JP4341652B2 - 蓄電制御装置及び蓄電制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置及び蓄電制御方法に関する。

蓄電装置(電池)は、自動車の駆動電源装置として使用されており、例えば、ハイブリッド自動車では、運転開始時や全加速時に蓄電された電流を放電してモータを駆動し、車輪を回転させている。

この電池は、充放電を繰り返すことにより内部抵抗が上昇して、電池出力が徐々に下降することが知られている。

そこで、従来は、車両の使用時間と電池出力との関係を図示する図5に示すように、車両の最大出力に対応した基準電池出力よりも大きな電池出力が得られるように、電池の目標蓄電量を高め(60%)に固定しておき、車両寿命に達する前に、電池出力が基準電池出力よりも低くならないように電池を設計している。

一方、蓄電装置を長寿命化させる方法として、蓄電量の変動幅の増加に応じて蓄電装置の寿命が短くなるという法則に着目し、蓄電量の上限値を小さくしたり、蓄電量の下限値を小さくする方法が提案されている(特許文献1参照)。

また、別の従来例として、電池の電圧、電流、温度等に基づき充電メモリ効果の発生を検知した際に、目標蓄電量の値を通常時に設定される50%から適正蓄電量範囲の上限近傍値へ変更する方法が提案されている(特許文献2参照)。これにより、電池を過充電・過放電することなくメモリ効果を解消でき、電池の劣化を抑制できるとされている。
特開2003−297435号公報(段落0046等) 特開2003−47108号公報(段落0035等)

しかしながら、電池の劣化速度と目標蓄電量との関係を示す図6に図示するように、目標蓄電量を高くすると、出力電圧の上昇により電池の劣化速度が増速するという問題がある。このため、図5に図示するように、電池の目標蓄電量を60%に固定すると、電池寿命が短くなり、電池小型化の要請にも反する。

また、特許文献1の方法では蓄電量の上限及び下限を変化させるだけで、目標蓄電量は変わらないため、上記不具合を解消することはできない。

また、特許文献2の方法では充電メモリ効果の発生を検知した際に、目標蓄電量を上昇させているにすぎないため、目標蓄電量を高い値に固定した場合に電池の劣化速度が増速するという課題を解決することはできない。

そこで、本願発明は、目標蓄電量が固定された従来の蓄電装置よりも装置寿命を長くすることが可能な蓄電制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明の蓄電制御装置は、車両に搭載される蓄電装
置を制御する蓄電制御装置であって、前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電
量を変化させる制御手段と、車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算
出手段とを有し、前記制御手段は、車両の最大出力に対応した前記蓄電装置の蓄電装
置最大出力での電圧値である基準電圧値よりも前記算出手段により算出された前記電
圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させ
ることを特徴とする。

また、本願発明の蓄電制御装置は、別の観点として、車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置であって、前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電量を変化させる制御手段を有し、前記制御手段は、前記蓄電装置の基準電圧値の車両動作に伴う電圧降下量を算出し、前記基準電圧値よりも前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させることを特徴とする。

ここで、前記降下電圧値が前記閾値よりも大きい場合には、前記目標蓄電量を減少させるように制御するとよい。

さらに、前記車両動作に伴う前記蓄電装置の出力を、前記基準出力の70〜80%
に設定するのが好ましい。

また、前記目標蓄電量は、40〜80%の範囲内で変化させるのが好ましい。

本願発明の蓄電装置の制御方法は、車両に搭載される蓄電装置の基準値となる目標蓄電量を変化させる蓄電装置の制御方法であって、車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出ステップと、車両の最大出力に対応した前記蓄電装置の蓄電装置最大出力での電圧値である基準電圧値よりも前記算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下かどうかを判別する判別ステップと、前記判別ステップにおいて前記降下電圧値が閾値以下である場合には、前記目標蓄電量を増加させる増加ステップとを有することを特徴とする。ここで、前記基準電圧値は、「前記蓄電装置を充放電させたときの電流値及び電圧値の変化を表す電流・電圧直線と、前記蓄電装置最大出力を示す等電力曲線との交点における前記蓄電装置の電圧値」と言い換えることもできる。

本願発明によれば、降下電圧値が閾値以下である場合には、目標蓄電量を増加させることができるため、目標蓄電量を固定していた従来の方式よりも、目標蓄電量を低く設定することが可能となり、蓄電装置の寿命を延ばすことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

図1は、本発明の実施例である電池制御装置(蓄電制御装置)の全体構成を示すブロック図である。電池10(蓄電装置)は、ハイブリッド車のメインバッテリとして組み込まれたリチウムイオン電池であり、複数の電池セルを直列接続することにより、構成される。なお、電池10としてニッケル金属水素(NiMH)電池など他の電池を使用してもよい。

電池ECU14は、蓄電量が目標蓄電量の付近に維持されるように電池10を制御している。また、詳細については後述するが、電池ECU14は、電池10の目標蓄電量を変化させる。

電圧センサ12は電池10の各電池セルの電圧を測定しており、電圧センサ12の測定結果は電池ECU14に出力される。

また、電流センサ16は、電池10の充放電電量を計測し、その測定結果は電池ECU14に出力される。電池ECU14は、各電池セルの充放電電流を積算して電池10の蓄電量を推定する。

メモリ15には、後述する最大電池出力(基準出力)での電圧降下量を求めるために必要な時間Tなどが記憶されている。

また、電池ECU14には、不図示の内部タイマーが設けられている。

電池ECU14は、求めた蓄電量をHVECU30へ出力し、HVECU30は、電池ECU14から入力される蓄電量に基づいて、負荷32の動作を制御する。

この負荷32は、駆動用モータ36、発電機42、インバータ34からなり、電池10からの電力は、インバータ34を介して、駆動用モータ36に供給される。

HVECU30は、アクセル開度などに基づき、駆動用モータ36の出力トルクを決定し、決定した出力トルクになるようにインバータ34を制御して、駆動用モータ36を制御する。また、HVECU30は、エンジンECU40に対してパワーを要求することによって、エンジン出力の発電機42の駆動力および車輪駆動力についても制御する。

次に、図2を参照しながら、電池10の目標蓄電量を変化させる理由について説明する。

図2は、電池10の電圧および電流(以下、「IV特性」という)と、電池出力との関係を図示したグラフであり、横軸が電流値であり、縦軸が電圧値である。なお、IV特性は電池セル一個あたりの電流及び電圧を表している。

同図において、Aは蓄電量を60%としたときの電池10のIV特性であり、Bは蓄電量を40%としたときの電池10のIV特性である。 Wmaxは車両の最大出力に対応した電池10の最大電池出力(基準出力)を示す等電力線であり、換言すれば、車両が最大出力を得るために必要な電池10の出力を表したものである。なお、車両の最大出力は、車種、車両の重量などに応じて予め設定される設計上の値である。

また、Vminは電池10の下限電圧値(閾値)であり、本実施例では3vに設定されている。この下限電圧値Vminは、車両の車種、重量などに応じて予め設定された設計上の値であり、電池10の電圧値がこの下限電圧値Vmin以下になると、いわゆるノッキングに類似した振動が車両に生じるおそれがある。したがって、電池10の電圧値は、下限電圧値Vminよりも高く設定しなければならない。

上述したように、目標蓄電量の値が高いと電池10の劣化速度が増速するため、電池寿命を長くするためには、目標蓄電量を低く設定する必要がある。

そこで、電池10の目標蓄電量を従来よりも低い40%(従来は60%)に固定したと仮定する。この場合、電池10は充放電を繰り返すことにより次第に劣化して、内部抵抗が上昇するため、IV特性は時間ととともにB→B→Bのように傾きが変化する。なお、目標蓄電量は、電池10の電流が0(A)であるときの電圧値によって決定されるため、IV特性B、B、Bの0(A)における各電圧値は同じである。

このため、IV特性Bと最大電池出力Wmaxとの交点における電圧値V(基準電圧値)は、下限電圧値Vmin以下になってしまう。

ここで、目標蓄電量が40〜80%の領域において、IV特性は、目標蓄電量の増加に応じて電流0(A)に対する角度θが大きくなり、電流0(A)における電圧値が大きくなる傾向を有する。その一例が、IV特性A及びBであり、IV特性Aのほうが、IV特性Bよりも電流0(A)における電圧値が高く、かつ、角度θが大きいことがわかる。したがって、下限電圧値Vmin以下に低下した基準電圧値Vを下限電圧値Vminよりも高くする方法として、目標蓄電量を増加させる方法が有効である。

他方、図2に示すように、IV特性がAの場合、つまり、目標蓄電量が60%の場合には、最大電池出力Wmaxにおける基準電圧値Vと下限電圧値Vminとの間に余裕があるため、目標蓄電量を減少させることができる。また、背景技術でも説明したように、目標蓄電量を減少させることにより、電池10の劣化速度を遅くすることができる。したがって、目標蓄電量を減少させることにより、電池寿命を延ばすことが可能となり、電池10を小型化して、ひいてはハイブリッド車両を小型化することもできる。

これが目標蓄電量を変化させる理由であり、具体的には、下記のように目標蓄電量を変化させている。

図3(a)は、図2のIV特性を部分的に図示したものであり、図3(b)は時間とともに電池10の電圧が降下する様子を図示したT―ΔV図である。

上述では、最大電池出力Wmaxに対応した基準電圧値Vと下限電圧値Vminとの大小比較により目標蓄電量を変化させると説明したが、実際の車両では、電圧降下が生じる。すなわち、図3(a)に図示するように、例えば車両のアクセルを最大に踏み込むと、電池10は、放電を開始して、その出力がW→W→Wmaxと変化する。そして、最大電池出力Wmaxを所定時間Tだけ維持した場合に、電池10の電圧は、ΔVだけ電圧降下して、基準電圧値Vから降下電圧値Vに変化する。したがって、降下電圧値Vが下限電圧値Vminよりも大きくなるように、目標蓄電量を変化させなければならない。なお、所定時間Tは、車両の種類、重量などに応じて予め設定される設計上の値である。

そこで、ΔVを実測してV−ΔVより降下電圧値Vを求める必要がある。

しかしながら、実際の車両では、電池出力が最大電池出力Wmaxに達するのは稀であるため(換言すれば、アクセルを最大に踏み込むことは稀であるため)、電圧降下量ΔVを実測するのは困難である。したがって、電圧降下量ΔVを実測する方法では、目標蓄電量を効果的に変化させることはできない。

そこで、本実施例では、最大電池出力Wmaxよりも低い電池出力Wでの電圧降下量を求めることにより、基準電圧値Vの電圧降下量を推定している。なお、この電池出力Wは、請求項4に記載する「前記車両動作に伴う前記蓄電装置の出力」に対応している。

例えば、車両を動作させて、電池出力W´(W´>W)の出力状態をT時間継続した場合に、電池10の電圧値は、Va0→Va1→Va2のように電圧降下する。なお、電池ECU14は、電圧降下が生じた場合でも、電池出力を一定に保つように電池10を制御するため、電圧値Va0、Va1、Va2は、電池出力W´上にプロットされる。

この場合、電池ECU14は、V−Va2=ΔVから電圧降下量ΔVを算出し、さらにΔV・T/T=ΔVから電圧降下量ΔVを算出し、V−ΔVから降下電圧値Vを推定する。

ここで、電池出力Wは、最大電池出力Wmaxの70〜80%の範囲に設定するのが好ましい。電池出力Wが最大電池出力Wmaxの70%よりも低い場合には、上述した電池出力Wでの電圧降下量が、最大電池出力Wmaxでの電圧降下量ΔVよりも小さくなるため、降下電圧値Vの推定精度が低くなるからである。また、電池出力Wが最大電池出力Wmaxの80%よりも高い場合には、最大電池出力Wmaxの80%を越える高出力状態で車両を動かす場面が少ないため、目標蓄電量を効果的に変化させることができないからである。

推定された降下電圧値Vが、下限電圧値Vminよりも高い場合には目標蓄電量を下げることができ、下限電圧値Vmin以下の場合には目標蓄電量を上げなければならない。このように、目標蓄電量を最大電池出力Wmaxが得られるように変化させることにより、電池10の寿命を延ばすことが可能となり、電池10を小型化することができる。

次に、電池10の目標蓄電量を変化させる方法を図4のフローチャートを用いて説明する。電池ECU14は、電池10の目標蓄電量を以下のように変更する。

電圧センサ12および電流センサ16から出力された(ステップs101)電池10の電圧値および電流値に基づき、電池10が放電中であるか否かを判別する(ステップS102)。なお、これらの電圧値および電流値はそれぞれ、所定時間ごとに電圧センサ12および電流センサ16から出力され、電圧値が下降し、かつ、電流が上昇している場合には、電池10が放電中であると判別する。

ステップS102において電池10が放電中であると判別した場合には、電池出力Wを算出する(ステップS103)。

ここで、電池出力Wは、電圧センサ12で検出された電圧値×電流センサ16で検出された電流値×電池10を構成する電池セルの個数から算出する。

次に、算出した電池出力Wが電池出力Wよりも大きいか否かを判別し(ステップS104)、大きい場合にはステップS105に進み、小さい場合には、ステップS101に戻る。

ステップS105では、電圧センサ12および電流センサ16から出力された電圧値および電流値に基づきIV特性を求め、求めたIV特性を最大電池出力Wmaxが表示された図2の線図内に外挿する。そして、IV特性と最大電池出力Wmaxとの交点から基準電圧値Vを求めるとともに、基準電圧値Vが求まった時点より、数秒〜数十秒のデータ群より最小二乗法等を使ってIV特性の切辺である電圧値Vを求め、求めた基準電圧値V及び電圧値Vをメモリ15に記憶する。なお、放電状態においてIV特性はリニアに変化するため、少なくとも二つの電圧値及び電流値がわかればIV特性を描くことができる。

ステップS104において、電池出力Wが電池出力Wを超えた場合には、内部タイマーを直ちに作動させる(ステップS106)。

そして、電池出力Wが電池出力W以下になった場合には(ステップS107)、内部タイマーを直ちに停止して(ステップS108)、経過時間Tをメモリ15に記憶する。また、カウント動作停止後に電圧センサ12から出力された電池10の電圧値Va2と、メモリ15から読み出した電圧値Vとに基づき、降下電圧量ΔVを算出し(V−Va2=ΔV)、これをメモリ15に記憶する(ステップS108)。

次に、メモリ15からΔV、T、Tを読み出し、ΔV・T/T=ΔVからΔVを算出するとともに、メモリ15から基準電圧値Vを読み出し、V−ΔV=Vから降下電圧値Vを推定する(ステップS109)。

そして、この降下電圧値Vが、下限電圧値Vminよりも高いか否かを判別し(ステップS110)、下限電圧値Vminよりも高い場合には目標蓄電量を1%減少させ(ステップS111)、下限電圧値Vmin以下の場合には目標蓄電量を1%増加させる(ステップS112)。

ここで、電池10は、目標蓄電量の上限値が80%以下となるように、つまり、車両寿命の前に目標蓄電量が80%に達しないように設計するのが好ましい。

また、目標蓄電量の下限値は、40%に設定するのが好ましい。目標蓄電量が40%よりも低いと、電池10の使用開始時に降下電圧値V≦下限電圧値Vminとなるおそれがあるからである。

目標蓄電量を変更する制御は、車両の動作状態において継続的に行ってもよいし、例えば1年に4回のように定期的に行っても良い。

また、当初の目標蓄電量は、降下電圧値V>下限電圧値Vminなる条件を満足すればどのような値に設定してもよい。例えば、当初の目標蓄電量を下限値に設定(40%)して、目標蓄電量を増加する制御のみを行ってもよいし、これとは反対に当初の目標蓄電量を高めに設定(60%)しておき、一旦目標蓄電量を減少させた後に増加させてもよい。

た、下限電圧値Vminを実施例の電圧よりも高く設定(つまり、3Vよりも高く設
定)してもよい。

さらに、蓄電装置として電池を使用したが、電気二重層キャパシタを用いることもできる。

電池制御装置の全体構成を示すブロック図である。 電池10の電圧および電流(以下、「IV特性」という)と、電池出力との関係を図示したグラフである。 (a)は、図2のIV特性を部分的に図示したものであり、(b)は時間と電圧降下量との関係を図示したT―ΔV図である。 電池の目標蓄電量を変化させる手順を示したフローチャートである。 車両の使用時間と電池出力との関係を示す関係図である(従来例)。 電池の劣化速度と目標蓄電量との関係を示す関係図である。

符号の説明

10 電池
12 電圧センサ
14 電池ECU
15 メモリ
16 電流センサ
30 HVECU
32 負荷
34 インバータ
36 駆動用モータ
40 エンジンECU
42 発電機

Claims (7)

  1. 車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置であって、
    前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電量を変化させる制御手段と、
    車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出手段とを有し、
    前記制御手段は、車両の最大出力に対応した前記蓄電装置の蓄電装置最大出力での電圧値である基準電圧値よりも前記算出手段により算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させることを特徴とする蓄電制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記降下電圧値が前記閾値よりも大きい場合には、前記目標蓄電量を減少させることを特徴とする請求項1に記載の蓄電制御装置。
  3. 前記車両動作に伴う前記蓄電装置の出力は、前記基準出力の70〜80%であることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記目標蓄電量を40〜80%の範囲内で変化させることを特徴とする請求項1乃至のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  5. 前記基準電圧値は、前記蓄電装置を充放電させたときの電流値及び電圧値の変化を表す電流・電圧直線と、前記蓄電装置最大出力を示す等電力曲線との交点における前記蓄電装置の電圧値であることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
  6. 車両に搭載される蓄電装置の基準値となる目標蓄電量を変化させる蓄電装置の制御方法であって、
    車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出ステップと、
    車両の最大出力に対応した前記蓄電装置の蓄電装置最大出力での電圧値である基準電圧値よりも前記算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下かどうかを判別する判別ステップと、
    前記判別ステップにおいて前記降下電圧値が閾値以下である場合には、前記目標蓄電量を増加させる増加ステップとを有することを特徴とする蓄電装置の制御方法。
  7. 前記基準電圧値は、前記蓄電装置を充放電させたときの電流値及び電圧値の変化を表す電流・電圧直線と、前記蓄電装置最大出力を示す等電力曲線との交点における前記蓄電装置の電圧値であることを特徴とする請求項6に記載の蓄電装置の制御方法。
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