JP2017132398A - プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】プラグインハイブリッド車両において、ＳＯＣベースの充電電力制限に伴う内燃機関の始動を従来よりも抑制させることの可能な、プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システムを提供する。【解決手段】制御部は、温度−電力上限値マップから、外部充電時のメインバッテリの加温目標温度Ｔｗに対応する第１の充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔｗを求め、ＳＯＣ−電力上限値マップから、第１の充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔｗに対応するＳＯＣ＿Ｔｗを求め、当該ＳＯＣ＿Ｔｗを外部充電における充電目標ＳＯＣに設定する。【選択図】図４

Description

本発明は、プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システムに関する。

いわゆるハイブリッド車両には駆動源として内燃機関及び回転電機が搭載され、また回転電機の電源としてバッテリ（二次電池）が搭載されている。バッテリには温度特性があり、低温（例えば氷点下未満）であると化学反応が鈍くなり、大電力の放充電ができなくなる。そこで、従来からバッテリの温度に応じた電力制限が行われている。

具体的にはバッテリが低温であると、放電電力上限値Ｗｏｕｔ及び充電電力上限値Ｗｉｎが低めに（絞り目に）設定される。したがって例えばバッテリが低温であるときに、回転電機のみの動力で車両を駆動させるＥＶ走行を行うと、登坂走行時や加速時等、車両への駆動要求が大きいときにこれに見合う大電力の供給が困難となり、結局ＥＶ走行から内燃機関を駆動させる（つまり燃料消費を伴う）ＨＶ走行に切り替わってしまう。

そこで例えば特許文献１では、外部電源からの充電（外部充電またはプラグイン充電）が可能なプラグインハイブリッド車両に対して、車両始動前の外部充電の際に、バッテリの充電に併せてヒータを用いてバッテリを加温させている。このようにすることで、車両始動時にはバッテリが十分に加温され、放電電力上限値Ｗｏｕｔ及び充電電力上限値Ｗｉｎが引き上げられる。

特開２０１５−４３６６２号公報

ところで、バッテリに対する電力制限には、バッテリ温度を基準にした電力制限の他に、バッテリのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を基準にした電力制限がある。例えばバッテリが高ＳＯＣ（例えば９０％）のときには、過充電防止の観点から充電電力上限値Ｗｉｎが低めに（絞り目に）設定される。したがって、外部充電時にバッテリを十分に加温させて温度ベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔを引き上げても、外部充電により高ＳＯＣとなったバッテリに対してＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓが低めに設定される。

このような場合に、車両の回生制動によって生じる回生電力Ｗｒが、ＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓを超過する場合、バッテリ保護のため、回生電力Ｗｒの一部が強制的に消費される。具体的には回転電機を駆動させて、大電力消費を伴うクランキングトルクを発生させる。したがってＥＶ走行を行っていても、このような強制的なクランキングトルクの発生により内燃機関が始動してＨＶ走行に切り替わってしまう。そこで本発明は、ＳＯＣベースの充電電力制限に伴う内燃機関の始動を従来よりも抑制させることの可能な、プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関と回転電機を駆動源とし、外部電源からバッテリを充電させる外部充電が可能な、プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システムに関する。当該制御システムは、ヒータ、記憶部、及び制御部を備える。ヒータは、前記外部充電の際に前記バッテリを加温する。記憶部には、前記バッテリの温度と前記バッテリに対する充電電力上限値及び放電電力上限値との対応関係を示す温度−電力上限値マップと、前記バッテリのＳＯＣと前記バッテリに対する充電電力上限値及び放電電力上限値との対応関係を示すＳＯＣ−電力上限値マップが記憶されている。制御部は、前記温度−電力上限値マップから、前記外部充電時の前記バッテリの加温目標温度に対応する第１の充電電力上限値を求め、前記ＳＯＣ−電力上限値マップから、前記第１の充電電力上限値に対応するＳＯＣを求め、当該ＳＯＣを前記外部充電における充電目標ＳＯＣに設定する。

本発明によれば、バッテリの加温によって引き上げられた温度ベースの充電電力上限値にＳＯＣベースの充電電力上限値が揃うように、充電目標ＳＯＣが設定される。これにより、ＳＯＣベースの充電電力制限に伴う内燃機関の始動を従来よりも抑制させることが可能となる。

本実施形態に係るバッテリ制御システム及びこれを搭載したプラグインハイブリッド車両の要部を例示するブロック図である。 温度−電力上限値マップを例示する図である。 ＳＯＣ−電力上限値マップを例示する図である。 本実施形態に係る充電目標ＳＯＣ設定フローを例示するフローチャートである。

図１に、本実施形態に係るバッテリ制御システム及び当該システムが搭載されたプラグインハイブリッド車両の構成を例示する。なお、図示を簡略化するために、図１では、本実施形態に係るバッテリ制御システムとの関連性の低い構成については適宜図示を省略している。また、図１の一点鎖線は信号線を表している。

なお、メインバッテリ１０の放充電電力の取り扱いについて、慣例的に放電電力は正符号、充電電力は負符号で表わされる。これを踏まえて、以下の実施形態では、特に断りのない限り、充電電力の大小関係は絶対値ベースで比較されるものとする。

例えば「バッテリ温度ベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔ及びＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓの低い方」とは、｜Ｗｉｎ＿Ｔ｜と｜Ｗｉｎ＿Ｓ｜の低い方を指す、つまり０に近い方を指すものとする。また例えば「回生電力Ｗｒが充電電力上限値Ｗｉｎを超過する」とは、｜Ｗｒ｜ ＞ ｜Ｗｉｎ｜との大小関係を表わすものとする。

図１について、メインバッテリ１０から出力された直流電力は昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２にて昇圧される。昇圧された直流電力はインバータ１４にて直交変換される。変換後の交流電力は回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の少なくとも一方に供給される。

例えば内燃機関ＥＮＧを駆動させずに回転電機の駆動力のみにて車両を走行させるＥＶ走行モードでは、メインバッテリ１０から回転電機ＭＧ２に電力が供給され、これにより得られた駆動力が動力分配機構１６を介して車輪１８に伝達される。

回転電機ＭＧ２に加えて内燃機関ＥＮＧからも駆動力を出力させるＨＶ走行モードでは、内燃機関ＥＮＧの駆動力の一部が動力分配機構１６を介して車輪１８に伝達される。残りの駆動力は動力分配機構１６を介して回転電機ＭＧ１に伝達され、これにより回転電機ＭＧ１が発電駆動される。その発電電力が回転電機ＭＧ２に供給され、これにより得られた駆動力が動力分配機構１６を介して車輪１８に伝達される。

ＥＶ走行モードからＨＶ走行モードに切り替わる際には、回転電機ＭＧ１に電力を供給してクランキングトルクを生じさせ、内燃機関ＥＮＧを始動させる。例えばメインバッテリ１０に対する放電電力上限値Ｗｏｕｔを超過するような駆動要求が生じた際には、回転電機ＭＧ２の出力だけでは要求された駆動力を賄い切れないので、ＥＶ走行からＨＶ走行に切り替わる。

また、車両の制動時に生じる回生電力Ｗｒが、メインバッテリ１０に対する充電電力上限値Ｗｉｎを超過する場合（｜Ｗｒ｜ ＞ ｜Ｗｉｎ｜）は、メインバッテリ１０を保護する観点から、強制的に回生電力Ｗｒの一部を回転電機ＭＧ１に供給してクランキングトルクを生じさせる。これにより内燃機関ＥＮＧが始動して、車両の走行モードはＥＶ走行からＨＶ走行に切り替わる。

なお、メインバッテリ１０に対する充電電力上限値Ｗｉｎとは、後述するバッテリ温度ベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔ及びＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓの両者が含まれる。両者のうちの低い方（０に近い方）を超過するような回生電力Ｗｒが生じると、上記のようなＥＶ走行からＨＶ走行への強制的な切り替えが実行される。

また、図１に示す車両には、メインバッテリ１０と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを繋ぐ電路から分岐して、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に接続される分岐電路が設けられる。降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によって降圧された直流電力は補機バッテリ２２及び制御部２４に供給される。

加えて、制御部２４によってヒータリレー２６がオフ状態からオン状態に切り替えられると、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によって降圧された直流電力はバッテリヒータ２８にも供給される。バッテリヒータ２８によりメインバッテリ１０が加温される。

また、図１に例示するプラグインハイブリッド車両は、外部のＡＣ電源３０からメインバッテリ１０への充電（外部充電またはプラグイン充電）が可能となっている。外部充電は、本実施形態に係るバッテリ制御システムによって制御される。なお、ＡＣ電源３０は例えば家庭用の単相１００Ｖ交流電源や単相２００Ｖ交流電源である。

外部充電に当たり、ＡＣ電源３０のコネクタ３２が車両に設けられたコネクタ３４に接続される。制御部２４によって充電リレー３６がオフ状態からオン状態に切り替わると、ＡＣ電源３０から供給された交流電力が充電器３８によって交直変換及び昇圧され、変換及び昇圧後の直流電力がメインバッテリ１０に供給される。

＜バッテリ制御システム＞
本実施形態に係るバッテリ制御システムは、メインバッテリ１０、充電器３８、充電リレー３６、バッテリ電流センサ３７、バッテリ電圧センサ３９、バッテリ温度センサ４０、バッテリヒータ２８、ヒータリレー２６、及び制御部２４を含んで構成される。

メインバッテリ１０は、ニッケル水素やリチウムイオン電池等の二次電池から構成される。例えばメインバッテリ１０は、１〜５Ｖ程度の電池セル（単電池）を複数積層させたスタック（積層体）から構成される。

充電器３８は、外部のＡＣ電源３０から供給される交流電力を直流電力に変換させるとともに、変換後の直流電力をメインバッテリ１０の電圧（端子電圧）まで昇圧させる。充電器３８は、例えばＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：力率補正）回路と絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを備える。

制御部２４は、例えばコンピュータから構成され、演算回路であるＣＰＵ４２及び記憶部４４を備える。記憶部４４はＳＲＡＭ等の揮発性メモリ及びＲＯＭやハードディスク等の不揮発性メモリを含んで構成される。記憶部４４には後述する加温目標温度Ｔｗ、温度−電力上限値マップ、ＳＯＣ−電力上限値マップ、及び充電目標ＳＯＣ設定フローを実行するためのプログラム等が記憶されている。

制御部２４は、車両内の種々の機器を制御する。例えば、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びインバータ１４の図示しないスイッチング素子のオンオフ制御を介して、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の回転数やトルクを制御する。また、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の図示しないスイッチング素子のオンオフ制御を介して降圧動作を制御する。

また制御部２４は、車両に搭載された各種センサから検出値を受信する。具体的にはバッテリ電圧センサ３９、バッテリ電流センサ３７、及びバッテリ温度センサ４０から、それぞれメインバッテリ１０の電圧値Ｖｂ、電流値Ｉｂ、及び温度Ｔｂを受信する。またヒータ温度センサ４６からバッテリヒータ２８の温度を受信する。

さらに制御部２４は、図示しないタイマー充電スイッチから、外部充電の充電開始時刻または充電終了時刻を受信する。例えば外部のＡＣ電源３０のコネクタ３２を車両のコネクタ３４に接続した状態で、車両の乗員により、充電終了時刻として、次回の車両始動時刻が入力される。制御部２４は、充電終了時刻やメインバッテリ１０のＳＯＣ等から外部充電の開始時刻を算出（逆算）する。

制御部２４に設けられたタイマーにより、外部充電の開始時刻に到達したことを検知すると、制御部２４は充電リレー３６をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより外部のＡＣ電源３０から充電器３８を介してメインバッテリ１０に電力が供給される。制御部２４は、バッテリ電流センサ３７が検出するバッテリ電流Ｉｂを積算することにより、メインバッテリ１０のＳＯＣを算出する。メインバッテリ１０のＳＯＣが後述する充電目標ＳＯＣに到達すると、制御部２４は充電リレー３６をオン状態からオフ状態に切り替えて、外部充電を終了させる。

また、外部充電の際に、メインバッテリ１０の温度Ｔｂが後述する加温目標温度Ｔｗ未満である場合には、制御部２４によってシステムメインリレー４１及びヒータリレー２６がオフ状態からオン状態に切り替えられる。これによりＡＣ電源３０からシステムメインリレー４１、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２０及びヒータリレー２６を経由して、バッテリヒータ２８に直流電力が供給される。これによりメインバッテリ１０が加温される。制御部２４は、バッテリ温度センサ４０が検出するバッテリ温度Ｔｂをモニタリングし、メインバッテリ１０の温度が加温目標温度Ｔｗに到達すると、システムメインリレー４１及びヒータリレー２６をオン状態からオフ状態に切り替える。

加温目標温度Ｔｗは、図２に示す温度−電力上限値マップと、メインバッテリ１０に要求される最大電力値とに応じて予め定められる。温度−電力上限値マップには、メインバッテリ１０の温度Ｔｂと、メインバッテリ１０に対する放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｔ及び充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔの対応関係が記録されている。この対応関係は、図２のように特性線によって記録されていてもよいし、表形式で記録されていてもよい。また当該マップについて、横軸はバッテリ温度Ｔｂを示し、縦軸は正側が放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｔ［ｋＷ］、負側が充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔ［ｋＷ］を示す。

当該マップに例示されているように、バッテリ温度Ｔｂが低いほど放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｔ及び充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔが低めに（絞り目に）定められる。このような特性を踏まえ、例えばＥＶ走行にて想定される最大放電電力値Ｗｏｕｔ＿Ｍに対応するバッテリ温度を温度−電力上限値マップから求め、これを加温目標温度Ｔｗとして予め記憶部４４に記憶させる。

なお以下では、バッテリ温度Ｔｂに基づく放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｔ及び充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔを、バッテリ温度ベースの放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｔ及び充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔと呼ぶ。

本実施形態に係るバッテリ制御システムでは、上述した温度−電力上限値マップと、後述するＳＯＣ−電力上限値マップを介して、加温目標温度Ｔｗに応じた外部充電の充電目標ＳＯＣを設定している。

図３には、ＳＯＣ−電力上限値マップが例示されている。ＳＯＣ−電力上限値マップには、メインバッテリ１０のＳＯＣと放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｓ及び充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓとの対応関係が記録されている。この対応関係は、図３のように特性線によって記録されていてもよいし、表形式で記録されていてもよい。また当該マップについて、横軸はメインバッテリ１０のＳＯＣを示し、縦軸は正側が放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｓ［ｋＷ］、負側が充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓ［ｋＷ］を示す。

なお、図示を簡略化するため、図３では、充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓの特性線のみを示し、放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｓの特性線については図示を省略する。また以下では、メインバッテリ１０のＳＯＣに基づく放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｓ及び充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓを、ＳＯＣベースの放電電力上限値Ｗｏｕｔ＿Ｓ及びＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓと呼ぶ。

上述したように、メインバッテリ１０が高ＳＯＣであるときに大電力が供給されると過充電のおそれがある。このことから、ＳＯＣ−電力上限値マップでは、メインバッテリ１０のＳＯＣが高くなるほど充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓが低め（絞り目）、つまり０に近づくように設定されている。

外部充電によりメインバッテリ１０のＳＯＣが高くなる（例えば初期値ＳＯＣ＿ｄ）と、ＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓが低く（０に近く）なる（例えばＷｉｎ＿ｄ）。そうなると、車両走行中に生じた回生電力ＷｒがＷｉｎ＿Ｓを超過（｜Ｗｒ｜ ＞ ｜Ｗｉｎ＿Ｓ｜）し易くなり、その結果、内燃機関ＥＮＧが強制始動されＥＶ走行がＨＶ走行に切り替わってしまう。

内燃機関ＥＮＧの強制始動を抑制するためには、ＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓを（正確には｜Ｗｉｎ＿Ｓ｜を）引き上げればよい。しかしながら、図３のＳＯＣ−電力上限値マップにて示されているように、充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓを引き上げるには、外部充電の際の充電目標ＳＯＣを引き下げなければならない。つまり充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓの過度な引き上げは、外部充電における充電不足に繋がる。

その上、ＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓをバッテリ温度ベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔより引き上げても（｜Ｗｉｎ＿Ｓ｜ ＞ ｜Ｗｉｎ＿Ｔ｜）、回生電力Ｗｒがバッテリ温度ベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔを超過すれば（｜Ｗｒ｜ ＞ ｜Ｗｉｎ＿Ｔ｜）内燃機関ＥＮＧが強制始動されてしまうのであるから、そのようなＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓの引き上げは過度のものとなる。

そこで本実施形態では、図２の温度−電力上限値マップにおける加温目標温度Ｔｗに対応する充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔｗを、図３のＳＯＣ−電力上限値マップにプロットする。つまりＷｉｎ＿Ｓ＝Ｗｉｎ＿Ｔｗとする。さらに、これに対応するＳＯＣ＿Ｔｗを取得し、当該ＳＯＣ＿Ｔｗを外部充電の充電目標ＳＯＣに設定している。このようにすることで、ＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓはバッテリ温度ベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔに揃えられる（引き上げられる）。この結果、ＳＯＣベースの充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｓによる内燃機関ＥＮＧの強制始動を従来よりも抑制可能となる。

＜外部充電における充電目標ＳＯＣ設定フロー＞
図４には、本実施形態に係るバッテリ制御システムによる、充電目標ＳＯＣの設定フローが例示されている。本フローは、例えば外部充電（プラグイン充電）の前段階フローとして実行してもよい。すなわち、タイマー充電機能により制御部２４が起動すると、制御部２４はまず図４に示すフローを実行し、これにより求められた充電目標ＳＯＣに基づいて、外部のＡＣ電源３０からの受電を開始する。

制御部２４は、バッテリ温度センサ４０からメインバッテリ１０の温度Ｔｂを取得し、この温度Ｔｂが記憶部４４に記憶された加温目標温度Ｔｗ未満であるか否かを判定する（Ｓ１０）。メインバッテリ１０の温度Ｔｂが加温目標温度Ｔｗ以上である場合には、バッテリヒータ２８によるメインバッテリ１０の加温が行われない。そこで制御部２４は、充電目標ＳＯＣを、予め定められた初期値（デフォルト値）ＳＯＣ＿ｄに設定して（Ｓ１２）、本フローを終了する。

メインバッテリ１０の温度Ｔｂが加温目標温度Ｔｗ未満である場合には、バッテリヒータ２８によるメインバッテリ１０の加温が行われる。制御部２４は、記憶部４４から温度−電力上限値マップ（図２）を呼び出し、加温目標温度Ｔｗに対応する充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔｗを求める（Ｓ１４）。つまりＷｉｎ＿Ｔ＝Ｗｉｎ＿Ｔｗとする。

さらに制御部２４は、記憶部４４からＳＯＣ−電力上限値マップ（図３）を呼び出し、これにステップＳ１４にて求めた充電電力上限値Ｗｉｎ＿Ｔｗをプロットする。つまりＷｉｎ＿Ｓ＝Ｗｉｎ＿Ｔｗとする。次に制御部２４は、ＳＯＣ−電力上限値マップにおいてＷｉｎ＿Ｔｗに対応するＳＯＣ＿Ｔｗを求める（Ｓ１６）。

続いて制御部２４は、ステップＳ１６で求めたＳＯＣ＿Ｔｗを、外部充電における充電目標ＳＯＣに設定する（Ｓ１８）。その後制御部２４は充電リレー３６をオフ状態からオン状態に切り替えて、外部充電を実行する。その間制御部２４は、メインバッテリ１０のＳＯＣを監視し、そのＳＯＣが充電目標ＳＯＣ＿Ｔｗに到達するまで外部充電を継続させる。またシステムメインリレー４１及びヒータリレー２６をオフ状態からオン状態に切り替えて、ＡＣ電源３０からバッテリヒータ２８に電力を供給させ、メインバッテリ１０を加温目標温度Ｔｗまで加温させる。

なお、上述図４のフローチャートでは、ステップＳ１０においてバッテリ温度Ｔｂと加温目標温度Ｔｗとを比較していたが、加温目標温度Ｔｗの代わりに閾値温度Ｔｔｈを設定してもよい。例えば閾値温度Ｔｔｈを０℃として、ステップＳ１０を、メインバッテリ１０の凍結有無を判定するようなステップとしてもよい。

１０ メインバッテリ、２４ 制御部、２６ ヒータリレー、２８ バッテリヒータ、３０ 外部のＡＣ電源、３７ バッテリ電流センサ、３９ バッテリ電圧センサ、４０ バッテリ温度センサ、４４ 記憶部、４６ ヒータ温度センサ。

Claims (1)

1. 内燃機関と回転電機を駆動源とし、外部電源からバッテリを充電させる外部充電が可能な、プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システムであって、
   前記外部充電の際に前記バッテリを加温するヒータと、
   前記バッテリの温度と前記バッテリに対する充電電力上限値及び放電電力上限値との対応関係を示す温度−電力上限値マップと、前記バッテリのＳＯＣと前記バッテリに対する充電電力上限値及び放電電力上限値との対応関係を示すＳＯＣ−電力上限値マップが記憶された記憶部と、
   前記温度−電力上限値マップから、前記外部充電時の前記バッテリの加温目標温度に対応する第１の充電電力上限値を求め、前記ＳＯＣ−電力上限値マップから、前記第１の充電電力上限値に対応するＳＯＣを求め、当該ＳＯＣを前記外部充電における充電目標ＳＯＣに設定する制御部と、
   を備えることを特徴とする、プラグインハイブリッド車両のバッテリ制御システム。
   

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