JP2008271781A

JP2008271781A - 二次電池の充放電制御装置

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Publication number: JP2008271781A
Application number: JP2008127483A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yoneda; 修米田; Hatsuo Nakao; 初男中尾; Toshihiro Sumiya; 俊弘炭谷; Akira Hirai; 明平井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP4327692B2; JP4906780B2; JP2006101674A

Abstract

【課題】バッテリ温度を時間遅れなく正確に推定して、それに基づいて充放電を制御する。
【解決手段】ハイブリッドＥＣＵは、バッテリのＳＯＣを算出するステップ（Ｓ１０１０）と、初期ＷＩＮ（充電側制限電力）および初期ＷＯＵＴ（放電側制限電力）を計算するステップ（Ｓ１０２０）と、外気温およびバッテリ温度を検知するステップ（Ｓ１０３０）と、バッテリ電流値を検知するステップ（Ｓ１０４０）と、バッテリ推定温度を計算するステップ（Ｓ１０５０）と、推定バッテリ温度と検知バッテリ温度との高いほうの温度を用いて出力制限割合を算出するステップ（Ｓ１０６０，Ｓ１０７０）と、出力制限割合を用いて最終ＷＩＮおよび最終ＷＯＵＴを計算するステップ（Ｓ１１１０）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池の充放電制御に関し、特に、二次電池の状態に基づいて、充放電電力を制限する充放電制御に関する。

電動機により全部または一部の車両駆動力を得ている電気自動車（ハイブリッド自動車および燃料電池車を含む）は、二次電池を搭載し、この二次電池に蓄えられた電力により電動機を駆動している。このような電気自動車に特有な機能として、回生制動がある。回生制動は、車両制動時、電動機を発電機として機能させることによって、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換し、制動を行なうものである。また、得られた電気エネルギは二次電池に蓄えられ、加速を行なう時などに再利用される。したがって、回生制動によれば、従来の内燃機関のみにより走行する自動車においては、熱エネルギとして大気中に放散させていたエネルギを再利用することが可能であり、エネルギ効率を大幅に向上することができる。

ここで、回生制動時に発生した電力を有効に二次電池に蓄えるためには、二次電池にそれだけの余裕が必要である。また、車載された熱機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを二次電池に充電することができる形式のハイブリッド自動車においては、二次電池に蓄えられた電力、すなわち蓄電量を自由に制御できる。よって、このようなハイブリッド自動車においては、二次電池の蓄電量は、回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるように、満蓄電の状態（１００％）と、全く蓄電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御されることが望ましい。

電気自動車に搭載された二次電池は、様々な使用環境で使用されることになる。寒冷地で使用される場合は、−１０℃以下、ときには−２０℃以下の環境で使用される場合が考えられる。また、高温下で使用される場合や、二次電池の使用により二次電池温度が上昇する場合、４０℃以上の環境で使用される場合が考えられる。このような過酷な環境下で二次電池を用いる場合、二次電池の特性に応じた制御が必要となる。特に、低温時においては、二次電池内の化学反応の速度が低下するために大電流を流すと電圧が低下し、必要な電圧が得られなくなるという問題がある。また、高温時においては、二次電池の劣化が進むという問題がある。

特開２００３−２１９５１０号公報（特許文献１）は、電池の使用環境や電池の状態に応じて適切な充放電の管理を行なうことができる二次電池の充放電制御装置を開示する。この特許文献１に開示された二次電池の充放電制御装置は、二次電池の充放電を制御する装置であって、二次電池の温度を検出する温度検出部と、検出された温度が所定の温度以下である場合、予め定められた、温度に応じて変化する充放電電力上限値を超えないように、充放電電力を制御する充放電電力制限部とを含む。

この二次電池の充放電制御装置によると、二次電池の温度を検出するとともに、検出された電池の温度に基づき、充放電電力の上限値を定めている。二次電池は、低温時に安定して放電できる電力が低下する傾向がある。すなわち、低温で大きな電流を流そうとすると、電圧が低下する。また、低温時に充電を行なう場合、大きな電流を流すと、二次電池の端子電圧が上昇して、他の電気回路部品（たとえばコンデンサなど）の耐電圧を超えると、この部品が破壊される場合がある。このような電圧低下や電気回路部品を保護するために、低温時においては、温度が低くなるに従って充放電電力の上限値が小さくなるように定められ、この上限値を超えない範囲で充放電電力が決定される。一方、二次電池は、高温時に電池の劣化を促進することが知られている。このため、高温時においても、温度が高くなるに従って充放電電力の上限値が小さくなるように定められ、この上限値を超えない範囲で充放電電力が決定される。その結果、電池の温度環境に応じた制御を行なうことによって、電池の劣化を防ぐことができるともに、二次電池から供給される電力により電気自動車を走行させることができる。
特開２００３−２１９５１０号公報

しかしながら、上述した特許文献１の二次電池の充放電制御装置においては、二次電池の複数箇所に電池温度を測定する温度センサを取り付けている。この温度センサは、発熱部である電池内部に取り付けることができないため、測定値には実際の電池内部の温度よりも遅れて上昇する。そのため、二次電池の内部の温度を目標上限温度以下にするためには、必要以上に低い温度から充放電が制限されることがある。すなわち、充放電電力制限に余裕を持たせて制御する必要があり、二次電池が有効的に活用できない場合が発生し得る。また、充放電電力を制限する温度しきい値が一律であるため、二次電池を比較的低温の状態で使用する場合には、二次電池の寿命の観点から、必要以上に低い温度から充放電を制限することになり、二次電池が有効的に活用できない場合が発生し得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、二次電池の状態を時間遅れなく正確に推定して、その状態に基づいて、充放電制御を行なうことにより、二次電池の性能を最大限に発現させることができる二次電池の充放電制御装置を提供することである。

第１の発明に係る二次電池の充放電制御装置は、二次電池の充放電を制限する。この制御装置は、二次電池の温度を推定するための推定手段と、推定された二次電池の温度に基づいて、二次電池の充放電電力を制限するための制限手段とを含む。

第１の発明によると、二次電池の内部の温度を正確に推定して、その温度に基づいて、必要以上に低い温度から充放電を制限することを回避でき、二次電池を有効的に活用できる。その結果、二次電池の状態を時間遅れなく正確に推定して、その状態に基づいて、充放電制御を行なうことにより、二次電池の性能を最大限に発現させることができる二次電池の充放電制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る二次電池の充放電制御装置においては、第１の発明の構成に加えて、制限手段は、高温側において、二次電池の充放電電力を制限するための手段を含む。

第２の発明によると、二次電池の内部の温度上昇を正確に推定して、その温度に基づいて、必要以上に低い温度から充放電を制限することを回避でき、二次電池を有効的に活用できる。

第３の発明に係る二次電池の充放電制御装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、推定手段は、単位時間あたりの二次電池の温度変化を積算して算出した値に基づいて、二次電池の温度を推定するための手段を含む。

第３の発明によると、単位時間あたりの二次電池の温度変化を積算することにより、二次電池の内部の温度上昇を正確に推定して、その温度に基づいて、必要以上に低い温度から充放電を制限することを回避でき、二次電池を有効的に活用できる。

第４の発明に係る二次電池の充放電制御装置は、第３の発明の構成に加えて、二次電池の電流値を検知するための検知手段をさらに含む。推定手段は、電流値および二次電池の内部抵抗値を用いて、単位時間あたりの二次電池の温度変化を算出するための手段を含む。

第４の発明によると、電流値および二次電池の内部抵抗値を用いて、電流値の２乗×内部抵抗値により内部発熱量を算出して、これに基づいて、単位時間あたりの二次電池の温度変化を正確に算出することができる。

第５の発明に係る二次電池の充放電制御装置は、第３の発明の構成に加えて、二次電池の電流値および電圧値を検知するための検知手段をさらに含む。推定手段は、電流値、電圧値および二次電池の開放電圧値を用いて、単位時間あたりの二次電池の温度変化を算出するための手段を含む。

第５の発明によると、電流値、電圧値および二次電池の開放電圧値を用いて、単位時間あたりの二次電池の温度変化を正確に算出することができる。

第６の発明に係る二次電池の充放電制御装置においては、第３の発明の構成に加えて、推定手段は、二次電池の温度変化の時定数に関する値を用いて、単位時間あたりの二次電池の温度変化を算出するための手段を含む。

第６の発明によると、電流値に関する二次電池の温度変化の時定数に関する値を用いて、単位時間あたりの二次電池の温度変化を正確に算出することができる。

第７の発明に係る二次電池の充放電制御装置は、第１〜６のいずれかの発明の構成に加えて、二次電池の温度を検知するための検知手段をさらに含む。制限手段は、検知された二次電池の温度と推定された二次電池の温度との高い方の温度に基づいて、二次電池の充放電電力を制限するための手段を含む。

第７の発明によると、より高い温度に基づいて、二次電池の充放電電力を制限できる。これにより、推定温度が乖離しても適切に二次電池の充放電電力を制限することができる。

第８の発明に係る二次電池の充放電制御装置においては、第７の発明の構成に加えて、推定手段は、単位時間あたりの二次電池の温度変化が予め定められた値よりも小さい場合には、推定された二次電池の温度に検知された二次電池の温度を代入するための手段を含む。

第８の発明によると、推定された二次電池の温度は、たとえば積分演算を行なうことにより算出されるため、モデル誤差が蓄積される傾向があるので、実際に検知された二次電池の温度との乖離が発生する場合がある。このような場合であっても、単位時間あたりのバッテリ温度変化が予め定められた値よりも小さい場合（すなわち、二次電池の内部の温度勾配が小さい、内部発熱量が小さく単位時間あたりの温度変化が小さい）、内部温度が均一であると判断して、二次電池の推定温度に検知された二次電池の温度を代入して、乖離を収束させることができる。

第９の発明に係る二次電池の充放電制御装置は、二次電池の充放電を制限する。この制御装置は、二次電池の温度の履歴を算出するための算出手段と、算出された二次電池の温度の履歴に基づいて、二次電池の充放電電力を制限し始めるしきい値を設定するための設定手段とを含む。

第９の発明によると、二次電池の温度履歴が二次電池の寿命を短くする要因になる場合には、二次電池の充放電電力を制限し始めるしきい値を、より制限が強くなるように変更する。これにより、二次電池の寿命を延ばすことができる。

第１０の発明に係る二次電池の充放電制御装置においては、第９の発明の構成に加えて、算出手段は、二次電池の温度を積算することにより、二次電池の温度の履歴を算出するための手段を含む。

第１０の発明によると、二次電池の温度を積算することにより、二次電池の温度の履歴を正確に算出することができ、この温度の履歴に基づいて、二次電池の充放電電力を制限し始めるしきい値を、より制限が強くなるように変更することができる。

第１１の発明に係る二次電池の充放電制御装置においては、第９の発明の構成に加えて、算出手段は、二次電池の温度および二次電池のＳＯＣに関する情報に基づいて、二次電池の温度の履歴を算出するための手段を含む。

第１１の発明によると、二次電池の温度を積算した値を、二次電池のＳＯＣに関する情報で補正して、二次電池の温度の履歴を正確に算出することができ、この温度の履歴に基づいて、二次電池の充放電電力を制限し始めるしきい値を、より制限が強くなるように変更することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１および図２を参照して、本実施の形態に係る充放電制御装置を実現するハイブリッドＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１２を含む車両のパワーユニットについて説明する。なお、本発明に係る充放電制御装置は、走行用バッテリを搭載した、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車のいずれにも適用可能である。また、以下においては、バッテリの温度が上昇する場合について説明するが、本発明の適用範囲が温度が低下する場合を排除するものではない。

図１に示すように、パワーユニットは、エンジン１００と、モータジェネレータ１０２と、モータジェネレータ１０２に接続されたインバータ１０６と、インバータ１０６に接続されたバッテリ１１０と、エンジン１００およびインバータ１０６を制御するハイブリッドＥＣＵ１１２を含む。なお、ハイブリッドＥＣＵ１１２には、エンジン１００、モータジェネレータ１０２、インバータ１０６、バッテリ１１０が接続されている。

エンジン１００は、ガソリン等の化石燃料を燃焼させて駆動力を発生させるとともに、燃焼により生じたガスを排気ガスとして排出する。この排気ガスは、エンジン１００に連結された排気管１１４を通り、排気管１１４内に設けられた触媒１１６により浄化された後、車外に排出される。

触媒１１６は、炭化水素や一酸化炭素を酸化して、二酸化炭素や水分にするとともに、窒素酸化物を還元する、いわゆる三元触媒である。この触媒１１６が浄化作用を発揮するには、十分に暖められている必要がある。長時間停止後等のエンジン１００の始動時には、触媒１１６の温度が低いため、温度を上昇させる暖気が必要である。本実施の形態に係る充放電制御装置においては、触媒１１６の暖機が必要であるか否かを、触媒温度ＴＣで判別している。そのために、触媒温度センサ１１８が、排気管１１４上であって、触媒１１６付近に設けられている。この触媒温度センサ１１８は、ハイブリッドＥＣＵ１１２に接続されており、触媒温度ＴＣを検知信号としてハイブリッドＥＣＵ１１２に送信する。

なお、触媒１１６の暖機が必要であるか否かは、たとえば、イグニッションスイッチ（図示せず）がスタート操作されてからの経過時間や、システムが作動し始めてからの経過時間を計測することで判別してもよい。

モータジェネレータ１０２は、バッテリ１１０より供給される電力により駆動力を発生させる。また、車両が回生制御中である場合は、発電機として作動し、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリ１１０を充電する。

エンジン１００、およびモータジェネレータ１０２から出力される駆動力は、遊星歯車からなる動力分配機構１２０に入力され、減速機１２２、ディファレンシャルギア１２４、およびドライブシャフト１２６を介して、車輪（図示せず）に伝達される。一方、車両が減速中である場合は、車輪（図示せず）の回転がドライブシャフト１２６、ディファレンシャルギア１２４、減速機１２２、動力分配機構１２０を介してモータジェネレータ１０２に伝達される。このようにして、モータジェネレータ１０２が回転させられ、発電機として作動する。さらに、エンジン１００から出力される駆動力により、動力分配機構１２０を介してモータジェネレータ１０２が回転させられ、発電することも可能である。

インバータ１０６は、バッテリ１１０から供給される直流電流を交流電流に変換し、モータジェネレータ１０２を駆動させる。また、モータジェネレータ１０２が発電した交流電流を直流電流に変換し、バッテリ１１０を充電する。

バッテリ１１０は、複数の蓄電セルからなる電池モジュールを、複数個直列に接続した二次電池であり、充電電力値および放電電力値が、制限された範囲内となるように制御される。

ハイブリッドＥＣＵ１１２には、アクセルペダル１２８の踏込み量を検知するアクセルポジションセンサ１２９、ブレーキペダル１３０の踏込み量を検知するブレーキポジションセンサ１３１、シフトレバー１３２のシフトポジションを検知するシフトポジションセンサ１３３が、それぞれ接続されている。

さらに、図２に示すように、ハイブリッドＥＣＵ１１２には、バッテリ１１０における、電圧値を検知する電圧センサ１３４、電流値を検知する電流センサ１３６および温度を検知するバッテリ温度センサ１３８が接続されている。

ハイブリッドＥＣＵ１１２は、車両が運転者の加速要求に応じて走行するように、上述の各センサから送信される検知信号に基づいて、エンジン１００、モータジェネレータ１０２、インバータ１０６、バッテリ１１０を制御する。また、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、検知したバッテリ１１０の状態に基づいて、バッテリ１１０の推定温度を算出して、この推定温度に基づいて、バッテリ１１０が充電または放電するときの電力の制限値である制限電力（最終ＷＩＮ、最終ＷＯＵＴ）を設定する。

また、図１および図２には図示しないが、外気温を検知する外気温センサが設けられ、ハイブリッドＥＣＵ１１２に接続されている。

図３を参照して、本実施の形態に係る充放電制御装置を実現するハイブリッドＥＣＵ１１２で実行されるプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０００にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、変数Ｋを初期化（Ｋ＝１）する。Ｓ１０１０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、ＳＯＣを算出する。このＳＯＣの算出方法は、公知の方法を用いればよいので、ここでの詳細な説明は繰り返さない。

Ｓ１０２０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、初期ＷＩＮ（充電制限電力）および初期ＷＯＵＴ（放電制限電力）を計算する。このとき、たとえば、図４に示すようなマップが用いられる。図４に示すように、初期ＷＩＮ（充電制限電力）および初期ＷＯＵＴ（放電制限電力）は、それぞれＳＯＣの関数により表わされるため、Ｓ１０１０にて算出したＳＯＣを用いて初期ＷＩＮ（充電制限電力）および初期ＷＯＵＴ（放電制限電力）を算出できる。この図４に示すマップは、ある特定のバッテリ温度における制限電力である。これらは、バッテリ１１０の化学反応的な限界に基づいて求められた、短時間の出力制限である。バッテリ１１０がリチウムイオン電池である場合、たとえば、セルの上限電圧４．２Ｖ、下限電圧３Ｖの範囲に入るように設定される。

Ｓ１０３０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、外気温Ta(K)およびバッテリ温度Tbm(K)を検知する。このとき、外気温センサにより検知されハイブリッドＥＣＵ１１２に入力された外気温を表わす信号およびバッテリ温度センサ１３８により検知されハイブリッドＥＣＵ１１２に入力されたバッテリ温度を表わす信号に基づいて、外気温Ta(K)およびバッテリ温度Tbm(K)がそれぞれ検知される。

Ｓ１０４０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ電流値Ib(K)を検知する。このとき、電流センサ１３６により検知されハイブリッドＥＣＵ１１２に入力されたバッテリ電流値を表わす信号に基づいて、バッテリ電流値Ib(K)が検知される。

Ｓ１０５０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tb(K)を計算する。このとき、以下に示す式（１）（３つの式を合わせて式（１）という）によりバッテリ推定温度Tb(K)が計算される。

Ploss(K)=R・Ib(K)²
dTb（K）/dt=X(K)={Ploss(K)-(Tb(K-1)-Ta(K))・ｈ・S}/Cb
Tb(K)=Tb(K-1)+Δt・X(K)
この式（１）は、バッテリ１１０の電解質の内部抵抗等が電池発熱損失に大きな影響を与える場合に好適な式である。ここで、Ploss(K)はバッテリ１１０の内部発熱量、Rはバッテリ１１０の内部抵抗値、ｈはバッテリ１１０の放熱係数、Sはバッテリ１１０の投下放熱面積、Cbはバッテリ１１０の熱容量である。バッテリ１１０の内部抵抗値R、バッテリ１１０の放熱係数ｈ、バッテリ１１０の等価放熱面積S、バッテリ１１０の熱容量Cbは、バッテリ１１０の冷却ファンの動作状況、バッテリ温度、外気温に依存するので、これらの状態で適宜修正演算される。なお、この式（１）でＫ＝１のとき、（Ｋ−１）は０となるが、たとえばTb(K-1)（＝Tb(0)）は初期値が与えられている。

Ｓ１０６０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tb(K)と検知したバッテリ温度Tbm(K)との高い方を、バッテリ温度Tb_J(K)に代入する。Ｓ１０７０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、Tb_J(K)を用いて出力制限割合BAT_RATIOを演算する。このとき、たとえば、図５に示すマップが用いられる。図５に示すマップは、バッテリ温度Tb_J(K)と出力制限割合BAT_RATIOとの関係を示す。図５に示すように、出力制限割合BAT_RATIOは０から１までの値である。Tb_Tth1は出力制限割合BAT_RATIOが１から低下し始めるしきい値である。このしきい値を０に近づけると、充放電時の電力の制限が強くなる。

Ｓ１０８０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、単位時間あたりのバッテリ１１０の温度変化X(K)（推定値）が予め定められた値α以下であるか否かが判断される。もし、バッテリ１１０の温度変化X(K)が予め定められた値α以下であると（Ｓ１０８０にてＹＥＳ）、処理はＳ１０９０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１０８０にてＮＯ）、処理はＳ１１１０へ移される。

Ｓ１０９０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tb(K)にバッテリ温度センサ１３８で検知されたバッテリ温度Tbm(K)が代入される。これにより、式（１）で示すように、バッテリ推定温度Tb(K)は積分演算を行なうため、モデル誤差が蓄積される傾向がある。このため、実際に検知されるバッテリ温度Tmb(K)と乖離しやすい。バッテリ１１０の内部の温度勾配が小さい、すなわち内部発熱量が小さく単位時間あたりの温度変化X(K)が小さいと、内部温度が均一であると判断して、バッテリ推定温度Tb(K)にバッテリ温度センサ１３８で検知されたバッテリ温度Tbm(K)を代入して乖離を収束させる。これによりパラメータ同定誤差の影響を抑制できる。

Ｓ１１００にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ１１０の内部抵抗値R、バッテリ１１０の放熱係数ｈ、バッテリ１１０の等価放熱面積S、バッテリ１１０の熱容量Cbのパラメータを修正する。

Ｓ１１１０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、最終ＷＩＮおよび最終ＷＯＵＴを計算する。このとき、最終ＷＩＮは、BAT_RATIO×ＷＩＮ（Ｋ＝１の場合は初期ＷＩＮ）により、最終ＷＯＵＴは、BAT_RATIO×ＷＯＵＴ（Ｋ＝１の場合は初期ＷＯＵＴ）により算出される。

Ｓ１１２０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、演算を継続するか否かを判断する。このとき、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、外部から入力される制御信号等により判断する。もし、演算を継続する場合には（Ｓ１１２０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１３０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１１２０にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ１１３０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、変数Ｋに１を加算する。その後、処理は、Ｓ１０１０へ戻されて、Ｓ１０１０〜Ｓ１１１０の処理が繰り返し行なわれる。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る充放電制御装置の動作について説明する。

変数Ｋが初期化され（Ｓ１０００）、バッテリ１１０のＳＯＣが算出される（Ｓ１０１０）。図４に示すようなマップを用いてＳＯＣから初期ＷＩＮおよび初期ＷＯＵＴが計算される（Ｓ１０２０）。外気温Ta(K)、バッテリ温度Tbm(K)が検知されるとともに（Ｓ１０３０）、バッテリ１１０の電流値Ib(K)が検知される（Ｓ１０４０）。

式（１）によりバッテリ推定温度Tb(K)が計算され（Ｓ１０５０）、このバッテリ推定温度Tb(K)と検知されたバッテリ温度Tbm(K)とで、より高い方がバッテリ温度Tb_J(K)に代入される（Ｓ１０６０）。このバッテリ温度Tb_J(K)および図５に示すようなマップを用いて、出力制限割合BAT_RATIOが演算される（Ｓ１０７０）。最終ＷＩＮがBAT_RATIO×ＷＩＮにより、最終ＷＯＵＴがBAT_RATIO×ＷＯＵＴにより算出されて（Ｓ１１１０）、充電側の電力制限である最終ＷＩＮおよび放電側の電力制限である最終ＷＯＵＴを用いて、これらの電力制限に基づいてハイブリッドＥＣＵ１１２がバッテリ１１０の充放電制御を実行する。

また、このような処理が繰り返し行なわれているときに、バッテリ１１０の内部の温度上昇が緩やかになってくると、単位時間あたりのバッテリ１１０の温度変化X(K)が予め定められた値α以下になる（Ｓ１０８０にてＹＥＳ）。このときには、バッテリ推定温度Tb(K)にバッテリ温度センサ１３８で検知されたバッテリ温度Tbm(K)が代入される。実際に検知されるバッテリ温度Tmb(K)と推定バッテリ温度Tb(K)とが乖離した場合であっても、内部発熱量が小さく単位時間あたりの温度変化X(K)が小さいと、内部温度が均一であると判断して、バッテリ推定温度Tb(K)にバッテリ温度Tbm(K)を代入して乖離を収束させることができる（Ｓ１０９０）。さらに、このような場合、パラメータが修正される（Ｓ１１００）。

以上のようにして、バッテリの電流値およびバッテリの内部抵抗値を用いて、電流値の２乗×内部抵抗値に算出された内部発熱量を用いて、単位時間あたりのバッテリの温度変化を正確に算出する。その温度に基づいて、充放電電力を制限するので、必要以上に低い温度から充放電を制限することを回避でき、バッテリを有効的に活用できる。その結果、バッテリの状態を時間遅れなく正確に推定して、その状態に基づいて、充放電制御を行なうことにより、バッテリの性能を最大限に発現させることができる。

＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る充放電制御装置について説明する。なお、本実施の形態においては、車両のパワーユニットは前述の第１の実施の形態と同じ（図１、図２）である。したがって、それらについて詳細な説明はここでは繰り返さない。

本実施の形態に係る充放電装置もハイブリッドＥＣＵ１１２により実現される。本実施の形態においては、前述の第１の実施の形態のプログラム（図３）とは一部が異なるプログラムを、ハイブリッドＥＣＵ１１２が実行する。以下、この点を中心に説明する。

図６を参照して、本実施の形態に係る充放電制御装置を実現するハイブリッドＥＣＵ１１２で実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、図６のフローチャートの中で、前述の第１の実施の形態におけるフローチャート（図３）と同じ処理については同じステップ番号を付している。これらの処理も同じである。したがって、それらについて詳細な説明はここでは繰り返さない。

Ｓ２０００にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ電流値Ib(K)およびバッテリ電圧値Vb(K)を検知する。このとき、電流センサ１３６により検知されハイブリッドＥＣＵ１１２に入力されたバッテリ電流値を表わす信号および電圧センサ１３４により検知されハイブリッドＥＣＵ１１２に入力されたバッテリ電圧値を表わす信号に基づいて、バッテリ電流値Ib(K)およびバッテリ電圧値Vb(K)が検知される。

Ｓ２０１０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tb(K)を計算する。このとき、以下に示す式（２）（３つの式を合わせて式（２）という）によりバッテリ推定温度Tb(K)が計算される。

Ploss(K)=ABS[(Vb(K)-推定OCV)・Ib(K)]
dTb（K）/dt=X(K)={Ploss(K)-(Tb(K-1)-Ta(K))・ｈ・S}/Cb
Tb(K)=Tb(K-1)+Δt・X(K)
この式（２）は、バッテリ１１０の電極界面の化学的な反応での損失等が電池発熱損失に大きな影響を与える場合に好適な式である。この式（２）では、バッテリ１１０の開放電圧値ＯＣＶ（Open Circuit Voltage)を推定する必要がある。このＯＣＶの推定は、ＳＯＣやバッテリ１１０の温度に基づいて行なわれる。その他のパラメータは、前述の式（１）と同じであるので、ここので詳細な説明は繰り返さない。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る充放電制御装置の動作について説明する。なお、前述の第１の実施の形態と同じ動作についての説明はここでは繰り返さない。

変数Ｋが初期化され（Ｓ１０００）、バッテリ１１０のＳＯＣが算出される（Ｓ１０１０）。図４に示すようなマップを用いてＳＯＣから初期ＷＩＮおよび初期ＷＯＵＴが計算される（Ｓ１０２０）。外気温Ta(K)、バッテリ温度Tbm(K)が検知されるとともに（Ｓ１０３０）、バッテリ１１０の電流値Ib(K)およびバッテリ１１０の電圧値Ｖｂ(K)が検知される（Ｓ２０００）。

式（２）によりバッテリ推定温度Tb(K)が計算され（Ｓ２０１０）、このバッテリ推定温度Tb(K)と検知されたバッテリ温度Tbm(K)とで、より高い方がバッテリ温度Tb_J(K)に代入される（Ｓ１０６０）。このバッテリ温度Tb_J(K)および図５に示すようなマップを用いて、出力制限割合BAT_RATIOが演算される（Ｓ１０７０）。最終ＷＩＮがBAT_RATIO×ＷＩＮにより、最終ＷＯＵＴがBAT_RATIO×ＷＯＵＴにより算出されて（Ｓ１１１０）、充電側の電力制限である最終ＷＩＮおよび放電側の電力制限である最終ＷＯＵＴを用いて、これらの電力制限に基づいてハイブリッドＥＣＵ１１２がバッテリ１１０の充放電制御を実行する。

以上のようにして、バッテリの電流値、電圧値およびバッテリの開放電圧の推定値を用いて、単位時間あたりのバッテリの温度変化を正確に算出することができる。

＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態に係る充放電制御装置について説明する。なお、本実施の形態においても、車両のパワーユニットは前述の第１の実施の形態と同じ（図１、図２）である。したがって、それらについて詳細な説明はここでは繰り返さない。

本実施の形態に係る充放電装置もハイブリッドＥＣＵ１１２により実現される。本実施の形態においては、前述の第１の実施の形態のプログラム（図３）とも第２の実施の形態のプログラム（図６）とも一部が異なるプログラムを、ハイブリッドＥＣＵ１１２が実行する。以下、この点を中心に説明する。

図７を参照して、本実施の形態に係る充放電制御装置を実現するハイブリッドＥＣＵ１１２で実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、図７のフローチャートの中で、前述の第１の実施の形態におけるフローチャート（図３）と同じ処理については同じステップ番号を付している。これらの処理も同じである。したがって、それらについて詳細な説明はここでは繰り返さない。

Ｓ３０００にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tb(K)を計算する。このとき、以下に示す、式（３）（２つの式を合わせて式（３）という）または式（４）（２つの式を合わせて式（４）という）によりバッテリ推定温度Tb(K)が計算される。

l²_f(K) = Ib(K)²/N + l²_f(K-1)・(N-1)/N
Tb(K) = A・l²_f(K) + Ta(K)
（上記２つの式が式（３））
l²_f(K) = ABS[Ib(K)・(Vb(K)-OCV(K))]/N+ l²_f(K-1)・(N-1)/N
Tb(K) = A・l²_f(K) + Ta(K)
（上記２つの式が式（４））
この式（３）は、前述の式（１）に対応し、この式（４）は、前述の式（２）に、それぞれ対応するものである。これらの式（３）および式（４）は、式（１）および式（２）に比べて簡略化されている。これにより、式（１）および式（２）に比較してパラメータの数が少ないので、パラメータの同定が容易になる。ここで、l²_f(K)は、１次遅れ系の応答信号に対してフィルタリングされた結果の値である電流値の２乗値を示す。パラメータAは、バッテリ１１０の内部抵抗値R、バッテリ１１０の放熱係数ｈ、バッテリ１１０の等価放熱面積Sに強く依存する。たとえば、バッテリ１１０の冷却ファンを動作させると、小さくなる傾向を有する。一方、パラメータAは、バッテリ１１０の温度、ＳＯＣ変化などによりバッテリ１１０の内部抵抗値Rが大きくなると、小さくなる傾向を有する。パラメータNは、Cb・R／(ｈ・S)に依存する。たとえば、バッテリ１１０の冷却ファン動作状況に応じて適宜修正演算される。なお、これらの式（３）および式（４）でＫ＝１のとき、（Ｋ−１）は０となるが、たとえばl²_f(K-1)（＝l²_f(0)）は初期値が与えられている。

Ｓ３０１０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、パラメータNおよびパラメータAを修正する。

式（３）または式（４）によりバッテリ推定温度Tb(K)が計算され（Ｓ３０００）、このバッテリ推定温度Tb(K)と検知されたバッテリ温度Tbm(K)とで、より高い方がバッテリ温度Tb_J(K)に代入される（Ｓ１０６０）。このバッテリ温度Tb_J(K)および図５に示すようなマップを用いて、出力制限割合BAT_RATIOが演算される（Ｓ１０７０）。最終ＷＩＮがBAT_RATIO×ＷＩＮにより、最終ＷＯＵＴがBAT_RATIO×ＷＯＵＴにより算出されて（Ｓ１１１０）、充電側の電力制限である最終ＷＩＮおおよび放電側の電力制限である最終ＷＯＵＴを用いて、これらの電力制限に基づいてハイブリッドＥＣＵ１１２がバッテリ１１０の充放電制御を実行する。

また、このような処理が繰り返し行なわれているときに、バッテリ１１０の内部の温度上昇が緩やかになってくると、単位時間あたりのバッテリ１１０の温度変化X(K)が予め定められた値α以下になる（Ｓ１０８０にてＹＥＳ）。このときには、バッテリ推定温度Tb(K)にバッテリ温度センサ１３８で検知されたバッテリ温度Tbm(K)が代入される（Ｓ１０９０）とともに、パラメータが修正される（Ｓ３０１０）。

以上のようにして、バッテリの電流値に関する、バッテリの温度変化の時定数に関する値を用いて、単位時間あたりのバッテリの温度変化を正確に算出することができる。

＜第４の実施の形態＞
以下、本発明の第４の実施の形態に係る充放電制御装置について説明する。なお、本実施の形態においても、車両のパワーユニットは前述の第１の実施の形態と同じ（図１、図２）である。したがって、それらについて詳細な説明はここでは繰り返さない。

本実施の形態に係る充放電装置もハイブリッドＥＣＵ１１２により実現される。本実施の形態においては、前述の第１の実施の形態のプログラム（図３）とも第２の実施の形態のプログラム（図６）とも第３の実施の形態のプログラム（図７）とも、全く異なるプログラムを、ハイブリッドＥＣＵ１１２が実行する。以下、この点を中心に説明する。本実施の形態に係るハイブリッドＥＣＵ１１２により実行されるプログラムにより図５のしきい値Tb_Tth1を修正する。前述のように、このしきい値Tb_Tth1は出力制限割合BAT_RATIOが１から低下し始めるしきい値である。このしきい値を０に近づけると、充放電時の電力の制限が強くなる。本実施の形態においては、バッテリ１１０の使用状況に応じて、このしきい値Tb_Tth1を変更して、バッテリ１１０の電力制限を変更する。バッテリ１１０の使用温度が上昇すると、バッテリ１１０の寿命への影響が大きくなる。そこで、ある温度しきい値β以上の場合には、バッテリ推定温度Tbのｍ乗（ｍ＝１〜１０）の積分を演算して、この値を用いて出力制限割合BAT_RATIOを低下させるしきい値Tb_Tth1のシフト量ΔTb_Tth1を算出する。

図８を参照して、本実施の形態に係る充放電制御装置を実現するハイブリッドＥＣＵ１１２で実行されるプログラムの制御構造について説明する。

Ｓ４０００にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tbを計算する。この処理は、前述の第１〜第３の実施の形態で説明した方法を用いればよい。Ｓ４０１０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度Tbがしきい値β（たとえば、３０〜４０℃、好ましくは３５℃に予め設定される）よりも高いか否かを判断する。バッテリ推定温度Tbがしきい値βより高いと（Ｓ４０１０にてＹＥＳ）、処理はＳ４０２０へ移される。もしそうでないと（Ｓ４０１０にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ４０２０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度積分値ΣTbをΣTb+(Tb)^mにより算出する。Ｓ４０３０にて、ハイブリッドＥＣＵ１１２は、バッテリ推定温度積分値ΣTbを用いて、出力制限割合BAT_RATIOが１から低下し始めるしきい値であるTb_Tth1をTb_Tth1(初期値)-ΔTb_Tth1として算出する。このとき、シフト量ΔTb_Tth1は、たとえば、図９に示すようなマップを用いて、バッテリ推定温度積分値ΣTbから算出される正の値である。

バッテリ１１０の推定温度Tbが予め定められたしきい値βより高い場合には（Ｓ４０１０にてＹＥＳ）、バッテリ推定温度Tbのｍ乗（ｍ＝１〜１０）の積分を演算して（Ｓ４０２０）、この値を用いて出力制限割合BAT_RATIOを低下させるしきい値Tb_Tth1のシフト量ΔTb_Tth1が算出される（Ｓ４０３０）。このシフト量ΔTb_Tth1は、バッテリ１１０の推定温度Tbが正の値であるためバッテリ推定温度積分値ΣTbも正の値になり、図９におけるシフト量ΔTb_Tth1も正の値になる。この分だけ、しきい値Tb_Tth1が図５に示すマップの左側（すなわち、０に近づく側）にシフトされる。このしきい値Tb_Tth1は出力制限割合BAT_RATIOが１から低下し始めるしきい値であるので、このしきい値を０に近づけると、充放電時の電力の制限が強くなる。これにより、電力制限をさらに強めてバッテリ１１０の寿命を延ばすことができる。

なお、図８のＳ４０２０におけるバッテリの温度履歴（バッテリ推定温度積分値ΣTb）を算出する際には、単にバッテリ推定温度の積算ではなく、これに加えてバッテリのＳＯＣについての情報で補正することも考えられる。たとえば、ＳＯＣ自体を補正項としたり、{ＳＯＣ×（ＳＯＣ−ＳＯＣ（基準値））ⁿ}等を補正項とするものである。

＜変形例＞
なお、上述の実施の形態においては、ハイブリッド自動車に搭載された二次電池であるバッテリを例にあげて説明したが、本発明はどのような用途の電池であっても適用可能である。二次電池の種類は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、鉛電池など、特に限定されるものではない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係る車両のパワーユニットの全体を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る車両のパワーユニットの一部を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る充放電制御装置であるハイブリッドＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。ＳＯＣと制限電力の初期値との関係を示す図である。バッテリ推定温度と出力制限割合値との関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る充放電制御装置であるハイブリッドＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態に係る充放電制御装置であるハイブリッドＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。本発明の第４の実施の形態に係る充放電制御装置であるハイブリッドＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。バッテリ温度履歴と出力制限割合しきい値のシフト量との関係を示す図である。

符号の説明

１００エンジン、１０２モータジェネレータ、１１０バッテリ、１１２ハイブリッドＥＣＵ、１１６触媒、１１８触媒温度センサ、１２８アクセルペダル、１２９アクセルポジションセンサ、１３４電圧センサ、１３６電流センサ、１３８バッテリ温度センサ。

Claims

二次電池の充放電を制限する装置であって、
前記二次電池の温度の履歴を算出するための算出手段と、
算出された二次電池の温度の履歴に基づいて、二次電池の充放電電力を制限し始めるしきい値を設定するための設定手段とを含む、二次電池の充放電制御装置。
前記算出手段は、前記二次電池の温度を積算することにより、前記二次電池の温度の履歴を算出するための手段を含む、請求項１に記載の二次電池の充放電制御装置。
前記算出手段は、前記二次電池の温度および前記二次電池のＳＯＣに関する情報に基づいて、前記二次電池の温度の履歴を算出するための手段を含む、請求項１に記載の二次電池の充放電制御装置。