JP5401366B2

JP5401366B2 - ハイブリッド車両の制御装置

Info

Publication number: JP5401366B2
Application number: JP2010055230A
Authority: JP
Inventors: 雅彦天野; 修子山内; 恒典山本; 裕有田; 正浩長洲
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP2011189768A

Description

本発明は、蓄電池を搭載したハイブリッド車両の制御装置に関する。

地球温暖化など環境問題への対応策として、蓄電池を用いたハイブリッド車両の普及が進んでいる。蓄電池には鉛蓄電池，ニッケル水素電池，リチウムイオン電池などが用いられるが、特に出力密度やエネルギー密度に優れるリチウムイオン電池の採用が近年増えてきている。

一般に蓄電池は充放電サイクルを繰り返すことで劣化が進む。特に鉄道ハイブリッド車両のように、回生ブレーキによる大電流を長時間にわたって充電するようなシステムにおいては、劣化を考慮した適切な電流制限を設けないと、電池寿命が予想より短くなり、十分に性能が発揮できなくなったり、予想よりも早く電池を交換する必要性が出てきたりする。

充放電電流を制限する方法としては、例えば特許文献１に記載の方法があった。電池の充電状態に応じて出力に制限を設けるというものである。また、電池の劣化を抑制する制御方法として、例えば特許文献２に記載の方法があった。電池の劣化速度が基準よりも大きいと判断した場合に、劣化抑制制御を行うというものである。

特開２００７−１５１２１６号公報特開２００７−３２３９９９号公報

電池の劣化を抑制するためには充放電電流に制限をかける必要があるが、制限をかけすぎるとハイブリッド車両として所望の燃費低減効果が発揮できなくなる。そのため、できるだけ電池性能を発揮でき、かつ目標寿命が達成できるような必要最低限の制限をかけることが望ましいが、そのような制限方法について、これまで十分な検討がなされていなかった。

たとえば充電状態に応じて出力制限を設ける例では、電池の出力特性をもとにエネルギーマネジメントが容易になるような制限をかけており、劣化を抑制するような電流制限にはなっていない。また、電池の劣化速度に応じて劣化抑制制御をかける方法についても、鉄道車両のように１回の充放電の時間が長く、使用する電池容量範囲が広い用途に対して劣化抑制するような制限方法は考慮されていない。

本発明の目的は、蓄電池を搭載したハイブリッド車両において、電池の目標寿命を満たしながら、かつできるだけ多くの充放電を行って燃費低減効果を発揮させるような蓄電池の制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、ハイブリッド車両の制御装置において、電圧上下限で決まる電池の出力特性に基づく電流制限値よりも小さな値である、充電状態に応じた充電電流制限、及び放電電流制限を設けるようにした。

また、さらに充電電流制限値は充電状態が高いほど小さく、また放電電流制限値は充電状態が低いほど小さな値とする。

また、さらに１回の減速動作で充電する充電電気量に上限値を設け、充電積算値がその上限値を超えないように、充電を制御するようにした。

また、さらに蓄電池の劣化状態を計測し、あらかじめ想定した劣化特性と比較して、比較結果に基づいて充電電流制限値，放電電流制限値、あるいは１回の充電の上限電気量を変化させるようにした。

本発明によれば、電池劣化の抑制を目的として、充電状態に応じた充電電流、放電電流の制限、または１回の充電動作での電気量制限を行うため、電池使用に対する劣化を抑制する効果がある。

ハイブリッド車両の全体構成図。バッテリーコントローラの構成図。充電電流制限の説明図。放電電流制限の説明図。想定劣化特性の説明図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明を適用したハイブリッド鉄道車両とその制御装置の一例を示したものである。ハイブリッド車両は、エンジン１，発電機２，インバータ３，モータ４，ＤＣ／ＤＣコンバータ５，バッテリー６から構成され、制御装置としてハイブリッドコントローラ１１とバッテリーコントローラ１２を備えている。

ハイブリッドの方式としては、シリーズハイブリッドを想定している。エンジン１により発電機２を駆動して電力を発生し、その電力でモータ４を回して車輪を駆動する。なお、発電機２には、交流電力を直流電力に変換する変換器も含んでいるものとする。インバータ３は、直流電力を交流電力に変換してモータ４を駆動する。車両減速時にはモータ４を発電動作に切り換え、回生ブレーキとして動作させる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、直流電圧を変換して、バッテリー６への充電電流、あるいはバッテリー６からの放電電流を制御する。車両駆動時には必要に応じてバッテリー６から電力を供給し、出力をアシストする。その分、エンジン１の出力を低下させることができ、燃料消費量が低減できる。車両減速時には、モータ４とインバータ３から出力される回生電力をバッテリー６に充電する。

バッテリー６は、電池セルを多直列，多並列に組み合わせた構成となっている。たとえばリチウムイオン電池を用いた場合、１セルの電圧が約３.６Ｖであり、これを例えば２００個直列に接続することで、約７２０Ｖの直流電圧が得られる。電池容量が不足する場合には、直列接続したセルを複数用意し、それらを並列に接続することで大容量バッテリーを構成することができる。

ハイブリッドコントローラ１１は、運転士からの運転指令とバッテリーコントローラ１２からの電池状態情報（充電状態，充放電可能電力，電流制限値）に基づいて、モータ４の駆動・回生トルク，エンジン１の出力，バッテリー６の充放電出力を決定し、エンジン１，発電機２，インバータ３，ＤＣ／ＤＣコンバータ５に指令を出す。

次に、バッテリーコントローラ１２の役割について詳しく説明する。図２はバッテリーコントローラ１２の構成と信号の流れを示したものである。入力処理部２１，出力処理部２２，ＳＯＣ算定手段２３，ＳＯＨ算定手段２４，ＳＯＨ保存手段２５，電流制限値算出手段２６，可能電力算出手段２７から構成される。

まず、入力処理部２１は、バッテリー６に設置された電圧，電流，温度といったセンサの情報を受け取り、Ａ／Ｄ変換など必要な処理を行う。

ＳＯＣ算出手段２３は、電圧，電流，温度の情報をもとに電池の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を算出する。算出方法としては様々な方法が考案されている。例えば、電圧，電流と内部抵抗のデータから電池の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を算出し、ＯＣＶとＳＯＣの関係を示すテーブルからＳＯＣを求める。あるいは、電流積算値と電池容量の比からＳＯＣの変化を算出する方法などがある。

ＳＯＨ算出手段２４は、電圧，電流，温度の情報をもとに電池の劣化状態（ＳＯＨ：State of Health）を算出する。劣化状態は、内部抵抗上昇率や容量減少率で定義する。一般には測定がしやすい内部抵抗で推定することが多い。内部抵抗は、電圧，電流とＯＣＶとから求めることができる。初期の内部抵抗を１００％として、劣化により抵抗が上昇すると１２０％というように表す。

ＳＯＨ保存手段２５は、ＳＯＨ算出手段２４が算出した劣化状態を、時間の情報とともに保存しておくためのものである。これにより、時間の経過につれて劣化がどのように進行しているかがわかる。

電流制限値算出手段２６は、ＳＯＣ算出手段２３が算出した充電状態や、電流情報をもとに、寿命を考慮した充電あるいは放電の電流制限値を算出する。詳細は後述する。

可能電力算出手段２７は、その時点でバッテリー６が出せる最大の可能放電電力、あるいはバッテリー６に吸収できる最大の可能充電電力を算出する。電池に放電電流を流すと、電池電圧は、内部抵抗と電流の積で決まる電圧だけＯＣＶから低下した値となる。充電の場合は、内部抵抗と電流の積で決まる電圧だけＯＣＶより上昇する。電池には性能上許容される電圧の最大値，最小値が決まっており、それを超えないように電流を制限する必要がある。その時点でのＯＣＶと内部抵抗から許容電圧を超えないような最大の放電電流、及び充電電流が計算できるので、それをもとに可能放電電力，可能充電電力が算出できる。

なお、電池の用途によっては、流してよい最大の電流をあらかじめ定めている場合がある。上述した最大電流よりもあらかじめ定めた最大電流の方が小さければ、小さいほうの値を用いて可能電力を算出する。

以上述べた可能電力は、電池の能力としてどこまで出せるか、あるいは吸収できるかを示す値であるが、寿命を考慮した場合にはもっと電力を制限する必要がある。電流制限値算出手段２６が算出した電流制限値を用いて電力を計算すれば、寿命を考慮した最大の可能放電電力，可能充電電力が計算できる。

出力処理部２２は、ＳＯＣ算出手段２３が算出した充電状態、電流制限値算出手段２６が算出した電流制限値、及び可能電力算出手段２７が算出した可能電力について、通信手段など必要な手段を介してハイブリッドコントローラ１１に伝達する。

次に、電流制限値算出手段２６の動作について詳しく説明する。電流制限値算出手段２６は、目標とした寿命を満足するよう電池の劣化を考慮した電流制限を行うためのものである。

電池は充放電を繰り返すことより劣化が進行する。一般には充放電電流が大きいほど劣化は速く進む。そこで、劣化を抑制するためには、電池の最大・最小電圧で決まる電流値よりも小さい値に電流を制限する必要がある。あらかじめサイクル寿命試験を行って、目標寿命を達成するには電流をいくらに制限すべきかを求めておけば、寿命を考えた電流制限をかけることができる。そのようにして定めた充放電電流制限値は、上述した電池の性能上許容される最大・最小電圧で決まる許容充放電電流値よりもずっと小さな値になる。

また、一般に蓄電池は、充電状態が低いほど充電を受け入れやすく、充電状態が高いと充電電流は流しにくいという性質を持っている。劣化に関しても、充電状態が高いところでは電流を絞った方が、劣化が抑制できる。放電側も同様に、充電状態が高いほど放電電流は大電流が流せ、充電状態が低くなると放電電流の出力が低下する。充電状態が低いところでは電流を絞った方が劣化もしにくくなる。

そこで、たとえば図３，図４に示すように充電状態ＳＯＣに応じて電流制限値を変えるようにする。充電電流の制限値は充電状態ＳＯＣが高いほど小さい値とし、逆に放電電流の制限値は充電状態ＳＯＣが低いほど小さい値とする。このような特性で電流制限を設けることにより、効果的に劣化の進行を抑制することができる。

次に、鉄道のように多大な回生エネルギーを電池に充電する使い方では、１回の充放電サイクルの電気量が大きく、使用する電池の容量範囲も大きくなる。一般に、１サイクルで使用する電池の容量範囲と寿命サイクル数とが大きく関係していることが知られており、目標とする電池寿命を満足させるためには、１回の回生動作で充電する電気量に制限を設けるのが効果的である。そこで、充電動作が始まってからの充電電流値を積算し、あらかじめ定めた上限電気量に達したら充電動作を停止する（充電電流制限値＝０とする）ように制限をかける。上限電気量は、事前のサイクル試験等により、目標寿命を達成するためにはどのような値にすべきか求めておくとよい。ここで、あらかじめ定めた上限電気量は、上述した電池の容量性能上許容される最大電気量よりも小さな値となる。

このように、１回の回生動作で充電する電気量に制限をかけることにより、鉄道用途のような大きな電気量の充放電サイクルでの電池の劣化を抑制することができる。

さて、上記の実施例では、電流制限値算出手段２６で用いる最大電流値や上限電気量は、サイクル試験等によりあらかじめ定めておくとしたが、実際の運用では、サイクル試験と同じ条件で電池を使用するという保証はなく、想定した劣化と実際の劣化が異なる可能性がある。そこで、あらかじめ想定した劣化特性と実際の劣化特性を比較し、最大電流値や上限電気量を変更する機能を電流制限値算出手段２６に持たせることも有効である。

想定劣化特性は、サイクル試験などの結果をもとにたとえば図５のように定めておく。図の横軸は時間（年月）、縦軸は電池の抵抗上昇率である。時間とともに電池の抵抗は上昇し、例えば抵抗２００％に達した時点を電池の寿命と判定する。目標寿命を１０年とすれば、１０年で抵抗が２００％になるような想定劣化特性となる。

これに対して、実際の劣化状況をＳＯＨ保存手段２５からのデータを用いて図５に示すようにプロットする。実際の劣化が想定劣化特性を下回っている場合には、最大電流値や上限電気量を大きくし、充放電を積極的に行って燃費低減効果を高める。逆に実際の劣化が想定劣化特性を上回っている場合には、最大電流値や上限電気量を小さくし、劣化の進行を遅らせるようにする。

具体的には、想定劣化特性と実際の劣化との差と、それがどのくらいの時間継続しているかを積算し（図５の斜線部）、その積算値をもとに、あらかじめ設定しておいた係数に従って最大電流値や上限電気量を変化させる。

あるいは、図５の特性を提示する機能を持たせておき、車両メンテナンスなどのタイミングでオペレータが値を変更するようにしてもよい。

このように、想定劣化と実際の劣化の比較に応じて電流制限の上限値または上限電気量を変更することにより、実際の運用において目標寿命を満足し、かつ最大限の燃費低減効果を発揮させることができる。

上記実施例では、鉄道車両を例に挙げて説明したが、ハイブリッド自動車などにも適用可能である。さらには、シリーズハイブリッドのみならず、パラレルハイブリッドシステムにも適用可能である。

１エンジン
２発電機
３インバータ
４モータ
５ＤＣ／ＤＣコンバータ
６バッテリー
１１ハイブリッドコントローラ
１２バッテリーコントローラ

Claims

複数の蓄電池から構成される蓄電装置と、エンジンと、該エンジンにより駆動される発電機と、前記蓄電装置および前記発電機と電気的に接続されるインバータと、該インバータにより駆動されるモータと、を備えたハイブリッド車両において、
前記蓄電池のＳＯＣに応じた充電電流制限値、及び放電電流制限値に基づいて前記蓄電装置の充放電を制御する制御装置を備え、
前記充電電流制限値、及び前記放電電流制限値は、前記蓄電池の性能上許容される最大電圧、及び最小電圧から決定される許容充電電流値、及び許容放電電流値よりも小さな値であり、
前記充電電流制限値は、前記蓄電池のＳＯＣが高いほど小さい値に、前記放電電流制限値は、前記蓄電池のＳＯＣが低いほど小さい値に設定され、
前記蓄電装置を構成する蓄電池の劣化状態を検出する劣化状態検出装置を備え、あらかじめ定めた想定劣化特性と検出した劣化状態とを比較し、前記劣化状態が前記想定劣化特性を下回っている場合に、前記充電電流制限値及び前記放電電流制限値の最大電流値を増加させ、前記劣化状態が前記想定劣化特性を上回っている場合に、前記充電電流制限値及び前記放電電流制限値の最大電流値を減少させる電流制限値変更手段を有すること特徴とするハイブリッド車両。