JP2007189797A - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の高圧電池が並列に接続されて利用されるハイブリッド自動車について、車両を運行するに伴いこの複数の高圧電池の充電状態（ＳＯＣ）が偏る現象がある。所定の充電設備を利用して十分な充電を実行すればこれを回復させることができるが、充電設備のない車庫や駐車場で簡単にこの充電状態が偏る現象を回復させる方法および装置を提供する。
【解決手段】ハイブリッド自動車が例えば一日の走行を終えて車庫や駐車場に置かれるときに、その車庫や駐車場にハイブリッド自動車用電池を充電する設備がなくとも、複数の端子電圧の等しい高電圧の電池ユニットを相応の長時間にわたり並列的に接続しておく。またこのために各車両に簡単な並列接続のための設備を搭載する。これにより各電池ユニットの間に小さい電流が流れて各電池ユニットの充電状態が平均化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関動力と電気動力を併用するハイブリッド自動車に利用する。本発明は、ハイブリッド自動車に搭載され、その電気動力供給源となる電池の状態を長期間にわたり良好に保全するための装置および方法に関する。本発明は、ハイブリッド自動車用の高圧直流電源として、複数の電池ユニットを複数個並列または直列に接続して利用する形態について、その電池ユニットの充電状態（State of Charge, ＳＯＣ）を均一化するための制御に関する。

ハイブリッド自動車は、走行用動力を供給する機関として内燃機関のほかに電動機を備え、その電動機に車載の電池から駆動電流を供給しその電動機から車軸に走行補助動力を発生する。このようなハイブリッド自動車は走行状態で減速するときには、車軸の回転動力により発電機が作用するように制御して制動状態とし、その発電機により発生する電気エネルギを前記車載の電池に充電回生するように構成されている。本願出願人が製造販売するハイブリッド自動車は、上記電動機と上記発電機を一個のハードウエア回転機である「電動発電機」として構成し、その動作モードにしたがって電動機または発電機として利用する構成を採用している。

このように電動発電機を備えたハイブリッド自動車では、車両の加速走行時にはこの電動発電機を電動機モードに設定し、車載の電池からこの電動発電機に電気エネルギを供給し、発生する回転動力を車軸を駆動する動力として供給する。一方、車両が制動状態になったきにはこの電動発電機を発電機モードに転換し、この電動発電機が発生する電気エネルギを車載の電池に充電回生する。このための電池は通常の自動車に搭載される電池に比べてきわめて大型である。

ここで「電池ユニット」とは、ハイブリッド自動車に搭載される高圧電池の実装形態である。電池ユニットは、例示すると端子電圧約２００Ｖ、最大充電量約１００Ａｈ程度の繰り返し充放電が可能な形態であり、多数（数百）のセルが直列接続された構成であり、取り扱いの安全のためにその入出力端子に開閉リレーが設けられている。電池はそれを構成するセルが直列接続された形態であり、前記開閉リレーとともに全体が一つの機械的に不可分なユニットに形成され、一般に全寿命期間にわたりその内部接続にはアクセスすることができない。かりにその内部接続を切り離すと、原則的に復旧することは不可能であり破壊されてしまう形態である。ハイブリッド自動車の電気動力装置の定格電圧および定格電流にしたがって、この電池ユニットを複数（ｍ）個並列に接続して、あるいはこの電池ユニットを複数（ｐ）個直列に接続して、または複数（ｍ）個並列に接続した構成をさらに複数（ｐ）個直列に接続して、ハイブリッド自動車に搭載し、これがハイブリッド自動車の動力用直流電源装置となる。この電池ユニットはハイブリッド自動車に搭載され、車両を駆動するための電気エネルギを供給する、あるいは車両を制動することにより発生する電気エネルギを蓄積するために利用される。なおこの電池は車両の照明器具、内燃機関の制御回路、ラジオ受信機、内燃機関の始動電動機、その他一般の電装品に直流電流を供給する低電圧の電池（例、１２Ｖ，２４Ｖ等）とは別に設けられる電池である。

特許第３４１１７５３号 特開２０００−２６１９７７

ハイブリッド自動車の大型の電池電源は、その端子電圧および充電容量などの各種定格値（例、数百ボルト、数百アンペア時）を実用的な形態で得るために、規格化された上記電池ユニットを組み合わせ利用して、すなわち電池ユニットを直列接続するまたは並列接続することにより構成される。このような複数の電池ユニットの直列接続または並列接続により、必要な高い定格電圧または大きい定格電流を得るように設計すると、各電池ユニットの特性（例えば内部抵抗、温度特性など）は必ずしも均一ではないから、車両の走行に伴う充電および放電を繰り返すうちに、各電池ユニットが保持する電荷量または充電状態（State of Charge, ＳＯＣという）がばらついてしまう現象が発生する。この充電状態のばらつきは、通常の車両の路面走行状態にしたがって充放電を繰り返すうちに、原則的に収束されることはなくむしろ拡大されてしまう性質がある。これは組み合わせる単位電池の特性にばらつきの少ないものを選ぶこととしても、長期間の使用によりばらつきが生じ拡大することは避けられない。これを回復させるには、複数の単位電池の間の接続をいったん切り離して、個別に、あるいは並列接続して、外部から小さい電流により長時間（例、１０時間）にわたり充電電流を供給するなどの保守作業が必要になる。

従来からこの保守作業は車両の運行を休止して行われる。またこの保守作業を行うためには、車両の駐車場や車庫に、各車載の電池に対する充電設備が必要である。この充電設備は大規模なものとなり、一般の車庫や屋外駐車場で、これを多数の車両についてひんぱんに行うことは不可能である。またハイブリッド自動車に搭載されている電池ユニットは、その端子電圧が高電圧であるから、一般の運転者がこれらの電気的な接続を簡単に変更するような操作を行うことはできない。

本発明は、一つの車両に複数の電池ユニットが搭載され、その複数の電池ユニットが直列または並列に接続されることにより仕様されるハイブリッド自動車用の電源装置について、各電池ユニットの充電状態（ＳＯＣ）のばらつき発生を小さく制御することを目的とする。本発明はハイブリッド自動車用の車載電池に対する所定の充電設備がない場所でも、すなわち通常の駐車場でも、屋外駐車場でも、車両の駐車中に簡便に、電池ユニット間の充電状態（ＳＯＣ）のばらつきを小さくすることができる装置および方法を提供することを目的とする。本発明は、一般の運転者が安全に実行することができる操作形態により、電池ユニットの充電状態（ＳＯＣ）を均一化する方法および装置を提供することを目的とする。本発明は、ハイブリッド自動車用の車載電池について、外部の充電装置から充電電流を供給して電池の保守を行う周期を長くすることができる方法および装置を提供することを目的とする。本発明は、定期的な車両の保守間隔より十分に小さい間隔で、運転者の簡単な操作によりまたは自動的に、電池ユニットの充電状態（ＳＯＣ）が均一に維持される制御方法および装置を提供することを目的とする。本発明は電池ユニットの充電状態（ＳＯＣ）が長期間にわたり均一に維持され、実質的に電池の寿命を長くすることを目的とする。本発明は運転者や作業者が車両の高圧装置に直接触れる必要がない安全な方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、夜間など車両がある長い時間にわたり運行されない時間に、ハイブリッド自動車用の複数の電池ユニットをその負荷や充電用電源から切り離した状態に設定して、相互にたんに並列的に接続しておく回路を設けたことを特徴とする。ハイブリッド自動車用の車載の電池ユニットは、一般に一つの車両について同一規格の装置が数個並列あるいは直列に接続されて利用される形態であり、本発明は、停車時にあるいは駐車時にこの利用時の電気的接続形態をいったん解除して、電池ユニットを車両に搭載したまま、電池ユニットを単に相互に並列的に接続し、相応の時間（例、数時間）にわたり放置しておく方法であり、またこれを実現する装置である。

一般に同一規格の電池ユニットでは、その充電量の小さい電池ユニットはその端子電圧が充電量の大きい電池ユニットの端子電圧より低いから、充電量の小さい電池ユニットに充電量の大きい電池ユニットから電荷が自動的に流れ込んで、その電気的特性（主に内部抵抗値）が均一になる。電池ユニットを並列的に接続しておく時間は数時間である。例示すると、２時間、５時間、１０時間などである。これはタイマ・リレーにより、あるいは電流を監視してそれが所定値以下になったことにより、もしくは人為的な操作により、その並列的な接続を解除することができる。本発明は、車両のエンジン・キーがオフに操作された状態で上記並列的な接続を設定することがよい。

すなわち本発明の第一は方法の発明であり、車両の運行休止中に、その車両に搭載された定格電圧が等しい複数の電池ユニットをその車両に搭載した状態で、かつ実質的に負荷に対する充放電電流のない状態で、適当な長い時間（例、数時間）にわたり電気的に並列に接続することによりその複数の高圧電池ユニットの充電状態（ＳＯＣ）を均一化させることを特徴とする。

本発明の第二は装置の発明であり、充放電可能な同一規格の単位セルが複数n個直列接続されその両端にそれぞれ開閉リレー（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）の接点が接続された電池ユニット（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）を複数ｍ個備え、この複数ｍ個の電池ユニットを前記開閉リレー（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）の接点を介して並列（または直列）に接続して構成された直流電源装置（１０）と、前記開閉リレーの駆動巻線にそれぞれ制御にしたがって駆動電流を供給する制御回路（６）とを備えたハイブリッド自動車において、その車両の運行休止中に（すなわちキースイッチ７がオフ状態にあるときに）前記直流電源装置（１０）の端子（４，５）が実質的に車両の電気回路（負荷および電源）から切り離された状態で、前記開閉リレーの駆動巻線に駆動電流を供給して前記ｍ個の電池ユニットを並列に接続する回路手段を設けたことを特徴とする。

前記複数ｍ個の電池ユニットがさらに複数ｐ個（例、２個、３個）直列に接続され、前記制御回路はその直列に接続された複数ｐ個の電池ユニットの開閉リレーの駆動巻線にもそれぞれ駆動電流を供給して複数ｍ×ｐ個の電池をそれぞれｍ個毎に並列に接続する手段を設けた構成として、さらに規模の大きい電池についても実施することができる。前記並列に接続した状態を自動的に解除するタイマ回路を設けた構成とすることができる。

本発明の方法は走行時間についてなるべく定期的に実行することが望ましく、本発明の操作が実行される毎に自動的にリセットされる、走行距離累積計、または走行時間累積表示計を車両に装備しておくことができる

本発明の方法または装置により、同一規格の複数の電池ユニットについて、各電池ユニットの充電量が自動的に均一になる。本発明を実施するための操作は、車両の停車休止中に、電池端子の接続通路を切換えるだけであり、充電装置など特別な装置あるいは規模の大きい付加的な装置を必要としない。一人の運転者がその勤務を終了する時に、他の人の手伝いを必要とすることなく実施することができる。本発明の方法は屋外の車庫あるいは駐車場でも随時実施可能である。本発明を実施することにより、電池ユニットの再充電などの保守作業の周期を長くすることができる。また本発明を実施することにより、複数の電池ユニットの充電状態が不均一になったままで長く運用されることがなくなり、一部の電池ユニットが不均等に消耗することがなくなる。これにより全体の電池寿命を長くすることができる。本発明による並列接続を解除するタイミングをかりに失してもその実害はほとんどなく、本発明を実施することにより電池を損傷するようなことはない。

はじめに図３を参照して、本発明を実施するハイブリッド自動車の全体構成例を説明する。この車両の動力用主内燃機関１００はディーゼル機関であり、その出力軸に電動発電機２００が固定的に連結されている。電動発電機はその回転軸回りに回転子巻線が取付けられ、これが周囲に設けられた固定的な界磁巻線の機械的中心を回転するように構成されている。この装置は交流誘導回転機であり、回転子巻線は回転子内で帰結され外には引出し線はない。この電動発電機２００の出力回転軸（図の右側）にクラッチ３００が設けられる。クラッチ３００は運転者のクラッチ・ペダル（図示を省略）により開閉操作される構造のもの、あるいは回転にしたがって自動的に開閉制御されるもののいずれでもよい。そのクラッチ３００の出力軸に変速機４００が設けられる。変速機４００の出力軸は、図示を省略するプロペラ軸に連結され、さらにそのプロペラ軸は車軸を駆動するように構成される。クラッチ３００の構造、変速機４００の構造、およびプロペラ軸から車軸にいたる回転軸の構造等については、自動車の構造としてよく知られた構造であり、本発明の特徴に直接関係がないのでさらに詳しい説明を省略する。

電動発電機２００の固定子巻線には、インバータ２１から三相交流が供給され、電動発電機２００の回転子軸まわりに回転磁界を発生する。この三相交流の周波数、すなわち回転磁界の回転速度は、内燃機関１００に設けられた回転センサ２５の出力回転速度、およびプログラム制御回路２３が発生する制御信号にしたがって制御される。プログラム制御回路２３には、インターフエイス回路２４を介して、運転者が操作するアクセル・ペダルの踏込み量、変速機４００に設定されているギヤ比の情報、運転者が操作するブレーキペダルの操作信号、クラッチの操作情報、車速情報、その他当該車両の状態情報および運転操作情報が取込まれ、インバータ制御回路２２が発生する制御信号を制御する。インバータ制御回路２２はこれらの入力情報に基づき設定された論理にしたがってインバータ２１の回転位相速度を制御する。

たとえば変速機４００にロウギヤが設定されてアクセル・ペダルが踏み込まれているときには、運転者は車両の加速を指示しているものであり、電動発電機２００を電動機として内燃機関１００を補助加速するように動作させる。これは回転磁界の回転速度を電機子の物理的な回転速度より大きくなるように制御する。また車速センサ２７が相応の車速を出力しているときに、アクセル・ペダルが開放されたときには、運転者が車両の減速操作をしているものとして、電動発電機２００を発電機として内燃機関１００を補助制動するように制御する。これは回転磁界の回転速度を電機子の物理的な回転速度より小さく制御することにより実行される。このとき検出器２６は直流電源装置（高圧電池）の充電量情報を検出してインバータ制御回路２２に送る。すなわち電池の充電量が小さいときには高圧電池の充電電流を大きく、電池の充電量がすでに大きく充電余裕がないときには充電電流を小さく制御する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は直流電源装置１０が発生する高電圧を車内で利用する直流２４Ｖの一般電源電流を発生するために設けられる。

ここで本発明の特徴は高電圧の電池により構成された直流電源装置１０の制御にある。とくに車両が走行しているときではなく、車両が停車し、運転者がエンジンキーを抜取り、相応の長い時間にわたり停車または駐車の状態に置かれるときの直流電源装置１０の制御にある。鎖線で示す回路２０は本発明に係る直流電源制御回路である。電池８はこの車両の一般電装品に供給する低圧電池である。以下この本発明に係る直流電源制御回路２０について詳しく説明する。

（第一実施例）
図１は本発明第一実施例装置の電気回路図である。高圧電池ユニット１ａおよび１ｂは車両に搭載されたハイブリッド用の高圧電池ユニットである。これは上で説明した直流電源装置１０の一つの要素である。一例を示すとその高圧電池ユニット１ａおよび１ｂの定格端子電圧はそれぞれ２００Ｖである。これらは内部に多数ｎ個のセルが直列に接続された装置であるが、車両に搭載される実用的な形態では、内部のセルは実質的に物理的に不可分な構造に設定されている。この高圧電池ユニット１ａおよび１ｂの内部には、それぞれ開閉リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが電池と一体的に一つの強固なプラスチック箱に実装されている。破線で示すように、この第一実施例では２個の高圧電池ユニット１ａおよび１ｂが、一つの直流電源装置１０として実装され車両に搭載される。外部には端子４および５のみが現れ、しかもこの二つの端子は人が触れることができないように防護されている。この端子４および５は図３の端子４および５である。

この車両には、上記開閉リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを制御するために制御回路６が搭載される。この制御回路６は比較的単純なプログラム制御回路であり、これは本発明にかかわらず既存の装置である。この制御回路６にはその動作用の電源として車両のキースイッチ７を介して、車両の低圧電池（１２Ｖ）から動作電流が供給される。このキースイッチ７は運転者により操作され、車両の内燃機関を始動させるときにオン状態となり、内燃機関の回転を停止させるときにオフ状態になる。このキースイッチ７が運転者により操作されて「オン」状態になると、制御回路６が起動されて開閉リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂがオン状態になり、ふたつの高圧電池ユニット１ａおよび１ｂの端子電圧が並列的に一対の端子４および５の間に現れる。この一対の端子４および５には、上記図３で説明したインバータ２１の直流端子が接続され、そのインバータ２１の交流端子には電動発電機２００が接続される。

ここで本発明の特徴とするところは、このハイブリッド自動車が運行を終了して、運転者によりキースイッチ７がオフに操作され、この車両の内燃機関も回転を停止して休止の状態になったときにある。すなわち、低圧電池８の正極電位はこのキースイッチ７の作動にかかわらず（あるいはキースイッチ７がオフに操作された状態で）、運転者により操作される起動スイッチ１４を介してリレー１６の動作巻線に接続されている。そして低圧電池８の正極電位はこのリレー１６の接点を介して、さらにタイマリレー１５の接点を介して、さらに逆流防止ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを介してそれぞれ上記開閉リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの巻線に接続されている。

このような構成では、上記起動スイッチ１４が運転者により操作されると、リレー１６が作動し、逆流防止ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを介して開閉リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂが駆動され、高圧電池ユニット１ａの正負両端がそれぞれ高圧電池ユニット１ｂの正負両端に接続されることになる。この電池ユニット１ａおよび同１ｂは互いに等しい定格電圧の装置である。一般に等しい定格電圧の装置を相互に並列接続しても、その接続通路に電流は流れない。しかしこのとき、高圧電池ユニット１ａと高圧電池ユニット１ｂとの間に小さい充電量の差が生じているとすると、その端子電圧に小さい電位差が生じているから、電位の高いユニットから電位の低いユニットにわずかな電流が流れることになる。すなわち二つの高圧電池ユニット１ａおよび１ｂにはその仕様上端子間の電位差はなく、電位差があるとすればそれは本来的にわずかであり、これはそれぞれの充電量の不均一に起因するものである。このような二つの高圧電池ユニット１ａおよび１ｂの並列接続の状態を数時間（例、２時間〜１０時間）保持して、タイマリレー１５によりこの接続を解除する。

このような構成により、つぎに、たとえば翌朝に車両の運行を開始しようとするときには、二つの高圧電池ユニット１ａおよび同１ｂの端子電圧、すなわち充電容量は平均化されたものと考えられ、二つの高圧電池ユニットの充電容量が不均一のままさらに一日の運行を行うことを回避することができる。このような構成による本発明により追加される回路部品は、リレー回路１３および逆流防止ダイオード１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂのみである。

（第二実施例）
図２は本発明第二実施例装置の電気回路図である。これは上記第一実施例装置よりさらに大型の車両に搭載される仕様のものであり、二つの電池ユニット１ａおよび１ｂを並列接続に構成したもの、およびさらに二つの電池ユニット１ｃおよび１ｄを並列接続に構成したものを直列に接続して利用する。これにより端子４および５から利用できる電圧は２倍になり、その電流容量も２倍になる。この構成は大型の貨物車両に実施されている。

このような構成についても同様に本発明を実施することができる。すなわち上記４個の電池ユニット１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄのそれぞれ入力および出力に設けられた開閉リレー２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，２ｃ，２ｄ，３ｃ，３ｄにたいして制御回路６を介することなく、リレー回路１３から各リレー巻線を駆動する駆動電流を送ることができるように構成する。すなわちこの装置が装備された車両の運行が終了したときに、キースイッチ７がオフに操作された後に、運転者により起動スイッチ１４をオン状態に操作することにより、リレー１６およびタイマリレー１５が有効になる。これにより、電池ユニット１ａと１ｂおよび同１ｃと１ｄがそれぞれ並列に接続された状態となり、電池ユニットの間に生じているわずかな電位差により小さい電流が流れて、各電池ユニットの間の充電量に不均一な状態が生じているときに、これを平均化することができる。

本発明は各車両にわずかな付加回路を設けることにより実施することができる。本発明を実施するためには、駐車場や工場にあらたな設備を設ける必要がないから、保有するハイブリッド自動車の数が小さい小規模の運送会社や個人的なハイブリッド自動車の所有者が本発明を実施することができる。本発明を実施することにより車両の電池寿命が実質的に長くなり、電池の保守周期を長くすることができる。本発明の方法または装置は、これを実施するために運転者が高圧回路に直接触れる必要がなく安全に実施することができる。

本発明の第一実施例装置回路構成図。 本発明の第二実施例装置回路構成図。 本発明を実施したハイブリッド自動車の全体回路構成図。

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 電池ユニット
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 開閉リレー
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 開閉リレー
４ 端子
５ 端子
６ 制御回路
７ キースイッチ
８ 低圧電池
１０ 直流電源装置
１１ 逆流防止ダイオード
１２ 逆流防止ダイオード
１３ リレー回路
１４ 起動スイッチ
１５ タイマリレー
１６ リレー
１７ スイッチ
２０ 本発明の直流電源制御回路
２１ インバータ
２２ インバータ制御回路
２３ プログラム制御回路
２４ インターフエイス回路
２５ 回転センサ
２６ 検出器
２７ 車速センサ
２８ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２９ 検出回路
１００ 内燃機関
２００ 電動発電機
３００ クラッチ
４００ 変速機

Claims (4)

1. 車両の運行休止中に、その車両に搭載された定格電圧が等しい複数の電池ユニットをその車両に搭載した状態で、かつ実質的に負荷に対する充放電電流のない状態で、適当な長い時間にわたり電気的に並列に接続することによりその複数の高圧電池ユニットの充電状態（ＳＯＣ）を均一化させるハイブリッド自動車用電池の保守方法。
2. 充放電可能な同一規格の単位セルが複数ｎ個直列接続されその両端にそれぞれ開閉リレーの接点が接続された電池ユニットを複数ｍ個備え、
   この複数ｍ個の電池ユニットを前記開閉リレーの接点を介して並列または直列に接続して構成された直流電源装置と、前記開閉リレーの駆動巻線にそれぞれ制御にしたがって駆動電流を供給する制御回路とを備えたハイブリッド自動車において、
   その車両の運行休止中に前記直流電源装置の端子が実質的に車両の電気回路から切り離された状態で、前記開閉リレーの駆動巻線に駆動電流を供給して前記ｍ個の電池ユニットを並列に接続する回路手段を設けたことを特徴とするハイブリッド自動車。
3. 前記複数ｍ個の電池ユニットがさらに複数ｐ個（例、２個、３個）直列に接続され、前記制御回路はその直列に接続された複数ｐ個の電池ユニットの開閉リレーの駆動巻線にもそれぞれ駆動電流を供給して複数ｍ×ｐ個の電池をそれぞれｍ個毎に並列に接続する手段を設けた請求項２記載のハイブリッド自動車。
4. 前記並列に接続する手段を自動的に解除するタイマ回路を設けた請求項２または３記載のハイブリッド自動車。

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