JPWO2013094057A1

JPWO2013094057A1 - 電池制御装置、電池システム

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Publication number: JPWO2013094057A1
Application number: JP2013550031A
Authority: JP
Inventors: 大川　圭一朗; 圭一朗大川; 中井　賢治; 賢治中井; 拓是森川
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: US9590431B2; WO2013094057A1; JP5819443B2; US20140339891A1

Abstract

電池本体以外の部品に係る制限および電池の劣化度を加味して電流制限を確実に実施することのできる電池制御装置を提供する。本発明に係る電池制御装置は、複数の時間窓幅のそれぞれに許容される電流平均値を時間窓幅毎に記述した許容平均電流情報を用いて、電池電流を制限する。電池が劣化したときは、その劣化度に応じて減じた許容平均電流を用いる。また、電池電流があらかじめ記憶されている上限値を超過した場合は、その超過分だけ上限値を小さくして電池電流を制御する（図７参照）。

Description

本発明は、電池を制御する技術に関するものである。

電気を動力として走行する車両には、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの蓄電池が搭載される。ハイブリッド自動車や電気自動車が走行する際に必要となる電力は、これらの蓄電池によって賄われる。

下記特許文献１には、バッテリの入力制限および出力制限を適正に設定するための手法として、充放電電流の２乗値の時間平均値を閾値と比較し、制限値を設定する技術が記載されている。

下記特許文献２には、電池の充放電を許容する許容電流を、充放電の電流の絶対値の平均電流で規定することが記載されている。また、平均電流を検出する時間が長くなるにしたがって、許容電流を小さくすることが記載されている。

特開２００７−２８８９０６号公報特開２００９−２０７３１２号公報

上記特許文献１に記載されている技術では、電池の入出力制限を適正化することを図っているが、実際には電池を構成する部品は電池本体以外にも複数存在しており、これら部品それぞれで電流制限値が異なる可能性がある。電池をより最適に使用するためには、電池を構成する部品毎に電流制限値を設定してこの範囲内で電池を使用することが望ましい。

また、上述の電流制限値は、電池の劣化度に応じて変動する。例えば、電池の劣化が進むと充放電性能が劣化前に比べて低下するので、電流制限値を劣化前よりもさらに小さい値にする必要がある。電池の劣化をあらかじめ見込んで電流制限値を設定しておくことも考えられるが、そうすると電池が劣化する前の時点では、本来の充放電性能よりも低い電流制限値を採用することになり、望ましくない。

上記特許文献２に記載されている技術では、例えば負荷の故障によって電池電流が電池制御装置によって定められた上限値を超過したときでも、平均電流や検出時間にしたがって電池電流を制御するため、かかる異常に対処することが難しい。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電池本体以外の部品に係る制限および電池の劣化度を加味して電流制限を確実に実施することのできる電池制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電池制御装置は、複数の時間窓幅のそれぞれに許容される電流平均値を時間窓幅毎に記述した許容平均電流情報を用いて、電池電流を制限する。電池が劣化したときは、その劣化度に応じて減じた許容平均電流を用いる。また、電池電流があらかじめ記憶されている上限値を超過した場合は、その超過分だけ上限値を小さくして電池電流を制御する。

本発明に係る電池制御装置によれば、電池に接続されている部品毎の電流制限および電池の劣化度を考慮して、電池電流を制御することができる。

実施形態１に係る電池システム１００とその周辺の構成を示す図である。単電池制御部１２１の回路構成を示す図である。組電池制御部１５０が行う処理内容を制御ブロックで表した図である。記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の例を示す図である。組電池制御部１５０が備える許容電流演算部１５１を制御ブロックで表した図である。記憶部１８０が格納している内部抵抗テーブル１８２の例を示す図である。記憶部１８０が格納している許容平均電流テーブル１８３の構成を示す図である。組電池制御部１５０が窓幅毎に平均電流を計算するイメージ図である。組電池制御部１５０が電池電流を制限する処理を示す図である。組電池制御部１５０が電池電流を制限する処理を示す図である。組電池制御部１５０が制限電流を変更する過程を示す図である。組電池制御部１５０が制限電流を変更する過程を示す図である。組電池制御部１５０が電池電流を制限する処理を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）の電源を構成する電池システムに対して本発明を適用した場合を例に挙げて説明する。

また、以下の実施形態では、リチウムイオン電池を採用した場合を例に挙げて説明するが、他にもニッケル水素電池、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ることもできる。なお、以下の実施形態では単電池を直列に接続して組電池を構成しているが、単電池を並列接続したものを直列接続して組電池を構成してもよいし、直列接続した単電池を並列接続して組電池を構成してもよい。

＜実施の形態１：システム構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る電池システム１００とその周辺の構成を示す図である。電池システム１００はリレー３００と３１０を介してインバータ４００に接続され、リレー３２０と３３０を介して充電器４２０に接続される。電池システム１００は、組電池１１０、単電池管理部１２０、電流検知部１３０、電圧検知部１４０、組電池制御部１５０、記憶部１８０を備える。

組電池１１０は、複数の単電池１１１から構成される。単電池管理部１２０は、単電池１１１の状態を監視する。電流検知部１３０は、電池システム１００に流れる電流を検知する。電圧検知部１４０は、組電池１１０の総電圧を検知する。組電池制御部１５０は、組電池１１０を制御する。

組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０が送信する単電池１１１の電池電圧や温度、電流検知部１３０が送信する電池システム１００に流れる電流値、電圧検知部１４０が送信する組電池１１０の総電圧値を受け取る。組電池制御部１５０は、受け取った情報をもとに組電池１１０の状態を検知する。組電池制御部１５０による状態検知の結果は、単電池管理部１２０や車両制御部２００に送信される。

組電池１１０は、電気エネルギーの蓄積および放出（直流電力の充放電）が可能な複数の単電池１１１を電気的に直列に接続して構成している。組電池１１０を構成する単電池１１１は、状態の管理・制御を実施する上で、所定の単位数にグループ分けされている。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を構成している。単電池群１１２を構成する単電池１１１の個数は、全ての単電池群１１２において同数でもよいし、単電池群１１２毎に単電池１１１の個数が異なっていてもよい。

単電池管理部１２０は、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、単電池群１１２毎に設けられた単電池制御部１２１を備える。図１では、単電池群１１２ａと１１２ｂに対応して、単電池制御部１２１ａと１２１ｂが設けられている。単電池制御部１２１は、単電池群１１２を構成する単電池１１１の状態を監視および制御する。

本実施形態１では、説明を簡略化するために、４個の単電池１１１を電気的に直列接続して単電池群１１２ａと１１２ｂを構成し、単電池群１１２ａと１１２ｂをさらに電気的に直列接続して合計８個の単電池１１１を備える組電池１１０とした。

組電池制御部１５０と単電池管理部１２０は、フォトカプラに代表される絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して信号を送受信する。

組電池制御部１５０と、単電池管理部１２０を構成する単電池制御部１２１ａおよび１２１ｂとの間の通信手段について説明する。単電池制御部１２１ａおよび１２１ｂは、それぞれが監視する単電池群１１２ａおよび１１２ｂの電位の高い順にしたがって直列に接続されている。組電池制御部１５０が単電池管理部１２０に送信した信号は、絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して単電池制御部１２１ａに入力される。単電池制御部１２１ａの出力は信号通信手段１６０を介して単電池制御部１２１ｂに入力され、最下位の単電池制御部１２１ｂの出力は絶縁素子１７０および信号通信手段１６０を介して組電池制御部１５０へと伝送される。本実施形態１では、単電池制御部１２１ａと単電池制御部１２１ｂの間は絶縁素子１７０を介していないが、絶縁素子１７０を介して信号を送受信することもできる。

記憶部１８０は、組電池１１０、単電池１１１、単電池群１１２の内部抵抗特性、満充電時の容量、分極電圧、劣化特性、個体差情報、ＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ：ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）の対応関係などの情報を格納する。さらに、単電池管理部１２０、単電池制御部１２１、組電池制御部１５０などの特性情報についてもあらかじめ記憶することができる。記憶部１８０が記憶する情報については、後述の図４や６及び７で改めて説明する。

組電池制御部１５０は、単電池管理部１２０、電流検知部１３０、電圧検知部１４０、車両制御部２００から受け取った情報、後述するＳＯＣテーブル１８１および内部抵抗テーブル１８２を用いて、１つ以上の単電池１１１のＳＯＣ、劣化状態（ＳＯＨ：ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）、充電・放電可能な電流や電力（以下では、充電側を正、放電側を負の値とする）、異常状態、充放電量を制御するための演算などを実行する。そして、演算結果に基づいて、単電池管理部１２０や車両制御部２００に情報を出力する。

車両制御部２００は、組電池制御部１５０が送信する情報を用いて、リレー３００と３１０を介して電池システム１００と接続されるインバータ４００を制御する。また、リレー３２０と３３０を介して電池システム１００に接続される充電器４２０を制御する。車両走行中には、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用いて、モータジェネレータ４１０を駆動する。充電の際には、電池システム１００は充電器４２０と接続され、家庭用の電源または電気スタンドからの電力供給によって充電される。

充電器４２０は、家庭または電気スタンドに代表される外部の電源を用いて組電池１１０を充電する際に用いられる。本実施形態１では、充電器４２０は車両制御部２００からの指令に基づき充電電圧や充電電流などを制御する構成としているが、組電池制御部１５０からの指令に基づき制御を実施してもよい。また、充電器４２０は車両の構成、充電器４２０の性能、使用目的、外部の電源の設置条件などに応じて車両内部に設置してもよいし、車両の外部に設置することもできる。

電池システム１００を搭載した車両システムが始動して走行する場合には、車両制御部２００の管理のもと、電池システム１００はインバータ４００に接続され、組電池１１０が蓄えているエネルギーを用いてモータジェネレータ４１０を駆動し、回生時はモータジェネレータ４１０の発電電力により組電池１１０が充電される。電池システム１００を備える車両が家庭用または電気スタンドに代表される外部の電源と接続された際には、車両制御部２００が発信する情報に基づき電池システム１００と充電器４２０とが接続され、組電池１１０が所定の条件になるまで充電される。充電によって組電池１１０に蓄えられたエネルギーは、次回の車両走行時に利用されるか、車両内外の電装品等を動作させるためにも利用される。さらに必要に応じて、家庭用の電源に代表される外部電源へも放出する場合がある。

図２は、単電池制御部１２１の回路構成を示す図である。単電池制御部１２１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。制御回路１２３は、電圧検出回路１２２および温度検知部１２５から測定結果を受け取り、信号入出力回路１２４を介して組電池制御部１５０に送信する。なお、単電池制御部１２１に一般的に実装される、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間の電圧やＳＯＣばらつきを均等化する回路構成は、周知のものであると判断して記載を省略した。

図２における単電池制御部１２１が備える温度検知部１２５は、単電池群１１２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１１２全体として１つの温度を測定し、単電池群１１２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１１２、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。図２はこれを前提とするため、単電池制御部１２１に１つの温度検知部１２５を設けた。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することもできるが、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、簡易的に温度検知部１２５を示した。実際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し、これを測定した結果が制御回路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１２１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３は、組電池制御部１５０が組電池１１０の充放電制御を実現するための、許容電流演算部１５１と平均電流監視部１５２とを示した制御ブロックである。許容電流演算部１５１にはＳＯＣと温度が入力されており、平均電流監視部１５２には組電池１１０に出入りする電流値が入力として用いられている。許容電流演算部１５１の出力と平均電流監視部１５２の出力とが比較され、小さい方の値が外部に出力される。

また、平均電流監視部１５２には組電池１１０の劣化状態（ＳＯＨ：ＳｔａｔｅＯｆＨｅａｌｔｈ）の値が入力される。組電池１１０の劣化状態を求める手法としては、任意の公知技術を用いることができる。例えば、（ａ）単電池１１１が劣化すると単電池１１１の内部抵抗が上昇することを用いて組電池１１０の劣化状態を求める、（ｂ）組電池１１０の最大充電容量が低下したことを検知することによって組電池１１０の劣化状態を求める、などの手法が考えられる。

組電池１１０の劣化状態は、組電池制御部１５０が取得してもよいし、その他の機能部が取得して平均電流監視部１５２へ通知するようにしてもよい。本発明における「劣化度取得部」は、組電池制御部１５０がこれに相当する。

以下では、許容電流演算部１５１の入力として用いられる、ＳＯＣの計算方法について説明する。

図４は、記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の例を示す図である。ＳＯＣテーブル１８１は、単電池１１１のＯＣＶと、単電池１１１のＳＯＣとの対応関係を記述したデータテーブルである。データ形式は任意でよいが、ここでは説明の便宜上、グラフ形式でデータ例を示す。なお、本実施例ではデータテーブルを用いているが、数式などを用いることでＯＣＶとＳＯＣとの対応関係を表現することもできる。ＯＣＶとＳＯＣの対応関係を示す特性情報であり、ＯＣＶからＳＯＣ、またはＳＯＣからＯＣＶへと変換できる手段であれば何でもよい。

ＯＣＶは、単電池１１１の無負荷時の電圧である。リレー３００、３１０、３２０、３３０が閉じる前、またはリレー３００、３１０、３２０、３３０が閉じられているが組電池１１０の充放電が開始されていない状態、などのタイミングにおいて測定した単電池１１１の端子間電圧がＯＣＶと判断できる。さらに、組電池１１０の充電または放電を実施しているがその電流値が微弱な場合にＯＣＶと見なすこともできる。

単電池１１１に出入りする電流値が大きい場合は、単電池１１１に含まれる内部抵抗が無視できない電圧降下や電圧上昇を生じさせる。この時の電池電圧は閉回路電圧（ＣＣＶ：ＣｌｏｓｅｄＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）であり、この条件下では単電池制御部１２１が直接、単電池１１１のＯＣＶを把握することが困難である。この場合にＯＣＶを得るためには、単電池制御部１２１が測定した単電池１１１のＣＣＶと、電流検知部１３０が測定した単電池１１１に出入りする電流Ｉと、あらかじめ記憶した単電池１１１の内部抵抗Ｒと、分極電圧Ｖｐに関する情報とを用いて、組電池制御部１５０が下記式１によりＯＣＶを計算する必要がある。求めたＯＣＶを図４のテーブルに入力することにより、各時点におけるＳＯＣを得る。

下記式１の計算は、単電池１１１を充放電しているか否かに関わらず組電池制御部１５０に実行させることができる。組電池１１０を構成する単電池１１１それぞれのＯＣＶを用いるなどして単電池１１１毎にＳＯＣを計算する。

ＳＯＣを計算する他の方法としては、単電池１１１に出入りする電流を積分することによりＳＯＣを得る方法が知られている（ＳＯＣ＝初期ＳＯＣ＋１００×∫Ｉｄｔ／満充電容量）。本実施形態ではどちらのＳＯＣ計算方法を採用してもよい。単電池１１１毎に演算を行えば単電池１１１毎のＳＯＣを得ることができ、組電池１１０全体を一括して演算を行えば単電池１１１の平均的なＳＯＣを得ることができる。

単電池１１１毎にＳＯＣを得るためには、下記式１のＣＣＶ、Ｒ、Ｖｐ、前述した電流を積分することによりＳＯＣを得るＳＯＣ計算方法を採用する場合は、初期ＳＯＣや満充電容量などを単電池１１１毎に計算用パラメータとして用意しておく必要がある。
ＯＣＶ＝ＣＣＶ−Ｉ×Ｒ−Ｖｐ・・・（式１）

組電池制御部１５０は、単電池制御部１２１が検出した単電池１１１のＯＣＶとＳＯＣテーブル１８１を用いることにより、単電池１１１のＳＯＣを得ることができる。また、単電池１１１のＯＣＶを合計して組電池１１０のＯＣＶを求めることもできる。単電池１１１毎にＳＯＣ特性が異なる場合は、各単電池１１１についてＳＯＣテーブル１８１を設けてもよい。

図３で示した許容電流演算部１５１について説明する。許容電流演算部１５１は、前述したＳＯＣと温度とを用いて、組電池１１０が最大に充放電可能な電流値（許容電流）を求める。許容充電電流はＳＯＣが高いと小さく、ＳＯＣが低いと大きくなり、許容放電電流はＳＯＣが高いと大きく、ＳＯＣが低いと小さくなる。また、単電池１１１の内部抵抗には温度特性があり、低温になるほど内部抵抗は大きくなるため、許容充放電電流は低温ほど小さく、高温ほど大きくなる。

図５に、許容電流演算部１５１の演算内容を示す制御ブロックを示す。単電池１１１の最大端子電圧をＶｍａｘとすると、許容充電電流は下記式２によって求めることができる。式２のＯＣＶは、式１の計算結果を用いることもできるし、単電池１１１に出入りする電流を積分することでＳＯＣを得る場合は、ＳＯＣの計算結果を図４のＳＯＣテーブル１８１でＯＣＶに変換した結果を用いることもできる。図５では、一例として、ＳＯＣを入力として用いる場合を示した。式２の内部抵抗値は、図６で示すようなＳＯＣと温度に応じた内部抵抗値を記述したデータテーブルから取得できる。なお、本実施例ではデータテーブルを用いたが、図４のＳＯＣテーブル１８１と同様に、数式などデータテーブルとは異なる手段で温度、ＳＯＣと内部抵抗の対応関係を表現してもよく、温度とＳＯＣに応じた内部抵抗の特性情報であれば何でもよい。許容放電電流を求める際は、下記式３に示すように、最小端子電圧Ｖｍｉｎを用いればよい。内部抵抗値が充電と放電とで大きく異なる場合は、許容充電電流と許容放電電流とでそれぞれ異なる内部抵抗値を用いることで、より確実な許容充放電電流に基づいて組電池１１０の充放電制御を実施できる。
許容充電電流＝（Ｖｍａｘ−ＯＣＶ）／内部抵抗値・・・（式２）
許容放電電流＝（Ｖｍｉｎ−ＯＣＶ）／内部抵抗値・・・（式３）

許容充電電流の範囲内で組電池１１０を充電し、許容放電電流の範囲内で組電池１１０を放電させれば、ＶｍａｘやＶｍｉｎを逸脱することなく、組電池１１０を充放電させることができる。ただし、この許容電流は電池電圧をＶｍａｘからＶｍｉｎの範囲内におさめるためだけのものであり、充放電に伴う発熱等は全く考慮していない。単電池１１１の温度が上昇すると劣化が早く進行する可能性があり、電池システム１００を構成する単電池１１１以外の部品に関しても発熱を考慮した管理が必要な場合がある。すなわち、電池システム１００を最適に使用するためには、許容電流演算部１５１に加えて発熱を考慮する機能を新規に追加する必要があり、本実施形態では図３に示す平均電流監視部１５２を設けた。

平均電流監視部１５２の詳細な処理内容を以下に説明する。図７に、記憶部１８０に格納される平均電流監視部１５２が用いる許容平均電流テーブル１８３の構成とデータ例を示す。許容平均電流テーブル１８３は、時間窓毎の許容される平均電流を記述したデータテーブルであり、電池システム１００を構成する部品毎の短時間定格電流を記述したものとも言える。短時間定格電流が他の部品よりも時間窓幅が短く記述されている、許容される平均電流値が他の部品よりも大きいなど、部品に応じて特徴があり、これを時間窓と許容される平均電流でまとめれば図７のデータテーブルが得られる。ただし、必ずしも全ての部品について許容平均電流を記述する必要はなく、例えば電流制限を実施する必要性の高いものについてのみ記述してもよいし、ある程度まとまった部品単位毎に許容平均電流を記述するようにしてもよい。さらに、データテーブルではなく、時間窓に応じた許容平均電流を表した数式等、別の手段を用いて許容平均電流の情報を記憶部１８０に格納することもできる。

許容平均電流テーブル１８３はさらに、時間窓毎の許容される平均電流を、組電池１１０の劣化度（ＳＯＨ）毎に記述している。したがって許容平均電流テーブル１８３は、許容平均電流を時間窓毎および劣化度毎に記述していることになる。平均電流監視部１５２は、組電池１１０の現在の劣化度に対応する許容平均電流を許容平均電流テーブル１８３から取得し、電流制限値として用いる。

一般に、電池が劣化すると充放電性能が低下するので、許容平均電流は組電池１１０の劣化度が進むにつれて小さい値となる。ただし、全ての時間窓において許容平均電流を小さく設定する必要はない。電池を構成する部品は電池本体以外にも複数存在しており、それらの部品に対する許容平均電流については電池が劣化しても影響を受けないものもあるため、電池の劣化が進んでも同じ許容平均電流を用いるようにしてもよい。換言すると、劣化が進んだ状態における許容平均電流は、少なくともいずれかの時間窓において、劣化が進んでいない状態における許容平均電流よりも小さい値となっているが、必ずしも全ての時間窓において小さい許容平均電流を設定する必要はない。

図７では、組電池１１０の劣化度（ＳＯＨ）毎に許容平均電流を記述している例を示したが、これに代えて、組電池１１０の劣化が進んでいない状態の許容平均電流のみを記述しておき、組電池１１０の劣化が進んだ状態における許容平均電流は、組電池１１０の劣化度に応じて減少させた値を平均電流監視部１５２が演算によって求めるようにしてもよい。いずれの時間窓について許容平均電流を減少させるか、およびその減少幅などについては、あらかじめ設定しておけばよい。

＜実施の形態１：システム動作の考え方＞
図８は、組電池制御部１５０が備える平均電流監視部１５２が行う処理内容を示す図である。平均電流監視部１５２は、時刻Ｔ１から時間窓幅分遡って求めた組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値が許容平均電流テーブル１８３で指定した許容平均電流を超過しているか否かによって時刻Ｔ１において電流を制限するかを判断する。

平均電流監視部１５２は、時刻Ｔ１から見た各時間窓幅における組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値を求め、許容平均電流テーブル１８３に記述される各時間窓幅に対応する許容平均電流と比較する。いずれかの時間窓幅における平均電流が、許容平均電流テーブル１８３内の対応する許容平均電流を超過している場合は、時間窓幅における平均電流が許容平均電流より下回るように制限を実施する。複数の時間窓幅で許容平均電流を超過した場合は、最も小さい許容平均電流を電流制限値として設定することにより、電流を優先的に制限する。

図９は、組電池制御部１５０が備える平均電流監視部１５２が電流を制限している様子を示す図である。以下、各時刻における動作を説明する。なお、ここで許容電流演算部１５１が計算した許容電流の結果は、組電池１１０として上限値となるＸ１とする。平均電流監視部１５２による電流制限値の初期値も、時間窓が最も短いものに対応する許容平均電流であるＸ１とする。

時刻ｔ１において、ある時間窓幅における組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値がその時間窓幅に対応する許容平均電流を超過したと仮定する。平均電流監視部１５２は、平均電流がその許容平均電流以下になるように超過した許容平均電流を電流制限値とする制限を実施する。例えば、ある窓幅の許容平均電流が１０Ａとすると、同じ窓幅の平均電流が１０Ａを超えた場合は許容平均電流を超過したと判断し、許容平均電流である１０Ａを電流制限値として採用する。ある窓幅の許容平均電流が１００Ａである場合は、同じ窓幅の平均電流が１００Ａを超えると、同様に１００Ａを電流制限値とする。図３に示すように、組電池制御部１５０が出力する許容電流の最終値は、許容電流演算部１５１の出力と平均電流監視部１５２の出力のうちの小さい方の値とするので、平均電流監視部１５２が出力する電流制限値が許容電流演算部１５１で出力する許容電流値を下回った場合は、前述した電流制限値が組電池制御部１５０の最終的な許容電流として出力され、組電池１１０はこれに基づき充放電制御される。

時刻ｔ２において、全ての時間窓幅における平均電流が許容平均電流以下になったと仮定する。平均電流監視部１５２は、制限を適用する必要はないと判断し、電流制限値を初期値（最も短い時間窓に対応するＸ１）に戻し、Ｘ１を許容電流として出力する。なお、図１０に示すように、電池システム１００の周囲温度が低温の状態では、単電池１１１の内部抵抗が大きくなるため許容電流演算部１５１の出力が小さくなる。この状態における組電池制御部１５０の許容電流の出力は、時刻ｔ１までは許容電流演算部１５１の結果が採用され、ｔ１からｔ２までは平均電流監視部１５２の電流制限値が採用され、ｔ２からｔ３までは再び許容電流演算部１５１の出力が採用される。組電池制御部１５０は、以後同様の動作を行う。

＜実施の形態１：システムの動作手順＞
以下では、電池システム１００が組電池１１０に流れる電流を許容平均電流以内に収めるための動作手順について説明する。

（ステップ１：各時間窓幅の平均電流を取得する）
組電池制御部１５０は、電流検知部１３０より組電池１１０に流れる電流を取得し、図８で説明した手法を用いて、時間窓幅毎の平均電流を求める。具体的には、図７で示した１秒、２秒、５秒、・・・、６０秒の時間窓を設け、現在の時刻から時間窓幅分まで遡った期間内における組電池１１０の充放電電流の絶対値の平均値を求める。組電池１１０に流れる電流の時間履歴については、例えば記憶部１８０に格納して保存しておけばよい。

（ステップ２：許容平均電流を取得する）
組電池制御部１５０は、平均電流監視部１５２により許容平均電流テーブル１８３を読み込んで各時間窓幅の許容平均電流を取得する。

（ステップ３：組電池１１０に流れる電流を制限する）
組電池制御部１５０は、ステップ１で求めた時間窓幅毎の組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値と、ステップ２で取得した時間窓幅毎における許容平均電流とを比較し、時間窓幅毎に平均電流が許容平均電流を超過していないかを確認する。いずれかの時間窓幅における許容平均電流を超過している場合は、平均電流監視部１５２が超過した許容平均電流を電流制限値として採用する。図１１を用いて更に詳しく説明すると、この場合では時間窓２秒において求めた平均電流Ｉａｖｅが、これに対応する許容平均電流であるＸ２を時刻ｔ１で超過したため、平均電流監視部１５２が電流制限値をＸ２に変更する。時間窓５秒で求めた平均電流が対応する許容平均電流Ｘ３を超過した場合は平均電流監視部１５２の電流制限値をＸ３とし、時間窓６０秒で求めた平均電流が許容平均電流Ｘ７を超えた場合は電流制限値をＸ７として採用する。組電池制御部１５０は平均電流監視部１５２が設定した電流制限値と許容電流演算部１５１の出力とを比較して小さい方を採用するため、組電池制御部１５０の最終的な許容電流値は平均電流監視部１５２の電流制限値が小さくなればこれが採用され充放電電流が制限される。本ステップは、図９の時刻ｔ１およびｔ３に相当する。

（ステップ３：組電池１１０に流れる電流を制限する：補足）
本ステップにおいて、平均電流監視部１５２は、上記処理と並行して組電池１１０のＳＯＨを取得する。組電池１１０の劣化が進んでいると認められる場合は、劣化度がより大きい場合における許容平均電流を許容平均電流テーブル１８３から読み出し、上記処理において用いる。組電池１１０の劣化がどの程度進んだ時点で許容平均電流を切り替えるかについては、例えば適当な閾値を用いて判定すればよい。組電池１１０の劣化度毎にテーブルを設けることに代えて演算によって許容平均電流を求める場合も同様である。

（ステップ４：組電池１１０に流れる電流制限を復帰させる）
組電池制御部１５０は、全ての時間窓幅における平均電流が許容平均電流以内に収まった時点で、平均電流監視部１５２の電流制限値をステップ３で制限する前の値に復帰させる。本ステップは、図９の時刻ｔ２に相当する。

（ステップ５：以上の処理を繰り返す）
組電池制御部１５０は、以上のステップ１〜ステップ４の処理を、電池システム１００を動作させる間は繰り返し実行する。これにより、組電池１１０の各時間窓幅における平均電流を、許容平均電流の範囲内に収めることができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る電池システム１００は、時間窓幅毎の許容平均電流を記述した許容平均電流テーブル１８３を備え、その記述にしたがって、各時間窓幅の組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値が時間窓幅毎の許容平均電流に収まるように、電池電流を制御する。これにより、電池システム１００が備える単電池１１１、または組電池１１０を構成するための部品毎の短時間定格電流を考慮して、電池電流を制御することができる。

また、本実施形態１に係る電池システム１００は、組電池１１０の劣化度に応じて減じた許容平均電流を用いて、電池電流を制御する。これにより、組電池１１０の劣化度に合わせて電池電流を最適化し、電池性能を十分に発揮させることができる。

＜実施の形態２＞
実施形態１では、組電池１１０の劣化状態を求める手法として、（ａ）単電池１１１が劣化すると単電池１１１の内部抵抗が上昇することを用いて組電池１１０の劣化状態を求める、（ｂ）組電池１１０の最大充電容量が低下したことを検知することによって組電池１１０の劣化状態を求める、の２手法を例示した。どのような手法を用いて組電池の劣化状態を求めるのが適しているかは、組電池１１０の仕様によって異なると考えられる。

例えば、電気自動車は走行可能距離が比較的長いことが求められるため、電気自動車では、２次電池の最大充電容量の低下が進んだ場合には出力を制限することで走行可能距離の減少を抑えるという手法が考えられる。一方、ハイブリッド電気自動車は瞬間的な出力の大きさが燃費に影響するため、ハイブリッド電気自動車用では、２次電池の内部抵抗の上昇が進んだ場合には出力を制限するように設計される場合が考えられる。

さらには、実施形態１で例示したようなＰＨＥＶ用の２次電池は、電気自動車用の特性とハイブリッド電気自動車用の特性を兼ね備えていることが望ましい。すなわち、ＰＨＥＶ用の電池システム１００は、電気自動車に電力を提供する動作モードとハイブリッド電気自動車に電力を提供する動作モードを切り替えることができるように構成されていることが望ましい。そこで本実施形態２において、組電池制御部１５０は、電気自動車に電力を提供する動作モード（ＥＶモード）とハイブリッド電気自動車に電力を提供する動作モード（ＨＥＶモード）を有する。

平均電流監視部１５２は、組電池制御部１５０がＥＶモードで動作しているときは、組電池１１０の最大充電容量を監視し、これが低下したときはその低下度に応じて組電池１１０が劣化したものと判定する。また、組電池制御部１５０がＨＥＶモードで動作しているときは、組電池１１０の最大充電容量を監視する必要性はあまりないため、それ以外の基準を用いて組電池１１０の劣化度を判定する。具体的には、単電池１１１の内部抵抗を監視し、これが上昇したときはその上昇度に応じて組電池１１０が劣化したものと判定する。

＜実施の形態２：まとめ＞
以上のように、本実施形態２に係る電池システム１００は、ＥＶモードとＨＥＶモードを切り替えることができるように構成されており、ＥＶモードで動作しているときは、組電池１１０の最大充電容量の低下度に応じて組電池１１０の劣化度を求め、その劣化度に対応する許容平均電流を用いて電池電流を制限する。これにより、ＥＶモードで走行するＰＨＥＶに対して最適な性能を提供することができる。

また、本実施形態２に係る電池システム１００は、ＨＥＶモードで動作しているときは、単電池１１１の内部抵抗の上昇度に応じて組電池１１０が劣化度を判定し、その劣化度に対応する許容平均電流を用いて電池電流を制限する。これにより、ＨＥＶモードで走行するＰＨＥＶに対して最適な性能を提供することができる。

＜実施の形態３＞
実施形態１〜２では、時間窓幅毎の平均電流を許容範囲内に収めることを説明した。その具体的な手法として、各窓幅で平均電流Ｉａｖｅを算出し、各窓幅に対応する許容平均電流と比較し、求めた平均電流Ｉａｖｅが許容平均電流を超過した場合は許容平均電流を電流制限値とする制御を実施する（図１１）。ここで、平均電流Ｉａｖｅが制限値を超過していることを検知した場合は、超過した電流分を考慮して電流制限値を決定すると、より最適な制限処理が実現できる。

そこで本発明の実施形態３では、平均電流Ｉａｖｅが許容平均電流を超過した場合に、超過した分を考慮して電流制限値を設定する組電池制御部１５０を提案する。電池システム１００の構成は実施形態１〜２と概ね同様であるため、以下では差異点を中心に説明する。

図１２は、組電池制御部１５０が電池電流の電流制限値を変更する過程を示す図である。実施形態１の図１１では、平均電流監視部１５２が、例えば、時間窓２秒で平均電流Ｉａｖｅを求め、これが許容平均電流Ｘ２を超えた場合に、電流制限値をＸ１からＸ２へと切り替えることを説明した。この手法では平均電流Ｉａｖｅが許容平均電流Ｘ２を超過した分を電流制限値に反映できず、確実に電池電流を制限することができない。そこで本実施形態３では、許容平均電流Ｘ２を超過した場合に電流制限値をＸ１からＸ２へと切り替えるとともに、超過した分だけ電流制限値を変更する。

組電池制御部１５０が備える平均電流監視部１５２は、時間窓幅毎に組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値を求め、図１２に示すように、例えば、時刻ｔ１において時間窓２秒で求めた平均電流Ｉａｖｅが時間窓２秒の許容平均電流Ｘ２を超えたことを検知した場合、式４に示すように平均電流が許容平均電流を超過した分を反映した電流制限値を求める。Ｉａｖｅが許容平均電流を超過したことを反映した電流制限値を用いて電池に出入りする電流値を制限することにより、最適に組電池１１０を充放電制御する。
Ｘ２´＝Ｘ２−（Ｉａｖｅ−Ｘ２）・・・（式４）

＜実施の形態３：まとめ＞
以上のように、本実施形態３に係る電池システム１００は、時間窓幅毎の平均電流が許容平均電流テーブル１８３に記述されている許容平均電流を超過すると、その許容平均電流を超過した分だけ減算した電流制限値を設定する。これにより、平均電流を許容平均電流以内に収めるとともに、超過した電流を考慮した組電池１１０の充放電制御を実現できる。

＜実施の形態４＞
本実施形態では組電池制御部１５０が備える平均電流監視部１５２に変更を加える。実施形態１〜２では窓幅毎に組電池１１０に出入りする電流の絶対値の平均値を求め、許容平均電流を超えた場合は許容平均電流を電流制限値として設定する。ここで、図１１のように窓時間１秒の許容平均電流Ｘ１を電流制限値の初期値とし、窓時間２秒で求めた平均電流が窓時間２秒に対応する許容平均電流Ｘ２を越えた場合は、電流制限値を初期値のＸ１からＸ２へと変更されるため、組電池１１０に出入りする電流を小さくできる。しかしながら、窓時間１秒の許容平均電流Ｘ１を超える平均電流が得られた場合では、電流制限値が初期値のＸ１から許容平均電流であるＸ１に変更されることとなる。すなわち、結果として電流制限値が変更されないため、組電池１１０の充放電電流を小さく制限できない。

そこで、本実施形態では、窓時間１秒における許容平均電流Ｘ１を超える平均電流が得られた場合は、実施形態３で記載した処理を実施するものとし、許容平均電流を超過した分を考慮して電流制限値を決定する。

具体的には、式４に示すように、窓時間１秒の許容平均電流Ｘ１を超える平均電流を検知した場合は、平均電流が許容平均電流Ｘ１を越えた分だけＸ１を小さくした結果を電流制限値として設定する。これにより、許容平均電流Ｘ１を超えた場合に、初期の電流制限値Ｘ１をＸ１へと変更、すなわち、事実上、電流制限値が変更されない事態を回避することができる。

なお、実施形態３記載の許容平均電流以上の平均電流を検知した場合に許容平均電流超過分を減算した電流制限値を設定する処理を、許容平均電流Ｘ１のみならず、Ｘ２やＸ３まで拡張し、適用範囲を広げることができる。閾値未満の許容平均電流を越える平均電流を検知した場合に実施形態１記載の処理（許容平均電流を電流制限値に設定）を実行し、閾値以上の許容平均電流を越える平均電流を検知した場合に実施形態３記載の処理（許容平均電流超過分を反映して電流制限値を設定）を実行すればよい。

本実施形態では、許容平均電流に応じて電流制限値の設定方法を変更し、組電池１１０に出入りする電流を小さく制限できる電池システム１００を提供できる。

＜実施の形態５＞
図１３は、組電池制御部１５０が備える平均電流監視部１５２が、電池電流を制限している様子を示す図である。実施形態１の図９では、平均電流監視部１５２が設定する電流制限値を瞬時に切り替えるよう記載しているが、図１３に示すように、ある程度の勾配を設けて緩やかに電流制限値を変化させてもよい。また、電流制限値を低い値に切り替えるときと高い値に切り替えるときの双方で勾配を設けてもよいし、低い値に切り替えるときと高い値に切り替えるときの勾配の度合いを変えても良く、いずれか一方のみに勾配を設けてもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、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言うまでもない。

また、上記各構成、機能、処理部などは、それらの全部または一部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアとして実現することもできるし、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することもできる。各機能を実現するプログラム、テーブルなどの情報は、メモリやハードディスクなどの記憶装置、ＩＣカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に格納することができる。

１００：電池システム、１１０：組電池、１１１：単電池、１１２：単電池群、１２０：単電池管理部、１２１：単電池制御部、１２２：電圧検出回路、１２３：制御回路、１２４：信号入出力回路、１２５：温度検知部、１３０：電流検知部、１４０：電圧検知部、１５０：組電池制御部、１６０：信号通信手段、１７０：絶縁素子、１８０：記憶部、１８１：平均電流テーブル、１８２：ＳＯＣテーブル、２００：車両制御部、３００〜３３０：リレー、４００：インバータ、４１０：モータジェネレータ、４２０：充電器。

Claims

単電池が複数接続された組電池を制御する制御部と、
前記単電池または前記組電池に流れる電流を測定する電流測定部と、
前記組電池の劣化度を取得する劣化度取得部と、
複数の異なる時間窓幅における前記電流の絶対値の平均値の上限を前記時間窓幅毎に示した許容平均電流特性情報、および前記電流の上限値を格納する記憶部と、
を備え、
前記制御部は、
前記時間窓幅毎に求めた前記電流の絶対値の平均値が、前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値の上限以内に収まるように、前記電流を制御し、
前記組電池が劣化したことを前記劣化度取得部が検知したときは、前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、当該時間窓幅における前記電流の絶対値の平均値が、前記組電池の劣化度に応じて前記上限を減じた値以内に収まるように、前記電流を制御し、
前記電流が前記記憶部に記憶されている前記上限値を超過した場合は、前記記憶部に記憶されている前記上限値をその超過分だけ小さく変更した上で変更後の前記上限値にしたがって前記電流を制御する
ことを特徴とする電池制御装置。
前記劣化度取得部は、
前記単電池の内部抵抗が上昇したことを検知することによって、前記組電池の劣化度を検知し、
前記制御部は、
前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、前記単電池の内部抵抗が上昇した度合いに応じて、前記平均値の上限を減じる
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記劣化度取得部は、
前記組電池の最大充電容量が低下したことを検知することによって、前記組電池の劣化度を検知し、
前記制御部は、
前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、前記組電池の最大充電容量が低下した度合いに応じて、前記平均値の上限を減じる
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記組電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードで前記組電池を動作させるときは、前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、前記単電池の内部抵抗が上昇した度合いに応じて、前記平均値の上限を減じる
ことを特徴とする請求項２記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記組電池の動作モードを、電気自動車に電力を供給する動作モードと、ハイブリッド電気自動車に電力を供給する動作モードとで切り替えて動作させ、
電気自動車に電力を供給する動作モードで前記組電池を動作させるときは、前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、前記組電池の最大充電容量が低下した度合いに応じて、前記平均値の上限を減じる
ことを特徴とする請求項３記載の電池制御装置。
前記記憶部は、
前記許容平均電流特性情報を前記組電池の劣化度毎に格納しており、
前記許容平均電流特性情報は、
前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、前記組電池の劣化度に応じて前記上限を減じた値を記述しており、
前記制御部は、
前記組電池が劣化したことを前記劣化度取得部が検知したときは、前記組電池の劣化度に対応する前記許容平均電流特性情報が記述している前記上限を用いて、前記電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記組電池が劣化したことを前記劣化度取得部が検知したときは、前記時間窓幅のうち少なくともいずれかにおいて、前記組電池の劣化度に応じて前記上限を減じた値を算出し、当該時間窓幅における前記電流の絶対値の平均値が、前記減じた後の上限以内に収まるように、前記電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記時間窓幅毎に求めた前記電流の絶対値の平均値と、前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値とをそれぞれ比較し、いずれかの時間窓幅に対応する値が超過した場合は、
前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値のうち超過した時間窓幅に対応する値が前記電流の最大値となるように、前記電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記時間窓幅毎に求めた前記電流の絶対値の平均値と、前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値とをそれぞれ比較しいずれかの時間窓幅に対応する値が超過した場合は、
前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値のうち超過した時間窓幅に対応する値から、前記超過分を差し引いた値を前記電流の最大値となるように、前記電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記制御部は、
前記時間窓幅毎に求めた前記電流の絶対値の平均値と、前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値とをそれぞれ比較し、いずれかの時間窓幅に対応する値を超過した場合は、
前記電流の絶対値の平均値が前記許容平均電流特性情報に示される所定の平均値以上であるか否かを判断し、
前記電流の絶対値の平均値が前記所定の平均値未満である場合は、前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値のうち超過した時間窓幅に対応する値が前記電流の最大値となるように、前記電流を制御し、
前記電流の絶対値の平均値が前記所定の平均値以上である場合は、前記許容平均電流特性情報に示される前記時間窓幅毎の平均値のうち超過した時間窓幅に対応する値から、前記超過分を差し引いた値を前記電流の最大値となるように、前記電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記許容平均電流特性情報は、最も短い前記時間窓幅に対応する値として、最大の平均値を記述している
ことを特徴とする請求項１０記載の電池制御装置。
前記許容平均電流特性情報には電池制御装置を構成するための一つ以上の部品における短時間定格電流値が記述されている
ことを特徴とする請求項１０記載の電池制御装置。
前記許容平均電流特性情報には電池制御装置を構成するための一つ以上の部品における短時間定格電流値が記述されている
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記単電池および前記組電池の端子間電圧を測定する電圧測定部を備え、
前記制御部は、
少なくとも電圧測定部と電流測定部の測定情報に基づき前記単電池の許容電流を算出し、
前記単電池または前記組電池に流れる電流が、前記許容平均電流特性情報から求めた電流と前記許容電流のうちいずれか小さいほう以下になるように、前記電流を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
前記記憶部は、
前記単電池の開回路電圧と充電状態の対応関係を記述したＳＯＣの特性情報を格納し、
前記制御部は、
前記単電池若しくは組電池の測定又は推定した開回路電圧と前記ＳＯＣの特性情報を用いて前記単電池若しくは組電池の現在の充電状態を常時取得するか、または電流測定部が測定した組電池に流れる電流を積分することで前記単電池若しくは組電池の現在の充電状態を常時取得し、その値を用いて前記組電池の許容電流を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の電池制御装置。
請求項１記載の電池制御装置と、
単電池が複数接続された組電池と、
を有し、
前記電池制御装置は、前記単電池または前記組電池を制御する
ことを特徴とする電池システム。