JP5355966B2 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッドカーや電気自動車などの電動車両に搭載される電源装置に関し、とくに車両を走行させるモータに電力を供給する走行用バッテリの温度を検出する温度センサを備える車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する走行用バッテリの電池温度を温度センサで検出している。二次電池は、温度によって電気特性が変化する物性があり、電池温度が異常に高くなり、あるいは低くなると、充放電の電流を少なく制限するからである。また、ハイブリッドカーの走行用バッテリは、充電と放電を繰り返しながら使用されるので、充放電によって変化する残容量を演算している。残容量が設定された範囲となるように充放電を制御することで、電池の劣化を少なくして寿命を長くしている。電池は、過充電と過放電によって著しく劣化するので、残容量を５０％を中心として所定の範囲となるように充放電を制御している。電池の残容量は、充電容量を加算し、放電容量を減算して演算される。充電容量は充電電流と時間の積、すなわち充電電流の積算値で演算され、放電容量は放電電流の積算値で演算される。実質的に電池に充電される充電容量と放電容量は、積算値を温度で補正してより正確に演算できる。電池の残容量は、充放電を繰り返し、加算と減算を繰り返して演算されるので、時間が経過するにしたがって誤差が累積される。累積する誤差は、演算される残容量を狂わせて、設定している残容量の範囲で充放電できなくする。この弊害を防止するために、電池の温度は正確に検出することが要求される。さらに、走行用バッテリは、モータに大電力を供給するために多数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。多数の電池からなる走行用バッテリは、全ての電池温度を均一にすることが極めて難しく、各々の電池に温度差ができる。電池の温度差は、残容量の演算に誤差を発生させる。各々の電池の残容量をより正確に検出するために、複数の温度センサを設けて、各々の電池温度を正確に検出している。

ところが、多数の温度センサを備える電源装置は、温度センサが故障する確率も高くなる。温度センサの断線や短絡の故障は、検出温度が大幅にずれることから簡単に判定できる。しかしながら、温度センサの検出温度が電池温度が変化する範囲内でずれる故障、すなわちインレンジ故障は、故障の判定が極めて難しい。それは、各々の電池に温度差があるので、温度センサの故障と電池の温度差とを識別できないからである。

ところで、エンジンの水温を検出する水温センサの故障を検出するために、車両を停止して所定の時間経過した後、水温センサの検出温度から故障を判定する故障判定装置は開発されている。（特許文献１参照）
特開２００８−２５４６８号公報

特許文献１に記載される装置は、エンジンを停止時の水温センサの検出温度と、エンジンを停止して一定の時間経過後の水温センサの検出温度との温度差を検出し、この温度差から故障を判定する。すなわち、温度差が、吸気温度で補正される設定値を超えていると水温センサの故障と判定する。この構造は、水温センサの故障を判定できるが、わずかなずれによる故障、たとえば電池のインレンジ故障等を正確に検出できない欠点がある。とくに、エンジンは停止すると次第に水温が低下することから、一定時間経過して水温を吸気温度に近づけることができる。ところが、車両の走行用バッテリは、車両を停止する前の充放電の状態によっては、停止した後に異常発熱によって電池温度が一時的に上昇することがある。電池の温度上昇は、車両を停止する以前の充放電の条件によって変化するので、あるときは上昇し、あるときは上昇しない。したがって、一定の時間経過後に、温度センサの検出温度から故障を判定すると、電池の異常発熱による誤差で正確に故障を判定できなくなる。この異常発熱の影響を避けるために、故障と判定する条件幅を広くすると、温度センサのわずかなずれを故障として判定できなくなる。多数の電池からなる走行用バッテリの温度を検出する温度センサは、わずかな検出温度の差が残容量の演算に影響を与えて、電池を劣化させる原因となる。このため、車両用の電源装置は、水温センサのようにひとつのセンサで温度を検出するのではなく、複数の温度センサでもって、わずかに温度差がある各々の電池温度を正確に検出して、温度による電池の特性の変化を正確に検出して、残容量等を正確に演算している。このことから、車両用の電源装置は、複数の温度センサのわずかなずれによる故障を正確に判定することが大切であるが、水温センサの故障判定では、この故障を検出できない。

本発明は、以上の要件を満足することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、複数の電池の温度を検出する複数の温度センサのインレンジ故障を確実に検出して、複数の電池の温度をより正確に検出できる車両用の電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する、複数の二次電池２を接続してなる走行用バッテリ１と、走行用バッテリ１の二次電池２の温度を検出する複数の温度センサ３と、この温度センサ３で検出される電池温度で走行用バッテリ１の充放電を制御する制御回路４と、複数の温度センサ３の検出温度から各々の温度センサ３の故障を検出する故障判定回路５とを備えている。故障判定回路５は、車両の停止を検出して、車両を停止する前の充放電の状態に起因する電池の異常発熱が集束するよりも長い時間に設定している設定時間経過すると動作状態となる演算回路６を備えている。故障判定回路５は、動作状態にある演算回路６が各々の温度センサ３で検出される各々の検出温度を演算して、各々の温度センサ３の故障を判定する。

以上の車両用の電源装置は、複数の電池の温度を検出する複数の温度センサのインレンジ故障を確実に検出して、複数の電池の温度をより正確に検出できる特徴がある。とくに、以上の電源装置は、電池の異常発熱が集束するよりも長い時間に設定している設定時間経過すると動作状態となる演算回路でもって、各々の温度センサで検出される各々の検出温度を演算して、各々の温度センサの故障を判定することから、各々の温度センサのインレンジ故障を正確に判定できる。

本発明の車両用の電源装置は、故障判定回路５の演算回路６が、各々の温度センサ３で検出される検出温度の平均値と各々の温度センサ３の検出温度から故障を判定する最大誤差温度を記憶して、検出温度と平均値との差が最大誤差温度よりも大きな電池の温度センサ３を故障と判定することができる。
以上の電源装置は、演算回路の簡単な演算で、各々の温度センサのインレンジ故障を正確に判定できる。それは、各々の温度センサで検出される検出温度の平均値からインレンジ故障を判定するからである。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、演算回路６が、車両が停止されて変化する各々の温度センサ３の温度変化特性を記憶して、この温度変化特性と温度差から故障を判定することができる。
以上の電源装置は、各々の温度センサが検出する検出温度を温度変化特性で補正しながら故障を判定するので、より正確にインレンジ故障を判定できる。

本発明の車両用の電源装置は、走行用バッテリ１を冷却する冷却機構７を備えると共に、この冷却機構７が二次電池２を強制冷却する媒体の温度を検出する冷却媒体の温度センサ８を備えて、演算回路６は、標準温度範囲が記憶されるメモリを有しており、前記冷却媒体の温度センサ８の検出温度を用いて前記標準温度範囲を補正すると共に、該標準温度範囲と動作状態となって各々の温度センサ３で検出される各々の検出温度とを比較して、各々の温度センサ３の故障を判定することができる。
以上の電源装置は、電池の温度を検出する温度センサに加えて、電池を冷却する媒体、たとえば冷却空気などの温度を検出する温度センサの故障も正確に判定できる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路４が、二次電池２の温度を検出する温度センサ３の検出温度でもって、充放電される二次電池２の残容量を補正して演算することができる。
以上の電源装置は、温度センサの検出温度で残容量を補正してより正確に電池の残容量を検出しながら充放電できる。このため、電池の劣化を少なくして電池の寿命を長くできる特徴がある。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、制御回路４が、故障と判定された温度センサ３の検出温度を、故障と判定してなる温度センサ３に隣接して配設している温度センサ３の検出温度から補間して演算し、演算された検出温度で二次電池２の残容量を演算することができる。
以上の電源装置は、いずれかの温度センサが故障しても、故障した温度センサで温度を検出している電池の残容量を正確に検出できる。それは、近傍の温度センサで検出される電池温度で故障した温度センサが検出する電池の温度を補間して検出するからである。

本発明の車両用の電源装置は、車両の停止を検出して４時間以上経過し、かつ車両の停止を検出してから８時間以内に演算回路６を動作状態とすることができる。
以上の電源装置は、車両停止後に発生する電池の異常発熱を集束させた後に、各々の温
度センサの検出温度から故障を判定することで、各々の温度センサのインレンジ故障を確実に正確に検出できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は車両用の電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す車両用の電源装置は、車両を走行させるモータに電力を供給する、複数の二次電池２を接続してなる走行用バッテリ１と、走行用バッテリ１の二次電池２の温度を検出する複数の温度センサ３と、この温度センサ３で検出される電池温度で走行用バッテリ１の充放電を制御する制御回路４と、複数の温度センサ３の検出温度から各々の温度センサ３の故障を検出する故障判定回路５とを備える。

走行用バッテリ１は、複数の二次電池２を直列に接続して出力電圧を高くしている。走行用バッテリ１は、直列に接続する二次電池２の個数で出力電圧を調整する。二次電池２を直列に接続する個数は、走行用バッテリ１の出力電圧を１００Ｖ〜３００Ｖとする数である。二次電池２は、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池などのすべての充電できる電池が使用できる。

走行用バッテリ１は、大電流で充放電されて発熱する。各々の二次電池２の温度を検出するために、複数の温度センサ３を設けている。図１の電源装置は、８個の温度センサ３を設けている。各々の温度センサ３は、二次電池２の表面に熱結合するように固定されて、二次電池２の温度を検出する。走行用バッテリ１は、出力電圧を高くするために多数の二次電池２を直列に接続している。たとえば、ニッケル水素電池を直列に接続して、出力電圧を２８８Ｖとする走行用バッテリは、２４０個のニッケル水素電池を直列に接続している。二次電池２をニッケル水素電池とする走行用バッテリ１は、５〜６個のニッケル水素電池を直列に接続して電池モジュールとし、この電池モジュールを直列に接続して出力電圧を所定の電圧としている。たとえば、５個の二次電池を直列に接続している電池モジュールは、４８個を直列に接続して出力電圧を２８８Ｖにできる。また、６個の二次電池を直列に接続している電池モジュールは、４０個を直列に接続して２８８Ｖにできる。

走行用バッテリ１は、必ずしも全て二次電池２の温度を温度センサ３で検出しない。たとえば、２４０個の二次電池からなる走行用バッテリは、８個の温度センサでもって、代表的な位置にある二次電池の温度を検出して、これらの検出温度から他の二次電池の温度を特定する。この電源装置は、電池モジュールを２列に並べて配置し、各々の列の両側部と中間２点に温度センサを配置して、各列を４個の温度センサで、合計８個の温度センサでもって二次電池の温度を検出する。複数の温度センサ３は、最も温度が高くなる電池、最も温度が低くなる電池、温度が変化しやすい電池等を検出するように配置される。１列に２４本の電池モジュールを配置する走行用バッテリは、４個の温度センサで両端部と中間部の２カ所の電池モジュールの温度を検出して、全ての電池モジュールの温度を演算する。直接に温度が検出されない電池モジュールは、その近傍の電池モジュールの温度を検出する温度センサの検出温度を、距離を考慮して補間して演算される。

図２は、制御回路４が補間して全ての電池モジュールの温度を演算する状態を示している。この図は、２４個の電池モジュールを４個の温度センサで検出して、温度を検出しない電池モジュールの温度を補間して検出する状態を示している。この図の実線Ａは、温度センサで検出される検出温度を直線で補間して、温度センサの間に配置している電池モジュールの温度を演算する状態を示している。また、鎖線Ｂは検出温度を曲線で補間して温度が直接に検出されない電池モジュールの温度を演算している。

二次電池をリチウムイオン電池とする走行用バッテリも、ニッケル水素電池の走行用バッテリと同じように、多数のリチウムイオン電池から代表的な電池の温度を検出して全ての電池温度を演算して検出する。

走行用バッテリ１は、大電流で充放電されるので発熱する。電池の温度を設定値よりも低くするために、図１の電源装置は、電池の冷却機構７を備えている。図の冷却機構７は、電池の表面に空気を強制送風して電池を冷却する送風ファン１０を備えている。走行用バッテリ１は、空気を通過させる送風隙間１１を二次電池２の間に設けている。さらに、各々の二次電池２に強制送風するように、走行用バッテリ１の外側に対向するように、流入ダクト１２と排出ダクト１３とを設けている。送風ファン１０は、流入ダクト１２に空気を供給し、あるいは排出ダクト１３から空気を吸引して二次電池２の送風隙間１１に空気を強制送風する。この冷却機構７は、吸入温度と排気温度とを検出する温度センサ８を備えている。制御回路４は、温度センサ８で検出される吸入温度及び排気温度と、温度センサ３で検出される電池温度から、電池の発熱状態や冷却状態を判定して送風ファン１０の運転を制御する。

多数の温度センサ３を備える電源装置は、温度センサ３のインレンジ故障を故障判定回路５で検出する。故障判定回路５は、車両の停止を検出して、電池の異常発熱が集束するよりも長い時間に設定している設定時間経過すると動作状態となる演算回路６を備えている。演算回路６は、起動時間を記憶するタイマを内蔵している。タイマは、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチがオフに切り換えられるタイミングでカウントを開始して、あらかじめ記憶している設定時間が経過するとタイムアップして起動信号を出力する。この起動信号で演算回路６は動作状態となる。タイマが記憶する設定時間は、電池の異常発熱が集束する時間よりも長く設定される。

図３は、車両を停止して異常発熱によって温度が上昇する電池温度を示している。この図に示すように、走行用バッテリ１は、車両を停止する以前の充放電によって、停止した後に温度が低下することなく一時的に上昇することがある。電池の異常発熱は、全ての電池で同じように発生しないので、異常発熱の影響を受けるタイミングに温度センサ３の検出温度から故障を判定すると、インレンジ故障を正確に検出できなくなる。したがって、タイマの設定時間は、異常発熱が集束して異常発熱で上昇した電池の温度が低下するよりも長い時間、たとえば４時間以上、好ましくは５時間以上に設定される。タイマの設定時間が長すぎると、温度センサ３のインレンジ故障を検出する頻度が少なくなるので、タイマの設定時間は、たとえば１０時間以下、好ましくは８時間以下に設定される。

演算回路６は、動作状態になって各々の温度センサ３の検出温度を演算して故障を判定する。演算回路６は、以下の演算をして、各々の温度センサ３の故障を判定する。
（１）各々の温度センサ３で検出される検出温度の平均値を演算する。
（２）演算された検出温度の平均値と各々の温度センサ３の検出温度との温度差を演算し、演算される温度差を最大誤差温度に比較して、温度差が最大誤差温度よりも大きいと故障と判定する。最大誤差温度は、たとえば１℃〜５℃、好ましくは２℃〜４℃に設定される。最大誤差温度を小さくして、温度センサ３のインレンジ故障をより正確に検出できる。ただ、最大誤差温度が小さ過ぎると、インレンジ故障でなくて、外的な条件で温度センサ３の検出温度が変動するときに、故障でない温度センサ３を故障と判定する弊害がある。したがって、最大誤差温度は、インレンジ故障を確実に検出しながら、外的な条件による判定エラーが発生しないように、前述の範囲に設定される。

車両用の電源装置は、車両を停止して、電池の異常発熱が集束するよりも長い時間に設定している設定時間、たとえば４時間〜６時間も経過すると、電池の温度や他の冷却機構７の冷却媒体の温度が外気温度に近い温度になる。したがって、各々の温度センサ３が検出する検出温度はほぼ等しくなる。したがって、この状態において、検出温度が他の温度センサ３の検出温度と異なる温度となる温度センサ３はインレンジ故障と判定できる。

さらに、演算回路６は、車両が停止されてから変化する各々の温度センサ３の温度変化特性を記憶して、記憶する温度変化特性と温度差から故障を判定することで、より正確にインレンジ故障を判定できる。たとえば、設定時間が経過したときに、各々の正確な温度センサ３が検出する温度に検出温度差があるとき、この検出温度差をあらかじめ演算回路６に記憶させておき、この検出温度差で補正して、各々の温度センサ３の検出温度を平均値に比較することで、より正確に温度センサ３のインレンジ故障を判定することができる。

さらにまた、演算回路６は、各々の温度センサ３の平均値との温度差によらず、設定時間経過後における各々の温度センサ３の正しい検出温度を標準温度範囲としてメモリに記憶し、この標準温度範囲を設定時間経過後に検出する検出温度に比較して、検出温度が標準温度範囲でないとインレンジ故障と判定することもできる。演算回路６は、標準温度範囲を外気温度で補正することで、より正確に各々の温度センサ３のインレンジ故障を判定できる。外気温度は、例えば、温度センサ８で検出することができる。

演算回路６は、車両を走行させる状態で、あるいは車両を停止して演算回路６を動作状態する状態で、各々の温度センサ３の検出温度が、あらかじめ設定している最大設定温度範囲から外れた値になると、故障と判定することができる。

制御回路４は、二次電池２の温度を検出する温度センサ３の検出温度でもって、充放電される二次電池２の残容量を補正して演算する。二次電池２の残容量は、充電容量の積算値を加算し、放電容量の積算値を減算して演算される。このとき、残容量演算回路は、積算値を温度で補正して残容量を演算する。

二次電池２の残容量を演算する制御回路４は、残容量が設定範囲となるように、走行用バッテリ１の充放電をコントロールする。また、制御回路４は、各々の二次電池２の温度でもって充放電を制御する。二次電池２の温度が最高温度よりも高く、あるいは最低温度よりも低くなると、充放電の電流を遮断し、あるいは小さく制限して二次電池２を保護しながら充放電させる。

制御回路４は、電池の温度を検出する全ての温度センサ３が正確に電池温度を検出するとき、図２に示すように、各々の温度センサの検出温度から各々の電池モジュールの温度を演算し、演算された電池温度で補正して残容量を演算し、また、走行用バッテリの充放電を制御する。制御回路４は、特定の温度センサが故障と判定されると、故障と判定された温度センサの検出温度を、故障と判定してなる温度センサに隣接して配設している温度センサの検出温度から補間して演算する。図４において、第２の温度センサが故障して、第１と第３と第４の温度センサが正確に電池温度を検出するとき、制御回路４は、第２の温度センサが検出する温度を、他の温度センサの検出温度から補間して演算する。制御回路４は、図４の実線で示すように、両側に配設される第１と第３の温度センサの検出温度から直線的に補間して第２の温度センサの検出温度を演算し、あるいは鎖線で示すように、第２の温度センサの温度を、第１と第３と第４の温度センサの検出温度から補間して演算することもできる。

制御回路４は、温度センサ３が故障する状態で、故障した温度センサの温度を補間して演算し、演算された温度でもって各々の電池温度を演算し、各々の電池温度でもって、二次電池２の残容量を補正しながら演算し、演算された残容量で走行用バッテリ１の充放電をコントロールする。

本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の概略構成図である。 制御回路が全ての電池モジュールの温度を補間して演算する状態を示す図である。 車両停止後に異常発熱によって電池温度が上昇する状態を示す図である。 故障した温度センサの検出温度を他の温度センサの検出温度から補間する状態を示す図である。

１…走行用バッテリ
２…二次電池
３…温度センサ
４…制御回路
５…故障判定回路
６…演算回路
７…冷却機構
８…温度センサ
１０…送風ファン
１１…送風隙間
１２…流入ダクト
１３…排出ダクト

Claims (7)

1. 車両を走行させるモータに電力を供給する、複数の二次電池(2)を接続してなる走行用バッテリ(1)と、走行用バッテリ(1)の二次電池(2)の温度を検出する複数の温度センサ(3)と、この温度センサ(3)で検出される電池温度で走行用バッテリ(1)の充放電を制御する制御回路(4)と、複数の温度センサ(3)の検出温度から各々の温度センサ(3)の故障を検出する故障判定回路(5)とを備える車両用の電源装置であって、
   前記故障判定回路(5)が、車両の停止を検出して、車両を停止する前の充放電の状態に起因する電池の異常発熱が集束するよりも長い時間に設定している設定時間経過すると動作状態となる演算回路(6)を備えており、動作状態にある演算回路(6)が各々の温度センサ(3)で検出される各々の検出温度を演算して、各々の温度センサ(3)の故障を判定するようにしてなる車両用の電源装置。
2. 前記故障判定回路(5)の演算回路(6)が、各々の温度センサ(3)で検出される検出温度の平均値と各々の温度センサ(3)の検出温度から故障を判定する最大誤差温度を記憶しており、検出温度と平均値との差が最大誤差温度よりも大きな電池の温度センサ(3)を故障と判定する請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 前記演算回路(6)が、車両が停止されて変化する各々の温度センサ(3)の温度変化特性を記憶しており、この温度変化特性と温度差から故障を判定する請求項２に記載される車両用の電源装置。
4. 前記走行用バッテリ(1)を冷却する冷却機構(7)を備えると共に、この冷却機構(7)が二次電池(2)を強制冷却する媒体の温度を検出する冷却媒体の温度センサ(8)を備えており、
   前記演算回路(6)は、標準温度範囲が記憶されるメモリを有しており、前記冷却媒体の温度センサ(8)の検出温度を用いて前記標準温度範囲を補正すると共に、該標準温度範囲と動作状態となって各々の温度センサ(3)で検出される各々の検出温度とを比較して、各々の温度センサ(3)の故障を判定するようにしてなる請求項１に記載される車両用の電源装置。
5. 前記制御回路(4)が、二次電池(2)の温度を検出する温度センサ(3)の検出温度でもって、充放電される二次電池(2)の残容量を補正して演算する請求項１に記載される車両用の電源装置。
6. 前記制御回路(4)が、故障と判定された温度センサ(3)の検出温度を、故障と判定してなる温度センサ(3)に隣接して配設している温度センサ(3)の検出温度から補間して演算し、演算された検出温度で二次電池(2)の残容量を演算する請求項５に記載される車両用の電源装置。
7. 前記演算回路(6)が、車両の停止を検出して４時間以上経過し、かつ車両の停止を検出してから８時間以内に動作状態となる請求項１に記載される車両用の電源装置。
   

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