧制御手段(充電制御手段)として機能するキャパシタ制御ユニット２１は、前述した自己放電特性を利用してセル電圧のバラツキを解消する電圧平衡化制御を実行するようにしている。

ここで、図５はキャパシタセル１６の自己放電特性および自己充電特性を示す特性線図であり、図６は図５の一部を拡大して示す特性線図である。図５に示すように、キャパシタセル１６のセル電圧は、通常上限電圧ＶＨ１と通常下限電圧ＶＬ１との間に設定される通常電圧範囲(通常制御範囲)と、通常上限電圧ＶＨ１よりも高電圧側に設定される過充電電圧範囲(処理電圧範囲)と、通常下限電圧ＶＬ１よりも低電圧側に設定される過放電電圧範囲(処理電圧範囲)とに区画されている。イグニッションスイッチ２４がオン側に操作される車両運転時には、通常電圧範囲内にセル電圧が収まるようにキャパシタユニット１４の充放電制御が実行されており、キャパシタセル１６の過充電状態や過放電状態を回避するようにしている。また、キャパシタ制御ユニット２１によってセル電圧にバラツキが生じていると判定された場合には、キャパシタ制御ユニット２１の制御モードが通常制御モードから平衡化処理モードに切り換えられ、状況に応じてセル電圧のバラツキを解消する電圧平衡化制御が実行されることになる。そして、制御モードが平衡化処理モードに設定された状態のもとで、イグニッションスイッチ２４がオフ側に操作されたときには、セル電圧のバラツキを解消するため、リレースイッチ３６を接続するとともにコンバータ１８を作動させ、低電圧バッテリ１９からキャパシタユニット１４に対して充電処理を施すことにより、最大セル電圧を所定の処理上限電圧ＶＨ２まで引き上げるようにしている。このように、車両を停止させる際にセル電圧を過充電電圧範囲まで引き上げて放置することにより、キャパシタセル１６間の自己放電速度差を利用して各セル電圧のバラツキを解消することが可能となっている。

図６に示すように、セル電圧がＶ１，Ｖ２となる２つのキャパシタセルＣ１，Ｃ２について考えると、最大セル電圧Ｖ１が過充電電圧範囲の処理上限電圧ＶＨ２に達するまでキャパシタユニット１４に充電処理を施すことにより、キャパシタセルＣ１，Ｃ２のセル電圧がＶ１’，Ｖ２’まで引き上げられる。このように、充電処理を施すことにより、キャパシタセルＣ１の自己放電速度(グラフの傾き)を大きく引き上げることができ、キャパシタセルＣ１，Ｃ２間の自己放電速度差(電圧平衡化速度差)を拡大させることができるため、自己放電に伴ってキャパシタセルＣ１，Ｃ２間の電圧差を縮小させることが可能となる。すなわち、充電処理を施さずにキャパシタユニット１４を放置した場合には、キャパシタセル１６間の電圧差がΔＶａからΔＶｂまでしか変化しないのに対し、充電処理を施してからキャパシタユニット１４を放置した場合には、キャパシタセルＣ１，Ｃ２間の電圧差をΔＶａからΔＶｃ(ΔＶｃ＜ΔＶｂ)まで大幅に縮小させることが可能となる。このような電圧平衡化制御を実行することにより、自己放電特性を利用してセル電圧のバラツキを解消することができるため、過充電状態や過放電状態を招くことなくキャパシタユニット１４の使用電圧範囲を広げることが可能となる。

また、前述した説明にあっては、キャパシタユニット１４に対して充電処理を施すことにより、セル電圧のバラツキを解消するようにしているが、これに限られることはなく、キャパシタユニット１４に対して放電処理を施すことにより、セル電圧のバラツキを解消するようにしても良い。つまり、キャパシタ制御ユニット２１を放電制御手段として機能させることにより、キャパシタユニット１４からの電力を用いてリヤデフォッガ等の電装系補機類２０を駆動したり、キャパシタユニット１４からの電力を用いて送風ファン３４を駆動したりして、最低セル電圧が過放電電圧範囲の処理下限電圧ＶＬ２に達するまでキャパシタユニット１４を放電させるようにしても良い。

図６に示すように、最低セル電圧Ｖ２が過放電電圧範囲の処理下限電圧ＶＬ２に達するまでキャパシタユニット１４の放電処理を実行した場合には、キャパシタセルＣ１，Ｃ２のセル電圧がＶ１’ ’，Ｖ２’ ’まで引き下げられる。このように、放電処理を施すことにより、キャパシタセルＣ２の自己充電速度(グラフの傾き)を大きく引き上げることができ、キャパシタセルＣ１，Ｃ２間の自己充電速度差(電圧平衡化速度差)を拡大させることができるため、自己充電に伴ってキャパシタセルＣ１，Ｃ２間の電圧差を縮小させることが可能となる。すなわち、放電処理を施してからキャパシタユニット１４を放置することにより、キャパシタセルＣ１，Ｃ２間の電圧差をΔＶａからΔＶｄ(ΔＶｄ＜ΔＶｂ)まで大幅に縮小させることが可能となる。

ここで、図７(Ａ)は自己放電に伴って縮小するキャパシタセル１６間の電圧差を示す線図であり、図７(Ｂ)は自己充電に伴って縮小するキャパシタセル１６間の電圧差を示す線図である。図７(Ａ)に示すように、充電処理を施して自己放電特性を利用する場合には、セル電圧が高いほど(充電処理を施すほど)自己放電の進行に伴って電圧差が縮小する傾向にある。また、図７(Ｂ)に示すように、放電処理を施して自己充電特性を利用する場合には、セル電圧が低いほど(放電処理を施すほど)自己充電の進行に伴って電圧差が縮小する傾向にある。このため、セル電圧のバラツキを解消する観点からは、充電処理や放電処理を十分に施すことが好ましいが、過度な充電処理や放電処理はキャパシタセル１６の耐久性を低下させる要因となるため、キャパシタセル１６に与える影響を加味して充電処理や放電処理の目標電圧を適宜設定することが望ましい。

続いて、前述した電圧平衡化制御をフローチャートに沿って詳細に説明する。ここで、図８〜図１０は電圧平衡化制御の実行手順を示すフローチャートである。まず、セル電圧のバラツキを解消する電圧平衡化制御は、図８のフローチャートに示されるモード切換制御、図９のフローチャートに示される充電処理制御、そして図１０のフローチャートに示される電圧判定制御の３つの制御ブロックによって構成されている。

以下、モード切換制御から順に説明する。キャパシタ制御ユニット(モード切換手段)２１によって実行されるモード切換制御とは、セル電圧を通常電圧範囲内に制御し続ける通常制御モードと、状況に応じてセル電圧を過充電電圧範囲に引き上げる平衡化処理モードとのいずれかを設定するための制御である。図８に示すように、ステップＳ１では、既に平衡化処理モードが設定されているか否かが判定される。ステップＳ１において、平衡化処理モードが設定されていると判定された場合には、平衡化処理モードの設定を維持したままルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１において、平衡化処理モードが設定されていないと判定された場合には、ステップＳ２に進み、平衡化処理モードの不実施期間が所定期間(例えば６ヶ月)を超えているか否かが判定される。ステップＳ２において、不実施期間が所定期間を経過していないと判定された場合には、通常制御モードから平衡化処理モードに切り換えることなくルーチンを抜ける一方、ステップＳ２において、不実施期間が所定期間を経過していると判定された場合には、ステップＳ３に進み、キャパシタセル１６間の電圧差が所定上限値(所定値)を上回るか否かが判定される。前述したように、平衡化処理モードでは過充電電圧範囲や過放電電圧範囲にセル電圧を制御するため、キャパシタセル１６を保護する観点から頻繁な平衡化処理モードの実施を回避するようにしている。

ステップＳ３において、キャパシタセル１６間の電圧差が所定上限値を上回ると判定された場合には、セル電圧にバラツキが生じている状態であるため、ステップＳ４に進み、通常制御モードから平衡化処理モードに切り換えられる。一方、ステップＳ３において、キャパシタセル１６間の電圧差が所定上限値を下回ると判定された場合には、ステップＳ５に進み、キャパシタユニット１４の使用年月が所定期間を上回るか否かが判定される。そして、ステップＳ５において、キャパシタユニット１４の使用年月が所定期間を上回っていると判定された場合には、経年変化によってセル電圧にバラツキが生じ易い状態であるため、ステップＳ４に進み、通常制御モードから平衡化処理モードに切り換えられる。

このように、平衡化処理モードの不実施期間が所定期間を上回っている状態のもとで、キャパシタセル１６間の電圧差が所定上限値を上回る場合や、キャパシタユニット１４の使用年月が所定期間を上回っている場合には、セル電圧のバラツキを解消するため、キャパシタ制御ユニット２１の制御モードが通常制御モードから平衡化処理モードに切り換えられるようになっている。なお、ステップＳ４においては、キャパシタ制御ユニット２１内の不揮発メモリ(例えばＥＰＲＯＭ)に、電圧平衡化処理前におけるキャパシタセル１６間の電圧差が記録されるようになっている。

続いて、平衡化処理モードが設定された状態のもとで、イグニッションスイッチ２４がオフ側に操作されたときに、キャパシタユニット１４に対して充電処理を施す充電処理制御について説明する。図９に示すように、ステップＳ１１では、イグニッションスイッチ２４がオフ側に操作されたか否かが判定される。ステップＳ１１において、イグニッションスイッチ２４がオフ側に操作されたと判定された場合には、ステップＳ１２に進み、平衡化処理モードに設定されているか否かが判定される。ステップＳ１２において、平衡化処理モードが設定されていないと判定された場合には、充電処理(平衡化処理)を実行することなくルーチンを抜ける一方、ステップＳ１２において、平衡化処理モードが設定されていると判定された場合には、ステップＳ１３に進み、セル温度が所定温度(例えば３０℃)を上回っているか否かが判定される。そして、ステップＳ１３において、セル温度が所定温度を下回っていると判定された場合には、セル電圧を過充電電圧範囲に制御したとしても自己放電速度を高くすることが困難であるため、充電処理を実行することなくルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１３において、セル温度が所定温度を上回っていると判定された場合には、ステップＳ１４に進み、セル電圧が過充電電圧範囲に達するまでキャパシタユニット１４に対する充電処理が実行される。

続いて、ステップＳ１５では、平衡化処理モードにおける充電処理の実行回数が所定回数を上回ったか否かが判定される。ステップＳ１５において、充電処理回数が所定回数に達している場合には、ステップＳ１６に進み、制御モードを平衡化処理モードから通常制御モードに切り換えてルーチンを抜けることになる。なお、ステップＳ１６においては、キャパシタ制御ユニット２１内の不揮発メモリに平衡化処理モードの終了日時が記録され、平衡化処理モードの不実施期間を算出する際の基準となる。

次いで、充電処理によってセル電圧のバラツキが解消したか否かを判定する電圧判定制御について説明する。図１０に示すように、ステップＳ２１では、イグニッションスイッチ２４がオン側に操作されたか否かが判定される。ステップＳ２１において、イグニッションスイッチ２４がオン側に操作されたと判定された場合には、ステップＳ２２に進み、平衡化処理モードが設定されているか否かが判定される。ステップＳ２２において、平衡化処理モードが設定されていると判定された場合には、ステップＳ２３に進み、処理前電圧差から処理後電圧差を減算して電圧差変化量が算出される。続いて、ステップＳ２４に進み、電圧差変化量が所定の上限値を上回るか否かが判定される。ステップＳ２４において、電圧差変化量が所定の上限値を上回る場合には、いずれかのキャパシタセル１６にショートが発生しているおそれがあるため、ステップＳ２５に進み、乗員にキャパシタ異常を警告する警告灯２５が点灯される。つまり、ショートによっていずれかのセル電圧が著しく低下した場合には、電圧差変化量が大幅に増加することになるため、この大幅に増加した電圧差変化量を検出することにより、キャパシタセル１６のショート状態を判定するようにしている。

一方、ステップＳ２４において、電圧差変化量が所定の上限値を下回る場合には、ステップＳ２６に進み、キャパシタセル１６間の電圧差が所定下限値(所定値)を下回るか否かが判定される。ステップＳ２６において、電圧差が所定下限値を下回ると判定された場合には、セル電圧のバラツキが解消された状態であるため、続くステップＳ２７に進み、制御モードを平衡化処理モードから通常制御モードに切り換えてルーチンを抜けることになる。なお、ステップＳ２７においては、ステップＳ１６と同様に、キャパシタ制御ユニット２１内の不揮発メモリに平衡化処理モードの終了日時が記録され、平衡化処理モードの不実施期間を算出する際の基準となる。また、ステップＳ２６において、電圧差が所定下限値を上回ると判定された場合には、セル電圧のバラツキが解消されていない状態であるため、平衡化処理モードを継続したままルーチンを抜けることになる。

これまで説明したように、セル電圧にバラツキが生じている場合には、キャパシタユニット１４が放置される車両停止時に、セル電圧を過充電電圧範囲に引き上げるようにしたので、キャパシタセル１６間の自己放電速度差を拡大させることができ、自己放電の進行に伴ってセル電圧のバラツキを解消することが可能となる。このように、電圧制御に伴う自己放電速度差を利用することにより、コストをかけることなくセル電圧のバラツキを解消することが可能となる。しかも、セル温度が所定温度を上回った状態のもとで、キャパシタセル１６に対する充電処理を実行するようにしたので、キャパシタセル１６間の自己放電速度差を大幅に拡大させることができ、セル電圧のバラツキを効果的に解消することが可能となる。また、セル電圧のバラツキが十分に解消していない場合であっても、充電処理の実行回数が所定回数に達した場合には、平衡化処理モードから通常制御モードに切り換えるようにしたので、キャパシタユニット１４の劣化を未然に防止することが可能となる。さらに、平衡化処理モードの不実施期間が所定期間を経過するまでは、通常制御モードから平衡化処理モードへの切り換えを禁止するようにしたので、キャパシタユニット１４の劣化を未然に防止することが可能となる。

なお、前述の説明では、キャパシタユニット１４に対する充電処理を施す際に、コンバータ１８を介して低電圧バッテリ１９からキャパシタユニット１４に対して直接的に電力を供給しているが、この充電方法に限られることはなく、他の方法によってキャパシタユニット１４に充電処理を施すようにしても良い。ここで、図１１(Ａ)および(Ｂ)は本発明の他の実施の形態である制御装置の構成を示す概略図である。また、図１１(Ａ)および(Ｂ)において、図１および図２に示す部品と同一の部品については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１１(Ａ)に示すように、キャパシタユニット１４に対して蓄電体４０を並列に接続した上で、キャパシタユニット１４と蓄電体４０とを切り換えて外部回路４１に接続するリレースイッチ４２を配置するとともに、キャパシタユニット１４と蓄電体４０との接続状態を切り換えるリレースイッチ４３を配置するように制御装置を構成しても良い。本構成の場合、蓄電体４０はキャパシタユニット１４の容量を補うことを目的として設置されている。具体的には、車両放置時に暗電流(数ｍＡ)によって電圧が低下しまうため、蓄電体４０を設けて電圧低下を防止することにより、次回のイグニッションオン時に備えて電圧を十分に保持するようにしている。蓄電体４０の種類としては、内部抵抗が高く容量が大きいキャパシタやリチウムイオン二次電池であっても良い。

平衡化処理モードが設定された場合には、走行中にリレースイッチ４２の切換制御を行うことにより、外部回路(たとえばインバータ)４１の接続先がキャパシタユニット１４から蓄電体４０に切り換えられ、蓄電体４０が所定電圧に達するまで充電される。そして、蓄電体４０が所定電圧まで充電されると、再びリレースイッチ４２が切り換えられ、外部回路４１に対してキャパシタユニット１４が接続される。次いで、イグニッションオフ時に平衡化処理モードが設定されていると判断された場合には、セル温度が所定温度(例えば３０℃)を上回っているか否かが判定される。そして、セル温度が所定温度を上回っていると判断された場合には、リレースイッチ４３が接続状態に切り換えられ、蓄電体４０からキャパシタユニット１４に対して充電処理が施される。以降の処理手順にあっては、図９に示すステップＳ１５以降と同じステップが実行される。以上の操作で、セル電圧を引き上げることができるため、自己放電によるキャパシタセル間電圧偏差縮小効果の高い状態を保持することができ、キャパシタユニット１４の電圧平衡化を促すことが可能となる。

また、図１１(Ｂ)に示すように、キャパシタユニット１４に対して昇圧用コンデンサ４４を並列に接続するとともに、この昇圧用コンデンサ４４に対して昇圧手段(たとえばＤＣ−ＤＣコンバータ)４５を並列に接続するようにしても良い。この場合も図１１(Ａ)と同様、平衡化処理モードが設定されている場合には、走行中にリレースイッチ４２を昇圧用コンデンサ４４側に切り換えるとともに、昇圧手段４５を作動させて昇圧用コンデンサ４４を所定電圧まで充電する。その後、昇圧手段４５がオフに切り換えられ、リレースイッチ４２がキャパシタユニット１４側に切り換えられて外部回路４１にキャパシタユニット１４が接続される。次いで、イグニッションオフ時に平衡化処理モードが設定されていると判断された場合には、セル温度が所定温度(例えば３０℃)を上回っているか否かが判定される。そして、セル温度が所定温度を上回っていると判断された場合には、リレースイッチ４３が接続状態に切り換えられ、昇圧用コンデンサ４４からキャパシタユニット１４に対して充電処理が施される。以降の処理手順にあっては、図９に示すステップＳ１５以降と同じステップが実行される。以上の操作で、セル電圧を引き上げることができるため、自己放電によるキャパシタセル間電圧偏差縮小効果の高い状態を保持することができ、キャパシタユニット１４の電圧平衡化を促すことが可能となる。

次いで、本発明の更に他の実施の形態である制御装置の構成について説明する。ここで、図１２は本発明の他の実施の形態である制御装置の構成を示す概略図である。なお、図１および図２に示す部品と同一の部品については、同一の符号を付してその説明を省略する。まず、図６を用いて説明したように、キャパシタユニット１４に対して充電処理を施すだけでなく放電処理を施すことにより、セル電圧のバラツキを解消することも可能である。このような放電処理を実行する場合には、前述した電装系補機類２０や送風ファン３４の駆動に限られることはなく、図１２に示すように、キャパシタユニット１４に対して抵抗器４６を並列に接続するとともに、キャパシタユニット１４と抵抗器４６との間にリレースイッチ４７を設けるように制御装置を構成しても良い。このように、放電処理用の抵抗器を組み込んだ場合には、制御装置の簡素化を図ることが可能になるため、制御装置の低コスト化を達成することが可能となる。

さらに、放電処理によってセル電圧のバラツキを解消する際には、図１に示すように、キャパシタユニット１４とインバータ１７との間に配置されるリレースイッチ４８の接続状態を維持することにより、インバータ１７に流れる暗電流を利用してキャパシタユニット１４を放電させるようにしても良い。また、電気エネルギーによってキャパシタユニット１４を保温する保温ヒータや、エンジン１１ルーム内の空気をキャパシタユニット１４に供給して保温する保温ファンを設置することにより、これらの保温ヒータや保温ファンを駆動してキャパシタユニット１４を放電させるようにしても良い。このように、保温ヒータや保温ファンを駆動した場合には、セル温度を上昇させることが可能となるため、自己充電速度差の拡大を図ることができ、セル電圧のバラツキを効果的に解消することが可能となる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、図示する場合には、ハイブリッド車両に搭載されるキャパシタユニット１４に本発明の制御装置を適用しているが、これに限られることはなく、電気自動車や発電装置等の他の装置に搭載されるキャパシタユニット１４に対して本発明の制御装置を適用することが可能である。さらに、蓄電デバイスとしては、予めリチウムイオンをドーピングするようにしたキャパシタユニット１４に限られることはなく、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、誘電体コンデンサ、ニッケル水素電池、鉛電池等の様々な形式のキャパシタや二次電池に対して本発明の制御装置を適用しても良いことは言うまでもない。

また、前述の説明では、キャパシタセル１６間の電圧差に基づいて平衡化処理モードへの切り換えを行うようにしているが、これに限られることはなく、キャパシタモジュール(蓄電要素)１５間の電圧差を検出することにより、モジュール間の電圧差に基づいて平衡化処理モードへの切り換えを行うようにしても良い。このように、制御装置を構成した場合には、電圧差検出部３０の簡素化を図ることができるため、制御装置の低コスト化を達成することが可能となる。

また、キャパシタユニット１４の使用年月に基づいて、制御モードを通常制御モードから平衡化処理モードに切り換える際の基準値や、制御モードを平衡化処理モードから通常制御モードに切り換える際の基準値を変化させるようにしても良い。さらに、前述の説明では、セル温度が所定温度を上回った状態のもとで、キャパシタユニット１４に対する充電処理や放電処理を行うようにしているが、充電処理や放電処理を行う際のセル温度に上限値(例えば６０℃)を設定するようにしても良い。

なお、平衡化処理モードにおける充電処理や放電処理の方法としては、前述した各種方法に限られることはなく、様々な方法を適用することが可能であることは言うまでもない。また、充電処理や放電処理を行うことにより、全キャパシタセル１６のセル電圧を過充電電圧範囲や過放電電圧範囲に制御する必要は無く、充電処理を行う場合には最高セル電圧を過充電電圧範囲に制御すれば良く、放電処理を行う場合には最低セル電圧を過放電電圧範囲に制御すれば良い。

ハイブリッド車両の制御系統を示すブロック図である。 キャパシタユニットの内部構造を示す説明図である。 キャパシタセルの充放電特性を示す特性線図である。 (Ａ)は前述した反応律速自己放電(反応律速自己充電)を表現する式中の係数ａを示す線図であり、(Ｂ)は前述した物質拡散自己放電(物質拡散自己充電)を表現する式中の係数ｂを示す線図である。 キャパシタセルの自己放電特性および自己充電特性を示す特性線図である。 図５の一部を拡大して示す特性線図である。 (Ａ)は自己放電に伴って縮小するキャパシタセル間の電圧差を示す線図であり、(Ｂ)は自己充電に伴って縮小するキャパシタセル間の電圧差を示す線図である。 電圧平衡化制御の実行手順を示すフローチャートである。 電圧平衡化制御の実行手順を示すフローチャートである。 電圧平衡化制御の実行手順を示すフローチャートである。 (Ａ)および(Ｂ)は本発明の他の実施の形態である制御装置の構成を示す概略図である。 本発明の他の実施の形態である制御装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１４ キャパシタユニット(蓄電デバイス)
１５ キャパシタモジュール(蓄電要素)
１６ キャパシタセル(蓄電要素)
２１ キャパシタ制御ユニット(電圧制御手段，充電制御手段，放電制御手段，モード切換手段)

Claims (9)

1. 互いに接続された複数の蓄電要素を備える蓄電デバイスの制御装置であって、
   通常制御範囲から外れて設定される処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御する電圧制御手段を有し、
   前記処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御し、前記蓄電要素間の電圧平衡化速度差を拡大させた後に放置時間を設けることにより、前記蓄電要素間の電圧差を縮小させることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
2. 請求項１記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記電圧制御手段は、前記通常制御範囲よりも高電圧側の処理電圧範囲に電圧が達するまで前記蓄電要素を充電する充電制御手段であり、
   前記蓄電要素間の自己放電速度差を拡大させた後に放置時間を設けることにより、前記蓄電要素間の電圧差を縮小させることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
3. 請求項１記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記電圧制御手段は、前記通常制御範囲よりも低電圧側の処理電圧範囲に電圧が達するまで前記蓄電要素を放電させる放電制御手段であり、
   前記蓄電要素間の自己充電速度差を拡大させた後に放置時間を設けることにより、前記蓄電要素間の電圧差を縮小させることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記蓄電要素の電圧を前記通常制御範囲に制御する通常制御モードと、状況に応じて前記蓄電要素の電圧を前記処理電圧範囲に制御する平衡化処理モードとに、前記電圧制御手段の制御モードを切り換えるモード切換手段を有し、
   前記モード切換手段は、前記蓄電要素間の電圧差が所定値を上回るときに、前記電圧制御手段を前記通常制御モードから前記平衡化処理モードに切り換えることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
5. 請求項４記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記平衡化処理モードに切り換えられた前記電圧制御手段は、前記蓄電要素の温度が所定温度を上回った状態のもとで、前記処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御することを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
6. 請求項４または５記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記モード切換手段は、前記蓄電要素間の電圧差が所定値を下回るときに、前記電圧制御手段を前記平衡化処理モードから前記通常制御モードに切り換えることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
7. 請求項４または５記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記モード切換手段は、前記処理電圧範囲に前記蓄電要素の電圧を制御する平衡化処理の実行回数が所定回数に達したときに、前記電圧制御手段を前記平衡化処理モードから前記通常制御モードに切り換えることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記モード切換手段は、前記平衡化処理モードの不実施期間が所定期間を経過するまで、前記通常制御モードから前記平衡化処理モードへの切り換えを禁止することを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの制御装置において、
   前記蓄電デバイスはキャパシタであることを特徴とする蓄電デバイスの制御装置。

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