電池パック入出力制御装置
【課題】電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度を推定し、その推定に基づいて電池パックの入出力制限を行う際に、環境温度が短時間に下降した場合、適切な処理を行うことである。
【解決手段】制御装置５０は、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度を推定する最大温度推定部５２として、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度と内部温度との温度差を推定する内外温度差推定モジュール５４等を含む。制御装置５０は、推定された最大温度に基づいて電池パック１４の入出力電力の制限を行う入出力制限部６４を含む。内外温度差推定において、環境温度の時間変化率である環境温度変化率を求め、環境温度変化率が閾値変化率を超えたときから予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させ、熱容量を有する電池の温度と環境温度との整合性を図る。
【解決手段】制御装置５０は、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度を推定する最大温度推定部５２として、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度と内部温度との温度差を推定する内外温度差推定モジュール５４等を含む。制御装置５０は、推定された最大温度に基づいて電池パック１４の入出力電力の制限を行う入出力制限部６４を含む。内外温度差推定において、環境温度の時間変化率である環境温度変化率を求め、環境温度変化率が閾値変化率を超えたときから予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させ、熱容量を有する電池の温度と環境温度との整合性を図る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池パック入出力制御装置に係り、特に、複数の単位電池を組み合わせて構成される電池パックの電池表面温度に基づいて入出力制限を行う電池パック入出力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電池パック入出力制御装置として、電池パックの過熱防止のため、電池温度ならびに環境温度に基づいて電池内部温度を推定し、電池内部温度を所定値以下となるように、電池の充放電制御を行うことが述べられている。ここでは、環境温度が低いときは、電池が発熱しても、電池表面からの放熱が大きいので、電池の表面温度と内部温度との間の温度差が大きいものと想定している。そこで、環境温度が低い場合、電池の表面温度を高めに見積もっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０８７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の方法によると、電池パックの環境温度に基づいて、電池の充放電制御が行われる。ここで、車両搭載用の電池パックの場合、環境温度は電池パックへの吸気温度となる。吸気を車室内から導入している場合、例えば、冬季の窓開け等で、短時間で吸気温度が下降したとき、電池温度が同じでも環境温度が低いときと判断され、電池の充放電制限が行われることが生じる。
【０００５】
実際には、電池の熱容量は比較的大きいので、吸気温度が短期間に下降しても、電池温度に反映されるにはある程度の時間がかかる。したがって、上記のように、短時間で吸気温度が下降したときに、直ちにそれを反映させると、吸気温度と実際の電池温度とに整合性が取れず、電池の過熱保護について適正な充放電制御とならない。
【０００６】
本発明の目的は、短時間で吸気温度が下降したとき、吸気温度と電池温度の整合性を取り、適正な電池の過熱保護を行うことを可能にする電池パック入出力制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電池パック入出力制御装置は、複数の単位電池を組み合わせて構成される電池パックと、電池パックの環境温度を取得する環境温度取得部と、電池パックに設けられ単位電池の表面温度を検出する複数の電池温度センサと、電池パックを構成する単位電池の内部温度と表面温度との間の差である電池内外温度差を、環境温度に応じて推定する内外温度差推定部と、推定される電池内外温度差の値を電池パックを構成する単位電池の表面温度の最大値に加算し、その加算値に基づいて電池パックの最大温度を推定する最大温度推定部と、推定された最大温度に基づいて電池パックの入出力制限を行う入出力制限部と、を備え、内外温度差推定部は、環境温度の時間変化率である環境温度変化率を取得し、環境温度変化率が予め定めた閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの環境温度を遅延固定環境温度として、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させて、遅延固定環境温度を用いて電池内外温度差を推定する遅延処理手段を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電池パック入出力制御装置において、内外温度差推定部は、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る電池パック入出力制御装置において、内外温度差推定部は、実際の環境温度と遅延固定環境温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る電池パック入出力制御装置において、内外温度差推定部は、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、電池パック入出力制御装置は、環境温度の時間変化率である環境温度変化率を取得し、環境温度変化率が予め定めた閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの環境温度を遅延固定環境温度として、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させ、予め定めた解除条件を満たすまで、遅延固定環境温度を用いて電池内外温度差を推定する。このように、短時間で環境温度である吸気温度が下降したときに、実際の吸気温度を適用することを遅延させるので、吸気温度と電池温度の整合性を取ることができる。これにより、電池の適正な過熱保護ができる。
【００１２】
また、電池パック入出力制御装置において、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことを解除条件とするので、所定経過時間の適切な設定によって、吸気温度と電池温度の整合性を取ることができる。
【００１３】
また、電池パック入出力制御装置において、実際の環境温度と遅延固定環境温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことを解除条件とする。これによって、吸気温度と電池温度の整合性を適切なものとできる。
【００１４】
また、電池パック入出力制御装置において、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことを解除条件とする。これによって、吸気温度と電池温度の整合性を適切なものとできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る実施の形態における電池パック入出力制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度の推定に基づいて電池パックの入出力制限を行う手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施の形態において、環境温度と内外温度差と間の関係を示すマップである。
【図４】本発明に係る実施の形態において、吸気温度が短時間に変化したときの入出力電力の算出の詳細の流れを示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、吸気温度が短時間に変化したときの遅延処理と遅延解除処理について説明する図である。
【図６】図５とは別の遅延解除処理の例を説明する図である。
【図７】図５、図６とは別の遅延解除処理の例を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、電池パックの入出力電力特性図を用いて、電池表面温度に基づく入出力制限と、電池パックを構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づく入出力制限の様子を示す図である。
【図９】本発明に係る実施の形態において、電流二乗平均値の相違による電池温度差の様子を示す図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態の電池パック入出力制御装置の作用効果を説明する図である。
【図１１】図１０の比較例として、従来技術の電池パック入出力制御装置の作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電池パックとして、ハイブリッド車両に搭載されるものを説明するが、車両搭載以外の用途の電池パックに対しても、同様に本発明が適用される。以下では、電池パックとして、リチウムイオン電池パック、すなわちリチウムイオン単位電池を複数個組み合わせた電池パックを説明するが、これ以外の電池パックであってもよい。例えば、ニッケル水素電池パックであってもよい。また、電池パックは、複数の単位電池を直列に接続して構成されるものとして説明するが、勿論、複数の単位電池を並列に接続して電池パックを構成するものとしてもよい。また、複数の単位電池を直列接続と並列接続とを用いて１つの電池パックとして構成するものとしてもよい。
【００１７】
以下に述べる各種センサの数とその配置位置は、説明のための例示であって、これ以外の数のセンサを用いてもよく、また、その配置位置も任意に設定するものとできる。例えば、環境温度を検出するものとして、吸気温度センサを説明するが、吸気温度以外で外気温度、あるいは電池パックの近傍の温度を検出するものを用いることができる。
【００１８】
電池パックを含む電源回路の構成として、電池パック、システムメインリレー、電圧変換器、平滑コンデンサ、インバータを用いるものとして説明するが、必要に応じ、これ以外の要素を付加するものとしてもよい。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、低電圧電源等を有する構成としてもよい。
【００１９】
また、電池パックを含む電源回路に接続される回転電機として、モータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータを１台用いるものとして説明するが、これを２台のモータ・ジェネレータを用いるものとしてもよい。その場合に、モータ機能のみを有する回転電機を１台、発電機機能のみを有する回転電機を１台用いるものとしてもよい。
【００２０】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２１】
図１は、電池パックと回転電機とを搭載するハイブリッド車両の作動制御を行うハイブリッド車両制御システムのうち、電池パックの入出力の制御に関わる部分を抜き出して、電池パック入出力制御システム１０として示す図である。この電池パック入出力制御システム１０は、電池パックを構成する単位電池の表面温度に基づいて電池パックの入出力制限を行う機能を有するが、ここでは特に、電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度を推定し、その推定された最大温度に基づいて入出力制限を行う機能を有する。
【００２２】
この電池パック入出力制御システム１０は、複数の単位電池１２を組み合わせて構成される電池パック１４と、システムメインリレー１６、電池パック側平滑コンデンサ１８、電圧変換器２０、インバータ側平滑コンデンサ２２、インバータ２４、回転電機２６、電池パック１４に関連して設けられる電流センサ３０、電圧センサ３４、温度センサ３２、環境温度センサとしての吸気温度センサ３６、これらのセンサに接続されて、電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Ｔをそれぞれ検出するＩ／Ｖ／Ｔ検出部４０と、これらの各構成要素の作動を全体として制御する制御装置５０を含んで構成される。この場合、制御装置５０は、電池パック入出力制御装置に相当する。
【００２３】
ここで、電池パック１４、システムメインリレー１６、電池パック側平滑コンデンサ１８、電圧変換器２０、インバータ側平滑コンデンサ２２、インバータ２４は、回転電機２６に接続される電源回路である。回転電機２６は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電池パック１４を含む電源回路から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。
【００２４】
電池パック１４は、複数の単位電池１２として、リチウムイオン単位電池を直列に接続して、所望の出力電圧と出力電流を得られるように構成された充放電可能な２次電池としての組電池である。所望の出力電圧としては、例えば約２００Ｖの端子電圧とすることができる。この場合は、リチウムイオンの単位電池１２を１００個以上直列に接続して電池パック１４を構成するものとできる。
【００２５】
電池パック１４に設けられる電流センサ３０は、電池パック１４の入出力電流を検出する機能を有し、電池パック１４の両端子の少なくともいずれか一方に直列に接続されて配置される。電流センサ３０が１つの場合には、その電流センサ３０の検出値は電池パック１４における電流値を検出することになる。電流センサ３０が電池パック１４の両端子の双方にそれぞれ設けられるときは、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０において、２つの電流センサの検出値の差異が取得され、例えば予め定めた許容差異値を超えるときは電流センサ３０が異常であるとする検出が行われる。
【００２６】
このように、電流センサ３０は、電池パック１４に入出力する電流値を取得するために設けられるので、これを電流値取得部と呼ぶことができる。電流センサ３０は、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０に接続され、ここを経由して、電流値のデータが制御装置５０に伝送される。複数の電流センサ３０を用いてそれらの間の異常が監視されるときは、その旨を出力し、正しい電流値となるような処理を行い、１つの正しい電流値のデータが制御装置５０に伝送される。
【００２７】
電池パック１４に設けられる電圧センサ３４は、電池パック１４を構成する単位電池１２の電池電圧を検出する機能を有し、複数個用いられる。図１の例では、１つの電池パック１４を構成する単位電池１２の配列方向に沿って、等間隔となるように、５個の電圧センサ３４が配置される様子が示される。
【００２８】
このように、電圧センサ３４は、電池パック１４の予め任意に定めた複数の配置位置における単位電池１２のそれぞれの電池電圧を検出する機能を有するので、これらを電圧検出部と呼ぶことができる。電圧センサ３４は、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０に接続され、ここを経由して、各単位電池１２の電池電圧値のデータが制御装置５０に伝送される。
【００２９】
電池パック１４に設けられる温度センサ３２は、電池パック１４を構成する単位電池の表面に配置され、単位電池の表面温度を検出する機能を有し、複数個用いられる。図１の例では、１つの電池パック１４の単位電池１２の配列方向に沿って、等間隔となるように、３個の温度センサ３２が配置される様子が示される。
【００３０】
温度センサ３２は、例えばサーミスタ等の感温素子を用いることができる。各温度センサ３２は、適当な取付手段によって電池パック１４の表面に取り付け配置される。取付手段として、適当な接着材を用いることができる。また、サーミスタ等の感温素子を樹脂材料でモールドしながら、電池パック１４と一体化させるモールド一体化技術を用いることもできる。以下では、モールド一体化技術によって電池パック１４に取り付け配置されたものとして説明する。
【００３１】
このように、温度センサ３２は、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度を検出する機能を有するので、これを電池表面温度センサ、あるいは電池温度センサと呼ぶことができる。温度センサ３２は、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０に接続され、ここを経由して、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度のデータが制御装置５０に伝送される。
【００３２】
吸気温度センサ３６は、電池パック１４の周囲の環境温度を検出する機能を有し、電池パック１４を空冷するときの吸気口に設けられる温度センサである。このように吸気温度センサ３６は、電池パック１４の環境温度を取得する機能を有するので、これを環境温度取得部と呼ぶことができる。吸気温度センサ３６は、吸気口に複数設けるものとしてもよい。また、吸気温度センサ３６以外に、別のセンサを環境温度検出手段として設けてもよい。これらの場合には、各センサの検出値について平均化が行われ、その結果を電池パック１４の環境温度とすることができる。
【００３３】
Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０は、各種のセンサと制御装置５０との間に設けられるインタフェース回路である。各種センサの検出値は、例えば、アナログの電圧値である。Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０は、各センサによってまちまちであるアナログ信号レベルを、制御装置５０における各種処理に適するように、規格化されたアナログ信号、またはディジタル信号に変換する機能を有する。
【００３４】
制御装置５０は、電池パック入出力制御システム１０の各構成要素の作動を全体として制御する機能を有する。ここでは、特に、電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度を推定し、その推定された最大温度に基づいて電圧変換器２０とインバータ２４の作動を制御することで、電池パック１４の入出力電力を制限する機能を有する。かかる制御装置５０は、車両の搭載に適したコンピュータ等で構成することができる。
【００３５】
制御装置５０は、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度を推定する最大温度推定部５２と、最大温度推定部５２において用いられる温度差マップを記憶する温度差マップ記憶部６２と、推定された最大温度に基づいて電池パック１４の入出力電力の制限を行う入出力制限部６４を含んで構成される。
【００３６】
最大温度推定部５２は、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度と内部温度との温度差である内外温度差を推定する内外温度差推定モジュール５４と、各単位電池１２の内部抵抗の相違に起因する電池パック内の温度差を推定するＲ起因温度差推定モジュール５６と、温度センサ３２と電池パック１４との接触状態に起因する温度差を推定する接触状態起因温度差推定モジュール５８と、複数の温度センサ３２の間の検出特性の相違に起因する温度差を推定するセンサ起因温度差推定モジュール６０を含んで構成される。
【００３７】
かかる機能は、ソフトウェアによって実現でき、具体的には、電池パック入出力制御プログラムを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００３８】
かかる構成の作用、特に制御装置５０の各機能について、図２以下を用いて詳細に説明する。図２は、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度の推定に基づいて電池パック１４の入出力制限を行う手順を示すフローチャートである。図３は、制御装置５０の内外温度差推定モジュール５４に用いられる環境温度と内外温度差の関係を示す図である。図４から図１１は、環境温度である吸気温度が短時間に変化したときの処理について説明する図である。
【００３９】
図２は、上記のように、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度の推定に基づいて電池パック１４の入出力制限を行う手順を示すフローチャートであり、各手順は、電池パック入出力制限プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。電池パック１４の入出力制限を行うには、最初に、環境温度、電池表面温度、電流Ｉ、電圧Ｖが取得される（Ｓ１０）。具体的には、吸気温度センサ３６を介して環境温度が取得され、温度センサ３２を介して電池表面温度が取得され、電流センサ３０を介して電流値が取得され、電圧センサ３４を介して単位電池の電池電圧が取得される。
【００４０】
次に、４つの温度差の推定が行われる。すなわち、内外温度差推定（Ｓ１２）と、Ｒ起因温度差推定（Ｓ１４）と、センサ接触状態起因温度差推定（Ｓ１６）と、センサ起因温度差推定（Ｓ１８）が行われる。これらについて、図３から図７を用いて説明する。
【００４１】
内外温度差推定（Ｓ１２）は、電池パック１４を構成する単位電池の内部温度と、温度センサ３２によって実際に検出される電池表面温度との間の差である電池内外温度差を、環境温度に応じて推定する工程である。この工程は、制御装置５０の最大温度推定部５２における内外温度差推定モジュール５４の機能によって実行される。
【００４２】
具体的には、吸気温度センサ３６を介して取得される環境温度を考慮して、温度センサ３２によって実際に検出される電池表面温度と電池パック１４を構成する単位電池の内部温度との間の差である温度差の推定が行われる。そのために、図３で示される環境温度と内外温度差との関係を示すマップが用いられる。このマップは、実験等によって予め求められたデータをマップ化したもので、横軸に環境温度、縦軸に電池表面温度を基準とした内外温度差、つまり、内外温度差＝（電池パック１４を構成する単位電池の内部温度）−（温度センサ３２によって実測された電池表面温度）が取られている。
【００４３】
内外温度差は、環境温度が室温（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＲＴ）から低温になるにつれ、増大する特性を有する。この特性は、電池パック１４の構造で定まるものであるので、予め求めておくことができる。求められた環境温度と内外温度差とのマップは、制御装置５０の温度差マップ記憶部６２に記憶される。したがって、内外温度差推定を行うには、環境温度を検索キーとして、環境温度と内外温度差との関係を示すマップを検索して、対応する内外温度差を読み出すことで行うことができる。
【００４４】
環境温度と内外温度差との関係を示すマップは、環境温度と内外温度差を関連付けるものであれば、マップ形式以外の形式であってもよい。例えば、環境温度と内外温度差との関係をテーブル化したルックアップテーブル形式であってもよく、また、環境温度を入力して内外温度差が出力される関数形の形式であってもよい。
【００４５】
Ｒ起因温度差推定（Ｓ１４）は、複数の配置位置における各電池電圧Ｖと電流Ｉとから各単位電池１２の内部抵抗Ｒを推定し、各単位電池１２の内部抵抗Ｒの相違に起因する電池パック１４内の温度差を推定する工程である。この工程は、最大温度推定部５２のＲ起因温度差推定モジュール５６の機能によって実行される。
【００４６】
センサ接触状態起因温度差推定（Ｓ１６）は、複数の温度センサ３２と電池パック１４の表面との接触状態に起因して、電池パック１４を構成する単位電池の実際の表面温度と各温度センサ３２の検出値との間に偏差が生じることについて、その最大値を予め推定する工程である。この工程は、最大温度推定部５２の接触状態起因温度差推定モジュール５８の機能によって実行される。
【００４７】
センサ起因温度差推定（Ｓ１８）は、複数の温度センサ３２の間の検出特性の相違による検出温度誤差を、環境温度に応じて推定する工程である。この工程は、最大温度推定部５２のセンサ起因温度差推定モジュール６０の機能によって実行される。
【００４８】
再び図２に戻り、４つの温度差推定処理が終わると、次に電池パックを構成する単位電池の内部における最大温度の推定が行われる（Ｓ２０）。そして、推定最大温度が予め定めた閾値温度以上か否かが判断される（Ｓ２２）。閾値温度としては、リチウムイオン電池の特性である発煙温度Ｔ0を用いることが好ましい。リチウムイオン電池以外の電池パック１４の場合は、その電池形式の特性に合わせて設定された閾値温度をＴ0として用いることができる。そして、Ｓ２２の判断が肯定されると、電池パック１４の入出力電力を制限して発煙が生じないように入出力制限が行われる（Ｓ２４）。Ｓ２４が実行され、あるいはＳ２２の判断が否定されると、一連の電池パック入出力制御処理が終了する。
【００４９】
図４は、入出力電力の算出の詳細の流れを示す図である。ここでは、電流値と環境温度に基づいて、内外温度差、Ｒ起因温度差、センサ接触状態起因温度差、センサ起因温度差が、電池パック１４の使用上限温度Ｔ1に順次加算されて、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度が推定される様子が示されている。そして、推定最大温度が、リチウムイオン電池の発煙を防止する限界温度である発煙温度Ｔ0と比較され、その結果に基づいて使用上限温度の制限が行われることが示されている。この使用上限温度の制限に基づいて、電池パック１４の入出力電力が制限される入出力制限が行われる。
【００５０】
図４において、環境温度である吸気温度について、吸気温度が短時間に変化したときの処理が示されている。すなわち、図２で説明したように、Ｓ１０で吸気温度が取得されると、吸気温度の時間変化率である吸気温度変化率検出が行われる（Ｓ３２）。この工程では、所定時間当たりの吸気温度変化量が算出される。吸気温度をＴCとして、所定時間をΔｔとすると、変化率＝ＴC／Δｔである。所定時間は、変化率検出のための判定時間である。
【００５１】
吸気温度変化率検出が行われると、検出された吸気温度変化率が低下方向に予め定めた閾値変化率を超えたときに、吸気温度遅延処理が行われる（Ｓ３４）。具体的には、吸気温度変化率が閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの吸気温度を固定して、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させる。この遅延処理は、吸気温度が短時間に変化したとしても、電池の熱容量は比較的大きいので、電池温度に吸気温度が反映されるまである程度の時間がかかることを考慮し、その間は、吸気温度を変化しないものとして、電池温度と吸気温度の整合性を図るためである。
【００５２】
遅延処理を解除すると、実際の吸気温度が内外温度差の推定に用いられるようになる。遅延処理を解除する条件としては、以下の３つのいずれかを満たしたときとする。１つは、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことである。次の１つは、実際の吸気温度と遅延処理で固定された吸気温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことである。最後の１つは、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことである。これら３つの条件の１つを満たせば、遅延処理が解除される。その様子を図５から図７を用いて説明する。
【００５３】
図５は、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したときに、遅延処理が解除される様子を示す図である。所定経過時間としては、吸気温度変化が電池温度に反映される時間を用いることができる。この所定経過時間は、電池の熱容量等に基づいて、実験的に設定することができる。図５の横軸は時間で、縦軸には、電池表面温度である電池温度ＴBと吸気温度ＴCが取られている。
【００５４】
ここでは、時間ｔ1で、吸気温度ＴCの下降が始まる。そして、短時間でかなり吸気温度ＴCが下降して、吸気温度変化率が低下方向でかなり大きい値となる。時間ｔ2は、低下方向の吸気温度変化率が低下方向の閾値変化率を超えたときである。この時間ｔ2から、吸気温度ＴCの遅延処理が開始する。すなわち、時間ｔ2が遅延処理開始時である。予め定めた所定経過時間をｔD1とすると、時間ｔ2からｔD1経過する時間ｔ3まで、電池の過熱保護に用いられる吸気温度ＴCは、時間ｔ2のときの吸気温度ＴC1で固定される。そして、時間ｔ3になると、遅延処理が解除され、電池の過熱保護は、実際の吸気温度ＴCに基づいて行われるようになる。図５では、時間ｔ3から吸気温度がＴC1から実際の吸気温度ＴCに向かって戻され、時間ｔ4で完全に実際の吸気温度ＴCとなる様子が示されている。
【００５５】
図６は、実際の吸気温度と遅延処理で固定された吸気温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったときに遅延処理が解除される様子を示す図である。図６の横軸、縦軸は図５と同じである。図５と同様に、時間ｔ1は吸気温度ＴCの下降が始まる時間で、時間ｔ2が遅延処理開始時であり、ＴC1が遅延処理において固定された吸気温度である。
【００５６】
ここでは、吸気温度ＴCが下降した後、再び上昇し、実際の吸気温度ＴCとＴC1との間の温度差である偏差温度差ΔＴCが、次第に縮まり、時間ｔ5で偏差温度差ΔＴCが閾値偏差温度差以下となる。時間ｔ5になると、遅延処理が解除され、電池の過熱保護は、実際の吸気温度ＴCに基づいて行われるようになる。したがって、時間ｔ2から時間ｔ5の間の時間ｔD2が、遅延処理が行われた時間となる。図６では、時間ｔ5から吸気温度がＴC1から実際の吸気温度ＴCに向かって戻され、時間ｔ6で完全に実際の吸気温度ＴCとなる様子が示されている。
【００５７】
図７は、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したときに遅延処理が解除される様子を示す図である。図６の横軸、縦軸は図５と同じである。図５，６と同様に、時間ｔ1は吸気温度ＴCの下降が始まる時間で、時間ｔ2が遅延処理開始時であり、ＴC1が遅延処理において固定された吸気温度である。時間ｔ7になると、遅延処理が解除され、電池の過熱保護は、実際の吸気温度ＴCに基づいて行われるようになる。したがって、時間ｔ2から時間ｔ7の間の時間ｔD3が、遅延処理が行われた時間となる。図７では、時間ｔ7から吸気温度がＴC1から実際の吸気温度ＴCに向かって戻され、時間ｔ8で完全に実際の吸気温度ＴCとなる様子が示されている。
【００５８】
このようにして、吸気温度ＴCが短時間に下降しても、直ちにその温度を内外温度差の推定に反映させず、ある程度の遅延時間の後に、実際の吸気温度ＴCを電池の過熱保護の処理に用いるようにする。これによって、熱容量を有する電池温度ＴBと吸気温度ＴCとの間の整合性を図ることができる。
【００５９】
図８は、電池パック１４の入出力電力特性図を用いて、電池表面温度に基づく入出力制限と、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づく入出力制限の様子を示す図である。ここで、横軸は電池パック１４を構成する単位電池の表面温度、縦軸は電池パック１４の入出力電力、つまり充放電電力である。電池表面温度に基づく入出力制限の場合は、上記のように、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度が使用上限温度Ｔ1以下となるように、入出力電力の制限が行われる。
【００６０】
これに対し、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づく入出力制限の場合は、推定最大温度が発煙温度Ｔ0以上となるときは、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度をＴ1’に引き下げ、推定最大温度が発煙温度Ｔ0を超えないように入出力制限が行われる。つまり、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づいて、電池パック１４の入出力電力特性図の温度軸がＴ1とＴ1’の差に相当する分、オフセットされる。このようにして、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づいて、電池パック１４の入出力制限が行われ、リチウムイオン電池の発煙が防止される。
【００６１】
この場合、吸気温度ＴCが短時間で下降したときは、図４から図７で説明したように、遅延処理が行われて、吸気温度ＴCの変化が遅延される。したがって、図８においても、電池パック１４の入出力電力特性図の温度軸のオフセットが行われれず、電池パック１４の入出力制限が行われない。
【００６２】
図９は、図３で説明した吸気温度に対応する内外温度差の関係が、電流値の大小によってどのように変化するかを示す図である。電流値としてここでは電流二乗平均値が用いられている。図９に示されるように、電流二乗平均値が大きいほど、内外温度差は大きくなる。
【００６３】
吸気温度が短期間に下降したときに、吸気温度の遅延処理を行う作用効果について、図１０と図１１を用いて説明する。これらの図の横軸は時間、縦軸には、電池温度ＴB、吸気温度ＴC、電池パック１４の放電可能電力ＷOUT、電流二乗平均値、車速が取られている。図１０は、車両が電流一定で定常走行している場合に、吸気温度の遅延処理を行い、図５で説明した条件を満たして遅延処理の解除が行われた場合、図１１は、図１０と同じ条件の下で、吸気温度の遅延処理を行わない従来技術の場合である。
【００６４】
図１０では、図５で説明したのと同様に、時間ｔ1で吸気温度ＴCの下降が始まり、時間ｔ2で遅延処理が開始し、所定経過時間ｔD1の間、吸気温度はＴC1に固定される。所定経過時間ｔD1は、吸気温度変化が電池温度に反映される時間として設定されるので、吸気温度の変化以外に、他の条件が変化しなければ、ＷOUTに制限がかからず、電流二乗平均値も制限されない。したがって、回転電機の出力トルクに変化がなく、車両の走行にも影響を及ぼさず、車速は変化しない。
【００６５】
これに対し、吸気温度の短時間の低下についての遅延処理が行われない図１１の場合には、実際の吸気温度を用いて、図３の関係に従って内外温度差を推定する。したがって、時間ｔ1で吸気温度ＴCが下降し始めると、電池はある程度の熱容量があるので、吸気温度ＴCが下降するに従って電池温度ＴBとの差が大きくなり、推定内外温度差が大きくなる。これによって、時間ｔ10において、ＷOUTに制限がかかり始める。そして、時間ｔ11では、ＷOUTの制限に応じて、電流制限が始まり、電流二乗平均値が下がり始める。これによって回転電機の出力トルクが低下し、車速が低下する。このように、実際の電池温度ＴBはあまり下降しないにもかかわらず、推定内外温度差が変化するので、車両の走行に影響が及ぶ。なお、時間ｔ12になると、電池温度ＴBが吸気温度ＴCの変化に追従して低下するので、推定内外温度差が小さくなり、ＷOUTの制限が回復する。これにより、回転電機の出力トルクが戻り、車速を元に戻すことができる。
【００６６】
このように、短時間で吸気温度が下降したとき、吸気温度の扱いに対して遅延処理を行うことで、吸気温度と電池温度の整合性を取り、適正な電池の過熱保護を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係る電池パック入出力制御装置は、複数のリチウム単位電池を組み合わせて構成される電池パックの入出力制御に利用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 電池パック入出力制御システム、１２ 単位電池、１４ 電池パック、１６ システムメインリレー、１８ 電池パック側平滑コンデンサ、２０ 電圧変換器、２２ インバータ側平滑コンデンサ、２４ インバータ、２６ 回転電機、３０ 電流センサ、３２ 温度センサ、３４ 電圧センサ、３６ 吸気温度センサ、４０ Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部、５０ 制御装置、５２ 最大温度推定部、５４ 内外温度差推定モジュール、５６ Ｒ起因温度差推定モジュール、５８ 接触状態起因温度差推定モジュール、６０ センサ起因温度差推定モジュール、６２ 温度差マップ記憶部、６４ 入出力制限部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池パック入出力制御装置に係り、特に、複数の単位電池を組み合わせて構成される電池パックの電池表面温度に基づいて入出力制限を行う電池パック入出力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電池パック入出力制御装置として、電池パックの過熱防止のため、電池温度ならびに環境温度に基づいて電池内部温度を推定し、電池内部温度を所定値以下となるように、電池の充放電制御を行うことが述べられている。ここでは、環境温度が低いときは、電池が発熱しても、電池表面からの放熱が大きいので、電池の表面温度と内部温度との間の温度差が大きいものと想定している。そこで、環境温度が低い場合、電池の表面温度を高めに見積もっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０８７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の方法によると、電池パックの環境温度に基づいて、電池の充放電制御が行われる。ここで、車両搭載用の電池パックの場合、環境温度は電池パックへの吸気温度となる。吸気を車室内から導入している場合、例えば、冬季の窓開け等で、短時間で吸気温度が下降したとき、電池温度が同じでも環境温度が低いときと判断され、電池の充放電制限が行われることが生じる。
【０００５】
実際には、電池の熱容量は比較的大きいので、吸気温度が短期間に下降しても、電池温度に反映されるにはある程度の時間がかかる。したがって、上記のように、短時間で吸気温度が下降したときに、直ちにそれを反映させると、吸気温度と実際の電池温度とに整合性が取れず、電池の過熱保護について適正な充放電制御とならない。
【０００６】
本発明の目的は、短時間で吸気温度が下降したとき、吸気温度と電池温度の整合性を取り、適正な電池の過熱保護を行うことを可能にする電池パック入出力制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電池パック入出力制御装置は、複数の単位電池を組み合わせて構成される電池パックと、電池パックの環境温度を取得する環境温度取得部と、電池パックに設けられ単位電池の表面温度を検出する複数の電池温度センサと、電池パックを構成する単位電池の内部温度と表面温度との間の差である電池内外温度差を、環境温度に応じて推定する内外温度差推定部と、推定される電池内外温度差の値を電池パックを構成する単位電池の表面温度の最大値に加算し、その加算値に基づいて電池パックの最大温度を推定する最大温度推定部と、推定された最大温度に基づいて電池パックの入出力制限を行う入出力制限部と、を備え、内外温度差推定部は、環境温度の時間変化率である環境温度変化率を取得し、環境温度変化率が予め定めた閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの環境温度を遅延固定環境温度として、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させて、遅延固定環境温度を用いて電池内外温度差を推定する遅延処理手段を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電池パック入出力制御装置において、内外温度差推定部は、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る電池パック入出力制御装置において、内外温度差推定部は、実際の環境温度と遅延固定環境温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る電池パック入出力制御装置において、内外温度差推定部は、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、電池パック入出力制御装置は、環境温度の時間変化率である環境温度変化率を取得し、環境温度変化率が予め定めた閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの環境温度を遅延固定環境温度として、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させ、予め定めた解除条件を満たすまで、遅延固定環境温度を用いて電池内外温度差を推定する。このように、短時間で環境温度である吸気温度が下降したときに、実際の吸気温度を適用することを遅延させるので、吸気温度と電池温度の整合性を取ることができる。これにより、電池の適正な過熱保護ができる。
【００１２】
また、電池パック入出力制御装置において、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことを解除条件とするので、所定経過時間の適切な設定によって、吸気温度と電池温度の整合性を取ることができる。
【００１３】
また、電池パック入出力制御装置において、実際の環境温度と遅延固定環境温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことを解除条件とする。これによって、吸気温度と電池温度の整合性を適切なものとできる。
【００１４】
また、電池パック入出力制御装置において、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことを解除条件とする。これによって、吸気温度と電池温度の整合性を適切なものとできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る実施の形態における電池パック入出力制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度の推定に基づいて電池パックの入出力制限を行う手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施の形態において、環境温度と内外温度差と間の関係を示すマップである。
【図４】本発明に係る実施の形態において、吸気温度が短時間に変化したときの入出力電力の算出の詳細の流れを示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、吸気温度が短時間に変化したときの遅延処理と遅延解除処理について説明する図である。
【図６】図５とは別の遅延解除処理の例を説明する図である。
【図７】図５、図６とは別の遅延解除処理の例を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、電池パックの入出力電力特性図を用いて、電池表面温度に基づく入出力制限と、電池パックを構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づく入出力制限の様子を示す図である。
【図９】本発明に係る実施の形態において、電流二乗平均値の相違による電池温度差の様子を示す図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態の電池パック入出力制御装置の作用効果を説明する図である。
【図１１】図１０の比較例として、従来技術の電池パック入出力制御装置の作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電池パックとして、ハイブリッド車両に搭載されるものを説明するが、車両搭載以外の用途の電池パックに対しても、同様に本発明が適用される。以下では、電池パックとして、リチウムイオン電池パック、すなわちリチウムイオン単位電池を複数個組み合わせた電池パックを説明するが、これ以外の電池パックであってもよい。例えば、ニッケル水素電池パックであってもよい。また、電池パックは、複数の単位電池を直列に接続して構成されるものとして説明するが、勿論、複数の単位電池を並列に接続して電池パックを構成するものとしてもよい。また、複数の単位電池を直列接続と並列接続とを用いて１つの電池パックとして構成するものとしてもよい。
【００１７】
以下に述べる各種センサの数とその配置位置は、説明のための例示であって、これ以外の数のセンサを用いてもよく、また、その配置位置も任意に設定するものとできる。例えば、環境温度を検出するものとして、吸気温度センサを説明するが、吸気温度以外で外気温度、あるいは電池パックの近傍の温度を検出するものを用いることができる。
【００１８】
電池パックを含む電源回路の構成として、電池パック、システムメインリレー、電圧変換器、平滑コンデンサ、インバータを用いるものとして説明するが、必要に応じ、これ以外の要素を付加するものとしてもよい。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、低電圧電源等を有する構成としてもよい。
【００１９】
また、電池パックを含む電源回路に接続される回転電機として、モータ機能と発電機機能とを有するモータ・ジェネレータを１台用いるものとして説明するが、これを２台のモータ・ジェネレータを用いるものとしてもよい。その場合に、モータ機能のみを有する回転電機を１台、発電機機能のみを有する回転電機を１台用いるものとしてもよい。
【００２０】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２１】
図１は、電池パックと回転電機とを搭載するハイブリッド車両の作動制御を行うハイブリッド車両制御システムのうち、電池パックの入出力の制御に関わる部分を抜き出して、電池パック入出力制御システム１０として示す図である。この電池パック入出力制御システム１０は、電池パックを構成する単位電池の表面温度に基づいて電池パックの入出力制限を行う機能を有するが、ここでは特に、電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度を推定し、その推定された最大温度に基づいて入出力制限を行う機能を有する。
【００２２】
この電池パック入出力制御システム１０は、複数の単位電池１２を組み合わせて構成される電池パック１４と、システムメインリレー１６、電池パック側平滑コンデンサ１８、電圧変換器２０、インバータ側平滑コンデンサ２２、インバータ２４、回転電機２６、電池パック１４に関連して設けられる電流センサ３０、電圧センサ３４、温度センサ３２、環境温度センサとしての吸気温度センサ３６、これらのセンサに接続されて、電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Ｔをそれぞれ検出するＩ／Ｖ／Ｔ検出部４０と、これらの各構成要素の作動を全体として制御する制御装置５０を含んで構成される。この場合、制御装置５０は、電池パック入出力制御装置に相当する。
【００２３】
ここで、電池パック１４、システムメインリレー１６、電池パック側平滑コンデンサ１８、電圧変換器２０、インバータ側平滑コンデンサ２２、インバータ２４は、回転電機２６に接続される電源回路である。回転電機２６は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電池パック１４を含む電源回路から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示されていないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。
【００２４】
電池パック１４は、複数の単位電池１２として、リチウムイオン単位電池を直列に接続して、所望の出力電圧と出力電流を得られるように構成された充放電可能な２次電池としての組電池である。所望の出力電圧としては、例えば約２００Ｖの端子電圧とすることができる。この場合は、リチウムイオンの単位電池１２を１００個以上直列に接続して電池パック１４を構成するものとできる。
【００２５】
電池パック１４に設けられる電流センサ３０は、電池パック１４の入出力電流を検出する機能を有し、電池パック１４の両端子の少なくともいずれか一方に直列に接続されて配置される。電流センサ３０が１つの場合には、その電流センサ３０の検出値は電池パック１４における電流値を検出することになる。電流センサ３０が電池パック１４の両端子の双方にそれぞれ設けられるときは、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０において、２つの電流センサの検出値の差異が取得され、例えば予め定めた許容差異値を超えるときは電流センサ３０が異常であるとする検出が行われる。
【００２６】
このように、電流センサ３０は、電池パック１４に入出力する電流値を取得するために設けられるので、これを電流値取得部と呼ぶことができる。電流センサ３０は、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０に接続され、ここを経由して、電流値のデータが制御装置５０に伝送される。複数の電流センサ３０を用いてそれらの間の異常が監視されるときは、その旨を出力し、正しい電流値となるような処理を行い、１つの正しい電流値のデータが制御装置５０に伝送される。
【００２７】
電池パック１４に設けられる電圧センサ３４は、電池パック１４を構成する単位電池１２の電池電圧を検出する機能を有し、複数個用いられる。図１の例では、１つの電池パック１４を構成する単位電池１２の配列方向に沿って、等間隔となるように、５個の電圧センサ３４が配置される様子が示される。
【００２８】
このように、電圧センサ３４は、電池パック１４の予め任意に定めた複数の配置位置における単位電池１２のそれぞれの電池電圧を検出する機能を有するので、これらを電圧検出部と呼ぶことができる。電圧センサ３４は、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０に接続され、ここを経由して、各単位電池１２の電池電圧値のデータが制御装置５０に伝送される。
【００２９】
電池パック１４に設けられる温度センサ３２は、電池パック１４を構成する単位電池の表面に配置され、単位電池の表面温度を検出する機能を有し、複数個用いられる。図１の例では、１つの電池パック１４の単位電池１２の配列方向に沿って、等間隔となるように、３個の温度センサ３２が配置される様子が示される。
【００３０】
温度センサ３２は、例えばサーミスタ等の感温素子を用いることができる。各温度センサ３２は、適当な取付手段によって電池パック１４の表面に取り付け配置される。取付手段として、適当な接着材を用いることができる。また、サーミスタ等の感温素子を樹脂材料でモールドしながら、電池パック１４と一体化させるモールド一体化技術を用いることもできる。以下では、モールド一体化技術によって電池パック１４に取り付け配置されたものとして説明する。
【００３１】
このように、温度センサ３２は、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度を検出する機能を有するので、これを電池表面温度センサ、あるいは電池温度センサと呼ぶことができる。温度センサ３２は、Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０に接続され、ここを経由して、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度のデータが制御装置５０に伝送される。
【００３２】
吸気温度センサ３６は、電池パック１４の周囲の環境温度を検出する機能を有し、電池パック１４を空冷するときの吸気口に設けられる温度センサである。このように吸気温度センサ３６は、電池パック１４の環境温度を取得する機能を有するので、これを環境温度取得部と呼ぶことができる。吸気温度センサ３６は、吸気口に複数設けるものとしてもよい。また、吸気温度センサ３６以外に、別のセンサを環境温度検出手段として設けてもよい。これらの場合には、各センサの検出値について平均化が行われ、その結果を電池パック１４の環境温度とすることができる。
【００３３】
Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０は、各種のセンサと制御装置５０との間に設けられるインタフェース回路である。各種センサの検出値は、例えば、アナログの電圧値である。Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部４０は、各センサによってまちまちであるアナログ信号レベルを、制御装置５０における各種処理に適するように、規格化されたアナログ信号、またはディジタル信号に変換する機能を有する。
【００３４】
制御装置５０は、電池パック入出力制御システム１０の各構成要素の作動を全体として制御する機能を有する。ここでは、特に、電池パックを構成する単位電池の内部の最大温度を推定し、その推定された最大温度に基づいて電圧変換器２０とインバータ２４の作動を制御することで、電池パック１４の入出力電力を制限する機能を有する。かかる制御装置５０は、車両の搭載に適したコンピュータ等で構成することができる。
【００３５】
制御装置５０は、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度を推定する最大温度推定部５２と、最大温度推定部５２において用いられる温度差マップを記憶する温度差マップ記憶部６２と、推定された最大温度に基づいて電池パック１４の入出力電力の制限を行う入出力制限部６４を含んで構成される。
【００３６】
最大温度推定部５２は、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度と内部温度との温度差である内外温度差を推定する内外温度差推定モジュール５４と、各単位電池１２の内部抵抗の相違に起因する電池パック内の温度差を推定するＲ起因温度差推定モジュール５６と、温度センサ３２と電池パック１４との接触状態に起因する温度差を推定する接触状態起因温度差推定モジュール５８と、複数の温度センサ３２の間の検出特性の相違に起因する温度差を推定するセンサ起因温度差推定モジュール６０を含んで構成される。
【００３７】
かかる機能は、ソフトウェアによって実現でき、具体的には、電池パック入出力制御プログラムを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００３８】
かかる構成の作用、特に制御装置５０の各機能について、図２以下を用いて詳細に説明する。図２は、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度の推定に基づいて電池パック１４の入出力制限を行う手順を示すフローチャートである。図３は、制御装置５０の内外温度差推定モジュール５４に用いられる環境温度と内外温度差の関係を示す図である。図４から図１１は、環境温度である吸気温度が短時間に変化したときの処理について説明する図である。
【００３９】
図２は、上記のように、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度の推定に基づいて電池パック１４の入出力制限を行う手順を示すフローチャートであり、各手順は、電池パック入出力制限プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。電池パック１４の入出力制限を行うには、最初に、環境温度、電池表面温度、電流Ｉ、電圧Ｖが取得される（Ｓ１０）。具体的には、吸気温度センサ３６を介して環境温度が取得され、温度センサ３２を介して電池表面温度が取得され、電流センサ３０を介して電流値が取得され、電圧センサ３４を介して単位電池の電池電圧が取得される。
【００４０】
次に、４つの温度差の推定が行われる。すなわち、内外温度差推定（Ｓ１２）と、Ｒ起因温度差推定（Ｓ１４）と、センサ接触状態起因温度差推定（Ｓ１６）と、センサ起因温度差推定（Ｓ１８）が行われる。これらについて、図３から図７を用いて説明する。
【００４１】
内外温度差推定（Ｓ１２）は、電池パック１４を構成する単位電池の内部温度と、温度センサ３２によって実際に検出される電池表面温度との間の差である電池内外温度差を、環境温度に応じて推定する工程である。この工程は、制御装置５０の最大温度推定部５２における内外温度差推定モジュール５４の機能によって実行される。
【００４２】
具体的には、吸気温度センサ３６を介して取得される環境温度を考慮して、温度センサ３２によって実際に検出される電池表面温度と電池パック１４を構成する単位電池の内部温度との間の差である温度差の推定が行われる。そのために、図３で示される環境温度と内外温度差との関係を示すマップが用いられる。このマップは、実験等によって予め求められたデータをマップ化したもので、横軸に環境温度、縦軸に電池表面温度を基準とした内外温度差、つまり、内外温度差＝（電池パック１４を構成する単位電池の内部温度）−（温度センサ３２によって実測された電池表面温度）が取られている。
【００４３】
内外温度差は、環境温度が室温（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＲＴ）から低温になるにつれ、増大する特性を有する。この特性は、電池パック１４の構造で定まるものであるので、予め求めておくことができる。求められた環境温度と内外温度差とのマップは、制御装置５０の温度差マップ記憶部６２に記憶される。したがって、内外温度差推定を行うには、環境温度を検索キーとして、環境温度と内外温度差との関係を示すマップを検索して、対応する内外温度差を読み出すことで行うことができる。
【００４４】
環境温度と内外温度差との関係を示すマップは、環境温度と内外温度差を関連付けるものであれば、マップ形式以外の形式であってもよい。例えば、環境温度と内外温度差との関係をテーブル化したルックアップテーブル形式であってもよく、また、環境温度を入力して内外温度差が出力される関数形の形式であってもよい。
【００４５】
Ｒ起因温度差推定（Ｓ１４）は、複数の配置位置における各電池電圧Ｖと電流Ｉとから各単位電池１２の内部抵抗Ｒを推定し、各単位電池１２の内部抵抗Ｒの相違に起因する電池パック１４内の温度差を推定する工程である。この工程は、最大温度推定部５２のＲ起因温度差推定モジュール５６の機能によって実行される。
【００４６】
センサ接触状態起因温度差推定（Ｓ１６）は、複数の温度センサ３２と電池パック１４の表面との接触状態に起因して、電池パック１４を構成する単位電池の実際の表面温度と各温度センサ３２の検出値との間に偏差が生じることについて、その最大値を予め推定する工程である。この工程は、最大温度推定部５２の接触状態起因温度差推定モジュール５８の機能によって実行される。
【００４７】
センサ起因温度差推定（Ｓ１８）は、複数の温度センサ３２の間の検出特性の相違による検出温度誤差を、環境温度に応じて推定する工程である。この工程は、最大温度推定部５２のセンサ起因温度差推定モジュール６０の機能によって実行される。
【００４８】
再び図２に戻り、４つの温度差推定処理が終わると、次に電池パックを構成する単位電池の内部における最大温度の推定が行われる（Ｓ２０）。そして、推定最大温度が予め定めた閾値温度以上か否かが判断される（Ｓ２２）。閾値温度としては、リチウムイオン電池の特性である発煙温度Ｔ0を用いることが好ましい。リチウムイオン電池以外の電池パック１４の場合は、その電池形式の特性に合わせて設定された閾値温度をＴ0として用いることができる。そして、Ｓ２２の判断が肯定されると、電池パック１４の入出力電力を制限して発煙が生じないように入出力制限が行われる（Ｓ２４）。Ｓ２４が実行され、あるいはＳ２２の判断が否定されると、一連の電池パック入出力制御処理が終了する。
【００４９】
図４は、入出力電力の算出の詳細の流れを示す図である。ここでは、電流値と環境温度に基づいて、内外温度差、Ｒ起因温度差、センサ接触状態起因温度差、センサ起因温度差が、電池パック１４の使用上限温度Ｔ1に順次加算されて、電池パック１４を構成する単位電池の内部の最大温度が推定される様子が示されている。そして、推定最大温度が、リチウムイオン電池の発煙を防止する限界温度である発煙温度Ｔ0と比較され、その結果に基づいて使用上限温度の制限が行われることが示されている。この使用上限温度の制限に基づいて、電池パック１４の入出力電力が制限される入出力制限が行われる。
【００５０】
図４において、環境温度である吸気温度について、吸気温度が短時間に変化したときの処理が示されている。すなわち、図２で説明したように、Ｓ１０で吸気温度が取得されると、吸気温度の時間変化率である吸気温度変化率検出が行われる（Ｓ３２）。この工程では、所定時間当たりの吸気温度変化量が算出される。吸気温度をＴCとして、所定時間をΔｔとすると、変化率＝ＴC／Δｔである。所定時間は、変化率検出のための判定時間である。
【００５１】
吸気温度変化率検出が行われると、検出された吸気温度変化率が低下方向に予め定めた閾値変化率を超えたときに、吸気温度遅延処理が行われる（Ｓ３４）。具体的には、吸気温度変化率が閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの吸気温度を固定して、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させる。この遅延処理は、吸気温度が短時間に変化したとしても、電池の熱容量は比較的大きいので、電池温度に吸気温度が反映されるまである程度の時間がかかることを考慮し、その間は、吸気温度を変化しないものとして、電池温度と吸気温度の整合性を図るためである。
【００５２】
遅延処理を解除すると、実際の吸気温度が内外温度差の推定に用いられるようになる。遅延処理を解除する条件としては、以下の３つのいずれかを満たしたときとする。１つは、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことである。次の１つは、実際の吸気温度と遅延処理で固定された吸気温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことである。最後の１つは、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことである。これら３つの条件の１つを満たせば、遅延処理が解除される。その様子を図５から図７を用いて説明する。
【００５３】
図５は、遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したときに、遅延処理が解除される様子を示す図である。所定経過時間としては、吸気温度変化が電池温度に反映される時間を用いることができる。この所定経過時間は、電池の熱容量等に基づいて、実験的に設定することができる。図５の横軸は時間で、縦軸には、電池表面温度である電池温度ＴBと吸気温度ＴCが取られている。
【００５４】
ここでは、時間ｔ1で、吸気温度ＴCの下降が始まる。そして、短時間でかなり吸気温度ＴCが下降して、吸気温度変化率が低下方向でかなり大きい値となる。時間ｔ2は、低下方向の吸気温度変化率が低下方向の閾値変化率を超えたときである。この時間ｔ2から、吸気温度ＴCの遅延処理が開始する。すなわち、時間ｔ2が遅延処理開始時である。予め定めた所定経過時間をｔD1とすると、時間ｔ2からｔD1経過する時間ｔ3まで、電池の過熱保護に用いられる吸気温度ＴCは、時間ｔ2のときの吸気温度ＴC1で固定される。そして、時間ｔ3になると、遅延処理が解除され、電池の過熱保護は、実際の吸気温度ＴCに基づいて行われるようになる。図５では、時間ｔ3から吸気温度がＴC1から実際の吸気温度ＴCに向かって戻され、時間ｔ4で完全に実際の吸気温度ＴCとなる様子が示されている。
【００５５】
図６は、実際の吸気温度と遅延処理で固定された吸気温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったときに遅延処理が解除される様子を示す図である。図６の横軸、縦軸は図５と同じである。図５と同様に、時間ｔ1は吸気温度ＴCの下降が始まる時間で、時間ｔ2が遅延処理開始時であり、ＴC1が遅延処理において固定された吸気温度である。
【００５６】
ここでは、吸気温度ＴCが下降した後、再び上昇し、実際の吸気温度ＴCとＴC1との間の温度差である偏差温度差ΔＴCが、次第に縮まり、時間ｔ5で偏差温度差ΔＴCが閾値偏差温度差以下となる。時間ｔ5になると、遅延処理が解除され、電池の過熱保護は、実際の吸気温度ＴCに基づいて行われるようになる。したがって、時間ｔ2から時間ｔ5の間の時間ｔD2が、遅延処理が行われた時間となる。図６では、時間ｔ5から吸気温度がＴC1から実際の吸気温度ＴCに向かって戻され、時間ｔ6で完全に実際の吸気温度ＴCとなる様子が示されている。
【００５７】
図７は、電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したときに遅延処理が解除される様子を示す図である。図６の横軸、縦軸は図５と同じである。図５，６と同様に、時間ｔ1は吸気温度ＴCの下降が始まる時間で、時間ｔ2が遅延処理開始時であり、ＴC1が遅延処理において固定された吸気温度である。時間ｔ7になると、遅延処理が解除され、電池の過熱保護は、実際の吸気温度ＴCに基づいて行われるようになる。したがって、時間ｔ2から時間ｔ7の間の時間ｔD3が、遅延処理が行われた時間となる。図７では、時間ｔ7から吸気温度がＴC1から実際の吸気温度ＴCに向かって戻され、時間ｔ8で完全に実際の吸気温度ＴCとなる様子が示されている。
【００５８】
このようにして、吸気温度ＴCが短時間に下降しても、直ちにその温度を内外温度差の推定に反映させず、ある程度の遅延時間の後に、実際の吸気温度ＴCを電池の過熱保護の処理に用いるようにする。これによって、熱容量を有する電池温度ＴBと吸気温度ＴCとの間の整合性を図ることができる。
【００５９】
図８は、電池パック１４の入出力電力特性図を用いて、電池表面温度に基づく入出力制限と、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づく入出力制限の様子を示す図である。ここで、横軸は電池パック１４を構成する単位電池の表面温度、縦軸は電池パック１４の入出力電力、つまり充放電電力である。電池表面温度に基づく入出力制限の場合は、上記のように、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度が使用上限温度Ｔ1以下となるように、入出力電力の制限が行われる。
【００６０】
これに対し、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づく入出力制限の場合は、推定最大温度が発煙温度Ｔ0以上となるときは、電池パック１４を構成する単位電池の表面温度をＴ1’に引き下げ、推定最大温度が発煙温度Ｔ0を超えないように入出力制限が行われる。つまり、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づいて、電池パック１４の入出力電力特性図の温度軸がＴ1とＴ1’の差に相当する分、オフセットされる。このようにして、電池パック１４を構成する単位電池の内部の推定最大温度に基づいて、電池パック１４の入出力制限が行われ、リチウムイオン電池の発煙が防止される。
【００６１】
この場合、吸気温度ＴCが短時間で下降したときは、図４から図７で説明したように、遅延処理が行われて、吸気温度ＴCの変化が遅延される。したがって、図８においても、電池パック１４の入出力電力特性図の温度軸のオフセットが行われれず、電池パック１４の入出力制限が行われない。
【００６２】
図９は、図３で説明した吸気温度に対応する内外温度差の関係が、電流値の大小によってどのように変化するかを示す図である。電流値としてここでは電流二乗平均値が用いられている。図９に示されるように、電流二乗平均値が大きいほど、内外温度差は大きくなる。
【００６３】
吸気温度が短期間に下降したときに、吸気温度の遅延処理を行う作用効果について、図１０と図１１を用いて説明する。これらの図の横軸は時間、縦軸には、電池温度ＴB、吸気温度ＴC、電池パック１４の放電可能電力ＷOUT、電流二乗平均値、車速が取られている。図１０は、車両が電流一定で定常走行している場合に、吸気温度の遅延処理を行い、図５で説明した条件を満たして遅延処理の解除が行われた場合、図１１は、図１０と同じ条件の下で、吸気温度の遅延処理を行わない従来技術の場合である。
【００６４】
図１０では、図５で説明したのと同様に、時間ｔ1で吸気温度ＴCの下降が始まり、時間ｔ2で遅延処理が開始し、所定経過時間ｔD1の間、吸気温度はＴC1に固定される。所定経過時間ｔD1は、吸気温度変化が電池温度に反映される時間として設定されるので、吸気温度の変化以外に、他の条件が変化しなければ、ＷOUTに制限がかからず、電流二乗平均値も制限されない。したがって、回転電機の出力トルクに変化がなく、車両の走行にも影響を及ぼさず、車速は変化しない。
【００６５】
これに対し、吸気温度の短時間の低下についての遅延処理が行われない図１１の場合には、実際の吸気温度を用いて、図３の関係に従って内外温度差を推定する。したがって、時間ｔ1で吸気温度ＴCが下降し始めると、電池はある程度の熱容量があるので、吸気温度ＴCが下降するに従って電池温度ＴBとの差が大きくなり、推定内外温度差が大きくなる。これによって、時間ｔ10において、ＷOUTに制限がかかり始める。そして、時間ｔ11では、ＷOUTの制限に応じて、電流制限が始まり、電流二乗平均値が下がり始める。これによって回転電機の出力トルクが低下し、車速が低下する。このように、実際の電池温度ＴBはあまり下降しないにもかかわらず、推定内外温度差が変化するので、車両の走行に影響が及ぶ。なお、時間ｔ12になると、電池温度ＴBが吸気温度ＴCの変化に追従して低下するので、推定内外温度差が小さくなり、ＷOUTの制限が回復する。これにより、回転電機の出力トルクが戻り、車速を元に戻すことができる。
【００６６】
このように、短時間で吸気温度が下降したとき、吸気温度の扱いに対して遅延処理を行うことで、吸気温度と電池温度の整合性を取り、適正な電池の過熱保護を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係る電池パック入出力制御装置は、複数のリチウム単位電池を組み合わせて構成される電池パックの入出力制御に利用できる。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 電池パック入出力制御システム、１２ 単位電池、１４ 電池パック、１６ システムメインリレー、１８ 電池パック側平滑コンデンサ、２０ 電圧変換器、２２ インバータ側平滑コンデンサ、２４ インバータ、２６ 回転電機、３０ 電流センサ、３２ 温度センサ、３４ 電圧センサ、３６ 吸気温度センサ、４０ Ｉ／Ｖ／Ｔ検出部、５０ 制御装置、５２ 最大温度推定部、５４ 内外温度差推定モジュール、５６ Ｒ起因温度差推定モジュール、５８ 接触状態起因温度差推定モジュール、６０ センサ起因温度差推定モジュール、６２ 温度差マップ記憶部、６４ 入出力制限部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池を組み合わせて構成される電池パックと、
電池パックの環境温度を取得する環境温度取得部と、
電池パックに設けられ単位電池の表面温度を検出する複数の電池温度センサと、
電池パックを構成する単位電池の内部温度と表面温度との間の差である電池内外温度差を、環境温度に応じて推定する内外温度差推定部と、
推定される電池内外温度差の値を電池パックを構成する単位電池の表面温度の最大値に加算し、その加算値に基づいて電池パックの最大温度を推定する最大温度推定部と、
推定された最大温度に基づいて電池パックの入出力制限を行う入出力制限部と、
を備え、
内外温度差推定部は、
環境温度の時間変化率である環境温度変化率を取得し、環境温度変化率が予め定めた閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの環境温度を遅延固定環境温度として、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させて、遅延固定環境温度を用いて電池内外温度差を推定する遅延処理手段を含むことを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電池パック入出力制御装置において、
内外温度差推定部は、
遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電池パック入出力制御装置において、
内外温度差推定部は、
実際の環境温度と遅延固定環境温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電池パック入出力制御装置において、
内外温度差推定部は、
電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項１】
複数の単位電池を組み合わせて構成される電池パックと、
電池パックの環境温度を取得する環境温度取得部と、
電池パックに設けられ単位電池の表面温度を検出する複数の電池温度センサと、
電池パックを構成する単位電池の内部温度と表面温度との間の差である電池内外温度差を、環境温度に応じて推定する内外温度差推定部と、
推定される電池内外温度差の値を電池パックを構成する単位電池の表面温度の最大値に加算し、その加算値に基づいて電池パックの最大温度を推定する最大温度推定部と、
推定された最大温度に基づいて電池パックの入出力制限を行う入出力制限部と、
を備え、
内外温度差推定部は、
環境温度の時間変化率である環境温度変化率を取得し、環境温度変化率が予め定めた閾値変化率を超えたときを遅延処理開始時として、閾値変化率になったときの環境温度を遅延固定環境温度として、予め定めた解除条件を満たすまで、実際の環境温度を用いることを遅延させて、遅延固定環境温度を用いて電池内外温度差を推定する遅延処理手段を含むことを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電池パック入出力制御装置において、
内外温度差推定部は、
遅延開始時から予め定めた所定経過時間を経過したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電池パック入出力制御装置において、
内外温度差推定部は、
実際の環境温度と遅延固定環境温度との間の温度差である偏差温度差が、時間経過とともに増加し、最大偏差となった後に減少し、予め定めた閾値偏差温度差以下となったことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電池パック入出力制御装置において、
内外温度差推定部は、
電池表面温度が遅延処理開始時の温度から予め定めた閾値温度差を超えて上昇したことを解除条件として、解除条件を満たした以後は、実際の環境温度に基づいて電池内外温度差を推定することを特徴とする電池パック入出力制御装置。
【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２０１３−５６６３（Ｐ２０１３−５６６３Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６８９０（Ｐ２０１１−１３６８９０）
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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