JP2008312396A - 車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】異常時の制御をより確実かつ安全に行うことができる車両用電源システムを提供すること。
【解決手段】複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池１００の各単電池の電圧値を電圧測定手段ＶＭで測定し、組電池１００を流れる電流値を電流測定手段ＩＭで測定する。記憶手段ＭＭは、各単電池の正常動作時の電圧値に対する電流値の正常範囲を表す電圧−電流正常範囲テーブルを記憶している。第１の判定手段ＤＭ１は、電圧測定手段ＶＭで測定された電圧値に対して電流測定手段ＩＭで測定された電流値が記憶手段ＭＭに記憶されている電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを判定する。第１の判定手段ＤＭ１で電流値が電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、遮断手段ＢＭが、組電池１００から負荷への電力の供給を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両等の高圧電源を搭載する車両に使用される車両用電源システムに関するものである。

この種の車両用電源システムでは、従来、電圧検出値が異常時等においては、メインリレーをオフし、複数の単電池からなる高圧電源と負荷とを切り離す制御を行っている（たとえば、特許文献１参照。）。

図６は、従来の車両用電源システムの構成を示す概略ブロック図である。図６において、走行車両電源システムは、リチウム二次電池２、マイコン２０ａを有するリチウム電池制御部およびマイコン３０ａを有する車両用制御部を備えている。リチウム二次電池２を構成する各単電池は、各単電池の電圧を測定する電圧測定回路２５に接続されている。車両用制御部は、所定時間毎に、各単電池の電圧が単電池の安全使用可能な電圧上限値を超えたか否かを判定し、単電池のうち１つでも電圧上限値を超え異常電圧と判定したときに、スイッチＳＷ２をオフ状態とする。このようにして、異常電圧のときにリチウム二次電池２の充放電が遮断される。
特開２００４−３２８７１号公報（図２）

しかしながら、上述の車両用電源システムでは、電圧だけでの異常判定であり、これでは、電圧測定回路２５の異常によりその測定値が一定値に固着してしまった場合や、マイコン２０ａを有するリチウム電池制御部の異常によりスイッチＳＷ２をオフできない場合には、リチウム二次電池２を遮断することができず、リチウム二次電池２から電流が流れてしまい、リチウム二次電池２が過放電していく可能性がある。特に、リチウム二次電池２の場合、過放電、過充電時には、電池内部がショートし危険な状態に至る可能性がある。また、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した瞬間には、誤って異常と判断し、リチウム二次電池２の充放電が遮断されてしまう可能性がある。

そこで、本発明は、上記のような問題点に鑑みて、異常時の制御をより確実かつ安全に行うことができる車両用電源システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明の車両用電源システムは、図１の基本構成図に示すように、複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池１００と、前記組電池１００の各単電池の電圧値を測定する電圧測定手段ＶＭと、前記組電池１００を流れる電流値を測定する電流測定手段ＩＭと、前記各単電池の正常動作時の電圧値に対する電流値の正常範囲を表す電圧−電流正常範囲テーブルを記憶した記憶手段ＭＭと、前記電圧測定手段ＶＭで測定された電圧値に対して前記電流測定手段ＩＭで測定された電流値が前記記憶手段ＭＭに記憶されている前記電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを判定する第１の判定手段ＤＭ１と、前記第１の判定手段ＤＭ１で前記電流値が前記電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、前記組電池１００から前記負荷への電力の供給を遮断する遮断手段ＢＭとを備えていることを特徴とする。

請求項１記載の発明においては、車両用電源システムは、複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池１００の各単電池の電圧値を電圧測定手段ＶＭで測定し、組電池１００を流れる電流値を電流測定手段ＩＭで測定する。記憶手段ＭＭは、各単電池の正常動作時の電圧値に対する電流値の正常範囲を表す電圧−電流正常範囲テーブルを記憶している。第１の判定手段ＤＭ１は、電圧測定手段ＶＭで測定された電圧値に対して電流測定手段ＩＭで測定された電流値が記憶手段ＭＭに記憶されている電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを判定する。第１の判定手段ＤＭ１で電流値が電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、遮断手段ＢＭが、組電池１００から負荷への電力の供給を遮断する。それにより、組電池１００の過放電を防止できると共に、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した場合でも、誤って異常と判断することなく、異常時の制御をより確実かつ安全に行うことができる。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明の車両用電源システムは、図２の基本構成図に示すように、複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池１００と、前記組電池１００の各単電池の電圧値を測定する電圧測定手段ＶＭと、前記組電池１００を流れる電流値を測定する電流測定手段ＩＭと、前記電圧測定手段ＶＭで測定された電圧値の変化率を算出する電圧変化率算出手段ＶＲＭと、前記電流測定手段ＩＭで測定された電流値の変化率を算出する電流変化率算出手段ＩＲＭと、前記各単電池の正常動作時の電圧変化率に対する電流変化率の正常範囲を表す電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルを記憶した記憶手段ＭＭと、前記電圧変化率算出手段ＶＲＭで算出された前記電圧変化率に対して前記電流変化率算出手段ＩＲＭで算出された電流変化率が前記記憶手段ＭＭに記憶されている前記電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを判定する第２の判定手段ＤＭ２と、前記第２の判定手段ＤＭ２で前記電流変化率が前記電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、前記組電池１００から前記負荷への電力の供給を遮断する遮断手段ＢＭと、を備えていることを特徴とする。

請求項２記載の発明においては、車両用電源システムは、複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池１００の各単電池の電圧値を電圧測定手段ＶＭで測定し、組電池１００を流れる電流値を電流測定手段ＩＭで測定する。そして、電圧測定手段ＶＭで測定された電圧値の変化率を、電圧変化率算出手段ＶＲＭで算出し、電流測定手段ＩＭで測定された電流値の変化率を、電流変化率算出手段ＩＲＭで算出する。記憶手段ＭＭは、各単電池の正常動作時の電圧変化率に対する電流変化率の正常範囲を表す電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルを記憶している。電圧変化率算出手段ＶＲＭで算出された電圧変化率に対して電流変化率算出手段ＩＲＭで算出された電流変化率が、記憶手段ＭＭに記憶されている電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを第２の判定手段ＤＭ２で判定する。第２の判定手段ＤＭ２で電流変化率が電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、遮断手段ＢＭが、組電池１００から負荷への電力の供給を遮断する。それにより、組電池１００の過放電を防止できると共に、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した場合でも、誤って異常と判断することなく、異常時の制御をより確実かつ安全に行うことができる。

請求項１記載の発明によれば、組電池１００の電圧値および電流値を監視し、異常時には組電池１００から負荷への電力の供給を遮断手段ＢＭで遮断するように制御するので、組電池１００の過放電を防止できると共に、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した場合でも、誤って異常と判断することなく、異常時の制御をより確実かつ安全に行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、組電池１００の電圧変化率および電流変化率を監視し、異常時には組電池１００から負荷への電力の供給を遮断手段ＢＭで遮断するように制御するので、組電池１００の過放電を防止できると共に、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した場合でも、誤って異常と判断することなく、異常時の制御をより確実かつ安全に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）図３は、本発明の第１の実施形態に係る車両用電源システムの構成を示すブロック図である。ハイブリッド車両の電気回路は、１２Ｖバッテリで動作する低圧系回路と、高電圧で動作するモータ駆動用の高圧系回路とがあるが、この車両用電源システムは、ハイブリッド車両の高圧系回路に使用される。

車両用電源システムは、複数の単電池が直列接続された組電池１００と、組電池１００の正極および負極と負荷としてのモータジェネレータ（図示しない）の間にそれぞれ接続されたメインリレーＭＲ１およびＭＲ２と、組電池１００を流れる電流を検出する電流センサＩＳと、電池監視ユニット２００とから構成されている。

組電池１００の中間位置には、サービスプラグユニット３００が接続されている。サービスプラグユニット３００は、組電池１００と直列接続されるサービスプラグＳＰおよび高圧ヒューズＨＦと、インターロックスイッチＳＷとを備えている。

サービスプラグＳＰは、取り外し可能な部材であり、メンテナンス作業者が誤って高圧系回路に触れても感電しないように、メンテナンス時に取り外して組電池１００を高圧系回路から遮断して作業をすることができるものである。また、インターロックスイッチＳＷは、リードスイッチからなり、サービスプラグＳＰを取り外した際にオフとなって、オフ信号を上位システム（図示しない）に送るものである。上位システムは、インターロックスイッチＳＷからオフ信号が送信されたときは、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２をオフとして、組電池１００の高圧電源を遮断するように制御し、メンテナンス作業者の安全を確保する。

電池監視ユニット２００は、たとえば、制御プログラムやデータが格納されたＲＯＭと一時的にデータを記憶するＲＡＭと制御プログラムを実行するＣＰＵからなるマイクロコンピュータで構成される。電池監視ユニット２００は、組電池１００を構成する各単電池の正極および負極に接続された入力ポートと、電流センサＩＳに接続された入力ポートと、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２に接続された出力ポートを有し、組電池１００の各単電池の電圧と、組電池１００を流れる電流とを監視し、異常時にはメインリレーＭＲ１およびＭＲ２をオフになるように制御する。

次に、上述の構成を有する車両用電源システムの電池監視ユニット２００において、ＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがってＣＰＵが行う異常検出処理について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。

電池監視ユニット２００のＣＰＵは、図示しない電源の投入によってその動作を開始し、常時（イグニッションスイッチオフ時、アクセサリスイッチオフ時を含む）、モータジェネレータ側へ放電したりモータジェネレータ側から充電されたりする組電池１００を監視し、組電池１００を構成する各単電池の正極および負極に接続された入力ポートから入力される各単電池の電圧値を所定の計測タイミング毎に測定して検出する（ステップＳ１）。次に、電流センサＩＳに接続された入力ポートから入力される、組電池１００を流れる電流値を測定して検出する（ステップＳ３）。

次に、ステップＳ１で検出された電圧値に対してステップＳ３で検出された電流値が正常範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定は、予め設定されて電池監視ユニット２００の電気的に書き換え可能なＲＯＭ（記憶手段）に格納されている、単電池の電圧に対する電流の正常範囲を表す電圧−電流正常範囲テーブルを参照して行われる。

この電圧−電流正常範囲テーブルは、組電池１００を構成する単電池に関して予め測定されたそのＳＯＣ（充電状態）毎または劣化度毎の電流値−電圧値特性（Ｉ−Ｖ特性）に基づき、各単電池毎の特性バラツキを考慮して推定された各電圧値に対する電流値の正常範囲を示すテーブルである。各単電池の特性は、単電池を構成する材料バラツキ、寸法バラツキ、周囲温度等に起因するバラツキが発生し、この特性バラツキは、事前に材料、寸法等の各要素のバラツキを考慮し推定することができ、その推定結果に基づいて電流値の正常範囲を決めることができる。

検出された電圧値に対して、検出された電流値が正常範囲にあれば、次いでステップＳ１に戻る。検出された電圧値に対して、検出された電流値が正常範囲になければ、あるいは検出された電圧値に該当する電圧が電圧−電流正常範囲テーブルになければ、異常であると認識して次いで、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２に接続された出力ポートから制御信号を出力し、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２をオフとなるように制御する（ステップＳ７）。

電流値や電圧値が異常となる原因としては、単電池の構成部品である電極、電解液、電解質等の劣化や、電圧値の測定系の異常や、電流値の測定系の異常などがあり、いずれの異常が発生した場合でも、電源システムとしては異常であるので、電源システムを停止させる必要がある。

以上の説明から明らかなように、図４のステップＳ１は、請求項における電圧測定手段ＶＭに対応し、ステップＳ３は、請求項における電流測定手段ＩＭに対応し、ステップＳ５は、請求項における第１の判定手段ＤＭ１に対応し、ステップＳ７は、請求項における遮断手段ＢＭに対応している。また、電池監視ユニット２００のＲＯＭは、請求項における記憶手段に対応している。

このように、本実施形態によれば、組電池１００の電圧値および電流値を監視し、異常時にはメインリレーＭＲ１およびＭＲ２をオフとなるように制御するので、組電池１００の過放電や過充電を防止できると共に、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した場合でも、電圧値に対してその電流値が正常範囲内にあるのであれば誤って異常と判断することなく、異常時の制御をより確実にでき、上位システムとの二重系で安全に遮断することができる。また、電池監視ユニット２００のＣＰＵは、図示しない電源の投入によってその動作を開始し、常時（イグニッションスイッチオフ時、アクセサリスイッチオフ時を含む）、組電池１００を監視し、組電池１００の電圧、電流の異常時にはメインリレーＭＲ１およびＭＲ２を遮断するため、サービスプラグユニット３００内の高圧ヒューズＨＦを削除することが可能となる。

（第２の実施形態）上述の第１の実施形態では、組電池１００の電圧値および電流値を監視して異常時の処理を行っているが、本実施形態では、時間に対して電圧の変化率に対する電流の変化率を監視して異常の有無を判定し、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２を遮断する制御を行う。明らかな異常例としては、電圧値が一定であるのに、電流値が大幅に変動している場合等がある。

以下、本実施形態の電池監視ユニット２００において、ＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがってＣＰＵが行う異常検出処理について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

電池監視ユニット２００のＣＰＵは、図示しない電源の投入によってその動作を開始し、常時（イグニッションスイッチオフ時、アクセサリスイッチオフ時を含む）、モータジェネレータ側へ放電したりモータジェネレータ側から充電されたりする組電池１００を監視し、組電池１００を構成する各単電池の正極および負極に接続された入力ポートから入力される各単電池の電圧値を所定の計測タイミング毎に測定して検出する（ステップＳ１１）。次に、電流センサＩＳに接続された入力ポートから入力される、組電池１００を流れる電流値を所定の計測タイミング毎に測定して検出する（ステップＳ１３）。

次に、前回の計測タイミング時に検出された電圧値と今回の計測タイミング時に検出された電圧値とに基づいて、電圧変化率α（＝ｄＶ／ｄｔ）を計算して求める（ステップＳ１５）。次に、前回の計測タイミング時に検出された電流値と今回の計測タイミング時に検出された電流値とに基づいて、電流変化率β（＝ｄＩ／ｄｔ）を計算して求める（ステップＳ１７）。

次に、ステップＳ１５で求められた電圧変化率に対するステップＳ１７で求められた電流変化率が正常範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１９）。この判定は、予め設定されて電池監視ユニット２００の電気的に書き換え可能なＲＯＭ（記憶手段）に格納されている、単電池の電圧変化率に対する電流変化率の正常範囲を表す電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルを参照して行われる。

求められた電圧変化率に対して、求められた電流変化率が正常範囲にあれば、次いでステップＳ１１に戻る。求められた電圧変化率に対して、求められた電流変化率が正常範囲になければ、あるいは、求められた電圧変化率に該当する電圧変化率が電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルになければ、次いで、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２に接続された出力ポートから制御信号を出力し、メインリレーＭＲ１およびＭＲ２をオフとなるように制御する（ステップＳ２１）。

以上の説明から明らかなように、図５のステップＳ１１は、請求項における電圧測定手段ＶＭに対応し、ステップＳ１３は、請求項における電流測定手段ＩＭに対応し、ステップＳ１５は、請求項における電圧変化率算出手段ＶＲＭに対応し、ステップＳ１７は、請求項における電流変化率算出手段ＩＲＭに対応し、ステップＳ１９は、請求項における第２の判定手段ＤＭ２に対応し、ステップＳ２１は、請求項における遮断手段ＢＭに対応している。

このように、本実施形態によれば、組電池１００の電圧変化率および電流変化率を監視し、異常時にはメインリレーＭＲ１およびＭＲ２をオフとなるように制御するので、組電池１００の過放電や過充電を防止できると共に、大電流が流れることによって電池電圧が大きく変動した場合でも、誤って異常と判断することなく、異常時の制御をより確実にでき、上位システムとの二重系で安全に遮断することができる。また、電池監視ユニット２００のＣＰＵは、図示しない電源の投入によってその動作を開始し、常時（イグニッションスイッチオフ時、アクセサリスイッチオフ時を含む）、組電池１００を監視し、組電池１００の電圧変化率、電流変化率の異常時にはメインリレーＭＲ１およびＭＲ２を遮断するため、サービスプラグユニット３００内の高圧ヒューズＨＦを削除することが可能となる。

個別の単電池は充放電特性がほぼ決まっており、たとえば定格容量、満充電電圧、放電終止電圧により電圧と電流の変化率は決まっている。つまり、第１の実施形態における電圧および電流の絶対値比較の場合でも、第２の実施形態における変化率比較の場合でも、電流が流れれば電池の特性により電圧の変化を計算により推定できる。システムの安全性を確保するため、通常は流すことができる電流の最大値を決めているので、電流の最大値が決まっていれば電圧の変化の最大値も必然的に決まり、絶対値でも変化率でも、正常／異常を判定するしきい値として設定することができる。

以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の実施の形態では、各単電池の正常動作時の電圧値に対する電流値の正常範囲を表す電圧−電流正常範囲テーブルに基づいて、異常を検出しているが、組電池１００の正常動作時の端子電圧値に対する電流値の正常範囲を表す端子電圧−電流正常範囲テーブルに基づいて、異常を検出するようにしても良い。

また、上述の実施の形態では、電圧−電流正常範囲テーブルは、ＳＯＣ（充電状態）毎または劣化度毎に測定されたものとしているが、これに代えて組電池１００の周囲温度を検出する温度センサ（温度検出手段）をさらに備え、周囲温度毎に測定されたものとしても良い。

また、上述の実施の形態では、異常を検出するための各構成要素がすべて高圧系回路に含まれている場合について説明したが、他の実施例として、各構成要素を高圧系回路と低圧系回路に分散させて、両者の間で制御信号のやり取りをするように構成しても良い。たとえば、電圧測定手段ＶＭ、電流測定手段ＩＭ、遮断手段ＢＭ、温度検出手段等が高圧系回路に備えられ、記憶手段ＭＭ、第１の判定手段ＤＭ１が低圧系回路に備えられるようにしても良い。

本発明の車両用電源システムの基本構成を示す基本構成図である。 本発明の車両用電源システムの基本構成を示す基本構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る車両用電源システムの構成を示すブロック図である。（第１の実施形態） 図３の車両用電源システムにおける異常検出処理を示すフローチャートである。（第１の実施形態） 図３の車両用電源システムにおける異常検出処理を示すフローチャートである。（第２の実施形態） 従来の車両用電源システムの構成を示す概略ブロック図である。

符号の説明

ＶＭ 電圧測定手段（電池監視ユニット２００のＣＰＵ）
ＶＲＭ 電圧変化率算出手段（電池監視ユニット２００のＣＰＵ）
ＩＭ 電流測定手段（電流センサＩＳ、電池監視ユニット２００のＣＰＵ）
ＩＲＭ 電流変化率算出手段（電池監視ユニット２００のＣＰＵ）
ＤＭ１ 第１の判定手段（電池監視ユニット２００のＣＰＵ）
ＤＭ２ 第２の判定手段（電池監視ユニット２００のＣＰＵ）
ＭＭ 記憶手段（電池監視ユニット２００のＲＯＭ）
ＢＭ 遮断手段（電池監視ユニット２００のＣＰＵ、メインリレーＭＲ１，ＭＲ２）
１００ 組電池

Claims (2)

1. 複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池と、
   前記組電池の各単電池の電圧値を測定する電圧測定手段と、
   前記組電池を流れる電流値を測定する電流測定手段と、
   前記各単電池の正常動作時の電圧値に対する電流値の正常範囲を表す電圧−電流正常範囲テーブルを記憶した記憶手段と、
   前記電圧測定手段で測定された電圧値に対して前記電流測定手段で測定された電流値が前記記憶手段に記憶されている前記電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを判定する第１の判定手段と、
   前記第１の判定手段で前記電流値が前記電圧−電流正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、前記組電池から前記負荷への電力の供給を遮断する遮断手段と、
   を備えていることを特徴とする車両用電源システム。
2. 複数の単電池が直列接続され、負荷に電力を供給する組電池と、
   前記組電池の各単電池の電圧値を測定する電圧測定手段と、
   前記組電池を流れる電流値を測定する電流測定手段と、
   前記電圧測定手段で測定された電圧値の変化率を算出する電圧変化率算出手段と、
   前記電流測定手段で測定された電流値の変化率を算出する電流変化率算出手段と、
   前記各単電池の正常動作時の電圧変化率に対する電流変化率の正常範囲を表す電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルを記憶した記憶手段と、
   前記電圧変化率算出手段で算出された前記電圧変化率に対して前記電流変化率算出手段で算出された電流変化率が前記記憶手段に記憶されている前記電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルの正常範囲内にあるか否かを判定する第２の判定手段と、
   前記第２の判定手段で前記電流変化率が前記電圧変化率−電流変化率正常範囲テーブルの正常範囲内にあると判定されなかった場合に、前記組電池から前記負荷への電力の供給を遮断する遮断手段と、
   を備えていることを特徴とする車両用電源システム。

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