JP4124755B2

JP4124755B2 - バッテリの保護装置

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Publication number: JP4124755B2
Application number: JP2004152448A
Authority: JP
Inventors: 幹夫小野
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP2005333784A

Description

本発明は、バッテリ内の所定セル毎の電圧を均等化する電圧均等化装置に異常が発生したとき、充放電量を制限してバッテリを保護するバッテリの保護装置に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等のバッテリの小型軽量化・高エネルギー密度化が進んでいる。このようなバッテリは、所定数のセルを組合わせた組電池として構成されることから、所定セル毎の出力電圧を均等化する電圧均等化装置を備えるものが多い。

この電圧均等化装置は、例えば、特許文献１に開示されており、複数の同じ巻き数の２次巻線を有するトランスを用い、このトランスの２次巻線の各々に、複数の直列接続されたセルの各々を接続する。そして、スイッチング素子をＯＮ，ＯＦＦして二次巻線に電圧を誘起させると、各セルが充電される際に、複数のセルの内の一番電圧の低いセルに集中して充電電流が流れ、結果として複数のセルの電圧が等しくなる。
特開２００２−２２３５２８号公報

一般に、上述の電圧均等化装置は、バッテリから電力を供給される機器の作動／停止に拘わらず、常時、バッテリ内の所定セル毎の電圧バランスを補正するように機能するため、スイッチング素子やその他の回路素子にかかる負担が大きい。

従って、電圧均等化装置に異常が発生した場合には、フェール信号等を出力して各機器への電力供給を中止或いは制限することにより、電圧ばらつきの拡大によるセルの劣化を防止してバッテリを保護する必要があるが、例えば、ハイブリッド車等のバッテリに適用する場合、バッテリ保護を優先すると制御システムが停止する虞があり、必要最小限の制御性を確保することが困難になるという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、バッテリの電圧均等化装置に異常が発生した場合にも、バッテリ内の所定セル毎の電圧ばらつきの拡大を抑制し、バッテリを電源とする機器に対する必要最小限の制御性を確保することのできるバッテリの保護装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるバッテリの保護装置は、バッテリ内の所定セル毎の電圧を均等化する電圧均等化装置を備え、この電圧均等化装置に異常が発生したとき、上記バッテリの充放電量を制限して上記バッテリを保護するバッテリの保護装置において、上記バッテリの残存容量を、上記バッテリの充放電電流と開放電圧とに基づいて演算する残存容量演算手段と、上記バッテリの充放電電流と内部インピーダンスとに基づいて上記バッテリにおける入出力可能な最大電力としてのパワー量を演算するパワー量演算手段と、上記電圧均等化装置に異常が発生し、上記残存容量演算手段で演算した現在の残存容量が設定範囲を逸脱しているとき、上記バッテリの残存容量が上記設定範囲に収束するよう上記バッテリの充放電量を制御する充放電制御手段と、上記電圧均等化装置に異常が発生し、上記残存容量演算手段で演算した現在の残存容量が上記設定範囲内にあるとき、少なくとも上記パワー量演算手段で演算した現在のパワー量に基づいて、上記バッテリの充放電量を制限するためのリミッタ値を設定するリミッタ値設定手段とを備えたことを特徴とする。

その際、リミッタ値は、バッテリに対して設定した残存容量の上下限範囲或いは許容電圧範囲を越えないよう、パワー量に基づいて設定することが望ましい。また、残存容量は、バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量とバッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを、バッテリの使用状況に応じて設定した第１のウェイトを用いて重み付け合成して演算することが望ましく、パワー量は、バッテリの内部インピーダンスと開放電圧とに基づく第１のパワー量とバッテリの内部インピーダンスと充放電電流とに基づく第２のパワー量とを、バッテリの使用状況に応じて設定した第２のウェイトを用いて重み付け合成して演算することが望ましい。

本発明によるバッテリの保護装置は、バッテリの電圧均等化装置に異常が発生した場合にも、バッテリの充放電を適正にコントロールして所定セル毎の電圧ばらつきの拡大を抑制することができ、バッテリを電源とする機器に対する必要最小限の制御性を確保し、フェールセーフを確実に実行させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図９は本発明の実施の一形態に係わり、図１はハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図、図２は残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は電流容量テーブルの説明図、図４は等価回路モデルを示す回路図、図５はインピーダンステーブルの説明図、図６は残存容量テーブルの説明図、図７はウェイトテーブルの説明図、図８はパワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図、図９は電圧均等化装置故障時のバッテリ保護処理を示すフローチャートである。

図１は、本発明をエンジンとモータとを併用して走行するハイブリッド車両（ＨＥＶ）に適用した例を示し、同図において、符号１は、ＨＥＶの電源ユニットである。この電源ユニット１には、複数のセルを複数個直列に接続して構成されるバッテリ１ａと、バッテリ１ａの残存容量の演算、バッテリ１ａの冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）２と、所定セル毎の出力バランスを調整して電圧を均等化するためのセルバランス回路を含む電圧均等化装置３とが１つの筐体内にパッケージされている。

演算ＥＣＵ２は、マイクロコンピュータ等から構成され、電圧センサ４で測定したバッテリ１ａの端子電圧Ｖ、電流センサ５で測定したバッテリ１ａの充放電電流Ｉ、温度センサ６で測定したバッテリ１ａの温度（セル温度）Ｔに基いて、バッテリ１ａの充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量ＳＯＣ(t)、バッテリ１ａにおける入出力可能な最大電力で示されるパワー量Ｐ(t)等を演算する。尚、演算ＥＣＵ２には、１演算周期前の残存容量ＳＯＣ(t-1)及びパワー量Ｐ(t-1)が周期的な演算におけるベース値として入力される。

演算ＥＣＵ２で演算した残存容量ＳＯＣやパワー量Ｐは、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介してＨＥＶ制御用電子制御ユニット（ＨＥＶ制御用ＥＣＵ）１０に出力され、制御状態の表示や制御量を決定するための基本データとして使用される。ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、同様にマイクロコンピュータ等から構成され、運転者からの指令に基づいて、ＨＥＶの運転、その他、必要な制御を行う。すなわち、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０は、電源ユニット１からの信号や図示しないセンサ・スイッチ類からの信号により、車両の状態を検出し、バッテリ１ａの直流電力を交流電力に変換してモータ１５を駆動するインバータ２０を初めとして、モータ１５に連結されるエンジン３０や図示しない自動変速機等を、専用の制御ユニットを介して或いは直接的に制御する。

例えば、演算ＥＣＵ２で演算した残存容量ＳＯＣからは、バッテリ容量の表示用データやバッテリ容量低下を警告するための警告用データが生成され、運転者に対するバッテリ情報として用いられる。また、演算ＥＣＵ２で演算したパワー量Ｐからは、モータ１５から出力可能な駆動トルク、モータ１５の発電による充電・回生量等が演算され、ＨＥＶの運転に必要な制御量を演算する上での直接的なパラメータとして用いられる。

また、演算ＥＣＵ２は、電圧均等化装置３からフェール信号を受けたとき、放電装置２５を介した充放電制御により残存容量を強制的に設定範囲内に収束させ、更に、バッテリ１ａの充放電量を制限するリミッタ値を設定してＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０に出力してフェールセーフ制御に移行させる。残存容量を収束させる範囲は、セル間の電圧が多少ばらついてもダメージを最も少なく抑えることのできる範囲、一般的には５０％を中心とする所定範囲であり、充放電量を制限するリミッタ値は、残存容量ＳＯＣの上下限の許容範囲（或いは後述する上限電圧と下限電圧との幅を狭くした許容電圧範囲）を定めた上で、パワー量Ｐに基づいて単位時間当たりに許容される充放電量を設定する。

ここで、電圧均等化装置３に異常が発生した場合のバッテリ保護と、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０によるフェールセーフ制御への移行を円滑且つ確実に行なうためには、高精度の残存容量ＳＯＣ及びパワー量Ｐが必要とされる。この高精度の残存容量ＳＯＣ及びパワー量Ｐに基づいて、電圧ばらつきの大きいセルの負荷を効果的に軽減して劣化や破損のリスクを軽減することができ、バッテリを保護しつつＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０によるフェールセーフ制御に円滑且つ確実に移行させることができる。

本形態においては、残存容量ＳＯＣやパワー量Ｐを、特有のアルゴリズムに従って高精度に演算している。次に、本形態における残存容量ＳＯＣ及びパワー量Ｐの演算処理について説明する。

先ず、残存容量ＳＯＣの演算は、図２に示す推定アルゴリズムに従って実行される。このＳＯＣ推定アルゴリズムでは、バッテリ１ａで測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、残存容量演算手段としての機能により、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃと、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した残存容量ＳＯＣを、バッテリ１ａの残存容量として出力する。

電流Ｉの積算による残存容量ＳＯＣｃと、開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとは、それぞれに一長一短があり、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。一方、開放電圧推定による残存容量ＳＯＣｖは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。

従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ１ａの使用状況に応じて随時変化させる第１のウェイト（重み係数）としてのウェイトｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）

ウェイトｗは、現在のバッテリの使用状況を的確に表すことのできるパラメータを用いて決定する必要があり、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流の変化率や残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの間の偏差等を用いることが可能である。単位時間当たりの電流変化率は、バッテリの負荷変動を直接的に反映しているが、単なる電流変化率では、スパイク的に発生する電流の急激な変化の影響を受けてしまう。

従って、本形態においては、瞬間的に発止する電流の変化の影響を防止するため、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理を施した電流変化率を用いるようにしており、特に、電流の遅れを考慮した場合、バッテリの充放電状態の変化に対して、過去の履歴を過剰となることなく適切に反映することのできる移動平均を用いてウェイトｗを決定するようにしている。

この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算のウェイトを高くして開放電圧推定のウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算のウェイトを下げ、開放電圧推定のウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。

すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均のフィルタリングにより、走行中の負荷変動で発生する電流のスパイク成分を、遅れ成分を助長することなく除去することができる。これにより、バッテリ状態をより的確に把握することができ、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出し、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。

更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。以下、ＳＯＣ推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。

先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率

（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いる。

図３は、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納した電流容量テーブルの例を示すものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出することができる。

また、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的には演算ＥＣＵ２における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ^-1）。従って、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。

一方、開放電圧Ｖｏの推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、先ず、図４に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のCole-Coleプロットをカーブフィッティングすることにより、各パラメータを決定する。

これらのパラメータから求められるインピーダンスＺは、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブルを作成する。そして、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ・Ｚ…（３）

尚、電流Ｉの移動平均値は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均して求められる。前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、後述するように、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔを用いて決定する。

図５は、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したインピーダンステーブルの例を示すものであり、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが同じ場合には、温度Ｔが低くなる程、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。

尚、図５及び後述する図６に示すテーブルにおいては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。

開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、平衡状態での電極電位とイオンの活量との関係を記述した周知のネルンストの式を適用し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（４）式を得ることができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（４）
但し、Ｅ：標準電極電位（本形態のリチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）

尚、（４）式におけるＹは補正項であり、常温における電圧−ＳＯＣ特性をＳＯＣの関数で表現したものである。ＳＯＣｖ＝Ｘとすると、以下の（５）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０^-6Ｘ³＋９・１０^-5Ｘ²＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（５）

以上の（４）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（４）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池特有の充放電特性や使用条件等に対する考慮が必要となる。

従って、以上の（４）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、常温でのＳＯＣ−Ｖｏ特性を基準として、各温度域での充放電試験或いはシミュレーションを行い、実測データを蓄積する。そして、蓄積した実測データから開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータする残存容量ＳＯＣｖのテーブルを作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求める。図６は、残存容量テーブルの例を示すものであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。

そして、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを算出した後は、前述の（１）式に示したように、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを、テーブル参照等によって決定したウェイトｗを用いて重み付け合成し、残存容量ＳＯＣを算出する。図７は、ウェイトｗを決定するためのウェイトテーブルの例を示し、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔをパラメータとする一次元テーブルである。このウェイトテーブルは、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、すなわち、バッテリ負荷変動が小さい程、ウェイトｗの値を小さくして電流積算による残存容量ＳＯＣｃの重みを小さくする傾向を有している。

一方、パワー量Ｐの演算は、ＳＯＣ推定アルゴリズムと同様の図８に示す演算アルゴリズムに従って実行される。この演算アルゴリズムでは、バッテリ１ａで測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、パワー量演算手段としての機能により、バッテリ１ａの内部インピーダンスＺと開放電圧Ｖｏとに基づく第１のパワー量としてのパワー量ＰＶと、バッテリ１ａの内部インピーダンスＺと電流Ｉとに基づく第２のパワー量としてのパワー量ＰＣとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した値をバッテリ１ａのパワー量Ｐとして出力する。

すなわち、バッテリ１ａの開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。一方、バッテリ１ａの電流Ｉに基づくパワー量ＰＣは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。従って、本パワー量演算アルゴリズムでは、開放電圧Ｖｏに基づいて求めたパワー量ＰＶと電流Ｉに基づいて求めたパワー量ＰＣとを、バッテリ１ａの使用状況に応じて随時変化させる第２のウェイトとしてのウェイトｗｐにより重み付けして合成し、双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。

ウェイトｗｐは、残存容量ＳＯＣの合成に用いるウェイトｗと同様、電流Ｉの移動平均に基づいて決定されるものであり（ｗｐ＝０〜１）、合成後の最終的なパワー量Ｐは、以下の（６）式で与えられる。
Ｐ＝ｗｐ・ＰＣ＋(１−ｗｐ)・ＰＶ…（６）

電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗｐを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを高くして開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流によって正確に反映すると共に振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを下げ、開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを高くすることにより、電流の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧に基づく正確なパワー量を算出することができる。

（６）式に示すパワー量Ｐは、詳細には、バッテリ１ａに入力（充電）可能な最大電力量で示される入力可能パワー量Ｐchargeと、バッテリ１ａから出力（放電）可能な最大電力量で示される出力可能パワー量Ｐdischargeとを総称するものであり、それぞれ、（６）式を基本とする以下の（７），（８）式により個別に演算される。

すなわち、入力可能パワー量Ｐchargeは、以下の（７）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＶchargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＣchargeとを重み付け合成した値として求められる。また、出力可能パワー量Ｐdischargeは、以下の（８）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＶdischargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＣdischargeとを重み付け合成した値として求められる。
Ｐcharge＝ｗｐ・ＰＣcharge＋(１−ｗｐ)・ＰＶcharge…（７）
Ｐdischarge＝ｗｐ・ＰＣdischarge＋(１−ｗｐ)・ＰＶdischarge…（８）

各パワー量ＰＶcharge,ＰＶdischarge,ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、具体的には、バッテリ１ａの内部インピーダンスＺ、開放電圧Ｖｏ、予め定められたバッテリの特性を保証する上下限のバッテリ電圧である上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎ、電流Ｉの移動平均値、１演算周期前の入力可能パワー量Ｐcharge(t)、１演算期前の出力可能パワー量Ｐdischarge(t)を用いて演算される。

上限電圧Ｖｍａｘ、下限電圧Ｖｍｉｎは、それぞれ、残存容量ＳＯＣの上限（１００％）を与える電圧、下限（０％）を与える電圧として定義することができ、温度に依存して変化することから、温度Ｔをパラメータとするテーブルを参照して求める。上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎのテーブルは、温度Ｔをパラメータとして上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎを格納した専用のテーブルを作成しておき、この専用のテーブルを参照して求めても良いが、残存容量ＳＯＣの演算で用いる残存容量テーブルを利用し、所定の温度Ｔにおける開放電圧Ｖｏの上下限を参照することにより、その温度Ｔでの上限電圧Ｖｍａｘ，下限電圧Ｖｍｉｎを知ることができる。

そして、入力可能パワー量ＰＶchargeは、以下の（９）式に示すように、上限電圧Ｖｍａｘと開放電圧Ｖｏとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、上限電圧Ｖｍａｘを乗算した電力量として求められる。また、出力可能パワー量ＰＶdischargeは、以下の（１０）式に示すように、開放電圧Ｖｏと下限電圧Ｖｍｉｎとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、下限電圧Ｖｍｉｎを乗算した電力量として求められる。
ＰＶcharge＝［（Ｖｍａｘ−Ｖｏ）／Ｚ］・Ｖｍａｘ…（９）
ＰＶdischarge＝［（Ｖｏ−Ｖｍｉｎ）／Ｚ］・Ｖｍｉｎ…（１０）

一方、電流Ｉの移動平均に基づくパワー量ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、離散時間処理における１演算周期前の合成パワー量Ｐ(t-1)をベース値として用いており（図８のブロック図における遅延演算子Ｚ^-1）、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。

すなわち、電流Ｉの移動平均値をＩ’とすると、以下の（１１）式に示すように、１演算周期前の合成入力可能パワー量Ｐcharge(t-1)と、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺをを乗算した入力電力量Ｉ'²Ｚとにより、現時点での入力可能パワー量ＰＣchargeを求める。また、以下の（１２）式に示すように、１演算周期前の合成出力可能パワー量ＰＣdischargeと、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺを乗算した出力電力量Ｉ'²Ｚとにより、現時点での出力可能パワー量ＰＣdischargeを求める。
ＰＣcharge＝Ｐcharge(t-1)−Ｉ'²Ｚ…（１１）
ＰＣdischarge＝Ｐdischarge(t-1)−Ｉ'²Ｚ…（１２）

そして、前述の（７）式に示したように、（９）式により算出した入力可能パワー量ＰＶchargeと、（１１）式により算出した入力可能パワー量ＰＣchargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、入力可能パワー量Ｐchargeを算出する。また、前述の（８）式に示したように、（１０）式により算出した出力可能パワー量ＰＶdischargeと、（１２）式により算出した出力可能パワー量ＰＣdischargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、出力可能パワー量Ｐdischargeを算出する。

次に、以上の残存容量ＳＯＣやパワー量Ｐを用いた電圧均等化装置故障時のバッテリ保護処理について、図９に示すフローチャートを用いて説明する。

図９のフローチャートは、電源ユニット１の演算ＥＣＵ２において所定時間毎毎に実行される処理であり、先ず、ステップＳ１において、残存容量ＳＯＣ、パワー量Ｐ、電圧均等化装置３の故障を示すフェール信号（バランサフェール信号）が共に入力されているか否かを調べる。そして、何れかの信号入力が無い場合には、一旦、処理を抜け、残存容量ＳＯＣ、パワー量Ｐ、バランサフェール信号が共に入力されている場合、すなわち、電圧均等化装置３に異常が発生している場合には、ステップＳ１からステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、バッテリ１ａの残存容量ＳＯＣが５０％付近にあるか否かを調べる。残存容量ＳＯＣが５０％の状態は、バッテリの充放電量がバランスし、電圧均等化装置３が故障してセル間の電圧が多少ばらついても、バッテリへのダメージを最も少なく抑えることのできる状態であり、残存容量ＳＯＣが５０％付近でない場合、すなわち残存容量ＳＯＣが設定範囲を逸脱しているときは、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、インバータ２０を介した強制充電や放電装置２５を介した強制放電により、ＳＯＣ＝５０％付近の設定範囲を狙い目とした充放電制御を開始する。

一方、バッテリ１ａの残存容量ＳＯＣが５０％付近にある場合、すなわち残存容量ＳＯＣが設定範囲内にあるときは、ステップＳ２からステップＳ４へ進み、上限の残存容量ＳＯＣｍａｘ（例えば、７０％）と下限の残存容量ＳＯＣｍｉｎ（例えば、４０％）を設定する。この残存容量ＳＯＣの上下限範囲は、電圧均等化装置３に異常が発生している状態下で、暫定的に走行を継続させて安全を確保すると共に、トータルの充放電量を制限してバッテリを保護するためのものである。なお、残存容量ＳＯＣの上下限範囲に代えて、正常時のバッテリの上限電圧Ｖｍａｘを低くした電圧Ｖｍａｘ’と下限電圧Ｖｍｉｎを高くした電圧Ｖｍｉｎ’との間の許容電圧範囲に制限するようにしても良い。

更に、ステップＳ４からステップＳ５へ進み、パワー量Ｐの演算値から単位時間当たりに許容される充放電量としての充放電可能量を設定し、ステップＳ６で、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０へリミッタ値として出力し、処理を抜ける。このリミッタ値がＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０に出力されると、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ１０によるフェールセーフ制御が実行され、バッテリの充放電を制限しながら応急的に車両を走行させて整備工場等への入庫、リンプホームを可能し、安全を確保する。

以上のように本形態においては、万一、バッテリの電圧均等化装置に異常が発生した場合には、先ず、バッテリの残存容量を５０％付近に強制的に収束させてセル間の電圧ばらつき拡大を抑制し、しかる後、残存容量の上下限範囲或いは許容電圧範囲を設定して、この設定範囲を超えないよう、バッテリのパワー量に基づいて充放電量を制限するリミッタ値を設定することにより、バッテリ保護を図りつつ、確実にフェールセーフ制御に移行させることができ、安全を確保することができる。

ハイブリッド車への適用例を示すシステム構成図残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図電流容量テーブルの説明図等価回路モデルを示す回路図インピーダンステーブルの説明図残存容量テーブルの説明図ウェイトテーブルの説明図パワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図、電圧均等化装置故障時のバッテリ保護処理を示すフローチャート

符号の説明

１電源ユニット
１ａバッテリ
２演算ユニット（残存容量演算手段、パワー量演算手段、充放電制御手段、リミッタ値設定手段）
３電圧均等化装置
ＳＯＣ残存容量（合成後の残存容量）
ＳＯＣｃ残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ残存容量（第２の残存容量）
Ｐパワー量（合成後のパワー量）
ＰＶパワー量（第１のパワー量）
ＰＣパワー量（第２のパワー量）
Ｖ端子電圧
Ｉ充放電電流
Ｖｏ開放電圧
Ｚインピーダンス
ｗウェイト（第１のウェイト）
ｗｐウェイト（第２のウェイト）
代理人弁理士伊藤進

Claims

バッテリ内の所定セル毎の電圧を均等化する電圧均等化装置を備え、この電圧均等化装置に異常が発生したとき、上記バッテリの充放電量を制限して上記バッテリを保護するバッテリの保護装置において、
上記バッテリの残存容量を、上記バッテリの充放電電流と開放電圧とに基づいて演算する残存容量演算手段と、
上記バッテリの充放電電流と内部インピーダンスとに基づいて上記バッテリにおける入出力可能な最大電力としてのパワー量を演算するパワー量演算手段と、
上記電圧均等化装置に異常が発生し、上記残存容量演算手段で演算した現在の残存容量が設定範囲を逸脱しているとき、上記バッテリの残存容量が上記設定範囲に収束するよう上記バッテリの充放電量を制御する充放電制御手段と、
上記電圧均等化装置に異常が発生し、上記残存容量演算手段で演算した現在の残存容量が上記設定範囲内にあるとき、少なくとも上記パワー量演算手段で演算した現在のパワー量に基づいて、上記バッテリの充放電量を制限するためのリミッタ値を設定するリミッタ値設定手段とを備えたことを特徴とするバッテリの保護装置。
上記リミッタ値設定手段は、
上記電圧均等化装置の異常発生時に、上記バッテリに対する残存容量の上下限範囲或いは許容電圧範囲を設定し、上記バッテリの残存容量或いは電圧が設定範囲を越えないよう、上記パワー量に基づいて上記リミッタ値を設定することを特徴とする請求項１記載のバッテリの保護装置。
上記残存容量演算手段は、
上記バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記バッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを、上記バッテリの使用状況に応じて設定した第１のウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリの残存容量を演算することを特徴とする請求項１又は２記載のバッテリの保護装置。
上記パワー量演算手段は、
上記バッテリの内部インピーダンスと開放電圧とに基づく第１のパワー量と上記バッテリの内部インピーダンスと充放電電流とに基づく第２のパワー量とを、上記バッテリの使用状況に応じて設定した第２のウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリのパワー量を演算することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のバッテリの保護装置。