JP4502062B2 - 電気自動車および電気自動車の二次電池充電方法 - Google Patents

電気自動車および電気自動車の二次電池充電方法 Download PDF

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Description

この発明は二次電池を有する電気自動車および電気自動車の二次電池充電方法に関する。
駆動源としてエンジンとモータ、モータへの電力供給源としての二次電池を備えるハイブリッド車両や電気自動車などの電動車両は、エンジンを使用せず二次電池に蓄えられた電力のみでモータを駆動して走行するEV走行が可能である。EV走行は静粛性や無公害性などにおいて優れるため、その走行距離を長くすることが望まれる。
ハイブリッド車両には、車両外部から二次電池を充電可能としているものがある。このようなハイブリッド車両はEV走行距離を長くするために、搭載される二次電池の容量を増やす必要があるが、車両の動力性能や居住性の維持を考慮すると、二次電池の搭載量には限界がある。このためEV走行距離は二次電池の残存容量に依存することになり、充電時に満充電容量まで充電すれば、EV走行距離を長くすることができる。(例えば、特許文献1参照)
またリチウムイオン電池において、正負電極端子間の端子間電圧が、定格電圧より高い電圧状態になっている場合には、満充電容量(可逆容量)が低下するという劣化が起こる。特許文献2には、この劣化量を計算し、残容量を求める方法が記載されている。
特開平8−154307号公報 特開平10−142302号公報
ところでリチウムイオン電池において、高充電容量状態が連続している場合には、バッテリが劣化することがある。バッテリが劣化すると、満充電容量が低下し、EV走行距離が短くなるという問題が生じる。
特許文献1に係る発明は、ハイブリッド車両において、内燃機関に依存した走行を低減させ、より積極的にEV走行させることを目的としており、二次電池の劣化については記載されていない。特許文献2に係る発明は、リチウムイオン電池の劣化量を予測し、残容量を正確に検出することを目的としており、二次電池の劣化そのものに対する解決については記載されていない。
本発明は、充電による二次電池の劣化を抑制することを目的とする。また本発明の他の目的は、EV走行距離を長くすると共に、充電による二次電池の劣化を抑制することである。
本発明に係る電気自動車は、外部電源から充電を行う二次電池を有し、二次電池の電力により走行する電気自動車であって、車両停止の際の二次電池の残容量が所定の容量以上である場合が連続する回数を取得する回数取得手段と、回数取得手段によって取得した回数が所定の回数以上である場合に、車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電を行う充電手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る電気自動車において、充電手段によって車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電をした後、車両の起動が予測される際に満充電容量までの再充電を開始する再充電手段と、を含むこととしても好ましい。
本発明に係る電気自動車の二次電池充電方法は、外部電源から充電を行う二次電池を有し、二次電池の電力により走行する電気自動車の二次電池充電方法であって、車両停止の際の二次電池の残容量が所定の容量以上である場合が連続する回数を取得する回数取得工程と、回数取得工程によって取得した回数が所定の回数以上である場合に、車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電を行う充電工程と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る電気自動車の二次電池充電方法において、充電工程によって車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電をした後、車両の起動が予測される際に満充電容量までの再充電を開始する再充電工程と、を含むこととしても好ましい。
本発明によれば、充電による二次電池の劣化を抑制することができるという効果を奏する。また本発明によれば、EV走行距離を長くすると共に、充電による二次電池の劣化を抑制することができるという他の効果を奏する。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下においては電動機(モータ)を駆動源とする電気自動車について説明するが、電動機と発電機の2つの機能を併せ持つモータ・ジェネレータとしてもよいし、さらにモータ以外の動力としてエンジンを持たせ、いわゆるハイブリッド車両としてもよい。車両用電源の二次電池はリチウムイオン二次電池およびリチウムイオン二次電池と同様の劣化が認められる二次電池とする。充電器ユニットは車両内部にあるとして説明するが、外部にあってもよい。制御部はCPUから成るとするが、複数のCPUから構成されるものとしてもよい。
図1は、二次電池充電装置10を含む電気自動車の構成を示す図である。二次電池充電装置10を含む電気自動車は、家庭用電源または充電スタンドなどの外部電源101に充電プラグ21を介して接続し、供給される電力によって二次電池41の充電を行う充電器ユニット22と、直流電圧の昇圧/降圧を行うDC/DCコンバータ回路を含むDC/DCユニット31と、車両用電源としての二次電池41と、二次電池41側の直流電力をモータ11の駆動交流電力に変換するインバータ12と、車両の駆動源としてのモータ11と、車両の起動/停止を行うスタートシステム61、および各構成要素に対して情報取得もしくは制御を行う制御部51、を含んで構成される。充電プラグ21と、充電器ユニット22と、DC/DCユニット31と、スタートシステム61は二次電池充電装置10を構成する。本発明に係る実施形態において充電動作は、充電プラグを外部電源に接続して行うこととしたが、充電プラグを用いずに外部電源側に一次コイル、車両側に二次コイルを配して、電磁誘導を使った非接触充電として実施されるものとしてもよい。
充電器ユニット22は家庭用電源または充電スタンドなどの外部電源101に充電プラグ21で接続し、外部供給される交流電力を直流電力へ変換し、DC/DCユニット31に出力する。DC/DCユニット31は充電器ユニット22から出力された直流電力を変圧し、内部の接続を切り替えて、二次電池41に出力することにより二次電池41を充電して駆動用電力を蓄電する。二次電池41から出力される直流電力はDC/DCユニット31において変圧され、内部の接続を切り替えて、インバータ12へ出力される。インバータ12は内部に備えられたスイッチング素子によって、入力された直流電力を三相交流に変換し、モータ11へ出力する。インバータ12から出力された三相交流は、モータ11を駆動し電気自動車を走行させる。
二次電池41と、DC/DCユニット31と、充電器ユニット22と、スタートシステム61と、車両空調装置71と、時刻入力装置81は信号線によって制御部51に接続され、制御信号の入力と状態の出力をすることができるよう構成されている。また、制御部51は現在の時刻を保持する機能を有する。
上記構成の電気自動車の二次電池充電装置10の動作、制御部51における動作について、本発明の実施形態について説明する前に図2のフローチャートおよび図3を参照しながら参考例について説明する。
図3の点a1に示すように車両の走行中、制御部51は図2のステップS110からS111に示すようにスタートシステム61から車両状態を取得し、車両の停止状態を判断する。具体的には、制御部51が、スタートシステム61からのシリアル転送による車両状態のデータ出力、または信号線による論理信号の出力などを取得し、予め制御部51内部の記憶装置に定められた車両停止状態のデータ定義もしくは論理信号の定義と比較することで判断する。この図3の点a1の時点で、取得したデータや論理信号が車両の停止状態を示すものではないので、制御部51は車両は停止していないと判断し、図2のステップS110に戻って車両状態の取得を続ける。
制御部51が図2のステップS110に示した車両状態の取得を行うとき、図3の点b1に示すようにドライバが車両を停止させると、制御部51はステップS111において車両が停止していると判断する。なお、ここで「車両停止」とは、信号や踏切などでの一時的な「停車」ではなく、ドライバが車両の走行を終えて車庫等に駐車させ、駆動源などを継続的に停止させている状態を指し、モータ11およびインバータ12は機能していないものとする。
制御部51は図2のステップS111の車両停止判断につづいて、ステップS112の外部電力接続状態の取得を実施する。制御部51は充電プラグ21による外部電力の接続状態を充電器ユニット22から取得する。具体的な方法はステップS110の車両状態取得と同様シリアルデータや論理信号を用いる。この図3の点b1の時点で、制御部51は、取得したデータや論理信号が外部電力への接続を示すものではないので、外部電源101に接続されていないと判断し、図2のステップS112に戻って外部電力接続状態の取得を続ける。
制御部51が図2のステップS112に示した外部電力接続状態の取得を行うとき、図3の点c1に示すようにドライバが車両の充電プラグ21を外部電源101に接続すると、制御部51はステップS113において車両が外部電力に接続されていると判断する。つづいてステップS114に示す二次電池41から二次電池残容量値CRの取得を実施する。具体的には、二次電池41の残容量値のディジタル値のシリアル転送によって、またはその論理信号としての出力、あるいはアナログ信号の電圧値としての出力などを、制御部51が適当な電気的通信手段によって取得する。
図2のステップS115に示すように、制御部51は充電動作を行うため、DC/DCユニット31に対して、インバータ12との接続から充電器ユニット22への接続切り替え制御を行う。この切換えはDC/DCユニット31内部の電子的もしくは機構的な切換手段によって実現される。
図2のステップS116に示すように、制御部51は取得した二次電池残容量値CRと予め定めた基準残容量値CRrefとを比較する。制御部51は二次電池残容量値CRが基準残容量値CRref以下の場合、低容量状態であると判断し、二次電池残容量値CRが基準残容量値CRrefより高い場合、高容量状態であると判断する。この基準残容量値CRrefは、その後の充電容量にかかわらず、二次電池の劣化を十分に抑制することのできる容量の上限値である。
図3の点c1での二次電池残容量値CRは基準残容量値CRrefより低いため、制御部51は図2のステップS116において低容量状態であると判断し、ステップS131に示すように、高容量状態連続回数Nとして0が得られる。この高容量状態連続回数Nは高容量状態継続時間を充電時毎に回数として抽出したものであり、本参考例においては、車両停止の際の二次電池41の二次電池残容量値CRが基準残容量値CRref以上である場合、つまり高容量状態が連続する回数である。また、高容量状態連続回数Nは制御部51内部の適当な記憶装置に記憶される更新可能なパラメータであるとする。
つづいて図2のステップS132と図3の点c1に示すように、制御部51は充電器ユニット22に充電実行の命令を送信することによって、充電を開始し、満充電手段を開始する。なお、本発明に係る参考例における充電は、図1に図示しない入力装置によって、ユーザによる充電開始の許可の入力がされた際に開始するものとしてもよい。
図2のステップS132で充電を開始し、満充電手段を開始すると、制御部51はステップS133からステップS134において、二次電池残容量値CRを取得し、二次電池残容量値CRと満充電容量CCfulを比較する。満充電容量CCfulは、必ずしも二次電池の充電可能な容量の上限ではなく、二次電池の特性を予め測定し、検討した上で設定される一定の容量としてもよい。ステップS134で二次電池残容量値CRが満充電容量CCfulよりも低い場合は、ステップS133に戻って二次電池残容量値CRを取得し、図3の点c1から点d1に示すように、充電を継続する。ステップS134で二次電池残容量値CRが満充電容量CCfulとなった場合は、ステップS135および図3の点d1に示すように、制御部51が充電器ユニット22に充電停止の命令を送信することによって充電を停止し、満充電手段を終了する。満充電を実施するのは、図3の点c1の時点で、二次電池41が低容量状態であり、高容量状態が連続していないため、劣化する恐れが少ないと判断したからである。
図2のステップS135で充電を停止し、満充電手段を終了すると、制御部51は車両のEV走行を可能にするため、DC/DCユニット31に対して、充電器ユニット22との接続からインバータ12への接続へ切り替え制御をステップS136で行い、動作を終了する。
図3の点d1から点e1にかけては車両が充電完了後、放置されている状態である。ドライバが点e1の時点から車両を起動して走行を開始し、二次電池41の充電容量が減少する。車両の起動と同時に制御部51は動作を開始し、ステップS111で車両は走行中と判断し、ステップS110に戻って車両状態の取得を続ける。
図3の点f1でドライバが車両を停止させ、その後充電プラグ21を外部電源101に接続する。このとき制御部51は、前回と同様にして図2のステップS110からステップS116までの動作を行う。
図3の点f1の二次電池残容量値CRは基準残容量値CRrefより高いため、制御部51は図2のステップS116において高容量状態であると判断し、ステップS121に示すように、高容量状態連続回数Nに1を加算する。前回の図3の点c1の充電時、制御部51は低容量状態と判断して、図2のステップ131で高容量状態連続回数N=0としているので、この時点でNの加算により、高容量状態連続回数N=1が得られる。
次に図2のステップ122において制御部51は高容量状態連続回数Nと基準高容量状態連続回数Nrefとの比較判断を行う。基準高容量状態連続回数Nrefは、二次電池の特性を予め測定し、検討した上で、二次電池が劣化しないことが保証される高容量状態連続回数の上限として設定される閾値である。本参考例においては、基準高容量状態連続回数Nref=2と設定されている。
図2のステップS122の比較判断において、高容量状態連続回数Nが基準高容量状態連続回数Nref以下のため、制御部51はステップS132からステップS136までの動作を実施し、図3の点h1の時点で満充電が完了する。詳細は前述と同様である。
図3の点i1から点o1において、制御部51は前回と同様の動作を行う。ただし、制御部51は点j1において二次電池41が高容量状態であるため、図2のステップS121で高容量状態連続回数Nに1加算し、高容量状態連続回数N=2を得てから、点j1で満充電手段を開始する。点n1においても同様に二次電池41が高容量状態であるため、高容量状態連続回数N=3を得る。
図3の点o1において、制御部51は図2のステップS122の基準高容量状態連続回数Nrefとの比較判断を行う。この時点で高容量状態連続回数N=3、基準高容量状態連続回数Nref=2であるので、高容量状態連続回数Nが基準高容量状態連続回数Nrefより大きくなり、制御部51はステップS123に示すように充電手段を開始する。
図2のステップS123で充電手段を開始すると、制御部51はステップS124からステップS125において、二次電池残容量値CRを取得し、二次電池残容量値CRと劣化抑制充電容量CCrisを比較する。ステップS125で二次電池残容量値CRが劣化抑制充電容量CCrisよりも低い場合は、ステップS124に戻って二次電池残容量値CRを取得し、図3の点o1から点p1に示すように、充電を継続する。ステップS125で二次電池残容量値CRが劣化抑制充電容量CCrisに達したとき、ステップS126および図3の点p1に示すように、制御部51が充電器ユニット22に充電停止の命令を送信することによって充電を停止し、充電手段を終了する。この劣化抑制充電容量CCrisは維持されても、二次電池が劣化しない程度の容量であり、基準残容量値CRrefよりも大きく、満充電容量CCfulよりも低い容量である。
図2のステップS126の劣化抑制充電容量CCrisまでの充電を完了して停止後、ステップS141において制御部51は、予め設定された車両起動時刻から、二次電池の容量が劣化抑制充電容量CCrisから満充電容量CCfulになるまでにかかる充電時間だけ遡った再充電開始時刻になるまで待つ。この充電時間は、制御部51が満充電容量CCful、劣化抑制充電容量CCrisおよび充電速度から計算することによって得る。なお、車両起動時刻は制御部51に時刻を入力できる装置81によって入力され、予め制御部51内部の記憶装置に保持されている時刻である。また、前記充電時間を図示しない時間入力手段によって制御部51に設定された時間分だけ遡った時刻を再充電手段開始時刻としてもよい。
また、車両起動時刻に図示しない入力手段によって設定された温度や湿度になるように、車両空調装置71が予備的な車室内の冷暖房を開始する時刻を再充電開始時刻としてもよい。さらに、図示しない温度検出手段によって検出される車室内の温度が、設定温度や湿度の一定範囲内になる時刻を再充電開始時刻としてもよい。
図2のステップS141で制御部51は前記再充電開始時刻と内部に保持している現在時刻とを比較することで再充電手段の開始を行うか否かの判断を行い、2つの時刻が一致すれば、制御部51はステップS142で図3の点q1に示すように、再充電を開始し、再充電手段を開始する。図2のステップS143からS145までの動作はステップS133からS135までの動作と同様である。制御部51は、図3の点q1から点r1に示すように継続的に充電後、再充電手段を終了する。制御部51はDC/DCユニット31に対して、インバータ12への接続へ切り替え制御をステップS127で行って動作を終了する。
図3の点r1から点s1にかけては満充電後の放置状態であるが、再充電手段終了後に直ちに走行を開始し、二次電池の充電容量が減少することが期待できるため、高充電容量状態のまま放置される時間も短くなり、結果として二次電池の劣化を抑制できる。ドライバが点s1の時点から車両を起動して走行を開始し、二次電池41の充電容量が減少する。走行開始時、二次電池41は満充電状態であるため、長距離のEV走行が可能となる。制御部51は車両の起動と同時に動作を開始し、ステップS111で車両は走行中と判断し、ステップS110に戻って車両状態の取得を続ける。
図3の点t1でドライバが車両を停止させ、その後充電プラグ21を外部電源101に接続する。このとき制御部51は、図2のステップS110からステップS116までの動作を行う。つづいてステップS116で二次電池41が低容量状態であると判断し、ステップS131で高容量状態連続回数Nを0とする。この後、満充電手段を開始し、図3の点u1から点v1に示すように、図2のステップS132からS135の充電を完了して、満充電手段を終了する。制御部51はDC/DCユニット31に対して、インバータ12への接続へ切り替え制御をステップS136で行って動作を終了する。
以上に示した参考例において制御部51は、高容量状態であるか否かを二次電池残容量値CRと基準残容量値CRrefとの比較によって判断し、高容量状態が連続することを高容量状態連続回数Nと基準高容量状態連続回数Nrefとの比較によって判断した上で、高容量状態が連続していると判断した場合には、満充電容量CCfulよりも低い容量である劣化抑制充電容量CCrisにとどめることによって、高容量状態を連続させず、二次電池の劣化を抑制する効果を奏する。また、車両の起動が予測される時刻に満充電容量CCfulまで再充電することで、車両のEV走行距離を長くする効果を奏する。
図4のフローチャートおよび図5を用いて本発明の実施形態について説明する。図4のフローチャートのステップS210からS216、S221からS227、S231からS236の動作は、図2のフローチャートのステップS110からS116、S121からS127、S131からS136の動作と同様である。また、図5における点a2から点p2までの実施形態は、図3の点a1から点p1までの参考例と同様である。以下、前述の参考例と重複する部分に関しての説明は省略する。
図5の点p2に示すように、劣化抑制充電容量CCrisまでの充電後、図4のステップS226で充電を停止し、充電手段を終了すると、制御部51はDC/DCユニット31に対して、インバータ12への接続へ切り替え制御をステップS227で行って動作を終了する。
図5の点p2から点s2にかけては充電後の放置状態である。このとき二次電池41は満充電容量ではないため、放置されている時間が長くなっても、劣化を抑制することができる。ドライバが点s2の時点から車両を起動して走行を開始し、二次電池41の充電容量が減少する。車両の起動と同時に制御部51は動作を開始し、ステップS211で車両は走行中と判断し、ステップS210に戻って車両状態の取得を続ける。
図5の点t2でドライバが車両を停止させ、その後充電プラグ21を外部電源101に接続する。このとき制御部51は、前述と同様にして図4のステップS210からステップS216までの動作を行う。つづいてステップS216で二次電池41が低容量状態であると判断し、ステップS231で高容量状態連続回数Nを0とする。この後、満充電手段を開始し、図5の点u2から点v2に示すように、図4のステップS232からステップS235の充電を完了して、満充電手段を終了する。制御部51はDC/DCユニット31に対して、インバータ12への接続へ切り替え制御をステップS236で行って動作を終了する。劣化抑制充電容量CCrisまでの充電にとどめるのは、満充電容量CCfulまでの充電を行うと高容量状態が継続して二次電池41が劣化する恐れがある、と制御部51が高容量状態連続回数Nによって、判断したからである。なお図5の点n2においての二次電池残容量値CRが劣化抑制充電容量CCrisよりも高い場合には、二次電池41の電力を使用する、空調装置などの車両の機能を作動させることによって、容量が劣化抑制充電容量CCrisとなるまで放電させても良い。
本発明に係る実施形態における二次電池充電装置を搭載する電気自動車の構成を示す図である。 本発明に係る参考例における電気自動車の二次電池充電装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る参考例における二次電池充電装置を搭載する電気自動車の時間に対する二次電池充電容量の変化を表す図である。 本発明に係る実施形態における電気自動車の二次電池充電装置の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る実施形態における二次電池充電装置を搭載する電気自動車の時間に対する二次電池充電容量の変化を表す図である。
符号の説明
10 二次電池充電装置、11 モータ、12 インバータ、21 充電プラグ、22 充電器ユニット、31 DC/DCユニット、41 二次電池、51 制御部、61 スタートシステム、71 車両空調装置、81 時刻入力装置、101 外部電源。

Claims (4)

  1. 外部電源から充電を行う二次電池を有し、二次電池の電力により走行する電気自動車であって、
    車両停止の際の二次電池の残容量が所定の容量以上である場合が連続する回数を取得する回数取得手段と、
    回数取得手段によって取得した回数が所定の回数以上である場合に、車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電を行う充電手段と、
    を備えることを特徴とする電気自動車。
  2. 請求項1に記載の電気自動車であって、
    充電手段によって車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電をした後、車両の起動が予測される際に満充電容量までの再充電を開始する再充電手段と、
    を含むことを特徴とする電気自動車。
  3. 外部電源から充電を行う二次電池を有し、二次電池の電力により走行する電気自動車の二次電池充電方法であって、
    車両停止の際の二次電池の残容量が所定の容量以上である場合が連続する回数を取得する回数取得工程と、
    回数取得工程によって取得した回数が所定の回数以上である場合に、車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電を行う充電工程と、
    を有することを特徴とする電気自動車の二次電池充電方法。
  4. 請求項3に記載の電気自動車の二次電池充電方法であって、
    充電工程によって車両停止中の二次電池に満充電容量よりも低い充電容量までの充電をした後、車両の起動が予測される際に満充電容量までの再充電を開始する再充電工程と、
    を含むことを特徴とする電気自動車の二次電池充電方法。
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