JP2019087496A - 電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】走行中の電池劣化の進みを抑制して、走行停止後の充電を可能にする。【解決手段】電池の劣化指標ΣDを算出し(S11,S12)、算出した劣化指標ΣDが充電についての限界制限ラインΣD1を超えた場合に入力を制限する。所定量の充電を行った場合の劣化指標ΣDの増加量ΔΣD1を算出し(S14)、限界制限ラインΣD1から増加量ΔΣD1を差し引いた値ΣD−ΔΣD1を走行中の回生による充電を制限する回生制限ライン(S18)として設定する。【選択図】図2

Description

本発明は、電池システム、特に回生による充電の制限に関する。
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。この充電の方式としては、車両に整流器を含む充電器を搭載しておき、家庭用のAC(交流)電源に接続するAC充電と、外部の直流電源に接続するDC充電がある。DC充電は、大容量で急速充電が行える場合が多い。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て、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、エンジンを始動させることで電池の負荷を下げ、劣化指標の上昇を防止している。
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2013−125607号公報 特開2017−91602号公報 特開2017−123245号公報
ここで、電気自動車では、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、大電流の充電が行われるため、ハイブリッド車に比べハイレート劣化が大きくなり、特許文献1のようなハイレート劣化抑制を行うことはできない。そして、劣化指標が所定以上になった場合には充電が禁止されるが、このときに電池容量が少ないと走行不能になってしまうおそれがある。
本発明は、電池の劣化指標を算出し、算出した劣化指標が充電についての限界制限ラインを超えた場合に入力を制限する電池システムであって、所定量の充電を行った場合の劣化指標ΣDの増加量を算出し、限界制限ラインから増加量を差し引いた値を走行中の回生による充電を制限する回生制限ラインとして設定する。
また、現在SOCから電欠までに回生によって増加する劣化指標の第2増加量を算出し、算出された第2増加量を回生制限ラインから差し引いた値を回生一部制限ラインとしてさらに設定することで、走行中の回生による充電を2段階で制限するとよい。
また、劣化指標が回生制限ラインを超えた場合に、回生による充電を禁止するとよい。
また、劣化指標が回生一部制限ラインを超えた場合に、ブレーキと協調する回生による充電を禁止し、エンジンブレーキ相当の回生による充電を許可するとよい。
本発明によれば、走行時において、劣化指標の増加を抑制するため、走行停止後において所定の充電が可能になり、充電ができずに走行不能となることを防止することができる。
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充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、入力電力制限、ブレーキ協調回生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。そこで、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(Electronic Control Unit)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及びインバータ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。
「充電制御」
車両ECU42は、電池ECU46、モータECU44を介し、電池12の充電を制御する。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、先行技術文献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、回生による電池12による充電を制御する。これについて、図2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、YESの場合には、現在SOCから限界制限ラインΣD1を算出する(S12)。この限界制限ラインΣD1は、ハイレート劣化が進んでしまって、電池12の充電を禁止する制限ラインである。ΣD1は、現在の電池温度、SOCによって決定される。S11の判定でNOの場合は、充電制限を行う必要がないため、その回の処理を終了する。
次に、DC充電を行うかを判断する(S13)。このS13では、DC充電用のDC充電装置34が搭載されていなければ、NOとなる。また、DC充電装置34が搭載されていれば、YESと判定してもよいし、AC充電装置30とDC充電装置34の両方が搭載されていれば、前回行った充電がDC充電かどうかで判断してもよい。さらに、ユーザ設定で、次回の充電がAC充電か、DC充電かを選択させてもよい。なお、DC充電は、充電スタンドなどによるDC大電流の急速充電である。
S13の判定でNOの場合には、前回の充電開始時の温度で所定のSOC(電欠)から所定量のAC充電した場合の成長量(増加量)ΔΣD1を算出する(S14)。S13において、NOの場合は、次回の充電はAC充電であると判断され、このAC充電は、通常自宅における商用AC電源からの充電である。ΔΣD1は、電池温度と、充電電力量に基づいて決定できるため、予め用意したマップを使用して求めるとよい。また、このAC充電の際の劣化指標の増加量ΔΣD1は、前回の条件を参照して決定することが好ましい。電池温度につては、走行中の現在温度より前回充電時の温度の方が次回の充電時温度に近いと考えられる。そこで、S14では、前回の充電時における電池温度を採用する。また、過去の充電時の電池温度の履歴を記憶しておき、履歴に基づいて推定してもよい。しかし、過去の履歴が余りに古い場合などは信憑性がないため、採用しない方がよい。そのような場合は、停止直後などではなく充電時と同様と考えられる状態での温度、例えば運転開始時の電池温度などを採用することも好適である。
また、S11において、YESとなる条件は、SOCが電欠に近いか、または劣化指標ΣDが限界に近く高いという条件であり、その場合はSOCも低いと考えられる。そこで、走行後の充電は、ほぼ電欠状態から行われると考えられ、充電開始のSOCを電欠としている。なお、AC充電の終了は満充電とすることが好適であるが、電池12についてのメンテナンスを受けるための施設までの走行を可能とするSOCが確保されればよいと考えられ、そのために設定されたSOCと、走行停止時の推定SOC(例えば電欠)の差を充電に設定し、この充電を行った場合の劣化指標の成長量をΔΣD1としてもよい。特に、自宅までのルートが設定されていれば、その走行によるSOC変化量は推定でき、変化後のSOCを算出の基のSOCに設定してもよい。なお、電欠は、走行を禁止する程度(出力1kW程度に限定する程度)の低SOCである。
次に、現在SOCから電欠までに回収される可能性があるモータ回生での増加量ΔΣD2を算出する(S15)。これは、通常の1トリップにおける、回生電力量を予め設定しておけばよい。また、過去の走行履歴から、推定してもよい。さらに、ルートが設定されているトリップであれば、目的地までのルートにおける回生電力を計算することもできる。
そして、現在の劣化指標ΣDがブレーキ協調回生制限ラインΣD3より大きいかを判定する(S16)。ここで、ブレーキ協調回生制限ラインΣD3は、本実施形態における1段目の回生制限ライン(回生一部制限)で、S12で算出した限界制限ラインΣD1からS14で算出した増加量ΔΣD1と、S15で算出した増加量ΔΣD2を減算した値である(ΣD3=ΣD1−ΔΣD1−ΔΣD2)。すなわち、ΣD1は、充電が禁止される値であるが、この値からΔΣD1とΔΣD2が減算されており、ΣD1より小さな値である。ΔΣD1は、充電の際の劣化指標の増加量、ΔΣD2は、今後の走行における増加量であり、現在ΣDが、ΣD3を上回った時点では、これから電欠まで走行した場合に、まだ充電が可能な状態である。
S16の判定で、YESの場合には、ブレーキ協調回生を禁止する(S17)。ブレーキ協調回生は、車両10のブレーキが踏み込まれた際に対応した減速度を得るために、機械(油圧)ブレーキと回生制動の両方を適宜利用するもので、通常は回生制動で足りない減速度を機械ブレーキで補う。S16の判定でNOの場合には、回生について制限する必要はなく、処理を終了する。
次に、現在の劣化指標ΣDがモータ回生制限ラインΣD2より大きいかを判定する(S18)。ここで、モータ回生制限ラインΣD2は、本実施形態における2段目の回生制限ラインで、S12で算出した限界制限ラインΣD1からS14で算出した増加量ΔΣD1を減算した値である(ΣD2=ΣD1−ΔΣD1)。すなわち、ΣD1からΔΣD1のみが減算されており、ΣD1より小さいがΣD3より大きな値である。ΔΣD1は、充電の際の劣化指標の増加量であり、現在ΣDが、ΣD2を上回った時点では、これから走行では充電がされないことを前提として、その充電が可能な状態である。
S18の判定でYESの場合には、モータ回生を禁止する(S19)。すなわち、アクセルを踏み込んだ状態から離した場合のエンジンブレーキ相当の回生も含めて禁止することで、モータジェネレータ18による回生が全部禁止になる。なお、モータ回生を禁止した場合、エンジンブレーキ相当の減速が行われなくなるため、これについて画面表示、音声出力などでユーザに報知する。
S18の判定でNOの場合には、回生をすべて禁止する必要はないと判断され、処理を終了する。また、S19のモータ回生の禁止は、ブレーキ協調回生の禁止を含んだ回生禁止であり、フローチャートとしては、S16より前にS18の判定を行い、S18の判定でNOの場合にS16の判定を行うようにしてもよい。
S13の判定において、YESの場合には、所定量のAC充電の際の劣化指標増加量ΔΣD1に代えて所定量のDC充電において増加する劣化指標の増加量ΔΣD4を算出する(S20)。ΔΣD4は、現在の電池温度とDC充電電力から算出するもので、所定のSOC(例えば電欠)からDC充電した場合の劣化指標ΣDの増加量である。
DC充電は、大型の急速充電器で行う充電であり、充電スタンドなどにおける充電である。従って、前回の充電の状況などから次回の充電の状態を推定することは難しく、電池温度は現在温度とする。また充電電力は、最も普及しているタイプをデフォルトとし、ユーザにタイプを選択させるとよい。
S21〜S25の処理は、ΔΣD1に代えて、ΔΣD4を用いる点が異なるだけであり、S15〜S19の各処理が対応する。
このように、本実施形態によれば、劣化指標ΣDが、充電が禁止される限界制限ラインΣD1に至る前の段階で、回生による充電を制御する。特に、充電する場合の劣化を考慮して、充電可能な状態に電池12の劣化指標を維持する。従って、走行終了後に電池12を充電することが可能となり、その後の走行を確保することができる。また、回生の制限を2段階で行うことで、エンジンブレーキ相当の回生制動の禁止時期を遅らせることができ、より効率的な走行が可能になる。
図3には、走行におけるSOC、劣化指標ΣD、入力電力制限Win、ブレーキ協調回生制限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、走行中の回生による充電によって徐々に上昇していく。
本実施形態によれば、劣化指標ΣDがΣD3となったときに、ブレーキ協調回生制限が開始される。このため、回生による充電量が制限される。このため、SOCの減少は比較例より大きくなる。一方、劣化指標ΣDの増加量は比較例より小さくなる。
そして、劣化指標ΣDがΣD2となったときに、入力電力制限Winが0に向けて移行し0となり、これによって、回生による充電が禁止される。このため、劣化指標ΣDの増加が抑制される。
比較例では、劣化指標ΣDがΣD2に至ったときに入力電力制限Winを小さくする。これによって、回生が制限されるが、劣化指標が増加し続け、限界制限ラインΣD1に達することで、充電禁止になってしまう。
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、30 AC充電装置、32 ACコネクタ、34 DC充電装置、36 DCコネクタ、40 制御装置、42 車両ECU、44 モータECU、46 電池ECU。

Claims (1)

  1. 電池の劣化指標を算出し、算出した劣化指標が充電についての限界制限ラインを超えた場合に入力を制限する電池システムであって、
    所定量の充電を行った場合の劣化指標ΣDの増加量を算出し、
    限界制限ラインから増加量を差し引いた値を走行中の回生による充電を制限する回生制限ラインとして設定する、
    電池システム。
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