JP2017208875A - 車両のバッテリ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部電源からバッテリを充電する際に、早期にバッテリを暖機させることができる車両のバッテリ制御装置を提供すること。
【解決手段】車両１の駆動用モータに電力を供給するバッテリ２と、バッテリ２の温度を検出する温度センサ２２と、充電コネクタ３１に接続され、充電コネクタ３１を介して外部電源６から供給された電力によりバッテリ２を充電する充電器３と、バッテリ２から供給される電力により稼働する電気負荷４と、充電コネクタ３１が外部電源６に接続されている場合に、バッテリ２の温度が所定温度未満であるとき、外部電源６の出力電力による充電と、外部電源６の出力電力より大きな電力を消費する電気負荷４への放電と、を交互に行なうＥＣＵ５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のバッテリ制御装置に関する。
ハイブリッド車両や電気自動車には、走行用モータを駆動させるためのバッテリが搭載されている。このバッテリは、温度が低い状態では得られる性能が低いため、低温時にバッテリを暖機させる。
一般に、ハイブリッド車両や電気自動車に搭載されているバッテリは、ヒータを使って暖機させたり、バッテリの内部発熱で暖機させたりしている。
特に、ヒータを搭載する必要のないバッテリの内部発熱による暖機では、バッテリの暖機を促進させるために適切に充放電を制御する必要がある。
例えば、特許文献１には、バッテリを暖機するための充放電電圧の目標電圧をバッテリの状態に基づいて設定し、バッテリの端子電圧が目標電圧に収束するようにモータとエンジンのトルクを制御して充電と放電とを交互にパルス状に繰り返してバッテリを暖機させることが開示されている。
特開２００６−１７４５９７号公報
しかしながら、このような特許文献１に記載のものにあっては、モータとエンジンのトルクを制御することによりバッテリの充放電制御を行なっているため、プラグインハイブリッド車両のように、外部電源を接続して一定の電力でバッテリを充電する場合には、充電の電力が一定となってしまい、早期にバッテリを暖機できなくなるという問題があった。
そこで、本発明は、外部電源からバッテリを充電する際に、早期にバッテリを暖機させることができる車両のバッテリ制御装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため本発明は、外部電源の電力によって充電可能であり、かつ車両の電気負荷に電力を供給可能なバッテリを備えた車両のバッテリ制御装置であって、前記外部電源が接続されている場合に、前記バッテリの暖機が必要であると判定したとき、前記外部電源からの充電と、前記外部電源の電力より大きな電力を消費する前記電気負荷への放電とを交互に行なわせる制御部を備えたものである。
このように本発明によれば、外部電源からバッテリを充電する際に、早期にバッテリを暖機させることができる車両のバッテリ制御装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両のバッテリ制御装置のブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る車両のバッテリ制御装置の制御するバッテリのＳＯＣと内部抵抗の関係を示すグラフである。 図３は、本発明の一実施形態に係る車両のバッテリ制御装置の制御するバッテリの放電時間と内部抵抗の関係を示すグラフである。 図４は、本発明の一実施形態に係る車両のバッテリ制御装置の外部電源接続制御処理の手順を示すフローチャートである。 図５は、本発明の一実施形態に係る車両のバッテリ制御装置の外部電源接続制御処理による充放電電流の変化を示すタイムチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る車両のバッテリ制御装置について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る車両のバッテリ制御装置を搭載した車両１は、バッテリ２と、充電器３と、電気負荷４と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５とを含んで構成されている。
バッテリ２は、例えば、ニッケル蓄電池やリチウム蓄電池等からなり、複数のセルを直列に接続して構成されている。バッテリ２は、不図示のインバータを介して不図示の駆動用モータに電力を供給する。また、バッテリ２は、電気負荷４にも電力を供給する。バッテリ２には、各セルのセル電圧を検出する電圧センサ２１、バッテリ２の温度を検出する温度センサ２２、充電電流及び放電電流を検出する電流センサ２３などが設けられている。
充電器３は、充電コネクタ３１に接続され、充電コネクタ３１を介して外部電源６から供給された電力によりバッテリ２を充電する。充電器３は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ及び直流電力を昇圧する昇圧回路を含んで構成される。充電コネクタ３１は、外部電源６と充電器３とを接続するものである。
電気負荷４は、バッテリ２から供給される電力により稼働するものであり、例えば、電動コンプレッサやＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータを備える空調装置やシートヒータなどが含まれる。
ＥＣＵ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。
ＥＣＵ５のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ５として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ５として機能する。
ＥＣＵ５の入力ポートには、上述した電圧センサ２１と、温度センサ２２と、電流センサ２３とを含む各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ５の出力ポートには、充電器３と、電気負荷４とを含む各種制御対象類が接続されている。
ＥＣＵ５は、充電コネクタ３１が外部電源６に接続されたとき、バッテリ２の充電容量が予め設定された目標充電容量を下回っている場合は、外部電源６からの電力によりバッテリ２を充電する。目標充電容量は、予め実験等により求められ、ＥＣＵ５のＲＯＭに記憶されている。
また、ＥＣＵ５は、充電コネクタ３１が外部電源に接続されたとき、バッテリ２の温度が所定温度を下回っている場合、バッテリ２の暖機が必要と判定し、バッテリ２の暖機を行なう。所定容量は、予め実験等により求められ、ＥＣＵ５のＲＯＭに記憶されている。所定容量は、目標充電容量よりも低い値が設定される。
ＥＣＵ５は、バッテリ２の温度が目標バッテリ温度以上になるまでバッテリ２の暖機を行なう。ＥＣＵ５は、バッテリ２の暖機が終了した後に、バッテリ２の充電容量が目標充電容量になるまでバッテリ２の充電を行なってもよい。目標バッテリ温度は、予め実験等により求められ、ＥＣＵ５のＲＯＭに記憶されている。
ＥＣＵ５は、バッテリ２の暖機を行なう際、バッテリ２の充電と放電を繰り返して、バッテリ２を暖機させる。
ＥＣＵ５は、バッテリ２の温度が所定温度を下回っていて、かつバッテリ２の充電容量（ＳＯＣ：State Of Charge）が所定容量以下である場合にバッテリ２の暖機を行なうようにしてもよい。
バッテリ２は、バッテリ２の内部抵抗が大きいほうが充放電電流による損失が大きくなり、加温が早くなる。バッテリ２の内部抵抗は、図２に示すように、ＳＯＣにより変化し、低ＳＯＣになるほど内部抵抗が大きくなる。このため、バッテリ２の充電容量が所定容量以下、例えば、３０％〜４０％の間で充放電させると、早期に暖機させることができる。
さらにバッテリ２の加温を早めるためには、より内部抵抗の大きい状態でバッテリ２を充放電することが有利になる。図３に示すように、放電時間は、連続１０秒間の放電よりも連続６０秒間の放電の方が内部抵抗を大きくできる。このため、バッテリ２の暖機のための充放電の連続放電時間はできるだけ長くとることが望ましい。
ＥＣＵ５は、バッテリ２の暖機を行なう場合、予め設定された第１の時間Ｔ１の充電と、予め設定された第２の時間Ｔ２の放電と、を繰り返す。
放電は、充電よりもバッテリ２の内部抵抗での損失が大きいため、第２の時間Ｔ２は、第１の時間Ｔ１より短く設定し、例えば、バッテリ２のＳＯＣが３０％と４０％の間で変化するようにする。
第１の時間Ｔ１及び第２の時間Ｔ２は、予め実験等により求められ、ＥＣＵ５のＲＯＭに記憶されている。
ＥＣＵ５は、バッテリ２の暖機のための充電時には、外部電源６からの電力により充電を行なう。外部電源６は、例えば、一般家庭での充電では、電圧は交流２００Ｖまたは１００Ｖ、電力は２ｋＷ程度となる。
ＥＣＵ５は、バッテリ２の暖機のための放電時には、電気負荷４をバッテリ２に接続し、電気負荷４を稼働させる。放電時の消費電力は外部電源６からの充電電力よりも大きいことが望ましく、例えば、４ｋＷ程度が好ましい。
以上のように構成された本実施形態に係る車両のバッテリ制御装置による外部電源接続制御処理について、図４を参照して説明する。なお、以下に説明する外部電源接続制御処理は、充電コネクタ３１が外部電源６に接続されて外部電源６からの電力供給が可能な状態になると開始される。
ステップＳ１において、ＥＣＵ５は、バッテリ２の充電容量が上述の所定容量以下か否かを判定する。バッテリ２の充電容量が所定容量以下でないと判定した場合、ＥＣＵ５は、ステップＳ８に処理を進める。
バッテリ２の充電容量が所定容量以下であると判定した場合、ステップＳ２において、ＥＣＵ５は、温度センサ２２が検出するバッテリ２の温度が所定温度より低いか否かを判定する。バッテリ２の温度が所定温度より低くないと判定した場合、ＥＣＵ５は、ステップＳ８に処理を進める。
バッテリ２の温度が所定温度より低いと判定した場合、ステップＳ３において、ＥＣＵ５は、外部電源６からの電力によりバッテリ２の充電を開始する。
ステップＳ４において、ＥＣＵ５は、バッテリ２の充電を開始してから第１の時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。第１の時間Ｔ１が経過していないと判定した場合、ＥＣＵ５は、ステップＳ４の処理を繰り返す。
第１の時間Ｔ１が経過したと判定した場合、ステップＳ５において、ＥＣＵ５は、バッテリ２の充電を終了し、外部電源６からの充電電力より大きな電力を消費する電気負荷４へ放電を開始する。
ステップＳ６において、ＥＣＵ５は、放電を開始してから第２の時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。第２の時間Ｔ２が経過していないと判定した場合、ＥＣＵ５は、ステップＳ６の処理を繰り返す。
第２の時間Ｔ２が経過したと判定した場合、ステップＳ７において、ＥＣＵ５は、バッテリ２の放電を終了し、バッテリ２の温度が目標バッテリ温度以上か否かを判定する。バッテリ２の温度が目標バッテリ温度以上でないと判定した場合、ＥＣＵ５は、ステップＳ３に戻って処理を繰り返す。
バッテリ２の温度が目標バッテリ温度以上であると判定した場合、または、ステップＳ１においてバッテリ２の充電容量が所定容量以下でないと判定した場合、または、ステップＳ２においてバッテリ２の温度が所定温度より低くないと判定した場合、ステップＳ８において、ＥＣＵ５は、バッテリ２の充電容量が目標充電容量を下回っているか否かを判定する。バッテリ２の充電容量が目標充電容量を下回っていないと判定した場合、ＥＣＵ５は、処理を終了する。
バッテリ２の充電容量が目標充電容量を下回っていると判定した場合、ステップＳ９において、ＥＣＵ５は、バッテリ２を目標充電容量まで充電して、処理を終了する。
このような外部電源接続制御処理による動作について図５を参照して説明する。
充電コネクタ３１が外部電源６に接続され、充電容量（ＳＯＣ）が所定容量以下であり、バッテリ温度が所定温度より低いため、外部電源６の充電量電力２ｋＷにより第１の時間Ｔ１の間充電が行なわれる。この充電によりＳＯＣは、４０％程度まで上昇し、バッテリ２の温度も上昇する。この充電による内部発熱は、内部抵抗３Ωで３００Ｗとなる。
第１の時間Ｔ１が経過すると、４ｋＷの電気負荷４により第２の時間Ｔ２の間放電が行なわれる。この放電によりＳＯＣは、３０％程度まで低下し、バッテリ２の温度も上昇する。この放電による内部発熱は、内部抵抗３Ωで１２００Ｗとなる。
このような充電及び放電を繰り返して、ＳＯＣを３０％〜４０％の間に保ちながら、バッテリ２の温度が上昇する。
外部電源６の充電電力を２ｋＷ、電気負荷４の放電電力を４ｋＷ、バッテリの内部抵抗を３Ω程度とすると、バッテリ２の内部抵抗での損失は、充電で３００Ｗ、放電で１２００Ｗ、平均で７５０Ｗ程度となる。
内部損失が０．７５ｋＷの場合のバッテリ２の温度上昇について試算する。
試算条件は、バッテリ２は１００個のセルで構成される。セル内部は電解液が５０％含まれ、密度と比重は水と同じとする。セル表面から外部への放熱は無視する。セル温度は、暖機開始時は０℃、目標バッテリ温度は２５℃とする。
セルの大きさを１０ｃｍ×１０ｃｍ×２ｃｍとすると、バッテリ２の電解液の体積は、以下の式１のようになる。
０．０００２ｍ３×電解液５０％×１００個＝０．０１ｍ３ ...（式１）
電解液の密度を１０００ｋｇ／ｍ３、比熱を４．２ｋＪ／(ｋｇ・℃)とすると、昇温時間Ｔは以下の式２のようになる。
Ｔ秒＝（体積×密度×比熱×昇温）／内部損失＝１４００秒 ...（式２）
すなわち、約２３分でバッテリ２を０℃から２５℃に加温できる。
このように、上述の実施形態では、ＥＣＵ５は、充電コネクタ３１が外部電源６に接続されている場合に、バッテリ２の温度が所定温度未満であるとき、外部電源６の出力電力による充電と、外部電源６の出力電力より大きな電力を消費する電気負荷４への放電と、を交互に行なう。
これにより、バッテリ２の暖機が必要と判定されたとき、外部電源６の出力電力による充電と、外部電源６の出力電力より大きな電力を消費する電気負荷４への放電とが交互に行なわれる。このため、バッテリ２の内部抵抗による発熱を効果的に増加させ、外部電源６からバッテリ２を充電する際に、早期にバッテリ２を暖機させることができる。
また、ＥＣＵ５は、バッテリ２の暖機を行なう場合、予め設定された第１の時間Ｔ１の充電と、第１の時間Ｔ１より短い第２の時間Ｔ２の放電と、を行なわせる。
これにより、充電電力より大きな電力を消費する電気負荷４への放電が、充電時間より短い時間で行なわれる。このため、充電容量を所定の範囲で変化させながらバッテリ２の充放電を行なうことができ、早期にバッテリ２を暖機させることができる。
また、ＥＣＵ５は、バッテリ２の充電容量が所定容量以下である場合に、バッテリ２の暖気を行なう。
これにより、バッテリ２の充電容量が所定容量以下である場合に、バッテリ２の暖気が行なわれる。このため、バッテリ２の内部抵抗が大きい状態で充放電を行なうことができ、バッテリ２を早期に暖機させることができる。
また、バッテリ２の内部抵抗による発熱によりバッテリ２を暖機させているため、バッテリ２の暖機のための暖房機器を追加する必要がなく、コストを削減することができる。
また、バッテリ２の内部抵抗による発熱によりバッテリ２を暖機させているため、バッテリ２に結露を発生させることがなく、バッテリ２の絶縁劣化と腐食を抑えることができる。
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
１ 車両
２ バッテリ
３ 充電器
４ 電気負荷
５ ＥＣＵ（制御部）
６ 外部電源
２１ 電圧センサ
２２ 温度センサ
２３ 電流センサ

Claims (3)

  1. 外部電源の電力によって充電可能であり、かつ車両の電気負荷に電力を供給可能なバッテリを備えた車両のバッテリ制御装置であって、
    前記外部電源が接続されている場合に、前記バッテリの暖機が必要であると判定したとき、前記外部電源からの充電と、前記外部電源の電力より大きな電力を消費する前記電気負荷への放電とを交互に行なわせる制御部を備えた車両のバッテリ制御装置。
  2. 前記制御部は、前記バッテリの暖機が必要であると判定したとき、第１の時間の間、前記外部電源からの充電を行なわせ、前記第１の時間より短い第２の時間の間、前記電気負荷への放電を行なわせる請求項１に記載の車両のバッテリ制御装置。
  3. 前記制御部は、前記バッテリの充電容量が所定容量以下である場合に、前記外部電源からの充電と、前記電気負荷への放電とを交互に行なわせる請求項１または２に記載の車両のバッテリ制御装置。
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