(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個または複数個の二次電池を接続した蓄電装置と、
前記蓄電装置に流入する電流値を計測する電流値計測手段と、
前記蓄電装置の出力電圧値を計測する電圧値計測手段と、
前記電流値計測手段により計測された電流値の積算値、または前記電圧値計測手段により計測された電圧値に基づいて前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算手段と、
前記残容量演算手段により演算された残容量に基づいて、前記蓄電装置の内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段と、
前記蓄電装置の開放電圧を演算する開放電圧演算手段と、
前記内部抵抗演算手段により演算された内部抵抗と、前記開放電圧演算手段により演算された開放電圧と、に基づき、前記蓄電装置の放電可能電力、充電可能電力、放電可能容量、充電可能容量を演算する主演算手段とを有し、
更に、前記開放電圧演算手段は、
前記電流値計測手段により計測された電流値に基づいて、二次電池を形成する活物質内イオン濃度分布を算出するイオン濃度分布算出手段を具備し、当該イオン濃度分布算出手段にて算出された活物質内イオン濃度分布より、前記蓄電装置の開放電圧を演算することを特徴とする蓄電システム。
【請求項２】
前記イオン濃度分布算出手段は、拡散方程式を用いてイオン濃度分布を算出することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
【請求項３】
前記開放電圧演算手段は、予め測定したイオン濃度と蓄電装置開放電圧との関係に基づいて、前記蓄電装置の開放電圧を算出することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の蓄電システム。
【請求項４】
前記蓄電装置は、二次電池とキャパシタを並列に接続して成ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の蓄電システム。
【請求項５】
前記二次電池は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項４に記載の蓄電システム。
【請求項６】
前記キャパシタは電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される蓄電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低燃費の要求に応える技術として、電動機、発電機、エンジン及び蓄電装置を搭載したハイブリッド車が注目されている。発電機は、エンジンにより駆動されることで電力を発生し、発電された電力により電池が充電される。また、回生制動時にも電池が充電され、これにより高いエネルギー効率を得ることができる。
【０００３】
そして、電池より放電される電力を用いて、電動機に車両推進力を発生させることができる。また、電動機出力とエンジン出力の双方を、車両推進力とすることもある。更に、エンジン始動時には、蓄電装置の電力を電動機に供給し、電動機出力によってエンジン始動を行うことがある。また、電動機の代わりに発電機が、エンジン始動力の発生手段として利用することもある。
【０００４】
ハイブリット車では、放電と充電とを切り換えることにより、蓄電装置の充電量を制御することができる。蓄電装置は、回生制動時に発生した電力を十分に受け入れることができ、また、要求に応じて直ちに十分な電力を電動機に供給できる状態にあることが望まれる。
【０００５】
そのため、充電量は満充電の状態（ＳＯＣ１００％）と、全く充電されていない状態（ＳＯＣ０％）のおおよそ中間付近（３０％〜７０％）に制御されることが望ましい。例えば、降坂路で減速したとき、回生制動により充電量が上昇する。その後、エンジンを止めて電動機出力により車両が走行し、充電量が低下してきたことが検知されると、エンジンの出力により発電機を駆動させ、発電電力を電池に充電する。
【０００６】
ここで、蓄電装置は、充電量ＳＯＣによって開放電圧、及び内部抵抗が変化する特性を有しており、蓄電装置の受け入れることができる電力、即ち充電可能電力と、供給できる電力、即ち放電可能電力が蓄電装置の充電量ＳＯＣによって変化する特性を有している。蓄電装置の充電量ＳＯＣが３０％〜７０％にある場合、充電可能電力と放電可能電力が変化してしまう。
【０００７】
蓄電装置は回生制動時に発生した電力を十分に受け入れることができ、要求に応じて直ちに十分な電力を電動機に供給できる状態にあることが望まれるため、蓄電装置の充電可能電力と、放電可能電力を演算する必要がある。
【０００８】
以下、蓄電装置の充電可能電力と放電可能電力の演算方法について説明する。まず、蓄電装置の充電量ＳＯＣと、蓄電装置の開放電圧Ｅとの関係、及び、蓄電装置の充電量ＳＯＣと、蓄電装置の内部抵抗Ｒとの関係を実験により求めておく。
【０００９】
図１８は、リチウムイオン電池の、充電量ＳＯＣの変化に対する開放電圧Ｅ、及び内部抵抗Ｒの変化を示す特性図である。充電可能電力Ｐin,maxは、電池の上限電圧をＶmaxとすると、以下に示す式（Ｆ１）にて求めることができる。
【００１０】
Ｖmax×（Ｖmax−Ｅ）／Ｒ    ・・・（Ｆ１）
また、電池の下限電圧をＶminとすると、放電可能電力Ｐout,maxは、以下に示す式（Ｆ２）にて求めることができる。
【００１１】
Ｖmin×（Ｅ−Ｖmin）／Ｒ    ・・・（Ｆ２）
この結果を図１９に示す。このように、リチウムイオン電池は、充電量ＳＯＣにより充電可能電力、及び放電可能電力が変化する。
【００１２】
次に、キャパシタの特性について説明する。図２０は、充電量ＳＯＣの変化に対するキャパシタの充電量ＳＯＣ、及び内部抵抗Ｒの変化を示す特性図である。同図から理解されるように、キャパシタは、充電量ＳＯＣに対して開放電圧が直線的に変化する特性と、充電量ＳＯＣによらず一定となる内部抵抗の特性を有している。
【００１３】
キャパシタの充電可能電力と放電可能電力とを求めると、図２１に示す如くの特性となる。このように充電量ＳＯＣによって、開放電圧が変化するリチウムイオン電池やキャパシタといった蓄電装置では、充電量ＳＯＣの大きさに応じて充電可能電力と放電可能電力とが変化するので、このような蓄電装置をハイブリット車に適用する場合には、充電量ＳＯＣに応じて充電可能電力と放電可能電力とを演算し、回生制動時に発生した電力を十分に受け入れること、及び、要求に応じて直ちに十分な電力を電動機に供給できることが望まれる。
【００１４】
車両の停止状態から車両システムを起動する際に、蓄電装置から電力を供給する場合、ハイブリット車ではエンジン始動、燃料電池車では発電システム起動といった場合には、ある電力で放電できる容量を予測する必要がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、リチウムイオン電池や電気二重層キャパシタは、電気を蓄える活物質があり、プラスイオンが活物質に拡散する現象がある。そのため、充電と放電が行われた後の充電可能電力、または放電可能電力が変化するといった特性がある。
【００１６】
図２２〜図２４は、定電流放電時におけるリチウムイオン電池の電圧変化を示す特性図であり、以下、図２２〜図２４を用いて、充電可能電力、放電可能電力が変化することについて詳述する。
【００１７】
各図において、シンボル「□」は実験値の電圧変化を示し、曲線Ｘ１は従来技術で演算した場合の電圧変化を示している。そして、図２２は、放電開始から放電終了までの各電圧変化を示し、図２３は、放電開始からの２０秒間の各電圧変化を示し、図２４は放電停止後から再度放電を行った電圧変化を示している。
【００１８】
図２２中の曲線Ｘ１は、放電開始から５秒経過後における電圧降下に基づいて求めた内部抵抗値を用いた電圧演算値である。
【００１９】
下限電圧を２．０［Ｖ］としたときの放電容量は、実験値に対して推定値（曲線Ｘ１）は大きくずれており、放電可能容量を正確に演算できていない。そこで、放電可能容量を演算するための内部抵抗値を、放電可能電力を演算するための内部抵抗値でなく、放電開始から１２０秒経過後の電圧降下に基づいて求めた内部抵抗値を使うことによって演算した。その結果が図２２に示す特性曲線Ｘ２である。この場合においても、実験値と推定値との間には大きなずれが生じている。
【００２０】
このように放電可能容量を精度良く演算するために内部抵抗値を変えても、放電可能容量の演算値は実験値から大きくずれてしまう結果となった。
【００２１】
次に、放電可能電力の演算結果について説明する。放電可能電力を制度良く演算できたかどうかは、電池の電圧を精度良く演算できたかで判断できる。図２２，２３図に示すように、１０secまでは電池電圧を精度良く演算できているが、１０sec以上では精度良く演算できていない。また、図２４に示すように放電停止後再度放電を行った場合においても電池電圧を精度良く演算できていない。
【００２２】
このように、従来の方法では放電可能容量と放電可能電力を大きく演算してしまう結果となった。また、ここでは放電の結果のみを示したが、充電においても充電可能容量と充電可能電力を大きく演算してしまう結果となると考えられる。その結果、蓄電装置から期待したモータ駆動電力が供給されないことがある。また、蓄電装置が期待した回生電力を受け入れられずエネルギー効率が低下する可能性がある。更に、蓄電装置から期待した容量が供給されないため、車両の起動ができなくなる可能性がある。
【００２３】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、蓄電装置の放電可能電力、充電可能電力、放電可能容量を演算し、車両の動力性能の確保と車両システムの起動を確実に行うことのできる蓄電システムを提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、１個または複数個の二次電池を接続した蓄電装置と、前記蓄電装置に流入する電流値を計測する電流値計測手段と、前記蓄電装置の出力電圧値を計測する電圧値計測手段と、前記電流値計測手段により計測された電流値の積算値、または前記電圧値計測手段により計測された電圧値に基づいて前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算手段と、前記残容量演算手段により演算された残容量に基づいて、前記蓄電装置の内部抵抗を演算する内部抵抗演算手段と、前記蓄電装置の開放電圧を演算する開放電圧演算手段と、前記内部抵抗演算手段により演算された内部抵抗と、前記開放電圧演算手段により演算された開放電圧と、に基づき、前記蓄電装置の放電可能電力、充電可能電力、放電可能容量、充電可能容量を演算する主演算手段とを有し、更に、前記開放電圧演算手段は、前記電流値計測手段により計測された電流値に基づいて、二次電池を形成する活物質内イオン濃度分布を算出するイオン濃度分布算出手段を具備し、当該イオン濃度分布算出手段にて算出された活物質内イオン濃度分布より、前記蓄電装置の開放電圧を演算することを特徴とする。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、前記イオン濃度分布算出手段は、拡散方程式を用いてイオン濃度分布を算出することを特徴とする。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、前記開放電圧演算手段は、予め測定したイオン濃度と蓄電装置開放電圧との関係に基づいて、前記蓄電装置の開放電圧を算出することを特徴とする。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、前記蓄電装置は、二次電池とキャパシタを並列に接続して成ることを特徴とする。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、前記二次電池は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする。
【００２９】
請求項６に記載の発明は、前記キャパシタは電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１、請求項２、請求項３の発明によれば、放電電流値と放電時間によって電池の内部抵抗が変化する蓄電装置において、放電可能電力、充電可能電力、放電可能容量、充電可能容量を正確に演算することができ、車両の動力性能の確保と車両システムの起動を確実に行うことができる。特に、活物質の拡散の影響が大きい低温時の放電可能電力、充電可能電力、放電可能容量、充電可能容量を正確に演算することが可能である。
【００３１】
請求項４、請求項５、請求項６の発明によれば、リチウムイオン電池及び電気二重層キャパシタを用いることで、本発明の放電可能電力と放電可能容量の演算値と実験値を比較した結果、制度良く演算することができた。そのため、リチウムイオン電池及び電気二重層キャパシタを蓄電装置として搭載した車両の動力性能の確保と車両システムの起動を確実に行うことができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をシリーズハイブリッド車両に応用した、第１の実施形態を説明する。
【００３３】
図１は、第１の実施形態に係る蓄電システム、及び該蓄電システムを用いて駆動される車両の動力系の構成を示すブロック図である。同図において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、破線は電力線を示し、細い実線は制御線を示している。
【００３４】
この車両のパワートレインは、駆動モータ４、無断変速機５、差動装置６、及び駆動輪７から構成される。駆動モータ４が車両の推進源となる。
【００３５】
発電モータ１及び駆動モータ４は、三相同期電動機または三相誘導電動機等の交流機であり、発電モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、駆動モータ４は主として車両の推進と制動に用いられる。
【００３６】
発電モータ１、駆動モータ４は、それぞれ、インバータ８，９により駆動される。インバータ８，９は、共通のＤＣリンク１０を介して蓄電装置１１に接続されており、蓄電装置１１の直流放電電力を交流電力に変換して発電モータ１、及び駆動モータ４へ供給すると共に、発電モータ１及び駆動モータ４の交流発電電力を直流電力に変換して蓄電装置１１を充電する。
【００３７】
なお、インバータ８，９は、互いにＤＣリンク１０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、蓄電装置１１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。
【００３８】
蓄電装置１１の電力は、ＤＣリンク１０を介しＤＣ／ＤＣコンバータ１２に接続され、車両の補機１３に電力を供給する。本実施形態では、蓄電装置１１は二次電池２１である。
【００３９】
コントローラ１４は、エンジン２の回転速度、出力及びトルク、発電モータ１、駆動モータ４の回転速度及びトルク、二次電池の充放電、等を制御する。コントローラ（残容量演算手段、内部抵抗演算手段、開放電圧演算手段、主演算手段、イオン濃度分布算出手段）１４には、二次電池の温度ＴＢを検出する温度センサ１５、二次電池の端子電圧ＶＢを検出する電圧センサ（電圧値計測手段）１７、二次電池の電流値ＩＢを検出する電流センサ（電流値計測手段）１８、キャパシタ温度センサ１６、キャパシタ電流センサ１９からの信号が入力され、二次電池の残容量ＳＯＣを演算する機能を有している。
【００４０】
更に、二次電池の温度ＴＢと二次電池の残容量ＳＯＣに対する二次電池の内部抵抗のマップデータを有している。また、二次電池の活物質濃度分布を計算し、二次電池の開放電圧を計算することができる。更に、二次電池の内部抵抗と開放電圧より、二次電池の放電可能出力Ｐout,maxと充電可能入力Ｐin,maxを演算することができるようになっている。
【００４１】
次に、本実施形態の作用について説明する。図２は、本実施形態に係る蓄電システムの作用を示すフローチャートである。
【００４２】
まず、ステップＳ１で、車両のキーがＯＮにされる。次いで、ステップＳ２でキーオフされたかどうかが判断され、キーオフと判断されると、ステップＳ３へ進み、システムが停止する。ステップＳ２でキーオンであると判断されると、ステップＳ４へ進む。
【００４３】
その後、ステップＳ４で二次電池の電圧計測、二次電池の残容量ＳＯＣの演算、二次電池の電圧に基づいての二次電池の活物質内イオン濃度が計算される。
【００４４】
次いで、ステップＳ５で、キーオフされたかどうかが判断され、キーオフと判断された場合にはステップＳ６へ進み、システムが停止する。また、ステップＳ５でキーオンであると判断された場合には、ステップＳ７へ進む。そして、ステップＳ７では、二次電池２１の電流値を計測する処理が行われる。
【００４５】
ステップＳ８で、時間刻みΔｔ後の活物質内イオン濃度分布が、拡散方程式により計算される。ステップＳ９で、濃度値ＣΔｔ（ｒｎ）より電池開放電圧Ｅが計算される。ステップＳ１０で、濃度分布値が更新される。
【００４６】
その後、ステップＳ１１の二次電池出力演算に進み、二次電池の放電可能電力、充電可能電力が演算される。次いで、ステップＳ１２の、二次電池出力容量演算に進み、二次電池の放電可能容量、充電可能容量が演算される。ステップＳ１２での演算が終了すると、ステップＳ５へ戻る。
【００４７】
次に、二次電池出力演算ルーチン（Ｓ１１）について説明する。図１０は、二次電池出力演算ルーチンを示すフローチャートである。
【００４８】
同図に示すステップＳ２１で、二次電池に要求される電力の放電時間t_disを設定する。そして、ステップＳ２２で、電力の初期値Ｐと電流値の初期値Ｉが設定される。Ｅは二次電池の開放電圧、Ｖminは二次電池の下限電圧、Ｒは二次電池の内部抵抗、Ｆは二次電池の容量で、二次電池のクーロン容量をＡｈ、満充電時の電圧をＥmaxとすると、二次電池容量Ｆは、Ｆ＝Ａｈ×3600／Ｅmaxで求められる。
【００４９】
ステップＳ２３で、活物質内イオン濃度分布初期値として、図２のステップＳ８で既に計算したＣ（ｒｉ）を、ＣＰ（ｒｉ）に代入する。そして、時間tをゼロに設定する。更に、残容量ＳＯＣの初期値ＳＯＣＰを設定する。
【００５０】
ステップＳ２４で、時間刻みΔｔ後の活物質濃度分布値ＣＰΔｔ（ｒｉ）を計算する。なお、この計算式については後述する。
【００５１】
ステップＳ２５で活物質の濃度値ＣΔｔ（ｒｎ）より、二次電池の開放電圧Ｅを計算する。図４に示す活物質内イオン濃度値ＣＰと、開放電圧Ｅとの関係に基づいて、活物質表面イオン濃度値ＣＰ（ｒｎ）から二次電池の開放電圧Ｅを求める。
【００５２】
ステップＳ２６で、二次電池開放電圧Ｅと二次電池電流値Ｉより二次電池端子電圧ＶＴを計算する。ステップＳ２７で活物質内イオン濃度分布値を更新する。ステップＳ２８で、二次電池端子電圧ＶＴと二次電池下限電圧Ｖminが比較され、二次電池端子電圧ＶＴの方が大きい場合にはステップＳ２９へ進み、時間ｔが更新される。その後、ステップＳ３０で電流値が更新される。演算が終了すると、ステップＳ２４へ戻る。
【００５３】
他方、二次電池端子電圧ＶＴの方が小さい場合には、ステップＳ３１へ進み、時間ｔと二次電池に要求される電力の放電時間t_disが比較される。
【００５４】
時間ｔと二次電池に要求される電力の放電時間t_disとの差が所定値より大きい場合には、ステップＳ３２へ進み、二次電池の電力値Ｐと電流値Ｉが更新され、ステップＳ２３へ戻る。時間ｔと二次電池に要求される電力の放電時間t_disとの差が所定値より小さい場合には、ステップＳ３３へ進み、電力値Ｐを二次電池が時間t_dis放電可能な電力値として保存する。
【００５５】
そして、ステップＳ３４へ進み、出力演算ルーチンからぬける。ステップＳ２４での活物質内イオン濃度分布値の計算方法について説明する。活物質のモデルを図５に示す。活物質は球形である。球の半径ｒ方向のみに濃度分布を持っており、円周方向θ方向には均等であると仮定する。
【００５６】
このように仮定するのは、活物質の表面から均等にイオンが流出すると考えられるためである。この系を定式化すると、図６に示すようになる。
【００５７】
この拡散方程式を差分化して計算を行うことにより、活物質内イオン濃度の時間変化が計算できることになる。球の半径方向に差分化した式を図７に示す。図７中の式（１），式（２），式（３）を計算することにより、活物質内イオン濃度分布を計算することができる。
【００５８】
式（２）は、ｉ＝２〜ｎ−１で計算する。ｎは差分計算の分割数であり、計算の精度によって変えれば良い。この実施形態では、ｎ＝１０とした。
【００５９】
次に、図２のステップＳ１２の二次電池容量演算ルーチンについて説明する。図８は、二次電池容量演算ルーチンを示すフローチャートである。ステップＳ４１で、二次電池に要求される電力Ｐを設定する。ステップＳ４２で、電流値の初期値Ｉが設定される。ステップＳ４３で、活物質内イオン濃度分布初期値として図２のステップＳ７で計算したＣ（ｒｉ）をＣＰ（ｒｉ）に代入して、時間ｔをゼロに設定し、本ルーチンで使用する残容量ＳＯＣＰの初期値に、図２のステップＳ４で演算したＳＯＣを与える。
【００６０】
ステップＳ４４で、時間刻みΔｔ後の活物質濃度分布値ＣＰΔｔ（ｒｉ）を計算する。計算方法は、上記に説明したものと同様であるので省略する。ステップＳ４５で二次電池の開放電圧Ｅを計算する。図４に示す活物質濃度値ＣＰと開放電圧Ｅの関係より、活物質表面濃度値ＣＰ（ｒｎ）から二次電池の開放電圧Ｅを求める。ステップＳ４６で、二次電池開放電圧Ｅと二次電池電流値Ｉより二次電池電圧ＶＴを計算する。
【００６１】
ステップＳ４７で、活物質濃度分布値を更新する。ステップＳ４８で、二次電池電圧ＶＴと二次電池下限電圧Ｖminが比較され、二次電池電圧ＶＴの方が大きい場合にはステップＳ４９へ進み、時間ｔが更新される。ステップＳ５０で、電流値Ｉが更新される。また、二次電池の残容量ＳＯＣが演算され、演算された残容量ＳＯＣと、図１８に示した二次電池の残容量ＳＯＣと二次電池の電圧Ｅの関係から、二次電池の電圧Ｅが演算される。演算が終了すると、ステップＳ４４へ戻る。
【００６２】
一方、二次電池電圧ＶＴの方が小さい場合には、ステップＳ５１へ進む。ステップＳ５１で、時間ｔを二次電池が電力Ｐを放電可能な時間ｔ（Ｐ）として保存する。その後、ステップＳ５２へ進み、容量演算ルーチンからぬける。
【００６３】
次に、本発明をパラレルハイブリッド車両に応用した第２の実施形態について説明する。図９は、第２の実施形態に係る蓄電システム及びこの蓄電システムを用いて駆動される車両の動力系の構成を示すブロック図である。
【００６４】
図９において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示す。この車両のパワートレインは、発電モータ１、エンジン２、クラッチ３、駆動モータ４、無段変速機５、差動装置６および駆動輪７から構成される。
【００６５】
発電モータ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、駆動モータ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。
【００６６】
クラッチ３締結時は、エンジン２と駆動モータ４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時は駆動モータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２及び駆動モータ４の駆動力は、無段変速機５、差動装置６を介して、駆動輪７へ伝達される。
【００６７】
発電モータ１、駆動モータ４は、三相同期電動機または三相誘導電動機等の交流機であり、発電モータ１は、主としてエンジン始動と発電に用いられ、駆動モータ４は、主として車両の推進と制動に用いられる。また、クラッチ３締結時に、発電モータ１を車両の推進と制動に用いることもでき、駆動モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。
【００６８】
クラッチ３は、パウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。なお、このクラッチ３に乾式単板クラッチや湿式多板クラッチを用いることもできる。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。
【００６９】
発電モータ１、駆動モータ４はそれぞれ、インバータ８，９により駆動される。インバータ８，９は、共通のＤＣリンク１０を介して蓄電装置１１に接続されており、該蓄電装置１１の直流放電電力を交流電力に変換して発電モータ１、駆動モータ４へ供給すると共に、発電モータ１、駆動モータ４の交流発電電力を直流電力に変換して蓄電装置１１を充電する。
【００７０】
なお、インバータ８，９は、互いにＤＣリンク１０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、蓄電装置１１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。蓄電装置１１の電力は、ＤＣリンク１０を介しＤＣ／ＤＣコンバータ１２に接続され、車両の補機１３に電力を供給する。本実施形態では、蓄電装置１１は二次電池２１である。
【００７１】
コントローラ１４は、エンジン２の回転速度、出力およびトルク、発電モータ１、駆動モータ４の回転速度およびトルク、二次電池の充放電等を制御する。
【００７２】
コントローラ１４には、二次電池の温度ＴＢを検出する温度センサ１５、二次電池の端子電圧ＶＢを検出する電圧センサ１７、二次電池の電流値ＩＢを検出する電流センサ１８、キャパシタ温度センサ１６、キャパシタ電流センサ１９、からの信号が入力され、二次電池の残容量ＳＯＣを演算する機能を有している。
【００７３】
また、二次電池の温度ＴＢと、二次電池の残容量ＳＯＣに対する二次電池の内部抵抗のマップデータを有しており、二次電池の活物質濃度分布を計算し、二次電池の開放電圧を計算することができる。
【００７４】
また、二次電池の内部抵抗Ｒと開放電圧Ｅより、二次電池の放電可能出力Ｐout,maxと充電可能入力Ｐin,maxを演算することができるようになっている。第２の実施形態の作用を説明するフローチャートは、前述した第１の実施形態と同様であるので、その記載を省略する。
【００７５】
なお、第１の実施形態、第２の実施形態に関わらず、蓄電装置を充電できる発電機と蓄電装置の電気を放電できる放電器を備え、蓄電池への充電と放電を繰り返すことができる構成となっているシステムにおいて、本発明の効果を得ることができる。
【００７６】
蓄電装置として二次電池を用いた第１及び第２の実施形態である活物質の拡散方程式を解くことによる二次電池の出力及び容量を演算した結果について説明する。
【００７７】
図１０は、定電流放電時の電池電圧変化を示している。図中のシンボル「□」は実験値を示し、実線は演算値を示している。放電が停止する時間1350secが実験値と演算値で一致しているので、放電容量を精度良く演算できている。
【００７８】
しかし、放電開始から150sec付近までは精度良く演算できていないので、150sec以内に放電できる電力の演算においては誤差が生じる結果となった。この演算精度を上げるために取った演算方法については、後述の第４の実施形態にて説明する。
【００７９】
次に、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを適用した、第３の実施形態について説明する。システムブロック図、及びフローチャートは、電池を適用した第１、第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８０】
図３のステップＳ２２、ステップＳ３０、ステップＳ３２と、図８のステップＳ４２、ステップＳ５０で、電力と電流値の初期化及び更新する際に、電気二重層キャパシタの容量をＦ、電気二重層キャパシタの内部抵抗をＲに代入し計算を行う。
【００８１】
電気二重層キャパシタの電圧変化を演算した結果を図１１に示す。図中のシンボル「□」は実験値を示し、実線は演算値を示している。破線は拡散方程式を解かない従来の結果である。電気二重層キャパシタの電圧変化が精度良く演算できていることから、出力と容量を精度良く演算することができる。
【００８２】
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、電池の放電可能電力の演算精度を上げるため、電池活物質と電解液の間に電気二重層があるモデルを作成し、計算を行うものである。ここでいう電気二重層は、第３の実施例で説明した電気二重層キャパシタと原理は同じであるが、構成は異なっている。
【００８３】
図１２に計算モデルを示す。電池と並列にキャパシタを接続した等価回路で電気二重層のモデルを表現することができる。この電気二重層の残容量ＳＯＣｃに対する開放電圧Ｅｃと内部抵抗Ｒｃの関係は、図１３に示す如くとなる。図示のように、電気二重層の残容量ＳＯＣｃが１００％の時に、電池の残容量ＳＯＣ１００％と同様の電圧となる。電気二重層の内部抵抗Ｒｃは、電池の内部抵抗Ｒに対して小さな値となる。
【００８４】
第４の実施形態に係るフローチャートは、前述した第１の実施形態と基本的に同一であるので、図２，図３，図８に基づいて、第４の実施形態の動作を説明する。まず、図２のステップＳ１で車両のキーがＯＮにされる。ステップＳ２でキーオフされたかが判断される。キーオフと判断されるとステップＳ３へ進み、システムが停止する。ステップＳ２でキーオンであると判断されるとステップＳ４へ進む。
【００８５】
ステップＳ４で、二次電池Ｅｂと電気二重層の電圧Ｅｃが計測され、計測された電圧Ｅｂ，Ｅｃより二次電池の残容量ＳＯＣと電気二重層の残容量ＳＯＣｃが演算され、二次電池の電圧Ｅｂより二次電池の活物質内イオン濃度Ｃが計算される。
【００８６】
ステップＳ５で、キーオフされたかが判断される。キーオフと判断されると、ステップＳ６へ進み、システムが停止する。ステップＳ５でキーオンであると判断されるとステップＳ７へ進む。ステップＳ７で電池と電気二重層に流れる電流値Ｉｔが計測される。図１４の式（４）と式（５）より、電池に流れる電流値Iｂと電気二重層に流れる電流値Ｉｃを計算する。
【００８７】
ステップＳ８で、時間刻みΔt後の活物質内イオン濃度分布Ｃ（ｒｉ）ｉ＝1〜ｎが拡散方程式により計算される。
【００８８】
また、電気二重層の残容量ＳＯＣｃが、図１４の式（６）より計算される。式（６）中のＦｃは電気二重層の容量である。次いで、ステップＳ９で濃度値ＣΔｔ（ｒｎ）より電池開放電圧Ｅｂが計算される。また、演算された残容量ＳＯＣｃと、図１３の電気二重層残容量−開放電圧の関係より、電気二重層の開放電圧Ｅｃが計算される。
【００８９】
その後、ステップＳ１０で濃度分布値が更新される。ステップＳ１１で、二次電池の放電可能電力、充電可能電力が演算される。ステップＳ１２で、二次電池の放電可能容量、充電可能容量が演算される。ステップＳ１２での演算が終了すると、ステップＳ５へ戻る。
【００９０】
次に、図３の出力演算ルーチンについて説明する。ステップＳ２１で二次電池に要求される電力の放電時間t_disを設定する。ステップＳ２２で電力の初期値Ｐと電流値の初期値Ｉが設定される。電力は、図１５の式（７）で与えられ、電流値は、図１５の式（８）で与える。式（７），式（８）中のＥｔ，Ｒｔは、図１５の式（９），式（１０）より計算される。
【００９１】
式（７），式（８）中のＦは二次電池の容量である。ステップＳ２３で活物質内イオン濃度分布初期値として、図２のステップＳ８で計算したＣΔｔ（ｒｉ）をＣＰ（ｒｉ）に代入し与える。時間ｔをゼロに設定する。
【００９２】
電気二重層の残容量ＳＯＣＰｃの初期値として、図２のステップＳ８で計算した電気二重層残容量ＳＯＣｃを与える。ステップＳ２４での時間刻みΔｔ後の活物質濃度分布値ＣＰΔｔ（ｒｉ）を、図７の式（１）〜式（３）で計算する。図７の式（３）の電流値Ｉには、ステップＳ２２で計算した電池の電流値Ｉｂを代入する。また、図１５の式（１１）より、電気二重層の残容量ＳＯＣＰｃを計算する。ステップＳ２５で活物質の濃度値ＣＰΔｔ（ｒｎ）より、二次電池の開放電圧Ｅｂを計算する。
【００９３】
また、電気二重層の残容量ＳＯＣＰｃと、図１３の電気二重層の残容量−電気二重層開放電圧の関係より、電気二重層の開放電圧Ｅｃを計算する。ステップＳ２６で二次電池と電気二重層並列回路の端子電圧ＶＴを、図１５の式（１２）より計算する。
【００９４】
式（１２）中のＥｔ，Ｒｔは、図１５中の式（９），式（１０）より計算する。ステップＳ２７で、活物質内イオン濃度分布値を更新する。ステップＳ２８で、二次電池と電気二重層の端子電圧ＶＴと下限電圧Ｖminが比較され、二次電池と電気二重層の端子電圧ＶＴの方が大きい場合には、ステップＳ２９へ進み、時間ｔが更新される。ステップＳ３０で、図１５の式（１３）と式（１４）より電流値Ｉｔ，Ｉｂが計算され更新される。
【００９５】
演算が終了すると、ステップＳ２４へ戻る。二次電池端子電圧ＶＴの方が小さい場合には、ステップＳ３１へ進み、時間tと二次電池に要求される電力の放電時間t_disが比較される。時間tと二次電池に要求される電力の放電時間ｔ_disとの差が所定値より大きい場合には、ステップＳ３２へ進み、図１５の式（１６）で電力値Ｐが更新され、式（１１）と式（１２）より、電流値Ｉが更新される。式（１６）中のＦは、二次電池の容量である。
【００９６】
ステップＳ３２が終了すると、ステップＳ２３へ戻る。時間ｔと二次電池に要求される電力の放電時間t_disとの差が所定値より小さい場合には、ステップ３３へ進み、電力値Ｐを二次電池が時間t_dis放電可能な電力値として保存される。ステップＳ３４へ進み、出力演算ルーチンからぬける。
【００９７】
次に、図２のステップＳ１２の二次電池容量演算ルーチンについて説明する。図８に二次電池容量演算ルーチンのフローチャートを示す。ステップＳ４１で二次電池に要求される電力Ｐを設定する。ステップＳ４２で、図１５の式（１３）、式（１４），式（１５）より、電池の電流値Ｉｂと電気二重層の電流値Ｉｃが計算され、初期値として設定される。
【００９８】
ステップＳ４３で活物質内イオン濃度分布初期値として、図２のステップ７で計算したＣ（ｒｉ）をＣＰ（ｒｉ）に代入し与え、時間tをゼロに設定する。電気二重層の残容量ＳＯＣＰｃの初期値として、図２のステップＳ８で計算した電気二重層残容量ＳＯＣｃを与える。
【００９９】
ステップＳ４４で、時間刻みΔｔ後の活物質濃度分布値ＣＰΔｔ（ｒｉ）を、図７の式（1）〜式（３）を用いて計算する。図７の式（３）の電流値Ｉには、ステップＳ２２で計算した電池の電流値Ｉｂを代入する。また、図１５の式（１１）より電気二重層の残容量ＳＯＣＰｃを計算する。
【０１００】
ステップＳ４５で活物質の濃度値ＣＰΔｔ（ｒｎ）より、二次電池の開放電圧Ｅｂを計算する。また、電気二重層の残容量ＳＯＣＰｃと、図１３の電気二重層の残容量−電気二重層開放電圧の関係より、電気二重層の開放電圧Ｅｃを計算する。
【０１０１】
ステップＳ４６で、二次電池と電気二重層並列回路の端子電圧ＶＴを、図１５の式（１２）より計算する。式（１２）中のＥｔ，Ｒｔは図１５中の式（９）、式（１０）より計算する。ステップＳ４７で活物質濃度分布値を更新する。ステップＳ４８で二次電池電圧ＶＴと二次電池下限電圧Ｖminが比較され、二次電池電圧ＶＴの方が大きい場合には、ステップＳ４９へ進み、時間ｔが更新される。ステップＳ５０で、図１５の式（１３）と式（１４）より電流値Ｉｔ，Ｉｂが計算され更新される。演算が終了すると、ステップＳ４４へ戻る。二次電池電圧ＶＴの方が小さい場合には、ステップＳ５１へ進む。ステップＳ５１で時間ｔを二次電池が電力Ｐを放電可能な時間ｔ（Ｐ）として保存される。ステップＳ５２へ進み、容量演算ルーチンからぬける。
【０１０２】
以下、第４の実施形態を実施した結果について説明する。定電流放電時の電池電圧変化を、図１６と図１７に示している。図１６は、放電開始から放電が終了する１３５０sec経過後までを示した図であり、図１７は放電開始から３０sec経過後までを示した図である。
【０１０３】
図中のシンボル「□」は実験値を示し、実線は演算値を示している。第１の実施形態と第２の実施形態の結果を示した図１０で、演算値と実験値が一致しなかった部分が一致するようになったので、効果があったことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すシステムブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態の出力演算ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】活物質内イオン濃度と電池開放電圧との関係を示す特性図である。
【図５】活物質の計算モデルを示す説明図である。
【図６】活物質内イオン濃度計算式を示す説明図である。
【図７】活物質内イオン濃度計算式を示す説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の容量演算ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態を示すシステムブロック図である。
【図１０】定電流放電時の電池電圧変化を示す特性図である。
【図１１】定電流放電時の電気二重層キャパシタ電圧変化を示す特性図である。
【図１２】第４の実施形態の計算モデルを示す説明図である。
【図１３】電気二重層の残容量と開放電圧を示す特性図である。
【図１４】各変数の計算式を示す説明図である。
【図１５】各変数の計算式を示す説明図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る実施結果を示す特性図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る実験結果を示す特性図である。
【図１８】リチウムイオン電池の開放電圧と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図１９】リチウムイオン電池の放電可能電力と充電可能電力との関係を示す特性図である。
【図２０】キャパシタの開放電圧と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図２１】キャパシタの放電可能電力と充電可能電力との関係を示す特性図である。
【図２２】放電時の電池電圧変化を示す特性図である。
【図２３】放電時の電池電圧変化を示す特性図である。
【図２４】放電時の電池電圧変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１  発電モータ
２  エンジン
３  クラッチ
４  駆動モータ
５  無段変速機
６  作動装置
７  駆動輪
８  発電モータ用インバータ
９  駆動用モータ用インバータ
１０  ＤＣリンク
１１  二次電池
１２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３  車両の補機
１４  コントローラ
１５  二次電池温度センサ
１６  キャパシタ温度センサ
１７  蓄電装置電圧センサ
１８  二次電池電流センサ
１９  キャパシタ電流センサ
２１  二次電池
２２  キャパシタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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