JP6387940B2 - 車載用電源装置 - Google Patents

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Description

この発明は、車載用電源装置に関する。
特許文献１には、複数の二次電池セルが記載されている。複数の二次電池セルは車両に搭載されている。また複数の二次電池セルは互いに直列に接続されており、例えば発電機によって充電され、車両負荷へと給電する。発電機は発電して直流電圧を出力する。特許文献１では、各二次電池セルの高電位端と発電機の高電位端との間に第１スイッチを設け、各二次電池セルの低電位端と発電機の低電位端との間に第２スイッチを設けている。
特許文献１では、この第１スイッチおよび第２スイッチを制御することで、発電機を用いて二次電池セルを個別に充電する。例えば第１の二次電池セルに接続された第１スイッチおよび第２スイッチをオンすることで、この第１の二次電池セルを充電する。次に、これらの第１スイッチおよび第２スイッチをオフし、第２の二次電池セルに接続された第１スイッチおよび第２スイッチをオンする。これにより、第２の二次電池セルを充電する。同様にして順次に第１スイッチおよび第２スイッチを制御することで、二次電池セルを個別に充電することができ、ひいては二次電池セルを均等に充電することができる。なお、ここでは他の技術として特許文献２，３も掲示する。
特開２０１３−４２６４７号公報 特開２０１２−２３５６１０号公報 特開２０１４−１６１１４５号公報
車両負荷の消費電力の増大に応じて、蓄電装置の大容量化が望まれる。そこで、セルを並列に接続させて、蓄電装置の容量を向上することを考える。例えば複数のセルグループを採用する。各セルグループは、互いに直列接続される複数のセルを含んでいる。そして、これら複数のセルグループを互いに並列に接続させる。これにより、蓄電装置の容量を向上することができる。
ところで、セルの内部抵抗の抵抗値は経年劣化により増大する。このようなセルを含むセルグループ（以下、劣化セルグループとも呼ぶ）では、充電電流が小さくなる。よって、他のセルグループに比べて充電されにくい。したがって、充電を終了した直後では、劣化セルグループの電圧は、他のセルグループの電圧に比べて小さくなり得る。この場合、他のセルグループから劣化セルグループへと電流が流れることになる。
また内部抵抗の大きい劣化セルグループから車両負荷への放電電流は、内部抵抗の小さい他のセルグループの放電電流に比べて小さくなる。よって、放電を終了した直後では、劣化セルグループの電圧が、他のセルグループの電圧に比べて大きくなり得る。この場合、劣化セルグループから他のセルグループへと電流が流れることになる。
このようにセルグループ間を流れる電流が発生すると、その電流によって各セルグループの内部抵抗で損失を発生する。よって、このような電流の発生は望ましくない。つまり、複数のセルグループの相互間の電荷移動は望ましくない。
そこで本発明は、複数のセルグループの相互間の電荷移動を抑制できる車両用電源装置を提供することを目的とする。
車載用電源装置は車両に搭載され、複数の配線経路と、複数のセルグループと、複数のスイッチと、劣化診断部と、切替制御部とを備える。複数の配線経路は互いに並列に接続される。複数のセルグループの各々は、互いに直列に接続される複数のセルを含み、複数のセルグループはそれぞれ複数の配線経路の上に設けられる。複数のスイッチは複数の配線経路において、複数のセルグループに対してそれぞれ直列に接続される。劣化診断部は複数のセルグループのうち、劣化が生じた劣化セルグループを特定する。切替制御部は複数のスイッチのうち、劣化セルグループに接続される劣化スイッチをオフする。
車載用電源装置は複数のセルグループの各々に蓄えられる蓄電残量を検出する残量検出部を更に備える。切替制御部は、車両のイグニッションがオフし、かつ、劣化セルグループの蓄電残量が残量基準値よりも大きいときに、複数のスイッチのうち劣化スイッチ以外の正常スイッチをオフし、劣化スイッチをオンする。

車載用電源装置によれば、複数のセルグループの相互間の電荷移動を抑制できる。
車載用電源システムの構成の一例を概略的に示す図である。 セルグループの構成の一例を概略的に示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 車載用電源システムの構成の一例を概略的に示す図である。 セルグループの構成の一例を概略的に示す図である。
第１の実施の形態．
図１は、車載用電源システム１００の構成の一例を概略的に示す図である。この車載用電源システムは車両に搭載される。図１に示すように、車載用電源システム１００は車載用電源装置１１０と発電機４と車両負荷５とを備えている。車載用電源装置１１０は蓄電装置１と複数のスイッチ２と制御部３とを備えている。蓄電装置１は例えば蓄電池（例えば鉛蓄電池）であり、複数のセルグループ１０を有している。複数のセルグループ１０の各々は複数のセル１１を備えている。セル１１は電池の最小単位を構成している。各セルグループ１０において、複数のセル１１は相互に直列に接続されている。図１の例示では、各セルグループ１０において４つのセル１１が示されているものの、セル１１の個数は適宜に変更することができる。
スイッチ２は例えばリレーであって、セルグループ１０に対応して設けられている。スイッチ２は、対応するセルグループ１０に直列に接続される。またスイッチ２およびセルグループ１０の直列体は互いに並列に接続される。なお、この接続関係は次のように説明することもできる。即ち、互いに並列接続される複数の配線経路Ｗ１が設けられ、複数のセルグループ１０はそれぞれ複数の配線経路Ｗ１の上に設けられ、複数のスイッチ２はそれぞれ複数の配線経路Ｗ１において、複数のセルグループ１０に対して直列に接続される。図１の例示では、３つのセルグループ１０が示されているものの、セルグループ１０の個数は適宜に変更することができる。
各セルグループ１０はスイッチ２を介して例えば発電機４と接続されている。発電機４は例えばオルタネータであって、エンジン（不図示）の回転に基づいて発電して、直流電圧を出力する。発電機４が発電を行い、かつ、スイッチ２がオンするときには、発電機４からセルグループ１０へと充電電流が流れる。つまり、発電機４を用いて蓄電装置１を充電することができる。
また各セルグループ１０はスイッチ２を介して車両負荷５にも接続されている。車両負荷５は例えば車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。なお図１の例示では、車両負荷５の一つが示されているものの、複数種類の車両負荷５が設けられてもよい。セルグループ１０の両端間に印加される電圧（以下、端子電圧とも呼ぶ）が発電機４の電圧よりも大きく、かつ、スイッチ２がオンしているときには、各セルグループ１０から車両負荷５へと電流が流れる。つまり、蓄電装置１は車両負荷５へと給電することができる。
制御部３は劣化診断部３１と切替制御部３２とを備えている。なおここでは、制御部３は例えばマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。
また、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部３はこれに限らず、制御部３によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。
劣化診断部３１は、複数のセルグループ１０のうち、劣化が生じたセルグループ１０を特定する。言い換えれば、各セルグループ１０が劣化したときに、その劣化を検出する。例えば、各セルグループ１０の内部抵抗の抵抗値を求め、その抵抗値が所定の抵抗基準値よりも大きいときに、そのセルグループ１０の劣化を検出する。
セルグループ１０の内部抵抗の抵抗値は、以下で説明するように求めることができる。図２は、セルグループ１０の内部構成の一例を模式的に示す図である。図２の例示では、内部抵抗１２も等価的に示されている。この内部抵抗１２の抵抗値Ｒは、セルグループ１０の端子電圧Ｖと、セルグループ１０を流れる電流Ｉと、セルグループ１０の開放電圧Ｖｏｃとを用いて、以下の式で表される。なおここでは、電流Ｉはセルグループ１０の充放電の別に応じて正負をとるものとする。例えばセルグループ１０へ向かって流れる電流Ｉが、正の値を有する。
Ｒ＝｜Ｖ−Ｖｏｃ｜／｜Ｉ｜ ・・・（１）
つまり、端子電圧Ｖと電流Ｉと開放電圧Ｖｏｃとを取得することができれば、式（１）に基づいて抵抗値Ｒを算出することができる。図１の例示では、電圧検出部６１と電流検出部６２とが設けられている。電圧検出部６１は各セルグループ１０の端子電圧Ｖを検出し、これを劣化診断部３１へと出力する。電流検出部６２は各セルグループ１０の電流Ｉを検出し、これを劣化診断部３１へと出力する。
図１の例示では、劣化診断部３１は残量検出部３１１を有している。残量検出部３１１は各セルグループ１０の蓄電残量（例えば充電率）ＳＯＣを検出する。例えば残量検出部３１１は電流Ｉの収支を積算し、その積分値に基づいて各セルグループ１０の蓄電残量ＳＯＣを算出する。なお電流Ｉの収支の積算は、例えばセルグループ１０へ向かって流れる電流Ｉを正とし、セルグループ１０から流出する電流Ｉを負としたときの、電流Ｉの積分である。
そして、劣化診断部３１は、各セルグループ１０の蓄電残量ＳＯＣに基づいて、各セルグループ１０の開放電圧Ｖｏｃを求める。蓄電残量ＳＯＣと開放電圧Ｖｏｃとの関係は例えば予め実験またはシミュレーションによって測定され、記憶部等に記憶されていればよい。この関係を用いることで、蓄電残量ＳＯＣに基づいて開放電圧Ｖｏｃを求めることができる。
以上のようにして、端子電圧Ｖと電流Ｉと開放電圧Ｖｏｃとを取得することができる。そして、劣化診断部３１はこれらの開放電圧Ｖｏｃと電流Ｉと端子電圧Ｖとを用いて、式（１）から各セルグループ１０の内部抵抗１２の抵抗値Ｒを求める。
劣化診断部３１は、算出した抵抗値Ｒと、抵抗基準値Ｒｒｅｆとの大小を判断する。なお抵抗基準値Ｒｒｅｆは例えば予め定められて記憶部等に記憶されていればよい。劣化診断部３１は、抵抗値Ｒが抵抗基準値Ｒｒｅｆよりも大きいと判断したときに、そのセルグループ１０に劣化が生じていると判断する。劣化診断部３１は、この判断を全てのセルグループ１０に対して行い、その判断結果を切替制御部３２へと出力する。以下では、劣化が生じたと判断されたセルグループ１０を劣化セルグループ１０とも呼び、劣化が生じたと判断されていないセルグループ１０を正常セルグループ１０とも呼ぶ。
切替制御部３２はスイッチ２のオン／オフを制御する。例えば全てのセルグループ１０に劣化が生じていないときには、全てのスイッチ２をオンする。一方で、劣化診断部３１によって劣化が生じたと判断されたときには、その劣化セルグループ１０と接続されるスイッチ２をオフする。以下では、劣化セルグループ１０に接続されるスイッチ２を劣化スイッチ２とも呼び、正常セルグループ１０に接続されるスイッチ２を正常スイッチ２とも呼ぶ。
以上のように、本実施の形態では、劣化セルグループ１０に対しては、劣化スイッチ２をオフしている。よって、この劣化セルグループ１０と、他の正常セルグループ１０との接続が遮断される。したがって、劣化セルグループ１０と他の正常セルグループ１０との間の電荷移動を防止することができる。これにより、不要な損失の発生を回避することができる。
本第１実施の形態では、内部抵抗１２の抵抗値Ｒが増大したことを以て、その劣化セルグループ１０を切り離している。ところで、内部抵抗１２の抵抗値Ｒが増大しても、劣化セルグループ１０は必ずしも使用できない訳ではない。つまり、本第１の実施の形態では、たとえ劣化セルグループ１０を未だ利用できるとしても、劣化セルグループ１０と正常セルグループ１０とを接続することによる電荷の移動を回避すべく、そのような劣化セルグループ１０を切り離しているのである。これは、次の技術思想とは大きく異なる。即ち、単にセルグループ１０に使用不可能な異常が生じたことによって、セルグループ１０を切り離す技術思想とは、大きく異なる。
図３は制御部３の上述の動作の一例を示すフローチャートである。まずステップＳＴ１にて、劣化診断部３１は劣化が生じている劣化セルグループ１０があるか否かを判断する。例えば内部抵抗１２の抵抗値Ｒが抵抗基準値Ｒｒｅｆを超えているか否かを、セルグループ１０ごとに判断する。劣化セルグループ１０がないと判断したときには、再びステップＳＴ１を実行する。一方で、劣化セルグループ１０があると判断したときには、ステップＳＴ２にて、切替制御部３２は、その劣化セルグループ１０に対応する劣化スイッチ２をオフする。
第２の実施の形態．
図４は車載用電源システム１００の構成の一例を概略的に示す図である。第１の実施の形態と比較して、車載用電源システム１００には、これが搭載される車両のイグニッションのオン／オフを切換えるイグニッションスイッチ７が更に設けられている。イグニッションスイッチ７のオン／オフ状態を示す信号ＩＧ１は切替制御部３２へと入力される。ユーザ操作によって、イグニッションスイッチ７がターンオンすると、例えば、切替制御部３２は適宜にスイッチ２をオンして蓄電装置１から車両負荷５へと適宜に給電を行う。
なおここでは、車両負荷５は複数設けられており、イグニッションスイッチ７がオフした状態でも、蓄電装置１から給電される車両負荷５は存在する。このようにイグニッションスイッチ７がオフした状態で給電される車両負荷５としては、例えばセキュリティー装置またはリモコン式のドアロックなどの車両負荷が挙げられる。蓄電装置１が複数種類の車両負荷５に対して個別に給電／停止を選択するために、蓄電装置１と各車両負荷５との間にスイッチ（リレー）が設けられてもよい。
イグニッションスイッチ７がオンしているときには、切替制御部３２は第１の実施の形態で述べたように、スイッチ２を制御する。つまり、劣化セルグループ１０がないときには、全てのスイッチ２をオンし、劣化セルグループ１０があるときには、その劣化セルグループ１０に対応する劣化スイッチ２をオフする。
一方で、イグニッションスイッチ７がオフしているときには、以下で説明するようにスイッチ２を制御する。即ち、切替制御部３２は、イグニッションスイッチ７がオフしており、かつ、劣化セルグループ１０の蓄電残量ＳＯＣが残量基準値よりも大きいときに、劣化スイッチ２をオンし、正常スイッチ２をオフする。これにより、劣化セルグループ１０が車両負荷５に給電する。
以上のように、イグニッションスイッチ７がオンする期間では、第１の実施の形態で述べたように、劣化セルグループ１０をシステムから切り離すのに対して、イグニッションスイッチ７がオフする期間では、劣化セルグループ１０に十分な電力が蓄えられているときには、この電力を用いて車両負荷５に給電する。つまり、劣化セルグループ１０に蓄えられた電力を暗電流に利用する。これにより、劣化セルグループ１０に蓄えらえた電力を有効に利用することができる。
また、切替制御部３２は、イグニッションスイッチ７がオフしており、かつ、劣化セルグループ１０の蓄電残量ＳＯＣが残量基準値よりも小さいときには、劣化スイッチ２をオフし、正常スイッチ２をオンする。つまり、車両負荷５への給電に十分な電力が劣化セルグループ１０に残っていない場合には、正常セルグループ１０が車両負荷５へと給電を行うのである。これにより、劣化セルグループ１０の電力が不十分なときであっても、車両負荷５への給電を維持することができる。
図５は制御部３の上述の動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳＴ１０にて、劣化診断部３１は劣化セルグループ１０があるか否かを判断する。劣化セルグループがないと判断したときには、再びステップＳＴ１０を実行する。次に切替制御部３２は、イグニッションスイッチ７がオフしているか否かを判断する。イグニッションスイッチ７がオンしていると判断したときには、ステップＳＴ１４にて、切替制御部３２は正常スイッチ２をオンし、劣化スイッチ２をオフする。この動作は、実質的に第１の実施の形態と同様の動作である。
ステップＳＴ１１にてイグニッションスイッチ７がオフしていると判断したときには、ステップＳＴ１２にて、切替制御部３２は、劣化セルグループ１０の蓄電残量ＳＯＣが残量基準値よりも大きいか否かを判断する。残量基準値は例えば予め設定されて、記憶部等に記憶されていればよい。蓄電残量ＳＯＣが残量基準値よりも大きいと判断したときには、ステップＳＴ１３にて切替制御部３２は劣化スイッチ２をオンし、正常スイッチ２をオフする。これにより、劣化セルグループ１０が暗電流を供給する。
ステップＳＴ１２にて、蓄電残量ＳＯＣが残量基準値よりも小さいと判断したときには、ステップＳＴ１４にて、切替制御部３２は正常スイッチ２をオンし、劣化スイッチ２をオフする。これにより、正常セルグループ１０が暗電流を供給する。
上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。
以上のようにこの発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
２ スイッチ
７ イグニッションスイッチ
１０ セルグループ
１１ セル
３１ 劣化診断部
３２ 切替制御部
６１ 電圧検出部
６２ 電流検出部
１１０ 車載用電源装置
３１１ 残量検出部
Ｗ１ 配線経路

Claims (3)

  1. 車両に搭載される車載用電源装置であって、
    互いに並列に接続される複数の配線経路と、
    各々が、互いに直列に接続される複数のセルを含み、それぞれ前記複数の配線経路の上に設けられる複数のセルグループと、
    前記複数の配線経路において、前記複数のセルグループに対してそれぞれ直列に接続される複数のスイッチと、
    前記複数のセルグループのうち、劣化が生じた劣化セルグループを特定する劣化診断部と、
    前記複数のスイッチのうち、前記劣化セルグループに接続される劣化スイッチをオフする切替制御部と
    を備え、
    前記複数のセルグループの各々に蓄えられる蓄電残量を検出する残量検出部を更に備え、
    前記切替制御部は、前記車両のイグニッションがオフし、かつ、前記劣化セルグループの蓄電残量が残量基準値よりも大きいときに、前記複数のスイッチのうち前記劣化スイッチ以外の正常スイッチをオフし、前記劣化スイッチをオンする、車載用電源装置。
  2. 請求項１に記載の車載用電源装置であって、
    前記複数のセルグループの各々の両端間に印加される端子電圧を検出する電圧検出部と、
    前記複数のセルグループの各々に流れる電流を検出する電流検出部と
    を更に備え、
    前記劣化診断部は、
    前記端子電圧と前記電流とに基づいて、前記複数のセルグループの各々の内部抵抗の抵抗値を算出し、
    前記複数のセルグループのうち、前記抵抗値が抵抗基準値よりも大きいセルグループを前記劣化セルグループと特定する、車載用電源装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の車載用電源装置であって、
    前記切替制御部は、前記イグニッションがオフし、かつ、前記劣化セルグループの蓄電残量が前記残量基準値よりも小さいときに、前記正常スイッチをオンし、前記劣化スイッチをオフする、車載用電源装置。
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