(57)【要約】      （修正有）【課題】車両に搭載される二次電池を長寿命化させることを可能とする車両の充放電制御システムを提供することである。【解決手段】バッテリーモジュール１８，２０，２２を有する車両８の充放電制御システム１０であって、バッテリーモジュール１８，２０，２２の役割を決める役割決定部２４と、放電用バッテリーモジュールの充電量を監視し、充電量が所定の閾値以下となったことを検出する限界値検出部２６と、を備える。役割決定部２４は、充電量が閾値以下となったときに、放電用バッテリーモジュールとして使用していたものを充電用バッテリーモジュールへと役割変更し、充電用バッテリーモジュールとして使用していたものを待機用バッテリーモジュールへと役割変更し、待機用バッテリーモジュールとして使用していたものを放電用バッテリーモジュールへと役割変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリーモジュールを有する車両の充放電制御システムであって、
前記複数のバッテリーモジュールのうち、前記車両の駆動電力に用いるために放電を行う放電用バッテリーモジュールと、前記車両の回生電力を充電するための充電用バッテリーモジュールと、前記放電及び前記充電のいずれも行わずに待機状態とする待機用バッテリーモジュールとに分類して役割を決定する役割決定部と、
前記放電用バッテリーモジュールの充電量を監視し、前記充電量が所定の閾値以下となったことを検出する限界値検出部と、を備え、
前記役割決定部は、
前記充電量が前記閾値以下となったときに、前記放電用バッテリーモジュールとして使用していたものを前記充電用バッテリーモジュールへと役割変更し、前記充電用バッテリーモジュールとして使用していたものを前記待機用バッテリーモジュールへと役割変更し、前記待機用バッテリーモジュールとして使用していたものを前記放電用バッテリーモジュールへと役割変更することを特徴とする車両の充放電制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両の充放電制御システムにおいて、
前記限界値検出部は、前記放電用バッテリーモジュールに充放電電圧を与えた際に流れる電流値を０としたときの前記放電用バッテリーモジュールの起電力に基づいて前記充電量を求めることを特徴とする車両の充放電制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載の車両の充放電制御システムにおいて、
前記限界値検出部は、前記充放電電圧を変動させた際の前記充放電電圧の変動値をΔＥとし前記電流値の変動値をΔＩとした場合のΔＥ／ΔＩから得られた値に基づいて、前記電流値を０とした際の前記起電力を求めることを特徴とする車両の充放電制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の充放電制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二次電池を用いて走行する車両、例えば、電気自動車では、回転電機を駆動させるための放電と、自動車の制動時の回生エネルギーの充電とを同じ二次電池を用いて行うため、当該二次電池において充放電が繰り返されている。
【０００３】
本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、二次電池の充放電を制御する装置であって、二次電池の温度を検出する温度検出手段と、検出された温度が、所定の温度以下である場合、あらかじめ定められた、温度に応じて変化する充放電電力上限値を超えないように、充放電電力を制御する充放電電力制限手段と、を有する、二次電池の充放電制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８７５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次電池の充放電サイクルを繰り返すごとに、例えば、正極活物質の酸化膜形成、負極表面でのイオン金属の析出などの異質物質の形成が蓄積され、電極表面でのイオンの電導度が低下し、バッテリーの内部抵抗が増えて、二次電池の劣化、充電容量の低下につながるという課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、車両に搭載される二次電池を長寿命化させることを可能とする車両の充放電制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る車両の充放電制御システムは、複数のバッテリーモジュールを有する車両の充放電制御システムであって、前記複数のバッテリーモジュールのうち、前記車両の駆動電力に用いるために放電を行う放電用バッテリーモジュールと、前記車両の回生電力を充電するための充電用バッテリーモジュールと、前記放電及び前記充電のいずれも行わずに待機状態とする待機用バッテリーモジュールとに分類して役割を決定する役割決定部と、前記放電用バッテリーモジュールの充電量を監視し、前記充電量が所定の閾値以下となったことを検出する限界値検出部と、を備え、前記役割決定部は、前記充電量が前記閾値以下となったときに、前記放電用バッテリーモジュールとして使用していたものを前記充電用バッテリーモジュールへと役割変更し、前記充電用バッテリーモジュールとして使用していたものを前記待機用バッテリーモジュールへと役割変更し、前記待機用バッテリーモジュールとして使用していたものを前記放電用バッテリーモジュールへと役割変更することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る車両の充放電制御システムにおいて、前記限界値検出部は、前記放電用バッテリーモジュールに充放電電圧を与えた際に流れる電流値を０としたときの前記放電用バッテリーモジュールの起電力に基づいて前記充電量を求めることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る車両の充放電制御システムにおいて、前記限界値検出部は、前記充放電電圧を変動させた際の前記充放電電圧の変動値をΔＥとし前記電流値の変動値をΔＩとした場合のΔＥ／ΔＩから得られた値に基づいて、前記電流値を０とした際の前記起電力を求めることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、放電用バッテリーモジュールと充電用バッテリーモジュールとに役割が分かれているため、車両の駆動のための放電と、制動時の回生電力による充電との繰り返しが無いため、バッテリーモジュールを構成する二次電池の劣化を抑制し、長寿命化を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施形態の車両の充放電制御システムを示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態において、放電用バッテリーモジュールに充放電電圧を与えたときの充放電電圧と電流値との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る実施形態において、放電用バッテリーモジュールと充電用バッテリーモジュールにおける充放電時に電荷が移動している様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１３】
図１は、車両の充放電制御システム１０を示す図である。図２は、放電用バッテリーモジュールに充放電電圧Ｅを与えたときの充放電電圧Ｅと電流値Ｉとの関係を示す図である。図３は、放電用バッテリーモジュールと充電用バッテリーモジュールにおける充放電時に電荷が移動している様子を示す図である。
【００１４】
車両の充放電制御システム１０は、車両８と、制御部１４と、スイッチ回路１６と、３つのグループに分けられたバッテリーモジュール１８，２０，２２とを備えて構成される。車両の充放電制御システム１０は、車両８に搭載されるバッテリーモジュール１８，２０，２２の長寿命化を行うシステムである。
【００１５】
車両８は、回転電機１２を用いて走行する四輪の電気自動車であるが、もちろん、その他のものであってもよく、回転電機１２と内燃機関を併用するハイブリッド自動車であってもよい。また、車両８は四輪自動車のみならず、回転電機１２を用いて走行可能な二輪車であってもよい。
【００１６】
車両８は、前輪４と後輪６のうち、回転電機１２が前輪４を駆動して走行させる前輪駆動車であるものとして説明するが、もちろん、後輪駆動車であってもよい。
【００１７】
車両８には、３つのグループに分けられたバッテリーモジュール１８，２０，２２が搭載されている。バッテリーモジュール１８，２０，２２は、それぞれ複数の二次電池を含んで構成されている。二次電池として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、鉛蓄電池などを用いることができる。
【００１８】
バッテリーモジュール１８，２０，２２は、３つのグループに分けられているが、制御部１４の役割決定部２４によって役割が決められる。１つ目の役割は、車両８の前輪４を駆動させるための駆動電力を供給するために放電を行う放電用バッテリーモジュールとしての役割である。
【００１９】
２つ目の役割は、車両８の制動時に得られる回生エネルギーを用いて充電するための充電用バッテリーモジュールとしての役割である。３つ目の役割は、車両８の駆動電力を供給するための放電及び車両８の制動時の回生電力の充電のいずれも行わない待機状態の待機用バッテリーモジュールとしての役割である。
【００２０】
回転電機１２は、車両８の前輪４を駆動する駆動力を与える電動機として機能するが、車両８の制動時を利用して発電する発電機として機能する２つの機能を兼ね備えるものとして説明するが、電動機と発電機の機能ごとに分けて、２つの回転電機を設置してもよい。
【００２１】
回転電機１２が電動機として機能する際は、放電用バッテリーモジュールからの放電電力が供給されるようにスイッチ回路１６が回転電機１２とバッテリーモジュール１８，２０，２２のうちの放電用バッテリーモジュールとの接続を行う。
【００２２】
また、回転電機１２が発電機として機能する場合は、車両８の制動時の回転力を利用して発電を行い、これを回生電力として充電用バッテリーモジュールに充電するように、スイッチ回路１６が回転電機１２とバッテリーモジュール１８，２０，２２のうちの充電用バッテリーモジュールとの接続を行う。
【００２３】
スイッチ回路１６は、役割決定部２４の制御によって、回転電機１２とバッテリーモジュール１８，２０，２２との接続を行う機能を有している。例えば、バッテリーモジュール１８を放電用バッテリーモジュールとし、バッテリーモジュール２０を充電用バッテリーモジュールとし、バッテリーモジュール２２を待機用バッテリーモジュールとするように回転電機１２と電気的に接続または遮断することができる。
【００２４】
制御部１４は、車両８の走行などを制御し、役割決定部２４と、限界値検出部２６とを備えている。役割決定部２４は、３つグループのバッテリーモジュール１８，２０，２２のうち、車両８の駆動電力に用いるために放電を行う放電用バッテリーモジュールと、車両８の回生電力を充電するための充電用バッテリーモジュールと、放電及び充電のいずれも行わずに待機状態とする待機用バッテリーモジュールとに分類して役割を決定する。
【００２５】
役割決定部２４は、放電用バッテリーモジュールの充電量が所定の閾値以下となったときに、放電用バッテリーモジュールとして使用していたものを充電用バッテリーモジュールへと役割変更する。
【００２６】
また、上記役割変更に加えて、役割決定部２４は、充電用バッテリーモジュールとして使用していたものを待機用バッテリーモジュールへと役割変更し、待機用バッテリーモジュールとして使用していたものを放電用バッテリーモジュールへと役割変更する。
【００２７】
限界値検出部２６は、バッテリーモジュール１８，２０，２２の充電量を監視する機能を有する。限界値検出部２６は、バッテリーモジュール１８，２０，２２のうち、放電用バッテリーモジュールの充電量が放電限界の閾値以下となった放電限界を検出する。また、限界値検出部２６は、バッテリーモジュール１８，２０，２２のうち、充電用バッテリーモジュールの充電量が充電限界の閾値以上となった充電限界を検出することも出来る。
【００２８】
限界値検出部２６は、放電用バッテリーモジュールに充放電電圧を与えた際に流れる電流値を０としたときの放電用バッテリーモジュールの起電力に基づいて充電量を求めることが特徴であり、この点について詳細に説明する。
【００２９】
バッテリーモジュール１８，２０，２２の能力は、充電容量ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ）と充電量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅe）で評価される。これらに基づいて定まる充電量の値が放電限界の閾値となったときに放電限界と判断することができる。
【００３０】
ここで、バッテリーモジュール１８，２０，２２の充電容量Ｑは、その時点で二次電池が包含できる電気量であり、繰り返された充放電等によって電極表面の劣化が生じると内部抵抗Ｄｉｒが増加してＱは低下する。一般に次の関係がある。
Ｑ  ×  Ｄｉｒ  ＝  一定・・・（１）
【００３１】
（１）の式から二次電池の内部抵抗Ｄｉｒが分かれば、充電容量Ｑが計算できることが分かる。充電量ＳＯＣは、その時点で二次電池に包含されている電気量である。充電が進むにつれてＳＯＣが上昇し、二次電池の起電力Ｅｅｍｆも上昇する。一般的に、二次電池ごとにこれらの関係は確認することができ、Ｅｅｍｆが分かればＳＯＣは計算することが出来る。
【００３２】
起電力Ｅｅｍｆは、二次電池がその時に発揮できる充放電の力（電圧）であり、二次電池の能力を示す最も重要な指標である。しかし、従来、後述するように、二次電池の使用（充放電）中に、これを正確に検知することは難しいという課題があった。
【００３３】
二次電池に充放電電圧Ｅを供給した場合、二次電池に流れる電流値Ｉは、
Ｉ  ＝  （Ｅ −  Ｅｅｍｆ）／  Ｄｉｒ・・・（２）
という関係式から求めることができる。式（２）は２つの未知数、Ｅｅｍｆ（起電力）、Ｄｉｒ（内部抵抗）を含んでいるため、電流値Ｉを計測しても、起電力Ｅｅｍｆを検出できないという課題があった。
【００３４】
ここで、起電力Ｅｅｍｆを検出するために、式（２）を書き換えると、
Ｅｅｍｆ  ＝  Ｅ −  Ｉ  ×  Ｄｉｒ・・・（３）
となる。ここで、上記（３）の式に基づき、電流を０（Ｉ＝０）の状態を作れれば、Ｅｅｍｆ＝Ｅとなり、起電力Ｅｅｍｆを直接計測することができることが分かる。
【００３５】
起電力Ｅｅｍｆを計測するため、電流０（Ｉ＝０）の状態を作る方法としてＩｃ＝０とする方法は２つ存在し、Ｉｄ＝０とする方法は１つ存在があるが、これらの方法について、図２を用いて説明する。図２は、バッテリーモジュール１８，２０，２２に電圧Ｅｃを供給する充電時に流れる電流Ｉｃと放電時に流れる電流Ｉｄと電圧Ｅｄとのそれぞれ１次関数として示されている。
【００３６】
Ｉｃ＝０の状態を作る１つ目の方法としては、充電電圧Ｅｃの値を徐々に変動させていきＩｃ＝０とし、このときにＥｅｍｆ＝Ｅｃとして起電力を検出する方法である。
【００３７】
また、Ｉｃ＝０の状態を作る２つ目の方法としては、充電電圧Ｅｃと電流Ｉｃとの関係式は１次関数で表現されるため、充電電圧Ｅｃを変えて、１次関数の傾きを求めて検出する方法である。この２つ目の方法は、放電電圧Ｅｄと電流Ｉｄとの関係を用いても同様にＩｄ＝０の状態を作ることが出来る。すなわち、充放電電圧Ｅと電流Ｉとの関係を用いて以下のように求めることができる。
【００３８】
当該傾きΔＥ／ΔＩ＝（Ｅ２−Ｅ１）／（Ｉ２−Ｉ１）で求めることができ、この１次関数の切片が起電力Ｅｅｍｆとなる。
【００３９】
使用中の二次電池の起電力Ｅｅｍｆおよび内部抵抗Ｄｉｒが求まれば、二次電池の性能を正確に評価することが出来る。すなわち、起電力Ｅｅｍｆが分かると、二次電池の特性からその二次電池の充電状態ＳＯＣがわかり、充放電の限界値との差が明確となる。
【００４０】
また、内部抵抗Ｄｉｒが分かると、上記式（１）の二次電池の充電容量ＳＯＨを求め、二次電池の健全性（劣化度）を評価することも出来る。
【００４１】
図３に示されるように、二次電池の充放電中には、二次電池内では電極表面での電子又はイオンの挿入・離脱等の化学物理反応に伴う電荷の移動が進行し、充電の場合と放電の場合とでは電子又はイオンの方向が逆方向であるため、定常状態になるにはしばらく時間がかかる。
【００４２】
しかしながら、役割決定部２４では充電用バッテリーモジュールと放電用バッテリーモジュールと役割を明確に分けているため、電子又はイオンの移動が一方向であり定常状態に近く、起電力Ｅｅｍｆの計測を正確かつ瞬時に行うことができる。
【００４３】
続いて、上記構成の車両の充放電制御システム１０の作用について説明する。一般的に、従来の電気自動車などに搭載される二次電池では、大きく分けて３つの課題があり、最初に１つ目の課題について説明する。二次電池の充放電の回数が増えると、二次電池内部の電極表面では電解質との間でイオンの挿入及び離脱反応が繰り返されることになる。
【００４４】
一般的には、この反応は、可逆反応と考えられているが、実際には電極活物質の表面を構成する粒子構造は完全に均一ではなく微量の異質構造が存在している。
【００４５】
この異質構造は、充放電によって異質の反応（例えば、正極活物質の酸化膜形成や負極表面でのイオン金属の析出など）を生じさせ、これにより、異質の物質を形成する。この反応は、不可逆反応であって、充放電サイクルを繰り返すごとに異質物質が形成されて、これが蓄積されることになる。
【００４６】
この結果、電極表面でのイオンの電動度が低下し、二次電池の内部抵抗が増え、二次電池の劣化や充電容量の低下に繋がる課題がある。
【００４７】
しかしながら、車両の充放電制御システム１０によれば、車両８の走行中において、回生電力の充電は充電バッテリーモジュールによってなされ、車両の駆動のための放電は放電用バッテリーモジュールに行われる。また、車両８の制動時の回生電力は充電用バッテリーモジュールに充電される。
【００４８】
これにより、各バッテリーモジュール１８，２０，２２にとっては頻繁な充放電サイクルとならず、バッテリーモジュール１８，２０，２２の長寿命化を図ることができるという利点がある。
【００４９】
また、各バッテリーモジュール１８，２０，２２は、充電専用、放電専用及び待機専用と役割が分けられているため、短時間での充放電の繰り返しサイクルはなく、二次電池内での電荷の移動が図３に示されるように一方向であるため、起電力の計測を正確かつ迅速に行うことができるという効果がある。
【００５０】
２つ目の課題として、従来、バッテリーモジュールの保有充電量ＳＯＣは不明確であるため、二次電池の利用効率が低く、二次電池の劣化が早いことや最悪の場合、発火等の危険があり、また、急速充電に不安があったため、急速充電では充電量を抑えざるを得ないという課題がある。
【００５１】
しかしながら、車両の充放電制御システム１０によれば、各バッテリーモジュール１８，２０，２２の起電力Ｅｅｍｆを常時正確に計測することが出来るため、各バッテリーモジュール１８，２０，２２のＳＯＣを迅速かつ的確に把握することが出来る。これにより、充電限界から放電限界まで幅広く充放電できるので、バッテリーモジュール１８，２０，２２の使用効率を向上させることが出来るという利点がある。
【００５２】
そして、車両の充放電制御システム１０によれば、ＳＯＣを常時正確に知ることができりため、各バッテリーモジュール１８，２０，２２に対する過充電及び過放電を防ぐことができ、安全に寿命を延ばすことが出来る。
【００５３】
３つ目の課題として、従来、バッテリーモジュールの放電限界値及び充電限界値にばらつきがあると、これに合わせてバッテリー全体の充放電量が制限されるので、バッテリー全体としての利用効率が落ちるという問題がある。
【００５４】
従来は、二次電池を直列に連結しているので、一つの二次電池が充電限界値にあると、この二次電池が過充電となるのを防ぐため、充電上限値は低く抑えざるを得ない。また、一つの二次電池が放電限界状態にあるとこの二次電池が過放電となるのを防ぐため、放電下限値は高く抑えざるを得ない。したがって、充放電の許容限界値の幅が狭まりバッテリーモジュール全体としての利用効率が落ちるという課題があった。
【００５５】
しかしながら、車両の充放電制御システム１０によれば、各バッテリーモジュール１８，２０，２２に対して個々に満充電することができるので、各バッテリーモジュール１８，２０，２２の充電限界値にばらつきがあっても、バッテリーモジュール１８，２０，２２全体として利用効率を最大にすることができ、車両８の走行距離を伸ばすことが出来る。
【００５６】
また、車両の充放電制御システム１０によれば、車両８の制動時における回生電力を充電するだけでなく、外部からの充電を行う場合でも効率良く安全に充電を行うことができる。
【００５７】
なお、上記の車両の充放電制御システム１０では、充放電が可能なバッテリーに関するものとして説明したが、もちろん、その他の蓄電機能を有するものにも適用可能であり、例えば、充放電可能なキャパシティーについても適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
４  前輪、６  後輪、８  車両、１０  充放電制御システム、１２  回転電機、１４  制御部、１６  スイッチ回路、１８，２０，２２  バッテリーモジュール、２４  役割決定部、２６  限界値検出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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