JP4172222B2

JP4172222B2 - 電動車両の制御装置

Info

Publication number: JP4172222B2
Application number: JP2002230703A
Authority: JP
Inventors: 強袖野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: JP2004072927A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両駆動用のモータ（モータジェネレータを含む）及びバッテリ（電源，電池，キャパシタ等を含む）を備えた電動車両の制御装置に関し、特に、バッテリの劣化度合いを診断する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、電気自動車やハイブリッド車両のように、車両推進源としてモータを利用する電動車両では、このモータと電力の授受を行うバッテリが搭載されている。このようなバッテリの劣化度合いを診断する技術が従来より提案されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１２５４１５号公報には、バッテリの電流及び電圧に基づいて開放電圧及び内部抵抗を求め、これらの値と最低保証電圧から最大出力（パワー）を求め、この値と初期基準値との比率から劣化率を求め、この劣化率に基づいてバッテリの劣化度合いを診断する技術が開示されている。
【０００４】
特開２０００−２７０４０８号公報には、通常の車両運転状態とは異なる特別な診断モードを備え、この診断モードでは診断のために充放電を行い、その充放電中に幾つかの蓄電量における電流及び電圧を逐次記憶し、それらのデータに基づいて蓄電量毎の内部抵抗を求め、これら内部抵抗と初期データとの比較に基づいて劣化を診断する技術が開示されている。
【０００５】
特開平８−３３６２０２号公報には、通常走行中の電流及び電圧をサンプリングし、これらのサンプリング値を直線回帰演算して内部抵抗を求め、この値と新品時の内部抵抗値との比較により劣化を診断する技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
車両運転状態に応じてバッテリの入出力電力や入出力時間等の入出力パターンは変化し、この入出力パターンに応じて内部抵抗も変化する。従って、上記の特開２０００−１２５４１５号公報等のように、バッテリの入出力パターンを考慮せずに内部抵抗を求めた場合、正確な内部抵抗を得ることがことができず、ひいては劣化度合いの診断精度の低下を招くおそれがある。
【０００７】
また、特開２０００−２７０４０８号公報のように、特別な診断モードを行うものでは、劣化診断に要する時間が長く、かつ、通常の運転中でのバッテリの劣化を即座にフィードバック（反映）できないので、劣化診断に基づく入出力の制限（フェイルセーフ）を迅速に行うことができない。
【０００８】
特開平８−３３６２０２号公報では、通常の運転中に劣化度合いを診断して警告を発するものの、劣化時の入出力の制限（フェールセーフ）については記載されていない。このため、警告とならない程度の軽微な劣化の場合には新品時と同じ入出力制御が行われることとなり、所望の入出力が得られなかったり、過充電や過放電を招くおそれがある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。本発明に係る制御装置は、バッテリと、このバッテリから電力の供給を受けて車両を駆動するとともに、回生発電を行ってバッテリへ電力を供給するモータと、を備える電気自動車やハイブリッド車のような電動車両に適用される。そして、バッテリの入出力電力又は入出力時間の少なくとも一方が異なる複数の入出力パターンを判別する判別手段と、各入出力パターン毎に、バッテリの劣化度合いを診断する診断手段と、を有することを特徴としている。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の入出力パターンを判別し、各入出力パターン毎に劣化度合いを診断しているため、入出力パターンに応じた正確な劣化診断を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。図１は、この発明の一実施例に係る電動車両の制御装置を示す概略構成図である。図において、二重線はパワートレインの動力伝達経路を表し、太線は強電系（例えば４２Ｖ系）の電力線を表し、細線は制御系の信号線を表している。
【００１２】
この電動車両は、車両推進源としてエンジン１とモータ２とを併用するハイブリッド車両である。モータ２はエンジン１の出力軸に直結されており、このモータ２と車軸とを結ぶパワートレインに、自動変速機３や図示せぬトルクコンバータ等が設けられている。自動変速機３は、例えば周知の遊星歯車機構を利用した有段変速機、あるいはトロイダル式やベルト式の無段変速機である。
【００１３】
モータ２は、インバータ（図示省略）を介して電力の授受を行う強電（例えば４２Ｖ）系のバッテリ４に接続され、力行運転及び回生（発電）運転の双方が可能な三相交流型のモータジェネレータであり、エンジン始動時にはバッテリ４から供給される電力により力行運転を行ってエンジンを回転駆動し、制動時や回生時には回生発電を行ってバッテリ４へ電力を供給し、バッテリ４を充電する。
【００１４】
バッテリ４とモータ２とを接続する強電系回路には、ＯＮ−ＯＦＦを切り換えるメインリレー５や、バッテリ４の電圧・電流を検出する電圧センサ６及び電流センサ７が設けられる。また、この強電系回路には、電動パワーステアリング８のような強電系の補機類が接続されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して弱電系（例えば１４Ｖ系）のバッテリや補機類等（図示省略）が接続される。
【００１５】
ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備え、様々な制御処理を記憶及び実行する制御装置（マイクロコンピュータシステム）として、エンジンコントロールユニット１１と、モータコントローラ１２と、バッテリ４の蓄電量（ＳＯＣ）を演算・検出するバッテリコントローラ１３と、車両全体の動作を制御する車両コントローラ１４と、が設けられている。この車両コントローラ１４は、上記の各種センサ類等により検出・演算される車両運転状態に基づいて、エンジンコントロールユニット１１やバッテリコントローラ１３へ指令信号を出力する。この指令信号を受けて、エンジンコントロールユニット１１は燃料噴射制御や点火時期制御等のエンジン制御を行い、モータコントローラ１２はモータ２のトルクや回転数を制御する。
【００１６】
図２は、本実施例に係る制御の流れを示すフローチャートである。このプログラムは、通常走行中には所定時間毎、例えば１０ｍｓ毎に実行される。
【００１７】
Ｓ（ステップ）１では、各種センサ類から得られる車両運転状態や車両要求等に基づいて、バッテリ４の電力の入出力要求が予め設定された複数の入出力パターンのいずれかに該当するかを判別する（判別手段）。言い換えると、バッテリの入出力形態が異なる複数の車両運転条件のいずれかに該当するかを判別する。該当する入出力パターン（又は車両運転条件）がなければ本プログラムを終了し、該当するパターンが存在すれば、その入出力パターンに対し、後述するＳ２以降の処理を実行する。
【００１８】
複数の入出力パターンは、バッテリへの入出力電力又は入出力時間の少なくとも一方が異なるように予め選定されている。一例として、この実施例では、入出力パターンを、例えば、信号待ち等でエンジンを自動停止するアイドルストップ状態から短時間でエンジンを自動再始動する即始動パターンａ、上記のアイドルストップ状態である程度時間が経過した後にエンジンを自動再始動する始動待ちパターンｂ、急加速時のようにエンジン出力に加えてモータ駆動力を付与するアシストパターンｃ、エンジンによりモータを駆動して発電を行う発電パターンｄ、制動時等で車両走行エネルギーをモータにより回生する回生パターンｅの５つのパターンに分類している。
【００１９】
Ｓ２では、後述する図３の入出力可能パワーの演算用のサブルーチンが実行される。続くＳ３では、Ｓ１で判別された特定の入出力パターンに応じた実際のバッテリの電力の入出力を行う。言い換えると、特定の入出力パターンに応じた入出力を実際に行う前に、後述する入出力可能パワー演算ルーチンを実行し、必要に応じて入出力の制限を行うようにしている。
【００２０】
例えば、即始動パターンａでは約８ＫＷ×０．２ｓ（秒）の出力、始動待ちパターンｂでは約８ＫＷ×１．５ｓの出力、アシストパターンｃでは約１０ＫＷ×５ｓの出力、発電パターンｄでは約１０ＫＷ×３０ｓの入力、回生パターンｅでは約１０ＫＷ×５ｓの入力、が行われる。始動待ちパターンｂでは、即始動パターンａに比して、吸気負圧が大きい（大気圧に近い）ので、エンジンのオーバーシュートを抑制するために入出力時間を相対的に長く設定している。なお、車両運転状態に応じて上記の入出力電力（ＫＷ）及び入出力時間（ｓ）が多少変動することもある。
【００２１】
以下、即始動パターンａを例にとってＳ４以降の処理内容を説明する。Ｓ４で入出力が終了したと判定されると、Ｓ５へ進み、入出力の終了直後の電流値Ｉａ及び電圧値Ｖａをサンプリング値として検出・記憶する。これらの電流値や電圧値は、各パターン毎に個別にサンプリングされる（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ，Ｖｅ）。
【００２２】
Ｓ６では、図６に示すようなＳＯＣ−開放電圧の設定マップを参照して、現在（入出力の終了直後）のＳＯＣから開放電圧Ｅａを求める。ＳＯＣと開放電圧の関係は、バッテリの種類等により定まるもので、基本的には図６に示すようにＳＯＣが大きくなるに従って開放電圧が高くなる関係にある。
【００２３】
Ｓ７では、Ｓ５及びＳ６で得られたＥａ，Ｖａ，Ｅａと関係式（Ｖ＝Ｅ−ＩＲ）から、Ｓ１で判別された特定の入出力パターン、ここでは即始動パターンａに対する内部抵抗値Ｒａを演算する（図７参照）。このようにして得られた最新の内部抵抗値が各パターン毎にバックアップメモリ等に記憶・更新され（Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ，Ｒｅ）、後述する図３のルーチンのＳ１３で入出力可能パワーを求める際に利用される。
【００２４】
Ｓ８では、内部抵抗値Ｒａに基づいて、バックアップメモリ等に記憶されている内部抵抗の最小値をＲａ（ｍｉｎ）を更新する。具体的には、Ｓ７で得られた最新の内部抵抗値Ｒａが記憶されている最小値Ｒａ（ｍｉｎ）よりも低い場合にのみ、最小値をＲａへ更新する。通常、内部抵抗は使用時間の経過とともに高くなるので、基本的にはバッテリ新品時の内部抵抗が最小値となる。従って、Ｓ８の処理に代えて、新品時あるいはバッテリ交換時の内部抵抗を最小値Ｒａ（ｍｉｎ）として固定しても良い。
【００２５】
Ｓ９では、上記の内部抵抗値Ｒａと、該当する特定の入出力パターン、ここでは即始動パターンａに対する最小値Ｒａ（ｍｉｎ）とに基づいて、内部抵抗劣化係数Ｋａ＝Ｒａ／Ｒａ（ｍｉｎ）を演算する。
【００２６】
Ｓ１０では、この内部抵抗劣化係数Ｋａに基づいて、バッテリの劣化度合いを診断し、その劣化度合い（情報）を記憶するとともに、必要に応じて警告灯の点灯や警告音を出す等の警告の表示を行う。具体的には、内部抵抗劣化係数Ｋａが所定のしきい値を超える場合に、バッテリが劣化していると診断し、警告を表示する。この警告の表示は、この入出力パターンａに該当する運転条件のときにのみ行っても良く、あるいは全ての運転条件において行うようにしても良い。
【００２７】
また、劣化度合いに応じて、その入出力パターンに対応する車両の機能について、使用の制限すなわちフェールセーフを行う。例えば、即始動パターンａの場合、始動電力に制限を掛ける、又はアイドルストップを禁止する、あるいはモーター始動を停止し、スタータ始動にする。始動待ちパターンｂの場合、始動待ちを禁止し、即始動へ切り換える。アシストパターンｃの場合、モータ２によるアシスト出力を制限する（あるいはアシスト出力増）。発電パターンｄの場合、モータ２の発電電力を制限する（あるいは入力増）。回生パターンｅの場合、モータ２の回生電力を制限する（あるいは入力増）。
【００２８】
図３は、図２のＳ２で実行される入出力可能パワー演算サブルーチンを示している。ここでも即始動パターン（ａ）を例にとって説明する。
【００２９】
Ｓ１１では、上記のＳ６と同様、現在のＳＯＣに基づいて入出力パワー演算用の開放電圧Ｅｐａを求める。このＥｐａとＳ６のＥａとは、仮にＳＯＣの値が同じであれば同じ値となる。
【００３０】
Ｓ１２では、特定の入出力パターン（ここでは即始動パターン）ａにおける最低保障電圧Ｖｍｉｎａを読み込む。この最低保証電圧は、バッテリの電圧低下時の性能に依存し、かつ、電力出力時間が短くなるほど低くなる傾向にある。この最低保証電圧は、各入出力パターン毎に予め設定した固定値であっても良く、あるいは入出力電力と入出力時間とに基づいてマップやテーブルから検索するようにしても良い。
【００３１】
Ｓ１３では、Ｓ７で記憶された内部抵抗値Ｒａ及びＳ１１で求めた開放電圧Ｅｐａと周知の関係式（Ｖ＝Ｅ−ＩＲ）から最大電流値Ｉｍａｘａを求め、この最大電流値ＩｍａｘａとＳ１２の最低保障電圧Ｖｍｉｎａとに基づいて、特定のパターンａにおける入出力可能パワーＰａ＝Ｖｍｉｎａ×Ｉｍａｘａを求める。このＳ１３で用いられる内部抵抗値Ｒａは、前回の入出力パターンａに対する劣化診断の実行時にＳ７で記憶されたものである。つまり、図８にも示すように、現在のＳＯＣから求められたＥｐａと、前回の劣化診断ルーチンＳ５〜Ｓ１０の実行時にＳ７で求められた内部抵抗値Ｒａと、入出力パターンに応じて定まる最低保証電圧Ｖｍｉｎａと、に基づいて、入出力可能パワーＰａを演算する。なお、図９に示すように、内部抵抗は、ＳＯＣが所定値（例えば２０％）以下となる放電末期までほぼフラットな特性であるために、図８にも示すようにＰａを簡略的に求めることができるのである。
【００３２】
Ｓ１４では、入出力可能パワーＰａに応じて、続く図２のＳ３の入出力に対する制限すなわちフェイルセーフを行い、本サブルーチンを終了して図２のメインルーチンへ戻り、Ｓ３以降の処理を継続する。例えば、即始動パターンの入出力可能パワーＰａがその要求出力である８ＫＷよりも低ければ、Ｓ３での出力値を制限する。制限が大きい場合には正確な劣化診断ができなくなるので、好ましくはＳ５以降の劣化診断を中止する。
【００３３】
上述したＳ２〜Ｓ１０（サブルーチンのＳ１１〜Ｓ１４を含む）を、Ｓ１で判別された入出力パターン毎に行い、それぞれのパターン毎に内部抵抗劣化係数Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃ，Ｋｄ，Ｋｅ、入出力可能パワーＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅを求める。そして、各入出力パターン毎に、内部抵抗劣化係数に基づいて劣化度合いを診断し、必要に応じて警告灯の点灯や劣化情報の記億を行い、サービス性を向上させるとともに、その入出力パターンに対応する車両の機能の制限を行う。
【００３４】
図４は、入出力時間と内部抵抗との関係を示している。同じ入出力電力でも、入出力時間が変化すると、内部抵抗も変化する。具体的には、入出力時間が長くなるほど内部抵抗が増加する傾向にある。図５は、入出力電力と内部抵抗との関係を示している。同じ入出力時間でも、入出力電力が変化すると、内部抵抗も変化する。具体的には、入出力電力が大きくなるほど、抵抗が増加する傾向にある。
【００３５】
本実施例では、バッテリ４の入出力電力や入出力時間の異なる複数の入出力パターン毎にバッテリの劣化度合いを診断しているため、入出力パターンに応じて変化する内部抵抗の影響を受けることなく正確に劣化度合いを診断することができる。また、バッテリの劣化度合いに応じた入出力の制限や警告を入出力パターン毎に正確に行うことができ、バッテリの過充電や過放電を招くことなく、バッテリの能力を最大限利用することが可能となる。
【００３６】
また、特定の入出力パターンに応じた入出力の終了（Ｓ４の判定が肯定されるタイミング）直後に、そのＩ，Ｖ，ＳＯＣを検出し、これらのＩ，Ｖ，ＳＯＣに基づいて、内部抵抗値及びその劣化係数を求め、この内部抵抗劣化係数に基づいて劣化度合いを診断している。このように、入出力の実行直後に劣化度合いを診断しているため、診断時間が短く済むとともに、その診断結果を速やかに警告・制限等にフィードバックすることが可能となり、かつ、Ｉ，Ｖ，ＳＯＣ等のサンプリング値を記憶するメモリの容量も抑制される。
【００３７】
更に、各入出力パターン毎に、劣化度合いを診断するために演算された内部抵抗値を記憶しておき（Ｓ７）、次にその特定の入出力パターンに応じた入出力を行う直前に、この特定の入出力パターンに対して記憶されている内部抵抗値を用いて入出力可能パワーを演算し（Ｓ１３）、この入出力可能パワーに基づいて、直後に行われる入出力を制限・変更するようにしている（Ｓ１４）。このように、各入出力パターン（及び入出力パターンに対応する車両運転条件）毎に求めた内部抵抗値を利用しているため、入出力可能パワーを精度良く求めることができ、かつ、この入出可能パワーに基づいて速やかに入出力を制限することができ、過充電・過放電を招くことなく、バッテリの性能を最大限に利用することが可能となる。具体的には、入出力パワーが大き過ぎて入出力ができなくなったり、入出力パワーが小さ過ぎてバッテリ本来の性能が発揮できないというような事態を招くことがない。
【００３８】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、モータのみを車両推進源とする電気自動車に本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る電動車両の制御装置を示す概略構成図。
【図２】本実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【図３】図２のフローチャートのサブルーチン。
【図４】バッテリの入出力時間と内部抵抗との関係を示す特性図。
【図５】バッテリの入出力電力と内部抵抗との関係を示す特性図。
【図６】バッテリのＳＯＣと開放電圧との関係を示す特性図。
【図７】内部抵抗値の求め方を示す特性図。
【図８】入出力パワーの求め方を示す特性図。
【図９】バッテリのＳＯＣと内部抵抗との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…モータ
４…バッテリ

Claims

バッテリと、このバッテリから電力の供給を受けて車両を駆動するとともに、回生発電を行ってバッテリへ電力を供給するモータと、を備える電動車両の制御装置において、
車両運転状態に基づいて、バッテリの電力の入出力要求が、バッテリの入出力電力と入出力時間の少なくとも一方が異なる予め設定された複数の入出力パターンのいずれかに該当するかを判別する判別手段と、
各入出力パターン毎に、バッテリの劣化度合いを診断する診断手段と、を有し、
この診断手段は、上記判別手段によりいずれかの入出力パターンに該当すると判別された場合に、この判別された特定の入出力パターンに応じたバッテリへの電力の入出力の終了後にバッテリの内部抵抗値を算出するとともに、この内部抵抗値と、各入出力パターンに応じて個別に設定されている内部抵抗値の最小値のうちで上記判別された特定の入出力パターンに対する最小値と、に基づいて、上記判別された特定の入出力パターンに対するバッテリの劣化度合いを診断することを特徴とする電動車両の制御装置。
上記診断手段によりバッテリの劣化度合いが高いと診断された入出力パターンに対応する車両の機能について、使用の制限又は警告の表示を行うことを特徴とする請求項１に記載の電動車両の制御装置。
上記診断手段は、
上記判別手段によりいずれかの入出力パターンに該当すると判別された場合に、上記判別手段により判別された特定の入出力パターンに応じた入出力の終了直後に、バッテリの蓄電量、電流、及び電圧を検出する手段と、
これらの検出値に基づいて、バッテリの内部抵抗値を算出する手段と、
上記特定の入出力パターンに対応して予め設定された最小値と上記内部抵抗値とに基づいて内部抵抗劣化係数を算出する手段と、
この内部抵抗劣化係数に基づいて、バッテリの劣化度合いを診断する手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動車両の制御装置。
上記診断手段により演算されるバッテリの内部抵抗値を各入出力パターン毎に記憶する手段と、
上記判別手段により特定の入出力パターンに該当すると判別されたときに、この特定の入出力パターンに応じたバッテリの電力の入出力を行う前に、上記特定の入出力パターンに対する入出力可能パワーを、上記記憶する手段により記憶されている特定の入出力パターンに対する内部抵抗値に基づいて演算する手段と、
この入出力可能パワーに基づいて、上記特定の入出力パターンに応じたバッテリの電力の入出力を制限する手段と、
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動車両の制御装置。
上記モータが、少なくとも減速時に回生発電を行うモータジェネレータであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動車両の制御装置。
上記電動車両が、車両推進源として上記モータとエンジンとを併用するハイブリッド車両であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動車両の制御装置。