JP5924135B2

JP5924135B2 - 電流積算装置

Info

Publication number: JP5924135B2
Application number: JP2012122982A
Authority: JP
Inventors: 勇悟茂木; 剛史渡邊
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013251940A

Description

本発明は、車両用バッテリの充放電電流を電流センサに基づいて算出する電流積算装置に関する。

電流センサにより検出した充放電電流の積算値を用いて、バッテリの充電状態（バッテリＳＯＣ）を算出することが一般的に行われている。例えば、特許文献１では、オルタネータ機能とモータ機能を併せ持つ電動機を備え、アイドルストップからの復帰時には電動機を用いて機関始動する車両において、充放電電流の積算値を用いて算出したバッテリＳＯＣに基づいてアイドルストップ制御の実行の可否を判断している。

特開２００３−２６９２１３号公報

ところで、バッテリの充放電電流は、車両走行時には数十アンペア程度であるのに対し、電動機のモータ機能を用いる場合には数百アンペアまで増大する。そこで、アイドルストップからの復帰時に電動機のモータ機能を用いる車両において、充放電電流の積算値を算出しようとすると、電動機作動時の電流値まで検出可能な、測定可能範囲の広い電流センサが必要となる。

しかし、上記のような測定可能範囲の広い電流センサでは、電動機非作動時の電流値のように全測定可能範囲に対して小さい電流値についての分解能が低くなり、検出精度が低下する。一方、電動機作動時の電流値が測定可能範囲内に含まれ、かつ、車両走行時の電流値変動範囲についても高い分解能を有する電流センサを用いると、コストアップを招来することになる。このような検出精度やコストアップの問題について、特許文献１には何ら記載されていない。なお、上記の問題が生じるのは、アイドルストップからの復帰時に限られるものではなく、電動機のモータ機能を用いれば生じ得るものである。

そこで本発明では、モータとしても使用可能な電動機を備える車両において、電流積算値を精度良く算出し、かつ、コストアップを回避し得る電流積算装置を提供することを目的とする。

本発明の電流積算装置は、内燃機関の駆動軸に機械的に連結され、内燃機関をトルクアシストするために作動する電動機と、電動機に電力を供給する第１バッテリと、トルクアシスト実行中に電動機以外の電気負荷に電力を供給する第２バッテリを備える車両において電流積算値を算出する。また、当該車両は、トルクアシスト非実行時には第１バッテリと第２バッテリを並列接続し、トルクアシストの実行時には並列接続を解除するリレーと、トルクアシスト実行時に並列接続を解除してから徐々に電動機の発生トルクを増大させる電動機制御手段とを備える。そして、電流積算装置は、第１バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出値を積算することで第１バッテリの電流積算値を算出する電流積算値算出手段を備える。さらに、電流積算装置はトルクアシスト実行中に流れる電流検出手段の測定可能範囲を超える分の電流値を補正用電流値として予め記憶しておき、トルクアシストを実行する際には補正用電流値に基づいて電流積算値を補正する電流値補正手段を備える。

本発明によれば、トルクアシストを実行する際に補正用電流値に基づいて電流積算値を補正するので、トルクアシスト時の大電流を検出できない電流検出手段を使用する場合でも、第１バッテリの電流積算値を精度良く算出することができる。その結果、電流検出手段のコスト低減とバッテリ電流積算値の算出精度向上の効果が得られる。

図１は、本発明の実施形態に係るシステムの構成図である。図２は、トルクアシスト実行の許否判定用ルーチンのフローチャートである。図３は、電動機が発生するアシストトルクのタイムチャートである。図４は、電流積算値演算ルーチンのフローチャートである。図５は、電流積算値演算ルーチンのフローチャートの他の例である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用の電装システムの構成図である。

本システムは、主に電動機１、スタータ２、及び第１電気負荷群９に電力を供給するメインバッテリ３と、主に第２電気負荷群１０に電力を供給するサブバッテリ４と、前述した各電装品の制御を行なうコントローラ（ＥＣＭ）６を備える。

電動機１は、回転軸が図示しない内燃機関のクランクシャフトとベルト等を用いて機械的に連結されている。また、電動機１はインバータを備えており、メインバッテリ３から供給された電力により駆動するモータ機能と、図示しない内燃機関の駆動力により駆動して発電する発電機能を有する。モータ機能と発電機能の切り換えは、ＥＣＭ６が行う。モータ機能を使用するのは、主にアイドルストップからの復帰時と、加速時等におけるトルクアシスト実行時である。トルクアシストとは、加速時や登坂路走行時のように大きな出力が必要な場合に、内燃機関の出力の補助として電動機１の出力を用いることをいう。トルクアシストの制御については後述する。

スタータ２は、一般的な始動用のスタータと同様に進退動するピニオンギヤを備え、作動時にはピニオンギヤがクランクシャフト基端部に装着されたドライブプレートの外周に設けたギヤに係合し、クランキングを行なう。

ＥＣＭ６は、アクセル開度センサ１１等の運転状態を検出するセンサの検出信号を読み込み、これらに基づいて一般的な燃料噴射量や点火時期等の制御や、後述するリレー５の制御やトルクアシスト制御等を行なう。

なお、ＥＣＭ６は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＭ６を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

メインバッテリ３は、主に第１電気負荷群９へ電力を供給する。第１電気負荷群３は、トルクアシスト実行時にいわゆる瞬低と呼ばれる瞬間的な電圧降下を許容し得る電動品群である。上記のＥＣＭ６、スタータ２、電動機１のインバータの他に、例えばヘッドライトやワイパ等が含まれる。

サブバッテリ４は、第２電気負荷群１０へ電力を供給する。第２電気負荷群１０は、トルクアシスト時の瞬低を許容し得ない電装品群であり、例えば各メータ、ナビゲーションシステム等が含まれる。

メインバッテリ３とサブバッテリ４は、いずれも電動機１で発電された電力が充電される。ただし、サブバッテリ４と電動機１の間にはリレー５が介装されている。リレー５はリレー５Ａとリレー５Ｂの２つのリレーからなり、いわゆる冗長系となっている。リレー５Ａとリレー５Ｂの切り換えはＥＣＭ６により行われる。また、リレー５がＯＮになるとメインバッテリ３とサブバッテリ４が並列接続された状態となり、メインバッテリ３から第２電気負荷群１０への電力供給が可能となる。リレー５の切り換えについては後述する。

メインバッテリ３及びサブバッテリ４の充放電電流は、それぞれ電流センサ７、８により検出され、ＥＣＭ６に読み込まれる。ＥＣＭ６は充放電電流の検出値から電流積算値を算出し、電流積算値に基づいてメインバッテリ３及びサブバッテリ４のバッテリＳＯＣを算出する。

電流センサ７、８は、トルクアシスト実行時及び内燃機関始動時を除いた走行時（以下、通常走行時という）の充放電電流の大きさを基準として設定した測定可能範囲のものを使用する。つまり、通常走行時にとり得る最大電流値が測定可能範囲内となり、かつ通常走行時にとり得る最大電流値が測定可能範囲の上限付近となるような測定可能範囲のものを使用する。通常走行時にとり得る電流値は数十アンペア程度であるのに対し、トルクアシスト実行時や内燃機関始動時の電流値は、数百アンペア程度である。したがって、電流センサ７、８の測定可能範囲を上記のように設定すると、トルクアシスト実行時や内燃機関始動時の電流値は測定可能範囲外となる。しかし、後述する電流積算値演算により、上記のような測定可能範囲であっても、トルクアシスト時等を含む電流積算値を精度良く算出することができる。

ここで、電動機１のモータ機能と発電機能の切り換えと、リレー５の切り換えについて、（Ａ）−（Ｉ）の運転シーン毎に説明する。

（Ａ）システム停止状態、例えば車両運行終了から次回運行までの間は、リレー５Ａ、リレー５ＢをいずれもＯＦＦにする。

（Ｂ）運転者の操作により内燃機関を始動する場合は、リレー５Ａ、リレー５ＢはいずれもＯＦＦのまま、メインバッテリ３からスタータ２へ電力供給し、スタータ２により内燃機関を始動させる。内燃機関が完爆した後、電動機１は発電を行ない、リレー５Ａ、リレー５ＢのいずれかをＯＮにする。ここでは、電動機１の目標発電電圧は１４Ｖ、メインバッテリ３、サブバッテリ４は満充電状態で１４Ｖとする。これにより、電動機１で発電された電力によりメインバッテリ３、サブバッテリ４の充電を完了させる。

（Ｃ）定常走行時やトルクアシストを伴わない程度の加速時は、始動時と同様にリレー５Ａ、リレー５ＢのいずれかをＯＮにした状態を維持する。そして、電動機１の目標発電電圧を、例えば１２Ｖ程度まで低下させることで電動機１を無発電状態にする。これにより、内燃機関の負荷が低減し、燃費性能の向上を図ることができる。

（Ｄ）減速時は、始動時と同様にリレー５Ａ、リレー５ＢのいずれかをＯＮにした状態を維持する。そして、電動機１は目標発電電圧を１４Ｖとして回生発電を行ない、メインバッテリ３、サブバッテリ４への充電を行なう。

（Ｅ）車両運行中にいわゆるアイドルストップを行なう場合は、リレー５Ａ、リレー５ＢはいずれもＯＦＦにし、システム停止状態にする。

（Ｆ）アイドルストップからの復帰時は、リレー５Ａ、リレー５ＢはいずれもＯＦＦのままにする。メインバッテリ３から電動機１へ電力を供給し、電動機１をモータとして機能させて内燃機関を始動させる。すなわち、アイドルストップからの復帰時には、スタータ２は用いずに、電動機１のモータ機能により内燃機関を再始動させる。

（Ｇ）再始動時の完爆後は、アイドルストップ前の運転中とは逆のリレー５をＯＮにし、電動機１を発電機能に切り換える。

（Ｈ）トルクアシスト実行時は、リレー５Ａ、リレー５ＢをいずれもＯＦＦにし、メインバッテリ３から電動機１へ電力を供給する。リレー５Ａとリレー５ＢをいずれもＯＦＦにすることで、サブバッテリ４と電動機１を電気的に切断する。これにより、トルクアシスト実行中もサブバッテリ４から第２電気負荷群１０へ安定した電力供給を行なうことが可能となり、第２電気負荷群１０の瞬低を防止できる。

なお、本実施形態では簡単のため、アクセル開度の変化速度が所定値以上となったらトルクアシストを開始し、アクセル開度が減少するまで、またはトルクアシスト開始から所定時間が経過したらトルクアシストを終了するものとする。

（Ｉ）トルクアシスト終了後は、トルクアシスト実行前とは逆のリレー５をＯＮにする。

次に、トルクアシストの制御ルーチンについて説明する。

図２は、ＥＣＭ６が実行する、トルクアシストを実行するか否かの判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。本ルーチンは、基本的には例えば数ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行される。ただし、後述するステップＳ１４０でトルクアシストを実行する場合は、トルクアシストが終了するまで本ルーチンを停止する。

ステップＳ１００で、ＥＣＭ６はアクセル開度センサ１１で検出したアクセル開度ＡＰＯを読み込む。

ステップＳ１１０で、ＥＣＭ６はアクセル開度ＡＰＯに基づいて算出したアクセル開度変化量△ＡＰＯが予め設定した閾値以上か否かを判定する。アクセル開度変化量△ＡＰＯは、例えば、アクセル開度ＡＰＯの前回値と今回値の差を算出してもよいし、直近の所定時間内での変化量を算出してもよい。この判定は、アクセル開度変化量△ＡＰＯの大きさを運転者の加速要求の大きさとみなし、運転者の加速要求を満たすためにトルクアシストが必要であるか否かを判定するものである。したがって、閾値の具体的な大きさは本制御を適用する車種毎に異なる。

判定の結果、アクセル開度変化量△ＡＰＯが閾値以上であれば、ステップＳ１３０の処理を実行し、閾値より小さければそのまま本ルーチンを終了する。

ステップＳ１３０で、ＥＣＭ６はメインバッテリ３のＳＯＣが予め設定した閾値以上であるか否かを判定する。メインバッテリ３のＳＯＣは、上述したように電流センサ７で検出した充放電電流の積算値に基づいてＥＣＭ６が算出する。閾値は、トルクアシストのために電動機１を駆動するのに必要な電力、及び、トルクアシスト実行中に第１電気負荷群９を作動させるのに必要な電力を満足する値であり、シミュレーション等により予め設定する。

判定の結果、メインバッテリ３のＳＯＣが閾値以上であれば、トルクアシスト実行可能ということなのでトルクアシスト指令をｏｎにし、ステップＳ１４０の処理を実行する。一方、メインバッテリ３のＳＯＣが閾値より低ければ、トルクアシスト実行不可能ということなので、トルクアシスト指令をｏｆｆにし、そのまま本ルーチンを終了する。

ステップＳ１４０で、ＥＣＭ６はトルクアシストを実行する。

図３は、トルクアシスト実行時に電動機１が発生するトルク（以下、アシストトルクという）のタイムチャートである。本実施形態のトルクアシストは、トルクアシスト指令がｏｎになったら一定のパターンでアシストトルクを発生させるものである。すなわち、タイミングＴ１でトルクアシスト指令がｏｎになると、電動機１はトルクＱまで徐々にアシストトルクを増大させ、トルクＱに達したら一定時間これを維持し、その後、徐々にアシストトルクを減少させる。ここで、アシストトルクの増減をステップ的ではなく、徐々に行うのは、電動機１と図示しない内燃機関の駆動軸とを連結するベルト等の張力の急変を抑制するためである。

タイミングＴ１からタイミングＴ２までは、数秒程度とする。トルクＱは本制御を適用する車種毎に異なる。なお、本実施形態のトルクアシストは、原則として上述したように一旦開始したら終了まで実行するものであるが、何らかの理由により途中で急激な電圧低下等が生じた場合には強制終了するものとする。

次に、電流積算値の演算について説明する。

図４は、ＥＣＭ６が実行する電流積算値演算ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは例えば数ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ２００で、ＥＣＭ６は、現在トルクアシスト実行中か否かを判定する。トルクアシスト実行中であればステップＳ２１０の処理を実行し、そうでない場合はステップＳ２２０の処理を実行する。

ステップＳ２１０で、ＥＣＭ６は下式（１）によりメインバッテリ３の電流積算値を算出する。なお、式（１）及び後述する式（２）において、Ｉはバッテリ電流値（電流センサ検出値）、Ｉ_ｓｕｍはバッテリ電流積算値、Ｉ_{ｓｕｍ［ｏｌｄ］}はバッテリ電流積算値の前回値、Ｉ_ｔａはトルクアシスト時用補正値である。

Ｉ_ｓｕｍ＝Ｉ_{ｓｕｍ［ｏｌｄ］}+Ｉ+Ｉ_ｔａ・・・（１）
すなわち、トルクアシスト実行中のメインバッテリ３の電流積算値は、前回値と電流センサ７の検出値とトルクアシスト時用補正値の和として演算する。そして、今回算出したバッテリ電流積算値Ｉ_ｓｕｍを記憶しておき、次回演算時には、これをＩ_{ｓｕｍ［ｏｌｄ］}として用いる。

トルクアシスト時用補正値Ｉ_ｔａは、上述した図３のアシストトルクの変化パターンに応じた放電電流のうち、電流センサ７の測定可能範囲を超える分の電流値である。すなわち、演算周期毎に、そのときのアシストトルクの大きさに応じた大きさの放電電流Ｉ_ｔａを加算する。

これにより、トルクアシストの実行によって放電電流の大きさが電流センサ７の測定可能範囲を超えても、電流積算値を精度良く演算することができる。

ステップＳ２２０で、ＥＣＭ６は下式（２）によりメインバッテリ３の電流積算値を算出する。

Ｉ_ｓｕｍ＝Ｉ_{ｓｕｍ［ｏｌｄ］}+Ｉ・・・（２）
すなわち、ステップＳ２２０を実行するのは通常走行時であり、メインバッテリ３の放電電流は電流センサ７の測定可能範囲内となるので、一般的な電流積算値演算と同様に、前回値に今回値を加算する。

なお、図４のステップＳ２１０ように演算周期毎にトルクアシスト時用補正値を加算する方法に代えて、トルクアシスト終了後に一括して電流積算値を補正するようにしてもよい。

図５は、トルクアシスト終了後に電流積算値を補正する場合の制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ３００で、ＥＣＭ６は図４のステップＳ２２０と同様に式（２）によってメインバッテリ３の電流積算値を算出する。

ステップＳ３１０で、ＥＣＭ６は、現在トルクアシスト実行中であるか否かを判定する。トルクアシスト実行中であれば、ステップＳ３２０でトルクアシストフラグＦを１にしてルーチンを終了する。トルクアシスト実行中でなければステップＳ３３０の処理を実行する。

ステップＳ３３０で、ＥＣＭ６はトルクアシストフラグＦが１か否かを判定する。Ｆ＝１であればステップＳ３４０の処理を実行し、Ｆ＝０であれば本ルーチンを終了する。

ステップＳ３４０で、ＥＣＭ６は電流積算値Ｉ_ｓｕｍに電流積算補正値を加算する。電流積算補正値は、トルクアシスト開始から終了までの電流センサ７の測定可能範囲を超える分の放電電流の積算値、つまり式（１）のＩｔａの積算値であり、実験等により予め求めて設定するものである。

ステップＳ３５０で、ＥＣＭ６はトルクアシストフラグＦをゼロに戻して本ルーチンを終了する。

このように、トルクアシストが終了した後で、一回のトルクアシストにおける放電電流積算値を加算するようにしても、図４の制御ルーチンと同様に精度良く電流積算値を演算することができる。

以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。

ＥＣＭ６は、トルクアシスト実行中に流れる電流センサ７の測定可能範囲を超える分の電流値を、補正用電流値として予め記憶しておき、トルクアシストを実行する際には補正用電流値に基づいて電流センサ７の検出値の積算値を補正する。これにより、電動機１が作動した場合の電流値が測定可能範囲外となるような電流センサ７を用いても、電流積算値を精度良く算出することができるので、コストアップの回避と電流積算値の算出精度向上の効果が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１電動機
２スタータ
３メインバッテリ（第１バッテリ）
４サブバッテリ（第２バッテリ）
５リレー
６コントローラ（ＥＣＭ）（電流積算値算出手段、電流値補正手段）
７電流センサ（電流検出手段）
８電流センサ
９第１電気負荷群
１０第２電気負荷群
１１アクセル開度センサ

Claims

内燃機関の駆動軸に機械的に連結され、前記内燃機関をトルクアシストするために作動する電動機と、
前記トルクアシスト実行中に前記電動機に電力を供給する電源である第１バッテリと、
前記トルクアシスト実行中に前記電動機以外の電気負荷に電力を供給する電源である第２バッテリと、
前記トルクアシスト非実行時には前記第１バッテリと前記第２バッテリを並列接続し、前記トルクアシスト実行時には前記並列接続を解除するリレーと、
前記トルクアシスト実行時に前記並列接続を解除してから徐々に電動機の発生トルクを増大させる電動機制御手段と、
前記第１バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段と、
を備える車両において電流積算値を算出する電流積算装置であって、
前記電流検出手段の検出値を積算することで前記第１バッテリの電流積算値を算出する電流積算値算出手段と、
前記トルクアシスト実行中に流れる前記電流検出手段の測定可能範囲を超える分の電流値を、補正用電流値として予め記憶しておき、前記トルクアシストを実行する際には前記補正用電流値に基づいて前記電流積算値を補正する電流値補正手段と、
を備える電流積算装置。
請求項１に記載の電流積算装置において、
前記電流検出手段は、測定可能範囲の上限が最大でも前記トルクアシスト非実行時における前記第１バッテリの充放電電流の最大値である電流積算装置。