JP6445190B2 - 電池制御装置 - Google Patents

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。

車両に搭載される蓄電池は広い温度範囲で使用され、蓄電池はその温度に応じた最大の許容電力を有する。この最大許容電力を超えて蓄電池の充放電を実施すると、過充電や過放電となる可能性がある。

一般的に、低温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は小さく、高温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は大きい。また、高温状態では最大許容電力は大きいが、高温状態での蓄電池の使用は蓄電池の劣化を促進させる。一方、蓄電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ oｆＣｈａｒｇｅ）が高いほど最大許容充電電力は小さく、最大許容放電電力は大きい。

また、蓄電池のＳＯＣが低いほど最大許容放電電力は小さく、最大許容充電電力は大きい。蓄電池を安全に使用するためには、最大許容電力を超えない範囲内において充放電制御を実施する必要がある。

特許５７１５６９４号公報（特許文献１）には、充放電の継続時間に対応し、蓄電池の内部抵抗の変化に追従する許容充放電電力を求めることのできる技術が記載されている。

この公報に係る電池制御装置は、単電池の温度、充電状態に応じた内部抵抗値を、単電池の充電または放電の継続時間値毎に記述した内部抵抗テーブルを備える。電池制御装置は、内部抵抗テーブルに記述された内部抵抗値を用いて単電池の最大許容充電電流または最大許容放電電流を算出し、その値に従って算出した最大許容充電電力または最大許容放電電力を用いることにより、単電池の充電または放電を制御する。

このため充放電を継続するにしたがって単電池の内部抵抗が変化しても、内部抵抗テーブルから取得する内部抵抗値を変化にしたがって切り替えることにより、内部抵抗の変化に追従することができる。これにより、許容充放電電力を精度よく求めることができる。

特許５７１５６９４号公報

電池制御装置にて算出された最大許容充電電力や最大許容放電電力の情報はＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信網を通じて車両制御部に随時送られる。特許文献１に記載された方法では充電または放電の継続時間値毎に記述した内部抵抗テーブルを用いて最大許容充電電力や最大許容放電電力を算出するが、これら最大許容充電電力や最大許容放電電力は、蓄電池における入出力の無い静止状態から所定の継続時間の間に入出力可能な最大許容電力を規定した情報である。

車両制御部はそれら情報を参照しながら車両の駆動制御を行う。実際の車両の動作環境では、入出力の無い静止状態からの充放電だけではなく、継続的に充放電が行われている動的状態が多く存在する。このような蓄電池の動的状態における使用では、実際に行われる蓄電池の充電や放電が、前記最大許容充電電力や最大許容放電電力に対して十分小さい場合は、蓄電池の寿命等にほとんど影響はないが、最大許容電力を超えないにしても上限に近い程度で入出力される場合では、蓄電池の過電圧や過放電を発生させたり、蓄電池に過負荷を与えて寿命等に悪影響を及ぼす場合が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、大きめな電流を継続して充電または放電された場合に、蓄電池の劣化を抑制する、適切な最大許容入出力電力を演算する蓄電池の制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による電池制御装置は、電池の充電または放電が可能な許容入出力電流または許容入出力電力である許容入出力値を演算する許容入出力演算部を有し、前記電池の無通電状態から充電または放電が開始され、もしくはすでに充電されている状態から放電が開始され、もしくはすでに放電されている状態から充電が開始され、当該開始された充電または放電が所定期間の経過後にも継続している場合、前記電池に流れる電流の電流極性が充電のときは前記許容入出力演算部で求めた許容入力値を、当該電流極性が放電のときは当該許容入出力演算部で求めた許容出力値を、前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少させる。このとき、前記許容入力値又は前記許容出力値が前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少しているときに前記電池に流れる電流がゼロになった場合、前記許容入力値又は前記許容出力値は前記減少から増加に変化する。また、前記許容入力値又は前記許容出力値が前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少しているときに当該許容入力値又は当該許容出力値が所定値まで減少した場合、当該所定値の減少の傾きを変更する。また、前記所定期間の間における前記電池に流れる電流値に基づいて、前記許容入力値又は前記許容出力値の前記減少の速度を変化させる。また、前記許容入力値又は前記許容出力値が前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少しているときに、前記電池の放電されている状態から充電に切り替わった場合、前記許容出力値は前記減少から増加に変化し、または前記電池の充電されている状態から放電に切り替わった場合、前記許容入力値は前記減少から増加に変化する。

本発明によれば、より適正な最大許容電力を車両制御部に報告できるので過大な負荷となる頻度を減らし蓄電池の劣化を抑制することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

電池システム１００とその周辺の構成。 単電池制御部１２１の回路構成。 記憶部１８０が格納しているＳＯＣテーブル１８１の一例。 記憶部１８０が格納している内部抵抗テーブル１８２の一例。 電池システム１００が備える組電池制御部１５０の各単電池１１１の許容放電電流を求める手法を表す制御ブロック。 電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容放電電流を求める手法を表す制御ブロック。 本発明を適用しない電流値１５７と車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移。 本発明の一形態を示す電流値１５７と車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移。 本発明の一形態を示す電流値１５７と車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移。 本発明の一形態を示す電流値１５７と車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移。 本発明の一形態を示す電流値１５７と車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移。

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。なお、本発明はＰＨＥＶに限定されず、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）などの蓄電池を適用した電動自動車に適用できる。

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。

図１は、本実施形態の電池システム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とリレー３１０を介してインバータ４００に接続され、リレー３２０とリレー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１１２ａ及び１１２ｂ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１１２ａ及び１１２ｂ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１２１ａ及び１２１ｂ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や、単電池１１１や、単電池群１１２ａ及び１１２ｂの内部抵抗特性や、満充電時の容量や、分極電圧や、劣化特性や、個体差情報や、ＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）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１２１ａ及び１２１ｂ、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３〜図４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：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）、充電放電可能な電流や電力（以下では、充電側を正、放電側を負の値として表現する）、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充電ステーションからの電力供給によって充電される。

充電器４２０は、家庭または充電ステーション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充電ステーション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１２１ａや１２１ｂの回路構成を示す図である。単電池制御部１２１ａや１２１ｂ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、図１に示された組電池制御部１５０に送信する。なお、単電池制御部１２１ａ及び１２１ｂ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１２１ａ及び１２１ｂ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１１２ａ及び１１２ｂ全体として１つの温度を測定し、単電池群１１２ａ及び１１２ｂ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及び１１２ｂ、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１２１ａや１２１ｂ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１２１ａ及び１２１ｂ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１２１ａや１２１ｂ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１２１ａや１２１ｂ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、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。図１に示されたリレー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：Ｃｌｏｓｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）であり、この条件下では単電池制御部１２１ａ及び１２１ｂ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１２１ａ及び１２１ｂ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３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。

ＯＣＶ＝ＣＣＶ−Ｉ×Ｒ−Ｖｐ ・ .・（式１）
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）。本実施例ではどちらのＳＯＣ計算方法を採用してもよい。さらには、組電池制御部１５０が単電池１１１毎にＳＯＣを得ることができるその他の手法を用いてもよい。

単電池１１１毎にＳＯＣを得るためには、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。

組電池制御部１５０は、単電池制御部１２１ａ及び１２１ｂ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４は、記憶部１８０が格納している充電時の内部抵抗テーブル１８２の例を示す図である。内部抵抗テーブル１８２は、所定の充電継続時間ｔｃ（ここでは１０秒間とする）における単電池１１１の温度とＳＯＣに応じた内部抵抗値を記述したデータテーブルである。内部抵抗テーブル１８２のデータ形式は任意でよいが、ここでは説明の便宜上、横軸を単電池１１１の温度、縦軸を単電池１１１のＳＯＣとして単電池１１１の内部抵抗値Ｒを記述した２次元マップの例を示した。なお、本実施例ではデータテーブルを用いたが、図３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ある充電継続時間における温度、ＳＯＣ、と内部抵抗の対応関係を表現してもよく、ある充電継続時間における温度とＳＯＣと内部抵抗の特性情報であれば何でもよい。

組電池制御部１５０は、前述した方法で取得したＳＯＣと単電池制御部１２１ａや１２１ｂが取得した単電池群１１２ａや１１２ｂの代表温度とを用いて、内部抵抗テーブル１８２を参照することにより、単電池１１１の内部抵抗値を取得する。さらに単電池１１１の充電継続時間を指定することにより、充電継続時間毎の内部抵抗値を取得することができる。

また、図示や詳細説明は省略するが、一般に充電時と放電時の内部抵抗が異なることから、放電時についても所定の放電継続時間ｔｄ（ここでは１０秒間とする）における単電池１１１の温度とＳＯＣに応じた内部抵抗値を記述した内部抵抗テーブルを記憶部１８０に保持する。

この例では充電継続時間ｔｃと放電継続時間ｔｄが１つの時間条件のみの場合を示したが、複数の条件（例えば５秒間、１０秒間、１５秒間、等）について記憶部１８０に格納しても良い。充電継続時間ｔｃや放電継続時間ｔｄに応じて内部抵抗値が変わるので、車両制御部２００が適用する処理方式によっては複数の継続時間条件における最大許容充電電力や最大許容放電電力を報告する場合もある。

以上、電池システム１００の構成について説明した。次に、電池システム１００の動作について、基本的な考え方と動作手順を説明する。

単電池１１１の内部抵抗値は、当該単電池１１１の温度とＳＯＣに応じて変化する。単電池１１１の温度は単電池制御部１２１ａや１２１ｂから、単電池１１１のＳＯＣは前述した方法を用いて、それぞれ取得することができる。組電池制御部１５０は、取得した温度とＳＯＣから内部抵抗テーブル１８２を参照することによって単電池１１１の内部抵抗値を取得し、適切な許容充電電力および許容放電電力を定める。

本実施形態は内部抵抗テーブル１８２を元に得られた許容充電電力と許容放電電力に対して、電流値や継続時間に基づいてさらに補正を行うことを特徴とする。

図５は、電池システム１００が備える組電池制御部１５０の各単電池１１１の単電池許容充電電流１５２と単電池許容放電電流１５３を求める手法を制御ブロックで表した図である。単電池１１１の許容最大端子電流をＶｍａｘ、許容最小端子電圧をＶｍｉｎとすると、単電池許容充電電流１５２は下記式２、単電池許容放電電流１５３は下記式３によって夫々求めることができる。下記式２及び式３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によりＳＯＣを得る場合は、ＳＯＣの計算結果を図３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、単電池１１１のＳＯＣを入力として用いる場合を示した。

単電池許容充電電流＝（Ｖｍａｘ−ＯＣＶ）／内部抵抗値・・・（式２）
単電池許容放電電流＝（ＯＣＶ−Ｖｍｉｎ）／内部抵抗値・・・（式３）
図示していないが、単電池許容充電電流１５２及び単電池許容放電電流１５３を、単電池１１１の温度が最も高いときと温度が最も低いときのそれぞれについて求め、いずれか小さいほうを最終的に採用する。

図６は、電池システム１００が備える組電池制御部１５０の組電池１１０の許容放電電流１５８を求める手法を制御ブロックで表した図である。組電池制御部１５０は、図５で説明した手法に加えて単電池１１１毎のＳＯＣを入力して単電池１１１毎における許容放電電流１５３を算出した後、最小値選択１５４より最も小さい放電電流を選択し、補正前許容放電電流１５５を生成する。さらに本実施形態の特徴である許容放電電流補正１５６を行い、最終的に許容放電電流１５８を生成する。許容放電電流補正１５６は補正前許容放電電流１５５について主に電流検知部１３０の出力である電流値１５７を基づいて補正し許容充電電流１５８を生成する。具体的な補正方法は後述する。

直列接続した全ての単電池１１１に流れる電流は同じになるため、各単電池１１１の中で最も小さい単電池許容放電電流１５３を補正前許容放電電流１５５として採用することにより、全ての単電池１１１の電圧がＶｍｉｎを超えない放電制御を実現することができる。

組電池１１０の許容放電電流１５８を用いて、放電時の組電池放電電圧を計算し、許容放電電流１５８と組電池放電電圧とを乗算することにより、組電池１１０の許容放電電力を計算することができる。

組電池放電電圧は、最終的に決定した許容放電電流を通電した際に見込まれる組電池１１０の総電圧である。組電池放電電圧は、組電池１１０を構成する単電池１１１毎にＳＯＣや温度などを入力して求められる許容放電電流で充電した場合の各単電池１１１の電圧を合計した結果としてもよいし、組電池１１０を構成する単電池１１１の平均ＳＯＣや平均温度などを入力して求められる許容放電電流で充電した場合の単電池１１１の平均電圧を直列数で乗算した結果としてもよい。

前述した単電池１１１毎の電圧を求めて電圧の合計値を計算する方法と、単電池１１１の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法のどちらを採用してもよいが、本実施形態では単電池１１１の平均電圧を求めて直列数で乗算する方法を採用する。下記式４を用いてその方法を説明する。

下記式４における平均ＯＣＶは、単電池１１１毎の式１の計算結果の平均値、または単電池１１１毎に求めた電流積分のＳＯＣの平均値を図３のＳＯＣテーブル１８１により平均ＯＣＶへと変換した結果などを用いる。下記式４における平均内部抵抗値は、式１と図３を用いて求めた単電池１１１毎のＳＯＣまたは単電池１１１毎の電流積分のＳＯＣの平均値と、組電池１１０から測定した複数の温度の平均値と、放電継続時間とを図４の内部抵抗テーブル１８２に入力して取得する。
組電池放電電圧＝直列数×（平均ＯＣＶ＋許容放電電流×平均内部抵抗値） ・・・（式４）
許容放電電力＝許容放電電流×組電池放電電圧・・・（式５）
組電池制御部１５０が前述した許容充電電力までの一連の計算を実行し、車両制御部２００に計算結果を送信し、車両制御部２００が受信した許容放電電力の範囲内で組電池１１０を充電するようインバータ４００等に指令を発信する。このようにすることで、組電池１１０を構成する単電池１１１が何れもＶｍｉｎより低下しない範囲で、組電池１１０を放電することができる。

以下、本実施形態の特徴である許容放電電流補正１５６の動作例について、図７乃至図１１にて説明する。

図７は本実施形態を適用しない比較例であり、許容放電電流補正１５６が何も補正しない場合の電流値１５７と、許容放電電流１５８（即ちこの場合、許容放電電流１５８は補正前許容放電電流１５５に等しい）を基に算出され車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移を示した図である。

本例は、電流値１５７が当初ゼロであり、時間ｔ０から電流Ｉ＝Ｉｄ０が流れ出し、時間ｔ２で再度ゼロとなる場合である。電流値Ｉｄ０は、ゼロまたは充電ではない値であり、放電と認識することができる。電流Ｉ＝Ｉｄ０が、所定の放電継続時間ｔｄ（ここでは１０秒とする）を越えて連続して流れると、前述したように放電継続時間ｔｄに応じて内部抵抗値は変わるため、記憶部１８０に保持された内部抵抗テーブルから乖離が生じてしまう。

本例は上記の電流値１５７が所定の放電継続時間ｔｄを経過した場合に相当する。許容放電電流補正１５６を機能させない場合、車両制御部２００に送信される許容放電電力は、電流の流れる期間が所定の放電継続時間ｔｄとなる時間ｔ１を越えても大きな変化は生じない。なぜならば許容放電電力の基になる補正前許容放電電流１５５は前述のようにＳＯＣと温度により決定されるからである。

このとき、車両制御部２００は、通信された変化の少ない許容放電電力を参照するので、現状の車両駆動を継続することが可能であると判断する。しかしながら電流が所定の放電継続時間ｔｄを越えて流れており、実際の内部抵抗値は、記憶部１８０に保持された内部抵抗テーブルよりも大きくなっている。この状態では、（式３）および（式４）および（式５）で求めた許容放電電力は、実際に許容できる電力値よりも大きな値となる。この結果、前記求めた許容放電電力に従って車両制御部２００が放電を行うと、蓄電池は許容できる放電を超えて使用されることになるため、蓄電池に過負荷がかかり劣化を及ぼすおそれがある。

これに対し、図８は本実施形態の特徴である許容放電電流補正１５６を機能させた場合の電流値１５７と、許容放電電流１５８を基に算出され車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移を示した図である。本例は電流値１５７が当初ゼロであり、時間ｔ０から電流Ｉ＝Ｉｄ０が流れ出し、電流の流れる期間が所定の放電継続時間ｔｄとなる時間ｔ１を越えて、時間ｔ２で再度、略ゼロとなる場合である。但し図７と異なる点は、時間ｔ１から時間ｔ２の間では本実施形態の効果により電流値１５７が徐々に低下することである。

本実施形態の一実施例である許容放電電流補正１５６の動作は下記のように行われる。時間ｔ１の時点で許容放電電流補正１５６は、入力される電流値１５７の情報により、所定の放電継続時間ｔｄの間、電流Ｉ＝Ｉｄ０が連続して流れていることを検知し、許容放電電流１５８を低減し始める。その結果、図８に示すように時間ｔ１より車両制御部２００に送信される許容放電電力は低下し始める。車両制御部２００は、送信された低下しつつある許容放電電力を参照し、実際に車両が消費している放電電力と比較して、許容放電電力を超えないように車両駆動制御を行うので、その結果、電流値１５７の値が減少するので蓄電池の劣化が抑制される。

さらに本例では車両制御部２００は時間ｔ２の時点で蓄電池の入出力を止めて電流値１５７をゼロにしている。このとき本実施形態の一実施例である許容放電電流補正１５６は、時間ｔ２の時点より許容放電電流１５８を元の補正前許容放電電流１５５に復帰させるように増加させている。これは蓄電池がリチウムイオン電池の場合、電池内部の電荷のキャリアがリチウムイオンとなるが、蓄電池の通電が終了することによって電池内部の偏在していたイオンの分布が緩和し始めて内部抵抗の低下が見込まれるため、許容放電電力を徐々に元に戻すことが出来る。

図８と上記説明により、本実施形態の一実施例である許容放電電流補正１５６による許容放電電流１５８の補正処理及び、それに基づく車両制御部２００に送信される許容放電電力の変化を示した。ここでは蓄電池の放電時に関する処理のみ説明したが、充電時についても蓄電池の劣化を抑制するために同様な処理を実行してよい。図示や詳細説明は省くが、充電時に関する所定の充電継続時間ｔｃを同様に定義して許容充電電流補正を実施することも本実施形態の範囲である。

図９は、本発明の特徴である許容放電電流補正１５６を機能させた場合において、電流値１５７と許容放電電流１５８を基に算出されかつ車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移を示した一例である。図９に示した本実施形態の一実施例の図８と異なる点は時間ｔ１以降放電を停止せず電流を流し続けていることである。

本例の一実施例である許容放電電流補正１５６の動作は下記のように行われる。時間ｔ１の時点で許容放電電流補正１５６は、入力される電流値１５７の情報により、所定の放電継続時間ｔｄの間、電流Ｉ＝Ｉｄ０が連続して流れていることを検知し、許容放電電流１５８を低減し始める。その結果、図８に示すように時間ｔ１より車両制御部２００に送信される許容放電電力は低下し始める。

本例は車両制御部２００が可能な最大の動力で運転を継続するために蓄電池の放電を要求している状況を想定している。そのため車両制御部２００は低下しつつある許容放電電力相当を消費するように動作する。

ここで、許容放電電力の閾値Ｐｄｔを定義する。閾値Ｐｄｔは蓄電池に劣化がほとんど生じない連続通電可能な許容放電電力値を意味する予め設定された定数、あるいは温度、ＳＯＣや内部抵抗等の電池状態の関数となる。

許容放電電力が低下するに従って電流値１５７も低下するが、許容放電電力が閾値Ｐｄｔに達したところで、許容放電電流補正１５６は許容放電電流１５８の減少を止めて閾値Ｐｄｔを許容放電電力とする許容放電電流１５８として出力する。これにより蓄電池の劣化を抑制した上で車両動作の制限を最小とする許容放電電力を車両制御部２００に提供できる。また、閾値は連続通電可能な許容放電電流値として設定し、許容放電電流１５８と比較して同様な処理を行っても良い。また、許容放電電流補正１５６は許容放電電流１５８の減少を止めるとは、許容放電電流１５８の減少の傾きを変更するようにしてもよい。

上記では閾値Ｐｄｔとして蓄電池に連続通電可能な値を設定することを示した。本実施形態はそれ以外に、適用する蓄電池が長時間大電流を流したときに内部抵抗が急上昇する現象の起こる場合には、その現象が発生しない電流値あるいは電力値を閾値として設定し、同様な許容放電電流補正１５７を機能させることも本実施形態の範囲である。

図１０は、本発明の特徴である許容放電電流補正１５６を機能させた場合の電流値１５７と許容放電電流１５８を基に算出されかつ車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移を示した一例である。図１０に示した本発明の一実施例の図９と異なる点は時間ｔ０と時間ｔ１の間に流れる電流が異なる点（Ｉｄ１＞Ｉｄ０）と、時間ｔ１より許容放電電力を低減する速度が異なる点（ｔ４−ｔ１＜ｔ３−ｔ１）である。

許容放電電流補正１５６は所定の放電継続時間ｔｄの間、電流が連続して流れていることを検知し、その時の電流値１５７の値が大きいほど、許容放電電力を減少させる減少速度を早くする。電流が大きいほど蓄電池に与えられるストレスが高いため、許容放電電力の減少速度を早めることにより蓄電池の劣化を抑制できる。

また本実施形態は許容放電電力の減少速度は電流の大きさによってのみ変化を与えるものではない。電流の大きさの他に、電流の経過時間、電池の温度、電池の劣化度などが許容放電電力の減少速度に影響を与える。基本的な方針は蓄電池に対してよりストレスがかかっている状態の場合に許容放電電力の減少速度は速くする処理を行う。即ち、電流の経過時間が長いほど、電池の温度は低いほど、電池の劣化度が高いほど、許容放電電力の減少速度を速める処理を許容放電電流補正１５６にて実施する。

電流の経過時間が長い状況は、車両制御部２００に送信する許容放電電力に対する追随性が遅く、結果的に電流が連続して所定の放電継続時間ｔｄを越えて流れてしまうことを想定している。また、電池温度が低温であることと電池の劣化度が高い状況は、いずれも蓄電池の内部抵抗が常温や電池の初期状態に比べ高い状態であり、電流を流すことに対するストレス度が高いことを想定している。

許容放電電力の変化速度に関し、図８の電流値１５７がゼロとなる時間ｔ２より許容放電電力が増加させる速度も、前述の許容放電電力の減少速度と同様に電池の温度や劣化度に従って変化させることも本実施形態の範囲である。電池の温度が低い場合は増加速度を遅く、電池の劣化度が高い場合は増加速度を遅くする。これにより電池へのストレスを適切に緩和できる。また、次の実施例４では放電中に一時的に充電する例を示すが、充電中には許容放電電力の増加処理を行う。このときの許容放電電力の増加速度は充電時の電流により変化させる。充電時の電流が大きいほど許容放電電力の増加速度を早くする処理を行う。これは充電電流が大きいほど放電による電池内のイオンの偏在が解消されるからである。

図１１は、本発明の特徴である許容放電電流補正１５６を機能させた場合の電流値１５７と許容放電電流１５８を基に算出されかつ車両制御部２００に送信される許容放電電力の時間推移を示した一例である。図８乃至図１０と異なる点は、電池に流れる電流方向が変化する例となっている点である。

前述と同様に時間ｔ１の時点で許容放電電流補正１５６は、入力される電流値１５７の情報により所定の放電継続時間ｔｄを越えて電流Ｉ＝Ｉｄ０が連続して流れていることを検知し、許容放電電流１５８を低減することにより車両制御部２００に送信される許容放電電力は低下し始める。

そして本例では、許容放電電流補正１５６が許容放電電力を減じているところで、例えば運転手がブレーキをかけたことにより、車両制御部２００は、時間ｔ５から時間ｔ６の期間で車両を回生動作モードにしてモータからの電力を蓄電池に充電する動作を想定している。また本明細書を通じ電流値１５７が正の値をとる場合は電池の放電時、負の値をとる場合は充電時であると定義している。

この本実施形態の一実施例は、許容放電電力を減少させているときに放電状態から充電状態に切り替えて充電を行う期間に、許容放電電力を増加させる。放電から充電、またはその逆の状態変化により電池内部のイオンの偏在していた分布状態に変化が起こり内部抵抗の低下が見込まれるため、その分許容放電電力を緩和することが出来る。

さらに本例では時間ｔ５から時間ｔ６充電期間の後、放電を再開し最終的には電流をゼロにする動作となっている。充電期間が短いため（例えば＜１０秒）その期間で許容放電電力が増加するが、放電が再開する時間ｔ６より許容放電電力を減少させる。このときの許容放電電力の減少速度は時間ｔ１から時間ｔ５の条件と同じである。電流がゼロになって許容放電電力が増加しているのは図８の説明と同じ処理および理由である。

図１１では放電状態から一時的に充電状態になった後、再度放電状態に変わる場合の本発明の動作例を示したが、充電を行う時間ｔ５から時間ｔ６の期間（ここでは充電期間と称す）の間に許容放電電力の変化の仕方によって処理が異なる。ここで判定時間ｔｔを定義する。処理の異なる動作条件は下記の３通りである。

条件１…充電期間に許容放電電力を増加するが、許容放電電流１５８が補正前許容放電電流１５５まで到達しない場合。

条件２…充電期間に許容放電電力を増加し、許容放電電流１５８が補正前許容放電電流１５５まで到達するが、到達してから再度放電状態に転ずるまでの時間が判定時間ｔｔより短い場合。

条件３…充電期間に許容放電電力を増加し、許容放電電流１５８が補正前許容放電電流１５５まで到達するが、到達してから再度放電状態に転ずるまでの時間が判定時間ｔｔより長い場合。

条件１は図１１に示した状況と同じであり、充電から放電状態に転じた時間ｔ６において許容放電電力を減少させる処理を行う。これは短時間の充電によりそれまで放電時に形成された電池内部のイオンの偏在が解消されず高い内部抵抗の状態を保っていると考え、時間ｔ５以前に行われていた許容放電電力の減少処理を引き続き行う。

条件２は充電期間の間に許容放電電力の増加処理を行い、許容放電電流１５８が補正前許容放電電流１５５に到達したところで許容放電電力の増減処理を一旦停止する。但し、充電時間が短く高い内部抵抗を保っていると考える場合、条件１の場合と同様に放電状態に転じた時より許容放電電力の減少処理を行う。その判断の一例として予め設定された所定の値を有する判定時間ｔｔに対して、増加処理を行っている許容放電電流１５８が補正前許容放電電流１５５に到達した時点から再度放電に転ずるまでの時間とを比較する。条件２はこの時間が判定時間ｔｔに比べ短い場合、条件３はこの時間が判定時間ｔｔに比べ長い場合である。

条件３は充電期間の間に許容放電電力の増加処理を行い、許容放電電流１５８が補正前許容放電電流１５５に到達したところで許容放電電力の増減処理を停止する。条件２と異なり、その後充電は長く続きほぼ充電による電池内部のイオンの偏在の影響は解消されたと考え、許容放電電力の減少処理は行わないものである。

図１１で説明した例は放電の途中で一時的に充電に転じる場合の許容放電電力の処理例であった。充電の途中に一時的に放電に転じる場合の許容充電電力の処理も同様に、充電と放電を読み替えて説明される処理も本発明の範囲となる。

１００…電池システム、１１０…組電池、１１１…単電池、１１２ａ及び１１２ｂ…単電池群、１２０…単電池管理部、１２１ａ及び１２１ｂ…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、１５５…補正前許容放電電流、１５６…許容放電電流補正、１５７…電流値、１５８…許容放電電流、１６０…信号通信手段、１７０…絶縁素子、１８０…記憶部、１８１…ＳＯＣテーブル、１８２…内部抵抗テーブル、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 (5)

1. 電池の充電または放電が可能な許容入出力電流または許容入出力電力である許容入出力値を演算する許容入出力演算部を有し、
   前記電池の無通電状態から充電または放電が開始され、
   もしくはすでに充電されている状態から放電が開始され、
   もしくはすでに放電されている状態から充電が開始され、
   当該開始された充電または放電が所定期間の経過後にも継続している場合、
   前記電池に流れる電流の電流極性が充電のときは前記許容入出力演算部で求めた許容入力値を、当該電流極性が放電のときは当該許容入出力演算部で求めた許容出力値を、前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少させ、
   前記許容入力値又は前記許容出力値が前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少しているときに前記電池に流れる電流がゼロになった場合、
   前記許容入力値又は前記許容出力値は前記減少から増加に変化する電池制御装置。
2. 電池の充電または放電が可能な許容入出力電流または許容入出力電力である許容入出力値を演算する許容入出力演算部を有し、
   前記電池の無通電状態から充電または放電が開始され、
   もしくはすでに充電されている状態から放電が開始され、
   もしくはすでに放電されている状態から充電が開始され、
   当該開始された充電または放電が所定期間の経過後にも継続している場合、
   前記電池に流れる電流の電流極性が充電のときは前記許容入出力演算部で求めた許容入力値を、当該電流極性が放電のときは当該許容入出力演算部で求めた許容出力値を、前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少させ、
   前記許容入力値又は前記許容出力値が前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少しているときに当該許容入力値又は当該許容出力値が所定値まで減少した場合、
   当該所定値の減少の傾きを変更する電池制御装置。
3. 請求項２に記載された電池制御装置であって、
   前記所定値は、前記電池の温度とＳＯＣと内部抵抗のいずれか又は複数に基づいて設定される電池制御装置。
4. 電池の充電または放電が可能な許容入出力電流または許容入出力電力である許容入出力値を演算する許容入出力演算部を有し、
   前記電池の無通電状態から充電または放電が開始され、
   もしくはすでに充電されている状態から放電が開始され、
   もしくはすでに放電されている状態から充電が開始され、
   当該開始された充電または放電が所定期間の経過後にも継続している場合、
   前記電池に流れる電流の電流極性が充電のときは前記許容入出力演算部で求めた許容入力値を、当該電流極性が放電のときは当該許容入出力演算部で求めた許容出力値を、前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少させ、
   前記所定期間の間における前記電池に流れる電流値に基づいて、前記許容入力値又は前記許容出力値の前記減少の速度を変化させる電池制御装置。
5. 電池の充電または放電が可能な許容入出力電流または許容入出力電力である許容入出力値を演算する許容入出力演算部を有し、
   前記電池の無通電状態から充電または放電が開始され、
   もしくはすでに充電されている状態から放電が開始され、
   もしくはすでに放電されている状態から充電が開始され、
   当該開始された充電または放電が所定期間の経過後にも継続している場合、
   前記電池に流れる電流の電流極性が充電のときは前記許容入出力演算部で求めた許容入力値を、当該電流極性が放電のときは当該許容入出力演算部で求めた許容出力値を、前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少させ、
   前記許容入力値又は前記許容出力値が前記充電または放電が継続した時間に基づいて減少しているときに、
   前記電池の放電されている状態から充電に切り替わった場合、前記許容出力値は前記減少から増加に変化し、
   または前記電池の充電されている状態から放電に切り替わった場合、前記許容入力値は前記減少から増加に変化する電池制御装置。

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