JP2019170010A - ハイブリッド車 - Google Patents
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Abstract
【課題】ニッケル水素電池のメモリ効果が前提条件外のSOCで発生することを抑制する。【解決手段】内燃機関とニッケル水素電池とを備えるハイブリッド車の制御装置が、内燃機関から出力される動力を利用して発電を行なってニッケル水素電池を充電し、その充電中にニッケル水素電池のSOCが充電停止SOCになった場合に充電を停止させるように構成される。ニッケル水素電池のSOCが対象SOC領域(たとえば、高SOC領域)内となる頻度が境界値よりも低い場合には、充電停止SOCが対象SOC領域内にあり、対象SOC領域の頻度が境界値よりも高い場合には、制御装置によって充電停止SOCが対象SOC領域外のSOCに変更される(ステップS34)。【選択図】図7
Description
本開示は、ハイブリッド車に関し、より特定的には、ハイブリッド車に搭載されたニッケル水素電池の充電制御を行なう技術に関する。
ハイブリッド車は、内燃機関から出力される動力と、バッテリに蓄えられた電力を受けるモータから出力される動力との両方を用いて、走行可能に構成される。ハイブリッド車の走行停止中(たとえば、駐車中)においても、車室内の暖房や触媒(たとえば、排気浄化用の触媒)の活性化などを目的として、内燃機関を動かす場合がある。特開2010−36788号公報(特許文献1)には、車室内の暖房時に駆動される内燃機関から出力される動力を利用して発電を行なってバッテリを充電する技術が開示されている。以下、内燃機関から出力される動力を利用した発電を、「エンジン発電」と称する場合がある。また、エンジン発電により発電された電力を、「エンジン発電電力」と称する場合がある。
ハイブリッド車に搭載されるバッテリとしてニッケル水素電池が知られている。そして、ニッケル水素電池においてはメモリ効果が生じることが知られている。メモリ効果とは、ニッケル水素電池に蓄えられた電力が完全に消費されていない状態での充電(いわゆる継ぎ足し充電)が繰り返された場合に、ニッケル水素電池の放電電圧が初期状態(すなわち、メモリ効果が生じていないとき)と比べて低くなる現象である。メモリ効果はニッケル水素電池の充電側においても生じる可能性があり、充電側においては充電電圧が初期状態と比べて高くなる。
エンジン発電電力でニッケル水素電池(バッテリ)が充電される場合、充電の停止条件がSOC(State Of Charge)によって定められることがある。たとえば、ニッケル水素電池のSOCが所定SOC(以下、「充電停止SOC」と称する)になるまで充電が行なわれることが考えられる。ハイブリッド車の走行停止中又は低負荷走行時においては、ハイブリッド車の走行にニッケル水素電池の電力がほとんど使用されないため、ニッケル水素電池に大きな電力消費は発生しない。このため、ハイブリッド車の走行停止中又は低負荷走行時に上記のような充電制御が実行され、エンジン発電電力によってニッケル水素電池がいったん充電停止SOCまで充電されると、その後は、ニッケル水素電池の電力が主に補機負荷(照明装置やオーディオ装置等)によって消費され、その消費した分だけエンジン発電電力によってニッケル水素電池が充電されるようになる。すなわち、充電停止SOCで充電が停止した後、ハイブリッド車の高負荷走行を開始するまでは、充電停止SOC付近でニッケル水素電池の充放電が繰り返されることになる。充電停止SOCが同じ値で維持されると、同じSOCでニッケル水素電池の充放電が繰り返し実行されることになる。
同じSOCでニッケル水素電池の充放電が繰り返し実行されると、そのSOCでニッケル水素電池にメモリ効果が生じやすくなる。以下、メモリ効果が発生したSOCを、「SOCm」と称する場合がある。SOCmでメモリ効果が生じているニッケル水素電池では、SOCとOCV(Open Circuit Voltage)との関係を示すグラフ(以下、「SOC−OCVカーブ」と称する場合がある)において、SOCmよりも低いSOC領域のOCVが初期状態よりも低くなり、SOCmよりも高いSOC領域のOCVが初期状態よりも高くなる。所定のSOC−OCVカーブを示すマップを用いてニッケル水素電池のOCVからSOCを推定する場合には、メモリ効果の発生により、実際のSOC−OCVカーブとマップで示されるSOC−OCVカーブとの間に乖離が生じ、SOCの推定精度が低下することがある。
SOCの推定精度を高めるためには、所定のSOC(以下、「補正基準SOC」と称する)でニッケル水素電池にメモリ効果が生じること(すなわち、補正基準SOCがSOCmに一致すること)を前提に、補正基準SOCを基準にして上記のマップを補正することも考えられる。しかし、このような補正を行なったとしても、前提条件外のSOCmでニッケル水素電池にメモリ効果が生じた場合には、実際のSOC−OCVカーブと補正後のマップで示されるSOC−OCVカーブとの間に乖離が生じてしまう。このため、SOCmによっては、上記補正が有効ではなくなることがある。
また、ニッケル水素電池においてメモリ効果が生じると、SOCmよりも高いSOC領域のOCVが上昇するため、SOCmによっては、電池ケース内でガスが発生しやすくなることがある。たとえば、ニッケル水素電池の過充電時には、副反応が起きて正極から酸素ガスが発生する。電池ケース内でガスが発生すると、電池内圧が上昇し、電池を使用できるSOC領域(電池使用域)が狭くなる傾向がある。
本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ニッケル水素電池のメモリ効果が前提条件外のSOCで発生することを抑制することである。
本開示のハイブリッド車は、内燃機関とニッケル水素電池と制御装置とを備える。制御装置は、内燃機関から出力される動力を利用して発電を行なってニッケル水素電池を充電し、その充電中にニッケル水素電池のSOCが充電停止SOCになった場合に充電を停止させるように構成される。ニッケル水素電池のSOCが所定SOC領域(以下、「対象SOC領域」と称する)内となる頻度(以下、「対象SOC頻度」と称する)が所定値(以下、「境界値」と称する)よりも低い場合には、充電停止SOCは対象SOC領域内にあり、対象SOC頻度が境界値よりも高い場合には、上記の制御装置によって充電停止SOCが対象SOC領域外のSOCに変更されるように構成される。
たとえば、周期的にSOC領域毎の度数(頻度)をカウント(積算)することによって、SOC領域毎の頻度が得られる。対象SOC頻度は、たとえばニッケル水素電池のSOC頻度分布から取得できる。典型的なSOC頻度分布では、横軸に、SOCの大きさに応じて複数の区間(すなわち、SOC領域)が設けられ、縦軸が、横軸に設けられたSOC領域(SOCの数値範囲)毎の頻度を示す。SOC頻度分布の横軸に設けられた複数のSOC領域のうち対象SOC領域の頻度が、対象SOC頻度に相当する。
なお、ニッケル水素電池のSOCは、1つのニッケル水素電池(単電池)のSOCであってもよいし、複数のニッケル水素電池を含む電池モジュールのSOCであってもよい。SOCは、蓄電残量を示し、たとえば、満充電状態の蓄電量に対する現在の蓄電量の割合を0〜100%で表わしたものである。
上記の制御装置では、エンジン発電電力でニッケル水素電池を充電し、その充電中にニッケル水素電池のSOCが充電停止SOCになった場合には充電を停止させる。このため、ハイブリッド車の走行停止中又は低負荷走行時においては、充電停止SOC付近でニッケル水素電池の充放電が繰り返し実行されることになる。対象SOC頻度が境界値よりも低い場合には、充電停止SOCが対象SOC領域内にあるため、充電停止SOC付近でニッケル水素電池の充放電が繰り返し実行されると、対象SOC頻度が高くなる。
上記の制御装置は、対象SOC頻度が境界値よりも高くなった場合に、充電停止SOCを対象SOC領域外のSOCに変更する。これにより、対象SOC領域外でニッケル水素電池の充放電が繰り返し実行されるようになり、対象SOC領域でのメモリ効果の発生が抑制される。
上記の制御装置では、対象SOC領域でのメモリ効果の発生を抑制することができる。すなわち、メモリ効果を発生させたくないSOC領域を対象SOC領域として設定することが好ましい。対象SOC領域の数は1つに限られず任意であり、複数の対象SOC領域を設定してもよい。対象SOC領域毎に異なる境界値を設けてもよい。
対象SOC領域でのメモリ効果の発生が抑制されることで、対象SOC領域外のSOC領域でメモリ効果が発生する可能性が相対的に高くなる。このことを利用して、SOCmを、対象SOC領域外のSOC領域(以下、「目標SOCm領域」と称する場合がある)内に制御することができる。より具体的には、対象SOC頻度が境界値よりも高くなった場合に、目標SOCm領域内のSOCに充電停止SOCが変更されることによって、目標SOCm領域内のSOCでメモリ効果が発生する可能性が高くなる。
ニッケル水素電池の対象SOC頻度が境界値よりも高いか低いかの判断は、所定周期で行なってもよいし、所定のメモリ効果発生条件が成立する場合にのみ行なってもよい。
上記のメモリ効果発生条件は、ニッケル水素電池におけるメモリ効果が飽和しておらず、さらなるメモリ効果の発生によってニッケル水素電池のSOC−OCVカーブが変化し得る場合に成立するように設定される。上記のメモリ効果発生条件は、ニッケル水素電池の使用履歴等によって定めることができる。メモリ効果発生条件は、たとえば、走行距離計により計測されるハイブリッド車の積算走行距離が所定値以内であるとき、及び/又はタイマーにより計測される経過時間(たとえば、ニッケル水素電池の使用時間)が所定値以内であるときに成立するようにしてもよい。
上記のハイブリッド車は、内燃機関を熱源として車内(たとえば、車室内)の暖房を行なう暖房装置を備えていてもよい。そして、上記の制御装置は、暖房を実行するとともに、その暖房の実行中に内燃機関から出力される動力を利用して発電を行なってニッケル水素電池を充電し、その充電中にニッケル水素電池のSOCが充電停止SOCになった場合に充電を停止させるように構成されてもよい。
対象SOC領域として、SOC65%〜100%の範囲内で定められたSOC領域(以下、「高SOC領域」と称する場合がある)を採用してもよい。そして、対象SOC頻度が境界値よりも高い場合には、上記の制御装置によって充電停止SOCが対象SOC領域(高SOC領域)よりも低いSOCに変更されるようにしてもよい。
なお、「SOC65%〜100%の範囲内で定められた」とは、SOC領域を規定する上限SOC及び下限SOCのいずれもが65%〜100%の範囲内に入っていることを意味する。すなわち、65%以上80%以下のSOC領域は、高SOC領域に該当する。他方、30%以上65%以下のSOC領域は、高SOC領域に該当しない。
上記構成によれば、対象SOC頻度が境界値よりも低い状況においては、暖房時などに発生するエンジン発電電力でニッケル水素電池が高いSOC(SOC65%〜100%の範囲に含まれる充電停止SOC)まで充電されることによって、エネルギー効率を向上させることができる。しかし、ハイブリッド車の走行停止中又は低負荷走行時には充電停止SOC付近でニッケル水素電池の充放電が行なわれるため、上記のような充電停止SOCを採用すると、高SOC領域の頻度が高くなりやすい。そこで、上記ハイブリッド車の制御装置では、高SOC領域の頻度が高くなった場合には充電停止SOCを低くして充電を高いSOCまで行なわないようにしている。こうすることで、高SOC領域でニッケル水素電池が繰り返し充放電されることを避けることができる。そして、高SOC領域でのメモリ効果の発生(ひいては、充電電圧の上昇)を抑制することができる。
本開示によれば、ニッケル水素電池のメモリ効果が前提条件外のSOCで発生することを抑制することが可能になる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、この実施の形態に係る制御装置が搭載された車両1の全体構成を概略的に示すブロック図である。
図1を参照して、車両1は、モータジェネレータ(以下、「MG(Motor Generator)」と称する)11,12と、エンジン20と、駆動輪30と、動力分割装置31と、駆動軸32と、電力制御ユニット(以下、「PCU(Power Control Unit)」と称する)40と、システムメインリレー(以下、「SMR(System Main Relay)」と称する)50と、電池システム2と、暖房装置3とを備える。
電池システム2は、バッテリ100と、電圧センサ210と、電流センサ220と、温度センサ230と、電子制御ユニット(以下、「ECU(Electronic Control Unit)」と称する)300とを備える。ECU300は、本開示に係る「制御装置」の一例に相当する。
暖房装置3は、エンジン20を熱源として車室500内(乗員が搭乗する車両1内の空間)の暖房を行なうように構成される。暖房装置3は、熱交換器401と送風装置402と切替装置403とを備える。
車両1は、エンジン20から出力される動力と、バッテリ100に蓄えられた電力との両方を用いて走行可能に構成されるハイブリッド車である。
バッテリ100は、再充電が可能に構成された直流電源である。バッテリ100は、複数の二次電池から構成される組電池を含んで構成される。この実施の形態では、バッテリ100に含まれる組電池が、直列に接続された複数のニッケル水素電池から構成される。ニッケル水素電池は、ケース内に、正極と、負極と、水系電解液(たとえば、アルカリ水溶液)とを有する二次電池である。以下、組電池を構成する二次電池(この実施の形態では、ニッケル水素電池)を「セル」と称する。
図2は、バッテリ100に含まれるセル101の構成を示す図である。各セル101の構成は共通であるため、図2では1つのセル101のみを代表的に示す。なお、図2ではセル101のケース102の一部を透視して電極体104を示す。
図2を参照して、セル101は、たとえば金属製のケース102を備える角形密閉式のセルである。ケース102内には、ニッケル水素電池を構成する電極体104及び電解液(図示せず)が収容されている。ケース102の上部にはガス放出弁103が設けられている。
ケース102は、いずれも金属からなるケース本体及び蓋体を含む角形ケースであり、蓋体がケース本体の開口部上で全周溶接されることにより密閉される。ガス放出弁103は、ケース102内の圧力(セル内圧)が所定の開弁圧を超えると開弁されて、ケース102内のガス(酸素ガス等)の一部を外部に排出する。
電極体104は、正極板と、負極板と、絶縁性のセパレータとを含む。正極板と負極板とはセパレータを介して交互に積層されている。すなわち、正極板と負極板との間には絶縁性のセパレータが挟まれる。正極板及び負極板は、図示しない正極端子及び負極端子にそれぞれ電気的に接続される。
ニッケル水素電池を構成する電極体104及び電解液の材料としては、ニッケル水素電池の材料として公知の各種材料の中から任意に選択した材料を用いることができる。この実施の形態においては、正極板には、水酸化ニッケル(Ni(OH)2又はNiOOH)とコバルト化合物との固溶体を含む正極活物質層と、活物質支持体(発泡ニッケル等)とを含む電極板が用いられる。正極板は、高次Na処理が施されていてもよい。負極板には、水素吸蔵合金を含む電極板が用いられる。水素吸蔵合金は、たとえば、水素吸蔵能力に優れる金属(Ti、Zr、Pd、Mg等)と水素放出能力に優れる金属(Fe、Co、Ni等)との合金である。セパレータには、親水化処理された合成繊維からなる不織布が用いられる。電解液には、水酸化カリウム(KOH)又は水酸化ナトリウム(NaOH)を含むアルカリ水溶液が用いられる。
再び図1を参照して、PCU40は、ECU300からの制御信号に従って、バッテリ100とMG11,12との間で双方向の電力変換を実行する。PCU40は、MG11,12の状態をそれぞれ別々に制御可能に構成されており、たとえば、MG11を回生(発電)状態にしつつ、MG12を力行状態にすることができる。PCU40は、たとえば、MG11,12に対応して設けられる2つのインバータと、各インバータに供給される直流電圧をバッテリ100の出力電圧以上に昇圧するコンバータとを含んで構成される。
MG11,12は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。MG11は、主として、動力分割装置31を経由してエンジン20により駆動される発電機として用いられる。MG11が発電した電力は、PCU40を介してMG12又はバッテリ100に供給される。
MG12は、主として電動機として動作し、駆動輪30を駆動する。MG12は、バッテリ100からの電力及びMG11の発電電力の少なくとも一方を受けて駆動され、MG12の駆動力は駆動軸32に伝達される。一方、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、MG12は、発電機として動作して回生発電を行なう。MG12が発電した電力は、PCU40を介してバッテリ100に供給される。
SMR50は、バッテリ100とPCU40とを結ぶ電流経路に電気的に接続されている。SMR50がECU300からの制御信号に応じて閉成されている場合、バッテリ100とPCU40との間で電力の授受が行なわれ得る。
電圧センサ210は、バッテリ100の電圧(端子間電圧)を検出する。電流センサ220は、バッテリ100に入出力される電流IBを検出する。充電時の電流IBは正の数で表され、放電時の電流IBは負の数で表される。温度センサ230は、バッテリ100の温度を検出する。各センサは、その検出結果をECU300に出力する。
エンジン20は、空気と燃料との混合気を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギーをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギーに変換することによって動力を出力する内燃機関である。動力分割装置31は、たとえば、サンギヤ、キャリア、リングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車機構を含む。動力分割装置31は、エンジン20から出力される動力を、MG11を駆動する動力と、駆動輪30を駆動する動力とに分割する。
また、エンジン20の冷却系(図示せず)は、エンジン20の周囲を冷却水が循環することによってエンジン20が冷却されるように構成される。エンジン20の冷却水の温度はエンジン20の温度に応じて変化する。水温センサ410は、エンジン20の冷却水の温度(冷却水温TW)を検出して、その検出結果をECU300に出力する。
熱交換器401は、エンジン20の冷却系に取り付けられ、切替装置403から入力された空気とエンジン20の冷却水との間で熱交換が行なわれるように構成される。送風装置402は、熱交換器401から出力された空気を車室500内へ送風するように構成される。送風装置402としては、たとえばファン又はブロワを採用できる。切替装置403は、外気(車外の空気)と車室500内の空気とのいずれを熱交換器401へ送るかを切り替えるように構成される。外気温センサ420は、外気の温度(外気温TA1)を検出する。また、車室内センサ430は、車室500内の温度(室内温度TA2)を検出する。各センサは、その検出結果をECU300に出力する。送風装置402及び切替装置403は、ECU300からの制御信号に従って動作する。
エンジン20で生じる燃焼エネルギーは、運動エネルギーだけなく熱エネルギーにも変換される。暖房装置3は、この熱エネルギーを利用して車室500内の暖房を行なう。より具体的には、外気温が低い状況(たとえば、冬季)において、エンジン20が停止されると、エンジン20の温度(ひいては、冷却水温TW)が低下する。このような場合にユーザから暖房の実行要求があると、ECU300はエンジン20を動かして、冷却水温TWを暖房に適した温度(たとえば、50℃〜60℃)まで上昇させる。エンジン20を動かすと、燃焼によりエンジン20が高温になり、冷却水温TWが上昇する。この際、エンジン20から出力される動力でMG11を駆動することにより発電を行ない、発電された電力を用いてバッテリ100の充電を行なうと、エンジン20の負荷が大きくなり、冷却水温TWの上昇が速くなる。冷却水温TWが暖房に適した温度まで上昇することによって、切替装置403から熱交換器401に入力された空気が、エンジン20の冷却水との間での熱交換によって暖められるようになる。こうして暖められた空気を送風装置402で車室500内へ送風することによって、車室500内の温度を上昇させることができる。
車室500内には入力装置440が設けられている。入力装置440は、ユーザからの指示を受け付ける装置である。入力装置440は、ユーザによって操作され、ユーザの操作に対応する信号をECU300へ出力する。ECU300と入力装置440との通信方式は有線でも無線でもよい。ユーザは入力装置440を操作して、ECU300に上記暖房の実行を要求したり上記暖房の目標温度を設定したりすることができる。ECU300は、冷却水温TW、外気温TA1、及び室内温度TA2等に基づき、暖房の目標温度と室内温度TA2とが一致するようにエンジン20及び暖房装置3を制御する。
ECU300は、CPU(Central Processing Unit)301と、メモリ302と、図示しない入出力バッファとを含んで構成される。メモリ302は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、及び書き換え可能な不揮発性メモリを含む。メモリ302(たとえば、ROM)に記憶されているプログラムをCPU301が実行することで、各種制御が実行される。ECU300は、たとえば、各センサから受ける信号、並びにメモリ302に記憶されたマップ及びプログラムに基づいて、車両1及び電池システム2が所望の状態となるように各機器を制御する。ECU300は、たとえばエンジン20及びPCU40を制御することにより、車両1の走行制御やバッテリ100の充放電制御を実行する。ECU300が行なう各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
また、ECU300は走行距離計(図示せず)を備える。この走行距離計によって車両1の積算走行距離が計測されている。また、ECU300は、バッテリ100の装着時(使用開始時)からの経過時間を累積カウントするタイマー(図示せず)を備える。このタイマーによってバッテリ100の使用時間が計測されている。なお、こうしたタイマー機能は、ソフトウェアによっても実現できる。
ECU300は、取得した情報(CPU301による演算結果等)を、メモリ302(たとえば、書き換え可能な不揮発性メモリ)に出力してメモリ302に保存する。また、メモリ302は、車両1の制御や電池状態の検出等に用いられる情報を、予め記憶している。
車両1の走行停止中(車両1が走行していない状態)においても、車室500内の暖房や触媒(図示せず)の活性化などを目的として、エンジン20を動かす場合がある。この実施の形態では、ECU300が、車両1の走行停止中(たとえば、図示しないシフトレバーがパーキングレンジに入っているとき)に暖房装置3を制御して車室500内の暖房を実行するとともに、その暖房の実行中にエンジン発電電力でバッテリ100を充電し、その充電中にバッテリ100のSOCが充電停止SOCになった場合に充電を停止させるように構成される。エンジン発電電力は、たとえば、エンジン20によりMG11が駆動されることによって、MG11において発電された電力である。
車両1の走行停止中に上記のような充電制御が実行され、エンジン発電電力によってバッテリ100がいったん充電停止SOCまで充電されると、その後は、バッテリ100の電力が主に補機負荷(図示しない照明装置、ワイパー装置、オーディオ装置、カーナビゲーションシステム等)又はECU300によって消費され、その消費した分だけエンジン発電電力によってバッテリ100が充電されるようになる。すなわち、充電停止SOCで充電が停止した後、車両1の走行を開始するまでは、充電停止SOC付近でバッテリ100の充放電が繰り返されることになる。このため、充電停止SOCが同じ値で維持されると、同じSOCでバッテリ100の充放電が繰り返し実行されることになる。たとえば車両1のシフトレバー(図示せず)をパーキングレンジにしたままで車両1が長時間放置されると、同じSOCでバッテリ100の充放電が長時間繰り返されることになる。同じSOCでニッケル水素電池の充放電が繰り返し実行されると、そのSOCでニッケル水素電池にメモリ効果が生じやすくなる。
そこで、この実施の形態に係る車両1では、対象SOC頻度が境界値よりも低い場合には、充電停止SOCが対象SOC領域内にあり、対象SOC頻度が境界値よりも高い場合には、ECU300によって充電停止SOCが対象SOC領域外のSOCに変更されるようにしている。すなわち、対象SOC頻度が境界値よりも高くなった場合には、充電停止SOCを、対象SOC頻度が境界値よりも高くなる前(すなわち、対象SOC頻度が境界値よりも低い場合)の値とは異なる値にして、充電停止SOCが対象SOC領域に含まれないようにする。これにより、バッテリ100内のニッケル水素電池の充放電が対象SOC領域外で繰り返し実行されるようになり、ニッケル水素電池における対象SOC領域でのメモリ効果の発生が抑制される。
この実施の形態では、対象SOC領域を、SOC65%〜100%の範囲内で定められた高SOC領域(たとえば、後述する第1〜第3SOC領域)とする。また、対象SOC領域の頻度が境界値よりも低い場合の充電停止SOCを、たとえば70%とする。そして、バッテリ100の対象SOC領域の頻度が境界値よりも高い場合には、ECU300によって充電停止SOCが対象SOC領域よりも低いSOCに変更される。
上記構成によれば、高SOC領域の頻度が境界値よりも低い状況においては、車両1の走行停止中の暖房時などに発生するエンジン発電電力でニッケル水素電池が高いSOC(たとえば、70%)まで充電されることによって、エネルギー効率を向上させることができる。しかし、車両1の走行停止中には充電停止SOC付近でバッテリ100の充放電が行なわれるため、上記のような充電停止SOCを採用すると、車両1の走行停止中に高SOC領域の頻度が高くなる。そこで、この実施の形態では、高SOC領域の頻度が高くなった場合には、ECU300が充電停止SOCを低くして充電を高いSOCまで行なわないようにしている。こうすることで、高SOC領域でニッケル水素電池が繰り返し充放電されることを避けることができる。そして、高SOC領域でのメモリ効果の発生(ひいては、充電電圧の上昇)を抑制することができる。
この実施の形態では、ECU300が、バッテリ100のSOCとOCVとの関係を示すSOC推定情報を用いて、バッテリ100のOCVからSOCを推定するように構成される。SOC推定情報は、メモリ302に記憶されており、マップでもテーブルでも数式でもモデルでもよい。SOC推定情報の具体例については後述する(図3参照)。
バッテリ100におけるSOCとOCVとの関係はバッテリ100内のニッケル水素電池にメモリ効果が発生することにより変化するため、SOC推定情報は逐次補正される。より具体的には、SOCmでメモリ効果が生じると、ニッケル水素電池のSOC−OCVカーブは、SOCmよりも低いSOC領域のOCVが初期状態のOCVに対してメモリ量だけ低くなり、SOCmよりも高いSOC領域のOCVが初期状態のOCVに対してメモリ量だけ高くなる。メモリ量は、メモリ効果による電圧変化量に相当する。
SOC推定情報は、補正基準SOCでバッテリ100内のニッケル水素電池にメモリ効果が生じることを前提条件として補正される。この実施の形態では、ハイブリッド車の走行中においては一般的にSOC60%付近で走行用バッテリの充放電が行なわれることが多くなることを考慮して、補正基準SOCを50%以上65%未満のSOCとする。
SOC推定情報は、たとえば次のような手順で補正される。ECU300が、バッテリ100の使用時間及び使用履歴(バッテリ100がどのような条件で使用されたかを示す情報)を用いて補正基準SOCを基準とするメモリ量(SOC毎の電圧変化量)を推定する。メモリ量は、バッテリ100の使用時間が長くなるほど大きくなる傾向がある。また、バッテリ100の使用条件(電池電圧、電池温度等)によってもメモリ量は変わる。ECU300は、上記のように推定したメモリ量に対応した内容にSOC推定情報を補正(更新)する。
図3及び図4を用いて、上記のように補正されたSOC推定情報を用いてバッテリ100のSOCを推定する場合の課題について説明する。以下、実際のSOC−OCVカーブ(より特定的には、実験等で精密に測定される真値に近いSOC−OCVカーブ)を、SOC推定に用いられる所定のSOC−OCVカーブ(マップ等)と区別するため、「実SOC−OCVカーブ」と称する場合がある。
図3は、第1のSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときの実SOC−OCVカーブを示す図である。第1のSOC頻度分布は、線k21で示されるSOC頻度分布である。車両1の走行停止中にエンジン発電電力による充電を行なわず、車両1の走行中のみにバッテリ100の充電を行なうことによって、バッテリ100のSOC頻度分布が線k21で示されるようなSOC頻度分布になった。
図3において、線k11は、初期状態(使用開始直後)のバッテリ100の実SOC−OCVカーブを示している。線k22は、線k21で示されるSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときの実SOC−OCVカーブを示している。線k12は、線k21で示されるSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときにSOC60%を補正基準SOCとして補正されたSOC推定情報(より具体的には、以下に示すように補正されたマップ)を示している。
図3を参照して、メモリ302には、線k11で示される実SOC−OCVカーブに対応したSOC推定情報(初期のSOC推定情報)が予め実験等によって求められて記憶されている。このため、バッテリ100の使用開始直後においては、ECU300が、そのSOC推定情報を用いてバッテリ100のOCVからSOCを推定する。その後、ECU300は、バッテリ100の使用時間及び使用履歴を用いてSOC60%(補正基準SOC)を基準とするメモリ量を推定し、SOC60%を基準にして初期SOC推定情報(線k11)を補正する。より具体的には、60%よりも低いSOC領域のOCVが初期状態(線k11)よりもメモリ量(推定値)だけ低くなり、60%よりも高いSOC領域のOCVが初期状態(線k11)よりもメモリ量(推定値)だけ高くなるように補正を行なうことで、線k12で示されるようなSOC推定情報が得られる。補正基準SOC(SOC60%)のOCVは、補正前のSOC推定情報(線k11)と補正後のSOC推定情報(線k12)とで同じ値(どちらも電圧V1)になる。
線k21で示されるSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときには、実SOC−OCVカーブ(線k22)と補正後のSOC推定情報(線k12)とが略一致する。線k21で示されるSOC頻度分布では、60%で頻度が最も高くなり、60%から離れるにつれて頻度が低くなる。このようなSOC頻度分布でバッテリ100が使用されると、車両1の走行中にSOC60%でバッテリ100の充放電が繰り返され、SOC60%でバッテリ100内のニッケル水素電池にメモリ効果が生じやすくなる。線k12で示されるSOC推定情報は、SOC60%(補正基準SOC)でバッテリ100内のニッケル水素電池にメモリ効果が生じることを前提条件として補正されているため、実SOC−OCVカーブ(線k22)と補正後のSOC推定情報(線k12)とは概ね一致するようになる。
図4は、第2のSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときの実SOC−OCVカーブを示す図である。第2のSOC頻度分布は、線k31で示されるSOC頻度分布である。車両1の走行中の充電に加えて、車両1の走行停止中においてバッテリ100のSOCが70%(固定値)になるようにエンジン発電電力で充電を行なうことによって、バッテリ100のSOC頻度分布が線k31で示されるようなSOC頻度分布になった。
図4において、線k11、k12、k21は、それぞれ図3中の線k11、k12、k21と同じである。線k32は、線k31で示されるSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときの実SOC−OCVカーブを示している。
図4を参照して、線k31で示されるSOC頻度分布でバッテリ100が使用されたときには、実SOC−OCVカーブ(線k32)と補正後のSOC推定情報(線k12)とが乖離する。線k31で示されるSOC頻度分布では、60%よりも高いSOCで頻度が最も高くなっている。線k31で示されるSOC頻度分布でバッテリ100が使用されると、SOC80%でバッテリ100内のニッケル水素電池にメモリ効果が生じやすくなる。線k12で示されるSOC推定情報は、SOC60%(補正基準SOC)でバッテリ100内のニッケル水素電池にメモリ効果が生じることを前提条件として補正されているため、実SOC−OCVカーブ(線k32)と補正後のSOC推定情報(線k12)とが乖離するようになる。たとえば、SOC80%のOCVは、補正後のSOC推定情報(線k12)では電圧V3であり、実SOC−OCVカーブ(線k32)では、電圧V3よりも低い電圧V2となる。
上記のように、前提条件外のSOCmでニッケル水素電池にメモリ効果が生じた場合には、メモリ効果の発生により実SOC−OCVカーブとSOC推定情報(バッテリ100の使用時間及び使用履歴に基づいて逐次補正されているマップ)との間に乖離が生じ、SOCの推定精度が低下する。
そこで、この実施の形態では、ECU300が、ニッケル水素電池のSOCmを制御して、前提条件外のSOCでのメモリ効果の発生を抑制している。より具体的には、ECU300は、バッテリ100のSOCが対象SOC領域(たとえば、SOC65%〜80%)内となる頻度が境界値よりも高くなった場合に、充電停止SOCを目標SOCm領域(たとえば、SOC60%〜65%)内のSOCに変更することによって、ニッケル水素電池のSOCmを目標SOCm領域内に制御している。
以下、図5〜図10を用いて、ECU300が行なう充電制御について詳述する。
図5は、ECU300により実行されるSOC頻度分布作成の処理手順を示したフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、たとえば所定時間経過毎にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。
図5は、ECU300により実行されるSOC頻度分布作成の処理手順を示したフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、たとえば所定時間経過毎にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。
図5を参照して、ECU300は、バッテリ100の現在のSOCを取得する(ステップS11)。そして、ECU300は、取得したSOCをメモリ302に保存する。以下にSOCの取得方法の一例を示す。ただし、SOCの取得方法は以下に示す方法に限られず任意である。
ECU300は、電圧センサ210の検出値(バッテリ100の現在の端子間電圧を示す電圧VB)と、電流センサ220の検出値(バッテリ100の現在の電流を示す電流IB)と、温度センサ230の検出値(バッテリ100の現在の温度を示す温度TB)とを取得し、下記式(1)に従ってバッテリ100のOCVを算出することができる。
OCV=VB−IB×R …(1)
式(1)において、Rはバッテリ100の内部抵抗を表す。ECU300は、たとえば、予めメモリ302に格納されたマップ等(バッテリ100の内部抵抗と温度TBとの関係を示す情報)を参照することにより、温度TBからバッテリ100の内部抵抗を求めることができる。
式(1)において、Rはバッテリ100の内部抵抗を表す。ECU300は、たとえば、予めメモリ302に格納されたマップ等(バッテリ100の内部抵抗と温度TBとの関係を示す情報)を参照することにより、温度TBからバッテリ100の内部抵抗を求めることができる。
ECU300は、上記のような方法により、バッテリ100のOCVを取得することができる。そして、ECU300は、メモリ302内のSOC推定情報を参照して、バッテリ100のOCVからSOCを推定することができる。なお、詳細については割愛するが、メモリ302内のSOC推定情報は、SOC60%を補正基準SOCとして補正されている。バッテリ100の使用時間及び使用履歴に基づくメモリ量の推定と、推定されたメモリ量に基づくSOC推定情報の補正とは、所定時間経過毎にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行されている。
次いで、ECU300は、上記ステップS11で取得したSOCによって、メモリ302内のSOC頻度分布を更新する(ステップS12)。より具体的には、SOC頻度分布の横軸には、SOCの大きさに応じて複数の区間(すなわち、SOC領域)が設けられている。ステップS12では、ステップS11で取得されたSOCの大きさに対応する区間(SOC領域)の頻度が1加算(カウントアップ)される。その後、処理がメインルーチンへと戻される。
ステップS11〜S12の処理が繰り返し実行されることにより、バッテリ100のSOCの各区間の発生頻度を示す頻度分布が作成される。図5の処理により作成されるSOC頻度分布の具体例については後述する(図9参照)。
図6は、ECU300により実行される充電制御の処理手順を示したフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、車両1の走行停止中における暖房装置3による暖房の実行時において、冷却水温TWの水温を上昇させるためにエンジン20が駆動されており、かつ、バッテリ100のSOCが所定値(以下、「充電開始SOC」と称する)よりも低い場合に実行される。充電開始SOCは、充電停止SOCよりも低い値である。
図6を参照して、ECU300が、エンジン発電電力によるバッテリ100の充電を実行する(ステップS21)。より具体的には、駆動中のエンジン20から出力される動力でMG11を駆動することによりMG11において発電が行なわれ、発電された電力によりバッテリ100が充電される。
ECU300は、バッテリ100のSOCが充電停止SOCに達したか否かを判断する(ステップS22)。より具体的には、ECU300は、たとえば図5の処理(ステップS11)により取得されたバッテリ100の現在のSOCをメモリ302から読み出して、充電停止SOCと比較する。この実施の形態では、充電停止SOCの初期値を70%とする。充電停止SOCは、後述する図7の処理によって充電中に変更されることがある。
ECU300は、ステップS22でバッテリ100のSOCが充電停止SOCに達したと判断されるまで、エンジン発電電力によるバッテリ100の充電を続ける(ステップS21〜S22)。すなわち、ステップS22でバッテリ100のSOCが充電停止SOCに達していない(ステップS22においてNO)と判断されている間は、エンジン発電電力によるバッテリ100の充電が行なわれる。
ステップS22でバッテリ100のSOCが充電停止SOCに達したと判断された場合(ステップS22においてYES)には、ECU300が、PCU40及びSMR50を制御して、エンジン発電電力によるバッテリ100の充電を停止させる(ステップS23)。その後、処理がメインルーチンへと戻される。
ステップS23においてバッテリ100の充電が停止した後も暖房装置3による暖房が継続され、暖房中にバッテリ100の電力が補機負荷又はECU300によって消費されてバッテリ100のSOCが充電開始SOCよりも低くなった場合には、再び図6の処理が実行される。
図7は、ECU300により実行される充電停止SOC設定の処理手順を示したフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、たとえば所定時間経過毎にメインルーチンから呼び出されて繰り返し実行される。
図7を参照して、ステップS31では、ECU300が、図6のステップS21の充電が実行中であるか否かを判断する。
ステップS32では、ECU300が、所定のメモリ効果発生条件が成立するか否かを判断する。メモリ効果発生条件が成立することは、バッテリ100内のニッケル水素電池におけるメモリ効果が飽和していないことを意味する。この実施の形態では、車両1の積算走行距離が所定値以内であり、かつ、バッテリ100の使用時間が所定値以内であるときに、メモリ効果発生条件が成立する。ただしこれに限られず、メモリ効果発生条件は任意に設定できる。
ステップS33では、ECU300が、メモリ302内のSOC頻度分布(図5の処理によって作成されたSOC頻度分布)を参照して、対象SOC領域の頻度が所定の境界値以上か否かを判断する。図8は、この実施の形態に係る対象SOC領域を示す図である。
図8を参照して、65%以上70%未満のSOC領域(以下、「第1SOC領域」と称する)と、70%以上75%未満のSOC領域(以下、「第2SOC領域」と称する)と、75%以上80%未満のSOC領域(以下、「第3SOC領域」と称する)とが、対象SOC領域として設定されている。第1〜第3SOC領域の各々は、高SOC領域に相当する。
この実施の形態では、上記のように複数の対象SOC領域(第1〜第3SOC領域)が設定され、対象SOC領域毎に異なる境界値が設けられている。第1SOC領域、第2SOC領域、第3SOC領域の境界値は、それぞれ境界値XA、XB、XCである。
なお、対象SOC領域の数は3つに限られず任意に設定できる。また、対象SOC領域の境界値は、固定値であってもよいし、ハイブリッド車の積算走行距離やニッケル水素電池の使用時間(使用開始からの経過時間)等に応じて可変であってもよい。また、現在のSOC頻度分布において最も頻度が高いSOC領域(以下、「最頻SOC領域」と称する場合がある)の頻度を基準にして対象SOC領域の境界値が設定されてもよい。たとえば、最頻SOC領域の頻度の60%のように、最頻SOC領域の頻度に対する割合で境界値を定めてもよい。
第1〜第3SOC領域は、図5の処理によって作成されるSOC頻度分布に対応して設定されている。図9は、図5の処理によって作成されるSOC頻度分布の一例を示す図である。
図9を参照して、図5のステップS11〜S12の処理が繰り返し実行されることにより、たとえばSOC頻度分布D1(以下、単に「D1」とも称する)が作成され、メモリ302に保存される。メモリ302内のSOC頻度分布は、図5の処理によって逐次更新されている。SOC頻度分布D1の区間の大きさ(各SOC領域の幅)は5%であり、第1〜第3SOC領域の幅に対応している。なお、各SOC領域の幅は5%に限られず任意に設定できる。
上記のステップS33では、ECU300が、第1〜第3SOC領域のいずれかの頻度が境界値以上であるか否かを判断する。たとえば、メモリ302内の現在のSOC頻度分布がD1である場合には、D1における第2SOC領域の頻度が第2SOC領域の境界値XBよりも差分Δdだけ高いため、ステップS33において対象SOC領域の頻度が境界値以上であると判断される。
再び図7を参照して、図6のステップS21の充電実行中にメモリ効果発生条件が成立し、かつ、対象SOC領域の頻度(第1〜第3SOC領域のいずれかの頻度)が境界値以上であると判断された場合(ステップS31〜S33の全てにおいてYES)には、ステップS34においてECU300が充電停止SOCを変更した後、処理がメインルーチンへと戻される。他方、ステップS31〜S33のいずれかにおいてNOになった場合には、上記充電停止SOCの変更が行なわれず、処理がメインルーチンへと戻される。
ステップS34では、ECU300によって充電停止SOCが変更される。たとえば、充電停止SOCが70%(初期値)であり、メモリ302内の現在のSOC頻度分布が図9に示したD1である場合には、充電停止SOCを70%から60%に変更する。これにより、第2SOC領域の頻度が減り、60%以上65%未満のSOC領域(以下、「中心SOC領域」と称する)の頻度が増えるようになる。この実施の形態では、中心SOC領域が目標SOCm領域に相当する。
図10は、充電停止SOCを変更することによるSOC頻度分布の変化の一例を示す図である。図10を参照して、充電停止SOCを70%から60%に変更し、メモリ302内のSOC頻度分布をリセットする(全てのSOC領域の頻度を0にする)と、その後、図5のステップS11〜S12の処理が繰り返し実行されることによって、たとえばSOC頻度分布D2が作成されるようになる。図9に示したSOC頻度分布D1において、第2SOC領域の頻度が差分Δdだけ減り、中心SOC領域の頻度が差分Δdだけ増えると、SOC頻度分布D2になる。
図6のステップS21の充電実行中に充電停止SOCが70%から60%に変更されることにより、バッテリ100内のニッケル水素電池において、対象SOC領域(65%以上80%未満のSOC領域)でのメモリ効果は発生しにくくなり、SOC60%付近でのメモリ効果は発生しやすくなる。すなわち、上記のような充電停止SOCの変更を行なうことによって、SOCmを60%付近に制御することができる。これにより、バッテリ100の実SOC−OCVカーブとメモリ302内の現在のSOC推定情報(逐次補正されているマップ)との乖離が抑制され、SOC推定情報を用いて高い精度でバッテリ100のSOCを推定することが可能になる。
以上説明したように、この実施の形態に係るハイブリッド車の制御装置(ECU300)によれば、たとえば車両1の走行停止中にバッテリ100を充電する場合において、バッテリ100内のニッケル水素電池における対象SOC領域(たとえば、高SOC領域)でのメモリ効果の発生を抑制することが可能になる。また、ECU300が図7の処理を行なうことによって、バッテリ100内のニッケル水素電池のSOCmが目標SOCm領域に制御されるようになり、ニッケル水素電池における前提条件外のSOCでのメモリ効果の発生が抑制されるようになる。
上記実施の形態では、対象SOC領域として高SOC領域(第1〜第3SOC領域)を採用している。そして、ECU300は、対象SOC領域の頻度が境界値よりも高い場合の充電停止SOCを、対象SOC領域の頻度が境界値よりも低い場合の充電停止SOC(70%)よりも低くする(より特定的には、60%に変更する)ように構成される。しかしこれに限られず、対象SOC領域を高SOC領域ではないSOC領域にしてもよい。
また、特定のSOCmでメモリ効果が生じることによって電池ケース内でガスが発生しやすくなるニッケル水素電池では、対象SOC領域としてその特定のSOC領域を採用してもよい。こうすることで、電池内圧の上昇が抑制され、電池使用域が拡大される。また、電池内圧の上昇が抑制されることで、電池の延命化が図られる。
上記実施の形態では、図5の処理によってSOC領域毎の頻度を常時検出している。しかしこれに限られず、SOC領域毎の頻度を検出する期間(以下、「SOC頻度検出期間」と称する場合がある)は、任意に設定できる。たとえば、SOC頻度検出期間を、車両1の走行停止期間(走行を停止してから再び走行を開始するまでの期間)に限定してもよい。
メモリ302内のSOC頻度分布は、所定のタイミングでリセット(初期化)してもよい。SOC頻度分布をリセットするタイミングの例としては、SOC頻度検出期間が終了したタイミング、ニッケル水素電池にリフレッシュ充放電(ニッケル水素電池に生じたメモリ効果を解消するためのリフレッシュ充電又はリフレッシュ放電)が実行されたタイミングが挙げられる。ニッケル水素電池にリフレッシュ充放電が実行されたタイミングでは、SOC頻度分布をリセットするとともに、充電停止SOCを初期値に戻してもよい。
上記SOC頻度分布のリセットは必須ではない。たとえば、メモリ302内のSOC頻度分布をリセットせずにSOC頻度分布における各SOC領域の頻度のカウントを継続し、SOC頻度分布のデータ数が多くなるにつれて(又は、最頻SOC領域の頻度が高くなるにつれて)対象SOC領域の境界値が高くなるようにしてもよい。また、最頻SOC領域の頻度に対する割合で対象SOC領域の境界値を定めてもよい。また、頻度として相対度数(度数全体に対する割合)を採用してもよい。
上記実施の形態では、車両1の走行停止中の暖房実行時にエンジン発電を行なっているが、車両1の走行中(低負荷走行時を含む)にエンジン発電を行なうようにしてもよい。たとえば、車両1の走行中に暖房装置3を制御して車室500内の暖房を実行するとともに、その暖房の実行中にエンジン発電電力でバッテリ100を充電し、その充電中にバッテリ100のSOCが充電停止SOCになった場合に充電を停止させるようにしてもよい。
ハイブリッド車の構成は図1に示した構成に限られず適宜変更可能である。また、OCVやSOCを検出する対象も、ニッケル水素電池が含まれる限り任意に変更できる。たとえば、バッテリ100の組電池に含まれる所定のセル(1個又は複数個のセル101)を対象としてもよい。また、電圧センサ210は、セル101毎の電圧、又は直列接続された複数のセル101毎の電圧が検出されるように設けてもよい。また、温度センサ230は、セル101毎の温度、又は隣接する複数のセル101毎の温度が検出されるように設けてもよい。また、SOCの推定方法は任意であり、電流値積算(クーロンカウント)による手法なども採用できる。また、充電制御の対象となるニッケル水素電池は、組電池に限られず、単電池であってもよい。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、2 電池システム、3 暖房装置、11,12 MG、20 エンジン、30 駆動輪、31 動力分割装置、32 駆動軸、40 PCU、50 SMR、100 バッテリ、101 セル、102 ケース、103 ガス放出弁、104 電極体、210 電圧センサ、220 電流センサ、230 温度センサ、300 ECU、301 CPU、302 メモリ、401 熱交換器、402 送風装置、403 切替装置、410 水温センサ、420 外気温センサ、430 車室内センサ、440 入力装置、500 車室。
Claims (1)
- 内燃機関と、
ニッケル水素電池と、
前記内燃機関から出力される動力を利用して発電を行なって前記ニッケル水素電池を充電し、その充電中に前記ニッケル水素電池のSOCが充電停止SOCになった場合に前記充電を停止させる制御装置と、
を備え、
前記ニッケル水素電池のSOCが所定SOC領域内となる頻度が所定値よりも低い場合には、前記充電停止SOCが前記所定SOC領域内にあり、
前記頻度が前記所定値よりも高い場合には、前記制御装置によって前記充電停止SOCが前記所定SOC領域外のSOCに変更される、ハイブリッド車。
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