KR20130079636A - 축전장치의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

축전장치의 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

하이레이트 열화를 허용하는 범위에서 이차전지에 요구되는 출력을 확보한다.
이차전지(10, 11)의 방전 전력이 상한값을 넘지 않도록 이차전지의 방전을 제어하는 제어장치에 있어서, 전류센서(25) 및 컨트롤러(30)를 가진다. 전류센서는, 이차전지의 충방전시에 있어서의 전류값을 검출한다. 컨트롤러는, 이차전지의 전해질 중에서의 이온 농도의 편향에 의존하는 제 1 열화 성분을 특정하기 위한 평가값을, 전류센서의 검출결과를 이용하여 산출하고, 목표값을 넘는 평가값의 적산값이 문턱값을 넘었을 때에는, 상한값을 저하시킨다. 또한, 컨트롤러는, 이차전지의 재료에 의존하는 제 2 열화 성분을 추정하고, 제 2 열화 성분에 대응한 제 1 열화 성분의 열화를 허용하도록, 문턱값을 변경한다.

Description

축전장치의 제어장치 및 제어방법{CONTROL METHOD AND CONTROL DEVICE FOR ELECTRICAL STORAGE DEVICE}
본 발명은, 축전소자의 열화 상태를 평가하여 축전소자의 충방전을 제어하는 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 전지를 충방전했을 때의 전류값의 이력 에 의거하여, 하이레이트 방전에 의한 열화를 평가하기 위한 평가값을 산출하고 있다. 그리고, 평가값이 목표값을 넘지 않았을 때에는, 전지의 방전 제어에 이용되는 상한값을 최대값으로 설정하고 있다. 또한, 평가값이 목표값을 넘었을 때에는, 상한값을 최대값보다 작은 값으로 설정하고 있다.
특허문헌 1에 의하면, 평가값이 목표값을 넘지 않았을 때에는, 상한값을 최대값으로 설정해 둠으로써, 운전자의 요구에 따른 차량의 동력 성능을 발휘시키도록 하고 있다. 또한, 평가값이 목표값을 넘었을 때에는, 상한값을 최대값보다 작은 값으로 설정함으로써, 하이레이트 방전에 의한 열화가 발생하는 것을 억제하도록 하고 있다.
일본특허공개 제2009-123435호 공보(도 4, 도 7 등) 일본특허공개 제2008-024124호 공보 일본특허공개 제2009-160953호 공보
특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 하이레이트 방전에 의한 열화가 발생하는 것을 억제하기 위해, 평가값이 목표값을 넘어버리면, 상한값이 변경되어 전지의 출력이 제한되어 버린다. 이와 같이, 평가값이 목표값을 넘은 것만으로 상한값이 변경되어 버리면, 전지에 요구되는 출력이 확보되지 않는 경우가 있다.
본원 제 1 발명은, 이차전지의 방전 전력이 상한값을 넘지 않도록 이차전지의 방전을 제어하는 제어장치에 있어서, 전류센서 및 컨트롤러를 가진다. 전류센서는, 이차전지의 충방전시에 있어서의 전류값을 검출한다. 컨트롤러는, 이차전지의 전해질 중에서의 이온 농도의 편향에 의존하는 제 1 열화 성분을 특정하기 위한 평가값을, 전류센서의 검출결과를 이용하여 산출하고, 목표값을 넘는 평가값의 적산값이 문턱값을 넘었을 때에는, 상한값을 저하시킨다. 또한, 컨트롤러는, 이차전지의 재료에 의존하는 제 2 열화 성분을 추정하고, 제 2 열화 성분에 대응한 제 1 열화 성분의 열화를 허용하도록, 문턱값을 변경한다.
평가값은, 이온 농도의 편향의 증가에 따라 증가하고, 이온 농도의 편향의 감소에 따라 감소한다. 또한, 제 2 열화 성분이 커질수록 제 1 열화 성분이 작아진다. 이 때문에, 제 2 열화 성분을 추정하면, 이 제 2 열화 성분에 대응하는 제 1 열화 성분의 열화를 얼마만큼 허용할 수 있는지를 특정할 수 있다.
컨트롤러는, 평가값 중 목표값을 넘는 부분을 적산함으로써, 적산값을 산출 할 수 있다. 여기에서, 평가값이 양의 값일 때에 양의 값인 목표값을 이용하고, 평가값이 음의 값일 때에 음의 값인 목표값을 이용할 수 있다. 이 경우에 있어서, 양의 평가값이 양의 목표값을 넘었을 때에는, 양의 평가값 중 양의 목표값을 넘는 부분을 가산할 수 있다. 또한, 음의 평가값이 음의 목표값을 넘었을 때에는, 음의 평가값 중 음의 목표값을 넘는 부분을 감산할 수 있다.
제 2 열화 성분은, 이차전지의 온도 및 통전량을 이용하여 추정할 수 있다. 이차전지의 온도에는, 충방전을 행하고 있을 때의 이차전지의 온도와, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 이차전지의 온도가 포함된다. 충방전을 행하고 있지 않을 때의 이차전지의 온도를 이용함으로써, 제 2 열화 성분의 일부를 추정할 수 있다. 또한, 충방전을 행하고 있을 때의 이차전지의 온도와, 통전량을 이용함으로써, 제 2 열화 성분에서의 나머지 부분을 추정할 수 있다.
문턱값을 특정하기 위한 맵을, 제 2 열화 성분에 따라 메모리에 기억해 둘 수 있다. 이에 의해, 제 2 열화 성분을 추정하면, 이 제 2 열화 성분에 대응한 맵을 특정할 수 있고, 이 맵을 이용하여 문턱값을 특정할 수 있다. 문턱값을 특정하는 맵으로서는, 문턱값과, 충방전을 행하고 있을 때의 이차전지의 온도와, 이차전지의 사용 상태의 관계를 나타내는 맵을 이용할 수 있다. 이차전지의 출력을 이용하여 차량을 주행시킬 때에는, 이차전지의 사용 상태로서, 차량의 주행거리에 대한 이차전지의 충방전량 (Ａｈ/ｋｍ)을 이용할 수 있다.
본원 제 2 발명은, 이차전지의 방전 전력이 상한값을 넘지 않도록 이차전지의 방전을 제어하는 제어방법에 있어서, 이차전지의 충방전시에 있어서의 전류값을 검출하는 단계와, 이차전지의 전해질 중에서의 이온 농도의 편향에 의존하는 제 1 열화 성분을 특정하기 위한 평가값을, 전류센서의 검출결과를 이용하여 산출하는 단계를 가진다. 또한, 평가값이 목표값을 넘는지의 여부를 판별하고, 목표값을 넘는 평가값의 적산값이 문턱값을 넘었을 때에는, 상한값을 저하시키는 단계를 가진다. 또한, 이차전지의 재료에 의존하는 제 2 열화 성분을 추정하는 단계와, 제 2 열화 성분에 대응한 제 1 열화 성분의 열화를 허용하도록, 문턱값을 변경하는 단계를 가진다.
본 발명에 의하면, 평가값이 목표값을 넘었을 때에, 평가값의 적산값을 산출하고, 적산값이 문턱값을 넘었을 때에, 이차전지의 방전 제어에 이용되는 상한값을 저하시키고 있다. 여기에서, 문턱값은, 추정한 제 2 열화 성분에 대응한 제 1 열화 성분의 열화를 허용하도록, 변경되기 때문에, 제 1 열화 성분의 열화가 허용되는 범위 내에서 이차전지의 출력을 이용할 수 있다. 즉, 제 1 열화 성분의 열화가 허용되는 범위 내에서, 이차전지에 요구되는 출력을 확보하기 쉬워진다.
도 1은 제 1 실시형태인 전지 시스템의 블록도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 있어서, 조(組)전지의 충방전을 제어하는 처리를 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 제 1 실시형태에 있어서, 조전지의 충방전을 제어하는 처리를 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 제 1 실시형태에 있어서, 망각계수 및 조전지의 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 제 1 실시형태에 있어서, 한계값 및 조전지의 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 제 1 실시형태에 있어서, 평가값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 제 1 실시형태에 있어서, 문턱값을 결정하는 처리를 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 제 1 실시형태에 있어서, 문턱값을 특정하는 맵을 나타내는 도면이다.
도 9는 제 1 실시형태에 있어서, 문턱값을 특정하는 맵을 나타내는 도면이다.
도 10은 제 1 실시형태에 있어서, 평가값, 적산값 및 출력 제한값의 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
(제 1 실시형태)
제 1 실시형태에서의 전지 시스템에 대해서 도 1을 이용하여 설명한다. 도 1은, 전지 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 전지 시스템은 차량에 탑재된다. 차량으로서는, 하이브리드 자동차나 전기 자동차가 있다. 하이브리드 자동차는, 차량을 주행시키기 위한 동력원으로서, 조전지 외에 연료전지나 내연기관 등을 구비한 차량이다. 전기 자동차는, 차량의 동력원으로서 조전지만을 구비한 차량이다.
조전지(10)는, 전기적으로 직렬로 접속된 복수의 단(單)전지(11)를 가진다. 조전지(10)를 구성하는 단전지(11)의 개수는, 조전지(10)의 요구 출력 등에 의거하여 적절히 설정할 수 있다. 조전지(10)는, 전기적으로 병렬로 접속된 복수의 단전지(11)를 포함하고 있어도 된다. 단전지(11)로서는, 니켈 수소 전지나 리튬 이온 전지와 같은 이차전지를 이용할 수 있다.
단전지(11)로서 리튬 이온 전지를 이용했을 때, 양극은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 재료로 형성되어 있고, 이 재료로서는, 예를 들면, 코발트산리튬이나 망간산리튬을 이용할 수 있다. 음극은 리튬 이온을 흡장 및 방출할 수 있는 재료로 형성되어 있고, 이 재료로서는, 예를 들면, 카본을 이용할 수 있다. 단전지(11)를 충전할 때, 양극은 리튬 이온을 전해액 중에 방출하고, 음극은 전해액 중의 리튬 이온을 흡장한다. 또한, 단전지(11)를 방전할 때, 양극은 전해액 중의 리튬 이온을 흡장하고, 음극은 리튬 이온을 전해액 중에 방출한다.
조전지(10)는, 시스템 메인 릴레이(21a, 21b)를 거쳐 승압회로(22)에 접속되어 있고, 승압회로(22)는, 조전지(10)의 출력 전압을 승압한다. 승압회로(22)는 인버터(23)와 접속되어 있고, 인버터(23)는 승압회로(22)로부터의 직류전력을 교류전력으로 변환한다. 모터 제너레이터(교류모터)(24)는, 인버터(23)로부터의 교류전력을 받음으로써, 차량을 주행시키기 위한 운동 에너지를 생성한다. 모터 제너레이터(24)에 의해 생성된 운동 에너지는 차륜에 전달된다.
승압회로(22)는 생략할 수 있다. 또한, 모터 제너레이터(24)로서 직류모터를 이용할 때에는, 인버터(23)를 생략할 수 있다.
차량을 감속시킬 때나 차량을 정지시킬 때, 모터 제너레이터(24)는, 차량의 제동시에 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 모터 제너레이터(24)에 의해 생성된 교류전력은, 인버터(23)에 의해 직류전력으로 변환된다. 승압회로(22)는, 인버터(23)의 출력 전압을 강압(降壓)하고 나서 조전지(10)에 공급한다. 이에 의해, 회생 전력을 조전지(10)에 모을 수 있다.
전류센서(25)는, 조전지(10)의 충방전시에 조전지(10)에 흐르는 전류를 검출하고, 검출결과를 컨트롤러(30)에 출력한다. 온도센서(26)는, 조전지(10)의 온도를 검출하고, 검출결과를 컨트롤러(30)에 출력한다. 온도센서(26)의 개수는 적절히 설정할 수 있다. 복수의 온도센서(26)를 이용할 때에는, 복수의 온도센서(26)에 의해 검출된 온도의 평균값을 조전지(10)의 온도로서 이용하거나, 특정한 온도센서(26)에 의해 검출된 온도를 조전지(10)의 온도로서 이용하거나 할 수 있다.
전압센서(27)는, 조전지(10)의 전압을 검출하고, 검출결과를 컨트롤러(30)에 출력한다. 본 실시형태에서는, 조전지(10)의 전압을 검출하고 있지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 조전지(10)를 구성하는 단전지(11)의 전압을 검출할 수 있다. 또한, 조전지(10)를 구성하는 복수의 단전지(11)를 복수의 블록으로 나누고, 각 블록의 전압을 검출할 수 있다. 각 블록은 적어도 2개의 단전지(11)를 포함하고 있다.
컨트롤러(30)는, 시스템 메인 릴레이(21a, 21b), 승압회로(22) 및 인버터(23)의 동작을 제어한다. 컨트롤러(30)는, 각종 정보를 기억하는 메모리(31)를 가진다. 본 실시형태에서는, 컨트롤러(30)가 메모리(31)를 내장하고 있지만, 컨트롤러(30)의 외부에 메모리(31)를 설치할 수 있다.
컨트롤러(30)는, 차량의 이그니션 스위치가 오프에서 온으로 전환되면, 시스템 메인 릴레이(21a, 21b)를 오프에서 온으로 전환하거나, 승압회로(22) 및 인버터(23)를 동작시키거나 한다. 또한, 컨트롤러(30)는, 이그니션 스위치가 온에서 오프로 전환되면, 시스템 메인 릴레이(21a, 21b)를 온에서 오프로 전환하거나, 승압회로(22)나 인버터(23)의 동작을 정지시키거나 한다.
다음으로, 조전지(10)의 충방전을 제어하는 처리에 대해서 도 2 및 도 3에 나타낸 플로우 차트를 이용하여 설명한다. 도 2 및 도 3에 나타낸 처리는, 미리 설정된 시간 간격(사이클 타임)으로 반복하여 행하여진다. 도 2 및 도 3에 나타낸 처리는, 컨트롤러(30)에 포함되는 CPU가, 메모리(31)에 기억된 프로그램을 실행함으로써 행하여진다.
단계 S101에서, 컨트롤러(30)는, 전류센서(25)의 출력 신호에 의거하여 방전 전류값을 취득한다. 조전지(10)를 방전하고 있을 때에는 방전 전류값이 양의 값이 되고, 조전지(10)를 충전하고 있을 때에는 방전 전류값이 음의 값이 된다.
단계 S102에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S101에서 얻어진 방전 전류값에 의거하여 조전지(10)의 SOC(State Of Charge)를 산출한다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 조전지(10)의 충방전을 행하였을 때의 전류값을 적산함으로써, 조전지(10)의 SOC를 산출할 수 있다. 또한, SOC의 산출 방법은, 본 실시형태에서 설명하는 방법에 한정하는 것이 아니고, 공지된 방법을 적절히 선택할 수 있다.
단계 S103에서, 컨트롤러(30)는, 온도센서(26)의 출력 신호에 의거하여 조전지(10)의 온도를 취득한다. 단계 S104에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S102에서 산출한 SOC와, 단계 S103에서 취득한 조전지(10)의 온도에 의거하여, 망각계수를 산출한다. 망각계수는, 단전지(11)의 전해액 중의 리튬 이온의 확산 속도에 대응하는 계수이다. 망각계수는, 하기 식(1)의 조건을 충족하는 범위에서 설정된다.
0<A×ΔT<1 ···(1)
여기에서, A는 망각계수를 나타내고, ΔT는 도 2 및 도 3에 나타낸 처리를 반복해서 행할 때의 사이클 타임을 나타낸다.
예를 들면, 컨트롤러(30)는, 도 4에 나타낸 맵을 이용하여 망각계수를 특정할 수 있다. 도 4에 있어서, 세로축은 망각계수이고, 가로축은 조전지(10)의 온도이다. 도 4에 나타낸 맵은, 실험 등에 의해 미리 취득할 수 있고, 메모리(31)에 기억해 둘 수 있다. 도 4에 나타낸 맵에서는, 리튬 이온의 확산 속도가 빠를수록 망각계수가 커진다. 구체적으로는, 조전지(1)의 온도가 같으면, 조전지(10)의 SOC가 높을수록 망각계수가 커진다. 또한, 조전지(10)의 SOC가 같으면, 조전지(10)의 온도가 높아질수록 망각계수가 커진다.
단계 S105에서, 컨트롤러(30)는, 평가값의 감소량 D(-)를 산출한다. 평가값 D(N)은, 조전지(10)(단전지(11))의 열화 상태(후술하는 하이레이트 열화)를 평가하는 값이다.
단전지(11)의 하이레이트 방전이 계속적으로 행하여지면, 단전지(11)의 내부 저항이 증가하고, 단전지(11)의 출력 전압이 급격하게 저하하기 시작하는 현상이 발생하는 경우가 있다. 이 현상이 계속해서 발생하면, 단전지(11)가 열화되어 버리는 경우가 있다. 하이레이트 방전에 의한 열화를 하이레이트 열화(제 1 열화 성분에 상당한다)라고 부른다. 하이레이트 열화의 요인 중 하나로서는, 하이레이트 방전이 계속적으로 행하여짐으로써, 단전지(11)의 전해액 중의 이온 농도가 치우쳐 버리는 경우를 생각할 수 있다.
하이레이트 열화가 발생되어 버리면, 방전 전류값을 저하시키거나 충전하거나 하더라도, 단전지(11)의 출력 전압은 회복하지 않는 경우가 있다. 이 때문에, 하이레이트 열화가 발생하기 전에 하이레이트 방전을 억제할 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 하이레이트 열화를 평가하기 위한 값으로서, 평가값 D(N)을 설정하고 있다. 평가값 D(N)의 산출 방법에 대해서는 후술한다.
평가값의 감소량 D(-)는, 전회(前回)(직전)의 평가값 D(N)을 산출했을 때부터 1회의 사이클 타임이 경과하기까지의 사이에 있어서, 리튬 이온의 확산에 따른 리튬 이온 농도의 편향의 감소에 따라 산출된다. 예를 들면, 컨트롤러(30)는, 하기 식(2)에 의거하여 평가값의 감소량 D(-)을 산출할 수 있다.
D(-)=A×ΔT×D(N-1) ···(2)
여기에서, A 및 ΔT는 식(1)과 동일하다. D(N-1)은, 전회(직전)에 산출된 평가값을 나타낸다. 초기값으로서의 Ｄ(0)은, 예를 들면 0으로 할 수 있다.
식(1)에 나타낸 바와 같이, 「A×ΔT」의 값은 0부터 1까지의 값이다. 따라서, 「A×ΔT」의 값이 1에 가까워질수록, 평가값의 감소량 D(-)가 커진다. 바꿔 말하면, 망각계수가 클수록, 또는 사이클 타임이 길수록, 평가값의 감소량 D(-)가 커진다. 또한, 감소량 D(-)의 산출 방법은, 본 실시형태에서 설명한 방법에 한정되는 것이 아니고, 리튬 이온 농도의 편향의 감소를 특정할 수 있으면 된다.
단계 S106에서, 컨트롤러(30)는, 메모리(31)에 미리 기억된 전류계수를 읽어낸다. 단계 S107에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S102에서 산출된 조전지(10)의 SOC와, 단계 S103에서 취득한 조전지(10)의 온도에 의거하여, 한계값을 산출한다.
예를 들면, 컨트롤러(30)는, 도 5에 나타낸 맵을 이용하여 한계값을 산출할 수 있다. 도 5에 나타낸 맵은, 실험 등에 의해 미리 취득할 수 있고, 메모리(31)에 기억해 둘 수 있다. 도 5에 있어서, 세로축은 한계값이고, 가로축은 조전지(10)의 온도이다. 도 5에 나타낸 맵에서는, 조전지(10)의 온도가 같으면, 조전지(10)의 SOC가 높을수록 한계값이 커진다. 또한, 조전지(10)의 SOC가 같으면, 조전지(10)의 온도가 높을수록 한계값이 커진다.
단계 S108에서, 컨트롤러(30)는 평가값의 증가량 D(+)를 산출한다. 평가값의 증가량 D(+)는, 전회(직전)의 평가값 D(N-1)을 산출했을 때부터 1회의 사이클 타임이 경과하기까지의 사이에 있어서, 방전에 따른 리튬 이온 농도의 편향의 증가에 따라 산출된다. 예를 들면, 컨트롤러(30)는, 하기 식(3)에 의거하여 평가값의 증가량 D(+)를 산출할 수 있다.
D(+)=B/C×I×ΔT ···（3)
여기에서, B는 전류계수를 나타내고, 단계 S106의 처리에서 취득한 값이 이용된다. C는 한계값을 나타낸다. I는 방전 전류값을 나타내고, 단계 S101에서 검출한 값이 이용된다. ΔT는 식(1)과 동일하다.
식(3)으로부터 알 수 있듯이, 방전 전류값이 클수록, 또는 사이클 타임이 길수록, 평가값의 증가량 D(+)는 커진다. 또한, 증가량 D(+)의 산출 방법은, 본 실시형태에서 설명한 산출 방법에 한정되는 것은 아니다.
단계 S109에서, 컨트롤러(30)는, 금회의 사이클 타임에서의 평가값 D(N)을 산출한다. 이 평가값 D(N)은, 하기 식(4)에 의거하여 산출할 수 있다.
D(N)=D(N-1)-D(-)+D(+) ···(4)
여기에서, D(N)은 금회의 사이클 타임에서의 평가값이고, D(N-1)은 전회(직전)의 사이클 타임에서의 평가값이다. 초기값으로서의 Ｄ(0)은, 예를 들면 0으로 설정할 수 있다. D(-) 및 D(+)는, 평가값 D의 감소량 및 증가량을 나타내고, 단계 S105, S108에서 산출된 값이 이용된다.
본 실시형태에서는, 식(4)에 나타낸 바와 같이, 리튬 이온 농도의 편향의 증가와 리튬 이온 농도의 편향의 감소를 고려하여, 평가값 D(N)을 산출할 수 있다. 이에 의해, 하이레이트 열화의 요인이라고 생각되는 리튬 이온 농도의 편향의 변화(증감)를, 평가값 D(N)에 적절하게 반영시킬 수 있다. 따라서, 조전지(10)의 상태가, 하이레이트 열화가 생기는 상태에 어느 정도 가까워져 있는지를, 평가값 D(N)에 의거하여 파악할 수 있다.
단계 S110에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S109에서 산출한 평가값 D(N)이 미리 정해진 목표값을 넘었는지의 여부를 판별한다. 목표값은, 하이레이트 열화가 발생하기 시작하는 평가값 D(N)보다 작은 값으로 설정된다. 평가값 D(N)이 목표값을 넘었으면 단계 S111로 진행되고, 그렇지 않으면 단계 S117로 진행된다.
본 실시형태에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 평가값 D(N)의 플러스측 및 마이너스측에서 목표값이 설정되어 있다. 도 6은, 평가값 D(N)의 변화(일례)를 나타내는 타이밍 차트이다. 플러스측 및 마이너스측의 목표값은, 절대값으로서는 같은 값이 된다. 단계 S110에서, 플러스의 평가값 D(N)이 플러스의 목표값을 넘었을 때와, 마이너스의 평가값 D(N)이 마이너스의 목표값을 넘었을 때에는, 단계 S111로 진행된다. 즉, 평가값 D(N)의 절대값이 목표값의 절대값을 넘었을 때에는, 단계 S111로 진행된다.
단계 S111에서, 컨트롤러(30)는 평가값 D(N)의 적산을 행한다. 구체적으로는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 평가값 D(N)이 목표값을 넘었을 때, 평가값 D(N) 중 목표값을 넘은 부분에 대해서 적산을 행한다. 평가값 D(N)이 목표값을 넘을 때마다 적산 처리가 행하여진다.
플러스의 평가값 D(N)이 플러스측의 목표값을 넘었을 때에는, 평가값 D(N) 중 목표값을 넘은 부분이 가산된다. 한편, 마이너스의 평가값 D(N)이 마이너스측의 목표값을 넘었을 때에는, 평가값 D(N) 중 목표값을 넘은 부분이 감산된다.
본 실시형태에서는, 마이너스의 평가값 D(N)이 마이너스측의 목표값을 넘었을 때에는, 평가값 D(N) 중 목표값을 넘은 부분을 감산하고 있으나, 이것에 한정하는 것은 아니다. 구체적으로는, 플러스의 평가값 D(N)이 플러스측의 목표값을 넘었을 때만 평가값의 적산 처리를 행할 수 있다. 이 경우에는, 평가값 D(N)이 목표값을 넘을 때마다, 평가값 D(N) 중 목표값을 넘는 부분이 가산되어 간다.
본 실시형태에서는, 평가값 D(N) 중 목표값을 넘는 부분에 대해서 적산 처리를 행하고 있으나, 이것에 한정하는 것은 아니다. 구체적으로는, 평가값 D(N)이 목표값을 넘었을 때에는, 이 평가값 D(N)을 적산해도 된다. 이 경우에는, 목표값을 고려하여 후술하는 문턱값을 변경하면 된다.
단계 S112에서, 컨트롤러(30)는, 평가값의 적산값 ΣD(N)이 문턱값보다 큰지의 여부를 판별한다. 문턱값은, 하이레이트 열화를 허용하기 위한 값이다. 단계 S112에서, 적산값 ΣD(N)이 문턱값보다 작을 때에는 단계 S113로 진행되고, 그렇지 않으면 단계 S114로 진행된다.
문턱값은 고정값이 아니고, 조전지(10)(단전지(11))의 열화 상태, 바꿔 말하면, 조전지(10)의 사용방법에 따라 변경된다. 문턱값을 결정하기 위한 방법에 대해서 도 7을 이용하여 설명한다.
단계 S201에서, 컨트롤러(30)는, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 조전지(10)의 온도와, 충방전을 행하고 있을 때의 조전지(10)의 온도와, 충방전을 행하고 있을 때의 조전지(10)의 통전량을 취득한다. 조전지(10)의 충방전을 행하고 있지 않은 경우란, 조전지(10)가 탑재된 차량을 방치하고 있는 경우이다. 조전지(10)의 온도는, 온도센서(26)의 출력에 의거하여 취득할 수 있다. 또한, 통전량은, 전류센서(25)의 출력에 의거하여 취득할 수 있다.
여기에서, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 조전지(10)의 온도를 취득하기 위해서, 예를 들면, 외기온(外氣溫)을 검출하기 위하여 차량에 미리 설치된 온도센서(온도센서(26)와는 다르다)를 이용할 수 있다. 또한, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 조전지(10)의 온도로서는, 이그니션 스위치가 오프에서 온으로 전환된 직후의 온도센서(26)의 검출결과를 이용할 수도 있다.
단계 S202에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S201에서 취득한 정보에 의거하여 조전지(10)(단전지(11))의 재료 열화를 특정(추정)한다. 조전지(10)(단전지(11))의 열화는, 하이레이트 열화 및 재료 열화로 나눌 수 있다. 재료 열화 (제 2 열화 성분에 상당한다)란, 단전지(11)의 재료에 의존한 열화이다. 또한, 재료 열화는, 조전지(10)의 충방전을 행하고 있지 않을 때의 열화 성분(보존 열화라고 한다)과, 조전지(10)의 충방전을 행하고 있을 때의 열화 성분(통전 열화라고 한다)으로 나누어진다.
보존 열화는, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 조전지(10)의 온도, 바꿔 말하면, 차량을 방치하고 있을 때의 조전지(10)의 온도에 의거하여 특정할 수 있다. 충방전을 행하고 있지 않을 때의 조전지(10)의 온도와, 보존 열화와의 대응 관계를 나타내는 맵을 미리 준비해 두면, 보존 열화를 특정할 수 있다.
통전 열화는, 충방전을 행하고 있을 때의 조전지(10)의 온도 및 통전량에 의거하여 특정할 수 있다. 충방전을 행하고 있을 때의 조전지(10)의 온도 및 통전량과, 통전 열화와의 대응 관계를 나타내는 맵을 미리 준비해 두면, 통전 열화를 특정할 수 있다. 보존 열화 및 통전 열화를 특정할 수 있으면, 재료 열화를 특정할 수 있다.
단계 S203에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S202에서 특정한 재료 열화에 의거하여, 문턱값을 결정하기 위한 하이레이트 열화의 맵을 특정한다. 하이레이트 열화의 맵은, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 문턱값과, 충방전을 행하고 있을 때의 조전지(10)의 온도(여기에서는 평균 온도)와, 조전지(10)의 사용 상태(Ａｈ/ｋｍ)의 관계를 나타내는 것이다. 조전지(10)의 사용 상태(Ａｈ/ｋｍ)는, 차량의 주행거리에 대한 조전지(10)의 충방전량이고, 주행거리 센서의 출력과 전류센서(25)의 출력에 의거하여 산출할 수 있다.
도 8 및 도 9에 나타낸 맵은, 재료 열화가 서로 다를 때의 맵이다. 도 8에 나타낸 맵에 대응한 재료 열화는, 도 9에 나타낸 맵에 대응한 재료 열화보다 커져 있다. 조전지(10)(단전지(11))의 열화는, 재료 열화 및 하이레이트 열화로 나누어지기 때문에, 재료 열화가 커지면, 하이레이트 열화를 허용하는 비율이 작아지고, 문턱값도 작아진다. 도 8에 나타낸 문턱값은, 도 9에 나타낸 문턱값보다 작은 값으로 되어 있다.
예를 들면, 저온 환경에서는 재료 열화가 발생하기 어렵기 때문에, 하이레이트 열화를 허용하는 비율을 크게 할 수 있다. 도 8 및 도 9에 나타낸 맵을 재료 열화의 정도에 따라 복수로 준비해 두면, 단계 S202에서 특정된 재료 열화에 대응하는 맵을 특정할 수 있다.
단계 S204에서, 컨트롤러(30)는, 단계 S203에서 특정한 하이레이트 열화의 맵을 이용하여 문턱값을 특정한다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 조전지(10)의 온도 및 조전지(10)의 사용 상태(Ａｈ/ｋｍ)를 취득하고, 조전지(10)의 온도 및 사용 상태(Ａｈ/ｋｍ)에 대응한 문턱값을 특정한다. 이 문턱값은, 도 3의 단계 S112의 처리에서 이용된다.
단계 S113에서, 컨트롤러(30)는, 조전지(10)의 충방전 제어에 이용되는 출력 제한값을 최대값으로 설정한다. 출력 제한값은, 조전지(10)의 방전을 제한하기 위한 값이고, 컨트롤러(30)는, 조전지(10)의 출력이 출력 제한값을 넘지 않도록, 조전지(10)의 방전을 제어한다.
단계 S114에서, 컨트롤러(30)는, 출력 제한값을 최대값보다 작은 값으로 설정한다. 컨트롤러(30)는, 적산값 ΣD(N) 및 문턱값의 차분에 따라, 최대값에 대하여 출력 제한값을 감소시키는 양을 설정할 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(30)는, 하기 식(5)에 의거하여 출력 제한값을 산출할 수 있다.
Wout=W(MAX)-L×(ΣD(N)-K) ···(5)
여기에서, Wout는, 방전 제어에 이용되는 출력 제한값을 나타내고, W(MAX)는 출력 제한값의 최대값을 나타낸다. L은 계수를 나타낸다. K는 단계 S112에서 설명한 문턱값을 나타낸다.
「L×(ΣD(N)-K)」의 값은, 출력 제한값을 감소시키는 양을 나타내고 있고, 계수 L을 변화시킴으로써 감소량을 조정할 수 있다. 구체적으로는, 차량의 드라이버빌리티(drivability)를 고려하여 감소량을 조정할 수 있다.
단계 S115에서, 컨트롤러(30)는, 조전지(10)의 방전 제어에 관한 지령을 인버터(23)에 송신한다. 이 지령에는, 단계 S113 또는 단계 S114에서 설정된 출력 제한값에 관한 정보가 포함된다. 이에 의해, 조전지(10)의 방전 전력이, 출력 제한값을 넘지 않도록, 조전지(10)의 방전이 제어된다.
단계 S116에서, 컨트롤러(30)는, 금회의 평가값 D(N) 및 적산값 ΣD(N)을 메모리(31)에 기억한다. 평가값 D(N)을 메모리(31)에 기억함으로써, 평가값 D(N)의 변화를 감시할 수 있다. 또한, 적산값 ΣD(N)을 메모리(31)에 기억함으로써, 다음회의 평가값 D(N+1)이 목표값을 넘었을 때에 적산값 ΣD(N)을 갱신할 수 있다.
한편, 단계 S110에서, 평가값 D(N)이 목표값보다 작을 때에는 단계 S117로 진행되고, 단계 S117에서, 컨트롤러(30)는 평가값 D(N)을 메모리(31)에 기억한다. 이에 의해, 평가값 D(N)의 변화를 감시할 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 적산값 ΣD(N)이 문턱값보다 클 때에는, 조전지(10)의 방전을 더욱 제한함으로써, 하이레이트 방전에 의한 조전지(10)(단전지(11))의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 적산값 ΣD(N)이 문턱값에 도달할때 까지는 출력 제한값이 최대값으로 설정된 채이기 때문에, 조전지(10)의 출력을 이용하여, 운전자가 요구하는 차량의 동력 성능을 발휘시킬 수 있다.
도 10은, 평가값 D(N)의 변화에 따른 적산값 ΣD(N) 및 출력 제한값의 변화를 나타내는 타이밍 차트(일례)이다.
평가값 D(N)이 목표값을 넘을 때마다 적산값 ΣD(N)이 갱신된다. 그리고, 시각 t1에서, 적산값 ΣD(N)이 문턱값에 도달하면, 출력 제한값이 변경된다. 이에 의해, 조전지(10)의 방전이 더욱 제한된다. 또한, 적산값 ΣD(N) 및 문턱값의 차이가 넓어짐에 따라서 출력 제한값이 작아져 간다. 한편, 적산값 ΣD(N)이 문턱값에 도달할 때까지는 출력 제한값이 최대값으로 유지된다.
시각 t2에서는, 적산값 ΣD(N)이 문턱값보다 작아진다. 이에 의해, 출력 제한값은 최대값으로 설정된다. 시각 t2보다 앞의 시간대에서는, 시각 t2에 가까워짐에 따라서, 출력 제한값은 최대값에 가까워지고 있다. 시각 t2부터 시각 t3의 사이에서는, 출력 제한값이 최대값으로 설정된다. 시각 t3에서는, 적산값 ΣD(N)이 문턱값을 넘기 때문에, 출력 제한값이 변경된다. 그리고, 적산값 ΣD(N) 및 문턱값의 차이에 따라 출력 제한값이 작아진다.
본 실시형태에서는, 평가값 D(N)이 목표값을 넘어도 이 타이밍에서 출력 제한값은 변경되지 않고, 적산값 ΣD(N)이 문턱값에 도달했을 때에, 출력 제한값이 변경되도록 되어 있다. 이러한 제어를 행함으로써, 평가값 D(N)이 목표값을 넘은 후라도, 출력 제한값이 최대값 하에서 조전지(10)의 방전을 행할 수 있어, 운전자의 요구에 따른 동력 성능을 확보할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 단전지(11)의 재료 열화를 추정함으로써, 하이레이트 열화를 허용할 수 있는 범위를 특정할 수 있다. 그리고, 하이레이트 열화를 허용할 수 있는 범위에 대응한 문턱값을 설정함으로써, 하이레이트 열화를 허용할 수 있는 범위 내에서 조전지(10)를 방전시킬 수 있다. 조전지(10)의 방전을 확보하면, 운전자의 요구에 따른 동력 성능을 확보할 수 있다.
본 실시형태에서는, 사이클 타임마다 평가값 D(N)을 메모리(31)에 기억하고, 메모리(31)에 기억된 전회(직전)의 평가값 D(N-1)을 이용하여 금회의 평가값 D(N)을 산출하고 있으나, 이것에 한정하는 것은 아니다. 방전 전류값의 이력에 의거하여 평가값 D(N)을 산출할 수 있다. 예를 들면, 방전 전류값의 이력만을 메모리(31)에 기억해 두고, 방전 전류값의 이력을 이용하여 특정한 사이클 타임에서의 평가값 D(N)을 산출할 수 있다.
본 실시형태에서는, 도 3의 단계 S110에서 이용되는 목표값을 미리 설정된 고정값으로 하고 있으나, 이것에 한정하는 것은 아니다. 즉, 목표값을 변화시킬 수도 있다. 구체적으로는, 본 실시형태와 마찬가지로, 재료 열화를 추정하여, 하이레이트 열화를 허용할 수 있는 범위를 특정한다. 그리고, 하이레이트 열화를 허용할 수 있는 범위가 기준 범위보다 작을 때에는, 기준 범위에 대응한 목표값보다 작은 값으로 설정할 수 있다. 이와 같이 설정하면, 적산값 ΣD(N)의 산출에 이용되는 평가값 D(N)을 늘릴 수 있다. 한편, 하이레이트 열화를 허용할 수 있는 범위가 기준 범위보다 클 때에는, 기준 범위에 대응한 목표값보다 큰 값으로 설정할 수 있다. 이와 같이 설정하면, 적산값 ΣD(N)의 산출에 이용되는 평가값 D(N)을 줄일 수 있다.

Claims (17)

  1. 이차전지의 방전 전력이 상한값을 넘지 않도록 상기 이차전지의 방전을 제어하는 제어장치에 있어서,
    상기 이차전지의 충방전시에 있어서의 전류값을 검출하는 전류센서와,
    상기 이차전지의 전해질 중에서의 이온 농도의 편향에 의존하는 제 1 열화 성분을 특정하기 위한 평가값을, 상기 전류센서의 검출결과를 이용하여 산출하고, 목표값을 넘는 상기 평가값의 적산값이 문턱값을 넘었을 때에는, 상기 상한값을 저하시키는 컨트롤러를 가지고,
    상기 컨트롤러는, 상기 이차전지의 재료에 의존하는 제 2 열화 성분을 추정하고, 상기 제 2 열화 성분에 대응한 상기 제 1 열화 성분의 열화를 허용하도록, 상기 문턱값을 변경하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 평가값 중 상기 목표값을 넘는 부분을 적산함으로써, 상기 적산값을 산출하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    양의 상기 평가값이 양의 상기 목표값을 넘었을 때에는, 상기 양의 평가값 중 상기 양의 목표값을 넘는 부분을 가산하고,
    음의 상기 평가값이 음의 상기 목표값을 넘었을 때에는, 상기 음의 평가값 중 상기 음의 목표값을 넘는 부분을 감산함으로써, 상기 적산값을 산출하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 이차전지의 온도 및 통전량을 이용하여 상기 제 2 열화 성분을 추정하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이차전지의 온도는, 충방전을 행하고 있을 때의 상기 이차전지의 온도와, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 상기 이차전지의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 문턱값을 특정하기 위한 맵을, 상기 제 2 열화 성분에 따라 기억하는 메모리를 가지고 있고,
    상기 컨트롤러는, 상기 메모리에 기억된 복수의 상기 맵 중, 추정한 상기 제 2 열화 성분에 대응하는 맵을 이용하여, 상기 문턱값을 특정하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 이온 농도의 편향의 증가에 따라 상기 평가값을 증가시키고, 상기 이온 농도의 편향의 감소에 따라 상기 평가값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열화 성분은, 상기 제 2 열화 성분이 커질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차전지는, 차량의 주행에 이용되는 에너지를 출력하는 것을 특징으로 하는 제어장치.
  10. 이차전지의 방전 전력이 상한값을 넘지 않도록 상기 이차전지의 방전을 제어하는 제어방법에 있어서,
    상기 이차전지의 충방전시에 있어서의 전류값을 검출하는 단계와,
    상기 이차전지의 전해질 중에서의 이온 농도의 편향에 의존하는 제 1 열화 성분을 특정하기 위한 평가값을, 상기 전류센서의 검출결과를 이용하여 산출하는 단계와,
    상기 평가값이 목표값을 넘는지의 여부를 판별하고, 상기 목표값을 넘는 상기 평가값의 적산값이 문턱값을 넘었을 때에는, 상기 상한값을 저하시키는 단계와,
    상기 이차전지의 재료에 의존하는 제 2 열화 성분을 추정하는 단계와,
    상기 제 2 열화 성분에 대응한 상기 제 1 열화 성분의 열화를 허용하도록, 상기 문턱값을 변경하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 평가값 중 상기 목표값을 넘는 부분을 적산함으로써, 상기 적산값을 산출하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    양의 상기 평가값이 양의 상기 목표값을 넘었을 때에는, 상기 양의 평가값 중 상기 양의 목표값을 넘는 부분을 가산하고, 음의 상기 평가값이 음의 상기 목표값을 넘었을 때에는, 상기 음의 평가값 중 상기 음의 목표값을 넘는 부분을 감산함으로써, 상기 적산값을 산출하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차전지의 온도 및 통전량을 이용하여 상기 제 2 열화 성분을 추정하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이차전지의 온도는, 충방전을 행하고 있을 때의 상기 이차전지의 온도와, 충방전을 행하고 있지 않을 때의 상기 이차전지의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 문턱값을 특정하기 위해서 이용되고, 상기 제 2 열화 성분에 대응한 복수의 맵 중, 추정한 상기 제 2 열화 성분에 대응하는 맵을 이용하여, 상기 문턱값을 특정하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평가값은, 상기 이온 농도의 편향의 증가에 따라 증가하고, 상기 이온 농도의 편향의 감소에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열화 성분은, 상기 제 2 열화 성분이 커질수록 작아지는 것을 특징으로 하는 제어방법.
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