JP7116897B2

JP7116897B2 - 充放電制御装置

Info

Publication number: JP7116897B2
Application number: JP2019183866A
Authority: JP
Inventors: 啓太小宮山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2039-10-04
Also published as: JP2021061673A

Description

本発明は、車両に搭載される二次電池の充放電を制御する充放電制御装置に関する。

二次電池は、ＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。二次電池を車両駆動用電源として用いる場合、回生エネルギーを二次電池によって効率良く回収することが望ましい。例えば、特許文献１に記載されている車両の駆動制御装置は、走行経路上に存在する所定標高差の下り区間を特定し、特定した下り区間の走行を開始するまでに、二次電池の充電量を拡大管理幅の下限まで低下させる。これにより、下り区間を走行する際の回生エネルギーをより多く蓄電することを目指している。

特開２００５－１６０２６９号公報

二次電池（例えばリチウムイオン二次電池等）では、大きい電流で継続的に充放電が行われると、内部抵抗が増加して劣化する現象（所謂「ハイレート劣化」）が生じる場合がある。二次電池のハイレート劣化が進行した場合、制御装置は、例えば充電電流の制限等を行うことで、ハイレート劣化を抑制することが望ましい。

特許文献１に記載されている駆動制御装置は、下り区間の走行開始前に二次電池の蓄電量を消費することで、二次電池のＳＯＣを低下させる。ここで、ＳＯＣを低下させた状態で二次電池が使用されると、ハイレート劣化が促進される可能性が上昇する。ハイレート劣化が促進されると、制御装置は、ハイレート劣化抑制制御を優先させて実行することが望ましい。下り区間の走行開始前に二次電池の蓄電量が大量に消費されていたとしても、ハイレート劣化抑制制御が実行されると、下り区間における二次電池の充電が制限される。従って、結局は回生エネルギーが効率よく回収されない可能性がある。

本発明の典型的な目的は、回生エネルギーを効率よく回収することが可能な二次電池の充放電制御装置を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の充放電制御装置は、車両に搭載される二次電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、上記充放電制御装置の制御部は、上記車両の位置情報に基づいて、以後通過する予定の経路上で上記車両の高度が低下する区間である下り区間の情報を取得する下り区間情報取得ステップと、上記下り区間の情報に基づいて、上記下り区間で回収可能な回生エネルギー量を予測する回生エネルギー量予測ステップと、上記二次電池の温度およびＳＯＣに基づいて、上記二次電池のハイレート劣化の進行度合いを示す劣化指標値を算出する劣化指標値算出ステップと、上記二次電池のＳＯＣを以後に低下させる際の、上記劣化指標値の増加量を推定する増加量推定ステップと、上記劣化指標値と上記増加量とに基づいて決定される、上記二次電池に対するハイレート抑制制御が必要となる下限ＳＯＣ値以上の範囲で、上記回生エネルギー量予測ステップで予測された上記回生エネルギーを最大限回収するために上記下り区間への到達前に低下させる上記二次電池のＳＯＣの目標値を設定する目標値設定ステップと、を実行することを特徴とする。

上記構成の充放電制御装置は、その時点における二次電池のハイレート劣化の進行度合いを示す劣化指標値に加えて、以後にＳＯＣを低下させる際の劣化指標値の増加量を推定する。その時点の劣化指標値と、推定される劣化指標値の増加量を考慮することで、二次電池のＳＯＣを低下させた際にハイレート劣化抑制制御が必要となる下限ＳＯＣ値を決定することが可能である。充電制御装置は、下り区間で回収可能と予測される回生エネルギー量を最大限回収するために、下り区間への到達前に低下させる二次電池のＳＯＣの目標値を、下限ＳＯＣ値以上の範囲で設定する。その結果、充放電制御装置は、二次電池に対するハイレート劣化抑制制御を実行する必要が無い範囲で、下り区間到達前に二次電池のＳＯＣを適切な目標値まで低下させることができる。よって、下り区間で発生する回生エネルギーが、より効率よく二次電池によって回収される。

充放電制御装置１の概略構成図である。充放電制御装置１が実行する充放電制御処理のフローチャートである。増加量推定マトリクスの一例を説明するための説明図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、各図における寸法関係は、実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池の充放電制御装置を例示して、本開示に係る充放電制御装置について詳細に説明する。ただし、本開示に係る充放電制御装置を、以下の実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。例えば、二次電池がリチウムイオン二次電池でない場合でも、ハイレート劣化抑制制御を実行することが必要な二次電池であれば、本開示で例示した技術の少なくとも一部を適用することも可能である。

図１を参照して、充放電制御装置１の構成の一例について概略的に説明する。前述したように、本実施形態の充放電制御装置１が充放電を制御する二次電池２０は、リチウムイオン二次電池である。充放電制御装置１は、ＣＰＵ２１および記憶装置２２を備える。ＣＰＵ２１は、二次電池２０の充放電制御等の各種制御を司る。記憶装置２２には、各種情報およびプログラム等が記憶されている。充放電制御装置１には、各種デバイス（例えば、車両に搭載される電子制御システム（ＥＣＵ）等）を使用できる。

二次電池２０の正極端子と負極端子には、入力装置（例えば、発電機）３と、出力装置４（例えば、出力先の外部装置）４とが、それぞれ並列に接続されている。一例として、本実施形態の入力装置３は、車両の制動時に発生する運動エネルギーを電力に変換して、二次電池２０に充電電力を供給する。また、本実施形態の出力装置４は、二次電池２０から供給される放電電力によって、車両を駆動する。

入力装置３と二次電池２０を接続する配線には、スイッチ６が設けられている。スイッチ６がオンとされることで、入力装置３から出力される電力が二次電池２０に充電される。また、出力装置４と二次電池２０を接続する配線には、スイッチ７が設けられている。スイッチ７がオンとされることで、二次電池２０から出力装置４に電力が供給される。

二次電池２０には、電圧計９が並列に接続されている。電圧計９は、二次電池２０の正負極間の電圧を測定する。また、二次電池２０には、電流計１０が直列に接続されている。電流計１０は、二次電池２０に流れた電流を測定する。また、二次電池２０には温度センサ１１が設けられている。温度センサ１１は、二次電池２０の温度を検出する。

入力装置３、出力装置４、スイッチ６、スイッチ７、電圧計９、電流計１０、および温度センサ１１は、制御装置１に接続されている。制御装置１は、スイッチ６およびスイッチ７のオン・オフの駆動を制御する。また、制御装置１は、電圧計９、電流計１０、および温度センサ１１から入力される情報に基づいて、二次電池２０の充放電を制御する。

充放電制御装置１には、ナビゲーション部３０が接続されている。ナビゲーション部３０は、車両の運転者に目的地までの経路を案内するナビゲーションサービスを提供する。ナビゲーション部３０は、各種制御を司るコントローラ（図示せず）に加えて、データベース３１、現在位置取得部３２、および経路設定部３３を備える。データベース３１には、ナビゲーションサービスを運転者に提供するための地図データおよび拠点データ等が記憶されている。地図データには、道路の配置を含む地図のデータに加えて、地図上の各地点の標高のデータも含まれる。拠点データには、運転者が目的地とする候補となる複数の拠点のデータが含まれる。現在位置取得部は、車両の現在位置を取得するための構成（例えば、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ情報を受信するＧＰＳセンサ等）を備える。経路設定部３３は、現在位置から、運転者が設定した目的地までの経路を設定する。ナビゲーション部３０は、経路設定部３３によって設定された目的地までの経路と、データベース３１に記憶されている標高のデータに基づいて、以後通過する予定の経路上における上り区間および下り区間の情報を取得することができる。

ここで、本実施形態の充放電制御装置１による二次電池２０のハイレート劣化抑制制御について説明する。二次電池２０の容量は、大きな電流（ハイレート）での充放電が繰り返されることで劣化する。ハイレートでの充放電による二次電池２０の容量の劣化は、ハイレート劣化と言われる場合もある。充放電制御装置１は、二次電池２０のハイレート劣化を抑制するために、二次電池２０に供給する充電電流、および、二次電池２０から放電させる放電電流の少なくともいずれか（本実施形態では両方）の許容値を、一定の条件に従って制限する制御（ハイレート劣化抑制制御）を実行する。

ハイレート劣化抑制制御の具体的な方法には、種々の方法を適用することが可能である。一例として、本実施形態の充放電制御装置１は、その時点の二次電池２０におけるハイレート劣化の進行度合いを示す劣化指標値Ｄｘを算出する。充放電制御装置１は、算出した劣化指標値Ｄｘが閾値を超えた場合に、充放電電流の許容値を制限する（つまり、上限値を低下させる）。その結果、二次電池２０のハイレート劣化が抑制される。

劣化指標値Ｄｘの具体的な算出方法には、種々の公知の方法を採用できる。一例として、本実施形態の充放電制御装置１は、二次電池２０の充放電に伴う塩濃度分布の偏りの増大および減少の両方を考慮して、劣化評価値Ｄｘを算出するための評価値Ｄを、所定の制御周期毎に算出する。評価値Ｄは、前回の評価値算出時から今回の評価値算出時までの間の塩濃度分布の偏りの増加量および減少量を用いて算出することができる。増加量および減少量は、二次電池２０の温度およびＳＯＣによって算出することができる。ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）は、二次電池２０の満充電容量に対する残存充電量の比率を意味する。ＳＯＣの取得方法も適宜選択できる。例えば、充放電制御装置１は、電圧計９によって測定された二次電池２０の電圧を、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線と比較することで、ＳＯＣの概算値を取得してもよい。充放電制御装置１は、繰り返し算出された複数の評価値Ｄを積算することで、劣化評価値Ｄｘを算出する。劣化評価値Ｄｘを算出する方法の詳細の一例は、例えば、特開２０１９－１６５２１号公報等に記載されている。

また、ハイレート劣化抑制制御において充放電電流の許容値を制限するための具体的な方法も、適宜選択できる。例えば、充放電制御装置１は、劣化指標値Ｄｘの値に応じて多段階で許容値を変更してもよいし、劣化指標値Ｄｘが大きくなる程許容値が下がるように許容値を制御してもよい（例えば、特開２０１７－５０９８１号公報等参照）。

図２を参照して、本実施形態の充放電制御装置１が実行する充放電制御処理について説明する。充放電制御装置１は、二次電池２０に対する充放電を制御するための各種処理を実行する。図２に例示する充放電制御処理では、以後通過する予定の経路上の下り区間で発生する回生エネルギーを、より効率よく二次電池２０によって回収するための処理が実行される。充放電制御装置１のＣＰＵ２１は、記憶装置２２に記憶された充放電制御プログラムに従って、図２に例示する充放電制御処理を実行する。

まず、ＣＰＵ２１は、その時点の二次電池２０のハイレート劣化の進行度合いを示す劣化指標値Ｄｘを算出する（Ｓ１）。前述したように、本実施形態では、ＣＰＵ２１は、温度センサ１１によって検出される二次電池２０の温度情報と、二次電池２０のＳＯＣに基づいて、その時点の二次電池２０の劣化指標値Ｄｘを算出する。

その時点の二次電池２０の劣化指標値Ｄｘが、ハイレート劣化抑制制御の実行の要否を判断するための閾値Ｔを超えている場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、回生エネルギーの回収よりも、二次電池２０のハイレート劣化の更なる進行を抑制することを優先すべきである。従って、ＣＰＵ２１は、回生エネルギーを効率よく回収するための処理（後述するＳ４～Ｓ１１）を実行せずに、二次電池２０に対するハイレート劣化抑制制御を実行する（Ｓ３）。ハイレート抑制制御の具体的な方法には、前述した例を含む種々の方法を採用できる。

劣化指標値Ｄｘが閾値Ｔ以下である場合には（Ｓ２：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、以後通過する予定の経路上で車両の高度が低下する区間（下り区間）の情報を、ナビゲーション部３０から取得する（Ｓ４）。前述したように、ナビゲーション部３０は、経路設定部３３によって設定された目的地までの経路と、データベース３１に記憶されている標高のデータに基づいて、以後通過する予定の経路上における上り区間および下り区間の情報を取得することができる。なお、下り区間が複数存在する場合には、最初に通過する下り区間の情報がＳ４で取得される。

次いで、ＣＰＵ２１は、Ｓ４で情報が取得された下り区間で回収可能な回生エネルギー量ＲＥを予測する（Ｓ５）。下り区間で回収可能な回生エネルギー量ＲＥの具体的な予測方法も、適宜選択できる。例えば、過去に種々の下り区間を走行した際の、下り区間に関する情報（例えば、標高差および距離）と、回収された回生エネルギー量とが、予め記憶装置２２に記憶されていてもよい。この場合、ＣＰＵ２１は、Ｓ４で取得された下り区間の情報（標高差および距離）を、記憶装置２２に記憶されている情報と比較することで、回収可能な回生エネルギー量ＲＥを予測してもよい。また、下り区間の情報から回生エネルギー量ＲＥを予測するための算出式またはテーブル等が、予め設けられていてもよい。

次いで、ＣＰＵ２１は、下り区間で発生する回生エネルギーを二次電池２０に回収させるために、二次電池２０のＳＯＣを以後に低下させる際の、二次電池２０の劣化指標値の増加量Ｄｙを推定する（Ｓ６）。より多くの回生エネルギーを二次電池２０に回収させるためには、車両が下り区間に到達する前に、二次電池２０のＳＯＣを低下させておくことが望ましい。しかし、ＳＯＣを低下させた状態で二次電池２０が使用されると、ハイレート劣化が進行する。ハイレート劣化が進行し、二次電池２０に対するハイレート劣化抑制制御が必要になると、結局は回生エネルギーが効率よく回収されない。従って、本実施形態では、ＣＰＵ２１は、ＳＯＣを以後に低下させる際の劣化指標値の増加量Ｄｙを推定し、推定した値を用いて二次電池２０の充放電を制御する。

劣化指標値の増加量Ｄｙを推定する具体的な方法も、適宜選択できる。劣化評価値の増加量には、熱膨張の要素と、負極膨張の要素が影響する。従って、本実施形態では、二次電池２０のＳＯＣの情報、平均電流の情報（例えば、平均電流そのもの、または平均電流の二乗等）、および温度の情報（例えば、温度センサ１１によって検出された温度の情報）に基づいて、劣化指標値の増加量Ｄｙが推定される。

詳細には、本実施形態では、図３に示すように、二次電池２０のＳＯＣと平均電流の各々の値に増加量Ｄｙを対応付ける増加量推定マトリクスが、二次電池２０の温度毎に予め複数設けられている。図３に示す例では、各ＳＯＣの値には、低下させる前のＳＯＣの値Ｘｐと、低下させた後のＳＯＣの値Ｘａの組み合わせが用いられている。また、平均電流には、増加量Ｄｙの推定時までの平均電流が用いられる。例えば、二次電池２０の温度が２５℃、平均電流が３０Ａ、低下させる前のＳＯＣの値Ｘｐが６０であり、低下させた後のＳＯＣの値Ｘａを３０とする場合には、電池温度が２５℃の場合の増加量推定マトリクス（図３参照）が参照され、ＳＯＣ（６０，３０）、平均電流（３０Ａ）に対応付けられた増加量が、推定増加量（ＥｓｔｉｍａｔｅｄＤｙ）とされる。なお、図３に例示する増加量推定マトリクスは、予め実験等によって設定されている。

ただし、劣化指標値の増加量Ｄｙを推定する方法を変更することも可能である。例えば、ＣＰＵ２１は、二次電池２０のＳＯＣ、平均電流、および温度を予め定められた数式に当てはめることで、増加量Ｄｙの推定値を算出してもよい。

次いで、ＣＰＵ２１は、二次電池２０のＳＯＣを以後に低下させていく際に、二次電池２０に対するハイレート抑制制御が必要となる限界のＳＯＣの値（以下、「下限ＳＯＣ値」という）。を決定する（Ｓ７）。本実施形態では、ＣＰＵ２１は、その時点の二次電池２０の劣化指標値Ｄｘと、推定された劣化指標値の増加量Ｄｙの和が閾値Ｔに達する際の、低下させたＳＯＣの値を、下限ＳＯＣ値として決定する。

ＣＰＵ２１は、Ｓ５で予測された回収可能な回生エネルギー量ＲＥを全て回収するために低下させることが必要な二次電池２０のＳＯＣが、Ｓ７で決定された下限ＳＯＣ値以下であるか否かを判断する（Ｓ８）。二次電池２０のＳＯＣを、下限ＳＯＣ値未満まで低下させると、ハイレート抑制制御（Ｓ３）を実行する必要があるので、回生エネルギーが効率よく回収されない。従って、回生エネルギー量ＲＥを全て回収するためのＳＯＣが、下限ＳＯＣ値以下であれば（Ｓ８：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、下限ＳＯＣ値を、二次電池２０のＳＯＣを低下させる目標値に設定する（Ｓ９）。その結果、車両が下り区間に到達した際に、ハイレート抑制制御が実行されない範囲で、極力多くの回生エネルギーが二次電池２０によって回収される。

一方で、回生エネルギー量ＲＥを全て回収するためのＳＯＣが、下限ＳＯＣ値よりも大きい場合には（Ｓ８：ＮＯ）、回生エネルギー量ＲＥを全て回収するために低下させることが必要な二次電池２０のＳＯＣが、二次電池２０のＳＯＣを低下させる目標値に設定される（Ｓ１０）。低下させるＳＯＣの目標値を、回生エネルギー量ＲＥを全て回収するために必要なＳＯＣよりも低い値（例えば下限ＳＯＣ値等）に設定すると、二次電池２０のハイレート劣化が無駄に進行してしまう可能性がある。これに対し、Ｓ１０の処理が行われることで、ハイレート劣化の進行が抑制された状態で、回生エネルギーが最大限に回収される。

次いで、ＣＰＵ２１は、車両が下り区間に到達するまでの間に、二次電池２０のＳＯＣを、Ｓ９またはＳ１０で設定された目標値まで低下させる（Ｓ１１）。その結果、車両が下り区間に到達した際に、下り区間で発生した回生エネルギーがより効率よく二次電池２０に回収される。

以上、具体的な実施形態を挙げて詳細な説明を行ったが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に記載した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。

１充放電制御装置
９電圧計
１０電流計
１１温度センサ
２０二次電池
２１ＣＰＵ
２２記憶装置
３０ナビゲーション部

Claims

車両に搭載される二次電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、
前記充放電制御装置の制御部は、
前記車両の位置情報に基づいて、以後通過する予定の経路上で前記車両の高度が低下する区間である下り区間の情報を取得する下り区間情報取得ステップと、
前記下り区間の情報に基づいて、前記下り区間で回収可能な回生エネルギー量を予測する回生エネルギー量予測ステップと、
前記二次電池の温度およびＳＯＣに基づいて、前記二次電池のハイレート劣化の進行度合いを示す劣化指標値を算出する劣化指標値算出ステップと、
前記二次電池のＳＯＣを以後に低下させる際の、前記劣化指標値の増加量を推定する増加量推定ステップと、
前記劣化指標値と前記増加量とに基づいて決定される、前記二次電池に対するハイレート劣化抑制制御が必要となる下限ＳＯＣ値以上の範囲で、前記回生エネルギー量予測ステップで予測された前記回生エネルギーを最大限回収するために前記下り区間への到達前に低下させる前記二次電池のＳＯＣの目標値を設定する目標値設定ステップと、
を実行することを特徴とする、充放電制御装置。