JP2017058257A - 車載リレーの温度検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】サーミスタに対する温度補正が不適切に行われることのない、車載リレーの温度検出システムを提供する。
【解決手段】車載リレー温度検出システムは、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度を検出するサーミスタ24A〜24Cを備える。リレー温度検出システムの監視ユニット20は、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流IBの所定期間における平均値が閾値を超過したときに、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流IBに基づいてサーミスタ24A〜24Cの検出値に補正値を加算し、これをシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度値として出力する。
【選択図】図2

Description

本発明は、バッテリと負荷の間に接続される車載リレーの温度検出システムに関する。
ハイブリッド車両や電気自動車では、バッテリから回転電機等の負荷に電力が供給される。両者の間にはシステムメインリレー(SMR)とも呼ばれるリレーが接続される。リレーによりバッテリと負荷との接続及び遮断が切り替えられる。
リレーが過熱状態に陥ると、接点溶着/溶断等の不具合が生じるおそれがある。そこで、リレーに温度センサを設けて温度監視が行われる。リレーの温度が所定の閾値を超過すると、リレーに流す電流を絞る等の過熱保護制御を実行して、リレーの温度上昇を抑制する。
リレーの温度検出に当たり、例えば車載温度センサとして広く使用されているサーミスタが用いられる。リレーの接点やバスバー等の導体部分にサーミスタの検出素子を直接接触させると当然のことながらサーミスタに大電流が流れて破損に繋がるので、例えば検出素子を絶縁被覆してリレーの導体部分にこれを配置する。
サーミスタは絶縁体を介してリレーの温度を検出するため、リレーの温度を応答性良く正確に測ることは困難となる場合がある。例えばリレーに大電流が流れるとリレーは急速に温度上昇する。このとき、リレーから発生した熱は絶縁体による熱伝達を介してサーミスタに伝わるので、サーミスタの検出温度はリレーの実際の温度に到達するまでに遅れが生じ、実際のリレーの温度よりも低めに温度が出力される。
リレーの実際の温度よりも低めの温度が出力されると、リレーの過熱を検知できないか、検知遅れに繋がるおそれがある。そこで例えば特許文献1や2では、リレーの検出値に対して補正処理を行っている。例えばリレーの検出値に補正値を加算(積み増し)してこれをリレーの温度値として出力する。リレーの過熱を確実に避けるために、従来はサーミスタによる検出値に一律に補正値が加算される。
特開2013−158217号公報 特開2011−86742号公報
ところで、サーミスタの検出値に対して一律に補正値が加算されると、サーミスタの検出値が実際の値に近いとき、例えばリレーに大電流が流れていないとき等にも補正値が加算される。そうなるとリレーの温度として最終的に出力される温度値は補正値の加算分、実際のリレーの温度よりも高めとなる。このとき、リレーの実際の温度がリレーの耐熱上限温度未満であっても、出力された温度値がリレーの耐熱上限温度を超過していると、リレーに対して過熱防止制御が実行され、負荷への電力供給が絞られてしまう。そこで本発明は、サーミスタに対する温度補正が不適切に行われることのない、車載リレーの温度検出システムを提供することを目的とする。
本発明は、バッテリと負荷の間に接続される車載リレーの温度検出システムに関する。当該システムは、前記リレーの温度を検出するサーミスタと、演算部とを備える。演算部は、前記リレーに流れる電流の所定期間における平均値が閾値を超過したときに、前記リレーに流れる電流に基づいて前記サーミスタの検出値に補正値を加算し、前記リレーの温度値として出力する。
本発明によれば、所定期間に亘ってリレーに大電流が流れるとき、言い換えると、リレーに過熱のおそれがあり、かつ、サーミスタが実際よりも低く温度を検出するおそれのあるときに、サーミスタの検出値に対して補正値が加算される。このようにすることで、サーミスタに対する不適切な温度補正が抑制される。
本実施形態に係るリレー温度検出システムとその周辺機器を例示する斜視図である。 図1の、ジャンクションブロック周辺の拡大斜視図である。 システムメインリレーの温度検出回路を例示する図である。 監視ユニットによる補正処理フローを例示する図である。 補正処理フローの別例を示す図である。 補正処理フローで用いられる補正値マップを例示する図である。 補正処理フローで用いられる電流値マップを例示する図である。
図1に、本実施形態に係る車載リレーの温度検出システムとその周辺機器を例示し、図2にその拡大図を例示する。図1,2の例では、車載リレーの温度検出システムは、例えばいわゆるハイブリッド車両や電気自動車等のバッテリユニット12に搭載される。また車載リレーの温度検出システムは、後述する制御ユニット14と通信可能となっている。
バッテリユニット12は、組電池(バッテリ)16、ジャンクションブロック18、監視ユニット20、及び冷却ブロア22を備える。後述するように、車載リレーの温度検出システムは、監視ユニット20とこれに接続された各種センサ(サーミスタ24A〜24C、電流センサ26)を含んで構成される。
組電池16は、複数の電池セル(単電池)を積層させたスタック(積層体)である。これらの電池セルは例えばニッケル水素電池またはリチウムイオン電池等の二次電池から構成される。
冷却ブロア22は、例えば車室内の空気を取り込んで、ダクト30を介して組電池16に冷却空気を送り込む。さらに図1,2の矢印に示されているように、組電池16を通過した後、冷却空気はジャンクションブロック18や監視ユニット20にも供給され、これらの機器を冷却する。
ジャンクションブロック18は、システムメインリレー(或いは単にリレーとも呼ばれる)SMRB,SMRG,SMRPを備える。ジャンクションブロック18は例えばダクト30上に配置される。なお図1、図2に示す実施形態では、単一のジャンクションブロック18にシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPを搭載させているが、この形態に限らない。例えばジャンクションブロック18を、プラス側リレーSMRBを搭載させたプラス側ジャンクションブロックと、マイナス側リレーSMRG及びプリチャージリレーSMRPを搭載させたマイナス側ジャンクションブロックに分割させてもよい。
システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPは組電池16と図示しない回転電機等の負荷との間に接続され、組電池16と負荷の接続及び遮断を切り替える。システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPのバスバー25A,25B,25Cや接点等の導体部分にはそれぞれ組電池16から大電流が供給されるため、感電防止のためこれらの導体部分は樹脂等の絶縁体からなる筐体(図示せず)に収容される。
図3に示すように、システムメインリレーSMRBは組電池16のプラス側に接続され(プラス側リレー)、システムメインリレーSMRGは組電池16のマイナス側に接続される(マイナス側リレー)。また、システムメインリレーSMRPはいわゆるプリチャージリレーであり、マイナス側リレーSMRGと並列に設けられるとともに、高抵抗のレジスタRと直列に接続される。組電池16(バッテリ)と負荷とを遮断状態から導通状態に切り替える際にはプラス側リレーSMRBをオフからオンに切り替えるとともにプリチャージリレーSMRPをオフからオンに切り替える。このとき、組電池16から供給される電力はプリチャージリレーSMRPを介して高抵抗のレジスタRに流れるため、導通初期に大きな突入電流が流れることが避けられる。組電池16と負荷を含む回路内のコンデンサ等が十分にチャージされ、突入電流が発生しない状態になると、プリチャージリレーSMRPがオンからオフに、またマイナス側リレーSMRGがオフからオンに切り替わる。
監視ユニット20(演算部)は、組電池16のSOC(State of Charge)や温度を監視する。加えて監視ユニット20は、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度を監視する。前者(組電池16のSOCや温度の監視)については既知であるので、ここでは説明を省略する。監視ユニット20は例えばコンピュータから構成され、演算回路であるCPU、メモリ等の記憶部、及び機器・センサインターフェースが内部バスを介して互いに接続されている。監視ユニット20は、例えばダクト30上に配置される。
監視ユニット20の記憶部には、組電池16のSOC算出プログラムや、後述する、サーミスタ24A〜24Cの検出値に対する補正処理プログラム、補正値マップ、及び電流値マップ等が記憶されている。
監視ユニット20は、機器・センサインターフェースを介して、種々のセンサからの信号を取得する。具体的には、電流センサ26、サーミスタ24A〜24Cから各種検出信号を取得する。
サーミスタ24A〜24Cは、それぞれ、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度を検出する。図1、図2に示す例では、サーミスタ24A〜24Cの検出素子は絶縁被覆された上でシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPのバスバー25A,25B,25C上に配置される。
なお、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPのうち、プリチャージリレーSMRPのサーミスタ24Cは省略してもよい。すなわち、上述したように、プリチャージリレーSMRPは、マイナス側リレーSMRGを接続状態にする前に一時的に接続状態にされる等、接続期間はごく短期間であり、過熱のおそれは相対的に低いと考えられる。このことから、温度検出の対象とするシステムメインリレーを、プラス側リレーSMRB及びマイナス側リレーSMRGの2者に絞ってもよい。
電流センサ26は、ジャンクションブロック18に設けられ、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流を検出する。電流センサ26は例えば磁気平衡型の電流センサから構成され、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに接続されたバスバー(図示せず)を流れる電流を検出する。
監視ユニット20は電流センサ26、サーミスタ24A〜24C等からの信号を演算処理し、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度値を、機器・センサインターフェースを介して制御ユニット14に送信する。
図1に戻り、制御ユニット14は、電子コントロールユニット(ECU)とも呼ばれ、例えばコンピュータから構成される。すなわち、制御ユニット14は、例えば、演算回路であるCPU、メモリ等の記憶部、及び機器・センサインターフェースが内部バスを介して互いに接続されている。制御ユニット14は、バッテリユニット12とは離間した位置(例えば車両前方等)に設けられ、信号線(一点鎖線で示す)を介して互いに通信可能となっている。
制御ユニット14は、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPのオン/オフ動作を制御する。また、制御ユニット14は、監視ユニット20から受信したシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度値に基づいて、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの過熱保護制御の実行可否を判定する。例えば、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPのいずれかの温度値が所定の閾値を超過している場合に、組電池16から負荷に供給する電力に制限を掛ける(電力を絞る)ことで、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度上昇を抑制させる。
<リレー温度検出システム>
本実施形態に係る車載リレー温度検出システムは、監視ユニット20、電流センサ26、及びサーミスタ24A〜24Cを含んで構成される。図3には、リレー温度検出システムの回路図が例示されている。この図で示されているように、監視ユニット20には、サーミスタ24Aを含む温度検出回路34A、サーミスタ24Bを含む温度検出回路34B、及びサーミスタ24Cを含む温度検出回路34Cがそれぞれ独立に形成されている。このような回路構成を備えることで、サーミスタ24A〜24Cの検出温度は監視ユニット20のマイコン32(またはマルチプレクサ)にてそれぞれ独立に演算、取得することが可能となっている。
サーミスタ24A〜24Cは、温度に応じて抵抗特性が変化する感熱素子(検出素子)である。したがって、各温度検出回路34A〜34Cに図示しない電圧源から定電圧を印加すると、サーミスタ24A〜24Cの温度変化により、抵抗が変化してサーミスタ24A〜24Cの出力電圧(電圧降下)が変化する。この電圧変化と、予めマイコン32等に記憶されたサーミスタ24A〜24Cの温度−抵抗特性から、サーミスタ24A〜24Cに抵抗変化をもたらした熱源、つまりシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度変化をそれぞれ検出できる。
さらにマイコン32は、電流センサ26からシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流値を受信する。監視ユニット20では、後述する補正処理フローを実行し、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流値に基づいて、サーミスタ24A〜24Cから検出された温度値に補正値を加算する。
<補正処理フロー>
図4に、監視ユニット20によるサーミスタ24A〜24Cの温度補正処理フローが例示されている。このフローは、例えばシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPのそれぞれに対して独立に実行される。すなわち、プラス側リレーSMRB用のフロー、マイナス側リレーSMRG用のフロー、及びプリチャージリレーSMRP用のフローの3つのフローが監視ユニット20のマイコン32にて独立に実行される。
補正処理フローは、大きく分けて判定フロー(S10〜S20)と補正フロー(S24,S26)の2者を含んで構成される。判定フローでは、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流の、所定期間(判定期間)における平均値が、予め定めた閾値を超過するか否かに応じて補正の要否が判定される。補正フローでは、サーミスタ24A〜24Cの検出値(検出温度)に補正値を加算(積み増し)する処理が実行される。
まず、監視ユニット20は、判定期間のカウンタをインクリメントする(S10)。例えばカウンタが初期値(i=0)の場合、このステップでi=1となる。
続いて監視ユニット20は、電流センサ26からシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流値IB(i)を取得する。さらに、当該電流値IB(i)の2乗値IB2(i)を一つ前のカウンタ(i−1)における積算値IB2_sum(i−1)に加算して、積算値IB2_sum(i)を得る(S12)。
2乗値とするのはジュール熱が電流の2乗に比例する(Q=RI2t)点に着目したものである。また積算値を取るのは、大電流の発生が短時間であるとき、つまりシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの過熱のおそれがないときに補正フローに進むのを防ぐためである。2乗値の積算の代わりに、単に電流値を積算するようにしてもよい。なお、積算値の初期値IB2_sum(0)はゼロであってよい。
次に監視ユニット20は、判定期間のカウンタiが所定値k(kは正の整数)までカウントアップされたか否かを判定する(S14)。カウンタiが所定値kまでカウントアップされていない場合、所定期間(例えば100msec)待機の後(S16)、再びステップS10まで戻され、カウンタiがインクリメントされる。
ステップS14にて判定期間のカウンタiが所定の値kまでカウントアップされた場合、監視ユニット20は、電流の2乗値の積算値IB2_sum(i=k)をカウント数kで割ることで平均値IB2_aveを求める(S18)。なお、平均値として電流の2乗値を求める代わりに、電流値の平均値IB_aveを求めてもよい。
次に監視ユニット20は、平均値IB2_aveが所定の閾値IB2_Th(>0)を超過しているか否かを判定する(S20)。超過していない場合、監視ユニット20は、補正値の加算を必要とする状況ではないと判定し、サーミスタ24A〜24Cの検出値(検出温度)をシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの各温度としてそのまま制御ユニット14に出力する(S22)。
平均値IB2_aveが所定の閾値IB2_Thを超過する場合、所定期間に亘ってシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに大電流が流れている、言い換えると、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに過熱のおそれがあり、かつ、サーミスタ24A〜24Cが実際よりも低く温度を検出するおそれがある。監視ユニット20は、図4右下に示すような補正値マップを用いて補正値を抽出する(呼び出す)(S24)。
補正値マップはシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流値[A]に対応する補正値[℃](≧0)がプロットされている。電流値と補正値との関係は、予め実験で求めてもよいし、シミュレーション等で求めてもよい。また、プラス側リレーSMRB、マイナス側リレーSMRG、及びプリチャージリレーSMRPごとに補正値マップを作成してもよい。
監視ユニット20は、ステップS24にて、ステップS12で取得した電流値(例えばIB(i=k))を補正値マップにプロットして、これらの値に対応する補正値を抽出する。ステップS24の後、監視ユニット20は、補正値マップから取得した補正値をサーミスタ24A〜24Cの検出値(検出温度)に加算して、これをシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度値として制御ユニット14に出力する(S26)。さらに監視ユニット20は判定期間カウンタを初期値(i=0)にリセットして(S28)再度図4のフローをステップS10から開始する。
以上のように、補正値の加算に先立って判定フローを設けることで、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流IBの所定期間平均値が閾値以下のときには補正値加算が回避され、不適切な温度補正が抑制される。
<第2実施形態>
図4に示した補正処理フローでは、補正値マップから補正値を抽出するに当たってシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流のみを参照したが、他のパラメータを参照するようにしてもよい。例えば、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに対して空冷を行う場合、これらのリレーの温度検出に際して、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPから絶縁体を経由してサーミスタ24A〜24Cに熱伝達される過程で冷却空気により熱が奪われる。その結果、サーミスタ24A〜24Cの検出温度は実際のシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度よりも低めとなるおそれがある。そこで、補正値の抽出に当たり、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流に加えて、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPやサーミスタ24A〜24Cに供給される冷却空気の温度を参照してもよい。
例えばこの実施形態では、車載リレー温度検出システムは、監視ユニット20、電流センサ26、サーミスタ24A〜24Cの他に吸気温度センサ28を含んで構成される。また、監視ユニット20は、機器・センサインターフェースを介して、電流センサ26、サーミスタ24A〜24Cに加えて、吸気温度センサ28からも検出信号を取得する。
図2に示されているように、吸気温度センサ28は、冷却ブロア22が取り込んだ吸気の温度を検出する。吸気温度センサ28は例えばサーミスタから構成され、図2の破線で示すように、その検出素子がダクト30内に配置される。
図1、図2にて示したように、冷却ブロア22に取り込まれた冷却空気は、ダクト30及び組電池16を介してジャンクションブロック18やサーミスタ24A〜24Cに供給される。このことから、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPやサーミスタ24A〜24Cに供給される冷却空気の温度として、吸気温度センサ28が検出する吸気温度を用いることができる。
図5には、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流及び吸気温度センサ28が検出する吸気温度を用いて加算値を求める補正処理フローが例示されている。図5のフローは、図4のステップS24をステップS30に置き換えたものである。以下では、図4と重複するステップについては一部説明を省略する。
ステップS20にて平均値IB2_aveが所定の閾値IB2_Thを超過する場合、監視ユニット20は、図6に示すような補正値マップを用いて補正値を抽出する(呼び出す)(S30)。補正値マップは列(縦軸)にシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流値[A]がプロットされ、行(横軸)に冷却ブロア22の吸気温度Tc[℃]がプロットされ、各行列セルに補正値[℃](≧0)がプロットされる。電流値及び吸気温度と補正値との関係は、予め実験で求めてもよいし、シミュレーション等で求めてもよい。また、プラス側リレーSMRB、マイナス側リレーSMRG、及びプリチャージリレーSMRPごとに補正値マップを作成してもよい。
監視ユニット20は、ステップS12で取得した電流値(例えばIB(i=k))と、吸気温度センサ28が検出した吸気温度を補正値マップにプロットして、これらの値に対応する補正値を抽出する。さらに監視ユニット20は、補正値マップから取得した補正値をサーミスタ24A〜24Cの検出値(検出温度)に加算して、これをシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPの温度値として制御ユニット14に出力する(S26)。
<電流値取得の別例>
図4,5のフローでは、システムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流を電流センサ26から取得していたが、これに代えて、図7に示す電流値マップからこれを取得してもよい。
電流値マップは、列(縦軸)に組電池16のSOC[%]がプロットされ、行(横軸)に負荷である回転電機の出力要求[kW](モータ要求出力)がプロットされ、各行列セルにシステムメインリレーSMRB,SMRG,SMRPに流れる電流の推定値[A]がプロットされる。SOC及び出力要求と電流の推定値との関係は、予め実験で求めてもよいし、シミュレーション等で求めてもよい。
監視ユニット20は、組電池16のSOCを、組電池の積算電流や電圧値変化等から算出する。また、制御ユニット14から回転電機への出力要求を取得する。さらに監視ユニット20は、取得したSOC及び出力要求を電流値マップにプロットして、これらの値に対応する電流値(推定値)を抽出する(呼び出す)。抽出された電流値は、図4のステップS12やステップS24及び図5のステップS30で用いられる。
12 バッテリユニット、14 制御ユニット、16 組電池(バッテリ)、18 ジャンクションブロック、20 監視ユニット(演算部)、22 冷却ブロア、24A〜24C サーミスタ、26 電流センサ、28 吸気温度センサ、SMRB,SMRG,SMRP システムメインリレー(リレー)。

Claims (1)

  1. バッテリと負荷の間に接続される車載リレーの温度検出システムであって、
    前記リレーの温度を検出するサーミスタと、
    前記リレーに流れる電流の所定期間における平均値が閾値を超過したときに、前記リレーに流れる電流に基づいて前記サーミスタの検出値に補正値を加算し、前記リレーの温度値として出力する演算部と、
    を備えたことを特徴とする、車載リレーの温度検出システム。
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