| 【発明の名称】 |
車両用バッテリの劣化診断装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】袖野 強 【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産自動車株式会社内
|
| 【要約】 |
【課題】電動車両において、車両制御と相関したバッテリの劣化診断を精度よく行う。
【解決手段】バッテリの入出力電力量を、モータ・ジェネレータの入出力電力量に基づきと検出する。そして、バッテリ入出力電力量が所定値(例えば、車両が保証する最大出力×最大時間(Kwsec))になるまでのバッテリ充電レベルの変化量ΔSOCを検出する。検出したバッテリ充電レベルの変化量ΔSOCが所定の判定値以上のときにバッテリが劣化していると判定する(判定1)。また、バッテリ充電レベルの変化量ΔSOCとバッテリ入出力電力量との比が所定の判定値以上のときにバッテリが劣化していると判定する(判定2)。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】充電可能なバッテリと、該バッテリの入力又は出力電力量を検出する電力量検出手段と、前記バッテリの満充電容量に対する実際の充電容量の割合をバッテリ充電レベルとして検出する充電レベル検出手段と、前記バッテリの入力又は出力電力量と、前記バッテリ充電レベルの変化量とに基づいてバッテリの劣化状態を判定する劣化状態判定手段と、を備えたことを特徴とする車両用バッテリの劣化診断装置。 【請求項2】充電可能なバッテリと、前記バッテリを動力源として車両を駆動する一方、所定の運転条件では前記バッテリへの電力供給のために発電を行う発電電動機と、前記バッテリの満充電容量に対する実際の充電容量の割合をバッテリ充電レベルとして検出する充電レベル検出手段と、前記発電電動機の入出力電力量に基づいて前記バッテリの入出力電力量を検出する電力量検出手段と、前記バッテリの入出力電力量と、前記バッテリ充電レベルの変化量とに基づいてバッテリの劣化状態を判定する劣化状態判定手段と、を備えたことを特徴とする車両用バッテリの劣化診断装置。 【請求項3】前記劣化状態判定手段は、前記バッテリ充電レベルの変化量と前記バッテリの入出力電力量との比が、所定の判定値以上の場合に、バッテリが劣化していると判定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の車両用バッテリの診断装置。 【請求項4】前記劣化状態判定手段は、継続して入力又は出力されるときのバッテリの入力電力量又は出力電力量が所定値に達したときの前記バッテリ充電レベルの変化量が所定の判定値以上の場合に、バッテリが劣化していると判定することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の車両用バッテリの劣化診断装置。 【請求項5】前記車両が、更にエンジンを備えたハイブリッド車両であって、前記バッテリの劣化状態の判定時に、所定時間当たりのバッテリ入出力電力量が通常運転時に比べて大きくなるように前記エンジンの出力を調整するエンジン出力調整手段を備えることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の車両用バッテリの劣化診断装置。 【請求項6】前記劣化状態判定手段は、車両の制御条件に応じて複数の判定値を有することを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一つに記載の車両用バッテリの劣化診断装置。
|
【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、充放電可能なバッテリの劣化診断に関し、特に、車両駆動用の電動機への電力供給及び発電機からの電力充電を行うバッテリの劣化診断装置に関する。 【0002】 【従来の技術】電動車両の動力源として用いられるバッテリの劣化状態を判別するものとしては、特開平8−336202号公報に記載されたものがある。このものは、バッテリの放電過程におけるバッテリ電圧値及び電流値をデータとして複数記憶し、これらのデータから直線回帰演算処理を実行してバッテリの内部抵抗値と開放電圧を求める。そして、内部抵抗値の上昇分が所定値を超えたときにバッテリの劣化を、開放電圧の下降分が所定値を超えたときにメモリ効果を判別するようにしている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のものでは、バッテリの劣化状態と車両制御とを相関させた診断を行えないという問題がある。すなわち、実際の電動車両の車両制御においては、バッテリから出力(放電)できる電力量又はバッテリに入力(充電)できる電力量によって制限を受けるため、上記従来のように、単に内部抵抗値や開放電圧からバッテリの状態(劣化)を判別するものでは、車両制御に影響のある劣化を診断できず、運転者の認識とずれが生じる。例えば、アイドルストップ頻度が減少するなど車両制御が制限されていながらも、バッテリが劣化していると検出されない等である。 【0004】また、上記従来のものは、放電過程のみのデータを用いる構成であるため、走行パターンによっては、バッテリの劣化診断頻度が少なくなり、診断データが不足することにより診断精度が低下するといった問題もある。本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであり、車両制御への影響を考慮しつつ、バッテリの劣化診断を精度よく行うことを目的とする。 【0005】 【課題を解決するための手段】そのため、請求項1に係る発明は、充電可能なバッテリと、該バッテリの入出力電力量を検出する電力量検出手段と、前記バッテリの満充電容量に対する実際の充電容量の割合をバッテリ充電レベルとして検出する充電レベル検出手段と、前記バッテリの入出力電力量と、前記バッテリ充電レベルの変化量とに基づいてバッテリの劣化状態を判定する劣化状態判定手段と、を備えたことを特徴とする。 【0006】請求項2に係る発明は、充電可能なバッテリと、前記バッテリを動力源として車両を駆動する一方、所定の運転条件では前記バッテリへの電力供給のために発電を行う発電電動機と、前記バッテリの満充電容量に対する実際の充電容量の割合をバッテリ充電レベルとして検出する充電レベル検出手段と、前記発電電動機の入出力電力量に基づいて前記バッテリの入出力電力量を検出する電力量検出手段と、前記バッテリの入出力電力量と、前記バッテリ充電レベルの変化量とに基づいてバッテリの劣化状態を判定する劣化状態判定手段と、を備えたことを特徴とする。 【0007】請求項3に係る発明は、前記劣化状態判定手段が、前記バッテリ充電レベルの変化量と前記バッテリの入出力電力量との比が所定の判定値以上の場合に、バッテリが劣化していると判定することを特徴とする。請求項4に係る発明は、前記劣化状態判定手段が、継続して入力又は出力されるバッテリの入力電力量又は出力電力量が所定値に達したときの前記バッテリ充電レベルの変化量が所定の判定値以上の場合に、バッテリが劣化していると判定することを特徴とする。 【0008】請求項5に係る発明は、前記車両が、更にエンジンを備えたハイブリッド車両であって、前記バッテリの劣化状態の判定時に、所定時間当たりのバッテリの入出力電力量が通常運転時に比べて大きくなるように前記エンジンの出力を調整するエンジン出力調整手段を備えることを特徴とする。 【0009】請求項6に係る発明は、前記劣化状態判定手段が車両の制御条件に応じて複数の判定値を有することを特徴とする。 【0010】 【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、バッテリの劣化診断を、バッテリの入出力電力量と、バッテリの充電レベルの変化量とに基づいて行うようにしたので、バッテリに充電できる電力量又はバッテリが供給できる電力量を考慮しつつ、車両制御と相関させたバッテリの劣化状態を検出することができる。 【0011】請求項2に係る発明によれば、前記バッテリの入出力電力量を、車両用コントローラが制御する発電電動機の入出力電力量に基づいて検出するようにしたので、頻繁に変化するバッテリ電流値、電圧値を検出する必要がなく、バッテリの入出力量の検出が容易である。また、車両用コントローラが、該車両用コントローラ自身が制御する発電電動機の入出力量及びバッテリ充電レベルに基づいてバッテリ劣化を診断することになるので、車両制御と相関させた劣化診断が容易であることに加えて、劣化と判定した後の制御(制限走行、フェイルセーフ、故障警告等)も容易である。 【0012】請求項3、4に係る発明によれば、バッテリの入出力電力量(又は、発電電動機の入出力電力量)と、それに伴うにバッテリ充電レベルの変化量を検出することで、内部抵抗の増加分と容量の減少分とを分けることなく、容易にバッテリの劣化診断を実行できる。請求項5に係る発明によれば、ハイブリッド車両においては、バッテリの劣化診断時にバッテリの入出力電力量が大きくなるようにエンジンの出力を調整するので、劣化診断の精度を向上させることができる。 【0013】請求項6に係る発明によれば、車両制御に応じたバッテリの劣化診断(バッテリの劣化状態の検出)が可能となる。 【0014】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態を示すハイブリッド車両のシステム図である。図1に示すように、本実施形態に係るハイブリッド車両は、内燃機関(以下、エンジンという)1の出力側に、発電機を兼ねる電気モータ(以下、モータ・ジェネレータという)2を直結し、このモータ・ジェネレータ2に変速機3が接続される。そして、変速機3の出力側の駆動軸4によりディファレンシャル5を介して駆動輪側の車軸6を駆動するようにしてある。 【0015】ここで、発進時や低負荷領域では、基本的に前記モータ・ジェネレータ2の出力だけで走行し、加速運転等で大きな駆動力が要求されるときは、大部分の駆動力をエンジン1の出力で分担し、不足分をモータ・ジェネレータ2の出力でアシストする。また、減速運転時には、前記モータ・ジェネレータ2を発電機として機能させ、駆動軸4側からの運動エネルギーを回生して発電を行い、インバータ7を介して設けられたバッテリ8の充電のために使用する。 【0016】図2は、本実施形態における制御系及び電力供給系の構成を示す図である。バッテリ8は充放電可能な電池電源であって、放電時には、バッテリ8からの放電電力がインバータ7を介して交流電力に変換されてモータ・ジェネレータ(M/G)2に供給されると共に、エンジン補機負荷であるDC/DCコンバータ9やパワーステアリング(P/S)10等に使用される(以下、これらを補機出力という)。 【0017】一方、バッテリ充電時(回生時)には、モータ・ジェネレータ(M/G)2で発電された交流電力がインバータ7を介して直流電力に変換されてバッテリ8に供給される。バッテリコントローラ(B/C)11は、バッテリ8の充電電流及び放電電流IBを検出する電流センサ12からの信号、バッテリ8の端子間電圧VBを検出する電圧センサ13からの信号に基づきバッテリの状態を監視する。 【0018】そして、バッテリの満充電容量(フル充電容量)に対する現在の充電容量(使用可能な容量)の割合としてバッテリ充電レベルSOCを演算して車両コントローラ(HCM)14に送信すると共に、端子間電圧VBが所定の放電終了電圧となったときは、全ての負荷をメインリレー15で開放し、過放電を防ぐ。ここで、前記バッテリ充電レベルSOCの演算について説明する。 【0019】例えば、新品時のフル充電容量が1000whのバッテリにおいて、新品時フル充電容量1000whに対して充電容量500whの状態と、劣化してフル充電容量が700whとなったときに充電容量が350whの状態とは、バッテリ充電レベルSOCとしては同じ50%であり、また、正極・負極のリチウム濃度比も同じになる(すなわち、劣化により反応面積が減少するだけである)。 【0020】ネルンストの式より、前記リチウム濃度比とバッテリ開放電圧とは一定の関係があるので、劣化した場合であっても、バッテリ充電レベルSOCが同じであれば、リチウム濃度比も同じであり、バッテリ充電レベルSOCと開放電圧の関係も同じになる(図3参照)。従って、新品時、劣化時にかかわらず、バッテリ開放電圧を検出すればバッテリ充電レベルSOCを求めることが可能であり、このようにしてバッテリ充電レベルSOCを算出するのが一般的である。なお、前記バッテリ開放電圧は、バッテリ電圧値VB及び電流値IBに基づいて、バッテリコントローラ(B/C)11が所定の演算処理により算出する(例えば、特開平8−336202号公報(従来技術)に記載された方法がある)。 【0021】車両コントローラ(HCM)14は、運転者が操作するアクセル信号やシフト信号等に基づき要求駆動力を演算し、前記バッテリコントローラ(B/C)11から送信されたバッテリ充電レベルSOCに応じて、エンジン1とモータ・ジェネレータ2とにトルクを配分し、それぞれエンジンコントロールユニット(ECU)16、モータコントローラ(M/C)17へトルク指令値を送信する。 【0022】エンジンコントロールユニット(ECU)16は、前記トルク指令値に基づきエンジン1を制御する。モータコントローラ(M/C)17は、前記車両コントローラ(HCM)14からの力行、回生トルク指令値により、モータ・ジェネレータ(M/G)2を制御する。すなわち、力行時においては、前記バッテリ8から電力が入力されて車両走行用に駆動力を出力する。一方、回生時においては、駆動軸4側から運動エネルギーが入力されてバッテリ8の充電用の電力を出力する。 【0023】次に、車両用コントローラ(HCM)14によるバッテリ8の劣化診断について説明する。まず、本実施形態の診断方法について簡単に説明する。上述したように、バッテリ充電レベルSOCは、バッテリが新品であるか劣化しているかに関わらず、バッテリ開放電圧から検出できる。 【0024】しかし、検出したバッテリ充電レベルSOCが同じ値であっても、そのときの劣化状態、すなわち、バッテリ満充電容量(フル充電容量)が異なれば、同じ電力量を出力(又は、入力)した場合のSOC変化量も異なる。例えば、図4、5に示すように、新品時のフル充電容量が1000whのバッテリが、経時劣化等によりフル充電容量800whに劣化したとする。この場合、同じ200whの入出力でも、バッテリ充電レベルの変化量ΔSOCで見ると、新品時のバッテリではΔSOC=20%であるが、劣化したバッテリではΔSOC=25%となる。 【0025】従って、同じ入出力電力量(入出力電力×時間)当たりのバッテリ充電レベルの変化量ΔSOCを求めることで、バッテリがどの程度劣化しているかを判定できるので、これによりバッテリ劣化診断を行う。以下、具体的な制御内容を図6に示す。図6は、バッテリ劣化診断の第1実施形態を示す制御フローであり、通常走行中は所定時間毎(例えば、10ms毎)に実行させる。 【0026】ステップ1(図中、S1と記す。以下同様)では、車両用コントローラ(HCM)14からのモータトルク指令値が、モータ・ジェネレータ(M/G)2の力行開始指令又は回生開始指令であるか否かを判別する。これは、バッテリ8とモータ・ジェネレータ(M/G)2との間で電力のやりとりがあるか否かを判別するものである。 【0027】モータトルク指令値が力行開始指令又は回生開始指令であれば、ステップ2に進んで、力行開始又は回生開始時点のバッテリ充電レベルSOC(0)を記憶する。なお、車両用コントローラ(HCM)14は、バッテリコントローラ(B/C)11から前記バッテリ充電レベルSOCを10ms毎に受信している。モータトルク指令値が力行開始指令又は回生開始指令でなければ、ステップ3に進む。 【0028】ステップ3では、前記力行開始指令又は回生開始指令があった後、力行又は回生が継続しているか否かを判別する。継続していればステップ4に進み、継続していなければ本制御を終了する。ステップ4では、バッテリ充電レベルSOC及びモータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力のサンプリングを開始する(力行時は入力電力、回生時は出力電力をサンプリングする)。 【0029】ここで、前記モータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力は、前記モータトルク指令値とモータ回転数から演算したり、モータ電流値及び電圧値を検出して演算したりすることにより求めるが、モータコントローラ(M/C)17が演算したデータを受信するようにしてもよい。ステップ5では、サンプリングしたモータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力に前記補機出力分(すなわち、DC/DCコンバータ9及びP/S10に使用する電力分)を加算したもの(モータ・ジェネレータ入出力電力+補機出力を積算して電力量Kwsecを算出し、該電力量Kwsecがあらかじめ設定した所定値(例えば、バッテリの最大出力20kw×最大時間5sec=100kwsec)以上となったか否かを判別する。 【0030】所定値以上になっていればステップ6に進む。なお、前記電力量Kwsecの算出時に補機出力分を加算するのは、バッテリコントローラ(B/C)11が演算するバッテリ充電レベルSOCには、補機出力分が含まれているからである。ここで、例えばパワーステアリング(P/S)10の動作時のように、前記補機出力分の変化が大きいような場合には、バッテリ充電レベルSOCの演算遅れが考えられるので、本制御をキャンセルするようにしてもよい。 【0031】ステップ6では、前記Kwsecが所定値以上となった時点のバッテリ充電レベルSOC(1)から前記力行又は回生開始時点のバッテリ充電レベルSOC(0)を減算してバッテリ充電レベル変化量ΔSOCを算出する。ステップ7では、算出したバッテリ充電レベルの変化量ΔSOCとあらかじめ設定したNG判定値とを比較して、バッテリ充電レベルの変化量ΔSOCがNG判定値以上であれば、ステップ8に進み、バッテリ劣化と判定する(前記NG判定値未満であれば、ステップ9に進み、バッテリの劣化なしとして劣化判定をクリアする)。 【0032】ここで、劣化判定について説明する(図7参照)。まず、車両としては、バッテリ新品時においては、バッテリ充電レベルSOCが30〜80%であれば、最大出力(例えば、20kw)×最大時間(例えば、5sec)の出力電力量を保証しているとする。従って、バッテリ充電レベルSOCが30%を下回っていれば、車両制御(アシスト制御、アイドルストップ等)を禁止するが、バッテリ充電レベルSOCが30%以上あれば、車両制御を実行することになる。 【0033】ここで、車両制御に影響がでないようにするには、前記最大出力×最大時間(Kwsec)経過後にバッテリ充電レベルSOCが低下したとしても、各車両制御を禁止するバッテリ充電レベルSOC(例えば、アシスト禁止SOC、アイドルストップ禁止SOC)に到らないようにする必要がある。具体的に説明すると、実際のアシスト禁止SOCが27%、アイドルストップ禁止SOCが25%である場合には、(制御が禁止されない)バッテリ充電レベルSOCが30%のときに、前記最大出力×最大時間(Kwsec)経過後に減少するバッテリ充電レベル(すなわち、バッテリ充電レベルの変化量ΔSOC)がそれぞれ3%、5%未満である必要がある。そこで、この値を判定値として設定する(図7中の判定1)。 【0034】従って、前記最大出力×最大時間経過(Kwsec)前後のバッテリ充電レベルの変化量ΔSOCが3%以上(5%未満)であれば、アシスト制御については禁止する必要がある劣化(アイドルストップ制御については実行できる)と判定する(以下、アシスト不足劣化という)。また、前記バッテリ充電レベルの変化量ΔSOCが5%以上であれば、更にアイドルストップ制御についても制限(禁止又は頻度減少)する必要がある劣化と判定する(以下、アイドルストップ減少劣化という)。 【0035】なお、回生時は、バッテリに電力が入力される(すなわち、モータ・ジェネレータ2から電力が出力される)ことになり符号が異なることになるが、判定値はバッテリ充電レベルの変化量(すなわち、絶対値)とするので、力行時のときと同じである。また、上記判定(判定1)に代えて、バッテリ充電レベルSOCが30%の状態からアシスト禁止SOCの27%、アイドルストップ禁止SOCの25%になる場合の前記最大出力×最大時間(Kwsec)とバッテリ充電レベルの変化量ΔSOCの関係から、その傾き(ΔSOC/Kwsec)を判定値として用いるようにしてもよい(図7中の判定2)。この場合、判定1に比べて判定頻度を増加させることができるので、より詳細な劣化判定が可能となる。 【0036】以上により、バッテリの劣化状態(劣化レベル)に応じた判定が可能となり、それぞれの状態に応じて適切な制御(フェイルセーフ、故障警告等)が可能となる。なお、以上の説明では、ハイブリッド車両についてのバッテリ劣化診断について説明したが、エンジンを備えない電動車両についても適用できる。 【0037】次に、バッテリ劣化診断の第2実施形態について説明する。本実施形態では、バッテリの劣化診断を行う際に、所定時間当たりのバッテリ入出力電力量(すなわち、モータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力量)が大きくなるようエンジン出力を調整する点が前記第1実施形態(図6)と異なる。これにより、バッテリ劣化診断の精度を高めることができる。 【0038】具体的な制御内容を図8に示す。図8において、ステップ104〜107、ステップ114、115が前記第1実施形態(図6)と異なる(その他のステップは、第1実施形態を同様)。ステップ101〜103は、前記第1実施形態におけるステップ1〜3と同様である。 【0039】ステップ103において、力行又は回生が継続していれば、ステップ104に進み、診断用トルク制御フラグが設定されているか(すなわち、診断用トルク制御フラグ=1であるか)否かを判別する。診断用トルク制御フラグが設定されていればステップ106に進み、設定されていなければステップ105に進む。 【0040】ステップ105では、バッテリ診断用にトルク制御値の変更が必要か否かを判別する。具体的には、過去の劣化診断において、現在設定されているモータ・ジェネレータ2の入出力電力で診断条件(Kwsec≧所定値:ステップ109)が成立したか否かを、その履歴を参照することで判別する。すなわち、過去の劣化診断において診断条件が成立しなかったような場合は、モータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力を増加させるように変更することで劣化診断の精度を高めようとするものである。 【0041】前記トルク制御値の変更が必要な場合にはステップ106に進み、前記トルク制御値の変更が必要ない場合にはステップ108に進んで、バッテリ充電レベルSOC、モータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力のサンプリングを開始する。ステップ106では、車両用コントローラ(HCM)14のトルク指令値をバッテリ診断用に変更する。例えば、力行時においては、トルク配分の可能な範囲で、エンジン1のトルクを減少させ、モータ・ジェネレータ(M/G)2のトルクを増加させるようにトルク指令値を変更する。 【0042】そして、ステップ107に進んで、診断用トルク制御フラグを1に設定する。ステップ108〜113までは、前記第1実施形態におけるステップ4〜9と同様である。そして、ステップ112でバッテリの劣化状態(劣化レベル)に応じた劣化判定を行った後、あるいは、ステップ113でバッテリの劣化なしとして劣化判定をクリアした後、ステップ114に進み、診断用トルク制御フラグが設定されているか否かを判別する。 【0043】診断用トルク制御フラグが設定されている場合には、ステップ115に進み、車両用コントローラ(HCM)14の(変更した)トルク指令値(トルク配分)を通常用に戻すと共に、診断用トルク制御フラグを解除(=0)して本制御を終了する。以上のように、本実施形態によれば、バッテリの劣化診断を行う際に、必要に応じてトルク指令値を診断用に変更するようにしたので、モータ・ジェネレータ(M/G)2の入出力電力量(すなわち、バッテリ8の入出力電力量)を増加させて、バッテリ8の劣化診断頻度を多くすることができ、劣化診断精度をより高めることができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】000003997 【氏名又は名称】日産自動車株式会社 【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地
|
| 【出願日】 |
平成13年11月2日(2001.11.2) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100078330 【弁理士】 【氏名又は名称】笹島 富二雄
|
| 【公開番号】 |
特開2003−143703(P2003−143703A) |
| 【公開日】 |
平成15年5月16日(2003.5.16) |
| 【出願番号】 |
特願2001−337550(P2001−337550) |
|