JP2016116276A - バッテリ保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ充電量の計算値の妥当性を確認し、計算値の信頼性が低いときにはバッテリの過充電を防止し、バッテリの不具合を抑制することのできるバッテリ保護装置を提供すること。【解決手段】バッテリＥＣＵ２２において算出される制御用ＳＯＣと、第１推定部（３０）においてモータ（３）と電力変換器（１０）間の電流に基づき推定される第１推定ＳＯＣと、第２推定部（３１）においてバッテリ（１１）と電力変換器（１０）間の電流に基づき推定される第２推定ＳＯＣとが保護制御部に送られ、保護制御部（３２）が制御用ＳＯＣと、２つの推定ＳＯＣとを比較して、制御用ＳＯＣが２つの推定ＳＯＣよりも所定量以上低い場合には、バッテリ１１への充電を制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ保護装置に係り、詳しくはバッテリの過充電を防止する技術に関する。

近年、環境保護の観点から、環境に配慮した自動車として、車両の駆動源にエンジンと走行用モータ（電動機）とを利用するハイブリッド電気自動車（以下ハイブリッド車両という）や走行用モータのみを駆動源とする電動車両が知られている。このような電動車両では、降坂路走行時にモータを発電機として使用する回生運転を行うことで、バッテリを充電することができる（特許文献１参照）。

特開２０１２−１３１２９２号公報

特許文献１を含む電動車両では、バッテリを管理するコントロールユニット（例えばバッテリＥＣＵ）が搭載されている。このようなコントロールユニットは、バッテリの制御を行うためにバッテリの充電量（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出している。バッテリの充電量はバッテリの電圧や電流を検出して、それらの値からＳＯＣを計算しているが、通信の不具合等で計算異常が生じたり、バッテリ特性が変化したりした場合等には正確なＳＯＣを検出できない場合がある。

このような誤ったＳＯＣにて、回生運転を続けたりすれば、バッテリが過充電状態となり、バッテリの損傷や製品寿命の短縮、ひいては発火等の不具合を引き起こすおそれがある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、バッテリ充電量の計算値の妥当性を確認し、計算値の信頼性が低いときにはバッテリの過充電を防止し、バッテリの不具合を抑制することのできるバッテリ保護装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本適用例に係るバッテリ保護装置は、車両の駆動源であり発電も可能な電動機と、前記電動機を駆動するための電力の供給及び前記電動機により発電された電力の蓄電が可能なバッテリと、前記電動機と前記バッテリとの間で電力の変換を行う電力変換手段と、前記電動機、前記バッテリ、前記電力変換手段を含む電力供給回路と、前記バッテリの状態を検出するバッテリ状態検出手段と、前記電力供給回路内における電力供給状態を検出する電力供給状態検出手段と、少なくとも前記バッテリの制御に用いられる前記バッテリの充電量に相当する制御用充電量を、前記バッテリ状態検出手段により検出される前記バッテリの状態に基づいて算出する制御用充電量算出手段と、前記電力供給状態検出手段により検出される電力供給状態に基づき前記バッテリの充電量を推定した推定充電量を算出する充電量推定手段と、前記制御用充電量と前記推定充電量とを比較し、前記制御用充電量が前記推定充電量よりも所定量以上低い場合に、前記バッテリへの充電を制限するバッテリ保護制御手段と、を備える。

上記手段を用いる本発明によれば、バッテリ充電量の計算値の妥当性を確認し、計算値の信頼性が低いときにはバッテリの過充電を防止し、バッテリの不具合を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るバッテリ保護装置を備えた車両の概略構成図である。 バッテリ保護制御を実行した場合の各種パラメータの推移の一例を表したタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態におけるバッテリ保護装置を備えた車両の概略構成図であり、同図に基づき説明する。

車両１はいわゆるパラレル型ハイブリッドのトラックとして構成されており、以下の説明では、単に車両とも称する。

車両１には走行用動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２、及び例えば永久磁石式同期電動機のように発電機としても作動可能なモータ３が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力側が連結されている。変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。

変速機５は一般的な手動式変速機をベースとしてクラッチ４の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進６速後退１速の変速段を有している。当然ながら、変速機５の構成はこれに限るものではなく任意に変更可能であり、例えば手動式変速機として具体化してもよいし、２系統の動力伝達系を備えたいわゆるデュアルクラッチ式自動変速機として具体化してもよい。

モータ３には電力変換器１０（電力変換手段）を介してバッテリ１１が接続され、これらモータ３、電力変換器１０、及びバッテリ１１は電力供給回路１２に含まれている。

電力変換器１０は、一般的なインバータ機能及びコンバータ機能を備える装置であり、単にインバータとしても称される装置である。バッテリ１１に蓄えられた直流電力は電力変換器１０により交流電力に変換されてモータ３に供給され、モータ３が発生した駆動力は変速機５で変速された後に駆動輪９に伝達されて車両１を走行させる（これを力行運転という）。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。モータ３が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪９側に伝達されると共に、モータ３が発電した交流電力が電力変換器１０で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電される（これを回生運転という）。

このようなモータ３が発生する駆動力は上記クラッチ４の断接状態に関わらず駆動輪９側に伝達され、これに対してエンジン２が発生する駆動力はクラッチ４の接続時に限って駆動輪９側に伝達される。従って、クラッチ４の切断時には、上記のようにモータ３が発生する正側または負側の駆動力が駆動輪９側に伝達されて車両１が走行する。また、クラッチ４の接続時には、エンジン２及びモータ３の駆動力が駆動輪９側に伝達されたり、或いはモータ３の駆動力を０とすることでエンジン２の駆動力のみが駆動輪側に伝達されたりして車両１が走行する。

車両１には、車両全体を統合制御するための制御回路である車両ＥＣＵ２０が搭載されている。車両ＥＣＵ２０には、図示はしないがクラッチ４を断接操作するアクチュエータ、及び変速機５を変速操作するアクチュエータなどが接続されると共に、図示しないエンジン制御用のエンジンＥＣＵ、電力変換器制御用の電力変換ＥＣＵ２１、及びバッテリ１１を管理するバッテリＥＣＵ２２が接続されている。その他、車両ＥＣＵ２０には、バッテリ１１と電力変換器１０との間の電流を検出するバッテリ電流センサ２３（電力供給状態検出手段、バッテリ状態検出手段）等の各種センサが接続されている。

そして、車両ＥＣＵ２０は、各種ＥＣＵや各種センサから情報を取得する。例えば、車両ＥＣＵ２０はエンジンＥＣＵからはエンジン回転数を、電力変換ＥＣＵ２１（電力供給状態検出手段）からモータ３と電力変換器１０との間の電流値を、バッテリＥＣＵ２２からバッテリ１１の制御用ＳＯＣ（制御用充電量）等の情報を取得する。

車両ＥＣＵ２０は、運転者によるアクセル操作量などに基づき車両１を走行させるために必要な要求トルクを算出し、その要求トルクやバッテリ１１のＳＯＣなどに基づき車両１の走行モードを選択する。走行モードとしては、例えばエンジン走行モード、モータ走行モード、ハイブリッド走行モードがある。

エンジン走行モードはエンジン２の駆動力のみを用いて走行する走行モードであり、モータ走行モードはモータ３の駆動力のみを用いて走行する走行モードである。ハイブリッド走行モードは、エンジン２及びモータ３の駆動力を共に用いて走行する走行モードである。車両ＥＣＵ２０は、これらの走行モードのうちの何れかの走行モードを選択し、選択した走行モードに応じてエンジンＥＣＵを介してエンジン２を、電力変換ＥＣＵ２１を介してモータ３を制御する。

また、バッテリＥＣＵ２２は、バッテリ電流センサ２３からバッテリ１１と電力変換器１０との間の電流情報を取得するとともに、その他図示しないバッテリ温度センサからバッテリ１１の温度、電圧センサからバッテリ１１の電圧等、バッテリの状態に関する情報を取得して、これらの情報からバッテリ１１を制御するための制御用ＳＯＣを算出する。バッテリＥＣＵ２２は制御用ＳＯＣを自らの制御に用いるとともに、車両ＥＣＵ２０に出力も行う。

車両ＥＣＵ２０はバッテリＥＣＵ２２から取得した制御用ＳＯＣに基づき各種制御を行う。一方で、車両ＥＣＵ２０は当該制御用ＳＯＣの妥当性を確認すべく、バッテリＥＣＵ２２による制御用ＳＯＣの算出方法とは異なる算出方法によりＳＯＣの推定を行う第１推定部３０（充電量推定手段）と第２推定部３１（充電量推定手段）を有している。第１推定部３０は電力供給回路１２におけるモータ３と電力変換器１０との間の電力供給状態に基づき、第２推定部３１は電力供給回路１２におけるバッテリ１１と電力変換器１０との間の電力供給状態に基づき、それぞれＳＯＣを推定する。

詳しくは、第１推定部３０は、電力変換ＥＣＵ２１が行うモータトルク制御に基づきＳＯＣを推定するものである。第１推定部３０が電力変換ＥＣＵ２１により制御されるモータトルクの値を取得する手段は特に限定されない。例えば、第１推定部３０は、直流電流相当の電力量を計算するためモータトルクを電力変換ＥＣＵ２１から取得してもよい。また、例えば、第１推定部３０は、車両ＥＣＵ２０において走行状態から車両諸元に応じて推定される出力モータトルクを取得してもよい。第１推定部３０は、図示しないメモリに推定したＳＯＣの履歴を記憶しており、取得されたモータトルクから算出された電力量に基づきＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを逐次算出する。そして第１推定部３０は、図２にあるように、推定開始時点のＳＯＣ絶対値としては、制御用ＳＯＣを使用し、制御用ＳＯＣにΔＳＯＣを加えることで第１推定ＳＯＣを算出する。なお、ここでのモータ３や電力変換器１０の効率は、予め所定の環境下で実験して求めたいわゆる代表効率を用いて計算を行う。

第２推定部３１は、バッテリ状態に基づきＳＯＣを推定するものであり、具体的にはバッテリ１１に設けられているバッテリ電流センサ２３からバッテリ１１と電力変換器１０との間の電流値を直接取得する。第２推定部３１は、図示しないメモリに推定したＳＯＣの履歴を記憶しており、バッテリ電流センサ２３から新たに取得した電流値からＳＯＣの変化量ΔＳＯＣを逐次算出する。そして電力変換ＥＣＵ２１は、前回算出したＳＯＣにΔＳＯＣを加えることで第２推定ＳＯＣを算出する。なお、ここでのバッテリ１１の効率も代表効率を用いて計算を行う。

これら第１推定部３０及び第２推定部３１において算出された第１推定ＳＯＣ及び第２推定ＳＯＣは車両ＥＣＵ２０の保護制御部３２（バッテリ保護制御手段）に送られる。なお、以下において第１推定ＳＯＣと第２推定ＳＯＣとを併せて推定ＳＯＣ（推定充電量）ともいう。

保護制御部３２はバッテリＥＣＵ２２から制御用ＳＯＣを取得し、当該制御用ＳＯＣと、推定ＳＯＣとの比較を行い、その比較結果に応じたバッテリ１１の保護制御を行う。具体的には制御用ＳＯＣと第１推定ＳＯＣとの差分、制御用ＳＯＣと第２ＳＯＣとの差分をそれぞれ算出する。制御用ＳＯＣが推定ＳＯＣよりも低い場合には、実際のＳＯＣは制御用ＳＯＣよりも高い可能性があり、このような制御用ＳＯＣに従ってバッテリ１１を管理するとＳＯＣが不足していると誤認して、必要以上に充電が行われる可能性がある。

一方、制御用ＳＯＣが推定ＳＯＣよりも高い場合には、実際のＳＯＣは制御用ＳＯＣよりも低い可能性があり、このような制御用ＳＯＣに従ってバッテリ１１を管理するとＳＯＣが足りていると誤認して、充電不足となる可能性がある。

そこで、保護制御部３２は、制御用ＳＯＣが第１推定ＳＯＣ及び第２推定ＳＯＣのいずれの推定ＳＯＣよりも所定量低くなった場合には、ＳＯＣ計算の故障と判断し、車両ＥＣＵ２０からの充電指示を禁止するとともに、バッテリＥＣＵ２２を介してバッテリ１１への充電を所定の制限上限値までに制限する。この制限上限値は、バッテリ１１を適正に使用可能な適正ＳＯＣ範囲の上限値よりも低い値に設定されている。また、この故障が所定時間以上又は所定回数以上検知された場合には、車両ＥＣＵ２０が電力変換ＥＣＵ２１を介してモータ３を駆動させる等して、バッテリ１１から強制的に放電を行なわせる。

さらに、保護制御部３２は、ＳＯＣの計算故障を検知した際に車両ＥＣＵ２０に接続されている警告灯３３により運転者に対して故障警告を行う。なお、故障警告は故障を検知して直ちに行う必要はなく、故障検知回数又は時間が一定以上となったときに故障警告を行うこととしてもよい。

一方、保護制御部３２は、制御用ＳＯＣが第１推定ＳＯＣ及び第２推定ＳＯＣのいずれの推定ＳＯＣよりも所定量大きい場合には、ＳＯＣが不足気味となるおそれがあるが発火等のおそれはないことから、充電制限や強制放電等は行わず、警告灯３３により故障警告のみを行う。なお、制御用ＳＯＣが推定ＳＯＣよりも低いか否かの判定の方が発火防止等の観点から重要性が高いことから、制御用ＳＯＣが推定ＳＯＣよりも高いか否かの判定よりも重み付けを重くしてもよい。

ここで、図２を参照すると、上述のバッテリ１１の保護制御を実行した場合の各種パラメータの推移の一例を表したタイムチャートが示されており、以下同図に基づき、バッテリ１１の保護制御による作用効果を説明する。

まず図２では車両１は降坂路を走行しておりｔ１時点からモータ３を回生運転させ、それに伴い制御用ＳＯＣの値が上昇している。

そしてｔ２時点にて制御用ＳＯＣが一点鎖線で示す推定ＳＯＣよりも所定量低いことが検知されると、保護制御部３２がＳＯＣ計算の故障と判断して、故障検知フラグをＯＮとし、充電を制限すべくモータトルクを０とする。これによりバッテリ１１への充電は抑制される。

そしてｔ３時点まで故障検知が継続されると、車両ＥＣＵ２０は電力変換ＥＣＵ２１を介してモータ３を駆動させ、バッテリ１１の強制放電を行う。これによりバッテリ１１のＳＯＣを低減させることができる。

ｔ４時点にて制御用ＳＯＣが充電制限時の上限値にまで達するとモータトルクを０に戻し、強制的な放電は終了する。これにより、たとえＳＯＣの計算故障が生じていたとしても、発火等のおそれのないＳＯＣに抑制させることができる。

以上のように、本実施形態では、保護制御部３２において、制御用ＳＯＣとは異なる算出方法で計算した推定ＳＯＣと、制御用ＳＯＣとを比較することで、制御用ＳＯＣの妥当性を確認している。そして、制御用ＳＯＣが推定ＳＯＣよりも所定量低い場合には、バッテリ１１への充電を制限することで過充電を防止することができる。これにより過充電によるバッテリの発火等の不具合を抑制することができる。

また、保護制御部３２は、ＳＯＣの計算故障を検知したときには、警告灯３３による故障警告を出して運転者に異常を認識させ、早期に整備や点検を行うことを促すことができる。

以上で本発明に係るバッテリ保護装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態では、警告灯３３により制御用ＳＯＣの計算故障について運転者に警告を行っているが、運転者に警告を行う手段はこれに限られるものではなく、例えば文字を表示したり音声により警告を行ってもよい。

また、上記実施形態では、第１推定部及び第２推定部により第１推定ＳＯＣ及び第２推定ＳＯＣの２つの推定ＳＯＣを算出しているが、いずれか一方のみ、又は電力供給回路状態のその他の情報から算出した他の推定ＳＯＣを用いて、バッテリ１１の保護制御を行ってもよい。

また、本実施形態に係るバッテリ保護装置は、車両の走行経路において、回生制御により過充電の恐れがある比較的長い降坂路を検出する降坂路検出手段を更に備え、このような降坂路の走行時にバッテリ１１の保護制御を行ってもよい。これにより、バッテリ１１の保護制御による計算負荷を軽減しつつ、確実にバッテリの過充電を防止することができる。

１ 車両
２ エンジン
３ モータ
１０ 電力変換器（電力変換手段）
１１ バッテリ
１２ 電力供給回路
２０ 車両ＥＣＵ
２１ 電力変換ＥＣＵ（電力供給状態検出手段）
２２ バッテリＥＣＵ（制御用充電量算出手段）
２３ バッテリ電流センサ（電力供給状態検出手段、バッテリ状態検出手段）
３０ 第１推定部（充電量推定手段）
３１ 第２推定部（充電量推定手段）
３２ 保護制御部（バッテリ保護制御手段）
３３ 警告灯

Claims (1)

1. 車両の駆動源であり発電も可能な電動機と、
   前記電動機を駆動するための電力の供給及び前記電動機により発電された電力の蓄電が可能なバッテリと、
   前記電動機と前記バッテリとの間で電力の変換を行う電力変換手段と、
   前記電動機、前記バッテリ、前記電力変換手段を含む電力供給回路と、
   前記バッテリの状態を検出するバッテリ状態検出手段と、
   前記電力供給回路内における電力供給状態を検出する電力供給状態検出手段と、
   少なくとも前記バッテリの制御に用いられる前記バッテリの充電量に相当する制御用充電量を、前記バッテリ状態検出手段により検出される前記バッテリの状態に基づいて算出する制御用充電量算出手段と、
   前記電力供給状態検出手段により検出される電力供給状態に基づき前記バッテリの充電量を推定した推定充電量を算出する充電量推定手段と、
   前記制御用充電量と前記推定充電量とを比較し、前記制御用充電量が前記推定充電量よりも所定量以上低い場合に、前記バッテリへの充電を制限するバッテリ保護制御手段と、
   を備えるバッテリ保護装置。
   

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