JP3705008B2 - ハイブリッド車両用充放電制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池により電動機を駆動して走行すると共に、内燃機関などにより発電器を駆動して電池を充電するハイブリッド車両に関し、特に電池への充電および放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来ハイブリッド車両における電池への充電および放電の制御としては、電池の容量が所定の範囲内に保持されるような制御が行われている。例えば、特開平9−98510号公報には、電池の容量を検出し、モータの駆動や発電機の駆動を制御することによって電池の容量が所定範囲内に保持する技術が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記ハイブリッド車両においては、温度変化に応じて電池の特性が変化することについて考慮した制御となっているが、電池の容量の変化によって電池の特性が変化するという事項については何ら考慮されていない。
【0004】
このため、電池の容量の変化によって電池の特性が変化する電池、例えば正極活物質にリチウムマンガン酸化物(LixMn2O4)を用いたリチウムイオン電池をハイブリッド車両に用いた場合に以下のような問題が生じてしまう。
【0005】
正極活物質にリチウムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン電池は、電池の放電深度DOD(Depth Of Discharge)が変化すると、電池の特性が変化する。具体的には、DOD100%未満の領域からDOD100%以上の領域へ放電を行うと活物質が相転移を起こし、更にDOD50%未満の領域からDOD50%以上の領域へ放電を行う場合も活物質が相転移を起こす。電池の充放電の繰り返しによって活物質の相転移が発生すると、活物質の結晶格子が不安定になる・リチウムイオンの拡散速度が異なる・Mnが正極から溶け出す・電解液と反応する等の理由により電池の劣化が促進されると言う問題がある。
【0006】
上記の問題を回避する方法として、相転移が発生しない領域(例えばDOD51%〜99%の範囲)だけで充電と放電を繰り返すように充放電制御を行うことも考えられるが、この制御では電池の有する能力の一部しか使用しない制御方法となってしまうために、電池を使用できる期間が短くなってしまうという新たな問題が生じてしまう。
【0007】
本願発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、電池の使用期間を長く保ち、相転移発生による劣化を防止するハイブリッド車両用充放電制御装置を提案することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明においては、動力源として内燃機関と電動機とを有するハイブリッド車両の電池の充放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置において、前記電池の容量を判断する容量判断手段と、前記電池の容量が所定の範囲内に保持されるように、前記電池の充放電量を制御する充放電制御手段と、電池の劣化状態を判断する電池状態判断手段と、前記電池状態判断手段の判断結果に基づいて、前記充放電制御手段が保持させる前記電池の容量の範囲を第1の領域から前記第1の領域とは重ならない第2の領域に変更する領域変更手段と、を有することとした。
【0009】
請求項2に記載の発明においては、前記領域変更手段は電池の劣化が判断されたとき、前記第1の領域から第2の領域に変更する領域変更手段であって、前記第1の領域は、前記第2の領域よりも電池の容量が小さく設定されていることとした。
【0010】
請求項3に記載の発明においては、前記電池は正極にリチウムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン電池であって、前記第1の領域および前記第2の領域では電池の充放電による相転移が発生せず、前記第1の領域および前記第2の領域の間の第3の領域において相転移が発生するように、前記第1の領域および前記第2の領域を設定したこととした。
【0011】
請求項4に記載の発明においては、前記電池は正極にLixMn2O4を用いたリチウムイオン電池であって、前記第1の領域は、電池の容量が略放電深度50%以上の領域に設定され、前記第2の領域は、電池の容量が略放電深度50%以下の領域に設定されていることとした。
【0012】
請求項5に記載の発明においては、前記第1の領域と前記第2の領域の間に、電池の充放電を実施しないようにする第3の領域が設定されていることとした。
【0013】
請求項6に記載の発明においては、前記第3の領域は、放電深度が4%の幅の範囲であることとした。
【0014】
請求項7に記載の発明においては、前記電池状態判断手段は、電池の内部抵抗の変化から電池の劣化状態を判断することとした。
【0015】
請求項8に記載の発明においては、前記電池状態判断手段は、電池の放電可能容量または充電可能容量が初期状態の10%以上低下したことから判断することとした。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は実施の形態の構成を示す図である。図において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。
【0017】
この車両のパワートレインは、モータ1、エンジン2、クラッチ3、モータ4、無段変速機5、減速装置6、差動装置7および駆動輪8から構成される。モータ1の出力軸、エンジン2の出力軸およびクラッチ3の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ3の出力軸、モータ4の出力軸および無段変速機5の入力軸は互いに連結されている。
【0018】
クラッチ3締結時はエンジン2とモータ4が車両の推進源となり、クラッチ3解放時はモータ4のみが車両の推進源となる。エンジン2および/またはモータ4の駆動力は、無段変速機5、減速装置6および差動装置7を介して駆動軸8へ伝達される。無段変速機5には油圧装置9から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置9のオイルポンプ(不図示)はモータ10により駆動される。
【0019】
モータ1,4,10は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モータ1は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ4は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モータ10は油圧装置9のオイルポンプ駆動用である。なお、モータ1,4,10には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ3締結時に、モータ1を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ4をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【0020】
クラッチ3はパウダークラッチであり、伝達トルクがほぼ励磁電流に比例するので伝達トルクを調節することができる。無段変速機5はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【0021】
モータ1,4,10はそれぞれ、インバータ11,12,13により駆動される。なお、モータ1,4,10に直流電動機を用いる場合には、インバータの代わりにDC/DCコンバータを用いる。インバータ11〜13は共通のDCリンク14を介してメインバッテリ15に接続されており、メインバッテリ15の直流充電電力を交流電力に変換してモータ1,4,10へ供給するとともに、モータ1,4の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリ15を充電する。なお、インバータ11〜13は互いにDCリンク14を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力をメインバッテリ15を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。
【0022】
メインバッテリ15はリチウムイオン電池である。
【0023】
コントローラー16は、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン2の回転速度や出力トルク、クラッチ3の伝達トルク、モータ1,4,10の回転速度や出力トルク、無段変速機5の変速比、メインバッテリ15のDOD(放電深度)などを制御する。
【0024】
コントローラー16には、図2に示すように、車両のキースイッチ20、DOD検出装置21、温度センサ22、電圧センサ23、電流センサ24、などが接続される。DOD検出装置21はメインバッテリ15のDOD(放電状態)を検出し、温度センサ22はメインバッテリ15の温度を検出する。また、電圧センサ23はメインバッテリ15の端子電圧を検出し、電流センサ24はメインバッテリ15の充放電電流を検出する。
【0025】
ここで、この実施の形態の電池のDOD制御について説明する。
【0026】
図3は、リチウムイオン電池のDODに対する入出力特性を示す。図において、実線は新品のときの特性を示し、破線は劣化時の特性を示す。一般に、電池は、DODが増加すると出力が減少して入力が増加する。よって電池の規定入出力値を確保するために、電池のDODが常に規定入出力値が確保できるDOD範囲に入るように、電離の充放電を制御する必要がある。
【0027】
図4は、正極に用いているリチウムマンガン酸化物(LixMn2O4)の、0.1mA/cm2における放電曲線を示す。横軸の容量はLixMn2O4の重量を基準としている。
【0028】
図4より、リチウムマンガン酸化物( LixMn2O4)は、リチウム組成(電池のSOC)により3領域に分かれることがわかる。本実施例では、はじめに図のIIの領域を用い、電池が劣化したらIの領域にはいるように充放電を制御する。実際に電池にしたときは、IIの領域の終わりがDOD100%に相当する。Iの領域とIIの領域の境目はDODで約50%に相当する。この境目のDODは予め求めているが、誤差を考慮してある程度の幅(約4%)を持たせて使用する。具体的には、Iの領域とIIの領域の境目がDOD50%に相当する場合は、使用範囲を切り替える前はDOD52%以上に制御し、切り替えた後はDOD48%以下に制御する。
【0029】
この実施の形態では、メインバッテリ15の劣化状態を検出し、劣化状態がある状態になったら、電池の使用DOD範囲を切り替える。
具体的には、初期はDOD52%〜DOD70%にDODを制御する。
具体的には、内部抵抗が1.5倍になったら、DODの制御範囲を切り替える。
【0030】
また、内部抵抗の増加だけでなく、電池の容量がある程度減少したら、電池の使用範囲を切り替える。具体的には、DOD52%〜70%の容量(AhまたはWh)が90%になったら、DODの制御範囲を切り替える。尚、DODは初期の満充電容量(AhまたはWh)を100%定義している。従って電池容量が90%に劣化すると、その満充電容量は90%となる。
【0031】
次に、電池の劣化状態の検出方法について説明する。上述したように、電池は劣化するにつれてその内部抵抗が増加する。よって内部抵抗を検出して劣化の状態を知ることができる。電池の内部抵抗は、開放電圧と充放電圧の端子電圧との差を充放電電流で除して求めることができる。さらに正確に求めるには、放電時の端子電圧と電流をサンプリングし、サンプリングデータを直線回帰して電圧−電流特性を求め、その傾きから内部抵抗を知ることができる。
【0032】
また、DODに対する電池容量を演算により求めているので、例えばDOD10%当たりの電池容量(AhまたはWh)を、新品時と比較して検出することも可能である。
【0033】
図5は、実施の形態のDOD制御を示すフローチャートである。このフローチャートにより、実施の形態の動作を説明する。
【0034】
コントローラ16は、車両のキースイッチ20がON位置に設定されるとこの制御プログラムを繰り返し実行する。ステップ1において、上述した方法によりメインバッテリ15の劣化状態を検出するとともに、温度センサ22によりメインバッテリ15の温度を検出する。続くステップ2でメインバッテリ15の劣化状態がDODの制御範囲を変更する必要があるかどうか判断する。必要があればステップ3で、制御目標DOD範囲を切り替える。ステップ3で、制御目標DOD範囲を切り替えた後は、ステップ4でDOD検出装置21によりメインバッテリ15のDODを検出し、続くステップ5で、DOD検出値が目標値となるようにメインバッテリ15の充放電を制御する。
【0035】
図6および図7はメインバッテリのDODに対するDOD目標切り替え前の出力特性と、切り替え後の出力特性を示す。
【0036】
図6に示すように、メインバッテリ15のDOD目標値を52%から70%に制御する場合には、新品時にはP1の出力が得られるが、劣化するとDODの深い領域でP2の出力しか得られない。この場合はDODの深い領域では、出力を制限して使用する。
【0037】
図7に示すように、さらに劣化し、メインバッテリ15のDOD目標値を30%から48%に制御する場合には、新品時にはP1の出力、P3の入力が得られる。しかし劣化するとDODの浅い領域でP4の出力しか得られない。この場合はDODの浅い領域では、入力を制限して使用する。
【0038】
図6および図7が示すように、本実施の形態では、電池が劣化しても出力P1は確保でき、電池交換まで電池を使用することが可能である。言い換えると電池交換までの時間に余裕を持たせることが可能となる。
【0039】
図8に、本実施の形態と、DOD30%から70%に充放電を制御した場合の、電池の使用年数と内部抵抗の上昇率の関係を示す。
【0040】
図より、本実施の形態では、DOD30%から70%に充放電を制御した場合に比べ内部抵抗が2倍になるまでの年数が約20%向上していることがわかる。これは電池の正極活物質を相転移しない領域で使用しているためだと考えられる。
【0041】
以上の説明では電池の正極に用いる材料をLixMn2O4として説明したが、このリチウムマンガン酸化物に第三の金属(例えば、Li,Fe,Co,Ni,Cu,Mg,Al,Crなど)を添加して製造した材料LixMn2ーNANO4(Aは前記第三の金属の何れか)を用いてもよい。添加した金属の種類により相転移が発生するDODが50%から多少変動するが、基本的にはLixMn2O4の場合と類似した特性となる。
【0042】
例えば、Crを添加して製造したLixMn5/3A1/3O4を正極として用いた場合、図9に示したような特性となる。この場合はIの領域とIIの領域の境目が約DOD62%〜DOD80%の範囲で制御を行うことにすることで、正極にLixMn2O4を用いた場合と同様の効果が得られる。
【0043】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明においては、動力源として内燃機関と電動機とを有するハイブリッド車両の電池の充放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置において、前記電池の容量を判断する容量判断手段と、前記電池の容量が所定の範囲内に保持されるように、前記電池の充放電量を制御する充放電制御手段と、電池の劣化状態を判断する電池状態判断手段と、前記電池状態判断手段の判断結果に基づいて、前記充放電制御手段が保持させる前記電池の容量の範囲を第1の領域から前記第1の領域とは重ならない第2の領域に変更する領域変更手段と、を有することとしたため、充放電の実施による活物質の相転移が発生しないために電池が劣化せず、電池の寿命が長くなるという効果が得られる。
【0044】
請求項2に記載の発明においては、電池の出力可能電力が大きな初期段階では、電池の容量が小さい領域で充放電制御を行い、電池が劣化してからは電池の容量が大きい領域で充放電制御を行う構成としたために電池が劣化してからも電池の出力を確保でき、ハイブリッド車の走行能力を確保できる。
【0045】
請求項3、請求項5及び請求項6に記載の発明においては、充放電の禁止領域を設けたことにより、活物質の相転移が発生することを確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す図である。
【図2】図1に続く本発明の実施の形態を示す図である。
【図3】リチウムイオン電池のDODに対する入出力特性を示す図である。
【図4】リチウムマンガン酸化物正極の定電流放電曲線を示す。
【図5】実施の形態のDOD制御を示すフローチャートである。
【図6】実施の形態の入出力特性を示す図である。
【図7】実施の形態の入出力特性を示す図である。
【図8】実施の形態の改善結果を説明する図である。
【図9】実施の形態の入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
1 モータ
2 エンジン
3 クラッチ
4 モータ
5 無段変速機
6 減速機
7 差動装置
10 モータ
11〜13 インバータ
14 DCリンク
15 メインバッテリ
16 コントローラ
20 キースイッチ
21 DOD検出装置
22 温度センサ
23 電圧センサ
24 電流センサ
Claims (8)
- 動力源として内燃機関と電動機とを有するハイブリッド車両の電池の充放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置において、
前記電池の容量を判断する容量判断手段と、
前記電池の容量が所定の範囲内に保持されるように、前記電池の充放電量を制御する充放電制御手段と、
電池の劣化状態を判断する電池状態判断手段と、
前記電池状態判断手段の判断結果に基づいて、前記充放電制御手段が保持させる前記電池の容量の範囲を第1の領域から前記第1の領域とは重ならない第2の領域に変更する領域変更手段と、を有することを特徴とするハイブリッド車両用充放電制御装置。 - 前記領域変更手段は電池の劣化が判断されたとき、前記第1の領域から第2の領域に変更する領域変更手段であって、
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも電池の容量が小さく設定されていることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。 - 前記電池は正極にリチウムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン電池であって、
前記第1の領域および前記第2の領域では電池の充放電による相転移が発生せず、前記第1の領域および前記第2の領域の間の第3の領域において相転移が発生するように、前記第1の領域および前記第2の領域を設定したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のハイブリッド用充放電制御装置。 - 前記電池は正極にLixMn2O4を用いたリチウムイオン電池であって、
前記第1の領域は、電池の容量が略放電深度50%以上の領域に設定され、前記第2の領域は、電池の容量が略放電深度50%以下の領域に設定されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のハイブリッド車両用電池制御装置。 - 前記第1の領域と前記第2の領域の間に、電池の充放電を実施しないようにする第3の領域が設定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
- 前記第3の領域は、放電深度が4%の幅の範囲であることを特徴とする請求項3または請求項5に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
- 前記電池状態判断手段は、電池の内部抵抗の変化から電池の劣化状態を判断することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
- 前記電池状態判断手段は、電池の放電可能容量または充電可能容量が初期状態の10%以上低下したことから判断することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
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