蓄電池管理装置
【課題】各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となるような蓄電池の状態を出力できる蓄電池管理装置を提供することにある。
【解決手段】複数の温度センサ２０により、蓄電池１０の温度を計測する。計測手段３０は、蓄電池１０の電圧及び電流を計測する。演算手段１００の最高最低温度選択手段１０２は、温度センサ２０が計測した温度値から、最高温度と最低温度を求める。許容電力演算手段１０４は、蓄電池１０の電圧電流に基づいて、最高温度及び最低温度に対する蓄電池１０の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める。制限手段１２０は、電圧電流計測手段によって計測された蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、演算手段が求めた最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を小さく制限する。
【解決手段】複数の温度センサ２０により、蓄電池１０の温度を計測する。計測手段３０は、蓄電池１０の電圧及び電流を計測する。演算手段１００の最高最低温度選択手段１０２は、温度センサ２０が計測した温度値から、最高温度と最低温度を求める。許容電力演算手段１０４は、蓄電池１０の電圧電流に基づいて、最高温度及び最低温度に対する蓄電池１０の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める。制限手段１２０は、電圧電流計測手段によって計測された蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、演算手段が求めた最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を小さく制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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池の状態を管理する蓄電池管理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両には、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池が搭載される。エンジン始動や電装品，ハイブリッド自動車或いは電気自動車が走行する際に必要となる電力供給等は、これらの蓄電池によって賄われる。
【０００３】
車両に搭載される蓄電池は広い温度範囲で使用され、蓄電池はその温度に応じた最大の許容電力を有する。この最大許容電力を超えて蓄電池の充放電を行うと、過充電・過放電となる可能性がある。一般的に、低温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は小さく、高温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は大きいものである。また、高温状態では最大許容電力は大きいが、高温状態での蓄電池の使用は蓄電池の劣化を促進させる。充電状態（ＳＯＣ）に関して述べると、蓄電池の充電状態ＳＯＣが高いほど最大許容充電電力が小さく、最大許容放電電力が大きいものである。また、蓄電池の充電状態ＳＯＣが低いほど最大許容放電電力が小さく、許容充電電力が大きいものである。蓄電池を安全に、最適に使用するためには低温から高温、或いは低充電状態ＳＯＣから高充電状態ＳＯＣなど、蓄電池のあらゆる状態に応じて最大許容電力を超えない範囲内において充放電制御を行う必要がある。
【０００４】
そこで、従来は、例えば、特開２００３−２１９５１０号公報に記載のように、電池の温度が所定温度以下または所定温度以上のときに、充電電力上限値，放電電力上限値を常温時に比して小さくするように定め、充放電電力上限値以下になるように充電電力や放電電力を定め、電池の充電制御を行うものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１９５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、ハイブリッド自動車や電気自動車で用いる蓄電池は、単セルを複数組み合わせた組み電池が一般的に用いられる。組み電池が備える複数の単セル間で温度ばらつきが発生し、各単セルで最大許容電力が異なってくる。また、単セルの充電状態ばらつきが発生し、各単セルで最大許容電力が異なってくる。
【０００７】
本発明の目的は、各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となるような蓄電池の状態を出力できる蓄電池管理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】
上記目的を達成するために、本発明は、充放電可能な蓄電池の電圧及び電流を計測する電圧電流計測手段と、前記電圧電流計測手段が計測した前記蓄電池の電圧電流に基づいて、前記蓄電池の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める演算手段と、前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、前記演算手段が求めた前記最大許容充放電電力若しくは前記最大許容充放電電流を小さく制限する制限手段と、を備えるようにしたものである。
かかる構成により、各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となるような蓄電池の状態を出力できるものとなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】蓄電池の等価回路を示す回路図である。
【図３】蓄電池の等価インピーダンスの説明図である。
【図４】充電状態ＳＯＣと最大許容放電電力や最大許容充電電力の関係の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置に用いる温度保護手段の制限特性図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置の選択手段の動作説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置に用いる制限手段の動作説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【００１２】
蓄電池１０は、充放電可能な蓄電デバイスであり、例えば、鉛電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン電池，電気二重層キャパシタなどからなる。蓄電池１０は、複数個の単セルから構成されている。ハイブリッド自動車又は電気自動車で用いられる蓄電池１０は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池などの単セルを複数直列又は並列に組み合わせて用いるのが一般的である。例えば、蓄電池１０の出力電圧として４００Ｖが必要な場合、これを満たすだけの単セルを直列接続することで、所定の出力電圧を得ることができる。また、蓄電池１０は、空冷等により冷却される。
【００１３】
蓄電池１０は、複数個の温度センサを備える。ここでは、４個の温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２，２０ｎ１，２０ｎ２を備えた場合を例に挙げる。温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２，２０ｎ１，２０ｎ２は、熱電対或いはサーミスタなどからなる。蓄電池１０がの熱解析を行うことで、最高温度部位及び最低温度部位を知ることができる。温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２は、最高温度部位付近に少し離して配置され、最高温度を検出する。温度センサ２０ｎ１，２０ｎ２は、最低温度部位付近に配置され、最低温度を検出する。最高温度を検出するための温度センサ及び最低温度を検出するための温度センサはそれぞれ１個でもよいものであるが、単セルの個体差を考えると、２個以上の温度センサを最高温度部位付近及び最低温度部位付近に配置することで、信頼性を向上することができる。蓄電池が備える全ての単セルに温度センサを設置してもよいものである。
【００１４】
計測手段３０は、電圧センサ３２と電流センサ３４とを備えている。計測手段３０は、蓄電池１０の無負荷時又は充放電時の電圧Ｖ及び充放電時に流出入する電流Ｉを計測し、演算手段に送信する。
【００１５】
演算手段１００は、最高最低温度選択手段１０２と、許容電力演算手段１０４と、温度保護手段１０６とを備えている。最高最低温度選択手段１０２は、温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２が検出した温度Ｔｍａｘ１，Ｔｍａｘ２の内、高い方の温度を最高温度Ｔｍａｘとして選択し出力する。また、最高最低温度選択手段１０２は、温度センサ２０ｎ１，２０ｎ２が検出した温度Ｔｍｉｎ１，Ｔｍｉｎ２の内、低い方の温度を最低温度Ｔｍｉｎとして選択し出力する。
【００１６】
許容電力演算手段１０４は、最高最低温度選択手段１０２によって選択された最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎのそれぞれに対して、許容充電電力Ｐｃｍａｘ１（（＝Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ））及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ１（（＝Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ））を求める。
【００１７】
ここで、図２〜図４を用いて、許容電力演算手段１０４による許容充電電力Ｐｃｍａｘ１及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ１の求め方について説明する。
図２は、蓄電池１０の等価回路を示す回路図である。図３は、蓄電池１０の等価インピーダンスの説明図である。図４は、充電状態ＳＯＣと最大許容放電電力や最大許容充電電力の関係の説明図である。図５は、温度保護手段１０６の制限特性図である。
【００１８】
図２において、蓄電池１０は、起電力ＯＣＶと、内部抵抗Ｒと、インピーダンスＺとキャパシタンス成分Ｃの並列接続対との直列接続で表される。
【００１９】
蓄電池１０に電流Ｉを印加すると、蓄電池１０の端子間電圧ＣＣＶは、以下の式（１）で表される。
ＣＣＶ＝ＯＣＶ＋ＩＲ＋Ｖｐ …（１）
ここで、Ｖｐは分極電圧であり、インピーダンスＺとキャパシタンス成分Ｃの並列接続対の電圧に相当する。
【００２０】
起電力ＯＣＶは、蓄電池１０が充放電を行っていないときの開放電圧であるが、蓄電池１０が充放電されている状況では、起電力ＯＣＶを直接測定することが不可能である。このため、式（２）の様に、端子間電圧ＣＣＶからＩＲドロップと分極電圧Ｖｐを差し引いて起電力ＯＣＶを求める。
ＯＣＶ＝ＣＣＶ−ＩＲ−Ｖｐ …（２）
内部抵抗Ｒと分極電圧Ｖｐは、演算手段１００の内部或いは外部に設置された記憶装置に格納される蓄電池１０の特性情報である。特性情報は、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣなど、あらゆる状態に応じて共通する一つの値を用いても良く、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣなど、蓄電池１０の状態に応じて値を持たせてもよいものである。蓄電池１０の状態に応じて特性情報を持たせれば、より精度の高い起電力ＯＣＶを得ることができる。電流値Ｉは、計測手段３０によって取得される無負荷時又は充放電時の電流値である。端子間電圧ＣＣＶとＩとＲと分極電圧Ｖｐとを用いて、式（２）により、起電力ＯＣＶが算出されると、以下の式（３），式（４）によって蓄電池１０が現在許容することが可能な最大充電電流値Ｉｃｍａｘ、最大放電電流値Ｉｄｍａｘを求めることができる。
Ｉｃｍａｘ＝（Ｖｕｐｐｅｒ−ＯＣＶ）／Ｒｚ …（３）
Ｉｄｎａｘ＝（ＯＣＶ−Ｖｌｏｗｅｒ）／Ｒｚ …（４）
ここで、Ｒｚは図２における内部抵抗Ｒ，インピーダンスＺ，キャパシタンス成分Ｃの等価インピーダンスであり、Ｖｕｐｐｅｒは蓄電池１０の上限電圧、Ｖｌｏｗｅｒは下限電圧である。
【００２１】
図３に示すように、等価インピーダンスＲｚは、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣに応じて値が異なるので、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣに応じて等価インピーダンスＲｚを持たせて使い分ければ、より精度の高い最大許容電流を得ることができる。最大充電電力Ｐｃｍａｘ及び最大放電電力Ｐｄｍａｘは、以下の式（５），式（６）から求めることができる。
Ｐｃｍａｘ＝Ｉｃｍａｘ×Ｖｕｐｐｅｒ …（５）
Ｐｄｍａｘ＝Ｉｄｍａｘ×Ｖｌｏｗｅｒ …（６）
図４に示すように、算出された最大許容放電電力Ｐｄｍａｘは低充電状態ＳＯＣで小さく、高充電状態ＳＯＣでは大きい。また、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘは低充電状態ＳＯＣで大きく、高充電状態ＳＯＣでは小さくなる。さらに、温度が低い場合は式（３）及び式（４）の等価インピーダンスＲｚが大きくなるために最大許容電力が小さく、温度が高い場合は等価インピーダンスＲｚが小さくなるために最大許容電力は大きくなる。
【００２２】
許容電力演算手段１０４は、最高温度Ｔｍａｘに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ）を算出し、また、最低温度Ｔｍｉｎに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ）を算出する。
【００２３】
温度保護手段１０６は、温度が所定温度Ｔ１以上になると、許容充電電力や許容放電電力を制限するものである。
【００２４】
図５は、温度保護手段１０６の制限特性図である。図５に示すように、温度保護手段１０６は、蓄電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上になると、許容充電電力や許容放電電力に掛ける係数ｋを１よりも小さくして、許容充電電力Ｐｃｍａｘ２や許容放電電力Ｐｄｍａｘ２として出力する。
【００２５】
選択手段１１０は、演算手段１００によって求められた複数の許容充電電力及び複数の許容放電電力の内、小さい方の値を出力する。例えば、温度保護手段１０６の係数ｋが１として説明すると、許容電力演算手段１０４が算出した許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容充電電力Ｐｃｍａｘとして上位システムに出力する。また、許容電力演算手段１０４が算出した許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容放電電力Ｐｄｍａｘとして上位システムに出力する。
【００２６】
上位システムは、選択手段１１０から与えられた許容充電電力Ｐｃｍａｘの情報に基づいて、この許容充電電力Ｐｃｍａｘ以下で、蓄電池１０に充電するように蓄電池１０を使用し、また、許容放電電力Ｐｄｍａｘの情報に基づいて、この許容放電電力Ｐｄｍａｘ以下で、蓄電池１０に蓄電された電力を放電して使用するように、蓄電池１０を充放電制御する。
【００２７】
ここで、図６を用いて、選択手段１１０の動作について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置の選択手段の動作説明図である。なお、ここでは、許容充電電力Ｐｃｍａｘについてのみ示している。
【００２８】
常温の蓄電池１０が周囲温度が高い環境下に置かれると、次第に蓄電池１０の温度は上昇する。従って、最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎも上昇する。その結果、許容電力演算手段１０４が算出した許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）も次第に上昇する。しかしながら、例えば、時刻ｔ１において、最高温度Ｔｍａｘが、図５に示した所定温度Ｔ１以上になると、温度保護手段１０６は、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）を制限して、次第に下降する。時刻ｔ２において、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）と許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）が等しくなり、以後、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）が許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）よりも小さくなるとする。
【００２９】
このような状態において、選択手段１１０は、時刻ｔ２までは、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）を選択して上位システムに出力し、時刻ｔ２以降は許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）を選択して上位システムに出力する。
【００３０】
演算手段１００及び選択手段１１０は、記憶装置やＣＰＵなどで構成されるコントローラや計算機システム、或いはマイクロコンピュータによって構成される。演算手段１００や選択手段１１０としては、情報を入力して演算を行い演算した結果を出力することが可能な手段であればどのような構成のものでも用いることができる。計測手段３０と、演算手段１００と、選択手段１１０とは、同一デバイス上に構成されるマイクロコンピュータとして実現しても良く、計測手段３０と演算手段１００と選択手段１１０を合わせて蓄電池１０の内部に設置することも可能である。
【００３１】
また、演算手段１００が、式（３）及び式（４）に示される最大充電電流Ｉｄｍａｘ及び最大放電電流Ｉｄｍａｘを出力し、選択手段１１０は、演算手段１００が算出した最低温度，最高温度に対する最大許容電流（最大充電電流Ｉｄｍａｘ，最大放電電流Ｉｄｍａｘ）に対して、それぞれ、小さい方の値を選択して、上位システムに出力するようにしてもよいものである。
【００３２】
さらに、選択手段１１０の機能を、上位システムに持たせることも可能である。すなわち、演算手段１００は、最低温度，最高温度に対する最大許容電力若しくは最大許容電流を上位システムに出力し、上位システムが、受け取った最低温度，最高温度に対する最大許容電力若しくは最大許容電流の中から、小さいほうを選択して蓄電池１０の充放電を行うことも可能である。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態では、演算手段１００により最低温度及び最高温度に対する最大許容電力又は最大許容電流を演算し、選択手段１１０により、小さいほうを採用することにより、最も小さい最大許容電力又は最大許容電流を持つ単セルに合わせて組み電池の充放電管理を行うことができるので、複数の単セルを組み合わせた組み電池の、温度ばらつきを考慮に入れた最適な充放電管理を行うことが可能となる。
【００３４】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。図８は、本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置に用いる制限手段の動作説明図である。なお、図７において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３５】
本実施形態では、図１に示した実施形態の構成に加えて、演算手段１００と選択手段１１０の間に、制限手段１２０を備えている。
【００３６】
演算手段１００は、最高温度及び最低温度に対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ２（最高温度Ｔｍａｘに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）、最低温度Ｔｍｉｎに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ））、及び最高温度及び最低温度に対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ２（最高温度Ｔｍａｘに対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ）、最低温度Ｔｍｉｎに対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ））を出力する。
【００３７】
制限手段１２０は、演算手段１００が演算した蓄電池１０の最大許容電力（許容充電電力Ｐｃｍａｘ２，許容放電電力Ｐｄｍａｘ２）と、計測手段３０によって計測された蓄電池１０の電池電圧Ｖとを受信する。制限手段１２０は、電池電圧Ｖが上限電圧に近い場合は最大許容充電電力を制限し、下限電圧に近い場合は最大許容放電電力を小さく制限する機能を有する。
【００３８】
すなわち、図８（Ａ）に示すように、制限手段１２０は、電池電圧Ｖが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１を超えると１以下になり、上限電圧Ｖｕｐｐｅｒに達すると０となる充電係数Ｋｃｇを備えている。また、図８（Ｂ）に示すように、電池電圧が閾値Ｖｔｈ２より下回ると１以下となり、下限電圧Ｖｍｉｎに達すると０となる放電係数Ｋｄｃを備えている。制限手段１２０は、充電係数Ｋｃｇ及び放電係数Ｋｄｃを用いて、以下の式（７），式（８）により、最大許容電力を求める。
Ｐｃｍａｘ３＝Ｋｃｇ×Ｐｃｍａｘ２ …（７）
Ｐｄｍａｘ３＝Ｋｄｃ×Ｐｄｍａｘ２ …（８）
さらに、選択手段１１０は、制限手段１２０が出力する許容充電電力Ｐｃｍａｘ３（Ｔｍａｘ）及び許容充電電力Ｐｃｍａｘ３（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容充電電力Ｐｃｍａｘとして上位システムに出力する。また、許容放電電力Ｐｄｍａｘ３（Ｔｍａｘ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ３（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容放電電力Ｐｄｍａｘとして上位システムに出力する。
【００３９】
制限手段１２０が行う処理により、上限電圧或いは下限電圧に近い場合は最大許容電力を小さく制限して上位システムに送信し、蓄電池１０を使用させる。また、制限手段１２０が行う処理は、演算手段１００が演算する最大許容電流についても適用可能である。
【００４０】
制限手段１２０は、演算手段１００とは独立した記憶装置或いはＣＰＵなどで構成されるコントローラ，計算機システム，マイクロプロセッサなどで前述した処理を実行させて実現しても良く、演算手段１００が行う演算の一部として実現してもよいものである。
【００４１】
本実施形態では、演算手段１００及び選択手段１１０により、複数の単セルを組み合わせた組み電池の、温度ばらつきを考慮に入れた最適な充放電管理を行うことが可能となる。
【００４２】
また、制限手段１２０により、蓄電池１０の過充電・過放電を防止して充放電管理を行うことができる。
【００４３】
次に、図９を用いて、本発明の第３の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図９において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４４】
一般的に、単セルを複数組み合わせた組み電池が備える単セルは、ＳＯＣ（充電状態）ばらつきが発生する。高ＳＯＣの蓄電池は、最大許容充電電力が小さく、最大許容放電電力が大きい。低充電状態ＳＯＣの蓄電池は、最大許容充電電力が大きく、最大許容放電電力が小さい。従って、本実施形態では、組み電池の充放電管理を行う場合、充電状態ＳＯＣのばらつきを考慮に入れた制御を行えるようにする。
【００４５】
計測手段３０Ａは、電圧センサ３２Ａと電流センサ３４とを備えている。計測手段３０Ａが備える電流センサ３４は、蓄電池１０を構成する各単セル毎に電圧電流を検出し、蓄電池１０の中の各単セルの無負荷時又は充放電時の電圧ｖ（ｎ）を取得する。蓄電池１０の全体としての充放電時に流出入する電流Ｉを出力する。蓄電池１０が、９６個の単セルを直列に接続して構成されている場合では、電圧ｖ（ｎ）は、９６個分出力する。なお、電圧に関しては、各単セル毎の電圧でなく、２つ以上の単セルの電圧を出力するものであってもよいものである。また、複数の単セルで構成された蓄電池１０を複数直列接続して蓄電池とする場合には、各蓄電池毎の電圧を計測するようにしてもよいものである。
【００４６】
演算手段１００Ａは、最高最低温度選択手段１０２と、温度保護手段１０６に加えて、許容電力演算手段１０４Ａと、最高最低電圧選択手段１０８を備えている。最高最低電圧選択手段１０８は、計測手段３０Ａが出力する電圧ｖ（ｎ）の中から、最高電圧ｖｍａｘと最低電圧ｖｍｉｎを選択して、許容電力演算手段１０４Ａに出力する。
【００４７】
許容電力演算手段１０４Ａは、最高電圧ｖｍａｘに基づいて、蓄電池全体としての最高電圧Ｖｍａｘを求める。すなわち、単セルの電圧ｖｍａｘに、蓄電池内の単セルの個数（例えば、９６個）を掛けて、蓄電池全体としての最高電圧Ｖｍａｘを求める。また、許容電力演算手段１０４Ａは、最低電圧ｖｍｉｎに基づいて、蓄電池全体としての最低電圧Ｖｍｉｎを求める。
【００４８】
演算手段１００Ａは、最低電圧Ｖｍｉｎ及び最高電圧Ｖｍａｘを、式（１）における端子間電圧ＣＣＶとして、式（２）〜式（６）により、最低電圧Ｖｍｉｎに対する最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ）と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ）と、最大電圧Ｖｍａｘに対する最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍａｘ）と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍａｘ）とを算出する。演算手段１００Ａは、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ１’（Ｐｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ）及びＰｃｍａｘ（Ｖｍａｘ））と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ１’（Ｐｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ）及びＰｄｍａｘ（Ｖｍａｘ））を温度保護手段１０６に出力する。ここで、最低電圧Ｖｍｉｎで求めた最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ）は小さく、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ）は大きくなる。最高電圧Ｖｍａｘで求めた最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍａｘ）は大きく、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍａｘ）は小さくなる。
【００４９】
温度保護手段１０６は、蓄電池１０の温度が所定温度より高い場合には、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ１’と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ１’を制限して、それぞれ、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ２’と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ２として選択手段１１０に出力する。
【００５０】
選択手段１１０は、入力した最大許容電力Ｐｃｍａｘ２’，Ｐｄｍａｘ２のうち、最大許容放電電力及び最大許容充電電力の小さいほうを採用して外部の上位システムに送信する。上位システムは、受信した最大許容電力に基づいて蓄電池１０を使用する。また、選択手段１１０が行う処理は、演算手段１００が演算する最大許容電流についても適用可能である。
【００５１】
本実施形態のように、単セルの充電状態ＳＯＣに基づいて、蓄電池１０の充放電管理を行うことによって、蓄電池１０が備える複数の単セルの充電状態ＳＯＣばらつきを考慮に入れた充放電管理を行うことが可能となる。
【００５２】
次に、図１０を用いて、本発明の第４の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図１０は、本発明の第４の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図１０において、図９と同一符号は、同一部分を示している。
【００５３】
本実施形態では、図９に示した構成に加えて、図８にて説明した制限手段１２０を備えている。制限手段１２０以外の動作は、図９にて説明したものと同様であり、制限手段１２０の動作は、図８にて説明したものと同様である。
【００５４】
計測手段３０Ｂは、図１の計測手段３０と、図９の計測手段３０Ａの両方の機能を備えている。したがって、計測手段３０Ｂは、蓄電池１０の全体としての無負荷時又は充放電時の電圧Ｖ及び充放電時に流出入する電流Ｉを出力する。また、計測手段３０Ｂは、蓄電池１０を構成する各単セル毎に電圧電流を検出し、蓄電池１０の中の各単セルの無負荷時又は充放電時の電圧ｖ（ｎ）を出力する。
【００５５】
したがって、本実施形態では、単セルの充電状態ＳＯＣに基づいて、蓄電池１０の充放電管理を行うことによって、蓄電池１０が備える複数の単セルの充電状態ＳＯＣばらつきを考慮に入れた充放電管理を行うことが可能となる。
【００５６】
また、制限手段１２０により、蓄電池１０の過充電・過放電を防止して充放電管理を行うことができる。制限手段１２０の演算で用いる電圧は、蓄電池１０の全体としての無負荷時又は充放電時の電圧を使用してもよく、単セルから求めた最高電圧Ｖｍａｘを用いて最大許容充電電力を、最低電圧Ｖｍｉｎを用いて最大許容放電電力を制限するものでもよいものである。最高電圧で最大許容充電電力を、最低電圧で最大許容放電電力を制限することにより、より確実に過充電，過放電を防止することができる。
【００５７】
次に、図１１を用いて、本発明の第５の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図１１は、本発明の第５の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図１１において、図７及び図１０と同一符号は、同一部分を示している。
【００５８】
本実施形態は、図７に示した構成と、図１０に示した構成の両方を備えたものである。
【００５９】
演算手段１００Ｂは、最高最低温度選択手段１０２と、許容電力演算手段１０４と、温度保護手段１０６と、許容電力演算手段１０４Ａと、最高最低電圧選択手段１０８とを備えている。演算手段１００Ｂは、最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ２（（＝Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ））と、最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎに対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ２（（＝Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ））と、最大電圧Ｖｍａｘ及び最低電圧Ｖｍｉｎに対する最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ２’（（＝Ｐｃｍａｘ（Ｖｍａｘ））及びＰｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ））と、最大電圧Ｖｍａｘ及び最低電圧Ｖｍｉｎに対するに対する最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ２’（（＝Ｐｄｍａｘ（Ｖｍａｘ））及びＰｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ））とを出力する。
【００６０】
本実施形態では、演算手段１００Ｂ及び選択手段１１０により、複数の単セルを組み合わせた組み電池の、温度ばらつきを考慮に入れた最適な充放電管理を行うことが可能となる。
【００６１】
また、演算手段１００Ｂは、単セルの充電状態ＳＯＣに基づいて、蓄電池１０の充放電管理を行うことによって、蓄電池１０が備える複数の単セルの充電状態ＳＯＣばらつきを考慮に入れた充放電管理を行うことが可能となる。
【００６２】
さらに、制限手段１２０により、蓄電池１０の過充電・過放電を防止して充放電管理を行うことができる。
【００６３】
以上説明したように、本発明の各実施形態は、単セルを複数組み合わせた組み電池を備える電源システムヘの車用を目的としており、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に限定されることなく幅広く利用可能である。
【００６４】
本発明では、温度ばらつき又は電池電圧を考慮に入れて最大許容電力を求め、充放電管理を行うことができるので、複数の単セルを備える組み電池を安全に、最適に一括管理を行うことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０…蓄電池
２０…温度センサ
３０…計測手段
１００…演算手段
１０２…最高最低温度選択手段
１０４…許容電力演算手段
１０６…温度保護手段
１０８…最高最低電圧選択手段
１１０…選択手段
１２０…制限手段
【技術分野】
【０００１】
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池の状態を管理する蓄電池管理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両には、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池が搭載される。エンジン始動や電装品，ハイブリッド自動車或いは電気自動車が走行する際に必要となる電力供給等は、これらの蓄電池によって賄われる。
【０００３】
車両に搭載される蓄電池は広い温度範囲で使用され、蓄電池はその温度に応じた最大の許容電力を有する。この最大許容電力を超えて蓄電池の充放電を行うと、過充電・過放電となる可能性がある。一般的に、低温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は小さく、高温状態の蓄電池が持つ最大許容電力は大きいものである。また、高温状態では最大許容電力は大きいが、高温状態での蓄電池の使用は蓄電池の劣化を促進させる。充電状態（ＳＯＣ）に関して述べると、蓄電池の充電状態ＳＯＣが高いほど最大許容充電電力が小さく、最大許容放電電力が大きいものである。また、蓄電池の充電状態ＳＯＣが低いほど最大許容放電電力が小さく、許容充電電力が大きいものである。蓄電池を安全に、最適に使用するためには低温から高温、或いは低充電状態ＳＯＣから高充電状態ＳＯＣなど、蓄電池のあらゆる状態に応じて最大許容電力を超えない範囲内において充放電制御を行う必要がある。
【０００４】
そこで、従来は、例えば、特開２００３−２１９５１０号公報に記載のように、電池の温度が所定温度以下または所定温度以上のときに、充電電力上限値，放電電力上限値を常温時に比して小さくするように定め、充放電電力上限値以下になるように充電電力や放電電力を定め、電池の充電制御を行うものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１９５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、ハイブリッド自動車や電気自動車で用いる蓄電池は、単セルを複数組み合わせた組み電池が一般的に用いられる。組み電池が備える複数の単セル間で温度ばらつきが発生し、各単セルで最大許容電力が異なってくる。また、単セルの充電状態ばらつきが発生し、各単セルで最大許容電力が異なってくる。
【０００７】
本発明の目的は、各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となるような蓄電池の状態を出力できる蓄電池管理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】
上記目的を達成するために、本発明は、充放電可能な蓄電池の電圧及び電流を計測する電圧電流計測手段と、前記電圧電流計測手段が計測した前記蓄電池の電圧電流に基づいて、前記蓄電池の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める演算手段と、前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、前記演算手段が求めた前記最大許容充放電電力若しくは前記最大許容充放電電流を小さく制限する制限手段と、を備えるようにしたものである。
かかる構成により、各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となるような蓄電池の状態を出力できるものとなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、各単セル間に温度ばらつきが生じた場合でも、最適な充放電制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】蓄電池の等価回路を示す回路図である。
【図３】蓄電池の等価インピーダンスの説明図である。
【図４】充電状態ＳＯＣと最大許容放電電力や最大許容充電電力の関係の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置に用いる温度保護手段の制限特性図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置の選択手段の動作説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置に用いる制限手段の動作説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。
【００１２】
蓄電池１０は、充放電可能な蓄電デバイスであり、例えば、鉛電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン電池，電気二重層キャパシタなどからなる。蓄電池１０は、複数個の単セルから構成されている。ハイブリッド自動車又は電気自動車で用いられる蓄電池１０は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池などの単セルを複数直列又は並列に組み合わせて用いるのが一般的である。例えば、蓄電池１０の出力電圧として４００Ｖが必要な場合、これを満たすだけの単セルを直列接続することで、所定の出力電圧を得ることができる。また、蓄電池１０は、空冷等により冷却される。
【００１３】
蓄電池１０は、複数個の温度センサを備える。ここでは、４個の温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２，２０ｎ１，２０ｎ２を備えた場合を例に挙げる。温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２，２０ｎ１，２０ｎ２は、熱電対或いはサーミスタなどからなる。蓄電池１０がの熱解析を行うことで、最高温度部位及び最低温度部位を知ることができる。温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２は、最高温度部位付近に少し離して配置され、最高温度を検出する。温度センサ２０ｎ１，２０ｎ２は、最低温度部位付近に配置され、最低温度を検出する。最高温度を検出するための温度センサ及び最低温度を検出するための温度センサはそれぞれ１個でもよいものであるが、単セルの個体差を考えると、２個以上の温度センサを最高温度部位付近及び最低温度部位付近に配置することで、信頼性を向上することができる。蓄電池が備える全ての単セルに温度センサを設置してもよいものである。
【００１４】
計測手段３０は、電圧センサ３２と電流センサ３４とを備えている。計測手段３０は、蓄電池１０の無負荷時又は充放電時の電圧Ｖ及び充放電時に流出入する電流Ｉを計測し、演算手段に送信する。
【００１５】
演算手段１００は、最高最低温度選択手段１０２と、許容電力演算手段１０４と、温度保護手段１０６とを備えている。最高最低温度選択手段１０２は、温度センサ２０ｘ１，２０ｘ２が検出した温度Ｔｍａｘ１，Ｔｍａｘ２の内、高い方の温度を最高温度Ｔｍａｘとして選択し出力する。また、最高最低温度選択手段１０２は、温度センサ２０ｎ１，２０ｎ２が検出した温度Ｔｍｉｎ１，Ｔｍｉｎ２の内、低い方の温度を最低温度Ｔｍｉｎとして選択し出力する。
【００１６】
許容電力演算手段１０４は、最高最低温度選択手段１０２によって選択された最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎのそれぞれに対して、許容充電電力Ｐｃｍａｘ１（（＝Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ））及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ１（（＝Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ））を求める。
【００１７】
ここで、図２〜図４を用いて、許容電力演算手段１０４による許容充電電力Ｐｃｍａｘ１及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ１の求め方について説明する。
図２は、蓄電池１０の等価回路を示す回路図である。図３は、蓄電池１０の等価インピーダンスの説明図である。図４は、充電状態ＳＯＣと最大許容放電電力や最大許容充電電力の関係の説明図である。図５は、温度保護手段１０６の制限特性図である。
【００１８】
図２において、蓄電池１０は、起電力ＯＣＶと、内部抵抗Ｒと、インピーダンスＺとキャパシタンス成分Ｃの並列接続対との直列接続で表される。
【００１９】
蓄電池１０に電流Ｉを印加すると、蓄電池１０の端子間電圧ＣＣＶは、以下の式（１）で表される。
ＣＣＶ＝ＯＣＶ＋ＩＲ＋Ｖｐ …（１）
ここで、Ｖｐは分極電圧であり、インピーダンスＺとキャパシタンス成分Ｃの並列接続対の電圧に相当する。
【００２０】
起電力ＯＣＶは、蓄電池１０が充放電を行っていないときの開放電圧であるが、蓄電池１０が充放電されている状況では、起電力ＯＣＶを直接測定することが不可能である。このため、式（２）の様に、端子間電圧ＣＣＶからＩＲドロップと分極電圧Ｖｐを差し引いて起電力ＯＣＶを求める。
ＯＣＶ＝ＣＣＶ−ＩＲ−Ｖｐ …（２）
内部抵抗Ｒと分極電圧Ｖｐは、演算手段１００の内部或いは外部に設置された記憶装置に格納される蓄電池１０の特性情報である。特性情報は、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣなど、あらゆる状態に応じて共通する一つの値を用いても良く、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣなど、蓄電池１０の状態に応じて値を持たせてもよいものである。蓄電池１０の状態に応じて特性情報を持たせれば、より精度の高い起電力ＯＣＶを得ることができる。電流値Ｉは、計測手段３０によって取得される無負荷時又は充放電時の電流値である。端子間電圧ＣＣＶとＩとＲと分極電圧Ｖｐとを用いて、式（２）により、起電力ＯＣＶが算出されると、以下の式（３），式（４）によって蓄電池１０が現在許容することが可能な最大充電電流値Ｉｃｍａｘ、最大放電電流値Ｉｄｍａｘを求めることができる。
Ｉｃｍａｘ＝（Ｖｕｐｐｅｒ−ＯＣＶ）／Ｒｚ …（３）
Ｉｄｎａｘ＝（ＯＣＶ−Ｖｌｏｗｅｒ）／Ｒｚ …（４）
ここで、Ｒｚは図２における内部抵抗Ｒ，インピーダンスＺ，キャパシタンス成分Ｃの等価インピーダンスであり、Ｖｕｐｐｅｒは蓄電池１０の上限電圧、Ｖｌｏｗｅｒは下限電圧である。
【００２１】
図３に示すように、等価インピーダンスＲｚは、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣに応じて値が異なるので、蓄電池１０の温度又は充電状態ＳＯＣに応じて等価インピーダンスＲｚを持たせて使い分ければ、より精度の高い最大許容電流を得ることができる。最大充電電力Ｐｃｍａｘ及び最大放電電力Ｐｄｍａｘは、以下の式（５），式（６）から求めることができる。
Ｐｃｍａｘ＝Ｉｃｍａｘ×Ｖｕｐｐｅｒ …（５）
Ｐｄｍａｘ＝Ｉｄｍａｘ×Ｖｌｏｗｅｒ …（６）
図４に示すように、算出された最大許容放電電力Ｐｄｍａｘは低充電状態ＳＯＣで小さく、高充電状態ＳＯＣでは大きい。また、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘは低充電状態ＳＯＣで大きく、高充電状態ＳＯＣでは小さくなる。さらに、温度が低い場合は式（３）及び式（４）の等価インピーダンスＲｚが大きくなるために最大許容電力が小さく、温度が高い場合は等価インピーダンスＲｚが小さくなるために最大許容電力は大きくなる。
【００２２】
許容電力演算手段１０４は、最高温度Ｔｍａｘに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ）を算出し、また、最低温度Ｔｍｉｎに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ）を算出する。
【００２３】
温度保護手段１０６は、温度が所定温度Ｔ１以上になると、許容充電電力や許容放電電力を制限するものである。
【００２４】
図５は、温度保護手段１０６の制限特性図である。図５に示すように、温度保護手段１０６は、蓄電池１０の温度が所定温度Ｔ１以上になると、許容充電電力や許容放電電力に掛ける係数ｋを１よりも小さくして、許容充電電力Ｐｃｍａｘ２や許容放電電力Ｐｄｍａｘ２として出力する。
【００２５】
選択手段１１０は、演算手段１００によって求められた複数の許容充電電力及び複数の許容放電電力の内、小さい方の値を出力する。例えば、温度保護手段１０６の係数ｋが１として説明すると、許容電力演算手段１０４が算出した許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容充電電力Ｐｃｍａｘとして上位システムに出力する。また、許容電力演算手段１０４が算出した許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容放電電力Ｐｄｍａｘとして上位システムに出力する。
【００２６】
上位システムは、選択手段１１０から与えられた許容充電電力Ｐｃｍａｘの情報に基づいて、この許容充電電力Ｐｃｍａｘ以下で、蓄電池１０に充電するように蓄電池１０を使用し、また、許容放電電力Ｐｄｍａｘの情報に基づいて、この許容放電電力Ｐｄｍａｘ以下で、蓄電池１０に蓄電された電力を放電して使用するように、蓄電池１０を充放電制御する。
【００２７】
ここで、図６を用いて、選択手段１１０の動作について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による蓄電池管理装置の選択手段の動作説明図である。なお、ここでは、許容充電電力Ｐｃｍａｘについてのみ示している。
【００２８】
常温の蓄電池１０が周囲温度が高い環境下に置かれると、次第に蓄電池１０の温度は上昇する。従って、最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎも上昇する。その結果、許容電力演算手段１０４が算出した許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）及び許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）も次第に上昇する。しかしながら、例えば、時刻ｔ１において、最高温度Ｔｍａｘが、図５に示した所定温度Ｔ１以上になると、温度保護手段１０６は、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）を制限して、次第に下降する。時刻ｔ２において、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）と許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）が等しくなり、以後、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）が許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）よりも小さくなるとする。
【００２９】
このような状態において、選択手段１１０は、時刻ｔ２までは、許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ）を選択して上位システムに出力し、時刻ｔ２以降は許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）を選択して上位システムに出力する。
【００３０】
演算手段１００及び選択手段１１０は、記憶装置やＣＰＵなどで構成されるコントローラや計算機システム、或いはマイクロコンピュータによって構成される。演算手段１００や選択手段１１０としては、情報を入力して演算を行い演算した結果を出力することが可能な手段であればどのような構成のものでも用いることができる。計測手段３０と、演算手段１００と、選択手段１１０とは、同一デバイス上に構成されるマイクロコンピュータとして実現しても良く、計測手段３０と演算手段１００と選択手段１１０を合わせて蓄電池１０の内部に設置することも可能である。
【００３１】
また、演算手段１００が、式（３）及び式（４）に示される最大充電電流Ｉｄｍａｘ及び最大放電電流Ｉｄｍａｘを出力し、選択手段１１０は、演算手段１００が算出した最低温度，最高温度に対する最大許容電流（最大充電電流Ｉｄｍａｘ，最大放電電流Ｉｄｍａｘ）に対して、それぞれ、小さい方の値を選択して、上位システムに出力するようにしてもよいものである。
【００３２】
さらに、選択手段１１０の機能を、上位システムに持たせることも可能である。すなわち、演算手段１００は、最低温度，最高温度に対する最大許容電力若しくは最大許容電流を上位システムに出力し、上位システムが、受け取った最低温度，最高温度に対する最大許容電力若しくは最大許容電流の中から、小さいほうを選択して蓄電池１０の充放電を行うことも可能である。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態では、演算手段１００により最低温度及び最高温度に対する最大許容電力又は最大許容電流を演算し、選択手段１１０により、小さいほうを採用することにより、最も小さい最大許容電力又は最大許容電流を持つ単セルに合わせて組み電池の充放電管理を行うことができるので、複数の単セルを組み合わせた組み電池の、温度ばらつきを考慮に入れた最適な充放電管理を行うことが可能となる。
【００３４】
次に、図７及び図８を用いて、本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。図８は、本発明の第２の実施形態による蓄電池管理装置に用いる制限手段の動作説明図である。なお、図７において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３５】
本実施形態では、図１に示した実施形態の構成に加えて、演算手段１００と選択手段１１０の間に、制限手段１２０を備えている。
【００３６】
演算手段１００は、最高温度及び最低温度に対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ２（最高温度Ｔｍａｘに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ）、最低温度Ｔｍｉｎに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ））、及び最高温度及び最低温度に対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ２（最高温度Ｔｍａｘに対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ）、最低温度Ｔｍｉｎに対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ））を出力する。
【００３７】
制限手段１２０は、演算手段１００が演算した蓄電池１０の最大許容電力（許容充電電力Ｐｃｍａｘ２，許容放電電力Ｐｄｍａｘ２）と、計測手段３０によって計測された蓄電池１０の電池電圧Ｖとを受信する。制限手段１２０は、電池電圧Ｖが上限電圧に近い場合は最大許容充電電力を制限し、下限電圧に近い場合は最大許容放電電力を小さく制限する機能を有する。
【００３８】
すなわち、図８（Ａ）に示すように、制限手段１２０は、電池電圧Ｖが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１を超えると１以下になり、上限電圧Ｖｕｐｐｅｒに達すると０となる充電係数Ｋｃｇを備えている。また、図８（Ｂ）に示すように、電池電圧が閾値Ｖｔｈ２より下回ると１以下となり、下限電圧Ｖｍｉｎに達すると０となる放電係数Ｋｄｃを備えている。制限手段１２０は、充電係数Ｋｃｇ及び放電係数Ｋｄｃを用いて、以下の式（７），式（８）により、最大許容電力を求める。
Ｐｃｍａｘ３＝Ｋｃｇ×Ｐｃｍａｘ２ …（７）
Ｐｄｍａｘ３＝Ｋｄｃ×Ｐｄｍａｘ２ …（８）
さらに、選択手段１１０は、制限手段１２０が出力する許容充電電力Ｐｃｍａｘ３（Ｔｍａｘ）及び許容充電電力Ｐｃｍａｘ３（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容充電電力Ｐｃｍａｘとして上位システムに出力する。また、許容放電電力Ｐｄｍａｘ３（Ｔｍａｘ）及び許容放電電力Ｐｄｍａｘ３（Ｔｍｉｎ）の内、小さい方の値を、許容放電電力Ｐｄｍａｘとして上位システムに出力する。
【００３９】
制限手段１２０が行う処理により、上限電圧或いは下限電圧に近い場合は最大許容電力を小さく制限して上位システムに送信し、蓄電池１０を使用させる。また、制限手段１２０が行う処理は、演算手段１００が演算する最大許容電流についても適用可能である。
【００４０】
制限手段１２０は、演算手段１００とは独立した記憶装置或いはＣＰＵなどで構成されるコントローラ，計算機システム，マイクロプロセッサなどで前述した処理を実行させて実現しても良く、演算手段１００が行う演算の一部として実現してもよいものである。
【００４１】
本実施形態では、演算手段１００及び選択手段１１０により、複数の単セルを組み合わせた組み電池の、温度ばらつきを考慮に入れた最適な充放電管理を行うことが可能となる。
【００４２】
また、制限手段１２０により、蓄電池１０の過充電・過放電を防止して充放電管理を行うことができる。
【００４３】
次に、図９を用いて、本発明の第３の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図９は、本発明の第３の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図９において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００４４】
一般的に、単セルを複数組み合わせた組み電池が備える単セルは、ＳＯＣ（充電状態）ばらつきが発生する。高ＳＯＣの蓄電池は、最大許容充電電力が小さく、最大許容放電電力が大きい。低充電状態ＳＯＣの蓄電池は、最大許容充電電力が大きく、最大許容放電電力が小さい。従って、本実施形態では、組み電池の充放電管理を行う場合、充電状態ＳＯＣのばらつきを考慮に入れた制御を行えるようにする。
【００４５】
計測手段３０Ａは、電圧センサ３２Ａと電流センサ３４とを備えている。計測手段３０Ａが備える電流センサ３４は、蓄電池１０を構成する各単セル毎に電圧電流を検出し、蓄電池１０の中の各単セルの無負荷時又は充放電時の電圧ｖ（ｎ）を取得する。蓄電池１０の全体としての充放電時に流出入する電流Ｉを出力する。蓄電池１０が、９６個の単セルを直列に接続して構成されている場合では、電圧ｖ（ｎ）は、９６個分出力する。なお、電圧に関しては、各単セル毎の電圧でなく、２つ以上の単セルの電圧を出力するものであってもよいものである。また、複数の単セルで構成された蓄電池１０を複数直列接続して蓄電池とする場合には、各蓄電池毎の電圧を計測するようにしてもよいものである。
【００４６】
演算手段１００Ａは、最高最低温度選択手段１０２と、温度保護手段１０６に加えて、許容電力演算手段１０４Ａと、最高最低電圧選択手段１０８を備えている。最高最低電圧選択手段１０８は、計測手段３０Ａが出力する電圧ｖ（ｎ）の中から、最高電圧ｖｍａｘと最低電圧ｖｍｉｎを選択して、許容電力演算手段１０４Ａに出力する。
【００４７】
許容電力演算手段１０４Ａは、最高電圧ｖｍａｘに基づいて、蓄電池全体としての最高電圧Ｖｍａｘを求める。すなわち、単セルの電圧ｖｍａｘに、蓄電池内の単セルの個数（例えば、９６個）を掛けて、蓄電池全体としての最高電圧Ｖｍａｘを求める。また、許容電力演算手段１０４Ａは、最低電圧ｖｍｉｎに基づいて、蓄電池全体としての最低電圧Ｖｍｉｎを求める。
【００４８】
演算手段１００Ａは、最低電圧Ｖｍｉｎ及び最高電圧Ｖｍａｘを、式（１）における端子間電圧ＣＣＶとして、式（２）〜式（６）により、最低電圧Ｖｍｉｎに対する最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ）と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ）と、最大電圧Ｖｍａｘに対する最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍａｘ）と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍａｘ）とを算出する。演算手段１００Ａは、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ１’（Ｐｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ）及びＰｃｍａｘ（Ｖｍａｘ））と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ１’（Ｐｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ）及びＰｄｍａｘ（Ｖｍａｘ））を温度保護手段１０６に出力する。ここで、最低電圧Ｖｍｉｎで求めた最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ）は小さく、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ）は大きくなる。最高電圧Ｖｍａｘで求めた最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ（Ｖｍａｘ）は大きく、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ（Ｖｍａｘ）は小さくなる。
【００４９】
温度保護手段１０６は、蓄電池１０の温度が所定温度より高い場合には、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ１’と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ１’を制限して、それぞれ、最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ２’と、最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ２として選択手段１１０に出力する。
【００５０】
選択手段１１０は、入力した最大許容電力Ｐｃｍａｘ２’，Ｐｄｍａｘ２のうち、最大許容放電電力及び最大許容充電電力の小さいほうを採用して外部の上位システムに送信する。上位システムは、受信した最大許容電力に基づいて蓄電池１０を使用する。また、選択手段１１０が行う処理は、演算手段１００が演算する最大許容電流についても適用可能である。
【００５１】
本実施形態のように、単セルの充電状態ＳＯＣに基づいて、蓄電池１０の充放電管理を行うことによって、蓄電池１０が備える複数の単セルの充電状態ＳＯＣばらつきを考慮に入れた充放電管理を行うことが可能となる。
【００５２】
次に、図１０を用いて、本発明の第４の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図１０は、本発明の第４の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図１０において、図９と同一符号は、同一部分を示している。
【００５３】
本実施形態では、図９に示した構成に加えて、図８にて説明した制限手段１２０を備えている。制限手段１２０以外の動作は、図９にて説明したものと同様であり、制限手段１２０の動作は、図８にて説明したものと同様である。
【００５４】
計測手段３０Ｂは、図１の計測手段３０と、図９の計測手段３０Ａの両方の機能を備えている。したがって、計測手段３０Ｂは、蓄電池１０の全体としての無負荷時又は充放電時の電圧Ｖ及び充放電時に流出入する電流Ｉを出力する。また、計測手段３０Ｂは、蓄電池１０を構成する各単セル毎に電圧電流を検出し、蓄電池１０の中の各単セルの無負荷時又は充放電時の電圧ｖ（ｎ）を出力する。
【００５５】
したがって、本実施形態では、単セルの充電状態ＳＯＣに基づいて、蓄電池１０の充放電管理を行うことによって、蓄電池１０が備える複数の単セルの充電状態ＳＯＣばらつきを考慮に入れた充放電管理を行うことが可能となる。
【００５６】
また、制限手段１２０により、蓄電池１０の過充電・過放電を防止して充放電管理を行うことができる。制限手段１２０の演算で用いる電圧は、蓄電池１０の全体としての無負荷時又は充放電時の電圧を使用してもよく、単セルから求めた最高電圧Ｖｍａｘを用いて最大許容充電電力を、最低電圧Ｖｍｉｎを用いて最大許容放電電力を制限するものでもよいものである。最高電圧で最大許容充電電力を、最低電圧で最大許容放電電力を制限することにより、より確実に過充電，過放電を防止することができる。
【００５７】
次に、図１１を用いて、本発明の第５の実施形態による蓄電池管理装置の構成及び動作について説明する。
図１１は、本発明の第５の実施形態による蓄電池管理装置のシステム構成を示すブロック図である。なお、図１１において、図７及び図１０と同一符号は、同一部分を示している。
【００５８】
本実施形態は、図７に示した構成と、図１０に示した構成の両方を備えたものである。
【００５９】
演算手段１００Ｂは、最高最低温度選択手段１０２と、許容電力演算手段１０４と、温度保護手段１０６と、許容電力演算手段１０４Ａと、最高最低電圧選択手段１０８とを備えている。演算手段１００Ｂは、最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎに対する許容充電電力Ｐｃｍａｘ２（（＝Ｐｃｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｃｍａｘ（Ｔｍｉｎ））と、最高温度Ｔｍａｘ及び最低温度Ｔｍｉｎに対する許容放電電力Ｐｄｍａｘ２（（＝Ｐｄｍａｘ（Ｔｍａｘ））及びＰｄｍａｘ（Ｔｍｉｎ））と、最大電圧Ｖｍａｘ及び最低電圧Ｖｍｉｎに対する最大許容充電電力Ｐｃｍａｘ２’（（＝Ｐｃｍａｘ（Ｖｍａｘ））及びＰｃｍａｘ（Ｖｍｉｎ））と、最大電圧Ｖｍａｘ及び最低電圧Ｖｍｉｎに対するに対する最大許容放電電力Ｐｄｍａｘ２’（（＝Ｐｄｍａｘ（Ｖｍａｘ））及びＰｄｍａｘ（Ｖｍｉｎ））とを出力する。
【００６０】
本実施形態では、演算手段１００Ｂ及び選択手段１１０により、複数の単セルを組み合わせた組み電池の、温度ばらつきを考慮に入れた最適な充放電管理を行うことが可能となる。
【００６１】
また、演算手段１００Ｂは、単セルの充電状態ＳＯＣに基づいて、蓄電池１０の充放電管理を行うことによって、蓄電池１０が備える複数の単セルの充電状態ＳＯＣばらつきを考慮に入れた充放電管理を行うことが可能となる。
【００６２】
さらに、制限手段１２０により、蓄電池１０の過充電・過放電を防止して充放電管理を行うことができる。
【００６３】
以上説明したように、本発明の各実施形態は、単セルを複数組み合わせた組み電池を備える電源システムヘの車用を目的としており、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に限定されることなく幅広く利用可能である。
【００６４】
本発明では、温度ばらつき又は電池電圧を考慮に入れて最大許容電力を求め、充放電管理を行うことができるので、複数の単セルを備える組み電池を安全に、最適に一括管理を行うことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０…蓄電池
２０…温度センサ
３０…計測手段
１００…演算手段
１０２…最高最低温度選択手段
１０４…許容電力演算手段
１０６…温度保護手段
１０８…最高最低電圧選択手段
１１０…選択手段
１２０…制限手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な蓄電池の電圧及び電流を計測する電圧電流計測手段と、
前記電圧電流計測手段が計測した前記蓄電池の電圧電流に基づいて、前記蓄電池の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める演算手段と、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、前記演算手段が求めた前記最大許容充放電電力若しくは前記最大許容充放電電流を小さく制限する制限手段と、を備えた、
ことを特徴とする蓄電池管理装置。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電池管理装置において、
前記制限手段は、前記上限電圧よりも小さい第１閾値電圧を越えると１よりも小さくなり、前記上限電圧に達成すると０となる充電係数と、前記下限電圧よりも大きい第２閾値電圧を下回ると１よりも小さくなり、前記下限電圧に達成すると０となる放電係数と、を備え、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が前記第１閾値電圧を超えた場合或いは前記第２閾値電圧を下回った場合、前記充電係数或いは放電係数を求め、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流に乗じて、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流を小さく制限する、
ことを特徴とする蓄電管理装置。
【請求項３】
充放電可能な蓄電池の電圧及び電流を計測する電圧電流計測手段と、
前記電圧電流計測手段が計測した前記蓄電池の電圧電流に基づいて、前記蓄電池の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める演算手段と、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、前記演算手段が求めた前記最大許容充放電電力若しくは前記最大許容充放電電流を制限する制限手段と、を備えた、
ことを特徴とする蓄電池管理装置。
【請求項４】
請求項３記載の蓄電池管理装置において、
前記制限手段は、前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が予め定めた第１の閾値を超えた場合、前記演算手段が求めた前記最高温度及び前記最低温度に対する前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流に対する制限を開始し、前記蓄電池の電圧が前記第１の閾値より大きい上限電圧に到達した場合は前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流が０となるように制限し、
又は、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値より下回った場合に、前記演算手段が求めた前記最高温度及び前記最低温度に対する前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流に対する制限を開始し、前記蓄電池の電圧が前記第２の閾値より小さい下限電圧に到達した場合は前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流が０となるように制限することを特徴とする蓄電池管理装置。
【請求項５】
請求項３記載の蓄電池管理装置において、
前記制限手段は、前記上限電圧よりも小さい第１閾値電圧を越えると１よりも小さくなり、前記上限電圧に達成すると０となる充電係数と、前記下限電圧よりも大きい第２閾値電圧を下回ると１よりも小さくなり、前記下限電圧に達成すると０となる放電係数と、を備え、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が前記第１閾値電圧を超えた場合或いは前記第２閾値電圧を下回った場合、前記充電係数或いは放電係数を求め、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流に乗じて、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流を小さく制限する、
ことを特徴とする蓄電管理装置。
【請求項１】
充放電可能な蓄電池の電圧及び電流を計測する電圧電流計測手段と、
前記電圧電流計測手段が計測した前記蓄電池の電圧電流に基づいて、前記蓄電池の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める演算手段と、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、前記演算手段が求めた前記最大許容充放電電力若しくは前記最大許容充放電電流を小さく制限する制限手段と、を備えた、
ことを特徴とする蓄電池管理装置。
【請求項２】
請求項１記載の蓄電池管理装置において、
前記制限手段は、前記上限電圧よりも小さい第１閾値電圧を越えると１よりも小さくなり、前記上限電圧に達成すると０となる充電係数と、前記下限電圧よりも大きい第２閾値電圧を下回ると１よりも小さくなり、前記下限電圧に達成すると０となる放電係数と、を備え、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が前記第１閾値電圧を超えた場合或いは前記第２閾値電圧を下回った場合、前記充電係数或いは放電係数を求め、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流に乗じて、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流を小さく制限する、
ことを特徴とする蓄電管理装置。
【請求項３】
充放電可能な蓄電池の電圧及び電流を計測する電圧電流計測手段と、
前記電圧電流計測手段が計測した前記蓄電池の電圧電流に基づいて、前記蓄電池の最大許容充放電電力若しくは最大許容充放電電流を求める演算手段と、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が、上限電圧又は下限電圧に近い場合に、前記演算手段が求めた前記最大許容充放電電力若しくは前記最大許容充放電電流を制限する制限手段と、を備えた、
ことを特徴とする蓄電池管理装置。
【請求項４】
請求項３記載の蓄電池管理装置において、
前記制限手段は、前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が予め定めた第１の閾値を超えた場合、前記演算手段が求めた前記最高温度及び前記最低温度に対する前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流に対する制限を開始し、前記蓄電池の電圧が前記第１の閾値より大きい上限電圧に到達した場合は前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流が０となるように制限し、
又は、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値より下回った場合に、前記演算手段が求めた前記最高温度及び前記最低温度に対する前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流に対する制限を開始し、前記蓄電池の電圧が前記第２の閾値より小さい下限電圧に到達した場合は前記最大許容充電電力若しくは最大許容充電電流が０となるように制限することを特徴とする蓄電池管理装置。
【請求項５】
請求項３記載の蓄電池管理装置において、
前記制限手段は、前記上限電圧よりも小さい第１閾値電圧を越えると１よりも小さくなり、前記上限電圧に達成すると０となる充電係数と、前記下限電圧よりも大きい第２閾値電圧を下回ると１よりも小さくなり、前記下限電圧に達成すると０となる放電係数と、を備え、
前記電圧電流計測手段によって計測された前記蓄電池の電圧が前記第１閾値電圧を超えた場合或いは前記第２閾値電圧を下回った場合、前記充電係数或いは放電係数を求め、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流に乗じて、前記最大許容充電電力若しくは前記最大許容充電電流或いは前記最大許容放電電力若しくは前記最大許容放電電流を小さく制限する、
ことを特徴とする蓄電管理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１１０２２１（Ｐ２０１２−１１０２２１Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７０９３６（Ｐ２０１１−２７０９３６）
【出願日】平成２３年１２月１２日（２０１１．１２．１２）
【分割の表示】特願２００５−３６２７３３（Ｐ２００５−３６２７３３）の分割
【原出願日】平成１７年１２月１６日（２００５．１２．１６）
【出願人】（５０５０８３９９９）日立ビークルエナジー株式会社 (438)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１２日（２０１１．１２．１２）
【分割の表示】特願２００５−３６２７３３（Ｐ２００５−３６２７３３）の分割
【原出願日】平成１７年１２月１６日（２００５．１２．１６）
【出願人】（５０５０８３９９９）日立ビークルエナジー株式会社 (438)
【Ｆターム（参考）】
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