(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両駆動用モータに電力を供給するバッテリの充放電を制御するバッテリ制御装置であって、
前記バッテリの充放電電流に基づいて、前記バッテリの電解液中の塩濃度の偏りによるダメージ量を所定の周期で算出し、
ハイレート劣化の進行状況の評価値として、前記所定の周期で算出した前記ダメージ量を積算して劣化評価値を算出し、
前記ダメージ量は、前記バッテリのハイレート放電の際には正の値となり、前記バッテリのハイレート充電の際には負の値となり、
前記劣化評価値は、
正の値の場合には、前記バッテリのハイレート放電により増大し、ハイレート充電によりゼロに近づき、
負の値の場合には、前記バッテリのハイレート充電により減少し、ハイレート放電によりゼロに近づき、
前記劣化評価値が前記バッテリの抵抗上昇を抑制するために許容充電電力を制限する所定の負側閾値に到達する前に、前記劣化評価値が前記所定の負側閾値に近づく変化に応じて前記バッテリへの前記許容充電電力を制限し、
前記劣化評価値が前記バッテリの抵抗上昇を抑制するために許容放電電力を制限する所定の正側閾値に到達する前に、前記劣化評価値が前記所定の正側閾値に近づく変化に応じて前記バッテリへの前記許容放電電力を制限すること、
を特徴とするバッテリ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ制御装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータを駆動源とする電気自動車やエンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド車両等の電動車両が多く用いられている。このような電動車両には、放電によりモータに電力を供給すると共にモータで発生した回生電力を充電する充放電可能なリチウムイオン電池等の二次電池が搭載されている。
【０００３】
リチウムイオン電池等の二次電池は、繰り返し充放電を行うことにより劣化し、次第に電池容量が低下したり、内部抵抗が上昇して来たりすることが知られている。特に、大きな充放電電流（ハイレート）での使用が繰り返し行われることにより劣化が進むことが知られており、「ハイレート劣化」と呼ばれることがある。ハイレート劣化は、大きな放電電流或いは大きな充電電流が流れる際に、二次電池内の電解液中の塩濃度に偏りが発生し、これによって内部抵抗が上昇してくる現象である。
【０００４】
そこで、二次電池に流れる電流等に基づいて、ある時点での二次電池のダメージ量を計算し、このダメージ量を積算し、ダメージ積算値が抵抗上昇を抑制する観点から設定された閾値を超えた場合に二次電池の充放電電流を制限する方法が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−７６９５８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２５６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に記載された従来技術では、ダメージ積算値が所定の閾値に達するまでは、二次電池の充放電電流の制限をしないので、それまでは、燃費が大きく低下することはないが、ダメージ積算値が所定の閾値を超えると電池保護、電池の劣化抑制のために充放電電流を大きく制限するので、急に燃費が低下することになる。
【０００７】
一方、近年、大きな充放電電流（ハイレート）でない場合でも、長期間にわたり充放電が繰り返し行われると、徐々に塩濃度の偏りが発生して劣化が進行し、ダメージ積算値が負方向に増大することがわかってきた。このため、長期間使用される電動車両においては、使用期間中に二次電池のダメージ積算値が所定の閾値に達する場合があり、急に燃費が低下することが問題となる場合がある。
【０００８】
そこで、本発明は、長期間使用される電動車両において、燃費の低下度合いを緩和すると共に二次電池の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
車両駆動用モータに電力を供給するバッテリの充放電を制御するバッテリ制御装置であって、前記バッテリの充放電電流に基づいて、前記バッテリの電解液中の塩濃度の偏りによるダメージ量を所定の周期で算出し、ハイレート劣化の進行状況の評価値として、前記所定の周期で算出した前記ダメージ量を積算して劣化評価値を算出し、前記ダメージ量は、前記バッテリのハイレート放電の際には正の値となり、前記バッテリのハイレート充電の際には負の値となり、前記劣化評価値は、正の値の場合には、前記バッテリのハイレート放電により増大し、ハイレート充電によりゼロに近づき、負の値の場合には、前記バッテリのハイレート充電により減少し、ハイレート放電によりゼロに近づき、前記劣化評価値が前記バッテリの抵抗上昇を抑制するために許容充電電力を制限する所定の負側閾値に到達する前に、前記劣化評価値が前記所定の負側閾値に近づく変化に応じて前記バッテリへの前記許容充電電力を制限し、前記劣化評価値が前記バッテリの抵抗上昇を抑制するために許容放電電力を制限する所定の正側閾値に到達する前に、前記劣化評価値が前記所定の正側閾値に近づく変化に応じて前記バッテリへの前記許容放電電力を制限すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、長期間使用される電動車両において、燃費の低下度合いを緩和すると共に二次電池の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態におけるバッテリ制御装置のシステム構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態におけるバッテリ制御装置において、バッテリの出力電力の変化と劣化評価値の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態におけるバッテリ制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における劣化評価値ΣＤに対する許容充電電力（Ｗｉｎ）を規定したマップである。
【図５】本発明の実施形態における劣化評価値ΣＤに対する許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を規定したマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。最初に本発明のバッテリ制御装置４０が用いられるバッテリ装置１００について説明する。バッテリ装置１００は、正極ラインＰＬと負極ラインＮＬを介して車両駆動用モータであるモータジェネレータ２０と接続されるバッテリ１０と、バッテリ１０の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ３１と、バッテリ１０の充放電電流Ｉｂを検出する電流センサ３２と、バッテリ１０の温度Ｔｂを検出する温度センサ３３と、電圧センサ３１、電流センサ３２、温度センサ３３の各検出信号が入力されるバッテリ制御装置４０とを含んでいる。
【００１３】
バッテリ１０は、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池である。モータジェネレータ２０は、バッテリ１０から出力された電力を受けて車両を駆動し、車両の制動時に発生する運動エネルギを電力に変換してバッテリ１０に充電する。したがって、車両の走行中には、バッテリ１０は、充放電を繰り返すことになる。なお、バッテリ１０からの電流Ｉｂは、放電電流を正（＋）、充電電流を負（−）とする。
【００１４】
バッテリ制御装置４０は、内部の情報を行うＣＰＵ４１と制御プログラム、制御データ等を格納するメモリ４２とを備えるコンピュータである。バッテリ制御装置４０は、後で説明するように、入力される温度センサ３３と、電圧センサ３１、電流センサ３２、温度センサ３３の各検出信号に基づいて、バッテリ１０の劣化評価値ΣＤを計算し、劣化評価値ΣＤの値に応じてバッテリ１０の許容充放電電力（Ｗｉｎ、または、Ｗｏｕｔ）を制限する。
【００１５】
次に、図２から図４を参照しながら、本実施形態のバッテリ制御装置４０の動作について説明する。まず。図３のステップＳ１０１に示すバッテリ１０の劣化評価値ΣＤの計算方法について説明する。
【００１６】
ハイレート劣化のダメージ量Ｄは、以下の式（１）を用いて所定の周期Δｔごとに算出することによって行われる。
Ｄ［ｔ＋Δｔ］
＝Ｄ［ｔ］−α×Δｔ×Ｄ［ｔ］＋β×Ｉｂ×Δｔ／ｃ０    −−−−（１）
上記の式（１）において、ｔは時間を示し、Ｄ［ｔ＋Δｔ］は、今回算出されるダメージ量であり、右辺第１項のＤ［ｔ］は、前回算出されたダメージ量を示す。αは、忘却係数であり、βは電流係数であり、Ｉｂはバッテリ１０の充放電電流（放電時は＋、充電時は−）、ｃ０は限界閾値である。上記の式（１）に示すように、今回のダメージ量Ｄ［ｔ＋Δｔ］は、前回のダメージ量Ｄ［ｔ］に基づいて算出される。初期値としてのダメージ量Ｄ［０］は、例えば、「０」とすることができる。
【００１７】
電解液中の塩濃度の偏りは、時間の経過に伴うイオンの拡散に応じて緩和されるため、時間が経過するにつれてダメージ量Ｄは減少してくる。上記の式（１）の右辺第２項は、所定の周期Δｔの間におけるダメージ量Ｄの減少を考慮する項である。忘却係数αは、バッテリ１０の電解液中におけるイオンの拡散速度に対応する係数であり、拡散速度が高いほど、忘却係数αが大きくなる。「α×Δｔ」の値は、０から１の範囲内で設定される。「α×Δｔ」の値が、「１」に近づくほど、右辺第２項の絶対値は大きくなる。また、忘却係数αの値が大きくなるほど、或いは、周期Δｔが長くなるほど、「α×Δｔ」の値が「１」に近づく。
【００１８】
忘却係数αは、バッテリ１０のＳＯＣや温度Ｔｂに依存するため、ＳＯＣや温度Ｔｂに応じて、忘却係数αを設定することができる。具体的には、忘却係数αと、ＳＯＣおよび温度Ｔｂの少なくとも一方との対応関係を、実験などによって予め求め、マップ又は関数としてメモリ４２に記憶しておき、電圧センサ３１で検出したバッテリ１０の電圧Ｖｂと電流センサ３２で検出したバッテリ１０の電流Ｉｂに基づいてＳＯＣを求め、このＳＯＣと温度センサ３３によって検出したバッテリ１０の温度Ｔｂとを用いてメモリ４２に記憶したマップ又は関数に基づいて忘却係数αを設定するようにしてもよい。
【００１９】
電解液中の塩濃度の偏りは、電流値の絶対値が大きい程大きくなる。また、放電中と充電中とでは、塩濃度の偏りの方向が逆になる。このため、電流Ｉｂが正（＋）となる放電中には、式（１）の右辺第３項は、正の値となってダメージ量Ｄを増加させ、電流Ｉｂが負（−）となる充電中には、式（１）の右辺第３項は負の値となって、ダメージ量Ｄを減少させる。したがって、ハイレートの放電電流が流れるとダメージ量Ｄは正（＋）となり、ハイレートの充電電流が流れるとダメージ量Ｄは負（−）となる。
【００２０】
式（１）の右辺第３項の電流係数βと限界閾値ｃ０とは、バッテリ１０のＳＯＣや温度Ｔｂに依存する。このため、忘却係数αと同様、ＳＯＣおよび温度Ｔｂの少なくとも一方との対応関係を、実験などによって予め求め、マップ又は関数としてメモリ４２に記憶しておき、電圧センサ３１で検出したバッテリ１０の電圧Ｖｂと電流センサ３２で検出したバッテリ１０の電流Ｉｂに基づいてＳＯＣを求め、このＳＯＣと温度センサ３３によって検出したバッテリ１０の温度Ｔｂとを用いてメモリ４２に記憶したマップ又は関数に基づいて電流係数βと限界閾値ｃ０を設定するようにしてもよい。
【００２１】
ハイレート劣化の進行状況は、先に説明したダメージ量Ｄを積算したΣＤを評価値として用いる。劣化評価値ΣＤは、以下のように所定の周期Δｔごとに算出する。ここで、Ｄ［ｔ］は上記の式（１）によって計算したダメージ量Ｄである。
ΣＤ［ｔ＋Δｔ］＝γ×ΣＤ［ｔ］＋η×Ｄ［ｔ］    −−−−（２）
上記の式（２）において、γは減衰係数で１よりも小さい値であり、時間経過に伴うイオンの拡散によって塩濃度の偏りが緩和される程度を予測して設定される値であり、メモリ４２の中に格納されている値である。また、ηは補正係数であり、γ同様、メモリ４２の中に格納されている値である。
【００２２】
先に述べたように、ハイレートの放電電流が流れるとダメージ量Ｄは正（＋）となり、ハイレートの充電電流が流れるとダメージ量Ｄは負（−）となるので、劣化評価値ΣＤは、ハイレートの放電電流が流れると増加し、ハイレートの充電電流が流れると減少する。ただし、劣化評価値ΣＤが負の場合には、ハイレートの放電電流が流れると絶対値が減少し、ハイレートの充電電流が流れると絶対値が増加する。つまり、劣化評価値ΣＤが正（＋）の放電過多側に積算している場合には、充電は劣化評価値ΣＤを減少させて、劣化評価値ΣＤをゼロに近づけさせ、劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算している場合には、放電は劣化評価値ΣＤを増加させて、劣化評価値ΣＤをゼロに近づける。
【００２３】
バッテリ１０の種類によっては、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが正（＋）の放電過多側に積算しやすい特性を持つものと、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つものとがある。図２（ａ）は、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つバッテリ１０が充放電を繰り返した際の劣化評価値ΣＤの変化を示すグラフである。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、時刻ゼロにおける劣化評価値ΣＤはゼロである。図２（ｂ）の時刻ゼロから少しの間、バッテリ１０が放電してもバッテリ１０の出力電力が大きくないので、ハイレート劣化のダメージ量Ｄは小さく、図２（ａ）に示すように劣化評価値ΣＤは、ほとんどゼロのままである。その後、図２（ｂ）の時刻ｔ１にかけてバッテリ１０への入力電力が大きいハイレートの充電があると、大きなマイナスのダメージ量Ｄが発生するため、図２（ａ）に示すように、劣化評価値ΣＤは時刻ｔ１に近傍から大きく減少する。次に、図２（ｂ）の時刻ｔ２にかけて、バッテリ１０からの出力電力が大きいハイレートの放電があると、プラスのダメージ量Ｄが発生し、劣化評価値ΣＤは時刻ｔ２近傍で増加し、ゼロに近づいていく。これは、ハイレートの放電によってハイレートの充電によって発生した塩濃度が緩和されるので、劣化評価値ΣＤがゼロに近づくためである。ただし、図２（ａ）は、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つバッテリ１０を充放電させた場合のグラフであるので、時刻ｔ２近傍での劣化評価値ΣＤの増加は時刻ｔ１近傍での劣化評価値ΣＤの減少よりも小さく、劣化評価値ΣＤはマイナスのままである。
【００２５】
その後、図２（ｂ）の時刻ｔ３にかけてバッテリ１０への入力電力が大きいハイレートの充電があると、再び、大きなマイナスのダメージ量Ｄが発生し、図２（ａ）に示すように、劣化評価値ΣＤは時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて大きく減少する。その後、バッテリ１０からの放電が続くが、バッテリ１０の出力電力が小さいのでハイレートによるダメージ量Ｄはほとんどゼロであり、図２（ａ）に示す時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけては、劣化評価値ΣＤはほとんど変化しない。そして、図２（ｂ）に示す時刻ｔ４において、バッテリ１０への入力電力が大きいハイレートの充電があると、大きなマイナスのダメージ量Ｄが発生し、劣化評価値ΣＤは、時刻ｔ４近傍で大きく減少する。
【００２６】
このように、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つバッテリ１０が図２（ｂ）に示すような充放電を繰り返すと、図２（ａ）に示すように劣化評価値ΣＤは、時間と共に負側に積算し、減少していく。更に、バッテリ１０は、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つものであることから、図２（ａ）に示す時刻ｔ４以降、長期間にわたって充放電を繰り返して行くと、劣化評価値ΣＤは、時間と共に更に負（−）側に積算し、更に、減少していく。このため、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つバッテリ１０では、許容充電電力（Ｗｉｎ）を制限する。
【００２７】
本実施形態のバッテリ制御装置４０は、図３のステップＳ１０１に示すように、式（１）によってダメージ量Ｄを計算し、式（２）によって劣化評価値ΣＤを計算する。次に、図３のステップＳ１０２に示すように、図１に示すメモリ４２に格納した図４に示す劣化評価値ΣＤに対するバッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）のマップを参照して、バッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）を取得する。そして、図３のステップＳ１０３に示すように、バッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）を図４のマップから取得した値に制限する。本実施形態のバッテリ制御装置４０は、上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０３までを所定の周期Δｔごとに繰り返す動作を行うものである。なお、図４に示すマップの横軸は、劣化評価値ΣＤのマイナス側を示しており、図４のマップを使用すると、劣化評価値ΣＤが減少してくるにつれて、マップから取得するバッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）は減少してくる。
【００２８】
したがって、図２（ａ）に示すように、時間の経過と共に、劣化評価値ΣＤが減少してくると、その減少度合いに応じて、バッテリ１０のバッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）が減少してくる。そして、長期間の使用によって劣化評価値ΣＤがバッテリ１０の抵抗上昇を抑制するために許容充電電力（Ｗｉｎ）を制限する所定の閾値である劣化制限閾値ΣＤ１まで減少すると、図４のマップに示すように、バッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）はゼロに向って急速に低減され、劣化評価値ΣＤが下限値ΣＤ２まで減少すると、バッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）はゼロに近づく。すなわち、劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ１に到達した場合には、それまでの許容充電電力Ｗｉｎの減少量に比べ、その減少量が大きくなるように設定されている。
【００２９】
本実施形態のバッテリ制御装置４０は、劣化評価値ΣＤがバッテリ１０の抵抗上昇を抑制するために許容充電電力（Ｗｉｎ）を制限する所定の閾値である劣化制限閾値ΣＤ１まで減少する前に、劣化評価値ΣＤの減少に応じて、或いは、劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ１に近づく変化に応じて、バッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）を低減していくので、劣化評価値ΣＤが減少してくると、充電による大きなマイナスのダメージ量Ｄが発生することを抑制することができる。このため、充放電による劣化評価値ΣＤの低下速度を遅くすることができ、電動車両が長期間使用された場合でも、使用期間中に劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ１まで低下することを抑制することができる。すなわち、バッテリ１０の劣化を抑制することができる。また、使用期間中に劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ１まで低下することを抑制することができるので、使用期間中にバッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）が急速に低減され、燃費が急に低下することを抑制することができる。
【００３０】
以上の説明は、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つバッテリ１０の場合に、劣化評価値ΣＤの減少に応じてバッテリ１０の許容充電電力（Ｗｉｎ）を低減していくことを例として説明したが、本発明は、充放電を繰り返すことによって劣化評価値ΣＤが正（＋）の放電過多側に積算しやすい特性を持つバッテリ１０にも適用することができる。この場合には、図４に示したマップに代えて、メモリ４２に図５に示すように、劣化評価値ΣＤが増加するのに対応して許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を低減するようなマップを格納しておき、このマップを用いて劣化評価値ΣＤが増加に応じて許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を低減するようにすればよい。なお、図５のマップを用いた場合、劣化評価値ΣＤがバッテリ１０の抵抗上昇を抑制するために許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を制限するプラス側の所定の閾値である劣化制限閾値ΣＤ３まで増加すると、バッテリ１０の許容放電電力（Ｗｏｕｔ）はゼロに向って急速に低減され、劣化評価値ΣＤが上限値ΣＤ４まで増加すると、バッテリ１０の許容放電電力（Ｗｏｕｔ）はゼロに近づく。すなわち、劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ３に到達した場合には、それまでの許容放電電力（Ｗｏｕｔ）の減少量に比べ、その減少量が大きくなるように設定されている。
【００３１】
図５に示すマップを用いた場合には、劣化評価値ΣＤがバッテリの抵抗上昇を抑制するために許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を制限する所定の閾値である劣化制限閾値ΣＤ３まで増加少する前に、劣化評価値ΣＤの増加に応じて、或いは、劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ３に近づく変化に応じて、バッテリ１０の許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を低減していくので、劣化評価値ΣＤが増加してくると、放電による大きなプラスのダメージ量Ｄが発生することを抑制することができる。このため、放電による劣化評価値ΣＤの上昇速度を遅くすることができ、電動車両が長期間使用された場合でも、使用期間中に劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ３まで増加することを抑制することができる。すなわち、バッテリ１０の劣化を抑制することができる。また、使用期間中に劣化評価値ΣＤが劣化制限閾値ΣＤ３まで増加することを抑制することができるので、使用期間中にバッテリ１０の許容放電電力（Ｗｏｕｔ）が急速に低減され、燃費が急に低下することを抑制することができる。なお、メモリ４２の中に図４、図５に示すような２つのマップを格納しておき、車両に搭載されたバッテリ１０の種類によって劣化評価値ΣＤの減少に応じて許容充電電力（Ｗｉｎ）を制限したり、劣化評価値ΣＤの増加に応じて許容放電電力（Ｗｏｕｔ）を制限したりするようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１０  バッテリ、２０  モータジェネレータ、３１  電圧センサ、３２  電流センサ、３３  温度センサ、４０  バッテリ制御装置、４１  ＣＰＵ、４２  メモリ、１００  バッテリ装置。
【図１】
0006459864.tif 000002
【図２】
0006459864.tif 000003
【図３】
0006459864.tif 000004
【図４】
0006459864.tif 000005
【図５】
0006459864.tif 000006