JP2015052513A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】走行用のモータを駆動する電力を蓄える第１バッテリと、補機を駆動する第２バッテリを有する電気自動車において、第２バッテリの劣化を検知する技術を提供する。【解決手段】ハイブリッド車２は、第１バッテリ３の電圧を降圧して第２バッテリ１３に供給する電圧コンバータ１２と、コントローラ１６を備える。コントローラ１６は、車両のメインスイッチがオフの間に、電圧コンバータ１２を作動させて第２バッテリ３の充電を開始してから所定時間経過後の電圧コンバータ１２の出力電流が所定の電流閾値以上の場合に第２バッテリ１３が劣化していることを示す信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車、及び、燃料電池車を含む。

電気自動車は、２種類のバッテリを搭載していることが多い。一つは、走行用モータを駆動する電力を蓄えるバッテリであり、もう一つは、走行用モータよりも駆動電圧が低い電気デバイスに供給する電力を蓄えるバッテリである。本明細書では、前者を第１バッテリと称し、後者を第２バッテリと称する。第２バッテリは、補機バッテリと呼ばれることもある。補機とは、電気自動車において、走行用モータよりも駆動電圧が低い電気デバイスの総称である。補機の代表的なものには、ルームランプやカーオーディオ、エンジンやインバータのコントローラなどがある。

第１バッテリは、典型的には出力電圧が１００ボルト以上であり、第２バッテリは出力電圧が５０ボルト以下である。第１バッテリにはリチウムイオン、ニッケル水素などの化学電池、あるいは、燃料電池が用いられることが多い。第２バッテリには、鉛バッテリが用いられることが多い。

バッテリは充放電を繰り返すうちに劣化する。バッテリの劣化とは、典型的には、充電し得る最大の容量が低下することである。鉛電池の劣化の一因には、サルフェーションという現象が知られている。この現象は、長時間の充放電を繰り返しているうちに、電解液に含まれている硫酸鉛が電極表面に結晶化して付着する現象である。この硫酸鉛は不可逆性の不導体であり、電極表面の抵抗を増加させるので、サルフェーションが生じるとバッテリの充放電能力（単位時間当たりの充電量あるいは単位時間当たりの放電量）が低下する。サルフェーションは、通常よりも高い電圧（通常に充電するときに印加する電圧よりも高い電圧）を電極に印加することで除去できることが知られている（特許文献１）。

第２バッテリの劣化を検知する技術が例えば特許文献２、３で提案されている。特許文献２の技術は、外部からの電力で第１バッテリを充電中に第２のバッテリの電圧及び充放電電流から第２バッテリの内部抵抗を同定し、その内部抵抗の大きさから劣化を判定する。特許文献３の技術は、第２バッテリの出力電圧を昇圧して第１バッテリを充電している間に第２バッテリの出力電力に基づいて劣化を判定する。劣化の程度は、第２バッテリの出力電圧／出力電流の特性を予め把握しており、その特性を参照して判断される。この技術は、劣化をチェックしている間に第２バッテリの出力電力が第１バッテリに吸収されるのでエネルギロスがない、という利点がある。

特開２００７−２３６１４９号公報 特開２００９−０４２１５７号公報 特開２００６−２１１８５９号公報

本明細書は、特許文献２や３に開示された技術よりも簡便な方法で第２バッテリの劣化を検知する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、一つには、バッテリ（特に鉛バッテリ）は劣化が進むにつれて充電に要する時間が長くなる、という知見に基づく。充電に要する原因の一つは前述したサルフェーションによる内部抵抗（電極の抵抗）の上昇である。劣化が進んでいないバッテリでは、満充電になるとそれ以上電流を吸収できないから充電電流（充電対象のバッテリに供給される電流）がほぼゼロになるが、劣化が進んだバッテリではゆっくりとしか充電されないので充電電流が長時間にわたり流れ続ける。それゆえ、充電開始から一定時間が経過した後の充電電流は、劣化したバッテリでは劣化していないバッテリと比較して大きくなる。また、本明細書が開示する技術は、一つには、電圧コンバータの出力電流を使って第２バッテリの劣化を検知する。

本明細書が開示する電気自動車の一実施形態は、走行用モータを駆動する電力を蓄える第１バッテリと、補機を駆動する電力を蓄える第２バッテリと、第１バッテリの電圧を降圧して第２バッテリに供給する電圧コンバータと、コントローラを備える。コントローラは、車両のメインスイッチがオフの間に、第２バッテリの充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）をモニタし、充電量がＳＯＣ閾値を下回ったら電圧コンバータを作動させて第２バッテリの充電を開始する。コントローラは、第２バッテリの充電を開始してから所定時間経過後の電圧コンバータの出力電流が所定の電流閾値以上の場合に第２バッテリが劣化していることを示す信号を出力する。前述したように、劣化したバッテリは内部抵抗が上昇し、劣化していないバッテリ（新品のバッテリ）と比較して充電に時間がかかるので、一定時間後の充電電流が新品のバッテリを充電する場合と比較して高くなる。本明細書が開示する電気自動車は、この事象を利用してバッテリの劣化を検知する。

劣化を示す信号は、例えば、劣化を示すメッセージやランプをインパネに表示することや、劣化を示すメッセージを不揮発性メモリに記憶するのに用いられる。不揮発性メモリのデータは、車両のメンテナンス時にサービス要員が車両の状態を把握するのに用いられる。また、所定時間は、典型的には劣化していないバッテリを満充電するのに要する時間が選定される。電流閾値は、劣化したバッテリを充電したときに所定時間後に流れる充電電流の大きさに基づいて設定される。「劣化したバッテリを充電したときに所定時間後に流れる充電電流の大きさ」は、バッテリの特性や初期の充電電流に依存するので予め試験などで定められる。「劣化したバッテリ」とは、例えば、所定時間充電した後の充電容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈｒａｇｅ）が当初の７０％まで低下したもの、と定義される。

第２バッテリの劣化をチェックするタイミングを車両のメインスイッチがオフの間としたのは、次の理由による。「車両のメインスイッチ」とは、一般に「イグニッションスイッチ」と呼ばれているスイッチである。このメインスイッチがオフのときには、走行用のモータ（ハイブリッド車の場合はエンジンも含む）の起動が禁止されている。すなわち、車両のメインスイッチがオフの間は、ほとんどの補機が起動されていない。一般の自動車では、モータやエンジンの起動は禁止されているが、カーオーディオなど一定の補機の起動は許容されている状態、いわゆる「アクセサリオン」という状態が存在するが、メインスイッチがオフの状態とは、そのような補機の起動も禁止されている状態である。ただし、後述するように、第２バッテリの充電量をチェックするコントローラは、メインスイッチの状態に関わらず作動する。

上記のとおりであるから、メインスイッチがオフの間は、電圧コンバータの出力電流がほぼ第２バッテリの充電に使われる。それゆえ、電圧コンバータの出力電流で、第２バッテリの状態を確認することができる。本明細書が開示する電気自動車は、車両のメインスイッチがオフの間に電圧コンバータの出力電流をモニタするという簡単な処理で第２バッテリの劣化をチェックすることができる。

なお、一般に、電気デバイスに接続されているバッテリは、電気デバイスが起動していなくとも、暗電流が流れるために少しずつ充電量が減っていく。それゆえ、車両のメインスイッチがオフの間でも長時間放置されると第２バッテリの充電量は低下していく。従って、車両においても、メインスイッチがオフの間に第２バッテリの充電量をモニタし、必要に応じて充電することに利点がある。

電圧コンバータは出力電流を制御するためにもともと電流センサを備えている。本明細書が開示する技術は、電圧コンバータの電流センサを活用して第２バッテリの劣化をモニタする。それゆえ、第２バッテリの劣化をチェックするために新たに電流センサを備える必要がない。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電気自動車の電力系のブロック図である。 新品のバッテリと劣化したバッテリの充電電流の相違を示す模式的グラフである。 コントローラが実行する劣化チェック処理のフローチャート図である。 劣化検知時に劣化の回復を試す処理のフローチャート図である。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用にモータとエンジンを備えるハイブリッド車２である。ハイブリッド車２の電気系統のブロック図を図１に示す。

ハイブリッド車２は、電源として、第１バッテリ３と第２バッテリ１３を搭載している。第１バッテリ３は、走行用のモータ５を駆動する電力を蓄えるバッテリであり、その出力電圧は例えば３００ボルトである。第２バッテリ１３は、第１バッテリ３よりも出力電圧が低く、走行用モータ以外の電気デバイスに電力を供給する。第２バッテリ１３の出力電圧は例えば１２ボルトである。第２バッテリ１３は、補機バッテリ、あるいは、オグジュアリバッテリとも呼ばれ、通常のエンジン車が備えるバッテリと基本的に同じである。第２バッテリ１３が電力を供給する電気デバイスは、「補機」と総称されることがある。

第１バッテリ３は、典型的にはリチウムイオンバッテリである。第１バッテリ３としては、ほかに、ニッケル水素バッテリなどの化学電池であってもよいし、燃料電池であってもよい。第２バッテリ１３は、典型的には鉛バッテリである。

第１バッテリ３は、インバータ４に電力を供給する。インバータ４は、第１バッテリ３の直流電力をモータ５の駆動に適した３相交流電力に変換する。インバータ４は昇圧コンバータも含んでおり、第１バッテリ３の出力電圧を昇圧した後に交流に変換する。

モータ５の出力軸とエンジン６の出力軸は動力分配機構７に連結されている。モータ５の出力トルクとエンジン６の出力トルクは動力分配機構７で合成され、その出力はデフギア９を介して車輪８に伝達される。動力分配機構７は基本的には遊星歯車ギアであり、モータ５の出力軸はサンギアに連結され、エンジン６の出力軸はプラネタリキャリアに連結され、出力軸（デフギア９に連結している車軸）はリングギアに連結されている。動力分配機構７は、また、エンジン６の出力トルクをモータ５と出力軸に振り分ける場合もある。その場合、ハイブリッド車２は、エンジン６の出力で走行しながらモータ５で発電する。発電で得られた電力で第１バッテリ３が充電される。

第１バッテリ３は、インバータ４に接続されているとともに、電圧コンバータ１２にも接続されている。電圧コンバータ１２の出力端は第２バッテリ１３の出力端に接続している。通常のエンジン車では、本実施例の第２バッテリ３に相当する鉛バッテリはオルタネータで充電される。しかし、電気自動車であるハイブリッド車２では、第２バッテリ１３は、第１バッテリ３の電力で充電される。即ち、電圧コンバータ１２が第１バッテリ３の出力電圧を降圧して第２バッテリ１３に出力し、第２バッテリ１３を充電する。

前述したように、第２バッテリ１３は、補機へ電力を供給するためのバッテリである。補機の代表的なものに、ルームランプ１４やオーディオ装置１５がある。また、インバータ４や電圧コンバータ１２のコントローラ１６も補機の一種である。図１において、コントローラ１６からインバータ４と電圧コンバータ１２へ伸びている破線矢印は、コントローラ１６がそれらのデバイスへの信号線を表している。なお、補機は他にも多数あるので、図１では第２バッテリ１３から伸びている電力供給線２１を途中から省略している。

ハイブリッド車２は、コントローラ１６が、第２バッテリ１３の充電量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を監視しており、ＳＯＣが所定の値よりも低くなると、電圧コンバータ１２を駆動し、第２バッテリ１３を充電する。コントローラ１６は車両のメインスイッチがオフの間も第２バッテリ１３の充電量のチェックし、必要に応じて第２バッテリ１３を充電する。また、コントローラ１６は、第２バッテリ１３の劣化の進行度合いもチェックする。コントローラ１６は、第２バッテリ１３の劣化が所定の状態まで進むと、バッテリ劣化を伝えるメッセージをインパネに表示するとともに、そのメッセージを車載の不揮発メモリ（不図示）に記憶する。

第２バッテリ１３の劣化について説明する。バッテリは、劣化が進むと充電が完全に終わらず、長時間充電を続けても充電のための電流（充電電流）が小さくならない。図２に、そのことを表す模式的なグラフを示す。図２のグラフの縦軸は充電電流を表しており、横時間は充電時間を表している。横軸の左端が充電開始時刻を意味する。符号Ｇ１が示すグラフは、劣化が進んだバッテリを充電するときの充電電流の経時変化を示しており、符号Ｇ２が示すグラフは、劣化が進んでいないバッテリ（新品のバッテリ）を充電するときの充電電流の経時変化を示している。劣化が進んでいないバッテリは、充電開始からの時間が経過するにつれて充電電流が小さくなる（グラフＧ２）。時間Ｔｄは新品のバッテリを満充電するのに要する時間であり、時間Ｔｄが過ぎるとバッテリはそれ以上充電できないので、いくら充電電流を供給しようとしても電流は流れない。すなわち、充電電流はほぼゼロとなる。なお、いわゆる暗電流の存在により、新品のバッテリにおいて時間Ｔｄを経過した後であっても少しの充電電流は流れる。一方、劣化が進んだバッテリは、例えば前述したサルフェーション現象により内部抵抗が高くなり、充電開始直後の充電電流は劣化していないバッテリの場合よりも低くなり、時間が経過してもなかなか当初の容量まで充電せず、充電が極めてゆっくり進むことになる（グラフＧ１）。その結果、新品バッテリの満充電時間Ｔｄを過ぎても充電電流が小さくならない、という現象が生じる。

上記の現象に基づき、コントローラ１６は、充電を開始してから一定の時間Ｔｄが経過した後の電圧コンバータ１２の出力電流が所定の電流閾値Ｉｔｈを超えている場合、第２バッテリ１３の劣化が進んでいると判断する。なお、電圧コンバータ１２の出力電流が充電電流に相当する条件として、コントローラ１６は、車両のメインスイッチがオフの間に第２バッテリ１３を充電する際に上記の判断処理を実行する。前述したように、車両の「メインスイッチ」とは、いわゆるイグニッションスイッチであり、このスイッチがオフの間はモータ５とエンジン６が起動されることがなく、大きな電力を消費する補機が動作しないので、電圧コンバータ１２の出力電流がほぼ全て第２バッテリ３の充電に当てられると考えられるからである。

コントローラ１６が実行する劣化チェック処理を、図３のフローチャートを参照して説明する。なお、図３の処理は一定時間毎に実行される。コントローラ１６はまず、第２バッテリ３の充電量（ＳＯＣ）がＳＯＣ閾値を下回っているか否かを確認する（Ｓ２）。充電量がＳＯＣ閾値を上回っている場合（Ｓ２：ＮＯ）、第２バッテリ３を充電する必要がないので処理を終了する。第２バッテリ３の充電量がＳＯＣ閾値を下回っている場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、コントローラ１６は、電圧コンバータ１２を始動して充電を開始する（Ｓ３）。このとき、コントローラ１６は、車両のメインスイッチがオフであるか否かを確認する（Ｓ４）。メインスイッチがオフでない場合は、様々な補機が作動している可能性が高く、その場合は、電圧コンバータ１２の出力電流がそれら補機でも消費されるため、電圧コンバータ１２の出力電流と第２バッテリ３の充電電流の関係が不確定なので劣化のチェックは行わない（Ｓ４：ＮＯ）。他方、メインスイッチがオフの場合は、大きな電力を消費する補機は作動していない可能性が高いので、電圧コンバータ１２の出力電流はほぼ、第２バッテリ３への充電電流であると考えられる。その場合、コントローラ１６は、所定時間が経過するのを待ち（Ｓ５）、所定時間が経過したら、電圧コンバータ１２の出力電流を予め設定されている電流閾値と比較する（Ｓ６）。なお、ステップＳ５の「所定時間」、及び、Ｓ６の「電流閾値」の大きさは前述したとおりであり、「所定時間」は図２のグラフの時間Ｔｄに相当し、「電流閾値」は図２のグラフの電流Ｉｔｈに相当する。

出力電流が電流閾値を超えている場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、コントローラ１６は、第２バッテリ３の劣化が進んでいると判断し、その旨を示すメッセージをインパネに表示する（あるいはその旨を示すランプ（警告ランプ）を点灯させる）。さらに、コントローラ１６は、劣化フラグ（劣化を示すプログラム上のフラグ）を不揮発性メモリに格納する（Ｓ７）。この不揮発性メモリは、車両のサービスマンが点検時にそれまでの車の状態を把握するためのデータを保持するデバイスである。なお、ステップＳ６にて電圧コンバータ１２の出力電流が電流閾値よりも大きい場合は、コントローラ１６は、第２バッテリ３の劣化は進んでいないと判断して処理を終了する（Ｓ６：ＮＯ）。こうして、第２バッテリ３の劣化がチェックされる。なお、ステップＳ３にて電圧コンバータ１２を起動した後は、コントローラ１６は、第２バッテリ３の充電量（ＳＯＣ）をモニタし、充電量が所定のパーセンテージまで回復したら電圧コンバータ１２を停止し、充電を終了する。充電は、第２バッテリ１３の劣化のチェックをするかしないかに関わらずに行われる。

図３のステップＳ７において劣化を示すメッセージをインパネに表示することや、劣化フラグを不揮発性メモリに格納することが、第２バッテリ１３が劣化していることを示す信号を出力することの一例に相当する。

前述したように劣化の一因はサルフェーションであり、サルフェーションはバッテリの電極に通常よりも高い電圧を印加すると解消する場合がある。そこで、コントローラ１６は、劣化を検知すると、図４に示す処理（劣化の回復を試す処理）を実行する。この処理では、コントローラ１６は、まず電圧コンバータ１２の出力電圧を増加させる（Ｓ２２）。コントローラ１６は、例えば、電圧コンバータ１２の出力電圧を、通常の充電時の２０％増加させる。次にコントローラ１６は、出力電圧を増加させた状態で一定時間を待つ（Ｓ２３）。一定時間経過後、コントローラ１６は、電圧コンバータの出力電圧を元に戻す（Ｓ２４）。そしてコントローラ１６は、図３のステップＳ６と同様に、電圧コンバータ１２の出力電流を電流閾値と比較する（Ｓ２５）。出力電流が電流閾値よりも小さい場合は（Ｓ２５：ＮＯ）、サルフェーションが解消して劣化が回復したと考えられるので、図３のステップＳ７で格納した劣化フラグを元に戻す（劣化フラグを消す）とともに、インパネの表示も消す（Ｓ２６）。一方、ステップＳ２５の判断がＹＥＳの場合、即ち、電圧コンバータの出力電流が電流閾値よりも大きい場合、劣化が回復していないので、コントローラ１６は何もせず処理を終了する。

以上の通り、実施例のハイブリッド車２は、車両のメインスイッチがオフの間に第２バッテリに電流を供給する電圧コンバータの出力電流をモニタすることで第２バッテリ３の劣化をチェックする。この劣化チェックの仕組みは大きなコスト増を招かずに実現できるという利点がある。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電気自動車は走行用にモータとエンジンを備えるハイブリッド車２であった。本明細書が開示する技術はエンジンを備えず、モータだけで走行するいわゆるピュアＥＶや燃料電池車に適用することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３：第１バッテリ
４：インバータ
５：モータ
６：エンジン
７：動力分配機構
８：車輪
９：デフギア
１２：電圧コンバータ
１３：第２バッテリ
１４：ルームランプ
１５：オーディオ装置
１６：コントローラ
２１：電力供給線
Ｉｔｈ：電流閾値
Ｔｄ：満充電時間

Claims (1)

1. 走行用モータを駆動する電力を蓄える第１バッテリと、
   補機を駆動する電力を蓄える第２バッテリと、
   第１バッテリの電圧を降圧して第２バッテリに供給する電圧コンバータと、
   車両のメインスイッチがオフの間に電圧コンバータを作動させて第２バッテリの充電を開始してから所定時間経過後の電圧コンバータの出力電流が所定の電流閾値以上の場合に第２バッテリが劣化していることを示す信号を出力するコントローラと、
   を備えていることを特徴とする電気自動車。

Images