JP2008016229A - 車両用バッテリの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両駆動用のバッテリとしてリチウムイオン電池を使用する場合において、バッテリが性能劣化を引き起こす極低温状態に至ることを確実に防止する。
【解決手段】 寒冷地等でリチウム金属が負極上に析出することによるバッテリ８の性能劣化が生じる極低温状態に至る可能性が高いと予測された場合、バッテリ８の充電量を予め上昇させておく。その後、駐車時において、バッテリ８が極低温状態となる前に、内部発熱による温度上昇を繰り返し行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用バッテリの制御装置に関し、特に、負極が炭素材料で構成されたリチウムイオン電池により構成された車両駆動用のバッテリの制御装置に関する。

ハイブリッド電気自動車用のバッテリとして、特許文献１に開示されるような炭素材料で負極が構成されたリチウムイオン電池が注目されている。ただし、このリチウムイオン電池には特有の問題がある。すなわち、同文献に開示されているように、リチウムイオン電池を極低温時（例えば、−１５℃以下）に使用するとリチウム金属が負極上に析出し、著しい性能劣化が起きる（以下この状態を「極低温状態」という。）という問題である。

このような極低温状態になるケースとして、寒冷地に長時間駐車する場合が考えられる。そこで、バッテリが極低温状態とならないように、駐車時にバッテリの放電を行い、内部発熱による温度上昇を促進することが考えられる。

特開２００１−５２７６０号公報 特開２００５−３３２７７７号公報

しかしながら、極低温状態を防止するには繰り返しこの内部発熱による温度上昇を行う必要がある。そのため、バッテリの充電量（以下「ＳＯＣ」という。）が少ない場合には、この温度上昇制御ができなくなりバッテリが極低温状態に至ることを防止できない。なお、特許文献２にも、バッテリ低温時に充放電を活発化させることにより内部発熱による温度上昇を促進することが開示されているが、この技術は、寒冷地での長時間駐車などによってバッテリが極低温状態に至ることを想定したものではない。

そこで、本発明は、車両駆動用のバッテリにリチウムイオン電池を使用する場合において、バッテリが性能劣化を引き起こす極低温状態に至ることを確実に防止することを目的とする。

本発明の一側面によれば、負極が炭素材料で構成されたリチウムイオン電池により構成され、車両の駆動モータに電力を供給する、充放電可能な車両用バッテリの制御装置であって、リチウム金属が負極上に析出することによって性能劣化が生じる極低温状態に至る可能性を予測する予測手段と、前記予測手段により前記極低温状態に至る可能性が高いと予測された場合に、前記バッテリの充電量が多くなるように制御する充電量制御手段と、前記充電量制御手段により前記バッテリの充電量が多くされた後において、前記バッテリの温度を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定温度以下である場合に、前記バッテリの放電を行うことで内部発熱を促進させ前記バッテリの温度を上昇させる温度上昇制御手段とを備えることを特徴とする車両用バッテリの制御装置が提供される。

この構成によれば、バッテリが極低温状態となることが予測されるときには、バッテリの充電量が高くなるように制御される。これにより、駐車中であっても、バッテリの放電による内部発熱による暖機を複数回行うことが可能になり、バッテリが極低温状態になることを防止することができる。

本発明の好適な実施形態によれば、エンジンと、該エンジンの出力軸に連結され、前記バッテリに電力を供給可能に構成された発電用のジェネレータとを更に備え、前記充電量制御手段は、前記エンジンから前記バッテリに供給する電力が増加するように前記エンジンを運転させることで、前記バッテリの充電量を多くすることが好ましい。

かかる構成によれば充電量の制御を確実に行うことができる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記予測手段は、所定距離内に前記車両が駐車されることを予測する駐車予測手段と、前記所定距離内に前記車両が駐車されることが予測された場合に、外気温を検出する外気温検出手段と、を含み、前記外気温検出手段により検出された外気温が所定温度以下である場合に、前記極低温状態に至る可能性が高いと予測することが好ましい。

この構成によれば、バッテリが極低温状態に至る可能性を精度よく予測できる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記充電量制御手段は、前記外気温検出手段により検出された外気温が低いほど前記充電量が多くなるように制御することが好ましい。

この構成によれば、外気温が低いほど、すなわち、バッテリが極低温状態に至りやすいほど、充電量が多くなるように制御されるので、バッテリが極低温状態になることを確実に防止することができる。

本発明によれば、車両駆動用のバッテリとしてリチウムイオン電池を使用する場合において、バッテリが性能劣化を引き起こす極低温状態に至ることを確実に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決手段として必須のものであるとは限らない。

（車両の駆動系の構成）
図１は、本発明のバッテリの温度制御装置が適用される車両の駆動系を示す図である。

この駆動系はいわゆるハイブリッド車用のものとなっており、１はエンジン（内燃機関）、２は走行用モータ、３は始動用モータを兼ねるジェネレータである。エンジン１と走行用モータ２とジェネレータ３とは、後述する駆動機構４を介して、左右の駆動輪５，５間に設けられたデファレンシャルギア（デフ）６に連結されている。ジェネレータ３での発電電力は、インバータ７を介して充放電可能なメインバッテリ８に給電される。本実施形態におけるメインバッテリ８は、負極が炭素材料で構成されたリチウムイオン電池により構成されたものである。また、メインバッテリ８からの電力は、インバータ７を介して、走行用モータ２に給電されると共に、始動用モータとして用いられるときのジェネレータ３に給電される。

図２は、駆動機構４の一例を示す図である。

この駆動機構４は、遊星歯車機構１１を有する。遊星歯車機構１１は、サンギア１２と、リングギア１３と、両ギア１２，１３に対してそれぞれ噛合される複数の遊星ギア１４とを有し、各遊星ギア１４がキャリア１５に回転自在に保持されている。エンジン１（の出力軸）は、このキャリア１５に対して一体回転するように連結されている。また、ジェネレータ３は、サンギア１２と一体回転するように連結されている。

遊星歯車機構１１の回転軸（サンギア１２の回転軸）α１と平行に、２本の回転軸α２、α３が配設されている。回転軸α３は、デファレンシャルギア６の回転軸であり、その入力ギアが符号１６で示される。回転軸α２には、大小２つのギア１７，１８が一体回転するように固定されている。大きい方のギア１７は遊星歯車機構１１のリングギア１３に噛合され、小さい方のギア１８は入力ギア１６と噛合されている。また、大きい方のギア１７には、さらに、走行用モータ２の回転軸２ａに固定されたギア１９が噛合されている。

キャリア１５に入力されるエンジン１の駆動力は、遊星ギア１４（の公転運動）、リングギア１３、ギア１７，１８を経て、デファレンシャルギア６の入力ギア１６に伝達される。ギア１８に入力される走行用モータ２の駆動力は、ギア１７を経て入力ギア１６に伝達される。駆動輪５，５に制動力が付与されるブレーキ時においては、入力ギア１６からの駆動力（制動力）は、上記とは逆の経路を経て、走行用モータ２あるいはエンジン１に伝達される他、さらに遊星ギア１４を経てサンギア１２つまりジェネレータ３に伝達される（ジェネレータ３の発電で、回生制動）。エンジン１の停止時においては、サンギア１２に入力されるジェネレータ３の駆動力は、遊星ギア１４（の公転運動）からキャリア１５を経てエンジン１に伝達されて、エンジン１に対して始動のための駆動力が与えられることになる。

以上のような駆動系においては、エンジン１のみの駆動、エンジン１と走行用モータ２との両方による駆動、さらには走行用モータ２のみによる駆動、という３つの駆動態様があり、これらの駆動態様は車両の走行状態に応じて適切に使い分けられる。なお、このような駆動態様の使い分けそのものは本発明とは直接関係がないので、その詳細な説明は省略する。

エンジン１は、例えばレシプロエンジンであって、ガソリンを貯留した燃料タンク２２からガソリンの供給を受けるように構成されている。

１０は、エンジン１やインバータ７等に接続され、上記駆動系の制御を司るコントローラを構成するエンジンＥＣＵである。２５はナビゲーション装置であり、経路情報などを含むナビゲーション情報をエンジンＥＣＵ１０に送出することが可能に構成されている。また、２６は車両のフロントバンパ等に配設された外気温センサであり、その検出値はエンジンＥＣＵ１０に送出される。

本実施形態では、メインバッテリ８とは別に、２次バッテリ２７を備える。この２次バッテリ２７は通常の鉛蓄電池（いわゆる１２Ｖバッテリ）であり、電装品への給電を行う。電装品には種々のものがあるが、同図にはその代表例としてエアコン２８が図示されている。したがって以下の処理では、２次バッテリ２７の給電先はエアコン２８とされるが、エアコン２８以外の電装品としてもよい。

破線３０で囲まれた領域内は、メインバッテリ８の温度制御系を示している。３１はメインバッテリ８を冷却する冷却部、３２はメインバッテリ８の温度を検出する温度センサ、３３はメインバッテリ８に流れる電流を検出する電流センサ、３４はメインバッテリ８の電圧を検出する電圧センサである。また、３５はメインバッテリ８の温度管理の制御を司るバッテリコントローラであり、上記した温度センサ３２、電流センサ３３、電圧センサ３４それぞれの検出値を入力し、これらの検出値に基づいて冷却部３１の作動を制御するように構成されている。このバッテリコントローラ３５はエンジンＥＣＵ１０と通信可能に接続されており、後述するように電流センサ３３および電圧センサ３４の検出値からＳＯＣを推定し、そのＳＯＣをエンジンＥＣＵ１０に送出することも行う。

また、バッテリコントローラ３５は、エンジンＥＣＵ１０を介して、ナビゲーション装置２５からのナビゲーション情報および、外気温センサ２５の検出値を受信することが可能である。

メインバッテリ８の電力は走行用モータ２あるいは始動用モータ３の駆動などに用いられ消費される。また、メインバッテリ８は、走行用モータ２による回生電力やエンジン出力軸にあるジェネレータ３の発電電力により充電される。メインバッテリ８の充電量が消費され、ＳＯＣが所定の下限値以下となったら、エンジン１による発電量を増やし（すなわち、エンジンが運転する領域を拡大する）、余剰電力をメインバッテリ８に供給し充電する。こうしてメインバッテリ８は車両の駆動・制動時に充放電を繰り返す。このようなメインバッテリの充放電は、道路状況や運転状況により刻々と異なり、予測は困難である。そこでエンジンＥＣＵ１０は、充電または放電のどちらの状況にも対応可能な状態を維持するべく、通常時は、バッテリコントローラ３５より受信したＳＯＣに基づいて、メインバッテリ８のＳＯＣが例えば５０％程度になるように制御している。ただし、メインバッテリ８の極低温状態が予測される場合はこの限りではなく、後述するようなバッテリコントローラ３５による制御処理によって目標ＳＯＣが高められることになる。

次に、図３を参照してメインバッテリ８の温度制御系の具体的構成例を説明する。図３は、同温度制御系の模式的な上面図である。

冷却部３１は例えば、メインバッテリ８の側面に取り付けられる。この冷却部３１には吸気口３１１および排気口３１２が形成されており、さらに、吸気口３１１とメインバッテリ８との間、ならびに、メインバッテリ８と排気口３１２との間にそれぞれ、メインバッテリ８の強制空冷を行うための冷却ファン３１３，３１４が設けられている。この冷却ファン３１３，３１４の駆動は、双方にそれぞれ設けられ、メインバッテリ８の側方に設けられたバッテリコントローラ３５からの作動指令に応答して動作する冷却ファンモータ（図示省略）により行われる。

本実施形態におけるメインバッテリ８は、前述のとおりリチウムイオン電池であり、複数の円筒状のセルモジュール８１をマトリクス状に配した構成を有する。冷却ファン３１３，３１４が作動すると、図示の如く、メインバッテリ８のセルモジュール列の間に空気の流れが形成されて強制空冷が行われる。

また、電流センサ３３は、バッテリ端子に接続されたケーブルに直列に設けられる。一方、本実施形態では、温度センサ３２および電圧センサ３４はそれぞれ複数個用意され、図示の如くセルモジュール１列ごとに設けられる。これらすべてのセンサ出力はバッテリコントローラ３５に入力される。

なお、バッテリの冷却方式としては、上述のような冷却ファンによる空冷方式のかわりに、ペルチェ素子を用いた冷却方式を使用することもできる。

（メインバッテリの制御処理）
本実施形態に係る車両の駆動系の構成は概ね上記のとおりである。次に、メインバッテリ８の制御処理について詳しく説明する。

図４は、本実施形態におけるメインバッテリ８の目標ＳＯＣ決定する処理を示すフローチャートである。この処理は、バッテリコントローラ３５によって実行されるものであり、車両のイグニッションスイッチがオンされてからオフされるまでの間、所定の時間間隔で繰り返し実行される。また、この処理の実行時における初期目標ＳＯＣは５０％に設定されているものとする。

バッテリコントローラ３５はまず、この車両が所定距離内に駐車されることを予測する。例えば、ナビゲーション装置において設定された経路の目的地に到着した場合には通常、その位置で駐車すると考えられる。そこで本実施形態では、ナビゲーション情報に基づいて駐車を予測する。具体的には、エンジンＥＣＵ１０を介して、ナビゲーション装置２５からのナビゲーション情報を読み込み（ステップＳ１）。そのナビゲーション情報から、車両の現在位置が目的地付近に来たかどうか、具体的には、現在位置から目的地までの距離が所定距離（例えば、５ｋｍ）未満になったかどうかを判断する（ステップＳ２）。ここで、目的地までの距離が所定距離以上ある場合、または、経路設定がされておらず、そもそも目的地が不明である場合には、そのまま本処理を抜ける。一方、目的地までの距離が所定距離未満である場合には、目的地周辺に来たと予測して、処理はステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、バッテリコントローラ３５は、エンジンＥＣＵ１０を介して、外気温センサ２６により検出された外気温Ｔ１を読み込む（ステップＳ３）。その後、その外気温Ｔ１が所定温度（例えば、−５℃）以下であるかどうかを判定する（ステップＳ４）。ここで、外気温Ｔ１が所定温度以下である場合には、駐車が予想される目的地は寒冷地であり、メインバッテリ８は極低温状態になる可能性が高いと判断して、目標ＳＯＣを増加させる（ステップＳ５）。ここでは例えば、図５に示されるような外気温と目標ＳＯＣとの対応関係に基づいて、目標ＳＯＣを決定するとよい。図５に示された関係によれば、外気温が低いほど目標ＳＯＣは高い値に設定されることになる。こうすることで、メインバッテリ８が極低温状態になることを確実に防止することができる。なお、図５に示したような外気温と目標ＳＯＣとの対応関係はテーブルとして記述され、バッテリコントローラ３５内の不図示のメモリに記憶しておいてもよいし、目標ＳＯＣを外気温の関数として表し、これにＴ１の値を当てはめることで目標ＳＯＣを導出するようにしてもよい。

バッテリコントローラ３５は、エンジンＥＣＵ１０に対して、後述するメインバッテリ８の温度制御処理において推定されるＳＯＣを現在のＳＯＣとして送出するほか、以上のようにして決定された目標ＳＯＣを送出する。エンジンＥＣＵ１０では、図６に示されるような、目標ＳＯＣと現在のＳＯＣとの偏差と、ジェネレータ３に要求する発電量との対応関係を予め保持しておき、その対応関係に基づいて、受信した目標ＳＯＣと現在のＳＯＣとの偏差に対するジェネレータ３に要求する発電量を決定する。

図７は、本実施形態におけるメインバッテリ８に対する温度制御処理を示すフローチャートである。この温度制御処理は、バッテリコントローラ３５によって実行されるものであり、車両のイグニッションスイッチがオフされてからオンされるまでの間（すなわち、車両駐車時）、所定の時間間隔で繰り返し実行される。

バッテリコントローラ３５はまず、メインバッテリ８の温度αを検出する（ステップＳ１１）。具体的には、メインバッテリ８のセルモジュール各列に設けられている温度センサ３２により検出された温度をそれぞれ読み込み、その平均値を算出して、これをメインバッテリ８の温度αとする。

次に、メインバッテリ８のＳＯＣを推定する（ステップＳ１２）。この推定は例えば、メインバッテリ８のセルモジュール各列に設けられている電圧センサ３４により検出された電圧の平均値と、電流センサ３３により検出された電流値との乗算結果を積算することにより行われる。すなわちここでは、メインバッテリ８の充放電量の履歴に基づいてＳＯＣを推定している。なお、ここで推定したＳＯＣは、前述のとおりエンジンＥＣＵ１０に送出される。

次に、ステップＳ１で算出された温度αが、所定の下限温度以下となっているかどうかを判定する（ステップＳ１３）。この所定の下限温度とは、リチウムイオン電池で構成されるメインバッテリ８の温度がこれ以上下がると極低温状態に至ることが避けられないと判断される温度であり、本実施形態では、例えば、ー１０℃とする。ここで、温度αが上記下限温度以下となっていなければ、メインバッテリ８が極低温状態になるおそれはないと判断して、そのまま本処理を抜ける。一方、温度αが上記下限温度以下である場合には、ステップＳ１２で推定したＳＯＣが所定の下限値（次回のエンジン始動に必要最低限のＳＯＣ、例えば、２０％）以上あるかどうかをチェックする（ステップＳ１４）。ここで、ＳＯＣが上記下限値以上ない場合には、これ以上メインバッテリ８に放電を行わせることはできないので、そのまま本処理を抜ける。

ＳＯＣが上記下限値以上ある場合には、エンジンＥＣＵ１０に対して、メインバッテリ８に放電を行わせるためのメインバッテリ放電指令を発行する。エンジンＥＣＵ１０は、バッテリコントローラ３５からのメインバッテリ放電指令に応答して、メインバッテリ８に放電を行わせる。その際、単にメインバッテリ８からインバータ７に放電させた後、電力を抵抗などで消費させることとしてもよいが、そのかわり、２次バッテリ２７を介して、エアコン２８を駆動させ、車内を暖機するようにしてもよい。こうすることでメインバッテリ８の放電電力を有効に活用することができる。

次に、バッテリコントローラ３５は、ステップＳ１１と同様にして、メインバッテリ８の温度αを検出し（ステップＳ１６）、所定温度（例えば、０℃）以上となっているかどうかを判定する（ステップＳ１７）。このステップＳ１６，Ｓ１７は、メインバッテリ８の温度αが上記所定温度以上となるまで繰り返される。つまり、このステップＳ１６，Ｓ１７で、メインバッテリ８の放電による自己発熱作用によって極低温状態に至らずに済むと判断される温度になるのを待機しているのである。そして、ステップＳ１７でメインバッテリ８の温度αが上記所定温度以上となると、エンジンＥＣＵ１０に対して、メインバッテリ８の放電を停止させるためのメインバッテリ放電停止指令を発行する。エンジンＥＣＵ１０は、バッテリコントローラ３５からのメインバッテリ放電停止指令に応答して、メインバッテリ８に放電を停止させる。

図８は、本実施形態の効果を示す図である。

上述したとおり、車両運転中に行われるメインバッテリ８の目標ＳＯＣ決定処理（図４）において、駐車が予想される目的地が寒冷地でありメインバッテリ８が極低温状態になる可能性が高いと判断されると、目標ＳＯＣが高められ、エンジンＥＣＵ１０はメインバッテリ８のＳＯＣをその目標ＳＯＣとなるように制御する（図８の８０１）。これが、駐車時におけるメインバッテリ８の放電のための準備とされる。

寒冷地である目的地で駐車されると、メインバッテリ８の温度は徐々に下降していくが（８０２）、所定の下限温度以下となりメインバッテリ放電指令が発行され（ステップＳ１５）、その作用が現れた時点（８０３）を境に、メインバッテリ８の自己発熱によって温度は上昇に転じる（８０４）。この放電は所定温度になるまで（８０５）継続される（ステップＳ１６，Ｓ１７）。そして、このような処理は、次回のエンジン始動に必要最低限のＳＯＣが残されている限り（８０６）、繰り返すことができる（ステップＳ１４）。

以上の制御処理によれば、メインバッテリが極低温状態となることが予測されるときには、駐車前の運転中に、メインバッテリのＳＯＣが高められる。これにより、駐車中に、メインバッテリの放電による内部発熱による暖機を複数回行うことが可能になり、メインバッテリが極低温状態になることを防止することができる。

本発明の温度制御装置が適用される車両の駆動系を示す図である。 実施形態における駆動機構の一例を示す図である。 実施形態におけるバッテリの温度制御系の具体的構成例を示す模式図である。 実施形態におけるメインバッテリの目標ＳＯＣを決定する処理を示すフローチャートである。 実施形態における外気温と目標ＳＯＣとの対応関係を示す図である。 実施形態における、目標ＳＯＣと現在のＳＯＣとの偏差と、ジェネレータに要求する発電量との対応関係を示す図である。 実施形態におけるメインバッテリの温度制御処理を示すフローチャートである。 実施形態の効果を示す図である。

符号の説明

１：エンジン
２：走行用モータ
３：ジェネレータ
４：駆動機構
５：駆動輪
６：デファレンシャルギア
７：インバータ
８：メインバッテリ
１０：エンジンＥＣＵ
２２：燃料タンク
２５：ナビゲーション装置
２７：２次バッテリ
２８：エアコン
３１：冷却部
３２：温度センサ
３３：電流センサ
３４：電圧センサ
３５：バッテリコントローラ

Claims (4)

1. 負極が炭素材料で構成されたリチウムイオン電池により構成され、車両の駆動モータに電力を供給する、充放電可能な車両用バッテリの制御装置であって、
   リチウム金属が負極上に析出することによって性能劣化が生じる極低温状態に至る可能性を予測する予測手段と、
   前記予測手段により前記極低温状態に至る可能性が高いと予測された場合に、前記バッテリの充電量が多くなるように制御する充電量制御手段と、
   前記充電量制御手段により前記バッテリの充電量が多くされた後において、前記バッテリの温度を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定温度以下である場合に、前記バッテリの放電を行うことで内部発熱を促進させ前記バッテリの温度を上昇させる温度上昇制御手段と、
   を備えることを特徴とする車両用バッテリの制御装置。
2. エンジンと、
   該エンジンの出力軸に連結され、前記バッテリに電力を供給可能に構成された発電用のジェネレータと、を更に備え、
   前記充電量制御手段は、前記エンジンから前記バッテリに供給する電力が増加するように前記エンジンを運転させることで、前記バッテリの充電量を多くする
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用バッテリの制御装置。
3. 前記予測手段は、
   所定距離内に前記車両が駐車されることを予測する駐車予測手段と、
   前記所定距離内に前記車両が駐車されることが予測された場合に、外気温を検出する外気温検出手段と、を含み、
   前記外気温検出手段により検出された外気温が所定温度以下である場合に、前記極低温状態に至る可能性が高いと予測する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用バッテリの制御装置。
4. 前記充電量制御手段は、前記外気温検出手段により検出された外気温が低いほど前記充電量が多くなるように制御することを特徴とする請求項３に記載の車両用バッテリの制御装置。

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