JP2018085803A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】組電池と車両用負荷との間に設置された電流計の出力信号に基づいて組電池と車両用負荷との間の電流値を取得する電源システムにおいて、廉価な電流計を用いた場合であっても、正確な電流値を取得可能とする。【解決手段】メインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２がオフ状態での電流計３ａの出力信号と、メインコンタクタ２ｂがオフ状態であり、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２がオン状態での電流計３ａの出力信号に基づいて、電流計３ａのゲイン特性とオフセット誤差とを求め、ゲイン特性及びオフセット誤差に基づいて電流値を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関するものである。

周知のように、自動車等の車両に対しては、バッテリやモータが搭載されている。例えば、特許文献１に示すように、バッテリとモータ等の車両用負荷との間に流れる電流は、電流計によって計測され、当該電流値を示す出力信号が電流計から出力される。このような電流計からの出力信号は、車両に搭載されたバッテリＥＣＵに入力される。バッテリＥＣＵでは、入力された電流計の出力信号が示す電圧値をバッテリとモータ等の車両用負荷との間に流れる電流値に置き換えることで、当該電流値を取得する。

ところが、電流計の個体差等に起因して、バッテリと車両用負荷との間の電流値に対する出力信号の電圧値が本来の値からずれる場合がある。このような場合には、電流計から本来の電流値を示さない電圧値の出力信号が出力されることになるため、バッテリＥＣＵ側で正確な電流値を取得することができなくなる。そこで、特許文献１では、オフセット誤差検出回路を備え、オフセット誤差検出回路で検出したオフセット誤差に基づく補正を行うことで、より正確な電流値を取得可能としている。

特開２００５−９１１８５号公報

しかしながら、廉価な電流計を用いた場合には、オフセット誤差のみではなくてゲイン誤差が大きく、オフセット誤差に基づく補正のみでは、正確な電流値を取得することができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、直流電源と車両用負荷との間に設置された電流計の出力信号に基づいて直流電源と車両用負荷との間の電流値を取得する電源システムにおいて、廉価な電流計を用いた場合であっても、正確な電流値を取得可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、直流電源の一方の出力端と車両用負荷との間に設けられる第１開閉器と、上記直流電源の他方の出力端と上記車両用負荷との間に設けられる第２開閉器と、一端が上記第１開閉器と上記車両用負荷との間に接続されると共に他端が上記第２開閉器と上記車両用負荷との間に接続される平滑コンデンサと、上記第１開閉器をバイパスすると共に、直列接続される抵抗器と第３開閉器とを有するプリチャージ回路と、上記直流電源と上記車両用負荷との間に設置される電流計と、上記電流計の出力信号に基づいて上記直流電源と上記車両用負荷との間に流れる電流値を求める電流検出部とを備える電源システムであって、上記電流検出部が、上記第１開閉器、上記第２開閉器及び上記第３開閉器がオフ状態での上記電流計の出力信号である第１出力信号を取得し、上記第２開閉器がオフ状態であり、上記第２開閉器及び上記第３開閉器がオン状態での電流計の出力信号である第２出力信号を取得し、上記第１出力信号及び上記第２出力信号に基づいて上記電流計のゲイン特性とオフセット誤差とを求め、上記ゲイン特性及び上記オフセット誤差に基づいて上記電流値を求めるという構成を採用する。

本発明によれば、第１開閉器、第２開閉器及び第３開閉器がオフ状態での電流計の出力信号（第１出力信号）と、第１開閉器がオフ状態であり、第２開閉器及び第３開閉器がオン状態での電流計の出力信号（第２出力信号）に基づいて、電流計のゲイン特性とオフセット誤差とを求め、ゲイン特性及びオフセット誤差に基づいて電流値を求める。つまり、本発明によれば、オフセット誤差のみならず、電流計のゲイン特性を考慮して電流値を求める。このため、本発明によれば、直流電源と車両用負荷との間に設置された電流計の出力信号に基づいて直流電源と車両用負荷との間の電流値を取得する電源システムにおいて、廉価な電流計を用いた場合であっても、正確な電流値を取得することができる。

本発明の一実施形態における電源システムの機能構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電源システムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の電源システム１の機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、本実施形態の電源システム１は、電源装置２と、電源制御装置３とを備えている。電源装置２は、ハイブリッドカー、燃料電池車、電気自動車等の自動車に搭載されるものであり、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の直流電源を電力源とする。この電源装置２は、図１に示すように、組電池２ａ（直流電源）、メインコンタクタ２ｂ（第１開閉器）、サブコンタクタ２ｃ（第２開閉器）、平滑コンデンサ２ｄ、及びプリチャージ回路２ｅを備えており、インバータや走行モータを含む車両用負荷Ｌに電力を供給する。

組電池２ａは、複数の電池セルｂ１〜ｂｎが直列接続されたものであり、一対の出力端子つまりプラス端子Ｐ１とマイナス端子Ｐ２とを備えている。この組電池２ａは、プラス端子Ｐ１（一方の出力端）に接続されたメインコンタクタ２ｂ及びマイナス端子Ｐ２（他方の出力端）に接続されたサブコンタクタ２ｃを介して車両用負荷Ｌに直流電力を供給する。

各電池セルｂ１〜ｂｎは、不図示のＣＩＤ（Current Interrupt Device）と称する遮断素子を各々備えており、内圧が異常な高圧になると電池セルｂ１〜ｂｎの出力端（プラス端及びマイナス端）の一方を機械的に開放する。このようなＣＩＤが作動して電池セルｂ１〜ｂｎの出力端の一方が開放されると、組電池２ａは外部に直流電力を供給し得ない状態となると共に、出力電圧が所定の正常電圧範囲を逸脱して過電圧となる。

メインコンタクタ２ｂは、励磁コイルへの駆動電流の通電によって開閉する開閉器である。このメインコンタクタ２ｂは、電源制御装置３の後述のコンタクタ駆動部３ｂ２から入力される駆動電流に基づいて励磁コイルが発生する磁力の作用で可動片を変位させることにより、一対の接点を接続状態あるいは非接続状態とするものである。このようなメインコンタクタ２ｂは、一方の接点が組電池２ａのプラス端子Ｐ１に接続され、他方の接点が車両用負荷Ｌの第１入力端に接続されている。

サブコンタクタ２ｃは、上記メインコンタクタ２ｂと同様な構成を有しており、励磁コイルへの駆動電流の通電によって開閉する開閉器である。このサブコンタクタ２ｃも、電源制御装置３の後述のコンタクタ駆動部３ｂ２から励磁コイルに供給される駆動電流に基づいて作動するものであり、一方の接点が組電池２ａのマイナス端子Ｐ２に接続され、他方の接点が車両用負荷Ｌの第２入力端に接続されている。

このようなメインコンタクタ２ｂ及びサブコンタクタ２ｃは、組電池２ａから車両用負荷Ｌへの給電をオン／オフする給電スイッチである。平滑コンデンサ２ｄは、メインコンタクタ２ｂの他方の接点とサブコンタクタ２ｃの他方の接点との間に設けられている。平滑コンデンサ２ｄは、一端がメインコンタクタ２ｂと車両用負荷Ｌとの間に接続され、他端がサブコンタクタ２ｃと車両用負荷Ｌとの間に接続されている。この平滑コンデンサ２ｄは、メインコンタクタ２ｂ及びサブコンタクタ２ｃを介して組電池２ａから車両用負荷Ｌに供給される直流電力の電圧を安定化させるためのものである。

プリチャージ回路２ｅは、直列接続されたプリチャージ抵抗２ｅ１（抵抗器）及びプリチャージコンタクタ２ｅ２（第３開閉器）を有する回路であり、電源システム１の起動時にメインコンタクタ２ｂよりも先にプリチャージコンタクタ２ｅ２がオンとなることで、平滑コンデンサ２ｄに予め電荷をチャージする。このプリチャージ回路２ｅは、メインコンタクタ２ｂをバイパスするようにして、一端がメインコンタクタ２ｂと組電池２ａとの間に接続され、他端がメインコンタクタ２ｂと車両用負荷Ｌとの間に接続されている。プリチャージ抵抗２ｅ１は、プリチャージ回路２ｅに流れる電流量を規定する。

プリチャージコンタクタ２ｅ２は、励磁コイルへの駆動電流の通電によって開閉する開閉器である。このプリチャージコンタクタ２ｅ２は、電源制御装置３の後述のコンタクタ駆動部３ｂ２から入力される駆動電流に基づいて励磁コイルが発生する磁力の作用で可動片を変位させることにより、一対の接点を接続状態あるいは非接続状態とするものである。このようなプリチャージコンタクタ２ｅ２は、一方の接点が組電池２ａのプラス端子Ｐ１に接続され、他方の接点が車両用負荷Ｌの第１入力端に接続されている。

電源制御装置３は、このような電源装置２を制御対象するものであり、電源装置２を制御することにより車両用負荷Ｌのインバータに直流電力を供給させる。このような電源制御装置３は、電流計３ａ、バッテリＥＣＵ３ｂを備えている。

電流計３ａは、組電池２ａのプラス端子Ｐ１とメインコンタクタ２ｂの一方の接点との間に設けられており、組電池２ａからメインコンタクタ２ｂに流れる電流値を検出し、この電流値を示す電圧の信号（出力信号）を出力する。

バッテリＥＣＵ３ｂは、所定の制御プログラム、各電池セルｂ１〜ｂｎから入力される出力端の電圧、電流計３ａの出力信号、また外部から入力される制御指令等に基づいてメインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２を制御する制御装置である。このバッテリＥＣＵ３ｂは、上記制御プログラムを記憶する記憶部、制御プログラムを実行する演算部及び相互接続された外部要素と信号の授受を行うインターフェース部等をハードウェアとして備えている。

また、本実施形態においてバッテリＥＣＵ３ｂは、上記ハードウェアと制御プログラムによって具現化される主制御部３ｂ１と、コンタクタ駆動部３ｂ２と、ゲイン算出部３ｂ３と、オフセット誤差算出部３ｂ４と、電流値算出部３ｂ５とを有している。

主制御部３ｂ１は、各電池セルｂ１〜ｂｎから入力される出力端の電圧、外部から入力される制御指令、及び電流値算出部３ｂ５から入力される電流値に基づいて、メインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２のオン／オフ状態を判断し、この判断結果を示す指令信号をコンタクタ駆動部３ｂ２に入力する。また、本実施形態において主制御部３ｂ１は、イグニッションスイッチがオンにされ、電源システム１が起動されると、補正式算出処理を行う。この補正式算出処理は、後に詳細に説明するが、誤差を含む電流計３ａの出力信号から誤差を取り除いて正確な電流値を取得するための補正式を求めるための処理である。

コンタクタ駆動部３ｂ２は、主制御部３ｂ１から入力される指令信号に基づいて、メインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２の開閉を行う。ゲイン算出部３ｂ３は、補正式算出工程において、電流計３ａの出力信号から電流計３ａのゲイン特性を求める。オフセット誤差算出部３ｂ４は、補正式算出工程において、電流計３ａの出力信号から電流計３ａのオフセット誤差を求める。電流値算出部３ｂ５は、補正式算出工程において、ゲイン算出部３ｂ３で求められたゲイン特性と、オフセット誤差算出部３ｂ４で求められたオフセット誤差に基づいて、上述の補正式を求める。また、電流値算出部３ｂ５は、補正式算出工程後において、補正式に基づいて電流計３ａの出力信号が示す電流値を補正し、補正後の電流値を主制御部３ｂ１に入力する。

このような構成の本実施形態の電源システム１では、イグニッションスイッチがオンにされることで起動されると、主制御部３ｂ１の制御の下、補正式算出工程が行われる。この補正式算出工程では、主制御部３ｂ１は、最初に、コンタクタ駆動部３ｂ２にメインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ、及びプリチャージコンタクタ２ｅ２をオフ状態とさせる。そして、主制御部３ｂ１は、この時の電流計３ａの出力信号（第１出力信号）の電圧（以下、第１検出値と称する）をゲイン算出部３ｂ３に記憶させる。

次に、主制御部３ｂ１は、コンタクタ駆動部３ｂ２にメインコンタクタ２ｂをオフ状態、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２をオン状態とさせる。そして、主制御部３ｂ１は、この時の電流計３ａの出力信号（第２出力信号）の電圧（以下、第２検出値と称する）をゲイン算出部３ｂ３及びオフセット誤差算出部３ｂ４に記憶させる。

ゲイン算出部３ｂ３は、ゲイン特性を算出するときに、まず起動時における電流計３ａの設置位置でのピーク電流を計算により算出する。電源システム１の起動後に、メインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ、及びプリチャージコンタクタ２ｅ２がオフ状態から、メインコンタクタ２ｂがオフ状態、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２がオン状態に切り替えられた場合には、平滑コンデンサ２ｄに電荷がチャージされていないため、平滑コンデンサ２ｄが電荷を十分に蓄えるまでの一定時間、電流計３ａの設置位置には電流が流れる。この電流は、平滑コンデンサ２ｄが０Ｖのときに最も大きくなるため、ゲイン算出部３ｂ３は、平滑コンデンサ２ｄが０Ｖのときに流れる電流値をピーク電流として求める。

ゲイン算出部３ｂ３は、主制御部３ｂ１から電池セルｂ１〜ｂｎの合計電圧を取得し、予め記憶されているプリチャージ回路２ｅのプリチャージ抵抗２ｅ１の抵抗値に基づいて、例えば下式によりピーク電流を算出する。
（［合計電圧］−［平滑コンデンサ電圧］）／「抵抗値」＝「ピーク電流」

例えば、電池セルｂ１〜ｂｎの合計電圧が４８０（Ｖ）、プリチャージ抵抗２ｅ１の抵抗値が４０（Ω）である場合には、ピーク電流が流れる際の平滑コンデンサ電圧が０（Ｖ）であることから、ピーク電流は１２（Ａ）であると計算される。

続いて、ゲイン算出部３ｂ３は、上述のピーク電流と、第１検出値及び第２検出値に基づいて、例えば下式によりゲイン特性を算出する。
（［ピーク電流］−［全コンタクタオフ時の電流］）／（［第２検出値］−［第１検出値］）＝ゲイン特性

例えば、第１検出値が２．７（Ｖ）、第２検出値が３．７（Ｖ）である場合には、全コンタクタオフ時の電流は当然に０（Ａ）であることから、ゲイン特性は１２（Ａ／Ｖ）となる。

オフセット誤差算出部３ｂ４は、ゲイン算出部３ｂ３で求められたゲイン特性と、第１検出値とに基づいて、例えば下式によりオフセット誤差を算出する。
［全コンタクタオフ時の電流］−［ゲイン特性］×［第１検出値］＝［オフセット誤差］

例えば、第１検出値が上述の２．７（Ｖ）であり、ゲイン特性が１２（Ａ／Ｖ）である場合には、全コンタクタオフ時の電流は当然に０（Ａ）であることから、オフセット誤差は、−３２．４（Ａ）となる。

電流値算出部３ｂ５は、ゲイン算出部３ｂ３で算出されたゲイン特性と、オフセット誤差算出部３ｂ４で求められたオフセット誤差に基づいて、例えば下式のような補正式を作成し、記憶する。
［ゲイン特性］×［電流計の出力電圧］−［オフセット誤差］＝［電流値］

このように補正式算出工程にて補正式が求まり、平滑コンデンサ２ｄへのチャージが完了した後、制御指令に基づいて主制御部３ｂ１は、コンタクタ駆動部３ｂ２にメインコンタクタ２ｂ及びサブコンタクタ２ｃをオン状態、プリチャージコンタクタ２ｅ２をオフ状態とさせる。このとき、電流計３ａの出力信号（電流計３ａの出力電圧）は、電流値算出部３ｂ５に入力される。電流値算出部３ｂ５は、上述のように求めた補正式に当てはめて正確な電流値を算出して主制御部３ｂ１に入力する。そして、主制御部３ｂ１は、入力された電流値に基づいて様々な制御を行う。

例えば、ゲイン特性が１２（Ａ／Ｖ）であり、オフセット誤差が−３２．４（Ａ）であり、電流計３ａの出力電圧が２．７（Ｖ）である場合には、電流値は０（Ａ）となる。一方、ゲイン特性が１２（Ａ／Ｖ）であり、オフセット誤差が−３２．４（Ａ）であり、電流計３ａの出力電圧が３．７（Ｖ）である場合には、電流値は１２（Ａ）となる。

このような本実施形態の電源システム１によれば、バッテリＥＣＵ３ｂが本発明の電流検出部として機能して、正確な電流値を求める。より詳細には、本実施形態の電源システム１では、メインコンタクタ２ｂ、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２がオフ状態での電流計３ａの出力信号（第１出力信号）と、メインコンタクタ２ｂがオフ状態であり、サブコンタクタ２ｃ及びプリチャージコンタクタ２ｅ２がオン状態での電流計３ａの出力信号（第２出力信号）に基づいて、電流計３ａのゲイン特性とオフセット誤差とを求め、ゲイン特性及びオフセット誤差に基づいて電流値を求める。つまり、本実施形態の電源システム１によれば、オフセット誤差のみならず、電流計３ａのゲイン特性を考慮して電流値を求める。このため、本実施形態の電源システム１によれば、廉価な電流計を用いた場合であっても、正確な電流値を取得することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、メインコンタクタ２ｂをバイパスするようにプリチャージ回路２ｅを設ける構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、サブコンタクタ２ｃをバイパスするようにプリチャージ回路２ｅを設けるようにしても良い。

１……電源システム、２……電源装置、２ａ……組電池（直流電源）、２ｂ……メインコンタクタ（第１開閉器）、２ｃ……サブコンタクタ（第２開閉器）、２ｄ……平滑コンデンサ、２ｅ……プリチャージ回路、２ｅ１……プリチャージ抵抗（抵抗器）、２ｅ２……プリチャージコンタクタ（第３開閉器）、３……電源制御装置、３ａ……電流計、３ｂ１……主制御部、３ｂ２……コンタクタ駆動部、３ｂ３……ゲイン算出部、３ｂ４……オフセット誤差算出部、３ｂ５……電流値算出部、Ｌ……車両用負荷

Claims (1)

1. 直流電源の一方の出力端と車両用負荷との間に設けられる第１開閉器と、
   前記直流電源の他方の出力端と前記車両用負荷との間に設けられる第２開閉器と、
   一端が前記第１開閉器と前記車両用負荷との間に接続されると共に他端が前記第２開閉器と前記車両用負荷との間に接続される平滑コンデンサと、
   前記第１開閉器をバイパスすると共に、直列接続される抵抗器と第３開閉器とを有するプリチャージ回路と、
   前記直流電源と前記車両用負荷との間に設置される電流計と、
   前記電流計の出力信号に基づいて前記直流電源と前記車両用負荷との間に流れる電流値を求める電流検出部と
   を備える電源システムであって、
   前記電流検出部は、
   前記第１開閉器、前記第２開閉器及び前記第３開閉器がオフ状態での前記電流計の出力信号である第１出力信号を取得し、
   前記第１開閉器がオフ状態であり、前記第２開閉器及び前記第３開閉器がオン状態での電流計の出力信号である第２出力信号を取得し、
   前記第１出力信号及び前記第２出力信号に基づいて前記電流計のゲイン特性とオフセット誤差とを求め、
   前記ゲイン特性及び前記オフセット誤差に基づいて前記電流値を求める
   ことを特徴とする電源システム。

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