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JP5493407B2 - 組電池の容量調整装置 - Google Patents

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Description

本発明は、組電池の容量調整装置に関するものである。
複数の二次電池セルを直列に組み合わせてなる組電池において、各二次電池セルの電圧がばらついた場合に、二次電池セルの最低電圧や平均電圧を基準にして二次電池セルの電圧を均一にすることが行われている(特許文献1)。
特開2000−83327号公報
しかしながら、セル電圧に基づいて容量調整を実行すると、満充電容量Ahの小さい二次電池セルが他の二次電池セルより残容量割合SOCが大きい場合には、この満充電容量が小さい二次電池セルに対しても放電処理が実行される。
したがって、一時的に残容量割合が均一になったとしても、その後の使用で満充電容量が小さい二次電池セルが早い時期に下限電圧に到達するので、結果的に組電池の使用可能時間が短くなるという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、組電池の使用可能時間の短縮を抑制できる組電池の容量調整装置を提供することである。
本発明は、満充電容量が最小の二次電池セルの電圧より大きい電圧を示す二次電池セルのみに対し放電処理を実行することによって上記課題を解決する。
本発明によれば、満充電容量が最小の二次電池セルの電圧より大きい電圧を示す二次電池セルのみに対し放電処理を実行するので、満充電容量が小さい二次電池セルの放電が抑制され、これにより当該二次電池セルが早期に下限電圧に到達するのを抑制できる。その結果、組電池の使用可能時間が短くなるのを抑制することができる。
発明の一実施の形態を適用した電気自動車の駆動系システムを示すブロック図である。 図1の組電池廻りの構成を詳細に示すブロック図である。 二次電池セルの電流量Ahと残容量割合SOCとの関係を示すグラフである。 二次電池セルの電圧がばらついた場合の容量調整法を説明するための電流量−残容量割合のグラフである。 二次電池セルの電圧に加えて満充電容量もばらついた場合の容量調整法を説明するための電流量−残容量割合のグラフである。 図5の場合に二次電池セルの電圧のみに基づいて容量調整を実行した場合の問題点を説明するための電流量−残容量割合のグラフである。 図5の場合に満充電容量が最小の二次電池セルの電圧に基づいて容量調整を実行した場合の効果を説明するための電流量−残容量割合のグラフである。 図5以外の場合に満充電容量が最小の二次電池セルの電圧に基づいて容量調整を実行した場合の効果を説明するための電流量−残容量割合のグラフである。 図1のバッテリコントローラで実行される制御手順を示すフローチャートである。 図9のステップS1のサブルーチンを示すフローチャートである。 図9のステップS2のサブルーチンを示すフローチャートである。 図9のステップS3のサブルーチンを示すフローチャートである。 図9のステップS4のサブルーチンを示すフローチャートである。 残容量割合と電圧との関係を示すグラフである。
以下、発明の一実施の形態を適用した電気自動車用組電池の制御装置につき、図1〜図14を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の電気自動車用組電池の制御装置以外の組電池の容量調整装置にも適用することができる。
図1は発明の一実施の形態を適用した電気自動車の駆動系システムを示すブロック図であり、組電池1は、電気自動車を駆動するエネルギを蓄えている。組電池1には各種センサが設けられ、バッテリコントローラ5に検出信号を出力する。すなわち、電圧センサ2は組電池1の総電圧を検出し、電流センサ3は組電池1からの入出力電流を検出して電池の残容量などを演算するのに利用される。温度センサ4は組電池1の温度を検出し、電池性能の温度感度補正や異常発熱を監視するためなどに利用される。
バッテリコントローラ5は、各種センサ2,3,4の検出信号に基づき組電池1の入出力可能電力を演算し、また組電池1を安全に使用するための診断などを実施し、これらを車両コントローラ7へ出力する。
アクセルポジションセンサ6は、アクセルの踏み込み量、すなわちドライバの車速制御要求を検出し車両コントローラ7へ出力する。車両コントローラ7は、アクセルポジションセンサ6とバッテリコントローラ5からの出力信号に基づき、車両の各種制御目標値を演算する。
インバータ8は、車両コントローラ7から出力された要求トルクに基づいて組電池1の直流電力を三相交流電力に変換して、モータ9へ供給する電力を制御する。モータ9は、インバータ8により変換された電力により駆動し、ドライブシャフトを介してタイヤ10を駆動する。
図2は、図1の組電池廻りの構成をより詳しく示すブロック図である。
組電池1を構成する二次電池セル201は、互いに直列および/または並列に接続され、例えばインバータ8の入力電圧の許容幅に応じて二次電池セルの直列数が決定され、また例えば目標航続距離に応じて二次電池セルの並列数が決定される。本例においては、並列数を1列として説明する。
バッテリコントローラ5のAD変換ポートには、セル電圧検出線202を介して各二次電池セル201の両端電圧が入力され、バッテリコントローラ5で二次電池セル201の電圧を直接検出する。
また、各二次電池セル201にはバイパススイッチ203とバイパス抵抗204が接続され、バッテリコントローラ5によって各二次電池セル201のばらつき調整が必要と判断されたときには、バイパススイッチON/OFF信号205によってバイパススイッチ203をONにしてバイパス抵抗204に通電し、各二次電池セル201の放電処理を実行する。各二次電池セル201の放電量は、バイパススイッチ203のON時間により制御される。
図3は、二次電池セル201の容量特性を示すグラフであって、横軸に二次電池セルの電流量Ah、縦軸に残容量割合(残容量/満充電容量)SOCをプロットした関係を示すグラフである。同図に示すように、電流量と残容量割合は比例関係にある。また、残容量割合SOCと電圧Vには、図14に示すように二次電池の種類に固有の相関があり、残容量割合SOCは、電流量の積算値または電圧から算出することができる。
実際に組電池1を使用する場合に、組電池1の残容量割合SOC(State of Charge)は、過放電や過充電を防止するために0〜100%の範囲内で使用する必要がある。このため、図3に示すように例えば残容量割合SOC=0%は過放電となる下限電圧に設定され、残容量割合SOC=100%は過充電となる上限電圧に設定される。この上下限電圧には、例えば制御マージンやセンサ誤差などを考慮してマージンを持たせてもよい。組電池1は、このような特徴を持つ二次電池セル201が複数個組み合わせて構成されている。
図4は、組電池1において二次電池セル201のセル電圧がばらついたときの組電池の特性を示すグラフである。組電池1は、図3に示す特性を有する二次電池セル201が複数個組み合わせて構成されているので、理想的には全ての二次電池セルの特性と状態が全く同じであれば、組電池1としての性能を最大限に利用することができる。しかしながら、実際には個々の二次電池セル間で製造上の個体差(バラツキ)があり、例えばセル電圧(つまり残容量割合SOCや残容量)がばらつくことがある。
図4に示すようにセル電圧がばらつくと、つまり各二次電池セルの容量が、ある時点で異なる場合に、さらに放電を継続していくと、セル電圧が最も低いセル(同図のセルα)が先にSOC=0%に達し、逆に充電を継続していくと、セル電圧が最も高いセル(同図のセルγ)が先にSOC=100%に達してしまう。
つまり、組電池1として使用できる容量としては、同図のA)充電可能容量と、B)放電可能容量の和となるので、理想的な組電池1の満充電容量より小さくなる。
さらに図5に示すように、二次電池セル201の満充電容量にもばらつきがある場合は、こうしたセル電圧のばらつきの影響はさらに助長される。図5において、セルαの残容量割合SOC=100%のときの電流量は、他のセルβ,γよりも小さいので満充電容量が最も小さいセルである。これに対し、セルβの残容量割合SOC=100%のときの電流量は、他のセルα,γよりも大きいので満充電容量が最も大きいセルである。こうした二次電池セルの満充電容量のばらつきは、製造上の個体差以外にも電池要素の劣化度の違いによって生じることがある。
図6は、本例の比較例であって従来の問題点を説明するためのグラフである。すなわち、二次電池セル201の電圧のみに基づいて容量調整を実行した場合の問題点を説明するための電流量−残容量割合のグラフであり、組電池1の中で最低セル電圧を示す二次電池セル201の電圧Vに他の二次電池セル201の電圧Vを揃える場合について説明する。
ここで、満充電容量の大小関係は同図のグラフの傾きに示すようにα<γ<βとし、ばらつき調整前のセル電圧の大小関係はβ<α<γとし、ばらつき調整前の残容量の大小関係はα<β<γであるとする。
この状態において、最低セル電圧を示すセルβのセル電圧Vを目標電圧として、他のセルα、γのセル電圧をVに揃えることでばらつき調整を行う。このとき、当然ではあるが満充電容量が最も小さいセルαからも放電するので、ばらつき調整後の各セルの電圧V(残容量割合SOCや残容量)は均一になったとしても、その後の走行によってセルαがSOC=0%に到達する時期が早まってしまう。つまり、走行距離および燃費が悪化し、航続距離が問題となっている電気自動車にとっては深刻な問題である。
これに対し、図7は、本例のばらつき調整方法を適用した一例を示す図である。二次電池セル201のばらつき状況は前述の図6と同じく、満充電容量の大小関係はα<γ<βとし、ばらつき調整前のセル電圧の大小関係はβ<α<γとし、ばらつき調整前の残容量の大小関係はα<β<γとする。
本例では、最小満充電容量セルに着目し、満充電容量が最も小さいセルαよりセル電圧が大きいセルγのみばらつき調整を行い、満充電容量が小さいセルαおよび当該セルαよりセル電圧が低いセルβからの放電を行わない。
これにより、セルαよりセル電圧が大きい二次電池セルのセル電圧は均一になると同時に、最小満充電容量のセルαの放電は行わないので当該セルαがSOC=0%に到達する時期が早まることも防止される。その結果、組電池1としてばらつき調整後に放電可能な電力低下を抑制でき、航続距離を延ばすことができる。なお、セルβについてはばらつき調整を行わないが、放電や充電を行ったとしてもセルβの残容量割合SOCが他のセルα,γより先に0%や100%に達することはないので、組電池1としての性能は最大限利用することができる。
図8は本例のばらつき調整方法を適用した他の一例を示す図である。二次電池セル201のばらつき状況は、満充電容量の大小関係はα<γ<βとし、ばらつき調整前のセル電圧の大小関係はβ<α<γとするが、ばらつき調整前の残容量Ahの大小関係は、図6および図7とは異なりβ<α<γであるとする。
このような特異な状況は、たとえば満充電容量が大きくても自己放電が大きい二次電池セル201が存在する組電池1を長期放置した場合に発生することが考えられる。
この状態において、本例では残容量が最も小さいセルβのセル電圧Vまで他の二次電池セルα、γのセル電圧を下げてばらつき調整する。通常起こりやすい、満充電容量が最も小さい二次電池セルの残容量が最も小さい場合には、この放電処理によって容量調整による不要な放電を抑制しながら、満充電容量が最も小さい二次電池セルの残容量より残容量が小さい二次電池セルが存在する特異なばらつきが発生したときにでも、組電池1の満充電容量の低下を抑制することができる。
以下、本例の制御手順を、フローチャートを参照しながら詳細に説明する。
図9は本例の制御全体の概要を示すフローチャートである。ステップS1のセル電圧取得ステップでは、起動時や停止時に組電池1を構成する全ての二次電池セル201のセル電圧を計測する。ステップS2の最小満充電容量セル判断ステップでは、ステップS1で計測したセル電圧に基づき満充電容量が最も小さい二次電池セルを判断する。ステップS3の最小残容量セル演算ステップでは、走行前後の電流積算量とセル電圧変動幅に応じて各二次電池セルの満充電容量と残容量を演算し、残容量が最も小さい二次電池セルを判断する。ステップS4のばらつき調整ステップでは、各二次電池セルに対してばらつき調整量の目標値演算やバイパススイッチ203のON/OFF指令を演算する。
図10は、図9のセル電圧取得ステップS1の詳細を示すフローチャートである。最初にステップS11にて、バッテリシステムが起動時かどうかを判断する。起動時であれば、ステップS12で全二次電池セルの起動時セル電圧SVn(nはセル番号)を1回計測してこれを記憶する。起動時でなければ起動時セル電圧SVnの記憶処理は行わない。
つぎにステップS13にて停止時かどうかを判断する。停止時であれば、ステップS14で全二次電池セルの停止時セル電圧EVn(nはセル番号)を1回計測してこれを記憶する。停止時でなければ停止時セル電圧EVnの処理は行わない。以上でセル電圧取得ステップS1の処理を終了し、次の最小満充電容量セル判断ステップS2へ進む。
図11は、図9の最小満充電容量セル判断ステップS2の詳細を示すフローチャートである。最初にステップS11にて、停止時かどうかを判断する。停止時であれば、セル電圧取得ステップS1において今回のシステム稼動の起動時セル電圧SVnと停止時セル電圧EVnが今回のシステム稼動での値に更新されているので、ステップS22において下記式1にしめすようにこれらの差の絶対値を演算して、各二次電池セルの電圧変動ΔVnを得る。
[式1]セル電圧変動ΔVn=|SVn−EVn|
ステップS21で停止時でないと判断された場合は、まだバッテリシステムは稼働中であり停止時セル電圧EVnが更新されていないので、以降の処理をパスして最小満充電容量セル判断を行わずに終了する。
ステップS22でセル電圧変動ΔVnを演算したら、つぎにステップS23で最小満充電容量セルの判断を行う。最小満充電容量セルの判断は、ステップS22で求めたセル電圧変動ΔVnの値がもっとも大きいセルであることで判断し、そのセル番号を最小満充電容量セル番号(MINFCAP)とする。
以上で最小満充電容量セル判断ステップS2の処理を終了し、次の最小算容量セル判断ステップS3へ進む。
図12は、図9の最小残容量セル判断ステップS3の詳細を示すフローチャートである。最初にステップS31にて起動時かどうかを判断する。起動時であれば、ステップS32で今回のシステム稼動の電流積算量ΔAhtrpをリセットする。起動時でなければステップS32の処理をパスしてリセットを行わない。
つぎに、ステップS33でシステム稼働中の組電池の入出力電流を計測し、ステップS34では計測した電流値に基づいて組電池(各二次電池セル)の今回のシステム稼動の電流積算量ΔAhtrpを演算する。電流積算量の演算は、計測した電流値Iにコントローラの演算ステップ時間T(例えば10msや1msなど)を乗じた値に、計測したコントローラの前回ステップの電流積算量ΔAhtrp zを加えることで実施される。
つぎにステップS35で停止時かどうかを判断し、停止時でなければその後の処理をパスして、最小残容量セル判断ステップS3の処理を終える。停止時であれば、ステップS36で各二次電池セルの満充電容量FCAPnを求める。各二次電池セルの満充電容量FCAPnは、例えばセル電圧変動ΔVnと、電流積算量ΔAhtrpと、図14に示す電圧−SOC特性にもとづき、つぎに説明する手順で求めることができる。
すなわち、計測したセル電圧変動ΔVnと、あらかじめバッテリコントローラに記憶させた電圧−SOC特性図から、各二次電池セルの今回のシステム稼働中に変動したSOC(ΔSOCn)を求める。つぎに、SOCの定義は満充電容量に対する残容量の割合であるので、ΔSOCnとステップS34で求めた今回のシステム稼動の電流積算量ΔAhtrpの値に基づき、下記式2によって求める。
[式2]満充電容量FCAPn=ΔAhtrp÷ΔSOCn
つぎにステップS37において、各二次電池セルの残容量RCAPnを演算する。残容量RCAPnは、例えば停止時のセル電圧EVnと電圧−SOC特性から停止時の各二次電池セルのSOCを求め、つぎに各二次電池セルのSOCにステップS36で求めた各二次電池セルの満充電容量FCAPnを乗じることで求めることができる。
つぎにステップS38において、最小残容量セルの判断を行う。最小残容量セルの判断は、ステップS37で求めた各セルの残容量RCAPnが最も小さい二次電池セルであることで判断し、そのセル番号を最小残容量セル番号(MINRCAP)として記憶する。以上により、最小残容量セル判断ステップS3の処理を終了し、次のばらつき調整ステップS4へ進む。
図14は、ばらつき調整ステップS4の詳細を示すフローチャートである。最初に、ステップS41で停止時かどうかを判断する。停止時でない場合は、ステップS42〜S48のステップをパスしてステップS49へ進む。
停止時である場合は、ステップS42において最小満充電容量セル番号(MINFCAP)と最小残容量セル番号(MINRCAP)が一致しているかどうかを判断する。一致している場合は、ステップS43において最小満充電容量セルのセル電圧より高いセル電圧を示している二次電池セルをばらつき調整対象セルと判断し、ステップS44でばらつき調整対象セルのセル電圧と最小満充電容量セルのセル電圧の差をばらつき調整対象セルの目標セル電圧調整量とする。このステップS43,S44のばらつき調整が既述した図7に示す例に相当する。
逆に最小満充電容量セル番号(MINFCAP)と最小残容量セル番号(MINRCAP)が一致していない場合は、ステップS45において最小残容量セルのセル電圧より高いセル電圧を示している二次電池セルをばらつき調整対象セルと判断し、ステップS46でばらつき調整対象セルのセル電圧と最小残容量セルのセル電圧の差をばらつき調整対象セルの目標セル電圧調整量とする。このステップS45,S46のばらつき調整が既述した図8に示す例に相当する。
ばらつき調整対象セルの目標セル電圧調整量が演算されたら、つぎにステップS47にて各ばらつき調整対象セルの目標バイパススイッチON時間を演算する。目標バイパススイッチON時間は、例えばセル電圧1mVあたりのバイパススイッチON時間を実験的に求めてバッテリコントローラ5に記憶させておき、この値に各ばらつき調整対象セルの目標セル電圧調整量を乗じることで演算する。
つぎにステップS48において、ステップS47で演算した各ばらつき対象セルの目標バイパススイッチON時間を記憶する。記憶する場所(バッテリコントローラ5の記憶領域)は、バッテリコントローラの電源を切っても消えない場所であり、例えばバックアップRAMやEEPROMに記憶する。その理由は、ばらつき調整を次回起動時から開始する場合にはバッテリコントローラ5を一度停止するためであり、もし通常のRAM領域に保存すると次回起動時には前回演算した目標バイパススイッチON時間が消去されて使用できなくなるからである。
つぎにステップS49において、今回起動中に各二次電池セルのバイパススイッチ203をONした時間をカウントする。そしてステップS50で、バイパススイッチON時間が目標ばらつき調整時間を超えていない二次電池セルに対してはバイパススイッチ203をONに、超えている場合はOFFにする判断を行う。そして、ステップS51で、バイパススイッチ203のON/OFF指令を出力し、ばらつき調整ステップS4を終了する。
以上の実施形態は本発明の一例を説明したものに過ぎず、これらに限定されずさらに変形することができる。
例えば長期放置を行わない組電池に対して本発明を適用する場合や、各二次電池セルの自己放電特性のばらつきがほとんどない場合などのように、最小満充電容量セル(MINFCAP)が最小残容量セル(MINRCAP)と常に一致すると言えるのであれば、最小残容量セル判断ステップS3や、ばらつき調整対象セル判断ステップS45、目標セル電圧調整量演算ステップS46を省略することもできる。これにより開発期間の短縮やコントローラのROM領域の削減と演算負荷の低減などが期待できる。
また、満充電要量演算ステップS36と、最小残容量セル判断ステップS38と、ばらつき調整ステップS4のうちステップS41〜S48を前回起動時のセル電圧情報と今回起動時セル電圧の偏差に基づいて演算してもよい。これにより、停止中に安定した後のセル電圧情報に基づき演算ができるため、精度良く各種演算を実施することができる。
また、二次電池セル201の内部抵抗と温度と閉回路電圧CCVを用いて、負荷が取り外されているときの開回路電圧OCVを推定し、所定時間間隔前後に推定した開回路電圧OCVを用いて最小満充電容量や最小残容量を求めて、各種演算を行いばらつき調整を実施してもよい。
また、各種センサ誤差や演算誤差を考慮した閾値を設定してもよい。その他、満充電容量演算、残容量演算、ばらつき調整方法、電圧計測、電流計測、などの実施方法については従来技術の多くを組み合わせてもよい。
以上のように、本例の容量調整装置によれば、満充電容量が最も小さい二次電池セルを基準に容量調整を行うので、満充電容量が小さい二次電池セルの不用意な放電を抑制することができる。このように容量調整することで満充電容量が小さい二次電池セルが放電末期において早期に下限電圧に到達することが抑制できるため、容量調整後の組電池の利用可能な残容量を向上することができる。
また、満充電容量が最も小さい二次電池セルよりセル電圧が高い二次電池セルのみ容量調整を行うので(図7参照)、満充電容量が小さい二次電池セルの放電を抑制できる。
また、満充電容量が最も小さい二次電池セルの残容量がもっとも小さいときに満充電容量が小さい二次電池セルを基準に容量調整を行うので、満充電容量が小さい二次電池セルの放電を抑制できる。
また、満充電容量が最も小さい二次電池セルの残容量より残容量が小さい二次電池セルが存在する場合には、残容量が最も小さい二次電池セルを基準に容量調整を行うので、放電末期に満充電容量が小さい二次電池セルが先に下限電圧に到達するように調整できる。これにより、通常起こりやすい満充電容量が最も小さい二次電池セルの残容量が最も小さい場合には容量調整による不要な放電を抑制しながら、満充電容量が最も小さいセルの残容量より残容量が小さいセルが存在する特異なばらつきが発生したときにでも、組電池の満充電容量の低下を抑制することができる。
1…組電池
2…総電圧センサ
3…電流センサ
4…温度センサ
5…バッテリコントローラ
6…アクセルポジションセンサ
7…車両コントローラ
8…インバータ
9…モータ
201…二次電池セル
203…バイパススイッチ
204…バイパス抵抗

Claims (3)

  1. 複数の二次電池セルを直列に組み合わせて構成される組電池の、前記二次電池セルの電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記二次電池セルの放電処理を実行して当該二次電池セルのばらつきを調整するばらつき調整手段と、
    前記二次電池セルの満充電容量が最も小さい二次電池セルを判断する最小満充電容量セル判断手段と、を有する組電池の容量調整装置において、
    前記ばらつき調整手段は、前記最小満充電容量セル判断手段により判断された最小満充電容量セルの電圧より大きい電圧を示す二次電池セルのみに対し放電処理を実行することを特徴とする組電池の容量調整装置。
  2. 請求項1に記載の組電池の容量調整装置において、
    前記二次電池セルの入出力電流を検出する電流検出手段と、
    前記二次電池セルの残容量を演算する残容量演算手段と、を有し、
    前記ばらつき調整手段は、前記最小満充電容量セルの残容量が最も小さい場合に、前記最小満充電容量セルの電圧より大きいセル電圧を示すセルのみに対し放電処理を実行することを特徴とする組電池の容量調整装置。
  3. 請求項に記載の組電池の容量調整装置において、
    前記ばらつき調整手段は、前記最小満充電容量セルの残容量より残容量が小さい他の二次電池セルが存在する場合に、前記最小満充電容量セルの電圧に代えて、残容量が最も小さい二次電池セルの電圧より高い電圧を示す二次電池セルのみに対して放電処理を実行することを特徴とする組電池の容量調整装置。
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