JP5288140B2 - 蓄電器制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電器の出力特性が変化している過渡状態時であっても、蓄電器の充電状態を早く導出する蓄電器制御装置に関する。

特許文献１に開示されている二次電池の充電状態推定装置は、二次電池の残存容量（充電率）を示すＳＯＣ（State of Charge）を推定する際に、二次電池の使用状態に合わせて適切なＳＯＣ推定方式を適用する。例えば、バッテリ電流（充放電電流）がバッテリ温度に応じた制限電流以下で一定時間以上継続して流れている場合、当該装置は、二次電池が安定状態であると判定する。当該装置は、安定状態の二次電池の端子間電圧は開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）に等しいとみなし、開放電圧−ＳＯＣ特性に基づいてＳＯＣ推定を行う。

特開２００７−１７８２１５号公報

リチウムイオン電池等の二次電池が連続放電を行うと、電解質におけるイオン伝導度が低下して、イオン拡散が緩慢になる。このとき、二次電池が放電を停止しても、その直後の端子間電圧は実際の開放電圧とは一致しないため、開放電圧−ＳＯＣ特性に基づいてＳＯＣ推定を行っても誤差が大きい。

図５は、（ａ）二次電池の連続放電を停止して充放電電流を０にした直後の端子間電圧の時間変化及び実際の開放電圧との関係、並びに、（ｂ）二次電池の充放電電流を示すグラフである。図５に示すように、二次電池の連続放電を停止した直後の端子間電圧値は、当該二次電圧の実際の開放電圧値（開放電圧真値）よりも低く、徐々に開放電圧真値に近づく。このときは、二次電池の出力特性が変化している過渡状態である。したがって、端子間電圧値が開放電圧値に等しくなるまでの間、上記説明した特許文献１の充電状態推定装置は正確なＳＯＣの推定を行えない。

本発明の目的は、蓄電器の出力特性が変化している過渡状態と判断されたとき、蓄電器の充電状態の導出タイミングを早めることができる蓄電器制御装置を提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の蓄電器制御装置は、負荷（例えば、実施の形態での電動機Ｍ）に電力を供給する蓄電器（例えば、実施の形態での蓄電器Ｂ）と、前記蓄電器を充電する充電部（例えば、実施の形態での内燃機関Ｅ及び発電機Ｇ）と、前記蓄電器の端子間電圧に基づいて、前記蓄電器の充電状態を導出する充電状態導出部（例えば、実施の形態でのＳＯＣ推定部１０９）と、前記蓄電器の出力特性の変化に係る状態を判断し、当該状態に応じて、前記充電部による前記蓄電器の充電、及び前記充電状態導出部による前記蓄電器の充電状態の導出タイミングを制御する制御部（例えば、実施の形態での制御部１１１）と、を備え、前記制御部は、前記蓄電器の出力特性が変化している過渡状態と判断したとき、前記蓄電器を所定時間の間充電するよう前記充電部を制御し、前記所定時間が経過した後に前記蓄電器の充電状態を導出するよう前記充電状態導出部を制御し、前記蓄電器の出力特性が過渡状態であるときに前記充電部が前記蓄電器を充電する前記所定時間は、前記蓄電器の状態に応じて異なることを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の蓄電器制御装置では、前記制御部は、前記負荷との間の前記蓄電器の入出力電流を所定値以下としたときの前記端子間電圧の変化量に基づいて、前記蓄電器の出力特性の変化に係る状態を判断し、前記変化量がしきい値以上のとき、前記蓄電器の出力特性が過渡状態であると判断することを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の蓄電器制御装置では、前記蓄電器の温度を検出する温度検出部（例えば、実施の形態での温度センサ１０５）を備え、前記蓄電器の状態は、前記蓄電器の温度を含むことを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の蓄電器制御装置では、前記蓄電器の状態は、前記蓄電器の充電状態を含むことを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の発明の蓄電器制御装置では、前記負荷は、ハイブリッド車両の駆動源である電動機（例えば、実施の形態での電動機Ｍ）であり、前記充電部は、内燃機関（例えば、実施の形態での内燃機関Ｅ）及び当該内燃機関の運転によって発電する発電機（例えば、実施の形態での発電機Ｇ）を含むことを特徴としている。

蓄電器の出力特性が変化している過渡状態であると、蓄電器の充電状態を正確に導出できない。請求項１〜５に記載の発明の蓄電器制御装置によれば、蓄電器の出力特性が過渡状態と判断されたときには蓄電器が所定時間充電され、当該充電により蓄電器の出力特性は早く安定状態になる。したがって、蓄電器の出力特性が過渡状態と判断されたときであっても、蓄電器の充電状態の導出タイミングを早めることができる。

本発明に係る蓄電器制御装置を含むシリーズ方式のＨＥＶの概略構成図 （ａ）蓄電器Ｂの連続放電を停止して充放電電流Ｉを０にした直後の、制御部１１１による制御の結果得られる端子間電圧Ｖの時間変化及び実際のＯＣＶとの関係、並びに、（ｂ）蓄電器Ｂの充放電電流Ｉの時間変化を示すグラフ 蓄電器Ｂの連続放電を停止して充放電電流Ｉを０にした後の制御部１１１の動作を示すフローチャート 本発明に係る蓄電器制御装置を含むシリーズ／パラレル方式のＨＥＶの概略構成図 （ａ）二次電池の連続放電を停止して充放電電流を０にした直後の端子間電圧の時間変化及び実際の開放電圧との関係、並びに、（ｂ）二次電池の充放電電流を示すグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

ＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）は、電動機及び内燃機関を備え、車両の走行状態に応じて電動機及び／又は内燃機関の駆動力によって走行する。ＨＥＶには、大きく分けてシリーズ方式とパラレル方式の２種類がある。シリーズ方式のＨＥＶは、電動機の動力によって走行する。内燃機関は発電のためだけに用いられ、内燃機関の動力によって発電機で発電された電力は蓄電器に充電されるか、電動機に供給される。一方、パラレル方式のＨＥＶは、電動機及び内燃機関のいずれか一方又は双方の動力によって走行する。

上記両方式を複合したシリーズ／パラレル方式のＨＥＶも知られている。当該方式では、車両の走行状態に応じてクラッチを切断又は締結する（断接する）ことによって、駆動力の伝達系統をシリーズ方式及びパラレル方式のいずれかの構成に切り替える。特に低速走行時にはクラッチを切断してシリーズ方式の構成とし、特に中高速走行時にはクラッチを締結してパラレル方式の構成とする。

以下説明する実施形態では、本発明に係る蓄電器制御装置が、シリーズ／パラレル方式のＨＥＶ（以下「ハイブリッド車両」という）に含まれている。図１は、本発明に係る蓄電器制御装置を含むシリーズ方式のＨＥＶの概略構成図である。図１に示すＨＥＶ（以下、単に「車両」という）は、内燃機関Ｅと、発電機Ｇと、電動機Ｍと、変速機構ＴＭと、駆動輪Ｗと、蓄電器Ｂと、電流センサ１０１と、電圧センサ１０３と、温度センサ１０５と、電力制御部１０７と、ＳＯＣ推定部１０９と、制御部１１１とを備える。なお、内燃機関Ｅ及び発電機Ｇは、図１に点線で示されるように、「充電部」として示される。

当該車両では、電動機Ｍの動力が変速機構ＴＭを介して駆動輪Ｗに伝達される。内燃機関Ｅは発電のためだけに用いられ、電動機Ｍは内燃機関Ｅの出力によって駆動する。発電機Ｇで発電された電力は、車両の運転状態に応じて、蓄電器Ｂに充電されるか電動機Ｍに供給される。

蓄電器Ｂは、直列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば１００〜２００Ｖの高電圧を供給する。蓄電セルは、例えば、金属水素化物を陰極活物質とするＮｉ−ＭＨ（nickel-metal hydride）電池やリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等である。

電流センサ１０１は、蓄電器Ｂの充放電電流Ｉを検出する。なお、充放電電流Ｉは、蓄電器Ｂから電動機Ｍに供給される放電電流、及び発電機Ｇから蓄電器Ｂに供給される充電電流を含み、蓄電器Ｂと蓄電器Ｂ又は発電機Ｇとの間の電力の授受に係る電流のみを指す。電圧センサ１０３は、蓄電器Ｂの端子間電圧Ｖを検出する。温度センサ１０５は、蓄電器Ｂの温度Ｔを検出する。各センサは、検出した情報を制御部１１１に送る。

電力制御部１０７は、電動機Ｍの駆動のために行われる蓄電器Ｂから電動機Ｍへの電力供給、及び蓄電器Ｂの充電のために行われる発電機Ｇから蓄電器Ｂへの電力供給を制御する。

ＳＯＣ推定部１０９は、安定状態の蓄電器Ｂの端子間電圧Ｖは開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）に等しいとみなし、蓄電器Ｂが安定した状態のときには、蓄電器Ｂの開放電圧−ＳＯＣ特性に基づいて、端子間電圧Ｖから蓄電器Ｂの残容量（ＳＯＣ：State of Charge）を推定する。なお、ＳＯＣ推定部１０９は、蓄電器Ｂが安定していない状態のときには、電流センサ１０１によって検出された充放電電流Ｉを所定期間毎に積算して積算充電量及び積算放電量を算出し、積算充電量及び積算放電量を初期状態又は充放電開始直前のＳＯＣ（初期ＳＯＣ）に加算又は減算することによって蓄電器ＢのＳＯＣを推定する。

制御部１１１は、蓄電器Ｂの充放電電流Ｉ、端子電圧Ｖ及び温度Ｔ等の情報から、ＳＯＣ推定部１０９が行う蓄電器ＢのＳＯＣを推定するタイミングを制御する。なお、制御部１１１は、充電タイマー１１３を有する。制御部１１１は、蓄電器Ｂの連続放電を停止して充放電電流Ｉを０にした直後、充電タイマー１１３がカウントする期間、内燃機関Ｅを駆動して発電機Ｇを作動することにより蓄電器Ｂを充電する。

図２は、（ａ）蓄電器Ｂの連続放電を停止して充放電電流Ｉを０にした直後の、制御部１１１による制御の結果得られる端子間電圧Ｖの時間変化及び実際のＯＣＶとの関係、並びに、（ｂ）蓄電器Ｂの充放電電流Ｉの時間変化を示すグラフである。制御部１１１は、蓄電器Ｂの連続放電の停止後、充電タイマー１１３に所定時間（以下「充電タイマー時間」という）τを設定する。このとき、制御部１１１は、蓄電器Ｂの温度Ｔ及びＳＯＣ推定部１０９が推定した直近のＳＯＣに基づき、蓄電器Ｂの温度Ｔ及びＳＯＣが対応する時間を示すマップ（図示せず）を用いて充電タイマー時間τを決定する。なお、当該マップは、試験結果のデータに基づいて作成される。

制御部１１１は、充電タイマー１１３によるカウントが開始されると、内燃機関Ｅを駆動して発電機Ｇを作動するよう制御する。その結果、発電機Ｇで発電された電力によって蓄電器Ｂは充電され、充電電流が流れる。連続放電によってイオン拡散が緩慢な状態の蓄電器Ｂに充電電流が流れると、イオン拡散が通常な状態に急速に戻る。このため、図２に示すように、蓄電器Ｂの端子間電圧Ｖは、充電されない場合と比較して、実際のＯＣＶ（開放電圧真値）に急速に近づく。その後、充電タイマー１１３による充電タイマー時間τのカウントが終了すると、制御部１１１は、発電機Ｇによる発電を停止するよう制御する。このとき、蓄電器Ｂの充電が停止して、端子間電圧Ｖの値は開放電圧真値に急速に収束する。

図３は、蓄電器Ｂの連続放電を停止して充放電電流Ｉを０にした後の制御部１１１の動作を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、制御部１１１は、充電タイマー１１３に設定された充電タイマー時間τが０（τ＝０）か否かを判断する（ステップＳ１０１）。蓄電器Ｂの連続放電を停止した直後はまだ充電タイマー時間τが設定されておらず、τ＝０であるため、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、制御部１１１は発電機Ｇを停止するが、蓄電器Ｂの連続放電を停止した直後はまだ発電機Ｇが作動されていないため、このままステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、発電機Ｇを停止してから所定時間が経過したか否かを判断する。蓄電器Ｂの連続放電を停止した直後、所定時間が経過するとステップＳ１０７に進み、制御部１１１は、蓄電器Ｂの充放電電流Ｉが略０であり、かつ、端子間電圧Ｖの所定時間当たりの変化量ΔＶがしきい値Ｖｔｈ以上であるか否かを判断する。なお、制御部１１１は、蓄電器Ｂの充放電電流Ｉが略０であるかとの判断の代わりに、充放電電流Ｉの絶対値が所定値以下（｜Ｉ｜≦Ｉｔｈ）であるか否かを判断しても良い。ステップＳ１０７において、これら２つの条件を満たす場合はステップＳ１０９に進み、少なくともいずれか一方の条件を満たさない場合はステップＳ１１５に進む。なお、蓄電器Ｂの連続放電を停止した直後は、図２に示すように、これら２つの条件をどちらも満たすため、制御部１１１は、蓄電器Ｂが安定していない状態と判断し、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、制御部１１１は、充電タイマー１１３に充電タイマー時間τを設定する。このとき、充電タイマー１１３はカウントを開始して、ステップＳ１０１に戻る。充電タイマー１１３がカウント中はτ≠０であるため、ステップＳ１１１に進む。ステップＳ１１１では、制御部１１１は、内燃機関Ｅを駆動して発電機Ｇを作動する。このとき、蓄電器Ｂの充電が開始される。次に、制御部１１１は、充電タイマー時間τをデクリメントして（ステップＳ１１３）、ステップＳ１０１に戻る。

充電タイマー１１３による充電タイマー時間τのカウントが終了すると、τ＝０になるため、ステップＳ１０１の判断の結果、ステップＳ１０３に再び進む。このとき発電機Ｇは作動中であるため、ステップＳ１０３では、制御部１１１は内燃機関Ｅの駆動を停止して発電機Ｇを停止する。このとき、蓄電器Ｂの充電は停止する。次に、制御部１１１は、ステップＳ１０３で発電機Ｇを停止してから所定時間経過後に、ステップＳ１０７における２つの条件を満たすか否かを判断する。蓄電器Ｂの充電を停止した後は、図２に示すように、充放電電流Ｉは略０であるが、端子間電圧Ｖの所定時間当たりの変化量ΔＶは所定値未満であって、一方の条件を満たさないため、制御部１１１は、蓄電器Ｂが安定した状態と判断し、ステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１５では、ＳＯＣ推定部１０９が、蓄電器Ｂの開放電圧−ＳＯＣ特性に基づいて、端子間電圧Ｖから蓄電器ＢのＳＯＣを推定する。

以上説明したように、本実施形態によれば、蓄電器Ｂの連続放電を停止して充放電電流Ｉを０にした直後は蓄電器Ｂが充電されるため、蓄電器Ｂにおけるイオン拡散の状態は、緩慢な状態から通常な状態へと急速に戻る。すなわち、蓄電器Ｂは、安定していない状態から安定した状態に急速に戻る。その結果、蓄電器Ｂの端子間電圧Ｖが実際の開放電圧に急速に収束するため、ＳＯＣ推定部１０９が正確なＳＯＣの推定処理を開始するタイミングを早めることができる。

なお、上記実施形態では、蓄電器制御装置がシリーズ方式のＨＥＶに含まれた例について説明したが、図４に示すシリーズ／パラレル方式のＨＥＶに含まれていても良い。

Ｅ 内燃機関
Ｇ 発電機
Ｍ 電動機
ＴＭ 変速機構
Ｗ 駆動輪
Ｂ 蓄電器
１０１ 電流センサ
１０３ 電圧センサ
１０５ 温度センサ
１０７ 電力制御部
１０９ ＳＯＣ推定部
１１１ 制御部
１１３ 充電タイマー

Claims (5)

1. 負荷に電力を供給する蓄電器と、
   前記蓄電器を充電する充電部と、
   前記蓄電器の端子間電圧に基づいて、前記蓄電器の充電状態を導出する充電状態導出部と、
   前記蓄電器の出力特性の変化に係る状態を判断し、当該状態に応じて、前記充電部による前記蓄電器の充電、及び前記充電状態導出部による前記蓄電器の充電状態の導出タイミングを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記蓄電器の出力特性が変化している過渡状態と判断したとき、前記蓄電器を所定時間の間充電するよう前記充電部を制御し、前記所定時間が経過した後に前記蓄電器の充電状態を導出するよう前記充電状態導出部を制御し、
   前記蓄電器の出力特性が過渡状態であるときに前記充電部が前記蓄電器を充電する前記所定時間は、前記蓄電器の状態に応じて異なることを特徴とする蓄電器制御装置。
2. 請求項１に記載の蓄電器制御装置であって、
   前記制御部は、前記負荷との間の前記蓄電器の入出力電流を所定値以下としたときの前記端子間電圧の変化量に基づいて、前記蓄電器の出力特性の変化に係る状態を判断し、前記変化量がしきい値以上のとき、前記蓄電器の出力特性が過渡状態であると判断することを特徴とする蓄電器制御装置。
3. 請求項１に記載の蓄電器制御装置であって、
   前記蓄電器の温度を検出する温度検出部を備え、
   前記蓄電器の状態は、前記蓄電器の温度を含むことを特徴とする蓄電器制御装置。
4. 請求項１に記載の蓄電器制御装置であって、
   前記蓄電器の状態は、前記蓄電器の充電状態を含むことを特徴とする蓄電器制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電器制御装置であって、
   前記負荷は、ハイブリッド車両の駆動源である電動機であり、
   前記充電部は、内燃機関及び当該内燃機関の運転によって発電する発電機を含むことを特徴とする蓄電器制御装置。

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