JP2011111032A - 電源システム及びバッテリ異常判定方法 - Google Patents

電源システム及びバッテリ異常判定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、バッテリの短絡異常を短時間で判定できる、電源システムの提供を目的とする。
【解決手段】車載の低圧系バッテリ1と、車載の高圧系バッテリ2と、高圧系バッテリ2及び/又は高圧系バッテリ2を充電可能な車外電源25の供給電力に基づいて、低圧系バッテリ1の充電電流を出力するDC−DCコンバータ3と、車外電源25が車両に接続された状態で、DC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止させることにより、低圧系バッテリ1を放電させることによって、低圧系バッテリ1の短絡異常を判定するECU4とを備える、電源システム。
【選択図】図1

Description

本発明は、車両に搭載されたバッテリに車両の外部の電源から電力を供給して充電する技術に関する。
従来技術として、充電ケーブルにより車両と外部の電源とが連結された状態において、外部の電源から供給された電力をバッテリに充電する充電装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2009−071900号公報
ところで、外部電源から電力供給を受けることが可能な車両において、外部電源が車両に接続されている間に、車載のバッテリに短絡異常が発生するおそれがある。しかしながら、外部電源が車両に接続されている間は無人になる可能性が高いため(例えば、ユーザが外部電源を車両に接続した後に、車両から離れてしまうおそれがあるため)、その間にバッテリの短絡異常が発生した場合、その発生を速やかに検知して、短絡異常に対する適切な対処をすることが望まれる。
そこで、本発明は、車外電源が車両に接続されている状態で、バッテリの短絡異常を短時間で判定できる、電源システム及びバッテリ異常判定方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る電源システムは、
車載の第1のバッテリと、
車載の第2のバッテリと、
前記第1のバッテリの充電電流を出力する出力手段と、
前記第2のバッテリを充電可能な車外電源が車両に接続された状態で、前記出力手段の出力を所定時間停止して、前記第1のバッテリを放電させることによって、前記第1のバッテリの短絡異常を判定する判定手段とを備えることを特徴とするものである。
上記目的を達成するため、本発明に係るバッテリ異常判定方法は、
車載の第1のバッテリの充電電流を出力する出力手段の出力を、車載の第2のバッテリを充電可能な車外電源が車両に接続された状態で、所定時間停止して、前記第1のバッテリを放電させることによって、前記第1のバッテリの短絡異常を判定することを特徴とするものである。
本発明によれば、車外電源が車両に接続されている状態で、バッテリの短絡異常を短時間で判定できる。
本発明の実施例である電源システム10の構成を示したブロック図である。 本発明の実施例であるバッテリ異常判定方法を示したフローチャートである。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。
図1は、本発明の一実施形態である車両用電源システム10の構成を示したブロック図である。電源システム10は、車外電源25からの充電が可能なバッテリを搭載する車両に備えられている。このような車両は、プラグイン車と呼ばれることがあり、その具体例として、プラグインハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車などが挙げられる。
電源システム10は、主な構成として、低圧系バッテリ1と、高圧系バッテリ2と、DC−DCコンバータ3と、ECU(Electronic Control Unit)4とを備えている。低圧系バッテリ1は、車載の第1のバッテリとして備えられた二次電池である。高圧系バッテリ2は、車載の第2のバッテリとして備えられた二次電池である。DC−DCコンバータ3は、低圧系バッテリ1を充電するための充電電流を出力する出力手段である。ECU4は、高圧系バッテリ2を充電可能な車外電源25が車両に接続された状態で、DC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止させることにより、低圧系バッテリ1を放電させたときの低圧系バッテリ1の電圧降下に基づいて、低圧系バッテリ1の短絡異常を判定する判定手段である。
電源システム10と異なる場合として、例えば、DC−DCコンバータ3の出力電圧を「低下」させることにより低圧系バッテリ1を放電させる場合、DC−DCコンバータ3からの出力も存在していることになるため、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧が低下しにくい。そのため、DC−DCコンバータ3の出力電圧を「低下」させている時間を長くして、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定に必要な電圧降下を生じさせる必要があるため(例えば、10分間)、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定結果を得るまでに時間がかかってしまう。
これに対し、電源システム10は、DC−DCコンバータ3の出力を「停止」させるため、DC−DCコンバータ3の出力電圧を「低下」させる場合に比べて、低圧系バッテリ1を確実に放電させることができるので、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧が低下しやすい。そのため、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定に必要な電圧降下を生じさせるための時間を確保するために、DC−DCコンバータ3の出力を「停止」させている時間を長くする必要がない。したがって、低圧系バッテリ1に短絡異常が発生していれば、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧は短絡異常が発生していない場合に比べて速やかに低下するので、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定に必要な電圧降下を生じさせるために、DC−DCコンバータ3の出力を「停止」させている時間を短縮することができる(例えば、5秒)。つまり、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定を短時間で実施することができる。
また、電源システム10によれば、低圧系バッテリ1の短絡異常を判定するための低圧系バッテリ1の放電時間を短縮することができるので、放電による低圧系バッテリ1へのダメージを抑えることができる。
続いて、図1の構成について、より詳細に説明する。
低圧系バッテリ1は、低圧系(例えば、12V系)の電気負荷16に給電する。低圧系バッテリ1は、電気負荷16への電力供給によって、放電する。電気負荷16は、低圧系バッテリ1に蓄えられた電力及び/又はオルタネータ(不図示)から供給された電力の少なくともいずれか一方の電力によって動作する。電気負荷16の具体例として、ECU、センサ、オーディオ装置、ソレノイドバルブなどの補機が挙げられる。このような補機に給電するための低圧系バッテリ1は、補機バッテリとも呼ばれる。その具体例として、鉛バッテリが挙げられる。
高圧系バッテリ2は、高圧系(例えば、202V系)の電気負荷17に給電する。電気負荷16の具体例として、車両の駆動輪を回転させて車両を走行させるためのモータ(モータ/ジェネレータ(MG))などが挙げられる。例えば、電源システム10を備えるプラグインハイブリッド車は、内燃機関であるエンジン(不図示)と該MGの少なくともいずれか一方からの駆動力によって走行する。電気負荷17は、高圧系バッテリ2に蓄えられた電力と充電制御部5を介して供給された電力の少なくともいずれか一方の電力によって動作する。高圧系バッテリ2の具体例として、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリなどが挙げられる。
充電制御部5は、車外電源25から供給された交流電力(例えば、AC100V、AC200Vなど)を直流電力に変換して、高圧系電源経路8を介して、高圧系バッテリ2、電気負荷17、DC−DCコンバータ3に供給する充電器の機能を備える。充電制御部5は、車両と車外電源25との接続有無を判断可能な接続情報をECU4に送信する接続情報送信手段を有する。この接続情報送信手段は、例えば、車両と車外電源25との接続有無に応じて変化する信号を出力するスイッチによって実現できる。また、充電制御部5は、車外電源25による高圧系バッテリ2の充電の実施有無を判断可能な充電実施情報をECU4に送信する充電実施情報送信手段を有していてもよい。この充電実施情報送信手段は、例えば、車外電源25による高圧系バッテリ2の充電の実施有無に応じて変化する信号を出力するスイッチによって実現できる。
充電制御部5は、高圧系バッテリ2の充電を制御する。充電制御部5は、例えば、高圧系バッテリ2の電圧値や充電率などの電池状態に基づいて、充電の要否を判断する。充電制御部5は、高圧系バッテリ2の電池状態が充電を停止すべき所定の電池状態であることが検知された場合には(例えば、高圧系バッテリ2の電圧値や充電率が所定値以上検知された場合には)、車外電源25からの送電を遮断する。これによって、車外電源25が充電ケーブル24を介して車両に接続されたままであっても、高圧系バッテリ2への充電を自動的に停止させることができる。
充電制御部5は、例えば、車外電源25からの交流電力を直流電力に変換するインバータと、該インバータからの直流電力をレギュレートするコンバータ(レギュレータ)とを備えるとよい。また、該インバータは、車両の走行駆動トルクを発生させるエンジンの動力に基づいて発電するMG(不図示)により発電された交流電力を、直流電力に変換するものでもよい。
充電ケーブル24は、車両と車外電源25とを電気的に接続するものであって、車両に取り付けられた受電側コネクタ11との嵌合によって車外電源25から車両への充電を可能にする。充電ケーブル24は、車体の受電側コネクタ11に嵌合可能な給電側コネクタ21と、車外電源25に接続可能なプラグ23と、給電側コネクタ21とプラグ23とを結ぶ給電線22とを有する。車外電源25は、交流の商用電源(例えば、家庭用コンセント)でもよいし、充電施設に備えられた充電装置でもよい。
DC−DCコンバータ3は、高圧系バッテリ2の供給電力に基づいて、低圧系バッテリ1の充電電流を出力してもよいし、充電制御部5を介しての車外電源25の供給電力に基づいて、低圧系バッテリ1の充電電流を出力してもよいし、高圧系バッテリ2と充電制御部5を介しての車外電源25の両方の供給電力に基づいて、低圧系バッテリ1の充電電流を出力してもよい。例えば、車外電源25が車両に接続されていなければ、DC−DCコンバータ3は、高圧系バッテリ2の供給電力に基づいて、低圧系バッテリ1の充電電流を出力することができる。また、例えば、高圧系バッテリ2が何らかの理由で電源システム10から遮断されていても、DC−DCコンバータ3は、充電制御部5を介して車外電源25から供給された電力に基づいて、低圧系バッテリ1の充電電流を出力することができる。
DC−DCコンバータ3は、高圧系バッテリ2及び/又は車外電源25の供給電力に基づいて、DC−DCコンバータ3の出力電圧を調整し、調整した出力電圧に応じた出力電流を、DC−DCコンバータ3の出力として、低圧系バッテリ1に向けて出力する。DC−DCコンバータ3の出力電圧は、ECU4からの信号に基づいて、高圧系バッテリ2側の電圧系の電源電圧を低圧系バッテリ1が許容可能な電源電圧に電圧変換(つまり、降圧変換)することによって、調整される。つまり、DC−DCコンバータ3は、ECU4からの指令信号に従って調整した出力電圧で出力電流を出力することにより、低圧側バッテリ1を充電させたり、放電させたりすることができる。
ECU4は、低圧系バッテリ1の電池状態を検知するセンサ7による検知信号に基づいて、DC−DCコンバータ3の出力電圧の指令値(設定値)を決定する電子制御装置である。センサ7の具体例として、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧を検知する電圧センサ、低圧系バッテリ1の温度を検知する温度センサなどが挙げられる。また、ECU4は、車両と車外電源25との接続有無を判断可能な接続情報及び/又は車外電源25による高圧系バッテリ2の充電の実施有無を判断可能な充電実施情報に基づいて、DC−DCコンバータ3の出力電圧の指令値(設定値)を決定する。ECU4は、接続情報に基づいて車両と車外電源25が接続されたことを検知した場合、及び/又は、充電実施情報に基づいて車外電源25による高圧系バッテリ2の充電が開始したことを検知した場合、DC−DCコンバータ3を作動させ、DC−DCコンバータ3による低圧系バッテリ1の充電を必要に応じて開始する。
ECU4は、DC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止させることができる。例えば、ECU4は、DC−DCコンバータ3の出力の停止又は復帰を指令する指令信号をDC−DCコンバータ3に送信することによって、DC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止させることができる。この場合、DC−DCコンバータ3の電圧変換動作の停止と復帰の動作が繰り返されることによって、DC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止させることができる。また、例えば、ECU4は、DC−DCコンバータ3と低圧側バッテリ1とを結ぶ低圧系電源経路9を遮断可能な遮断手段であるリレー6を駆動することによって、DC−DCコンバータ3の出力をリレー6の通電/遮断動作の繰り返しによって所定時間停止させることができる。
また、車外電源25が車両に接続されている状態で、DC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止することが間欠的(例えば、周期的に)に行われることによって、低圧系バッテリ1の放電が繰り返され、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定を繰り返し実施することができる。その結果、車外電源25が車両に接続されて無人となりうる状況で、低圧系バッテリ1の短絡異常が発生しても、その短絡異常を速やかに検知し、所定の適切な対処を実施することができる。例えば、ECU4によって、警告表示、警告音、警告信号などの警告情報の発信や、短絡異常が発生したことをダイアグ情報として記録することが可能になる。
また、DC−DCコンバータ3は高圧系バッテリ2及び/又は車外電源25の供給電力に基づいて低圧系バッテリ1の充電電流を出力するので、車外電源25による高圧系バッテリ1の充電中にDC−DCコンバータ3の出力を所定時間停止させることによって、高圧系バッテリ2及び/又は車外電源25からの電力の持ち出し分が減るので、車外電源25による高圧系バッテリ1の充電時間を短縮することができる。
また、上述のように、電源システム10によれば、低圧系バッテリ1の短絡異常を判定するための低圧系バッテリ1の放電時間を短縮できるため、その放電時間での放電量が減り、その放電量をDC−DCコンバータ3からの充電電流によって補うために必要な補充電時間も短縮できる。その結果、充放電の繰り返しによる低圧系バッテリ1の寿命が低下することを防止することができる。
また、ECU4は、低圧系バッテリ1の放電時のバッテリ電圧に基づいて、低圧系バッテリ1の短絡異常を判定することができる。低圧系バッテリ1に短絡異常が発生していれば、低圧系バッテリ1を放電させたときの低圧系バッテリ1のバッテリ電圧は、低圧系バッテリ1に短絡異常が発生していない場合に比べて、低く検出されるからである。
低圧系バッテリ1の短絡異常として、例えば、バッテリ内のセルのショートが挙げられる。低圧系バッテリ1は複数のセルによって構成され、各セルの合計電圧が低圧系バッテリ1のバッテリ電圧となる。したがって、低圧系バッテリ1内の一又は二以上のセルがショートしていると、ショートしたセルの電圧分だけ降下した電圧が、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧として検出される。
低圧系バッテリ1の短絡異常には、完全にショートしている場合だけでなく、ハーフショートしている場合が含まれてもよい。
図2は、本発明の実施例であるバッテリ異常判定方法を示したフローチャートである。本実施例のバッテリ異常判定方法は、低圧系バッテリ1の充電電流を出力するDC−DCコンバータ3の出力を、車外電源25が車両に接続された状態で、所定時間停止することにより、低圧系バッテリ1を放電させることによって、低圧系バッテリの短絡異常を判定する。電源システム10のECU4は、本方法に従って、低圧系バッテリ1の短絡異常を判定する。
ステップS10において、車両が停止している状態で、車両に車外電源25が接続され、車外電源25による高圧系バッテリ2の充電が開始する。
ステップS12において、車外電源25の接続又は高圧系バッテリ2の充電開始を検知したECU4は、DC−DCコンバータ3を始動させる。DC−DCコンバータ3は、ECU4からの指令信号に従って調整した出力電圧Vo1(例えば、14V)で出力電流を出力することにより、低圧系バッテリ1の充電を開始する。ステップS12では、DC−DCコンバータ3は、車両の走行後に充電開始前の低圧系バッテリ1の放電分を回復させるために、充電開始時の段階では、低圧系バッテリ1を充電可能な電圧Vo1で充電する。なぜならば、充電が十分に行われていない状態で、DC−DCコンバータ3の出力を停止すると、低圧系バッテリ1の電圧降下が大きくなり、正常なバッテリでも異常と誤判定してしまうからである。
DC−DCコンバータ3は、ステップS14に示されるように、出力電圧Vo1での出力の開始から所定時間T1(例えば、2分)が経過するまで、出力電圧Vo1での充電を継続する。時間T1は、低圧系バッテリ1を確実に充電できる時間に予め設定されていればよい。
ステップS16において、DC−DCコンバータ3は、時間T1の経過後、高圧系バッテリ2側の電源電圧に基づく発電を停止し、その出力を停止する。DC−DCコンバータ3の出力停止により、低圧系バッテリ1に充電電流が流れることが止まり、低圧系バッテリ1の放電が開始する。
DC−DCコンバータ3は、ステップS18に示されるように、その出力の停止を開始してから所定時間T2(例えば、5秒)が経過するまで、その出力の停止を継続する。時間T2は、DC−DCコンバータ3の応答性を加味しつつ、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定に必要な時間を少なくとも確保できるように、できるだけ短い時間に設定されていればよい。
ステップS20において、ECU4は、センサ7の出力信号に基づいて、DC−DCコンバータ3の出力が停止している時間T2の経過後の低圧系バッテリ1のバッテリ電圧が所定の閾値電圧Vth以上か否かを判断する。閾値電圧Vthは、低圧系バッテリ1の短絡異常の発生を判定可能な電圧(例えば、11.5V)に設定されていればよい。
ECU4は、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧が閾値電圧Vth以上の場合、DC−DCコンバータ3の出力を時間T2停止させて低圧系バッテリ1を放電させたときの電圧降下が小さいとして、低圧系バッテリ1の短絡異常が発生していないと判定する。一方、ECU4は、低圧系バッテリ1のバッテリ電圧が閾値電圧Vth未満の場合、DC−DCコンバータ3の出力を時間T2停止させて低圧系バッテリ1を放電させたときの電圧降下が大きいとして、低圧系バッテリ1の短絡異常が発生していると判定する。
ステップS22において、低圧系バッテリ1の短絡異常が発生していないと判定したECU4は、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定のための放電分を回復できる最適電圧Vo2に、DC−DCコンバータ3の出力電圧を設定する。最適電圧Vo2は、例えば、センサ7による検知信号に基づき、低圧系バッテリ1の温度とバッテリ電圧とのマップに従って、決定される。DC−DCコンバータ3は、ECU4からの指令信号に従って調整した出力電圧Vo2(例えば、13.5〜14.5V)で出力電流を出力することにより、低圧系バッテリ1の補充電を開始する。これにより、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定のために放電された分を補うことができる。
DC−DCコンバータ3は、ステップS24に示されるように、出力電圧Vo2での出力の開始から所定時間T3(例えば、1分)が経過するまで、出力電圧Vo2での充電を継続する。時間T3は、DC−DCコンバータ3の出力を停止した時間に応じて変更され、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定のための放電分を補うのに必要な時間に設定されていればよい。
ステップS26において、ECU4は、低圧系バッテリ1が放電しないような最適電圧Vo3に、DC−DCコンバータ3の出力電圧を設定する。最適電圧Vo3は、例えば、センサ7による検知信号に基づき、低圧系バッテリ1の温度とバッテリ電圧とのマップに従って、決定される。DC−DCコンバータ3は、ECU4からの指令信号に従って調整した出力電圧Vo3(例えば、12.5〜13.5V)で出力電流(すなわち、低圧系バッテリ1に流れ込む充電電流がゼロになるような出力電流)を出力する。これにより、低圧系バッテリ1の過充電と過放電を防止することができる。
DC−DCコンバータ3は、ステップS28に示されるように、出力電圧Vo3での出力の開始から所定時間T4(例えば、30分)が経過するまで、出力電圧Vo3で出力電流を出力する。時間T4の経過後にDC−DCコンバータ3の出力は再度停止するので(ステップS16)、時間T4の長さを変えることによって、低圧系バッテリ1の短絡異常の判定タイミングの間隔を調整することができる。低圧系バッテリ1の充放電のサイクルを短くしすぎると、低圧系バッテリ1の寿命に影響するため、時間T4は、ある程度長い時間に設定されればよい。
一方、ステップS30において、低圧系バッテリ1の短絡異常が発生していると判定したECU4は、低圧系バッテリ1が充電されず且つ他の電子機器のリセットが発生しないような最適電圧Vo4に、DC−DCコンバータ3の出力電圧を設定する。DC−DCコンバータ3は、ECU4からの指令信号に従って調整した出力電圧Vo4(例えば、11.5V)で出力電流を出力する。これにより、他の電子機器にリセットが発生することを防止しつつ、短絡異常が発生している低圧系バッテリ1に充電がされることを防止することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施例では、第1の電圧系の第1のバッテリとして、低圧系バッテリ1を示し、第1の電圧系より高電圧の第2の電圧系のバッテリとして、高圧系バッテリ2を示した。しかしながら、第1のバッテリが、第2のバッテリに比べて、高電圧又は同電圧であってもよい。
また、バッテリ1と2は、二次電池であればよい。そのため、例えば、バッテリ1が、リチウムイオンバッテリでもよいし、ニッケル水素バッテリでもよい。
また、DC−DCコンバータ3とECU4は、別体ではなく、一体の装置で実現してもよい。
1 低圧系バッテリ
2 高圧系バッテリ
3 DC−DCコンバータ
4 ECU
5 充電制御部
6 リレー
7 センサ
8 高圧系電源経路
9 低圧系電源経路
10 車両用電源システム
11 受電側コネクタ
16 負荷
21 給電側コネクタ
22 給電線
23 プラグ
24 充電ケーブル
25 車外電源

Claims (9)

  1. 車載の第1のバッテリと、
    車載の第2のバッテリと、
    前記第1のバッテリの充電電流を出力する出力手段と、
    前記第2のバッテリを充電可能な車外電源が車両に接続された状態で、前記出力手段の出力を所定時間停止して、前記第1のバッテリを放電させることによって、前記第1のバッテリの短絡異常を判定する判定手段とを備える、電源システム。
  2. 前記出力手段が、前記第2のバッテリ及び/又は前記車外電源の供給電力に基づいて、前記充電電流を出力する、請求項1に記載の電源システム。
  3. 前記出力手段の出力を所定時間停止することが、前記車外電源による前記第2のバッテリの充電中に行われる、請求項1又は2に記載の電源システム。
  4. 前記出力手段の出力を所定時間停止することが、間欠的に行われる、請求項1から3のいずれか一項に記載の電源システム。
  5. 前記第1のバッテリの短絡異常がないと判定された場合、前記出力手段の出力によって前記第1のバッテリを補充電する、請求項1から4のいずれか一項に記載の電源システム。
  6. 前記第1のバッテリの補充電後、前記第1のバッテリが放電しないように前記出力手段の出力電圧が設定される、請求項5に記載の電源システム。
  7. 前記第1のバッテリの短絡異常があると判定された場合、前記第1のバッテリが充電されないように前記出力手段の出力電圧が設定される、請求項1から6のいずれか一項に記載の電源システム。
  8. 前記出力手段が、DC−DCコンバータである、請求項1から7のいずれか一項に記載の電源システム。
  9. 車載の第1のバッテリの充電電流を出力する出力手段の出力を、車載の第2のバッテリを充電可能な車外電源が車両に接続された状態で、所定時間停止して、前記第1のバッテリを放電させることによって、前記第1のバッテリの短絡異常を判定する、バッテリ異常判定方法。
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