JP2005117765A - 組電池の保護制御装置および組電池の保護制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池を構成するセルの過放電を確実に防止する。
【解決手段】組電池１を構成するモジュールＭ１〜Ｍ２０ごとの電圧は、電圧センサ２０ａ〜２０ｔにより検出され、マルチプレクサ２１により順に選択されて、Ａ／Ｄコンバータ２２を介して、ＭＰＵ２３に入力される。ＭＰＵ２３は、各モジュールＭ１〜Ｍ２０の電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたと判定すると、所定の条件を満たすモジュールの電圧のみを選択するようにマルチプレクサ２１を制御し、マルチプレクサ２１を介して入力されるモジュール電圧が所定の電圧より低い場合には、組電池１の放電を停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池を構成する複数の電池が過放電とならないように制御する装置および方法に関する。

組電池を構成する複数のセルの電圧を検出し、検出した電圧と所定電圧とを比較して、セルが過放電に至る前に、スイッチ回路により組電池と負荷との間を遮断して、組電池を保護する装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−２３８３５８号公報

しかしながら、ニッケル（Ni）系の二次電池においては、過放電近傍領域では、電圧の低下速度が早いため、前回のセル電圧検出時には、セル電圧が所定電圧より大きくても、今回のセル電圧検出時には、所定電圧以下になってしまう場合がある。この場合、スイッチ回路による遮断制御を行っても、セルが過放電となってしまう可能性があった。

本発明による組電池の保護制御装置および組電池の保護制御方法は、組電池を構成する複数の電池の電圧の低下速度が速くなる条件が満たされた場合には、複数の電池のうち、所定の条件を満たす電池の電圧を選択的に検出し、検出された電圧が所定の電圧より低い場合には、所定の電圧より電圧が低い電池からの放電を少なくとも停止させることを特徴とする。

本発明による組電池の保護制御装置および組電池の保護制御方法によれば、電圧の低下速度が速くなる条件が満たされた場合に、所定の条件を満たす電池の電圧を選択的に検出するので、電池の検出間隔を短くすることができる。これにより、放電を停止させる前に電池が過放電となることを確実に防ぐことができる。

図１は、本発明による組電池の保護制御装置をハイブリッド電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図である。図１では、強電ラインを太い実線で、弱電ラインを細い実線で、制御信号ラインを点線で示している。このハイブリッド電気自動車は、車両の走行駆動源として、エンジン１およびモータジェネレータ４（以下では、単にモータ４と呼ぶ）を備える。すなわち、エンジン１とモータ４の両方またはいずれか一方の駆動力が減速機６を介して、駆動輪１７ａ，１７ｂに伝達される。

一般に、電動機（モータ）は、電力を駆動力に変換して力行運転するものであるが、そのままの構造で駆動力を電力に逆変換して回生運転することが可能である。また、発電機（ジェネレータ）は、駆動力を電力に変換して発電運転（回生運転と同等）するものであるが、そのままの構造で電力を駆動力に逆変換して力行運転することが可能である。つまり、電動機（モータ）と発電機（ジェネレータ）とは基本的に同一構造であり、どちらも駆動（力行）と発電（回生）とが可能である。したがって、本明細書では、電気エネルギー（電力）を回転エネルギー（駆動力）に変換する電動機（モータ）の機能と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（ジェネレータ）の機能を合わせ持つ回転電機を、モータジェネレータまたは単にモータと呼ぶ。

モータジェネレータ３（以下では、単にモータ３と呼ぶ）は、エンジン２と連結されており、エンジン２の始動に用いられるとともに、エンジン２によって連れ回されて発電を行う。また、エンジン２は、動力分割機構３５を介して、減速機６およびモータ４と接続されている。すなわち、エンジン２の駆動力は、動力分割機構３５によって、駆動輪１７ａ，１７ｂとモータ４とに伝達される。モータ４は、上述したように、車両の駆動源として用いられるとともに、車両の減速時に回生運転を行うことにより発電を行う。なお、モータ３およびモータ４は、３相交流モータである。

インバータ５は、組電池１（強電バッテリ）に蓄えられている直流電力を３相交流電力に変換して、モータ４に供給してモータ４を駆動（力行）運転する。また、インバータ５は、モータ３またはモータ４が回生運転することにより発電する３相交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、組電池１の充電に用いられるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７で降圧されて、１２Ｖバッテリ８の充電にも用いられる。

なお、１２Ｖバッテリ８に蓄えられている直流電力は、図示しない補機を駆動するために用いられるとともに、組電池１のＳＯＣに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ７で昇圧されて、組電池１を充電する際にも用いられる。

車両コントローラ９は、エンジン２、バッテリコントローラ１０およびモータコントローラ１１を制御して車両の走行を制御する。車両コントローラ９と、バッテリコントローラ１０およびモータコントローラ１１とは、車載通信線１５により接続されており、様々な情報の授受を行う。モータコントローラ１１は、モータ３およびモータ４の運転モード、すなわち、力行運転モードおよび回生運転モードを制御するために、インバータ５を制御する。

バッテリコントローラ１０は、組電池１を構成する各モジュールの電圧を検出し、検出したモジュール電圧に基づいて、組電池１の充電および放電を制御する。バッテリコントローラ１０の詳細な構成、および、各モジュールの電圧を検出する方法については、後述する。

電流センサ１２は、組電池１からインバータ５に流れる放電電流、および、インバータ５から組電池１に流れる充電電流を検出し、バッテリコントローラ１０に出力する。冷却ファン１４は、組電池１の近傍に設けられており、バッテリコントローラ１０からの指令に基づいて、組電池１を冷却する。リレー３０は、組電池１とインバータ５との間の強電ライン上に設けられ、バッテリコントローラ１０によって接続／遮断される。

図２は、組電池１およびバッテリコントローラ１０の詳細な構成を示す図である。組電池１は、２０個のモジュールＭ１〜Ｍ２０を直列に接続して構成されている。各モジュールＭ１〜Ｍ２０は、それぞれ１２個のセルを直列に接続して構成されており、例えば、モジュールＭ１は、セルｓ１〜ｓ１２により構成されている。各モジュールＭ１〜Ｍ２０を構成するセルｓ１〜ｓ２４０は、例えば、定格容量6.5（Ah）、定格電圧1.2（V）のニッケル水素電池である。

温度センサ１３ａ〜１３ｔは、各モジュールＭ１〜Ｍ２０ごとに設けられ、対応するモジュールＭ１〜Ｍ２０の温度を検出して、バッテリコントローラ１０に出力する。

バッテリコントローラ１０は、電圧センサ２０ａ〜２０ｔ、マルチプレクサ（ＭＰＸ）２１、Ａ／Ｄコンバータ２２、マイクロプロセッサ２３（以下では、ＭＰＵ２３と呼ぶ）、および、メモリ２４を備える。電圧センサ２０ａ〜２０ｔは、モジュールＭ１〜Ｍ２０ごとに設けられ、対応するモジュールＭ１〜Ｍ２０の電圧をそれぞれ検出して、マルチプレクサ２１に出力する。

図３は、マルチプレクサ２１の構成概念を示す図である。マルチプレクサ２１は、スイッチ２１ａを備え、各電圧センサ２０ａ〜２０ｔから入力される電圧値のうち、１つの電圧値を順に選択（例えば、２０ａ→２０ｂ→…→２０ｔ）して、Ａ／Ｄコンバータ２２に出力する。Ａ／Ｄコンバータ２２は、マルチプレクサ２１から入力されたアナログデータである電圧値をデジタル値に変換して、ＭＰＵ２３に出力する。ＭＰＵ２３は、後述する所定の条件が満たされた場合に、全てのモジュールＭ１〜Ｍ２０のうち、所定のモジュールの電圧値を選択して検出するように、マルチプレクサ２１を制御する。ＭＰＵ２３により行われる制御内容は、後述する図４に示すフローチャートを用いて説明する。

ＭＰＵ２３は、また、電圧センサ２０ａ〜２０ｔにより検出されるモジュール電圧が所定の電圧より低い場合には、リレー３０を遮断させることにより、組電池１の放電を停止させて、モジュールの過放電を防止する。この時、車両コントローラ９を介して、警告灯１６を点灯させて、乗員に異常が発生していることを報知する。

メモリ２４は、電流センサ１２により検出された電流値や、電圧センサ２０ａ〜２０ｔにより検出された電圧値を記憶する。

図４は、ＭＰＵ２３により行われる異常モジュール検出プログラムの一実施の形態を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、例えば、車両の起動とともに開始される。ステップＳ１０では、電流センサ１２により検出される組電池１の充放電電流Ｉを取得するとともに、温度センサ１３ａ〜１３ｔにより検出される各モジュールＭ１〜Ｍ２０の温度を取得する。また、電圧センサ２０ａ〜２０ｔにより検出されて、マルチプレクサ２１、Ａ／Ｄコンバータ２２を介して入力される各モジュールＭ１〜Ｍ２０の電圧Ｖ１〜Ｖ２０を取得する。

ステップＳ１０に続くステップＳ２０では、各モジュールＭ１〜Ｍ２０のＳＯＣ（State Of Charge）および内部抵抗ｒ１〜ｒ２０を算出する。モジュールＭ１〜Ｍ２０のＳＯＣは、ステップＳ１０で検出される電流Ｉを積算することにより求めることができる。

図５は、各モジュールＭ１〜Ｍ２０の内部抵抗ｒ１〜ｒ２０を算出する方法について説明するための図である。ＭＰＵ２３は、電圧センサ２０ａ〜２０ｔにより検出されたモジュール電圧と、その時に電流センサ１２により検出された電流とを組み合わせた複数のデータに基づいて、直線回帰演算を行い、図５に示すような回帰直線を求める。この求めた回帰直線の傾きが内部抵抗となる。なお、内部抵抗は、充放電が繰り返し行われるにつれて、大きくなっていく。全てのモジュールＭ１〜Ｍ２０の内部抵抗ｒ１〜ｒ２０を算出してメモリ２４に記憶すると、ステップＳ３０に進む。

後述するステップＳ３０およびステップＳ４０では、モジュール電圧の低下速度が速くなる条件が満たされるか否かを判定する。ステップＳ３０では、ステップＳ１０で検出した各モジュールＭ１〜Ｍ２０の温度のうち、最も低い温度Ｔminが所定の温度Ｔ1より低いか否かを判定する。Ｔmin＜Ｔ1が成り立つと判定するとステップＳ５０に進み、Ｔmin＜Ｔ1が成り立たないと判定するとステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、ステップＳ２０で算出した各モジュールＭ１〜Ｍ２０のＳＯＣのうち、最も小さい値であるＳＯＣminが所定値ＳＯＣ1より小さいか否かを判定する。ＳＯＣmin＜ＳＯＣ1が成り立つと判定するとステップＳ５０に進み、ＳＯＣmin＜ＳＯＣ1が成り立たないと判定すると、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ５０では、ステップＳ２０で算出した各モジュールＭ１〜Ｍ２０の内部抵抗のうち、内部抵抗の高い順に５つのモジュールを抽出して、抽出したモジュールの番号をメモリ２４に記憶する。内部抵抗の高い５つのモジュールの番号をメモリ２４に記憶すると、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、ステップＳ５０でメモリ２４に記憶した番号のモジュールの電圧値のみを選択するように、マルチプレクサ２１のスイッチ２１ａを制御する。各モジュールに対して同一の条件で充電および放電を行うと、内部抵抗の高いモジュールのＳＯＣは低くなる。従って、マルチプレクサ２１により、内部抵抗の高いモジュールのみを選択するということは、ＳＯＣの低いモジュールの電圧を優先的に検出することを意味する。これにより、電圧の測定周期を短くすることができる。すなわち、５つのモジュールの電圧を検出することにより、２０個のモジュールの電圧を検出する場合と比べて、電圧測定速度を４倍にすることができる。

ステップＳ６０に続くステップＳ７０では、ステップＳ６０において、マルチプレクサ２１により選択されたモジュール電圧のうち、最も低い電圧Ｖminが所定のしきい値より小さいか否かを判定する。最低電圧Ｖminが所定のしきい値以上であると判定するとステップＳ８０に進み、所定のしきい値より低いと判定するとステップＳ１４０に進む。ステップＳ１４０では、電圧の最も低いモジュールが過放電となる可能性があるため、リレー３０を遮断して、処理を終了する。

一方、ステップＳ８０では、電流センサ１２により検出される組電池１の充放電電流Ｉを取得するとともに、温度センサ１３ａ〜１３ｔにより検出される各モジュールＭ１〜Ｍ２０の温度を取得する。充放電電流Ｉおよび各モジュールＭ１〜Ｍ２０の温度を取得すると、ステップＳ９０に進む。ステップＳ９０では、ステップＳ８０で取得した充放電電流に基づいて、各モジュールＭ１〜Ｍ２０のＳＯＣを算出する。ＳＯＣの算出方法は、ステップＳ２０で説明したので、ここでは省略する。各モジュールＭ１〜Ｍ２０のＳＯＣを算出すると、ステップＳ１００に進む。

後述するステップＳ１００およびステップＳ１１０では、ステップＳ６０において、５つのモジュール電圧のみを選択するように制御したマルチプレクサ２１に対して、再び、全てのモジュールの電圧を順に選択するように制御するか否かの判定を行う。

ステップＳ１００では、ステップＳ９０で算出した各モジュールＭ１〜Ｍ２０のＳＯＣのうち、最も小さい値であるＳＯＣminが所定値ＳＯＣ1以上であるか否かを判定する。ＳＯＣmin≧ＳＯＣ1が成り立つと判定するとステップＳ１１０に進み、ＳＯＣmin≧ＳＯＣ1が成り立たないと判定するとステップＳ６０に戻る。

ステップＳ１１０では、ステップＳ８０で取得した各モジュールＭ１〜Ｍ２０の温度のうち、最も低い温度であるＴminが所定の温度Ｔ1以上であるか否かを判定する。Ｔmin≧Ｔ1が成り立つと判定すると、ステップＳ１２０に進み、Ｔmin≧Ｔ1が成り立たないと判定すると、ステップＳ６０に戻る。

ステップＳ１２０では、通常のマルチプレクサ制御が行われる。すなわち、マルチプレクサ２１のスイッチ２１ａにより、電圧センサ２０ａ〜２０ｔにより検出された全てのモジュール電圧が順に選択されて、Ａ／Ｄコンバータ２２に出力される。ステップＳ１２０の処理を終了すると、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、ステップＳ７０と同様の処理、すなわち、ステップＳ１２０においてマルチプレクサ２１を介して入力される各モジュールＭ１〜Ｍ２０の電圧Ｖ１〜Ｖ２０のうち、最も低い電圧Ｖminが所定のしきい値より小さいか否かを判定する。最低電圧Ｖminが所定のしきい値より小さいと判定するとステップＳ１４０に進み、所定のしきい値以上であると判定すると、ステップＳ１０に戻る。以後、上述したステップＳ１０以降の処理が繰り返し行われる。

一実施の形態における組電池の保護制御装置によれば、組電池１を構成するモジュールＭ１〜Ｍ２０の電圧の低下速度が速くなる条件が満たされた場合には、マルチプレクサ２１により、所定の条件を満たすモジュールの電圧を選択的に検出する。これにより、全てのモジュールの電圧を順に検出する場合に比べて、電圧の測定周期を短くすることができ、急な電圧低下に起因するモジュールの過放電を防止することができる。また、電圧の測定周期を短くするために、例えば、複数のＡ／Ｄコンバータを用いる必要もないので、コストの増大を抑制することができる。

特に、一実施の形態における組電池の保護制御装置では、ＳＯＣが所定のＳＯＣ（ＳＯＣ1）より低いモジュールが存在する場合、または、温度が所定の温度Ｔ1より低いモジュールが存在する場合に、所定の条件を満たすモジュールの電圧を選択的に検出する。これにより、過放電近傍領域において電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたか否かを判定して、確実にモジュールの過放電を防止することができる。

また、モジュールの電圧を選択的に検出する際に、内部抵抗の高い所定の数のモジュールの電圧を検出するようにしたので、ＳＯＣの低い電池の電圧を優先的に検出して、過放電を確実に防止することができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、上述した一実施の形態では、複数のセルにより構成されるモジュールＭ１〜Ｍ２０の電圧を検出し、モジュール単位での過放電を防止するものとして説明した。しかし、セルｓ１〜ｓ２４０単位で電圧を検出して、各セルの過放電を防止するようにしてもよい。

また、上述した説明では、電圧を検出するモジュールの数を５つとしたが、所望の電圧検出周期に応じた数のモジュールを選択するようにすればよい。

組電池１は、ハイブリッド電気自動車に搭載されるものとして説明したが、電気自動車に搭載されるものでもよいし、車両以外の他の用途に用いられる組電池でもよい。また、組電池１を構成するセルおよびモジュールの数や、セルの種類により本発明が限定されることもない。

上述した一実施の形態では、モジュール電圧のうち、最も低い電圧Ｖminが所定のしきい値より低い場合には、組電池１と負荷との間をリレー３０で遮断することにより、組電池１の放電を停止させるようにした。しかし、所定のしきい値より低い電圧のモジュールを組電池１から切り離して、異常のあるモジュールのみの放電を停止させるようにしてもよい。この場合には、他の正常なモジュールからの出力を得ることができる。また、セル単位で電圧を検出する方法を適用する場合には、異常のあるセルを組電池１から切り離すようにすればよい。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、電圧センサ２０ａ〜２０ｔおよびマルチプレクサ２１が電圧検出手段を、ＭＰＵ２３が条件判定手段および制御手段を、ＭＰＵ２３およびリレー３０が放電停止手段を、電流センサ１２およびＭＰＵ２３がＳＯＣ検出手段を、温度センサ１３ａ〜１３ｔが温度検出手段を、電圧センサ２０ａ〜２０ｔ、電流センサ１２およびＭＰＵ２３が内部抵抗検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明による組電池の保護制御装置をハイブリッド電気自動車に適用した一実施の形態の構成を示す図 組電池およびバッテリコントローラの詳細な構成を示す図 マルチプレクサの構成を示す概念図 一実施の形態における組電池の保護制御装置により行われる処理内容を示すフローチャート 各モジュールの内部抵抗を算出する方法について説明するための図

符号の説明

１…組電池
２…エンジン
３…モータジェネレータ
４…モータジェネレータ
５…インバータ
６…減速機
７…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８…１２Ｖバッテリ
９…車両コントローラ
１０…バッテリコントローラ
１１…モータコントローラ
１２…電流センサ
１３ａ〜１３ｔ…温度センサ
１４…冷却ファン
１５…通信線
１６…警告灯
１７ａ，１７ｂ…車輪
２０ａ〜２０ｔ…電圧センサ
２１…マルチプレクサ
２２…Ａ／Ｄコンバータ
２３…マイクロプロセッサ
２４…メモリ
３０…リレー
３５…動力分割機構
Ｍ１〜Ｍ２０…モジュール
ｓ１〜ｓ２４０…セル

Claims (8)

1. 複数の電池により構成される組電池の保護制御装置において、
   前記複数の電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記複数の電池の電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたか否かを判定する条件判定手段と、
   前記条件判定手段により前記電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたと判定すると、所定の条件を満たす電池の電圧を選択的に検出するように、前記電圧検出手段を制御する制御手段と、
   前記電圧検出手段により検出した電圧が所定の電圧より低い場合に、前記所定の電圧より電圧が低い電池からの放電を少なくとも停止させる放電停止手段とを備えることを特徴とする組電池の保護制御装置。
2. 請求項１に記載の組電池の保護制御装置において、
   前記複数の電池のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段をさらに備え、
   前記条件判定手段は、前記ＳＯＣ検出手段により検出された複数のＳＯＣのうちのいずれかのＳＯＣが所定のＳＯＣより低い場合に、前記電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたと判定することを特徴とする組電池の保護制御装置。
3. 請求項１または２に記載の組電池の保護制御装置において、
   前記複数の電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記条件判定手段は、前記温度検出手段により検出された複数の温度のうちのいずれかの温度が所定の温度より低い場合に、前記電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたと判定することを特徴とする組電池の保護制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の組電池の保護制御装置において、
   前記複数の電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段をさらに備え、
   前記所定の条件を満たす電池は、前記内部抵抗検出手段により検出された複数の内部抵抗のうち、内部抵抗の高い方から数えて所定の数の電池であることを特徴とする組電池の保護制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の組電池の保護制御装置において、
   前記放電停止手段は、前記組電池と負荷との間を遮断することを特徴とする組電池の保護制御装置。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の組電池の保護制御装置において、
   前記放電停止手段は、前記所定の電圧より電圧が低い電池を前記組電池から切り離すことを特徴とする組電池の保護制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の組電池の保護制御装置において、
   前記組電池を構成する複数の電池は、セルまたは複数のセルにより構成されるモジュールであることを特徴とする組電池の保護制御装置。
8. 組電池を構成する複数の電池の電圧を順に検出し、検出した電圧が所定の電圧より低い場合に、前記所定の電圧より電圧が低い電池からの放電を少なくとも停止させる組電池の保護制御方法において、
   前記複数の電池の電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたか否かを判定し、
   前記電圧の低下速度が速くなる条件が満たされたと判定すると、所定の条件を満たす電池の電圧を選択的に検出することを特徴とする組電池の保護制御方法。

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