JP5040065B2 - バッテリ充放電制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、バッテリの充放電を制御するバッテリ充放電制御装置に関し、特に、バッテリの性能劣化を抑制可能なバッテリ充放電制御装置に関する。

通常、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）やハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の車両において、電気エネルギーによる駆動力は、高電圧の電池から供給される直流電力をインバータによって３相交流電力に変換し、これにより３相交流モータを回転させることにより得ている。また、車両の減速時には、逆に３相交流モータの回生発電により得られる回生エネルギーを電池に蓄電することにより、エネルギーを無駄なく利用して走行している。

このような電池としては、車両の走行に関わるため、その信頼度の高いことが求められる。電池の信頼度を保証するためには、電池の性能の劣化を抑え、電池の寿命を向上させることが望ましい。

しかしながら、電池の寿命は、電池の使用環境によって著しく異なる。詳細には、車両の走行時において、電池が充電されると、化学反応による反応熱が発生して電池温度が上昇する。この電池温度の上昇によって、電池の性能が劣化し、電池の寿命が短命化する。特に、過度の充電は、電池の性能の劣化を加速する要因となる。

また、電池の寿命は、その設置された環境の周辺温度によっても大きく影響されることが知られている。詳細には、電池の寿命は、設置された環境の温度が低いほど長くなり、逆に高くなると短くなる。

そこで、従来から、電池の性能劣化を抑え、その寿命を延長させることを目的とした電池の充放電制御装置が多数提案されている（たとえば特許文献１〜５参照）。

たとえば特許文献１は、バッテリの劣化速度を配慮した充放電の制御が可能な自動車用のバッテリ充放電制御装置を開示する。詳細には、自動車用のバッテリ充放電制御装置は、バッテリの充電量に応じたバッテリの定格充放電範囲内でバッテリの充放電を制御する充放電制御手段と、バッテリの定格充放電範囲よりも狭い範囲内でバッテリの充放電を制御する充放電制限制御手段と、充放電制御手段の実行と充放電制限制御手段の実行とを選択する選択手段とを備える。

これによれば、充放電制限制御手段を実行している間は、バッテリの劣化速度を抑制してバッテリへの負担を軽減することができることから、バッテリの寿命を延ばすことが可能となる。
特開２００３−１９９２１１号公報 特開平１１−２９９００４号公報 特開平５−１５３７０３号公報 特開２００４−１８６０８７号公報 特開平１１−１０３５０３号公報

しかしながら、こうした充放電制御装置においては、バッテリの充電量は、所定の制御範囲内に制御されるものの、その制御範囲内の上限に達する頻度が相対的に高い場合と、相対的に低い場合とでは、バッテリの劣化速度に著しい差が生じてしまう。すなわち、充電量が制御範囲の上限に達する頻度が高くなるほど、その分化学反応が活発になることから、バッテリの劣化速度が速くなり、バッテリの寿命を縮めることになる。

なお、このような頻度の違いは、主として運転者による車両の使用状況に起因する。詳細には、頻繁にバッテリが充電されるような車両の使用状況であれば、たとえ充電量が制御範囲内にあっても、制御範囲の上限に達する頻度が相対的に高いことが予想される。しかしながら、従来のバッテリ充放電制御装置においては、バッテリの充電量における頻度の違いまでも考慮した構成になっていない。したがって、いかなる車両の使用状況においても、一様にバッテリの寿命を延長させることは困難であった。

それゆえ、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、バッテリの性能劣化を抑制可能なバッテリ充電制御装置を提供することである。

この発明のある局面によれば、バッテリ充放電制御装置は、車両に搭載され、充放電可能に構成される。バッテリ充放電制御装置は、バッテリの充電量を検出または推定する充電量検出手段と、充電量が制御範囲内に位置するようにバッテリの充放電を制御する充放電制御手段と、車両の走行期間を含むように設定された第１の期間において、充電量が制御範囲の上限に達する頻度を検出する頻度検出手段とを備える。充放電制御手段は、頻度が所定のしきい値を超えたと判定されると、第１の期間の終了後であって、車両の走行期間を含むように設定された第２の期間において、制御範囲の上限が、第１の期間における制御範囲の上限よりも低くなるようにバッテリの充放電を制御する。

これによれば、バッテリの充電量が制御範囲の上限に達する頻度が抑えられることにより、バッテリの性能劣化を抑制することができる。その結果、バッテリの寿命を延長することができる。なお、頻度は第２の期間において、一時的に抑えられることから、バッテリを動力源とするモータの駆動性能は損なわれない。

好ましくは、充放電制御手段は、制御範囲の上限が第１の充電量となるように、充電量とバッテリに入力可能な電力との間に、充電量が第１の充電量となるときにバッテリの充電が停止されるように予め設定された第１の関係を有し、第１の期間および頻度が所定のしきい値以下と判定されたときの第２の期間において、第１の関係に基づいて、検出された充電量に対応するバッテリに入力可能な電力を決定する第１の入力電力決定手段と、制御範囲の上限が前記第１の充電量よりも小さい第２の充電量となるように、充電量とバッテリに入力可能な電力との間に、所定の充電量に対するバッテリに入力可能な電力が、第１の関係において同じ充電量に対して設定されるバッテリに入力可能な電力以下であって、かつ、充電量が第１の充電量よりも小さい第２の充電量となるときにバッテリの充電が停止されるように予め設定された第２の関係を有し、頻度検出手段により頻度が所定のしきい値を超えたと判定されると、第２の期間において、第２の関係に基づいて、検出された充電量に対応するバッテリに入力可能な電力を決定する第２の入力電力決定手段と、バッテリに入力される電力が決定されたバッテリに入力可能な電力を超えないように、バッテリの充電を制御する充電制御手段とを含む。

特に、充電量が制御範囲の上限に達する頻度が相対的に高いときには、相対的に低いときに対してバッテリに入力可能な電力を制限することによって、充電量が制御範囲の上限に達する頻度を抑えることができる。

好ましくは、第１の関係は、充電量が第１の充電量よりも小さい第３の充電量に達すると、充電量の増加に従ってバッテリに入力可能な電力が減少するように設定される。第２の関係は、充電量が第３の充電量よりも小さい第４の充電量に達すると、充電量の増加に従ってバッテリに入力可能な電力が減少するとともに、バッテリに入力可能な電力が第１の関係において同じ充電量に対して設定されるバッテリに入力可能な電力よりも小さくなるように設定される。

これによれば、充電量が制御範囲の上限に達する頻度が相対的に高いときには、頻度が相対的に低いときに対して、バッテリに入力可能な電力を制限するタイミングが早められる。これにより、充電量が制御範囲の上限に達する頻度が抑えられる。

好ましくは、第１の関係は、充電量が第１の充電量よりも小さい第３の充電量に達すると、充電量の増加に従ってバッテリに入力可能な電力が第１の変化率で減少するように設定される。第２の関係は、充電量が第３の充電量に達すると、充電量の増加に従ってバッテリに入力可能な電力が第１の変化率よりも大きい第２の変化率で減少するとともに、バッテリに入力可能な電力が第１の関係において同じ充電量に対して設定されるバッテリに入力可能な電力よりも小さくなるように設定される。

これによれば、充電量が制御範囲の上限に達する頻度が相対的に高いときには、頻度が相対的に低いときに対して、バッテリに入力可能な電力を制限するときの変化率を大きくすることによって、充電量が制御範囲の上限に達する頻度を抑えることができる。

好ましくは、充放電制御手段は、第１の期間において制御範囲の上限値を第１の充電量に設定する一方で、第１の期間における頻度が所定のしきい値を超えたと判定されたときには、第２の期間において、制御範囲の上限を第１の充電量よりも低い第２の充電量に設定する。

あるいは、充電量が制御範囲の上限に達する頻度が相対的に高いときには、制御範囲の上限を、頻度が相対的に低いときに対して低くなるように設定することによっても、充電量が制御範囲の上限に達する頻度を抑えることができる。

この発明によれば、バッテリの充電量が制御範囲の上限に達する頻度が抑えられることにより、バッテリの性能劣化を抑制することができる。その結果、バッテリの寿命を延長することができる。なお、頻度は第２の期間において、一時的に抑えられることから、バッテリを動力源とするモータの駆動性能は損なわれない。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従うバッテリ充放電制御装置を搭載した車両を示す制御ブロック図である。

図１を参照して、車両１０は、エンジンおよびモータを動力源とするハイブリッド車両であり、エンジンＥＮＧと、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、インバータ１２と、バッテリＢと、動力分割機構１４と、減速機１６と、車輪１８と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electrical Control Unit）２６とを備える。

エンジンＥＮＧは、ガソリンなどの燃料の燃焼エネルギーを源として駆動力を発生する。エンジンＥＮＧの発生する駆動力は、図１の太斜線で示すように、動力分割機構１４により、２つの経路に分割される。一方は、減速機１６を介して車輪１８を駆動する駆動軸１９に伝達する経路である。もう一方は、モータジェネレータＭＧ１へ伝達する経路である。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、発電機としても電動機としても機能し得るが、以下に示すように、モータジェネレータＭＧ１は、主として発電機として動作し、モータジェネレータＭＧ２は、主として電動機として動作する。

詳細には、モータジェネレータＭＧ１は、三相交流回転機であり、加速時において、エンジンＥＮＧを始動する始動機として用いられる。このとき、モータジェネレータＭＧ１は、バッテリＢからの電力の供給を受けて電動機として駆動し、エンジンＥＮＧをクランキングして始動する。

さらに、エンジンＥＮＧの始動後において、モータジェネレータＭＧ１は、動力分割機構１４を介して伝達されたエンジンＥＮＧの駆動力によって回転されて発電する。

モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、車両１０の運転状態やバッテリＢの充電量（ＳＯＣ：State of Charge）によって使い分けられる。たとえば、通常走行時や急加速時においては、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、そのままモータジェネレータＭＧ２を駆動させる電力となる。一方、バッテリＢのＳＯＣが所定の値よりも低いときには、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、インバータ１２によって交流電力から直流電力に変換されて、バッテリＢに蓄えられる。

モータジェネレータＭＧ２は、三相交流回転機であり、バッテリＢに蓄えられた電力およびモータジェネレータＭＧ１が発電した電力の少なくともいずれか一方によって駆動される。モータジェネレータＭＧ２の駆動力は、減速機１６を介して車輪１８の駆動軸１９に伝達される。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、エンジンＥＮＧをアシストして車両１０を走行させたり、自己の駆動力のみによって車両１０を走行させたりする。

また、車両１０の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ２は、減速機１６を介して車輪１８により回転されて発電機として動作する。このとき、モータジェネレータＭＧ２により発電された回生電力は、インバータ１２を介してバッテリＢに充電される。

なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合との回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。

バッテリＢは、走行用バッテリであって、たとえばニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの２次電池を多数直列に接続して構成される高電圧のバッテリである。

電圧センサ２２は、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧ＶｂをＥＣＵ２６へ出力する。

電流センサ２４は、バッテリＢを流れる直流電流Ｉｂを検出し、その検出した直流電流ＩｂをＥＣＵ２６へ出力する。

ＥＣＵ２６は、車両１０を運転者の指示に応じて運転させるために、車両１０に搭載された機器・回路群の全体動作を制御する。詳細には、ＥＣＵ２６に内蔵される図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）において、車両１０の運転状態やアクセルの踏込み量の変化率、スロットル開度、シフトポジション、バッテリＢのＳＯＣなどの各種情報を、所定のプログラムに基づいて演算処理を行ない、演算処理結果としての制御信号を機器・回路群に対して出力する。

以上のように、この発明による車両１０によれば、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を力行モードで駆動させるときに必要な電力は、主としてバッテリＢに蓄えられている電力を用いる。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を回生モードで駆動させたときに発電した電力は、主としてバッテリＢに充電される。

ここで、バッテリＢにおいては、過大な電力がバッテリＢから持ち出されること、あるいは過大な電力がバッテリＢに持ち込まれることによって、バッテリＢの性能が劣化し、寿命が短命化することが知られている。したがって、電池性能の劣化を防ぐためには、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動させたときに、バッテリＢに入出力される電力が、バッテリＢに入出力可能な電力を超えないように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２全体でのパワー収支を調整する必要がある。

そこで、この発明は、ＥＣＵ２６において、バッテリＢのＳＯＣに所定の制御範囲を設け、ＳＯＣが常にこの制御範囲内に位置するように、バッテリＢに入力可能な電力（以下、電池入力ＷＩＮとも称する）とバッテリＢから出力可能な電力（以下、電池出力ＷＯＵＴとも称する）とを制御する構成とする。このときの所定の制御範囲は、所定のＳＯＣ（たとえば６０％）を中心値として、制御下限（たとえば２０％）および制御上限（たとえば８０％）が設定される。本構成において、ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行モードで駆動するのに必要な電力が電池出力ＷＯＵＴを超えないように、インバータ１２を駆動制御する。また、ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を回生モードで駆動させたときに発電した電力が電池入力ＷＩＮを超えないように、インバータ１２を駆動制御する。すなわち、この発明において、ＥＣＵ２６は、バッテリＢの充放電を制御するバッテリ充放電制御装置を構成する。そして、ＥＣＵ２６により充放電が制御された結果、バッテリＢは、ＳＯＣが常に制御範囲内に位置するように保持される。これにより、バッテリＢに対して過大な電力が入出力されるのが防止される。

しかしながら、以上のような充放電制御の構成においては、バッテリＢのＳＯＣが制御範囲内に位置するように調整されるものの、運転者による車両の使用状況の違いによってバッテリＢの状態に著しい差が現われる。そのため、一律にバッテリＢの信頼度を保証することが困難となるという問題が生じる。以下に、この問題について詳述する。

図２は、電池入力ＷＩＮとバッテリＢの状態との関係を説明するための波形図である。なお、本図において、バッテリＢの状態としては、ＳＯＣとバッテリＢの内圧（以下、電池内圧とも称する）とが示される。また、電池入力ＷＩＮは、バッテリＢから出力される電力を正の電力としたことに応じて、負の電力で表わされる。

図２を参照して、車両１０が走行状態であるときの時刻ｔ＝ｔ０において、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）が回生モードで駆動されると、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）において発電した電力は、バッテリＢに入力される。バッテリＢの充電に応じて、バッテリＢのＳＯＣは中心値付近から次第に増加する。やがて、ＳＯＣは、ＳＯＣが中心値に対して相対的に高い領域である高ＳＯＣ領域に到達する。高ＳＯＣ領域とは、図２において、制御範囲のうちの制御上限（ＳＯＣ＝α％とする）付近の領域であり、ＳＯＣがβ％≦ＳＯＣ≦α％となる領域である（ただし、０＜β＜α）。

ＥＣＵ２６では、図示しないＣＰＵが、電流センサ２４にて検出される直流電流Ｉｂおよび電圧センサ２２にて検出される直流電圧Ｖｂに基づいて、バッテリＢのＳＯＣの検出を行なう。そして、ＣＰＵは、検出されたＳＯＣが制御範囲を超えないように、電池入力ＷＩＮを制御する。

詳細には、図２に示すように、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域の下限値β％に達したことに応じて、電池入力ＷＩＮは、初期値から徐々に減少するように制御される。ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）で発電される電力が制御された電池入力ＷＩＮを超えないように、インバータ１２を駆動制御する。インバータ１２の駆動制御は、具体的には、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）に要求される動力（この場合は、負の動力、すなわち回生動力に相当）が、バッテリＢの電池入力ＷＩＮを超えているときには、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）で発電される電力を小さくする旨のスイッチング制御信号をインバータ１２に出力することにより行なわれる。これにより、バッテリＢに流れ込む直流電流Ｉｂは次第に低減し、ＳＯＣは、制御上限α％に収束する。

そして、ＳＯＣが制御上限α％に達すると、電池入力ＷＩＮは０に設定される。これにより、バッテリＢの充電が停止される。その後、電池入力ＷＩＮは、ＳＯＣが制御上限α％を下回るタイミングまで、０に固定され続ける。やがて、ＳＯＣが制御上限α％を下回ったと判断されると、ＣＰＵは、再び電池入力ＷＩＮを増加させてバッテリＢの充電を再開する。

以上のような電池入力ＷＩＮの制御は、イグニッションスイッチ（図示せず）がオンされて車両システムが起動してからイグニッションスイッチがオフされて車両システムが停止するまでのトリップの期間中において、ＳＯＣの変動に応じて繰り返される。その結果、ＳＯＣは制御上限α％を超えることなく、制御範囲内に保持される。

なお、図示は省略するが、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）を力行モードで駆動させるときにおいても同様に、ＳＯＣが中心値に対して相対的に低い領域に達すると、ＥＣＵ２６は、ＳＯＣが制御範囲の下限を下回らないように、電池出力ＷＯＵＴを制御する。そして、ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）から出力される電力が電池出力ＷＯＵＴを超えているときには、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）から出力される電力を小さくする旨のスイッチング制御信号をインバータ１２に出力する。

ここで、上述したバッテリＢの充電制御において、電池内圧に着目すると、電池内圧は、図２に示すように、バッテリＢの充電時には、ＳＯＣの増加に伴なって、電池内圧＝０［ＨＰａ］から次第に上昇する波形を示す。そして、電池内圧は、ＳＯＣが制御上限α％のときにおいて最大値を示す。電池内圧の上昇は、バッテリＢの充電動作において、電池内部に起きた化学反応によって気体（水素、酸素）が発生することによる。そして、電池入力ＷＩＮが０となり、バッテリＢの充電動作が停止すると、発生した気体が吸収されることによって、電圧内圧は下降する。

ところが、バッテリＢの充電を再開したタイミングから所定の期間内において、ＳＯＣが充電開始時のＳＯＣ（中心値に相当）まで戻るのに対して、電池内圧は、図中の点Ｐ１で示すように、同じ期間内では、元の０［ＨＰａ］まで戻ることができない。そして、この状態において、さらにモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）が回生モードで駆動すると、バッテリＢは再び充電され始める。そして、バッテリＢが充電されることにより、ＳＯＣが再び増加するとともに、電池内圧も上昇する。このときの電池内圧は、前回の充電動作後において完全に０［ＨＰａ］に戻っておらず、この電池内圧を起点としてさらに電池内圧が上昇することから、今回の充電動作における電池内圧の最大値は、前回の最大値に対して、より高い圧力値となる。このようなバッテリＢの充電が１回のトリップの期間中において繰り返し行なわれると、電池内圧の最大値は、充電されるたびに上昇し、最終的には、バッテリＢの安全弁の開弁圧の下限値にまで達することになる。そして、最悪の場合、電池内圧によってバッテリＢの安全弁の開弁が繰り返されると、バッテリＢ内部の電解液の減少などにより、内部抵抗の増加や電池容量の低下を併発する。その結果、バッテリＢが性能劣化し、寿命が短命化されるおそれがある。

以上のように、１回のトリップにおいて、ＳＯＣが制御上限α％に達するまで充電されるような車両１０の走行が頻繁に繰り返されるような車両１０の使用状況では、電池内圧の最大値が徐々に上昇し、バッテリＢの短命化を招いてしまう。このような車両１０の使用状況としては、比較的長い期間の登坂および降坂が繰り返し行なわれるような走行が該当する。すなわち、バッテリＢの性能および寿命は、たとえＳＯＣが制御範囲内に保持されていても、運転者による車両１０の使用状況によって著しい差が生じるといえる。

そこで、本実施の形態では、バッテリＢのＳＯＣに基づいて電池入力ＷＩＮを制御するのに加えて、かかる車両１０の使用状況の違いを考慮し、バッテリＢを劣化させるような車両１０の使用状況においては、さらに電池入力ＷＩＮを制限する構成とする。

より詳細には、図１を参照して、ＥＣＵ２６は、車両１０がトリップを開始したタイミングに応答して、バッテリＢのＳＯＣの検出を開始する。ＳＯＣの検出は、ＥＣＵ２６が、電流センサ２４から直流電流Ｉｂを受け、電圧センサ２２から直流電圧Ｖｂを受けると、これらの入力値に基づいてＳＯＣを推定することにより行なわれる。ＳＯＣの推定の具体的な方法としては、直流電流Ｉｂを積算してＳＯＣを推定する、あるいは直流電圧ＶｂとＳＯＣとの比例関係からＳＯＣを推定する方法が採用される。さらに、これらの方法によってそれぞれ推定されたＳＯＣからバッテリＢの電池温度などに応じて適宜選択すること、もしくはそれぞれのＳＯＣの推定値に重み付けを行なうことによって最終的なＳＯＣを推定しても良い。なお、他の方法として、バッテリＢにＳＯＣを検出するためのセンサを配し、当該センサにより直接ＳＯＣを検出するように構成しても良い。

そして、ＥＣＵ２６は、検出されたＳＯＣに基づいて、電池入力ＷＩＮを決定する。電池入力ＷＩＮの決定は、具体的には、ＥＣＵ２６が、予めバッテリＢのＳＯＣと電池入力ＷＩＮとの間に図３に示す関係をマップとして保持しており、検出されたＳＯＣに対応する電池入力ＷＩＮを読み出すことにより行なわれる。

図３は、バッテリＢのＳＯＣと電池入力ＷＩＮとの関係を示す図である。

図３を参照して、図中の細実線で示される関係は、標準的な車両１０の使用状況を想定して設定された関係である。一方、太実線で示される関係は、上述したＳＯＣが制御上限α％に達するまで充電される頻度が相対的に高い車両１０の使用状況を想定して設定された関係である。

最初に、細実線を参照して、標準的な車両１０の使用状況においては、電池入力ＷＩＮは、ＳＯＣが相対的に低いとき（たとえば中心値付近）においては、所定の初期値に設定される。この初期値は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）に要求される回生動力と略等しい電力レベルを示す。すなわち、電池入力ＷＩＮは、ＳＯＣが中心値付近を示すときには、ＳＯＣによる制限を受けない。

そして、バッテリＢの充電が進み、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域の下限値β％を超えると、電池入力ＷＩＮは、ＳＯＣが増加するにつれて減少するように設定される。ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）で発電される電力が、この電池入力ＷＩＮを超えないように、インバータ１２を駆動制御する。

これに対して、ＳＯＣが制御上限α％に達するまで充電される頻度が相対的に高い車両１０の使用状況においては、図中の太実線で示すように、電池入力ＷＩＮが、より早いタイミングで減少するように設定される。すなわち、電池入力ＷＩＮは、高ＳＯＣ領域の下限値β％よりも低いＳＯＣに達したことに応じて減少し始める。このような電池入力ＷＩＮの制限を行なうことにより、ＳＯＣは、増加が抑えられ、制御上限α％に達する頻度が減少する。その結果、バッテリＢは、性能劣化および寿命の短命化から保護される。

図４は、この発明の実施の形態１によるバッテリ充放電制御装置により得られる電池入力ＷＩＮとバッテリＢのＳＯＣとの関係を説明するための波形図である。なお、図中の電池入力ＷＩＮにおいて、細実線で示す波形は、上述した電池入力ＷＩＮの制限を行なわないとき（制限なしに相当）に得られる波形である。一方、太実線で示す波形は、電池入力ＷＩＮの制限を行なったとき（制限ありに相当）に得られる波形である。そして、図中のＳＯＣは、電池入力ＷＩＮの制限ありのときに得られる波形に該当する。

図４を参照して、制限ありのときの電池入力ＷＩＮは、太実線で示すように、ＳＯＣがβ％に達するよりも早いタイミングから減少し始める。そして、電池入力ＷＩＮは、ＳＯＣが制御上限α％に達するよりも早いタイミングで０となる。これにより、バッテリＢの充電動作が停止される。このように電池入力ＷＩＮが制限されたことによって、ＳＯＣは、制御上限α％よりも低いＳＯＣで最大となる。さらに、電池入力ＷＩＮが０から再び増加するタイミングについても、電池入力ＷＩＮの制限なしのときのタイミングに対して遅くなる。

このように、電池入力ＷＩＮを制限することによって、バッテリＢの充電動作が停止されるタイミングが早められるとともに、充電動作が開始されるタイミングが遅らされる。これによれば、電池入力ＷＩＮの制限なしのときと制限ありのときとの間に運転者による車両１０の使用状況に大きな変化がないときであっても、バッテリＢのＳＯＣが制御上限α％にまで達する頻度は抑えられることとなる。したがって、バッテリＢの性能劣化が抑えられ、バッテリＢの寿命を延ばすことができる。

以下に、このように構成されたこの発明によるバッテリ充放電制御装置の動作について説明する。図５は、バッテリ充放電制御装置を構成するＥＣＵ２６により実行されるバッテリの充電制御を説明するためのフローチャートである。

図５を参照して、車両１０のトリップが開始されたことに応じて（ステップＳ０１）、ＥＣＵ２６は、バッテリＢのＳＯＣを検出する（ステップＳ０２）。このとき、ＣＰＵは、電流センサ２４により検出される直流電流Ｉｂを積算して得られるＳＯＣの値を、電圧センサ２２により検出される直流電圧Ｖｂとそのときの直流電流Ｉｂとの関係から得られるＳＯＣの値で補正することによって得られる値をＳＯＣとする。なお、バッテリＢにＳＯＣを検出するセンサを配し、ＥＣＵ２６が当該センサからの入力値をＳＯＣとするように構成しても良い。

次に、ＥＣＵ２６は、検出されたＳＯＣに基づいて、車両１０の使用状況を判断する。具体的には、ＥＣＵ２６は、ＳＯＣが制御上限α％以上であるか否かを判定し（ステップＳ０３）、ＳＯＣが制御上限α％以上であると判定されると、内部のカウンタ（図示せず）のカウント値ＣＮＴをインクリメントする（ステップＳ０４）。一方、ＳＯＣが制御上限α％を下回ると判定されると、カウント値ＣＮＴを保持する。そして、ＥＣＵ２６は、トリップが終了するタイミングまで、ステップＳ０２，Ｓ０３に示されるＳＯＣの検出動作と検出したＳＯＣが制御上限α％に達した回数のカウント動作とを継続する。

そして、トリップが終了すると（ステップＳ０５）、ＥＣＵ２６は、カウント値ＣＮＴが所定のしきい値ＣＮＴ＿ｓｔｄ以上であるか否かを判定する（ステップＳ０６）。このとき、ＥＣＵ２６は、カウント値ＣＮＴが所定のしきい値ＣＮＴ＿ｓｔｄ以上であると判定されると、車両１０の使用状況が、バッテリＢがＳＯＣの制御上限α％まで充電される頻度の高い使用状況であると判断する。すなわち、ＥＣＵ２６は、バッテリＢが劣化されやすい車両１０の使用状況であると判断する。そして、ＥＣＵ２６は、かかる車両１０の使用状況の判断結果が得られると、次回のトリップにおいて電池入力ＷＩＮの制限を行なう（ステップＳ０７）。電池入力ＷＩＮの制限は、図３に説明したように、図中の太実線で示されるＳＯＣと電池入力ＷＩＮとの関係に基づいて電池入力ＷＩＮを決定することにより行なわれる。そして、ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）で発電される電力が決定した電池入力ＷＩＮを超えないようにインバータ１２を駆動制御する。

一方、ステップＳ０６において、カウント値ＣＮＴが所定のしきい値ＣＮＴ＿ｓｔｄよりも小さいと判定されると、ＥＣＵ２６は、車両１０の使用状況が、バッテリＢがＳＯＣの制御上限α％まで充電される頻度の低い使用状況であると判断する。すなわち、ＥＣＵ２６は、バッテリＢが劣化されにくい車両１０の使用状況であると判断する。そして、ＥＣＵ２６は、かかる車両の使用状況の判断結果が得られると、次回のトリップにおいて電池入力ＷＩＮを行なわない（ステップＳ０８）。このときの電池入力ＷＩＮは、図３の細実線で示されるＳＯＣと電池入力ＷＩＮとの関係に基づいて決定される。

図５に示すバッテリＢの充電制御は、トリップごとに車両１０の使用状況が判断され、その判断結果に基づいて次回のトリップにおける電池入力ＷＩＮの制限の要否が決定される。これによれば、車両１０の使用状況に応じて一時的に電池入力ＷＩＮが制限されることから、バッテリＢの電池内圧の上昇が抑えられ、バッテリＢの短命化を防止することができる。

また、図５のフローチャートでは、ＥＣＵ２６は、１回のトリップごとにＳＯＣが制御上限α％に達する頻度をカウントした結果に基づいて車両１０の使用状況を判断し、次回のトリップにおいて電池入力ＷＩＮを制限する構成としたが、これに限らず、一日ごとに車両１０の使用状況を判断して、翌日以降において電池入力ＷＩＮを制限する構成としても良い。

［変更例］
電池入力ＷＩＮを制限するための具体的な手段としては、図３および図４で示したように、バッテリＢの充電を停止するタイミングを早くし、かつ充電を再開するタイミングを遅くするという構成以外に、本変更例で示すように、電池入力ＷＩＮの変化率を増加させる構成によっても、同様の効果を得ることができる。

図６は、バッテリの充電量ＳＯＣと、電池入力ＷＩＮとの関係を示す図である。

図６を参照して、図中の細実線で示される関係は、電池入力ＷＩＮの制限なしのときの関係である。一方、太実線で示される関係は、電池入力ＷＩＮの制限ありのときの関係である。

図６から明らかなように、電池入力ＷＩＮは、制限ありのときにおいても、制限なしのときと同様に、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域の下限β％に達すると減少し始める。しかしながら、同じＳＯＣにおける電池入力ＷＩＮは、制限ありのときが制御なしのときよりもＳＯＣの変化率が大きくなるように設定される。これにより、電池入力ＷＩＮは、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域の下限β％に達すると、制限なしのときよりも高い速度で減少する。そして、電池入力ＷＩＮは、制御上限α％よりも低いＳＯＣで０となる。

このような構成とすることにより、制限ありのときの電池入力ＷＩＮは、図７に示すような波形を示すことになる。図７は、本変更例によるバッテリ充放電制御により得られる電池入力ＷＩＮの波形図である。なお、図中の細実線で示す波形は、電池入力ＷＩＮの制限なしのときに得られる波形である。一方、太実線で示す波形は、電池入力ＷＩＮの制限ありのときに得られる波形である。

図７を参照して、制限ありのときの電池入力ＷＩＮは、太実線で示すように、ＳＯＣが制限なしのときと同じタイミングから減少し始めるが、ＳＯＣの変化率がより大きいことから、制限なしのときよりも早いタイミングで０となる。これにより、バッテリＢの充電動作が停止される。このように電池入力ＷＩＮが制限されたことによって、ＳＯＣは、制御上限α％よりも低いＳＯＣで最大となる。さらに、制限ありのときの電池入力ＷＩＮは、０から再び増加するタイミングが制限なしのときの電池入力ＷＩＮと同じとされるが、その増加量は制限なしのときの増加量に対して小さくなる。したがって、本変更例においても、バッテリＢのＳＯＣが制御上限α％に至る頻度が減少することから、電池内圧の上昇が抑えられ、バッテリＢの短命化が防止される。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、バッテリのＳＯＣが制御上限に達する頻度が抑えられることにより、バッテリの劣化を抑制することができる。その結果、バッテリの寿命をさらに延長することができる。

［実施の形態２］
先の実施の形態１は、電池入力ＷＩＮに一時的な制限を課すことにより、バッテリＢのＳＯＣが制御上限α％に達する頻度を抑え、バッテリＢの性能劣化および短命化を防止するものであった。本実施の形態では、さらに、バッテリＢのＳＯＣが制御上限α％に達する頻度を抑えるための別の手段について説明する。なお、本実施の形態によるバッテリ充放電制御装置は、実施の形態１と同様に、図１における車両１０のＥＣＵ２６により構成される。

図８は、この発明の実施の形態２によるバッテリ充放電制御装置により得られるバッテリＢのＳＯＣを説明するための波形図である。

図８を参照して、車両１０が走行状態にあるとき、ＳＯＣは、所定の制御範囲内において増減が繰り返される。このとき、たとえば比較的長い期間の登坂および降坂が繰り返し行なわれるような車両１０の走行状態においては、先述したように、バッテリＢが頻繁にＳＯＣが制御上限α％に至るまで充電される。その結果、ＳＯＣは、高ＳＯＣ領域に位置され続けることになる。これは、バッテリＢに対して、上述した電池内圧の上昇以外に、以下のような弊害をもたらす。

詳細には、ＳＯＣが制御範囲内に位置するときであっても、高ＳＯＣ領域（β％≦ＳＯＣ≦α％）にあるときには、電池本来の電気化学反応以外の副反応が相対的に起こりやすい。そのため、これらの反応に伴なう発熱量が、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域以外にあるときよりも大きくなることから、電池温度は高くなりやすい。そして、この電池温度の上昇は、さらに副反応を起こしやすくするため、電池温度をさらに上昇させる結果となる。したがって、バッテリＢが高ＳＯＣ領域にある状態が続くと、電池温度の高温化が進むことによって電池容量が低下する。そのため、バッテリＢは、モータ駆動用バッテリとして十分な電力を入出力することができなくなってしまう。

そこで、本実施の形態は、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域に位置する頻度を減らす手段として、図８に示すように、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域に位置する頻度が所定のしきい値を超えたときには、一時的にＳＯＣの制御上限を低下させることとする。

詳細には、ＥＣＵ２６は、車両１０が走行状態のとき、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域に位置する頻度Ｆとして、一定の期間ｔ１におけるＳＯＣが制御上限α％に位置する期間の割合を求める。図８において、頻度Ｆは、Ｆ＝（ｔａ＋ｔｂ＋ｔｃ）／ｔ１で表される。そして、ＥＣＵ２６は、求めた頻度Ｆが所定のしきい値を超えたと判定されると、所定の期間ｔ１に続く一定の期間ｔ２において、ＳＯＣの制御上限をα％からγ％（γ＜α）に低下させる。なお、所定の期間ｔ１および一定の期間ｔ２は、１トリップまたは１日といったように、予めＥＣＵ２６に設定しておくことができる。

そして、ＥＣＵ２６は、一定の期間ｔ２において、制御上限がγ％に変更されたＳＯＣの制御範囲に基づいて、電池入力ＷＩＮおよび電池出力ＷＯＵＴを決定する。ＥＣＵ２６は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の消費または発電する電力が、その決定された電池入力ＷＩＮおよび電池出力ＷＯＵＴを超えないように、インバータ１２を駆動制御する。これにより、ＳＯＣは、一定の期間ｔ２において、常に変更後の制御範囲内に位置することになる。

これによれば、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域に位置する頻度が低減されることから、電池温度の上昇が抑えられ、電池容量の低下を防止することができる。

図９は、この発明の実施の形態２によるバッテリ充放電制御装置を構成するＥＣＵ２６により実行されるバッテリの充電制御を説明するためのフローチャートである。

図９を参照して、車両１０のトリップが開始されたことに応じて（ステップＳ１１）、ＥＣＵ２６は、内部のタイマ手段（図示せず）を用いて、トリップ開始後の経過期間の計時を開始する（ステップＳ１２）。

ＥＣＵ２６は、さらにトリップが開始されたことに応じて、バッテリＢのＳＯＣを検出する（ステップＳ１３）。やがて、ＥＣＵ２６は、トリップ開始後からの経過期間（タイマ値ＴＩＭＥ）が一定の期間ｔ１に達したと判定されると（ステップＳ１４）、上述した方法に従って、ＳＯＣが高ＳＯＣ領域に位置する頻度Ｆを算出する（ステップＳ１５）。

次に、ＥＣＵ２６は、算出した頻度Ｆが所定のしきい値Ｆ＿ｓｔｄ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。このとき、頻度Ｆが所定のしきい値Ｆ＿ｓｔｄ以上であると判定されると、ＥＣＵ２６は、ＳＯＣの制御上限をα％よりも低いγ％に設定する（ステップＳ１７）。これにより、以降のトリップにおける一定の期間ｔ２において、ＥＣＵ２６は、制御上限をγ％とする変更後のＳＯＣの制御範囲に基づいて、バッテリＢの充放電制御を行なう。そして、ＥＣＵ２６は、タイマ手段をリセットして、新たにＳＯＣの制御範囲を変更したタイミングからの経過期間の計時を開始する（ステップＳ１８）。ＥＣＵ２６は、ステップＳ１９において、タイマ値ＴＩＭＥが一定の期間ｔ２に達したと判定されると、再びＳＯＣの制御上限をα％に設定する（ステップＳ２０）。そして、ＥＣＵ２６は、ステップＳ１２に戻り、以降のトリップにおける一定の期間ｔ１において、ＥＣＵ２６は、制御上限をα％とする本来のＳＯＣの制御範囲に基づいて、バッテリＢの充放電制御を行なう。

一方、ステップＳ１６において、頻度Ｆが所定のしきい値Ｆ＿ｓｔｄを下回ると判定されると、ＥＣＵ２６は、ＳＯＣの制御上限をα％に維持して（ステップＳ２０）、その後のトリップを継続する。この場合、ＥＣＵ２６は、さらに一定の期間ｔ１の経過したタイミングにおいて頻度Ｆを算出し、その算出した頻度Ｆに基づいて、ＳＯＣの制御上限を設定する。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、バッテリのＳＯＣの制御上限を一時的に低下することにより、バッテリが高ＳＯＣ領域に存在する頻度が抑えられる。これにより、バッテリの劣化が抑制されることから、バッテリの寿命をさらに延長することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、ハイブリッド自動車および電気自動車に搭載されるバッテリ充放電制御装置に適用することができる。

この発明の実施の形態１に従うバッテリ充放電制御装置を搭載した車両を示す制御ブロック図である。 電池入力ＷＩＮとバッテリＢの状態との関係を説明するための波形図である。 バッテリのＳＯＣと電池入力ＷＩＮとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１によるバッテリ充放電制御装置により得られる電池入力ＷＩＮとバッテリのＳＯＣとの関係を説明するための波形図である。 この発明の実施の形態１によるバッテリ充放電制御装置を構成するＥＣＵにより実行されるバッテリの充電制御を説明するためのフローチャートである。 バッテリの充電量ＳＯＣと、電池入力ＷＩＮとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１の変更例によるバッテリ充放電制御により得られる電池入力ＷＩＮの波形図である。 この発明の実施の形態２によるバッテリ充放電制御装置により得られるバッテリのＳＯＣを説明するための波形図である。 この発明の実施の形態２によるバッテリ充放電制御装置を構成するＥＣＵにより実行されるバッテリの充電制御を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 車両、１２ インバータ、１４ 動力分割機構、１６ 減速機、１８ 車輪、１９ 駆動軸、２２ 電圧センサ、２４ 電流センサ、２６ ＥＣＵ、Ｂ バッテリ、ＥＮＧ エンジン、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ。

Claims (5)

1. 車両に搭載され、充放電可能に構成されたバッテリの充放電制御装置であって、
   前記バッテリの充電量を検出または推定する充電量検出手段と、
   前記充電量が制御範囲内に位置するように前記バッテリの充放電を制御する充放電制御手段と、
   前記車両の走行期間を含むように設定された第１の期間において、前記充電量が前記制御範囲の上限に達する頻度を検出する頻度検出手段とを備え、
   前記充放電制御手段は、前記頻度が所定のしきい値を超えたと判定されると、前記第１の期間の終了後であって、前記車両の走行期間を含むように設定された第２の期間において、前記制御範囲の上限が、前記第１の期間における前記制御範囲の上限よりも低くなるように前記バッテリの充放電を制御する、バッテリ充放電制御装置。
2. 前記充放電制御手段は、
   前記制御範囲の上限が第１の充電量となるように、前記充電量と前記バッテリに入力可能な電力との間に、前記充電量が第１の充電量となるときに前記バッテリの充電が停止されるように予め設定された第１の関係を有し、前記第１の期間および前記頻度が前記所定のしきい値以下と判定されたときの前記第２の期間において、前記第１の関係に基づいて、検出された前記充電量に対応する前記バッテリに入力可能な電力を決定する第１の入力電力決定手段と、
   前記制御範囲の上限が前記第１の充電量よりも小さい第２の充電量となるように、前記充電量と前記バッテリに入力可能な電力との間に、所定の充電量に対する前記バッテリに入力可能な電力が、前記第１の関係において同じ充電量に対して設定される前記バッテリに入力可能な電力以下であって、前記充電量が前記第２の充電量となるときに前記バッテリの充電が停止されるように予め設定された第２の関係を有し、前記頻度検出手段により前記頻度が前記所定のしきい値を超えたと判定されると、前記第２の期間において、前記第２の関係に基づいて、検出された前記充電量に対応する前記バッテリに入力可能な電力を決定する第２の入力電力決定手段と、
   前記バッテリに入力される電力が決定された前記バッテリに入力可能な電力を超えないように、前記バッテリの充電を制御する充電制御手段とを含む、請求項１に記載のバッテリ充放電制御装置。
3. 前記第１の関係は、前記充電量が前記第１の充電量よりも小さい第３の充電量に達すると、前記充電量の増加に従って前記バッテリに入力可能な電力が減少するように設定され、
   前記第２の関係は、前記充電量が前記第３の充電量よりも小さい第４の充電量に達すると、前記充電量の増加に従って前記バッテリに入力可能な電力が減少するとともに、前記バッテリに入力可能な電力が前記第１の関係において同じ充電量に対して設定される前記バッテリに入力可能な電力よりも小さくなるように設定される、請求項２に記載のバッテリ充放電制御装置。
4. 前記第１の関係は、前記充電量が前記第１の充電量よりも小さい第３の充電量に達すると、前記充電量の増加に従って前記バッテリに入力可能な電力が第１の変化率で減少するように設定され、
   前記第２の関係は、前記充電量が前記第３の充電量に達すると、前記充電量の増加に従って前記バッテリに入力可能な電力が前記第１の変化率よりも大きい第２の変化率で減少するとともに、前記バッテリに入力可能な電力が前記第１の関係において同じ充電量に対して設定される前記バッテリに入力可能な電力よりも小さくなるように設定される、請求項２に記載のバッテリ充放電制御装置。
5. 前記充放電制御手段は、前記第１の期間において前記制御範囲の上限値を第１の充電量に設定する一方で、前記第１の期間における前記頻度が前記所定のしきい値を超えたと判定されたときには、前記第２の期間において前記制御範囲の上限を前記第１の充電量よりも低い第２の充電量に設定する、請求項１に記載のバッテリ充放電制御装置。

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