JP4064398B2 - 電動機用バッテリの充放電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関および電動機を駆動源とするハイブリッド車両などに適用され、電動機に電力を供給するとともに回生による電動機からの電力を蓄える電動機用バッテリの充放電制御装置に関する。

一般に、ハイブリッド車両では、電動機用バッテリ（以下、本欄において単に「バッテリ」という）から電動機に電力を供給（放電）することにより、電動機を作動させることで、駆動輪を駆動するとともに、車両の減速時に、電動機を発電機として作動させることにより、減速エネルギを回生し、これにより発電された電力を電動機用バッテリに蓄える（充電）。このようなバッテリの充電が満充電の状態で行われると、バッテリが過充電の状態になり、それにより、劣化や寿命の低下を招いてしまう。特に近年、バッテリとして多用されているニッケル水素電池では、充電により、電池内でガス（正極からの酸素ガス）が発生し、特に過充電の状態では、ガスの発生量が増大することで内圧が急上昇し、そのガスを外部に放出し易くなる。このガスが放出された場合には、それに伴い、電解液が減少し、それにより、バッテリがより一層劣化してしまう。このような過充電によるバッテリの劣化を防止する技術として、特許文献１に開示されたものが知られている。

この特許文献１は、ハイブリッド車両に搭載されるニッケル水素電池などのバッテリの充電制御装置に関するものである。この充電制御装置では、バッテリの充電中に、その温度を第１の所定時間（０．１秒）ごとに検出するとともに、検出された温度に基づき、第２の所定時間（２０秒）ごとの温度勾配を演算する。そして、演算された温度勾配が、所定のしきい値よりも大きいか否かを判別し、所定のしきい値よりも大きいという判別が、所定回数（３回）、連続して得られたときに、そのような温度上昇が、バッテリが満充電の状態に達したために発生したとして、バッテリへの充電を終了する。また、この充電制御装置は、バッテリの入出力電流を検出し、その検出結果に応じて、上記しきい値を設定するように構成されている。

しかし、バッテリの特性によっては、充電時の温度上昇が非常に小さかったり、満充電の状態に達しても、温度勾配がしきい値を上回るまでに時間がかかったりすることがある。これらの場合には、バッテリが満充電の状態に達しても、充電が継続され、その結果、過充電の状態になり、バッテリの劣化を招いてしまう。また、温度センサや電流センサの精度が低い場合には、検出値が実際の値からずれ、検出誤差を含むことがあり、その場合には、検出値に基づいて実行されるバッテリの充電制御を適切に行えないという問題もある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、電動機用バッテリの過充電を防止し、それにより、電動機用バッテリの劣化を防止することができる電動機用バッテリの充放電制御装置を提供することを目的とする。

特開２００１−２５８１７２号公報

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関２に接続された電動機（実施形態における（以下、本項において同じ）モータ３）に電力を供給するとともに、発電機として駆動された電動機からの電力を蓄える電動機用バッテリ（モータ用バッテリ１２）の充放電制御装置１１であって、電動機用バッテリの入出力電流（検出値ＩＢ）を検出する電流検出手段（電流センサ１４）と、電動機用バッテリの蓄電量（充電残量ＳＯＣ）を検出する蓄電量検出手段（充電残量センサ１２ａ）と、電動機から電動機用バッテリへの充電を制御する充電制御手段（ＥＣＵ１５）と、電動機用バッテリの蓄電量が所定値以上のときに、電流検出手段で検出された入出力電流がほぼゼロになるように、充電制御手段を制御するゼロ電力制御手段（ＥＣＵ１５）と、このゼロ電力制御手段によるゼロ電力制御状態が所定時間Ｔ１、継続したときに（ステップ６：ＹＥＳ）、ゼロ電力制御を停止させるとともに、電動機用バッテリを放電させる放電制御手段（ＥＣＵ１５、ステップ９）と、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、蓄電量検出手段で検出された電動機用バッテリの蓄電量が所定値以上のときに、ゼロ電力制御手段で充電制御手段を制御することによって、電流検出手段で検出された電動機用バッテリの入出力電流がほぼゼロになるように、発電機として駆動された電動機から電動機用バッテリへの電力の供給（充電）を制御する（ゼロ電力制御）。なお、上記の「ほぼゼロ」とは、値０およびその近傍の値を含むものであり、以下の説明では、単に「ゼロ」と表示するものとする。上記のようなゼロ電力制御によって、電動機用バッテリの入出力電流をゼロにすることにより、電動機用バッテリを、その蓄電量が所定値以上の状態、例えばほぼ満充電の状態に維持することができる。また、上記のゼロ電力制御が実行されている場合において、その制御状態が所定時間、継続したときに、放電制御手段により、ゼロ電力制御を停止させるとともに、電動機用バッテリを放電させる。このような電動機用バッテリの放電を実行するのは、次の理由による。

すなわち、上述したように、ゼロ電力制御では、電流検出手段で検出された電動機用バッテリの入出力電流がゼロになるように、電動機用バッテリへの電力の供給を制御することにより、電動機用バッテリの充電状態を一定に保つ。しかし、電動機用バッテリの入出力電流がゼロになるように制御していても、電流検出手段の精度が低い場合などには、実際には電動機用バッテリにわずかな電力が供給され、その状態が長く継続すると、電動機用バッテリが過充電になることがある。したがって、上記のように、電動機用バッテリを放電させることにより、ゼロ電力制御の継続による電動機用バッテリの過充電を防止することができ、それにより、電動機用バッテリの劣化を防止することができる。特に、電動機用バッテリとして、例えばニッケル水素電池を用いた場合には、過充電の状態になると、バッテリ内でのガスの発生量が増大し、内圧が急上昇する。したがって、上記のように、電動機用バッテリを放電させることにより、バッテリ内の化学反応によってガスを消費させ、それにより、電動機用バッテリの内圧を低下させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動機用バッテリの充放電制御装置において、放電制御手段は、放電の開始からの電動機用バッテリの放電量が所定量（放電電流ＩＢｒ、所定時間Ｔ２）に達したときに、放電を停止させることを特徴とする。

この構成によれば、放電の開始からの電動機用バッテリの放電量が所定量に達したときに、その放電を停止させるので、例えば、その所定量を、電動機用バッテリの過充電を防止するのに十分な量に設定することにより、電動機用バッテリを必要以上に放電させることなく、過充電を確実に防止することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の電動機用バッテリの充放電制御装置において、放電制御手段は、電動機用バッテリの放電の開始から所定時間Ｔ２が経過したときに（ステップ１０：ＹＥＳ）、放電を停止させることを特徴とする。

この構成によれば、電動機用バッテリの放電の開始から所定時間が経過したときに、その放電を停止させるので、例えば、その所定時間を、電動機用バッテリの過充電を防止するのに十分な時間に設定することにより、上記請求項２と同様の効果を得ることができる。また、前述したように、電動機用バッテリとしてニッケル水素電池を用いた場合には、上昇した電動機用バッテリの内圧を低下させるのに時間がかかることがある。したがって、上記所定時間を、電動機用バッテリの内圧を低下させるのに十分な時間に設定し、電動機バッテリの放電を所定時間、継続することにより、内圧を必要な程度まで確実に低下させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機用バッテリの充放電制御装置において、電動機は、発電量を変更可能に構成されており、電動機は、発電機として作動するときに、電気機器１９に電力を供給するように構成され、電気機器は、電動機用バッテリに接続されており、放電制御手段は、電動機用バッテリの放電を実行するときに、電動機の発電量を抑制するとともに、電動機用バッテリから放電された電力を電気機器に供給することを特徴とする。

この構成によれば、電動機が発電機として作動しているときに、上記放電制御を実行する場合、放電制御手段により、電動機の発電量を抑制するとともに、電動機用バッテリから放電された電力を電気機器に供給する。このように、電動機の発電量を抑制した分、電動機用バッテリから電気機器に電力を供給するので、電動機用バッテリの放電による電力を、電気機器に無駄なく利用することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機用バッテリの充放電制御装置において、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段（ＥＣＵ１５）を、さらに備え、放電制御手段は、検出された内燃機関の運転状態がアイドル運転状態のときに（ステップ１：ＹＥＳ）、電動機用バッテリの放電を実行することを特徴とする。

アイドル運転状態は、比較的長く継続されることが多いため、アイドル運転状態のときに、電動機が内燃機関で駆動されることで発電機として作動し、電動機からの電力が電動機用バッテリに充電される場合には、電動機用バッテリが過充電になりやすい。したがって、上記構成によれば、内燃機関がアイドル運転状態のときに、上記放電制御を実行するので、このときの電動機用バッテリの過充電を防止することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による電動機用バッテリの充放電制御装置、およびこれを適用した車両の概略構成を示している。同図に示すように、車両１は、駆動源として、内燃機関（以下「エンジン」という）２およびモータ３（電動機）を備えたハイブリッド車両である。モータ３は、エンジン２のクランクシャフト（図示せず）に直結されるとともに、無段変速機などからなる変速機４を介して、駆動輪５（１つのみ図示）に連結されている。

この車両１では、加速時に、エンジン２の運転に加えて、モータ３がこれをアシストするように作動する。一方、減速時に、車両１の走行エネルギで回転駆動されるモータ３が発電機として作動することにより、走行エネルギを回生し、これによる発電電力が、後述するモータ用バッテリ１２に充電される。また、エンジン２がアイドル運転状態のときには、モータ３がエンジン２で回転駆動され、発電機として作動することにより、その発電電力が、モータ用バッテリ１２の充電および／または車両１に搭載された後述する各種の電気機器１９の駆動に用いられる。なお、車両１が一定速度で走行するクルーズ時には、モータ１３が休止し、エンジン２のみで駆動輪５が駆動される。

充放電制御装置１１は、モータ３の電源としてのモータ用バッテリ１２（電動機用バッテリ）の充電および放電を制御するものであり、モータ３に電気的に接続されたパワードライブユニット（以下「ＰＤＵ」という）１３と、モータ用バッテリ１２の入出力電流を検出する電流センサ１４（電流検出手段）と、これらの機器を含め、車両１内の各種機器の制御を行うＥＣＵ１５（充電制御手段、ゼロ電力制御手段、放電制御手段および運転状態検出手段）とを備えている。また、モータ用バッテリ１２とＰＤＵ１３の間には、ＤＣ／ＤＣコンバータからなるダウンバータ１８が接続されている。ダウンバータ１８に入力された電力は、降圧された後、例えばヘッドライトやカーステレオなどの各種の電気機器１９に供給されるとともに、余剰分の電力が、１２Ｖ系バッテリである補助バッテリ２０に充電される。

モータ用バッテリ１２は、ニッケル水素電池からなり、補助バッテリ２０よりも高い所定電圧（例えば１４４Ｖ）の電力を蓄えられるようになっている。また、このモータ用バッテリ１２には、充電残量センサ１２ａ（蓄電量検出手段）が設けられており、この充電残量センサ１２ａは、モータ用バッテリ１２の電流・電圧値を検出し、その検出信号をＥＣＵ１５に出力する。そして、この検出信号に基づき、ＥＣＵ１５により、モータ用バッテリ１２の充電残量ＳＯＣ（蓄電量）が算出される。なお、この充電残量ＳＯＣは、モータ用バッテリ１２が満充電であるときの電力量に対する、現在蓄えられている電力量の割合（％）として算出される。

また、モータ用バッテリ１２には、安全弁１２ｂが設けられている。この安全弁１２ｂは、外気がモータ用バッテリ１２内に侵入するのを防止するとともに、充電によって発生するガスによる内圧でモータ用バッテリ１２が破損するのを防止するものである。したがって、この安全弁１２ｂは、モータ用バッテリ１２のバッテリ内圧ＰＢが所定内圧ＰＢｒ（例えば１５ｋｇｆ／ｃｍ²）を超えたときに開放し、それにより、ガスが外部に放出される。

ＰＤＵ１３は、インバータなどからなる電気回路で構成され、ＥＣＵ１５からの制御信号に基づいて、モータ３の駆動および回生を制御する。具体的には、エンジン２の始動時および車両１の加速時に、モータ用バッテリ１２の電力をモータ３に供給（放電）することにより、モータ３を駆動する。一方、車両１の減速時およびエンジン２のアイドル運転中には、モータ３を発電機として作動させ、これによる発電電力を、モータ用バッテリ１２に供給（充電）するとともに、ダウンバータ１８を介して、各種の電気機器１９に供給する。

電流センサ１４は、モータ用バッテリ１２に設けられており、その入出力電流を検出し、その検出信号をＥＣＵ１５に出力する。そして、この検出信号に基づき、ＥＣＵ１５により、後述するゼロ電力制御が実行される。

ＥＣＵ１５は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。上記充電残量センサ１２ａおよび電流センサ１４の検出信号は、図示しない各種のセンサからの検出信号とともに、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換された後、ＣＰＵに入力される。ＣＰＵは、これらの検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、モータ３の駆動および回生を制御するとともに、モータ用バッテリ１２の充放電を制御する。

以下、図２のフローチャートを参照しながら、モータ用バッテリ１２の充放電制御処理について説明する。この充放電制御処理は、所定の時間（例えば１００ｍｓｅｃ）ごとに実行される。図２に示すように、本処理ではまず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、エンジン２がアイドル運転中であるか否かを判別する。エンジン２が運転中であって、車両１の速度が値０で、エンジン回転数が所定の回転数以下のときには、エンジン２がアイドル運転中であると判別される。このステップ１の判別結果がＮＯのときには、ダウンカウント式のゼロ電力制御タイマのタイマ値Ｔｚｅｒｏを所定時間Ｔ１（例えば３０分）にセットし（ステップ２）、通常充放電モードによる充放電制御を実行し（ステップ３）、本処理を終了する。この通常充放電モードには、車両１の加速時での放電制御や減速時での充電制御、さらには、後述するゼロ電力制御が含まれる。

一方、上記ステップ１の判別結果がＹＥＳで、エンジン２がアイドル運転中であるときには、強制放電実行フラグＦ＿ＤＩＳが「１」であるか否かを判別する（ステップ４）。この強制放電実行フラグＦ＿ＤＩＳは、後述する強制放電モードの実行中であることを表すものであり、実行中のときに「１」にセットされる。ステップ４の判別結果がＮＯで、強制放電モードの実行中でないときには、ゼロ電力制御中であるか否かを判別する（ステップ５）。

このゼロ電力制御は、モータ用バッテリ１２の過充電を防止するために、モータ用バッテリ１２の入出力電流をゼロ（値０およびその近傍の値を含む）にする制御であり、その入出力電流を検出する電流センサ１４の検出値ＩＢに基づき、フィードバック制御することによって行われる。また、このゼロ電力制御は、ステップ３の通常放充電モードにおいて、モータ用バッテリ１２の充電残量ＳＯＣが所定値（例えば８０％）以上の満充電に近い状態のときに実行される。

上記ステップ５の判別結果がＮＯで、ゼロ電力制御の実行中でないときには、前記ステップ２を実行するとともに、ステップ３の通常充放電モードを実行し、本処理を終了する。一方、ステップ５の判別結果がＹＥＳのときには、前記ステップ２でセットしたゼロ電力制御タイマのタイマ値Ｔｚｅｒｏが値０であるか否かを判別する（ステップ６）。この判別結果がＮＯのときには、上記ステップ３の通常充放電モードを継続して、本処理を終了する。一方、ステップ６の判別結果がＹＥＳで、Ｔｚｅｒｏ＝０のとき、すなわちゼロ電力制御が開始されてから、所定時間Ｔ１が経過したときには、強制放電実行フラグＦ＿ＤＩＳを「１」にセットする（ステップ７）とともに、ダウンカウント式の強制放電タイマのタイマ値Ｔｄｉｓを所定時間Ｔ２（例えば１０分）にセットし（ステップ８）、強制放電モードによる放電制御を開始して（ステップ９）、本処理を終了する。

この強制放電モードでは、上記ゼロ電力制御を停止させるとともに、モータ用バッテリ１２を強制的に放電させる放電制御が行われる。具体的には、この放電制御は、所定の放電電流ＩＢｒによりモータ用バッテリ１２から放電を行い、その電力を、ダウンバータ１８を介して電気機器１９に供給するとともに、その放電電流ＩＢｒに相当する電力分だけ、モータ３の発電量を低減することによって行われる。また、後述するように、強制放電モードは、所定時間Ｔ２、継続されるようになっており、上記の放電電流ＩＢｒおよび所定時間Ｔ２は、ゼロ電力制御が所定時間Ｔ１、継続されたときに、電流センサ１４の検出誤差ΔＩＢによりモータ用バッテリ１２に充電されると想定される充電量を放電するのに十分な値に設定される。

前記ステップ４の判別結果がＹＥＳで、Ｆ＿ＤＩＳ＝１のとき、すなわち、強制放電モードの実行中であるときには、ステップ１０に進み、強制放電タイマのタイマ値Ｔｄｉｓが値０であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときは、前記ステップ９に進み、強制放電モードを継続して、本処理を終了する。一方、ステップ１０の判別結果がＹＥＳで、Ｔｄｉｓ＝０のとき、すなわち強制放電モードが開始されてから、所定時間Ｔ２が経過したときには、強制放電モードを終了すべきとして、強制放電実行フラグＦ＿ＤＩＳを「０」にリセットする（ステップ１１）とともに、ゼロ電力制御タイマのタイマ値Ｔｚｅｒｏを所定時間Ｔ１にセットし（ステップ１２）、強制放電モードを終了して（ステップ１３）、本処理を終了する。

図３は、上述したモータ用バッテリ１２の充放電制御により、ゼロ電力制御と強制放電モードとが交互に実行された動作例である。ゼロ電力制御の実行期間（例えばｔ０〜ｔ１）では、電力センサ１４の検出値ＩＢが０であるものの、この検出値ＩＢと実際の０Ａとの間に検出誤差ΔＩＢがあるため、この検出誤差ΔＩＢに相当する分の電力がモータ用バッテリ１２に徐々に充電され、それに伴い、バッテリ内圧ＰＢが上昇している。そして、ゼロ電力制御が、所定時間Ｔ１、継続されたときに（ステップ６：ＹＥＳ）、強制放電モードが開始され（例えばｔ１）、放電電流ＩＢｒによる放電が所定時間Ｔ２、行われる（例えばｔ１〜ｔ２）。それにより、バッテリ内圧ＰＢは、安全弁１２ｂが開放する所定内圧ＰＢｒに達することなく、低下する。

以上詳述したように、本実施形態によれば、ゼロ電力制御が所定時間Ｔ１、継続したときに、強制放電モードを実行することにより、モータ用バッテリ１２を強制的に放電させるので、ゼロ電力制御中にモータ用バッテリ１２が充電された場合でも、モータ用バッテリ１２の過充電を防止でき、それにより、モータ用バッテリ１２の劣化を防止することができる。また、上記強制放電モードを、所定の放電電流ＩＢｒによる放電をしたとき、すなわち放電の開始からの放電量が所定量に達したときに、終了させるので、モータ用バッテリ１２を必要以上に放電させることなく、過充電を確実に防止できるとともに、バッテリ内圧ＰＢを必要な程度まで確実に低下させることができる。

また、強制放電モードでは、モータ用バッテリ１２から放電された電力を電気機器１９に供給するので、その電力を電気機器１９に無駄なく利用することができる。さらに、エンジン２のアイドル運転状態は、比較的長く継続されることが多く、アイドル運転中にモータ３からの電力が充電されることで、モータ用バッテリ１２が過充電になりやすい。上記実施形態では、強制放電モードを、エンジン２がアイドル運転中のときに実行するので、そのときのモータ用バッテリ１２の過充電を確実に防止することができる。

なお、本発明は、説明した上記実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、強制放電モードを一定の放電電流ＩＢｒにより、所定時間継続することで行ったが、放電の開始からの経過時間のみをパラメータとして、それが所定時間に達したときに、強制放電モードを終了させるようにしてもよい。また、実施形態では、強制放電モードを実行するのに、放電量に相当する電力分、モータ３の発電量を低減させたが、その他の適当な手法によって、モータ用バッテリ１２を放電させるようにしてもよい。

また、実施形態では、本発明の充放電制御装置を、エンジンおよびモータを駆動源として備えたハイブリッド車両に適用した場合について説明したが、ハイブリッド車両であれば、四輪車の他、二輪車などの各種車両にも適用することができる。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の一実施形態による電動機用バッテリの充放電制御装置、およびこれを適用した車両を模式的に示す概略構成図である。 充放電制御装置による充放電制御処理を示すフローチャートである。 モータ用バッテリの充放電制御の一動作例における電流センサの検出値およびバッテリ内圧の関係を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 車両
２ 内燃機関
３ モータ（電動機）
１１ 充放電制御装置
１２ モータ用バッテリ（電動機用バッテリ）
１２ａ 充電残量センサ（蓄電量検出手段）
１３ パワードライブユニット
１４ 電流センサ（電流検出手段）
１５ ＥＣＵ（充電制御手段、ゼロ電力制御手段、放電制御手段
および運転状態検出手段）
１９ 電気機器
Ｆ＿ＤＩＳ 強制放電実行フラグ
ＩＢ 電流センサの検出値
ΔＩＢ 検出誤差
ＰＢ バッテリ内圧

Claims (5)

1. 内燃機関に接続された電動機に電力を供給するとともに、発電機として駆動された前記電動機からの電力を蓄える電動機用バッテリの充放電制御装置であって、
   前記電動機用バッテリの入出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機用バッテリの蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、
   前記電動機から前記電動機用バッテリへの充電を制御する充電制御手段と、
   前記電動機用バッテリの前記蓄電量が所定値以上のときに、前記電流検出手段で検出された前記入出力電流がほぼゼロになるように、前記充電制御手段を制御するゼロ電力制御手段と、
   このゼロ電力制御手段によるゼロ電力制御状態が所定時間、継続したときに、当該ゼロ電力制御を停止させるとともに、前記電動機用バッテリを放電させる放電制御手段と、
   を備えていることを特徴とする電動機用バッテリの充放電制御装置。
2. 前記放電制御手段は、前記放電の開始からの前記電動機用バッテリの放電量が所定量に達したときに、当該放電を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電動機用バッテリの充放電制御装置。
3. 前記放電制御手段は、前記電動機用バッテリの前記放電の開始から所定時間が経過したときに、当該放電を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電動機用バッテリの充放電制御装置。
4. 前記電動機は、発電量を変更可能に構成されており、
   前記電動機は、発電機として作動するときに、電気機器に電力を供給するように構成され、当該電気機器は、前記電動機用バッテリに接続されており、
   前記放電制御手段は、前記電動機用バッテリの前記放電を実行するときに、前記電動機の発電量を抑制するとともに、前記電動機用バッテリから放電された電力を前記電気機器に供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電動機用バッテリの充放電制御装置。
5. 前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段を、さらに備え、
   前記放電制御手段は、当該検出された内燃機関の運転状態がアイドル運転状態のときに、前記電動機用バッテリの前記放電を実行することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動機用バッテリの充放電制御装置。

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