JP6610410B2 - 自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車に関し、詳しくは、リチウムイオンキャパシタを搭載する自動車に関する。
従来、この種のリチウムイオンキャパシタとしては、正極と、リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を含有する負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このリチウムイオンキャパシタでは、低温や高温で作動させたときの放電容量が高く、安全性に優れているとされている。
特開2015−173201号公報
ところで、リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオンバッテリと同様に充放電により内部抵抗が増加するという劣化が認められる。リチウムイオンバッテリでは、大きな電流値による充電や放電が行なわれると、電池内部の電解液に面内方向の塩濃度のムラが生じ、内部抵抗を増加させると考えられる。こうした劣化は、早期に、ある程度の放置や低電流による充放電を行なうことにより回復することが知られている。リチウムイオンキャパシタでは、リチウムイオンバッテリと構造が異なるため、リチウムイオンバッテリと同様の劣化回復を行なうことができない。
本発明の自動車は、リチウムイオンキャパシタの劣化を回復し、その性能を十分に用いることを主目的とする。
本発明の自動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の自動車は、
リチウムイオンキャパシタと、少なくとも前記リチウムイオンキャパシタと電力のやりとりを行なう電気負荷と、制御装置と、を搭載する自動車であって、
前記制御装置は、充電電流値が放電電流値より大きい充電過多パターンにより前記リチウムイオンキャパシタを充放電したことに基づく前記リチウムイオンキャパシタの劣化の程度が所定程度以上に至ったときには、充電電流値が放電電流値より大きい放電過多パターンにより前記リチウムイオンキャパシタが充放電されるように制御する、
ことを特徴とする。
本発明の発明者らは、リチウムイオンキャパシタを充電電流値が放電電流値より大きい充電過多パターンにより充放電すると、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗が増加して劣化することを認めた。また、充電過多パターンによる充放電によりリチウムイオンキャパシタの内部抵抗が増加したときに、放電電流値が充電電流値より大きい放電過多パターンによりリチウムイオンキャパシタを充放電すると、リチウムイオンキャパシタの内部抵抗が減少し、劣化が回復することを認めた。こうした認識から、充電過多パターンによりリチウムイオンキャパシタを充放電したことに基づいてリチウムイオンキャパシタの劣化の程度が所定程度以上に至ったときに、放電過多パターンによりリチウムイオンキャパシタを充放電することにより、リチウムイオンキャパシタの劣化を回復することができる。劣化を回復した以降は、リチウムイオンキャパシタの性能を十分に発揮させて使用することができる。これらの結果、リチウムイオンキャパシタの劣化を回復し、その性能を十分に用いることができる。
ここで、「リチウムイオンキャパシタの劣化の程度」は、リチウムイオンキャパシタの蓄電割合が所定割合(例えば50%)以下の状態からの充電電流値に比例すると共に時間によって減衰するパラメータを積算して得られる劣化指標などにより表わすことができる。
本発明の自動車において、要求電力に対して前記放電過多パターンにより前記リチウムイオンキャパシタが充放電されるように前記リチウムイオンキャパシタの充放電電力と前記少なくとも1つのバッテリの充放電電力との割合を調製するものとしてもよい。こうすれば、電気負荷の駆動に影響を与えることなくリチウムイオンキャパシタの劣化を回復することができる。
本発明の自動車において、前記制御手段は、前記劣化の程度が大きいときには小さいときに比して、前記リチウムイオンキャパシタの蓄電割合が所定割合以下の状態における前記リチウムイオンキャパシタの充電が制限されるよう制御するものとしてもよい。こうすれば、リチウムイオンキャパシタの劣化が促進するのを抑制することができる。また、こうした制限によって充放電のパターンが放電過多パターンになりやすいため、劣化の程度が所定程度以上に至る前に劣化が回復される場合が生じる。この結果、リチウムイオンキャパシタの性能をより発揮できるようにすることができる。ここで、「所定割合」としては、例えば50%や40%などを用いることができる。
本発明の一実施例としての電気自動車20の構成の概略を示す構成図である。 充放電パターンを模式的に示す説明図である。 充放電パターンと放電抵抗増加率との関係の一例を示す説明図である。 電子制御ユニット70により実行される可逆劣化回復処理の一例を示すフローチャートである。 補正係数設定用マップの一例を示す説明図である。 リチウムイオンキャパシタ50の充電開始時の蓄電割合SOC(c)とキャパシタ電流Icと放電抵抗増加率との関係の一例を示すグラフである。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての電気自動車20の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車20は、図示するように、走行用のモータ22と、モータ22を駆動するためのインバータ24と、バッテリ40と、第1昇圧コンバータ42と、リチウムイオンキャパシタ50と、第2昇圧コンバータ52と、電子制御ユニット70と、を備える。
モータ22は、例えば、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を有する同期発電電動機として構成されている。モータ22の回転子は、駆動輪38a,38bにデファレンシャルギヤ37を介して連結された駆動軸36に接続されている。
インバータ24は、駆動側電力ライン26とモータ22の三相コイル(U相,V相,W相)とに接続されており、駆動側電力ライン26の直流電力を三相交流電力に変換してモータ22に印加する。インバータ24は、6つのトランジスタと6つのダイオードとを有する周知のインバータ回路として構成されている。なお、駆動側電力ライン26には、平滑コンデンサ27が取り付けられている。
バッテリ40は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、電池側電力ライン46に接続されている。第1昇圧コンバータ42は、バッテリ40が接続された電池側電力ライン46と、インバータ24が接続された駆動側電力ライン26と、に接続されている。この第1昇圧コンバータ42は、2つのトランジスタと、2つのダイオードと、リアクトルとを有する周知の昇圧コンバータとして構成されている。第1昇圧コンバータ42は、電池側電力ライン46の電力を昇圧して駆動側電力ライン26に供給したり、駆動側電力ライン26の電力を降圧して電池側電力ライン46に供給する。なお、電池側電力ライン46には、平滑コンデンサ47が取り付けられている。
リチウムイオンキャパシタ50は、例えば、正極と、リチウムイオンを吸蔵脱離できる負極活物質を含有する負極と、リチウム塩を含む非水電解液とを有する周知のリチウムイオンキャパシタとして構成されている。第2昇圧コンバータ52は、リチウムイオンキャパシタ50が接続されたキャパシタ側電力ライン56と、インバータ24が接続された駆動側電力ライン26と、に接続されている。この第2昇圧コンバータ52は、2つのトランジスタと、2つのダイオードと、リアクトルとを有する周知の昇圧コンバータとして構成されている。第2昇圧コンバータ52は、キャパシタ側電力ライン56の電力を昇圧して駆動側電力ライン26に供給したり、駆動側電力ライン26の電力を降圧してキャパシタ側電力ライン56に供給する。
電子制御ユニット70は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポートを備える。電子制御ユニット70には、各種センサからの信号、例えば、モータ22の回転子の回転位置を検出する図示しない回転位置センサからの回転位置や、モータ22の三相(U相,V相,W相)に取り付けられた図示しない電流センサからの相電流などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット70には、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号、シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSPなどが入力ポートを介して入力されている。さらに、電子制御ユニット70には、アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Acc、ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP、車速センサ88からの車速Vなど入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット70には、駆動側電力ライン26に取り付けられた電圧センサ28からの駆動側電圧VHや、電池側電力ライン46に取り付けられた電圧センサ48からの電池側電圧VB、キャパシタ側電力ライン56に取り付けられた電圧センサ58からのキャパシタ側電圧VC、電池側電力ライン46に取り付けられた電流センサ49からの電池電流Ib、キャパシタ側電力ライン56に取り付けられた電流センサ59からのキャパシタ電流Icなども入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット70からは、インバータ24の6つのトランジスタへのスイッチング制御信号や、第1昇圧コンバータ42の2つのトランジスタへのスイッチング制御信号、第2昇圧コンバータ52の2つのトランジスタへのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
電子制御ユニット70は、モータ22の回転子の回転位置に基づいてモータ22の回転数Nmを演算している。また、電子制御ユニット70は、電流センサ49からの電池電流Ibの積算値に基づいてバッテリ40の蓄電割合SOC(b)を演算したり、電流センサ59からのキャパシタ電流Icの積算値に基づいてリチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)を演算したりしている。また、電子制御ユニット70は、蓄電割合SOC(b)や電池温度に基づいてバッテリ40から充放電可能な電力の許容最大値としての入出力制限Win(b),Wout(b)を演算したり、蓄電割合SOC(c)やキャパシタ温度に基づいてリチウムイオンキャパシタ50から充放電可能な電力の許容最大値としての入出力制限Win(c),Wout(c)を演算したりしている。
電子制御ユニット70は、運転者のアクセルペダル83の踏み込み量に基づいてモータ22を駆動する駆動制御も行なっている。駆動制御は、まず、アクセルペダルポジションセンサ84により検出されるアクセルペダル83の踏み込み量(アクセル開度Acc)と車速センサ88により検出される車速Vとに基づいて駆動軸36に要求される要求パワーPd*を設定する。続いて、バッテリ40の蓄電割合SOC(b)とリチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)とに基づいて要求パワーPd*のうちバッテリ40に分配される電力とリチウムイオンキャパシタ50に分配される電力との比(分配比)k1,k2(k2=1−k1)を定める。そして、要求パワーPd*に分配比k2を乗じた電力(k2・Pd*)がリチウムイオンキャパシタ50の入出力制限Win(c),Wout(c)の範囲内でリチウムイオンキャパシタ50から出力(入力)されるように第2昇圧コンバータ52を制御すると共に、要求パワーPd*からリチウムイオンキャパシタ50から入出力される電力を減じた電力がバッテリ40から出力(入力)されるように第1昇圧コンバータ42を制御する。こうした第1,第2昇圧コンバータ42,52の制御と同時に、要求パワーPd*をモータ回転数Nmで除した要求トルクTm*がモータ22から出力されるようにインバータ24を制御する。
次に、こうして構成された実施例の電気自動車20の動作、特に、リチウムイオンキャパシタ50の可逆劣化に対する動作について説明する。リチウムイオンキャパシタ50は、充電電流値が放電電流値よりも大きい充電過多パターンにより充放電すると、内部抵抗が増加することが認められた。一方、こうした内部抵抗が増加した状態でリチウムイオンキャパシタ50を放電電流値が充電電流値よりも大きい放電過多パターンにより充放電すると、内部抵抗が減少することが認められた。図2に充放電パターンを模式的に示し、図3に充放電パターンと放電抵抗増加率との関係の一例を示す。図2に示すように、充電過多パターンは、大きな充電電流値による急速充電と小さな放電電流値によるゆっくりとした放電とを繰り返すものであり、放電過多パターンは、小さな充電電流値によるゆっくりとした充電と大きな放電電流値による急速放電とを繰り返すものである。なお、実際の充放電パターンは、このように模式的に示され得るものではないから、充電過多パターンと放電過多パターンとが混在し、運転者の使用状況により充電過多パターンが多かったり放電過多パターンが多かったりする。図3の充電過多(a)は中程度の充電電流値による充電過多パターンであり、充電過多(b)は大きな充電電流値による充電過多パターンである。放電過多(a)は中程度の放電電流値による放電過多パターンであり、放電過多(b)は大きな放電電流値による放電過多パターンである。図3に示すように、充電過多パターンでは、放電過多パターンに比して、放電抵抗増加率が大きく、充電電流値が大きいほど放電抵抗増加率が大きい。これらのことから、リチウムイオンキャパシタ50は、充電過多パターンにより充放電すると劣化が促進し、放電過多パターンにより充放電すると劣化が回復する。このため、こうした現象による劣化を本明細書では「可逆劣化」と称している。実施例の電気自動車20では、リチウムイオンキャパシタ50の性能をより十分に発揮させて使用するために、電子制御ユニット70により図4に例示する可逆劣化回復処理を実行する。以下、この可逆劣化回復処理について説明する。
可逆劣化回復処理が実行されると、電子制御ユニット70は、まず、リチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)とキャパシタ電流Icとを入力し(ステップS100)、蓄電割合SOC(c)が閾値Sref未満のリチウムイオンキャパシタ50の充電であるか否かを判定する(ステップS110)。閾値Srefは、充電過多パターンによる充放電により可逆劣化が認められる充電開始SOCの上限値やその近傍の値(例えば50%や40%)を用いることができる。蓄電割合SOC(c)が閾値Sref未満のリチウムイオンキャパシタ50の充電であるときには、次式(1)により可逆劣化の程度を示すD値を計算する(ステップS120)。式(1)中、αは忘却係数であり、βは電流係数であり、c0は限界閾値であり、Δtは微小時間である。忘却係数αと電流計数βはリチウムイオンキャパシタ50の材料により定めるものであり、限界閾値c0は残存容量や温度により定まるものである。D値は、式(1)から解るように、キャパシタ電流Icに比例する項の積算値となり、時間の経過により減衰する。一方、蓄電割合SOC(c)が閾値Sref以上のときや蓄電割合SOC(c)が閾値Sref未満であってもリチウムイオンキャパシタ50の放電のときには、そのときのD値に忘却係数αを乗じて新たなD値を計算する(ステップS130)。これらのことから、D値は、蓄電割合SOC(c)が閾値Sref未満のリチウムイオンキャパシタ50の充電であるときに、充電電流値(キャパシタ電流Ic)が大きいほど大きくなり、蓄電割合SOC(c)が閾値Sref以上のときやリチウムイオンキャパシタ50の放電のときには減衰するものとなる。したがって、D値が大きな値となるときは充電過多パターンが多いときと考えることができる。
Figure 0006610410
続いて、D値に基づいて求まる補正係数f(D(N))をリチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)が50%以下の領域の入力制限Win(c)に乗じて蓄電割合SOC(c)が50%以下の領域の入力制限Win(c)を新たに設定する(ステップS140)。補正係数f(D(N))は、例えば、図5の補正係数設定用マップに例示するように、D値が値D1より大きくなると値1から小さくなって値D2で値0となるように定めることができる。このようにリチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)が50%以下の領域の入力制限Win(c)を更に制限を課すのは、蓄電割合SOC(c)が50%以下の状態からリチウムイオンキャパシタ50を充電すると、リチウムイオンキャパシタ50の内部抵抗が増加し、可逆劣化が促進されるから、それを抑制するためである。図6は、リチウムイオンキャパシタ50の充電開始時の蓄電割合SOC(c)とキャパシタ電流Icと放電抵抗増加率との関係の一例を示すグラフである。図示するように、リチウムイオンキャパシタ50の充電開始時の蓄電割合SOC(c)が小さいほど放電抵抗増加率が大きくなり、キャパシタ電流Icが大きいほど放電抵抗増加率が大きくなる。このため、リチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)が50%以下の領域の入力制限Win(c)を更に制限を課すことにより、可逆劣化の促進を抑制することができる。
次に、D値が閾値Dref以上であるか否かを判定する(ステップS150)。閾値Drefは、放電過多パターンによる充放電を行なうことにより、リチウムイオンキャパシタ50の可逆劣化が回復する程度のD値として実験などにより定めることができる。D値が閾値Dref未満のときには、まだ、可逆劣化の回復を図る必要はないと判断し、本処理を終了する。一方、D値が閾値Dref以上のときには、充電過多パターンが多く、これにより可逆劣化が促進したためにその回復を図る必要があるとして、放電過多パターンによる充放電がリチウムイオンキャパシタ50で行なわれるように設定し(ステップS160)、本処理を終了する。リチウムイオンキャパシタ50の放電過多パターンの充放電は、具体的には以下のように行なうことができる。要求パワーPd*によりリチウムイオンキャパシタ50から放電するときには、リチウムイオンキャパシタ50の蓄電割合SOC(c)が所定値(例えば30%や40%)に至るまではより要求パワーPd*を出力制限Wout(c)で制限したパワーをリチウムイオンキャパシタ50から放電すると共に残余のパワーをバッテリ40から放電するように分配比k1,k2を調製し、この調製した分配比k1,k2を用いて駆動制御する。一方、要求パワーPd*によりリチウムイオンキャパシタ50を充電するときには、予め定めた小さな充電電流値と入力制限Win(c)とのうち小さい方でリチウムイオンキャパシタ50を充電すると共に残余のパワーでバッテリ40を充電するように分配比k1,k2を調製し、この調製した分配比k1,k2を用いて駆動制御する。こうした駆動制御により放電過多パターンによりリチウムイオンキャパシタ50を充放電し、可逆劣化を回復するのである。
以上説明した実施例の電気自動車20では、リチウムイオンキャパシタ50を充電過多パターンによって充放電したことによりリチウムイオンキャパシタ50の可逆劣化の程度を示すD値が閾値Dref以上に至ったときには、放電過多パターンによりリチウムイオンキャパシタ50を充放電する。これにより、リチウムイオンキャパシタ50の可逆劣化を回復することができる。この結果、リチウムイオンキャパシタ50の性能を十分に用いることができる。しかも、D値が値D1以上で大きいほど小さくなる補正係数f(D(N))を蓄電割合SOC(c)が50%以下のリチウムイオンキャパシタ50の入力制限Win(c)に乗じて入力制限Win(c)に更に制限を課す。これにより、リチウムイオンキャパシタ50の可逆劣化の促進を抑制することができる。また、蓄電割合SOC(c)が50%以下のリチウムイオンキャパシタ50の入力制限Win(c)に更に制限を課すことにより、充電過多パターンを生じにくくなると共に放電過多パターンを生じやすくなるから、D値が閾値Drefに至る前に可逆劣化が回復される場合が生じる。この結果、リチウムイオンキャパシタ50の性能をより発揮できるようにすることができる。
実施例の電気自動車20では、D値に基づく補正係数f(D(N))を蓄電割合SOC(c)が50%以下のリチウムイオンキャパシタ50の入力制限Win(c)に乗じて入力制限Win(c)に更に制限を課すものとした。しかし、蓄電割合SOC(c)が50%以下のリチウムイオンキャパシタ50の入力制限Win(c)に更なる制限は課さないものとしてもよい。
実施例の電気自動車20では、バッテリ40とリチウムイオンキャパシタ50とを搭載するものとしたが、2つ以上のバッテリとリチウムイオンキャパシタとを搭載するものとしてもよい。
実施例の電気自動車20では、モータ22の駆動電力をバッテリ40とリチウムイオンキャパシタ50とにより賄うものとしたが、リチウムイオンキャパシタ50からの電力はモータ22以外の電気負荷に供給するものとしてもよい。
実施例の電気自動車20では、バッテリ40とリチウムイオンキャパシタ50とを同一の電力系に接続するものとしたが、各々を別の独立した電力系に接続するものとしてもよい。この場合も同様に、リチウムイオンキャパシタの充電過多パターンによる可逆劣化の程度を示すD値が閾値Dref以上に至ったときに、放電過多パターンによってリチウムイオンキャパシタを充放電することにより可逆劣化を回復することができる。
実施例の電気自動車20では、モータ22の入出力電力によりリチウムイオンキャパシタ50を充放電するものとしたが、モータ以外の電気負荷に電力供給するためにリチウムイオンキャパシタから放電するものとしてもよいし、モータ以外の電気機器からの電力によりリチウムイオンキャパシタを充電するものとしてもよい。
実施例では、リチウムイオンキャパシタ50を電気自動車に搭載するものとしたが、モータ走行しない自動車に搭載するものとしても構わない。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、リチウムイオンキャパシタ50が「リチウムイオンキャパシタ」に相当し、モータ22が「電気負荷」に相当し、第1昇圧コンバータ42と第2昇圧コンバータ52と電子制御ユニット70とが「制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、自動車の製造産業などに利用可能である。
20 電気自動車、22 モータ、24 インバータ、26 駆動側電力ライン、27 平滑コンデンサ、28 電圧センサ、36 駆動軸、37 デファレンシャルギヤ、38a,38b 駆動輪、40 バッテリ、42 第1昇圧コンバータ、46 電池側電力ライン、47 平滑コンデンサ、48 電圧センサ、49 電流センサ、50 リチウムイオンキャパシタ、52 第2昇圧コンバータ、56 キャパシタ側電力ライン、58 電圧センサ、59 電流センサ、70 電子制御ユニット、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ。

Claims (3)

  1. リチウムイオンキャパシタと、少なくとも前記リチウムイオンキャパシタと電力のやりとりを行なう電気負荷と、制御装置と、を搭載する自動車であって、
    前記制御装置は、充電電流値が放電電流値より大きい充電過多パターンにより前記リチウムイオンキャパシタを充放電したことに基づく前記リチウムイオンキャパシタの劣化の程度が所定程度以上に至ったときには、放電電流値が充電電流値より大きい放電過多パターンにより前記リチウムイオンキャパシタが充放電されるように制御する、
    ことを特徴とする自動車。
  2. 請求項1記載の自動車であって、
    前記電気負荷と電力のやりとりが可能な少なくとも1つのバッテリを備え、
    前記制御装置は、前記劣化の程度が前記所定程度以上に至ったときには、要求電力に対して前記放電過多パターンにより前記リチウムイオンキャパシタが充放電されるように前記リチウムイオンキャパシタの充放電電力と前記少なくとも1つのバッテリの充放電電力との割合を調製する、
    自動車。
  3. 請求項1または2記載の自動車であって、
    前記制御装置は、前記劣化の程度が大きいときには小さいときに比して、前記リチウムイオンキャパシタの蓄電割合が所定割合以下の状態における前記リチウムイオンキャパシタの充電が制限されるよう制御する、
    自動車。
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