JP5741153B2

JP5741153B2 - 充電制御装置

Info

Publication number: JP5741153B2
Application number: JP2011084398A
Authority: JP
Inventors: 菊池　義晃; 義晃菊池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP2012222895A

Description

本発明は、二次電池の充電制御装置の技術に関する。

電動機（モータ）を搭載したハイブリッド自動車等の電動車両は、二次電池に蓄えられた電力により、電動機を駆動させている。このような電動車両では、例えば、エンジンを動力源として電動機を発電させ、二次電池を充電するような場合がある。しかし、電動機による発電電流が大きくなりすぎると、二次電池が過充電状態となって、二次電池の劣化を早めるという問題がある。

例えば、特許文献１では、ハイブリッド車両の二次電池の充電制御装置であって、電動機による発電電流に対してリミット値を設け、そのリミット値を機関回転数に応じて変更する技術が開示されている。特許文献１の装置によれば、二次電池の過充電が抑制され、二次電池の劣化が防止される。

特開２００１−７８３０６号公報特開２００５−２０９５５号公報

ところで、二次電池の充電制御装置には、車両の燃費性能の向上に寄与する点で、二次電池の充電状態に基づいて設定される目標充電量を制御することが望まれる。特に、二次電池の過充電の発生を回避しながら、目標充電量を可能な限り増大させることにより、二次電池の劣化を抑制し、且つ車両の燃費性能をさらに向上させることができる。

そこで、本発明は、二次電池の過充電の発生を抑制しながら、車両の燃費性能を向上させることができる二次電池の充電制御装置を提供することにある。

本発明の充電制御装置は、二次電池の残容量に基づいて、前記二次電池の目標充電量を設定する目標充電量設定手段と、前記二次電池の充電電流を積算し、電流積算値を算出する電流積算値算出手段と、前記電流積算値が所定値を超えている場合には、前記設定した目標充電量を制限し、前記電流積算値が所定値以下の場合には、前記設定した目標充電量が増加するように目標充電量を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記制御した目標充電量に基づいて前記二次電池を充電させる。

また、前記充電制御装置において、前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、前記検出温度及び前記電流積算値に基づいて、前記二次電池の許容充電電流を設定する許容充電電流設定手段と、を備えることが好ましい。

また、前記充電制御装置において、前記制御手段は、前記電流積算値が所定値を超えていない場合でも、前記制御した目標充電量に基づいて充電した二次電池の充電電流が前記許容充電電流値を超えている場合には、前記増加した目標充電量を制限することが好ましい。

また、前記充電制御装置において、前記制御手段は、前記増加した目標充電量を制限することにより、前記二次電池の充電電流が前記許容充電電流値以下になった場合には、前記制限した目標充電量を回復させることが好ましい。

本発明によれば、二次電池の過充電の発生を抑制し、且つ車両の燃費性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すハイブリッド自動車の構成を示す模式図である。本実施形態に係る目標充電量の制御方法を説明するためのフローチャートである。バッテリの残容量（ＳＯＣ）と目標充電量との関係を示すマップである。ハイブリッド用電子制御ユニットにより実行される過充電の判定方法を説明するための図である。バッテリの温度、過充電であるか否かの情報及び許容充電電流との関係を示すマップである。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示すハイブリッド自動車の構成を示す模式図である。図１に示すハイブリッド自動車２０は、エンジン２２と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続された３軸式の動力分配統合機構３０と、動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、動力分配統合機構３０に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに取り付けられた減速ギヤ３５と、この減速ギヤ３５に接続されたモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御、吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

動力分配統合機構３０は、外歯歯車のサンギヤ３１と、このサンギヤ３１と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３２と、サンギヤ３１に噛合すると共にリングギヤ３２に噛合する複数のピニオンギヤ３３と、複数のピニオンギヤ３３を自転かつ公転自在に保持するキャリア３４とを備え、サンギヤ３１とリングギヤ３２とキャリア３４とを回転要素として差動作用を行う遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構３０は、キャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、サンギヤ３１にはモータＭＧ１が、リングギヤ３２にはリングギヤ軸３２ａを介して減速ギヤ３５がそれぞれ連結されており、モータＭＧ１が発電機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力をサンギヤ３１側とリングギヤ３２側にそのギヤ比に応じて分配し、モータＭＧ１が電動機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力とサンギヤ３１から入力されるモータＭＧ１からの動力を統合してリングギヤ３２側に出力する。リングギヤ３２に出力された動力は、リングギヤ軸３２ａからギヤ機構６０およびデファレンシャルギヤ６２を介して、最終的には車両の駆動輪６３ａ，６３ｂに出力される。

モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ４１，４２を介してバッテリ５０と電力のやりとりを行う。インバータ４１，４２とバッテリ５０とを接続する電力ライン５４は、各インバータ４１，４２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ５０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ５０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４０により駆動制御されている。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ４３，４４からの信号や電流センサ５３により検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ４０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

バッテリ５０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２によって管理されている。バッテリＥＣＵ５２には、バッテリ５０を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ５０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧、バッテリ５０の出力端子に接続された電力ライン５４に取り付けられた電流センサ５３からの充放電電流、バッテリ５０に取り付けられた温度センサ５１からの電池温度などが入力されており、必要に応じてバッテリ５０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。また、バッテリＥＣＵ５２では、バッテリ５０を管理するために電流センサ５３により検出された充電電流の積算値、及び該積算値に基づく残容量（ＳＯＣ）も演算している。バッテリ５０は、充放電可能な二次電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等である。

ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号、シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ、ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ、車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０、バッテリＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０、バッテリＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行っている。

このように構成されたハイブリッド自動車２０の動作には、リングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクに対応する要求動力とバッテリ５０の充電に必要な目標充電量との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御するモード等がある。上記要求動力は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて算出され、リングギヤ軸３２ａに出力されるように、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。

また、バッテリ５０の充電に必要な目標充電量の設定は、以下具体的に説明するが、ハイブリッド自動車２０の燃費向上の点では、バッテリ５０を劣化及び過充電させない範囲内で可能な限り増大させ、また、バッテリ５０の過充電の虞がある際には制限するような制御が望まれる。以下に、主にハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される目標充電量の制御方法について説明する。

図２は、本実施形態に係る目標充電量の制御方法を説明するためのフローチャートである。図２に示すように、まず、ステップＳ１０では、バッテリＥＣＵ５２により充電電流の積算値に基づいてバッテリ５０の残容量（ＳＯＣ）が算出される。ステップＳ１２では、バッテリ５０の残容量に基づいて、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、制御基準となるバッテリ５０の目標充電量が設定される。制御基準となるバッテリ５０の目標充電量の設定は、例えば、バッテリ５０の残容量と目標充電量との関係を予め求めてマップ等としてＲＯＭ７４に記憶しておき、バッテリ５０の残容量が与えられると該マップから対応する目標充電量を導出することにより設定する。このマップの一例を図３に示す。図３では、バッテリ５０の残容量がある基準値（Ｃ_０）より少なくなるほど目標充電量の値を大きくし、バッテリ５０の残容量が所定値（Ｃ_１）以下の時には目標充電量の値が一定の最大値（最大目標充電量：Ｐ_ｃｈｇＭＡＸ）となるように関係付けられている。なお、本実施形態の制御とは直接関係ないが、バッテリ５０の残容量がある値（Ｃ_０）を基準として大きくなるほど目標放電量の値を大きくし、バッテリ５０の残容量が所定値以上の時には目標放電量の値が一定の最大となるように関係付けられている。また、バッテリ５０の残容量と制御基準となる目標充電量との関係をバッテリ５０の温度に応じて規定したマップを用意してもよい。該マップは、例えば、バッテリ５０の温度が所定範囲内である場合には、図３に示す制御基準となる目標充電量の値より大きな値となるように設定され、バッテリ５０の温度が所定範囲外である場合には、図３に示す制御基準となる目標充電量の値に設定される。なお、この所定範囲は適宜設定されるものである。

ステップＳ１４では、電流センサ５３により検出される充電中の電流値を、バッテリＥＣＵ５２により逐次積算して、電流積算値を算出する。そして、ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、電流積算値が所定値を超えているか否かを判定する。この判定は、バッテリ５０に過充電の虞があるか否かの判定であるため、電流積算値に基づいて算出されるバッテリ５０の残容量が所定値を超えているか否かで判定してもよい。いずれにしろバッテリ５０の充電中における電流値の積算値が使用されることとなる。

図４は、ハイブリッド用電子制御ユニットにより実行される過充電の判定方法を説明するための図である。本実施形態では、所定時間毎に連続して電流値を積算する。図４では、電流値の積算開始から３００秒間を１セットとして、６０秒毎に５セット行っている。そして、ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、これらの電流積算値が所定値（図４では２０％）に達しているか否かを判定し、達していたらバッテリ５０に過充電の虞があると判断する。

図４は連続して充電されている状態を示している。この場合、１セットから５セットのいずれかの電流積算値が所定値を超えるため、バッテリ５０に過充電の虞があると判断される。しかし、一時的に充電される場合には、ある１セットの電流積算値が所定値を超えた時点でバッテリ５０に過充電の虞があると判断されるが、その後の電流積算値が所定値を超えていなければ、所定時間経過後にバッテリ５０に過充電の虞がないと判断される。ここで、所定値は過充電の虞を判断する値として適宜設定されるものである。例えば、バッテリ５０の残容量の上限を６０％に規定している場合には、所定値を２０％に設定し、バッテリ５０の残容量の上限を７０％に設定している場合には、所定値を前述より高い３０％に設定する。

ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、電流積算値が所定値に達していると判断された場合には、ステップＳ１６に進み、上記設定した目標充電量を所定量減算する（目標充電量を零にしてもよい）。

一方、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、電流積算値が所定値未満であると判断された場合には、ステップＳ１８に進み、上記設定した目標充電量を維持するか又は所定量増加させる。バッテリ５０の過充電を抑制する点では、目標充電量の最大値を上限値とすることが望ましいため、例えば、図３に示す残容量がＣ_０〜Ｃ_１の間の時には目標充電量を最大目標充電量（Ｐ_ｃｈｇＭＡＸ）まで増加させ、残容量がＣ_１より少ない時には最大目標充電量（Ｐ_ｃｈｇＭＡＸ）を維持するように制御する。また、ハイブリッド自動車の燃費向上の点では、例えば、図３に示す残容量がＣ_０〜Ｃ_１の間の時には目標充電量を最大目標充電量（Ｐ_ｃｈｇＭＡＸ）まで増加させ、残容量がＣ_１より少ない時には最大目標充電量（Ｐ_ｃｈｇＭＡＸ）を所定量増加させるように制御することが好ましい。

本実施形態では、ステップＳ１６又はＳ１８のように目標充電量が制御された際に、その目標充電量に基づいて、バッテリ５０の充電が行われるようにステップＳ２６に進んでもよい。なお、前述したように、目標充電量は、例えば、目標充電量に見合う動力（実質的には目標充電量と前述した要求動力との和に見合う動力）がエンジン２２から出力される。このようにして、目標充電量を制御することにより、バッテリ５０を過充電させない範囲で、車両の燃費向上を図ることが可能となる。

更に、本実施形態では、以下に説明するように、バッテリ５０が許容できる充電電流（許容充電電流）をバッテリ５０の温度と過充電であるか否かにより決定する制御を追加することが望ましい。

許容充電電流の決定は、例えば、バッテリ５０の温度と許容充電電流との関係を過充電であるか否かに基づいて予め規定したマップ等をＲＯＭ７４に記憶しておき、バッテリ５０の温度、且つ過充電であるか否かの情報が与えられると該マップから対応する許容充電電流を導出することにより設定する。このマップの一例を図５に示し、この図５を用いて、以下の制御について説明する。

前述したように、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、電流積算値が所定値未満であると判断された場合（すなわち過充電でないと判断された場合）、ステップＳ２０に進み、温度センサ５１によりバッテリ５０の温度を検出する。ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、バッテリ５０の温度が所定範囲内（図５のＴ_１〜Ｔ_２）であるか否かを判定し、バッテリ５０の温度が所定範囲内である場合には、ステップＳ２４に進み、図６の実線で示すようにバッテリ５０の許容充電電流値を所定量引き上げ、バッテリ５０の温度が所定範囲外である場合には、ステップＳ２２に進み、許容充電電流値を維持する（又は減少させてもよい）。

また、前述したように、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、電流積算値が所定値以上であると判断された場合（すなわち過充電であると判断された場合）、温度センサ５１によりバッテリ５０の温度を検出することなく、ステップＳ２２に進み、許容充電電流値を変更せず、そのままの値を維持する。なお、許容充電電流値を目標として、目標充電量が収束するように目標充電量の最大値をフィードバック制御することが望ましく、これにより、バッテリ５０の過充電を抑制し、バッテリ５０の劣化を効率的に抑えることができる。

図５に示すようなバッテリ５０の所定温度範囲（図５のＴ_１〜Ｔ_２）は、過充電のおそれのない状態で、許容充電電流値を引き上げてもバッテリ５０が劣化しない温度範囲において、適宜設定されるものである。

温度センサ５１が複数設置される場合にあっては、所定温度範囲の高温側（図５のＴ_２）の判断を複数の温度センサ５１により検出される温度のうちの最高値で行い、所定温度範囲の低温側（図５のＴ_１）の判断を複数の温度センサ５１により検出される温度のうちの最低値で行うことが、判定精度の点で望ましい。

次に、ステップＳ２６に進み、制御された目標充電量に基づいて、バッテリ５０の充電を行う。

但し、上記制御を行った目標充電量（及び許容充電電流値）に基づいてバッテリ５０の充電を行っても、エンジン出力誤差等の原因によって、その充電中のバッテリ５０の電流値が許容充電電流を超えてしまい、バッテリ５０を劣化させる虞がある。そのため、バッテリ５０の劣化を抑えるために、以下の制御を更に実施することが望ましい。

ステップＳ２８では、上記制御を行った目標充電量に基づいて充電されるバッテリ５０の充電電流値を検出する。この充電電流値は、モータＭＧ１のトルクが負であり、ペラ軸トルクが正であること、すなわち、上記制御を行った目標充電量を供給することができるようにエンジン２２が動作しているだけで、エネルギー回生による充電が実行されていない場合の電流値である。なお、検出した充電電流値はノイズを含む場合が多いため、なまし処理を実行することが望ましい。

ハイブリッド用電子制御ユニット７０により、検出した充電電流値と前述の許容充電電流値とを比較し、充電電流値が許容充電電流値を超えている場合には、ステップＳ３０に進み、目標充電量を所定量減算し、その値に基づいて充電を行う。なお、最大目標充電量（図３に示すＰ_ｃｈｇＭＡＸ）のみを所定量減算してもよい。充電電流値が許容充電電流値以下の場合には、ステップＳ３２に進み、目標充電量を制限することなく充電を継続する。

また、ステップＳ３０では、検出した充電電流値と前述の許容充電電流値との比較を継続して実行し、検出した充電電流値が前述の許容充電電流値以下となった時点で、減算した目標充電量を所定量引き上げ、その値に基づいて充電を行う。また、ステップＳ３０において、目標充電量を所定量減算して所定時間充電を継続させても、充電電流値が許容充電電流値以下とならない場合には、異常と判断して電力ライン５４からバッテリ５０への電力をオフするか又はエンジン２２を停止することが望ましい。

２０ハイブリッド自動車、２２エンジン、２４エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６クランクシャフト、２８ダンパ、３０動力分配統合機構、３１サンギヤ、３２リングギヤ、３２ａリングギヤ軸、３３ピニオンギヤ、３４キャリア、３５減速ギヤ、４０モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４１，４２インバータ、４３，４４回転位置検出センサ、５０バッテリ、５１温度センサ、５２バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、５３電流センサ、５４電力ライン、６０ギヤ機構、６２デファレンシャルギヤ、６３ａ，６３ｂ駆動輪、７０ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ、８０イグニッションスイッチ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ、ＭＧ１，ＭＧ２モータ。

Claims

二次電池の残容量に基づいて、前記二次電池の目標充電量を設定する目標充電量設定手段と、
前記二次電池の充電電流を積算し、電流積算値を算出する電流積算値算出手段と、
前記電流積算値が所定値を超えている場合には、前記設定した目標充電量を制限し、前記電流積算値が所定値以下の場合には、前記設定した目標充電量が増加するように目標充電量を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記制御した目標充電量に基づいて前記二次電池を充電させることを特徴とする充電制御装置。
前記二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記検出温度及び前記電流積算値に基づいて、前記二次電池の許容充電電流を設定する許容充電電流設定手段と、を備えることを特徴とする請求項１記載の充電制御装置。
前記制御手段は、前記電流積算値が所定値を超えていない場合でも、前記制御した目標充電量に基づいて充電した二次電池の充電電流が前記許容充電電流値を超えている場合には、前記増加した目標充電量を制限することを特徴とする請求項２記載の充電制御装置。
前記制御手段は、前記増加した目標充電量を制限することにより、前記二次電池の充電電流が前記許容充電電流値以下になった場合には、前記制限した目標充電量を回復させることを特徴とする請求項３記載の充電制御装置。