JP3846724B2 - 電気自動車のバッテリー温度管理方法、および管理システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車のバッテリー温度管理方法およびバッテリー温度管理システム、より詳しくは駆動源であるバッテリーの特性を勘案した温度の能動制御により、急速充電時の充電時間を短縮し、最大充電量(Ah)を得ることができるようにする電気自動車のバッテリー温度管理方法およびバッテリー温度管理システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車の主動力であるバッテリーは、車両の品質を決定する重要な部品中の一つである。バッテリーは、使用の最適温度範囲が狭く、電解質温度が低下すると、バッテリー容量が低下することが知られている。しかし、逆に、例えば50℃以上に加温すると材料が劣化して容量が減少することがあり、バッテリー温度は常に所定の温度範囲に制御する必要がある。バッテリー温度低下は、冬期及び寒冷地において著しいものであるから、バッテリーを加温する構成が開発されている〔例えば、特許文献1、特許文献2参照〕。この方法は、電気自動車駆動用のモータの発熱を利用してバッテリーを加温しようとする構成があるから、冬期、夏期に拘りなくバッテリー温度を所定の温度範囲に制御することができないものであった。また、設定温度と検出した車室内温度との差と、バッテリーフレーム内の温度との関係に基いて空調装置の送風器の回転数を規定するエアコンコントロールユニットをもつ電気自動車の提案もある〔特許文献3参照〕。
【0003】
一般に、電気自動車は、バッテリーの状態を総括管理するバッテリー管理システム(Battery Management System;BMS)を備えていて、バッテリー状態をモニタリングしてバッテリー温度、周辺温度、充電状態等によって充放電電流制限値の情報を上位制御器に通知して最適の条件で走行維持できるようにしている。
【0004】
図1に、一般の電気自動車のバッテリー管理システム構成を概略的に示した。バッテリー管理システムは、ハイブリッド電気自動車に備わる各構成要素の制御器全体を統合制御して車両の駆動を制御するハイブリッド・コントロール・ユニット(HCU:Hybrid Control Unit)10と、HCU10からトルク制御信号及び速度制御信号を出力してモーター60が最適の駆動力を発生するようにし、制動制御時に発電が起きるようにし、動力源であるバッテリー50がいつも適正な充電状態を維持するようにするモーター・コントロール・ユニット(MCU:Motor Control Unit)20と、前記MCU20の制御に応じたパルス幅モジュレーション(PWM:Pulse Width Modulation)制御にIGBTをスイッチングさせバッテリー50のDC電圧を3相電圧に変換させてモーター60に供給するインバータ30と、バッテリー50の作動領域内で電流と電圧及び温度等を検出して充電状態を管理するバッテリー管理システム(BMS:Battery Management System)40と、から構成されている。
【0005】
前記の構成でバッテリー50は、充電時の内部の化学反応により温度が上昇するが、この温度の上昇はバッテリー50の定格容量に対する充電容量(Ah)の減少を招く。また、適切でない温度でバッテリー50を充電するようになると、過充電によるバッテリー損傷が生じることがあり、低容量充電による走行距離の減少原因に作用するようになって、低温では充電出力が低いため、急速充電が遂行できなくなる。
【0006】
従って、電気自動車では充電時のバッテリーの最大容量分の充電ができるように最適の温度を維持したり、高出力の充電が可能なバッテリー温度を制御することが非常に重要である。
【0007】
図2は、従来の電気自動車におけるバッテリー温度管理を遂行するフローチャートであり、図3は、従来電気自動車のバッテリー温度管理におけるバッテリー温度と冷却ファンの作動関係を示している。従来の電気自動車では、バッテリー50の充電モードが進められるとバッテリー管理システム40は、検出されるバッテリー50の温度が、設定された第1基準温度である38℃以上であるかを判断する(S601)。
【0008】
バッテリー50の温度が38℃以下を維持していると判断すると、現在の充電状態を連続的に維持し、38℃以上であると判断すると、図3に示したようにオフ状態を維持しているバッテリー冷却ファン(図示されていない)を1段にしてバッテリー50の冷却を遂行する(S602)。
【0009】
冷却ファンを1段にしてバッテリー50の冷却を維持する状態で、検出されるバッテリー50の温度が、設定された第2基準温度である46℃以上であるかを判断する(S603)。
【0010】
バッテリー50の温度が、設定された第2基準温度以上を維持すると検出すると、図3に示したように1段を維持している冷却ファンを2段で動作させてバッテリー50の冷却を加速化し(S604)、バッテリー50の温度が設定された第2基準温度以下であると検出すると、設定された第3基準温度である36℃以上であるかを判断する(S605)。
【0011】
S605の判断でバッテリー50の温度が第3基準温度以上であると判断すると、冷却ファンの駆動を1段に維持し、第3基準温度以下であると検出すると、1段で駆動されている冷却ファンの駆動を停止する(S606)。
【0012】
S604のように冷却ファンが2段で動作されてバッテリー50の冷却が進行されることによって、検出されるバッテリー50の温度が、設定された第4基準温度である44℃以上であるかを判断して(S607)、第4基準温度以上であると判断すると、S603の過程にリターンし、第4基準温度以下であると判断すると、図3に示したように2段で駆動している冷却ファンを1段にしてバッテリー50の冷却を持続的に遂行する(S608)。
【0013】
このような従来の電気自動車のバッテリー温度管理方法は、バッテリー温度上昇に対して冷却ファンだけを利用しているため、バッテリー温度が設定温度になるまで冷却ファンが作動していて急速充電を正常に行えないという短所がある。
【0014】
また、バッテリーを冷却させることができるのは最大で外部温度までで、暑い地域あるいは寒い地域では定格容量(Ah)に対する充電不足あるいは過充電が発生するようになって、バッテリーの損傷及び走行距離を短縮させるようになる問題点がある。特に、寒い地域での場合、最大出力のための充電に制限がある問題がある。
【0015】
【特許文献1】
実開昭53−134033号公報
【特許文献2】
特開平5−244749号公報
【特許文献3】
特開平8−40088号公報
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような問題点を解決すべく、本発明の目的は、駆動源であるバッテリーの特性を勘案した温度の能動制御を通じて急速充電時の充電時間を短縮し、最大充電量(Ah)を得ることが出来るようにすることにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、請求項1〜8の発明は電気自動車のバッテリー温度管理方法に係り、モニタリングされるバッテリーの状態情報を基に急速充電モードであるかを判断する過程と、急速充電モードであれば現在の充電状態値が設定値以下であるかを判断する過程と、前記で現在の充電状態値が設定値以下であると判断した場合充電初期と判断し、バッテリー温度を検出して設定された各段階別基準値と比較する過程と、前記バッテリー温度と各段階別基準値の比較結果によって空調システムと関連したヒーターの発熱量を制御してバッテリー温度を調整する過程と、前記過程で現在の充電状態値が基準充電状態値以上であると判断した場合充電後期と判断し、検出されるバッテリー温度から一定値を引いた値の絶対値と各段階別基準温度と比較してファンのオン・オフとファン段数の制御を行う過程と、前記充電後期でバッテリー温度の演算値と各段階別基準温度の比較結果によって、空調システムと関連した冷却ファンを駆動させてバッテリー温度を調整する過程とを含んでなっている。
【0018】
請求項9〜12の発明は電気自動車のバッテリー温度管理方法に係り、バッテリー充電状態値が設定された充電状態値未満であるかを判断する段階と、バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満の場合、バッテリー温度がバッテリーの充電出力が最大になる温度に近接するようにバッテリー温度を制御する第1温度制御段階と、バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満でない場合、バッテリー温度がバッテリーの充電量が最大になる温度に近づくようにバッテリー温度を制御する第2温度制御段階と、を含んでなっている。
【0019】
請求項13〜16の発明は電気自動車のバッテリー温度管理システムに係り、バッテリー加熱ユニットとバッテリー冷却ユニットとを含むバッテリー温度調節装置と、前記バッテリー温度調節装置を制御してバッテリー温度を調節するバッテリー制御ユニットとを含むバッテリー温度管理システムにおいて、前記バッテリー制御ユニットは、バッテリー充電状態値が、設定された充電状態値未満であるかを判断する段階と、バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満である場合、バッテリー温度がバッテリーの充電出力が最大となる温度に近づくようにバッテリー温度を制御する第1温度制御段階と、バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満でない場合、バッテリー温度がバッテリーの充電量が最大となる温度に近づくようにバッテリー温度を制御する第2温度制御段階と、を含むバッテリー温度管理方法を遂行するようにプログラムされてなっている。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の望ましい実施の形態を説明する。
図4は、バッテリー温度に応じた定格容量(Capacity、Ah)と充電出力(Charge Power、W)の変化をグラフで示しており、電気自動車の動力源であるバッテリーは、定格容量はバッテリー温度が常温(25℃)近くで最大になり、充電出力はバッテリー温度が40℃以上の範囲で最大に近くなる。本発明の電気自動車のシステム構成は、一般のものと同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0021】
図5に、本発明による電気自動車のバッテリー管理方法が適用されるバッテリー管理システムを示した。バッテリー12、バッテリー温度検出器14、温度調節装置16、及びバッテリー制御ユニット24から構成されている。
【0022】
バッテリー温度検出器14は、バッテリー12の温度を検出して相当する信号をバッテリー制御ユニット24に出力する。温度調節装置16は、バッテリー12を加熱するヒーター18、バッテリー12を冷却する冷却ファン20、及びヒーター18と冷却ファン20の作動を制御する温度制御ユニット22で構成されており、温度制御ユニット22が、バッテリー制御ユニット24からの制御信号を受けてヒーター18と冷却ファン20の作動を制御することになる。バッテリー制御ユニット24は、マイクロプロセッサー、メモリ、関連ハードウェア、ソフトウェアを有し、本発明によるバッテリー温度管理方法を遂行するようにプログラムされている。
【0023】
本発明のバッテリー温度管理方法は、バッテリー温度による定格容量と充電出力の特性を考慮して、バッテリー充電初期にはバッテリー温度が最大充電出力が可能な温度を維持するようにして充電時間を短縮し、バッテリー充電後期にはバッテリー温度がバッテリー最大充電量が可能な温度を維持するようにしてバッテリーが最大限充電されるようにすることである。
【0024】
図6に、本発明によるバッテリー温度管理を遂行するフローチャートを示した。また、図7に、本発明による電気自動車のバッテリー温度管理における充電初期のバッテリー温度とヒーターの作動関係を、図8に、充電後期のバッテリー温度と冷却ファンとの作動関係を示した。
【0025】
先ず、バッテリー制御ユニット24は、バッテリー管理システムにモニタリングされるバッテリーの状態が充電モードであり、急速充電モード(fast−charging mode)であるかを判断する(S101)。急速充電モードは、一般充電モード(normal−charging mode)で充電する時より大きい充電電流でバッテリーを充電する場合である。このような急速充電モードでバッテリーを充電すると充電時間を大きく減らすことができるが、バッテリー内部の温度が急激に上昇するという問題がある。本発明のバッテリー温度管理方法は、充電モードが急速充電モードである場合に適用されることが望ましいが、必ずしもこれに限られることではない。
【0026】
S101でバッテリーが現在急速充電モードであると判断すると、バッテリー制御ユニット24は、現在の充電状態値(SOC_real、%)が設定された基準充電状態値(SOC_ref、%)以下であるかを判断する(S102)。例えば、基準充電状態値(SOC_ref)の設定は、80〜90%の任意の値である。バッテリー制御ユニット24は、バッテリー端子電圧、充電電流、バッテリー内部抵抗等を基にバッテリーの充電状態(%)を計算する。バッテリー充電状態値の計算は、通常知られているものであるので詳細な説明は省略する。
【0027】
S102段階で現在の充電状態値(SOC_real)が基準充電状態値(SOC_ref)以下であると判断すると、バッテリー充電初期であると見なし、冷却ファンとヒーターの作動を制御して、バッテリーが最大充電出力可能な範囲になるように制御することになる。先ず、バッテリー温度が、第4基準値(Temp4)以上であるかを判断する(S103)。例えば、前記第4基準値は40℃に設定する。
【0028】
S103でバッテリー温度が設定された第4基準値以上であると判断すると、バッテリー温度が第5基準値(Temp5)以上であるかを判断する(S104)。例えば、第5基準値は50℃に設定する。
【0029】
S104の判断で第5基準値以上であると判断すると、バッテリーが最適の活性化状態を維持する目標温度(例えば45℃)以上であると判断し、図7に示したように空調システムの冷却ファンを1段にして駆動させバッテリーを冷却させ、温度が上昇することを抑える(S105)。
【0030】
反対に、S104段階でバッテリー温度が第5基準値以下であると判断すると、現在のバッテリー温度最適活性化状態の温度範囲を維持すると判断して、図7に示したように空調システムの冷却ファンとヒーターをオフ状態にする(S106)。
【0031】
S103でバッテリー温度が第4基準値以下であると判断すると、バッテリー温度が第3基準値(Temp3)以上であるかを判断する(S107)。例えば、第3基準値は30℃に設定する。
【0032】
バッテリー温度が第3基準値以上であると判断すると、バッテリーが充電に必要な安定した活性化状態を維持していることと判断して、図7に示したように冷却ファンとヒーターの駆動をオフ状態にする(S108)。
【0033】
S107でバッテリー温度が第3基準値以下であると判断すると、バッテリー温度が第2基準値(Temp2)以上であるかを判断する(S109)。例えば、前記第2基準値は20℃に設定する。
【0034】
S109でバッテリー温度が第2基準値以上であると判断すると、バッテリー温度が安定した活性化に到達していないが、活性化の状態に近接であることと判断して図7に示したようにヒーターを1段にして駆動させる(S110)。
【0035】
S109でバッテリー温度が第2基準値以下であると判断すると、バッテリー温度が第1基準値(Temp1)以上であるかを判断する(S111)。例えば、前記第1基準値は10℃に設定する。
【0036】
S111でバッテリー温度が第1基準値以上であると判断すると、バッテリー温度が低温の状態であると判断して図7に示したようにヒーターを2段にして駆動させ(S112)、第1基準値以下であると判断すると、バッテリーが非常に低い低温であると判断して、ヒーターを3段にして駆動させ(S113)、バッテリー温度上昇を誘導する。このようにして、急速充電の充電初期に対するバッテリー温度が制御される。
【0037】
一方、S102段階で現在の充電状態値(SOC_real)が設定された基準充電状態値(SOC_ref)以上であれば、バッテリー充電後期とみなし、バッテリー温度がバッテリー最大充電量が可能な温度に近似するように冷却ファンとヒーターを制御することになる。先ず、現在検出されるバッテリー温度から一定値(例えば、25)を引いた絶対値が第1温度値(Const1)以下であるかを判断する(S120)。例えば、第1温度値は5℃に設定する。
【0038】
S120で第1温度値以下であると判断すると、バッテリー温度が安定した状態であると判断し、図8に示したように冷却ファン及びヒーターの駆動をオフ状態にし(S121)、第1温度値以上であると判断すると、現在のバッテリー温度から前記一定値を引いた絶対値が第2温度値(Const2)以下であるかを判断する(S122)。例えば、第2温度値は15℃に設定する。
【0039】
S122で第2温度値以下と判断すると、バッテリーが温度上昇されていることと判断して、図8に示したように冷却ファンを1段にして駆動させ(S123)、1第2温度値以上であると判断すると、現在のバッテリー温度から前記一定値を引いた絶対値が第3温度値(Const3)以下であるかを判断する(S124)。例えば、第3温度値は25℃に設定する。
【0040】
S124で第3温度値であると判断すると、冷却ファンを2段にしてバッテリー温度を下げ(S125)、第3温度値以上であると判断すると冷却ファンを3段にしてバッテリー温度を下げる(S126)。
【0041】
上記のようにバッテリーの急速充電モードにおいて、充電初期及び充電後期に空調システムと関連したヒーター及び冷却ファンの駆動によりバッテリー温度を図4のように段階的に制御することによってバッテリーの充電において安定した満充電及び急速充電を提供することができる。
【0042】
【発明の効果】
本発明により、電気自動車におけるバッテリーの充電時バッテリー温度を段階的に制御して、充電初期に最大充電出力が可能な温度を維持させ充電時間を短縮し、充電後期に最大充電量(Ah)が可能な常温を維持して最大充電が可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な電気自動車のバッテリー管理システムを説明する概略的な構成図である。
【図2】従来の電気自動車におけるバッテリー温度管理を遂行する一実施例のフローチャートである。
【図3】従来電気自動車のバッテリー温度管理におけるバッテリー温度と冷却ファンの作動関係を示した図面である。
【図4】本発明による電気自動車のバッテリー温度管理におけるバッテリー温度に応じた充電容量関係を示した図面である。
【図5】本発明によるバッテリー温度管理方法が適用できるバッテリー管理装置を概略的に示したブロック図である。
【図6】本発明による電気自動車でバッテリー温度管理を遂行するフローチャートである。
【図7】本発明による電気自動車のバッテリー温度管理における充電初期のバッテリー温度とヒーターの作動関係を示した図面である。
【図8】本発明による電気自動車のバッテリー温度管理における充電後期のバッテリー温度と冷却ファンとの作動関係を示した図面である。
【符号の説明】
12 バッテリー
14 バッテリー温度検出機
16 温度調節装置
24 バッテリー制御ユニット
Claims (16)
- モニタリングされるバッテリーの状態情報を基に急速充電モードであるかを判断する過程と;急速充電モードであれば現在の充電状態値が基準充電状態値以下であるかを判断する過程と;前記で現在の充電状態値が基準充電状態値以下であると判断した場合充電初期と判断し、バッテリー温度を検出して設定された各段階別基準値と比較する過程と;前記バッテリー温度と各段階別基準値の比較結果によって空調システムと関連したヒーターの発熱量を制御してバッテリー温度を調整する過程と;前記過程で現在の充電状態値が基準充電状態値以上であると判断した場合充電後期と判断し、検出されるバッテリー温度から一定値を引いた値の絶対値と各段階別基準温度と比較してファンのオン・オフとファン段数の制御を行う過程と;前記充電後期でバッテリー温度の演算値と各段階別基準温度の比較結果によって、空調システムと関連した冷却ファンを駆動させてバッテリー温度を調整する過程と;を含むことを特徴とする電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記基準充電状態値は、80〜90%で任意の値に設定することを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記空調システムと関連した冷却ファンが駆動開始するバッテリー温度を、40℃に設定することを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記バッテリー温度上昇を制御するヒーターの発熱量は、バッテリー温度が低いほど発熱量を大きくすることを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記ヒーターの発熱量を調整するバッテリー温度は、10℃間隔に設定することを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記充電後期におけるバッテリー温度に応じた冷却ファンの駆動は、段階別にその強さが調整されることを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記充電後期における冷却ファンを駆動制御するためのバッテリー温度は、10℃間隔に設定することを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- 前記空調システムと関連した冷却ファンの駆動、及びヒーターの発熱量の調整は、バッテリーの特性によって変えることを特徴とする請求項1記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。
- バッテリー充電状態値が設定された充電状態値未満であるかを判断する段階と;
バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満の場合、バッテリー温度がバッテリーの充電出力が最大になる温度に近接するようにバッテリー温度を制御する第1温度制御段階と;
バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満でない場合、バッテリー温度がバッテリーの充電量が最大になる温度に近づくようにバッテリー温度を制御する第2温度制御段階と;を含むことを特徴とする電気自動車のバッテリー温度管理方法。 - 前記第1温度制御段階は、
バッテリー温度が第1設定温度より高いかを判断する段階と;
前記バッテリー温度が前記第1設定温度より高い場合、前記バッテリー温度が第2設定温度より高いかを判断する段階と;
前記バッテリー温度が前記第2設定温度より高い場合、バッテリーの冷却装置を駆動してバッテリー温度が前記バッテリーの充電出力が最大になる温度に近接するようにバッテリー温度を低くする段階と;を含むことを特徴とする請求項9記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。 - 前記第1温度制御段階は、
バッテリー温度が前記第1設定温度より高くない場合、バッテリー加熱装置を駆動してバッテリー温度が前記バッテリーの充電出力が最大になる温度に近接するようにバッテリー温度を上昇させる段階を、さらに含むことを特徴とする請求項10記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。 - 前記第2温度制御段階は、
バッテリー温度と設定された温度の差が設定された値より小さいかを判断する段階と;
前記バッテリー温度と前記設定された温度の差が前記設定された値より小さくない場合、前記バッテリー温度と前記設定された温度の差の大きさに応じてバッテリー冷却装置を駆動してバッテリー温度が前記バッテリーの充電量が最大になる温度に近接するようにする段階と;を含むことを特徴とする請求項9記載の電気自動車のバッテリー温度管理方法。 - バッテリー加熱ユニットとバッテリー冷却ユニットとを含むバッテリー温度調節装置と、前記バッテリー温度調節装置を制御してバッテリー温度を調節するバッテリー制御ユニットとを含むバッテリー温度管理システムにおいて、前記バッテリー制御ユニットは、
バッテリー充電状態値が、設定された充電状態値未満であるかを判断する段階と;
バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満である場合、バッテリー温度がバッテリーの充電出力が最大となる温度に近づくようにバッテリー温度を制御する第1温度制御段階と;
バッテリー充電状態値が前記設定された充電状態値未満でない場合、バッテリー温度がバッテリーの充電量が最大となる温度に近づくようにバッテリー温度を制御する第2温度制御段階と;を含むバッテリー温度管理方法を遂行するようにプログラムされることを特徴とする電気自動車のバッテリー温度管理システム。 - 前記第1温度制御段階は、
バッテリー温度が第1設定温度より高いかを判断する段階と;
前記バッテリー温度が前記第1設定温度より高い場合、前記バッテリー温度が第2設定温度より高いかを判断する段階と;
前記バッテリー温度が前記第2設定温度より高い場合、バッテリー冷却装置を駆動して、バッテリー温度が前記バッテリーの充電出力が最大となる温度に近づくようにバッテリー温度を低くする段階と;を含むことを特徴とする請求項13に記載の電気自動車のバッテリー温度管理システム。 - 前記第1温度制御段階は、
バッテリー温度が前記第1設定温度より高くない場合、バッテリー加熱装置を駆動して、バッテリー温度が前記バッテリーの充電出力が最大となる温度に近づくようにバッテリー温度を上昇させる段階を、さらに含むことを特徴とする請求項14に記載の電気自動車のバッテリー温度管理システム。 - 前記第2温度制御段階は、
バッテリー温度と設定された温度との差が設定された値より小さいかを判断する段階と;
前記バッテリー温度と前記設定された温度との差が前記設定された値より小さくない場合、前記バッテリー温度と前記設定された温度の差の大きさに応じてバッテリー冷却装置を駆動して、バッテリー温度が前記バッテリーの充電量が最大となる温度に近づくようにする段階と;を含むことを特徴とする請求項13に記載の電気自動車のバッテリー温度管理システム。
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