JP4810417B2

JP4810417B2 - 蓄電デバイスの残存容量演算装置

Info

Publication number: JP4810417B2
Application number: JP2006342594A
Authority: JP
Inventors: 幹夫小野; 充朗白髪
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008151745A

Description

本発明は、蓄電デバイスの残存容量を演算する蓄電デバイスの残存容量演算装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される蓄電デバイスや、各種パワーツールに組み付けられる蓄電デバイスとしては、高エネルギー密度や高出力密度が要求されることから、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタ等が候補として挙げられている。また、エネルギー密度と出力密度との双方を向上させるため、リチウムイオン二次電池と電気二重層キャパシタの蓄電原理を組み合わせたリチウムイオンキャパシタとも呼ばれる蓄電デバイスも提案されている。このリチウムイオンキャパシタは、正極に電気二重層キャパシタの活性炭を採用することにより、正極では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、負極にリチウムイオン二次電池の炭素材料を採用することにより、負極では炭素材料にリチウムイオンを担持させて電荷を蓄積している。このような蓄電機構を採用することにより、出力密度およびエネルギー密度を向上させることが可能となる。

ところで、これらの蓄電デバイスを有効に活用する為には、蓄電デバイス内の残存容量を正確に把握することが重要となっている。そこで、蓄電デバイスの充放電電流を積算して残存容量を求める技術や、蓄電デバイスの開放電圧に基づいて残存容量を求める技術が提案されている。一般的に、電流積算に基づく演算方法にあっては、突入電流等の負荷変動に強い反面、誤差が累積し易いという課題を有しており、開放電圧に基づく演算方法にあっては、開放電圧が正確に推定される状況では有効性が高い反面、突入電流等の負荷変動に弱いという課題を有している。このため、充放電状態に応じて設定されるウェイトを用いて、電流積算に基づく残存容量と開放電圧に基づく残存容量とを重み付けをして合成し、残存容量の演算精度を向上させるようにした技術が提案されている(たとえば、特許文献１参照)。
特開２００５−２０１７４３号公報

しかしながら、前述したリチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスにあっては、従来の二次電池に比べて容量が少ないことから、充放電レートに応じて容量が大きく変動してしまう傾向にあり、従来の方法を用いて精度良く残存容量を算出することが困難となっていた。

また、リチウムイオンキャパシタ等の蓄電デバイスにあっては、使用可能な容量を放電しても所定の下限電圧を有するため、この下限電圧を下回って更に放電させることが可能となっている。しかしながら、許容量を超えて放電することは蓄電デバイスの劣化や損傷を招くおそれがあるため、残存容量を正確に把握して下限電圧を下回らないように制御することが重要となっている。

本発明の目的は、蓄電デバイスの残存容量を精度良く演算することにある。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、蓄電デバイスの端子電圧に基づいて、前記蓄電デバイスの開放電圧を推定する開放電圧推定手段と、前記蓄電デバイスの開放電圧、電流および温度に基づいて、前記蓄電デバイスの電流容量を算出する電流容量算出手段と、前記蓄電デバイスの電流容量に開放電圧を乗算して、前記蓄電デバイスに残存するエネルギー量を算出するエネルギー量算出手段とを有することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記開放電圧推定手段は、端子電圧、電流およびインピーダンスに基づいて開放電圧を推定することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記電流容量算出手段は、電流変化率に応じて増減されるサンプリング時間に基づき電流平均値を算出し、電流平均値および温度に基づいて満充電時電流容量を算出し、満充電時電流容量および開放電圧に基づいて前記蓄電デバイスに残存する電流容量を算出することを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記電流容量算出手段は、電流変化率が増加するときにはサンプリング時間を増加させる一方、電流変化率が減少するときにはサンプリング時間を減少させることを特徴とする。

本発明の蓄電デバイスの残存容量演算装置は、前記蓄電デバイスの下限電圧が０Ｖを上回ることを特徴とする。

本発明によれば、開放電圧、電流および温度に基づいて蓄電デバイスの電流容量を算出し、この電流容量に開放電圧を乗算して蓄電デバイスに残存するエネルギー量を算出するようにしたので、蓄電デバイスの残存容量を精度良く演算することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はハイブリッド車両の駆動制御システムを示す概略図である。図１に示すように、ハイブリッド車両のパワーユニット１０には、駆動源としてエンジン１１とモータジェネレータ１２とが設けられており、モータジェネレータ１２の後方側にはトルクコンバータ１３を介してトランスミッション１４が連結されている。エンジン１１やモータジェネレータ１２から出力される動力は、トランスミッション１４を介して変速された後に、デファレンシャル機構１５を経て各駆動輪１６に分配される。図示するパワーユニット１０はパラレル方式のパワーユニット１０であり、主要な駆動源としてエンジン１１が駆動される一方、発進時や加速時にはモータジェネレータ１２が補助的に駆動される。また、減速時や定常走行時にはモータジェネレータ１２を発電駆動させることにより、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することが可能となる。

このようなハイブリッド車両には、モータジェネレータ１２に対して電力を供給するとともに、モータジェネレータ１２によって発電された電力を蓄える蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタ(以下、キャパシタという)２０が搭載されている。このキャパシタ２０は、リチウムイオンやアニオンを可逆的に担持可能な活性炭を用いて形成される正極と、リチウムイオンを可逆的に担持可能な炭素系材料を用いて形成される負極とを有しており、電解液にはリチウム塩を溶解した有機溶媒溶液が用いられている。また、負極に対してリチウムイオンを予め担持(プレドープ)させることにより、負極電位を低下させるとともに負極容量を高めることができ、キャパシタ２０のエネルギー密度を高めることが可能となる。

また、キャパシタ２０の充放電制御を実行するため、キャパシタ２０にはキャパシタ制御ユニット２１が接続されている。このキャパシタ制御ユニット２１には、キャパシタ２０の端子電圧Ｖを検出する電圧センサ２２が接続され、キャパシタ２０の電流Ｉを検出する電流センサ２３が接続され、キャパシタ２０の温度であるセル温度Ｔを検出する温度センサ２４が接続されている。そして、開放電圧推定手段、電流容量算出手段およびエネルギー量算出手段として機能するキャパシタ制御ユニット２１は、後述する演算処理に従って残存容量つまりキャパシタ２０に残存するエネルギー量Ｗｈを演算することになる。

また、ハイブリッド車両には、キャパシタ２０のエネルギー量Ｗｈや車両の走行状態等に基づいて、エンジン１１やモータジェネレータ１２等を協調制御するハイブリッド制御ユニット２５が設けられている。このハイブリッド制御ユニット２５には、モータジェネレータ１２のトルクや回転数を制御するインバータ２６が接続され、エンジン１１のトルクや回転数を制御するエンジン制御ユニット２７が接続されている。さらに、ハイブリッド制御ユニット２５には、図示しないアクセルペダルセンサやブレーキペダルセンサ等が接続されており、車両の走行状態を示す各種情報がハイブリッド制御ユニット２５に入力されるようになっている。なお、各制御ユニット２１，２５，２７は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。

続いて、キャパシタ制御ユニット２１によって実行されるエネルギー量Ｗｈの演算処理について説明する。図２はエネルギー量Ｗｈの演算手順を示すフローチャートである。図２に示すように、まずステップＳ１では、キャパシタ２０の端子電圧Ｖ、電流Ｉおよびセル温度Ｔが読み込まれ、続くステップＳ２では、端子電圧Ｖに基づき開放電圧Ｖｏが推定される。ステップＳ２において、端子電圧Ｖから開放電圧Ｖｏを推定するため、予め図３に示すキャパシタ２０の等価回路モデル図を用いることによってキャパシタ２０のインピーダンスＺが求められている。この等価回路モデルは、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２(但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分)の各パラメータを直列及び並列に組み合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットをカーブフィッティングすることによって各パラメータを決定することが可能となる。

これらの各パラメータから求められるインピーダンスＺは、キャパシタ２０のセル温度Ｔ、電気化学的な反応速度、電流Ｉの周波数成分によって大きく変化する。したがって、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値ＭＡｉを周波数成分に置き換えて採用し、移動平均値ＭＡｉとセル温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、移動平均値ＭＡｉとセル温度Ｔとに基づいてインピーダンスＺのテーブルを作成する。そして、インピーダンステーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺ、実測した端子電圧Ｖおよび電流Ｉから、以下の式(１)を用いて開放電圧Ｖｏを推定する。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ×Ｚ・・・(１)

続いて、ステップＳ３では、電流変化率ｄｉ／ｄｔに基づきサンプリング時間Ｔｓが算出され、ステップＳ４では、このサンプリング時間Ｔｓを経過したか否かが判断される。ステップＳ４において、サンプリング時間Ｔｓが経過したと判定されると、続くステップＳ５に進み、サンプリング時間Ｔｓを用いて電流平均値Ａｉが算出される。ここで、図４(Ａ)は所定の走行状態における端子電圧Ｖ、電流Ｉおよびセル温度Ｔの変動状態を示す線図であり、図４(Ｂ)は電流Ｉから算出される電流変化率ｄｉ／ｄｔを示す線図であり、図４(Ｃ)は電流変化率ｄｉ／ｄｔに基づき算出されるサンプリング時間Ｔｓを示す線図である。図４(Ａ)〜(Ｃ)に示すように、電流Ｉが大きく増減して電流変化率ｄｉ／ｄｔが大きく現れる場合にはサンプリング時間Ｔｓが長く設定される一方、電流Ｉが小さく増減して電流変化率ｄｉ／ｄｔが小さく現れる場合にはサンプリング時間Ｔｓが短く設定される。これにより、一時的な負荷変動に影響されることなく電流平均値Ａｉを算出することが可能となる。

続くステップＳ６では、電流平均値Ａｉとセル温度Ｔとに基づき所定の電流容量テーブルを参照することにより、キャパシタ２０を満充電状態にしたときの満充電時電流容量(以下、満充電容量という)ＦＡｈが算出される。ここで、図５は電流容量テーブルの一例を示す線図である。図５に示すように、キャパシタ２０の満充電容量ＦＡｈは、セル温度Ｔが高く電流Ｉが低いほど高く算出される一方、セル温度Ｔが低く電流Ｉが高いほど低く算出されるようになっている。

続くステップＳ７では、満充電容量ＦＡｈ、開放電圧Ｖｏ、上限電圧Ｖｍａｘおよび下限電圧Ｖｍｉｎから、以下の式(２)を用いてキャパシタ２０内に残存する電流容量Ａｈが算出される。ここで、図６は所定の電流レートにおける電流容量Ａｈと開放電圧Ｖｏとの関係を示す説明図であり、図７は電流容量Ａｈを算出する際の補正係数について説明する説明図である。まず、図６に示すように、電流容量Ａｈと開放電圧Ｖｏとはほぼ比例関係を保つとともに、電流容量Ａｈが０％のときには開放電圧Ｖｏが下限電圧Ｖｍｉｎ(たとえば２．２Ｖ)となり、電流容量Ａｈが１００％のときには開放電圧Ｖｏが上限電圧Ｖｍａｘ(たとえば３．８Ｖ)となっている。そして、開放電圧Ｖｏが下限電圧Ｖｍｉｎに達したときの電流容量Ａｈを０に設定するとともに、開放電圧Ｖｏが上限電圧Ｖｍａｘに達したときの電流容量Ａｈを満充電容量ＦＡｈに設定するため、以下の式(２)に示すように、満充電容量ＦＡｈに補正係数として(Ｖｏ−Ｖｍｉｎ)／(Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ)を乗算する。すなわち、図６および図７に示すように、電流容量Ａｈと開放電圧Ｖｏとはほぼ比例関係にあるため、満充電容量ＦＡｈに補正係数としてｂ／ａを乗算することにより、満充電容量ＦＡｈからキャパシタ２０に残存する電流容量Ａｈを算出するようにしている。
Ａｈ＝ＦＡｈ×(Ｖｏ−Ｖｍｉｎ)／(Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ)・・・(２)

ステップＳ８では、電流容量Ａｈに開放電圧Ｖｏが乗算され、キャパシタ２０内に残存するエネルギー量Ｗｈが算出される。そして、算出されたエネルギー量Ｗｈに基づいて、キャパシタ２０の充放電制御やエンジン１１およびモータジェネレータ１２の駆動制御が実行されることになる。このように、キャパシタ２０内に残存する電流容量Ａｈを平均電流値Ａｉに基づいて算出した後に、この電流容量Ａｈに開放電圧Ｖｏを乗算してキャパシタ２０内に残存するエネルギー量Ｗｈを算出するようにしたので、残存容量の演算精度を向上させることが可能となる。すなわち、充放電時の電流レートによって容量が変動する蓄電デバイスであっても、電流レートを示す平均電流値Ａｉに基づいて満充電容量ＦＡｈを算出し、この満充電容量ＦＡｈに基づいて残存する電流容量Ａｈを算出するようにしたので、電流容量Ａｈの算出精度を高めることが可能となり、残存するエネルギー量Ｗｈの算出精度を高めることが可能となる。また、電流容量Ａｈをそのまま利用するのではなく、この電流容量Ａｈに開放電圧Ｖｏを乗算して算出したエネルギー量Ｗｈを用いるようにしたので、下限電圧Ｖｍｉｎが０Ｖを上回るような蓄電デバイスであっても、下限電圧Ｖｍｉｎに到達する迄に使用可能なエネルギー量Ｗｈを正確に算出することが可能となっている。

また、ステップＳ３において、電流変化率ｄｉ／ｄｔが大きく現れる場合にはサンプリング時間Ｔｓを長く設定する一方、電流変化率ｄｉ／ｄｔが小さく現れる場合にはサンプリング時間Ｔｓを短く設定するようにしたので、一時的に電流Ｉが大きく変動した場合であっても、電流容量Ａｈを算出する際の振動を防止することが可能となり、負荷変動が小さい場合には電流容量Ａｈを算出する際の精度を向上させることが可能となる。ここで、図８はサンプリング時間Ｔｓを増減させた場合と固定した場合のエネルギー量Ｗｈを示す比較図である。なお、図８に示すエネルギー量Ｗｈは図４(Ａ)に示す端子電圧Ｖ、電流Ｉおよびセル温度Ｔに基づいて演算されたエネルギー量Ｗｈである。図４(Ａ)および図８に示すように、負荷変動によって電流Ｉが大きく変動する場合には、サンプリング時間Ｔｓを長く設定することにより、演算されるエネルギー量Ｗｈの変動を抑制することが可能となる。また、電流Ｉが大きく変動していない場合には、サンプリング時間Ｔｓを短く設定することにより、エネルギー量Ｗｈを精度良く演算することが可能となる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、図示する場合には、ハイブリッド車両に搭載されるキャパシタ２０の残存容量を求めるために本発明を適用しているが、これに限られることはなく、電気自動車等、他の輸送機器に搭載される蓄電デバイスに対して本発明を適用しても良く、電気機器等の電源として機能する蓄電デバイスに対して本発明を適用しても良い。また、蓄電デバイスとしては、前述したリチウムイオンキャパシタ２０に限られることはなく、電気二重層キャパシタに対して本発明を適用しても良く、リチウムイオン二次電池等の二次電池に対して本発明を適用するようにしても良い。

また、図２に示すように、ステップＳ２において、電流ＩとインピーダンスＺとを乗算し、これに端子電圧Ｖを加算することにより、開放電圧Ｖｏを推定しているが、これに限られることはなく、他の方法によって開放電圧Ｖｏを推定しても良い。たとえば、端子電圧Ｖと開放電圧Ｖｏとの差を示すキックバック電圧を予め実験等によって算出しておき、このキックバック電圧と実測した端子電圧Ｖとに基づいて開放電圧Ｖｏを推定するようにしても良い。さらに、キックバック電圧をセル温度Ｔ毎に設定して精度を高めるようにしても良く、キックバック電圧を係数として設定しても良い。

ハイブリッド車両の駆動制御システムを示す概略図である。エネルギー量の演算手順を示すフローチャートである。キャパシタの等価回路モデル図である。 (Ａ)は所定の走行状態における端子電圧、電流およびセル温度の変動状態を示す線図であり、(Ｂ)は電流Ｉから算出される電流変化率を示す線図であり、(Ｃ)は電流変化率に基づき算出されるサンプリング時間を示す線図である。電流容量テーブルの一例を示す線図である。所定の電流レートにおける電流容量と開放電圧との関係を示す説明図である。電流容量を算出する際の補正係数について説明する説明図である。サンプリング時間を増減させた場合と固定した場合のエネルギー量を示す比較図である。

符号の説明

２０リチウムイオンキャパシタ(蓄電デバイス)
２１キャパシタ制御ユニット(開放電圧推定手段，電流容量算出手段，エネルギー量算出手段)
Ｖ端子電圧
Ｖｏ開放電圧
Ｉ電流
Ｔセル温度(温度)
Ａｈ電流容量
Ｗｈエネルギー量
Ｚインピーダンス
Ｔｓサンプリング時間
Ａｉ電流平均値
ＦＡｈ満充電容量(満充電時電流容量)
ｄｉ／ｄｔ電流変化率
Ｖｍｉｎ下限電圧

Claims

蓄電デバイスの端子電圧に基づいて、前記蓄電デバイスの開放電圧を推定する開放電圧推定手段と、
前記蓄電デバイスの開放電圧、電流および温度に基づいて、前記蓄電デバイスの電流容量を算出する電流容量算出手段と、
前記蓄電デバイスの電流容量に開放電圧を乗算して、前記蓄電デバイスに残存するエネルギー量を算出するエネルギー量算出手段とを有することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
請求項１記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
前記開放電圧推定手段は、端子電圧、電流およびインピーダンスに基づいて開放電圧を推定することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
請求項１または２記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
前記電流容量算出手段は、電流変化率に応じて増減されるサンプリング時間に基づき電流平均値を算出し、電流平均値および温度に基づいて満充電時電流容量を算出し、満充電時電流容量および開放電圧に基づいて前記蓄電デバイスに残存する電流容量を算出することを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
請求項３記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
前記電流容量算出手段は、電流変化率が増加するときにはサンプリング時間を増加させる一方、電流変化率が減少するときにはサンプリング時間を減少させることを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電デバイスの残存容量演算装置において、
前記蓄電デバイスの下限電圧が０Ｖを上回ることを特徴とする蓄電デバイスの残存容量演算装置。