JP4496696B2

JP4496696B2 - ２次電池の昇温制御装置

Info

Publication number: JP4496696B2
Application number: JP2001293193A
Authority: JP
Inventors: 孝昭安部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2003102133A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次電池の昇温制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応を伴う２次電池は、電池の温度が低下すると内部抵抗が大きくなり、放電可能出力が低下してしまう。
【０００３】
図４は、２次電池とエンジンの両方が搭載されるパラレルハイブリット型車両における２次電池放電可能出力に対する車両の燃料消費率を示す図である。横軸に２次電池放電可能出力、縦軸に車両の燃料消費率を示す。図４において、線ａは２次電池を放電しながら走行する場合の燃料消費率を示し、線ｂは２次電池を充電しながら走行する場合の燃料消費率を示している。２次電池を充電しながら走行する場合は、エンジン駆動により発電機を作動させ２次電池を充電するので、２次電池を放電しながら走行する場合に比べ、２次電池を充電するエネルギー分燃料消費率が低下する。
【０００４】
２次電池放電可能出力が大きいほどモータを駆動源とした走行が長くできるため、車両発進時であるエンジン低回転時の低効率運転状態を回避できるので燃料消費率が良くなる。２次電池放電可能出力がゼロとなると、通常のエンジン搭載車両の燃費効率になる。本来のパラレルハイブリット車の燃費性能を発揮するためには、２次電池の放電可能出力が設計値の出力を出せるようにしなければならない。
【０００５】
常温時での２次電池の性能で車両設計を行うと、低温時での燃費性能が低下し、また低温時での２次電池の性能で車両設計を行うと、２次電池を多く搭載することになり、２次電池のコストアップや２次電池の重量増加による車両の燃費性能が低下してしまう。通常、低温時の２次電池性能を多少犠牲にして、車両の燃費性能の設計を行うことになる。そこで、低温時の２次電池を早く昇温させて２次電池の放電可能出力を向上させ、車両の燃費を向上させることが必要となる。
【０００６】
２次電池を最も早く昇温させる方法としては、２次電池が流せる最大電流値を車両駆動用モータ及び補機に流すことが考えられる。この事を利用した従来技術として、例えば特開平１１−０２６０３２号公報に記載されたものがある。
【０００７】
この技術をパラレルハイブリット型車両に適用すると、２次電池が流せる最大電流値を車両駆動用モータ及び補機に流し、２次電池の残容量が低下したら２次電池を発電機で充電し、２次電池の残容量がある所定値以上となると充電をやめ、再度、２次電池が流せる最大電流値を車両駆動用モータ及び補機に流すことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車両の走行条件や補機の容量の制限によって２次電池の持つ性能の最大電流を充放電に使用する事ができないといった問題が生じる。そのため、定電力での充放電となる。
【０００９】
図５に定電力での充電と放電を行ったときの２次電池の発熱量を表わす実験結果を示す。
２次電池の残容量を２次電池の残容量ＳＯＣ、２次電池充電放電電力に対する２次電池発熱量が最大となる２次電池の残容量を２次電池の残容量ＳＯＣ＊とする。
横軸に２次電池の残容量ＳＯＣ、縦軸に２次電池の発熱量を示す。２次電池を定電力で放電しているときの発熱量は、図５中の線ｃとなり、ある２次電池の残容量ＳＯＣ＊の時に最大となる。２次電池の残容量ＳＯＣ＊を境に２次電池の残容量ＳＯＣが高いほど発熱量は低くなる。このようになるのは、２次電池の残容量ＳＯＣが高いほど２次電池の開放電圧が高く、電流値が小さくなるためである。２次電池の残容量ＳＯＣ＊を境に２次電池の残容量ＳＯＣが低くなると発熱量は低くなる。これは２次電池の放電可能出力が要求される放電電力以下となり電流値が小さくなるからである。
【００１０】
２次電池を定電力で充電しているときの発熱量は、図５中の線ｄとなり２次電池の残容量ＳＯＣが高いほど小さくなる。このようになるのは、２次電池の残容量ＳＯＣが高いほど２次電池の開放電圧が高く、電流値が小さくなるためである。
【００１１】
放電と充電を繰り返したときの発熱量は、図５中の線ｅとなり、ある２次電池の残容量ＳＯＣ＊の時に最大となる。放電と充電を繰り返した際、２次電池の残容量がΔＳＯＣの範囲で変化する。しかし、２次電池の残容量の振れ幅ΔＳＯＣは０．５％以下を考えているので、ここでは２次電池の残容量の振れ幅ΔＳＯＣが２次電池発熱量に与える影響は無視できる。
【００１２】
本発明は上記２次電池を定電力で充放電しているときに発熱量が最大となる２次電池の残容量ＳＯＣ＊について着目し、すばやく２次電池を昇温させることのできる２次電池の昇温制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
請求項１記載の発明は、２次電池と、前記２次電池を充電するための発電手段と、前記２次電池を放電させるための放電手段と、前記２次電池の動作時の発熱量が最大となる電池の残容量を演算する容量演算手段と、前記２次電池の実際の実残容量を検出する容量検出手段と、検出した２次電池の実残容量が前記容量演算手段で演算した残容量となるように、前記２次電池の充放電を行う制御手段とを有し、前記容量演算手段は、前記２次電池の状態に相関する発熱量のデータを予め保有し、前記データに基づき前記残容量を演算するものとした。
【００１４】
請求項２記載の発明は、さらに前記２次電池の温度を測定するための測定手段を有し、前記制御手段は、検出した温度が、前記２次電池の充放電可能入出力が所定値未満となる温度である場合には、前記２次電池の充電または放電を行って前記容量演算手段で演算した残容量となるように設定し、前記２次電池の残容量が前記設定した残容量から所定の範囲内となるように前記２次電池の充電と放電とを繰り返すように制御するものとした。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記容量演算手段は、前記２次電池の残容量と温度に相関する発熱量のデータを予め保有し、前記２次電池の温度に基づいて前記２次電池の動作時の発熱量が最大となる電池の残容量を演算するものとした。
【００１６】
請求項４記載の発明は、前記制御手段は、検出した温度が、前記２次電池の充放電可能入出力が前記発電手段及び前記放電手段の要求充放電入出力未満となる温度である場合には、前記２次電池の充電または放電を行って前記容量演算手段で演算した残容量となるように設定するものとした。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、２次電池の発熱量が最大となる２次電池の残容量ＳＯＣ＊になるように２次電池を充放電することにより、２次電池の温度が上昇し２次電池の放電可能出力と２次電池の充電可能入力が向上する。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、２次電池の残容量ＳＯＣが２次電池発熱量が最大となる２次電池の残容量ＳＯＣ＊の所定の範囲内で変化するように２次電池の充電量と放電量を制御することにより、２次電池の昇温速度が速くなる。２次電池の温度が上昇することにより２次電池の放電可能出力と２次電池の充電可能入力が向上する。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、２次電池の温度が変化すると、２次電池発熱量が最大となる２次電池残容量ＳＯＣ＊が変化するので、２次電池の残容量ＳＯＣが変化する２次電池発熱量が最大となる２次電池残容量ＳＯＣ＊の所定の範囲内で変化するように２次電池の充電量と放電量を制御することにより、２次電池の昇温速度が速くなる。２次電池の温度が上昇することにより２次電池の放電可能出力と２次電池の充電可能入力が向上する。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、２次電池の温度が上昇することにより２次電池の放電可能出力と充電可能出力が向上し、車両の燃費を向上させることができる。
【００２１】
２次電池の温度が変化すると、２次電池発熱量が最大となる２次電池残容量ＳＯＣ＊が変化することを図６で示す。
図６中、線ｆ、ｇ、ｈは２次電池温度が−３０℃、−２０℃、−１０℃の場合で、それぞれ一定の電力で放電と充電を繰り返した場合である。２次電池の温度が上昇すると２次電池の内部抵抗が小さくなるので、発熱量が低下する。また、内部抵抗が小さくなり２次電池の放電可能出力が大きくなることから、この条件の電力を放電できる２次電池の残容量が小さくなる。よって、２次電池の発熱量が最大となる２次電池の残容量ＳＯＣ＊は２次電池の温度によって変化する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は実施例として本発明を適用したパラレルハイブリット型車両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、破線は電力線を示す。
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、ディファレンシャルギヤ６及び駆動輪７から構成される。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の出力軸及び無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。
【００２３】
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。推進源の駆動力は、無段変速機５、およびディファレンシャルギヤ６を介して駆動輪７へ伝達される。
【００２４】
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などの交流機であり、発電モータ１は主としてエンジン２の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。
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。
【００２５】
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２次電池１１に接続されており、２次電池１１の直流電力を交流電力に変換して、駆動モータ４へ供給するとともに、発電モータ１の交流発電電力を直流電力に変換して２次電池１１を充電する。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、２次電池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。
２次電池１１の電力はＤＣリンク１０を介して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。
【００２６】
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、クラッチ３の伝達トルク、発電モータ１の回転速度およびトルク、無段変速機５の変速比、２次電池１１の充放電などを制御する。
【００２７】
コントローラ１４は、２次電池１１の温度ＴＢを検出する温度センサ１５、２次電池１１の端子電圧ＶＢを検出する電圧センサ１６および２次電池１１の電流値ＩＢを検出する電流センサ１７からの信号が入力され、２次電池１１の残容量ＳＯＣを検出する機能を持っている。
【００２８】
また、コントローラ１４は２次電池１１の温度ＴＢと２次電池１１の残容量ＳＯＣに対する２次電池１１の放電可能出力と充電可能入力のマップデータを持っており、マップデータから２次電池１１の放電可能出力ＰＢＯＵＴと充電可能入力ＰＢＩＮを演算できるようようになっている。
【００２９】
また、コントローラ１４は２次電池１１の温度ＴＢ、２次電池１１の残容量ＳＯＣ、２次電池１１の放電電力と２次電池１１の充電電力に対する２次電池１１の発熱量のマップデータから発熱量を演算する機能を持っており、測定された２次電池１１の温度ＴＢと２次電池１１の残容量ＳＯＣから２次電池１１の発熱量を演算できるようになっている。
【００３０】
コントローラ１４は、車両の負荷変動が小さい状態である定速走行等において、エンジン２の動力により、車両を駆動させ、さらに発電モータ１を駆動させて発電を行うことができ２次電池１１を充電することができる。また、発電モータ１、駆動モータ４に電流を流し、２次電池１１を放電することができる。このように発電モータ１、駆動モータ４の両方を同時に発電用または駆動用に用いることにより、２次電池は車両の負荷変動が小さい状態である定速走行等においても、すばやく昇温することができる。
【００３１】
次に、図２のフローチャートにしたがって、コントローラ１４における２次電池１１を昇温させるための制御の流れを説明する。
この制御はイグニッションがオンされて開始する。
【００３２】
ステップ１００において、２次電池１１の放電可能出力ＰＢＯＵＴがハイブリット走行に必要な出力未満かどうか判断される。２次電池１１の放電可能出力がこの出力未満である場合はハイブリット車として燃費性能が十分に発揮できないと判断され、ステップ１０１へ進む。２次電池１１の放電可能出力がこの値以上である場合は、ハイブリット車として燃費性能が十分に発揮されると判断され、ステップ１０９へ進む。
【００３３】
ステップ１０１では２次電池１１の温度ＴＢが測定される。
ステップ１０２では２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊が演算される。
ステップ１０３では２次電池１１の残容量ＳＯＣが検出される。
【００３４】
ステップ１０４では２次電池１１の残容量ＳＯＣと２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊とが比較される。
【００３５】
２次電池１１の残容量ＳＯＣが２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊より高い場合には、ステップ１０５へ進み、２次電池１１を２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊まで放電する。２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊まで放電後ステップ１０７へ進み、２次電池１１の昇温制御を行う。
【００３６】
２次電池１１の残容量ＳＯＣが２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊より低い場合は、ステップ１０６へ進み、２次電池１１を２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊まで充電する。２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊まで充電後ステップ１０７へ進む。
【００３７】
２次電池１１の残容量ＳＯＣが２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊と等しい場合あるいは値が近い場合はステップ１０７へ進む。ステップ１０７での２次電池１１の昇温制御については後で説明する。
【００３８】
ステップ１０８では、昇温制御した結果２次電池１１の放電可能出力がハイブリット走行に必要な出力以上になったかどうか判断される。２次電池１１の放電可能出力がハイブリット走行に必要な出力未満である場合はステップ１０７へ戻り、２次電池１１の放電可能出力がこの値以上になるまで２次電池１１の昇温制御を続ける。２次電池１１の放電可能出力がこの値以上になるとステップ１０９へ進み、２次電池１１の昇温制御を停止して終了する。
【００３９】
図３はステップ１０７で行なわれる２次電池１１の昇温制御の説明を示すフローチャートである。
ステップ２００でコントローラ１４において、温度センサ１５からの信号より２次電池１１の温度ＴＢが測定される。
【００４０】
ステップ２０１でコントローラ１４において前記測定された２次電池１１の温度ＴＢより２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊が演算される。
ステップ２０２でコントローラ１４において２次電池１１の残容量ＳＯＣを検出する。
【００４１】
ステップ２０３で充電時間ｔ（ｃｈｇ）を演算する。
充電時間ｔ（ｃｈｇ）は放電時間ｔ（ｄｉｓ）に対し、２次電池１１の残容量ＳＯＣと２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊の差（％）に比例した分だけ増減するように次式で演算する。
ｔ（ｃｈｇ）＝ｔ（ｄｉｓ）−ｋ×（ＳＯＣ−ＳＯＣ＊）
ｋは２次電池１１の残容量ＳＯＣと２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊の差を充電時間に反映させるための定数である。
【００４２】
放電時間ｔ（ｄｉｓ）は２次電池１１の残容量ＳＯＣが２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊から大きくずれない範囲で設定する。
例えば、１０００Ｗｈの２次電池で充放電の電力値が３０００Ｗの場合で、２次電池の残容量ＳＯＣの２次電池の発熱量が最大となる２次電池の残容量ＳＯＣ＊からのずれを１％許容できるとすると、放電時間ｔ（ｄｉｓ）は１２ｓｅｃとなる。放電時間ｔ（ｄｉｓ）を１２ｓｅｃとした場合、定数ｋを１２とすれば、充電時間ｔ（ｃｈｇ）は２４ｓｅｃとなり、２次電池１１の残容量ＳＯＣはＳＯＣ＊より１％低い点から充電によって１％高い点へ変化することになる。このようにＳＯＣ＊を挟んで充放電を繰り返すようにｋを設定する。
【００４３】
ステップ２０４において上記の放電時間ｔ（ｄｉｓ）、充電時間ｔ（ｃｈｇ）で放電、充電する。
ステップ２０５において、充放電の回数が設定回数（例えば４〜５回）になったかどうか判断される。設定回数未満である場合はステップ２００に戻る。充放電の回数が設定回数になった場合は、メインフローチャートのステップ１０８へ進む。２次電池１１を充放電する電力値は、発電モータ１、駆動モータ４の最大発電電力、最大駆動電力としている。２次電池１１を充放電する電力値が大きいほど、２次電池１１の昇温速度が速いためである。
ここでは説明しないが、車両の走行条件で２次電池１１を充放電する電力値を制御する必要がある場合は、電池を充放電する値を制御してもよい。
【００４４】
ステップ１０５、１０６で２次電池１１の残容量ＳＯＣがＳＯＣ＊に近い値になった後は、ステップ２００からステップ２０５において２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊から所定の範囲内で２次電池の残容量ＳＯＣが変化するように２次電池１１の充電と放電を繰り返すことにより、効率的に２次電池の昇温を行うことができる。
【００４５】
２次電池１１からインバータ９を介して駆動モータ４、車両の補機１３を駆動する系統が放電手段を構成する。
ステップ１０１、２００は本発明における２次電池１１の温度を測定する測定手段を構成する。
ステップ１０２、２０１は本発明における２次電池１１の発熱量が最大となる２次電池１１の残容量を演算する容量演算手段を構成する。
【００４６】
ステップ１０４からステップ１０７、ステップ２０１からステップ２０５は本発明における制御手段を構成する。
ステップ１０３、２０２は本発明における２次電池１１の残容量を検出する容量検出手段を構成する。
【００４７】
本実施例は以上のように構成され、パラレルハイブリット型車両に搭載の２次電池１１がハイブリット走行必要出力に満たない場合、２次電池１１をコントローラ１４で演算された発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊から所定の範囲内で変化するように充放電することにしたので、すばやく２次電池１１の昇温を行う事ができる。
【００４８】
充放電を繰り返し２次電池１１の温度が上がることによって変化する発熱量が最大となる２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊に対しても、２次電池１１の残容量ＳＯＣが変化する２次電池１１の残容量ＳＯＣ＊の所定の範囲内で変化するように充放電をすることにしたので、効率よく２次電池１１の昇温を行うことができる。
２次電池１１が昇温することにより、２次電池１１はハイブリット走行必要出力をすばやく出せるようになり、パラレルハイブリット車としての高い燃費性能を発揮することができる。
【００４９】
なお、発電モータ１、駆動モータ４には交流電動機に限らず直流電動機を用いることもできる。また、発電モータ１、駆動モータ４に直流電動機を用いた場合にはインバータ８、９はＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。
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２の始動や発電に用いることもできる。
【００５０】
クラッチ３はパウダークラッチの代り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。
さらに、発電機としての発電モータの代りに燃料電池を用いることもできる。
【００５１】
本実施例では温度センサ１５により測定された２次電池１１の温度ＴＢと２次電池１１の残容量ＳＯＣから２次電池１１の発熱量を演算したが、コントローラ１４は２次電池１１の内部抵抗および２次電池１１の開放電圧のマップデータから２次電池１１の発熱量を演算することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】本発明の実施例における制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】２次電池１１の昇温制御の詳細を示すフローチャートである。
【図４】パラレルハイブリット型車両の２次電池放電可能出力に対する車両の燃料消費率を示す図である。
【図５】定電力の放電と充電を行った時の２次電池の発熱量を示す図である。
【図６】２次電池の温度変化により、２次電池発熱量が最大となる２次電池残容量が変化することを示す図である。
【符号の説明】
１発電モータ（発電手段）
２エンジン
３クラッチ
４駆動モータ
５無段変速機
６デファレンシャルギヤ
７駆動輪
８インバータ
９インバータ
１０ＤＣリンク
１１２次電池
１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３補機
１４コントローラ
１５温度センサ
１６電圧センサ
１７電流センサ

Claims

２次電池と、
前記２次電池を充電するための発電手段と、
前記２次電池を放電させるための放電手段と、
前記２次電池の動作時の発熱量が最大となる電池の残容量を演算する容量演算手段と、前記２次電池の実際の実残容量を検出する容量検出手段と、
検出した２次電池の実残容量が前記容量演算手段で演算した残容量となるように、前記２次電池の充放電を行う制御手段と
を有し、
前記容量演算手段は、前記２次電池の状態に相関する発熱量のデータを予め保有し、前記データに基づき前記残容量を演算することを特徴とする２次電池の昇温制御装置。
請求項１において、
前記２次電池の温度を測定するための測定手段を有し、
前記制御手段は、
検出した温度が、前記２次電池の充放電可能入出力が所定値未満となる温度である場合には、前記２次電池の充電または放電を行って前記容量演算手段で演算した残容量となるように設定し、
前記２次電池の残容量が前記設定した残容量から所定の範囲内となるように前記２次電池の充電と放電とを繰り返すように制御すること
を特徴とする２次電池の昇温制御装置。
請求項１または請求項２において、
前記容量演算手段は、
前記２次電池の残容量と温度に相関する発熱量のデータを予め保有し、
前記２次電池の温度に基づいて前記２次電池の動作時の発熱量が最大となる電池の残容量を演算すること
を特徴とする２次電池の昇温制御装置。
請求項２において、
前記制御手段は、
検出した温度が、前記２次電池の充放電可能入出力が前記発電手段及び前記放電手段の要求充放電入出力未満となる温度である場合には、前記２次電池の充電または放電を行って前記容量演算手段で演算した残容量となるように設定することを特徴とする２次電池の昇温制御装置。