JP7103809B2

JP7103809B2 - 電池制御装置

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Publication number: JP7103809B2
Application number: JP2018053899A
Authority: JP
Inventors: 亮平中尾; ファニーマテ; 圭一朗大川; 陽介和田
Original assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP2019169994A; WO2019181259A1

Description

本発明は、電池制御装置に関する。

電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車などに搭載される電池制御装置は、二次電池とモータ等の負荷との間に電気的に接続される。そして、電池制御装置は、二次電池の過度な使用を検知した場合は、二次電池の劣化による出力低下を抑制するために、二次電池からモータ等の負荷にかかる電力を制限する。

特許文献１には、規定時間内に実効電流値が許容値を超えた時間の割合が所定の閾値よりも高い場合に充放電制限を行う技術が記載されている。

国際公開ＷＯ２０１５/０１９８７５号

二次電池は、車両等の実際の使用状態によって劣化の進み度合いが様々に変化する。特許文献１に記載の技術と比較して、二次電池の使用状態をより適確に反映して制限すべき電力を決定することが要望されている。

本発明による電池制御装置は、二次電池と接続され、前記二次電池の充放電を制御する電池制御装置であって、前記二次電池の所定期間における充電および放電の頻度に基づいて、前記二次電池に掛かる負荷の負荷特徴量を求める充放電頻度演算部と、前記負荷特徴量に基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限値演算部とを備える。

本発明によれば、負荷特徴量に基づいて二次電池の入出力可能電力を制限するようにしたので、二次電池の使用状態をより適確に反映して制限すべき電力を決定することができる。

電池システムの構成図である。単電池制御部の回路構成を示す図である。電池制御部のブロック構成図である。（ａ）（ｂ）二次電池を流れる電流および通電時間回数テーブルを示す図である。電力制限率演算部のブロック構成図である。負荷判定指標(%)と電力制限率の関係を示すグラフである。（ａ）（ｂ）制限閾値マップの一例を示す図である。（ａ）（ｂ）連続通電時間の異なる電流波形を示すグラフである。（ａ）（ｂ）連続通電時間の異なる電流波形が入力されたときの劣化挙動を示すグラフである。電池制御部の動作を示すフローチャートである。（ａ）（ｂ）は、本実施形態を適用しない場合のバッテリ電力、SOHRをそれぞれ示すグラフである。（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施形態を適用した場合のバッテリ電力、負荷判定指標、SOHRをそれぞれ示すグラフである。（ａ）（ｂ）制限閾値マップの一例を示す図である。第２の実施形態における電力制限率演算部のブロック構成図である。第２の実施形態における制限開始終了閾値テーブルを示す図である。（ａ）（ｂ）第２の実施形態における負荷判定指標と電力制限率を対応付けた電力制限率マップである。第２の実施形態における電池制御部の動作を示すフローチャートである。（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第２の実施形態を適用した場合のバッテリ電力、負荷判定指標、SOHRをそれぞれ示すグラフである。第３の実施形態における二次電池を流れる電流とサンプリング点を示す図である。第３の実施形態におけるパワースペクトルと周波数の関係を示す図である。（ａ）（ｂ）は、第３の実施形態における制限閾値マップの一例を示す図である。第３の実施形態における電池制御部の動作を示すフローチャートである。

以下に説明する実施形態では、本発明による電池制御装置をプラグインハイブリッド自動車(ＰＨＥＶ)に適用した例で説明する。この他、本発明は、ハイブリッド自動車(ＨＥＶ)、電気自動車(ＥＶ)などの乗用車やハイブリッド鉄道車両といった産業用車両にも適用できる。また、以下に説明する実施形態の構成では、二次電池としてリチウムイオン電池を適用した場合を例に説明する。二次電池としては、他にもニッケル水素電池や鉛電池、電気二重層キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなどを用いてもよい。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１から図１３を参照して説明する。
図１は、ハイブリッド自動車の電池システム１００の構成図である。
電池システム１００は、複数の単電池１１１から構成される組電池１１０と、単電池１１１の状態を監視する単電池管理部１２０と、組電池１１０に流れる電流を検知する電流検知部１３０と、組電池１１０の総電圧を検知する電圧検知部１４０と、組電池１１０の制御を行う電池制御部１５０と、組電池１１０、単電池１１１、単電池群１１２の電池特性に関する情報を格納する記憶部１８０とで構成される。

電池制御部１５０には、単電池管理部１２０からフォトカプラのような絶縁素子１７０を介して送信される単電池１１１の電池電圧や温度、電流検知部１３０から送信される電池システム１００に流れる電流値、電圧検知部１４０から送信される組電池１１０の総電圧値が入力される。電池制御部１５０は、入力された情報をもとに組電池１１０の状態検知などを行い、電力制限値等の演算を行う。また、電池制御部１５０が行った演算結果は、単電池管理部１２０や車両制御部２００へ送信される。

組電池（二次電池）１１０は、電気エネルギーの蓄積及び放出（直流電力の充放電）が可能な複数の単電池１１１（リチウムイオン電池）を電気的に直列に接続して構成される。１つの単電池１１１は、出力電圧が３．０～４．２Ｖ（平均出力電圧：３．６Ｖ）であるとした場合を例に挙げて説明するが、これ以外の電圧仕様のものでも構わない。

組電池１１０を構成する単電池１１１は、電池状態の管理・制御を行う上で、所定の単位数にグループ分けが行われている。グループ分けされた単電池１１１は、電気的に直列に接続され、単電池群１１２ａ、１１２ｂを構成する。単電池群１１２ａ、１１２ｂのそれぞれの単電池１１１の個数は、例えば１個、４個、６個・・・というように、同数にグループ分けされる場合もあれば、４個と６個とを組み合わせる、異なる数にグループ分けされる場合もある。本実施形態では、説明を簡単にするために、組電池１１０は、４個の単電池１１１を電気的に直列に接続して、単電池群１１２ａ及び１１２ｂを構成し、さらに電気的に直列に接続し、合計８個の単電池１１１を備えるものとした。

組電池１１０を構成する単電池１１１の状態を監視する単電池管理部１２０は、複数の単電池制御部１２１ａ、１２１ｂから構成されており、グループ分けされた単電池群１１２ａに対して単電池制御部１２１ａが、単電池群１１２ｂに対して単電池制御部１２１ｂが割り当てられる。単電池制御部１２１ａ、１２１ｂは割り当てられた単電池群１１２ａ、１１２ｂからの電力を受けて動作し、単電池群１１２ａ、１１２ｂを構成する単電池１１１の状態を監視及び制御する。

図２は、単電池制御部１２１ａの回路構成を示す図である。単電池制御部１２１ｂも同様の回路構成であるのでその説明を省略する。
単電池制御部１２１ａは、電圧検出回路１２２、制御回路１２３、信号入出力回路１２４、温度検知部１２５を備える。電圧検出回路１２２は、各単電池１１１の端子間電圧を測定する。温度検知部１２５は、単電池群１１２ａの温度を測定する。制御回路１２３は、電圧検出回路１２２および温度検知部１２５からの測定結果を受け取り、信号入出力回路１２４を介して電池制御部１５０に送信する。なお、自己放電や消費電流ばらつき等に伴い発生する単電池１１１間の電圧ばらつきを均等化する回路は、単電池制御部１２１ａに実装されている一般的なものであるのでその記載を省略する。

図２における単電池制御部１２１ａが備える温度検知部１２５は、単電池群１１２ａの温度を測定する機能を有する。温度検知部１２５は、単電池群１１２ａ全体として１つの温度を測定し、単電池群１１２ａを構成する単電池１１１の温度代表値としてその温度を取り扱う。温度検知部１２５が測定した温度は、単電池１１１、単電池群１１２ａ、または組電池１１０の状態を検知するための各種演算に用いられる。なお、単電池１１１毎に温度検知部１２５を設けて単電池１１１毎に温度を測定し、単電池１１１毎の温度に基づいて各種演算を実行してもよい。この場合は温度検知部１２５の数が多くなる分、単電池制御部１２１の構成が複雑となる。

図２では、温度検知部１２５を簡易的に図示したが、より詳細には、温度測定対象に温度センサが設置され、設置した温度センサが温度情報を電圧として出力する。この出力された測定結果が制御回路１２３を介して信号入出力回路１２４に送信され、信号入出力回路１２４が単電池制御部１２１ａの外に測定結果を出力する。この一連の流れを実現する機能が単電池制御部１２１に温度検知部１２５として実装され、温度情報（電圧）の測定には電圧検出回路１２２を用いることもできる。

図１の説明に戻り、電池制御部１５０には、単電池管理部１２０から出力される単電池１１１の電池電圧や温度の計測値、電流検知部１３０からの電流値、電圧検知部１４０から出力される組電池１１０の総電圧値、記憶部１８０に格納された単電池１１１の電池特性情報が入力される。また、単電池管理部１２０は、単電池１１１が過充電もしくは過放電であるかの診断を行う機能や、単電池管理部１２０に通信エラーなどが発生した場合に異常信号を出力する機能を有しており、それらの診断結果や異常信号も電池制御部１５０に入力される。さらに、電池制御部１５０には、上位の制御装置である車両制御部２００からの信号も入力される。

電池制御部１５０は、入力された情報、および記憶部１８０に予め記憶されている電流制限値や単電池１１１の電池特性に基づいて、組電池１１０の充放電を適切に制御するための電力制限値の演算、単電池１１１の充電状態(SOC:State Of Charge)や劣化状態(SOHR：State Of Health based on Resistance)の演算などを実行する。電池制御部１５０は、これらの演算結果や、その演算結果に基づく指令を、単電池管理部１２０や車両制御部２００に出力する。

記憶部１８０は、電池システム１００の制限値や組電池１１０、単電池１１１、単電池群１１２ａ、１１２ｂの電池特性に関する情報を格納する。なお、本実施形態では、記憶部１８０は電池制御部１５０または単電池管理部１２０の外部に設置されている構成としたが、電池制御部１５０または単電池管理部１２０が記憶部を備える構成とし、この記憶部に上述の情報を格納してもよい。

電池制御部１５０と単電池管理部１２０は、フォトカプラのような絶縁素子１７０を介して、信号線１６０により信号の送受信を行う。絶縁素子１７０を設けるのは、電池制御部１５０と単電池管理部１２０とで、動作電源が異なるためである。すなわち、単電池管理部１２０は、組電池１１０から電力をうけて動作するのに対して、電池制御部１５０は、車載補機用のバッテリ（例えば１４Ｖ系バッテリ）を電源として用いている。絶縁素子１７０は、単電池管理部１２０を構成する回路基板に実装しても良いし、電池制御部１５０を構成する回路基板に実装しても良い。尚、システム構成によっては、絶縁素子１７０を省略することも可能である。

本実施形態における電池制御部１５０と、単電池制御部１２１ａ、１２１ｂとの通信について説明する。単電池制御部１２１ａ、１２１ｂは、それぞれが監視する単電池群１１２ａ、１１２ｂの電位の高い順に従って直列に接続されている。電池制御部１５０が送信した信号は、絶縁素子１７０を介して、信号線１６０により単電池制御部１２１ａに入力される。単電池制御部１２１ａの出力と単電池制御部１２１ｂの入力との間も同様に、信号線１６０により接続され、信号の伝送を行う。尚、本実施形態では、単電池制御部１２１ａと単電池制御部１２１ｂと間の接続には、絶縁素子１７０を介していないが、絶縁素子１７０を介していても良い。そして、単電池制御部１２１ｂの出力は、絶縁素子１７０、信号線１６０を介して、電池制御部１５０へ伝送される。このように、電池制御部１５０と、単電池制御部１２１ａ、１２１ｂは、信号線１６０により、ループ状に接続されている。このループ接続は、デイジーチェーン接続あるいは数珠繋ぎ接続もしくは芋づる式接続と呼ぶ場合もある。

車両制御部２００は、電池制御部１５０の情報をもとに、電池システム１００とリレー３００及び３１０を介して接続されるインバータ４００の制御を行う。電池システム１００はインバータ４００と接続され、組電池１１０が蓄えているエネルギーをもとに、モータジェネレータ４１０を駆動する。なお、車両制御部２００は、電池制御部１５０から電力制限値を示す情報を受信した場合は、この電力制限値を超えないように、インバータ４００の制御を行い、モータジェネレータ４１０を駆動する。電池制御部１５０が出力する電力制限値については後述する。

図３は、電池制御部１５０のブロック構成図である。
電池制御部１５０は、電池状態検知部１５１と、入出力可能電力演算部１５２と、充放電頻度演算部１５３と、電力制限率演算部１５４と、電力制限率反映部１５５とから構成される。

電池状態検知部１５１は、組電池１１０に流れる電流、組電池１１０の電圧、組電池１１０の温度の情報をもとに、組電池１１０のSOCやSOHRを演算して出力する。

入出力可能電力演算部１５２は、SOC、SOHR、組電池１１０の温度をもとに、入出力可能電力を演算して出力する。尚、SOC、SOHR、入出力可能電力の演算手法については周知であるのでその説明を省略する。

充放電頻度演算部１５３は、組電池１１０に流れる電流をもとに、電流が連続して流れた通電時間を計測し、通電時間毎の頻度（回数）を格納する通電時間回数テーブルを出力する。出力された通電時間回数テーブルは、記憶部１８０に書き込まれ、次回の車両の起動時に読み出し、通電時間回数テーブルの中から最も頻度の高い通電時間を負荷特徴量として抽出し、電力制限率演算部１５４へ出力する。

電力制限率演算部１５４は、負荷特徴量と電圧、温度、ＳＯＣに基づいて、電力制限率を演算し、電力制限率反映部１５５に出力する。電力制限率反映部１５５は、入出力可能電力と電力制限率とに基づき、電力制限値を演算する。電力制限率、電力制限値については後述する。

図４（ａ）は、組電池１１０である二次電池を流れる電流を、図４（ｂ）は、通電時間回数テーブルを示す図である。これらの図を参照して、充放電頻度演算部１５３による通電時間回数テーブルについて説明する。

図４（ａ）の横軸は時間であり、縦軸は二次電池を流れる電流の一例を示す。図４（ａ）において、電流を太線で示し、電流有効判定閾値を一点鎖線で示す。電流の絶対値が電流有効判定閾値より大きい領域は通電時間カウント有効領域である。電流の絶対値が電流有効判定閾値を下回る領域は通電時間カウント無効領域である。充放電頻度演算部１５３は、電流の絶対値が電流有効判定閾値よりも大きい場合、通電時間の計測を開始し、電流有効判定閾値を下回ったら、計測を終了する。そして、図４（ｂ）に示す通電時間回数テーブルに、計測した通電時間に対応する頻度を＋１加算する。

図４（ｂ）に示す通電時間は３秒毎に区分されており、図４（ａ）に示す電流の絶対値が電流有効判定閾値よりも大きい通電時間が１秒の場合は、図４（ｂ）の通電時間０～２に対応する頻度を＋１加算する。図４（ａ）に示す電流の絶対値が電流有効判定閾値よりも大きい通電時間が５秒の場合は、図４（ｂ）の通電時間４～６に対応する頻度を＋１加算する。図４（ａ）に示す電流の絶対値が電流有効判定閾値よりも大きい通電時間が１８秒の場合は、図４（ｂ）の通電時間１６～１８に対応する頻度を＋１加算する。このようにして、充放電頻度演算部１５３は、通電時間毎の頻度情報を通電時間回数テーブルに蓄積する。頻度情報が蓄積された通電時間回数テーブルは、車両停止時に記憶部１８０に格納され、次回の車両起動時に記憶部１８０から読み込まれる。読み込んだテーブルから最も頻度の高い通電時間を選択し、選択した結果を負荷特徴量として電力制限率演算部１５４へ出力する。充放電頻度演算部１５３は、負荷特徴量を決定したら、内部に記憶している通電時間回数テーブルの頻度情報はクリアし、再度、頻度情報の蓄積を再開する。

図５は、電力制限率演算部１５４のブロック構成図である。電力制限率演算部１５４は、閾値マップ選定部１５４－１と、閾値演算部１５４－２と、負荷判定指標演算部１５４－３と、制限率演算部１５４－４とにより構成される。

閾値マップ選定部１５４－１は、予め記憶部１８０に格納しておいた各負荷特徴量、本実施形態では、通電時間に対応した制限閾値マップのデータベースから、充放電頻度演算部１５３で決定された負荷特徴量に対応した制限閾値マップ(図７（ａ）または（ｂ）)を選択する。閾値演算部１５４－２は選択された図７（ａ）または（ｂ）の制限閾値マップに基づいて、二次電池の温度と予め定められた時間窓Twに対応した電圧差制限値を決定して出力する。制限閾値マップおよび時間窓Twについては図７を参照して後述する。なお、制限閾値マップは電圧もしくは電流の制限特性である。

負荷判定指標演算部１５４－３は、電圧差制限値と、二次電池の電圧、ＳＯＣに基づいて負荷判定指標を演算して出力する。以下、負荷判定指標の演算について説明する。
負荷判定指標演算部１５４－３は、入力されたＳＯＣを開放電圧(OCV:Open Circuit Voltage)に変換し、以下の式（１）により電池電圧(CCV:Closed circuit voltage)と開放電圧の差分（以下、電圧差）を求める。

ここで、ΔV(t)は電圧差(V)である。

次に、過去の二次電池の使用履歴を判定する指標として、式(1)のΔV(t)の二乗に対する一次遅れフィルタ適用結果を以下の式（２）に基づいて演算する。

ここで、ΔV_Fiter(t)はΔV2の一次遅れフィルタ適用結果(V2)、t_sは制御周期(sec)、Twは時間窓(sec)である。

更に、式（３）で電圧の単位を揃える。

ここで、ΔV_RMS(t)は実効電圧差(V)である。そして、次式（４）で負荷判定指標(%)を求める。

ここで、ΔV_Thresh(t)は制限閾値(V)、ΔV_Ratio(t)は負荷判定指標(%)である。

次に、制限率演算部１５４－４について図６を参照して説明する。図６は、負荷判定指標(%)と電力制限率との関係を示すグラフである。図６の横軸は負荷判定指標、縦軸は電力制限率を示している。負荷判定指標がTh1を超えると、電力制限率が１から減少し、Th2に到達したところで０となる。制限率演算部１５４－４は、負荷判定指標演算部１５４－３から出力された負荷判定指標をもとに図６に示すグラフを参照して電力制限率を演算する。

図３に戻って、電力制限率反映部１５５について説明する。電力制限率反映部１５５では、電力制限率演算部１５４で演算した電力制限率と入出力可能電力演算部１５２で演算した入出力可能電力とから、以下の式（５）（６）に基づき、電力制限値を演算する。

ここで、k(t)は電力制限率、Pchg_nolimit(t)は充電側の入出力可能電力、Pchg(t)は充電側の電力制限値である。

ここで、k(t)は電力制限率、Pdis_nolimit(t)は放電側の入出力可能電力、Pdis(t)は放電側の電力制限値である。

図７（ａ）、図７（ｂ）は、制限閾値マップの一例を示す図である。制限閾値マップは負荷特徴量、本実施形態では通電時間、に対応して記憶部１８０に格納されている。図７（ａ）、図７（ｂ）の横軸は時間窓を、縦軸は電圧差制限値を表す。時間窓は、一次遅れフィルタの時定数であり、予め定められた定数である。

図７（ａ）は短時間の連続通電の頻度が高い場合に対応した制限閾値マップである。図７（ｂ）は長時間の連続通電の頻度が高い場合に対応した制限閾値マップであり、図７（ａ）と比較して、電圧差制限値も低くなる。また、二次電池の温度が低くなるほど電圧差制限値も低くなる。例えば、算出した負荷特徴量が短時間の連続通電である場合には、図７（ａ）の制限閾値マップが適用される。これらの負荷特徴量に応じた制限閾値マップは、予め二次電池の充放電試験により取得したもので、二次電池の制限特性を反映したものである。なお、制限閾値マップは図７（ａ）、図７（ｂ）に示す２つに限定せず、通電時間に対応して複数設けてもよい。

図８（ａ）、図８（ｂ）は、連続通電時間の異なる電流波形を示すグラフである。各図において、横軸は時間を、縦軸は電流を表す。さらに各図において、電流を太線で示し、電流有効判定閾値を一点鎖線で示す。図８（ａ）は、短時間通電の頻度が高い充放電の場合を示す。図８（ｂ）は、長時間通電の頻度が高い充放電の場合を示す。

図９（ａ）、図９（ｂ）は、連続通電時間の異なる電流波形が入力されたときの劣化挙動を示すグラフである。各図において、横軸は時間を、縦軸はＳＯＨＲを表す。図９（ａ）は、図８（ａ）の電流波形が繰り返し入力された場合の劣化挙動に対応し、短時間通電の頻度が高い充放電時の劣化挙動を示す。図９（ｂ）は、図８（ｂ）の電流波形が繰り返し入力された場合の劣化挙動に対応し、長時間通電の頻度が高い充放電時の劣化挙動を示す。図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、電流もしくは電力の二乗平均値が同一であっても、充電もしくは放電の連続通電時間が異なると劣化挙動が異なる。具体的には、連続通電時間が長いケースでは、ある時刻で抵抗が急峻に上昇する領域Ｑがあり、劣化が急激に進む傾向が見られる。本実施形態では、劣化の急激な進行を抑制するため、電流二乗平均値が同一、かつ、連続通電時間の異なるパルス電流によるサイクル試験を実施し、劣化の急激な進行が発現しないような制限閾値マップを設定する。

図１０は、電池制御部１５０の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１で車両始動信号を受信すると、次のステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、充放電頻度演算部１５３は、前回走行終了時までの通電時間の頻度情報、すなわち通電時間回数テーブルを記憶部１８０から読み出し、次のステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、読み出した通電時間回数テーブルから最も頻度（回数）の高い通電時間を負荷特徴量として決定し、ステップＳ１０４へ進む。
ステップＳ１０４では、決定された通電時間、すなわち負荷特徴量に対応する制限閾値マップを記憶部１８０から読み出して選定する。そして、充放電頻度演算部１５３に記憶している通電時間の頻度情報、すなわち通電時間回数テーブルをクリアする。

ステップＳ１０５では、電力制限率演算部１５４は、選定した制限閾値マップに基づき決定された電圧差制限値、電圧、温度、ＳＯＣに基づき、電力制限率を演算する。そして、電力制限率反映部１５５は、入出力可能電力と電力制限率に基づいて電力制限値を演算する。演算された電力制限値は車両制御部２００へ出力される。車両制御部２００は、インバータ４００を駆動して、入力された電力制限値を超えないように二次電池への入出力可能電力を制限する。また、充放電頻度演算部１５３は、新たに通電時間の頻度情報を更新する。

ステップＳ１０６では、車両停止信号を受信したかを判定する。車両停止信号を受信するまでは、ステップＳ１０５による動作を継続し、車両停止信号を受信した後、通電時間の頻度情報、すなわち通電時間回数テーブルを記憶部１８０に記憶し、電池制御部１５０は動作を停止する。

図１１（ａ）（ｂ）は、本実施形態を適用しない場合のバッテリ電力、SOHRをそれぞれ示している。図１１（ａ）において、Pchgは充電側の電力制限値、Pdisは放電側の電力制限値である。本実施形態を適用しない場合、車両起動時に頻度情報に基づく制限閾値マップの変更を行わず、同一の制限閾値マップを常時、使用する。このため、図１１（ａ）に示すように、車両停止信号を受信するまでの充放電の履歴を反映した電力の制限を実行することができない。結果として、車両停止信号受信前に長い通電時間の電流が高頻度に発生するような充放電をしていたとしても、これに合わせた適切な制限を行うことが出来ず、図１１（ｂ）に示すように、過度な電池使用により、充放電中に内部抵抗が急峻に上昇する領域Ｑがある。

図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施形態を適用した場合のバッテリ電力、負荷判定指標、SOHRをそれぞれ示している。Pchgは充電側の電力制限値、Pdisは放電側の電力制限値である。車両停止信号を受信した場合に頻度情報を記憶し、車両起動信号を受信後に、記憶している頻度情報をもとに制限閾値マップを設定する。図１２の例は、短い通電時間に対応した図７（ａ）の制限閾値マップに基づいて演算された負荷判定指標が、長い通電時間に対応した制限閾値マップに基づいて演算された負荷判定指標に変化した場合を想定して示している。その結果、図１２（ｂ）に示すように、負荷判定指標が閾値を上回ることになる。これにより、図１２（ａ）に示すように、電力が制限され、電池の過渡な使用が抑えられる。そして、図１２（ｃ）に示すように、領域Ｑ’においてもSOHRが抑えられて二次電池の劣化が抑制される。

尚、本実施形態では、電池電圧と開放電圧の電圧差をもとに、式（１）から式（４）に基づいて、負荷判定指標を演算する構成としているが、これに限定されるものではない。電圧差を用いた場合と同様の手法で、電流を用いて、以下の式（７）から式（９）に基づいて、負荷判定指標を演算する構成としてもよい。

ここで、I(t)：電流(A)、I_Fiter(t)：I2の一次遅れフィルタ適用結果(A2)、t_s：制御周期(sec)、T_w：時間窓(sec)、I_RMS(t)：実効電流(A)、I_Thresh(t)：電流制限値(A)、I_Ratio(t)：電流ベース負荷判定指標(%)である。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、電流制限値による制限閾値マップの一例を示す図である。制限閾値マップは、二次電池の特性に応じて、負荷特徴量、本実施形態では通電時間、に対応付けて記憶部１８０に格納されている。図１３（ａ）、図１３（ｂ）の横軸は時間窓を、縦軸は電流制限値を表す。図１３（ａ）は短時間の連続通電の頻度が高い場合に対応した制限閾値マップである。図１３（ｂ）は長時間の連続通電の頻度が高い場合に対応した制限閾値マップであり、図１３（ａ）と比較して、電流制限値も低くなる。また、二次電池の温度が低くなるほど電流制限値も低くなる。例えば、算出した負荷特徴量が短時間の連続通電である場合には、図１３（ａ）の制限閾値マップが適用される。これらの負荷特徴量に応じた制限閾値マップは予め二次電池の充放電試験により取得する。

電流制限値をもとに電力を制限する場合においても、図１０に示したフローチャートと同様の手順に沿って処理を行う。この場合も、先に述べた電圧差制限値をもとに電力を制限する場合と同等の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、二次電池の使用状態に応じた適切な電力制限値を演算することが可能となり、二次電池の劣化を適切に抑制し、結果として電池システムの保護とエネルギーの最大活用を両立することが可能な電池制御装置を提供することが出来る。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について図１４～図１８を参照して説明する。第１の実施形態において、図１に示した電池システムの構成図、図２に示した単電池制御部の回路構成を示す図、図３に示した電池制御部のブロック構成図は、本実施形態でも同様であるので、図示およびその説明を省略する。

第１の実施形態では、図７（ａ）、図７（ｂ）に例示するような、短時間の通電の頻度、長時間の通電の頻度に対応する制限閾値マップを記憶部１８０に格納し、通電時間の頻度（回数）の多いものを負荷特徴量として、この負荷特徴量に対応する電圧差制限閾値マップまたは電流制限閾値マップを選択して電力を制限する電池制御装置について述べた。第２の実施形態では、負荷特徴量に対応する電力制限率マップを用いて電力を制限する電池制御装置について述べる。

図１４は、第２の実施形態における電力制限率演算部１５４’のブロック構成図である。電力制限率演算部１５４’は、閾値演算部１５４－２’と、負荷判定指標演算部１５４－３’と、制限率演算部１５４－４’と、制限開始/終了閾値決定部１５４－５’とにより構成される。

図１５は、制限開始終了閾値テーブルを示す図である。制限開始終了閾値テーブルは、負荷特徴量（通電時間）に対応して、制限開始閾値（Ｔｈ1）と制限終了閾値（Ｔｈ2）とを記憶している。例えば、負荷特徴量（通電時間）が５秒以上で３０秒未満では、制限開始閾値は、Ｔｈ1-1であり、制限終了閾値は、Ｔｈ2-1である。制限開始閾値および制限終了閾値は、例えば、通電時間が長い程、小さい値を設定する。制限開始終了閾値テーブルは予め記憶部１８０に記憶されている。

制限開始/終了閾値決定部１５４－５’は、入力された負荷特徴量に対応した制限開始閾値および制限終了閾値を図１５に示す制限開始終了閾値テーブルを参照して決定する。決定した制限開始閾値および制限終了閾値は、制限率演算部１５４－４’へ送信される。

閾値演算部１５４－２’は、図７を参照して説明した制限閾値マップのうち平均的な制限閾値マップを一つ記憶している。そして、閾値演算部１５４－２’は、記憶している制限閾値マップに基づいて、二次電池の温度と予め定められた時間窓Twに対応した電圧差制限値を決定して出力する。

負荷判定指標演算部１５４－３’は、電圧差制限値と、二次電池の電圧、ＳＯＣに基づいて負荷判定指標を演算して出力する。負荷判定指標の演算は、第１の実施形態で述べた負荷判定指標演算部１５４－３による演算と同様であるのでその説明を省略する。

制限率演算部１５４－４’は、制限開始閾値および制限終了閾値に対応する電力制限率マップと負荷判定指標とに基づき、電力制限率を演算して出力する。

図１６（ａ）、図１６（ｂ）は、制限率演算部１５４－４’における負荷判定指標と電力制限率を対応付けた電力制限率マップである。図１６（ａ）、図１６（ｂ）において、横軸は負荷判定指標を、縦軸は電力制限率を示す。これらの電力制限率マップは、図１５で示した制限開始終了閾値テーブルの制限開始閾値（Ｔｈ1）と制限終了閾値（Ｔｈ2）で規定されるマップを示している。これらの負荷特徴量に応じた電力制限率マップは、予め二次電池の充放電試験により取得したもので、二次電池の制限特性を反映したものである。なお、電力制限率マップは記憶部１８０に記憶してもよく、また記憶部１８０に記憶されている制限開始終了閾値テーブルの制限開始閾値（Ｔｈ1）と制限終了閾値（Ｔｈ2）に基づいて演算・生成してもよい。

図１６（ａ）は、短時間の通電頻度が高い場合を示している。この図では、負荷判定指標が比較的大きい範囲で制限開始閾値Ｔｈ1-1、制限終了閾値Ｔｈ2-1が設定されている。制限開始閾値Ｔｈ1-1以下の負荷判定指標では電力出力の制限は行わない。制限開始閾値Ｔｈ1-1から徐々に電力出力の制限を行い、制限終了閾値Ｔｈ2-1では完全に電力を制限する。

図１６（ｂ）は、長時間の通電頻度が高い場合を示している。制限開始閾値Ｔｈ1-2、制限終了閾値Ｔｈ2-2を、短時間の通電頻度が高い場合よりも、より負荷判定指標が小さい範囲で設定されている。これにより、短時間通電の場合よりもより制限を厳しく設定することができる。

図１７は、第２の実施形態における電池制御部の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ２０１で車両始動信号を受信すると、次のステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、充放電頻度演算部１５３は、前回走行終了時までの通電時間の頻度情報、すなわち通電時間回数テーブルを記憶部１８０から読み出し、次のステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、読み出した通電時間回数テーブルから最も頻度（回数）の高い通電時間を負荷特徴量として決定し、ステップＳ２０４へ進む。
ステップＳ２０４では、決定された通電時間、すなわち負荷特徴量に対応する制限開始終了閾値テーブルを記憶部１８０から読み出して、制限開始閾値および制限終了閾値を決定する。そして、充放電頻度演算部１５３に記憶している通電時間の頻度情報、すなわち通電時間回数テーブルをクリアする。

ステップＳ２０５では、電力制限率演算部１５４’は、決定した制限開始閾値および制限終了閾値に対応する電力制限率マップに基づいて、電力制限率を演算する。そして、電力制限率反映部１５５は、入出力可能電力と電力制限率に基づいて電力制限値を演算する。演算された電力制限値は車両制御部２００へ出力される。車両制御部２００は、インバータ４００を駆動して、入力された電力制限値を超えないように二次電池への入出力可能電力を制限する。また、充放電頻度演算部１５３は、新たに通電時間の頻度情報を更新する。

ステップＳ２０６では、車両停止信号を受信したかを判定する。車両停止信号を受信するまでは、ステップＳ２０５による動作を継続し、車両停止信号を受信した後、通電時間の頻度情報、すなわち通電時間回数テーブルを記憶部１８０に記憶し、電池制御部１５０は動作を停止する。

図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施形態を適用した場合のバッテリ電力、負荷判定指標、SOHRをそれぞれ示している。Pchgは充電側の電力制限値、Pdisは放電側の電力制限値である。車両停止信号受信した場合に頻度情報を記憶し、車両起動信号受信した場合に、記憶している頻度情報をもとに制限開始閾値および制限終了閾値を決定する。その結果、長い通電時間に対応した制限開始閾値および制限終了閾値に対応する電力制限率マップを適用すると、図１８（ｂ）に示すように、負荷判定指標が閾値を上回る。これにより、図１８（ａ）に示すように、電力が制限され、電池の過渡な使用が抑えられる。そして、図１８（ｃ）に示すように、領域Ｑ’’においてもSOHRが抑えられて二次電池の劣化が抑制されることが分かる。

［第３の実施形態］
第１の実施形態や第２の実施形態では、負荷特徴量を通電時間の頻度情報をもとに、最も頻度の高い通電時間に対応した制限閾値マップや電力制限率マップを用いた。第３の実施形態では、電流値を周波数分析（フーリエ変換）し、周波数に応じたパワースペクトルを求めて、最もパワースペクトルの高い周波数に対応した制限閾値マップを選択し、負荷判定指標を演算する。

第３の実施形態について図１９～図２２を参照して説明する。
第１の実施形態において、図１に示した電池システムの構成図、図２に示した単電池制御部の回路構成を示す図、図３に示した電池制御部のブロック構成図は、本実施形態でも同様であるので、図示およびその説明を省略する。
本実施形態における電池制御部１５０は、第１の実施形態で説明した図３に記載の構成と同様であるが、電池制御部１５０における充放電頻度演算部１５３の処理内容が異なる。

図１９、図２０に基づき、本実施形態における充放電頻度演算部１５３の動作を説明する。図１９は二次電池を流れる電流とサンプリング点を示す図である。横軸は時間、縦軸は電流を示す。本実施形態における充放電頻度演算部１５３は、図１９に示すように、入力である電流値を所定のサンプリング周期で車両の1走行中、もしくは、所定のサンプリング点数を確保出来るまでサンプリングする。そして、サンプリングした結果を用いて周波数解析（フーリエ変換）を行い、周波数毎のパワースペクトルを計算する。

図２０は、パワースペクトルと周波数の関係を示す図である。横軸は周波数、縦軸はパワースペクトルを示す。本実施形態では、最も強度の高いパワースペクトルに対応した周波数を特定し、特定した周波数に基づいて、制限閾値マップを決定する。

図２１（ａ）（ｂ）は、本実施形態における制限閾値マップの一例を示す図である。図２１（ａ）は負荷の周波数が高い場合の制限値を示しており、図２１（ｂ）は負荷の周波数が低い場合の制限値を示している。周波数が高い、すなわち、図８（ａ）に示すような充電と放電の切り替え頻度が高いパターンは、第１の実施形態で述べた連続通電時間の短いパターン、つまり、短時間で充電と放電が切り替わるパターンの頻度が高いと考えられる。このため、図２１（ａ）のような比較的、緩めの制限特性を適用する。一方で、周波数が低い、すなわち、図８（ｂ）に示すような充電と放電の切り替え頻度が少ないパターンは、第１の実施形態で述べた連続通電時間の長いパターン、つまり、充電もしくは放電が継続する時間が長いパターンの頻度が高いと考えられる。このため、図２１（ｂ）のような比較的、厳しめの制限特性を適用する。

図２２は、第３の実施形態における電池制御部の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ３０１で車両始動信号を受信すると、次のステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２では、前回に走行した電流データに基づく周波数分析した結果を記憶部１８０から読み出し、次のステップＳ３０３に進む。

ステップＳ３０３では、読み出した周波数分析した結果からパワースペクトルの最も高い周波数成分を抽出し、ステップＳ３０４へ進む。
ステップＳ３０４では、抽出した周波数成分に対応する制限閾値マップを記憶部１８０から読み出して決定する。

ステップＳ３０５では、決定した制限マップに基づき、電力制限値を演算すると共に、走行中の電流データを計測し、必要なサンプル数が取得されたら周波数解析（フーリエ変換）を実施する。そして、演算された電力制限値は車両制御部２００へ出力される。車両制御部２００は、インバータ４００を駆動して、入力された電力制限値を超えないように二次電池への入出力可能電力を制限する。

ステップＳ３０６では、車両停止信号を受信したかを判定する。車両停止信号を受信するまでは、ステップＳ３０５による動作を継続し、車両停止信号を受信した後、走行中の電流データに基づく周波数解析結果を記憶部１８０に記憶し、電池制御部１５０は動作を停止する。

尚、本実施形態では、周波数に応じた制限閾値マップを用いて、スペクトルの高い周波数に対応した制限閾値を設定する構成としたが、第２の実施形態で説明した内容と同様に、周波数に応じて制限開始閾値および制限終了閾値を変更する構成としてもよい。すなわち、スペクトルの高い周波数が周波数の高い領域にある場合は、図１６（ａ）のような負荷判定指標の高い領域で制限を施し、スペクトルの高い周波数が周波数の低い領域にある場合は、図１６（ｂ）のような負荷判定指標の小さい領域から制限を施すような制限制御を実施する。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）二次電池１１０と接続され、二次電池１１０の充放電を制御する電池制御装置（電池制御部１５０）は、二次電池１１０の所定期間における充電および放電の頻度に基づいて、二次電池１１０に掛かる負荷の負荷特徴量を求める充放電頻度演算部１５３と、負荷特徴量に基づいて、二次電池１１０の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限率演算部１５４、電力制限率反映部１５５とを備える。これにより、二次電池の使用状態をより適確に反映して制限すべき電力を決定することができる。電力制限率演算部１５４、電力制限率反映部１５５は電力制限値演算部を構成する。

（２）（１）に記載の電池制御装置において、充放電頻度演算部１５３は、頻度として、二次電池１１０に流れる電流値が所定の閾値を超える通電時間当たりの回数を求め、負荷特徴量として、回数が多い通電時間を求める。これにより、二次電池の通電時間の回数に応じて制限すべき電力を決定することができる。

（３）第１実施形態における（１）または（２）に記載の電池制御装置は、負荷特徴量と二次電池の電圧もしくは電流の制限特性とを対応付けた制限閾値マップを格納する記憶部１８０を備える。電力制限値演算部を構成する電力制限率演算部１５４は、充放電頻度演算部１５３より求められた負荷特徴量に対応する制限閾値マップに基づいて、電圧もしくは電流の制限値を求め、この制限値より電力制限率を求める。電力制限率反映部１５５は、二次電池１１０の入出力可能電力と電力制限率とに基づいて、二次電池１１０の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める。これにより、二次電池の使用状態を制限閾値マップに基づいてより適確に反映して制限すべき電力を決定することができる。

（４）第２実施形態における（１）または（２）に記載の電池制御装置は、負荷特徴量と二次電池の電力の制限特性とを対応付けた電力制限率マップを格納する記憶部１８０を備える。電力制限率演算部１５４は、充放電頻度演算部１５３より求められた負荷特徴量に対応する電力制限率マップに基づいて、電力制限率を求める。電力制限率反映部１５５は、二次電池１１０の入出力可能電力と電力制限率とに基づいて、二次電池１１０の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める。これにより、二次電池の使用状態を電力制限率マップに基づいてより適確に反映して制限すべき電力を決定することができる。

（５）第３実施形態における（１）に記載の電池制御装置において、充放電頻度演算部１５３は、頻度として、二次電池１１０に流れる電流の周波数スペクトルを求め、負荷特徴量として、高い周波数スペクトルに対応した周波数を特定する。これにより、二次電池に流れる電流の周波数スペクトルに応じて制限すべき電力を決定することができる。

（６）（５）に記載の電池制御装置はさらに、二次電池１１０に流れる電流の周波数と二次電池１１０の制限特性とを対応付けた制限閾値マップを格納する記憶部１８０を備える。電力制限率演算部１５４は、充放電頻度演算部１５３より求められた高い周波数スペクトルに対応した周波数に応じた制限閾値マップに基づいて、電力制限率を求める。電力制限率反映部１５５は、二次電池１１０の入出力可能電力と電力制限率とに基づいて、二次電池１１０の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める。これにより、二次電池の使用状態をより適確に反映して制限すべき電力を決定することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１００電池システム
１１０組電池
１２０単電池管理部
１３０電流検知部
１４０電圧検知部
１５０電池制御部
１５１電池状態検知部
１５２入出力可能電力演算部
１５３充放電頻度演算部
１５４電力制限率演算部
１５５電力制限率反映部
１５６充放電制限部
１８０記憶部

Claims

二次電池と接続され、前記二次電池の充放電を制御する電池制御装置であって、
前記二次電池の所定期間における充電および放電の頻度に基づいて、前記二次電池に掛かる負荷の負荷特徴量を求める充放電頻度演算部と、
前記負荷特徴量に基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限値演算部と、
前記負荷特徴量と前記二次電池の電圧もしくは電流の制限特性とを対応付けた制限閾値マップを格納する記憶部とを備え、
前記電力制限値演算部は、
前記充放電頻度演算部より求められた前記負荷特徴量に対応する制限閾値マップに基づいて、電圧もしくは電流の制限値を求め、この制限値より電力制限率を求める電力制限率演算部と、
前記二次電池の入出力可能電力と前記電力制限率とに基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限率反映部とを備える電池制御装置。
請求項１に記載の電池制御装置において、
前記充放電頻度演算部は、前記頻度として、前記二次電池に流れる電流値が所定の閾値を超える通電時間当たりの回数を求め、前記負荷特徴量として、前記回数が多い通電時間を求める電池制御装置。
二次電池と接続され、前記二次電池の充放電を制御する電池制御装置であって、
前記二次電池の所定期間における充電および放電の頻度に基づいて、前記二次電池に掛かる負荷の負荷特徴量を求める充放電頻度演算部と、
前記負荷特徴量に基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限値演算部と、
前記負荷特徴量と前記二次電池の電力の制限特性とを対応付けた電力制限率マップを格納する記憶部とを備え、
前記電力制限値演算部は、
前記充放電頻度演算部より求められた前記負荷特徴量に対応する電力制限率マップに基づいて、電力制限率を求める電力制限率演算部と、
前記二次電池の入出力可能電力と前記電力制限率とに基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限率反映部とを備える電池制御装置。
請求項３に記載の電池制御装置において、
前記充放電頻度演算部は、前記頻度として、前記二次電池に流れる電流値が所定の閾値を超える通電時間当たりの回数を求め、前記負荷特徴量として、前記回数が多い通電時間を求める電池制御装置。
二次電池と接続され、前記二次電池の充放電を制御する電池制御装置であって、
前記二次電池の所定期間における充電および放電の頻度に基づいて、前記二次電池に掛かる負荷の負荷特徴量を求める充放電頻度演算部と、
前記負荷特徴量に基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限値演算部とを備え、
前記充放電頻度演算部は、前記頻度として、前記二次電池に流れる電流の周波数スペクトルを求め、前記負荷特徴量として、高い周波数スペクトルに対応した周波数を特定し、
前記二次電池に流れる電流の周波数と前記二次電池の制限特性とを対応付けた制限閾値マップを格納する記憶部を備え、
前記電力制限値演算部は、
前記充放電頻度演算部より求められた前記高い周波数スペクトルに対応した周波数に応じた制限閾値マップに基づいて、電力制限率を求める電力制限率演算部と、
前記二次電池の入出力可能電力と前記電力制限率とに基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限率反映部とを備える電池制御装置。
二次電池と接続され、前記二次電池の充放電を制御する電池制御装置であって、
前記二次電池の所定期間における充電および放電の頻度に基づいて、前記二次電池に掛かる負荷の負荷特徴量を求める充放電頻度演算部と、
前記負荷特徴量に基づいて、前記二次電池の入出力可能電力を制限する電力制限値を求める電力制限値演算部と、
ＳＯＣ、ＳＯＨＲ、組電池の温度をもとに、入出力可能電力を演算して出力する入出力可能電力演算部と、
前記負荷特徴量と電圧、温度、ＳＯＣに基づいて、電力制限率を演算し、電力制限率反映部に出力する電力制限率演算部とを備え、
前記電力制限率反映部は、入出力可能電力と前記電力制限率とに基づき、電力制限率演算部で演算した電力制限率と前記入出力可能電力演算部で演算した入出力可能電力とから、前記電力制限値を演算する電池制御装置。