ハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置
【課題】車両の運転状況やバッテリの残存容量に応じて適切に充放電を制御し、バッテリの内部発熱による温度上昇を促進してバッテリ容量を早期に回復させる。
【解決手段】セル温度が規定温度未満の場合、バッテリの充放電パワー量と走行パワー量とからジェネレータの発電量を算出し（Ｓ７）、パルス充放電における充電モード或いは放電モードを決定してエンジンを介してジェネレータを制御する。このとき、走行パワー量に加算される分がバッテリを充電する充電モードになり、走行パワー量から減算される分がバッテリから放電する放電モードとなる。これにより、車両としての駆動要求に対する走行パワー量を満足しながら、バッテリの充放電による暖機を行うことができ、車両の走行性を損なうことなく、バッテリ本来の容量を迅速に回復させることができる。
【解決手段】セル温度が規定温度未満の場合、バッテリの充放電パワー量と走行パワー量とからジェネレータの発電量を算出し（Ｓ７）、パルス充放電における充電モード或いは放電モードを決定してエンジンを介してジェネレータを制御する。このとき、走行パワー量に加算される分がバッテリを充電する充電モードになり、走行パワー量から減算される分がバッテリから放電する放電モードとなる。これにより、車両としての駆動要求に対する走行パワー量を満足しながら、バッテリの充放電による暖機を行うことができ、車両の走行性を損なうことなく、バッテリ本来の容量を迅速に回復させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンとモータとを併用するハイブリッド車に搭載されるバッテリの充放電を制御して該バッテリの内部発熱による暖機を行なうハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、バッテリは、温度が低下すると容量が低下するため、電気自動車やハイブリッド自動車等の走行用電力源として用いられた場合、始動不良や制御性の悪化を招く可能性がある。このため、従来から、ヒータやバッテリの内部抵抗を利用した発熱により、低温時にバッテリを暖機する技術が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、バッテリの温度が所定温度未満である場合、バッテリの充電又は放電の少なくとも一方を行ない、また、放電時には、バッテリの側部に配置された抵抗器により放電電力を供給して外部からバッテリを暖める技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、バッテリの温度と電圧と電流とから充電可能電力あるいは放電可能電力を演算し、その演算結果と予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値により、バッテリの暖機運転の可否を決定する技術が開示されている。
【０００５】
更に、特許文献３には、バッテリの温度が所定値以下の場合、バッテリの充電状態が予め設定された閾値以上のときには、閾値以上の所定領域内で充放電を繰り返し、充電状態が閾値未満のときには、閾値未満の所定領域内で充放電を繰り返す技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−４０５３６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３７０４号公報
【特許文献３】特開２００３−２７２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の技術は、低温時に充放電の目安として残存容量（充電状態；ＳＯＣ）１００％付近を基準としているため、バッテリ保護の観点から望ましくないばかりでなく、電圧・電流の細かい制御が困難である。また、低温でバッテリの内部抵抗が大きい場合には、最初からフル容量での充電は困難であると推測される。更には、バッテリの外部にヒータを使用した場合、バッテリ本体に霜付きが発生する虞がある。
【０００７】
特許文献２に開示の技術は、電気車のモータ単体での充放電制御であり、ハイブリッド車へ適用する場合には、装置及び制御が複雑化し、適用が困難である。更に、特許文献３に開示の技術は、バッテリの温度上昇のスピードが車両の運転状況によって大きく左右されるため、短時間で或る程度の急激な発熱が継続的に必要な低温時は（例えば、０°Ｃ以下）、すぐに熱が奪われてしまい、効率が低下する虞がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両の運転状況やバッテリの残存容量に応じて適切に充放電を制御し、バッテリの内部発熱による温度上昇を促進してバッテリ容量を早期に回復させることのできるハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明によるハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置は、走行駆動力を発生するモータに電力を供給すると共に、エンジンによって駆動される発電機からの発電電力によって充電されるバッテリの充放電を制御して該バッテリの内部発熱による暖機を行なうハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置において、上記バッテリを暖機するための充放電電圧の目標電圧を、上記バッテリの残存容量を含むバッテリ状態に基づく上下限範囲内で設定する目標充放電電圧設定手段と、上記目標電圧に対応する充放電電力と上記モータの要求トルクに基づく走行用電力とに基づいて上記発電機の発電量を算出する発電量算出手段と、上記バッテリの温度が規定温度未満のとき、上記バッテリの端子電圧が上記目標電圧に収束するよう上記発電機の発電量を制御するエンジン制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
その際、発電機の発電量は、バッテリの端子電圧と上記目標電圧との差、バッテリの開放電圧、及びバッテリの内部抵抗より充放電電力を算出し、算出した充放電電力の走行用電力に対する減算或いは加算分として算出することが望ましい。また、エンジンを介した発電機による充電モードと放電モードとの切換えは、バッテリの端子電圧と目標電圧との差が基準値以内にない場合、充電モードと放電モードとの切換えを禁止する一方、充放電電流の電流変化量或いは充放電電力が既定値に達したときには、充電モードと放電モードとの切換えを強制的に行うことが望ましく、エンジンの回転数或いはトルクの指示値が予め設定した上下限範囲を逸脱した場合には、エンジンを停止させ、新たな目標電圧と新たな発電量とに基づいて発電機の制御を再開することが望ましい。
【００１１】
バッテリ暖機の目標電圧を設定する際に用いるバッテリ残存容量は、バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量とバッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とをバッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成することで、高精度に演算することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置は、車両の運転状況やバッテリの残存容量に応じて適切に充放電を制御することができ、バッテリの内部発熱による温度上昇を促進してバッテリ容量を早期に回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１１は本発明の実施の一形態に係わり、図１はハイブリッド車のシステム構成図、図２は残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は電流容量テーブルの説明図、図４は等価回路モデルを示す回路図、図５はインピーダンステーブルの説明図、図６は残存容量テーブルの説明図、図７はウェイトテーブルの説明図、図８はパワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図、図９及び図１０はバッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート、図１１はパルス充放電の制御状態を示す説明図である。
【００１４】
図１は、ハイブリッド（ＨＥＶ）車のシステム構成を示し、本形態においては、走行駆動用の駆動モータ（交流モータ）１と、この駆動モータ１と別体で配置されたジェネレータ（発電機）２と、ジェネレータ２を駆動するエンジン３とを備えたシリーズハイブリッド車である。駆動モータ１は、電源ユニット４からの直流電力を交流電力に変換する駆動用インバータ５によって駆動され、出力軸に連結される図示しないギヤ等を介して駆動輪に走行駆動力を伝達する。
【００１５】
電源ユニット４は、例えば複数のセルを封止した電池パックを複数個直列に接続して構成されるバッテリ６と、このバッテリ６のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）７とを１つの筐体内にパッケージしたものである。この電源ユニット４のバッテリ６は、駆動用インバータ５を介して駆動モータ１に電力を供給し、ジェネレータ２で発電した交流電力を直流電力に変換する発電用インバータ８によって充電される。
【００１６】
また、電源ユニット４の演算ＥＣＵ７は、マイクロコンピュータ等から構成され、バッテリ６の充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量ＳＯＣやバッテリ６における入出力可能な最大電力で示される入出力可能パワー量Ｐの演算、バッテリ６の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等のエネルギーマネージメントを行うと共に、低温時にバッテリ６を暖機（ウォームアップ）し、温度低下によって低下したバッテリ容量を早期に回復させ、始動不良や制御性の悪化を防止するウォームアップ制御を行うようにしている。
【００１７】
このバッテリ６のウォームアップ制御は、電源ユニット４の演算ＥＣＵ７と、アクセル開度やブレーキ信号等の運転者の操作による信号に基づいて駆動モータ１及びエンジン３（ジェネレータ２）を含むＨＥＶ制御系を統合的に制御するＨＥＶ制御用電子制御ユニット（ＨＥＶ制御用ＥＣＵ）２０との連携によって実行される。このため、演算ＥＣＵ７は、ウォームアップ制御の各パラメータ（後述する目標充放電電圧Ｖ’やバッテリ内部抵抗Ｒ等のパラメータ）を算出し、これらのパラメータを、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介してＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０に送信する。
【００１８】
ＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０は、同様に、マイクロコンピュータ等を中心として構成され、図１においては、エンジン３（ジェネレータ２、発電用インバータ８）、駆動モータ１（駆動用インバータ５）を制御するコントローラ機能を含むものとして図示しているが、それぞれ個別の装置として構成しても良い。
【００１９】
本形態におけるバッテリ６のウォームアップ制御は、ジェネレータ２の出力によるバッテリ６の充電と放電とを繰返して内部抵抗による発熱を生じさせ、セル温度を上昇させる方式を採用しており、車両としての走行性を損なうことなくジェネレータ２の発電量を効率良く制御し、バッテリ本来の容量を迅速に回復させることを可能としている。
【００２０】
この場合、バッテリのウォームアップを効率的に行うためには、残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐを高精度に把握する必要があり、本形態においては、残存容量ＳＯＣ及び入出力可能パワー量Ｐを、特有のアルゴリズムに従って高精度に演算している。先ず、本形態における残存容量ＳＯＣ、入出力可能パワー量Ｐの演算処理について説明する。
【００２１】
演算ＥＣＵ７における残存容量ＳＯＣの演算は、電圧センサ１０で測定したバッテリ６の端子電圧Ｖ、電流センサ１１で測定したバッテリ６の充放電電流Ｉ、温度センサ１２で測定したバッテリ６の温度（セル温度）Ｔに基いて、図２に示す推定アルゴリズムに従って実行される。
【００２２】
このＳＯＣ推定アルゴリズムでは、バッテリ６で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃと、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した残存容量ＳＯＣを、バッテリ６の残存容量として出力する。
【００２３】
電流Ｉの積算による残存容量ＳＯＣｃと、開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとは、それぞれに一長一短があり、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。一方、開放電圧推定による残存容量ＳＯＣｖは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。
【００２４】
従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ６の使用状況に応じて随時変化させる第１のウェイト（重み係数）としてのウェイトｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）
【００２５】
ウェイトｗは、現在のバッテリの使用状況を的確に表すことのできるパラメータを用いて決定する必要があり、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流の変化率や残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの間の偏差等を用いることが可能である。単位時間当たりの電流変化率は、バッテリの負荷変動を直接的に反映しているが、単なる電流変化率では、スパイク的に発生する電流の急激な変化の影響を受けてしまう。
【００２６】
従って、本形態においては、瞬間的に発生する電流の変化の影響を防止するため、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理を施した電流変化率を用いるようにしており、特に、電流の遅れを考慮した場合、バッテリの充放電状態の変化に対して、過去の履歴を過剰となることなく適切に反映することのできる移動平均を用いてウェイトｗを決定するようにしている。
【００２７】
この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算のウェイトを高くして開放電圧推定のウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算のウェイトを下げ、開放電圧推定のウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。
【００２８】
すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均のフィルタリングにより、走行中の負荷変動で発生する電流のスパイク成分を、遅れ成分を助長することなく除去することができる。これにより、バッテリ状態をより的確に把握することができ、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出し、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。
【００２９】
更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。次に、ＳＯＣ推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。
【００３０】
先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率
【００３１】
（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いる。
【００３２】
図３は、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納した電流容量テーブルの例を示すものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出することができる。
【００３３】
また、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的には演算ＥＣＵ７における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ-1）。従って、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。
【００３４】
一方、開放電圧Ｖｏの推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、先ず、図４に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のCole-Coleプロットをカーブフィッティングすることにより、各パラメータを決定する。
【００３５】
これらのパラメータから求められるインピーダンスＺは、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブルを作成する。そして、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ・Ｚ…（３）
【００３６】
尚、電流Ｉの移動平均値は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均して求められる。前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、後述するように、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔを用いて決定する。
【００３７】
図５は、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したインピーダンステーブルの例を示すものであり、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが同じ場合には、温度Ｔが低くなる程、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。
【００３８】
尚、図５及び後述する図６に示すテーブルにおいては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。
【００３９】
開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、平衡状態での電極電位とイオンの活量との関係を記述した周知のネルンストの式を適用し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（４）式を得ることができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（４）
但し、Ｅ ：標準電極電位（本形態のリチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）
【００４０】
尚、（４）式におけるＹは補正項であり、常温における電圧−ＳＯＣ特性をＳＯＣの関数で表現したものである。ＳＯＣｖ＝Ｘとすると、以下の（５）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０-6Ｘ3＋９・１０-5Ｘ2＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（５）
【００４１】
以上の（４）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（４）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池特有の充放電特性や使用条件等に対する考慮が必要となる。
【００４２】
従って、以上の（４）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、常温でのＳＯＣ−Ｖｏ特性を基準として、各温度域での充放電試験或いはシミュレーションを行い、実測データを蓄積する。そして、蓄積した実測データから開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータする残存容量ＳＯＣｖのテーブルを作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求める。図６は、残存容量テーブルの例を示すものであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。
【００４３】
そして、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを算出した後は、前述の（１）式に示したように、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを、テーブル参照等によって決定したウェイトｗを用いて重み付け合成し、残存容量ＳＯＣを算出する。図７は、ウェイトｗを決定するためのウェイトテーブルの例を示し、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔをパラメータとする一次元テーブルである。このウェイトテーブルは、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、すなわち、バッテリ負荷変動が小さい程、ウェイトｗの値を小さくして電流積算による残存容量ＳＯＣｃの重みを小さくする傾向を有している。
【００４４】
一方、入出力可能パワー量Ｐの演算は、ＳＯＣ推定アルゴリズムと同様の図８に示す演算アルゴリズムに従って実行される。この演算アルゴリズムでは、バッテリ６で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、バッテリ６の開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶと、バッテリ６の電流Ｉに基づくパワー量ＰＣとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した値をバッテリ６のパワー量Ｐとして出力する。
【００４５】
すなわち、バッテリ６の開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。一方、バッテリ６の電流Ｉに基づくパワー量ＰＣは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。従って、本パワー量演算アルゴリズムでは、開放電圧Ｖｏに基づいて求めたパワー量ＰＶと電流Ｉに基づいて求めたパワー量ＰＣとを、バッテリ６の使用状況に応じて随時変化させる第２のウェイトとしてのウェイトｗｐにより重み付けして合成し、双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。
【００４６】
ウェイトｗｐは、残存容量ＳＯＣの合成に用いるウェイトｗと同様、電流Ｉの移動平均に基づいて決定されるものであり（ｗｐ＝０〜１）、合成後の最終的なパワー量Ｐは、以下の（６）式で与えられる。
Ｐ＝ｗｐ・ＰＣ＋(１−ｗｐ)・ＰＶ…（６）
【００４７】
電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗｐを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを高くして開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流によって正確に反映すると共に振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを下げ、開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを高くすることにより、電流の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧に基づく正確なパワー量を算出することができる。
【００４８】
（６）式に示すパワー量Ｐは、詳細には、バッテリ６に入力（充電）可能な最大電力量で示される入力可能パワー量Ｐchargeと、バッテリ６から出力（放電）可能な最大電力量で示される出力可能パワー量Ｐdischargeとを総称するものであり、それぞれ、（６）式を基本とする以下の（７），（８）式により個別に演算される。
【００４９】
すなわち、入力可能パワー量Ｐchargeは、以下の（７）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＶchargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＣchargeとを重み付け合成した値として求められる。また、出力可能パワー量Ｐdischargeは、以下の（８）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＶdischargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＣdischargeとを重み付け合成した値として求められる。
Ｐcharge＝ｗｐ・ＰＣcharge＋(１−ｗｐ)・ＰＶcharge…（７）
Ｐdischarge＝ｗｐ・ＰＣdischarge＋(１−ｗｐ)・ＰＶdischarge…（８）
【００５０】
各パワー量ＰＶcharge,ＰＶdischarge,ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、具体的には、バッテリ６の内部インピーダンスＺ、開放電圧Ｖｏ、予め定められたバッテリの特性を保証する上下限のバッテリ電圧である上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎ、電流Ｉの移動平均値、１演算周期前の入力可能パワー量Ｐcharge(t)、１演算期前の出力可能パワー量Ｐdischarge(t)を用いて演算される。
【００５１】
上限電圧Ｖｍａｘ、下限電圧Ｖｍｉｎは、それぞれ、残存容量ＳＯＣの上限（１００％）を与える電圧、下限（０％）を与える電圧として定義することができ、温度に依存して変化することから、温度Ｔをパラメータとするテーブルを参照して求める。上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎのテーブルは、温度Ｔをパラメータとして上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎを格納した専用のテーブルを作成しておき、この専用のテーブルを参照して求めても良いが、残存容量ＳＯＣの演算で用いる残存容量テーブル（図６参照）を利用し、所定の温度Ｔにおける開放電圧Ｖｏの上下限を参照することにより、その温度Ｔでの上限電圧Ｖｍａｘ，下限電圧Ｖｍｉｎを知ることができる。
【００５２】
そして、入力可能パワー量ＰＶchargeは、以下の（９）式に示すように、上限電圧Ｖｍａｘと開放電圧Ｖｏとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、上限電圧Ｖｍａｘを乗算した電力量として求められる。また、出力可能パワー量ＰＶdischargeは、以下の（１０）式に示すように、開放電圧Ｖｏと下限電圧Ｖｍｉｎとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、下限電圧Ｖｍｉｎを乗算した電力量として求められる。
ＰＶcharge＝［（Ｖｍａｘ−Ｖｏ）／Ｚ］・Ｖｍａｘ…（９）
ＰＶdischarge＝［（Ｖｏ−Ｖｍｉｎ）／Ｚ］・Ｖｍｉｎ…（１０）
【００５３】
一方、電流Ｉの移動平均に基づくパワー量ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、離散時間処理における１演算周期前の合成パワー量Ｐ(t-1)をベース値として用いており（図８のブロック図における遅延演算子Ｚ-1）、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。
【００５４】
すなわち、電流Ｉの移動平均値をＩ’とすると、以下の（１１）式に示すように、１演算周期前の合成入力可能パワー量Ｐcharge(t-1)と、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺをを乗算した入力電力量Ｉ'2Ｚとにより、現時点での入力可能パワー量ＰＣchargeを求める。また、以下の（１２）式に示すように、１演算周期前の合成出力可能パワー量ＰＣdischargeと、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺを乗算した出力電力量Ｉ'2Ｚとにより、現時点での出力可能パワー量ＰＣdischargeを求める。
ＰＣcharge＝Ｐcharge(t-1)−Ｉ'2Ｚ…（１１）
ＰＣdischarge＝Ｐdischarge(t-1)−Ｉ'2Ｚ…（１２）
【００５５】
そして、前述の（７）式に示したように、（９）式により算出した入力可能パワー量ＰＶchargeと、（１１）式により算出した入力可能パワー量ＰＣchargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、入力可能パワー量Ｐchargeを算出する。また、前述の（８）式に示したように、（１０）式により算出した出力可能パワー量ＰＶdischargeと、（１２）式により算出した出力可能パワー量ＰＣdischargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、出力可能パワー量Ｐdischargeを算出する。
【００５６】
以上の残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐからは、演算ＥＣＵ７の目標充放電電圧設定手段としての機能により、バッテリ６のウォームアップ制御における充放電パターンの電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’の範囲内で充放電電圧の目標値が設定される。この充放電パターンは、充電と放電とを交互にパルス状に繰返すパターンであり、本形態においては、効率の良い発熱を促すため、ＣＶ（Constant Voltage）充放電を採用している。ＣＶ充放電を採用する理由は、バッテリの内部抵抗（内部インピーダンス）は、同じ温度では電流変化率が小さくなる程、つまり交流よりも直流を流したほうが大きくなることと、充放電の立ち上がり時に大電流が流れるが、時間と共に０に収束するためである。
【００５７】
電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’は、それぞれ、パルス充放電における最大電圧、最小電圧を規制してバッテリを保護するための制御リミッタであり、温度に依存して変化する上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎからバッテリの劣化度を考慮して設定される。そして、この電圧上限値Ｖｍａｘ’と電圧下限値Ｖｍｉｎ’との範囲内で、パルス充放電制御における目標電圧としての目標充放電電圧Ｖ’が決定され、バッテリ６の端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に収束するよう、エンジン３を介してジェネレータ２の発電量Ｐｗを制御する。
【００５８】
エンジン３を介したジェネレータ２の制御は、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０の発電量算出手段及びエンジン制御手段としての機能により、駆動モータ１による走行に必要なパワー量（走行パワー量）ＰＤＲに対して目標充放電電圧Ｖ’に収束させるためのパワー量（充放電パワー量）ΔＰを加算或いは減算してジェネレータ２の発電量Ｐｗを求め、ジェネレータ２の出力が発電量Ｐｗとなるようにエンジン３を制御する。
【００５９】
走行パワー量ＰＤＲは、現在の車速及びモータ要求トルクから算出することができ、充放電パワー量ΔＰは、以下の（１３），（１３’）式に示すように、放電の場合と充電の場合とに対し、現在のバッテリ６の開放電圧Ｖｏと目標充放電電圧Ｖ’との差、及びバッテリ６の内部抵抗Ｒ（内部インピーダンスＺ）を用いて算出することができる。
放電の場合
ΔＰ＝(Ｖ’−Ｖｏ)2／Ｒ…（１３）
但し、ΔＰ≦Ｐｄ（出力可能パワー量Ｐdischargeに基づく放電可能パワー量）
充電の場合
ΔＰ＝−(Ｖ’−Ｖｏ)2／Ｒ…（１３’）
但し、ΔＰ≧Ｐｃ（入力可能パワー量Ｐchargeに基づく充電可能パワー量）
【００６０】
そして、走行パワー量ＰＤＲと充放電パワー量ΔＰとを用い、以下の（１４）式に示すように、ジェネレータ２の発電量Ｐｗを算出することができる。すなわち、充電の場合には、発電量Ｐｗは、走行パワー量ＰＤＲに充放電パワー量ΔＰを加算して上乗せした値となり、放電の場合には、発電量Ｐｗは、駆動モータ１の走行パワー量ＰＤＲから充放電パワー量ΔＰを減算した値となる。
Ｐｗ＝ＰＤＲ−ΔＰ…（１４）
【００６１】
（１４）式による発電量Ｐｗは、エンジン３の回転数制御を主とするジェネレータ２の制御により、バッテリ６の端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に収束するよう制御される。このときのエンジントルクＥｑ、エンジン回転数Ｎ、発電量Ｐｗの関係は、以下の（１５）式に示す関係となる。
Ｅｑ＝６０×Ｐｗ／２πＮ…（１５）
【００６２】
次に、以上のバッテリウォームアップ制御処理について、図９及び図１０に示すフローチャートを用いて説明する。尚、図９及び図１０のフローチャートは、電源ユニット４の演算ＥＣＵ７及びＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０によるシステム全体の動作の流れを示すものであり、低温時に所定時間毎に実行され、バッテリ温度が回復して本来の容量を発揮できるようになった時点で終了される。
【００６３】
この処理がスタートすると、先ず、ステップＳ１において、バッテリ６の端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔ、残存容量ＳＯＣ(t-1)、入出力可能パワー量Ｐのデータ入力の有無を調べる。尚、端子電圧Ｖは複数の電池パックの平均値、電流Ｉは複数の電池パックの電流の総和を取り、それぞれ、例えば０．１ｓｅｃ毎にデータを取得するものとする。また、温度Ｔは、例えば１０ｓｅｃ毎に取得するものとする。
【００６４】
その結果、ステップＳ１において新たなデータ入力がない場合には、そのまま本処理を抜け、新たなデータ入力がある場合、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで、セル温度Ｔが規定温度以下か否かを調べる。この規定温度は、それ未満の温度ではバッテリ容量の低下により制御上の支障が生じる虞のある温度であり、例えば、図３の電流容量テーブルで示される特性から、予め規定温度が１０°Ｃに設定されている。
【００６５】
そして、セル温度Ｔが規定温度を越えており、ウォームアップを要しない場合には、ステップＳ２から処理を抜ける。また、規定温度以下の場合には、ステップＳ３へ進んで、セル温度Ｔが規定温度に到達しているか否かを調べ、規定温度に到達している場合には、同様に処理を抜け、規定温度に到達していない場合、ステップＳ４へ進む。
【００６６】
ステップＳ４では、ＣＶ充放電における制御リミッタとしての電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’を、バッテリ温度Ｔ、上限電圧Ｖｍａｘ、下限電圧Ｖｍｉｎ、劣化度等を考慮して決定し、ステップＳ５で、ＣＶ充放電における目標充放電電圧Ｖ’を、パルス充放電における充電モード及び放電モードに対してそれぞれ決定する。
【００６７】
次に、ステップＳ６へ進み、バッテリ６の端子電圧Ｖ、目標充放電電圧Ｖ’、内部抵抗Ｒを用い、前述の（１３）式に従って充放電パワー量ΔＰを演算する。そして、ステップＳ７で、前述の（１４）式に従って、現在の車速及びモータ要求トルクから算出される走行パワー量ＰＤＲから充放電パワー量ΔＰを減算して発電量Ｐｗを算出する。
【００６８】
続くステップＳ８では、発電量Ｐｗから前述の（１５）式に基づいて算出したエンジン回転数Ｎ及びエンジントルクＥｑが、エンジン３を予め設定した制御可能な上限及び下限の範囲内にあり、エンジン３に対する制御指示が可能か否かを判定する。その結果、ステップＳ７で算出した発電量Ｐｗの値が小さく、エンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが設定範囲を逸脱して制御不能と判断される場合には、ステップＳ８から処理を抜けて一旦エンジン３を停止させ、次の処理周期で目標充放電電圧Ｖ’を再設定する。
【００６９】
また、ステップＳ７で算出した発電量Ｐｗから算出されるエンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが設定範囲内にあり、エンジン３の制御可能範囲内にある場合には、ステップＳ８からステップＳ９へ進み、エンジン回転数Ｎの指示値を出力する。そして、ステップＳ１０でパルス充放電における充電モード或いは放電モードを決定し、エンジン３を介してジェネレータ２の発電量Ｐｗを制御する。
【００７０】
このエンジン３を介したジェネレータ２の発電量Ｐｗの制御（パルス充放電）は、例えば、エンジン３のスロットル開度をエンジン回転数Ｎの指示値に基づいて調整する等して行われ、バッテリ６の端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に一致するよう、比例及び積分フィードバック制御等により行われる。但し、積分フィードバックを実施する場合には、充放電の切換時に積分器をリセットする。
【００７１】
このとき、図１１に示すように、エンジン３（ジェネレータ２）が停止状態から始動したとき最初の充放電のスタートは、電池セルへの負担を軽減するため、そのときの残存容量ＳＯＣを基準として振幅値を小さく周期を短くするように初期設定する。その後、セル温度Ｔ，残存容量ＳＯＣ，入出力可能パワー量Ｐ，電流値Ｉ，電圧Ｖ等のパラメータを監視しながら、ジェネレータ２の発電量Ｐｗが電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’の範囲内でパルス状に増減され、バッテリ電圧及びバッテリ電流の振幅が大きく且つ周期が長くされる。
【００７２】
この発電量Ｐｗに対する指示は、図１１に破線で示す走行パワー量ＰＤＲに加算される分がバッテリ６を充電する充電モードになり、走行パワー量ＰＤＲから減算される分がバッテリ６から放電する放電モードとなる。これにより、車両としての駆動要求に対する走行パワー量ＰＤＲを満足しながら、バッテリ６の充放電による暖機を行うことができ、車両の走行性を損なうことなく、バッテリ本来の容量を迅速に回復させることができる。
【００７３】
その後、ステップＳ１０からステップＳ１１へ進み、負荷の変動等により発電量Ｐｗに基準以上の変動があるか否かを調べる。その結果、発電量Ｐｗの変動がない場合には、ステップＳ１１からステップＳ１２へ進み、目標充放電電圧Ｖ’とバッテリ端子電圧Ｖとの差が基準値以内か否かを調べる。
【００７４】
そして、ステップＳ１２において、目標充放電電圧Ｖ’とバッテリ端子電圧Ｖとの差が基準値以内にない場合には、ステップＳ１２からステップＳ１１へ戻って現在の充電或いは放電状態を維持する。すなわち、ジェネレータ２の発電制御によりバッテリ端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に近づいても、互いの差が基準値以内に達するまでは、充放電の切換えを禁止する。
【００７５】
また、ステップＳ１２において、目標充放電電圧Ｖ’とバッテリ端子電圧Ｖとの差が基準値以内となったときには、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進み、充放電を切換える条件が成立する状態となったか否かを調べる。充放電の切換条件は、例えば、充放電パワー量が予め規定した充放電量（充電可能パワー量Ｐｃ、或いは放電可能パワー量Ｐｄ）に達したとき、或いは充放電電流の変化量が規定電流変化量に達したときであり、この充放電切換条件が成立しない場合には、ステップＳ１１へ戻り、充放電切換条件が成立したとき、ステップＳ１３から一旦処理を抜け、次の処理周期で、発電量Ｐｗを新たに算出して充電と放電とを切換える。この充放電の切換えは、通常の状態では、制御リミッタである電圧上限値Ｖｍａｘ’や電圧下限値Ｖｍｉｎ’に徐々に近づく方向に可変され、これにより、パルス充放電の電圧パルス幅が徐々に長くなる（周期が徐々に長くなる）。
【００７６】
一方、ステップＳ１１において、発電量Ｐｗが変動したときには、ステップＳ１４へ分岐して、再度、ステップＳ８と同様の判定、すなわち、発電量Ｐｗにより算出したエンジン回転数Ｎ及びエンジントルクＥｑが、エンジン３を制御可能な上限及び下限の範囲内にあり、エンジン３に対する制御指示が可能か否かを判定する。そして、ステップＳ１４において、エンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが規定範囲内で制御不能と判断される場合には、ステップＳ１４から処理を抜けて一旦エンジン３を停止させ、次の処理周期で目標充放電電圧Ｖ’を再設定する。
【００７７】
また、エンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが規定範囲内にあり、エンジン３の制御可能範囲内にある場合には、ステップＳ１４からステップＳ１５へ進み、エンジン回転数Ｎの指示値を変更、又は対応するエンジントルクＥｑの指示値を出力し、ステップＳ１０へ戻り、充放電のモードを決定してパルス充放電を継続する。このような充放電を、セル温度Ｔ、入出力可能パワー量Ｐ、残存容量ＳＯＣ等の監視結果に応じてパルス充放電の電圧振幅や周期を可変しながら続行し、セル温度が上昇して規定温度に到達したときには、ステップＳ２或いはステップＳ３から処理を抜けて実質的にウォームアップを終了する。
【００７８】
尚、以上の実施の形態では、シリーズハイブリッド車について説明したが、本発明は、シリーズハイブリッド車に限定されることなく、シリーズ・パラレルハイブリッド車にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】ハイブリッド車のシステム構成図
【図２】残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図
【図３】電流容量テーブルの説明図
【図４】等価回路モデルを示す回路図
【図５】インピーダンステーブルの説明図
【図６】残存容量テーブルの説明図
【図７】ウェイトテーブルの説明図
【図８】パワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図
【図９】バッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート
【図１０】バッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート（続き）
【図１１】パルス充放電の制御状態を示す説明図
【符号の説明】
【００８０】
１ 駆動モータ
２ ジェネレータ（発電機）
３ エンジン
６ バッテリ
７ 演算ユニット（目標充放電電圧設定手段）
２０ ハイブリッド制御用電子制御ユニット（発電量算出手段、エンジン制御手段）
Ｖ’ 目標充放電電圧（目標電圧）
ΔＰ 充放電パワー量（充放電電力）
ＰＤＲ 走行パワー量
Ｐｗ 発電量
Ｖ 端子電圧
Ｖｏ 開放電圧
Ｒ 内部抵抗
ＳＯＣ 残存容量（合成後の残存容量）
ＳＯＣｃ 残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ 残存容量（第２の残存容量）
ｗ ウェイト
代理人 弁理士 伊 藤 進
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンとモータとを併用するハイブリッド車に搭載されるバッテリの充放電を制御して該バッテリの内部発熱による暖機を行なうハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、バッテリは、温度が低下すると容量が低下するため、電気自動車やハイブリッド自動車等の走行用電力源として用いられた場合、始動不良や制御性の悪化を招く可能性がある。このため、従来から、ヒータやバッテリの内部抵抗を利用した発熱により、低温時にバッテリを暖機する技術が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、バッテリの温度が所定温度未満である場合、バッテリの充電又は放電の少なくとも一方を行ない、また、放電時には、バッテリの側部に配置された抵抗器により放電電力を供給して外部からバッテリを暖める技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、バッテリの温度と電圧と電流とから充電可能電力あるいは放電可能電力を演算し、その演算結果と予め定められた充電電力あるいは放電電力のそれぞれの所望値により、バッテリの暖機運転の可否を決定する技術が開示されている。
【０００５】
更に、特許文献３には、バッテリの温度が所定値以下の場合、バッテリの充電状態が予め設定された閾値以上のときには、閾値以上の所定領域内で充放電を繰り返し、充電状態が閾値未満のときには、閾値未満の所定領域内で充放電を繰り返す技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−４０５３６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３７０４号公報
【特許文献３】特開２００３−２７２７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の技術は、低温時に充放電の目安として残存容量（充電状態；ＳＯＣ）１００％付近を基準としているため、バッテリ保護の観点から望ましくないばかりでなく、電圧・電流の細かい制御が困難である。また、低温でバッテリの内部抵抗が大きい場合には、最初からフル容量での充電は困難であると推測される。更には、バッテリの外部にヒータを使用した場合、バッテリ本体に霜付きが発生する虞がある。
【０００７】
特許文献２に開示の技術は、電気車のモータ単体での充放電制御であり、ハイブリッド車へ適用する場合には、装置及び制御が複雑化し、適用が困難である。更に、特許文献３に開示の技術は、バッテリの温度上昇のスピードが車両の運転状況によって大きく左右されるため、短時間で或る程度の急激な発熱が継続的に必要な低温時は（例えば、０°Ｃ以下）、すぐに熱が奪われてしまい、効率が低下する虞がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両の運転状況やバッテリの残存容量に応じて適切に充放電を制御し、バッテリの内部発熱による温度上昇を促進してバッテリ容量を早期に回復させることのできるハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明によるハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置は、走行駆動力を発生するモータに電力を供給すると共に、エンジンによって駆動される発電機からの発電電力によって充電されるバッテリの充放電を制御して該バッテリの内部発熱による暖機を行なうハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置において、上記バッテリを暖機するための充放電電圧の目標電圧を、上記バッテリの残存容量を含むバッテリ状態に基づく上下限範囲内で設定する目標充放電電圧設定手段と、上記目標電圧に対応する充放電電力と上記モータの要求トルクに基づく走行用電力とに基づいて上記発電機の発電量を算出する発電量算出手段と、上記バッテリの温度が規定温度未満のとき、上記バッテリの端子電圧が上記目標電圧に収束するよう上記発電機の発電量を制御するエンジン制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
その際、発電機の発電量は、バッテリの端子電圧と上記目標電圧との差、バッテリの開放電圧、及びバッテリの内部抵抗より充放電電力を算出し、算出した充放電電力の走行用電力に対する減算或いは加算分として算出することが望ましい。また、エンジンを介した発電機による充電モードと放電モードとの切換えは、バッテリの端子電圧と目標電圧との差が基準値以内にない場合、充電モードと放電モードとの切換えを禁止する一方、充放電電流の電流変化量或いは充放電電力が既定値に達したときには、充電モードと放電モードとの切換えを強制的に行うことが望ましく、エンジンの回転数或いはトルクの指示値が予め設定した上下限範囲を逸脱した場合には、エンジンを停止させ、新たな目標電圧と新たな発電量とに基づいて発電機の制御を再開することが望ましい。
【００１１】
バッテリ暖機の目標電圧を設定する際に用いるバッテリ残存容量は、バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量とバッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とをバッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成することで、高精度に演算することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置は、車両の運転状況やバッテリの残存容量に応じて適切に充放電を制御することができ、バッテリの内部発熱による温度上昇を促進してバッテリ容量を早期に回復させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１１は本発明の実施の一形態に係わり、図１はハイブリッド車のシステム構成図、図２は残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図、図３は電流容量テーブルの説明図、図４は等価回路モデルを示す回路図、図５はインピーダンステーブルの説明図、図６は残存容量テーブルの説明図、図７はウェイトテーブルの説明図、図８はパワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図、図９及び図１０はバッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート、図１１はパルス充放電の制御状態を示す説明図である。
【００１４】
図１は、ハイブリッド（ＨＥＶ）車のシステム構成を示し、本形態においては、走行駆動用の駆動モータ（交流モータ）１と、この駆動モータ１と別体で配置されたジェネレータ（発電機）２と、ジェネレータ２を駆動するエンジン３とを備えたシリーズハイブリッド車である。駆動モータ１は、電源ユニット４からの直流電力を交流電力に変換する駆動用インバータ５によって駆動され、出力軸に連結される図示しないギヤ等を介して駆動輪に走行駆動力を伝達する。
【００１５】
電源ユニット４は、例えば複数のセルを封止した電池パックを複数個直列に接続して構成されるバッテリ６と、このバッテリ６のエネルギーマネージメントを行う演算ユニット（演算ＥＣＵ）７とを１つの筐体内にパッケージしたものである。この電源ユニット４のバッテリ６は、駆動用インバータ５を介して駆動モータ１に電力を供給し、ジェネレータ２で発電した交流電力を直流電力に変換する発電用インバータ８によって充電される。
【００１６】
また、電源ユニット４の演算ＥＣＵ７は、マイクロコンピュータ等から構成され、バッテリ６の充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量ＳＯＣやバッテリ６における入出力可能な最大電力で示される入出力可能パワー量Ｐの演算、バッテリ６の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等のエネルギーマネージメントを行うと共に、低温時にバッテリ６を暖機（ウォームアップ）し、温度低下によって低下したバッテリ容量を早期に回復させ、始動不良や制御性の悪化を防止するウォームアップ制御を行うようにしている。
【００１７】
このバッテリ６のウォームアップ制御は、電源ユニット４の演算ＥＣＵ７と、アクセル開度やブレーキ信号等の運転者の操作による信号に基づいて駆動モータ１及びエンジン３（ジェネレータ２）を含むＨＥＶ制御系を統合的に制御するＨＥＶ制御用電子制御ユニット（ＨＥＶ制御用ＥＣＵ）２０との連携によって実行される。このため、演算ＥＣＵ７は、ウォームアップ制御の各パラメータ（後述する目標充放電電圧Ｖ’やバッテリ内部抵抗Ｒ等のパラメータ）を算出し、これらのパラメータを、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）通信等を介してＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０に送信する。
【００１８】
ＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０は、同様に、マイクロコンピュータ等を中心として構成され、図１においては、エンジン３（ジェネレータ２、発電用インバータ８）、駆動モータ１（駆動用インバータ５）を制御するコントローラ機能を含むものとして図示しているが、それぞれ個別の装置として構成しても良い。
【００１９】
本形態におけるバッテリ６のウォームアップ制御は、ジェネレータ２の出力によるバッテリ６の充電と放電とを繰返して内部抵抗による発熱を生じさせ、セル温度を上昇させる方式を採用しており、車両としての走行性を損なうことなくジェネレータ２の発電量を効率良く制御し、バッテリ本来の容量を迅速に回復させることを可能としている。
【００２０】
この場合、バッテリのウォームアップを効率的に行うためには、残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐを高精度に把握する必要があり、本形態においては、残存容量ＳＯＣ及び入出力可能パワー量Ｐを、特有のアルゴリズムに従って高精度に演算している。先ず、本形態における残存容量ＳＯＣ、入出力可能パワー量Ｐの演算処理について説明する。
【００２１】
演算ＥＣＵ７における残存容量ＳＯＣの演算は、電圧センサ１０で測定したバッテリ６の端子電圧Ｖ、電流センサ１１で測定したバッテリ６の充放電電流Ｉ、温度センサ１２で測定したバッテリ６の温度（セル温度）Ｔに基いて、図２に示す推定アルゴリズムに従って実行される。
【００２２】
このＳＯＣ推定アルゴリズムでは、バッテリ６で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、電流積算に基づく第１の残存容量としての残存容量ＳＯＣｃと、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値に基づく第２の残存容量としての残存容量ＳＯＣｖとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した残存容量ＳＯＣを、バッテリ６の残存容量として出力する。
【００２３】
電流Ｉの積算による残存容量ＳＯＣｃと、開放電圧Ｖｏの推定による残存容量ＳＯＣｖとは、それぞれに一長一短があり、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。一方、開放電圧推定による残存容量ＳＯＣｖは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。
【００２４】
従って、本ＳＯＣ推定アルゴリズムでは、電流Ｉを積算して求めた残存容量ＳＯＣｃ(t)と、バッテリ開放電圧Ｖｏの推定値から求めた残存容量ＳＯＣｖ(t)とを、バッテリ６の使用状況に応じて随時変化させる第１のウェイト（重み係数）としてのウェイトｗにより重み付けして合成することにより、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。ウェイトｗは、ｗ＝０〜１の間で変化させ、合成後の最終的な残存容量ＳＯＣ(t)は、以下の（１）式で与えられる。
ＳＯＣ(t)＝ｗ・ＳＯＣｃ(t)＋(１−ｗ)・ＳＯＣｖ(t)…（１）
【００２５】
ウェイトｗは、現在のバッテリの使用状況を的確に表すことのできるパラメータを用いて決定する必要があり、そのパラメータとしては、単位時間当たりの電流の変化率や残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの間の偏差等を用いることが可能である。単位時間当たりの電流変化率は、バッテリの負荷変動を直接的に反映しているが、単なる電流変化率では、スパイク的に発生する電流の急激な変化の影響を受けてしまう。
【００２６】
従って、本形態においては、瞬間的に発生する電流の変化の影響を防止するため、所定のサンプリング数の単純平均、移動平均、加重平均等の処理を施した電流変化率を用いるようにしており、特に、電流の遅れを考慮した場合、バッテリの充放電状態の変化に対して、過去の履歴を過剰となることなく適切に反映することのできる移動平均を用いてウェイトｗを決定するようにしている。
【００２７】
この電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流積算のウェイトを高くして開放電圧推定のウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流積算によって正確に反映すると共に、開放電圧推定時の振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流積算のウェイトを下げ、開放電圧推定のウェイトを高くすることにより、電流積算時の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧の推定により正確な残存容量を算出することができる。
【００２８】
すなわち、電流Ｉの移動平均は、電流の高周波成分に対するローパスフィルタとなり、この移動平均のフィルタリングにより、走行中の負荷変動で発生する電流のスパイク成分を、遅れ成分を助長することなく除去することができる。これにより、バッテリ状態をより的確に把握することができ、残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖ双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出し、残存容量の推定精度を大幅に向上することができる。
【００２９】
更に、本ＳＯＣ推定アルゴリズムの特徴として、電池理論に基づいてバッテリ内部状況を電気化学的に把握し、バッテリ開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖの演算精度の向上を図っている。次に、ＳＯＣ推定アルゴリズムによる残存容量ＳＯＣｃ，ＳＯＣｖの演算について詳述する。
【００３０】
先ず、電流積算による残存容量ＳＯＣｃは、以下の（２）式に示すように、ウェイトｗを用いて合成した残存容量ＳＯＣをベース値として、所定時間毎に電流Ｉを積算して求められる。
ＳＯＣｃ(t)＝ＳＯＣ(t-1)−∫[(１００ηＩ／Ａｈ)＋ＳD]ｄｔ／３６００…（２）
但し、η ：電流効率
Ａｈ：電流容量（温度による変数）
ＳD ：自己放電率
【００３１】
（２）式における電流効率η及び自己放電率ＳDは、それぞれ定数と見なすことができるが（例えば、η＝１、ＳD＝０）、電流容量Ａｈは、温度に依存して変化する。従って、この電流積算による残存容量ＳＯＣｃの算出に際しては、温度によるセル容量の変動を関数化して算出した電流容量Ａｈを用いる。
【００３２】
図３は、温度Ｔをパラメータとして、所定の基準とする定格容量（例えば、所定セル数を基準単位とした場合の定格電流容量）に対する容量比Ａｈ’を格納した電流容量テーブルの例を示すものであり、常温（２５°Ｃ）における容量比Ａｈ’（＝１．００）に対し、低温になる程、電流容量が減少するため、容量比Ａｈ’の値が大きくなる。この電流容量テーブルから参照した容量比Ａｈ’を用い、計測対象毎の温度Ｔにおける電流容量Ａｈを算出することができる。
【００３３】
また、（２）式による残存容量ＳＯＣｃ(t)の演算は、具体的には演算ＥＣＵ７における離散時間処理によって実行され、１演算周期前の合成残存容量ＳＯＣ(t-1)を、電流積算のベース値として入力している（図２のブロック図における遅延演算子Ｚ-1）。従って、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。
【００３４】
一方、開放電圧Ｖｏの推定に基づく残存容量ＳＯＣｖを求めるには、先ず、図４に示す等価回路モデルを用いてバッテリの内部インピーダンスＺを求める。この等価回路は、抵抗分Ｒ１〜Ｒ３、容量分Ｃ１，ＣＰＥ１，ＣＰＥ２（但し、ＣＰＥ１，ＣＰＥ２は二重層容量分）の各パラメータを、直列及び並列に組合わせた等価回路モデルであり、交流インピーダンス法における周知のCole-Coleプロットをカーブフィッティングすることにより、各パラメータを決定する。
【００３５】
これらのパラメータから求められるインピーダンスＺは、バッテリの温度や電気化学的な反応速度、充放電電流の周波数成分によって大きく変化する。従って、インピーダンスＺを決定するパラメータとして、前述の単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値を周波数成分の置き換えとして採用し、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定を行ってデータを蓄積した後、温度Ｔと単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値とに基づいてインピーダンスＺのテーブルを作成する。そして、このテーブルを利用してインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと、実測した端子電圧Ｖと電流Ｉとから、以下の（３）式を用いて開放電圧Ｖｏの推定値を求める。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ・Ｚ…（３）
【００３６】
尚、電流Ｉの移動平均値は、例えば、電流Ｉのサンプリングを０．１ｓｅｃ毎、電流積算の演算周期を０．５ｓｅｃ毎とした場合、５個のデータを移動平均して求められる。前述したように、電流Ｉの移動平均値は、ウェイトｗを決定するパラメータとしても用いられ、ウェイトｗ、インピーダンスＺの演算を容易としているが、詳細には、低温になる程、バッテリの内部インピーダンスが増加して電流変化率が小さくなるため、後述するように、ウェイトｗ、インピーダンスＺは、直接的には、電流Ｉの移動平均値を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔを用いて決定する。
【００３７】
図５は、電流変化率ΔＩ／Δｔ（単位時間当たりの電流Ｉの移動平均値）を温度補正した補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔと温度Ｔとをパラメータとして、等価回路のインピーダンスＺを格納したインピーダンステーブルの例を示すものであり、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが同じ場合には、温度Ｔが低くなる程、インピーダンスＺが増加し、同じ温度では、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、インピーダンスＺが増加する傾向を有している。
【００３８】
尚、図５及び後述する図６に示すテーブルにおいては、通常の条件下で使用される範囲のデータを示し、他の範囲のデータは記載を省略してある。
【００３９】
開放電圧Ｖｏの推定後は、バッテリ内の電気化学的な関係に基づいて残存容量ＳＯＣｖを演算する。具体的には、平衡状態での電極電位とイオンの活量との関係を記述した周知のネルンストの式を適用し、開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとの関係を表すと、以下の（４）式を得ることができる。
Ｖｏ＝Ｅ＋[(Ｒｇ・Ｔ／Ｎｅ・Ｆ)×ｌｎＳＯＣｖ／(１００−ＳＯＣｖ)]＋Ｙ…（４）
但し、Ｅ ：標準電極電位（本形態のリチウムイオン電池では、Ｅ＝３．７４５）
Ｒｇ：気体定数（８．３１４Ｊ／ｍｏｌ−Ｋ）
Ｔ ：温度（絶対温度Ｋ）
Ｎｅ：イオン価数（本形態のリチウムイオン電池では、Ｎｅ＝１）
Ｆ ：ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）
【００４０】
尚、（４）式におけるＹは補正項であり、常温における電圧−ＳＯＣ特性をＳＯＣの関数で表現したものである。ＳＯＣｖ＝Ｘとすると、以下の（５）式に示すように、ＳＯＣの三次関数で表すことができる。
Ｙ＝−１０-6Ｘ3＋９・１０-5Ｘ2＋０．０１３Ｘ−０．７３１１…（５）
【００４１】
以上の（４）式により、残存容量ＳＯＣｖには、開放電圧Ｖｏのみならず温度Ｔとの間にも強い相関性があることがわかる。この場合、開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータとして、直接、（４）式を用いて残存容量ＳＯＣｖを算出することも可能であるが、実際には、使用する電池特有の充放電特性や使用条件等に対する考慮が必要となる。
【００４２】
従って、以上の（４）式の関係から実際の電池の状態を把握する場合には、常温でのＳＯＣ−Ｖｏ特性を基準として、各温度域での充放電試験或いはシミュレーションを行い、実測データを蓄積する。そして、蓄積した実測データから開放電圧Ｖｏと温度Ｔとをパラメータする残存容量ＳＯＣｖのテーブルを作成しておき、このテーブルを利用して残存容量ＳＯＣｖを求める。図６は、残存容量テーブルの例を示すものであり、概略的には、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが低くなる程、残存容量ＳＯＣｖが小さくなり、温度Ｔ及び開放電圧Ｖｏが高くなる程、残存容量ＳＯＣｖが大きくなる傾向を有している。
【００４３】
そして、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを算出した後は、前述の（１）式に示したように、残存容量ＳＯＣｃ,ＳＯＣｖを、テーブル参照等によって決定したウェイトｗを用いて重み付け合成し、残存容量ＳＯＣを算出する。図７は、ウェイトｗを決定するためのウェイトテーブルの例を示し、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔをパラメータとする一次元テーブルである。このウェイトテーブルは、概略的には、補正後電流変化率ＫΔＩ／Δｔが小さくなる程、すなわち、バッテリ負荷変動が小さい程、ウェイトｗの値を小さくして電流積算による残存容量ＳＯＣｃの重みを小さくする傾向を有している。
【００４４】
一方、入出力可能パワー量Ｐの演算は、ＳＯＣ推定アルゴリズムと同様の図８に示す演算アルゴリズムに従って実行される。この演算アルゴリズムでは、バッテリ６で測定可能なパラメータ、すなわち、端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔを用い、バッテリ６の開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶと、バッテリ６の電流Ｉに基づくパワー量ＰＣとを並行して演算し、それぞれを重み付けして合成した値をバッテリ６のパワー量Ｐとして出力する。
【００４５】
すなわち、バッテリ６の開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶは、通常の使用時において、略正確な値を求めることが可能であるが、負荷が短時間で大きく変動したときに値が振動する可能性がある。一方、バッテリ６の電流Ｉに基づくパワー量ＰＣは、誤差が累積し易く、特に高負荷継続時の誤差が大きい反面、突入電流等の負荷変動に強い。従って、本パワー量演算アルゴリズムでは、開放電圧Ｖｏに基づいて求めたパワー量ＰＶと電流Ｉに基づいて求めたパワー量ＰＣとを、バッテリ６の使用状況に応じて随時変化させる第２のウェイトとしてのウェイトｗｐにより重み付けして合成し、双方の欠点を打消して互いの利点を最大限に引き出すようにしている。
【００４６】
ウェイトｗｐは、残存容量ＳＯＣの合成に用いるウェイトｗと同様、電流Ｉの移動平均に基づいて決定されるものであり（ｗｐ＝０〜１）、合成後の最終的なパワー量Ｐは、以下の（６）式で与えられる。
Ｐ＝ｗｐ・ＰＣ＋(１−ｗｐ)・ＰＶ…（６）
【００４７】
電流Ｉの移動平均値に基づいてウェイトｗｐを決定することにより、電流Ｉの移動平均値が大きいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを高くして開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを下げ、負荷変動の影響を電流によって正確に反映すると共に振動を防止することができる。逆に、電流Ｉの移動平均値が小さいときには、電流Ｉに基づくパワー量ＰＣのウェイトを下げ、開放電圧Ｖｏに基づくパワー量ＰＶのウェイトを高くすることにより、電流の誤差の累積による影響を回避し、開放電圧に基づく正確なパワー量を算出することができる。
【００４８】
（６）式に示すパワー量Ｐは、詳細には、バッテリ６に入力（充電）可能な最大電力量で示される入力可能パワー量Ｐchargeと、バッテリ６から出力（放電）可能な最大電力量で示される出力可能パワー量Ｐdischargeとを総称するものであり、それぞれ、（６）式を基本とする以下の（７），（８）式により個別に演算される。
【００４９】
すなわち、入力可能パワー量Ｐchargeは、以下の（７）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＶchargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の入力可能パワー量としてのパワー量ＰＣchargeとを重み付け合成した値として求められる。また、出力可能パワー量Ｐdischargeは、以下の（８）式により、開放電圧Ｖｏに基づく第１の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＶdischargeと、電流Ｉの移動平均に基づく第２の出力可能パワー量としてのパワー量ＰＣdischargeとを重み付け合成した値として求められる。
Ｐcharge＝ｗｐ・ＰＣcharge＋(１−ｗｐ)・ＰＶcharge…（７）
Ｐdischarge＝ｗｐ・ＰＣdischarge＋(１−ｗｐ)・ＰＶdischarge…（８）
【００５０】
各パワー量ＰＶcharge,ＰＶdischarge,ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、具体的には、バッテリ６の内部インピーダンスＺ、開放電圧Ｖｏ、予め定められたバッテリの特性を保証する上下限のバッテリ電圧である上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎ、電流Ｉの移動平均値、１演算周期前の入力可能パワー量Ｐcharge(t)、１演算期前の出力可能パワー量Ｐdischarge(t)を用いて演算される。
【００５１】
上限電圧Ｖｍａｘ、下限電圧Ｖｍｉｎは、それぞれ、残存容量ＳＯＣの上限（１００％）を与える電圧、下限（０％）を与える電圧として定義することができ、温度に依存して変化することから、温度Ｔをパラメータとするテーブルを参照して求める。上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎのテーブルは、温度Ｔをパラメータとして上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎを格納した専用のテーブルを作成しておき、この専用のテーブルを参照して求めても良いが、残存容量ＳＯＣの演算で用いる残存容量テーブル（図６参照）を利用し、所定の温度Ｔにおける開放電圧Ｖｏの上下限を参照することにより、その温度Ｔでの上限電圧Ｖｍａｘ，下限電圧Ｖｍｉｎを知ることができる。
【００５２】
そして、入力可能パワー量ＰＶchargeは、以下の（９）式に示すように、上限電圧Ｖｍａｘと開放電圧Ｖｏとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、上限電圧Ｖｍａｘを乗算した電力量として求められる。また、出力可能パワー量ＰＶdischargeは、以下の（１０）式に示すように、開放電圧Ｖｏと下限電圧Ｖｍｉｎとの差をインピーダンスＺで除算して得られる電流値に、下限電圧Ｖｍｉｎを乗算した電力量として求められる。
ＰＶcharge＝［（Ｖｍａｘ−Ｖｏ）／Ｚ］・Ｖｍａｘ…（９）
ＰＶdischarge＝［（Ｖｏ−Ｖｍｉｎ）／Ｚ］・Ｖｍｉｎ…（１０）
【００５３】
一方、電流Ｉの移動平均に基づくパワー量ＰＣcharge,ＰＣdischargeは、離散時間処理における１演算周期前の合成パワー量Ｐ(t-1)をベース値として用いており（図８のブロック図における遅延演算子Ｚ-1）、誤差が累積したり、発散することがなく、万一、初期値が真値と大きく異なっていても、所定の時間経過後（例えば、数分後）には、真値に収束させることができる。
【００５４】
すなわち、電流Ｉの移動平均値をＩ’とすると、以下の（１１）式に示すように、１演算周期前の合成入力可能パワー量Ｐcharge(t-1)と、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺをを乗算した入力電力量Ｉ'2Ｚとにより、現時点での入力可能パワー量ＰＣchargeを求める。また、以下の（１２）式に示すように、１演算周期前の合成出力可能パワー量ＰＣdischargeと、移動平均値Ｉ’にインピーダンスＺを乗算した出力電力量Ｉ'2Ｚとにより、現時点での出力可能パワー量ＰＣdischargeを求める。
ＰＣcharge＝Ｐcharge(t-1)−Ｉ'2Ｚ…（１１）
ＰＣdischarge＝Ｐdischarge(t-1)−Ｉ'2Ｚ…（１２）
【００５５】
そして、前述の（７）式に示したように、（９）式により算出した入力可能パワー量ＰＶchargeと、（１１）式により算出した入力可能パワー量ＰＣchargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、入力可能パワー量Ｐchargeを算出する。また、前述の（８）式に示したように、（１０）式により算出した出力可能パワー量ＰＶdischargeと、（１２）式により算出した出力可能パワー量ＰＣdischargeとをウェイトｗｐを用いて重み付けして合成し、出力可能パワー量Ｐdischargeを算出する。
【００５６】
以上の残存容量ＳＯＣや入出力可能パワー量Ｐからは、演算ＥＣＵ７の目標充放電電圧設定手段としての機能により、バッテリ６のウォームアップ制御における充放電パターンの電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’の範囲内で充放電電圧の目標値が設定される。この充放電パターンは、充電と放電とを交互にパルス状に繰返すパターンであり、本形態においては、効率の良い発熱を促すため、ＣＶ（Constant Voltage）充放電を採用している。ＣＶ充放電を採用する理由は、バッテリの内部抵抗（内部インピーダンス）は、同じ温度では電流変化率が小さくなる程、つまり交流よりも直流を流したほうが大きくなることと、充放電の立ち上がり時に大電流が流れるが、時間と共に０に収束するためである。
【００５７】
電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’は、それぞれ、パルス充放電における最大電圧、最小電圧を規制してバッテリを保護するための制御リミッタであり、温度に依存して変化する上限電圧Ｖｍａｘ及び下限電圧Ｖｍｉｎからバッテリの劣化度を考慮して設定される。そして、この電圧上限値Ｖｍａｘ’と電圧下限値Ｖｍｉｎ’との範囲内で、パルス充放電制御における目標電圧としての目標充放電電圧Ｖ’が決定され、バッテリ６の端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に収束するよう、エンジン３を介してジェネレータ２の発電量Ｐｗを制御する。
【００５８】
エンジン３を介したジェネレータ２の制御は、ＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０の発電量算出手段及びエンジン制御手段としての機能により、駆動モータ１による走行に必要なパワー量（走行パワー量）ＰＤＲに対して目標充放電電圧Ｖ’に収束させるためのパワー量（充放電パワー量）ΔＰを加算或いは減算してジェネレータ２の発電量Ｐｗを求め、ジェネレータ２の出力が発電量Ｐｗとなるようにエンジン３を制御する。
【００５９】
走行パワー量ＰＤＲは、現在の車速及びモータ要求トルクから算出することができ、充放電パワー量ΔＰは、以下の（１３），（１３’）式に示すように、放電の場合と充電の場合とに対し、現在のバッテリ６の開放電圧Ｖｏと目標充放電電圧Ｖ’との差、及びバッテリ６の内部抵抗Ｒ（内部インピーダンスＺ）を用いて算出することができる。
放電の場合
ΔＰ＝(Ｖ’−Ｖｏ)2／Ｒ…（１３）
但し、ΔＰ≦Ｐｄ（出力可能パワー量Ｐdischargeに基づく放電可能パワー量）
充電の場合
ΔＰ＝−(Ｖ’−Ｖｏ)2／Ｒ…（１３’）
但し、ΔＰ≧Ｐｃ（入力可能パワー量Ｐchargeに基づく充電可能パワー量）
【００６０】
そして、走行パワー量ＰＤＲと充放電パワー量ΔＰとを用い、以下の（１４）式に示すように、ジェネレータ２の発電量Ｐｗを算出することができる。すなわち、充電の場合には、発電量Ｐｗは、走行パワー量ＰＤＲに充放電パワー量ΔＰを加算して上乗せした値となり、放電の場合には、発電量Ｐｗは、駆動モータ１の走行パワー量ＰＤＲから充放電パワー量ΔＰを減算した値となる。
Ｐｗ＝ＰＤＲ−ΔＰ…（１４）
【００６１】
（１４）式による発電量Ｐｗは、エンジン３の回転数制御を主とするジェネレータ２の制御により、バッテリ６の端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に収束するよう制御される。このときのエンジントルクＥｑ、エンジン回転数Ｎ、発電量Ｐｗの関係は、以下の（１５）式に示す関係となる。
Ｅｑ＝６０×Ｐｗ／２πＮ…（１５）
【００６２】
次に、以上のバッテリウォームアップ制御処理について、図９及び図１０に示すフローチャートを用いて説明する。尚、図９及び図１０のフローチャートは、電源ユニット４の演算ＥＣＵ７及びＨＥＶ制御用ＥＣＵ２０によるシステム全体の動作の流れを示すものであり、低温時に所定時間毎に実行され、バッテリ温度が回復して本来の容量を発揮できるようになった時点で終了される。
【００６３】
この処理がスタートすると、先ず、ステップＳ１において、バッテリ６の端子電圧Ｖ、電流Ｉ、温度Ｔ、残存容量ＳＯＣ(t-1)、入出力可能パワー量Ｐのデータ入力の有無を調べる。尚、端子電圧Ｖは複数の電池パックの平均値、電流Ｉは複数の電池パックの電流の総和を取り、それぞれ、例えば０．１ｓｅｃ毎にデータを取得するものとする。また、温度Ｔは、例えば１０ｓｅｃ毎に取得するものとする。
【００６４】
その結果、ステップＳ１において新たなデータ入力がない場合には、そのまま本処理を抜け、新たなデータ入力がある場合、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで、セル温度Ｔが規定温度以下か否かを調べる。この規定温度は、それ未満の温度ではバッテリ容量の低下により制御上の支障が生じる虞のある温度であり、例えば、図３の電流容量テーブルで示される特性から、予め規定温度が１０°Ｃに設定されている。
【００６５】
そして、セル温度Ｔが規定温度を越えており、ウォームアップを要しない場合には、ステップＳ２から処理を抜ける。また、規定温度以下の場合には、ステップＳ３へ進んで、セル温度Ｔが規定温度に到達しているか否かを調べ、規定温度に到達している場合には、同様に処理を抜け、規定温度に到達していない場合、ステップＳ４へ進む。
【００６６】
ステップＳ４では、ＣＶ充放電における制御リミッタとしての電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’を、バッテリ温度Ｔ、上限電圧Ｖｍａｘ、下限電圧Ｖｍｉｎ、劣化度等を考慮して決定し、ステップＳ５で、ＣＶ充放電における目標充放電電圧Ｖ’を、パルス充放電における充電モード及び放電モードに対してそれぞれ決定する。
【００６７】
次に、ステップＳ６へ進み、バッテリ６の端子電圧Ｖ、目標充放電電圧Ｖ’、内部抵抗Ｒを用い、前述の（１３）式に従って充放電パワー量ΔＰを演算する。そして、ステップＳ７で、前述の（１４）式に従って、現在の車速及びモータ要求トルクから算出される走行パワー量ＰＤＲから充放電パワー量ΔＰを減算して発電量Ｐｗを算出する。
【００６８】
続くステップＳ８では、発電量Ｐｗから前述の（１５）式に基づいて算出したエンジン回転数Ｎ及びエンジントルクＥｑが、エンジン３を予め設定した制御可能な上限及び下限の範囲内にあり、エンジン３に対する制御指示が可能か否かを判定する。その結果、ステップＳ７で算出した発電量Ｐｗの値が小さく、エンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが設定範囲を逸脱して制御不能と判断される場合には、ステップＳ８から処理を抜けて一旦エンジン３を停止させ、次の処理周期で目標充放電電圧Ｖ’を再設定する。
【００６９】
また、ステップＳ７で算出した発電量Ｐｗから算出されるエンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが設定範囲内にあり、エンジン３の制御可能範囲内にある場合には、ステップＳ８からステップＳ９へ進み、エンジン回転数Ｎの指示値を出力する。そして、ステップＳ１０でパルス充放電における充電モード或いは放電モードを決定し、エンジン３を介してジェネレータ２の発電量Ｐｗを制御する。
【００７０】
このエンジン３を介したジェネレータ２の発電量Ｐｗの制御（パルス充放電）は、例えば、エンジン３のスロットル開度をエンジン回転数Ｎの指示値に基づいて調整する等して行われ、バッテリ６の端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に一致するよう、比例及び積分フィードバック制御等により行われる。但し、積分フィードバックを実施する場合には、充放電の切換時に積分器をリセットする。
【００７１】
このとき、図１１に示すように、エンジン３（ジェネレータ２）が停止状態から始動したとき最初の充放電のスタートは、電池セルへの負担を軽減するため、そのときの残存容量ＳＯＣを基準として振幅値を小さく周期を短くするように初期設定する。その後、セル温度Ｔ，残存容量ＳＯＣ，入出力可能パワー量Ｐ，電流値Ｉ，電圧Ｖ等のパラメータを監視しながら、ジェネレータ２の発電量Ｐｗが電圧上限値Ｖｍａｘ’及び電圧下限値Ｖｍｉｎ’の範囲内でパルス状に増減され、バッテリ電圧及びバッテリ電流の振幅が大きく且つ周期が長くされる。
【００７２】
この発電量Ｐｗに対する指示は、図１１に破線で示す走行パワー量ＰＤＲに加算される分がバッテリ６を充電する充電モードになり、走行パワー量ＰＤＲから減算される分がバッテリ６から放電する放電モードとなる。これにより、車両としての駆動要求に対する走行パワー量ＰＤＲを満足しながら、バッテリ６の充放電による暖機を行うことができ、車両の走行性を損なうことなく、バッテリ本来の容量を迅速に回復させることができる。
【００７３】
その後、ステップＳ１０からステップＳ１１へ進み、負荷の変動等により発電量Ｐｗに基準以上の変動があるか否かを調べる。その結果、発電量Ｐｗの変動がない場合には、ステップＳ１１からステップＳ１２へ進み、目標充放電電圧Ｖ’とバッテリ端子電圧Ｖとの差が基準値以内か否かを調べる。
【００７４】
そして、ステップＳ１２において、目標充放電電圧Ｖ’とバッテリ端子電圧Ｖとの差が基準値以内にない場合には、ステップＳ１２からステップＳ１１へ戻って現在の充電或いは放電状態を維持する。すなわち、ジェネレータ２の発電制御によりバッテリ端子電圧Ｖが目標充放電電圧Ｖ’に近づいても、互いの差が基準値以内に達するまでは、充放電の切換えを禁止する。
【００７５】
また、ステップＳ１２において、目標充放電電圧Ｖ’とバッテリ端子電圧Ｖとの差が基準値以内となったときには、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進み、充放電を切換える条件が成立する状態となったか否かを調べる。充放電の切換条件は、例えば、充放電パワー量が予め規定した充放電量（充電可能パワー量Ｐｃ、或いは放電可能パワー量Ｐｄ）に達したとき、或いは充放電電流の変化量が規定電流変化量に達したときであり、この充放電切換条件が成立しない場合には、ステップＳ１１へ戻り、充放電切換条件が成立したとき、ステップＳ１３から一旦処理を抜け、次の処理周期で、発電量Ｐｗを新たに算出して充電と放電とを切換える。この充放電の切換えは、通常の状態では、制御リミッタである電圧上限値Ｖｍａｘ’や電圧下限値Ｖｍｉｎ’に徐々に近づく方向に可変され、これにより、パルス充放電の電圧パルス幅が徐々に長くなる（周期が徐々に長くなる）。
【００７６】
一方、ステップＳ１１において、発電量Ｐｗが変動したときには、ステップＳ１４へ分岐して、再度、ステップＳ８と同様の判定、すなわち、発電量Ｐｗにより算出したエンジン回転数Ｎ及びエンジントルクＥｑが、エンジン３を制御可能な上限及び下限の範囲内にあり、エンジン３に対する制御指示が可能か否かを判定する。そして、ステップＳ１４において、エンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが規定範囲内で制御不能と判断される場合には、ステップＳ１４から処理を抜けて一旦エンジン３を停止させ、次の処理周期で目標充放電電圧Ｖ’を再設定する。
【００７７】
また、エンジントルクＥｑやエンジン回転数Ｎが規定範囲内にあり、エンジン３の制御可能範囲内にある場合には、ステップＳ１４からステップＳ１５へ進み、エンジン回転数Ｎの指示値を変更、又は対応するエンジントルクＥｑの指示値を出力し、ステップＳ１０へ戻り、充放電のモードを決定してパルス充放電を継続する。このような充放電を、セル温度Ｔ、入出力可能パワー量Ｐ、残存容量ＳＯＣ等の監視結果に応じてパルス充放電の電圧振幅や周期を可変しながら続行し、セル温度が上昇して規定温度に到達したときには、ステップＳ２或いはステップＳ３から処理を抜けて実質的にウォームアップを終了する。
【００７８】
尚、以上の実施の形態では、シリーズハイブリッド車について説明したが、本発明は、シリーズハイブリッド車に限定されることなく、シリーズ・パラレルハイブリッド車にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】ハイブリッド車のシステム構成図
【図２】残存容量の推定アルゴリズムを示すブロック図
【図３】電流容量テーブルの説明図
【図４】等価回路モデルを示す回路図
【図５】インピーダンステーブルの説明図
【図６】残存容量テーブルの説明図
【図７】ウェイトテーブルの説明図
【図８】パワー量の演算アルゴリズムを示すブロック図
【図９】バッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート
【図１０】バッテリのウォームアップ制御処理を示すフローチャート（続き）
【図１１】パルス充放電の制御状態を示す説明図
【符号の説明】
【００８０】
１ 駆動モータ
２ ジェネレータ（発電機）
３ エンジン
６ バッテリ
７ 演算ユニット（目標充放電電圧設定手段）
２０ ハイブリッド制御用電子制御ユニット（発電量算出手段、エンジン制御手段）
Ｖ’ 目標充放電電圧（目標電圧）
ΔＰ 充放電パワー量（充放電電力）
ＰＤＲ 走行パワー量
Ｐｗ 発電量
Ｖ 端子電圧
Ｖｏ 開放電圧
Ｒ 内部抵抗
ＳＯＣ 残存容量（合成後の残存容量）
ＳＯＣｃ 残存容量（第１の残存容量）
ＳＯＣｖ 残存容量（第２の残存容量）
ｗ ウェイト
代理人 弁理士 伊 藤 進
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行駆動力を発生するモータに電力を供給すると共に、エンジンによって駆動される発電機からの発電電力によって充電されるバッテリの充放電を制御して該バッテリの内部発熱による暖機を行なうハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置において、
上記バッテリを暖機するための充放電電圧の目標電圧を、上記バッテリの残存容量を含むバッテリ状態に基づく上下限範囲内で設定する目標充放電電圧設定手段と、
上記目標電圧に対応する充放電電力と上記モータの要求トルクに基づく走行用電力とに基づいて上記発電機の発電量を算出する発電量算出手段と、
上記バッテリの温度が規定温度未満のとき、上記バッテリの端子電圧が上記目標電圧に収束するよう上記発電機の発電量を制御するエンジン制御手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項２】
上記発電量算出手段は、
上記バッテリの端子電圧と上記目標電圧との差、上記バッテリの開放電圧、及び上記バッテリの内部抵抗より上記充放電電力を算出し、算出した充放電電力の上記走行用電力に対する減算或いは加算分として上記発電量を算出することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項３】
上記エンジン制御手段は、
上記バッテリの端子電圧と上記目標電圧との差が基準値以内にない場合、上記発電機による充電モードと放電モードとの切換えを禁止する一方、充放電電流の電流変化量或いは充放電電力が既定値に達したときには、上記発電機による充電モードと放電モードとの切換えを強制的に行うことを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項４】
上記エンジン制御手段は、
上記エンジンの回転数或いはトルクの指示値が、予め設定した上下限範囲を逸脱した場合、上記エンジンを停止させ、上記目標充放電電圧設定手段による新たな目標電圧と、上記発電量算出手段による新たな発電量とに基づいて上記発電機の制御を再開することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項５】
上記目標充放電電圧設定手段は、
上記バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記バッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを上記バッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリの残存容量を算出することを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項１】
走行駆動力を発生するモータに電力を供給すると共に、エンジンによって駆動される発電機からの発電電力によって充電されるバッテリの充放電を制御して該バッテリの内部発熱による暖機を行なうハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置において、
上記バッテリを暖機するための充放電電圧の目標電圧を、上記バッテリの残存容量を含むバッテリ状態に基づく上下限範囲内で設定する目標充放電電圧設定手段と、
上記目標電圧に対応する充放電電力と上記モータの要求トルクに基づく走行用電力とに基づいて上記発電機の発電量を算出する発電量算出手段と、
上記バッテリの温度が規定温度未満のとき、上記バッテリの端子電圧が上記目標電圧に収束するよう上記発電機の発電量を制御するエンジン制御手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項２】
上記発電量算出手段は、
上記バッテリの端子電圧と上記目標電圧との差、上記バッテリの開放電圧、及び上記バッテリの内部抵抗より上記充放電電力を算出し、算出した充放電電力の上記走行用電力に対する減算或いは加算分として上記発電量を算出することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項３】
上記エンジン制御手段は、
上記バッテリの端子電圧と上記目標電圧との差が基準値以内にない場合、上記発電機による充電モードと放電モードとの切換えを禁止する一方、充放電電流の電流変化量或いは充放電電力が既定値に達したときには、上記発電機による充電モードと放電モードとの切換えを強制的に行うことを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項４】
上記エンジン制御手段は、
上記エンジンの回転数或いはトルクの指示値が、予め設定した上下限範囲を逸脱した場合、上記エンジンを停止させ、上記目標充放電電圧設定手段による新たな目標電圧と、上記発電量算出手段による新たな発電量とに基づいて上記発電機の制御を再開することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【請求項５】
上記目標充放電電圧設定手段は、
上記バッテリの充放電電流の積算値に基づく第１の残存容量と上記バッテリの開放電圧に基づく第２の残存容量とを上記バッテリの使用状況に応じて設定したウェイトを用いて重み付け合成し、上記バッテリの残存容量を算出することを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載のハイブリッド車のバッテリウォームアップ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１７４５９６（Ｐ２００６−１７４５９６Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３６３３５５（Ｐ２００４−３６３３５５）
【出願日】平成１６年１２月１５日（２００４．１２．１５）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１５日（２００４．１２．１５）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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