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図面 (4)

課題

走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両制御装置を提供すること。

解決手段

車両ECU70は、車両1に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパック30と、複数のバッテリパック30間の電気断接状態を制御する電力制御手段72と、複数のバッテリパック30が充電放電も実施していない非作動時において、電圧差所定電圧範囲内であるバッテリパック30を電力制御手段72により電気的接続状態とすることで電圧を均等化させる電圧均等化制御手段73と、を備える。

概要

背景

近年、環境問題等を考慮して、モータのみで走行可能な電気自動車や、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車等の電動車両の開発が進んでいる。このような電動車両に対し、外部電源からバッテリ充電可能ないわゆるプラグイン電動車両も開発されている。このような電動車両が搭載するバッテリにおいて、複数の電池束ねて1つのバッテリパックを構成した場合には、当該バッテリパックに設けられるBMS(Battery Management System)が複数の電池の充放電状態をまとめて監視及び制御するのが一般的である。

上記の電動車両は、要求される航続距離等の仕様に基づいて、必要な充電容量を確保するために、複数のバッテリパックを搭載する場合がある。例えば、特許文献1には、並列に接続された第1の電池ブロック及び第2の電池ブロックを備える車両用バッテリ制御装置が開示されている。ここで、複数のバッテリパックを並列に接続した場合、複数のバッテリパック間には、それぞれの劣化状態や温度差により、SOC(State Of Charge;充電量)の差に伴う電圧差が生じることがある。例えば、この状態で複数のバッテリパックを使用した場合には、劣化によりSOCが低下したバッテリパックをさらに放電させて過放電状態に陥る虞があった。

特許文献1に開示された車両用バッテリの制御装置は、イグニションスイッチオンにして電動車両を走行させる放電時において、各電池ブロックに接続された第1のリレー及び第2のリレーの一方だけを閉じるなどして、過放電を抑制しようとするものである。また、特許文献1に開示された車両用バッテリの制御装置は、充電時において、第1の電池ブロック及び第2の電池ブロックのSOCに差がある場合には、SOCの少ない方の電池ブロックから充電を開始し、両者のSOCが等しくなった後に並列充電を行なっている。

概要

走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両の制御装置を提供すること。車両ECU70は、車両1に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパック30と、複数のバッテリパック30間の電気断接状態を制御する電力制御手段72と、複数のバッテリパック30が充電も放電も実施していない非作動時において、電圧差が所定電圧範囲内であるバッテリパック30を電力制御手段72により電気的接続状態とすることで電圧を均等化させる電圧均等化制御手段73と、を備える。

目的

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とする

効果

実績

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請求項1

車両に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパックと、前記複数のバッテリパック間の電気断接状態を制御する電力制御手段と、前記複数のバッテリパックが非作動時の場合において、電圧差所定電圧範囲内である前記バッテリパックを前記電力制御手段により電気的接続状態とすることで電圧均等化させる電圧均等化制御手段と、を備える電動車両制御装置

技術分野

0001

本発明は、電動車両制御装置に関する。

背景技術

0002

近年、環境問題等を考慮して、モータのみで走行可能な電気自動車や、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車等の電動車両の開発が進んでいる。このような電動車両に対し、外部電源からバッテリ充電可能ないわゆるプラグイン電動車両も開発されている。このような電動車両が搭載するバッテリにおいて、複数の電池束ねて1つのバッテリパックを構成した場合には、当該バッテリパックに設けられるBMS(Battery Management System)が複数の電池の充放電状態をまとめて監視及び制御するのが一般的である。

0003

上記の電動車両は、要求される航続距離等の仕様に基づいて、必要な充電容量を確保するために、複数のバッテリパックを搭載する場合がある。例えば、特許文献1には、並列に接続された第1の電池ブロック及び第2の電池ブロックを備える車両用バッテリの制御装置が開示されている。ここで、複数のバッテリパックを並列に接続した場合、複数のバッテリパック間には、それぞれの劣化状態や温度差により、SOC(State Of Charge;充電量)の差に伴う電圧差が生じることがある。例えば、この状態で複数のバッテリパックを使用した場合には、劣化によりSOCが低下したバッテリパックをさらに放電させて過放電状態に陥る虞があった。

0004

特許文献1に開示された車両用バッテリの制御装置は、イグニションスイッチオンにして電動車両を走行させる放電時において、各電池ブロックに接続された第1のリレー及び第2のリレーの一方だけを閉じるなどして、過放電を抑制しようとするものである。また、特許文献1に開示された車両用バッテリの制御装置は、充電時において、第1の電池ブロック及び第2の電池ブロックのSOCに差がある場合には、SOCの少ない方の電池ブロックから充電を開始し、両者のSOCが等しくなった後に並列充電を行なっている。

先行技術

0005

国際公開第2013/042165号

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、特許文献1に開示された従来技術では、イグニションスイッチをオフにしてから次回の走行開始時までに充電がなされない場合には、次回の走行開始時までにバッテリパック間のSOCの差を解消することができない。また、特許文献1に開示された従来技術では、バッテリパック間のSOCに伴う電圧差が生じた状態で電動車両の走行を開始することになるため、一方のバッテリパックに負荷が集中することにより予期せぬ故障を招来したり、走行距離が減少してしまう虞が生じる。

0007

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両の制御装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

上記した目的を達成するために、本発明に係る電動車両の制御装置は、車両に搭載され、互いに並列接続された複数のバッテリパックと、前記複数のバッテリパック間の電気断接状態を制御する電力制御手段と、前記複数のバッテリパックが非作動時の場合において、電圧差が所定電圧範囲内である前記バッテリパックを前記電力制御手段により電気的接続状態とすることで電圧を均等化させる電圧均等化制御手段と、を備える。

0009

電動車両の制御装置は、前記複数のバッテリパックが充電も放電も実施していない非作動時の場合において、電圧差が所定電圧範囲内である複数のバッテリパックを電気的接続状態とする。それによって、電圧の高いバッテリパックから電圧の低いバッテリパックへ電力が供給され、各バッテリパックの電圧が均等化される。これにより、電動車両は、各バッテリパックに電圧差が生じない状態で走行を開始することができるため、一部のバッテリパックに負荷が集中することを防止でき、予期せぬ故障を招来する虞を低減することができるほか、走行距離の減少を抑制することができる。

発明の効果

0010

本発明によれば、走行開始時におけるバッテリパック間の電圧均一化に寄与することができる電動車両の制御装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明に係る車両のシステム構成図である。
本発明に係る高電圧バッテリ及び車両ECUの詳細を表す構成図である。
本発明に係る電圧均等化プログラムの手順を示すフローチャートである

実施例

0012

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

0013

図1は、本発明に係る車両1のシステム構成図である。

0014

図1に示す車両1(電動車両)は、走行駆動源としてのモータ10を備える電気自動車(EV)であるが、別途エンジンを備えるハイブリッド電気自動車(HEV)であってもよい。モータ10は、例えば永久磁石同期電動機のように発電機としても作動可能電動機である。モータ10の出力軸プロペラシャフト11を介して差動装置12が連結され、差動装置12には駆動軸13を介して左右の駆動輪14が連結されている。

0015

モータ10にはインバータ15及び電力制御機器20を介して高電圧バッテリ30が接続されている。高電圧バッテリ30に蓄えられた直流電力はインバータ15により交流電力に変換されてモータ10に供給され、モータ10が発生させた駆動力は駆動輪14に伝達されて車両1を走行させる。また、例えば車両1の減速時や降坂路での走行時(回生走行時)には、駆動輪14側からの逆駆動によりモータ10が発電機として作動する(回生運転)。モータ10に発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪14側に伝達されると共に、モータ10が発電した交流電力がインバータ15で直流電力に変換されて、電力制御機器20を介して高電圧バッテリ30に充電される。

0016

電力制御機器20は、高電圧バッテリ30の他、DC−DCコンバータ40、車両ECU70、及び車両1に搭載された図示しない高電圧補機にも接続されている。当該電力制御機器20の内部には、電路の断接を行う各種コンタクタ電磁接触器)が設けられており、当該コンタクタの断接を行うことで、各種電気機器への電力の供給及び遮断を制御可能である。また、電力制御機器20は、高電圧バッテリ30を充電するための充電器としての機能を備え、外部電源2から受電した電力を高電圧バッテリ30に供給する。

0017

高電圧バッテリ30は、例えばリチウムイオンバッテリであり、駆動源であるモータ10に高電圧を出力可能なバッテリである。尚、図1においては高電圧バッテリ30を単体ブロックとして示しているが、後述するように、複数のバッテリパックが並列に接続されている。

0018

DC−DCコンバータ40は、電力制御機器20から受電した電力を降圧し、高電圧バッテリ30よりも低い電圧の電力を低電圧バッテリ50に供給する電圧変換器である。

0019

低電圧バッテリ50は、例えば鉛バッテリであり、車両ECU70、電力制御機器20の内部のコンタクタ等の制御電源、イグニションスイッチ60、及び図示しない電装品への電力供給に用いられる。

0020

イグニションスイッチ60は、車両1のドライバーが車両ECU70のキーオンキーオフとを切り替えるために操作するスイッチである。

0021

「電動車両の制御装置」としての車両ECU70は、図示しない入出力装置制御プログラム制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM、RAMなど)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタなどを備え、車両1の全体を統合制御する。車両ECU70は、イグニションスイッチ60がオフからオンに切り替えられるか、または、外部電源2から充電指示信号を受信することにより、低電圧バッテリ50から電力が供給されて起動する。また、車両ECU70は、イグニションスイッチ60がオンからオフに切り替えられるか、または、外部電源2から充電指示が終了することにより、動作が停止する。

0022

次に、高電圧バッテリ30の充放電制御について詳細に説明する。図2は、本発明に係る高電圧バッテリ30及び車両ECU70の詳細を表す構成図である。

0023

高電圧バッテリ30は、複数のバッテリパック、すなわち、本実施形態では第1バッテリパック31、第2バッテリパック32、第3バッテリパック33、及び第4バッテリパック34からなり、それぞれ電力制御機器20に互いに並列接続されている。ただし、バッテリパックの個数はこれに限定されるものではない。

0024

本実施形態では、上記の第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34が全て同様の構成であるため、以下では第1バッテリパック31の構成について説明し、第2バッテリパック32〜第4バッテリパック34の説明は省略する。

0025

第1バッテリパック31は、コンタクタ35、蓄電部36、BMS(battery management system)37を含む。

0026

コンタクタ35は、電力制御機器20と接続される電磁リレーである。コンタクタ35は、リレー回路を閉じることにより、電力制御機器20と第1バッテリパック31とを電気的に接続し、第1バッテリパック31の充放電許可する。また、コンタクタ35は、リレー回路を開くことにより、電力制御機器20と第1バッテリパック31とを電気的に遮断し、第1バッテリパック31の充放電を禁止する。

0027

蓄電部36は、複数の電池(バッテリセル)からなり、コンタクタ35を介して電力制御機器20から直流電力が供給されることにより充電され、コンタクタ35を介して電力制御機器20へ直流電力を供給することにより放電する。

0028

BMS37は、コンタクタ35の開閉を制御すると共に、蓄電部36の電圧や温度を検出し、第1バッテリパック31を統括制御する。また、BMS37は、図2破線で示されるように車両ECU70に接続され、第1バッテリパック31の充電残量に伴う電圧や温度を車両ECU70に送信すると共に、車両ECU70から制御信号を受信する。

0029

車両ECU70は、電圧取得手段71、電力制御手段72、電圧均等化制御手段73、及び制御順序決定手段74を備え、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の充放電を個別に制御する。ただし、車両ECU70は、車両1の全体を統括制御するため、これらの充放電に関連する機能以外の手段も備え、適宜その動作を行う。

0030

電圧取得手段71は、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧を各BMS37から取得し、各バッテリパックの充電残量に伴う電圧を監視する。

0031

電力制御手段72は、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の各コンタクタ35の開閉を個別に制御する。すなわち、電力制御手段72は、外部電源2が電力制御機器20に接続された場合には、例えば、電圧取得手段71が取得した第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧に基づいて、充電が必要なバッテリパックのコンタクタ35を閉じて充電を行う。また、電力制御手段72は、車両1の走行時には、バッテリパック間の電圧にほとんど差が無いときに、全てのコンタクタ35を閉じる。それにより、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34は、電力制御機器20及びインバータ15を介してモータ10に電力を供給する。

0032

電圧均等化制御手段73は、詳細を後述するように、複数のバッテリパック30が充電も放電も実施していない非作動時において、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34に電圧差がある場合に、それらの電圧を均等化させる制御を行う。このような場合としては、イグニションスイッチ60のオフ時、イグニションスイッチ60がオンであっても内燃機関を有さない電気自動車が停車している時や、内燃機関を有するハイブリッド電気自動車がエンジン走行している時などが挙げられる。

0033

制御順序決定手段74は、上記の電圧均等化制御手段73が第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧を均等化させる際に、各バッテリパック同士の電気的断接状態、及びその順序を決定する。制御順序決定手段74の詳細についても後述する。

0034

続いて、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧を均等化するときの車両ECU70の制御手順について説明する。図3は、本発明に係る電圧均等化プログラムの手順を示すフローチャートである。

0035

車両ECU70は、複数のバッテリパック30が充電も放電も実施していない非作動時において、例えば車両1がキーオフ時であって夜間のような車両1を走行させない時間を十分に確保できるタイミングで、かつ、走行又は充電が終了してから十分に時間が経過して各バッテリパックの温度が安定化したことを条件として、以下の電圧均等化プログラムをスタートさせる。ここで、車両ECU70は、イグニションスイッチ60がオフの状態であっても、当該電圧均等化プログラムの実行時においては、低電圧バッテリ50からの電力により充放電に必要な機能を起動する。

0036

パックバランス制御の手順がスタートすると、電圧取得手段71は、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の各電圧を取得する(ステップS1)。

0037

電圧取得手段71が各バッテリパックの電圧を取得すると、車両ECU70は、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧差の有無に基づいて、各バッテリパックの電圧を均等化させるバランス制御が必要か否かを判定する(ステップS2)。また、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34のうちの2つを選んだときに、どの様にバッテリパックの組を選んでもその電圧差が所定電圧範囲内にない場合には、車両ECU70は、バランス制御が不可能であると判定する(ステップS2)。

0038

ここで、所定電圧範囲とは、複数のバッテリパックを接続しても各バッテリパックが故障しないように、各バッテリパックの電圧差に設定される許容範囲である。そのため、複数のバッテリパックの電圧差が所定電圧範囲内である限り、それらのバッテリパックを電気的接続状態にしても、高圧側のバッテリパックから低圧側のバッテリパックへ大電流が流れることによるバッテリパックの故障を防止することができる。尚、所定電圧範囲は、下限値が0Vであり、使用するバッテリパックの耐圧条件にもよるが、上限値が概ね10〜20Vの範囲で設定される。

0039

車両ECU70は、ステップS2において各バッテリパックの電圧を均等化するバランス制御が不要、又は不可能であると判定した場合には、電圧均等化プログラムを終了する(ステップS2でNo)。

0040

一方、車両ECU70がステップS2において各バッテリパックの電圧の均等化が必要かつ可能であると判定した場合には(ステップS2でYes)、制御順序決定手段74は、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34のバランス制御の順序を決定する(ステップS3)。

0041

例えば、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の各電圧が第1バッテリパック31を基準としてそれぞれ0V、15V、5V、10Vであり、所定電圧範囲の上限値が13Vである場合を想定する。このとき、第1バッテリパック31と第2バッテリパック32との電圧差は所定電圧範囲を超えているため、これらのバッテリパックを電気的接続状態にすることができない。一方、第1バッテリパック31と第3バッテリパック33との電圧差は所定電圧範囲内であるため、これらのバッテリパックを電気的接続状態にすることができる。同様に、第2バッテリパック32と第4バッテリパック34とを電気的接続状態にすることができる。

0042

第1バッテリパック31と第3バッテリパック33、及び第2バッテリパック32と第4バッテリパック34をそれぞれ電気的接続状態にすることによって、接続された2つのバッテリパックの電圧が均等化される。これにより、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の各電圧がそれぞれ2.5V、12.5V、2.5V、12.5Vとなったとする。この場合には、各バッテリパックの組み合わせに対するそれぞれの電圧差がいずれも所定電圧範囲内であるため、全てのバッテリパックを電気的接続状態にすることができ、全てのバッテリパックの電圧を例えば7.5Vに均等化することができる。このように、制御順序決定手段74は、接続可能なバッテリパックの組と順序を計算することにより、パックバランス制御の順序を決定する。

0043

図3のフローチャートに戻り、制御順序決定手段74がバランス制御の順序を決定すると、電圧均等化制御手段73は、制御順序決定手段74が決定した順序に従って、第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧を均等化する(ステップS4)。このとき、電圧均等化制御手段73は、電力制御手段72及び各BMS37を介して、各コンタクタ35の断接状態を切り替える。そして、各バッテリパックの電圧が電力制御機器20を介して均等化されると、車両ECU70は、パックバランス制御の手順を終了すると共に、車両ECU70の動作を停止させる。

0044

以上のことから、本実施形態に係る車両ECU70は、例えば、イグニションスイッチ60のオフ時において、高電圧バッテリ30が含む第1バッテリパック31〜第4バッテリパック34の電圧を均等化するため、次回の走行開始時までに各バッテリパック間の電圧が均一化された状態にしておくことができる。そのため、本実施形態に係る車両ECU70は、車両1の走行開始時に、一部のバッテリパックに負荷が集中することを防止でき、予期せぬ故障を招来する虞を低減することができる。また、車両1の走行可能な航続距離の減少を抑制することができるほか、当該航続距離を計算する場合の算出値に対する信頼性も向上することになる。さらに、ある程度の時間を要する上記のバランス制御は、車両1を走行させない夜間等に行われることから、充電時に行う場合と比較して利用者待ち時間としての心的負荷をかけないことにもつながる。

0045

以上で本発明に係る電動車両の制御装置の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記の実施形態では、車両ECU70が所定電圧範囲にある複数のバッテリパックの電圧差を均一化する場合を例示したが、各バッテリパックの温度差、又は劣化状態に対しても所定の範囲を設定してもよい。これは、各バッテリパックの電圧は、温度及び劣化状態によっても影響を受けるためである。そして、車両ECU70は、これらを案してパックバランス制御を行うことにより、より精確に電圧の均一化を図ることができる。

0046

1 車両
2外部電源
10モータ
11プロペラシャフト
12差動装置
13駆動軸
14駆動輪
15インバータ
20電力制御機器
30高電圧バッテリ(バッテリパック)
35コンタクタ
36蓄電部
37 BMS
40DC−DCコンバータ
50低電圧バッテリ
60イグニションスイッチ
70 車両ECU
71電圧取得手段
72電力制御手段
73電圧均等化制御手段
74制御順序決定手段

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