JP6112023B2 - Vehicle power supply system - Google Patents
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Description
本発明は、電動車両に搭載される車両用電源システムに関するものである。 The present invention relates to vehicle dual power system that will be installed in an electric vehicle.
近年、走行用の動力源として発電可能な電気モータが搭載され、家庭用電源などから充電プラグを利用して直接電力を供給し充電できるように構成された電動車両の実用化が進んでいる。 2. Description of the Related Art In recent years, electric vehicles that are equipped with electric motors that can generate electric power as driving power sources and that can be directly supplied and charged using a charging plug from a household power source or the like have been put into practical use.
この種の車両では、搭載される電池(二次電池)の特性が車両の走行性能に影響するため、要求される走行性能(車両要求出力、要求航続距離など)に応じた適切な電池を選定する必要がある。これは、電池が最適でない場合、全ての要求値を満足させるためには電池の重量を増やす必要があり、そのことが車両重量の増大や燃費の悪化を招く要因となるからである。しかし、入手可能な限られた電池の中に、走行性能を過不足なく満足することのできる最適な電池が存在しない場合も少なくない。そこで、特性の異なる2種類の蓄電装置を組み合わせて用いることが考えられている(例えば特許文献1)。 In this type of vehicle, since the characteristics of the mounted the battery (secondary battery) will affect the running performance of the vehicle, the required running performance (vehicle required output, required cruising distance, etc.) the appropriate cell in accordance with the It is necessary to select. This is because when the battery is not optimal, it is necessary to increase the weight of the battery in order to satisfy all the required values, which causes an increase in vehicle weight and deterioration in fuel consumption. However, there are many cases where there is no optimal battery that can satisfy the running performance without excess or deficiency among the limited batteries available. Therefore, it is considered to use a combination of two types of power storage devices having different characteristics (for example, Patent Document 1).
電動車両では、電池の充放電が高い頻度で繰り返されることで電池が次第に劣化する。具体的には、蓄積可能な電気容量が次第に減少する。そのため、電池の劣化が一定レベルに達すると、走行性能を確保するために電池交換が行われる。 In an electric vehicle, the battery is gradually deteriorated by repeatedly charging and discharging the battery at a high frequency. Specifically, the electric capacity that can be stored gradually decreases. For this reason, when the deterioration of the battery reaches a certain level, the battery is replaced in order to ensure traveling performance.
この場合、いわゆるエネルギー電池とパワー電池が組み合わされて搭載される車両では、一定の劣化レベルが設定され、電池の種類に拘わらず何れか一方の電池が一定の劣化レベルに達すると両方の電池交換が実施される。しかし、パワー電池とエネルギー電池とは、劣化の進行度合が異なり、またエネルギー電池とパワー電池とが協働して電力の入出力を負担するため、何れか一方の電池が上記劣化レベルに達した場合でも、電池トータルとしては未だ使用可能な場合が少なくない。従って、この点に改善の余地がある。 In this case, in vehicles equipped with a combination of so-called energy batteries and power batteries, a certain level of deterioration is set, and if one of the batteries reaches a certain level of deterioration regardless of the type of battery, both batteries must be replaced. Is implemented. However, the degree of progress of deterioration differs between the power battery and the energy battery, and since the energy battery and the power battery cooperate to bear input and output of power, either one of the batteries has reached the above deterioration level. Even in this case, there are many cases where the battery can still be used as a total battery. Therefore, there is room for improvement in this respect.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、特性の異なる2種類の電池を備えた電動車両において、電池をより有効的に活用することが可能となる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a technique that enables more effective use of a battery in an electric vehicle including two types of batteries having different characteristics. And
上記の課題を解決するために、本発明の車両用電源システムは、電力回生が可能な走行用の電気モータを備えた車両の電源システムであって、第1二次電池と、前記第1二次電池に対して並列に接続され、前記第1二次電池よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きい第2二次電池と、前記第1二次電池の初期の電気容量に対する現在の電気容量の割合である第1容量維持率と、前記第2二次電池の初期の電気容量に対する現在の電気容量の割合である第2容量維持率との平均値であって各二次電池の初期の電気容量の比率に応じた平均値をトータル容量維持率として求める演算装置と、前記トータル容量維持率が予め定められた第1基準値以下のときに、電池交換時期と判定する判定装置と、前記判定装置により電池交換時期であると判定されたことを報知する報知装置と、前記第1二次電池に並列に接続されて、前記電気モータの駆動用電力および前記電気モータが発生する回生電力を蓄えることが可能な容量を有するキャパシタと、前記電気モータで発生した回生電力を前記第1二次電池および前記第2二次電池よりも優先的にキャパシタに充電するとともに、キャパシタに蓄えられた電力を前記第1二次電池および前記第2二次電池よりも優先的に電気モータに供給する充放電装置と、を含み、前記第1二次電池の初期の電気容量が、前記第2二次電池の初期の電気容量よりも大きく設定されているものである。
このような車両用電源システムによれば、両二次電池のトータル容量維持率に基づいて電池交換時期が判定されるので、第1二次電池および第2二次電池の電池交換時期を適正に先延ばしすることが可能となる。よって、従来に比べて、第1二次電池および第2二次電池をより有効に使用することができるようになる。
また、第1二次電池及び第2二次電池の充放電の機会を低減させることが可能となるので、第1二次電池及び第2二次電池の寿命を実質的に延ばすことができる。
また、前記第1二次電池の初期の電気容量が、前記第2二次電池の初期の電気容量よりも大きく設定されているので、第1二次電池単体の寿命が実質的に延び、経時的なトータル容量維持率の低下が抑制される。よって、第1二次電池および第2二次電池の電池交換時期を効果的に先延ばしすることが可能となる。
In order to solve the above problems , a power supply system for a vehicle according to the present invention is a power supply system for a vehicle including an electric motor for traveling that can regenerate power, and includes a first secondary battery and the first second battery. A second secondary battery connected in parallel to the secondary battery, having a lower output density and a higher energy density than the first secondary battery, and a current electrical capacity relative to the initial electrical capacity of the first secondary battery And a second capacity maintenance ratio that is a ratio of the current electric capacity with respect to an initial electric capacity of the second secondary battery, and an initial value of each secondary battery. An arithmetic unit that calculates an average value according to a ratio of electric capacity as a total capacity maintenance rate, a determination device that determines a battery replacement time when the total capacity maintenance rate is equal to or less than a predetermined first reference value, and It is time to replace the batteries Having and a notification device for notifying that it has been determined, is connected in parallel to said first secondary battery, the capacity capable of storing regenerative power drive power and the electric motor generates the electric motor The capacitor and regenerative power generated by the electric motor are preferentially charged to the capacitor over the first secondary battery and the second secondary battery, and the electric power stored in the capacitor is supplied to the first secondary battery and wherein preferentially seen including a charging and discharging device supplies the electric motor than the second secondary battery, the initial electric capacity of the first secondary battery, the initial electric capacity of the second secondary battery Is also set large .
According to such a vehicle power supply system, since the battery replacement time is determined based on the total capacity maintenance rate of both the secondary batteries, the battery replacement time of the first secondary battery and the second secondary battery is appropriately set. It is possible to postpone. Therefore, the first secondary battery and the second secondary battery can be used more effectively than in the past.
Moreover, since it becomes possible to reduce the opportunity of charging / discharging of a 1st secondary battery and a 2nd secondary battery, the lifetime of a 1st secondary battery and a 2nd secondary battery can be extended substantially.
In addition, since the initial electric capacity of the first secondary battery is set to be larger than the initial electric capacity of the second secondary battery, the life of the first secondary battery is substantially extended, Reduction of the total capacity maintenance rate is suppressed. Therefore, it becomes possible to effectively postpone the battery replacement time of the first secondary battery and the second secondary battery.
この車両用電源システムにおいて、前記判定装置は、前記第1容量維持率および前記第2容量維持率の何れか一方が、予め定められた基準値であって前記第1基準値より低い第2基準値以下のときには電池交換時期と判定する。
この構成によれば、仮にトータル容量維持率が第1基準値を超えている場合であっても、第1容量維持率および第2容量維持率の何れか一方が第2基準値以下の場合には、電池交換時期と判定される。これにより、何れか一方の電池の劣化が過度に進行している状態で両電池が継続的に使用されることによるトラブル、例えば発熱による発火等を未然に回避することが可能となる。
In the vehicular power supply system, the determination device includes a second reference in which either one of the first capacity maintenance ratio and the second capacity maintenance ratio is a predetermined reference value that is lower than the first reference value. When the value is less than or equal to the value, it is determined that it is time to replace the battery.
According to this configuration, even if the total capacity maintenance ratio exceeds the first reference value, if either the first capacity maintenance ratio or the second capacity maintenance ratio is equal to or less than the second reference value. Is determined to be the battery replacement time. As a result, it is possible to avoid troubles caused by continuous use of both batteries in a state in which the deterioration of one of the batteries is excessively advanced, for example, ignition due to heat generation.
なお、上記の車両用電源システムにおいて、前記第1二次電池は、出力密度とエネルギー密度の比の値が、前記電気モータの出力値である要求モータ出力と当該電池のエネルギー容量の要求値である要求電池エネルギー容量の比の値よりも大きく、前記第2二次電池は、出力密度とエネルギー密度の比の値が、前記要求モータ出力と前記要求電池エネルギー容量の比の値よりも小さいものであるのが好適である。 In the above vehicle power supply system, the first secondary battery has a ratio of output density to energy density that is a required motor output that is an output value of the electric motor and a required value of the energy capacity of the battery. The second secondary battery has a power density / energy density ratio smaller than a required battery energy capacity ratio, and is smaller than a required motor output / required battery energy capacity ratio. Is preferred.
この車両用電源システムによれば、要求モータ出力と要求電池エネルギー容量の双方を満足させつつ、電池(第1二次電池および第2二次電池)の総重量を必要最小限度に抑えることが可能となる。 According to this vehicle power supply system, the total weight of the batteries (the first secondary battery and the second secondary battery) can be suppressed to a necessary minimum while satisfying both the required motor output and the required battery energy capacity. It becomes.
上記車両用電源システムにおいて、前記電気モータ、前記第1二次電池および前記第2二次電池の搭載例は種々考えられるが、例えば、次のような構成は、車両の走行性能を満足させながら電池の軽量化を図り、さらに二次電池の寿命を延ばす上で好適である。すなわち、前記車両は、前記要求モータ出力が50kWで、前記要求電池エネルギー容量が30kWhのものであり、前記第1二次電池は、出力密度が380W/kgでエネルギー密度が80Wh/kgのものであり、前記第2二次電池は、出力密度が40W/kgでエネルギー密度が240Wh/kgのものである。 In the above vehicle power supply system, various mounting examples of the electric motor, the first secondary battery, and the second secondary battery are conceivable. For example, the following configuration satisfies the traveling performance of the vehicle. This is suitable for reducing the weight of the battery and extending the life of the secondary battery. That is, the vehicle has a required motor output of 50 kW and a required battery energy capacity of 30 kWh, and the first secondary battery has an output density of 380 W / kg and an energy density of 80 Wh / kg. The second secondary battery has an output density of 40 W / kg and an energy density of 240 Wh / kg.
以上説明したように、本発明の車両用電源システムによれば、特性の異なる2種類の電池を備えた電動車両において、両電池の交換時期を適正に先延ばしすることができる。そのため、電池をより有効的に活用することが可能となる。 As described above, according to the vehicle power supply system of the present invention, it is possible to appropriately postpone the replacement time of both batteries in an electric vehicle including two types of batteries having different characteristics. Therefore, the battery can be used more effectively.
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。なお、以下の説明では、まず、本発明の基礎となる車両用電源システム1A(以下、適宜、基礎システム1Aという)について説明した後、本発明に係る車両用電源システム1Bおよび電池の寿命管理方法について説明する。
(A)基礎システム1Aが適用される電動車両の構成
図1は、本発明の基礎となる車両用電源システム1Aを示す概略図である。この車両用電源システム1Aは、電気モータ2のみを動力源として駆動輪(図示省略)を駆動する(すなわち内燃機関を併用しない)電動車両に搭載されるものである。
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, first, the vehicle
(A) Configuration of Electric Vehicle to which
前記電気モータ2は、発電機能を有するモータジェネレータであり、車両の減速時には、発電機として制御されることで回生電力を発生する。
The
車両用電源システム1Aは、上記電気モータ2に電力を供給するためのインバータ10と、車両で使用される電力を各々蓄えるための二次電池12(以下、電池12という)及びキャパシタモジュール14と、これらインバータ10、電池12及びキャパシタモジュール14を互いに並列に接続する第1回路11と、を含む。電池12としては、例えばリチウムイオン電池が適用されている。
The vehicle
前記電池12は、車外に設けられた充電器により充電可能であり、車両用電源システム1Aには、この装置1Aと充電器とを接続して充電器から電池12への電力を供給可能にする充電用プラグ(図示省略)が設けられている。この充電用プラグには、家庭用電源である普通充電器、パーキングエリア等に設置される急速充電器が接続可能となっている。
The
前記キャパシタモジュール14は、インバータ10と電池12との間で上記第1回路11に接続されている。キャパシタモジュール14は、上記電池12とは別に、車両で用いられる電力を蓄えるためのキャパシタ16と、このキャパシタ16の電圧を変換(昇圧及び降圧)するDC−DCコンバータ18と、キャパシタ16およびDC−DCコンバータ18を直列に接続する第2回路20と、この第2回路20から分岐してDC−DCコンバータ18をバイパスするパイパス回路21と、バイパス回路21を開閉するバイパススイッチ22とを含む。当実施形態では、上記キャパシタ16として電気二重層キャパシタが適用されている。
The
前記バイパススイッチ22は、後記コントローラ30により開閉制御される。バイパススイッチ22のオフ(開いた)状態では、DC−DCコンバータ18を経由してキャパシタ16とインバータ10とが電気的に接続され、バイパススイッチ22のオン(閉じた)状態では、DC−DCコンバータ18を迂回してキャパシタ16とインバータ10とが電気的に接続される。
The
また、車両用電源システム1Aは、前記インバータ10および前記キャパシタモジュール14(DC−DCコンバータ18およびスイッチ22)を制御するためのコントローラ30と、種々のセンサとを含む。コントローラ30は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)と、例えばRAMやROMにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力(I/O)バスとを備えている。このコントローラ30には、上記センサから種々の情報が入力されている。具体的には、車両用電源システム1Aは、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ32と、車両の走行速度を検出する車速センサ34と、電池12の電流、電圧を検出する電池電流・電圧センサ36と、キャパシタの電流、電圧を検出するキャパシタ電流・電圧センサ38と、インバータ10の入力電流を検出するインバータ電流センサ40、DC−DCコンバータ18の入力電流を検出するDC−DC電流センサ42とを含み、これらセンサ32〜42からの信号がコントローラ30に入力されている。
The vehicle
さらに、車両用電源システム1Aは、前記電気モータ2以外の車両電装品26に電力を供給するための第3回路27が設けられ、さらに当該第3回路27に、車両電装品26の種類に応じて電圧を変換(昇圧・降圧)するDC−DCコンバータ24が設けられている。車両電装品26としては、電気モータ2よりも低電圧・低出力の電気負荷である電動空調装置、ナビゲーション装置およびオーディオ機器等が挙げられる。
Further, the vehicle
この車両用電源システム1Aでは、後に詳述する通り、車両の加速時などには、電池12よりもキャパシタ16に蓄えられた電力が優先的に電気モータ2に供給され、車両の減速時などには、電気モータ2で発生した回生電力を電池12よりも優先的にキャパシタ16に充電されるように、上記DC−DCコンバータ18およびスイッチ22が制御される。つまり、電気モータ2に対する電力の供給や電気モータ2で生成される回生電力の蓄電を主にキャパシタ16が負担する。そのため、上記キャパシタ16としては、少なくとも電気モータ2を駆動するための電力、および電気モータ2が発生した回生電力を蓄えることが可能な容量を有するものが選定されている。
In the vehicle
一方、上記電池12は、主に電動空調装置などの車両電装品26に対する電力の供給や上記充電用プラグを介して供給される充電器からの電力の蓄電を負担する。但し、電池12としては、車両の走行性能、すなわち、前記電気モータ2の出力値である要求モータ出力と当該電池12の要求電池エネルギー容量(車両の要求航続距離)の双方を満足させ得えるものが選定されている。このように電池12が選定されることで、電池12のみで(つまり、キャパシタ16の電力を使い切った後は)車両の走行性能を確保することができ、また、電池12の軽量化も図られている。
On the other hand, the
ここで、電池12の選定について説明する。
Here, selection of the
電動車両の設計では、まず、電気モータの最大出力をいくらにするかという要求モータ出力(W)と、電気モータに電力を供給する電池のエネルギー容量をいくらにするかという要求電池エネルギー容量(Wh)とが決定され、この2種類の要求値に基づいて電池が選定される。なお、当実施形態のような電動車両の場合、走行用の動力源は電気モータ2だけであるから、要求モータ出力は、車両に求められる走行性能を実現するために車輪に与えるべき出力と実質的に同じ値となる。また、要求電池エネルギー容量は、車両の航続可能距離をいくらにするかという要求航続距離から求められる。
In designing an electric vehicle, first, the required motor output (W) for the maximum output of the electric motor and the required battery energy capacity (Wh) for the energy capacity of the battery that supplies power to the electric motor. And the battery is selected based on these two types of required values. In the case of an electric vehicle such as the present embodiment, since the driving power source is only the
電池を選定する際には、上記要求モータ出力と要求電池エネルギー容量との双方を過不足なく満足する1つの電池を選定するのが理想的である。図2は、そのような選定を行うためのグラフである。本グラフの横軸は電池のエネルギー密度(Wh/kg)を、縦軸は電池の出力密度(W/kg)を表している。また、本グラフにおいて、「要求P/Eライン」とは、要求モータ出力と要求電池エネルギー容量の比の値に一致する一定の傾きをもった直線である。また、「BICライン」とは、当該ラインよりも出力密度およびエネルギー密度の双方が高い電池が現時点で存在しないことを示す限界ラインであり、現存する各種電池の性能をグラフ上にプロットした場合の各プロットの分布から求めることができる(BICとは“Best in Class”の略である)。 When selecting a battery, it is ideal to select one battery that satisfies both the required motor output and the required battery energy capacity. FIG. 2 is a graph for making such a selection. The horizontal axis of this graph represents the energy density (Wh / kg) of the battery, and the vertical axis represents the output density (W / kg) of the battery. Further, in this graph, the “required P / E line” is a straight line having a certain slope that matches the value of the ratio between the required motor output and the required battery energy capacity. In addition, the “BIC line” is a limit line indicating that there is no battery having a higher output density and energy density than the line at present, and the performance of various existing batteries is plotted on a graph. It can be obtained from the distribution of each plot (BIC is an abbreviation for “Best in Class”).
ここで、上記要求P/EラインとBICラインとが交差するポイントに一致する性能を有する電池が仮に存在したとして、これをA0としてプロットする。そして、このA0で表される電池を「仮想最適電池」という。このような性能の仮想最適電池A0が仮に存在していれば、上述した要求モータ出力と要求電池エネルギー容量とを、当該電池A0を単独で用いることで過不足なく満足でき、しかも電池の重量を最小限に抑えることができる。 Here, assuming that there is a battery having the performance matching the point where the required P / E line and the BIC line intersect, this is plotted as A0. The battery represented by A0 is referred to as “virtual optimum battery”. If the virtual optimum battery A0 having such performance exists, the required motor output and the required battery energy capacity described above can be satisfied by using the battery A0 alone, and the weight of the battery can be satisfied. Can be minimized.
その理由は次のとおりである。 The reason is as follows.
上記仮想最適電池A0のプロット(白丸)は、図示のとおり要求P/Eライン上に存在しているので、この仮想最適電池A0の出力密度とエネルギー密度の比の値は、上記要求P/Eラインの傾きと一致するはずである。このため、仮想最適電池A0の出力密度およびエネルギー密度と、要求モータ出力および要求航続距離との関係は、下記の式(1)によって表現することができる。 Since the plot (white circle) of the virtual optimum battery A0 exists on the required P / E line as shown in the figure, the value of the ratio between the output density and the energy density of the virtual optimum battery A0 is the required P / E. Should match the slope of the line. For this reason, the relationship between the output density and energy density of the virtual optimum battery A0, the required motor output and the required cruising distance can be expressed by the following equation (1).
[数1]
DP/DE=P/E ・・・(1)
ここに、
DP:仮想最適電池の出力密度(W/kg)
DE:仮想最適電池のエネルギー密度(Wh/kg)
P:要求モータ出力(W)=車両要求出力(W)
E:要求電池エネルギー容量(Wh)∝要求航続距離(km)である。
[Equation 1]
D P / D E = P / E (1)
here,
D P : Virtual optimal battery power density (W / kg)
D E : Energy density of virtual optimal battery (Wh / kg)
P: Required motor output (W) = Vehicle required output (W)
E: Required battery energy capacity (Wh) ∝Required cruising distance (km).
上記式(1)を変形することにより、
[数2]
E/DE=P/DP ・・・(2)
が得られる。
By modifying the above equation (1),
[Equation 2]
E / D E = P / D P (2)
Is obtained.
上記式(2)の左辺と右辺の単位は、それぞれ「kg」である。つまり、式(2)の左辺(E/DE)は、要求電池エネルギー容量Eを満たすことのできる電池の重量(kg)に相当し、右辺(P/DP)は、要求モータ出力Pを満たすことのできる電池の重量(kg)に相当する。上記のように右辺と左辺が等しいということは、1種類の電池を用いることで、要求モータ出力Pと要求電池エネルギー容量Eとの両方を過不足なく満足できることを意味する。 The unit of the left side and the right side of the formula (2) is “kg”. That is, the left side (E / D E ) of the formula (2) corresponds to the weight (kg) of the battery that can satisfy the required battery energy capacity E, and the right side (P / D P ) represents the required motor output P. This corresponds to the weight (kg) of the battery that can be satisfied. That the right side and the left side are equal as described above means that both of the required motor output P and the required battery energy capacity E can be satisfied without excess or shortage by using one type of battery.
従って、上記電池12としては、その出力密度とエネルギー密度の比の値が、上記車両の要求モータ出力と要求電池エネルギー容量の比の値とほぼ同等である電池、つまり、図2のグラフを用いて示すと、その出力密度とエネルギー密度の比の値が要求P/Eライン上のポイント、又はその近傍のポイントであって要求P/Eライン上とBICラインとが交差するポイントにより近いポイントと一致する性能、つまり仮想最適電池A0により近い性能のものが選定されている。これにより、上記電池12としては、要求モータ出力と要求電池エネルギー容量(車両の要求航続距離)の双方を満足させることが可能で、かつ可及的に軽量な電池が選定されている。
Therefore, as the
例えば、当実施形態では、車両の要求モータ出力は50kW、要求電池エネルギー容量は10kWhであり(要求P/Eラインの傾きは約5.6)、上記電池12として、出力密度が1300W/kgで、エネルギー密度が230Wh/kgのリチウムイオン電池が適用されている。また、上記の通り、電気モータ2を駆動するための電力、および電気モータ2が発生した回生電力を蓄えることが可能となるように、上記キャパシタ16として、最大出力が50kWで、エネルギー容量が70Whのものが適用されている。
For example, in this embodiment, the required motor output of the vehicle is 50 kW, the required battery energy capacity is 10 kWh (the inclination of the required P / E line is about 5.6), and the output density of the
(B)車両用電源システム1Aの充放電動作
まず、車両用電源システム1Aの充電動作(回生時の充電動作)について説明する。
(B) Charging / Discharging Operation of Vehicle
図3は、車両用電源システム1Aの充電動作制御の一例を示すフローチャートである。この制御は、車両の走行状態が加速、又は定速から減速に移行されることにより実行される。具体的には、アクセル開度が0になることにより実行される。なお、このように車両が減速走行に移行されると、電気モータ2は発電機として制御(回生制御)される。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of charging operation control of the vehicle
このフローチャートの制御がスタートすると、コントローラ30は、電池電流・電圧センサ36およびキャパシタ電流・電圧センサ38から入力される情報、すなわち電池12およびキャパシタ16の各電圧値を取得し、電池電圧がキャパシタ電圧よりも高いか否かを判定する(ステップS1、S3)。ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、バイパススイッチ22をオン(閉じた)状態にし、電気モータ2で発生した回生電力を、DC−DCコンバータ18をバイパスしてキャパシタ16に充電する(ステップS5)。つまり、電池電圧がキャパシタ電圧よりも大きい場合には、その電圧差により回生電力は自ずとキャパシタ16に充電される。そのため、この場合には、DC−DCコンバータ18をバイパスさせ、当該DC−DCコンバータ18の内部抵抗による電気ロスを回避することで、回生電力を効率良く回収する。
When the control of this flowchart starts, the
一方、ステップS3の判定がNOの場合には、コントローラ30は、バイパススイッチ22をオフ(閉じた)状態にし、さらに電池電圧よりもキャパシタ電圧が低くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御する(ステップS15)。これにより、回生電力をキャパシタ16に充電する。
On the other hand, when the determination in step S3 is NO, the
回生電力の充電が開始されると、コントローラ30は、キャパシタ電圧値がキャパシタ16の許容上限値未満か否かを判定する(ステップS7、S9)。ここでYESと判定した場合には、コントローラ30は、さらに回生継続か否かを判定し(ステップS17)、YESの場合には、キャパシタ16への回生電力の充電を継続する。
When charging of regenerative power is started, the
一方、ステップS9での判定がNOの場合、すなわちキャパシタ電圧値がキャパシタ16の許容上限値以上の場合には、回生継続か否かをさらに判定し(ステップS11)、ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、DC−DCコンバータ18を昇圧制御する(ステップS13)。具体的には、電池電圧よりもキャパシタ電圧が高くなるようにDC−DCコンバータ18を昇圧制御し、その後、ステップS11に移行する。つまり、回生電力の充電先をキャパシタ16から電池12に切り換えることで、キャパシタ16が過充電となることを抑制する。
On the other hand, if the determination in step S9 is NO, that is, if the capacitor voltage value is greater than or equal to the allowable upper limit value of the
そして、最終的にステップS11、又はステップS17でNOと判定すると、具体的には、車両の走行状態が減速から加速に移行される、又は車両の走行速度が0になって電気モータ2の回生が停止されると、コントローラ30は、当該フローチャートを終了する。
When it is finally determined NO in step S11 or step S17, specifically, the traveling state of the vehicle is shifted from deceleration to acceleration, or the traveling speed of the vehicle becomes 0 and the
以上のように、この車両用電源システム1Aでは、電気モータ2が発生する回生電力がキャパシタ16に優先的に充電され、キャパシタ電圧がキャパシタ16の許容上限値以上であると判定された場合に限りに、回生電力が電池12に充電される。
As described above, in this vehicle
次に、車両用電源システム1Aの放電(電力供給)動作について説明する。
Next, the discharge (power supply) operation of the vehicle
図4及び図5は、車両用電源システム1Aの放電動作制御の一例を示すフローチャートである。この制御は、電気モータ2の駆動による車両走行時に実行される。
4 and 5 are flowcharts showing an example of discharge operation control of the vehicle
このフローチャートの制御がスタートすると、コントローラ30は、電池電流・電圧センサ36およびキャパシタ電流・電圧センサ38から入力される情報、つまり電池12およびキャパシタ16の各電流値、各電圧値を取得し、キャパシタ16の容量(充電率)を求めた上で、この容量が所定値よりも大きいか否かを判定する(ステップS21、S23)。ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、キャパシタ電圧が電池電圧よりも高いか否かを判定し(ステップS25)、ここでYESの場合には、さらにキャパシタ電圧がインバータ許容上限値よりも低いか否かを判断する(ステップS27)。ステップS27での判定がYESの場合には、コントローラ30は、バイパススイッチ22をオン状態とし、キャパシタ16に蓄えられている電力を、DC−DCコンバータ18をバイパスして電気モータ2(インバータ10)に供給する。つまり、キャパシタ電圧が電池電圧よりも大きい場合には、その電圧差によりキャパシタ16の電力が自ずと電気モータ2に供給(放電)される。そのため、この場合には、DC−DCコンバータ18をバイパスさせ、DC−DCコンバータ18の内部抵抗による電気ロスを回避することで、電力を効率良く電気モータ2に供給する。
When the control of this flowchart is started, the
キャパシタ16から電気モータ2への電力供給が開始されると、コントローラ30は、インバータ入力電流値を取得し、このインバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値未満か否かを判定する(ステップS31、S33)。ここでの判定がYESの場合には、放電継続か否かを判定し(ステップS39)、YESの場合には、コントローラ30は、ステップS31に処理を移行し、電気モータ2へのキャパシタ16からの電力供給を継続させる。一方、ステップS39での判定がNOの場合、例えば車両の走行状態が減速に移行された場合には、コントローラ30は、当該フローチャートに基づく制御を終了する。
When power supply from the
上記ステップS33での判定がNOの場合、すなわち、インバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値以上の場合には、コントローラ30は、放電継続か否かを判定し(ステップS35)、ここでの判定がNOの場合には、当該フローチャートに基づく制御を終了する。他方、ステップS35での判定がYESの場合には、コントローラ30は、バイパススイッチ22をオフ状態とし、さらに電池電圧よりもキャパシタ電圧が低くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御する(ステップS37)。これによりキャパシタ16からの電力供給を停止し、代わりに電池12から電気モータ2(インバータ10)への電力供給を開始する。つまり、キャパシタ16は大電力を短時間で充放電可能な特性を有するため、キャパシタ16からの電力供給時に、インバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値以上となることが考えられる。そのため、インバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値以上となった場合には、キャパシタ16からの電力供給を停止し、出力(放電)が緩慢な電池12から電力供給を行うことでインバータ10を保護している。なお、ステップS23での判定がNOの場合、すなわち、キャパシタ16の容量が所定値以下の場合も同様に、コントローラ30は、ステップS37に処理を移行する。これによりキャパシタ16が過放電となることを防止する。
If the determination in step S33 is NO, that is, if the inverter input current value is equal to or greater than the inverter input allowable upper limit value, the
一方、ステップS25での判定がNOの場合、すなわち、キャパシタ電圧が電池電圧以下である場合には、コントローラ30は、バイパススイッチ22をオフ状態とし、さらに電池電圧よりもキャパシタ電圧が高くなるようにDC−DCコンバータ18を昇圧制御する(ステップS43)。また、ステップS27での判定がNOの場合、すなわち、キャパシタ電圧がインバータ許容上限値以上の場合には、コントローラ30は、バイパススイッチ22をオフ状態とし、さらにキャパシタ電圧がインバータ許容上限値よりも低く、かつ電池電圧よりも高くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御する(ステップS41)。これにより、キャパシタ16から電気モータ2(インバータ10)への電力供給を開始する。
On the other hand, when the determination in step S25 is NO, that is, when the capacitor voltage is equal to or lower than the battery voltage, the
ステップS41又はS43の処理を経由して、キャパシタ16から電気モータ2への電力供給を開始した場合、コントローラ30は、DC−DC電流センサ42からの入力情報、すなわちDC−DCコンバータ18の入力電流値を取得し、このDC−DC入力電流値がDC−DCコンバータ18の入力許容上限値未満か否かを判定する(ステップS45、S47)。ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、さらに放電継続か否かを判定し(ステップS49)、YESの場合には、ステップS45に処理を移行して、キャパシタ16から電気モータ2への電力供給を継続する。一方、ステップS49での判定がNOの場合、例えば車両の走行状態が減速に移行された場合には、コントローラ30は、当該フローチャートに基づく制御を終了する。なお、ステップS47での判定がNOの場合、すなわち、DC−DC入力電流値がDC−DCコンバータ18の入力許容上限値以上の場合には、コントローラ30は、処理をステップS35に移行する。
When the power supply from the
以上のように、この車両用電源システム1Aにおける放電(電力供給)動作では、キャパシタ16に蓄えられた電力が優先的に電気モータ2(インバータ10)供給され、キャパシタ16から電気モータ2への電力供給中に、DC−DC入力電流値がDC−DCコンバータ18の入力許容上限値以上となった場合、又はインバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値以上となった場合にのみ、電池12から電気モータ2に電力の供給が行われる。
As described above, in the discharging (power supply) operation in the vehicle
(C)車両用電源システム1Aの充放電動作による作用効果
この車両用電源システム1Aによれば、上記の通り、電気モータ2が回生制御される際には、当該電気モータ2が発生する回生電力がキャパシタ16に優先的に充電され、キャパシタ電圧がキャパシタ16の許容上限値以上と判定された場合にのみ、回生電力が電池12に充電される。そのため、充電用プラグを介して充電器から電力が充電される場合以外、電池12の充電機会が殆ど無い。
(C) Effects of Charging / Discharging Operation of Vehicle
また、電気モータ2の駆動による車両走行の際には、キャパシタ16の電力が優先的に電気モータ2(インバータ10)に供給され、キャパシタ16からの電力供給中に、DC−DC入力電流値がDC−DCコンバータ18の入力許容上限値以上となった場合、又はインバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値以上となった場合にのみ、電池12から電気モータ2への電力供給が行われる。そのため、実質的には、電池12の電力が電気モータ2(インバータ10)に供給される機会も殆ど無い。
Further, when the vehicle is driven by driving the
つまり、この車両用電源システム1Aでは、電気モータ2(インバータ10)への電力供給および回生電力の充電を主にキャパシタ16が賄うため、電池12が電気モータ2への電力供給や回生電力の充電を行うことが殆ど無い。そのため、電池のみから電気モータへの電力供給が行われ、かつ回生電力を電池のみに充電が行われるシステムと比べると、電池12に対する充放電の機会が大幅に低減される。従って、この車両用電源システム1Aによれば、充放電に伴う電池12の劣化を効果的に抑制することができ、これにより、電池12の寿命を延ばすことが可能となる。
That is, in this vehicle
例えば、図6は、上記車両用電源システム1Aの電池12の劣化度合と、従来の一般的なシステムの電池の劣化度合とを比較したグラフである。本グラフの縦軸は電池の容量維持率(%)を、横軸はシステム全体としての充放電のサイクル数を表したものである。容量維持率とは、当初(出荷時)に蓄電可能であった電池の容量に対する実際に(現在)蓄電可能な電池の容量の割合である。また、充放電の1サイクルは、予め定められた距離を所定回数だけ連続高負荷運転(加減速を繰り返す)した後、一定電流値で外部充電を所定回数行うというものであり、当該グラフでは、充放電サイクル数をルート値(1/2乗根)で示している。なお、両システムで用いられている電池は共通である。
For example, FIG. 6 is a graph comparing the deterioration degree of the
このグラフに示す通り、上記車両用電源システム1Aによれば、従来システムに比べて電池の容量維持率の低下が抑制されている。これは上記の通り、上述した車両用電源システム1Aでは、電池12に対する充放電の機会が低減されているためである。
As shown in this graph, according to the vehicle
なお、この車両用電源システム1Aにおいては、上記の通り、電池12は、その出力密度とエネルギー密度の比の値が、当該車両の要求モータ出力と要求電池エネルギー容量の比の値とほぼ同等であるものが選定されている。つまり、電池12としては、車両の走行性能を満足させながら可及的に軽量なものが選定されている。従って、この車両用電源システム1Aによれば、車両の走行性能を満足させながら電池の軽量化を図り、さらに、電池の寿命を延ばすことができるという効果を享受することができる。
In this vehicle
(D)車両用電源システム1Aの変形例
例えば、図4、図5に示すフローチャート(充電動作制御)では、キャパシタ電圧がキャパシタ16の許容上限値以上と判定された場合であって、かつ回生動作が継続される場合(ステップS11でYES)には、コントローラ30がDC−DCコンバータ18を降圧制御することで、回生電力の充電先をキャパシタ16から電池12に切り換えているが、回生電力を充電することなく放電するようにしてもよい。具体的には、開閉スイッチを備えた放電回路をキャパシタモジュール14に対して並列に設け、図7に示すフローチャートに基づき充電動作制御を行う。このフローチャートは、図4、図5のフローチャートのステップS13の処理に代えて、ステップS18、S19の処理を設けたものである。すなわち、ステップS11での判定がYESの場合、コントローラ30は、警告ランプ等を作動させてドライバに報知した上で、前記開閉スイッチを閉じて放電回路をオン状態とする(ステップS18、S19)。これにより、回生電力を放電回路に与えて放電させる。
(D) Modified Example of Vehicle
このような構成によれば、電池12に対して回生電力が充電される機会が無くなる分、電池12の寿命を延ばす上で有利となる。
Such a configuration is advantageous in extending the life of the
(本発明の説明)
(A)本発明の車両用電源システム1Bが適用される電動車両の構成
図8は、本発明に係る車両用電源システム1Bを示す概略図である。この車両用電源システム1Bの基本的な構成は、基礎システム1Aと共通している。従って、以下の説明では、基礎システム1Aと共通する構成については同一符号を付して説明を省略し、主に、基礎システム1Aとの相違点について詳細に説明することにする。
(Description of the present invention)
(A) Configuration of Electric Vehicle to which Vehicle
図8に示すように、この車両用電源システム1Bは、二次電池として、第1二次電池13aおよび第2二次電池13bを備えている(以下、第1電池13a、第2電池13bと略す)。当例では、各電池13a、13bとして、何れもリチウムイオン電池が適用されている。
As shown in FIG. 8, the vehicle
第1電池13aおよび第2電池13bは、互いに特性の異なる電池であり、互いに並列に第1回路11に接続されている。具体的に、第1電池13aと第2電池13bとを比較すると、第2電池13bは、第1電池13aよりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きい。言い換えると、第1電池13aの出力密度は第2電池13bよりも大きく、第2電池13bのエネルギー密度は第1電池13aよりも大きい。
The
上記のように、出力密度が相対的に大きい第1電池13aは、高出力を発揮することを重視した電池であり、本明細書では、このようなタイプの電池をパワー電池(図8ではP電池と記載)という。また、エネルギー密度が相対的に大きい第2電池13bは、充電容量の確保を重視した電池であり、本明細書では、このようなタイプの電池をエネルギー電池(図8ではE電池と記載)という。
As described above, the
このように特性の異なる2つの電池が設けられる理由は、単一の電池で車両の要求モータ出力と要求電池エネルギー容量を満足することができない場合があるためである。図2のグラフを用いると、電池の出力密度とエネルギー密度の比の値が要求P/Eライン上のポイント、又はその近傍のポイントであって要求P/Eライン上とBICラインとが交差するポイントにより近いポイントと一致する性能のものが存在しないために、電池の重量が極端に大きくなるような場合である。つまり、図2の仮想最適電池A0のような適当な単一の電池が存在しない場合でも、要求P/Eラインよりも出力密度の大きい電池と要求P/Eラインよりもエネルギー密度の大きい電池とをうまく組み合わせて使用すれば、車両の要求モータ出力と要求電池エネルギー容量を満足しつつ、電池の総重量を軽くすることができる。 The reason why two batteries having different characteristics are provided is that a single battery may not satisfy the required motor output of the vehicle and the required battery energy capacity. When the graph of FIG. 2 is used, the value of the ratio between the power density and the energy density of the battery is a point on or near the required P / E line, and the required P / E line and the BIC line intersect. This is the case where the weight of the battery becomes extremely large because there is no performance that matches the point closer to the point. That is, even when there is no suitable single battery such as the virtual optimum battery A0 in FIG. 2, a battery having a higher output density than the required P / E line and a battery having a higher energy density than the required P / E line If used in combination, the total weight of the battery can be reduced while satisfying the required motor output of the vehicle and the required battery energy capacity.
この車両用電源システム1Bでは、図9のマップに示すように、第1電池13aとして、要求P/Eラインよりも出力密度の大きい電池、つまり要求P/Eラインよりもマップの左上側のポイントであって、BICライン上のポイントB1と一致する性能のものが適用され、第2電池13bとして、要求P/Eラインよりもエネルギー密度の大きい電池、つまり要求P/Eラインよりもマップの右下側のポイントであって、BICライン上のポイントC1と一致する性能のものが適用されている。これにより、要求モータ出力と要求電池エネルギー容量を満足しつつ、電池(第1電池13a、第2電池13b)の総重量の軽量化が図られている。
In this vehicle
例えば、当実施形態では、車両の要求モータ出力は50kWで、要求電池エネルギー容量は30kWhであり(要求P/Eラインの傾きは約1.7)、第1電池13aとして、出力密度が380W/kgで、エネルギー密度が80Wh/kgのリチウムイオン電池が適用され、第2電池13bとして、出力密度が40W/kgで、エネルギー密度が240Wh/kgのリチウムイオン電池が適用されている。また、少なくとも電気モータ2を駆動するための電力、および電気モータ2が発生した回生電力を蓄えるため、上記キャパシタ16としては、最大出力が20kW、エネルギー容量が70Whのものが適用されている。なお、当該キャパシタ16は、いわゆるスモールカーと称される車両クラスを想定した場合のものであり、キャパシタ16は、減速回生で車両重量に応じた回生力、回生エネルギーに対応した値のものが適用される。
For example, in the present embodiment, the required motor output of the vehicle is 50 kW, the required battery energy capacity is 30 kWh (the inclination of the required P / E line is approximately 1.7), and the output density of the
なお、当実施形態において、第1電池13aの電気容量と第2電池13bの容量比は1:1である。また、図8に示すように、第1電池13aは、第2電池13bよりもキャパシタモジュール14に近い側で第1回路11に接続されている。これは要するに、第1電池13aに対してキャパシタモジュール14が設けられていることを意味する。
In the present embodiment, the electric capacity of the
さらに、この車両用電源システム1Bには、基礎システム1Aの電池電流・電圧センサ36の代わりに、第1電池13aの電流、電圧を検出する第1電池電流・電圧センサ37aと、第2電池13bの電流、電圧を検出する第2電池電流・電圧センサ37bとが設けられており、これらセンサ37a、37bからの信号がコントローラ30に入力されている。
Further, in this vehicle
なお、当例では、コントローラ30が本発明の演算装置および判定装置に相当する。
In this example, the
(B)車両用電源システム1Bの充放電動作とその作用効果
この車両用電源システム1Bにおける充放電動作も、基本的には、上述した基礎システム1Aの充電動作と同様に行われる。
(B) Charging / Discharging Operation of Vehicle
すなわち、車両の走行状態が加速又は定速から減速に移行されると、コントローラ30により、図3のフローチャートに基づいて回生電力の充電動作が制御される。
That is, when the running state of the vehicle is shifted from acceleration or constant speed to deceleration, the
但し、この車両用電源システム1Bは、2つの電池13a、13bを備えているため、コントローラ30は、ステップS1では、両電池13a、13bの電流値、電圧値を取得する。また、コントローラ30は、ステップS3において、キャパシタ電圧が両電池13a、13bの電圧値よりも低いか否かを判定し、ステップS15では、両電池13a、13bの電圧よりもキャパシタ電圧が低くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御する。さらに、コントローラ30は、ステップS13では、両電池13a、13bの電圧よりもキャパシタ電圧が高くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御する。
However, since the vehicle
また、電気モータ2の駆動による車両の走行時には、コントローラ30により、図4、図5のフローチャートに基づいて電気モータ2への電力供給(放電)動作が制御される。
When the vehicle is driven by driving the
但し、この車両用電源システム1Bは、2つの電池13a、13bを備えているため、コントローラ30は、ステップS21では、両電池13a、13bの電流値、電圧値を取得する。また、コントローラ30は、ステップS25において、キャパシタ電圧が両電池13a、13bの電圧値よりも高いか否かを判定し、ステップS43では、両電池13a、13bの電圧よりもキャパシタ電圧が高くなるようにDC−DCコンバータ18を昇圧制御する。また、コントローラ30は、ステップS41では、キャパシタ電圧がインバータ許容上限値よりも低く、かつ両電池13a、13bの電圧よりも高くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御し、ステップS37では、両電池13a、13bの電圧よりもキャパシタ電圧が低くなるようにDC−DCコンバータ18を降圧制御する。
However, since the vehicle
このような車両用電源システム1Bについても、電気モータ2が回生制御される際には、当該電気モータ2が発生する回生電力がキャパシタ16に優先的に充電され、キャパシタ電圧がキャパシタ16の許容上限値以上と判定された場合にのみ、回生電力が電池13a、13bに充電される。そのため、充電用プラグを介して充電器から電力が充電される場合以外、電池13a、13bの充電機会が殆ど無い。
Also in such a vehicle
また、電気モータ2の駆動による車両走行の際には、キャパシタ16の電力が優先的に電気モータ2(インバータ10)に供給され、キャパシタ16からの電力供給中に、DC−DC入力電流値がDC−DCコンバータ18の入力許容上限値以上となった場合、又はインバータ入力電流値がインバータ入力許容上限値以上となった場合にのみ、電池13a、13bから電気モータ2への電力供給が行われる。そのため、実質的には、電池13a、13bの電力が電気モータ2(インバータ10)に供給される機会も殆ど無い。
Further, when the vehicle is driven by driving the
従って、この車両用電源システム1Bについても、充放電に伴う電池13a、13bの劣化を効果的に抑制することができ、これにより、上述した基礎システム1A(図1)と同様に、電池13a、13bの寿命を延ばすことが可能となる。
Therefore, also for this vehicle
例えば、図10中のグラフ(a)は、キャパシタモジュール14を備えていない場合、すなわち図8の構成からキャパシタモジュール14を除いた場合の第1電池13a、第2電池13bの劣化度合、具体的には、充放電サイクル数と容量維持率との関係(劣化度合)を示すグラフであり(便宜上、ここでは比較システム(図10中では比較例)という)、(b)は、図8に示す車両用電源システム1Bの第1電池13a、第2電池13bの劣化度合を示すグラフである。
For example, the graph (a) in FIG. 10 shows the degree of deterioration of the
これらのグラフ(a)(b)に示すように、上記車両用電源システム1Bによれば、第2電池13bの容量維持率の変化は比較システムと殆ど変わりないが、第1電池13aについては容量維持率の低下が効果的に抑制されている。これは、比較システムにおいては、エネルギー電池に比べて内部抵抗の小さいパワー電池が専ら電気モータ2への電力供給および回生電力の充電を行うこととなるが、第1電池13aに対してキャパシタモジュール14が設けられている上記車両用電源システム1Bでは、電気モータ2への電力供給および回生電力の充電を専らキャパシタ16が行うこととなる。そのため、第1電池13aに対する充放電の機会が低減され、その結果、第1電池13aの容量維持率の低下が抑制されている。
As shown in these graphs (a) and (b), according to the vehicle
なお、2つの電池13a、13bを備える車両用電源システムにおいて、システム全体の電池の劣化状態を評価するには、後に詳しく説明する通り、各電池13a、13bの容量維持率を個別に評価するよりも、電池トータルの容量維持率を評価するのが適切であるが、図10のグラフ(a)、(b)に示す通り、上記車両用電源システム1Bによれば、第2電池13bの容量維持率の低下が抑制されている分、電池トータルの容量維持率の低下が比較システムに比べて抑制されている。すなわち、上記車両用電源システム1Bによれば、比較システムに比べて電池13a、13bの寿命を延ばすことができる。
In a vehicle power supply system including two
(C)電池の寿命管理制御
図11は、車両用電源システム1Bにおける電池の寿命管理制御(本発明に係る電池の寿命管理方法)の一例を示すフローチャートである。この制御は、車両のイグニッションオフ時に予め設定されたタイミングで実行される。
(C) the life management control diagram 11 of a battery is a flowchart illustrating an example of a life management control of the battery in the vehicle
このフローチャートの制御がスタートすると、コントローラ30は、後述する警告フラグがオンか否かを判定し(ステップS51)、ここでの判定がNOの場合には、コントローラ30は、電池電流・電圧センサ37a、37bから入力される情報に基づき、第1電池13aのOCV1(開放電圧:Open Circit Voltage)及び第2電池13bのOCV2を取得し、その値に基づき第1電池13aのSOC1及び第2電池13bのSOC2を求める(ステップS53)。コントローラ30には、SOCとOCVとの関係を示すマップが記憶されており、コントローラ30は、取得したOCVの値に対応するSOCをこのマップから抽出することにより、各電池13a、13bのSOC1、SOC2を算出する。
When the control of this flowchart is started, the
次に、コントローラ30は、車両が始動したか否か、つまりイグニッションがオンされたか否かを判定し(ステップS55)、ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、電池電流・電圧センサ37a、37bから入力される情報に基づき、各電池13a、13bの入出力電流の積算処理(積分値の演算)を開始する(ステップS57)。次に、車両が停止された否か、ここでは、イグニッションがオフされたか否かを判定し(ステップS59)、ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、各電池13a、13bの入出力電流の積算処理を停止するとともに、各電池13a、13bのOCV1′、OCV2′を取得してその値に基づき各電池13aのSOC1′、SOC2′を求める(ステップS61)。そして、ステップS53、S57、S61で取得したデータに基づき、各電池13a、13bの容量維持率と電池トータルの容量維持率を求める(ステップS63)。なお、容量維持率とは、基礎システム1Aの説明でも言及した通り、当初(出荷時)に蓄電可能であった電池の容量に対する実際に(現在)蓄電可能な電池の容量の割合である。
Next, the
ステップS53、S57、S61で取得したデータを用いると、各電池13a、13bの容量維持率は、例えば下記の式(3)、(4)に基づいて求めることができる。
Using the data acquired in steps S53, S57, and S61, the capacity maintenance rates of the
[数3]
Rp=ΔE1/ΔSOC1・E10 ・・・(3)
Re=ΔE2/ΔSOC2・E20 ・・・(4)
ここに、
Rp:第1電池13aの容量維持率(%)(本発明の第1容量維持率に相当する)
Re:第2電池13bの容量維持率(%)(本発明の第2容量維持率に相当する)
ΔE1:第1電池13aの入出力電流の積算値
ΔE2:第2電池13bの入出力電流の積算値
ΔSOC1:第1電池13aのSOCの変化量(SOC1′−SOC1)
ΔSOC2:第1電池13aのSOCの変化量(SOC2′−SOC2)
E10:第1電池13aの初期(出荷時)容量
E20:第2電池13bの初期(出荷時)容量
そして、第1電池13aおよび第2電池13bのトータルの容量維持率は、下記式(5)に基づいて求められる。
[Equation 3]
Rp = ΔE 1 / ΔSOC 1 · E 1 0 (3)
Re = ΔE 2 / ΔSOC 2 · E 2 0 (4)
here,
Rp: Capacity maintenance rate (%) of the
Re: Capacity maintenance rate (%) of the
ΔE 1 : Integrated value of input / output current of
ΔSOC 2 : SOC change amount of
E 1 0: Initial (shipment) capacity of the
[数4]
R=(Rp+Re・f)/(1+f)・・・(5)
ここに、
R:電池トータルの容量維持率(%)(本発明のトータル容量維持率に相当する)
f:第1電池13aの初期容量を1としたときの第2電池13bの初期容量の比
この電池トータルの容量維持率Rは、要するに各電池13a、13bの初期容量の比率に応じた平均値である。当例では、上述の通り両電池13a、13bの初期の容量比率は1:1なので、この場合には、電池トータルの容量維持率Rは単純な平均値[(Rp+Re)/2]となる。
[Equation 4]
R = (Rp + Re · f) / (1 + f) (5)
here,
R: Total capacity maintenance rate (%) of the battery (corresponding to the total capacity maintenance rate of the present invention)
f: initial capacity of the specific capacity retention rate R of the battery total
各電池13a、13bの容量維持率Rp、Re及び電池トータルの容量維持率Rが求まると、コントローラ30は、電池トータルの容量維持率Rが予め設定された交換基準値(本発明の第1基準値に相当する)以下か否か、当例では80%以下か否かを判定する(ステップS65)。すなわち、電池交換時期か否かを判定する。ここでの判定がYESの場合には、コントローラ30は、警告フラグをオンして(ステップS67)、本フローチャートを終了する。一方、ステップS65でNOと判定した場合には、コントローラ30は、第1電池13a又は第2電池13bの何れかの容量維持率が予め設定された限界値(本発明の第2基準値に相当する)、当例では70%以下であるか否かを判定し、ここでの判定がYESの場合には、ステップS67に移行して警告フラグをオンし、当該判定がNOの場合には、本フローチャートを終了する。
When the capacity maintenance rates Rp and Re of the
なお、ステップS51での判定がYESの場合、すなわち警告フラグが既にONである場合には、コントローラ30は、例えばメンテナンス要求ランプ(本発明の報知装置に相当する)を点灯させる等の警告表示を実行する(ステップS71)。そして、警告表示のリセット操作が行われたか否かを判定し(ステップS73)、ここでの判断がYESの場合には、警告フラグをオフした後(ステップS75)、本フローチャートを終了し、当該判断がNOの場合には、ステップS75の処理をスキップして本フローチャートを終了する。
If the determination in step S51 is YES, that is, if the warning flag is already ON, the
なお、当例では、上記ステップS63の処理が本発明の容量維持率演算工程に相当し、ステップS65、S69の処理が本発明の寿命判定工程に相当する。 In this example, the process of step S63 corresponds to the capacity maintenance rate calculation process of the present invention, and the processes of steps S65 and S69 correspond to the life determination process of the present invention.
(D)上記寿命管理制御による作用効果
このような寿命管理制御が実施される上記車両用電源システム1Bによれば、電池トータルの容量維持率Rに基づいて警告表示が実行されるので、電池13a、13bの交換時期を適正な範囲で先延ばしにして各電池13a、13bをより長期的に使用することが可能となる。換言すれば、各電池13a、13bの寿命を合理的に延ばすことが可能になる。
(D) Effects of Life Management Control According to the vehicle
すなわち、エネルギー電池とパワー電池を組み合わせて使用する従来システムでは、一定の劣化レベル(容量維持率)が設定され、何れか一方の電池がその劣化レベルに達するとメンテナンス(電池交換)が実施されるのが一般的である。しかし、パワー電池とエネルギー電池とは、その内部抵抗の差により劣化の進行度合が異なり、また、エネルギー電池とパワー電池とが協働して電力の入出力を負担するため、何れか一方の電池が劣化レベルに達した場合でも、電池トータルとしては未だ使用可能な場合が多い。このことは、各電池13a、13bの寿命を短くしていることに等しい。
That is, in a conventional system that uses a combination of an energy battery and a power battery, a certain deterioration level (capacity maintenance rate) is set, and maintenance (battery replacement) is performed when one of the batteries reaches the deterioration level. It is common. However, the power battery and the energy battery have different degrees of deterioration due to the difference in internal resistance, and the energy battery and the power battery cooperate to bear power input / output, so either one of the batteries Even when the battery reaches the degradation level, the battery as a whole is still usable in many cases. This is equivalent to shortening the life of each
この点、上記の車両用電源システム1Bによれば、電池トータルの容量維持率Rに基づいて、すなわち電池トータルの劣化状態の評価に基づいて警告表示が実行されるため、従来システムに比べると、電池13a、13bのメンテナンス(電池交換)時期の到来を先延ばしする、すなわち各電池13a、13bの寿命を延ばすことが可能となる。
In this respect, according to the above-described vehicle
例えば、図10のグラフ(b)に示すように、この車両用電源システム1Bでは、充放電サイクル数が90回で第1電池13aの容量維持率Rpが80(%)に達するのに対して、第2電池13bは、充放電サイクル数が20回で既に容量維持率Rpが80(%)に達している。従って、交換基準値を仮に容量維持率80%とした場合、従来システムでは充放電サイクル数が20回でメンテナンス時期が到来するが、上記車両用電源システム1Bによれば、充放電サイクル数が36回程度までメンテナンス時期を先延ばしすることができる。従って、この車両用電源システム1Bによれば、各電池13a、13bをより有効に使用することができるようになる。
For example, as shown in the graph (b) of FIG. 10, in this vehicle
しかも、この車両用電源システム1Bによれば、電池トータルの容量維持率Rが交換基準値(当例では80%)以上の場合であっても、電池13a、13bの何れかの容量維持率が限界値未満(当例では70%)である場合には警告表示がされる。具体的には、例えば第1電池13aの容量維持率Rpが95(%)であっても、第2電池13bの容量維持率Reが65(%)であるような場合には警告表示が実行される。そのため、電池13a、13bの何れか一方の劣化が過度に進行している状態で電池13a、13bが継続的に使用されることによるトラブル、例えば発熱による発火等を未然に回避することができるという利点もある。
Moreover, according to the vehicle
なお、この車両用電源システム1Bでは、第1電池13aと第2電池13bの容量の比率は1:1であるが、第1電池13aの容量を第2電池13bの容量よりも大きく設定するようにしてもよい。つまり、上記車両用電源システム1Bによれば、上述の通り第1電池13aの寿命を効果的に延ばすことができる(図10のグラフ(b)参照)。そのため、第1電池13aの容量を第2電池13bの容量よりも大きく設定すれば、電池トータルの寿命をより効果的に延ばすことが可能となる。
In this vehicle
以上、本発明の車両用電源システム1Bの実施形態にてついて説明したが、これらの実施形態は、本発明に係る車両用電源システムの好ましい実施形態の例示であって、その具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。
As mentioned above, although it demonstrated about embodiment of the vehicle
1A、1B 車両用電源システム
2 電気モータ
10 インバータ
12 二次電池
13a 第1二次電池
13b 第2二次電池
14 キャパシタモジュール
16 キャパシタ
18 DC−DCコンバータ
22 バイパススイッチ
36 電池電流・電圧センサ
37a 第1電池電流・電圧センサ
37b 第2電池電流・電圧センサ
38 キャパシタ電流・電圧センサ
40 インバータ電流センサ
42 DC−DC電流センサ
1A, 1B Vehicle
Claims (4)
第1二次電池と、
前記第1二次電池に対して並列に接続され、前記第1二次電池よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きい第2二次電池と、
前記第1二次電池の初期の電気容量に対する現在の電気容量の割合である第1容量維持率と、前記第2二次電池の初期の電気容量に対する現在の電気容量の割合である第2容量維持率との平均値であって各二次電池の初期の電気容量の比率に応じた平均値をトータル容量維持率として求める演算装置と、
前記トータル容量維持率が予め定められた第1基準値以下のときに、電池交換時期と判定する判定装置と、
前記判定装置により電池交換時期であると判定されたことを報知する報知装置と、
前記第1二次電池に並列に接続されて、前記電気モータの駆動用電力および前記電気モータが発生する回生電力を蓄えることが可能な容量を有するキャパシタと、
前記電気モータで発生した回生電力を前記第1二次電池および前記第2二次電池よりも優先的にキャパシタに充電するとともに、キャパシタに蓄えられた電力を前記第1二次電池および前記第2二次電池よりも優先的に電気モータに供給する充放電装置と、を含み、
前記第1二次電池の初期の電気容量が、前記第2二次電池の初期の電気容量よりも大きく設定されていることを特徴とする車両用電源システム。 A power supply system for a vehicle including an electric motor for traveling that can regenerate electric power,
A first secondary battery;
A second secondary battery connected in parallel to the first secondary battery, having a lower output density and a higher energy density than the first secondary battery;
A first capacity maintenance ratio that is a ratio of the current electric capacity to an initial electric capacity of the first secondary battery, and a second capacity that is a ratio of the current electric capacity to the initial electric capacity of the second secondary battery. An arithmetic device that calculates an average value as a total capacity maintenance ratio, which is an average value with the maintenance ratio and according to a ratio of the initial electric capacity of each secondary battery,
A determination device for determining a battery replacement time when the total capacity maintenance rate is equal to or less than a predetermined first reference value;
A notification device for notifying that the battery replacement time is determined by the determination device;
A capacitor connected in parallel to the first secondary battery and having a capacity capable of storing electric power for driving the electric motor and regenerative power generated by the electric motor;
The regenerative power generated by the electric motor is charged to the capacitor with priority over the first secondary battery and the second secondary battery, and the electric power stored in the capacitor is supplied to the first secondary battery and the second secondary battery. and a charge and discharge device for supplying preferentially to the electric motor than the secondary battery seen including,
An initial electric capacity of the first secondary battery is set to be larger than an initial electric capacity of the second secondary battery .
前記判定装置は、前記第1容量維持率および前記第2容量維持率の何れか一方が、予め定められた基準値であって前記第1基準値より低い第2基準値以下のときには電池交換時期と判定する、ことを特徴とする車両用電源システム。 The vehicle power supply system according to claim 1 ,
The determination device determines whether to replace the battery when one of the first capacity maintenance ratio and the second capacity maintenance ratio is a predetermined reference value and is equal to or lower than a second reference value lower than the first reference value. The vehicle power supply system characterized by the above-mentioned.
前記第1二次電池は、出力密度とエネルギー密度の比の値が、前記電気モータの出力値である要求モータ出力と当該電池のエネルギー容量の要求値である要求電池エネルギー容量の比の値よりも大きく、
前記第2二次電池は、出力密度とエネルギー密度の比の値が、前記要求モータ出力と前記要求電池エネルギー容量の比の値よりも小さい、ことを特徴とする車両用電源システム。 In the vehicle power supply system according to claim 1 or 2 ,
In the first secondary battery, the value of the ratio between the output density and the energy density is greater than the value of the ratio of the required motor output that is the output value of the electric motor and the required battery energy capacity that is the required value of the energy capacity of the battery. Big
The power supply system for vehicles, wherein the second secondary battery has a ratio value between an output density and an energy density smaller than a ratio value between the required motor output and the required battery energy capacity.
前記車両は、前記要求モータ出力が50kWで、前記要求電池エネルギー容量が30kWhのものであり、
前記第1二次電池は、出力密度が380W/kgでエネルギー密度が80Wh/kgのものであり、前記第2二次電池は、出力密度が40W/kgでエネルギー密度が240Wh/kgのものである、ことを特徴とする車両用電源システム。 In the vehicle power supply system according to claim 3 ,
The vehicle has the required motor output of 50 kW and the required battery energy capacity of 30 kWh,
The first secondary battery has an output density of 380 W / kg and an energy density of 80 Wh / kg, and the second secondary battery has an output density of 40 W / kg and an energy density of 240 Wh / kg. A power supply system for a vehicle characterized by being.
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