JP2017103971A - バッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法 - Google Patents

バッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】車両走行用のバッテリーの劣化時に、バッテリーの充放電を制御する制御装置への負担を大きくすることなくエンジンの燃費性能悪化を抑制し、車両の商品力を向上させるバッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法を提供する。
【解決手段】リチウムイオンバッテリーの電気容量Sの減少率ΔSを推定算出するとともに、この推定算出した電気容量Sの減少率ΔSに基づいて、高電圧バッテリーの使用充電率範囲Rを範囲R1まで拡大させる制御を行う。更に高電圧バッテリーの内部抵抗上昇に基づいて、更に使用充電率範囲を拡大させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、バッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法に関し、更に詳しくは、車両走行用の動力源であるモータージェネレーターと、該モータージェネレーターにインバーターを介して接続されるバッテリーと、制御装置と、を備えたバッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法に関する。
近年、燃費向上及び環境対策などの観点から、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン及びモータージェネレーターを有するハイブリッドシステムを備えたハイブリッド車両(以下「HEV」という。)が注目されている。このHEVにおいては、車両の加速時や発進時には、モータージェネレーターによる駆動力のアシストが行われる一方で、慣性走行時や始動時にはモータージェネレーターによる回生発電が行われる(例えば、特許文献1を参照)。
一方、HEVや、エンジンを搭載せずにモータージェネレーターのみを車両の走行用の動力源とする電気自動車両(以下「EV」という。)のように、車両の走行用の動力源としてモータージェネレーターを搭載した車両においては、モータージェネレーターにインバーターを介して車両走行用のバッテリー(リチウムイオンバッテリーやニッケル水素バッテリー等)が接続される。そして、車両の走行状態に基づいて、モータージェネレーターとバッテリーの間で充放電を繰り返している。
このモータージェネレーターとバッテリーの間の充放電は、バッテリーの充電率が一定の範囲(使用充電率範囲)に収まるように行われる。この使用充電率範囲とは、バッテリーの電気容量(バッテリーに最大限蓄電可能な量)を100(%)として、例えば、30(%)〜50(%)のように予め実験等により車両の出荷(新品)時に設定される。
しかしながら、バッテリーの電気容量は、バッテリーに対する充放電が行われるにつれて、次第に減少していく。このようなバッテリーの劣化(バッテリーの電気容量の減少)が進むと、バッテリーの使用充電率範囲内で使用可能な電力量が減少するため、モータージェネレーターによる駆動力のアシスト量や回生電力量が減少し、エンジンの燃費が悪化する虞がある。
この問題に関連して、メインバッテリーのSOCが常に目標値あるいは目標SOC範囲に入るように充放電を制御するとともに、メインバッテリーの劣化時には目標SOC範囲の下限値を引き上げることで、新品時の出力に近い出力を得るハイブリッド車両用電池の制御装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
上記のハイブリッド車両用電池の制御装置では、メインバッテリーの劣化により出力低下が生じたときに、モーターの駆動力が低下して動力性能が悪化するので、この動力性能の悪化を抑制するために、目標SOC範囲の下限値を引き上げている。しかしながら、目標SOC範囲の下限値を引き上げることで、目標SOC範囲が狭まってしまうため、メインバッテリーの劣化が進行するにつれて、充放電の制御精度をより向上させる必要があり、制御装置への負担が大きくなるという問題がある。
特開2002−238105号公報 特開2000−030753号公報
本発明の目的は、車両走行用のバッテリーの劣化時に、バッテリーの充放電を制御する制御装置への負担を大きくすることなく、エンジンの燃費性能の悪化を抑制することができ、車両の商品力を向上させることができるバッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法を提供することにある。
上記の目的を達成する本発明のバッテリーの制御システムは、車両走行用の動力源であるモータージェネレーターと、該モータージェネレーターにインバーターを介して接続されるバッテリーと、制御装置と、を備えたハイブリッドシステムにおけるバッテリーの制御システムにおいて、前記制御装置が、前記バッテリーの電気容量の減少率を推定算出するとともに、この推定算出した前記電気容量の減少率に基づいて、前記バッテリーの使用充電率範囲を拡大させる制御を行うように構成される。
ここで、バッテリーの使用充電率範囲とは、予め実験等により設定される充電率の目標範囲であり、この目標範囲に収まるように、モータージェネレーターとバッテリーの間の充放電は制御される。また、バッテリーの電気容量とは、バッテリーの最大限蓄電可能な量である。
また、上記のバッテリーの制御システムにおいて、前記制御装置が、前記バッテリーの充放電効率の低下率を推定算出するとともに、この推定算出した前記充放電効率の低下率に基づいて、前記電気容量の減少率に基づいて拡大された前記バッテリーの使用充電率範囲をさらに拡大させる制御を行うように構成される。
また、上記の目的を達成する本発明のハイブリッド車両は、エンジンの動力を伝達する出力軸に接続されたモータージェネレーターとして前記モータージェネレーターを構成するとともに、前記モータージェネレーターを有するハイブリッドシステムと上記のバッテリーの制御システムを備えて構成される。
また、上記の目的を達成する本発明のバッテリーの制御方法は、車両走行用の動力源であるモータージェネレーターと、該モータージェネレーターにインバーターを介して接続されるバッテリーと、を備えたハイブリッドシステムにおけるバッテリーの制御方法において、前記バッテリーの電気容量の減少率を推定算出するとともに、この推定算出した前記電気容量の減少率に基づいて、前記バッテリーの使用充電率範囲を拡大させる制御を行うことを特徴とする方法である。
また、上記のバッテリーの制御方法において、前記バッテリーの充放電効率の低下率を推定算出するとともに、この推定算出した前記充放電効率の低下率に基づいて、前記電気容量の減少率に基づいて拡大された前記バッテリーの使用充電率範囲をさらに拡大させる制御を行うことを特徴とする方法である。
本発明のバッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法によれば、車両走行用のバッテリーの劣化によりバッテリーの電気容量の減少が生じたときに、この電気容量の減少率に基づいて、バッテリーの使用充電率範囲を拡大するという制御に制御を変更するだけで、モータージェネレーターによる回生電力量の低下を抑制することができる。そして、これにより、エンジンの燃費性能の悪化を抑制することができて、車両の数年使用後のエンジンの燃費性能を、車両の出荷時におけるエンジンの燃費性能よりほとんど変わらないようにすることができ、車両の商品力を向上させることができる。
また、バッテリーの使用充電率範囲を拡大するため、バッテリーの劣化の進行に応じて、モータージェネレーターとバッテリーの間の充放電の制御精度を向上させる必要がなく、制御装置への負担が大きくなることもない。
また、バッテリーの電気容量の減少率に基づいて拡大されたバッテリーの使用充電率範囲を、バッテリーの内部抵抗の増大に起因するバッテリーの充放電効率の低下率に基づいてさらに拡大させると、バッテリーの充放電効率の低下によるエンジンの燃費性能の低下をより確実に抑制することができる。
本発明の実施形態からなるバッテリーの制御システムを備えたハイブリッド車両の構成図である。 本発明の実施形態からなるバッテリーの制御方法の制御フローを示す図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態からなるバッテリーの制御システムを備えたハイブリッド車両を示す。
このハイブリッド車両(以下「HEV」という。)は、普通乗用車のみならず、バスやトラックなどを含む車両であり、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン10及びモータージェネレーター31を有するハイブリッドシステム30を備えている。
エンジン10においては、エンジン本体11に形成された複数(この例では4個)の気筒12内における燃料の燃焼により発生した熱エネルギーにより、クランクシャフト13が回転駆動される。このエンジン10には、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが用いられる。クランクシャフト13の回転動力は、クランクシャフト13の一端部に接続するクラッチ14(例えば、湿式多板クラッチなど)を通じてトランスミッション20に伝達される。
トランスミッション20で変速された回転動力は、プロペラシャフト22を通じてデファレンシャル23に伝達され、一対の駆動輪24にそれぞれ駆動力として分配される。
ハイブリッドシステム30は、モータージェネレーター31と、そのモータージェネレーター31に順に電気的に接続するインバーター35、高電圧バッテリー32、DC/DCコンバーター33及び低電圧バッテリー34とを有している。
高電圧バッテリー32としては、リチウムイオンバッテリーやニッケル水素バッテリーなどが好ましく例示される。また、低電圧バッテリー34には鉛バッテリーが用いられる。
DC/DCコンバーター33は、高電圧バッテリー32と低電圧バッテリー34との間における充放電の方向及び出力電圧を制御する機能を有している。また、低電圧バッテリー34は、各種の車両電装品36に電力を供給する。
このハイブリッドシステム30における種々のパラメータ、例えば、電流値、電圧値やSOC値などは、BMS(バッテリーマネジメントシステム)39により検出される。
モータージェネレーター31は、回転軸37に取り付けられた第1プーリー15とエンジン本体11の出力軸であるクランクシャフト13の他端部に取り付けられた第2プーリー16との間に掛け回された無端状のベルト状部材17を介して、エンジン10との間で動力を伝達する。なお、2つのプーリー15、16及びベルト状部材17の代わりに、ギヤボックスなどを用いて動力を伝達することもできる。また、モータージェネレーター31に接続するエンジン本体11の出力軸は、クランクシャフト13に限るものではなく、例えばエンジン本体11とトランスミッション20の間の伝達軸やプロペラシャフト22であっても良い。
このモータージェネレーター31は、エンジン本体11を始動するスターターモーター(図示せず)の代わりに、クランキングを行う機能を有していてもよい。
これらのエンジン10及びハイブリッドシステム30は、制御装置80により制御される。具体的には、HEVの発進時や加速時には、ハイブリッドシステム30は高電圧バッテリー32から電力を供給されたモータージェネレーター31により駆動力の少なくとも一部をアシストする一方で、慣性走行時や制動時においては、モータージェネレーター31による回生発電を行い、余剰の運動エネルギーを電力に変換して高電圧バッテリー32を充電する。
本発明のバッテリーの制御システムは、車両走行用の動力源であるモータージェネレーター31と、このモータージェネレーター31にインバーター35を介して接続される高電圧バッテリー(バッテリー)32と、制御装置80と、を備えたシステムである。
そして、制御装置80が、高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSを推定算出するとともに、この推定算出した電気容量Sの減少率ΔSに基づいて、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rを範囲R1まで拡大させる制御を行うように構成する。
ここで、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rとは、予め実験等により設定される充電率の目標範囲であり、この目標範囲に収まるように、モータージェネレーター31と高電圧バッテリー32の間の充放電は制御される。また、高電圧バッテリー32の電気容量Sとは、高電圧バッテリー32の最大限蓄電可能な量である。電気容量Sの減少率ΔSの推定算出方法については、後述する。
高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rの範囲R1までの拡大の詳細について説明する。例えば、車両の出荷時(新品時)に、使用充電率範囲Rを40(%)〜70(%)に設定した場合、高電圧バッテリー32の電気容量Sが定格電気容量(車両の出荷時における高電圧バッテリー32の最大限蓄電可能な量)S0より10%劣化したときに、高電圧バッテリー32の使用可能な電流容量が変化しないように、使用充電率範囲Rを10%分拡大して範囲R1(35(%)〜75(%))に再設定する。
この電気容量Sの減少率ΔSと使用充電率範囲Rの範囲R1までの拡大幅の関係は、予め実験等により制御マップまたは制御式の形で設定される。なお、この使用充電率範囲Rの範囲R1までの拡大は、使用充電率範囲Rの上限値または下限値のいずれか一方の値を変更して拡大するようにしてもよい。また、車両の出荷時に、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rを狭く設定することで、高電圧バッテリー32の寿命を長期化させることができる。
また、制御装置80が、高電圧バッテリー32の充放電効率Cの低下率ΔCを推定算出するとともに、この推定算出した充放電効率Cの低下率ΔCに基づいて、電気容量Sの減少率ΔSに基づいて拡大された高電圧バッテリー32の使用充電率範囲R1をさらに範囲R2まで拡大させる制御を行うように構成する。
この高電圧バッテリー32の充放電効率Cの低下率ΔCは、例えば、高電圧バッテリー32の内部抵抗が車両の出荷時の内部抵抗に対してどの程度上昇しているか、その内部抵抗の上昇率に基づいて推定算出することができる。この高電圧バッテリー32の内部抵抗は、高電圧バッテリー32に対する充放電時における、高電圧バッテリー32内部のセルの電圧変動に基づいて算出することができる。そして、高電圧バッテリー32の充放電効率Cの低下率ΔCと使用充電率範囲R1の範囲R2までの拡大幅の関係は、高電圧バッテリー32の内部抵抗の上昇がエンジン10の燃費にどの程度影響を及ぼすかを考慮して、予め実験等により制御マップまたは制御式の形で設定される。
なお、上記の説明では、制御装置80が、電気容量Sの減少率ΔSの推定算出、充放電効率Cの低下率ΔCの推定算出、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rの範囲R1または範囲R2への拡大を行っているが、これらの制御をBMS39が行うようにしてもよい。
高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSの推定算出方法について説明する。この減少率ΔSの推定算出は、従来技術を用いて様々な方法で算出されるが、例えば、本発明者が創案する次のような方法でも算出することができ、この方法を用いることで、高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSの推定算出精度を向上させることができる。
まず、高電圧バッテリー32の充電率(SOC値)を、高電圧バッテリー32に対してインバーター35を介して充放電される電流値である充放電電流値Iを実験等により予め設定した時間tの間積算した値である電流積算値Iiに基づいて推定算出する。この推定算出した充電率を第1充電率Cr1とする。その算出方法としては、まず、高電圧バッテリー32に蓄電された電気量である第1蓄電量S1を、前回の制御時に算出した第1蓄電量(電流積算開始時の蓄電量)S1bに今回の制御時に算出した電流積算値Iiを加減算(充電時は加算、放電時は減算)することにより推定算出する(S1=S1b±Ii。単位は通常Ahである。)。そして、この第1蓄電量S1を高電圧バッテリー32の定格電気容量(固定値)S0で除算すると、第1蓄電量S1を第1充電率Cr1(単位は通常パーセントである)に換算することができる(Cr1=S1/S0×100)。
次に、高電圧バッテリー32の充電率を、高電圧バッテリー32の開放電圧Vに基づいて推定算出する。この推定算出した充電率を第2充電率Cr2とする。この推定算出は、高電圧バッテリー32の充電率と開放電圧Vには相関関係(例えば、開放電圧Vが2.7V〜4.2Vで、第2充電率Cr2が0%〜100%というような線形の関係)があることを利用して、この相関関係を制御マップ等の形で設定して、この設定した制御マップ等を用いて行っている。
第1充電率Cr1と第2充電率Cr2の差である容量劣化判定指標ΔCr(=Cr1−Cr2)を算出する。本発明者は、この容量劣化判定指標ΔCrがゼロでないときに高電圧バッテリー32の電気容量が劣化していることと、容量劣化判定指標ΔCrが大きくなるにつれて高電圧バッテリー32の電気容量の劣化が進行することを見出した。そして、第1充電率Cr1と第2充電率Cr2の差である容量劣化判定指標ΔCrに基づいて、高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSを推定すること、すなわち、高電圧バッテリー32の容量劣化状況を推定することを考えた。
ここで、容量劣化判定指標ΔCrに基づいて、高電圧バッテリー32の容量劣化状況を推定可能であることの原理について説明する。電流積算値Iiに基づいて推定算出される第1充電率Cr1は、定格電気容量(新品時容量に相当)S0に対する充電率である。一方、開放電圧Vに基づいて推定算出される第2充電率Cr2は、高電圧バッテリー32の劣化も含め、その推定時点のバッテリー性能を基にした、満充電状態に対する充電率である。
したがって、第1充電率Cr1と第2充電率Cr2に差が生じるということは、高電圧バッテリー32の満充電状態の電気容量Sと定格電気容量S0に差が生じていることとなり、高電圧バッテリー32の容量劣化が生じているということになるので、第1充電率Cr1と第2充電率Cr2の差である容量劣化判定指標ΔCrに基づいて、高電圧バッテリー32の容量劣化状況を推定可能ということになる。
また、高電圧バッテリー32の劣化の指標を示す上述の内部抵抗上昇度合いに基づき、予め設定した内部抵抗上昇度合いと電気容量低下の関係から容量低下状況を推定することも可能である。
次に、上記のバッテリーの制御システムを基にした、本発明のバッテリーの制御方法について、図2の制御フローを参照しながら説明する。図2の制御フローは、車両の走行距離(または走行時間)が予め設定した判定距離(または判定時間)増加する毎に、上級の制御フローから呼ばれて実施され、実施後に上級の制御フローに戻る制御フローとして示している。
図2の制御フローについて説明する。図2の制御フローがスタートすると、ステップS10にて、高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSと充放電効率Cの低下率ΔCを算出する。これらの算出方法については上記したので省略する。ステップS10の制御を実施後、ステップS20に進む。
ステップS20にて、ステップS10で算出した電気容量Sの減少率ΔSが実験等により予め設定される設定容量閾値ΔSc以上であるか否かを判定する。減少率ΔSが設定容量閾値ΔSc以上である場合(YES)は、ステップS30に進み、ステップS30にて、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rを範囲R1まで拡大させる。この範囲R1の設定方法についても上記したので省略する。ステップS30の制御を実施後、ステップS40に進む。
ステップS40にて、ステップS10で算出した充放電効率Cの低下率ΔCが実験等により予め設定される設定効率閾値ΔCc以上であるか否かを判定する。低下率ΔCが設定効率閾値ΔCc以上である場合(YES)は、ステップS50に進み、ステップS50にて、バッテリー32の使用充電率範囲R1を範囲R2までさらに拡大させる。ステップS50の制御を実施後、リターンに進み、本制御フローを終了する。
また、ステップS20にて、減少率ΔSが設定容量閾値ΔSc未満であると判定された場合(NO)や、ステップS40にて、低下率ΔCが設定効率閾値ΔCc未満であると判定された場合(NO)は、いずれの場合もリターンに進み、本制御フローを終了する。
なお、図2の制御フローを終了したときに、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rをリターンに進んだ時点での高電圧バッテリー32の使用充電率範囲に更新して、次回の図2の制御フローを実施するときに、この更新した使用充電率範囲をステップS30の使用充電率範囲Rとして使用する。また、上記の設定容量閾値ΔSc及び設定効率閾値ΔCcについて、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rが更新されるにつれて、これらの値を変更するようにしてもよい。
以上のように、上記のバッテリーの制御システムを基にした、本発明のバッテリーの制御方法は、車両走行用の動力源であるモータージェネレーター31と、このモータージェネレーター31にインバーター35を介して接続される高電圧バッテリー32と、を備えたバッテリーの制御方法において、高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSを推定算出するとともに、この推定算出した電気容量Sの減少率ΔSに基づいて、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rを範囲R1まで拡大させる制御を行うことを特徴とする方法である。
また、上記のバッテリーの制御方法において、高電圧バッテリー32の充放電効率Cの低下率ΔCを推定算出するとともに、この推定算出した充放電効率Cの低下率ΔCに基づいて、電気容量Sの減少率ΔSに基づいて拡大された高電圧バッテリー32の使用充電率範囲R1を範囲R2までさらに拡大させる制御を行うことが好ましい。
本発明のバッテリーの制御システム、ハイブリッド車両及びバッテリーの制御方法によれば、車両走行用の高電圧バッテリー32の劣化により高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少が生じたときに、この電気容量Sの減少率ΔSに基づいて、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rを拡大するという制御に制御を変更するだけで、モータージェネレーター31による回生電力量の低下を抑制することができる。そして、これにより、エンジン10の燃費性能の悪化を抑制することができて、車両の数年使用後のエンジン10の燃費性能を、車両の出荷時におけるエンジン10の燃費性能よりほとんど変わらないようにすることができ、車両の商品力を向上させることができる。
また、高電圧バッテリー32の使用充電率範囲Rを拡大するため、高電圧バッテリー32の劣化の進行に応じて、モータージェネレーター31と高電圧バッテリー32の間の充放電の制御精度を向上させる必要がなく、制御装置80への負担が大きくなることもない。
また、高電圧バッテリー32の電気容量Sの減少率ΔSに基づいて拡大された高電圧バッテリー32の使用充電率範囲R1を、高電圧バッテリー32の内部抵抗の増大に起因する高電圧バッテリー32の充放電効率Cの低下率ΔCに基づいてさらに拡大させると、高電圧バッテリー32の充放電効率Cの低下によるエンジン10の燃費性能の低下をより確実に抑制することができる。
10 エンジン
11 エンジン本体
30 ハイブリッドシステム
31 モータージェネレーター
32 高電圧バッテリー(バッテリー)
35 インバーター
80 制御装置
S バッテリーの電気容量
ΔS バッテリーの電気容量の減少率
C バッテリーの充放電効率
ΔC バッテリーの充放電効率の低下率
R、R1、R2 バッテリーの使用充電率範囲

Claims (5)

  1. 車両走行用の動力源であるモータージェネレーターと、該モータージェネレーターにインバーターを介して接続されるバッテリーと、制御装置と、を備えたハイブリッドシステムにおけるバッテリーの制御システムにおいて、
    前記制御装置が、
    前記バッテリーの電気容量の減少率を推定算出するとともに、
    この推定算出した前記電気容量の減少率に基づいて、前記バッテリーの使用充電率範囲を拡大させる制御を行うように構成されることを特徴とするバッテリーの制御システム。
  2. 前記制御装置が、
    前記バッテリーの充放電効率の低下率を推定算出するとともに、
    この推定算出した前記充放電効率の低下率に基づいて、前記電気容量の減少率に基づいて拡大された前記バッテリーの使用充電率範囲をさらに拡大させる制御を行うように構成される請求項1に記載のバッテリーの制御システム。
  3. エンジンの動力を伝達する出力軸に接続されたモータージェネレーターとして前記モータージェネレーターを構成するとともに、前記モータージェネレーターを有するハイブリッドシステムと請求項1または2に記載のバッテリーの制御システムを備えたハイブリッド車両。
  4. 車両走行用の動力源であるモータージェネレーターと、該モータージェネレーターにインバーターを介して接続されるバッテリーと、を備えたハイブリッドシステムにおけるバッテリーの制御方法において、
    前記バッテリーの電気容量の減少率を推定算出するとともに、
    この推定算出した前記電気容量の減少率に基づいて、前記バッテリーの使用充電率範囲を拡大させる制御を行うことを特徴とするバッテリーの制御方法。
  5. 前記バッテリーの充放電効率の低下率を推定算出するとともに、
    この推定算出した前記充放電効率の低下率に基づいて、前記電気容量の減少率に基づいて拡大された前記バッテリーの使用充電率範囲をさらに拡大させる制御を行うことを特徴とする請求項4に記載のバッテリーの制御方法。
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