JP2023132521A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に接続された蓄電器の容量を短時間で推定することができる電源システムを提供する。【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力が供給される第一バッテリ２と、第一バッテリ２に対し入力される第１電流の電流値及び第一バッテリ２から出力される第２電流の電流値を検出する電流センサ１１と、電流センサ１１によって第１電流の電流値が検出された際の第一バッテリ２の第１電圧値及び第２電流の電流値が検出された際の第一バッテリ２の第２電圧値を検出する電圧センサ１２と、電流センサ１１によって第１電流と第２電流が交互に検出されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を変動させる制御を実行する制御部６１と、第１電流の電流値、第２電流の電流値、第１電圧値及び第２電圧値に基づいて第一バッテリ２の容量を推定する推定部６５とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関する。

従来、車両に搭載されるバッテリの状態を推定する装置として、例えば、特開２０２０－０３１４６３号公報に記載されるように、補機バッテリの充電中に補機バッテリの電流又は補機バッテリの電圧に基づいて補機バッテリの容量を推定するものが知られている。

特開２０２０－０３１４６３号公報

このような装置では、短時間でバッテリの容量（充電率）を推定することが難しい。すなわち、充電によってバッテリの容量が変化し、容量に対応するバッテリの電流や電圧も変化するが、バッテリの容量を推定するために必要な分の容量変化をバッテリに起こさせるためには時間を要する。

そこで、本発明は、負荷に接続された蓄電器の容量を短時間で推定可能な電源システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る電源システムは、直流電圧変換器と、負荷に設けられる機器に接続されると共に直流電圧変換器に電気的に接続され直流電圧変換器からの出力電力が供給される第一配線と、第一配線及び直流電圧変換器に電気的に接続される第二配線と、第二配線に接続され第二配線に出力電力を供給すると共に直流電圧変換器の出力電力が供給される蓄電器と、蓄電器に対し入力される電流である第１電流の電流値と、蓄電器から出力される電流である第２電流の電流値とを検出する電流検出部と、電流検出部によって第１電流の電流値が検出された際の蓄電器の電圧値である第１電圧値と、第２電流の電流値が検出された際の蓄電器の電圧値である第２電圧値とを検出する電圧検出部と、電流検出部によって第１電流の電流値と第２電流の電流値とが交互に検出されるように、直流電圧変換器の出力電力を変動させる制御を実行する制御部と、第１電流の電流値、第２電流の電流値、第１電圧値及び第２電圧値に基づいて蓄電器の容量を推定する推定部と、を備える。この電源システムによれば、短時間で蓄電器の容量を推定することができる。

また、本発明に係る電源システムにおいて、推定部による蓄電器の容量の推定は、車両のイグニッションがオンされてから車両走行可能状態に移行するまでの期間内に行われてもよい。この場合、蓄電器が複数の負荷から受ける影響が少なくなるため、蓄電器の容量の推定精度を上げることができる。

また、本発明に係る電源システムにおいて、推定部による蓄電器の容量の推定は、車両のイグニッションがオフされた後に行われてもよい。この場合、蓄電器が複数の負荷から受ける影響が少なくなるため、蓄電器の容量の推定精度を上げることができる。

また、本発明に係る電源システムにおいて、推定部は、第１電流の電流値の絶対値と第２電流の電流値の絶対値との加算値と、第１電圧値と第２電圧値との加算値とに基づいて蓄電器の容量を推定してもよい。

本発明によれば、負荷に接続された蓄電器の容量を短時間で推定することができる。

本発明の第一実施形態に係る電源システムの構成概要を示すブロック図である。 図１の電源システムの動作を示すフローチャートである。 図１の電源システムの動作を示すタイミングチャートである。 図１の電源システムにおける電圧及び電流の変動値の説明図である。 第二実施形態の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第一実施形態に係る電源システムの構成の概要を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る電源システム１は、車両に搭載され、車両に設置される負荷に電源供給を行うシステムである。車両に設置される負荷は、車両に複数設置される。本実施形態の負荷４は、車両の駆動に関与しない機器であり、例えばランプ類、カーナビゲーションシステム、エアコン及びワイパなどが該当する。

電源システム１は、入力配線７１、第一配線７２、第二配線７３、第一バッテリ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、第二バッテリ５、ＥＣＵ６（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）、電流センサ１１、電圧センサ１２及びＩＧスイッチ１３を備えている。

入力配線７１は、第二バッテリ５とＤＣ／ＤＣコンバータ３とを電気的に接続している。第一配線７２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子と各負荷４とを接続している。即ち、第一配線７２は、各負荷４に接続されると共にＤＣ／ＤＣコンバータ３と電気的に接続されている。

第二配線７３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子と第一バッテリ２を接続している。即ち、第二配線７３は、第一バッテリ２に接続されると共に第一配線７２及びＤＣ／ＤＣコンバータ３と電気的に接続されている。

第一バッテリ２と各負荷４とは、第一配線７２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子及び第二配線７３経由で電気的に接続されている。即ち、第一バッテリ２と各負荷４とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子に並列に接続されており、第一バッテリ２から出力される電力がＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子経由で各負荷４に供給できるようになっている。

第二バッテリ５には、例えば車両の走行モータの駆動に使われる電圧が蓄えられている。本実施形態の第二バッテリ５は、第一バッテリ２よりも高い電圧を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、第一配線７２及び第二配線７３に出力電力を供給する直流電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、直流電圧を異なる電圧値を有する直流電圧に変換して出力する。本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、第二バッテリ５から入力された電圧を降圧して出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力は、ＥＣＵ６からの制御信号に応じて変動可能である。

第一バッテリ２は、第二配線７３に出力電力を供給すると共に第二配線７３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力が供給される蓄電器である。第一バッテリ２には、負荷４の動作に必要な電圧が蓄えられている。第一バッテリ２としては、例えば鉛バッテリまたはリチウムイオンバッテリ等が使用される。第一バッテリ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３から第一配線７２への出力電力の供給を補助する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３から第一配線７２に供給される出力電力が低下したときに、その低下分の電力が第一バッテリ２から第二配線７３を介して第一配線７２に供給される。

電流検出部としての電流センサ１１は、第一バッテリ２に対し入力される電流である第１電流の電流値と、第一バッテリ２から出力される電流である第２電流の電流値とを検出するセンサである。例えば、電流センサ１１は、第二配線７３に流れる電流の電流値を検出する。電流センサ１１としては、例えば磁場検出型のものが用いられる。また、電流センサ１１としては、第１電流の電流値と第２電流の電流値とを検知可能であれば、その他のタイプのセンサを用いてもよい。電流センサ１１の検知信号は、ＥＣＵ６に入力される。

電圧検出部としての電圧センサ１２は、電流センサ１１によって第１電流の電流値が検出された際の第一バッテリ２の電圧値である第１電圧値と、第２電流の電流値が検出された際の第一バッテリ２の電圧値である第２電圧値とを検出するセンサであり、第一バッテリ２の正極と負極の端子間の電圧値を検知する。電圧センサ１２としては、第一バッテリ２の電圧値を検知可能であれば、いずれのタイプのセンサを用いてもよい。電圧センサ１２の検知信号は、ＥＣＵ６に入力される。

ＩＧスイッチ１３は、ＥＣＵ６に電気的に接続されている。このＩＧスイッチ１３は、ロータリー式のスイッチであってもよいし、プッシュボタン式のスイッチであってもよい。また、ＩＧスイッチ１３は、その他の方式のスイッチであってもよい。

ＥＣＵ６は、電源システム１の全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースを含むコンピュータにより構成される。ＥＣＵ６は、制御部６１、演算部６４及び推定部６５を備えている。

制御部６１は、電流センサ１１によって第１電流の電流値と第２電流の電流値とが交互に検出されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を変動させる制御を実行する。制御部６１は、図３の（Ｄ）に示すようにイグニッションがオンされた後から走行可能状態に移行するまでの期間において、電流センサ１１によって第１電流の電流値と第２電流の電流値とが交互に検出されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に対し制御信号を出力する。詳述すると、制御部６１は、第一バッテリ２から充電も放電もされない基準出力電圧値よりも高い出力電圧値（以下、高出力電圧値）と、基準出力電圧値よりも低い出力電圧値（以下、低出力電圧値）とが交互にＤＣ／ＤＣコンバータ３から出力されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に対し制御信号を出力する。高出力電圧値と低出力電圧値の差（以降、変動範囲）は、少なくとも、推定部６５が、第１電流の電流値、第２電流の電流値、第１電圧値及び第２電圧値に基づいて第一バッテリ２の容量を推定できる電圧範囲とされ、例えば基準出力電圧値に対し±０．５～２．５Ｖとされ、好ましくは±１．５Ｖとされる。また、高出力電圧値と低出力電圧値の周期（以降、変動周期）は、例えば０．５～１．５ｍｓとされ、好ましくは１ｍｓとされる。変動周期が長すぎる場合、第一バッテリ２の容量の推定に要する時間が長くなってしまうため、変動周期は、短い方が好ましい。なお、変動周期は、１周期でも１周期以上の周期であってもよい。また、図３に示すように、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、出力電圧の波形が正弦波となるように制御されているが、第一バッテリ２の容量を推定可能であれば、出力電圧の波形が三角波や矩形波などその他の波形となるように制御されてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧の波形が、正弦波となるように制御された場合、図４の（Ａ）に示すように、第一バッテリ２の電圧値の波形は、正弦波となる。また、図４の（Ｂ）に示すように、第二配線７３に流れる電流の電流値の波形は、正弦波となる。本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧の波形が、基準出力電圧値を基準とした正弦波となるように制御されるため、第一バッテリ２の電圧値の波形は、第１電圧値と第２電圧値とからなる正弦波となり、第二配線７３に流れる電流の電流値の波形は、第１電流と第２電流とからなる正弦波となる。

推定部６５は、第１電流の電流値、第２電流の電流値、第１電圧値及び第２電圧値に基づいて第一バッテリ２の容量を推定するものである。また、本実施形態の推定部６５は、演算部６４を備える。

演算部６４は、電流センサ１１によって検出された複数の第１電流の電流値及び複数の第２電流の電流値のうち、各周期において最も絶対値が大きい第１電流の電流値の絶対値（以降、第１電流のピーク値）と、最も絶対値が大きい第２電流の電流値の絶対値（以降、第２電流のピーク値）とを抽出する。また、演算部６４は、電圧センサ１２によって検出された複数の第１電圧値及び複数の第２電圧値のうち、各周期において最も大きい第１電圧値（以降、第１電圧値のピーク値）と、最も大きい第２電圧値（以降、第２電圧値のピーク値）とを抽出する。その後、演算部６４は、複数の第１電圧値のピーク値と複数の第２電圧値のピーク値との加算値から、複数の第１電流のピーク値と複数の第２電流の電流値のピーク値との加算値を除した除算値Ｒを演算する。そして、推定部６５は、除算値Ｒと第一バッテリ２の容量の関係を示すテーブル、推定算出式などを用いて第一バッテリ２の容量を推定する。以上のように、推定部６５は、除算値Ｒと第一バッテリ２の容量との関係を示すテーブルや推定算出式を持っておくことにより、第一バッテリ２の容量を推定することができる。

なお、第一バッテリ２の劣化度合いや温度等によって、除算値Ｒと第一バッテリ２の容量との関係は変わるため、推定精度を高めたい場合は、テーブルや推定算出式を複数備えたり、適宜テーブルや推定算出式を適宜補正すればよい。また、演算部６４は、各周期毎に、第１電流のピーク値と第２電流のピーク値との加算値（以降、電流変動値Ｉｐｐ）を演算するとともに、第１電圧値のピーク値と第２電圧値のピーク値との加算値（電圧変動値Ｖｐｐ）を演算してもよい。そして、複数の電圧変動値Ｖｐｐの中央値と、複数の電流変動値Ｉｐｐの中央値とを用いて除算値Ｒを演算してもよい。

上述した制御部６１、演算部６４及び推定部６５は、ソフトウェアにより構成してもよい。また、制御部６１、演算部６４及び推定部６５の一部又は全部を個別のハードウェアで構成してもよい。

次に、本実施形態に係る電源システム１の動作について説明する。

図２は、電源システム１における容量の推定制御処理を示すフローチャートである。図２の推定制御処理は、例えばイグニッションオンにより開始され、ＥＣＵ６によって実行される。

まず図２のステップＳ１０（以下、単に「Ｓ１０」という。Ｓ１０以降のステップについても同様とする。）にて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力制御が行われる。この出力制御は、制御部６１によってＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を制御するものであり、電流センサ１１によって第１電流の電流値と第２電流の電流値とが交互に検出されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を変動させる制御である。

次にＳ１２において、電流センサ１１は、各周期毎に複数の第１電流の電流値と複数の第２電流の電流値とを検出し、電圧センサ１２は、各周期毎に複数の第１電圧値と複数の第２電圧値とを検出する。

次にＳ１４に処理が移行し、除算値Ｒを演算する演算処理が行われる。そして、Ｓ１６に処理が移行し、第一バッテリ２の容量の推定処理が行われる。この推定処理は、演算処理により演算された除算値Ｒに基づいて第一バッテリ２の容量を推定する処理である。

以上のように、本実施形態に係る電源システム１によれば、電流センサ１１によって第１電流の電流値と第２電流の電流値とが交互に検出されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を変動させ、演算部６４が、除算値Ｒを演算する。そして、推定部６５が、除算値Ｒに基づいて第一バッテリ２の容量を推定する。したがって、短時間で第一バッテリ２の容量を推定することができる。

また、本実施形態に係る電源システム１において、第一バッテリ２の容量の推定は、車両のイグニッションオンから車両走行可能状態に移行するまでの期間内に行われる。車両走行可能状態では、複数の負荷は全て稼働可能状態となっている。一方、第一バッテリ２と複数の負荷４とは、電気的に接続されている。したがって、車両走行可能状態では、複数の負荷４の稼働状態によって、第一バッテリ２の電圧値が変動し得るため、第一バッテリ２の容量の推定精度が悪くなる。そこで、本実施形態に係る電源システム１では、複数の負荷４全てが稼働可能状態でない期間である車両のイグニッションがオンされてから車両走行可能状態に移行するまでの期間内に第一バッテリ２の容量の推定を行う。したがって、第一バッテリ２が複数の負荷４から受ける影響が少なくなるため、第一バッテリ２の容量の推定精度を上げることができる。

また、本実施形態に係る電源システム１において、推定部６５が、第１電流の電流値、第２電流の電流値、第１電圧値及び第２電圧値に基づいて第一バッテリ２の容量を推定している。したがって、第１電流の電流値の絶対値、第２電流の絶対値、第１電圧値及び第２電圧値が小さくても、第一バッテリ２の容量の推定精度を上げることができる。

さらに、実施形態に係る電源システム１では、推定部６５が、第１電流のピーク値、第２電流のピーク値、第１電圧値のピーク値及び第２電圧値のピーク値に基づいて第一バッテリ２の容量を推定している。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の変動範囲が狭くても、第一バッテリ２の容量を推定することができる。

次に、本発明の第二実施形態に係る電源システムについて説明する。

第二実施形態に係る電源システムは、図１の第一実施形態に係る電源システムと同様な構成を有しており、図２の容量の推定制御処理と同じ処理を行う。第二実施形態に係る電源システムは、図２の容量の推定制御処理が、車両のイグニッションがオフされた後に行われる点で、容量の推定制御処理がイグニッションがオンされてから車両走行可能状態に移行するまでの期間に行われる第一実施形態に係る電源システムと異なっている。

図５は、本実施形態に係る電源システムにおける動作を示すタイミングチャートである。図５に示すように、車両のイグニッションがオフされた後に（図５の（Ａ））、電流センサ１１によって第１電流の電流値と第２電流の電流値とが交互に検出されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を変動させる制御である出力制御を行い（図５の（Ｄ））、第一バッテリ２の容量の推定制御処理が行われる。つまり、車両のイグニッションがオンされて所定期間後にイグニッションがオフされ、その後に第一バッテリ２の容量の推定制御処理が行われる。第一バッテリ２の容量の推定制御処理は、上述した図２の推定制御処理と同様に行われる。

本実施形態に係る電源システムによれば、第一バッテリ２の容量の推定制御処理が、複数の負荷４全てが稼働可能状態でない期間である車両のイグニッションがオフされた後に行われる。したがって、第一バッテリ２が複数の負荷４から受ける影響が少なくなるため、第一バッテリ２の容量の推定精度を上げることができる。

なお、以上のように本発明の実施形態に係る電源システムについて説明したが、本発明に係る電源システムは上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様をとることができる。

例えば、上述した実施形態においては、推定部６５は、演算部６４を備え、演算部６４によって演算された除算値Ｒに基づいて第一バッテリ２の容量を推定していたが、これに限られず、推定部６５は、第１電流の電流値、第２電流の電流値、第１電圧値及び第２電圧値に基づいて第一バッテリ２の容量を推定すればよい。例えば、第１電流の電流値と、第２電流の電流値と、第１電圧値と、第２電圧値と、第一バッテリ２の容量との関係を示すテーブルや推定算出式をもっておく方法が考えられる。

また、上述した実施形態において、第一バッテリ２と各負荷４とは、第一配線７２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子及び第二配線７３経由で電気的に接続されているが、特にそのような形態には限られない。第一バッテリ２と各負荷４とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子に並列に接続されており、第一バッテリ２からの出力電力が各負荷４に供給できるように電気的に接続されていれば、どのような接続態様であってもよい。

また、上述した実施形態において、第一配線７２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子と各負荷４に接続されているが、特にそのような形態には限られない。第一配線７２は、少なくとも負荷４に接続されると共にＤＣ／ＤＣコンバータ３に電気的に接続されていればよい。例えば、第一配線７２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子とフィルタ回路を介して電気的に接続されていてもよい。

また、上述した実施形態において、第二配線７３は、第一配線７２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子と第一バッテリ２に接続されているが、特にそのような形態には限られない。第二配線７３は、第一バッテリ２に接続されると共に第一配線７２及びＤＣ／ＤＣコンバータ３に電気的に接続されていればよい。例えば、第二配線７３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子とフィルタ回路を介して電気的に接続されていてもよい。

また、上述した実施形態において、第二バッテリ５が第一バッテリ２よりも高い電圧を有しているが、特にその形態には限られず、第一バッテリ２が第二バッテリ５よりも高い電圧を有していてもよい。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、第二バッテリ５から入力された電圧を昇圧して出力する。

また、上述した実施形態の電源システム１は、車両に搭載されているが、車両に限られない。

１…電源システム、２…第一バッテリ（蓄電器）、３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）、４…負荷、５…第二バッテリ、６…ＥＣＵ、１１…電流センサ（電流検出部）、１２…電圧センサ（電圧検出部）、１３…ＩＧスイッチ、６１…制御部、６４…演算部、６５…推定部、７１…入力配線、７２…第一配線、７３…第二配線、Ｉｂ…入出力電流、Ｉｐｐ…電流変動値、Ｒ…除算値、Ｖｂ…入力電圧、Ｖｄ…出力電圧、Ｖｐｐ…電圧変動値。

Claims (4)

1. 直流電圧変換器と、
   負荷に接続されると共に前記直流電圧変換器に電気的に接続され、前記直流電圧変換器からの出力電力が供給される第一配線と、
   前記第一配線及び前記直流電圧変換器に電気的に接続される第二配線と、
   前記第二配線に接続され、前記第二配線に出力電力を供給すると共に前記直流電圧変換器の出力電力が供給される蓄電器と、
   前記蓄電器に対し入力される電流である第１電流の電流値と、前記蓄電器から出力される電流である第２電流の電流値とを検出する電流検出部と、
   前記電流検出部によって前記第１電流の電流値が検出された際の前記蓄電器の電圧値である第１電圧値と、前記第２電流の電流値が検出された際の蓄電器の電圧値である第２電圧値とを検出する電圧検出部と、
   前記電流検出部によって前記第１電流の電流値と前記第２電流の電流値とが交互に検出されるように、前記直流電圧変換器の出力電力を変動させる制御を実行する制御部と、
   前記第１電流の電流値、前記第２電流の電流値、前記第１電圧値及び前記第２電圧値に基づいて前記蓄電器の容量を推定する推定部と、
   を備える電源システム。
2. 前記推定部による前記蓄電器の前記容量の推定は、車両のイグニッションがオンされてから車両走行可能状態に移行するまでの期間内に行われる、
   請求項１に記載の電源システム。
3. 前記推定部による前記蓄電器の前記容量の推定は、車両のイグニッションがオフされた後に行われる、
   請求項１に記載の電源システム。
4. 前記推定部は、前記第１電流の電流値の絶対値と前記第２電流の電流値の絶対値との加算値と、前記第１電圧値の絶対値と前記第２電圧値の絶対値との加算値とに基づいて前記蓄電器の容量を推定する、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の電源システム。

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