JP2005253287A - 車両用電池の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】HV電池5の制御装置1は、電池ECU14にてメインルーチンを実行することにより、自己放電量を考慮した残存容量SOCの使用範囲下限NLSOCを算出する。そして、HV車両制御ECU15にて、この使用範囲下限NLSOCに基づく残存容量SOCの制御が行われる。また、自己放電率SDRの値は、停止期間の平均気温の予測値を用いて修正される。これにより、自己放電量を考慮しながら残存容量SOCを制御することができるので、余分の走行トルクを効率的に回収できるとともに、エンジンの起動を確実に行えるようになる。
【選択図】図2
Description
従来より、地球温暖化や石油資源枯渇などの問題に対して、充電可能な電池から走行トルクを得ることができるハイブリッド自動車や電気自動車などが注目されている。
これらの車両では、減速等により生じる余分の走行トルクを電力に変換して電池を充電する回生充電が行われている。余分の走行トルクは、電池が満充電状態で充電できない場合、機械式ブレーキなどにより消費されてしまう。このため、余分の走行トルクを無駄なく効率的に回収するには、電池の残存容量をできるだけ低く維持することが要望される。
しかし、エンジンや電気モータなどの走行用駆動源が停止している停止期間でも、電池の残存容量は自己放電により低下する。このため、電池の残存容量が不十分となって、車両の始動を行うのに必要な出力を得ることができなくなる虞がある。
請求項1に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間に電池から放電される自己放電量に応じて、電池の残存容量の使用範囲下限を算出する残存容量下限算出手段と、残存容量下限算出手段による算出値に基づいて、電池の残存容量を制御する充放電制御手段とを備える。
これにより、自己放電量を考慮しながら電池の残存容量を制御することができる。この結果、余分の走行トルクを効率的に回収できるとともに、車両の始動を確実に行えるようになる。
請求項2に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間の平均気温を予測する平均気温予測手段を備え、残存容量下限算出手段は、平均気温予測手段による予測値に応じて自己放電量を算出する。
自己放電量は、温度依存性があり温度が高いほど多くなる。このような温度依存性を自己放電量の算出に反映させることにより、さらに精度の高い自己放電量を算出することができる。
請求項3に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間の単位時間当たりの自己放電量である自己放電率を、停止期間に電池の電圧を計測することにより更新する。
自己放電率は、電池の使用に伴い変動する虞がある。また、制御回路などに流れる暗電流が変動することにより、見かけ上、変動することもある。
そこで、電池の電圧の計測値を用いて自己放電率を更新することにより、上記のような変動に関わらず、正確な自己放電率を用いて電池の残存容量の使用範囲下限を算出することができる。
請求項4に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間の経過後に電池から得ることができる出力を予測する出力予測手段と、出力予測手段による予測値と車両を始動するのに必要な出力の値とを比較し、この比較結果に応じて、停止期間の経過後に車両を始動するのに必要な残存容量を予測する必要残存容量予測手段とを備え、残存容量下限算出手段は、必要残存容量予測手段による予測値に応じて、電池の残存容量の使用範囲下限を算出する。
これにより、自己放電量ばかりでなく、車両を始動するのに必要な出力も考慮しながら、電池の残存容量を制御することができる。この結果、車両の始動の確実性がさらに向上する。
請求項5に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間の最低気温を予測する最低気温予測手段を備え、出力予測手段は、最低気温予測手段による予測値に応じて、停止期間の経過後に電池から得ることができる出力を予測する。
電池から得ることができる出力は、温度依存性があり温度が低いほど少なくなる。このような温度依存性を出力予測手段に反映させることにより、電池から得ることができる出力を、より高精度に算出することができる。
請求項6に記載の車両用電池の制御装置によれば、出力予測手段は、電池を抵抗およびコンデンサを含む電気回路でモデル化した等価回路を用いて予測を行う。
この結果、簡易な電気回路のモデルを用いて、電池から得ることができる出力を予測することができる。
請求項7に記載の車両用電池の制御装置によれば、等価回路のインピーダンスは、電池から得られる電流の計測値および電池の電圧の計測値を用いて更新される。
これにより、電池の劣化などに伴う出力特性の経時変化を、出力予測手段に反映させることができる。このため、電池から得ることができる出力を、さらに高精度に算出することができる。
請求項8に記載の車両用電池の制御装置によれば、等価回路のインピーダンスは、電池を構成する単位セルの過充電または過放電が検知されたときに更新される。
これにより、一部の単位セルの劣化による出力特性の経時変化を、出力予測手段に反映させることができる。このため、電池から得ることができる出力を、さらに高精度に算出することができる。
請求項9に記載の車両用電池の制御装置によれば、コンデンサの容量は、電圧の計測値から算出される残存容量、および電流の計測値から算出される電池の充電量の変化量を用いて更新される。
この手段は、等価回路のインピーダンスに含まれるコンデンサの容量を更新する手段の一形態である。
請求項10に記載の車両用電池の制御装置は、電池の手入れを行う目安として、インピーダンスの現在値およびインピーダンスの初期値に基づいて指標を算出する。
これにより、電池の劣化の程度を数値的に把握できるようになり、電池の異常や交換時期を知る目安をユーザに提示できる。
請求項11に記載の車両用電池の制御装置は、電池の手入れを行う目安として、電池から得ることができる出力に基づいて指標を算出する。
これにより、請求項8と同様の効果が得られる。
請求項12に記載の車両用電池の制御装置は、電池の手入れを行う目安として、電池の残存容量の使用範囲下限に基づいて指標を算出する。
これにより、請求項8と同様の効果が得られる。
請求項13に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間に一定の時間間隔で電池の電圧を計測することにより、電池の残存容量の変動量を算出し、この変動量に基づいて車両が次に始動できるか否かを判定する始動可否判定手段と、始動可否判定手段により始動不可能と判定された場合に、この判定結果をユーザに報知する通信手段とを備える。
残存容量が使用範囲下限を下回らないように制御されても、停止期間が想定値以上に長くなる、または、停止期間中の気温の急激な変動などにより自己放電量が計算値以上に増加するなどの原因により、残存容量が、車両を始動するのに必要な残存容量よりも低くなる虞がある。
このような場合に、ユーザは、次回の始動が危ぶまれることを事前に知ることができるので、電池を充電させるなどの必要な措置をとることができる。
請求項14に記載の車両用電池の制御装置によれば、通信手段は、ユーザからの指令を伝達するために用いることができ、充放電制御手段は、ユーザからの充電指令が通信手段を介して伝達されることにより作動して、電池の残存容量を上昇させる。
これにより、ユーザは、次回の始動が危ぶまれることを知ることができるとともに、遠隔操作により電池を充電させることができる。
請求項15に記載の車両用電池の制御装置は、停止期間に一定の時間間隔で電池の電圧を計測することにより、電池の残存容量の変動量を算出し、この変動量に基づいて車両が次に始動できるか否かを判定する始動可否判定手段を備え、充放電制御手段は、始動可否判定手段により始動不可能と判定されると自動的に作動して、電池の残存容量を上昇させる。
これにより、停止期間に次回の始動が危ぶまれる状態になっても、自動的に電池が充電される。なお、この場合、ユーザは何ら操作を行う必要がない。
請求項16に記載の車両用電池の制御装置によれば、電池は車両の走行トルクを得るための電源である。
請求項17に記載の車両用電池の制御装置によれば、電池はリチウムイオン電池である。
リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池や鉛蓄電池などに比べて出力密度およびエネルギ密度が高く、また残存容量の演算精度が高いので、請求項1ないし請求項15の効果が特に大きい。
出力予測手段は、最低気温予測手段による予測値に応じて、停止期間の経過後に電池から得ることができる出力を予測する。また、出力予測手段は、電池を抵抗およびコンデンサを含む電気回路でモデル化した等価回路を用いて予測を行う。
等価回路のインピーダンスは、電池から得られる電流の計測値および電池の電圧の計測値を用いて更新される。また、等価回路のインピーダンスは、電池を構成する単位セルの過充電または過放電が検知されたときに更新される。
充放電制御手段は、始動可否判定手段により始動不可能と判定されると自動的に作動して、電池の残存容量を上昇させる。
実施例1の車両用電池の制御装置1を図面に基づいて説明する。制御装置1は、例えば、図1に示すようにエンジン2とモータジェネレータ3とを駆動源とするハイブリッド自動車4に搭載され、モータジェネレータ3との間で充放電を行うHV電池5の残存容量を制御する。ハイブリッド自動車4は、エンジン2、モータジェネレータ3、インバータ6、動力分割統合装置7、変速伝達装置8およびHV電池5を備える周知の構造をなしている。
まず、ハイブリッド自動車4の発進時または加速時などには、モータジェネレータ3が、HV電池5からの放電を受けて電気モータとして機能しモータトルクを発生する。そして、このモータトルクが動力分割統合装置7にてエンジントルクと統合されてタイヤ9に伝達されることにより、走行トルクのアシストが行われる。
また、エンジン2の起動時にも、モータジェネレータ3が、HV電池5からの放電を受けて電気モータとして機能しモータトルクを発生する。そして、このモータトルクが動力分割統合装置7を介してエンジン2に伝達されることにより、エンジン2がクランキングされて起動する。
また、電池ECU14は、HV車両制御ECU15からの通信線28により、後記する最低気温の予測値または平均気温の予測値が入力される。
また、電池ECU14は、HV電池5に交換、修理などの手入れを行う目安としての劣化指標SOHを算出する。
実施例1の制御方法を図面に基づいて説明する。
実施例1では、エンジン2が起動している間、電池ECU14により図4に示すメインルーチンが実行されて残存容量SOCの使用範囲下限NLSOCが算出されるとともに、残存容量SOCが使用範囲下限NLSOCを下回らないようにHV車両制御ECU15により残存容量SOCが制御される。メインルーチンは、エンジン2の起動中に所定の時間間隔ごとに実行され、使用範囲下限NLSOCはその都度更新される。
なお、劣化指標SOHの算出はメインルーチンを用いて電池ECU14により行われる。この劣化指標SOHの算出は、所定の時間間隔毎に実施される。
まずステップ1で、停止期間経過後にエンジン2を起動するのに必要な出力WESを算出する。出力WESは、図示しないエンジン起動必要出力マップを用いて算出される。エンジン起動必要出力マップは、エンジン2を起動するのに必要な出力と温度との相関を示すマップである。出力WESは温度が低いほど大きくなる。よって、出力WESは、HV車両制御ECU15から電池ECU14に入力された最低気温の予測値をエンジン起動必要出力マップに当てはめることにより算出される。
使用範囲下限NLSOCの算出値は、電池ECU14からHV車両制御ECU15へ出力され、残存容量SOCの制御に用いられる。
まずステップ21で、HV電池5の電圧Vを計測する。次にステップ22で、電圧Vの計測値を単位セル11の数で除算した後、図8(a)のセル起電力マップに当てはめて残存容量SOCを算出する。次にステップ23で、この残存容量SOCの算出値と前回のSDR更新ルーチン実行時に算出された残存容量SOCの値との差をSDR更新ルーチンが実行される時間間隔で除算することにより自己放電率SDRの仮値SDR′を算出する。次にステップ24で、仮値SDR′の値を基準温度での値に換算し、新たに仮値SDR′の値とする。
まずステップ41、42で、イグニッションキーがオンされてから微小時間Δt0が経過した時に、HV電池5の電圧VとHV電池5から得られる電流Iとを計測することにより、放電開始直後のHV電池5の電圧降下ΔV0、放電開始直後にHV電池5から得られる電流I0を算出する。
以上により、算出された劣化係数ksおよび劣化係数kctの値に基づいて、RsマップおよびRctマップが更新される。
まずステップ61で、エンジン2の起動時のHV電池5の電圧VESおよびエンジン2の起動時にHV電池5から得られる電流IESを計測する。次にステップ62で、電流IESの計測値を等価回路に当てはめて推定起動電圧VPESを算出する。
まずステップ81で、HV電池5の放電中にいずれかの単位セル11の電圧vがセル電圧下限vLを下回ったか否か、またはHV電池5の充電中にいずれかの単位セル11の電圧vがセル電圧上限vUを上回ったか否かが判定される。この判定は、過充放電検出信号がセル監視回路13から電池ECU14に入力されたか否かに基づいて行うことができる。なお、本実施例では、放電の際に電流Iの計測値が正の値となり、充電の際に電流Iの計測値が負の値となる。そして、上記の条件が成り立つ場合(YES)にはステップ82へ進む。
まずステップ101で、HV電池5の電圧Vを計測する。次にステップ102で、この計測値をセル数で除算し、この除算された値をセル起電力マップに当てはめることにより、残存容量SOCを算出する。次にステップ103で、この残存容量SOCの値と前回の充電ルーチンで算出された残存容量SOCの値との差(以下、変化量ΔSOCと呼ぶ)を算出する。
以上により、充電ルーチンを記憶するとともに実行する電池ECU14は、エンジン2の停止中に一定の時間間隔で電池の電圧を計測することにより変化量ΔSOCを算出し、変化量ΔSOCに基づいてハイブリッド自動車4が次に始動できるか否かを判定する始動可否判定手段をなす。
本実施例の劣化指標SOHは、使用範囲下限NLSOCに基づいて算出される。劣化指標SOHの算出に用いられる使用範囲下限NLSOCの値は、所定の劣化指標算出用の基準温度を用いてメインルーチンと同様のステップを実行することにより算出される。この使用範囲下限NLSOCの算出値を数式13に代入することにより、劣化指標SOHの値が算出される。
実施例1の制御装置1は、電池ECU14にてメインルーチンを実行することにより、自己放電量を考慮した使用範囲下限NLSOCを算出する。そして、HV車両制御ECU15にて、この使用範囲下限NLSOCに基づく残存容量SOCの制御が行われる。
これにより、自己放電量を考慮しながら残存容量SOCを制御することができるので、余分の走行トルクを効率的に回収できるとともに、エンジン2の起動を確実に行えるようになる。
自己放電率SDRの値は、温度が高いほど大きくなる。このような温度依存性を自己放電率SDRの算出に反映させることにより、さらに精度の高い自己放電量を算出することができる。
これにより、HV電池5の使用などに伴う自己放電率SDRの変動を、自己放電率SDRの値に反映させることができる。このため、HV電池5の使用などに伴う自己放電率SDRの変動に関わりなく、メインルーチンの実行結果を信頼することができる。
これにより、自己放電量ばかりでなく、エンジン2を起動するの必要な出力WESも考慮しながら残存容量SOCを制御することができる。この結果、車両の始動の確実性がさらに向上する。
これにより、簡易な電気回路のモデルを用いて、出力WBを算出することができる。
HV電池5から得ることができる出力は温度が低いほど少なくなる。このような出力特性の温度依存性は、等価回路の電荷移動抵抗Rsおよび界面抵抗Rctに反映させることができる。よって、出力に対する温度条件が最も厳しい最低気温を用いて、電荷移動抵抗Rsおよび界面抵抗Rctを算出することにより、エンジン2の起動に対する確実性を向上させることができる。
これにより、HV電池5の劣化などに伴う出力特性の経時変化を、等価回路に反映させることができる。このため、HV電池5の経時変化に関わりなく、メインルーチンの実行結果を信頼することができる。
実施例1の等価回路では、電荷移動抵抗Rsが電気二重層容量Cと直列に配置され界面抵抗Rctが電気二重層容量Cと並列に配置されている。このため、電荷移動抵抗Rsの方が界面抵抗Rctよりも通電時の応答が速い。
よって、過充放電検出信号が検出されたときに電荷移動抵抗Rsの値を更新するようにすれば、より早期に、単位セル11の過充電および過放電の影響を解消することができる。
これにより、HV電池5の劣化の程度を数値的に把握できるようになり、HV電池5の異常や交換時期を知る目安をユーザに提示できる。
これにより、停止期間に次回のエンジン2の起動が危ぶまれる状態になっても、自動的にHV電池5が充電される。
実施例2の電池ECU14は、等価回路の電気二重層容量C(以下、コンデンサの容量Cとする)の値を、HV電池5の劣化を反映した値にするため、C更新ルーチンにより更新する。この更新は、コンデンサの容量Cの劣化係数kcpを、HV電池5の初期の(工場出荷時の)満充電量Qf0に対する現在の可能満充電量Qfの比率として算出し、算出された劣化係数kcpを初期の容量C0に乗算することで、実行される。
まず、ステップ121で電圧Vの初期値V1および最終値V2の計測に適した時期か否かを判定する。
実施例2では、C更新ルーチンを実行することにより、等価回路のコンデンサの容量Cの値を更新する。この更新は、HV電池5の電圧Vの計測値から算出される残存容量SOC、およびHV電池5から得られる電流Iの計測値から算出される充電量の変化量ΔQを用いて行われる。
これにより、等価回路のコンデンサの容量Cの値が、HV電池5の経時劣化に応じて更新される。このため、等価回路のインピーダンスの精度が向上するので、メインルーチンの実行結果の信頼性がさらに向上する。
実施例1では、充電促進指令により自動的にHV電池5の充電が行われたが、HV電池5の充電不足を通信手段17によりユーザに報知し、ユーザに遠隔操作させることによりHV電池5の充電が行われるようにしてもよい。あるいは、ユーザには充電不足を報知するのみで、ユーザの手動操作によりエンジン2を起動させてHV電池5の充電を行うようにしてもよい。
実施例1では、HV電池5としてリチウムイオン電池を用いたが、ニッケル水素電池や鉛蓄電池などを用いてもよい。
2 エンジン(駆動源)
3 モータジェネレータ(駆動源)
4 ハイブリッド自動車(車両)
5 HV電池(電池)
11 単位セル
14 電池ECU(残存容量下限算出手段、出力予測手段、必要残存容量予測手段、始動可否判定手段)
15 HV車両制御ECU(充放電制御手段、平均気温予測手段、最低気温予測手段)
17 通信手段
SOC 残存容量
TL 停止期間
NLSOC 使用範囲下限(残存容量の使用範囲下限)
SDR 自己放電率
V 電圧(電池の電圧)
WES 出力(車両を始動するのに必要な出力)
WB 出力(電池から得ることができる出力)
SLSOC 必要残存容量(車両を始動するのに必要な残存容量)
I 電流(電池から得られる電流)
SOH 劣化指標(指標)
C 容量(電気二重層容量、コンデンサの容量)
ΔQ 変化量(電池の充電量の変化量)
Claims (17)
- 車両に搭載される電池の残存容量を制御する車両用電池の制御装置において、
前記車両の駆動源が停止している停止期間に前記電池から放電される自己放電量に応じて、前記電池の残存容量の使用範囲下限を算出する残存容量下限算出手段と、
この残存容量下限算出手段による算出値に基づいて、前記電池の残存容量を制御する充放電制御手段とを備える車両用電池の制御装置。 - 請求項1に記載の車両用電池の制御装置において、
前記停止期間の平均気温を予測する平均気温予測手段を備え、
前記残存容量下限算出手段は、前記平均気温予測手段による予測値に応じて、前記自己放電量を算出することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の車両用電池の制御装置において、
前記停止期間の単位時間当たりの自己放電量である自己放電率を、前記停止期間に前記電池の電圧を計測することにより更新することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項3に記載の車両用電池の制御装置において、
前記停止期間の経過後に前記電池から得ることができる出力を予測する出力予測手段と、
この出力予測手段による予測値と前記車両を始動するのに必要な出力の値とを比較し、この比較結果に応じて、前記停止期間の経過後に前記車両を始動するのに必要な残存容量を予測する必要残存容量予測手段とを備え、
前記残存容量下限算出手段は、前記必要残存容量予測手段による予測値に応じて、前記電池の残存容量の使用範囲下限を算出することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項4に記載の車両用電池の制御装置において、
前記停止期間の最低気温を予測する最低気温予測手段を備え、
前記出力予測手段は、前記最低気温予測手段による予測値に応じて、前記停止期間の経過後に前記電池から得ることができる出力を予測することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項4または請求項5に記載の車両用電池の制御装置において、
前記出力予測手段は、前記電池を抵抗およびコンデンサを含む電気回路でモデル化した等価回路を用いて予測を行うことを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項6に記載の車両用電池の制御装置において、
前記等価回路のインピーダンスは、前記電池から得られる電流の計測値および前記電池の電圧の計測値を用いて更新されることを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項6または請求項7に記載の車両用電池の制御装置において、
前記等価回路のインピーダンスは、前記電池を構成する単位セルの過充電または過放電が検知されたときに更新されることを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項7に記載の車両用電池の制御装置において、
前記コンデンサの容量は、前記電圧の計測値から算出される残存容量、および前記電流の計測値から算出される前記電池の充電量の変化量を用いて更新されることを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項7ないし請求項9に記載の車両用電池の制御装置において、
前記電池の手入れを行う目安として、前記インピーダンスの現在値および前記インピーダンスの初期値に基づいて指標を算出することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項9に記載の車両用電池の制御装置において、
前記電池の手入れを行う目安として、前記電池から得ることができる出力に基づいて指標を算出することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項9に記載の車両用電池の制御装置において、
前記電池の手入れを行う目安として、前記電池の残存容量の使用範囲下限に基づいて指標を算出することを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項12に記載の車両用電池の制御装置において、
前記停止期間に一定の時間間隔で前記電池の電圧を計測することにより、前記電池の残存容量の変動量を算出し、この変動量に基づいて、前記車両が次に始動できるか否かを判定する始動可否判定手段と、
この始動可否判定手段により始動不可能と判定された場合に、この判定結果をユーザに報知する通信手段とを備える車両用電池の制御装置。 - 請求項13に記載の車両用電池の制御装置において、
前記通信手段は、ユーザからの指令を伝達するために用いることができ、
前記充放電制御手段は、ユーザからの充電指令が前記通信手段を介して伝達されることにより作動して、前記電池の残存容量を上昇させることを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項12に記載の車両用電池の制御装置において、
前記停止期間に一定の時間間隔で前記電池の電圧を計測することにより、前記電池の残存容量の変動量を算出し、この変動量に基づいて、前記車両が次に始動できるか否かを判定する始動可否判定手段を備え、
前記充放電制御手段は、前記始動可否判定手段により始動不可能と判定されると自動的に作動して、前記電池の残存容量を上昇させることを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項15に記載の車両用電池の制御装置において、
前記電池は、前記車両の走行トルクを得るための電源であることを特徴とする車両用電池の制御装置。 - 請求項1ないし請求項16に記載の車両用電池の制御装置において、
前記電池は、リチウムイオン電池であることを特徴とする車両用電池の制御装置。
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