JP4137136B2

JP4137136B2 - 二次電池制御装置

Info

Publication number: JP4137136B2
Application number: JP2006077640A
Authority: JP
Inventors: 義晃菊池; 史彦浅川; 利明中西; 忠雄木村
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2017-10-13
Also published as: EP0915552A2; US6034510A; JP2006262696A; CA2249784A1; CA2249784C; JPH11122840A; EP0915552A3; EP0915552B1

Description

本発明は、二次電池の充電制御に関し、特に二次電池の電圧値を検出し、所定の定電圧値に至ったときに放電を停止するものに関する。

電動機により全部または一部の車両駆動力を得ている電気自動車（ハイブリッド自動車を含む）は、二次電池（以下、単に電池と記す）を搭載し、この電池に蓄えられた電力により前記の電動機を駆動している。このような電気自動車に特有な機能として、回生制動がある。回生制動は、車両制動時、前記の電動機を発電機として機能させることによって、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換し、制動を行うものである。また、得られた電気エネルギは電池に蓄えられ、加速を行う時などに再利用される。したがって、回生制動によれば、従来の内燃機関のみにより走行する自動車においては、熱エネルギとして大気中に放散させていたエネルギを再利用することが可能であり、エネルギ効率を大幅に向上することができる。

ここで回生制動時に発生した電力を有効に電池に蓄えるためには、電池にそれだけの余裕が必要である。また、車載された熱機関により発電機を駆動して電力を発生し、これを電池に充電することができる形式のハイブリッド自動車においては、電池に蓄えられた電力、すなわち蓄電量を自由に制御できる。よって、前述のようなハイブリッド自動車においては、電池の蓄電量を回生電力を受け入れられるように、また要求があれば直ちに電動機に対して電力を供給できるように、蓄電量は満蓄電の状態（１００％）と、全く蓄電されていない状態（０％）のおおよそ中間付近（５０〜６０％）に制御されることが望ましい。

しかし、ハイブリッド自動車の走行状況に応じては、放電が多くなり、蓄電量が非常に少なくなってしまう事態も生じる。そして、多くの電池は、蓄電量が０になるまで放電してしまうと、電池の劣化が進む場合が多く、その手前で放電を停止する必要がある。

そこで、例えば下記に示す文献には、二次電池が放電されて電池電圧が所定値まで低下すると放電を停止させるものが記載されている。従って、この装置によって、二次電池の過放電を防止して電池の劣化を防止できる。

特開平８−１８５８９２号公報

しかし、上記従来例では、電池の放電を停止する所定値が、電池定格電圧に対して、適当な割合の値に設定されている。このため、この値には、かなりの余裕が織り込まれており、従って実際にはまだ放電が行える状態で電池の放電が停止されることになる。そこで、二次電池の能力を最大限に生かして、効率よく使用することができなかった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、二次電池の能力を最大限生かすことができる二次電池の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による検出電圧値と予め設定されている電圧しきい値とを比較する比較手段と、前記比較手段により検出電圧値が前記電圧しきい値に達したことが検出されると、前記二次電池の定電力放電を停止する放電停止手段とを備える二次電池制御装置であって、前記電圧しきい値が、定電力放電試験において熱暴走が開始する時点の電流値に対応する電圧値である、前記二次電池の定格電圧の１／２となる電圧値に基づいて設定されることを特徴とする。

また、本発明は、二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による検出電圧値と予め設定されている電圧しきい値とを比較する比較手段と、前記比較手段により検出電圧値が前記電圧しきい値に達したことが検出されると、前記二次電池の定電力放電を停止する放電停止手段とを備える二次電池制御装置であって、前記電圧しきい値が、定電力放電試験において熱暴走が開始する時点の電流値に対応する電圧値である、前記二次電池の定格電圧の１／２に対し±２０％となる電圧値に基づいて設定されることを特徴とする。さらに、本発明は、二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段による検出電圧値と予め設定されている電圧しきい値とを比較する比較手段と、前記比較手段により検出電圧値が前記電圧しきい値に達したことが検出されると、前記二次電池の定電力放電を停止する放電停止手段とを備える二次電池制御装置であって、前記電圧しきい値が、最大電力で放電できる、前記二次電池の定格電圧の１／２となる電圧値に基づいて設定されることを特徴とする。

本発明によれば、適切な放電停止時点を設定することで二次電池の能力を最大限生かすことができる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態（以下、実施形態と記す）を説明する。

「全体構成」
図１には、本発明の二次電池制御装置が搭載された車両のパワープラントの概略図が示されている。エンジン１０の出力軸１２には、ねじれダンパ１４を介して遊星ギア機構１６のプラネタリギア１８を支持するプラネタリキャリア２０が接続されている。遊星ギア機構１６のサンギア２２とリングギア２４は、それぞれ第１モータジェネレータ２６と第２モータジェネレータ２８のロータ３０，３２に接続されている。第１および第２モータジェネレータ２６，２８は、三相交流発電機または三相交流電動機として機能する。リングギア２４には、さらに動力取り出しギア３４が接続されている。動力取り出しギア３４は、チェーン３６、ギア列３８を介してディファレンシャルギア４０と接続されている。ディファレンシャルギア４０の出力側には、先端に図示しない駆動輪が結合されたドライブシャフト４２が接続されている。以上の構造によって、エンジン１０または第１および第２のモータジェネレータ２６，２８の出力が駆動輪に伝達され、車両を駆動する。

エンジン１０は、アクセルペダル４４の操作量や、冷却水温、吸気管負圧などの環境条件、さらに第１および第２モータジェネレータ２６，２８の運転状態に基づきエンジンＥＣＵ４６によりその出力、回転数などが制御される。また、第１および第２モータジェネレータ２６，２８は、制御装置４８により制御が行われる。制御装置４８は、二つのモータジェネレータ２６，２８に電力を供給し、またこれらからの電力を受け入れる電池（二次電池）５０を含んでいる。電池５０と第１および第２モータジェネレータ２６，２８との電力のやりとりは、それぞれ第１および第２インバータ５２，５４を介して行われる。二つのインバータ５２，５４の制御は、制御ＣＰＵ５６が行い、この制御は、エンジンＥＣＵ４６からのエンジン１０の運転状態の情報、アクセルペダル４４の操作量、ブレーキペダル５８の操作量、シフトレバー６０で定められるシフトレンジ、電池の蓄電状態、さらに遊星ギア機構１６のサンギアの回転角θｓ、プラネタリキャリアの回転角θｃ、リングギアの回転角θｒなどに基づき、行われる。また、前記遊星ギア機構１６の三要素の回転角は、それぞれプラネタリキャリアレゾルバ６２、サンギアレゾルバ６４およびリングギアレゾルバ６６により検出される。電池に蓄えられた電力、すなわち蓄電量は電池ＥＣＵ６８により算出される。制御ＣＰＵ５６は、前述の諸条件や第１および第２モータジェネレータ２６，２８のｕ相、ｖ相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｕ２，Ｉｖ２さらには電池または他方のインバータから供給される、または供給する電流Ｌ１，Ｌ２などに基づき第１および第２インバータ５２，５４のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６，Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６を制御する。

遊星ギア機構１６の、サンギアの回転数Ｎｓ、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃおよびリングギアの回転数Ｎｒは、サンギアとリングギアのギア比ρとすれば、
Ｎｓ＝Ｎｒ−（Ｎｒ−Ｎｃ）（１＋ρ）／ρ ・・・（１）
で示される関係がある。すなわち、三つの回転数Ｎｓ，Ｎｃ，Ｎｒの二つが定まれば、もう一つの回転数が決定する。リングギアの回転数Ｎｒは、車両の速度で決定するので、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃすなわちエンジン回転数と、サンギアの回転数Ｎｓすなわち第１モータジェネレータ回転数の一方の回転数が決定されれば、他方が決定される。そして、第１および第２モータジェネレータ２６，２８の界磁電流をその時の回転数に応じて制御して、これらのモータジェネレータを発電機として作用させるか、電動機として作用させるかを決定する。二つのモータジェネレータ２６，２８が、全体として電力を消費している場合は電池５０から電力が持ち出され、全体として発電している場合は電池５０に充電が行われる。たとえば、電池５０の蓄電量が少なくなっていることが電池ＥＣＵ６８により検出された場合、エンジン１０の発生するトルクの一部により二つのモータジェネレータ２６，２８の一方または双方により発電を行い、電池５０への充電を行う。また、電池５０の蓄電量が多くなった場合、エンジン１０の出力を抑え気味にして、第２モータジェネレータ２８を電動機として作用させ、これの発生するトルクを車両走行用に用いるように制御する。また、制動時においては、二つのモータジェネレータ２６，２８の一方または双方を発電機として動作させ、発生した電力を電池５０に充電する。

自動車の制動は、いつ行われるか予測することは困難であるから、電池５０は、回生制動によって発生した電力を十分受け入れられるような状態にあることが望ましい。一方、エンジン１０の出力だけでは、運転者の所望する加速を得られない場合、第２モータジェネレータ２８を電動機として動作させるために、電池５０はある程度蓄電量を確保していなければならない。この条件を満たすために、電池５０の蓄電量は、電池容量、すなわち電池が蓄えられる最大の電力の半分程度となるように制御される。本実施形態の場合は、蓄電量が約６０％となるように制御が行われる。

「要部構成」
ここで、本実施形態の二次電池制御装置について、図２に基づいて説明する。電池５０には、電圧センサ７０が接続されており、電池５０の電圧を監視している。ここで、電池５０は、複数のブロック５０−１〜５０−ｎに分割されている。また、１つずつのブロックが複数の電池セルから構成されている。そして、各電池ブロック５０−１〜５０−ｎのそれぞれに電圧センサ７０−１〜７０−ｎが接続されている。この電圧センサ７０−１〜７０−ｎは、各電池ブロック５０−１〜５０ｎの電圧を測定する。また、電池５０の電流経路には電流センサ７２が設けられており、電池電流を検出している。さらに、電池５０の近傍には、その温度を検出する温度センサ７４が設けられ、電池５０の温度を検出している。なお、温度センサ７４も複数設け、電池ブロック５０−１〜５０−ｎのそれぞれの温度を個別に検出できるようにしてもよい。そして、これら電圧センサ７０、電流センサ７２及び温度センサ７４の検出値は、電池ＥＣＵ６８に入力される。また、電池５０に接続されている電力ラインには、リレー７６が配置されており、電池５０をインバータ５２、５４から切り離せるようになっている。

なお、本実施形態の電池５０は、ニッケル水素電池である。しかし、電池５０には、これに限らず、リチウム水素、リチウムイオン、ニッケルカドミ、鉛電池などが利用可能である。

電池ＥＣＵ６８は、その内部に、その機能ブロックとして、検出部８０、判定部８２、メモリ８４及びリレー制御部８６を有している。検出部８０は電圧センサ７０、電流センサ７２及び温度センサ７４によって検出された電圧値、電流値、電池温度をデジタルデータとして判定部８２に供給する。ここで、電圧値は、ブロック５０−１〜５０−ｎの１つずつの検出値として得られる。

判定部８２は、検出された電池温度に基づき、その温度に対応する電圧しきい値をメモリ８４から読み出す。ここで、メモリ８４に記憶されている電圧しきい値は、１つの電池セルの値を基本としている。従って、ブロック毎に検出した電圧と比較する場合には、電圧しきい値（電池セル用）×１ブロックの電池セル数＝電圧しきい値（ブロック用）、で算出された値を利用する。

そして、得られた電圧しきい値（ブロック用）と検出された各ブロックの電圧値を比較し、検出されたいずれか１つのブロック電圧が電圧しきい値（ブロック用）以下であった場合には、判定部８２はリレー制御部８６にこの判定結果を供給し、リレー制御部８６がリレー７６を制御して、電池５０をインバータ５２から切り離す。なお、電圧センサ７０として、電池５０の電圧を検出する場合には、電圧しきい値（セル用）×１ブロックの電池セル数×ブロック数＝電圧しきい値（電池用）、で算出された値を利用する。また、電圧センサ７０により、電池セル１つ１つの電圧を個別に検出する場合には、電圧しきい値（セル用）をそのまま利用すればよい。さらに、メモリ８４には、電圧しきい値（セル用）ではなく、電圧しきい値（ブロック用）等を記憶しておくことも好適である。

これによって、電池５０はそれ以上放電することがなくなり、その劣化が確実に防止される。特に、ブロック毎に電圧値を検出し、電圧しきい値（ブロック用）以下かを検出する構成とすることで、ブロック毎の放電状態のばらつきにも対応して、正確な過放電状態の検出が行える。従って、電圧しきい値における余裕をそれほど大きく設定することがなく、電池の能力を最大限に利用することができる。

また、電流センサ７２の検出値は、電流積算による電池５０の蓄電量の検出や、電流と電圧との関係を利用した蓄電量の検出に利用される。

「電圧しきい値」
ここで、メモリ８４に記憶する電圧しきい値は、実験により予め決定する。すなわち、本実施形態では、例えば１つの電池セルについて、定電力放電実験を行い、電流及び電圧の経時変化を測定する。この測定結果の一例を図３に示す。このように、定電力放電を行うと、ある時点で、電流量が急激に上昇する。この点が、二次電池が熱暴走し始める点で、これ以上放電すると電池の劣化につながる。そこで、この点で放電を停止することで、電池を劣化させずに最大限の放電を行うことができる。この点は、電流Ｉの時間微分が所定値以上になったことで検出すればよい。そして、その時点の電圧値を求め、これを電池セルの最小電圧値とする。

また、この実験を各種の温度で行うことによって、各温度における最小電圧値を求め、これをマップまたは関数などにまとめる。そして、これを上述したメモリ８４に記憶する。なお、電池セルについての実験に代え、電池ブロックについての放電実験を行ってもよい。

ここで、この最小電圧値は、電池の起電力をＶ0としたときに、電池電圧がＶ0／２となった時点や、電池電圧が定格電圧の１／２±２０％の値などにしてもよい。

一般に、電池の起電力をＶ0、電流をＩ、内部抵抗をＲとすると、電池電圧Ｖは、
Ｖ＝Ｖ0−ＩＲ・・・（２）
で表される。なお、Ｖ0、Ｒは蓄電量、温度、放電電力などによって変化する。

そして、ＩとＶとが上記（２）関係を満たしていると、出力電力Ｐは、
Ｐ＝ＩＶ＝−Ｒ（Ｉ−Ｖ0／２Ｒ） ^２＋Ｖ0 ^２／４Ｒ・・・（３）
となり、Ｉ＝Ｖ0／２Ｒのときに出力電力Ｐが最大となる。

従って、ＩとＶが上記（２）の関係を満たしているときには、（Ｉ＝Ｖ0／２Ｒ，Ｖ＝Ｖ0／２）で、最大電力で放電できることになる。

次に、一定電力で放電した場合を考える。放電に伴いＶ0及びＲが変化するが、ここでは簡単のために、Ｖ0が一定の場合を考える。図４に一定電力Ｐで放電した場合の特性（Ｖ＝Ｐ／Ｉ）を示す。一方、電池の内部抵抗がＲであれば、Ｖ＝ＲＩであり、この直線と、Ｖ＝Ｐ／Ｉの交点が、放電電流Ｉ、電池電圧になる。内部抵抗がＲ1であれば、動作点ａで、電流、電圧が決定される。そして、放電が進み、内部抵抗が大きくなり、Ｒ2になると、動作点ｂで電流、電圧が決定され、この点での電圧は、Ｖ0／２である。そして、内部抵抗がさらに大きくなると、定電力放電が行えなくなる。これにより、電流は大きく増加するが、定電力放電の処理は発散する。従って、この電池電圧がその起電力Ｖ0の１／２の時が、図３における電流の変化量が急激に大きくなる点である。

従って、上述のような条件下においては、理論的に電池電圧（セル）がＶ0／２となった時点で、電池５０を切り離せばよく、この値をメモリ８４に記憶しておけばよい。

なお、実際には、電池セルの起電力Ｖ0は、放電条件（蓄電量、温度など）により変化する。そこで、システムの放電条件がわかっているのであれば、その条件でＶ0を求めておき、これをメモリ８４に記憶すればよい。また、各種の放電条件で、Ｖ0を求めておき、これをテーブルとしてメモリ８４に記憶しておくことも好適である。これによって、実際の電池５０の放電条件に合わせて、適切なＶ0を読み出し、判定が行える。

さらに、ニッケル水素電池の場合は、起電力Ｖ0があまり変化しないため、Ｖ0を定格電圧としてしまい、この１／２程度の値をメモリに記憶しておくことでもあまり問題は生じない。さらに、この値は２０％程度変更しても問題はない。

「放電制限の処理」
次に、放電制限の処理について、図５に基づいて説明する。まず、通常の場合には、電池５０の電流量から、蓄電量を算出する。そして、算出した蓄電量に応じた駆動制御を行い、電池５０の蓄電量が６０％程度になる駆動を制御して通常走行を行う（Ｓ１１）。この通常走行時において、蓄電量が２０％に至ったかを判定しておく（Ｓ１２）。そして、走行状況に応じて、電池５０の蓄電量が２０％程度まで低下した場合には、放電量がほぼ０になるような駆動制御を行う（Ｓ１３）。ここで、蓄電量が２０％程度からは、そのときの電流Ｉと電圧Ｖとの関係から蓄電量を算出することができる。このＩＶ判定は蓄電量の絶対値を把握する方法であり、蓄電量がしきい値を超えたかどうかというＳ１２の判定に適している。このため、Ｓ１２の判定は、ＩＶ判定に基づいて行う。

しかしながら、このような駆動制御においては、必ずしも放電量が０にはならず、若干の放電が行われる場合もある。すなわち、モータ・ジェネレータの駆動制御により、放電量を制限するが、走行状況に応じて、さらに放電が行われる場合が生じる。

そこで、蓄電量が２０％以下になった場合には、電圧センサ７０−１〜７０−ｎの検出値から、電池ブロック５０−１〜５０−ｎのいずれかが電圧しきい値（ブロック用）以下になったかを判定する（Ｓ１４）。そして、所定値以下になった場合には、リレー７６をオフし、電池５０を切り離す（Ｓ１５）。これによって、それ以上の放電は完全に停止され電池５０が保護される。なお、電池５０を切り離しても、車両はエンジン１０の駆動力により、最低限の走行は確保される。

システムの全体構成を示す図である。要部の構成を示す図である。定電力放電時の特性を示す図である。定電力放電時における電圧と電流の関係を示す図である。放電制御の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

５０電池、５０−１〜５０−ｎ電池ブロック、６８電池ＥＣＵ、７０（７０−１〜７０−ｎ）電圧センサ、７２電流センサ、７４温度センサ、７６リレー、８０検出部、８２判定部、８４メモリ、８６リレー制御部。

Claims

二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による検出電圧値と予め設定されている電圧しきい値とを比較する比較手段と、
前記比較手段により検出電圧値が前記電圧しきい値に達したことが検出されると、前記二次電池の定電力放電を停止する放電停止手段と、
を備える二次電池制御装置であって、
前記電圧しきい値が、定電力放電試験において熱暴走が開始する時点の電流値に対応する電圧値である、前記二次電池の定格電圧の１／２となる電圧値に基づいて設定されることを特徴とする二次電池制御装置。
二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による検出電圧値と予め設定されている電圧しきい値とを比較する比較手段と、
前記比較手段により検出電圧値が前記電圧しきい値に達したことが検出されると、前記二次電池の定電力放電を停止する放電停止手段と、
を備える二次電池制御装置であって、
前記電圧しきい値が、定電力放電試験において熱暴走が開始する時点の電流値に対応する電圧値である、前記二次電池の定格電圧の１／２に対し±２０％となる電圧値に基づいて設定されることを特徴とする二次電池制御装置。
二次電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による検出電圧値と予め設定されている電圧しきい値とを比較する比較手段と、
前記比較手段により検出電圧値が前記電圧しきい値に達したことが検出されると、前記二次電池の定電力放電を停止する放電停止手段と、
を備える二次電池制御装置であって、
前記電圧しきい値が、最大電力で放電できる、前記二次電池の定格電圧の１／２となる電圧値に基づいて設定されることを特徴とする二次電池制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記放電停止手段は、さらに、前記二次電池の蓄電量が２０％まで低下した場合に前記二次電池の放電を停止することを特徴とする二次電池制御装置。
請求項４記載の装置において、
前記二次電池はニッケル水素電池であり、
前記蓄電量が２０％まで低下したか否かは、電流と電圧から判定されることを特徴とする二次電池制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記電圧しきい値は、前記二次電池の使用状態に対応して決定されており、その時点における前記二次電池の使用状態に応じて比較に使用される電圧しきい値が決定されることを特徴とする二次電池制御装置。
請求項６記載の装置において、
前記使用状態は、少なくとも前記二次電池の温度を含むことを特徴とする二次電池制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記二次電池はニッケル水素電池であることを特徴とする二次電池制御装置。
請求項１〜８のいずれかに記載の装置において、
前記二次電池はハイブリッド車両に搭載されることを特徴とする二次電池制御装置。