JP5818947B1 - 車両の電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電源電圧を所定の電圧範囲に制御する車両の電源装置を得る。【解決手段】電池状態検知手段111は、電池110の充電率を検出する充電率検出手段111dを備え、電源管理装置108は、電池の最大作動電圧及び最少作動電圧より充放電閾値を算出する充放電閾値演算手段108cと、電池の充電率が充電閾値または放電閾値に達すれば電池の充放電を抑制する充放電抑制手段を備えている。【選択図】図1

Description

この発明は車両の電源装置に係り、特に電源電圧を所定の電圧範囲に制御する手段を備えた車両の電源装置に関するものである。
車両には各種電気負荷へ電力を供給するために発電機と二次電池が搭載されており、近年は燃費改善の要求から、二次電池については従来の鉛電池方式に対する電力拡張策として、リチウムイオン電池や電気二重層キャパシタに代表されるエネルギー密度の高い電池の採用が進んでいる。これらの電池については、車両の電源に要求される電圧範囲と電気容量に適合するため、一般に複数の単電池を直列接続した形態を一組の電池モジュール(以下、組電池という)として幾つかの組電池を直列または並列に組み合わせることで構成されている。加えて、内蔵する全ての単電池を安全に使用するため、組電池毎に各単電池の状態を検知する電池状態検知基板(Cell Monitoring Unit)(以下、単にCMUともいう)を備えた電池パックの形態で取り扱われることが多い。この電池パックについては、誤った使用により内部の電池が損傷を受けない様に、CMUで検知した電池の状態に基づき入出力を遮断するフェイルセーフ手段を備えることが望ましい。
これに対し、電池パックの内部で組電池と出力端子の間に専用リレーを設け、電池の異常を検知すれば前記リレーの接点を開放する手段が提案されている(特許文献1参照)。この従来技術では、電池の異常は、電圧、電流、温度、充電率(State of Charge)(以下、単にSOCともいう)、内部抵抗、等のパラメータにより検知され、前記リレーの接点開放は電池の保護を目的としている。
特開2011−78147
ところが、上記特許文献1に示される従来技術では、電池パック内部の電池の電圧が異常電圧に達した際に前記リレーの接点を開放することはできるが、一方で、電池パックの出力端子電圧を車両の電源に要求される電圧範囲に制御することはできない。即ち、電池の電圧異常を検知して前記リレーの接点を開放すれば電池パックは出力停止に至り、出力端子電圧は0Vになるという問題点があった。
この発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、過充電または過放電による電池パックの電圧異常を生じることなく、電池パックの出力端子電圧を所定の電圧範囲に制御することのできる車両の電源装置を提供することを目的とする。
この発明に係る車両の制御装置は、車両の発電機により充電され電気負荷へ給電する電池と、前記電池の状態を検知する電池状態検知手段と、前記電池の状態に基づき電源管理を行う電源管理部と、前記電源管理部からの指令に基づき車両の発電と電力消費を制御し、前記電池の充放電を制御する車両制御部を備えた車両の電源装置であって、前記電池状態検知手段は、前記電池の充電率を検出する充電率演算手段を備え、前記電源管理部は、前記電池の最大作動電圧より充電率の充電閾値を算出し、前記電池の最小作動電圧より充電率の放電閾値を算出する充放電閾値演算手段と、前記電池の充電率が前記充電閾値または前記放電閾値に達すれば前記電池の充放電を抑制する充放電抑制手段を備え、前記車両制御部は、前記電池の充放電許可電力を算出する前記電源管理部の充放電抑制手段からの指令に基づき、前記電池の充放電電力を制御する発電制御手段および電装機器制御手段を備えたものである。
この発明の車両の電源装置によれば、電池パックの最大作動電圧および最小作動電圧よりSOCの充放電閾値を算出し、SOCがこの充放電閾値に達すれば充放電電流を制御することで電池パックの充放電を抑制する。これにより、電池パックは過充電または過放電による電圧異常を生じることなく、出力端子電圧を所望の電圧範囲、即ち、車両の電源に要求される電圧範囲に制御することができる。
上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。
この発明の実施の形態1における車両の電源装置を含む車両の電源系全体の概略構成図である。 この発明の実施の形態1における電池パック内部のCMUの制御処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1における電源管理装置の制御処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1における車両の電源装置の制御動作を示すタイミングチャートである。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1につて、図面を参照して説明する。
図1は、この発明の実施の形態1の車両の電源装置を示すもので、電源管理部と車両制御部、及び高電圧電池パックを備える車両の電源系全体の概略構成図である。
図1において、高電圧電源系は、電池パック101と、図示しない内燃機関と機械的に接続され車両の発電または駆動を担うモータジェネレータ102と、車両の高電圧電気負荷103より構成される。また、低電圧電源系は、鉛電池104と、DCDCコンバータ105と、車両の低電圧電気負荷106と、車両制御部である車両制御装置107と、電源管理部である電源管理装置108より構成される。ここで、電源管理装置108は、電池パック101の異常を検知すれば電池パック101内部のフェイルセーフリレー109の接点を開放し、車両制御装置107へ非常給電指令を送る。また、車両制御装置107は、図示しない内燃機関を制御すると共に、電源管理装置108の指令を受け、モータジェネレータ102と高電圧電気負荷103と低電圧電気負荷106を制御する。
電池パック101は、組電池110と、組電池110内部の各単電池の状態を検知するCMU111と、電池パック101の異常時に外部との電気接続を遮断するフェイルセーフリレー109と、フェイルセーフリレー109の駆動を制御する制御基板112より構成される。ここで、CMU111は各単電池の電圧と電流と温度を検出し、これらを基に電池のSOCと内部抵抗をマップ算出する。これらのパラメータの算出方法については後述の図2において説明する。また、制御基板112はフェイルセーフリレー109の駆動状態に加え、電池パック101内部の回路部の温度を検出する。CMU111と制御基板112は、其々において検知した電池パック101内部の状態を電源管理装置108へ送信する。
電源管理装置108は、電池パック101内部の状態に基づき、電池パック101全体の内部抵抗と、SOCの充放電閾値と、充放電許可電流を算出する。これらのパラメータの算出方法については後述の図3において説明する。また、電源管理装置108は、電池パック101の正常時において、電池パック101の充放電電流が充放電許可電流に収まる様にDCDCコンバータ105と車両制御装置107へ指令を送り、車両制御装置107はモータジェネレータ102と高電圧電気負荷103と低電圧電気負荷106を制御する。
尚、ここでは電池パック101、電源管理装置108、DCDCコンバータ105、モータジェネレータ102、車両制御装置107を個別に備えた形態を示すが、車両搭載に際し其々を統合してもよい。電源管理部である電源管理装置108の機能を車両制御装置107に組み込んで装置の統合をした場合には、統合によるコスト低減と軽量化の効果がある。一方、電源管理装置と車両制御装置を個別に備えた場合には、元の車両制御装置に変更を加えることなく機能追加ができ、また、電源管理装置に異常があれば、元の車両制御装置のみで、車両を作動することができる。
また、電源管理装置108は充放電抑制手段として充放電許可電流を算出する形態を示すが、充放電許可電流に代わり、電池パック101の充放電許可電力や出力端子目標電圧、モータジェネレータ102の作動電力や作動トルク、電気負荷の放電電力のいずれかを車両制御装置107へ送信することで、車両制御装置107は車両の発電と電力消費を制御してもよい。
また、モータジェネレータ102については、発電機能のみを有するオルタネータであってもよい。また、電池パック101の内部構成について、CMU111、制御基板112、フェイルセーフリレー109を個別に備えた形態を示すが、其々を統合してもよい。また、組電池110とCMU111について、一対の形態を示すが、単電池の列数に応じてCMU111を複数備えてもよい。また、CMU111と制御基板112は、其々で検知した電池パック101内部の状態に基づき異常判定を行い、非常時の場合は電源管理装置の指令によらずフェイルセーフリレー109の接点を開放してもよい。
図2は、この発明の実施の形態1における電池パック101内部のCMU111の制御処理を示すフローチャートである。図2において、ステップ201では、図1の電圧検出手段111aで、組電池110内部の各単電池の電圧を検出する。ステップ202では、図1の電流検出手段111bで、組電池110と電池パック101の負極の間に備えた電流センサCSの信号を処理することで、組電池110内部の各単電池に流れる電流を検出する。ステップ203では、図1の温度検出手段111cで、組電池110内部の各単電池の表面に取り付けた図示しないサーミスタの信号を処理することで各単電池の温度を検出する。
ステップ204では、ステップ202で検出した電流が所定期間中に概ね0(ゼロ)A、即ち、各単電池が充放電のない静止状態にあれば、所定期間の最後にステップ201で検出した電圧を開放端電圧(Open Circuit Voltage)(以下、単にOCVともいう)と見なし、OCVとステップ203で検出した電池温度を基に、図1の充電率演算手段111dで、各単電池のSOCをマップ算出する。それ以外の状態では、ステップ202で検出した電流を積算することで各単電池のSOCを更新する。ステップ205では、図1の内部抵抗演算手段111eで、ステップ204で算出した各単電池のSOCとステップ203で検出した電池温度を基に、各単電池の内部抵抗をマップ算出する。ステップ206では、ステップ201〜205で検知した各単電池の状態を電源管理装置108へ送信する。尚、電池の温度毎のSOCとOCV、および電池の温度毎のSOCと内部抵抗の関係は、電池の劣化度合いに応じてメーカが定める電池特性である。
図3は、この発明の実施の形態1における電源管理装置108の制御処理を示すフローチャートである。図3において、ステップ301では、電池パック101内部の各単電池の状態をCMU111より受信する。以降のステップにおいて参照する電池の状態パラメータについては、全ての単電池の平均値を基本に、安全性を考慮して充電時は最大値を放電時は最小値を用いてもよい。ステップ302では、電池パック101内部の回路部の温度を制御基板112のパック内部温度検出手段112bより受信する。ステップ303では、図1のパック内部抵抗演算手段108bによって、CMU111の内部抵抗演算手段111eにてマップ算出した電池の内部抵抗に、ステップ302にて検出した電池パック101内部の回路部の温度に基づきテーブル算出した電気抵抗を加算して、電池パック101全体の内部抵抗を算出する。ステップ304では、図1の電池パック異常検知手段108aによって、ステップ301〜303にて検知した電池パック101の状態に基づき、電池パック101が異常状態にあるかを判定する。尚、電池パック101内部の回路部の温度と電気抵抗の関係は、電池パック101の正極負極出力端子間の電池を除く電流経路の構成部品の温度特性に応じて定めることができる。
ステップ304にて電池パック101の異常成立の場合はステップ305へ進み、ステップ305では、電池パック101内部の制御基板112のリレー制御手段112aにフェイルセーフリレー109の接点開放を指令する。続くステップ306では、図1の充放電抑制手段である充放電許可電流演算手段108dによって、電池パック101の充放電許可電流を0Aに初期化し、ステップ307では、車両制御装置107へ充放電許可電流の初期値を送信することで、車両制御装置107は発電機による非常給電モードに移り、車両制御装置107は高電圧電気負荷103および低電圧電気負荷106への給電を継続すべく内燃機関の動力を受けてモータジェネレータ102を発電稼働する。
ステップ304にて電池パック101の異常不成立の場合はステップ308へ進み、ステップ308では、図1の充放電許可電流演算手段108dによって、充電と放電其々について、電池パック101内部の電池の出力制限値とモータジェネレータ102の出力制限値の小さい方を電池の電圧で除算し、充放電許可電流Aとして設定する。尚、電池の出力制限値は電池を損傷しない制限値として電池の温度に基づきメーカが定める電池特性であり、モータジェネレータ102の出力制限値は発電トルクまたは駆動トルクが車両に及ぼす影響から決定される値である。ステップ309では、電池パック101の最大作動電圧および最小作動電圧に対し、ステップ308で算出した充放電許可電流Aとステップ303で算出した内部抵抗の積を差し引くことでOCVの充放電閾値を算出する。ステップ310では、充放電閾値演算手段108cによって、ステップ309で算出したOCVの充放電閾値と電池の温度より、SOCの充放電閾値をマップ算出する。尚、電池の温度毎のSOCとOCVの関係は前述の通りである。ステップ311では、ステップ301で受信した電池のSOCがステップ310で算出したSOCの充放電閾値の範囲にあるか、即ち充電閾値以下放電閾値以上にあるかを判定する。
ステップ311にてSOCが充放電閾値の範囲にない場合はステップ312に進み、SOCと電池の温度より、ステップ310と逆の手順でOCVをマップ算出する。ステップ313では、ステップ312で算出したOCVとステップ303で算出した電池パック101の内部抵抗より、電池パック101の充放電許可電流Bを算出する。即ち、電池パック101の最大作動電圧よりOCVを差し引いて内部抵抗で除算した値が充電許可電流となり、OCVより電池パック101の最小作動電圧を差し引いて内部抵抗で除算した値が放電許可電流となる。ステップ314では、SOCが充放電閾値の範囲にない場合の充放電許可電流として、ステップ308の算出値Aとステップ313の算出値Bを比較し、充電放電其々に値の小さい方を選択してステップ307へ進む。
ステップ311にてSOCが充放電閾値の範囲にある場合はステップ307に進み、充放電許可電流はステップ308の算出値Aとなる。ステップ307では、車両制御装置107へステップ314にて選択した充放電許可電流を送信することで、電源管理装置108は電池パック101の充放電電流が充放電許可電流に収まる様に、DCDCコンバータ105と車両制御装置107へ指令を送り、車両制御装置107は、発電制御手段107a、電装機器制御手段107bによって、モータジェネレータ102と高電圧電気負荷103と低電圧電気負荷106を制御する。
即ち、ステップ311がYESの場合はステップ308の算出値Aが、またステップ311がNOの場合はステップ314の選択値(算出値Aと算出値Bのミニマム値)が充放電許可電流として車両制御装置107へ送信される。
図4は、この発明の実施の形態1における車両の電源装置の制御動作を示すタイミングチャートであり、図3のステップ304〜314の制御処理に該当する。
図4において、実線401はこの発明における電池パック101の出力端子電圧を示し、実線402は充電時の電池パック101のSOCを、実線403は放電時の電池パック101のSOCを示す。破線404と405は従来技術と同様に、電源管理装置108がSOCの充放電閾値に基づく制御を適用しない場合、即ち、図3のステップ309〜314の制御処理がない場合における電池パック101の出力端子電圧を示し、破線404は充電時の出力端子電圧を、破線405は放電時の出力端子電圧を示す。
点線406と407は電池パック101の電圧異常を判定する閾値を示し、点線408と409は電池パック101の最大作動電圧と最小作動電圧を示す。点線410と411は電池パック101のSOCの充放電閾値を示す。
実線412はこの発明における電池パック101の充放電許可電流を示し、破線413と414は従来技術と同様に、電源管理装置108がSOCの充放電閾値に基づく制御を適用しない場合、即ち、図3のステップ309〜314の制御処理がない場合における電池パック101の充放電許可電流を示し、破線413は充電許可電流を、破線414は放電許可電流を示す。尚、説明を簡単化するために、期間中の電池パック101の充放電電流はDCDCコンバータ105と車両制御装置107により充放電許可電流に一致する様制御され、電池パック101内部の温度は一定であるものとする。また、電池パック101の充放電電流が0(ゼロ)Aの期間については、車両制御装置107はモータジェネレータ102を発電稼働することで、車両の高電圧電気負荷103および低電圧電気負荷106へ継続給電を行うものとする。
時刻t0では、電池パック101のSOC402と出力端子電圧401は充電に伴い増加する。時刻t1では、電池パック101のSOC402はSOCの充電閾値410を超えることで充電許可電流が変更される。時刻t2では、電池パック101の出力端子電圧401は最大作動電圧408に達し、以降は放電により電圧低下するまで電池パック101の充電は行われない。一方で、従来技術と同様に、SOCの充放電閾値に基づく制御を適用しない場合の出力端子電圧404は、充電許可電流413に変更ないことから最大作動電圧408を超えて増加する。そのため、時刻t3では、出力端子電圧404は電圧異常閾値に達し、電池パック異常成立によりフェイルセーフリレー109の接点が開放され、電池パック101は出力停止に至る。尚、時刻t3以降は、前述のモータジェネレータ102の発電により電池パック101の充放電電流は0Aになるが、この発明により電池パック101はフェイルセーフリレーの接点が接続状態にあることで、車両の電源電圧の脈動を抑制し安定化することができる。即ち、フェイルセーフリレーがオン(接続)/オフ(解放)いずれの場合であってもモータジェネレータの発電により充放電電流は平均して0(ゼロ)Aに制御されるが、モータジェネレータの発電電流には細かなリップル(脈動)が重畳している。また、電気負荷に変動があればモータジェネレータはこの変動を打ち消すべく発電を行うが、瞬間的な変動に対しては遅れが生じる場合がある。
これに対し、フェイルセーフリレーが接続状態にあることで、モータジェネレータと電気負荷の電気経路に電池が存在し、前記のリップルの重畳または電気負荷変動が生じた場合においても電池が平滑要素となって電源電圧を安定化することができる。
時刻t4以降、電池パック101の放電時について述べる。時刻t4では、電池パック101のSOC403と出力端子電圧401は放電に伴い低下する。時刻t5では、電池パック101のSOC403はSOCの放電閾値411を下回ることで放電許可電流が変更される。時刻t7では、電池パック101の出力端子電圧401は最小作動電圧409に達し、以降は充電により電圧増加するまで電池パック101の放電は行われない。
一方で、従来技術と同様に、SOCの充放電閾値に基づく制御を適用しない場合の出力端子電圧405は、時刻t5以降も放電許可電流414に変更ないことから、時刻t6において電圧異常閾値に達し、電池パック異常成立によりフェイルセーフリレー109の接点が開放され、電池パック101は出力停止に至る。尚、時刻t7以降のこの発明による車両の電源電圧の安定化については前述の通りである。
以上のように、この発明の実施の形態1の車両の電源装置によれば、電池パックの最大作動電圧および最小作動電圧よりSOCの充放電閾値を算出し、SOCがこの充放電閾値に達すれば充放電電流を制御することで電池パックの充放電を抑制する。これにより、電池パック101は過充電または過放電による電圧異常を生じることなく、出力端子電圧を所望の電圧範囲に制御でき、車両の電源に要求される所定の電圧範囲で作動することができる。
また、電池パック101の異常時、即ち、電池パック内部の配線短絡やSOCの誤検出等により電池パックが過充電または過放電に至った場合においても、電池パック101の出力を停止し、モータジェネレータ102を発電稼働することで、車両の高電圧電気負荷103と低電圧電気負荷106へ継続給電することができる。
101 電池パック、102 モータジェネレータ、103 高電圧電気負荷、
104 鉛電池、105 DCDCコンバータ、106 低電圧電気負荷、
107 車両制御装置、107a 発電制御手段、107b 電装機器制御手段、
108 電源管理装置、108a 電池パック異常検知手段、
108b パック内部抵抗演算手段、108c 充放電SOC閾値演算手段、
108d 充放電許可電流演算手段、109 フェイルセーフリレー、
110 組電池、111 CMU、111a 電圧検出手段、
111b 電流検出手段、 111c 温度検出手段、111d 充電率演算手段、
111e 内部抵抗演算手段、112 制御基板、112a リレー制御手段、
112b パック内部温度検出手段。

Claims (6)

  1. 車両の発電機により充電され電気負荷へ給電する電池と、前記電池の状態を検知する電池状態検知手段と、前記電池の状態に基づき電源管理を行う電源管理部と、前記電源管理部からの指令に基づき車両の発電と電力消費を制御し、前記電池の充放電を制御する車両制御部を備えた車両の電源装置であって、
    前記電池状態検知手段は、前記電池の充電率を検出する充電率演算手段を備え、
    前記電源管理部は、前記電池の最大作動電圧より充電率の充電閾値を算出し、前記電池の最小作動電圧より充電率の放電閾値を算出する充放電閾値演算手段と、
    前記電池の充電率が前記充電閾値または前記放電閾値に達すれば前記電池の充放電を抑制する充放電抑制手段を備え
    前記車両制御部は、前記電池の充放電許可電力を算出する前記電源管理部の充放電抑制手段からの指令に基づき、前記電池の充放電電力を制御する発電制御手段および電装機器制御手段を備えることを特徴とする車両の電源装置。
  2. 車両の発電機により充電され電気負荷へ給電する電池と、前記電池の状態を検知する電池状態検知手段と、前記電池の状態に基づき電源管理を行う電源管理部と、前記電源管理部からの指令に基づき車両の発電と電力消費を制御し、前記電池の充放電を制御する車両制御部を備えた車両の電源装置であって、
    前記電池状態検知手段は、前記電池の充電率を検出する充電率演算手段と、前記電池の電流を検出する電流検出手段を備え、
    前記電源管理部は、前記電池の最大作動電圧より充電率の充電閾値を算出し、前記電池の最小作動電圧より充電率の放電閾値を算出する充放電閾値演算手段と、
    前記電池の充電率が前記充電閾値または前記放電閾値に達すれば前記電池の充放電を抑制する充放電抑制手段を備え、
    前記車両制御部は、前記電池の充放電許可電流を算出する前記電源管理部の充放電抑制手段からの指令に基づき、前記電池の充放電電流を制御する発電制御手段および電装機器制御手段を備えることを特徴とする車両の電源装置。
  3. 前記電池状態検知手段は、前記電池の温度を検出する温度検出手段と、前記電池の温度と充電率より前記電池の内部抵抗を算出する内部抵抗演算手段を備え、前記充放電抑制手段は、前記電池の最大作動電圧および最小作動電圧と前記内部抵抗より充放電許可電流を算出することを特徴とする請求項2に記載の車両の電源装置。
  4. 前記電池状態検知手段は、前記電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記電源管理部は、前記電池の電圧が最大作動電圧を超えて高電圧異常閾値に達するか、または前記電池の電圧が最小作動電圧を下回り低電圧異常閾値に達すれば前記電池の異常を検知する電池異常検知手段を備えることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の車両の電源装置。
  5. 前記電池異常検知手段からの指令に基づき、前記電池の異常を検知すれば前記電池の出力を停止するための電池出力停止手段を備え、前記車両制御部は、前記電池の出力停止時に前記電源管理部からの指令に基づき前記発電機を駆動して前記電気負荷への非常給電を行うことを特徴とする請求項4に記載の車両の電源装置。
  6. 前記電源管理部と前記車両制御部を統合して車両制御装置としたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の車両の電源装置。
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