JP5567741B2 - バッテリの充電プロセスを監視する方法、バッテリシステム、および車両 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの充電プロセスを監視する方法、バッテリシステム、および、本方法を実施するよう構成された車両に関する。

ハイブリッド自動車および電気自動車では、直列に接続された複数の電気化学的バッテリセルを有する、リチウムイオン技術またはニッケル水素技術によるバッテリが使用される。バッテリ管理システムは、バッテリの監視のために使用され、安全性監視と並んで、可能な限り長い寿命を保障するものである。このために、各個別のバッテリセルの電圧が、バッテリ電流およびバッテリ温度と共に測定され、（例えば、バッテリの充電状態または老朽化状態の）状態推定が行われる。寿命を最大にするために、バッテリの現在の所与の最大性能、すなわち、放出可能または受容可能な電力が常に分かっていることが有益である。この最大性能を上回る場合には、バッテリの老朽化が著しく加速される可能性がある。

バッテリの充電プロセスの間にも、個々のバッテリセルまたはバッテリ全体の損傷を予防するために、バッテリ管理システムは常にバッテリの基本的なパラメータを監視している。図１は、リチウムイオンバッテリの従来技術で公知の充電プロセスの間のバッテリセルの充電電流Ｉおよびセル電圧Ｕの典型的な時間的推移を示している。第１の段階Ｐ１、いわゆるＣＣ（ＣＣ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ、定電流）段階において、バッテリに定電流が充電され、したがって、バッテリセルのセル電圧が増大する。所定の限界電圧に到達して以降は、バッテリは、第２の段階Ｐ２、いわゆるＣＶ（ＣＶ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ、定電圧）段階において、その値が例えば４．１Ｖのセル電圧に相当しクリティカルな最大セル電圧（停止限界値Ｕ_ｍａｘ）を下回る一定の電圧で引き続き充電される。充電電流は、この段階Ｐ２において近似的に指数的に低下する。所定の充電時間に到達しまたは充電電流の所定の値を下回り次第、充電プロセスは終了する。記載した充電ストラテジは、その特徴的な段階に倣ってＣＣ−ＣＶ充電と呼ばれる。

充電プロセスの間に、バッテリのバッテリ管理システムは常に、バッテリをさらに細分化したバッテリモジュール内の温度、および、全セル電圧を監視する。最大セル温度または最大もしくは最小セル電圧（例えば、図１のＵ_ｍａｘ）について、所定の安全閾値を下回りまたは上回る場合のために、バッテリ管理システムは、バッテリの高電圧接触器を自動的に開放し、したがって、当該接触器を停止する（または電流が案内されない）。この安全機能は、極端な場合にはバッテリパックを不安定にしうる修復不可能な損傷から、バッテリを護るために必要である。（所定の作動温度を上回って）バッテリ温度が上昇する場合も、駆動中に大幅に予防されるべきである。なぜならば、このことが、バッテリパックの老朽化に拍車を掛かるからである。

先に挙げた理由から、バッテリ管理システムは、充電プロセスの間にも継続的に、バッテリ充電のために利用される充電装置の制御装置に対して、セル電圧およびモジュール温度の値を報知する。充電プロセスの間に、熱損失のためにバッテリが温まる。充電プロセスの間にバッテリが許容される温度範囲から外れることを予防するために、バッテリを備える電気自動車の主制御装置によって、バッテリ温度が所定の限界値を上回り次第、空調用コンプレッサが作動される。

図２ａは、バッテリ、空調用コンプレッサ、および、充電装置を備える全体システム内または当該システム上での、バッテリの充電工程の間の電流Ｉ_Ｇおよび電圧Ｕ_Ｇの時間的推移を示している。図２ｂは、バッテリ内またはバッテリ上の充電電流Ｉ_Ｂおよび充電電圧Ｕ_Ｂの同時の推移を示している。２つの時点ｔ_１およびｔ_２において、空調用コンプレッサの作動プロセスが行われる。この作動プロセスは、短期間の間電流Ｉ_Ｇの上昇を必要とするが、この電流Ｉ_Ｇは、充電装置だけで提供することはできず、バッテリからも伝達される必要がある。このことによって結果的に、上記２つの時点において、充電電流Ｉ_Ｂが短時間の間落ちることになる。充電装置の制御装置は、充電電流の低下を測定し、直ちに充電電圧Ｕ_Ｂを上げることによって電力損失を補正する。作動プロセスの直後に、空調用コンプレッサは、より低い電流を極めて大量に必要とするため、作動プロセスの直後に、バッテリは、一段と高くなった充電電圧Ｕ_Ｂにより充電される（図２ｂの時点ｔ_１およびｔ_２の直後のＵ_Ｂの急激な上昇を参照されたい）。バッテリの充電プロセスが、セル電圧が比較的低い段階（例えば、時点ｔ_１）に入っている場合については、このことは問題ではない。それに対して、バッテリの充電プロセスが、セル電圧がより高い段階（例えば、時点ｔ_２）に入っている場合については、最大セル電圧限界値を上回った結果として、制御できないバッテリ停止が発生する可能性がある。

本発明によれば、バッテリ、特にリチウムイオンバッテリの充電プロセスを監視する方法が提供される。バッテリと、当該バッテリに充電電流を供給する充電モジュールと、少なくとも１つの追加的な電力消費機器が、電気回路の構成要素である。バッテリは、直列に接続された複数のバッテリセルを含む。本方法は以下の工程を含み、すなわち、複数のバッテリセルのセル電圧が定期的な時間間隔で測定され、バッテリへの負荷は、バッテリセルの測定されたセル電圧が所定のセル電圧閾値を上回る場合には、追加的な電力消費機器の作動プロセスにより予防される。これらの工程によって、最大セル電圧限界値を超えた結果としての、制御できないバッテリ停止が、追加的な消費機器の作動によって予防される。

バッテリおよび追加的な消費機器は、車両の構成要素であり、車両の主制御装置は、追加的消費機器を駆動しうる。さらに、追加的な消費機器は、バッテリを冷却するための電気的冷却ユニット、特に空調用コンプレッサであってもよい。

本発明の好適な実施形態によれば、複数のバッテリのセル電圧に加えて、バッテリ充電電流およびバッテリの少なくとも１つの温度が定期的な時間間隔で測定され、セル電圧と、バッテリ充電電流と、温度とにしたがって、充電プロセスを中断せずに続行した際のバッテリ内の推定される最大温度に相当する推定値が定められ、推定値が所定の温度閾値を上回る場合には、電気的冷却ユニットが作動されるが、バッテリセルの測定されたセル電圧が所定のセル電圧閾値を上回る場合には、電気的冷却ユニットが作動されないことが構想される。これにより、バッテリの充電プロセスの時間的に早期の段階であって、セル電圧がセル電圧閾値を未だはるかに下回る傾向にある上記早期の段階、すなわち、冷却ユニットの作動が、最大セル電圧限界値を超えた結果としての制御できないバッテリ停止のリスクを未だ伴わない段階へと、冷却ユニットの作動を前にずらすことが達成される。

推定値の決定の際には、セル電圧のヒステリシスが考慮されうる。推定値は、バッテリ管理ユニットによって定められて、車両の主制御装置へと送信されうる。さらに、推定値は、バッテリ管理ユニットによって、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バスを介して車両の主制御装置へと伝達されうる。

本発明のさらなる別の観点は、バッテリ、好適にリチウムイオンバッテリと、当該バッテリと接続されたバッテリ管理ユニットとを備えたバッテリシステムであって、バッテリは、直列に接続された複数のバッテリセルを含む、上記バッテリシステムに関する。バッテリ管理ユニットは、各バッテリセルのセル電圧を測定するよう構成された複数の電圧測定ユニットと、バッテリの温度を測定するよう構成された少なくとも１つの温度測定ユニットと、バッテリ充電電流を測定するよう構成された少なくとも１つの電流測定ユニットと、電圧測定ユニットおよび温度測定ユニットおよび電流測定ユニットと接続されたコントローラとを有する。コントローラは、バッテリの充電プロセスの間に、バッテリ充電電流と、セル電圧と、温度とにしたがって、充電プロセスを中断せずに続行した際のバッテリ内の最大温度に相当する推定値を定めるよう構成される。これにより、バッテリシステムを備える全体システムにおいて、推定値に基づいて、バッテリの充電プロセスの時間的に早期の段階であって、セル電圧がセル電圧閾値を未だはるかに下回る傾向にある上記早期の段階、すなわち、冷却ユニットの作動が、最大セル電圧限界値を超えた結果としての制御できないバッテリ停止のリスクを伴わない段階へと、バッテリを冷却するための冷却ユニットの作動を前にずらすことが達成される。

バッテリの様々な領域内の温度を測定するよう構成された複数の温度測定ユニットが、バッテリ内に配置されうる。推定値の決定の際には、セル電圧のヒステリシスが考慮されうる。さらに、推定値は、バッテリ管理ユニットのインタフェース、特にＣＡＮインタフェースを介して出力されうる。

本発明のさらなる別の観点は、バッテリ、好適にリチウムイオンバッテリおよび当該バッテリと接続されたバッテリ管理ユニットを含むバッテリシステムと、主制御装置と、少なくとも１つの追加的な電力消費機器とを備えた車両であって、バッテリシステムは車両の駆動システムと接続され、主制御装置は追加的な消費機器を駆動する、上記車両に関する。車両は、バッテリの充電プロセスの間に本発明に係る方法を実施するよう構成される。好適な実施形態において、車両は、本発明に係るバッテリシステムを備える。

本発明の実施例は、図面、および、以下の明細書の記載を用いてより詳細に記載される。
リチウムイオンバッテリの従来技術で公知の充電プロセスの間のバッテリセルの充電電流およびセル電圧の典型的な時間的推移を示す。 全体システム内の電流および電圧の時間的推移を示す。 従来技術のバッテリ内の充電電流および充電電圧の同時の推移を示す。 本発明に係る方法の一実施例を示す。 本発明に係るバッテリシステムの一実施例を示す。 本発明に係る車両の一実施例における、本発明に係るバッテリシステムの接続を示す。

本発明に係る方法の一実施例を示している。本方法は、車両内に配置された一実施例のバッテリの充電プロセスの監視のために役立つ。さらに、車両は、バッテリの冷却のために適した、追加的な消費機器としての空調用コンプレッサと、当該空調用コンプレッサを制御する主制御装置とを備える。本方法は、工程Ｓ１０において開始される。工程Ｓ１１では、バッテリの充電プロセスの間に、直列に接続された複数のバッテリセルのセル電圧と、バッテリ充電電流と、バッテリの様々な領域内の複数の温度とが測定される。工程Ｓ１２において、バッテリ充電電流と、セル電圧と、温度とにしたがって、充電プロセスを中断せずに空調用コンプレッサを作動させずに続行した場合にバッテリの一領域内で到達しうるバッテリ内の仮定的最大温度が推定される。空調用コンプレッサが作動されない限りにおいてＣＣ−ＣＶ充電の終了までにバッテリ内で発生しうるバッテリセル内の最大温度を、示された測定値から予測する予測機能が、仮定的最大温度の値を計算するために、バッテリのバッテリ管理システムのソフトウェアに組み込まれてもよい。予測機能は、充電プロセスおよび放電プロセスの間セル電圧が開放電圧とは異なることを特徴とするバッテリセル内のヒステリシスを考慮することが可能である。その際に、各充電電流または放電電流が高いほど、ヒステリシスの高さは高くなる。上記のパラメータにしたがって最大温度を予測するためのモデルは、第１のプロトタイプバッテリ上での以前の測定により定められる。

工程Ｓ１３において、主制御装置によって、バッテリ内の推定される仮定的最大温度が所定の温度閾値と比較され、この所定の温度閾値は、バッテリの不可逆的損傷を予防するためにバッテリ内で超えるべきでない温度に相当する。バッテリ内の推定される仮定的最大温度が、所定の温度閾値よりも大きくない場合には、本方法の開始、すなわち工程Ｓ１１へと戻り、バッテリ内の推定される仮定的最大温度が所定の温度閾値よりも大きい場合には、工程Ｓ１４において、主制御装置によって、測定されたどのセル電圧も、所定のセル電圧閾値よりも高くないかどうかが検査される。測定されたどのセル電圧も、所定のセル電圧閾値よりも高くない場合には、工程Ｓ１５において、バッテリの冷却のために適した空調用コンプレッサが、主制御装置によって作動される。

これに対して、少なくとも１つの測定されたセル電圧が、所定のセル電圧閾値よりも高い場合には、工程Ｓ１６において制御装置によって、Ｓ１５で空調用コンプレッサが作動される前に、バッテリの充電プロセスが中止され、または、バッテリが電気的に分離される。したがって、少なくともバッテリの充電プロセスの間には、空調用コンプレッサによる電力消費がブロックされ、空調用コンプレッサの電力消費のために必要な電流がバッテリによっても伝達されることが予防される。

図４は、全体として符号３０が付された本発明に係るバッテリシステムの一実施例を示す。バッテリ２０は、直列に接続された複数のバッテリセル２１を含む。バッテリセルの各セル電圧を測定する複数の電圧測定ユニット２２が設けられる。さらに、温度測定ユニット２３が、バッテリの様々な領域に配置される。電流測定ユニット２４は、バッテリ２０の充電プロセスの間、バッテリ充電電流を測定する。電圧測定ユニット２２、温度測定ユニット２３、および電流測定ユニット２４は、コントローラ２５と接続されており、このコントローラ２５は、バッテリの充電プロセスの間に、電圧測定ユニット２２および温度測定ユニット２３および電流測定ユニット２４から伝達された測定値にしたがって、充電プロセスを中断せずに空調用コンプレッサを作動させずに続行した場合の、バッテリ内の仮定的最大温度を推定するよう構成されている。コントローラ２５は、図３で記載された方法のように、仮定的最大温度の計算を行うよう構成される。

図５は、本発明に係る車両の一実施例における、本発明に係るバッテリシステム３０の接続を示す。図４で示される本発明に係るバッテリシステム３０と、車両の主制御装置３２と、バッテリシステム３０に充電電流を供給する、本発明に係る車両の必須構成要素ではない充電モジュール３３とは、共通のバスシステム、特にＣＡＮバス３１上に存在する。バッテリシステム３０、充電モジュール３３、および空調用コンプレッサ３４は、電気回路の構成要素として互いに接続され、その際に、３つの構成要素全てが並列に接続される。本発明に係るバッテリシステム３０のバッテリ管理ユニットは、ＣＡＮバス３１を介して実時間で車両の主制御装置３２へと、以下の値を送信し、周期的に更新する。
（１）バッテリ２０内の最大セル電圧値；
（２）バッテリ２０内の最小セル電圧値；および
（３）充電プロセスを中断せずに空調用コンプレッサ３４を作動させずに続行した場合にバッテリ２０内の領域内で到達しうるバッテリ２０内の仮定的最大温度。

本発明に係るバッテリシステム３０のバッテリ管理ユニットによって車両の主制御装置３２へと送信されたバッテリ２０内の仮定的最大温度が、所定の温度閾値を上回る場合には、車両の主制御装置３２は、以下に挙げる条件を前提に、空調用コンプレッサ３４を作動させる。

バッテリ２０のＣＣ−ＣＶ充電の間に空調用コンプレッサ３４が作動される場合には、この空調用コンプレッサ３４は、短時間の間、例えば５０Ａの電流を必要とする。この電流は、充電モジュール３３だけでは提供することができず、バッテリシステム３０によっても伝達される必要があり、これにより、充電電流が落ちる。この低下は、基本的に車両の主制御装置３２によって検知されて、充電モジュール３３のレギュレータに報知され、これに応じて、充電モジュール３３のレギュレータは、充電電圧の上昇を介して釣り合いを取るが、このことは、セル電圧値が所定のセル電圧閾値を上回るバッテリセル２１を損傷させる可能性があり、または、バッテリ管理ユニットによる、制御できないバッテリ２０の停止に繋がる可能性がある。

したがって、その代わりに、本発明に係る車両の主制御装置３２は、本発明に係るバッテリシステム３０のバッテリ管理ユニットによって車両の主制御装置３２へと送信されたバッテリ２０内の最大セル電圧値が所定のセル電圧閾値を上回る場合には、空調用コンプレッサ３４を作動させない。

Claims (10)

1. バッテリ（２０）の充電プロセスを監視する方法であって、
   −前記バッテリ（２０）と、前記バッテリ（２０）に充電電流を供給する充電モジュール（３３）と、少なくとも１つの追加的な電力消費機器（３４）が、電気回路の構成要素であり、
   −前記バッテリ（２０）は、直列に接続された複数のバッテリセル（２１）を含み、
   −複数のバッテリセル（２１）のセル電圧が定期的な時間間隔で測定される（Ｓ１１）、前記監視する方法において、
   前記バッテリ（２０）への負荷は、バッテリセル（２１）の測定された前記セル電圧が所定のセル電圧閾値を上回る場合には（Ｓ１４）、前記追加的な電力消費機器を作動させないことにより予防され（Ｓ１６）、
   前記追加的な消費機器（３４）は、前記バッテリ（２０）を冷却するための電気的冷却ユニットであり、
   −複数のバッテリセル（２１）の前記セル電圧に加えて、バッテリ充電電流および前記バッテリ（２１）の少なくとも１つの温度が定期的な時間間隔で測定され（Ｓ１１）、
   −前記セル電圧と、前記バッテリ充電電流と、前記温度とにしたがって、前記充電プロセスを中断せずに続行した際の前記バッテリ（２０）内の推定される最大温度に相当する推定値が定められ（Ｓ１２）、
   −前記推定値が所定の温度閾値を上回る場合には（Ｓ１３）、前記電気的冷却ユニット（３４）が作動されるが（Ｓ１５）、バッテリセル（２１）の前記測定されたセル電圧が前記所定のセル電圧閾値を上回る場合には（Ｓ１４）、前記電気的冷却ユニット（３４）が作動されないことを特徴とする、
   バッテリ（２０）の充電プロセスを監視する方法。
2. 前記バッテリ（２１）および前記追加的な消費機器（３４）は、車両の構成要素であり、
   前記車両の主制御装置（３２）が、前記追加的な消費機器（３４）を駆動する、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気的冷却ユニットは、空調用コンプレッサである、請求項１に記載の方法。
4. 前記推定値は、バッテリ管理ユニットにより定められて、前記車両の前記主制御装置（３２）へと送信される、請求項２に記載の方法。
5. 前記推定値は、前記バッテリ管理ユニットによって、ＣＡＮバス（３１）を介して前記車両の前記主制御装置（３２）へと伝達される、請求項４に記載の方法。
6. バッテリ（２０）および前記バッテリと接続されたバッテリ管理ユニットを含むバッテリシステム（３０）と、主制御装置（３２）と、少なくとも１つの追加的な電力消費機器（３４）と、を備えた車両であって、
   前記バッテリシステムは、前記車両の駆動システムと接続され、前記主制御装置（３２）は、前記追加的な消費機器（３４）を駆動する、前記車両において、
   前記車両は、前記バッテリの充電プロセスの間に請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法を実施するよう構成されることを特徴とする、車両。
7. 前記バッテリ（２０）は、直列に接続された複数のバッテリセル（２１）を含み、
   前記バッテリ管理ユニットは、
   各バッテリセル（２１）のセル電圧を測定するよう構成された複数の電圧測定ユニット（２２）と、
   前記バッテリの温度を測定するよう構成された少なくとも１つの温度測定ユニット（２３）と、
   バッテリ充電電流を測定するよう構成された少なくとも１つの電流測定ユニット（２４）と、
   前記電圧測定ユニット（２２）および前記温度測定ユニット（２３）および前記電流測定ユニット（２４）と接続されたコントローラ（２５）と、
   を有し、
   前記コントローラ（２５）は、前記バッテリ（２０）の充電プロセスの間に、前記バッテリ充電電流と、前記セル電圧と、前記温度とにしたがって、前記充電プロセスを中断せずに続行した際の前記バッテリ（２０）内の最大温度に相当する推定値を定めるよう構成される、請求項６に記載の車両。
8. 前記バッテリの様々な領域内の前記温度を測定するよう構成された複数の温度測定ユニット（２３）が、前記バッテリ内に配置される、請求項７に記載の車両。
9. 前記推定値は、前記バッテリ管理ユニットのインタフェースを介して出力されうる、請求項７または８に記載の車両。
10. 前記バッテリ管理ユニットのインタフェースは、ＣＡＮインタフェースである、請求項９に記載の車両。

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