JP2015082914A - 車両に搭載される電池パックの保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池パックの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を高精度に推定することができる、車両に搭載される電池パックの保護装置を提供する。【解決手段】電池パック１の電池ＥＣＵ１１は、電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｂと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂを推定し（ステップＳ１１）、電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとの間の経路の消費電力Ｐを推定し（ステップＳ１２）、電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐ並びに経路の消費電力Ｐに基づいて、電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを推定し（ステップＳ１３）、推定結果を電気自動車の走行制御ＥＣＵ１１に送信する（ステップＳ１４）。【選択図】図２

Description

この発明は、車両に搭載される電池パックの保護装置に関する。

電気モータによって走行する電気自動車（ＥＶ車）や電気モータとガソリンエンジンの併用によって走行するプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ車）の普及が始まっている。これらＥＶ車やＰＨＶ車には、電気モータを駆動する電力を蓄えるための充放電可能な電池パックが搭載されている。一般的な電池パックの内部には、複数の電池セルを積層して構成される電池モジュールが収容されており、電池モジュールの両極端子が電池パックの外部コネクタにそれぞれ接続されている。

通常、電池モジュールに入出力することが許容される最大電力（「最大許容入力電力」および「最大許容出力電力」）は、電池モジュールの温度やＳＯＣ等に依存して変化する。特許文献１には、電池パックにインバータを介してモータジェネレータが接続される構成の電気自動車において、電池モジュールの最大許容入力電力と最大許容出力電力を温度とＳＯＣを考慮して推定し、モータジェネレータの発電電力や消費電力がこれら最大許容入力電力と最大許容出力電力の範囲内に収まるように制御することによって、電池モジュールを保護する発明が記載されている。

特開平１１−１８７５７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、充放電時において電池モジュールから外部コネクタまでの間の経路の抵抗成分によって消費される電力を考慮しておらず、電池モジュールの最大許容入力電力と最大許容出力電力がそのまま電池パックの最大許容入力電力と最大許容出力電力であると推定している。そのため、充電時には電池モジュールの保護が過剰となってしまう可能性があり、放電時には電池モジュールの保護が不十分となってしまう可能性がある。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、電池パックの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を高精度に推定することができる、車両に搭載される電池パックの保護装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る車両に搭載される電池パックの保護装置は、電池パックの内部に収容される電池モジュールの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を推定する第１許容電力推定手段と、電池モジュールと当該電池モジュールに電気的に接続されるコネクタとの間の経路の消費電力を推定する経路電力推定手段と、電池モジュールの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方並びに経路の消費電力に基づいて、電池パックの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を推定する第２許容電力推定手段とを備えることを特徴とする。

好適には、第１許容電力推定手段は、電池モジュールの最大許容入力電力を推定し、第２許容電力推定手段は、電池モジュールの最大許容入力電力に経路の消費電力を加算することによって、電池パックの最大許容入力電力を推定する。

好適には、第１許容電力推定手段は、電池モジュールの最大許容出力電力を推定し、第２許容電力推定手段は、電池モジュールの最大許容出力電力から経路の消費電力を減算することによって、電池パックの最大許容出力電力を推定する。

経路電力推定手段は、経路の抵抗値に当該経路に流れると予想される電流値の二乗を乗算することによって、経路の消費電力を推定してもよい。

経路電力推定手段は、経路に流れると予想される電流値として、所定の一定値を用いてもよい。

経路電力推定手段は、電池パックの充電時には、当該電池パックに入力されると予想される最大電流値を経路に流れると予想される電流値として用い、電池パックの放電時には、当該電池パックから出力されると予想される最小電流値を経路に流れると予想される電流値として用いてもよい。

車両の要求電力を取得する要求電力取得手段をさらに備え、経路電力推定手段は、電池パックの放電時には、車両の要求電力に相当する電力を電池パックが放電すると仮定した場合に電池モジュールから出力される電流値を、経路に流れると予想される電流値として用いてもよい。

この発明に係る車両に搭載される電池パックの保護装置によれば、電池パックの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を高精度に推定することができる。

この発明の実施の形態１に係る、電池パックの保護装置（電池ＥＣＵ）を含む電気自動車の電気系統を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る、電池ＥＣＵが行う電池パックの最大許容入力電力と最大許容出力電力の推定処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る、所与のＳＯＣおよび温度における電池モジュールの最大許容入力電力と最大許容出力電力を与えるマップである。 この発明の実施の形態１に係る、所与の温度における電池モジュールとコネクタとの間の経路の抵抗値を与えるマップである。 この発明の実施の形態２に係る、電池パックの保護装置（電池ＥＣＵ）を含む電気自動車の電気系統を示す図である。 この実施の形態２に係る、電池ＥＣＵが行う電池パックの最大許容出力電力の推定処理を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電池パック１の保護装置（電池ＥＣＵ１１）を含む電気自動車の電気系統を図１に示す。

図１に示されるように、電気自動車の電気系統には、直流電力を充放電可能な電池パック１と、インバータおよびコンバータとして動作可能な電力変換ユニット２と、電動機および発電機として動作可能なモータジェネレータ３とが含まれており、電力変換ユニット２とモータジェネレータ３は、走行制御ＥＣＵ４によって制御される。走行制御ＥＣＵ４は、マイクロコンピュータによって構成されており、アクセル開度センサ５やブレーキ開度センサ６等から取得される運転操作情報に基づいて電力変換ユニット２とモータジェネレータ３を制御する。

電気自動車の通常走行時には、電池パック１から供給される直流電力が電力変換ユニット２によって交流電力に変換され、この交流電力によってモータジェネレータ３が電動機として動作して電気自動車の図示しない車軸が駆動される。一方、電気自動車の回生走行時には、モータジェネレータ３が発電機として動作して交流電力を発電し、この交流電力が電力変換ユニット２によって直流電力に変換されて電池パック１への充電が行われる。

電池パック１の内部には、複数の電池セルを積層して構成される電池モジュール７が収容されている。電池モジュール７の正極は、電池パック１の表面に取り付けられたコネクタ８Ａに電気的に接続されており、電池モジュール７の負極は、モジュールスイッチ９とメインスイッチ１０を介してコネクタ８Ｂに電気的に接続されている。

また、電池パック１の内部には、電池モジュール７に入出力される電流値を積算することによって電池モジュール７のＳＯＣを算出するＳＯＣセンサ１２と、電池モジュール７の温度を測定する温度センサ１３と、電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとを接続する図中に太線で示される配線１４付近の温度を測定する温度センサ１５とが設けられており、これらのセンサによって測定された情報は電池ＥＣＵ１１に入力される。

電池ＥＣＵ１１は、マイクロコンピュータによって構成されており、第１許容電力推定手段１６と、経路電力推定手段１７と、第２許容電力推定手段１８とを備え、電池パック１の保護装置として機能する。

第１許容電力推定手段１６は、電池モジュール７に入力することが許容される電力の最大値（最大許容入力電力：Ｗｉｎ＿ｂ）と、電池モジュール７から出力することが許容される電力の最大値（最大許容出力電力：Ｗｏｕｔ＿ｂ）とを推定する。

経路電力推定手段１７は、電池パック１の充放電時に電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとの間の経路で消費される電力、すなわち図中に太線で示される配線１４の抵抗成分によって消費される電力と、モジュールスイッチ９およびメインスイッチ１０の各抵抗成分によって消費される電力と、コネクタ８Ａ，８Ｂの接触箇所の抵抗成分によって消費される電力との合計を推定する。

第２許容電力推定手段１８は、電池パック１の充電時にコネクタ８Ａ，８Ｂに入力することが許容される電力の最大値（最大許容入力電力：Ｗｉｎ＿ｐ）と、電池パック１の放電時にコネクタ８Ａ，８Ｂから出力することが許容される電力の最大値（最大許容出力電力：Ｗｏｕｔ＿ｐ）とを推定し、推定された最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを走行制御ＥＣＵ４に送信する。

次に、この実施の形態１に係る電池ＥＣＵ１１が行う電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐの推定処理について、図２〜図４を参照して説明する。

電池ＥＣＵ１１は、電気自動車の走行中に図２のフローチャートに示される処理ルーチンを所定の時間間隔で実行することによって、電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを逐次推定する。以下、この処理ルーチンにおける各ステップの詳細について、順次説明する。

まず、ステップＳ１１において、電池ＥＣＵ１１の第１許容電力推定手段１６は、ＳＯＣセンサ１２によって算出される電池モジュール７のＳＯＣと、温度センサ１３によって測定される電池モジュール７の温度とから、図３に示されるようなマップに基づいて、電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｂと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂを推定する。図３のマップは、所与のＳＯＣおよび温度における電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｂと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂを与えるものであり、予め実験的に作成されて電池ＥＣＵ１１の内部メモリに記憶されている。

ステップＳ１２において、電池ＥＣＵ１１の経路電力推定手段１７は、電池パック１の充放電時において電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとの間の経路で消費される電力Ｐを推定する。詳細には、経路電力推定手段１７は、温度センサ１５によって取得される配線１４付近の温度から、図４に示されるようなマップに基づいて経路の抵抗値Ｒ（配線１４の抵抗値と、モジュールスイッチ９およびメインスイッチ１０の各抵抗値と、コネクタ８Ａ，８Ｂの接触箇所の抵抗値との合計）を推定し、経路に流れると予想される電流値をＩとして、消費電力Ｐを以下の式によって推定する。

Ｐ＝Ｒ×Ｉ^２

なお、図４のマップは、図３のマップと同様に予め実験的に作成されて電池ＥＣＵ１１の内部メモリに記憶されている。また、上記経路に流れると予想される電流値Ｉとしては、予め実験的に決定される所定の一定値を用いてもよいし、或いは、充電時には電池パック１に入力されると予想される最大電流値を用い、放電時には電池パック１から出力されると予想される最小電流値を用いてもよい。

ステップＳ１３において、電池ＥＣＵ１１の第２許容電力推定手段１８は、ステップＳ１１で推定された電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｂと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂ、並びにステップＳ１２で推定された経路の消費電力Ｐに基づいて、電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを推定する。詳細には、まず電池パック１の充電時には、コネクタ８Ａ，８Ｂから入力される電力から経路の抵抗成分によって消費される電力Ｐを除いたものが電池モジュール７に入力される電力であると考えられるため、電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐを以下の式によって推定する。

Ｗｉｎ＿ｐ ＝ Ｗｉｎ＿ｂ ＋ Ｐ

また、電池パック１の放電時には、電池モジュール７から出力される電力から経路の抵抗成分によって消費される電力Ｐを除いたものがコネクタ８Ａ，８Ｂから出力される電力であると考えられるため、電池パック１の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを以下の式によって推定する。
Ｗｏｕｔ＿ｐ ＝ Ｗｏｕｔ＿ｂ − Ｐ

ステップＳ１４において、電池ＥＣＵ１１は、ステップＳ１３で推定された電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを走行制御ＥＣＵ４に送信する。走行制御ＥＣＵ４は、電池パック１に入出力される電力が受信された最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐの範囲内に収まるように、電力変換ユニット２とモータジェネレータ３を制御する。

以上説明したように、この実施の形態１に係る電池パック１の電池ＥＣＵ１１は、電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｂと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂを推定し、電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとの間の経路の消費電力Ｐを推定し、電池モジュール７の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐ並びに経路の消費電力Ｐに基づいて、電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを推定する。これにより、充放電時に電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとの間の経路の抵抗成分によって消費される電力Ｐを考慮することができるため、電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを高精度に推定することができる。

なお、上記の実施の形態１においては、本願発明を電気自動車の走行時における電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐと最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐの推定に適用した例を説明したが、電気自動車の停車時に図示しない充電器によって電池パック１への充電を行う際の電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐの推定に本願発明を適用することもできる。その場合には、ステップＳ１１において実施の形態１と同様に最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｂを推定し、ステップＳ１２において予め実験的に決定される所定の一定値を充電電流値Ｉとして用いて経路の消費電力Ｐを推定し、それらに基づいてステップＳ１３において電池パック１の最大許容入力電力Ｗｉｎ＿ｐを推定すればよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る電池パック２０１の保護装置（電池ＥＣＵ２１１）を含む電気自動車の電気系統を図５に示す。この実施の形態２に係る電池ＥＣＵ２１１は、電気自動車の要求電力を走行制御ＥＣＵ２０４から取得する要求電力取得手段２１９を備えており、電気自動車の走行中に図６のフローチャートに示される処理ルーチンを所定の時間間隔で実行することによって、電池パック１の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを逐次推定する。以下、この処理ルーチンにおける各ステップの詳細について、順次説明する。

まず、ステップＳ２１において、電池ＥＣＵ２１１の第１許容電力推定手段１６は、実施の形態１と同様に、ＳＯＣセンサ１２によって算出される電池モジュール７のＳＯＣと、温度センサ１３によって測定される電池モジュール７の温度とから、図３のマップに基づいて、電池モジュール７の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂを推定する。

ステップＳ２２において、電池ＥＣＵ２１１の要求電力取得手段２１９は、その時点における電気自動車の要求電力を送信するように走行制御ＥＣＵ２０４に指示する。走行制御ＥＣＵ２０４は、アクセル開度センサ５やブレーキ開度センサ６等から取得される運転操作情報に基づいて、その時点における電気自動車の要求電力を算出し、電池ＥＣＵ２１１に送信する。

ステップＳ２３において、電池ＥＣＵ２１１の経路電力推定手段２１７は、電池パック２０１からの放電時に電池モジュール７とコネクタ８Ａ，８Ｂとの間の経路の抵抗成分によって消費される電力Ｐを、実施の形態１と同様に以下の式によって推定する。

Ｐ＝Ｒ×Ｉ^２

上式において、経路の抵抗値Ｒの推定方法は実施の形態１と同様である。また、経路に流れると予想される電流値Ｉは、ステップＳ２２で取得された要求電力に相当する電力を電池パック２０１が放電すると仮定した場合に電池モジュール７から出力される電流値を用いる。

ステップＳ２４において、電池ＥＣＵ２１１の第２許容電力推定手段１８は、ステップＳ２１で推定された電池モジュール７の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂ、並びにステップＳ２３で推定された経路の消費電力Ｐに基づいて、電池パック２０１の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを、実施の形態１と同様に以下の式によって推定する。

Ｗｏｕｔ＿ｐ ＝ Ｗｏｕｔ＿ｂ − Ｐ

ステップＳ２５において、電池ＥＣＵ２１１の第２許容電力推定手段１８は、ステップＳ２４で推定された電池パック２０１の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを走行制御ＥＣＵ２０４に送信する。走行制御ＥＣＵ２０４は、電池パック２０１から出力される電力が受信された最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐ以下になるように、電力変換ユニット２とモータジェネレータ３を制御する。

以上説明したように、この実施の形態２に係る電池ＥＣＵ２１１は、電池モジュール７の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｂを推定し、走行制御ＥＣＵ２０４から取得される電気自動車の要求電力に基づいて電池モジュール７とコネクタ８Ａ，Ｂとの間の経路の消費電力Ｐを推定し、電池モジュール７の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐ並びに経路の消費電力Ｐに基づいて、電池パック１の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを推定する。これにより、各時点における電気自動車の要求電力に基づいて最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐを逐次推定することができるため、各時点における電池パック１の最大許容出力電力Ｗｏｕｔ＿ｐをよりきめ細かく高精度に推定することができる。

その他の実施の形態．
実施の形態１，２において電池ＥＣＵ１１，２１１が行った処理は、走行制御ＥＣＵ４，２０４が行ってもよい。その場合、電池ＥＣＵ１１，２１１は、ＳＯＣセンサ１２や温度センサ１３，１５によって測定された情報を走行制御ＥＣＵ１１，２１１に送信する。

実施の形態１，２においてＳＯＣセンサ１２は、電池モジュール７を構成する複数の電池セルの電圧値によって電池モジュール７のＳＯＣを算出してもよい。例えば、複数の電池セルの閉回路電圧（ＣＣＶ）を取得し、予め実験的に作成されたＳＯＣ−ＣＣＶ特性曲線を用いてＳＯＣを算出する。

１，２０１ 電池パック、７ 電池モジュール、８Ａ，８Ｂ コネクタ、１１，２１１ 電池ＥＣＵ（保護装置）、１６ 第１許容電力推定手段、１７，２１７ 経路電力推定手段、１８ 第２許容電力推定手段、２１９ 要求電力取得手段、Ｗｉｎ＿ｂ 電池モジュールの最大許容入力電力、Ｗｏｕｔ＿ｂ 電池モジュールの最大許容出力電力、Ｐ 経路の消費電力、Ｗｉｎ＿ｐ 電池パックの最大許容入力電力、Ｗｏｕｔ＿ｐ 電池パックの最大許容出力電力。

Claims (7)

1. 車両に搭載される電池パックの保護装置であって、
   前記電池パックの内部に収容される電池モジュールの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を推定する第１許容電力推定手段と、
   前記電池モジュールと該電池モジュールに電気的に接続されるコネクタとの間の経路の消費電力を推定する経路電力推定手段と、
   前記電池モジュールの前記最大許容入力電力および前記最大許容出力電力のいずれかまたは両方並びに前記経路の消費電力に基づいて、前記電池パックの最大許容入力電力および最大許容出力電力のいずれかまたは両方を推定する第２許容電力推定手段と
   を備えることを特徴とする、電池パックの保護装置。
2. 前記第１許容電力推定手段は、前記電池モジュールの前記最大許容入力電力を推定し、
   前記第２許容電力推定手段は、前記電池モジュールの前記最大許容入力電力に前記経路の消費電力を加算することによって、前記電池パックの前記最大許容入力電力を推定することを特徴とする、請求項１に記載の電池パックの保護装置。
3. 前記第１許容電力推定手段は、前記電池モジュールの前記最大許容出力電力を推定し、
   前記第２許容電力推定手段は、前記電池モジュールの前記最大許容出力電力から前記経路の消費電力を減算することによって、前記電池パックの前記最大許容出力電力を推定することを特徴とする、請求項１または２に記載の電池パックの保護装置。
4. 前記経路電力推定手段は、前記経路の抵抗値に該経路に流れると予想される電流値の二乗を乗算することによって、前記経路の消費電力を推定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池パックの保護装置。
5. 前記経路電力推定手段は、前記経路に流れると予想される電流値として、所定の一定値を用いることを特徴とする、請求項４に記載の電池パックの保護装置。
6. 前記経路電力推定手段は、
   前記電池パックの充電時には、該電池パックに入力されると予想される最大電流値を前記経路に流れると予想される電流値として用い、
   前記電池パックの放電時には、該電池パックから出力されると予想される最小電流値を前記経路に流れると予想される電流値として用いることを特徴とする、請求項４に記載の電池パックの保護装置。
7. 前記車両の要求電力を取得する要求電力取得手段をさらに備え、
   前記経路電力推定手段は、前記電池パックの放電時には、前記車両の要求電力に相当する電力を前記電池パックが放電すると仮定した場合に前記電池モジュールから出力される電流値を、前記経路に流れると予想される電流値として用いることを特徴とする、請求項４に記載の電池パックの保護装置。

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