JP2016531278A - ハイブリッド車両内のバッテリーの健全状態を予測するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハイブリッド車両内のバッテリーの健全状態（ＳＯＨ）特性を予測するための方法に関し、充電状態（ＳＯＣ）ウィンドウの上側領域内において、前記バッテリーを少なくとも１回充電及び放電するステップと、前記ＳＯＣウィンドウの下側領域内において、前記バッテリーを少なくとも１回充電及び放電するステップと、前記ＳＯＣウィンドウ外に達した前記レベルを使用して、前記ハイブリッド車両に含まれるバッテリー管理装置を較正するステップと、前記バッテリー管理装置を使用して、前記充電及び放電中に前記バッテリーの前記ＳＯＨ特性を予測するステップとから成る。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両内のバッテリーの健全状態（ＳＯＨ）を予測するための方法に関する。また、本発明は、高出力の構成部品（１００ｋＷ）を備えたハイブリッド車両で、動力変動が大きくかつ速いハイブリッド車両に関する。本発明は、例えば、トラック、バス、建設車両等の大型車両用蓄電システムの分野において特に効果的である。

満充電状態時にバッテリーが有するエネルギーと比較し、そのバッテリーのエネルギー残量を知ることで、バッテリーの再充電が必要となる前に、バッテリーがどのくらい動作し続けるかをユーザに示す。このエネルギー量は、充電状態又はＳＯＣという。ＳＯＣは、バッテリーの定格出力の比率として表されるバッテリーの有効容量である。ハイブリッド車両のバッテリーは、図１の電圧対ＳＯＣ曲線で示されるように、電圧対充電状態特性を有する。ＳＯＣウィンドウとして表示されるバッテリーの有効範囲は、主に該特性の「平坦な」領域にある。

ＳＯＣウィンドウは、動作の有効範囲を示し、経年劣化に伴い減少する。劣化するバッテリーは、その特性が徐々に変化するため、再充電がますます難しくなる。該特性は、図１に示す経年劣化とともに少しずつ変化し、この変化は、健全状態又はＳＯＨで示されるパラメータにおいて特徴付けられてもよい。ＳＯＨは、バッテリーの一般的な状態、及び新品かつ未使用のバッテリーと比べて特定の性能を発揮する能力を示す測定値である。ＳＯＨパラメータは、電荷受容性、内部抵抗／インピーダンス／伝導性、容量、電気エネルギー、自己放電、充電を受ける能力、及び充放電サイクル数などの係数を考慮に入れる。ますます劣化していくバッテリーを充電しようとしたその結果、低ＳＯＣレベルで電圧が上昇する。これは、高電圧監視のトリガー及びミッション停止及び／又はハイブリッド車両内の構成部品への悪影響を引き起こし得る異常コードに至る可能性がある。したがって、バッテリーのＳＯＨの状態を予測することで、バッテリーのＳＯＣウィンドウを徐々に減少させることが可能であることが重要である。

バッテリーでの実際の充電を測定することで判定可能なＳＯＣとは違って、ＳＯＨの絶対的定義はない。ＳＯＨは、異なるユーザが、様々な測定可能なバッテリー性能パラメータからＳＯＨを導き出すという点で主観的測定値である。ＳＯＨは、バッテリー（又はセル、若しくはバッテリーパック）の状態の、該バッテリーの理想的な状態と比較した、性能指数である。ＳＯＨの単位は、百分率であり、１００％はバッテリーの仕様に適合するバッテリーの状態に相当する。通常、バッテリーＳＯＨは、製造時は１００％であり、時間と共に使用するにつれ減少する。

通常動作の間にＳＯＨを予測するのは難しい。過大予測されると、不必要な監視異常トリガー及びミッション停止の原因となり、過小予測されると、バッテリーの性能を無駄にし、早まった破棄の原因となる可能性がある。

本発明の目的は、ハイブリット車両内のバッテリーの健全状態（ＳＯＨ）を予測及び較正するための方法を提供することであり、その方法では、先述の問題は少なくとも部分的に回避される。この目的は、本発明の独立請求項のいずれかの特徴によって達成される。

バッテリー管理装置を含むハイブリット車両内のバッテリーの健全状態（ＳＯＨ）特性を予測するための方法は、
− 前記バッテリーの現在の充電状態（ＳＯＣ）ウィンドウを決定することによって前記バッテリー管理装置を較正するステップと、
− 前記バッテリーを充電しつつ前記充電状態に対する開路電圧（ＯＣＶ）の導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣを続けて測定するステップと、
− 該ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣがｄＯＣＶ／ｄＳＯＣの最小値の２倍以上である場合、第１ＳＯＣレベルを決定するステップと、
− 所定の時間の間、第１高充電電流インパルスによって前記バッテリーを充電するステップと、
− 前記バッテリーを放電させつつ前記導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣを引き続き測定するステップと、
− 前記導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣが上昇している場合、第２ＳＯＣレベルを決定するステップと、
− 所定の時間の間、第２高電流インパルスによって前記バッテリーを放電させるステップと、
− 前記の決定された第１及び第２ＳＯＣレベルを使用し、前記バッテリーの現在のＳＯＣウィンドウを決定するステップと、
− 前記の決定された現在のＳＯＣウィンドウを基準のＳＯＣウィンドウと比較することで、前記バッテリーの前記ＳＯＨ特性を予測するステップと、
から成る。

これに関連して、導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣが、ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣの最小値の２倍以上である場合、第１ＳＯＣレベルが決定される。該最小値は、図１の電圧対ＳＯＣ曲線の中央の安定状態において発生する。第１ＳＯＣレベルと同様に、導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣが上昇している場合、つまりｄＯＣＶ／ｄＳＯＣの最小値より大きくなる場合、第２ＳＯＣレベルが決定される。

充電ステップ及び放電ステップ中、バッテリーは高電流インパルスによって充電／放電される。この電流は、バッテリーの容量に対して大きくなければならない。バッテリー充電の分野において、バッテリー充電構造の中には、例えばＣ／１０値の比較的小さい電流をバッテリーに供給するものがある。記号Ｃは、バッテリーの一時間当たりの容量と定義されている。他のバッテリー充電構造は、例えばＣ値（Ｃ＝１）のかなり大きい電流をバッテリーに供給する。これに関連して、Ｃ≧１の電流インパルスは、従来、大きいと見られていた。バッテリーの放電を実行する際、十分に大きな電流インパルスを得るには、車両の内燃機関を使用するのが有利である。

上記に述べたように、決定された現在のＳＯＣウィンドウは、基準のＳＯＣウィンドウと比較される。基準のＳＯＣウィンドウは、例えば、検知された最初のＳＯＣウィンドウ又はバッテリーの製造業者によって供給された既知の元々のＳＯＣウィンドウであってもよい。

本発明は更に、ハイブリッド車両内のバッテリーの健全状態（ＳＯＨ）特性を予測するための別の方法に関するものであって、該方法は、
− 充電状態（ＳＯＣ）ウィンドウの上側領域内において、前記バッテリーを少なくとも１回充電及び放電するステップであって、そこで前記バッテリーは、
ｉ）第１時間の間、前記ＳＯＣウィンドウの前記上側領域内において、第１所定レベルまで充電され、
ｉｉ）第２時間の間、前記バッテリーの前記ＳＯＣレベルを前記第１所定レベルより上のレベルに押し上げるよう、第１充電電流インパルスによって充電され、
ｉｉｉ）前記ＳＯＣウィンドウ内において、第２所定レベルまで発電機によって放電される、充放電ステップと、
− 前記ＳＯＣウィンドウの下側領域内において、前記バッテリーを少なくとも１回充電及び放電するステップであって、そこで前記バッテリーは、
ｉ）第３時間ｖ）の間、前記ＳＯＣウィンドウ内において、第３所定レベルまで充電され、
ｉｉ）前記ＳＯＣウィンドウ内において、第４所定レベルまで発電機によって放電され、
ｉｉｉ）第４時間の間、前記バッテリーの前記ＳＯＣレベルを前記第４所定レベルより下のレベルに下げるよう、第２電流インパルスによって放電される、充放電ステップと、
− 前記ＳＯＣウィンドウ外に達した前記レベルを使用して、前記ハイブリッド車両に含まれるバッテリー管理装置を較正するステップと、
− 前記バッテリー管理装置を使用して、前記充電及び放電中に前記バッテリーの前記ＳＯＨ特性を予測するステップとから成る、ハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法において、
前記第１時間及び前記第３時間は、それぞれ前記第２時間及び前記第４時間よりも長く、及び前記第１所定レベルは、前記第２所定レベルよりも高い電圧を示し、前記第３所定レベルは、前記第４所定レベルよりも高い電圧を示す。

本発明によると、決定された現在のＳＯＣウィンドウは、基準のＳＯＣウィンドウと比較される。基準のＳＯＣウィンドウは、例えば、検知された最初のＳＯＣウィンドウ又はバッテリーの製造業者によって供給された既知の元々のＳＯＣウィンドウであってもよい。決定された現在のＳＯＣウィンドウと基準のＳＯＣウィンドウとを比較した結果によって、バッテリーのＳＯＨ特性を予測することができる。

ＳＯＨは特定の物理的品質に相当しないので、ＳＯＨの決定方法に関して業界で意見が一致していない。バッテリー管理装置は、ＳＯＨの予測値を導き出すための本発明のパラメータと組み合わせて、以下のパラメータのいずれかを（単独で又は組み合わせて）使用してもよいということは、当技術分野において周知である：
− 内部抵抗／インピーダンス／伝導性
− 容量
− 電気エネルギー
− 自己放電
− 充電を受ける能力
− 充放電サイクル数

また、バッテリー管理装置は、各パラメータのＳＯＨ値への関与に応じて、そのパラメータの任意の重みを定めることができる。このような１つ以上の測定された（及びおそらく重み付けされた）パラメータ及び決定されたＳＯＣウィンドウを、記憶されているパラメータ及び既知の元々のＳＯＣウィンドウと比較することで、バッテリーのＳＯＨ特性を予測することができる。追加的な公知のパラメータを１つ以上含めることで、バッテリーの現在の健全状態をより正確に予測することができる。

本発明の実施形態の中には、バッテリーの健全状態の改善された予測方法を提供するものがある。

また、本発明の目的、特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な説明から明らかとなり、本発明の実施形態は、添付の図面を参照してより詳細に説明される。

出力開路電圧をハイブリッド車両の一般的なバッテリーの充電状態の関数として、示すグラフである。 本発明による方法の放電及び再充電のステップを実行するための例示的なグラフである。 本発明による方法の放電のステップを実行するための例示的なフロー図である。 本発明による方法の再充電のステップを実行するための例示的なフロー図である。

本発明の実施形態が示されている以下の添付図面を参照して、本発明の様々な様態を下記さらに十分に説明する。しかし、本発明については、多くの異なる形で具体化してもよく、本明細書に示される実施形態に限定されるように解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の開示が徹底して完全であるように、提供され、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるものである。同様の参照符号は同様の構成要素全てを指す。

バッテリーの寿命期間中、その状態及び性能といった健全状態は、最終的に使用不可又は寿命切れになるまでに、使用及び経時劣化に伴って起こる不可逆な物理的かつ化学的変化のために、徐々に衰える傾向にある。ＳＯＨは、バッテリーのライフサイクルにおいて達した地点、及び新品かつ未使用のバッテリーに対する現在の状態を測る尺度を示す。その目的は、現在の状態のバッテリーから予測され得る性能を提示すること、又はバッテリーの有効寿命が、どのくらい消耗され、バッテリー交換が必要となる前にどれくらい残っているかを提示することである。ハイブリッド車両のバッテリーは割高であるので、バッテリーのＳＯＨをできるだけ正確に予測することが重要である。本発明に係る方法は、ＳＯＨ予測の精度を向上させる。

セルインピーダンス又は導電性など、経時的に大きく変化するあらゆるパラメータをバッテリーのＳＯＨを示す基準として使用してもよい。ＳＯＨは、新しいバッテリーの状態に対して示されるので、バッテリー管理装置（ＢＭＵ）は、初期状態の記録を保持し、現在／実際のＳＯＨの予測を提示するよう構成されている。ＢＭＵは、ハイブリッド車両内に配置する又は外部充電ポールや充電所などの外部測定装置として配置してもよい。

できるだけ正確な予測を提供できるよう、この予測を行う前に、ＢＭＵを較正しなければならない。ＳＯＣウィンドウは、バッテリーの経年劣化を測定し示すことがむしろ容易であるので、ＳＯＨ予測手順を開始する前に、現在のＳＯＣウィンドウを決定することで、ＢＭＵが較正される。

図１は、標準バッテリーの充電状態ＳＯＣの関数を表す出力開路電圧ＯＣＶのグラフであり、一般的に電圧放電曲線ともいわれる。バッテリー設計の掲げられた目標は、ＳＯＣの大きな区間が極力一定であるよう、出力開路電圧ＯＣＶを与えることである。このため、図１の放電曲線１０ａ、１０ｂ、１０ｃの主要部は、ほぼ平らであって、即ち、導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣ（勾配）は、非常に小さい。第１ＳＯＣレベル１１と第２ＳＯＣレベル１２の間の中間区間１５は、ＳＯＣウィンドウ１３と呼ばれる。ＳＯＣウィンドウ１３内では、ＳＯＣレベルの変化は、非常に小さく時折ほとんど測定不可能なバッテリーＯＣＶの変化に相当する。このようにＳＯＣの測定分解能が低いと、バッテリーのＳＯＨを正確に予測することが困難になる。電圧放電曲線の形状は、経年劣化による影響を受けるので、第１ＳＯＣレベル１１及び第２ＳＯＣレベル１２に相当するＳＯＣレベルは、異なる測定ケース間においてある程度まで変動してもよい。

ＳＯＣは、通常百分率（％）で示され、０％は充電が全くないバッテリー、１００％は満充電状態のバッテリーに相当する。

バッテリーのＳＯＣを予測する複数の方法がある。方法の中には、特定のバッテリー化学に特有であるものと、ＳＯＣによって変化する便利なパラメータの測定によって決まるものとがある。

バッテリーＳＯＣを判定するためのある共通の方法は、バッテリーのＯＣＶの測定によるものである。バッテリーがいずれかの外部負荷から切断されて、外部電流がバッテリーに流入してこない場合にバッテリーの出力開路電圧を測定することで、バッテリーのＯＣＶが判定される。ＯＣＶは、バッテリーのＳＯＣと直接的相関関係にある。しかし、例えば、都市部でのハイブリッドトラックの駆動時の充電及び放電期間によってバッテリーＯＣＶは遮断される。

バッテリーがある期間休止し、バッテリーのＯＣＶが登録された後最初に、本発明に係るＳＯＨ予測工程は有利に開始され得る。充放電中に、クーロンカウンタを用いて、バッテリーＳＯＣを測定してもよい。

ＳＯＨの予測が可能になる前に、現在の動作範囲のＳＯＣウィンドウを決定しなければならない。正しいＳＯＣウィンドウを用いて、バッテリー管理装置ＢＭＵを較正しなければならない。これは、ＳＯＣウィンドウの正しい上側エッジ及び下側エッジがある箇所を調べるために、明確に定義された動作条件の下、動作範囲ＳＯＣウィンドウの該両エッジにおいてバッテリーに圧力を加えることで実施される。このように、導関数ｄＯＣＶ／ｄＳＯＣがかなり高くなっている場所を調べることで、バッテリーＳＯＣにおける小さな差異でも、出力開路電圧における重要な差異がもたらされる。

充電電流パルス及び放電電流パルスという形で刺激を与えることで、バッテリーに圧力が加えられる。この手順は、停止状態及びニュートラルギアに相当する駆動系の非係合状態において実施される。充電パルスは、発電動作中の発電機に動力を供給するディーゼルエンジンによって生成される。放電パルスは、摩擦によるブレーキとして及び／又はエンジンリターダとして作用するディーゼルエンジンを駆動する監視動作中の発電機によって生成される。これらのパルスは、ＳＯＣウィンドウ外で、ある程度バッテリーを充電／放電するのに使用され、その反応は、バッテリーのＳＯＨを判断するために、バッテリー管理装置ＢＭＵによって集計及び調査される。

バッテリーに圧力を加える方法は、以下のステップから成る。

第１に、図２及び図３に示すように、ＳＯＣウィンドウの下方限度までバッテリーを放電させる（ステップ２１）。

第２に、放電パルスを印可して（ステップ２２）、出力開路電圧特性／ＳＯＣ特性に沿ってバッテリーの電圧を更に下げることで、バッテリーＳＯＣを低下させ、第１ＳＯＣレベル１１の下方に位置する予測区間内に収める。しかし、バッテリーのＳＯＣレベルが第４ＳＯＣレベル１４（図１）を下回らないこと。下回ると、バッテリーは回復不能に弱められ損傷を受ける可能性がある。

第３に、図２及び図４に示すように、ＳＯＣウィンドウの上方限度まで、又は上方限度から若干外れてバッテリーを充電することで（ステップ２３）、バッテリーＳＯＣを高め、第２ＳＯＣレベル１２（図１）の上方に位置する予測区間内に収める。

第４に、充電パルスの刺激を印可すると（ステップ２４）、出力開路電圧特性／ＳＯＣ特性に沿ってバッテリーの電圧を更に上げることになる。

本発明によると、決定された現在のＳＯＣウィンドウは、基準のＳＯＣウィンドウと比較される。基準のＳＯＣウィンドウは、例えば、検知された最初のＳＯＣウィンドウ又はバッテリーの製造業者によって供給された既知の元々のＳＯＣウィンドウであってもよい。決定された現在のＳＯＣウィンドウと基準のＳＯＣウィンドウとを比較した結果によって、バッテリーのＳＯＨ特性を予測することができる。

反応を調査し、例えば構成要素の寿命試験からの「周知の」特徴的な反応と比較することで、バッテリーのＳＯＨを断定することができる。上記の放電及び充電ステップは、１回以上、好ましくは、図２に示すように３回実施してもよい。

これにより、ＳＯＣのより望ましい測定分解能がもたらされるので、異なる測定ケース間でのＳＯＣレベルの比較がより容易になる。

本発明の一実施形態では、充電電流インパルスは、発電動作中の発電機に動力を供給する車両の燃焼機関によって生成される。

本発明の一実施形態では、放電電流インパルスは、車両の燃焼機関を駆動するモータ動作中の発電機によって生成される。

本発明の一実施形態では、本発明の方法は更に、車両のバッテリーを充電ポールに接続するステップから成り、充電電流パルス及び放電電流パルスは、充電ポールによって生成される。

本発明の一実施形態では、燃焼機関は、その摩擦によってブレーキとして作用している。

本発明の一実施形態では、燃焼機関は、エンジンリターダとして作用している。

本発明の一実施形態では、本発明の方法は更に、予測されたＳＯＨ特性を使用して、ＳＯＣウィンドウを較正するステップから成る。

本明細書で使用される用語は、単に、特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定することを目的としない。本明細書で使用されるように、文脈で明確に述べられていない限り、単数形“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”は、複数形も含めることを意図している。また、“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”、“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”、“ｉｎｃｌｕｄｅｓ”及び／又は“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”は本明細書で使用される場合、記載されている特徴、整数値、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数値、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を除外しないと理解されたい。

別段の定義がない限り、本明細書で使用される全用語（技術用語及び科学用語も含む）は、本発明が属する当業者に共通して明白であるように、同じ意味を有している。また、本明細書で使用している用語は、本明細書の文脈及び関連する従来技術における意味と一致する意味を有していると解釈され、本明細書に明確に定義される場合を除いて、理想的又は過度に形式張った意味で解釈されることはないと理解されたい。

上述によって、本発明の本質、好ましい実施形態及び様式について説明した。しかし、本発明は、制限的というよりむしろ例示的とみなされるべきであって、前記の特定の実施形態に限定されない。本発明の様々な実施形態の異なる特徴は、明示されている以外に他の組み合わせで実現することも可能である。したがって、以下の請求項の範囲に定義されるように、本発明の範囲から逸脱しない限り、実施形態に変更を加えることができるのは、当業者には明らかである。

Claims (7)

1. ハイブリッド車両内のバッテリーの健全状態（ＳＯＨ）特性を予測するための方法であって、
   − 充電状態（ＳＯＣ）ウィンドウの上側領域内において、前記バッテリーを少なくとも１回充電及び放電するステップであって、そこで前記バッテリーは、
   ｉ）第１時間の間、前記ＳＯＣウィンドウの上側領域内において、第１所定レベルまで充電され、
   ｉｉ）第２時間の間、前記バッテリーの前記ＳＯＣレベルを前記第１所定レベルより上のレベルに押し上げるよう、第１充電電流インパルスによって充電され、
   ｉｉｉ）前記ＳＯＣウィンドウ内において、第２所定レベルまで発電機によって放電される、充放電ステップと、
   − 前記ＳＯＣウィンドウの下側領域内において、前記バッテリーを少なくとも１回充電及び放電するステップであって、そこで前記バッテリーは、
   ｉ）第３時間の間、前記ＳＯＣウィンドウ内において、第３所定レベルまで充電され、
   ｉｉ）前記ＳＯＣウィンドウ内において、第４所定レベルまで発電機によって放電され、
   ｉｉｉ）第４時間の間、前記バッテリーの前記ＳＯＣレベルを前記第４所定レベルより下のレベルに下げるよう、第２電流インパルスによって放電される、充放電ステップと、
   − 前記ＳＯＣウィンドウ外に達した前記レベルを使用して、前記ハイブリッド車両に含まれるバッテリー管理装置を較正するステップと、
   − 前記バッテリー管理装置を使用して、前記充電及び放電中に前記バッテリーの前記ＳＯＨ特性を予測するステップとから成る、ハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法において、
   前記第１時間及び前記第３時間は、それぞれ前記第２時間及び前記第４時間よりも長く、及び、
   前記第１所定レベルは、前記第２所定レベルよりも高い電圧を示し、前記第３所定レベルは、前記第４所定レベルよりも高い電圧を示す、
   ハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。
2. 前記充電電流インパルスは、発電動作中の前記発電機に動力を供給する前記車両の燃焼機関によって生成される、請求項１に記載のハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。
3. 前記放電電流インパルスは、前記車両の燃焼機関を駆動する前記発電機であって、モータ動作中の前記発電機によって生成される、請求項１に記載のハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。
4. 更に、
   ａ.前記車両の前記バッテリーを充電ポールに接続するステップから成り、前記充電電流パルス及び前記放電電流パルスは、該充電ポールによって生成される、
   請求項１に記載のハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。
5. 前記燃焼機関は、その摩擦によってブレーキとして作用している、請求項３に記載のハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。
6. 前記燃焼機関は、エンジンリターダとして作用している、請求項３に記載のハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。
7. 前記方法は更に、
   ａ.前記の予測されたＳＯＨ特性を使用して、前記ＳＯＣウィンドウを較正するステップから成る、
   請求項１に記載のハイブリッド車両内のバッテリーのＳＯＨ特性を予測するための方法。

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