JP4786355B2 - 車両用電源電圧制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの電源電圧を所定の目標レベルに収束させる車両用電源電圧制御方法に関する。

車両用に用いられるバッテリは容量管理や安全管理の必要性からバッテリの状態を高精度に推定する必要がある。従来、この目的のために、バッテリの電池状態量（たとえば電池の電圧や電流や残存容量や開路電圧や内部抵抗など）を演算するバッテリの状態量演算装置が種々提案乃至実用されている。

これらのバッテリの状態量演算装置に共通する構成は、入力パラメータとしてバッテリの多数の電圧・電流ペアを採取し、それに基づいて得た電圧と電流との間の関係を電池状態量推定に利用することである。

しかし、電池の残存容量状態や温度や劣化状態や分極状態など電圧と電流との間の関係に関与する多くの現象が存在するため、電圧と電流との間の関係は単純な線形関係とはならなかった。

従来用いられていた電圧と電流との間の関係を推定する方式の一つは、多数の電圧・電流ペアを電圧（Ｖ）及び電流（Ｉ）を二次元空間にプロットして回帰線を創成し、この回帰線を用いて入力電圧値に対応する電流値、もしくは、入力電流値に対応する電圧値を推定する方式（回帰線利用方式）であり、現在広く用いられている。なお、この回帰線の傾斜率は、バッテリの内部抵抗を示す値となる。

その他、サンプリングした多数の電圧・電流ペアやそれ以外の電池状態量（たとえば温度や運転時間など）をニューラルネットワークに投入して、出力パラメータとしての電池状態量（たとえばＳＯＣなど）を推定することも提案されている（特許文献１、２）。
特開平9−243716号公報 特開2003−249271号公報

しかし、上記した従来の回帰線利用方式を用いる電池状態量の推定では、多数の電圧・電流ペアの座標点が二次元空間に広く分散するため、求めた回帰線の精度が低いため、この回帰線を用いて得た電池状態量の誤差が非常に大きいことが広く知られていた。

また、上記したニューラルネット演算方式は従来の回帰線利用方式を用いた電池状態量推定に比べて格段に処理装置及び処理負担が増大するにもかかわらず、まだ満足すべき演算精度を得ることができないというのが実状であった。

次に、車両用電源系について考えると、電源電圧の大きな変動は、負荷動作の不安定やヘッドランプのちらつきやバッテリ寿命の低下など種々の問題が生じる。そこで、負荷状況変化などにもかかわらず電源電圧（バッテリ電圧）を安定化させたいという強い要求がある。従来の車両における電源電圧管理は、検出した電源電圧とその目標電圧との差を０に収束するようにフィードバック制御するのが一般的である。しかし、このフィードバック制御により電源電圧を変更すると、それに応じてバッテリの内部状態が変化するため電源電圧にハンチングが生じたり、遅れたりしてたとえば電気負荷の変動などによる電源電圧の急変に精密に即応して安定化制御を行うことが困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電源電圧の高速高精度の安定制御が可能な車両用電源電圧制御方法を提供することをその発明課題としている。

上記課題を解決する本発明のバッテリの状態量演算方法は、バッテリ、発電手段及び電気負荷が接続された車両の電源ラインの電圧である電源電圧を所定の目標電圧に制御する車両用電源電圧制御方法において、前記バッテリから検出した複数の電圧・電流ペアに基づいて前記バッテリの電圧と電流との間の回帰線を所定タイミングごとに更新し、前記目標電圧と前記回帰線とから前記バッテリの電流である制御電流の値を算出し、前記バッテリの電流を前記制御電流の値に調整する制御することにより、前記バッテリに接続された回路系に印加する電源電圧を所定の目標レベルに収束させることを特徴としている。

すなわち、この発明は、走行状況などにより電圧変化が大きい車両用電源系の電源電圧制御を、バッテリの充放電電流を算出した制御電流に制御することにより行う。このようにすれば、電源電圧とその目標電圧との差に応じて発電量を制御する従来の電源電圧フィードバック制御に比較して、制御実施によるバッテリの内部状態の変化を加味して電源電圧を調整できるため、制御レスポンスの改善を図ることができる。

本発明において、前記バッテリから検出した複数の電圧・電流ペアに基づいて前記バッテリの電圧と電流との間の回帰線を所定の更新タイミングごとに更新し、前記目標電圧と前記回帰線とから前記バッテリの電流である制御電流の値を算出し、前記バッテリの電流を前記制御電流の値に調整する。本発明では、電源電圧の目標値である目標電圧に対応するバッテリの充放電電流値への制御電流の値の変更を、バッテリの電圧と電流との間の関係を示す回帰線を用いて行うため、精度良く電源電圧を目標電圧に収束させることができる。更新タイミングとしては、短期間の間に電流が大きく変化する電流急変期間が好適であるが、長期にわたって電流急変が発生しない場合には、現時点以前にて長期間にわたって採取した多数の電圧・電流ペアを用いて回帰線を更新することが好適である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の技術思想を他の公知技術などを用いて実施してもよい。

（実施形態１）
この実施例のバッテリの状態量演算方法を用いた車両用電源電圧制御装置を図１を参照して説明する。

（全体構成）
１はバッテリ、２は双方向電流制御装置、３は電池コントローラ、４は車両用ECUである。バッテリ１は双方向電流制御装置２を通じて電源ライン５に接続され、電源ライン５を通じて図示しない車載の各電気負荷や発電機に接続されている。６はバッテリ１の充放電電流を検出する電流センサである。

バッテリ１の電圧V、電流I、並びに、電源ライン５の電圧である電源電圧VLは、マイコン内蔵の電池コントローラ３に入力される。電池コントローラ３は、車両用ECU４から指定される電源電圧VLの目標値（制御電圧とも言う）Vaに基づいて双方向電流制御装置２を通じてバッテリ１の充放電電流を制御して電源電圧VLを制御電圧Vaに収束させる電源電圧安定化制御を行う。下記の説明では、バッテリ１の充放電電流は、双方向電流制御装置２により制御されるため、制御電流Isとも呼称される。

（電源電圧安定化制御）
電池コントローラ３が行う電源電圧安定化制御動作を図２を参照して説明する。

まず、バッテリ１の電圧V、電流I、制御電圧Va、及び、電源ライン５の電圧である電源電圧VLを読み込み（S１０００）、あらかじめ記憶するか今回創成したバッテリ１の電圧と電流との間の関係に電源電圧の目標値である制御電圧Vaを代入して、この制御電圧Vaに対応するバッテリ１の電流の目標値である制御電流Isを算出し（S２０００）、この制御電流Isを双方向電流制御装置２に送信する（Ｓ３０００）。双方向電流制御装置２は、たとえば双方向電流制御回路であって、バッテリ１の充放電電流がこの制御電流Isとなるように内蔵スイッチング素子をスイッチング制御する。その後、走行終了かどうかを判定し（S４０００）、走行中ならステップＳ１０００にリターンする。なお、電池コントローラ３は、上記した制御電流Isの算出関数をあらかじめ求めるために、定期的に又は所定のバッテリ状態にて実施される割り込みルーチンを有しており、この割り込みルーチンは、入力情報に基づいて演算誤差が小さい制御電流Isの算出関数を選択する処理を行う。したがって、ステップＳ２０００は割り込みルーチンにて演算された制御電流Isの値を読み出す処理となっている。

（変形態様）
図１に示す車両用電源電圧制御装置の変形態様を図３に示す。この変形態様は、図１において双方向電流制御装置２で行っていたバッテリ１の充放電電流制御を発電機７側にて行うようにすることにより、双方向電流制御装置２を省略したものである。

この変形態様の電源電圧安定化制御動作を説明する。まず、バッテリ１の電圧V（＝電源電圧VL）、電流I、並びに、発電機７の出力電流（発電電流）IGを読み込み、次にあらかじめ記憶するか今回創成したバッテリ１の電圧と電流との間の関係に電源電圧の目標値である制御電圧Vaを代入してバッテリ１の電流の目標値である制御電流Isを算出し、その後、制御電流Isと発電電流IGとバッテリ１の実測電流Iとから次回に発電機７が出力すべき発電電流IGSを次式から算出する。
IGS＝（IGーI）＋Is

すなわち、（IGーI）は車載の電気負荷の消費電流合計であり、これと今回の制御電流Isの合計に次回の発電電流IGSが一致するように発電機７に発電電流IGSの出力を指令する。発電機７に内蔵されたレギュレータは、指令された発電電流IGSに対応する界磁電流値を演算し、界磁電流値に相当する界磁電流が界磁コイルに通電する。これにより、上記実施例１と同様にバッテリ１の特性を加味した車両用電源電圧制御を実現することができる。

（回帰直線を用いた制御電流Is決定方法の説明）
（回帰直線の選択）
ステップＳ２０００で用いる制御電流Isを算出する処理を図４を参照して説明する。

なお、この実施例では、複数の算出関数（制御電流Is算出式）すなわち回帰式により定義される回帰線を用いており、状況に応じてそのうちの好適な一つを選択して制御電流Isの算出を行う。また、新たな算出関数の算出において単に電圧・電流ペアの今回値を追加する以外に過去の算出関数をバッテリ状態に応じて修正することも行う。下記の実施例にて用いる各制御電流Is算出式は、回帰直線も用いたがそれに限定されない。たとえば、多数の電圧・電流ペアがプロットされた二次元平面に所定曲率の回帰曲線を創成し、この回帰曲線に目標電圧を代入して制御電流Isを算出しても良いし、この回帰曲線式上の実測座標点の接線と目標電圧を示す線との交点座標の電流値を制御電流Isとしてもよい。

図４おいて、ルーチンはスタータ始動により開始され（Ｓ１００）、スタータ始動によるバッテリ１の大きな電流変化期間に多数の電圧・電流ペアを計測する（Ｓ１０１）。次に、エンジン始動期間に採取した多数の電圧・電流ペアを用いてバッテリ１の内部抵抗Rを算出して記憶する（Ｓ１０２）。

ステップＳ１０２の内部抵抗Rの算出処理を図５を参照して更に詳しく説明する。スタータ始動に取得した多数の電圧・電流ペア群を用いて電圧・電流ペアの群を平均化することにより、計測時のノイズ成分を除去する（Ｓ２０１）。次に、安定して計測、取得できること、また始動時の電圧降下を予測する時に推定電圧値と実測電圧値との差が最小になるバッテリ内部抵抗を算出できる電流、電圧範囲となるようにたとえばスタータに最初に流れる突入時の電圧・電流ペアから電圧が下限値となってから回復する時の電圧・電流ペアを選択する（Ｓ２０２）。次に、選択した電圧・電流ペア群から公知の方法で回帰直線（始動時回帰直線）を創成し、その傾きを内部抵抗として算出して記憶する（Ｓ２０４）。

その後、走行開始とともに再び電圧・電流ペアを採取し（Ｓ１０３）、制御電流Is算出方式（内部抵抗利用制御電流算出方式と言う）を選択するためのフラグが０かどうかを調べる（Ｓ１０４）。ここで、フラグの値０は、後述するステップＳ１０５〜ステップＳ１０７に示す内部抵抗利用制御電流算出方式を制御電流Isの算出に用いるべきことを示し、フラグの値１は、後述するステップＳ１１１〜ステップＳ１１３に示す回帰線利用制御電流算出方式を制御電流Isの算出に用いるべきことを示す。なお、走行直後は、ルーチン開始直後に行われるリセット初期化ステップによりフラグは０にリセットされる。したがって、走行直後にはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０３にて走行中に採取した電圧・電流ペアからステップＳ１０２と同じように回帰直線（走行時回帰直線）を創成し、この走行時回帰直線の傾斜から走行中の内部抵抗Rを算出して記憶する。なお、走行時のバッテリ１の電圧、電流変化が少なく回帰直線を確度良く創成するのに十分な分散をもつ電圧・電流ペアを採用できなかった場合には、始動時回帰直線を用いてよい。

次に、車両用ECU４から読み込んだ電源ライン５の電源電圧VLの目標値である制御電圧Vaを読み込み（Ｓ１０６）、読み込んだ制御電圧VaとステップＳ１０５で算出した内部抵抗Rとから制御電流Isすなわちバッテリ１の充放電電流の目標値を算出し、この制御電流Isを双方向電流制御装置２に指令してバッテリ１の充放電電流をこの制御電流Isに制御させる（Ｓ１０７）。この制御電流Isの算出はたとえば次式で行われる。Vは直前に採取したバッテリ電圧のデータである。
Is＝（VーVa）／R

なお、バッテリ１の充放電電流を制御する双方向電流制御装置２は内部抵抗をもつが、この双方向電流制御装置２の内部抵抗Rは相対的に小さいので無視する。すなわち、双方向電流制御装置２はたとえばスイッチングレギュレータのように所定周期所定デューティにて開閉されるため、閉時すなわち電流通電時におけるオン抵抗損失は小さく無視することができるものとする。

次に、再び電圧・電流ペアを採取し、採取した電圧Vと制御電圧Vaとの間の電圧誤差αを算出し（Ｓ１０８）、この電圧誤差αが所定閾値以下かどうかを判定する（Ｓ１０９）。電圧誤差αが閾値未満なら今回の制御電流Is算出方式は誤差が小さく今後も採用すべきであると判定してステップＳ１０３〜ステップＳ１０７に示す走行時回帰直線を用いた制御電流Is算出方式（内部抵抗利用制御電流算出方式と言う）を採用するためのフラグ値として０を選択し（Ｓ１１０）、走行が終了したかどうかを判定し（Ｓ１１７）、終了していればルーチンを終了し、終了していなければステップＳ１０３に戻る。次に、ステップＳ１０４において、フラグが１であれば、ステップＳ１１１〜ステップＳ１１３に示す第２の回帰直線利用制御電流算出方式を制御電流Isの算出に用いるべく、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１では、ステップＳ１０５で走行時回帰直線創成のために選択した電圧・電流ペア群とは異なる電圧・電流ペア群を、ステップＳ１０１及びステップＳ１０３で採取した電圧・電流ペア群から選択して第２の回帰直線を創成する。この第２の回帰直線のために選択する電圧・電流ペア群としては、たとえば直前の電圧・電流ペアのグループだけを選択しても良く、あるいはすべての電圧・電流ペアを採用しても良く、更には現在のバッテリ１の運転モードと近似する運転モードで採取した電圧・電流ペア群を採用しても良い。現在のバッテリ１の運転モードと近似する運転モードとしては、充電電流増加状態、充電電流減少状態、放電電流増加状態、放電電流減少状態などで区分し、これらの４つの状態のうち現在の状態と同じ状態に所属する電圧・電流ペア群を採用しても良く、あるいは別に算出した残存容量値が近似する電圧・電流ペア群を採用しても良い。

次に、車両用ECU４から読み込んだ電源ライン５の電源電圧VLの目標値である制御電圧Vaを読み込み（Ｓ１１２）、読み込んだ制御電圧Vaを第２の回帰直線に代入して制御電流Isすなわちバッテリ１の充放電電流を算出し、この制御電流Isを双方向電流制御装置２に指令してバッテリ１の充放電電流をこの制御電流Isに制御させる（Ｓ１１３）。

次に、再び電圧・電流ペアを採取し、採取した電圧Vと制御電圧Vaとの間の電圧誤差αを算出し（Ｓ１１４）、この電圧誤差αが所定閾値以下かどうかを判定し（Ｓ１１５）。電圧誤差αが閾値未満なら今回の制御電流Is算出方式は誤差が小さく今後も採用すべきであると判定してステップＳ１０３〜ステップＳ１０７に示す制御電流Is算出方式（第２の回帰直線を利用する制御電流Is算出式）を採用するためにフラグ値を１にセットし（Ｓ１１６）、走行が終了したかどうかを判定していればルーチンを終了し、終了していなければステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１１５において、電圧誤差αが閾値以上なら図６に示すステップS１１８に進む。

（回帰直線の修正）
ステップＳ１１８では、ステップＳ１１１で算出した第２の回帰直線を、直前の電圧・電流ペアの座標点（Ｖｘ、Ｉｘ）に平行移動（シフト）して第３の回帰直線（直前シフト回帰直線）とする。次に、制御電圧Vaを読み込み（Ｓ１１９）、この制御電圧Vaを直前シフト回帰直線に代入して制御電流Isを算出する。なお、第２の回帰直線の傾斜角度すなわち内部抵抗をRとすれば、ステップＳ１２０での演算は次の式の演算に等しい。
Is＝（VxーVa）／R＋Ix

次に、再び電圧・電流ペアを採取し、採取した電圧Vと制御電圧Vaとの間の電圧誤差αを算出し（Ｓ１２１）、この電圧誤差αが所定閾値以下かどうかを判定し（Ｓ１２２）。電圧誤差αが閾値未満なら今回の制御電流Is算出方式は誤差が小さく今後も採用すべきであると判定してステップＳ１１６に進み、電圧誤差αが閾値以上ならステップＳ１２３に進む。

ステップＳ１２３では、直前シフト回帰直線の傾斜角度すなわち内部抵抗を電圧誤差αが小さくなる向きに少しの量だけ変更する。この変更を図７に示す説明図を利用して具体的に説明する。

直前の電圧・電流ペアの座標点（Ｖｘ、Ｉｘ）に平行移動（シフト）して第３の回帰直線（直前シフト回帰直線）とする。図７において、直前シフト回帰直線に制御電圧Vaを代入して得た制御電流Isと、この制御電流Isへバッテリ１の電流を制御した後に得たバッテリ１の実測電圧Vｎが目標電圧である制御電圧Vaよりも小さかった場合（図７を参照されたい）には、制御電流Isが増加する向き、すなわち直前シフト回帰直線ｍの傾斜角度が減少する向きにこの直前シフト回帰直線ｍの傾斜角度を減少させて新しい回帰直線ｍ＋１を創成して記憶する。この新しい回帰直線ｍ＋１は次回のステップＳ１１１での第２の回帰直線の創成の代わりにステップＳ１１２にて利用される。もちろん、バッテリ１の実測電圧Vｎが目標電圧である制御電圧Vaよりも大きかった場合には、制御電流Isが減少する向き、すなわち直前シフト回帰直線ｍの傾斜角度が減少する向きにこの直前シフト回帰直線ｍの傾斜角度を減少させて新しい回帰直線ｍ＋１を創成して記憶する。

ただし、図６に示す第２の回帰直線の修正は時々停止して、ステップＳ１１２にて前回の回帰直線の創成以後に得られた新しい電圧・電流ペアを利用して新規な回帰直線式を時々創成することが好適である。

（変形態様）
上記した実施形態では、回帰線として回帰直線を用いたが、非線形な回帰曲線を採用しても良い。この回帰曲線を直前の電圧・電流ペアの座標点にシフトするには二次元平面上にてシフト距離が最小となるように電圧軸及び電流軸にそれぞれ平行に２回平行移動することがこのましい。

（効果）
上記説明したこの実施形態では、走行状況などにより電圧変化が大きい車両用電源系の電源電圧変動を、バッテリの充放電電流をその所定目標値に制御することにより行うため、制御実施によるバッテリの内部状態の変化を加味して電源電圧を調整できるため、制御レスポンスの改善を図ることができる。

また、上記実施形態では、電圧と電流との間の関係を示す回帰線を直前に採取した電圧・電流ペアの座標点を通るようにシフトするため、演算誤差を低減することができる。

また、上記実施形態では、創成した回帰線を用いて得た出力パラメータであるとその実測値との間の演算誤差が大きい場合に、元の回帰線とは異なる電圧・電流ペア群により創成した電圧・電流ペア群を選択して求めた他の回帰線、あるいは元の回帰線とは異なる方法で創成した回帰線を利用して演算を行うため、演算誤差を低減することができる。

また、上記実施形態によれば、演算誤差が大きい場合に、次回の演算のための回帰線、特にその傾斜角度（内部抵抗）を演算誤差が小さくなるとみなす向きへ修正するので、演算誤差を大幅に低減することができる。

（実施形態２）
他の実施形態を説明する。この実施形態は、回帰線を決定するに対して、バッテリが放電状態かつ電流増加傾向時の回帰線である放電電流増加時回帰線と、バッテリが放電状態かつ電流減少傾向時の回帰線である放電電流減少時回帰線と、バッテリが充電状態かつ電流増加傾向時の回帰線である充電電流増加時回帰線と、バッテリが充電状態かつ電流減少傾向時の回帰線である充電電流減少時回帰線とを別々に決定しておき、現在のバッテリの状態が上記４つの状態（運転モードと称するものとする）のどれに該当するかを判定し、現在の運転モードと一致する回帰線を用いて電池状態を演算することをその特徴としている。

図８に示すフローチャートを参照して更に具体的に説明する。

まず、電圧・電流ペアを計測し（S300）、この計測した電圧・電流ペアを含む直前の複数の電圧・電流ペアを用いて、現在の電池の運転モードを判別する（S302）。この実施形態では、上記運転モードとして放電電流増加状態、放電電流減少状態、充電電流増加状態、充電電流減少状態の４つの運転モードを設定した。次に、ステップS302で判別した運転モードに一致する回帰線を、予め記憶する４つの回帰線から選択する（S304）。この４つの回帰線は、放電電流増加時回帰線、放電電流減少時回帰線、充電電流増加時回帰線及び充電電流減少時回帰線により構成される。次に、既述の方法で今回計測した電圧・電流ペアが示す座標位置に、今回選択した回帰線をシフトする（S306）。更に具体的に言えば、今回計測した電圧・電流ペアが示す座標位置を通過し、選択した回帰線の傾きをもつ直線を、電圧・電流平面上に引き、この直線上で目標電圧値に該当する座標位置の電流値を制御電流Isとして決定し、出力する。

このようにすれば、用いる回帰線が現在の電池の運転モードと同一の運転モードで作成した回帰線であるため、演算誤差を大幅に減少することができる。

次に、上記４つの回帰線を作成する方法を図９に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、直前の所定期間に採取した複数の電圧・電流ペアから現在の運転モードを判別する（S400）。次に、判別した運転モードに一致する回帰線を、既に記憶する４つの回帰線（放電電流増加時回帰線、放電電流減少時回帰線、充電電流増加時回帰線及び充電電流減少時回帰線）から選択し、この選択した回帰線を更新する（S402）。

回帰線の更新を放電電流増加時回帰線を例として以下に具体的に説明する。過去に採取された電圧・電流ペアは、上記４つの運転モードにグループ分けされている。直前の所定期間に採取された複数の電圧・電流ペアを、同一運転モード（ここでは放電電流増加状態）の電圧・電流ペアに混ぜて新たにこの運転モード（放電電流増加時）での特性曲線を決定する。なお、今回採取した電圧・電流ペアを混ぜる時に、たとえば最も古い電圧・電流ペアのデータを除外することも可能である。このようにすれば、記憶する回帰線の更新を行うことができる。他の運転モードも同様にして更新することができる。なお、回帰線決定の具体的な算出方式としては、上記の他、直前の回帰線と今回追加する電圧・電流ペアとからより簡単に次の回帰線を決定する算出方式も考えられるが、演算上の問題に過ぎないため説明は省略する。

実施形態１の車両用電源電圧制御装置を示すブロック回路図である。 実施形態１の車両用電源電圧制御を示すフローチャートである。 図１の変形態様を示すブロック回路図である。 図１の制御電流Is算出方法を示すフローチャートである。 図１の制御電流Is算出方法を示すフローチャートである。 図１の制御電流Is算出方法を示すフローチャートである。 回帰線のシフト及び角度変更の例を示す説明図である。 実施形態２の制御電流Is算出方法を示すフローチャートである。 実施形態２の回帰線更新方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリ
２ 双方向電流制御装置
３ 電池コントローラ
５ 電源ライン
７ 発電機

Claims (1)

1. バッテリ、発電手段及び電気負荷が接続された車両の電源ラインの電圧である電源電圧を所定の目標電圧に制御する車両用電源電圧制御方法において、
   前記バッテリから検出した複数の電圧・電流ペアに基づいて前記バッテリの電圧と電流との間の回帰線を所定タイミングごとに更新し、
   前記目標電圧と前記回帰線とから前記バッテリの電流である制御電流の値を算出し、
   前記バッテリの電流を前記制御電流の値に調整することにより、前記バッテリに接続された回路系に印加する電源電圧を所定の目標レベルに収束させることを特徴とする車両用電源電圧制御方法。

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