JP6437100B2 - 車両の電源装置 - Google Patents

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Description

この発明は車両の電源装置に係り、特に電池の充放電電流を検出する電流センサの故障を検知し、故障時に電池の充電率を推定する車両の電源装置に関するものである。
車両には各種電気負荷へ電力を供給するために、発電機と二次電池が搭載されており、近年の燃費改善の強い要求から、二次電池については、従来の鉛電池に対する電力拡張策として、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池などの採用が進んでいる。これらの電池を安全に使用するためには、電池の充放電電流、電池電圧、電池温度に加え、電池の充電率(State of Charge)（以下、ＳＯＣという）の検知が必要であり、このＳＯＣを算出する上で、電池の充放電電流を検出する電流センサ（以下、充放電電流センサという）が重要な役割を担っている。
従って、この充放電電流センサに異常があれば、即座に故障を検知し、電池を保護しながら退避走行が可能なフェールセーフ措置を講ずることが要求される。これに対し、充放電電流センサの故障を検知した場合は、電池の電気負荷毎に設けられた電流センサ（以下、電気負荷電流センサという）が出力する合計電流を用いて電池のＳＯＣ推定を継続する方法が提案されている（特許文献１参照）。
特許第５３７２８７２号
ところが、上記特許文献１に示される従来技術においては、充放電電流センサの故障は、出力値が正常範囲外となる場合においてのみ検知され、電気負荷電流センサの合計電流との比較による充放電電流センサの性能異常は、検知することができない。これは、電気負荷電流センサ側に異常があれば、充放電電流センサと電気負荷電流センサのどちらが故障しているか判別できないためである。また、電気負荷毎に電気負荷電流センサを設けた場合、システムが複雑化し、センサ本体や電気配線、受信機側のインターフェース等がコストアップの要因になるという問題点があった。
この発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、電気負荷の稼働電流を推定することにより電気負荷毎の電流センサを廃止し、電気負荷稼働電流推定値との比較により充放電電流センサの性能異常を検知して、充放電電流センサの故障時には、即座に電気負荷を低出力で稼働させるとともに、電気負荷稼働電流推定値を用いて電池のＳＯＣ推定を所望の精度で継続させることができる車両の電源装置を提供することを目的としている。
この発明に係る車両の電源装置は、電池の充放電電流を検出する充放電電流センサと、電池の状態を管理する車両の電源管理装置とを備え、この電源管理装置は、電池の充放電電流、電圧および温度に基づき、電池の充電率を推定する充電率推定部と、電池に接続された電気負荷に流れる稼働電流を推定する稼働電流推定部と、充放電電流センサにより検出された充放電電流と稼働電流推定部により推定された稼働電流推定値の差分が所定値以上であれば、充放電電流センサに故障が生じていると判定する充放電電流センサ故障検知部とを有し、充放電電流センサの故障検知時に電気負荷を低出力で稼働させるとともに、稼働電流推定値を用いて電池の充電率を推定するように構成したことを特徴とするものである。
この発明に係る車両の電源装置によれば、電気負荷毎の電流センサを廃止し、システムの簡素化と低コスト化を図ることが可能となる。また、電気負荷稼働電流推定値との比較により充放電電流センサの性能異常を検知するため、出力値が正常範囲外となる異常のみを検知する場合に対し、充放電電流センサの信頼性を向上することができる。さらに、充放電電流センサの故障時に、即座に電気負荷を低出力で稼働し、電気負荷稼働電流推定値を用いて電池の充電率推定を所望の精度で継続するため、電池を保護しながら退避走行が可能なフェールセーフ措置を講ずることができる。
なお、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなる。
この発明の実施の形態１に係る車両の電源管理装置を含む車両の電源系全体の概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電源管理装置の制御処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る電源管理装置の電気負荷稼働電流を推定するための制御処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る充放電電流センサ故障時の発電電圧指令範囲を示す特性図である。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両の電源装置全体の概略構成を示すもので、図において、車両の電源装置は、電池パック１０１、電源管理装置１０２、車両制御装置１０３、モータジェネレータ（以下、ＭＧと称す）１０５、ＭＧ用インバータ１０４、高電圧電気負荷１０６、ＤＣＤＣコンバータ１０７、低電圧電池を担う鉛電池１０８、低電圧電気負荷１０９を備えて構成されている。
ここで、高電圧電源系は、電池パック１０１と、図示しない内燃機関に機械的に連結され、車両の発電または車両の駆動を担うＭＧ１０５と、ＭＧ１０５の稼働を制御するインバータ１０４と、車両の高電圧電気負荷１０６とから構成されている。一方、低電圧電源系は、電源管理装置１０２と、車両制御装置１０３と、高電圧電源系および低電圧電源系の間で受給電を行うＤＣＤＣコンバータ１０７と、鉛電池１０８と、車両の低電圧電気負荷１０９とから構成されている。また、電源管理装置１０２は、マイクロコンピュータから構成されており、電池パック１０１の異常を検知したとき、電池パック１０１内部のフェイルセーフリレー１１３の接点を開放し、車両制御装置１０３へ非常給電および車両の退避走行を行うよう指令するとともにＤＣＤＣコンバータ１０７へ低出力を発生するよう指令する。また、車両制御装置１０３は、図示しない内燃機関を制御するとともに、電源管理装置１０２の指令を受け、インバータ１０４を介してＭＧ１０５を制御し、高電圧電気負荷１０６と低電圧電気負荷１０９を制御する。
さらに、電池パック１０１は、複数の電池を直列接続して構成され、高電圧の出力を発生する組電池１１０と、組電池１１０に接続され、各単電池の状態を検知する電池状態検知基板（以下、ＣＭＵという）１１１と、電池パック１０１の異常時に電池パック１０１と他の回路との電気接続を遮断するフェイルセーフリレー１１３と、ＣＭＵ１１１の出力に基づき、フェイルセーフリレー１１３の駆動を制御する制御基板１１２より構成される。ここで、ＣＭＵ１１１は、各単電池の充放電電流を検出する充放電電流検出部１１１ａと、各単電池の電圧を検出する電池電圧検出部１１１ｂと、各単電池の温度を検出する電池温度検出部１１１ｃとを備え、これらの検出値に基づき、電源管理装置１０２を介して組電池１１０全体のＳＯＣを算出する。このＳＯＣ算出方法については、後述の図２において説明する。また、制御基板１１２は、フェイルセーフリレー１１３を制御するリレー制御部１１２ａに加え、電池パック１０１内部の回路部の温度を検出するパック内部温度検知部１１２ｂを備えている。なお、ＣＭＵ１１１と制御基板１１２は、それぞれ検知した電池パック１０１の状態を示す信号を電源管理装置１０２へ送信する。
この電源管理装置１０２は、電池パック１０１内部の異常検知を行うとともに、各状態の検出値についても異常がないかを検知し、故障状態に応じたフェールセーフ措置を指令する。例えば、組電池１１０の充放電電流を検出する充放電電流センサＣＳが故障した場合、電源管理装置１０２は、充放電電流による過電流検知機能とＳＯＣ推定機能を喪失することになるが、組電池１１０に異常がない限りフェイルセーフリレー１１３の接点を開放しないため、充放電電流による検知機能に代わり電気負荷稼働電流１１５を推定することによって、組電池１１０を保護しながら退避走行が可能なフェールセーフ措置を講ずることになる。これらの故障検知とフェールセーフ措置については、後述の図２において説明する。
なお、ここでは、電池パック１０１、電源管理装置１０２、車両制御装置１０３、インバータ１０４、ＭＧ１０５、ＤＣＤＣコンバータ１０７を個別に備えた実施の形態を示しているが、それぞれを統合してもよく、例えば、電源管理装置１０２の機能をマイクロコンピュータからなる車両制御装置１０３に組み込んで装置の統合を行うことが可能で、この場合、統合による低コスト化と軽量化の効果を得ることができる。一方、電源管理装置１０２と車両制御装置１０３とを個別に備えた場合には、従前の車両制御装置１０３に変更を加えることなく機能の追加ができ、また、電源管理装置１０２に異常が生じた場合、車両制御装置１０３のみによって車両を駆動させることができる利点がある。
また、電源管理装置１０２は、電池パック１０１の充放電許可電力や出力端子目標電圧、ＭＧ１０５の稼働電力や稼働トルク、電気負荷の放電電力のいずれかを車両制御装置１０３へ送信することによって、車両制御装置１０３を介して車両の発電と電力消費を制御してもよい。また、ＭＧ１０５については、発電機能のみを有するオルタネータであってもよい。さらに、電池パック１０１の内部構成については、ＣＭＵ１１１、制御基板１１２、フェイルセーフリレー１１３を個別に備えた形態を示しているが、それぞれを統合してもよい。また、組電池１１０とＣＭＵ１１１については、一対の形態を示すが、単電池の列数に応じてＣＭＵ１１１を複数設けてもよい。また、ＣＭＵ１１１と制御基板１１２は、それぞれで検知した電池パック１０１内部の状態に基づき異常判定を行い、異常時には電源管理装置１０２の指令によらずフェイルセーフリレー１１３の接点を開放するように構成してもよい。
図２は、この発明の実施の形態１における電源管理装置１０２の制御処理を示すフローチャートである。
電源管理装置１０２は、まず、ステップ２０１において、ＣＭＵ１１１より各単電池の充放電電流と電圧と温度の信号を受信し、ステップ２０２において、電池パック制御基板１１２より電池パック１０１の回路部の温度の信号を受信する。次に、ステップ２０３において、電池パック１０１に接続される全ての電気負荷の稼働電流１１５を推定する。この電気負荷の稼働電流１１５の推定方法については、後述の図３において説明する。
次に、ステップ２０４において、充放電電流センサＣＳの出力電流が正規の範囲内にあるかを判定し、範囲内にあればステップ２０５へ進む。ここで、充放電電流センサＣＳの出力が異常となる場合は、回路部の電気的故障により、過電流域を超えて通常使用では起こり得ない電流値が出力されたときに判定される。ステップ２０５において、充放電電流センサＣＳの性能異常判定における許可条件が成立するかを判定し、成立すればステップ２０６へ進む。この許可条件は、続く充放電電流センサＣＳの性能異常判定において誤判定を生じないように考慮される条件であり、ＭＧ１０５の発電または駆動制御のモード変更直後や、高電圧電気負荷１０６稼働開始等において、電池パック１０１の充放電電流に過渡変動が大きいと想定される場合は、変動が収束するまでの期間中許可条件を不成立とする。
ステップ２０６において、充放電電流センサＣＳの性能異常判定が行われ、充放電電流と電気負荷稼働電流１１５の推定値の差分が性能異常閾値以下であれば、異常を検知せず、ステップ２０７に移行して充放電電流センサ故障フラグを０（正常）にセットする。ここで、性能異常閾値は、電気負荷の稼働状態に応じて設定され、充放電電流センサＣＳが正常時の走行評価において得られる前記差分のバラツキに対し、マージンを加味して設定される適合値である。
また、ステップ２０５において、充放電電流センサＣＳの性能異常判定における許可条件が不成立の場合は、充放電電流センサＣＳの性能異常判定を行わず、ステップ２０７へ移行して充放電電流センサＣＳの故障フラグを０（正常）にセットし、ステップ２０８へ移行する。
ステップ２０８において、充放電電流よりＳＯＣを算出してステップ２０９に移行する。
また、ステップ２０４において、充放電電流センサＣＳの出力電流が正規の範囲外にある場合、さらに、ステップ２０６において、充放電電流と電気負荷稼働電流１１５の推定値の差分が性能異常閾値以上にある場合は、充放電電流センサＣＳの性能異常を検知し、ステップ２０９において充放電電流センサＣＳの故障フラグを１（故障）にセットしてステップ２１０へ移行する。
このステップ２１０において、電気負荷稼働電流１１５に基づきＳＯＣを算出し、ステップ２１１へ移行する。なお、ステップ２０８においても充放電電流に基づきＳＯＣを算出しているが、これらの動作は、入力電流のみが異なり、いずれも同じ算出処理を行うものである。このＳＯＣ算出処理においては、車両のキーオン時の開放端電圧（以下、ＯＣＶと称す）と電池温度とに基づき予め記録されたマップにより算出されるＳＯＣを初期値とし、入力電流の積算処理または等価回路モデル方式の回路パラメータの逐次推定処理を経てＳＯＣを更新することによって現在のＳＯＣが算出されることになる。
次に、ステップ２１１およびステップ２１２において、充放電電流センサＣＳが故障時の制御処理として、車両制御装置１０３へ充放電抑制指令を送信し、ＤＣＤＣコンバータ１０７へ低出力稼働を指令する。
ここで、ステップ２１１における充放電抑制指令について説明する。図４に示すように、電源管理装置１０２は、充放電電流センサＣＳの故障時にＳＯＣの動作範囲を正常時の範囲４０１よりも狭め、発電電圧指令範囲４０２の範囲とすることにより、想定外の電池出力があった場合においても、ＳＯＣが使用可能な上下限値に達することなく電池を安全に使用することができる。または、発電電圧指令範囲４０２の範囲内で所定電圧の発電を指令することにより、電池パック１０１の端子電圧から内部抵抗を差し引いたＯＣＶの動作範囲が制限され、ＯＣＶと電池温度とにより定まるＳＯＣの動作範囲を制限することが可能となる。
図２に戻り、ステップ２１１とステップ２１２において、ＭＧ１０５、高電圧電気負荷１０６、ＤＣＤＣコンバータ１０７を低出力稼働させて、電池出力を退避走行に必要な電力まで制限するとともに、決められた電気負荷への給電に限定することになり、これによって電気負荷稼働電流１１５の推定精度を所望の精度に管理することができる。なお、ＤＣＤＣコンバータ１０７の低出力稼働により、低電圧電気負荷１０９の消費電力がＤＣＤＣコンバータ１０７の出力制限を超える場合は、鉛電池１０８が低電圧電気負荷１０９へ不足分を給電することになる。
次に、ステップ２１３において、ステップ２０１で受信した各単電池の充放電電流と電圧と温度、ステップ２０２で受信した電池パック１０１回路部の温度、ステップ２０８または２１０で算出したＳＯＣに基づき、いずれかの値が各上下限値に達すると、電池パック１０１が異常であると判定し、ステップ２１４へ移行する。ここで、充放電電流については、充放電電流センサＣＳが故障したとき、ステップ２０３で算出した電気負荷の稼働電流１１５の推定値を用いる。
ステップ２１４においては、フェイルセーフリレー１１３の接点開放を指令し、フェイルセーフリレー１１３の接点を開放させることによって、組電池１１０の入出力を停止させることになる。
図３は、この発明の実施の形態１に係る電源管理装置１０２の電気負荷稼働電流１１５推定の制御処理を示すフローチャートである。
まず、ステップ３０１において、ＣＭＵ１１１より組電池１１０の総電圧Ａの信号を受信し、ステップ３０２において、インバータ１０４より入出力電流であるＤＣ電流Ｂの信号を受信する。ここで、インバータ１０４のＤＣ電流は、内部のモータ制御基板１１４において推定され、ＭＧ１０５を駆動する各相の電流に駆動デューティ比を乗算して算出される合計電流である。次に、ステップ３０３において、高電圧電気負荷１０６の消費電力Ｃを稼働中の電気負荷の合計定格出力に基づき算出し、ステップ３０４へ移行する。なお、単純なオンオフ負荷を除く制御装置を有する電気負荷については、この限りではなく、電源管理装置１０２は、同じく通信経由で受信したパラメータを基に、高電圧電気負荷１０６の合計出力を算出することができる。
次に、ステップ３０４において、ＤＣＤＣコンバータ１０７が出力制限に達していない場合は、稼働中の低電圧電気負荷１０９の定格出力にＤＣＤＣコンバータ１０７の出力損失を加算して、ＤＣＤＣコンバータ１０７の消費電力Ｄを算出する。但し、ＤＣＤＣコンバータ１０７の内部の制御基板が消費電力Ｄまたは稼働出力を算出可能な場合はこの限りではなく、電源管理装置１０２は、同じくこの電力の情報を通信経由で受信することができる。なお、ＤＣＤＣコンバータ１０７が低出力稼働等で出力制限に達している場合は、ＤＣＤＣコンバータ１０７の消費電力Ｄは、この出力制限値となる。
最後に、ステップ３０５において、電気負荷稼働電流１１５を「インバータ１０４のＤＣ電流Ｂ＋（高電圧電気負荷１０６の消費電力Ｃ＋ＤＣＤＣコンバータ１０７の消費電力Ｄ）÷電池電圧Ａ」の式によって算出する。
なお、ここで、高電圧電気負荷１０６の消費電力ＣとＤＣＤＣコンバータ１０７の消費電力Ｄの合計出力を電池電圧Ａで除算して合計電流を算出するように構成したが、個別に消費電流を推定可能な場合は、ステップ３０５においてインバータ１０４のＤＣ電流Ｂに各電流を加算すればよい。また、インバータ１０４のＤＣ電流Ｂについても、インバータ１０４の合計出力が算出可能な場合は、これを電池電圧Ａで除算して合計電流Ｂを算出してもよい。
以上のように、この発明における車両の電源管理装置は、次のような特徴および効果を有している。
第１に、電池の充放電電流を検出する充放電電流センサと、電池の状態を管理する車両の電源管理装置とを備え、この電源管理装置は、電池の充放電電流、電圧および温度に基づき、電池の充電率を推定する充電率推定部と、電池に接続された電気負荷に流れる稼働電流を推定する稼働電流推定部と、充放電電流センサにより検出された充放電電流と稼働電流推定部により推定された稼働電流推定値の差分が所定値以上であれば、充放電電流センサに故障が生じていると判定する充放電電流センサ故障検知部とを有し、充放電電流センサの故障検知時に電気負荷を低出力で稼働させるとともに、稼働電流推定値を用いて電池の充電率を推定するように構成したもので、このように構成することによって、電気負荷毎に設けられた電流センサを廃止し、システムの簡素化と低コスト化を図ることが可能となる。また、電気負荷稼働電流推定値との比較により充放電電流センサの性能異常を検知するため、出力値が正常範囲外となる異常のみを検知する場合に対し、充放電電流センサの信頼性を向上することができる。さらに、充放電電流センサの故障時に、即座に電気負荷を低出力で稼働し、電気負荷稼働電流推定値を用いて電池の充電率推定を所望の精度で継続するため、電池を保護しながら退避走行が可能なフェールセーフ措置を講ずることができる。
第２に、電源管理装置は、上記第１の構成に加え、電池の電圧を検出する電圧センサと、電池に接続された電気負荷の稼働電力を推定する稼働電力推定部を有し、推定された電気負荷の稼働電力と電圧センサにより検出された電池の電圧とから稼働電流を推定するように構成したもので、上記第１の構成と同様の効果を得ることができる。
第３に、充放電電流センサの故障検知時に電池の充電率動作範囲を狭めるように構成することによって、想定外の電池出力があった場合においても、電池を安全に使用することができる。
第４に、充放電電流センサの故障検知時に車両の走行状態に応じて車載発電機を制御する発電制御部を制御し、所定電圧の発電を指令するように構成したことによって、電池の充電率の動作範囲を制限することができる。
第５に、電池の充電率が上下限値に達したとき、電池が異常であると検知する電池異常検知部を備えたことによって、電池の充電率推定を継続することができ、また、電源管理機能に加えて発電制御機能を統合することができ、システムの簡素化と低コスト化を図ることができる。
第６に、電池異常検知部からの指令に基づき電池の出力を遮断するフェイルセーフリレーを備えることによって、充放電電流センサが故障した場合に電池の出力を遮断することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１０１：電池パック、１０２：電源管理装置、１０２ａ：電池パック異常検知部、１０２ｂ：電流センサ故障検知部、１０２ｃ：充電率推定部、
１０２ｄ：電気負荷稼働電流推定部、１０３：車両制御装置、１０４：インバータ、１０５：モータジェネレータ、１０６：高電圧電気負荷、
１０７：ＤＣＤＣコンバータ、１０８：鉛電池、１０９：低電圧電気負荷、１１０：組電池、１１１：電池状態検知基板、１１２：電池パック制御基板、１１３：フェイルセーフリレー、１１４：モータ制御基板、１１５：電気負荷稼働電流、ＣＳ：充放電電流センサ

Claims (6)

  1. 車載電池と、この電池の充放電電流を検出する充放電電流センサと、前記電池の状態を管理する車両の電源管理装置とを備え、
    前記電源管理装置は、
    前記電池の充放電電流、電圧および温度に基づき、前記電池の充電率を推定する充電率推定部と、
    前記電池に接続された電気負荷に流れる稼働電流を推定する稼働電流推定部と、
    前記充放電電流センサにより検出された充放電電流と前記稼働電流推定部により推定された稼働電流推定値の差分が所定値以上であれば、前記充放電電流センサに故障が生じていると判定する充放電電流センサ故障検知部とを有し、
    前記充放電電流センサの故障検知時に前記電気負荷を低出力で稼働させるとともに、
    前記稼働電流推定値を用いて前記電池の充電率を推定するように構成したことを特徴とする車両の電源装置。
  2. 前記電源管理装置は、前記電池の電圧を検出する電圧センサと、前記電池に接続された電気負荷の稼働電力を推定する稼働電力推定部を有し、推定された前記電気負荷の稼働電力と前記電圧センサにより検出された前記電池の電圧とから前記稼働電流を推定するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の車両の電源装置。
  3. 前記充放電電流センサの故障検知時に前記電池の充電率動作範囲を狭めるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の車両の電源装置。
  4. 前記電源管理装置は、車両の走行状態に応じて車載発電機を制御する発電制御部を有し、前記充放電電流センサの故障検知時に前記発電制御部に所定電圧の発電を指令するように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両の電源装置。
  5. 前記電源管理装置は、前記充電率が上下限値に達したとき、前記電池が異常であることを検知する電池異常検知部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の車両の電源装置。
  6. 前記電源管理装置は、前記電池異常検知部からの指令に基づき前記電池の出力を遮断するフェイルセーフリレーを備えたことを特徴とする請求項５に記載の車両の電源装置。
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