JP5026287B2 - ハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法 - Google Patents

ハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
［技術分野］
本発明は、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用バッテリーの最大出力を推定する方法に関するものであって、より詳しくは、車両に搭載されるバッテリーの最大出力に影響を及ぼす様々な環境変数による最大出力を正確に推定してバッテリーの利用率を向上させ、またバッテリーの過充電及び過放電を防止するようにするハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法に関する。
［背景技術］
電気自動車は駆動燃料として一般に２次電池のリチウム‐イオン電池を用いており、上記電池から出力される電源により動力発生装置を駆動させ、これを動力伝達装置を通じて駆動ホイールに伝達して駆動ホイールを回転させることで、自動車を駆動させる。
上記電池において、放電が進むにつれて陽極と陰極間の端子電圧は漸次減少してからある限度に至ると、急激に低下して放電終止電圧に至るようになり、その後からは放電能力がなくなる。放電終止電圧の以下まで放電するようになれば、電解液と化学的反応を起こし電流を生成する極板が損傷されて、蓄電池としての機能が喪失される。
したがって、電気自動車はバッテリーに充電されている容量だけ走行することができ、走行中駆動ホイールの回転力を逆利用して発電した後再充電させながら用いるようにしている。バッテリーが完全に放電するまで車両を運行して走行中に停止した場合、再充電することは難しい。従って、走行中にバッテリーの残存容量（ＳＯＣ；Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を正確に把握することが重要である。しかし、バッテリーの不規則性（温度、放電などによって変わる）のため、既存車両の燃料ゲージのように充電量を正確に測定することは困難である。
バッテリーの残存容量をチェックする方法として、電池電圧により残存容量を確認する方法と放電容量により残存容量を確認する方法などが常用化されている。
しかし、前者の方法の場合、放電量によって電圧が減少する。すなわち急加速の際に残存容量に関係なく電圧が瞬間的に減少する。また、後者の方法の場合、時速何キロメートルで定速走行したのかまたは市内走行をしたのか等のような負荷条件によって電池が使用できる容量が異なるので、残存容量を確認するためのアルゴリズムが非常に複雑になる問題点がある。
一方、バッテリーの最大出力に影響を与える変数は、バッテリーの充電状態、温度環境及び走行の際に放電された容量による出力の退化率である。一般に、ハイブリッド車両に適用されたバッテリーは車両の運行の際に頻繁に発生する急加速及び急減速によって急激な充放電を経験するようになる。このような急激な充放電によってバッテリーの充電状態と最大出力は変化率の大きい動的な挙動を示す。また、バッテリーの最大出力は温度によって大きい変化を示す。このような様々な変数によって、車両の運行中にバッテリーの最大出力を正確に予測することは非常に難しい。
［発明の開示］
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決する。
本発明の目的は、車両に適用されたバッテリーの最大出力を正確に推定し、この情報を車両の制御機に実時間で伝達してモーターの出力をバッテリーの状態に適合するように制御することで、バッテリーの利用率を向上させバッテリーの過充電及び過放電を防止してバッテリーの寿命を極大化する方法を提供することである。
上記目的は、車両が運行される様々な環境（バッテリーの充電状態、温度）における最大出力を調査し、バッテリーの充電状態と最大出力間、及びバッテリーの温度と最大出力間の相関関係を示す関係式を作り、ハイブリッド自動車用バッテリーの最大出力を推定することにより達成される。
より詳しくは、本発明によるハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法は、上記自動車が運行できる複数のバッテリー充電状態（ＳＯＣ）に応じたバッテリーの最大充放電出力を抽出して両者の相関関係を算出する段階と、上記自動車が運行できる複数の温度（ｔｅｍｐ）におけるバッテリーの最大出力を抽出して両者の相関関係を算出する段階と、上記自動車が走行する際にバッテリーの容量が放電されることに応じたバッテリー出力の退化率を抽出して両者の相関関係を算出する段階と、上記それぞれの段階を通じて得られる相関関係に基づいて、バッテリーの最大出力（Ｐｏｗｅｒｍａｘ）を次の関数を通じて推定する段階とを含むことを特徴とする。
Ｐｏｗｅｒｍａｘ＝ Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ, ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）
＝ Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ） × Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）
本発明によると、上記関数Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ）は、次の関係式を通じて計算される。
Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ） ＝ Ｆ（ｔｅｍｐ）５ × ＳＯＣ５ + Ｆ（ｔｅｍｐ）４ × ＳＯＣ４ + Ｆ（ｔｅｍｐ）３ × ＳＯＣ３ + Ｆ（ｔｅｍｐ）２ × ＳＯＣ２ + Ｆ（ｔｅｍｐ）１ × ＳＯＣ + Ｆ（ｔｅｍｐ）０,
上記式において、Ｆ（ｔｅｍｐ） ＝ Ｄ２ × ｔｅｍｐ２ + Ｄ１ × ｔｅｍｐ１ + Ｄ０（Ｄ０ 〜 Ｄ２は、定数）
本発明によると、上記バッテリーの最大出力は、自動車が走行する際に放電されるバッテリーの容量を累積させそれによるバッテリーの退化率を示す次の関係式を通じて補償される。
Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ） ＝ Ｃ５ｋ５ + Ｃ４ｋ４ + Ｃ３ｋ３ + Ｃ２ｋ２ + Ｃ１ｋ + Ｃ０（Ｃ５〜Ｃ０は、定数）（ｋは、[０,３０００００]の範囲にあり、関数に入力値として入力される場合、[−１,１]の範囲の値に変わって入力される）
したがって、本発明によると、上記バッテリーの最大出力は、次の関係式を通じて推定される。
Ｐｏｗｅｒｍａｘ ＝ {Ｆ（ｔｅｍｐ）５ × ＳＯＣ５ + Ｆ（ｔｅｍｐ）４ × ＳＯＣ４ + Ｆ（ｔｅｍｐ）３ × ＳＯＣ３ + Ｆ（ｔｅｍｐ）２ × ＳＯＣ２ + Ｆ（ｔｅｍｐ）１ × ＳＯＣ + Ｆ（ｔｅｍｐ）０} × （Ｃ５ｋ５ + Ｃ４ｋ４ + Ｃ３ｋ３ + Ｃ２ｋ２ + Ｃ１ｋ + Ｃ０）
本発明の一実施例によると、上記推定された最大出力値をバッテリー管理システム（ＢＭＳ）を介して上記ハイブリッド電気自動車の車両制御装置に伝達してバッテリーの充放電出力を制御する段階をさらに含むことができる。
前述及びその他の本発明の目的、特徴及び利点は添付図面と併せて下記の詳細な説明からより明確に理解できるであろう。
［発明の実施形態］
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。以下の本発明の説明においては、本発明の対象を不明確にしないとき、組み込まれる公知の機能及び構成に対する詳細な説明は省略する。
バッテリーの最大出力は様々な変数、すなわち、バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）、温度（ｔｅｍｐ）及び自動車が走行する際に放電される容量に応じた出力の退化率により決定される。従来技術によると、バッテリーの最大出力を推定する際に、これら変数がバッテリーの出力に及ぼす影響を考慮せずに、ある一つの変数（例えば、ＳＯＣ）によるバッテリーの出力を推定する方法のみが開発されて実用化されている。従って、その開発された方法はバッテリーの出力に影響を及ぼす各変数を考慮しなかったことによる結果、バッテリーの出力が正確に推定できない。
しかし、本発明者らはバッテリーの最大出力をより正確に推定するために、バッテリーの充電状態、温度及び走行する際に放電されるバッテリーの容量全てがバッテリーの出力に影響を及ぼすという事実を明確に認識し、これら変数の全てを考慮した新しいバッテリー最大出力の推定方法を開発した。
まず、図１ないし図３に示したように、本発明に従ってバッテリーの最大出力を推定するために、車両が運行できる各種の環境（走行中の放電容量に応じた出力の退化率、ＳＯＣ、温度）における最大出力を調査し、各変数と出力間の相関関係を算出する。このように算出された相関関係は次のような過程を通じてバッテリーの最大出力を推定するのに用いられる。
すなわち、バッテリーの最大充放電出力（Ｐｏｗｅｒｍａｘ）は、次のような関数で表すことができる。
［数１］
Ｐｏｗｅｒｍａｘ ＝ Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ, ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）
＝ Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ） × Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）
上記式の中でＦ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ）関数は曲線関数にすると次のように表すことができる。
［数２］
Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ） ＝ Ｆ（ｔｅｍｐ）５ × ＳＯＣ５ + Ｆ（ｔｅｍｐ）４ × ＳＯＣ４ + Ｆ（ｔｅｍｐ）３ × ＳＯＣ３ + Ｆ（ｔｅｍｐ）２ × ＳＯＣ２ + Ｆ（ｔｅｍｐ）１ × ＳＯＣ１ + Ｆ（ｔｅｍｐ）０
上記数式２において、Ｆ（ｔｅｍｐ）は次のような温度に対する関数で表すことができる。
［数３］
Ｆ（ｔｅｍｐ） ＝ Ｄ２ × ｔｅｍｐ２ + Ｄ１ × ｔｅｍｐ１ + Ｄ０（Ｄ０ 〜 Ｄ２は、定数）
一方、バッテリーの出力は自動車が走行する際にバッテリーが放電されるにつれて退化され得る。本発明によると、このような自動車の走行の際にバッテリーの放電につれて減少するバッテリー出力の退化率を補償することで、最大出力推定の正確性をさらに高める。
具体的に、走行の際に放電されるバッテリーの容量を累積させて出力の退化率を推定するのに、図４に示したように、累積放電容量とバッテリーの出力退化に関する実験データとを適合させる。上記データを用いて、次のような数学式４を誘導することができる。すなわち,
［数４］
Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ） ＝ Ｃ５ｋ５ + Ｃ４ｋ４ + Ｃ３ｋ３ + Ｃ２ｋ２ + Ｃ１ｋ + Ｃ０ （Ｃ５ 〜 Ｃ０は、定数）
本発明の一実施例によると、上記数式４は次のように具体化して表される。
Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ） ＝ −１６.３９８６ｋ５ + １５.００２６ｋ４ + １３.３０７ｋ３ − ８.３８６９８ｋ２ − ７.９６２８９ｋ + ８２.３０２８
上記式において、ｋは、累積放電容量であって[０,３０００００]の範囲にあり、関数に入力値として入力される場合、[−１,１]の範囲の値に変わって入力される（すなわちｋ' ＝ [−１,１]）。例えば、ｋが０であれば、ｋ'は−１になり、ｋが１５０,０００であれば、ｋ'は０になり、ｋが３００,０００であれば、ｋ'は１の値を有する。すなわち、比例的にスケールを減らして入力することができる。
数式２及び数式４を数式１に代入すれば、バッテリーの最大充放電出力を次のような式で推定することができる。
［数５］
Ｐｏｗｅｒｍａｘ ＝ { Ｆ（ｔｅｍｐ）５ × ＳＯＣ５ + Ｆ（ｔｅｍｐ）４ × ＳＯＣ４ + Ｆ（ｔｅｍｐ）３ × ＳＯＣ３ + Ｆ（ｔｅｍｐ）２ × ＳＯＣ２ + Ｆ（ｔｅｍｐ）１ × ＳＯＣ + Ｆ（ｔｅｍｐ）０} × Ｃ５ｋ５ + Ｃ４ｋ４ + Ｃ３ｋ３ + Ｃ２ｋ２ + Ｃ１ｋ + Ｃ０
すなわち、バッテリーの出力に影響を及ぼす各変数に応じたバッテリーの出力を抽出して両者間の相関関係を利用すれば、数学式５を通じてバッテリーの充放電出力が正確に推定できるようになる。
上記過程を通じて推定された最大充放電出力値はバッテリー管理システム（ＢＭＳ）を介してハイブリッド電気自動車の車両制御装置に伝達されてバッテリーの充放電出力を制御するようになる。
＜実施例＞
本発明者らは本発明のバッテリー出力推定方法の正確性を検証するための実験を行い、図５及び図６に示したような結果を得た。
すなわち、図５及び図６は、２５℃における実際の最大充放電出力と、前述した推定式を通じて推定された最大出力とを比較したグラフである。グラフから、約２.２％の誤差しかないことが分かる。これくらいの誤差は実際にバッテリーの充放電出力を制御する際に許容可能な範囲の誤差である。つまり、実際の出力とほぼ等しいバッテリーの最大出力が推定できることを示している。
［産業上の利用可能性］
上記のように、本発明によると、ハイブリッド電気自動車に装着されるバッテリーの出力に影響を及ぼすＳＯＣ、温度、自動車の走行の際にバッテリーの容量が放電されることによる出力の退化率を全て考慮して、バッテリーの出力を予め正確に推定することで、バッテリーの利用率を向上させバッテリーの過充電及び過放電を防止することができる。
本発明は特定の好適な実施形態を参照して示され、説明されたが、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。
本発明の一実施例に従って、累積放電容量とバッテリーの出力退化率との関係を示す図面である。 本発明の一実施例に従って、バッテリーの残存容量（ＳＯＣ）とバッテリーの最大充放電出力の関係を示す図面である。 本発明の一実施例に従って、温度とバッテリーの最大出力との関係を示す図面である。 本発明の一実施例に従って、自動車が走行する際に放電されたバッテリーの容量と出力退化率の実験例を示すグラフである。 ２５℃におけるバッテリーの実際の最大充放電出力と、本発明の一実施例に従って推定されたバッテリーの最大出力を比較したグラフである。 ２５℃におけるバッテリーの実際の最大充放電出力と、本発明の一実施例に従って推定されたバッテリーの最大出力を比較したグラフである。

Claims (4)

  1. ハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法であって、
    上記自動車が運行できる複数のバッテリー充電状態（ＳＯＣ）及び複数の温度（ｔｅｍｐ）に応じたバッテリーの最大出力を抽出してその相関関係を算出する段階と、
    上記自動車の走行の際にバッテリーの累積放電容量（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）に応じたバッテリーの最大出力の退化率を抽出して両者の相関関係を算出する段階と、
    上記それぞれの段階を通じて得られる相関関係に基づいて、バッテリーの最大出力（Ｐｏｗｅｒｍａｘ）を次の関数を通じて推定する段階とを含むことを特徴とするハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法。
    Ｐｏｗｅｒｍａｘ ＝ Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ, ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）
    ＝ Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ） × Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）
    上記式において、Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ）は複数のバッテリー充電状態（ＳＯＣ）及び複数の温度（ｔｅｍｐ）に応じたバッテリーの最大出力を抽出して算出された相関関係に基づいた関数であり、Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）はバッテリーの累積放電容量（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）に応じたバッテリーの最大出力の退化率を抽出して算出された相関関係に基づいた関数であって、Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ） ＝ Ｃ５ｋ５ + Ｃ４ｋ４ + Ｃ３ｋ３ + Ｃ２ｋ２ + Ｃ１ｋ + Ｃ０で表され、上記式において、Ｃ５ 〜 Ｃ０は定数であり、ｋは、 [０,３０００００]の範囲にあるバッテリーの累積放電容量が[−１,１]の範囲の値に変わった値である。
  2. 上記関数においてＦ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ）は、次の関係式を通じて計算されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法。
    Ｆ（ＳＯＣ, ｔｅｍｐ） ＝ Ｆ（ｔｅｍｐ）５ × ＳＯＣ５ + Ｆ（ｔｅｍｐ）４ × ＳＯＣ４ + Ｆ（ｔｅｍｐ）３ × ＳＯＣ３ + Ｆ（ｔｅｍｐ）２ × ＳＯＣ２ + Ｆ（ｔｅｍｐ）１ × ＳＯＣ + Ｆ（ｔｅｍｐ）０，
    上記式において、Ｆ（ｔｅｍｐ）０、Ｆ（ｔｅｍｐ）１、Ｆ（ｔｅｍｐ）２、Ｆ（ｔｅｍｐ）３、Ｆ（ｔｅｍｐ）４及びＦ（ｔｅｍｐ）５は、温度に関する関数であって、各々のＦ（ｔｅｍｐ）は下記のような式で表される。
    Ｆ（ｔｅｍｐ）＝ Ｄ２ × ｔｅｍｐ２ + Ｄ１ × ｔｅｍｐ１ + Ｄ０（Ｄ０〜Ｄ２は定数）
  3. 上記バッテリーの放電容量に応じた出力の退化率は、次の式により表されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法。
    Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ） ＝ − １６.３９８６ｋ５ + １５.００２６ｋ４ + １３.３０７ｋ３ − ８.３８６９８ｋ２ − ７.９６２８９ｋ + ８２.３０２８
  4. 上記推定された最大出力値をバッテリー管理システム（ＢＭＳ）を介して上記ハイブリッド電気自動車の車両制御装置に伝達してバッテリーの充放電出力を制御する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド電気自動車用バッテリーの最大出力推定方法。
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