JP4572850B2 - 電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの蓄電手段を使用した充放電制御を行う電源制御装置に関する。

一般的に、電気自動車やハイブリッド自動車には鉛電池やニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。ニッケル水素電池やリチウムイオン電池は鉛電池に比べエネルギー密度が高く、多直列・多並列構成として、主に車両走行用として使用される。特に大電流を必要とする大規模な電池システムでは、複数の電池を多並列に接続する構成をとる。

二次電池は充放電を繰り返すことで、充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）や、劣化状態（ＳＯＨ：State Of Health)が変化する。通常、電池が劣化すると、電池内部の抵抗値が上昇したり、満充電時の容量が低下したりする。そのため、システム全体の出力が低下する。このため、劣化した電池をシステムから切り離したり、新品の電池に交換したりする必要がある。

例えば、特許文献１に記載の従来技術では、多並列電池システムにおいて、劣化電池を検出した場合、システムから完全に切り離す方式をとっている。

特開２００１−１８５２２８号公報（図１、図４、（０００７）段落、（０００８）段落、（００２７）段落の記載。）

電池劣化にはバラツキがある。そのため、ある電池のみ劣化が進行した場合、並列構成から劣化電池を完全に切り離す従来技術では、必要な電流を得られない時期が早まるため、電池システムとして寿命が短いと言える。

また、システムから切り離した劣化電池を新品の電池に交換する際、電池の劣化バラツキにより、他の電池は劣化が少なく交換する必要が無い場合は、また次の機会に交換が必要となるため、メンテナンス性が悪いと言える。

本発明の目的は、多並列構成の電池システムにおいて、電池劣化の均等化を行うことで、システム全体の長寿命化と、メンテナンス性の向上を図ることにある。

本発明の電源制御装置は、複数の蓄電手段が並列に接続されて構成される電源の充放電を制御して、前記蓄電手段の複数個分の出力電流を必要とする車両走行用の負荷に電力を供給し、前記複数の蓄電手段の電流値を計測する電流計測手段と、前記複数の蓄電手段の電圧を計測する電圧計測手段と、前記複数の蓄電手段を並列構成から切り離したり接続したりするスイッチ手段と、前記電流計測手段や、前記電圧計測手段からの計測値により、前記複数の蓄電手段の状態を検知する状態検知手段と、前記状態検知手段の状態検知結果に応じて、電流、電圧、電力を制御して、前記複数の蓄電池手段を充電または放電する充放電手段とを有し、前記充放電手段は、前記状態検知手段の状態検知結果から前記複数の蓄電手段の劣化状態を判定し、劣化状態に応じて放電時には、劣化が少ない前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的にオン状態とし、充電時には、充電状態が低い前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的にオン状態とする。

本発明によれば、多並列構成の二次電池システムにおいて、二次電池劣化の均等化を行うことで、システム全体の長寿命化と、メンテナンス性の向上が可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各実施例において、同一部分については同じ番号を付けており、繰り返しの説明は省略する。

図１に本実施例の電源制御装置の構成を示す。図１の説明の前に、図７に示す本発明の前提となる従来技術として、劣化電池を検出し、並列構成から切り離す方式の電源制御装置の動作例について説明する。

図７の従来技術の電源制御装置は、二次電池（以下の説明では電池と略す。）が多数並列に接続されており、各列には電池を切り離すことができるスイッチがついている。ここでは、電池Ａ、電池Ｂ、電池Ｃの３つの電池を並列に接続した構成で説明する。このような電源制御装置において、時刻ｔ０からｔ１の期間（図中（ａ））では、電池Ａと電池Ｂと電池Ｃの３つの電池を使用して必要な出力電流を得ている。次に時刻ｔ１で、電池Ｃが劣化電池交換閾値を超えたため、並列構成から切り離した場合を示す。そのため、時刻ｔ１からｔ２の期間（図７中（ｂ））は電池Ａと電池Ｂのみを使用することになるため、図７に示すように必要な出力電流が得られない領域が発生する。

通常、電池劣化にはバラツキがあるため、劣化が早い電池があると、このように必要とする出力電流が得られない時期が早まることになる。すなわち、電池システム全体で見ると、寿命が短いと言える。また、電池劣化のバラツキにより、劣化した電池を交換する際、他の電池はまだ交換するほど劣化していない場合があるため、一度に全ての電池を交換することができない。すなわち、メンテナンス性が悪いと言える。

図８に、図７に示す従来技術の電源制御装置における電池劣化の状態を示す。電池の劣化にはバラツキがあるため、電池Ｃが劣化電池交換閾値を超えた場合でも、電池Ａや電池Ｂの劣化は、図に示すようにまだ小さい場合がある。このため、劣化した電池Ｃを交換する場合、電池Ａや電池Ｂを同時に交換することができず、メンテナンス性が悪いと言える。

また、劣化が早い電池Ｃの切り離し、又は交換によって、有効な出力が得られない時期が早まるため、電池システムとして寿命が短いと言える。

図１は、本実施例の電源制御装置の構成を示す。図１の電源制御装置は、蓄電手段１０、２０、３０、電流計測手段４０、４１、４２、電圧計測手段５０、スイッチ手段６０、６１、６２、状態検知手段７０、充放電手段８０、負荷９０から構成される。また、蓄電手段１０、２０、３０は、内部抵抗１１、２１、３１、開回路電圧（起電力）１２、２２、３２で構成される。

蓄電手段１０には、電流計測手段４０とスイッチ手段６０が直列に接続されている。同様に、蓄電手段２０には、電流計測手段４１とスイッチ手段６１が直列に接続され、蓄電手段３０には、電流計測手段４２とスイッチ手段６２が直列に接続されている。これら蓄電手段１０、電流計測手段４０およびスイッチ手段６０と、蓄電手段２０、電流計測手段４１およびスイッチ手段６１と、蓄電手段３０、電流計測手段４２およびスイッチ手段６２とが、互いに並列に接続されている。

また、蓄電手段１０、２０、３０、電流計測手段４０、４１、４２、スイッチ手段６０、６１、６２と、電圧計測手段５０が互いに並列に接続されている。また、充放電手段８０も、蓄電手段１０、２０、３０、電流計測手段４０、４１、４２、スイッチ手段６０、６１、および６２と、互いに並列に接続されている。充放電手段８０は、モータや発電機、電子機器等の負荷９０に接続される。電圧計測手段５０により計測された電圧値は、状態検知手段７０に入力される。また、電流計測手段４０、４１、４２により計測された電流値も、状態検知手段７０に入力される。状態検知手段７０により演算された電流値、電圧値、抵抗値が、充放電手段８０に入力される。蓄電手段１０、２０、３０の状態を計測するために、例えば図示してない温度計測手段を設けてもよい。

充放電手段８０は、状態検知手段７０から入力された状態、例えば電圧値、電流値、抵抗値に基づいて演算し、その演算結果に基づいて蓄電手段１０、２０、３０の充放電電流を制御する。本実施例の蓄電手段１０、２０、３０はリチウム二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池、電気二重層キャパシタなどの充放電が可能な蓄電器である。蓄電手段１０、２０、３０は、このような蓄電器が単体で用いられたり、複数個が直列または並列に接続されて用いられる。電流計測手段４０、４１、４２はホールＣＴやシャント抵抗型の電流センサ等から成り、蓄電手段１０、２０、３０に流れる電流を計測する。電圧計測手段５０は、分圧抵抗やオペアンプ、Ａ／Ｄコンバータなどの電子部品で構成され、蓄電手段１０、２０、３０の電圧値を計測する。スイッチ手段６０、６１、６２は、リレーや電力半導体装置から成り、蓄電手段１０、２０、３０を並列構成から切り離したり、接続したりする。状態検知手段７０は、マイクロコンピュータ及びペリフェラルＩＣ等から成り、電流計測手段４０、４１、４２、および電圧計測手段５０の出力値から、該当する蓄電手段１０、２０、３０の状態（電圧値、電流値、抵抗値）を検出する。充放電手段８０は、コンバータやインバータ等の電力変換器から成り、蓄電手段１０、２０、３０に供給、又は蓄電手段１０、２０、３０が出力する、電流、電圧、電力を制御する。また、充放電手段８０は、状態検知手段７０が出力する状態信号から、蓄電手段１０、２０、３０の劣化状態を判定し、スイッチ手段６０、６１、６２の切り替え制御も行う。

蓄電手段１０、２０、３０に流れる電流は、それぞれの内部抵抗１１、２１、３１及び開回路電圧（起電力）１２、２２、３２と、充放電手段８０の入出力電流や電圧、電力等によって変化する。このため、状態検知手段７０で蓄電手段１０、２０、３０の内部抵抗１１、２１、３１や開回路電圧（起電力）１２、２２、３２の状態量を検出し、その状態量を充放電手段８０に伝える。充放電手段８０は、この状態量に応じて、入出力電流や電圧、電力を制御したり、スイッチ手段６０、６１、６２をオン、オフしたりする。

図２は、図１に示されるスイッチ手段６０、６１、６２のオン、オフによる蓄電手段１０、２０、３０の切り替え処理状態を示す。蓄電手段１０、２０、３０が劣化すると、内部抵抗１１、２１、３１の上昇や、満充電時の容量が低下などの変化が生じる。このように、劣化によって生じる変化と、その初期状態との比較から、劣化状態（ＳＯＨ）を求める。充放電手段８０は、互いに並列に接続されている蓄電手段１０、２０、３０の劣化状態（ＳＯＨ）を動的に順位付けし、劣化度を判定する。

以下、蓄電手段を電池とし、３つ並列に接続した場合について説明する。この例では、電池Ｃが最も劣化度が大きく、電池Ａが最も劣化度が小さい場合を示す。電池Ｂは、電池Ａと電池Ｂの中間の劣化度とする。

図２において、時刻ｔ０からｔ１の期間（図２中（ｃ））では、電池１つ分の出力電流で十分なため、最も劣化が少ない電池Ａのみを使用して放電を行う。時刻ｔ１からｔ２の期間（図２中（ｂ））では、電池２つ分の出力電流が必要であるため、劣化が少ない電池Ａと電池Ｂとを使用して放電を行う。時刻ｔ２からｔ３の期間（図２中（ａ））においては、電池３つ分の出力電流が必要であるため、電池Ａ、電池Ｂ、電池Ｃの全ての電池を使用して放電を行う。時刻ｔ３からｔ４の期間では、時刻ｔ１からｔ２の期間と同様である。また、時刻ｔ４からｔ５の期間は、時刻ｔ０からｔ１の期間と同様である。

ここでは、放電時について説明したが、充電時には、充電状態（ＳＯＣ）が小さい電池から優先的に充電するようにスイッチ手段を切り替えることで、各電池の充電状態（ＳＯＣ）の均等化を図ることが可能となる。

このように、電池の劣化度を動的に順位付けし、劣化が少ない電池から優先的に使用することで、電池劣化の均等化を図ることができる。このため、劣化が早い電池によって、必要な出力が得られない時期が早まることがないため、電池システムの長寿命化が可能となる。また、電池劣化の均等化が図られている場合は、劣化した電池を交換する際にも、一度に全ての電池を交換できるため、メンテナンス性も向上する。なお、各電池の劣化状態を外部に表示するようにするとより好ましい。

図３は、図２に示した制御方式の処理フローを示す。まず、Ｓ１で各電池を並列構成に接続する。次に、Ｓ２で各電池の劣化度を動的に順位付けする。次にＳ３で必要な出力電流値を判定する。次に、Ｓ４で１つの電池のみで出力可能かを判断する。可能であれば、Ｓ５に進み、不可能であればＳ６に進む。Ｓ５に進んだ場合は、劣化が大きい電池Ｃと電池Ｂを並列構成から切り離す。Ｓ６に進んだ場合は、２つの電池で出力可能か否かを判断する。可能であれば、Ｓ７に進み、不可能であればＳ８に進む。Ｓ７に進んだ場合は、劣化の大きい電池Ｃのみ並列構成から切り離す。Ｓ８に進んだ場合は、３つの電池で出力する必要があるため、どの電池も並列構成から切り離さない。その後、Ｓ２に戻り処理を繰り返す。

図４は、図２に示す制御方式での電池劣化の状態を示す。この制御方式では、電池Ｃが劣化電池交換閾値を超えた場合、電池劣化バラツキが均等化されているため、電池Ａや電池Ｂも同じように劣化が進んでいる。このため、劣化した電池Ｃを交換する場合、電池Ａや電池Ｂも同時に交換することができるため、メンテナンス性が良いと言える。

また、劣化バラツキの均等化により、劣化した電池Ｃの切り離し、又は交換の時期まで全ての電池が使用できるため、有効な出力が得られる期間が長く、電池システムとして寿命が長くなる。

なお、本実施例では、蓄電手段１０、２０、３０がリチウム二次電池、ニッケル水素電池、鉛電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池、電気二重層キャパシタなどの充放電が可能な蓄電器について説明したが、蓄電手段１０、２０、３０を蓄電器に替えて燃料電池とし、充放電手段８０を、放電制御手段にして、図３の制御フローに沿って放電制御することもできる。

図５は、本実施例の電源制御装置の構成を示す。基本的に実施例１の図１と同様であるが、負荷９０から充放電手段８０に対して状態信号を出力している点が異なる。この状態信号は、今後負荷９０に必要となる電流値の情報や、現在負荷９０が駆動している車両の車速などの情報である。充放電手段８０は、この状態信号と、蓄電手段１０、２０、３０の劣化度に基づいて、使用する蓄電手段１０、２０、３０を切り替える。これにより、今後負荷９０に必要な電流値などが予め分かるため、充放電手段８０は、前もって蓄電手段１０、２０、３０の切り替えを行うことができ、出力電流をスムーズに得ることが可能となる。

図６は、本実施例の電源制御装置の構成を示す。基本的に実施例１の図１と同様であるが、スイッチ手段６０、６１、６２と並列に、抵抗１００、１０１、１０２、およびスイッチ１１０、１１１、１１２が接続されている点が異なる。この抵抗１００、１０１、１０２は、スイッチ手段６０、６１、６２をオンにした場合に、大きな突入電流が流れることを防止する。例えば、蓄電手段１０を使用する場合、スイッチ手段６０をオンにする前に、スイッチ手段１１０をオンにし、その後スイッチ手段６０をオンにすることで、蓄電手段１０に対して大きな突入電流が流れることを防止できる。

実施例１の電源制御装置の全体構成の説明図である。 実施例１の電源制御装置の動作原理の説明図である。 実施例１の電源制御装置の動作フローの説明図である。 実施例１の電源制御装置の蓄電手段の劣化状態の説明図である。 実施例２の電源制御装置の全体構成の説明図である。 実施例３の電源制御装置の全体構成の説明図である。 従来技術の電源制御装置の動作原理の説明図である。 従来技術の電源制御装置の蓄電手段の劣化状態の説明図である。

符号の説明

１０、２０、３０…蓄電手段、１１、２１、３１…内部抵抗、１２、２２、３２…開回路電圧（起電力）、４０、４１、４２…電流計測手段、５０…電圧計測手段、６０、６１、６２…スイッチ手段、７０…状態検知手段、８０…充放電手段、９０…負荷、１００、１０１、１０２…抵抗、１１０、１１１、１１２…スイッチ。

Claims (10)

1. 複数の蓄電手段が並列に接続されて構成される電源の充放電を制御して、前記蓄電手段の複数個分の出力電流を必要とする車両走行用の負荷に電力を供給する電源制御装置であって、
   前記並列に接続された複数の蓄電手段の各電流値を計測する複数の電流計測手段と、
   前記並列に接続された複数の蓄電手段の各電圧を計測する複数の電圧計測手段と、
   前記複数の蓄電手段を並列接続から切り離したり並列に接続する複数のスイッチ手段と、
   前記電流計測手段と、前記電圧計測手段の出力を入力し、前記複数の蓄電手段の内部抵抗を出力する状態検知手段と、
   前記状態検知手段の出力を入力して、前記複数の蓄電手段を充電または放電する充放電手段とを有し、
   前記充放電手段が、前記状態検知手段の出力から、前記複数の蓄電手段の劣化状態を判定し、該判定した各蓄電手段の劣化状態に基づいて、放電時には、劣化が少ない前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的に接続して前記負荷の容量に応じて前記負荷と接続される前記蓄電手段の数を徐々に増減させて、劣化が少ない前記蓄電手段の放電を優先的に行い、充電時には、充電状態が低い前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的に接続して充電状態が低い前記蓄電手段の充電を行うことを特徴とする電源制御装置。
2. 請求項１に記載の電源制御装置において、
   前記蓄電手段が、複数の単位蓄電手段が直列に接続されていることを特徴とする電源制御装置。
3. 請求項１に記載の電源制御装置において、
   前記複数の蓄電手段の劣化状態判定と、前記スイッチ手段の切り替えを動的に行うことを特徴とする電源制御装置。
4. 請求項１に記載の電源制御装置において、
   前記複数の蓄電手段の劣化状態が外部に表示されることを特徴とする電源制御装置。
5. 複数の蓄電手段が並列に接続されて構成される電源の充放電を制御して、前記蓄電手段の複数個分の出力電流を必要とする車両走行用の負荷に電力を供給する電源制御装置であって、
   前記並列に接続された複数の蓄電手段の各電流値を計測する複数の電流計測手段と、
   前記並列に接続された複数の蓄電手段の各電圧を計測する複数の電圧計測手段と、
   前記複数の蓄電手段を並列接続から切り離したり並列に接続する複数のスイッチ手段と、
   前記電流計測手段と、前記電圧計測手段の出力を入力し、前記複数の蓄電手段の内部抵抗を出力する状態検知手段と、
   前記状態検知手段の出力を入力して、前記複数の蓄電手段を充電または放電する充放電手段とを有し、
   前記充放電手段が、前記負荷が出力する状態信号も入力し、
   前記充放電手段が、前記状態検知手段の出力から、前記複数の蓄電手段の劣化状態を判定し、該判定した各蓄電手段の劣化状態と前記負荷から出力された状態信号とに基づいて、放電時には、劣化が少ない前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的に接続して前記負荷の容量に応じて前記負荷と接続される前記蓄電手段の数を徐々に増減させて、劣化が少ない前記蓄電手段の放電を優先的に行い、充電時には、充電状態が低い前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的に接続して充電状態が低い前記蓄電手段の充電を行うことを特徴とする電源制御装置。
6. 請求項５に記載の電源制御装置において、
   前記蓄電手段が、複数の単位蓄電手段が直列に接続されていることを特徴とする電源制御装置。
7. 請求項５に記載の電源制御装置において、
   前記複数の蓄電手段の劣化状態判定と、前記スイッチ手段の切り替えを動的に行うことを特徴とする電源制御装置。
8. 請求項５に記載の電源制御装置において、
   前記負荷から出力される状態信号が、前記負荷に必要な電流値であることを特徴とする電源制御装置。
9. 請求項５に記載の電源制御装置において、
   前記複数の蓄電手段の劣化状態が外部に表示されることを特徴とする電源制御装置。
10. 複数の蓄電手段が並列に接続されて構成される電源の充放電を制御して、前記蓄電手段の複数個分の出力電流を必要とする車両走行用の負荷に電力を供給する電源制御装置であって、
    前記並列に接続された複数の蓄電手段の各電流値を計測する複数の電流計測手段と、
    前記並列に接続された複数の蓄電手段の各電圧を計測する複数の電圧計測手段と、
    前記複数の蓄電手段を並列接続から切り離したり並列に接続する複数のスイッチ手段と、
    前記電流計測手段と、前記電圧計測手段の出力を入力し、前記複数の蓄電手段の内部抵抗を出力する状態検知手段と、
    前記状態検知手段の出力を入力して、前記複数の蓄電手段を充電または放電する充放電手段とを有し、
    前記複数のスイッチ手段に並列に、別のスイッチ手段と抵抗との直列接続体を配置し、
    前記充放電手段が、前記状態検知手段の出力から、前記複数の蓄電手段の劣化状態を判定し、該判定した各蓄電手段の劣化状態に基づいて、放電時には、劣化が少ない前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的に接続して前記負荷の容量に応じて前記負荷と接続される前記蓄電手段の数を徐々に増減させて、劣化が少ない前記蓄電手段の放電を優先的に行い、充電時には、充電状態が低い前記蓄電手段に対応する前記スイッチ手段を優先的に接続して充電状態が低い前記蓄電手段の充電を行い、かつ前記スイッチ手段の接続前に前記別のスイッチ手段を接続することを特徴とする電源制御装置。
    

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