JP2004500798A - 電気およびハイブリッド車両での最適なバッテリ使用のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
車両の機械的力を使用してバッテリを再充電するための電流を発生させる再生システム10を有する、バッテリ20によって電力供給される電動機35を使用する電気またはハイブリッド車両内のバッテリの再充電を最適化するための方法および装置。再生システムの出力は、パルス状または連続的な放電の終了後直ちにバッテリを再充電し、それによって放電電流の大部分を再捕捉するために、最大量の電流を供給するように制御されており15、35、バッテリ電圧は、再充電中モニタ35され、電圧は、充電中、バッテリ・ガス放出が生じる所定の値を超えないように制御15され、それによってバッテリを比較的高い充電状態まで充電することができるようにする。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【0001】
発明の分野
本発明は、電気およびハイブリッド車両内のバッテリの充電を最適化するためのシステムおよび方法に関する。
発明の背景
電気車両は、バッテリまたは燃料電池をエネルギー源として使用する動力源として電動機を有する。ハイブリッド車両は一般に、通常、一方は内燃機関であり、もう一方はバッテリなどのエネルギー源によって電力供給される電動機である、車両を駆動するための2つの異なる動力源を有する。バッテリは、再充電可能なタイプのものである。スーパーキャパシタなどの他のタイプのエネルギー源を使用することもできる。両種類の車両はまた、通常、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、ここで1つまたは複数のバッテリと考えられているエネルギー源を再充電する再生システムを装備している。たとえば、車両がブレーキングを行うとき、ブレーキ力が、発電機として動作される、車両の電動機を駆動する、また電気エネルギー(電流)を発生させるために使用される別個の発電機を駆動して、バッテリを再充電する。再生システムによって生成された電気エネルギーは、車両バッテリ内に蓄積され、必要なときに車両の電動機に電力供給するために使用される。
【0002】
電気またはハイブリッド車両内でバッテリが使用されるとき、バッテリは一般に、バッテリの内部抵抗(IR)が最小である充電状態(SOC)の範囲内、特に充電中状態に維持される。これは、過度の加熱を避けるために、および高い充電効率を得るために行われ、エネルギーの大部分が、再生ブレーキング・システムから充電されることになり、バッテリの高いインピーダンスのため極めて少量が加熱で消費されることを意味している。たとえば、電気およびハイブリッド車両でよく使用されている、鉛・酸バッテリでは、バッテリは、約60%〜65%というかなり低いSOCレベルに保持されている。しかし、不十分充電(低SOC)条件における長時間条件下ではバッテリはより早く劣化しやすい。たとえば、鉛・酸バッテリは、硫酸化しやすく、それによって、バッテリ寿命が短くなる。
【0003】
通常、電気またはハイブリッド車両のバッテリが約70%SOCであるとき、充電は望ましくない過充電ガス放出反応を伴うと、従来技術では考えられてきた。これは、特に鉛・酸バッテリに当てはまる。平衡状態に至ることを許された後でバッテリが充電されるときにのみ、これは当てはまると発明者は決定した。鉛・酸バッテリでは、たとえば2、3時間の、ある時間の間休止(非充電または放電)することを許された後、バッテリは平衡状態に至る。本来の電流電圧特性でバッテリをみることによって、バッテリが平衡状態にあるか否かを判定することができる。これは、プラスであろうとマイナスであろうと、電流が存在するかどうか判定することによって行われる。そうである場合、バッテリは平衡状態ではない。同様に、電圧が、上限を上回る、または下限を下回る場合、バッテリは平衡状態ではない。
【0004】
電気およびハイブリッド車両では、平衡状態にないとき、再生エネルギーは、バッテリ内に蓄積(充電)される。一般に、バッテリは、電動機に電力供給するために使用されるとき、ブレーキが加えられる瞬間まで放電しつづけ、このとき、再生エネルギーはバッテリ内に蓄積される。通常、現在の最新技術では、電気またはハイブリッド車両のバッテリは平衡状態に達する前に充電されるが、再生システムによる車両では、SOC値は約65%に保持されたままである。すなわち、現在の技術を用いると、バッテリを充電するために供給される再生エネルギーの量は、バッテリSOCが65%を超えないように、バッテリSOCの関数として制御される。
【0005】
したがって、電気またはハイブリッド車両内でバッテリの充電を制御し、より高いレベルのSOCにして、それを維持する必要性が存在する。
発明の簡単な説明
発明者は、バッテリがパルス・タイプの放電または持続的な放電のすぐ後に充電される場合、極めて高い効率でバッテリを充電することができると判定した。電気またはハイブリッド車両では、持続的な放電が、車両の電動機へ電力供給するためにある時間にわたってバッテリを供給源として使用することになる。パルスは、車両の電動機の使用の短いバーストとなる。電流パルスまたは持続電流によってバッテリが放電されると、放電中に排出されたエネルギーの約80%まで直ちに充電されることができることが発見された。放電が停止されたときのバッテリSOCが80%を超える場合でさえも、これを達成することができる。電気およびハイブリッド車両で現在使用されている65%の値よりも高いSOCにまで、バッテリを充電することができることもまた発見された。
【0006】
発明者の発明によると、再生システムは、放電が終了された際、直ちにバッテリを充電するように操作される。充電は、考え得る最大の量まで実行される。充電電流の制限は、電線およびその他の構成要素の電流容量などの、バッテリ充電システムの回路特性によって主に決定されている。バッテリ充電システム内のハードウェア制御要素が、充電電流がこの安全レベルよりも高く上昇するのを防ぐために設けられている。通常、バッテリ電圧が所望のレベルに制御されるとき、充電電流は安全限界よりも小さい値に自動的に制限されることになる。
【0007】
いかなるシステムでも、バッテリが充電されると、そのSOCは、時間が経つと増加する。すなわち、充電時間を継続することによってのみ、バッテリを高いSOC値にまで充電することができる。本発明では、再生エネルギーのその充電用のバッテリ内への蓄積は、SOCの代わりに、バッテリ充電電流およびバッテリ電圧制限のファクタとして制御される。このことは、本件システムでは、現在使用されている65%SOCよりも高いレベルを達成し維持するために使用される。
【0008】
本発明の好ましい実施形態では、より高いSOCが得られる。知られているように、充電中のある点で、バッテリがガス放出しはじめることになる。発明者は、充電中の電流および電圧と、ガス・ポイントに到達する時間との間に関係があると判定した。発明者の発明の好ましい実施形態によると、充電電圧は、モニタされ、IgasおよびVgasなどのバッテリ・ガス・ポイントの特性に基づいて制限される。ガス・ポイントでは、少なくとも鉛・酸バッテリでは、SOCは65%よりも高くなり、バッテリ構造に応じて、しばしば80%〜90%の範囲になる。ガス・ポイントに到達する前に、充電が制限される、または終了される。ガス・ポイントのパラメータは、本来の電流電圧特性とは別の、バッテリ・パラメータから決定されてもよい。たとえば、充電中のバッテリ電圧、またはバッテリ内部インピーダンスの変化率を使用して、ガス・ポイントを検出することができる。
【0009】
上記に列挙した指針を追従することによって、ハイブリッドおよび電気車両のバッテリを、平衡状態になく、たとえば約80%SOCだけでなく最高90%SOCにもなる、より高レベルのSOCで操作されるとき、より大きな効率で充電することができる。これは、今日のハイブリッドおよび電気車両のバッテリに対する現60%〜65%SOCと対照的である。このより高いSOCレベルの操作の結果、より長いバッテリ寿命およびハイブリッド車両の場合のより良好な燃料効率となる。
発明の目的
電気およびハイブリッド車両内のバッテリの充電を最適なSOC値に制御するための方法および装置を提供することが、本発明の目的である。
【0010】
別の目的は、バッテリが、動的作動状態下での連続的な放電またはパルス放電の後、高い電流レベルで、充電中のバッテリ電圧レベルによって決定されたような高いSOC値に充電される、電気およびハイブリッド車両内でバッテリを充電するための方法およびシステムを提供することである。
【0011】
さらに別の目的は、比較的高いレベルのSOCまでの電気およびハイブリッド車両内でのバッテリの充電を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【0012】
さらに別の目的は、バッテリのガス・ポイントを超えることなく、かなり高レベルのSOCまで電気およびハイブリッド車両内のバッテリを充電するための方法およびシステムを提供することである。
【0013】
本発明の他の目的および利点は、以下の明細書および添付の図面を参照することによってより明らかになるであろう。
発明の詳細な説明
図1を参照すると、システムは、再生エネルギー源構成要素10を含む。これは、車両のブレーキング・プロセスで通常消費される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。たとえば、これは、車輪がブレーキングするとき、車輪によって駆動される別個の発電機であってもよい。これは、車両のブレーキ・ペダルが押圧されたときに活動化される発電機として操作される電気車両またはハイブリッド車両の電動機であってもよい。再生構成要素10は、適切には、ブレーキおよび/または車輪などの車両の機械的エネルギー・システムに連接されている。車両のブレーキングが行われたとき構成要素10を駆動するために、センサ(図示せず)が設けられている。
【0014】
再生構成要素10からの電気エネルギー(電流)の出力は、電流・電圧コントローラ15(以下CVコントローラ)によって所望の電圧および電流レベルに調整される。CVコントローラ15は、キャパシタ、インダクタおよび付随する回路などの、ある妥当な量のエネルギーを一次的に蓄積し、出力を調整するために必要な構成要素を有する。CVコントローラ15は、再生構成要素10からエネルギーを受け取り、車両内に配置されたバッテリ・バンク20内の1つまたは複数のバッテリを再充電するために電流を供給する。バンク内のバッテリは、鉛・酸などのいかなる適切な従来型のタイプのものであってもよく、通常アンペア時で定格される、いかなる所望の容量のものであってもよい。バンク20内の各バッテリはそれぞれ、いくつかのセルを有し、バッテリは、所望の電流および電圧出力を達成するために、任意の適切な直並列アレイに接続されている。
【0015】
CVコントローラ15の機能は、マイクロ・コントローラ25から送信される命令によって制御される。マイクロ・コントローラ25は、必要なメモリ(ROMおよびRAM)および演算論理装置を有する、プログラム可能な任意の適切なマイクロ・プロセッサ・タイプのデバイスである。マイクロ・コントローラ25は、シリアル・バスなどの外部ソースからプログラム可能であることが好ましい。マイクロ・コントローラ25はまた、アナログ・デジタルまたはデジタル・アナログ変換器などの必要な回路を有する。これは、CVコントローラ15からアナログ・データを受信し、操作命令信号データを戻して、CVコントローラ15を操作する。マイクロ・コントローラ25もまた、バッテリ・バンク20内の各バッテリからの開路電圧および充電中電圧などのデータ、またはバンク全体の電圧を受信する。これも、適切なセンサから、分流器(図示せず)を横切って計測されるような、バッテリ・バンクから引き出される、またはバッテリ・バンクに充電される電流およびバッテリ・ケースの温度のデータを受信する。マイクロ・コントローラ25はまた、制御プログラムおよびアルゴリズムを格納する。
【0016】
バッテリ・バンク20はまた、モータ負荷コントローラ30を通って、必要に応じて、および必要なときにバッテリ・バンク20からのエネルギーを使用する車両の電動機35に接続されている。電動機35は、再生構成要素10として働くことができるように二重機能装置として動作させることもできる。
【0017】
CVコントローラ15を通ってバッテリ・バンク20のバッテリ内へ入り、モータ負荷コントローラ30を通って外へ出る電圧および電流は、マイクロ・コントローラ25によって連続的にモニタされる。様々な構成要素15、30および35のセンサ出力、バンク20の個別バッテリおよび全バッテリ・バンク20の電圧は、マイクロ・コントローラによってモニタされる。
【0018】
供給されたデータから、マイクロ・コントローラ25は、バッテリが充電中であるのか放電中であるのか、およびこのような充電または放電の量および電動機35の動作中か無負荷の条件下かのどちらかのバッテリの電圧出力を判定することができる。マイクロ・コントローラ25は、バッテリ内部抵抗(インピーダンス)やSOCなどの必要なデータから様々な因子を計算するためのアルゴリズムおよびプログラムを格納している。これは、プログラムされたアルゴリズムに対して得られたデータを追跡して、バッテリのある条件がいつ到達されたかを決定することもできる。これは、以下に図2および3に関して説明される。
【0019】
マイクロ・コントローラ20からの命令に応答して、CVコントローラ15は、調整された電気エネルギー(電流の量)を出力して、バッテリ・バンク20内のバッテリ、またはスーパー・キャパシタなどの他の備蓄装置を充電し、エネルギーを格納する。
【0020】
再生構成要素10が、バッテリ・バンク20と、マイクロ・コントローラ25によって操作され、制御されるCVコントローラ15との間のバッテリに供給するためのエネルギーを有していないとき、バッテリがCVコントローラ15内に放電するのを妨げるためのスイッチ(図示せず)があってもよい。別法として、CVコントローラ15は、スイッチとして機能するための遠隔制御可能なアクチュエータを備えてもよい。
【0021】
バッテリ20の充電は、たとえば約80%などのかなり高レベルのSOCを達成し、かなり高い効率レベルでバッテリを再充電するようにして制御される。このことを以下で説明する。
【0022】
図2は、セルが定電流で充電されたときの、鉛・酸セルの電圧およびそのインピーダンスの挙動を充電時間の関数として記述している。ニッケル・カドミウムおよびニッケル金属ハイブリッド・バッテリなどの他のタイプの蓄電バッテリに対しても同様の曲線が存在する。この関係は、本件出願の譲受人に譲渡され、参照によって全体においてここに編入される米国特許第4,745,349号により詳細に記載されている。
【0023】
図2は、2.0〜2.65ボルトの範囲の電圧を有する鉛・酸バッテリの単体のセルを示している。セルが直列に接続されている場合、これは、セル毎の値である。充電および放電されるとき、バンク20のバッテリから要求されたデータと比較されることが可能であるように、車両内のバッテリ20のサイズおよびタイプに対応した図2の曲線に対するデータが、マイクロ・コントローラ25内にプログラムされている。
【0024】
図2をみればわかるように、定電流充電が、分で示された時間にわたってバッテリ・セルに加えられたとき、実線42で示されたバッテリ・セル電圧Vは、点線44で示されたセル電圧応答で、バッテリ充電ガス・ポイントCで鋭い上昇を示す。ガス放出反応の開始によって、ガス・ポイントCで電圧の上昇が生じる。
【0025】
バッテリが欠陥品でないと仮定すると、バッテリがある時間にわたって充電されるとき、そのSOCが上昇することを理解されたい。すなわち、バッテリ充電中の電圧VおよびインピーダンスAの値は、バッテリSOCに関係している。ガス・ポイントCの後のいかなるときでも、またはバッテリ電圧がガス・ポイントCでの立上がり電圧値よりも高いとき、充電電流はセルが充電反応で許容することができる電流よりも大きい。過度の電流は、実質上、バッテリ内にガスを生成するだけである。
【0026】
図2から、電池のインピーダンスAは、ポイントCを始点とする時間の間高く、このときガス放出が開始されることが線44上で見られる。事実上、セルのインピーダンスAもまた、セル電圧Vの上昇にいくらか先だって、鋭い上昇を示す。図に示したように、インピーダンスAは、バッテリ電圧Vが線42上のポイントOにあるときゆっくりと上昇を開始し、電圧ポイントMで迅速に上昇する。セルのインピーダンスの上昇がセルの電圧の上昇に比べて早く起こるのは、セル・プレートの表面上におけるガスの吸収のためである。
【0027】
図2を見ればわかるように、充電中、バッテリのインピーダンスとその電圧のどちらかまたは両方を測定することによって、バッテリ・ガス・ポイントを決定することができる。これらのパラメータは両方、マイクロ・コントローラ25によって、計測し、連続的にモニタすることができる。
【0028】
セルのインピーダンスの上昇は、付加的なセル内部抵抗(IR)の加熱のためセルの温度上昇に至る。このため、充電電流および充電電圧は、充電中ガス放出反応が起こらないように制御されるべきである。図2から、ガス放出を防ぐために、ポイントMを上側の電圧制限にすべきであることがわかる。これは、鉛・酸バッテリでは2.4V/セルに対応する。2.35V/セルに対応するポイントOに電圧制限を有することが好ましい。すなわち、充電電圧は、2.35V/セルを超えてはならず、これは再生システムからの充電電流を、図2における約150分後のポイントに対応して低下させるまたは終了させるべきであることを意味している。バッテリ電圧をモニタし、それをガス放出が生じる値より下に維持することによって、バッテリをより高いSOCレベルに充電することができる。 【0029】
工業用の鉛・酸バッテリ(厚いプレート構造)では、ポイントMは、約80%充電状態で起こる。車両用バッテリ(薄いプレート構造)では、ポイントMは、90%充電状態により近い。これらの値は、電気およびハイブリッド車両の通常動作で使用される65%充電状態よりも高い。充電電流を最大化し、充電時間を迅速化することによって、80%または90%SOC値に到達することができる。
【0030】
本発明によれば、バッテリが構成要素10によって再充電されるとき、充電が開始されるときに加えられる充電電流は、車両の電線および他の構成要素の安全限界を超えることなく、できる限り高いことが好ましい。これを説明するために、図3を参照する。
【0031】
図3は、線46の電流I、線48の電圧Vで、数値計算された車両の始動プロセス中の完全充電された12ボルトの車両用鉛・酸バッテリの挙動を示している。これは、本件出願の譲受人に譲渡され、参照によって全体においてここに編入される米国特許第4,937,528号により詳細に記載されている。理解されるように、始動のすぐ前、バッテリは、約12.7ボルトのOCV(開回路電圧)および0アンペアのバッテリ電流を有する。始動時、グラフの縦軸上に示したようなバッテリからの大きな電流の放電がある。これは、車両のモータおよびその他のシステムを始動させるために引き出される電流に起因する。電流放電パルスは、約5秒の継続時間のものであり、車両内のオルタネータ/レギュレータなどの充電システムからの再充電が次に続く。再充電は、オルタネータ構造、およびツェナー・ダイオードなどの様々なデバイスによって14.1Vの線V上で設定されるような電圧制限で、約175秒にわたる時間示されている。これは2.35V/セルに等しく、図2の最適ポイントOに対応している。
【0032】
図3では2つの重要なポイントに留意されたい。バッテリに供給される電流I(線46)に対して、時間ポイントLまでは、バッテリによる電圧取入は、充電システムの電圧出力限界のみによって制限される。すなわち、オルタネータおよびその構成要素および車両の配線のサイズにである。
【0033】
14.1Vの電圧制限は、曲線48上のポイントNで到達される。これは、図3の約65秒の時間マークで起こる。このとき、電圧ポイントNに対応する充電電流取入は、放電パルスの量の約80%よりも大きい。すなわち、このパルス・テストから、バッテリは、すぐ前の放電中に放出された電荷の80%以上で迅速に充電されることが可能であることが明らかである。この場合で示したように、バッテリのSOCが100%に近く始動されたときでさえも、これは正しい。
【0034】
一般に、放電パルスのすぐ後の充電電流が高いほど、2.35V/セルの電圧拘束内の充電効率はより良くなる。すなわち、供給される電流の大きさが大きいほど、バッテリが所望の2.35V/セル限界に到達する時間はより短くなる。同様に、バッテリを開回路状態に置くことなく、充電が速いほど、充電効率がより高くなる。図2を参照すると、2.35V/セルの電圧より上では、バッテリ内およびバッテリ内部抵抗の加熱でガスを発生させるためにエネルギーが使用されるため、充電効率が低下する。その結果、バッテリは高温になり、これはバッテリ寿命にとってよくない。
【0035】
現在の最新技術では、電気およびハイブリッド車両のバッテリは、この約SOC値でインピーダンスおよび充電効率が良いという信念の下で、約60〜65%充電状態(SOC)で動作されている。しかし、上記で説明したように、発明者は、バッテリが平衡状態に到達することを許された場合のみ、これが正しいことを発見した。バッテリが、電動機負荷に起因する放電、および負荷を取り除いた直後の再生エネルギーの蓄積に起因する再充電などの動的状態にあるとき、ガスを放出させることなく、かなりの割合のエネルギーをバッテリに戻すことができる。
重要な基準は、以下のものだけである。
(1)できる限り大きい、かつできる限り迅速な電流の蓄積および(2)電圧を2.35〜2.4V/セルに制限すること。この電圧制限を使用することによって、約80%〜90%SOCに到達することが可能になる。この電圧制限は、周囲温度に応じて調節することができる。一般に、バッテリ温度がより低いほど、電圧制限はより高い。
【0036】
したがって、図1のシステムは、以下の一般的な方式で動作する。図4を参照すると、マイクロ・コントローラ25は、電動機35の使用が停止されたとき、および車両のブレーキングが行われたときなど、ほぼ連続的かパルス・タイプかのどちらでも、バッテリ放電の終了を感知するようにプログラムされる(S1)。
【0037】
連続的かパルス・タイプかのどちらでも、このような放電の終了後、再生構成要素10が、車両の機械的システムによって駆動されて(S2)、CVコントローラ15に供給される電圧を生成する。マイクロ・コントローラ25が、バッテリ・バンク20へのCVコントローラの電圧出力を2つの要件を満たすように制御する。第1に、(S3)電圧の最大量が、車両の配線その他の構成要素の安全値限界よりも小さいようにされる。第2に、(S4)バッテリ電圧またはバッテリ・インピーダンスのデータが充電中モニタされる。このデータは、ガス・ポイントが生じる時間まで、またはわずかに前までのみ発生するように電流充電を制御する(S5)ために使用される(図2参照)。ガス・ポイント限界に到達したとき、バッテリ充電は、マイクロ・コントローラ25によって、ブレーキ・システムから機械的に分離するなど、再生構成要素10が出力を生成するのを停止させるか(S5)、バッテリ・バンク20への出力を生成しないようにCVコントローラ15を操作するかのいずれかによって、終了される。また、(S6)充電比率を、図3の2.35V/セルの値を超えないように制限することもできる。異なるタイプのバッテリには、他の電圧値が使用されることになる。
【0038】
バッテリ内に蓄積された再生エネルギーの比率および量もまた、放電とより高い充電条件状態での充電プロセスとの間で経過した時間に応じて制御されてもよい。この制御は、電圧を指標として使用することによって主に達成される。蓄積中の電流は、バッテリ電圧が所定の値以上に増加しないように維持される。この値は、鉛・酸バッテリでは、2.35V/セルである。
【0039】
バッテリが、車両上またはバッテリ・ショップ内のどちらかでそのフル・チャージまで周期的に充電されることも好ましい。これは、バッテリを多かれ少なかれ、持続的なバッテリの充電を下回る作動状態中、バッテリ内で硫化が行われる程度まで非硫酸化することになる。
【0040】
本発明の特有の特徴が、簡便化のみのために1つまたは複数の図面で示されているが、それぞれの特徴は、本発明による他の特徴と組み合わされてもよい。代替となる実施形態は、当業者なら理解されよう。また、特許請求の範囲内に含まれるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】
電気車両およびハイブリッド車両内のバッテリの性能を最適化するために使用される典型的な装置の概略図である。
【図2】
ガス・ポイントおよび充電時間に対するバッテリ・セルの電圧およびインピーダンスを示すグラフである。
【図3】
放電および即時再充電中のバッテリの電圧および電流を示すグラフである。
【図4】
本発明の操作のフロー・チャートである。
発明の分野
本発明は、電気およびハイブリッド車両内のバッテリの充電を最適化するためのシステムおよび方法に関する。
発明の背景
電気車両は、バッテリまたは燃料電池をエネルギー源として使用する動力源として電動機を有する。ハイブリッド車両は一般に、通常、一方は内燃機関であり、もう一方はバッテリなどのエネルギー源によって電力供給される電動機である、車両を駆動するための2つの異なる動力源を有する。バッテリは、再充電可能なタイプのものである。スーパーキャパシタなどの他のタイプのエネルギー源を使用することもできる。両種類の車両はまた、通常、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、ここで1つまたは複数のバッテリと考えられているエネルギー源を再充電する再生システムを装備している。たとえば、車両がブレーキングを行うとき、ブレーキ力が、発電機として動作される、車両の電動機を駆動する、また電気エネルギー(電流)を発生させるために使用される別個の発電機を駆動して、バッテリを再充電する。再生システムによって生成された電気エネルギーは、車両バッテリ内に蓄積され、必要なときに車両の電動機に電力供給するために使用される。
【0002】
電気またはハイブリッド車両内でバッテリが使用されるとき、バッテリは一般に、バッテリの内部抵抗(IR)が最小である充電状態(SOC)の範囲内、特に充電中状態に維持される。これは、過度の加熱を避けるために、および高い充電効率を得るために行われ、エネルギーの大部分が、再生ブレーキング・システムから充電されることになり、バッテリの高いインピーダンスのため極めて少量が加熱で消費されることを意味している。たとえば、電気およびハイブリッド車両でよく使用されている、鉛・酸バッテリでは、バッテリは、約60%〜65%というかなり低いSOCレベルに保持されている。しかし、不十分充電(低SOC)条件における長時間条件下ではバッテリはより早く劣化しやすい。たとえば、鉛・酸バッテリは、硫酸化しやすく、それによって、バッテリ寿命が短くなる。
【0003】
通常、電気またはハイブリッド車両のバッテリが約70%SOCであるとき、充電は望ましくない過充電ガス放出反応を伴うと、従来技術では考えられてきた。これは、特に鉛・酸バッテリに当てはまる。平衡状態に至ることを許された後でバッテリが充電されるときにのみ、これは当てはまると発明者は決定した。鉛・酸バッテリでは、たとえば2、3時間の、ある時間の間休止(非充電または放電)することを許された後、バッテリは平衡状態に至る。本来の電流電圧特性でバッテリをみることによって、バッテリが平衡状態にあるか否かを判定することができる。これは、プラスであろうとマイナスであろうと、電流が存在するかどうか判定することによって行われる。そうである場合、バッテリは平衡状態ではない。同様に、電圧が、上限を上回る、または下限を下回る場合、バッテリは平衡状態ではない。
【0004】
電気およびハイブリッド車両では、平衡状態にないとき、再生エネルギーは、バッテリ内に蓄積(充電)される。一般に、バッテリは、電動機に電力供給するために使用されるとき、ブレーキが加えられる瞬間まで放電しつづけ、このとき、再生エネルギーはバッテリ内に蓄積される。通常、現在の最新技術では、電気またはハイブリッド車両のバッテリは平衡状態に達する前に充電されるが、再生システムによる車両では、SOC値は約65%に保持されたままである。すなわち、現在の技術を用いると、バッテリを充電するために供給される再生エネルギーの量は、バッテリSOCが65%を超えないように、バッテリSOCの関数として制御される。
【0005】
したがって、電気またはハイブリッド車両内でバッテリの充電を制御し、より高いレベルのSOCにして、それを維持する必要性が存在する。
発明の簡単な説明
発明者は、バッテリがパルス・タイプの放電または持続的な放電のすぐ後に充電される場合、極めて高い効率でバッテリを充電することができると判定した。電気またはハイブリッド車両では、持続的な放電が、車両の電動機へ電力供給するためにある時間にわたってバッテリを供給源として使用することになる。パルスは、車両の電動機の使用の短いバーストとなる。電流パルスまたは持続電流によってバッテリが放電されると、放電中に排出されたエネルギーの約80%まで直ちに充電されることができることが発見された。放電が停止されたときのバッテリSOCが80%を超える場合でさえも、これを達成することができる。電気およびハイブリッド車両で現在使用されている65%の値よりも高いSOCにまで、バッテリを充電することができることもまた発見された。
【0006】
発明者の発明によると、再生システムは、放電が終了された際、直ちにバッテリを充電するように操作される。充電は、考え得る最大の量まで実行される。充電電流の制限は、電線およびその他の構成要素の電流容量などの、バッテリ充電システムの回路特性によって主に決定されている。バッテリ充電システム内のハードウェア制御要素が、充電電流がこの安全レベルよりも高く上昇するのを防ぐために設けられている。通常、バッテリ電圧が所望のレベルに制御されるとき、充電電流は安全限界よりも小さい値に自動的に制限されることになる。
【0007】
いかなるシステムでも、バッテリが充電されると、そのSOCは、時間が経つと増加する。すなわち、充電時間を継続することによってのみ、バッテリを高いSOC値にまで充電することができる。本発明では、再生エネルギーのその充電用のバッテリ内への蓄積は、SOCの代わりに、バッテリ充電電流およびバッテリ電圧制限のファクタとして制御される。このことは、本件システムでは、現在使用されている65%SOCよりも高いレベルを達成し維持するために使用される。
【0008】
本発明の好ましい実施形態では、より高いSOCが得られる。知られているように、充電中のある点で、バッテリがガス放出しはじめることになる。発明者は、充電中の電流および電圧と、ガス・ポイントに到達する時間との間に関係があると判定した。発明者の発明の好ましい実施形態によると、充電電圧は、モニタされ、IgasおよびVgasなどのバッテリ・ガス・ポイントの特性に基づいて制限される。ガス・ポイントでは、少なくとも鉛・酸バッテリでは、SOCは65%よりも高くなり、バッテリ構造に応じて、しばしば80%〜90%の範囲になる。ガス・ポイントに到達する前に、充電が制限される、または終了される。ガス・ポイントのパラメータは、本来の電流電圧特性とは別の、バッテリ・パラメータから決定されてもよい。たとえば、充電中のバッテリ電圧、またはバッテリ内部インピーダンスの変化率を使用して、ガス・ポイントを検出することができる。
【0009】
上記に列挙した指針を追従することによって、ハイブリッドおよび電気車両のバッテリを、平衡状態になく、たとえば約80%SOCだけでなく最高90%SOCにもなる、より高レベルのSOCで操作されるとき、より大きな効率で充電することができる。これは、今日のハイブリッドおよび電気車両のバッテリに対する現60%〜65%SOCと対照的である。このより高いSOCレベルの操作の結果、より長いバッテリ寿命およびハイブリッド車両の場合のより良好な燃料効率となる。
発明の目的
電気およびハイブリッド車両内のバッテリの充電を最適なSOC値に制御するための方法および装置を提供することが、本発明の目的である。
【0010】
別の目的は、バッテリが、動的作動状態下での連続的な放電またはパルス放電の後、高い電流レベルで、充電中のバッテリ電圧レベルによって決定されたような高いSOC値に充電される、電気およびハイブリッド車両内でバッテリを充電するための方法およびシステムを提供することである。
【0011】
さらに別の目的は、比較的高いレベルのSOCまでの電気およびハイブリッド車両内でのバッテリの充電を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【0012】
さらに別の目的は、バッテリのガス・ポイントを超えることなく、かなり高レベルのSOCまで電気およびハイブリッド車両内のバッテリを充電するための方法およびシステムを提供することである。
【0013】
本発明の他の目的および利点は、以下の明細書および添付の図面を参照することによってより明らかになるであろう。
発明の詳細な説明
図1を参照すると、システムは、再生エネルギー源構成要素10を含む。これは、車両のブレーキング・プロセスで通常消費される運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。たとえば、これは、車輪がブレーキングするとき、車輪によって駆動される別個の発電機であってもよい。これは、車両のブレーキ・ペダルが押圧されたときに活動化される発電機として操作される電気車両またはハイブリッド車両の電動機であってもよい。再生構成要素10は、適切には、ブレーキおよび/または車輪などの車両の機械的エネルギー・システムに連接されている。車両のブレーキングが行われたとき構成要素10を駆動するために、センサ(図示せず)が設けられている。
【0014】
再生構成要素10からの電気エネルギー(電流)の出力は、電流・電圧コントローラ15(以下CVコントローラ)によって所望の電圧および電流レベルに調整される。CVコントローラ15は、キャパシタ、インダクタおよび付随する回路などの、ある妥当な量のエネルギーを一次的に蓄積し、出力を調整するために必要な構成要素を有する。CVコントローラ15は、再生構成要素10からエネルギーを受け取り、車両内に配置されたバッテリ・バンク20内の1つまたは複数のバッテリを再充電するために電流を供給する。バンク内のバッテリは、鉛・酸などのいかなる適切な従来型のタイプのものであってもよく、通常アンペア時で定格される、いかなる所望の容量のものであってもよい。バンク20内の各バッテリはそれぞれ、いくつかのセルを有し、バッテリは、所望の電流および電圧出力を達成するために、任意の適切な直並列アレイに接続されている。
【0015】
CVコントローラ15の機能は、マイクロ・コントローラ25から送信される命令によって制御される。マイクロ・コントローラ25は、必要なメモリ(ROMおよびRAM)および演算論理装置を有する、プログラム可能な任意の適切なマイクロ・プロセッサ・タイプのデバイスである。マイクロ・コントローラ25は、シリアル・バスなどの外部ソースからプログラム可能であることが好ましい。マイクロ・コントローラ25はまた、アナログ・デジタルまたはデジタル・アナログ変換器などの必要な回路を有する。これは、CVコントローラ15からアナログ・データを受信し、操作命令信号データを戻して、CVコントローラ15を操作する。マイクロ・コントローラ25もまた、バッテリ・バンク20内の各バッテリからの開路電圧および充電中電圧などのデータ、またはバンク全体の電圧を受信する。これも、適切なセンサから、分流器(図示せず)を横切って計測されるような、バッテリ・バンクから引き出される、またはバッテリ・バンクに充電される電流およびバッテリ・ケースの温度のデータを受信する。マイクロ・コントローラ25はまた、制御プログラムおよびアルゴリズムを格納する。
【0016】
バッテリ・バンク20はまた、モータ負荷コントローラ30を通って、必要に応じて、および必要なときにバッテリ・バンク20からのエネルギーを使用する車両の電動機35に接続されている。電動機35は、再生構成要素10として働くことができるように二重機能装置として動作させることもできる。
【0017】
CVコントローラ15を通ってバッテリ・バンク20のバッテリ内へ入り、モータ負荷コントローラ30を通って外へ出る電圧および電流は、マイクロ・コントローラ25によって連続的にモニタされる。様々な構成要素15、30および35のセンサ出力、バンク20の個別バッテリおよび全バッテリ・バンク20の電圧は、マイクロ・コントローラによってモニタされる。
【0018】
供給されたデータから、マイクロ・コントローラ25は、バッテリが充電中であるのか放電中であるのか、およびこのような充電または放電の量および電動機35の動作中か無負荷の条件下かのどちらかのバッテリの電圧出力を判定することができる。マイクロ・コントローラ25は、バッテリ内部抵抗(インピーダンス)やSOCなどの必要なデータから様々な因子を計算するためのアルゴリズムおよびプログラムを格納している。これは、プログラムされたアルゴリズムに対して得られたデータを追跡して、バッテリのある条件がいつ到達されたかを決定することもできる。これは、以下に図2および3に関して説明される。
【0019】
マイクロ・コントローラ20からの命令に応答して、CVコントローラ15は、調整された電気エネルギー(電流の量)を出力して、バッテリ・バンク20内のバッテリ、またはスーパー・キャパシタなどの他の備蓄装置を充電し、エネルギーを格納する。
【0020】
再生構成要素10が、バッテリ・バンク20と、マイクロ・コントローラ25によって操作され、制御されるCVコントローラ15との間のバッテリに供給するためのエネルギーを有していないとき、バッテリがCVコントローラ15内に放電するのを妨げるためのスイッチ(図示せず)があってもよい。別法として、CVコントローラ15は、スイッチとして機能するための遠隔制御可能なアクチュエータを備えてもよい。
【0021】
バッテリ20の充電は、たとえば約80%などのかなり高レベルのSOCを達成し、かなり高い効率レベルでバッテリを再充電するようにして制御される。このことを以下で説明する。
【0022】
図2は、セルが定電流で充電されたときの、鉛・酸セルの電圧およびそのインピーダンスの挙動を充電時間の関数として記述している。ニッケル・カドミウムおよびニッケル金属ハイブリッド・バッテリなどの他のタイプの蓄電バッテリに対しても同様の曲線が存在する。この関係は、本件出願の譲受人に譲渡され、参照によって全体においてここに編入される米国特許第4,745,349号により詳細に記載されている。
【0023】
図2は、2.0〜2.65ボルトの範囲の電圧を有する鉛・酸バッテリの単体のセルを示している。セルが直列に接続されている場合、これは、セル毎の値である。充電および放電されるとき、バンク20のバッテリから要求されたデータと比較されることが可能であるように、車両内のバッテリ20のサイズおよびタイプに対応した図2の曲線に対するデータが、マイクロ・コントローラ25内にプログラムされている。
【0024】
図2をみればわかるように、定電流充電が、分で示された時間にわたってバッテリ・セルに加えられたとき、実線42で示されたバッテリ・セル電圧Vは、点線44で示されたセル電圧応答で、バッテリ充電ガス・ポイントCで鋭い上昇を示す。ガス放出反応の開始によって、ガス・ポイントCで電圧の上昇が生じる。
【0025】
バッテリが欠陥品でないと仮定すると、バッテリがある時間にわたって充電されるとき、そのSOCが上昇することを理解されたい。すなわち、バッテリ充電中の電圧VおよびインピーダンスAの値は、バッテリSOCに関係している。ガス・ポイントCの後のいかなるときでも、またはバッテリ電圧がガス・ポイントCでの立上がり電圧値よりも高いとき、充電電流はセルが充電反応で許容することができる電流よりも大きい。過度の電流は、実質上、バッテリ内にガスを生成するだけである。
【0026】
図2から、電池のインピーダンスAは、ポイントCを始点とする時間の間高く、このときガス放出が開始されることが線44上で見られる。事実上、セルのインピーダンスAもまた、セル電圧Vの上昇にいくらか先だって、鋭い上昇を示す。図に示したように、インピーダンスAは、バッテリ電圧Vが線42上のポイントOにあるときゆっくりと上昇を開始し、電圧ポイントMで迅速に上昇する。セルのインピーダンスの上昇がセルの電圧の上昇に比べて早く起こるのは、セル・プレートの表面上におけるガスの吸収のためである。
【0027】
図2を見ればわかるように、充電中、バッテリのインピーダンスとその電圧のどちらかまたは両方を測定することによって、バッテリ・ガス・ポイントを決定することができる。これらのパラメータは両方、マイクロ・コントローラ25によって、計測し、連続的にモニタすることができる。
【0028】
セルのインピーダンスの上昇は、付加的なセル内部抵抗(IR)の加熱のためセルの温度上昇に至る。このため、充電電流および充電電圧は、充電中ガス放出反応が起こらないように制御されるべきである。図2から、ガス放出を防ぐために、ポイントMを上側の電圧制限にすべきであることがわかる。これは、鉛・酸バッテリでは2.4V/セルに対応する。2.35V/セルに対応するポイントOに電圧制限を有することが好ましい。すなわち、充電電圧は、2.35V/セルを超えてはならず、これは再生システムからの充電電流を、図2における約150分後のポイントに対応して低下させるまたは終了させるべきであることを意味している。バッテリ電圧をモニタし、それをガス放出が生じる値より下に維持することによって、バッテリをより高いSOCレベルに充電することができる。 【0029】
工業用の鉛・酸バッテリ(厚いプレート構造)では、ポイントMは、約80%充電状態で起こる。車両用バッテリ(薄いプレート構造)では、ポイントMは、90%充電状態により近い。これらの値は、電気およびハイブリッド車両の通常動作で使用される65%充電状態よりも高い。充電電流を最大化し、充電時間を迅速化することによって、80%または90%SOC値に到達することができる。
【0030】
本発明によれば、バッテリが構成要素10によって再充電されるとき、充電が開始されるときに加えられる充電電流は、車両の電線および他の構成要素の安全限界を超えることなく、できる限り高いことが好ましい。これを説明するために、図3を参照する。
【0031】
図3は、線46の電流I、線48の電圧Vで、数値計算された車両の始動プロセス中の完全充電された12ボルトの車両用鉛・酸バッテリの挙動を示している。これは、本件出願の譲受人に譲渡され、参照によって全体においてここに編入される米国特許第4,937,528号により詳細に記載されている。理解されるように、始動のすぐ前、バッテリは、約12.7ボルトのOCV(開回路電圧)および0アンペアのバッテリ電流を有する。始動時、グラフの縦軸上に示したようなバッテリからの大きな電流の放電がある。これは、車両のモータおよびその他のシステムを始動させるために引き出される電流に起因する。電流放電パルスは、約5秒の継続時間のものであり、車両内のオルタネータ/レギュレータなどの充電システムからの再充電が次に続く。再充電は、オルタネータ構造、およびツェナー・ダイオードなどの様々なデバイスによって14.1Vの線V上で設定されるような電圧制限で、約175秒にわたる時間示されている。これは2.35V/セルに等しく、図2の最適ポイントOに対応している。
【0032】
図3では2つの重要なポイントに留意されたい。バッテリに供給される電流I(線46)に対して、時間ポイントLまでは、バッテリによる電圧取入は、充電システムの電圧出力限界のみによって制限される。すなわち、オルタネータおよびその構成要素および車両の配線のサイズにである。
【0033】
14.1Vの電圧制限は、曲線48上のポイントNで到達される。これは、図3の約65秒の時間マークで起こる。このとき、電圧ポイントNに対応する充電電流取入は、放電パルスの量の約80%よりも大きい。すなわち、このパルス・テストから、バッテリは、すぐ前の放電中に放出された電荷の80%以上で迅速に充電されることが可能であることが明らかである。この場合で示したように、バッテリのSOCが100%に近く始動されたときでさえも、これは正しい。
【0034】
一般に、放電パルスのすぐ後の充電電流が高いほど、2.35V/セルの電圧拘束内の充電効率はより良くなる。すなわち、供給される電流の大きさが大きいほど、バッテリが所望の2.35V/セル限界に到達する時間はより短くなる。同様に、バッテリを開回路状態に置くことなく、充電が速いほど、充電効率がより高くなる。図2を参照すると、2.35V/セルの電圧より上では、バッテリ内およびバッテリ内部抵抗の加熱でガスを発生させるためにエネルギーが使用されるため、充電効率が低下する。その結果、バッテリは高温になり、これはバッテリ寿命にとってよくない。
【0035】
現在の最新技術では、電気およびハイブリッド車両のバッテリは、この約SOC値でインピーダンスおよび充電効率が良いという信念の下で、約60〜65%充電状態(SOC)で動作されている。しかし、上記で説明したように、発明者は、バッテリが平衡状態に到達することを許された場合のみ、これが正しいことを発見した。バッテリが、電動機負荷に起因する放電、および負荷を取り除いた直後の再生エネルギーの蓄積に起因する再充電などの動的状態にあるとき、ガスを放出させることなく、かなりの割合のエネルギーをバッテリに戻すことができる。
重要な基準は、以下のものだけである。
(1)できる限り大きい、かつできる限り迅速な電流の蓄積および(2)電圧を2.35〜2.4V/セルに制限すること。この電圧制限を使用することによって、約80%〜90%SOCに到達することが可能になる。この電圧制限は、周囲温度に応じて調節することができる。一般に、バッテリ温度がより低いほど、電圧制限はより高い。
【0036】
したがって、図1のシステムは、以下の一般的な方式で動作する。図4を参照すると、マイクロ・コントローラ25は、電動機35の使用が停止されたとき、および車両のブレーキングが行われたときなど、ほぼ連続的かパルス・タイプかのどちらでも、バッテリ放電の終了を感知するようにプログラムされる(S1)。
【0037】
連続的かパルス・タイプかのどちらでも、このような放電の終了後、再生構成要素10が、車両の機械的システムによって駆動されて(S2)、CVコントローラ15に供給される電圧を生成する。マイクロ・コントローラ25が、バッテリ・バンク20へのCVコントローラの電圧出力を2つの要件を満たすように制御する。第1に、(S3)電圧の最大量が、車両の配線その他の構成要素の安全値限界よりも小さいようにされる。第2に、(S4)バッテリ電圧またはバッテリ・インピーダンスのデータが充電中モニタされる。このデータは、ガス・ポイントが生じる時間まで、またはわずかに前までのみ発生するように電流充電を制御する(S5)ために使用される(図2参照)。ガス・ポイント限界に到達したとき、バッテリ充電は、マイクロ・コントローラ25によって、ブレーキ・システムから機械的に分離するなど、再生構成要素10が出力を生成するのを停止させるか(S5)、バッテリ・バンク20への出力を生成しないようにCVコントローラ15を操作するかのいずれかによって、終了される。また、(S6)充電比率を、図3の2.35V/セルの値を超えないように制限することもできる。異なるタイプのバッテリには、他の電圧値が使用されることになる。
【0038】
バッテリ内に蓄積された再生エネルギーの比率および量もまた、放電とより高い充電条件状態での充電プロセスとの間で経過した時間に応じて制御されてもよい。この制御は、電圧を指標として使用することによって主に達成される。蓄積中の電流は、バッテリ電圧が所定の値以上に増加しないように維持される。この値は、鉛・酸バッテリでは、2.35V/セルである。
【0039】
バッテリが、車両上またはバッテリ・ショップ内のどちらかでそのフル・チャージまで周期的に充電されることも好ましい。これは、バッテリを多かれ少なかれ、持続的なバッテリの充電を下回る作動状態中、バッテリ内で硫化が行われる程度まで非硫酸化することになる。
【0040】
本発明の特有の特徴が、簡便化のみのために1つまたは複数の図面で示されているが、それぞれの特徴は、本発明による他の特徴と組み合わされてもよい。代替となる実施形態は、当業者なら理解されよう。また、特許請求の範囲内に含まれるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】
電気車両およびハイブリッド車両内のバッテリの性能を最適化するために使用される典型的な装置の概略図である。
【図2】
ガス・ポイントおよび充電時間に対するバッテリ・セルの電圧およびインピーダンスを示すグラフである。
【図3】
放電および即時再充電中のバッテリの電圧および電流を示すグラフである。
【図4】
本発明の操作のフロー・チャートである。
Claims (14)
- バッテリからの電流を使用するモータと再生電流供給システムとを有する電気またはハイブリッド車両内の蓄電バッテリの充電を最適化するための方法であって、
モータがバッテリから電流を引き出すのを停止したとき、再生システムからバッテリへ再充電電流を供給するステップと、
ガス放出が生じる前のポイントまでバッテリの充電を継続するステップとを含む方法。 - 前記充電電流を供給するステップは、システム構成要素および配線に応じた電流の最大値を供給するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記バッテリへ充電電流を供給するステップは、バッテリの放電が停止した後できる限り早く実行される、請求項2に記載の方法。
- ガス放出ポイントを決定するためにバッテリ電圧および内部インピーダンスのうちの少なくとも1つをモニタするステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 充電中バッテリ電圧をモニタするステップと、ガス放出が生じるよりも低い値のバッテリ電圧で充電し続けるステップとをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記バッテリは鉛・酸タイプであり、充電中バッテリ電圧をモニタし、バッテリ電圧を約2.35〜2.4V/セルの間にほぼ制限するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- システムの構成要素および配線に応じた電流の最大値で充電電流を利用するステップと、バッテリ電圧および内部インピーダンスのうちの少なくとも1つをモニタしてガス放出ポイントを決定するステップとをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- ガス放出が生じるよりも低い値のバッテリ電圧で充電し続けるステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- 車両の機械的構成要素から供給されたエネルギーから、バッテリを再充電するための電流を生成するための再生要素と、
前記バッテリに接続され、車両を動作させるために該バッテリから電流を放電する電動機と、
バッテリの放電の終了を感知し、バッテリの放電の終了に応答して、前記再生要素を活動化させ、再生要素から電流を供給してバッテリを再充電し、バッテリ・ガス放出が生じる前のポイントまで再充電し続けるための制御手段とを備える、電気またはハイブリッド車両内のバッテリの充電を最適化するためのシステム。 - 前記制御手段は、再充電中にバッテリ電圧およびインピーダンスのうちの少なくとも1つをモニタし、該モニタに応答して、バッテリ・ガス放出が生じる前のポイントに電流再充電を制限するための手段を備える、請求項9に記載のシステム。
- 前記制御手段は、
前記再生要素と前記バッテリの間に接続され、前記バッテリに供給される電流を制御するように操作される負荷コントローラを備える、請求項10に記載のシステム。 - 前記制御手段は、
バッテリ電圧、放電電流および充電電流のデータを受信するために接続されたマイクロ・コントローラをさらに備える、請求項11に記載のシステム。 - 前記マイクロ・コントローラは、バッテリ・ガス・ポイントを表示し、前記バッテリから得られたデータに応じて前記負荷コントローラを制御するように動作するアルゴリズムでプログラムされている、請求項12に記載のシステム。
- 前記マイクロ・コントローラは、バッテリ電圧をバッテリ充電中所定のレベルよりも低く維持するように前記負荷コントローラを操作する、請求項12に記載のシステム。
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