JP7110645B2

JP7110645B2 - 車両用蓄電装置

Info

Publication number: JP7110645B2
Application number: JP2018053917A
Authority: JP
Inventors: 輝彦花岡
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP2019169246A

Description

本発明は、車両用蓄電装置に関し、特に電気自動車を駆動するための電力を供給する車両用蓄電装置に関する。

近年、走行中には二酸化炭素等を排出しない電気自動車（Electric Vehicle：ＥＶ）についての関心が高まっている。ＥＶは、電力を蓄える蓄電装置を備え、この蓄電装置から供給される車両駆動用の電力で電動モータを回転駆動することにより駆動輪を駆動して走行する。また、この蓄電装置の電力により制動装置や操舵装置、前照灯やエアコン等の電装品を作動させる。

ＥＶに搭載される蓄電装置は、最大限に蓄えられた電力で走行可能な距離（航続距離）が長くなるように大容量のものになっている。蓄電装置に電力を蓄える充電は、主に駐車時に商用電源等からの電力供給により行われ、走行時には回生ブレーキによりＥＶの運動エネルギを電気エネルギに変換して充電される。

ところで、ＥＶの衝突によりその車両の蓄電装置が破損すると、蓄電装置を構成する蓄電池の内部で電極板がショートして短絡電流により発熱し、可燃性の電解液が発火する場合がある。この危険の回避のため、特許文献１のように、衝突を検知したときに蓄電装置を構成する蓄電池のうちの一部の蓄電池の電力を放電部で安全に放電させて、発火しないようにする技術が知られている。

特表２０１５－５１８７０２号公報

しかし、ＥＶに搭載される蓄電装置は大容量であり、一部の蓄電池の放電であってもある程度時間を要するので、衝突してから放電を開始しても間に合わずに発火する虞がある。また、衝突による蓄電装置内の断線等によって安全に放電できない虞もある。そこで、衝突が予測された場合に蓄電装置の放電を衝突前に実行することが考えられる。このとき放電された電力は熱となって消費されるので、軽度の衝突又は衝突が回避されて自走できる場合であっても蓄電装置に電力がほとんど残っておらず、走行可能な距離が略ゼロまで減少して走行できなくなる。

本発明の目的は、ＥＶの衝突を予測した場合に蓄電装置の破損予測に基づいて蓄電装置の発火を予防すると共に、その後の走行可能な距離の減少を軽減するように構成した車両用蓄電装置を提供することである。

請求項１の発明は、車両駆動用の電力を供給するために複数の蓄電モジュールを直列に接続して構成された主回路部と、前記複数の蓄電モジュールから個別に出力させた電力を放電するための放電回路部を備えた車両用蓄電装置において、車両の衝突を予測する衝突予測手段と、前記放電回路部に出力させた電力を昇圧するための昇圧手段と、前記複数の蓄電モジュールのうちの選択した蓄電モジュールをバイパスして前記主回路部に接続するためのバイパス路をさらに備え、
前記衝突予測手段が車両の衝突を予測した場合に、前記複数の蓄電モジュールのうちの破損が予測される蓄電モジュールを選択して前記選択した蓄電モジュール以外の蓄電モジュールを前記主回路部に直列接続して前記車両駆動用の電力を出力すると共に前記選択した蓄電モジュールを前記放電回路部に接続して電力を出力し、前記選択した蓄電モジュールの電力を前記昇圧手段により昇圧して前記選択した蓄電モジュール以外の蓄電モジュールを充電することを特徴としている。

上記構成によれば、ＥＶの衝突を予測した場合にその衝突により破損が予測される蓄電モジュールを選択してその電力を放電回路部に出力させ、出力電力を昇圧手段により昇圧して破損が予測されていない他の蓄電モジュールに充電する。従って、選択した蓄電モジュールの電力を減少させて車両用蓄電装置の発火を予防できる。また、軽度の衝突により又は衝突が回避されて自走可能な場合に、選択されていない他の蓄電モジュールに蓄えられている電力に加えて、充電により選択した蓄電モジュールから他の蓄電モジュールに移動させた電力も駆動用電力として供給できるので、走行可能な距離の減少を軽減することができる。しかも、選択した蓄電モジュールを主回路部から切り離して選択した蓄電モジュール以外の他の蓄電モジュールから車両駆動用の電力を供給可能である。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記選択した蓄電モジュール以外の蓄電モジュールを充電できない場合には前記放電回路部に放電させることを特徴としている。
上記構成によれば、選択されていない他の蓄電モジュールが満充電状態のために充電できない場合に、選択した蓄電モジュールの電力を放電回路部により放電させるので、衝突による車両用蓄電装置の発火を予防できる。また、熱に変換される放電量を充電によって少なくすることができるので、衝突予測と衝突回避が繰り返された場合でも放電回路部の過熱による破損を回避できる。

本発明の車両用蓄電装置によれば、ＥＶの衝突を予測した場合に車両用蓄電装置の破損予測に基づいて車両用蓄電装置の発火を予防すると共に、その後の走行可能な距離の減少を軽減することができる。

本発明の実施形態によるＥＶ車両の構成を説明するブロック図である。本発明の実施形態による蓄電装置の要部分解斜視図である。本発明の実施形態による電力供給の１例を示す回路図である。本発明の実施形態による蓄電部の要部分解斜視図である。本発明の実施形態による充電の１例を示す回路図である。本発明の実施形態による放電の１例を示す回路図である。本発明の実施形態による発火予防制御のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態による車両用蓄電装置について説明する。最初に、図１に基づいてＥＶの全体構成について説明する。
ＥＶは、車両駆動用の電動モータ２、制動装置３、車速センサ４、車載カメラ５、ミリ波レーダ６等を含む各種センサ、これらに供給する直流電力の電圧を調整するＤＣＤＣコンバータ７等を車両側負荷１として備え、車両側負荷１に供給する車両駆動用の電力を蓄える蓄電装置１０と、車両側負荷１及び蓄電装置１０を制御する制御部（ＥＣＵ８）を搭載している。

ＥＣＵ８は、ＣＰＵと各種プログラムを記憶するメモリと入出力装置等を備えたコンピュータにより構成されている。このＥＣＵ８は、各種センサから周期的に出力される信号を処理して、電動モータ２、制動装置３、蓄電装置１０等に対して適切に作動させるための制御信号を出力する。蓄電装置１０の充電状態（State Of Charge:ＳＯＣ）は、ＥＣＵ８により管理され、運転者に現在のＳＯＣや走行可能距離等を報知する。

車速センサ４は検知した自車両の走行速度データをＥＣＵ８に出力する。車載カメラ５は、自車両の周囲を撮像した画像データをＥＣＵ８に出力する。この画像データに基づいてＥＣＵ８が例えば車両、歩行者、その他物体等の対象物を特定する。

ミリ波レーダ６は、自車両の周囲に電波を発して対象物で反射された反射波を受信することにより、自車両から対象物までの距離と、自車両と対象物の相対速度を検知してＥＣＵ８に出力する。尚、ミリ波レーダ６に代えてレーザ光や超音波を利用するレーダによって、又はこれらを併用して対象物までの距離及び相対速度を検知するように構成してもよく、車車間通信等によって対象物である他車両までの距離及び相対速度を検知するように構成してもよい。

次に、蓄電装置１０について説明する。
蓄電装置１０は、図２に示すようにＥＶ車両のフロアパネルの下方空間に配設するための耐振性（剛性）と耐水性（防水性）を確保できるように、支持部材１１とカバー部材１２により密閉状に収容されている。そして蓄電装置１０から発生する熱を、熱伝導等を利用して支持部材１１に伝熱させ、走行風等を利用して支持部材１１から車両外部に放熱する。尚、図中の矢印Ｕは上方を示し、矢印Ｆは車両前方を示し、矢印Ｌは車両左方を示す。

図２，図３に示すように、蓄電装置１０は、複数の蓄電モジュールＭ１～Ｍｎを複数のバスバー１３によって直列に接続してＥＶの車両駆動用の電力を供給するように構成された主回路部２０と、複数の蓄電モジュールＭ１～Ｍｎから個別に電力を出力させるための放電回路部３０を備えている。尚、ＥＶに搭載される蓄電モジュールの数は、そのＥＶの仕様等に応じて適宜設定される。

複数の蓄電モジュールＭ１～Ｍｎは同じ構成であり、以下では蓄電モジュールＭ１について説明して他の蓄電モジュールＭ２～Ｍｎの説明を省略する。
蓄電モジュールＭ１は、電力を蓄える蓄電部２１と、蓄電部２１をバイパスするためのバイパス路２２と、第１切替えスイッチ２３と、第２切替えスイッチ２４と、冷却ユニット２５と、冷却スイッチ２６と、第１放電切替えスイッチ２７と、第２放電切替えスイッチ２８を備えている。

第１切替えスイッチ２３は、蓄電部２１の負極側に配設され、主回路部２０との接続を蓄電部２１又はバイパス路２２に切替える。第１切替えスイッチ２３をバイパス路２２に切替えることにより、蓄電モジュールＭ１をバイパスして他の蓄電モジュールから車両駆動用の電力を供給するように主回路部２０に接続される。第２切替えスイッチ２４は、蓄電部２１を主回路部２０から切り離すために蓄電部２１の正極側に配設されている。第１放電切替えスイッチ２７は蓄電部２１の負極側に、第２放電切替えスイッチ２８は蓄電部２１の正極側に配設され、蓄電モジュールＭ１を放電回路部３０に接続又は接続解除に切替える。

蓄電部２１は、例えば図４に示すように、規格電圧を有して上面に正極端子と負極端子が配設された直方体形状の複数（例えば、１２個）の蓄電池２１ａを、セパレータ２１ｂを間に介して直方体形状となるように水平方向に整列させ、複数のバスバー２１ｃにより例えば２つの蓄電池２１ａを並列接続したものを６つ直列接続して構成され、その両端部に蓄電部２１の正極端子２１ｄと負極端子２１ｅを備えている。バイパス路２２は、この正極端子２１ｄと負極端子２１ｅに夫々第１切替えスイッチ２３、第２切替えスイッチ２４を介して配設されている。

整列方向両端部に配設された１対のエンドプレート２１ｆと、この１対のエンドプレート２１ｆを連結する１対のアルミ合金製のバインドバー２１ｇと、蓄電部２１の上側を覆う合成樹脂製のアッパプレート２１ｈにより、この蓄電部２１の所定箇所の温度を検知するために配設された温度センサハーネス２１ｉとバイパス路２２を含む蓄電部２１を覆って一体化されている。アッパプレート２１ｈは、例えば図示外の複数のクランプ部材によって、１対のエンドプレート２１ｆと１対のバインドバー２１ｇの上端に載置された状態で固定される。尚、バイパス路２２は、アッパプレート２１ｈの上側に配設してもよい。

アッパプレート２１ｈは、正極端子２１ｄと負極端子２１ｅに対応する位置に、正極端子２１ｄと負極端子２１ｅが露出し且つ温度センサハーネス２１ｉを挿通する切欠部を備えている。１対のバインドバー２１ｇの一方には、シート状の加熱装置を備えたヒータユニット２１ｊが密着状に装着され、低温時に蓄電部２１を所定の温度域に温める。

一体化された蓄電部２１は、例えば締結部材によって支持部材１１に締結固定されている。蓄電部２１は、その全ての蓄電池２１ａの下面部に密着する冷却ユニット２５を間に介して、熱伝導性が優れた金属製（例えばアルミ合金製）の板状の支持部材１１に密着する。

蓄電池２１ａは、例えば二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池であり、充放電時には発熱するため、所定の安全温度（例えば６０℃）以下で充放電できるように冷却ユニット２５によって冷却する。

冷却ユニット２５は吸熱部と放熱部を備えたペルチェ素子冷却ユニットであり、吸熱部を密着させた蓄電部２１の電力により作動して吸熱部に伝わる蓄電部２１の熱を放熱部に移動させ、放熱部が密着する支持部材１１に伝熱させる。図３に示すように、冷却ユニット２５の作動と停止の切替えは、蓄電部２１との接続又は接続解除を切替える冷却スイッチ２６により行われる。

図２，図３に示すように、放電回路部３０は、放電回路部３０に出力された電力を消費して熱として散逸させるための放電用抵抗３１を有する。また、放電回路部３０には放充電切替えスイッチ３２が配設され、放電回路部３０に出力された電力の供給先を放電用抵抗３１と充電用ＤＣＤＣコンバータ３３（昇圧手段）とに切替える。蓄電装置１０に搭載される第１切替えスイッチ２３等のスイッチは、瞬間的に流れる例えば１００Ａ以上の大電流を許容可能なメカニカルリレーや半導体素子で構成され、蓄電部２１の正極端子２１ｄ又は負極端子２１ｅの近傍に配設されている。尚、放電用抵抗３１と充電用ＤＣＤＣコンバータ３３は、空冷のためにカバー部材１２に覆われていなくてもよい。

ＥＣＵ８は、機能的に、車載カメラ５の画像データやミリ波レーダ６の測定データ等、各種センサの検知データに基づいて自車両と他の車両や物体等の対象物との衝突を予測する衝突予測手段を備えている。このＥＣＵ８と蓄電装置１０とで車両用蓄電装置を構成し、衝突判定ステップと充電ステップと放電ステップを有する発火予防制御を行う。

図３は信号待ち等の停車時を含む走行中の蓄電装置１０の電力供給の状態の１例を示している。衝突判定ステップは、この走行中に自車両の周囲の画像データ、対象物との距離及び相対速度等の測定データ、自車両の走行速度データ、進行方向のデータに基づいて、ＥＣＵ８が衝突する虞のある対象物を特定し、近い将来（例えば１０秒後）に衝突するか否か判定する。そして衝突すると判定した場合には、同様のデータに基づいてその対象物の形状、大きさ、対象物との相対速度を特定して、自車両における衝突部位を予測し、衝突により何れかの蓄電モジュールが破損するか否か判定する。

充電ステップは、例えば図５に示すように、衝突が予測され且つ衝突により蓄電モジュールの破損が予測された蓄電モジュールＭ１，Ｍ２を選択し、この蓄電モジュールＭ１，Ｍ２の電力を選択されていない他の蓄電モジュールＭ３～Ｍｎに充電することにより、選択された蓄電モジュールＭ１，Ｍ２の電力を減少させる。尚、選択する蓄電モジュールは１つだけ又は３つ以上の場合もある。

放電ステップは、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２以外の他の蓄電モジュールＭ３～Ｍｎが例えば満充電状態のためそれ以上の充電ができず、且つ選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２に電力が残っている場合に、図６に示すようにこの電力を放電回路部３０で放電させることにより、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２の電力を減少させる。

上記の車両用蓄電装置の発火予防制御について、図７のフローチャートに基づいて説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。
Ｓ１において、車載カメラ５の画像データ、ミリ波レーダ６の測定データ、自車両の走行速度等の衝突予測用データを取得する。

Ｓ２において、取得した衝突予測用データに基づいて、例えば１０秒後に自車両が対象物と衝突するか否か判定する。衝突を予測して判定がＹｅｓの場合はＳ３に進み、衝突が予測されず判定がＮｏの場合はＳ１に戻る。

Ｓ３において、予測した衝突によって車両用蓄電装置の何れかの蓄電モジュールが破損するか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ４に進み、判定がＮｏの場合はＳ１に戻る。ここまでのＳ１～Ｓ３が衝突判定ステップである。

次にＳ４において、破損が予測された蓄電モジュールとして例えば蓄電モジュールＭ１，Ｍ２を選択して、夫々の第１，第２切替えスイッチ２３，２４の切替えによって主回路部２０から蓄電部２１を切り離すと共に、この蓄電部２１をバイパスするようにバイパス路２２を主回路部２０に接続してＳ５に進む。選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２以外の蓄電モジュールＭ３～Ｍｎは、直列に接続した状態を維持して駆動用電力を車両側負荷１に供給する（図５参照）。これにより衝突回避の動作や充電ステップ又は放電ステップ後の走行を可能にする。

Ｓ５において、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２を放電回路部３０に接続して電力を出力するようにこの蓄電モジュールＭ１、Ｍ２の夫々の第１，第２放電切替えスイッチ２７，２８を切替えてＳ６に進む（図５参照）。

Ｓ６において、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２から出力する電力を充電用ＤＣＤＣコンバータ３３によって昇圧して選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２以外の蓄電モジュールＭ３～Ｍｎを充電するように、放充電切替えスイッチ３２を充電用ＤＣＤＣコンバータ３３側に切替えてＳ７に進む（図５参照）。尚、昇圧した電力は車両側負荷１に供給することも可能である。

Ｓ７において、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２のＳＯＣが０％より大きいか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ８に進み、判定がＮｏの場合は破損が予測された蓄電モジュールＭ１，Ｍ２の短絡電流による発火の虞がなくなったのでこの発火予防制御を終了してリターンする。

Ｓ８において、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２以外の他の蓄電モジュールＭ３～ＭｎのＳＯＣが１００％（満充電状態）か否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ９に進み、判定がＮｏの場合はＳ７に戻る。ここまでのＳ４～Ｓ８が充電ステップである。

Ｓ９において、他の蓄電モジュールＭ３～Ｍｎに充電できないので、放充電切替えスイッチ３２を放電用抵抗３１側に切替えて、選択した蓄電モジュールＭ１，Ｍ２に蓄えられた電力がなくなるように放電させて発火予防制御を終了する（図６参照）。このＳ９が放電ステップである。尚、選択した蓄電モジュールの放電が終わったら、第１，第２放電切替えスイッチ２７，２８と冷却スイッチ２６を接続解除するように構成することもできる。

次に、本発明の作用、効果について説明する。
ＥＶである自車両は、走行中に対象物との衝突の予測、即ち上記衝突判定ステップを周期的に行っている。そして自車両の衝突が予測されると車両用蓄電装置を構成する蓄電モジュールの破損を判定し、破損が予測された場合に当該破損が予測された蓄電モジュールを選択する。

選択した蓄電モジュールは、衝突により破損して発火する虞があるため、この発火の予防のために選択した蓄電モジュールに蓄えられた電力を減少させる。このとき、破損が予測されていない他の蓄電モジュールに選択した蓄電モジュールの電力を移動させるために、選択した蓄電モジュールの電力による他の蓄電モジュールの充電、即ち上記充電ステップを実行する。また、充電ステップによって他の蓄電モジュールが満充電状態になっても選択した蓄電モジュールの電力が残っている場合には、上記放電ステップによりその電力を放電する。

従って、選択した蓄電モジュールが衝突による短絡電流よって発火することを予防できる。また、選択した蓄電モジュールを主回路部２０から切り離して他の蓄電モジュールから車両駆動用の電力を供給可能であり、選択した蓄電モジュールから他の蓄電モジュールに移動させた電力も車両駆動用電力として供給できるので、衝突が回避されて又は衝突が軽度でその後自車両が自走できる場合に、走行可能な距離の減少を軽減することができる。その上、他の蓄電モジュールに充電することにより熱に変換される電力を少なくすることができるので、衝突予測と衝突回避が繰り返された場合でも放電回路部３０における放電用抵抗３１の過熱による破損を回避できる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態をも包含するものである。

１：車両側負荷
４：車速センサ
５：車載カメラ
６：ミリ波レーダ
８：ＥＣＵ
１０：蓄電装置
１１：支持部材
２０：主回路部
２１：蓄電部
２１ａ：蓄電池
２２：バイパス路
２３：第１切替えスイッチ
２４：第２切替えスイッチ
２５：冷却ユニット
２６：冷却スイッチ
２７：第１放電切替えスイッチ
２８：第２放電切替えスイッチ
３０：放電回路部
３１：放電用抵抗
３２：放充電切替えスイッチ
３３：充電用ＤＣＤＣコンバータ
Ｍ１～Ｍｎ：蓄電モジュール

Claims

車両駆動用の電力を供給するために複数の蓄電モジュールを直列に接続して構成された主回路部と、前記複数の蓄電モジュールから個別に出力させた電力を放電するための放電回路部を備えた車両用蓄電装置において、
車両の衝突を予測する衝突予測手段と、
前記放電回路部に出力させた電力を昇圧するための昇圧手段と、
前記複数の蓄電モジュールのうちの選択した蓄電モジュールをバイパスして前記主回路部に接続するためのバイパス路をさらに備え、
前記衝突予測手段が車両の衝突を予測した場合に、前記複数の蓄電モジュールのうちの破損が予測される蓄電モジュールを選択して前記選択した蓄電モジュール以外の蓄電モジュールを前記主回路部に直列接続して前記車両駆動用の電力を出力すると共に前記選択した蓄電モジュールを前記放電回路部に接続して電力を出力し、
前記選択した蓄電モジュールの電力を前記昇圧手段により昇圧して前記選択した蓄電モジュール以外の蓄電モジュールを充電することを特徴とする車両用蓄電装置。
前記選択した蓄電モジュール以外の蓄電モジュールを充電できない場合には前記放電回路部に放電させることを特徴とする請求項１に記載の車両用蓄電装置。