JP2017150975A - ハイレート劣化指標推定制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両が停止中にハイレート劣化指標を推定するための作動電力が途絶することが生じても、正確なハイレート劣化指標を推定することである。
【解決手段】ハイレート劣化指標を推定する制御装置３０は、主蓄電装置１６の温度と内部抵抗とを記憶するメモリ４４を有し、ハイレート劣化指標推定部３６を含む。さらに、制御装置３０に作動電力を供給する補機バッテリ２８からの作動電力が途絶したときは、その後の最初の起動のときに、メモリ４４に記憶されている最初の起動の前における最終の記憶データの内部抵抗について所定温度で規格化して第１規格化抵抗を算出し、起動時の主蓄電装置１６の内部抵抗について所定温度で規格化して第２規格化抵抗を算出し、第１規格化抵抗と第２規格化抵抗との差に基づいて、起動時のハイレート劣化指標を補正するハイレート劣化指標補正部４２を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される二次電池において継続的な充放電によって増加し充放電停止によって回復するハイレート劣化指標を推定する制御装置に関する。

リチウムイオン電池のように電解液中の塩濃度が放電により偏る性質を有する二次電池では、一時的大電流放電や継続的充放電により電解液中で塩濃度が偏り、二次電池の内部抵抗が上昇する。この内部抵抗の上昇は一時的なもので、充放電が停止すると時間と共に塩濃度の偏りが解消し、内部抵抗の上昇も次第に回復する。この現象は、二次電池のハイレート劣化と呼ばれ、ハイレート劣化の程度を示すハイレート劣化指標Ｄを求める式等が特許文献１に述べられている。

特許文献２には、二次電池の電解液の体積変化によって生じる電解液の流れについての流れ方程式を解いて、電解液における塩濃度の偏りと、内部抵抗の上昇量を求めるコントローラが開示されている。流れ方程式には、温度に依存する電解液の密度がパラメータとして含まれる。

特許文献３には、二次電池の充放電の継続に起因する二次電池の内部抵抗の一時的な上昇量をハイレート劣化指標として求める監視装置が開示される。ハイレート劣化指標は、電池モデルから推定される推定電流と実測電圧から求められる推定抵抗と、実測電流と実測電圧から求められる測定抵抗との差から求めている。二次電池とＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｏｒｌ Ｕｎｉｔ）が車両に搭載されるときは、ＥＣＵが監視装置の機能を有する。

特開２０１２−２１８５９９号公報 特開２０１５−２０７４７３号公報 特開２０１３−０３２９６６号公報

車両に搭載される主蓄電装置である二次電池のハイレート劣化指標を推定する制御装置に作動電力を供給する低電圧電池としての補機バッテリは、車両が停止中にその交換等のために一時的に取り外される場合がある。その場合には、補機バッテリからの作動電力が制御装置に供給されず、車両が停止中におけるハイレート劣化指標の回復が推定できない。補機バッテリからの作動電力が再び供給されて制御装置が作動するときに、車両が停止中におけるハイレート劣化指標の回復が盛り込まれていないハイレート劣化指標に基づいて推定演算を行うと、以後のハイレート劣化指標が大きめとなる誤差を生じる。そこで、車両が停止中にハイレート劣化指標を推定するための作動電力が途絶することが生じても、正確なハイレート劣化指標を推定できるハイレート劣化指標推定制御装置が望まれる。

本発明に係るハイレート劣化指標推定制御装置は、車両に搭載される主蓄電装置において継続的な充放電によって増加し充放電停止によって回復するハイレート劣化指標を推定する制御装置であって、ハイレート劣化指標の推定のために用いる主蓄電装置の温度と内部抵抗とを関連付けて記憶するメモリを有し、車両が起動するときに、制御装置に作動電力を供給する補機バッテリからの作動電力が途絶した後の最初の起動であるか否かを判定し、最初の起動であると判定したときは、メモリに記憶されている主蓄電装置の温度と内部抵抗とについて最初の起動の前の車両状態における最終の記憶データを読出し、主蓄電装置の温度と内部抵抗との関係について予め求めてある関係式に基づき、最終の記憶データにおける主蓄電装置の内部抵抗について主蓄電装置の温度を関係式の所定温度で規格化したときの第１規格化抵抗に換算し、起動時の主蓄電装置の温度と内部抵抗とを取得し、取得した主蓄電装置の内部抵抗について主蓄電装置の温度を関係式の所定温度で規格化したときの第２規格化抵抗に換算し、第１規格化抵抗と第２規格化抵抗との差に基づいて、起動時のハイレート劣化指標を補正する。

車両が停止しているときにはハイレート劣化指標が回復するにもかかわらず、補機バッテリからの作動電力が制御装置に供給されないために制御装置が作動しない。したがって、メモリの記憶データは制御装置の最終作動時のデータとなってハイレート劣化指標の回復が盛り込まれていない。その後車両が起動するときに、メモリの最終記憶データに基づいてハイレート劣化指標を推定すると、ハイレート劣化指標の推定に誤差が生じる。上記構成によれば、第１規格化抵抗と第２規格化抵抗とに基づいて起動時のハイレート劣化指標を補正するので、誤差を少なくし、ハイレート劣化指標の推定値の正確性が向上する。

本発明に係るハイレート劣化指標推定制御装置によれば、車両が停止中にハイレート劣化指標推定のための作動電力が途絶することが生じても、正確なハイレート劣化指標を推定できる。

本発明に係る実施の形態のハイレート劣化指標推定制御装置を含むハイブリッド車両の駆動システムの構成図である。 本発明に係る実施の形態のハイレート劣化指標推定制御装置におけるハイレート劣化指標の推定手順を示すフローチャートである。 図２の手順の内容を示す図の１つで、主蓄電装置の温度と内部抵抗との間の関係図である。 図２の手順の内容を示す図の１つで、主蓄電装置のハイレート劣化指標と内部抵抗との間の関係図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、ハイレート劣化指標推定制御装置が搭載されるハイブリッド車両として、エンジンと１台の回転電機とを備える構成を述べるが、これは説明のための例示である。複数の回転電機がハイブリッド車両に搭載される場合であってもよい。例えば、１台の回転電機を駆動用に、もう１台の回転電機を発電用に用いる構成としてもよい。

また、回転電機に接続される電源装置として、主蓄電装置、電力変換器、インバータを含むものとして説明するが、これは主たる構成要素を述べたもので、これ以外の構成要素を含むものとしてもよい。例えば、主蓄電装置側の平滑コンデンサ、インバータ側の平滑コンデンサ、システムメインリレー、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むものとしてもよい。

以下では、車載用の主蓄電装置である二次電池としてリチウムイオン組電池を述べるが、これは説明のための例示である。ほとんどの二次電池は電解液を用いるので、その中で電解液中の塩濃度が放電により偏る性質を有する二次電池であれば、本発明が適用できる。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ハイブリッド車両の駆動システム１０の構成を示す図である。以下では、特に断らない限り、ハイブリッド車両を車両と呼ぶ。車両の駆動システム１０は、動力装置を構成するエンジン１２と回転電機１４とを備え、さらに、回転電機１４に接続される電源装置と、これらを全体として制御する制御装置３０とを含む。電源装置は、主蓄電装置１６、電流検出部１８、電圧検出部２０、温度検出部２２、電力変換器２４、インバータ２６を含む。

動力装置を構成するエンジン１２は、内燃機関である。また、回転電機１４は、ハイブリッド車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって三相同期型回転電機である。回転電機１４は、インバータ２６を駆動回路として含む電源装置から電力が供給されるときはモータとして機能し、エンジン１２による駆動時、あるいはハイブリッド車両の制動時には発電機として機能する。

電源装置は、回転電機１４を駆動するための装置である。電源装置を構成する主蓄電装置１６は、充放電可能な高電圧用二次電池である。具体的には、約２００Ｖから約３００Ｖの端子間電圧を有するリチウムイオン組電池である。組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子間電圧が１Ｖから数Ｖの電池を複数個組み合わせたもので、上記の所定の端子間電圧を出力する。

電流検出部１８は、主蓄電装置１６の充放電電流Ｉを検出する電流検出手段である。電圧検出部２０は、主蓄電装置１６の端子間電圧Ｖを検出する電圧検出手段である。温度検出部２２は、主蓄電装置１６の温度θを検出する温度検出手段である。これらの検出データは、適当な信号線を介して制御装置３０に伝送される。

電力変換器２４は、主蓄電装置１６とインバータ２６の間に配置され、直流電圧変換機能を有する回路である。電力変換器２４は、リアクトルと、スイッチング素子とを含んで構成される。電圧変換機能としては、主蓄電装置１６側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ２６側に供給する昇圧機能と、インバータ２６側からの電力を主蓄電装置１６側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。

インバータ２６は、回転電機１４に接続される駆動回路で、複数のスイッチング素子と逆接続ダイオード等を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。インバータ２６は、回転電機１４を発電機として機能させるときは、回転電機１４からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、主蓄電装置１６側に充電電力として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機１４をモータとして機能させるときは、主蓄電装置１６側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１４に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。

補機バッテリ２８は、主蓄電装置１６とは別の低電圧蓄電装置である。補機バッテリ２８は、制御装置３０のほか、図示しない車載電気機器に対して作動電力を供給する。車載電気機器は、空調装置、ワイパやドアガラスの駆動用小型モータ、ランプ、オーディオ機器等である。補機バッテリ２８は、図示しないが、主蓄電装置１６の端子間電圧を降圧して所定の低電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを介して主蓄電装置１６から電力供給を受けて充電される。かかる補機バッテリとしては、端子間電圧が約１２Ｖから約１４Ｖの鉛蓄電池が用いられる。補機バッテリ２８は、交換や、他の電子機器のメンテナンス等の都合等で一時的に外されることがある。その場合には、制御装置３０をはじめ他の車載電気機器への作動電力が一時的に途絶する。

制御装置３０は、上記の各要素を全体として制御する機能を有する制御回路であるが、特に、主蓄電装置１６の継続的充放電によって生じるハイレート劣化指標ΣＤの推定を行う。その意味で、制御装置３０はハイレート劣化指標推定制御装置３０であるが、特に断らない限り、ハイレート劣化指標推定制御装置３０を単に制御装置３０と呼ぶ。かかる制御装置３０は、車両搭載に適したコンピュータで構成することができる。制御装置３０は、演算処理装置としてのＣＰＵ３２と、ＣＰＵ３２と交信する記憶装置３４とを含んで構成される。記憶装置３４は、補機バッテリ２８とは別のバックアップ電源によって記憶機能がバックアップされており、補機バッテリ２８が取り外されても、その記憶内容は消失しない。なお、図１に示す起動状態信号５０は、車両が起動したことを示す信号で、制御装置３０に入力され、ハイレート劣化指標推定の補正の際に用いられる。

制御装置３０のＣＰＵ３２は、ハイレート劣化指標推定部３６と、第１規格化抵抗算出部３８と、第２規格化抵抗算出部４０と、ハイレート劣化指標補正部４２とを含む。ハイレート劣化指標推定部３６は、主蓄電装置１６の内部抵抗Ｒが増大するにつれハイレート劣化指標ΣＤが増加する関係に基づいて、内部抵抗Ｒの変化に応じたハイレート劣化指標ΣＤを推定する。内部抵抗Ｒは、電圧検出部２０の検出値Ｖを、同じタイミングで電流検出部１８が検出した検出値Ｉで除し、Ｒ＝（Ｖ／Ｉ）として求める。

第１規格化抵抗とは、制御装置３０に対する補機バッテリ２８からの作動電力が途絶した場合に、ＣＰＵ３２が最後にハイレート劣化指標推定に用いた主蓄電装置１６の温度θと内部抵抗Ｒとから、所定温度における内部抵抗として換算した規格化抵抗である。第２規格化抵抗とは、補機バッテリからの作動電力の供給が再開したのちの車両の起動時の主蓄電装置１６の温度θと内部抵抗Ｒから、所定温度における内部抵抗に換算した規格化抵抗である。ハイレート劣化指標補正部４２は、車両が停止中に補機バッテリ２８からの作動電力が途絶した場合にＣＰＵ３２が算出しなかったハイレート劣化指標ΣＤの回復分を盛り込んで、車両が再起動したときのハイレート劣化指標ΣＤを補正する。

ＣＰＵ３２と交信する記憶装置３４は、ハイレート劣化指標推定の演算処理等のためのプログラムを格納するほかに、ＣＰＵ３２が算出した内部抵抗Ｒとその算出のときの主蓄電装置１６の温度θとを記憶するメモリ４４を含む。また、記憶装置３４は、第１規格化抵抗及び第２規格化抵抗の算出のときに用いる（温度θ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル４６と、（ハイレート劣化指標ΣＤ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル４８を格納する。ハイレート劣化指標ΣＤは、所定の計算式に基づいて計算されるＤについて、主蓄電装置１６が充放電するときは（＋Ｄ）として加算され、主蓄電装置１６が充放電停止中は（−Ｄ）として減算される合計の積算値である。

ＣＰＵ３２の各機能は、記憶装置３４に格納されたソフトウェアを実行することで実現される。具体的には、ＣＰＵ３２がソフトウェアとしてのハイレート劣化指標推定プログラムを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

上記構成の作用効果について、特に制御装置３０の各機能と各記憶内容とについて、図２以下を用いてさらに詳細に説明する。図２は、ハイレート劣化指標推定の手順について、特にハイレート劣化指標補正に関する手順を示すフローチャートである。各手順は、ハイレート劣化指標推定プログラムの各処理手順に対応する。

車両の駆動システム１０が立上って初期化が行われると共に、ハイレート劣化指標推定プログラムが立ち上がる。制御装置３０のハイレート劣化指標推定部３６は、予め定めた制御周期で、温度検出部２２の検出値θと共に、電圧検出部２０の検出値Ｖと電流検出部１８の検出値Ｉを取得し、主蓄電装置１６の内部抵抗をＲ＝（Ｖ／Ｉ）の関係式を用いて求める。求めた内部抵抗Ｒに基づいて、内部抵抗Ｒが増大するにつれハイレート劣化指標ΣＤが増加する関係に基づいて、内部抵抗Ｒの変化に応じたハイレート劣化指標ΣＤを推定する。ハイレート劣化指標ΣＤは充放電を行っているとき加算され、充放電が停止すると減算されるので、車両の駆動システム１０が立ち上がると、車両が走行中も停止中もハイレート劣化指標ΣＤの推定が継続して行われる。これが通常のハイレート劣化指標推定処理であるが、ハイレート劣化指標ΣＤを推定する制御装置３０に作動電力を供給する補機バッテリ２８が車両の停止中に取り外されたときの処理手順は、図２に従って行われる。

図２において、まず、車両が起動直後の状態か否かが判定される（Ｓ１０）。判定は、図１に示す起動状態信号５０を取得したか否かに基づいて行われる。起動状態信号５０としては、車両の起動スイッチの状態を示す信号が用いられる。起動スイッチとしてＩＧスイッチが用いられるときは、ＩＧスイッチがオフからオンとなったときに車両が起動直後の状態と判定される。Ｓ１０の判定が否定されるときは、ここまでで処理手順が終了し、通常のハイレート劣化指標推定処理が継続して行われる。

Ｓ１０の判定が肯定されると、次に、車両の運行状態が、補機バッテリ２８が外されて、制御装置３０の作動電力が途絶した後の最初の運行状態であるか否かが判定される（Ｓ１２）。Ｓ１２が肯定されるときは、車両が停止中に補機バッテリ２８が外され、再び補機バッテリ２８が戻されて制御装置３０に作動電力の供給が再開した後の最初の起動状態である。この場合には、補機バッテリ２８が外されて制御装置３０が作動していない期間のハイレート劣化指標ΣＤの補正が必要となるので、Ｓ１４の手順に進む。Ｓ１２が否定されるときは、車両が停止中に補機バッテリ２８が外され、再び補機バッテリ２８が戻されて制御装置３０に作動電力の供給が再開した後の最初の起動状態でない。この場合には、ハイレート劣化指標ΣＤの補正が不要であるので、ここまでで処理手順が終了し、通常のハイレート劣化指標推定処理が継続して行われる。

Ｓ１４では、第１規格化抵抗の算出が行われる。この処理手順は、制御装置３０の第１規格化抵抗算出部３８の機能によって実行される。記憶装置３４のメモリ４４から、ＣＰＵ３２がハイレート劣化指標の推定のために用いた最後の主蓄電装置１６の温度θ₁と内部抵抗Ｒ₁とを読出す。そして読出した温度θ₁と内部抵抗Ｒ₁とから、予め定めた所定温度θ₀における内部抵抗Ｒ₁₀に換算し、これを第１規格化抵抗とする。図３に、読出した温度θ₁と内部抵抗Ｒ₁から、予め定めた所定温度θ₀における内部抵抗Ｒ₁₀に換算する手順を示す。図３は、記憶装置３４に記憶されている（温度θ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル４６の一例で、横軸は温度θで、縦軸は内部抵抗Ｒである。予め定めた所定温度はθ₀で示される。θ₀としては、例えば２５℃とする。（温度θ−内部抵抗Ｒ）の関係は、主蓄電装置１６の内部抵抗Ｒの温度特性であり、主蓄電装置１６の仕様によって予め定まる特性である。特性線５２は、（温度θ₁，内部抵抗Ｒ₁）を通る（温度θ−内部抵抗Ｒ）特性線である。特性線５２上で、温度＝θ₀に対応する内部抵抗Ｒ₁₀が第１規格化抵抗である。

次に、起動後の最初の制御周期における検出値θ₂，Ｖ₂，Ｉ₂を取得し、温度θ₂の下の内部抵抗Ｒ₂＝（Ｖ₂／Ｉ₂）を算出する（Ｓ１６）。そして、温度θ₂の下の内部抵抗Ｒ₂から、予め定めた所定温度θ₀における内部抵抗Ｒ₂₀を算出する（Ｓ１８）。この処理手順は、制御装置３０の第２規格化抵抗算出部４０の機能によって実行される。その算出は、第１規格化抵抗の算出と同様に、図３を用いて行う。図３において、特性線５４は、（温度θ₂，内部抵抗Ｒ₂）を通る（温度θ−内部抵抗Ｒ）特性線である。特性線５４上で、温度＝θ₀に対応する内部抵抗Ｒ₂₀が第２規格化抵抗である。

第１規格化抵抗Ｒ₁₀と第２規格化抵抗Ｒ₂₀とが算出されると、Ｒ₁₀とＲ₂₀との差に基づいて、ハイレート劣化指標の補正が行われる（Ｓ２０）。この処理手順は、制御装置３０のハイレート劣化指標補正部４２の機能によって実行される。図４に、算出された第１規格化抵抗Ｒ₁₀と第２規格化抵抗Ｒ₂₀との差から、ハイレート劣化指標の補正量Δ（ΣＤ）を求める手順を示す。図４は、記憶装置３４に記憶されている（ハイレート劣化指標ΣＤ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル４８の一例で、横軸はハイレート劣化指標ΣＤで、縦軸は内部抵抗Ｒである。（ハイレート劣化指標ΣＤ−内部抵抗Ｒ）の関係は、車両の走行パターンによって異なることが知られているので、（ハイレート劣化指標ΣＤ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル４８には、予め定めた複数種類の走行パターンに対応するそれぞれの特性線が記憶される。図４において、特性線５６は、ハイレート劣化指標ΣＤの変化量に対し内部抵抗Ｒの変化量が最も小さい走行パターンの例で、特性線５８は、ハイレート劣化指標ΣＤの変化量に対し内部抵抗Ｒの変化量が最も大きい走行パターンの例である。

ハイレート劣化指標ΣＤの補正量は、特性線５８上の第１規格化抵抗Ｒ₁₀に対応するハイレート劣化指標（ΣＤ）₁₀と、第２規格化抵抗Ｒ₂₀に対応するハイレート劣化指標（ΣＤ）₂₀の差であるΔ(ΣＤ)である。図４の場合は、Δ(ΣＤ)＜０で、起動後の最初の制御周期におけるハイレート劣化指標ΣＤがΔ(ΣＤ)だけ減算される補正が行われる。走行パターンに関する複数種類の特性線の中で、ハイレート劣化指標ΣＤの変化量に対し内部抵抗Ｒの変化量が最も大きい走行パターンに対する特性線５８を用いるのは、補正量の過剰減算を防ぐため、最小限の減算とするためである。これにより、補正後のハイレート劣化指標ΣＤが過大に推定されず、適正な推定に近づく。このようにして、車両が停止中にハイレート劣化指標を推定するための作動電力が途絶することが生じたときに、ハイレート劣化指標ΣＤの補正が適切に行われ、正確なハイレート劣化指標が推定される。

１０ （ハイブリッド）車両の駆動システム、１２ エンジン、１４ 回転電機（ＭＧ）、１６ 主蓄電装置、１８ 電流検出部、２０ 電圧検出部、２２ 温度検出部、２４ 電力変換器、２６ インバータ、２８ 補機バッテリ、３０ （ハイレート劣化指標推定）制御装置、３２ ＣＰＵ、３４ 記憶装置、３６ ハイレート劣化指標推定部、３８ 第１規格化抵抗算出部、４０ 第２規格化抵抗算出部、４２ ハイレート劣化指標補正部、４４ メモリ、４６ （温度θ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル、４８ （ハイレート劣化指標ΣＤ−内部抵抗Ｒ）の関係ファイル、５０ 起動状態信号、５２，５４ （温度θ−内部抵抗Ｒ）特性線、５６，５８ （ハイレート劣化指標ΣＤ−内部抵抗Ｒ）特性線。

Claims (1)

1. 車両に搭載される主蓄電装置において継続的な充放電によって増加し充放電停止によって回復するハイレート劣化指標を推定する制御装置であって、
   前記ハイレート劣化指標の推定のために用いる前記主蓄電装置の温度と内部抵抗とを関連付けて記憶するメモリを有し、
   前記車両が起動するときに、前記制御装置に作動電力を供給する補機バッテリからの作動電力が途絶した後の最初の起動であるか否かを判定し、
   前記最初の起動であると判定したときは、前記メモリに記憶されている前記主蓄電装置の前記温度と前記内部抵抗とについて前記最初の起動の前の車両状態における最終の記憶データを読出し、
   前記主蓄電装置の前記温度と前記内部抵抗との関係について予め求めてある関係式に基づき、前記最終の記憶データにおける前記主蓄電装置の前記内部抵抗について前記主蓄電装置の前記温度を関係式の所定温度で規格化したときの第１規格化抵抗に換算し、
   前記起動時の主蓄電装置の前記温度と前記内部抵抗とを取得し、取得した前記主蓄電装置の前記内部抵抗について前記主蓄電装置の前記温度を前記関係式の前記所定温度で規格化したときの第２規格化抵抗に換算し、
   前記第１規格化抵抗と前記第２規格化抵抗との差に基づいて、前記起動時の前記ハイレート劣化指標を補正する、ハイレート劣化指標推定制御装置。