JP5644080B2 - バッテリの異常判定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの異常判定装置及び方法に関するものである。

バッテリなどの電源装置のオープン故障や電流センサの中間値固着故障を判定する異常判定装置において、検出電圧が所定の変動量以下であって検出電流が所定の変動量以下の場合に、電流センサの中間値固着異常と判定するものが知られている（特許文献１）。

特開２００７−２２５５６２号公報

しかしながら、上記従来技術のように、検出電圧が所定の変動量以下であって検出電流が所定の変動量以下の場合に、電流センサの中間値固着異常と判定すると、車両が停車している場合など、バッテリの電流値が微小に変動する場合も電流センサの中間値固着異常として誤判定するといった問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、バッテリの電流値が微小に変動する場合でも電流センサの中間値固着異常を正確に判定できるバッテリの異常判定装置及び方法を提供することである。

本発明は、所定の起点から所定時間経過後までに検出されたバッテリの電流の積分値を算出し、所定の起点におけるバッテリの電圧と、所定の起点から所定時間経過後のバッテリの電圧との偏差を算出し、算出された電流の積分値に応じた電圧閾値を設定し、電圧の偏差と電圧閾値とに基づいて電流センサが異常であるか否かを判定することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、検出電流値が微小に変動しても、バッテリの検出電流の積分値に基づいた異常判定の閾値を設定することで、電流センサの中間値固着異常を正確に判定することができる。

本発明の一実施の形態を適用したハイブリッド車両を示すブロック図である。 図１のバッテリ及びバッテリコントローラを示すブロック図である。 図２のメインバッテリコントローラの電流検出回路を示す電気回路図である。 図２のメインバッテリコントローラの主たる機能を示すブロック図である。 図２のメインバッテリコントローラにおける電流センサの異常判定手順を示すフローチャートである。 図２のメインバッテリコントローラにおける電流センサの異常判定時の電流、電流の積分値および電圧の時間的変化を示すタイムチャート（その１）である。 図２のメインバッテリコントローラにおける電流センサの異常判定時の電流、電流の積分値および電圧の時間的変化を示すタイムチャート（その２）である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るバッテリの異常判定装置及び方法を後輪駆動のハイブリッド車両ＨＥＶに適用した例であり、同図に示すハイブリッド車ＨＥＶの駆動系は、エンジンＥＧと、第１クラッチＣＬ１と、モータジェネレータ（電動機・発電機）ＭＧと、第２クラッチＣＬ２と、自動変速機ＡＴと、プロペラシャフトＰＳと、ディファレンシャルギヤユニットＤＦと、ドライブシャフトＤＳと、左右の駆動車輪ＲＲとを備える。なお、ＦＬ，ＦＲは左右の操舵前輪である。

エンジンＥＧは、ガソリン又は軽油を燃料として作動する内燃機関であり、エンジンコントローラ１１からの制御信号に基づいて、スロットルバルブのバルブ開度や燃料噴射量等が制御される。

第１クラッチＣＬ１は、エンジンＥＧの出力軸とモータジェネレータＭＧの出力軸との間に介装されたクラッチであり、図示を省略するが制御装置１からの制御信号に基づいて油圧ユニットの油圧が制御され、これによりクラッチ板のスリップ締結を含む締結と解放が制御される。

モータジェネレータＭＧは、ロータに永久磁石を埋設しステータにステータコイルが巻き付けられた同期型モータジェネレータであり、インバータＩＮＶにより生成された三相交流を印加することにより駆動し、モータコントローラ３１からの制御信号に基づいてその駆動が制御される。

また、モータジェネレータＭＧは、バッテリＢＡＴからの電力の供給を受けて回転駆動する電動機として動作することができるとともに（力行）、ロータが外力により回転している場合には、ステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機として機能してバッテリＢＡＴを充電することができる（回生）。なお、このモータジェネレータＭＧのロータは、図外のダンパーを介して自動変速機ＡＴの入力軸に連結されている。

第２クラッチＣＬ２は、モータジェネレータＭＧと左右の駆動輪ＲＬ，ＲＲとの間に介装されたクラッチであり、図示は省略するが制御装置１からの制御信号に基づいて油圧ユニットの油圧が制御され、これによりクラッチ板のスリップ締結とスリップ解放を含む締結と解放が制御される。

自動変速機ＡＴは、前進５速、後退１速などの有段階の変速比を車速やアクセル開度等に応じて自動的に切り換える変速機又は無段階変速機であり、トランスミッションコントローラ１２からの制御信号により切り換え動作が制御される。なお、第２クラッチＣＬ２は、専用クラッチとして設けることができるが、これに代えて自動変速機ＡＴの各変速段にて締結される複数の摩擦締結要素のうち、いくつかの摩擦締結要素を流用することもできる。

自動変速機ＡＴの出力軸は、プロペラシャフトＰＳ、ディファレンシャルギヤユニットＤＦ、左右のドライブシャフトＤＳを介して左右の駆動輪ＲＬ，ＲＲに連結されている。

本例のハイブリッド車両ＨＥＶは、第１クラッチＣＬ１の締結と解放状態に応じて、以下の３つの走行モードを備える。

第１走行モード（ＥＶ走行モード）は、第１クラッチＣＬ１が解放状態とされた場合であり、モータジェネレータＭＧの動力のみを動力源として走行するモータ使用走行モードである。

第２走行モード（ＨＥＶ走行モード）は、第１クラッチＣＬ１が締結状態とされた場合であり、エンジンＥＧを動力源に含みながら走行するエンジン使用走行モードである。

第３走行モード（ＷＳＣ(Wet Start Clutch)走行モード）は、第１クラッチＣＬ１が締結状態とされ第２クラッチＣＬ２がスリップ制御された場合であり、エンジンＥＧを動力源に含みながら走行するエンジン使用スリップ走行モードである。このモードは、特にバッテリＢＡＴの充電状態ＳＯＣ（State of Charge）が低いときやエンジン水温が低いときに、クリープ走行を達成するモードである。さらに、エンジン停止状態からの発進時にエンジン始動をしつつ駆動力を出力可能なモードでもある。

第２走行モードであるＨＥＶ走行モードは、さらにエンジン走行モードと、モータアシスト走行モードと、走行発電モードという３つの走行モードを有する。

エンジン走行モードは、モータジェネレータＭＧは駆動制御せずにエンジンＥＧのみを動力源として駆動輪ＲＲ，ＲＬを動かすモードである。モータアシスト走行モードは、エンジンＥＧとモータジェネレータＭＧの両方を駆動制御し、これら２つを動力源として駆動輪ＲＲ，ＲＬを動かすモードである。走行発電モードは、エンジンＥＧを動力源として駆動制御して駆動輪ＲＲ，ＲＬを動かすと同時に、モータジェネレータＭＧを発電機として機能させ、バッテリＢＡＴに充電するモードである。

なお、これらのモード以外に、車両停止時にエンジンＥＧの動力を利用してモータジェネレータＭＧを発電機として動作させ、バッテリＢＡＴを充電したり電装品へ電力を供給したりする発電モードを備えることもできる。

図２は、図１のバッテリＢＡＴおよびバッテリコントローラ４１の細部を示すブロック図、図３は、図２のメインバッテリコントローラＭＢＣ内の電流検出回路を示す電気回路図である。

図２に示すように、本例のバッテリＢＡＴは、直列接続されたｎ個（ｎは任意の正の整数，図２に示す例ではｎ＝４)の単電池１を１単位とする３つの電池モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３から構成されている。単電池１はリチウムイオン系電池やニッケル水素系電池などの各種二次電池を採用することができる。

また、バッテリコントローラ４１は、それぞれの電池モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍ３の電池容量（具体的には各単電池の電圧ＶＣ１〜ＶＣ４）を監視する３個のセルコントローラＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３と、これらセルコントローラＣＣ１、ＣＣ２、ＣＣ３を統括制御するメインバッテリコントローラＭＢＣと、を備える。

３つの電池モジュールＭ１〜Ｍ３は直列に接続され、その両端に図１に示すインバータＩＮＶを介してモータジェネレータＭＧ（電池負荷）が、図示しないリレースイッチを介して接続されている。

そして、３つの電池モジュールＭ１〜Ｍ３からモータジェネレータＭＧへ電力を供給すると、各単電池１の製造上の個体差などによって電池容量にバラツキが生じる。このため、セルコントローラＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３により各単電池１の電圧を検出し、電池容量が大きい単電池の電力を図示しない容量調整用抵抗に供給することで、所定のタイミングで電池容量を調整することが行われる。

メインバッテリコントローラＭＢＣは、所定のタイミングで各単電池１の電圧を検出する指令をセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３へ送信し、これを受信したセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３は各単電池１の電圧を検出してメインバッテリコントローラ１０へ送信する。メインバッテリコントローラＭＢＣは、検出された電池電圧に基づいて電池容量の調整量（具体的には容量調整用抵抗への通電時間）を演算し、再びセルコントローラＣＣ１〜ＣＣ３へ容量調整用指令を送信することで容量調整が行われる。

一方、バッテリＢＡＴ全体に流れる電流を検出するための電流センサ４２がバッテリＢＡＴとモータジェネレータＭＧを接続するメイン回路に設けられ、その検出信号はメインバッテリコントローラＭＢＣへ送出される。また、バッテリＢＡＴ全体の電圧を検出するための電圧センサ４３がバッテリＢＡＴの両端子間に設けられ、その検出信号はメインバッテリコントローラＭＢＣへ送出される。

図３に示すように、電流センサ４２にて検出された検出信号は、メインバッテリコントローラＭＢＣ内の電流検出回路４４により、検出信号に応じた電圧に変換処理され、Ａ／Ｄポートを介して検出電流値として認識される。図３は電流検出回路４４の一例を示す電気回路図であり、電流センサ４２からの検出信号の電荷を蓄積するコンデンサ４４１と、一対の抵抗４４２，４４３とを備える。

仮にこれら抵抗４４２，４４３の少なくとも一方が断線等によりオープン故障すると、メインバッテリコントローラＭＢＣが認識する電流センサ４２の検出値が中間値に固着することになる。電流センサの中間値固着故障とは、流れる電流に拘らず電流センサの出力値が上限値と下限値との間のある値に固定されてしまう故障である。電流センサの出力値が固着するというのには、一の固定値になるだけでなく、出力値がある小さい所定範囲内で変動することも含まれる。電流センサの中間値固着故障は、上述した抵抗４４２，４４３の断線以外にも、電流センサ４２とメインバッテリコントローラＭＢＣとを結ぶ配線がハーフショートすることによっても生じる。

本例のメインバッテリコントローラＭＢＣは、図４に示すように電流センサ４２により所定の起点から検出された電流値を積分する電流積分値算出回路４５と、その所定の起点から所定時間経過後のバッテリＢＡＴの電圧の偏差を算出する電圧偏差算出回路４７と、電流積分値算出回路４５により算出された電流の積分値に応じて所定の電圧閾値を設定する電圧閾値設定回路４６と、電圧偏差算出回路４７で算出された電圧の偏差と電圧閾値設定回路４６で設定された電圧閾値とを比較することで電流センサ４２の異常の有無を判定する異常判定回路４８と、を備える。

電流積分値算出回路４５は、たとえば電流センサ４２にて検出される電流がバッテリＢＡＴに対して放電から充電に切り換わる時点又は充電から放電に切り換わる時点を積分の起点とし、この起点から所定時間（図６及び図７に示すＡ時点からＢ時点までの時間）が経過するまで所定間隔で検出された電流値を積分する。この所定時間は特に限定されないが、電流値の微小変動（電流値の絶対値）の時間的な変動状況が把握できるのに充分な時間であればよい。したがって、電流センサ４２による検出間隔が１０ｍｓである場合は、これの少なくとも十倍（１００ｍｓ）以上であることが望ましい。ここで積分処理された値は電圧閾値設定回路４６へ出力される。

電圧偏差算出回路４７は、上記電流積分値算出回路４５による積分処理の起点と終点と同じタイミングで、電圧センサ４２により電圧を検出し、その偏差（電圧差の絶対値，ΔＶ）を算出する。この偏差は異常判定回路４８へ出力される。

電圧閾値設定回路４６は、異常判定回路４８における異常か否かを判定するための電圧閾値を設定（又は切替）する回路であって、電流積分値算出回路４５により算出された電流積分値が所定値未満である場合は、電圧閾値を第１電圧閾値に設定し、電流積分値が所定値以上である場合は、電圧閾値を前記第１電圧閾値より大きい第２電圧閾値に設定する。

異常判定回路４８は、電圧閾値設定回路４６にて設定された第１電圧閾値又は第２電圧閾値と、電圧偏差算出回路４７にて算出された電圧偏差とを比較し、その大小により電流センサ４２の中間値固着異常の有無を判定する。

具体的には、電圧閾値が第１電圧閾値に設定されている場合に、電圧偏差が第１電圧閾値以上である場合には電流センサ４２に中間値固着異常が生じていると判定する。また、電圧閾値が第２電圧閾値に設定されている場合に、電圧偏差が第２電圧閾値以下である場合には電流センサ４２に中間値固着異常が生じていると判定する。

次に電流センサ４２の異常判定手順を説明する。
図５は異常判定手順を示すフローチャート、図６及び図７は当該手順における電流、電流の積分値及び電圧の時間的変化を示すタイムチャートである。

なお、図６は検出電流が放電側に微小に流れている場合を示し、図７は検出電流が放電側に中程度に流れている場合を示している。また図６及び図７のＡ点は電流の積分を開始する起点であり、本例では検出電流が充電から放電に切り替わる時点としている。Ｂ点はＡ点で電流の積分を開始してから所定時間経過後に本例の判定を実施する時点である。その間のＸ点は電流センサ４２に中間値固着異常が発生した時点を示す。

図６及び図７の上図の電流ＩｔはバッテリＢＡＴの実電流（電流真値）、電流Ｉｄは検出電流、同図の下図の電圧偏差ΔＶｔ１，ΔＶｔ２は電流積分値に応じた第１電圧閾値及び第２電圧閾値、電圧偏差ΔＶｄはＡ点とＢ点で検出した端子電圧の偏差である。

まずステップＳＴ１にて電流センサ４２にて検出される電流がバッテリＢＡＴに対して充電から放電へ切り換わる時点又は放電から充電へ切り換わる時点か否かを判断する。こうした放電と充電との切換時点で微小電流が流れ、これにより特に電流センサ４２の中間値固着異常の判定が困難となるからである。ステップＳＴ１にて放電と充電の切換時点であると判断されたらステップＳＴ２へ進み、それ以外の場合はステップＳＴ１を繰り返す。

ステップＳＴ２では、電圧センサ４３によりバッテリＢＡＴの総電圧Ｖ１を検出し、これを電圧偏差算出回路４７へ出力する。またステップＳＴ３では、電流センサ４２によりバッテリＢＡＴに流れる電流を検出し、これを電流積分値算出回路４５へ出力する。ステップＳＴ２及びＳＴ３が図６及び図７に示すＡ時点である。

ステップＳＴ４では、ステップＳＴ２及びＳＴ３の処理を開始したＡ時点から、予め設定された所定時間が経過したか否かを判断する。所定時間が経過するまではたとえば１０ｍｓの間隔でステップＳＴ３を繰り返し、電流センサ４２による検出信号を電流積分値算出回路４５へ出力する。

ステップＳＴ４で所定時間が経過したらステップＳＴ５へ進み、電流積分値算出回路４５にて、所定時間の間に電流センサ４２から出力された電流の積分値を算出する。また、ステップＳＴ６では、電圧センサ４３によりバッテリＢＡＴの総電圧Ｖ２を検出し、電圧偏差算出回路４７へ出力する。ステップＳＴ５及びＳＴ６が図６及び図７に示すＢ時点である。

ステップＳＴ７では、Ａ時点で検出された電圧Ｖ１とＢ時点で検出された電圧Ｖ２との偏差ΔＶｄ＝｜Ｖ１−Ｖ２｜を算出し、異常判定回路４８へ出力する。

ステップＳＴ８では、ステップＳＴ５にて算出された電流積分値が、予め設定された所定値Ａｈ_０未満か否かを判断する。この所定値Ａｈ_０はバッテリＢＡＴ等の仕様に応じて適宜実験等により求めておくことができる。

ここで、検出電流の積分処理を開始してから所定時間経過後において、図６に示すように電流積分値が小さい場合は、所定時間内に検出した電流の変動量は小さいと判断でき、電流センサ４２に中間値固定異常が発生していなければ、同図に示す電圧偏差ΔＶｄは小さいはずである。したがって、図６に示すように電流積分値が所定値Ａｈ_０未満である場合は、ステップＳＴ９へ進み、電圧閾値設定回路４６にて、電流センサ４２の中間値固着異常を判定する電圧閾値ΔＶｔを相対的に小さい第１電圧閾値ΔＶｔ_１に設定する。

そして、ステップＳＴ１０にて、電圧偏差算出回路４７にて算出された電圧偏差ΔＶｄと第１電圧閾値ΔＶｔ_１とを比較し、電圧偏差ΔＶｄが第１電圧閾値ΔＶｔ_１より大きい場合はステップＳＴ１１へ進んで、電流センサ４２の中間値固着異常が発生していると判断する。ステップＳＴ１０にて電圧偏差ΔＶｄが第１電圧閾値ΔＶｔ_１未満である場合はステップＳＴ１２へ進み、電流センサ４２には中間値固着異常が発生していないと判断する。

これに対し、検出電流の積分処理を開始してから所定時間経過後において、図７に示すように電流積分値が中程度である場合は、所定時間内に検出した電流の変動量も中程度であると判断でき、電流センサ４２に中間値固定異常が発生していなければ、同図に示す電圧偏差ΔＶｄは中程度のはずである。したがって、図７に示すように電流積分値が所定値Ａｈ_０以上である中程度の場合は、ステップＳＴ８からステップＳＴ１３へ進み、電圧閾値設定回路４６にて、電流センサ４２の中間値固着異常を判定する電圧閾値ΔＶｔを第１電圧閾値ΔＶｔ_１に比べ相対的に大きい第２電圧閾値ΔＶｔ_２に設定する。

そして、ステップＳＴ１４にて、電圧偏差算出回路４７にて算出された電圧偏差ΔＶｄと第１電圧閾値ΔＶｔ_１とを比較し、電圧偏差ΔＶｄが第２電圧閾値ΔＶｔ_２以下である場合はステップＳＴ１５へ進んで、電流センサ４２の中間値固着異常が発生していると判断する。ステップＳＴ１４にて電圧偏差ΔＶｄが第２電圧閾値ΔＶｔ_２より大きい場合はステップＳＴ１６へ進み、電流センサ４２には中間値固着異常が発生していないと判断する。

以上のように、本例によれば、微小電流が流れている場合であっても検出電流の積分値に基づいて電圧偏差の判定閾値を適宜の値に切り換えて、電流センサ４２の中間値固着異常を判定しているため、電流センサの精度を向上させるといった手段や電流センサの個数を増加するといった手段を採用しなくても、電流センサ４２の中間値固着の誤検知を回避することができる。

また、電流積分値の大小、すなわちバッテリＢＡＴの使用状況に応じて電圧閾値を切り換えているため、中間値固着異常の判定を実施できるシーンが増え、検出性が向上する。

さらに、所定時間の積分完了後に中間値固着異常を判定しているため、検知時間を短縮することが可能である。

上記電流センサ４２が本発明に係る電流検出手段に相当し、上記電圧センサ４３が本発明に係る電圧検出手段に相当し、上記電流積分値算出回路４５が本発明に係る電流積分値算出手段に相当し、上記電圧偏差算出回路４７が本発明に係る電圧偏差算出手段に相当し、上記電圧閾値設定回路４６が本発明に係る電圧閾値設定手段に相当し、上記異常判定回路４８が本発明に係る異常判定手段に相当する。

本発明のバッテリの異常判定装置及び方法が適用される車両は、図１に示すバイブリッド車両ＨＥＶに限定されず、他の構造のハイブリッド車両、電気自動車等にも適用することができる。また、本発明のバッテリの異常判定装置及び方法が適用されるバッテリＢＡＴは図２に示す直列接続型のものに限定されず、仕様に応じて直列及び又は並列に接続されたバッテリにも適用することができる。

ＭＢＣ…メインバッテリコントローラ
４２…電流センサ
４３…電圧センサ
４４…電流検出回路
４５…電流積分値算出回路
４６…電圧閾値設定回路
４７…電圧偏差算出回路
４８…異常判定回路
ＢＡＴ…バッテリ

Claims (5)

1. バッテリの電流を検出する電流検出手段と、
   前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段と、
   所定の起点から所定時間経過後までに検出された前記バッテリの電流の積分値を算出する電流積分値算出手段と、
   前記所定の起点における前記バッテリの電圧と、前記所定の起点から前記所定時間経過後の前記バッテリの電圧との偏差を算出する電圧偏差算出手段と、
   前記電圧の偏差と所定の電圧閾値とに基づいて前記電流検出手段が異常であるか否かを判定する異常判定手段と、
   前記電流積分値算出手段によって算出された電流の積分値に応じて前記所定の電圧閾値を設定する電圧閾値設定手段と、を備えるバッテリの異常判定装置。
2. 請求項１に記載のバッテリの異常判定装置において、
   前記所定の起点が、前記検出された電流が前記バッテリに対する放電から充電に切り換わる時点または充電から放電に切り換わる時点のいずれかであるバッテリの異常判定装置。
3. 請求項１または２に記載のバッテリの異常判定装置において、
   前記電圧閾値設定手段は、前記電流の積分値に応じて、前記所定の電圧閾値を、第１電圧閾値と、当該第１電圧閾値より大きい第２電圧閾値とのいずれか一方に切り換えるバッテリの異常判定装置。
4. 請求項３に記載のバッテリの異常判定装置において、
   前記電圧閾値設定手段は、前記電流の積分値が所定値未満である場合に前記所定の電圧閾値を前記第１電圧閾値に設定し、
   前記異常判定手段は、前記電圧の偏差が前記第１電圧閾値以上である場合に前記電流検出手段が中間値固着異常であると判定するとともに、
   前記電圧閾値設定手段は、前記電流の積分値が前記所定値以上である場合に前記所定の電圧閾値を前記第２電圧閾値に設定し、
   前記異常判定手段は、前記電圧の偏差が前記第２電圧閾値以下である場合に前記電流検出手段が中間値固着異常であると判定するバッテリの異常判定装置。
5. 電流検出手段によりバッテリの電流を検出し、所定の起点から所定時間経過後までに検出された前記バッテリの電流の積分値を算出し、
   前記所定の起点における前記バッテリの電圧と、前記所定の起点から前記所定時間経過後の前記バッテリの電圧との偏差を算出し、
   前記算出された電流の積分値に応じた電圧閾値を設定し、
   前記電圧の偏差と前記電圧閾値とに基づいて前記電流検出手段が異常であるか否かを判定するバッテリの異常判定方法。

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