JP2014509174A - 自動車車両の充電式バッテリの充電管理方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの電気化学セルを含む少なくとも１つのモジュールを備える充電式バッテリの充電管理方法において、その少なくとも１つのモジュール内に発生する熱流束を、当該モジュールのセル全体の内部抵抗を推定するオブザーバを利用して推定する段階を含むことを特徴とする方法。

Description

本発明は、１対の電気化学セルを含む少なくとも１つのモジュールを備える充電式バッテリの充電管理方法、または１対の電気化学セルを含む少なくとも１つのモジュールを備える充電式バッテリの充電管理装置の動作方法に関する。本発明はまた、その方法を実装する装置およびその装置を備える自動車車両にも関する。本発明はさらに、その方法を実装するためのデータ記憶媒体にも関する。

１対の並列のセルの端子間で測定した電圧が閾値を超えた時点で電気車両のバッテリの充電を止めることが知られている。過充電の危険性を考えると、この停止はできるだけ高い信頼性を備えている必要がある。この測定に使用される電圧センサに本来的に備わる信頼性は、それ自体きわめて高いものであっても、あらゆるケースで充電の停止を保証するには十分とは言えない。そのため、場合によってはセルの過充電が起こる。すると、バッテリを傷め、さらにはバッテリの機能を壊しかねない副反応がその過充電によって始まることになる。さらに厄介なことに、その副反応は有毒ガスを発生させる可能性もある。また、発熱反応によって発生する熱流束がセルから外部環境に放散される熱流束を超えると、熱暴走が起こり、たとえ充電を止めても、バッテリは多少なりとも激しく破損することになる。

上に説明したように、充電の停止が電圧の測定を介して行われる場合、その測定に不具合があると、バッテリの充電電流を止められなかったり、しかるべきタイミングで止めることができなかったりする。

この不測の事態に対処するために現在行われている解決法は、互いに完全に独立した冗長な２つのシステムによって電圧を測定するというものである。

一方、バッテリのあらゆる過充電電流をしかるべきタイミングで止めるために、モジュールの温度測定値を利用することによってセルの過充電を検出する信頼性のある指標を定義し、利用することは全くもって意義あることであると考えられる。この指標は、その上で、充電をしかるべきタイミングで止めるための過充電検出論理の中で利用される。この指標は、バッテリ管理計算機によって管理される充電の停止論理とは独立した補完物であることができる。

温度測定を直接利用するだけでは、過充電の検出に十分たり得ないことはすでに指摘されている。温度測定に基づいて熱暴走前に過充電を検出することは不可能であることは研究によって示されている。これは、そうした戦略には低い温度閾値の利用が前提となることが考えられるが、その閾値はバッテリ利用の最適化に反する、したがって車両の利用可能性に反するものである。

バッテリ充電を止めるための温度測定値の利用は、米国特許出願公開第２００５／０１３７８２３号、特開２０１０−０１６９４４号および仏国特許第２９２６１６５号にそれぞれ記載されている。

米国特許出願公開第２００５／０１３７８２３号明細書 特開２０１０−０１６９４４号公報 仏国特許発明第２９２６１６５号明細書

本発明の目的は、上に述べた問題を解決できるとともに、周知の先行技術による充電管理方法を改善するものである充電管理方法を提供することにある。とりわけ、本発明は、最適で信頼性のあるバッテリ利用を可能にする充電管理方法を提案する。

本発明によれば、その方法は、少なくとも１つの電気化学セルを含む少なくとも１つのモジュールを備える充電式バッテリの充電を管理することができる。その方法は、少なくとも１つのモジュールのセル全体の内部抵抗を推定するオブザーバを利用して当該モジュールで発生する熱流束を推定する段階を含む。

その推定段階は、その少なくとも１つのセルを含むその少なくとも１つのモジュールの熱モデルの定義ステップ、および／またはその少なくとも１つのセルを含むその少なくとも１つのモジュールの温度の測定ステップを含むことができる。

その少なくとも１つのモジュール内に発生する熱流束の推定を利用して、その少なくとも１つのモジュールまたはバッテリの充電の停止操作を決定することができる。

推定される全体の内部抵抗があらかじめ定められた閾値を超えるか、または他のモジュールで推定される内部抵抗と著しく異なる場合に、その少なくとも１つのモジュールまたはバッテリの充電を止めることができる。

本発明はまた、計算機が読み取ることができるデータ記録媒体であって、前に定義した管理方法の段階および／またはステップを実装するコンピュータプログラムのコード手段を含むコンピュータプログラムが記録された媒体にも関する。

本発明によれば、少なくとも１つの電気化学セルを含む少なくとも１つのモジュールを備える充電式バッテリの充電管理装置は、前に定義した管理方法の実装のためのハードウェアおよび／またはソフトウェア手段を含むことを特徴とする。

ハードウェアおよび／またはソフトウェア手段は、その少なくとも１つのモジュールで発生する熱流束の推定手段を含むことができる。

少なくとも１つのモジュールで発生する熱流束の推定手段は、前記１つまたは複数のセルを含むモジュールの温度の測定手段と、その少なくとも１つのセルの熱モデル化手段とを含むことができる。

この装置は、バッテリ充電器およびバッテリ充電器の制御手段、ならびに／またはバッテリ充電器とその少なくとも１つのモジュールとの接続もしくは切離しのために操作されるスイッチを含むことができる。

本発明によれば、自動車車両、とりわけ電気式またはハイブリッド式自動車車両が前に定義した装置を含む。

本発明によれば、コンピュータプログラムは、プログラムがコンピュータ上または車載計算機上で動作するとき、上に定義した方法の段階および／またはステップを実施するように適合されたコンピュータプログラムのコード手段を含む。

添付の各図面は、本発明による管理方法の１つの実施形態を実装する充電管理装置の１つの実施形態を例示するものである。

電気バッテリおよび本発明による充電管理装置の１つの実施形態の図である。 本発明による充電管理装置の１つの実施形態の論理アーキテクチャの図である。 過充電検出基準の第１の経時変化の図である。 過充電検出基準の第２の経時変化の図である。

図１に示す設備は、充電式バッテリ１、充電器５およびバッテリ充電管理装置１０を備える。これにより、バッテリは、充電管理装置による制御のもとで充電器によって充電することができる。

バッテリはあらゆる種類のものであってよい。好ましくは、自動車車両のバッテリ、とりわけ電気車両またはハイブリッド車両の駆動用電動機の電源バッテリである。

バッテリは、１つもしくは複数の電気化学セル３または電気化学蓄電池を筐体内に収めた１つまたは複数のモジュール２を備える。同一モジュールに属する電気化学セルは互いに電気的に接続される。同様に、バッテリのモジュールは互いに電気的に接続される。その一方で、バッテリはバッテリ管理計算機８を備える。バッテリは、その２つの端子の間に電気エネルギーを供給することができる一方、充電されるときは、その２つの端子の間に電気エネルギーを受け取ることができる。計算機８は、バッテリの充電終了を、それによって動作不良を引き起こすことがないようにしながら、その間に行わなければならない通常動作状態を検出することなどができる充電管理手段を備える。この管理手段はその充電の停止を操作することもできる。

充電器はあらゆる形式のものであってよい。充電器は、充電しようとするバッテリの特徴に適合したものである。充電器は、操作されるスイッチ７によってバッテリに接続し、またはバッテリから切り離すことができる。

バッテリ充電管理装置１０は、とりわけ、バッテリが充電された状態を検出するほか、場合により、充電器によるバッテリの充電の停止を操作することができる。そのため、充電管理装置は、本発明による充電管理方法を実装するためのハードウェアおよび／またはソフトウェア手段を備える。言い換えれば、充電管理装置は、本発明の対象である方法に従って自らの動作をコントロールすることができるハードウェアおよび／またはソフトウェア手段を備える。

管理装置は、計算機６、すなわち、図２を参照しながら以下に説明する制御手段を備える。計算機は、たとえばモジュールの温度測定信号を受け取り、さらに場合に応じてデータバス１１を通るその他の信号を受け取る。温度測定信号は、フィルタ手段１３によってフィルタリングされる。フィルタリングされた測定信号、および場合に応じたデータバス１１を通るその他の信号は、次いで、モジュールの熱モデル１５などが含まれる計算手段１４に供給される。この計算手段は、モジュールの異常動作の検出手段１６に供給される信号を生成する。この検出手段は、モジュールの正常動作または異常動作を表わす論理信号、とりわけバッテリが過充電状態にあるか否かを表わす信号を出力側に供給する。この論理信号は、前述の論理信号の妥当性を確認できる妥当性確認手段１７であって、バッテリが過充電状態にあることを示すか、または示さない信号を出力側に供給する妥当性確認手段１７に対して供給される。妥当性確認手段は、たとえば、受け取る論理信号が所定の時間にわたって継続して入力側に存在する場合には、その論理信号を妥当であるものと判断する。

妥当性確認手段１７の出力側に供給される信号は、充電器の制御および／またはバッテリ１の充電器５の接続もしくは切離しを行えるように操作されるスイッチ７の制御を可能にする。

好ましくは、この操作されるスイッチは充電管理装置の一部をなす。同様に、好ましくは、温度判定手段４は充電管理装置の一部をなす。

本発明による充電管理方法の１つの実施形態を以下に説明する。

すでに見たように、バッテリのあるセルが過充電になると、そのセルに移動した余分なエネルギーは好ましくない副反応を引き起こす。これらの副反応は気体の発生と温度の異常な反応をもたらす。本発明による方法では、この反応が解析の対象とされる。その方法は、過充電をしかるべきタイミングでやはり止められるように温度の異常な状態を検出することをよりどころとする。過電圧を十分早くに、すなわち熱暴走の前に検出するためには、センサだけで測定した温度情報では十分でなく、センサは必ずしも適切に配置されているわけではないという事情を考えれば、なおさらである。

この熱暴走に備えるには、温度信号を微分することによって温度勾配を知る必要があろう。この温度勾配は充電を止める場合の有益な指標になると考えられる。残念ながら、この微分は測定ノイズを増幅させることにしかならない。

そこで、異常な状態の検出は、好ましくは１つのモジュールレベルにおける熱移動のモデル化をよりどころとし、それによって熱情報を（対象システムに固有の時間定数と関連づけて）可能な限り適切に判定するようにする。

その原理は、対象とするモジュールのセル全体の内部抵抗を以下のいくつかの情報から推定するというものである。
− 温度情報
− バッテリの電流情報
− モジュールの冷却情報

この先で見るように、これは当該モジュール内に発生する熱流束を推定するということにほかならない。

温度情報は、たとえば温度センサ（１つのモジュール、複数のモジュールまたは各モジュールに必要）によって与えられる。

バッテリの電流情報は、たとえば充電器の電圧および出力（データバス上で得られるもの）に応じて計算される。提案する解決法では、電流に関する情報の不確かさが考慮に入れられる。オブザーバはその不確かさに対してロバストであるように校正される。

冷却条件は、モジュールの熱モデルを定義するために収集されるもので、データバス上で得られる情報であって、冷却システムから供給される情報を通してオンラインで取得される。本発明は、冷却システムのない車両の場合でも機能する。その場合には、情報はモデルを定義するために収集され、外部温度の測定で事足りる。

１つのモジュールの熱的反応を記した下式を調べてみると、セルの温度のモデル化には内部抵抗がかかわってくることがわかる。内部抵抗の動特性は、与えられるデータをもとにモデル化することはできないため、ゼロであるものと考える。

ただし、
・ Ｔｃｅｌｌ：モジュールのセルの温度の推定値
・ Ｔｃａｐ：モジュール内に閉じ込められた空気を測定するセンサの温度の推定値
・ Ｔｐａｒ：モジュールの隔壁の温度の推定値
・ Ｒ：モジュールのセル全体の内部抵抗の推定値
・ Ｔａｉｒ：空気の温度（冷却システムによって示されるもの）
・ Ｉｂａｔ：バッテリの充電電流
点は、温度変数の時間微分を表わす。したがって、この点の付いた変数はシステムの動特性を示す。

内部抵抗の動特性は未知であり、内部抵抗の値は温度センサの測定値を用いて修正される。Ｉｂａｔはバッテリ電流（インバータの電圧および電気回路網から取り出した出力をもとに推定したもの）を表わす。パラメータｋｉは様々な比熱容量と様々な対流熱伝達率を表わす。それらの係数を実験によって評価する。このモデル化は、（取付け上の制約から）セルの直近に配置されるわけでない温度センサの位置取りを考慮に入れることができる。状態（ｘ＝［Ｔｃｅｌｌ Ｔｃａｐ Ｔｐａｒ Ｒ］）の形にしたとき、前述の式は次のようになる。

ただし、ｕ＝Ｔａｉｒであり、それによってモジュールの冷却条件が決定される。次いで、モデル化と実際の間のずれが温度測定によって修正される。すなわち、

アクサンシルコンフレックス付きの変数は前述の変数のリアルタイム推定値を表わし、ｙは温度測定値を表わす。

実験の結果は、定格状態（過充電がないとき）の内部抵抗の推定値はその実際の値の前後で安定している一方、過充電の場合は、内部抵抗の値の推定値（モジュール内に発生する熱流束の形）は大幅に増大することを示している。

そのため、内部抵抗値の推定値Ｒは過充電を検出する基準としての役割を果たすことができる。比較戦略の中でこの基準を用いることで、セルの過充電を効率的に検出することができる。基準のいずれか１つが比較可能なモジュールから得られる他の基準と比べて著しく異なる場合には、あるセルに間違いなく過充電が起きている。そこで、あるモジュールの推定された基準Ｒを少なくとも１つの別のモジュールの少なくとも１つの別の推定された基準と比較する。

提案する基準Ｒは従来からの観察技法に基づく（基準は、熱移動モデルをモデルと測定値の間の誤差で修正して作り上げる）。従来からの観察技法により、観察の集束を保証する利得Ｋを提案することができる。基準Ｒはオブザーバから得られる基準である。

過充電の場合には、発熱性の副反応により、上に述べたモデル化では考慮されていない熱流束が発生し、それによって熱モデル化によって得られる内部抵抗値の推定にバイアスがかかるため、熱モデルによって得られる熱抵抗値の推定値はその実際の値よりかなり高めになる。そのため、この現象を、バッテリの充電を止め、過充電を回避するために利用することができる。

そこで、本発明による管理方法により、熱移動の単純なモデルを温度測定と組み合わせることで、モジュール内に生じる熱流束を推定することができる（これは、温度測定信号の微分を信頼性をもって行うのと同じことになる）。その上で、この熱量（変数Ｒとして示されるもの）は過充電検出戦略における指標の役割を果たす。

図３では、モジュールが過充電でないときは、変数Ｒが時間を通してほぼ一定であることがわかる。この図では、変数Ｒの変化の様子を、縦座標軸にオーム、横座標軸に秒をとったグラフで示している。

図４では、変数Ｒは、モジュールが過充電となった途端に非常に急激に増大することがわかる。この図では、変数の変化の様子を、縦座標軸にオーム、横座標軸に分をとったグラフで示している。

基準Ｒの値はたとえば計算手段１４によって与えられる。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの電気化学セル（３）を含む少なくとも１つのモジュール（２）を備える充電式バッテリ（１）の充電管理方法であって、前記少なくとも１つのモジュール内に発生する熱流束を、前記モジュールのセル全体の内部抵抗を推定するオブザーバを利用して推定する段階を含むことを特徴とする方法。
2. 前記推定段階が、前記少なくとも１つのセルを含む前記少なくとも１つのモジュールの熱モデルの定義ステップ、および／または前記少なくとも１つのセルを含む前記少なくとも１つのモジュールの温度の測定ステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つのモジュール内に発生する熱流束の推定を利用して、前記少なくとも１つのモジュールまたは前記バッテリの充電の停止操作を決定することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 推定される全体の内部抵抗があらかじめ定められた閾値を超えるか、または他のモジュールで推定される内部抵抗と著しく異なる場合に、前記少なくとも１つのモジュールまたは前記バッテリの充電を止めることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 計算機が読み取ることができるデータ記録媒体であって、請求項１から４のいずれか一項に記載の管理方法の段階および／またはステップを実装するコンピュータプログラムのコード手段を含むコンピュータプログラムが記録された媒体。
6. 少なくとも１つの電気化学セル（３）を含む少なくとも１つのモジュール（２）を備える充電式バッテリ（１）の充電管理装置（１０）であって、請求項１から６のいずれか一項に記載の管理方法を実装するハードウェア（４、６、７）および／またはソフトウェア手段を含むことを特徴とする装置。
7. 前記ハードウェアおよび／またはソフトウェア手段が、前記少なくとも１つのモジュールで発生する熱流束の推定手段を含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記少なくとも１つのモジュールで発生する前記熱流束の前記推定手段が、前記１つまたは複数のセルを含む前記モジュールの温度の測定手段（４）と、前記少なくとも１つのセルの熱モデル化手段（１５）とを含むことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. バッテリ充電器（５）および前記バッテリ充電器の制御手段（６）、ならびに／または前記バッテリ充電器と前記少なくとも１つのモジュールとの接続もしくは切離しのために操作されるスイッチ（７）を含むことを特徴とする、請求項７から８に記載の装置。
10. 請求項７から９のいずれか一項に記載の装置を含む自動車車両、とりわけ電気式またはハイブリッド式自動車車両。
11. コンピュータプログラムがコンピュータ上または車載計算機上で動作するとき、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法の段階および／またはステップを実施するように適合されたコンピュータプログラムのコード手段を含むコンピュータプログラム。

Images