JP2017103833A - 電源システム、および車両 - Google Patents

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亜希 長谷川
Aki Hasegawa
亜希 長谷川
仁 韮沢
Hitoshi Nirasawa
仁 韮沢
下山田　啓
Hiroshi Shimoyamada
啓 下山田
泰男 角田
Yasuo Tsunoda
泰男 角田
高澤　孝次
Koji Takazawa
孝次 高澤
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Abstract

【課題】二次電池の安全性を確保しつつ、その性能をより多く発揮することができる電源システム、および車両を提供することである。【解決手段】実施形態の電源システムは、二次電池と、制御部とを持つ。制御部は、前記二次電池の温度が所定温度未満である場合、前記二次電池の電圧が上限電圧と下限電圧の間に収まるように制御する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電源システム、および車両に関する。
従来、電動機器を搭載した車両、発電設備を備える建物等に備えられる二次電池は、電力量に基づいて制御されていた。このため、二次電池の性能を十分に発揮できない場合があった。
特開２００３−２１９５１０号公報
本発明が解決しようとする課題は、二次電池の安全性を確保しつつ、その性能をより多く発揮することができる電源システム、および車両を提供することである。
実施形態の電源システムは、二次電池と、制御部とを持つ。制御部は、前記二次電池の温度が所定温度未満である場合、前記二次電池の電圧が上限電圧と下限電圧の間に収まるように制御する。
実施形態の電源システム５が搭載された車両１の構成例を示す図。 実施形態のハイブリッド制御部３０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。 実施形態のバッテリ制御部２０による処理の流れの一例を示すフローチャート。 実施形態の電源システムによって実現可能な充放電電流Ｉと、リチウムイオン電池１０の温度Ｔとの関係を例示した図。 実施形態のリチウムイオン電池１０における、開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係性を示す図。 実施形態の電源システム５が、発電設備と負荷を備える建物において使用される様子を模式的に示す図。
以下、実施形態の電源システム、および車両を、図面を参照して説明する。図１は、実施形態の電源システム５が搭載された車両１の構成例を示す図である。車両１は、例えば、電源システム５と、ハイブリッド制御部３０と、アクセル開度センサ３２と、車速センサ３４と、エンジン４０と、発電機４２と、モータ５０と、モータ駆動部５２と、デファレンシャルギヤ６０と、駆動輪６２と、表示部７０とを備える。また、電源システム５は、リチウムイオン電池１０と、バッテリ制御部２０とを備える。リチウムイオン電池１０には、温度センサ１２、電圧センサ１４、および電流センサ１６が取り付けられている。これらのセンサによる検出値は、バッテリ制御部２０に入力される。
リチウムイオン電池１０は、例えば、正極にマンガン、負極側にチタン酸リチウムをそれぞれ用いたリチウムイオン電池（二次電池）である。リチウムイオン電池１０を、このような態様とすることにより、充電の受け入れ速度を向上させると共に、リチウムの析出により内部短絡が生じる可能性を低減することができる。リチウムイオン電池１０は、正極と負極とがセパレータを挟んで対向する構造を複数積層しており、複数の正極に接続された正極端子と、複数の負極に接続された負極端子と、ガス排出弁が筐体表面に設けられている。
バッテリ制御部２０は、例えば、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の記憶部、入出力インターフェース等がバスを介して接続された構成を有している。バッテリ制御部２０は、例えば車両用の通信プロトコルが実行される通信線を介して、ハイブリッド制御部３０との間で通信を行う。バッテリ制御部２０は、例えば、記憶部に記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、以下の制御を行う。なお、これに代えてバッテリ制御部２０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアによって以下の制御を行うものであってよい。バッテリ制御部２０による制御の内容については後述する。
ハイブリッド制御部３０は、バッテリ制御部２０と同様、コンピュータ装置である。ハイブリッド制御部３０には、アクセル開度センサ３２により検出されたアクセルペダルの操作量（アクセル開度）や車速センサ３４により検出された車速等が入力される。ハイブリッド制御部３０は、エンジン４０、発電機４２、モータ５０、およびモータ駆動部５２を制御する。
エンジン４０は、ガソリン等の炭化水素系の燃料を内部で燃焼させることによって動力を出力する。エンジン４０の出力する動力は、図示しない変速機やクラッチ、デファレンシャルギヤ６０を介して駆動輪６２に出力される。発電機４２は、エンジン４０の出力する動力を用いて発電する。発電機４２の発電した電力は、リチウムイオン電池１０を充電するのに用いられる。
モータ５０は、モータ駆動部５２によって駆動される。モータ駆動部５２は、例えば、モータ５０に供給する三相交流を生成するためのインバータ等を含む。また、モータ５０は、車両１が減速する際に駆動輪６２から入力される動力を用いて発電し、リチウムイオン電池１０を充電することができる。
なお、上記説明した発電機４２とモータ５０の役割は、あくまで一例であり、車両１は、エンジン４０および発電機４２が遊星歯車機構等を介して駆動輪６２に連結されたものであってもよく、如何なる態様でエンジン４０、発電機４２、モータ５０が接続されたものであってもよい。また、車両１は、エンジン４０を備えない電気自動車であってもよい。
ハイブリッド制御部３０は、例えば、アクセル開度センサ３２や車速センサ３４から入力される値に基づいて、エンジン４０の出力、およびモータ５０の出力を決定する。図２は、実施形態のハイブリッド制御部３０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定周期で繰り返し実行される。
まず、ハイブリッド制御部３０は、アクセル開度センサ３２から入力されるアクセル開度と、車速センサ３４から入力される車速、その他の情報に基づいて、駆動輪６２に出力すべき要求パワーを算出する（ステップＳ１００）。
次に、ハイブリッド制御部３０は、バッテリ制御部２０から、電圧センサ１４から入力されるリチウムイオン電池１０の電圧Ｖと、電流センサ１６から入力されるリチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉとを取得し（ステップＳ１０４）、入力された電圧Ｖと充放電電流Ｉを乗算してモータ出力パワーを算出する（ステップＳ１０６）。なお、ステップＳ１０４、Ｓ１０６の処理に代えて、バッテリ制御部２０からモータ出力パワーを取得する処理を行ってもよい。
次に、ハイブリッド制御部３０は、ステップＳ１００で算出した要求パワーから、ステップＳ１０４で算出したモータ出力パワーを差し引いて、エンジン要求パワーを算出し（ステップＳ１０６）、エンジン要求パワーを出力するようにエンジン４０を制御する（ステップＳ１０８）。
このように、ハイブリッド制御部３０は、リチウムイオン電池１０の電圧Ｖおよび充放電電流Ｉの実測値に基づいて車両１の走行制御を行う。これによって、リチウムイオン電池１０の出力可能なパワーを予測する等の複雑な演算が不要となり、処理負荷を軽減することができる。このような処理は、以下に説明するバッテリ制御部２０の制御によって実現される。
以下、バッテリ制御部２０による制御の内容について説明する。バッテリ制御部２０は、温度センサ１２から入力されるリチウムイオン電池１０の温度Ｔを参照し、（１）リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満である場合と、（２）所定温度Ｔ１以上である場合とで異なる制御を行う。
（１）リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満である場合、バッテリ制御部２０は、リチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉを監視せず、リチウムイオン電池１０の電圧Ｖが上限電圧Ｖｍａｘと下限電圧Ｖｍｉｎの間に収まるように制御する。例えば、上限電圧Ｖｍａｘは２．７［Ｖ］、下限電圧Ｖｍｉｎは１．５［Ｖ］と定められる。
バッテリ制御部２０は、電圧センサ１４から入力されるリチウムイオン電池１０の電圧Ｖが上昇して上限電圧Ｖｍａｘ付近（例えば２．５〜２.６［Ｖ］）となると、ハイブリッド制御部３０に対して、リチウムイオン電池１０に流入する電流Ｉを抑制または停止するように指示する信号（充電抑制信号）を送信する。ハイブリッド制御部３０は、充電抑制信号が入力されると、発電機４２またはモータ５０による発電を抑制または停止する。
また、バッテリ制御部２０は、電圧センサ１４から入力されるリチウムイオン電池１０の電圧Ｖが低下して下限電圧Ｖｍｉｎ付近（例えば１．６［Ｖ］）となると、ハイブリッド制御部３０に対して、リチウムイオン電池１０から流出する電流Ｉを抑制または停止するように指示する信号（放電抑制信号）を送信する。ハイブリッド制御部３０は、放電抑制信号が入力されると、モータ５０による電力消費を抑制または停止する。また、リチウムイオン電池１０の電力が、モータ５０以外の車載機器によって消費される場合、放電抑制信号は、モータ５０以外の車載機器を制御する制御部に対して送信されてもよい。また、バッテリ制御部２０は、放電抑制信号を送信する際に、リチウムイオン電池１０からの電力供給経路上のスイッチを遮断状態にする制御を行ってもよい。
（２）リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１以上である場合、バッテリ制御部２０は、電流センサ１６から入力されるリチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉが、上限電流Ｉｍａｘ以下となるように制御する。上限電流Ｉｍａｘは、電流の二乗と抵抗の積（Ｉ２・Ｒ）で表される単位時間辺りのジュール熱が、安全面を考慮して定められた上限値となる場合の電流値であり、好適な設定値が実験等により予め定められている。
バッテリ制御部２０は、電流センサ１６から入力されるリチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉが上昇して上限電流Ｉｍａｘ付近（Ｉｍａｘの近傍値であって、Ｉｍａｘよりも若干小さい値）となると、ハイブリッド制御部３０に対して、リチウムイオン電池１０から流出する電流Ｉまたはリチウムイオン電池１０に流入する電流Ｉを抑制または停止するように指示する信号（充放電抑制信号）を送信する。ハイブリッド制御部３０は、充放電抑制信号が入力されると、発電機４２またはモータ５０による発電または電力消費を、抑制または停止する。また、リチウムイオン電池１０の電力が、モータ５０以外の車載機器によって消費される場合、充放電抑制信号は、モータ５０以外の車載機器を制御する制御部に対して送信されてもよい。また、バッテリ制御部２０は、充放電抑制信号を送信する際に、リチウムイオン電池１０からの電力供給経路上のスイッチを遮断状態にする制御を行ってもよい。
図３は、実施形態のバッテリ制御部２０による処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定周期で繰り返し実行される。
まず、バッテリ制御部２０は、温度センサ１２から入力されるリチウムイオン電池１０の温度Ｔを参照し、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。
リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満である場合、バッテリ制御部２０は、電圧センサ１４から入力されるリチウムイオン電池１０の電圧Ｖが上昇して上限電圧Ｖｍａｘ付近となったか否かを判定する（ステップＳ２０２）。電圧センサ１４から入力されるリチウムイオン電池１０の電圧Ｖが上昇して上限電圧Ｖｍａｘ付近となると、バッテリ制御部２０は、充電抑制信号をハイブリッド制御部３０に送信する（ステップＳ２０４）。
ステップＳ２０２で否定的な判定を得た場合、バッテリ制御部２０は、電圧センサ１４から入力されるリチウムイオン電池１０の電圧Ｖが低下して下限電圧Ｖｍｉｎ付近となったか否かを判定する（ステップＳ２０６）。リチウムイオン電池１０の電圧Ｖが低下して下限電圧Ｖｍｉｎ付近となると、バッテリ制御部２０は、放電抑制信号をハイブリッド制御部３０に送信する（ステップＳ２０８）。
一方、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１以上である場合、バッテリ制御部２０は、電流センサ１６から入力されるリチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉが上昇して上限電流Ｉｍａｘ付近となったか否かを判定する（ステップＳ２１０）。電流センサ１６から入力されるリチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉが上昇して上限電流Ｉｍａｘ付近となると、バッテリ制御部２０は、充放電抑制信号をハイブリッド制御部３０に送信する（ステップＳ２１２）。
ここで、従来のリチウムイオン電池では、電池の特性（劣化程度）に応じた制御が必要であった。特に、車両用に用いられるリチウムイオン電池の場合、寒冷地で使用されるときには氷点下の温度下で使用され、また摂氏４０度以上の高温で使用される場合もある。このため、従来のリチウムイオン電池に対しては、温度や電池の特性、充電率等に応じた予測演算等が必要であり、そのような演算を行うことでリチウムイオン電池の性能を十分に発揮することができない場合があった。
これに対し、実施形態のリチウムイオン電池１０は、正極にマンガン、負極側にチタン酸リチウムをそれぞれ用いているため、リチウムの析出により内部短絡が生じる可能性が低い。このため、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満である場合には、リチウムイオン電池１０の電圧Ｖが上限電圧Ｖｍａｘと下限電圧Ｖｍｉｎの間に収まるように制御していれば、リチウムイオン電池１０に不具合が生じるのを抑制することができる。また、リチウムイオン電池１０の電圧Ｖが低下して下限電圧Ｖｍｉｎ付近となるまで放電を継続することにより、リチウムイオン電池１０の性能をより多く発揮することができる。従って、実施形態によれば、リチウムイオン電池１０の安全性を確保しつつ、その性能をより多く発揮することができる。
図４は、実施形態の電源システムによって実現可能な充放電電流Ｉと、リチウムイオン電池１０の温度Ｔとの関係を例示した図である。図示するように、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが低下すると、電解液中のキャリアの移動量が小さくなることで充放電抵抗が上昇するため、充放電電流Ｉは小さくなる。一方、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが上昇すると充放電電流Ｉは大きくなるが、過剰な発熱を抑制するため、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１以上の領域では、充放電電流Ｉが上限電流Ｉｍａｘ以下となるように制御される。これによって、リチウムイオン電池１０の安全性を更に高めることができる。
また、バッテリ制御部２０は、上記説明した制約の下で、リチウムイオン電池１０の充電率（ＳＯＣ；State Of Charge）を算出し、充電率ＳＯＣを所望のレベル（例えば５０％〜６０％程度）に維持すると共に、充電率ＳＯＣに基づく情報を表示部７０に表示させてよい。充電率ＳＯＣを、０％〜１００％の中間程度のレベルに維持することで、モータ５０に供給する電力を確保すると共に、モータ５０から入力される回生電力の受け入れ性を高めることができる。また、充電率ＳＯＣに基づく情報とは、充電率ＳＯＣそのものを示す情報であってもよいし、単位時間辺りの充電率の変化（瞬間充電量）を示す情報であってもよい。表示部７０は、インストルメントパネル正面部等、車両１の運転者から見やすい場所に取り付けられると好適である。
バッテリ制御部２０は、例えば、車両１の始動時等において、リチウムイオン電池１０の開放電圧ＯＣＶを測定し、開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係性に基づいて、初期値としての充電率ＳＯＣを導出する。図５は、実施形態のリチウムイオン電池１０における、開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係性を示す図である。正極にマンガン、負極側にチタン酸リチウムをそれぞれ用いたリチウムイオン電池１０では、開放電圧ＯＣＶと充電率ＳＯＣとの関係性は、温度に依存しない。従って、バッテリ制御部２０は、リチウムイオン電池１０を負荷から切り離した状態で電圧センサ１４により測定される開放電圧ＯＣＶを測定するだけで、容易に充電率ＳＯＣを導出することができる。初期値としての充電率ＳＯＣを導出した後、バッテリ制御部２０は、充放電電流の積算値を、その時点の充電率ＳＯＣに加算または減算していくことで、充電率ＳＯＣを算出することができる。
なお、上記実施形態では、電源システム５がエンジン４０と走行用のモータ５０を備えるハイブリッド車両に適用されるものとしたが、電源システム５は、エンジンを備えず走行用のモータを備える電気自動車に搭載されることもできる。また、電源システム５は、発電設備と負荷を備える住宅等の建物においても使用可能である。図６は、実施形態の電源システム５が、発電設備と負荷を備える建物において使用される様子を模式的に示す図である。この構成において電源システム５のバッテリ制御部２０は、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満である場合、リチウムイオン電池１０の電圧Ｖが上限電圧Ｖｍａｘと下限電圧Ｖｍｉｎの間に収まるように制御し、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１以上である場合、電流センサ１６から入力されるリチウムイオン電池１０の充放電電流Ｉが、上限電流Ｉｍａｘ以下となるように制御する。そして、上記電圧または充放電電流の制約条件を満たすように、充電抑制信号を充電設備に送信したり、放電抑制信号を負荷の制御部に送信したりする。このような使用態様であっても、電源システム５は、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、リチウムイオン電池１０の温度Ｔが所定温度Ｔ１未満である場合、リチウムイオン電池１０の電圧が上限電圧Ｖｍａｘと下限電圧Ｖｍｉｎの間に収まるように制御するバッテリ制御部２０を持つことにより、リチウムイオン電池１０の安全性を確保しつつ、その性能をより多く発揮することができる。
なお、上記実施形態におけるリチウムイオン電池１０が「二次電池」の一例であり、バッテリ制御部２０が「制御部」の一例であり、モータ５０が「車載機器」の一例であり、ハイブリッド制御部３０が「エンジン制御部」の一例である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…車両、５…電源システム、１０…リチウムイオン電池、１２…温度センサ、１４…電圧センサ、１６…電流センサ、２０…バッテリ制御部、３０…ハイブリッド制御部、３２…アクセル開度センサ、３４…車速センサ、４０…エンジン、４２…発電機、５０…モータ、５２…モータ駆動部

Claims (7)

  1. 二次電池と、
    前記二次電池の温度が所定温度未満である場合、前記二次電池の電圧が上限電圧と下限電圧の間に収まるように制御する制御部と、
    を備える電源システム。
  2. 前記制御部は、前記二次電池の温度が所定温度以上である場合、前記二次電池の充放電電流が上限電流以下となるように制御する、
    請求項１記載の電源システム。
  3. 前記制御部は、前記二次電池の温度が所定温度未満である場合、前記二次電池の充放電電流を監視せず、前記二次電池の電圧が上限電圧と下限電圧の間となるように制御する、
    請求項１または２記載の電源システム。
  4. 前記制御部は、前記二次電池の充電量を算出し、前記算出した前記二次電池の充電量に基づく情報を表示部に表示させる、
    請求項１から３のうちいずれか１項記載の電源システム。
  5. 前記二次電池は、正極にマンガン、負極側にチタン酸リチウムをそれぞれ用いたリチウムイオン電池である、
    請求項１から４のうちいずれか１項記載の電源システム。
  6. １から５のうちいずれか１項記載の電源システムを搭載し、
    前記電源システムから車載機器に電力供給する車両。
  7. エンジンと、
    アクセルペダルの操作量と、前記電源システムの二次電池の電圧および充放電電流の実測値に基づいて算出されるパワー値と、に基づいて前記エンジンの出力を決定するエンジン制御部と、
    を更に備える請求項６記載の車両。
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