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JP4530078B2 - 蓄電制御装置及び車両 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の蓄電素子を一組とした複数の蓄電ブロックを電気的に直列に接続した蓄電体の充電及び放電を制御する蓄電制御装置に関するものである。
電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車の駆動用または補助電源として、複数の蓄電素子を直列に接続した蓄電体が知られている。一般に、二次電池などの蓄電体は、温度が低下すると十分な出力を得ることができない。このため、従来、蓄電体の温度を昇温させるために、蓄電体を強制的に連続充電、連続放電させる方法が知られている。
特許文献1は、車両の運転状況やバッテリの残存容量に応じて適切に充放電を制御し、バッテリの内部発熱による温度上昇を促進してバッテリ容量を早期に回復させる方法を開示する。
特開2006−174597号公報 特開平8−140206号公報
しかしながら、各蓄電素子の内部抵抗は、各蓄電素子の温度に応じて変化する。すなわち、蓄電素子の温度及び内部抵抗には相関関係があり、図6に示すように、蓄電素子の温度が低くなると内部抵抗が大きくなる。
各蓄電素子に流れる電流値は同じであるため、温度の低い蓄電素子において、連続放電又は連続充電の際の電圧降下量が大きくなる。蓄電素子の電圧値が所定値よりも小さくなると劣化が進行し、蓄電体の寿命を短くするおそれがある。
ここで、各蓄電素子に電圧センサを取り付けることにより、電圧降下量の大きい蓄電素子を特定することができる。しかしながら、この方法では、電圧センサの数が多くなり、コストが増大する。
そこで、本願発明は、蓄電体の劣化を抑制しながら蓄電体の充電及び放電を交互に行う蓄電制御装置を低コストで提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の蓄電制御装置は、(1)それぞれ複数の蓄電素子を一組とした複数の蓄電ブロックを直列に接続した蓄電体の充電及び放電を制御する蓄電制御装置であって、前記複数の蓄電ブロックに含まれる第1及び第2の蓄電ブロックの電圧値をそれぞれ検出するための第1及び第2の電圧センサを有し、前記蓄電体を充電する充電モードと、前記蓄電体を放電させる放電モードとを交互に行う充放電処理を行う際に、前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差の大小に基づいて、前記充電モード及び前記放電モードのうち一方のモードを他方のモードに切り替えることを特徴とする。
(1)の構成によれば、蓄電体の劣化を抑制しながら蓄電体の充電及び放電を交互に行うことができる。また、電圧センサの数を削減して、コストを減らすことができる。
(2)(1)の構成において、前記充放電処理の際に、前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差が設定値よりも高い場合には、前記一方のモードを前記他方のモードに切り替えることができる。(3)(1)の構成において、前記充放電処理の際に、前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差が拡大した場合には、前記一方のモードを前記他方のモードに切り替えることができる。これらの(2)及び(3)は、(1)の構成の「前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差の大小に基づいて」の意味を明確にしたものである。
(4)(1)〜(3)の構成において、前記充放電処理は、前記蓄電体の温度が設定温度以下である場合に行うことができる。つまり、前記充放電処理は、蓄電体を昇温させるために行われる。これにより、蓄電体の出力を向上させることができる。
(5)(1)〜(4)の構成において、前記一方のモードは前記放電モードであり、前記他方のモードは前記充電モードとすることができる。放電モード(連続放電)の場合に、特に電圧降下が起こりやすいため、蓄電体の劣化を効果的に抑制することができる
(6)(5)の構成において、前記充放電処理の際に、前記放電モードにおいて前記蓄電体から放電された放電量に相当する分だけ、前記充電モードにおいて前記蓄電体を充電することができる。これにより、蓄電体の蓄電量の大幅な変動を抑制できる。
(7)(1)〜(6)の構成において、前記充放電処理は、該蓄電体の蓄電量の目標値となる目標蓄電量を中心とした設定範囲で行うのが好ましい。これにより、目標蓄電量を中心とした設定範囲に蓄電体の蓄電量を維持することができる。
(8)(7)の構成において、前記充放電処理を行う前に、前記蓄電体の蓄電量が前記設定範囲外である場合には、前記蓄電体を充電又は放電させることにより、前記蓄電体の蓄電量を前記設定範囲内に変化させるのが好ましい。これにより、前記設定範囲に蓄電体の蓄電量を変化させてから、前記充放電処理を行うことができる。
(9)(1)〜(8)の構成において、前記第1及び第2の蓄電ブロックは、隣接して配置されている。温度差のつきにくい蓄電ブロックの電圧差に基づくことにより、蓄電素子の電圧降下の誤検出をより効果的に防止できる。
(10)(1)〜(9)の構成において、前記蓄電体として、二次電池を用いることができる。
本発明によれば、蓄電体の劣化を抑制しながら蓄電体の充電及び放電を交互に行う蓄電制御装置を低コストで提供することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
本発明の実施例1である蓄電制御装置について、図面を用いながら説明する。ここで、図1は、本実施例の蓄電制御装置の回路構成を示すブロック図である。
図1において、組電池(蓄電体)10は、複数の電池ブロック(蓄電ブロック)12が電気的に直列に接続された構成を有している。本実施例では、14個の電池ブロック12A〜12Nを直列に接続している。各電池ブロック12A〜12Nは、この順序で配列されている。各電池ブロック12A〜12Nは、複数の単電池(蓄電素子)11からなる。これらの単電池11は、電気的に直列に接続されている。各電池ブロック12A〜12Nに含まれる単電池11の個数は、互いに同数であり、本実施例では12個に設定している。電池ブロック12及び単電池11の個数は、組電池10の使用目的に応じて適宜変更することができる。
組電池10における総プラス端子及び総マイナス端子には、配線を介してインバータ20が電気的に接続されている。インバータ20は、モータ30に電気的に接続されており、組電池10の出力を用いてモータ30を駆動する。
ここで、本実施例の組電池10は、車両(不図示)に搭載されており、モータ30を駆動することにより、車両を走行させることができる。また、車両の制動時には、発電機としてのモータジェネレータ(不図示)を用いて発生させた電力を、組電池10に充電することができる。上述した車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車が挙げられる。ハイブリッド自動車とは、組電池10の他に、車両を走行させるための内燃機関や燃料電池といった他の動力源を備えた車両である。また、電気自動車とは、組電池10の出力だけを用いて走行する車両である。
組電池10を構成する単電池11には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。なお、二次電池の代わりに、蓄電素子としての電気二重層キャパシタを用いることもできる。
各電池ブロック12A〜12Nにはそれぞれ、電圧センサ40A〜40Nが接続されている。各電圧センサ40A〜40Nは、対応する電池ブロック12A〜12Nの電圧(以下、ブロック電圧という)を検出し、この検出結果をコントローラ50に出力する。コントローラ50は、隣接する電池ブロック12A(第1の蓄電ブロック)及び電池ブロック12B(第2の蓄電ブロック)の電圧差の大小に基づき、後述する組電池10の昇温制御を行う。なお、電圧センサ40A及び40Bはそれぞれ、特許請求の範囲に記載の第1及び第2の電圧センサに相当する。
組電池10には、温度センサ(例えば、サーミスタ)60が設けられている。温度センサ60は、コントローラ50に接続されている。コントローラ50は、温度センサ60から出力される温度情報に基づき、組電池10の温度を常時監視している。コントローラ50は、組電池10の温度が設定温度よりも低い場合には、組電池10に対して昇温制御を行う。ここで、昇温制御とは、組電池10を強制的に充放電させることである。組電池10を強制的に充放電させることにより、組電池10の温度を上昇させることができる。これにより、組電池10の電池出力を向上させることができる。
組電池10の設定温度は、要求出力に対応した電池出力を得るという観点から、単電池11の種類に応じて適宜設定することができる。例えば、単電池11としてリチウムイオン電池を使用した場合には、組電池10の設定温度を−10℃に設定することができる。
ここで、上述したように、組電池10を連続的に放電又は充電させると、より温度の低い単電池11の電圧が大きく降下して、組電池10の劣化が進行する。本発明者等は、電圧降下量の大きい単電池11を含む電池ブロック12と電圧降下量の少ない単電池11を含む別の電池ブロック12とにおいて、ブロック電圧の差が大きくなることを発見した。そこで、昇温制御の際に、ブロック電圧の差が所定値以上である場合には、組電池10を放電から充電又は充電から放電に切り替え、組電池10の劣化を抑制している。
本実施例では、隣接する電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差に基づき、組電池10を放電から充電又は充電から放電に切り替える。隣接する電池ブロック12は、通常、温度差が小さいため、単電池11の電圧降下の誤検出を効果的に防止できる。ただし、隣接していない電池ブロック12(例えば、電池ブロック12A及び12C)のブロック電圧の差に基づき、組電池10の昇温制御を行ってもよい。
コントローラ50は、メモリ50Aを有しており、メモリ50Aには、後述するように組電池10の昇温制御を行うときに用いられる蓄電量(以下、SOC(state of charge)という)の変化量、つまり、ΔSOCが記憶される。なお、本実施例では、メモリ50Aをコントローラ50内に設けているが、コントローラ50とは別に設けてもよい。コントローラ50と、電圧センサ40A及び40Bとにより、特許請求の範囲に記載の蓄電制御装置が構成される。
コントローラ50は、組電池10の蓄電量の目標値となる目標蓄電量を中心とした設定範囲において昇温制御が行われるように、組電池10の充電及び放電を制御する。本実施例では、目標蓄電量を60%、設定範囲の下限値を55%、上限値を65%に設定している。これらの数値は、組電池10の使用目的などに応じて適宜変更することができる。
各電池ブロック12の電圧降下を検知する方法として、各電池ブロック12の標準電圧をメモリ50Aに記憶させておき、このメモリ50Aから読み出された標準電圧とブロック電圧とを比較して、差が所定量以上である場合には、放電モードから充電モード又は充電モードから放電モードに切り替える方法が考えられる。しかしながら、この方法では、各電池ブロック12の標準電圧が使用状況に応じて異なるため、使用状況に応じた多数の標準電圧をメモリ50Aに記憶させなければならない。そのため、昇温制御が煩雑となり、コストが増大する。これに対して、本実施例によれば、コストを削減しながら、より簡素な方法で昇温制御を行うことができる。
次に、図2を参照しながら、組電池10の昇温制御について具体的に説明する。図2は、組電池10の昇温制御の手順を示すフローチャートである。下記の昇温制御は、コントローラ50によって実行される。
ステップS101(図面では、「S101」と省略する)において、温度センサ60から出力される温度情報に基づき、組電池10の温度が−10℃未満であるかどうかを判別する。ステップS101において、組電池10の温度が−10℃未満である場合には、ステップS102に進む。
ステップS102において、コントローラ50内のメモリ50Aに記憶されたΔSOCをリセットする。なお、メモリ50Aには、前回の昇温制御の際にメモリ50Aに記憶されたΔSOCが記憶されているものとする。
ステップS103において、組電池10に対して放電を要求する。組電池10の放電量は、コントローラ50において監視される。ステップS104において、放電直後のΔSOCをメモリ50Aに記憶する。なお、昇温制御の開始後に組電池10から放電された放電量をΔSOCとしている。換言すると、放電モードにおける組電池10の蓄電量の減少量をΔSOCとしている。
ステップS105において、電圧センサ40A及び40Bからの出力信号に基づき、電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差を算出し、このブロック電圧の差が0.2V(設定値)よりも大きいか否かを判別する。ブロック電圧の差が0.2Vよりも大きい場合には、組電池10の放電を停止させ、ステップS107に進む。本実施例では、モード切り替えを行う際のブロック電圧の差を0.2Vに設定したが、比較される電池ブロック12、組電池10の使用条件などに応じて適宜変更することができる。ステップS107において、組電池10を放電モードから充電モードに切り替える。
このように、電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差が0.2Vよりも大きい場合には、組電池10の放電を停止させることにより、より温度の低い単電池11において過剰な電圧降下が起こるのを抑制できる。これにより、組電池10の劣化を抑制できる。
また、電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差の大小に基づき、電圧降下を推定できるため、個々の単電池11に独立して電圧センサを設ける必要がなくなる。これにより、コストを削減することができる。
ステップS105において、電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差が0.2V以下である場合には、ステップS106に進む。ステップS106では、組電池10のSOCが55%まで低下したかどうかを判別する。ステップS106において、組電池10のSOCが55%まで低下した場合には、ステップS107に進み、組電池10を放電モードから充電モードに切り替える。
ステップS106において、組電池10のSOCが55%まで低下していない場合には、ステップS103に戻り、放電モードが続行される。このように、電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差が0.2V以下である場合には、放電モードを続行しても、過剰な電圧降下が起こらない。したがって、組電池10の劣化を抑制しながら、組電池10の温度を上昇させることができる。なお、ステップS106からステップS103に戻ると、ステップS104にてΔSOCが更新される。
ステップS107において、組電池10が充電モードに切り替わると、ステップS108に進む。ステップS108において、組電池10のSOCが65%まで上昇したかどうかを判別する。ステップS108において組電池10のSOCが65%まで上昇した場合には、ステップS101に戻る。このように、本実施例では、ブロック電圧の差を、放電モード(連続放電)のときにのみ検出し、充電モード(連続充電)のときには検出しない構成にしている。その理由は、放電モードのときに、特に電圧降下が起こりやすいからである。これにより、組電池10の昇温制御を簡素化できる。
ステップS108において、組電池10のSOCが65%まで上昇していない場合には、ステップS109に進む。ステップS109では、メモリ50Aに記憶されたΔSOCを読み出し、このΔSOCに相当する分だけ充電が行われたかどうかを判別する。ΔSOCに相当する分だけ充電が行われていない場合には、ステップS107に進み、組電池10の充電モードを続行する。ΔSOCに相当する分だけ充電が行われた場合には、ステップS101に戻る。
このように、本実施例では、放電モードから充電モードに切り替わる際に、放電されたΔSOCに相当する分だけ充電されるように処理を行うため、昇温制御の際に組電池10のSOCが大きく変動するのを抑制できる。
図2のフローチャートにおいて、組電池10の温度が−10℃よりも高い温度に昇温した後、直ちに昇温制御を中止することもできる。
次に、昇温制御の一例を図3に示す。図3は、昇温制御の一例を示したタイミングチャートであり、横軸は時間、縦軸はSOCを示している。昇温制御の開始時に、SOCは63%(以下、初期SOCという)に設定されているものとする。
組電池10が放電されると、組電池10の昇温動作が開始される。なお、昇温動作を開始する前の組電池10の温度は、−20℃であるものとする。組電池10がさらに放電されると、1回目の電圧降下が起こる。1回目の電圧降下が起こったときの組電池10のSOC(以下、第1降下SOCという)は59%である。
1回目の電圧降下が起こると、直ちに、放電モードから充電モードに組電池10のモードが切り替わる。このときの充電量は、初期SOC(63%)から第1降下SOC(59%)を減じた値、つまり、4%(ΔSOC)である。したがって、充電モードに切り替わると、組電池10のSOCは63%に戻る。
組電池10のSOCが63%に戻ると、直ちに、充電モードから放電モードに組電池10のモードが切り替わる。組電池10がさらに放電されると、2回目の電圧降下が起こる。2回目の電圧降下が起こったときの組電池10のSOC(以下、第2降下SOCという)は58%である。
2回目の電圧降下が起こると、直ちに、放電モードから充電モードに組電池10のモードが切り替わる。このときの充電量は、初期SOC(63%)から第2降下SOC(58%)を減じた値、つまり、5%(ΔSOC)である。したがって、充電モードに切り替わると、組電池10のSOCは63%に戻る。
組電池10のSOCが63%に戻ると、直ちに、充電モードから放電モードに組電池10のモードが切り替わる。組電池10がさらに放電されると、3回目の電圧降下が起こる。3回目の電圧降下が起こったときの組電池10のSOC(以下、第3降下SOCという)は57%である。
3回目の電圧降下が起こると、直ちに、放電モードから充電モードに組電池10のモードが切り替わる。このときの充電量は、初期SOC(63%)から第3降下SOC(57%)を減じた値、つまり、6%(ΔSOC)である。したがって、充電モードに切り替わると、組電池10のSOCは63%に戻る。これにより、組電池10の温度が−10℃以上に上昇した。
(実施例2)
次に、図4を参照しながら、実施例2について説明する。図4は、昇温制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、蓄電制御装置の回路構成は、実施例1と同様である。本実施例では、実施例1のステップS101とステップS102との間に下記の昇温制御を組み込んでいる。
ステップS101において、組電池10の温度が−10℃よりも低い場合には、ステップS201に進む。ステップS202では、組電池10のSOCが55%以上か否かを判別する。組電池10のSOCが55%以上である場合には、実施例1のステップS102に進む。
組電池10のSOCが55%よりも低い場合には、ステップS202に進む。ステップS202において、組電池10に対して充電要求を行う。組電池10の充電量は、コントローラ50において監視される。ステップS202におおいて充電要求が行われると、ステップS203に進む。
ステップS203において、電池ブロック12A及び12Bから出力された信号に基づきブロック電圧の差を算出し、このブロック電圧の差が0.2Vよりも大きいか否かを判別する。ブロック電圧の差が0.2Vよりも大きい場合には、組電池10の放電を停止させ、実施例1のステップS102に進む。電圧値の差が0.2V以下である場合には、ステップS204に進む。
ステップS204において、組電池10のSOCが60%以上か否かを判別する。組電池10のSOCが60%以上である場合には、実施例1のステップS102に進む。組電池10のSOCが60%未満である場合には、ステップS202に戻る。なお、上述のステップS201〜ステップS204の処理中に、組電池10の温度が−10℃よりも高くなった場合には、直ちに昇温制御を中止することもできる。
このように、組電池10の充放電をブロックの電圧値の差の大小に基づき切り替えることにより、電池劣化を抑制しながら、組電池10を昇温させることができる。
また、本実施例では、組電池10の蓄電量の目標値となる目標蓄電量(60%)まで、組電池10のSOCを上昇させてから、実施例1の昇温制御を実行している。これにより、目標蓄電量(60%)の近傍で昇温制御を行うことができる。なお、目標蓄電量及び所定の範囲については、電池の種類その他の条件に応じて適宜変更することができる。
次に、昇温制御の一例を図5に示す。図5は、昇温制御の一例を示したタイミングチャートであり、横軸は時間、縦軸はSOCを示している。昇温制御の開始時のSOCは、40%(以下、初期SOCという)である。
組電池10の昇温制御が開始されると、組電池10のSOCが60%に上昇するまで、図4に示すステップS202→ステップS203→ステップS204の処理が繰り返される。
これにより、組電池10のSOCを、目標蓄電量(60%)を中心とした所定の範囲(55〜65%)に上昇させた後に、実施例1同様の昇温制御を行うことができる。
(変形例)
上述の実施例1及び2では、ブロック電圧の差が設定値(0.2V)よりも大きいか否かで、充電モード及び放電モードの切り替えを行ったが、ブロック電圧の差が拡大したか否かで充電モード及び放電モードの切り替えを行っても良い。例えば、実施例1の構成において、組電池10に放電を要求(ステップS103)した直後のブロック電圧の差(以下、基準差という)をメモリ50Aに記憶させておき、その後に測定されたブロック電圧の差が基準差よりも大きい場合には、放電モードから充電モードに切り替えることができる。これにより、電圧センサ40に誤差があっても、電圧降下が起こったことを確実に検知することができる。
実施例1の充電モードにおいて、電池ブロック12A及び12Bのブロック電圧の差を検出し、ブロック電圧の差が0.2Vよりも大きい場合には、放電モードに切り替えるように構成することもできる。
実施例2において、昇温制御を開始する前の組電池10のSOCが65%よりも高い場合には、下記のように組電池10の充放電を制御することもできる。まず、組電池10を放電モードに設定して放電を行い、放電後にブロック電圧の差が0.2V以上になると、充電モードに切り替える(ただし、充電量は放電量よりも少なくする)。このモード切り替えを交互に行うことにより、組電池10のSOCを55〜60%まで低下させる。つまり、組電池10のSOCを55〜60%に変化させてから、実施例1の昇温制御を実行する。これにより、実施例2と同様の効果を得ることができる。
蓄電制御装置のブロック図である。 昇温制御のフローチャートである。 昇温制御のタイミングチャートである。 実施例2の昇温制御のフローチャートである。 実施例2の昇温制御のタイミングチャートである。 電池の温度と内部抵抗との相関関係を示す相関グラフである。
符号の説明
11 単電池
12 電池ブロック
20 インバータ
30 モータ
40 電圧センサ
50コントローラ

Claims (11)

  1. それぞれ複数の蓄電素子を一組とした複数の蓄電ブロックを直列に接続した蓄電体の充電及び放電を制御する蓄電制御装置であって、
    前記複数の蓄電ブロックに含まれる第1及び第2の蓄電ブロックの電圧値をそれぞれ検出するための第1及び第2の電圧センサを有し、
    前記蓄電体を充電する充電モードと、前記蓄電体を放電させる放電モードとを交互に行う充放電処理を行う際に、前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差の大小に基づいて、前記充電モード及び前記放電モードのうち一方のモードを他方のモードに切り替えることを特徴とする蓄電制御装置。
  2. 前記充放電処理の際に、前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差が設定値よりも高い場合には、前記一方のモードを前記他方のモードに切り替えることを特徴とする請求項1に記載の蓄電制御装置。
  3. 前記充放電処理の際に、前記第1及び第2の電圧センサにより検出された電圧値の差が拡大した場合には、前記一方のモードを前記他方のモードに切り替えることを特徴とする請求項1に記載の蓄電制御装置。
  4. 前記充放電処理は、前記蓄電体の温度が設定温度以下である場合に行われることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  5. 前記一方のモードは前記放電モードであり、前記他方のモードは前記充電モードであることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  6. 前記充放電処理の際に、前記放電モードにおいて前記蓄電体から放電された放電量に相当する分だけ、前記充電モードにおいて前記蓄電体を充電することを特徴とする請求項5に記載の蓄電制御装置。
  7. 前記充放電処理は、該蓄電体の蓄電量の目標値となる目標蓄電量を中心とした設定範囲で行われることを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  8. 前記充放電処理を行う前に、前記蓄電体の蓄電量が前記設定範囲外である場合には、前記蓄電体を充電又は放電させることにより、前記蓄電体の蓄電量を前記設定範囲内に変化させることを特徴とする請求項7に記載の蓄電制御装置。
  9. 前記第1及び第2の蓄電ブロックは、隣接していることを特徴とする請求項1乃至8のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  10. 前記蓄電体は、二次電池であることを特徴とする請求項1乃至9のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  11. 請求項1乃至10のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置を搭載した車両。
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