(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源として内燃機関と電動機とを有するハイブリッド車両の電池の充放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置において、
前記電池の容量を判断する容量判断手段と、
前記電池の容量が所定の範囲内に保持されるように、前記電池の充放電量を制御する充放電制御手段と、
電池の劣化状態を判断する電池状態判断手段と、
前記電池状態判断手段の判断結果に基づいて、前記充放電制御手段が保持させる前記電池の容量の範囲を第１の領域から前記第１の領域とは重ならない第２の領域に変更する領域変更手段と、を有することを特徴とするハイブリッド車両用充放電制御装置。
【請求項２】
前記領域変更手段は電池の劣化が判断されたとき、前記第１の領域から第２の領域に変更する領域変更手段であって、
前記第１の領域は、前記第２の領域よりも電池の容量が小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
【請求項３】
前記電池は正極にリチウムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン電池であって、
前記第１の領域および前記第２の領域では電池の充放電による相転移が発生せず、前記第１の領域および前記第２の領域の間の第３の領域において相転移が発生するように、前記第１の領域および前記第２の領域を設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド用充放電制御装置。
【請求項４】
前記電池は正極にＬｉｘＭｎ２Ｏ４を用いたリチウムイオン電池であって、
前記第１の領域は、電池の容量が略放電深度５０％以上の領域に設定され、前記第２の領域は、電池の容量が略放電深度５０％以下の領域に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のハイブリッド車両用電池制御装置。
【請求項５】
前記第１の領域と前記第２の領域の間に、電池の充放電を実施しないようにする第３の領域が設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
【請求項６】
前記第３の領域は、放電深度が４％の幅の範囲であることを特徴とする請求項３または請求項５に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
【請求項７】
前記電池状態判断手段は、電池の内部抵抗の変化から電池の劣化状態を判断することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
【請求項８】
前記電池状態判断手段は、電池の放電可能容量または充電可能容量が初期状態の１０％以上低下したことから判断することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両用充放電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池により電動機を駆動して走行すると共に、内燃機関などにより発電器を駆動して電池を充電するハイブリッド車両に関し、特に電池への充電および放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ハイブリッド車両における電池への充電および放電の制御としては、電池の容量が所定の範囲内に保持されるような制御が行われている。例えば、特開平９−９８５１０号公報には、電池の容量を検出し、モータの駆動や発電機の駆動を制御することによって電池の容量が所定範囲内に保持する技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ハイブリッド車両においては、温度変化に応じて電池の特性が変化することについて考慮した制御となっているが、電池の容量の変化によって電池の特性が変化するという事項については何ら考慮されていない。
【０００４】
このため、電池の容量の変化によって電池の特性が変化する電池、例えば正極活物質にリチウムマンガン酸化物（ＬｉｘＭｎ２Ｏ４）を用いたリチウムイオン電池をハイブリッド車両に用いた場合に以下のような問題が生じてしまう。
【０００５】
正極活物質にリチウムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン電池は、電池の放電深度ＤＯＤ（Ｄｅｐｔｈ  Ｏｆ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）が変化すると、電池の特性が変化する。具体的には、ＤＯＤ１００％未満の領域からＤＯＤ１００％以上の領域へ放電を行うと活物質が相転移を起こし、更にＤＯＤ５０％未満の領域からＤＯＤ５０％以上の領域へ放電を行う場合も活物質が相転移を起こす。電池の充放電の繰り返しによって活物質の相転移が発生すると、活物質の結晶格子が不安定になる・リチウムイオンの拡散速度が異なる・Ｍｎが正極から溶け出す・電解液と反応する等の理由により電池の劣化が促進されると言う問題がある。
【０００６】
上記の問題を回避する方法として、相転移が発生しない領域（例えばＤＯＤ５１％〜９９％の範囲）だけで充電と放電を繰り返すように充放電制御を行うことも考えられるが、この制御では電池の有する能力の一部しか使用しない制御方法となってしまうために、電池を使用できる期間が短くなってしまうという新たな問題が生じてしまう。
【０００７】
本願発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、電池の使用期間を長く保ち、相転移発生による劣化を防止するハイブリッド車両用充放電制御装置を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明においては、動力源として内燃機関と電動機とを有するハイブリッド車両の電池の充放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置において、前記電池の容量を判断する容量判断手段と、前記電池の容量が所定の範囲内に保持されるように、前記電池の充放電量を制御する充放電制御手段と、電池の劣化状態を判断する電池状態判断手段と、前記電池状態判断手段の判断結果に基づいて、前記充放電制御手段が保持させる前記電池の容量の範囲を第１の領域から前記第１の領域とは重ならない第２の領域に変更する領域変更手段と、を有することとした。
【０００９】
請求項２に記載の発明においては、前記領域変更手段は電池の劣化が判断されたとき、前記第１の領域から第２の領域に変更する領域変更手段であって、前記第１の領域は、前記第２の領域よりも電池の容量が小さく設定されていることとした。
【００１０】
請求項３に記載の発明においては、前記電池は正極にリチウムマンガン酸化物を用いたリチウムイオン電池であって、前記第１の領域および前記第２の領域では電池の充放電による相転移が発生せず、前記第１の領域および前記第２の領域の間の第３の領域において相転移が発生するように、前記第１の領域および前記第２の領域を設定したこととした。
【００１１】
請求項４に記載の発明においては、前記電池は正極にＬｉｘＭｎ２Ｏ４を用いたリチウムイオン電池であって、前記第１の領域は、電池の容量が略放電深度５０％以上の領域に設定され、前記第２の領域は、電池の容量が略放電深度５０％以下の領域に設定されていることとした。
【００１２】
請求項５に記載の発明においては、前記第１の領域と前記第２の領域の間に、電池の充放電を実施しないようにする第３の領域が設定されていることとした。
【００１３】
請求項６に記載の発明においては、前記第３の領域は、放電深度が４％の幅の範囲であることとした。
【００１４】
請求項７に記載の発明においては、前記電池状態判断手段は、電池の内部抵抗の変化から電池の劣化状態を判断することとした。
【００１５】
請求項８に記載の発明においては、前記電池状態判断手段は、電池の放電可能容量または充電可能容量が初期状態の１０％以上低下したことから判断することとした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は実施の形態の構成を示す図である。図において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。
【００１７】
この車両のパワートレインは、モータ１、エンジン２、クラッチ３、モータ４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モータ１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モータ４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【００１８】
クラッチ３締結時はエンジン２とモータ４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２および／またはモータ４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動軸８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（不図示）はモータ１０により駆動される。
【００１９】
モータ１，４，１０は三相同期電動機または三相誘導電動機などの交流機であり、モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ４は主として車両の推進と制動に用いられる。また、モータ１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。なお、モータ１，４，１０には交流機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、クラッチ３締結時に、モータ１を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００２０】
クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクがほぼ励磁電流に比例するので伝達トルクを調節することができる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。
【００２１】
モータ１，４，１０はそれぞれ、インバータ１１，１２，１３により駆動される。なお、モータ１，４，１０に直流電動機を用いる場合には、インバータの代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。インバータ１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリ１５に接続されており、メインバッテリ１５の直流充電電力を交流電力に変換してモータ１，４，１０へ供給するとともに、モータ１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリ１５を充電する。なお、インバータ１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力をメインバッテリ１５を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。
【００２２】
メインバッテリ１５はリチウムイオン電池である。
【００２３】
コントローラー１６は、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、エンジン２の回転速度や出力トルク、クラッチ３の伝達トルク、モータ１，４，１０の回転速度や出力トルク、無段変速機５の変速比、メインバッテリ１５のＤＯＤ（放電深度）などを制御する。
【００２４】
コントローラー１６には、図２に示すように、車両のキースイッチ２０、ＤＯＤ検出装置２１、温度センサ２２、電圧センサ２３、電流センサ２４、などが接続される。ＤＯＤ検出装置２１はメインバッテリ１５のＤＯＤ（放電状態）を検出し、温度センサ２２はメインバッテリ１５の温度を検出する。また、電圧センサ２３はメインバッテリ１５の端子電圧を検出し、電流センサ２４はメインバッテリ１５の充放電電流を検出する。
【００２５】
ここで、この実施の形態の電池のＤＯＤ制御について説明する。
【００２６】
図３は、リチウムイオン電池のＤＯＤに対する入出力特性を示す。図において、実線は新品のときの特性を示し、破線は劣化時の特性を示す。一般に、電池は、ＤＯＤが増加すると出力が減少して入力が増加する。よって電池の規定入出力値を確保するために、電池のＤＯＤが常に規定入出力値が確保できるＤＯＤ範囲に入るように、電離の充放電を制御する必要がある。
【００２７】
図４は、正極に用いているリチウムマンガン酸化物（ＬｉｘＭｎ２Ｏ４）の、０．１ｍＡ／ｃｍ２における放電曲線を示す。横軸の容量はＬｉｘＭｎ２Ｏ４の重量を基準としている。
【００２８】
図４より、リチウムマンガン酸化物（ ＬｉｘＭｎ２Ｏ４）は、リチウム組成（電池のＳＯＣ）により３領域に分かれることがわかる。本実施例では、はじめに図のIIの領域を用い、電池が劣化したらIの領域にはいるように充放電を制御する。実際に電池にしたときは、IIの領域の終わりがＤＯＤ１００％に相当する。Iの領域とIIの領域の境目はＤＯＤで約５０％に相当する。この境目のＤＯＤは予め求めているが、誤差を考慮してある程度の幅（約４％）を持たせて使用する。具体的には、Iの領域とIIの領域の境目がＤＯＤ５０％に相当する場合は、使用範囲を切り替える前はＤＯＤ５２％以上に制御し、切り替えた後はＤＯＤ４８％以下に制御する。
【００２９】
この実施の形態では、メインバッテリ１５の劣化状態を検出し、劣化状態がある状態になったら、電池の使用ＤＯＤ範囲を切り替える。
具体的には、初期はＤＯＤ５２％〜ＤＯＤ７０％にＤＯＤを制御する。
具体的には、内部抵抗が１．５倍になったら、ＤＯＤの制御範囲を切り替える。
【００３０】
また、内部抵抗の増加だけでなく、電池の容量がある程度減少したら、電池の使用範囲を切り替える。具体的には、ＤＯＤ５２％〜７０％の容量（ＡｈまたはＷｈ）が９０％になったら、ＤＯＤの制御範囲を切り替える。尚、ＤＯＤは初期の満充電容量（ＡｈまたはＷｈ）を１００％定義している。従って電池容量が９０％に劣化すると、その満充電容量は９０％となる。
【００３１】
次に、電池の劣化状態の検出方法について説明する。上述したように、電池は劣化するにつれてその内部抵抗が増加する。よって内部抵抗を検出して劣化の状態を知ることができる。電池の内部抵抗は、開放電圧と充放電圧の端子電圧との差を充放電電流で除して求めることができる。さらに正確に求めるには、放電時の端子電圧と電流をサンプリングし、サンプリングデータを直線回帰して電圧−電流特性を求め、その傾きから内部抵抗を知ることができる。
【００３２】
また、ＤＯＤに対する電池容量を演算により求めているので、例えばＤＯＤ１０％当たりの電池容量（ＡｈまたはＷｈ）を、新品時と比較して検出することも可能である。
【００３３】
図５は、実施の形態のＤＯＤ制御を示すフローチャートである。このフローチャートにより、実施の形態の動作を説明する。
【００３４】
コントローラ１６は、車両のキースイッチ２０がＯＮ位置に設定されるとこの制御プログラムを繰り返し実行する。ステップ１において、上述した方法によりメインバッテリ１５の劣化状態を検出するとともに、温度センサ２２によりメインバッテリ１５の温度を検出する。続くステップ２でメインバッテリ１５の劣化状態がＤＯＤの制御範囲を変更する必要があるかどうか判断する。必要があればステップ３で、制御目標ＤＯＤ範囲を切り替える。ステップ３で、制御目標ＤＯＤ範囲を切り替えた後は、ステップ４でＤＯＤ検出装置２１によりメインバッテリ１５のＤＯＤを検出し、続くステップ５で、ＤＯＤ検出値が目標値となるようにメインバッテリ１５の充放電を制御する。
【００３５】
図６および図７はメインバッテリのＤＯＤに対するＤＯＤ目標切り替え前の出力特性と、切り替え後の出力特性を示す。
【００３６】
図６に示すように、メインバッテリ１５のＤＯＤ目標値を５２％から７０％に制御する場合には、新品時にはＰ１の出力が得られるが、劣化するとＤＯＤの深い領域でＰ２の出力しか得られない。この場合はＤＯＤの深い領域では、出力を制限して使用する。
【００３７】
図７に示すように、さらに劣化し、メインバッテリ１５のＤＯＤ目標値を３０％から４８％に制御する場合には、新品時にはＰ１の出力、Ｐ３の入力が得られる。しかし劣化するとＤＯＤの浅い領域でＰ４の出力しか得られない。この場合はＤＯＤの浅い領域では、入力を制限して使用する。
【００３８】
図６および図７が示すように、本実施の形態では、電池が劣化しても出力Ｐ１は確保でき、電池交換まで電池を使用することが可能である。言い換えると電池交換までの時間に余裕を持たせることが可能となる。
【００３９】
図８に、本実施の形態と、ＤＯＤ３０％から７０％に充放電を制御した場合の、電池の使用年数と内部抵抗の上昇率の関係を示す。
【００４０】
図より、本実施の形態では、ＤＯＤ３０％から７０％に充放電を制御した場合に比べ内部抵抗が２倍になるまでの年数が約２０％向上していることがわかる。これは電池の正極活物質を相転移しない領域で使用しているためだと考えられる。
【００４１】
以上の説明では電池の正極に用いる材料をＬｉｘＭｎ２Ｏ４として説明したが、このリチウムマンガン酸化物に第三の金属（例えば、Ｌｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒなど）を添加して製造した材料ＬｉｘＭｎ２ーＮＡＮＯ４（Ａは前記第三の金属の何れか）を用いてもよい。添加した金属の種類により相転移が発生するＤＯＤが５０％から多少変動するが、基本的にはＬｉｘＭｎ２Ｏ４の場合と類似した特性となる。
【００４２】
例えば、Ｃｒを添加して製造したＬｉｘＭｎ５／３Ａ１／３Ｏ４を正極として用いた場合、図９に示したような特性となる。この場合はIの領域とIIの領域の境目が約ＤＯＤ６２％〜ＤＯＤ８０％の範囲で制御を行うことにすることで、正極にＬｉｘＭｎ２Ｏ４を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明においては、動力源として内燃機関と電動機とを有するハイブリッド車両の電池の充放電を制御するハイブリッド車両用充放電制御装置において、前記電池の容量を判断する容量判断手段と、前記電池の容量が所定の範囲内に保持されるように、前記電池の充放電量を制御する充放電制御手段と、電池の劣化状態を判断する電池状態判断手段と、前記電池状態判断手段の判断結果に基づいて、前記充放電制御手段が保持させる前記電池の容量の範囲を第１の領域から前記第１の領域とは重ならない第２の領域に変更する領域変更手段と、を有することとしたため、充放電の実施による活物質の相転移が発生しないために電池が劣化せず、電池の寿命が長くなるという効果が得られる。
【００４４】
請求項２に記載の発明においては、電池の出力可能電力が大きな初期段階では、電池の容量が小さい領域で充放電制御を行い、電池が劣化してからは電池の容量が大きい領域で充放電制御を行う構成としたために電池が劣化してからも電池の出力を確保でき、ハイブリッド車の走行能力を確保できる。
【００４５】
請求項３、請求項５及び請求項６に記載の発明においては、充放電の禁止領域を設けたことにより、活物質の相転移が発生することを確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】図１に続く本発明の実施の形態を示す図である。
【図３】リチウムイオン電池のＤＯＤに対する入出力特性を示す図である。
【図４】リチウムマンガン酸化物正極の定電流放電曲線を示す。
【図５】実施の形態のＤＯＤ制御を示すフローチャートである。
【図６】実施の形態の入出力特性を示す図である。
【図７】実施の形態の入出力特性を示す図である。
【図８】実施の形態の改善結果を説明する図である。
【図９】実施の形態の入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１  モータ
２  エンジン
３  クラッチ
４  モータ
５  無段変速機
６  減速機
７  差動装置
１０  モータ
１１〜１３  インバータ
１４  ＤＣリンク
１５  メインバッテリ
１６  コントローラ
２０  キースイッチ
２１  ＤＯＤ検出装置
２２  温度センサ
２３  電圧センサ
２４  電流センサ
【図１】
0003705008.tif 000002
【図２】
0003705008.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003705008.tif 000006
【図６】
0003705008.tif 000007
【図７】
0003705008.tif 000008
【図８】
0003705008.tif 000009
【図９】
0003705008.tif 000010