特許 7513333 電池モジュール及びモータ駆動回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】電池モジュール及びモータ駆動回路

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240702BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 H

H02J7/00 P

H02J7/00 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2023556085

(86)(22)【出願日】2021-11-01

(86)【国際出願番号】 JP2021040212

(87)【国際公開番号】W WO2023073981

(87)【国際公開日】2023-05-04

【審査請求日】2024-01-19

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】507307651

【氏名又は名称】榊原 和征

(74)【代理人】

【識別番号】100141427

【弁理士】

【氏名又は名称】飯村 重樹

(72)【発明者】

【氏名】榊原 和征

【審査官】鈴木 大輔

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－１９１１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８３８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３１３４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８２３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０２３８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８４３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０６６６７６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００－７／１２

７／３４－７／３６

Ｈ０２Ｍ ７／００－７／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池セル群と、放電専用端子と、充電専用端子と、を備え、充電時に、前記充電専用端子および通電遮断素子を介して充電電流を前記電池セル群へ入力し、放電時に、前記電池セル群から通電遮断素子を介さずに前記放電専用端子から放電電流を出力する複数の電池モジュールが接続された電池モジュール群と、
３相モータに電力を供給する３相インバータと、を備え、
前記電池モジュール群の放電末期の放電電流が放電初期の放電電流より低くなるように制御し、
前記電池モジュール群の電圧、前記電池モジュール群の電圧低下率、または、前記電池モジュール群の放電電流により計算される前記電池モジュール群の残容量、の少なくともいずれか１個の検知結果に応じて、少なくとも１個のリチウムイオン二次電池セルの終止電圧を下回らないように前記電池モジュール群の放電電流を制御し、
かつ前記３相インバータの３相の交流電圧出力の少なくとも電圧振幅を調整して前記３相モータへの出力電流を調整するものであって、
前記３相インバータの前記３相のうち、相対的に最高温度である１相、および、他の２相の交流電圧出力の電圧振幅の調整量が異なる、
モータ駆動回路。

【請求項2】

電気自動車を走行するための前記３相モータを駆動する請求項１に記載のモータ駆動回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電池モジュール及びモータ駆動回路に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球環境への配慮から、内燃機関すなわちエンジンで駆動する自動車がモータで駆動する電気自動車またはエンジンおよびモータで駆動するハイブリッド自動車に置き換わりつつある。特に、電池電源とモータの個々の性能のみならず、電池電源およびモータを備えるモータ駆動回路の性能が電気自動車の１充電あたりの航続距離延長やハイブリッド自動車の燃費向上に大きく寄与する要素として注目されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開2015-080328号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

リチウムイオン二次電池セルが過放電状態となり故障するため放電停止すなわち走行停止せざるを得ない課題がある。

【0005】

本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、適切な放電制御をすることができる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、モータ駆動回路であって、電池モジュール群と、３相モータに電力を供給する３相インバータと、を備え、前記電池モジュール群の放電末期の放電電流が放電初期の放電電流より低くなるように制御する。

【0007】

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、適切な放電制御をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電池モジュール２の構成の概略を示す回路ブロック図である。

【図2】モータ駆動回路１００の構成の概略を示す回路ブロック図である。

【図3】電池モジュール２０の構成の概略を示す回路ブロック図である。

【図4】モータ駆動回路１０１の構成の概略を示す回路ブロック図である。

【図5】モータ駆動回路１０１の制御アルゴリズム１の制御の概略を示すフローチャート図である。

【図6】モータ駆動回路の電池モジュール群の放電特性を示すグラフ図である。

【図7】モータ駆動回路の３相インバータの回路基板の温度特性を示すグラフ図である。

【図8】モータ駆動回路１０１の制御アルゴリズム２の制御の概略を示すフローチャート図である。

【図9】モータ駆動回路１０３の構成の概略を示す回路ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

電池モジュール２は、図１に示すように、複数のリチウムイオン二次電池セルを直列接続して成る高電圧定格の電池セル群１Ｈを、充電電流および放電電流を通電または遮断するための通電遮断素子として極性を対向して直列接続したＦＥＴ４およびＦＥＴ５を介して端子７に接続する。モジュールコントローラ３０は、前記電池セル群１Ｈ内の少なくとも1個のリチウムイオン二次電池セルの電圧、または、シャント抵抗６の両端に現れる電
圧すなわち前記電池セル群１Ｈの電流を検知し、それらの検知結果に応じて前記ＦＥＴ４または前記ＦＥＴ５をオンまたはオフに操作する。また、モジュールコントローラ３０は、詳細図示しない絶縁性通信ライン３を用いてモータ駆動回路１００のメインコントローラ１２と通信を行い、制御に関する情報を送受信し、前記情報に応じて前記ＦＥＴ４または前記ＦＥＴ５の操作も行う。

【0011】

図２に示すように、モータ駆動回路１００は、例えば、３個の電池モジュール２を端子７を介して直列接続して電池モジュール２群を構成し、前記電池モジュール２群が出力する直流電圧を３相インバータ１０へ印加する。前記３相インバータ１０は、前記電池モジュール２群から入力した直流電圧を３相交流電圧へ変換して前記３相交流電圧を３相モータ１１へ印加することにより前記３相モータ１１の回転を制御する。メインコントローラ１２は、詳細図示しない絶縁性通信ライン３を用いて各電池モジュール２と通信を行いモータ駆動に要する情報の送受信を行う。

【0012】

図３に示すように、電池モジュール２０は、前記電池モジュール２のように、充電電流および放電電流の通電を１個の端子７で共用せず放電経路に直列接続された前記２個のＦＥＴを介在しない。

【0013】

複数のリチウムイオン二次電池セルを直列接続して成る高電圧定格の電池セル群１Ｈの正極を、ＦＥＴを介さずに、直接、放電専用端子８に接続する一方、充電電流を通電または遮断するためのＦＥＴ５を介して充電専用端子７に接続する。充電経路に前記ＦＥＴ５を配置する理由は、一般に、リチウムイオン二次電池セルの安全性リスクの最大因子が充電の失敗に起因するためである。また、一般に、電気自動車用途において、充電電流値が放電電流値よりも大幅に低いため、当該電池モジュール２０のＦＥＴ５の電流定格を、前記電池モジュール２のＦＥＴ５の電流定格よりも下げられるためコストダウンできる。前記放電専用端子８と電池セル群１Ｈの間には、従来技術で用いられるような放電電流を通電または遮断しリチウムイオン二次電池セルの過放電による電池故障を防止する目的のＦＥＴを介在しないが、後述の制御アルゴリズム１に従い制御を行うモータ駆動回路１０１では、電池モジュール２０内のリチウムイオン二次電池セルを能動的に過放電状態にしないため、前記放電電流を通電または遮断する過放電防止用ＦＥＴの介在、および、前記過放電防止用ＦＥＴの通電時の発熱対策が不要となり、電池モジュールのコストダウンに貢献する。

【0014】

図４に示すように、モータ駆動回路１０１は、モータ駆動回路１００と概ね同じ構成であり、前記電池モジュール２群に代わって３個の電池モジュール２０を、放電専用端子８を介して直列接続し電池モジュール２０群を成して配置したものである。当該モータ駆動回路１０１は前記モータ駆動回路１００と概ね同じ構成につき基本的なコストアップ要因が無い上に、後述の制御アルゴリズム１に従う制御によって、モータ駆動中の３相インバータ１０の回路基板の発熱を抑制できるため、前記３相インバータ１０の回路基板の発熱対策に係るコストダウンおよび前記電池モジール２０のコストダウンも併せて、モータ駆動回路全体を大幅にコストダウンできる。

【0015】

また、当該モータ駆動回路１０１の前記電池モジュール２０群から前記３相インバータ１０への電力供給においては、前記電池モジュール内に２個のＦＥＴをそれぞれ直列に介さないため、ＦＥＴ固有のドレイン・ソース間のオン抵抗に伴う電気ロスを解消でき、前記電池モジュール２０群から前記３相インバータ１０への送電効率の向上を実現し、後述の制御アルゴリズム１による放電時間延長の効果も併せて電気自動車の１充電あたりの航続距離の延長、および、モータ駆動回路全体の大幅なコストダウンの両立に貢献する。

【0016】

本発明の第１実施例のモータ駆動回路１０１のメインコントローラ１２０および９の制御アルゴリズム１の制御の概略について、次に、図５のフローチャート図を用いて説明する。

【0017】

３相モータ１１の駆動中、Ｓｔｅｐ１にて、３相インバータ１０は、３相の内、相対的に最高温度である１個の相のＸ相を選択する。これは例えば、前記３相インバータ１０の回路基板上に実装される、ＰＷＭ制御により３相交流電圧を出力する詳細図示しない複数の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴの中で相対的に最高温度であるＸ相のＩＧＢＴおよび前記ＩＧＢＴの周辺の銅箔パターンを含む回路基板の温度、または、３相モータ１１内のＸ相の励磁コイルの温度、のいずれか１個を検知すると良い。前記相対的に最高温度の前記Ｘ相を選択することにより、前記３相インバータ１０の回路基板全体の温度上昇を抑制できる。

【0018】

３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ２にて、電池モジュール２０群の電圧すなわち前記３相インバータ１０の入力電圧を検知し前記電池モジュール２０群の電圧が所定値を下回るか否かを検知し、前記電池モジュール２０群の電圧が所定値を下回ったと判定した場合はＳｔｅｐ３へ移行する一方、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ５へ移行する。３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ３にて、前記電池モジュール２０群の電圧低下率が所定値を上回るか否かを検知し、前記電池モジュール２０群の電圧低下率が所定値を上回ったと判定した場合は、Ｓｔｅｐ５へ移行し、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ４へ移行する。

【0019】

前記電圧低下率とは、所定時間当たりに低下した電圧差の絶対値、または、所定時間前の電圧値に対する現在の電圧値の相対値としてのパーセント値、のいずれを用いても良い。

【0020】

３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ４にて、３相に出力する交流電圧の振幅を下げる一方、Ｓｔｅｐ５にて、前記３相に出力する交流電圧の振幅を上げる。この際、前記Ｘ相の交流電圧振幅調整量を他の２相の交流電圧振幅調整量より相対的に大きくする。これによって、前記インバータ１０の回路基板の発熱を効率的に抑制でき、および、前記Ｘ相および前記他の２相のそれぞれの交流電圧振幅のアンバランスに伴う前記３相モータ１１の振動が乗員にとって不快なものになることを抑制できる。

【0021】

これによって、前記３相の出力電流の調整を行い、モータ１１の回転に大きく影響することなく、前記３相インバータ１０の入力電流すなわち前記電池モジュール２０群の放電電流の増減を調整して前記電池モジュール２０群の放電末期の放電電圧の低下を抑制し放電時間を延長、および、前記３相インバータ１０の回路基板の発熱を抑え前記３相インバータのコストダウン、の両立、を実現できる。

【0022】

３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ６にて、Ｘ相の出力電流が所定値を下回るか否かを検知し、前記Ｘ相の出力電流が所定値を下回ったと判定した場合は、Ｓｔｅｐ７へ移行し、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ１へ帰還する。リチウムイオン二次電池セルは残容量０％に近づくと放電電圧の低下速度が増すため、すなわち、前記電池モジュール２０群の電圧低下率が大きくなるため、Ｓｔｅｐ２ないしＳｔｅｐ４にて前記電池モジュール２０群の放電電圧の低下を抑制する方へ作用し前記Ｘ相の出力電流が０Ａに近づく。したがって、Ｓｔｅｐ６の判定は電池モジュール２０群の残容量が０％に達したか否かを判定することに等しい。また、電池モジュール２０群が過負荷時、すなわち、前記電池モジュール２０群の放電電流が顕著に増加した場合、前記電池モジュール２０群の電圧低下率が大きくなり、その放電電流が抑制されるように能動的に制御されるため、前記過負荷に伴う前記電池モジュール２０群の信頼性低下を回避できるメリットも有する。

【0023】

３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ７にて、前記電池モジュール２０群の内、少なくとも１個の過放電状態となったリチウムイオン二次電池セルが存在するか否かを検知し、前記少なくとも１個の過放電状態となったリチウムイオン二次電池セルが存在すると判定した場合はＳｔｅｐ８へ移行し３相全ての出力を停止し、そうでない場合はＳｔｅｐ１へ帰還する。ここでは、前記リチウムイオン二次電池セルが過放電故障する前に予め検知してその放電を停止することが好ましい。

【0024】

当該制御アルゴリズム１に従うモータ駆動回路１０１は、基本的に、電池モジュール２０群内の電池セル群１Ｈ全体の過放電を防止するように能動的に制御するが、何らかの要因によって、電池モジュール２０の電池セル群１Ｈ内に大きな残容量アンバランスが生じた場合、少なくとも１個の過放電状態となったリチウムイオン二次電池セルが生じ得るため、前記過放電状態、すなわち、前終止電圧を下回った状態となったリチウムイオン二次電池セルが過放電故障することを防止できる。

【0025】

制御アルゴリズム１に従うモータ駆動回路１０１の電池モジュール２０群の放電特性、および、従来技術の放電特性の違いについて、次に、図６のグラフ図を用いて説明する。

【0026】

従来技術の電池モジュール群の１充電あたりの放電特性は、図６左図に示すように、点線Ａ０で示す電流値Ｉ（Ａ）の定電流で放電する場合、満充電後の電圧値Ｖｓｔａｒｔから始まり、放電が続き残容量の減少に伴い実線Ｂ０で示すように徐々に低下し放電時間ｔ１の時点で前記電圧値が終止電圧Ｖｅｎｄに達し、その残容量が０％になる。一般に、リチウムイオン二次電池セルは、前記終止電圧Ｖｅｎｄより低い電圧まで放電すると過放電により故障する一方、前記終止電圧Ｖｅｎｄより高い電圧放電停止すると、その電池寿命を延長できる特性を有する。

【0027】

一方で、図６右図に示すように、前記制御アルゴリズム１に従う前記モータ駆動回路１０１の、前記モータ駆動回路１００と同じリチウムイオン二次電池セルを有する電池モジュール２０群の１充電あたりの放電特性は、満充電後の電圧値Ｖｓｔａｒｔから始まり、実線Ｂ１で示すように前記電池モジュール２０群の電圧または電圧低下率に応じてその放電電圧が低下しにくいように、すなわち、概ね定電圧を保つように放電電流が調整され、点線Ａ１に示すように放電電流が電流値Ｉ（Ａ）より低く徐々に低下し、その結果、前記放電時間ｔ１を超えても放電電圧が前記終止電圧Ｖｅｎｄに達しない。すなわち、同じリチウムイオン二次電池セルを使用し、前記リチウムイオン二次電池セルの定格容量を大容量化することなく１充電あたりの放電時間の延長を実現できる。また、放電時間を維持して、前記リチウムイオン二次電池セルの定格容量を小容量化して電池モジュール２０群のさらなるコストダウンも実現できる。

【0028】

なお、前記制御アルゴリズム１の制御パラメータの詳細について、前記リチウムイオン二次電池セルの定格容量を下げて前記リチウムイオン二次電池セルをコストダウンしながら、モータ駆動回路の放電時間の延長を実現できる制御パラメータの最適値を選択することができる。

【0029】

制御アルゴリズム１に従うモータ駆動回路１０１の３相インバータ１０の回路基板の温度特性、および、従来技術の３相インバータの回路基板の温度特性の違いについて、次に、図７のグラフ図を用いて説明する。

【0030】

従来技術の３相インバータの回路基板の温度特性は、図７左図に示すように、３相インバータの入力電流を点線Ａ０で示す電流値Ｉ（Ａ）の定電流で通電する場合、周囲温度Ｔｓｔａｒｔ下で温度Ｔｓｔａｒｔから通電開始した前記回路基板の温度は、実線に示すように通電時間ｔ１を超えても温度Ｔ０でサチレートする。

【0031】

一方で、制御アルゴリズム１に従う前記モータ駆動回路１０１の３相インバータ１０の回路基板の温度特性は、図７右図に示すように、前記制御アルゴリズム１のＳｔｅｐ２ないしＳｔｅｐ５に従い前記３相インバータ１０が、電池モジュール２０群の放電電圧が低下しにくいようにその３相の内の１相の出力電流を概ね０Ａに徐々に近づくように制御し、および、前記の他の２相の出力電流がほとんど維持されることに伴いその入力電流を、点線Ａ１で示す図６右図と同じ電流値Ｉ（Ａ）から電流値が概ね２／３Ｉ（Ａ）に向かい徐々に低減する電流値で通電する場合、周囲温度Ｔｓｔａｒｔ下で温度Ｔｓｔａｒｔから通電開始した前記３相インバータ１０の回路基板の温度は実線に示すように通電時間ｔ１を超えても前記温度Ｔ０より低い温度Ｔ１でサチレートする。前記モータ駆動回路１０１の前記３相インバータ１０の回路基板のモータ駆動中の温度を、前記モータ駆動回路１００の前記３相インバータ１０の回路基板の温度よりも相対的に低くできることにより、前記モータ駆動回路１００の前記３相インバータ１０の回路基板の発熱対策に係るコストを下げられ、かつ、回路基板に実装される電子部品の高温に対する信頼性を向上することもできる。

【0032】

また、前記３相インバータ１０の回路基板と同様に、前記電池モジュール２０群も放電時の温度上昇も抑制できるため、前記リチウムイオン二次電池セルの高温放電に伴う電池寿命低下を抑制でき、それに対する対策に係るコストを下げることもできる。

【0033】

これらによって、制御アルゴリズム１に従う当該モータ駆動回路１０１の全体のコストは、前記モータ駆動回路１００の全体のコストに対して大幅に下げることができる。

【0034】

上記のように、図６ないし図７を用いて説明した効果を得るための制御因子の共通項は、リチウムイオン二次電池セルの終止電圧を下回らないように電池モジュールの放電末期の放電電流が放電初期の放電電流よりも相対的に低くなるように能動的に制御されることであり、すなわち、本発明の第２実施例として、放電中の前記電池モジュール２０の電池セル群１Ｈ内の、放電深度に従い減少する前記電池モジュール群の残容量に応じて前記放電末期の電流値が放電初期の電流値よりも相対的に低くなるように能動的に制御する制御アルゴリズム２をモータ駆動回路１０１に適用可能である。

【0035】

制御アルゴリズム２に従うモータ駆動回路１０１のメインコントローラ１２０および３相モータ１０の制御の概略について、次に、図８のフローチャート図を用いて説明する。

【0036】

３相モータ１１の駆動中、メインコントローラ１２０は、Ｓｔｅｐ１にて、絶縁性通信ライン３を用いて各電池モジュール２０と通信を行い、電池モジュール２０群の残容量を計算する。一般に、リチウムイオン二次電池セルの残容量は、無負荷時の開放電圧から求める手法があるが、高精度の残容量値を検知するために、電池モジュール２０内のモジュールコントローラ３１がシャント抵抗６を用いて放電電流値を常時監視して以前に記憶した前記残容量値から放電量を差し引く計算を行うことができる。前記３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ２にて、３相インバータ１０は、３相の内、相対的に最高温度である１個の相のＸ相を選択する。前記Ｘ相の選択は、前記制御アルゴリズム１と同じである。

【0037】

３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ３にて、前記電池モジュール２０群の残容量が所定値を下回るか否かを検知し、前記残容量が所定値を下回ったと判定した場合、Ｓｔｅｐ４へ移行する一方、そうでない場合、Ｓｔｅｐ３でループする。前記３相インバータ１０は、Ｓｔｅｐ４にて、３相に出力する交流電圧の振幅を低減する。Ｓｔｅｐ４は、前記制御アルゴリズム１のＳｔｅｐ４と同じである。

【0038】

ここで、前記Ｘ相および他の２相に出力する交流電圧の振幅の調整量を異なるものとする。これによって、前記Ｘ相の出力電流が減少し、すなわち、電池モジュール２０群の放電電流を減少し、前記インバータ１０の回路基板の発熱を抑制し、および、３相モータの３個の励磁コイルに流れるそれぞれの電流の変化に伴う前記３相モータ１０のロータのトルクリップルの増加を抑制できるメリットがある。

【0039】

なお、Ｓｔｅｐ３ないしＳｔｅｐ４では、残容量に応じて前記Ｘ相の出力電流を低減する段数を１段とする制御を一例に挙げたが、前記段数をリチウムイオン二次電池セルに最適な複数段を設けて、それを予め数値テーブルとして記憶し、Ｓｔｅｐ３ないしＳｔｅｐ４の都度、前記数値テーブルを参照して実行することができる。

【0040】

図８に示す制御アルゴリズム２のＳｔｅｐ５ないしＳｔｅｐ７は、図５に示す前記制御アルゴリズム１のＳｔｅｐ６ないしＳｔｅｐ８と同じである。

【0041】

図９に示すように、モータ駆動回路１０３に、前記制御アルゴリズム１または前記制御アルゴリズム２を適用すると、独立した３個の閉回路に電池モジュール２０および単相インバータ１０がそれぞれ配置されることに伴う本来の効果が加味され、電気自動車の１充電あたりの航続距離の延長および、コストダウンの効果を相乗的に高められる。

【0042】

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

【符号の説明】

【0043】

２ 電池モジュール
２０ 電池モジュール
１００ モータ駆動回路
１０１ モータ駆動回路
１０３ モータ駆動回路
１２０ メインコントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】