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JP5725444B2 - 蓄電システム - Google Patents

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Description

この発明は、蓄電システムに係り、特に蓄電装置を並列接続した電源管理、電気負荷の制限制御を行う蓄電システムに関する。
従来、非常用電力供給装置等で、蓄電容量を増やすために、蓄電装置を並列接続した蓄電システムがある。この蓄電システムの電流の入出力は、蓄電装置の性能に余力を持って行われている。
特開2009−33936号公報 特許第4057193号公報 特開2001−95163号公報 特開2004−28861号公報 特開2004−31014号公報 特開2004−31123号公報 特開2008−153150号公報
特許文献1に係る並列接続蓄電システムは、蓄電素子列毎にシステムと接続・切離しを行う複数のスイッチと、複数の蓄電素子列間の電圧差を検出する電圧監視手段と、検出された電圧差が所定値以内の蓄電素子列が1又は複数存在する時に蓄電素子列に対するスイッチのみを投入する制御手段とを設け、並列投入時の過電流等の不具合を防止するものである。
特許文献2に係る電池並列使用時の異常検出方法は、直列に接続された二次電池が並列に接続される電池並列接続回路において、各電池の温度を検出し、この各電池の温度差に基づいて回路の過充電・過放電等の異常を検出するものである。
特許文献3に係る負荷電流を分担する複数の並列電池の制御装置は、複数の並列接続された電池の夫々を制御して、負荷要素を均等に分担するものである。
特許文献4に係る並列接続電池の電圧検出方法および電圧検出装置は、セルの内部抵抗値、セルの負荷時電圧、セルの電流値を用いて、並列に接続された単電池毎の開放電圧値を推定するものである。
特許文献5に係る並列接続電池を含む組電池の最大充放電電力演算方法および装置は、組電池の最大放電電力を算出するときに、並列電池毎の最大放電電力が最小となる並列電池の放電電力に応じて組電池の最大放電電力を算出し、この組電池の最大放電電力を算出するときには、並列電池毎の最大充電電力が最小となる並列電池の放電電力に応じて組電池の最大充電電力を算出し、並列に接続された電池を適切な領域で使用するように最大充放電電力を演算するものである。
特許文献6に係る並列接続された組電池の容量演算方法および装置は、並列に接続された電池の内部抵抗を算出し、これに補正係数を加えて、単電池の状態を考慮して電池の容量を演算するものである。
特許文献7に係る並列組電池は、電池の各ラインに開閉器と、各電池の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段とを設け、内部抵抗値が設定値を超えた単電池の存在するラインを切り離し、劣化した電池によって引き起こされる使用可能な容量の低下を防止するものである。
ところが、近年開発が進むハイブリッド自動車、電気自動車等の蓄電装置においては、温度環境等、蓄電装置にとっては苛酷な条件下で性能限界に近い大電流の入出力を余儀なくされる。例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等で、蓄電装置を並列接続した蓄電システムを搭載する場合に、夫々の蓄電装置を常に監視する必要があり、システム全体の制御が煩雑になるという不都合があった。
そこで、この発明の目的は、複数の蓄電装置の管理を容易にすること、蓄電装置の並列数を容易に増減できる拡張性の高いシステムとすること、複数の蓄電装置の管理制御を構築することができる蓄電システムを提供することにある。
この発明は、蓄電装置を備えて並列に接続された複数の単位モジュールと、前記蓄電装置の電力により駆動される電気負荷とを備えた蓄電システムにおいて、前記蓄電装置のステータス情報としての電流と電圧と温度とを取得し、前記取得したステータス情報から電流制限値及びSOCを算出し、前記取得したステータス情報と前記算出した電流制限値及びSOCとを出力する制御装置と、前記各単位モジュールの前記各制御装置から前記ステータス情報と前記電流制限値及び前記SOCとを取得し、前記取得した前記ステータス情報と前記電流制限値及び前記SOCとを前記各単位モジュールの相互について比較し、前記ステータス情報と前記電流制限値及び前記SOCとの夫々の最悪値に基づいて前記電気負荷の駆動の制限制御を行う総合制御装置とを備えることを特徴とする。
この発明の蓄電システムは、複数の蓄電装置の管理を容易とし、蓄電装置の並列数を容易に増減できる拡張性の高いシステムとし、複数の蓄電装置の管理制御を構築することができる。
図1は蓄電システムの構成図である。(実施例) 図2は蓄電システムの構成図である。(変形例)
この発明は、複数の蓄電装置の管理を容易とし、蓄電装置の並列数を容易に増減できる拡張性の高いシステムとし、複数の蓄電装置の管理制御を構築する目的を、容量変更に代表される仕様変更を容易にできるように蓄電装置を並列接続した制御システムを構築して実現するものである。
図1は、この発明の実施例を示すものである。
図1において、1はハイブリッド自動車、電気自動車等の車両に搭載される蓄電システムである。
この蓄電システム1は、並列に接続した複数の単位モジュールとして、第1の単位モジュール2Aと第2の単位モジュール2Bとを備える。
第1の単位モジュール2Aは、第1の蓄電装置(高電圧バッテリ)3Aと、この第1の蓄電装置3Aのステータスを管理可能な第1の制御装置(バッテリコントローラ)4Aと、ステータス情報を検出する第1のステータス情報検出装置(センサ)5Aとを備えている。この第1のステータス情報検出装置5Aは、第1の単位モジュール2Aのステータス情報として電流・総電圧・セル電圧・温度等を検出し、その検出したステータス情報を第1の制御装置4Aに出力する。
第2の単位モジュール2Bは、第2の蓄電装置(高電圧バッテリ)3Bと、この第2の蓄電装置3Bのステータスを管理可能な第2の制御装置(バッテリコントローラ)4Bと、ステータス情報を検出する第2のステータス情報検出装置(センサ)5Bとを備えている。この第2のステータス情報検出装置5Bは、第2の単位モジュール2Bのステータス情報として電流・総電圧・セル電圧・温度等を検出し、その検出したステータス情報を第2の制御装置4Bに出力する。
第1の単位モジュール2Aと第2の単位モジュール2Bとは並列に接続されているため、第1の蓄電装置3A及び第2の蓄電装置3Bへの電流流入量は、同型なので、略等しいものである。
第1の単位モジュール2Aの第1の制御装置4A・第2の単位モジュール2Bの第2の制御装置4Bは、第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bのステータス情報としての電流・総電圧・セル電圧・温度等を入力して後述の統合制御装置11に出力する。
また、蓄電システム1には、第1の単位モジュール2A及び第2の単位モジュール2Bと並列接続して、第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bの電力を用いて駆動制御する電気負荷6としての駆動モータ7と外部充電器8とが設けられているとともに、DC/DCコンバータ9と発電機10とが設けられている。
第1の単位モジュール2Aの第1の制御装置4A、第2の単位モジュール2Bの第2の制御装置4B、駆動モータ7、外部充電器8、DC/DCコンバータ9、そして発電機10は、統合制御装置11に接続している。
統合制御装置11は、第1の単位モジュール2Aの第1の制御装置4A・第2の単位モジュール2Bの第2の制御装置4Bから第1の単位モジュール2Aの第1の蓄電装置3A・第2の単位モジュール2Bの第2の第2の蓄電装置3Bのステータス情報を取得し、この取得した第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bのステータス情報を相互比較するとともに、このステータス情報の最悪値に基づいて電気負荷6等の駆動制御を行う。
ここでの「最悪値」とは、第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bにとっての「最悪値」を意味する。第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bには、その仕様として、電圧・温度等のステータス情報の常用範囲が規定されている。これら電圧・温度等の変数が、並列接続されている第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bの中で、逸脱の程度が最も大きいものが「最悪値」となる。特に、その常用範囲(使用可能域)からの逸脱の程度が最も大きいものを「最悪値」とする。つまり、「最悪値」とは、その蓄電装置4が徐々に制限をかける領域(使用可能域)となる状態下であることを意味し、さらにこの徐々に制限をかける領域を外れたならば使うべきでない状態下であること意味する。通常の使用中では、全ての第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bのステータス情報が常用範囲に収まっていれば、各種の制限が働かないものである。―つの単位モジュールのステータス情報が常用範囲から外れれば、その単位モジュールのパラメータによって、いずれかの制限において制限が厳しくなることになるため、それが「最悪値」となる。相対的にステータスレベルの低い単位モジュールに、相対的にステータスレベルの高い単位モジュールを合せるので、システムの全体的な負荷を軽減して動作する。
ステータス情報が常用範囲から複数外れている場合には、逸脱の程度が大きい値が「最悪値」となるが、通常の使用では、「最悪値」のものから順に、常用範囲から徐々に外れていくようになり、それに伴う制限が順に加わることになる。
統合制御装置11は、具体的には、以下の(1)〜(7)に示すように、電気負荷6等の制限制御を実施する。
(1)、電流制限
第1の単位モジュール2Aの第1の制御装置4A・第2の単位モジュール2Bの第2の制御装置4Bの電流制限値は、第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの放電電流制限値と充電電流制限値とを含む。
そして、統合制御装置11の制限制御として、電流制限の具体化をするように、第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの全ての電流の総和を単位モジュールの個数で除算した平均電流が、電流制限の放電電流制限値の最大値と電流制限の充電電流制限値の最小値との間に収まるよう制御する。
つまり、単位モジュールnの放電電流制限値をId、充電電流制限値をIc、全ての単位モジュールの電流の総和をIとし、以下のような関係が成立するような制御を行う。
(Id,Id,…Idmax ≦I/n≦(Ic,Ic,…Icmin
但し、電流値の充電方向を+、放電方向を−とする。
このような制限制御により、システムの大規模化、小規模化が可能となり、容量の拡張性を確保できる。また、第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bを並列に接続し、部分切り離し可能とすることにより、多重系となり、使い勝手の良い、フォールトトレラントシステムとすることができる(冗長性)。
(2)、総電圧制限
システム全体としての最高総電圧制限値をVh、最低総電圧制限値をVl、単位モジュールnの総電圧をVとし、以下のような関係が成立するような制御を行う。
(V,V,…Vmax ≦Vh
(V,V,…Vmin ≧Vl
(3)、セル電圧制限
第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bのセルに対する最高電圧制限値をVch、最低電圧制限値をVcl、単位モジュールnの最高セル電圧をVch、最低セル電圧をVclとし、以下のような関係が成立するような制御を行う。
(Vch,Vch,…Vchmax ≦Vch
(Vcl,Vcl,…Vclmin ≧Vcl
(4)、SOC(State of Charge:実際に使用できる充電状態の値)制限
第1の単位モジュール2Aの第1の制御装置4A・第2の単位モジュール2Bの第2の制御装置4Bは、電流と電圧と温度とを含むステータス情報から電流制限値及びSOCを算出し、かつ前記ステータス情報と前記算出した電流制限値及びSOCとを統合制御装置11に出力する。
そして、統合制御装置11は、前記ステータス情報と前記電流制限値及びSOCとを第1の単位モジュール2Aと第2の単位モジュール2Bとの相互について比較し、その最悪値に基づいて電気負荷6の駆動の制限制御を行う。
つまり、第1の制御装置4A・第2の制御装置4Bは、電流・電圧等のステータス情報から第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2B内のセルのSOCを算出し、このデータを統合制御装置11に出力する。この統合制御装置11は、そのデータを取得して認識する。
第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの第1の制御装置4A・第2の制御装置4BのSOCは、第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの最高SOCと最低SOCとを含む。
そして、統合制御装置10の制限制御として、SOC制限の具体化を図るために、第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの最高SOC制限値と最低SOC制限値を予め設定し、第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの最高SOCの中の最大値を最高SOC制限値よりも小さく収め、かつ第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの最低SOCの中の最小値を最低SOC制限値よりも大きくなるよう制御する。
ここで、システム全体としての最高SOC制限値をSOCh、最低SOC制限値をSOCl、単位モジュールnの最高SOCをSOCh、最低SOCをSOClとし、以下のような関係が成立するような制御を行う。
(SOCh,SOCh,…SOChmax ≦SOCh
(SOCl,SOCl,…SOClmin ≧SOCl
このような制限制御により、第1の畜電装置3A・第2の畜電装置3Bの異常検知の精度を確保することができる。
(5)、温度制限
システム全体としての最高温度制限値をTh、単位モジュールnの最高セル温度をThとし、以下のような関係が成立するような制御を行う(駆動モータ出力制限等)。
(Th,Th,…Thmax ≦Th
(6)、電流ばらつき制限
第1の蓄電装置3Aと第2の蓄電装置3Bとの間の電流のばらつきの最大許容値をΔImax 、単位モジュールnの電流をIとし、以下のような関係が成立するような制御を行う(駆動モータ出力制限等)。
(I,I,…,Imax ≦ΔImax
このとき、統合制御装置11では、電流のばらつきが過大である場合に、システム異常と判定する。
(7)、温度ばらつき制限
第1の蓄電装置3Aと第2の蓄電装置3Bとの間の温度のばらつきの最大許容値をΔTmax 、単位モジュールnの最高セル温度をThとし、以下のような関係が成立するような制御を行う(駆動モータ出力制限等)。
(Th,Th,…Thmax ≦ΔTmax
(8)、冷却ファン制御
第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bが個別に冷却システムを持っていない場合には、最高セル温度の最大値(Th,Th,…Thmaxを元に冷却ファンの制御を行う。
上述のような制限制御においては、冷却ファン制御(8)を除き、他の(1)〜(7)の各制限制御での電流・電圧・充電率等の関係を全て成立に維持させるために、基本的には、バッテリ仕様の充電率・電流の常用範囲内でシステムを制御した上で、冷却系、ここでは冷却ファンを(仕様に応じて)動かすように制御する。
これにより、他の制限((1)〜(7)の各制限)にかかる頻度は少なくなる。ただし、外部充電に関しては電圧を元に制御するケースが多いので、蓄電装置の電圧を積極的に制御に用いることもある。
この実施例に係る制限制御について、さらに詳細に説明する。
統合制御装置11の制限制御は、駆動モータ7の駆動要求があるときに、上記の(1)〜(7)のいずれかの制限が不成立になった場合に、主に、駆動モータ7のトルク制限を行う。
通常、例に挙げたようなハイブリッド自動車に使われている駆動モータ7がトルク制御で動作しているので、各種制限に対する対策はトルク制限のみである。そのトルク制限のかけ方には種々あり、厳密に制限値に合わせる、余裕を持って制限をかける等があるが、以下に、上記の(1)〜(7)の制限制御に沿って説明する。
(1)、電流制限
電流の制限値と電圧から使用可能電力を算出し、モータ回転数で除算し、トルク制限値を決め、そのトルク制限値内で力行/回生の実駆動トルクの制御を行う。この時のトルク制御値は、最大でもトルク制限値であり、それ以下のドライバの意図を反映した所望の値となる。
(2)、総電圧制限
総電圧に対して使用可能電力のマップを設定しておき、総電圧が高い時に充電電力が小、総電圧が低い時に放電電力が小となるように設定する。そのマップの読み値(電力)をモータ回転数で除算し、トルク制限値を決め、そのトルク制限値内で力行/回生の実駆動トルクの制御を行う。この時のトルク制御値は、最大でもトルク制限値であり、それ以下のドライバの意図を反映した所望の値となる。
(3)、セル電圧制限
セル電圧に対して使用可能電力のマップを設定しておき、セル電圧が高い時に充電電力が小、セル電圧が低い時に放電電力が小となるように設定する。そのマップの読み値(電力)をモータ回転数で除算し、トルク制限値を決め、そのトルク制限値内で力行/回生の実駆動トルクの制御を行う。この時のトルク制御値は、最大でもトルク制限値であり、それ以下のドライバの意図を反映した所望の値となる。
(4)、SOC制限
SOCに対して力行/回生制限率のマップを設定しておき、SOCが高い時に回生制限率大、SOCが低い時に力行制限率大となるように設定する。そのマップの読み値(力行/回生制限率)をトルク要求に乗算し、最終的なトルク要求とする。この時のトルク制御値は、トルク制限値となる。
この場合、通常、この制限がかからないような範囲で、SOCを調整している。例えば、SOCが低くなってきた場合に、発電量を増やし、一方、SOCが高くなってきた場合には、発電しないように制御する。
(5)、温度制限
第1の単位モジュール2A・第2の単位モジュール2Bの温度に対して使用可能電力絶対値のマップを設定しておき、温度が高い時に充電電力及び放電電力が小となるように設定する。そのマップの読み値(電力)をモータ回転数で除算し、トルク制限値を決め、そのトルク制限値内で力行/回生の実駆動トルクの制御を行う。この時のトルク制御値は、最大でもトルク制限値であり、それ以下のドライバの意図を反映した所望の値となる。
この場合、通常、この制限がかからないように、冷却ファン制御を行う。
(6)、電流ばらつき制限
電流のばらつき(例えば相互の電流偏差の最も大きな組合せによる電流偏差)に対して使用可能電力絶対値のマップを設定しておき、ばらつきが大きい時に充電電力及び放電電力が小となるように設定する。そのマップの読み値(電力)をモータ回転数で除算し、トルク制限値を決め、その制限値内で力行/回生の実駆動トルクの制御を行う。この時のトルク制御値は、最大でもトルク制限値であり、それ以下のドライバの意図を反映した所望の値となる。
この場合、あまりにも電流ばらつきが大きい時は、蓄電装置の異常であるため、システム異常判定を行う。システムの停止を促して、異常の拡大を防止する。
(7)、温度ばらつき制限
温度ばらつき(例えば相互の温度偏差の最も大きな組合せによる温度偏差)に対して使用可能電力絶対値のマップを設定しておき、ばらつきが大きい時に充電電力及び放電電力が小となるように設定する。そのマップの読み値(電力)をモータ回転数で除算し、トルク制限値を決め、そのトルク制限値内で力行/回生の実駆動トルクの制御を行う。この時のトルク制御値は、最大でもトルク制限値であり、それ以下のドライバの意図を反映した所望の値となる。
また、この実施例では、駆動モータ7ヘの駆動トルク制限とは別に、発電機10への発電制限や、外部充電器8による外部充電制限を行っても良い。このうち、発電機10への発電制限と、外部充電器8による外部充電制限は、第1の蓄電装置3A・第2の蓄電装置3Bへの充電を制限することになる。
なお、これら制限の成立・不成立の原因となるハードは、複数あり、それらの夫々のハードに対して、各制限が起こる可能性があるので、ハードの数と上記の(1)〜(7)の各制限とを軸にとるマトリックス的な組み合せもある。このように、各ハードの「組み合せ」に対する制御とした場合、ハードの数が増えれば増えるほど、制御が複雑になるので、ここでは、それぞれのハードに上記のようなマップを設定している。また、ハードの「組み合せ」に対する最適な制限を行っても良く、その場合、複雑な制御を必要とする反面、システムの動作の一部を簡略化して合理化することにより、マップを省略することも可能である。
更に、上記の(1)〜(7)の制限における複数の制限が不成立になる場合は、複数の制限値の最悪値を用いる。
例えば、総電圧制限による力行トルク制限τi(>0)と、温度ばらつきによる力行トルク制限τt(>0)とが同時にあったとして、τiとτtとの最小値を最終的な力行トルク制限値とする。つまり、いずれかのトルク制御値から、より制限の大きいことを示す小さい値の方のトルク制御値を選択して、これによって制御を行う。
また、異常によっていずれかの単位モジュールを、スイッチ(コンタクタ)の開閉によって切り離した場合に、この単位モジュールに関する情報(数値)を、単純になくすだけでも良い。しかし、異常によっていずれかの単位モジュールを切り離さざるを得ない状況は非常事態であるので、システムの特性に応じて、通常時制御から異常時制御に状態を遷移させる。この例に挙げたような車両システムにおいては、いずれかの単位モジュール切り離した時点で、「リンプホームモード」のような退避走行する状態に遷移させる。
この結果、この実施例においては、蓄電装置3Aと制御装置4Aとその他の構成部品5Aの複合体、あるいは、蓄電装置3Bと制御装置4Bとその他の構成部品5Bの複合体を、単位モジュールとし、同型の単位モジュールを並列接続した蓄電システム1において、並列数を増やした場合でも、最小限の制御変更でシステム成立性を保つロジックとし、また、単体でも蓄電装置として機能する単位モジュールをそのまま並列接続したものとそれらを統合的に監視する制御要素とによって構成し、蓄電容量変更を容易に行う。
よって、複数の蓄電装置の管理を容易とし、蓄電装置の並列数を容易に増減できる拡張性の高いシステムとし、複数の蓄電装置の管理制御を構築することができる。
図2は、この実施例の変形例を示すものである。
蓄電システム1には、第1の単位モジュール2A及び第2の単位モジュール2Bと共に、電力調整装置12とコンデンサ13と発電機10と電気負荷6とを設け、第1の単位モジュール2Aと第2の単位モジュール2Bと電力調整装置12とを統合制御装置11に連絡した。
これにより、上記の実施例と同様な効果を得るとともに、システム全体を制御する必要を無くし、制御の簡素化を図ることができる。
なお、この発明においては、第1の単位モジュール及び第2の単位モジュールの電流・電圧の監視を、統合制御装置で行うことも可能である。
また、第1の単位モジュール・第2の単位モジュールの第1の制御装置・第2の制御装置では、統合制御装置による監視・制御機能を一部代替させるように、相互に通信を行うことも可能である。
更に、第1の単位モジュール・第2の単位モジュールの第1の蓄電装置・第2の蓄電装置の代わりに、キャパシタを使用することも可能である。但し、この場合、蓄電装置の単位モジュールとキャパシタの単位モジュールを同システムに混在させた場合、別種の単位モジュールとして制御を行う。
更にまた、異種の単位モジュールを、同システム内に複数設けることも可能である。
また、統合制御装置よりも下の階層に、複数の単位モジュールを束ねる制御装置を設けることも可能である。
この発明の蓄電システムを、自動車に限らず、気動車等、発電機及び蓄電装置を搭載したシステム、無停電装置等の補助電源システム、小規模発電所のバッフアシステム等にも適用可能である。
1 蓄電システム
2A 第1の単位モジュール
2B 第2の単位モジュール
3A 第1の蓄電装置
3B 第2の蓄電装置
4A 第1の制御装置
4B 第2の制御装置
5A 第1のステータス情報検出装置
5B 第2のステータス情報検出装置
6 電気負荷
7 駆動モータ
8 外部充電器
9 DC/DCコンバータ
10 発電機
11 統合制御装置

Claims (2)

  1. 蓄電装置を備えて並列に接続された複数の単位モジュールと、前記蓄電装置の電力により駆動される電気負荷とを備えた蓄電システムにおいて、
    前記蓄電装置のステータス情報としての電流と電圧と温度とを取得し、
    前記取得したステータス情報から電流制限値及びSOCを算出し、
    前記取得したステータス情報と前記算出した電流制限値及びSOCとを出力する制御装置と、
    前記各単位モジュールの前記各制御装置から前記ステータス情報と前記電流制限値及び前記SOCとを取得し、
    前記取得した前記ステータス情報と前記電流制限値及び前記SOCとを前記各単位モジュールの相互について比較し、
    前記ステータス情報と前記電流制限値及び前記SOCとの夫々の最悪値に基づいて前記電気負荷の駆動の制限制御を行う総合制御装置とを備えることを特徴とする蓄電システム。
  2. 前記電流制限値は、前記単位モジュールの放電電流制限値と充電電流制限値とを含み、
    前記統合制御装置は、前記複数の単位モジュールの平均電流が、前記放電電流制限値の最大値と前記充電電流制限値の最小値との間に収まるように制御することを特徴とする請求項1に記載の蓄電システム。
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