JP2018182810A

JP2018182810A - 電源システム

Info

Publication number: JP2018182810A
Application number: JP2017074826A
Authority: JP
Inventors: 聡武安; Satoshi Takeyasu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-04
Also published as: JP6724850B2

Abstract

【課題】バッテリの状態に応じた適切な放電量による放電を行うことで、バッテリの過放電に伴う不具合の発生を抑制しつつ、バッテリの充電分極を解消する車両用の電源システムを提供する。【解決手段】電源システム１０は、メインバッテリ１１と、メインバッテリから供給された電力によって動作する負荷１２と、サブバッテリ１６と、サブバッテリと負荷との間に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、サブバッテリの放置時間と、サブバッテリの温度と、サブバッテリの劣化度とに基づいて、サブバッテリの充電分極の解消に必要な放電時間を導出する放電時間導出部２２と、放電時間導出部によって導出された放電時間の間、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御することによって、サブバッテリの放電を行う放電制御部２３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関する。

従来より、車両の自動運転システムにおいて、ステアリング操作、ブレーキ操作などを、ＥＣＵの制御によって自動的に行うことができるようにした技術が知られている。このような自動運転システムでは、主電源から供給された電力が突然断たれたときに、ユーザが危険な状態に陥らないように、少なくともユーザが操作を開始するまでの間、バックアップ電源（サブバッテリ）に切り替えることにより、自動運転を継続できるようにすることが考えられる。この場合、自動運転システムは、自動運転の開始前に、サブバッテリの状態を検知して、サブバッテリがバックアップ電源として利用できることを予め確認しておくことが好ましい。

ここで、従来、バッテリの充電分極が生じていない状態でバッテリの状態を検知することにより、バッテリの状態を正確に検知することができることが知られている。バッテリの充電分極を解消させる方法として、例えば、下記特許文献１には、鉛バッテリの回生充電の充電効率を高めることができるように、車両の減速開始時に、鉛バッテリが充電中であることが検出されたときには、鉛バッテリの短時間放電を行って充電分極を解消し、鉛バッテリの受け入れ性を向上させてから、鉛バッテリの回生充電を開始する技術が開示されている。

特開２００８−２６３６７９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術では、鉛バッテリの状態に関わらず、放電電流積算値が一定以上となるまで短時間放電を行うため、鉛バッテリの状態によっては、適切な放電量となる短時間放電を行うことができず、バッテリの過放電により、回生充電の開始が遅延してしまったり、バッテリ寿命が低下してしまったりする虞がある。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するため、車両用の電源システムにおいて、バッテリの状態に応じた適切な放電量による放電を行うことで、バッテリの過放電に伴う不具合の発生を抑制しつつ、バッテリの充電分極を解消できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態の電源システムは、メインバッテリと、前記メインバッテリから供給された電力によって動作する負荷と、サブバッテリと、前記サブバッテリと前記負荷との間に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記サブバッテリの放置時間と、前記サブバッテリの温度と、前記サブバッテリの劣化度とに基づいて、前記サブバッテリの充電分極の解消に必要な放電時間を導出する放電時間導出部と、前記放電時間導出部によって導出された前記放電時間の間、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御することによって、前記サブバッテリの放電を行う放電制御部とを備える。

車両用の電源システムにおいて、バッテリの状態に応じた適切な放電量による放電を行うことで、バッテリの過放電に伴う不具合の発生を抑制しつつ、バッテリの充電分極を解消することができる。

実施形態に係る電源システムのシステム構成を示す図である。実施形態に係るＥＣＵによる処理の手順を示すフローチャートである。実施形態に係るサブバッテリに関する、バッテリ放置時間と充電分極の解消に必要な放電時間との関係を示す図である。実施形態に係るサブバッテリの放電パターンの一例を示す図である。実施形態に係るサブバッテリのＩ−Ｖ特性を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の電源システムについて説明する。

（電源システム１０の構成）
図１は、実施形態に係る電源システム１０のシステム構成を示す図である。図１に示す電源システム１０は、自動車等の車両に搭載されており、車両の各部に電力を供給するためのシステムである。特に、電源システム１０は、自動運転システムを備えた車両に搭載されるものであり、自動運転システム（バックアップ対象負荷１４）への主電力が断たれると、バックアップ電源として機能するサブバッテリ１６からの電力により、自動運転システムの動作を継続させることができるように構成されている。

図１に示すように、電源システム１０は、発電源・補機バッテリ１１、その他負荷１２、リレー１３、バックアップ対象負荷１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、サブバッテリ１６、リレー１７、バッテリセンサ１８、ＲＡＭ（Random Access Memory）１９、およびＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を有して構成されている。

発電源・補機バッテリ（メインバッテリ）１１は、車両の各負荷へ供給する電力を発電および蓄電する。発電源・補機バッテリ１１は、その他負荷１２に接続されている。また、発電源・補機バッテリ１１は、リレー１３を介して、バックアップ対象負荷１４に接続されている。これにより、発電源・補機バッテリ１１は、その他負荷１２およびバックアップ対象負荷１４に電力を供給する。発電源としては、例えば、オルタネータ、オルタネータの出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ等が用いられる。補機バッテリとしては、例えば、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ等が用いられる。

その他負荷１２は、車両が備える、バックアップ対象負荷１４以外の負荷群である。その他負荷１２は、発電源・補機バッテリ１１から供給された電力によって動作する。

リレー１３は、発電源・補機バッテリ１１とバックアップ対象負荷１４との間に設けられている。リレー１３は、ＥＣＵ２０の制御によってＯＮおよびＯＦＦが切り替えられることにより、発電源・補機バッテリ１１からバックアップ対象負荷１４に至る電力供給路を、接続状態と切断状態との間で切り替える。

バックアップ対象負荷１４は、自動運転システムが備える負荷群であって、バックアップ電源による動作対象の負荷群である。バックアップ対象負荷１４としては、例えば、ブレーキペダルの踏み込み量を制御するためのブレーキアクチュエータ、電動パワーステアリングシステムの操舵アシストモータの駆動を制御するための操舵アクチュエータ、これら各アクチュエータの動作を制御するＥＣＵ等が挙げられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、発電源・補機バッテリ１１およびその他負荷１２と、サブバッテリ１６との間に設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＥＣＵ２０から指示された放電パターンにしたがって、サブバッテリ１６の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１５に接続された負荷１２およびバックアップ対象負荷１４に供給することにより、サブバッテリ１６の電力を放電させることが可能である。

サブバッテリ１６は、リレー１７を介して、バックアップ対象負荷１４に接続されている。サブバッテリ１６は、発電源・補機バッテリ１１からの電力が断たれたときに、バックアップ対象負荷１４に電力を供給するための、バックアップ電源として機能する。サブバッテリ１６としては、例えば、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ等が用いられる。

リレー１７は、サブバッテリ１６とバックアップ対象負荷１４との間に設けられている。リレー１７は、ＥＣＵ２０の制御によってＯＮおよびＯＦＦが切り替えられることにより、サブバッテリ１６からバックアップ対象負荷１４に至る電力供給路を、接続状態と切断状態との間で切り替える。

バッテリセンサ１８は、サブバッテリ１６に接続されており、サブバッテリ１６に関する各種状態を検知して、検知したサブバッテリ１６の各種状態に関する情報を出力する。

例えば、バッテリセンサ１８は、車両のイグニッションがＯＦＦに切り替えられてから、次に車両のイグニッションがＯＮに切り替えられるまでの時間を、車両の駐車時間としてカウントし、この駐車時間をＥＣＵ２０へ出力することができる。このため、バッテリセンサ１８は、車両のイグニッションがＯＦＦの状態であっても、車両の駐車時間をカウントすることが可能なタイマー装置等を備えて構成されている。

また、バッテリセンサ１８は、サブバッテリ１６の電流値を検出する電流センサを備えており、この電流センサによって検出されたサブバッテリ１６の電流値を、ＥＣＵ２０へ出力することができる。

また、バッテリセンサ１８は、サブバッテリ１６の電圧値を検出する電圧センサを備えており、この電圧センサによって検出されたサブバッテリ１６の電圧値を、ＥＣＵ２０へ出力することができる。

また、バッテリセンサ１８は、サブバッテリ１６の温度を検出する温度センサを備えており、この温度センサによって検出されたサブバッテリ１６の温度を、ＥＣＵ２０へ出力することができる。

ＲＡＭ１９は、サブバッテリ１６の放電履歴を記憶する。この放電履歴は、放電の程度を示す放電深さ毎に、放電回数が設定されているものである。一例として、放電深さは、「状態検知」、「１日駐車」、「７日駐車」、「１４日駐車」、「３０日駐車」を含んでいる。「状態検知」は、サブバッテリ１６の状態を検知する際に、放電制御部２３の制御によって行われた放電である。その他の放電深さは、車両の駐車時における自然放電である。例えば、車両が７日間以上１４日未満連続して駐車していた場合は、「７日駐車」の放電回数が１増加する。

ＥＣＵ２０は、サブバッテリ１６の放電を制御する。ＥＣＵ２０は、その機能として、劣化度推定部２１、放電時間導出部２２、放電制御部２３、およびバッテリ状態検知部２４を備えている。

劣化度推定部２１は、ＲＡＭ１９に記憶されているサブバッテリ１６の放電履歴（放電深さ毎の放電回数）に基づいて、サブバッテリ１６の劣化度を推定する。例えば、劣化度推定部２１は、所定の演算式を用いて、放電深さが深いほど劣化度が高くなるように、且つ、放電回数が多いほど劣化度が高くなるように、サブバッテリ１６の劣化度を算出する。

放電時間導出部２２は、バッテリセンサ１８から取得した駐車時間（すなわち、サブバッテリ１６の放置時間）と、バッテリセンサ１８から取得したサブバッテリ１６の温度と、劣化度推定部２１によって推定されたサブバッテリ１６の劣化度とに基づいて、サブバッテリ１６の充電分極の解消に必要な放電時間ｔ１を導出する。例えば、放電時間導出部２２は、予めメモリ等に記憶されているマップを参照し、当該マップにおいて、バッテリセンサ１８から取得した駐車時間と、バッテリセンサ１８から取得したサブバッテリ１６の温度と、劣化度推定部２１によって推定されたサブバッテリ１６の劣化度との組み合わせに対応付けられている放電時間を、サブバッテリ１６の充電分極の解消に必要な放電時間ｔ１として決定する。

放電制御部２３は、放電時間導出部２２によって導出された放電時間の間、サブバッテリ１６を放電させる。具体的には、放電制御部２３は、サブバッテリ１６に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１５に放電パターンを指示して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の駆動を制御することにより、サブバッテリ１６の電力が放電されるようにする。

バッテリ状態検知部２４は、放電制御部２３の制御によるサブバッテリ１６の放電が行われている間、バッテリセンサ１８からサブバッテリ１６の電流値および電圧値を取得する。そして、バッテリ状態検知部２４は、バッテリセンサ１８から取得したサブバッテリ１６の電流値および電圧値に基づいて、サブバッテリ１６の状態を検知する。例えば、バッテリ状態検知部２４は、図５を用いて後述するように、バッテリセンサ１８から取得した電流値および電圧値に基づいて、無放電時のバッテリ電圧Ｖ０およびバッテリ内部抵抗ＤＣＩＲを算出することにより、サブバッテリ１６のバッテリ状態を検知する。バッテリ状態検知部２４によって検知されたバッテリ状態は、例えば、自動運転システムのＥＣＵに通知されることにより、自動運転を許可するか否の判断基準として用いられる。

ＥＣＵ２０は、例えば、プロセッサ、記憶装置等のハードウェアを備えて構成されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されているプログラムをプロセッサが実行することにより、上記したＥＣＵ２０の各機能を実現する。なお、プロセッサとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等が挙げられる。また、記憶装置としては、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ等が挙げられる。

（ＥＣＵ２０による処理の手順）
図２は、実施形態に係るＥＣＵ２０による処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、例えば、車両のイグニッションがＯＮになったときに、ＥＣＵ２０によって実行される。

まず、ＥＣＵ２０が起動すると（ステップＳ２０１）、ＥＣＵ２０は、リレー１３（リレー１）をＯＮに切り替えるとともに、リレー１７（リレー２）をＯＦＦに切り替える（ステップＳ２０２）。次に、放電時間導出部２２が、バッテリセンサ１８から、駐車時間と、サブバッテリ１６の温度とを取得する（ステップＳ２０３）。また、劣化度推定部２１が、ＲＡＭ１９に記憶されているサブバッテリ１６の放電履歴（放電深さ毎の放電回数）に基づいて、サブバッテリ１６の劣化度を推定する（ステップＳ２０４）。

続いて、放電時間導出部２２が、メモリ等に記憶されているマップを参照することにより、ステップＳ２０３で取得された駐車時間および温度と、ステップＳ２０４で推定された劣化度に基づいて、サブバッテリ１６の充電分極の解消に必要な放電時間ｔ１を決定する（ステップＳ２０５）。

そして、放電制御部２３が、サブバッテリ１６のバッテリ状態を検知するためのバッテリ放電パターン（放電時間ｔ１の放電パターン）を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に指示することにより、当該放電パターンによるサブバッテリ１６の放電を行う（ステップＳ２０６）。

サブバッテリ１６の放電が行われている間、バッテリ状態検知部２４は、バッテリセンサ１８から、サブバッテリ１６の電流値および電圧値を取得する（ステップＳ２０７）。そして、バッテリ状態検知部２４は、ステップＳ２０７で取得された電流値および電圧値に基づいて、無放電時のバッテリ電圧Ｖ０およびバッテリ内部抵抗ＤＣＩＲを算出することにより、サブバッテリ１６のバッテリ状態を検知する（ステップＳ２０８）。ステップＳ２０８で検知されたバッテリ状態は、例えば、自動運転システムのＥＣＵに通知されることにより、自動運転を許可するか否の判断基準として用いられる。

その後、例えば、自動運転が行われているときに、バックアップ対象負荷１４への電源が断たれた場合、ＥＣＵ２０が、リレー１３（リレー１）をＯＦＦに切り替えるとともに、リレー１７（リレー２）をＯＮに切り替えて、サブバッテリ１６の電力をバックアップ対象負荷１４に供給することにより、バックアップ電源によるバックアップ対象負荷１４の動作を継続させる（ステップＳ２０９）。そして、ＥＣＵ２０は、図２に示す一連の処理を終了する。

（バッテリ放置時間と充電分極の解消に必要な放電時間との関係）
図３は、実施形態に係るサブバッテリ１６に関する、バッテリ放置時間と充電分極の解消に必要な放電時間との関係を示す図である。この図３に示すように、サブバッテリ１６のバッテリ放置時間が短いほど、サブバッテリ１６の充電分極の解消に必要な放電時間ｔ１が長くなる。したがって、例えば、システムの管理者は、この図３に示す関係にしたがってマップを予め作成し、このマップを予めメモリ等に格納しておくとよい。これにより、放電時間導出部２２は、このマップに基づいて、バッテリセンサ１８から取得した駐車時間（すなわち、バッテリ放置時間）が短いほど、サブバッテリ１６の充電分極の解消に必要な放電時間ｔ１が長くなるように、放電時間ｔ１を導出することが可能となる。

（サブバッテリ１６の放電パターン）
図４は、実施形態に係るサブバッテリ１６の放電パターンの一例を示す図である。図４に示す放電パターンは、放電開始直後に放電量が最大（すなわち、電流値が最小）となり、その状態のまま一定時間経過した後、放電量が徐々に減少（すなわち、電流値が徐々に増加）しつつ、放電時間ｔ１に至る放電パターンとなっている。この放電パターンは、ＥＣＵ２０（放電制御部２３）から、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に指示される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、この放電パターンにしたがって、サブバッテリ１６の電力を放電させることができる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＥＣＵ２０からの制御により、バッテリの放置時間、バッテリの温度、バッテリの劣化度に応じた適切な放電時間ｔ１による、サブバッテリ１６の放電を行うことができる。

（Ｉ−Ｖ特性によるバッテリ状態検知）
図５は、実施形態に係るサブバッテリ１６のＩ−Ｖ特性を示す図である。図５は、図４に示した区間Ａにおけるサブバッテリ１６のＩ−Ｖ特性を示すものである。

ＥＣＵ２０のバッテリ状態検知部２４は、図４の放電パターンにおいて、電流値が増加する区間Ａを、バッテリ状態の検知対象区間とする。そして、バッテリ状態検知部２４は、この区間Ａにおける、サブバッテリ１６の電流値および電圧値に基づいて、無放電時のバッテリ電圧Ｖ０およびバッテリ内部抵抗ＤＣＩＲを算出することにより、サブバッテリ１６のバッテリ状態を検知する。

この区間Ａは、サブバッテリ１６の充電分極が解消されている区間である。したがって、バッテリ状態検知部２４は、この区間Ａにおける、サブバッテリ１６の電流値および電圧値に基づいて、無放電時のバッテリ電圧Ｖ０およびバッテリ内部抵抗ＤＣＩＲを算出することにより、サブバッテリ１６のバッテリ状態を高精度に検知することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るＥＣＵ２０は、サブバッテリ１６の放置時間と、サブバッテリ１６の温度と、サブバッテリ１６の劣化度とに基づいて、サブバッテリ１６の充電分極の解消に必要な放電時間ｔ１を導出し、導出された放電時間ｔ１の間、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御することによって、サブバッテリ１６の放電を行うようにしている。これにより、本実施形態に係るＥＣＵ２０によれば、サブバッテリ１６の状態に応じた適切な放電量による放電を行い、サブバッテリ１６の過放電に伴う不具合の発生を抑制しつつ、サブバッテリ１６の充電分極を解消することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

１０電源システム
１１発電源・補機バッテリ
１２その他負荷
１３リレー
１４バックアップ対象負荷
１５ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６サブバッテリ
１７リレー
１８バッテリセンサ
１９ＲＡＭ
２０ＥＣＵ
２１劣化度推定部
２２放電時間導出部
２３放電制御部
２４バッテリ状態検知部

Claims

メインバッテリと、
前記メインバッテリから供給された電力によって動作する負荷と、
サブバッテリと、
前記サブバッテリと前記負荷との間に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記サブバッテリの放置時間と、前記サブバッテリの温度と、前記サブバッテリの劣化度とに基づいて、前記サブバッテリの充電分極の解消に必要な放電時間を導出する放電時間導出部と、
前記放電時間導出部によって導出された前記放電時間の間、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御することによって、前記サブバッテリの放電を行う放電制御部と
を備える電源システム。