JPWO2011135701A1 - 二次電池の充電制御方法及び制御装置 - Google Patents

二次電池の充電制御方法及び制御装置 Download PDF

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Abstract

本発明の二次電池の充電制御装置は、二次電池の極板間電圧と、内部抵抗と、電流値と、充電効率とに基づいて、二次電池の発熱量を算出するステップと、二次電池を冷却する冷却手段の冷却能力と、二次電池の温度とに基づいて、二次電池の発熱許容量を算出するステップと、前記発熱量が前記発熱許容量より大きい時、二次電池の充電電力を制限するステップと、を備える。

Description

本発明は、二次電池の充電制御方法及び制御装置の技術に関する。
電動機を搭載した電気自動車(ハイブリッド自動車等も含む)は、二次電池に蓄えられた電力により、電動機を駆動している。このような電気自動車の特有な機能として、回生制動がある。回生制動は、車両制動時、電動機を発電機として機能させることにより、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、制動を行うものである。また、得られた電気エネルギーは二次電池に充電され、加速等を行う時に再利用される。
ここで、回生制動時に発生した電力を有効に二次電池に蓄えるためには、二次電池にそれだけの余裕が必要である。二次電池に蓄えられる電力は、回生電力を受け入れられるように、また、要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるように制御されることが望ましい。
例えば、特許文献1には、二次電池の温度を検出する温度検出部と、検出された温度が所定の温度以下である場合、予め定められた温度に応じて変化する充放電電力上限値を超えないように、充放電電力を制御する充放電電力制御部とを含む二次電池の充放電制御装置が開示されている。
また、例えば、特許文献2には、二次電池の温度を検出する温度検出手段と、二次電池の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、検出された温度と、検出された蓄電量に基づいて予め定められた充放電電力上限値を超えないように充放電電力を制御する充放電電力制限手段と、を有する二次電池の充放電制御装置が開示されている。
また、例えば、特許文献3には、二次電池の温度を推定するための推定手段と、推定された二次電池の温度に基づいて、二次電池の充放電電力を制限するための制御手段とを含む、二次電池の充放電制御装置が開示されている。
また、例えば、特許文献4には、電池群に流れる充放電電流に基づいて各単電池の所定時間経過後の発熱量を推定し、該推定した発熱量が予め定められた設定値を越えるか否かを判断し、設定値を越える判断したときに、電池群に流れる充放電電流を抑制する充放電抑制手段を備える充放電制御装置が開示されている。
また、例えば、特許文献5には、電池の温度調節に使用される空調装置の作動状態を検知する検知部と、作動状態に応じて電池に対する充電量または放電量の制限値を設定する設定部とを含む、充放電制御装置が開示されている。
特開2003−101674号公報 特開平11−187577号公報 特開2006−101674号公報 特開2009−81958号公報 特開2006−172931号公報
しかし、特許文献1〜5はいずれも、充電効率が低下する状況で充電された場合の二次電池の発熱量が充電制御に反映されていないため、過剰に充電電力が制限されたり、又は二次電池の温度上昇が十分に抑制されない場合がある。
本発明は、二次電池の充電効率が低下する状況でも、適切な充電の管理を行うことができる二次電池の充電制御方法及び充電制御装置を提供することにある。
本発明の二次電池の充電制御方法は、二次電池の極板間電圧と、内部抵抗と、電流値と、充電効率とに基づいて、二次電池の発熱量を算出するステップと、二次電池を冷却する冷却手段の冷却能力と、二次電池の温度とに基づいて、二次電池の発熱許容量を算出するステップと、前記発熱量が前記発熱許容量より大きい時、二次電池の充電電力を制限するステップと、を備える。
また、前記二次電池の充電制御方法において、前記充電効率は、前記温度又は前記電流値と、前記極板間電圧とに基づいて算出されることが好ましい。
また、前記二次電池の充電制御方法において、前記二次電池の充電電力を制限するステップでは、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を制限することが好ましい。
また、前記二次電池の充電制御方法において、前記発熱量が前記発熱許容量より小さい時、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を規定するステップを備えることが好ましい。
また、前記二次電池の充電制御方法において、前記冷却手段の冷却能力は、前記冷却手段により供給される冷却媒体の温度又は供給流量のいずれかであることが好ましい。
また、本発明の二次電池の充電制御装置は、二次電池の極板間電圧と、内部抵抗と、電流値と、充電効率とに基づいて、二次電池の発熱量を算出する手段と、二次電池を冷却する冷却手段の冷却能力と、二次電池の温度とに基づいて、二次電池の発熱許容量を算出する手段と、前記発熱量が前記発熱許容量より大きい時、二次電池の充電電力を制限する手段と、を備える。
また、前記二次電池の充電制御装置において、前記温度又は前記電流値と、前記極板間電圧とに基づいて、二次電池の充電効率を算出する手段を備えることが好ましい。
また、前記二次電池の充電制御装置において、前記二次電池の充電電力を制限する手段は、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を制限するが好ましい。
また、前記二次電池の充電制御装置において、前記発熱量が前記発熱許容量より小さい時、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を規定する手段を備えることが好ましい。
また、前記二次電池の充電制御装置において、前記冷却手段の冷却能力は、前記冷却手段により供給される冷却媒体の温度又は供給流量のいずれかであることが好ましい。
本発明によれば、二次電池の充電効率が低下する状況でも、適切な充電の管理を行うことができる二次電池の充電制御方法及び充電制御装置を提供することができる。
本実施形態に係る二次電池の充電制御装置が搭載された車両のパワーユニットの構成の一例を示す模式図である。 二次電池の極板間電圧と充電効率との関係を表すマップである。 二次電池の回路モデルを示す図である。 二次電池の温度と発熱許容量との関係を表すマップである。 本実施形態に係る二次電池の充電制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。
本発明の実施の形態について以下説明する。
図1は、本実施形態に係る二次電池の充電制御装置が搭載された車両のパワーユニットの構成の一例を示す模式図である。本実施形態に係る充電制御装置は、二次電池を搭載した電気自動車(ハイブリッド自動車等も含む)等の車両等に適用可能である。図1に示す車両のパワーユニット1は、モータジェネレータ10、モータジェネレータ10に接続されたインバータ12、インバータ12に接続された二次電池14、二次電池14の冷却に使用される冷却手段としての空調装置16、二次電池14の充電電力を制御するための充電制御装置として機能するECU18を備える。ECU18は、モータジェネレータ10、インバータ12及び二次電池14と電気的に接続されている。
モータジェネレータ10は、二次電池14より供給される電力等により駆動力を発生させる。また、車両が回生制御中である場合は、発電機として作動し、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して二次電池14を充電する。
インバータ12は、二次電池14等から供給される直流電流を交流電流に変換し、モータジェネレータ10を駆動させる。また、モータジェネレータ10が発電した交流電流を直流電流に変換し、二次電池14を充電する。
通常、二次電池14は、ある程度の電圧を確保するために、複数のセルを直列に接続した電池モジュールとして構成されている。本実施形態の充電制御装置によって充電制御される二次電池14は、どのような用途の二次電池であっても適用可能であるが、ニッケル水素二次電池が好適である。ニッケル水素二次電池は、高い電圧及び温度等で充電が行われると、充電反応とは異なる副反応により、ガスが発生し、充電効率が低下してしまう。しかし、本実施形態の充電制御方法では、後述するように充電効率の低下による発熱量を考慮して、充電電力を制限しているため、充電効率が低下するような状況でもニッケル水素二次電池の適切な充電を管理することができる。これに対して、二次電池の蓄電量と温度に基づいて充電電力を制限する等の従来の制御方法では、蓄電量と充電効率との間の相関が低く、また、蓄電量を正確に推定することができず、さらに、メモリー効果による充電効率の低下も考慮されないため、充電効率が低下するような状況では、過剰に充電電力を制限したり、電池温度の上昇を十分に抑制することができない場合がある。
二次電池14には、二次電池14の端子電圧を検出する電圧センサ20、二次電池14に流れる電流を検出する電流センサ22、二次電池14の複数箇所に二次電池14の温度を検出する温度センサ24が設置されている。また、各センサはECU18に電気的に接続されており、各センサにより検出されたデータがECU18に送信される。
二次電池14の冷却に使用される空調装置16は、車両に搭載されたエアコン等を利用することができる。エアコン等から供給される冷却媒体が車室を経て二次電池14に供給されるように、冷却媒体が通る冷却通路にファン(不図示)が設置されている。本実施形態において、二次電池14の冷却に使用される空調装置16としては、エアコンに限定されるものではなく、二次電池14を冷却する専用の空調装置16を別途設置してもよい。
ECU18は、二次電池14の温度又は電流値と、二次電池14の極板間電圧とに基づいて二次電池14の充電効率を算出する。ここで、二次電池14の極板間電圧とは、二次電池14の正・負極間電圧であり、電圧センサ20により検出される二次電池14の端子電圧から、二次電池14に流れる電流及び二次電池14の内部抵抗のIR分を除外することにより求められる(下式(1)参照)。
=VB+(IB×R) (1)
:二次電池の極板間電圧
VB:二次電池の端子電圧
IB:二次電池の電流値(充電側を負とする。)
R:二次電池の内部抵抗
二次電池14の内部抵抗の算出は特に制限されるものではないが、例えば、複数の電流値及び電圧値を電圧・電流座標上にプロットし、プロットされた各点に沿って一次近似式を求め、この近似式で表される直線の傾きを内部抵抗として算出する。また、内部抵抗は二次電池14の温度に依存して変化することから、内部抵抗と二次電池14の温度との関係を表すマップをECU18に記憶させておき、温度センサ24により検出された温度データを該マップに当てはめて、内部抵抗を算出してもよい。
そして、極板間電圧は、ECU18により、電流センサ22及び電圧センサ20により検出された端子電圧及び電流値、及び上記算出した内部抵抗を上記式(1)に当てはめることにより求められる。極板間電圧を算出する際には、例えば、数秒程度のなまし(フィルター)を各センサ又はECU18に設定して、ノイズ等の影響を除去することが好ましい。また、電圧センサ20を複数設置する場合には、二次電池14の充電制御を効率的に行うことができる点で、複数の電圧センサ20から検出された電圧のうち最も高い電圧を極板間電圧の算出に用いることが好ましい。なお、上記方法が、簡易で精度よく極板間電圧を求めることができるが、必ずしもこれに制限されるものではなく、例えば、正極及び負極に電圧センサ20を設置し、直接二次電池14の極板間電圧を検出する等でもよい。
ECU18は、二次電池14の温度又は電流値と、極板間電圧とに基づいて、二次電池14の充電効率を算出する。二次電池14の充電効率の算出には、例えば、図2に示すような二次電池14の極板間電圧と充電効率との関係を表すマップが用いられる。ここで、充電効率とは充電電荷量に対する実際に蓄えられた電気量の比(η)又はガス発生等により蓄えることができなかった電気量の比(β=1−η)である。
二次電池14の極板間電圧と充電効率との関係は、二次電池14の温度又は電流値に依存するため、図2(A)に示すように、例えば、二次電池14の温度が40℃、50℃、60℃の時等のように、いくつかの二次電池温度の時の極板間電圧と充電効率との関係を表すマップを用意するか、又は図2(B)に示すように、例えば、二次電池14の電流値が5A、25A、50Aの時等のように、いくつかの二次電池14の電流値の時の極板間電圧と充電効率との関係を表すマップを用意することが望ましい。
例えば、温度センサ24により検出された温度が40℃の場合、ECU18により40℃の時の極板間電圧と充電効率との関係を表すマップ(図2(A)参照)に、上記算出した極板間電圧を当てはめることにより、充電効率が算出される。また、例えば、電流センサ22により検出された電流値が5Aの場合、ECU18により5Aの時の極板間電圧と充電効率との関係を表すマップ(図2(B)参照)に、上記算出した極板間電圧を当てはめることにより、充電効率が算出される。また、温度センサ24により検出された温度や電流センサ22により検出された電流値が該マップの温度又は電流値以外の場合には、例えば、直線補間法等によりマップを補正する等して、充電効率を求めることができる。また、より正確に充電効率を算出する場合には、温度又は電流値の間隔を細かく設定した(例えば、1℃毎、1A毎)極板間電圧と充電効率との関係を表すマップを用意してもよい。
また、温度センサ24を複数設置する場合には、二次電池14の充電制御を効率的に行うことができる点で、各温度センサ24から検出された温度の時の充電効率を算出し、そのうち最大の充電効率を採用することが好ましい。なお、充電効率の算出方法は必ずしも上記方法に制限されるものではなく、従来知られている全ての算出方法又は検出方法を採用することができる。
ECU18は、二次電池14の極板間電圧、電流値、内部抵抗及び充電効率に基づいて、充電時における二次電池14の発熱量を算出する。図3は、二次電池の回路モデルを示す図である。充電時における二次電池14の発熱量(W)は、充電時に発生するジュール熱と充電効率の低下に伴う二次電池14の発熱との和であり、下式(2)又は(3)により表される。
W=IB×R+(IB×V×β) (2)
W=IB×R+(IB×V×(1−η)) (3)
W:二次電池の発熱量
IB:二次電池の電流(充電側を負とする。)
R:二次電池の内部抵抗
:二次電池の極板間電圧
β,η:充電効率
ECU18は、二次電池14を冷却する空調装置16の冷却性能、二次電池14の温度に基づいて、充電時における二次電池14の発熱許容量を算出する。ECU18により算出される二次電池14の発熱許容量は、例えば、図4に示すような二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップが用いられる。二次電池14の発熱許容量とは、ある温度の二次電池14が充電によって発熱した時の発熱量の上限値である。
そして、二次電池14の温度と発熱許容量との関係は、二次電池14を冷却する空調装置16の冷却性能に依存するため、図4(A)に示すように、例えば、空調装置16から供給される冷却媒体の温度が25℃、30℃の時等のように、いくつかの冷却媒体温度における二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップを用意するか、又は図4(B)に示すように、例えば、空調装置16から供給される冷却媒体の流量が70m/h、100m/hの時等のように、いくつかの冷却媒体流量における二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップを用意することが好ましい。
例えば、冷却媒体の温度が25℃の場合(空調装置16に設置される温度センサ24等により冷却媒体の温度を検出)、ECU18によって、冷却媒体の温度が25℃の時の二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップ(図4(A)参照)に、温度センサ24により検出した二次電池14の温度を当てはめることにより、発熱許容量が算出される。また、例えば、冷却媒体の流量が70m/hの場合(空調装置16に設置される流量センサ等により冷却媒体の流量を検出)、ECU18によって、冷却媒体の流量が70m/hの時の二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップ(図4(B)参照)に、温度センサ24により検出した二次電池14の温度を当てはめることにより、発熱許容量が算出される。また、検出された冷却媒体の温度や流量が該マップの温度又は流量以外の場合には、例えば、直線補間法等によりマップを補正する等して、発熱許容量を求めることができる。また、より正確に発熱許容量を算出する場合には、温度又は流量の間隔を細かく設定した(例えば、1℃毎、10m/h毎)二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップを用意してもよい。本実施形態における発熱許容量の算出は上記に制限されるものではなく、例えば、二次電池14の温度が所定温度(T)以下の場合は、空調装置16により冷却可能な二次電池14の発熱量(図4に示すWc(一定値))を発熱許容量として設定してもよい。
ECU18は、上記算出した発熱量及び発熱許容量を比較して、発熱量が発熱許容量より大きい時には、二次電池14に充電される充電電力を制限する。これにより、充電時における二次電池14の温度上昇が抑制され、二次電池14の劣化が抑えられる。一方、発熱量が発熱許容量より小さい時には、二次電池14の温度上昇による劣化の影響が少ないため、二次電池14に充電される充電電力を減少させる制限を掛けることなく充電を行う。
本実施形態において、発熱量が発熱許容量より大きい時の充電電力は、算出した発熱許容量を超えない範囲で決定されるものであれば特に制限されるものではない。例えば、算出した発熱許容量を初期Win(初期充電電力)として設定し、初期Winから所定の制限電力(ΔW)を引いた値を、制限した充電電力(Win)として決定する。なお、初期充電電力(初期Win)は、例えば、二次電池14の蓄電量や温度等の関数として表されるマップ等から求めてもよい。また、上記所定の電力(ΔW)は、算出した発熱量が発熱許容量となるような値に設定されることが好ましい。一方、発熱量が発熱許容量より小さい時には、例えば、二次電池14に充電する充電電力を算出した発熱許容量として決定してもよいし、算出した発熱許容量を初期Win(初期充電電力)として設定し、初期Winから所定の電力(ΔW)を足した値を、二次電池14に充電する充電電力(Win)として決定してもよい。また、上記所定の電力ΔWは、算出した発熱量が発熱許容量となるような値に設定されることが好ましい。そして、本実施形態では、発熱量が発熱許容量となるように充電電力(Win,Win)をフィードバック制御することがより好ましい。
本実施形態の充電制御方法は、例えば、二次電池の蓄電量と温度に基づいて充電電力を制限する等の従来の制御方法と併用することが可能である。従来の制御方法と併用する場合には、例えば、本実施形態において制限された充電電力と、従来の制御方法において制限された充電電力とを比較して、最も小さい充電電力を採用する等して、充電電力を制限することが好ましい。また、例えば、ある状況では二次電池の蓄電量と温度に基づいて充電電力を制限する等の従来の制御方法を採用し、他の状況では本実施形態の充電制御方法を採用する方法も可能である。本実施形態の充電制御方法により、ガス発生等によって充電効率が低下した状況でも適切に充電を管理し、二次電池14の劣化を抑制することができるため、例えば、充電効率が所定の値以下又は以上(例えばηが80%以下又はβ20%以上)になった時に、本実施形態の充電制御方法を採用し、それ以外では従来の制御方法を採用する等して充電電力を制限してもよい。さらに、充電効率が悪化し易い状況、例えば、降坂時の回生充電によって多くの電流が二次電池14に流れる場合や、極板間電圧(又は端子間電圧)が高い場合や、内部抵抗が高い場合や、二次電池温度が高い場合、過充電される場合等を考慮して、所定の電流値以上、所定の極板間電圧(又は端子間電圧)以上、所定の内部抵抗以上、所定の二次電池温度以上、又は所定の蓄電量以上の時に本実施形態の充電制御方法を採用し、それ以外では従来の制御方法を採用する等して充電電力を制限してもよい。
図5は、本実施形態に係る二次電池の充電制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。図5に示すように、ステップS10では、電圧センサ20及び電流センサ22により、二次電池14の端子電圧及び電流値を検出し、さらに、端子電圧及び電流値に基づいて内部抵抗を検出する。この際、温度センサ24による温度データを内部抵抗と温度との関係を表すマップに当てはめて内部抵抗を算出してもよい。ステップS12では、ECU18は、上式(1)に二次電池14の端子電圧、電流値及び内部抵抗を当てはめて、二次電池14の極板間電圧を算出する。ステップS14では、ECU18は、二次電池14の各温度における極板間電圧と充電効率(η又はβ)との関係を表すマップ(図2(A)参照)や二次電池14の各電流値における極板間電圧と充電効率(η又はβ)との関係を表すマップ(図2(B)参照)に、上記検出した二次電池14の温度又は電流値、及び上記算出した極板間電圧を当てはめて、充電効率を算出する。ステップS16では、ECU18は、上式(2)又は(3)に、二次電池14の極板間電圧、電流値、内部抵抗、充電効率(η又はβ)を当てはめて、二次電池14の発熱量を算出する。ステップS18では、ECU18は、例えば、空調装置16から供給される冷却媒体の各温度における二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップ(図4(A)参照)や空調装置16から供給される冷却媒体の各流量における二次電池14の温度と発熱許容量との関係を表すマップ(図4(B)参照)に、冷却媒体の温度又は流量、及び上記検出した二次電池14の温度を当てはめて、二次電池14の発熱許容量を算出する。
そして、ECU18は、上記算出した発熱量及び発熱許容量を比較して、発熱量が発熱許容量より大きい時には、ステップS20に進み、二次電池14に充電される充電電力を制限し、発熱量が発熱許容量より小さい時には、ステップS22に進み、二次電池14に充電される充電電力を減少させる制限を規定しない。本実施形態では、発熱量が発熱許容量より大きい時には充電電力を制限し、また、発熱量が発熱許容量より小さい時には充電電力に所定の電力を付与する等を繰り返して、二次電池14の発熱量が発熱許容量となるように充電電力をフィードバック制御することが好ましい。
1 パワーユニット、10 モータジェネレータ、12 インバータ、14 二次電池、16 空調装置、20 電圧センサ、22 電流センサ、24 温度センサ。

Claims (10)

  1. 二次電池の極板間電圧と、内部抵抗と、電流値と、充電効率とに基づいて、二次電池の発熱量を算出するステップと、
    二次電池を冷却する冷却手段の冷却能力と、二次電池の温度とに基づいて、二次電池の発熱許容量を算出するステップと、
    前記発熱量が前記発熱許容量より大きい時、二次電池の充電電力を制限するステップと、を備えることを特徴とする二次電池の充電制御方法。
  2. 請求項1に記載の二次電池の充電制御方法であって、前記充電効率は、前記温度又は前記電流値と、前記極板間電圧とに基づいて算出されることを特徴とする二次電池の充電制御方法。
  3. 請求項1に記載の二次電池の充電制御方法であって、前記二次電池の充電電力を制限するステップでは、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を制限することを特徴とする二次電池の充電制御方法。
  4. 請求項1に記載の二次電池の充電制御方法であって、前記発熱量が前記発熱許容量より小さい時、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を規定するステップを備えることを特徴とする二次電池の充電制御方法。
  5. 請求項1に記載の二次電池の充電制御方法であって、前記冷却手段の冷却能力は、前記冷却手段により供給される冷却媒体の温度又は供給流量のいずれかであることを特徴とする二次電池の充電制御方法。
  6. 二次電池の極板間電圧と、内部抵抗と、電流値と、充電効率とに基づいて、二次電池の発熱量を算出する手段と、
    二次電池を冷却する冷却手段の冷却能力と、二次電池の温度とに基づいて、二次電池の発熱許容量を算出する手段と、
    前記発熱量が前記発熱許容量より大きい時、二次電池の充電電力を制限する手段と、を備えることを特徴とする二次電池の充電制御装置。
  7. 請求項6記載の二次電池の充電制御装置であって、前記温度又は前記電流値と、前記極板間電圧とに基づいて、二次電池の充電効率を算出する手段を備えることを特徴とする二次電池の充電制御装置。
  8. 請求項6記載の二次電池の充電制御装置であって、前記二次電池の充電電力を制限する手段は、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を制限することを特徴とする二次電池の充電制御装置。
  9. 請求項6記載の二次電池の充電制御装置であって、前記発熱量が前記発熱許容量より小さい時、前記発熱量が前記発熱許容量となるように二次電池の充電電力を規定する手段を備えることを特徴とする二次電池の充電制御装置。
  10. 請求項6記載の二次電池の充電制御装置であって、前記冷却手段の冷却能力は、前記冷却手段により供給される冷却媒体の温度又は供給流量のいずれかであることを特徴とする二次電池の充電制御装置。
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