JP2010057325A - 電気自動車の回生制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の破損や劣化を回避しながら効率よく回生充電を行うことが出来るようにする。
【解決手段】電気自動車１０の回生制御装置において、二次電池１１のＳＯＣに応じて電動発電機１５から二次電池１１に入力される目標入力電流Ｉ_inＴを規定する目標入力電流規定手段３８と、この目標入力電流規定手段３８により規定された目標入力電流Ｉ_inＴとなるように電動発電機１５から二次電池１１に入力される実電流Ｉ_inＡを調整する電流調整手段３２とを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車の回生制御装置に関するものである。

近年、環境保護の観点から、ハイブリッド電気自動車や電気自動車の普及が進んでいる。
これらのハイブリッド電気自動車や電気自動車においては、モータ／ジェネレータ（電動発電機）をジェネレータとして作動させることで制動力を得ながら発電（いわゆる回生発電）が出来るという特徴がある。

つまり、この回生発電により生じた電力を充電可能な電池である二次電池に充電することで、従来は無駄になっていた運動エネルギを電気エネルギとして回収することが出来るのである。
もっとも、二次電池に過大な電力を入力することは、この二次電池の劣化を早めてしまうだけではなく、二次電池にとって不安全な状態になるため、好ましくない。このため、従来より、回生制動時に二次電池へ入力される電力（充電電力）が所定の目標電圧値以上にならないように回生制御を行なう手法が一般的に用いられている。なお、電力値を用いて回生制御を行なう手法は、例えば、以下の特許文献１の〔０１０５〕〜〔０１０６〕段落および図８に示されている。
特開２００５−１３７０９１号公報

しかしながら、入力電力が目標電力値となるように二次電池の充電制御を行なう手法（以下、従来手法という）では、二次電池の劣化を十分に回避できないという課題が生じる。これを、図５のタイムチャートを用いて説明する。なお、ここでは、目標電力値が５００Ｗに設定されているものとする。
二次電池の初期電圧Ｖ₀が２Ｖである場合（矢印Ａ１０１参照）、目標電力値５００Ｗを維持するべく、従来手法では、入力電流を一気に２５０Ａに増大させることになる（矢印Ａ１０２参照）。

このとき、入力電流の急激な増大（いわゆる、突入電流の発生）に伴い、二次電池の電圧も上昇する（矢印Ａ１０４参照）。
その後、二次電池の電圧上昇が検出されると、入力電流が減じられる（矢印Ａ１０５参照）。
しかしながら、フィードバック制御の遅れのため、実際には二次電池の電圧が異常電圧領域に達しているにも関わらず、この上昇した電圧が検出されるまで２５０Ａの入力電流はしばらくの間は減じられない（矢印Ａ１０３参照）。このため、二次電池を異常電圧領域（矢印Ａ１０６参照）で使用することになり、二次電池の劣化が促進されてしまうのである。

このような課題は、フィードバック制御の制御サイクルを極めて短くするという手法をとれば解決出来ないわけではないが、このような手法では、制御負荷が極めて高くなるため、高速処理が可能なＣＰＵ（Central Processing Unit）を搭載した充電制御装置を用いる必要が生じ、コストが増大してしまう。また、ＣＰＵにより高速処理を行なった場合には、ＣＰＵから発生する熱も無視できなくなるという課題も生じる。

したがって、フィードバック制御の制御サイクルの極小化という手法は現実的には採用しがたい。
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、二次電池の破損や劣化を回避しながら効率よく回生充電を行うことが出来る、電気自動車の回生制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電気自動車の回生制御装置（請求項１）は、二次電池に貯えられた電力を用いて電動発電機を電動機として使用することで走行するとともに、該電動発電機を発電機として使用することで制動および発電をし且つ発電された回生電力により該二次電池を回生充電する、電気自動車の回生制御装置において、該二次電池の充電割合を検出する充電割合検出手段と、該充電割合検出手段によって検出された該二次電池の充電割合に応じ該電動発電機から該二次電池に入力される目標入力電流を規定する目標入力電流規定手段と、該目標入力電流規定手段により規定された該目標入力電流となるように該電動発電機から該二次電池に入力される実電流を調整する電流調整手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明の電気自動車の回生制御装置は、請求項１記載の内容において、該二次電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、該電流調整手段は、該目標入力電流規定手段によって設定された該目標入力電流を該温度検出手段によって検出された該二次電池温度に応じて補正することを特徴としている。
また、請求項３記載の本発明の電気自動車の回生制御装置は、請求項１または２記載の内容において、該二次電池の劣化が生じていない場合に該二次電池へ入力された電流に対する電圧の上昇割合を示す理想充電効率を記憶する理想充電効率記憶手段と、該電動発電機から該二次電池に入力される該実電流を検出する電流検出手段と、該二次電池の実電圧を検出する電圧検出手段と、該電流検出手段により検出された該実電流に対し該電圧検出手段によって検出された該実電圧の上昇割合を示す実充電効率を演算する充電効率演算手段と、該理想充電効率記憶手段により記憶された該理想充電効率と該実充電効率演算手段によって演算された実充電効率との差に応じて該二次電池の劣化度合いを示す劣化係数を演算する劣化係数演算手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項４記載の本発明の電気自動車の回生制御装置は、請求項３記載の内容において、該目標入力電流規定手段によって設定された該目標入力電流を該劣化係数演算手段によって演算された該劣化係数に応じて補正する劣化補正手段を備えることを特徴としている。

本発明の電気自動車の回生制御装置によれば、目標入力電流となるように、発電機から二次電池に入力される実電流を調整するようになっているので、二次電池の破損や劣化を回避しながら効率よく回生充電を行うことが出来る。（請求項１）
また、温度に応じて変化する二次電池の入力特性を考慮することで、より適切に二次電池の回生充電を行なうことが出来る。（請求項２）
また、理想充電効率と実充電効率とはともに直線的な特性を有しており、これらの理想充電効率と実充電効率とを比較することで、二次電池の劣化度合いを示す劣化係数を正確に得ることが出来る。（請求項３）
また、劣化度合い応じて変化する二次電池の入力特性を考慮することで、より適切に二次電池の回生充電を行なうことが出来る。（請求項４）

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式的なブロック図、図２はリチウムイオン電池の端子実電圧とリチウムイオン電池への実入力電流との関係を示す模式的なＶ−Ｉ特性グラフ、図３はリチウムイオン電池の充電率および温度に応じた目標入力電流を示す目標入力電流マップの模式図、図４はその動作を示す模式的なフローチャートである。

図１に示すように、電気自動車１０には、充放電可能な電池であるリチウムイオン電池（二次電池）１１が搭載されている。このリチウムイオン電池１１はバッテリケース１２に内蔵されている。また、このリチウムイオン電池１１は、比較的高い電圧（例えば、約３００Ｖ）の電力を出力することが出来るようになっている。
バッテリケース１２内には温度センサ（温度検出手段）１３が設けられ、その検出結果は、後述するＥＣＵ３０に出力されるようになっている。なお、バッテリケース１２内の温度は、ＥＣＵ３０において、リチウムイオン電池１１の実温度（電池温度）Ｔ_battＡであるとみなされるようになっている。

また、この電気自動車１０には、インバータユニット１４とモータ／ジェネレータユニット（電動発電機）１５とが備えられている。
インバータユニット１４は、モータ／ジェネレータユニット１５が「モータ」として作動する場合、リチウムイオン電池１１から入力された直流電力を交流電力に変換するとともに、変換した交流電力の電圧，電流および周波数を調整したうえで、モータ／ジェネレータユニット１５に出力することが出来るようになっている。

また、このインバータユニット１４は、モータ／ジェネレータユニット１５が「ジェネレータ」として作動する場合、モータ／ジェネレータユニット１５から入力された交流電力を直流電力に変換するとともに、変換した直流電力の電圧および電流を調整したうえで、リチウムイオン電池１１に出力することが出来るようになっている。
また、モータ／ジェネレータユニット１５は、電気自動車１０の後輪１６と機械的に接続されている。

したがって、アクセルペダル（図示略）がドライバによって踏み込まれている場合には、モータ／ジェネレータユニット１５がモータとして作動し、このモータ／ジェネレータユニット１５で生じたトルクが後輪１６に伝達され、電気自動車１０が駆動走行することが出来るようになっている。
一方、ブレーキペダル（図示略）がドライバによって踏み込まれている場合、あるいは、アクセルペダルが踏み込まれていない場合、モータ／ジェネレータユニット１５がジェネレータとして作動し、後輪１６からのトルクがモータ／ジェネレータユニット１５に入力され、電気自動車１０を制動するとともに回生発電することが出来るようになっている。

なお、ジェネレータとして作動するモータ／ジェネレータユニット１５により発電された電力（回生電力）は、インバータユニット１４を介してリチウムイオン電池１１に出力されることで、このリチウムイオン電池１１を充電することが出来るようになっている。
そして、この電気自動車１０には、いずれも図示しない、メモリおよびＣＰＵを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御ユニット）３０が設けられている。

このＥＣＵ３０のメモリには、いずれもソフトウェアとして、ＳＯＣ検出部（ＳＯＣ検出手段）３１，電流調整部（電流調節手段）３２，電圧検出部（電圧検出手段）３３，電流検出部（電流検出手段）３４，充電効率演算部（充電効率演算手段）３５，劣化係数演算部（劣化係数演算手段）３６および劣化補正部（劣化補正手段）３７が記録されている。

さらに、このメモリには、目標入力電流マップ（目標入力電流規定手段）３８が記録されるとともに、理想充電効率記憶部（理想充電効率記憶手段）３９が設定されている。
これらのうち、ＳＯＣ検出部３１は、リチウムイオン電池１１の充電率であるＳＯＣ（State Of Charge）を検出するものである。
電流調整部３２は、ジェネレータとして作動するモータ／ジェネレータユニット１５からリチウムイオン電池１１に実際に入力される電流（実電流）Ｉ_inＡが、ジェネレータとして作動するモータ／ジェネレータユニット１５からリチウムイオン電池１１に入力される目標電流（目標入力電流）Ｉ_inＴとなるようにインバータユニット１４を制御するものである。

また、この電流調整部３２は、ＳＯＣ検出部３１により検出されたＳＯＣと、温度センサ１３によって検出されたリチウムイオン電池の実温度Ｔ_battＡとを、目標入力電流マップ３８（後述する）に適用することで、目標入力電流Ｉ_inＴを得ることが出来るようになっている。
また、この目標入力電流Ｉ_inＴは、所定の回生継続期間Ｔ_R（例えば、Ｔ_R＝８０秒）の間、継続してリチウムイオン電池１１へこの目標入力電流Ｉ_inＴと一致した電流が入力された場合に、リチウムイオン電池１１の端子実電圧Ｖ_battＡが所定の閾値電圧Ｖ_THとなるように設定されたものである。

また、閾値電圧Ｖ_THは、端子実電圧Ｖ_battＡがこの閾値電圧Ｖ_THを超えると、リチウムイオン電池１１の劣化が促進されるおそれがあるという観点から設定されたものである。
つまり、図２に示すように、リチウムイオン電池１１の充電時において、このリチウムイオン電池１１の端子実電圧Ｖ_battＡは、リチウムイオン電池１１に入力される実電流Ｉ_inＡが増大するに連れて、線形に増大していく特性を有している。このため、上記の閾値電圧Ｖ_THを容易に設定することが出来るのである。

したがって、図２に示すＶ−Ｉ特性に着目することで、図示しないブレーキペダルが回生継続期間Ｔ_Rの間、継続して踏み込まれ続けることで、モータ／ジェネレータユニット１５がジェネレータとして作動し続け、リチウムイオン電池１１の回生充電が継続したとしても、このリチウムイオン電池１１には、劣化が促進されにくい適切な量の電流、即ち、閾値電圧Ｖ_THに応じて設定された目標入力電流Ｉ_inＴで示される量の電流が、リチウムイオン電池１１に入力されるようになっている。

電圧検出部３３は、リチウムイオン電池１１の端子実電圧Ｖ_battＡを検出するものである。なお、この端子実電圧Ｖ_battＡは、充電時におけるリチウムイオン電池１１への入力電圧であり、放電時におけるリチウムイオン電池１１からの出力電圧でもある。
電流検出部３４は、リチウムイオン電池１１の端子実電流Ｉ_battＡを検出するものである。なお、この端子実電流Ｉ_battＡは、充電時におけるリチウムイオン電池１１への入力電流であり、放電時におけるリチウムイオン電池１１からの出力電流でもある。

充電効率演算部３５は、実充電効率ＣＡを演算するものである。なお、この実充電効率ＣＡは、電流検出部３４により検出された実電流Ｉ_inＡに対し、電圧検出部３３によって検出された端子実電圧Ｖ_battＡの変化割合を示すものである。
劣化係数演算部３６は、劣化係数Ｄを演算するものである。なお、この劣化係数Ｄは、理想充電効率ＣＩと実充電効率ＣＡとの差に応じてリチウムイオン電池１１の劣化度合いを示すものである。また、この劣化係数Ｄは、リチウムイオン電池１１が全く劣化していない場合は１であり、リチウムイオン電池１１の劣化が進行するに連れて増大するように設定されている。

ここで、理想充電効率ＣＩは、リチウムイオン電池１１が新品である場合、即ち、リチウムイオン電池１１が全く劣化していない場合の理想的な充電効率を示すものであって、ＥＣＵ３０の図示しないメモリにおける一領域である理想充電効率記憶部３９に記憶されている。また、実充電効率ＣＡは、上述の充電効率演算部３５によって演算されたものである。

劣化補正部３７は、目標入力電流マップ３８を用いることで得られた目標入力電流Ｉ_inＴを、劣化係数演算部３６によって演算された劣化係数Ｄに応じて補正するものである。より具体的に、この劣化補正部３７は、劣化係数Ｄが増大するに連れて、目標入力電流Ｉ_inＴを増大補正するようになっている。
目標入力電流マップ３８は、図３に示すように、リチウムイオン電池１１のＳＯＣに応じた目標入力電流Ｉ_inＴを規定するマップである。

この目標入力電流マップ３８には、リチウムイオン電池１１のＳＯＣと、リチウムイオン電池１１の実温度Ｔ_battＡとに応じて、目標入力電流Ｉ_inＴが規定されている。なお、この図３に示すリチウムイオン電池実温度Ｔ_battＡの例示温度Ｔ１〜Ｔ５は、以下の式（１）に示す関係にある。
Ｔ１ ＞ Ｔ２ ＞ Ｔ３ ＞ Ｔ４ ＞ Ｔ５ ・・・（１）
つまり、この目標入力電流マップ３８は、リチウムイオン電池１１のＳＯＣが一定であると仮定すれば、リチウムイオン電池実温度Ｔ_battＡが増大するに連れて、目標入力電流Ｉ_inＴも増大することを規定している。

本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置は上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。
図４のフローチャートに示すように、まず、ＳＯＣ検出部３１がリチウムイオン電池１１のＳＯＣを検出する（ステップＳ１１）。また、ＥＣＵ３０が温度センサ１３から出力されたリチウムイオン電池実温度Ｔ_battＡを検出する（ステップＳ１１）。

さらに、電流調整部３２は、ステップＳ１１において検出されたＳＯＣと、温度センサ１３によって検出されたリチウムイオン電池実温度Ｔ_battＡとを、目標入力電流マップ３８に適用することで、目標入力電流Ｉ_inＴを得る（ステップＳ１２）。
その後、劣化補正部３７は、ステップＳ１２において得られた目標入力電流Ｉ_inＴを、劣化係数Ｄに応じて補正する（ステップＳ１３）。

そして、電流調整部３２は、ジェネレータとして作動するモータ／ジェネレータユニット１５からリチウムイオン電池１１に実際に入力される電流（実電流）Ｉ_inＡが、ステップＳ１３において補正された最終的な目標入力電流Ｉ_inＴとなるようにインバータユニット１４を制御する（ステップＳ１４）。
その後、充電効率演算部３５は、電流検出部３４により検出された実電流Ｉ_inＡに対し、電圧検出部３３によって検出された端子実電圧Ｖ_battＡの変化割合を演算することで、実充電効率ＣＡを得る（ステップＳ１５）。

そして、劣化係数演算部３６は、理想充電効率記憶部３９に記憶された理想充電効率ＣＩと、ステップＳ１５で得られた実充電効率ＣＡとの差に応じて、リチウムイオン電池１１の劣化度合いを示す劣化係数Ｄを演算する（ステップＳ１６）。
なお、１回目の制御におけるステップＳ１３で用いられる劣化係数Ｄは１であり、２回目以降の制御におけるステップＳ１３で用いられる劣化係数Ｄは、前回の制御サイクルにおけるステップＳ１６において演算された値が用いられる。

このように、本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置によれば、目標入力電流Ｉ_inＴとなるようにジェネレータとして作動するモータ／ジェネレータユニット１５からリチウムイオン電池１１に入力される実電流Ｉ_inＡを調整するようになっているので、過大な電流が二次電池に入力されることを防ぐことが出来る。
つまり、従来技術のように、目標入力電力Ｐ_inＴに一致させるべく実電力Ｐ_inＡを調整すると、リチウムイオン電池１１の実電圧Ｖ_battＡが比較的低い場合に、過大な突入電流がリチウムイオン電池１１に流れ込んでしまう事態が生じることとなる。

これに対して、本発明においては、このような過大な突入電流が流れることを防ぐことが可能となり、リチウムイオン電池１１の破損や劣化を防ぐことが出来るのである。
また、電流調整部３２が、目標入力電流マップ３８を用いて設定された目標入力電流Ｉ_inＴを、リチウムイオン電池実温度Ｔ_battＡに応じて補正することで、温度に応じて変化するリチウムイオン電池１１の入力特性を考慮しながら、より適切にリチウムイオン電池１１の回生充電を行なうことが出来る。

また、理想充電効率ＣＩと実充電効率ＣＡとはともに直線的な特性を有しており、これらの理想充電効率ＣＩと実充電効率ＣＡとを比較することで、リチウムイオン電池１１の劣化度合いを示す劣化係数Ｄを正確に得ることが出来る。
また、目標入力電流マップ３８に基づいて設定された目標入力電流Ｉ_inＴを劣化係数Ｄに応じて補正すことで、劣化度合Ｄに応じて変化するリチウムイオン電池１１の入力特性を考慮しながら、より適切に二次電池の回生充電を行なうことが出来る。

さらに、リチウムイオン電池１１の性能を示す情報として入手しやすいＶ−Ｉ特性に基づいて、目標入力電流マップ３８を設定することが可能となるため、この目標入力電流マップ３８を設定する際に特別な試験を行なったり、特別な装置を用意したりする手間やコストを排することが出来る。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが出来る。その一例を以下に示す。

上述の実施形態においては、二次電池としてリチウムイオン電池１１が用いられた場合について説明したがこれに限定するものではない。例えば、リチウムイオン電池１１に換えて、ニッケル水素二次電池を二次電池として用いるようにしてもよい。
また、上述の実施形態においては、回生継続期間ＴＲが８０秒である場合について説明したが、これに限定するものではない。例えば、この回生継続期間ＴＲを、通常は２０秒以上，好ましくは４０秒以上，より好ましくは６０秒以上とするとともに、通常は１００秒以下，好ましくは８０秒以下，より好ましくは６０秒以下としてもよい。

本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置の全体構成を示す模式的なブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置で用いられる二次電池を充電する際の模式的なＶ−Ｉ特性グラフである。 本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置で用いられる、二次電池の充電率および温度に応じた目標入力電流を示す目標入力電流マップの模式図である。 本発明の一実施形態に係る電気自動車の回生制御装置の動作を示す模式的なフローチャートである。 従来の技術において、二次電池へ過大な電流が流れることを示すタイムチャートである。

符号の説明

１０ 電気自動車
１１ リチウムイオン電池（二次電池）
１３ 温度センサ（温度検出手段）
１５ モータ／ジェネレータユニット（電動発電機）
３１ ＳＯＣ検出部（充電割合検出手段）
３２ 電流調整部（電流調整手段）
３３ 電圧検出部（電圧検出手段）
３４ 電流検出部（電流検出手段）
３５ 充電効率演算部（充電効率演算手段）
３６ 劣化係数演算部（劣化係数演算手段）
３７ 劣化係数補正部（劣化補正手段）
３８ 目標入力電流マップ（目標入力電流規定手段）
３９ 理想充電効率記憶部（理想充電効率記憶手段）
ＣＡ 実充電効率
ＣＩ 理想充電効率
Ｄ 劣化係数
Ｉ_inＴ 目標入力電流
Ｉ_inＡ 実電流
Ｖ_battＡ リチウムイオン電池実電圧（二次電池の実電圧）
Ｔ_battＡ リチウムイオン電池実温度（二次電池の温度）

Claims (4)

1. 二次電池に貯えられた電力を用いて電動発電機を電動機として使用することで走行するとともに、該電動発電機を発電機として使用することで制動および発電をし且つ発電された回生電力により該二次電池を回生充電する、電気自動車の回生制御装置において、
   該二次電池の充電割合を検出する充電割合検出手段と、
   該充電割合検出手段によって検出された該二次電池の充電割合に応じ該電動発電機から該二次電池に入力される目標入力電流を規定する目標入力電流規定手段と、
   該目標入力電流規定手段により規定された該目標入力電流となるように該電動発電機から該二次電池に入力される実電流を調整する電流調整手段とを備える
   ことを特徴とする、電気自動車の回生制御装置。
2. 該二次電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   該電流調整手段は、該目標入力電流規定手段によって設定された該目標入力電流を該温度検出手段によって検出された該二次電池温度に応じて補正する
   ことを特徴とする、請求項１記載の電気自動車の回生制御装置。
3. 該二次電池の劣化が生じていない場合に該二次電池へ入力された電流に対する電圧の上昇割合を示す理想充電効率を記憶する理想充電効率記憶手段と、
   該電動発電機から該二次電池に入力される該実電流を検出する電流検出手段と、
   該二次電池の実電圧を検出する電圧検出手段と、
   該電流検出手段により検出された該実電流に対し該電圧検出手段によって検出された該実電圧の上昇割合を示す実充電効率を演算する充電効率演算手段と、
   該理想充電効率記憶手段により記憶された該理想充電効率と該実充電効率演算手段によって演算された実充電効率との差に応じて該二次電池の劣化度合いを示す劣化係数を演算する劣化係数演算手段とを備える
   ことを特徴とする、請求項１または２記載の電気自動車の回生制御装置。
4. 該目標入力電流規定手段によって設定された該目標入力電流を該劣化係数演算手段によって演算された該劣化係数に応じて補正する劣化補正手段を備える
   ことを特徴とする、請求項３記載の電気自動車の回生制御装置。

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