JP4075847B2 - 車載蓄電池の状態監視装置 - Google Patents

Description

本発明は電気自動車などに搭載されている走行駆動源用蓄電池及び補機電気負荷用蓄電池の使用状態を監視する装置に関する。

モータで駆動される電気自動車やモータとエンジンとが併用されるハイブリッド車の走行駆動源には、繰り返して充放電できる蓄電池が用いられている。この蓄電池には重量エネルギ密度の高いニッケル水素電池やリチウム電池が一般的に用いられるが、過充電や過放電に弱く、定められた条件で使用しないと著しい容量減少や異常発熱をを生じて使用不能になるおそれがある。このため、蓄電池の使用状態を監視する目的で、例えば特許文献１や特許文献２に開示されるような蓄電池の状態監視装置が開発されている。

一方、車両には計測や制御その他の機能を分担する多数の補機電気負荷が付設されており、通常は走行駆動源よりも低い電源電圧で駆動されている。これらの補機電気負荷を駆動するために補機蓄電池が用いられ、走行駆動源用の主機蓄電池の出力を電圧変換器で変圧して充電するのが一般的である。また、補機蓄電池の使用状態及び電圧変換器の動作状況は、多数の補機電気負荷と一緒に車両総合制御装置で監視、制御されている。

ところが上述の従来の方法では、主機蓄電池を専用の監視装置で、補機蓄電池を車両総合制御装置で、それぞれ別々に監視している。そのため、監視機能が統一されておらず、状態検出の基準となるリファレンス情報も別々に保有し、両装置の間で情報を交換しながら監視するなど、ソフト面の煩雑さがあった。また、情報交換のためには情報伝送部やワイヤハーネスが必要であり、耐ノイズ性能の確保や装置電源電圧の安定化にも配慮が必要であり、ハード面の費用もかさんでいた。さらに、両者の情報が同期していないことからリアルタイムの監視及び制御が困難であり、精度面でも向上の余地が残されていた。
特開２００１−３３３５０１号公報 特開２００２−８４６６９号公報

本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、主機蓄電池及び補機蓄電池の使用状態を高精度、かつ一元的に監視できる車載蓄電池の状態監視装置を提供する。また、補機蓄電池の充電時の端子電圧を安定させることができる状態監視装置を提供する。さらに、ノイズに影響されず、電源電圧が安定し、かつ経済性に優れた状態監視装置を提供する。

上記課題を解決する本発明の車載蓄電池の状態監視装置は、車両に搭載される走行駆動源用の主機蓄電池の使用状態を検出する主機検出手段と、該車両の補機電気負荷を駆動する補機蓄電池の使用状態を検出する補機検出手段と、該主機検出手段及び該補機検出手段の検出結果を伝達する情報発信手段と、該情報発信手段から該主機検出手段及び該補機検出手段の該検出結果を取り込み、該主機蓄電池及び該補機蓄電池の使用状態を監視する監視手段と、を有する車載蓄電池の状態監視装置において、前記監視手段は、前記主機蓄電池の端子電圧を変換して前記補機蓄電池を充電する電圧変換器の制御に必要な制御情報を演算により求め、該制御情報を該電圧変換器に伝達し、前記主機検出手段、前記補機検出手段、前記情報発信手段、及び該監視手段は、該電圧変換器と共通の電源で動作することを特徴とする。前記主機検出手段及び前記補機検出手段はそれぞれ、少なくとも電圧検出部、電流検出部、温度検出部のいずれかを有することが好ましい。前記監視手段は、前記主機蓄電池及び前記補機蓄電池の少なくとも過充電、過放電、過熱のいずれかの不具合を監視するようにしてもよい。

蓄電池の使用状態を監視する項目としては、電圧値、電流値および蓄電池温度の３項目が一般的であり、検出手段としてそれぞれ電圧検出部、電流検出部、温度検出部を設ければよい。ただしこれに限定されるものではなく、蓄電池の種類に応じて、漏れ電流や雰囲気温度などの検出手段を設けてもよい。容量が小さく端子電圧も低い蓄電池では３項目は必須ではなく、重要性を考慮して適宜取捨選択してよい。なお、各検出手段は電源で駆動され、検出結果を電気信号の形態で出力することが一般的である。

検出手段の数量も特に限定はされない。多数の単位セルを直列接続して構成した主機蓄電池では、出力端子に電圧検出部１点を設ける方法と、複数のセルグループに分けてそれぞれに電圧検出部を設ける方法とが考えられる。どちらの方法とするかは、充放電の制御を蓄電池一括で行うかあるいはセルグループ単位で行うかに依存し、費用も考慮して選択される。また、重要と判断される項目については、検出手段を二重化して、信頼性を高めることもできる。

情報発信手段は、主機検出手段及び補機検出手段の検出結果を、監視手段に発信する手段である。一般的には、検出結果の電気信号に対して増幅等の信号処理を行ってアナログ電気信号を発信し、必要に応じてアナログ／デジタル変換を行い、デジタル電気信号を発信する。

監視手段は、各検出手段あるいは情報発信手段から電気信号を取り込み、これを基にして監視を行っている。過充電の監視では、一例として主機蓄電池の出力端子に生起している端子電圧を検出し、許容上限値よりも高くなった時点で過充電と判定し、充電操作を強制的に終了させるようにしている。同様に、過放電の監視では、一例として主機蓄電池の出力端子に生起している端子電圧を検出し、許容下限値よりも低くなった時点で過放電と判定し、車両の走行を中止させるようにしている。過熱の監視では、一例として主機蓄電池の温度が許容値を超過した時点で過熱と判定し、蓄電池の充電も放電も中止するようにしている。すなわち、過熱発生時は充電操作も車両の走行も行わず、過熱の原因を調査するようにしている。

上述の監視手段で行う監視の方法は主機蓄電池を例に説明したが、補機蓄電池についても同様である。なお、検出結果の変動の程度に応じ、不具合を予告する警報や、充電操作中止あるいは負荷遮断などの指令を伝達するようにしてもよい。

さらに、監視手段は主機蓄電池の端子電圧を変換して補機蓄電池を充電する電圧変換器の制御に必要な制御情報を演算により求め、制御情報を電圧変換器に伝達する。電圧変換器は一般的には、一次入力電圧を指定された変圧比で変換して二次出力電圧を得る変圧部と、変圧部の変圧比を指定し制御する制御部と、制御部を駆動する電源部とで構成されている。ここで、一次入力電圧は主機蓄電池の端子電圧と同等であり、二次出力電圧は補機蓄電池の端子電圧と同等である。したがって、補機蓄電池を充電している時に、監視手段は取り込んだ主機蓄電池及び補機蓄電池の電圧値の情報に基づいて、所望する二次出力電圧を得るための制御情報を決定することは容易である。
前記監視手段は、この制御情報として、前記補機蓄電池の制御電圧を決定するようにしてもよい。決定された制御電圧は電圧変換器の制御部に伝達されて、フィードバック制御が行われる。この方法は、一次と二次の同時刻の電圧値を用いた同期制御であり、二次出力電圧すなわち補機蓄電池の端子電圧を高精度で安定させることができる。
また、主機検出手段、補機検出手段、情報発信手段、及び監視手段は、電圧変換器と共通の電源で動作するようになっている。電圧変換器の電源部には安定化電源が用いられるのが一般的であり、これを共通に使用することにより、ノイズ対策や電源電圧の安定化が容易にかつ経済的に行える。

前記監視手段は、前記主機検出手段及び前記補機検出手段の検出結果を基にして監視を行う際に基準となるリファレンス情報を保有していることが好ましい。リファレンス情報とは、検出結果として得られた電気信号を物理量に換算したり、大小関係を比較したりする際に基準となる量であり、例えば基準電圧の形態で保有される。リファレンス情報は主機蓄電池及び補機蓄電池のそれぞれの検出手段に個別に設けられるが、検出手段の仕様が同一であれば共通としてもよい。

前記監視手段は車両総合制御装置の内部に配置するようにしてもよい。この場合には、既設の車両総合制御装置に監視機能を付加すればよい。あるいは、監視手段には専用のマイクロコンピュータを適用してもよい。この場合には、検出結果を取り込むための入出力部や必要な情報を記録するための記憶部を付設する。いずれの場合でも、従来別々の装置で行っていた主機蓄電池の監視と補機蓄電池の監視を一括して行い、全く同一の条件で信号処理が行えるため、高精度でかつ一元的な監視が可能になっている。

前記監視手段は、監視結果を車両総合制御装置あるいは車両運転者に伝達することが好ましい。前述のように監視結果としては、電圧値、電流値、蓄電池温度などの物理量や、過充電、過放電、過熱などの不具合状態の判定結果、警報あるいは充電操作や車両走行の中止指令などがある。これらの監視結果は、車両総合制御装置に伝達され、車両総合制御装置は指令に基づいて補機電気負荷や機構部位を制御し、充電操作や車両走行を中止する。これとともに、監視結果は最終的には数値表示やランプ表示により車両運転者に伝達され、認識される。

本発明の車載蓄電池の状態監視装置は、主機検出手段と補機検出手段の双方の検出結果を取り込んで同一の条件で信号処理するため、高精度かつ一元的な監視が可能になっている。補機蓄電池を充電する電圧変換器に所望する二次出力電圧を得るための制御電圧を伝達する構成では、充電時の補機蓄電池の端子電圧を高精度で安定させることができる。また、電圧変換器と共通の電源で動作する構成では、ノイズ対策や電源電圧の安定化が容易にかつ経済的に行える。

本発明を実施するための最良の形態を、図１の機能ブロック図を参考にして説明する。図中で、破線の矢印は信号、情報、制御の流れを示しており、またスイッチ類や接続コネクタ等は省いて簡略化している。本発明の車載蓄電池の状態監視装置１は、主機蓄電池６１の使用状態を検出する主機検出手段１１と、補機蓄電池６２の使用状態を検出する補機検出手段２１と、情報発信手段３１と、監視手段に相当する監視判定部４１とで構成されている。

車両に搭載されている主機蓄電池６１は、ニッケル水素電池やリチウム電池などの単位セルが多数直列接続されて構成され、出力端子にはインバータ回路６３を介してモータ６４が接続され、また充電スイッチ６６を介して充電用端子６５が付設されている。主機蓄電池６１は、外部の電源により充電用端子６５から端子電圧３００Ｖ程度に充電され、充電されたエネルギーをモータ６４に供給して、車両を走行させている。この主機蓄電池６１の使用状態を検出する主機検出手段１１として、電圧検出部１２と電流検出部１３と温度検出部１４とが付設され、それぞれ端子電圧、出力電流、蓄電池温度を検出している。

また、補機蓄電池６２の出力端子には多数の補機電気負荷６７が接続され、これらを駆動するために端子電圧１４Ｖ程度に充電されている。この補機蓄電池６２の使用状態を検出する補機検出手段２１として、電圧検出部２２と電流検出部２３と温度検出部２４とが付設され、それぞれ端子電圧、出力電流、蓄電池温度を検出している。

これらの検出手段の例として、電圧検出部１２、２２には静電分圧形の電圧センサ、電流検出部１３、２３にはホール効果を利用した直流電流センサ、温度検出部１４、２４には測温抵抗体や熱電対などが用いられ、それぞれ電源で駆動されて、検出結果として電気信号を出力している。

情報発信手段３１は、主機蓄電池６１側の電圧検出部１２、電流検出部１３、及び温度検出部１４の電気信号と、補機機蓄電池６２側の電圧検出部２２、電流検出部２３、及び温度検出部２４の電気信号とを取り込み、信号処理を行い、監視判定部４１に発信している。

監視判定部４１は、情報発信手段３１から各検出部の検出結果の電気信号を取り込み、保有しているリファレンス情報を基にして、それぞれの電気信号を物理的に意味のある電圧値、電流値、蓄電池温度の計測値に換算して使用状態を把握する。また、あらかじめ設定されたトリップ値や警報値と比較して使用状態が正常か不具合が発生しているかを判定し、不具合発生時には警報や指令を発信する。なお、リファレンス情報は各検出手段ごとに必要であるが、検出手段の仕様が同一であれば共通としてもよい。例えば、両蓄電池６１、６２の温度検出部１４、２４の計測温度範囲や出力の仕様が同一の場合には、共通のリファレンス情報１つでよい。

監視判定部４１による監視は次のようにして行われる。主機蓄電池６１を充電用端子６５からを充電操作している時には、充電量の増加に伴って出力端子の電圧値は徐々に増加し、車両走行により放電している時には電圧値は徐々に減少する。この電圧値を適正範囲に保ち過充電や過放電の状態にしないことが、車両の性能及び寿命を確保する上で重要である。したがって、適正範囲の上限よりも低いレベルにトリップ上限値が設定され、電圧値がトリップ上限値を超過した時に過充電状態と判定して、充電スイッチ６６を開路して強制的に充電操作を終了する指令を出すようにしている。また、トリップ上限値よりも低いレベルに警報上限値が設定され、電圧値が警報上限値を超過した時点であらかじめ過充電を予告する警報を発信するようにしている。

車両走行中の過放電についても同様であり、適正範囲の下限よりも高いレベルに設定されたトリップ下限値よりも電圧値が低下した時に過放電状態と判定して車両走行を中止する指令を出すようにしている。また、トリップ下限値よりも高いレベルに設定された警報下限値よりも電圧値が低下した時点であらかじめ過放電を予告する警報を発信するようにしている。

検出された電圧値が警報上限値と警報下限値の間にある場合は正常な使用状態と判定し、その電圧値から充電量を把握している。

補機蓄電池６２の電圧値の監視も同様であり、トリップ上限値で強制的に充電操作を終了させ、トリップ下限値で補機電気負荷６７を遮断するようにしている。なお、走行に必要な最小限の電気負荷だけは遮断せず、わずかの時間だけは車両を走行させて、安全に停止できるようにしてもよい。

電流値の監視には下限はなく、通常上限側のトリップ値のみ設定される。蓄電池を充電あるいは放電する際には蓄電池内部である程度発熱が生じるが、電流値が大きすぎると過熱状態になる。したがって、許容される最大電流よりも低いレベルにトリップ値は設定され、検出された電流値がトリップ値を超過した時に過電流状態と判定し、強制的に充電操作の中止あるいは負荷の一部軽減を指令するようにしている。負荷の一部軽減とは、主機蓄電池６１では走行速度の制限であり、補機蓄電池６２では補機電気負荷６７の選択遮断が相当する。

蓄電池温度の監視も電流値と同様の上限監視である。蓄電池の仕様に定められた許容最高温度よりも低いトリップ値が設定され、検出された蓄電池温度がトリップ値を超過した時点で過熱状態と判定し、強制的に充電操作の中止あるいは負荷の一部軽減を指令するようにしている。なお、トリップ値を複数設定し、蓄電池温度の上昇の程度により段階的に負荷を制限してゆくように監視、制御してもよい。

上述の他に監視項目を定めて検出手段を付設した場合でも、監視判定部４１は適宜検出結果を取り込み、必要な信号処理を行えばよい。監視判定部４１には、入出力部と記憶部を付属したマイクロコンピュータが適用できる。

また、監視判定部４１は、監視結果を車両総合制御装置７１へデータ通信により伝送している。これにより、電圧値、電流値、蓄電池温度などの計測値や、蓄電池の使用状態の判定結果、警報や指令が車両総合制御装置７１へ伝送され、表示されることにより車両運転者に伝達される。また、車両総合制御装置７１は指令に基づいて、充電操作の終了や車両走行の中止、補機電気負荷６７の遮断などの制御を実行する。なお、車両総合制御装置７１では補機電気負荷６７を始めとして車両内の多数の項目を監視制御しているが、これを経由することなく直接ランプ表示等で車両運転者に両蓄電池６１、６２の監視結果を伝達してもよい。

電圧変換器８１は、主機蓄電池６１に蓄えられた電気エネルギーを電圧の異なる形態に変換して補機蓄電池６２を充電するものであり、両蓄電池６１、６２の端子に接続される変圧部８２と、変圧部８２を制御する制御部８３と、制御部８３を駆動する電源部８４とで構成されている。直流電圧変換器の代表例としてパルス幅制御方式で説明すると、変圧部８２の内部では主機蓄電池６１の直流電圧を正負の矩形波パルスに変換し、パルス変圧器で変圧し、整流平滑して補機蓄電池の低い直流電圧を生成しており、制御部８３で矩形波パルスの幅を制御することにより変圧比を変えられるようになっている。両蓄電池６１、６２の端子電圧は充放電により時々刻々と変化するが、補機蓄電池６２の端子電圧を最適に保つために状態監視装置１を適用することができる。

すなわち、監視判定部４１では両蓄電池６１、６２の端子電圧の計測値を基にすれば所望する補機蓄電池６２の制御電圧を容易に決定することができ、この制御電圧の値を電圧変換器８１の制御部８３に伝達してやればよい。これにより、制御部８３は、変圧部８２の矩形波パルスの幅を最適に制御することができる。これは同期した情報によるリアルタイムのフィードバック制御であり、きわめて高精度な管理が行える。なお、制御電圧の伝達の方式としては汎用の通信あるいはアナログ信号伝送でよい。

電圧変換器８１の電源部８４には、雰囲気温度やノイズの影響を受けにくく出力電圧の一定した安定化電源が用いられており、制御部８３が変圧部８２を高精度に制御できるようになっている。この安定した電源部８４を情報発信手段３１に接続し、状態監視装置１で共通に使用するようしている。安定した電源部８４で各検出手段１２〜１４、２２〜２４を駆動することにより、出力される微弱な電気信号を安定化することができる。

図２は本発明の別の例を示す機能ブロック図であり、監視判定部４１は車両総合制御装置７１の内部に配置されている。各検出手段１２〜１４、２２〜２４の電気信号は、情報発信手段３１により監視判定部４１に取り込まれている。監視判定部４１は図１の形態と同様に動作するが、監視結果は直接的に車両総合制御装置７１の内部で使用される。

図３はさらに別の例を示す機能ブロック図であり、図２の形態における情報発信手段３１の電源部３２を省き、電圧変換器８１の電源部８４を共通に使用している。これにより各検出手段１２〜１４及び２２〜２４の電気信号を安定化することができるのは、上述と同様である。

以上が本発明の形態であり、次に効果を述べる。図４に示す従来の構成では、主機蓄電池６１の監視手段９１と、補機蓄電池６２を監視する車両総合制御装置７１とで機能分担して監視している。したがって、両者の処理機能には差異があり、リファレンス情報も別々に保有しており、電気的ノイズの状況や電源電圧の変動、雰囲気温度などの環境条件も異なっている。また両者の検出結果を比較する場合は通信等により情報を交換する必要があり、同期がとれていなかった。これに対して、本発明の監視判定部４１は、主機検出手段１１の検出結果と補機検出手段２１の検出結果の両方を取り込んで監視判定している。したがって、全く同一の条件で同期をとって信号処理することができ、一元的な監視が可能となっている。

また、車両総合制御装置７１は車両全体の部材配置の制約から設置個所が決められてしまうのに対して、監視判定部４１は蓄電池６１、６２の至近箇所に設置することができる。したがって、ワイヤハーネスの引き廻しが短くて容易となり、各検出手段１２〜１４及び２２〜２４の微弱な電気信号もノイズに影響されない。さらに、主機蓄電池６１の雰囲気温度は性能を維持するために十分に管理されており、同所に監視判定部４１を設置してやれば、より一層性能が安定する。これらの総合的な効果として、高精度の監視を経済的に実現することができる。

さらに、補機蓄電池６２の制御電圧を電圧変換器８１に伝達するようにしているので、同期した情報によるリアルタイムのフィードバック制御が行えて、補機蓄電池６２の充電時の端子電圧を高精度に安定させることができる。また、電圧変換器８１の電源部８４を共通に使用するようにしているので、各部の電源電圧が安定して、検出精度が向上し、動作が安定する。

本発明の車載蓄電池の状態監視装置は、蓄電池の種類や充放電の方式によらず、電気自動車やハイブリッド車に幅広く適用できる。

本発明の車載蓄電池の状態監視装置を示す機能ブロック図である。 本発明の別の例を示す機能ブロック図である。 本発明のさらに別の例を示す機能ブロック図である。 従来の車載蓄電池の状態監視装置を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１：状態監視装置
１１：主機検出手段 ２１：補機検出手段
１２、２２：電圧検出部 １３、２３：電流検出部
１４、２４：温度検出部
３１：情報発信手段 ３２：情報発信手段の電源部
４１：監視判定部
６１：主機蓄電池 ６２：補機蓄電池 ６３：インバータ回路
６４：モータ ６５：充電用端子 ６６：充電スイッチ
６７：補機電気負荷
７１：車両総合制御装置
８１：電圧変換器 ８２：変圧部 ８３：制御部： ８４：電源部
９１：従来の主機蓄電池の監視手段 ９２：従来の補機蓄電池の監視手段

Claims (7)

1. 車両に搭載される走行駆動源用の主機蓄電池の使用状態を検出する主機検出手段と、
   該車両の補機電気負荷を駆動する補機蓄電池の使用状態を検出する補機検出手段と、
   該主機検出手段及び該補機検出手段の検出結果を伝達する情報発信手段と、
   該情報発信手段から該主機検出手段及び該補機検出手段の該検出結果を取り込み、該主機蓄電池及び該補機蓄電池の使用状態を監視する監視手段と、を有する車載蓄電池の状態監視装置において、
   前記監視手段は、前記主機蓄電池の端子電圧を変換して前記補機蓄電池を充電する電圧変換器の制御に必要な制御情報を演算により求め、該制御情報を該電圧変換器に伝達し、
   前記主機検出手段、前記補機検出手段、前記情報発信手段、及び該監視手段は、該電圧変換器と共通の電源で動作することを特徴とする車載蓄電池の状態監視装置。
2. 前記主機検出手段及び前記補機検出手段はそれぞれ、少なくとも電圧検出部、電流検出部、温度検出部のいずれかを有する請求項１記載の車載蓄電池の状態監視装置。
3. 前記監視手段は、前記主機蓄電池及び前記補機蓄電池の少なくとも過充電、過放電、過熱のいずれかの不具合を監視する請求項１及び２記載の車載蓄電池の状態監視装置。
4. 前記監視手段は、前記補機蓄電池の制御電圧を決定する請求項１〜３記載の車載蓄電池の状態監視装置。
5. 前記監視手段は、前記主機検出手段及び前記補機検出手段の検出結果を基にして監視を行う際に基準となるリファレンス情報を保有している請求項１〜４記載の車載蓄電池の状態監視装置。
6. 前記監視手段は車両総合制御装置の内部に配置される請求項１〜５記載の車載蓄電池の状態監視装置。
7. 前記監視手段は、監視結果を車両総合制御装置あるいは車両運転者に伝達する請求項１〜５記載の車載蓄電池の状態監視装置。

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