JP2010160026A

JP2010160026A - 車両用電力制御装置及び組電池の内部抵抗推定方法

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Publication number: JP2010160026A
Application number: JP2009001754A
Authority: JP
Inventors: Takaki Uejima; 宇貴上島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP5195440B2

Abstract

【課題】組電池の内部抵抗値を精度よく算出する。
【解決手段】組電池２の内部抵抗値を算出するとともに、充放電電流、電池温度、及び周囲温度に基づいてサービスプラグボックス２２の温度を算出して当該サービスプラグボックス２２の抵抗値を算出し、算出したサービスプラグボックス２２の抵抗値を用いて組電池２の内部抵抗値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車に搭載される組電池の放電電力及び回生充電電力を制御する車両用電力制御装置及び組電池の内部抵抗推定方法に関する。

従来、組電池の内部抵抗推定方法では、放電時における電流及び電池電圧を複数点サンプリングして当該組電池の放電特性を示す回帰直線を求め、この回帰直線の傾きから組電池の内部抵抗値を算出している（たとえば、特許文献１参照）。

特許第３５２８４２８号公報

ところで、組電池の電池電圧を計測する方法としては、組電池を構成する各セルの電圧を個々に計測して総和を求める方法と組電池全体を１つの電池として電圧を計測する方法とがある。そして、セル数が多い組電池においてはコスト面や性能面で後者のほうが優れているため、上記のような従来の内部抵抗推定方法では、組電池の電池電圧を計測する方法として後者が採用されている。

しかしながら、車載用組電池の中には、組電池の小型化に伴い、サービスメンテナンス時の安全性を確保するため、ヒューズ及びサービスプラグで構成されたサービスプラグボックスが組電池の中間電位地点に相当するセル間に延長ハーネスを介して設けられているものがある。

こうした場合、上記のような従来の内部抵抗推定方法では、算出した組電池の内部抵抗値の中にサービスプラグボックスや延長ハーネスの抵抗値も含まれ、また、これらの抵抗値が車両の走行に伴う温度変動によって変化することから、内部抵抗値の算出精度が低下するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、組電池の内部抵抗値を精度よく算出することを目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、ヒューズ及びサービスプラグで構成されたサービスプラグボックスを有する組電池の内部抵抗値を算出するとともに、充放電電流、電池温度、及び周囲温度に基づいてサービスプラグボックスの温度を算出して当該サービスプラグボックスの抵抗値を算出し、算出したサービスプラグボックスの抵抗値を用いて、組電池の内部抵抗値を補正することを特徴としている。

本発明によれば、サービスプラグボックスの温度から算出された当該サービスプラグボックスの抵抗値を用いて、電池の内部抵抗値が補正されるので、組電池の内部抵抗値を精度よく算出することができる。

本発明の実施形態に係る電気自動車の駆動システムの構成を示すシステム図である。本発明の実施形態となる電力制御装置において行われるサービスプラグボックスの抵抗値を算出する処理の流れを示すフローチャートである。サービスプラグボックスの抵抗値の温度特性を示す例示図である。本発明の実施形態となる電力制御装置において行われる組電池の最大充放電電力等を算出する処理の流れを示すフローチャートである。本発明の実施形態となる電力制御装置において行われるサービスプラグボックスの異常を検知する処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる車両用電力制御装置について説明する。

本発明の実施形態に係る電気自動車の駆動システム１は、図１に示すように、組電池２と、リレー３と、電流センサ４と、電圧センサ５と、電池温度センサ６と、周囲温度センサ７と、電力制御装置８と、インバータ９と、駆動モータ１０とを備えている。

組電池２とインバータ９とは強電ハーネス１１を介して接続されている。インバータ９と駆動モータ１０とは電源ハーネス１２を介して接続されている。リレー３、電流センサ４、電圧センサ５、電池温度センサ６、及び周囲温度センサ７と電力制御装置８とは通信線１３を介して接続されている。

組電池２は、直列に接続された複数のセル２１で構成されており、インバータ９を介して駆動モータ１０へ放電電力を供給する。また、組電池２は、インバータ９を介して駆動モータ１０から回生充電電力を受給して蓄電する。この組電池２としては、たとえば、リチウムイオン二次電池などが用いられる。なお、組電池２の中間電位地点に相当するセル２１間には、ヒューズ２２ａ及びサービスプラグ２２ｂで構成されたサービスプラグボックス２２が延長ハーネス２３を介して設けられている。

リレー３は、組電池２とインバータ９との間に設けられており、組電池２の放電電力及び回生充電電力をオンオフする。なお、このリレー３のオンオフ制御は電力制御装置８によって行われる。電流センサ４は、組電池２とインバータ９との間に設けられており、組電池２とインバータ９との間を流れる充放電電流を計測して電力制御装置８へ出力する。

電圧センサ５は、組電池２とインバータ９との間に設けられており、組電池２の電池電圧を計測して電力制御装置８へ出力する。電池温度センサ６は、組電池２の内部に設けられており、組電池２の電池温度を計測して電力制御装置８へ出力する。周囲温度センサ７は、車両（図示省略）の周囲温度を計測して電力制御装置８へ出力する。

インバータ９は、組電池２から入力される直流電力を交流電力に変換して駆動モータ１０へ出力する。また、インバータ９は、駆動モータ１０から入力される交流電力を直流電力に変換して組電池２へ出力する。駆動モータ１０は、組電池２からインバータ９を介して放電電力を受給して車両を駆動する。また、駆動モータ１０は、インバータ９を介して組電池２へ回生充電電力を供給する。

本発明の実施形態となる電力制御装置８は、このように構成された電気自動車の駆動システム１において、組電池２の放電電圧、内部抵抗値、最大許容電圧、及び放電終止電圧に基づいて当該組電池２の最大充放電電力を算出し、算出した組電池２の最大充放電電力に基づいて当該組電池２の放電電力及び回生充電電力を制御する。

なお、電力制御装置８は、車両を制御する車両制御装置（図示省略）と通信可能に接続されている。また、電力制御装置８は、サービスプラグ２２ｂの挿抜情報を記録するため、たとえば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）などの不揮発性の記憶メモリ（図示省略）を備えている。

つぎに、図２を参照して、電力制御装置８において行われる、サービスプラグボックス２２の抵抗値を算出する処理（以降、抵抗値算出処理という。）について説明する。

抵抗値算出処理は、電力制御装置８の電源が投入されたタイミングで開始され、ステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０１では、電力制御装置８は、電流センサ４、電池温度センサ６、及び周囲温度センサ７からの充放電電流（ＢＡＴＣＵＲ）、電池温度（ＢＡＴＴＭＰ）、及び周囲温度（ＡＭＢＴＭＰ）の入力を開始する。その後、処理は、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、電力制御装置８は、充放電電流（ＢＡＴＣＵＲ）、電池温度（ＢＡＴＴＭＰ）、及び周囲温度（ＡＭＢＴＭＰ）に基づいてサービスプラグボックス２２の温度（ＳＤＴＭＰ１，２）を下記の数式１，２を利用して算出する。その後、処理は、ステップＳ１０３に進む。

なお、数式１，２において、ｆ_２{ｍａｘ（｜ＢＡＴＴＭＰ｜，｜ＡＭＢＴＭＰ｜）−｜ＳＤＴＭＰ２（前回値）｜｝及びｆ_４{ｍａｘ（｜ＢＡＴＴＭＰ｜，｜ＡＭＢＴＭＰ｜）−｜ＳＤＴＭＰ２（前回値）｜｝は、電池温度（ＢＡＴＴＭＰ）又は周囲温度（ＡＭＢＴＭＰ）のいずれかの最大絶対値とサービスプラグボックス２２の温度（ＳＤＴＭＰ２）の差に応じてゲインを設定する関数である。また、ｆ_１（ＢＡＴＣＵＲ）及びｆ_３（ＢＡＴＣＵＲ）は、充放電電流（ＢＡＴＣＵＲ）の絶対値に応じてゲインを設定する関数である。さらに、ΔＢＡＴＣＵＲは、タスクタイミング毎の充放電電流（ＢＡＴＣＵＲ）の変化量である。

ステップＳ１０３では、電力制御装置８は、図３に示すような、サービスプラグボックス２２の抵抗値の温度特性に基づいてあらかじめ作成された温度−抵抗値変換テーブル（図示省略）を利用して、ステップＳ１０２において算出されるサービスプラグボックス２２の温度（ＳＤＴＭＰ２）から当該サービスプラグボックス２２の抵抗値（ＳＤＲＥＳ）を算出する。その後、処理は、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、電力制御装置８は、組電池２の内部抵抗劣化係数とサービスプラグボックス２２の抵抗劣化係数との相関に基づいてあらかじめ作成された内部抵抗劣化係数−抵抗値補正係数変換テーブル（図示省略）を利用して、後述する最大充放電電力等算出処理において算出される組電池２の内部抵抗劣化係数（ＲＤＨＯＳＥＩ）からサービスプラグボックス２２の抵抗値補正係数（ＳＤＲＨＯＳＥＩ）を算出する。その後、処理は、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、電力制御装置８は、ステップＳ１０４において算出されるサービスプラグボックス２２の抵抗値補正係数（ＳＤＲＨＯＳＥＩ）を用いて、ステップＳ１０３において算出されるサービスプラグボックス２２の抵抗値（ＳＤＲＥＳ）を以下の数式３を利用して補正する。その後、処理は、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、電力制御装置８は、車両制御装置からのシャットダウン要求を受信したか否かを判断する。そして、シャットダウン要求を受信したと判断した場合には、一連の処理は終了する。一方、シャットダウン要求を受信していないと判断した場合には、処理は、ステップＳ１０２に戻る。

つぎに、図４を参照して、電力制御装置８において行われる、組電池２の最大充放電電力等を算出する処理（以降、最大充放電電力等算出処理という。）について説明する。

最大充放電電力等算出処理は、電力制御装置８の電源が投入されたタイミングで開始され、ステップＳ２０１に進む。

ステップＳ２０１では、電力制御装置８は、後述する異常検知処理においてセットされる異常フラグが「０」であるか否かを判断する。そして、異常フラグが「０」であると判断した場合には、処理は、後述するステップＳ２１１に進む。一方、異常フラグが「０」でないと判断した場合には、処理は、ステップＳ２０２に進む。なお、異常フラグが「０」である状態とは、サービスプラグボックス２２の異常を検知していない状態を示し、異常フラグが「０」でない状態、すなわち、異常フラグが「１」である状態とは、サービスプラグボックス２２の異常を検知した状態を示す。

ステップＳ２０２では、電力制御装置８は、電流センサ４、電圧センサ５、電池温度センサ６からの充放電電流（ＢＡＴＣＵＲ）、電池電圧、及び電池温度（ＢＡＴＴＭＰ）の入力を開始する。その後、処理は、ステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、電力制御装置８は、あらかじめ作成された電池温度−温度補正係数変換テーブル（図示省略）を利用して、電池温度（ＢＡＴＴＭＰ）から組電池２の温度補正係数（ＲＴＨＯＳＥＩ）を算出する。その後、処理は、ステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４では、電力制御装置８は、電池電圧及び充放電電流（ＢＡＴＣＵＲ）を所定周期でサンプリングして回帰直線を求め、この回帰直線の傾きをもとに組電池２の瞬時内部抵抗値（ＲＩＮＳＴ）を算出する。その後、処理は、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０５では、電力制御装置８は、ステップＳ２０３において算出される組電池２の温度補正係数（ＲＴＨＯＳＥＩ）とステップＳ２０４において算出される組電池２の瞬時内部抵抗値（ＲＩＮＳＴ）とに基づいて一定温度における組電池２の内部抵抗値（ＲＴＤＥＦ）を下記の数式４を利用して算出する。その後、処理は、ステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０６では、電力制御装置８は、ステップＳ２０４において求められる回帰直線の切片をもとに組電池２の開放電圧（ＥＺＥＲＯ）を算出する。その後、処理は、ステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０７では、電力制御装置８は、あらかじめ作成した開放電圧−残存容量テーブル（図示省略）を利用して、ステップＳ２０６において算出される組電池２の開放電圧（ＥＺＥＲＯ）から組電池２の残存容量を算出する。その後、処理は、ステップＳ２０８に進む。

ステップＳ２０８では、電力制御装置８は、前述した抵抗値算出処理において算出されるサービスプラグボックス２２の抵抗値（ＳＤＲＥＳ’）を用いて、ステップＳ２０５において算出される組電池２の内部抵抗値（ＲＴＤＥＦ）を下記の数式５を利用して補正する。その後、処理は、ステップＳ２０９に進む。

ステップＳ２０９では、電力制御装置８は、ステップＳ２０６において算出される組電池２の開放電圧（ＥＺＥＲＯ）、ステップＳ２０８において算出される組電池２の内部抵抗値（ＲＴＤＥＦ’）、あらかじめ定められた組電池２の充電許容電圧（ＶＭＡＸ）、及びあらかじめ定められた組電池２の放電終止電圧（ＶＭＩＮ）に基づいて組電池２の最大充放電電圧（ＰＷＲＩＮ，ＰＷＲＯＵＴ）を下記の数式６，７を利用して算出する。その後、処理は、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、電力制御装置８は、ステップＳ２０８において算出される組電池２の内部抵抗値（ＲＴＤＥＦ’）、あらかじめ定められた加重平均係数（ＫＡＪＹＵ）、及びあらかじめ定められた組電池２の内部抵抗初期値（ＲＤＩＮＴ）に基づいて組電池２の内部抵抗劣化係数（ＲＤＨＯＳＥＩ）を下記の数式８を利用して算出する。

ステップＳ２１１では、電力制御装置８は、車両制御装置からのシャットダウン要求を受信したか否かを判断する。そして、シャットダウン要求を受信したと判断した場合には、一連の処理は終了する。一方、シャットダウン要求を受信していないと判断した場合には、処理は、ステップＳ２０１に戻る。

つぎに、図５を参照して、電力制御装置８において行われる、サービスプラグボックス２２の異常を検知する処理（以降、異常検知処理という。）について説明する。

異常検知処理は、電力制御装置８が間欠起動又は低消費電力モードで作動したタイミングで開始される。

ステップＳ３０１では、電力制御装置８は、サービスプラグ２２ｂが挿入されているか否かをマイコンのＡ／Ｄ入力に基づいて判断する。そして、サービスプラグ２２ｂが挿入されていると判断した場合には、処理は、ステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２では、電力制御装置８は挿入フラグを「１」にする。その後、処理は、後述するステップＳ３０７に進む。すなわち、挿入フラグが「１」である状態とは、サービスプラグ２２ｂが挿入されている状態を示す。

一方、ステップＳ３０１において、サービスプラグ２２ｂが挿入されていないと判断した場合には、処理は、ステップＳ３０３に進む。

ステップＳ３０３では、電力制御装置８は挿入フラグを「０」にする。すなわち、挿入フラグが「０」である状態とは、サービスプラグ２２ｂが挿入されていない状態を示す。その後、処理は、ステップＳ３０４に進む。

ステップＳ３０４では、電力制御装置８は、挿入フラグを「０」してから所定時間を経過したか否かを判断する。そして、挿入フラグを「０」にしてから所定時間を経過したと判断した場合には、処理は、ステップＳ３０５に進む。

ステップＳ３０５では、電力制御装置８は挿抜フラグを「１」にする。すなわち、挿抜フラグが「１」である状態とは、サービスプラグ２２ｂが抜き挿しされた状態を示す。その後、処理は、ステップＳ３０７に進む。

一方、ステップＳ３０４において、挿抜フラグを「０」にしてから所定時間を経過していないと判断した場合には、処理は、ステップＳ３０６に進む。

ステップＳ３０６では、電力制御装置８は挿抜フラグを「０」にする。すなわち、挿抜フラグが「０」である状態とは、サービスプラグ２２ｂが抜き挿しされていない状態を示す。その後、処理は、ステップＳ３０７に進む。

ステップＳ３０７では、電力制御装置８は挿抜フラグの状態をサービスプラグ２２ｂの挿抜情報として記憶メモリに記録する。その後、処理は、ステップＳ３０８に進む。

ステップＳ３０８では、電力制御装置８は、イグニッションのオンにより車両が起動したか否かを判断する。そして、車両が起動したと判断した場合には、処理は、ステップＳ３０９に進む。一方、車両が起動していないと判断した場合には、処理は、ステップＳ３０１に戻る。

ステップＳ３０９では、電力制御装置８は、当該電力制御装置８の電源を投入して通常の制御を開始するとともに、サービスプラグ２２ｂの挿抜情報を記憶メモリから読み込む。その後、処理は、ステップＳ３１０に進む。

ステップＳ３１０では、電力制御装置８は、挿抜フラグが「１」であるか否かを判断するとともに、前述した最大充放電電力等算出処理において算出される組電池２の瞬時内部抵抗値（ＲＩＮＳＴ）が規定範囲よりも所定回数大きかったか否かを判断する。そして、挿抜フラグが「１」であり、かつ組電池２の瞬時内部抵抗値（ＲＩＮＳＴ）が規定範囲よりも所定回数大きかったと判断した場合には、処理は、ステップＳ３１１に進む。

ステップＳ３１１では、電力制御装置８は異常フラグを「１」にする。すなわち、異常フラグが「１」である状態とは、サービスプラグボックス２２の異常を検知した状態を示す。その後、処理は、ステップＳ３１２に進む。

ステップＳ３１２では、電力制御装置８は、サービスプラグボックス２２の異常を検知した旨の検知信号を車両制御装置へ送信する。その後、処理は、ステップＳ３１４に進む。

一方、ステップＳ３１０において、挿抜フラグが「１」でないと判断されたと判断された場合や組電池２の瞬時内部抵抗値（ＲＩＮＳＴ）が規定範囲よりも所定回数大きくなかった場合には、処理は、ステップＳ３１３に進む。

ステップＳ３１３では、電力制御装置８は異常フラグ及び挿抜フラグを「０」にする。すなわち、異常フラグが「０」である状態とは、サービスプラグボックス２２の異常を検知していない状態を示す。その後、処理は、ステップＳ３１４に進む。

ステップＳ３１４では、電力制御装置８は、車両制御装置からのシャットダウン要求を受信したか否かを判断する。そして、シャットダウン要求を受信したと判断した場合には、ステップＳ３１５に進む。一方、シャットダウン要求を受信していないと判断した場合には、処理は、ステップＳ３０１に戻る。

ステップＳ３１５では、電力制御装置８は挿抜フラグの状態を記憶メモリに記録し、一連の処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる電力制御装置８は、組電池２の内部抵抗値を算出するとともに、充放電電流、電池温度、及び周囲温度に基づいてサービスプラグボックス２２の温度を算出して当該サービスプラグボックス２２の抵抗値を算出し、算出したサービスプラグボックス２２の抵抗値を用いて、組電池２の内部抵抗値を補正する。

このため、本発明の実施形態によれば、サービスプラグボックス２２の抵抗値が車両の走行に伴う温度変動によって変化したとしても組電池２の内部抵抗値を精度よく算出することができ、最大充放電電力の算出精度が向上して放電電力及び回生充電電力の制御を正確に行うことができる。

また、本発明の実施形態となる電力制御装置８は、組電池２の内部抵抗劣化係数とサービスプラグボックス２２の抵抗劣化係数との相関に基づいて組電池２の内部抵抗劣化係数からサービスプラグボックス２２の抵抗値補正係数を算出し、算出したサービスプラグボックス２２の抵抗値補正係数を用いて、サービスプラグボックス２２の抵抗値を補正する。

このため、本発明の実施形態によれば、サービスプラグボックス２２の抵抗値が当該サービスプラグボックス２２の劣化によって変化したとしても組電池２の内部抵抗値を精度よく算出することができる。

さらに、本発明の実施形態となる電力制御装置８は、挿抜フラグが「１」であり、かつ組電池２の瞬時内部抵抗値が規定範囲よりも所定回数大きいと判断した場合にサービスプラグボックス２２の異常を検知した旨の検知信号を車両制御装置へ送信する。

このため、本発明の実施形態によれば、新規に異常診断回路などを設けることなく、安価かつ容易に、サービスプラグボックス２２の異常を検知することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、上記の実施形態に基づいて当業者によってなされる他の実施形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範囲に含まれることを付け加えておく。

１：駆動システム
２：組電池
２１：セル
２２：サービスプラグボックス
２２ａ：ヒューズ
２２ｂ：サービスプラグ
２３：延長ハーネス
３：リレー
４：電流センサ
５：電圧センサ
６：電池温度センサ
７：周囲温度センサ
８：電力制御装置（内部抵抗値算出手段、ボックス温度算出手段、ボックス抵抗値算出手段、内部抵抗値補正手段、ボックス抵抗値補正手段、瞬時内部抵抗値算出手段、異常検知手段）
９：インバータ
１０：駆動モータ
１１：強電ハーネス
１２：電源ハーネス
１３：通信線

Claims

ヒューズ及びサービスプラグで構成されたサービスプラグボックスを有する組電池の最大充放電電力を当該組電池の開放電圧、内部抵抗値、最大許容電圧、及び放電終止電圧に基づいて算出し、算出した前記組電池の最大充放電電力に基づいて当該組電池の放電電力及び回生充電電力を制御する車両用電力制御装置において、
前記組電池の内部抵抗値を算出する内部抵抗値算出手段と、
充放電電流、電池温度、及び周囲温度に基づいて前記サービスプラグボックスの温度を算出するボックス温度算出手段と、
前記ボックス温度算出手段により算出された前記サービスプラグボックスの温度から当該サービスプラグボックスの抵抗値を算出するボックス抵抗値算出手段と、
前記ボックス抵抗値算出手段により算出された前記サービスプラグボックスの抵抗値を用いて、前記内部抵抗値算出手段により算出された前記組電池の内部抵抗値を補正する内部抵抗値補正手段と
を備えたことを特徴とする車両用電力制御装置。
前記組電池の内部抵抗劣化係数と前記サービスプラグボックスの抵抗劣化係数との相関に基づいて、前記ボックス抵抗値算出手段により算出された前記サービスプラグボックスの抵抗値を補正するボックス抵抗値補正手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用電力制御装置。
前記組電池の瞬時内部抵抗値を算出する瞬時内部抵抗値算出手段と、
前記サービスプラグが抜き挿しされた後における前記瞬時内部抵抗値算出手段により算出された前記組電池の瞬時内部抵抗値が規定範囲よりも高く推移しているか否かを判断することにより前記サービスプラグボックスの異常を検知する異常検知手段と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用電力制御装置。
ヒューズ及びサービスプラグで構成されたサービスプラグボックスを有する組電池の内部抵抗値を算出するとともに、充放電電流、電池温度、及び周囲温度に基づいて前記サービスプラグボックスの温度を算出して当該サービスプラグボックスの抵抗値を算出し、算出した前記サービスプラグボックスの抵抗値を用いて、前記組電池の前記内部抵抗値を補正することを特徴とする組電池の内部抵抗推定方法。
前記組電池の内部抵抗劣化係数と前記サービスプラグボックスの抵抗劣化係数との相関に基づいて、前記サービスプラグボックスの前記抵抗値を補正することを特徴とする請求項４に記載の組電池の内部抵抗推定方法。