JP6128014B2 - 車両用充電制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリの充電率を補正する、車両用充電制御装置に関する。
バッテリの残量を補正する方法として、バッテリから供給される電流の累積値を使用する方法など、複数の方法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開平5−87896号公報
しかしながら、バッテリの受け入れ電流の挙動に基づいてバッテリの充電率を補正する方法(受け入れ電流による補正)は、バッテリの充電状態を一定時間安定させる必要がある。そのため、受け入れ電流による補正を成り行きに任せて実行すると、例えば、バッテリの充電状態を比較的大きく変動させる制御動作(例えば、オルタネータの発電電圧を制御する充電制御など)が必要以上に制限されるおそれがある。
そこで、受け入れ電流による補正を適切なタイミングで実行できる、車両用充電制御装置の提供を目的とする。
一つの案では、
車両に搭載されるバッテリの充電率を算出する充電率算出部と、
前記充電率算出部により算出された充電率を補正する充電率補正部と、
前記バッテリの受け入れ電流が所定の電流値よりも低下した充電末期まで前記バッテリを充電することで前記バッテリの劣化を抑制する充電動作を行う充電制御部とを備え、
前記充電率補正部は、前記充電制御部による充電動作によって前記充電末期となったときの充電率に基づいて補正値を算出する、車両用充電制御装置が提供される。
一態様によれば、受け入れ電流による補正を適切なタイミングで実行できる。
車両用充電制御装置の一構成例を示すブロック図 受け入れ電流による補正の一例を示すタイミングチャート 充電率の補正方法の一例を示すタイミングチャート 充電率の補正方法の一例を示すフローチャート
図1は、制御装置1の一構成例を示すブロック図である。制御装置1は、車両100に搭載される車両用充電制御装置の一例であり、車両100に搭載されるバッテリ11の充電を制御する装置である。制御装置1は、例えば、ECU(Electronic Control Unit:電子制御装置)である。
車両100は、例えば、バッテリ11と、イグニッションスイッチ21と、電流測定部22と、温度測定部23と、電圧測定部24と、オルタネータ25と、制御装置1とを有する充電制御システム101を備えている。
バッテリ11は、車両100に備えられた負荷(例えば、電流測定部22、制御装置1又は不図示の電気負荷など)に電力を供給可能な二次電池の一例である。バッテリ11は、例えば、オルタネータ25の発電によって充電されるが、オルタネータ25以外の発電手段(例えば、モータの回生電力を供給するインバータなど)によって充電されてもよい。オルタネータ25は、例えば、車両100の動力源であるエンジン26の回転と同期することにより発電する発電機である。バッテリ11の一具体例として、鉛バッテリが挙げられる。
イグニッションスイッチ21は、イグニッションスイッチ21のオフ状態又はオン状態を表すイグニッション信号を制御装置1に対して出力する。
電流測定部22は、バッテリ11を流れる電流(バッテリ電流)を測定する手段の一例である。電流測定部22は、例えば、バッテリ11に流れる充電電流又はバッテリ11から流れる放電電流を検出する電流センサである。
温度測定部23は、バッテリ11自体又はバッテリ11の周囲の温度(バッテリ温度)を測定する手段の一例である。温度測定部23は、例えば、バッテリ温度を検出する温度センサである。
電圧測定部24は、バッテリ11の電圧(バッテリ電圧)を測定する手段の一例である。電圧測定部24は、例えば、バッテリ電圧を検出する電圧センサである。
制御装置1は、例えば、充電制御部31と、充電率算出部32と、充電率補正部33とを有する電子デバイスである。制御装置1において、充電制御部31等の各部(後述の劣化判定部41なども含め)は、例えば、中央演算処理装置(CPU)を備えるマイクロコンピュータによって実現される。
充電制御部31は、バッテリ11の受け入れ電流Iが所定の電流値Ithよりも低下した充電末期までバッテリ11を充電することでバッテリ11の劣化を抑制する充電動作を行う充電手段の一例である。以下、このような充電動作をリフレッシュ充電という。また、受け入れ電流Iとは、バッテリ11に流れる充電電流である。
リフレッシュ充電とは、一定の低電流及び一定の高電圧の充電条件で比較的長い充電時間(例えば、30分以上)をかけて、比較的高い充電率(例えば、SOC=95%以上)までバッテリを充電することである。
なお、バッテリの充電率を表すSOC(State of Charge)は、例えば、(残容量[Ah]/満充電容量[Ah])×100[%]で定義される値である。
リフレッシュ充電を行うことによって、バッテリ11の劣化の進行を抑制できる。例えば鉛バッテリの場合、硫酸鉛の結晶がバッテリ11の正極板及び負極板に析出するサルフェーションによって、バッテリ11の絶対容量が低下し、バッテリ11の劣化が進行する。しかしながら、リフレッシュ充電を行うことによって、硫酸鉛の結晶を分解除去できるので、バッテリ11の劣化がサルフェーションにより進行することを抑制できる。
充電率算出部32は、バッテリ11の充電率を算出する手段の一例である。充電率算出部32は、例えば、バッテリ11のSOCを算出する。
充電率補正部33は、バッテリ11の受け入れ電流Iの挙動に基づいて、充電率算出部32により算出されたバッテリ11の充電率を補正する補正手段の一例である。充電率補正部33は、例えば、バッテリ11に関する既知の充電受け入れ性に従って、電流測定部22によって測定された受け入れ電流Iの挙動(時間的変化)に基づいて、バッテリ11のSOCを補正する。充電受け入れ性とは、受け入れ電流IとSOCとの関係を示す特性である。充電率補正部33は、例えば、バッテリ11に関して予め測定された充電受け入れ性を表すデータを利用する。
図2は、バッテリ11の受け入れ電流Iの挙動に基づいてバッテリ11のSOCを補正する方法(受け入れ電流Iによる補正)の一例を示すタイミングチャートである。図2は、受け入れ電流Iが所定の電流値Ithよりも低くなる充電末期までバッテリ11が充電される過程を示している。充電末期のバッテリ11の状態は、満充電状態手前の略満充電状態(例えば、SOC=90%以上)である。
例えば、バッテリ11が一定の低電流及び一定の高電圧の充電条件で比較的長い充電時間をかけて充電され、バッテリ11が略満充電状態に到達すると、受け入れ電流Iの電流値は急激に低下し、タイミングt11以降の受けれ電流Iは所定の電流値Ithよりも低下する。そして、タイミングt11以降、バッテリ11がそのまま同じ充電条件で充電され続けると、受け入れ電流Iの電流値の変化率は、所定の降下率以下になるとともに、SOCの変化率は、所定の上昇率以下になる。
バッテリ11は、受け入れ電流Iが電流値Ith(例えば、3A)よりも低下したタイミングt11から一定時間Tth(例えば、2分)経過したタイミングt12でのSOCが、定数S1(例えば、95%)に等しいという充電受け入れ性を有している。
したがって、充電率補正部33は、一定の低電流及び一定の高電圧の充電条件で比較的長い充電時間をかけてバッテリ11を充電し、受け入れ電流Iが電流値Ithよりも低下してから一定時間Tth経過時のSOCの現在値を、定数S1に置換する補正を行う。図2の場合、充電率補正部33は、タイミングt12でのSOCを、タイミングt12での補正前SOCよりもオフセット量aだけオフセットされた補正後SOC(=定数S1)に設定し直す補正を行う。
このように、充電率補正部33は、受け入れ電流Iによる補正を行うことによって、バッテリ11の充電率を高精度に補正できる。そして、受け入れ電流Iによる補正の後、充電率補正部33は、受け入れ電流Iによる補正により得られた補正後SOCを基準に、バッテリ11の充放電電流の積算等の別の補正を継続することによって、タイミングt12以降の充電率も高精度に補正できる。
また、充電率補正部33は、リフレッシュ充電に同期して、バッテリ11の充電率を充電末期での受け入れ電流Iの挙動に基づいて補正することによって、受け入れ電流Iによる補正を適切なタイミングで実行できる。なぜならば、バッテリ11の劣化を抑制するリフレッシュ充電によって、バッテリ11の状態を、受け入れ電流Iによる補正をするために必要な略満充電状態に遷移させることができるからである。
したがって、受け入れ電流Iによる補正をリフレッシュ充電に同期させることにより、例えば、バッテリの充電状態を比較的大きく変動させる制御動作を実行する機会の確保と、バッテリの充電率の補正精度の向上とが両立するという効果が得られる。例えば、受け入れ電流Iによる補正だけのために、バッテリの充電状態を比較的大きく変動させる制御動作が制限(禁止も含む)されることを防止できる。また、例えば、バッテリの劣化が大きく進行する前に受け入れ電流Iによる補正ができるので、バッテリの充電率を高精度且つ継続的に補正できる。
なお、バッテリの充電状態を比較的大きく変動させる制御動作とは、例えば、オルタネータの発電電圧を制御する充電制御、ストップ・アンド・スタート制御(S&S制御)などが挙げられる。S&S制御は、エンジンを所定の停止条件の成立によって一時的に停止させ、所定の始動条件の成立によってエンジンを再始動させる制御である。
図1において、制御装置1は、例えば、劣化判定部41を有している。劣化判定部41は、バッテリ11の劣化度を判定する手段の一例である。劣化判定部41は、バッテリ11の劣化度を評価可能な指標に基づいて、バッテリ11の劣化度を判定する。
そのような指標として、例えば、車両100に搭載されたエンジン26のアイドリングストップ回数の積算値、エンジン26のアイドリングストップ時間の積算値、バッテリ11の放電量の積算値、バッテリ11の電圧降下量などが挙げられる。
充電制御部31は、劣化判定部41により判定された劣化度が所定の閾値thに達すると、リフレッシュ充電を行う。リフレッシュ充電が行われると、バッテリ11の劣化度は初期化される。劣化度が所定の閾値thに達するとリフレッシュ充電が行われることにより、充電率補正部33は、劣化度が所定の閾値thに達することに同期して、受け入れ電流Iによる補正を行うことができる。したがって、前回のリフレッシュ充電を起点として、バッテリ11の劣化の進行度合いに応じた所望のタイミングで、受け入れ電流Iによる補正を行うことができる。
図3は、バッテリ11の充電率の補正方法の一例を示すタイミングチャートである。期間t1−t2,t3−t4,t5−t6は、それぞれ、イグニッションスイッチ21がオン状態である期間である。期間t2−t3,t4−t5は、それぞれ、イグニッションスイッチ21がオフ状態である期間である。B,B'は、受けれ入れ電流Iによる補正を表している。補正Bは、期間t1−t2の間のタイミングt7で行われるリフレッシュ充電の時に実行され、補正B'は、期間t5−t6の間のタイミングt8で行われるリフレッシュ充電の時に実行されている。
充電率補正部33は、例えば、充電末期での受け入れ電流Iの挙動に基づいてリフレッシュ充電に同期して算出された補正値Δを用いて、バッテリ11の充電率を補正する。例えば図3の場合、補正値Δは、タイミングt7で算出され、タイミングt8で新たに算出される。充電制御部31は、劣化度が閾値thに達する前に補正値Δが算出されている場合、リフレッシュ充電を行わない。例えば、イグニッションスイッチ21がオン状態である期間t3−t4において、劣化度が閾値thに達しなければ、リフレッシュ充電は実行されないため、受け入れ電流Iによる補正も実行されない。したがって、受け入れ電流Iによる補正が必要以上に実行されることを防止できる。
充電率補正部33は、劣化度が閾値thに達する前に補正値Δが算出されていることによりリフレッシュ充電が行われない場合、前回以前のリフレッシュ充電に同期して既に算出された補正値Δを用いて、充電率算出部32により得られた現在の充電率を補正する。例えば、充電率補正部33は、タイミングt7から次の補正値Δが算出されるタイミングt8までの期間の充電率を、タイミングt7で算出された補正値Δを用いて補正する。これにより、リフレッシュ充電が行われないことにより補正値Δが算出されなくても、既に算出されている補正値Δを用いて、充電率の高精度な補正を継続できる。
補正値Δは、例えば、充電末期での受け入れ電流Iの挙動に基づいてリフレッシュ充電に同期して算出された充電率の第1の算出値α1と、バッテリ11の電圧を用いて第1の算出値α1と同時期に算出された充電率の第2の算出値α2との差Dに応じて決められた値である。つまり、第2の算出値α2は、バッテリ11の電圧と充電率との関係則に基づいて、充電末期でのバッテリ11の電圧を用いて算出された充電率である。補正値Δは、例えば、差Dに等しい値でもよいし、差Dに所定の比例定数を乗算した値でもよい。
したがって、充電率補正部33は、例えば、バッテリ11の現在の充電率を、充電率算出部32により算出された充電率に補正値Δを加算又は減算した値に再設定する補正を行うとよい。
充電率補正部33は、例えば、充電末期での受けれ電流Iの挙動に基づいてリフレッシュ充電に同期して充電率を算出する方法とは別の方法で充電率算出部32により算出された充電率を、補正値Δを用いて補正する。
充電率を算出する別の方法の具体例として、バッテリの充放電量の積算値を用いて充電率を算出する方法が挙げられる。あるいは、車両のイグニッションスイッチのオフ状態でのバッテリ電圧と、イグニッションスイッチのオン状態でのバッテリの充放電量の積算値とを用いて、充電率を算出する方法が挙げられる。
充電率算出部32は、例えば、バッテリ11の電圧と充電率との関係則に基づいて、イグニッションスイッチ21のオフ状態でのバッテリ11の電圧を用いて、バッテリ11の充電率βを算出する。図3のAは、バッテリ電圧による充電率βの算出を表す。そして、充電率補正部33は、例えば、充電率算出部32により算出された充電率βに対応する残容量[Ah]を基準に、電流測定部22で測定されたバッテリ電流の積算値[Ah]を加算又は減算することにより、充電率βを補正する。図3のCは、バッテリ電流の積算による充電率βの補正を表す。更に、充電率補正部33は、受け入れ電流Iによる補正Bを使って充電率βを補正する。
このように複数の補正方法を組み合わせることにより、例えばイグニッションスイッチ21のオフ状態で電流測定部22による電流積算ができなくても、バッテリ11の充電率の高精度な補正を長期間続けることができる。
図1において、制御装置1は、例えば、バッテリ11の脱着を検出可能な信号に基づいて、バッテリ11の交換を検知する交換検知部42を有してもよい。交換検知部42は、バッテリ11の交換を検知する手段の一例である。交換検知部42は、例えば、バッテリ11の内部抵抗の変化を検出することによって、バッテリ11の交換を検知する。
充電率補正部33は、バッテリ11の交換が交換検知部42により検知された検知タイミングに同期して、現在の充電率を受け入れ電流Iの挙動に基づいて補正する。例えば、充電率補正部33は、バッテリ11が車両100に装着されたタイミングから所定時間経過時までの受け入れ電流Iの挙動に基づいて、バッテリ11の充電率を補正する。バッテリ11の交換時は、交換後のバッテリ11は満充電状態である可能性が高い。したがって、受け入れ電流Iによる補正をバッテリ11の交換に同期させることで、バッテリ11を略満充電状態にするリフレッシュ充電のタイミングにわざわざ合わせなくても、受け入れ電流Iによる補正を適切なタイミングで実行できる。よって、充電率を効率的且つ高精度に補正できる。
制御装置1は、例えば、初期化検知部43を有してもよい。初期化検知部43は、充電率の補正の初期化を検知する手段の一例である。初期化検知部43は、例えば、バッテリ11の補正値がリセットされたことを検知する。
充電率補正部33は、充電率の補正の初期化が初期化検知部43により検知された検知タイミングに同期して、現在の充電率を受け入れ電流Iの挙動に基づいて補正する。例えば、充電率補正部33は、バッテリ11の充電率の補正が初期化されたタイミングから所定時間経過時までの受け入れ電流Iの挙動に基づいて、バッテリ11の充電率を補正する。充電率の補正が初期化された時のバッテリ11は、満充電状態である可能性が高い。したがって、受け入れ電流Iによる補正を充電率の補正の初期化に同期させることで、バッテリ11を略満充電状態にするリフレッシュ充電のタイミングにわざわざ合わせなくても、受け入れ電流Iによる補正を適切なタイミングで実行できる。よって、充電率を効率的且つ高精度に補正できる。
制御装置1は、例えば、制御切替部51を有してもよい。制御切替部51は、例えば補正値Δの算出が必要なときに、低容量からの充電による分極の影響などによって受け入れ電流Iによる補正ができない場合、充電率を使用する制御(例えば、充電制御やS&S制御など)を制限してもよい。このように制限することにより、不正確な充電率が使用されることを防止できるので、バッテリ11の過放電、エンジン26の始動不良、バッテリ11の劣化進行を防止できる。
図4は、充電率の補正方法の一例を示すフローチャートである。
ステップS100で、充電率算出部32は、バッテリ電圧とバッテリ電流の積算値の少なくとも一方に基づいて、バッテリ11の充電率を算出する。
ステップS101で、充電制御部31は、受け入れ電流Iの挙動に基づいて補正値Δが充電率補正部33により算出されているか否かを判定する。
ステップS102で、充電率補正部33は、バッテリ11が交換されたか否かを交換検知部42により判断する。
ステップS103で、充電制御部31は、劣化判定部41により得られた劣化度に基づいて、劣化の進行防止と補正値Δの算出のために、リフレッシュ充電をするか否かを判定する。
なお、ステップS101,S102,S103は、必ずしもこの順番に限られない。
ステップS104は、補正値Δが既に算出され且つバッテリ交換がされてなく且つ劣化が進行していないと判断された場合の処理である。充電率補正部33は、既に算出されている補正値Δを使って充電率を補正する。
ステップS105で、充電率補正部33は、ステップS104で補正された充電率を使っての通常制御を行うように、制御切替部51に対して指示する。
ステップS106は、補正値Δが算出されてない、又は、バッテリ交換がされている、又は劣化が進行していると判定された場合の処理である。充電制御部31は、バッテリ11が満充電状態となるようにリフレッシュ充電を行うと同時に、充電率補正部33は、受け入れ電流Iによる補正を行うことによって補正値Δを算出する。
ステップS107は、リフレッシュ充電の完了時に遷移する処理である。充電率補正部33は、受け入れ電流Iによる補正が高精度にできる状態で、受け入れ電流Iによる補正及び補正値Δの算出ができたか否かを判断する。
充電率補正部33は、受け入れ電流Iによる補正が高精度にできる状態で、受け入れ電流Iによる補正及び補正値Δの算出ができた場合、その補正値Δを使って充電率を補正する(ステップS104)。
ステップS108は、受け入れ電流Iによる補正が高精度にできる状態で、受け入れ電流Iによる補正及び補正値Δの算出ができない場合に遷移する処理である。充電率補正部33は、充電率を使用する制御の実行を制限(禁止を含む)することを制御切替部51に対して指示する。例えば、充電率補正部33は、安全側に見積もられた充電率を使うように、制御切替部51に対して指示する。
以上、車両用充電制御装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、車両用充電制御装置は、一つの制御ユニットでもよいし、複数の制御ユニットから構成された装置でもよい。また、バッテリは、鉛バッテリ以外の他形式の二次電池でもよい(例えば、リチウムイオンバッテリなど)。
また、受け入れ電流Iによる補正は、受け入れ電流Iの電流値及びその電流値の変化を用いて充電率を補正する方法に限られず、受け入れ電流Iの電流の積算値及びその積算値の変化を用いて充電率を補正する方法でもよい。
また、充電率補正部33は、劣化以外のバッテリ特性の変化(例えば、バッテリの電解液の増加又は減少、バッテリへの添加剤の投入など)を検出したタイミングに同期して、充電率の補正を行ってもよい。
1 制御装置
11 バッテリ
21 イグニッションスイッチ
22 電流測定部
23 温度測定部
24 電圧測定部
25 オルタネータ
26 エンジン
31 充電制御部
32 充電率算出部
33 充電率補正部
41 劣化判定部
42 交換検知部
43 初期化検知部
51 制御切替部
101 充電制御システム

Claims (10)

  1. 車両に搭載されるバッテリの充電率を算出する充電率算出部と、
    前記充電率算出部により算出された充電率を補正する充電率補正部と、
    前記バッテリの受け入れ電流が所定の電流値よりも低下した充電末期まで前記バッテリを充電することで前記バッテリの劣化を抑制する充電動作を行う充電制御部とを備え、
    前記充電率補正部は、前記充電制御部による充電動作によって前記充電末期となったときの充電率に基づいて補正値を算出する、車両用充電制御装置。
  2. 前記バッテリの劣化度を判定する判定を備え、
    前記充電制御部は、前記劣化度が閾値に達すると、前記充電動作を行う、請求項1に記載の車両用充電制御装置。
  3. 前記充電率補正部は、前記充電制御部による充電動作によって前記充電末期となったときの充電率に基づいて前記補正値を算出し、
    前記充電制御部は、前記劣化度が前記閾値に達する前に前記補正値が算出されている場合、前記充電動作を行わない、請求項2に記載の車両用充電制御装置。
  4. 前記充電率補正部は、前記充電動作が行われない場合、前記充電動作に同期して既に算出された補正値を用いて、前記充電率算出部により算出された充電率を補正する、請求項3に記載の車両用充電制御装置。
  5. 前記充電率補正部は、前記バッテリの交換が行われたときの充電率に基づいて補正値を算出する、請求項1から4のいずれか一項に記載の車両用充電制御装置。
  6. 前記充電率補正部は、前記充電率の補正の初期化が行われたときの充電率に基づいて補正値を算出する、請求項1から5のいずれか一項に記載の車両用充電制御装置。
  7. 前記充電率補正部は、前記充電末期となったときの充電率所定値との差に応じて決められた補正値を用いて、前記充電率算出部で算出された前記充電率を補正する、請求項1から6のいずれか一項に記載の車両用充電制御装置。
  8. 前記充電率算出部は、前記バッテリの充放電量の積算値を用いて前記充電率を算出する請求項1から7のいずれか一項に記載の車両用充電制御装置。
  9. 前記充電率算出部は、前記車両のイグニッションスイッチのオフ状態での前記バッテリの電圧と、前記積算値とを用いて、前記充電率を算出する請求項に記載の車両用充電制御装置。
  10. 前記充電率補正部は、前記充電制御部による充電動作によって前記充電末期となったときの充電率に基づいて補正値を算出することができない場合、前記充電率を使用する制御を制限する、請求項1からのいずれか一項に記載の車両用充電制御装置。
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