JP2019087496A

JP2019087496A - 電池システム

Info

Publication number: JP2019087496A
Application number: JP2017216700A
Authority: JP
Inventors: 清仁町田; Kiyohito Machida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: JP6874652B2

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（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、３０ＡＣ充電装置、３２ＡＣコネクタ、３４ＤＣ充電装置、３６ＤＣコネクタ、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。