JP2017075784A

JP2017075784A - プラグイン車両用バッテリの管理システム

Info

Publication number: JP2017075784A
Application number: JP2015201781A
Authority: JP
Inventors: 純太泉; Junta Izumi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: JP6451585B2

Abstract

【課題】バッテリの分極が解消される前であっても精度良く分極解消時の開路電圧を求めることを可能とする。【解決手段】演算部４０は、負荷との接続時にバッテリ１４に流れる電流に応じてバッテリ１４に生じる分極電圧ΔＶを求め、負荷との接続切断時点ｔ２における分極電圧ΔＶ（ｔ２）と、接続切断時点ｔ２から充電開始時点ｔ３までの経過時間ｔintに応じた忘却係数ｋとから、充電開始時点ｔ３におけるバッテリ１４の分極電圧ΔＶ（ｔ３）を求める。求められた分極電圧ΔＶ（ｔ３）と充電開始時点ｔ３におけるバッテリ１４の両端電圧ＯＣＶ（ｔ３）に基づいて、充電開始時点ｔ３におけるバッテリ１４の分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ３）を求めることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、プラグイン車両用バッテリの管理システムに関し、特に、バッテリのＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）を求める管理システムに関する。

駆動源として回転電機を備える電気自動車やハイブリッド車両には、バッテリ（直流電源）が搭載される。外部の充電源からバッテリの充電が可能ないわゆるプラグイン車両では、充電に際してバッテリの満充電容量ＦＣＣ（ＦｕｌｌＣｈａｒｇｅＣａｐａｃｉｔｙ）［Ａｈ］が算出される。満充電容量ＦＣＣは、充電前と充電後のバッテリのＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）［％］を用いて求められる。

ＳＯＣの取得に当たり、例えば特許文献１では、ＳＯＣとバッテリの開路電圧ＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）［Ｖ］との対応関係を利用している。開路電圧ＯＣＶとは、負荷とバッテリとの接続が切断され、バッテリに電流が流れていない状態のバッテリの両端電圧を指している。ＳＯＣと開路電圧ＯＣＶとは対応関係（例えば直線相関）にあることが知られており、予め両者の対応関係をマップ（ＳＯＣ−ＯＣＶマップ）等に記憶しておくことで、充電前後の開路電圧ＯＣＶに応じたＳＯＣを求めることができる。

特開２０１３−１０１０７２号公報

ところで、一般的にＳＯＣ−ＯＣＶマップでは、開路電圧ＯＣＶとしてバッテリの分極が解消された時点（平衡時点）における電圧値が記憶されている。すなわち、バッテリを負荷に接続してバッテリに電流が流れると、バッテリ内の反応物質の移動や活性化エネルギー等によって損失が生じてバッテリの両端電圧が降下する分極が生じる。ＳＯＣ−ＯＣＶマップには、分極が解消された（電圧降下が解消された）平衡時点における開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（＝平衡電位Ｅｅｑ）が記憶されている。この意味で、バッテリを負荷から切り離した（バッテリに電流が流れなくなった）ときのバッテリ両端電圧（広義の開路電圧）のうち、平衡時点における開路電圧ＯＣＶ＿Ｅを、開路電圧ＯＣＶ（狭義の開路電圧）と呼ぶこともある。以下では、開路電圧の定義として、便宜上、前者の定義（広義の開路電圧）を用いる。

分極は、負荷の接続が切断されても（バッテリに電流が流れない状態となっても）直ちに解消されるものではなく、平衡状態に至るまでにはある程度時間が掛かることが知られている。したがって負荷との接続を切断した直後に開路電圧ＯＣＶを測定しても、その値は分極電圧ΔＶ分、分極解消時の開路電圧ＯＣＶ＿Ｅよりも低い値となる。分極解消時の開路電圧ＯＣＶ＿Ｅよりも低い値がＳＯＣ−ＯＣＶマップにプロットされることで、実際の値とは異なるＳＯＣが抽出されてしまう。

分極解消時の開路電圧ＯＣＶ＿Ｅを求めるために、負荷との接続切断後、所定の待ち時間（例えば３０分）経過後に開路電圧ＯＣＶを測定することが考えられる。しかしながら、例えばプラグイン車両の場合、上述のような待ち時間を設けると、ユーザの利便性の観点から問題が生じる。例えば、充電スタンドまで車両を走らせた直後にユーザが充電プラグを車両の充電インレットに差し込み、このときに充電が開始されないと、ユーザは充電システムが故障したものと誤って認識するおそれがある。そこで本発明は、バッテリの分極が解消される前であっても精度良くバッテリの分極解消時の開路電圧を求めることの可能な、プラグイン車両用バッテリの管理システムを提供することを目的とする。

本発明は、バッテリに流れる電流を検出する電流センサと、演算部と、を備えるプラグイン車両用バッテリの管理システムに関する。演算部は、負荷との接続時に前記バッテリに流れる電流に応じて前記バッテリに生じる分極電圧を求める。また、負荷との接続切断時点における分極電圧と、前記接続切断時点から充電開始時点までの経過時間に応じた忘却係数とから、前記充電開始時点における前記バッテリの分極電圧を求める。

本発明では、充電開始時点におけるバッテリの分極電圧を求める。求められた分極電圧と充電開始時点におけるバッテリの両端電圧に基づけば、充電開始時点における、分極解消時の開路電圧を求めることができる。このように、本発明によれば、バッテリの分極が解消される前であっても精度良く分極解消時の開路電圧を求めることができる。

本実施形態に係るバッテリの管理システムを含む、プラグイン車両の構成を例示する図である。バッテリの電圧変化を説明する図である。バッテリに生じた分極電圧の計算値と実測値とを対比させたグラフである。忘却係数について説明するグラフである。

＜全体構成＞
図１には、本実施形態に係るバッテリの管理システムを含む、プラグイン車両１０の電気系統が示されている。後述するように、本実施形態に係るバッテリの管理システムは、電圧センサ３４、電流センサ３６、温度センサ３０、及び演算部４０を含んで構成される。なお、本実施形態に関連のない（または少ない）機器については図示を省略している。また、図１中の一点鎖線は信号線を表している。

プラグイン車両１０は、駆動源として回転電機１２を備える電気自動車やプラグインハイブリッド車両である。回転電機１２の電源となるバッテリ１４は、システムメインリレー１６を介して回転電機１２に接続される。バッテリ１４は、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池である。

システムメインリレー１６が接続状態（オン）になると、バッテリ１４の直流電力は昇降圧コンバータ１８によって昇圧され、さらにインバータ２０によって直交変換される。変換後の交流電力が供給されることで回転電機１２が駆動する。この駆動力は図示しない車輪に伝達される。

バッテリ１４とシステムメインリレー１６の間には電力の分岐路２１（充電路）が設けられる。この分岐路２１及び充電リレー２２を介して、バッテリ１４とコネクタ２６（インレット）とが接続される。

外部のＡＣ電源２７（例えば、商用電源）のコネクタ２８（充電プラグ）がコネクタ２６（インレット）に接続され、充電リレー２２が接続状態（オン）になると、ＡＣ電源２７の交流電力は充電器２４によって力率改善、昇圧及び交直変換される。変換後の直流電力がバッテリ１４に供給される。なお、充電器２４やコネクタ２６の他に、外部のＤＣ電源と接続可能なコネクタを追加してもよい。

また、バッテリ１４に関する計器類として、プラグイン車両１０にはバッテリ１４の温度を検出する温度センサ３０が取り付けられている。さらに、バッテリ１４に接続されたバスバー３２ａ，３２ｂの間には、バッテリ１４の両端電圧を検出する電圧センサ３４が接続されている。また、バッテリ１４とシステムメインリレー１６との間のプラス側バスバー３２ａにはバッテリ１４に流れる充放電電流Ｉを検出する電流センサ３６が取り付けられている。

制御部３８は、演算処理や信号処理を行う演算部４０とメモリ４２とを内部に備えるコンピュータである。メモリ４２には後述するＳＯＣ‐ＯＣＶマップや満充電容量算出プログラムが記憶されている。

制御部３８には、温度センサ３０からバッテリ温度値が、電圧センサ３４からバッテリ１４の両端電圧値が、電流センサ３６からバッテリ１４の充放電電流値が、それぞれ送信される。また制御部３８には、イグニッションスイッチ４１から、車両システムの起動指令やシャットダウン指令が送信される。さらに制御部３８には、コネクタ２６（インレット）または充電器２４から、コネクタ２８（充電プラグ）の接続有無を示す信号が送信される。演算部４０は、メモリ４２に記憶された満充電容量算出のためのプログラムを起動させて、制御部３８が受信した各種信号を演算処理する。このような構成において、本実施形態に係るバッテリの管理システムは、電圧センサ３４、電流センサ３６、温度センサ３０、及び演算部４０を含んで構成される。

＜満充電容量の算出＞
満充電容量ＦＣＣ［Ａｈ］は、バッテリ１４の充電開始時点のＳＯＣ_C0［％］、充電終了時点のＳＯＣ_C1、及びその間の電流積算値Ｉ_itg［Ａｈ］を用いて、下記数式（１）により求められる。

上記数式（１）のうち、電流積算値Ｉ_itgは電流センサ３６が検出する電流Ｉの値を積算することで取得できる。充電前後のＳＯＣ_C0、ＳＯＣ_C1については、メモリ４２に記憶されたＳＯＣ‐ＯＣＶマップを用いて取得する。上述したように、ＳＯＣと、分極解消時（平衡時）のバッテリ開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（以下分極解消時開路電圧と呼ぶ）とは対応関係があることが知られている。演算部４０は、充電前と充電後に、下記のように分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅを算出した後、ＳＯＣ−ＯＣＶマップを参照して分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅに対応するＳＯＣ（ＳＯＣ_C0及びＳＯＣ_C1）を取得する。

分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅの算出について、図２を用いて説明する。図２には、プラグイン車両の走行や充電に伴うバッテリ１４の電圧変化が時系列に例示されている。まず時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間はイグニッションスイッチ４１が押されておらず、システムメインリレー１６は切断（オフ）状態になっている。また充電リレー２２も切断状態となっている。このとき、バッテリ１４は負荷やＡＣ電源２７に接続されておらず、電流Ｉが流れない状態となっている。またバッテリ１４の分極は解消されており、このときのバッテリ１４の両端電圧（開路電圧）は分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅに等しい。

時刻ｔ１になりイグニッションスイッチ４１が押されＯＮ操作されると、制御部３８はシステムメインリレー１６を切断状態から接続（オン）状態に切り替える。このとき、バッテリ１４と回転電機１２等の負荷が接続され、バッテリ１４から回転電機１２に電流Ｉが供給される。電流供給に伴ってバッテリ１４内では分極が生じて両端電圧は分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅよりも低減する。このとき、演算部４０は下記数式（２）（３）を用いて負荷接続時の分極電圧ΔＶ_run（ｎ）を求める。

数式（２）中、Ｉ_itg（ｎ）は時刻ｎにおける電流積算値を表し、Ｉ（ｎ）は時刻ｎにおけるバッテリ１４の充放電電流値（瞬時値）を表す。また、充放電電流値Ｉ（ｎ）について、本実施形態では放電電流は正、充電電流は負の値を取る。また、カウンタｎのインクリメントのインターバルは、例えば０．１［ｓｅｃ］である。

数式（２）では、時刻ｎにおいて分極電圧ΔＶ_runを引き起こす電流積算値を求めている。右辺第１項は時刻ｎ−１における電流積算値Ｉ_itg（ｎ−１）に時間経過分の忘却係数（重み係数）０．９を掛けたものである。また、初期値Ｉ_itg（０）はイグニッション−オン時の電流値を表し、例えば０［Ａ］である。

初期値Ｉ_itg（０）＝０であり、放電電流が正の値を取る事から、例えばＩ（１）＝ａ（＞０）であるとすると、Ｉ_itg（１）＝０−ａとなり、Ｉ_itg（１）は負の値を取る。以降、車両の駆動時は力行（放電）が回生（充電）を上回るから、電流積算値Ｉ_itg（ｎ）はおおむね負の値を取る。

数式（３）では、時刻ｎにおける電流積算値に内部抵抗を示す係数０．００１を掛けて時刻ｎにおける分極電圧ΔＶ_run（ｎ）を求めている。上述したように、車両の駆動時は電流積算値Ｉ_itg（ｎ）はおおむね負の値を取るので、分極電圧ΔＶ_run（ｎ）もおおむね負の値となる。

図３には、実測による分極電圧ΔＶ_run（ｎ）（ＣＣＶ−ＯＣＶ差）と、数式（２），（３）によって求めたΔＶ_run（ｎ）とを比較したグラフが示されている。横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。実測値は閉路電圧ＣＣＶ（ＣｌｏｓｅｄＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）、つまり負荷接続時（電流通流時）のバッテリ１４の両端電圧から分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅを引いた差分値をプロットしている。この図に示されているように、実測値と数式（２），（３）による計算値とがよい一致を示していることが理解される。

図２に戻り、時刻ｔ２になりイグニッションスイッチ４１が再び押されＯＦＦ操作されると、制御部３８はシステムメインリレー１６を接続状態から切断状態に切り替える。上述したように、分極の解消には時間がかかるため、バッテリ１４と回転電機１２の接続が切断された時刻ｔ２（接続切断時点）以降も分極電圧ΔＶが残存する。

さらに時刻ｔ３にてコネクタ２８（充電プラグ）がコネクタ２６（インレット）に差し込まれると、制御部３８は充電リレー２２を切断状態から接続状態に切り替える前に、バッテリ１４の分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅを算出するように演算部４０に指示する。

メモリ４２には、システムメインリレー１６が接続状態から切断状態に切り替わる時刻（接続切断時点）ｔ２における分極電圧ΔＶ_run（ｎ）が記憶されている。また、図示しないタイマにより接続切断時点である時刻ｔ２から充電開始時点である時刻ｔ３までの経過時間Ｔ_intが計測される。

演算部４０は、図４に示すような忘却係数グラフから、経過時間及びバッテリ１４の温度に応じた忘却係数を抽出する。忘却係数グラフは、分極電圧ΔＶの解消過程を表すものであり、横軸に経過時間の平方根が示され、縦軸に忘却係数ｋ（０≦ｋ≦１）が示されている。時間が経過するほど分極が解消されていくので、時間経過に伴って忘却係数は小さい値を取るようになる。

また、バッテリ１４の温度が高いほど分極の解消が進むことが知られており、忘却係数グラフでは、温度別に忘却係数ラインを設けている。図４に示す例では、アレニウスの定理より１０℃上昇すると反応速度は２倍になることから、０℃の忘却係数ラインに対して１０℃の忘却係数ラインの傾きを１／２とし、１０℃の忘却係数ラインに対して２０℃の忘却係数ラインの傾きを１／２としている。このような忘却係数グラフは実測やシミュレーション等によって予め作成され、メモリ４２に記憶されている。

演算部４０は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの経過時間ｔ_int（＝ｔ３−ｔ２）と、時刻ｔ３におけるバッテリ１４の温度Ｔｂに対応する忘却係数ｋ（ｔ_int，Ｔｂ）を、忘却係数グラフから抽出する。さらに演算部４０は、下記数式（４）に基づいて、時刻ｔ３における分極電圧ΔＶ（ｔ３）を算出する。

さらに演算部４０は、電圧センサ３４からバッテリ１４の両端電圧（開路電圧）ＯＣＶ（ｔ３）を取得して、下記数式（５）に基づいて、時刻ｔ３、つまり充電開始時点におけるバッテリ１４の分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ３）を算出する。

数式（５）の右辺第２項のΔＶ（ｔ）は、数式（２）の構成上、放電時には負の値を取る。したがって数式（５）では、実質的にバッテリ１４の両端電圧（開路電圧）ＯＣＶ（ｔ３）に分極電圧ΔＶ（ｔ３）を足し合わせることになる。

演算部４０は時刻ｔ３における分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ３）を求めた後、メモリ４２に記憶されているＳＯＣ−ＯＣＶマップを参照して、分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ３）に対応するＳＯＣ（ｔ３）を抽出する。

制御部３８は、演算部４０によるＳＯＣ（ｔ３）の抽出が完了したことを受けて、充電リレー２２を切断状態から接続状態に切り替える。これによりＡＣ電源２７からバッテリ１４に電力が供給される。

演算部４０は、電流センサ３６から送られる充電電流値及び数式（２）を用いて、充電中の電流積算値Ｉ_itg（ｎ）を求める。さらに数式（３）に基づいて分極電圧ΔＶ_runを求める。

時刻ｔ４になり、充電が完了すると、制御部３８は充電リレー２２を接続状態から切断状態に切り替える。演算部は、数式（４），（５）に基づいて時刻ｔ４つまり充電終了時点における分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ４）を求めた後、メモリ４２に記憶されているＳＯＣ−ＯＣＶマップを参照して、分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ４）に対応するＳＯＣ（ｔ４）を抽出する。

さらに演算部４０は、充電前後のＳＯＣ（ｔ３），ＳＯＣ（ｔ４）と、時刻ｔ３からｔ４までの電流積算値を数式（１）に代入して、バッテリ１４の満充電容量ＦＣＣを求める。

なお、上述した実施形態では、充電終了時点の分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ４）を、数式（４），（５）に基づいて求めていたが、この形態に限らない。例えば分極が解消されるような所定の待ち時間（例えば３０分）後にバッテリ１４の両端電圧を測定し、これを分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ４）としてもよい。例えば一日の終わりにプラグイン充電を行って翌日までコネクタ２６，２８を接続したままにするような場合に、ユーザは充電の開始を確認してそれ以降は翌日まで充電状態を確認しないことが多い。このような場合に、待ち時間経過後に充電終了時点の分極解消時開路電圧ＯＣＶ＿Ｅ（ｔ４）を測定するようにしても、ユーザの利便性には大きな影響を与えない。

１０プラグイン車両、１２回転電機、１４バッテリ、１６システムメインリレー、２２充電リレー、２４充電器、２６コネクタ（インレット）、２７ＡＣ電源、２８コネクタ（充電プラグ）、３０温度センサ、３４電圧センサ、３６電流センサ、３８制御部、４０演算部、４１イグニッションスイッチ、４２メモリ。

Claims

バッテリに流れる電流を検出する電流センサと、
負荷との接続時に前記バッテリに流れる電流に応じて前記バッテリに生じる分極電圧を求め、負荷との接続切断時点における分極電圧と、前記接続切断時点から充電開始時点までの経過時間に応じた忘却係数とから、前記充電開始時点における前記バッテリの分極電圧を求める演算部と、
を備えたことを特徴とする、プラグイン車両用バッテリの管理システム。