JP6650465B2 - 再充電可能なハイブリッド車両のトラクション電池のエネルギー管理のための方法 - Google Patents

再充電可能なハイブリッド車両のトラクション電池のエネルギー管理のための方法 Download PDF

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Description

本発明は、推進のために配置された燃焼機関、および推進のために配置された電動モータ/発電機を備えるタイプのハイブリッド動力伝達機構を備える再充電可能なハイブリッド車両のトラクション電池の充電状態を管理するための方法に関する。
再充電可能なハイブリッド車両は、2つの独立したエネルギー源を有するハイブリッド車両を送電網で再充電することができ、そうすることによって、従来のハイブリッド車両よりも電動モードでの自律性をより大きくすることができる場合に使用される用語である。事実、電動モータに電力を供給するトラクション電池は、通常、走行しているときに燃焼機関によって、または車両の運動エネルギーを使用することによって再充電され、その場合追加のオプションが、電池を送電網に接続することによって電池を再充電することができることを含む。
燃焼/電気ハイブリッドモータリゼーションの文脈において、「プラグインハイブリッド電動車両」(PHEV)技術が、特に知られており、この技術では2つのモータリゼーションが車両を推進するために一緒に働く。電動モードの使用は、車両の構成に依存する。2つの主な動作モードが存在し、具体的には、以下の通りである。
「無排ガス車両」(ZEV)動作モードに対応する「充電消耗(Charge Depleting)」(CD)として知られている動作モードでは、電池は、推進のために必要な実質的にすべてのまたは事実上すべての動力を供給する。「充電維持(Charge Sustaining)」(CS)として記述される動作モードでは、電池は、補完的な動力のみを供給し、その場合車両を推進するための動力の主要部分は、燃焼機関によって供給される。後者のモードは、「ハイブリッド電動車両」(HEV)モードと同様の動作モードに相当する。
車両の駆動輪に伝達されることが意図されている動力設定、および、車両のエネルギー管理システム、典型的には、高性能コンピュータ、例えば、動力伝達機構の全体的なスーパーバイザによって実施されるエネルギー管理法則に応じて、車両は、CDモードまたはCSモードで動作する。
通常、図1に示されるように、電池が高充電状態で、例えば、フル充電SOC_Maxで運転フェーズが開始する場合、車両は、CD動作モードで使用され、エネルギー管理システムは、所定の最小の充電状態値SOC_Min_CDに達するまで、電池の充電状態をこの動作モードでドリフトさせることができる。一旦、この条件に達すると、ドライバーは、電池の充電状態がこの所定の最小値の付近で絶えず保持されるCSモードで運転し続けることができる可能性を有する。
変形形態として、図2に示されるように、電池の充電状態が高い値のままである場合でも、その値の付近では電池の充電状態がCSモードで保持され、ドライバーは、CDモードを節約して旅行を終わらせるために、例えば町に着くために、CS動作モードを強いることもできる。しかしながら、図1に示される動作のように、電池の充電状態がCDモードでの所定の最小値SOC_Min_CDに達したとき、車両のエネルギー管理システムは、自動的にCSモードへの切替えを制御する。
電池の利用範囲、すなわち、ドライバーが、充電および放電の両方について電池を使用することができる充電状態範囲は、車両の動作モードを規定することができるエネルギー管理法則によって考慮に入れられる重要なパラメータであるように見える。
電池の利用範囲は、特に、電池の許容される最大の充電状態、すなわち、電池が上昇することが許されない最大の充電状態によって特徴づけられる。許容される最大の充電状態が高すぎると、電池の健康状態の急速な劣化が助長されるが、許容される最大の充電状態が低すぎると、ドライバーにとって利用可能なエネルギーの点から、特にCDモードで、有害となる。したがって、充電電圧の終了を適切に管理することによって、短期間で提供することが望まれるエネルギーと電池の耐久性との間で折衷案を見出す必要がある。
電池の利用範囲は、許容される電池の最小の充電状態、すなわち、電池が下回ることが許されない最小の充電状態によっても特徴づけられる。許容される最小の充電状態が高すぎると、ドライバーに利用可能なエネルギーにとって、特にCDモードで、有害であるが、許容される最小の充電状態が低すぎると、電池が、必要とされる最小の電力値を供給することができないという危険性がある限り、特にCSモードで、問題となる。したがって、許容される最小の充電状態の管理によって、ドライバーに提供することが望まれるエネルギー(すなわち自律性)と許容可能な性能レベルを保持することとの間で、特に、電池から放電される最小の利用可能な電力の点から、CDモードおよびCSモードの両方において、折衷案を見出す必要もある。
また、主要な難題の1つは、時間経過における電池の耐久性、および性能の維持に関連する。この点で、電池は、2つのタイプの経年変化を受ける。一方では、異なる充電状態および温度で費やされた時間にリンクした性能の劣化であるカレンダー経年変化として知られている経年変化であり、もう一方では、電池を通過した電力値にリンクした劣化である、繰返しによる経年変化である。今日、特に、電池の全寿命にわたってCDモードで電池を動作させることができることが必要である場合、これらの経年変化の制約のために電池の耐久性を確保することは、非常に難しい。極端な場合、電池は、電池セルの内部抵抗の劇的な増加および電池の有効容量の低減によって特徴づけられる「突然死」に入ることがある。
特許文献仏国特許第3002045号により、電池の経年変化に応じて電池の利用範囲を管理するための方法が知られており、この方法は、特に、電池の経年変化の状態に応じて、許容される最大の充電状態、結果として、有効な充電状態の範囲を増加させるように、電池のエネルギーの健康状態に応じて、充電電圧の終了を推定することを含む。そのような方法によって、電池の劣化を抑えながら、最小の要求されるエネルギー値を確保することが可能となる。しかしながら、電池の耐久性は、依然として限定されたままである。
本文脈において、したがって、上述の制限を免れた、特に、電池の耐久性を維持することが可能な電池のエネルギー管理のための方法が必要である。
本目的のために、本発明は、同時にまたは独立して推進力を提供するように意図された燃焼機関および電動モータ/発電機を備えるタイプのハイブリッド動力伝達機構を備える再充電可能なハイブリッド車両のトラクション電池の充電状態を管理する方法であって、前記電池が、所定の最大および最小の充電状態値によって大きさの境界が定められる充電状態範囲であり、電池が推進に必要な動力の実質的にすべてを供給する、充電状態範囲にわたる第1の動作モードと、電池の充電状態が平衡充電状態値の付近で実質的に絶えず保持される第2の動作モードと、により動作することができる、方法において、
電池の経年変化状態を推定するステップと、
電池の推定された経年変化状態を所与の経年変化状態しきい値に対して比較するステップと、
電池の経年変化状態が所与の経年変化状態しきい値を上回る場合に、第1の動作モードにリンクした充電状態範囲の大きさを低減させるステップと、を含むことを特徴とする方法に関する。
好ましい実施形態によると、第1の動作モードにリンクした充電状態範囲の大きさを、経年変化状態に応じて、ゼロの大きさに漸次低減させ、その結果、ゼロの大きさの第1の動作モードにリンクした充電状態範囲に達したときに、電池がもっぱら第2の動作モードにより動作する。
有利には、第1の動作モードにリンクした充電状態範囲の大きさを低減させるステップは、充電状態の所定の前記最大値を前記最小値に向かって収束させることを含む。
電池の経年変化状態を推定するステップは、好ましくは、電池のエネルギーの健康状態の規定を含む。
変形形態として、または組合せにおいて、電池の経年変化状態を推定するステップは、電池が使用に供されて以来経過した時間の規定を含む。
変形形態として、または組合せにおいて、電池の経年変化状態を推定するステップは、電池のフル充電の回数の規定を含む。
変形形態として、または組合せにおいて、電池の経年変化状態を推定するステップは、電池が使用に供されて以来、第1の動作モードおよび/または第2の動作モードにより動作している電池から放電されたエネルギー量の総計の規定を含む。
有利には、電池の第1の動作モードに対する所定の最大および最小の充電状態値は、電池の推定された経年変化状態をこれらの値のそれぞれにリンクさせるマッピングにより規定される。
本発明は、同時にまたは独立して推進力を提供するように意図された燃焼機関および電動モータ/発電機を備える再充電可能なハイブリッド車両のハイブリッド動力伝達機構のトラクション電池の充電状態を管理する装置であって、所定の最大および最小の充電状態値によって大きさの境界が定められる充電状態範囲であり、電池が推進に必要な動力の実質的にすべてを供給する、充電状態範囲にわたる第1の動作モードと、電池の充電状態が平衡充電状態値の付近で実質的に絶えず維持される第2の動作モードと、により電池を制御することができる、電池を制御するための手段を備える装置において、制御する手段が電池の経年変化状態の推定を受け取ることができ、電池の経年変化状態が所与の経年変化状態しきい値を上回る場合、第1の動作モードにリンクした充電状態範囲の大きさの低減を制御することができることを特徴とする、装置にさらに関する。
本発明は、トラクション電池、および本発明による電池の充電状態を管理するための装置を備える再充電可能なハイブリッドモータ車両にさらに関する。
本発明の他の特殊性および利点は、限定することなく、例示として与えられる添付図面を参照して、本発明の特定の実施形態についての以下に与えられる記載を読むことで明らかになるであろう。
既に記載した、2つの動作モードである、モードCDおよびモードCSをそれぞれ実施する公知の実施形態による、時間の関数としての電池の充電状態の推移を示す図である。 既に記載した、2つの動作モードである、モードCDおよびモードCSをそれぞれ実施する公知の実施形態による、時間の関数としての電池の充電状態の推移を示す図である。 一方では、動作モードCDに、もう一方では、動作モードCSにリンクした、電池の許容される利用範囲を示す図である。 本発明を実施しない場合の、時間経過における電池のこれらの利用範囲の推移を示す図である。 本発明を実施した場合の、時間経過における電池のこれらの利用範囲の推移を示す図である。
本記載の続きで使用される変数は、以下の通りである。
BSOCは、電池の充電状態(SOCは充電状態の頭字語である)であり、単位は[%]である。
SOHEは、電池のエネルギーの健康状態であり、単位は[%]である。エネルギーの健康状態は、必要とされる最小のエネルギー値を供給する電池の能力の指標であり、以下のように、一方では、電池の寿命の所与の瞬間にカットオフ電圧(例えば2.5V)に達するまで、基準温度(例えば、25℃)で、一定の基準電流値(例えば、1C)で、完全に充電された電池によって放電することができるエネルギーと、もう一方では、電池が新しい場合に、同一の条件で完全に充電された電池によって放電することができるエネルギーとの関係であるとして規定される。それゆえ、寿命の開始時は、この関係は、100%であり、徐々に低減する。実際、電池の寿命中に、電池の健康(性能)は、電池が最終的にもはや使用不可能となるまで、使用および経年変化中に生じる不可逆の物理的および化学的な変化のために次第に劣化する傾向がある。したがって、SOHEは、新しい電池と比較した、利用可能エネルギーの点からの、電池の健康状態、および指定された性能を発揮する電池の能力を表す。
以前に説明したように、電池の劣化または経年変化は、一方では、カレンダー劣化に(電池は、ある特定の温度およびある特定の所与の充電状態で時間を費やす)、もう一方では、(電池において放電または充電されるkWhにリンクした)繰返しによる劣化にリンクしている。しかしながら、CSモードでは、繰返しにリンクした劣化の寄与は、事実上存在しない。実際、電池が所与の充電状態の付近で繰り返す限り、電流の平均的な値がCSモードでは全体的にゼロであるため、繰返しにリンクした電池の電気化学セルの分極は、CSモードではCDモードよりも小さく、一方で、CDモードでは、平均して電池が放電されているため、電流の平均値は、負である。したがって、耐久性を維持する第1のやり方は、ある特定の条件で電池の劣化に最も寄与するCDモードを禁止することを含む。したがって、電池のエネルギー管理のためのそのような方策は、固定の充電状態値の付近で電池を繰り返させることになり、その理由は、電池は、その場合CDモードが禁止され、CSモードで動作し、このCSモードでは、電池の充電状態が、平均して、平衡充電状態値付近で絶えず保持されるためである。
さらに、電気化学セルに対するカレンダー劣化の影響は、(所与の温度値では)低充電状態のセルに対しては高充電状態のセルよりも小さい。したがって、耐久性を維持するための最適の方策は、できる限り低い平衡充電状態値の付近で電池をCSモードで繰り返させることを含む。しかしながら、この平衡充電状態は、低温を含めて、十分に利用可能な放電電力値を維持することができるように、あまりにも低くすることはできない。
上記の理由で、本発明によるエネルギー管理方策のキーポイントは、電池の経年変化が所与の経年変化状態しきい値を上回る瞬間からCDモードでの電池の動作を抑制し、禁止さえすることを含む。CDモードが禁止される場合、車両のハイブリッド動力伝達機構は、もっぱらCSモードで動作するように制御され、このことが固定のBSOC値の付近で電池を繰り返させること、それゆえに電池のBSOCでの利用範囲を低減させること、および車輪に送出される動力の大部分が燃焼機関から来るように、車両の動作をCS(またはHEV)モードに強いることになる。
したがって、ハイブリッド動力伝達機構のスーパーバイザによるこの方策の実施は、電池の経年変化状態を推定すること、およびこの推定された経年変化状態を本方策によって固定されたしきい値に対して比較することを含む。具体的には、電池のこの経年変化状態は、電池のエネルギーの健康状態(SOHE)の推定によって規定され得る。
この推定は、例えば、電池専用の電池管理システム(BMS)コンピュータによって行われてもよい。BMSコンピュータは、このように電池のエネルギーの健康状態(SOHE)を推定するために提供される。電池のエネルギーの健康状態を推定するためにいくつかの方法が存在する。一例として、特許「METHOD AND APPARATUS OF ESTIMATING STATE OF HEALTH OF BATTERY」(米国特許第2007/0001679 A1号)、または論文「R.Spotnitz,「Simulation of capacity fade in lithium ion batteries」,Journal of Power Sources 113 (2003) 72−80」に開示された方法の1つをこの推定のために使用することが可能である。
また、エネルギー管理方策の実施は、ハイブリッド動力伝達機構のスーパーバイザが、CSモードに対する補完としてのCDモードによる動作を許容する状況から、CDモードによる動作がもはや許容されない状況へ移るやり方を規定することを含む。
それゆえ、第1の実施形態によると、この移行は、好ましくはSOHE計算によるBMSによって推定される電池の経年変化状態が、所与のしきい値を上回る瞬間から行われ得る。例えば、このしきい値が60%である場合、電池のエネルギーの健康状態が60%を上回る限り、スーパーバイザは、CDモードでの動作を許容する。その場合、ドライバーは、その人の旅行の一部をCDモードで行い、旅行の終了をCSモードで行うことができる。対照的に、エネルギーの健康状態が60%未満に低下する、言いかえれば、電池の経年変化状態が固定の経年変化状態しきい値を上回るとすぐに、スーパーバイザは、CDモードでの動作を禁止するように設計され、その結果、ドライバーは、CSモードでその人の全旅行をしなければならない。しかしながら、本実施形態によると、2つの状況(すなわち、CDモードで動作することが許される場合とそうでない場合)間の移行は、突然行われ、これは、特に望ましくない。
また、別の実施形態によると、この移行は、SOHEの機能として許容される、BSOC範囲の漸進的な推移に基づいて行われ得る。これをするために、BMSは、それぞれの瞬間に電池に対する許容される利用範囲を規定し、この範囲が潜在的に温度および経年変化に依存する。本文脈において、図3に示されるように、一般的に、
最小の充電状態値BSOC_Min_CDおよび最大の充電状態値BSOC_Max_CDによって大きさの境界が定められるCD動作モードにリンクした充電状態範囲CD_Mode、ならびに
最小の充電状態値BSOC_Min_CSおよび最大の充電状態値BSOC_Max_CSによって大きさの境界が定められるCS動作モードにリンクした充電状態範囲CS_Modeが存在する。
図3に示されるように、これらの2つの範囲は、局所的に重ね合わさってもよい。
図4に示されるように、CD動作モードにリンクした充電状態範囲が、時間経過において変わらない場合、しきい値を超えると電池が劣化する危険性があり、これは、セルの突然死を引き起こす可能性がある。
また、本発明によると、動作モードCDにリンクした充電状態範囲の大きさが電池の所与の経年変化状態から低減することが起きる。より正確には、ある特定のSOHE値を下回ると、言いかえれば、電池のある特定の所与の経年変化状態しきい値を超えると、CDモードにリンクした充電状態範囲の大きさは、ゼロ値に達するまで、次第に減少する。例えば、図5に示されるように、CDモードでの許容充電状態範囲の境界を定める最小および最大の充電状態値である、BSOC_Min_CDおよびBSOC_Max_CDは、それぞれ、等しくなるまで、互いに収束する。CDモードでの許容充電状態範囲が消滅した場合、スーパーバイザは、電池をもっぱらCSモードで動作させるように設計され、その場合、電池の充電状態は、典型的にはCDモードでの許容充電状態範囲の境界を定める最小および最大の充電状態値の収束充電状態値に相当する平衡充電状態値の付近で実質的に保持される。その場合、CSモードでの電池の充電状態は、この収束値の付近で実質的に保持され、CSモードでの許容充電状態範囲CS_Modeのそれぞれの最小の境界BSOC_Min_CSと最大の境界BSOC_Max_CSとの間でわずかに増加、または減少することができる。図5に示されるように、本発明によるエネルギー管理方策を実施してからカウントして、すなわち、所与の経年変化状態しきい値からCDモードでの許容充電状態範囲の大きさの減少にトリガーがかかってからカウントして、電池容量維持率は、それほど速やかには低減していない。したがって、本発明による方法によって、所与の経年変化状態しきい値からの電池容量維持を改善することが可能となる。
SOHE規定に基づいた電池の経年変化状態の推定に関しては、閉ループ推定器または経験的モデルに基づいた開ループ推定器のいずれかによって電池の経年変化状態を計算することができる。しかしながら、閉ループ推定器の使用は、閉ループ推定器がその構造によって、変動を受けやすく、その結果、スーパーバイザが、ランダムにCDモードでの動作を許可する、または禁止するという危険性があるため望ましくない。
変形形態として、電池の経年変化状態の推定は、単なるSOHE以外のパラメータの定義に基づいてもよく、具体的には、
電池が使用に供されて以来経過した時間、
CDモードおよび/またはCSモードで放電された(または充電された)kWhの総計、
行ったフル充電の回数である。
簡単に電池の経年変化状態を特徴づけるために、そのようなパラメータを有利に使用することが可能である。したがって、BSOC_min_CD、BSOC_max_CD、BSOC_min_CSおよびBSOC_max_CSの値を規定することが、これらのパラメータ(またはこれらのパラメータの組合せ)のうちの1つによって規定された電池の経年変化状態を、これらの値のそれぞれにリンクさせるマッピングによって可能である。
電池の充電状態範囲管理に対して他のロジックによって本発明の目的であるエネルギー管理方策を組み合わせることが有利には可能である。したがって、本方策を、利用可能な放電電力を維持するように、経年変化に依存するセルの最小の充電状態値を次第に増加させることを狙った充電状態範囲の管理のための方策と組み合わせることが可能である。充電状態範囲を管理するためのこの方策は、高充電状態でより多くの電力が利用可能である物理的な原理に基づく。また、本方策を、ある特定の期間ドライバーに利用可能なエネルギーを保持するように、電池の寿命の開始時に許容される最大の充電状態値を抑制すること、および許容される最大の充電状態値を次第に増加させることを含む充電状態範囲の管理のための方策と組み合わせることが可能である。これらの異なる方策は、本発明の目的であるエネルギー管理方策が、主として電池の寿命の開始に関連する上述の2つの他の方策とは対照的に、主として電池の寿命の最後を管理することに関連する限りにおいて、有利には互いに両立することできる。

Claims (9)

  1. 同時にまたは独立して推進力を提供するように意図された燃焼機関および電動モータ/発電機を備えるタイプのハイブリッド動力伝達機構を備える再充電可能なハイブリッド車両のトラクション電池の充電状態を管理する方法であって、前記トラクション電池が、所定の最大(BSOC_Max_CD)および最小(BSOC_Min_CD)の充電状態値によって大きさの境界が定められ、その範囲で前記トラクション電池が推進用の動力供給す充電状態範囲(CD_Mode)に対応付けられた第1の動作モードと、前記トラクション電池の前記充電状態が平衡充電状態値の付近で実質的に絶えず保持される第2の動作モードと、により動作することができる、方法において、
    前記トラクション電池の経年変化状態を推定するステップと、
    前記トラクション電池の前記推定された経年変化状態を所与の経年変化状態しきい値に対して比較するステップと、
    前記トラクション電池の前記経年変化状態が前記所与の経年変化状態しきい値を上回り、前記トラクション電池が経年劣化していると判定される場合に、所定の前記最大値(BSOC_Max_CD)と前記最小値(BSOC_Min_CD)とが等しくなるまで互いに収束させることにより、前記第1の動作モードにリンクした前記充電状態範囲の前記大きさを低減させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記第1の動作モードにリンクした前記充電状態範囲(CD_Mode)の前記大きさを、前記経年変化状態に応じて、ゼロの大きさに漸次低減させ、その結果、前記ゼロの大きさの前記第1の動作モードにリンクした前記充電状態範囲に達したときに、前記トラクション電池がもっぱら前記第2の動作モードにより動作することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記トラクション電池の前記経年変化状態を推定する前記ステップが、前記トラクション電池のエネルギーの康状態を判定することを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記トラクション電池の前記経年変化状態を推定する前記ステップが、前記トラクション電池が使用に供されて以来経過した時間を判定することを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  5. 前記トラクション電池の前記経年変化状態を推定する前記ステップが、前記トラクション電池のフル充電の回数を判定することを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  6. 前記トラクション電池の前記経年変化状態を推定する前記ステップが、前記トラクション電池が前記使用に供されて以来、前記第1の動作モードおよび/または前記第2の動作モードにより動作している前記トラクション電池から放電されたエネルギー量の総計を判定することを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  7. 前記トラクション電池の前記第1の動作モードに対する所定の最大および最小の充電状態値が、前記トラクション電池の前記推定された経年変化状態をこれらの値のそれぞれにリンクさせるマッピングにより規定されることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  8. 同時にまたは独立して推進力を提供するように意図された燃焼機関および電動モータ/発電機を備える再充電可能なハイブリッド車両のハイブリッド動力伝達機構のトラクション電池の充電状態を管理する装置であって、所定の最大(BSOC_Max_CD)および最小(BSOC_Min_CD)の充電状態値によってきさの境界が定められ、その範囲で前記トラクション電池が推進用の動力を供給する充電状態範囲(CD_Mode)に対応付けられた第1の動作モードと、前記トラクション電池の前記充電状態が平衡充電状態値の付近で実質的に絶えず保持される第2の動作モードと、により前記トラクション電池を制御することができる、前記トラクション電池を制御するための手段を備える装置において、前記制御する手段が前記トラクション電池の経年変化状態の推定を受け取ることができ、前記トラクション電池の前記経年変化状態が所与の経年変化状態しきい値を上回り、前記トラクション電池が経年劣化していると判定される場合に、前記充電状態の所定の前記最大値(BSOC_Max_CD)と前記最小値(BSOC_Min_CD)とが等しくなるまで互いに収束させることにより、前記第1の動作モードにリンクした前記充電状態範囲の前記大きさの低減を制御することができることを特徴とする、装置。
  9. トラクション電池、およびトラクション電池の前記充電状態を管理するための請求項8に記載の装置を備える再充電可能なハイブリッドモータ車両。
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