JP5339128B2 - ストレス制御システム - Google Patents
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Description
この種の蓄電デバイスの劣化状態を検知あるいは制御する従来技術として、特許文献1〜4が挙げられる。特許文献1では、残容量を正確に検出して表示することができる装置についての技術が開示されている。特許文献2に記載の技術では、電池の内部抵抗を演算し、内部抵抗の上昇幅が所定値を超えたときに出力上限値に制限をかけることによって電圧の急激な低下を抑制している。また、特許文献3では、バッテリの劣化度合いを診断する技術について開示されている。さらに、特許文献4では、蓄電デバイスの温度と充放電のストレスに基づいて内部抵抗増加率を演算することによって蓄電デバイスの劣化度を判定する技術について開示されている。
しかしながら、これらの条件は蓄電デバイスを劣化させるストレスの原因にもなり得る。特に、車両搭載用高出力電源として用いられる蓄電デバイスでは、高速充放電(ハイレート充放電)による負荷が大きいことから、内部抵抗が一時的に上昇した状態(以下、過渡状態という。)になり易い傾向にある。こうした過渡状態は可逆的な現象ではあるが、かかる状態を繰り返すうちに恒常的な内部抵抗の上昇を引き起こす虞がある。上記列挙した先行技術文献は、いずれも蓄電デバイスの恒常的な内部抵抗の上昇による劣化状態を判定することはできるが、過渡状態における蓄電デバイスのストレスを量的に検知したり、あるいは当該ストレスを制御することはできない。
また、本明細書において「過渡状態」とは、蓄電デバイスの内部抵抗が一時的に上昇した状態をいう。
さらに、本明細書において「SOC」とは、充放電可能な二次電池の満充電状態における容量と所定時点における容量との比をいう。
まず、本システムは、前記蓄電デバイスの温度、電圧、電流、およびSOCの少なくとも一つを検出する手段により、任意の所定時間におけるそれぞれの値が得られる。ここで、温度、電圧、電流、およびSOCのうち全ての値が得られなくとも、いずれか一つの値が検出できればよく、ここで検出した値に基づいてストレス指標値Sが演算される。
ストレス指標値Sには、予め上限値Smaxと下限値Sminを設定することができ、例えば、SmaxとSminは一定の値または車両の運転条件(始動時、走行時、アイドリング時、停車時等)によって変動させてもよい。そして、上記演算したストレス指標値Sが、上記ストレス指標上限値Smaxよりも大きいときは、蓄電デバイスへの入力パワーを制限するか、あるいは充電電流を制限する。また、ストレス指標下限値Sminよりも小さいときは、該蓄電デバイスからの出力パワーを制限するか、あるいは放電電流を制限する手段をとる。これにより、入出力パワーが過剰になり過ぎたり不足し過ぎたりすることがない。
さらに、本システムでは、上記制限された入出力パワーに必要な蓄電デバイスの補正電流を算出する手段、および補正電流に基づいてストレス指標値を再演算する手段を備える。入出力パワーに基づいて蓄電デバイスを充放電する電流値が補正されることにより、蓄電デバイスのストレスを緩和することができる。これにより、蓄電デバイスの劣化の進行(恒常的な内部抵抗の上昇等)が抑制され、蓄電デバイスを長期的に使用し得るストレス制御システムが提供される。
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
まず、蓄電デバイスであるバッテリ(図示しない)は、複数のリチウムイオン電池を直列に接続して構成されている。バッテリの直流電圧はインバータにおいて三相交流電圧に変換されてモータ(図示しない)に印加される。該インバータを介してバッテリに接続されるモータは、エンジン始動時にはバッテリから供給される電力によりエンジンを駆動し、制動時または回生時には回生発電を行うことによりバッテリへ電力を供給し充電する。
まず、充電中のストレス指標値Sposは、以下数式(1)で表わされる。
図2および図3は、電流値のみを変化させた場合のストレス指標値Sと抵抗上昇率との関係を示す図である。図2に示されるように、ストレス指標値SがS<0(放電過多)のときはストレス指標値が大きいほど抵抗上昇率が大きくなり、また図3に示されるように、S>0(充電過多)のときもストレス指標値Sが大きいほど抵抗上昇率が大きくなる。すなわち、ストレス指標値Sは、充放電の電流負荷が大きくなるほど抵抗上昇率が大きくなることが示される。
まず、車両のキースイッチでオンにされた後、蓄電デバイス制御装置100に電源が供給されると、ステップS100の処理を開始する。上記各種センサで検出されるバッテリの温度T、電圧V、電流i(imax(0)およびimin(0))およびSOCを取得(入力)し、上記式で表わされるストレス指標値Sの初期データが得られる。なお、SOCは電圧センサで検出される電圧値に基づいて算出することができるが、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されるバッテリは、SOCが実質的にゼロ、即ち完全放電状態となることは好ましくないため、常時SOCについてモニタリングすることが好ましい。
そして、始動時、走行時、アイドリング時等の運転状況に応じて変動する入出力パワーWの上限値Wmaxと下限値Wminが決定され(S200)、車両側(車両制御装置)からバッテリに対して電力供給要求があるかが判定される(S300)。ここで、車両制御装置から電力供給の要求がなければ、ストレス指標値Sが、予め設定した上限値Smaxと下限値Sminに対して、S<Smin,Smin≦S≦Smax,S>Smaxのいずれに当てはまるかを判定する(過渡状態を検知する)ステップを行う(S310,S320,S330)。
また、S<Sminのとき(S320)は、バッテリにおけるストレスが小さすぎるため、ストレスを緩和(付加)するためにバッテリからの出力パワーWを制限する(S322)。すなわち、バッテリの放電電流または放電電力を制限することによりストレスが緩和(付加)される。そして、その時のバッテリの温度が予め設定した温度よりも低いとき(S324)は、バッテリを加温する(S326)。
さらに、Smin≦S≦Smaxのときは、SOCが所定の範囲内に維持されているか判定し(S330)、維持されていないときは、上記と同様にバッテリの入出力パワーWを制限するステップを行う(S340)。
そして、Wmin≦W≦Wmaxのとき(S400)は、そのまま補正せずに入出力パワーWを要求し、W>Wmaxのときは(S410)、入出力パワーWはWmaxに補正する(S412)。また、入出力パワーWがW<Wminのとき(S420)は、入出力パワーWをWminに補正する(S422)決定を行う。
まず、imin≦i≦imaxのとき(S600)は、そのまま補正せずに電流iを要求し、i>imaxのときは(S610)、電流iはimaxに補正する(S612)。また、電流iがi<iminのとき(S620)は、電流iをiminに補正する(S622)。
まず、Smin≦S≦Smaxのとき(S1000)は、電流iは補正せず上限値imaxと下限値iminとを用いる(S1002)。また、S>Smaxのとき(S1010)は、電流上限値imax(即ちimax(0))に係数L(定数あるいは変数)を掛けることによって補正する処理を行う(S1012)。これにより、imaxがL×imax(0)に補正される。さらに、S<Sminのとき(S1020)は、電流下限値imin(即ちimin(0))に係数Lを掛けることによって補正する処理を行う(S1022)。これにより、iminがL×imin(0)に補正される。こうして決定された補正電流になるように充放電することにより、ストレス指標値Sが、予め設定した上限値Smaxと下限値Sminに対して、Smin≦S≦Smaxになるように、バッテリのストレスを制御することができる。
図8および図9は、それぞれの充放電する電流を変化させた場合のストレス指標値Sと抵抗上昇率との関係を示す図である。図8に示されるように、ストレス指標値SがS<0のときは放電を制限するか充電をすることにより抵抗上昇率が小さくなった。また、図9に示されるように、S>0のときは充電を制限するか放電をすることにより抵抗上昇率が小さくなることが確認された。
100 ストレス制御システム(蓄電デバイス制御装置)
Claims (1)
- 車両に搭載される蓄電デバイスにおける過渡状態を、所定時間における温度、電圧、電流、およびSOCの少なくとも一つを用いて表わされるストレス指標値Sにより検知し、該ストレス指標値Sを所定範囲内に制御するためのシステムであって、以下の手段:
前記蓄電デバイスの温度、電圧、電流、およびSOCをそれぞれ検出する手段;
前記検出した温度、電圧、電流、およびSOCの少なくとも一つに基づいてストレス指標値Sを演算する手段;
前記演算したストレス指標値Sが予め設定されたストレス指標上限値Smaxよりも大きいときは前記蓄電デバイスへの入力パワーを制限し、ストレス指標下限値Sminよりも小さいときは該蓄電デバイスからの出力パワーを制限する手段;
前記制限された入出力パワーに必要な補正電流を算出する手段;および、
前記補正電流に基づいてストレス指標値を再演算する手段;
を包含し、
ここで前記ストレス指標値Sが前記ストレス指標上限値Smaxよりも大きいとき若しくは前記ストレス指標下限値Sminよりも小さいときは、そのときの前記蓄電デバイスの温度を予め設定した温度と比較し、該設定温度よりも低いと判定されたときは該蓄電デバイスを加温するように構成されていることを特徴とする、ストレス制御システム。
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