JP2010011619A - 電池の充電制御方法および充電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス発生による内圧の上昇を回避し、走行時に電池の特性を十分に引き出しながら、電池の性能を長期に維持できるハイブリッド自動車用電池の充電制御方法を提供する。
【解決手段】内圧上昇判定部１４ａにより、ハイブリッド自動車用電池１１に含まれる複数のセル１１０のうち、少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定されたときに、電池制御部１５およびＥＶ制御部２３の制御に基づき電池１１の充電電圧または充電電流を低減する。また受信部３１はブザー３２を発音させ、そのことを音声で運転者等に知らせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車用電池の充電制御方法および充電制御装置に関し、より詳しくは、電池に含まれる複数のセル（蓄電池）の内圧上昇の影響を、簡易かつ効率的に低減させる充電制御方法に関する。

ニッケル水素蓄電池をはじめとするアルカリ蓄電池は、ハイブリッド自動車（以下、「ＨＥＶ」と記す）や非常用電源などの産業用途を中心に需要が拡大しつつある。特にＨＥＶにおいてメイン電源として用いられるアルカリ蓄電池は、モータの駆動（放電）と発電機からの回生電力の貯蓄（充電）の双方を行うため、電池の充電状態（ＳＯＣ）により、充放電が監視・制御される。

一方、アルカリ蓄電池は、電解液から発生するガスの量が充電の終期に急増する、いわゆる“ガス発生”による内圧上昇が生じて蓄電池の性能が劣化する。この内圧上昇による蓄電池への影響を低減させるために、いくつかの方法が提案されている。

一つの方法として、アルカリ蓄電池の端子間電圧が予め定めるガス発生電圧を超えた場合にガス発生による内圧上昇が生じたと推定し、発電を５秒間停止させ、その後発電を再開する方法がある。しかし、この方法ではいわゆるハンチング現象が生じ、ＨＥＶの搭乗者に不快感を与える問題があった。

他の方法として、特許文献１に記載されたような、蓄電池の端子間電圧からガス発生電圧を推定し、またはガスセンサによりガス圧を直接検出して、ＳＯＣを制御する方法がある。具体的には、内圧上昇によって蓄電池に設けた弁が作動したときに充電を止める制御方法である。
特開平１０−２０１００９号公報

上記特許文献１に記載の方法は、内圧の上昇に伴う蓄電池の性能劣化をある程度回避できる。しかし、蓄電池がＨＥＶに搭載された状態では、内圧の上昇が繰り返し発生して蓄電池の劣化が促進される可能性が高く、電池の性能を長期に維持する観点からは、検討すべき余地がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、ガス発生による内圧の上昇を回避し、走行時に電池の性能を十分に引き出しながら、電池の性能を長期に維持できるＨＥＶ用電池の充電制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる電池の充電制御方法は
車両を駆動するモータと、エンジンにより駆動され発電を行う発電機と、前記モータにインバータを介して電力を供給し、かつ前記発電機からの電力を、前記インバータを介して充電電流として受け入れる電池とを有するハイブリッド自動車における電池の充電制御方法であって、
前記電池に含まれる複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定されたときに、前記電池の充電電圧または充電電流を低減するステップと、
前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定されたことを、音声で知らせるステップとを含むものである。

ここで、前記インバータの出力電圧を低減することにより前記電池の充電電圧を低減するか、前記インバータから出力される直流電流の一部を逃がすことにより前記電池の充電電流を低減することが好ましい。

また、前記電池の端子間電圧が所定の値を超えたときに、前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定することが好ましい。

ただし、前記複数のセルのそれぞれに設けられた弁のうちいずれか一つが作動したときに、前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定してもよい。もしくは、前記複数のセルを格納する容器の変形の程度が所定の値を超えたときに、前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定してもよい。

本発明にかかる電池の充電制御方法は、前記複数のセルのうち特性の劣化したセルを前記電池から取り外すステップをさらに含むことが好ましい。

また本発明にかかる電池の充電制御装置は、
車両を駆動するモータと、エンジンにより駆動され発電を行う発電機と、前記モータにインバータを介して電力を供給し、かつ前記発電機からの電力を前記インバータを介して充電電流として受け入れる電池とを有するハイブリッド自動車において使用される電池の充電制御装置であって、
前記電池に含まれる複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたか否かを判定する内圧上昇判定部と、
前記内圧上昇判定部の出力信号に基づいて前記電池の充電電圧または充電電流を制御する制御部と、
前記内圧上昇判定部の出力信号に基づいて音声を発生する音声発生部を備えるものである。

本発明にかかる電池の充電制御装置は、ナビゲーションシステム内に設けられ、前記内圧上昇判定部の出力信号を受信すると共に前記制御部に転送する受信部をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、ＨＥＶ用の電池において、ガス発生による内圧上昇を防止して、走行中に電池の性能を十分に引き出すことができ、しかも電池の耐久性の要求をも満足する充電制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態にかかるＨＥＶ用電池の充電制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明にかかる充電制御方法を採用したＨＥＶの構成を示す。

ＨＥＶは、基本的に電源システム１と車両駆動システム２とで構成されている。電源システム１は、電池１１、インバータ１２、バイパス回路１３、内圧上昇判定部１４ａ、電池制御部１５、受信部３１およびブザー３２を含む。一方、車両駆動システム２は、モータジェネレータ２１、エンジン２２およびＥＶ制御部２３を含む。なお電源システム１の電池制御部１５と車両駆動システム２のＥＶ制御部２３は、連携してＨＥＶの制御を行う。

最初に、車両駆動システム２を中心に、ＨＥＶの動作について簡単に説明する。モータジェネレータ２１はモータと発電機の両方の機能を備えている。車両の駆動はモータジェネレータ２１により行われ、エンジン２２はモータジェネレータ２１の発電機を発電させる。

ＥＶ制御部２３はＨＥＶのアクセル開度、ブレーキ踏み込み量、車速などの情報に基づいてトルク指令を決定し、モータジェネレータ２１の出力がトルク指令に合致するように制御する。すなわちＥＶ制御部２３は、インバータ１２におけるスイッチングを制御すると共に、エンジン２２の出力を制御する。これによって、モータジェネレータ２１への入力が決定され、モータジェネレータ２１の出力がトルク指令に合致したものに制御される。

エンジン２２の出力がモータジェネレータ２１の出力よりも大きい場合には、インバータ１２から電力が電池１１に向けて出力され、電池１１が充電される。一方、エンジン２２の出力がモータジェネレータ２１の出力より小さい場合には、インバータ１２からモータジェネレータ２１に電力が供給され、電池１１が放電される。

次に、電源システム１の各構成要素について、それぞれの機能を具体的に説明する。主電源である電池１１は、アルカリ蓄電池あるいはリチウム二次電池からなる多数のセル１１０が並列および／または直列に接続されて構成されている。電池１１の端子間電圧の値Ｖｂ１は電圧センサ１６で検出され、内圧上昇判定部１４ａに供給される。

図２（Ａ）に内圧上昇判定部１４ａの構成を示す。内圧上昇判定部１４ａに入力された電圧値Ｖｂ１は電圧比較手段１４１で予め設定された基準電圧Ｖｓ１と比較される。電圧比較手段１４１は、電圧値Ｖｂ１が基準電圧Ｖｓ１を超えたときに、セル１１０の内圧が所定の値を超えたと判定し、判定信号Ｃｐを出力する。出力された判定信号Ｃｐは、受信部３１に送信される。

また電池１１には直列に電流センサ１７が接続され、電流センサ１７で検出された電流値Ｉｂは電池制御部１５に供給される。電池制御部１５は、電流値Ｉｂに基づいて電池１１のＳＯＣを算出する。

電池制御部１５は、受信部３１を介して内圧上昇判定部１４ａから送信された判定信号Ｃｐに基づき、ＥＶ制御部２３を介して間接的にインバータ１２の動作を制御する。電池制御部１５には記憶部１８が接続され、記憶部１８には電池１１を充電する際の条件が記憶されている。

インバータ１２は、ＥＶ制御部２３の制御信号Ｃｉに従い、モータジェネレータ２１で発生した交流の電流を電池１１充電用の直流の電流に変換する。同様にインバータ１２は、電池１１から出力された電流をモータジェネレータ２１の回転数に対応した周波数の交流に変換する。

バイパス回路１３は、電池制御部１５の制御信号Ｃｂに従い、電池１１への充電電流の一部を逃がして電池１１の充電条件を変更する。バイパス回路１３によって電池の充電条件を変更する方法は、特許文献１に記載されたモータの回転数を変える方法に比べて制御が容易である。また逃がした電流を図示しないキャパシタや蓄電池に供給することにより、効率的なエネルギー利用が図られる。

受信部３１は内圧上昇判定部１４ａの判定信号Ｃｐを受信し、電池制御部１５に転送する。また受信部３１には音声発生部として機能するブザー３２が接続されている。ブザー３２は圧電素子を含み、受信部３１が判定信号Ｃｐを受信したときに音声を出力し、ＨＥＶの運転者や同乗者に、セル１１０の内圧が所定の値を超えたことを知らせる。

受信部３１およびブザー３２は、ＨＥＶ内に搭載されたナビゲーションシステム３内に設けられている。通常、ＨＥＶの運転中はナビゲーションシステム３の電源が入った状態であるため、受信部３１およびブザー３２は正常に動作し、本発明にかかる充電制御が行われる。従って、ＨＥＶの運転中に、運転者や同乗者が音声によって、セル１１０の内圧が上昇したことに気付き、運転終了後の電池の点検を促す効果があるため、ＨＥＶのメンテナンス上、非常に有効である。

なお、本実施の形態において、インバータ１２、バイパス回路１３、内圧上昇判定部１４ａ、電池制御部１５、ＥＶ制御部２３、受信部３１およびブザー３２は、本発明の充電制御装置を構成する。またインバータ１２、バイパス回路、電池制御部１５およびＥＶ制御部２３は、本発明の制御部を構成する。

次に、図１を参照して、本発明にかかる充電制御方法について具体的に説明する。電池制御部１５は、電流センサ１７で検出した電流値Ｉｂを積算することによりＳＯＣの値を求め、この値と記憶部１８に記憶された充電条件とを比較しながら、充電制御を行う。当初設定した条件であれば、ガス発生による内圧上昇は生じないはずであるが、実際には、セル１１０のバラツキにより、ガス発生による内圧上昇が生じる場合がある。

前述した従来の制御方法では、電池１１のセル１１０のそれぞれにガスセンサを内蔵させ、ガス圧を直接検出していた。これに対し本実施の形態では、電圧センサ１６で検出した電池１１の端子間電圧Ｖｂ１が基準値Ｖｓ１（図２（Ａ）参照）を超えた時に、内圧上昇判定部１４ａでガス発生による内圧上昇が生じたと判定し、判定信号Ｃｐを、受信部３１を介して電池制御部１５に送信する。

判定信号Ｃｐを受信した電池制御部１５は、充電制御の方法を変更する。具体的には、設定電圧を変更するか充電の電流値を変更する。設定電圧は、インバータ１２を用いて随時変更できる。また、充電電流値は、バイパス回路１３によって所定の電流量をキャパシタ等に逃がすことにより、変更できる。

さらに、判定信号Ｃｐを受信した受信部３１は、ブザー３２を動作させてセル１１０の内圧が上昇したことを運転者や同乗者に知らせる。運転者等は、ブザー３２により内圧上昇があったことが分かるため、整備工場等に電池１１の点検を依頼することができる。点検の結果、性能が劣化して放電容量が極端に少なくなったセル１１０（例えば２Ａｈ未満）があれば、適正な放電容量を有するセルと取り替える。

以上説明したように、ガス発生による内圧上昇を早期に検知し、その結果に基づいて充電制御の方法を変え、さらに整備工場等に電池の点検を依頼し、必要な場合にはセルを交換することにより、電池全体の性能を長期に維持することができる。本発明によれば、ガス発生による内圧上昇による劣化を抑制する電源システムを簡易的な構造で具現化でき、ＨＥＶの安全性および信頼性が向上する。

なお本実施の形態においては、電池１１の端子間の電圧値Ｖｂを検出することによりセル１１０の内圧の上昇を判定したが、内圧上昇の判定方法はこれに限定されない。図２（Ｂ）、（Ｃ）に内圧上昇判定部の他の構成例を示す。

図２（Ｂ）は、セル１１０に設けられた弁からの信号Ｓｂを受けて内圧の上昇を判定する内圧上昇判定部１４ｂの構成を示す。セル１１０のそれぞれに弁が設けられており、内圧が上昇してセル１１０の弁が開いた時に、弁から信号Ｓｂが出力され、その信号Ｓｂを弁作動検知手段１４２で受信する。弁作動検知手段１４２は、いずれかのセル１１０から信号Ｓｂを受信したときに、セル１１０の内圧が上昇したと判定して、信号Ｃｐを出力する。

図２（Ｃ）は、内圧によりセル１１０の金属ケースが膨張したときに、膨張に伴うセルの変形を検出して内圧の上昇を判定する内圧上昇判定部１４ｃの構成を示す。具体的には、複数のセル１１０を格納する容器に歪センサを貼り付け（図示せず）、歪センサから出力される信号Ｖｂ２を電圧比較手段１４３で基準値Ｖｓ２と比較する。内圧上昇によってセル１１０の金属ケースが膨張し、容器が変形して歪センサの出力Ｖｂ２が基準値Ｖｓ２を超えると、電圧比較手段１４３は、セル１１０の内圧が上昇したと判定して、信号Ｃｐを出力する。

従来の電源システムで内圧の検出に用いていたガスセンサは高価であるため、電源システムのコストアップの原因となっていた。これに対し、本実施の形態で用いる電圧センサや弁、さらに歪センサは安価であるため、電源システムのコストを抑えることができる。

また本実施の形態では、セル１１０の内圧の上昇を、圧電素子を用いたブザー３２でＨＥＶの運転者等に知らせていたが、これに限定されるものではない。ＨＥＶの運転中に、セル１１０の内圧が上昇したことを音声で運転者等に通知できるものであれば、様々な音声発生手段を用いることができる。

以下、本発明の実施例および比較例について説明する。なお本発明がこの実施例に限定されないことは云うまでもない。本実施例では、主電源を構成する電池１１として、ニッケル水素蓄電池を用いた。

（実施例１）
最初に電池１１の製造方法について説明する。水酸化ニッケルを活物質とする長尺状の正極と、水素吸蔵合金を活物質とする長尺状の負極との間に、スルホン化処理したポリプロピレン不織布からなるセパレータを挟んだ状態で捲回し、電極群を構成した。この電極群を内径３０ｍｍ、長さ６０ｍｍの円筒型電槽缶に挿入し、水酸化カリウムを主体とする電解液を注入した後、電槽缶の開口部を封口して、公称容量６Ａｈのニッケル水素蓄電池を得た。このニッケル水素蓄電池を１２セル直列に接続して主電源（電池１１）とした。

上述した電池１１を用い、図１に示すように、ＥＶ制御部２３からの制御信号Ｃｉによってインバータ１２を制御することにより、電池１１に対し電流値３０ＡとしてＳＯＣ２０％の電圧に達するまで放電させた後、ＳＯＣ８０％の電圧に達するまで充電した。

ここで言うＳＯＣ２０％の電圧およびＳＯＣ８０％の電圧は初期の値であり、直列に接続された１２個のセル１１０のそれぞれの端子間電圧の合計値である。電池１１の端子間電圧が所定の値を超えてセル１１０の内圧が上昇したと判定された場合、ナビゲーションシステム内に設置された受信部３１が内圧上昇判定部１４ａからの判定信号Ｃｐを受け、ナビゲーションシステムの表示パネルに内圧上昇を表示する。さらに、受信部を介して判定信号Ｃｐを受信した電池制御部１５は、ＥＶ制御部２３を介してインバータ１２を制御し電池１１の充電電圧を変更した。この電源システム１について、４５℃の雰囲気下で１００００サイクルの充放電を実施した。

（比較例１）
受信部３１をナビゲーションシステム３に設置せず、充放電サイクルを１００００サイクル実施した。それ以外は実施例１と同様に構成した。

（実施例２）
圧電素子によるブザー３２をナビゲーションシステム３に設置し、受信部３１の動作と連動させた。すなわち内圧上昇判定部１４ａで、電池１１の端子間電圧Ｖｂ１が所定の値（基準値Ｖｓ１）を超えたことを検出して判定信号Ｃｐを出力し、その信号Ｃｐを受信部３１で受信したときにブザー３２を鳴らした。ブザー３２が鳴った時点で電池１１を点検すること以外は、実施例１と同様に構成した。

（比較例２）
圧電素子によるブザー３２をナビゲーションシステム３に設置せず、電池１１を点検しないこと以外は、実施例２と同様に構成した。

（実施例３）
内圧上昇の判定手段として、図２（Ｂ）に記載の内圧上昇判定部１４ｂを用いた。また圧電素子によるブザー３２をナビゲーションシステム３に設置し、受信部３１が、セル１１０の内圧が上昇したことを知らせる信号Ｃｐを受信したときにブザー３２を鳴らし、その時点で電池１１を点検した。それ以外は、実施例１と同様に構成した。

（比較例３）
圧電素子によるブザー３２をナビゲーションシステム３に設置せず、電池１１を点検しないこと以外は、実施例３と同様に構成した。

（実施例４）
内圧上昇の推定手段として、図２（Ｃ）に記載の内圧上昇判定部１４ｃを用いた。また圧電素子によるブザー３２をナビゲーションシステム３に設置し、受信部３１が、セル１１０の内圧が上昇したことを知らせる信号Ｃｐを受信したときにブザー３２を鳴らした。ブザー３２が鳴った時点で電池を点検する以外は、実施例１と同様に構成した。

（比較例４）
圧電素子によるブザー３２をナビゲーションシステム３に設置せず、電池を点検しないこと以外は、実施例４と同様に構成した。

＜内圧上昇＞
上記各実施例および比較例について、以下の要領でガス発生による内圧上昇の評価を行った。すなわち、ガス発生による内圧上昇を抑制する効果を見極めるために、１００００サイクルの電池評価を実施した。内圧上昇は、個々のセルの電池特性のアンバランスにより誘発され、さらにガス発生電位が変化し、結果として容量が低下して電池が劣化する。

試験モジュール（電池１１）を同時に１００個試験し、１００００サイクルまで、２０００サイクルごとの終了時の充電時における上限終止電圧から放電時における下限終止電圧に到達するまでの放電容量を評価した。試験モジュールの放電容量が２Ａｈ未満のものをガス発生による内圧上昇による劣化が「顕著」、２．０〜３．０Ａｈ未満のものをガス発生による内圧上昇による劣化が「有り」、３．０〜３．５Ａｈ未満のものをガス発生による内圧上昇による劣化が「少し有り」、３．５Ａｈ以上のものをガス発生による内圧上昇による劣化が「無し」とし、表１に記した。ここで、試験モジュールにはバラツキがあるが、１００個（全体）のうち６０個以上で最も多いモジュールの容量値で判定した。

表１から明らかなように、実施例１〜４の試験モジュールについては、いずれもガス発生による内圧上昇を早期に検知し、電池を点検、交換することにより、組電池全体の性能を長期に維持できることがわかった。これに対し比較例１〜４の試験モジュールでは、充放電サイクル数が８０００サイクルを超えると、内圧の上昇による放電容量の低下が顕著であった。

本発明によれば、簡易な構造でガス発生による内圧上昇による劣化を抑制する電源システムが具現化でき、結果として、ＨＥＶの安全性と信頼性を向上させることができる。

本発明にかかるＨＥＶ用電池の充電制御方法は、アルカリ蓄電池の利点であるタフユース（ＨＥＶ、家庭用コージェネ、産業用）用途での利用において、その効果が大きい。

本発明の実施の形態にかかる電池の充電制御方法を採用したＨＥＶの構成を示す図である。 内圧上昇判定部の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電源システム
２ 車両駆動システム
３ ナビゲーションシステム
１１ 電池
１２ インバータ
１３ バイパス回路
１４ａ〜１４ｃ 内圧上昇判定部
１５ 電池制御部
１６ 電圧センサ
１７ 電流センサ
１８ 記憶部
２１ モータジェネレータ
２２ エンジン
２３ ＥＶ制御部
２４ 駆動輪
３１ 受信部
３２ ブザー
１１０ セル

Claims (12)

1. 車両を駆動するモータと、エンジンにより駆動され発電を行う発電機と、前記モータにインバータを介して電力を供給し、かつ前記発電機からの電力を、前記インバータを介して充電電流として受け入れる電池とを有するハイブリッド自動車における電池の充電制御方法であって、
   前記電池に含まれる複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定されたときに、前記電池の充電電圧または充電電流を低減するステップと、
   前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定されたことを、音声で知らせるステップと
   を含む電池の充電制御方法。
2. 前記インバータの出力電圧を低減することにより前記電池の充電電圧を低減する、請求項１に記載の電池の充電制御方法。
3. 前記インバータから出力される直流電流の一部を逃がすことにより前記電池の充電電流を低減する、請求項１に記載の電池の充電制御方法。
4. 前記電池の端子間電圧が所定の値を超えたときに、前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定する、請求項１に記載の電池の充電制御方法。
5. 前記複数のセルのそれぞれに設けられた弁のうちいずれか１つが作動したときに、前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定する、請求項１に記載の電池の充電制御方法。
6. 前記複数のセルを格納する容器の変形の程度が所定の値を超えたときに、前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたと判定する、請求項１に記載の電池の充電制御方法。
7. 前記音声はブザー音である、請求項１に記載の電池の充電制御方法。
8. 前記複数のセルのうち特性の劣化したセルを前記電池から取り外すステップをさらに含む、請求項１ないし７のいずれかに記載の電池の充電制御方法。
9. 車両を駆動するモータと、エンジンにより駆動され発電を行う発電機と、前記モータにインバータを介して電力を供給し、かつ前記発電機からの電力を、前記インバータを介して充電電流として受け入れる電池とを有するハイブリッド自動車において使用される電池の充電制御装置であって、
   前記電池に含まれる複数のセルのうち少なくとも１つのセルの内圧が所定の値を超えたか否かを判定する内圧上昇判定部と、
   前記内圧上昇判定部の出力信号に基づいて前記電池の充電電圧または充電電流を制御する制御部と、
   前記内圧上昇判定部の出力信号に基づいて音声を発生する音声発生部と
   を備える電池の充電制御装置。
10. 前記制御部は、前記インバータの出力電圧を制御することにより前記電池の充電電圧を制御する、請求項９に記載の電池の充電制御装置。
11. 前記制御部は、前記インバータから出力される直流電流の一部を逃がすことにより前記電池の充電電流を制御する、請求項９に記載の電池の充電制御装置。
12. ナビゲーションシステム内に設けられ、前記内圧上昇判定部の出力信号を受信すると共に前記制御部に転送する受信部をさらに備える、請求項９に記載の電池の充電制御装置。

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