JP7031545B2 - バッテリ状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されるバッテリの状態を推定する装置に関する。

車両に搭載されたバッテリの状態を推定する技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１には、バッテリの充放電制御を行って充放電波形を取得し、取得した充放電波形をフーリエ変換を用いて解析することで（ＦＦＴ解析）、バッテリの状態（内部インピーダンス）を推定することが記載されている。

特開２００５－２２１４８７号公報

自動運転システムを搭載した車両など、冗長電源システムを備えた車両において、バックアップ兼用バッテリの状態を推定するために特許文献１に記載のＦＦＴ解析方法を適用することが考えられる。しかしながら、バックアップ兼用バッテリには、緊急時にバックアップが必要な最小限の車載機器が接続されているだけであり、これらの車載機器によってバックアップ兼用バッテリの充放電が実施される機会は少ない。このため、ＦＦＴ解析に必要な充放電波形を多く取得することが難しく、バックアップ兼用バッテリの状態推定の精度が低下するという課題がある。よって、バックアップ兼用バッテリの状態を推定する手法について改善の余地がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、冗長電源システムにおけるバックアップ兼用バッテリの状態推定の精度を高くすることができるバッテリ状態推定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、第１バッテリから電源供給される第１電源ラインと、バックアップ兼用の第２バッテリから電源供給されるするための第２電源ラインと、第１電源ラインと第２電源ラインとの間に接続／遮断可能に挿入されたリレー装置と、を備えた冗長電源システムにおいて、第２バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定装置であって、第２バッテリの状態推定が必要か否かを判定する判定部と、判定部において第２バッテリの状態推定が必要であると判定された場合に、第２電源ラインに接続された車載機器を利用した第２バッテリの充放電制御を実施する充放電制御部と、充放電制御部の充放電制御によって取得される第２バッテリの充放電波形をフーリエ変換を用いて解析し、第２バッテリの状態を推定する状態推定部と、を備え、状態推定部において所定の充放電量を満足する充放電波形を取得できない場合、充放電制御部は、リレー装置を介して第１電源ラインと第２電源ラインとを接続して、第１電源ライン及び第２電源ラインに接続された車載機器を利用した第２バッテリの充放電制御を実施し、状態推定部は、充放電制御によって取得される第２バッテリの充放電波形をフーリエ変換を用いて解析し、第２バッテリの状態を推定する、バッテリ状態推定装置である。

上記本発明のバッテリ状態推定装置によれば、第２電源ラインに接続された車載機器だけでなく第１電源ラインに接続された車載機器を充放電制御に使用できるので、フーリエ変換を用いた解析（ＦＦＴ解析）に必要な所定の充放電量を満足させる充放電波形を取得できる機会が多くなる。よって、冗長電源システムにおける第２バッテリ（バックアップ兼用バッテリ）の状態推定の精度を高くすることができる。

本実施形態に係るバッテリ状態推定装置を含んだ車両用の冗長電源システムの概略構成例を示す図 第２バッテリの状態推定のための制御フローチャート 第２バッテリの抵抗値の利用例を説明する図

＜実施形態＞
本発明のバッテリ状態推定装置は、第１バッテリから電源供給される第１電源ラインと第２バッテリから電源供給される第２電源ラインとを備えた、冗長電源システムに利用される。本バッテリ状態推定装置では、第２電源系統の負荷を用いた充放電制御で第２バッテリの状態推定に必要な所定の充放電波形を取得できない場合には、第１電源ラインと第２電源ラインとを接続して第１電源系統の負荷をも用いた充放電制御を実施する。これにより、所定の充放電波形を取得できる機会が多くなり、第２バッテリの状態推定の精度を高くすることができる。

［構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るバッテリ状態推定装置５０を含んだ車両用の冗長電源システム１の概略構成例を示す図である。図１に例示した冗長電源システム１は、第１ＤＣＤＣコンバーター（以下「第１ＤＤＣ」と記す）１１、第１バッテリ１２、第１自動運転システム１３、及び車載機器１４を含む第１電源系統と、第２ＤＣＤＣコンバーター（以下「第２ＤＤＣ」と記す）２１、第２バッテリ２２及び第２自動運転システム２３を含む第２電源系統と、電力供給部３０と、第１リレー装置４１と、第２リレー装置４２と、バッテリ状態推定装置５０と、を備えている。第１電源系統の第１バッテリ１２、第１自動運転システム１３、及び車載機器１４は、第１電源ライン１５によって第１ＤＤＣ１１の出力側に接続されている。第２電源系統の第２バッテリ２２及び第２自動運転システム２３は、第２電源ライン２５によって第２ＤＤＣ２１の出力側に接続されている。

この冗長電源システム１では、第１電源系統と第２電源系統とによる冗長電源構成を採用している。第１電源系統と第２電源系統とは、暗電流供給用のリレー装置４１を介して接続されている。第２バッテリ２２は、バッテリ保護用の第２リレー装置４２を介して第２電源系統と接続されている。この第１リレー装置４１及び第２リレー装置４２は、バッテリ状態推定装置５０によって接続／遮断が制御される。第１リレー装置４１及び第２リレー装置４２の制御については、後述する。

電力供給部３０は、第１ＤＤＣ１１及び第２ＤＤＣ２１へ並列に電力を供給することができる。この電力供給部３０には、例えばリチウムイオン電池などの、充放電可能に構成された高圧バッテリが用いられる。

第１ＤＤＣ１１は、電力供給部３０から供給される電力を変換し、第１電源ライン１５を介して、第１バッテリ１２、第１自動運転システム１３、及び車載機器１４に出力することができる。

第１バッテリ１２は、例えば鉛電池などの、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。この第１バッテリ１２は、第１ＤＤＣ１１から出力される電力を蓄えること（充電）ができ、また自らが蓄えている電力を第１自動運転システム１３及び車載機器１４に出力（放電）することができる。

第１自動運転システム１３は、車両を自動運転させるために必要な車載機器を含んだシステムである。自動運転に必要な車載機器には、一例として自動運転ＥＣＵ（Electronic Control Unit）、電動ブレーキ装置（ＥＢＳ）、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）などが含まれる。

車載機器１４は、車両の自動運転に関わらない１つ以上の車載機器を含む。この車載機器１４には、一例としてヘッドランプやワイパーなどの装置が含まれる。

第２ＤＤＣ２１は、電力供給部３０から供給される電力を変換し、第２電源ライン２５を介して、第２バッテリ２２及び第２自動運転システム２３に出力することができる。

第２バッテリ２２は、例えばリチウムイオン電池などの、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。一例として、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性にフラットな領域を持つリン酸鉄系リチウムイオン電池（ＬＦＰ電池）を、第２バッテリ２２として用いることができる。この第２バッテリ２２は、第２リレー装置４２を介して、第２ＤＤＣ２１から出力される電力を蓄えること（充電）ができ、また自らが蓄えている電力を第２自動運転システム２３に出力（放電）することができる。この第２バッテリ２２は、第２自動運転システム２３に電力を供給することに加え、車両の自動運転中に第１バッテリ１２の失陥が生じた場合に車両の自動運転に関わる機能をバックアップする予備バッテリとしての役割も有する、バックアップ兼用バッテリである。

第２自動運転システム２３は、第１自動運転システム１３と同じシステムを冗長的に設けたものであり、第１自動運転システム１３と同様に、車両を自動運転させるために必要な車載機器を含んだシステムである。

第１リレー装置４１は、第１電源ライン１５と第２電源ライン２５との間に設けられ、バッテリ状態推定装置５０の制御によって、第１電源ライン１５と第２電源ライン２５との接続及び遮断が可能なように構成されている。この第１リレー装置４１は、駐車時などの車両電源がオフされた時に接続状態となり、第１バッテリ１２から第２自動運転システム２３へ暗電流を供給する経路を形成する。また、第１リレー装置４１は、後述する所定の充放電量を確保する必要がある時に接続状態となり、第２バッテリ２２の電力を第１自動運転システム１３及び車載機器１４へ放電する経路を形成する。第１リレー装置４１は、上記以外の時は遮断状態となり、第１電源系統と第２電源系統とを電気的に分離している。

第２リレー装置４２は、第２電源ライン２５と第２バッテリ２２との間に設けられ、バッテリ状態推定装置５０の制御によって、第２電源ライン２５と第２バッテリ２２との接続及び遮断が可能なように構成されている。この第２リレー装置４２は、駐車時などの車両電源がオフされた時に遮断状態となり、第２バッテリ２２から第２自動運転システム２３への電流消費を防止する。第２リレー装置４２は、上記以外の時は接続状態となり、第２自動運転システム２３へ電力を供給する。

バッテリ状態推定装置５０は、第１ＤＤＣ１１、第２ＤＤＣ２１、第１バッテリ１２、第２バッテリ２２、第１リレー装置４１、及び第２リレー装置４２の状態や動作などを管理して、冗長電源システム１の状態を制御することができる。本実施形態のバッテリ状態推定装置５０では、第２バッテリ２２の状態を高精度に推定するための制御を実行する。

バッテリ状態推定装置５０は、典型的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、及び入出力インタフェースなどを含んだＥＣＵ（Electronic Control Unit）として構成され得る。このバッテリ状態推定装置５０には、第２バッテリ２２の電圧、電流、及び温度を監視する監視ＥＣＵや、第２ＤＤＣ２１の出力電圧を制御したり、第１リレー装置４１の接続／遮断状態を制御したりすることができる電源ＥＣＵなど、車両に搭載されるＥＣＵの一部又は全部を含むことができる。本実施形態のバッテリ状態推定装置５０は、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することによって、判断部５１、充放電制御部５２、及び状態推定部５３の機能を実現する。

判断部５１は、第２バッテリ２２の状態を推定する必要があるか否かを判断することを行う。この判断は、例えば、前回状態を推定してから経過した時間や日数に基づいて行ってもよいし、第２バッテリ２２の電圧、電流、温度の変化に基づいて行ってもよい。

充放電制御部５２は、判断部５１において第２バッテリ２２の状態を推定する必要があると判断された場合、第２バッテリ２２の充電や放電を行ったり、第１リレー装置４１の接続状態を制御したりして、第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を取得するために、所定の充放電制御を行う。この状態推定に要求される充放電量とは、第２バッテリ２２の抵抗値を算出することができる振幅及び継続時間を満足する充放電量をいう。従って、充放電制御は、必要な充放電量を得るための充放電パターンを意図的に発生させるための制御である。この充放電パターンは、第２ＤＤＣ２１の出力電圧を制御することで発生させることができる。

状態推定部５３は、充放電制御部５２の充放電制御によって取得された充放電波形に基づいて、第２バッテリ２２の抵抗値を算出する。具体的には、状態推定部５３は、充放電制御によって得られた充放電波形（電圧及び電流）をフーリエ変換し、フーリエ変換後の電圧を電流で除算することで周波数毎のインピーダンスを算出し、第２バッテリ２２の抵抗値を算出する。フーリエ変換には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）など周知の手法を用いることができる。そして、状態推定部５３は、算出した抵抗値に基づいて第２バッテリ２２の状態（劣化度など）を推定する。

これら判断部５１、充放電制御部５２、及び状態推定部５３の詳細な制御については、以降に説明する。

［制御］
次に、図２をさらに参照して、本発明の一実施形態に係るバッテリ状態推定装置５０が実行する制御を説明する。図２は、バッテリ状態推定装置５０が行う第２バッテリ２２の状態を高精度に推定するための制御を示す処理フローチャートである。

図２に示す処理は、車両の電源がオン（ＲＥＡＤＹ＿ＯＮ）されると開始され、車両の電源がオフされるまで繰り返し実行される。

ステップＳ２０１：バッテリ状態推定装置５０は、第１リレー装置４１を遮断状態（ＯＦＦ）に制御する。第１リレー装置４１を遮断状態に制御した後は、ステップＳ２０２に処理が進む。

ステップＳ２０２：バッテリ状態推定装置５０の充放電制御部５２は、通常の車両動作における充放電行為によって、第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できたか否かを判断する。ここで、通常の車両動作とは、ＲＥＡＤＹ＿ＯＮ中に、第２バッテリ２２と接続されている第２ＤＤＣ２１及び第２自動運転システム２３によって行われる自然な充放電行為をいう。状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できた場合は（Ｓ２０２、はい）、ステップＳ２１０に処理が進み、状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できない場合は（Ｓ２０２、いいえ）、ステップＳ２０３に処理が進む。

ステップＳ２０３：バッテリ状態推定装置５０の判断部５１は、第２バッテリ２２の状態を推定する必要があるか否かを判断する。判断部５１は、前回第２バッテリ２２の状態を推定してから所定の日数以上が経過しているか否かによって、状態を推定する必要があるか否かを判断することができる。所定の日数は、車両の使用環境などに基づいて適切な値を任意に定めることができるが、一例として３０日とすることができる。第２バッテリ２２の状態を推定する必要がある場合は（Ｓ２０３、はい）、ステップＳ２０４に処理が進み、第２バッテリ２２の状態を推定する必要がない場合は（Ｓ２０３、いいえ）、このステップＳ２０３を繰り返す。

ステップＳ２０４：バッテリ状態推定装置５０の充放電制御部５２は、第２電源系統の第２ＤＤＣ２１と第２自動運転システム２３（負荷）を使用した第２バッテリ２２の充放電制御を実施して、充放電波形を取得する。充放電制御は、第２ＤＤＣ２１に対して目標電圧及び徐変レートを指示することで実施される。この充放電制御は、所定の時間継続して行われてもよいし、所定の回数が行われてもよい。充放電制御を実施した後は、ステップＳ２０５に処理が進む。

ステップＳ２０５：バッテリ状態推定装置５０の充放電制御部５２は、充放電制御において第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できたか否かを判断する。状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できた場合は（Ｓ２０５、はい）、ステップＳ２１０に処理が進み、状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できない場合は（Ｓ２０５、いいえ）、第２電源系統のだけで意図的に充放電制御を実施しても状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できないため、第１電源系統を利用すべくステップＳ２０６に処理が進む。

ステップＳ２０６：バッテリ状態推定装置５０の充放電制御部５２は、第１電源系統を利用するにあたり、まず第２ＤＤＣ２１の出力電圧と第２バッテリ２２の開放端電圧（ＯＣＶ）との差が所定値以下であり、かつ、第１ＤＤＣ１１の出力電圧と第２バッテリ２２のＯＣＶとの差が所定値以下であるか否かを判断する。この判断は、後述するステップＳ２０８において第１リレー装置４１を接続状態（ＯＮ）とした際に、第１電源系統と第２電源系統との間で不要な充放電を生じさせないために行われる。なお、それぞれの所定値は、同じであっても異なっていてもよい。各ＤＤＣの出力電圧と第２バッテリ２２のＯＣＶとの差のいずれかが所定値以下でない場合は（Ｓ２０６、いいえ）、ステップＳ２０７に処理が進み、各ＤＤＣの出力電圧と第２バッテリ２２のＯＣＶとの差が共に所定値以下である場合は（Ｓ２０６、はい）、ステップＳ２０８に処理が進む。

ステップＳ２０７：バッテリ状態推定装置５０の充放電制御部５２は、第１ＤＤＣ１１の出力電圧と第２バッテリ２２のＯＣＶとの差が所定値以下となる方向に第１ＤＤＣ１１を制御し、第２ＤＤＣ２１の出力電圧と第２バッテリ２２のＯＣＶとの差が所定値以下となる方向に第２ＤＤＣ２１を制御する。具体的には、第１ＤＤＣ１１及び第２ＤＤＣ２１の電圧指令値を第２バッテリ２２のＯＣＶ以下に低く設定して、第１ＤＤＣ１１の出力電圧及び第２ＤＤＣ２１の出力電圧が第２バッテリ２２のＯＣＶに近づくように制御する。各ＤＤＣの出力電圧を制御した後は、ステップＳ２０６に処理が進む。

ステップＳ２０８：バッテリ状態推定装置５０は、第１リレー装置４１を接続状態（ＯＮ）に制御する。これにより、第１電源系統の第１電源ライン１５と第２電源系統の第２電源ライン２５とが電気的に接続される。第１リレー装置４１を接続状態に制御した後は、ステップＳ２０９に処理が進む。

ステップＳ２０９：バッテリ状態推定装置５０の充放電制御部５２は、第１電源系統の第１自動運転システム１３及び車載機器１４（負荷）及び第２電源系統の第２ＤＤＣ２１と第２自動運転システム２３（負荷）を使用した第２バッテリ２２の充放電制御を実施し、充放電波形を取得する。充放電制御は、第２ＤＤＣ２１に対して目標電圧及び徐変レートを指示することで実施される。この充放電制御は、所定の時間継続して行われてもよいし、所定の回数が行われてもよい。充放電制御を実施した後は、ステップＳ２１０に処理が進む。

ステップＳ２１０：バッテリ状態推定装置５０の状態推定部５３は、充放電制御部５２によって取得された充放電波形に基づいて、第２バッテリ２２の抵抗値を算出する。そして、状態推定部５３は、算出された抵抗値に基づいて、第２バッテリ２２の状態を推定する。状態推定が完了すると、ステップＳ２０１に処理が進む。

なお、ステップＳ２０９とステップＳ２１０との間に、充放電制御において第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できたか否かを判断するステップを設けてもよい。この場合、要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できるまでステップＳ２０９の充放電制御を繰り返すようにしてもよいし、要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できなければ、第２バッテリ２２の状態推定を終了してステップＳ２０１に処理を進めてもよい。

［抵抗値の利用例］
図３を参照して、算出した第２バッテリ２２の抵抗値を利用する例を説明する。この例では、第２バッテリ２２の初期の蓄電量（ＳＯＣ）及び温度をパラメータとして第２バッテリ２２のインピーダンス（抵抗値）を示したマップが、予め用意されている。

充放電制御部５２による充放電制御では、意図的な充放電行為に応じた第２バッテリ２２における電流の充放電波形（図３の上側グラフ）と電圧の充放電波形（図３の下側グラフ）とが、それぞれ取得される。この取得された電流及び電圧の充放電波形がフーリエ変換され、周波数毎の電流及び電圧が算出される。フーリエ変換後の電圧が電流で除算されることで周波数毎のインピーダンス（抵抗値）が算出される。そして、算出されたインピーダンスに基づいて、マップに登録されているインピーダンス（抵抗値）が適宜補正されて更新される。

マップに格納されるインピーダンス（抵抗値）からは、例えば、自動運転時のバックアップに最低限必要な電圧（バックアップ時最低電圧）を下記の式［１］によって求めることができる。式［１］において、Ｖlowはバックアップ時最低電圧であり、ＯＣＶは第２バッテリ２２の開放端電圧であり、Ｒはマップに格納されるインピーダンス（抵抗値）であり、Ｉはバックアップに必要な所定の電流値である。
Ｖlow ＝ ＯＣＶ－Ｒ×Ｉ … ［１］

図３の例では、自動運転時にバックアップができないＮＧ電圧（例えば２．６２５Ｖ）よりも高く設定されているバックアップ時最低電圧Ｖlowが、充放電制御後にそれぞれ補正されている。なお、図３に示すように、自動運転時に実行されるステアリング操舵（ＥＰＳ）やブレーキ制動によって自然に生じる充放電から得られた充放電波形で所定の充放電量を満足していれば、この充放電波形に基づいてマップに登録されているインピーダンス（抵抗値）が補正され得る。

＜作用・効果＞
以上のように、本発明の一実施形態に係るバッテリ状態推定装置５０によれば、まず第２電源系統の負荷だけで所定の充放電制御を実施して、第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形の取得を試みる。この試みにも関わらず、第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できない場合、第１リレー装置４１を接続状態にして、第１電源系統の負荷及び第２電源系統の負荷を使用した充放電制御を実施し、第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得する。

このように、第２電源系統の負荷だけでなく第１電源系統の負荷も活用することによって第２バッテリ２２の充放電量を増加させることができるため、充放電制御において第２バッテリ２２の状態推定に要求される充放電量を満足する充放電波形を取得できる機会が多くなる。従って、第２バッテリ２２の状態推定の精度を高くすることができる。

本発明のバッテリ状態推定装置は、２つの電源系統を有する冗長電源システムを搭載した車両などに利用可能である。

１ 冗長電源システム
１１、２１ ＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）
１２、２２ バッテリ
１３、２３ 自動運転システム
１４ 車載機器
３０ 電力供給部
４１、４２ リレー装置
５０ バッテリ状態推定装置
５１ 判断部
５２ 充放電制御部
５３ 状態推定部

Claims (1)

1. 第１バッテリから電源供給される第１電源ラインと、バックアップ兼用の第２バッテリから電源供給される第２電源ラインと、前記第１電源ラインと前記第２電源ラインとの間に接続／遮断可能に挿入されたリレー装置と、を備えた冗長電源システムにおいて、前記第２バッテリの状態を推定するバッテリ状態推定装置であって、
   前記第２バッテリの状態推定が必要か否かを判定する判定部と、
   前記判定部において前記第２バッテリの状態推定が必要であると判定された場合に、前記第２電源ラインに接続された車載機器を利用した前記第２バッテリの充放電制御を実施する充放電制御部と、
   前記充放電制御部の充放電制御によって取得される前記第２バッテリの充放電波形をフーリエ変換を用いて解析し、前記第２バッテリの状態を推定する状態推定部と、を備え、
   前記状態推定部において所定の充放電量を満足する前記充放電波形を取得できない場合、前記充放電制御部は、前記リレー装置を介して前記第１電源ラインと前記第２電源ラインとを接続して、前記第１電源ライン及び前記第２電源ラインに接続された車載機器を利用した前記第２バッテリの充放電制御を実施し、前記状態推定部は、当該充放電制御によって取得される前記第２バッテリの充放電波形をフーリエ変換を用いて解析し、前記第２バッテリの状態を推定する、
   バッテリ状態推定装置。

Images