JP2009071986A

JP2009071986A - 車載バッテリの劣化度演算装置

Info

Publication number: JP2009071986A
Application number: JP2007238273A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Ishii; 光徳石井
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】電動車両に搭載されたバッテリの劣化を、複雑な演算を行うことなく迅速且つ正確に判定する。
【解決手段】外部電源による高電圧バッテリの充電時に、充電容量演算部３０で充電電流の積算に基づく充電容量Ａを算出すると共に、容量変化分演算部３１で開回路電圧に基づく容量と初期容量とに基づいて高電圧バッテリが未劣化の場合の容量変化分Ｂを算出し、劣化度演算部３２で、容量変化分Ｂと充電容量Ａとの差分を取り、この差分の充電容量Ａに対する比率（容量減少率）を劣化度ΔＲとして算出する。これにより、電動車両に搭載されたバッテリの劣化を、複雑な演算を行うことなく迅速且つ正確に判定することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、外部電源によって充電される電動車両のバッテリの劣化度を演算する車載バッテリの劣化度演算装置に関する。

一般に、バッテリ（二次電池）は、充放電の繰り返し、温度、充電状態、時間経過等によって劣化の進行速度が変化する。バッテリの劣化は、電池容量の低下及び内部抵抗の増大となって顕れ、劣化が進行すると、充放電可能な電力が減少し、車両の走行エネルギー源として使用する場合には、走行可能距離が短くなる。

このため、例えば、特許文献１には、電気自動車に搭載されたバッテリの充電中や放電中に充電電流や放電電流と端子電圧とを周期的に測定して電圧−電流特性を求め、求めた電圧−電流特性を用いてバッテリの充電容量に関する状態を示す値を検出したり、直前に電圧−電流特性を用いて検出されたバッテリの充電容量に関する状態を示す値に、バッテリの充電量や放電量の時間積算値に応じた値をバッテリの劣化の度合いに応じて補正した上で加減算して充電容量に関する状態を示す値を検出することで、バッテリの劣化が進行しても、バッテリの放電電流と端子電圧とからそれらの高い相関を得られなくても正確な充電容量状態を得る技術が開示されている。
特開２００２−２６２４０３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような従来の技術では、劣化度を検出する場合、走行時の情報からバッテリの内部抵抗増加や容量低下等を演算するようにしており、複雑な通電パターンでの演算を行わざるを得ない。このため、演算精度に限界があるばかりでなく、劣化を判定するまでの時間が長くなり、制御性が低下する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動車両に搭載されたバッテリの劣化を、複雑な演算を行うことなく迅速且つ正確に判定することのできる車載バッテリの劣化度演算装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による車載バッテリの劣化度演算装置は、電動車両に搭載され、外部電源によって充電されるバッテリの劣化度を演算する車載バッテリの劣化度演算装置であって、上記電動車両が停止状態での上記外部電源による充電時に、上記バッテリの充電電流の積算に基づく充電容量を算出する充電容量演算部と、上記電動車両が停止状態での上記外部電源による充電時に、上記バッテリの開回路電圧に基づく容量と初期容量とに基づいて、上記バッテリが未劣化の場合の容量変化分を算出する容量変化分演算部と、上記充電容量と上記容量変化分との差分に基づいて、上記バッテリの劣化度を算出する劣化度演算部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電動車両に搭載されたバッテリの劣化を、複雑な演算を行うことなく迅速且つ正確に判定することができ、車両の制御性を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係り、図１は電動車両の外部充電方式を示す外観図、図２は電動車両のシステム構成図、図３は劣化度演算の機能ブロック図、図４は充電時の電流及び容量を示す説明図、図５は充電時バッテリ温度に対する開回路電圧と容量との関係を示す説明図、図６は初期容量の温度特性を示す説明図である。

図１において、符号１は、走行エネルギー源の全部或いは一部を車載バッテリに蓄えた電気エネルギーで賄い、外部電源よって車載バッテリの充電を行う電動車両であり、具体的には、例えば、モータのみで走行するＥＶ（電気自動車）や、モータとエンジンとを併用し、モータに電気エネルギーを供給する車載バッテリを外部から充電する、所謂プラグインＨＥＶ（プラグインハイブリッド）等である。

本形態においては、電動車両１は、外部電源による通常充電と急速充電との２つの充電方式を選択することができる。すなわち、電動車両１は、図１（ｂ）に示すように、車体前部に設けられた通常充電プラグ２を介して商用電源（ＡＣ２００Ｖ或いはＡＣ１００Ｖ）に接続することで通常充電を行うことができ、また、図１（ａ）に示すように、車体後方側部に設けられた急速充電プラグ３を介して高速充電器４に接続することで急速充電を行うことができる。

詳細には、図２に示すように、車両１は、システム構成における電源系として、例えばＤＣ４００Ｖの高電圧バッテリ１０をメインバッテリとして車体後部に搭載している。高電圧バッテリ１０には、メインリレー１１を介してインバータ１２が接続され、このインバータ１２に、変速ギヤ１４を介して前輪車軸１５を駆動するモータジェネレータ１３が接続されている。

尚、本実施の形態においては、高電圧バッテリ１０として、リチウムイオン電池を例に取って説明するが、高電圧バッテリ１０として、ニッケル水素電池や電気二重層コンデンサ等を採用することも可能である。

また、図示を省略するが、車両１の電源系としては、高電圧バッテリ１０による高電圧系に加え、制御用電源や各種機器へ電源を供給するための低電圧バッテリ（例えば、ＤＣ１２Ｖ）が備えられている。この低電圧バッテリは、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して高電圧バッテリ１０に接続されている。

車体前部の通常充電プラグ２は、高電圧バッテリ１０とメインリレー１１との間に、充電器１６及び充電制御リレー１７を介して接続されている。同様に、車体後方側部の急速充電プラグ３も高電圧バッテリ１０とメインリレー１１との間に接続されている。急速充電プラグ３に接続される高速充電器４は、昇圧コンバータ１８と充電制御リレー１９とを主として構成され、例えば３相ＡＣ２００Ｖ等の動力電源を昇圧コンバータ１８で交直変換してＤＣ４００Ｖに昇圧し、高電圧バッテリ１０を急速充電する。

一方、車両１のシステム構成における制御系として、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信ネットワーク２０を介して相互接続される複数のコントロールユニットが備えられている。すなわち、メインリレー１１を制御すると共に、車両全体を統括的に制御するＥＶコントロールユニット（ＥＶ＿ＣＵ）２１、モータジェネレータ１３を駆動するインバータ１２、充電制御リレー１７を制御する充電器１６、急速充電プラグ３を介して接続される高速充電器４の昇圧コンバータ１８、高電圧バッテリ１０の電源管理を行うバッテリコントロールユニット（ＢＣＵ）２２等のコントロールユニットが通信ネットワーク２０に接続されている。

高電圧バッテリ１０の外部充電は、メインリレー１１を開放しての車両停止状態における定電流充電を主として実施され、通信ネットワーク２０からＢＣＵ２２により管理される。このとき、ＢＣＵ２２は、高電圧バッテリ１０の充電容量を、電流積算に基づいて算出すると共に、バッテリの開回路電圧に基づいて算出し、これらの２つの方法で算出した充電容量から高電圧バッテリの劣化度合いを判定する。

このため、ＢＣＵ２２は、図３に示すように、充電容量演算部３０、容量変化分演算部３１、劣化度演算部３２を備えており、外部電源による高電圧バッテリ１０の充電時に、充電容量演算部３０で充電電流の積算に基づく充電容量を算出すると共に、容量変化分演算部３１で開回路電圧に基づく容量と初期容量とに基づいて高電圧バッテリ１０が未劣化の場合の容量変化分を算出し、劣化度演算部３２で、容量変化分と電流積算による容量とに基づいて高電圧バッテリ１０の劣化度合いを判断する。

すなわち、外部電源による高電圧バッテリ１０の充電は、通常充電プラグ２を介して定電流充電を主としており、ＢＣＵ２２の充電容量演算部３０では、図４（ａ）に示すように、図示しないセンサや内部クロック回路を用いて充電電流Ｉ、充電時間ｔを測定し、電流Ｉを時間ｔで積算して充電容量Ａを求める。充電電流Ｉの検出は、高電圧バッテリ１０の高電圧ラインに電流センサを設けて測定するが、定電流充電の電流値が既知である場合には、電流センサを省略することも可能であり、コスト低減を図ることができる。

尚、急速充電プラグ３を介しての急速充電は、図４（ｂ）に示すように、定電流充電に続けて定電圧充電を組み合わせることで行われる。この場合においても、定電流充電域での充電電流の積算値と、定電圧充電域における充電電流の積算値とを合算することで、充電容量Ａを求めることができる。

また、ＢＣＵ２２は、容量変化分演算部３１において、高電圧バッテリ１０の充電前の開回路電圧Ｖ０、充電後の開回路電圧Ｖ１、充電時のバッテリ温度ＴＢを測定し、高電圧バッテリ１０の容量を、満充電容量に対する残容量の比率で示される充電状態ＳＯＣ（State of charge）で求め、この容量ＳＯＣの変化分ΔＳＯＣを求める。

リチウムイオン電池等のように、満充電（ＳＯＣ＝１００％）の状態から放電させたとき、電池容量の低下に対して電池電圧が比較的なだらかに低下する特性を有するものでは、一定のバッテリ温度における容量ＳＯＣは開回路電圧に基づいて決定することができ、充電時のバッテリ温度ＴＢに対する容量ＳＯＣと開回路電圧Ｖとの関係は、図５に示すような関係となる。

従って、常温での特性を基準として各温度域での開回路電圧Ｖとバッテリ温度ＴＢとをパラメータとするマップを作成する等しておき、充電時のバッテリ温度ＴＢ、充電前の開回路電圧Ｖ０、充電後の開回路電圧Ｖ１に基づいてマップを参照することで、充電による容量変化分ΔＳＯＣを求めることができる。

そして、劣化度演算部３２で、充電による容量変化分ΔＳＯＣと、図６に示すような高電圧バッテリ１０の初期電池容量ＡＨとから、以下に示す（１）式を用いて、高電圧バッテリ１０が劣化していないときの温度ＴＢにおける電池容量の変化分Ｂを演算する。
Ｂ＝ＡＨ×ΔＳＯＣ／１００ …（１）

（１）式で演算した容量変化分Ｂは、高電圧バッテリ１０が劣化していなければ、電流積算による充電容量Ａと一致する。一方、高電圧バッテリ１０の劣化が進んで実質的な総容量が小さくなると、（１）式で演算した容量変化分Ｂは、実際の電池に対して見かけ上の容量を示すものとなり、電流積算による充電容量Ａよりも大きい値となる。

従って、高電圧バッテリ１０の劣化度合いを判定するための指標として、容量変化分Ｂと充電容量Ａとの差分を取り、この差分の充電容量Ａに対する比率（容量減少率）を、以下の（２）式に示すように、劣化度ΔＲとして定義する。
ΔＲ＝（Ｂ−Ａ）／Ａ …（２）

ＢＣＵ２２の劣化度演算部３２で算出された劣化度ΔＲは、通信ネットワーク２０を介して各コントロールユニットにフィードバックされ、例えば、バッテリ残量や警告用の表示用データ、電池容量及び使用可能電力の補正データ等の各制御パラメータに反映され、最適な通電制御が可能になる。これにより、電池の劣化状態を考慮しないで同じ通電制御を継続して過電圧や低電圧状態に入って劣化を更に加速させてしまうといった事態を未然に回避することができ、また、走行可能距離を推測する場合の推測精度を向上することができる。

以上のように、本実施の形態においては、走行中の複雑な通電パターンでの複雑な演算を行うことなく、車両停止時の外部充電という一定の条件下でバッテリの劣化度演算を行なうため、迅速且つ精度の高い電池の劣化判定を行なうことができ、車両制御性を向上することができる。

電動車両の外部充電方式を示す外観図電動車両のシステム構成図劣化度演算の機能ブロック図充電時の電流及び容量を示す説明図充電時バッテリ温度に対する開回路電圧と容量との関係を示す説明図初期容量の温度特性を示す説明図

符号の説明

１電動車両
１０高電圧バッテリ
３０充電容量演算部
３１容量変化分演算部
３２劣化度演算部
Ａ充電容量
ＡＨ初期電池容量
Ｂ容量変化分
ΔＲ劣化度

Claims

電動車両に搭載され、外部電源によって充電されるバッテリの劣化度を演算する車載バッテリの劣化度演算装置であって、
上記電動車両が停止状態での上記外部電源による充電時に、上記バッテリの充電電流の積算に基づく充電容量を算出する充電容量演算部と、
上記電動車両が停止状態での上記外部電源による充電時に、上記バッテリの開回路電圧に基づく容量と初期容量とに基づいて、上記バッテリが未劣化の場合の容量変化分を算出する容量変化分演算部と、
上記充電容量と上記容量変化分との差分に基づいて、上記バッテリの劣化度を算出する劣化度演算部と
を備えたことを特徴とする車載バッテリの劣化度演算装置。
上記劣化度は、上記充電容量に対する上記差分の比率であることを特徴とする請求項１記載の車載バッテリの劣化度演算装置。
上記外部電源による充電は、定電流充電であることを特徴とする請求項１又は２記載の車載バッテリの劣化度演算装置。
上記外部電源による充電は、定電流充電及び定電圧充電の組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２記載の車載バッテリの劣化度演算装置。