JP5402146B2

JP5402146B2 - 電池温度制御装置

Info

Publication number: JP5402146B2
Application number: JP2009073894A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木野村; 誠平井; 博人日下; 保亀嶋; 直人弓指
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010225528A

Description

本発明は、ハイブリッド車両などの移動体に搭載される電池（バッテリ）の温度制御を行う技術分野に関する。

この種の技術が、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１には、二次電池の温度が低い場合に、インバータからの回生余剰電力によりヒータを駆動して主電池を加熱する技術が提案されている。

その他にも、本発明に関連する技術が特許文献２に提案されている。特許文献２には、主電池と補助電源とを有する移動体において、モータからの回生電力で補助電源を充電すること、及び、補助電源の充電量が所定値を超えると放電させて、充電量が所定値以下の場合は回生電力で充電することが提案されている。

特開２００８−１０３１０８号公報特開２００８−８１２１９号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術では、回生時のみヒータが駆動されるので断続的な加熱となり、安定した電池温度制御を行うことが困難であった。なお、特許文献２には、安定した電池温度制御を行う方法については記載されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、主電池の安定した温度制御を行うことが可能な電池温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明の他の観点では、主電池及び補助電池を有し、回生時の電力を前記主電池に供給する移動体に適用される電池温度制御装置は、前記補助電池の充電容量を満充電量未満に維持する制御を行う補助電池充電容量制御手段と、前記回生時に前記主電池へ回収できない余剰電力を前記補助電池へ蓄積する余剰電力蓄積手段と、前記余剰電力蓄積手段によって前記補助電池へ蓄積された余剰電力を上限に、当該補助電池の電力により、前記主電池の温度制御を行う主電池温度制御手段と、を備える。

上記の電池温度制御装置は、主電池及び補助電池を有する。補助電池充電容量制御手段は、補助電池の充電容量を満充電量未満に維持する制御を行う。また、余剰電力蓄積手段は、回生時に主電池へ回収できない余剰電力を補助電池へ蓄積し、主電池温度制御手段は、補助電池へ蓄積された余剰電力を上限に、補助電池の電力により主電池の温度制御を行う。これにより、燃費悪化を抑制しつつ主電池の温度制御を行うことが可能となると共に、継続的に主電池の温度制御を行うことができ、主電池の安定した温度制御を実現することが可能となる。

本実施形態に係るハイブリッド車両の概略構成図を示す。充放電電力量を制限することによって発生する不具合を説明するための図を示す。本実施形態における電池温度制御方法を具体的に説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
［全体構成］
図１は、本実施形態に係る電池温度制御装置を適用したハイブリッド車両１００の概略構成図を示す。

図示のように、ハイブリッド車両１００は、主に、エンジン（内燃機関）１と、車軸２と、駆動輪３と、第１のモータジェネレータＭＧ１と、第２のモータジェネレータＭＧ２と、動力分割機構４と、インバータ５と、メインバッテリ６と、昇圧コンバータ７と、電気加熱装置８と、補機バッテリ９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と、温度センサ１５と、車速センサ１６と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と、を備える。

車軸２は、エンジン１及び第２のモータジェネレータＭＧ２の動力を駆動輪３に伝達する動力伝達系の一部である。駆動輪３は、ハイブリッド車両１００の車輪であり、説明の簡略化のため、図１では特に左右前輪のみが表示されている。エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンとして構成され、ハイブリッド車両１００の主たる推進力を出力する動力源として機能する。エンジン１は、ＥＣＵ５０によって種々の制御が行われる。

第１のモータジェネレータＭＧ１は、主としてメインバッテリ６を充電するための発電機、或いは第２のモータジェネレータＭＧ２に電力を供給するための発電機として機能するように構成されており、エンジン１の出力により発電を行う。第２のモータジェネレータＭＧ２は、主としてエンジン１の出力をアシスト（補助）する電動機として機能するように構成されている。また、第２のモータジェネレータＭＧ２は、制動時（減速時）などにおいて回生ブレーキとして機能して、回生運動を行うことで電力を発生する。以下では、第１のモータジェネレータＭＧ１及び第２のモータジェネレータＭＧ２を区別しないで用いる場合には、適宜「モータジェネレータＭＧ」と表記する。モータジェネレータＭＧは、例えば同期電動発電機として構成され、外周面に複数個の永久磁石を有するロータと、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータとを備える。

動力分割機構４は、サンギヤやリングギヤなどを有して構成されるプラネタリギヤ（遊星歯車機構）に相当し、エンジン１の出力を第１のモータジェネレータＭＧ１及び車軸２へ分配することが可能に構成されている。

インバータ５は、昇圧コンバータ７を介して、メインバッテリ６とモータジェネレータＭＧとの間の電力の入出力を制御する直流交流変換機である。例えば、インバータ５は、メインバッテリ６から取り出した直流電力を交流電力に変換して、或いは第１のモータジェネレータＭＧ１によって発電された交流電力をそれぞれ第２のモータジェネレータＭＧ２に供給すると共に、第１のモータジェネレータＭＧ１によって発電された交流電力を直流電力に変換してメインバッテリ６に供給することが可能に構成されている。昇圧コンバータ７は、メインバッテリ６から供給される電圧を昇圧可能に構成されている。

メインバッテリ６は、第１のモータジェネレータＭＧ１及び／又は第２のモータジェネレータＭＧ２を駆動するための電源として機能することが可能に構成されると共に、第１のモータジェネレータＭＧ１及び／又は第２のモータジェネレータＭＧ２が発電した電力を充電可能に構成された蓄電池である。このように、メインバッテリ６は、本発明における主電池に相当する。また、メインバッテリ６には、メインバッテリ６の温度（メインバッテリ６のセル温度に相当し、以下では適宜「電池温度」と表記する。）を検出可能に構成された温度センサ１５が設けられている。温度センサ１５は、検出した温度に対応する検出信号をＥＣＵ５０に供給する。

なお、メインバッテリ６を保護する目的から、ＥＣＵ５０により、メインバッテリ６の温度に基づいてメインバッテリ６の充放電電力の制限値が設定されて、メインバッテリ６における充放電電力量の制限が行われる。以下では、メインバッテリ６の充電電力の制限値を「充電電力制限値」と呼び、メインバッテリ６の放電電力の制限値を「放電電力制限値」と呼ぶ。また、充電電力制限値及び放電電力制限値をまとめて「充放電電力制限値」と呼ぶ。

更に、メインバッテリ６には、メインバッテリ６の温度を昇温可能に構成された電気加熱装置８が設けられている。電気加熱装置８は、例えば電熱ヒータやＰＴＣヒータやペルチェ素子などで構成され、供給される電力に応じて発熱することでメインバッテリ６を加熱する。詳しくは、電気加熱装置８は、メインバッテリ６若しくは補機バッテリ９から供給される電力によって駆動される。また、電気加熱装置８は、ＥＣＵ５０によって制御される。

補機バッテリ９は、ハイブリッド車両１００内の補機（不図示）を駆動可能に構成された蓄電池である。補機バッテリ９は、昇圧コンバータ７及びＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して、第１のモータジェネレータＭＧ１及び／又は第２のモータジェネレータＭＧ２が発電した電力が供給され、当該電力を充電可能に構成されている。また、補機バッテリ９は、電気加熱装置８に電力を供給することで、電気加熱装置８を駆動可能に構成されている。このように、補機バッテリ９は、本発明における補助電池に相当する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、昇圧コンバータ７からの電圧を変換可能に構成されており、例えば「２８８（Ｖ）」を「１４（Ｖ）」に変換した電圧を補機バッテリ９に供給する。

車速センサ１６は、ハイブリッド車両１００の速度（車速）を検出可能に構成されており、検出した車速に対応する検出信号をＥＣＵ５０に供給する。

ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、ハイブリッド車両１００内の各構成要素に対して制御を行う電子制御ユニットである。本実施形態では、主に、ＥＣＵ５０は、メインバッテリ６の温度を調整するための制御を行う。詳細は後述するが、ＥＣＵ５０は、本発明における電池温度制御装置に相当し、補助電池充電容量制御手段、余剰電力蓄積手段、及び主電池温度制御手段として機能する。

ここで、メインバッテリ６の温度を調整する理由について、簡単に説明する。例えば低温環境下などにおいては、電池温度の低下により、メインバッテリ６の充放電特性が悪化する傾向にある。これは、メインバッテリ６の化学的特性などに起因する。基本的には、このように充放電特性が悪化した場合においてメインバッテリ６を適切に保護するために、前述したように充放電電力制限値が設定されて、メインバッテリ６の充放電電力量が制限される。例えば、充放電電力制限値は、電池温度やＳＯＣ（State Of Charge）などにより定まり、低温環境下（例えば０℃）では、高温環境下（例えば２５℃）よりも絶対値において小さな値が設定される。なお、充放電電力制限値が小さいほど、充放電電力量が制限される度合いが大きくなる。

低温環境下においては、メインバッテリ６の充電電力量が比較的大きく制限されることで、回生ブレーキ時の充電電力量が制限されて、燃費が悪化する傾向にあると言える。加えて、低温環境下においては、メインバッテリ６の放電電力量が比較的大きく制限されることで、エンジン必要仕事が増加して、最適効率点での運転ができなくなり、燃費が悪化する傾向にあると言える。

図２を参照して、メインバッテリ６の充放電電力量を制限することによって発生する不具合を具体的に説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ横軸に時間を示しており、図２（ａ）は車速を示し、図２（ｂ）はメインバッテリ６の充放電電力量を示している。具体的には、図２（ｂ）では、上方向に放電電力量を示し、下方向に充電電力量を示している。また、図２（ｂ）では、実線Ａ１及び実線Ａ２は、それぞれ、低温環境下（例えば０℃）で始動した際の、メインバッテリ６の放電電力制限値及び充電電力制限値の時間変化の一例を示している。加えて、実線Ｂ１及び実線Ｂ２は、それぞれ、高温環境下（例えば２５℃）で始動した際の、メインバッテリ６の放電電力制限値及び充電電力制限値の時間変化の一例を示している。

図２（ｂ）に示すように、低温環境下で始動した場合には、高温環境下で始動した場合と比較して、放電電力制限値及び充電電力制限値の絶対値が小さいことがわかる。そのため、低温環境下においては、例えば、メインバッテリ６の充電電力制限値による制限によって、ハッチング領域Ｃ１、Ｃ２で示すような電力量を回生しきれない事態が生じることとなる。このような場合には、ハッチング領域Ｃ１、Ｃ２で示す電力量を無駄にしてしまい、燃費が悪化する傾向にあると言える。

以上より、ＥＣＵ５０は、このような低温環境下等での充放電電力制限値による制限に起因する燃費悪化などを抑制すべく、メインバッテリ６の温度を調整する制御（具体的にはメインバッテリ６を昇温させる制御）を実施する。
［メインバッテリの温度制御方法］
次に、本実施形態におけるメインバッテリ６の温度制御方法について、具体的に説明する。

本実施形態では、ＥＣＵ５０は、回生時にメインバッテリ６へ回収できない余剰電力を補機バッテリ９へ蓄積し、補機バッテリ９へ蓄積された余剰電力を用いてメインバッテリ６の温度制御を行う。つまり、ＥＣＵ５０は、低温環境下などにおいて、減速時における回生電力量のうちメインバッテリ６の充電電力制限値を超える電力量分を、一旦補機バッテリ９に充電した後、電気加熱装置８へ供給することで、メインバッテリ６の温度を昇温させる制御を行う。

このような制御を行う理由は、以下の通りである。特に、低温環境下でのメインバッテリ６の電池温度低温状態では、メインバッテリ６の充電電力制限値が絞られる傾向にある。そのため、減速時においてメインバッテリ６の充電電力制限値を超えるような回生電力が発生して、回生電力を適切に吸収しきれない場合がある。このような場合には、通常、要求制動力において油圧ブレーキが分担する割合を増加させることで、大気中への放熱にて車両減速が行われる。

他方で、回生電力をそのまま電気加熱装置８へ投入する構成を用いた場合、回生時のみしか加熱ができないため、断続的（局時的）な加熱になる傾向にある。この場合、断続的な加熱で電池温度を早期昇温させるため、局部的に高温箇所が発生する可能性がある。

したがって、本実施形態では、低温環境下などにおいて、減速時における回生電力量のうちメインバッテリ６の充電電力制限値を超える電力量分を、一旦補機バッテリ９に充電した後、電気加熱装置８へ供給することで、メインバッテリ６の温度を昇温させる制御を行う。このように補機バッテリ９への充電を行うことで、メインバッテリ６の充電電力制限値を超えた分の回生電力を適切に取り込むことができる。よって、燃費悪化を抑制することが可能となる。また、回生電力を一旦補機バッテリ９に充電し、補機バッテリ９の電力を用いて電気加熱装置８を作動させることで、減速時以外であっても電気加熱装置８を作動させることができる。したがって、継続的（連続的）に電気加熱装置８を作動させることが可能となる。以上より、本実施形態によれば、燃費を悪化させることなく、メインバッテリ６の温度を適切に昇温させることが可能となる。

ここで、図３を参照して、本実施形態における制御方法を具体的に説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ横軸に時間を示している。図３（ａ）は車速を示し、図３（ｂ）はメインバッテリ６の充放電電力量を示している。具体的には、図３（ｂ）では、上方向に放電電力量を示し、下方向に充電電力量を示しており、実線Ｄ１は低温環境下（例えば０℃）でのメインバッテリ６の充電電力制限値の時間変化例を示している。また、図３（ｃ）は、本実施形態における制御方法を行わなかった場合、つまり回生電力をそのまま電気加熱装置８へ投入する構成を用いた場合（以下、「比較例」と呼ぶ。）の、電気加熱装置８への投入電力を示している。これに対して、図３（ｄ）は、本実施形態における制御方法を行った場合、つまりメインバッテリ６の充電電力制限値を超える回生電力量分を一旦補機バッテリ９に充電した後に電気加熱装置８へ投入する構成を用いた場合の、電気加熱装置８への投入電力を示している。

図３（ｂ）に示すように、低温環境下であるため、メインバッテリ６における充電電力制限値の絶対値が小さくなり、ハッチング領域Ｅ１、Ｅ２で示す回生電力量をメインバッテリ６にて吸収しきれない事態が生じていることがわかる。ここで、比較例における制御を行った場合には、回生時のみしか加熱ができないため、図３（ｃ）に示すように断続的な加熱が行われることとなる。これに対して、本実施形態における制御を行った場合には、充電電力制限値を超える回生電力分を一旦補機バッテリ９に充電することで、減速時以外であっても電気加熱装置８を作動させることができるため、図３（ｄ）に示すように継続的な加熱を行うことが可能となる。

次に、本実施形態において、ＥＣＵ５０が行う制御方法を詳細に説明する。

本実施形態では、ＥＣＵ５０は、補機バッテリ９の充電容量を満充電量未満に維持すべく、補機バッテリ９の目標ＳＯＣを設定する。こうするのは、補機バッテリ９が満充電状態であると、回生電力量を適切に補機バッテリ９に充電させることができなくなるからである。具体的には、ＥＣＵ５０は、メインバッテリ６の温度（温度センサ１５が検出した温度）に基づいて、補機バッテリ９の目標ＳＯＣを設定する。この場合、ＥＣＵ５０は、トリップ初期のシステム始動後において、メインバッテリ６が低温である場合、補機バッテリ９の目標ＳＯＣを低く設定する。詳しくは、ＥＣＵ５０は、メインバッテリ６の温度が所定温度以下である場合には、メインバッテリ６の温度が当該所定温度より高い場合よりも、補機バッテリ９の目標ＳＯＣを所定量低下させる。一例としては、ＥＣＵ５０は、高温時における目標ＳＯＣが「８０％」であるとすると、低温時には目標ＳＯＣを「４０％」に設定する。このように補機バッテリ９の目標ＳＯＣを設定することで、補機バッテリ９の充電量を適切に低下させることができ、補機バッテリ９における回生電力量の可能吸収量を増加させることが可能となる。

また、ＥＣＵ５０は、トリップ終了時における補機バッテリ９の充電容量の低下を防止すべく、補機バッテリ９の目標ＳＯＣを設定する。こうするのは、トリップ終了時における補機バッテリ９の充電容量の低下により、次トリップ時においてエンジン１を適切に始動させることができなくなる可能性があるからである。具体的には、ＥＣＵ５０は、車速（車速センサ１６が検出した速度）に基づいて、補機バッテリ９の目標ＳＯＣを設定する。この場合、ＥＣＵ５０は、車速から、減速時に想定される回生電力量を予測して、補機バッテリ９の空き容量が適切に確保されるように目標ＳＯＣを設定する。詳しくは、ＥＣＵ５０は、高速運転時には目標ＳＯＣを変更し（例えば４０ｋｍ／ｈ以上である場合、目標ＳＯＣを「５０％」に変更する）、低速運転時には目標ＳＯＣを変更しない（例えば２０ｋｍ／ｈ以下である場合、目標ＳＯＣを変更しない）。低速運転時には補機バッテリ９への回生電力充電が期待できないため、目標ＳＯＣを変更しない。このように車速に基づいて補機バッテリ９の目標ＳＯＣを設定することで、補機バッテリ９の空き容量を適切に確保することができ、トリップ終了時における補機バッテリ９の充電容量の低下を防止することが可能となる。

更に、本実施形態では、ＥＣＵ５０は、回生時においてメインバッテリ６へ回収できずに補機バッテリ９へ蓄積された余剰電力分を上限にして、メインバッテリ６の温度制御を行う。つまり、ＥＣＵ５０は、電気加熱装置８を作動させるための補機バッテリ９からの電力持ち出し量を、補機バッテリ９に充電された回生電力量以下に設定する。こうするのは、電気加熱装置８を作動し続けたことにより補機バッテリ９の充電量が低下して、メインバッテリ６から補充電することで燃費の悪化が生じてしまうことを防止するためである。つまり、回生電力量以上の電力を持ち出さないようにすることで、燃費悪化を抑制しつつ、メインバッテリ６の温度を昇温させるためである。

なお、上記にかかわらず、極低温環境下などにおいては、ＥＣＵ５０は、補機バッテリ９から充電された回生電力量を超える電力持ち出しを許可することができる。具体的には、ＥＣＵ５０は、メインバッテリ６の温度が所定温度（例えば「−２０（℃）」）以下である場合、メインバッテリ６の温度が所定温度（例えば「−１０（℃）」）以上に昇温するまで、補機バッテリ９から充電された回生電力量を超える電力持ち出しを許可する。こうすることにより、極低温環境下などにおいて、より早期にメインバッテリ６を暖機することができ、走行に必要な電力をメインバッテリ６から適切に供給させることが可能となる。
［変形例］
上記では、本発明をハイブリッド車両へ適用した実施形態（図１参照）を示した。本発明は、このようなハイブリッド車両への適用に限定はされず、いわゆるＥＶ車両にも同様に適用することができる。

１エンジン
４動力分割機構
５インバータ
６メインバッテリ
７昇圧コンバータ
８電気加熱装置
９補機バッテリ
１０ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５温度センサ
１６車速センサ
５０ＥＣＵ
ＭＧ１第１のモータジェネレータ
ＭＧ２第２のモータジェネレータ
１００ハイブリッド車両

Claims

主電池及び補助電池を有し、回生時の電力を前記主電池に供給する移動体に適用される電池温度制御装置であって、
前記補助電池の充電容量を満充電量未満に維持する制御を行う補助電池充電容量制御手段と、
前記回生時に前記主電池へ回収できない余剰電力を前記補助電池へ蓄積する余剰電力蓄積手段と、
前記余剰電力蓄積手段によって前記補助電池へ蓄積された余剰電力を上限に、当該補助電池の電力により、前記主電池の温度制御を行う主電池温度制御手段と、を備えることを特徴とする電池温度制御装置。