JP4116609B2 - 電源制御装置、電動車両および電池制御ユニット - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を複数個組み合わせて成る組電池と負荷との間の接続状態を制御する電源制御装置に関し、特に電気自動車（ＰＥＶ）、ハイブリッド式電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド式電気自動車等の電動車両に塔載される駆動用動力源である組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両において、組電池とインバータとの間の接続状態を制御する技術に関する。

ニッケル水素二次電池、リチウム二次電池等の二次電池を使用するにあたっては、過放電や過充電を避けなければならない。仮に二次電池が顕著な過放電や過充電に至ると、電池内部の電解液の電気分解によりガスが発生し、二次電池の寿命が短縮したり、劣化を招くことになる。

他方、複数の二次電池が組み合わされた組電池の持つエネルギでモータにて推進力を発生させる電気自動車や、エンジンとモータを塔載した、いわゆるハイブリッド式電気自動車（ＨＥＶ）では、電池制御方法の１つとして、推進力を得るための力行制御（放電制御）だけでなく、車両走行用のモータにて制動エネルギを回収する回生制御（充電制御）がある。

例えば、特許文献１には、モータを備えた電動車両に搭載され、二次電池の状態に基づき充電電力上限値を決定する手段と、回生制動力の制御目標の上限を、充電電力上限値及びモータの回転数に基づき制御する手段と、電池の電圧が所定の許容値を上回った場合に、回生制動力の制御目標を低減する手段とを備えた回生制動制御装置が記載されている。

また、特許文献２には、二次電池の温度や蓄電量に応じて変化する充放電電力上限値を超えないように、充放電電力を制御する充放電電力制限手段を備えた充放電制御装置が記載されている。

さらに、特許文献３には、車両が所定の危険状態となった場合にモータに電力を供給する蓄電装置を自動的に強制遮断する危険時強制遮断手段を備えた電気自動車が記載されている。

以上のことから、二次電池の状態、すなわち電圧、温度、蓄電量によって電池の許容充放電電力値、許容充放電電圧値または許容充放電電力値を守るよう制御すること、および過充電、過放電、車両の電力制御装置の故障や著しい電池寿命の劣化を招くような事態には、モータへの電力を遮断し、車両の安全を確保すると共に、場合によっては使用者に修理を喚起することが肝要であると考えられる。

ところで、電動車両を駆動するような二次電池は大きな電力が要求されるため、多数の単電池を直列接続し組電池として使用するのが一般的である。特許文献４には、複数の電圧源に対してフライング・キャパシタ回路を用いて、簡素な回路で各電圧源と計測系との絶縁性を保ったまま電圧が計測できることが記載されている。
特許第３３６０４９９号公報 特開２００３−２１９５１０号公報 特開平１０−９４１０１号公報 特開平１１−２４８７５７号公報

しかしながら、従来技術では、組電池の電力または電圧を監視し、許容充電電力値または許容上限電圧値を上回った場合、もしくは許容放電電力値または許容下限電圧値を下回った場合に、組電池とモータとの接続を遮断してはいた。しかし、例えば組電池の電力が許容充電電力値を超えたか否かを判断するには、組電池をブロックに分割し、ブロック毎に電圧センサにより測定された電圧を加算し組電池の電圧を算出して、この組電池電圧と電流センサにより測定された電流との積を演算して判断を行う必要がある。このため、演算および判断に時間を要し、電力がパルス状に短時間で許容充電電力値を超えた場合については検出することができなかった。その結果、二次電池の劣化や寿命の短縮を招くこととなっていた。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池を確実に保護して劣化や寿命の短縮を防止し、二次電池の能力を最大限生かすことができる電源制御装置を提供し、またかかる電源制御装置を搭載することで、安全性を確保した電動車両を提供し、さらには組電池の状態を制御する電池制御ユニットを提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明に係る電源制御装置は、二次電池である単電池または単位電池を複数個（例えば、１４４個）組み合わせて成る組電池と組電池の負荷との接続状態を制御する電源制御装置であって、組電池と負荷との間に設けられた接点開閉装置（正側メインコンタクタ、負側メインコンタクタ）と、組電池における所定数（例えば、１２個）の単電池または単位電池を１つのブロックとしてブロック毎の電圧（Ｖｎ、ｎ＝１〜１２）を時系列に測定する電圧測定部と、電圧測定部がブロック毎の電圧を測定するタイミングで組電池に流れる電流（Ｉｎ）を測定する電流測定回路と、電圧測定部からのブロック毎の電圧と電流測定部からの電流との積を演算してブロック毎の電力（Ｐｎ）を算出する電力演算部と、電力演算部により算出されたブロック毎の電力が許容電力値（充電許容電力値Ｐｃｎ、放電許容電力値Ｐｄｎ）を超えた回数を計数するカウンタと、カウンタによる計数値が既定値以上となった時点で、接点開閉装置を開状態に制御する制御回路（コンタクタ制御回路）とを備えた構成を有する。

この構成によれば、組電池の実負荷電力が許容電力値を超えたか否かをブロック毎の電圧取得タイミングで短時間に判定することで、組電池の故障診断を早期に行うことができ、その結果、二次電池の劣化や寿命の短縮を防止することが可能になる。

また、本発明に係る電源制御装置において、電圧測定部は、一端が組電池を構成する１つおきのブロックの一端に接続され、他端が第１の電位検出線に共通に接続された第１のスイッチ素子群から成る第１のスイッチ回路と、一端が組電池を構成する前記１つおきのブロックの他端に接続され、他端が第２の電位検出線に共通に接続された第２のスイッチ素子群から成り、第１のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になるタイミングで第２のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になり、次に、第１のスイッチ素子群のうち次のスイッチ素子がオン状態になるタイミングで第２のスイッチ素子群のうち前記１つのスイッチ素子がオン状態になる第２のスイッチ回路と、第１の電位検出線と第２の電位検出線との間に設けられたキャパシタと、第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路がオン状態からオフ状態に移行した後に、キャパシタの両端の電位を出力するためにオフ状態からオン状態に移行する第３のスイッチ回路と、第３のスイッチ回路から出力されるブロック毎の電圧を測定する電圧測定回路とを備えたフライング・キャパシタ回路で構成することが好ましい。

この構成によれば、ハイブリッド式電気自動車等において、複数の単電池または単位電池が直列に接続されてなる組電池のブロック毎の電圧を、簡素な回路で各ブロックと計測系の絶縁性を保ったまま測定することができる。

また、本発明に係る電源制御装置はさらに、電圧測定部によるブロック毎の電圧測定の対象となるブロック近傍の温度（Ｔｍ）を測定する温度測定回路と、組電池の残存容量を算出する残存容量演算部と、温度測定回路からの温度と電圧測定部からの電圧とに依存した温度−電圧依存許容電力値と、残存容量演算部からの残存容量に依存した残存容量依存許容電力値とに応じてブロック毎の許容電力値を算出する許容電力演算部とを備えることが好ましい。この場合、許容電力演算部は、温度−電圧依存許容電力値と残存容量依存許容電力値のうちの小さいほうをブロック毎の許容電力値として算出する。

この構成によれば、許容電力演算部は、組電池の残存容量（ＳＯＣ：State of charge）が低下した場合にはＳＯＣを高いほうに誘導するために放電許容電力値Ｐｄｎを小さく設定し、ＳＯＣが高い状況ではＳＯＣを低いほうに誘導するために充電許容電力値Ｐｃｎを小さく設定する。また、温度に応じて変化するブロック毎の電池状態に合った最適な許容電力値を得ることができる。例えば、低温域では電池の内部抵抗が上昇し入出力が著しく制限された状況となるので、許容電力演算部は、充電許容電力値Ｐｃｎと放電許容電力値Ｐｄｎをともに小さく設定する。また、許容電力演算部は、電池電圧が低くなった場合には電池の過放電を防ぐように放電許容電力値Ｐｄｎを小さく設定し、電池電圧が高くなった場合には電池内部でのガスの発生を抑えるために充電許容電力値Ｐｃｎを小さく設定する。

前記の目的を達成するため、本発明に係る電動車両は、二次電池である単電池または単位電池を複数個（例えば、１４４個）組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両であって、組電池とインバータとの間に設けられた少なくとも２つの接点開閉装置（正側メインコンタクタ、負側メインコンタクタ）と、組電池における所定数（例えば、１２個）の単電池または単位電池を１つのブロックとしてブロック毎の電圧（Ｖｎ、ｎ＝１〜１２）を時系列に測定する電圧測定部と、電圧測定部がブロック毎の電圧を測定するタイミングで組電池に流れる電流（Ｉｎ）を測定する電流測定回路と、電圧測定部からのブロック毎の電圧と電流測定部からの電流との積を演算してブロック毎の電力（Ｐｎ）を算出する電力演算部と、電力演算部により算出されたブロック毎の電力が許容電力値（充電許容電力値Ｐｃｎ、放電許容電力値Ｐｄｎ）を超えた回数を計数するカウンタと、カウンタによる計数値が既定値以上となった時点で、接点開閉装置を開状態に制御する制御回路（コンタクタ制御回路）とを備えた構成を有する。

この構成によれば、組電池の実負荷電力が許容電力値を超えたか否かをブロック毎の電圧取得タイミングで判定することで、短時間で組電池の故障診断を行うことができ、その結果、二次電池を確実に保護して劣化や寿命の短縮を防止することが可能になる。この結果、車両の安全性を確保することが可能になる。

また、本発明に係る電動車両において、電圧測定部は、一端が組電池を構成する１つおきのブロックの一端に接続され、他端が第１の電位検出線に共通に接続された第１のスイッチ素子群から成る第１のスイッチ回路と、一端が組電池を構成する前記１つおきのブロックの他端に接続され、他端が第２の電位検出線に共通に接続された第２のスイッチ素子群から成り、第１のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になるタイミングで第２のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になり、次に、第１のスイッチ素子群のうち次のスイッチ素子がオン状態になるタイミングで第２のスイッチ素子群のうち前記１つのスイッチ素子がオン状態になる第２のスイッチ回路と、第１の電位検出線と第２の電位検出線との間に設けられたキャパシタと、第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路がオン状態からオフ状態に移行した後に、キャパシタの両端の電位を出力するためにオフ状態からオン状態に移行する第３のスイッチ回路と、第３のスイッチ回路から出力されるブロック毎の電圧を測定する電圧測定回路とを備えたフライング・キャパシタ回路で構成することが好ましい。

この構成によれば、ハイブリッド式電気自動車等において、複数の単電池または単位電池が直列に接続されてなる組電池のブロック毎の電圧を、簡素な回路で各ブロックと計測系の絶縁性を保ったまま測定することができる。

また、本発明に係る電動車両はさらに、電圧測定部によるブロック毎の電圧測定の対象となるブロック近傍の温度（Ｔｍ）を測定する温度測定回路と、組電池の残存容量を算出する残存容量演算部と、温度測定回路からの温度と電圧測定部からの電圧とに依存した温度−電圧依存許容電力値と、残存容量演算部からの残存容量に依存した残存容量依存許容電力値とに応じてブロック毎の許容電力値を算出する許容電力演算部とを備えることが好ましい。この場合、許容電力演算部は、温度−電圧依存許容電力値と残存容量依存許容電力値のうちの小さいほうをブロック毎の許容電力値として算出する。

この構成によれば、許容電力演算部は、例えば、組電池のＳＯＣが低下した場合にはＳＯＣを高いほうに誘導するために放電許容電力値Ｐｄｎを小さく設定し、ＳＯＣが高い状況ではＳＯＣを低いほうに誘導するために、充電許容電力値Ｐｃｎを小さくする設定する。また、温度に応じて変化するブロック毎の電池状態に合った最適な許容電力値を得ることができる。例えば、低温域では電池の内部抵抗が上昇し入出力が著しく制限された状況となるので、許容電力演算部は、充電許容電力値Ｐｃｎと放電許容電力値Ｐｄｎをともに小さく設定する。また、許容電力演算部は、電池電圧が低くなった場合には電池の過放電を防ぐように、放電許容電力値Ｐｄｎを小さく設定し、電池電圧が高くなった場合には電池内部でのガスの発生を抑えるために充電許容電力値Ｐｃｎを小さく設定する。

前記の目的を達成するため、本発明に係る電池制御ユニットは、二次電池である単電池または単位電池を複数個（例えば、１４４個）組み合わせて成る組電池の状態を制御する電池制御ユニットであって、組電池における所定数（例えば、１２個）の単電池または単位電池を１つのブロックとしてブロック毎の電圧（Ｖｎ、ｎ＝１〜１２）を時系列に測定する電圧測定部と、電圧測定部がブロック毎の電圧を測定するタイミングで組電池に流れる電流（Ｉｎ）を測定する電流測定回路と、電圧測定部からのブロック毎の電圧と電流測定部からの電流との積を演算してブロック毎の電力（Ｐｎ）を算出する電力演算部と、電力演算部により算出されたブロック毎の電力が許容電力値（充電許容電力値Ｐｃｎ、放電許容電力値Ｐｄｎ）を超えた回数を計数するカウンタと、カウンタによる計数値が既定値に達したか否かを判定し、判定結果を外部に送信する判定部とを備えた構成を有する。

本発明によれば、二次電池を確実に保護して劣化や寿命の短縮を防止し、二次電池の能力を最大限生かすことができる電源制御装置を提供し、またかかる電源制御装置を搭載することで、安全性を確保した電動車両を提供し、さらには組電池の状態を制御する電池制御ユニットを提供することが可能になる、という格別な効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態として、ハイブリッド式電気自動車（ＨＥＶ）を取り上げ、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動車両としてＨＥＶの全体構成を示す図である。図１において、ＨＥＶ１は、モータジェネレータ（Ｍ／Ｇ）２またはエンジン（ＥＮＧ）３の出力がトランスミッション（ＴＭ）４を介して伝達される駆動輪としての左右一対の前輪５、５と、従動輪としての左右一対の後輪６、６とを有する。ＨＥＶ１の後部に塔載された、例えば３６０Ｖの電圧を出力する組電池７は、コンタクタユニット１０、インバータ９を介してモータジェネレータ２に接続される。イグニッションキースイッチ（ＩＧ）１１のＯＮ／ＯＦＦ信号は、車両電子制御ユニット（以下、車両ＥＣＵと略称する）１２に供給され、車両ＥＣＵ１２は、コンタクタユニット１０、インバータ９、およびエンジン電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵと略称する）１４を制御する。また、エンジン３は、エンジンＥＣＵ１４により制御される。電池制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと略称する）２０は、組電池７からブロック毎の電池電圧、充放電電流、電池温度等の情報を受けて、組電池７のＳＯＣを推定し、充電許容電力値Ｐｃ、放電許容電力値Ｐｄ、ＳＯＣ、組電池電圧等の情報を車両ＥＣＵ１２に送信する。

図２は、図１の制御系の詳細構成を示す機能ブロック図である。

図２において、エンジン３の出力軸３１は、モータジェネレータ２のロータ２３が接続されており、かつトランスミッション４に入力する。モータジェネレータ２は、三相交流発電機もしくは三相交流電動機として機能する。トランスミッション４は、内部のギアを介してエンジン３の出力軸３１の回転数を減速し、駆動力はディファレンシャルを経て、先端に駆動輪５、５（図１）が結合されたドライブシャフト２４が接続されている。以上の構造によって、エンジン３またはモータジェネレータ２の出力が駆動輪５、５に伝達され、ＨＥＶ１が駆動される。

エンジン３は、アクセルペダル１６の操作量や、冷却水温度、吸気温度、吸気圧力等の環境条件、クランクセンサ、ノックセンサによるエンジン情報、モータジェネレータ２の運転状況に応じて、エンジンＥＣＵ１４によってその出力、回転数が制御される。

組電池７は、図２に示すように、複数の単電池または単位電池が直列に接続されて構成され、コンタクタユニット１０を介してインバータ９に接続されている。コンタクタユニット１０は、組電池７の正極端子とインバータ９の高電位入力端子との間に接続された正側メインコンタクタ１００（正側の接点開閉装置）と、組電池７の負極端子とインバータ９の低電位入力端子との間に接続された負側メインコンタクタ１０１（負側の接点開閉装置）と、車両起動時にインバータ９の平滑用コンデンサ９１をプリチャージするために、正側メインコンタクタ１００に並列に接続された、プリチャージコンタクタ１０２と電流制限抵抗１０３との直列接続体であるプリチャージ回路とで構成される。

正側メインコンタクタ１００、負側メインコンタクタ１０１、およびプリチャージコンタクタ１０２（以下、まとめてコンタクタとも称する）は、車両ＥＣＵ１２から起動電圧（最小動作電圧）が供給されていない場合は接点が開状態にあり、起動電圧が供給されている場合は接点が閉状態にある。

車両ＥＣＵ１２の制御により、プリチャージコンタクタ１０２および負側メインコンタクタ１０１の接点が閉じることで平滑用コンデンサ９１へのプリチャージが行われ、車両ＥＣＵ１２のコンタクタ制御手段１２１により、組電池電圧Ｖｂとインバータ側電圧Ｖｉｎｖとの電圧差が規定値以下である場合に、プリチャージが終了したと判断され、次に、正側メインコンタクタ１００の接点が閉じて、組電池７からインバータ９を介してモータジェネレータ２に電力が供給される。

モータジェネレータ２は、インバータ９により制御が行われ、組電池７との間でインバータ９を介して電力の授受を行う。インバータ９の制御は、車両ＥＣＵ１２が行い、この制御は、エンジンＥＣＵ１４からのエンジン３の運転状態の情報、アクセルペダル１６の操作量、ブレーキペダル１７の操作量、シフトレバー１８で設定されるシフトレンジ、電池ＥＣＵ２０からのＳＯＣや故障などの組電池７の情報、レゾルバ２５によって検出されたエンジン３の出力軸３１の回転角θ、モータジェネレータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗなどに基づいて行われる。

車両ＥＣＵ１２は、これらの情報に基づいて、インバータ９を構成する各トランジスタを制御する信号を出力する。そして、車両ＥＣＵ１２は、モータジェネレータ２の界磁電流をその時の回転数に応じて制御して、モータジェネレータ２を発電機として機能させるか、電動機として機能させるかを決定する。発電機として機能している場合は、組電池７に充電が行われ、電動機として機能し電力を消費している場合には、組電池７から電力が放電される。

例えば、電池ＥＣＵ２０は、組電池７のＳＯＣの低下を検出した場合、車両ＥＣＵ１２およびインバータ９を介して、エンジン３が発生するトルクの一部によってモータジェネレータ２による発電を行わせ、組電池７への充電が行われる。また、電池ＥＣＵ２０は、組電池７のＳＯＣの増大を検出した場合には、車両ＥＣＵ１２から、エンジンＥＣＵ１４を介してエンジン３の出力を抑え気味にして、インバータ９を介してモータジェネレータ２を電動機として機能させ、これにより発生するトルクを車両走行用に用いるよう制御する。また、車両が制動する場合には、車両ＥＣＵ１２は、モータジェネレータ２を発電機として機能させ、発生した電力で組電池７を充電する。

ＨＥＶ１の制動がいつ行われるかを予測することは困難であるため、組電池７は、制動によって発生した電力を十分受け入れられるようになっていることが望ましい。一方、エンジン３の出力だけでドライバーの所望する加速が得られない場合には、モータジェネレータ２を電動機として機能させるために、組電池７のＳＯＣがある程度必要である。この条件を満たすために、組電池７のＳＯＣは、常に電池容量の中間程度（約６０％）になるように制御される。

エンジン３の出力によって発電し、電池を充電するＨＥＶの場合には、組電池７のＳＯＣを適切に管理することにより、制動時の回生電力を十分に回収してエネルギ効率を高め、加速時にはドライバーが所望する加速度を達成できるようにしている。このように、組電池７のＳＯＣを精度良く検出し、ＳＯＣを適切に制御することはＨＥＶのように電池を動力源とする車両にとって重要である。

組電池７は、複数（例えば、１２個）のブロックに分割され、各ブロック毎の電圧信号（Ｖｎ、ｎ＝１〜１２）が電圧検出線を介して電池ＥＣＵ２０に入力される。また、１つのブロックは複数（例えば、１２個）の単電池または単位電池で構成され、組電池７は全体として１４４個の単電池または単位電池で構成されている。なお、本実施形態では、組電池７を構成する電池（本実施形態では、単位電池とする）はニッケル・水素二次電池である。しかし、電池はこれに限らず、リチウムイオン、ニッケルカドミウム、鉛電池などが利用可能である。

組電池７の近傍には複数（例えば、４）箇所にその温度を検出する温度センサ２２が設けられ電池温度（Ｔｍ、ｍ＝１〜４）を検出している。温度センサ２２を複数箇所に設けたのは次の理由からである。組電池７はかなり大きくブロックによって温度差が必然的に生じる。特に冷却装置（不図示）の配置や冷媒の流速によって各ブロックには温度差がついてしまう。したがって、電池ＥＣＵ２０では、あらかじめブロックについて比較的温度が近いブロックがまとまるようにブロック分けを行い、事前の実験等でそのブロックの温度と近い温度センサ２２の温度が割り当てられる。これにより、温度差による電池電圧差の影響を取り除くことができる。温度センサ２２としてはサーミスタが用いられており、温度によって変化する抵抗値が電圧値に変換されて電池ＥＣＵ２０に入力される。

また、組電池７の充放電電流を検出するために、電流センサ２１が設けられており、組電池７の充電または放電時に電線に流れる電流によって発生する電磁界をホール素子によって検出し電圧信号に変換した後、この電圧信号が充放電電流信号（Ｉ）として電池ＥＣＵ２０に送られる。

電池ＥＣＵ２０には、組電池７を構成する電池の状態に関する情報として、ブロック毎の電池電圧Ｖｎ、充放電電流Ｉ、電池温度Ｔｍが入力され、組電池７のＳＯＣや故障が演算推定される。

図３は、電池ＥＣＵ２０の内部構成を示すブロック図である。図３において、ブロック毎の電池電圧Ｖｎは、電圧測定部２００により時系列に測定される。図４は、電圧測定部２００の内部構成を示す回路図である。図４において、電圧測定部２００は、第１のスイッチ回路２００１、第２のスイッチ回路２００２、第３のスイッチ回路２００３、およびキャパシタＣ１により構成されるフライング・キャパシタ回路と、電圧測定回路２０００とで構成される。

次に、電圧測定部２００の動作について、図５を参照して説明する。

まず、第１のブロックの電圧Ｖ１を測定するために、第１のスイッチ回路２００１のスイッチ素子Ｓ１１と第２のスイッチ回路２００２のスイッチ素子Ｓ２２がオンに制御される。第１のブロックの一端は、オンしたスイッチ素子Ｓ１１、第１の電位検出線Ｌ１を介してキャパシタＣ１の一端に接続され、第１のブロックの他端は、オンしたスイッチ素子Ｓ２２、第２の電位検出線Ｌ２を介してキャパシタＣ１の他端に接続され、第１のブロックの電圧Ｖ１はキャパシタＣ１の両端の電位と同じになる。

次に、スイッチ素子Ｓ１１、Ｓ２２をオフに制御し、第３のスイッチ回路２００３のスイッチ素子Ｓ３ａ、Ｓ３ｂをオンに制御する。これにより、キャパシタＣ１の両端の電位、すなわち選択した第１のブロックの電圧Ｖ１が電圧測定回路２０００に入力されて測定される。

次に、第２のブロックの電圧Ｖ２を測定するために、第１のスイッチ回路２００１のスイッチ素子Ｓ１３と第２のスイッチ回路２００２のスイッチ素子Ｓ２２がオンに制御される。第２のブロックの一端（第１のブロックの他端）は、オンしたスイッチ素子Ｓ２２、第２の電位検出線Ｌ２を介してキャパシタＣ１の他端に接続され、第２のブロックの他端は、オンしたスイッチ素子Ｓ１３、第１の電位検出線Ｌ１を介してキャパシタＣ１の一端に接続され、第２のブロックの電圧Ｖ２は極性が逆でキャパシタＣ１の両端の電位と同じになる。

次に、スイッチ素子Ｓ１３、Ｓ２２をオフに制御し、第３のスイッチ回路２００３のスイッチ素子Ｓ３ａ、Ｓ３ｂをオンに制御する。これにより、キャパシタＣ１の両端の電位、すなわち選択した第２のブロックの電圧Ｖ２が反転信号−Ｖ２として電圧測定回路２０００に入力されてＶ２として測定される。

このようにして、フライング・キャパシタ方式でブロック毎の電圧Ｖｎが測定される。この方式は、簡素な回路で各ブロックと計測系の絶縁性を保ったまま測定することができるという利点がある。なお、キャパシタＣ１は、電池電圧を蓄積する容量手段であればよい。

再び、図３に戻って、電流測定回路２０１は、電圧測定部２００がブロック毎の電圧Ｖｎを測定するタイミングで電流センサ２１からの充放電電流信号ＩをＩｎ（ｎ＝１〜１２）として測定する。温度測定回路２０２は、電圧測定部２００によるブロック毎の電圧測定の対象となるブロック近傍の温度センサ２２により温度Ｔｍ（ｍ＝１〜４）を測定する。

電圧測定部２００からのブロック毎の電圧Ｖｎと電流測定部２０１からの電流Ｉｎは、電力演算部２０３に入力され、そこで図６に示すタイミングで、ブロック毎の電圧と電流との積が演算されてブロック毎の電力（Ｐｎ）が時系列に算出される。

また、後述する組電池電圧演算部２１０からの組電池電圧Ｖｂ、電流測定部２０１からの電流Ｉｎ、および温度測定部２０２からの温度Ｔｍは、残存容量演算部２０４に入力され、そこで組電池７の残存容量ＳＯＣが算出される。

また、電圧測定部２００からのブロック毎の電圧Ｖｎ、温度測定部２０２からの温度Ｔｍ、および残存容量演算部２０４からの残存容量ＳＯＣは、許容電力演算部２０５に入力され、ブロック毎に充電許容電力値Ｐｃｎおよび放電許容電力値Ｐｄｎが算出される。ここで、例として充電許容電力値Ｐｃｎの算出方法について説明する。

許容電力演算部２０５では、まず、残存容量演算部２０４からの残存容量ＳＯＣが例えば８５％より大きいか否かを判断し、大きければ、残存容量に依存した充電許容電力値Ｐｃｎ＿ＳＯＣを０ｋＷに設定する。上記の判断でＳＯＣが８５％よりも小さければ、残存容量に依存した充電許容電力値Ｐｃｎ＿ＳＯＣを１０ｋＷに設定する。

次に、電圧測定対象のブロック近傍の温度Ｔｍを求めるために、どの温度センサ２２からの温度を用いるかを決定する。例えば、温度センサ２２が４個である場合、電圧測定対象が第２のブロックより前（第１のブロック）であるか否かを判断し、第２のブロックより前である場合、第１の温度センサからの温度Ｔ１を取得する。上記の判断で第２のブロック以降である場合、電圧測定対象が第６のブロックより前（第２から第５のブロック）であるか否かを判断し、第６のブロックより前である場合、第２の温度センサからの温度Ｔ２を取得する。上記の判断で第６のブロック以降である場合、電圧測定対象が第１０のブロックより前（第６から第９のブロック）であるか否かを判断し、第１０のブロックより前である場合、第３の温度センサからの温度Ｔ３を取得する。上記の判断で第１０のブロック以降である場合、第４の温度センサからの温度Ｔ４を取得する。

次に、温度測定回路からの温度Ｔｍと電圧測定部からの電圧Ｖｎに基づいて、あらかじめデータが格納されている参照テーブルから、温度と電圧に依存した充電許容電力値Ｐｃｎ＿ＴＶを求める。

以上のようにして得られた、残存容量に依存した充電許容電力値Ｐｃｎ＿ＳＯＣと温度と電圧に依存した充電許容電力値Ｐｃｎ＿ＴＶのうちの小さいほうが充電許容電力値Ｐｃｎとして許容電力演算部２０５から出力される。

電力演算部２０３により算出されたブロック毎の実負荷電力Ｐｎと、許容電力演算部２０５により算出されたブロック毎の許容電力値（充電許容電力値Ｐｃｎ、放電許容電力値Ｐｄｎ）は、カウンタ２０６に入力される。カウンタ２０６は、ブロック毎の実負荷電力Ｐｎが許容電力値（充電許容電力値Ｐｃｎ、放電許容電力値Ｐｄｎ）を超えた回数を計数する。

カウンタ２０６からの計数値は判定部２０７に入力され、判定部２０７は、計数値がメモリ２０８に格納されている既定値に達した場合、車両ＥＣＵ１２（図２）にコンタクタ開放要求信号Ｃｏｐｅｎを送出する。

再び、図２に戻って、車両ＥＣＵ１２内の判定部１２２が、電池ＥＣＵ２０からのコンタクタ開放要求信号Ｃｏｐｅｎを受信すると、車両に大きな挙動変化が起きないよう、エンジンパワーや回転数、トランスミッション等車両のパワートレインの条件が整った後、コンタクタ制御回路１２１を通じて、プリチャージコンタクタ用起動制御信号Ｓ１、正側メインコンタクタ用起動制御信号Ｓ２、負側メインコンタクタ用起動制御信号Ｓ３により全てのコンタクタを開放状態にし、組電池７がインバータ９から切り離される。

ここで、接点開閉装置であるコンタクタユニット１０と、電池ＥＣＵ２０と、車両ＥＣＵ１２内の判定部１２２と、コンタクタ制御回路１２１とで電源制御装置が構成される。

図３において、入出力許容値演算部２０９は、許容電力演算部２０５からのブロック毎の充電許容電力値を加算して組電池７への入力許容値Ｐｃを算出し、ブロック毎の放電許容電力値を加算して組電池７からの出力許容値Ｐｄを算出し、車両ＥＣＵ１２（図２）に送出する。また、組電池電圧演算部２１０は、電圧測定部２００からのブロック毎の電圧Ｖｎを加算して組電池７の全体としての組電池電圧Ｖｂを算出し、車両ＥＣＵ１２（図２）に送出する。

電池ＥＣＵ２０は、例えば、組電池７のＳＯＣが低下した場合には、出力許容値Ｐｄを小さくすることによって、結果としてＳＯＣが高くなるように誘導する。一方、ＳＯＣが高い状況下では、入力許容値Ｐｃを小さくすることによって、結果としてＳＯＣが低くなるように誘導する。

また、電池ＥＣＵ２０は、残存容量演算部２０４からのＳＯＣ値を車両ＥＣＵ１２に出力し、車両ＥＣＵ１２では、この値がＳＯＣの中間域、例えばＳＯＣ＝６０％付近を目標として充放電収支を合わせこむような制御を行う。また、低温域では、電池の内部抵抗が上昇し、入出力が著しく制限された状況となるので、電池ＥＣＵ２０は、入力許容値Ｐｃと出力許容値Ｐｄをともに小さくするよう制御を行う。また、組電池電圧Ｖｂが低くなった場合には、電池の過放電を防止するために出力許容値Ｐｄを小さくし、一方、組電池電圧Ｖｂが高くなった場合には、電池内部でのガスの発生を抑えるために入力許容値Ｐｃを小さくする。また、組電池７に不具合が生じて内部抵抗が大きくなってしまった場合や、組電池７が寿命に至り内部抵抗が大きくなった場合にも、入力許容値Ｐｃと出力許容値Ｐｄが制限される。

図７は、従来の電池ＥＣＵにおける組電池全体の実負荷電力を算出する際のタイミングチャートである。図７に示すように、従来では、組電池全体の実負荷電力と許容電力値とを比較するために、１２個のブロック電圧Ｖｎを加算して組電池電圧Ｖｂを取得するとともに、１２回取得した組電池電流Ｉｎを加算して１２で割って組電池電流Ｉｂを取得し、その後、ＶｂとＩｂとの積を演算して総電力Ｐｂを算出するまでに２４０ｍｓ以上要していた。

また、一般にソフトウェアの判定にはカウンタによる一致処理を用いるので、３回一致でコンタクタ開放要求信号Ｃｏｐｅｎを出力するものと想定した場合、図７の例では、７４０ｍｓから９８０ｍｓの時間が必要となり、ＨＥＶで顕著に現れるパルス状の過大（過小）電力を検出できず、その結果、電池を保護できないという問題があった。

これに対して、本実施形態では、図６に示すように、組電池７を構成するブロック毎の実負荷電力と許容電力値とを比較するため、１つのデータを取得するまで１０ｍｓの時間しか要せず、一般にソフトウェアの判定にはカウンタによる一致処理を用いるので、３回一致でコンタクタ開放要求信号Ｃｏｐｅｎを出力するものと想定した場合、３０ｍｓから４０ｍｓの短い時間で判定が可能となり、パルス状の過大（過小）電力を漏れなく検出することができ、電池を確実に保護することができる。

なお、本実施形態では、許容電力演算部２０５が許容電力値を算出する構成としたが、許容電流値を算出する構成としても同じ効果が得られる。許容電力値から許容電流値への変換は許容電力値をブロック毎の電圧で割るのが簡易な方法である。また、許容電圧値を用いても電池を保護するという同じ効果が得られる。

特に、ＨＥＶのように負荷の電流、電圧が激しく変化する用途では、ブロック毎の電圧と、ブロック毎の電圧が測定されたタイミングと同一のタイミングで測定された電流とを対のデータとして演算、利用することが重要である。

本発明に係る電源制御装置は、二次電池を確実に保護して劣化や寿命の短縮を防止し、二次電池の能力を最大限生かすことができ、またかかる電源制御装置を電動車両に搭載することで、電動車両の安全性を確保することが可能になるという利点を有し、電気自動車（ＰＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド電気自動車等に有用である。

本発明の一実施形態に係る電源制御装置が適用されるＨＥＶの全体構成を示す図 図１の制御系の詳細構成を示す機能ブロック図 図２の電池ＥＣＵの内部構成を示すブロック図 図３の電圧測定部の内部構成を示すブロック図 図３におけるブロック毎の電圧を測定する際のタイミングチャート 本実施形態の電池ＥＣＵにおけるブロック毎の実負荷電力を算出する際のタイミングチャート 従来の電池ＥＣＵにおける組電池全体の実負荷電力を算出する際のタイミングチャート

符号の説明

１ ＨＥＶ
２ モータジェネレータ
３ エンジン
４ トランスミッション
５ 前輪
６ 後輪
７ 組電池
９ インバータ
９１ 平滑用コンデンサ
１０ コンタクタユニット
１００ 正側メインコンタクタ（正側の接点開閉装置）
１０１ 負側メインコンタクタ（負側の接点開閉装置）
１０２ プリチャージコンタクタ
１０３ 電流制限抵抗
１１ イグニッションキースイッチ
１２ 車両ＥＣＵ
１２１ コンタクタ制御回路
１２２ 判定部
１４ エンジンＥＣＵ
１６ アクセルペダル
１７ ブレーキペダル
１８ シフトレバー
２０ 電池ＥＣＵ
２００ 電圧測定部
２０００ 電圧測定回路
２００１ 第１のスイッチ回路
２００２ 第２のスイッチ回路
２００３ 第３のスイッチ回路
２０１ 電流測定回路
２０２ 温度測定回路
２０３ 電力演算部
２０４ 残存容量演算部
２０５ 許容電力演算部
２０６ カウンタ
２０７ 判定部
２０８ メモリ
２０９ 入出力許容値演算部
２１０ 組電池電圧演算部
２１ 電流センサ
２２ 温度センサ
２３ ロータ
２４ ドライブシャフト
２５ レゾルバ
３１ 出力軸

Claims (9)

1. 二次電池である単電池または単位電池を複数個組み合わせて成る組電池と前記組電池の負荷との接続状態を制御する電源制御装置であって、
   前記組電池と前記負荷との間に設けられた接点開閉装置と、
   前記組電池における所定数の単電池または単位電池を１つのブロックとしてブロック毎の電圧を時系列に測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部がブロック毎の電圧を測定するタイミングで前記組電池に流れる電流を測定する電流測定回路と、
   前記電圧測定部からのブロック毎の電圧と前記電流測定部からの電流を受けて、ブロック毎の電力を算出する電力演算部と、
   前記電力演算部により算出されたブロック毎の電力が許容電力値を超えた回数を計数するカウンタと、
   前記カウンタによる計数値が既定値以上となった時点で、前記接点開閉装置を開状態に制御する制御回路とを備えたことを特徴とする電源制御装置。
2. 前記電圧測定部は、
   一端が前記組電池を構成する１つおきのブロックの一端に接続され、他端が第１の電位検出線に共通に接続された第１のスイッチ素子群から成る第１のスイッチ回路と、
   一端が前記組電池を構成する前記１つおきのブロックの他端に接続され、他端が第２の電位検出線に共通に接続された第２のスイッチ素子群から成り、前記第１のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になるタイミングで前記第２のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になり、次に、前記第１のスイッチ素子群のうち次のスイッチ素子がオン状態になるタイミングで前記第２のスイッチ素子群のうち前記１つのスイッチ素子がオン状態になる第２のスイッチ回路と、
   前記第１の電位検出線と前記第２の電位検出線との間に設けられたキャパシタと、
   前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路がオン状態からオフ状態に移行した後に、前記キャパシタの両端の電位を出力するためにオフ状態からオン状態に移行する第３のスイッチ回路と、
   前記第３のスイッチ回路から出力されるブロック毎の電圧を測定する電圧測定回路とを備えた請求項１記載の電源制御装置。
3. 前記電源制御装置はさらに、
   前記電圧測定部によるブロック毎の電圧測定の対象となるブロック近傍の温度を測定する温度測定回路と、
   前記組電池の残存容量を算出する残存容量演算部と、
   前記温度測定回路からの温度と前記電圧測定部からの電圧とに依存した温度−電圧依存許容電力値と、前記残存容量演算部からの残存容量に依存した残存容量依存許容電力値とに応じてブロック毎の前記許容電力値を算出する許容電力演算部とを備えた請求項１記載の電源制御装置。
4. 前記許容電力演算部は、前記温度−電圧依存許容電力値と前記残存容量依存許容電力値のうちの小さいほうをブロック毎の前記許容電力値として算出する請求項３記載の電源制御装置。
5. 二次電池である単電池または単位電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両であって、
   前記組電池と前記インバータとの間に設けられた少なくとも２つの接点開閉装置と、
   前記組電池における所定数の単電池または単位電池を１つのブロックとしてブロック毎の電圧を時系列に測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部がブロック毎の電圧を測定するタイミングで前記組電池に流れる電流を測定する電流測定回路と、
   前記電圧測定部からのブロック毎の電圧と前記電流測定部からの電流を受けて、ブロック毎の電力を算出する電力演算部と、
   前記電力演算部により算出されたブロック毎の電力が許容電力値を超えた回数を計数するカウンタと、
   前記カウンタによる計数値が既定値以上となった時点で、前記接点開閉装置を開状態に制御する制御回路とを備えたことを特徴とする電動車両。
6. 前記電圧測定部は、
   一端が前記組電池を構成する１つおきのブロックの一端に接続され、他端が第１の電位検出線に共通に接続された第１のスイッチ素子群から成る第１のスイッチ回路と、
   一端が前記組電池を構成する前記１つおきのブロックの他端に接続され、他端が第２の電位検出線に共通に接続された第２のスイッチ素子群から成り、前記第１のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になるタイミングで前記第２のスイッチ素子群のうち１つのスイッチ素子がオン状態になり、次に、前記第１のスイッチ素子群のうち次のスイッチ素子がオン状態になるタイミングで前記第２のスイッチ素子群のうち前記１つのスイッチ素子がオン状態になる第２のスイッチ回路と、
   前記第１の電位検出線と前記第２の電位検出線との間に設けられたキャパシタと、
   前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路がオン状態からオフ状態に移行した後に、前記キャパシタの両端の電位を出力するためにオフ状態からオン状態に移行する第３のスイッチ回路と、
   前記第３のスイッチ回路から出力されるブロック毎の電圧を測定する電圧測定回路とを備えた請求項５記載の電動車両。
7. 前記電動車両はさらに、
   前記電圧測定部によるブロック毎の電圧測定の対象となるブロック近傍の温度を測定する温度測定回路と、
   前記組電池の残存容量を算出する残存容量演算部と、
   前記温度測定回路からの温度と前記電圧測定部からの電圧とに依存した温度−電圧依存許容電力値と、前記残存容量演算部からの残存容量に依存した残存容量依存許容電力値とに応じてブロック毎の前記許容電力値を算出する許容電力演算部とを備えた請求項５記載の電動車両。
8. 前記許容電力演算部は、前記温度−電圧依存許容電力値と前記残存容量依存許容電力値のうちの小さいほうをブロック毎の前記許容電力値として算出する請求項７記載の電動車両。
9. 二次電池である単電池または単位電池を複数個組み合わせて成る組電池の状態を制御する電池制御ユニットであって、
   前記組電池における所定数の単電池または単位電池を１つのブロックとしてブロック毎の電圧を時系列に測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部がブロック毎の電圧を測定するタイミングで前記組電池に流れる電流を測定する電流測定回路と、
   前記電圧測定部からのブロック毎の電圧と前記電流測定部からの電流を受けて、ブロック毎の電力を算出する電力演算部と、
   前記電力演算部により算出されたブロック毎の電力が許容電力値を超えた回数を計数するカウンタと、
   前記カウンタによる計数値が既定値に達したか否かを判定し、判定結果を外部に送信する判定部とを備えたことを特徴とする電池制御ユニット。

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