特開 2022-101801 バッテリパックの制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022101801

(43)【公開日】2022-07-07

(54)【発明の名称】バッテリパックの制御システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20220630BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20220630BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20220630BHJP

   B60L 50/60 20190101ALN20220630BHJP

   B60L 58/22 20190101ALN20220630BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

H02J7/00 P

H02J7/00 B

H01M10/44 P

H01M10/48 P

H01M10/48 301

B60L50/60

B60L58/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020216107

(22)【出願日】2020-12-25

(71)【出願人】

【識別番号】598051819

【氏名又は名称】メルセデス・ベンツ グループ アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓ－Ｂｅｎｚ Ｇｒｏｕｐ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １２０，７０３７２ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100176946

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 智恵

(74)【代理人】

【識別番号】100092978

【弁理士】

【氏名又は名称】真田 有

(74)【代理人】

【識別番号】100111143

【弁理士】

【氏名又は名称】安達 枝里

(72)【発明者】

【氏名】ラウト ディーパック

(72)【発明者】

【氏名】グプタ カーティケヤ

【テーマコード（参考）】

5G503

5H030

5H125

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503AA07

5G503BA04

5G503CA01

5G503CA11

5G503CB13

5G503CC02

5G503DA08

5G503FA06

5G503GA01

5G503GB06

5H030AA10

5H030AS08

5H030BB01

5H030BB23

5H030FF27

5H030FF41

5H030FF42

5H030FF43

5H030FF44

5H125AA01

5H125AC12

5H125BB00

5H125BC01

5H125BC28

5H125CD04

5H125EE23

5H125EE64

(57)【要約】

【課題】アクティブＳＯＣバランシング制御を実施した場合であってもバッテリの劣化を防ぐ。
【解決手段】外部装置へ電力供給可能な複数のバッテリパック１Ａ～１Ｃの制御システムであって、バッテリパック１Ａ～１Ｃ間に電圧差が生じた場合に高電圧側バッテリパック１の電力を一時的に受電し、所定の電流値で低電圧側バッテリパック１に給電可能に構成されたインダクタ５Ａ～５Ｃと、インダクタ５Ａ～５Ｃからの給電電流値を制御可能なスイッチング素子７Ａ～７Ｃと、電圧差が第一所定値以上である場合にコンタクタ６Ａ～６Ｃを閉接し、かつ、スイッチング素子７Ａ～７Ｃにおけるデューティサイクルを制御することで給電電流値を制御し、電圧差が第二所定値未満となるまでバランシング制御を行う制御部１０と、外気温度を取得する外気温取得部１１と、を含む。制御部１０は、外気温が低いほど、デューティサイクルを低くする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに並列に接続された複数のバッテリパック間の電圧差を小さくするバランシング制御を行うバッテリパックの制御システムであって、
前記複数のバッテリパックを接続する並列回路と接続され、前記複数のバッテリパックの電力を外部装置に供給する電力供給回路と、
前記複数のバッテリパックにそれぞれ設けられ、各々の前記バッテリパックのバッテリ要素と前記電力供給回路とを電気的に断接するコンタクタと、
前記電圧差が生じた場合、高電圧側の前記バッテリパックの電力を一時的に受電し、所定の電流値で低電圧側の前記バッテリパックに給電可能に構成されたインダクタと、
前記インダクタから前記低電圧側のバッテリパックに給電する際の前記電流値を制御可能に構成されたスイッチング素子と、
前記複数のバッテリパックの各電圧値を取得する電圧値取得部と、
前記電圧値取得部により取得された電圧値情報に基づき、前記電圧差が第一所定値以上である場合に、前記コンタクタを閉接し、かつ、前記スイッチング素子におけるデューティサイクルを制御することで前記電流値を制御し、前記電圧差が第二所定値未満となるまで前記高電圧側のバッテリパックから前記低電圧側のバッテリパックへ電力を供給する前記バランシング制御を行う制御部と、
外気温度を取得する外気温取得部と、を含み、
前記制御部は、前記外気温取得部により取得された外気温が低いほど、前記デューティサイクルを低くする
ことを特徴とするバッテリパックの制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件は、互いに並列接続された複数のバッテリパックの制御システムに関し、特に電動車両に搭載されるバッテリパックに好適である。

【背景技術】

【0002】

近年、プラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）といった電動車両には、充放電可能な複数のバッテリセル（以下単に「バッテリ」ともいう）を備えたバッテリパックが搭載される。電動車両には、航続距離を延長することが望まれ、このためには電気容量が大容量となるバッテリパックを搭載する必要があるが、バッテリセル自体のエネルギ密度を高めることは難しい。そこで、複数個のバッテリパックを並列接続して車両に搭載することで、車載のバッテリパックの総容量を増やす方法がある。

【0003】

このようなバッテリパックシステムにおいては、並列接続されたバッテリパック間の電圧差が所定値以上であるときにコンタクタ（電磁接触器）を閉接すると、高電圧側のバッテリパック、すなわち、バッテリの充電容量を示す残容量（State of Charge、以下「ＳＯＣ」ともいう）の高いバッテリパックから、低電圧側のバッテリパックに大電流（突入電流）が流入してしまう。このため、安全性の観点から、バッテリパック間の電圧差が所定値内となるまでは、各バッテリパックの電極に接続されるコンタクタ（電磁接触器）を閉接することができない。

【0004】

このような課題に対し、放電用抵抗を用いて高電圧側のバッテリパックを放電し、バッテリパック間の電圧差をバランシングして所定値内とする制御（いわゆるパッシブＳＯＣバランシング制御）が知られている（例えば特許文献１参照）。この制御を実施することにより、電圧差が所定値内となるため、コンタクタを閉接した場合に大電流が発生することが抑制される。

【0005】

ところで、車載バッテリパックに好適に採用されるリチウムイオンバッテリ等の二次電池（バッテリセル）は、自然放電することが知られている。また、バッテリパックごとに経年的な劣化度合いの差も生じることから、自然放電の度合いもバッテリパック間で異なる。このため、車両始動時において、バッテリパック間の電圧差が所定値以上である状況が多々発生する虞がある。このような状況で、特許文献１に記載されたパッシブＳＯＣバランシング制御を実施すると、電動車両としてのエネルギ効率を著しく悪化させる要因となる。

【0006】

また、パッシブＳＯＣバランシング制御を採用した場合、このＳＯＣバランシング制御の自由度が低下する結果、ユーザの利便性が悪化する虞がある。具体的には、ＳＯＣバランシング制御が完全に完了してすべてのコンタクタを閉接した場合にのみ車両の始動を許可する制御ポリシーを採用した場合、ＳＯＣバランシング制御が完了するまで車両を始動することができず、ユーザの利便性が著しく悪化する。一方で、高電圧側のバッテリパックを強制放電している間であっても、車両の始動を許可する制御ポリシーを採用した場合には、始動後の所定時間は低電圧側のバッテリパックの電力のみで車両を駆動する必要が生じる。このため、この場合にはドライバビリティが悪化する他、バッテリパック間の電圧差を所定値内とするための時間（制御実施時間）が更に延長する虞もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１８－９３５６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、ＳＯＣバランシング制御としては、パッシブＳＯＣバランシング制御のほかに、インダクタを用いたアクティブＳＯＣバランシング制御が知られている。アクティブＳＯＣバランシング制御によれば、パッシブＳＯＣバランシング制御において放電していた（捨てていた）電力を低電圧側のバッテリパックに移すことができるため、バッテリパックの実効的な容量を高められる。

【0009】

しかしながら、リチウムイオンバッテリ等の二次電池は、低温環境下において内部抵抗が増加し、充放電特性が悪化することが知られている。このような状況でアクティブＳＯＣバランシング制御を実施した場合、バッテリの劣化を招く虞がある。

【0010】

本件は、上記のような課題に鑑み創案されたものであり、アクティブＳＯＣバランシング制御を実施した場合であってもバッテリの劣化を防ぐことができるバッテリパックの制御システムを提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本件は上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現できる。
本適用例に係るバッテリパックの制御システムは、互いに並列に接続された複数のバッテリパック間の電圧差を小さくするバランシング制御を行うバッテリパックの制御システムであって、前記複数のバッテリパックを接続する並列回路と接続され、前記複数のバッテリパックの電力を外部装置に供給する電力供給回路と、前記複数のバッテリパックにそれぞれ設けられ、各々の前記バッテリパックのバッテリ要素と前記電力供給回路とを電気的に断接するコンタクタと、前記電圧差が生じた場合、高電圧側の前記バッテリパックの電力を一時的に受電し、所定の電流値で低電圧側の前記バッテリパックに給電可能に構成されたインダクタと、前記インダクタから前記低電圧側のバッテリパックに給電する際の前記電流値を制御可能に構成されたスイッチング素子と、前記複数のバッテリパックの各電圧値を取得する電圧値取得部と、前記電圧値取得部により取得された電圧値情報に基づき、前記電圧差が第一所定値以上である場合に、前記コンタクタを閉接し、かつ、前記スイッチング素子におけるデューティサイクルを制御することで前記電流値を制御し、前記電圧差が第二所定値未満となるまで前記高電圧側のバッテリパックから前記低電圧側のバッテリパックへ電力を供給する前記バランシング制御を行う制御部と、外気温度を取得する外気温取得部と、を含み、前記制御部は、前記外気温取得部により取得された外気温が低いほど、前記デューティサイクルを低くすることを特徴としている。

【0012】

これにより、インダクタを用いてアクティブＳＯＣバランシング制御を実施するシステムにおいて、外気温が低いほどデューティサイクル（デューティ比率）が低くされることから、給電の際にインダクタに流れる電流値（給電電流値）がゆっくりと上昇し、バッテリの劣化が抑制される。

【発明の効果】

【0013】

本件によれば、アクティブＳＯＣバランシング制御を実施した場合であっても、バッテリの劣化を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係るバッテリパックの制御システムを示す図である。

【図2】図１の制御システムに含まれる電力供給回路の一例である。

【図3】（ａ）及び（ｂ）はスイッチング素子の動作を説明する図である。

【図4】外気温に対するデューティサイクルを説明するためのタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図面を参照して、本件の実施形態について説明する。この実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

【0016】

［１．構成］
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る制御システムは、互いに並列に接続された複数のバッテリパック１間の電圧差を小さくするバランシング制御（アクティブＳＯＣバランシング制御）を行うものである。制御システムは、複数のバッテリパック１と、電気回路２０，４０と、制御部１０と、外温度センサ１１（外気温取得部）と、電圧センサ３（電圧値取得部）とを備える。バッテリパック１の個数は特に限定されないが、本実施形態では、三つのバッテリパック１Ａ，１Ｂ，１Ｃが並列回路２０により互いに接続された構成を例示する。以下、各バッテリパック１Ａ，１Ｂ，１Ｃに含まれる要素を特に区別する場合には、図１に示すように、各符号の末尾にアルファベット（Ａ，Ｂ，Ｃ）を付す。

【0017】

複数のバッテリパック１及び制御システムは、例えば、電動のモータ３０（外部装置，図２参照）を駆動源とした電動車両（電気自動車，ハイブリッド車両）に搭載される。モータ３０及びモータ３０の回転速度等を制御するインバータ３１（外部装置）は、プラス端子２１Ｐ及びマイナス端子２１Ｎを介して並列回路２０と接続された電力供給回路４０に設けられる。電力供給回路４０は、複数のバッテリパック１の電力を外部装置（ここではモータ３０及びインバータ３１）に供給する回路である。なお、外部装置としてのモータ３０及びインバータ３１は一例であり、以下の説明では単に「外部装置」という。

【0018】

複数のバッテリパック１はいずれも同様に構成されている。各バッテリパック１は、バッテリ要素２と、電圧センサ３と、インダクタ回路４に設けられたインダクタ５と、コンタクタ６と、スイッチング素子７と、低電圧（例えば２４Ｖ）のバッテリ８（以下「ＬＶバッテリ８」という）と、スイッチ９とを含む。以下、各要素について説明する。

【0019】

バッテリ要素２は、充放電可能な高電圧（例えば３３０Ｖ）の二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）であり、複数のバッテリセル積層体からなるバッテリモジュールがハウジングに収容されて構成される。電圧センサ３は、バッテリ要素２の電圧Ｖをバッテリパック１の電圧値として取得するセンサであり、取得した電圧値情報を制御部１０に送信する。なお、図１に示す電圧センサ３の検出位置は一例であり、図示した位置に限られない。

【0020】

コンタクタ６は、バッテリ要素２と電力供給回路４０とを電気的に断接する電磁接触器である。コンタクタ６が開放された状態では、バッテリ要素２の電力は電力供給回路４０上の外部装置に供給されない。反対に、コンタクタ６が閉接された状態では、バッテリ要素２の電力は並列回路２０を通じて電力供給回路４０上の外部装置に供給される。また、複数のバッテリパック１間に電圧差ΔＶが生じた状態でコンタクタ６が閉接されると、高電圧側のバッテリパック１に含まれるバッテリ要素２の電力の一部が、低電圧側のバッテリパック１に含まれるインダクタ回路４に供給される。これにより、高電圧側のバッテリパック１の電力の一部が、低電圧側のバッテリパック１のインダクタ５に一時的に蓄えられる。

【0021】

すなわち、インダクタ５は、複数のバッテリパック１間に電圧差ΔＶが生じた場合に、高電圧側のバッテリパック１の電力を一時的に受電する。さらに、インダクタ５は、一時的に受電した電力を、所定の電流値（以下「給電電流値」という）で低電圧側のバッテリパック１に給電可能に構成されている。本実施形態のインダクタ５は、電圧差ΔＶが第一所定値Ｖ１以上であるときに実施されるアクティブＳＯＣバランシング制御において用いられる。なお、アクティブＳＯＣバランシング制御中、コンタクタ６は閉接された状態が維持される。

【0022】

スイッチング素子７は、インダクタ５に一時的に蓄えられた電力を低電圧側のバッテリパック１に給電する際の給電電流値を制御可能に構成されている。本実施形態のスイッチング素子７は、ＬＶバッテリ８を電力源としたトランジスタ（例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ）であり、スイッチング素子７とＬＶバッテリ８との間のスイッチ９の開閉に従ってオンオフ（オン状態とオフ状態）が切り替えられる。

【0023】

具体的には、図３（ａ）に示すように、スイッチ９が閉接された状態ではスイッチング素子７のゲート（Ｇ）に電圧が加わってオンとなる。このとき、コンタクタ６が閉接状態であるため、ゲート（Ｇ）－ソース（Ｓ）間に加わる電圧によって、図中白抜き矢印で示すように、ドレイン（Ｄ）からソース（Ｓ）へ電流が流れ、インダクタ５に一時的に蓄えられた電力がバッテリ素子２へ給電される。また、図３（ｂ）に示すように、スイッチ９が開放された状態ではゲート（Ｇ）に電圧が加わらずオフとなるため、スイッチング素子７には電流は流れない。

【0024】

スイッチング素子７は、制御部１０によって実施されるＰＷＭ制御により所定のデューティサイクル（デューティ比）でスイッチングされ、これにより、バッテリ素子２へ流れる電流（低電圧側のバッテリパック１への給電電流値）を制御する。デューティサイクルが小さいほど（デューティ比が低いほど）給電電流値は小さくなり、デューティサイクルが大きいほど（デューティ比が高いほど）給電電流値は大きくなる。

【0025】

制御部１０は、アクティブＳＯＣバランシング制御を実施する電子制御装置であり、例えばマイクロプロセッサやＲＯＭ、ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスや組み込み電子デバイスとして構成され、車載ネットワーク網の通信ラインに接続される。なお、制御部１０が、バッテリパック１に関する他の制御や推定処理（例えば、充放電に関する制御，充電状態や劣化状態の推定等）を行う機能を有していてもよい。

【0026】

アクティブＳＯＣバランシング制御とは、複数のバッテリパック１間の電圧差ΔＶが第一所定値Ｖ１以上である場合に、複数のバッテリパック１のうち電圧の高いバッテリパック１から電圧の低いバッテリパック１へ電力を移すことで、バッテリパック１の実効的な容量を高める制御である。アクティブＳＯＣバランシング制御は、電圧差ΔＶが第二所定値Ｖ２未満となるまで継続される。第二所定値Ｖ２は、０以上かつ第一所定値Ｖ１以下の値（０≦Ｖ２≦Ｖ１）である。本実施形態の制御部１０は、このアクティブＳＯＣバランシング制御の実施に際し、外気温度を取得する外気温センサ１１の情報を用いることで、低温環境下でのバッテリの劣化抑制を図る。

【0027】

制御部１０は、電圧センサ３により取得された電圧値情報に基づき、複数のバッテリパック１間の電圧差ΔＶが第一所定値Ｖ１以上である場合に、コンタクタ６を閉接し、かつ、スイッチング素子７におけるデューティサイクルを制御することで給電電流値を制御する。そして、電圧差ΔＶが第二所定値Ｖ２未満となるまで高電圧側のバッテリパック１から低電圧側のバッテリパック１へ電力を供給するアクティブＳＯＣバランシング制御を行う。このとき、制御部１０は、図４に示すように、外気温センサ１１により取得された外気温Ｔが低いほど、デューティサイクルを低くする。

【0028】

例えば、制御部１０は、三つの電圧センサ３Ａ～３Ｃで取得された三つのバッテリパック１の電圧値情報に基づき、三つのバッテリパック１Ａ～１Ｃの各電圧差（１Ａと１Ｂとの差、１Ａと１Ｃとの差、１Ｂと１Ｃとの差）を算出し、最も大きさ電圧差ΔＶを持つ二つのバッテリパック１を特定する。例えば、バッテリパック１Ａの電圧が最も高く、バッテリパック１Ｃの電圧が最も低く、これらの電圧差ΔＶが第一所定値Ｖ１を超えている場合、制御部１０は、高電圧側のバッテリパック１Ａから低電圧側のバッテリパック１Ｃへ電力を移すためにアクティブＳＯＣバランシング制御を実施する。このとき、制御部１０は、外気温センサ１１で取得される外気温Ｔが低いほど、スイッチング素子７Ｃにおけるデューティサイクルを低くすることで、バッテリパック１Ｃのバッテリ要素２Ｃに流れる電流（給電電流値）を緩やかに上昇させ、過充電を防止することでバッテリ要素２Ｃの劣化を防ぐ。

【0029】

制御部１０は、外気温Ｔとデューティサイクルとの関係を予め規定したマップや数式等を記憶していてもよい。例えば、外気温Ｔが低いほどデューティサイクルが０に近づき、外気温Ｔが高くなるにつれてデューティサイクルが１に近づくようなマップ（正の相関を持つマップ）や、外気温Ｔが常温未満では正の相関を持ち、常温以上では一定のデューティサイクルに設定されたマップを制御部１０が予め有しておけば、取得された外気温Ｔをマップに適用するだけで容易にデューティサイクルを求めることができる。

【0030】

なお、制御部１０は、アクティブＳＯＣバランシング制御の実施中、常に電圧センサ３で取得された電圧値情報を参照して、最も大きな電圧差ΔＶを持つ二つのバッテリパック１を特定し、この電圧差ΔＶが第二所定値Ｖ２を下回ったらアクティブＳＯＣバランシング制御を終了する。これにより、アクティブＳＯＣバランシング制御の実施により、三つのバッテリパック１Ａ～１Ｃのうち、電圧差ΔＶが最も大きくなる二つのバッテリパック１の組み合わせが変わったとしても、ΔＶ＜Ｖ２となるまでバランシング制御を継続可能である。

【0031】

［２．作用及び効果］
複数のバッテリパック１間の電圧差ΔＶが所定値Ｖｄ以上である場合は、アクティブＳＯＣバランシング制御が実施されるため、バランシング制御を実施しない場合又はパッシブＳＯＣバランシング制御を実施する場合と比較して、バッテリパック１の実効的な容量を高めることができる。さらに、このアクティブＳＯＣバランシング制御の実施に際し、外気温Ｔが低いほど、スイッチング素子７におけるデューティサイクルが低くされるため、低電圧側のバッテリパック１に流れる給電電流値を緩やかにすることができる。このため、低温環境下においてバッテリパック１の内部抵抗が増加し、充放電特性が悪化した状態であっても、バッテリパック１の過充電を防止でき、劣化を抑制することができる。

【0032】

アクティブＳＯＣバランシング制御を実施するか否かの開始閾値である第一所定値Ｖ１と、この制御をいつまで継続するか否かの終了閾値である第二所定値Ｖ２を適切に設定することにより、制御ハンチングを回避しつつ、バッテリパック１の実効的な容量を高めることができる。

【0033】

［３．その他］
スイッチング素子７はＮ型ＭＯＳＦＥＴに限られず、インダクタ６から低電圧側のバッテリパック１に給電する際の給電電流値を制御可能に構成されたもの（他のトランジスタ等）であってもよい。回路構成も一例であり、図示した構成に限られない。
上述した制御システムは、複数のバッテリパックの電力を用いる対象（例えば、電気製品や工場，オフィス等）にも適用可能であり、電動車両に限られない。

【符号の説明】

【0034】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ バッテリパック
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ バッテリ要素
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 電圧センサ（電圧値取得部）
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ インダクタ回路
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ インダクタ
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ コンタクタ
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ スイッチング素子
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ ＬＶバッテリ（低電圧バッテリ）
９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ スイッチ
１０ 制御部
１１ 外温度センサ（外気温取得部）
２０ 並列回路
２１Ｎ マイナス端子
２１Ｐ プラス端子
３０ モータ（外部装置）
３１ インバータ（外部装置）
４０ 電力供給回路
Ｔ 外気温
Ｖ１ 第一所定値
Ｖ２ 第二所定値
ΔＶ 電圧差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】