CN107895819B - 车辆的电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种车辆的电源装置，通过使其具有冗余性且抑制电池间的电压差而在开关切换时抑制过电流流过开关。一种车辆的电源装置(S)，具备：具有第1蓄电元件(53A)的第1蓄电装置(50A)、具有第2蓄电元件(53B)的第2蓄电装置(50B)、对将上述第1蓄电装置(50A)与上述第2蓄电装置(50B)并联连接的状态和将上述第1蓄电装置(50A)与上述第2蓄电装置(50B)断开的状态之间进行切换的开关(SW1)、以及开关控制部(70)，上述第1蓄电元件(53A)和上述第2蓄电元件(53B)是在SOC‑OCV特性中具有平坦区域的蓄电元件，上述开关控制部(70)在上述第1蓄电元件(53A)和上述第2蓄电元件(53B)在上述SOC‑OCV特性中处于平坦区域时执行上述开关(SW1)的从关闭到打开的切换。

Description

车辆的电源装置
技术领域
本发明涉及一种车辆的电源装置。
背景技术
现在，在各汽车制造商中，自动制动器***、自动驾驶技术的开发正在盛行。这样的车辆的电化潮流进一步增加了车辆的电源装置的重要性。作为车辆的电源，由1个铅电池和交流发电机构成的电源供给目前仍是主流。在这样的以往的构成中，如果电池突然故障，或者供给电源的端子断开，则存在车辆丧失电源的情况，因此希望使电池为双电源构成而具有冗余性。在下述文献1中记载了车辆用电源装置包含控制装置、电负载、主继电器、启动器、交流发电机、铅蓄电池和镍氢充电池等而构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-67042号公报
发明内容
然而，使电池为双电源构成时，优选通过使用开关对2个电池的连接状态进行切换来提高2个电池的组合的自由度。然而，如果利用SOC差以在2个电池中产生电压差的状态关闭开关，则有时在开关中流过较大的电流，对此正在寻求对策。
本发明是基于如上所述的情况而完成的，目的在于通过使电源装置具有冗余性，并且抑制电池间的电压差，从而在开关切换时抑制在开关中流过大电流。
由本说明书公开的车辆的电源装置具备：具有第1蓄电元件的第1蓄电装置、具有第2蓄电元件的第2蓄电装置、对将上述第1蓄电装置与上述第2蓄电装置并联连接的状态和将上述第1蓄电装置与上述第2蓄电装置断开的状态之间进行切换的开关、以及开关控制部；其中，上述第1蓄电元件和上述第2蓄电元件为在SOC-OCV特性中具有平坦区域的蓄电元件，上述开关控制部在上述第1蓄电元件和上述第2蓄电元件在上述SOC-OCV特性中处于平坦区域的时执行上述开关的从关闭到打开的切换。
根据由本说明书公开的车辆的电源装置，即便在2个蓄电装置中存在SOC差，在平稳区域内2个蓄电装置的电压差也小。因此，在开关的切换时能够抑制在开关中流过大电流。
附图说明
图1是适用于一个实施方式的车辆的侧面图。
图2是表示电源装置的电气结构的框图。
图3是表示第1开关的打开、关闭的切换模式的图表。
图4是表示二次电池的SOC-OCV特性的图。
图5是表示发动机启动时的第1开关的切换控制的流程的流程图。
图6是表示电源装置的另一实施方式的框图。
符号说明
10...发动机启动装置
20...交流发电机
30...车辆ECU
50A...第1电池(本发明的“第1蓄电装置”的一个例子)
50B...第2电池(本发明的“第2蓄电装置”的一个例子)
51A、51B...组电池
53A...锂离子二次电池(本发明的“第1蓄电元件”的一个例子)
53B...锂离子二次电池(本发明的“第2蓄电元件”的一个例子)
55...电流传感器
60A、60B...监视部
70...车辆ECU(本发明的“开关控制部”的一个例子)
SW1...第1开关(本发明的“开关”的一个例子)
SW2...第2开关
S...电源装置
具体实施方式
首先，对在本实施方式中公开的车辆的电源装置的概要进行说明。
车辆的电源装置具备：具有第1蓄电元件的第1蓄电装置、具有第2蓄电元件的第2蓄电装置、对将上述第1蓄电装置与上述第2蓄电装置并联连接的状态和将上述第1蓄电装置与上述第2蓄电装置断开的状态之间进行切换的开关、以及开关控制部；其中，上述第1蓄电元件和上述第2蓄电元件是在SOC-OCV特性中具有平坦区域的蓄电元件，上述开关控制部在上述第1蓄电元件和上述第2蓄电元件在上述SOC-OCV特性中处于平坦区域时执行上述开关的从关闭到打开的切换。
该构成中，即便2个蓄电装置中存在SOC差，但只要在平稳区域内，2个蓄电装置的电压差就小。因此，在开关的切换时，能够抑制因2个蓄电装置间的电压差而在开关中流过大电流的情况。
另外，作为由本实施方式公开的车辆的电源装置的一个实施形态，优选：上述第1蓄电装置与发动机启动装置连接，上述开关控制部在发动机启动时，若满足规定条件的情况则打开上述开关，将上述第1蓄电装置与上述第2蓄电装置并联连接。该构成中，在满足规定条件的情况下，将2个蓄电装置并联连接，所以由2个蓄电装置来分担发动机启动所需的起动电流。因此，与仅由第1蓄电装置负担起动电流的情况相比，发动机的启动性提高，能够确保与平常时同等的启动性。应予说明，满足规定条件的情况是指满足仅为第1蓄电装置时发动机的启动性容易降低的条件的情况，具体而言，为上述第1蓄电元件的温度低于阈值的情况、上述第1蓄电元件的内部电阻高于阈值的情况、上述第1蓄电元件的电压值低于阈值的情况中的任一种情况。
另外，作为由本实施方式公开的车辆的电源装置的一个实施形态，优选：上述第2蓄电装置连接于与上述发动机启动装置不同的电负载，上述开关控制部在发动机启动时不满足规定条件的情况则打开上述开关，将上述第1蓄电装置与上述第2蓄电装置断开。该构成中，能够抑制随着发动机启动而第2蓄电装置的电压发生变动的情况，能够对电负载供给稳定的电源。
另外，作为由本实施方式公开的车辆的电源装置的一个实施形态，优选：上述第1蓄电元件的正极活性物质种类与第2蓄电元件的正极活性物质种类相同，且第1蓄电元件的负极活性物质种类与第2蓄电元件的负极活性物质种类相同。该构成中，第1蓄电元件与第2蓄电元件的SOC-OCV特性几乎一致，因此与组合特性不同的蓄电元件使用的情况相比，在两蓄电装置间不易产生电压差。
另外，作为由本实施方式公开的车辆的电源装置的一个实施形态，优选：正极活性物质为磷酸铁锂，负极活性物质为石墨。正极活性物质为磷酸铁锂时，电池单元的电压(OCV)约为3.3V，使4个串联而成为13.4V，从而与车辆电装设备(12V系列)的电压匹配良好。另外，负极活性物质为石墨时，有能量密度高、可减少电池单元数目的优点。磷酸铁系的锂离子二次电池的平稳区域宽，使用范围与平稳区域重合。因此，在使用范围内，随时可以进行开关的切换。
另外，作为由本实施方式公开的车辆的电源装置的一个实施形态，上述第1蓄电装置和上述第2蓄电装置的实际容量可以不同。如果实际容量不同的2个蓄电装置以分开的状态使用，则有时在2个蓄电装置间产生电压差。通过对这样的电源装置应用本技术，能够抑制2个蓄电装置间的电压差，能够在不用考虑电压差地时常进行开关的切换。
＜一个实施方式＞
根据图1～图5对本发明的一个实施方式进行说明。
1.车辆的电源装置S的说明
如图1所示，车辆1具备起动马达等发动机启动装置10、电源装置S。应予说明，虽然图1中进行了省略，但在车辆1中除发动机启动装置10以外，还搭载有交流发电机20、电负载30。作为电负载30，可以例示空调、音频、汽车导航等。
图2是表示车辆的电源装置的电气结构的框图。
电源装置S包含第1电池50A、第2电池50B、第1开关SW1和车辆ECU70而构成。如图2所示，在第1电池50A中连接了发动机启动装置10和交流发电机20，另外，在第2电池50B中连接了电负载30和车辆ECU(电子控制装置：Electronic Control Unit)70。应予说明，第1电池50A为本发明的“第1蓄电装置”的一个例子，第2电池50B为本发明的“第2蓄电装置”的一个例子。另外，第1开关SW1为本发明的“开关”的一个例子，车辆ECU70为本发明的“开关控制部”的一个例子。
第1开关SW1设置于将第1电池50A的正极与第2电池50B的正极连接的通电线路L，如果关闭(开路)第1开关SW1，则成为第1电池50A与第2电池50B断开的状态。另外，如果打开(闭路)第1开关SW1，则成为第1电池50A与第2电池50B并联连接的状态。
如图2所示，第1电池50A包含组电池51A、第2开关SW2、温度传感器55、作为电流测量部的电流传感器56、电压检测部57和监视部60A而构成。组电池51A由经串联连接的多个(作为一个例子，为4个)二次电池53A构成。应予说明，二次电池53A为本发明的“第1蓄电元件”的一个例子。
温度传感器55发挥以接触式或非接触式的方式对组电池51的温度T[℃]进行测定的功能。电流传感器56发挥对流过组电池51A的电流I进行检测的功能。电压检测部57介由检测线路分别与各二次电池53A的两端连接，发挥对各二次电池53A的电压和组电池51A的总电压Va进行测定的功能。另外，第2开关SW2配置于组电池51A的正极侧。
监视部60A根据温度传感器55、电流传感器56、电压检测部57的输出对第1电池50A的状态进行监视。即，在对组电池51A的温度T、电流I、总电压V进行监视的同时监视各二次电池53A的电压。另外，监视部60A在组电池51A中存在异常时通过关闭第2开关SW2来切断流过组电池51A的电流。
第2电池50B包含组电池51B、第2开关SW2、温度传感器55、电流传感器56、电压检测部57和监视部60B而构成，与第1电池50A为相同结构。应予说明，第2电池50B的组电池51B也与第1电池50A同样地由经串联连接的多个(作为一个例子，为4个)二次电池53B构成，第2电池50B的电池单元数目与第1电池50A的电池单元数目相等。二次电池53B为本发明的“第2蓄电元件”的一个例子。
车辆ECU70对搭载于车辆的电源***的机器进行控制。具体而言，车辆ECU70与第1电池50A的监视部60A和第2电池50B的监视部60B以可通信的方式连接，由各监视部60A、60B按一定周期接收与各电池50A、50B的状态有关的数据，即组电池51A、51B的温度、电流、总电压、SOC的数据。然后，车辆ECU70以可通信的方式与交流发电机20连接，根据电池50A、50B的状态来控制交流发电机20的输出，由此进行电池50A、50B的充电控制。
另外，车辆ECU70以可通信的方式与控制发动机等驱动***的另一车辆ECU(图中省略)连接，由另一车辆ECU得到与车辆的状态有关的信息。然后，根据车辆的状态，向电源装置S的第1开关SW1传送指令，进行将第1开关SW1切换成打开(闭路)或关闭(开路)中的一种状态的控制。
具体而言，如图3所示，发动机停止中将第1开关SW1控制为关闭状态，行驶中将第1开关SW1控制为打开状态。行驶中，通过将第1开关SW1控制为打开状态，从而成为2个电池50A、50B并联连接的状态。因此，例如，即便因行驶中的振动等而任一者的电池50A、50B中与端子连接的终端断开，也可以由另一个电池来维持电源供给，能够使电源具有冗余性。
2.SOC-OCV特性
第1电池50A的二次电池53A和第2电池50B的二次电池53B都是正极活性物质使用磷酸铁锂(LiFePO4)、负极活性物质使用石墨的磷酸铁系的锂离子电池。
图4是将横轴设为SOC[％]、将纵轴设为OCV[V]的锂离子二次电池53A、53B的SOC-OCV相关特性。应予说明，SOC(state of charge：充电状态)为相对于满充电容量的残留容量的比率。另外，OCV(open circuit voltage)为二次电池53A、53B的开路电压。
如图4所示，磷酸铁系的锂离子二次电池53A、53B在SOC-OCV相关特性中，相对于SOC的变化量的OCV的变化量非常小，OCV具有大致一定的平坦区域(以下，为平稳区域P)。应予说明，平稳区域P是指相对于SOC的变化量的OCV的变化量为2[mV/％]以下的区域。
具体而言，平稳区域P位于以SOC的值计为31[％]～97[％]的范围。平稳区域P包含OCV在3.3[V]大致恒定的第1平稳区域P1和OCV在3.34[V]大致恒定的第2平稳区域P2，在2个平稳区域P1、P2间具有OCV的变化大的阶差区域D。
另外，磷酸铁系的锂离子二次电池53A、53B在SOC-OCV相关特性中具有2个高变化区域H1、H2。第1高变化区域H1在SOC的值小于31[％]的范围，与平稳区域P1相比位于低SOC侧。第2高变化区域H2在SOC的值大于97[％]的范围，与平稳区域P2相比位于高SOC侧。高变化区域H1、H2与平稳区域P1、P2相比成为相对于SOC的变化量的OCV的变化量(图4中示出的坐标图的斜率)较高的关系。
而且，本例中，将锂离子二次电池53A、53B的使用范围W规定在SOC例如为35％～95％，使用范围W的整体与平稳区域P重合。平稳区域P的OCV大致恒定，因此即便在2个电池50A、50B中存在SOC差，2个电池间的电压差Va－Vb也小。因此，在使用范围W，将第1开关SW1从关闭切换到打开时，能够抑制因电压差Va－Vb而在电池间流过大电流的情况。
应予说明，第1平稳区域P1的OCV为3.3V，第2平稳区域的OCV为3.34V，2个平稳区域P1、P2的OCV中存在电压差。但是，OCV的电压差仅为0.04V左右，因此即便以2个电池50A、50B分成2个平稳区域P1、P2的状态将第1开关SW1从关闭切换到打开，也能够抑制由电压差Va－Vb所致的横流(在电池间流过的电流)，能够抑制在第1开关SW1中流过过电流。
另外，第1电池50A的实际容量为40Ah，第2电池50B的实际容量为20Ah，存在容量差。2个电池50A、50B的合计容量为60Ah，与作为发动机启动用而常用的铅电池(图外)的实际容量60Ah相等。应予说明，“实际容量”是指能够从电池完全充电了的状态导出的容量。
3.发动机启动时的第1开关SW1的切换控制
另外，车辆ECU70在发动机启动时，根据第1电池50A的温度T，对第1开关SW1的打开、关闭进行切换。参照图5进行具体说明则车辆ECU70执行(S10)对点火开关的状态进行检测的处理。
而且，对点火开关的打开进行检测时，车辆ECU70进行(S20)将第1电池50A的组电池51A的温度T与阈值X进行比较的处理。应予说明，阈值X是辨别第1电池50A是否为低温状态的值，作为一个例子，为0℃。
车辆ECU70在第1电池50A的组电池51A的温度T为阈值X以上时，即，第1电池50A为低温以外时，对第1开关SW1给予指令，将第1开关SW1控制(S30)为关闭(开路)状态。由此，成为对发动机启动装置10仅连接有第1电池50A的状态，在低温以外的情况下，由第1电池50A供给起动电流，发动机启动装置10工作(S50)。这样，在低温以外的情况下，通过关闭第1开关SW1，将第2电池50B与发动机启动装置10断开，能够抑制随着发动机启动而第2电池50B的电压变动的情况，能够对电负载30、车辆ECU70供给稳定的电源。
应予说明，第1电池50A的容量为40Ah，虽然与常用的铅电池相比容量少，但锂离子二次电池的内部电阻小，因此即便容量少，也能够放电发动机启动所需的起动电流，仅用第1电池50A就能够启动发动机。
另一方面，车辆ECU70在第1电池50A的组电池51A的温度T比阈值X低时，即，第1电池50A为低温时，对第1开关SW1给予指令而将第1开关SW1控制为打开(闭路)状态(S40)。由此，成为对发动机启动装置10并联连接有2个电池50A、50B的状态。因此，由2个电池50A、50B供给起动电流，发动机启动装置10工作(S50)。
锂离子二次电池在低温状态下内部电阻变大，因此仅为第1电池50A时，有可能发动机启动性降低。但是，在本实施方式中，将2个电池50A、50B并联连接，由2个电池50A、50B来分担发动机的启动所需的起动电流。因此，与仅由第1电池50A负担起动电流的情况相比，发动机启动性提高，即便低温时，也能够确保与常温时等同的启动性。
4.效果说明
对于本实施方式的电源装置S，第1电池50A、第2电池50B这两者均为磷酸铁系的锂离子二次电池53A、53B，在SOC-OCV特性中具有平稳区域P。在平稳区域P内，即便在2个电池间存在SOC差，2个电池间的电压差Va－Vb也小。因此，将第1开关SW1从关闭切换到打开时，能够抑制因电池间的电压差Va－Vb而在第1开关SW1中流过大电流(横流)的情况。应予说明，横流表示因电压差Va－Vb而在2个电池间流过的电流。
另外，车辆ECU70在低温状态(T＜X)下启动发动机时，打开第1开关SW1将2个电池50A、50B并联连接，由2个电池50A、50B分担发动机启动所需的起动电流。因此，与仅由第1电池50A来负担起动电流的情况相比，发动机的启动性提高，能够确保与平常的情况同等的启动性。
另外，车辆ECU70在低温以外的状态(T≥X)下启动发动机时，关闭第1开关SW1而将第2电池50B与发动机启动装置10断开。因此，能够抑制随着发动机启动而第2电池50B的电压变动的情况，能够对电负载30、车辆ECU70供给电压变动小且稳定的电源。
另外，对于本实施方式的电源装置S，第1电池50A的实际容量为40Ah，第2电池50B的实际容量为20Ah，2个电池50A、50B的实际容量不同。以实际容量不同的2个电池50A、50B分开的状态使用时，存在2个电池间产生电压差Va－Vb的情况。通过对组合有实际容量不同的电池50A、50B的电源装置S应用本技术(在电池的蓄电元件中使用“在SOC-OCV特性中具有平坦区域的元件”的技术)，能够抑制2个电池间的电压差Va－Vb。因此，能够不用考虑电压差Va-Vb地时常进行第1开关SW1的切换。
＜另一实施方式＞
本发明不限定于由上述记载和附图说明的实施方式，例如以下这样的实施方式也包含在本发明的技术范围。
(1)本实施方式中，示出了由组电池51A、51B构成电池50A、50B的例子，但也可以由单电池单元，例如一个锂离子二次电池53A、53B构成电池50A、50B。
(2)本实施方式中，对于锂离子二次电池53A、53B的活性物质而言，正极为磷酸铁锂，负极为石墨。锂离子二次电池53A、53B只要是在SOC-OCV特性中具有平坦区域(平稳区域)的蓄电元件即可，活性物质的种类不限定于实施方式的例子。例如，也可以使正极活性物质为锰酸锂，使负极活性物质为钛酸锂。应予说明，只要是在SOC-OCV特性中具有平坦区域的蓄电元件，也可以使用锂离子二次电池以外的二次电池。
(3)另外，锂离子二次电池53A、53B的正极活性物质种类与负极活性物质种类各自相同时，SOC-OCV特性几乎一致，不易产生电压差。因此，优选使2个锂离子二次电池53A、53B的正极活性物质种类与负极活性物质种类各自相同。应予说明，作为活性物质种类，如果为正极，则可以选自磷酸铁锂、锰酸锂中的任一者，如果为负极，则可以选自石墨、钛酸锂中的任一者。
(4)本实施方式中，虽然示出了电池50A、50B的使用范围W的整体与平稳区域P重合的例子，但也可以为电池50A、50B的使用范围W中的至少一部分与平稳区域P重合的关系。此时，可以通过电流累积法等求出各电池50A、50B的SOC值，2个电池50A、50B都处于平稳区域P时，进行第1开关SW1的切换。
(5)本实施方式中，制成在电池的外部设有第1开关SW1的构成，但如图6所示，也可以将第1开关SW1内置于电池。应予说明，在图6中，内置于电池150A的开关SW1a、内置于电池150B的开关SW1b发挥图1的第1开关SW1的功能。
(6)本实施方式中，作为开关控制部的一个例子，例示了车辆ECU70，但也可以与车辆ECU70不同地专门设置开关控制部。另外，也可以制成使第1电池50A的监视部60A、第2电池50B的监视部60B负担开关控制部的功能的构成。
(7)本实施方式中，使阈值X为0℃，但也可以为0℃以外的温度。
(8)本实施方式中，在发动机启动时，在第1电池50A为低温的情况下，具体而言，在第1电池50A的温度T低于阈值X的情况下(S20：NO)，打开第1开关SW1将2个电池50A、50B并联连接(S40)。判断在发动机启动时将2个电池50A、50B并联连接与否的条件并不限定于第1电池50A的温度T，只要是与温度具有相关性的条件，也可以应用其它条件。例如，发动机启动时，也可以在第1电池50A的内部电阻大于规定阈值的情况、第1电池50A的电池电压Va低于规定阈值的情况等在仅为第1电池50A时发动机启动性容易降低的情况下，打开第1开关SW1而将2个电池50A、50B并联连接。
(9)另外，判断将2个电池50A、50B并联连接与否的条件未必限定于与温度有相关性的条件，例如，也可以使用与电池的劣化有相关性的条件。例如，发动机启动时，也可以在因第1电池50A的劣化所致的内部电阻的增加量大于规定阈值的情况等在仅为第1电池50A时发动机启动性容易降低的情况下，打开第1开关SW1将2个电池50A、50B并联连接。

Claims (7)

1.一种车辆的电源装置，具备：
具有第1蓄电元件的第1蓄电装置、
具有第2蓄电元件的第2蓄电装置、
对将所述第1蓄电装置与所述第2蓄电装置并联连接的状态和将所述第1蓄电装置与所述第2蓄电装置断开的状态之间进行切换的开关、以及
开关控制部，
其中，所述第1蓄电元件和所述第2蓄电元件两者均在SOC-OCV特性中具有平坦区域，
所述开关控制部在所述第1蓄电元件和所述第2蓄电元件在所述SOC-OCV特性中处于平坦区域时执行所述开关的从关闭到打开的切换。
2.根据权利要求1所述的车辆的电源装置，其中，所述第1蓄电装置与发动机启动装置连接，
所述开关控制部在发动机启动时满足规定条件的情况时，打开所述开关，将所述第1蓄电装置与所述第2蓄电装置并联连接。
3.根据权利要求2所述的车辆的电源装置，其中，满足所述规定条件的情况是指所述第1蓄电元件的温度低于阈值的情况、所述第1蓄电元件的内部电阻高于阈值的情况、所述第1蓄电元件的电压值低于阈值的情况中的任一种情况。
4.根据权利要求2或3所述的车辆的电源装置，其中，所述第2蓄电装置连接于与所述发动机启动装置不同的电负载，
所述开关控制部在发动机启动时不满足所述规定的条件的情况时，关闭所述开关，将所述第1蓄电装置与所述第2蓄电装置断开。
5.根据权利要求1或2所述的车辆的电源装置，其中，所述第1蓄电元件的正极活性物质种类与第2蓄电元件的正极活性物质种类相同，且第1蓄电元件的负极活性物质种类与第2蓄电元件的负极活性物质种类相同。
6.根据权利要求1或2所述的车辆的电源装置，其中，所述第1蓄电装置与所述第2蓄电装置的实际容量不同。
7.根据权利要求1或2所述的车辆的电源装置，其中，
所述开关位于在连接所述第1蓄电装置与所述第2蓄电装置的正极彼此的通电线路上，并且位于对所述通电线路的所述第1蓄电装置的连接点与所述第2蓄电装置的连接点之间。
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