JP4821891B2 - 電池制御システム及び車両 - Google Patents
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Description
そこで、特許文献1では、電気自動車に搭載した二次電池を充電する際に、二次電池の内部抵抗の演算を行う技術が例示されている。
しかしながら、二次電池は使用により劣化をする。このため、プラグインハイブリッド電気自動車では、現状における二次電池の劣化状況を精度良く把握しないと、この車両の走行性能を安定させる制御を二次電池及びエンジンに対して適切に行うことができなくなる。そしてこれにより、この車両の走行に支障が出たり、二次電池をさらに劣化させてしまう虞がある。
また、上述の電池制御システムは、上述の外部充電電流変化手段を備える上、劣化検知手段が上述の電流変化型劣化検知手段を含んでいる。このため、二次電池の劣化を検知するのに、複数の外部電流値と、これに対応する電池電圧の値とを用いて検知をすることができる。従って、ある外部電流値と、これに対応する電池電圧の値とを用いるよりも、二次電池の劣化を精度良く検知することができる。
また、上述の電池制御システムでは、上述の充電状態検知手段と劣化検知指示手段とを備える。このため、所定レベルの充電状態(例えば、SOC50%の状態)における、二次電池の劣化の程度を検知することで、劣化の経時変化を精度良く把握し、正確に二次電池の劣化を検知できる。
さらに、充電状態が違う(例えば、SOC50%とSOC90%)と、電池抵抗など劣化の程度を示す指標が異なる値になりがちであるのに対し、上述の電池制御システムでは、複数の所定レベルの充電状態での、二次電池の劣化の検知を行う。このため、複数の所定レベルの充電状態における劣化の状況から、より精度良く劣化の程度を検知できる。
ブルを接続し、インバータを介して二次電池に充電する手段が挙げられる。
また、二次電池の劣化の態様としては、例えば、二次電池の電池抵抗の増大、容量の低下が挙げられる。
また、外部電流値とは、二次電池の劣化を検知する際に二次電池に流す外部充電電流の大きさをいう。また、充電状態(SOC)とは、二次電池にどの程度の放電容量が存在しているかを示す指標である。
次に、本発明の実施形態1について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態1にかかる車両1について説明する。図1に車両1の斜視図を示す。
この車両1は、車体90、エンジン50、フロントモータ41、リアモータ42、組電池20をなす複数のリチウムイオン二次電池(以下、単に電池とも言う)21B及び制御装置10を備える。また、これらの他に、ケーブル60に束ねられた第1ケーブル61及び第2ケーブル62と、第1インバータ71と、第2インバータ72と、コンバータ73と、プラグ80Pを先端に配置したプラグ付ケーブル80と、を有するプラグインハイブリッド電気自動車である。
なお、この車両1において、プラグ付ケーブル80、コンバータ73及び第2ケーブル62で外部充電手段M1を構成している。
なお、本実施形態1の外部電源XVとは、一般に家庭で用いる家庭用コンセント(定格電圧100V)で供給される電源である。外部電源XVを用いる場合には、コンセントにプラグ付ケーブル80の先端に位置するプラグ80P(図1参照)を、家庭用コンセントに直接差し込む。
する。また、この電池監視装置22は、図示しない電流センサを用いて、組電池20に流れる電流(後述する外部充電電流EC、外部放電電流ED)の大きさについて取得する。
また、電池部21は、矩形箱形の電池ケース内に、捲回形の発電要素(図示しない)を備える電池21Bを100個収容している。なお、これら複数の電池21Bは、バスバBBとのボルト締結にて、互いに直列に接続されている(図2参照)。
ここで、NO、即ちプラグ付ケーブル80が外部電源XVに接続されていない場合、ステップS2を繰り返す。一方、YES、即ちプラグ付ケーブル80が外部電源XVに接続された場合には、ステップS3に進む。
ここで、NO、即ち端子間電圧VAが第1状態電圧VS1よりも高い場合には、ステップS6に進む。一方、YES、即ち端子間電圧VAが第1状態電圧VS1以下の場合には、ステップS5に進む。
ステップS5では、端子間電圧VAが、第1状態電圧VS1に等しくなったかどうかを判別して、NO、即ち端子間電圧VAが第1状態電圧VS1よりも低い場合、ステップS5を繰り返す。これにより充電が進行する。一方、YES、即ち端子間電圧VAが第1状態電圧VS1に等しい場合には、後述するステップS20の電流変化型劣化検知サブルーチンに進み、複数の充電電流値C1,C2,C3に変化させて電池21Bに外部充電する。
ここで、NO、即ち端子間電圧VAが第2状態電圧VS2よりも高い場合には、ステップS8に進む。一方、YES、即ち端子間電圧VAが第2状態電圧VS2以下の場合には、ステップS7に進む。
ステップS7では、端子間電圧VAが、第2状態電圧VS2に等しくなったかどうかを判別して、NO、即ち端子間電圧VAが第2状態電圧VS2よりも低い場合、ステップS7を繰り返す。これにより充電が進行する。一方、YES、即ち端子間電圧VAが第2状態電圧VS2に等しい場合には、ステップS20の電流変化型劣化検知サブルーチンに進む。
ここで、NO、即ち端子間電圧VAが第3状態電圧VS3よりも高い場合には、ステップS10に進む。一方、YES、即ち端子間電圧VAが第3状態電圧VS3以下の場合には、ステップS9に進む。
ステップS9では、端子間電圧VAが、第3状態電圧VS3に等しくなったかどうかを判別して、NO、即ち端子間電圧VAが第3状態電圧VS3よりも低い場合、ステップS9を繰り返す。これにより充電が進行する。一方、YES、即ち端子間電圧VAが第3状態電圧VS3に等しい場合には、ステップS20の電流変化型劣化検知サブルーチンに進む。
なお、この電流変化型劣化検知サブルーチンS20は、メインルーチンのステップS5、ステップS7或いはステップS9から進んできた電池21Bについて行われる。つまり、電池21Bの充電状態SCが、第1充電状態SC1、第2充電状態SC2或いは第3充電状態SC3の場合があり得る。そこでまず、電池21Bの充電状態SCが、第1充電状態SC1の場合について説明する。
この第1充電再開サブルーチンS30では、図5に示すように、まず電池21Bの外部充電電流値ECXを第1充電電流値C1(本実施形態1では、0.5C)に設定し、短時間(5秒間)だけ外部充電を再開する(ステップS31)。そして、この外部充電の再開5秒後における、電池21Bの端子間電圧(第1再開電圧V1X)を電池監視装置22で計測する(ステップS32)。
EDX)を、ステップS31の第1充電電流値C1と同じ第1放電電流値D1(D1=C1)に設定し、電池21Bを放電させる。なお、放電の継続時間(放電時間)を5秒間とする。これにより、先のステップS31で電池21Bに外部充電された充電量を放電させることになるので、放電後の電池21Bの充電状態SCは、ステップS22の直前と同じになる。
このステップS33の後、所定時間にわたり、電池21Bを無負荷状態にして(ステップS34)、電流変化型劣化検知サブルーチンS20に戻る。
この第2充電再開サブルーチンS40では、図6に示すように、まず電池21Bの外部充電電流値ECXを第2充電電流値C2(本実施形態1では、1.0C)に設定し、5秒間の外部充電を再開する(ステップS41)。そして、この外部充電の再開5秒後における、電池21Bの端子間電圧(第2再開電圧V2X)を電池監視装置22で計測する(ステップS42)。
この第3充電再開サブルーチンS50では、図7に示すように、まず電池21Bの外部充電電流値ECXを第3充電電流値C3(本実施形態1では、2.0C)に設定し、5秒間の外部充電を再開する(ステップS51)。そして、この外部充電の再開5秒後における、電池21Bの端子間電圧(第3再開電圧VA3)を電池監視装置22で計測して(ステップS52)、電流変化型劣化検知サブルーチンS20に戻る。
具体的には、例えば、第1充電再開サブルーチンS30の計測条件や結果(第1充電電流値C1,第1再開電圧V1X)と、第2充電再開サブルーチンS40の計測条件や結果(第2充電電流値C2,第2再開電圧V2X)と、第3充電再開サブルーチンS50の計測条件や結果(第3充電電流値C3,第3再開電圧V3X)を、電池21Bの端子間電圧VAを縦軸に、外部充電電流値ECXを横軸としたグラフ上にプロットする(図8参照)。そして、これらの回帰直線(第1回帰直線LX)を引き、この第1回帰直線LXの傾きを、電池21Bの第1状態抵抗RAXとする。
具体的には、例えば、充電状態SCが第2充電状態SC2の場合における、第1充電再開サブルーチンS30の計測条件や結果(第1充電電流値C1,第1再開電圧V1Y)と、第2充電再開サブルーチンS40の計測条件や結果(第2充電電流値C2,第2再開電圧V2Y)と、第3充電再開サブルーチンS50の計測条件や結果(第3充電電流値C3,第3再開電圧V3Y)を、図8に示すグラフ上にプロットする。そして、これらの回帰直線(第2回帰直線LY)を引き、この第2回帰直線LYの傾きを、電池21Bの第2
状態抵抗RAYとする。
第3充電状態SC3の場合においても、第2充電状態SC2と同様、第1充電再開サブルーチンS30の計測条件や結果(第1充電電流値C1,第1再開電圧V1Z)と、第2充電再開サブルーチンS40の計測条件や結果(第2充電電流値C2,第2再開電圧V2Z)と、第3充電再開サブルーチンS50の計測条件や結果(第3充電電流値C3,第3再開電圧V3Z)を、図8に示すグラフ上にプロットする。そして、これらの回帰直線(第3回帰直線LZ)を引き、この第3回帰直線LZの傾きを、電池21Bの第3状態抵抗RAZとする。
ここで、NO、即ち第1状態抵抗変化率RMX、第2状態抵抗変化率RMY及び第3状態抵抗変化率RMZの3つが得られていない場合には、ステップS25をスキップしてステップS26に進む。一方、YES、即ち第1状態抵抗変化率RMX,第2状態抵抗変化率RMY及び第3状態抵抗変化率RMZの3つ全てが得られている場合には、ステップS25に進み、電池21Bの電池抵抗変化率RMを算出する。
ステップS10では、基本電流値C0で充電されている電池21Bの端子間電圧VAが、満充電状態(SOC100%)に相当する満充電電圧VFに等しいか否かを判別する。ここで、NO、即ち端子間電圧VAが満充電電圧VFよりも低い場合、ステップS4に戻る。一方、YES、即ち端子間電圧VAが満充電電圧VFに等しい場合には、ステップS11に進み、電池21Bの外部充電を終了させる。
池抵抗変化率RMを検知することができる。従って、電池21Bの劣化を精度良く検知可能な制御装置10とすることができる。
また、充電状態SCが第2充電状態SC2の場合でも、複数の充電電流値C1,C2,C3と、これに対応する第1再開電圧V1Y,第2再開電圧V2Y,第3再開電圧V3Yとを用いて、第2状態抵抗変化率RMYを得る。この第2状態抵抗変化率RMYは、ある1つの外部充電電流値ECX(第1充電電流値C1)と、これに対応する第1再開電圧V1Yの値、及び、第2充電状態SC2の開放電圧の値を用いて得た電池抵抗変化率に比して、劣化の程度を精度良く示すことができる。
また、第3充電状態SC3の場合もまた、複数の充電電流値C1,C2,C3と、第1再開電圧V1Z,第2再開電圧V2Z,第3再開電圧V3Zとを用いて、第3状態抵抗変化率RMZを得る。この第3状態抵抗変化率RMZは、ある1つの外部充電電流値ECX(第1充電電流値C1)と、第1再開電圧V1Zの値、及び、第3充電状態SC3の開放電圧の値を用いて得た電池抵抗変化率に比して、劣化の程度を精度良く示すことができる。
そこで、本実施形態1の制御装置10では、上述の充電状態検知手段S4,S6,S8と劣化検知指示手段S5,S7,S9とを備える。これにより、充電状態SCが所定レベルの充電状態(例えば、第1充電状態SC1(SOC50%))における、電池21Bの電池抵抗(例えば、第1状態抵抗RAX)の大きさを検知することができる。そしてこれを用いて、決まった充電状態SC(例えば、第1充電状態SC1)における、この第1状態抵抗変化率RMXの経時的な変化を精度良く把握し、これに基づいて正確に電池21Bの劣化を検知できる。
これに対し、本実施形態1にかかる制御装置10では、3つの所定レベルの充電状態(第1充電状態SC1、第2充電状態SC2及び第3充電状態SC3)での、電池21Bの劣化の程度を示す第1状態抵抗変化率RMX、第2状態抵抗変化率RMY及び第3状態抵抗変化率RMZを得る。そして、これらを用いて電池抵抗変化率RMを得ることで、より精度良く電池21Bの劣化の程度を検知できる。
態抵抗変化率RMX,第2状態抵抗変化率RMY,第3状態抵抗変化率RMZ、さらには電池抵抗変化率RMを算出することにより、劣化の程度を検知する。このように、電池抵抗RAX,RAY,RAZの大きさを経時的に比較することで、精度良く電池21Bの劣化の程度を検知することができる。
次に、参考形態1にかかる車両101について、図1,2,9〜14を参照しつつ説明する。
本参考形態1の車両101では、制御装置110が、外部充電の後、所定の中断期間にわたり、電池を無負荷状態とし、その中断期間に生じた電池の電池電圧の変化から、電池の劣化を検知する充電中断型劣化検知手段を含む点が、前述の実施形態1と異なる。
なお、制御装置110には、電池21Bの後述する電池抵抗(第1状態抵抗RBX,第2状態抵抗RBY,第3状態抵抗RBZ)のうち、車両搭載初期の電池抵抗(第1状態初期抵抗RBX0,第2状態初期抵抗RBY0,第3状態初期抵抗RBZ0)の数値を予め記憶させてある。
なお、この充電中断型劣化検知サブルーチンS120は、実施形態1と同様、メインルーチンのステップS5、ステップS7或いはステップS9でYESとなった電池21Bについて行われる。つまり、電池21Bの充電状態SCが、第1充電状態SC1、第2充電状態SC2或いは第3充電状態SC3の場合に、充電中断型劣化検知サブルーチンS120が実行される。そこでまず、電池21Bの充電状態SCが、第1充電状態SC1の場合(ステップS5でYES)について説明する。
次いで、ステップS130の第1充電中断サブルーチンS130に進む。
この第1充電中断サブルーチンS130では、図11に示すように、まず電池21Bの外部充電電流値ECXを第1充電電流値C1(本参考形態1では、0.5C)に設定し、短時間(30秒間)だけ外部充電を再開する(ステップS131)。そして、この外部充電の再開30秒後における、電池21Bの端子間電圧(第1負荷電圧VL1X)を電池監視装置22で計測する(ステップS132)。
そして、ステップS134では、充電停止から0.5秒後における、電池21Bの端子間電圧(第1瞬時低下電圧VM1X)を電池監視装置22で計測する。
さらに、ステップS135では、充電停止から120秒後における、電池21Bの端子間電圧(第1収束電圧VN1X)を電池監視装置22で計測する。
このステップS136の後、所定時間の間、電池21Bを無負荷状態にして(ステップS137)、充電中断型劣化検知サブルーチンS120に戻る。
この第2充電中断サブルーチンS140では、図12に示すように、まず電池21Bの外部充電電流値ECXを第2充電電流値C2(本参考形態1では、1.0C)に設定し、外部充電を再開する(ステップS141)。そして、この外部充電の再開30秒後における、電池21Bの端子間電圧(第2負荷電圧VL2X)を電池監視装置22で計測する(ステップS142)。
次いで、ステップS143では、ステップS124と同様、外部充電の再開から30秒間後、外部充電を停止して、電池21Bを所定の中断期間JTの間、無負荷状態にする。
そして、ステップS144では、充電停止から0.5秒後における、電池21Bの端子間電圧(第2瞬時低下電圧VM2X)を、ステップS145では、充電停止から120秒後における、電池21Bの端子間電圧(第2収束電圧VN2X)を、それぞれ電池監視装置22で計測する。
このステップS146の後、所定時間の間、電池21Bを無負荷状態にして(ステップS147)、充電中断型劣化検知サブルーチンS120に戻る。
この第3充電中断サブルーチンS150では、図13に示すように、まず電池21Bの外部充電電流値ECXを第3充電電流値C3(本参考形態1では、2.0C)に設定し、外部充電を再開する(ステップS151)。そして、この外部充電の再開30秒後における、電池21Bの端子間電圧(第3負荷電圧VL3X)を電池監視装置22で計測する(
ステップS152)。
次いで、ステップS153では、外部充電の再開から30秒間後、外部充電を停止して、電池21Bを所定の中断期間JTの間、無負荷状態にする。
そして、ステップS154では、充電停止から0.5秒後における、電池21Bの端子間電圧(第3瞬時低下電圧VM3X)を、ステップS155では、充電停止から120秒後における、電池21Bの端子間電圧(第3収束電圧VN3X)を、それぞれ電池監視装置22で計測して、充電中断型劣化検知サブルーチンS120に戻る。
即ち、充電状態SCが第2充電状態SC2の場合における、各充電電流値C1,C2,C3と、第1充電中断サブルーチンS130の計測結果(第1負荷電圧VL1Y,第1瞬時低下電圧VM1Y,第1収束電圧VN1Y)、第2充電再開サブルーチンS140の計測結果(第2負荷電圧VL2Y,第2瞬時低下電圧VM2Y,第2収束電圧VN2Y)、及び、第3充電再開サブルーチンS150の計測結果(第3負荷電圧VL3Y,第3瞬時低下電圧VM3Y,第3収束電圧VN3Y)とを基にして、第2充電状態SC2における第2状態抵抗RBYを算出する。
また、充電状態SCが第3充電状態SC3の場合における、各充電電流値C1,C2,C3と、第1充電中断サブルーチンS130の計測結果(第1負荷電圧VL1Z,第1瞬時低下電圧VM1Z,第1収束電圧VN1Z)、第2充電再開サブルーチンS140の計測結果(第2負荷電圧VL2Z,第2瞬時低下電圧VM2Z,第2収束電圧VN2Z)、及び、第3充電再開サブルーチンS150の計測結果(第3負荷電圧VL3Z,第3瞬時低下電圧VM3Z,第3収束電圧VN3Z)とを基にして、第3状態抵抗RBZを算出する。
ここで、NO、即ち第1状態抵抗変化率RNX、第2状態抵抗変化率RNY及び第3状態抵抗変化率RNZの3つが得られていない場合には、ステップS125をスキップしてステップS126に進む。一方、YES、即ち第1状態抵抗変化率RNX,第2状態抵抗変化率RNY及び第3状態抵抗変化率RNZの3つ全てが得られている場合には、ステップS125に進み、電池21Bの電池抵抗変化率RNを算出する。
び第3状態抵抗変化率RNZをさらに平均化して、電池抵抗変化率RNを算出する。なお、この電池抵抗変化率RN及び第1状態抵抗変化率RNX,第2状態抵抗変化率RNY,第3状態抵抗変化率RNZは、電池21Bの劣化の程度を示す指標となる。
例えば、実施形態1は、外部電源として、家庭用コンセント(AC100V)で供給される電源を用いたが、例えば、工場等の産業用に用いられる産業用コンセントで供給される電源や、充電器を用いることもできる。また、実施形態1等では、各充電状態SC1、SC2及びSC3の、第1状態抵抗変化率RMX,RNX、第2状態抵抗変化率RMY,RNY及び第3状態抵抗変化率RMZ,RNZの平均値を、その電池の電池抵抗変化率RM,RMとしたが、例えば、各充電状態の第1状態抵抗変化率、第2状態抵抗変化率及び第3状態抵抗変化率の最大値や最小値や中央値を、その電池の電池抵抗変化率としても良い。
10,110 制御装置(電池制御システム)
21B 電池(二次電池)
41 フロントモータ(モータ)
42 リアモータ(モータ)
50 エンジン
62 第2ケーブル(外部充電手段)
73 コンバータ(外部充電手段)
80 プラグ付ケーブル(外部充電手段)
90 車体
C1 第1充電電流値(外部電流値)
C2 第2充電電流値(外部電流値)
C3 第3充電電流値(外部電流値)
EC 外部充電電流
ECX 外部充電電流値(外部充電電流の大きさ)
JT 中断期間
M1 外部充電手段
RAX,RBX 第1状態抵抗(電池抵抗)
RAX0,RBX0 第1状態初期抵抗(電池抵抗)
RAY,RBY 第2状態抵抗(電池抵抗)
RAY0,RBY0 第2状態初期抵抗(電池抵抗)
RAZ,RBZ 第3状態抵抗(電池抵抗)
RAZ0,RBZ0 第3状態初期抵抗(電池抵抗)
SC 充電状態
SC1 第1充電状態(所定レベルの充電状態)
SC2 第2充電状態(所定レベルの充電状態)
SC3 第3充電状態(所定レベルの充電状態)
VA 端子間電圧(電池電圧の値)
V1X,V1Y,V1Z 第1再開電圧(電池電圧の値)
V2X,V2Y,V2Z 第2再開電圧(電池電圧の値)
V3X,V3Y,V3Z 第3再開電圧(電池電圧の値)
VL1X,VL1Y,VL1Z 第1負荷電圧(電池電圧)
VL2X,VL2Y,VL2Z 第2負荷電圧(電池電圧)
VL3X,VL3Y,VL3Z 第3負荷電圧(電池電圧)
VM1X,VM1Y,VM1Z 第1瞬時低下電圧(電池電圧)
VM2X,VM2Y,VM2Z 第2瞬時低下電圧(電池電圧)
VM3X,VM3Y,VM3Z 第3瞬時低下電圧(電池電圧)
VN1X,VN1Y,VN1Z 第1収束電圧(電池電圧)
VN2X,VN2Y,VN2Z 第2収束電圧(電池電圧)
VN3X,VN3Y,VN3Z 第3収束電圧(電池電圧)
XV 外部電源
Claims (3)
- 車体と、上記車体に搭載したエンジン及びモータと、上記モータの駆動源に用いる二次電池と、上記車体の外部の外部電源を用いて上記二次電池を外部充電する外部充電手段と、を備える車両における、上記外部充電手段を制御する電池制御システムであって、
上記外部充電手段による上記二次電池の外部充電中に、この二次電池の劣化を検知する劣化検知手段を備え、
上記外部電源を用いて、上記外部充電手段により上記二次電池に外部充電する外部充電電流の大きさを、複数の所定レベルの外部電流値に順次変化させる外部充電電流変化手段を備え、
上記劣化検知手段は、
複数の上記外部電流値と、複数の上記外部電流値で上記二次電池に外部充電したときに、上記二次電池に生じるそれぞれの電池電圧の値とを用いて、上記二次電池の劣化を検知する電流変化型劣化検知手段を含み、
上記二次電池の充電状態を検知する充電状態検知手段と、
上記外部電源を用いて、上記外部充電手段により上記二次電池を外部充電するにあたり、上記二次電池の充電状態が、所定レベルの充電状態になったときに、上記劣化検知手段による上記二次電池の劣化の検知を行わせる劣化検知指示手段と、を備え、
上記劣化検知指示手段は、
上記二次電池の充電状態が、複数の所定レベルの充電状態のうち、いずれかになったときに、上記二次電池の劣化の検知を行わせる複数レベル劣化検知指示手段である
電池制御システム。 - 請求項1に記載の電池制御システムであって、
前記劣化検知手段は、前記二次電池の電池抵抗の大きさから、上記二次電池の劣化を検知する
電池制御システム。 - 車体と、
上記車体に搭載したエンジン及びモータと、
上記モータの駆動源に用いる二次電池と、
上記車体の外部の外部電源を用いて上記二次電池を外部充電する外部充電手段と、
請求項1または請求項2に記載の電池制御システムと、を備える
車両。
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