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JP2015116098A - 蓄電器の出力制御装置及び出力制御方法 - Google Patents

蓄電器の出力制御装置及び出力制御方法 Download PDF

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JP2015116098A JP2013258331A JP2013258331A JP2015116098A JP 2015116098 A JP2015116098 A JP 2015116098A JP 2013258331 A JP2013258331 A JP 2013258331A JP 2013258331 A JP2013258331 A JP 2013258331A JP 2015116098 A JP2015116098 A JP 2015116098A
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稔 魚嶋
勉 青石
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Abstract

【課題】蓄電器の限界電力を超えた放電による蓄電器の劣化の進行を抑制可能な蓄電器の出力制御装置を提供すること。【解決手段】充放電可能な蓄電器を電源として駆動する電動機を備えた車両における、蓄電器の出力制御装置は、車両に対する要求駆動力に応じて電動機が出力する目標動力を導出する目標動力導出部と、目標動力に応じた蓄電器の放電電力を導出する放電電力導出部と、放電電力導出部が導出した蓄電器の放電電力に応じて、蓄電器のSOC利用領域を設定する利用領域設定部とを備える。【選択図】図4

Description

本発明は、充放電可能な蓄電器を電源として駆動する電動機を備えた車両における、蓄電器の出力制御装置及び出力制御方法に関する。
HEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)及びEV(Electrical Vehicle:電気自動車)等の車両は電動機を備え、車両の走行状態及びドライバのアクセル操作に応じて、電動機の駆動力によって走行する。電動機は蓄電器から供給される電力によって駆動する。また、車両が減速時には電動機が発電機として動作し、その回生エネルギーによる電力が蓄電器に充電される。蓄電器には、直列に接続された複数の蓄電セルが設けられている。蓄電セルには、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の2次電池が用いられる。2次電池の劣化を最小限に利用するためには、蓄電器の過充電及び過放電を防止するための制御を行う必要がある。したがって、図8に示すように、蓄電器には放電側と充電側の各限界電力が設定される。各限界電力は、蓄電器の残容量(SOC:State of Charge)によって異なる。図8には、放電側の限界電力から充電側の限界電力までの範囲を示す許容電力範囲が、SOCが高いほど広い特性を有する蓄電器の場合が示されている。
特開2010−088167号公報
上記説明した蓄電器のSOCが低いと許容電力範囲が狭いため、図9に一点鎖線で示すように、車両の走行状態又はドライバのアクセル操作に応じて、蓄電器は放電側の限界電力を超える電力を電動機に供給する場合がある。しかし、こういった限界電力を超える電力の放電は、蓄電器の劣化を招く。このため、蓄電器のSOCを高めにシフトさせることで、蓄電器の劣化の進行を抑制していた。但し、低温時には蓄電器の出力が低下するため、SOCは高くても蓄電器の限界電力を超える放電が行われる可能性が常温時に比べて高い。しかし、低温時であっても放電側の限界電力を超えないよう蓄電器の容量を増やせば、システムの小型化又は軽量化の妨げとなる。
本発明の目的は、蓄電器の限界電力を超えた放電による蓄電器の劣化の進行を抑制可能な蓄電器の出力制御装置及び出力制御方法を提供することである。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項1に記載の発明の蓄電器の出力制御装置は、充放電可能な蓄電器(例えば、実施の形態での蓄電器101)を電源として駆動する電動機(例えば、実施の形態での電動機109)を備えた車両における、前記蓄電器の出力制御装置であって、前記車両に対する要求駆動力に応じて前記電動機が出力する目標動力を導出する目標動力導出部(例えば、実施の形態での目標動力算出部153)と、前記目標動力に応じた前記蓄電器の放電電力を導出する放電電力導出部(例えば、実施の形態での放電電力算出部155)と、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力に応じて、前記蓄電器のSOC利用領域を設定する利用領域設定部(例えば、実施の形態での利用領域設定部157)と、を備えたことを特徴としている。
さらに、請求項2に記載の発明の蓄電器の出力制御装置では、前記SOC利用領域は、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力から充電側の限界電力までの許容電力範囲内であれば前記蓄電器の充放電を制限しない、前記蓄電器の容量上の利用領域であることを特徴としている。
さらに、請求項3に記載の発明の蓄電器の出力制御装置では、前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電側の限界電力を超えた放電電力値の内、最大の放電電力値が前記蓄電器の許容電力範囲内に収まるよう前記SOC利用領域を設定することを特徴としている。
さらに、請求項4に記載の発明の蓄電器の出力制御装置では、前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電側の限界電力を超えた放電電力値の平均値が前記蓄電器の許容電力範囲内に収まるよう前記SOC利用領域を設定することを特徴としている。
さらに、請求項5に記載の発明の蓄電器の出力制御装置では、前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電側の限界電力を超えた放電電力値の近似値における最頻値が前記蓄電器の許容電力範囲内に収まるよう前記SOC利用領域を設定することを特徴としている。
さらに、請求項6に記載の発明の蓄電器の出力制御装置では、前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力値の平均値が、前記蓄電器の許容電力範囲における放電側の中央値と一致するよう前記SOC利用領域を設定することを特徴としている。
さらに、請求項7に記載の発明の蓄電器の出力制御装置では、前記蓄電器の残容量が前記利用領域設定部によって設定された前記SOC利用領域の下限値を下回ると、前記蓄電器からの放電を抑制することを特徴としている。
さらに、請求項8に記載の発明の蓄電器の出力制御方法では、充放電可能な蓄電器(例えば、実施の形態での蓄電器101)を電源として駆動する電動機(例えば、実施の形態での電動機109)を備えた車両における、前記蓄電器の出力制御方法であって、前記車両に対する要求駆動力に応じて前記電動機が出力する目標動力を導出する目標動力導出ステップと、前記目標動力に応じた前記蓄電器の放電電力を導出する放電電力導出ステップと、前記放電電力導出ステップで導出された前記蓄電器の放電電力に応じて、前記蓄電器のSOC利用領域を設定する利用領域設定ステップと、を有することを特徴としている。
請求項1〜7に記載の発明の蓄電器の出力制御装置及び請求項8に記載の発明の蓄電器の出力制御方法によれば、蓄電器の限界電力を超えた放電による蓄電器の劣化の進行を抑制できる。
シリーズ方式のHEVの内部構成を示すブロック図 マネジメントECU123の内部構成を示すブロック図 蓄電器101における2種類のSOC利用領域の関係を示す図 各SOC利用領域に対して設定される放電制御上の制限値及び充電制御上の制限値を示す図 車両の走行に応じてマネジメントECU123の放電電力算出部155が算出した蓄電器101の充放電電力の変化の一例を示す図 マネジメントECU123の動作を示すフローチャート 蓄電器101の許容電力範囲に対する車両の走行に応じた充放電電力の変化の一例を示す図 蓄電器のSOCに応じた放電側と充電側の各限界電力を示す図 蓄電器の許容電力範囲に対する車両の走行に応じた充放電電力の変化の一例を示す図
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、シリーズ方式のHEVの内部構成を示すブロック図である。図1に示すシリーズ方式のHEV(以下「車両」という)は、蓄電器(BATT)101と、温度センサ(TEMP)103と、コンバータ(CONV)105と、第1インバータ(第1INV)107と、電動機(MOT)109と、内燃機関(ENG)111と、発電機(GEN)113と、第2インバータ(第2INV)115と、ギアボックス(以下、単に「ギア」という。)119と、車速センサ121と、マネジメントECU(FI/MG ECU)123と、モータECU(MOT/GEN ECU)125と、バッテリECU(BATT ECU)127とを備える。なお、図1中の実線の矢印は値データを示し、一点鎖線の矢印は指示内容を含む制御信号を示す。
蓄電器101は、直列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば100〜200Vの高電圧を供給する。蓄電セルは、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の2次電池である。蓄電器101の充放電は、蓄電器101を使用可能な制御SOCの範囲(下限SOC〜上限SOC)内で繰り返される。温度センサ103は、蓄電器101の温度(以下「バッテリ温度」という)を検出する。温度センサ103によって検出されたバッテリ温度を示す信号は、バッテリECU127に送られる。
コンバータ105は、蓄電器101の直流出力電圧を直流のまま昇圧又は降圧する。第1インバータ107は、直流電圧を交流電圧に変換して3相電流を電動機109に供給する。また、第1インバータ107は、電動機109の回生動作時に入力される交流電圧を直流電圧に変換して蓄電器101に充電する。
電動機109は、車両が走行するための動力を発生する。電動機109で発生したトルクは、ギア119を介して駆動軸131に伝達される。なお、電動機109の回転子はギア119に直結されている。また、電動機109は、回生ブレーキ時には発電機として動作し、電動機109で発電された電力は蓄電器101に充電される。
内燃機関111は、発電機113が発電を行う際の動力源である。内燃機関111は、発電機113の回転子に直結されている。
発電機113は、内燃機関111の動力によって電力を発生する。発電機113によって発電された電力は、蓄電器101に充電されるか電動機109に供給される。第2インバータ115は、発電機113で発生した交流電圧を直流電圧に変換する。第2インバータ115によって変換された電力は蓄電器101に充電されるか、第1インバータ107を介して電動機109に供給される。
ギア119は、例えば5速相当の1段の固定ギアである。車速センサ121は、車両の走行速度(車速VP)を検出する。車速センサ121によって検出された車速VPを示す信号は、マネジメントECU123に送られる。
マネジメントECU123は、車両のドライバのアクセル操作に応じたアクセルペダル開度(AP開度)及び車速VPに基づく要求駆動力の算出、要求駆動力に応じて電動機109が出力する動力の算出、及び蓄電器101の入出力制御等を行う。マネジメントECU123の詳細については後述する。
モータECU125は、コンバータ105、第1インバータ107及び第2インバータ115をそれぞれ構成するスイッチング素子をスイッチング制御して、電動機109又は発電機113の動作を制御する。図1には、モータECU125によるコンバータ105、第1インバータ107及び第2インバータ115の制御が一点鎖線で示されている。
バッテリECU127は、温度センサ103から得られたバッテリ温度や、蓄電器101の充放電電流及び端子電圧等の情報に基づいて、蓄電器101のSOC等を導出する。
図2は、マネジメントECU123の内部構成を示すブロック図である。図2に示すように、マネジメントECU123は、要求駆動力算出部151と、目標動力算出部153と、放電電力算出部155と、利用領域設定部157とを備える。
要求駆動力算出部151は、AP開度及び車速VPに基づいて要求駆動力を算出する。目標動力算出部153は、要求駆動力に応じて電動機109が出力する目標動力を算出する。放電電力算出部155は、電動機109の目標動力に応じた蓄電器101の放電電力を算出する。
利用領域設定部157は、放電電力算出部155が算出した蓄電器101の放電電力に応じて、蓄電器101を使用可能な制御SOCの範囲(下限SOC〜上限SOC)内での、蓄電器101に予め設定された放電側の限界電力から充電側の限界電力までの許容電力範囲内であれば蓄電器101の充放電を制限しないSOC利用領域を設定する。図3は、蓄電器101における2つの異なるSOC利用領域の関係を示す図である。図3に示す例において、SOC利用領域Aが設定された場合、蓄電器101の制御SOCはCla〜Cb(%)に制限される。したがって、SOC利用領域Aが設定されているときの最小の許容電力範囲は、制御SOCがCla(%)であるときの許容電力範囲Aである。一方、SOC利用領域Bが設定された場合、蓄電器101の制御SOCはClb〜Cb(%)に制限される。したがって、SOC利用領域Bが設定されているときの最小の許容電力範囲は、制御SOCがClb(%)であるときの許容電力範囲Bである。なお、SOC利用領域Bの下限値Clbは、SOC利用領域Aの下限値Claよりも高く、上限値Cbは2つのSOC利用領域A,Bで共通する。
蓄電器101から電動機109への電力供給は、利用領域設定部157によって設定されたSOC利用領域内に蓄電器101の制御SOCが収まるよう制御される。すなわち、モータECU125は、マネジメントECU123の利用領域設定部157によって設定されたSOC利用領域に基づいて、蓄電器101の制御SOCがSOC利用領域の下限値を下回った際には、蓄電器101からの放電を抑えるべく制御を行う。
図4は、図3に示したSOC利用領域A,Bに対して設定される放電制御上の制限値及び充電制御上の制限値を示す図である。図4に示すように、SOC利用領域Aが設定されているときのモータECU125は、一点鎖線で示されるように、制御SOCがCla(%)以上であれば、蓄電器101の放電側の限界電力を超えないよう放電制御を行うが、制御SOCがCla(%)を下回れば蓄電器101が放電しないよう制御する。一方、SOC利用領域Bが設定されているときのモータECU125は、二点鎖線で示されるように、制御SOCがClb(%)以上であれば、SOC利用領域Aの場合と同様に、蓄電器101の放電側の限界電力を超えないよう放電制御を行うが、制御SOCがClb(%)を下回れば蓄電器101が放電しないよう制御する。
なお、モータECU125による蓄電器101への充電制御は、図4に実線で示されるように、設定されるSOC利用領域にかかわらず、制御SOCがCh(%)以下であれば、蓄電器101の充電側の限界電力を超えないよう行われる。
以下、利用領域設定部157によるSOC利用領域の設定例について、図5を参照して説明する。図5は、車両の走行に応じてマネジメントECU123の放電電力算出部155が算出した蓄電器101の充放電電力の変化の一例を示す図である。利用領域設定部157は、放電電力算出部155によって定期的に算出された蓄電器101の放電電力が、当該算出時の制御SOCに応じた放電側の限界電力を超えた回数をカウントする。さらに、利用領域設定部157は、当該回数がしきい値(例えば3回)に到達すれば、以下の3つの方法のいずれかに基づいてSOC利用領域を設定する。
(第1の設定方法)
第1の設定方法では、利用領域設定部157は、放電電力算出部155によって算出された放電側の限界電力を超えた放電電力値の内、最大の放電電力値(例えば、図5に示す時刻tbの放電電力値Pomax)が図3に示す蓄電器101の許容電力範囲内に収まる制御SOCを下限値としたSOC利用領域を設定する。
(第2の設定方法)
第2の設定方法では、利用領域設定部157は、放電電力算出部155によって算出された放電側の限界電力を超えた放電電力値(例えば、図5に示す時刻ta〜tfの各放電電力値)の平均値が蓄電器101の許容電力範囲内に収まる制御SOCを下限値としたSOC利用領域を設定する。
(第3の設定方法)
第3の設定方法では、利用領域設定部157は、放電電力算出部155によって算出された放電側の限界電力を超えた放電電力値(例えば、図5に示す時刻ta〜tfの各放電電力値)の近似値における最頻値が蓄電器101の許容電力範囲内に収まる制御SOCを下限値としたSOC利用領域を設定する。
(第4の設定方法)
第4の設定方法では、利用領域設定部157は、直近の時間帯に放電電力算出部155によって算出された放電電力値の平均値が、蓄電器101の許容電力範囲における放電側の中央値と一致するSOC利用領域を設定する。
図6は、マネジメントECU123の動作を示すフローチャートである。図7に示すように、マネジメントECU123の放電電力算出部155は、目標動力算出部153が算出した電動機109の目標動力に応じた蓄電器101の放電電力を算出する(ステップS101)。次に、マネジメントECU123の利用領域設定部157は、ステップS101で算出された放電電力がそのときの制御SOCに応じた放電側の限界電力を超えているか判断し(ステップS103)、超えていればステップS105に進み、超えていなければステップS101に戻る。ステップS105では、利用領域設定部157は、ステップS101で算出された放電電力が放電側の限界電力を超えた回数nを1つインクリメントする。
次に、ステップS107では、利用領域設定部157は、ステップS105でカウントされた回数nがしきい値thに到達した(n≧th)か否かを判断し、n≧thであればステップS109に進み、n<thであればステップS101に戻る。ステップS109では、利用領域設定部157は、ステップS101で算出された放電側の限界電力を超えた放電電力に応じた上記説明した第1〜第4の設定方法のいずれかに基づくSOC利用領域を設定する。次に、利用領域設定部157は、回数nを0にリセットして(ステップS111)、ステップS101に戻る。
以上説明したように、本実施形態では、マネジメントECU123の放電電力算出部155によって算出された蓄電器101の放電電力に応じたSOC利用領域が設定され、蓄電器101の放電制御は当該設定されたSOC利用領域の下限値を大きく下回らないように行われる。また、マネジメントECU123の利用領域設定部157は、放電電力算出部155によって算出された蓄電器101の放電電力が放電側の限界電力を超えた回数が所定回数に到達したとき、当該放電側の限界電力を超えた放電電力の内の最大値、平均値、又は近似値の最頻値が蓄電器101の許容電力範囲内に収まる制御SOCを下限値としたSOC利用領域に設定する。このとき、蓄電器101の制御SOCは設定されたSOC利用領域内でのみ変化し、蓄電器101の充放電電力はこのSOC利用領域内の制御SOCにおける許容電力範囲を超えない。その結果、図7に示すように、電動機109の目標動力に応じた蓄電器101の放電電力が放電側の限界電力を超えずに車両が走行するため、蓄電器101の劣化の進行を抑制できる。
なお、本実施形態ではシリーズ方式のHEVを例に説明したが、パラレル方式のHEV、シリーズ方式とパラレル方式を複合したシリーズ/パラレル方式のHEV、又はEV(Electrical Vehicle:電気自動車)等の車両であっても良い。また、本実施形態では、蓄電器101の放電電力が放電側の限界電力を超えないようSOC利用領域を設定するが、蓄電器101への充電電力が充電側の限界電力を超えないようSOC利用領域を設定しても良い。
101 蓄電器(BATT)
103 温度センサ(TEMP)
105 コンバータ(CONV)
107 第1インバータ(第1INV)
109 電動機(MOT)
111 内燃機関(ENG)
113 発電機(GEN)
115 第2インバータ(第2INV)
119 ギアボックス
121 車速センサ
123 マネジメントECU(FI/MG ECU)
125 モータECU(MOT/GEN ECU)
127 バッテリECU(BATT ECU)
131 駆動軸
133 駆動輪
151 要求駆動力算出部
153 目標動力算出部
155 放電電力算出部
157 利用領域設定部

Claims (8)

  1. 充放電可能な蓄電器を電源として駆動する電動機を備えた車両における、前記蓄電器の出力制御装置であって、
    前記車両に対する要求駆動力に応じて前記電動機が出力する目標動力を導出する目標動力導出部と、
    前記目標動力に応じた前記蓄電器の放電電力を導出する放電電力導出部と、
    前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力に応じて、前記蓄電器のSOC利用領域を設定する利用領域設定部と、
    を備えたことを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  2. 請求項1に記載の蓄電器の出力制御装置であって、
    前記SOC利用領域は、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力から充電側の限界電力までの許容電力範囲内であれば前記蓄電器の充放電を制限しない、前記蓄電器の容量上の利用領域であることを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  3. 請求項2に記載の蓄電器の出力制御装置であって、
    前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電側の限界電力を超えた放電電力値の内、最大の放電電力値が前記蓄電器の許容電力範囲内に収まるよう前記SOC利用領域を設定することを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  4. 請求項2に記載の蓄電器の出力制御装置であって、
    前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電側の限界電力を超えた放電電力値の平均値が前記蓄電器の許容電力範囲内に収まるよう前記SOC利用領域を設定することを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  5. 請求項2に記載の蓄電器の出力制御装置であって、
    前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電側の限界電力を超えた放電電力値の近似値における最頻値が前記蓄電器の許容電力範囲内に収まるよう前記SOC利用領域を設定することを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  6. 請求項2に記載の蓄電器の出力制御装置であって、
    前記利用領域設定部は、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力が、前記蓄電器に予め設定された放電側の限界電力を超えた回数をカウントし、当該回数がしきい値に到達すれば、前記放電電力導出部が導出した前記蓄電器の放電電力値の平均値が、前記蓄電器の許容電力範囲における放電側の中央値と一致するよう前記SOC利用領域を設定することを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の蓄電器の出力制御装置であって、
    前記蓄電器の残容量が前記利用領域設定部によって設定された前記SOC利用領域の下限値を下回ると、前記蓄電器からの放電を抑制することを特徴とする蓄電器の出力制御装置。
  8. 充放電可能な蓄電器を電源として駆動する電動機を備えた車両における、前記蓄電器の出力制御方法であって、
    前記車両に対する要求駆動力に応じて前記電動機が出力する目標動力を導出する目標動力導出ステップと、
    前記目標動力に応じた前記蓄電器の放電電力を導出する放電電力導出ステップと、
    前記放電電力導出ステップで導出された前記蓄電器の放電電力に応じて、前記蓄電器のSOC利用領域を設定する利用領域設定ステップと、
    を有することを特徴とする蓄電器の出力制御方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017051069A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 トヨタ自動車株式会社 充電装置
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