JP2019199099A - 補機電池システム - Google Patents

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Asamichi Mizoguchi
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Abstract

【課題】補機電池の状態を監視する電池ECUを適切に起動できるようにする。【解決手段】補機電池システムは、補機電池(B)に直結された電源線(L3)と、電源線と補機負荷(2)との間に設けられたラッチリレー(R2)と、一端が電源線に接続され、ユーザの始動操作に連動して導通されるスイッチ(R1)と、電池ECU(20)とを備える。電池ECU(20)は、電源線に直結された電源端子(T5)と、スイッチの他端に接続され、スイッチ(R1)を介して電源線に接続される信号入力端子(T7)と、ラッチリレー(R2)を制御するマイコン(21)と、マイコン(21)と電源端子(T5)との間に設けられた電源リレー(R4)とを備える。電源リレー(R4)は、電源線(L3)からの信号が信号入力端子(T7)に入力された場合にオン状態になるように構成される。【選択図】図1

Description

本開示は、補機負荷に電力を供給する補機電池システムに関する。
特開2017−93226号公報(特許文献1)には、補機電池としてリチウムイオン電池を使用した車両用の補機電池システムが開示されている。この補機電池システムには、補機電池と補機負荷との間に設けられた暗電流カット用のリレーと、補機電池の状態を管理するとともに暗電流カット用のリレーを制御する電池制御ユニットとが備えられる。電池制御ユニットが暗電流カット用のリレーを非導通状態(オフ状態)に切り替えることによって、補機電池から補機負荷への暗電流がカットされる。
特開2017−93226号公報
暗電流カット用のリレーには、暗電流の増加を抑制するために、いわゆるラッチリレー(オンオフ切替時のみに電流を消費するリレー)が採用されることが多い。このラッチリレーがノイズ等による誤作動によってオフ状態になると、補機電池システムの構成によっては、スリープ状態にある電池制御ユニットを起動させることができなくなるおそれがある。たとえば、電池制御ユニットを起動させるための起動信号(IGCT信号)の経路のいずれかの箇所にラッチリレーが介在していると、ラッチリレーが誤作動などによってオフ状態であると、起動信号が電池制御ユニットに入力されず、電池制御ユニットを起動することができなくなるおそれがある。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、補機負荷に電力を供給する補機電池システムにおいて、補機電池の状態を監視する電池制御ユニットを適切に起動できるようにすることである。
本開示による補機電池システムは、補機負荷に電力を供給する補機電池システムであって、補機電池と、補機電池に直結された電源線と、電源線と補機負荷との間に設けられたラッチリレーと、一端が電源線に接続され、ユーザの始動操作に連動して導通されるように構成されたスイッチと、補機電池の状態を監視する電池制御ユニットとを備える。電池制御ユニットは、電源線に直結された電源端子と、スイッチの他端に接続され、スイッチを介して電源線に接続される信号入力端子と、ラッチリレーを制御するマイコンと、マイコンと電源端子との間に設けられた電源リレーとを備える。電源リレーは、電源線からの信号がスイッチを介して信号入力端子に入力された場合に導通状態になるように構成される。
上記システムにおいては、電池制御ユニットの信号入力端子が、ラッチリレーを介さずに、専用のスイッチを介して電源線に接続される。そして、電池制御ユニットのマイコン起動用の電源リレーは、電源線からの信号がスイッチを介して信号入力端子に入力された場合に導通状態になるように構成されている。そのため、ラッチリレーが誤作動によって非導通状態である場合であって、かつ電源リレーが非導通状態である(ラッチリレーを制御するマイコンがスリープ状態である)場合であっても、専用のスイッチを導通させて電源線からの信号を信号入力端子に入力することによって、電源リレーを導通状態に切り替えて電池制御ユニットのマイコンを起動させることができる。
さらに、専用のスイッチは、ユーザの始動操作に連動して導通されるように構成される。そのため、ユーザは、ラッチリレーが誤作動によって非導通状態になったことを意識することなく、電池制御ユニットを起動することができる。
本開示によれば、補機負荷に電力を供給する補機電池システムにおいて、補機電池の状態を監視する電池制御ユニットを適切に起動できるようにすることができる。
補機電池システムを備えた車両の全体構成図である。 スイッチR1がオン状態にされた場合に補機電池システム内を流れる信号の経路を模式的に示す図である。 比較例による補機電池システムの構成の一例を示す図である。 車両ECUが補機電池の異常の有無を判定する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。 車両の制御モードの状態遷移の一例を示す図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
<システムの全体構成>
図1は、本実施の形態による補機電池システムを備えた車両1の全体構成図である。車両1は、高電圧(たとえば200ボルト程度)の走行用電池から供給される電力で走行用モータを駆動して走行することができる電動車両(ハイブリッド自動車あるいは電気自動車など)である。なお、車両1は、走行用モータを備えない通常のエンジン車両であってもよい。
車両1は、補機負荷2と、DC/DCコンバータ3と、補機電池モジュール10と、スイッチR1と、通信線C1,C2と、低電圧線L1と、補機電圧検出線L2と、車両ECU(Electronic Control Unit)100とを備える。
補機電池モジュール10は、補機電池Bと、充電DC/DCコンバータ11と、ラッチリレーR2と、充放電スイッチR3と、ダイオードD1と、端子T1〜T4と、電源線(AM線)L3と、信号出力線(AMO線)L4と、信号入力線(IGCT線)L5と、電池ECU20とを備える。
電池ECU20は、マイコン21と、第1レギュレータ(VOM電源)22と、第2レギュレータ(VOS電源)23と、オア回路24と、バッファ回路25と、電源リレーR4と、切替リレーR5と、端子T5〜T10とを備える。
補機電池Bは、補機負荷2、電池ECU20、車両ECU100などの低電圧(たとえば14ボルト程度)で作動する装置に供給するための電力を蓄える。本実施の形態においては、補機電池Bとして、鉛蓄電池よりも軽量でメンテナンスが殆んど必要ないリチウムイオン電池が用いられる。なお、補機電池Bは、必ずしもリチウムイオン電池に限定されるものではなく、たとえば一般的な鉛蓄電池であってもよい。
補機負荷2は、補機電池モジュール10の補機電池Bから供給される低電圧の電力で作動する装置である。補機負荷2には、たとえば、パワーステアリング装置、空調装置、照明装置などが含まれる。
DC/DCコンバータ3は、走行用電池から供給される高電圧を、補機電池Bを充電可能な低電圧に降圧して低電圧線L1に供給する。なお、車両1がエンジンを備える場合には、DC/DCコンバータ3に代えてあるいは加えて、エンジンの動力で発電するオルタネータが備えられるようにしてもよい。
補機負荷2およびDC/DCコンバータ3は、低電圧線L1に接続される。低電圧線L1は、補機電池モジュール10の端子T1に接続される。端子T1は、ラッチリレーR2を介して補機電池Bに接続される。
ラッチリレーR2は、オン状態(導通状態)とオフ状態(非導通状態)との切替時のみに電流を消費する、いわゆるラッチング式のリレーである。ラッチリレーR2のオンオフは、電池ECU20の端子T9から出力される制御信号(RLY信号)によって制御される。
ラッチリレーR2がオフ状態(非導通状態)である場合、補機電池Bが端子T1から切り離され、補機電池Bと低電圧線L1との間で電力の授受が不可能な状態となる。
一方、ラッチリレーR2がオン状態(導通状態)である場合、補機電池Bが端子T1に接続され、補機電池Bと低電圧線L1との間で電力の授受が可能な状態となる。
ラッチリレーR2と端子T1との間には、充電DC/DCコンバータ11が設けられる。充電DC/DCコンバータ11は、電池ECU20の端子T10から出力される制御信号(WIN信号)に応じて、低電圧線L1から補機電池Bに供給される充電電力を制御することができる。
さらに、ラッチリレーR2と端子T1との間には、充電DC/DCコンバータ11と並列に接続される充放電スイッチR3が設けられる。充放電スイッチR3には、補機電池Bから低電圧線L1に向かう方向を順方向とするダイオードD1が並列に接続されている。
ラッチリレーR2がオン状態であり充放電スイッチR3がオフ状態である場合、補機電池Bの放電時には、補機電池Bの電力がダイオードD1を経由して低電圧線L1に出力され、補機電池Bの充電時には、低電圧線L1からの電力が充電DC/DCコンバータ11を経由して補機電池Bに供給される。一方、ラッチリレーR2および充放電スイッチR3の双方がオン状態である場合、補機電池Bと低電圧線L1との間の電力授受が充放電スイッチR3を経由して行なわれる。
電源線L3は、補機電池Bに直結されている。電源線L3は、一方の端部がラッチリレーR2に接続され、他方の端部は電池ECU20の端子T5に接続される。
マイコン21は、補機電池Bの状態(SOC(State Of Charge)など)を監視する。マイコン21には、VOM電源22と、VOS電源23の2つの電源が接続されている。
VOM電源22は、電源リレーR4を介して、端子T5に接続されている。電源リレーR4がオン状態である場合、VOM電源22が端子T5に接続され、電源線L3からの電力がVOM電源22を経由してマイコン21に供給される。これにより、マイコン21が作動状態となる。一方、電源リレーR4がオフ状態である場合、VOM電源22が端子T5から切り離され、VOM電源22からマイコン21への電力供給が遮断される。これにより、マイコン21はスリープ状態となる。
電源リレーR4のオンオフは、オア回路24によって制御される。オア回路24は、端子T7およびマイコン21に接続され、端子T7からの信号(IGCT信号)またはマイコン21からの信号が入力された場合に電源リレーR4をオン状態にする。
VOS電源23は、端子T5に直結されており、電源線L3からの電力をマイコン21に常時供給する。マイコン21は、VOM電源22からの電力供給が遮断されているスリープ状態においても、VOS電源23からの電力によってマイコン21内臓のタイマーが作動するように構成される。
切替リレーR5は、端子T5と端子T9との間に設けられる。切替リレーR5のオンオフは、マイコン21からの信号によって制御される。切替リレーR5がオン状態である場合、ラッチリレーR2のオンオフを切り替えるための制御信号(RLY信号)が端子T9からラッチリレーR2に出力される。
マイコン21は、長期間スリープ状態で放置される場合において、間欠的に起動して補機電池BのSOCを検出する(間欠動作モード)。この間欠動作モード時は、マイコン21内蔵のタイマーによって所定時間(たとえば1時間)毎にマイコン21からオア回路24に信号を入力することによって、電源リレーR4をオン状態にする。これにより、マイコン21がタイマーによって間欠的に起動される。
マイコン21は、タイマーで起動した際に、補機電池Bの電圧VB(SOCと相関するパラメータ)が長期放置閾値以上であるか否かを判定する。補機電池Bの電圧VBが長期放置閾値以上である場合、マイコン21は、ラッチリレーR2をオン状態に維持することによって、補機電池Bから補機負荷2への暗電流の供給を維持する(暗電流供給モード)。一方、補機電池Bの電圧VBが長期放置閾値未満である場合には、ラッチリレーR2をオフ状態に切り替えることによって、補機電池Bから補機負荷2への暗電流の供給を遮断する(暗電流カットモード)。
バッファ回路25は、端子T5と端子T6との間に設けられる。端子T6は、信号出力線L4を介して端子T2に接続される。
スイッチR1は、一方の端部が端子T2に接続され、他方の端部が端子T3に接続される。端子T3は、信号入力線L5を介して電池ECU20の端子T7に接続される。
スイッチR1は、ユーザの始動操作に連動してオン状態にされるように構成される。スイッチR1は、後述するように、IGCT信号が電池ECU20に入力される状態(IGCTオン状態)と、IGCT信号が電池ECU20に入力されない状態(IGCTオフ状態)とを切り替えるための専用のスイッチである。スイッチR1は、ユーザによってオンオフが操作される所謂IGスイッチとは別に設けられるが、IGスイッチのオンオフと同期してオンオフされるように構成される。
マイコン21は、端子T8および端子T4を介して通信線C1に接続される。通信線C1は、通信線C2を介して車両ECU100に接続される。マイコン21は、通信線C1,C2を経由して、補機電池Bの状態(SOCなど)を示す補機電池情報S1を車両ECU100に送信することができる。
補機電圧検出線L2は、スイッチR1と端子T2との間の接続ノードと、車両ECU100とを接続する。
車両ECU100は、電池ECU20との通信を行ないながら、車両1の各機器を制御したり、車両1の制御モードを切り替えたりする。
<スイッチR1による電池ECU20の起動>
図2は、スイッチR1がオン状態にされた場合に補機電池システム内を流れる信号(電流、電圧)の経路を模式的に示す図である。なお、図2においては、ラッチリレーR2がノイズ等による誤作動あるいは長期放置時のSOC低下によってオフ状態となっており、かつ電池ECU20がスリープ状態である(電源リレーR4がオフ状態である)場合に、ユーザの始動操作に連動してスイッチR1がオン状態にされた状態が示されている。
スイッチR1がオン状態にされると、図2の矢印A1に示すように、補機電池Bからの電流がバッファ回路25、信号出力線L4、スイッチR1、信号入力線L5の順に流れて端子T7に入力される「IGCTオン状態」となる。そして、端子T7に入力された電流(IGCT信号)がオア回路24に供給され、電源リレーR4がオン状態に切り替えられる。これにより、電源線L3からの電力がVOM電源22を経由してマイコン21に供給されて、電池ECU20が起動される。
このように、本実施の形態による補機電池システムにおいては、ラッチリレーR2が誤作動等によってオフ状態となっており、かつ電池ECU20がスリープ状態である場合であっても、専用のスイッチR1をオン状態にしてIGCT信号をオア回路24に入力することによって、電源リレーR4をオン状態に切り替えて電池ECU20(マイコン21)を起動させることができる。そして、電池ECU20が起動した後においては、電池ECU20が補機電池Bの異常の有無を判定し、異常がないことが確認できた場合には、電池ECU20がラッチリレーR2をオン状態に切り替えて車両1を走行させることができる。
さらに、専用のスイッチR1は、ユーザの始動操作に連動してオン状態にされるように構成される。そのため、ユーザは、ラッチリレーR2が誤作動によってオフ状態になったことを意識することなく、電池ECU20(マイコン21)を起動することができる。
さらに、本実施の形態による補機電池システムにおいては、スイッチR1と端子T2との間の接続ノードと、車両ECU100とを接続する補機電圧検出線L2が設けられている。そのため、スイッチR1がオン状態にされると、図2の矢印A2に示すように、補機電池Bの電圧VBが、補機電圧検出線L2を介して車両ECU100に印加される。これにより、たとえ電池ECU20と車両ECU100との間の通信が途絶する故障が生じて電池ECU20からの補機電池情報S1が車両ECU100に入力されない場合であっても、車両ECU100は、補機電圧検出線L2から入力される補機電池Bの電圧VB(アナログ値)を用いて補機電池Bが過放電であるか否かを判定することができる。そして、補機電池Bが過放電でないことが確認できた場合には、車両ECU100は、車両1の走行を継続することができる。
さらに、本実施の形態による補機電池システムにおいては、電源線L3と信号出力線L4との間にバッファ回路25が設けられている。そのため、たとえば信号出力線L4が車両1のボディと接触しても、バッファ回路25の電流制限機能が作用するため、補機電池Bの短絡による回路故障を防止することができる。
図3は、本実施の形態に対する比較例(従来相当)による補機電池システムの構成の一例を示す図である。この比較例においては、IGCTオン状態とIGCTオフ状態とがIGスイッチによって切り替えられるように構成されるが、IGCT信号の経路にラッチリレーとが介在している。このような構成では、ラッチリレーが誤作動などによってオフ状態であると、IGCT信号の経路においてラッチリレーとIGスイッチとが直列に接続されることになるため、IGスイッチがオン状態となっても、IGCT信号が電池ECUに入力されず、電池ECUのマイコンを起動させることができない。なお、電池ECUが間欠的に起動した時に電池ECUがラッチリレーをオン状態に切り替えることも可能ではあるが、電池ECUが次にタイマーで起動されるまでの間、待たされることになる。
これに対し、本実施の形態による補機電池システムは、上述したように、IGCT信号の経路にラッチリレーR2は介在していないため、ラッチリレーR2の状態に関わらず、専用のスイッチR1をオン状態にすることによってIGCT信号を電池ECU20に入力して電池ECU20を起動することができる。
<補機電池Bの異常判定>
図4は、車両ECU100が補機電池Bの異常の有無を判定する際に実行する処理手順の一例を示すフローチャートである。
車両ECU100は、電池ECU20から補機電池情報S1を受信するための処理を行なう(ステップS10)。車両ECU100は、補機電圧検出線L2から補機電池Bの電圧VBを取得する(ステップS12)。
次いで、車両ECU100は、補機電池情報S1が正常に受信されたか否かを判定する(ステップS14)。
補機電池情報S1が正常に受信された場合(ステップS14においてYES)、車両ECU100は、補機電池情報S1の内容が電池ECU20内部の回路が正常であることを示すか否かを判定する(ステップS16)。
補機電池情報S1の内容が電池ECU20内部の回路が正常であることを示す場合(ステップS16においてYES)、車両ECU100は、補機電池情報S1の内容が補機電池Bが正常であることを示すか否かを判定する(ステップS18)。
補機電池情報S1の内容が補機電池Bが正常であることを示す場合(ステップS18においてYES)、車両ECU100は、補機電池モジュール10が正常であると判定し、通常動作を行なうために異常フラグf2を「0」とする。なお、この異常フラグf2は、後述するように、車両1の制御モードの状態遷移する際に用いられる。
補機電池情報S1が正常に受信されない場合(ステップS14においてNO)、あるいは補機電池情報S1の内容が電池ECU20内部の回路が正常であることを示さない場合(ステップS16においてNO)、車両ECU100は、補機電圧検出線L2から取得された補機電池Bの電圧VBが正常であるか否かを判定する(ステップS30)。
補機電池Bの電圧VBが正常である場合(ステップS30においてYES)、車両ECU100は、電池ECU20内部の回路が異常であると判定するが、補機電池Bが正常であるため、再起動を許可するために異常フラグf2を「0」にする(ステップS32)。
補機電池Bの電圧VBが正常でない場合(ステップS30においてNO)、あるいは補機電池情報S1の内容が補機電池Bが正常であることを示さない場合(ステップS18においてNO)、車両ECU100は、補機電池Bが異常であると判定し、再起動を禁止するために異常フラグf2を「1」にする(ステップS34)。
図5は、車両1の制御モードの状態遷移の一例を示す図である。図5に示される「IGオン」はユーザの始動操作によってIGスイッチがオンされたことを示し、「IGオフ」はユーザの停止操作によってIGスイッチがオフされたことを示す。
車両1の制御モードには、通常走行モードM1、補機電池充電レス走行モードM2、間欠動作モードM3、暗電流供給モードM4、暗電流カットモードM5、始動待機モードM6、始動モードM7が含まれる。各モードM1〜M7において、電池ECU20、充電DC/DCコンバータ、ラッチリレーR2、充放電スイッチR3は、ぞれぞれ図5に示す状態に制御される。車両1は、通常走行モードM1あるいは補機電池充電レス走行モードM2で走行することができる。
通常走行モードM1において、IGオフがなされると、間欠動作モードM3に遷移される。間欠動作モードM3において、補機電池Bの電圧VB(SOCと相関するパラメータ)が長期放置閾値以上であるか否かが判定される。補機電池Bの電圧VBが長期放置閾値以上である場合には暗電流供給モードM4へ遷移され、ラッチリレーR2はオン状態に維持される。補機電池Bの電圧VBが長期放置閾値未満である場合には、暗電流カットモードM5に遷移され、ラッチリレーR2がオフ状態にされる。
暗電流カットモードM5において、IGオンがなされると、IGオンに連動して専用のスイッチR1がオン状態となり電池ECU20が起動されて始動待機モードM6に遷移される。本実施の形態においては、この状態遷移が可能となる。すなわち、暗電流カットモードM5においてはラッチリレーR2がオフ状態であるが、この状態でユーザによってIGオンがなされると、ラッチリレーR2がオフ状態であってもIGオンに連動して専用のスイッチR1がオン状態となることによって電池ECU20が起動して始動待機モードM6に遷移させることができる。
始動待機モードM6において、車両ECU100は、異常フラグf2が「1」であるのか「0」であるのかを判定する。異常フラグf2が「1」である場合には、始動モードM7には遷移されずに、暗電流カットモードM5に戻される。これにより、補機電池Bが異常である状態で車両1が走行されるのが防止される。一方、異常フラグf2が「0」である場合には、始動モードM7に遷移される。
始動モードM7に遷移された後は、通常走行モードM1、補機電池充電レス走行モードM2のどちらかに遷移される。具体的には、始動モードM7において、異常フラグf2が「0」と判定された場合には通常走行モードM1に遷移され、異常フラグf2が「1」と判定された場合には補機電池充電レス走行モードM2に遷移される。なお、通常走行モードM1において、異常フラグf2が「1」と判定された場合には、補機電池充電レス走行モードM2に遷移される。
ラッチリレーR2が誤作動によってオフ状態となっている場合には、補機電池Bは正常であるため、上述の図4のステップS20あるいはステップS32にて異常フラグf2が「0」に設定されることになる。そのため、IGオンによって暗電流カットモードM5から始動待機モードM6に遷移された後において、始動待機モードM6から始動モードM7に遷移されることになるため、車両1の再起動が可能となる。始動待機モードM6から始動モードM7への遷移は車両ECU100によって自動的に行なわれるため、ユーザは、ラッチリレーR2が誤作動によってオフ状態になっていることを意識することなく、IGオンにするための始動操作を行なうだけで、車両1を走行させることができる。
[変形例]
上述の図1においては、電源線L3と信号出力線L4とを、電池ECU20の内部に設けられるバッファ回路25を介して接続する例を示した。
しかしながら、バッファ回路25に代えて、電源線L3から信号出力線L4に向かう方向を順方向とするダイオードを設けるようにしてもよい。このようなダイオードを設けることで、電源線L3から信号出力線L4に向けてIGCT信号を出力することができるとともに、信号出力線L4から電池ECU20の内部への不正な充電の入力を防止することができる。
また、バッファ回路25あるいは上記のダイオードの位置は、電池ECU20の内部に限定されず、電池ECU20の外部に設けるようにしてもよい。
また、バッファ回路25を省いて電源線L3と信号出力線L4とを直接的に接続するようにしてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、2 補機負荷、3 DC/DCコンバータ、10 補機電池モジュール、11 充電DC/DCコンバータ、20 電池ECU、21 マイコン、22 VOM電源、23 VOS電源、24 オア回路、25 バッファ回路、100 車両ECU、B 補機電池、C1,C2 通信線、D1 ダイオード、L1 低電圧線、L2 補機電圧検出線、L3 電源線、L4 信号出力線、L5 信号入力線、R1 スイッチ、R2 ラッチリレー、R3 充放電スイッチ、R4 電源リレー、R5 切替リレー、T1〜T10 端子。

Claims (1)

  1. 補機負荷に電力を供給する補機電池システムであって、
    補機電池と、
    前記補機電池に直結された電源線と、
    前記電源線と前記補機負荷との間に設けられたラッチリレーと、
    一端が前記電源線に接続され、ユーザの始動操作に連動して導通されるように構成されたスイッチと、
    前記補機電池の状態を監視する電池制御ユニットとを備え、
    前記電池制御ユニットは、
    前記電源線に直結された電源端子と、
    前記スイッチの他端に接続され、前記スイッチを介して前記電源線に接続される信号入力端子と、
    前記ラッチリレーを制御するマイコンと、
    前記マイコンと前記電源端子との間に設けられた電源リレーとを備え、
    前記電源リレーは、前記電源線からの信号が前記スイッチを介して前記信号入力端子に入力された場合に導通状態になるように構成される、補機電池システム。
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