JP2019087423A

JP2019087423A - 電池システム

Info

Publication number: JP2019087423A
Application number: JP2017215094A
Authority: JP
Inventors: 清仁町田; Kiyohito Machida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP6874648B2

Abstract

【課題】走行中の電池劣化の進みを抑制して、劣化によって走行停止となることを防止する。【解決手段】電池の劣化指標ΣＤが放電について限界制限値ΣＤｍａｘを超えた場合に出力を制限値Ｗ１に制限する。出力を制限値Ｗ１よりも厳しい制限値Ｗ２に制限した場合の使用可能電流ＩＢ２で放電した場合の劣化指標の増加量ΔΣＤＩＢ２が、限界制限値ΣＤｍａｘから現在の劣化指標ΣＤを差し引いた劣化指標差分値ΔΣＤとなる時間Ｔｉｍｅ２を算出し（Ｓ１７，Ｓ１８）、使用可能電流ＩＢ２で時間Ｔｉｍｅ２の間放電した場合の電池の充電容量の減少量ΔＳＯＣ２を算出するとともに（Ｓ１９）、算出された減少量ΔＳＯＣ２に対応した制限開始ＳＯＣを決定し（Ｓ２０）、現在ＳＯＣが決定された制限開始ＳＯＣ以下となった場合に、出力電力を制限値Ｗ２に制限する（Ｓ２２）。【選択図】図２

Description

本発明は、電池システム、特に電池の劣化による放電の制限に関する。

電気自動車（ＥＶ）は、大容量の電池を搭載し、電池からの電力でモータを駆動して走行する。そして、電池の容量が減少した場合には、外部から供給される電力によって電池を充電する。また、走行中は、モータの回生電力による充電が行われる。

ここで、電池は使用により劣化し、特に大電流で充放電し続けるとハイレート劣化が生じ、電池が大きく劣化することが知られている。そこで、電池の充放電状態から劣化指標を算出し、劣化指標が所定値以上になった場合に電池の充放電を制限し、ハイレート劣化による劣化量の上昇を抑制することが提案されている。例えば、特許文献１では、ハイブリッド車両（ＨＶ）において、継続的な放電により劣化指標が高くなったときに、エンジンにより発電することで、劣化指標の上昇を抑制している。

なお、劣化指標の算出については、特許文献２，３などにも記載がある。

特開２０１２−２１８５９９号公報特開２０１７−９１６０２号公報特開２００９−１２３２４５号公報

ここで、電気自動車では、ハイブリッド車両と異なりエンジンが搭載されていない。また、プラグインハイブリッド車においても、エンジンの駆動を禁止して電気自動車として走行する場合もある。このような電気自動車では、走行中に大電流の放電が行われやすく、ハイブリッド車に比べ電池のハイレート劣化が進みやすい。また、特許文献１のようなエンジンを利用してのハイレート劣化抑制を行うことはできない。このため、劣化指標が所定以上になり、走行不能になってしまう場合が考えられる。

本発明は、電池の劣化指標ΣＤが放電について限界制限値ΣＤｍａｘを超えた場合に出力を制限値Ｗ１に制限する電池システムであって、出力を制限値Ｗ１よりも厳しい制限値Ｗ２に制限した場合の使用可能電流ＩＢ２で放電した場合の劣化指標の増加量ΔΣＤ_ＩＢ２が、限界制限値ΣＤｍａｘから現在の劣化指標ΣＤを差し引いた劣化指標差分値ΔΣＤとなる時間Ｔｉｍｅ２を算出し、使用可能電流ＩＢ２で時間Ｔｉｍｅ２の間放電した場合の電池の充電容量の減少量ΔＳＯＣ２を算出するとともに、算出された減少量ΔＳＯＣ２に対応した制限開始ＳＯＣを決定し、現在ＳＯＣが決定された制限開始ＳＯＣ以下となった場合に、出力電力を制限値Ｗ２に制限する。

また、出力制限のない状態の使用可能電流ＩＢ１で放電した場合の劣化指標の増加量ΔΣＤ_ＩＢ１が劣化指標差分値ΔΣＤとなる時間Ｔｉｍｅ１を算出し、使用可能電流ＩＢ１で放電した場合に、電池が電欠となる時間Ｔｉｍｅ３を算出し、時間Ｔｉｍｅ１が時間Ｔｉｍｅ３以上である場合には、出力電力を制限値Ｗ２に制限する制御は行わないとよい。

本発明によれば、走行時において、劣化指標の増加を抑制し、走行不能状態になってしまうことを抑制することができる。

実施形態に係る電池システムを搭載した車両の構成を示すブロック図である。電池システムにおける放電制御の処理を示すフローチャートである。電池システムにおけるＳＯＣ、劣化指標、出力電力制限の状態を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「全体構成」
図１に、本発明の実施形態に係る電池システムが搭載される車両１０を示す。車両１０には、電池１２が搭載されている。電池１２は、例えばニッケル水素二次電池またはリチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。電池１２には、コンバータ１４を介し、インバータ１６が接続されている。コンバータ１４は、例えば２つのスイッチング素子とリアクトルを含み、スイッチング素子のスイッチングにより電池１２の出力電圧を所定の電圧に昇圧してインバータ１６に供給する。なお、コンバータ１４は降圧も可能である。インバータ１６には、モータジェネレータ（ＭＧ）１８が接続されており、インバータ１６からの交流電流によって、モータジェネレータ１８が駆動される。インバータ１６は、例えば、２つのスイッチング素子を正負母線間に直列接続したアームを３本有し、各アームの中点がモータジェネレータ１８の各相のコイルに接続される。そして、スイッチング素子のスイッチングを制御することで、所望の３相交流電流がモータジェネレータ１８のステータコイルに供給されてモータジェネレータ１８が駆動される。なお、スイッチング素子の制御によって、モータジェネレータ１８を回生状態として、得られた回生電力で電池１２を充電することもできる。

モータジェネレータ１８の出力軸は、デファレンシャルギアなどを含む動力伝達機構２０を介し、車輪２２に接続されており、モータジェネレータ１８の出力によって車輪２２が回転され、車両１０が走行する。

また、電池１２には、ＡＣ充電装置３０が接続されている。このＡＣ充電装置３０は整流回路を含み、ＡＣコネクタ３２が接続されている。このため、ＡＣコネクタ３２に充電ケーブルを介し、商用のＡＣ電源（１００Ｖ，２００Ｖ）を接続することで、電池１２を充電することができる。また、電池１２には、ＤＣ充電装置３４を介し、ＤＣコネクタ３６が接続されている。このため、ＤＣコネクタ３６に充電ケーブルを介しＤＣ急速充電器を接続することで、電池１２を充電することができる。

また、車両１０は、制御装置４０を有しており、この制御装置４０は車両ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）４２、モータＥＣＵ４４、電池ＥＣＵ４６を有し、車両の各種動作を制御する。

車両ＥＣＵ４２には、アクセルペダル、ブレーキペダル、シフトレバー等から運転者の要求を示す信号が入力される。また、車両ＥＣＵ４２には、車速センサからの走行速度を示す信号など車両の状態を示す信号も入力される。また、車両ＥＣＵ４２には、モータＥＣＵ４４、電池ＥＣＵ４６が接続されており、これらからモータジェネレータ１８、電池１２などの状態を示す信号も供給される。そして、車両ＥＣＵ４２は、これらの信号から運転者の要求と車両１０の状態とに適した運転を行うように、モータＥＣＵ４４に出力トルク指令等の制御信号を供給するとともに、電池ＥＣＵ４６に充電制御指令などを供給する。

モータＥＣＵ４４は、コンバータ１４およびインバータ１６を介してモータジェネレータ１８の動作を制御する。例えば、出力トルク指令に基づいて、コンバータ１４を制御して、インバータ１６の入力電圧を目標電圧に制御する。また、出力トルク指令に基づいて、インバータ１６を制御して、モータジェネレータ１８の出力トルクを制御する。なお、モータＥＣＵ４４には、モータジェネレータ１８の運転状態を示すセンサ、ロータの回転角センサの検出値が供給される。

電池１２には、電池電流を検出する電流センサと、電池電圧を検出する電圧センサと、電池温度を検出する温度センサとが設けられている。各センサによって検出された信号は、電池ＥＣＵ４６に供給される。電池ＥＣＵ４６は、供給される信号に基づいて、電池１２の残容量（ＳＯＣ）を算出してＳＯＣを示す信号を車両ＥＣＵ４２に供給するとともに、電池温度も参照して電池１２の充電を制御する。

「走行時放電制御」
車両ＥＣＵ４２は、電池ＥＣＵ４６、モータＥＣＵ４４を介し、電池１２の放電を制御する。特に、電池ＥＣＵ４６は、電池１２のＳＯＣ、温度、充放電電流の供給を受け、電池１２のハイレート劣化による劣化指標ΣＤを常時算出する。劣化指標ΣＤは、制御ループΔｔ毎に検出した劣化（ダメージ）Ｄを累積したものであり、特許文献１〜３などに記載された公知の手法を採用して算出することができる。

そして、車両ＥＣＵ４２は、電池ＥＣＵ４６において算出された劣化指標（現在の劣化指標）ΣＤ、電池１２のＳＯＣに応じて、電池１２による放電を制御する。これについて、図２および図３に基づいて説明する。

まず、現在ＳＯＣが所定値以下、または劣化指標（ハイレート劣化によるダメージの累積値）ΣＤが所定値以上かを判定する（Ｓ１１）。Ｓ１１の判定でＮＯの場合は、放電制限を行う必要がないため、その回の処理を終了する。

Ｓ１１の判定で、ＹＥＳの場合には、使用可能電流ＩＢ１を算出する（Ｓ１２）。この使用可能電流ＩＢ１は、現在の電池１２が出力可能な電流値であり、現在ＳＯＣと、電池温度から公知の方法で求められる。なお、マップを用いて算出することも好適である。次に、現在ＳＯＣ、電池温度、および使用可能電流ＩＢ１から劣化Ｄ_ＩＢ１を算出する（Ｓ１３）。この劣化Ｄも特許文献１〜３に記載されるような手法で算出する。なお、劣化Ｄ_ＩＢ１は、現在電流ではなく使用可能電流ＩＢ１を用いて算出するため、将来の劣化を予測するのに適切な劣化Ｄ_ＩＢ１として用いることができる。なお、現在劣化指標ΣＤは、現在電流を用いて通常通り算出する。

そして、現在劣化指標ΣＤに基づいて、Ｗｏｕｔをほぼ０（制限値Ｗ１）に制限する劣化指標の限界制限値ΣＤｍａｘに到達するまでの時間Ｔｉｍｅ１を算出する（Ｓ１４）。なお、Ｔｉｍｅ１の算出については図３において二点鎖線で示す。すなわち、劣化指標の限界制限値ΣＤｍａｘの値から、現在劣化指標ΣＤを減算して得た劣化指標差分値ΔΣＤを現在の使用可能電流ＩＢ１での劣化Ｄ_ＩＢ１で除算することで、増加量ΔΣＤの劣化が起こる時間Ｔｉｍｅ１を算出する。

次に、現在ＳＯＣと、満充電容量ＦＣＣ、使用可能電流ＩＢ１とから時間Ｔｉｍｅ３を算出する（Ｓ１５）。満充電容量に現在ＳＯＣを乗算することで、電池１２の電池容量が算出でき、これを使用可能電流ＩＢ１で除算することで時間Ｔｉｍｅ３が算出できる。これは、使用可能電流ＩＢ１で放電し続けた場合に電池１２のＳＯＣが電欠になるまでの時間に対応する。電欠のＳＯＣを０％より上の値に設定している場合には、電欠ＳＯＣの電池容量を使用可能電流ＩＢ１で除算して得た時間をＴｉｍｅ３から減算するとよい。

そして、電欠までにＷｏｕｔの制限がある可能性はあるか（Ｔｉｍｅ１＜Ｔｉｍｅ３）を判定する（Ｓ１６）。すなわち、使用可能電流ＩＢ１の放電を継続した場合に、ＳＯＣが電欠に至る前に、劣化指標ΣＤが限界制限値ΣＤｍａｘに達するかを判定する。なお、制限がない場合のＷｏｕｔの値を制限値Ｗ１とする。

Ｓ１６の判定で、ＮＯの場合、走行中に劣化指標ΣＤが限界制限値ΣＤｍａｘに到達しないので、処理を終了する。Ｓ１６の判定でＹＥＳの場合には、制限後の制限値Ｗ２（Ｗｏｕｔ＝Ｗ２）に対応した使用可能電流ＩＢ２と、現在ＳＯＣ、現在電池温度から単位時間（制御ループΔｔ）当たりの劣化Ｄ_ＩＢ２を算出する（Ｓ１７）。ここで、使用可能電流ＩＢ２は、車両走行のために必要な電流値で、車両の必要動力によって決定される値を採用すればよい。また、使用可能電流ＩＢ２は制限値Ｗ２を電池１２の開放電圧ＣＣＶで除算して求めてもよい。

次に、使用可能電流ＩＢ２での放電を継続した場合における、劣化Ｄ_ＩＢ２の累積ΔΣＤ_ＩＢ２が、現在劣化指標ΣＤから、限界制限値ΣＤｍａｘに至るまでの増加量ΔΣに等しくなる時間Ｔｉｍｅ２を算出する（Ｓ１８）。これは、時間Ｔｉｍｅ２＝（ΔΣＤ／Ｄ_ＩＢ２）Δｔで算出すればよい。使用可能電流ＩＢ２は、使用可能電流ＩＢ１に比べ小さな電流量であり、Ｔｉｍｅ２は、Ｔｉｍｅ１に比べ長い時間になる。

そして、求められた時間Ｔｉｍｅ２の期間について、使用可能電流ＩＢ２で放電した場合のＳＯＣ減少量ΔＳＯＣ２を算出する（Ｓ１９）。ここで、ΔＳＯＣ２＝（現在ＳＯＣ・ＦＣＣ−ＩＢ２・Ｔｉｍｅ２）／ＦＣＣである。そして、制限開始ＳＯＣ（ｔ２）を算出する（Ｓ２０）。この算出は、制限開始ＳＯＣ（ｔ２）＝電欠ＳＯＣ＋ΔＳＯＣ２で行う。

そして、現在ＳＯＣがＳＯＣ（ｔ２）以下かを判定する（Ｓ２１）。このＳ２１の判定でＮＯであれば、出力制限の必要はないので処理を終了する。一方、Ｓ２１の判定でＹＥＳであれば、出力電力制限ＷｏｕｔをＷ２に制限する、出力制限を実施する（Ｓ２２）。この際、出力制限を行っていることを表示などで報知する。

このようにして、走行中に劣化指標が限界制限値ΣＤｍａｘに至りそうになった場合に、電欠までの走行を確保すべく出力制限を行う。従って、走行中に劣化指標が限界制限値に至り、走行不能になることを防止することができる。

図３には、走行におけるＳＯＣ、劣化指標ΣＤ、出力電力制限Ｗｏｕｔの状態を示してある。太線が実施形態、点線が比較例を示す。本電池システムは、電気自動車に搭載されており、走行中には回生以外には充電されず、ＳＯＣは徐々に低下していく。一方、充電によるハイレート劣化の劣化指標ΣＤは、走行中の大電流の放電によって徐々に上昇していく。

本実施形態によれば、ＳＯＣがＳＯＣ（ｔ２）になった場合に、Ｗｏｕｔを制限された値Ｗ２（電池電流は使用可能電流ＩＢ２に制限）に設定する。これによって、電欠前に劣化指標ΣＤが限界制限値ΣＤｍａｘに至り、走行不能となることを防止することができる。比較例では、劣化指標ΣＤがΣＤｍａｘに至ったときにＷｏｕｔが制限され、走行不能になる。

１０車両、１２電池、１４コンバータ、１６インバータ、１８モータジェネレータ、２２車輪、３０ＡＣ充電装置、３２，３６コネクタ、３４ＤＣ充電装置、４０制御装置、４２車両ＥＣＵ、４４モータＥＣＵ、４６電池ＥＣＵ。

Claims

電池の劣化指標ΣＤが放電について限界制限値ΣＤｍａｘを超えた場合に出力を制限値Ｗ１に制限する電池システムであって、
出力を制限値Ｗ１よりも厳しい制限値Ｗ２に制限した場合の使用可能電流ＩＢ２で放電した場合の劣化指標の増加量ΔΣＤ_ＩＢ２が、限界制限値ΣＤｍａｘから現在の劣化指標ΣＤを差し引いた劣化指標差分値ΔΣＤとなる時間Ｔｉｍｅ２を算出し、
使用可能電流ＩＢ２で時間Ｔｉｍｅ２の間放電した場合の電池の充電容量の減少量ΔＳＯＣ２を算出するとともに、算出された減少量ΔＳＯＣ２に対応した制限開始ＳＯＣを決定し、
現在ＳＯＣが決定された制限開始ＳＯＣ以下となった場合に、出力電力を制限値Ｗ２に制限する、
電池システム。