JP6862910B2 - 電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、電池パックに関するものである。
特許文献1に示されるように、イグニッションスイッチ、ECM、エンジン制御用バッテリ、および、電気加熱触媒用バッテリを備えるエンジンシステムが知られている。ECMはイグニッションスイッチの信号がオフからオンになると起動する。起動するとECMは、エンジン制御用バッテリと電気加熱触媒用バッテリそれぞれのバッテリ状態を判定する。
特開平6−101607号公報
上記したように特許文献1に示されるエンジンシステムでは、イグニッションスイッチの信号がオンになると、バッテリの状態を判定している。しかしながらイグニッションスイッチの信号がオンになると、車両に搭載された各種電気負荷の要求電力量が増大する。したがって、イグニッションスイッチの信号のオン時に例えばバッテリの電気負荷との電気的な接続信頼性が低下している場合、電気負荷の要求電力を蓄電池が供給できない虞がある。また、イグニッションスイッチの信号のオン時にバッテリの充電状態が低下している場合、バッテリが過放電になる虞がある。
そこで本発明は上記問題点に鑑み、電気負荷への電力の未供給、および、バッテリ(蓄電池)の過放電が抑制された電池パックを提供することを目的とする。
上記した目的を達成するための開示された発明の1つは、蓄電池(110,10)、および、蓄電池からの電力供給によって駆動する電気負荷(130,150)を備える電源システム(200)に設けられる電池パックであって、
蓄電池の出力を検出する検出部(40)と、
電源システムの非駆動時において、蓄電池の出力の変化予測値を算出する予測部(50,51)と、
蓄電池の出力の検出時における変化予測値と、検出された蓄電池の出力との減算を行うことで減算値を算出する演算部(50,52)と、
減算値と比較するための閾値を記憶する記憶部(50,53)と、
減算値が閾値よりも大きい場合、電源システムが非駆動状態から駆動状態になった際に、電気負荷の駆動を制限する制御部(50,54)と、を有する。
電源システム(200)が非駆動状態の場合、電気負荷(130,150)が電力供給を要求していようとしていなかろうと、蓄電池(110,10)は放電状態になっている。そのために蓄電池(110,10)の出力は徐々に低下する振る舞いを示す。
しかしながら、蓄電池(110,10)に電気的な接続不良などが生じると、検出される蓄電池(110,10)の電圧値や電流値は急激に低下する。この場合、電源システム(200)が非駆動状態から駆動状態になった際に、電気負荷(130,150)の要求する電力を蓄電池(110,10)が供給できない虞がある。
また、蓄電池(110,10)に外部電源が接続されると、実際には充電状態の低下のために蓄電池(110,10)の出力が低下しているにもかかわらず、検出される蓄電池(110,10)の出力は急激に上昇する。しかしながら外部電源の接続が外されて電源システム(200)が駆動すると、実際には充電状態が低下しているために、電気負荷(130,150)への給電によって蓄電池(110,10)が過放電になる虞がある。
以上に示したように、電源システム(200)の非駆動時において、蓄電池(110,10)の出力が急激に変化した場合、蓄電池(110,10)の電力供給能力が低下、若しくは、不定となっている虞がある。
これに対して本発明では、電源システム(200)の非駆動時において、蓄電池(110,10)の出力が急激に変化したか否かを、変化予測値と実際に検出した出力との減算値に基づいて判定する。そして減算値が閾値よりも大きい場合、電源システム(200)が非駆動状態から駆動状態へと移行した際に、電気負荷(130,150)の駆動を制限する。これによれば、電源システムが駆動した際に蓄電池の充電状態を判定し、その判定に基づいて電気負荷の駆動を制限する構成と比べて、電気負荷(130,150)の要求する電力を蓄電池(110,10)によって供給できなくなることが抑制される。また、蓄電池(110,10)の過放電が抑制される。
なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。
第1実施形態に係る電池パックを含む電源システムの概略構成を示すブロック図である。 BMUの出力監視処理を説明するためのフローチャートである。 蓄電池の電圧の振る舞いを説明するためのタイミングチャートである。 BMUの制御選択処理を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1〜図4に基づいて本実施形態に係る電池パック100を含む電源システム200を説明する。
電源システム200は車両に搭載される。電源システム200は車両に搭載された複数の車載機器と電池パック100とによって構成されている。車載機器の1つとして鉛蓄電池110がある。電池パック100はリチウム蓄電池10を有している。電源システム200はこれら鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10とによって2電源システムを構築している。
他の車載機器としてエンジン140がある。電源システム200を搭載する車両は、所定の停止条件が満たされるとエンジン140を停止し、所定の始動条件が満たされるとエンジン140を再始動するアイドルストップ機能を有する。
図1に示すように電源システム200は、上記した鉛蓄電池110とエンジン140の他に、スタータモータ120、回転電機130、電気負荷150、上位ECU160、および、MGECU170を有する。鉛蓄電池110は、第1外部配線201を介して電池パック100と電気的に接続されている。スタータモータ120、回転電機130、および、電気負荷150それぞれは、第2外部配線202を介して電池パック100と電気的に接続されている。
第1外部配線201と第2外部配線202はそれぞれワイヤハーネスである。第1外部配線201を構成する複数のワイヤハーネスの一端の1つが鉛蓄電池110と電気的に接続されている。そしてこれら各ワイヤハーネスの他端は図示しない第1ヒューズボックスで電気的に接続されている。第1ヒューズボックスは1つの接続端子を有し、その先端が電池パック100に機械的および電気的に接続されている。
同様にして第2外部配線202を構成する複数のワイヤハーネスの一端が、スタータモータ120、回転電機130、および、電気負荷150それぞれと電気的に接続されている。そしてこれら各ワイヤハーネスの他端は図示しない第2ヒューズボックスで電気的に接続されている。第2ヒューズボックスは1つの接続端子を有し、その先端が電池パック100に機械的および電気的に接続されている。
なお図示しないが、上記した第1ヒューズボックスと第2ヒューズボックスそれぞれは、バスバー、ヒューズ、接続端子、および、樹脂ケースを有する。樹脂ケースにバスバーが収納されている。バスバーにヒューズが設けられている。そしてバスバーの端部に接続端子が設けられている。バスバーにワイヤハーネスが接続される。接続端子が電池パック100に接続される。
なお、上位ECU160とMGECU170は図示しない配線を介して鉛蓄電池110と電池パック100それぞれと電気的に接続されている。同様にして、車両に搭載された他の各種ECUも、図示しない配線を介して鉛蓄電池110と電池パック100それぞれと電気的に接続されている。
以上に示したように電源システム200は、鉛蓄電池110と電池パック100(リチウム蓄電池10)の2つを電源とするシステムを構築にしている。以下、電源システム200の各構成要素を個別に説明する。
鉛蓄電池110は化学反応によって起電圧を生成する。鉛蓄電池110は第1外部配線201を構成する複数のワイヤハーネスの1つの一端とボルトによって機械的および電気的に接続されている。
スタータモータ120はエンジン140を始動する。スタータモータ120はエンジン140の始動時にエンジン140と機械的に連結される。スタータモータ120の回転によってエンジン140のクランクシャフトが回転される。エンジン140のクランクシャフトの回転数が所定回転数を超えると、燃料噴射弁から燃焼室に霧状の燃料が噴射される。この際に点火プラグで火花が生成される。これにより燃料が爆発し、エンジン140が自律回転し始める。このエンジン140の動力によって車両の推進力が得られる。なおエンジン140が自律回転し始めると、スタータモータ120とエンジン140との機械的な連結は解除される。
回転電機130は力行と発電を行う。回転電機130には図示しないインバータが接続されている。このインバータが第2外部配線202に電気的に接続されている。
インバータは鉛蓄電池110および電池パック100のリチウム蓄電池10うちの少なくとも一方から供給された直流電圧を交流電圧に変換する。この交流電圧が回転電機130に供給される。これにより回転電機130が力行する。
回転電機130はエンジン140と連結されている。回転電機130とエンジン140とは、ベルトなどを介して相互に回転エネルギーを伝達可能になっている。回転電機130の力行によって生じた回転エネルギーはエンジン140に伝達される。これによりエンジン140の回転が促進される。この結果、車両走行がアシストされる。上記したように電源システム200を搭載する車両はアイドルストップ機能を有する。回転電機130は車両走行のアシストだけではなく、エンジン140の再始動時においてクランクシャフトを回転させる機能も果たす。
回転電機130はエンジン140の回転エネルギー、および、車両の車輪の回転エネルギーの少なくとも一方によって発電する機能も有する。回転電機130は発電によって交流電圧を生成する。この交流電圧がインバータによって直流電圧に変換される。この直流電圧が、電池パック100、鉛蓄電池110、および、電気負荷150それぞれに供給される。
エンジン140は燃料を燃焼駆動することで車両の推進力を生成する。上記したようにエンジン140の始動時においては、スタータモータ120によってクランクシャフトが回転される。しかしながらアイドルストップによってエンジン140が一度停止した後に再び始動する際に、上記の所定の始動条件が満たされる場合、回転電機130によってクランクシャフトが回転される。エンジン140が内燃機関に相当する。
電気負荷150は、一般負荷151と、一般負荷151よりも車両走行に関連の高い保護負荷152と、を有する。電気負荷150への電力供給は、鉛蓄電池110およびリチウム蓄電池10の少なくとも一方によって行われる。回転電機130の回生時においては、回転電機130からも電気負荷150に電力供給される。
一般負荷151は、シートヒータ、送風ファン、電動コンプレッサ、ルームライト、および、ヘッドライトなどの車載機器である。これら一般負荷151は、供給電力が一定でなくともよい性質を有する。一般負荷151の要求電力量は車両に搭乗しているユーザーの操作などに応じて変動する。
保護負荷152は、電動シフトポジション、電動パワーステアリング(EPS)、ブレーキ(ABS)、ドアロック、ナビゲーションシステム、および、オーディオなどである。これら保護負荷152は、供給電力が一定であることが求められる。また保護負荷152は、供給電圧がリセット閾値を下回るとオン状態からオフ状態へと切り換わる性質を有する。保護負荷152の要求電力量は車両走行の変化に応じられるように、常に一定量よりも上回っている。
なお、車載機器にはインストルメントパネルの照明機器がある。この照明機器は、供給電力が一定であることを求める性質、および、供給電圧がリセット閾値を下回るとオフ状態になる性質を有しない。しかしながら、ユーザーが車両を操作するためにはインストルメントパネルの表示が必須である。そのためにインストルメントパネルの照明機器は車両走行に関連が高く、保護負荷152に含まれる。同様にして、供給電力の一定要求、および、供給電圧がリセット閾値を下回るとオフ状態になる性質を有さない車載機器であっても、車両走行に関連度の高いものは保護負荷152に含まれる。
また、車載機器にはワイパがある。このワイパは車両走行に関しては間接的に関連がある。そのために一般負荷151と保護負荷152のいずれに属してもよい。さらに言えば、上記したヘッドライトも車両走行に間接的に関連がある。そのためにヘッドライトは一般負荷151ではなく保護負荷152に属しても良い。
上位ECU160とMGECU170は車両に搭載された各種ECUのうちの1つである。これら各種ECUはバス配線161を介して互いに電気的に接続され、車載ネットワークを構築している。各種ECUが協調制御することで、エンジン140の燃焼や回転電機130の発電などが制御される。上位ECU160は電池パック100を制御し、MGECU170は回転電機130を制御する。
上位ECU160とMGECU170は、車両走行に関連が非常に高い。そして上位ECU160とMGECU170は、供給電力が一定であることを求める性質、および、供給電圧がリセット閾値を下回るとオン状態からオフ状態へと切り換わる性質を有する。したがって各種ECU、および、後述の電池パック100のBMU50それぞれへの電力供給は、鉛蓄電池110およびリチウム蓄電池10の少なくとも一方によって絶えず行われる。
なお図示しないが、電源システム200は、上記した各車載機器の他に、各種電圧や電流などの物理量、および、アクセルペダルの踏み込み量やスロットルバルブ開度などの車両情報を測定するためのセンサを有している。これら各種センサの検出した検出信号は、各種ECUに入力される。
次に電池パック100を説明する。図1に示すように電池パック100は二重丸で示す外部接続端子を有している。外部接続端子としては、第1外部接続端子100a、第2外部接続端子100b、および、第3外部接続端子100cがある。
第1外部接続端子100aには、上記の第1ヒューズボックスの接続端子がボルト止めされる。これにより電池パック100は第1外部配線201を介して鉛蓄電池110と電気的に接続されている。第2外部接続端子100bには、第2ヒューズボックスの接続端子がボルト止めされる。これにより電池パック100は第2外部配線202を介して電気負荷150、スタータモータ120、および、回転電機130それぞれと電気的に接続されている。第3外部接続端子100cは、電池パック100を車両のボディにボルト止めするためのものである。この第3外部接続端子100cに挿入されるボルトが、電池パック100と車両のボディとを接続する機能を果たす。これにより電池パック100はボディアースされている。
図1に示すように電池パック100は、リチウム蓄電池10、配線基板20、スイッチ30、センサ部40、BMU50、および、バスバー60を有する。配線基板20にスイッチ30とBMU50が搭載され、電気回路が構成されている。この電気回路にリチウム蓄電池10やセンサ部40が電気的に接続されている。この電気回路はバスバー60を介して第1外部接続端子100aおよび第2外部接続端子100bそれぞれと電気的に接続されている。これにより電池パック100の電気回路は、鉛蓄電池110、スタータモータ120、回転電機130、および、電気負荷150それぞれと電気的に接続されている。また、電気回路は第3外部接続端子100cに挿入されるボルトを介して車両のボディと接続されている。なおセンサ部40の少なくとも一部が電気回路の一部を構成してもよい。
電池パック100は図示しない筐体を有する。この筐体はアルミダイカストによって生成される。この筐体にリチウム蓄電池10、配線基板20、スイッチ30、センサ部40、BMU50、および、バスバー60それぞれが収納される。筐体はリチウム蓄電池10や配線基板20にて生じた熱を放熱する機能も果たす。筐体は車両の座席下方に設けられる。上記の第3外部接続端子100cは筐体に形成された孔に相当する。なお筐体の開口部は、樹脂製のカバーで覆われる。これにより電気回路とリチウム蓄電池10は防水されている。
上記したようにスイッチ30が配線基板20に搭載される例を示した。しかしながらスイッチ30は配線基板20に電気的に接続されるだけでよく、直接搭載されなくともよい。この変形例の場合、例えばスイッチ30は筐体に搭載される。これによりスイッチ30と筐体とが熱的に接続される。スイッチ30にて生じた熱は配線基板20ではなく筐体に積極的に流れる。これによりスイッチ30の放熱が促される。
リチウム蓄電池10は化学反応によって起電圧を生成する。リチウム蓄電池10は鉛蓄電池110よりもエネルギー密度が高い性質を有する。リチウム蓄電池10は鉛蓄電池110よりも体格が小さく、重量も軽くなっている。リチウム蓄電池10は複数の直列接続された電池セルを有する。リチウム蓄電池10は内部端子を介して配線基板20と接続されている。
リチウム蓄電池10と配線基板20とは水平方向に並んでいる。若しくは、リチウム蓄電池10と配線基板20とは天地方向に並んでいる。なお、この水平方向、および、天地方向とは、電源システム200の搭載される車両が水平面に位置している場合におけるリチウム蓄電池10と配線基板20の並びを説明するための方向である。水平方向と天地方向とは互いに直交し、天地方向は鉛直方向に沿っている。
配線基板20は絶縁基板に導電材料からなる配線パターンの形成されたプリント基板である。絶縁基板の表面および内部の少なくとも一方に、配線パターンとして第1給電線21、第2給電線22、および、第3給電線23が形成されている。
配線基板20にはバスバー60と機械的および電気的に接続される端子が形成されている。この端子としては、第1電源端子24a、第2電源端子24b、第3電源端子24c、第1負荷端子25a、第2負荷端子25b、および、第3負荷端子25cがある。
第1給電線21は第1電源端子24aと第1負荷端子25aとを電気的に接続している。第2給電線22は第2電源端子24bと第2負荷端子25bとを電気的に接続している。第3給電線23は第3電源端子24cと第3負荷端子25cとを電気的に接続している。
後述するように第1電源端子24aと第2電源端子24bは電源バスバー61を介して第1外部接続端子100aと機械的および電気的に接続されている。また第1負荷端子25a、第2負荷端子25b、および、第3負荷端子25cそれぞれは負荷バスバー62を介して第2外部接続端子100bと機械的および電気的に接続されている。そして第3電源端子24cは内部端子を介してリチウム蓄電池10と機械的および電気的に接続されている。
スイッチ30は、第1スイッチ31、第2スイッチ32、および、第3スイッチ33を有する。第1スイッチ31と第2スイッチ32は半導体スイッチである。具体的には、半導体スイッチはMOSFETである。第1スイッチ31と第2スイッチ32はゲート電極に制御信号が入力されることで閉状態になる。逆に第1スイッチ31と第2スイッチ32は制御信号が入力されなくなると開状態になる。
本実施形態のMOSFETはNチャネル型MOSFETである。したがって上記の制御信号はHiレベルの信号である。制御信号が入力されることでゲート電圧がHiレベルになり、MOSFETが閉状態になる。制御信号が入力されなくなるとゲート電圧がLoレベルになり、MOSFETが開状態になる。なおゲート電圧はゲート電極とソース電極の電位差である。
第1スイッチ31と第2スイッチ32それぞれは、2つのMOSFETが直列接続されてなる開閉部を少なくとも1つ有する。2つのMOSFETはソース電極同士が連結されている。2つのMOSFETのゲート電極は電気的に独立している。MOSFETは寄生ダイオードを有する。2つのMOSFETの寄生ダイオードは、互いにアノード電極同士が連結されている。複数の開閉部は並列接続されている。複数の開閉部それぞれのソース電極は互いに電気的に接続されている。第1スイッチ31と第2スイッチ32それぞれの有する開閉部の数は、電流量に応じて定めることができる。なお、図1では煩雑と成ることを避けるために、第1スイッチ31と第2スイッチ32それぞれの有する開閉部を1つだけ示している。
第1スイッチ31は第1給電線21に設けられる。これにより第1スイッチ31を開閉制御することで第1電源端子24aと第1負荷端子25aの電気的な接続が制御される。また、第1スイッチ31を開閉制御することで第1外部接続端子100aと第2外部接続端子100bとの電気的な接続が制御される。
第2スイッチ32は第3給電線23に設けられる。これにより第2スイッチ32を開閉制御することで、第3電源端子24cと第3負荷端子25cの電気的な接続が制御される。また、第2スイッチ32を開閉制御することでリチウム蓄電池10と第2外部接続端子100bとの電気的な接続が制御される。さらに言えば、第2スイッチ32を開閉制御することでリチウム蓄電池10と第1負荷端子25aおよび第2負荷端子25bそれぞれとの電気的な接続が制御される。
第3スイッチ33はメカニカルリレーである。詳しく言えば第3スイッチ33はノーマリクローズ式の電磁リレーである。したがって第3スイッチ33は制御信号として励磁電流が入力されることで開状態になる。逆に第3スイッチ33は励磁電流が入力されなくなると閉状態になる。
第3スイッチ33は第2給電線22に設けられる。これにより第3スイッチ33を開閉制御することで、第2電源端子24bと第2負荷端子25bの電気的な接続が制御される。また、第3スイッチ33を開閉制御することで第1外部接続端子100aと第2外部接続端子100bとの電気的な接続が制御される。このように第3スイッチ33は第1スイッチ31と並列接続されている。なお、第3スイッチ33にバイパスヒューズが直列接続された構成を採用することもできる。
センサ部40は、リチウム蓄電池10とスイッチ30それぞれの状態を検出するものである。センサ部40は、温度センサ、電流センサ、および、電圧センサを有する。センサ部40はリチウム蓄電池10の温度、電流、および、電圧を検出する。センサ部40はそれをリチウム蓄電池10の状態信号としてBMU50に出力する。またセンサ部40はスイッチ30の温度、電流、および、電圧を検出する。センサ部40はそれをスイッチ30の状態信号としてBMU50に出力する。センサ部40は検出部に相当する。
BMU50はセンサ部40の状態信号、および、上位ECU160からの指令信号の少なくとも一方に基づいてスイッチ30を制御する。BMUはbattery management unitの略である。
BMU50はセンサ部40の状態信号に基づいて、リチウム蓄電池10の充電状態(SOC)やスイッチ30の異常を判定する。SOCはstate of chargeの略である。BMU50はこれらSOCや異常を判定した信号(判定情報)を上位ECU160に出力する。
BMU50は、電源システム200の駆動状態の際において、上位ECU160からの指令信号に基づいてスイッチ30を制御する。すなわちBMU50は、回転電機130の駆動状態、および、鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10それぞれのSOCに基づいて第1スイッチ31と第2スイッチ32を開閉制御する。より詳しく言えば、電気負荷150の保護負荷152への供給電圧が閾値電圧を下回らないように、鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10それぞれが過充電若しくは過放電とならないように、BMU50は第1スイッチ31と第2スイッチ32を開閉制御する。なおBMU50は、第1スイッチ31と第3スイッチ33の一方を閉状態、他方を閉状態に制御する。
またBMU50はエンジン140が駆動状態の場合に第3スイッチ33を開状態に制御する。そしてエンジン140が停止して車両が駐停車している場合にBMU50は第3スイッチ33を閉状態に制御する。この際にBMU50は第1スイッチ31と第2スイッチ32それぞれを開状態に制御する。
バスバー60は銅などの導電材料から成る。バスバー60は複数の平板が一体的に連結された構造を有している。各平板の主面が互いに対向して並列している。各平板は主面に直交する側面から複数の接続端子が延びている。この接続端子の先端が配線基板20と接続される。またバスバー60の端部が第1外部接続端子100aや第2外部接続端子100bに接続される。
なおもちろんではあるが、バスバー60としては上記の構造に特に限定されない。例えば、バスバー60の端部が複数に分かれ、その分かれた端部が配線基板20と接続される構成を採用することもできる。またバスバー60の中央部が第1外部接続端子100aや第2外部接続端子100bに接続される構成を採用することもできる。
バスバー60は1枚の平板を屈曲加工することで製造してもよい。またバスバー60は複数の平板を溶接することで製造してもよい。さらに言えばバスバー60は鋳型に溶融状態の導電材料を流し込むことで製造してもよい。バスバー60の製造方法としては特に限定されない。なお当然ではあるが、バスバー60は配線基板20の配線パターンよりも耐電流性(通電電流に耐える性能)が高くなっている。
バスバー60は電源バスバー61と負荷バスバー62を有する。電源バスバー61は第1外部接続端子100aと配線基板20とを機械的および電気的に接続する。負荷バスバー62は第2外部接続端子100bと配線基板20とを機械的および電気的に接続する。
電源バスバー61は3つの接続端子を有する。これら3つの接続端子は互いに同電位になっている。電源バスバー61の有する3つの接続端子のうちの2つが配線基板20にろう接されている。残り1つの接続端子が第1外部配線201とともに第1外部接続端子100aにボルトによって機械的および電気的に接続されている。
負荷バスバー62は4つの接続端子を有する。これら4つの接続端子は互いに同電位になっている。負荷バスバー62の有する4つの接続端子のうちの3つが配線基板20にろう接されている。残り1つの接続端子が第2外部配線202とともに第2外部接続端子100bにボルトによって機械的および電気的に接続されている。
次に、電源システム200の非駆動時におけるBMU50の出力監視処理を説明する。BMU50は、電源システム200の駆動時において通常電力消費モードになっている。またBMU50は、電源システム200の非駆動時において、通常電力消費モードよりも消費電力の少ない低電力消費モードになっている。この低電力消費モードの際にBMU50はスイッチ30に制御信号を出力していない。そのために第1スイッチ31と第2スイッチ32は開状態、第3スイッチ33は閉状態になっている。これにより鉛蓄電池110は、電気負荷150、スタータモータ120、および、回転電機130それぞれと電気的に接続されている。
電気負荷150の中には、BMU50と同様にして低電力消費モードになっているものがある。この低電力消費モードの電気負荷150への電力供給が、鉛蓄電池110によって行われる。このように電源システム200の非駆動時において鉛蓄電池110は放電状態となっている。そのために鉛蓄電池110のSOCは徐々に低減している。BMU50はこの鉛蓄電池110のSOCの低減具合を検査するために、出力監視処理を定期的に実行している。以下においては、この電源システム200の非駆動時における鉛蓄電池110の放電状態を低放電状態と示す。
BMU50は、機能として、予測部51、演算部52、記憶部53、制御部54を有する。予測部51は、電源システム200の非駆動時において、鉛蓄電池110の出力の変化予測値(予測電圧)を算出する。演算部52は、鉛蓄電池110の出力の検出時における予測電圧と、検出された鉛蓄電池110の出力との減算を行うことで減算値を算出する。記憶部53は、減算値と比較するための閾値電圧を記憶している。制御部54は、減算値が閾値よりも大きい場合、電源システム200が非駆動状態から駆動状態になった際に、電気負荷の駆動を制限する。なお、ここに記載の電気負荷は、電源システム200の駆動時において電力の供給を必要とする負荷全般を指しており、具体的には、回転電機130や電気負荷150を示している。
またBMU50はタイマーを保有している。BMU50は低電力消費モードにおいて時間を計測している。そしてBMU50は、電気負荷150の駆動を制限するか否かを定める制限フラグを保有している。BMU50は通常電力消費モードから低消費電力モードに移行する際に、制限フラグをオフにセットする。以下、図2に基づいて、BMU50の出力監視処理を説明する。
図2に示すステップS10においてBMU50は、保有しているタイマーの示す計測時間が、記憶している所定時間を経過したか否かを判定する。計測時間が所定時間に満たないと判定すると、BMU50はステップS10を繰り返し、待機状態になる。これとは異なり、計測時間が所定時間を超えると、BMU50はステップS20へと進む。なお所定時間は1時間や30分などである。
ステップS20へ進むとBMU50はタイマーの計測時間をクリアする。そしてBMU50はステップS30へと進む。
ステップS30へ進むとBMU50は鉛蓄電池110の出力電圧を取得する。上記したように第3スイッチ33は閉状態になっている。そのために鉛蓄電池110の出力電圧は、電池パック100内の第1外部接続端子100a、電源バスバー61、第2電源端子24b、第2給電線22、第2負荷端子25b、負荷バスバー62、および、第2外部接続端子100bに印加される。BMU50は、センサ部40から第2給電線22の電圧を取得する。BMU50はこの第2給電線22の電圧を鉛蓄電池110の出力電圧とみなして取得する。この後にBMU50はステップS40へと進む。
ステップS40へ進むとBMU50は、後述の予測電圧と取得した鉛蓄電池110の出力電圧とを減算し、減算値を算出する。そしてBMU50は算出した減算値の絶対値が記憶している閾値電圧以下か否かを判定する。この閾値電圧は、鉛蓄電池110が低放電状態であるか否かを判定するためのものである。閾値電圧は、鉛蓄電池110が低放電状態において所定時間経過後に期待される出力電圧の変化量に、検出誤差を付与した値である。
BMU50は算出した絶対値が閾値電圧以下の場合、鉛蓄電池110は低放電状態であると判定し、ステップS50へと進む。これとは異なり、絶対値が閾値電圧よりも大きい場合、BMU50は、鉛蓄電池110は低放電状態ではないと判定し、ステップS60へと進む。
このように絶対値が閾値電圧よりも大きくなるのは、例えば以下に示す場合があり得る。鉛蓄電池110の電気的な接続が不安定になると、鉛蓄電池110のSOCの高い低いにかかわらずに、図3において破線矢印で示すように、検出される鉛蓄電池110の出力電圧(第2給電線22の電圧)は低下する。これにより絶対値が閾値電圧よりも大きくなる。この場合、鉛蓄電池110の電力供給能力は低下している。図3では、第1外部接続端子100aが短絡した場合の第2給電線22の電圧値(検出電圧値)の振る舞いを破線で示している。
また、外部電源が第1外部接続端子100aに電気的に接続されると、鉛蓄電池110のSOCの高い低いにかかわらずに、図3において一点鎖線矢印で示すように、検出電圧値は上昇する。これにより絶対値が閾値電圧よりも大きくなる。この場合、鉛蓄電池110の電力供給能力は不定である。図3では、第1外部接続端子100aに外部電源が継続的に接続された場合の検出電圧値の振る舞いを一点鎖線で示している。
以上に示したように、絶対値が閾値電圧よりも大きい場合、鉛蓄電池110の電力供給能力は低い、若しくは、不定である。そのためにBMU50は、絶対値が閾値電圧よりも大きい場合、鉛蓄電池110は低放電状態ではないと判定するとともに、鉛蓄電池110の電力供給能力の信頼性が低いと判定する。
ステップS40において鉛蓄電池110は低放電状態であると判定してステップS50へ進むと、BMU50はステップS30にて検出した電圧を用いて予測電圧を更新する。そしてBMU50は出力監視処理を終了する。この予測電圧は、センサ部40が所定時間経過毎に検出した複数の鉛蓄電池110の電圧に基づいて検出することができる。BMU50は、この複数の鉛蓄電池110の電圧に基づいて予測電圧を算出する。そしてBMU50は、次の所定時間経過後の出力監視処理のステップS40において、前の出力監視処理において算出しておいた予測電圧を用いる。
ステップS40において鉛蓄電池110は低放電状態ではなく、鉛蓄電池110の電力供給能力の信頼性が低いと判定してステップS60へ進むと、BMU50は制限フラグをオンにする。そしてステップS70へと進む。
ステップS70へ進むとBMU50は、鉛蓄電池110の状態は変化したために、これまでに算出した鉛蓄電池110の電圧は予測電圧の算出に不適であると判定し、予測電圧をクリアする。そしてBMU50は出力監視処理を終了する。
なお、BMU50は、上記のステップS10において計測時間が所定時間を超えたと判定すると、ステップS20の処理を実行するとともに、リチウム蓄電池10の均等化処理も並行して実行する。上記したようにリチウム蓄電池10は複数の直列接続された電池セルを有する。これら複数の電池セルの性能と特性は製品バラツキのために互いに異なる。そのために充放電を繰り返すと、複数の電池セルそれぞれのSOCが異なってくる。
電池セルは、性質上、過放電と過充電の発生を抑制しなくてはならない。過放電と過充電は、換言すれば、SOCの極端な低下と極端な上昇である。各電池セルのSOCがバラツクということは、各電池セルの過放電と過充電に至る度合いについてもバラツクということである。したがって、リチウム蓄電池10のSOCが過放電と過充電とにならないように精度良く制御するためには、リチウム蓄電池10を構成する複数の電池セルのSOCを均等化する必要がある。換言すれば、複数の電池セルそれぞれのSOCを、これらの総和平均である、リチウム蓄電池10のSOCと一致させる必要がある。このような要請があるために、BMU50はリチウム蓄電池10の均等化処理を実行する。本実施形態では、上記したように、リチウム蓄電池10の均等化処理と鉛蓄電池110の出力監視処理をBMU50は同時並行して行っている。
次に、電源システム200の駆動時におけるBMU50の制御選択処理を図4に基づいて説明する。
図4に示すステップS110においてBMU50は、イグニッションスイッチがオフ状態からオン状態になったか否かを判定する。イグニッションスイッチがオン状態になったと判定するとBMU50は、電源システム200が起動状態になったと判定し、ステップS120へと進む。この際にBMU50は低電力消費モードから通常電力消費モードに移行する。これとは異なりイグニッションスイッチがオフ状態のままの場合、BMU50は、電源システム200は非駆動状態のままであると判定し、ステップS110を繰り返す。
なお、低電力消費モードにおいてBMU50は、イグニッションスイッチのオン状態の判定を所定周期で繰り返し行っている。換言すれば、BMU50は図4に示すステップS110を所定周期で繰り返し行っている。この所定周期は、例えば500msや250msである。
ステップS120へ進むとBMU50は、制限フラグはオフか否かを判定する。制限フラグがオフの場合、BMU50は鉛蓄電池110の充電状態の信頼性が高いと判定し、ステップS130へと進む。これとは異なり、制限フラグがオンの場合、BMU50は鉛蓄電池110の充電状態の信頼性が低いと判定し、ステップS140へと進む。
ステップS130へ進むとBMU50は、通常制御を実行する。すなわちBMU50は電気負荷150の駆動制限を実施せずに、スイッチ切り換え制御を実行する。BMU50はスイッチの切り換え制御を、鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10のSOCに基づいて決定する。鉛蓄電池110のSOCがエンジン140を始動できるほどに高い場合、BMU50は、第1スイッチ31を閉状態、第2スイッチ32を開状態、第3スイッチ33を開状態にする。これにより鉛蓄電池110を、第1スイッチ31を介してスタータモータ120および回転電機130それぞれと電気的に接続する。この結果、鉛蓄電池110からの電力供給によってエンジン140の始動が開始可能となる。また、鉛蓄電池110のSOCが低下し、リチウム蓄電池10のSOCがエンジン140を始動できるほどに高い場合、BMU50は、第1スイッチ31を開状態、第2スイッチ32を閉状態、第3スイッチ33を開状態にする。これによりリチウム蓄電池10を、第2スイッチ32を介してスタータモータ120および回転電機130それぞれと電気的に接続する。この結果、リチウム蓄電池10からの電力供給によってエンジン140の始動が開始可能となる。ステップS130を実行すると、BMU50は制御選択処理を終了する。この後にBMU50は、上位ECU160からの制御指令に基づいて、スイッチ30の制御を実行する。
ステップS140へ進むとBMU50は、制限制御を実行する。すなわちBMU50は、回転電機130の駆動制限を実施する。具体的には、アイドルストップの禁止である。車両に搭乗しているユーザーへのアイドルストップ禁止の通知である。この禁止の通知としては、インストルメントパネルに搭載されたランプによる視覚を通じての通知でもよいし、オーディオによる聴覚を通じての通知でもよい。またBMU50は、保護負荷152よりも車両走行に関連の低い一般負荷151の駆動を制限する。具体的に言えば、BMU50は一般負荷151の駆動制限要求を上位ECU160に出力する。そしてBMU50はこの一般負荷151の駆動制限についてもユーザーに通知する。
この際にBMU50は、鉛蓄電池110の出力電圧を検出する。すなわちBMU50は、第2給電線22の電圧を検出する。この検出電圧が、鉛蓄電池110の上限出力電圧よりも高い場合、BMU50は外部電源が鉛蓄電池110に接続されていると判定する。この際にBMU50は、第1スイッチ31を閉状態、第2スイッチ32を開状態、第3スイッチ33を開状態にする。これにより外部電源を、第1スイッチ31を介してスタータモータ120および回転電機130それぞれと電気的に接続する。この結果、外部電源からの電力供給によってエンジン140の始動が開始可能となる。これとは異なり、検出電圧が鉛蓄電池110の上限出力電圧よりも低い場合、BMU50は鉛蓄電池110の電力供給能力の信頼性が低いために、リチウム蓄電池10をスタータモータ120および回転電機130それぞれと電気的に接続する。ただし、リチウム蓄電池10のSOCがエンジン140を始動できるほどに高くない場合、BMU50は、エンジン140を始動できないと判定する。この場合にBMU50は、第1スイッチ31、第2スイッチ32、および、第3スイッチ33それぞれの開状態の固定を行う。
次に、本実施形態の電池パック100の作用効果を説明する。上記したようにBMU50は、電源システム200の非駆動時において出力監視処理を実行して、制限フラグのオンオフ判定を行う。またBMU50は電源システム200の駆動時において、制限フラグのオンオフ判定に基づいて通常制御、若しくは、制限制御を実行する。これによれば、電源システムの駆動時に鉛蓄電池の充電状態を判定し、その判定に基づいて電気負荷の駆動を制限する構成と比べて、電気負荷の要求する電力を鉛蓄電池110によって供給できなくなることが抑制される。また、鉛蓄電池110の過放電が抑制される。なお、ここに記載の電気負荷は、具体的には、回転電機130や電気負荷150を示している。
電源システム200の駆動時においてBMU50は、上位ECU160からの指令信号に基づかないで、エンジン140の始動を行うためのスイッチ30の切り換え制御を行なっている。これにより、早くエンジン140の始動を行うことができる。
リチウム蓄電池10の均等化処理と鉛蓄電池110の出力監視処理をBMU50は同時並行して行っている。これによれば、均等化処理と出力監視処理を別々に行う構成と比べて、BMU50の消費電力を抑えることができる。
第1スイッチ31と第2スイッチ32は制御信号の非入力の場合に開状態、制御信号の入力の場合に閉状態になる。第3スイッチ33は制御信号の非入力の場合に閉状態、制御信号の入力の場合に開状態になる。これによれば、低電力消費モード時においてBMU50は、スイッチ30に制御信号を出力しなくともよくなる。そのため、BMU50の制御信号の出力による電力消費を抑えることができる。
鉛蓄電池110は電池パック100の第1外部接続端子100aに第1外部配線201を介して電気的に接続されている。電気負荷150、スタータモータ120、および、回転電機130それぞれは電池パック100の第2外部接続端子100bに第2外部配線202を介して電気的に接続されている。このように鉛蓄電池110と、電気負荷150、スタータモータ120、および、回転電機130それぞれとは、電池パック100を介して電気的に接続されている。このため、鉛蓄電池110から電気負荷150やスタータモータ120および回転電機130に供給される電力が電池パック100を流れる。そのために鉛蓄電池110の電力(出力)を電池パック100にて検出することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
(第1の変形例)
本実施形態では、BMU50は出力監視処理において鉛蓄電池110に対応する制限フラグのオンオフ判定を行う例を示した。しかしながら出力監視処理においてBMU50は、鉛蓄電池110に対応する制限フラグのオンオフ判定だけではなく、リチウム蓄電池10に対応する制限フラグのオンオフ判定を行ってもよい。
(第2の変形例)
さらに言えば、出力監視処理においてBMU50は、鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10を合わせた総蓄電池に対応する制限フラグのオンオフ判定も行ってもよい。
(第3の変形例)
本実施形態では、鉛蓄電池110が第1外部配線201を介して電池パック100と接続され、スタータモータ120、回転電機130、および、電気負荷150それぞれが第2外部配線202を介して電池パック100と接続される例を示した。しかしながら、第1外部配線201と第2外部配線202のいずれに、上記の鉛蓄電池110、スタータモータ120、回転電機130、および、電気負荷150が接続されてもよい。電源システム200の非駆動時において、鉛蓄電池110から供給される電力が、電池パック100を介して他の電気機器に供給される構成であれば、適宜採用することができる。
(第4の変形例)
本実施形態では電池パック100に鉛蓄電池110が接続され、電池パック100がリチウム蓄電池10を有する例を示した。しかしながら電池パック100に対する鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10の包含関係は上記例に限定されない。電池パック100は鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10の少なくとも一方を有する構成を採用することができる。若しくは、電池パック100が鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10それぞれを有さない構成を採用することもできる。この場合、電池パック100に鉛蓄電池110とリチウム蓄電池10それぞれが電気的に接続される。
(第5の変形例)
本実施形態では電源システム200を搭載する車両がアイドルストップ機能を有する例を示した。しかしながら電源システム200を搭載する車両としては上記例に限定されない。例えばハイブリッド自動車や電気自動車を採用することができる。この場合、本実施形態で示したスタータモータ120や回転電機130は、モータジェネレータに代わる。
(第6の変形例)
センサ部40は、温度センサ、電流センサ、および、電圧センサを有する例を示した。しかしながらセンサ部40は他のセンサを有してもよい。例えばセンサ部40は電池パック100の水没を検出するための水没センサを有してもよい。この水没センサは対向電極によって構成されるコンデンサを有する。対向電極間に水があると、コンデンサの誘電率(静電容量)が変化する。BMU50はこの水没センサの静電容量の変化が所定時間継続されるか否かに基づいて、電池パック100の水没を検出する。なお水没センサは配線基板20よりも筐体の底部側に設けられる。
(第7の変形例)
本実施形態では第1スイッチ31と第2スイッチ32は半導体スイッチである例を示した。しかしながら閉から開、開から閉へのスイッチの状態切換の速さが、停車からエンジン駆動への切り換えなどの車両状態の切り換えなどに対応できるのであれば、第1スイッチ31と第2スイッチ32としては例えばメカニカルリレーを用いてもよい。
本実施形態では第1スイッチ31と第2スイッチ32がMOSFETである例を示した。しかしながら第1スイッチ31と第2スイッチ32として半導体スイッチで構成する場合、上記例に限定されない。例えば半導体スイッチとしてはIGBTを採用することもできる。
本実施形態では第1スイッチ31と第2スイッチ32がNチャネル型MOSFETである例を示した。しかしながら第1スイッチ31と第2スイッチ32としてはPチャネル型MOSFETを採用することもできる。
本実施形態では第1スイッチ31と第2スイッチ32が2つのMOSFETが直列接続されてなる開閉部を少なくとも1つ有する例を示した。しかしながら第1スイッチ31と第2スイッチ32としては上記例に限定されない。例えば第1スイッチ31と第2スイッチ32は1つのMOSFETを有してもよい。若しくは、第1スイッチ31と第2スイッチ32は複数の並列接続されたMOSFETを有してもよい。
本実施形態では開閉部が2つのMOSFETのソース電極同士が連結されてなる例を示した。しかしながら開閉部は2つのMOSFETのドレイン電極同士が連結されてなってもよい。
本実施形態では開閉部の有する2つのMOSFETのゲート電極が電気的に独立している例を示した。しかしながら2つのMOSFETのゲート電極が同電位の構成を採用することもできる。
本実施形態では開閉部の有する2つのMOSFETの寄生ダイオードのアノード電極同士が互いに連結されている例を示した。しかしながら寄生ダイオードのカソード電極同士が互いに連結された構成を採用することもできる。
なお、開閉部をIGBTで構成する場合、これら2つのIGBTそれぞれにダイオードが並列接続されるとよい。この場合、2つのダイオードのカソード電極同士、若しくは、アノード電極同士が互いに接続されているとよい。
本実施形態では第1スイッチ31と第2スイッチ32それぞれが開閉部を複数有する例を示した。しかしながら第1スイッチ31と第2スイッチ32の少なくとも一方が開閉部を1つ有する構成を採用することもできる。
本実施形態では並列接続された複数の開閉部それぞれのソース電極が互いに電気的に接続されている例を示した。しかしながら複数の開閉部それぞれのソース電極同士は互いに電気的に接続されていなくともよい。また、複数の開閉部の一部のソース電極同士が互いに電気的に接続されていてもよい。
本実施形態では第3スイッチ33がメカニカルリレーである例を示した。しかしながら第3スイッチ33としては上記例に限定されない。第3スイッチ33としては半導体スイッチを採用することもできる。
(その他の変形例)
本実施形態では、出力監視処理において、鉛蓄電池110の電圧値に基づいて鉛蓄電池110の電力供給能力を判定する例を示した。しかしながら鉛蓄電池110の電流値に基づいて鉛蓄電池110の電力供給能力を判定してもよい。
10…リチウム蓄電池、40…センサ部、50…BMU、51…予測部、52…演算部、53…記憶部、54…制御部、100…電池パック、110…鉛蓄電池、120…スタータモータ、130…回転電機、140…エンジン、150…電気負荷、160…上位ECU、200…電源システム

Claims (5)

  1. 蓄電池(110,10)、および、前記蓄電池からの電力供給によって駆動する電気負荷(130,150)を備える電源システム(200)に設けられる電池パックであって、
    前記蓄電池の出力を検出する検出部(40)と、
    前記電源システムの非駆動時において、前記蓄電池の出力の変化予測値を算出する予測部(50,51)と、
    前記蓄電池の出力の検出時における前記変化予測値と、検出された前記蓄電池の出力との減算を行うことで減算値を算出する演算部(50,52)と、
    前記減算値と比較するための閾値を記憶する記憶部(50,53)と、
    前記減算値が前記閾値よりも大きい場合、前記電源システムが非駆動状態から駆動状態になった際に、前記電気負荷の駆動を制限する制御部(50,54)と、を有する電池パック。
  2. 前記検出部は、前記電源システムの非駆動時において定期的に前記蓄電池の出力を検出しており、
    前記予測部は、前記電源システムの非駆動時において前記検出部によって定期的に検出される前記蓄電池の出力に基づいて、前記変化予測値を算出する請求項1に記載の電池パック。
  3. アイドルストップ機能を有する車両に搭載されており、
    前記電気負荷は、前記アイドルストップ機能によって停止した前記車両の内燃機関(140)を再始動するための回転電機(130)を含む請求項1または請求項2に記載の電池パック。
  4. 前記制御部は、前記回転電機による前記内燃機関の再始動を禁止することで、前記電気負荷の駆動を制限する請求項3に記載の電池パック。
  5. 前記変化予測値の算出に用いられる前記蓄電池の出力は、前記蓄電池の電圧値および電流値の少なくとも一方である請求項1〜4いずれか1項に記載の電池パック。
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