JP2004538615A - 充電状態自動補償を実施する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両バッテリにおける複数のセル間の充電レベル補償を実施する方法および装置に関する。この充電レベル補償は、車載電源管理システムおよび車両制御装置を有する車両側の制御ユニットにより制御されながら行われる。充電レベル補償に必要な充電電流は車両の２次電池から供給され、充電レベル補償の必要性が検出されるとそこから車両バッテリへ供給される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電状態自動補償を実施する方法および装置に関する。
【０００２】
従来の技術
環境に関する法律規定が厳しくなっていることから、たいていの自動車メーカーはハイブリッド駆動部を備えた試作モデルの自動車を開発している。その種の自動車は燃料タンクのほか、電気的な駆動装置に給電するための電気エネルギー蓄積器も有している。
【０００３】
走行動作中、この付加的なエネルギー蓄積器に対し従来の車両の場合よりも格段に主要な役割が課される。つまりこのようなエネルギー蓄積器によって制動エネルギー回生、電気走行、ブースト動作、エンジン停止状態における電装品の稼働、エンジン始動などのような機能を実現しようとしている。
【０００４】
これらの機能により高度な要求がバッテリに課されることから、高出力バッテリの組み込みが必要となる。
【０００５】
多くの事例においてこの関連でニッケルメタルハイドライドバッテリ（ニッケル金属水素化物電池）が使用される。この種のバッテリは非常に高い電力密度を有しており、きわめて良好にサイクル動作させることができる。つまりこの種のバッテリは、３０％〜７０％の間の容量領域において完全な充放電電力で動作可能である。バッテリが９０％を超える充電状態に達したときには、充電電流を大きく下げるよう調整する必要がある。この状態ではバッテリセルは非常に小さい電力しか受容できない。この場合、バッテリの内部抵抗は、それによってもっぱら熱ばかりを生じさせるほど高い。バッテリに過度に強い充電電流を供給してしまったならば、それ相応の熱電流を冷却機構を介して放熱させることができなくなってしまい、セルが破損してしまうことになる。
【０００６】
製造偏差や場所によって変動する周囲環境の変動ゆえに、ＮｉＭＨ電池の個々のセルは強く周期的な負荷が加わるとドリフトを引き起こす傾向にあり、つまり個々のセルの充電レベルが互いに異なっていってしまう。動作中、ドリフトが過度に大きくなると、それによってバッテリの性能が著しく制約されてしまう。次にその原因を、簡単な３セルバッテリに基づき説明する。通常、バッテリのために設けられているバッテリ管理システムは、複数のバッテリセルの充電レベルの平均値に対応する平均充電レベル値ＳＯＣ^＊で動作する。この平均充電レベル値がＳＯＣ^＊＝７０％になったものとする。理想的なバッテリであればセル１〜３の充電レベル値も平均充電レベル値ＳＯＣ^＊と一致するはずである：
ＳＯＣ_１＝ＳＯＣ_２＝ＳＯＣ_３＝ＳＯＣ^＊ （１）
しかし実際のバッテリは上述の理由で何らかのドリフトを有しており、つまりバッテリ管理システムが相変わらず平均充電レベル値ＳＯＣ^＊＝７０％で動作しているのに対し、個々のセルの充電レベル値は互いに異なってしまっている：
ＳＯＣ_１≠ＳＯＣ_２≠ＳＯＣ_３≠ＳＯＣ^＊ （２）
たとえば個々のバッテリセルの充電レベル値は、ドリフトが僅かなときに以下の値をとる可能性がある：ＳＯＣ_１＝７５％，ＳＯＣ_２＝７０％，ＳＯＣ_３＝６５％。ドリフトが大きいときには、各バッテリセルの充電レベル値は互いにいっそうばらばらになり、たとえば以下の値をとる：ＳＯＣ_１＝９５％，ＳＯＣ_２＝７０％，ＳＯＣ_３＝４５％。この場合でも平均充電レベル値ＳＯＣ^＊は依然として７０％である。
【０００７】
ドリフトが狭い限界内で動いているかぎり、バッテリ動作に悪影響は及ぼされない。しかしバッテリが比較的長い時間にわたりきわめて周期的に働かされると、平均的な充電レベル値であっても他よりも先に充電されていくバッテリセル１が過充電限界に突き当たってしまう可能性がある。この状態はバッテリの安全性にとってクリティカルであるので、バッテリ管理システムは充電電流を低減させるよう調整する。その結果、平均で公称充電レベルの７０％にしか到達していないバッテリをもはやそれ以上充電できなくなってしまう。
【０００８】
このことは動作特性が非常に強く制約されてしまうことを意味することになるので、バッテリ管理システムが大きいドリフトを検出したならばただちに、補償充電の措置がとられる。このような補償充電の場合、あとを追って充電されるバッテリセルに対し著しく下がるよう制御された電流Ｉ_Ｍｉｎが上方の充電レベル閾値まで追加供給される。
【０００９】
これまで車両に搭載されてきたＮｉＭＨ電池の場合、このような補償充電は定置された電源に接続された充電装置を用いて車両サービスの枠内で行われてきた。手間のかかるこのような手順が必要とされる理由は、すでにフル充電されたセルから放出される熱を常に冷却体を介して放熱できるよう最小電流Ｉ_Ｍｉｎを規定しておかなければならないからである。
【００１０】
発明の利点
これに対し本発明による方法および装置の有する利点とは、整備工場へ行ったり定置された電源に接続された充電装置を用いたりしなくても、各バッテリセル間の充電レベル補償を必要に応じて自動的に行うことができることにある。このような完全自動充電補償は、個々の車両の車載電源発電機と２次電池を使用して行われる。充電レベル補償のシーケンス制御ならびに監視は、車両制御装置とバッテリ管理システムが担う。その際、車載電源は完全に自律的に動作する。
【００１１】
図面
次に、図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。図１は、自動充電レベル補償を実施するための方法を概略的に示すフローチャートである。図２は、自動充電レベル補償を実施するための装置を示すブロック図である。図３は、ベルマンの原理を示すグラフである。
【００１２】
実施例
以下で説明する実施例で前提とするのは、３つのバッテリセルを有する高出力バッテリもしくは車両駆動用のトラクションバッテリが自動車内に設けられていて自動車動作中、各バッテリセルの充電レベルが周期的な負荷に起因して互いにばらばらなことである。また、このような車両動作中、車両に搭載された２次電池が車両発電機により充電される。この２次電池は上述の高出力バッテリもしくはトラクションバッテリよりも著しく小さく設計することができるけれども、十分なエネルギー内容を供給できなければならない。このような２次電池をたとえばＡＧＭ鉛蓄電池とすることができる。
【００１３】
車両動作中、ＮｉＭＨ電池として構成された高出力バッテリもしくはトラクションバッテリの充電も行われる。この充電に際して、一般には５０％〜６０％にある通常動作に対する目標充電レベルから離れて、約９５％付近にあるクリティカルな充電レベル領域に達する。この領域に達してしまうと、できるかぎり高い充電効率が達成されるようバッテリ管理システムにより充電電流が調節される。
【００１４】
ＮｉＭＨ電池はこの充電領域では大きい充電電流をもはや受容できないので、バッテリ管理システムはバッテリ充電電流を厳密に制限しなければならない。その結果、車両制御装置は一時的に制動エネルギー回生をあきらめなければならない。しかしバッテリは放電方向では完全に使える状態にありたとえばエンジン始動などに利用できる状態にある。
【００１５】
バッテリ管理システムが充電レベル補償の必要性を識別したときには、それを実行することができる。この場合、車両が比較的長い期間にわたり停止していたことが検出され、たとえばこれは車両が停止された状態で施錠されたか否かを検出することによって行われる。ついで抵抗を介して、比較的低い充電レベルのセルを引き上げるためにつまり充電するために必要とする最小電流を２次電池からＮｉＭＨ電池へ送出する。ＮｉＭＨバッテリにおけるすべてのセルがその上方充電レベル閾値に達したことをバッテリ管理システムが検出すると、再び通常動作に切り換えられる。
【００１６】
次に、このような充電レベル補償を図１に示したフローチャートに基づき詳しく説明する。
【００１７】
ステップ１では車両は通常動作中であり、その場合、高出力バッテリもしくはトラクションバッテリにおける個々のバッテリセルの充電レベルが互いにばらばらになっている可能性がある。
【００１８】
ステップ２において、充電レベル補償が必要であるか否かの問い合わせが行われる。この問い合わせはバッテリ管理システムによって行われる。問い合わせの結果、充電レベル補償が必要でないとみなされれば、ステップ１へ戻る。充電レベル補償が必要であるとみなされれば、ステップ３に進む。
【００１９】
ステップ３において、車両発電機は２次電池をフル充電レベルにする。続くステップ４において、高出力バッテリもしくはトラクションバッテリが充電スタンバイモードにされる。その後、ステップ５において、自動車の走行機能のうち高いバッテリ充電電流を引き起こす機能たとえば制動エネルギー回生などが無効状態におかれる。
【００２０】
その後、ステップ６において、車両が停止しているか否かが問い合わせられる。停止していなければステップ４へ戻る。これに対し車両が停止していれば、ステップ７に進む。
【００２１】
ステップ７では、僅かにしか充電されていない車両駆動用トラクションバッテリのバッテリセルに対し２次電池からの充電電流により追加充電が行われ、つまり引き上げが行われる。
【００２２】
さらにステップ８では、車両が引き続き停止しているか否かが問い合わせられる。停止していなければステップ３へ戻る。これに対し車両が引き続き停止しているならばステップ９において別の問い合わせが行われ、充電レベル補償が完了したか否かが問い合わせられる。完了していなければステップ７へ戻る。
【００２３】
これに対し充電レベル補償が完了しているならば、ステップ１０においてトラクションバッテリの充電スタンバイモードが解除され、つまり充電レベルが通常の充電レベル動作窓へと戻る。その後、ステップ１へ戻り、つまり通常動作へ戻る。
【００２４】
図２には、２つの電圧値をもつ車載電源たとえば１４Ｖ／４２Ｖ車載電源をもつ自動車において自動充電レベル補償を実施する装置のブロック図が示されている。
【００２５】
図示されている車載電源は２６個のＡｈ−ＮｉＭＨトラクションバッテリ１１を有しており、このバッテリもしくはそのセルにおいて充電レベル補償を実行しようというものである。この車両駆動用のトラクションバッテリ１１は４２Ｖ車載電源の構成部分であり、これにはさらに４２Ｖ負荷１７と電気機器１８も属する。
【００２６】
さらにこの車両には鉛蓄電池１２も設けられており、これは１４Ｖ車載電源の構成部分であって２次電池の役割を果たす。この２次電池は上述のとおり充電レベル補償に使用され、その際、両方の車載電源部分は双方向直流電圧変換器１６を介して接続される。
【００２７】
この充電レベル補償にあたり必要とされるのは、トラクションバッテリ１１を現在の出発充電レベルから目標充電レベル領域に移すことであり、これは一般に９５％よりも大きい。この目標充電レベル領域になると、最大出発充電レベルもしくは最大開始充電レベルをもつバッテリセルは、たとえば１００％の充電レベルに到達する。充電レベル整合もしくは充電レベル変更は、ベルマンの原理を用い効率に関して最適化して実行することができる。
【００２８】
これについて図３を参照しながら説明する。図中、縦軸には充電電流Ｉが、横軸には充電レベルＳＯＣが書き込まれている。図３において以下の関係が適用される。
【００２９】
η_１・η_２・η_４・η_６ ＞ η_１・η_２・η_５・η_６
そこで経路は
Ａ−１−Ｂ−３−Ｃ
となり、効率に関して最適化された経路はＡからＣへ向かうものであり、ここで
η_１，．．．，η_６
は中間状態に沿った効率表記である。
【００３０】
同じようにしてオフラインで、起こり得る充電レベル整合ステップ各々ごとに効率の最適化された充電ストラテジを求めることができ、つまり効率の最適化された充電電流を求めることができる。個々の充電ステップに属する最適な電流Ｉはバッテリ管理システム１３に格納される。充電レベル補償にあたりバッテリ充電レベルを高めるべきであるならば、充電レベルをそれぞれ最適化された充電特性曲線に従い追従制御することができ、上述の例であれば充電特性曲線
Ａ−１−Ｂ−３−Ｃ
に基づき行うことができる。
【００３１】
本来の充電レベル補償のため、充電レベル補償の必要性をバッテリ管理システム１３が検出すると、このシステムは車両のＣＡＮバス１５を介してステータスフラグを車両制御装置１４へ送信する。車両制御装置１４は充電レベル補償を実行できるか否かをチェックし、実行できるのであれば、制動エネルギー回生を無効にし、ＣＡＮバス１５を介してイネーブル信号をバッテリ管理システム１３へ送る。
【００３２】
これに応じてバッテリ管理システム１３はトラクションバッテリ１１を充電スタンバイモードにおき、このモード中、バッテリ管理システム１３によりバッテリの動作窓が平均充電レベル領域からシフトされ、複数のバッテリセルのうちの１つがほぼ１００％の充電レベルに達するまで、充電の受け入れが許可される。
【００３３】
その際、発電機として動作する電気機器１８は車両制御装置１４により指示されて、付加的な電力パケットによりトラクションバッテリ１１の充電レベルを高め、双方交直流電圧変換器１６を介して鉛蓄電池１２をフル充電レベルにし、そのレベルが維持されるようにする。この場合、バッテリ管理システム１３は両方のバッテリの充電電流を、オフラインで計算された設定に従い車両制御装置１４および直流電圧変換器１６を介して調節することができる。
【００３４】
車両が停止状態で施錠されていれば本来の充電レベル補償が行われ、これによれば鉛蓄電池１２は直流電圧変換器１６を介して充電レベル補償に必要とされる電流を送出し、この電流はほぼ３〜５Ａの範囲にある。この充電レベル補償中、１４Ｖの車載電源も４２Ｖの車載電源も静止状態にあり、他の負荷によるダイナミックな影響を受けないので、充電レベル補償に必要な電流をきわめて良好かつ精確に調節することができる。
【００３５】
すべてのバッテリがほぼ１００％であるそれらの上方充電レベル閾値に到達してしまうと、バッテリ管理システム１３は充電レベル補償プロセスの終了を通報し、これはステータスフラグをＣＡＮバス１５に供給することによって行われる。ついでバッテリ管理システム１３は充電レベル動作窓を再び通常動作領域に移し、その領域では再び比較的大きいバッテリの放電が許可される。車両制御装置１４は、充電レベル補償開始のため電気機器１８に対して要求した付加的な電力パケットを無効にする。
【００３６】
充電レベル補償が終了する前に車両が再び動作し始めると、車両制御装置１４は充電レベル補償を中断させる。とはいえ内燃機関の始動が行われた後、車両制御装置１４はバッテリ管理システム１３と共働して、できるかぎり迅速にＮｉＭＨ電池１１の充電を高め２次電池１２がフル充電レベルになるようにする。このようにすれば、車両が再び停止するとただちに充電レベル補償の試行を軌道に乗せることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】自動充電レベル補償を実施するための方法を概略的に示すフローチャートである。
【図２】自動充電レベル補償を実施するための装置を示すブロック図である。
【図３】ベルマンの原理を示すグラフである。

Claims (14)

1. 車両バッテリにおける複数のセル間の充電レベル補償を実施する方法において、
   走行動作中、車両の２次電池を充電するステップと、
   走行動作中、充電レベル補償の必要性を検出するステップと、
   車両バッテリを充電スタンバイ状態にするステップと、
   充電レベル補償を実行できるか否かを調べるステップと、
   充電電流を２次電池から車両バッテリへ供給するステップ
   を有することを特徴とする、充電レベル補償を実施する方法。
2. 充電レベル補償を実行できるか否かを調べるときに、車両が停止状態で施錠されているか否かを検査する、請求項１記載の方法。
3. 充電レベル補償の必要性を検出するステップと２次電池から車両バッテリへ充電電流を供給するステップとの間に、高いバッテリ電流を引き起こす車両機能を無効にするステップを設ける、請求項１または２記載の方法。
4. ２次電池から車両バッテリへの充電電流供給が開始された後、充電レベル補償が継続可能か否かを繰り返し検査し、継続可能であれば充電レベル補償を継続し、継続不可能であれば充電レベル補償を中止する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. ２次電池から車両バッテリへの充電電流供給が開始された後、充電レベル補償が完了しているか否かを繰り返し検査し、完了していれば車両バッテリの充電スタンバイ状態を解除し、完了していなければ充電レベル補償の実施を継続する、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記の個々のステップは自動的に実行される、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記の個々のステップは制御ユニットにより制御されて自動的に実行される、請求項６記載の方法。
8. 前記の個々のステップは、車両のバッテリ管理システムおよび車両制御装置を有する制御ユニットにより制御されて自動的に実行される、請求項７記載の方法。
9. 車両バッテリにおける複数のセル間の充電レベル補償を実施する装置において、
   複数のセルを有する車両バッテリ（１１）と、
   車両側の２次バッテリ（１２）と、
   車両側の制御ユニット（１３，１４）が設けられており、
   該車両側の制御ユニット（１３，１４）により、充電レベル補償の必要性が検出され、車両バッテリが充電スタンバイ状態へ移され、充電レベル補償を実行可能か否かが検査され、２次電池（１２）から車両バッテリ（１１）への充電電流供給が制御されることを特徴とする、
   充電レベル補償を実施する装置。
10. 前記制御ユニットは車両のバッテリ管理システム（１３）と車両制御装置（１４）を有する、請求項９記載の装置。
11. 前記２次電池（１２）と車両バッテリ（１１）との間に直流電圧変換器（１６）が設けられており、該直流電圧変換器（１６）を介して充電電流の供給が行われる、請求項９または１０記載の装置。
12. ２つの電圧値をもつ車載電源の構成部分であり、２次電池は該車載電源における第１部分の構成要素であり、車両バッテリ（１１）は該車載電源における第２部分の構成要素であり、該車載電源における２つの部分の間に前記直流電圧変換器（１６）が設けられている、請求項１１記載の装置。
13. 前記制御ユニット（１３，１４）は充電レベル補償が行われた後、車両バッテリ（１１）の充電スタンバイ状態を解除する、請求項９から１２のいずれか１項記載の装置。
14. 前記制御ユニット（１３，１４）は、高いバッテリ充電電流を引き起こす車両機能を無効にする役割をもつ、請求項９から１３のいずれか１項記載の装置。