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部を備え、
    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と、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８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９のいずれか一項に記載の車両用充電制御装置。
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